KR20090086583A - 개질기, 개질 유닛 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

개질기, 개질 유닛 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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reformer
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가즈유끼 히가시노
아끼히꼬 고마자와
미사오 와따나베
요시지 도끼따
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이데미쓰 고산 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실 (152C)를 구획 형성하는 개질 용기 (152)와, 이 개질 용기 (152)의 대략 중심축 상에 위치하여 배치된 가열 수단과, 상기 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단에 접속되어 원료 가스를 상기 개질실 (152C)의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관 (153A), 및 이 공급관 (153A) 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입되고 일단부가 상기 개질실 (152C)를 관통하여 상기 개질실 (152C) 내의 축 방향에서의 타단측에 개질 촉매에 의해 원료 가스가 개질되어 생성된 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관 (153B)를 구비한 복수의 이중관 구조 (153C)의 유통부 (153)을 구비한 개질기가 제공된다. 본 발명에 의해, 간단한 구조로 효율이 좋고, 안정된 개질 처리를 얻을 수 있는 개질기가 제공된다.
개질기, 개질 용기, 가열 수단, 개질실, 유통부

Description

개질기, 개질 유닛 및 연료 전지 시스템{REFORMER, REFORMING UNIT, AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 내부에 충전된 개질제에 의해 개질 처리하는 개질기, 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 버너의 연소 가스에 의해 가열하여 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 생성시키는 개질기, 개질 유닛 및 이 개질기 또는 개질 유닛을 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
종래에는, 예를 들면 연료 전지 시스템에 있어서, 개질제에 의해 공급되는 원료 가스를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 각종 개질기가 알려져 있다. 이들 개질기로서는, 직경 방향에서 다중환상으로 간극을 갖는 다중관 구조로, 대략 중심 위치에 배치한 버너(가열 수단)의 연소에 의해 수증기가 혼합된 원료 가스를 가열하면서 개질하는 구성이 채용되고 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1 또는 특허 문헌 7 참조).
또한, 다른 연료 전지 시스템에 있어서는, 공급되는 원료 가스를 버너로 가열하면서 개질제에 의해 개질하여 수소 가스를 생성시키는 각종 개질기가 알려져 있다. 이들 개질기로서는, 직경 방향에서 다중환상으로 간극을 갖는 다중관 구조로, 대략 중심 위치에 배치한 버너의 연소에 의해 수증기가 혼합된 원료 가스를 가 열하면서 개질하는 구성이 채용되고 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1 내지 특허 문헌 7 참조).
하기 특허 문헌 1에 기재된 것은 유저(有底) 원통형의 격벽 내에, 동심형으로 하단 근방에 개구를 갖고 상부에 버너가 하측류의 화염이 되는 상태로 배치된 연소통을 설치하고, 연소통의 내측에 연직 원주형의 제1 영역을 구획 형성하고, 이 제1 영역과 동심에, 제1 영역의 외주측에 위치하여 연소통의 개구를 거쳐 연통하는 환상의 제2 영역을 구획 형성하고 있다.
제2 영역 내에는 이중관 구조로 외주측에 개질 촉매가 충전된 복수의 개질관을, 원주 상에 위치하는 상태에서 축 방향을 따라 배치하고 있다. 각 개질관의 상단부에는 외주측이 연통하는 상태에서 원료 가스 매니폴드가 연결되어 있다.
제2 영역의 외주측에는 동심으로 상단부가 제2 영역에 연통하는 환상의 제3 영역과, 이 제3 영역의 외주측에 동심으로 환상의 제4 영역을 구획 형성하고 있다. 제3 영역 내에는 제2 영역을 유과(流過)하는 버너의 연소 가스(가열 가스)에 의해, 공급되는 물로부터 수증기를 생기게 하는 물 증발관을, 제1 영역과 대략 동심으로 나선형으로 배치하고 있다. 제4 영역 내에는 개질관의 내주측에 연통하는 각 연통부가 접속하는 개질 가스 매니폴드에 접속하는 고온 CO(일산화탄소) 변성 촉매가 충전된 고온 CO 변성기, 저온 CO 변성기, 및 선택 산화 촉매가 충전된 제1, 제2의 선택 산화기를 둘레 방향으로 배열된 상태로 구획 형성하고 있다.
그리고, 제1 영역으로부터 제2 영역을 거쳐 제3 영역으로 유입된 버너의 연소 가스에 의해 물 증발관에서 생성된 수증기가 혼합된 원료 가스가, 원료 가스 매 니폴드로부터 각 개질관의 외주측으로 유입된다. 또한, 원료 가스는 제2 영역 내에 유입되는 버너의 연소 가스에 의해 가열되면서 개질 촉매로 개질되고, 연통관으로부터 개질 가스 매니폴드를 거쳐 고온 CO 변성기, 저온 CO 변성기, 제1의 선택 산화기, 제2의 선택 산화기로 처리되는 구성이 채용되고 있다.
또한, 하기 특허 문헌 1에 기재된 것은, 버너 부착대에 의해 배치되는 버너가 위치하는 중심축에서 버너를 둘러싸는 상태로 원통형의 전열 격벽을 설치하고, 이 전열 격벽의 외측에 동심적으로 제1 통체로부터 제8 통체까지의 복수 통체를 순차적으로 배치하고 있다. 제1 통체의 하단은 전열 격벽과 간극을 개재하는 바닥판으로 폐색되고, 제3 통체의 하단은 제1 통체의 바닥판과 간극을 개재하여 대향하는 바닥판으로 폐색되고, 제1 통체 및 제2 통체 사이와, 제2 통체 및 제3 통체의 통로는 하부에서 연통한다.
전열 격벽 및 제1 통체 사이에 구획되어 상단이 외주측으로 개구하는 연소 배기 가스의 취출구에 접속하는 배기 통로와 버너 부착대와의 사이에는, 물이 공급되는 공급구에 연통하는 물 가열로를 형성하고 있다. 제1 통체 및 제2 통체 사이에는 원료 가스가 공급되는 공급구에 상부가 연통하고, 나선형으로 날개가 설치되어 원료 가스가 나선형으로 유통(流通)하는 유로를 갖고, 유로 내의 상부측에 충전물이 충전된 예열층이 설치되고, 하부측에 개질 촉매가 충전되어 하부가 제2 통체 및 제3 통체의 통로에 접속하는 개질 촉매층이 설치되어 있다. 제3 통체 및 제4 통체 사이는 단열재가 충전되는 간극이 형성되어 있다.
제4 통체 및 제5 통체 사이는 상단이 개질 촉매층에 접속되고, CO 변성 촉매 가 충전되어 시프트층을 형성하고 있다. 제5 통체 및 제7 통체 사이에는 제6 통체가 개재되고, 원료 가스의 공급구에 연통함과 동시에 하류측이 예열층의 상부에 연통(連通)하는 가열 통로를 형성하고 있다. 제7 통체 및 제8 통체 사이에는 가스가 유통 가능하게 칸막이판으로 구획되고, 하부가 시프트층의 하부에 연통하여 공기가 도입되는 혼합실을 거쳐 CO 제거 촉매가 충전된 제1 PROX층과, 제1 PROX층에 연통함과 동시에 개질 가스 취출구에 연통하는 제2 PROX층이 형성되어 있는 구성이 채용되고 있다.
하기 특허 문헌 2에 기재된 것은, 버너 부착대에 의해 배치되는 버너가 위치하는 중심축에서 버너를 둘러싸는 상태로 원통형의 전열 격벽을 설치하고, 이 전열 격벽의 외측에 동심적으로 제1 통체로부터 제8 통체까지의 복수 통체를 순차적으로 배치하고 있다. 제1 통체의 하단은 전열 격벽과 간극을 개재하는 바닥판으로 폐색되고, 제3 통체의 하단은 제1 통체의 바닥판과 간극을 개재하여 대향하는 바닥판으로 폐색되고, 제1 통체 및 제2 통체 사이와, 제2 통체 및 제3 통체의 통로는 하부에서 연통한다.
전열 격벽 및 제1 통체 사이에 구획되어 상단이 외주측으로 개구하는 연소 배기 가스의 취출구에 접속하는 배기 통로와 버너 부착대와의 사이에는, 물이 공급되는 공급구에 연통하는 물 가열로를 형성하고 있다. 제1 통체 및 제2 통체 사이에는 원료 가스가 공급되는 공급구에 상부가 연통하고, 상부측에 충전물이 충전된 예열층이 설치되고, 하부측에 개질 촉매가 충전되고 하부가 제2 통체 및 제3 통체의 통로에 접속하는 개질 촉매층이 설치되어 있다. 제3 통체 및 제4 통체 사이는 단열재가 충전되는 간극이 형성되어 있다.
제4 통체 및 제5 통체 사이는 상단이 개질 촉매층에 접속되고, CO 변성 촉매가 충전되어 시프트층을 형성하고 있다. 제5 통체 및 제7 통체 사이에는 제6 통체가 개재되고, 원료 가스의 공급구에 연통함과 동시에 하류측이 예열층의 상부에 연통하는 가열 통로를 형성하고 있다. 제7 통체 및 제8 통체 사이에는 하부가 시프트층의 하부에 연통하고 공기가 도입되는 실(室)을 거쳐 가스가 유통 가능하게 칸막이판으로 구획되고 CO 제거 촉매가 충전된 제1 PROX층이 형성되어 있다. 또한, 제7 통체 및 제8 통체 사이에는 가스가 유통 과정에서 난류를 생기게 하는 상태로 가스가 유통 가능한 칸막이판으로 복수의 실이 형성되어 있음과 동시에, 실을 거쳐 제1 PROX층에 연통하고 개질 가스 취출구에 실을 거쳐 연통하는 제2 PROX층이 형성되어 있는 구성이 채용되고 있다.
하기 특허 문헌 3에 기재된 것은, 버너 부착대에 의해 배치되는 버너가 위치하는 중심축에서 버너를 둘러싸는 상태로 원통형의 전열 격벽을 설치하고, 이 전열 격벽의 외측에 동심적으로 제1 통체로부터 제8 통체까지의 복수 통체를 순차적으로 배치하고 있다. 제1 통체의 하단은 전열 격벽과 간극을 개재하는 바닥판으로 폐색되고, 제3 통체의 하단은 제1 통체의 바닥판과 간극을 개재하여 대향하는 바닥판으로 폐색되고, 제1 통체 및 제2 통체 사이와, 제2 통체 및 제3 통체의 통로는 하부에서 연통한다. 제4 통체 및 제8 통체는 하단끼리가 바닥판으로 접합되어 있다.
전열 격벽 및 제1 통체 사이에 구획되는 원관형 공극의 배기 통로의 상단은 외주측으로 개구하는 연소 배기 가스의 취출구에 연통하고 있다. 제1 통체 및 제2 통체 사이의 통로는 상부가 물과 도시 가스를 혼합하여 이루어지는 원료 가스가 공급되는 공급구에 연통하고, 하부가 제2 통체 및 제3 통체 사이에 개질 촉매가 충전된 개질 촉매층에 접속해 있다. 제3 통체 및 제4 통체 사이는 간극이 형성되어 있다.
제4 통체 및 제5 통체 사이는 상단이 개질 촉매층에 접속하고, CO 변성 촉매가 충전되어 시프트층을 형성하고 있다. 제7 통체 및 제8 통체 사이의 하부에는 제4 통체 및 제5 통체 사이에 접속하는 시프트층이 형성되고, 시프트층의 상부에 칸막이판으로 구획되어 공기를 혼입시키는 혼합실이 구획 형성되고, 혼합실의 상부에는 개질 가스의 취출구에 연통하는 CO 선택 산화 촉매가 충전된 PROX층이 형성되어 있다. 제5 통체 및 제7 통체 사이에는 제6 통체가 개재되고, 공급구에 연통함과 동시에 하류측이 제1 통체 및 제2 통체 사이의 통로의 상부에 접속하는 원료 가스를 가열하는 가열로를 형성하고 있다. 제4 통체 및 제5 통체 사이의 시프트층과, 제7 통체 및 제8 통체 사이의 시프트층이 접속하는 하부에는 내부에 고인 물을 배출하는 배수 장치가 설치된 구성이 채용되고 있다.
하기 특허 문헌 4에 기재된 것은, 배치되는 버너가 위치하는 중심축에서 버너를 둘러싸는 상태로 원통형의 전열 격벽을 설치하고, 이 전열 격벽의 외측에 동심적으로 제1 통체로부터 제8 통체까지의 복수 통체를 순차적으로 배치하고 있다. 제1 통체의 하단은 전열 격벽과 간극을 개재하는 바닥판으로 폐색되고, 제3 통체의 하단은 제1 통체의 바닥판과 간극을 개재하여 대향하는 바닥판으로 폐색되고, 제1 통체 및 제2 통체 사이와, 제2 통체 및 제3 통체의 통로는 하부에서 연통한다. 제 4 통체 및 제8 통체는 하단끼리가 바닥판으로 접합되어 있다.
전열 격벽 및 제1 통체 사이에 구획되는 원관형 공극의 상승 통로의 상단은 수평 방향으로 원환형의 중간 통로에 연통하고, 이 중간 통로의 외주로부터 하측으로 연장되고 하단에 연소 배기 가스 배출구에 접속하는 원관형의 하강 통로를 설치하고 있다. 하강 통로의 외주에 인접하여, 하단에 물 공급구를 갖고 공급되는 물을 예열하는 원관형의 급수 예열부를 설치하고 있다. 급수 예열부의 상단에는 원료 가스의 공급구가 접속하고 원료 가스와 축축한 증기가 공급되는 환상 실에 접속하는 연결부를 설치하고 있다. 하강 통로의 내주측에 인접하여, 원관형의 원료 예열부를 설치하고 있다. 제1 통체 및 제2 통체 사이에는 환상 실에 접속하는 가열 통로가 상부에 접속되어 스테인리스나 알루미나 등의 충전물이 충전된 예열층이 상부에 설치되고, 하부에 개질 촉매가 충전된 개질 촉매층이 설치되어 있다.
제3 통체 및 제4 통체 사이는 단열재가 충전되고, 제4 통체 및 제5 통체 사이는 상단이 통로와 연통하고, CO 변성 촉매가 충전되어 시프트층을 형성하고 있다. 제5 통체 및 제7 통체 사이에는 제6 통체가 개재되어 이중원관 구조로 형성되고, 원료 가스 공급구로부터 공급되는 원료 가스와 물 공급구로부터 공급되는 물이 혼합된 상태로 통과하고, 예열층에 연통하는 가열 통로를 형성하고 있다. 제7 통체 및 제8 통체 사이에는 하부가 시프트층의 하부에 연통하고 공기가 도입되는 CO 제거 촉매가 충전되어 제1 PROX층, 및 이 제1 PROX층의 상부에 칸막이판에 의해 구획된 제2 PROX층을 형성한 구성이 채용되고 있다.
하기 특허 문헌 5에 기재된 것은, 노 용기에서 적어도 하부가 덮인 개질관 을, 직립한 칸막이 원통과, 칸막이 원통의 내외에 동심원형으로 배치되고 하부를 칸막이 원통의 하단으로부터 분리하여 링형의 바닥판으로 접속한 내통 및 외통으로 이중 환상 구조로 형성하고 있다. 개질관은 칸막이 원통과 외통과의 사이에, 상부에 원료 가스 매니폴드를 거쳐 원료 가스 입구가 형성되고, 하단부가 칸막이 원통과 내통과의 사이에 구획된 내측 환상 공간에 연통하는 외측 환상 공간을 구획 형성하고 있다.
내측 환상 공간은 입상 개질 촉매가 충전되고, 상부에 개질 가스 매니폴드를 거쳐 개질 가스 출구가 형성되어 있다. 버너에서 연소된 연소 가스는 개질관의 내통 내로부터 개질관의 하단부로부터 노 용기의 내주측과의 간극을 거쳐 배기된다. 이 연소 가스의 배기시에, 외측 환상 공간에 유입된 원료 가스가 가열되고, 내측 환상 공간에 유입되어 입상 개질 촉매로 개질 처리되는 구성이 채용되고 있다.
하기 특허 문헌 6에 기재된 것은, 유저 원통형의 격벽 내에, 동심형으로 하단 근방에 개구를 갖고 상부에 버너가 하측류의 화염이 되는 상태로 배치된 연소통을 설치하고, 연소통의 내측에 연직 원주형의 제1 영역을 구획 형성하고, 이 제1 영역과 동심으로, 제1 영역의 외주측에 위치하고 연소통의 개구를 거쳐 연통하는 환상의 제2 영역을 구획 형성하고 있다.
제2 영역 내에는 이중관 구조로 외주측에 개질 촉매가 충전된 복수의 개질관을, 원주 상에 위치하는 상태로 축 방향을 따라 배치하고 있다. 각 개질관의 상단부에는 외주측이 연통하는 상태로 원료 가스 매니폴드가 연결되어 있다.
제2 영역의 외주측에는 동심으로 상단부가 제2 영역에 연통하는 환상의 제3 영역과, 이 제3 영역의 외주측에 동심으로 환상의 제4 영역을 구획 형성하고 있다. 제3 영역 내에는 제2 영역을 유과하는 버너의 연소 가스에 의해, 공급되는 물로부터 수증기를 생기게 하는 물 증발관을, 제1 영역과 대략 동심으로 나선형으로 배치하고 있다. 제4 영역 내에는 개질관의 내주측에 연통하는 각 연통부가 접속하는 개질 가스 매니폴드에 접속하는 고온 CO(일산화탄소) 변성 촉매가 충전된 고온 CO 변성기, 저온 CO 변성기, 및 선택 산화 촉매가 충전된 제1, 제2의 선택 산화기를 둘레 방향으로 배열된 상태로 구획 형성하고 있다.
그리고, 제1 영역으로부터 제2 영역을 거쳐 제3 영역에 유입된 버너의 연소 가스에 의해 물 증발관에서 생성된 수증기가 혼합된 원료 가스가, 원료 가스 매니폴드로부터 각 개질관의 외주측에 유입된다. 또한, 원료 가스는 제2 영역 내에 유입되는 버너의 연소 가스에 의해 가열되면서 개질 촉매로 개질되고, 연통관으로부터 개질 가스 매니폴드를 거쳐 고온 CO 변성기, 저온 CO 변성기, 제1의 선택 산화기, 제2의 선택 산화기로 처리되는 구성이 채용되고 있다.
