JP6437791B2 - 燃料改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システム等に用いられる燃料改質装置に関する。

燃料電池発電システム等に用いられる燃料改質装置は、例えばメタンを主成分とする都市ガスなどの水素成分を含む改質用燃料から、水素ガスを含む改質ガスを得るものである。改質用燃料から改質ガスを得る改質反応は吸熱反応であるため、一般に、バーナーと点火プラグなどによって生成される炎の熱によって、改質用燃料を加熱して改質反応を発生させる。

このような燃料改質装置では、例えば特許文献１に示されるとおり、円筒形の加熱部に対して、同心円筒状に配設された蒸発部と改質部とが形成されている。蒸発部には、水と原料ガスが供給される。蒸発部に供給された水と原料ガスは、螺旋状に形成された蒸発棒に沿って螺旋状に滴下しながら加熱部の熱により加熱され改質される。蒸発部に上部から流入した原料ガスと水は加熱されながら下流側に流れつつ、蒸発部で蒸発しきれなかった液水が水トラップに溜まる。一方で、加熱部の熱により原料ガスと水蒸気の混合気が蒸発部下部から排出され改質触媒へと流入する。

特開２００８−１９１５９号公報

ところで、上述のように、特許文献１に示される燃料電池改質装置では、蒸発部に導入された水をすべて蒸発させるような設計であった場合でも、水トラップから液水がオーバーフローして溢れる場合が想定される。特に、水の流路を形成する螺旋棒と内外管とを密着させた構造でない限りは、螺旋棒と内外管との間を伝ってショートパスが起こり、水トラップに水が溜まり易い。一方で、水トラップに十分な水を貯留する容積を設けると、機器全体の大型化を招く。したがって、このようなショートパスを防ぐためには、蒸発部を構成する物品の高い寸法精度が求められていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質部に対して液水の漏れを防止しつつ、蒸発部の製造自由度が高く生産性の高い燃料改質装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料改質装置は、燃焼用ガスと空気との混合気を燃焼させる加熱部と、前記加熱部の熱を利用して、導入された液水から水蒸気を発生させる蒸発部と、前記蒸発部の下流かつ下方に、前記蒸発部で発生した水蒸気と原料ガスとの混合気から水素含有ガスを生成する改質部と、を備え、前記蒸発部は、下部が閉塞され、蒸発せず貯留する液水の水位よりも高い位置に前記改質部と連通する連通口が形成され、前記蒸発部の上方で水蒸気と原料ガスとを混合させ、水蒸気と原料ガスとの混合気は前記蒸発部の外側を通って前記改質部へ供給される。

以上の態様では、導入された液水が滴下する間に蒸発せず、蒸発部に液水が溜まった場合でも、蒸発部の深さを十分に確保することができるので、液水が溢れて改質部へ流れることがない。また、蒸発部に溜まった液水は、加熱部の熱により煮沸させることで蒸発させて改質部へ送ることができる。この態様では、液水が蒸発部を滴下する間に蒸発させることに捉われず、蒸発しなかった液水を煮沸させて蒸発させる。したがって、液水のショートパスによる蒸発部下部への貯留が許容されるので、製造の自由度が高くなる。

好ましい態様では、前記蒸発部と前記改質部とは、前記加熱部の周囲を囲むように配置される。

好ましい態様では、前記蒸発部には、発生した水蒸気の脈動を防止する脈動防止手段が設けられ、この脈動防止手段は、前記蒸発部における水蒸気の発生を促進させるものである。
この態様では、蒸発部に貯留した液水が煮沸され蒸発した場合でも、蒸気の脈動を抑えることができ、液水をスムーズに蒸発させることが可能になる。

好ましい態様では、前記脈動防止手段は、前記蒸発部に導入された液水を螺旋状に流下させる螺旋流路により形成される。
この態様では、蒸発部において液水を螺旋状に滴下させることにより、液水に加熱部の熱を伝導させ易くさせることで蒸発を促進させることができる。また、例えば、蒸発部に丸棒を配置して螺旋流路を形成する場合であっても、液水のショートパスが許容される構成であるので、螺旋棒と蒸発部の管との間に隙間が生じることが許容される。したがって、螺旋棒と蒸発部の管を密着させるような製造精度は要求されず、製造の自由度が高く生産性の高い燃料改質装置を提供することができる。

