JP2015508381A - 熱交換型予備改質器 - Google Patents

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Abstract

本発明は、空気極の排出ガスが予備改質のために供給される混合ガスと熱交換するように前記排出ガスが供給されて流れるチャンネルを備えるシェルサイドと、前記シェルサイドのある領域と重なり合うように配置され、前記混合ガスが予備改質反応を引き起こすように構成される触媒層と、前記触媒層と接続され、前記シェルサイドの他の領域と重なり合うように配置され、予備改質された前記混合ガスが前記排出ガスと熱交換するように形成されるチューブサイドと、を備えることを特徴とする熱交換型予備改質器を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の燃料極に供給されるガスを前処理する予備改質器に関する。
燃料電池（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は、燃料の酸化により生じる化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに切り換える電池である。
ほとんどの燃料電池は、水素を燃料として用いる。しかしながら、現在のように水素燃料に対する補給体系が構築されていない状態では、水素を用いた燃料電池の使用には限界がある。
したがって、炭化水素系の燃料を予備改質（ｐｒｅｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）して水素を発生させ、前記水素を燃料として用いる過渡期的なシステムが必要である。この理由から、現在開発されている燃料電池システムは、予備改質器（ｐｒｅｒｅｆｏｒｍｅｒ）を備えている。
予備改質器を介して炭化水素系のうちＣＨ４を除く炭素数２（Ｃ２）以上の炭化水素系のＣＨ４化、水素転換などが行われる。このため、Ｃ２以上が燃料電池スタック（ｓｔａｃｋ）に流入して発生するコーキング（ｃｏｋｉｎｇ）による燃料電池スタックの性能の低下が防がれる。また、生産された水素ガスは燃料電池スタック内部の還元雰囲気を維持し、熱管理に際して調節子の役割を果たす。加えて、一部のオキシダント（ｏｘｉｄａｎｔ）が流入する場合に酸化剤（ｏｘｉｄｉｚｅｒ）の役割を果たし、附臭剤（硫黄）の流入時に捕集して燃料電池スタックを反故するバッファ（Ｂｕｆｆｅｒ）の役割を果たす。
予備改質器の主反応である水蒸気改質反応（ｓｔｅａｍ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｒｅａｃｔｉｏｎ）は吸熱反応であり、燃料極に供給されるガスの温度条件を満たさない場合が発生する。このために、前記温度条件を満たすための構造が必要である。
本発明は、燃料極に供給されるガスを予備改質するだけではなく、温度条件をも満たすことのできる新規な構造の予備改質器を提案するためのものである。
このような本発明の解決課題を達成するために、本発明の一実施形態による熱交換型予備改質器は、空気極の排出ガスが予備改質のために供給される混合ガスと熱交換するように前記排出ガスが供給されて流れるチャンネルを備えるシェルサイドと、前記シェルサイドのある領域と重なり合うように配置され、前記混合ガスが予備改質反応を引き起こすように構成される触媒層と、前記触媒層と接続され、前記シェルサイドの他の領域と重なり合うように配置され、予備改質された前記混合ガスが前記排出ガスと熱交換するように形成されるチューブサイドと、を備える。前記混合ガスは、燃料ガスとスチームを含んでいてもよい。
本発明に係る一例によれば、前記シェルサイドには、内部空間を仕切って前記チャンネルを形成し、前記排出ガスの流れを制御するように構成されるバッフルが設けられる。前記触媒層と前記チューブサイドは一方向に沿って延設されてもよく、前記バッフルは前記一方向に対して垂直に配置されてもよい。
本発明に係る他の例によれば、前記チューブサイドは、前記排出ガスが流入する前記シェルサイドの一方の端に隣り合うように配置され、前記触媒層は、前記排出ガスが流出される前記シェルサイドの他方の端に隣り合うように配置される。