하기 특허 문헌 7에 기재된 것은, 개질기와, 탈황기나 물 증발기, 원연료 기화기, 저온 시프트 컨버터, 선택 산화 CO 제거기 등의 관련 기기를 1개의 유닛 구성으로 하여 진공 단열 용기 내에 배치하고 있다. 이 진공 단열 용기의 내측 공간을, 연소기의 연소 가스가 흐른다. 연소기 주위에는 내관 및 외관으로 이루어지는 이중관 구조로 내관 및 외관에 원료 가스가 유통하는 개질 촉매가 충전되고 개질된 가스를 내관 내에 유통시키는 개질관이 복수 배치되어 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2002-187705호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 제2002-293509호 공보
특허 문헌 3: 일본 특허 공개 제2003-112904호 공보
특허 문헌 4: 일본 특허 공개 제2004-123464호 공보
특허 문헌 5: 일본 특허 공개 (평)5-303972호 공보
특허 문헌 6: 일본 특허 공개 제2004-288434호 공보
특허 문헌 7: 일본 특허 공개 제2003-327405호 공보
<발명의 개시>
<발명이 해결하고자 하는 과제>
그러나, 상기 특허 문헌 1 또는 특허 문헌 7에 기재된 바와 같은 개질 촉매를 충전한 이중관 구조의 개질관을 이용하는 종래의 구성에서는 충전되는 개질 촉매의 용적에 한계가 있어, 충분한 개질 처리를 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 개질 촉매의 부하가 높아져 수명이 짧아질 우려가 있다. 또한, 구조가 복잡하고 개질 촉매의 교환 작업 등도 번잡해질 우려가 있는 문제점이 있다.
연료 전지 시스템에서는 에너지 효율이 중요하다. 그리고, 연료 전지에 공급하는 수소 가스를 제조하는 공정에 있어서, 개질시의 가열은 전 행정 중에서 비교적으로 큰 에너지를 필요로 한다. 이에 따라, 효율적으로 가열하여 개질 처리할 필요가 있다.
특히, 일반 가정용으로서 소형화나 구성의 간략화시의 에너지 효율의 저하 억제나 에너지 효율의 추가적인 향상이 보다 강하게 요망되고 있다.
본 발명의 목적은 이러한 점을 감안하여, 간단한 구조로 효율이 좋고 안정된 개질 처리를 얻을 수 있는 개질기, 개질 유닛 및 연료 전지 시스템을 제공한다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명에 기재된 개질기는, 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 촉매 중에서 가열하여 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 생성시키는 개질기이며, 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 내측 통형체 및 외측 통형체를 갖고, 이들 내측 통형체 및 외측 통형체 사이에 상기 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기와, 이 개질 용기의 상기 내측 통형체의 대략 중심축 상에 위치하여 배치된 가열 수단과, 상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되어 상기 원료 가스를 상기 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관, 및 이 공급관 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입되고 일단부가 상기 개질실을 관통하여 상기 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 상기 개질 촉매에 의해 상기 원료 가스가 개질되어 생성된 상기 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관을 구비한 복수의 이중관 구조의 유통부를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 대략 중심축 상에 위치하여 가열 수단이 배치되는 내측 통형체와, 이 내측 통형체와 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 외측 통형체와의 사이에 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기를 구비하고 있다. 그리고, 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 용기의 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관을 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속함과 동시에, 공급관 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입하여 일단부가 개질실을 관통하여 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 생성된 개질 가스가 유입 가능하게 복귀관을 개구하는 상태로 배치하여 이중관 구조의 유통부를 구성하고 있다.
이에 따라, 예를 들면 연료 전지에서 이용하는 수소 가스로서 개질 가스를 공급하는 경우 등, 필요한 공급량에 맞는 개질 촉매를 충전하는 용량을 비교적으로 용이하게 확보할 수 있음과 동시에, 대략 환상 공간에 개질 촉매를 충전하면 되어 작업성이 좋다. 또한, 원료 가스를 개질실에 공급하는 공급관과, 개질실의 개질 촉매로 생성한 개질 가스를 유통시켜 회수하는 복귀관을, 대략 동축 상으로 한 이중관 구조의 유통부로서 구성하고 있기 때문에, 원료 가스를 공급하는 구성 및 생성된 개질 가스를 회수하는 구성이 개질 용기의 일측에 통합되는 구성이 되어, 예를 들면 개질 용기의 단열, 다른 구성과의 간섭 등이 잘 생기지 않아, 구성의 소형화를 용이하게 도모할 수 있다. 또한, 공급관으로부터 공급되는 원료 가스는 소정의 온도로 가열되어 생성된 개질 가스가 공급관의 내주측에 끼움 삽입하는 복귀관을 유통할 때로 가열되어, 양호한 열 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 유통부는 상기 공급관 및 상기 복귀관의 사이에 상기 원료 가스가 유통 가능하게 충전재가 충전된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 유통부에서의 공급관 및 복귀관의 사이에, 원료 가스가 유통 가능하게 충전재를 충전하고 있다. 여기서, 충전재로서는, 예를 들면 내열성이나 내식성을 갖는 스테인리스 등의 금속이나 알루미나 입자 등의 무기 재료 등을 예시할 수 있다.
이에 따라, 공급관을 유통하는 원료 가스와, 복귀관을 유통하는 개질 가스와의 열 교환 효율이 향상되어, 보다 양호한 열 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는, 상기 공급관은 일단이 상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되고, 타단이 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 상기 원료 가스가 유입되는 원료 가스 공급부에 접속되고, 상기 복귀관은 타단이 상기 원료 가스 공급부에 인접하여 설치되고 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 상기 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부에 상기 원료 가스 공급부를 관통하여 접속된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속하는 공급관의 타단을, 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 원료 가스가 유입되는 원료 가스 공급부에 접속하고 있다. 또한, 개질실의 타단측에 일단이 개구하는 복귀관의 타단을, 원료 가스 공급부에 인접하여 설치되고 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부에 원료 가스 공급부를 관통하여 접속하고 있다.
이에 따라, 원료 가스의 각 공급관을 거친 개질실로의 유입, 및 개질실에서 개질되어 생성된 개질 가스의 회수가 편류없이 대략 균일한 원료 가스 및 개질 가스의 유통을 얻을 수 있고, 충전된 개질 촉매가 치우침없이 개질 처리에 이용되고, 나아가 원료 가스와 개질 가스와의 열 교환 효율이 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 원료 가스 공급부 및 상기 개질 가스 유출부는 각각 대략 동일 직경의 대략 통형으로 서로 일련으로 일체 형성된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 공급관이 접속되어 원료 가스가 공급되는 원료 가스 공급부와, 복귀관이 접속되어 개질실에서 생성된 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부를, 각각 대략 동일 직경의 대략 통형으로 서로 일련으로 일체 형성하고 있다.
이에 따라, 대략 기둥형 공간을 갖는 원료 가스 공급부 및 개질 가스 유출부가 대략 동일 직경으로 일련으로 일체 형성됨으로써, 예를 들면 통형 부재를 축 방향에서 구획하는 등에 의해 일련으로 형성할 수 있어, 구조의 간략화 및 제조성의 향상을 용이하게 도모할 수 있다. 나아가, 예를 들면 개질 용기의 외측 통형체와 대략 동일 직경으로 일련으로 형성함으로써, 보다 구성의 간략화나 제조성의 향상을 도모할 수 있고, 다른 부재와의 시스템 구성의 구축이 용이해져, 시스템 구성의 소형화 등도 용이하게 도모할 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 개질 용기는 상기 유통부의 공급관이 접속되는 축 방향의 일단부에, 상기 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 환상 공간의 유입 공간부를 갖는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 유통부의 공급관이 접속되는 개질 용기의 축 방향의 일단측 내부에, 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 환상 공간의 유입 공간부를 구획 형성하고 있다.
이에 따라, 공급관으로부터 개질실 내로 유입되는 원료 가스가, 대략 환상 공간의 유입 공간부에 일단 흘러들어오기 때문에, 충전된 개질 촉매의 층을 대략 균일하게 유과하게 되어, 보다 편류없이 개질 촉매와의 보다 대략 균일한 접촉을 얻을 수 있고, 보다 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 개질 용기는 상기 유통부의 공급관이 접속되는 축 방향의 일단부에, 상기 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 기둥형 공간의 유입 공간부를 갖는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 유통부의 공급관이 접속되는 개질 용기의 축 방향의 일단측 내부에, 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 기둥형 공간의 유입 공간부를 구획 형성하고 있다.
이에 따라, 공급관으로부터 개질실 내에 유입되는 원료 가스가, 대략 기둥형 공간의 유입 공간부에 일단 흘러들어오기 때문에, 충전된 개질 촉매의 층을 대략 균일하게 유과하게 되어, 보다 편류없이 개질 촉매와의 보다 대략 균일한 접촉을 얻을 수 있고, 보다 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
본 발명에 기재된 개질기는 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 촉매 중에서 가열하여 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 생성시키는 개질기이며, 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 내측 통형체 및 외측 통형체를 갖고, 이들 내측 통형체 및 외측 통형체 사이에 축 방향의 일단측에 충전재가 충전되고 타단측에 상기 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기와, 이 개질 용기의 상기 내측 통형체의 대략 중심축 상에 위치하여 배치된 가열 수단과, 상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되어 상기 원료 가스를 상기 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관, 및 이 공급관 내에 끼움 삽입되고 일단부가 상기 개질실을 관통하여 상기 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 상기 개질 촉매에 의해 상기 원료 가스가 개질되어 생성된 상기 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관을 복수 구비한 유통부를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 대략 중심축 상에 위치하여 가열 수단이 배치되는 내측 통형체와, 이 내측 통형체와 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 외측 통형체와의 사이에 개질 촉매 및 충전재가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기를 구비하고 있다. 그리고, 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 용기의 개질실의 축 방향에서의 충전재측이 되는 일단측에 공급하는 공급관을 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속함과 동시에, 공급관 내에 끼움 삽입하고 일단부가 개질실을 관통하여 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 생성된 개질 가스가 유입 가능하게 복귀관을 개구하는 상태로 복수 배치하여 유통부를 구성하고 있다.
이에 따라, 예를 들면 연료 전지에서 이용하는 수소 가스로서 개질 가스를 공급하는 경우 등, 필요한 공급량에 따른 개질 촉매를 충전하는 용량을 비교적으로 용이하게 확보할 수 있음과 동시에, 대략 환상 공간에 개질 촉매를 충전하면 되어 작업성이 좋다. 또한, 원료 가스를 개질실에 공급하는 공급관과, 개질실의 개질 촉매로 생성한 개질 가스를 유통시켜 회수하는 복귀관을, 공급관에 복수 끼움 삽입하는 구조의 유통부로서 구성하고 있기 때문에, 원료 가스를 공급하는 구성 및 생성된 개질 가스를 회수하는 구성이 개질 용기의 일측에 통합되는 구성이 되어, 예를 들면 개질 용기의 단열, 다른 구성과의 간섭 등이 잘 생기지 않아, 구성의 소형화를 용이하게 도모할 수 있다. 또한, 개질 용기 내에 충전재를 충전하는 구성으로, 효율적으로 복귀관을 유통하는 개질 가스와의 열 교환 효율을 향상시키는 구성을, 대략 환상 공간의 간단한 구성의 개질 용기로 얻을 수 있고, 간단한 구조로 제조성의 향상을 용이하게 얻을 수 있어 효율적으로 개질 처리할 수 있는 구성을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 공급관으로부터 공급되는 원료 가스는 소정의 온도로 가열되어 생성된 개질 가스가 공급관의 내주측에 끼움 삽입하는 복귀관을 유통할 때에 가열되어, 양호한 열 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 공급관은 내부에 대략 기둥형 공간의 공급실을 구획 형성하는 통형으로 형성되고, 상기 복귀관은 타단이 상기 공급관에 인접하여 설치되고 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 상기 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부에 상기 공급관을 관통하여 접속된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속하는 공급관을, 내부에 대략 기둥형 공간의 공급실을 구획 형성한 대략 통형으로 형성한다. 개질실의 타단측에 일단이 개구하는 복귀관의 타단을, 공급관에 인접하여 설치되고 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부에 공급관을 관통하여 접속하고 있다.
이에 따라, 원료 가스의 공급관을 거친 개질실로의 유입, 및 개질실에서 개질되어 생성된 개질 가스의 회수에, 편류없이 대략 균일한 원료 가스 및 개질 가스의 유통을 얻을 수 있고, 충전된 개질 촉매가 치우침없이 개질 처리에 이용되고, 나아가 원료 가스와 개질 가스와의 열 교환 효율이 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 공급관은 상기 개질 용기의 외측 통형체와 대략 동일 직경의 통형으로 상기 외측 통형체에 일련으로 일체 형성되고, 상기 개질 가스 유출부는 상기 공급관과 대략 동일 직경의 통형으로 상기 공급관에 일련으로 일체 형성된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 개질 용기의 외측 통형체와 대략 동일 직경의 통형으로 외측 통형체에 일련으로 일체 형성되는 공급관에, 복귀관이 공급관을 거쳐 접속하는 개질 가스 유출부를 공급관과 대략 동일 직경의 통형으로 일련으로 일체 형성하고 있다.
이에 따라, 대략 통형의 개질 용기의 외측 통형체와, 대략 기둥형 공간의 통형의 공급관과, 복귀관이 접속하는 개질 가스 유출부가 일련으로 일체 형성되어 있는 점에서, 예를 들면 통형 부재를 축 방향에서 구획하는 등에 의해 일련으로 형성할 수 있어, 구조의 간략화 및 제조성의 향상을 용이하게 도모할 수 있다. 나아가, 다른 부재와의 시스템 구성의 구축이 용이해지고, 시스템 구성의 소형화 등도 용이하게 도모할 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 복귀관은 상기 개질 용기의 개질실 내의 개질 촉매가 충전된 영역에서 나선형으로 배치된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 개질 용기의 개질실 내의 개질 촉매가 충전된 영역에서, 복귀관을 나선형으로 배치하고 있다.
이에 따라, 복귀관을 유통하는 개질 가스와 개질 촉매와의 열 교환 효율이 보다 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
본 발명에 기재된 개질기는 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 촉매 중에서 가열하여 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 생성시키는 개질기이며, 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 내측 통형체 및 외측 통형체를 갖고, 이들 내측 통형체 및 외측 통형체 사이에 상기 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기와, 이 개질 용기의 상기 내측 통형체보다 소직경의 통형으로 상기 내측 통형체의 내주측에 중심축이 대략 일치하는 상태로 배치된 복사관과, 이 복사관 내에 상기 개질실의 축 방향의 일단부로 가열 가스를 공급하는 가열 수단, 상기 복사관보다 소직경이고 상기 가열 수단에 대향하는 축 방향의 일단부가 폐색판으로 적어도 일부가 폐색되어 상기 가열 수단의 가열 가스의 적어도 일부의 유통을 저해하는 통형으로, 상기 복사관의 내주측에 중심축이 대략 일치하는 상태로 외주면 및 상기 복사관의 내주면과의 사이에 상기 가열 수단의 가열 가스가 유통 가능하게 배치되고, 상기 가열 수단에 의해 가열되는 정류관을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 내측 통형체와, 이 내측 통형체와 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 외측 통형체와의 사이에 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기를 구비하고 있다. 그리고, 개질 용기의 내측 통형체보다 소직경의 통형의 복사관을, 내측 통형체의 내주측에 중심축이 대략 일치하는 상태로 배치되고, 이 복사관의 내주측에 개질 용기의 개질실의 축 방향의 일단부에 대략 대응하는 위치에 가열 수단을 배치한다. 또한, 복사관보다 소직경이고 가열 수단에 대향하는 축 방향의 일단부가 폐색판으로 적어도 일부가 폐색되어 가열 가스의 적어도 일부의 유통을 저해하는 통형의 정류관을, 복사관의 내주측에 중심축이 대략 일치하는 상태로, 외주면이 복사관의 내주면과의 사이에서 가열 가스가 유통 가능하게 배치하고 있다.
이에 따라, 가열 가스는 정류관의 내주측에 폐색판에 의해 폐색되지 않은 타단측으로부터 유입되고 나서 적어도 일부가 절첩하도록 타단측으로부터 유출한 후, 정류관과 복사관의 사이를 유통한다. 따라서, 정류관이 가열됨과 동시에 개질 용기의 내주측에 위치하는 복사관이 효율적으로 가열됨과 동시에, 정류관의 열은 가열하는 복사관을 거쳐 개질 용기를 가열하게 되어, 개질 용기의 축 방향에서의 온도의 편차가 잘 생기지 않게 되어, 효율적으로 가열되고 안정적으로 원료 가스를 개질 처리할 수 있다. 나아가, 가열 수단을 지지시키는 복사관을 이용, 및 통형의 정류관을 설치하는 간단한 구성으로, 개질 용기로의 안정된 가열을 제공할 수 있다.
여기서, 폐색판은 예를 들면 가열 가스가 유통 불가능한 판형이나, 가열 가스의 일부를 유통 가능한 구멍을 갖는 것, 메쉬 형상의 것 등, 각종 형태로 할 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 개질 용기는 중심축이 연직 방향을 대략 따르는 상태로 설치되고, 상기 가열 수단은 상기 가열 가스를 연직 방향의 대략 하측을 향하여 유출되는 상태로 배치되고, 상기 정류관은 상측을 향하여 개구하는 상태로 배치된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 중심축이 연직 방향을 대략 따르는 상태로 설치한 개질 용기에 대하여 가열 가스를 연직 방향의 대략 하측을 향하여 유출되는 상태로 가열 수단을 배치함과 동시에, 상측을 향하여 개구하는 상태로 정류관을 배치, 즉 폐색판으로 폐색된 일단부가 축 방향에서 하단측에 위치하는 상태로 배치한다.
이에 따라, 가열 수단으로부터의 액 흘러내림이나, 운전 정지시의 정류관의 결로 등, 가열 수단에 액이 흘러내리는 일 없이 가열 수단에서 안정적으로 가열 가스를 발생할 수 있어, 안정된 운전을 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 개질 용기는 중심축이 연직 방향을 대략 따르는 상태로 설치되고, 상기 가열 수단은 상기 가열 가스를 연직 방향의 대략 상측을 향하여 유출되는 상태로 배치되고, 상기 정류관은 하측을 향하여 개구하는 상태로 배치된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 중심축이 연직 방향을 대략 따르는 상태로 설치된 개질 용기에 대하여, 가열 가스를 연직 방향의 대략 상측을 향하여 유출되는 상태로 가열 수단을 배치함과 동시에, 하측을 향하여 개구하는 상태로 정류관을 배치, 즉 폐색판으로 폐색된 일단부가 축 방향에서 상단측에 위치하는 상태로 배치한다.
이에 따라, 예를 들면 정류관의 단부를 복사관의 단부에 결합시키거나 연결시키는 등, 정류관을 복사관의 단부에 부착함으로써 용이하게 정류관을 배치할 수 있어, 구성의 간략화나 제조성의 향상 등을 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 정류관은 상기 폐색판으로 폐색되는 축 방향의 일단부에 외측을 향하여 돌출하고 상기 복사관의 단부에 늘어뜨려(suspending) 지지되는 지지부를 구비한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 정류관에서의 폐색판으로 폐색되는 축 방향의 일단부에 외측을 향하여 돌출 설치한 지지부를 복사관의 단부에 늘어뜨려 지지시킨다.
