JP5269848B2 - 耐久性を強化させた改質器 - Google Patents

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Description

本発明は、耐久性を強化させた改質器に関し、具体的には、改質器内の燃料極排出ガスが流入して熱変形が起きる部分に予め耐熱性シールドを形成しておくことにより、熱変形による破断及び損傷を防止する改質器構造に関する。
現代社会の全般において環境汚染への憂慮の声が高まっている中、無公害で、エネルギー効率に優れた燃料電池などの代替エネルギーの開発が盛んになっている。
燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応により、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池は、電解質の種類によって、高分子電解質燃料電池、固体酸化物燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池などに分けられる。高分子電解質燃料電池に使用される水素は、通常、純水素の貯蔵と運送に伴う諸問題のため、メタノール、液化石油ガス（ＬＰＧ）、ガソリンなどの燃料を改質したリフォーメート（ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）から収得する。このため、水蒸気改質方式の改質器を用いるほとんどの燃料電池システムは、改質器に水蒸気改質反応に必要な熱を供給する熱源部を備える。
一方、スタック（ｓｔａｃｋ）で電子を生産して残留するリフォーメートが燃料極から排出されるが、これをＡＯＧ（Ａｎｏｄｅ Ｏｆｆ Ｇａｓ）という。従来では、ＡＯＧを別の触媒燃焼器を用いて燃焼させたり、大気ガスと混合することにより、ＡＯＧ内のＨ２、ＣＯ、ＣＨ４のような排出ガスの濃度を低くして排出していた。
しかし、次第に世界的な環境基準が厳しくなる傾向にあり、また、室内でも使用可能な燃料電池を作製するためには、より積極的なＡＯＧの管理が必要となる。すなわち、ＡＯＧガスを燃焼させる方法により、大気汚染の面における環境基準を満たすこと以外にも、ＡＯＧガスの主な構成が水素（Ｈ２）であることに着目し、より積極的にこれを改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）の効率の向上に寄与させるための技術開発が急がれるのが現状である。
かくして、本出願人は、熱効率が向上し、環境基準にも適合するように、ＡＯＧを改質器の熱源部に戻して再び酸化または燃焼させる改質器を提案した。この改質器は、改質燃料、熱源部燃料、及びＡＯＧなどの酸化による高温雰囲気が維持されることにより、複数のホットスポット（ｈｏｔ−ｓｐｏｔ）が生成されるという特性を示すため、ホットスポットの緩和または分散設計が重要な意味を有する。すなわち、改質器が劣化または損傷なく長期間運転を可能にするためには、上記で説明したように、ホットスポットの緩和または分散により、熱膨張及び収縮の繰り返しによる熱衝撃を最小化しなければならず、熱応力による劣化及び損傷を最小化しなければならない。
しかし、このようなホットスポットを分散及び緩和する方法によっても、熱源部が高温の雰囲気で作動するため、燃料電池改質器の寿命管理の面において満足できる水準に達することは難しく、より積極的な保護手段が要求されている。
そこで、本発明は、燃料極排出ガスが改質器の熱源部内に流入して酸化することによって発生するホットスポットの形成地点を適切に分配することにより、劣化によって燃焼器の背圧が上昇することを防止する手段を提供するためのものである。
また、本発明は、高温雰囲気によって発生する燃焼器付近の熱変形を最小化する手段を提供するためのものである。
さらに、本発明は、排出ガスの燃焼率を高めることにより、改質器の効率を上昇させる手段を提供するためのものである。
本発明の一実施例においては、熱源部と、前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と前記第２改質部とを流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部と、前記連結空間部と前記第２燃焼器との間に位置する放熱シールドとを備える改質器を提供する。
