JP4852295B2 - 改質器及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、改質器及び燃料電池システムに関し、特に、バーナーによって加熱される改質容器を収容するカバー内に、スパイラル状の二重管ボイラーを設け、この二重管ボイラーを用いて混合器に供給される水を加熱する改質器及び燃料電池システムに関する。

燃料電池は、炭化水素原料から生成した水素と酸素を電気化学的に反応させて、この際に生じる電気を利用する電池である。
上記燃料電池を有する燃料電池システムは、通常、改質器を備えている。この改質器は、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（適宜、水蒸気の形態を含むものとする。）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の作用により改質して、水素リッチな改質ガスを生成する。
このため、燃料電池システムは、炭化水素原料から改質ガスをいかに効率よく生成するかが重要課題であり、改質ガスを生成する改質器に関して、様々な技術が開示されている。

たとえば、特許文献１には、同心状に間隔を置いて配置された多重円筒の最内筒から順次、改質ガス流路筒，改質触媒筒，燃料ガスを燃焼させて改質触媒筒に熱を給与する燃焼触媒筒及び燃焼排ガス流路筒を設けるとともに、燃焼排ガス流路筒内に水を流通させる中空コイルを配置し、燃焼排ガスと中空コイル内を流れる水を熱交換させることにより水蒸気を発生させ、水蒸気を原料ガスとともに改質触媒筒に供給する燃料電池用水蒸気改質反応器（改質器）の技術が開示されている。
この技術によれば、装置をコンパクト化するとともに放熱量を大幅に低減させ、また起動時間を短縮できる。

ところで、上記燃料電池用水蒸気改質反応器は、燃焼排ガス流路筒とこの燃焼排ガス流路筒内に配置された中空コイルが、熱交換器（ボイラー）として機能し、燃焼排ガスと中空コイル内を流れる水との間で熱交換することにより水蒸気を発生させる。この熱交換器は、燃焼排ガスが、燃焼排ガス流路筒と中空コイルとの径方向の隙間を介して下方に流れてしまうため、熱交換が十分に行われず、すなわち、熱交換能力が低く改善する余地があった。
上記熱交換能力を向上させる技術として、図示してないが、内円筒と外円筒からなる排ガス流路内に、スパイラル状の中空コイルを嵌入させ、ほぼ全ての燃焼排ガスを中空コイルに沿ってスパイラル状に流すことにより、ボイラーとしての熱交換能力を向上させる技術があった。
特開２００１−１５５７５６号公報

しかしながら、ほぼ全ての燃焼排ガスを中空コイルに沿ってスパイラル状に流すには、中空コイルの全長にわたって、中空コイルの内側表面を内円筒と当接させ、かつ、中空コイルの外側表面を外円筒と当接させる必要があり、このためには、内円筒と外円筒を極めて高い精度で製作する必要があった。また、この製作精度を維持できず上記当接部に隙間が生じると、この隙間を通って燃焼排ガスが流れてしまい、燃焼排ガスが中空コイルに沿ってスパイラル状に流れなくなり、熱交換能力が大幅に低下した。すなわち、上記技術は、熱交換能力を向上させることができるものの、内円筒と外円筒を極めて高い精度で製作する必要があり、量産性及び品質管理等を考慮すると実用的でないといった問題があった。
また、一般的に、燃料改質装置を小型化するとエネルギー効率が低下するが、小型化してもエネルギー効率が低下しない、好ましくは、エネルギー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。
さらに、一般家庭を販売ターゲットとする小型の燃料電池システムにおいては、エネルギー効率をより向上させるとともに、改質器の構造を単純化することも強く要望されていた。

本発明は、上記問題を解決すべく、熱交換能力に大きく影響する排ガス流路を、簡単かつ精度よく形成することができ、エネルギー効率及び生産性を向上させることができる改質器及び燃料電池システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の改質器は、炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器において、前記改質触媒が収納された改質容器と、前記改質容器を加熱するためのバーナーと、前記改質容器と接続され、前記炭化水素原料と水蒸気を混合し、前記改質容器に改質ガス燃料を供給する混合器と、前記改質容器，バーナー及び混合器が収容されるカバーと、前記カバー内に設けられ、前記改質ガス燃料に含まれる水が流れ、該水を水蒸気化して前記混合器に供給する内管，及び，一端が前記カバー内部に開口されるとともに前記内管を内側に収容する外管を有し、前記外管の開口された一端から前記バーナーの排ガスが入り込み、入り込んだ前記排ガスが、前記内管の外側表面と前記外管の内側表面によって形成された排ガス流路を流れる二重管ボイラーとを具備した構成としてある。
このようにすると、熱交換能力に大きく影響する排ガス流路を、水が流れる内管の周囲に簡単かつ精度よく形成することができ、熱交換能力及び生産性を向上させることができる。
なお、生産性とは、作業性、量産性、品質管理における品質安定性などをいう。

