JP2007261926A - 燃料電池用の改質装置用バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】加熱室形成容器の周縁部を接続する溶接作業の簡略化によるコストダウンを可能にし、しかも、加熱室形成容器の周縁部における気密性を所望どおりに維持することが可能な燃料電池用の改質装置用バーナ。
【解決手段】原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するための改質装置が、周縁部を溶接により接続されて形成された加熱室形成容器１９と、加熱室形成容器１９の側壁に沿って隣接して配置された改質反応室３とを備え、燃料ガス噴出用の噴出孔２５を有するバーナ本体２６が、加熱室形成容器１９内に配置されて改質反応室３を加熱するように構成されている燃料電池用の改質装置用バーナ１３で、バーナ本体２６に燃料ガスを供給する燃料供給管２７が、加熱室形成容器１９の改質反応室３と反対側の側壁を貫通して外部に突出するように配設されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するための改質装置が、周縁部を溶接により接続されて形成された加熱室形成容器と、その加熱室形成容器の側壁に沿って隣接して配置された改質反応室とを備え、燃料ガス噴出用の噴出孔を有するバーナ本体が、前記加熱室形成容器内に配置されて前記改質反応室を加熱するように構成されている燃料電池用の改質装置用バーナに関する。

このような改質装置用バーナとしては、従来、バーナ本体に燃料ガスを供給する燃料供給管が、加熱室形成容器の底部壁、つまり、周縁部を溶接により接続されて形成された加熱室形成容器において、その周縁部に近接する底部壁を貫通して外部に突出するように配設された構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３５３２８号公報

上記公報に記載の改質装置用バーナでは、溶接により接続するべき周縁部近くの底部壁を燃料供給管が貫通するため、その燃料供給管が邪魔になって、加熱室形成容器の周縁部を溶接により接続するに際して円板電極を使用するシーム溶接を採用することができなかった。そこで、加熱室形成容器の周縁部をスポット溶接により接続し、さらに、スポット溶接の外側をティグ（ＴＩＧ）溶接により接続して、加熱室形成容器の周縁部における気密性を保持していたのが実情である。
したがって、従来の改質装置用バーナでは、加熱室形成容器を作製するのにスポット溶接とティグ溶接との２度にわたる溶接作業を要し、それが改質装置用バーナのコストアップを招く一因となっていた。

本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、加熱室形成容器の周縁部を接続する溶接作業の簡略化によるコストダウンを可能にし、しかも、加熱室形成容器の周縁部における気密性を所望どおりに維持することが可能な燃料電池用の改質装置用バーナを提供することにある。

本発明の燃料電池用の改質装置用バーナは、原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するための改質装置が、周縁部を溶接により接続されて形成された加熱室形成容器と、その加熱室形成容器の側壁に沿って隣接して配置された改質反応室とを備え、燃料ガス噴出用の噴出孔を有するバーナ本体が、前記加熱室形成容器内に配置されて前記改質反応室を加熱するように構成されているものであって、
本発明の第１の特徴構成は、前記バーナ本体に燃料ガスを供給する燃料供給管が、前記加熱室形成容器の前記改質反応室と反対側の側壁を貫通して外部に突出するように配設されている点を特徴とする。

すなわち、燃料供給管が、溶接により接続するべき加熱室形成容器の周縁部から離れた側壁を貫通して外部に突出するように配設されているので、従来では不可能とされていたシーム溶接により加熱室形成容器の周縁部を接続することができ、溶接作業の簡略化によるコストダウンを図ることができる。
そして、円板電極を使用するシーム溶接によれば、加熱室形成容器の周縁部を気密に接続することができ、かつ、燃料供給管が貫通する加熱室形成容器の側壁は、加熱室形成容器に隣接する改質反応室側の側壁ではなくて、改質反応室と反対側の側壁であるため、改質反応室と加熱室との間の気密性も確実に保持される。

