JP2009173479A

JP2009173479A - 熱交換器及び複合型燃料反応器

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Publication number: JP2009173479A
Application number: JP2008012487A
Authority: JP
Inventors: Naonobu Yokoyama; 尚伸横山
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: JP5163147B2

Abstract

【課題】改質ガスで原燃料ガスと改質原料ガスの二流体を各々の適正温度まで昇温することができ、システムの複雑化を招くことなく、原燃料ガス及び改質原料ガスを予熱できるようにすること。
【解決手段】高温流体の改質ガスと低温流体の原燃料ガス及び改質原料ガスとを熱交換する３流体式の熱交換器３０ｃにおいて、原燃料ガスのガス流路に間隙を設けて重ね合わせた複数のエレメント４５ａ〜４５ｃからなる第１のプレート群と、改質原料ガスのガス流路に間隙を設けて重ね合わせた複数のエレメント５６ａ〜５６ｆからなる第２のプレート群とを備え、改質ガス／改質原料ガスの伝熱面積Ｍ２となる前記第２のプレート群の表面積を、改質ガス／原燃料ガスの伝熱面積Ｍ１となる第１のプレート群の表面積の２〜３倍に設定した。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化水素を主成分とする原燃料を水素リッチなガスに改質する前後において、原燃料の脱硫および改質ガス中のＣＯ変成を行う燃料反応器に用いられる熱交換器及びそれを用いた複合型燃料反応器に関する。

従来、脱硫器とＣＯ変成器と熱交換器とを一体に組込んだ複合型燃料反応器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５は複合型燃料反応器を燃料電池発電装置に組み込んだ従来システムの反応ガス系及び冷却水系の基本構成を示す図である。燃料電池本体１０は、燃料極１０ａ及び空気極１０ｂと両極間に適宜介装される冷却板１０ｃからなる単位セルを積層して構成される。複合型燃料反応器１１は、脱硫器１１ａとＣＯ変成器１１ｂと熱交換器１１ｃとを一体に組込んだ構成をなしている。

炭化水素を主成分とする原燃料を複合型燃料反応器１１内の熱交換器１１ｃで加熱したのち、脱硫器１１ａへ送って脱硫する。次いでエゼクタ１２で水蒸気分離器１３より送られた水蒸気と混合し、改質器１４へと送って水素濃度の高い改質ガスを得る。この高温の改質ガスは、複合型燃料反応器１１内の熱交換器１１ｃで上記の原燃料の加熱に利用されたのち、ＣＯ変成器１１ｂへ送られ、残存するＣＯの濃度が１％以下となるよう変成される。このようにして得られた燃料ガスは、燃料電池本体１０の燃料極１０ａへと送られ、ブロワ１７から反応用空気が供給される空気極１０ｂとの発電反応に供される。生成した燃料ガスの一部は、脱硫器１１ａへ送られる原燃料に混合されてリサイクルガスとして用いられる。燃料電池本体１０の内部では燃料ガス中の水素のみが消費される。燃料極１０ａより排出されたガスは、改質器１４のバーナー１４ａへ送り、ブロワ１５から供給される空気と混合させて未反応の水素、あるいは微量に含まれるメタンやＣＯを燃焼させることにより、改質器１４の加熱に有効に利用している。また、バーナー１４ａより排出される燃焼生成水を含んだ燃焼排ガスは、燃焼系予熱器１６において燃焼用の空気および燃料極排ガスを加熱したのち、空気極１０ｂからの反応生成水を含んだ排ガスとともに水回収系へと送られ、生成水が回収される。また、水蒸気分離器１３に貯えられた水が冷却水循環ポンプ１８により燃料電池本体１０の冷却板１０ｃへと送られ、燃料電池本体１０において加熱されて排出される水と水蒸気の気液二相流が再び水蒸気分離器１３へと戻される。また、熱回収用熱交換器１９によってこの冷却水循環系より熱が回収される。

図６は上記複合型燃料反応器１１の構成を示す断面図である。変成用触媒２１を充填したＣＯ変成器１１ｂと脱硫用触媒２２を充填した脱硫器１１ａとが併置して組み込まれている。また、燃料反応器１１の外面には各機器の温度を効果的に所定温度に保持するための断熱材２３が配されている。ＣＯ変成器１１ｂには、上部の改質ガス入口２４に近接する部分に原燃料を導入して加熱する熱交換器１１ｃが、またその下側部分に冷却水を用いて触媒温度を調整するための冷却器２５が配されており、さらに、ＣＯ変成器１１ｂと脱硫器１１ａには、それぞれ起動時に触媒を加熱するためのヒーター２６Ａ，２６Ｂが組み込まれている。また、ＣＯ変成器１１ｂの上部に配された熱交換器１１ｃは、蛇行するガス通路を備えた複数の平板を、図中紙面に垂直方向に重ね合わせて構成されている。

