JP4686821B2

JP4686821B2 - Fuel reformer

Info

Publication number: JP4686821B2
Application number: JP2000193715A
Authority: JP
Inventors: 孝志満津
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: JP2002012405A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置に関し、詳しくは、炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と水蒸気と一酸化炭素を水素と二酸化炭素にシフトするシフト部とを有し、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料改質装置としては、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに水蒸気を混合し、改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトして水素リッチガスを得るものが提案されている（例えば、特開昭６３−３０３８０１号公報など）。この装置では、水を蒸気化する蒸発器を備え、この蒸発器により蒸気化した水蒸気を改質ガスに混合している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料改質装置では、蒸発器が必要なために、装置が複雑化すると共に大型化する。また、水の蒸気化に必要な熱源が必要となる一方、シフト部における温度調節のために、改質ガスの顕熱を効率よく小領域で冷却することが必要となり、装置の熱効率が低くなる場合が多い。また、従来の熱交換器（例えば、水冷や油冷，空冷など）では構成要素の熱容量や媒体の熱容量により始動時の昇温への対応や過渡的な温度や熱変化への対応も困難であった。
【０００４】
本発明の燃料改質装置は、装置の小型化や簡易化，始動性，応答性の向上を目的の一つとする。また、本発明の燃料改質装置は、改質ガスに水を導入し蒸気となる過程に発生する潜熱冷却を利用して高効率な熱交換を図ると共に改質ガスと気化した水蒸気とをより均等に混合することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料改質装置は、装置の熱効率の向上を目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料改質装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【００１１】
本発明の第２の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、水蒸気と一酸化炭素を水素と二酸化炭素にシフトするシフト部とを有し、前記炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記改質部と前記シフト部とを連絡し、該改質部からの改質ガスを該シフト部に供給可能な連絡部と、
前記連絡部の前記改質部側に配置され、複数の細管を有する改質ガス透過部材と、
該改質ガス透過部材の前記複数の細管に液水を供給する液水供給手段と
を備えることを要旨とする。
【００１２】
この本発明の第２の燃料改質装置では、改質部とシフト部とを連絡すると共に改質部からの改質ガスをシフト部に供給する連絡部の改質部側に配置された改質ガス透過部材の有する複数の細管に液水を供給する。供給された液水は、改質ガスとの熱交換により、改質ガスを冷却すると共に細管内で水蒸気化し、細管の出口近傍以降で改質ガスと混合してシフト部に供給される。液水の供給量をシフト反応に必要なものとすれば、シフト反応に必要な水蒸気を供給することができると共に改質ガスを冷却することができる。
【００１３】
こうした本発明の第２の燃料改質装置において、前記複数の細管は、内表面に液水の沸騰の核となる複数の核部を備えるものとすることもできる。こうすれば、複数の細孔内でも液水の気化を促進することができる。
【００１４】
また、本発明の第２の燃料改質装置において、前記複数の細管は、少なくとも前記シフト部側近傍の内表面が親水性処理または吸湿性処理なされてなるものとすることもできる。こうすれば、細管の内表面である程度の水分を保持できるから、後段への液飛びを抑制することができる。
【００１５】
さらに、本発明の第２の燃料改質装置において、ガス透過性の材料により形成され、前記複数の細管の前記シフト部側の出口を栓をする栓部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、後段への液飛びを防止することができる。
【００１６】
本発明の第２の燃料改質装置において、前記連絡部は、前記改質ガス透過部材の後段にガス混合空間を備えるものとすることもできる。こうすれば、改質ガスと水蒸気との混合をより均等なものとすることができる。この態様の本発明の第２の燃料改質装置において、前記連絡部は、前記ガス混合空間の後段にガス混合の均等化とガス流の均等化を促進するガス均等化手段を備えるものとすることもできる。この態様の本発明の第２の燃料改質装置において、前記ガス均等化手段は、所定の圧力差をもってガスを透過する複数の間隙を有する材料により形成された圧力透過部材であるものとすることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料改質装置２０の構成の概略を模式的に示す構成図である。実施例の燃料改質装置２０は、水ポンプ２３による水タンク２２からの水と燃料ポンプ２５による燃料タンク２４からの炭化水素系の燃料（例えば、プロパンやブタンなど）とブロア２６による空気とを混合して改質原料とする混合部２８と、改質原料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質反応部３０と、水ポンプ３１による水タンク２２からの水を改質ガスに供給して気化し水蒸気と改質ガスとからなる混合ガスとすると共に所定範囲の温度に混合ガスを冷却する熱交換部３２と、混合ガス中の一酸化炭素をシフト反応により水素と二酸化炭素とにシフトするシフト反応部３４と、シフト反応部３４ではシフトできなかった一酸化炭素をブロア３６により供給される空気中の酸素を用いて酸化して水素リッチで一酸化炭素濃度が低い燃料ガスとする一酸化炭素浄化部３８とを備える。本発明の中核は、熱交換部３２の構成にあるから、それ以外の構成についての詳細な説明は省略する。なお、実施例の燃料改質装置２０おける熱交換部３２では、６００〜１０００℃程度で運転される改質反応部３０からの改質ガスに水蒸気を混合すると共に２００〜６００℃程度で運転されるシフト反応部３４に供給するために２００〜６００℃程度まで冷却する。
【００１８】