本発明に係るさらに他の例によれば、前記チューブサイドには触媒が充填されない。
本発明に係るさらに他の例によれば、前記触媒層及び前記チューブサイドは組をなし、前記組は複数形成されて互いに離れるように配置され、一方の端は燃料ガスが流入する燃料ガス流入口とそれぞれ接続され、他方の端は燃料ガスが流出される燃料ガス流出口とそれぞれ接続される。
前記構造において、前記触媒層は、前記混合ガスが分散されて流入可能なように、前記燃料ガス流入口とそれぞれ接続される複数のパイプを備えていてもよい。
また、前記チューブサイドは、前記複数のパイプにそれぞれ束状に接続されて、熱交換面積を増大させるように構成されるチューブバンドルを備えていてもよい。
本発明に係るさらに他の例によれば、前記チューブサイドから流出される前記混合ガスは、燃料極に供給される。
本発明に係るさらに他の例によれば、前記触媒層は、ＣＲＧＦ、ＣＲＧＬＨ、Ｃ１１ＰＲ、ＡＲ−３０１、ＲＫＮＧＲ、酸化触媒、プロパン改質触媒及び多重燃料処理触媒のうちの少なくとも一種を備える。
上記の構成を有する本発明によれば、混合ガスは触媒層では予備改質反応を引き起こし、チューブサイドでは空気極から放出される排出ガスとの熱交換により燃料極に供給されるガスの温度条件を満たすように構成される。これは、別途の装置を用いて前記温度条件を満たす場合に比べて占有空間が最小化され、空気極から放出される排出ガスを用いるので効率が向上する。
前記構造は熱交換方式であるため触媒層の冷点（ｃｏｌｄ ｓｐｏｔ）が減って反応性が向上し、既存の触媒よりも少量で同じ性能の条件を満たすことができる。なお、触媒層に反応器ベッセル（ｖｅｓｓｅｌ）の代わりに商用パイプを用いることができるので、コスト節減の側面からもメリットを有する。
触媒層にはチューブバンドルが接続されて混合ガスの流量を制御するように構成されるので、予備改質器の熱が制御され、触媒層の寿命が延びる他、燃料電池スタックに所定の濃度のガスを供給することにより電力が安定的に生産される。
本発明の一実施形態による予備改質器を示す概念図である。
以下、本発明に係る熱交換型予備改質器について図面を参照してより詳細に説明する。本明細書において用いられる単数の表現は、文脈からみて明らかに別の意味を有さない限り、複数の表現を含む。
本発明の熱交換型予備改質器は、燃料電池に供給される水素燃料を発生するように構成される。燃料電池は、例えば、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ：Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であってもよい。
図１は、本発明の一実施形態による予備改質器１００を示す概念図である。
図１を参照すると、予備改質器１００は、燃料極（ａｎｏｄｅ）に供給されるガスを予備改質し、燃料極に供給されるためのガスの温度条件をも満たすように構成される。
具体的に、空気極（ｃａｔｈｏｄ）から排出される高温の排出ガスは排出ガス流入口１１０を介してシェルサイド（ｓｈｅｌｌ ｓｉｄｅ）１５０に流入する。シェルサイド１５０はチャンネルを備え、排出ガスは前記チャンネルに沿って流れながら予備改質のために供給される混合ガスと熱交換するように構成される。排出ガスは熱交換後に排出ガス流出口１２０を介して外部に放出される。
混合ガスは混合ガス流入口１３０を介して触媒層１７０に流入する。混合ガスは、炭化水素系の燃料ガス（例えば、ＮＧ、ＮＰＧ、バイオガスなど）とスチームが所定の割合にて混合されたガスであってもよい。
触媒層１７０はシェルサイド１５０のある領域と重なり合うように配置されて排出ガスと熱交換するように形成される。触媒層１７０に注入された混合ガスは、水性ガス転換反応（ｗａｔｅｒ ｇａｓ ｓｈｉｆｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ）、水蒸気改質反応（ｓｔｅａｍ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｒｅａｃｔｉｏｎ）、メタン化反応（ｍｅｔｈａｎａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）の主反応に加えて副反応をはじめとする反応を発生して燃料極に供給されるためのガスの成分条件を満たすように構成される。
