JP4922029B2

JP4922029B2 - 水素生成装置

Info

Publication number: JP4922029B2
Application number: JP2007067230A
Authority: JP
Inventors: 元貴公野; 広美佐々木; 浩一川本
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: JP2008222530A

Description

本発明は、燃焼用バーナの燃焼空間内部に燃焼排ガスの流路を設けることで、燃焼排ガスの流速を大きくすると共に、熱伝達率を上げて改質率の向上を図るようにした水素生成装置に関する。

燃料電池システムにおいては、炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置が備えられている。

従来、かかる水素生成装置としては、図８に示すような構造のものが提案されている（例えば、特許文献１）。

この水素生成装置は、図８に示すように断熱材からなる円筒状の容器１の中心軸線上に空気とバーナ燃料が供給される燃焼用バーナ２が設けられ、この燃焼用バーナ２は断熱材からなる円筒形の保温材３の中心軸線上に位置するように保持され、保温材３の外側には２重管構造の改質管４が配設される構造となっている。

この２重管構造の改質管４は、下端部が連通する円環状の外側管４ａと内側管４ｂからなり、外側管４ａには上端部より流入する炭化水素系原燃料と水蒸気との混合ガスを予熱する予熱空間部５と混合ガスを水素に改質するための触媒が充填された第１の触媒層６がそれぞれ形成され、また内側管４ｂには外側管４ｂの下端部の連通部より折返して流入し第１の触媒層６で改質されなかった混合ガスを水素に改質する同様の触媒が充填された第２の触媒層７と改質された水素リッチなガスを冷却する冷却空間部８がそれぞれ形成されている。

一方、外側管４ａの外周面と容器１の内周面との間には燃焼用バーナ２で燃焼した排ガスが、燃焼用バーナ２の下方に存する燃焼空間部より改質管４の下端部と容器１の底面との間に存する流路を通して改質に必要な水蒸気を生成するための蒸発器９に流入させるための排ガス通路１００が形成されている。
特開２００５−１６２５８３

このような構成の水素生成装置において、燃焼用バーナ２に燃料電池からのオフガスであるバーナ燃料と空気が供給されると、この燃焼用バーナ２では１１００〜１３００℃ほどの高温で燃焼し、まず、その燃焼排ガスによる輻射熱伝達により改質反応に必要な熱量が燃焼空間部より第２の触媒層７に供給され、燃焼排ガス温度が５００〜６００℃に下がった後、改質管４の外側管４ａと容器１の内面との間に存する排ガス流路１００で対流熱伝達により、さらに第１の触媒層６へ熱量を与える。

その後、３００℃位まで下がった燃焼排ガスは、蒸発器９へ流入し、改質に必要な水蒸気を生成するための熱量を与えた後、１００℃程度で装置外部へ排出されている。

一般に水素生成装置の改質特性を明確にする１つの指標として改質率（メタン転換率）が用いられるが、この改質率を上げるためには触媒層の温度、特に第２の触媒層７に相当する触媒層出口の温度を上げることが有効である。

この場合、バーナ燃料を増加、つまり投入原燃料流量を増加するか、あるいは、バーナ空気量をしぼり、燃焼温度を上げる必要がある。

しかしながら、投入原燃料を増やすということは水素生成装置の改質特性の低下につながり、また一般にステンレス系である改質管４は、耐久性を考慮し、最高使用温度を９５０℃程度にするなど上限を設けていて、極端な燃焼温度の上昇は、改質管４、すなわち水素生成装置の寿命、耐久性に影響を及ぼす。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、構造や燃焼条件を大きく変更することなく、より効率的に触媒層へ熱エネルギーを伝えることができ、且つ耐久性に影響を及ぼすことのない、環境に優しい水素生成装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により水素生成装置を構成するものである。

