JP2005281097A - 改質装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高温部と低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、高温部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制することにより、改質装置の熱効率を向上させる。
【解決手段】 COシフト部50(高温部)と水加熱部80(低温部)との間にCOシフト部50からの改質ガスが流れる改質ガス降温部70(中間温度層)を配置し、この改質ガス降温部70により、COシフト部50からの放熱を抑制しつつ、水加熱部80を昇温する。
【選択図】 図1
【解決手段】 COシフト部50(高温部)と水加熱部80(低温部)との間にCOシフト部50からの改質ガスが流れる改質ガス降温部70(中間温度層)を配置し、この改質ガス降温部70により、COシフト部50からの放熱を抑制しつつ、水加熱部80を昇温する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置に関する。
改質装置は供給された燃料(例えば天然ガス、LPガス、灯油、メタノールなど)および水蒸気からいわゆる水素リッチな改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給するものである。燃料電池は供給された水素と酸素との化学反応によって発電するものである。
改質装置としては、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部(改質触媒層)8と、この改質部8を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部(バーナ)18と、供給された水を加熱し水蒸気を生成して改質部8に供給する水加熱部(加熱路)69と、改質部8から導出された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部(シフト層)10と、この一酸化炭素シフト反応部10から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池に供給する一酸化炭素浄化部(第1、第2CO除去触媒層12、13)とから構成されるものが知られている(特許文献1)。
特許文献1に記載された改質装置においては、径の異なる筒体を重ね合わせ、この各筒体間に形成される隙間に中心から、改質部8、一酸化炭素シフト反応部10、水加熱部69および、一酸化炭素浄化部(第1、第2CO除去触媒層12、13)が順に並べられている。そして、水加熱部69、改質部8、一酸化炭素シフト反応部10および一酸化炭素浄化部(第1、第2CO除去触媒層12、13)の順番に直列に各筒体間の上部もしくは下部から接続されている。
改質装置は、耐熱性、耐食性、ガス気密性の観点から一般に金属材(例えばステンレス材)で形成されている。
特開2002−293509号公報(第4頁から第7頁、図1)
上述した改質装置は、一酸化炭素シフト反応部10の外周に第5筒体65を挟んで水加熱部69を配置し、定常運転時において、一酸化炭素シフト反応部10の触媒反応によって発生する熱を利用して改質部8に供給する水を加熱している。
ところが、一酸化炭素シフト反応部10において触媒反応が生じる活性温度域は、約200〜300℃の比較的高温であるのに対し、水加熱部69を通過する水の温度は約100℃の比較的低温である。このため、一酸化炭素シフト反応部10で発生する熱が第5筒体65を介して必要以上に加熱路69側に放出され、一酸化炭素シフト反応部10の温度が不安定になり温度制御性(安定性)が低下し、改質装置の熱効率が悪くなり、また、安定運転が損なわれ、信頼性が低下するという問題があった。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、高温部と低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、高温部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制することにより、改質装置の熱効率、および安定運転させることで信頼性を向上させることを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部と、改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、供給された水を加熱して改質部に供給する水加熱部と、改質部から導出された改質ガスを混合ガスによって降温して導出する冷却部と、冷却部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、一酸化炭素シフト反応部から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池に供給する一酸化炭素浄化部とから構成される改質装置において、改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち相対的に高い温度となる高温部と高温部より低い温度の低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、両部材間に高温部と低温部の中間温度となる中間温度層を設けることである。
また、請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、中間温度層は、高温部から導出される気体の流路にて形成されたことである。
また、請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項2において、高温部が触媒反応によって発熱するものであることである。