また、本発明において、前記第２燃焼器は、前記熱源部に燃料極排出ガスを排出するためのノズルを備え、前記放熱シールドは、前記ノズルの少なくとも一領域と重なり（ｏｖｅｒｌａｐ）得る。
さらに、本発明において、前記放熱シールドは、前記第２燃焼器に対向する連結空間部の最内側壁の表面に接して装着され得る。
また、本発明において、前記放熱シールドは、前記第２燃焼器に対向する連結空間部の最内側壁の外周面にスポット溶接によって固定され得る。
また、本発明において、前記連結空間部は、熱膨張による変形を防止するためのブレードをさらに備えることができる。
さらに、本発明において、前記ブレードは、前記連結空間部内において熱源部の中心軸に対して直径方向に沿って延長し、前記連結空間部の最内側壁の表面と下板との間に固定されている。
また、本発明において、前記第２燃焼器は、前記熱源部の中心軸に垂直な方向に燃料極排出ガスを放出するノズルを備える。
さらに、本発明において、前記第１改質部は、水蒸気改質反応（ｓｔｅａｍ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｒｅａｃｔｉｏｎ）を行う第１空間を含み、前記第２改質部は、水性ガス転換（Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ：ＷＧＳ）反応を行う第２空間を含む。
また、本発明において、前記連結空間部は、前記第１改質部または前記第２改質部の少なくともいずれか１つの外側に備えられるか、または前記第１改質部及び第２改質部の両方の外側に備えられ得る。
また、本発明の他の実施例においては、熱源部と、前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と前記第２改質部とを流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部とを備え、前記連結空間部は、熱膨張による変形を防止するためのブレードを備えることができる。
さらに、本発明において、前記ブレードは、前記連結空間部内において熱源部の中心軸に対して直径方向に沿って延長し、前記連結空間部の最内側壁の表面と下板との間に固定される。
また、本発明において、前記第２燃焼器は、前記熱源部の中心軸に垂直な方向に燃料極排出ガスを放出するノズルを備えることができる。
また、本発明において、前記第１改質部は、水蒸気改質反応を行う第１空間を含み、第２改質部は、水性ガス転換反応を行う第２空間を含む。
また、本発明において、前記連結空間部は、前記第１改質部または前記第２改質部の少なくともいずれか１つの外側に備えられるか、または前記第１改質部及び第２改質部の両方の外側に備えられ得る。
上記の本発明の構成上の特徴によれば、本発明による改質器は、燃料極排出ガスが改質器の熱源部内に流入して酸化することによって発生するホットスポットの形成地点を適切に分配することにより、劣化によって燃焼器の背圧が上昇することを防止することができる。
また、本発明は、連結空間部と燃焼器との間にシールドを形成することにより、燃料電池の運転時、熱膨張率の差によって燃焼器の周辺装置が劣化及び変形することを防止することができる。
また、本発明は、ブレードにより連結空間部の最内側壁の剛性を補助することによって熱変形に対応し、触媒に対する熱伝導率を向上させることができる。
また、本発明は、排出ガスの燃焼率を高めることにより、改質器の効率を上昇させることができる。
つまり、改質器の効率及び信頼性を向上させ、長時間の寿命を保障するとともに、環境に優しい燃料電池の運用が可能となる。
本発明の一実施例による改質器の構成を概略的に示す縦方向の断面図である。 本発明の一実施例による改質器の構成を概略的に示す横方向の断面図である。 二重酸化構造の改質器の開発中に発生したクラックを説明するための縦方向の断面図である。 本発明によるシールドが備えられた様子を示す縦方向の断面図である。 本発明によるシールドの溶接地点を説明するための平面図である。 本発明によるシールドを説明するための分解斜視図である。 本発明による水平方向に１列あたり４つの計２列にノズルが形成された第２燃焼器の様子を示す斜視図及び縦方向の断面図である。 本発明による水平方向に１列あたり６つの計２列にノズルが形成された第２燃焼器の様子を示す斜視図及び縦方向の断面図である。 本発明によるブレードを示すための切開斜視図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。特別な定義や言及がない場合、本説明に使かわれている「上下左右」などの方向を表す用語は、図面に示された状態を基準とする。