好ましい態様では、前記脈動防止手段は、前記蒸発部において液水が沸騰して形成された液滴を捕捉するものであり、この脈動防止手段は、水蒸気は通過させ、液滴は外に前記蒸発部から排出させないように捕捉する液滴捕捉部材である。また、この脈動防止手段は、前記蒸発部における液水の沸騰を抑制するものである。
この態様では、蒸発部において、例えばステンレスウールなどの液滴捕捉部材を設けることで、蒸発部を滴下する液水の粒子を小さくし、加熱部からの熱伝導効果を高めることができる。

好ましい態様では、前記蒸発部は、下部が縮径した縮径部を備える。
この態様では、蒸発部の下部を縮径させて構成することで、蒸発部に貯留した液水が内側に配置された加熱部に当接する面積を広く取ることができる。したがって、蒸発部に貯留した液水に対して加熱部から熱を効率よく伝導させることができる。また、蒸発部全体を漸次縮径させ、上方の径を狭く構成した場合、上昇する蒸気により液滴が押し上げられてしまうことがあるが、この態様では、上方を縮径させずに広く構成することができるので、液滴の滴下と蒸気の上方への移動が干渉せず、スムーズな往来が可能になる。

本発明によれば、改質部に対して液水の漏れを防止しつつ、蒸発部の製造自由度が高く生産性の高い燃料改質装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料改質装置の構成を示す模式図。 本発明の第２実施形態に係る燃料改質装置の構成を示す模式図。 本発明の第３実施形態に係る燃料改質装置の構成を示す模式図。 本発明の第４実施形態に係る燃料改質装置の構成を示す模式図。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、第１実施形態に係る燃料改質装置１０の構成を示す模式図である。燃料改質装置１０は、全体が円筒形状の改質器である。図１に示されるとおり、燃料改質装置１０は、中央に円筒形状の加熱器１１を備え、加熱器１１の外周に配設された蒸発部１２と、蒸発部１２の下流かつ下方に配設された改質部１３と、改質部１３のさらに下流に配設された浄化部１４と、を備える。

加熱器１１は、外部から燃焼用ガスＧ１と空気ＡＲ１とが導入され、これらの混合気を燃焼させるバーナー１１Ａを備える。バーナー１１Ａから発生する炎Ｆの熱により、加熱器１１全体が加熱される。また、加熱器１１には、排ガス流路１１Ｂが形成され、この排ガス流路１１Ｂから炎Ｆの燃焼により発生した燃焼排ガスＧ２は外部に排出される。加熱器１１において、バーナー１１Ａは炎Ｆを下方に向けて発生させている。

また、排ガス流路１１Ｂは、加熱器１１の外周側に側壁１１Ｃを介して形成されている。加熱器１１の上端近傍の外周上の一端に排出管１１Ｄが取り付けられ、燃焼排ガスＧ２の排出経路を形成している。排出管１１Ｄを、加熱器１１の上方に形成したのは、後述する導入管１２Ａ及び１２Ｂとの配管構成を考慮したものである。したがって、排出管１１Ｄは必ずしも上方に設ける必要はない。

蒸発部１２は、加熱器１１の外周に同心円状に形成されている。蒸発部１２は、上端部近傍に、液水Ｗと原料ガスＧ３とが導入される導入管１２Ａ及び１２Ｂとが設けられている。また、蒸発部１２の下部は、底面１２Ｃにより閉塞される。導入管１２Ａ及び１２Ｂの下流には、蒸発流路１２Ｄが形成されている。蒸発部１２に導入された液水Ｗは、蒸発流路１２Ｄを下降しながら加熱器１１により加熱され、液水Ｗは水蒸気となって原料ガスＧ３と混合され、混合気となる。この混合気は、後述する改質部１３に連通する連通口１２Ｅを通じて、改質部１３に排出される。