本発明の第２の特徴構成は、上記第１の特徴構成に加えて、前記加熱室形成容器を挟んで前記改質反応室とは反対側に断熱材を介して水蒸気生成室形成容器が配置され、前記燃料供給管が、前記加熱室形成容器の側壁を貫通したのちに屈曲されて、前記断熱材内を通って外部に突出されている点を特徴とする。

すなわち、改質装置の加熱室形成容器を挟んで改質反応室とは反対側に断熱材を介して水蒸気生成室形成容器が配置され、その断熱材内を通って燃料供給管が外部に突出されているので、加熱室と水蒸気生成室とを断熱状態に維持するのに必要不可欠な断熱材を有効に利用して、燃料供給管を合理的に配設することができる。

本発明の第３の特徴構成は、上記第１または第２の特徴構成に加えて、前記加熱室形成容器と改質室形成容器が、仕切り体を共用する状態でその両側に皿状容器を配設して形成され、その仕切り体と両皿状容器の周縁部が溶接により接続されている点を特徴とする。

すなわち、加熱室形成容器と改質室形成容器が、仕切り体を共用する状態でその両側に皿状容器を配設して形成され、その仕切り体と両皿状容器の周縁部が溶接により接続されているので、仕切り体と両皿状容器の周縁部との接合にシーム溶接を採用することにより、仕切り体と両皿状容器の周縁部をシーム溶接により一挙に、かつ、気密性良く接続することができる。

本発明による燃料電池用の改質装置用バーナの実施の形態を図面に基づいて説明する。
この改質装置用バーナは、炭化水素系の原燃料ガスを改質して、水素リッチな水素含有ガスを生成する改質装置に組み込まれるもので、改質装置自体は、燃料電池に対して発電反応用として供給する高純度水素ガスを生成する流体処理装置に組み込まれる。
その流体処理装置Ｐは、図１および図２に示すように、天然ガスなどの炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫反応部１と、水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部２と、脱硫反応部１で脱硫処理された原燃料ガスを水蒸気生成部２からの水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む水素リッチな水素含有ガスに改質処理する改質反応室としての改質反応部３と、その改質反応部３からの水素含有ガスに含まれる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反応部４と、その変成反応部４からの水素含有ガス中に残っている一酸化炭素ガスを選択的に酸化処理する選択酸化反応部５などを備え、一酸化炭素ガス含有量の少ない高純度水素ガスを生成するように構成してある。

前記流体処理装置Ｐは、さらに、燃料ガスを燃焼させて改質反応部３を加熱する燃焼反応部６、改質反応部３から排出される水素含有ガスを通流させて改質反応部３を加熱する改質部加熱用通流部７、燃焼反応部６から排出される燃焼排ガスを通流させてその燃焼排ガスにより水蒸気生成部２を加熱する加熱用排ガス通流部８、その加熱用排ガス通流部８から排出される燃焼排ガスを通流させてその燃焼排ガスにより変成反応部４を冷却する冷却用排ガス通流部９、改質部加熱用通流部７から排出される高温の水素含有ガスにより脱硫反応部１にて脱硫された後の原燃料ガスを加熱する脱硫後原燃料用熱交換器Ｅａ、その脱硫後原燃料用熱交換器Ｅａによる熱交換後の水素含有ガスにより脱硫反応部１にて脱硫処理する原燃料ガスを加熱する脱硫前原燃料用熱交換器Ｅｂ、および、冷却用排ガス通流部９から排出される燃焼排ガスの排熱を燃焼反応部６に供給される燃料ガスと燃焼用空気に回収するエコノマイザＥｃを備えている。