原燃料ガス入口２７より熱交換器１１ｃへと導入された原燃料は、改質ガス入口２４より変成用触媒２１へと導入された高温の改質ガスの顕熱、ならびにＣＯ変成器１１ｂでの変成反応に伴う発熱によって約３００℃まで昇温された後、脱硫器１１ａに導入され硫黄分が除去される。脱硫器１１ａで脱硫されたガスは、原燃料ガス出口２８より排出され、エゼクタ１２を経て改質器１４へと送られ改質される。改質器１４内で３５０℃程度まで低減された改質ガスは、上部の改質ガス入口２４より熱交換器１１ｃに導入されて原燃料ガスに冷却された後、ＣＯ変成器１１ｂへと導入される。ＣＯ変成器１１ｂで、次式の反応により一酸化炭素が水素に変成される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２
変成用触媒２１によってＣＯ濃度の低いガスへと変成されて改質ガス出口２９より放出され、燃料電池本体１０へと送られる。
特開平１１−１８９４０１号公報特開平１１−８６８９４号公報

ところで、改質器１４内で所定の水素量を発生させるためには、改質ガスを７００℃まで昇温する必要がある。ところが、従来システムにおいては、改質器１４に導入される改質原料は、脱硫器出口の原燃料ガスと１７０℃程度のスチームを混合した改質原料ガスをそのまま導入していることから、入口温度が１８０℃程度と低かった。

改質原料ガスを予熱することで上記問題を解決できるが、改質原料ガスを予熱してから改質器１４に導入するために別置きの熱交換器を追加したのでは、機器数の増加とそれに伴う配管の増加によりシステムが複雑化する問題がある。

なお、高温流体の改質ガスと低温流体の原燃料ガス及び改質原料ガスとを熱交換する３流体式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。かかる３流体式熱交換器を上記複合型燃料反応器１１の熱交換器に適用することができれば、システムの複雑化を招くことなく、改質原料ガスを予熱することができると考えられる。

しかしながら、高温流体である改質ガス一流体で、低温ガスである原燃料ガスと改質原料ガスの二流体を各々の適正温度まで昇温して計画通りの熱交換性能を実現するための構造は明らかになっていなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高温流体の改質ガスと低温流体の原燃料ガス及び改質原料ガスとを熱交換する３流体式熱交換器において改質ガスで原燃料ガスと改質原料ガスの二流体を各々の適正温度まで昇温可能な構造を有する複合型燃料反応器を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、改質ガス、脱硫前の原燃料ガス、脱硫後の原燃料ガスに水蒸気を混合した改質原料ガスを別々に導入し、前記改質ガスと前記脱硫前の原燃料ガスとの熱交換を行うと共に、前記改質ガスと前記改質原料ガスとの熱交換を行う熱交換器であって、改質ガス／改質原料ガスの伝熱面積が、改質ガス／原燃料ガスの伝熱面積の２倍から３倍であることを特徴とする。

この構成によれば、改質ガス／改質原料ガスの伝熱面積を、改質ガス／原燃料ガスの伝熱面積の２倍から３倍としたことにより、３流体式熱交換器において改質ガス一流体で原燃料ガスと改質原料ガスの二流体を各々の適正温度まで昇温することができる。

また本発明は、上記熱交換器において、前記原燃料ガスのガス流路に間隙を設けて重ね合わせた複数の平板からなる第１のプレート群と、前記改質原料ガスのガス流路に間隙を設けて重ね合わせた複数の平板からなる第２のプレート群とを備え、前記第１のプレート群の表面積が改質ガス／原燃料ガスの伝熱面積となり、前記第２のプレート群の表面積が改質ガス／改質原料ガスの伝熱面積となることを特徴とする。

この構成により、第１のプレート群を構成する平板と第２のプレート群を構成する平板の枚数で、改質ガス／改質原料ガスの伝熱面積を改質ガス／原燃料ガスの伝熱面積の２倍から３倍に設定することができる。

また本発明は、上記熱交換器において、前記第１及び第２のプレート群を構成する複数の平板は中心軸に対してシンメトリックに配置され、前記第２のプレート群の一部が、前記第１のプレート群よりも改質ガス流路の上流側に配置されていることを特徴とする。