ここで、蒸発部１２において、液水Ｗと原料ガスＧ３の導入管１２Ａ及び１２Ｂを蒸発部１２の上端近傍から導入し、連通口１２Ｅを導入管１２Ｂの近傍に形成している。導入管１２Ａ及び１２Ｂを上端近傍に導入するのは、導入された液水Ｗが底面１２Ｃに至るまでのストロークが長く取れることで加熱器１１により加熱される時間を長く取ることができ、蒸発を促すことができることによる。

また、連通口１２Ｅを導入管１２Ｂ近傍に形成したのは、底面１２Ｃにより閉塞された蒸発部１２に導入される液水Ｗが貯留した場合に、底面１２Ｃから連通口１２Ｅまで、十分な深さが確保されていれば、液水Ｗが蒸発部１２から漏出することがないからである。したがって、連通口１２Ｅは、蒸発部１２に貯留する液水Ｗが漏出しない程度に十分な深さを確保した位置に形成されていればよく、図１に示す実施態様より低い位置（底面１２Ｃ寄り）に形成されていても良い。なお、連通口１２Ｅは、蒸発部１２の壁部に孔を形成することにより設けることができ、蒸発部１２に対して複数設けてもよい。

改質部１３及び浄化部１４は、蒸発部１２の下流に形成される。改質部１３と浄化部１４とは、隔壁１５により隔てられている。改質部１３は、蒸発部１２の外周部分を上流側とし、この上流側から下方に向かって外側流路１３Ａを形成しており、下方の改質流路１３Ｂには改質触媒１３Ｃが設けられている。なお、改質触媒１３Ｃの具体的な構成については、従来の改質器と同様であるので説明を省略する。

浄化部１４は、改質部１３の下流側に形成されており、図中で下方を上流側とし、上方を下流側とし、上流側から変成触媒１４Ａと、一酸化炭素選択酸化（ＰＲＯＸ）触媒１４Ｂとが順に設けられている。なお、変成触媒１４Ａ、ＰＲＯＸ触媒１４Ｂの個々の構成については、従来の改質器と同様であるので説明を省略する。

改質部１３及び浄化部１４とは、下端の連通部１５Ａにおいて連通しており、改質部１３を下降し、改質触媒１３Ｃを通過した原料ガスＧ３及び水蒸気は、連通部１５Ａを通って、浄化部１４に流入する。浄化部１４において、変成触媒１４ＡとＰＲＯＸ触媒１４Ｂを通過して上昇する。なお、浄化部１４のＰＲＯＸ触媒１４Ｂの上流では、ＰＲＯＸ用の空気ＡＲ２が流入管１４Ｃから導入される。

改質部１３及び浄化部１４を通過したガスは、改質ガスＧ４として、排出管１４Ｄから排出される。なお、本実施形態では、最適な実施態様として浄化部１４を設けた構成を説明しているが、浄化部１４は必須の構成でなく、浄化部１４を設けずに改質部１３のみによって構成することも可能である。

以上の燃料改質装置１０では、蒸発部１２の下部が閉塞され、水蒸気及び改質ガスの連通口１２Ｅが上部に形成されたことにより、蒸発部１２に液水が溜まった場合でも、液水が溢れるまでの深さを十分に確保することができる。

また、蒸発部１２に導入された液水Ｗが蒸発せずに蒸発部１２の底面に溜まった場合でも、溜まった液水Ｗは加熱器１１の熱により煮沸され蒸発し、改質部１３へ運ばれる。

燃料改質装置１０では、液水Ｗが蒸発部を滴下する間に蒸発させることに捉われず、蒸発しなかった液水Ｗを煮沸させて蒸発させる。したがって、液水Ｗのショートパスによる蒸発部１２下部への貯留が許容されるので、製造の自由度が高くなる。