また、請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1から請求項3のいずれか一項において、高温部、中間温度層および低温部を同軸的、かつその順番にて内側から外側に配置する構造としたことである。
また、請求項5に係る発明の構成上の特徴は、請求項1から請求項4のいずれか一項において、高温部と中間温度層との間に第1断熱層を介在させたことである。
また、請求項6に係る発明の構成上の特徴は、請求項5において、改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち高温部と低温部として採用されなかった部材を低温部の外側に配置し、その部材と低温部との間にさらに第2断熱層を介在させたことである。
また、請求項7に係る発明の構成上の特徴は、請求項5において、第1断熱層は、内部に燃焼触媒が充填された、燃焼用空気と改質装置からの改質ガスまたは燃料電池の燃料極からのアノードオフガスとが供給される暖機ユニットから構成され、暖機ユニットは起動運転時に改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼触媒によって燃焼し、定常運転時にはその燃焼を停止させることである。
また、請求項8に係る発明の構成上の特徴は、請求項1から請求項7のいずれか一項において、高温部が一酸化シフト反応部であり、低温部が水加熱部であることである。
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、高温部と低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、中間温度層が設けられていないと高温部の隣接部は低温部との直接の熱交換によってかなり降温されるが、中間温度層が設けられているので高温部の隣接部はまず中間温度層との直接の熱交換によって低温部の温度より高い中間温度に降温され、一方、低温部は中間温度層により直接昇温されるとともに高温部により間接的に昇温される。したがって、高温部の隣接部の降温をできるだけ抑制しつつ、すなわち高温部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制しつつ、低温部を昇温することができる。
また、上記のように構成した請求項2に係る発明においては、高温部から導出された気体は、高温部の温度と同等の温度を維持したまま導出されてくることから、この気体を高温部と低温部の間で通過させることにより、高温部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制し、低温部を昇温することができるので、簡単な構成により中間温度層を実現することができる。
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、触媒反応によって発熱する部材を高温部としたので、高温部は投入する原料が増加すれば発熱量が増加して昇温するが、同時に導出される生成ガス量も増加し中間温度層を流れる気体の流速も増加することにより、中間温度層の熱伝達率が高くなり、放熱量、高温部との熱交換量も増加して高温部の温度上昇を抑制することができる。また、高温部は投入する原料が減少すれば発熱量が減少して降温するが、同時に導出される生成ガス量も減少し中間温度層を流れる気体の流速も減少することにより、中間温度層の熱伝達率が低くなり、放熱量、高温部との熱交換量も減少して高温部の温度下降を抑制することができる。
上記のように構成した請求項4に係る発明においては、高温部からの放熱は、中間温度層により抑制されつつも、高温部を取り囲む中間温度層および低温部に無駄なく伝達されることから、高温部の放熱を無駄なく利用できる。
上記のように構成した請求項5に係る発明においては、高温部と中間温度層との間が第1断熱層によって断熱されているので、中間温度層を流れるガスの温度が低下してもこれに引張られて高温部の温度が低下するのを防止することができる。
上記のように構成した請求項6に係る発明においては、改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち高温部と低温部として採用されなかった部材を低温部の外側に配置した場合、その部材と低温部との間が第2断熱層によって断熱されているので、一方の部材の温度が低下してもこれに引張られて他方の部材の温度が低下するのを防止することができる。
上記のように構成した請求項7に係る発明においては、定常運転時には高温部と中間温度層との間は暖機ユニットによって断熱され、起動運転時には高温部は暖機ユニットによって加熱される。したがって、第1断熱層は断熱機能だけでなく暖機機能を有することとなる。
上記のように構成した請求項8に係る発明においては、一酸化炭素シフト反応部は、その中間温度層との隣接部においても、中間温度層との直接の熱交換によって中間温度までしか降温されない。一方、水加熱部は、中間温度層により直接昇温されるとともに、一酸化炭素シフト反応部により間接的に昇温される。したがって、一酸化炭素シフト反応部の降温ができるだけ抑制され、すなわち一酸化炭素シフト反応部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制しつつ、水加熱部を通過する水を昇温することができる。この結果、一酸化炭素シフト反応部の熱効率が向上することにより、改質装置の熱効率を向上できる。
a)第1の実施の形態
以下、本発明による燃料電池システムの第1の実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池10と燃料電池10に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置20を備えている。燃料電池10の燃料極にはCO浄化部60から改質ガスが供給され、燃料電池10の空気極には外部からの空気が供給され、燃料電池10において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。