請求項１に対応する発明は、炭化水素系燃料から改質ガスを生成する水素生成装置であって、容器の中心に燃焼用バーナを設け、そのバーナの周りに設けた断熱材の外側に炭化水素系原燃料と水蒸気の混合ガスを予熱するための予熱空間部とこの予熱された混合ガスを水素に改質するための第１の触媒層からなる外側管およびこの外側管に連通し前記混合ガスを水素に改質するための第２の触媒層と改質ガスを冷却するための冷却空間部からなる内側管から構成される２重管構造の改質管とを備え、さらにその外側に改質に必要な水蒸気を生成するための蒸発器を設け、前記改質管との間に燃焼排ガスの流れる流路を形成し、前記容器内の前記燃焼用バーナの下部に存する燃焼空間部より前記改質管の下方に存するガス流路及びこのガス流路につながり前記容器の内周面と前記改質管の外側管の外周面との間に形成された燃焼排ガス通路を通して燃焼排ガスを改質に必要な水蒸気を生成するための蒸発器に流入させるようにした水素生成装置において、前記燃焼用バーナの燃焼空間部に高温用断熱材からなるブロック体を前記改質管の内側管との間に適宜の間隙を存して配置して、前記ガス流路につながる燃焼排ガス流路を形成し、前記ブロック体のバーナ火炎に直接さらされる側に火炎の再循環流を形成させるためのくぼみをつけ、未燃分を再燃焼することで、燃焼排ガス中の未燃分を低減する。

本発明によれば、構造や燃焼条件を大きく変更することなく、より効率的に触媒層へ熱エネルギーを伝えることができ、且つ改質管の温度をさほど高める必要がないので、耐久性に影響を及ぼすことがなく、さらには燃焼排ガスの流れの改善により、燃焼排ガス中の未燃分を減少させることが可能となり、環境に優しい水素生成装置が提供できる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による水素生成装置の第１の実施形態を模式的に示す構成図で、図８と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成について述べる。

第１の実施形態では、図１に示すように燃焼用バーナ２を保持する保温材３の下方に存する燃焼空間部の中心位置に円柱状の高温用断熱材からなるブロック体１０を配置するようにしたものである。

この場合、ブロック体１０の高さは、燃焼空間部の高さの２／３程度とし、また改質管４の内側管４ｂとブロック体１０との間に適宜の間隙が存する大きさの径のものが選定され、燃焼排ガスが保温材３とブロック体１０との間に存する燃焼空間より内側管４ｂとブロック体１０との間に存する間隙を通してガス流路１００に至る燃焼排ガス流路１０１を形成している。

上記のような構成の水素生成装置とすれば、燃焼用バーナ２を保持した保温材３の下方の改質管４に囲まれた燃焼空間部に高温用断熱材からなるブロック体１０を配置して改質管４の内側管４ｂとの間隙に新たな燃焼排ガスの流路１０１を形成することにより、この部分を流れる燃焼排ガスの流速が大きくなり、燃焼排ガス側から改質触媒層側への熱伝達率をあげることができる。従って、同じバーナ燃料および空気の燃焼条件下でも従来と比べ、第２の触媒層７へ伝わる熱量が大きくなり、改質率を向上することができる。

また、水素生成装置の容積は従来型と同等であるにもかかわらず、バーナ燃焼空間から容器１の下部から大気側へ放熱する熱量を削減する効果も併せ持つので、全体としての放熱量を減少させることが可能となり、水素生成装置の改質特性の向上につながる。

図２および図３は、従来の水素生成装置と本発明の第１の実施形態で述べた水素生成装置の特性解析のモデルにおいて、同燃焼条件によるシミュレーション結果をそれぞれ示すグラフである。

図２に示すように燃焼空間部に高温用断熱材からなるブロック体１０を配置した本実施形態の水素生成装置は、従来型と比べて第２の触媒層７の温度が全体的に上昇し、また、図３に示すように従来型に比べて改質率が大幅に向上していることが分かる。

図４は本発明による水素生成装置の第２の実施形態を模式的に示す構成図で、図８と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成について述べる。

第２の実施形態では、図４に示すように燃焼用バーナ２を保持する保温材３の下方に存する燃焼空間部の中心位置に、バーナ火炎に直接さらされる部分にくぼみ１１ａを有する高温用断熱材からなるブロック体１１を配置するようにしたものである。

この場合、ブロック体１１の高さは、燃焼空間部の高さの２／３程度とし、また改質管４の内側管４ｂとブロック体１１との間に適宜の間隙が存する大きさの径のものが選定され、燃焼排ガスが保温材３とブロック体１１との間に存する燃焼空間より内側管４ｂとブロック体１１との間に存する間隙を通して燃焼排ガス通路１００に至る燃焼排ガス流路１０１を形成している。また、ブロック体１１に有するくぼみ１１ａは、燃焼排ガスの再循環流１０２を形成させるためのものである。

