JP3789705B2 - 改質器、及び、固体高分子型燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、省エネルギータイプの改質器、及び、固体高分子型燃料電池発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、燃焼装置で常時加熱した状態で、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタン等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器と、上記水素によって発電する燃料電池とを備えた固体高分子型燃料電池発電システムが提案されている。
【0003】
上記燃焼装置は、バーナヘッドを囲うバーナケースを有し、このバーナケースに燃焼用空気を供給する管路を接続し、この管路を通じて供給された燃焼用空気を、上記バーナヘッドに供給して原燃料と混合させ、当該バーナヘッドに形成された炎孔で燃焼させる構成を採用している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来構成では、バーナヘッドでの熱がバーナケースに伝達され、このバーナケースの外壁が熱くなるという問題がある。
【0005】
このバーナケースの外壁が熱くなれば、その分だけ熱ロスが大きくなるので、バーナの燃料を無駄に消費するという問題がある。
【0006】
そこで、本発明の目的は、上述した従来技術が有する課題を解消し、バーナの燃料消費量を削減でき、省エネルギを達成できる改質器、及び、固体高分子型燃料電池発電システムを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、燃焼装置で常時加熱した状態で、天然ガス、都市ガス、LPG、ブタン等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器において、前記燃料ガスを改質する触媒を、前記燃焼装置により下方から加熱される燃焼筒の外周に配置し、前記燃焼装置が、外周壁に炎孔を有するとともに、その上方に位置する前記燃焼筒に連通する燃焼室を有するバーナヘッドと、このバーナヘッドを囲うバーナケースと、このバーナケースを囲う外装ケースとを有し、この外装ケースと前記バーナケース間に形成された通路を通じてバーナヘッドに燃焼用空気を供給する構成とされ、前記燃焼室に高カロリーガスを導く第1の導入管と、低カロリーガスを導く第2の導入管とを備え、これら第1及び第2の導入管の先端は、前記燃焼室内に設けられた拡散板の近傍に達すること、を特徴とするものである。
【0008】
請求項2記載の発明は、燃焼装置で常時加熱した状態で、天然ガス、都市ガス、LPG、ブタン等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器と、水素によって発電する燃料電池とを備えた、固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、前記改質器は、前記燃料ガスを改質する触媒を、前記燃焼装置により下方から加熱される燃焼筒の外周に配置して構成され、前記燃焼装置が、外周壁に炎孔を有するとともに、その上方に位置する前記燃焼筒に連通する燃焼室を有するバーナヘッドと、このバーナヘッドを囲うバーナケースと、このバーナケースを囲う外装ケースとを有し、この外装ケースと前記バーナケース間に形成された通路を通じてバーナヘッドに燃焼用空気を供給する構成とされ、前記燃焼室に高カロリーガスを導く第1の導入管と、低カロリーガスを導く第2の導入管とを備え、これら第1及び第2の導入管の先端は、前記燃焼室内に設けられた拡散板の近傍に達すること、を特徴とするものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【0015】
図1において、符号100は建家を示しており、この建家100には低圧電灯線101、電力量計102、および分電盤103を経て、商用電源が供給されている。この商用電源は、細線で示した第1のケーブル104を経て、エアコン105、テレビジョン106等に供給されている。
【0016】
一方、本実施形態では、家庭用小型電源システムを構成する固体高分子型燃料電池発電システム(ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル:PEFC装置)Sが、建家100の外に設置されている。
【0017】
この家庭用小型電源システムSは、図2に示すように、PEFC装置のほかに熱回収装置を含んでいる。この熱回収装置は、貯湯タンク112とイオン交換樹脂125とを有し、このイオン交換樹脂125には水道管を通じて市水が供給される。この市水はイオン交換樹脂125で純水にされて、後述する水タンク21(図3)に供給される。PEFC装置は、燃料供給装置(改質器、CO変成器、CO除去器)121を有している。