이에 따라, 외측을 향하여 돌출 설치한 간단한 구조의 지지부로, 정류관을 복사관에 지지할 수 있어, 구성이 간략화되어 제조성의 향상이나 소형화 등을 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 개질 용기는 상기 개질실 내에서 상기 원료 가스를 축 방향을 대략 따르는 방향에서 유통시키는 상태로 상기 원료 가스가 공급되어 상기 개질 가스를 유출하고, 상기 정류관은 상기 원료 가스가 상기 개질실 내를 유통하는 상류측에 대응하는 상기 개질 용기의 내측 통형체에 대향하지 않는 위치에 배치된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 개질실 내에서 원료 가스가 축 방향을 대략 따르는 방향에서 유통하는 상태로 원료 가스가 공급되어 개질 가스를 유출하는 구성으로 한 개질 용기에 있어서, 개질실 내를 원료 가스가 유통하는 상류측에 대응하는 위치의 내측 통형체에, 정류관이 대향 위치하지 않는, 즉 원료 가스가 유통하는 상류측에 대응하는 위치에는 정류관이 위치하지 않도록 배치하고 있다.
이에 따라, 가열 수단에 의해 가열된 정류관으로부터의 복사열이 원료 가스가 유통하는 상류측에 작용하는 비율이 감소하고, 개질실에서의 원료 가스가 유통하는 상류측에서의 과열을 방지하여, 개질실 전체에서의 대략 균일하고 안정된 개질 처리를 얻을 수 있어, 효율적인 개질 처리를 간단한 구성으로 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되어 상기 원료 가스를 상기 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관과, 이 공급관 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입되어 일단부가 상기 개질실을 관통하여 상기 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 상기 개질 촉매에 의해 상기 원료 가스가 개질되어 생성된 상기 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관을 구비한 복수의 이중관 구조의 유통부를 구비한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 용기의 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관을 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속함과 동시에, 공급관 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입하고 일단부가 개질실을 관통하여 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 생성된 개질 가스가 유입 가능하게 복귀관을 개구하는 상태로 배치하여 이중관 구조의 유통부를 구성하고 있다.
이에 따라, 예를 들면 연료 전지에서 이용하는 수소 가스로서 개질 가스를 공급하는 경우 등, 필요한 공급량에 따른 개질 촉매를 충전하는 개질 용기에서의 용량을 비교적으로 용이하게 확보할 수 있음과 동시에, 대략 환상 공간에 개질 촉매를 충전하면 되어 작업성이 좋다. 또한, 원료 가스를 개질실에 공급하는 공급관과, 개질실의 개질 촉매로 생성한 개질 가스를 유통시켜 회수하는 복귀관을, 대략 동축상으로 한 이중관 구조의 유통부로서 구성하고 있기 때문에, 원료 가스를 공급하는 구성 및 생성된 개질 가스를 회수하는 구성이 개질 용기의 일측에 통합되는 구성이 되어, 예를 들면 개질 용기의 단열, 또는 가열 수단이나 다른 구성과의 간섭 등이 잘 생기지 않아, 구성의 소형화를 용이하게 도모할 수 있다. 나아가, 원료 가스의 개질실에서의 축 방향을 대략 따른 방향에서의 유통을 간단한 구성으로 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 공급관으로부터 공급되는 원료 가스는 소정의 온도로 가열되어 생성된 개질 가스가 공급관의 내주측에 끼움 삽입하는 복귀관을 유통할 때에 가열되어, 양호한 열 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되어 상기 원료 가스를 상기 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관과, 이 공급관 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입되고 일단부가 상기 개질실을 관통하여 상기 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 상기 개질 촉매에 의해 상기 원료 가스가 개질되어 생성된 상기 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관을 구비한 복수의 이중관 구조의 유통부를 구비하고, 상기 개질 용기는 상기 유통부의 공급관이 접속되는 축 방향의 일단부에, 상기 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 기둥형 공간의 유입 공간부를 갖고, 상기 정류관은 상기 유입 공간부 상에 상측을 향하여 개구하는 상태로 재치되는 재치부를 갖는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 용기의 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관을 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속함과 동시에, 공급관 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입하고 일단부가 개질실을 관통하여 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 생성된 개질 가스가 유입 가능하게 복귀관을 개구하는 상태로 배치하여 이중관 구조의 유통부를 구성한다. 그리고, 개질 용기의 유통부의 공급관이 접속되는 축 방향의 일단부에, 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 원주 공간의 유입 공간부를 설치하고, 이 유입 공간부 상에 정류관을 상측을 향하여 개구하는 상태로 재치부에서 재치시킨다.
이에 따라, 공급관으로부터 개질실 내에 유입되는 원료 가스가 대략 기둥형 공간의 유입 공간부에 일단 흘러들어오기 때문에, 충전된 개질 촉매의 층을 대략 균일하게 유과하게 되어, 보다 편류없이 개질 촉매와의 보다 대략 균일한 접촉을 얻을 수 있어, 보다 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다. 나아가, 이 편류없이 원료 가스를 개질 촉매의 층에 유통시키기 위한 대략 기둥형 공간의 간단한 구성의 유입 공간부를, 정류관을 배치시키는 구성에, 재치부를 설치하는 간단한 구성으로 공용할 수 있어, 구성의 간략화나 제조성의 향상을 용이하게 도모할 수 있다. 예를 들면, 재치부를 통형 구성으로 하여 정류관에 일련으로 설치하는 등의 간단한 구성으로 대응할 수 있고, 이러한 구성으로 함으로써, 구성의 보다 간략화나 제조성의 한층 더 향상을 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 복사관의 내주면과 상기 정류관의 외주면과의 사이에 중심축에 대하여 나선형으로 배치된 난류부를 구비한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 복사관의 내주면과 정류관의 외주면과의 사이에 중심축에 대하여 나선형으로 난류부를 배치한다.
이에 따라, 복사관의 내주면과 정류관의 외주면과의 사이를 유과하는 가열 가스가 중심축에 대하여 나선형으로 유통하고, 정류관 및 복사관의 가열 효율이 향상되어, 효율적인 개질 처리를 할 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 난류부는 상기 정류관의 외주면에 상기 복사관의 내주면을 향하여 돌출하는 나선형으로 설치된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 정류관의 외주면에, 복사관의 내주면을 향하여 돌출하는 나선형으로 난류부를 설치한다.
이에 따라, 예를 들면 정류관을 단면을 물결 형상으로 형성하거나, 가늘고 긴 막대 형상의 강재를 정류관의 외주면에 나선형으로 권장하기도 하는 등, 간단한 구성으로 가열 가스의 나선형의 유통을 얻을 수 있다.
본 발명의 개질기에서는 상기 정류관은 상기 폐색판으로 폐색되는 축 방향의 일단부와 반대측의 타단부의 주연부가 넓혀지면서 개방된 상태로 형성된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 정류관의 폐색판으로 폐색되는 축 방향의 일단부와 반대측의 타단부의 주연부를 넓혀지면서 개방된 상태로 형성한다.
이에 따라, 가열 가스가 원활히 정류관의 내주측에 유입되는 상태를 얻을 수 있어, 정류관을 효율적으로 가열할 수 있다. 특히, 가열 가스가 연직 방향의 대략 상측을 향하여 유통하는 상태로 배치하는 구성에서는, 예를 들면 운전 정지시의 결로 등이 가열 수단에 액이 흘러내리는 것을 방지할 수 있어, 가열 수단의 보호 및 안정된 연소가 주연부를 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 간단한 구성으로 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명에 기재된 개질 유닛은 상술한 본 발명의 개질기와, 상기 개질기의 가열 수단의 가열에 의해 공급되는 물로부터 수증기를 생성하는 수증기 생성 수단과, 탈황 처리된 액체 연료 또는 탄화수소 원료 가스에 수증기를 혼합하여 탄화수소 원료를 함유하는 상기 원료 가스를 생성하는 수증기 혼합 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상술한 본 발명의 개질기의 가열 수단의 가열에 의해, 수증기 생성 수단에서 공급되는 물로부터 수증기를 생성시키고, 별도 탈황 처리한 액체 연료 또는 탄화수소 원료 가스에, 수증기 생성 수단에서 생성된 수증기를 수증기 혼합 수단에 의해 혼합하여 탄화수소 원료를 함유하여 개질기로 개질하는 원료 가스를 생성시키는 유닛 구성으로 하고 있다.
이에 따라, 개질기로 원료 가스를 개질 처리하기 위한 열이, 개질 처리하기 위해 혼합하는 수증기를 생성시켜 혼합하는 구성에 유효 이용되어, 보다 열 효율이 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
본 발명의 개질 유닛에서는 상기 개질기에서 생성된 상기 개질 가스가 공급되어 상기 개질 가스 중의 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 변성하는 CO 변성 촉매를 충전하는 CO 변성 수단과, 이 CO 변성 수단에서 처리된 상기 개질 가스가 공급되어 상기 개질 가스 중에 잔류하는 CO를 제거하는 CO 제거 수단을 구비한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 CO 변성 촉매를 충전하는 CO 변성 수단에 의해 상술한 본 발명의 개질기에서 생성한 개질 가스 중의 CO를 CO2로 변성하고, 이 CO 변성 수단에서 처리한 개질 가스 중의 잔류하는 CO를, CO 제거 수단에 의해 제거하고 있다.
이에 따라, 개질기로 개질한 개질 가스가 CO 변성 수단 및 CO 제거 수단에서 즉시 처리되고, 예를 들면 연료 전지용 수소 가스로서 공급하는 구성을 용이하게 얻을 수 있고, 유닛화에 의해 가정용 등에도 용이하게 이용할 수 있어, 소형화를 용이하게 도모할 수 있다.
본 발명의 개질 유닛에서는 상기 CO 변성 수단 및 상기 CO 제거 수단은 적어도 어느 한쪽이 대략 환상으로 형성되고, 축 방향이 대략 연직 방향을 따르는 상태로 어느 한쪽의 내주측에 어느 다른 쪽이 배치되고, 상기 개질기는 상기 CO 변성 수단 및 상기 CO 제거 수단에 대하여 연직 방향의 상측에 위치하여 상기 개질 용기의 축 방향이 대략 연직 방향을 따르는 상태로 배치된 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 적어도 어느 한쪽을 대략 환상으로 형성하여 축 방향이 대략 연직 방향을 따르는 상태로 어느 한쪽의 내주측에 어느 다른 쪽을 배치한 CO 변성 수단 및 CO 제거 수단에 대하여 개질기를 연직 방향의 상방에 위치하고 개질 용기의 축 방향이 대략 연직 방향을 따르는 상태로 배치하고 있다.
이에 따라, 직경 방향이나 높이 방향에서 커지는 것을 억제하면서 유닛 구성을 용이하게 얻을 수 있어, 가정용의 소형 구성을 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명의 개질 유닛에서는 상기 수증기 생성 수단은 상기 CO 변성 수단 및 상기 CO 제거 수단 중 적어도 어느 한쪽의 내부에 배관되어 공급되는 물이 유통하는 유수관을 구비한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 공급되는 물로부터 수증기를 생성시키는 수증기 생성 수단으로서, CO 변성 수단 및 CO 제거 수단 중 적어도 어느 한쪽의 내부에 배관되어 공급되는 물이 유통하는 유수관을 설치하고 있다.
이에 따라, 복귀관으로부터 회수된 고온의 개질 가스를 CO 변성 수단 및 CO 제거 수단에서 처리하기 위한 온도로 냉각하는 구성과, 별도로 탈황 처리한 액체 연료 또는 탄화수소 원료 가스에 혼합하여 원료 가스를 제조하기 위한 수증기를 생성하기 위한 구성과의 공유화를 얻을 수 있어, 구성의 추가적인 간략화 및 열 효율의 추가적인 향상을 얻을 수 있다.
본 발명의 개질 유닛에서는 상기 수증기 생성 수단은 상기 개질기의 유통부의 외주측에 위치하여 배관되어 공급되는 물이 유통하는 물 유통관을 구비한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 공급되는 물로부터 수증기를 생성시키는 수증기 생성 수단으로서, 개질기의 유통부의 외주측에 위치하여 배관되어 공급되는 물이 유통하는 물 유통관을 설치하고 있다.
이에 따라, 복귀관으로부터 회수된 고온의 개질 가스를 냉각하는 구성과, 별도로 탈황 처리한 액체 연료 또는 탄화수소 원료 가스에 혼합하여 원료 가스를 제조하기 위한 수증기를 생성하기 위한 구성과의 공유화를 얻을 수 있어, 구성의 추가적인 간략화 및 열 효율의 추가적인 향상을 얻을 수 있다. 나아가, 물 유통관을 단열재로서 기능시키는 것도 가능해져, 유닛 구성의 보다 소형화를 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명에 기재된 연료 전지 시스템은 상술한 본 발명의 개질기, 또는 상술한 본 발명의 개질 유닛과, 산소 함유 기체를 공급하는 산소 함유 기체 공급 수단과, 상기 개질 유닛에서 생성된 상기 개질 가스 및 상기 산소 함유 기체 공급 수단에 의해 공급되는 상기 산소 함유 기체를 이용하여 발전하는 연료 전지를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상술한 본 발명의 개질기, 또는 상술한 본 발명의 개질 유닛에서 생성한 개질 가스와, 산소 함유 기체 공급 수단에서 공급하는 산소 함유 기체에 의해 연료 전지로 발전한다.
이에 따라, 효율적으로 안정적으로 발전할 수 있는 소형의 시스템 구성을 제공할 수 있어, 가정용으로서 이용하는 것을 용이하게 할 수 있어, 이용의 확대를 용이하게 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 상기 연료 전지 시스템에서의 제1 및 제2 실시 형태의 개질 유닛의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
도 3은 상기 제2 실시 형태에서의 개질 유닛의 개질기 근방의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
도 4는 상기 제1 및 제2 실시 형태에서의 개질 유닛의 개질실을 나타내는 평면단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 개질 유닛의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 개질 유닛에서의 개질기 근방의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
부호의 설명
100: 연료 전지 시스템
111: 탄화수소 원료인 액체 연료
130: 탈황기
140: 수증기 혼합 수단으로서의 기화기
150: 개질기
151: 버너
152: 개질 용기
152A: 내측 통형체
152B: 외측 통형체
152C: 개질실
152D: 개질 촉매층
152E: 유입 공간부
152G: 개질 충전재층
153: 유통부
153A: 공급관
153B: 복귀관
153C: 이중관부
153D: 원료 가스 공급부
153E: 개질 가스 유출부
155: CO 변성 수단으로서의 CO 변성기
156: CO 제거 수단으로서의 CO 선택 산화기
160: 수증기 생성 수단으로서의 열 교환 장치
161A: 물 유통관
200: 연료 전지
300: 개질 유닛
326: 복사관으로서의 가열부
327: 정류관으로서의 복사부
327A: 폐색판
327B: 재치부로서의 통형 각부
327C: 난류부
327D: 지지부
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
〔제1 실시 형태〕
이하, 본 발명의 연료 전지 시스템에 따른 일 실시 형태인 제1 실시 형태에 대하여 설명한다.
또한, 본 제1 실시 형태에서는 본 발명의 개질기를 갖는 개질 유닛을 구비한 연료 전지 시스템의 구성을 예시하지만, 연료 전지 시스템에 이용하는 구성으로 한정되지 않고, 예를 들면 수소 가스 제조 장치 등으로서, 개질기 또는 개질 유닛 단독 구성으로 하는 등 할 수도 있다. 또한, 수증기가 혼합되는 원료 가스로서, 액체 연료를 이용하는 구성을 예시하지만, 액체 연료로 한정되지 않고, 예를 들면 액화 석유 가스나 도시 가스 등의 탄화수소 원료 가스를 이용하여 수증기를 혼합하여 원료 가스를 제조하는 구성 등, 각종 탄화수소 원료를 이용하는 구성에도 적용할 수 있다. 또한, 가정용의 시스템 구성을 예시하지만, 예를 들면 집합 주택용이나 각종 점포 등에 이용되는 비교적으로 대형의 시스템 구성에도 적용할 수 있다.
도 1은 본 실시의 일 형태에서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다. 또한, 도 1은 설명의 편의상, 개질 유닛의 구성을 각각 별개의 블럭형으로 나타낸다.
〔연료 전지 시스템의 구성〕
(전체 구성)
도 1에 있어서, 100은 연료 전지 시스템으로, 이 연료 전지 시스템 (100)은, 예를 들면 액체 연료를 원료로 하고 수소를 주성분으로 하는 연료 가스로 개질하여, 연료 전지 (200)에 의해 발전시키는 시스템이다.
이 연료 전지 시스템 (100)은 액체 연료 (111), 예를 들면 등유를 저류하는 액체 연료 저류 탱크 (110)을 구비하고 있다. 여기서, 액체 연료 (111)로서는, 등유에 한정되지 않고, 경유나 나프타 등의 각종 액체 연료를 이용할 수 있다. 액체 연료 저류 탱크 (110)에는 액체 연료 펌프 (121)을 구비하고 액체 연료 (111)을 반송하는 연료 반송 경로 (120)을 거쳐, 탈황기 (130)이 접속되어 있다.
탈황기 (130)은 액체 연료 저류 탱크 (110)으로부터 연료 반송 경로 (120)을 거쳐 예를 들면 약 300[ml/시간]으로 공급되는 액체 연료 (111)을 탈황 처리, 즉 액상 흡착법에 의해 액체 연료 (111) 중에 함유되는 황 화합물을 전기 히터 등으로 가열하면서 흡착 제거한다. 이 탈황기 (130)에는, 수증기 혼합 수단으로서의 기화기 (140)을 거쳐 개질기를 구비한 개질 유닛 (300)이 접속되어 있다.
탈황기 (130)은, 액체 연료 저류 탱크 (110)으로부터 연료 반송 경로 (120)을 거쳐 예를 들면 약 300[ml/시간]으로 공급되는 액체 연료 (111)을 탈황 처리, 즉 액상 흡착법에 의해 액체 연료 (111) 중에 함유되는 황 화합물을 전기히터 등으로 가열하면서 흡착 제거한다. 이 탈황기 (130)에는 개질 유닛 (300)이 접속되어 있다.
개질 유닛 (300)은 상세하게는 후술하지만, 수증기 혼합 수단으로서의 기화기, 수증기 생성 수단으로서의 열 교환 장치, 개질기, CO 변성 수단으로서의 CO 변성기 및 CO 제거 수단으로서의 CO 선택 산화기 등을 구비하고 있다.
기화기는 탈황기 (130)에 접속되고, 탈황 처리된 액체 연료 (111)이 유입된다. 또한, 기화기에는 열 교환 장치가 접속되어 있다. 그리고, 기화기는 열 교환 장치로부터 공급되는 수증기를 탈황기 (130)으로부터 유출되는 액체 연료 (111)과 혼합시켜 기화시켜, 액체 연료 (111)과 수증기와의 혼합 가스인 원료 가스로서의 기화 액체 연료를 생성된다.
열 교환 장치에는 순수 (181)을 저류하는 순수 탱크 (180)이 반송 펌프 (182)를 갖는 급수 경로 (183)을 거쳐 접속되고, 순수 탱크 (180)으로부터 순수 (181)이 공급된다. 그리고, 열 교환 장치는 공급되는 순수 (181)에 의해 개질기로부터 배기되는 배기 가스를 냉각시킴과 동시에 수증기를 생성시키고, 생성된 수증기를 기화기에 공급시킨다. 또한, 순수 탱크 (180)은 증류수 등의 불순물을 포함하지 않는 순수 (181)을 저류하고, 예를 들면 수돗물 등이 정화되어 적절히 급수되는 구성이 설치될 수도 있다.
