JP2004292183A - 原燃料改質用水蒸気生成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】伝熱板40の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室2が伝熱板40の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、伝熱板40の他側面側に、加熱用流体が通流して蒸発室2を加熱する加熱室11が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置であって、
蒸発室2内における水の突沸を抑制するように、蒸発室2における厚さ方向の寸法が設定され且つ蒸発室2に充填材Fが充填されている。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
かかる原燃料改質用水蒸気生成装置は、炭化水素系の原燃料を水蒸気にて水素含有ガスに改質する改質装置に改質用として供給する水蒸気を生成するものであり、図8に示すように、加熱室11に燃焼排ガス等の加熱用流体を通流させて、通流する加熱用流体にて伝熱板40を介して蒸発室2を加熱することにより、蒸発室2に供給される水を蒸発させ、蒸発させた水蒸気を蒸発室2から排出して、改質装置(図示省略)に供給するようになっている。
そして、この原燃料改質用水蒸気生成装置は、蒸発室2を伝熱板40の厚さ方向の厚さが薄い扁平状に設けて、伝熱板40の板面方向が上下方向に向く縦姿勢で設置して、伝熱板40を介して蒸発室2内の水を効率良く加熱して、効率良く水蒸気を生成するようになっている。
【0003】
このような原燃料改質用水蒸気生成装置では、従来、図8に示すように、蒸発室2を伝熱板40の厚さ方向に薄い扁平状にしながらも、その蒸発室2の扁平の程度が小さかった。又、蒸発室2に伝熱促進用の充填材Fとしてステンレスウール47を充填していた。(例えば、特許文献1参照。)。
蒸発室2の扁平の程度を小さくするに当たっては、例えば、伝熱板厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ200mm程度とすると、蒸発室2内の奥行き方向の寸法は10mm程度に設定していた。
又、蒸発室2に伝熱促進用の充填材Fとしてステンレスウール46を充填するに当たっては、その充填率(蒸発室の容積に対する充填材Fの体積の比率)は、例えば、0.03〜0.2%程度に小さく設定していた。図8中の47は、加熱室11に充填したステンレスウールである。
【0004】
【特許文献1】
特開2000‐178003号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、蒸発室内において水の突沸が起こり易く、水蒸気を安定して生成することができないという問題があった。
蒸発室内において水の突沸が起こり易い原因は、蒸発室を伝熱板厚さ方向の厚さが薄い扁平状にしながらも、その蒸発室の伝熱板厚さ方向での厚さを比較的厚くしていて、蒸発室における保有水量が多くなっていたため、水が沸点よりも高い温度に加熱されても沸騰しにくい状態が起こり易く、水位が変化して水が伝熱板における温度の高い場所に接触すると突発的に沸騰して、突沸が起こるものと考えられる。
蒸発室には充填材としてステンレスウールを充填しているが、その充填率が小さいため、突沸を抑制することが可能になる程度にまで保有水量を低減するには至っていないものと考えられる。
【0006】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水蒸気の生成を安定化し得る原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
〔請求項1記載の発明〕
請求項1に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられたものであって、
前記蒸発室が、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成されている点を特徴構成とする。
即ち、蒸発室の保有水量が水の突沸を抑制する水量になっているので、蒸発室において、水は突沸が抑制されながら蒸発して、その蒸発した水蒸気が蒸発室から排出される。
つまり、蒸発室の保有水量をその蒸発室内の水が沸点に加熱されると速やかに蒸発し易いような水量に設定することにより、水が沸点よりも高い温度に加熱されても沸騰しないような状態が起こり難いようにして、水の突沸を抑制することができるのである。
ちなみに、蒸発室における伝熱板厚さ方向での寸法を短くして扁平の程度を大きくしたり、蒸発室に充填する充填材の充填率を多くすることにより、蒸発室の保有水量を水の突沸を抑制する水量になるように少なくする。
又、蒸発室の保有水量が少なくなっているので、改質装置における原燃料の改質量が増大する負荷増大には、蒸発室の保有水量が少なくなっている分、短時間で水蒸気生成量を増加させることが可能となるので、負荷増大時の応答性が向上する。
従って、水蒸気の生成を安定化することができ、しかも、負荷増大時の応答性を向上することができる原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することができるようになった。
【0008】
〔請求項2記載の発明〕
請求項2に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられたものであって、
