JP2007165239A - Evaporative emission generating device, and fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蒸発ガスの発生装置に関するものであり、特に小型燃料電池において改質原料ガスを改質する際に好適に用いられる水蒸気発生装置に関するものである。 The present invention relates to an evaporative gas generator, and more particularly to a water vapor generator suitably used when reforming a reforming raw material gas in a small fuel cell.
従前より、燃料電池において、都市ガスとして供給されるメタンガス等を燃料ガスの原料として用いる場合には、当該原料ガスを改質して水素を取り出すための改質器が用いられている。
この改質器は、水蒸気の発生部から供給される水蒸気と上記改質原料ガスとを混合させるとともに、さらに約350℃以上の高温雰囲気下において両者を反応させることにより水素を生成させるものである。
Conventionally, in a fuel cell, when methane gas or the like supplied as city gas is used as a raw material for fuel gas, a reformer for reforming the raw material gas and taking out hydrogen has been used.
This reformer mixes the steam supplied from the steam generating section and the reforming raw material gas, and further generates hydrogen by reacting both in a high temperature atmosphere of about 350 ° C. or higher. .
すなわち、上記改質器においては、まず改質原料ガスであるメタン等の炭化水素と水蒸気とが反応して水素と一酸化炭素とが発生し、次いでこの一酸化炭素と水蒸気とが反応することにより、二酸化酸素とともに水素が発生する。
メタンを例として反応式で示せば、以下の通りである。
CH4+H2O(g)→3H2+CO
CO+H2O(g)→H2+CO2
That is, in the reformer, first, a hydrocarbon such as methane, which is a reforming raw material gas, reacts with steam to generate hydrogen and carbon monoxide, and then the carbon monoxide and steam react. As a result, hydrogen is generated together with oxygen dioxide.
An example of methane as a reaction formula is as follows.
CH 4 + H 2 O (g) → 3H 2 + CO
CO + H 2 O (g) → H 2 + CO 2
ところで、近年においては、燃料電池の開発の進展に伴って、その小型化の要請が強くなっている。そして、当該燃料電池の小型化を図るに際しては、燃料ガスとして微量の水素ガスを安定的に供給する必要が生じる。 By the way, in recent years, with the progress of the development of fuel cells, there is a strong demand for downsizing. In order to reduce the size of the fuel cell, it is necessary to stably supply a small amount of hydrogen gas as the fuel gas.
他方、一般に従来の改質器としては、例えば特許文献1に見られるように、水蒸気発生器を一体化したものが多様されている。
この改質器は、図2に示すように、図中左方から右方に向けて、内部に改質触媒8aが充填された改質部8と、燃焼触媒9aが充填された燃料部9と、蒸気発生部10とが順次対向配置されている。
On the other hand, as a conventional reformer, as shown in, for example,
As shown in FIG. 2, the reformer includes a reforming
そして、上部構成からなる改質器においては、燃料部9に燃料を供給し、燃料の一部を燃焼触媒9aによって燃焼させることにより得られた燃焼熱を利用して、蒸気発生部10に供給される水を蒸発させて水蒸気を得るとともに、この水蒸気と原料ガスとを混合させつつ改質部8に供給して上述したように燃料ガスとなる水素を生成させるものである。
In the reformer composed of the upper part, the fuel is supplied to the
しかしながら、上記従来の改質器においては、先ず、水から水蒸気を発生させ、得られた水蒸気と原料ガスとを混合して改質部8に供給しているために、燃料や水の供給量が絶対的又は相対的に変化すると、水蒸気の発生量が変動し易いという問題がある。そして、この水蒸気発生量や原料ガス供給量の変動は、改質部8に供給する混合ガスの混合比にも変動を来たし、微量の水素ガスの安定供給が難しくなるとという問題点がある。
However, in the above-described conventional reformer, first, steam is generated from water, and the obtained steam and raw material gas are mixed and supplied to the reforming
さらに、発生した水蒸気と原料ガスとを混合しつつ改質部8に供給しているために、両者の流量が大きい場合には問題ないものの、水蒸気と原料ガスとの供給流量が少なくなった場合には、両者の混合に偏りが生じて、一定量の水素ガスを円滑かつ確実に発生させることが難しいという問題点もある。
Further, since the generated water vapor and the raw material gas are mixed and supplied to the reforming
このため本発明は、簡易な構造を備え、かつ、一定量の蒸気ガスを安定して供給する蒸発ガスの発生装置の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an evaporative gas generator having a simple structure and stably supplying a certain amount of vapor gas.
