JP4714023B2 - 改質器 - Google Patents
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Description
上記燃料電池は、炭化水素原料として、ナフサ、灯油等の石油系燃料や都市ガス等を用い、この炭化水素原料と水蒸気とを混合してガス状の改質ガス燃料とし、この改質ガス燃料を改質触媒とともに加熱することにより水素ガスを生成している。
このため、燃料電池は、炭化水素原料から水素ガスをいかに効率よく生成するかが最重要課題であり、水素ガスを生成する燃料改質装置及び改質器に関して、様々な技術が開示されている。
この技術によれば、セラミックファイバ等の断熱材を使用しなくても、真空断熱容器によって断熱することができるので、燃料改質装置の小型化及び熱効率の向上を図ることができる。
この技術によれば、予熱層を設けたことにより、原料予熱器が不要となり、原料を効率よく撹拌でき、かつ消費熱量を低減できる。また、各通路等の内部を羽根等によってらせん状に形成することにより、均一な温度分布を得ることができ、また、熱回収効率が向上するので、出口温度を所望の温度に設定することができる。
一般的に、燃料改質装置を小型化すると熱効率が低下するが、小型化しても熱効率が低下しない、好ましくは、熱効率をより向上させることの可能な改質器が要望されていた。
このようにすると、排ガスに対する改質容器の単位容積当たりの伝熱面積を広くすることができるので、改質容器を小さくすることができ、結果として、熱効率を向上させることができる。
このようにすると、改質器を縦型とする場合であっても、排ガス内側流路と排ガス外側流路を単純な構造で容易に実現することができる。
このようにすると、排ガスの伝熱効率を向上させることができるので、改質器の熱効率を高めることができる。
このようにすると、改質容器内に充填された改質触媒に対して、ピッチ間隔を調整することによって、加熱温度を制御することができるので、たとえば、改質容器の下部に位置する改質触媒を最適な加熱温度で加熱することができ、充填された位置にかかわらず改質触媒を有効利用することができる。
また、継続使用によって触媒が部分的に劣化した場合であっても、ピッチの位置・間隔を調整することによって、劣化していない有効な触媒を優先的に加熱することができる。
このようにすると、生成された改質ガスが有する高熱を有効利用して、改質触媒および改質ガス燃料を加熱することができるので、熱効率をより向上させることができる。
このようにすると、改質ガス流路の伝熱面積が広くなり、改質ガスの顕熱によって、改質触媒および改質ガス燃料を効率よく加熱することができるので、熱効率をさらに向上させることができる。
このようにすると、排ガスに対する伝熱面積が増加するので、熱効率をさらに向上させることができる。
このようにすると、改質容器に充填された改質触媒を、周方向にほぼ均一に加熱することができるので、改質触媒を有効に利用することができる。
さらに、排ガス内側流路及び/又は排ガス外側流路のらせん形状を、ピッチ可変及び/又は位置移動可能とすることにより、改質容器内に充填された改質触媒に対して、加熱温度を制御することができ、充填された位置にかかわらず改質触媒を有効利用することができる。
2 バーナー
2c セル
3 内側輻射筒
4 改質容器
5 真空断熱容器
6 リターンパイプ
7,7a フィン
21 炎
40 改質触媒
41,41a 内側筒状体
42,42a 外側筒状体
41b,42b 曲り部
41c,42c 凹凸
43 上蓋
44 改質ガス燃料供給管
30 排ガス内側流路
50 排ガス外側流路
51 外殻筒
52 断熱材
60 ガス流路
61 仕切り板
62 ガス排出口
71,71a フィン本体
72 フィン胴部
73 取付けねじ
74 ナット
図1は、本発明の第一実施形態にかかる改質器の概略図であり、(a)は上面方向断面図を、(b)はA−A断面図を示している。
同図において、改質器1は、中心部から外周方向に向かって、バーナー2,内側輻射筒3,改質容器4及び真空断熱容器5を設けた構成としてある。
