JP2013069662A - 燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマー - Google Patents

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Abstract

【課題】構造が簡素化され、操作が容易でシステム効率が良い燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマーを提供する。
【解決手段】天然ガス入口と燃料電池陽極残余燃料入口、酸化剤入口、燃料吹出し機構、多孔性媒質燃焼器、高温末端ガス排出口、複数の高温末端ガスバッフルプレート、高温末端ガス案内チャンネル、高温末端ガスバッフル羽根、高温末端ガス出口、点火装置、燃料入口、燃料予熱管、燃料分配リング、燃料分配拡散板、複数の燃料リフォーマー、複数の燃料リフォーマー出口及びリフォーム気体出口から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼リフォーマーに関し、特に、燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマーに関する。
科技の進歩とともに、経済が発展するが、大量の石化エネルギーの消費は、自然環境の回復能力が、負荷できなく、環境の汚染や資源の枯れ等の問題が、厳しくなりつつ、人間の永続発展に支障が出て来て、その中、地球温暖化が最も重要視され、そして、石油や天然ガス及び炭などのエネルギーの枯れも、至急に対策を措置しなければならない問題である。そのため、いかに二酸化炭素等の温室効果ガスの排出は、重大な課題になっている。
また、上記の問題を解消するため、新しいエネルギーや関係技術の開発は、目の前に、急がなければならないが、既存の各種類の新型発電技術によれば、その中、風力発電は、環境特性によって限制され、また、太陽エネルギー光電変換効率が強化されなければならなく、そして、海洋潮汐や温度差発電による技術は、まだ、未熟であり、それから、地熱資源発電の資源が限られているため、当該らの技術は、国内において、大規模に利用されることに適当とは言えない。また、燃料電池は、低汚染や低騒音、高効率及び適用範囲が広いなどの多い利点が得られるため、近年、世界各国において、研究や開拓が積極的に進んで来た。燃料電池は、従来の電気エネルギーの貯蔵ユニットだけとする電池と異なり、また、燃料を燃焼することにより熱を生成して働く内燃機関にも異なり、電気化学の原理を利用して、燃料中の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して熱エネルギーを放出する装置である。また、各種類の燃料電池において、使用される燃料は、主として、水素である。
水素は、独自に大自然に存在できないため、水素エネルギー発展システムにおいて、水素生成工程が、相対的に重要視され、それは、生成された水素が、各種類の燃料電池に利用されることができるためである。例えば、メタンやメタノール、エタノール、天然ガス、液化石油ガス及びガソリン等は、すべてが、水素リッチを生成できる原料であり、高温リフォームにより水素が生成されるため、リフォーマーを利用して、高温環境下で、燃料を水素リッチガスにリフォームし、また、リフォーマーは、そのリフォーム方式により異なる熱エネルギーを必要するため、例えば、電熱方式で、熱エネルギーを供給する場合、電熱設備により、システムが、より厖大化になるだけでなく、エネルギーの消費も大きくなる。そのため、燃料電池発電システムにおいて、一般として、燃焼器で、電池堆において電気化学反応した後の残余燃料を回収して、燃焼反応を行って、その高温末端ガスの熱エネルギーを向上し、また、その熱エネルギーが、リフォーマーに供されて、燃料リフォーム反応を行い、これにより、システム全体の効率が向上される。
