JP7206121B2 - Fuel reformer unit - Google Patents
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Description
本発明は、燃料改質ユニットに関する。 The present invention relates to fuel reformer units.
燃料電池システムは、燃料を燃料改質ユニットで改質して生成した改質ガスを燃料電池スタックに供給して発電する。燃料改質ユニットでは、蒸発器や改質器を含む各コンポーネントが別体で構成されている。そのため、各コンポーネントの連結箇所のガスリーク対策が必要となり、部品数の増加や構造の複雑化によって、燃料改質ユニットが大型化する問題があった。 A fuel cell system generates power by supplying a reformed gas produced by reforming fuel in a fuel reforming unit to a fuel cell stack. In the fuel reforming unit, each component including an evaporator and a reformer is configured separately. Therefore, it is necessary to take countermeasures against gas leaks at the connecting points of each component.
例えば、下記特許文献1には、1つのケース内に蒸発器および改質器を収容し、該ケース内に燃料を昇温するためのガス流路を設けることによって、構成を簡素化して小型化した燃料改質ユニットが開示されている。
For example, in
しかしながら、上記特許文献1の燃料改質ユニットは、改質器全体を外側のみから熱交換させる構造であるため、改質器の外周部と中心部との間に温度差が生じ、反応が不均一となる場合がある。これにより、改質器の改質性能が低下する可能性がある。
However, the fuel reforming unit of
本発明の目的は、温度分布を最適化できる燃料改質ユニットを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fuel reformer unit that can optimize the temperature distribution.
上記目的を達成するための本発明の燃料改質ユニットは、燃料を蒸発させる蒸発部と、蒸発した前記燃料を過熱する過熱部と、改質触媒を備え過熱された前記燃料を改質する改質部と、を備える燃料改質ユニットである。該燃料改質ユニットは、前記蒸発部、前記過熱部および前記改質部に加熱ガスからの熱を供給する熱交換部と、前記燃料から改質ガスを生成するガス生成部と、を有する。さらに、該燃料改質ユニットは、前記蒸発部、前記過熱部および前記改質部を一体に形成し、且つ、前記ガス生成部と前記熱交換部とを互いに対向して積層配置し、前記ガス生成部は、前記蒸発部の燃料用流路、前記過熱部の燃料用流路および前記改質部の燃料用流路によって構成され、前記熱交換部は、前記蒸発部の加熱用流路、前記過熱部の加熱用流路および前記改質部の加熱用流路によって構成され、前記蒸発部の燃料用流路、前記過熱部の燃料用流路および前記改質部の燃料用流路と、前記蒸発部の加熱用流路、前記過熱部の加熱用流路および前記改質部の加熱用流路とが交互に積層され、前記過熱部において、前記ガス生成部の前記燃料の流れ方向は、前記熱交換部の前記加熱ガスの流れ方向と逆方向であることを特徴とする。 A fuel reforming unit of the present invention for achieving the above object comprises an evaporating section for evaporating fuel, a superheating section for superheating the vaporized fuel, and a reforming catalyst for reforming the superheated fuel. and a fuel reformer unit. The fuel reforming unit has a heat exchange section that supplies heat from heated gas to the evaporating section, the superheating section, and the reforming section, and a gas generating section that generates a reformed gas from the fuel. Further, in the fuel reforming unit, the evaporating section, the superheating section, and the reforming section are integrally formed, and the gas generating section and the heat exchanging section are arranged in layers facing each other, and the gas is The generating section is configured by a fuel flow path of the evaporating section, a fuel flow path of the superheating section, and a fuel flow path of the reforming section, and the heat exchange section includes a heating flow path of the evaporating section, A heating channel of the superheating section and a heating channel of the reforming section, and a fuel channel of the evaporating section, a fuel channel of the superheating section, and a fuel channel of the reforming section. , the heating channel of the evaporating section, the heating channel of the superheating section, and the heating channel of the reforming section are alternately stacked, and in the superheating section, the flow direction of the fuel of the gas generating section is opposite to the flow direction of the heating gas in the heat exchange section .
本発明によれば、燃料改質ユニットを小型化すると共に、燃料改質ユニットの温度分布を最適化し、改質部の改質性能を向上することができる。 According to the present invention, the size of the fuel reforming unit can be reduced, the temperature distribution of the fuel reforming unit can be optimized, and the reforming performance of the reformer can be improved.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. Note that the following description does not limit the technical scope or the meaning of terms described in the claims. Also, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.
