JP4569059B2

JP4569059B2 - Rotary heat storage type heat exchanger and reformer using the rotary heat storage type heat exchanger

Info

Publication number: JP4569059B2
Application number: JP2001254496A
Authority: JP
Inventors: 靖男近藤; 昌徳上原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: JP2003065690A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転により高温流体と低温流体との間で熱交換を行う回転蓄熱体を備える回転蓄熱式熱交換器および改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、回転蓄熱体を用いた熱交換器が知られている。回転蓄熱体は、高温流体通路と低温流体通路を行き来し、高温流体の熱を低温流体に移送する。このような回転蓄熱式熱交換器では、圧力差のある流体通路間での流体漏れを防ぐために、シール部材が設けられている。
【０００３】
このようなシール部材を備える回転蓄熱式熱交換器として、特開昭５２−１３００４６号公報に記載されたものがある。この熱交換器のシール部材は、円形のリング部とその中心を径方向に通るクロスアーム部からなるΘ型ソリッド構造に構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなリング部、クロスアーム部といった枠状部材のみからなるシール部材では、構造上、熱応力や高温流体・低温流体の圧力差に対して強度を確保しにくいという問題がある。また、これらの枠状部材は、ソリッド構造なので重くなるという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、回転蓄熱体を有する回転蓄熱式熱交換器において、通路間の流体漏れをシールするシール部材の形状寸法の安定性と強度を向上させ、シール性能の向上を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、軸方向に多数の貫流孔（２１ａ）が形成され、回転することにより低温流体が通過する低温流体通路（Ａ）と高温流体が通過する高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動して、高温流体の熱を低温流体に移送する回転蓄熱体（２１）と、回転蓄熱体（２１）における貫流孔（２１ａ）が開口する両端面をそれぞれ覆うように配置され、多数の貫流孔（２２ａ、２３ａ）が形成された一対のシール部材（２２、２３）と、回転蓄熱体（２１）を通過する低温流体の流路および高温流体の流路を区画する流路区画部（２１ｂ、２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃ、２４、２５）とを備えることを特徴としている。
【０００７】
このように、回転蓄熱体（２１）の端面全体を覆う面積を有するとともに、多数の貫流孔（２２ａ、２３ａ）が形成されたシール部材（２２、２３）を用いることで、例えばΘ型ソリッド構造に比較して、熱変形強度を向上させることができ、軽量化を図ることができる。なお、シール部材（２２、２３）の貫流孔（２２ａ、２３ａ）には、流体が貫流する。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、シール部材（２２、２３）に形成された貫流孔（２２ａ、２３ａ）は、回転蓄熱体（２１）の軸方向に対して平行に整列して形成されていることを特徴としている。
【０００９】
このような構成のシール部材（２２、２３）であれば、ハニカム構造の回転蓄熱体（２１）と同様の構成であり、この回転蓄熱体（２１）と同様の製法で作ることができるので、製造コストを低減することができる。
【００１０】
また、流路区画部は、請求項３に記載の発明のように、回転蓄熱体（２１）の両端面の外周部に対応するリング部（２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ａ、２５ａ）と、リング部の中心を通るクロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ、２４ｂ、２５ｂ）とから構成できる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明のように、流路区画部（２４、２５）を、一対のシール部材（２２、２３）の両外側に配置することができる。この場合には、流路区画部は、例えばパッキンのような独立した部材として構成される。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明のように、リング部（２２ｂ、２３ｂ）およびクロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ）は、シール部材（２２、２３）の貫流孔（２２ａ、２３ａ）に充填材を充填して形成することができる。このような構成によれば、シール部材（２２、２３）の構造的な強度をより向上させることができる。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明のように、リング部（２１ｂ）は、回転蓄熱体（２１）の貫流孔（２１ａ）に充填材を充填して形成し、クロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ）は、シール部材（２２、２３）の貫流孔（２２ａ、２３ａ）に充填材を充填して形成することができる。このような構成によれば、回転蓄熱体（２１）の構造的な強度を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明では、高温流体通路（Ｂ）における上流側に位置するシール部材（２３）において、高温流体通路（Ｂ）に位置する部位に酸化触媒を担持することを特徴としている。
【００１５】
これにより、高温流体通路（Ｂ）に例えば水素を含む混合気が流れる場合には、混合気を触媒燃焼させることができる。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明では、高温流体通路（Ｂ）における下流側に位置するシール部材（２２）において、高温流体通路（Ｂ）に位置する部位に酸化触媒を担持することを特徴としている。
【００１７】
これにより、低温流体通路（Ａ）より熱交換部（２０）に導入され、移送漏れにより高温流体通路（Ｂ）に移送される未反応燃料ガスを、外部に排出される前に浄化することができる。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明では、低温流体通路（Ａ）における下流側に位置するシール部材（２３）において、低温流体通路（Ａ）に位置する部位に改質触媒を担持することを特徴としている。
【００１９】
これにより、熱交換器を改質装置に用いる場合には、低温流体通路（Ａ）を流れる改質原料を、Ｈ₂およびＣＯを含む改質ガスに改質することができる。
【００２０】
また、請求項１０に記載の発明では、一対のシール部材（２２、２３）の間には、回転蓄熱体（２１）の軸方向長さより長い隙間保持部材（２６）が配置されていることを特徴としている。
【００２１】
これにより、シール部材（２２、２３）と回転蓄熱体（２１）は完全に密着せず、微少隙間が確保される。このため、回転蓄熱体（２１）が回転する際の摺動による摩耗は極めて少ない。このため、シール効果を発揮させて流体漏れを所定漏れ量に抑制しつつ、回転蓄熱体（２１）やシール部材（２２、２３）の摩耗を防止ないし極力少なくして装置の長寿命化を図ることができる。
【００２２】
また、回転蓄熱体（２１）は、請求項１１に記載の発明のように、外周部に駆動手段（２７）からの駆動力が伝達されるように構成でき、請求項１２に記載の発明のように、回転軸（３０）に駆動手段（２７）からの駆動力が伝達されるように構成することができる。
【００２３】
また、請求項１３に記載の発明では、請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器を用い、改質反応により改質原料から水素を生成する改質装置であって、低温流体は改質原料であり、高温流体は燃焼ガスであることを特徴としている。
【００２４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本第１実施形態では、回転蓄熱式熱交換器を燃料電池システムの燃料改質装置（水素供給装置）に用いている。図１は改質装置の概略構成を示すブロック図であり、図２は改質装置の各構成要素の配置関係を示す概念図である。本第１実施形態の改質装置は、水素消費装置としての燃料電池５０に水素を供給するように構成されている。
【００２６】
図１、図２に示すように、本第１実施形態の改質装置は、改質原料供給部１０、熱交換部（蒸発部）２０、改質部４０、ＣＯ除去部４３、燃焼ガス供給部（オフガス供給部）６０等を備えている。また、改質装置には、ハウジング１によって、改質原料が通過する低温流体通路（改質原料通路）Ａと、燃焼ガスが通過する高温流体通路（燃焼ガス通路）Ｂとが並行して形成されている。低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂはそれぞれ独立しており、熱交換部２０を介して熱の授受が行われる
低温流体通路Ａでは、改質原料供給部１０で供給された改質原料（水と空気と改質燃料の混合気）が熱交換部２０で加熱・気化（蒸発）される。気化された改質原料は、改質部４０にてＨ₂およびＣＯを含む改質ガスに改質され、ＣＯ除去部４３にてＣＯが除去された後、燃料電池５０に供給される。
【００２７】
燃料電池５０には、水素とともに空気（酸素）が図示しない空気供給用ポンプにより供給されるように構成されており、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池５０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００２８】
高温流体通路Ｂでは、オフガスがオフガス供給路５１を介して燃焼ガス供給部６０に供給され、燃焼して燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの燃焼熱は、熱交換部２０を介して高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａを流れる改質原料に伝えられる。なお、本実施形態では、改質燃料としてガソリンや灯油といった液体石油系燃料を用いている。
【００２９】
図２に示すように低温流体通路Ａの最上流部には、改質原料（水、空気、改質燃料）を供給する改質原料供給部１０が配置されている。改質原料供給部１０には、水流量制御弁１１、空気流量制御弁１２、燃料流量制御弁１３、噴霧ノズル１４、混合室１５が設けられている。
【００３０】
水流量制御弁１１および燃料流量制御弁１３にて流量制御された改質燃料および水は、噴霧ノズル１４から混合室１５に噴霧され、図示ない空気供給用送風機より供給された空気と混合されて、改質燃料と水と空気の混合気が生成する。
【００３１】
低温流体通路Ａにおける改質原料供給部１０の下流側には、熱交換部（蒸発部）２０が配置されている。本第１実施形態の熱交換部２０は回転蓄熱式熱交換器である。
【００３２】
次に、熱交換部２０の構成について図３〜図５に基づいて説明する。図３は熱交換部２０の拡大断面図であり、図４は図３のＸ−Ｘ断面図であり、図５は熱交換部２０の分解斜視図である。
【００３３】
熱交換部２０には、熱エネルギを蓄える回転蓄熱体（マトリクス）２１と、回転蓄熱体２１と微少隙間を介して密接してガス漏れを防止する一対の静止シール部材２２、２３と、回転蓄熱体２１を回転駆動する駆動用モータ２７等が設けられている。
【００３４】
熱交換部２０では、低温流体通路Ａを流れる高圧の改質原料が高温流体通路Ｂに漏れないように、回転蓄熱体２１とハウジング１との間にシール部材２２、２３を介在させることでシールしている。一対のシール部材２２、２３は、回転蓄熱体２１を軸方向の両側から挟んだ状態で、パッキン２４、２５を介してハウジング１に固定されている。
【００３５】
回転蓄熱体２１は、コージェライト等の耐熱性セラミックからなり、円柱形状に形成されている。回転蓄熱体２１は、軸方向に多数の貫流孔（セル）２１ａが形成されたハニカム構造となっている。貫流孔２１ａの表面には酸化触媒（白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が添着（坦持）されている。これにより、高温流体通路Ｂに供給される燃料電池５０のオフガスを触媒燃焼させることができる。
【００３６】
シール部材２２、２３は、回転蓄熱体２１と同様のコージェライト等の耐熱性の低熱膨張セラミック材料から構成されている。図５に示すように、シール部材２２、２３は、回転蓄熱体２１と同様に円柱状であり、軸方向に多数の貫流孔２２ａ、２３ａが形成されたハニカム構造となっている。このような円柱形状に貫流孔２２ａ、２３ａが形成されたシール部材２２、２３は、例えばΘ型の枠状部材からなるシール部材に比較して、全面に材料が存在することにより強度を向上させることができ、貫流孔の存在により軽量化を図ることができる。
【００３７】
シール部材２２、２３の貫流孔２２ａ、２３ａが開口する端面は、少なくとも回転蓄熱体２１の貫流孔２１ａが開口する端面全体を覆うことができる大きさが必要であり、シール部材２２、２３の円柱の径方向長さは、回転蓄熱体２１の径方向長さより長くなっている。
【００３８】
シール部材２２、２３とハウジング１との間には、パッキン２４、２５が介在している。パッキン２４、２５としては、軟性金属（例えば銅）あるいはカーボン系材料のような弾性材を用いる。図５に示すように、パッキン２４、２５は、シール部材２２、２３の端面外周部に対応した円形のリング部２４ａ、２５ａとその中心を通過するクロスアーム部２４ｂ、２５ｂとから構成されるΘ形状となっている。
【００３９】
これらのパッキン２４、２５によって、シール部材２２、２３の貫流孔２２ａ、２３ａが塞がれ、流体が貫流しない非貫流帯がΘ形状に形成される。この非貫流帯は、回転蓄熱体２１を通過する低温流体の流路および高温流体の流路とを区画する流路区画部を構成する。リング部２４ａ、２５ａによって流体通路の外周が形成され、クロスアーム部２４ｂ、２５ｂによって２つの通路が分離される。
【００４０】
図３に示すように回転蓄熱体２１は、並行する低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂの双方を横断するように配置される。このとき、パッキン２４、２５のクロスアーム部２４ｂ、２５ｂで区画された一方の領域は低温流体通路Ａに位置し、他方の領域は高温流体通路Ｂに位置する。
【００４１】
回転蓄熱体２１はシール部材２２、２３の間を摺動回転し、改質原料が通過する低温流体通路Ａとオフガス（燃焼ガス）が通過する高温流体通路Ｂとを交互に移動する。回転蓄熱体２１は、高温流体通路Ｂにおいて貫流孔２１ａを通過する燃焼ガスから熱を受け取った後、低温流体通路Ａに移動して貫流孔２１ａを通過する改質原料に熱を伝えて加熱・気化させる。
【００４２】
一対のシール部材２２、２３の間には、スペーサ（隙間保持部材）２６が介在している。スペーサ２６は、低熱膨張の金属材料やセラミック材等の低熱膨張材料からなる。スペーサ２６は、回転蓄熱体２１より大径かつ回転蓄熱体２１の軸方向長さより若干長い円筒形状に形成されている。
【００４３】
一対のシール部材２２、２３は、スペーサ２６を両側から挟んだ状態で、外側を一対のパッキン２４、２５に挟まれ、ハウジング１に形成されたフランジ部１ａの締結力により押圧され、ハウジング１に固定されている。
【００４４】
これにより、回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との間には、微少隙間を保持することができ、シール部材２２、２３が回転蓄熱体２１を押しつけることがない。従って、回転蓄熱体２１が回転する際の摩擦抵抗が極めて小さくなる。
ここでいう微少隙間とは、設計上で微少隙間が存在することを意味し、回転蓄熱体２１が熱変形により、シール部材２２、２３に若干接触する場合は含まれる。
【００４５】
なお、スペーサ２６には、後述ようにモータ２７のピニオン２７ｂと回転蓄熱体外周部のリングギア２８との接続を可能とするために、スリットが形成されている。
【００４６】
回転蓄熱体２１の回転軸３０は、両端をハウジング１で支持されている。回転軸３０は、回転蓄熱体２１の中心部に設けられたソリッド状カーボンからなるハブ３１に挿入されている。回転軸３０は回転蓄熱体２１に固定され、ハウジング１に回転可能に支持されていてもよく、あるいは回転軸３０はハウジング１に固定され、回転蓄熱体２１のみが回転可能となっていてもよい。本第１実施形態では、回転蓄熱体２１の回転軸３０は、円柱形状のシール部材２２、２３の中心軸と共通となっている。
【００４７】