또한, 기화기 및 열 교환 장치는 상세하게는 후술하지만, 개질기와 일체 구성, 즉 개질 유닛 (300)으로서 일체의 유닛형으로 조립된 구성을 예시하지만, 다른 구성으로 할 수도 있다.
개질기는 탈황되고 수증기가 혼합되어 기화된 기화 액체 연료를 수소 풍부한 연료 가스로 개질한다. 이 개질기는 내부에 도시하지 않은 Ru-Mn계 촉매나 니켈 촉매 등의 개질 촉매 및 가열 수단으로서의 버너 (151)을 구비하고 있다. 또한, 가열 수단으로서는 버너 (151)로 한정되지 않고, 예를 들면 전기 히터 등, 각종 가열 장치를 이용할 수 있다.
버너 (151)은 분지하는 연료 반송 경로 (120)을 거쳐 액체 연료 저류 탱크 (110)으로부터 액체 연료 (111)이 공급됨과 동시에, 후술하는 연료 전지 (200)으로부터 배출되는 연료 가스가 공급된다. 그리고, 버너 (151)은 송기 블로워 (170)으로부터 공급되는 공기에 의해 액체 연료 (111) 및 연료 가스를 연소시키고, 이 연소에 의한 열로 기화 액체 연료를 수소 풍부한 연료 가스에 수증기 개질한다.
이 버너 (151)의 연소에 의한 고온의 배기 가스(가열 가스)는 열 교환 장치 (160)에 공급되고, 물과의 열 교환에 의해 냉각되어 외기 중으로 배기된다.
또한, 개질 유닛 (300)의 개질기에는 CO 변성 수단으로서의 CO 변성기 및 CO 제거 수단으로서의 CO 선택 산화기가 직렬형으로 접속되어 있다.
CO 변성기는 CO 변성 촉매가 충전되고, 개질기로부터 유출되는 수소 풍부한 연료 가스 중에 포함되는 일산화탄소(CO)를 변성한다.
CO 선택 산화기는 CO 선택 산화 촉매가 충전되고, CO 변성기로 CO를 이산화탄소(CO2)로 산화시켜 연료 가스 중의 CO를 제거한다.
또한, CO 변성기 및 CO 선택 산화기는 상세하게는 후술하지만, 개질기와 일체 구성, 즉 개질기와 개질 유닛 (300)으로서 일체의 유닛 구성을 예시하지만, 다른 구성으로 할 수도 있다. 또한, 이들 CO 변성기 및 CO 선택 산화기 외에도, CO를 흡착 제거하는 등의 장치를 설치하는 등도 할 수도 있다.
그리고, CO 선택 산화기에는 연료 전지 (200)이 접속되어 있다.
연료 전지 (200)은 수소와 산소를 반응시켜 직류 전력을 발생시킨다. 이 연료 전지 (200)은, 예를 들면 고체 고분자형 연료 전지로, 정극 (201)과, 부극 (202)와, 정극 (201) 및 부극 (202) 사이에 배치된 도시하지 않은 고분자 전해질막을 구비하고 있다. 그리고, 정극 (201)측에는, 예를 들면 도시하지 않은 가습기 등에 의해 적절히 가습된 공기가 공급되고, 부극 (202)측에는 개질 유닛 (300)에서 생성된 수소 풍부한 연료 가스가 공급된다. 그리고, 연료 가스의 수소와 공기 중 의 산소가 반응하여 물(순수 (181))이 생성됨과 동시에, 정극 (201) 및 부극 (202) 사이에 직류 전력이 발생한다.
또한, 개질 유닛 (300)으로부터 공급되는 연료 가스는 적절히 가습기 등을 통해 가습되어 공급할 수도 있다. 또한, 가습기로서는, 예를 들면 시스템 구성으로서 독립 설치하거나, 연료 전지 (200)에 내장하는 유닛 구성으로 하는 등, 각종 형태로 이용할 수 있다.
그리고, 부극 (202)측은 상술한 바와 같이 개질기의 버너에 접속되고, 남은 수소분을 버너의 연료로서 공급한다. 또한, 정극 (201)측에는 분리기 (185)가 접속되어 있다. 이 분리기 (185)에는 정극 (201)측으로부터 반응에 이용된 공기가 공급되고, 기상분의 공기와 액상분의 물(순수 (181))로 분리한다. 또한, 분리한 공기는 외기에 배기된다. 그리고, 분리기 (185)에는 순수 탱크 (180)이 접속되고, 분리한 물(순수 (181))을 순수 탱크 (180)에 공급한다.
또한, 연료 전지 (200)에는 냉각 장치 (187)이 설치되어 있다. 이 냉각 장치 (187)은 연료 전지 (200)에 부설된 열 회수 장치 (187A)가 설치되어 있다. 이 열 회수 장치 (187A)에는 펌프 (187B) 및 열 교환기 (187C)를 구비한 순환 경로 (187D)를 거쳐 순수 탱크 (180)이 접속되어 있다.
이 순환 경로 (187D)는 펌프 (187B)의 구동에 의해, 열 회수 장치 (187A)와 순수 탱크 (180) 사이에서 순수 (181)을 순환시키고, 발전에 따라 발열하는 연료 전지 (200)을 냉각시킴과 동시에 열을 회수한다.
열 교환기 (187C)는 순환되어 열 회수 장치 (187A)에서 열을 회수한 순수 (181)와, 예를 들면 수돗물 등과 열 교환시킨다. 이 열 교환에 의해 데워진 수돗물은, 예를 들면 욕탕 등의 다른 설비에 직접 공급되어 유효 이용된다. 또한, 수돗물과의 열 교환 외에도, 열 교환에 의해 얻어지는 열로부터 발전시키는 등, 다른 설비 등에 유효 이용할 수도 있다.
또한, 열 교환기 (187C)는 수돗물이 직접 유입되어 열 교환하는 구성뿐만 아니라, 예를 들면 연료 전지 (200)의 정극 (201)로부터 분리기 (185)에 유통하는 공기와 도시하지 않은 열 교환 장치로 열 교환한 수돗물을 순수 (181)과 열 교환시키는 구성으로 하는 등 할 수도 있다.
그리고, 연료 전지 시스템 (100)은 시스템 전체의 동작을 제어하는 도시하지 않은 제어 장치를 구비하고 있다.
이 제어 장치는 액체 연료 (111)의 유량 제어, 탈황기 (130)의 가열 수단의 가열 조건인 전기 히터에 공급하는 전력 제어, 개질기의 버너의 연소 제어, 열 교환 장치 (160)에서 수증기를 생성시키기 위한 순수 (181)의 공급량 제어나 온도 관리, 발전량의 관리 등을 실시한다.
(개질 유닛)
다음으로, 상술한 연료 전지 시스템 (100)에서의 개질 유닛 (300)의 구성을 상세히 설명한다.
도 2는 개질 유닛의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
개질 유닛 (300)은 상술한 바와 같이 기화기, 개질기, CO 변성기, CO 선택 산화기, 및 열 교환 장치를 구비한 일체 구성이다.
이 개질 유닛 (300)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 상면을 개구하는 하부 케이스 (310)과, 이 하부 케이스 (310)의 상면을 덮고 착탈 가능하게 부착되는 상부 케이스 (320)과, 지지대 시트부 (330)을 구비하고 있다. 또한, 하부 케이스 (310) 및 상부 케이스 (320)은 내면측 및 외면측 중 적어도 어느 일측에 단열재가 설치되어 외부와 단열된다.
하부 케이스 (310)은 대략 유저 원통형으로 상면 개구에 외측에 플랜지형으로 일련으로 돌출하는 하부 부착 플랜지 (311)을 갖고 있다. 이 하부 케이스 (310)은 저면에 바닥면 상이나 도시하지 않은 유닛 케이스의 바닥판 상 등에 재치되는 재치 각부 (312)를 갖고 있다. 또한, 하부 케이스 (310)의 하부에는 개질기 (150)의 버너 (151)에 의한 연소 가스가 배기되는 연소 가스 배출부 (313)이 설치되어 있다. 또한, 이 연소 가스 배출부 (313)은, 예를 들면 배기 팬을 구비한 구성이나, 진애 등이 진입하지 않도록 필터를 구비한 구성 등을 적용할 수 있다.
상부 케이스 (320)은 대략 원통형의 대직경부 (321)을 갖고 있다. 이 대직경부 (321)의 축 방향의 일단이 되는 상단에는 내측을 향하여 플랜지형으로 일련으로 돌출하는 단차부 (322)가 설치되어 있다. 또한, 대직경부 (321)의 축 방향의 타단이 되는 하단에는 외측을 향하여 플랜지형으로 일련으로 돌출하는 상부 부착 플랜지 (323)이 설치되어 있다. 또한, 대직경부 (321)의 단차부 (322)의 내주 가장자리에는 대직경부 (321)의 중심축 상에 중심축이 대략 일치하는 대략 원통형의 소직경부 (324)가 일련으로 설치되어 있다. 이 소직경부 (324)의 축 방향의 일단이 되는 상단에는 내측을 향하여 플랜지형으로 일련으로 돌출하는 상부판부 (325) 가 설치되어 있다. 이 상부판부 (325)에는 대직경부 (321)의 중심축 상에 중심축이 대략 일치하는 대략 원통형의 가열부 (326)이 일련으로 설치되어 있다.
지지대 시트부 (330)은 하부 케이스 (310)의 하부 부착 플랜지 (311)과 상부 케이스 (320)의 상부 부착 플랜지 (323)과의 사이에 협지되고, 하부 부착 플랜지 (311) 및 상부 부착 플랜지 (323)과 함께 도시하지 않은 볼트 및 너트 등의 부착 부재로 일련으로 연결되는 부착판부 (331)을 갖고 있다. 또한, 지지대 시트부 (330)에는 연통 구멍 (332)가 복수 개구 형성되고, 이들 연통 구멍 (332)를 거쳐, 서로 부착된 상부 케이스 (320)과 하부 케이스 (310)과의 각 내부가 연통한다.
상부 케이스 (320) 내에는 개질기 (150)과 열 교환 장치 (160)이 배치되어 있다.
개질기 (150)은 버너 (151)와 개질 용기 (152)와 유통부 (153)을 구비하고 있다.
열 교환 장치 (160)은 이중관 구조의 열 교환부 (161)을 구비하고 있다.
또한, 개질기 (150) 및 열 교환 장치 (160)은 일체 구성, 즉 개질 유닛 (300)으로서 일체의 유닛 구성을 예시하지만, 별구성으로 할 수도 있다.
개질기 (150)의 버너 (151)은 대략 원통형의 가열부 (326)에서의 상부 케이스 (320)의 상단으로부터 돌출하는 일단인 상단부에 부착되는 도시하지 않은 버너 부착대에 부착되고, 가열부 (326)의 중심축 상에 대략 위치하는 상태로 배치되어 있다. 그리고, 버너 (151)은, 상술한 바와 같이 송기 블로워 (170)으로부터 공급되는 공기에 의해 액체 연료 (111) 및 연료 가스를 연소시켜 개질기 (150)을 가열 한다.
가열부 (326)의 내주측에는 복사부 (327)이 배치되어 있다. 이 복사부 (327)은 대략 유저 원통형으로 형성되고, 가열부 (326)에 대하여 대략 동축 상에 배치, 예를 들면 개질 용기 (152)의 저면이 되는 유입 공간부 (152E)의 단면 상에 재치되는 상태로 부착 고정된다. 또한, 복사부 (327)의 바닥 부분은 버너 (151)의 연소 가스의 일부가 유통 가능하게 구멍을 설치하거나, 메쉬 형상으로 형성할 수 있다.
개질기 (150)의 개질 용기 (152)는 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 내측 통형체 (152A) 및 외측 통형체 (152B)를 갖고, 이들 내측 통형체 (152A) 및 외측 통형체 (152B) 사이에 대략 환상 공간의 개질실 (152C)를 구획 형성하는 대략 환상 통형상으로 형성되고, 상부 케이스 (320)의 소직경부 (324) 내에 위치하는 상태로 배치되어 있다. 또한, 개질 용기 (152)는 단순한 원통형의 내측 통형체 (152A) 및 외측 통형체 (152B)에서 형성되는 구성으로 한정되지 않고, 예를 들면 사각통형이나 둘레 방향에서 물결 형상이 되는 내측 통형체 (152A) 및 외측 통형체 (152B)를 이용하여 형성하는 등, 대략 환상 통형상의 내부 공간을 형성하는 어느 형상으로든 형성할 수 있다.
그리고, 개질 용기 (152) 내에는 통기성을 갖는 도시하지 않은 개질 칸막이 부재에 의해 개질 촉매가 충전되어 개질 촉매층 (152D)가 형성되어 있다. 또한, 개질 칸막이 부재로서는 메쉬형 부재 등에 한정되지 않고, 예를 들면 알루미나 입자를 충전하는 구성 등, 각종 구성을 적용할 수 있다.
또한, 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단인 하단부에는, 내부에 대략 원주형 공간을 구획 형성하는 대략 원통 형상의 유입 공간부 (152E)가 일체로 설치되어 있다. 이 유입 공간부 (152E)에 의해, 개질 용기 (152)는 유저 원통형의 내측 통형체 (152A)와 유저 원통형의 외측 통형체 (152B)가 바닥부에서 소정의 간극을 개재하여 대향하고 대략 원주형 공간을 구획 형성하는 상태로 대략 동축 상에 위치함으로써 유저 환상 통형상으로 형성된다. 그리고, 유저 환상 통형상의 개질 용기 (152)의 내주측에는 가열실 (152F)를 구획 형성한다. 그리고, 개질 용기 (152)의 축 방향의 하단에는 유통부 (153)이 일체적으로 설치되어 있다.
유통부 (153)은 개질 용기 (152)에 원료 가스를 유입시킴과 동시에, 생성된 개질 가스를 유출, 즉 회수하는 것이다. 이 유통부 (153)은, 도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 공급관 (153A)와, 이 공급관 (153A) 내에 대략 동축 상에 끼움 삽입된 복귀관 (153B)를 갖고, 개질 용기 (152)의 축 방향의 단부인 하단에 접속되어 상부 케이스의 대직경부 (321) 내에 위치하는 이중관 구조의 복수의 이중관부 (153C)를 구비하고 있다.
공급관 (153A)의 축 방향의 일단이 개질 용기 (152)의 유입 공간부 (152E)의 외주원 근방, 즉 개질 촉매층 (152D)에 대응하는 위치에 둘레 방향에서 대략 등간격으로 복수 접속되어 있다. 복귀관 (153B)는 축 방향의 일단이 개질 촉매층 (152D)를 관통하여 개질실 (152C) 내의 축 방향의 일단측인 상단측 내에서 개질 가스가 유입 가능하게 개구하고, 축 방향의 타단이 공급관 (153A)로부터 소정량으로 돌출하는 상태로 배치되어 있다.
이와 같이, 이중관부 (153C)는 축 방향의 일단이 개질 용기 (152)의 유입 공간부 (152E)의 외주원 근방, 즉 개질 촉매층 (152D)에 대응하는 위치에 둘레 방향에서 대략 등간격으로 복수 접속되어 있다. 또한, 도 4는 설명의 편의상 이중관부 (153C)를 16개 접속한 구성을 나타내지만, 본 발명은 16개로 한정되는 것은 아니다. 또한, 이중관부 (153C)로서는 3개 이상 32개 이하로 설치하는 것이 바람직하다.
이중관부 (153C)가 2개 이하이면 열 교환율이 대폭 저하됨과 동시에, 유입되는 원료 가스가 편류하여 개질 촉매와의 양호한 접촉 효율을 얻을 수 없게 되어, 효율적으로 양호하게 개질 가스를 생성할 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 이중관부 (153C)가 33개 이상이면 특히 가정용으로 이용하는 소형의 개질 유닛 (300)으로서 구조가 복잡해져, 제조성이 저하될 우려가 있다. 이에 따라, 이중관부 (153C)는 3개 이상 32개 이하가 바람직하다.
또한, 이중관부 (153C)에는 공급관 (153A)에 접속하는 원료 가스 공급부 (153D)와, 복귀관 (153B)에 접속하는 개질 가스 유출부 (153E)가 접속되어 있다.
원료 가스 공급부 (153D)는 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고, 예를 들면 외경 치수가 개질기 (150)의 대략 외경인 외측 통형체 (152B)와 대략 동일 치수의 대략 원통 형상으로 형성되어 있다. 또한, 원료 가스 공급부 (153D)의 축 방향의 단부인 하단부면의 대략 중앙에는 원료 가스가 유입되는 원료 유입부 (153D1)이 설치되어 있다.
개질 가스 유출부 (153E)는 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고, 예를 들면 외 형 치수가 개질 용기 (152)의 외경인 외측 통형체 (152B)와 대략 동일 치수의 대략 원통 형상으로 형성되고, 원료 가스 공급부 (153D)에서의 이중관부 (153C)에 대하여 반대측의 축 방향의 단부에 일련으로 일체 형성되어 있다. 또한, 원료 가스 공급부 (153D)의 원료 유입부 (153D1)은 개질 가스 유출부 (153E)를 관통하여 개질 가스 유출부 (153E)의 하단으로부터 돌출하는 상태로 설치되어 있다.
그리고, 이중관부 (153C)의 공급관 (153A)는 원료 가스 공급부 (153D)의 축 방향의 일단에, 유입 공간부 (152E)를 거쳐 개질실 (152C)와 원료 가스 공급부 (153D) 내를 연통하는 상태로 접속되어 있다.
또한, 이중관부 (153C)의 복귀관 (153B)는 원료 가스 공급부 (153D)를 관통하여 개질 가스 유출부 (153E)의 원료 가스 공급부 (153D)에 인접하는 측의 일단에, 개질 촉매층 (152D)의 축 방향에서의 상단측의 공동 부분이 되는 개질실 (152C)와 개질 가스 유출부 (153E) 내를 연통하는 상태로 접속되어 있다.
또한, 가열부 (326)은 상술한 바와 같이 개질 용기 (152)의 가열실 (152F) 내에 위치하여 개질 용기 (152)에 대하여 대략 동축 상에 상부 케이스 (320)에 설치되어 있다.
그리고, 가열부 (326)의 내주측에는 복사부 (327)이 배치되어 있다. 이 복사부 (327)은 대략 유저 원통형으로 형성되고, 가열부 (326)에 대하여 대략 동축 상에 배치, 예를 들면 개질 용기 (152)의 저면이 되는 유입 공간부 (152E)의 단부면 상에 재치되는 상태로 부착 고정된다.
열 교환부 (161)은 물 유통관 (161A)와, 이 물 유통관 (161A)를 대략 동축 상에 끼움 삽입하는 수증기 생성관 (161B)를 갖는 이중관 구조로 구성되어 있다.
