JP2014530159A - 燃料処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストかつ製造工数の少ない構成で、圧力損失を高めることなく十分な距離の混合流路を確保することができる混合部を有する燃料処理装置を提供する。【解決手段】この燃料処理装置は、混合部(16)の空気混合空間に、傾斜部を有した仕切り板(200)を設けることによって、複数の流路(201,202)に分割して混合流路を長くすることで、簡便な構造で、しかも、高い混合能力を得ることができる。【選択図】図1

Description

本発明は、都市ガスやLPGなどの炭化水素系原料ガスを水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを製造し、燃料電池発電装置用等の燃料ガスの製造に用いられる燃料処理装置に関する。
従来の燃料処理装置は、全体形状が円筒形状で、その中心部にバーナーを備えた加熱器が配設され、加熱器の周囲に改質触媒を充填した改質器と、一酸化炭素(CO)変成触媒を充填した変成器と、一酸化炭素(CO)除去触媒を充填したCO除去器とを軸心方向に配列されている燃料処理装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
この燃料処理装置において、原料ガスと改質水を、加熱器の周囲に設けた蒸発器として機能するガス流路に供給して、原料ガスと水蒸気を改質器に供給する。さらに、改質器より送出された水素含有ガスを、ガス流路の外周に設けた変成器と、CO除去器とに順次供給することで、改質ガスが製造される。
図22は、特許文献1に記載の燃料処理装置を示す。
燃料処理装置1は全体形状が円筒体状であり、その外面を覆う断熱材1aによって断熱されている。燃料処理装置1の中心部には、バーナー2を配置した燃焼筒3とその外周の排気ガス通路4とからなる加熱部5が配設されている。排気ガス通路4の出口4aは外部に開放されている。加熱部5の排気ガス通路4の出口4a側部分の外周に、蒸発器として機能する第1のガス流路6が配設されている。排気ガス通路4の燃焼筒3から高温の排気ガス74が流入する側の部分の外周に、改質触媒7を充填した改質部8が配設されている。改質部8の外周には、改質部8から送出された水素含有ガス73を、第1のガス流路6の外周側に向けて流通させる第2のガス流路9が配設されている。第1のガス流路6の外周の改質部8側の部分には、CO変成触媒10を充填した変成部11が配設され、第1のガス流路6の外周の改質部8から遠い側の部分には、径方向内側の第3のガス流路12を介して径方向外側に、CO除去触媒13を充填したCO除去部14が配設されている。
第1のガス流路6の入口部6aに供給された原料ガス70は、変成部11およびCO除去部14の外周に巻回された加熱コイル15を通して供給される改質水72と、ガス流路6の入口部6aにおいて混合される。原料ガス70と改質水72は、蒸発器として機能する第1のガス流路6を通過する間に加熱される。高温の原料ガス70と水蒸気は改質部8に供給され、改質触媒7の作用で原料ガス70が水蒸気改質されて水素リッチな水素含有ガス73となる。
改質部8から送出された水素含有ガス73は、第2のガス流路9を通って変成部11に供給され、CO変成触媒10の作用でガス中の一酸化炭素(CO)が低減される。変成部11から送出された水素含有ガス73は、変成部11と第3のガス流路12との間に設けられた混合部16の空気混合空間で空気供給部16aから導入された空気71と混合される。空気71と混合された水素含有ガス73は、第3のガス流路12を介してCO除去部14に供給され、CO除去触媒13の作用でCOを除去されて、水素含有ガス出口17から水素含有ガス73が送出される。
図22に示す燃料処理装置1は、CO除去部14と高温の第1のガス流路6との間に介在する第3のガス流路12を有する。そのため、変成部11の下流部での温度を反応にとって最適な温度(例えば200℃)に保持しつつ、CO除去部14の入口温度を酸化反応が過剰に促進されない温度(例えば150℃)に維持することができる。つまり、変成部11とCO除去部14の温度を適温に維持できるという利点がある。
CO除去触媒13においては次のような化学反応により一酸化炭素COが除去される。
2CO + O → 2CO
このとき一酸化炭素COを含む水素含有ガス73と、酸素Oを含む空気71は十分に混合されていることが求められる。両者の混合が不十分な場合、上記の化学反応が促進されず、COを十分に除去することができないからである。
この混合を十分に行うため、混合部16の空気混合空間や空気供給部16aの形状を複雑にしたり、第3のガス流路12を長くしたりするといった工夫が行われている。しかし、混合性を向上させるこのような行為は、圧力損失を増大させることが多い。また、形状を工夫した結果、混合部16の空気混合空間の体積が大きくなるため、放熱が大きくなることによる効率の低下や製造コストの上昇という課題がある。
この課題を解決する混合部の形状を提案したものとして、特許文献2に記載の燃料処理装置がある。
図23は特許文献2に記載の燃料処理装置の混合部を表す。
混合流路100はパイプ形状のガス供給領域110とガス拡散領域120及び、ガス供給領域110の側面に空けられた孔形状のガス供給口111、また、ガス供給領域110の始端部の空気流入口101からなる。
空気流入口101から流入する空気と、ガス供給口111から流入する水素含有ガスが、ガス供給領域110とガス拡散領域120で混合される。
ガス供給領域110ではガス供給口111からの水素含有ガスの噴出しによって渦が発生し、水素含有ガスと空気との混合が促進する。またガス拡散領域120において両者のガスが拡散される領域が設けられており、この領域で混合がさらに促進する。このため効率的に混合を完了させることができる。
また図23に示される混合部では、空気が流れるガス供給領域110に複数のガス供給口を通してガスを供給することから、流路の上流側の流速を低く抑えることができる。これにより一度に水素含有ガスを流入させた場合と比べて、圧力損失を低減することができる。
下記の特許文献3および特許文献4にも、同様の燃料処理装置が記載されている。
特許第4536153号公報 特許第4542205号公報 特開2002−187705号公報 特開2011−178613号公報
しかしながら、図23に示されたような混合流路は形状が複雑であり、流路を構成するパイプを円弧状に曲げるための加工や、多数の孔を空けるための加工、流路を直角にする加工などが必要となるため部品コストが高くなりやすい。
