JP2008094671A - Fuel reforming device and fuel cell power system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a fuel reformer and a fuel cell power generation system using the same.
従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成を図6に示す。 A schematic configuration of an example of a conventional fuel cell power generation system is shown in FIG.
図6に示すように、燃料加熱装置10の加熱室11には、燃料1と空気2とを燃焼させて燃焼ガス3を生じさせる燃焼バーナ12が設けられると共に、炭化水素を含有する原料4及び水5を噴霧する原料供給ノズル13が設けられている。燃料加熱装置10の加熱室11は、気化した上記原料4と水5とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガス6を生成させる触媒22を収納した改質装置20の容器21に連絡している。
As shown in FIG. 6, the
前記改質装置20の容器21は、燃料電池本体31の燃料ガス供給口に連絡している。燃料電池本体31の酸化ガス供給口には、酸素ガスを含有する酸化ガスである空気7が供給されるようになっている。また、燃料電池本体31には、当該燃料電池本体31に温調用の水8を流通させる循環ポンプ41と、当該水8を貯蔵する貯水タンク42と、当該水8を温調する温調器43とが接続している。
The
このような従来の燃料電池発電システムでは、燃料加熱装置10の燃焼バーナ12に燃料1及び空気2を供給して加熱室11内に燃焼ガス3を発生させると共に、原料供給ノズル13から原料4及び水5を加熱室11内に供給すると、上記燃焼ガス3が、原料4及び水5を気化させると同時に温度を下げられ(約1700℃から約700℃)、気化した原料4及び水5を随伴しながら加熱室11から改質装置20の容器21内に供給され、触媒22を所定温度(約150〜700℃)に加温することにより、気化した上記原料4及び上記水5が反応して水素ガスを含有する燃料ガス6に改質され、当該燃料ガス6が容器21から燃料電池本体31の燃料ガス供給口に供給されて、当該燃料電池本体31の酸化ガス供給口から供給された空気7と共に当該燃料電池本体31の内部で電気化学的に反応することにより、当該燃料電池本体31から電力を発生することができるようになっている(例えば、下記特許文献1等参照)。
In such a conventional fuel cell power generation system, the fuel 1 and the air 2 are supplied to the
前述したような従来の燃料電池発電システムにおいては、改質装置20の触媒22を所定温度(約150〜700℃)に加熱するために燃焼バーナ12から燃焼ガス3を発生させているが、非常に高温(約1700℃)の燃焼ガス3を改質装置20にそのまま送給すると触媒22が劣化してしまうことから、上記燃焼ガス3で原料4及び水5の気化を行うことによって、当該燃焼ガス3を所定温度(約700℃)にまで低下させるようにしている。
In the conventional fuel cell power generation system as described above, the
このため、改質装置20の触媒22の温度が低い起動の際は、燃焼ガス3の流通方向下流側に位置する触媒22ほど、気化した水5が冷えて凝縮液化して多孔質の触媒22の内部に浸入してしまい、当該触媒22に浸入した水5を再度気化させて触媒22を定常運転可能な所定温度(約150〜700℃)にまで加熱しなければならないので、燃焼ガス3の熱エネルギを無駄に消費してしまうと共に、定常運転にまで時間を要してしまう(約30〜40分)だけでなく、多孔質の触媒22に浸入した水5の気化膨張によって、触媒22を損傷させてしまうおそれがあった。
For this reason, when the temperature of the
このようなことから、本発明は、燃焼ガスの熱エネルギを有効に利用することができると共に、定常運転にまで短時間で立ち上げることができ、さらに、触媒の損傷を防止することができる燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 For this reason, the present invention can effectively use the thermal energy of the combustion gas, can be started up in a short time until steady operation, and can further prevent damage to the catalyst. An object is to provide a reformer and a fuel cell power generation system using the reformer.
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る燃料改質装置は、炭化水素を含有する原料と水とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる触媒を容器内に収納した改質装置を備えた燃料改質装置において、燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを発生させると共に当該燃焼ガスを前記改質装置の前記容器内に送給する触媒予熱手段と、前記触媒予熱手段で発生して前記改質装置の前記容器内に送給される前記燃焼ガスと水とを熱交換させる燃焼ガス冷却手段と、前記燃焼ガス冷却手段で前記燃焼ガスと熱交換した前記水の熱を前記改質装置の前記容器に伝達させる容器予熱手段とを備えていることを特徴とする。 A fuel reformer according to a first aspect of the present invention for solving the above-described problem includes a catalyst for generating a fuel gas containing hydrogen gas by reacting a hydrocarbon-containing raw material and water in a container. In a fuel reformer comprising a reformer housed therein, catalyst preheating means for burning fuel and air to generate combustion gas and feeding the combustion gas into the container of the reformer, and Combustion gas cooling means for exchanging heat between the combustion gas and water generated in the catalyst preheating means and fed into the container of the reformer; and the combustion gas cooling means for exchanging heat with the combustion gas And a container preheating means for transferring water heat to the container of the reformer.