前記エコノマイザＥｃは、冷却用排ガス通流部９から排出される燃焼排ガスを通流させる排熱源排ガス通流部１０の一方側に、燃焼反応部６に供給される燃料ガスを通流させる燃料ガス通流部１１を、他方側に、燃焼反応部６に供給される燃焼用空気を通流させる燃焼用空気通流部１２を設けて熱交換自在に構成してある。
すなわち、燃焼反応部６は、後に詳しく説明するように、改質装置用バーナ１３と燃焼用空気供給管１４を備え、燃料ガス通流部１１からの燃料ガスを改質装置用バーナ１３に供給し、燃焼用空気通流部１２からの燃焼用空気を燃焼用空気供給管１４に供給して、改質装置用バーナ１３により燃料ガスを燃焼させて、隣接する改質反応部３を加熱するように構成してある。
その改質反応部３には、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む水素リッチな水素含有ガスに改質処理するルテニウム、ニッケル、白金などの改質反応用触媒１５を充填してあり、例えば、原燃料ガスがメタンガスを主成分とする天然ガスベースの都市ガス（１３Ａ）であれば、改質反応用触媒１５の触媒作用により、６００〜７５０℃の範囲の改質処理温度の下で水素含有ガスに改質する。

前記流体処理装置Ｐを構成する各部、つまり、脱硫反応部１、水蒸気生成部２、改質反応部３、変成反応部４、選択酸化反応部５、燃焼反応部６、改質部加熱用通流部７、加熱用排ガス通流部８、冷却用排ガス通流部９、排熱源排ガス通流部１０、燃料ガス通流部１１、および、燃焼用空気通流部１２などは、周辺部を溶接により接続された扁平状の容器などにより構成され、それら多数の容器などが横方向に積層状に並べられ、その並び方向両端に一対の保持板１６を押し付け配置し、それら一対の保持板１６を図外のボルトとナットにより締め付けて構成してある。
例えば、改質反応部３、燃焼反応部６、および、改質部加熱用通流部７の場合であれば、図３および図４に示すように、燃焼反応部６の加熱室が加熱室用皿状容器１７と仕切り体としての仕切り部材１８からなる加熱室形成容器１９により構成され、改質反応部３の改質室が改質用皿状容器２０と仕切り部材１８からなる改質室形成容器２１により構成されている。

すなわち、加熱室形成容器１９と改質室形成容器２１は、仕切り部材１８を共用する状態でその仕切り部材１８の両側に加熱室用皿状容器１７と改質室用皿状容器２０を配設して形成され、図５に示すように、その仕切り部材１８と両皿状容器１７，２０の周縁部をシーム溶接により接続されて構成されている。
そして、改質室形成容器２１を構成する改質室用皿状容器２０に通流部用皿状容器２２が溶接されて、前記改質部加熱用通流部７が構成され、さらに、加熱室形成容器１９を挟んで改質反応部３と反対側には、断熱材２３を介して水蒸気生成室形成容器２４が配置されている（図２参照）。

前記加熱室形成容器１９内に配置される改質装置用バーナ１３は、燃料ガス噴出用の燃料噴出孔２５をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体２６とそのバーナ本体２６に燃料ガスを供給する燃料供給管２７、つまり、燃料ガス通流部１１からの燃料ガスをバーナ本体２６に供給する燃料供給管２７とを備えている。
前記加熱室形成容器１９内には、改質装置用バーナ１３のバーナ本体２６に対向して、燃焼用空気供給管１４も配置され、その燃焼用空気供給管１４には、燃焼用空気を噴出する多数の空気噴出孔２８がパイプの長手方向に沿って設けられ、互いに対向するバーナ本体２６と燃焼用空気供給管１４どうしが、図３に示す側面視において、互いに当接するように配置され、かつ、バーナ本体２６の燃料噴出孔２５から噴出される燃料ガスと燃焼用空気供給管１４の空気噴出孔２８から噴出される燃焼用空気が、互いに所定の角度で衝突して混合するように構成してある。