回転蓄熱体２１は電動モータ２７により、回転駆動される。回転蓄熱体２１の外周面にはリングギア２８が設けられている。図３に示すように回転蓄熱体２１とリングギア２８との間にはエラストマのような弾性部材２９を介在させている。電動モータ２７からの回転力は、電動モータ２７の回転軸２７ａに固定されたピニオン２７ｂを介して、リングギア２８に伝えられる。回転蓄熱体２１とリングギア２８との間に弾性部材２９を介在させることで、回転蓄熱体２１の熱変形よる応力を吸収してモータ２７の駆動力を回転蓄熱体２１に伝えることができる。
【００４８】
熱交換部２０の下流側には改質部４０が設けられている。本第１実施形態の改質部４０では、部分酸化改質（発熱反応）と水蒸気改質（吸熱反応）とが併用される。改質部４０には、改質触媒（酸化ニッケル、酸化銅、白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が添着されている。改質部４０では、熱交換部２０による加熱で気化した改質原料を改質し、Ｈ₂とＣＯを含んだ改質ガスを生成する。また、改質部４０には、改質触媒の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）４１が設けられている。
【００４９】
改質部４０の下流側には、改質ガスをＣＯ除去に必要な温度まで冷却するための冷却部４２が設けられ、冷却部４２の下流側には改質ガスからＣＯを除去するＣＯ除去部４３が設けられている。ＣＯ除去部４３にてＣＯを除去された改質ガス（水素リッチガス）は、水素消費装置としての燃料電池５０に供給される。燃料電池５０には、水素とともに空気（酸素）が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池５０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００５０】
高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０の上流側には、熱交換部２０を加熱するための燃焼ガス供給部（オフガス供給部）６０が設けられている。燃焼ガス供給部６０には、オフガス流量制御弁６１、燃料流量制御弁（燃焼用燃料供給部）６２、オフエア流量制御弁６３、噴霧ノズル６４、点火プラグ（着火手段）６５、混合・燃焼室６６が設けられている。
【００５１】
燃焼ガス供給部６０には、燃料電池５０から排出される未反応の水素を含むオフガスがオフガス供給路５１を介して供給される。これにより低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂは改質ガス供給路５０およびオフガス供給路５１を介して連通している。さらに燃焼ガス供給部６０には、燃料電池５０から排出される未反応の酸素を含むオフエアが、オフエア供給路５２を介して供給される。
【００５２】
オフガスおよびオフエアは噴霧ノズル６４から混合・燃焼室６６に噴霧され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、熱交換部２０に設けられた酸化触媒にて触媒燃焼して燃焼ガスを生ずる。この燃焼ガスの燃焼熱で回転蓄熱体２１が加熱される。回転蓄熱体２１は高温流体通路Ｂで熱を受け取り、回転して低温流体通路Ａにて改質原料を加熱する。
【００５３】
改質装置の始動時には、オフガスに代えて、燃料流量制御弁にて流量制御された始動用燃料（燃焼用燃料）を燃焼室６６に噴霧し、点火プラグ６５にて着火して、火炎燃焼により燃焼ガスを生じさせるように構成されている。なお、本第１実施形態では、始動用燃料として改質燃料と同様の液体石油系燃料を用いている。
【００５４】
以下、上記構成の改質装置の作動について説明する。まず、改質装置の始動時について説明する。改質部４０において改質反応が開始するためには、改質部４０に供給される改質原料が蒸発・気化しており、かつ改質部４０の改質触媒が改質反応を開始可能な所定温度まで昇温している必要がある。
【００５５】
そこで、まず燃焼ガス供給部６０の燃焼室６６にて始動用燃料と空気との混合気を生成し、点火プラグ６５にて着火して火炎燃焼させる。この火炎燃焼により生成した燃焼ガスは、高温流体通路Ｂを流れて熱交換部２０を貫流する。これにより、回転蓄熱体２１のうち高温流体通路Ｂに位置する部位は燃焼ガスにより加熱される。回転蓄熱体２１が回転することで、燃焼ガスにて加熱された部位が低温流体通路Ａに移動し、低温流体通路Ａを流れる空気が加熱される。この加熱空気が低温流体通路Ａを流れることにより、熱交換部２０の下流側の各構成要素が急速に暖気される。
【００５６】
燃焼ガスの燃焼熱により、熱交換部２０、改質部４０、ＣＯ除去部（シフト部、浄化部）４３といった改質システムの各構成要素が急速に暖気（予熱）される。そして、温度センサ４１にて検出した改質部４０の温度が所定改質反応開始温度に到達した場合に、改質触媒を含めた改質システムの構成要素が改質反応を開始することができる温度に到達したと判断して、燃焼ガス供給部６０での始動用燃料の供給を中断して火炎燃焼を停止する。
【００５７】
各構成要素の暖気が完了すると、改質原料供給部１０にて改質原料（水、空気、改質燃料の混合気）の供給が開始される。改質原料は熱交換部２０にて加熱・気化される。気化された改質原料は、改質部４０にてＨ₂とＣＯを含む改質ガスに改質される。改質ガスは、ＣＯ除去部４３にてＣＯが除去され、燃料電池５０に供給される。
【００５８】
燃料電池５０では、水素と酸素との化学反応により発電するとともに、未反応水素を含むオフガスと未反応の酸素を含むオフエアが排出される。オフガスはオフガス導入経路５１を介して、オフエアはオフエア供給路５２を介して高温流体通路Ｂの燃焼ガス供給部６０に導入され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、回転蓄熱体２１を通過する際に触媒燃焼を開始する。このオフガスの触媒燃焼によって発生した熱は回転蓄熱体２１に蓄えられ、回転蓄熱体２１が回転移動することにより、低温流体通路Ａを通過する改質原料を加熱・気化する。
【００５９】
このように、オフガスの触媒燃焼による熱により、改質原料を加熱して気化するとともに、加熱された改質原料を介して下流側の改質部４０をも加熱することができる。これにより、熱交換部２０、改質部４０の加熱は、始動用燃料の火炎燃焼による加熱からオフガス燃焼による加熱に切り替わり、改質装置は自立運転を開始することができる
以上のように、圧力差のある流体通路Ａ、Ｂ間での流体漏れを防ぐシール部材として、回転蓄熱体２１の端面全体を覆う面積を有するとともに、多数の貫流孔２２ａ、２３ａが形成されたシール部材２２、２３を用いることで、例えばΘ型ソリッド構造に比較して、強度を向上させることができ、軽量化を図ることができる。また、Θ型シール部材のクロスアーム部で従来見られる微少間隔のスリットを設けなくとも、熱膨張による応力で生じる熱変形を防ぐことができる。さらに、シール部材２２、２３は、回転蓄熱体２１と同様の構成であり同様の工程で製造することができるので、製造コストを低減することができる。
【００６０】
また、一対のシール部材２２、２３の間には、回転蓄熱体２１の軸方向長さより若干長いスペーサ２６を配置しているので、シール部材２２、２３と回転蓄熱体２１は完全に密着せず、微少隙間が確保される。このため、回転蓄熱体２１が回転する際の摺動による摩耗は極めて少ない。このため、シール効果を発揮させて流体漏れを所定漏れ量に抑制しつつ、回転蓄熱体２１やシール部材２２、２３の摩耗を防止ないし極力少なくして装置の長寿命化を図ることができる。
【００６１】
さらに、シール部材２２、２３が回転蓄熱体２１を押圧しないので、摩擦抵抗を極めて小さくすることができる。この結果、回転蓄熱体２１の駆動動力を大幅に低減させることができ、駆動機構を簡便化することができる。
【００６２】
また、スペーサ２６によって形成される回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との隙間を、中心部に比較して外周部の方を大きくすることで、中心部側では流体漏れを最小限に抑えつつ、外周部では回転蓄熱体２１の熱変形を考慮した最適設計を行うことができる。
【００６３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６、図７に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、シール部材２２、２３とケーシング１との間にパッキンを設けず、シール部材２２、２３に非貫流帯が形成されている点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図６は本第２実施形態の熱交換部２０の拡大断面図であり、図７は熱交換部２０の分解斜視図である。図６、図７に示すように、シール部材２２、２３には、回転蓄熱体２１の両端面における外周部に対応するリング部２２ｂ、２３ｂとその中心を通過するクロスアーム部２２ｃ、２３ｃからなるΘ型の非貫流帯が形成されている。これらの非貫流帯２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃが、流路区画部を構成する。
【００６５】
非貫流帯２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃは、シール部材２２、２３の貫流孔２２ａ、２３ａにシール部材２２、２３と同材料、あるいは同程度の熱膨張率を有する充填材を充填することにより形成される。このとき、充填材は、必ずしも貫流孔２２ａ、２３ａの軸方向長さのすべてに充填されている必要はなく、少なくとも非貫流帯の面が形成されていればよい。
【００６６】
このようなシール部材２２、２３の構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本第２実施形態のように、貫流孔２２ａ、２３ａに充填材を充填することにより、シール部材２２、２３の構造的な強度が向上する。特に、シール部材２２、２３のうち、スペーサ２６を挟んで両外側からハウジング１で押圧される場合の強度を向上させることができる。
【００６７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８、図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態に比較して、リング部とクロスアーム部からなる非貫流帯が回転蓄熱体２１およびシール部材２２、２３に分離して形成されている点が異なるものである。上記第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
図８は本第３実施形態の熱交換部２０の拡大断面図であり、図９は熱交換部２０の分解斜視図である。図８、図９に示すように、回転蓄熱体２１には、円柱形状の外周部に非貫流帯リング部２１ｂが形成されている。シール部材２２、２３には、回転蓄熱体２１のリング部２１ｂの中心を通過するように非貫流帯クロスアーム部２２ｃ、２３ｃが形成されている。このような回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３を重ね合わせることで、連続的なΘ型の非貫流帯が形成される。これらの非貫流帯２１ｂ、２２ｃ、２３ｃが、流路区画部を構成する。
【００６９】
非貫流帯２１ｂ、２２ｃ、２３ｃは、回転蓄熱体２１およびシール部材２２、２３の貫流孔２１ａ、２２ａ、２３ａに、回転蓄熱体２１およびシール部材２２、２３と同材料、あるいは同程度の熱膨張率を有する充填材を充填することにより形成される。このとき、充填材は、必ずしも貫流孔２１ａ、２２ａ、２３ａの軸方向長さのすべてに充填されている必要はなく、少なくとも非貫流帯の面が形成されていればよい。
【００７０】
このような回転蓄熱体２１、シール部材２２、２３の構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本第３実施形態のように、回転蓄熱体２１の外周部に充填材を充填した非貫流帯２１ｂを形成することで、回転蓄熱体２１の構造的な強度を向上させることができ、熱変形による破損、亀裂等を防止できる。
【００７１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態に比較して、回転蓄熱体２１の駆動方式が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
図１０は、本第４実施形態の熱交換部２０の拡大断面図である。図１０に示すように、本第４実施形態では、駆動モータ２７が回転蓄熱体２１の回転軸３０を駆動するように構成されている。回転軸３０は、継ぎ手３２を介してモータ２７に接続されている。本第４実施形態では、回転蓄熱体２１は回転軸３０に固定され、回転軸３０と一体に回転する。
【００７３】
このような構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、回転蓄熱体２１の回転軸３０をハウジング１で支持するように構成したが、これに限らず、シール部材２２、２３で支持するように構成してもよい。このように回転軸３０をシール部材２２、２３で支持する場合には、回転軸３０の長さを、一対のシール部材２２、２３の外側の面に合わせることができ、寸法精度の面で有利となる。
【００７５】
また、上記各実施形態では、シール部材２２、２３を貫流孔２２ａ、２３ａが整列したハニカム構造としたが、これに限らず、貫流孔２２ａ、２３ａがランダムに形成された多孔質構造としてもよい。この場合には、流体がシール部材２２、２３中を径方向に通過できる。このため、図７に基づいて上記第２実施形態で示した非貫流帯２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃの構成で、シール部材２２、２３の軸方向全体に充填材を充填して流体の径方向の通過を制限する必要がある。
【００７６】
また、シール部材２２、２３に触媒を担持してもよい。例えば高温流体通路Ｂにおける上流側に位置するシール部材２３において、高温流体通路Ｂに位置する部位（図３、６、８、１０中下側）に酸化触媒を担持することで、高温流体通路Ｂを流れるオフガス混合気を触媒燃焼させることができる。この場合には、回転蓄熱体２１への触媒の担持を省略することができる。
【００７７】
さらに、高温流体通路Ｂにおける下流側に位置するシール部材２２において、高温流体通路Ｂに位置する部位に浄化触媒（酸化触媒）を担持することで、低温流体通路Ａより熱交換部２０に導入され、移送漏れにより高温流体通路Ｂに移送される未反応の改質原料ガスを、外部に排出される前に浄化することができる。
【００７８】
さらに、低温流体通路Ａにおける下流側に位置するシール部材２３において、低温流体通路Ａに位置する部位（図３、６、８、１０中上側）に改質触媒を担持することで、低温流体通路Ａを流れる改質原料をＨ₂およびＣＯを含む改質ガスに改質することができる。これにより、図１、２の改質部４０を省略することができる。
【００７９】
また、上記各実施形態では、シール部材２２、２３を円柱形状に構成したが、これに限らず、回転蓄熱体２１の端面を少なくとも覆うことができればよく、例えば四角形等の他の形状でもよい。さらに、シール部材２２、２３の軸方向の幅は任意に設定できる。例えばシール部材２２、２３に触媒を担持する場合には、幅を広くすることができる。
【００８０】
また、上記第１〜第３実施形態において、低温流体通路Ａから導入される低温流体が、回転蓄熱体２１の外周部に流入可能に構成してもよい。例えば図３の構成において、低温流体通路Ａの上流側に位置するパッキン２４のうち低温流体通路Ａ側に位置する外周部位に何カ所か溝あるいは隙間を設けることで、回転蓄熱体２１の外周部に流入する。これにより、低温流体で回転蓄熱体２１の駆動部２７ａ、２７ｂ、２８、及び弾性部材２９を冷却することができる。さらに、パッキン２２のうち、低温流体通路Ａ側の部分を除去してＤ型に形成してもよい。
【００８１】
また、上記各実施形態では、本発明の回転蓄熱式熱交換器を燃料電池システムの改質装置に適用したが、これに限らず、例えばガスタービン等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の改質装置のブロック図である。
【図２】図１の改質装置の概念図である。
【図３】図１の改質装置における熱交換部の断面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】図１の熱交換部の分解斜視図である。
【図６】第２実施形態の熱交換部の断面図である。
【図７】図６の熱交換部の分解斜視図である。
【図８】第３実施形態の熱交換部の断面図である。
【図９】図８の熱交換部の分解斜視図である。
【図１０】第４実施形態の熱交換部の断面図である。
【符号の説明】