また、リークを防止し、長期間の運転においても破損しないようにするため、部品同士を例えば連続溶接で固定することが望ましい。しかし、このように複雑な形状においては溶接の自動化が困難であり、手作業に頼らざるを得ず、歩留まりが低くなり、製造するための工数が多くなるという課題がある。
また、図23の混合流路の場合、混合を行う距離は最大でも180mm程度であり、定常状態であれば十分に混合を完了させられることは確認されているが、不具合による非定常状態になった場合に、混合を完了させる能力としての余裕度が少ない。特許文献2のシミュレーションを行った結果、一酸化炭素COと酸素Oのばらつきが無くなるのは混合流路の終端付近である。
例えば、上流である改質部8の改質触媒7や変成部11のCO変成触媒10が経年劣化により粉化してガス流路を阻害するようになると、水素含有ガス73の流速が大きくなる。その場合混合流路内で十分混合できなくなる。あるいは、変成部11でCO変成触媒10が経年劣化により活性が低下すると、水素含有ガス73に含まれるCOを十分低下させることができなくなり、CO除去部14の設計時に上限として想定されるCO濃度0.5%以下を達成できなくなる。その場合、増加したCOに対して酸素Oを十分に混合しきれなくなる。
これらの結果、CO除去部14のCO除去触媒13が十分にCO除去反応を行うことができなくなる恐れがある。その場合、発電スタックに高濃度(0.5%以上)のCOを含む水素含有ガス73が供給され、スタック内の触媒が被毒(触媒被毒 catalyst poisoning)して発電性能が低下し、やがてシステムの停止に至る。
混合部で混合を完了させる能力に余裕度が十分であれば、触媒の搭載量によって決まるシステムの寿命まで確実に運転することができるようになる。しかし、図23のような混合流路の構成では、組み立てやスペースの観点から混合流路を延長させることは困難で、もしできたとしても大幅なコスト上昇や圧力損失の上昇となる。
本発明が解決しようとする課題は、低コストかつ製造工数の少ない構成であり、圧力損失を高めることなく十分な距離の混合流路を確保し、高い混合性能を発揮することができる混合部を有する燃料処理装置を提供することである。
本発明の燃料処理装置は、バーナーを備えた加熱部の周りに設けられ、一酸化炭素および水を含む水素含有ガスを生成する改質部と、前記加熱器の周りに設けられ、前記改質部で生成された前記水素含有ガスの一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素含有ガスを生成する変成部と、前記加熱器の周りに設けられ、空気供給部から供給され空気と前記変成部で生成された前記水素含有ガスを混合する混合部と、酸素と前記混合部から運ばれるガス中の一酸化炭素とをCO除去触媒と反応させて、一酸化炭素をほとんど含まない水素含有ガスを生成するCO除去部とを有し、かつ前記混合部の流路を分割する仕切り板を設け、前記仕切り板はその一部に傾斜部を備えることを特徴とする。
また、本発明の燃料処理装置は、バーナーを備えた加熱部の周りに設けられ、一酸化炭素および水を含む水素含有ガスを生成する改質部と、前記加熱器の周りに設けられ、前記改質部で生成された前記水素含有ガスの一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素含有ガスを生成する変成部と、前記加熱器の周りに設けられ、空気供給部から供給され空気と前記変成部で生成された前記水素含有ガスを混合する混合部と、酸素と前記混合部から運ばれるガス中の一酸化炭素とをCO除去触媒と反応させて、一酸化炭素をほとんど含まない水素含有ガスを生成するCO除去部とを有し、かつ前記混合部の流路を少なくとも第1,第2流路に分割する仕切り板を設け、前記仕切り板には、前記第1流路における混合ガスの流入位置に対して、前記第1流路から前記第2流路への混合ガスの流入口が、前記周方向の180°または略180°の位置に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料処理装置は、バーナーを備えた加熱部の周りに設けられ、一酸化炭素および水を含む水素含有ガスを生成する改質部と、前記加熱器の周りに設けられ、前記改質部で生成された前記水素含有ガスの一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素含有ガスを生成する変成部と、前記加熱器の周りに設けられ、空気供給部から供給され空気と前記変成部で生成された前記水素含有ガスを混合する混合部と、酸素と前記混合部から運ばれるガス中の一酸化炭素とをCO除去触媒と反応させて、一酸化炭素をほとんど含まない水素含有ガスを生成するCO除去部と、前記混合部の流路を少なくとも第1,第2流路に分割する仕切り板を有し、前記混合部は、前記変成部の側の第1隔壁と前記CO除去部の側の第2隔壁との間に形成され、前記仕切り板には、前記加熱器の周りの周方向に伸びる溝部が形成されており、前記溝部の底面が前記第1,第2隔壁の一方に当接してその一部が前記第1,第2隔壁の他方に突出して弾性変形していることを特徴とする。
この構成によれば、前記混合部の空気混合空間が仕切り板によって外周流路と内周流路とに分割されているので、低コストかつ製造工数の少ない構成であり、圧力損失を高めることなく十分な距離の混合流路を確保し、高い混合性能を発揮することができる。
実施の形態1における燃料処理装置の混合部の縦断面図 図1のA−A断面図 実施の形態1における仕切り板の外観斜視図 実施の形態1における燃料処理装置の解析結果を示す図 実施の形態1における混合部の組み立て工程を示す断面図 実施の形態2における燃料処理装置の混合部の縦断面図 図6のJ−J断面図 実施の形態3における燃料処理装置の混合部の縦断面図 図8のK−K断面図 実施の形態3における仕切り板の外観斜視図 実施の形態3における混合部の組み立て工程を示す断面図 実施の形態4における燃料処理装置の混合部の縦断面図 実施の形態4における混合部の組み立て工程を示す断面図 実施の形態5における燃料処理装置の混合部の縦断面図 実施の形態5における混合部の組み立て工程を示す断面図 実施の形態6における燃料処理装置の混合部の縦断面図 実施の形態6における仕切り板の平面図 実施の形態7における燃料処理装置の混合部の縦断面図 実施の形態7における混合部の組み立て工程を示す断面図 実施の形態8における仕切り板の平面図 実施の形態3における仕切り板の別の例の平面図 特許文献1に記載の従来例の燃料処理装置の縦断面図 特許文献2に記載の燃料処理装置の混合部を表す平面図