この構成により、第１及び第２のプレート群を構成する複数の平板は中心軸に対してシンメトリックに配置したので、原燃料ガス及び改質原料ガスをそれぞれ均一に設計温度に上げることができ、設計温度が原燃料ガスよりも高温の改質原料ガスの熱交換を行う第２のプレート群を改質ガス流路の上流側に配置したことにより、設計温度の異なる２流体を効率的に熱交換することができる。

本発明の複合型燃料反応器は、脱硫前の原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、改質ガスに含まれる一酸化炭素の含有量を変成用触媒との反応により低減させる変成器と、上記熱交換器とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、高温流体の改質ガスと低温流体の原燃料ガス及び改質原料ガスとを熱交換する３流体式熱交換器において改質ガスで原燃料ガスと改質原料ガスの二流体を各々の適正温度まで昇温することができ、システムの複雑化を招くことなく、原燃料ガス及び改質原料ガスを予熱することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施の形態の熱交換器を備えた複合型燃料反応器を燃料電池発電装置に組み込んだ燃料電池発電システムにおける反応ガス系及び冷却水系の構成を示す図である。なお、図５に示す従来システムと同一部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。

複合型燃料反応器３０は、脱硫用触媒を収納した脱硫器３０ａと、変成用触媒を収納したＣＯ変成器３０ｂと、３流体式熱交換器で構成される熱交換器部３０ｃとを一体化して構成されている。

熱交換器部３０ｃは、改質ガス（高温流体）と原燃料ガス（低温流体）及び改質原料ガス（低温流体）の３流体を熱交換するように構成されている。熱交換器部３０ｃには、改質ガス、原燃料ガス及び改質原料ガスがそれぞれ導入される。原燃料ガスを改質ガスの熱で予熱してから脱硫器３０ａへ導き、改質原料ガスを改質ガスの熱で予熱してから改質器１４へ導いている。改質ガスは、低温流体である原燃料ガス及び改質原料ガスとの熱交換並びにＣＯ変成器３０ｂに備えた冷却器（図１では不図示）による冷却後に燃料極１０ａへ導いている。

図２は複合型燃料反応器３０の全体構造を示す正面図である。
同図に示すように、方形状断面をなす脱硫器３０ａに隣接して、方形状断面をなすと共に冷却器２５を備えるＣＯ変成器３０ｂが配置され、ＣＯ変成器３０ｂの上部に熱交換器部３０ｃが配置されている。これらの脱硫器３０ａ、ＣＯ変成器３０ｂ及び熱交換器部３０ｃを一体化して断熱外被を施している。

冷却器２５は、冷却器下部の冷却水入口２５ａから冷却水を取り込み、図示されていない冷却板を冷却した後、冷却器上部の冷却水出口２５ｂより排出するように構成されている。ＣＯ変成器３０ｂを通過する改質ガスは冷却器２５の冷却板を介して冷却水との間で熱交換することで設計温度まで冷却されることになる。

図３は熱交換器部３０ｃの正面図である。
熱交換器部３０ｃは、原燃料ガスを加熱するための原燃料用熱交換器４０と改質原料ガスを加熱するための改質原料用熱交換器５０とを備え、高温の改質ガスが熱源として供給される。原燃料用熱交換器４０は、熱交換器部３０ｃの外壁を形成する筺体３１の下方部に形成されている。原燃料用熱交換器４０には、筺体３１の下端部から中腹部にかけて両側の側壁から水平に交互に突出させた複数の板材４２，４３等で原燃料ガスが通る原燃料ガス流路が形成されている。原燃料ガス流路の一端部（下側）に原燃料ガス入口４１が連通し、原燃料ガス流路の他端部（上側）に排出配管４４を介して脱硫器３０ａが連通している。改質原料用熱交換器５０は、筺体３１の中腹部から上端部にかけて両側の側壁から水平に交互に突出させた複数の板材５２，５３等で改質原料ガスが通る改質原料ガス流路が形成されている。改質原料ガス流路の一端部（下側）に改質原料ガス入口５１が連通し、改質原料ガス流路の他端部（上側）に排出配管５４を介して改質原料ガス出口５５が連通している。

原燃料用熱交換器４０の原燃料ガス流路及び改質原料用熱交換器５０の改質原料ガス流路には、複数の平板をガス体が通流するように間隙を設けて重ね合わせて配してなる第１及び第２のプレート群が設けられている。