１０…改質原料供給部、２０…熱交換器、２１…回転蓄熱体、２２、２３…シール部材、２４、２５…パッキン（流路区画部）、２６…スペーサ（隙間保持部材）、４０…改質部、５０…燃料電池。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotary heat storage type heat exchanger and a reformer including a rotary heat storage body that exchanges heat between a high temperature fluid and a low temperature fluid by rotation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a heat exchanger using a rotating heat storage body is known. The rotary heat storage body moves back and forth between the high temperature fluid passage and the low temperature fluid passage, and transfers the heat of the high temperature fluid to the low temperature fluid. In such a rotary heat storage type heat exchanger, a seal member is provided to prevent fluid leakage between fluid passages having a pressure difference.
[0003]
As a rotary heat storage type heat exchanger provided with such a sealing member, there is one described in JP-A-52-130046. The seal member of this heat exchanger is configured in a Θ-type solid structure including a circular ring portion and a cross arm portion that passes through the center in the radial direction.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a seal member consisting only of a frame-shaped member such as a ring portion and a cross arm portion has a problem that it is difficult to ensure strength against thermal stress and a pressure difference between a high temperature fluid and a low temperature fluid due to the structure. Moreover, since these frame-shaped members are solid structures, there is also a problem that they become heavy.
[0005]
In view of the above, the present invention improves the stability and strength of the shape and size of a seal member that seals fluid leakage between passages in a rotary heat storage heat exchanger having a rotary heat storage body, thereby improving the sealing performance. For the purpose.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a plurality of through holes (21a) are formed in the axial direction, and the cryogenic fluid passage (A) through which the cryogenic fluid passes and the hot fluid pass by rotating. The rotating heat accumulator (21) that alternately moves the high-temperature fluid passage (B) to transfer the heat of the high-temperature fluid to the low-temperature fluid, and both end faces where the through-hole (21a) in the rotating heat accumulator (21) is opened And a pair of seal members (22, 23) in which a large number of through-holes (22a, 23a) are formed, a flow path of the low-temperature fluid passing through the rotary heat storage body (21), and the high-temperature fluid And a flow path partitioning section (21b, 22b, 22c, 23b, 23c, 24, 25) for partitioning the flow path.
[0007]
Thus, by using the seal member (22, 23) having an area covering the entire end face of the rotary heat storage body (21) and having a large number of through holes (22a, 23a), for example, a Θ-type solid structure Compared to the above, the heat deformation strength can be improved and the weight can be reduced. In addition, the fluid flows through the through holes (22a, 23a) of the seal members (22, 23).
[0008]
In the invention according to claim 2, the through holes (22a, 23a) formed in the seal members (22, 23) are formed in parallel with the axial direction of the rotary heat storage body (21). It is characterized by having.
[0009]
If it is a sealing member (22, 23) of such composition, it is the same composition as a rotary heat storage body (21) of honeycomb structure, and can be made by the same manufacturing method as this rotary heat storage body (21), Manufacturing cost can be reduced.
[0010]
Further, as in the invention described in claim 3, the flow path partitioning portion includes ring portions (21b, 22b, 23b, 24a, 25a) corresponding to outer peripheral portions of both end faces of the rotary heat storage body (21), and a ring. The cross arm portion (22c, 23c, 24b, 25b) passing through the center of the portion can be configured.
[0011]
Moreover, like the invention of Claim 4, a flow-path division part (24, 25) can be arrange | positioned on both outer sides of a pair of sealing member (22, 23). In this case, the flow path partition is configured as an independent member such as packing.
[0012]
Further, as in the invention described in claim 5, the ring portions (22b, 23b) and the cross arm portions (22c, 23c) are filled with the filler in the through holes (22a, 23a) of the seal member (22, 23). It can be formed by filling. According to such a configuration, the structural strength of the seal members (22, 23) can be further improved.
[0013]
Further, as in the invention described in claim 6, the ring portion (21b) is formed by filling the through-hole (21a) of the rotary heat storage body (21) with a filler, and the cross arm portions (22c, 23c). Can be formed by filling the through holes (22a, 23a) of the seal members (22, 23) with a filler. According to such a structure, the structural intensity | strength of a rotation heat storage body (21) can be improved.
[0014]
The invention according to claim 7 is characterized in that, in the seal member (23) located on the upstream side in the high-temperature fluid passage (B), the oxidation catalyst is supported at a site located in the high-temperature fluid passage (B). Yes.
[0015]
Thereby, when an air-fuel mixture containing, for example, hydrogen flows in the high-temperature fluid passage (B), the air-fuel mixture can be catalytically combusted.
[0016]
The invention according to claim 8 is characterized in that, in the seal member (22) located on the downstream side in the high-temperature fluid passage (B), the oxidation catalyst is supported at a site located in the high-temperature fluid passage (B). Yes.
[0017]
Thereby, the unreacted fuel gas introduced into the heat exchange section (20) from the low temperature fluid passage (A) and transferred to the high temperature fluid passage (B) due to transfer leakage can be purified before being discharged to the outside. it can.
[0018]
The invention according to claim 9 is characterized in that, in the seal member (23) located on the downstream side in the low-temperature fluid passage (A), the reforming catalyst is supported at a portion located in the low-temperature fluid passage (A). It is said.
[0019]
Thereby, when using a heat exchanger for a reformer, the reforming raw material which flows through a low-temperature fluid passage (A) is changed to H. ₂ And a reformed gas containing CO.
[0020]
In the invention according to claim 10, a gap holding member (26) longer than the axial length of the rotary heat storage body (21) is disposed between the pair of seal members (22, 23). It is a feature.
[0021]
Thereby, a sealing member (22,23) and a rotation heat storage body (21) do not adhere | attach completely, but a micro clearance gap is ensured. For this reason, wear due to sliding when the rotary heat storage body (21) rotates is extremely small. For this reason, while preventing the fluid leakage to a predetermined leakage amount by exerting a sealing effect, the wear of the rotary heat accumulator (21) and the seal members (22, 23) is prevented or reduced as much as possible to extend the life of the apparatus. be able to.
[0022]
Further, the rotary heat storage body (21) can be configured such that the driving force from the driving means (27) is transmitted to the outer peripheral portion, as in the invention described in claim 11, and according to the invention described in claim 12, As described above, the driving force from the driving means (27) can be transmitted to the rotating shaft (30).
[0023]
The invention according to claim 13 is a reformer that uses the rotary heat storage type heat exchanger according to any one of claims 1 to 12 to generate hydrogen from a reforming raw material by a reforming reaction. The low temperature fluid is a reforming raw material, and the high temperature fluid is a combustion gas.