本実施形態の改質器1は、燃料電池の燃料改質装置に組み込まれた改質器としてあり、図示してないが、改質器1の下方に、燃料改質装置に必要な関連機器、たとえば、水蒸発器,炭化水素原料気化器,炭化水素原料と水蒸気を混合する混合ノズル等が設けられている。
なお、本発明の改質器1は、燃料改質装置としてユニット化される場合に限定されるものではなく、たとえば、水蒸発器等から独立した状態で燃料電池に使用されてもよい。
この改質容器4は、内側筒状体41と外側筒状体42を円筒とし、これら円筒に円環状の上蓋43及び底蓋(図示せず)を溶接した二重円筒としてある。
なお、改質容器4の内側筒状体41と外側筒状体42は、上記形状に限定されるものではなく、たとえば、図2(a)に示すように、伝熱面積を増加させるための曲り部41b,42bを形成した内側筒状体41aと外側筒状体42aとしてもよい。また、曲り部41b,42bの代わりに、同図(b)に示すように、凹凸41c,42cを形成した形状としてもよい。このようにすると、排ガスに対する伝熱面積が増加するので、熱効率をさらに向上させることができる。
改質容器4に供給された改質ガス燃料は、改質容器4内部を上昇しながら改質触媒40によって水素ガスに改質される。
なお、改質ガス燃料供給管44は、8本に限定されるものではなく、たとえば、16本や24本等でもよい。
ここで、各リターンパイプ6を改質ガス燃料供給管44の間に配設することにより、改質ガス燃料供給管44から供給された改質ガス燃料が、ほぼ上方に流れるので、偏流が発生するといった不具合を防止でき、改質触媒40の反応速度を周方向においてほぼ均一にすることができる。したがって、改質触媒40の寿命が尽きるまで、安定した状態で水素ガスを生成することができる。
また、リターンパイプ6を改質容器4の内部に設けることにより、生成された高温の水素ガスがリターンパイプ6を流れる際、周囲の改質触媒40及び改質ガス燃料を加熱するので、その分熱効率を向上させることができる。
このガス流路60は、構造が単純化されているので、製造原価のコストダウンを図ることができる。
なお、ガス流路60を通過した水素ガスは、ガス排出口62からガス排出パイプ(図示せず)へと流出する。
なお、本実施形態では、断熱手段として、真空断熱容器5とその内側に設けた断熱材52を使用している。また、断熱材52を収納する外殻筒51の内側側板を、熱を内側に輻射するために利用することもできる。
なお、バーナー2は、一本の炎21が噴き出す構成としてあるが、このタイプのバーナーに限定されるものではなく、たとえば、円環状に炎が噴き出すバーナーを使用してもよい。
改質器1は、まずバーナー2が点火されると、内側輻射筒3を通って上昇した排ガスが排ガス内側流路30及び排ガス外側流路50を流れ、改質容器4の内側側面及び外側側面の両側面から改質容器4を加熱する。そして、改質容器4等が所定の温度まで加熱すると、改質ガス燃料供給管44から約500℃に昇温された改質ガス燃料が供給される。
供給された改質ガス燃料は、改質容器4内を上昇しながら加熱されるとともに改質触媒40によって化学反応を起こし、改質容器4の上部に到達するころには水素ガスに改質されるとともに、約700℃の高温ガスに昇温される。
また、生成された高温の水素ガスを改質容器4の内部に配設されたリターンパイプ6に流すことにより、改質ガス燃料及び改質触媒40を加熱することもできるので、熱効率をさらに向上させることができる。
図4は、本発明の第二実施形態にかかる改質器の外部フィンの概略図であり、(a)は軸方向断面図を、(b)は取付断面図を示している。
同図において、改質器1aは、排ガス外側流路50に、フィン7を設けた構成としてある。
フィン7は、外殻筒51に挿入されるフィン胴部72と、このフィン胴部72の内面にらせん状に突設されたフィン本体71とからなっており、排ガスがフィン7と接触し流れ方向が変化することにより、改質容器4への伝熱効率を高くすることができる。
このフィン7は、フィン本体71に貫通孔が穿設されており、この貫通孔に全ねじからなる取付けねじ73が挿入され、任意の高さ位置に固定される。