第二番目の発明に係る燃料改質装置は、第一番目の発明において、前記容器予熱手段で前記改質装置の前記容器に熱を伝達した前記水を前記燃焼ガスと再度熱交換させるように前記燃焼ガス冷却手段に再び供給する予熱水循環手段を備えていることを特徴とする。 A fuel reformer according to a second aspect of the present invention is the fuel reformer according to the first aspect, wherein the water that has transmitted heat to the container of the reformer by the container preheating means is again heat-exchanged with the combustion gas. Preheating water circulation means for supplying the combustion gas cooling means again is provided.
第三番目の発明に係る燃料改質装置は、第一番目又は第二番目の発明において、前記触媒予熱手段で発生した前記燃焼ガスを前記改質装置の前記容器内に送給することなく系外へ排出する排気手段を備えていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a fuel reformer according to the first or second aspect of the present invention, wherein the combustion gas generated by the catalyst preheating means is not fed into the container of the reformer. It is characterized by having exhaust means for discharging to the outside.
また、前述した課題を解決するための、第四番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかの燃料改質装置と、前記原料と前記水とを加熱して前記燃料改質装置の前記改質装置の前記容器内に送給する燃料ガス原料加熱手段と、前記燃料改質装置の前記改質装置で生成した前記燃料ガスを燃料ガス供給口に供給されると共に、酸素ガスを含有する酸化ガスを酸化ガス供給口に供給される燃料電池本体とを備えていることを特徴とする。 A fuel cell power generation system according to a fourth aspect of the present invention for solving the above-described problem includes a fuel reformer according to any one of the first to third aspects, the raw material, and the water. Fuel gas raw material heating means for heating and feeding the fuel reformer into the container of the reformer, and the fuel gas generated by the reformer of the fuel reformer to the fuel gas supply port And a fuel cell main body that is supplied with an oxidizing gas containing oxygen gas supplied to an oxidizing gas supply port.
第五番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第四番目の発明において、前記燃料電池本体に温調用の水を流通させて当該燃料電池本体の温調を行う温調手段を備え、前記燃料改質装置の前記燃焼ガス冷却手段の前記水と前記温調手段の前記水とが共用されていることを特徴とする。 A fuel cell power generation system according to a fifth aspect of the present invention is the fuel cell power generation system according to the fourth aspect, further comprising temperature control means for controlling the temperature of the fuel cell body by circulating water for temperature control through the fuel cell body. The water of the combustion gas cooling means of the reformer and the water of the temperature control means are shared.
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムによれば、改質装置の触媒を加熱するのに、触媒予熱手段の燃焼ガスと水とを燃焼ガス冷却手段で熱交換させて当該燃焼ガスを低下させて改質装置の触媒に送給すると同時に、当該燃焼ガスと熱交換した上記水を触媒に供給せずに容器予熱手段で容器に伝熱させることにより、容器を介して当該触媒を加熱することができることから、改質装置の触媒の温度が低い起動の際でも、当該触媒に凝縮水が付着するようなことはなく、多孔質の触媒の内部に水が浸入してしまうようなことはないので、燃焼ガスの熱エネルギを無駄に消費することなく、触媒を定常運転可能な所定温度にまで短時間で加熱することができると共に、多孔質の触媒に浸入した水の気化膨張による触媒の損傷を未然に防止することができる。 According to the fuel reforming apparatus and the fuel cell power generation system using the same according to the present invention, in order to heat the catalyst of the reforming apparatus, the combustion gas and water of the catalyst preheating means are heat-exchanged by the combustion gas cooling means. The combustion gas is lowered and fed to the catalyst of the reformer, and at the same time, the water preheated with the combustion gas is transferred to the container by the container preheating means without being supplied to the catalyst. Therefore, even when the reformer catalyst temperature is low, condensate does not adhere to the catalyst, and water penetrates into the porous catalyst. Therefore, without wasting the heat energy of the combustion gas, the catalyst can be heated to a predetermined temperature at which it can be steadily operated in a short time, and water infiltrated into the porous catalyst can be used. Catalyst by vaporization and expansion It is possible to prevent damage from occurring.