触媒層１７０は、ＣＲＧＦ、ＣＲＧＬＨ、Ｃ１１ＰＲ、ＡＲ−３０１、ＲＫＮＧＲまたは必要に応じて酸化触媒、プロパン改質触媒、多重燃料処理触媒のうちの少なくとも一種を備える。触媒層１７０には商用パイプが用いられてもよい。
触媒層１７０にはチューブサイド（ｔｕｂｅ ｓｉｄｅ）１８０が接続され、シェルサイド１５０の他の領域と重なり合うように配置される。チューブサイド１８０は触媒が充填されていない管状を呈する。触媒層１７０を通過してチューブサイド１８０に流入する予備改質された混合ガスは、シェルサイド１５０のチャンネルを流れる排出ガスと熱交換して燃料極に供給されるためのガスの温度条件を満たすように形成される。
チューブサイド１８０から流出される成分条件及び温度条件を満たす混合ガスは、混合ガス流出口１４０を介して放出されて燃料極に供給される。
排出ガスの流れを中心に説明すれば、空気極から排出される高温の排出ガスは排出ガス流入口１１０に供給され、触媒のないチューブサイド１８０を流れる予備改質された混合ガスと１次熱交換して前記混合ガスが燃料極に供給されるための温度条件を満たす。次いで、触媒層１７０を通過しながら２次熱交換により反応を引き起こした後に排出ガス流出口１２０を介して予備改質器１００から放出される。
シェルサイド１５０には、内部空間を仕切って排出ガスが流れるチャンネルを形成するバッフル（ｂａｆｆｌｅ）１６０が設けられる。バッフル１６０は、前記排出ガスの流れをガイドするように構成される。例えば、バッフル１６０はシェルサイドの内部の両側面に互い違いに配置されて前記排出ガスがくねくね流れるようにその流れをガイドする。
触媒層１７０のパイプとチューブサイド１８０は一方向に沿って延設され、バッフル１６０は前記一方向に対して垂直に配置されてもよい。また、チューブサイド１８０は排出ガスが流入するシェルサイド１５０の一方の端［排出ガス流入口（１１０）側］に隣り合うように配置され、触媒層１７０は排出ガスが流出されるシェルサイド１５０の他方の端［排出ガス流出口（１２０）側］に隣り合うように配置されてもよい。
前記構造によれば、排出ガス流入口１１０を介して流入する高温の排出ガスはチャンネルの流れに沿ってチューブサイド１８０、触媒層１７０と次第に熱交換をするように形成され、前記熱交換が一箇所に偏ることなく全体的に行われるので安定した動作が可能になる。
触媒層１７０及びチューブサイド１８０は一つの組をなす。前記組は複数形成されて互いに離れるように配置され、一方の端は燃料ガスが流入する燃料ガス流入口とそれぞれ接続され、他方の端は燃料ガスが流出される燃料ガス流出口とそれぞれ接続される。
このとき、混合ガスの分配に際して、吸熱による温度降下により差圧が減って流動偏中現象、すなわち、チャンネリング（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）が起こる恐れがある。前記チャンネリングが起こる部分には触媒の低下（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）が発生して触媒の寿命を短縮させ、これは、メンテナンスコストの増加につながる。
前記チャンネリングを構造的に防ぐために、触媒層１７０は複数のパイプから構成されて混合ガスの流量を制御するように構成されてもよい。前記構造によれば、混合ガスが各パイプに適切に分散されるように構成されるので、流量が片側に集中される現象が防がれる。その結果、触媒層１７０の寿命が延び、燃料電池スタック（ｓｔａｃｋ）に所定の濃度のガスを供給することにより電力が安定して生産される。
また、チューブサイド１８０はチューブバンドル（ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ）から構成されて熱交換面積の増大により熱交換効率を向上させるように構成されてもよい。すなわち、流動偏中現象を防ぐように複数のパイプから構成された触媒層１７０と熱交換効率の向上のためのチューブバンドルが接続された構造により、予備改質器１００がよりコンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）に構成され、その結果、その効率が向上する。この図面には、触媒層１７０を構成する各パイプに熱交換のためのチューブバンドルが接続されたことが示されている。