(燃料電池システム10)
図1は、燃料電池システム10を示す概略構成図である。図1を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム10について説明する。
(Fuel cell system 10)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a
図1に示される燃料電池システム10は、燃料を改質して改質ガスRGを生成し、改質ガスRGおよび酸化剤ガスOGを燃料電池スタック11に供給して発電する。改質ガスRGは、燃料電池スタック11のアノード電極へ供給されるアノードガスである。酸化剤ガスOGは、燃料電池スタック11のカソード電極へ供給されるカソードガスである。酸化剤ガスOGは、酸素、あるいは酸素を含有する空気などから構成される。
The
本実施形態の燃料電池スタック11は、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)に適用される。SOFCは、アノードガスとして水素だけでなく一酸化炭素やメタンも使用することができるため、燃料改質ユニット100の発電効率を向上させることができる。
The
燃料は、改質することでアノードガスとして燃料電池スタック11の発電に利用可能な燃料であれば特に限定されない。燃料としては、例えば、メタン(CH4)、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油、天然ガス、LPG、都市ガス、メタノール(CH3OH)、エタノール(C2H5OH)、DME(CH3OCH3)、アセトン(CH3C(=O)CH3)、バイオ燃料等が挙げられる。本実施形態では、燃料および水を混合した液体の水含有燃料MWを用いて改質ガスRGを生成する場合を例に挙げて説明する。
The fuel is not particularly limited as long as it can be reformed and used as anode gas for power generation in the
図1を参照して、燃料電池システム10は、水含有燃料MWを貯蔵する燃料タンク20と、ヒーター31と、ミキサー32と、燃焼器33と、酸化剤供給部41と、熱交換器42と、燃料改質ユニット100と、を有する。
Referring to FIG. 1, a
燃料タンク20は、燃料および水を混合した水含有燃料MWを貯蔵する。燃料および水を混合して貯蔵することによって、燃料を貯蔵するための燃料用タンクと、水を貯蔵するための貯水用タンクとをそれぞれ個別に設ける必要がない。これにより、燃料改質ユニット100の構成を簡素化および小型化することができる。なお、燃料タンク20には、燃料と水の組成を検出する濃度センサを設けてもよい。
The
ヒーター31は、燃料電池スタック11から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを加熱する。ミキサー32は、加熱されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを混合する。燃焼器33は、混合されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼して高温の加熱ガスHGを生成する。高温の加熱ガスHGは、燃料改質ユニット100および熱交換器42に供給される。
The
酸化剤供給部41は、酸素または空気からなる酸化剤ガスOGを供給する。本実施形態の酸化剤供給部41は、空気を外部から吸引して熱交換器42に供給するブロワーから構成される。
The
熱交換器42は、酸化剤供給部41から供給される酸化剤ガスOGと燃焼器33から供給される加熱ガスHGとの間で熱交換して、酸化剤ガスOGを加熱する。SOFCに適用される燃料電池スタック11は、約500~1200℃の高温で作動する。このため、起動時および運転時には、高温に加熱された酸化剤ガスOGを流通させて燃料電池スタック11を昇温し、あるいは燃料電池スタック11の高温状態を維持する。
The
燃料改質ユニット100は、水含有燃料MW(「燃料」に相当)を蒸発(気化)させて水蒸気を含む燃料ガスFGを生成する蒸発部110と、燃料ガスFG(「蒸発した燃料」に相当)を過熱する過熱部120と、改質触媒を備え、過熱された燃料ガスFGを改質する改質部130と、を有する。
The
燃料タンク20の水含有燃料MWは、燃料改質ユニット100へ供給され、気化されて燃料ガスFGとなった後、改質されて改質ガスRGとなる。改質ガスRGは、アノードガスとして燃料電池スタック11に供給される。
The water-containing fuel MW in the
蒸発部110は、燃料タンク20から供給された水含有燃料MWを気化して水蒸気および燃料を含む燃料ガスFGを生成する。
過熱部120は、改質部130へ供給する燃料ガスFGを過熱する機能を有する。過熱部120における過熱温度は、特に限定されないが、例えば、500度以上とすることができる。
The
改質部130は、長方形状を有する。改質部130の短手方向は、鉛直方向Zであり、長手方向は、横方向Xである。改質部130は、改質反応を促進する改質触媒を有する。改質触媒は、燃料側プレート101の表面のうち、改質部130に相当する部分に塗布される。改質部130は、蒸発部110から供給される燃料ガスFGを改質して、燃料電池スタック11に供給される改質ガスRGを生成する。改質部130においては燃料ガスFG中の燃料ガスおよび水蒸気が触媒反応を起して水蒸気改質によって改質ガスRGが生成される。
The reforming
改質部130は、燃料として水含有燃料MWの水蒸気改質反応を促進することにより、改質ガスRGとして例えば、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、メタン(C2H4)等を生成する。改質ガスRGは、燃料電池スタック11に供給されてアノードガスとして発電に使用される。
The reforming
酸化剤供給部41から供給された酸化剤ガスOGは、熱交換器42へ供給され、熱交換器42において加熱された後、カソードガスとして燃料電池スタック11に供給される。
The oxidant gas OG supplied from the
燃料電池スタック11から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスは、ヒーター31によって加熱され、ミキサー32によって混合され、燃焼器33で燃焼されて加熱ガスHGとなる。加熱ガスHGは、熱交換器42および燃料改質ユニット100に分岐して流れる。
The anode off-gas and cathode off-gas discharged from the
熱交換器42に流入した加熱ガスHGは、酸化剤ガスOGと熱交換した後、熱交換器42の外部に排出される。同様に、燃料改質ユニット100に流入した加熱ガスHGは、改質部130、過熱部120および蒸発部110において燃料ガスFGと熱交換した後、燃料改質ユニット100の外部に排出される。アノードオフガスおよびカソードオフガスからなる加熱ガスHGの熱量を熱交換器42や燃料改質ユニット100の加熱に利用することによって、燃料改質ユニット100のエネルギー効率を向上させることができる。
The heated gas HG flowing into the
図2Aは、燃料改質ユニット100を説明するための構成図である。図2Bは、燃料改質ユニット100の燃料ガスFGの流れを示す平面図である。図2Cは、燃料改質ユニット100の加熱ガスHGの流れを示す平面図である。
FIG. 2A is a configuration diagram for explaining the
図2Aを参照して、燃料改質ユニット100は、複数の燃料側プレート101および複数の加熱側プレート102を交互に積層した積層体100Sを有する。燃料側プレート101および加熱側プレート102の各々は、蒸発部110、過熱部120および改質部130の各機能を有する。燃料側プレート101は、加熱側プレート102との間に水含有燃料MW(燃料に相当)から改質ガスRGを生成するガス生成部100Aを形成する。加熱側プレート102は、燃料側プレート101との間に熱交換部100Bを形成する。
Referring to FIG. 2A,