以下、本発明による燃料電池システムの第1の実施の形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池10と燃料電池10に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置20を備えている。燃料電池10の燃料極にはCO浄化部60から改質ガスが供給され、燃料電池10の空気極には外部からの空気が供給され、燃料電池10において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。
改質装置20は、改質部30、冷却部40、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という。)50、一酸化炭素浄化部(以下、CO浄化部という。)60、改質ガス降温部70、水加熱部80燃焼部90および蒸発部95から構成されている。本実施の形態において、COシフト部50は高温部に相当し、改質ガス降温部70は中間温度層に相当し、水加熱部80は低温部に相当する。
改質部30は、外部から供給された燃料(例えば天然ガス、LPガス、灯油、メタノールなど)と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものであり、有底円筒状に形成されている。この改質部30は、燃焼部90のハウジング91とバーナ燃焼部92との間の環状空間に改質部30の筒部が挿入され、環状流路93,94に取り囲まれるように配置されている。
改質部30は後述する冷却部40の環状マニホールド43の上面に当接して固定されている。改質部30の底板31には、環状マニホールド43と連通して燃料と水蒸気との混合ガスを導入する複数の混合ガス導入口31aが設けられるとともに、環状マニホールド43の開口43aに臨んで設けられ改質ガスを導出する改質ガス導出口31bが設けられている。また改質部30内には筒部の空間を仕切る筒状の中仕切り32が備えられ、混合ガス導入口31aから導入された混合ガスが筒部先端(上端)にて折り返して流れ、改質ガス導出口31bから導出されるようになっている。
改質部30内には、触媒30a(例えば、Ru系、Ni系の触媒)が充填されており、混合ガス導入口31aから導入された燃料と水蒸気との混合ガスが触媒30aによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。この改質反応は吸熱反応である。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は改質ガス導出口31bを通って冷却部40に導出される。
冷却部40は、改質部30から導出された改質ガスを燃料と水蒸気との混合ガスによって降温して導出するものであり、改質部30と同軸に配置されている。冷却部40は、円筒ハウジング41、環状に形成された底板42、円筒ハウジング41の上部に設けられた環状マニホールド43、環状マニホールド43の底部にそれぞれ配設された内筒44、マニホールド45,46、および両マニホールド45,46を連通する複数の熱交換パイプ47から構成されている。マニホールド45には燃料と水蒸気(または水)との混合ガスを導入する導入口45aが設けられており、マニホールド46には環状マニホールド43に連通する貫通孔46aが設けられている。
混合ガス導入口45aから導入された混合ガスは、マニホールド45、熱交換パイプ47、マニホールド46、貫通孔46a、環状マニホールド43、および改質部30の混合ガス導入口31aを通って改質部30に導出される。一方、改質ガス導入口である環状マニホールド43の開口43aから導入された改質ガスは、内筒44および環状の底板42の開口42aを通ってCOシフト部50に導出される。この時、熱交換パイプ47を介して混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われ、混合ガスは改質ガスによって加熱され、改質ガスは降温する。
COシフト部50は、冷却部40から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものであり、冷却部40に同軸に固定されている。COシフト部50は、外筒51と、外筒51と同軸に配置された内筒52を備えている。外筒51および内筒52の各上端縁には環状に形成された天板53の外周縁および内周縁が一体的に取り付け固定されている。天板53の開口53aは冷却部40からの改質ガスを導入する導入口である。外筒51の下端縁には円板状に形成された底板55が一体的に取り付け固定されている。底板55と内筒52の下端との間には隙間が形成されている。外筒51の外周上部には改質ガスが導出される改質ガス導出口51aが設けられている。天板53の上面には、天板53の開口53aの内周縁(すなわち内筒52の上端開口周縁)から連結部56が立設されており、この連結部56の上端は、冷却部40の底板42上の開口42aの内周縁に取り付け固定されている。COシフト部50の内筒52内および内筒52と外筒51との間には触媒50a(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。この触媒50aは外周縁を外筒51の内周に取り付けられたフィルタを有する支持部材54によって支持されている。
このように構成されたCOシフト部50においては、改質ガス導入口である開口53aから導入された改質ガスは、内筒52内を通り、折り返して内筒52と外筒51との間の空間を通って改質ガス導出口51aから改質ガス降温部70に導出される。このとき、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒50aにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
