JP2011132115A - 耐久性を強化させた改質器 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐久性を強化させた改質器が提供されること。
【解決手段】本発明の改質器は、熱源部と、改質部とを備える。発電部は、リフォーメートの酸化反応によって発電する。熱源部は、熱源部燃料及び燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させる第１燃焼器及び第２燃焼器が両端にそれぞれ備えられる。改質部は、前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第２燃焼器の外郭で前記第１改質部と第２改質部とを流体疎通可能に連結する連結空間部とを備え、前記熱源部から伝導される熱によって燃料電池燃料を改質し、生成されたリフォーメートを前記発電部に供給する。このとき、前記熱源部の中心軸に対して直角方向に備えられる前記連結空間部の上板及び下板には、それぞれ少なくとも１つ以上の屈曲部が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐久性を強化させた改質器に関する。
近年、環境汚染への憂慮の声が高まっている中、無公害で、エネルギー効率に優れた燃料電池などの代替エネルギーの開発が盛んになっている。
燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応により、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池は、電解質の種類によって、高分子電解質燃料電池、固体酸化物燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池などに分けられる。高分子電解質燃料電池に使用される水素は、通常、純水素の貯蔵と運送に伴う諸問題のため、メタノール、液化石油ガス（ＬＰＧ）、ガソリンなどの燃料を改質したリフォーメート（ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）から収得する。このため、水蒸気改質方式の改質器を用いるほとんどの燃料電池システムは、改質器に水蒸気改質反応に必要な熱を供給する熱源部を備える。
一方、スタック（ｓｔａｃｋ）で電子を生産して残留するリフォーメートが燃料極から排出されるが、これをＡＯＧ（Ａｎｏｄｅ Ｏｆｆ Ｇａｓ）という。従来では、ＡＯＧを別の触媒燃焼器を用いて燃焼させたり、大気ガスと混合することにより、ＡＯＧ内のＨ２、ＣＯ、ＣＨ４のような排出ガスの濃度を低くして排出していた。
しかし、次第に世界的な環境基準が厳しくなる傾向にあり、また、室内でも使用可能な燃料電池を作製するためには、より積極的なＡＯＧの管理が必要となる。すなわち、ＡＯＧガスを燃焼させる方法により、大気汚染の面における環境基準を満たすこと以外にも、ＡＯＧガスの主な構成が水素（Ｈ２）であることに着目し、より積極的にこれを改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）の効率の向上に寄与させるための技術開発が急がれるのが現状である。
かくして、本出願人は、熱効率が向上し、環境基準にも適合するように、ＡＯＧを改質器の熱源部に戻して再び酸化または燃焼させる改質器を提案した。この改質器は、改質燃料、熱源部燃料、及びＡＯＧなどの酸化による高温雰囲気が維持されることにより、複数のホットスポット（ｈｏｔ−ｓｐｏｔ）が生成されるという特性を示すため、ホットスポットの緩和または分散設計が重要な意味を有する。すなわち、改質器が劣化または損傷なく長期間運転を可能にするためには、上記で説明したように、ホットスポットの緩和または分散により、熱膨張及び収縮の繰り返しによる熱衝撃を最小化しなければならず、熱応力による劣化及び損傷を最小化しなければならない。
しかし、このようなホットスポットを分散及び緩和する方法によっても、熱源部が高温の雰囲気で作動するため、燃料電池改質器の寿命管理の面において満足できる水準に達することは難しく、より積極的な保護手段が要求されている。
本発明は、上記の要望によってなされたものであって、燃料極排出ガスが改質器の熱源部内に流入して酸化することによって発生するホットスポットの形成地点を適切に分配することにより、劣化によって燃焼器の背圧が上昇することを防止する手段を提供するためのものである。
また、本発明は、高温雰囲気によって発生する燃焼器付近の熱変形を最小化する手段を提供するためのものである。
さらに、本発明は、排出ガスの燃焼率を高めることにより、改質器の効率を上昇させる手段を提供するためのものである。
本発明の一実施例においては、熱源部と、前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と前記第２改質部とを流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部とを備え、前記連結空間部は、前記熱源部の中心軸に垂直な方向に沿って延設された既変形領域（ｐｒｅ−ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｐｏｒｔｉｏｎ）を含んで備えられる改質器を提供する。