図2Bを参照して、ガス生成部100Aは、水含有燃料MWや燃料ガスFGが流れる燃料用流路111、121、131によって構成される。燃料用流路111、121、131は、燃料側プレート101の表面に形成される。燃料側プレート101において、燃料ガスFGは、蒸発部110の燃料用流路111、過熱部120の燃料用流路121、改質部130の燃料用流路131を順に流通する。ガス生成部100Aにおいて、蒸発部110は最上流に位置する。
Referring to FIG. 2B, the
水含有燃料MWは、蒸発部110において気化されて水蒸気を含む燃料ガスFGとなる。燃料ガスFGは、過熱部120において反応に適した温度に過熱された後に、改質部130に供給される。改質部130は、水蒸気改質によって燃料ガスFGから水素リッチな改質ガスRGを生成する。
The water-containing fuel MW is vaporized in the
図2Cを参照して、熱交換部100Bは、加熱ガスHGが流れる加熱用流路112、122、132によって構成される。加熱用流路112、122、132は、加熱側プレート102の表面に形成される。加熱側プレート102において、加熱ガスHGは、過熱部120の加熱用流路122を通った後、蒸発部110の加熱用流路112および改質部130の加熱用流路132に流れる。加熱ガスHGは、過熱部120において熱交換した後に、蒸発部110および改質部130を加熱する。このため、過熱部120の温度は、蒸発部110および改質部130よりも高くなる。
Referring to FIG. 2C,
換言すれば、燃料改質ユニット100は、燃料用流路111、121、131と、加熱用流路112、122、132とが交互に積層された構成を有する。燃料用流路111、121、131と加熱用流路112、122、132が交互になるように積層することで、積層体100Sの積層方向に対する温度ムラを低減して、温度分布を最適化できる。
In other words, the
図3Aは、燃料改質ユニット100の一部を断面で示す側面図である。図3Bは、燃料改質ユニット100の燃料側プレート101を模式的に示す平面図である。図3Cは、燃料改質ユニット100の加熱側プレート102を模式的に示す平面図である。
FIG. 3A is a side view showing a portion of the
図3Aに示すように、燃料改質ユニット100は、水含有燃料MWの供給口101aと、改質ガスRGの排出口101bと、加熱ガスHGの供給口102aと、加熱ガスHGの排出口102bとを有する。
As shown in FIG. 3A, the
図3Bに示すように、燃料側プレート101は、燃料用流路111、121、131を有する。蒸発部110の燃料用流路111および過熱部120の燃料用流路121は、燃料側プレート101の表面に複数の凸部101Aを配置して形成されたドット状流路である。複数の凸部101Aの間に形成された燃料用流路111、121を流れる燃料ガスFGの流れは蛇行し、その流れ方向は、複数(2以上)の方向を含む。これにより、燃料ガスFGの拡散性が向上し、熱交換部100B側との有効熱交換面積が増加する。その結果、改質部130の入口温度を上昇させると共に、燃料ガスFGの濃度を均一化できる。
As shown in FIG. 3B , the
改質部130の燃料用流路131は、燃料側プレート101の表面に鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ101Bを配置して形成されたストレート状流路である。複数のリブ101Bの間に形成された燃料用流路131は、燃料ガスFGを鉛直方向Zに沿って上方から下方へ一方向に流通させる流れを形成する。換言すれば、ガス生成部100Aにおいて、燃料ガスFGの流れ方向は改質部130の短手方向(Z方向)である。改質部130の燃料用流路131の表面には、改質触媒が塗布される。
The
本実施形態では、改質部130は、改質触媒が塗布された燃料用流路131を備える構造体を燃料側プレート101と別体で形成し、当該構造体を燃料側プレート101の表面に設置することによって形成される。当該構造体は、長尺状の基板にロール・トゥ・ロールで改質触媒を塗布した後に、切断することによって大量生産することができる。
In the present embodiment, the reforming
ガス生成部100Aの改質部130の燃料用流路131のストレート状流路は、過熱部120の燃料用流路121のドット状流路よりも合計流路断面積が小さくなるように構成されている。これにより、改質部130の燃料用流路131の圧力損失は、過熱部120の燃料用流路121の圧力損失よりも大きくなる。ガス生成部100Aにおいて、燃料ガスFGが過熱部120に留まる時間が長くなるため、過熱部120での燃料ガスFGの昇温とミキシング効果を高めることができる。
The straight flow path of the
また、蒸発部110および改質部130は、横方向Xに並列に配置される。過熱部120は、蒸発部110よりも鉛直方向Zの上方に配置される。液体燃料である水含有燃料MWは、蒸発すると気体の燃料ガスFGとなって上昇する。過熱部120が蒸発部110よりも鉛直方向Zの上方に配置されることによって、蒸発部110から過熱部120への燃料ガスFGの流れを形成し易くなる。
Also, the evaporating
図3Cに示すように、加熱側プレート102は、加熱用流路112、122、132を有する。蒸発部110の加熱用流路112および改質部130の燃料用流路131は、鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ102Aを配置して形成されたストレート状流路である。過熱部120の加熱用流路122は、加熱側プレート102のうち加熱用流路112、132の複数のリブ102Aが配置されない部分に形成される。
As shown in FIG. 3C , the heating-
蒸発部110の幅W1は、改質部130の幅W2よりも小さい。よって、蒸発部110の加熱用流路112の合計流路断面積は、改質部130の加熱用流路132の合計流路断面積よりも小さくなる。そのため、蒸発部110の加熱用流路112の圧力損失は、改質部130の加熱用流路132の圧力損失よりも大きくなるように構成されている。これにより、蒸発部110よりも改質部130側に加熱ガスHGが流れやすくなり、蒸発部110に比べて改質部130の方がより高温となる。その結果、改質部130において高い燃料ガスFGの転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制できる。
Width W1 of evaporating
燃料側プレート101および加熱側プレート102は、例えば、ステンレス等の金属板によって形成される。金属板の表面にエッチングやプレス加工を施すことによって燃料用流路111、121、131および加熱用流路112、122、132を形成することができる。このように、エッチングやプレス加工によって金属板に蒸発部110、過熱部120および改質部130を同時に成形することができるため、製造工程の簡素化が可能となる。
The fuel-
また、蒸発部110、過熱部120および改質部130の各機能に応じて、燃料用流路111、121、131および加熱用流路112、122、132のデザインを決定することができる。そのため、温度分布の最適化や改質触媒の反応性向上に寄与することができる。
Further, the design of the
また、ガス生成部100Aと熱交換部100Bとを積層することによって、平面で熱交換することできるため、ガス生成部100Aの温度分布を最適化することができる。
Moreover, by stacking the
図2Bおよび図2Cを参照して、蒸発部110および過熱部120において、燃料用流路111、121の燃料ガスFGの流れ方向と加熱用流路112、122の加熱ガスHGの流れ方向は、対向する方向である。これにより、蒸発部110および過熱部120において、燃料ガスFGの流れの下流側を上流側よりも高温にすることができる。その結果、蒸発部110よりも過熱部120の方が高温となるため、蒸発部210において気化された燃料ガスFGを反応に適した温度まで過熱することができる。これにより、燃料ガスFGの改質反応を促進することができる。また、改質部130では、燃料用流路131の燃料ガスFGの流れ方向と加熱用流路132の加熱ガスHGの流れ方向は、同じ方向である。
2B and 2C, in evaporating