【0018】
この燃料供給装置121には天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタン等の燃料ガスが供給され、ここにはさらに後述する水タンク21(図3)からの水が供給されて、水素が生成される。この水素は燃料電池6に供給されて、ここで水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電が行われる。123は発電制御を司る制御装置である。
【0019】
この電力はDC/DCコンバータ124を経て、180Vにまで昇圧され、系統連系インバータ111に送られ、ここから、図1に太線で示した第2のケーブル107を通じて、パソコン108、照明109、冷蔵庫110等に供給されている。この燃料電池発電システムSは、系統連系インバータ111を介して商用電源に接続されている。
【0020】
この小型電源システムSでは、発電の過程で熱が発生するので、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を、図2に示すように、貯湯槽112に蓄える。この温水は、図1に示すように、風呂113、キッチン114等に供給される。この貯湯槽112は、建家100の外に設置される。
【0021】
つぎに、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池発電システム(家庭用小型電源システム)Sについて、図3を参照して説明する。
【0022】
この家庭用小型電源システムSでは、天然ガス、都市ガス等の燃料ガス1が脱硫器2に供給され、ここで燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器2を経た燃料ガスは、昇圧ポンプ10で昇圧されて改質器3に供給される。この改質器3では、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器3を経たガスは、CO変成器4に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。
【0023】
このCO変成器4を経たガスは、CO除去器5に供給され、ここではCO変成器4を経たガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。
【0024】
このCO除去器5を経た、当該一酸化炭素が除去された後の水素が、固体高分子型の燃料電池6に供給される。この燃料電池6は、燃料極(アノード)6aと空気極(カソード)6bと冷却部6cとを備え、上記水素は、アノード6aに供給される。この水素と、ファン11を経て、カソード6bに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。
【0025】
上記改質器3は、バーナ12を有し、ここにはパイプ13を介して原燃料が供給され、ファン14を介して空気が供給され、パイプ15を介して、アノード6aを経た未反応水素が供給される。
【0026】
システム起動時には、バーナ12に、パイプ13を介して原燃料が供給されると共に、ファン14を介して空気が供給され、起動後、システムが安定した場合には、原燃料の供給が断たれて、バーナ12に、パイプ15を介して、アノード6aを経た未反応水素が供給される。
【0027】
上記した改質器3、CO変成器4、CO除去器5、燃料電池6では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器3における化学反応は吸熱反応であるので、バーナ12によって常時加熱しながら化学反応を行う。
【0028】
また、CO変成器4、CO除去器5で行われる化学反応は発熱反応であるので、例えばCO除去器5では、システム起動時のみバーナ(図示せず)を燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でCO除去器5の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【0029】
燃料電池6では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。
【0030】
上記した改質器3とCO変成器4間、CO変成器4とCO除去器5間、CO除去器5と燃料電池6間および燃料電池6の排気系26には、それぞれ熱交換器18,19,20,27が接続されている。
【0031】
そして、各熱交換器18,19,20には水タンク21の水が、ポンプ23,24,25を介して循環し、これらの水で、改質器3、CO変成器4、CO除去器5を経たガスがそれぞれ冷却される。熱交換器27には上記貯湯タンク112(図2)の水が、ポンプ28を介して循環する。
【0032】