물 유통관 (161A)는 일단이 급수 경로 (183)의 급수관 (183A)에 접속되어 순수 (181)이 유입되고, 타단이 수증기 생성관 (161B) 내에서 개방한다. 수증기 생성관 (161B)는 물 유통관 (161A)의 타단이 개방하는 일단이 폐색되고, 타단에는 일단이 기화기 (140)에 접속되는 수증기 공급관 (161C)가 접속되어 있다.
그리고, 열 교환부 (161)은 유통부 (153)의 외주측, 즉 복수의 이중관부 (153C)의 배치 위치의 외주측에 나선형으로 상부 케이스 (320)의 대직경부 (321)에 위치하여 배치되어 있다.
그리고, 유통부 (153)이 접속된 개질기 (150), 및 열 교환 장치 (160)은 지지대 시트부 (330)상에 재치 고정되고, 상부 케이스 (320) 내에 배치되어 있다.
또한, 개질기 (150)의 가열부 (326)에 설치된 버너 (151)의 연소 가스는 복사부 (327)과 가열부 (326)과의 사이를 상단측으로부터 하단측으로 유통하고, 또한 가열부 (326)과 개질 용기 (152)의 내측 통형체 (152A) 사이를 하단측으로부터 상단측으로 유통한다. 또한, 연소 가스는 개질 용기 (152)의 상단부로부터 외주측인 개질 용기 (152)의 외측 통형체 (152B)와 상부 케이스 (320)의 소직경부 (324)의 내주측을 하단측으로 유통하여 대직경부 (321)로 유입되고, 개질기 (150) 및 열 교환 장치 (160)을 가열하면서 지지대 시트부 (330)의 연통 구멍 (332)를 거쳐 하부 케이스 (310) 내에 유입된다. 그리고, 하부 케이스 (310) 내에 유입한 연소 가스는 하단부의 연소 가스 배출부 (313)으로부터 배기된다.
하부 케이스 (310) 내에는 CO 변성기 (155) 및 CO 선택 산화기 (156)이 배치 되어 있다.
CO 변성기 (155)는 대략 환상 통형상으로 형성되고, CO 선택 산화기 (156)은 대략 중공 원주형으로 형성되고, CO 변성기 (155)의 내주측에 위치하여 CO 선택 산화기 (156)이 동축 상에 위치하여 배치되어 있다.
CO 변성기 (155)는 대략 원통형의 외통부 (155A)와, 이 외통부 (155A)보다 소직경의 대략 원통형의 내통부 (155B)를 갖고, 내부에 환상 공간을 구획하는 대략 환상 통형상으로 형성된 CO 변성 용기 (155C)를 갖고 있다. 또한, CO 변성 용기 (155C)는 단순한 원통형의 외통부 (155A) 및 내통부 (155B)로 형성되는 구성으로 한정되지 않고, 예를 들면 사각통형이나 둘레 방향에서 물결 형상이 되는 외통부 (155A) 및 내통부 (155B)를 이용하여 형성하는 등, 대략 환상 통형상의 내부 공간을 형성하는 어느 형상으로든 형성할 수 있다. 이 CO 변성 용기 (155C) 내에는 한 쌍의 통기성을 갖는 도시하지 않은 변성 칸막이 부재 사이에 CO 변성 촉매가 충전되어 CO 변성 촉매층 (155D)가 형성되어 있다. 또한, 변성 칸막이 부재는 개질 칸막이 부재와 마찬가지로, 메쉬형 부재 등으로 한정되지 않고, 예를 들면 알루미나 입자를 충전하는 구성 등, 각종 구성을 적용할 수 있다.
그리고, CO 변성 용기 (155C)의 축 방향의 일단부에는 개질기 (150)에 접속되고 개질기 (150)으로부터 유출되는 개질 가스를 유통하는 개질 가스 유통부 (155E)가 접속되고, 내부에 개질 가스를 유입시키는 도시하지 않은 개질 가스 유입부가 설치되어 있다. 또한, CO 변성 용기 (155C)의 축 방향의 타단부에는 CO 변성 촉매층 (155D)를 유통하여 처리된 개질 가스를 외부로 배출하는 시프트 가스 유통 부 (155F)가 접속되어 있다. 이 시프트 가스 유통부 (155F)에는 일단측이 하부 케이스의 상부로부터 인출되어 송기 블로워 (170)에 의해 공기가 공급되어 CO 변성기 (155)로부터 유출되는 개질 가스에 공기를 공급하여 혼합하는 공기 도입관 (155G)의 타단이 접속되어 있다.
또한, CO 변성기 (155) 내에는 CO 변성 촉매층 (155D)를 유통하여 처리되는 개질 가스와 열 교환하는 물이 유통되는 도시하지 않은 유수관으로서의 CO 변성 유수관이 배치되어 있다. 이 CO 변성 유수관의 일단은 순수 (181)이 유통 가능한 급수 연결관 (155H)가 접속되어 있다. 또한, CO 변성 유수관의 타단에는 기화기 (140)에 접속되는 수증기 공급관 (155I)가 접속되어 있다.
CO 선택 산화기 (156)은 축 방향의 양단부가 폐색판부 (156A)로 폐색된 대략 원통형의 통형부 (156B)를 갖고, 대략 중공 원주형으로 형성되어 있다. 이 통형부 (156B) 내에는 이 통형부 (156B)의 중심축 상에 중심축이 대략 일치하는 상태로 원통형의 칸막이통부 (156C)가 설치되어 있다. 이 칸막이통부 (156C)는 축 방향의 일단측이 되는 상단측이 폐색판부 (156A)의 내주면과 소정의 간극을 개재하여 이격, 즉 칸막이통부 (156C)의 외주측과 내주측이 통기 가능하게 형성되어 있다. 또한, 통형부 (156B) 내에는 이 통형부 (156B)의 중심축 상에 중심축이 대략 일치하는 상태로 유출관부 (156D)가 설치되어 있다. 이 유출관부 (156D)는 축 방향의 일단인 상단이 폐색판부 (156A)를 관통하여 외부로 개구하고, 축 방향의 타단측이 되는 하단측이 폐색판부 (156A)와 소정의 간극을 거쳐 이격, 즉 하단이 통형부 (156B) 내에 개구하고, 통형부 (156B) 내에 유입한 가스를 외부로 유출 가능하게 되어 있다. 이 유출관부 (156D)에는 개질 가스 유출관 (156E)가 접속되어 있다. 이 개질 가스 유출관 (156E)는 하부 케이스 (310)의 상부로부터 인출되어 개질 유닛 (300) 밖으로 개질 가스를 유출, 즉 연료 전지 (200)으로 개질 가스를 공급하여 가습시킨다.
그리고, CO 선택 산화기 (156) 내에는 칸막이통부 (156C)의 외주측의 환상 공간에, 축 방향의 타단측이 되는 하단측에 충전재가 충전된 충전재층 (156F)와, 축 방향의 일단측이 되는 상단측에 CO 선택 산화 촉매가 충전되어 CO 선택 산화 촉매층 (156G)가, 도시하지 않은 제거 칸막이판에 의해 구획 형성되어 있다. 또한, CO 선택 산화기 (156) 내에는 칸막이통부 (156C)의 내주측의 환상 공간에, CO 선택 산화 촉매가 충전되어 CO 선택 산화 촉매층 (156G)가, 도시하지 않은 제거 칸막이판에 의해 구획 형성되어 있다. 또한, 제거 칸막이판은 개질 칸막이 부재나 변성 칸막이 부재와 마찬가지로, 메쉬형 부재 등으로 한정되지 않고, 예를 들면 알루미나 입자를 충전하는 구성 등, 각종 구성을 적용할 수 있다. 또한, 충전재로서는, 예를 들면 울상(wool)의 스테인리스 등의 금속이나 알루미나 입자 등의 무기 재료 등, 내식성이나 내열성을 갖는 각종 부재를 적용할 수 있다.
또한, CO 선택 산화기 (156) 내에는 충전재층 (156F) 및 CO 선택 산화 촉매층 (156G)를 유통하여 처리되는 개질 가스와 열 교환하는 물이 유통되는 도시하지 않은 유수관으로서의 CO 선택 산화 유수관이 배치되어 있다. 이 CO 선택 산화 유수관의 일단은 일단측이 급수 경로 (183)의 급수관 (183A)의 타단이 접속되어 있다. 또한, CO 선택 산화 유수관의 타단에는 CO 변성 유수관에 접속되는 급수 연결 관 (155H)가 접속되어 있다. 그리고, 급수관 (183A)로부터 급수된 물은 CO 선택 산화 유수관에 유입되어 개질 가스와 열 교환에 의해 가열되고, 급수 연결관 (155H)를 거쳐 CO 변성 유수관에 유입되고, 추가로 가열되어 수증기가 되어 기화기 (140)으로 공급된다.
〔연료 전지 시스템의 동작〕
다음으로, 상술한 연료 전지 시스템 (100)에서의 발전 동작에 대하여 설명한다.
우선, 제어 장치가 발전 요구에 관한 신호를 취득하면, 버너 (151)에 액체 연료 (111) 및 공기를 공급하여 개질기 (150)을, 예를 들면 700℃ 정도까지 가열시킨다. 또한, 제어 장치는 반송 펌프 (182)를 구동시켜 순수 탱크 (180)에 저류하는 순수 (181)을 급수 경로 (183)을 거쳐 열 교환 장치 (160)에 공급하여 수증기를 생성하고, 기화기 (140)으로 수증기를 공급시킨다. 그 후, 제어 장치는 탈황기 (130)의 전기 히터를 가열시킴과 동시에, 액체 연료 펌프 (121)을 구동시켜 액체 연료 저류 탱크 (110)으로부터 액체 연료 (111)을 탈황기 (130)에, 예를 들면 약 300[ml/시간]으로 공급한다.
이 탈황기 (130)으로 공급된 액체 연료 (111)은 탈황제 용기 내에 유입되고, 탈황제 용기에 탈황 촉매가 충전되어 형성된 도시하지 않은 탈황 촉매층의 단면에서의 유속 분포가 대략 균일한 상태에서 가열되면서 탈황 처리된다. 그리고, 탈황 처리된 액체 연료 (111)은 기화기 (140)에서 열 교환 장치 (160)으로부터 공급되는 수증기와 혼합되어 기화되고, 개질기 (150)으로 기화 액체 연료로서 공급된다. 그 리고, 기화 액체 연료는 개질기 (150)에서 수소 풍부한 연료 가스로 개질되고, 추가로 CO 변성기 (155) 및 CO 선택 산화기 (156)에 의해 연료 가스 중의 CO를 변성·제거하고, 예를 들면 가습기 등으로 적절히 가습된 후, 연료 전지 (200)의 부극 (202)측에 공급된다.
그리고, 부극 (202)측에 공급된 연료 가스의 수소는, 예를 들면 가습기 등으로 적절히 가습되어 연료 전지 (200)의 정극 (201)측에 공급된 공기 중의 산소와 반응하여 물을 생성함과 동시에, 정극 (201) 및 부극 (202) 사이에 직류 전력을 발생시킨다.
또한, 부극 (202)측의 남은 수소분을 포함하는 연료 가스는 개질기 (150)의 버너 (151)에 공급되어 연소된다.
〔연료 전지 시스템의 작용 효과〕
(1) 상술한 바와 같이, 상기 제1 실시 형태의 개질기 (150)에서는 대략 중심축 상에 위치하여 버너 (151)이 배치되는 내측 통형체 (152A)와, 이 내측 통형체 (152A)와 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 외측 통형체 (152B)와의 사이에 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실 (152C)를 구획 형성하는 개질 용기 (152)를 구비하고 있다.
그리고, 기화기 (140)에서 수증기가 혼합되어 기화된 탄화수소 원료인 액체 연료를 함유하는 원료 가스를 개질 용기 (152)의 개질실 (152C)의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관 (153A)를 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단에 접속함과 동시에, 공급관 (153A) 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입하고 일단부가 개질실 (152C)를 관통하여 개질실 (152C) 내의 축 방향에서의 타단측에 생성된 개질 가스가 유입 가능하게 복귀관 (153B)를 개구하는 상태로 배치하여 이중관 구조의 이중관부 (153C)를 복수 구비한 유통부 (153)을 구성하고 있다.
이 때문에, 예를 들면 연료 전지 (200)에서 이용하는 수소 가스로서 개질 가스를 공급하는 경우 등, 필요한 공급량에 맞는 개질 촉매를 충전하는 용량을 비교적으로 용이하게 확보할 수 있음과 동시에, 대략 환상 공간에 개질 촉매를 충전하면 되어 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 원료 가스를 개질실 (152C)에 공급하는 공급관 (153A)와, 개질실 (152C)의 개질 촉매로 생성한 개질 가스를 유통시켜 회수하는 복귀관 (153B)를, 대략 동축상으로 한 이중관 구조의 이중관부 (153C)를 복수 구비한 유통부로서 구성하고 있기 때문에, 원료 가스를 공급하는 구성 및 생성된 개질 가스를 회수하는 구성이 개질 용기 (152)의 일측에 통합되는 구성이 되고, 예를 들면 개질 용기 (152)의 단열이나 다른 구성과의 간섭 등이 잘 생기지 않고, 개질 유닛 (300)으로서의 구성의 소형화를 용이하게 도모할 수 있다. 또한, 공급관 (153A)로부터 공급되는 원료 가스는 소정의 온도로 가열되어 생성된 개질 가스가 공급관 (153A)의 내주측에 끼움 삽입하는 복귀관 (153B)를 유통할 때에 가열되어, 양호한 열 효율을 얻을 수 있다.
(2) 그리고, 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단에 접속하는 공급관 (153A)의 타단을, 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 원료 가스가 유입되는 원료 가스 공급부 (153D)에 접속시키고 있다. 또한, 개질실 (152C)의 타단측에 일단이 개구하는 복귀관 (153B)의 타단을, 원료 가스 공급부 (153D)에 인접하여 설치되고 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부 (153E)에 원료 가스 공급부 (153D)를 관통하여 접속시키고 있다.
이 때문에, 공급하는 원료 가스의 개질실 (152C)로의 유입, 및 개질실 (152C)에서 개질되어 생성된 개질 가스의 회수가, 편류없이 대략 균일한 원료 가스 및 개질 가스의 유통을 얻을 수 있고, 충전된 개질 촉매가 치우침없이 개질 처리에 이용되고, 나아가 원료 가스와 개질 가스와의 열 교환 효율이 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
(3) 또한, 공급관 (153A)가 접속되어 원료 가스가 공급되는 원료 가스 공급부 (153D)와, 복귀관 (153B)가 접속되어 개질실 (152C)에서 생성된 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부 (153E)를, 각각 대략 동일 직경의 대략 통형으로 서로 일련으로 일체 형성하고 있다.
이 때문에, 대략 기둥형 공간을 갖는 원료 가스 공급부 (153D) 및 개질 가스 유출부 (153E)가 대략 동일 직경으로 일련으로 일체 형성됨으로써, 예를 들면 통형 부재를 축 방향에서 구획하는 등에 의해 일련으로 형성할 수 있어, 구조의 간략화 및 제조성의 향상을 용이하게 도모할 수 있다. 나아가, 예를 들면 개질 용기 (152)의 외측 통형체 (152B)와 대략 동일 직경으로 일련으로 형성함으로써, 보다 구성의 간략화나 제조성의 향상을 도모할 수 있고, 다른 부재와의 시스템 구성의 구축이 용이해져, 시스템 구성의 소형화 등도 용이하게 도모할 수 있다. 또한, 일련으로 형성함으로써, 이들 원료 가스 공급부 (153D) 및 개질 가스 유출부 (153E)를 다이 시트로 하고 유통부 (153)를 지지 다리로 하여 개질 용기 (152)를 지지하 는 일체 구성으로 하는 것도 용이하게 할 수 있어, 시스템 구성의 구축을 보다 용이하게 할 수 있다.
또한, 원료 가스가 공급되는 원료 가스 공급부 (153D)의 대략 중앙에 설치한 원료 유입부 (153D1)을, 개질 가스 유출부 (153E)를 관통하여 개질 가스 유출부 (153E)의 하단으로부터 돌출하는 상태로 설치하고 있다.
이 때문에, 공급된 원료 가스는 원료 가스 공급부 (153D) 내에 유입되고 둘레 방향으로 유통하여 공급관 (153A)에 유입되는 상태가 되어, 보다 편류없이 원료 가스의 양호한 유통 상태를 얻을 수 있다.
(4) 그리고, 유통부 (153)의 공급관 (153A)가 접속되는 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단측 내부에, 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 기둥형 공간의 유입 공간부 (152E)를 구획 형성하고 있다.
이 때문에, 공급관 (153A)로부터 개질실 (152C) 내에 유입되는 원료 가스가, 대략 기둥형 공간의 유입 공간부 (152E)에 일단 흘러들어오기 때문에, 충전된 개질 촉매의 층을 대략 균일하게 유과하게 되어, 보다 편류없이 개질 촉매와의 보다 대략 균일한 접촉을 얻을 수 있어, 보다 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
(5) 또한, 상기 개질기 (150)과 함께, 이 개질기 (150)의 버너 (151)의 가열에 의해, 급수관 (183A)로부터 공급되는 물로부터 수증기를 생성시키는 열 교환부 (161)이나 CO 변성 유수관, CO 선택 산화 유수관과, 별도로 탈황 처리한 액체 연료에 생성된 수증기를 혼합하여 기화시키고 개질기로 개질하는 원료 가스를 생성시키는 기화기 (140)과 함께, 개질 유닛 (300)으로서 유닛 구성에 구축하고 있다.
이 때문에, 개질기 (150)에서 원료 가스를 개질 처리하기 위한 열이, 개질 처리하기 위해 혼합하는 수증기를 생성시켜 혼합하는 구성에 유효 이용할 수 있어, 보다 열 효율이 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
(6) 나아가, 유닛 구성으로서, 상기 개질기 (150)과 함께, CO 변성기 (155) 및 CO 선택 산화기 (156)도 아울러 조립하고 있다.
이 때문에, 개질기 (150)에서 개질한 개질 가스가 CO 변성기 (155) 및 CO 선택 산화기 (156)에서 즉시 처리되어, 예를 들면 연료 전지 (200)용의 수소 가스로서 공급하는 구성을 용이하게 얻을 수 있고, 유닛화에 의해 가정용 등에도 용이하게 이용할 수 있어, 소형화를 용이하게 도모할 수 있다. 또한, 개질 유닛 (300)은 열 교환부 (161)이나 CO 변성 유수관, CO 선택 산화 유수관과 기화기 (140) 모두 합한 유닛 구성으로 하고 있다. 이 때문에, 보다 양호한 열 효율을 용이하게 얻을 수 있음과 동시에, 소형화를 용이하게 도모할 수 있다.
(7) 그리고, CO 변성기 (155)를 대략 환상 통형상으로 형성하여 축 방향이 대략 연직 방향을 따르는 상태로 CO 변성기 (155)의 내주측에 CO 선택 산화기 (156)을 배치하고 있다. 또한, 개질기 (150)을 연직 방향의 상측에 위치시켜 개질 용기 (152)의 축 방향이 대략 연직 방향을 따르는 상태로 배치하고 있다.