図２は実施例の燃料改質装置２０が備える熱交換部３２の構成の概略を示す構成図であり、図３は図２に例示する熱交換部３２のＢ−Ｂ断面を模式的に示す断面図である。なお、図２は、図３のＡ−Ａ断面の断面図となっている。実施例の熱交換部３２は、図示するように、ケース４０により改質反応部３０とシフト反応部３４とを連絡する連絡部として構成され、ケース４０の改質反応部３０側に配置された改質ガス透過部材４２と、この改質ガス透過部材４２に液水を供給する複数の水供給管５０と、ケース４０のシフト反応部３４側に配置された混合ガス均等化部材５６とを備える。
【００１９】
改質ガス透過部材４２は、ガス透過性の多孔質材料により形成されており、改質ガス透過部材４２の前段に設けられた改質ガスマニホールド４１からの改質ガスを導入する複数のガス導入孔４４と、改質ガス透過部材４２と混合ガス均等化部材５６との間のガス混合空間５４側に透過したガスの排出を促進する複数のガス排出孔４６とを備える。
【００２０】
複数の水供給管５０は、図３に示すように、改質ガス透過部材４２の改質ガスマニホールド４１側に配置されており、改質ガスマニホールド４１側に向けて、即ち改質ガスの流れに対して対向する方向に向けて液水を吐出する複数の吐出口５２を備える。この複数の水供給管５０には、図１に示すように、水ポンプ３１により水タンク２２からの液水が供給されるようになっている。
【００２１】
混合ガス均等化部材５６は、ガス透過性の多孔質材料により形成されており、ガス混合空間５４内のガスの混合を促進すると共に均等な流れとしてシフト反応部３４に供給する。
【００２２】
こうして構成された実施例の熱交換部３２では、次のように改質ガスが冷却されると共に液水が気化され改質ガスと混合される。改質反応部３０から改質ガスマニホールド４１に供給された改質ガスは、改質ガス透過部材４２の改質ガスマニホールド４１側表面およびガス導入孔４４の表面から改質ガス透過部材４２内部に入り込む。一方、複数の水供給管５０の吐出口５２から吐出した液水は、水供給管５０を覆うようにしてガス混合空間５４側に流れる。この際、液水は、改質ガス透過部材４２内を透過している改質ガスへ拡散し、改質ガスとの熱交換により改質ガスを冷却すると共に自身は気化し、改質ガスと混合する。実施例の熱交換部３２では、改質ガス透過部材４２に複数のガス導入孔４４を形成したから、改質ガス透過部材４２内部への改質ガスの導入を促進することができる。この結果、複数の水供給管５０から供給される液水の気化と改質ガスとの混合を促進することができると共に改質ガスの冷却を効率よく行なうことができる。また、水供給管５０を覆うように吐出した液水が流れるよう複数の吐出口５２を形成したから、液水による冷却効果さらには気化潜熱による冷却効果により複数の水供給管５０内で液水が沸騰するのを抑制することができる。この結果、水供給管５０内におけるベーパロックに起因する液水の供給圧力損失の急増や水供給管５０からの放出分布の増加などを抑制し、改質ガス透過部材４２への液水の供給を制御性の高いものとすることができる。
【００２３】
改質ガス透過部材４２内部の改質ガスと水蒸気は、改質ガス透過部材４２のガス混合空間５４側表面およびガス排出孔４６の表面からガス混合空間５４側に排出される。実施例の熱交換部３２では、改質ガス透過部材４２に複数のガス排出孔４６を形成したから、液水の気化の律速を司ると考えられる改質ガス透過部材４２のガスの排出側の表面近傍における蒸気の排出を促し、気化蒸気圧力の上昇を抑制することができる。即ち、液水の気化を促進することができる。また、透過してきた改質ガスや水蒸気による表面境界層内での滞留を抑制することができる。
【００２４】
ガス混合空間５４に排出された改質ガスと水蒸気は、ガス混合空間５４と混合ガス均等化部材５６との配置および混合ガス均等化部材５６の透過によって均等な混合状態とされると共に均等な流れとしてシフト反応部３４に供給される。
【００２５】
以上説明した実施例の熱交換部３２によれば、改質ガスが多孔質材料の改質ガス透過部材４２を透過する際に、改質ガス透過部材４２に供給した液水を気化すると共に混合することにより、改質ガスを冷却すると共に改質ガスにシフト反応に必要な水蒸気を供給して混合することができる。しかも、改質ガス透過部材４２に複数のガス導入孔４４を形成したから、改質ガス透過部材４２内部への改質ガスの導入を促進することができると共に供給された液水の気化と改質ガスとの混合を促進することができる。また、改質ガス透過部材４２に複数のガス排出孔４６を形成したから、液水の気化を促進することができると共に透過してきたガスの表面境界層内での滞留を抑制することができる。さらに、複数の吐出口５２を改質ガスの流れに対向するよう水供給管５０に形成したから、吐出した液水が水供給管５０を覆うように流れることにより水供給管５０内で液水が沸騰するのを抑制することができる。即ち、吐出した液水が高温の改質ガスと接触することにより水供給管５０周囲で気化し、その気化潜熱により水供給管５０が効率よく冷却可能となるのである。
【００２６】
実施例の熱交換部３２では、改質ガス透過部材４２に複数のガス導入孔４４と複数のガス排出孔４６とを形成したが、改質ガス透過部材４２に複数のガス導入孔４４は形成するが複数のガス排出孔４６は形成しないものとしたり、改質ガス透過部材４２に複数のガス排出孔４６は形成するが複数のガス導入孔４４は形成しないものとしても差し支えない。もとより、改質ガス透過部材４２に複数のガス導入孔４４も複数のガス排出孔４６も形成しないものとしてもかまわない。
【００２７】
実施例の熱交換部３２では、複数の水供給管５０から改質ガスの流れに対向して液水が噴出するよう水供給管５０に複数の吐出口５２を形成したが、水供給管５０から吐出する液水の方向は如何なる方向でもかまわない。例えば、改質ガスの流れに対して略９０度の角度をもって液水が噴出するように複数の吐出口５２を形成してもよく、また、改質ガスの流れと同方向に液水が噴出するよう複数の吐出口５２を形成してもよい。
【００２８】
実施例の熱交換部３２では、複数の水供給管５０の複数の吐出口５２から改質ガス透過部材４２に液水を供給するものとしたが、複数の水供給管５０を単に改質ガス透過部材４２に形成した貫通孔とし、この貫通孔の周囲から液水が改質ガス透過部材４２に供給されるように形成してもよい。また、複数の水供給管５０を備えず、改質ガス透過部材４２の側面または改質ガスマニホールド４１側表面から液水を浸透させて供給するものとしても差し支えない。
【００２９】
実施例の熱交換部３２では、改質ガス透過部材４２をガス透過性の多孔質材料により形成したが、ガス透過性の材料であれば如何なる材料で形成してもよい。例えば、網目構造材料や発泡材料などにより改質ガス透過部材を形成するものとしてもよい。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施例としての燃料改質装置１２０について説明する。第２実施例の燃料改質装置１２０は、熱交換部１３２が異なる点を除いて第１実施例の燃料改質装置２０と同一の構成をしている。したがって、以下に、第２実施例の燃料改質装置１２０が備える熱交換部１３２について説明し、その他の構成については第１実施例の燃料改質装置２０に用いた同一符号を用い、その説明は省略する。
【００３１】
