JP4833597B2 - 水素供給装置 - Google Patents
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また、本水素供給装置では、混合器に導入される混合ガスの温度が300℃乃至600℃となり、可燃ガスの組成によっては自己着火を生じ得る温度域であるが、上記の通り混合器によって混合ガスの気相滞在時間が短縮される構成とすることで、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が防止又は効果的に抑制される。
さらに、本水素供給装置では、それぞれガス流分割部にて互いに独立して(非接触で)複数の流路に分割された可燃ガス及び支燃ガスが、混合部において拡散しながら短時間で均一に混合される。これにより、ガス流分割部を備えない構成と比較して、混合部における混合に要する空間的距離すなわち可燃ガスの気相滞留時間を大幅に短縮することができる。また、各ガス流がそれぞれ複数に分割されるため、混合ガスの濃度が一層均一化される。したがって、本水素供給装置では、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が一層効果的に防止又は抑制される。
またさらに、本水素供給装置では、扁平状の可燃ガス分割流路から混合部に噴出した可燃ガスは、可燃ガス分割流路のガス流れ方向に拡散しながら、該端手方向に隣り合う支燃ガス分割流路から混合部に噴出した支燃ガス分割流路と、一層短時間かつ均一に(効果的に)混合される。すなわち、扁平状の流路を通過した可燃ガス及び支燃ガスは、それぞれ高いせん断力を受けてガス流れ方向に拡散し(流れが乱れ)、混合が促進される。また、複数の扁平状の流路を通過することで、混合前の可燃ガス及び支燃ガスがそれぞれ微小流量に分割されて混合するため、可燃ガス又は支燃ガスの局所的な高濃度部が形成されることが効果的に防止される。なお、このようなガス流分割部として、例えば、多数の微小な流路を有するマイクロチャネル等を用いて構成することができる。
また、本水素供給装置では、水素消費装置の作動温度域が300℃乃至600℃の中温域にあるので、改質部は、300℃乃至600℃の中温域の燃料ガスを生成して水素消費装置に供給すれば効率が良い。このように燃料ガス温度が水素消費装置の作動温度と同域になるように構成すれば、水素供給装置と水素消費装置とを含んで構成されるシステムの熱効率が高くなる。そして、このような構成では、混合器に導入される混合ガスの温度が300℃乃至600℃となり、可燃ガスの組成によっては自己着火を生じ得る温度域であるが、上記の通り混合器によって混合ガスの気相滞在時間が短縮される構成とすることで、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が防止又は効果的に抑制される。なお、300℃乃至600℃の中温域で作動する水素消費装置としては、例えば、中温域で作動するタイプの燃料電池等を上げることができる。また、水素消費装置の作動温度域を、より安定した範囲である400℃乃至500℃程度の範囲とすることができる。
さらに、本水素供給装置では、それぞれガス流分割部にて互いに独立して(非接触で)複数の流路に分割された可燃ガス及び支燃ガスが、混合部において拡散しながら短時間で均一に混合される。これにより、ガス流分割部を備えない構成と比較して、混合部における混合に要する空間的距離すなわち可燃ガスの気相滞留時間を大幅に短縮することができる。また、各ガス流がそれぞれ複数に分割されるため、混合ガスの濃度が一層均一化される。したがって、本水素供給装置では、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が一層効果的に防止又は抑制される。
またさらに、本水素供給装置では、扁平状の可燃ガス分割流路から混合部に噴出した可燃ガスは、可燃ガス分割流路のガス流れ方向に拡散しながら、該端手方向に隣り合う支燃ガス分割流路から混合部に噴出した支燃ガス分割流路と、一層短時間かつ均一に(効果的に)混合される。すなわち、扁平状の流路を通過した可燃ガス及び支燃ガスは、それぞれ高いせん断力を受けてガス流れ方向に拡散し(流れが乱れ)、混合が促進される。また、複数の扁平状の流路を通過することで、混合前の可燃ガス及び支燃ガスがそれぞれ微小流量に分割されて混合するため、可燃ガス又は支燃ガスの局所的な高濃度部が形成されることが効果的に防止される。なお、このようなガス流分割部として、例えば、多数の微小な流路を有するマイクロチャネル等を用いて構成することができる。
また、本水素供給装置では、水素消費装置の作動温度域が300℃乃至600℃の中温域にあるので、改質部は、300℃乃至600℃の中温域の燃料ガスを生成して水素消費装置に供給すれば効率が良い。このように燃料ガス温度が水素消費装置の作動温度と同域になるように構成すれば、水素供給装置と水素消費装置とを含んで構成されるシステムの熱効率が高くなる。そして、このような構成では、混合器に導入される混合ガスの温度が300℃乃至600℃となり、可燃ガスの組成によっては自己着火を生じ得る温度域であるが、上記の通り混合器によって混合ガスの気相滞在時間が短縮される構成とすることで、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が防止又は効果的に抑制される。なお、300℃乃至600℃の中温域で作動する水素消費装置としては、例えば、中温域で作動するタイプの燃料電池等を上げることができる。また、水素消費装置の作動温度域を、より安定した範囲である400℃乃至500℃程度の範囲とすることができる。