図４は原燃料用熱交換器４０及び改質原料用熱交換器５０に設けられたプレート群の模式図であり、図３のＰ方向から見たエレメント配置状況を示している。原燃料用熱交換器４０の原燃料ガス流路に設けられた第１のプレート群は、熱伝導性に優れた金属材料を平板状に成形してなる複数の原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃで構成されている。複数の原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃを原燃料ガスが通過するように間隙を設けて重ね合わせて配している。原燃料ガス流路は筺体３１の下端部から中腹部にかけて形成されているので、プレート群も原燃料ガス流路に合わせた領域に配置している。原燃料ガス流路を通る原燃料ガスの熱交換効率は原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃの総表面積である伝熱面積Ｍ１で決まる。

また、改質原料用熱交換器５０の改質原料ガス流路に設けられた第２のプレート群は、熱伝導性に優れた金属材料を平板状に成形してなる複数の改質原料ガス用エレメント５６ａ〜５６ｆで構成されている。複数の改質原料ガス用エレメント５６ａ〜５６ｆを改質原料ガスが通過するように間隙を設けて重ね合わせて配している。改質原料ガス流路は筺体３１の中腹部から上部にかけて形成されているので、プレート群も改質原料ガス流路に合わせた領域に配置している。改質原料ガス流路を通る改質原料ガスの熱交換効率は改質原料ガス用エレメント５６ａ〜５６ｆの総表面積である伝熱面積Ｍ２で決まる。

本実施の形態では、原燃料用熱交換器４０が３枚の原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃで構成されているのに対して、改質原料用熱交換器５０を６枚の改質原料ガス用エレメント５６ａ〜５６ｆで構成している。各エレメントが同一材質で同一表面積であれば、原燃料用熱交換器４０よりも原燃料用熱交換器４０の伝熱面積を２倍に設定していることになる。

熱交換器部３０ｃは、上記したように高温流体である改質ガス一流体で、低温ガスである原燃料ガスと改質原料ガスの二流体を各々の適正温度まで昇温する必要がある。そこで、本実施の形態では、高温流体と低温流体を対向流とし、かつ、低温流体を並列に流す構造を採用している。このとき、熱交換器部内のプレート群を構成するエレメントを何枚（伝熱面積）どのように配置するのかが、所定の伝熱性能を満たす上で重要なポイントとなる。

各部の計画温度を以下の通り設定する。
改質ガスの入側温度（改質ガス入口２４）が４５０℃、改質ガスの出側温度（改質ガス出口２９）が２５０℃とし、原燃料ガスの入側温度（原燃料ガス入口４１）が４０℃、原燃料ガスの出側温度（配管４４出口）が３００℃とする。また、改質原料ガスの入側温度（改質原料ガス入口５１）が１９０℃、改質原料ガスの出側温度（改質原料ガス出口５５）が３５０℃とする。

上記の条件を満たすためには、（改質ガスと改質原料ガスとの間での伝熱面積）／（改質ガスと原燃料ガスとの間での伝熱面積）＝２〜３にすることが望ましいことを、見出した。

また本実施の形態では、図４に示すように、改質原料ガスが通流する改質原料ガス用エレメント５６ａ〜５６ｆ及び原燃料ガスが通流する原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃが、中心軸に対してそれぞれシンメトリックに配置されている。これにより、改質原料ガス及び原燃料ガスを偏りなく熱交換して予熱することができる。

また本実施の形態では、図４に示すように、改質原料ガス用エレント５６ａ〜５６ｆの一部（上半分）を原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃよりも改質ガスの上流方向に配置している。原燃料ガスの計画温度３００℃よりも改質原料ガスの計画温度３５０℃の方が高いため、改質原料ガス用エレント５６ａ〜５６ｆの一部を改質ガスの上流方向に配置することで、効率的に計画通りの熱交換性能を実現することができる。

したがって、改質原料ガス及び原燃料ガスが計画温度に到達しない低温の状態で脱硫器３０ａや改質器１４へ導入される不具合を防止することができる。

以上のように構成された本実施の形態では、改質器１４において昇温された高温の改質ガスの温度を計画温度まで下げるため熱交換器部３０ｃへ高温の改質ガスが導入される。高温流体（４５０℃）である改質ガスは、先ず改質原料用熱交換器５０を通過する際に改質原料ガス用エレント５６ａ〜５６ｆを介して低温流体（１９０℃）である改質原料ガスとの間で熱交換が行われる。改質原料用熱交換器５０を通過した高温の改質ガスは、次に原燃料用熱交換器４０を通過する際に原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃを介して低温流体（４０℃）である原燃料ガスとの間で熱交換が行われる。上記した通り、（改質ガスと改質原料ガスとの間での伝熱面積Ｍ２）／（改質ガスと原燃料ガスとの間での伝熱面積Ｍ１）＝２としたところ、改質原料ガスは改質原料ガス出口５５では計画温度の３５０℃まで昇温し、原燃料ガスは配管４４出口では計画温度の３００℃まで昇温することができた。また、改質原料ガス用エレメント５６ａ〜５６ｆ及び原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃが、中心軸に対してそれぞれシンメトリックに配置されているので、改質原料ガス及び原燃料ガスが偏りなく均一に予熱される。