図４は第２実施例の燃料改質装置１２０が備える熱交換部１３２の構成の概略を示す構成図であり、図５は図４に例示する熱交換部１３２のＤ−Ｄ断面を模式的に示す断面図である。なお、図４は、図５のＣ−Ｃ断面の断面図となっている。第２実施例の熱交換部１３２は、図示するように、ケース１４０により改質反応部３０とシフト反応部３４とを連絡する連絡部として構成され、ケース１４０の改質反応部３０側に配置された改質ガス透過部材１４２と、この改質ガス透過部材１４２に液水を供給する複数の水供給管１５０と、多孔質材料により形成されケース１４０のシフト反応部３４側に配置された混合ガス均等化部材１５６とを備える。なお、混合ガス均等化部材１５６は、第１実施例の熱交換部３２が備える混合ガス均等化部材５６と同一である。
【００３２】
改質ガス透過部材１４２は、第１実施例の改質ガス透過部材４２と同様に、ガス透過性の多孔質材料により形成されている。改質ガス透過部材１４２には、改質ガス透過部材１４２の前段に設けられた改質ガスマニホールド１４１側に改質ガス透過部材１４２内の改質ガスの流れと略直交する方向に複数の水供給管１５０が埋め込まれている。また、改質ガス透過部材１４２には、水供給管１５０に接続され改質ガス透過部材１４２と混合ガス均等化部材１５６とにより形成されるガス混合空間１５４に開口部を持つ複数の細管１５２が埋め込まれており、各細管１５２のガス混合空間１５４側の端部には、多孔質材料により形成された栓１５３がはめ込まれている。
【００３３】
複数の細管１５２は、直径が０．１〜３ｍｍ程度に形成されており、その内表面には液水が沸騰しやすいように沸騰の核となる核部が形成されている。細管１５２の内表面の一例を図６に示す。図６（ａ）は細管１５２の内表面を波形状に形成したものであり、図６（ｂ）は細管１５２の内表面に狭角溝を形成したものであり、図６（ｃ）は細管１５２の内表面をサーモエクセルとして形成したものである。なお、沸騰の核となるものが形成されていれば、その形状は如何なる形状であっても差し支えない。このように、細管１５２に沸騰の核を形成することにより、供給した液水の沸騰を促進することができると共に伝熱効果も向上させることができる。
【００３４】
こうして構成された第２実施例の燃料改質装置１２０では、次のように改質ガスが冷却されると共に液水が気化され改質ガスと混合される。改質反応部３０から改質ガスマニホールド１４１に供給された改質ガスは、改質ガス透過部材１４２の改質ガスマニホールド１４１側表面から改質ガス透過部材１４２内部に入り込み、改質ガス透過部材１４２内をガス混合空間１５４側に向かって流れ、改質ガス透過部材１４２のガス混合空間１５４側表面からガス混合空間１５４に供給される。一方、複数の水供給管１５０に供給された液水は、複数の細管１５２に供給され、改質ガス透過部材１４２内を流れる改質ガスとの熱交換により改質ガスを冷却すると共に自身は気化して栓１５３のガス混合空間１５４側表面から水蒸気としてガス混合空間１５４に流出する。各細管１５２のガス混合空間１５４側には栓１５３がはめ込まれているから、細管１５２からガス混合空間１５４へ液飛びを生じることはない。冷却されガス混合空間１５４に供給された改質ガスと水蒸気は、ガス混合空間１５４で混合し、混合ガス均等化部材１５６の透過の際に、均等な混合状態とされると共に均等な流れとしてシフト反応部３４に供給される。
【００３５】
以上説明した第２実施例の熱交換部１３２によれば、多孔質材料の改質ガス透過部材１４２を改質ガスが透過する際に複数の複数の細管１５２に供給された液水との熱交換により改質ガスを冷却することができると共に液水を気化することができる。そして、ガス混合空間１５４と混合ガス均等化部材１５６とにより改質ガスと水蒸気とをより均等に混合することができると共に混合ガスを均等な流れとしてシフト反応部３４に供給することができる。しかも、複数の細管１５２の内表面に沸騰の核となる核部を形成したから、液水の気化を促進することができる。
【００３６】
第２実施例の熱交換部１３２では、各細管１５２のガス混合空間１５４側の端部にはめ込んだ栓１５３を多孔質材料により形成したが、液飛びを防止可能な材料であれば如何なる材料により形成してもよい。例えば、金属発泡材料により形成してもよいし、ハニカムチューブのように格子壁を有する材料により形成してもよい。また、繊維質が網目状に織り込まれた材料により形成してもよい。
【００３７】
第２実施例の熱交換部１３２では、各細管１５２のガス混合空間１５４側の端部に多孔質材料により形成された栓１５３をはめ込むものとしたが、栓１５３をはめ込まないものとしても差し支えない。この場合、液飛びを抑制する手法として、図７に例示するように、各細管１５２のガス混合空間１５４側からの一部の内表面に親水性材料または吸湿性材料からなる保水膜１５２Ｂを形成するものとしてもよい。こうすれば、保水膜１５２Ｂである程度の水分を保持できるから、細管１５２からガス混合空間１５４への液飛びを抑制することができる。
【００３８】
第２実施例の熱交換部１３２では、複数の水供給管１５０や複数の細管１５２を改質ガス透過部材１４２に埋め込むものとしたが、改質ガス透過部材１４２に複数の水供給管１５０に相当する孔や複数の細管１５２に相当する孔を形成するものとしてもよい。こうすれば、複数の細管１５２内での液水の気化と共に複数の細管１５２から改質ガス透過部材１４２への液水の混合および気化を図ることができる。また、複数の細管１５２は、鋼管や透過管など、如何なる材料により形成しても差し支えない。
【００３９】
第２実施例の熱交換部１３２では、改質ガス透過部材１４２をガス透過性の多孔質材料により形成し、この改質ガス透過部材１４２に複数の水供給管１５０と複数の細管１５２とを埋め込んだが、改質ガス透過部材１４２を配置した空間に単に複数の水供給管１５０と複数の細管１５２とを配置するものとしても差し支えない。この場合、改質ガスと複数の細管１５２内の水との熱交換を促進するために、複数の細管１５２に複数の伝熱フィンを取り付けるものとしたり、改質ガス透過部材１４２が配置される空間に格子メタルを形成するものとしてもよい。また、複数の細管１５２のクリアランスは、如何なるものとしてもよいが、クリアランスを狭くすることにより伝熱の促進を図ることができることから、伝熱促進の観点としては狭い方が好ましい。
【００４０】
第１実施例の熱交換部３２や第２実施例の熱交換部１３２では、ガス混合空間５４，１５４と混合ガス均等化部材５６，１５６とを備えるものとしたが、図８の変形例の熱交換部３２Ｂに示すように、ガス混合空間５４の後段に未気化の水や液化した水をトラップして気化する気化調整部６０を備えるものとしてもよい。この気化調整部６０は、ハニカムチューブのように複数の壁面により区切られた複数の混合ガス流路６２により構成されている。混合ガス流路６２では、改質ガスの顕熱との熱交換により壁面の表面温度を上昇させて壁面に付着した未気化の水や液化した水を気化して水蒸気とする。なお、気化調整部６０は複数の混合ガス流路６２により構成されるものに限定されず、ガス透過性の多孔質材料により形成するものとしてもよい。また、混合ガス流路６２に複数の伝熱フィンを取り付けたものとしてもよい。
【００４１】