以下、本発明の各実施の形態を、図1〜図21に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図5は本発明の実施の形態1を示す。
図1は燃料処理装置の縦断面図であり、図2は図1におけるA−A断面図である。断面図は基本的に断面形状のみを図示しており、投影形状は説明のため、ガス流入孔203のみを示している。
なお、図1と図2において、図22および図23に示した従来例の燃料処理装置と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、その説明を省略する。白抜きの矢印F1は変成後の水素含有ガスの流れ、黒塗りの矢印F2は空気の流れ、クロスハッチングの矢印F3は混合ガスの流れを示している。
従来例との差異は、図22では水素含有ガス73と空気71を混合するために、変成部11と第3のガス流路12との間に設けられた混合部16の空気混合空間は、その内部に仕切りが設けられていなかったが、この実施の形態1では、混合部16の空気混合空間が仕切り板200により外周流路201と内周流路202とに分割されていることである。
側面壁に接続された空気供給部16aから流入する酸素Oを含む空気が、混合部16の空気混合空間に流入する。また、変成部11でCOを低減されて低濃度(0.5%以下)のCOを含む水素含有ガスは、ガス流入孔203から混合部16の空気混合空間に流入する。空気と水素含有ガスは垂直方向に衝突し、拡散され、混合を開始する。その後、図2に示すように外周流路201を半周した混合ガスは、仕切り板200の側面に空けられた側面孔204を通過して内周流路202に流入する。混合ガスは内周流路202をさらに半周し、ガス流出孔205を通り、第3のガス流路12に流出する。外周流路201と内周流路202を通る間にガスは混合され、第3のガス流路12に流入する時点ではほぼ均一になっている。その後、第1のガス流路6を流れる水を含んだ原料ガスとの間で熱交換し、冷却され(例えば250℃から150℃)、第3のガス流路出口12aを通り、CO除去部14に流入し、COをほぼ完全に除去(例えば10ppm以下)される。
図3は実際に製作することを考慮した仕切り板200の形状の斜視図である。プレス加工のみによって1部品で製作できることを考慮している。側面孔204の大きさは加工が可能な範囲で任意に設定可能であり、後に述べる最適化を経てφ6mm(約28mm)とした。また、ガス流出孔205は切り起こし孔形状となっている。その目的は、混合ガスを第3のガス流路12の中を周回させ、第3のガス流路出口12aまでの間に、流速と流量の周方向ばらつきを無くし、CO除去触媒13の利用効率を高めるためである。ここでも、ガス流出孔205の開放面積は、後に述べる最適化を経て約30mmとした。
側面孔204とガス流出孔205の大きさは圧力損失には大きく影響するが、混合性への影響が少ないことが分かっている。ここでは仕切り板200の製作が容易で、許容できる圧力損失に収まるように孔サイズを決定しているが、圧力損失低下のためには側面孔204及びガス流出孔205をより大きくすることが有効である。
仕切り板200は、混合部16の空気混合空間を構成する隔壁と複数箇所で接触した当て止め構成としている。具体的には、図1に示すように、変成部11の側の第1隔壁としての底板21との第1当接部206、CO除去部14の側の第2隔壁としての天板22との第2当接部207、内周当接部208の3箇所となる。この部分に隙間が生じると、未混合のガスが後方の流路に漏洩して、CO除去が効率的に行われない。そこで、溶接やロウ付け等の方法により、これらの当接部を固定するのが確実である。
ただし、第1,第2当接部206,207の隙間が流路断面積に対して微量(例えば1%以下)であれば、圧力差により大部分のガスが混合流路を通るため、混合ガス全体に占める漏洩の影響は非常に微小であり、第3のガス流路12を通過する間に十分に混合される。したがって、これらの第1,第2当接部206,207は溶接やロウ付けのような固定をすることなく、混合部16の空気混合空間を構成する部品間の当て止めによって、仕切り板200を弾性変形させて密着させることで、十分に混合流路の機能を満たすことができる。
図5は仕切り板200を混合部16に組み込む工程を示している。
図5(a)は仕切り板200を加熱部5の外周に挿入し、CO除去部14を固定する前の状態を示している。この状態では、仕切り板200の内周当接部208が加熱部5の外周に接触し、仕切り板200の第1当接部206が混合部16の底板21に当接している。
CO除去部14を取り付けると、図5(b)に示すように、仕切り板200の第2当接部207が押さえ付けられて、仕切り板200の第1当接部206と混合部16の底板21との隙間、ならびに仕切り板200の第2当接部207と混合部16の天板22との隙間が小さくなる方向に更に押さえ付けられる。このとき、第1当接部206の加熱部5の中心からの距離:L1、第2当接部207の加熱部5の中心からの距離:L2は、
L1≠L2
L1>L2
であって、仕切り板200の第1当接部206と第2当接部207の間に、外周側傾斜部23aが一体に成形されている。また、第2当接部207の内周側には内周側傾斜部23bが形成されているため、外周側傾斜部23aが仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。また、内周側傾斜部23bも僅かに弾性変形する。
このように外周側傾斜部23aと内周側傾斜部23bの弾性変形によって、仕切り板200の高さと混合部16の内側の高さとの寸法差が無くなって、仕切り板200の第1当接部206と混合部16の底板21との隙間、ならびに仕切り板200の第2当接部207と混合部16の天板22との隙間が小さくなる方向に作用している。図5(b)の状態で混合部16の天板22が溶接やロウ付け等によって、変成部11の側に接合固定されている。
本実施例においては、プレス加工で製作した仕切り板200のみを用い、溶接などの固定を追加することなく、図23の構成と同等以上の混合性能を確保することができた。その結果、部品コストと製造工数の大幅な削減を果たすことができた。本実施例においては構造体の板厚0.8〜1.0mmに対して、仕切り板200の板厚を0.3mmとして、弾性を確保した。仕切り板200の材質はバネ用材料が望ましいが、耐熱性とコストの観点で構造体と同じステンレスを用いた。変成部11の外面との第1当接部206、CO除去部14の外面との第2当接部207を密着させるため、仕切り板200を軸方向に0.1〜0.3mm圧縮して固定している。圧縮量はそれ以上、例えば1mm程度としても構わない。第1のガス流路との内周当接部208は径で0〜0.4mmの隙間を持った嵌合としている。拡管やかしめなどにより密着させることが望ましいが、嵌合だけでも十分な耐リーク性がある。
