JP5874667B2 - Evaporator, manufacturing method thereof, hydrogen generator and fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、水素生成装置用の蒸発器と、この蒸発器の製造方法と、この蒸発器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムに関する。 The present invention relates to an evaporator for a hydrogen generator, a method for manufacturing the evaporator, a hydrogen generator including the evaporator, and a fuel cell system.
一般に、燃料電池発電システムにおいては、まず、改質部によって炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応の炭化水素化合物及び水蒸気等を含む改質ガスを生成させる。つぎに、変成部や選択酸化部などの一酸化炭素低減部によって一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成させ、得られた燃料ガスを用いて燃料電池で発電を行う。 In general, in a fuel cell power generation system, first, a reforming unit reforms containing hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, unreacted hydrocarbon compound, steam, and the like by a steam reforming reaction using a hydrocarbon compound and steam as raw materials. Generate gas. Next, carbon monoxide is removed by a carbon monoxide reduction unit such as a shift conversion unit or a selective oxidation unit to generate a fuel gas, and electric power is generated in the fuel cell using the obtained fuel gas.
水蒸気改質反応に必要な水蒸気は、改質部の上流に設けた蒸発部で、水を蒸発させることにより得られる。蒸発に要する熱としては、通常、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼部で燃焼して得られる熱が用いられる(例えば、特許文献1)。 The water vapor necessary for the steam reforming reaction is obtained by evaporating water in an evaporation section provided upstream of the reforming section. As the heat required for evaporation, the heat obtained by burning the anode off gas discharged from the fuel cell in the combustion section is usually used (for example, Patent Document 1).
以下に、特許文献1に示された水素生成装置について、図6を用いて説明する。図6は、水素生成装置の縦断面図である。
Hereinafter, the hydrogen generator shown in
この水素生成装置1は、バーナ2、改質触媒3、変成触媒4、選択酸化触媒5、蒸発部8およびこれらを囲む断熱材14を備えている。原料となる炭化水素と水は原料供給口7から供給され、バーナ2の燃焼ガスは排気口6から排気される。
The
水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するバーナ2の燃料としては、燃料電池から排出されるアノードオフガスが用いられる。ルテニウムを主成分とする改質触媒3の作用により、原料と水蒸気とが反応して、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応のメタン及び水蒸気等を含む改質ガスが生成する。改質ガスに含まれる一酸化炭素は、変成触媒4によって改質ガス中の水蒸気と反応して1%以下程度の濃度にまで低減される。さらに、改質ガスは、空気供給口12から供給された空気と混合され、選択酸化触媒5によって一酸化炭素が選択的に燃焼除去され、水素含有ガスが生成する。
As the fuel for the burner 2 that supplies reaction heat necessary for the steam reforming reaction, anode off-gas discharged from the fuel cell is used. By the action of the reforming catalyst 3 containing ruthenium as a main component, the raw material reacts with steam to generate reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, unreacted methane, steam, and the like. Carbon monoxide contained in the reformed gas reacts with water vapor in the reformed gas by the shift catalyst 4 and is reduced to a concentration of about 1% or less. Further, the reformed gas is mixed with the air supplied from the
生成した水素含有ガスは、水素含有ガス出口13から燃料電池へ供給される。
The generated hydrogen-containing gas is supplied from the hydrogen-containing
改質触媒3に供給される水蒸気は、バーナ2で燃焼した燃焼ガス、変性触媒や選択酸化触媒の反応熱、改質ガス、水素含有ガスによって蒸発部8内で水を加熱することにより得られる。蒸発部8は、内筒9及び外筒10と、それらに挟まれたらせん棒11とから構成される。
The water vapor supplied to the reforming catalyst 3 is obtained by heating water in the evaporation section 8 with the combustion gas burned in the burner 2, the reaction heat of the modified catalyst or the selective oxidation catalyst, the reformed gas, and the hydrogen-containing gas. . The evaporation unit 8 includes an