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、以下の実施形態に記載した形態の場合のみに限定されるものではない。 Embodiments of a fuel reforming apparatus and a fuel cell power generation system using the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is limited only to the forms described in the following embodiments. It is not a thing.
[第一番目の実施形態]
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図1に基づいて説明する。図1は、燃料電池発電システムの概略構成図である。
[First embodiment]
A first embodiment of a fuel reformer according to the present invention and a fuel cell power generation system using the same will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell power generation system.
本実施形態に係る燃料電池発電システムは、図1に示すように、炭化水素を含有する原料4と水5とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガス6を生成させる触媒122を容器121内に収納した改質装置120と、燃料1と空気2とを燃焼させて燃焼ガス3を発生させると共に当該燃焼ガス3を改質装置120の容器121内に送給する触媒予熱手段である触媒予熱装置150と、触媒予熱装置150で発生して改質装置120の容器121内に送給される燃焼ガス3と水8とを熱交換させる燃焼ガス冷却手段である熱交換器153と、熱交換器153で燃焼ガス3と熱交換した前記水8の熱を改質装置120の容器121に伝達させる容器予熱手段である流路123と、流路123で改質装置120の容器121に熱を伝達した前記水8を燃焼ガス3と再度熱交換させるように熱交換器153に再び供給する予熱水循環手段である循環ポンプ161,貯水タンク142と、触媒予熱装置150で発生した燃焼ガス3を改質装置120の容器121内に送給することなく系外へ排出する排気手段である排気ライン171とを備えている燃料改質装置と、原料4と水5とを加熱して改質装置120の容器121内に送給する燃料ガス原料加熱手段である燃料ガス原料加熱装置110と、改質装置120で生成した燃料ガス6を燃料ガス供給口に供給されると共に、酸素ガスを含有する酸化ガスである空気7を酸化ガス供給口に供給される燃料電池本体131と、燃料電池本体131に温調用の水8を流通させて燃料電池本体131の温調を行う温調手段である循環ポンプ141,貯水タンク142,温調器143とを備え、前記燃料改質装置の熱交換器153を流通する水8と燃料電池本体131内を流通する温調用の水8とが貯水タンク142内で共用されたものである。
In the fuel cell power generation system according to this embodiment, as shown in FIG. 1, a
前記燃料ガス原料加熱装置110は、加熱室111と、燃料1と空気2とを燃焼させて加熱室111内に燃焼ガス3を生じさせる燃焼バーナ112と、炭化水素を含有する原料4及び水5と燃焼ガス3とを熱交換させて原料4及び水5を気化させる熱交換器113とを備えており、原料4及び水5を加熱気化した燃焼ガス3を系外へ排出すると共に、加熱気化した原料4及び水5を前記改質装置120の容器121内の触媒122へ送給することができるようになっている。
The fuel gas raw material heating device 110 includes a heating chamber 111, a
前記触媒予熱装置150は、加熱室151と、燃料1と空気2とを燃焼させて加熱室151内に燃焼ガス3を生じさせる燃焼バーナ152と、水8と燃焼ガス3とを熱交換させて燃焼ガス3を所定温度(約700℃)にまで低下させる熱交換器153とを備えており、上記熱交換器153で水8と熱交換されて所定温度にまで低下された燃焼ガス3を前記改質装置120の容器121内の触媒122へ送給すると共に、上記熱交換器153で燃焼ガス3と熱交換した水8を前記改質装置120の容器121の前記流路123に送給することができるようになっている。
The
前記改質装置120は、金属製の容器121と、容器121内に収納されて燃料ガス原料加熱装置110の熱交換器113からの原料4と水5とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガス6を生成させる触媒122と、容器121に形成されて触媒予熱装置150の熱交換器153からの前記水8を流通させる流路123とを備えており、生成した燃料ガス6を燃料電池本体131の燃料ガス供給口に送給することができると共に、前記流路123を流通した上記水8を貯水タンク142に戻すようになっている。
The reformer 120 is a metal container 121 and a fuel containing hydrogen gas by reacting the
前記循環ポンプ161は、貯水タンク142内の水8を触媒予熱装置150の熱交換器153に供給するようになっている。
The
前記排気ライン171は、前記触媒予熱装置150の加熱室151と前記改質装置120の容器121との間と系外とを連絡し、排気バルブ172を備えており、当該排気バルブ172を開放することにより、前記触媒予熱装置150の加熱室151からの燃焼ガス3を系外へ排出し、当該排気バルブ172を閉鎖することにより、前記触媒予熱装置150の加熱室151からの燃焼ガス3を前記改質装置120の容器121内へ送給することができるようになっている。
The
このような本実施形態に係る燃料電池発電システムの作動を次に説明する。 Next, the operation of the fuel cell power generation system according to this embodiment will be described.