上記のような構成の水素生成装置とすれば、燃焼用バーナ２を保持した保温材３の下方の改質管４に囲まれた燃焼空間部にバーナ火炎に直接さらされる部分にくぼみ１１ａを有する高温用断熱材からなるブロック体１１を配置することにより、改質管４の内側管４ｂとの間隙に新たな燃焼排ガスの流路１０１が形成されるので、第１の実施形態と同様に燃焼排ガス側から改質触媒層側への熱伝達率をあげることが可能となり、同じバーナ燃料および空気の燃焼条件下でも従来と比べ、第２の触媒層７へ伝わる熱量が大きくなり、改質率を向上することができる。

また、ブロック体１１のくぼみ１１ａ部分に火炎の再循環流１０２が形成されるので、燃焼排ガス中のＣＯ、ＮＯｘなどの未燃分を再度、燃焼させることができる。その結果、熱量を無駄に水素生成装置の外へ排出することなく、第１および第２の触媒層６、７側へ伝えることが可能であり、また燃焼排ガス出口ラインに別途、ＣＯ、ＮＯｘ等を除去するための装置、例えば燃焼触媒を新たに配置する必要はなく、最終的に容器１の出口でＣＯは、数ｐｐｍ程度、ＮＯｘは検出下限値以下まで未燃分を低減することができる。

図５は本発明による水素生成装置の第３の実施形態を模式的に示す構成図で、図８と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成について述べる。

第３の実施形態では、図５に示すように燃焼用バーナ２を保持する保温材３の下方に存する燃焼空間部に耐熱用金属からなる円筒体１２を配置するようにしたものである。

この場合、円筒体１２の高さは、燃焼空間部の高さの２／３程度とし、また改質管４の内側管４ｂと円筒体１２の外周面との間に適宜の間隙が存する大きさの径のものが選定され、燃焼排ガスが保温材３と円筒体１２との間に存する燃焼空間より内側管４ｂと円筒体１２の外周面との間に存する間隙を通して燃焼排ガス通路１００に至る燃焼排ガス流路１０１を形成している。

上記のような構成の水素生成装置とすれば、簡単な構造でコスト的にも安く燃焼排ガスの流路１０１を形成することができるので、第１の実施形態と同様に熱伝達率の向上を図ることができる。

図６は本発明による水素生成装置の第４の実施形態を模式的に示す構成図で、図８と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成について述べる。

第４の実施形態では、図６に示すように燃焼用バーナ２を保持する保温材３の下方に存する燃焼空間部の中心位置に円柱状の高温用断熱材からなるブロック体１３を配置し、さらにこのブロック体１３の上面に該ブロック体１３の径と同一径の耐熱用金属からなる円筒体１４を同心円状に一体的に設けたものである。

この場合、ブロック体１３の上面に円筒体１４を設けた全体の高さは、燃焼空間部の高さの２／３程度とし、また改質管４の内側管４ｂとブロック体１３及び円筒体１４の外周面との間に適宜の間隙が存する大きさの径のものが選定され、燃焼排ガスが保温材３と円筒体１４との間に存する燃焼空間より内側管４ｂとブロック体１３及び円筒体１４の外周面との間に存する間隙を通して燃焼排ガス通路１００に至る燃焼排ガス流路１０１を形成している。また、円筒体１４は、その内部に燃焼排ガスの再循環流１０２を形成させるためのものである。

上記のような構成の水素生成装置とすれば、図６に示すように比較的簡単な構造で、燃焼排ガス流路１０１を形成できるので、下部の断熱材によって燃焼ガスが保有する熱量の外部放熱を削減することができる。また、直接火炎にさらされる部分には、耐熱用金属からなる円筒体１４が設けられ、燃焼ガスの再循環流１０２を形成しやすい構造となっているので、ＣＯ、ＮＯｘなどの排ガス未燃分低減をも可能である。

図７は本発明による水素生成装置の第５の実施形態を模式的に示す構成図で、図８と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる構成について述べる。