[0024]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment to which the present invention is applied will be described below with reference to FIGS. In the first embodiment, a rotary heat storage type heat exchanger is used for a fuel reformer (hydrogen supply device) of a fuel cell system. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the reformer, and FIG. 2 is a conceptual diagram showing an arrangement relationship of each component of the reformer. The reformer of the first embodiment is configured to supply hydrogen to a fuel cell 50 as a hydrogen consuming device.
[0026]
As shown in FIGS. 1 and 2, the reforming apparatus of the first embodiment includes a reforming raw material supply unit 10, a heat exchange unit (evaporation unit) 20, a reforming unit 40, a CO removal unit 43, and a combustion gas supply. Section (off-gas supply section) 60 and the like. Further, in the reformer, the housing 1 forms in parallel a low-temperature fluid passage (reformation raw material passage) A through which the reforming raw material passes and a high-temperature fluid passage (combustion gas passage) B through which the combustion gas passes. Has been. The low-temperature fluid passage A and the high-temperature fluid passage B are independent from each other, and heat is transferred through the heat exchange unit 20.
In the low temperature fluid passage A, the reforming material (mixture of water, air, and reformed fuel) supplied by the reforming material supply unit 10 is heated and vaporized (evaporated) by the heat exchange unit 20. The reformed raw material that has been vaporized is supplied to the reforming unit 40 by H ₂ And is reformed into a reformed gas containing CO, and after the CO is removed by the CO removal unit 43, the fuel is supplied to the fuel cell 50.
[0027]
The fuel cell 50 is configured so that air (oxygen) together with hydrogen is supplied by an air supply pump (not shown), and power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In the fuel cell 50, off-gas containing unreacted hydrogen that has not been used for power generation is discharged.
[0028]
In the high-temperature fluid passage B, off-gas is supplied to the combustion gas supply unit 60 via the off-gas supply path 51 and burns to become combustion gas. The combustion heat of the combustion gas is transmitted from the high temperature fluid passage B to the reforming raw material flowing through the low temperature fluid passage A through the heat exchanging unit 20. In this embodiment, liquid petroleum fuel such as gasoline or kerosene is used as the reformed fuel.
[0029]
As shown in FIG. 2, a reforming material supply unit 10 that supplies reforming materials (water, air, reformed fuel) is disposed at the most upstream portion of the low-temperature fluid passage A. The reforming raw material supply unit 10 is provided with a water flow rate control valve 11, an air flow rate control valve 12, a fuel flow rate control valve 13, a spray nozzle 14, and a mixing chamber 15.
[0030]
The reformed fuel and water whose flow rate is controlled by the water flow rate control valve 11 and the fuel flow rate control valve 13 are sprayed from the spray nozzle 14 to the mixing chamber 15 and mixed with air supplied from an air supply blower (not shown). A mixture of reformed fuel, water and air is generated.
[0031]
On the downstream side of the reforming raw material supply unit 10 in the low-temperature fluid passage A, a heat exchange unit (evaporation unit) 20 is disposed. The heat exchange unit 20 of the first embodiment is a rotary heat storage type heat exchanger.
[0032]
Next, the structure of the heat exchange part 20 is demonstrated based on FIGS. 3 is an enlarged cross-sectional view of the heat exchanging unit 20, FIG. 4 is an XX cross-sectional view of FIG. 3, and FIG. 5 is an exploded perspective view of the heat exchanging unit 20.
[0033]
The heat exchanging unit 20 includes a rotary heat storage body (matrix) 21 that stores thermal energy, a pair of stationary seal members 22 and 23 that closely contact the rotary heat storage body 21 through a minute gap to prevent gas leakage, and a rotary heat storage body. A drive motor 27 for rotating the body 21 is provided.
[0034]
In the heat exchange unit 20, sealing is performed by interposing seal members 22, 23 between the rotary heat accumulator 21 and the housing 1 so that the high-pressure reforming raw material flowing through the low-temperature fluid passage A does not leak into the high-temperature fluid passage B. is doing. The pair of seal members 22 and 23 are fixed to the housing 1 via packings 24 and 25 in a state where the rotary heat storage body 21 is sandwiched from both sides in the axial direction.
[0035]
The rotary heat storage body 21 is made of a heat-resistant ceramic such as cordierite and is formed in a cylindrical shape. The rotary heat storage body 21 has a honeycomb structure in which a number of through holes (cells) 21a are formed in the axial direction. An oxidation catalyst (a simple substance or a mixture of platinum, palladium, etc.) is attached (supported) to the surface of the through-hole 21a. Thereby, the off gas of the fuel cell 50 supplied to the high temperature fluid passage B can be catalytically combusted.
[0036]
The seal members 22 and 23 are made of a heat-resistant low thermal expansion ceramic material such as cordierite similar to the rotary heat storage body 21. As shown in FIG. 5, the sealing members 22 and 23 are cylindrical like the rotary heat storage body 21 and have a honeycomb structure in which a large number of through-holes 22 a and 23 a are formed in the axial direction. The sealing members 22 and 23 in which the through-holes 22a and 23a are formed in such a columnar shape have improved strength due to the presence of the material on the entire surface as compared with a sealing member made of, for example, a Θ-shaped frame member. The weight can be reduced by the presence of the through-holes.
[0037]
The end face where the through holes 22a and 23a of the seal members 22 and 23 are open needs to be large enough to cover at least the entire end face where the through hole 21a of the rotary heat storage body 21 is open. The radial length is longer than the radial length of the rotary heat storage body 21.
[0038]
Packings 24 and 25 are interposed between the seal members 22 and 23 and the housing 1. As the packings 24 and 25, an elastic material such as a soft metal (for example, copper) or a carbon-based material is used. As shown in FIG. 5, the packings 24 and 25 are composed of circular ring portions 24a and 25a corresponding to the outer peripheral portions of the end surfaces of the seal members 22 and 23 and cross arm portions 24b and 25b passing through the centers thereof. It has a shape.
[0039]
By these packings 24 and 25, the through holes 22a and 23a of the seal members 22 and 23 are closed, and a non-flow zone where no fluid flows is formed in a Θ shape. This non-flow-through zone constitutes a flow path partitioning section that partitions the flow path of the low-temperature fluid and the flow path of the high-temperature fluid that pass through the rotary heat storage body 21. The outer periphery of the fluid passage is formed by the ring portions 24a and 25a, and the two passages are separated by the cross arm portions 24b and 25b.
[0040]