燃料電池6の冷却部6cには、ポンプ48を介して、水タンク21の水が循環し、この水で、燃料電池6が冷却される。
【0033】
上記改質器3の排気系31には、熱交換器17が接続され、水タンク21の水が、ポンプ22を介して供給されると、この熱交換器17で水蒸気化し、この水蒸気が、原燃料と混合して改質器3に供給される。
【0034】
上記の排気系31には、熱交換器17の他に、さらに別の熱交換器32が接続され、この熱交換器32には、上記貯湯タンク112の水が、ポンプ33を介して循環し、廃熱回収が行われる。
【0035】
本システムでは、プロセスガス(PG)バーナ34を備える。
【0036】
本システムの起動時には、改質器3、CO変成器4、CO除去器5を経た改質ガスが安定していないので、それが安定するまでは、このガスを燃料電池6に供給することができない。そこで、各反応器が安定するまでは、不安定な状態にあるガスを、このPGバーナ34に導いて燃焼させる。そして、各反応器が安定した後、燃料電池6に導入して発電を行う。燃料電池6での発電に使用できなかった未反応ガスは、当初PGバーナ34に導いて燃焼し、本システムの系が安定した後、改質器3のバーナ12に導入して燃焼させる。
【0037】
PGバーナ34の制御系を説明すると、本システムの起動後、各反応器が温度的に安定するまでは、開閉弁91が閉じられて、改質ガスは管路35および開閉弁36を通じてPGバーナ34に供給される。各反応器が温度的に安定した場合、今度は、燃料電池6の温度が安定するまで、開閉弁91が開かれ、開閉弁92が閉じられて、改質ガスが管路38および開閉弁39を通じてPGバーナ34に供給され、そこで燃焼される。燃料電池6の温度が安定し、連続して発電が行われる場合、開閉弁91,92が開かれ、開閉弁36,39が閉じられて、燃料電池6を経た未反応ガスは管路15を経てバーナ12に供給される。
【0038】
PGバーナ34の排気系45には、熱交換器46が接続され、この熱交換器46には、ポンプ47を介して、貯湯タンク112の水が循環する。
【0039】
水タンク21と貯湯タンク112間には、熱交換器41が接続され、この熱交換器41には、ポンプ42を介して水タンク21の水が循環し、ポンプ43を介して貯湯タンク112の水が循環する。
【0040】
この熱交換器41での熱交換によって、貯湯タンク112の水の温度が上昇し、水タンク21の水の温度が低下する。
【0041】
以上の構成では、家庭用小型電源システムSが、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギの有効活用が図られる。
【0042】
従って、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【0043】
図4は、改質器3の構造を示す。
【0044】
この改質器3は、下部に、断熱材300を介してバーナ12を備えている。このバーナ12は、図5に示すように、バーナヘッド301と、このバーナヘッド301の外周部を覆い、その下部に燃焼用空気吸込室302Aを形成したバーナケース302とを有している。
【0045】
また、バーナケース302の外周部を囲うように外装ケース333が設けられ、この外装ケース333とバーナケース302との間には、その下端が、バーナケース302に形成された孔302Bを通じて、燃焼用空気吸込室302Aに連通する燃焼用空気の通路335が形成されている。外装ケース333の上部には燃焼用空気を供給する管路336が接続され、この管路336を通じて供給された空気が、燃焼用空気の通路335および空気吸込室302Aを通じてバーナヘッド301に供給される。
【0046】
この実施形態では、円筒状のバーナヘッド301が円筒状のバーナケース302内に同心状に組み込まれ、バーナケース302とバーナヘッド301との間には、環状の冷却空気用通路320が形成されている。
【0047】
このバーナヘッド301の外周壁301Aには、複数の円形の炎孔321が形成され、この外周壁301Aの内側には火炎を形成する燃焼室323が形成されている。322は拡散板である。バーナヘッド301の底板301Bには、二重管構造の燃料供給パイプ324が接続され、この二重管構造の燃料供給パイプ324の内管324Aには、パイプ15(図3)を介して、アノード6aを経た未反応水素(低カロリーガス)が供給され、その外管324Bには、パイプ13(図3)を介して原燃料(高カロリーガス)が供給される。管路336には、ファン14(図3)を介して空気が供給される。
【0048】
これによると、円筒状のバーナヘッド301が、その周囲に冷却空気用通路320を備え、この冷却空気用通路320に臨むバーナヘッド301の外周壁301Aには、複数の炎孔321が形成されているので、各炎孔321を通じて十分な量の一次空気が供給される。
【0049】