原料供給口7から供給された原料と水は、らせん棒11によって区切られたらせん状の空間(流路)8Bを流下しながらバーナ2で生じた燃焼ガス等により加熱される。内筒9と外筒10との間にらせん棒11を配置することにより、水を蒸発させるのに十分な伝熱面積を確保している。
The raw material and water supplied from the raw material supply port 7 are heated by the combustion gas generated in the burner 2 while flowing down the spiral space (flow path) 8B separated by the
特許文献1には、このらせん棒11を内筒9と外筒10との間に固定設置する方法として、内筒9と外筒10との間にらせん棒11を配置した後、外筒10を縮径させるか又は内筒9を拡径させてらせん棒11をカシメることが記載されている。
In
上記特許文献1のように外筒10を縮径させるか又は内筒9を拡径させてらせん棒11を内筒9及び外筒10に押し付けても、らせん棒11と内筒9及び外筒10とは十分には水密的に固着せず、らせん棒11と内筒9又は外筒10との間の微小な隙間を通って水が短絡的に流れ易く、蒸発効率が低いものとなり易い。また、高温の金属平滑面は疎水性が高く、水滴がその場にとどまらずに急速に流下してしまい蒸発効率が下がる。これを防ぐためにワイヤーメッシュを使用することが提案されている。(特開2010-129411)
Even if the diameter of the
本発明は、上記従来の問題点を解決し、らせん流路が水密的に区画形成された蒸発器と、この蒸発器の製造方法と、この蒸発器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides an evaporator in which a spiral flow path is formed in a watertight manner, a method for manufacturing the evaporator, a hydrogen generation apparatus and a fuel cell system including the evaporator. The purpose is to provide.
本発明の蒸発器は、水素生成装置の改質部に供給する水を蒸発させるための蒸発器であって、内筒及び外筒と、該内筒と外筒との間にらせん状に設けられたらせん体とを備え、該内筒及び外筒の軸心線方向が上下方向となるように設置され、該らせん体に沿うらせん流路に水が供給され、該内筒内側又は外筒外側からの熱により水を蒸発させる蒸発器において、該らせん体は、前記内筒と外筒とに連なる、金属粉末の溶融、固化物である溶接金属よりなることを特徴とする。 An evaporator according to the present invention is an evaporator for evaporating water supplied to a reforming section of a hydrogen generator, and is provided in a spiral shape between an inner cylinder and an outer cylinder, and the inner cylinder and the outer cylinder. And the inner cylinder and the outer cylinder are installed so that the axial direction of the inner cylinder and the outer cylinder are in the vertical direction, and water is supplied to the spiral flow path along the spiral body, and the inner cylinder or the outer cylinder In the evaporator for evaporating water by heat from the outside, the helical body is made of a weld metal that is a molten or solidified metal powder that is connected to the inner cylinder and the outer cylinder.
本発明の蒸発器の製造方法は、かかる本発明の蒸発器を製造する方法であって、前記内筒と外筒との間に金属粉末を充填する工程と、該外筒の外周から高エネルギー線を照射することにより、この照射部位の外筒と、それに対峙する内筒の外面と、両者の間の前記金属粉末を溶融させ、次いで溶融物を固化させて前記溶接金属を形成する工程と、を有し、前記照射部位をらせん状に移動させることにより、前記らせん体を形成することを特徴とする。 An evaporator manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing the evaporator of the present invention, comprising a step of filling metal powder between the inner cylinder and the outer cylinder, and high energy from the outer periphery of the outer cylinder. Irradiating a line, melting the outer cylinder of the irradiated part, the outer surface of the inner cylinder opposite to the outer part, and melting the metal powder between the two, and then solidifying the melt to form the weld metal; The helical body is formed by moving the irradiation site in a spiral shape.
本発明の水素生成装置は、本発明の蒸発器と、該蒸発器からの水蒸気と炭化水素ガスとを反応させて水素含有ガスを生成させる改質部とを有する。 The hydrogen generator of the present invention includes the evaporator of the present invention, and a reforming unit that reacts water vapor from the evaporator and a hydrocarbon gas to generate a hydrogen-containing gas.
本発明の燃料電池システムは、かかる水素生成装置と、該水素生成装置から供給される水素含有ガスと空気とにより発電作動する燃料電池とを有する。 The fuel cell system of the present invention has such a hydrogen generator, and a fuel cell that generates electricity by using a hydrogen-containing gas and air supplied from the hydrogen generator.