蒸発部、過熱部および改質部の各コンポーネントが別体で構成された場合、それぞれを繋ぐ外部配管や連結部品を新たに設ける必要がある。この場合、連結箇所が増えることによるガスリーク対策のために、部品数の増加や構造の複雑化を招く虞がある。これにより、スペースの有効利用が図れず、燃料改質ユニットが大型化し、燃料改質ユニットの製造コストも増加する可能性がある。 When the components of the evaporating section, the superheating section and the reforming section are configured separately, it is necessary to newly provide external piping and connecting parts to connect them. In this case, there is a risk of an increase in the number of parts and a complication of the structure in order to prevent gas leakage due to an increase in the number of connecting points. As a result, effective use of space cannot be achieved, the size of the fuel reforming unit may increase, and the manufacturing cost of the fuel reforming unit may increase.
これに対して、本実施形態に係る燃料改質ユニット100によれば、蒸発部110、過熱部120および改質部130を一体に形成することによって、それぞれを繋ぐ外部配管や連結部品が不要となるため、部品数を減少させ、構造を簡素化できる。これにより、燃料改質ユニット100を小型化できる。
On the other hand, according to the
また、改質器全体を外側のみから熱交換させる構造の場合、改質器の外周部と中心部での温度差が生じて反応が不均一となってしまう。これにより、改質性能が低下する虞がある。 In addition, in the case of a structure in which heat is exchanged only from the outside of the entire reformer, a temperature difference occurs between the outer peripheral portion and the central portion of the reformer, resulting in non-uniform reaction. As a result, the reforming performance may deteriorate.
これに対して、本実施形態に係る燃料改質ユニット100によれば、ガス生成部100Aと熱交換部100Bとを交互に配置するため、ガス生成部100Aの温度を制御しやすくなる。これにより、ガス生成部100Aの温度分布を最適化することができる。特に、改質部130の温度を均一化できるため、改質性能を向上させることができる。
On the other hand, according to the
以上説明したように、本実施形態の燃料改質ユニット100は、水含有燃料MW(燃料)を蒸発させて燃料ガスFGを生成する蒸発部110と、燃料ガスFG(蒸発した燃料)を過熱する過熱部120と、改質触媒を備え過熱された燃料ガスFG(燃料)を改質する改質部130と、を備える燃料改質ユニットである。燃料改質ユニット100は、蒸発部110、過熱部120および改質部130に加熱ガスHGからの熱を供給する熱交換部100Bと、燃料ガスFG(燃料)から改質ガスRGを生成するガス生成部100Aと、を有する。燃料改質ユニット100は、蒸発部110、過熱部120および改質部130を一体に形成し、且つ、ガス生成部100Aと熱交換部100Bとを互いに対向して積層配置したことを特徴とする。
As described above, the
上記燃料改質ユニット100によれば、蒸発部110、過熱部120および改質部130を一体に形成することによって、各構成部を接続するための配管やマニホールドを削減することができるため、燃料改質ユニット100のスペースを有効に利用することができる。また、ガス生成部100Aと熱交換部100Bとを互いに対向して積層配置したことによって、積層方向の温度ムラを低減することができる。その結果、燃料改質ユニット100を小型化すると共に、燃料改質ユニット100の温度分布を最適化し、改質部130の改質性能を向上することができる。
According to the
また、過熱部120を蒸発部110よりも鉛直方向Zの上方に配置する。ガス生成部100Aの蒸発部110において、液体の水含有燃料MWは蒸発し、燃料ガスFGとして上昇する。このため、過熱部120を蒸発部110の鉛直方向Zの上方に配置することによって、蒸発部110から過熱部120への燃料ガスFGの拡散性を高めることができる。
Also, the
また、過熱部120において、ガス生成部200Aの燃料ガスFGの流れ方向は、熱交換部200Bの加熱ガスHGの流れ方向と逆方向である。これにより、過熱部220の加熱ガスHGの流れの上流側に位置する改質部230の入口温度を下流側に位置する蒸発部110よりも高くすることができるため、改質反応を促進できる。これにより、改質部230において高い燃料の転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制できる。
In addition, in the
また、ガス生成部100Aにおいて、改質部130の燃料用流路131の圧力損失は、過熱部120の燃料用流路121の圧力損失よりも大きくなるように構成される。ガス生成部100Aにおいて、改質部130の圧力損失を過熱部120の圧力損失よりも大きくすることで、過熱部120での昇温とミキシング効果を高めることができる。これにより、改質部130において高い燃料ガスFGの転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制することができる。
Further, in the
また、改質部130は、長方形状を有する。ガス生成部100Aにおいて、燃料ガスFGの流れ方向は改質部130の短手方向(Z方向)である。これにより、改質部130の燃料用流路131の長さが短くなる。同じ容積の燃料ガスFGを改質部130に流通させる場合、燃料用流路131の長さが短い方が燃料ガスFGの線速度が小さくなる。そのため、改質部130における燃料ガスFGの流速を低減できるため、改質部130の表面の改質触媒の利用率を向上させることができる。これにより、改質部130において高い燃料ガスFGの転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制できる。
Moreover, the reforming
また、熱交換部100Bの加熱用流路112、132において、蒸発部110の加熱用流路112の圧力損失は、改質部130の加熱用流路132の圧力損失よりも大きい。これにより、蒸発部110よりも改質部130側に加熱ガスHGが流れやすくなり、蒸発部110に比べて改質部130の方がより高温となる。その結果、改質部130において高い燃料ガスFGの転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制できる。
Further, in the
また、ガス生成部100Aにおいて、蒸発部110の燃料ガスFGの流れ方向は、複数の方向を含む。これにより、燃料ガスFGの拡散性が向上し、熱交換部100B側との有効熱交換面積が増加する。その結果、改質部130の入口温度を上昇させると共に、燃料ガスFGの濃度を均一化できる。これにより、改質部130において高い燃料ガスFGの転化率を維持することができるため、カーボン析出による改質性能の劣化を抑制できる。
Further, in the
次に、図4A~図8Bを参照しての燃料改質ユニットの変形例について説明する。 Modifications of the fuel reforming unit will now be described with reference to FIGS. 4A to 8B.