燃料電池発電システムは、水素リッチガスで、電気化学反応を行って電気エネルギーを生成するため、電気化学反応しなかった残余燃料が、燃焼器へ案内されて、燃焼反応を行い、末端ガスの熱エネルギーが増大されるため、その熱エネルギーが、リフォーマーに提供して燃料リフォーム反応を行うことにより、システム全体の効率が向上される。しかし、一般として、リフォーマーの作動温度が、800°C以上であるため、燃焼器とリフォーマーが、独自に設計されると、燃焼器が、ラインで、リフォーマーに接続され、また、高温下で、その保温工程も、難しい難題であるから、熱損失を解消するに、燃焼器の作動温度が、1000°C以上になる場合があり、そうでないと、十分なエネルギーをリフォーマーに供給して燃料リフォームをすることができない。従って、システムの熱損失が大きいだけでなく、システムの効率を向上できず、燃焼器が、長期に、極めて高温度下で操作するため、その熱焼損の確率も高くなり、システムの稼動リスクが高くなる。そのため、燃料電池発電システムに適用される燃焼器とリフォーマーは、統合的に設計すれば、システムの熱損失を低減できるだけでなく、システムの効率が向上され、また、更に、燃焼器の作動温度が降下され、その熱焼損の確率が低減されて、システムの稼動風險が低下される。
燃焼器とリフォーマーを、統合式に設計する場合、同時に、優れた熱エネルギー管理も必要とし、燃焼室は、水素の焼き戻しを防止できるもので無ければならなく、また、同時に、火炎保持器が必要とし、燃料がリーンオイル領域になる場合、火炎が消滅しなくて、システムが、持続的に正常に稼動できる。米国特許US 7,156,886 B2号に記載されているのは、燃焼器とリフォーマーとを統合式に設計したものであるが、設計は、燃焼器とリフォーマーを、直接に重ね合ってから構成され、その燃焼器が、リフォーマーの下方に位置し、燃焼した後の末端ガスを利用して、熱エネルギーを、リフォーマーに供給し、燃料リフォームを行うが、燃焼器とリフォーマーの熱損失は、同じように、極めて大きいから、熱エネルギー管理の観点から、改善すべくものである。また、米国特許US 2010/0136378 A1号によれば、その燃焼室は、水素の焼き戻しを防止できるが、当該燃焼室には、火炎保持器が設置されず、燃料が、リーンオイル領域になると、火炎が消滅して、システムが、稼動できなくなる。そのため、一般の、従来のものは、実用的とはいえない。
本発明者は、上記欠点を解消するため、慎重に研究し、また、学理を活用して、有効に上記欠点を解消でき、設計が合理である本発明を提案する。
米国特許US 7,156,886 B2号 米国特許US 2010/0136378 A1号
本発明の主な目的は、従来の諸欠点を解消でき、また、構造が簡素化、操作が便利的、システム効率が良い、そして、汚染物の排出や設備と操作コストが低減される燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマーを提供する。
本発明の他の目的は、水素の焼き戻しを防止でき、また、燃料が、リーンオイル領域になる時、火炎が消滅しにくく、システムが、安定的に稼動できる燃焼リフォーマーを提供する。
本発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマーであり、少なくとも、天然ガス入口と燃料電池陽極残余燃料入口、酸化剤入口、燃料吹出し機構、多孔性媒質燃焼器、高温末端ガス排出口、複数の高温末端ガスバッフルプレート、高温末端ガス案内チャンネル、高温末端ガスバッフル羽根、高温末端ガス出口、点火装置、燃料入口、燃料予熱管、燃料分配リング、燃料分配拡散板、複数の燃料リフォーマー、複数の燃料リフォーマー出口及びリフォーム気体出口から構成される。
燃焼リフォーマーによって生成された水素リッチガスは、直接に固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFC）に供給し、電気化学反応を行って電気エネルギーを生成し、あるいは、一酸化炭素を除去して温度を低下させた後、固体高分子膜（Proton Exchange Membrane, PEM）に供給し、電気化学反応を行って電気エネルギーを生成する。