従って、このバーナヘッド301では、燃料供給パイプ324の内管324Aを通じて導入される、アノード6aを経た未反応水素(低カロリーガス)であっても、或いはその外管324Bを通じて導入される、原燃料(高カロリーガス)であっても、これらカロリーの異なるガスを共通の炎孔321を用いて選択的又はプレミックスさせて燃焼可能である。
【0050】
この構成では、▲1▼低カロリーガスおよび/または高カロリーガスを燃焼させる場合、いずれもバーナヘッド301内に火炎が形成され、このバーナヘッド301の外側には、冷却空気用通路320が形成されているので、上記燃焼によって、バーナケース302の外壁が熱くなることがない。
【0051】
▲2▼高カロリーガスを燃焼させる炎孔と、低カロリーガスを燃焼させる炎孔とが共通であるので、従来のように、二種類の炎孔を形成する必要がない。
【0052】
▲3▼高カロリーガスを燃焼させる予混合室が不要になるので、予混合室に向かう逆火の発生を防止できる、等の効果を奏する。
【0053】
本実施形態では、外装ケース333とバーナケース302間に形成された燃焼用空気通路335を通じて、燃焼用空気がバーナヘッド301に供給されるので、この空気流によって、バーナケース302の熱が遮断され、熱がそこに留まり、この熱が外装ケース333に伝達されることがない。
【0054】
従って、放熱による熱ロスが抑制されるので、バーナ12の燃料を無駄に消費することがなく、省エネルギ化が図られる。
【0055】
このバーナ12の燃焼ガスは、断熱材300(図4)を貫通する燃焼筒303を通じて改質器本体304の内部に導入される。
【0056】
この改質器3は、上述した燃焼筒303と、改質器本体304内部でこの燃焼筒303の外周部に形成され、燃焼筒303の先端303A側で当該燃焼筒303に連通する燃焼ガスの第一通路305と、この第一通路305の外周部に形成され、供給される原燃料を改質する触媒層306を保有した原燃料通路307と、この原燃料通路307の外周部に形成された燃焼ガスの第二通路308と、この第二通路308および第一通路305を、燃焼筒303の後端303B側で連通する第三通路309とを有している。
【0057】
そして、この実施形態では、燃焼筒303の内壁の一部に、断熱部材310が設けられている。この断熱部材310は第三通路309を覆って延び、触媒層306の後端側306B近傍に達する。
【0058】
この断熱部材310は、図6に示すように、燃焼ガスとの接触面側にセラミック系の耐熱タイル311を備えている。この耐熱タイル311の下縁311Aと燃焼筒303の下縁303A間にはセラミックファイバ等のパッキン312が介装され、燃焼筒303の下縁303Aにバーケース302の上縁302Aを宛い、これらをねじ313で連結している。
【0059】
改質器本体304の上部には、熱交換器315が配置されている。この熱交換器315は、原燃料を触媒層306に導く管路316と、触媒層306で改質された改質ガスを導出する管路317とで構成される。この熱交換器315が配置された空間315Aを、上記第二通路308を経た燃焼排ガスが上昇し、この排ガスの熱が、管路316を通る供給原燃料に回収され、熱回収された後の排ガスが排気口318を経て排気される。
【0060】
つぎに、改質器の動作を説明する。
【0061】
この改質器3の触媒層306を通じた化学反応は吸熱反応である。従って、バーナ12の燃焼ガスは、常時供給される。
【0062】
この加熱下において、管路316を通る原燃料が、触媒層306を保有した原燃料通路307に入る。この原燃料通路307は、触媒層306を保有した内側通路307Aと、その外側に位置する触媒層306を保有しない外側通路307Bとに区分して構成されている。この触媒層306は、常時700〜800℃に加熱された状態にあり、この触媒層306に、上述したように、水蒸気と原燃料とからなる混合気が供給されると、この混合気が水蒸気改質反応し、水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素を含む改質ガスに変成する。
【0063】
この改質ガスは、触媒層306の後端側306B近傍の位置で、内側通路307Bから触媒層306を保有しない外側通路307Aに入る。そして、この外側通路307A内を上昇して、熱交換器315を構成する管路317を経て、次工程(CO変成器4)に導かれる。
【0064】
バーナ12の燃焼ガスは、燃焼筒303を通じて導入され、燃焼筒303の先端303A側で第一通路305に入り、そこを下降して第一通路305の下端で、第三通路309を介して第二通路308に入り、第二通路308内を上昇し、熱交換器315が配置された空間315Aに入り、ここで管路316を通る原燃料に熱を与え、その後、排気口318を経て排気される。
【0065】
この触媒層306の反応は吸熱反応であるため、触媒層306の先端側306Aに熱を効率よく伝達することが望ましい。