As shown in FIG. 3, the rotary heat storage body 21 is disposed so as to cross both the low-temperature fluid passage A and the high-temperature fluid passage B which are parallel to each other. At this time, one region defined by the cross arm portions 24b and 25b of the packings 24 and 25 is located in the low temperature fluid passage A, and the other region is located in the high temperature fluid passage B.
[0041]
The rotary heat accumulator 21 slides and rotates between the seal members 22 and 23, and alternately moves in the low temperature fluid passage A through which the reforming raw material passes and the high temperature fluid passage B through which off gas (combustion gas) passes. The rotary heat accumulator 21 receives heat from the combustion gas that passes through the through-hole 21a in the high-temperature fluid passage B, then moves to the low-temperature fluid passage A and transfers heat to the reforming raw material that passes through the through-hole 21a. Vaporize.
[0042]
A spacer (gap retaining member) 26 is interposed between the pair of seal members 22 and 23. The spacer 26 is made of a low thermal expansion material such as a low thermal expansion metal material or a ceramic material. The spacer 26 is formed in a cylindrical shape having a larger diameter than the rotary heat storage body 21 and slightly longer than the axial length of the rotary heat storage body 21.
[0043]
The pair of seal members 22, 23 is sandwiched between the pair of packings 24, 25 with the spacer 26 sandwiched from both sides, and pressed by the fastening force of the flange portion 1 a formed in the housing 1, It is fixed.
[0044]
Thereby, a very small gap can be maintained between the rotary heat storage body 21 and the seal members 22 and 23, and the seal members 22 and 23 do not press the rotary heat storage body 21. Therefore, the frictional resistance when the rotary heat storage body 21 rotates becomes extremely small.
The minute gap here means that a minute gap exists in the design, and includes the case where the rotary heat storage body 21 slightly contacts the seal members 22 and 23 due to thermal deformation.
[0045]
As will be described later, the spacer 26 is formed with a slit in order to enable connection between the pinion 27b of the motor 27 and the ring gear 28 on the outer peripheral portion of the rotary heat storage body.
[0046]
Both ends of the rotary shaft 30 of the rotary heat storage body 21 are supported by the housing 1. The rotating shaft 30 is inserted into a hub 31 made of solid carbon provided at the center of the rotating heat storage body 21. The rotary shaft 30 may be fixed to the rotary heat storage body 21 and may be rotatably supported by the housing 1, or the rotary shaft 30 may be fixed to the housing 1 and only the rotary heat storage body 21 may be rotatable. . In the first embodiment, the rotation shaft 30 of the rotary heat storage body 21 is common to the central axes of the cylindrical seal members 22 and 23.
[0047]
The rotary heat storage body 21 is driven to rotate by an electric motor 27. A ring gear 28 is provided on the outer peripheral surface of the rotary heat storage body 21. As shown in FIG. 3, an elastic member 29 such as an elastomer is interposed between the rotary heat storage body 21 and the ring gear 28. The rotational force from the electric motor 27 is transmitted to the ring gear 28 via a pinion 27b fixed to the rotating shaft 27a of the electric motor 27. By interposing the elastic member 29 between the rotary heat storage body 21 and the ring gear 28, stress due to thermal deformation of the rotary heat storage body 21 can be absorbed and the driving force of the motor 27 can be transmitted to the rotary heat storage body 21.
[0048]
A reforming unit 40 is provided on the downstream side of the heat exchange unit 20. In the reforming unit 40 of the first embodiment, partial oxidation reforming (exothermic reaction) and steam reforming (endothermic reaction) are used in combination. A reforming catalyst (a simple substance or a mixture of nickel oxide, copper oxide, platinum, palladium, or the like) is attached to the reforming unit 40. In the reforming unit 40, the reforming material vaporized by heating by the heat exchange unit 20 is reformed, and H ₂ And reformed gas containing CO. Further, the reforming unit 40 is provided with a temperature sensor (temperature detecting means) 41 for detecting the temperature of the reforming catalyst.
[0049]
A cooling unit 42 for cooling the reformed gas to a temperature required for CO removal is provided on the downstream side of the reforming unit 40, and CO removal for removing CO from the reformed gas is provided on the downstream side of the cooling unit 42. A portion 43 is provided. The reformed gas (hydrogen rich gas) from which CO has been removed by the CO removing unit 43 is supplied to a fuel cell 50 as a hydrogen consuming device. Air (oxygen) is supplied to the fuel cell 50 together with hydrogen, and power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In the fuel cell 50, off-gas containing unreacted hydrogen that has not been used for power generation is discharged.
[0050]
A combustion gas supply unit (off-gas supply unit) 60 for heating the heat exchange unit 20 is provided on the upstream side of the heat exchange unit 20 in the high-temperature fluid passage B. The combustion gas supply unit 60 includes an off-gas flow control valve 61, a fuel flow control valve (combustion fuel supply unit) 62, an off-air flow control valve 63, a spray nozzle 64, a spark plug (ignition means) 65, and a mixing / combustion chamber 66. Is provided.
[0051]
Off-gas containing unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 50 is supplied to the combustion gas supply unit 60 via the off-gas supply path 51. As a result, the low temperature fluid passage A and the high temperature fluid passage B communicate with each other via the reformed gas supply passage 50 and the off gas supply passage 51. Further, off-air containing unreacted oxygen discharged from the fuel cell 50 is supplied to the combustion gas supply unit 60 via an off-air supply path 52.
[0052]
Off-gas and off-air are sprayed from the spray nozzle 64 to the mixing / combustion chamber 66 to form an off-gas mixture. The off-gas mixture is supplied to the heat exchange unit 20 and catalytically combusted by an oxidation catalyst provided in the heat exchange unit 20 to generate combustion gas. The rotary heat storage body 21 is heated by the combustion heat of the combustion gas. The rotary heat storage body 21 receives heat in the high temperature fluid passage B, rotates, and heats the reforming raw material in the low temperature fluid passage A.
[0053]
At the start of the reformer, instead of off-gas, the starting fuel (combustion fuel) whose flow rate is controlled by the fuel flow control valve is sprayed on the combustion chamber 66, ignited by the spark plug 65, and flame combustion. It is configured to generate combustion gas. In the first embodiment, the liquid petroleum fuel similar to the reformed fuel is used as the starting fuel.
[0054]
Hereinafter, the operation of the reforming apparatus having the above configuration will be described. First, the start-up of the reformer will be described. In order to start the reforming reaction in the reforming unit 40, the reforming raw material supplied to the reforming unit 40 is evaporated and vaporized, and the reforming catalyst of the reforming unit 40 can start the reforming reaction. It is necessary to raise the temperature to a predetermined temperature.
[0055]