以下、図面を参照しながら、本発明の特徴や技術内容について、詳しく説明するが、それらの図面等は、参考や説明のためであり、本発明は、それによって制限されることが無い。
本発明の部材断面概念図である。 本発明の燃料吹出し機構の構造概念図である。 本発明の燃料分配リングの構造概念図である。 本発明を燃料電池発電システムに適用する時の使用形態概念図である。 本発明に対して実験する時の温度分布概念図である。
図１〜図４は、それぞれ、本発明の部材の断面概念図と本発明に係る燃料吹出し機構の構造概念図、本発明の燃料分配リングの構造概念図及び本発明を燃料電池発電システムに適用される時の使用形態概念図である。図のように、本発明は、燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマーであり、少なくとも、天然ガス入口１０１と燃料電池陽極残余燃料入口１０１１、酸化剤入口１０２、燃料吹出し機構１０３、多孔性媒質燃焼器１０４、高温末端ガス排出口１０５、複数の高温末端ガスバッフルプレート１０６、高温末端ガス案内チャンネル１０７、高温末端ガスバッフル羽根１０８、高温末端ガス出口１０９、点火装置２０１、燃料入口３０１、燃料予熱管３０２、燃料分配リング３０３、燃料分配拡散板３０４、複数の燃料リフォーマー３０５、複数の燃料リフォーマー出口３０６及びリフォーム気体出口３０７から構成される。
上記の天然ガス入口１０１は、天然ガスを導入するものである。
上記の燃料電池陽極残余燃料入口１０１１は、当該天然ガス入口１０１に連通され、未反応の残余水素リッチガスを導入するものである。
上記の酸化剤入口１０２は、酸化剤を導入するものであり、燃焼可能の天然ガスや燃料の酸素含有ガスを供給する。その中、当該酸化剤は、燃料電池スタック陰極側出口の高温酸素含有ガスや、一般常温あるいは高温空気、または、上記燃料電池スタック高温出口気体に冷却された気流が混合され、温度が低下される気体である。
上記の燃料吹出し機構１０３は、図２のように、燃焼領域チャンバー１００内に設置され、当該天然ガス入口１０１と当該燃料電池陽極残余燃料入口１０１１に接続され、当該燃料吹出し機構１０３は、燃料管口１０３１と複数の燃料吹出し分岐管１０３２及び各燃料吹出し分岐管１０３２上に位置する燃料吹出し穴１０３３から構成され、天然ガスや燃料を、当該燃料管口１０３１を介して導入し、また、当該天然ガスや当該燃料が、各燃料吹出し穴１０３３を経由して直接に吹出され、燃料を当該多孔性媒質燃焼器１０４に吹出し、当該酸化剤入口１０２からの空気と、燃焼反応を行う。
上記の多孔性媒質燃焼器１０４は、当該燃焼領域チャンバー１００内に設置されて、当該燃料吹出し機構１０３の上に位置し、当該酸化剤入口１０２から流れ込んだ酸化剤を、当該燃料吹出し機構１０３を経由して注入された燃料と、混合して燃焼させる。
上記の高温末端ガス排出口１０５は、当該燃焼領域チャンバー１００の上端に接続され、燃焼されて生成された高温末端ガスを排出するものである。
上記の高温末端ガスバッフルプレート１０６は、リング状に、当該高温末端ガス排出口１０５と当該燃焼領域チャンバー１００の周りに設けられ、当該高温末端ガス排出口１０５から排出された高温末端ガスを案内し、熱エネルギーを、当該燃料リフォーマー３０５の触媒に対して、燃料リフォーム反応を行うことに供する。
上記の高温末端ガス案内チャンネル１０７は、搭載板３０５１に貫設され、当該らの高温末端ガスバッフルプレート１０６から案内された高温末端ガスが、当該燃料分配リング３０３を経由せず、当該搭載板３０５１を経由して当該燃料分配拡散板３０４を通すものである。
上記の高温末端ガスバッフル羽根１０８は、リング状に、当該燃焼領域チャンバー１００の周りに設けられて、当該燃料分配リング３０３の下に位置し、燃料予熱領域であって、当該高温末端ガス案内チャンネル１０７を経由した高温末端ガスを熱エネルギーとして、燃料に対して予熱する。
上記の高温末端ガス出口１０９は、当該高温末端ガスを、当該燃料予熱領域を経由して排出して収集するものである。
上記の点火装置２０１は、当該多孔性媒質燃焼器１０４の上に設置され、点火爆発して、燃焼リフォーマーを起動時の点火エネルギーを供給するものである。