前記の当て止め構成とすることで、燃料処理装置が繰り返しの起動停止を行い、構造体の温度上昇と冷却による熱収縮を行った場合でも、溶接などの固定をする場合に比べて、構造体にかかる応力が低減できる。そのため、長期間使用した場合の疲労破壊などによる不具合を防止することが期待できる。
本構成での混合流路の長さは約380mmで、同等の出力の燃料処理装置であり、製品外径がほぼ等しい図23の構成の混合流路の約180mmに対して2倍以上の混合距離がある。そのため経年劣化等による条件の悪化にあっても、安定した混合性能を提供でき、高ロバスト性が期待できる。
実施の形態1に対する効果の検証として、解析を行った結果を図4に示す。解析は3Dモデルを用いて行った。解析ソフトはアンシス(ANSYS)社製の汎用熱流体解析ソフトウェア“ANSYS FLUENT 12.1”を用いた。
流入する空気の流量は7.67×10−6kg/s、空気の温度25℃、水素含有ガスの流量は1.69×10−4kg/s、水素含有ガスの温度200℃とした。水素含有ガスの組成はメタン3.1%、水蒸気21.2%、二酸化炭素15.2%、一酸化炭素0.2%、水素60.3%とした。
混合部16の空気混合空間の図4に示す各断面位置B−B,C−C,D−D,E−E,F−F,G−G,H−H,I−Iにおける外周流路201と内周流路202のそれぞれの混合ガスの酸素Oの濃度と一酸化炭素COの濃度のモル比率O/COを測定した。
断面位置 外周流路201 内周流路202
B−B (L)〜(H) 1.95〜2.04
C−C (L)〜(H) 1.95〜2.04
D−D (L)〜2.85 1.95〜2.04
E−E 1.95〜2.04 1.50〜2.49
F−F 1.86〜2.13 1.86〜2.13
G−G 1.59〜2.49 1.95〜2.04
H−H (L)〜2.76 1.95〜2.04
I−I (L)〜(H) 1.95〜2.04
ここで(H)は3.30以上、(L)は1.50以下である。
解析の評価としては、流出する混合ガスの酸素Oの濃度と一酸化炭素COの濃度のモル比率O/COを測定した。Oは空気に含まれ、COは水素含有ガスに含まれるので、O/COのばらつきが小さいほど、十分に混合されていることを示唆する。CO除去触媒の特性から決まる要求仕様は、混合ガスのO/COが1.8〜3.0の範囲に収まることである。
また、ポンプの性能などによって決まる、圧力損失の要求仕様は500Pa以下に抑えられることである。
解析結果によると、O/COの値は外周流路201でほぼ収束し、側面孔204を通る時点で1.86〜2.13の範囲に収まっている。つまり、この時点で混合は十分に完了している。その後、内周流路202を進む中でさらに混合が進んでいくが、O/COの値は1.95〜2.04の範囲に収束しており、ほとんど変化は見られない。したがって、本構成は十分な混合性能を有しており、さらに十分な余裕度を持った高ロバスト性を有していることが確認できた。
同時に解析を行っている圧力損失は402Paとなり、仕様を満足した。
圧力損失については、設計当初に側面孔204とガス流出孔205の大きさをより小さく設計しており、圧力損失が大幅に許容値を越えていた。その後、順次側面孔204とガス流出孔205を拡大していったところ、混合性にはほとんど影響が無く、圧力損失が順調に低下していった。最終的に、加工性とのバランスのとれた、現状の大きさとしている。
当て止め構成に関して、製造上のばらつきにより、隙間が発生する可能性があるため、繰り返しの組み立てにより隙間の最大量を求めた。その結果、変成部11の外面との第1当接部206における隙間は最大で0.2mm、CO除去部14の外面との第2当接部207における隙間も最大で0.2mmであった。また、第1のガス流路との内周当接部208の隙間は径で最大0.4mmである。実際にそのような状態になることは考えにくいが、最悪条件として、これらの最大隙間を全周に与えたモデルで解析を行った。その結果でも混合流路終端でのO/COの値は1.82〜2.34となり、仕様を満たしている。したがって、当て止め構成でも十分に混合性能を確保することができる構成となっている。ちなみにその最悪条件において、圧力損失は208Paに低下する。
実施例として、実施の形態1に示した構成の混合部16を有する燃料処理装置を実際に製作し、運転試験を行ったところ、製造された水素含有ガスのCO濃度は10ppm以下であり、正常にCOが低減されていた。現在までに4600時間の連続運転を行ったものと、1570回の起動停止試験を行ったもののそれぞれにおいて、CO濃度や圧力損失に異常は発生していない。
(実施の形態2)
図6,図7は本発明の実施の形態2を示す。
実施の形態1では混合流路が外周流路201と内周流路202に分割されていた。実施の形態2ではこれがさらに分割数が多い場合(ここでは4分割)について説明する。
図6は本要部構成の縦断面図であり、図7は図6におけるJ−J断面図である。断面図は、基本的に断面形状のみを図示しており、投影形状は説明のためガス流入孔203のみを示している。白抜きの矢印F1は変成後の水素含有ガスの流れ、黒塗りの矢印F2は空気の流れ、クロスハッチングの矢印F3は混合ガスの流れを示している。
側面壁に接続された空気供給部16aから流入する酸素Oを含む空気が混合部16の空気混合空間に流入する。また、変成部11でCOを低減されて低濃度(0.5%以下)のCOを含む水素含有ガスはガス流入孔203から混合部16の空気混合空間に流入する。空気と水素含有ガスは垂直方向に衝突し、拡散され、混合を開始する。その後、外周流路201を半周した混合ガスは、仕切り板の側面に空けられた側面孔204を通過して第1の中間流路209に流入する。その後、第1の中間流路209を半周し、第2の側面孔204a、第2の中間流路210、第3の側面孔204bを通過して、内周流路202に流入する。以降の流れは実施の形態1と同様である。
本構成での混合流路の長さは約750mmであり、同等の出力の燃料処理装置であり、製品外径がほぼ等しい図23の構成の混合流路の約180mmに対して4倍以上の混合距離がある。そのため、より高いロバスト性が期待できる。
現在は出力によって決まる触媒搭載量の関係で、加熱部5を図1に寸法線で示す79mm、燃料処理装置の外径を144mmとしているが、より小型の低出力モデルの開発や、触媒をハニカム構成にするなどで、製品外径が小さくなる可能性がある。その場合でも混合に必要な距離はあまり変わらないため、混合部16の空気混合空間の体積が相対的に大きくなる恐れがある。その場合でも本構成を用いることで、空気混合空間を大きくすることなく、外径を縮小しても、十分な混合性を確保することができる。