このCOシフト部50の外周には、外側に向かって順番に改質ガス降温部70、水加熱部80および、CO浄化部60が同軸的に、かつ互いに隣接されて配置されている。これらCOシフト部50、改質ガス降温部70、水加熱部80および、CO浄化部60は、底板55を共通の底板としている。
改質ガス降温部70は、COシフト部50の外筒51と、底板55上に立設されて外筒51の外側に同軸的に配置された筒体71および、外周端を筒体71の上端に接続され内周端を外筒51の上端に接続された環状の天板72とによって形成される環状空間からなる。天板72には、酸化空気を導入するための空気導入ロ71aが形成されている。この空気導入ロ71aは、COシフト部50の改質ガス導出口51aに接近した位置にあり、これによりCOシフト部50から改質ガス降温部70に導出された改質ガスは、改質ガス降温部70に導入された直後に酸化空気と混合されるようになっている。筒体71の下部には、CO浄化部60に連通する連通路73の一端に開口する改質ガス導出口73aが形成されている。
このように構成された改質ガス降温部70においては、COシフト部50の改質ガス導出口51aから改質ガスが導出され、空気導入口71aから酸化空気が供給され、これらの改質ガスと酸化空気が外筒51と筒体71の間を通って改質ガス導出ロ73aからCO浄化部60に導出される。
水加熱部80は、改質ガス降温部70の筒体71と、底板55上に立設されて筒体71の外側に同軸的に配置された筒体81および、外周端を筒体81の上端に接続され内周端を筒体71の上端に接続された環状の天板82によって形成される環状空間からなる。筒体81の上部には、後述する蒸発部95の水導出口96bから水を導入するための水導入ロ81aが形成されている。天板82には、水導出口82aが形成されている。
このように構成された水加熱部80においては、水導入口81aから導入された水が筒体71と筒体81の間を通って水導出口82aから導出される。このとき、通過する水は加熱される。そして、導出された水は、外部から供給される燃料と混合されて混合ガスが生成されたのち、混合ガスが冷却部40の導入口45aに導入される。
CO浄化部60は、改質ガス降温部70から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものである。CO浄化部60は、水加熱部80の筒体81と、底板55上に立設されて筒体81の外側に同軸的に配置された筒体61および、外周端を筒体61の上端に接続され内周端を筒体81の上端に接続された環状の天板62とによって形成される環状空間からなる。CO浄化部60の内部には、触媒60a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。CO浄化部60は、筒体81の下部に形成された改質ガス導入口61aが連通路73の一端に開口し、この連通路73によって改質ガス降温部70の改質ガス導出ロ73bと連通している。筒体61の上部には改質ガスを燃料電池10に導出する改質ガス導出口61bが形成されている。
このように構成されたCO浄化部60においては、改質ガス導入口61aから導入された改質ガスと酸化空気との混合ガスが供給され、この導入された混合ガス中の一酸化炭素と酸素が触媒60aの触媒反応によって二酸化炭素になる。この触媒反応は発熱反応である。
これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極に供給されるようになっている。
これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極に供給されるようになっている。
燃焼部90は、改質部30を加熱する燃焼ガスを生成するものである。この燃焼部90は、ハウジング91とこのハウジング91の上部中央に下方に向けて突設されたバーナ燃焼部92とから構成されている。バーナ燃焼部92の上部には燃焼用燃料、燃焼空気およびオフガスを導入するガス導入口92aが設けられ、バーナ燃焼部92の下部には導入された燃焼用燃料またはオフガスに着火する着火手段である電極(図示省略)が設けられている。バーナ燃焼部92内において、着火手段によって着火された燃焼用燃料またはオフガスが燃焼する。その燃焼ガスがバーナ燃焼部92の下部開口端から導出される。そして、この燃焼ガスは、バーナ燃焼部92と改質部30の筒部の内壁面との間に形成された環状流路93と、改質部30の筒部の外壁面とハウジング91との間に形成されて環状流路93の上部と連通する環状流路94とを通って外部に排気される。
蒸発部95は、水(水蒸気)と燃焼ガスとの間で熱交換する熱交換器であり、供給された水を燃焼部90からの燃焼ガスによって加熱し水加熱部80に供給するものであり、筒状(本実施の形態においては円筒状)に形成されている。蒸発部95は、燃焼部90の外周に同軸に配置されている。 この蒸発部95は、ハウジング91、外筒96、天板97および底板98を備えている。外筒96は、ハウジング91の外側に空間をおいて同軸に配置され、外筒96の上端には、環状に形成された天板97の外周端が接続され、天板97の内周縁はハウジング91の上端外周縁に接続されている。また、外筒96の下端には、環状に形成された底板98の外周端が接続され、底板98の内周縁はハウジング91の外周に接続されている。蒸発部95は、外筒96の上部に外部から水を導入する水導入口96aが形成され、外筒96の下部に水加熱部80の水導入口81aに連通する水導出口96bが形成されている。
このように構成された蒸発部95においては、水導入口96aから導入された水は、ハウジング91と外筒96との間に形成された環状空間を通って、水導出口96bから導出される。このとき、蒸発部95を通過する水は、環状流路94を通って排気される燃焼ガスとの間でハウジング91を介して熱交換を行い、水は燃焼ガスによって加熱され、燃焼ガスは降温する。