上記の燃料入口３０１は、燃料リフォームの燃料を導入するものである。その中、当該燃料は、天然ガスや空気及び水であり、リフォーム燃料とリフォーム方法に応じて変更できる。
上記の燃料予熱管３０２は、リング状に、当該燃焼領域チャンバー１００の周りに設けられ、高温末端ガスの熱エネルギーを吸収して燃料を予熱する。
上記の燃料分配リング３０３は、図３のように、リング状に、当該燃焼領域チャンバー１００の周りに設けられて、当該燃料予熱管３０２の上に位置し、複数の燃料分配穴３０３１を有し、予熱された後の燃料エネルギーを均一に当該らの燃料分配穴３０３１から噴出して燃料を分配し、これにより、燃料エネルギーが均一に当該燃料分配拡散板３０４に分配されてから、当該燃料リフォーマー３０５に入り込んで燃料リフォーム反応を行う。
上記の燃料分配拡散板３０４は、リング状に、当該燃焼領域チャンバー１００の周りに設けられて、当該燃料分配リング３０３の上に位置し、複数の燃料分配拡散穴３０４１を有し、噴出された燃料エネルギーを、均一に、当該らの燃料分配拡散穴３０４１から、燃料に均一に拡散させる。その中、当該燃料分配リング３０３と当該燃料分配拡散板３０４とにより、燃料分配拡散領域が構成される。
上記の燃料リフォーマー３０５は、リング状に、当該燃焼領域チャンバー１００の周りに設けられて、当該燃料分配拡散板３０４の上に位置し、また、当該搭載板３０５１上に搭載されて、燃料リフォーム反応を行って水素リッチガスを生成する。
上記の燃料リフォーマー出口３０６は、各燃料リフォーマー３０５の上端に設置され、リフォームによって生成された水素リッチガスを出力する。
上記のリフォーム気体出口３０７は、当該らの燃料リフォーマー出口３０６の上端に設置され、当該水素リッチガスを、燃料電池スタックへ案内し、電気化学反応を行って電気エネルギーを生成する。
水素を生成する時、本発明のより良い実施例によれば、まず、当該点火装置２０１で、燃焼リフォーマーを点火し、また、当該燃料吹出し機構１０３を経由して導入された天然ガスと、当該酸化剤入口１０２を経由して導入された空気とを、当該多孔性媒質燃焼器１０４において、混合して燃焼させ、当該多孔性媒質燃焼器１０４において、燃焼リフォーマーの燃焼領域が形成される。燃焼して生成した高温末端ガスは、まず、当該高温末端ガス排出口１０５を経由してから、当該高温末端ガスバッフルプレート１０６に入り、この領域において、熱エネルギーを、当該燃料リフォーマー３０５の触媒に対して燃料リフォーム反応に供され、その後、高温末端ガスは、さらに、当該高温末端ガス案内チャンネル１０７を経由して、当該燃料分配拡散領域の燃料分配拡散板３０４と燃料分配リング３０３を通し、それから、当該燃料予熱領域の高温末端ガスバッフル羽根１０８に入り、熱エネルギーで、燃料を予熱し、高温末端ガスは、最後に、更に、当該高温末端ガス出口１０９を介して、熱交換器４０１（図４のように）に排出し、その残熱を吸収することにより、その熱エネルギーを効率的に利用できる。また、燃料が、燃焼リフォーマーに入って燃料リフォーム反応を行う時、まず、燃料が、当該燃料入口３０１を経由して当該燃料予熱管３０２に入って、高温末端ガスの熱エネルギーを吸収し、燃料予熱を行い、その後、更に、当該燃料分配リング３０３に入り、燃料エネルギーが、均一に当該燃料分配リング３０３から噴出され、続いて、更に、当該燃料分配拡散板３０４により、燃料が均一に拡散され、そして、燃料が、更に、当該燃料リフォーマー３０５に入って、燃料が、触媒で、高温末端ガスの大量の熱エネルギーを吸収し、燃料リフォーム反応を行って水素リッチガスを生成し、最後に、生成したリフォーム気体が、当該リフォーム気体出口３０７を経由して燃料電池スタック５０１に入り、電気化学反応を行って電気エネルギーを生成し、また、未反応の残余水素リッチガスが、更に、当該陽極残余燃料入口１０１１へ案内され、当該燃料吹出し機構１０３から燃焼リフォーマーに入って燃焼反応を行い、同時に、当該天然ガス入口１０１を経由して注入される天然ガスの量を、少しずつ低減され、最後に、システムが安定的に稼動するようになると、天然ガスを注入することが要らない。