第５の実施形態では、図７に示すように容器１の底面中央部に適宜大きさの円筒形状の高温用断熱材および耐熱用金属からなる構造物（以下円筒体と呼ぶ）１５を設け、かつ前記燃焼ガスを流入するガス流路、かつ、例えば改質水などの低温側流体を流入するためのコイル状の管路をその内部に設けることで、熱交換器としての機能を併せ持ったものである。

この場合、円筒体１５の高さは燃焼空間部の高さの２／３程度とし、また改質管４の内側管４ｂと円筒体１５との間に適宜の間隙が存する大きさの径のものが選定され、燃焼排ガスが保温材３と円筒体１５との間に存する燃焼空間より内側管４ｂと円筒体１５の外周面との間に存する間隙を通して燃焼排ガス通路１００に至る燃焼排ガス流路１０１を形成している。

なお、燃焼排ガス通路１００より円筒体１５の内部に導かれた燃焼排ガスは低温側流体と熱交換し、十分に温度が下がった後、図示していない排気ダクトを通して外部に排気されるようになっている。

このような構成の水素生成装置とすれば、前述した実施形態と同様に改質率の向上、外部放熱量の削減や、排ガス未燃分を低減することが可能となること以外に、図７に示すように高温側流体を燃焼排ガス、低温側流体を改質水とした場合、この円筒体１５は、蒸発器として機能し、効率よく熱量を回収し、かつスペースの有効利用を図ることができるので、機器のコンパクト化につながる。また、例えば冷却側流体がバーナ空気とする熱交換器の場合には、バーナ空気予熱器としても利用することができる。

本発明による水素生成装置の第１の実施形態を模式的に示す構成図。同実施形態の水素生成装置と従来の水素生成装置の改質触媒層の温度分布を示すグラフ。同実施形態の水素生成装置と従来の水素生成装置の改質率を示すグラフ。本発明による水素生成装置の第２の実施形態を模式的に示す構成図。本発明による水素生成装置の第３実施形態を模式的に示す構成図。本発明による水素生成装置の第４実施形態を模式的に示す構成図。本発明による水素生成装置の第５実施形態の構造を示す構成図。従来の水素生成装置を模式的に示す構成図。

符号の説明

１…容器、２…燃焼用バーナ、３…保温材、４…改質管、４ａ…外側管、４ｂ…内側管、５…予熱空間部、６…第１の触媒層、７…第２の触媒層、８…冷却空間部、９…蒸発器、１０…高温用断熱材からなるブロック体、耐熱用金属、１１…高温用断熱材からなるブロック体、１１ａ…くぼみ、１２…耐熱用金属からなる円筒体、１３…高温用断熱材からなるブロック体、１４…耐熱用金属からなる円筒体、１５…高温用断熱材または耐熱用金属からなり、かつ熱交換器としての機能を持つ円筒体、１００…燃焼排ガス通路、１０１…燃焼排ガス流路、１０２…燃焼ガス再循環流

Claims

炭化水素系燃料から改質ガスを生成する水素生成装置であって、容器の中心に燃焼用バーナを設け、そのバーナの周りに設けた断熱材の外側に炭化水素系原燃料と水蒸気の混合ガスを予熱するための予熱空間部とこの予熱された混合ガスを水素に改質するための第１の触媒層からなる外側管およびこの外側管に連通し前記混合ガスを水素に改質するための第２の触媒層と改質ガスを冷却するための冷却空間部からなる内側管から構成される２重管構造の改質管とを備え、さらにその外側に改質に必要な水蒸気を生成するための蒸発器を設け、前記改質管との間に燃焼排ガスの流れる流路を形成し、
前記容器内の前記燃焼用バーナの下部に存する燃焼空間部より前記改質管の下方に存するガス流路及びこのガス流路につながり前記容器の内周面と前記改質管の外側管の外周面との間に形成された燃焼排ガス通路を通して燃焼排ガスを改質に必要な水蒸気を生成するための蒸発器に流入させるようにした水素生成装置において、
前記燃焼用バーナの燃焼空間部に高温用断熱材からなるブロック体を前記改質管の内側管との間に適宜の間隙を存して配置して、前記ガス流路につながる燃焼排ガス流路を形成し、前記ブロック体のバーナ火炎に直接さらされる側に火炎の再循環流を形成させるためのくぼみをつけ、未燃分を再燃焼することで、燃焼排ガス中の未燃分を低減したことを特徴とする水素生成装置。