上記の構成を有する本発明によれば、混合ガスは、触媒層１７０では予備改質反応を引き起こし、チューブサイド１８０では空気極から放出される排出ガスとの熱交換により燃料極に供給されるガスの温度条件を満たすように構成される。これは、別途の装置を用いて前記温度条件を満たす場合に比べて占有空間が最小化され、空気極から放出される排出ガスを用いるので効率が向上する。
前記構造は熱交換方式であるため触媒層１７０の冷点が減って反応性が向上し、既存の触媒よりも少量で同じ性能の条件を満たすことができる。なお、触媒層１７０に反応器ベッセルの代わりに商用パイプを用いることができるので、コスト節減の側面からもメリットを有する。
上述した熱交換型予備改質器は、上述した実施形態の構成と方法に限定されるものではなく、前記実施形態は種々の変形により実現可能なように各実施形態の全部または一部が選択的に組み合わせられて構成されてもよい。
本発明の実施形態は、燃料極に供給されるガスを予備改質するだけではなく、温度条件をも満たすことのできる新規な構造の予備改質器を提案することにより、これと関連する種々の産業分野に適用可能である。

Claims (10)

  1. 空気極の排出ガスが予備改質のために供給される混合ガスと熱交換するように前記排出ガスが供給されて流れるチャンネルを備えるシェルサイドと、
    前記シェルサイドのある領域と重なり合うように配置され、前記混合ガスが予備改質反応を引き起こすように構成される触媒層と、
    前記触媒層と接続され、前記シェルサイドの他の領域と重なり合うように配置され、予備改質された前記混合ガスが前記排出ガスと熱交換するように形成されるチューブサイドと、
    を備えることを特徴とする熱交換型予備改質器。
  2. 前記シェルサイドには、内部空間を仕切って前記チャンネルを形成し、前記排出ガスの流れを制御するように構成されるバッフルが設けられることを特徴とする請求項１に記載の熱交換型予備改質器。
  3. 前記触媒層と前記チューブサイドは一方向に沿って延設され、前記バッフルは前記一方向に対して垂直に配置されることを特徴とする請求項２に記載の熱交換型予備改質器。
  4. 前記チューブサイドは、前記排出ガスが流入する前記シェルサイドの一方の端に隣り合うように配置され、
    前記触媒層は、前記排出ガスが流出される前記シェルサイドの他方の端に隣り合うように配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換型予備改質器。
  5. 前記チューブサイドには触媒が充填されないことを特徴とする請求項１に記載の熱交換型予備改質器。
  6. 前記触媒層及び前記チューブサイドは組をなし、
    前記組は複数形成されて互いに離れるように配置され、一方の端は燃料ガスが流入する燃料ガス流入口とそれぞれ接続され、他方の端は燃料ガスが流出される燃料ガス流出口とそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換型予備改質器。
  7. 前記触媒層は、前記混合ガスが分散されて流入可能なように、前記燃料ガス流入口とそれぞれ接続される複数のパイプを備えることを特徴とする請求項６に記載の熱交換型予備改質器。
  8. 前記チューブサイドは、前記複数のパイプにそれぞれ束状に接続されて、熱交換面積を増大させるように構成されるチューブバンドルを備えることを特徴とする請求項７に記載の熱交換型予備改質器。
  9. 前記チューブサイドから流出される前記混合ガスは、燃料極に供給されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換型予備改質器。
  10. 前記触媒層は、ＣＲＧＦ、ＣＲＧＬＨ、Ｃ１１ＰＲ、ＡＲ−３０１、ＲＫＮＧＲ、酸化触媒、プロパン改質触媒及び多重燃料処理触媒のうちの少なくとも一種を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換型予備改質器。
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