이 때문에, 직경 방향이나 높이 방향에서 커지는 것을 억제하면서 유닛 구성을 용이하게 얻을 수 있어, 가정용의 소형 구성을 용이하게 얻을 수 있다. 나아가, 개질기 (150)의 축 방향의 일단측이 되는 하단측에, 원료 가스를 공급하는 측과 생성된 개질 가스를 회수하는 측을 설치하는, 즉 유통부 (153)을 설치하고 있기 때문에, 개질 가스를 CO 변성기 (155) 및 CO 선택 산화기 (156)으로 공급하는 경로인 개질 가스 유통부 (155E)의 구축을 용이하게 단축화할 수 있고, 나아가 개질 가스 유통부 (155E)의 단축화에 의해 열 손실도 감소시킬 수 있어, 열 효율의 추가적인 향상을 용이하게 도모할 수 있다.
(8) 또한, 수증기를 생성시키는 구성으로서, 열 교환부 (161)뿐만 아니라, CO 변성기 (155)에서 열 교환시키는 CO 변성 유수관이나, CO 선택 산화기 (156)에서 열 교환시키는 CO 선택 산화 유수관을 설치하고 있다.
이 때문에, 복귀관 (153B)로부터 회수된 고온의 개질 가스를 CO 변성이나 CO 제거를 위해 냉각하는 구성과, 별도로 탈황 처리한 액체 연료에 혼합하여 원료 가스를 제조하기 위한 수증기를 생성하는 구성을 공유화할 수 있어, 구성의 추가적인 간략화 및 열 효율의 추가적인 향상을 얻을 수 있다. 또한, CO 변성 유수관이나 CO 선택 산화 유수관을, 예를 들면 CO 변성기 (155) 및 CO 선택 산화기 (156)의 외부에 배치함으로써, 단열재로서 기능시키는 것도 가능해져, 유닛 구성의 보다 소형화를 용이하게 얻을 수 있다.
(9) 그리고, 상술한 개질기 (150)을 구비한 개질 유닛 (300)을 연료 전지 시스템 (100)으로서 이용하고 있다.
이 때문에, 효율적으로 안정적으로 발전할 수 있는 소형의 시스템 구성을 제공할 수 있고, 가정용으로서 이용하는 것을 용이하게 할 수 있어, 이용의 확대를 용이하게 얻을 수 있다.
〔제2 실시 형태〕
이하, 본 발명의 연료 전지 시스템에 따른 일 실시 형태인 제2 실시 형태에 대하여 설명한다.
또한, 본 제2 실시 형태에서는 상기 제1 실시 형태와 중복되는 설명은 간략화 및 생략한다.
〔연료 전지 시스템의 구성〕
(전체 구성)
본 제2 실시 형태에서의 연료 전지 시스템의 전체 구성은 상기 제1 실시 형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
(개질 유닛)
다음으로, 본 제2 실시 형태에서의 연료 전지 시스템 (100)에서의 개질 유닛 (300)의 구성을 설명한다.
도 2는 개질 유닛의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
본 제2 실시 형태의 개질 유닛 (300)은, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로 기화기 (140), 개질기 (150), CO 변성기 (155), CO 선택 산화기 (156), 및 열 교환 장치 (160)을 구비한 일체 구성이다.
본 제2 실시 형태의 개질 유닛에 있어서는, 상부 케이스 (320)의 상부판부 (325)에는 대직경부 (321)의 중심축 상에 중심축이 대략 일치하는 대략 원통형의 복사관으로서의 가열부 (326)이, 축 방향의 일단부인 상단이 상측을 향하여 돌출되는 상태로 일련으로 설치되어 있다.
본 제2 실시 형태에서는 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 개질기 (150)의 버너 (151)은 대략 원통형의 가열부 (326)에서의 상부 케이스 (320)의 상단으로부터 돌출하는 상단부에 부착되는 도시하지 않은 버너 부착대에 부착되고, 가열부 (326)의 중심축 상에 대략 위치하는 상태로 배치되어 있다. 그리고, 버너 (151)은 상술한 바와 같이, 송기 블로워 (170)로부터 공급되는 공기에 의해 액체 연료 (111) 및 연료 가스를 연소시켜 개질기 (150)을 가열한다.
본 제2 실시 형태에서는 가열부 (326)은 소직경부 (324) 내에 위치하는 타단측인 하단측이, 개질 용기 (152)에 대략 대응하는 길이 치수로 형성되어 있다.
가열부 (326)의 내주측에는 정류관으로서의 복사부 (327)이 배치되어 있다. 이 복사부 (327)은 축 방향의 일단부가 폐색판 (327A)로 폐색된 대략 유저 원통형으로, 개질 용기 (152)에서의 후술하는 개질 촉매층 (152D)에 대략 대응하는 길이 치수로 형성되어 있다. 이 복사부 (327)의 축 방향의 타단이 되는 상단부는 도 3에 나타낸 바와 같이, 상측을 향하여 점차로 넓혀지면서 개방된 상태로 형성되어 있다.
또한, 폐색판 (327A)는 버너 (151)의 연소 가스가 유통 불가능한 판형을 예시하여 설명하지만, 예를 들면 연소 가스의 일부를 유통 가능한 구멍을 갖는 것, 메쉬 형상의 것 등 각종 형태로 할 수 있다. 즉, 폐색판 (327A)는 정류관으로서의 복사부 (327) 내를 버너 (151)측으로부터 타단측으로 흐르도록 하는 연소 가스에 대하여 유통 저항을 붙여, 버너 (151)로부터의 연소 가스의 적어도 일부가 복사부 (327)의 외주측과, 복사관인 가열부 (326)의 내주측과의 사이를 흐르도록 기능한다. 따라서, 완전히 폐색되어 있는 것이 바람직하지만, 복사부 (327)과 가열부 (326)과의 사이의 유통 저항의 크기나, 복사부 (327)이나 가열부 (326)의 가열 정도 등에 따라, 연소 가스의 일부가 폐색판 (327A)를 통과 가능한 구멍 등을 설치하도록 할 수도 있다.
또한, 복사부 (327)의 축 방향의 일단부에는, 도 3에 나타낸 바와 같이 재치부로서의 대략 원통형의 통형 각부 (327B)가 일련으로 설치되어 있다. 그리고, 복사부 (327)은 가열부 (326)에 대하여 대략 동축 상에 배치, 예를 들면 개질 용기 (152)의 저면이 되는 유입 공간부 (152E)의 단부면 상에 통형 각부 (327B)가 재치되는 상태로 부착 고정된다. 이 복사부 (327)의 배치 상태로서는, 개질 촉매층 (152D)의 축 방향의 하단부에 내주측에는 위치하지 않은 상태이다. 즉, 상세한 사항은 후술하지만, 개질 촉매층 (152D)의 하단으로부터 원료 가스가 유입되고, 축 방향을 따라서 상측으로 유통하면서 개질 처리되는 유통 방향에서의 상류측에는 과열 억제를 위해 복사부 (327)이 위치하지 않도록, 유입 공간부 (152E) 상에 재치, 즉 부착 고정되어 배치되어 있다. 또한, 재치부로서는, 동일 직경의 통형 형상의 통형 각부 (327B)에 한정되지 않고, 예를 들면 복수의 막대 형상이 동축 방향으로 설치된 구성 등, 복사부 (327)을 배치하는 구성으로서는 어느 구성이든 적용할 수 있다.
또한, 복사부 (327)의 외주면에는, 도 3에 나타낸 바와 같이 세장 강재이고 중심축에 대하여 나선형으로 배치된 난류부 (327C)가 일체적으로 설치되어 있다. 이 난류부 (327C)는 가열부 (326)의 내주면에 접촉하지 않고, 또한 복사부 (327)의 외주면과 가열부 (326)의 내주면과의 사이를 유통하는 버너 (151)의 연소 가스가, 중심축에 대하여 나선형으로 유통하는 상태로 형성되어 있다. 또한, 도 3은 설명의 편의상, 1개의 가늘고 긴 강재로 형성한 난류부 (327C)를 나타내지만, 복수개로 형성하거나, 예를 들면 단면이 물결 형상이 되도록 복사부 (327)의 외주면으로부터 돌출, 또는 리브(rib)형으로 팽출하는 상태로 설치하거나, 이들과 가늘고 긴 강재와의 조합 등, 각종 형상으로 형성할 수 있다.
〔연료 전지 시스템의 동작〕
다음으로, 본 제2 실시 형태의 연료 전지 시스템 (100)에서의 발전 동작에 대하여 설명한다.
우선, 제어 장치가 발전 요구에 관한 신호를 취득하면, 버너 (151)에 액체 연료 (111) 및 공기를 공급하여 개질기 (150)을, 예를 들면 700℃ 정도까지 가열시킨다. 이 버너 (151)에 의한 연소 가스는 대향하는 복사부 (327)의 내주측에 유입되어 복사부 (327)을 가열하면서, 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 상단으로부터 복사부 (327)의 외주면과 가열부 (326)의 내주면과의 사이를 하측을 향하여 유과한다. 이 유과시, 난류부 (327C)에 의해 개질기 (150)의 중심축에 대하여 나선형으로 유과한다. 이 유과에 의해, 복사부 (327) 및 가열부 (326)이 가열된다. 또한, 연소 가스는 가열부 (326)의 하단으로부터 가열부 (326)의 외주면과 개질 용기 (152)의 내주면과의 사이를 상측을 향하여 유통하여 가열부 (326) 및 개질 용기 (152)를 가열한다. 그리고, 개질 용기 (152)의 상부로 유과한 연소 가스는 개질 용기 (152)의 외주면측을 하측으로 유과하고, 대직경부 (321) 내에 유입된다.
이와 같이 하여, 개질기 (150)이 가열됨과 동시에, 열 교환 장치 (160)을 가 열한다. 그리고, 제어 장치는 반송 펌프 (182)를 구동시켜 순수 탱크 (180)에 저류하는 순수 (181)을 급수 경로 (183)을 거쳐 열 교환 장치 (160)에 공급하여 수증기를 생성시키고, 기화기 (140)으로 수증기를 공급시킨다. 그 후, 제어 장치는 탈황기 (130)의 전기 히터를 가열시킴과 동시에, 액체 연료 펌프 (121)을 구동시켜 액체 연료 저류 탱크 (110)으로부터 액체 연료 (111)을 탈황기 (130)에, 예를 들면 약 300[ml/시간]으로 공급한다.
이 탈황기 (130)에 공급된 액체 연료 (111)은 탈황제 용기 내에 유입되어, 탈황제 용기에 탈황 촉매가 충전되어 형성된 도시하지 않은 탈황 촉매층의 단면에서의 유속 분포가 대략 균일한 상태로 가열되면서 탈황 처리된다. 그리고, 탈황 처리된 액체 연료 (111)은 기화기 (140)에서 열 교환 장치 (160)으로부터 공급되는 수증기와 혼합되어 기화되고, 개질기 (150)으로 기화 액체 연료로서 공급된다. 그리고, 기화 액체 연료는 개질기 (150)에서 수소 풍부한 연료 가스로 개질된다.
여기서, 개질기 (150)에서의 버너 (151)의 연소 가스의 유통에 있어서, 가열된 복사부 (327)은 복사열에 의해 가열부 (326)을 거쳐 개질 용기 (152)를 예를 들면 700℃ 정도까지 가열시킨다. 또한, 복사부 (327)이 개질 용기 (152)의 개질 촉매층 (152D)의 하단부에 위치하지 않는, 즉 복사부 (327)의 폐색판 (327A)가 개질 용기 (152)의 개질 촉매층 (152D)의 하단부보다 상측에 위치하는 상태로 배치하고 있기 때문에, 복사부 (327)의 복사열에 의한 개질 촉매층 (152D)의 하류측의 가열에 기여하는 비율이 적은 상태가 된다. 이 때문에, 개질 촉매층 (152D)에서의 원료 가스가 유입되는 하단은 상단보다 다소 온도가 낮은 상태가 되어, 과열이 억제 된다. 따라서, 개질 촉매층 (152D)의 하단에 유입한 원료 가스는 개질 촉매층 (152D)에서의 축 방향의 대략 전역에서 개질 처리되어, 효율적으로 안정적으로 처리된다.
그리고, 개질기 (150)에서 개질 처리된 연료 가스는 CO 변성기 (155) 및 CO 선택 산화기 (156)에 의해 연료 가스 중의 CO가 변성·제거되고, 개질 유닛 (300)으로부터 연료 전지 (200)으로 공급된다.
또한, 연료 전지 (200)으로 공급되는 연료 가스는, 예를 들면 가습기 등으로 적절히 가습된 후, 연료 전지 (200)의 부극 (202)측에 공급된다. 이 부극 (202)측에 공급된 연료 가스의 수소는 적절히 가습되어 연료 전지 (200)의 정극 (201)측에 공급된 공기 중의 산소와 반응하여 물을 생성함과 동시에, 정극 (201) 및 부극 (202) 사이에 직류 전력을 발생시킨다.
또한, 부극 (202)측의 남은 수소분을 포함하는 연료 가스는 개질기 (150)의 버너 (151)에 공급되어 연소된다.
〔연료 전지 시스템의 작용 효과〕
본 제2 실시 형태에서는 상기 제1 실시 형태에서의 연료 전지 시스템의 작용 효과 (1) 내지 (3) 및 (5) 내지 (9) 외에, 이하의 작용 효과 (10) 내지 (16)을 발휘한다.
(10) 상술한 바와 같이, 상기 제2 실시 형태의 개질기 (150)에서는 개질 용기 (152)의 내측 통형체 (152A)보다 소직경의 통형의 가열부 (326)을, 내측 통형체 (152A)의 내주측에 중심축이 대략 일치하는 상태로 배치하고, 이 가열부 (326)의 내주측에 개질 용기 (152)의 개질실 (152C)의 축 방향의 일단부에 대략 대응하는 위치에 버너 (151)을 배치한다. 또한, 가열부 (326)보다 소직경이고 버너 (151)에 대향하는 축 방향의 일단부가 폐색판 (327A)로 폐색된 유저 통형의 복사부 (327)을, 가열부 (326)의 내주측에 중심축이 대략 일치하는 상태로, 외주면이 가열부 (326)의 내주면과의 사이에서 버너 (151)의 연소 가스가 유통 가능하게 배치하고 있다.
이에 따라, 버너 (151)의 연소 가스는 복사부 (327)의 내주측에 폐색판 (327A)에 의해 폐색되지 않은 타단측으로부터 유입되고 나서 되짚어 오듯이 타단측으로부터 유출된 후, 복사부 (327)과 가열부 (326)과의 사이를 유통한다.
이 때문에, 복사부 (327)이 가열됨과 동시에 개질 용기 (152)의 내주측에 위치하는 가열부 (326)이 효율적으로 가열됨과 동시에, 복사부 (327)의 열은 가열하는 가열부 (326)을 거쳐 개질 용기 (152)를 가열하게 되어, 개질 용기 (152)의 축 방향에서의 온도의 변동이 잘 생기지 않게 되고, 효율적으로 가열할 수 있어 안정적으로 원료 가스를 개질 처리할 수 있다. 나아가, 버너 (151)을 지지시키는 가열부 (326)을 이용할 수 있고, 통형의 복사부 (327)을 설치하는 간단한 구성으로, 개질 용기 (152)로의 안정된 가열을 제공할 수 있다.
(11) 그리고, 상기 제2 실시 형태에서는 중심축이 연직 방향을 대략 따르는 상태로 설치한 개질 용기 (152)에 대하여 연료 가스를 연직 방향의 대략 하측을 향하여 유출되는 상태로 버너 (151)을 배치함과 동시에, 상측을 향하여 개구하는 상태로 복사부 (327)을 배치, 즉 폐색판 (327A)로 폐색된 일단부가 축 방향에서 하단 측에 위치하는 상태로 배치하고 있다.
이 때문에, 버너 (151)로부터의 액 흘러내림이나, 운전 정지시의 복사부 (327)의 결로 등, 버너 (151)에 액이 흘러내리는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 액 흘러내림에 의한 버너 (151)의 막힘이나 손상 등을 방지할 수 있음과 동시에, 안정된 연소 가스를 발생할 수 있어, 안정된 운전을 용이하게 얻을 수 있다.
(12) 그리고, 상기 제2 실시 형태에서는 개질 용기 (152)의 유통부 (153)의 공급관 (153A)가 접속되는 축 방향의 일단부에, 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 원료 가스가 유입되는 원료 가스 공급부 (153D)를 설치한다. 이 원료 가스 공급부 (153D) 상에, 복사부 (327)을 상측을 향하여 개구하는 상태로 복사부 (327)에 설치한 통형 각부 (327B)에서 재치, 예를 들면 부착 고정하고 있다.
이 때문에, 공급관 (153A)로부터 개질실 (152C) 내에 유입되는 원료 가스가 대략 기둥형 공간의 원료 가스 공급부 (153D)에 일단 흘러들어오기 때문에, 원료 가스가 개질 촉매층 (152D)를 대략 균일하게 유과하게 되어, 보다 편류없이 개질 촉매와의 보다 대략 균일한 접촉을 얻을 수 있어, 보다 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다. 나아가, 이 편류없이 원료 가스를 개질 촉매층 (152D)에 유통시키기 위한 대략 기둥형 공간의 간단한 구성의 원료 가스 공급부 (153D)를, 통형 각부 (327B)를 설치하는 간단한 구성으로 복사부 (327)을 배치시키는 구성에 공용할 수 있어, 구성의 간략화나 제조성의 향상을 용이하게 도모할 수 있다. 특히, 통형 각부 (327B)를 통형 구성으로서 복사부 (327)에 일련으로 설치하고 있다. 이 때문에, 간단한 구성으로 하여 대응할 수 있어, 구성의 보다 간략화나 제조성의 보다 향상을 용이하게 얻을 수 있다.
(13) 또한, 배치되는 복사부 (327)은 유통부 (153)에 의해 개질실 (152C) 내에서 원료 가스가 폭 방향을 대략 따르는 방향에서 유통하는 상태로 원료 가스가 공급되어 개질 가스를 유출하는 구성으로 한 개질 용기로, 개질실 (152C) 내를 원료 가스가 유통하는 상류측에 대응하는 위치가 되는 내측 통형체 (152A)의 하단부에, 복사부 (327)이 대향 위치하지 않는, 즉 원료 가스가 유통하는 상류측에 대응하는 위치가 되는 개질 촉매층 (152D)의 하단부에는 복사부 (327)이 위치하지 않도록 배치하고 있다.
이 때문에, 버너 (151)에 의해 가열된 복사부로부터의 복사열이 원료 가스가 유통하는 상류측에 작용하는 비율이 감소하여, 개질실 (152C)에서의 원료 가스가 유통하는 상류측에서의 과열을 방지할 수 있어, 개질실 (152C)의 개질 촉매층 (152D) 전체로의 대략 균일하고 안정된 개질 처리를 얻을 수 있어, 효율적인 개질 처리를 간단한 구성으로 용이하게 얻을 수 있다.
(14) 또한, 상기 제2 실시 형태에서는 가열부 (326)의 내주면과 복사부 (327)의 외주면과의 사이에 중심축에 대하여 나선형으로 난류부 (327C)를 배치하고 있다.