起動運転として、まず、前記排気バルブ172を開放した後、前記触媒予熱装置150の燃焼バーナ152に燃料1及び空気2を供給して燃焼ガス3を発生させると共に、前記循環ポンプ161を作動して貯水タンク142内の水8を触媒予熱装置150の熱交換器153に送給する一方、前記循環ポンプ141及び前記温調器143を作動して貯水タンク142内の水8を当該温調器143で温調しながら燃料電池本体131に供給すると、上記触媒予熱装置150の燃焼バーナ152から生じた燃焼ガス3が、熱交換器153内を流通する前記水8を加熱した後、改質装置120の容器121内に流入することなく排気ライン171から系外に排出され(容器121内に充填されている触媒122の抵抗のため)、上記熱交換器153で加熱された上記水8が、改質装置120の容器121の流路123内を流通して当該容器123及び触媒122を加熱して、前記貯水タンク142に回収される。
As the start-up operation, first, after opening the
そして、触媒予熱装置150の燃焼バーナ152からの燃焼ガス3を所定時間(10〜20秒程度)系外へ排出したら、前記排気バルブ172を閉鎖して、触媒予熱装置150の燃焼バーナ152からの燃焼ガス3(約1700℃)を改質装置120の容器121内へ送給する。
When the
これにより、改質装置120の触媒122は、前記触媒予熱装置150の熱交換器153内を流通する水8と熱交換して所定温度(約700℃)にまで低下した燃焼ガス3により加熱されると同時に、上記燃焼ガス3と熱交換して加熱された上記水8により容器121を介して加熱される。改質装置120の触媒122を加熱した上記燃焼ガス3は、燃料電池本体131の燃料ガス供給口から燃料ガス排出口を介して系外へ排出される。
As a result, the
このようにして改質装置120の触媒122を所定温度(約150〜700℃)にまで加熱、すなわち、所定時間(約10分程度)加熱したら、定常運転として、前記触媒予熱装置150の燃焼バーナ152への燃料1及び空気2の供給を停止して燃焼ガス3の発生を停止させると共に、前記循環ポンプ161の作動を停止して改質装置120の容器121の流路123への前記水8の供給を停止する一方、前記燃料ガス原料加熱装置110の燃焼バーナ112に燃料1及び空気2を供給して燃焼ガス3を発生させると共に、当該燃料ガス原料加熱装置110の熱交換器113に原料4及び水5を送給する。
When the
これにより、上記原料4及び水5が、所定温度(約700℃)にまで加熱されて気化して、改質装置120の容器121内に送給され、触媒122によって反応して、水素ガスを含む燃料ガス6となって燃料電池本体131の燃料ガス供給口に供給され、当該燃料電池本体131の酸化ガス供給口から供給された空気7と電気化学的に反応して、燃料電池本体131から電力が得られる。
As a result, the
つまり、前記特許文献1等の従来技術では、図6に示したように、改質装置20の触媒22を加熱するのに、燃料加熱装置10の燃焼ガス3に原料4及び水5を噴き込むことにより、当該燃焼ガス3を所定温度(約700℃)にまで低下させて、気化させた当該原料4及び水5と共に改質装置20の触媒20に送給するようにしていたが、本実施形態では、図1に示したように、改質装置120の触媒122を加熱するのに、触媒予熱装置150の燃焼ガス3と水8とを熱交換器153で熱交換させて当該燃焼ガス3を所定温度(約700℃)にまで低下させて改質装置120の触媒122に送給すると同時に、当該燃焼ガス3と熱交換した上記水8を触媒122に供給せずに改質装置120の容器121の前記流路123に流通させることにより、金属製の容器121を介して当該触媒122を加熱するようにしたのである。
That is, in the conventional technology such as Patent Document 1, the
このため、前記特許文献1等の従来技術においては、前述したように、改質装置20の触媒22の温度が低い起動の際に、燃焼ガス3の流通方向下流側に位置する触媒22ほど、気化した水5が冷えて凝縮液化して多孔質性の触媒22の内部に浸入してしまい、当該触媒22に浸入した水5を再度気化させて触媒22を定常運転可能な所定温度(約150〜700℃)にまで加熱しなければならなくなり、燃焼ガス3の熱エネルギを無駄に消費してしまうと共に、定常運転にまで時間を要してしまう(約30〜40分)だけでなく、多孔質の触媒22に浸入した水5の気化膨張によって、触媒22を損傷させてしまうおそれがあったものの、本実施形態においては、改質装置120の触媒122の温度が低い起動の際でも、当該触媒122に凝縮水が付着するようなことはなく、多孔質の触媒122の内部に水が浸入してしまうようなことはないので、燃焼ガス3の熱エネルギを無駄に消費することなく、触媒122を定常運転可能な所定温度(約150〜700℃)にまで短時間(約10分程度)で加熱することができると共に、多孔質の触媒122に浸入した水の気化膨張による触媒122の損傷を未然に防止することができる。