本発明の蒸発器では、らせん流路を構成するらせん体が溶接金属よりなり、この溶接金属が内筒及び外筒に溶着して一体化しているため、らせん体と内筒及び外筒との結合部分が水密的に構成されている。このため、本発明の蒸発器では水が短絡的に流れることがなく、水の蒸発効率が良好である。 In the evaporator of the present invention, the helical body constituting the helical flow path is made of a weld metal, and this weld metal is welded and integrated with the inner cylinder and the outer cylinder. The joint portion is watertight. For this reason, in the evaporator of this invention, water does not flow short-circuiting, but the evaporation efficiency of water is favorable.
本発明の水素生成装置及び燃料電池システムは、かかる蒸発器を備えたものであるので、水素が効率よく製造され、発電効率も良好となる。 Since the hydrogen generator and the fuel cell system of the present invention are equipped with such an evaporator, hydrogen is efficiently produced and power generation efficiency is also improved.
図1を参照して実施の形態に係る蒸発器及びその製造方法を説明する。 With reference to FIG. 1, the evaporator which concerns on embodiment, and its manufacturing method are demonstrated.
図1(a)の通り、内筒20と外筒21とを同軸的に配置し、内筒20と外筒21との間に金属粉末22を充填する(図1(b))。
As shown in FIG. 1A, the
なお、この実施の形態では、内筒20と外筒21との間のスペースの底部を底蓋23で閉鎖した後、金属粉末22を充填する。次いで、レーザービーム、電子ビーム、プラズマなどの高エネルギー線bを照射装置24から外筒21の外周面に照射する。そして、外筒21の高エネルギー線bの照射部位と、それに対峙する内筒20の少なくとも外周面と、それらの間の金属粉末22とを溶融させる。
In this embodiment, the bottom of the space between the
また、この高エネルギー線bの照射を開始するのとほぼ同時に、内筒20及び外筒21並びに両者間の金属粉末22をその軸心回りに回転させると共に、軸心方向に移動させ、高エネルギー線bの照射部位をらせん方向に一定速度で連続的に移動させる。
Further, almost simultaneously with the start of the irradiation of the high energy beam b, the
これにより、高エネルギー線bが照射されて溶融する内筒20及び外筒21並びに両者間の金属粉末22の溶融部分が徐々にらせん方向に移動する。高エネルギー線が通り過ぎた部位では、溶融物が固化して溶接金属となる。そのため、この高エネルギー線bの照射部位をらせん状に移動させることにより、らせん体25(図1(c)〜(e))が形成される。
As a result, the
その後、底蓋23を撤去し、内筒20と外筒21との間に残留した未溶融の金属粉末を両者間から取り出すことにより、らせん流路27を有した、図1(c)〜(e)に示す蒸発器26が得られる。図1(c)は蒸発器26の縦断面図、図1(d)は蒸発器26の側面図、図1(e)は蒸発器26の断面斜視図である。なお、未溶融の金属粉末を取り出すには、エアガン等によりエアを吹き付けたりすればよい。
Thereafter, the
上記の内筒20、外筒21及び金属粉末22の材料としては、ステンレス、チタン、チタン合金等の耐食性金属が好適であるが、これに限定されない。金属粉末22の粒度は70〜250メッシュ(約50〜200μm)程度が好ましい。
The material of the
このようにして製造された蒸発器26は、内筒20及び外筒の軸心線方向が上下方向、好ましくは鉛直方向となるように設置され、らせん流路に水が供給される。この蒸発器26にあっては、らせん体25は溶接金属よりなり、内筒20及び外筒21に対して溶け込んで一体化しており、らせん流路27を流れる水が短絡的に流れず、すべてらせん流路27に沿ってらせん方向に流れる。
The
このらせん体25は、金属粉末を溶融固化させた溶接金属よりなるものであるから、その表面は粗面状となっている。そのため、らせん体25は、親水性に優れ、保水能力が高い。このようなことから、この蒸発器26は蒸発効率に優れる。
Since the
本発明の蒸発器は、溶接ロボット等を用いて自動的に容易に製造することも可能である。 The evaporator of the present invention can be automatically and easily manufactured using a welding robot or the like.