図４のように、燃焼リフォーマーによって生成された水素リッチガスは、直接に、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFC）に供給し、電気化学反応を行って電気エネルギーを生成し、或いは、一酸化炭素を除去して温度を低下させた後、固体高分子膜（Proton Exchange Membrane, PEM）に供給し、電気化学反応を行って電気エネルギーを生成する。また、燃料電池により電気化学反応された後の残余燃料は、再び、燃焼リフォーマーの燃料吹出しユニットに導入されて、燃料を回収して再利用することができるため、システムの効率が向上され、汚染物の排出が低減される。これにより、本発明は、構造が簡素化、操作が便利的、システム効率が良い、汚染物の排出や設備と操作コストが低減され、明白に、大規模経済利点などが得られる。
図５は、本発明において行った実験の温度分布概念図である。図のように、燃焼領域の温度分布は、非常に均一であり、また、その温度勾配が、僅か30°C以内で、本発明の実用性を実証した。
本発明は、燃焼器がリフォーマーに内蔵され、同時に、燃焼器による燃焼後の高温気流と燃焼器の伝導や放射の熱エネルギーを吸収し、表面温度を低減されることかつ、リフォーマーと燃焼器との間においてラインによって接続することが必要しないため、有効に熱損失を低減でき、また、同時に、燃焼器の作動温度が低下され、システムの稼動リスクが低減される。また、本発明に係る燃焼器は、予混合型設計の多孔性媒質燃焼器ではないため、水素の焼き戻しを防止でき、また、燃料が、リーンオイル領域になる時、火炎が消滅しにくく、システムが、安定的に稼動できる。
以上のように、本発明による燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマーは、有効に従来の諸欠点を解消でき、また、構造が簡素化され、操作が容易で、システム効率が良い。そして、汚染物の排出や設備と操作コストが低減され、明白に大規模な経済的利点などが得られるから、本発明は、より進歩的かつより実用的であるため、法に従って特許を出願する。
以上は、ただ、本発明のより良い実施例であり、本発明は、それによって制限されることが無く、本発明に係わる発明の請求の範囲や明細書の内容に基づいて行った等価の変更や修正は、全てが、本発明の請求の範囲内に含まれる。
１００ 燃焼領域チャンバー
１０１ 天然ガス入口
１０１１ 燃料電池陽極残余燃料入口
１０２ 酸化剤入口
１０３ 燃料吹出し機構
１０３１ 燃料管口
１０３２ 燃料吹出し分岐管
１０３３ 燃料吹出し穴
１０４ 多孔性媒質燃焼器
１０５ 高温末端ガス排出口
１０６ 高温末端ガスバッフルプレート
１０７ 高温末端ガス案内チャンネル
１０８ 高温末端ガスバッフル羽根
１０９ 高温末端ガス出口
２０１ 点火装置
３０１ 燃料入口
３０２ 燃料予熱管
３０３ 燃料分配リング
３０３１ 燃料分配穴
３０４ 燃料分配拡散板
３０４１ 燃料分配拡散穴
３０５ 燃料リフォーマー
３０５１ 搭載板
３０６ 燃料リフォーマー出口
３０７ リフォーム気体出口
４０１ 熱交換器
５０１ 燃料電池スタック

Claims (6)

  1. 天然ガスを導入する天然ガス入口と、
    当該天然ガス入口に連通され、未反応の残余水素リッチガスを導入する燃料電池陽極残余燃料入口と、
    酸化剤を導入し、燃焼可能の天然ガスや燃料の酸素含有ガスを提供する酸化剤入口と、
    燃焼領域チャンバー内に設置され、当該天然ガス入口や当該燃料電池陽極残余燃料入口に連接され、燃料管口と、複数の燃料吹出し分岐管と、各燃料吹出し分岐管上に位置する燃料吹出し穴とから構成され、天然ガスや燃料を、当該燃料管を介して導入し、また、当該天然ガスや当該燃料を、各燃料吹出し穴から、直接に吹出す燃料吹出し機構と、
    当該燃焼領域チャンバー内に設置されて、当該燃料吹出し機構の上に位置し、当該酸化剤入口から導入された酸化剤と、当該燃料吹出し機構によって注入された燃料とを、混合して燃焼させる多孔性媒質燃焼器と、