(変形例1)
図4Aは、変形例1に係る燃料改質ユニットのガス生成部200Aの燃料ガスFGおよび熱交換部200Bの加熱ガスHGの流れを示す平面図である。図4Bは、変形例1に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート201および加熱側プレート202を模式的に示す平面図である。
(Modification 1)
4A is a plan view showing the flow of the fuel gas FG in the
変形例1に係る燃料改質ユニットは、ガス生成部200Aの燃料ガスFGの全ての流れ方向が熱交換部200Bの加熱ガスHGの流れ方向と逆方向(対向する方向)である点で前述した実施形態と異なる。
In the fuel reforming unit according to
図4Aを参照して、ガス生成部200Aの燃料ガスFGは、蒸発部210、過熱部220、改質部230を順に流通する。一方、熱交換部200Bの加熱ガスHGは、改質部230、過熱部220、蒸発部210を順に流通する。これにより、燃料改質ユニットの温度は、蒸発部210、過熱部220、改質部230の順に高くなる。改質部230を最も高温とすることによって、改質部130において高い燃料ガスFGの転化率を維持することができる。また、蒸発部210よりも過熱部220を高温にできるため、蒸発部210において気化された燃料ガスFGを反応に適した温度まで過熱することができる。これにより、燃料ガスFGの改質反応を促進することができる。
Referring to FIG. 4A, fuel gas FG of
図4Bの上図を参照して、燃料側プレート201は、燃料用流路211、221、231を有する。蒸発部210の燃料用流路211および改質部230の燃料用流路231は、燃料側プレート201の表面に鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ201Aを配置して形成されたストレート状流路である。複数のリブ201Aの間に形成された燃料用流路211は、燃料ガスFGを鉛直方向Zに沿って一方向に流通させる流れを形成する。燃料用流路231は、燃料ガスFGを鉛直方向Zに沿って上方から下方へ一方向に流通させる流れを形成する。過熱部220の燃料用流路221は、燃料側プレート201のうち燃料用流路211、231の複数のリブ201Aが配置されない部分に形成される。
4B, the
図4Bの下図を参照して、加熱側プレート202は、加熱用流路212、222、232を有する。蒸発部210の加熱用流路212および改質部230の加熱用流路232は、加熱側プレート202の表面に鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ202Aを配置して形成されたストレート状流路である。複数のリブ202Aの間に形成された加熱用流路212は鉛直方向Zに沿って上方から下方へ一方向に流れ、加熱用流路232は鉛直方向Zに沿って下方から上方へ一方向に流れる。過熱部220の加熱用流路222は、加熱側プレート202のうち加熱用流路212、232の複数のリブ202Aが配置されない部分に形成される。
4B, the heating-
以上説明したように変形例1に係る燃料改質ユニットは、ガス生成部200Aにおける燃料ガスFGの全ての流れ方向は、熱交換部200Bにおける加熱ガスHGの流れ方向と逆方向である。これにより、燃料改質ユニットの温度は、蒸発部210、過熱部220、改質部230の順に高くなるため、改質反応をより一層促進できる。
As described above, in the fuel reforming unit according to
(変形例2)
図5Aは、変形例2に係る燃料改質ユニットのガス生成部300Aの燃料ガスFGおよび熱交換部300Bの加熱ガスHGの流れを示す平面図である。図5Bは、変形例2に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート301および加熱側プレート302を模式的に示す平面図である。
(Modification 2)
FIG. 5A is a plan view showing the flow of the fuel gas FG in the
変形例2に係る燃料改質ユニットは、鉛直方向Zの下方から蒸発部310、過熱部320、改質部330の順に縦に配置される点で前述した実施形態と異なる。
The fuel reforming unit according to Modification 2 differs from the embodiment described above in that the evaporating
図5Aの左図を参照して、ガス生成部300Aの燃料ガスFGは、蒸発部310、過熱部320、改質部330の順に鉛直方向Zに沿って下方から上方へ流れる。気体の燃料ガスFGは上昇するため、蒸発部310、過熱部320、改質部330の順に鉛直方向Zに沿って下方から上方へ向かう流れを容易に形成することができる。
Referring to the left diagram of FIG. 5A, the fuel gas FG of the
図5Aの右図を参照して、熱交換部300Bの加熱ガスHGは、改質部330、過熱部320、蒸発部310の順に鉛直方向Zに沿って上方から下方へ流れる。すなわち、熱交換部300Bにおける加熱ガスHGの全ての流れ方向は、ガス生成部300Aにおける燃料ガスFGの流れ方向と逆方向である。熱交換部300Bは、改質部330、過熱部320、蒸発部310の順に熱交換するため上流側の改質部330から下流側の蒸発部310に向かって徐々に温度が低下する。改質部330を最も高温とすることによって、改質部330において高い燃料ガスFGの転化率を維持することができる。また、蒸発部310よりも過熱部320を高温とすることによって、蒸発部310において気化された燃料ガスFGを反応に適した温度まで過熱することができる。これにより、燃料ガスFGの改質反応を促進することができる。
With reference to the right diagram of FIG. 5A, the heated gas HG in the
図5Bの左図を参照して、燃料側プレート301は、鉛直方向Zに沿って下方から上方へ流れる燃料用流路311、321、331を有する。蒸発部310の燃料用流路311および過熱部320の燃料用流路321は、燃料側プレート301の表面に複数の凸部301Aを配置して形成されたドット状流路である。改質部330の燃料用流路331は、燃料側プレート301の表面に鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ301Bを配置して形成されたストレート状流路である。
5B, the
図5Bの右図を参照して、加熱側プレート302は、鉛直方向Zに沿って上方から下方へ流れる加熱用流路312、322、332を有する。加熱用流路312、322、332は、鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ302Aを配置して形成されたストレート状流路である。これにより、蒸発部310の加熱用流路312、過熱部320の加熱用流路322および改質部330の加熱用流路332は、互いに連続して形成される。加熱用流路312、322、332を連続して形成することによって、加熱ガスHGの流れを円滑にすることができるため、熱交換部300Bによる熱交換の効率を向上させることができる。
5B, the heating-
(変形例3)
図6Aは、変形例3に係る燃料改質ユニットのガス生成部400Aの燃料ガスFGおよび熱交換部400Bの加熱ガスHGの流れを示す平面図である。図6Bは、変形例3に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート401および加熱側プレート402を模式的に示す平面図である。