なお、その他の構成は、上記改質器1とほぼ同様としてある。
このようにすると、たとえば、改質容器4に約10年分の改質触媒40を充填した場合、改質容器4の下方の改質触媒40は、温度が比較的低くなるので、十分性能を発揮できないことが想定されるが、フィン7の高さを調整することにより、改質容器4の上部から下部に至るまでの改質触媒40に対して、最適な温度で化学反応を行なうことができ、水素ガスを効率よくかつ安定的に生成するとともに、改質触媒40を有効に使用することができる。
なお、本実施形態では、排ガス外側流路50にフィン7を設けているが、排ガス内側流路30にほぼ同様の構造を有するフィンを設けることも可能である。
また、ピッチの狭いフィン7を上段に積み重ねたとき、改質容器4の上部の改質触媒40を重点的に使用でき、また、図示してないが、フィン7を下段に積み重ねたときは、改質容器4の下部の改質触媒40を重点的に使用することができる。すなわち、フィン7,7aの積み重ねる順番を、たとえば、定期メンテナンスの際に交換することにより、フィン(らせん形状)のピッチを変更することができるので、高さ位置にかかわらず最適な温度に改質触媒40を加熱することができ、改質触媒40全体を有効に使用することができる。
例えば、改質器1の内側筒状体41及び外側筒状体42は、軸方向に曲り部を設けたジャバラ状の形状としてもよく、このようにしても、排ガスとの伝熱面積が大きくなり、熱効率を向上させることができる。
なお、セル2cの数量は、一又は二以上としてある。したがって、セル2cは、単品のセルを集合させたスタックやバンドルなどを含むものである。また、セル2cから排出される高温の水蒸気等が、熱源からの排ガスとして機能する。
Claims (8)
- 炭化水素原料から改質ガスを生成する改質器であって、
内側筒状体と外側筒状体を円筒とし、これら円筒体に円環状の上蓋と円環状の底蓋を取り付けた改質容器と、
この改質容器の外側筒状体と内側筒状体と上蓋および底蓋の間に、上部に空隙を形成した状態で充填された改質触媒と、
前記底蓋に連結された複数本の改質ガス燃料供給管と、
前記底蓋および改質触媒を貫通し、前記改質触媒の上面から前記空隙に先端が突出した状態で、前記複数本の改質ガス燃料供給管の間にそれぞれ配設された複数本のリターンパイプと、
前記改質触媒および前記改質容器に供給される前記炭化水素原料を加熱するための熱源と、
前記改質容器の内側筒状体の内側側面に沿って、前記熱源からの排ガスの一部が流れる排ガス内側流路と、
前記改質容器の外側側面に沿って、前記熱源からの排ガスの残りが流れる排ガス外側流路と、
を具備したことを特徴とする改質器。 - 前記排ガス外側流路を、前記外側筒状体と外殻筒とで形成し、かつ、前記排ガス内側流路を、前記内側筒状体と内側輻射筒とで形成したことを特徴とする請求項1記載の改質器。
- 前記排ガス内側流路及び/又は排ガス外側流路の少なくとも一部をらせん状に形成したことを特徴とする請求項1又は2記載の改質器。
- 前記排ガス内側流路及び/又は排ガス外側流路のらせん形状を、前記排ガス内側流路及び/又は排ガス外側流路にらせん状に突設したフィンによって形成したことを特徴とする請求項3記載の改質器。
- 前記フィンが、前記外殻筒に取り付けられるフィン胴部と、このフィン胴部の内面にらせん状に突設されたフィン本体からなることを特徴とする請求項4記載の改質器。
- 前記フィンの高さ位置を調整自在としたことを特徴とする請求項5記載の改質器。
- 前記フィンがピッチの異なる複数のフィンであって、これら複数のフィンを積み重ねたものであることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の改質器。
- 前記改質容器,排ガス内側流路及び排ガス外側流路を前記熱源に対して同心状に設けたことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の改質器。
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