この実施の形態2でも実施の形態1の場合と同様に、仕切り板200には傾斜部が形成されている。具体的には、図6の23a,23a2,23a3,23bが傾斜部である。このように傾斜部を形成したため、CO除去部14を取り付けると、外周側傾斜部23aと内周側傾斜部23b,傾斜部23a2,23a3,の弾性変形によって、仕切り板200の高さと混合部16の内側の高さとの寸法差を無くせる。
(実施の形態3)
図8〜図11と図21は本発明の実施の形態3を示す。
実施の形態2では、混合部16からCO除去部14への流路へ繋がるガス流出孔205が、仕切り板200の一部に形成されていたが、この実施の形態3では、混合部16の天板22にガス流出孔205が形成されている。そして実施の形態3における仕切り板200には、混合部16の底板21と接触する第1当接部206と、混合部16の天板22と接触する第2,第3当接部207a,207bが形成されている。第1当接部206の加熱部5からの距離:L1、第2,第3当接部207a,207bの加熱部5からの距離:L2,L3とした場合(図11(a)参照)に、
L1 ≠ L2 ≠ L3
L2 > L1 > L3
である。さらに、仕切り板200の第2当接部207aと第3当接部207bの間には、底板21の側に窪んだ溝部24が形成されている。溝部24の底面24aの一部に第1当接部206が形成されている。第1当接部206の外周側と底面24aとの接続部に外周側傾斜部23aが形成されている。第1当接部206の内周側と底面24aとの接続部に内周側傾斜部23bが形成されている。
図11は、仕切り板200を混合部16に組み込む工程を示している。
図11(a)は仕切り板200を加熱部5の外周に挿入し、混合部16の天板22を固定する前の状態を示している。この状態では、仕切り板200の第1当接部206が混合部16の底板21に接触している。
混合部16の天板22を取り付けると、図11(b)に示すように、仕切り板200の第2,第3当接部207a,207bが押さえ付けられて、第1当接部206と底板21との隙間、ならびに第2,第3当接部207a,207bと天板22との隙間が小さくなる方向に更に押さえ付けられる。さらに、溝部24の底面24aが仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。また、外周側傾斜部23aと内周側傾斜部23bも僅かに弾性変形する。天板22が図11(b)の状態で溶接やロウ付け等によって、変成部11の側に接合固定されている。
このように“L1 ≠ L2 ≠ L3”に形成したため、仕切り板200の一部が弾性変形して、仕切り板200の高さと混合部16の内側の高さとの寸法差が無くなって、仕切り板200の第1当接部206と底板21との隙間、ならびに仕切り板200の第2,第3当接部207a,207bと天板22との隙間が小さくなる方向に作用する。
外周流路201に流入した、空気の流れ(F2)と変成後の水素含有ガスの流れ(F1)は、図9に示すように周方向に一緒に流れた後に、流入位置とは180°の位置に形成されている側面孔204を通過して内周流路202に流入する。混合ガスは内周流路202をさらに周方向に一緒に流れてガス流出孔205を通り、CO除去部14に流出する。
この実施の形態3では、外周側傾斜部23aと内周側傾斜部23bを有する凸部を、仕切り板200の溝部24の底面24aの一部に形成して、第1当接部206が形成されていたが、図21に示すように、外周側傾斜部23aと内周側傾斜部23bでは無くて傾斜していない壁面25の凸部であっても、略同様の効果を期待できる。
なお、仕切り板200は、第1当接部206を底板21に当接させ、第2,第3当接部207a,207bを天板22に当接させることで、仕切り板200の溝部24の底部24bを天板22の側に突出するように弾性変形させたが、第1当接部206を天板22に当接させ、第2,第3当接部207a,207bを底板21に当接させて、仕切り板200の溝部24の底部24bを底板22の側に突出するように弾性変形させて構成することもできる。
(実施の形態4)
図12と図13は本発明の実施の形態4を示す。
実施の形態3とは仕切り板200の形状が異なっている。“L1 ≠ L2 ≠ L3”“L2 > L1 > L3”は同じである。この実施の形態4では、仕切り板200の第2当接部207aと第3当接部207bの間には、底部中央に第1当接部206が形成され、その両側に外周側傾斜部23aと内周側傾斜部23bが形成されたV溝部26が形成されている。
図13は、仕切り板200を混合部16に組み込む工程を示している。
図13(a)は仕切り板200を加熱部5の外周に挿入し、混合部16の天板22を固定する前の状態を示している。この状態では、仕切り板200の第1当接部206が混合部16の底板21に接触している。
混合部16の天板22を取り付けると、図13(b)に示すように、仕切り板200の第2,第3当接部207a,207bが押さえ付けられて、第1当接部206と底板21との隙間、ならびに第2,第3当接部207a,207bと天板22との隙間が小さくなる方向に更に押さえ付けられる。さらに、仕切り板200の外周側傾斜部23aと内周側傾斜部23bが仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。図13(b)の状態で天板22が溶接やロウ付け等によって、変成部11の側に接合固定されている。
このように“L1 ≠ L2 ≠ L3”に形成したため、仕切り板200の一部が弾性変形して、仕切り板200の高さと混合部16の内側の高さとの寸法差が無くなって、仕切り板200の第1当接部206と底板21との隙間、ならびに仕切り板200の第2,第3当接部207a,207bと天板22との隙間が小さくなる方向に作用する。
外周流路201に流入した、空気の流れ(F2)と変成後の水素含有ガスの流れ(F1)は、実施の形態2と同じである。
(実施の形態5)
図14と図15は本発明の実施の形態5を示す。
上記の各実施の形態の形態では、混合部16の下方に配設された変成部11から、混合部16の外周流路201に、変成後の水素含有ガスの流れ(F1)が流入し、混合部16の外周から空気の流れ(F2)が外周流路201に流入し、混合部16の上方に配設されたCO除去部14へ、混合部16の内周流路202から、ガス流出孔205を通過して流出したが、この実施の形態5では、変成部11が混合部16の上方に配設され、CO除去部14が混合部16の下方に配設されている。ガス流出孔205は、混合部16の底板21に形成されている。