さらに、本水素供給装置では、それぞれガス流分割部にて互いに独立して(非接触で)複数の流路に分割された可燃ガス及び支燃ガスが、混合部において拡散しながら短時間で均一に混合される。これにより、ガス流分割部を備えない構成と比較して、混合部における混合に要する空間的距離すなわち可燃ガスの気相滞留時間を大幅に短縮することができる。また、各ガス流がそれぞれ複数に分割されるため、混合ガスの濃度が一層均一化される。したがって、本水素供給装置では、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が一層効果的に防止又は抑制される。
またさらに、本水素供給装置では、扁平状の可燃ガス分割流路から混合部に噴出した可燃ガスは、可燃ガス分割流路のガス流れ方向に拡散しながら、該端手方向に隣り合う支燃ガス分割流路から混合部に噴出した支燃ガス分割流路と、一層短時間かつ均一に(効果的に)混合される。すなわち、扁平状の流路を通過した可燃ガス及び支燃ガスは、それぞれ高いせん断力を受けてガス流れ方向に拡散し(流れが乱れ)、混合が促進される。また、複数の扁平状の流路を通過することで、混合前の可燃ガス及び支燃ガスがそれぞれ微小流量に分割されて混合するため、可燃ガス又は支燃ガスの局所的な高濃度部が形成されることが効果的に防止される。なお、このようなガス流分割部として、例えば、多数の微小な流路を有するマイクロチャネル等を用いて構成することができる。
CnHm+n/2O2 → nCO + m/2H2 … (2)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 … (3)
CO+3H2 ⇔ CH4+H2O … (4)
この改質反応は、吸熱反応であり、かつ所定の温度以上(本実施形態では、700℃〜800℃程度)で行われることで、燃料電池14の運転温度と略同域である400℃〜500℃の燃料ガスを生成するようになっている。このため、改質器45は、改質部46に改質反応を行い得る熱を供給して改質反応を維持させる加熱部48を有している。加熱部48は、内部に酸化触媒49(図4参照)を有して改質部46に隣接して設けられており、燃料を触媒燃焼させて得た熱を隔壁部50を介して改質部46に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒(流体)を介して改質部を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、改質部46に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。この実施形態では、改質器45は、図4に示される如く、改質部46と加熱部48とが隔壁部50を介して交互に積層された形式の熱交換器の如く構成されている。この図4に示される如く、酸化触媒49は、加熱部48の内面すなわち隔壁部50に固定的に支持されている。
図12には、第2の実施形態に係る水素供給装置100が適用された燃料電池システム102が示されている。この図に示される如く、水素供給装置100は、排気戻しライン82に代えて、排気ライン62とアノードオフガスライン58とを連通する排気戻しライン104を備えている。エジェクタ92は、アノードオフガスライン58における排気戻しライン104の合流部に配設されている。また、排気戻しライン104には、バルブ84、逆止弁86が配設されている。また、水素供給装置100は、冷却オフガスライン44と排気部64とを連通するバイパスライン106を備えており、バイパスライン106には排気部64から冷却オフガスラインへのガス流を阻止する逆止弁108、及びバルブ84と同様の調節弁であるバルブ110が配設されている。バルブ110は、温度センサ90、バルブ84と共に、制御装置88に代えて設けられた制御装置112に電気的に接続されている。
図14には、第3の実施形態に係る水素供給装置120が適用された燃料電池システム122が示されている。この図に示される如く、水素供給装置120は、排気戻しライン82、104に代えて、排気ライン62と冷却オフガスライン44及びアノードオフガスライン58とを連通する排気戻しライン124を備えている。具体的には、排気戻しライン124は、冷却オフガスライン44に接続された支燃側分岐ライン124Aと、アノードオフガスライン58に接続された可燃側分岐ライン124Bとが分岐部124Cにおいて分岐している。エジェクタ92は、冷却オフガスライン44における支燃側分岐ライン124Aの合流部、及びアノードオフガスライン58における可燃側分岐ライン124Bの合流部にそれぞれ配設されている。また、この排気戻しライン124における分岐部124Cに対し排気ライン62側には、バルブ84、逆止弁86が配設されている。水素供給装置120の他の構成は、水素供給装置100の対応する構成と同じである。したがって、水素供給装置120を構成する制御装置112は、上記第2の実施形態と同様の制御を行う構成とされている。