For this reason, in the prior art such as Patent Document 1 and the like, as described above, at the time of startup when the temperature of the
したがって、本実施形態によれば、燃焼ガス3の熱エネルギを有効に利用することができると共に、定常運転にまで短時間で立ち上げることができ、さらに、触媒122の損傷を防止することができる。
Therefore, according to the present embodiment, the thermal energy of the
また、前記排気バルブ172を有する排気ライン171を備えたことから、起動運転の際に、触媒予熱装置150の燃焼バーナ152から生じる酸素濃度の高い当初の燃焼ガス3を改質装置120の容器121内に送給することなく系外へ排出することができるので、改質装置120の前記触媒122及び燃料電池本体131の燃料極触媒の酸素による劣化を防止することができる。
Further, since the
また、触媒予熱装置150の熱交換器153を流通する水8と燃料電池本体131内を流通する温調用の水8とを共用していることから、起動運転の際に、燃料電池本体131を温調する水8を迅速に加熱することができるので、燃料電池本体131を定常運転温度にまで迅速に昇温することができ、定常運転にまでさらに迅速に立ち上げることができる。
Further, since the
なお、本実施形態では、排気ライン171のみに排気バルブ172を設けることにより、当該排気バルブ172を開放したときに、容器121内に充填されている触媒122の抵抗を利用して、燃焼ガス3を改質装置120の容器121内に流入させることなく排気ライン171から系外に排出させるようにしたが、容器121内の触媒122の充填状態や燃焼ガス3の流速等の各種条件によっては、改質装置120の容器121と燃料電池本体131の燃料ガス供給口との間に補助バルブを設け、燃焼ガス3を改質装置120の容器121内に流入させることなく排気ライン171から系外に排出させるときに、上記排気バルブ172を開放すると共に、上記補助バルブを閉鎖し、燃焼ガス3を排気ライン171から系外に排出させずに改質装置120の容器121内に流入させるときに、上記補助バルブを開放すると共に、上記排気バルブ172を閉鎖するようにすることも可能である。
In this embodiment, by providing the
[第二番目の実施形態]
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図2,3に基づいて説明する。図2は、燃料改質装置の触媒予熱装置の概略構成図、図3は、図2の要部の抽出拡大図である。なお、前述した第一番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
[Second Embodiment]
A second embodiment of a fuel reformer according to the present invention and a fuel cell power generation system using the same will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the catalyst preheating device of the fuel reformer, and FIG. 3 is an enlarged view of an essential part of FIG. In addition, about the part similar to 1st embodiment mentioned above, by using the code | symbol similar to the code | symbol used in description of 1st embodiment mentioned above, in 1st embodiment mentioned above, A description overlapping with the description is omitted.
