JP7400751B2 - 水素生成装置および燃料電池システム - Google Patents
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Description
しかしながら特許文献1では、その点について言及がなく、顕熱変化の部分と潜熱変化の部分を区別することなくリサイクル流路の角度を設定していると思われる。
この場合、本発明者の知見に基づけば、特許文献1の技術は、所定の下り勾配を設ける必要のない顕熱部分についても下り勾配を設けているので、その分、リサイクル流路の上下方向の高さが大きくなるという問題がある。
第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1に示すように、本実施形態の水素生成装置1は、燃料電池システム10に用いられる。水素生成装置1は、原燃料ガスから硫黄化合物を除去する水添脱硫器2、その水添脱硫器2から吐出される原燃料ガスを水素を含む燃料ガスに改質する改質器3、および、改質器3で改質された燃料ガスの一部を水添脱硫器2に循環する循環流路4などを備えている。そして、燃料電池システム10は、水素生成装置1の他に、燃料電池5、空気予熱器6、水蒸発器7および燃焼器8などを備えている。
燃料電池システム10が備える燃料電池5は、セルスタックとも呼ばれるものであり、図示しない複数の燃料電池セルの集合体である。燃料電池セルは、高温で作動する固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)であり、電解質を挟んで一方側の面に燃料極(すなわち、アノード)が形成され、他方の面に空気極(すなわち、カソード)が形成された構成となっている。燃料電池5は、水素生成装置1で生成されて燃料極に供給される燃料ガスと、空気予熱器6を経由して空気極に供給される酸化剤ガスとしての空気(詳細には、空気中の酸素)との電気化学反応により発電する。
(空気極)O2+4e-→2O2- …(F2)
(空気極)O2+4e-→2O2- …(F4)
CO+H2O→CO2+H2 …(F6)
流量調整弁46は、循環流路4のうち熱交換器43より下流側に設けられ、循環流路4を流れる燃料ガスの流量を調整するものである。流量調整弁46により、改質器3から吐き出された燃料ガスの一部が循環流路4を経由して水添脱硫器2に供給される流量を調整することが可能である。本実施形態では、流量調整弁46は、所定の温度(例えば50℃)で正常に作動することが保証されているものとする。
顕熱区間47は、熱交換器43を流れる燃料ガスに含まれる水蒸気の凝縮が無いか、または、凝縮量が少ない区間である。すなわち、顕熱区間47は、その区間を流れる燃料ガスの顕熱の放出量が、潜熱区間48を流れる燃料ガスの顕熱の放出量に比べて大きい区間である。顕熱区間47は、水蒸気の凝縮が無いかまたは凝縮量が少ないので、水平に対する配管の傾斜角を小さくしている区間である。したがって、顕熱区間47は、配管の下り勾配を緩やかにしている区間であることから「緩傾斜区間」と呼ぶこともできる。なお、顕熱区間47は、その一部に水平領域を含んでいてもよい。
(1)本実施形態では、循環流路4の途中に、循環流路4を流れる燃料ガスを冷却する熱交換器43が設けられている。その熱交換器43は、燃料ガスから凝縮した水滴が流路内を流下可能な下り勾配に流路が形成された潜熱区間48と、その潜熱区間48よりも改質器3側で潜熱区間48よりも緩やかな下り勾配に流路が形成された顕熱区間47とを有している。
これによれば、循環流路4に流量調整弁46を設けた場合、改質器3から吐出される高温の燃料ガス(例えば500~700℃)を熱交換器43により、流量調整弁46が正常に作動する温度(例えば50℃)に低下する必要がある。このように熱交換器43で低下させる温度が大きい場合、熱交換器43の有する配管を長くして燃料ガスの放熱量を増加させることが考えられる。その場合、上記特許文献1に記載の技術によれば、熱交換器の有する配管を長くすることに伴って熱交換器が大型化するおそれがあった。
そこで、本実施形態では、熱交換器43に流路の下り勾配が小さい顕熱区間47を設けることで、熱交換器43の配管を長くして放熱量を増加した場合でも、熱交換器43の体格が上下方向に大型化することを防ぎ、流量調整弁46が正常に作動する温度に燃料ガスの温度を低下することができる。
これによれば、熱交換器43の主に潜熱区間48で凝縮した液体を排水路44から排出することで、潜熱区間48に液体が滞留することを防ぐことが可能である。
これによれば、燃料ポンプ19の動力により、改質器3から吐き出された燃料ガスの一部を循環流路4を経由して水添脱硫器2に供給することが可能である。その場合、改質器3から吐出される高温の燃料ガス(例えば500~700℃)を熱交換器43により、燃料ポンプ19が正常に作動する温度(例えば50℃)に低下する必要がある。このように熱交換器43で低下させる温度が大きい場合、上記特許文献1に記載の技術によれば熱交換器の有する配管を長くすることに伴って熱交換器が大型化するおそれがあった。
そこで、本実施形態では、熱交換器43に流路の下り勾配が小さい顕熱区間47を設けることで、熱交換器43の配管を長くして放熱量を増加した場合でも、熱交換器43の体格が上下方向に大型化することを防ぎ、燃料ポンプ19が正常に作動する温度に燃料ガスの温度を低下することができる。
これによれば、水素生成装置1は、燃料電池5を備える燃料電池システム10に適用されるものである。一般に、この種の燃料電池システム10は、定置式のものが多く、設置性を良くするために設置面積を小さくすることで、その分、高さ方向の寸法が大きくなる傾向にある。しかし、燃料電池システム10の高さが高くなると、室内や軒下での設置が制限され、さらに、重心が高くなり転倒防止の設置制約も発生するといった問題がある。そこで、本実施形態では、燃料電池システム10が備える熱交換器43に流路の下り勾配が小さい顕熱区間47を設けることで、その体格を小型化することが可能である。これにより、燃料電池システム10の上下方向の体格を小型化し、設置性を良くすることができる。