また、本発明において、前記既変形領域は、屈曲部（ｃｕｒｖｅｄ ｐｏｒｔｉｏｎ）を備える。
さらに、本発明において、前記屈曲部は、前記連結空間部の上板屈曲部及び下板屈曲部を備える。
また、本発明において、前記屈曲部は、前記熱源部の外部に向かって凸面を有する。
さらに、本発明において、前記屈曲部の等高線は、前記熱源部の中心軸を基準とする同心円になるように形成される。
また、本発明において、前記第２燃焼器は、前記熱源部内に燃料極排出ガスを放出するノズルを備え、前記連結空間部は、前記ノズルの少なくとも一領域と重なる（ｏｖｅｒｌａｐ）ことが好ましい。
さらに、本発明において、前記第２燃焼器は、前記熱源部の中心軸に垂直な方向に燃料極排出ガスを放出するノズルを備える。
また、本発明において、前記第１改質部は、水蒸気改質反応（ｓｔｅａｍ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｒｅａｃｔｉｏｎ）を行う第１空間を含み、前記第２改質部は、水性ガス転換（Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ：ＷＧＳ）反応を行う第２空間を含む。
さらに、本発明において、前記連結空間部は、前記第１改質部及び第２改質部の外側に備えられるか、または前記第１改質部または前記第２改質部の少なくともいずれか１つの外側に備えられ得る。
また、本発明の他の実施例においては、熱源部と、前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と前記第２改質部とを流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部とを備え、前記連結空間部は、前記熱源部の第１軸を横切る第２軸に沿って延設された既変形領域を含んで備えられる改質器を提供する。
また、本発明において、前記既変形領域は、屈曲部を備える。
さらに、本発明において、前記屈曲部は、前記連結空間部の上板屈曲部及び下板屈曲部を備える。
また、本発明において、前記屈曲部は、前記熱源部の外部に向かって凸面を有する。
また、本発明において、前記屈曲部の等高線は、前記熱源部の中心軸を基準とする同心円になるように形成される。
上記の本発明の構成上の特徴によれば、本発明による改質器は、燃料極排出ガスが改質器の熱源部内に流入して酸化することによって発生するホットスポットの形成地点を適切に分配することにより、劣化によって燃焼器の背圧が上昇することを防止することができる。
また、本発明は、連結空間部に一定の曲面を形成し、燃料電池の稼働時、熱膨張率の差によって容易に変形された後、燃料電池の非稼働時には収縮によって再び元の状態に復帰することにより、高温雰囲気で発生する熱変形を最小化することができる。
さらに、本発明は、排出ガスの燃焼率を高めることにより、改質器の効率を上昇させる手段を提供することができる。
本出願人によって開発中の改質器の構成を概略的に示す縦方向の断面図である。 本出願人によって開発中の改質器の構成を概略的に示す横方向の断面図である。 二重酸化構造の改質器の開発中に発生したクラックを説明するための縦方向の断面図である。 本発明による連結空間部の構成を示す縦方向の断面図である。 本発明による連結空間部の下板における屈曲部の位置を説明するための平面図である。 本発明による連結空間部の下板の屈曲部の様子を示す底面斜視図である。 本発明による連結空間部の運転中の特性を示す縦方向の断面図である。 本発明による水平方向に１列あたり４つの計２列にノズルが形成された第２燃焼器の様子を示す斜視図及び縦方向の断面図である。 本発明による水平方向に１列あたり６つの計２列にノズルが形成された第２燃焼器の様子を示す斜視図及び縦方向の断面図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。特別な定義や言及がない場合、本説明に使われている「上下左右」などの方向を表す用語は、図面に示された状態を基準とする。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例及びその他当業者が本発明の内容を容易に理解するために必要な事項について詳細に記載する。ただし、本発明は、請求の範囲に記載された範囲内で様々な異なる形態で実現できるため、以下に説明する実施例は、表現の如何にかかわらず、例示に過ぎない。
本実施例を説明するにあたり、かかる公知の機能あるいは構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にする可能性があると判断された場合、その詳細な説明は省略する。また、図面において、同一の構成要素については、他の図面上に表示された場合でもできるだけ同一の参照番号及び符号で表していることに留意すべきである。さらに、図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張され得、実際の層の厚さや大きさとは異なり得る。
図１には、現在、本出願人によって開発中の改質器の概略的な様子を示している。図１を参照して説明すると、開発中の改質器は、熱源部２０と、改質部１０、１１、１２と、第１燃焼器２１及び第２燃焼器２２がその主な構成である。以下、各構成について詳細に説明する。