前記蒸発室が、水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路にて水を流動させるように構成されている点を特徴構成とする。
即ち、蒸発室内において突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路を通して水を流動させながら、蒸発室を加熱するので、突沸抑制用流路を流動する水は沸点に加熱されると速やかに蒸発して、その蒸発した水蒸気が蒸発室から排出される。
つまり、細い突沸抑制用流路を通して水を流動させながら加熱することから、細い突沸抑制用流路を流動する水の流量が少ないので、細い突沸抑制用流路を流動する水は速やかに加熱されて、沸点にまで加熱されると速やかに蒸発し易くなって、水が沸点よりも高い温度に加熱されても沸騰しないような状態が起こり難くなり、水の突沸を抑制することができる。
従って、水蒸気の生成を安定化し得る原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することができるようになった。
【0009】
〔請求項3記載の発明〕
請求項3に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられたものであって、
前記蒸発室に、充填材が水の突沸を抑制するように充填されている点を特徴構成とする。
即ち、蒸発室に充填材が水の突沸を抑制するように充填されているので、蒸発室において、水は突沸が抑制されながら蒸発して、その蒸発した水蒸気が蒸発室から排出される。
つまり、蒸発室の保有水量をその蒸発室内の水が沸点に加熱されると速やかに蒸発し易いような水量にするように、蒸発室に充填材を充填したり、あるいは、蒸発室内に水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路を形成するように、蒸発室に充填材を充填したりして、蒸発室において水の突沸を抑制しながら供給される水を蒸発させて排出させるようにすることが可能になるのである。
又、蒸発室に充填されている充填材の伝熱作用により、蒸発室内における温度分布が均等化されて、局部的な高温域の発生が抑制されるので、このことによっても突沸が抑制されることになる。
従って、水蒸気の生成を安定化し得る原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することができるようになった。
【0010】
〔請求項4記載の発明〕
請求項4に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、請求項3において、前記蒸発室に対する前記充填材の充填率が水の突沸を抑制する充填率に設定されて、前記充填材が水の突沸を抑制するように前記蒸発室に充填されている点を特徴構成とする。
即ち、蒸発室に充填材がその蒸発室に対する充填率が水の突沸を抑制する充填率になるように充填されているので、蒸発室において、水は突沸が抑制されながら蒸発して、その蒸発した水蒸気が蒸発室から排出される。
つまり、蒸発室の保有水量をその蒸発室内の水が沸点に加熱されると速やかに蒸発し易いような水量にすると、水が沸点よりも高い温度に加熱されても沸騰しないような状態が起こり難いようにして、突沸を抑制することが可能になることから、蒸発室の保有水量を水の突沸を抑制することができる水量に規制する充填率にて、充填材を蒸発室に充填するのである。
そして、そのように、蒸発室の保有水量を水の突沸を抑制することができる水量に規制する充填率にて、充填材を蒸発室に充填すると、水の突沸を抑制することができると共に、蒸発室の保有水量が少なくなっている分、短時間で水蒸気生成量を増加させることが可能となるので、改質装置における原燃料の改質量が増大する負荷増大時の応答性を向上することが可能になる。
従って、水蒸気の生成を安定化することができ、しかも、負荷増大時の応答性を向上することができるようなった。
【0011】
〔請求項5記載の発明〕
請求項5に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられたものであって、
前記蒸発室内における水の突沸を抑制するように、前記蒸発室における前記厚さ方向の寸法が設定され且つ前記蒸発室に充填材が充填されている点を特徴構成とする。
即ち、蒸発室内における水の突沸を抑制するように、蒸発室における伝熱板厚さ方向の寸法が設定され且つ蒸発室に充填材が充填されているので、蒸発室において、水は突沸が抑制されながら蒸発して、その蒸発した水蒸気が蒸発室から排出される。
つまり、蒸発室の保有水量がその蒸発室内の水が沸点に加熱されると速やかに蒸発し易いような水量に規制され、しかも、蒸発室内に水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路が形成されるように、蒸発室における伝熱板厚さ方向の寸法を設定し、且つ、蒸発室に充填材を充填するようにする。
すると、蒸発室の保有水量が水の突沸を抑制する水量に規制されることにより、蒸発室内の水が沸点に加熱されると速やかに蒸発し易くなって、水の突沸を抑制することができ、しかも、細い突沸抑制用流路を通して水を流動させながら加熱することから、細い突沸抑制用流路を流動する水は沸点にまで加熱されると速やかに蒸発し易くなって、水の突沸を抑制することができるので、一段と効果的に水の突沸を抑制することができるのである。
又、蒸発室に充填されている充填材の伝熱作用により、蒸発室内における温度分布が均等化されて、局部的な高温域の発生が抑制されるので、このことによっても突沸が抑制されることになる。