第１実施例の熱交換部３２や第２実施例の熱交換部１３２では、改質ガスマニホールド４１，１４１やガス混合空間５４，１５４，混合ガス均等化部材５６，１５６を備えるものとしたが、改質ガスマニホールド４１，１４１やガス混合空間５４，１５４，混合ガス均等化部材５６，１５６を全く備えない構成としてもよく、これらのいずれか一つまたは二つを備えるものとしてもよい。
【００４２】
第１実施例の燃料改質装置２０や第２実施例の燃料改質装置１２０では、炭化水素系の燃料としてプロパンやブタンなどを用いるものとしたが、メタンやエタンなどの気体の他の炭化水素系の燃料やガソリンやメタノールなどの液体の炭化水素系の燃料を用いるものとしてもよい。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料改質装置２０の構成の概略を模式的に示す構成図である。
【図２】実施例の燃料改質装置２０が備える熱交換部３２の構成の概略を示す構成図である。
【図３】図２に例示する熱交換部３２のＢ−Ｂ断面を模式的に示す断面図である。
【図４】第２実施例の燃料改質装置１２０が備える熱交換部１３２の構成の概略を示す構成図である。
【図５】図４に例示する熱交換部１３２のＤ−Ｄ断面を模式的に示す断面図である。
【図６】細管１５２の内表面の一例を示す説明図である。
【図７】細管１５２の内表面の一例を示す説明図である。
【図８】変形例の熱交換部３２Ｂの構成の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
２０，１２０燃料改質装置、２２水タンク、２３水ポンプ、２４燃料タンク、２５燃料ポンプ、２６ブロア、２８混合部、３０改質反応部、３１水ポンプ、３２，３２Ｂ，１３２熱交換部、３４シフト反応部、３６ブロア、３８一酸化炭素浄化部、４０，１４０ケース、４１，１４１改質ガスマニホールド、４２，１４２改質ガス透過部材、４４ガス導入孔、４６ガス排出孔、５０，１５０水供給管、５２吐出口、５４，１５４ガス混合空間、５６，１５６混合ガス均等化部材、１５２細管、１５２Ｂ保水膜、１５３栓。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reformer, and more specifically, a reforming section for reforming a hydrocarbon-based fuel into a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide, and shifting steam and carbon monoxide to hydrogen and carbon dioxide. The present invention relates to a fuel reformer that includes a shift unit that reforms a hydrocarbon-based fuel into a hydrogen-rich fuel gas.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of fuel reformer, steam is mixed with a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide, and the carbon monoxide in the reformed gas is shifted to hydrogen and carbon dioxide using steam. In order to obtain a hydrogen-rich gas, there has been proposed (for example, JP-A-63-303801). In this apparatus, an evaporator for vaporizing water is provided, and steam vaporized by the evaporator is mixed with reformed gas.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a fuel reformer, an evaporator is required, which complicates and enlarges the apparatus. In addition, while a heat source necessary for vaporizing water is required, it is necessary to efficiently cool the sensible heat of the reformed gas in a small area in order to adjust the temperature in the shift unit, and the thermal efficiency of the apparatus is lowered. There are many cases. Also, conventional heat exchangers (for example, water cooling, oil cooling, air cooling, etc.) are difficult to respond to temperature rise at start-up or to transient temperature and heat changes due to the heat capacity of components and the heat capacity of the medium. there were.
[0004]
The fuel reforming apparatus of the present invention has one of the purposes of downsizing and simplification of the apparatus, improvement of startability, and responsiveness. In addition, the fuel reformer of the present invention achieves highly efficient heat exchange using latent heat cooling generated in the process of introducing water into the reformed gas to become steam, and further converts the reformed gas and vaporized steam. One purpose is to mix evenly. Furthermore, the fuel reforming apparatus of the present invention has an object of improving the thermal efficiency of the apparatus.