また、本発明の改質器は、前記カバーに、前記二重管ボイラーの外管が貫通され、前記カバー内の排ガスが、前記排ガス流路を経由して前記カバー外に排出される構成としてある。
このようにすると、排ガスが全て排ガス流路を流れるので、二重管ボイラーの熱交換能力を向上させることができる。

また、本発明の改質器は、前記二重管ボイラーをスパイラル状に成形した構成としてある。
このようにすると、カバー内に、二重管ボイラーを省スペース化された状態で収納することができる。

また、本発明の改質器は、前記改質容器に改質ガス燃料を供給する複数の燃料供給管を備え、前記複数の燃料供給管の周囲に、前記二重管ボイラーが設けられた構成としてある。
このようにすると、省スペース化を図ることができるとともに、熱交換能力をより向上させることができる。

また、本発明の改質器は、前記カバーが、一方の端部が閉止され、かつ、他方の端部が開口された筒状部材と、前記改質容器，バーナー及び混合器の取り付けられた基部を有し、前記筒状部材が、フランジにより基部に着脱自在に取り付けられた構成としてある。
このようにすると、カバーを容易に取り外すことができ、メンテナンスする際の作業性を向上させることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料から水素リッチな改質ガスを生成し、生成した前記改質ガス中の水素を原料として発電する燃料電池システムにおいて、上記請求項１〜５に記載された改質器を備えた構成としてある。
このように、本発明は、燃料電池システムとしても有効であり、エネルギー効率を向上させることができる。

本発明における改質器及び燃料電池システムによれば、熱交換能力に大きく影響する排ガス流路を、簡単かつ精度よく形成することができ、熱交換能力及び生産性を向上させることができる。

［改質器］
図１は、本発明の一実施形態にかかる改質器の概略断面図を示している。
同図において、改質器１は、改質触媒２０が収納された改質容器２と、改質容器２を加熱するためのバーナー５と、改質ガス燃料供給室３０及び燃料供給管３を介して改質容器２と接続され、改質容器２に改質ガス燃料を供給する混合器６と、改質容器２，バーナー５及び混合器６が収容され、バーナー５の（燃焼）排ガスが放出されるカバー５２と、カバー５２内に設けられた二重管ボイラー７を備えている。
また、本実施形態の改質器１は、燃料電池システム（図示せず）の燃料改質装置として、ユニット化されていない構成としてある。すなわち、改質器１は、カバー５２内に、シフト触媒容器やプロックス触媒容器を備えていない。
なお、改質器１は、上記構成に限定されるものではなく、たとえば、シフト触媒容器やプロックス触媒容器を、カバー５２の内部に設けたり、あるいは、カバー５２の外部に設けた構成としてもよい。

（改質容器）
改質容器２は、カバー５２の上方に位置する中空円筒状の密閉容器であり、内部に改質触媒２０が充填されている。また、改質容器２は、所定の長さを有する複数（たとえば、８本）の燃料供給管３が、下板に連結されており、この燃料供給管３を経由して、炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料が改質容器２に供給される。改質容器２に供給された改質ガス燃料は、改質容器２内を上昇しながら改質触媒２０によって水素リッチな改質ガスに改質される。
なお、本実施形態は、炭化水素原料として灯油を使用しているが、灯油は一例であり、灯油に限定されるものではない。