Therefore, first, an air-fuel mixture of the starting fuel and air is generated in the combustion chamber 66 of the combustion gas supply unit 60, and the mixture is ignited by the spark plug 65 and burned. The combustion gas generated by this flame combustion flows through the high-temperature fluid passage B and flows through the heat exchange unit 20. Thereby, the site | part located in the high temperature fluid channel | path B among the rotation heat storage bodies 21 is heated by combustion gas. As the rotary heat storage body 21 rotates, the portion heated by the combustion gas moves to the low temperature fluid passage A, and the air flowing through the low temperature fluid passage A is heated. As the heated air flows through the low-temperature fluid passage A, each component on the downstream side of the heat exchange unit 20 is rapidly warmed up.
[0056]
Due to the combustion heat of the combustion gas, each component of the reforming system such as the heat exchanging unit 20, the reforming unit 40, and the CO removing unit (shift unit, purification unit) 43 is rapidly warmed (preheated). When the temperature of the reforming unit 40 detected by the temperature sensor 41 reaches a predetermined reforming reaction start temperature, the components of the reforming system including the reforming catalyst can start the reforming reaction. It is determined that the temperature has been reached, and the supply of the starting fuel in the combustion gas supply unit 60 is interrupted to stop the flame combustion.
[0057]
When the warm air of each component is completed, the reforming material supply unit 10 starts to supply the reforming material (mixture of water, air, and reformed fuel). The reforming material is heated and vaporized in the heat exchange unit 20. The reformed raw material that has been vaporized is supplied to the reforming unit 40 by H ₂ And reformed gas containing CO. The reformed gas is supplied with the fuel cell 50 after the CO is removed by the CO removing unit 43.
[0058]
In the fuel cell 50, power is generated by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and off-gas containing unreacted hydrogen and off-air containing unreacted oxygen are discharged. Off-gas is introduced into the combustion gas supply section 60 of the high-temperature fluid passage B through the off-gas introduction path 51 and off-air is introduced through the off-air supply path 52 to become an off-gas mixture. The off-gas mixture is supplied to the heat exchange unit 20 and starts catalytic combustion when passing through the rotary heat storage body 21. The heat generated by this off-gas catalytic combustion is stored in the rotary heat storage body 21, and the rotary heat storage body 21 rotates and moves to heat and vaporize the reforming raw material passing through the low-temperature fluid passage A.
[0059]
In this way, the reforming material can be heated and vaporized by the heat generated by the off-gas catalytic combustion, and the downstream reforming section 40 can also be heated via the heated reforming material. Thereby, the heating of the heat exchanging unit 20 and the reforming unit 40 is switched from heating by flame combustion of the starting fuel to heating by off-gas combustion, and the reforming apparatus can start a self-sustaining operation.
As described above, as a seal member for preventing fluid leakage between the fluid passages A and B having a pressure difference, the seal member has an area covering the entire end face of the rotary heat storage body 21 and a large number of through holes 22a and 23a are formed. By using the seal members 22 and 23, for example, the strength can be improved and the weight can be reduced as compared with the Θ type solid structure. Further, it is possible to prevent thermal deformation caused by stress due to thermal expansion without providing slits with a minute interval that are conventionally seen in the cross arm portion of the Θ-type seal member. Furthermore, since the sealing members 22 and 23 have the same configuration as the rotary heat storage body 21 and can be manufactured in the same process, the manufacturing cost can be reduced.
[0060]
Further, since the spacer 26 slightly longer than the axial length of the rotary heat storage body 21 is disposed between the pair of seal members 22 and 23, the seal members 22 and 23 and the rotary heat storage body 21 are not completely adhered to each other. A minute gap is secured. For this reason, wear due to sliding when the rotary heat storage body 21 rotates is extremely small. For this reason, it is possible to prevent the wear of the rotary heat accumulator 21 and the seal members 22 and 23 as much as possible and to extend the life of the apparatus while exhibiting the sealing effect and suppressing the fluid leak to a predetermined leak amount.
[0061]
Furthermore, since the sealing members 22 and 23 do not press the rotary heat storage body 21, the frictional resistance can be extremely reduced. As a result, the driving power of the rotary heat storage body 21 can be greatly reduced, and the driving mechanism can be simplified.
[0062]
In addition, the gap between the rotary heat accumulator 21 and the seal members 22 and 23 formed by the spacer 26 is made larger on the outer peripheral portion than on the central portion, thereby minimizing fluid leakage on the central portion side. On the other hand, the optimum design in consideration of the thermal deformation of the rotary heat storage body 21 can be performed on the outer peripheral portion.
[0063]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Compared to the first embodiment, the second embodiment has no packing between the seal members 22 and 23 and the casing 1, and a non-flow zone is formed in the seal members 22 and 23. Is different. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0064]
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the heat exchange unit 20 of the second embodiment, and FIG. 7 is an exploded perspective view of the heat exchange unit 20. As shown in FIGS. 6 and 7, the seal members 22 and 23 include ring portions 22 b and 23 b corresponding to outer peripheral portions on both end faces of the rotary heat storage body 21 and cross arm portions 22 c and 23 c passing through the centers thereof. A Θ-type non-flow-through zone is formed. These non-flow-through zones 22b, 22c, 23b, and 23c constitute a flow path partition section.
[0065]
The non-flow-through zones 22b, 22c, 23b, and 23c are formed by filling the flow-through holes 22a and 23a of the seal members 22 and 23 with the same material as the seal members 22 and 23 or a filler having a similar thermal expansion coefficient. Is done. At this time, the filler does not necessarily have to be filled in the entire axial length of the through holes 22a and 23a, and it is sufficient that at least the surface of the non-flow zone is formed.
[0066]
The same effects as those of the first embodiment can also be obtained by such a configuration of the seal members 22 and 23. Further, as in the second embodiment, the structural strength of the seal members 22 and 23 is improved by filling the through holes 22a and 23a with a filler. In particular, the strength of the seal members 22 and 23 when pressed by the housing 1 from both outer sides across the spacer 26 can be improved.
[0067]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The third embodiment is different from the second embodiment in that a non-flow-through zone composed of a ring portion and a cross arm portion is formed separately in the rotary heat storage body 21 and the seal members 22 and 23. Is. The same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0068]