[0005]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
The fuel reforming apparatus of the present invention employs the following means in order to achieve at least a part of the above object.
[0011]
The second fuel reformer of the present invention comprises:
A hydrocarbon-based fuel having a reforming section for reforming the fuel into a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide; and a shift section for shifting water vapor and carbon monoxide to hydrogen and carbon dioxide. A fuel reformer that reforms the fuel into a hydrogen-rich fuel gas,
Communicating the reforming unit and the shift unit, and a communication unit capable of supplying reformed gas from the reforming unit to the shift unit;
A reformed gas permeable member disposed on the reforming section side of the communication section and having a plurality of thin tubes;
The gist of the present invention is to provide liquid water supply means for supplying liquid water to the plurality of thin tubes of the reformed gas permeable member.
[0012]
In the second fuel reformer of the present invention, the reformer disposed on the reforming unit side of the communication unit that communicates the reforming unit and the shift unit and supplies reformed gas from the reforming unit to the shift unit. Liquid water is supplied to a plurality of thin tubes of the quality gas permeable member. The supplied liquid water cools the reformed gas by heat exchange with the reformed gas, vaporizes in the narrow tube, mixes with the reformed gas in the vicinity of the outlet of the narrow tube, and is supplied to the shift unit. If the supply amount of liquid water is required for the shift reaction, the steam necessary for the shift reaction can be supplied and the reformed gas can be cooled.
[0013]
In the second fuel reformer of the present invention, the plurality of thin tubes may be provided with a plurality of core portions serving as nuclei of boiling liquid water on the inner surface. If it carries out like this, vaporization of liquid water can be accelerated | stimulated also in several pores.
[0014]
Further, in the second fuel reformer of the present invention, the plurality of thin tubes may be such that at least an inner surface in the vicinity of the shift portion side is subjected to a hydrophilic treatment or a hygroscopic treatment. In this way, since a certain amount of moisture can be retained on the inner surface of the thin tube, liquid jump to the subsequent stage can be suppressed.
[0015]
Furthermore, the second fuel reformer of the present invention may be provided with a plug member that is formed of a gas permeable material and plugs an outlet on the shift portion side of the plurality of thin tubes. In this way, it is possible to prevent liquid jumping to the subsequent stage.
[0016]
In the second fuel reforming apparatus of the present invention , the communication unit may include a gas mixing space at the rear stage of the reformed gas permeable member. In this way, the mixing of the reformed gas and water vapor can be made more uniform. In the second fuel reformer of the present invention according to this aspect, the communication unit includes gas equalization means for promoting equalization of gas mixture and equalization of gas flow in the subsequent stage of the gas mixing space. You can also In this aspect of the second fuel reformer of the present invention , the gas equalizing means is a pressure permeable member formed of a material having a plurality of gaps that transmit gas with a predetermined pressure difference. You can also.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described using examples. FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an outline of a configuration of a fuel reformer 20 which is an embodiment of the present invention. The fuel reformer 20 of the embodiment uses water from the water tank 22 by the water pump 23, hydrocarbon-based fuel (for example, propane and butane) from the fuel tank 24 by the fuel pump 25, and air from the blower 26. Mixing unit 28 for mixing and using as a reforming raw material, reforming reaction unit 30 for reforming the reforming raw material into a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide, and water from water tank 22 by water pump 31. A heat exchange unit 32 that supplies the reformed gas to vaporize and forms a mixed gas composed of water vapor and the reformed gas and cools the mixed gas to a temperature within a predetermined range, and converts the carbon monoxide in the mixed gas into hydrogen by a shift reaction. The shift reaction unit 34 that shifts to carbon dioxide and the carbon monoxide that could not be shifted by the shift reaction unit 34 are oxidized using oxygen in the air supplied by the blower 36 to be rich in hydrogen and enriched in carbon monoxide. And a carbon monoxide purifier 38 which is to lower the fuel gas. Since the core of the present invention is in the configuration of the heat exchanging section 32, a detailed description of other configurations is omitted. In addition, in the heat exchange part 32 in the fuel reforming apparatus 20 of the embodiment, steam is mixed with the reformed gas from the reforming reaction part 30 that is operated at about 600 to 1000 ° C. and is operated at about 200 to 600 ° C. In order to supply to the shift reaction unit 34, the temperature is cooled to about 200 to 600 ° C.
[0018]
FIG. 2 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the heat exchange unit 32 included in the fuel reforming apparatus 20 of the embodiment, and FIG. 3 schematically shows a BB cross section of the heat exchange unit 32 illustrated in FIG. It is sectional drawing. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. As shown in the drawing, the heat exchanging unit 32 of the embodiment is configured as a communication unit that connects the reforming reaction unit 30 and the shift reaction unit 34 by the case 40, and is disposed on the reforming reaction unit 30 side of the case 40. The reformed gas permeable member 42, a plurality of water supply pipes 50 for supplying liquid water to the reformed gas permeable member 42, and a mixed gas equalizing member 56 disposed on the shift reaction unit 34 side of the case 40 are provided. .
[0019]
The reformed gas permeable member 42 is formed of a gas permeable porous material, and a plurality of gas introductions for introducing the reformed gas from the reformed gas manifold 41 provided in the previous stage of the reformed gas permeable member 42. A hole 44 and a plurality of gas discharge holes 46 that facilitate the discharge of the gas that has permeated to the gas mixing space 54 between the reformed gas permeable member 42 and the mixed gas equalizing member 56 are provided.
[0020]
As shown in FIG. 3, the plurality of water supply pipes 50 are arranged on the reformed gas manifold 41 side of the reformed gas permeable member 42, and are directed toward the reformed gas manifold 41 side, that is, the flow of the reformed gas. Are provided with a plurality of discharge ports 52 for discharging liquid water in a direction opposite to each other. As shown in FIG. 1, liquid water from the water tank 22 is supplied to the plurality of water supply pipes 50 by a water pump 31.