改質容器２は、容器上部に空隙２６が形成されるように、改質触媒２０が充填されており、容器上部の空隙２６に生成された改質ガスを回収する改質ガス流路として、複数（たとえば、８本）の改質ガス排出管４を配設してある。８本の各改質ガス排出管４は、下部が上記各燃料供給管３を貫通し、かつ、先端部が充填された改質触媒２０の上面から突出するように取り付けられており、空隙２６に溜まった改質ガスを改質容器２の下方に送出する。すなわち、所定の長さを有する燃料供給管３と、この燃料供給管３に貫通した改質ガス排出管４の下部とが二重管を構成し、燃料供給管３と改質ガス排出管４との間を流れる低温の改質ガス燃料（たとえば、約２００℃）と、改質ガス排出管４内を流れる高温の改質ガス（たとえば、約５５０℃）との間で熱交換が行なわれ、改質器１の熱交換能力を向上させる。

本実施形態では、燃料供給管３の下端がほぼ円環状の改質ガス燃料供給室３０と接続されている。この改質ガス燃料供給室３０は、混合器６と接続されており、混合器６から改質ガス燃料が供給される。
また、改質ガス排出管４の下端が円環状の改質ガス排出室４０と接続されている。この改質ガス排出室４０は、底部に、改質ガス排出管４より流路面積の大きい改質ガス排出管４ａが接続されており、改質ガス排出管４ａを介して、改質容器２からの改質ガスをカバー５２の外部に送出する。

バーナー５は、改質容器２の中心部に設けてある。このバーナー５は、基台５２３を貫通するバーナー用燃料供給配管５０１及び空気供給配管５０２と接続されており、バーナー用燃料供給配管５０１及び空気供給配管５０２を介して、灯油及び空気が供給され燃焼する。この燃焼により、バーナー５は、（燃焼）排ガスをカバー５２内に放出する。
また、バーナー５と改質容器２の間には、バーナー５からの炎５０が改質容器２に直接当たらないように、改質容器２とほぼ同じ高さを有する内側輻射筒５１が設けてある。なお、本実施形態では、バーナー５を内側輻射筒５１に取り付けてある。

（混合器）
混合器６は、改質ガス燃料供給室３０の下方に設けられており、水蒸気供給管６１及び炭化水素原料供給管６２が接続されている。この混合器６は、図示してないが、供給された水蒸気及び灯油をノズルから吹き出すことにより、灯油を気化させるとともに水蒸気と混合して、改質ガス燃料を生成し、生成した改質ガス燃料を改質ガス燃料供給室３０に供給する。

（二重管ボイラー）
二重管ボイラー７は、カバー５２内に設けられたボイラーであり、水を蒸発させて混合器６に供給する内管７１と、この内管７１を内側に収容する、すなわち、内管７１が貫入された状態となる外管７２を備えている。外管７２は、カバー５２内部において上端７３が開口され、かつ、下端が、カバー５２の基台５２３の貫通孔に貫通された状態で、基台５２３に、例えば全周溶接するなどして、密閉した状態で固定してある。カバー５２の内部は、外管７２を介してカバー５２の外部と連通しており、バーナー５によってカバー５２内に放出された排ガスは、開口された外管７２の上端７３から入り込み、入り込んだ排ガスが、内管７１の外側表面と外管７２の内側表面によって形成された排ガス流路７４を通って、カバー５２の外部に排出される。これにより、熱交換能力に大きく影響する排ガス流路７４を、簡単かつ精度よく設けることができ、熱交換能力が向上する。また、製造工程において、あるいは、使用中に、内管７１が外管７２に対して偏心したとしても、熱交換能力に大きな影響を及ぼさないことから、生産性を向上させることができる。

ここで、好ましくは、二重管ボイラー７をスパイラル状に成形するとよく、このようにすると、一般的に円筒形状を有するカバー５２に、二重管ボイラー７を省スペース化された状態で収納することができ、改質器１が小型化される。
また、スパイラル状の二重管ボイラー７は、直管状の内管７１を同じく直管状の外管７２に貫入させ、内管７１が貫入された外管７２をスパイラル状に成形することにより、内管７１をも容易にスパイラル状に成形することができる。すなわち、上述した高精度に加工された内円筒と外円筒を必要とする従来のボイラーと比べて、生産性を大幅に向上させることができる。なお、本実施形態では、二重管ボイラー７をスパイラル状に成形する構成としてあるが、これに限定されるものではなく、様々な形状に成形してもよい。