上記請求項1に記載の発明は、容器本体と、当該容器本体の下部に開口して、内部に液体を供給する供給管と、上記容器本体の内部に供給された上記液体中にキャリアーガスを導入するガス供給管と、上記容器本体又はその外方に配設され、上記液体を蒸発させる加熱手段と、上記キャリアーガス及び蒸発ガスを排出する排出管と、上記容器本体内の下部から少なくとも液体と蒸発ガスとの界面上方位置まで充填されるとともに、間に上記液体の流路が形成される多数の伝熱部材と、上記容器本体内における上記液体と蒸発ガスとの界面を一定の範囲内に保持するレベル制御手段とを備えていることを特徴とする蒸発ガスの発生装置である。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a container main body, a supply pipe that opens at a lower portion of the container main body and supplies a liquid therein, and a carrier gas in the liquid supplied to the inside of the container main body. A gas supply pipe to be introduced; a heating means disposed on or outside the container main body for evaporating the liquid; a discharge pipe for discharging the carrier gas and the evaporating gas; and at least a liquid from a lower portion in the container main body. A large number of heat transfer members that are filled up to a position above the interface between the gas and the evaporative gas and in which the liquid flow path is formed, and the interface between the liquid and the evaporative gas in the container body is within a certain range The evaporative gas generator is provided with level control means for holding the gas.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の蒸発ガスの発生装置において、上記レベル制御手段は、上記容器本体の内部又は側面の温度を計測する温度センサーと、当該温度センサーが測定した温度が一定の範囲内になるように上記加熱手段の放熱量を調整する放熱量制御手段とを備えていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the evaporative gas generator according to the first aspect, the level control means includes a temperature sensor that measures the temperature of the inside or the side surface of the container body, and the temperature sensor measures the temperature sensor. And a heat radiation amount control means for adjusting the heat radiation amount of the heating means so that the temperature falls within a certain range.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の蒸発ガスの発生装置において、上記伝熱部材がセラミックビーズであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the evaporative gas generator according to the first or second aspect, the heat transfer member is a ceramic bead.
請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の蒸発ガスの発生装置において、上記液体が水であり、かつ、上記キャリアーガスが改質原料ガスであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the evaporative gas generator according to any one of the first to third aspects, the liquid is water, and the carrier gas is a reforming raw material gas. Features.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の蒸発ガスの発生装置を設けたことを特徴とする燃料電池である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising the evaporative gas generating device according to the fourth aspect.
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の燃料電池において、各々が直列に接続された多段構成の改質器を備え、かつ、少なくとも最前段の改質器は、発電セルを多数積層してなる燃料電池スタックから、最後段の改質器よりも離間して配設されていることを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the fuel cell according to the fifth aspect of the present invention, comprising a reformer having a multi-stage configuration in which each is connected in series, and at least the foremost reformer includes a large number of power generation cells. It is characterized in that it is disposed away from the last-stage reformer from the stacked fuel cell stack.
上記の請求項1に記載の発明によれば、容器本体の下部に開口した供給管から液体、この液体中にガス供給管からキャリアーガスが各々供給され、加熱手段により、伝熱部材が充填された容器本体内において上記液体を蒸発させて、この蒸発ガスを、キャリアーガスとともに排出管から排出する。 According to the first aspect of the present invention, the liquid is supplied from the supply pipe opened at the lower part of the container body, and the carrier gas is supplied from the gas supply pipe into the liquid, and the heat transfer member is filled by the heating means. The liquid is evaporated in the container body, and the evaporated gas is discharged from the discharge pipe together with the carrier gas.
その際、下部から少なくとも液体と蒸気ガスとの界面上方位置まで多数の伝熱部材が充填された容器本体内において液体を蒸発させているため、効率的に蒸発ガスを得ることができる。さらに、液体中にキャリアーガスを導入しているので、伝熱部材間の流路を経る過程において、上記液体の蒸発と並行してキャリアーガスを容易に液体中及び蒸発ガス中に均一に混合させることができる。 At that time, since the liquid is evaporated in the container body filled with a large number of heat transfer members from the lower part to at least the position above the interface between the liquid and the vapor gas, the evaporated gas can be obtained efficiently. Further, since the carrier gas is introduced into the liquid, the carrier gas is easily and uniformly mixed in the liquid and the evaporated gas in parallel with the evaporation of the liquid in the process of passing through the flow path between the heat transfer members. be able to.