    燃料リフォームする燃料を導入する燃料入口と、
    当該燃焼領域チャンバーの周りに設置され、高温末端ガスの熱エネルギーを吸収して燃料を予熱する燃料予熱管と、
    リング状に、当該燃焼領域チャンバーの周りに設置されて、当該燃料予熱管の上に位置し、複数の燃料分配穴が形成され、予熱された後の燃料エネルギーを均一に当該らの燃料分配穴から噴出して、燃料を均一的に分配する燃料分配リングと、
    リング状に、当該燃焼領域チャンバーの周りに設置されて、当該燃料分配リングの上に位置し、複数の燃料分配拡散穴が形成され、噴出された後の燃料エネルギーを均一に、当該らの燃料分配拡散穴から、燃料を均一に拡散させる燃料分配拡散板と、
    リング状に、当該燃焼領域チャンバーの周りに設置されて、当該燃料分配拡散板の上に位置し、搭載板上に搭載され、燃料リフォーム反応を行って水素リッチガスを生成する複数の燃料リフォーマーと、
    当該多孔性媒質燃焼器の上に設置され、点火爆発して、燃焼リフォーマーを起動する時の点火エネルギーを提供する点火装置と、
    当該燃焼領域チャンバーの上端に接続され、燃焼後に発生した高温末端ガスを排出する高温末端ガス排出口と、
    リング状に、当該高温末端ガス排出口と当該燃焼領域チャンバーの周りに設けられ、当該高温末端ガス排出口から排出された高温末端ガスを案内して、燃料リフォーム反応に供されるための熱エネルギーを、当該燃料リフォーマーの触媒に対して提供する複数の高温末端ガスバッフルプレートと、
    当該搭載板に貫設され、当該燃料分配リングを経由せずに、当該らの高温末端ガスバッフルプレートによって案内された高温末端ガスを、当該搭載板を介して当該燃料分配拡散板を通させる高温末端ガス案内チャンネルと、
    リング状に、当該燃焼領域チャンバーの周りに設けられて、当該燃料分配リングの下に位置し、燃料予熱領域であって、当該高温末端ガス案内チャンネルを通して入った高温末端ガスを、熱エネルギーとして、燃料が予熱される高温末端ガスバッフル羽根と、
    当該高温末端ガスを、当該燃料予熱領域を経由して、排出して収集する高温末端ガス出口と、
    各燃料リフォーマーの上端に設置され、リフォームによって生成された水素リッチガスを出力する複数の燃料リフォーマー出口と、
    当該らの燃料リフォーマー出口の上端に設置され、当該水素リッチガスを、燃料電池スタックに案内し、電気化学反応を行って電気エネルギーを生成するリフォーム気体出口とが含有される、ことを特徴とする燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマー。
  2. 当該燃料分配リングと当該燃料分配拡散板とは、燃料分配拡散領域を構成することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマー。
  3. 当該高温末端ガス出口は、熱交換器が接続されて、当該高温末端ガスを収集することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマー。
  4. 当該酸化剤は、燃料電池スタックの陰極側出口の高温酸素含有ガスや、一般常温や高温空気、或いは上記燃料電池スタックの高温出口気体に冷却気流が混合されて温度低下された気体であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマー。
  5. 当該燃料は、リフォームにより、水素を生成できる燃料で、また、ユーザーにより、リフォーム燃料やリフォーム方式を調節できることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマー。
  6. 当該燃料は、天然ガスや空気及び水であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電システムに適用される燃焼リフォーマー。
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