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the heat exchange unit 20 of the third embodiment, and FIG. 9 is an exploded perspective view of the heat exchange unit 20. As shown in FIGS. 8 and 9, the rotary heat storage body 21 has a non-flow zone ring portion 21 b formed on a cylindrical outer peripheral portion. The sealing members 22 and 23 are formed with non-flow-through zone cross arms 22c and 23c so as to pass through the center of the ring portion 21b of the rotary heat storage body 21. By superimposing the rotary heat storage body 21 and the seal members 22 and 23, a continuous Θ-type non-flow-through zone is formed. These non-flow-through zones 21b, 22c, and 23c constitute a flow path partition section.
[0069]
The non-flow zones 21b, 22c, and 23c are formed in the through holes 21a, 22a, and 23a of the rotary heat storage body 21 and the seal members 22 and 23, the same material as the rotary heat storage body 21 and the seal members 22 and 23, or the same degree of thermal expansion. It is formed by filling a filler having a rate. At this time, the filling material does not necessarily need to be filled in all of the axial lengths of the through holes 21a, 22a, and 23a, and it is sufficient that at least the surface of the non-flow zone is formed.
[0070]
The same effects as those of the first embodiment can be obtained by the configurations of the rotary heat storage body 21 and the seal members 22 and 23 as well. Furthermore, the structural strength of the rotary heat storage body 21 can be improved by forming a non-flow-through zone 21b filled with a filler on the outer periphery of the rotary heat storage body 21 as in the third embodiment, Damage, cracks, etc. due to thermal deformation can be prevented.
[0071]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fourth embodiment is different from the first embodiment in the driving method of the rotary heat storage body 21. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0072]
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of the heat exchange unit 20 of the fourth embodiment. As shown in FIG. 10, in the fourth embodiment, the drive motor 27 is configured to drive the rotary shaft 30 of the rotary heat storage body 21. The rotary shaft 30 is connected to the motor 27 via a joint 32. In the fourth embodiment, the rotary heat storage body 21 is fixed to the rotary shaft 30 and rotates integrally with the rotary shaft 30.
[0073]
Even with such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0074]
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the rotary shaft 30 of the rotary heat storage body 21 is supported by the housing 1. However, the present invention is not limited thereto, and the rotary shaft 30 may be supported by the seal members 22 and 23. When the rotary shaft 30 is supported by the seal members 22 and 23 in this way, the length of the rotary shaft 30 can be adjusted to the outer surfaces of the pair of seal members 22 and 23, which is advantageous in terms of dimensional accuracy. It becomes.
[0075]
In each of the above embodiments, the sealing members 22 and 23 have a honeycomb structure in which the through holes 22a and 23a are aligned. However, the present invention is not limited to this, and a porous structure in which the through holes 22a and 23a are randomly formed may be used. . In this case, the fluid can pass through the seal members 22 and 23 in the radial direction. Therefore, in the configuration of the non-flow-through zones 22b, 22c, 23b, and 23c shown in the second embodiment based on FIG. It is necessary to restrict the passage of
[0076]
Further, a catalyst may be supported on the seal members 22 and 23. For example, in the seal member 23 located on the upstream side in the high temperature fluid passage B, the high temperature fluid passage B is supported by supporting the oxidation catalyst in a portion (lower side in FIGS. 3, 6, 8, and 10) located in the high temperature fluid passage B. The off-gas mixture flowing through the catalyst can be catalytically combusted. In this case, loading of the catalyst on the rotary heat storage body 21 can be omitted.
[0077]
Further, in the seal member 22 located on the downstream side in the high temperature fluid passage B, the purification catalyst (oxidation catalyst) is supported on the portion located in the high temperature fluid passage B, so that the heat exchange unit 20 is introduced from the low temperature fluid passage A. The unreacted reforming raw material gas transferred to the high-temperature fluid passage B due to the transfer leakage can be purified before being discharged to the outside.
[0078]
Further, in the seal member 23 located on the downstream side in the low-temperature fluid passage A, the reforming catalyst is supported on a portion (upper side in FIGS. 3, 6, 8, and 10) located in the low-temperature fluid passage A. The reforming raw material flowing through A is H ₂ And a reformed gas containing CO. Thereby, the modification part 40 of FIGS.
[0079]
Moreover, in each said embodiment, although the sealing members 22 and 23 were comprised in the column shape, it is not restricted to this, What is necessary is just to be able to cover at least the end surface of the rotation heat storage body 21, for example, other shapes, such as a rectangle, may be sufficient. Furthermore, the axial width of the seal members 22 and 23 can be set arbitrarily. For example, when the catalyst is supported on the seal members 22 and 23, the width can be increased.
[0080]
In the first to third embodiments, the low-temperature fluid introduced from the low-temperature fluid passage A may be configured to be able to flow into the outer peripheral portion of the rotary heat storage body 21. For example, in the configuration of FIG. 3, the outer peripheral portion of the rotary heat storage body 21 is provided by providing some grooves or gaps in the outer peripheral portion positioned on the low temperature fluid passage A side of the packing 24 positioned on the upstream side of the low temperature fluid passage A. Flow into. Thereby, the drive parts 27a, 27b, and 28 and the elastic member 29 of the rotary heat storage body 21 can be cooled with a low-temperature fluid. Further, a portion of the packing 22 on the low temperature fluid passage A side may be removed to form a D shape.
[0081]
Moreover, in each said embodiment, although the rotary heat storage type heat exchanger of this invention was applied to the reformer of a fuel cell system, it is applicable not only to this but a gas turbine etc., for example.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a reforming apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a conceptual diagram of the reformer of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a heat exchange unit in the reformer of FIG.
4 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
FIG. 5 is an exploded perspective view of the heat exchange unit of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a heat exchange unit according to a second embodiment.
7 is an exploded perspective view of the heat exchange unit of FIG. 6;
FIG. 8 is a cross-sectional view of a heat exchange unit according to a third embodiment.
9 is an exploded perspective view of the heat exchange unit of FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a heat exchange unit according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Reformation raw material supply part, 20 ... Heat exchanger, 21 ... Rotary heat storage body, 22, 23 ... Seal member, 24, 25 ... Packing (flow-path division part), 26 ... Spacer (gap maintenance member), 40 ... Reformer 50, fuel cell.