また、蒸発ガスとキャリアーガスとの界面を一定の範囲に保持するレベル制御手段を備えているため、排出管からの液体の供給量と排出管からの蒸発ガスの排出量とを一致させて、常時、一定量の蒸発ガスを安定して供給することができる。特に、予め液体及びキャリアーガスの供給量を、当該液体とキャリアーガスとの所望の混合比に対応した値に設定しておくのみで、これら液体及びキャリアーガスの供給流量を別途調整することなく、確実に所定の混合比の蒸発ガスを供給することが可能になる。
この結果、簡易な構造によって、キャリアーガスとともに、微量の蒸発ガスを安定的に供給することができる。
In addition, since it has a level control means for maintaining the interface between the evaporative gas and the carrier gas in a certain range, the liquid supply amount from the discharge pipe and the discharge amount of the evaporative gas from the discharge pipe are matched, A constant amount of evaporative gas can be stably supplied at all times. In particular, the supply amount of the liquid and the carrier gas is set in advance to a value corresponding to the desired mixing ratio of the liquid and the carrier gas, and without separately adjusting the supply flow rates of the liquid and the carrier gas, It is possible to reliably supply evaporating gas having a predetermined mixing ratio.
As a result, with a simple structure, a very small amount of evaporative gas can be stably supplied together with the carrier gas.
この際に、請求項2に記載の発明においては、容器本体の内部又は側面の温度を計測する温度センサーが、供給管からの液体の供給量と排出管の蒸発ガスの排出量とが一致する温度である設定温度より低い温度を感知した場合には、液体と蒸発ガスとの界面が段々と上昇し、同様に温度センサーが設定温度より高い温度を感知した場合には、液体と蒸発ガスとの界面が段々と降下する。
このため、上記界面が直接把握できない場合においても、温度センサーにより測定した容器本体の内部又は側面の温度を、既定値温度を中心にした一定の範囲内になるように調整することにより、間接的に液体と蒸発ガスとの界面を一定の範囲内に保持することが可能になる。
In this case, in the invention according to
For this reason, even when the interface cannot be directly grasped, the temperature of the inside or the side surface of the container body measured by the temperature sensor is indirectly adjusted by adjusting the temperature to be within a certain range centered on the predetermined temperature. In addition, the interface between the liquid and the evaporating gas can be maintained within a certain range.
上述の伝熱部材としては、広い伝熱面積が得られとともに、その間が相互に連通して、液体又は蒸発ガスとキャリアーガスとが上下方向及び左右方向に蛇行して混合されるに適した流路を形成するため、請求項3に記載の発明のようにセラミックビーズが好適である。 The above heat transfer member has a wide heat transfer area and communicates with each other so that the liquid or the vaporized gas and the carrier gas are meandered and mixed in the vertical and horizontal directions. In order to form a channel, ceramic beads are preferred as in the invention described in claim 3.
また、上述の蒸発ガスの発生装置は、小型の燃料電池用の改質器用の水蒸気発生装置に好適である。このため、請求項4に記載の発明のように前記液体として水、前記キャリアーガスとして改質原料ガスが各々用いられる。この場合には、水蒸気とキャリアーガスとが均一に混合して排出されるため、別途、温度や改質触媒の配置といった条件を設定すれば、この水蒸気発生器を容易に改質器に改変させることが可能であり、改質器を小型化して、微量の水素ガスを安定して供給することができる。
The evaporative gas generator described above is suitable for a steam generator for a reformer for a small fuel cell. Therefore, as in the invention described in
このように蒸発ガスの発生装置を燃料電池用の水蒸気発生装置に用いた場合には、最前段の改質器が燃料電池スタックから最後段の改質器よりも離間して配設される多段構成の改質器と組み合わせることにより、改質器の吸熱作用により燃料電池スタックを冷却して、発電性能を低下させる不都合を回避することができるとともに、燃料電池スタックの排熱を利用する水蒸気発生装置に対しては、常に高温度の排ガスを導入することができるため、安定した量の水蒸気を発生させることができる。 Thus, when the evaporative gas generator is used in a steam generator for a fuel cell, the front-stage reformer is disposed farther away from the fuel cell stack than the last-stage reformer. By combining with the reformer of the configuration, the fuel cell stack can be cooled by the endothermic action of the reformer to avoid the inconvenience of lowering the power generation performance, and steam generation using the exhaust heat of the fuel cell stack Since a high temperature exhaust gas can always be introduced into the apparatus, a stable amount of water vapor can be generated.