混合部16は、環状の仕切り板200によって外周流路201と内周流路20に分割されている。仕切り板200には、混合部16の内周で底板21に接触する第1当接部206と、混合部16の外周で天板22に接触する第1当接部206が形成されている。
第1当接部206の加熱部5からの距離:L1、第2当接部207aの加熱部5からの距離:L2とした場合に、“L1 ≠ L2”“L2 > L1” である。また、第1当接部206と第2当接部207aの間は、環状の傾斜部23が一体に形成されている。
図15は、仕切り板200を混合部16に組み込む工程を示している。
図15(a)は仕切り板200を加熱部5の外周に挿入し、混合部16の天板22を固定する前の状態を示している。この状態では、仕切り板200の第1当接部206が混合部16の底板21に接触している。
天板22を取り付けると、図15(b)に示すように、仕切り板200の第2当接部207aが押さえ付けられて、第1当接部206と底板21との隙間、ならびに第2,第3当接部207a,207bと天板22との隙間が小さくなる方向に更に押さえ付けられる。さらに、傾斜部23が仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。図11(b)の状態で天板22が溶接やロウ付け等によって、CO除去部14の側に接合固定されている。
このように“L1 ≠ L2 ”“L2 > L1”に形成したため、仕切り板200の一部が弾性変形して、仕切り板200の高さと混合部16の内側の高さとの寸法差が無くなって、仕切り板200の第1当接部206と底板21との隙間、ならびに仕切り板200の第2当接部207aと天板22との隙間が小さくなる方向に作用する。
内周流路202に流入した、空気の流れ(F2)と変成後の水素含有ガスの流れ(F1)は、図14に示すように周方向に一緒に流れた後に、流入位置とは180°の位置に形成されている側面孔204を通過して外周流路201に流入する。混合ガスは外周流路201をさらに周方向に一緒に流れてガス流出孔205を通り、CO除去部14に流出する。
(実施の形態6)
図16と図17は本発明の実施の形態6を示す。
変成部11が混合部16の上方に配設され、CO除去部14が混合部16の下方に配設されている点は、実施の形態5と同じである。実施の形態5では混合部16の内部が、仕切り板200によって外周流路201と内周流路202に分割されていたが、この実施の形態6では、混合部16の内部が、仕切り板200によって上流路27と下流路28に分割されている。さらに、環状の仕切り板200が、混合部16の内周面に、溶接やロウ付け等29a,29bによって、混合部16の内周面に接合固定されている点が、実施の形態5とは異なっている。
内周流路202に流入した、空気の流れ(F2)と変成後の水素含有ガスの流れ(F1)は、上流路27を周方向に一緒に流れた後に、流入位置とは180°の位置に形成されている孔30を通過して下流路28に流入する。混合ガスは下流路27をさらに周方向に一緒に流れてガス流出孔205を通り、CO除去部14に流出する。
(実施の形態7)
図18と図19は本発明の実施の形態7を示す。
上記の各実施の形態では、混合部16の内部を一つの環状の仕切り板200によって流路を複数に分割したが、この実施の形態7は、混合部16の内部を複数の環状の仕切り板によって流路を複数に分割した点で異なっている。
この実施の形態7で説明する具体例は、図8〜図11に示した実施の形態3の変形例である。その他の実施の形態においても同様に実施できる。
図18に示すように、混合部16に仕切り板200a,200bを組み込むことによって、外周流路201と第1,第2内周流路202a,202bに分割されている。なお、仕切り板200aは図3の仕切り板200と同じである。
外周流路201に流入した、空気の流れ(F2)と変成後の水素含有ガスの流れ(F1)は、外周流路201を周方向に一緒に流れた後に、流入位置とは180°の位置に形成されている側面孔204を通過して第1内周流路202aに流入する。混合ガスは第1内周流路202aをさらに周方向に流れて、仕切り板200bに形成されている流入孔31を通過して第2内周流路202bに流入する。ここでは流入孔31が、側面孔204とは周方向に180°の位置に形成されている。
第2内周流路202bに流入した混合ガスは、第2内周流路202bをさらに周方向に流れて、天板22に形成されたガス流出孔205を通り、第3のガス流路12に流出する。このように、第1内周流路202aの内部を、第2内周流路202bによって更に分割することによって、流路長を実施の形態3の場合よりも長くできる。
図19は、仕切り板200a,200bを混合部16に組み込む工程を示している。
図19(a)は加熱部5の外周に、仕切り板200a,200bを積み重ねて挿入して、混合部16の天板22を固定する前の状態を示している。
この状態では、仕切り板200aの第1当接部206が混合部16の底板21に接触している。さらに、仕切り板200bの第4当接部206bが、仕切り板200aの溝部24の底面24aに接触している。
天板22を取り付けると、図19(b)に示すように、仕切り板200aの第2当接部207aが、仕切り板200bの第5当接部207cを介して押さえ付けられ、仕切り板200aの第3当接部207bが、仕切り板200bの第6当接部207dを介して押さえ付けられる。
これによって、仕切り板200aの底板24aが仮想線位置から実線位置に弾性変形する。また、仕切り板200bの第4当接部206bと第5当接部207cの間に形成された傾斜部32、ならびに仕切り板200bの第4当接部206bと第6当接部207dの間の側面33も、仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。図19(b)の状態で天板22が溶接やロウ付け等によって、変成部11の側に接合固定されている。
このように
“L1 ≠ L2 ≠ L3”
“L2 > L1 > L3”
さらに、第4当接部206bの加熱部5からの距離:L4、第5当接部207cの加熱部5からの距離:L5、第7当接部207dの加熱部5からの距離:L6とした場合に、
“L2 = L5, L3 = L6”
“L5 > L4 > L6”