又、蒸発室の保有水量が少なくなっているので、改質装置における原燃料の改質量が増大する負荷増大には、蒸発室の保有水量が少なくなっている分、短時間で水蒸気生成量を増加させることが可能となるので、負荷増大時の応答性が向上する。
従って、水蒸気の生成を安定化することができ、しかも、負荷増大時の応答性を向上することができる原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することができるようになった。
【0012】
〔請求項6記載の発明〕
請求項6に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、請求項5において、前記充填材として、多数の球状体が前記蒸発室に充填されている点を特徴構成とする。
即ち、多数の球状体が蒸発室に充填されているので、多数の球状体により、蒸発室の全域又は略全域にわたって均等に細い突沸抑制用流路が形成される。
そして、細い突沸抑制用流路が蒸発室の全域又は略全域にわたって均等に形成されることから、効率良く水を加熱して蒸発させることが可能になる。
従って、水蒸気の生成効率を向上することができるようになった。
【0013】
〔請求項7記載の発明〕
請求項7に記載の原燃料改質用水蒸気生成装置は、伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられたものであって、
前記蒸発室の背圧を水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段が設けられている点を特徴構成とする。
即ち、背圧維持手段により蒸発室の背圧が水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持されているので、蒸発室において、水は突沸が抑制されながら蒸発して、その蒸発した水蒸気が蒸発室から排出される。
つまり、蒸発室内における水の蒸発量が増加する傾向になっても、背圧維持手段により蒸発室の背圧が突沸抑制用圧力に維持されていて、水の蒸発が規制されるので、突沸が抑制される。
従って、水蒸気の生成を安定化し得る原燃料改質用水蒸気生成装置を提供することができるようになった。
【0014】
【発明の実施の形態】
〔第1実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第1実施形態を説明する。
図1及び図2に示すように、原燃料改質用水蒸気生成装置Sは、伝熱板40の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室2を伝熱板40の厚さ方向に薄い扁平状に設け、伝熱板40の他側面側に、加熱用流体が通流して蒸発室2を加熱する加熱室11を同じく伝熱板40の厚さ方向に薄い扁平状に設けて構成してある。
そして、原燃料改質用水蒸気生成装置Sは、伝熱板40の板面方向が上下方向に向く縦姿勢で設置するようになっている。
【0015】
説明を加えると、原燃料改質用水蒸気生成装置Sは、矩形の伝熱板40にて仕切られた二つの矩形板状の扁平な室を備えるように形成した矩形板状の扁平な双室具備容器Bdを用いて構成し、二室のうちの一方を蒸発室2として用い、他方を加熱室11として用いている
双室具備容器Bdは、矩形平板状の伝熱板40の両側に一対の皿状容器形成部材41を振分け配置した状態で、周縁部をシーム溶接にて接続して、内部に二つの扁平な室を区画形成するように形成する。
更に、各皿状容器形成部材41の上部及び下部のそれぞれには、流体供給用あるいは排出用のノズル44を室内に連通する状態で接続してある。
【0016】
前記伝熱板40は、ステンレス等の耐熱金属を用いて形成し、一対の皿状容器形成部材41は、周縁部を接続代として中央部が膨出する皿状に、ステンレス等の耐熱金属製の板材をプレス成形して形成してあるが、蒸発室2を形成する方の皿状容器形成部材41は、皿の底部分は上下の両端部を残してその間の部分を前記接続代とする周縁部側に膨出させた上げ底状になるようにプレス成形してある。
【0017】
そして、蒸発室2を形成する方の皿状容器形成部材41を伝熱板40に溶接するときは、伝熱板40と皿状容器形成部材41との間における皿状容器形成部材41の上げ底部分の下端縁に沿わせて多孔状の受け板45を配置し、その受け板45の上部側になる部分には伝熱促進用の充填材Fとして多数の球状体46を充填した状態で溶接し、加熱室11を形成する方の皿状容器形成部材41を伝熱板40に溶接するときは、伝熱板40と皿状容器形成部材41との間の下部側に多孔状の受け板45を配置し、その受け板45の上部側になる部分には伝熱促進用のステンレスウール47を充填した状態で溶接する。
【0018】
伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2及び加熱室11それぞれの室内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ200mmとすると、蒸発室2内の奥行き方向の寸法、即ち、伝熱板40と皿状容器形成部材41の上げ底状部分との間隔は2mmに設定し、加熱室11内の奥行き方向の寸法、即ち、伝熱板40と皿状容器形成部材41の底部との間隔は10mmに設定してある。
そして、蒸発室2内における伝熱板40と皿状容器形成部材41の上げ底状部分との間における受け板45の上部には、直径が2mmの多数の球状体46を、互いに接触させ且つ伝熱板40及び皿状容器形成部材41に接触させて、伝熱板40の板面に沿って並ぶ状態で充填してある。球状体46は、伝熱性に優れたセラミック(アルミナ等)又は、ステンレス等にて形成する。
【0019】