(Modification 3)
6A is a plan view showing the flow of the fuel gas FG in the
変形例3に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート401および加熱側プレート402は、変形例2に比べてアスペクト比(Z方向の長さ/X方向の長さ)が小さい。その他の構成は、変形例2と同様である。
The
図6Aの上図を参照して、ガス生成部400Aの燃料ガスFGは、蒸発部410、過熱部420、改質部430の順に鉛直方向Zに沿って下方から上方へ流れる。また、図6Aの下図を参照して、熱交換部400Bの加熱ガスHGは、改質部430、過熱部420、蒸発部410の順に鉛直方向Zに沿って上方から下方へ流れる。
6A, the fuel gas FG of the
図6Bの上図を参照して、燃料側プレート401は、鉛直方向Zに沿って下方から上方へ流れる燃料用流路411、421、431を有する。蒸発部410の燃料用流路411および過熱部420の燃料用流路421は、燃料側プレート401の表面に複数の凸部401Aを配置して形成されたドット状流路である。改質部430の燃料用流路431は、燃料側プレート401の表面に鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ401Bを配置して形成されたストレート状流路である。
6B, the
図6Bの下図を参照して、加熱側プレート402は、鉛直方向Zに沿って上方から下方へ流れる加熱用流路412、422、432を有する。蒸発部410の加熱用流路412、過熱部420の加熱用流路422および改質部430の加熱用流路432は、互いに連続して形成され、鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ402Aを配置して形成されたストレート状流路である。
6B, the heating-
以上説明したように変形例3に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート401および加熱側プレート402は、変形例2に比べてアスペクト比(Z方向の長さ/X方向の長さ)が小さい。これにより、燃料用流路411、421、431の長さが短くなる。同じ容積の燃料ガスFGを流通させる場合、燃料用流路411、421、431の長さが短い方が燃料ガスFGの線速度が小さくなる。その結果、ガス生成部400Aにおける燃料ガスFGの流速を低減できるため、熱交換部400Bによる熱交換を効率的に行うことができると共に、改質部430の表面の触媒利用率を向上させることができる。
As described above, the
(変形例4)
図7Aは、変形例4に係る燃料改質ユニットのガス生成部500Aの燃料ガスFGおよび熱交換部500Bの加熱ガスHGの流れを示す平面図である。図7Bは、変形例4に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート501および加熱側プレート502を模式的に示す平面図である。
(Modification 4)
FIG. 7A is a plan view showing the flow of the fuel gas FG in the gas generation section 500A and the heating gas HG in the heat exchange section 500B of the fuel reforming unit according to Modification 4. FIG. FIG. 7B is a plan view schematically showing the
変形例4に係る燃料改質ユニットは、蒸発部510、過熱部520、改質部530が全て横方向Xに並列に配置される点で前述した実施形態と異なる。
The fuel reforming unit according to Modification 4 differs from the embodiment described above in that the evaporating
図7Aの上図を参照して、ガス生成部500Aの燃料ガスFGは、蒸発部510において鉛直方向Zに沿って下方から上方へ上昇した後、横方向(X方向)へ移動し過熱部520に流れ込む。過熱部520において鉛直方向Zに沿って上方から下方へ下降した後、横方向(X方向)へ移動して改質部530に流れ込み、鉛直方向Zに沿って下方から上方へ上昇する。
7A, the fuel gas FG in the gas generating section 500A rises from below to above along the vertical direction Z in the evaporating
図7Aの下図を参照して、熱交換部500Bの加熱ガスHGは、改質部530において鉛直方向Zに沿って上方から下方へ下降した後、横方向(X方向)へ移動し過熱部520に流れ込む。過熱部520において鉛直方向Zに沿って下方から上方へ上昇した後、横方向(X方向)へ移動して蒸発部510に流れ込み、鉛直方向Zに沿って上方から下方へ下降する。
7A, the heated gas HG in the heat exchange section 500B moves downward along the vertical direction Z in the reforming
このように、ガス生成部500Aにおける燃料ガスFGの流れ方向は、熱交換部500Bにおける加熱ガスHGの流れ方向と逆方向である。これにより、改質部530の入口温度を過熱部520や蒸発部510よりも高くすることができるため、改質反応を促進できる。
Thus, the flow direction of the fuel gas FG in the gas generation section 500A is opposite to the flow direction of the heating gas HG in the heat exchange section 500B. As a result, the inlet temperature of the reforming
図7Bの上図を参照して、燃料側プレート501は、燃料用流路511、521、531を有する。蒸発部510の燃料用流路511および過熱部520の燃料用流路521は、燃料側プレート501の表面に複数の凸部501Aを配置して形成されたドット状流路である。改質部530の燃料用流路531は、燃料側プレート501の表面に鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ501Bを配置して形成されたストレート状流路である。
7B, the
図7Bの下図を参照して、蒸発部510の加熱用流路512、過熱部520の加熱用流路522および改質部530の加熱用流路532は、鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ502Aを配置して形成されたストレート状流路である。
7B, the
以上説明したように変形例4に係る燃料改質ユニットは、蒸発部510、過熱部520、改質部530が全て横方向Xに並列に配置される。このため、燃料改質ユニットの鉛直方向Zの高さを比較的小さく形成することができる。その結果、燃料改質ユニットを搭載する際に、鉛直方向Zのスペースを確保することができる。
As described above, in the fuel reforming unit according to Modification 4, the evaporating