이 때문에, 가열부 (326)의 내주면과 복사부 (327)의 외주면과의 사이를 유과하는 버너 (151)의 연료 가스가 중심축에 대하여 나선형으로 유통하여, 복사부 (327) 및 가열부 (326)의 가열 효율을 향상시킬 수 있어, 효율적인 개질 처리를 용이하게 얻을 수 있다.
(15) 그리고, 난류부 (327C)로서, 복사부 (327)의 외주면에 가열부 (326)의 내주면을 향하여 돌출하는 나선형으로 설치하고 있다.
이 때문에, 가늘고 긴 막대 형상의 강재를 복사부 (327)의 외주면에 나선형으로 권취 장착하는 등의 간단한 구성으로, 연소 가스의 나선형의 유통을 용이하게 얻을 수 있어, 효율적인 개질 처리를 간단한 구성으로 용이하게 얻을 수 있다.
(16) 또한, 상기 제2 실시 형태에서는 복사부 (327)의 폐색판 (327A)로 폐색되는 축 방향의 일단부와 반대측의 타단부의 주연부를 넓혀지면서 개방된 상태로 형성하고 있다.
이 때문에, 버너 (151)의 연소 가스가 원활하게 복사부 (327)의 내주측에 유입되는 상태를 얻을 수 있어, 복사부 (327)을 효율적으로 가열할 수 있다.
〔제3 실시 형태〕
다음으로, 본 발명의 연료 전지 시스템에 따른 일 실시 형태인 제3 실시 형태에 대하여 설명한다.
또한, 본 제3 실시 형태는 상기 제1 실시 형태에서의 유통부 (153)을 다른 형태로 한 것이다. 그리고, 다른 구성에 대해서는 동일하기 때문에 설명을 간략화 및 생략한다.
도 5는 본 실시 형태에서의 개질 유닛의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
도 5에 있어서, 개질기 (150)의 개질 용기 (152)는 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 내측 통형체 (152A) 및 외측 통형체 (152B)를 갖고, 이들 내측 통형체 (152A) 및 외측 통형체 (152B) 사이에 대략 환상 공간의 개질실 (152C)를 구획 형성하는 대략 환상 통형상으로 형성되어 있다. 또한, 개질 용기 (152)는 제1 실시 형태와 마찬가지로 단순한 원통형의 내측 통형체 (152A) 및 외측 통형체 (152B)로 형성되는 구성으로 한정되지 않고, 예를 들면 사각통형이나 둘레 방향으로 물결 형상이 되는 내측 통형체 (152A) 및 외측 통형체 (152B)를 이용하여 형성하는 등, 대략 환상 통형상의 내부 공간을 형성하는 어느 형상으로든 형성할 수 있다.
그리고, 개질 용기 (152) 내에는 통기성을 갖는 도시하지 않은 개질 칸막이 부재에 의해, 축 방향의 일단측인 상단측에 개질 촉매가 충전되어 개질 촉매층 (152D)가 형성되어 있음과 동시에, 축 방향의 타단측인 하단측에 충전재가 충전되어 개질 충전재층 (152G)가 형성되어 있다. 또한, 개질 칸막이 부재로서는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 메쉬형 부재 등으로 한정되지 않고, 예를 들면 알루미나 입자를 충전하는 구성 등, 각종 구성을 적용할 수 있다. 이 대략 환상 통형상의 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단인 하단에는 유통부 (153)이 일체적으로 설치되어 있다.
이 유통부 (153)은 개질 용기 (152)에 원료 가스를 유입시키는 원료 가스 공급부 (153D)로서도 기능하는 공급관 (153A)와, 이 공급관 (153A) 내에 대략 동축 상에 끼움 삽입된 복수의 복귀관 (153B)를 갖고, 개질 용기 (152)의 축 방향의 단부인 하단에 접속되어 있다.
공급관 (153A)는 제1 실시 형태의 유입 공간부 (152E)와 같이, 내부에 대략 원주형 공간이 되는 공급실을 구획 형성하는 대략 원통 형상으로 형성되고, 개질 용기 (152)를 유저 환상 통형상으로 형성하여 내주측에 가열실 (152F)를 형성한다. 그리고, 이 공급관 (153A)의 축 방향의 일단인 상단의 대략 중앙에는 복사부 (327)이 재치 고정되어 있다. 이 복사부 (327)은 제1 실시 형태에서의 복사부 (327)의 하단에, 동축 상에서 동일 직경의 통형 각부 (327B)를 일체로 갖고, 이 통형 각부 (327B)가 공급관 (153A)의 단부면 상에 재치되는 상태로, 가열부 (326)에 대하여 대략 동축 상에 배치되어 있다. 또한, 공급관 (153A)의 축 방향의 단부인 하단부면의 대략 중앙에는 원료 가스가 유입되는 원료 유입부 (153D1)이 설치되어 있다.
복귀관 (153B)는 제1 실시 형태와 마찬가지로, 축 방향의 일단이 개질 촉매층 (152D)를 관통하여 개질실 (152C) 내의 축 방향의 일단측인 상단측 내에서 개질 가스가 유입 가능하게 개구하고, 축 방향의 타단이 공급관 (153A)를 관통하여 개질 가스 유출부 (153E)에 접속되어 있다. 또한, 이 개질 가스 유출부 (153E)는 제1 실시 형태에서의 원료 가스 공급부 (153D)에 일련으로 일체 형성되는 상태와 마찬가지로, 동일 직경의 공급관 (153A)에 일련으로 일체 형성되어 있다.
〔연료 전지 시스템의 작용 효과〕
(17) 상술한 바와 같이, 상기 제3 실시 형태의 개질기 (150)에서는 대략 중심축 상에 위치하여 버너 (151)이 배치되는 내측 통형체 (152A)와, 이 내측 통형체 (152A)와 직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 외측 통형체 (152B)와의 사이에 개질 촉매가 충전되어 형성된 개질 촉매층 (152D) 및 충전재가 충전되어 형성되는 개질 충전재층 (152G)를 갖는 대략 환상 공간의 개질실 (152C)를 구획 형성하는 개질 용기 (152)를 구비하고 있다. 그리고, 기화기 (140)에서 수증기가 혼합되 어 기화된 탄화수소 원료인 액체 연료를 함유하는 원료 가스를 개질 용기 (152)의 개질실 (152C)의 축 방향에서의 개질 충전재층 (152G) 측이 되는 일단측에 공급하는 공급관 (153A)를 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단에 접속함과 동시에, 공급관 (153A) 내에 끼움 삽입하여 일단부가 개질실 (152C)를 관통하여 개질실 (152C) 내의 축 방향에서의 타단측에 생성된 개질 가스가 유입 가능하게 복귀관 (153B)를 개구하는 상태로 복수 배치하여 유통부 (153)을 구성하고 있다.
이 때문에, 예를 들면 연료 전지 (200)에서 이용하는 수소 가스로서 개질 가스를 공급하는 경우 등, 필요한 공급량에 따른 개질 촉매를 충전하는 용량을 비교적으로 용이하게 확보할 수 있음과 동시에, 대략 환상 공간에 개질 촉매 및 충전재를 충전하면 되어 작업성이 좋다. 또한, 원료 가스를 개질실 (152C)에 공급하는 공급관 (153A)와, 개질실 (152C)의 개질 촉매로 생성된 개질 가스를 유통시켜 회수하는 복귀관 (153B)를, 공급관 (153A)에 복수 끼움 삽입하는 구조의 유통부 (153)로서 구성하고 있기 때문에, 원료 가스를 공급하는 구성 및 생성된 개질 가스를 회수하는 구성이 개질 용기 (152)의 일측에 통합되는 구성이 되어, 예를 들면 개질 용기 (152)의 단열, 다른 구성과의 간섭 등이 잘 생기지 않아, 구성의 소형화를 용이하게 도모할 수 있다. 또한, 개질 용기 (152) 내에 충전재를 충전하는 구성으로, 효율적으로 복귀관 (153B)를 유통하는 개질 가스와의 열 교환 효율을 향상시키는 구성을 대략 환상 공간의 간단한 구성의 개질 용기 (152)로 얻을 수 있어, 간단한 구조로 제조성의 향상을 용이하게 얻을 수 있어 효율적으로 개질 처리할 수 있는 구성을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 공급관 (153A)로부터 공급되는 원료 가 스는 소정의 온도로 가열되어 생성된 개질 가스가 공급관 (153A)의 내주측에 끼움 삽입하는 복귀관 (153B)를 유통할 때에 가열되어, 양호한 열 효율을 얻을 수 있다.
(18) 그리고, 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단에 접속하는 공급관 (153A)를, 내부에 대략 기둥형 공간의 공급실을 구획 형성한 대략 통형으로 형성한다. 개질실 (152C)의 타단측에 일단이 개구하는 복귀관 (153B)의 타단을, 공급관 (153A)에 인접하여 설치되고 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부 (153E)에 공급관 (153A)를 관통하여 접속시키고 있다.
이 때문에, 원료 가스의 공급관 (153A)를 거친 개질실 (152C)로의 유입, 및 개질실 (152C)의 개질 촉매층 (152D)에서 개질되어 생성된 개질 가스의 회수에, 편류없이 대략 균일한 원료 가스 및 개질 가스의 유통을 얻을 수 있고, 충전된 개질 촉매가 치우침없이 개질 처리에 이용되고, 나아가 원료 가스와 개질 가스와의 열 교환 효율이 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
(19) 또한, 개질 용기 (152)의 외측 통형체 (152B)와 대략 동일 직경의 통형으로 외측 통형체 (152B)에 일련으로 일체 형성되는 공급관 (153A)에, 복귀관 (153B)가 공급관 (153A)를 거쳐 접속하는 개질 가스 유출부 (153E)를 공급관 (153A)와 대략 동일 직경의 통형으로 일련으로 일체 형성하고 있다.
이 때문에, 대략 통형의 개질 용기 (152)의 외측 통형체 (152B)와, 대략 기둥형 공간의 통형의 공급관 (153A)와, 복귀관 (153B)가 접속하는 개질 가스 유출부 (153E)가 일련으로 일체 형성되어 있는 점에서, 예를 들면 통형 부재를 축 방향에서 구획하는 등에 의해 일련으로 형성할 수 있어, 구조의 간략화 및 제조성의 향상 을 용이하게 도모할 수 있다. 나아가, 다른 부재와의 시스템 구성의 구축이 용이해져, 시스템 구성의 소형화 등도 용이하게 도모할 수 있다.
(20) 그리고, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 개질 유닛 (300)으로서 유닛 구성으로 하고 있기 때문에, 보다 열 효율이 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템 (100)으로서 이용하고 있기 때문에, 효율적으로 안정적으로 발전할 수 있는 소형의 시스템 구성을 제공할 수 있어, 가정용으로서 이용하는 것을 용이하게 할 수 있어, 이용의 확대를 용이하게 얻을 수 있다.
〔제4 실시 형태〕
다음으로, 본 발명의 연료 전지 시스템에 따른 일 실시 형태인 제4 실시 형태에 대하여 설명한다.
또한, 본 제4 실시 형태에서는 상기 제3 실시 형태와 중복되는 설명은 간략화 및 생략한다.
도 5는 본 제4 실시 형태에서의 개질 유닛의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
본 제4 실시 형태의 유통부 (153)은 개질 용기 (152)에 원료 가스를 유입시키는 원료 가스 공급부 (153D)로서도 기능하는 공급관 (153A)와, 이 공급관 (153A) 내에 대략 동축 상에 끼움 삽입된 복수의 복귀관 (153B)를 갖고, 개질 용기 (152)의 축 방향의 단부인 하단에 접속되어 있다.
공급관 (153A)는 제2 실시 형태의 유입 공간부 (152E)와 같이, 내부에 대략 원주형 공간이 되는 공급실을 구획 형성하는 대략 원통 형상으로 형성되고, 개질 용기 (152)를 유저 환상 통형상으로 형성하여 내주측에 가열실 (152F)를 형성한다. 그리고, 이 공급관 (153A)의 축 방향의 일단인 상단의 대략 중앙에는 제2 실시 형태와 동일한 폐색판 (327A)에서 폐색되고 난류부 (327C)(도시하지 않음)를 갖는 복사부 (327)이 재치 고정되어 있다. 이 복사부 (327)은 제2 실시 형태에서의 복사부 (327)의 하단에, 동축 상에서 동일 직경의 재치부로서의 통형 각부 (327B)를 일체로 갖고, 이 통형 각부 (327B)가 공급관 (153A)의 단부면 상에 재치되는 상태로, 가열부 (326)에 대하여 대략 동축 상에 배치되어 있다. 또한, 공급관 (153A)의 축 방향의 단부인 하단부면의 대략 중앙에는 원료 가스가 유입되는 원료 유입부 (153D1)이 설치되어 있다.
복귀관 (153B)는 제1 실시 형태와 마찬가지로, 축 방향의 일단이 개질 촉매층 (152D)를 관통하여 개질실 (152C) 내의 축 방향의 일단측인 상단측 내에서 개질 가스가 유입 가능하게 개구하고, 축 방향의 타단이 공급관 (153A)를 관통하여 개질 가스 유출부 (153E)에 접속되어 있다. 또한, 이 개질 가스 유출부 (153E)는 제2 실시 형태에서의 원료 가스 공급부 (153D)에 일련으로 일체 형성되는 상태와 마찬가지로 동일 직경의 공급관 (153A)에 일련으로 일체로 형성되어 있다.
〔연료 전지 시스템의 작용 효과〕
본 제4 실시 형태에서는 상기 제3 실시 형태와 동일한 연료 전지 시스템의 작용 효과 (17) 내지 (20)을 발휘한다.
〔제5 실시 형태〕
다음으로, 본 발명의 연료 전지 시스템에 따른 일 실시 형태인 제5 실시 형태에 대하여 설명한다.
또한, 이 제5 실시 형태는 상기 제2 실시 형태에서의 버너 (151)을 연소 가스가 상승류가 되는 상태로 배치한 것이다. 그리고, 다른 구성에 대해서는 동일하기 때문에, 설명을 간략화 및 생략한다.
도 6은 제5 실시 형태에서의 개질 유닛의 개질기 근방의 개략 구성을 나타내는 개념도이다.
도 6에 있어서, 개질기 (150)의 상부 케이스 (320)에서의 소직경부 (324)의 축 방향의 일단이 되는 상단은 상부판부 (325)로 폐색되어 있다. 그리고, 이 소직경부 (324) 내에 배치되는 개질 용기 (152)는 개질 촉매층 (152D)가 개질실 (152C)의 하단부에서 충전되어 있지 않고, 대략 환상 공간의 유입 공간부 (152E)를 형성하는 상태로 구성되어 있다.
또한, 버너 (151)이 부착되는 대략 원통형의 가열부 (326)은 개질 용기 (152)의 내주측의 가열실 (152F)에 위치하여, 중심축이 개질 용기 (152)와 대략 일치하도록 배치되어 있다. 이 가열부 (326)은, 예를 들면 하단부가, 제2 실시 형태에서의 유통부 (153)의 공급관 (153A)가 접속되는 대략 기둥형 공간을 갖는 원료 가스 공급부 (153D) 상에 부착 고정된다. 그리고, 이 가열부 (326) 내에는 개질실 (152C)의 하단부에 대략 대응하는 위치에 버너 (151)이 연소 가스를 대략 상측을 향하여 유출되는 상태로 배치되어 있다.
또한, 가열부 (326)의 내주측에는 복사부 (327)이 배치되어 있다.
이 복사부 (327)은 제2 실시 형태와 마찬가지로, 축 방향의 일단이 폐색판 (327A)로 폐색되고 타단 가장가리가 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 유저 원통형으로 형성되고, 외주면에는 난류부 (327C)가 설치되어 있다.
또한, 복사부 (327)의 축 방향의 일단에는 외측을 향하여 플랜지형으로 돌출하는 지지부 (327D)이, 폐색판 (327A)와 일련으로 돌출 설치되어 있다. 이 지지부 (327D)는 가열부 (326)의 축 방향의 일단인 상단부에 재치되어 복사부 (327)을 가열부 (326)에 늘어뜨려 지지 가능하게 플랜지형으로 형성되어 있다.
그리고, 지지부 (327D)에는 주연부 근방에 둘레 방향에서 복수의 통기 구멍 (327E)가 개구 형성되어 있다. 이들 통기 구멍 (327E)는 가열부 (326)에 복사부 (327)을 늘어뜨려 지지한 상태로, 복사부 (327)의 외주면과 가열부 (326)의 내주면과의 사이를 상측으로 유통하는 버너 (151)의 연소 가스가 유통하여 폐색판 (327A)의 상측으로 유과 가능하게 설치되어 있다.
또한, 지지부 (327D)는 플랜지형으로 한정되지 않고, 예를 들면 피차간에 연소 가스가 유통 가능하게 복수 방사형으로 돌출한 형상 등으로 할 수 있다.
그리고, 개질기 (150)의 가열시, 버너 (151)에 의한 연소 가스는 대향하는 복사부 (327)의 내주측에 유입되어 복사부 (327)을 가열하면서, 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 하단으로부터 복사부 (327)의 외주면과 가열부 (326)의 내주면과의 사이를 상측을 향하여 유과한다. 이 유과시, 난류부 (327C)에 의해 개질기 (150)의 중심축에 대하여 나선형으로 유과한다. 이 유과에 의해, 복사부 (327) 및 가열부 (326)이 가열된다. 또한, 연소 가스는 지지부 (327D)의 통기 구멍 (327E)를 유통 하여 소직경부 (324) 내의 상부에 이르고, 개질 용기 (152)의 외주면측 및 내주면측을 하측으로 유과하여 대직경부 (321) 내에 유입된다.
〔연료 전지 시스템의 작용 효과〕
(21) 상술한 바와 같이, 상기 제5 실시 형태의 개질기 (150)에서는 상기 제2 실시 형태 및 제4 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 작용 효과를 발휘한다.
또한, 제5 실시 형태에서는 중심축이 연직 방향을 대략 따르는 상태로 설치한 개질 용기 (152)에 대하여 연료 가스를 연직 방향의 대략 상측을 향하여 유출되는 상태로 버너 (151)을 배치함과 동시에, 하측을 향하여 개구하는 상태로 복사부 (327)을 배치, 즉 폐색판 (327A)로 폐색된 일단부가 축 방향에서 상단측에 위치하는 상태로 배치하고 있다.
이 때문에, 예를 들면 복사부 (327)의 단부를 가열부 (326)의 단부에 결합시키거나 연결시키는 등에 의해, 복사부 (327)을 가열부 (326)의 단부에 부착함으로써 용이하게 복사부 (327)을 배치할 수 있어, 구성의 간략화나 제조성의 향상 등을 용이하게 얻을 수 있다.
(22) 그리고, 제5 실시 형태에서는 복사부 (327)에서의 폐색판 (327A)로 폐색되는 축 방향의 일단부에 외측을 향하여 돌출 설치한 지지부 (327D)를, 가열부 (326)의 단부에 늘어뜨려 지지시키고 있다.