[0021]
The mixed gas equalizing member 56 is formed of a gas permeable porous material, and promotes mixing of the gas in the gas mixing space 54 and supplies it to the shift reaction unit 34 as an equal flow.
[0022]
In the heat exchange section 32 of the embodiment thus configured, the reformed gas is cooled and the liquid water is vaporized and mixed with the reformed gas as follows. The reformed gas supplied from the reforming reaction unit 30 to the reformed gas manifold 41 enters the reformed gas permeable member 42 from the surface of the reformed gas permeable member 42 on the side of the reformed gas manifold 41 and the surface of the gas introduction hole 44. Get in. On the other hand, the liquid water discharged from the discharge ports 52 of the plurality of water supply pipes 50 flows toward the gas mixing space 54 so as to cover the water supply pipes 50. At this time, the liquid water diffuses into the reformed gas passing through the reformed gas permeable member 42, cools the reformed gas by heat exchange with the reformed gas, vaporizes itself, and the reformed gas and Mix. In the heat exchange part 32 of the embodiment, since the plurality of gas introduction holes 44 are formed in the reformed gas permeable member 42, introduction of the reformed gas into the reformed gas permeable member 42 can be promoted. As a result, the vaporization of the liquid water supplied from the plurality of water supply pipes 50 and the mixing of the reformed gas can be promoted, and the reformed gas can be efficiently cooled. Further, since the plurality of discharge ports 52 are formed so that the liquid water discharged so as to cover the water supply pipe 50 flows, the liquid water is cooled in the plurality of water supply pipes 50 by the cooling effect by liquid water and the cooling effect by latent heat of vaporization. Can be suppressed from boiling. As a result, it is possible to suppress a sudden increase in supply pressure loss of liquid water due to vapor lock in the water supply pipe 50 and an increase in the distribution of discharge from the water supply pipe 50, and to supply liquid water to the reformed gas permeable member 42. It can be made highly controllable.
[0023]
The reformed gas and water vapor inside the reformed gas permeable member 42 are discharged from the surface of the reformed gas permeable member 42 on the gas mixing space 54 side and the surface of the gas discharge hole 46 to the gas mixing space 54 side. In the heat exchange section 32 of the embodiment, since the plurality of gas discharge holes 46 are formed in the reformed gas permeable member 42, the gas on the gas discharge side of the reformed gas permeable member 42, which is considered to control the vaporization of liquid water. It is possible to promote the discharge of steam in the vicinity of the surface and suppress the increase in vaporized steam pressure. That is, vaporization of liquid water can be promoted. Moreover, the residence in the surface boundary layer by the reformed gas and water vapor which have permeated can be suppressed.
[0024]
The reformed gas and water vapor discharged into the gas mixing space 54 are made to be in a uniform mixed state and flow evenly by the arrangement of the gas mixing space 54 and the mixed gas equalizing member 56 and permeation of the mixed gas equalizing member 56. To the shift reaction section 34.
[0025]
According to the heat exchange section 32 of the embodiment described above, when the reformed gas permeates the reformed gas permeable member 42 of the porous material, the liquid water supplied to the reformed gas permeable member 42 is vaporized and mixed. By doing so, the reformed gas can be cooled and the reformed gas can be supplied with water vapor necessary for the shift reaction and mixed. In addition, since the plurality of gas introduction holes 44 are formed in the reformed gas permeable member 42, the introduction of the reformed gas into the reformed gas permeable member 42 can be promoted, and the supplied liquid water can be vaporized and modified. Mixing with quality gas can be promoted. Further, since the plurality of gas discharge holes 46 are formed in the reformed gas permeable member 42, the vaporization of the liquid water can be promoted and the stay of the permeated gas in the surface boundary layer can be suppressed. Further, since the plurality of discharge ports 52 are formed in the water supply pipe 50 so as to oppose the flow of the reformed gas, the discharged liquid water flows so as to cover the water supply pipe 50, thereby causing liquid water in the water supply pipe 50. Can be suppressed from boiling. That is, the discharged liquid water is vaporized around the water supply pipe 50 by coming into contact with the high-temperature reformed gas, and the water supply pipe 50 can be efficiently cooled by the latent heat of vaporization.
[0026]
In the heat exchange unit 32 of the embodiment, a plurality of gas introduction holes 44 and a plurality of gas discharge holes 46 are formed in the reformed gas permeable member 42, but a plurality of gas introduction holes 44 are formed in the reformed gas permeable member 42. However, a plurality of gas discharge holes 46 may not be formed, or a plurality of gas discharge holes 46 may be formed in the reformed gas permeable member 42 but a plurality of gas introduction holes 44 may not be formed. Needless to say, the plurality of gas introduction holes 44 and the plurality of gas discharge holes 46 may not be formed in the reformed gas permeable member 42.
[0027]
In the heat exchange unit 32 of the embodiment, the plurality of discharge ports 52 are formed in the water supply pipe 50 so that the liquid water is ejected from the plurality of water supply pipes 50 to face the flow of the reformed gas. The direction of the liquid water discharged from the nozzle may be any direction. For example, the plurality of discharge ports 52 may be formed so that the liquid water is ejected at an angle of approximately 90 degrees with respect to the flow of the reformed gas, and the liquid water is ejected in the same direction as the flow of the reformed gas. A plurality of discharge ports 52 may be formed to do this.
[0028]
In the heat exchange unit 32 of the embodiment, liquid water is supplied from the plurality of discharge ports 52 of the plurality of water supply pipes 50 to the reformed gas permeable member 42, but the plurality of water supply pipes 50 are simply connected to the reformed gas. A through hole formed in the permeable member 42 may be formed so that liquid water is supplied to the reformed gas permeable member 42 from around the through hole. Further, the plurality of water supply pipes 50 may not be provided, and liquid water may be supplied by penetrating from the side surface of the reformed gas permeable member 42 or the reformed gas manifold 41 side surface.