また、二重管ボイラー７は、基台５２３に外管７２の下部が貫通され、例えば全周溶接するなどして、密閉した状態で固定されることにより、カバー５２内の全ての排ガスが、排ガス流路７４を経由してカバー５２の外部に排出される。なお、カバー５２の上記密閉した状態とは、完全密閉状態とは異なり、バーナー用燃料供給配管５０１及び空気供給配管５０２から灯油及び空気が、カバー５２内に供給され、カバー５２内の排ガスが、排ガス流路７４を経由して、カバー５２の外部に排出される状態をいう。このようにすると、カバー５２内の排ガスが、全て排ガス流路７４を流れるので、二重管ボイラー７の熱交換能力を向上させることができる。

さらに好ましくは、二重管ボイラー７を、８本の燃料供給管３の周囲に設けるとよく、このようにすると、省スペース化を図ることができるとともに、二重管ボイラー７の開口された上端７３が、改質容器２の下部付近に位置し、カバー５２の下部の排ガスより高温の排ガスが、上端７３から入り込み熱交換が行われるので、熱交換能力をより向上させることができる。
なお、本実施形態では、内管７１の上端部が水蒸気供給管６１と連結されており、水蒸気供給管６１を介して、水蒸気が混合器６に供給される。
なお、本実施形態では、改質容器２，バーナー５，二重管ボイラー７，燃料供給管３，混合器６などの上下方向の配置位置を、改質容器２が最も上方に位置する構造としてあるが、この構造に限定されるものではない。

（カバー）
カバー５２は、上端が閉止され、かつ、下端が開口されるとともに、下端部に円環状のフランジ部５２２が接合された筒状部材５２１と、この筒状部材５２１のフランジ部５２２を閉止する円板状の基台５２３を備えている。基台５２３は、改質容器２，バーナー５及び混合器６が設けられ、さらに、混合器６に灯油を供給する炭化水素原料供給管６２，バーナー５に灯油を供給するバーナー用燃料供給配管５０１，バーナー５に空気を供給する空気供給配管５０２，改質ガスを送出する改質ガス排出管４ａ，及び，二重管ボイラー７の内管７１と外管７２が貫通した状態で取り付けられている。また、図示してないが、フランジ部５２２は、等間隔でボルト孔が配設してあり、基台５２３は、周縁部に、フランジ部５２２に対応するフランジ面を有している。これにより、筒状部材５２１は、ボルトによって基台５２３に着脱自在に取り付けられる。すなわち、筒状部材５２１を容易に取り外すことができるので、メンテナンスする際の作業性が向上する。
なお、図示してないが、筒状部材５２１に、断熱手段として、真空断熱手段や断熱材などを設けてもよい。また、本実施形態では、フランジ部５２２を筒状部材５２１に接合した構造としてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、フランジ部５２２と筒状部材５２１をプレス成形する構造としてもよい。

次に、上記構成の改質器１の動作について説明する。
まず、改質器１は、バーナー用燃料供給配管５０１及び空気供給配管５０２を介して灯油及び空気がバーナー５に供給され、バーナー５が燃焼を開始する。バーナー５の排ガスは、内側輻射筒５１を通って上昇した後、排ガス内側流路５１１及び排ガス外側流路５１２を流れ、改質容器２の両側面から改質容器２を加熱する。そして、改質容器２や二重管ボイラー７等が所定の温度まで加熱されると、定常運転動作に入る。

定常運転動作において、改質器１は、二重管ボイラー７の内管７１に水が供給される。供給された水は、排ガス流路７４を通る高温の排ガスとの間で熱交換が行われ加熱される。バーナー５から放出された排ガスは、カバー５２の内部を通って、二重管ボイラー７の上端７３から排ガス流路７４に入り込み、排ガス流路７４を流れながら内管７１内の水を加熱し、外管７２の下端からカバー５２の外部に放出される。

混合器６は、炭化水素原料供給管６２から供給される灯油と、水蒸気供給管６１から供給される約２００℃に昇温された水蒸気とを混合し、改質ガス燃料を生成する。生成された改質ガス燃料は、改質ガス燃料供給室３０及び燃料供給管３を介して、改質容器２に供給される。この際、燃料供給管３内を流れる改質ガス燃料は、燃料供給管３と改質ガス排出管４との間の円筒状の通路を下方に流れる高温の改質ガスとの間で熱交換が行なわれ、約５００℃に昇温された状態で、改質容器２に供給される。