図１には、本発明の一実施例の改質器の概略的な様子を示している。図１を参照して説明すると、開発中の改質器は、熱源部２０と、改質部１０、１２と、第１燃焼器２１と、第２燃焼器２２と、第１改質部１２と第２改質部１０との間に流体疎通可能に連結された連結空間部１１とを備える。以下、各構成について詳細に説明する。
本実施例における改質器は、縦方向の中心軸を基準として中央部に熱源部２０が備えられる。熱源部２０は、中空の円筒形状または多角筒形状に形成され、その外部には、図２に示すように、熱源部２０を取り囲む第１改質部１２が備えられ、第１改質部１２の外郭には、第１改質部１２を取り囲む第２改質部１０が備えられる。また、第１改質部１２と第２改質部１０とは、下端で連結空間部１１により流体疎通可能に連結される。連結空間部１１は、上板１１ａ及び下板１１ｂで構成され、第１改質部１２と第２改質部１０の下端に溶接されて密封させる。また、連結空間部１１は、前記第１改質部１２と第２改質部１０の両方または少なくともいずれか１つの外側に位置する。
この構造により、改質器の中心軸を基準として中央部の温度が最も高く、外郭へ行くほど温度が低くなる熱構造が形成されることにより、均一な酸化温度を維持することができるのである。
一方、熱源部２０の両端には、熱源部燃料及び燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させる第１燃焼器２１及び第２燃焼器２２が両端にそれぞれ備えられる。このとき、熱源部燃料は、熱源部２０の温度を維持するために供給されるＬＰＧなどの主燃料を意味する。また、ＡＯＧは、燃料電池セルなどの複合体である発電部（図示せず）で酸化反応により電気を生産した後、燃料極から排出される水素を主成分とする未燃焼ガスを意味する。本実施例では、熱源部燃料を供給して酸化させる第１燃焼器が熱源部２０の上端に備えられ、ＡＯＧを再供給して酸化させる第２燃焼器が熱源部２０の下端に備えられる。
第２燃焼器２２は、図６または図７に示すように、熱源部２０の中心軸に対して垂直な方向にＡＯＧが流入するように噴射するノズルが形成される。すなわち、第２燃焼器２２のノズルを、図６に示すように、複数の横に形成されたノズルを介してＡＯＧの混合効果を極大化し、ホットスポットが第１酸化触媒層の付近に集中しないようにする。
改質器の基本的な反応は、次のとおりである。すなわち、熱源部２０にＬＰＧなどの熱源部燃料が供給され、改質に必要な温度を維持するようになれば、熱源部２０から伝導される熱によって第１改質部１２で燃料電池燃料を改質（ＳＲ）するようになる。すなわち、第１改質部には、前記水蒸気改質反応のための第１空間部が備えられる。このとき、生成されたリフォーメートは、ＣＯをさらに低減させ、別の反応器や発電部などに供給される。すなわち、前記第１改質部で水蒸気改質反応を通過したリフォーメートは、水性ガス転換反応を経ることとなるが、この水性ガス転換反応は、連結空間部１１と第２改質部１０の触媒層内で行われる。ここで、前記第２改質部１０は、前記水性ガス転換反応のための第２空間部を備える。
改質器で発生した７ＬＰＭ（Ｌｉｔｅｒｓ Ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）のリフォーメート（〜７１％Ｈ２、２５％ＣＯ２、〜１％ＣＨ４）がスタックなどの発電部を経て電気を生産した後、残留するリフォーメート（〜４７％Ｈ２、〜４５％ＣＯ２、〜１％ＣＨ４、Ｎ２ ｂａｌａｎｃｅ）は、発生量において約４．３ＬＰＭ程度である。すなわち、本出願人による実施例の場合、５ＳＬＰＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｅｒｓ Ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）程度発生した水素は、３ＳＬＰＭ程度が電気発生に活用され、２ＳＬＰＭが残留ガス、すなわち、ＡＯＧとして残るようになる。このように発生したＡＯＧは、さらに前述した第２燃焼器２２を介して熱源部２０内に供給された後、酸化して熱に転換される。