に形成したため、仕切り板200a,200bの一部が弾性変形して、仕切り板200a,200bの高さと混合部16の内側の高さとの寸法差が無くなって、第1当接部206と底板21との隙間、仕切り板200aの第2,第3当接部207a,207bと仕切り板200bとの隙間、第4当接部206bと仕切り板200aとの隙間、および仕切り板200bと天板22との隙間が、それぞれ小さくなる方向に作用する。
この実施の形態7では、外周側傾斜部23aと内周側傾斜部23bを有する凸部を、仕切り板200aの溝部24の底面24aの一部に形成して、第1当接部206が形成されていたが、仕切り板200aの形状は図21に示した仕切り板200と同じであっても、略同様の効果を期待できる。
(実施の形態8)
図20は本発明の実施の形態8を示す。
上記の各実施の形態において、仕切り板によって分割された一方の流路から別の流路への混合ガスの流路は、孔であったが、切り欠きでも実施できる。具体的には、実施の形態3の図9,図10では側面孔204が丸形状の孔で構成されていたが、図20に示すように切り欠き34で構成することもできる。
なお、上記の実施の形態6を除く実施の形態では、各仕切り板が、混合部16の隔壁、変成部11の側の底板21,CO除去部14の側の天板22のうちの何れにも、溶接やロウ付け等によって接合固定しなかったが、仕切り板の少なくとも一部分を、底板21または天板22の一方にだけ溶接やロウ付け等によって接合固定して構成することもできる。
本発明の燃料処理装置は、簡素な構造で、圧力損失を高めることなく、混合性能のロバスト性を大幅に高めることができ、家庭用コージェネレーションシステム等の燃料電池に用いられて、長期間の連続運転と負荷変動においても変わらずCO除去性能を発揮することができる。
1 燃料処理装置
1a 断熱材
2 バーナー
3 燃焼筒
4 排気ガス通路
4a 排気ガス通路4の出口
5 加熱部
6 第1のガス流路
6a ガス流路6の入口部
7 改質触媒
8 改質部
9 第2のガス流路
10 CO変成触媒
11 変成部
12 第3のガス流路
12a 第3のガス流路出口
13 CO除去触媒
14 CO除去部
15 加熱コイル
16 混合部
16a 空気供給部
17 水素含有ガス出口
21 混合部16の底板
22 混合部16の天板
23a 外周側傾斜部
23b 内周側傾斜部
L1 第1当接部206の加熱部5の中心からの距離
L2 第2当接部207の加熱部5の中心からの距離
24 溝部
24a 溝部24の底面
25 傾斜していない壁面
26 V溝部
27 上流路
28 下流路
29a,29b 溶接やロウ付け箇所
30 孔
31 流入孔
70 原料ガス
71 空気
72 改質水
73 水素含有ガス
74 排気ガス
100 混合流路
101 空気流入口
110 ガス供給領域
111 ガス供給口
120 ガス拡散領域
200,200a,200b 仕切り板
201 外周流路
202 内周流路
203 ガス流入孔
204 側面孔
204a 第2の側面孔
204b 第3の側面孔
205 ガス流出孔
206 第1当接部
207 第2当接部
207a,207b 第2,第3当接部
208 内周当接部
209 第1の中間流路
210 第2の中間流路

Claims (10)

  1. バーナーを備えた加熱部の周りに設けられ、一酸化炭素および水を含む水素含有ガスを生成する改質部と、
    前記加熱器の周りに設けられ、前記改質部で生成された前記水素含有ガスの一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素含有ガスを生成する変成部と、
    前記加熱器の周りに設けられ、空気供給部から供給され空気と前記変成部で生成された前記水素含有ガスを混合する混合部と、
    酸素と前記混合部から運ばれるガス中の一酸化炭素とをCO除去触媒と反応させて、一酸化炭素をほとんど含まない水素含有ガスを生成するCO除去部と
    を有し、かつ前記混合部の流路を分割する仕切り板を設け、前記仕切り板はその一部に傾斜部を備える
    燃料処理装置。
  2. 前記混合部は、前記変成部の側の第1隔壁と前記CO除去部の側の第2隔壁との間に形成され、
    前記第1,第2隔壁のうちの一方の隔壁と前記仕切り板との第1当接部の前記加熱部からの距離:L1、
    前記第1,第2隔壁のうちの他方の隔壁と前記仕切り板との第2当接部の前記加熱部からの距離:L2とした場合に、L1 ≠ L2である
    請求項1記載の燃料処理装置。
  3. 前記仕切り板が、前記傾斜部において弾性変形している
    請求項1記載の燃料処理装置。
  4. 前記混合部の内部が、前記仕切り板によって同心環状の二重以上の流路に分割されていることを特徴とする
    請求項1記載の燃料処理装置。
  5. 前記混合部は、前記変成部の側の第1隔壁と前記CO除去部の側の第2隔壁との間に形成され、
    前記仕切り板は、前記第1,第2隔壁のうちの一方の隔壁と他方の隔壁の両方または一方に固定しない当て止め構造である
    請求項1記載の燃料処理装置。
  6. 前記混合部は、前記変成部の側の第1隔壁と前記CO除去部の側の第2隔壁との間に形成され、
    前記第1,第2隔壁のうちの一方の隔壁と前記仕切り板との第1,第3当接部の前記加熱部からの距離:L1,L3、
    前記第1,第2隔壁のうちの他方の隔壁と前記仕切り板との第2当接部の前記加熱部からの距離:L2とした場合に、
    L1 ≠ L2 ≠ L3
    である
    請求項1記載の燃料処理装置。
  7. 前記混合部は、前記CO除去部の側の第1隔壁と前記変成部の側の第2隔壁との間に形成され、
    前記第1,第2隔壁のうちの一方の隔壁と前記仕切り板との第1当接部の前記加熱部からの距離:L1、前記第1,第2隔壁のうちの他方の隔壁と前記仕切り板との第2当接部の前記加熱部からの距離:L2とした場合に、
    L1 ≠ L2
    である
    請求項1記載の燃料処理装置。
  8. バーナーを備えた加熱部の周りに設けられ、一酸化炭素および水を含む水素含有ガスを生成する改質部と、
    前記加熱器の周りに設けられ、前記改質部で生成された前記水素含有ガスの一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素含有ガスを生成する変成部と、
    前記加熱器の周りに設けられ、空気供給部から供給され空気と前記変成部で生成された前記水素含有ガスを混合する混合部と、
    酸素と前記混合部から運ばれるガス中の一酸化炭素とをCO除去触媒と反応させて、一酸化炭素をほとんど含まない水素含有ガスを生成するCO除去部と
    を有し、かつ前記混合部の流路を少なくとも第1,第2流路に分割する仕切り板を設け、