[0029]
In the heat exchange section 32 of the embodiment, the reformed gas permeable member 42 is formed of a gas permeable porous material, but may be formed of any material as long as it is a gas permeable material. For example, the modified gas permeable member may be formed of a network structure material or a foam material.
[0030]
Next, a fuel reformer 120 as a second embodiment of the present invention will be described. The fuel reformer 120 of the second embodiment has the same configuration as the fuel reformer 20 of the first embodiment except that the heat exchanging unit 132 is different. Therefore, hereinafter, the heat exchanging unit 132 included in the fuel reformer 120 of the second embodiment will be described, and the same reference numerals used in the fuel reformer 20 of the first embodiment will be used for the other configurations, and the description thereof will be made. Is omitted.
[0031]
FIG. 4 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the heat exchange unit 132 included in the fuel reformer 120 of the second embodiment, and FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the line DD of the heat exchange unit 132 illustrated in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. As shown in the figure, the heat exchanging unit 132 of the second embodiment is configured as a communication unit that connects the reforming reaction unit 30 and the shift reaction unit 34 by the case 140, and is disposed on the reforming reaction unit 30 side of the case 140. Reformed gas permeable member 142, a plurality of water supply pipes 150 for supplying liquid water to the reformed gas permeable member 142, and a mixture formed of a porous material and disposed on the shift reaction part 34 side of the case 140 A gas equalizing member 156. The mixed gas equalizing member 156 is the same as the mixed gas equalizing member 56 provided in the heat exchange unit 32 of the first embodiment.
[0032]
The reformed gas permeable member 142 is made of a gas permeable porous material, like the modified gas permeable member 42 of the first embodiment. The reformed gas permeable member 142 includes a plurality of water in a direction substantially orthogonal to the flow of the reformed gas in the reformed gas permeable member 142 on the side of the reformed gas manifold 141 provided in the front stage of the reformed gas permeable member 142. A supply pipe 150 is embedded. The reformed gas permeable member 142 includes a plurality of thin tubes 152 connected to the water supply pipe 150 and having openings in a gas mixing space 154 formed by the reformed gas permeable member 142 and the mixed gas equalizing member 156. A plug 153 made of a porous material is fitted into the end of each narrow tube 152 on the gas mixing space 154 side.
[0033]
The plurality of thin tubes 152 are formed to have a diameter of about 0.1 to 3 mm, and a core portion serving as a boiling core is formed on the inner surface so that the liquid water can easily boil. An example of the inner surface of the thin tube 152 is shown in FIG. 6A shows the inner surface of the narrow tube 152 formed into a wave shape, FIG. 6B shows the inner surface of the narrow tube 152 formed with a narrow-angle groove, and FIG. 6C shows the narrow tube. The inner surface of 152 is formed as thermo-Excel. In addition, as long as what becomes the core of boiling is formed, the shape may be any shape. Thus, by forming a boiling nucleus in the thin tube 152, the boiling of the supplied liquid water can be promoted and the heat transfer effect can be improved.
[0034]
In the fuel reformer 120 of the second embodiment configured as described above, the reformed gas is cooled and the liquid water is vaporized and mixed with the reformed gas as follows. The reformed gas supplied from the reforming reaction section 30 to the reformed gas manifold 141 enters the reformed gas permeable member 142 from the surface of the reformed gas permeable member 142 on the side of the reformed gas manifold 141, and the reformed gas permeable member. The gas flows through the gas mixing space 154 toward the gas mixing space 154 and is supplied to the gas mixing space 154 from the gas mixing space 154 side surface of the reformed gas permeable member 142. On the other hand, the liquid water supplied to the plurality of water supply pipes 150 is supplied to the plurality of thin tubes 152 and cools the reformed gas by heat exchange with the reformed gas flowing in the reformed gas permeable member 142 and itself. It vaporizes and flows out from the gas mixing space 154 side surface of the plug 153 to the gas mixing space 154 as water vapor. Since the cap 153 is fitted on the gas mixing space 154 side of each thin tube 152, no liquid jumps from the thin tube 152 to the gas mixing space 154. The reformed gas and water vapor that have been cooled and supplied to the gas mixing space 154 are mixed in the gas mixing space 154 and, when permeated through the mixed gas equalizing member 156, are made into an even mixed state and shifted as an equal flow. It is supplied to the reaction unit 34.
[0035]
According to the heat exchange section 132 of the second embodiment described above, the heat with the liquid water supplied to the plurality of thin tubes 152 when the reformed gas permeates the reformed gas permeable member 142 of the porous material. The reformed gas can be cooled by the exchange and the liquid water can be vaporized. The reformed gas and water vapor can be mixed more uniformly by the gas mixing space 154 and the mixed gas equalizing member 156, and the mixed gas can be supplied to the shift reaction unit 34 as an equal flow. In addition, since the core portion serving as the core of boiling is formed on the inner surfaces of the plurality of thin tubes 152, the vaporization of liquid water can be promoted.
[0036]
In the heat exchanging portion 132 of the second embodiment, the plug 153 fitted into the end of each narrow tube 152 on the gas mixing space 154 side is formed of a porous material. It may be formed. For example, it may be formed of a metal foam material or a material having a lattice wall such as a honeycomb tube. Moreover, you may form with the material in which the fiber was woven in mesh shape.
[0037]
In the heat exchange section 132 of the second embodiment, the plug 153 formed of a porous material is fitted into the end of each narrow tube 152 on the gas mixing space 154 side. However, the plug 153 may not be fitted. . In this case, as a technique for suppressing liquid splash, as illustrated in FIG. 7, a water retaining film 152B made of a hydrophilic material or a hygroscopic material is formed on a part of the inner surface of each thin tube 152 from the gas mixing space 154 side. It is good also as what to do. In this way, a certain amount of moisture can be retained by the water retention film 152B, and thus liquid jump from the narrow tube 152 to the gas mixing space 154 can be suppressed.