第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態に対して循環流路4の途中に設けられる熱交換器43の構成を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第3実施形態について説明する。第3実施形態も、第1実施形態等に対して循環流路4の途中に設けられる熱交換器43の構成を変更したものであり、その他については第1実施形態等と同様であるため、第1実施形態等と異なる部分についてのみ説明する。
第4実施形態について説明する。第4実施形態は、燃料電池システム10を具体的に説明するものである。
第5実施形態について説明する。図7に示すように、第5実施形態の燃料電池システム10は、換気ファン33を備えている。換気ファン33は、熱交換器43の周囲に空気の流れを形成するものである。そのため、熱交換器43は、換気ファン33の駆動により熱交換器43の周囲を流れる空気と燃料ガスとを熱交換させることで燃料ガスを冷却することが可能である。
第6実施形態について説明する。第6実施形態では、水素生成装置1について説明する。図8に示すように、水素生成装置1は、水添脱硫器2、改質器3、循環流路4、排水路44、水蒸発器7、流量調整弁46、燃料ポンプ19などを備えている。循環流路4の途中に設けられる熱交換器43は、顕熱区間47と潜熱区間48とを有している。これらの構成は、第1実施形態等で説明したものと同一であるので、その説明を省略する。
(1)上記各実施形態では、循環流路4の途中に流量調整弁46を設けたが、これに限らず、例えば、循環流路4の途中に流量調整弁46に代えてオリフィスなどの固定絞りを設けてもよい。
2 水添脱硫器
3 改質器
4 循環流路
43 熱交換器
47 顕熱区間
48 潜熱区間
Claims (9)
- 原燃料ガスから水素を生成する水素生成装置であって、
原燃料ガスを触媒の存在のもとで水素と反応させて硫黄化合物を除去する水添脱硫器(2)と、
前記水添脱硫器から供給される原燃料ガスを水蒸気改質反応により水素および水蒸気を含む燃料ガスに改質する改質器(3)と、
前記改質器から吐き出された燃料ガスの一部を前記水添脱硫器に循環する循環流路(4)と、を備え、
前記循環流路の途中に、前記循環流路を流れる燃料ガスを冷却する熱交換器(43)が設けられ、
前記熱交換器は、燃料ガスから凝縮した液体が流路内を流下可能な下り勾配に流路が形成された潜熱区間(48)と、前記潜熱区間よりも前記改質器側で前記潜熱区間よりも緩やかな下り勾配に流路が形成された顕熱区間(47)とを有している、水素生成装置。 - 前記循環流路のうち前記潜熱区間より下流側の流路に設けられ、前記循環流路を流れる燃料ガスの流量を調整する流量調整弁(46)をさらに備える請求項1に記載の水素生成装置。
- 前記熱交換器は、上下方向に配置される所定の軸芯周りに螺旋形状に形成された配管により構成されており、前記顕熱区間において上下に隣り合う配管のピッチ(P1)は、前記潜熱区間において上下に隣り合う配管のピッチ(P2)よりも小さくなっている、請求項1または2に記載の水素生成装置。
- 前記熱交換器は、下り勾配を所定の間隔で折り返した配管により構成されており、前記顕熱区間において上下に隣り合う配管のピッチ(P3)は、前記潜熱区間において上下に隣り合う配管のピッチ(P4)よりも小さくなっている、請求項1または2に記載の水素生成装置。
- 前記熱交換器の周囲に空気の流れを形成する換気ファン(33)をさらに備え、
前記熱交換器は、前記換気ファンの駆動により前記熱交換器の周囲を流れる空気と燃料ガスとを熱交換させることで燃料ガスを冷却する、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の水素生成装置。 - 前記熱交換器内で凝縮した液体を前記循環流路から排出する排水路(44)をさらに備え、
前記排水路は、前記循環流路のうち前記潜熱区間より下流側に接続されている、請求項1ないし5のいずれか1つに記載の水素生成装置。 - 前記循環流路を流れる燃料ガスを原燃料ガスと共に前記水添脱硫器に圧送供給する燃料ポンプ(19)をさらに備える請求項1ないし6のいずれか1つに記載の水素生成装置。
- 前記改質器から吐き出された水素を含む燃料ガスのうち前記循環流路に流れる燃料ガスを除く燃料ガスは、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池(5)に供給されるように構成されている、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の水素生成装置。
- 請求項1ないし8のいずれか1つに記載の水素生成装置(1)と、
酸化剤ガスを加熱する空気予熱器(6)と、
水蒸気を生成して前記改質器に供給する水蒸発器(7)と、
前記改質器から吐き出された水素を含む燃料ガスのうち前記循環流路に流れる燃料ガスを除く燃料ガスと前記予熱器から供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池(5)と、
前記燃料電池から排出される排出燃料ガスを燃焼させる燃焼器(8)と、
前記燃焼器で燃焼した燃焼ガスの熱が前記改質器、前記予熱器、前記水蒸発器および前記水添脱硫器に供給されるように燃焼ガスが流れるオフガス流路(12)と、を備える燃料電池システム。
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