このような改質器を開発する過程において、ＡＯＧによるホットスポットの発生及び周辺装置への影響を評価するテスト運転を実施した。その結果、図３に示すように、第１改質部１２の内周面の下端部が高温雰囲気で熱膨張によって変形した。このとき、連結空間部１１の上板１１ａ及び下板１１ｂは、熱膨張による変形を拘束して強いストレスを受けた状態で、高温によりともに変形したり、変形する途中に第１改質部との溶接部位が損傷するといった現象が発生した。ホットスポットの熱的強度（ＡＯＧ内の水素の量及び濃度）、改質器の運転（Ｏｎ−Ｏｆｆ）ロジックによる熱衝撃条件及び改質器を構成するＳＵＳ鋼材質の特性などが、このような変形の強度に影響を及ぼしたと判断される。
本実施例では、熱変形に対する構造的な補強によりこれを解決しようとする。すなわち、図４ａ及び図５に示すように、シールド３０を備える。本発明において、放熱シールド３０またはシールド３０は、第２燃焼器２２のノズルの一領域と重なることができ、ＳＵＳ３１０のような、熱に比較的強い耐熱部材を中空の円筒形状に形成し、連結空間部１１の最内側壁の内周面に固定する。
シールド３０は、放熱部材として比較的熱に強いものが用いられる。ここで、シールド３０と連結空間部１１の最内側壁は、熱膨脹時にも一定の自由度を有して膨脹できるように点溶接によって固定されることが好ましい。例えば、図４ｂに示すように、シールド３０は、前記第２燃焼器２２に対向する連結空間部１１の最内側壁の外周面に接触して固定され得る。
特に、図４ｂから明らかなように、スポットまたは点溶接Ｗは、シールド３０の外周面の複数の位置で行われる。本実施例では、シールドが加熱すると、シールドは、熱ストレスを低減するために、点溶接位置から膨脹可能である。また、溶接は、均一な方法により互いに分離されて行われ、熱膨張効果を均一に分散させるために、均一な大きさを有することが好ましい。
また、前述したシールド３０のほか、図８に示すように、ブレード１５をさらに備えることができる。図８は、ブレードの取付位置を説明するために、連結空間部１１内の触媒層を別に分解して切開した斜視図である。ブレード１５は、平面形状の部材であって、連結空間部１１の最内側壁の外周面の下端部と連結空間部１１の下板１１ｂとを固定し、連結空間部１１の最内側壁が熱膨脹によって変形することを積極的に防御する構造物である。このようなブレード１５を複数個備えることにより、連結空間部１１の最内側壁が熱膨張から変形することを防止することができ、かつ、連結空間部に熱をより効率的に伝導することができる。このとき、ブレード１５は、熱膨張による変形に対して効率的に連結空間部１１の最内側壁を支持するように、熱膨張の大まかな方向、すなわち、熱源部２０の中心軸を基準として直径方向の延長線上に備えられることが好ましい。
これをより詳細に説明すると、連結空間部１１は、熱膨張による変形を防止するために、または連結空間部１１の流体の分散効果を増大させるために、ブレード１５を備えて形成するが、前記ブレード１５は、熱源部２０の中心軸に対して直径方向に沿って延設される。また、前記ブレード１５は、連結空間部１１の最内側壁の内周面と下板１１ｂとの間に固定される。
本発明の実施例において、耐久性を強化させた改質器は、熱膨張による変形から改質器を保護するための構造を提供する。改質器は、熱源部と、熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させる第１燃焼器と、熱源部の燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させる第２燃焼器と、改質部とを備える。前記改質部は、熱源部の外郭を取り囲む第１改質部、前記第１改質部を取り囲む第２改質部、並びに前記第２改質部の外側で第１改質部と第２改質部とを流体疎通可能に連結させる連結空間部を備える。また、放熱シールドが前記連結空間部と第２燃焼器との間に備えられる。ここで、放熱シールドは、改質器（より具体的には、連結空間部）が熱膨張によって変形することを防止する。また、前記連結空間部は、熱膨張による変形をより緩和させるための連結部としてブレードを備えて形成され得る。
１０；第２改質部
１１；連結空間部
１２；第１改質部
１５；ブレード
２０；熱源部
２１；第１燃焼器
２２；第２燃焼器
３０；シールド

Claims (15)

  1. 熱源部と、
    前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、
    前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、