蒸発室2の下部のノズル44には、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路25を接続し、上部のノズル44には、蒸発室2内にて生成された水蒸気を排出させる水蒸気路26を接続し、一方、加熱室11の上部のノズル44には、加熱用流体として、後述する改質処理室3(図3参照)を加熱する燃焼部4(図3参照)から排出された燃焼ガスを通流させる燃焼ガス路27の上流側を接続し、下部のノズル44には前記燃焼ガス路27の下流側を接続してある。
水蒸気路26には、蒸発室2の背圧をその蒸発室2内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段としてオリフィス48を設けてある。
そして、加熱室11内を上部から下部に向けて燃焼ガスを通流させて、そのように通流する燃焼ガスにより伝熱板40を介して蒸発室2を加熱して、原料水供給路25を通じて蒸発室内2にその下部から供給される水を加熱して蒸発させて、その蒸発した水蒸気を上部から水蒸気路26を通じて排出させるようになっている。
【0020】
本願発明の発明者らは、蒸発室2内における水の突沸を抑制すべく鋭意研究し、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ200mmとした場合に、蒸発室2内の奥行き方向の寸法を2mmに設定し、蒸発室2内の略全域にわたって、直径が2mmの多数の球状体46を充填すると、蒸発室2内における水の突沸を抑制することができることを見出した。
つまり、上述のように蒸発室2における伝熱板40の厚さ方向の寸法を設定し且つ蒸発室2に球状体46を充填すると、球状体46の充填率が蒸発室2の保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように規制する充填率となり、しかも、蒸発室2内に水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路49が形成されて、その多数の細い突沸抑制用流路49を通じて水を流動させて水を蒸発させることになり、水の突沸を抑制することができるのである。前記突沸抑制用流路49は、球状体46同士の間、伝熱板40と球状体46との間、皿状容器形成部材41と球状体46との間等の隙間により形成される。
更に、蒸発室2内における水の蒸発量が増加する傾向になっても、オリフィス48により、蒸発室2の背圧がその蒸発室2内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持されていて、水の蒸発が抑制されるので、突沸が抑制される。ちなみに、突沸抑制用圧力としては、例えば、5〜60kPaの範囲に設定する。
【0021】
つまり、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ200mmとした場合に、蒸発室2内の奥行き方向の寸法を2mmに設定し、蒸発室2内の略全域にわたって、直径が2mmの多数の球状体46を充填することにより、蒸発室2が、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成されることになる。
又、同様に、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ200mmとした場合に、蒸発室2内の奥行き方向の寸法を2mmに設定し、蒸発室2内の略全域にわたって、直径が2mmの多数の球状体46を充填することにより、蒸発室2が、水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路49にて水を流動させるように構成さることになる。
又、同様に、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ200mmとした場合に、蒸発室2内の奥行き方向の寸法を2mmに設定し、蒸発室2内の略全域にわたって、直径が2mmの多数の球状体46を充填することにより、蒸発室2に対する充填材Fの充填率が水の突沸を抑制する充填率に設定されて、充填材Fが水の突沸を抑制するように蒸発室2に充填されることになる。水の突沸を抑制することが可能となる蒸発室2に対する充填材Fの充填率としては、30〜80%の範囲が好ましく、50〜70%の範囲が更に好ましい。
【0022】
上記の説明から分かるように、第1実施形態においては、請求項1〜7の各発明が記載されている。
【0023】
次に、上述の原燃料改質用水蒸気生成装置Sを備えた水素含有ガス生成装置について説明する。
図3に示すように、水素含有ガス生成装置は、原燃料改質用水蒸気生成装置Sに加えて、天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部1と、その脱硫部1にて脱硫された原燃料ガスを原燃料改質用水蒸気生成装置Sにて生成された水蒸気にて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質処理室3と、その改質処理室3を改質処理可能なように加熱する燃焼室4と、改質処理室3から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する変成部5と、その変成部5から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化する選択酸化部6とを備えて、一酸化炭素ガス濃度の低い(例えば10ppm以下)水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成してある。そして、この水素含有ガス生成装置にて生成された水素含有ガスは、例えば、各種の燃料電池Gにて発電用として用いられる。ちなみに、改質処理室3とその改質処理室3を改質処理可能なように加熱する燃焼室4とにより、改質装置が構成される。