上記実施の形態では、照射装置24を固定し、内筒20、外筒21及び金属粉末22を回転させながら軸心方向に移動させているが、内筒20、外筒21及び金属粉末22と照射装置24とは相対的にらせん方向に移動すればよく、これに限定されない。例えば、照射装置24をらせん方向に移動させてもよい。また、内筒20、外筒21及び金属粉末22を回転させながら、照射装置24を軸心線と平行方向に移動させてもよい。
In the above embodiment, the
本発明の蒸発器のらせん体は、高エネルギー線bの照射部位を移動させることによって形成されるものであるから、図1に示す単純ならせん形状に限らず、図2〜5のようにらせん形状部分と他の形状部分とを組み合わせたらせん体であっても容易に形成することができる。 Since the spiral body of the evaporator of the present invention is formed by moving the irradiation site of the high energy ray b, the spiral body is not limited to the simple spiral shape shown in FIG. Even a helical body combining a shape portion and another shape portion can be easily formed.
図2の蒸発器26Aのらせん体25Aは、らせん流路方向において所定間隔をおいて上向き波頭形の凸部25aを形成するように曲成されている。図3の蒸発器26Bのらせん体25Bは、らせん流路方向において所定間隔をおいて小堰状の上向き凸部25bが形成されている。これらの蒸発器26A,26Bによれば、らせん体25A,25Bに沿って流れる水が凸部25a,25bにより抵抗を受け、流速が低下するので、水が効率よく蒸発する。
The
図4の蒸発器26Cにあっては、らせん流路27の末端部に、周方向に延在した溶接金属よりなる複数の周方向体29が周方向に間隔をあけて途切れ途切れに配列設置されており、周方向体29間にオリフィス28を形成している。周方向体29は、らせん体25と同様にして形成されたものであり、延在方向が周方向となっていること以外はらせん体25と同一構造のものである。
In the evaporator 26C of FIG. 4, a plurality of
らせん流路27の途中に設けられたガス導入口30かららせん流路27内に導入されたガスは、らせん流路27内の水蒸気と混ざり合いながららせん流路27を流れる。その後、オリフィス28を通過することにより、ガスと水蒸気とが十分に混合されるとともに、周方向に均一な流速に分散され触媒層での反応を安定化させることができる。
The gas introduced into the
図5の蒸発器26Dでは、らせん体25のらせん流路方向の途中に、下向きに第1の舌片部31が設けられ、この第1の舌片部31のらせん流路方向の一方の側に第1の開口33が設けられ、他方の側に第2の開口34が設けられている。第1の開口33は、舌片部31よりもらせん流路方向の上位側に位置する。第1の開口33の縁部のうち、第1の舌片部31と反対側の縁部には下向きの第2の舌片部32が設けられている。舌片部31,32は、らせん体25と同様にして形成されたものであり、延在方向が下方となっていること以外はらせん体25と同一構造のものである。
In the
水の蒸発により生じた水蒸気と、外筒に設けられた導入口30から導入されたガスとが、第1の舌片部31に当って開口33,34を通過し、乱流化が促進されることにより、充分に混合される。第2の舌片部32を設けたことによって、乱流化がさらに促進され、水蒸気とガスとが十分に混合される。
The water vapor generated by the evaporation of water and the gas introduced from the
本発明の水素生成装置は、図6の水素生成装置において、蒸発器として上記本発明の蒸発器を用いることにより構成することができる。 The hydrogen generator of the present invention can be configured by using the evaporator of the present invention as an evaporator in the hydrogen generator of FIG.
本発明の燃料電池システムは、かかる水素生成装置と、燃料電池とで構成されている。この燃料電池は、水素生成装置から供給される水素含有の燃料ガスと、空気との化学反応により発電する。 The fuel cell system of the present invention includes such a hydrogen generator and a fuel cell. This fuel cell generates power by a chemical reaction between hydrogen-containing fuel gas supplied from a hydrogen generator and air.