CO浄化部60と燃料電池10の間には切替え装置100が設けられており、定常運転時にはCO浄化部60を燃料電池10に連通し、起動運転時には一酸化炭素濃度が高い改質ガスを燃料電池10に供給しないようにするためCO浄化部60を燃焼部90のガス導入口92aに連通するように切替えられている。これにより、起動運転時には、外部からの燃焼用燃料またはCO浄化部60から導出された改質ガスがガス導入口92aに供給されて燃焼され、定常運転時には、燃料電池10の燃料極に供給され、その燃料極から排出された水素ガスを含むアノードオフガスがガス導入口92aに供給されて燃焼される。
次に上述のように構成された改質装置20の動作について説明する。定常運転状態の改質装置20において、燃焼部90の環状流路93の温度は約800〜1400℃であり一番高く、改質部30は500〜700℃であり、冷却部40は150〜700℃であり、COシフト部50は200〜300℃であり、CO浄化部60は100〜200℃であり、水加熱部80は80℃〜110℃である。
定常運転時には、図1に示すように、冷却部40のマニホールド45に、蒸発部95および水加熱部80によって予熱された水と燃料が混合され導入される。冷却部40においては、導入された混合ガスが上述したように環状マニホールド43へ到達する間に、改質部30から供給されて内筒44内を流れる改質ガスによって加熱され完全に気体化されて、改質部30の混合ガス導入口31aに導出される。そして、触媒30aを通過する間に水蒸気改質反応によって改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成される。また、これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じる。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部40の内筒44に導出される。冷却部40の内筒44内においては、改質ガスが内筒44を通過する間に降温され、COシフト部50に導出される。そして、COシフト部50においては、触媒50aの触媒反応により冷却部40から供給された改質ガスがその中に含まれる一酸化炭素を低減されて改質ガス降温部70に導出される。改質ガス降温部70に導入された改質ガスは、改質ガス降温部70に導入された直後に、空気導入口71aから導入された酸化空気と混合される。このとき改質ガスの温度は酸化空気によって降温される。そして、この酸化空気と混合された改質ガスは、改質ガス降温部70を通過中において、外筒51を挟んで隣接するCOシフト部50との間ではCOシフト部50の放熱を受ける一方、筒体71を挟んで隣接する水加熱部80に放熱し、水加熱部80を通る水を加熱する。このため、改質ガス降温部70を通過する改質ガスは、水加熱部80とCOシフト部50の中間温度を維持したままCO浄化部60に導出される。
また、改質ガス降温部70において、空気導入ロ71aとCOシフト部50の改質ガス導出口51aとが改質ガス降温部70の経路前半の接近した位置にあることから、改質ガス降温部70に導入された直後に、空気導入口71aから導入された酸化空気と混合され改質ガス降温部70を通過し、改質ガス導入口61aからCO浄化部60に導出される。このため、改質ガス降温部70を通過中に酸化空気と改質ガスは十分均一に拡散するだけの距離と時間を与えられるので、均一に混合されてCO浄化部60に供給される。また、さらに酸化空気と改質ガスの均一性向上のため、以下の2つを用いる。
(1)シフト部50出口から改質ガス降温部70入口への流路、すなわち改質ガス導出口51aを絞り、空気導入口71aから導入された酸化空気との混合性を向上させる。
(2)改質ガス降温部70の出口からCO浄化部60の入口での流路、すなわち、連通路73を絞り、混合性を向上させる。
これにより、CO浄化部60での触媒60aによる触媒反応が良好となり、この触媒反応によって改質ガスは、一酸化炭素濃度がさらに低減されてCO浄化部60から導出されたのち、燃料電池10の燃料極に供給される。
なお、上述の実施の形態では、冷却部40に供給される水は、蒸発部95から水加熱部80の順番に通過させるようにしたが、水加熱部80から蒸発部95の順番で通過させるようにしてもよい。
また、上述の実施の形態においては、蒸発部95を燃焼部90の環状流路94の外周に隣接して配置するようにしたが、図2に示すように、改質装置20とは独立して蒸発部95aを配置してもよい。この場合、燃焼部90から排出された排気ガスを配管95bによって蒸発部95aに導入し、配管95cによって蒸発部95aに導入された水との間で熱交換を行わせて水を加熱する。
上述の説明から明らかなように、定常運転時にCOシフト部50は、触媒50aの触媒反応によって高熱となっている。また、COシフト部50と外筒51を挟んで隣接する改質ガス降温部70では、COシフト部50から導出された改質ガスが中間温度を維持しながら通過している。また、改質ガス降温部70と筒体71を挟んで隣接する水加熱部80には、外部から供給された低温の水、または、蒸発部95(95a)を通過後の100℃程度の水、水蒸気が通過している。このため、COシフト部50は、その改質ガス降温部70と隣接する外筒51の内側付近においても、改質ガス降温部70を通過する改質ガスとの直接の熱交換によって中間温度までしか降温されない。一方、水加熱部80は、改質ガス降温部70を通過する改質ガスにより直接昇温されるとともに、COシフト部50により間接的に昇温される。したがって、COシフト部50の降温ができるだけ抑制され、すなわちCOシフト部50からの必要以上の放熱をできるだけ抑制しつつ、水加熱部80を通過する水を昇温することができる。この結果、COシフト部50の熱効率が向上することにより、改質装置20の熱効率を向上できる。