図15には、第4の実施形態に係る水素供給装置140が適用された燃料電池システム142が示されている。この図に示される如く、水素供給装置140は、排気戻しライン82、104、124、制御装置88、112等を備えず、燃焼排ガス循環(酸素分圧低下又は水素分圧低下)制御を行わない構成とされている。水素供給装置140の他の構成は、水素供給装置10と同じである。
14 燃料電池(水素供給装置)
44 冷却オフガスライン(支燃ガス導入路)
46 改質部
48 加熱部
58 アノードオフガスライン(可燃ガス導入路)
60 混合器
76 混合空間(混合部)
78C 可燃ガス分割流路
80C 支燃ガス分割流路
100・120・140 水素供給装置
Claims (5)
- 供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、
300℃から600℃の温度範囲で供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼に伴って生じた熱を前記改質工程を行うための熱として前記改質部に供給する加熱部と、
前記可燃ガスと支燃ガスとを前記加熱部に供給される前に混合する混合器と、
を備え、
前記混合器は、
それぞれ前記可燃ガスが通過する扁平状の複数の可燃ガス分割流路と、それぞれ前記支燃ガスが通過する扁平状の複数の支燃ガス分割流路とが、各分割流路の短手方向に交互に積層されて構成され、前記可燃ガス及び支燃ガスをそれぞれ独立して複数の流路に分割するガス流分割部と、
前記ガス流分割部と前記加熱部との間に配置され、前記ガス流分割部において分割された各流路から導入した前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合部と、
を含んで構成されている水素供給装置。 - 300℃から600℃の範囲内の作動温度で作動する水素消費装置に水素含有の燃料ガスを供給するための水素供給装置であって、
供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、
供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼によって生じた熱を前記改質部に前記改質工程を行うための熱として供給する加熱部と、
前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記可燃ガスとして前記加熱部に導入する可燃ガス導入路と、
前記可燃ガス導入路に設けられ、前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合器と、
を備え、
前記混合器は、
それぞれ前記可燃ガスが通過する扁平状の複数の可燃ガス分割流路と、それぞれ前記支燃ガスが通過する扁平状の複数の支燃ガス分割流路とが、各分割流路の短手方向に交互に積層されて構成され、前記可燃ガス及び支燃ガスをそれぞれ独立して複数の流路に分割するガス流分割部と、
前記ガス流分割部と前記加熱部との間に配置され、前記ガス流分割部において分割された各流路から導入した前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合部と、
を含んで構成されている水素供給装置。 - 300℃から600℃の範囲内の作動温度で作動する水素消費装置に水素含有の燃料ガスを供給するための水素供給装置であって、
供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、
供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼によって生じた熱を前記改質部に前記改質工程を行うための熱として供給する加熱部と、
水素消費装置を前記所定の作動温度で作動させるために該水素消費装置を冷却した後の酸素含有の冷媒を、前記支燃ガスとして前記加熱部に導入する支燃ガス導入路と、
前記支燃ガス導入路に設けられ、前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合器と、
を備え、
前記混合器は、
それぞれ前記可燃ガスが通過する扁平状の複数の可燃ガス分割流路と、それぞれ前記支燃ガスが通過する扁平状の複数の支燃ガス分割流路とが、各分割流路の短手方向に交互に積層されて構成され、前記可燃ガス及び支燃ガスをそれぞれ独立して複数の流路に分割するガス流分割部と、
前記ガス流分割部と前記加熱部との間に配置され、前記ガス流分割部において分割された各流路から導入した前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合部と、
を含んで構成されている水素供給装置。 - 前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記可燃ガスとして前記加熱部に導入する可燃ガス導入路をさらに備え、該可燃ガス導入路と前記支燃ガス導入路との合流部に前記混合器を配置した請求項3記載の水素供給装置。
- 前記混合器は、前記可燃ガス分割流路と前記支燃ガス分割流路とが、前記混合部側との連通部分を含む一部で前記可燃ガスと支燃ガスとが前記混合部に向けて互いに平行に流れるように形成され構成されている請求項1〜請求項4の何れか1項記載の水素供給装置。
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