【0024】
更に、水素含有ガス生成装置には、改質処理室3から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、改質処理室3を保温する保温用通流部7と、脱硫部1からの脱硫原燃料ガスと改質処理室3からの高温の改質処理ガスとを熱交換させて、改質処理室3に供給される脱硫原燃料ガスを予熱する脱硫原燃料ガス用熱交換器Epと、改質処理室3からの高温の改質処理ガスと脱硫部1に供給される原燃料ガスとを熱交換させて原燃料ガスを予熱する原燃料ガス用熱交換器Eaと、変成部5を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部8と、同じく、変成部6を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部9と、変成部5及び選択酸化部6を冷却する冷却用ファン10とを設けてある。
【0025】
脱硫原燃料ガス用熱交換器Epは、保温用通流部7から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部12と、改質処理室3に供給する脱硫原燃料ガスを通流させる脱硫原燃料ガス通流部13とを熱交換自在に設けて構成し、原燃料ガス用熱交換器Eaは、上流側改質処理ガス通流部12から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部15と、脱硫部1に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部16とを熱交換自在に設けて構成してある。
【0026】
水素含有ガス生成装置は、矩形板状の扁平な容器Bの複数を板状形状の厚さ方向に並べて設けて、各容器Bを用いて、原燃料改質用水蒸気生成装置S、脱硫部1、改質処理室3、燃焼室4、変成部5、選択酸化部6、各通流部等をそれぞれ構成してある。
複数の容器Bのうちの一部は、一つの扁平な室を備えるように形成した単室具備容器Bmにて構成し、残りは、上述した原燃料改質用水蒸気生成装置Sを構成するのと同様の双室具備容器Bdにて構成してある。
【0027】
本実施形態においては、9個の双室具備容器Bdと、1個の単室具備容器Bmを、側面視において左端から3個目に単室具備容器Bmを位置させた状態で、横方向に厚さ方向に並べて設けて、コンパクトに形成してある。尚、9個の双室具備容器Bdと1個の単室具備容器Bmとを並べるに当たっては、伝熱させる必要のあるもの同士は密着させた状態で、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間には伝熱量調節用の断熱材19を介在させた状態で並べてある。
9個の双室具備容器Bdの区別が明確になるように、便宜上、双室具備容器を示す符号Bdの後に、左からの並び順を示す符号1,2,3……………9を付す。
【0028】
左端の双室具備容器Bd1を用いて、上述のように原燃料改質用水蒸気生成装置Sを構成してある。
左から2個目の双室具備容器Bd2の左側の室を備えた部分を用いて、燃焼室4を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、改質処理室3を構成してある。
単室具備容器Bmを用いて、保温用通流部7を構成してある。
左から3個目の双室具備容器Bd3の左側の室を備えた部分を用いて、上流側改質処理ガス通流部12を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、脱硫原燃料ガス通流部13を構成してある。
左から4個目の双室具備容器Bd4を用いて、脱硫部1を構成し、左から5個目の双室具備容器Bd5の左側の室を備えた部分を用いて、脱硫部1を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部16を構成してある。
左から6個目の双室具備容器Bd6の左側の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部15を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成部5を構成してある。
左から7個目の双室具備容器Bd7の左側の室を備えた部分を用いて、変成部5を構成し、右側の室を備えた部分を用いて変成部冷却用通流部8を構成してある。
左から8個目の双室具備容器Bd8を用いて、変成部5を構成し、左から9個目(右端)の双室具備容器Bd9の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部9を構成し、右側の室を備えた部分を用いて選択酸化部6を構成してある。
【0029】
つまり、最も高温となる燃焼室4及び改質処理室3を構成する双室具備容器Bd2の一方側に、その双室具備容器Bd2の側から、保温用通流部7を構成する単室具備容器Bm、断熱材19、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epを構成する双室具備容器Bd3、断熱材19、脱硫部1を構成する双室具備容器Bd4、脱硫部1及び原燃料ガス通流部16を構成する双室具備容器Bd5、下流側改質処理ガス通流部15及び変成部5を構成する双室具備容器Bd6、変成部5及び変成部冷却用通流部8を構成する双室具備容器Bd7、変成部5を構成する双室具備容器Bd8、変成部冷却用通流部9及び選択酸化部6を構成する双室具備容器Bd9を記載順に並ぶように互いに密接配置して設け、双室具備容器Bd2の他方側に、その双室具備容器Bd2の側から、断熱材19、原燃料改質用水蒸気生成装置Sを構成する双室具備容器Bd1を記載順に並ぶように密接配置して設けてある。