    前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と前記第２改質部とをそれぞれの前記他端の側において流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部と、
    前記連結空間部と前記第２燃焼器との間に位置する放熱シールドと
    を備え、
    前記第２燃焼器は、前記熱源部に燃料極排出ガスを排出するためのノズルを備え、
    前記連結空間部は、前記ノズルの少なくとも一領域と重なり、
    前記放熱シールドは、前記ノズルの少なくとも一領域と重なり、
    前記放熱シールドは、前記第２燃焼器に対向する前記連結空間部の最内側壁の表面に接して装着されることを特徴とする改質器。
  2. 前記放熱シールドは、前記第２燃焼器に対向する前記連結空間部の最内側壁の外周面にスポット溶接によって固定されることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  3. 前記連結空間部は、熱膨張による変形を防止するためのブレードをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  4. 前記ブレードは、前記連結空間部内において前記熱源部の中心軸に対して直径方向に沿って延長し、前記連結空間部の最内側壁の表面と下板との間に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  5. 前記第２燃焼器は、前記熱源部の中心軸に垂直な方向に燃料極排出ガスを放出するノズルを備えることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  6. 前記第１改質部は、水蒸気改質反応を行う第１空間を含むことを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  7. 前記第２改質部は、水性ガス転換反応を行う第２空間を含むことを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  8. 前記連結空間部は、前記第１改質部または前記第２改質部の少なくともいずれか１つの外側に備えられることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  9. 前記連結空間部は、前記第１改質部及び前記第２改質部の外側に備えられることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
  10. 熱源部と、
    前記熱源部の一端から熱源部燃料を受けて酸化させるための第１燃焼器と、
    前記熱源部の他端から燃料極排出ガス（ＡＯＧ）を受けて酸化させるための第２燃焼器と、
    前記熱源部の外郭を取り囲むように形成される第１改質部、前記第１改質部の外郭を取り囲むように形成される第２改質部、並びに前記第１改質部と前記第２改質部とをそれぞれの前記他端の側において流体疎通可能に連結する連結空間部を備える改質部と
    を備え、
    前記連結空間部は、熱膨張による変形を防止するためのブレードを備え、
    前記第２燃焼器は、前記熱源部に燃料極排出ガスを排出するためのノズルを備え、
    前記連結空間部は、前記ノズルの少なくとも一領域と重なり、
    前記ブレードは、前記連結空間部内において前記熱源部の中心軸に対して直径方向に沿って延長し、前記連結空間部の最内側壁の表面と下板との間に固定されることを特徴とする改質器。
  11. 前記燃料極排出ガスは、前記熱源部の中心軸に垂直な方向に放出されることを特徴とする請求項１０に記載の改質器。
  12. 前記第１改質部は、水蒸気改質反応を行う第１空間を含むことを特徴とする請求項１０に記載の改質器。
  13. 前記第２改質部は、水性ガス転換反応を行う第２空間を含むことを特徴とする請求項１０に記載の改質器。
  14. 前記連結空間部は、前記第１改質部または前記第２改質部の少なくともいずれか１つの外側に備えられることを特徴とする請求項１０に記載の改質器。
  15. 前記連結空間部は、前記第１改質部及び前記第２改質部の外側に備えられることを特徴とする請求項１０に記載の改質器。
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