本実施例における改質器は、縦方向の中心軸を基準として中央部に熱源部２０が備えられる。熱源部２０は、中空の円筒形状または多角筒形状に形成され、その外部には、図２に示すように、熱源部２０を取り囲む第１改質部１２が備えられ、第１改質部１２の外郭には、第１改質部１２を取り囲む第２改質部１０が備えられる。また、第１改質部１２と第２改質部１０とは、下端で連結空間部１１により流体疎通可能に連結される。連結空間部１１は、上板１１ａ及び下板１１ｂで構成され、第１改質部１２及び第２改質部１０の下端に溶接されて密封させる。
この構造により、改質器の中心軸を基準として中央部の温度が最も高く、外郭へ行くほど温度が低くなる熱構造が形成されることにより、均一な酸化温度を維持することができるのである。
一方、熱源部２０の両端には、熱源部燃料及び燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させる第１燃焼器２１及び第２燃焼器２２が両端にそれぞれ備えられる。このとき、熱源部燃料は、熱源部２０の温度を維持するために供給されるＬＰＧなどの主燃料を意味する。また、ＡＯＧは、燃料電池セルなどの複合体である発電部（図示せず）で酸化反応により電気を生産した後、燃料極から排出される水素を主成分とする未燃焼ガスを意味する。本実施例では、熱源部燃料を供給して酸化させる第１燃焼器が熱源部２０の上端に備えられ、ＡＯＧを再供給して酸化させる第２燃焼器が熱源部２０の下端に備えられる。
第２燃焼器２２は、図６または図７に示すように、熱源部２０の中心軸に対して直角方向にＡＯＧが流入するように噴射するノズルが形成される。すなわち、第２燃焼器２２のノズルを、図６に示すように、複数の横に形成されたノズルを介してＡＯＧの混合効果を極大化し、ホットスポットが分散するようにする。
改質器の基本的な反応は、次のとおりである。すなわち、熱源部２０にＬＰＧなどの熱源部燃料が供給され、改質に必要な温度を維持するようになれば、熱源部２０から伝導される熱によって第１改質部１２で燃料電池燃料を改質（ＳＲ）するようになる。このとき、生成されたリフォーメートは、連結空間部１１及び第２改質部を経て別の反応器（図示せず）や発電部（図示せず）に供給される。改質器で発生した７ＬＰＭのリフォーメート（〜７１％Ｈ２、２５％ＣＯ２、〜１％ＣＨ４）がスタックなどの発電部を経て電気を生産した後、残留するリフォーメート（〜４７％Ｈ２、〜４５％ＣＯ２、〜１％ＣＨ４、Ｎ２ ｂａｌａｎｃｅ）は、発生量において約４．３ＬＰＭ程度である。すなわち、本出願人による実施例の場合、５ＳＬＰＭ程度発生した水素は、３ＳＬＰＭ程度が電気発生に活用され、２ＳＬＰＭが残留ガス、すなわち、ＡＯＧとして残るようになる。このように発生したＡＯＧは、さらに前述した第２燃焼器２２を介して熱源部２０内に供給された後、酸化して熱に転換される。
このような改質器を開発する過程において、ＡＯＧによるホットスポットの発生及び周辺装置への影響を評価するテスト運転を実施した。その結果、図３に示すように、第１改質部１２の内周面の下端部が高温雰囲気で熱膨張によって変形した。このとき、連結空間部１１の上板１１ａ及び下板１１ｂは、熱膨張による変形を拘束して強いストレスを受けた状態で、高温によりともに変形したり、変形する途中に第１改質部との溶接部位が損傷するといった現象が発生した。ホットスポットの熱的強度（ＡＯＧ内の水素の量及び濃度）、改質器の運転（Ｏｎ−Ｏｆｆ）ロジックによる熱衝撃条件及び改質器を構成するＳＵＳ鋼材質の特性などが、このような変形の強度に影響を及ぼしたと判断される。
本実施例では、熱変形に対する構造的な補強によりこれを解決しようとする。すなわち、図４ａに示すように、連結空間部１１を構成する上板１１ａ及び下板１１ｂに予め一定の曲面を形成する。改質器の稼働時に中心軸の直角方向に伝達される熱膨張ストレスは、図５に示すように、上板１１ａ及び下板１１ｂの材質及び形成された曲面の弾性が一定部分吸収する。その後、改質器の稼働が中断されると、上板１１ａ及び下板１１ｂの弾性力と第１改質部１２の下端部の熱収縮により、さらに図４ａのような元の形状に復帰するようになる。
上板１１ａ及び下板１１ｂに形成された屈曲部は、その等高線が熱源部の中心軸を基準とする同心円になるように形成することにより、第１改質部１２の下端部、上板１１ａ及び下板１１ｂがそれぞれ直径方向に均一なストレスを受けるようにすることにより、損傷などの確率を最小化することができる。
図４ｂを参照して説明すると、連結空間部の下板１１ｂの中央部のエッジから外郭エッジまでの幅ｄ２の３分の１になる地点ｄ１をプレスし、図４ｃに示すように、屈曲部を形成する。すなわち、第２燃焼器のノズルと近い地点で屈曲部を形成することにより、第１改質部の熱膨張による連結空間部の下板１１ｂの熱的変形を緩和することができる。
これをより詳細に説明すると、図４ｂ、４ｃには、このような最内側、最外側、最内側と最外側との間の中央部に円形の同心円を示している。ここで、最内側の円形は、距離がｄ１だけ離隔して中央部の円形と離れて形成されており、最外側の円形からはｄ２距離だけ離隔して形成されている。本実施例において、ｄ２は、ｄ１の２倍以上であることが好ましい。