(変形例5)
図8Aは、変形例5に係る燃料改質ユニットのガス生成部600Aの燃料ガスFGおよび熱交換部600Bの加熱ガスHGの流れを示す平面図である。図8Bは、変形例5に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート601および加熱側プレート602を模式的に示す平面図である。
(Modification 5)
8A is a plan view showing the flow of the fuel gas FG in the
変形例5に係る燃料改質ユニットは、過熱部620が改質部630と横方向Xに並列に配置される点で前述した実施形態と異なる。前述した実施形態と同様に、過熱部620は、蒸発部610の鉛直方向Zの上方に配置される。
The fuel reforming unit according to Modification 5 differs from the above-described embodiment in that the
図8Aの左図を参照して、ガス生成部600Aの燃料ガスFGは、蒸発部610および過熱部620において鉛直方向Zに沿って下方から上方へ上昇した後、横方向(X方向)へ移動して、改質部630に流れ込み、鉛直方向Zに沿って上方から下方へ下降する。
Referring to the left diagram of FIG. 8A, the fuel gas FG of the
図8Aの右図を参照して、熱交換部600Bの加熱ガスHGは、過熱部620および改質部630に流れ込んだ後、鉛直方向Zに沿って上方から下方へ下降する。過熱部620から下降した加熱ガスHGは、蒸発部610へ流れ込む。
Referring to the right diagram of FIG. 8A, heated gas HG in
ガス生成部600Aの蒸発部610および過熱部620の燃料用流路611、621における燃料ガスFGの流れ方向は、熱交換部600Bの蒸発部610および過熱部620の加熱用流路612、622における加熱ガスHGの流れ方向と逆方向である。これにより、過熱部620の温度を蒸発部610よりも高くすることができるため、蒸発部610において気化した加熱ガスHGを過熱部620において反応に適した温度に過熱することができる。
The flow direction of the fuel gas FG in the
図8Bの上図を参照して、燃料側プレート601は、燃料用流路611、621、631を有する。蒸発部610の燃料用流路611および過熱部620の燃料用流路621は、燃料側プレート601の表面に複数の凸部601Aを配置して形成されたドット状流路である。改質部630の燃料用流路631は、燃料側プレート601の表面に鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ601Bを配置して形成されたストレート状流路である。
8B, fuel side plate 601 has
図8Bの下図を参照して、加熱側プレート602は、加熱用流路612、622、632を有する。蒸発部610の加熱用流路612、過熱部620の加熱用流路622および改質部630の加熱用流路632は、鉛直方向Zに沿って直線状に延在する複数のリブ602Aを配置して形成されたストレート状流路である。
8B, the heating-side plate 602 has
以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係る燃料改質ユニットを説明したが、本発明は実施形態および変形例において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 Although the fuel reforming unit according to the present invention has been described above through the embodiments and modifications, the present invention is not limited to the contents described in the embodiments and modifications, and is based on the description of the claims. can be changed as appropriate.
例えば、燃料改質ユニットの燃料側プレートおよび加熱側プレートは一枚ずつ交互に積層する構成に限定されず、例えば、複数枚をセットにして交互に積層してもよいし、複数枚と一枚を組み合わせて積層してもよい。また、燃料側プレートおよび加熱側プレートの積層体の最外層のみに燃料側プレートを挟持するように加熱側プレートを配置してもよいし、燃料側プレートの片側のみに加熱側プレートを配置してもよい。 For example, the fuel-side plate and the heating-side plate of the fuel reforming unit are not limited to the structure in which they are alternately stacked one by one. may be combined and laminated. Further, the heating side plate may be arranged so as to sandwich the fuel side plate only in the outermost layer of the laminate of the fuel side plate and the heating side plate, or the heating side plate may be arranged only on one side of the fuel side plate. good too.
また、蒸発部、過熱部および改質部を形成する流路の形状は、前述した実施形態や変形例の構成に限定されず適宜変更することができる。例えば、過熱部をストレート状流路によって形成してもよい。 Further, the shapes of the flow paths forming the evaporating section, the superheating section, and the reforming section are not limited to the configurations of the above-described embodiments and modifications, and can be changed as appropriate. For example, the heating section may be formed by a straight channel.
また、燃料側プレートおよび加熱側プレートは、それぞれ別体のプレートからなる構成に限定されず、1枚のプレートから構成してもよい。この場合、1枚のプレートの一方の面に燃料用流路を形成し、他方の面に加熱用流路を形成することができる。 Further, the fuel side plate and the heating side plate are not limited to the configuration of separate plates, and may be configured from one plate. In this case, the fuel channel can be formed on one surface of one plate, and the heating channel can be formed on the other surface.