図２は、第２実施形態に係る燃料改質装置２０の構成を示す模式図である。図２に示されるとおり、燃料改質装置２０は、主として、第１実施形態に係る燃料改質装置１０の蒸発部１２の構成に変更を加え、蒸発部１２０として表したものである。また、蒸発部１２０及び改質部１３の一部に、液水Ｗの螺旋流路を形成する丸棒１６を配設したものである。なお、その他の構成については、燃料改質装置１０と同様であるので、説明を省略する。

図２に示されるとおり、蒸発部１２０では、蒸発部１２０と改質部１３とを連通する連通口１２０Ｅが蒸発部１２０の上面との間に形成される。また、原料ガスＧ３の導入管１２０Ｂは、改質部１３の壁面に形成され、原料ガスＧ３は、改質部１３に導入される。

蒸発部１２０の蒸発流路１２０Ｄ及び改質部１３の外側流路１３Ａには、流路内を螺旋状に丸棒１６が巻回されている。ここで、蒸発流路１２０Ｄにおいては、底面１２０Ｃが設けられているため、液水Ｗがショートパスして底面１２０Ｃに貯留することが許容される。そのため、螺旋流路を形成する丸棒１６は、蒸発流路１２０Ｄの側壁との間に隙間があっても許容される。

このような第２実施形態の燃料改質装置２０によれば、蒸発部１２０に丸棒１６を配設する場合において、丸棒１６と蒸発流路１２０Ｄとの間に隙間が生じることが許容される。したがって、丸棒１６と蒸発流路１２０Ｄとを密着させるような工程が不要で、製造の自由度を高めることができる。

なお、このような螺旋流路を形成する構成は、燃料改質装置２０に示される丸棒１６を螺旋配置したものに限られず、例えば、蒸発部１２０の側壁を螺旋状に加工して形成することも可能である。

図３は、第３実施形態に係る燃料改質装置３０の構成を示す模式図である。図３に示されるとおり、燃料改質装置３０は、主として、第２実施形態に係る燃料改質装置２０において、丸棒１６を設けない構成において蒸発部１２０に改良を加えたものである。なお、その他の構成については、燃料改質装置１０及び燃料改質装置２０と同様であるので、説明を省略する。

図３に示されるとおり、蒸発流路１２０Ｄには、脈動防止手段として、液滴捕捉部材１７が設けられている。液滴捕捉部材１７は、例えば、ステンレスウールのような吸水性のある部材やアルミナボールのような多孔質の部材を充填することにより構成することができる。このような液滴捕捉部材１７を設けたことにより、蒸発流路１２０Ｄを通る液水Ｗに対して、加熱器１１の熱伝導効率を高め蒸発を促すことができる。また、蒸発流路１２０Ｄの底面１２０Ｃでは、貯留した液水Ｗを煮沸するため、蒸気の流れに脈動が生じやすい。この点、蒸発流路１２０Ｄに液滴捕捉部材１７を設けたことにより、蒸気の脈動を抑えることができる。さらに、液滴捕捉部材１７により、水滴が捕捉されるため、水滴が上記の流れに乗って連通口１２０Ｅから排出されることを防ぐことができる。

なお、液滴捕捉部材１７は、蒸発流路１２０Ｄの全体に連続的に設けているが、液滴捕捉部材１７の配置は、このような態様に限られず、例えば、任意の位置に部分的に設けても良く、また断続的に設けても良い。

図４は、第４実施形態に係る燃料改質装置４０の構成を示す模式図である。図４に示されるとおり、燃料改質装置４０は、主として、第３実施形態に係る燃料改質装置２０において、液滴捕捉部材１７を取り除くとともに、蒸発部１２０の構成に改良を加え、蒸発部１２１として構成したものである。なお、その他の構成については、燃料改質装置１０及び燃料改質装置２０と同様であるので、説明を省略する。

図４に示されるとおり、蒸発流路１２１Ｄは、液水Ｗが導入される側の上流側から、下方の下流側に向かって、縮径して形成される。より具体的には、蒸発流路１２１Ｄは、上流側に配置され一定の径で形成された円筒部１２１Ｄ１と、下流側に配置され下方に向かって縮径して形成された縮径部１２１Ｄ２とから構成される。