[0038]
In the heat exchange unit 132 of the second embodiment, a plurality of water supply pipes 150 and a plurality of thin tubes 152 are embedded in the reformed gas permeable member 142. A corresponding hole or a hole corresponding to the plurality of thin tubes 152 may be formed. By doing so, it is possible to mix and vaporize liquid water from the plurality of thin tubes 152 to the reformed gas permeable member 142 as well as vaporize the liquid water in the plurality of thin tubes 152. The plurality of thin tubes 152 may be formed of any material such as a steel tube or a permeation tube.
[0039]
In the heat exchange unit 132 of the second embodiment, the reformed gas permeable member 142 is formed of a gas permeable porous material, and a plurality of water supply pipes 150 and a plurality of narrow tubes 152 are provided on the reformed gas permeable member 142. Although embedded, the plurality of water supply pipes 150 and the plurality of thin tubes 152 may be simply disposed in the space where the reformed gas permeable member 142 is disposed. In this case, in order to promote heat exchange between the reformed gas and the water in the plurality of narrow tubes 152, a plurality of heat transfer fins are attached to the plurality of thin tubes 152, or the reformed gas permeable member 142 is disposed. A lattice metal may be formed in the space. Further, the clearances of the plurality of thin tubes 152 may be any, but since heat transfer can be promoted by narrowing the clearances, a narrower one is preferable from the viewpoint of heat transfer promotion.
[0040]
The heat exchange section 32 of the first embodiment and the heat exchange section 132 of the second embodiment include the gas mixing spaces 54 and 154 and the mixed gas equalizing members 56 and 156. As shown in the heat exchange section 32B, a vaporization adjusting section 60 that traps and vaporizes unvaporized water or liquefied water after the gas mixing space 54 may be provided. The vaporization adjusting unit 60 is configured by a plurality of mixed gas flow paths 62 divided by a plurality of wall surfaces like a honeycomb tube. In the mixed gas flow path 62, the surface temperature of the wall surface is raised by heat exchange with the sensible heat of the reformed gas, and unvaporized water or liquefied water adhering to the wall surface is vaporized to form steam. In addition, the vaporization adjustment part 60 is not limited to what is comprised by the some mixed gas flow path 62, It is good also as what is formed with a gas-permeable porous material. A plurality of heat transfer fins may be attached to the mixed gas flow path 62.
[0041]
The heat exchange section 32 of the first embodiment and the heat exchange section 132 of the second embodiment include the reformed gas manifolds 41 and 141, the gas mixing spaces 54 and 154, and the mixed gas equalizing members 56 and 156. The reformed gas manifolds 41 and 141 and the gas mixing spaces 54 and 154 and the mixed gas equalizing members 56 and 156 may not be provided at all, or any one or two of them may be provided.
[0042]
In the fuel reformer 20 of the first embodiment and the fuel reformer 120 of the second embodiment, propane, butane or the like is used as the hydrocarbon-based fuel, but other carbonization of gases such as methane and ethane. A hydrogen-based fuel or a liquid hydrocarbon-based fuel such as gasoline or methanol may be used.
[0043]
The embodiments of the present invention have been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course you get.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an outline of a configuration of a fuel reformer 20 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a heat exchange unit 32 provided in the fuel reformer 20 of the embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a BB cross section of a heat exchange section 32 illustrated in FIG. 2;
FIG. 4 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a heat exchange unit 132 provided in a fuel reformer 120 of a second embodiment.
5 is a cross-sectional view schematically showing a DD cross section of a heat exchanging unit 132 illustrated in FIG. 4. FIG.
6 is an explanatory view showing an example of the inner surface of a thin tube 152. FIG.
7 is an explanatory view showing an example of the inner surface of a thin tube 152. FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration of a heat exchange section 32B according to a modification.
[Explanation of symbols]
20, 120 Fuel reformer, 22 Water tank, 23 Water pump, 24 Fuel tank, 25 Fuel pump, 26 Blower, 28 Mixing unit, 30 Reforming reaction unit, 31 Water pump, 32, 32B, 132 Heat exchange unit, 34 shift reaction section, 36 blower, 38 carbon monoxide purification section, 40,140 case, 41,141 reformed gas manifold, 42,142 reformed gas permeable member, 44 gas introduction hole, 46 gas discharge hole, 50,150 Water supply pipe, 52 discharge port, 54,154 gas mixing space, 56,156 mixed gas equalizing member, 152 capillary, 152B water retention film, 153 stopper.

Claims

A hydrocarbon-based fuel having a reforming section for reforming the fuel into a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide; and a shift section for shifting water vapor and carbon monoxide to hydrogen and carbon dioxide. A fuel reformer that reforms the fuel into a hydrogen-rich fuel gas,
Communicating the reforming unit and the shift unit, and a communication unit capable of supplying reformed gas from the reforming unit to the shift unit;
A reformed gas permeable member disposed on the reforming section side of the communication section and having a plurality of thin tubes ;
A fuel reformer comprising liquid water supply means for supplying liquid water to the plurality of thin tubes of the reformed gas permeable member.

Wherein the plurality of capillaries, the fuel reforming apparatus according to claim 1, further comprising a plurality of core portions at the core of the boiling liquid water on the inner surface.

The fuel reformer according to claim 1 or 2 , wherein at least an inner surface in the vicinity of the shift portion side is subjected to a hydrophilic treatment or a hygroscopic treatment.

The fuel reformer according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a plug member that is formed of a gas permeable material and plugs an outlet of the plurality of thin tubes on the shift portion side.

The fuel reformer according to any one of claims 1 to 4 , wherein the communication unit includes a gas mixing space at a rear stage of the reformed gas permeable member.

The fuel reformer according to claim 5 , wherein the communication unit includes a gas equalizing unit that promotes equalization of gas mixing and equalization of gas flow in a subsequent stage of the gas mixing space.

7. The fuel reformer according to claim 6, wherein the gas equalizing means is a pressure permeable member formed of a material having a plurality of gaps that allow gas to permeate with a predetermined pressure difference.