【0030】
図3において、白抜き矢印にて示すように、原燃料ガス供給路21を原燃料ガス用熱交換器Eaの原燃料ガス通流部16に接続し、並びに、原燃料ガス通流部16、脱硫部1、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epの脱硫原燃料ガス通流部13、改質処理室3、保温用通流部7、脱硫原燃料ガス用熱交換器Epの上流側改質処理ガス通流部12、原燃料ガス用熱交換器Eaの下流側改質処理ガス通流部15、変成部5、選択酸化部6の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路22にて接続してある。
【0031】
選択酸化部6から排出された選択酸化処理ガスを燃料ガスとして燃料電池Gに供給するように、選択酸化部6と燃料電池Gとを燃料ガス路23にて接続し、燃料電池Gから排出された排燃料ガスをガス燃料として燃焼室4のガスバーナ4bに供給すべく、燃料電池Gとガスバーナ4bとを燃料供給路24にて接続してある。
【0032】
図3において、実線矢印にて示すように、原料水ポンプ14から水蒸気生成用の原料水が送られる原料水供給路25を原燃料改質用水蒸気生成装置Sの蒸発室2に接続し、蒸発室2にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路26を、脱硫部1と被改質ガス通流部13とを接続するガス処理用流路22に接続して、ガス処理用流路22を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気を混合させるように構成してある。上述したように、水蒸気路26には、蒸発室2の背圧をその蒸発室2内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持するオリフィス48を設けてある。
【0033】
図3において、破線矢印にて示すように、燃焼室4から排出された燃焼ガスを、原燃料改質用水蒸気生成装置Sの加熱室11、変成部冷却用通流部8の順に流すように、それら燃焼室4、加熱室11、変成部冷却用通流部8を燃焼ガス路27にて接続して、加熱室11においては、燃焼ガスによって蒸発室2を加熱し、変成部冷却用通流部8においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成部5を冷却するように構成してある。
【0034】
図3において、一点鎖線矢印にて示すように、ブロア28からの空気を燃焼用空気として、ガスバーナ4bに供給するように、ブロア28とガスバーナ4bとを燃焼用空気路29にて接続してある。尚、図示は省略するが、ブロア28からの空気を変成部冷却用通流部9を通流させてからガスバーナ4bに供給する変成部冷却用空気路も設けてあり、変成部5の冷却能力が不足するとき、例えば、夏期の高気温時には、その変成部冷却用空気路を通じて、燃焼用空気をガスバーナ4bに供給するように切り換え可能なように構成してある。
【0035】
又、変成部冷却用通流部8から燃焼ガス路27を通じて排出された燃焼ガスと、燃焼用空気路29を通じて燃焼室4に供給する燃焼用空気及び燃料供給路24を通じてガスバーナ4bに供給するオフガスとを熱交換させて、燃焼用空気及びオフガスを予熱する排熱回収用熱交換器31を設けてある。
又、原料水供給路25を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器17を設けると共に、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ30を、その原料水予熱用熱交換器17よりも下流側の箇所に設けて、変成処理ガスと原料水とを熱交換させて、原料水を予熱すると共に、変成処理ガスを冷却するようにしてある。
【0036】
次に、本願発明の原燃料改質用水蒸気生成装置により突沸を抑制できる点を検証した結果を説明する。
先ず、蒸発器2内の圧力の変動を計測した結果を説明する。
図4は、上記の第1実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置をオリフィス48を取り外した状態で運転したときの蒸発室2内の圧力の時間経過に伴う変動を示し、図5は、図8に示す従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置を運転したときの蒸発室2内の圧力の時間経過に伴う変動を示す。
図5に示すように、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置では、蒸発室2内の圧力の変動範囲が3.5kPa程度の範囲になるのに対して、図4に示すように、第1実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置によれば、オリフィス48を取り外した状態で運転しても、蒸発室2内の圧力の変動範囲が1kPa程度の範囲内に止まり、突沸を抑制することが可能になることが分かる。ちなみに、図5において特異的に圧力が高くなっているときに突沸が起こっている。
【0037】
次に、改質処理室3から排出される改質ガス中のメタンガス濃度を測定して、突沸の発生状態を検証した結果を説明する。つまり、蒸発室2において突沸が発生すると、改質処理室3への水蒸気の供給が異常になって改質ガス中のメタンガス濃度が高くなるので、突沸の発生状態を検証することができる。