改質原料ガス用エレント５６ａ〜５６ｆ及び原燃料ガス用エレメント４５ａ〜４５ｃを介して低温流体である改質原料ガス及び原燃料ガスとの間で熱交換された改質ガスは、さらに冷却器２５で２５０℃まで冷却される。冷却器２５で計画温度２５０℃まで冷却された改質ガスは燃料極１０ａへ導入される。

このように本実施の形態によれば、（改質ガスと改質原料ガスとの間での伝熱面積Ｍ２）／（改質ガスと原燃料ガスとの間での伝熱面積Ｍ１）＝２〜３としたので、計画通りの熱交換性能を実現することができた。

また本実施の形態によれば、改質原料予熱器を複合型燃料反応器３０内に内蔵することで、改質器１４内での熱伝達量を低減し、改質器１４のコンパクト化を図ることができる。

本発明は、脱硫器とＣＯ変成器と熱交換器とを一体に組込んだ複合型燃料反応器に適用可能である。

一実施の形態に係る複合型燃料反応器を組み込んだ燃料電池発電システムにおける反応ガス系及び冷却水系の構成を示す図上記一実施の形態に係る複合型燃料反応器の全体構造を示す正面図図２に示す複合型燃料反応器に備えた熱交換器部の正面図熱交換器部を図３のＰ方向から見たエレメント配置状況を示す図複合型燃料反応器を燃料電池発電装置に組み込んだ従来システムの反応ガス系及び冷却水系の基本構成を示す図図５に示す複合型燃料反応器の構成を示す断面図

符号の説明

１０…燃料電池本体、１０ａ…燃料極、１０ｂ…空気極、１０ｃ…冷却板、１１…複合型燃料反応器、１１ａ…脱硫器、１１ｂ…ＣＯ変成器、１１ｃ…熱交換器、１２…エゼクタ、１３…水蒸気分離器、１４…改質器、１４ａ…バーナー、１５…ブロア、１６…燃焼系予熱器、１７…ブロア、１８…冷却水循環ポンプ、１９…熱回収用熱交換器、２１…変成用触媒、２２…脱硫用触媒、２３…断熱材、２４…改質ガス入口、２５…冷却器、２５ａ…冷却水入口、２６Ａ，２６Ｂ…ヒーター、２７…原燃料ガス入口、２８…原燃料ガス出口、２９…改質ガス出口、３０…複合型燃料反応器、３０ａ…脱硫器、３０ｂ…ＣＯ変成器、３０ｃ…熱交換器部、３１…筺体、４０…原燃料用熱交換器、４１…原燃料ガス入口、４２，４３…板材（原燃料ガス流路）、４４…配管、４５ａ〜４５ｃ…原燃料ガス用エレメント、５０…改質原料用熱交換器、５１…改質原料ガス入口、５２，５３…板材５２，５３（改質原料ガス流路）、５４…排出配管、５５…改質原料ガス出口、５６ａ〜５６ｆ…改質原料ガス用エレメント

Claims

改質ガス、脱硫前の原燃料ガス、脱硫後の原燃料ガスに水蒸気を混合した改質原料ガスを別々に導入し、前記改質ガスと前記脱硫前の原燃料ガスとの熱交換を行うと共に、前記改質ガスと前記改質原料ガスとの熱交換を行う熱交換器であって、
改質ガス／改質原料ガスの伝熱面積が、改質ガス／原燃料ガスの伝熱面積の２倍から３倍であることを特徴とする熱交換器。
前記原燃料ガスのガス流路に間隙を設けて重ね合わせた複数の平板からなる第１のプレート群と、前記改質原料ガスのガス流路に間隙を設けて重ね合わせた複数の平板からなる第２のプレート群とを備え、前記第１のプレート群の表面積が改質ガス／原燃料ガスの伝熱面積となり、前記第２のプレート群の表面積が改質ガス／改質原料ガスの伝熱面積となることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記第１及び第２のプレート群を構成する複数の平板は中心軸に対してシンメトリックに配置され、前記第２のプレート群の一部が、前記第１のプレート群よりも改質ガス流路の上流側に配置されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
脱硫前の原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、改質ガスに含まれる一酸化炭素の含有量を変成用触媒との反応により低減させる変成器と、請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換器とを備えたことを特徴とする複合型燃料反応器。