前記燃焼用空気供給管１４に燃焼用空気流通部１２からの燃焼用空気を供給するための空気搬送管２９が設けられ、その空気搬送管２９には、起動用の燃料ガスとしてメタンガスを主成分とする原燃料ガス、つまり、都市ガス（１３Ａ）を供給する起動用燃料ガス供給管３０を接続してあり、その起動用燃料ガス供給管３０にバルブＶが設けてある。
前記燃料供給管２７と空気搬送管２９は、加熱室形成容器１９の改質反応部３と反対側の側壁を貫通し、側壁を貫通したのちに隣接する断熱材２３内において屈曲され、その断熱材２３内を通って外部に突出されている。
そして、この改質装置により改質されて流出した水素含有ガスは、脱硫後原燃料用熱交換器Ｅａ、脱硫前原燃料用熱交換器Ｅｂ、変成反応部４、選択酸化反応部５を順に流れて、例えば、電解質層として高分子膜を用いた高分子型の燃料電池Ｇに供給される。燃料電池Ｇでは、選択酸化反応部５からの高純度水素ガスが燃料極に供給され、反応用送風機３１からの空気が酸素極に供給されて、水素含有ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電される。さらに、燃料電池Ｇの燃料極から排出されたオフガスが、エコノマイザＥｃの燃料ガス通流部１１、燃料供給管２７を通流して改質装置用バーナ１３のバーナ本体２６に供給されるのである。
なお、図中、３２は燃焼用空気を送風する送風機であり、３３は脱硫後の原燃料ガスに水蒸気を混合させるためのエジェクタである。

〔別実施形態〕
先の実施形態では、加熱室形成容器１９を挟んで改質反応部３とは反対側に水蒸気生成室形成容器２４を配置した例を示したが、水蒸気生成室形成容器２４に代えて、他の容器を配置することもできる。
また、加熱室形成容器１９と改質室形成容器２１が仕切り部材１８を共用する状態でその両側に加熱室用皿状容器１７と改質室用皿状容器２０を配設して構成した例を示したが、例えば、２つの皿状容器の周縁部をシーム溶接により接続して加熱室形成容器を構成し、同様に、２つの皿状容器の周縁部をシーム溶接により接続して改質室形成容器を構成するなど、加熱室形成容器１９と改質室形成容器２１の具体的な構成については種々の改変が可能である。

燃料電池用の改質装置用バーナを備えた流体処理装置の系統図 燃料電池用の改質装置用バーナを備えた流体処理装置の要部の縦断側面図 改質装置用バーナの要部の縦断側面図 改質装置用バーナの要部の斜視図 改質装置用バーナの要部の正面図

符号の説明

３ 改質反応室
１３ 改質装置用バーナ
１７ 加熱室用皿状容器
１８ 仕切り体
１９ 加熱室形成容器
２０ 改質室用皿状容器
２３ 断熱材
２４ 水蒸気生成室形成容器
２５ 燃料ガス噴出用の噴出孔
２６ バーナ本体
２７ 燃料供給管
Ｇ 燃料電池

Claims (3)

1. 原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するための改質装置が、周縁部を溶接により接続されて形成された加熱室形成容器と、その加熱室形成容器の側壁に沿って隣接して配置された改質反応室とを備え、燃料ガス噴出用の噴出孔を有するバーナ本体が、前記加熱室形成容器内に配置されて前記改質反応室を加熱するように構成されている燃料電池用の改質装置用バーナであって、
   前記バーナ本体に燃料ガスを供給する燃料供給管が、前記加熱室形成容器の前記改質反応室と反対側の側壁を貫通して外部に突出するように配設されている燃料電池用の改質装置用バーナ。
2. 前記加熱室形成容器を挟んで前記改質反応室とは反対側に断熱材を介して水蒸気生成室形成容器が配置され、前記燃料供給管が、前記加熱室形成容器の側壁を貫通したのちに屈曲されて、前記断熱材内を通って外部に突出されている請求項１に記載の燃料電池用の改質装置用バーナ。
3. 前記加熱室形成容器と改質室形成容器が、仕切り体を共用する状態でその両側に皿状容器を配設して形成され、その仕切り体と両皿状容器の周縁部が溶接により接続されている請求項１または２に記載の燃料電池用の改質装置用バーナ。

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