図6において、太線は、第1実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給するとき、細線は、図8に示す従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給するときそれぞれの改質ガス中のメタンガス濃度の時間経過に伴う変動を示す。
【0038】
従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的に改質ガス中のメタンガス濃度が異常に高くなって、メタンガス濃度の変動範囲が大きいのに対して、第1実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的なメタンガス濃度の異常上昇がなくて、メタンガス濃度の変動範囲が小さく、突発が防止されて改質ガスの生成が安定していることが分かる。ちなみに、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、突発的にメタンガス濃度が異常上昇している直前で、蒸発室2内において突沸が起こっていると考えられる。
【0039】
尚、図6において、メタンガス濃度のレベルが、第1実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合と、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合で異なるのは、従来構成の原燃料改質用水蒸気生成装置にて水蒸気を供給する場合は、上述の如く突発的にメタンガス濃度が異常上昇して燃料電池の運転に支障を来たすので、改質処理室3内の温度を高くして改質反応量を多くして、メタンガス濃度のレベルを低くしているためである。
【0040】
〔第2実施形態〕
以下、図7に基づいて、第2実施形態を説明する。第2実施形態においては、蒸発室2内に、伝熱促進用の充填材Fとして、第1実施形態における多数の球状体46に代えてステンレスウール47を充填した点で異なる以外は、第1実施形態と同様に構成してあり、第1実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、同じ符号を付してある。
【0041】
つまり、第2実施形態では、第1実施形態と同様に、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ200mmとし、奥行き方向の寸法を2mmに設定してあるが、その蒸発室21内に充填する充填材Fの充填率は、第1実施形態におけるよりも小さくて、水の突沸を抑制する充填率には設定されておらず、蒸発室2は、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成されておらず、又、蒸発室2は、水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路にて水を流動させるようにも構成されていない。
つまり、オリフィス48により、蒸発室2の背圧をその蒸発室2内での水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持することにより、蒸発室2内での水の突沸を抑制している。
【0042】
つまり、上記の説明から分かるように、第2実施形態においては、請求項7の発明が記載されている。
【0043】
上述のように構成した第2実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置Sは、上述の第1実施形態の原燃料改質用水蒸気生成装置Sと同様に水素含有ガス生成装置に組み付けられるので、その説明及び図示は省略する。
【0044】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
(イ) 蒸発室2内の水の突沸を抑制するための構成は、上記の実施形態において例示した構成以外にも種々の構成が可能である。
例えば、蒸発室2を、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成する場合に、上述のように、充填材Fを充填することにより蒸発室2の保有水量を水の突沸を抑制する水量になるように規制するのに代えて、蒸発室2に充填材Fを充填せずに、蒸発室2の扁平の程度を大きくすることにより、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成しても良い。その場合、例えば、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法をそれぞれ200mmとする場合は、蒸発室2内の奥行き方向の寸法を2mmよりも小さく設定する。
【0045】
又、蒸発室2を水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路49にて水を流動させるように構成する場合に、上記の実施形態においては、充填材Fとしての多数の球状体46を充填率が水の突沸を抑制する充填率になるように充填して、数の細い突沸抑制用流路49を形成するようにしたが、必ずしも充填率が水の突沸を抑制する充填率になるように充填する必要はなく、水の突沸を抑制する充填率よりも低い充填率でも良い。
又、例えば、細い管状体を多数並設して、その細い管状体にて細い突沸抑制用流路49を形成するように構成しても良い。
あるいは、セラミック等により多孔状に形成された多孔状体を蒸発室2内に設けて、その多孔状体にて多数の細い突沸抑制用流路49を形成するように構成しても良い。