本実施形態に係る触媒予熱装置250は、図2に示すように、支持板251に、燃焼バーナ252の基端側が支持されている。燃焼バーナ252の先端側には、円筒状のガイドフード253の基端側が当該燃焼バーナ252からの火炎を包囲するように当該燃焼バーナ252と同軸をなして取り付けられている。
As shown in FIG. 2, the
前記支持板251には、周面に噴射口254aを複数形成した円筒状をなす噴射板254の基端側が前記燃焼バーナ252及び前記ガイドフード253を包囲するように当該燃焼バーナ252及び当該ガイドフード253と同軸をなして取り付けられている。噴射板254の先端側は、セラミックスファイバ等からなる断熱性を有する蓋板255で閉塞されている。
The
前記噴射板254の外周面には、水8を内部に流通させる加熱管256が当該噴射板254に隣接するように周方向に沿って螺旋状に曲折して巻き付けられており、当該加熱管256は、軸方向及び径方向に沿って変位できるように、隣り合う外周面の間に隙間を有しながら当該噴射板254に対して固着されることなく、その一端側と他端側とが前記支持板251に対して固定保持されている。
On the outer peripheral surface of the
前記支持板251には、先端側を閉塞された円筒状のカバー257の基端側が前記部材252〜256を包囲するように前記部材252〜254と同軸をなして取り付けられている。カバー257には、燃焼ガス3の送出口257aが設けられている。
The
つまり、本実施形態においては、燃焼バーナ252が、前述した第一番目の実施形態に係る燃焼バーナ152に相当すると共に、支持板251,カバー257により、前述した第一番目の実施形態に係る加熱室151を構成し、ガイドフード253,噴射板254,蓋板255,加熱管256等により、前述した第一番目の実施形態に係る熱交換器153を構成したのである。
That is, in this embodiment, the
このような本実施形態では、燃焼バーナ252等により燃焼ガス発生手段を構成し、当該燃焼ガス発生手段、ガイドフード253、噴射板254、蓋板255等により燃焼ガス噴射手段を構成している。
In this embodiment, the combustion gas generating means is constituted by the
このような本実施形態に係る触媒予熱装置250の作用を次に説明する。
Next, the operation of the
加熱管256の一端側に前記循環ポンプ161から水8を供給すると共に、燃焼バーナ12から燃焼ガス3を発生させると、ガイドフード253が、燃焼ガス3を内側で基端側から先端側に向かって流すように案内した後に、先端側で外周面と噴射板254との間に流入させるように切り返して、当該間を基端側へ向かって流すように当該燃焼ガス3を案内する。
When
ガイドフード253と噴射板254との間を流通した燃焼ガス3は、噴射板254を加熱すると同時に、当該燃焼ガス3を噴射板254の前記噴射口254aから当該噴射板254の外側へ噴出し、加熱管256の隣り合う外周面の間の隙間を通るように当該加熱管256に接触して当該加熱管256を加熱しながらカバー257内を流通して送出口257aから前記改質装置120の前記容器121内に送給される。
The
このため、加熱管256の内部を流通する水8は、噴射板254からの輻射熱及び前記噴射口254aから噴出して前記隙間を流通する燃焼ガス3の対流熱伝達により、加熱管256を介して加熱されて気化し、水蒸気8aとなってそのまま加熱管256の内部を流通して他端側から前記改質装置120の前記容器121の前記流路123へ送給される。
For this reason, the
このとき、加熱管256は、ドライアウト点(水8が過熱されて水蒸気8aとなる位置)の発生による温度勾配が軸方向に生じるだけなので、亀裂等の損傷を発生させるような応力が集中することはない。
At this time, in the heating tube 256, a temperature gradient due to the generation of a dry-out point (a position where the
つまり、本実施形態に係る触媒予熱装置250は、加熱管256の一端側から他端側へ向けて内部に水8を流通させ、当該加熱管256の外周面に隣接する噴射板254の、当該加熱管256の軸方向に沿って複数有する噴射口254aから燃焼ガス3を噴出させることにより、温度勾配に発生に伴う熱応力を集中させることなく水蒸気8aを得るようにしたのである。
That is, the
したがって、本実施形態に係る触媒予熱装置250によれば、簡単な構造でありながらも、過熱によって発生する応力を抑制することができる。
Therefore, according to the
また、加熱管256が、軸方向及び径方向に沿って変位できるように噴射板254に対して固着されることなく保持されているので、温度変化に伴う伸び差を緩衝することができ、損傷等の発生をより確実に防止することができる。
Further, since the heating tube 256 is held without being fixed to the
また、加熱管256が、螺旋状をなすように曲折しているので、温度変化に伴う全体としての変化量を抑えることができ、損傷等の発生をより確実に防止することができる。 In addition, since the heating tube 256 is bent so as to form a spiral shape, it is possible to suppress an overall change amount due to a temperature change, and it is possible to more reliably prevent the occurrence of damage or the like.