以下、本発明の蒸発ガス発生装置の一実施形態である燃料電池用の水蒸気発生装置について、図1を用いて説明する。
本実施形態における水蒸気発生装置は、容器本体1と、この容器本体1の下部に開口を有するように接続された水(液体)を供給する供給管2及び改質原料ガス(キャリアーガス)を供給するガス供給管3と、水を蒸発させる加熱手段5と、改質原料ガス及び水蒸気を排出する排出管4と、水と水蒸気との界面Iを一定の範囲に保持するレベル制御手段とから概略構成されている。
Hereinafter, a water vapor generator for a fuel cell, which is an embodiment of the evaporative gas generator of the present invention, will be described with reference to FIG.
The steam generator in the present embodiment supplies a container
この供給管2は、調整流量弁21を介装して容器本体1の底部に接続されており、容器本体1内の開口部に多孔板22が設けられている。また、ガス供給管3は、流量調整弁31を介装して容器本体1の底部から上方に突出して設けられ、容器本体1内の開口部に多孔板23が設けられている。なお、多孔板22,32としては、水又は原料改質ガスの供給に影響を与えないメッシュを具備したものが好適である。
The
また、加熱手段5は、電気ヒータ(例えば、100W)が好適であり、容器本体1の側面外周を取り囲むようにして設けられている。この電気ヒータ5は、容器本体1の上端部から下端部を覆うようにして設けられており、中央部において分断され、上部及び下部の電気ヒータ5が各々独立して制御されるようになっている。
なお、電気ヒータ5は、上述のように上部及び下部の2部に分けて設けられているものに限らず、別々に放熱量を制御できるものであればよい。
The heating means 5 is preferably an electric heater (for example, 100 W), and is provided so as to surround the outer periphery of the side surface of the
Note that the
上記容器本体1は、水蒸気供給量を担保するための容量を備えており、供給管2から供給された水が、下部に一定量貯留されるとともに加熱手段により加熱されることにより蒸発して、上部に水蒸気が充満するようになっている。また、下部から上部まで、粒径0.5mm〜3mmの多数のセラミックビーズ(伝熱部材)11が充填されており、セラミックビーズ11の間に水と改質原料ガスとの流路が形成されるようになっている。
The
このセラミックビーズ11は、電気ヒータ5からの熱を吸収して、水、水蒸気及び改質原料に対して、熱伝達機能を果たすとともに、水と改質原料との混合及び水蒸気と改質原料との混合を促進させるためのものである。それ故、このセラミックビーズ11として、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、ムライト及び窒化アルミニウムを用いることができるが、熱伝導率の観点からマグネシア、ムライト及び窒化アルミニウムが、強度の観点からジルコニア、アルミナが各々好適に用いられる。
The
他方、排出管4は、反応容器1の天井部に接続されている。
この排出管4及びガス供給管3の径は、例えば、排出管4の内径が4mm、外径が6mmであるときに、ガス供給管3の内径が2mm、外径が4mmである。
On the other hand, the
Regarding the diameters of the
上述のレベル制御手段として、上記容器本体1側面の上部及び下部に配設された温度センサー6a、6bと、この温度センサー6aからの検出温度により上記容器本体1側面上部が沸点温度(100℃)以上の設定温度(例えば200℃)及び温度センサー6bからの検出温度により上記容器本体1側面下部が沸点温度(100℃)以下の設定温度(例えば80℃)となるよう前記電気ヒータ5の放熱量を調整する放熱量制御手段7とが設けられている。なお、この温度センサー6a、6bは、容器本体1側面の上部及び下部に換えて、容器本体1内部の上部及び下部に配設することもできるが、この場合には、水蒸気及び改質原料ガスがリークしないように、容器本体1の温度センサー導入口にシール部材等を設ける。
As the level control means, the
さらに、排出管4の後段に改質器及び発電セルを多数積層して構成される燃料電池スタックを順次接続することにより、燃料電池とすることも可能である。この場合、改質器は、各々が直列に接続された多段構成とし、最前段の改質器が、燃料電池スタックから最後段の改質器より離間した場所(例えば、排気管)に配設されていることが好ましい。これにより、改質器の吸熱作用により燃料電池スタックを冷却して、発電性能を低下させる不都合を回避することができるとともに、燃料電池スタックの排熱を利用する水蒸気発生装置に対しては、常に高温度の排ガスを導入することができるため、安定した量の水蒸気を発生させることにも大いに寄与する。
Furthermore, a fuel cell can be obtained by sequentially connecting a fuel cell stack formed by laminating a large number of reformers and power generation cells downstream of the
次に、以上の構成からなる水蒸気発生装置の作用について、図1を用いて以下に説明する。
まず、流量調整弁21を開口して、供給管2から水を容器本体1内に供給する。これと併行して、電気ヒータ5の電源を入れて、容器本体1を温めると同時に、流量調整弁31を開口して、ガス供給管3から改質原料ガスを容器本体1に供給する。
すると、改質原料ガスは、気泡になって液相Lに充填されたセラミックビーズ11の隙間を上下方向及び左右方向に蛇行しながら上昇する。
Next, the operation of the water vapor generating apparatus having the above configuration will be described with reference to FIG.