次に、改質器１は、改質容器２に供給された改質ガス燃料が、改質容器２内を上昇しながら、改質触媒２０の作用により水素リッチな改質ガスに改質されるとともに加熱され、改質容器２の上部（空隙２６）に到達するころには約７００℃に昇温される。この生成された改質ガスは、改質ガス排出管４，改質ガス排出室４０及び改質ガス排出管４ａを介して、カバー５２の外部に送出される。

このように、本実施形態の改質器１によれば、熱交換能力に大きく影響する排ガス流路７４を、水が流れる内管７１の周囲に簡単かつ精度よく形成することができ、熱交換能力及び生産性を向上させることができる。

［燃料電池システム］
さらに、本発明は、燃料電池システムの発明としても有効である。本実施形態の燃料電池システムは、炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料から水素リッチな改質ガスを生成し、生成した前記改質ガス中の水素を原料として発電する燃料電池システムとしてあり、さらに、上述した改質器１を備えた構成としてある。すなわち、小型化及び高効率が要求される、たとえば、家庭用の燃料電池システムにおいては、エネルギー効率を向上させることができる。

以上、本発明の改質器及び燃料電池システムについて、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る改質器及び燃料電池システムは、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、改質器１は、外管７２をスパイラル状に二巻きした構造としてあるが、この巻き数に限定されるものではなく、たとえば、混合器６に供給される水蒸気を所定の温度に加熱できる巻き数であればよい。

本発明の改質器及び燃料電池システムは、触媒として改質触媒を用い、反応ガスとして改質ガス燃料を用いる場合に限定されるものではなく、たとえば、所定の温度で触媒を用いて化学反応を行なう反応装置としても、本発明を適用することが可能である。

本発明の一実施形態にかかる改質器の概略上面方向断面図を示している。 図１の概略Ａ−Ａ断面図を示している。

符号の説明

１ 改質器
２ 改質容器
３ 燃料供給管
４，４ａ 改質ガス排出管
５ バーナー
６ 混合器
２０ 改質触媒
２６ 空隙
３０ 改質ガス燃料供給室
４０ 改質ガス排出室
５０ 炎
５１ 内側輻射筒
５２ カバー
６１ 水蒸気供給管
６２ 炭化水素原料供給管
７１ 内管
７２ 外管
７３ 上端
７４ 排ガス流路
５０１ バーナー用燃料供給配管
５０２ 空気供給配管
５１１ 排ガス内側流路
５１２ 排ガス外側流路
５２１ 筒状部材
５２２ フランジ部
５２３ 基台

Claims (6)

1. 炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器において、
   前記改質触媒が収納された改質容器と、
   前記改質容器を加熱するためのバーナーと、
   前記改質容器と接続され、前記炭化水素原料と水蒸気を混合し、前記改質容器に改質ガス燃料を供給する混合器と、
   前記改質容器、バーナー及び混合器が収容されるカバーと、
   前記カバー内に設けられ、前記改質ガス燃料に含まれる水が流れ、該水を水蒸気化して前記混合器に供給する内管、及び、前記内管を収容するとともに、一端が固定されることなく前記カバー内部において開口され、他端が前記カバーを貫通した状態で該カバーに密着固定された外管とを有し、前記外管の開口された一端から前記バーナーの排ガスが入り込み、入り込んだ前記排ガスが、前記内管の外側表面と前記外管の内側表面によって形成された排ガス流路を流れる二重管ボイラーと
   を具備したことを特徴とする改質器。
2. 前記二重管ボイラーの前記外管の開口された一端を、前記改質容器の近傍に位置させたことを特徴とする請求項１記載の改質器。
3. 前記二重管ボイラーをスパイラル状に成形したことを特徴とする請求項１又は２記載の改質器。
4. 前記改質容器に改質ガス燃料を供給する複数の燃料供給管を備え、前記複数の燃料供給管の周囲に、前記二重管ボイラーが設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の改質器。
5. 前記カバーが、一方の端部が閉止され、かつ、他方の端部が開口された筒状部材と、前記改質容器，バーナー及び混合器の取り付けられた基部を有し、前記筒状部材が、フランジにより基部に着脱自在に取り付けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の改質器。
6. 炭化水素原料及び水を含む改質ガス燃料から水素リッチな改質ガスを生成し、生成した前記改質ガス中の水素を原料として発電する燃料電池システムにおいて、
   上記請求項１〜５に記載された改質器を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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