また、触媒反応によって発熱するCOシフト部50は供給される改質ガスが増加すれば触媒反応による発熱量が増加して昇温するが、同時に改質ガス降温部70に導出される改質ガスの量も増加し、改質ガス降温部70を流れる改質ガスの流速も増加することにより、改質ガス降温部70の熱伝達率が高くなり、放熱量、COシフト部50との熱交換量も増加してCOシフト部50の温度上昇を抑制することができる。また、COシフト部50は供給される改質ガスが減少すれば触媒反応による発熱量が減少して降温するが、同時に導出される改質ガスの量も減少し改質ガス降温部70を流れる改質ガスの流速も減少することにより、改質ガス降温部70の熱伝達率が低くなり、放熱量、改質ガス降温部70との熱交換量も減少してCOシフト部50の温度下降を抑制することができる。
また、COシフト部50と水加熱部80とを隣接させ、COシフト部50を高温部とし、水加熱部80を低温部としたとき、高温部であるCOシフト部50から導出された改質ガスが通過する改質ガス降温部70を中間温度層として用いていることから、簡単な構成により中間温度層を実現することができる。
また、水加熱部80は、CO浄化部60での発熱反応によるCO浄化部60の昇温を抑制、冷却する役目もあり、CO浄化部60を100〜200℃の温度に維持しやすくする効果もある。同時に水加熱部80は、CO浄化部60からの熱を吸収し、CO浄化部60での放熱を抑制することで、改質装置20の熱効率を向上できる。
なお、上述の実施の形態においては、高温部をCOシフト部50とし、低温部を水加熱部80とし、このCOシフト部50と水加熱部80とを隣接させた構成を説明した。しかし、高温部および低温部は、この組み合わせに限られず、改質装置20を構成する燃焼部90、改質部30、COシフト部50、CO浄化部60、水加熱部80の中から、隣接して配置する2つの構成部材の温度を比較し、相対的に高温の構成部材を高温部とし、相対的に低温の構成部材を低温部として採用し、これら採用した高温部と低温部の間に中間温度層を設けるようにしてもよい。
b)第2の実施の形態
以下、本発明による改質装置20の第2の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図3はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第1の実施の形態と同一の構成部分については同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
以下、本発明による改質装置20の第2の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図3はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第1の実施の形態と同一の構成部分については同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
上述した第1の実施の形態において、COシフト部50と改質ガス降温部70の間に第1断熱層110を介在させるようにしてもよい。この場合、第1断熱層110は、例えばセラミック、多孔質材等の断熱材を介在するか、COシフト部50と改質ガス降温部70の間に気体(例えば、空気)で満たした空間を形成し、気体によって断熱すればよい。
これによれば、改質ガス降温部70を流れる改質ガスの温度が低下してもこれに引張られてCOシフト部50の温度が低下するのを防止できる。
c)第3の実施の形態
以下、本発明による改質装置20の第3の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図4はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第2の実施の形態と同一の構成部分については同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。
以下、本発明による改質装置20の第3の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図4はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第2の実施の形態と同一の構成部分については同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。
上述した第2の実施の形態において、水加熱部80とCO浄化部60の間に第2断熱層120をさらに設けるようにしてもよい。この場合、第2断熱層120には、第1断熱層110の断熱材と同様の構造材を使用することができる。
これによれば、第2断熱層120によって、CO浄化部60と水加熱部80のうちの一方の温度が低下してもこれに引張られて他方の温度が低下するのを防止できる。
d)第4の実施の形態
以下、本発明による改質装置20の第4の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図5はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第3の実施の形態と同一の構成部分については同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。
以下、本発明による改質装置20の第4の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図5はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第3の実施の形態と同一の構成部分については同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。