【0046】
又、蒸発室2に、充填材Fを水の突沸を抑制するように充填する場合に、充填材Fの具体例としては、上記の第1実施形態にて例示した多数の球状体46に限定されるものではなく、例えば、多数の扁球体や、種々の形状のものを含む多数の塊状体や、セラミック等の多孔状体、ステンレスウール等をフェルト状に加工したフェルト状体を用いることが可能である。
【0047】
(ロ) 蒸発室2内に充填材Fを充填することにより、蒸発室2を保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成する場合、又は、蒸発室2内に充填材Fを充填することにより、蒸発室2を水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路49にて水を流動させるように構成する場合、又は、蒸発室2に充填材Fを水の突沸を抑制するように充填する場合、又は、蒸発室2に対する充填材Fの充填率を水の突沸を抑制する充填率に設定して、充填材Fを水の突沸を抑制するように蒸発室2に充填する場合、又は、蒸発室2内における水の突沸を抑制するように、蒸発室2における伝熱板40の厚さ方向の寸法を設定し且つ蒸発室2に充填材Fを充填する場合に、蒸発室2の寸法及び充填材Fの形状や充填形態は、上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、蒸発室2の寸法は、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法に応じて、蒸発室2内の奥行き方向の寸法を設定することになり、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法が200mmより小さくなると、蒸発室2内の奥行き方向の寸法は2mmよりも小さくなるように設定し、逆に、伝熱板40の厚さ方向視での蒸発室2内の縦方向及び横方向の寸法が200mmより大きくなると、蒸発室2内の奥行き方向の寸法は2mmよりも大きくなるように設定する。
【0048】
(ハ) 上記の第2実施形態のように、蒸発室2の背圧を水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段を設ける場合において、蒸発室2の寸法は、上記の第2実施形態において例示した寸法に限定されるものではない。
【0049】
(ニ) 蒸発室2の背圧を水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段の具体構成は、上記の実施形態において例示したオリフィス48に限定されるものではなく、例えば、開度を任意に調節可能な弁でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の斜視図
【図2】第1実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【図3】原燃料改質用水蒸気生成装置を設けた水素含有ガス生成装置の縦断側面図
【図4】時間経過に伴う蒸発室内の圧力の変動を示す図
【図5】時間経過に伴う蒸発室内の圧力の変動を示す図
【図6】改質ガス中のメタンガス濃度の時間経過に伴う変動を示す図
【図7】第2実施形態に係る原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【図8】従来の原燃料改質用水蒸気生成装置の縦断側面図
【符号の説明】
2 蒸発室
11 加熱室
40 伝熱板
46 球状体
48 背圧維持手段
49 突沸抑制用流路
F 充填材
Claims (7)
- 伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置であって、
前記蒸発室が、保有水量が水の突沸を抑制する水量になるように構成されている原燃料改質用水蒸気生成装置。 - 伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置であって、
前記蒸発室が、水の突沸を抑制する多数の細い突沸抑制用流路にて水を流動させるように構成されている原燃料改質用水蒸気生成装置。 - 伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置であって、
前記蒸発室に、充填材が水の突沸を抑制するように充填されている原燃料改質用水蒸気生成装置。 - 前記蒸発室に対する前記充填材の充填率が水の突沸を抑制する充填率に設定されて、前記充填材が水の突沸を抑制するように前記蒸発室に充填されている請求項3記載の原燃料改質用水蒸気生成装置。
- 伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置であって、
前記蒸発室内における水の突沸を抑制するように、前記蒸発室における前記厚さ方向の寸法が設定され且つ前記蒸発室に充填材が充填されている原燃料改質用水蒸気生成装置。 - 前記充填材として、多数の球状体が前記蒸発室に充填されている請求項5記載の原燃料改質用水蒸気生成装置。
- 伝熱板の一側面側に、供給される水を蒸発させて排出する蒸発室が前記伝熱板の厚さ方向に薄い扁平状に設けられ、前記伝熱板の他側面側に、加熱用流体が通流して前記蒸発室を加熱する加熱室が設けられた原燃料改質用水蒸気生成装置であって、
前記蒸発室の背圧を水の突沸を抑制する突沸抑制用圧力に維持する背圧維持手段が設けられている原燃料改質用水蒸気生成装置。
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