[実施例1]
外径60.5mm、肉厚1.5mm、長さ300mmのステンレス製の内筒20と、外径65.5mm、肉厚1.5mm、長さ280mmのステンレス製の外筒21とを1.0mmの隙間をあけて同軸状に配置し、底蓋23を配置した後、両者間に平均粒径125μmのステンレス(SUS316L)粉末(70メッシュと250メッシュで篩い分けされた市販の粉末)を充填した。その後、レーザー照射装置(出力2kW)からレーザービームを外筒21に照射し、軸方向送り速度75mm/min、回転数7.5rpmにて内筒20、外筒21及び金属粉末22を移動及び回転させ、レーザー照射部位をらせん方向に移動させた。その後、未溶融のステンレス粉末をエアガンにより取り出した。これにより、図1(c)〜(e)に示すらせん体25を有した蒸発器26が得られた。
[Example 1]
1. A stainless steel
図7はこのらせん体25を蒸発器軸心線方向に切断した断面の写真であり、図8はその拡大写真であり、図9はらせん体25の側面を撮影した写真である。図7,8の通り、らせん体25は内筒20及び外筒21に完全に溶け込んで一体化しており、水密性に優れることが認められる。また、図9の通り、らせん体25の側面(らせん流路に臨む面)は粗面状となっている。
FIG. 7 is a cross-sectional photograph of the
9,20 内筒
10,21 外筒
11,25,25A,25B らせん体
22 金属粉末
23 底蓋
24 高エネルギー線照射装置
8,26,26A〜26D 蒸発器
8B,27 らせん流路
28 オリフィス
29 周方向体
30 ガス導入口
31,32 下向き舌片部
33,34 開口
9,20
Claims (9)
内筒及び外筒と、該内筒と外筒との間にらせん状に設けられたらせん体とを備え、
該内筒及び外筒の軸心線方向が上下方向となるように設置され、該らせん体に沿うらせん流路に水が供給され、該内筒内側または該外筒外側からの熱により水を蒸発させる蒸発器において、
該らせん体は、前記内筒と外筒とに連なる、金属粉末の溶融、固化物である溶接金属よりなることを特徴とする蒸発器。 An evaporator for evaporating water supplied to a reforming section of a hydrogen generator,
An inner cylinder and an outer cylinder, and a helical body provided in a spiral shape between the inner cylinder and the outer cylinder,
The inner cylinder and the outer cylinder are installed so that the axial center direction is the vertical direction, water is supplied to the spiral flow path along the spiral body, and water is removed by heat from the inner cylinder inner side or the outer cylinder outer side. In the evaporator to evaporate,
The evaporator is characterized in that the spiral body is made of a weld metal which is a melted and solidified metal powder and is connected to the inner cylinder and the outer cylinder.
前記内筒と外筒との間に金属粉末を充填する工程と、
該外筒の外周から高エネルギー線を照射することにより、この照射部位の外筒と、それに対峙する内筒の外面と、両者の間の前記金属粉末を溶融させ、次いで溶融物を固化させて前記溶接金属を形成する工程と、
を有し、前記照射部位をらせん状に移動させることにより、前記らせん体を形成することを特徴とする蒸発器の製造方法。 A method of manufacturing an evaporator according to any one of claims 1 to 6,
Filling the metal powder between the inner cylinder and the outer cylinder;
By irradiating a high energy ray from the outer periphery of the outer cylinder, the outer cylinder of the irradiated portion, the outer surface of the inner cylinder facing the outer cylinder, and the metal powder between them are melted, and then the melt is solidified. Forming the weld metal;
And forming the helical body by moving the irradiation site in a spiral shape.
該蒸発器からの水蒸気と炭化水素ガスとを反応させて水素含有ガスを生成させる改質部と
を有する水素生成装置。 The evaporator according to any one of claims 1 to 6,
A hydrogen generator having a reforming unit that reacts water vapor from the evaporator with a hydrocarbon gas to generate a hydrogen-containing gas.
該水素生成装置から供給される水素含有ガスと空気とにより発電作動する燃料電池と
を有する燃料電池システム。 A hydrogen generator according to claim 8;
A fuel cell system having a fuel cell that generates electricity by using a hydrogen-containing gas and air supplied from the hydrogen generator.
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