また、高温(約1700℃)の燃焼ガス3をそのまま利用しても損傷することはないので、希釈用の空気を使用する必要がなく、希釈用の空気を送給するための動力源が不要であると共に、燃焼ガス3の送給用の配管径の拡大化を抑制することができ、装置の小型化を図ることができる。
Further, even if the
さらに、噴射板254は、加熱管256の外周面に隣接していることから、加熱管256内を流通する水8等との熱交換により結果的に常に冷却されるようになるので、燃焼ガス3が非常に高温(約1700℃)であっても、上昇温度を大幅に抑えることができ(約700℃程度)、温度上昇に伴う変形や損傷等を大幅に抑制することができる。
Furthermore, since the
このため、燃焼バーナ252から直接的に発生する燃焼ガス3の温度を低くする必要がないので、燃焼バーナ252に供給する空気を必要十分な量で済ますことができ、単位熱量当たりの燃焼ガス3の体積量を必要最小限に抑える、すなわち、少量の燃焼ガス3でも損傷等を発生させることなく水8を過熱することができるので、装置の小型化や軽量化をさらに図ることができると共に、熱回収効率(ボイラ効率)を向上させることができる。
For this reason, since it is not necessary to lower the temperature of the
また、噴射板254が円筒状をなしているので、温度上昇に伴う変形や損傷等をより確実に抑制することができる。
Moreover, since the
くわえて、燃焼バーナ252からの火炎を包囲するように円筒状のガイドフード253を設けたことから、燃焼バーナ252からの燃焼ガス3が噴射板254に直ちに接触することや、噴射板254の噴射口254aから直ちに噴出して加熱管256に接触することを抑えることができるので、燃焼バーナ252からの燃焼ガス3を十分に燃焼させてから熱交換に利用することができ、燃焼ガス3中に燃料やCOが高濃度で残存してしまうことを防止することができる。
In addition, since the
ここで、図3に示すように、加熱管256の内径Dに対して噴射板254の噴射口254aの開口サイズdが0.1〜0.5倍(より好ましくは0.3〜0.4倍)であると共に、単位面積における、加熱管256の軸方向の軸線部分の断面積Sに対する噴射板254の噴射口254aの径方向の断面積sの合計Σsの割合(Σs/S:開口面積比率)が5〜50%(より好ましくは10〜30%)であると、上述した効果を非常に効率よく発現できるため、好ましい。
Here, as shown in FIG. 3, the opening size d of the
なお、本実施形態では、円筒状をなす噴射板254の外周面に加熱管256を螺旋状に巻き付けると共に、噴射板254の内側に燃焼バーナ252を配設するようにしたが、他の実施形態として、例えば、円筒状の噴射板254の内周面に螺旋状に巻かれた加熱管256を隣接するように内装すると共に、噴射板254の外周面側に環状のノズルを有する燃焼バーナを配設することにより、径方向外側から内側へ向けて燃焼ガス3を流通させるようにすることや、平板状をなす噴射板の上面に渦状又は蛇行状に曲折された加熱管の外周面を隣接させるように配設すると共に、当該噴射板の下面側に燃焼バーナ252を配設することも可能である。
In this embodiment, the heating tube 256 is spirally wound around the outer peripheral surface of the
[他の実施形態]
また、前述した第二番目の実施形態においては、図2,3に示した構造を触媒予熱装置250に適用した場合について説明したが、他の実施形態として、前述した第一番目の実施形態に係る燃料ガス原料加熱装置110に前述の構造を適用することも可能である。
[Other Embodiments]
Further, in the second embodiment described above, the case where the structure shown in FIGS. 2 and 3 is applied to the
具体的には、図4,5に示すように、支持板311,カバー317により、前述した第一番目の実施形態に係る加熱室111を構成し、ガイドフード313,噴射板314,蓋板315,加熱管316等により、前述した第一番目の実施形態に係る熱交換器113を構成し、燃焼バーナ312により、前述した第一番目の実施形態に係る燃焼バーナ112を構成するのである。
Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, the
これにより、図4,5に示した燃料ガス原料加熱装置310においても、加熱管316の一端側に原料4及び水5を供給することで、上述した触媒予熱装置250の場合と同様な作用によって、加熱管316の他端側から所定温度に加熱気化した原料4及び水5を改質装置120の容器121内に送給することができ、上述した触媒予熱装置250の場合と同様な効果を得ることができる。
Thereby, also in the fuel gas raw
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムは、燃焼ガスの熱エネルギを有効に利用することができると共に、定常運転にまで短時間で立ち上げることができ、さらに、触媒の損傷を防止することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。 The fuel reformer according to the present invention and the fuel cell power generation system using the fuel reformer can effectively use the thermal energy of the combustion gas and can be started up in a short time until steady operation. Therefore, the present invention can be used extremely beneficially in the industry.