本実施例においては、燃料電池用改質器が熱的変形によって歪むことを防止できる構造が開示されている。改質器は、熱源部と、前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と第２改質部とを流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部とを備える。ここで、前記連結空間部は、前記熱源部の第１軸を横切る第２軸に沿って延設された既変形領域を含むことができる。
また、前記連結空間部は、既変形領域を含むが、これは、前記熱源部の中心軸に実質的に垂直な方向に沿って延設された領域である。また、特に、熱源部の熱膨張により、改質器、特に、連結空間部の変形に当接する部分といえる。
本発明の技術思想は、上記の好ましい実施例によって具体的に記述されたが、上記の一実施例は、それを説明するためのものであって、それを制限するためのものではないことに注意しなければならない。また、本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形例が可能であることを理解できるはずである。
上述した発明に対する権利の範囲は、以下の特許請求の範囲により定められるものであって、明細書本文の記載にこだわることなく、請求の範囲の均等範囲に属する変形と変更は全て本発明の範囲に属する。
１０；第２改質部
１１；連結空間部
１２；第１改質部
２０；熱源部
２１；第１燃焼器
２２；第２燃焼器

Claims (16)

  1. 熱源部と、
    前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、
    前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、
    前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と前記第２改質部とを流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部と
    を備え、
    前記連結空間部は、前記熱源部の中心軸に垂直な方向に沿って延設された既変形領域を含んで備えられることを特徴とする改質器。
  2. 前記既変形領域は、屈曲部を備えることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  3. 前記屈曲部は、前記連結空間部の上板屈曲部及び下板屈曲部を備えることを特徴とする請求項２に記載の改質器。
  4. 前記屈曲部は、前記熱源部の外部に向かって凸面を有することを特徴とする請求項２に記載の改質器。
  5. 前記屈曲部の等高線は、前記熱源部の中心軸を基準とする同心円になるように形成されることを特徴とする請求項２に記載の改質器。
  6. 前記第２燃焼器は、前記熱源部内に燃料極排出ガスを放出するノズルを備え、前記連結空間部は、前記ノズルの少なくとも一領域と重なることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  7. 前記第２燃焼器は、前記熱源部の中心軸に垂直な方向に燃料極排出ガスを放出するノズルを備えることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  8. 前記第１改質部は、水蒸気改質反応を行う第１空間を含むことを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  9. 前記第２改質部は、水性ガス転換反応を行う第２空間を含むことを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  10. 前記連結空間部は、前記第１改質部及び第２改質部の外側に備えられることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  11. 前記連結空間部は、前記第１改質部または前記第２改質部の少なくともいずれか１つの外側に備えられることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  12. 熱源部と、
    前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、
    前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、
    前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と前記第２改質部とを流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部と
    を備え、
    前記連結空間部は、前記熱源部の第１軸を横切る第２軸に沿って延設された既変形領域を含んで備えられることを特徴とする改質器。
  13. 前記既変形領域は、屈曲部を備えることを特徴とする請求項１２に記載の改質器。
  14. 前記屈曲部は、前記連結空間部の上板屈曲部及び下板屈曲部を備えることを特徴とする請求項１３に記載の改質器。
  15. 前記屈曲部は、前記熱源部の外部に向かって凸面を有することを特徴とする請求項１３に記載の改質器。
  16. 前記屈曲部の等高線は、前記熱源部の中心軸を基準とする同心円になるように形成されることを特徴とする請求項１３に記載の改質器。
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