また、燃料改質ユニットは、前述した実施形態および変形例の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。 Also, the fuel reforming unit may be configured by appropriately combining the specifications of the above-described embodiment and modifications.
また、前述した実施形態では、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に適用されるとして説明したが、これに限定されず、例えば、固体高分子膜形燃料電池(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)、リン酸形燃料電池(PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cell)または溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)に適用してもよい。 Further, in the above-described embodiment, the fuel cell stack is applied to a solid oxide fuel cell (SOFC), but is not limited to this. Electrolyte Membrane Fuel Cell), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) or Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC).
10 燃料電池システム、
11 燃料電池スタック、
20 燃料タンク、
31 ヒーター、
32 ミキサー、
33 燃焼器、
41 酸化剤供給部、
42 熱交換器、
100 燃料改質ユニット、
100A、200A、300A、400A、500A、600A ガス生成部、
100B、200B、300B、400B、500B、600B 熱交換部、
100S 積層体、
101、201、301、401、501、601 燃料側プレート、
101a 供給口、
101b 排出口、
102、202、302、402、502、602 加熱側プレート、
102a 供給口、
102b 排出口、
110、210、310、410、510、610 蒸発部、
111、211、311、411、511、611 燃料用流路、
112、212、312、412、512、612 加熱用流路、
120、220、320、420、520、620 過熱部、
121、221、321、421、521、621 燃料用流路、
122、222、322、422、522、622 加熱用流路、
130、230、330、430、530、630 改質部、
131、231、331、431、531、631 燃料用流路、
132、232、332、432、532、632 加熱用流路、
FG 燃料ガス、
HG 加熱ガス、
MW 水含有燃料(燃料)、
OG 酸化剤ガス、
RG 改質ガス、
Z 鉛直方向。
10 fuel cell system,
11 fuel cell stack,
20 fuel tank,
31 heater,
32 mixers,
33 combustor;
41 oxidant supply unit,
42 heat exchangers,
100 fuel reformer unit,
100A, 200A, 300A, 400A, 500A, 600A gas generator,
100B, 200B, 300B, 400B, 500B, 600B heat exchange section,
100S laminate,
101, 201, 301, 401, 501, 601 fuel side plate,
101a supply port,
101b outlet,
102, 202, 302, 402, 502, 602 heating side plate,
102a supply port,
102b outlet,
110, 210, 310, 410, 510, 610 evaporator,
111, 211, 311, 411, 511, 611 fuel channel,
112, 212, 312, 412, 512, 612 heating channel,
120, 220, 320, 420, 520, 620 heating unit,
121, 221, 321, 421, 521, 621 fuel channel,
122, 222, 322, 422, 522, 622 heating channel,
130, 230, 330, 430, 530, 630 reforming section,
131, 231, 331, 431, 531, 631 fuel channel,
132, 232, 332, 432, 532, 632 heating channel,
FG fuel gas,
HG heating gas;
MW water-containing fuel (fuel),
OG oxidant gas,
RG reformed gas,
Z vertical direction.
Claims (6)
蒸発した前記燃料を過熱する過熱部と、
改質触媒を備え過熱された前記燃料を改質する改質部と、を備える燃料改質ユニットであって、
前記蒸発部、前記過熱部および前記改質部に加熱ガスからの熱を供給する熱交換部と、
前記燃料から改質ガスを生成するガス生成部と、を有し、
前記蒸発部、前記過熱部および前記改質部を一体に形成し、且つ、
前記ガス生成部と前記熱交換部とを互いに対向して積層配置し、
前記ガス生成部は、前記蒸発部の燃料用流路、前記過熱部の燃料用流路および前記改質部の燃料用流路によって構成され、
前記熱交換部は、前記蒸発部の加熱用流路、前記過熱部の加熱用流路および前記改質部の加熱用流路によって構成され、
前記蒸発部の燃料用流路、前記過熱部の燃料用流路および前記改質部の燃料用流路と、前記蒸発部の加熱用流路、前記過熱部の加熱用流路および前記改質部の加熱用流路とが交互に積層され、
前記過熱部において、前記ガス生成部の前記燃料の流れ方向は、前記熱交換部の前記加熱ガスの流れ方向と逆方向であることを特徴とする燃料改質ユニット。 an evaporator that evaporates fuel;
a superheating unit for superheating the vaporized fuel;
a reformer for reforming the superheated fuel, the reformer comprising a reforming catalyst,
a heat exchange section that supplies heat from a heated gas to the evaporating section, the superheating section, and the reforming section;
a gas generator that generates a reformed gas from the fuel,
The evaporating section, the superheating section and the reforming section are integrally formed, and
The gas generation unit and the heat exchange unit are arranged in layers facing each other ,
The gas generating section is configured by a fuel flow path of the evaporating section, a fuel flow path of the superheating section, and a fuel flow path of the reforming section,
The heat exchange section is composed of a heating flow path of the evaporating section, a heating flow path of the superheating section, and a heating flow path of the reforming section,
The fuel flow path of the evaporating section, the fuel flow path of the superheating section, the fuel flow path of the reforming section, the heating flow path of the evaporating section, the heating flow path of the superheating section, and the reforming section The heating channels of the part are alternately laminated,
The fuel reforming unit , wherein in the superheating section, the flow direction of the fuel in the gas generating section is opposite to the flow direction of the heating gas in the heat exchanging section .
前記ガス生成部において、前記燃料の流れ方向は前記改質部の短手方向である、請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料改質ユニット。 The modified section has a rectangular shape,
The fuel reforming unit according to any one of claims 1 to 3 , wherein in the gas generating section, the direction of flow of the fuel is the lateral direction of the reforming section.
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