1 燃料
2 空気
3 燃焼ガス
4 原料
5 水
6 燃料ガス
7 空気
8 水
110 燃料ガス原料加熱装置
111 加熱室
112 燃焼バーナ
113 熱交換器
120 改質装置
121 容器
122 触媒
123 流路
131 燃料電池本体
141 循環ポンプ
142 貯水タンク
143 温調器
150 触媒予熱装置
151 加熱室
152 燃焼バーナ
153 熱交換器
161 循環ポンプ
171 排気ライン
172 排気バルブ
250 触媒予熱装置
251 支持板
252 燃焼バーナ
253 ガイドフード
254 噴射板
254a 噴射口
255 蓋板
256 加熱管
257 カバー
257a 送出口
310 燃料ガス原料加熱装置
311 支持板
312 燃焼バーナ
313 ガイドフード
314 噴射板
314a 噴射口
315 蓋板
316 加熱管
317 カバー
317a 送出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel 2
Claims (5)
燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを発生させると共に当該燃焼ガスを前記改質装置の前記容器内に送給する触媒予熱手段と、
前記触媒予熱手段で発生して前記改質装置の前記容器内に送給される前記燃焼ガスと水とを熱交換させる燃焼ガス冷却手段と、
前記燃焼ガス冷却手段で前記燃焼ガスと熱交換した前記水の熱を前記改質装置の前記容器に伝達させる容器予熱手段と
を備えていることを特徴とする燃料改質装置。 In a fuel reformer having a reformer in which a catalyst for generating a fuel gas containing hydrogen gas by reacting a raw material containing hydrocarbon and water is contained in a container,
Catalyst preheating means for burning fuel and air to generate combustion gas and feeding the combustion gas into the container of the reformer;
Combustion gas cooling means for exchanging heat between the combustion gas and water generated in the catalyst preheating means and fed into the container of the reformer;
A fuel reforming device comprising: a container preheating means for transferring heat of the water heat-exchanged with the combustion gas by the combustion gas cooling means to the container of the reformer.
前記容器予熱手段で前記改質装置の前記容器に熱を伝達した前記水を前記燃焼ガスと再度熱交換させるように前記燃焼ガス冷却手段に再び供給する予熱水循環手段を備えている
ことを特徴とする燃料改質装置。 In claim 1,
Preheated water circulation means for supplying the water, which has been transferred to the container of the reformer by the container preheating means, to the combustion gas cooling means so as to exchange heat again with the combustion gas. A fuel reformer.
前記触媒予熱手段で発生した前記燃焼ガスを前記改質装置の前記容器内に送給することなく系外へ排出する排気手段を備えている
ことを特徴とする燃料改質装置。 In claim 1 or claim 2,
A fuel reforming apparatus comprising exhaust means for discharging the combustion gas generated by the catalyst preheating means to the outside of the system without being fed into the container of the reforming apparatus.
前記原料と前記水とを加熱して前記燃料改質装置の前記改質装置の前記容器内に送給する燃料ガス原料加熱手段と、
前記燃料改質装置の前記改質装置で生成した前記燃料ガスを燃料ガス供給口に供給されると共に、酸素ガスを含有する酸化ガスを酸化ガス供給口に供給される燃料電池本体と
を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel reformer according to any one of claims 1 to 3,
Fuel gas raw material heating means for heating the raw material and the water and feeding them into the container of the reformer of the fuel reformer;
A fuel cell main body that is supplied with the fuel gas generated by the reformer of the fuel reformer to a fuel gas supply port and that is supplied with an oxidizing gas containing oxygen gas to an oxidizing gas supply port. A fuel cell power generation system.
前記燃料電池本体に温調用の水を流通させて当該燃料電池本体の温調を行う温調手段を備え、
前記燃料改質装置の前記燃焼ガス冷却手段の前記水と前記温調手段の前記水とが共用されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。 In claim 4,
Temperature control means for adjusting the temperature of the fuel cell body by circulating water for temperature adjustment to the fuel cell body;
The fuel cell power generation system, wherein the water of the combustion gas cooling means of the fuel reformer and the water of the temperature control means are shared.
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JP2006279423A JP2008094671A (en) | 2006-10-13 | 2006-10-13 | Fuel reforming device and fuel cell power system using the same |
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JP2016044834A (en) * | 2014-08-20 | 2016-04-04 | 日本電子株式会社 | Fluid circulation device, electric charged particle beam device and fluid circulation method |
WO2018033458A1 (en) * | 2016-08-18 | 2018-02-22 | Robert Bosch Gmbh | Gas processor unit, and fuel cell device having such a gas processor unit |
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- 2006-10-13 JP JP2006279423A patent/JP2008094671A/en not_active Withdrawn
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