First, the flow
Then, the reforming raw material gas rises while meandering the gap between the
次いで、流量調整弁21、31を、所望の水蒸気供給量及び水蒸気と改質原料ガスとの混合比率とから予め設定しておいた開口度に調整する。それと伴に、放熱量制御手段7を用いて、温度センサー6が水供給量及び水蒸気排出量の一致する設定温度(例えば上部200℃、下部80℃)を示すように電気ヒータ5の放熱量を調整する。
Next, the flow
具体的には、容器本体1側面における上部又は下部の温度センサー6が設定温度より高い温度を感知した場合には、水と水蒸気との界面Iが降下しているため、放熱量制御手段7を用いて電気ヒータ5の放熱量を減少させる。他方、同上部又は下部の温度センサー6が設定温度より低い温度を感知した場合には、水と水蒸気との界面Iが上昇しているため、放熱量制御手段7を用いて電気ヒータ5の放熱量を増加させる。
Specifically, when the upper or
これにより、容器本体1側面における上部又は下部の温度を一定の範囲内に保持して、間接的に水と水蒸気との界面Iを一定の範囲内に調整する。
特に、容器本体1内に充填されたセラミックビーズ11により水位差が存在して、直接水と水蒸気との界面Iを測定できない場合にも、容器本体1側面における上部又は下部の温度を一定の範囲内に保持することにより、水と水蒸気との界面Iを間接的に一定の範囲内に調整する。
Thereby, the temperature of the upper part or the lower part on the side surface of the
In particular, even when there is a difference in water level due to the
すると、容器本体1内に供給された水は、改質原料ガスとともにセラミックビーズ11の隙間を上下方向及び左右方向に蛇行して、均一に混合されながら上昇するとともに、電気ヒータ5及びそれにより温められたセラミックビーズ11により加温されて、蒸発する。これにより、容器本体1の上部には水蒸気及び改質原料ガスが充満して、これらがセラミックビーズ11により均一に混合されるため、排出管4から常に微量であっても所望される一定量の水蒸気が改質原料ガスとともに排出される。それ故、後工程となる改質器において、別途、水蒸気と改質原料ガスとを混合させる必要がない。
Then, the water supplied into the container
以上のようにして、微量であっても常に一定量の水蒸気を後段の工程へと供給することができる。
その際、流量調整弁21及び流量調整弁31の開口度を調整して、水と改質原料ガスとの混合比を制御することができる。また、これと併せて、上述の電気ヒータ5の設定温度を変動させることにより、排出管4から排出される水蒸気量を増減させることができる。
As described above, a constant amount of water vapor can always be supplied to the subsequent process even in a small amount.
At that time, the opening ratio of the flow
特に、上部における設定温度を改質に適した温度に設定して、別途、改質触媒を配置することにより、この水蒸気発生器を用いて微量の水素ガスを安定して供給することができ、この水蒸気発生記を容易に小型の改質器に改変させることが可能である。 In particular, by setting the set temperature at the upper part to a temperature suitable for reforming and arranging a reforming catalyst separately, a small amount of hydrogen gas can be stably supplied using this steam generator, It is possible to easily change this steam generation to a small reformer.
なお、本発明は、上述の水蒸気発生装置に限定されるものではなく、例えば、液体と蒸発ガスとの界面Iを一定の範囲に保持する手段として、温度センサー6の代わりに液体と蒸発ガスとの界面Iを測定する界面センサーや界面観察窓が設けられていてもよい。また、加熱手段5は、電気ヒータに限られるものではなく、例えば燃料電池から排出される排ガスであってもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described water vapor generating device. For example, as means for maintaining the interface I between the liquid and the evaporative gas in a certain range, the liquid and the evaporative gas are used instead of the
1・・・容器本体
2・・・供給管
3・・・ガス供給管
4・・・排出管
5・・・加熱手段(電気ヒータ)
6・・・温度センサー
7・・・放熱量制御手段
11・・・伝熱部材(セラミックビーズ)
I・・・界面
DESCRIPTION OF
6 ...
I ... Interface
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