このような構成の燃料改質装置４０では、蒸発流路１２１Ｄは、下方において縮径した縮径部１２１Ｄ２を形成しているので、下方に滴下する液水Ｗは、縮径した箇所に貯留することになる。

このように、縮径された箇所では、貯留した液水Ｗが加熱器１１の側壁に当接する面積が大きくなる。したがって、液水Ｗが加熱器１１の熱によって煮沸され易くなり、効率よく水蒸気を発生させることができるようになる。

一方、蒸発流路１２１Ｄは、上流側に配置され一定の径で形成された円筒部１２１Ｄ１を形成している。ここで、蒸発流路１２１Ｄの全体を縮径させると、蒸気が液水Ｗを上方に押し上げてしまい、場合によっては、連通口１２０Ｅから排出されてしまうことも想定される。そこで、一定の径で形成された円筒部１２１Ｄ１を設けることで、液水Ｗと水蒸気とのスムーズな往来を可能にしている。

そのほか、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなども、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，２０，３０，４０：燃料改質装置
１１：加熱器
１１Ａ：バーナー
１１Ｂ：排ガス流路
１１Ｃ：側壁
１１Ｄ：排出管
１２：蒸発部
１２Ａ，１２Ｂ：導入管
１２Ｃ：底面
１２Ｄ：蒸発流路
１２Ｅ：連通口
１３：改質部
１３Ａ：外側流路
１３Ｂ：改質流路
１３Ｃ：改質触媒
１４：浄化部
１４Ａ：変成触媒
１４Ｂ：一酸化炭素選択酸化（ＰＲＯＸ）触媒
１４Ｃ：流入管
１４Ｄ：排出管
１５：隔壁
１５Ａ：連通部
１６：丸棒
１７：液滴捕捉部材
１２０：蒸発部
１２０Ａ，１２０Ｂ：導入管
１２０Ｃ：底面
１２０Ｄ：蒸発流路
１２１Ｄ１：円筒部
１２１Ｄ２：縮径部
１２０Ｅ：連通口

Claims (9)

1. 燃焼用ガスと空気とを燃焼させる加熱部と、
   前記加熱部の熱を利用して、導入された液水から水蒸気を発生させる蒸発部と、
   前記蒸発部の下流かつ下方に、前記蒸発部で発生した水蒸気と原料ガスとの混合気から水素含有ガスを生成する改質部と、
   を備え、
   前記蒸発部は、下部が閉塞され、蒸発せず貯留する液水の水位よりも高い位置に前記改質部と連通する連通口が形成され、
   前記蒸発部の上方で水蒸気と原料ガスとを混合させ、水蒸気と原料ガスとの混合気は前記蒸発部の外側を通って前記改質部へ供給される
   燃料改質装置。
2. 前記蒸発部と前記改質部とは、前記加熱部の周囲を囲むように配置された、
   請求項１の燃料改質装置。
3. 前記蒸発部には、発生した水蒸気の脈動を防止する脈動防止手段が設けられた、
   請求項１の燃料改質装置。
4. 前記脈動防止手段は、前記蒸発部における水蒸気の発生を促進させるものである、
   請求項３の燃料改質装置。
5. 前記脈動防止手段は、前記蒸発部に導入された液水を螺旋状に流下させる螺旋流路により形成された、
   請求項４の燃料改質装置。
6. 前記脈動防止手段は、前記蒸発部において液水が沸騰して形成された液滴を捕捉するものである、
   請求項３の燃料改質装置。
7. 前記脈動防止手段は、水蒸気は通過させ、液滴は外に前記蒸発部から排出させないように捕捉する液滴捕捉部材である、
   請求項６の燃料改質装置。
   ことを
8. 前記脈動防止手段は、前記蒸発部における液水の沸騰を抑制するものである、
   請求項３の燃料改質装置。
9. 前記蒸発部は、下部が縮径した縮径部を備える、
   請求項１の燃料改質装置。
   

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