이 때문에, 외측을 향하여 돌출 설치한 간단한 구조의 지지부 (327D)로, 복사부 (327)을 가열부 (326)에 지지할 수 있어, 구성이 간략화되어 제조성의 향상이 나 소형화 등을 용이하게 얻을 수 있다.
특히, 지지부 (327D)를 플랜지형으로 폐색판 (327A)에 일련으로 설치했기 때문에, 폐색판 (327A)로 폐색하여 복사부 (327)을 형성할 때에, 지지부 (327D)의 치수분으로 복사부 (327)의 직경 치수보다 대직경으로 형성하여 부착하는 것만으로 지지부 (327D)를 형성할 수 있어, 보다 제조성의 향상을 얻을 수 있다. 나아가, 지지력이 향상되어, 안정적으로 복사부 (327)을 늘어뜨려 지지할 수 있다.
(23) 또한, 복사부 (327)의 하단부 가장자리를 제2 실시 형태와 마찬가지로 넓혀지면서 개방된 상태로 형성하고 있다.
이 때문에, 버너 (151)을 연소 가스가 연직 방향의 대략 상측을 향하여 유통하는 상태로 배치한 구성인 점에서, 예를 들면 운전의 정지시의 결로 등이 버너 (151)에 액이 흘러내리는 것을 방지할 수 있고, 버너 (151)의 보호 및 안정한 연소를 주연부를 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 간단한 구성으로 용이하게 얻을 수 있다.
(24) 그리고, 버너 (151)을 부착하는 가열부 (326)을 원료 가스 공급부 (153D) 상에 부착 고정하고 있다.
이 때문에, 가열부 (326)을 배치하는 구성으로서, 편류없이 원료 가스를 개질 촉매층 (152D)에 유통시키기 위한 대략 기둥형 공간의 간단한 구성의 원료 가스 공급부 (153D)를 이용할 수 있어, 보다 구성의 간략화나 제조성의 향상을 용이하게 얻을 수 있다.
〔실시 형태의 변형예〕
또한, 이상에 설명한 양태는 본 발명의 일 양태를 나타낸 것으로서, 본 발명은 상기한 각 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적 및 효과를 달성할 수 있는 범위 내에서의 변형이나 개량이 본 발명의 내용에 포함되는 것은 물론이다. 또한, 본 발명을 실시할 때에 있어서의 구체적인 구조 및 형상 등은 본 발명의 목적 및 효과를 달성할 수 있는 범위 내에서, 다른 구조나 형상 등으로 하더라도 문제는 없다.
즉, 본 발명의 개질기 (150)으로서는, 상술한 바와 같이, 연료 전지 시스템 (100)에 이용하는 형태로 설명했지만, 연료 전지 시스템 (100)에 이용하는 예를 들면 수소 가스 제조 장치 등으로서 적용할 수도 있다.
또한, 유닛 구성으로 하지 않고, 개질기 (150) 단독으로 할 수도 있다. 나아가, 유닛 구성으로서는 상술한 각 실시 형태와 같이, 열 교환 장치 (160), 기화기 (140), CO 변성기 (155), CO 선택 산화기 (156)의 모두를 조립하는 구성으로 한정되지 않고, 적어도 어느 하나와 조합한 구성, 또한 탈황기 (130) 등도 조립하는 구성 등으로 할 수도 있다.
그리고, 개질기 (150)은 하측을 향하여 연소 가스를 분출하는 상태로 버너 (151)을 배치하는 구성이나, 상측을 향하여 연소 가스를 분출하는 상태로 배치하거나, 나아가 대략 수평 방향을 향하여 연소 가스를 분출하는 상태로 배치하기도 하는 등할 수도 있다.
나아가, 버너 (151)은 1개로 한정되지 않고, 복수 설치할 수도 있다.
또한, 개질하기 위한 가열 수단의 구성으로서는, 버너 (151)에 한정되지 않 고, 예를 들면 전기 히터 등 다른 가열 방식을 이용하는 등할 수도 있다.
또한, 제1 및 제2 실시 형태에서의 유통부 (153)의 이중관부 (153C)로서, 공급관 (153A)와 복귀관 (153B)와의 사이에, 예를 들면 충전재를 충전할 수도 있다. 또한, 충전재로서는, 예를 들면 울상의 스테인리스 등의 금속이나 알루미나 입자 등의 무기 재료 등, 내식성이나 내열성을 갖는 각종 부재를 적용할 수 있다.
이러한 충전재를 충전하는 구성에서는 공급관 (153A)를 유통하는 원료 가스와, 복귀관 (153B)를 유통하는 개질 가스와의 열 교환 효율이 향상되어, 보다 양호한 열 효율을 얻을 수 있다.
그리고, 제1 및 제2 실시 형태에서의 유입 공간부 (152E)로서, 대략 원주형 공간을 갖는 대략 원통 형상으로 형성하여 설명했지만, 제5 실시 형태의 유입 공간부 (152E)와 같이, 개질 용기 (152)의 단부에 일련으로 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 환상 통형상으로 형성할 수도 있다.
한편, 제2 및 제4 실시 형태에 있어서, 개질 충전재층 (152G)의 축 방향의 단부에 대략 환상 통형상이나 대략 원통 형상의 유입 공간부 (152E) 등을 설치하여 중공 상태로 할 수도 있다.
또한, 제1 실시 형태 내지 제5 실시 형태에서의 복귀관 (153B)로서, 개질 촉매층 (152D) 내에서 개질 촉매층 (152D)의 둘레 방향에서 나선형으로 할 수도 있다.
이 구성에 따르면, 복귀관 (153B)를 유통하는 개질 가스와 개질 촉매와의 열 교환 효율이 보다 향상되어, 효율적으로 양호한 개질 처리를 얻을 수 있다.
또한, 나선형으로서는, 복귀관 (153B)의 길이 방향이 되는 개질 용기 (152)의 축 방향에서 나선형으로 형성할 수도 있다. 나아가, 개질 촉매층 (152D)의 둘레 방향에서 나선형이고 또한 복귀관 (153B)의 길이 방향에서도 나선형으로 형성할 수도 있다.
또한, 상기 각 실시 형태에 있어서, 개질 용기 (152)로의 원료 가스의 공급 및 개질 용기 (152)로부터의 개질 가스의 유출의 구성으로서, 이중관 구조의 유통부 (153)을 이용하지 않고, 예를 들면 개질 용기 (152)의 축 방향의 일단측으로부터 원료 가스를 공급시키고, 타단측으로부터 개질 가스를 회수하는 등, 모든 구성을 이용할 수 있다.
또한, 복사부 (327)로서, 개구하는 단부 주연부를 넓혀지면서 개방된 상태로 형성했지만, 넓혀지면서 개방된 상태로 형성하지 않을 수도 있다.
또한, 제2, 제4 및 제5 실시 형태에 있어서, 난류부 (327C)를 설치하지 않을 수도 있다. 또한, 난류부 (327C)를 복사부 (327)의 외주면에 설치했지만, 예를 들면 가열부 (326)의 내주면에 설치하거나, 복사부 (327)의 외주면과 가열부 (326)의 내주면과의 사이에 배치하기도 하는 등할 수도 있다. 또한, 제2 실시 형태의 도 3 및 제5 실시 형태의 도 6에서는 난류부 (327C)가 가열부 (326)의 내주면에 접촉하지 않는 구성을 예시했지만, 접촉하는 상태로 할 수도 있다.
그리고, 제5 실시 형태에서의 복사부 (327)의 지지부 (327D)로서, 가열부 (326)의 단부에 늘어뜨려 지지시키는 구성을 예시했지만, 복사부 (327)을 배치하는 구성으로서는 그러하지 아니하다.
예를 들면 제5 실시 형태에 있어서, 복사부 (327)의 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 하단 주연부를 가열부 (326)의 내주면에 접속시킨다. 또한, 이 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 주연부에 둘레 방향을 따라서 통기 구멍 (327E)를 설치하여 통기 가능하게 한다. 그리고, 이 주연 부분을 지지부로서 기능시킬 수 있다.
마찬가지로, 제2 실시 형태에 있어서, 통형 각부 (327B)를 재치부로서 기능시켰지만, 마찬가지로, 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 상단 주연부를 가열부 (326)의 내주면에 접속, 또는 가열부 (326)의 단부에 늘어뜨려 지지 가능하게 형성한다. 또한, 이 넓혀지면서 개방된 상태로 하는 주연부에 둘레 방향을 따라 통기 구멍 (327E)를 설치하여 통기 가능하게 한다. 그리고, 주연 부분을 지지부로서 기능시키고, 통형 각부 (327B)를 설치하지 않을 수도 있다.
기타, 본 발명의 실시에서의 구체적인 구조 및 형상 등은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서 다른 구조 등으로 할 수도 있다.
본 발명은 등유 등의 액체 연료나 액화 석유 가스 등의 탄화수소 원료 가스 등, 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 촉매 중에서 버너에 의한 가열로 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 생성시키는 개질 처리에 이용할 수 있다. 특히, 연료 전지 시스템에서의 개질기에 이용할 수 있다.

Claims (26)

  1. 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 촉매 중에서 가열하여 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 생성시키는 개질기이며,
    직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 내측 통형체 및 외측 통형체를 갖고, 이들 내측 통형체 및 외측 통형체 사이에 상기 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기와,
    이 개질 용기의 상기 내측 통형체의 대략 중심축 상에 위치하여 배치된 가열 수단과,
    상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되고 상기 원료 가스를 상기 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관, 및 이 공급관 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입되고 일단부가 상기 개질실을 관통하여 상기 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 상기 개질 촉매에 의해 상기 원료 가스가 개질되어 생성된 상기 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관을 구비한 복수의 이중관 구조의 유통부
    를 구비한 것을 특징으로 한 개질기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유통부는 상기 공급관 및 상기 복귀관의 사이에 상기 원료 가스가 유통 가능하게 충전재가 충전된 것을 특징으로 한 개질기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공급관은 일단이 상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되고, 타단이 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 상기 원료 가스가 유입되는 원료 가스 공급부에 접속되고,
    상기 복귀관은 타단이 상기 원료 가스 공급부에 인접하여 설치되고 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 상기 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부에 상기 원료 가스 공급부를 관통하여 접속된 것을 특징으로 한 개질기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원료 가스 공급부 및 상기 개질 가스 유출부는 각각 대략 동일 직경의 대략 통형으로 서로 일련으로 일체 형성된 것을 특징으로 한 개질기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질 용기는 상기 유통부의 공급관이 접속되는 축 방향의 일단부에, 상기 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 환상 공간의 유입 공간부를 갖는 것을 특징으로 한 개질기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질 용기는 상기 유통부의 공급관이 접속되는 축 방향의 일단부에, 상기 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 기둥형 공간의 유입 공간부를 갖는 것을 특징 으로 한 개질기.
  7. 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 촉매 중에서 가열하여 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 생성시키는 개질기이며,
    직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 내측 통형체 및 외측 통형체를 갖고, 이들 내측 통형체 및 외측 통형체 사이에 축 방향의 일단측에 충전재가 충전되고 타단측에 상기 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기와,
    이 개질 용기의 상기 내측 통형체의 대략 중심축 상에 위치하여 배치된 가열 수단과,
    상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되고 상기 원료 가스를 상기 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관, 및 이 공급관 내에 끼움 삽입되고 일단부가 상기 개질실을 관통하고 상기 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 상기 개질 촉매에 의해 상기 원료 가스가 개질되어 생성된 상기 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관을 복수 구비한 유통부
    를 구비한 것을 특징으로 한 개질기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공급관은 내부에 대략 기둥형 공간의 공급실을 구획 형성하는 통형으로 형성되고,
    상기 복귀관은 타단이 상기 공급관에 인접하여 설치되고 내부에 대략 기둥형 공간을 갖고 상기 개질 가스가 유입되는 개질 가스 유출부에 상기 공급관을 관통하여 접속된 것을 특징으로 한 개질기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공급관은 상기 개질 용기의 외측 통형체와 대략 동일 직경의 통형으로 상기 외측 통형체에 일련으로 일체 형성되고,
    상기 개질 가스 유출부는 상기 공급관과 대략 동일 직경의 통형으로 상기 공급관에 일련으로 일체 형성된 것을 특징으로 하는 개질기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복귀관은 상기 개질 용기의 개질실 내의 개질 촉매가 충전된 영역에서 나선형으로 배치된 것을 특징으로 한 개질기.
  11. 탄화수소 원료를 함유하는 원료 가스를 개질 촉매 중에서 가열하여 수소 가스를 함유하는 개질 가스를 생성시키는 개질기이며,
    직경 치수가 다르고 중심축이 대략 일치하는 내측 통형체 및 외측 통형체를 갖고, 이들 내측 통형체 및 외측 통형체 사이에 상기 개질 촉매가 충전되는 대략 환상 공간의 개질실을 구획 형성하는 개질 용기와,
    이 개질 용기의 상기 내측 통형체보다 소직경의 통형으로 상기 내측 통형체 의 내주측에 중심축이 대략 일치하는 상태로 배치된 복사관과,
    이 복사관 내에 배치되어 상기 개질실의 축 방향의 일단부에 가열 가스를 공급하는 가열 수단과,
    상기 복사관보다 소직경이고 상기 가열 수단에 대향하는 축 방향의 일단부가 폐색판으로 적어도 일부가 폐색되어 상기 가열 수단의 가열 가스의 적어도 일부의 유통을 저해하는 통형으로, 상기 복사관의 내주측에 중심축이 대략 일치하는 상태로 외주면 및 상기 복사관의 내주면과의 사이에 상기 가열 수단의 가열 가스가 유통 가능하게 배치되고, 상기 가열 수단에 의해 가열되는 정류관
    을 구비한 것을 특징으로 한 개질기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 개질 용기는 중심축이 연직 방향을 대략 따르는 상태로 설치되고,
    상기 가열 수단은 상기 가열 가스를 연직 방향의 대략 하측을 향하여 유출되는 상태로 배치되고,
    상기 정류관은 상측을 향하여 개구하는 상태로 배치된 것을 특징으로 한 개질기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 개질 용기는 중심축이 연직 방향을 대략 따르는 상태로 설치되고,
    상기 가열 수단은 상기 가열 가스를 연직 방향의 대략 상측을 향하여 유출하 는 상태로 배치되고,
    상기 정류관은 하측을 향하여 개구하는 상태로 배치된 것을 특징으로 한 개질기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 정류관은 상기 폐색판으로 폐색되는 축 방향의 일단부에 외측을 향하여 돌출되고 상기 복사관의 단부에 늘어뜨려 지지되는 지지부를 구비한 것을 특징으로 한 개질기.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질 용기는 상기 개질실 내에서 상기 원료 가스를 축 방향을 대략 따르는 방향에서 유통시키는 상태로 상기 원료 가스가 공급되어 상기 개질 가스를 유출하고,
    상기 정류관은 상기 원료 가스가 상기 개질실 내를 유통하는 상류측에 대응하는 상기 개질 용기의 내측 통형체에 대향하지 않는 위치에 배치된 것을 특징으로 한 개질기.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되고 상기 원료 가스를 상기 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관과, 이 공급관 내에 대략 동축 상에 각 각 끼움 삽입되고 일단부가 상기 개질실을 관통하여 상기 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 상기 개질 촉매에 의해 상기 원료 가스가 개질되어 생성된 상기 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관을 구비한 복수의 이중관 구조의 유통부를 구비한 것을 특징으로 한 개질기.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 개질 용기의 축 방향의 일단에 접속되고 상기 원료 가스를 상기 개질실의 축 방향에서의 일단측에 공급하는 공급관과, 이 공급관 내에 대략 동축 상에 각각 끼움 삽입되고 일단부가 상기 개질실을 관통하여 상기 개질실 내의 축 방향에서의 타단측에 상기 개질 촉매에 의해 상기 원료 가스가 개질되어 생성된 상기 개질 가스가 유입 가능하게 개구하는 복귀관을 구비한 복수의 이중관 구조의 유통부를 구비하고,
    상기 개질 용기는 상기 유통부의 공급관이 접속되는 축 방향의 일단부에, 상기 개질 촉매가 충전되지 않는 대략 기둥형 공간의 유입 공간부를 갖고,
    상기 정류관은 상기 유입 공간부 상에 상측을 향하여 개구하는 상태로 재치되는 재치부를 갖는 것을 특징으로 한 개질기.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복사관의 내주면과 상기 정류관의 외주면과의 사이에, 중심축에 대하여 나선형으로 배치된 난류부를 구비한 것을 특징으로 한 개질기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 난류부는 상기 정류관의 외주면에 상기 복사관의 내주면을 향하여 돌출하는 나선형으로 설치된 것을 특징으로 한 개질기.
  20. 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정류관은 상기 폐색판으로 폐색되는 축 방향의 일단부와 반대측의 타단부의 주연부가 넓혀지면서 개방된 상태로 형성된 것을 특징으로 한 개질기.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 개질기와,
    상기 개질기의 가열 수단의 가열에 의해, 공급되는 물로부터 수증기를 생성하는 수증기 생성 수단과,
    탈황 처리된 액체 연료 또는 탄화수소 원료 가스에 수증기를 혼합하여 탄화수소 원료를 함유하는 상기 원료 가스를 생성하는 수증기 혼합 수단
    을 구비한 것을 특징으로 한 개질 유닛.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 개질기에서 생성된 상기 개질 가스가 공급되고 상기 개질 가스 중의 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 변성하는 CO 변성 촉매를 충전하는 CO 변성 수단 과,
    이 CO 변성 수단에서 처리된 상기 개질 가스가 공급되고 상기 개질 가스 중에 잔류하는 CO를 제거하는 CO 제거 수단을 구비한 것을 특징으로 한 개질 유닛.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 CO 변성 수단 및 상기 CO 제거 수단은 적어도 어느 한쪽이 대략 환상으로 형성되고, 축 방향이 대략 연직 방향을 따르는 상태로 어느 한쪽의 내주측에 어느 다른 쪽이 배치되고,
    상기 개질기는 상기 CO 변성 수단 및 상기 CO 제거 수단에 대하여 연직 방향의 상측에 위치하여 상기 개질 용기의 축 방향이 대략 연직 방향을 따르는 상태로 배치된 것을 특징으로 한 개질 유닛.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 수증기 생성 수단은 상기 CO 변성 수단 및 상기 CO 제거 수단 중의 적어도 어느 한쪽의 내부에 배관되어 공급되는 물이 유통하는 유수관을 구비한 것을 특징으로 한 개질 유닛.
  25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수증기 생성 수단은 상기 개질기의 유통부의 외주측에 위치하여 배관되어 공급되는 물이 유통하는 물 유통관을 구비한 것을 특징으로 하는 개질 유닛.
  26. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 개질기, 또는 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 기재된 개질 유닛과,
    산소 함유 기체를 공급하는 산소 함유 기체 공급 수단과,
    상기 개질 유닛에서 생성된 상기 개질 가스 및 상기 산소 함유 기체 공급 수단에 의해 공급되는 상기 산소 함유 기체를 이용하여 발전하는 연료 전지
    를 구비한 것을 특징으로 한 연료 전지 시스템.
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