    前記仕切り板には、前記第1流路における混合ガスの流入位置に対して、前記第1流路から前記第2流路への混合ガスの流入口が、前記周方向の180°または略180°の位置に形成されている
    燃料処理装置。
  9. バーナーを備えた加熱部の周りに設けられ、一酸化炭素および水を含む水素含有ガスを生成する改質部と、
    前記加熱器の周りに設けられ、前記改質部で生成された前記水素含有ガスの一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素含有ガスを生成する変成部と、
    前記加熱器の周りに設けられ、空気供給部から供給され空気と前記変成部で生成された前記水素含有ガスを混合する混合部と、
    酸素と前記混合部から運ばれるガス中の一酸化炭素とをCO除去触媒と反応させて、一酸化炭素をほとんど含まない水素含有ガスを生成するCO除去部と、
    前記混合部の流路を少なくとも第1,第2流路に分割する仕切り板を有し、前記混合部は、前記変成部の側の第1隔壁と前記CO除去部の側の第2隔壁との間に形成され、
    前記仕切り板には、前記加熱器の周りの周方向に伸びる溝部が形成されており、
    前記溝部の底面が前記第1,第2隔壁の一方に当接してその一部が前記第1,第2隔壁の他方に突出して弾性変形している
    燃料処理装置。
  10. 前記仕切り板の底面が前記変成部の側の第1隔壁に当接して、前記CO除去部の側の第2隔壁の側に弾性変形して突出している
    請求項9記載の燃料処理装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7349604B2 (ja) 2021-01-07 2023-09-25 パナソニックIpマネジメント株式会社 水素生成装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002187705A (ja) * 2000-10-10 2002-07-05 Tokyo Gas Co Ltd 単管円筒式改質器
JP2003300703A (ja) * 2002-02-05 2003-10-21 Ebara Ballard Corp 燃料改質器
JP2003321206A (ja) * 2002-05-08 2003-11-11 Tokyo Gas Co Ltd 単管円筒式改質器
JP2007055892A (ja) * 2005-07-27 2007-03-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd 燃料改質装置
JP4145785B2 (ja) * 2001-06-04 2008-09-03 東京瓦斯株式会社 円筒式水蒸気改質器
JP2010157498A (ja) * 2008-12-03 2010-07-15 Tokyo Gas Co Ltd 燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器
JP2011178613A (ja) * 2010-03-02 2011-09-15 Tokyo Gas Co Ltd 多重円筒型水蒸気改質器
JP2011178620A (ja) * 2010-03-02 2011-09-15 Tokyo Gas Co Ltd 多重円筒型水蒸気改質器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7182921B2 (en) * 2001-06-04 2007-02-27 Tokyo Gas Co., Ltd. Cylindrical steam reforming unit
WO2004101125A1 (en) * 2003-05-19 2004-11-25 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Compact mixing device for homogenisation of fluid flow
EP1650159A4 (en) * 2003-06-27 2011-03-02 Ebara Corp FUEL REFORMERS
WO2005056468A1 (ja) * 2003-12-09 2005-06-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 水素生成装置
WO2009144923A1 (ja) 2008-05-30 2009-12-03 パナソニック株式会社 燃料処理装置
WO2009150792A1 (ja) 2008-06-13 2009-12-17 パナソニック株式会社 燃料処理装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002187705A (ja) * 2000-10-10 2002-07-05 Tokyo Gas Co Ltd 単管円筒式改質器
JP4145785B2 (ja) * 2001-06-04 2008-09-03 東京瓦斯株式会社 円筒式水蒸気改質器
JP2003300703A (ja) * 2002-02-05 2003-10-21 Ebara Ballard Corp 燃料改質器
JP2003321206A (ja) * 2002-05-08 2003-11-11 Tokyo Gas Co Ltd 単管円筒式改質器
JP2007055892A (ja) * 2005-07-27 2007-03-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd 燃料改質装置
JP2010157498A (ja) * 2008-12-03 2010-07-15 Tokyo Gas Co Ltd 燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器
JP2011178613A (ja) * 2010-03-02 2011-09-15 Tokyo Gas Co Ltd 多重円筒型水蒸気改質器
JP2011178620A (ja) * 2010-03-02 2011-09-15 Tokyo Gas Co Ltd 多重円筒型水蒸気改質器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7349604B2 (ja) 2021-01-07 2023-09-25 パナソニックIpマネジメント株式会社 水素生成装置

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