Claims

A number of through-holes (21a) are formed in the axial direction, and rotate to alternately move the low-temperature fluid passage (A) through which the low-temperature fluid passes and the high-temperature fluid passage (B) through which the high-temperature fluid passes by rotating, A rotating heat storage body (21) for transferring heat of the hot fluid to the cold fluid;
A pair of seal members (22, 23) each having a plurality of through-holes (22a, 23a) disposed so as to cover both end faces of the rotary heat storage body (21) where the through-holes (21a) are opened; ,
A flow path section (21b, 22b, 22c, 23b, 23c, 24, 25) that partitions the flow path of the low-temperature fluid passing through the rotary heat storage body (21) and the flow path of the high-temperature fluid. A rotating heat storage heat exchanger.

The through holes (22a, 23a) formed in the seal member (22, 23) are formed in parallel with the axial direction of the rotary heat storage body (21). The rotary heat storage type heat exchanger according to 1.

The flow path partition part includes a ring part (21b, 22b, 23b, 24a, 25a) corresponding to the outer peripheral part of both end faces of the rotary heat storage body (21), and a cross arm part (22c) passing through the center of the ring part. , 23c, 24b, 25b). The rotary heat storage type heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized by comprising:

The rotational heat storage according to any one of claims 1 to 3, wherein the flow path partitioning portions (24, 25) are disposed on both outer sides of the pair of seal members (22, 23). Type heat exchanger.

The ring portions (22b, 23b) and the cross arm portions (22c, 23c) are formed by filling the through holes (22a, 23a) of the seal member (22, 23) with a filler. The rotary heat storage type heat exchanger according to claim 3 or 4.

The ring portion (21b) is formed by filling the through hole (21a) of the rotary heat storage body (21) with a filler, and the cross arm portions (22c, 23c) are formed of the seal members (22, 23). The rotary heat storage type heat exchanger according to claim 3 or 4, wherein the through hole (22a, 23a) is filled with a filler.

The sealing member (23) located upstream in the high temperature fluid passage (B) supports an oxidation catalyst at a portion located in the high temperature fluid passage (B). Rotary heat exchange device as described in one.

The oxidation catalyst is supported on a portion located in the high temperature fluid passage (B) in the seal member (22) located downstream in the high temperature fluid passage (B). Rotary heat exchange device as described in one.

9. The reforming catalyst is supported on a portion located in the low temperature fluid passage (A) in the seal member (23) located on the downstream side in the low temperature fluid passage (A). The rotary heat exchange device according to one.

The gap holding member (26) longer than the axial length of the rotary heat storage body (21) is disposed between the pair of seal members (22, 23). The rotational heat storage type heat exchanger as described in any one.

The rotary heat storage type heat exchanger (21) according to any one of claims 1 to 10, wherein the rotary heat storage body (21) has a driving force transmitted from a driving means (27) to an outer peripheral portion thereof. .

The rotary heat storage type (21) according to any one of claims 1 to 10, wherein the rotary heat storage body (21) is transmitted with a driving force from a drive means (27) to a rotary shaft (30) thereof. Heat exchanger.

A reformer that uses the rotary heat storage heat exchanger according to any one of claims 1 to 12 to generate hydrogen from a reforming material by a reforming reaction, wherein the low-temperature fluid is the reforming material. The reforming apparatus is characterized in that the high-temperature fluid is a combustion gas.