上述した第2の実施の形態において、COシフト部50と改質ガス降温部70の間に第1断熱層110を設け、その第1断熱層110を断熱材または、気体で満たすようにしたが、これに代えて第1断熱層を暖機ユニット130によって構成するようにしてもよい。この暖機ユニット130は、触媒130a(Pd、Pt系触媒等)を充填し、アノードオフガスと、これとは別に外部からの空気が暖機ユニット130に供給されるようになっている。さらに、燃料電池10から排出されるアノードオフガスまたはCO浄化部60から導出された改質ガスが燃焼部30に供給される流路の途中には、燃焼部30と暖機ユニット130に選択的にアノードオフガスまたは改質ガスを供給するための切替え装置140を設けている。
これによれば、改質装置20の起動時における暖機運転時には、切替え装置140を操作して暖機ユニット130にアノードオフガスまたは改質ガスを供給し、暖機ユニット130の触媒燃焼によってCOシフト部50を暖気する。また、定常運転時には、暖機ユニット130へのアノードオフガスおよび空気の供給を停止し、暖機ユニット130の触媒130a充填部を断熱材として利用することができる。
10…燃料電池、20…改質装置、30…改質部、30a…触媒、40…冷却部、50…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部:高温部)、50a…触媒、60…一酸化炭素浄化部(CO浄化部)、60a…触媒、70…改質ガス降温部(中間温度層)、80…水加熱部(低温部)、90…燃焼部、95,95a…蒸発部、110…第1断熱層、120…第2断熱層、130…暖機ユニット、130a…触媒。
Claims (8)
- 外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部と、該改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、供給された水を加熱して前記改質部に供給する水加熱部と、前記改質部から導出された前記改質ガスを前記混合ガスによって降温して導出する冷却部と、該冷却部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、該一酸化炭素シフト反応部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池に供給する一酸化炭素浄化部とから構成される改質装置において、
前記改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち相対的に高い温度となる高温部と該高温部より低い温度の低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、該両部材間に前記高温部と低温部の中間温度となる中間温度層を設けることを特徴とする改質装置。 - 請求項1において、前記中間温度層は、前記高温部から導出される気体の流路にて形成されたことを特徴とする改質装置。
- 請求項2において、前記高温部が触媒反応によって発熱するものであることを特徴とする改質装置。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項において、前記高温部、中間温度層および低温部を同軸的、かつその順番にて内側から外側に配置する構造としたことを特徴とする改質装置。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項において、前記高温部と前記中間温度層との間に第1断熱層を介在させたことを特徴とする改質装置。
- 請求項5において、前記改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち前記高温部と低温部として採用されなかった部材を前記低温部の外側に配置し、その部材と前記低温部との間にさらに第2断熱層を介在させたことを特徴とする改質装置。
- 請求項5において、前記第1断熱層は、内部に燃焼触媒が充填された、燃焼用空気と改質装置からの改質ガスまたは前記燃料電池の燃料極からのアノードオフガスとが供給される暖機ユニットから構成され、前記暖機ユニットは起動運転時に前記改質ガスまたは前記アノードオフガスを前記燃焼触媒によって燃焼し、定常運転時にはその燃焼を停止させることを特徴とする改質装置。
- 請求項1から請求項7のいずれか一項において、前記高温部は一酸化シフト反応部であり、前記低温部は水加熱部であることを特徴する改質装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008280209A (ja) * | 2007-05-10 | 2008-11-20 | Nippon Oil Corp | 一酸化炭素除去器および水素製造装置 |
JP2009209011A (ja) * | 2008-03-05 | 2009-09-17 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池用改質装置 |
KR101341215B1 (ko) * | 2012-01-27 | 2013-12-12 | 세종공업 주식회사 | 이중연소연료 개질기 및 이를 이용한 연료전지 시스템 |
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JP2016150899A (ja) * | 2015-02-16 | 2016-08-22 | コリア ガス コーポレーション | 燃料処理装置 |
-
2004
- 2004-03-30 JP JP2004100415A patent/JP2005281097A/ja active Pending
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