【0066】
この構成では、燃焼筒303の内壁に、第三通路309を覆って延び、触媒層306の後端側306B近傍に達する断熱部材310を設けたので、後端側306Bの近傍で熱が奪われず、その熱が触媒層306の先端側306Aに効率よく伝達されるので、熱ロスが少なく、当該先端側306Aの反応が促進され、バーナ12の燃料を低く抑え、改質効率を向上させることができる。
【0067】
また、断熱部材310の燃焼ガスとの接触面に、耐熱タイル311を備えているので、耐熱性に優れ、断熱部材310の寿命が延びる。
【0068】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明らかである。例えば、複数の炎孔321は、円形のものに限定されず、縦長のスリットであってもよい。
【0069】
【発明の効果】
本発明によれば、外装ケースとバーナケース間に形成された燃焼用空気通路を通じて、燃焼用空気がバーナヘッドに供給されるので、この空気流によって、バーナケースの熱が遮断され、熱がそこに留まり。この熱が外装ケースに伝達されることがない。従って、放熱による熱ロスが抑制されるので、バーナの燃料を無駄に消費することがなく、省エネルギ化が図られる。さらに、暖められた燃焼空気がバーナヘッドに導入されるので、燃焼効率が上昇する。また、高カロリーガスを燃焼させる炎孔と、低カロリーガスを燃焼させる炎孔とが共通であるので、従来のように、二種類の炎孔を形成する必要がなく、さらに、高カロリーガスを燃焼させる予混合室が不要になるので、予混合室に向かう逆火の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体高分子型燃料電池発電システムを家庭に設置した場合の系統図である。
【図2】図1の屋外部分を示す図である。
【図3】固体高分子型燃料電池発電システムの一実施形態を示す回路図である。
【図4】改質器の構造を示す断面図である。
【図5】バーナの構造を示す断面図である。
【図6】断熱部材の取付構造を示す断面図である。
【符号の説明】
3 改質器
4 CO変成器
5 CO除去器
6 燃料電池
12 バーナ
301 バーナヘッド
302 バーケース
302A 燃焼用空気吸込室
333 外装ケース
335 燃焼用空気通路
336 管路
Claims (2)
- 燃焼装置で常時加熱した状態で、天然ガス、都市ガス、LPG、ブタン等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器において、
前記燃料ガスを改質する触媒を、前記燃焼装置により下方から加熱される燃焼筒の外周に配置し、
前記燃焼装置が、
外周壁に炎孔を有するとともに、その上方に位置する前記燃焼筒に連通する燃焼室を有するバーナヘッドと、このバーナヘッドを囲うバーナケースと、このバーナケースを囲う外装ケースとを有し、この外装ケースと前記バーナケース間に形成された通路を通じてバーナヘッドに燃焼用空気を供給する構成とされ、
前記燃焼室に高カロリーガスを導く第1の導入管と、低カロリーガスを導く第2の導入管とを備え、
これら第1及び第2の導入管の先端は、前記燃焼室内に設けられた拡散板の近傍に達すること、
を特徴とする改質器。 - 燃焼装置で常時加熱した状態で、天然ガス、都市ガス、LPG、ブタン等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器と、水素によって発電する燃料電池とを備えた、固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記改質器は、前記燃料ガスを改質する触媒を、前記燃焼装置により下方から加熱される燃焼筒の外周に配置して構成され、
前記燃焼装置が、
外周壁に炎孔を有するとともに、その上方に位置する前記燃焼筒に連通する燃焼室を有するバーナヘッドと、このバーナヘッドを囲うバーナケースと、このバーナケースを囲う外装ケースとを有し、この外装ケースと前記バーナケース間に形成された通路を通じてバーナヘッドに燃焼用空気を供給する構成とされ、
前記燃焼室に高カロリーガスを導く第1の導入管と、低カロリーガスを導く第2の導入管とを備え、
これら第1及び第2の導入管の先端は、前記燃焼室内に設けられた拡散板の近傍に達すること、
を特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
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JP37271199A JP3789705B2 (ja) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | 改質器、及び、固体高分子型燃料電池発電システム |
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