JP2014005168A - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の水素生成装置では、燃焼排ガス流路は、径が一定の環状流路であるが、燃焼排ガス流路の径が下流に向けて広がる形態（所謂、テーパ状）であるときに、生じる問題について従来検討されていない。
【解決手段】原料を用いた水素含有ガスの生成に関係する反応を実行する反応器２０と、反応器を加熱するための燃焼器５と、燃焼器５で生成した燃焼排ガスが流れるテーパ状の燃焼排ガス流路８と、燃焼排ガス流路８の下流端面に設けられた出口７と、燃焼排ガス流路８に設けられ、燃焼排ガスの流れに衝突する部材２２ａ、２２ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素生成装置およびこれを備えた燃料電池システムに関する。

従来、同一の中心軸を有し、径の異なる複数の筒状部材により構成される環状空間に設けられた改質部、蒸発部等の反応器と、反応器の内側に設けられた環状の燃焼排ガス流路とを供える水素生成装置が提案されている。

国際公開第２００５／０７７８２３号

上記従来の水素生成装置では、燃焼排ガス流路は、径が一定の環状流路であるが、燃焼排ガス流路の径が下流に向けて広がる形態（所謂、テーパ状）であるときに、生じる問題について従来検討されていない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、燃焼排ガス流路がテーパ状であるときに生じる問題を、従来よりも低減し得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の水素生成装置の一態様は、原料を用いた水素含有ガスの生成に関係する反応を実行する反応器と、前記反応器を加熱するための燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼排ガスが流れるテーパ状の燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路の下流端面に設けられた出口と、前記燃焼排ガス流路に設けられ、燃焼排ガスの流れに衝突する部材とを備える。

また、本発明の燃料電池システムの一態様は、上記本発明の一態様の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備えたシステムである。

本発明の一態様によれば、テーパ状の燃焼排ガス流路における偏流が抑制され、燃焼排ガスからの伝熱により従来よりも均一に反応器が加熱される水素生成装置及び燃料電池システムを提供することが出来る。

図１は、第１実施形態の水素生成装置の一例を示す断面図及び上面図である。 図２は、第１実施形態の第１変形例の水素生成装置の断面図と上面図である。 図３は、第３実施形態の水素生成装置の一例を示す断面図と上面図である。 図４は、第４実施形態の水素生成装置の一例を示す断面図と上面図である。 図５は、第５実施形態の水素生成装置の一例を示す断面図と上面図である。 図６は、第５実施形態の第２変形例の水素生成装置の断面図と上面図である。 図７は、第６実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。

本発明者は、燃焼排ガス流路がテーパ状であるときに生じる問題について鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。

上記従来の水素生成装置では、燃焼排ガス流路の出口は、環状の燃焼排ガス流路の周方向において、全周に亘って設けられず、一部にのみ設けられている。ここで、燃焼排ガス流路がテーパ状であるとき、従来の水素生成装置のように燃焼排ガス流路が、径が一定の環状流路である場合に比べ、下流側において周方向の流路長が長くなるため、燃焼排ガスは周方向において偏流し易くなる。燃焼排ガスが偏流すると、周方向に温度むらが生じ、反応器の温度が不均一になるという課題が生じる。

ここで、本発明者は、燃焼排ガス流路上に燃焼排ガスの流れと衝突する部材を設けることで、偏流を抑制することを想到した。
（第１実施形態）
第１実施形態の水素生成装置は、原料を用いた水素含有ガスの生成に関係する反応を実行する反応器と、反応器を加熱するための燃焼器と、燃焼器で生成した燃焼排ガスが流れるテーパ状の燃焼排ガス流路と、燃焼排ガス流路の下流端面に設けられた出口と、燃焼排ガス流路に設けられ、燃焼排ガスの流れに衝突する部材とを備える。

かかる構成により、燃焼排ガスの流れが乱され、燃焼排ガスの周方向の偏りが従来よりも緩和され、反応器の周方向の温度均一性が向上する。

また、上記水素生成装置において、部材は、径方向において対向するよう配設されていてもよい。

かかる構成により、部材に衝突する燃焼排ガスと対向する方向に流れる燃焼排ガスの流れが乱され、燃焼排ガスの偏りがより緩和され、反応器の周方向の温度均一性がより向上する。

また、上記水素生成装置において、部材は、燃焼排ガス流路のうち、反応器と熱交換する燃焼排ガスが流れる部位に設けられていてもよい。

かかる構成により、部材と衝突して拡散した燃焼排ガスが反応器と熱交換するので、反応器の温度均一性がより向上する。
［装置構成］
図１は、実施の形態１に係る水素生成装置１００の内部構造を示す断面図および上面図である。

本実施の形態の水素生成装置１００は、反応器２０と、燃焼器５と、燃焼排ガス流路８と、出口７と、部材２２ａ、２２ｂとを備える。

反応器２０は、原料を用いた水素含有ガスの生成に関係する反応を実行する。反応器は、原料を用いた水素含有ガスの生成に関係する反応を実行するものであれば、いずれの反応器でもよく、例えば、改質器、変成器、ＣＯ除去器、蒸発器等が例示される。

ここで、改質器は、原料を用いて水素含有ガスを生成する。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。

変成器は、シフト反応により一酸化炭素を低減させる。ＣＯ除去器は、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減させる。

蒸発器は、改質反応に用いられる水蒸気を生成する。

なお、本例では、反応器２０は、第１筒状部材１及び第２筒状部材２との間の環状空間のうち、テーパ状の部分に設けられている。具体的には、第１テーパ部１１と第２テーパ部１２との間の環状空間に設けられている。

燃焼器５は、反応器２０を加熱する。燃焼器５の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、改質器より排出される水素含有ガスが用いられる。なお、本例では、燃焼器５の火炎放出方向と燃焼排ガス流路８を流れる燃焼排ガスの向きとが対向するよう配設されているが、両者の向きが平行になるよう燃焼器５を配設してもよい。

燃焼排ガス流路８は、テーパ状であり、燃焼器５で生成した燃焼排ガスが流れる。ここで、テーパ状とは、環状の燃焼排ガス流路が下流に向けて径が広がる形態であることを意味する。燃焼排ガス流路８は、第２筒状部材２と第３筒状部材３との間の環状空間で形成される。第２筒状部材２と第３筒状部材３とは、燃焼排ガスの流れに対して下流に向けて径が広がる第２テーパ部１２と第３テーパ部１３とをそれぞれ備え、これらのテーパ部によりテーパ状に構成されている。

出口７は、燃焼排ガス流路８の下流端面に設けられている。下流端面には、環状蓋６が設けられている。

部材２２ａ、２２ｂは、燃焼排ガス流路８に設けられ、燃焼排ガスの流れと衝突する。
衝突した燃焼排ガスは、拡散してテーパ状の燃焼排ガス流路８を流れ、出口７から排出される。本例では、部材２２ａ、２２ｂは、環状の燃焼排ガス流路８に沿うよう弧状で、燃焼排ガス流路８の径方向の断面の一部を覆う板状の部材であるが、一例であって、燃焼排ガスと衝突するのであれば、形状は任意である。例えば、部材２２ａ、２２ｂは、表面に凹凸を設けてもよい。また、部材２２ａ、２２ｂは、燃焼排ガスの流れに衝突する部材は板状の部材を所定の形状に加工してもよいし、線上の材料を切断して所定の長さの燃焼排ガスの流れに衝突する部材としてもよい。

また、部材２２ａ、２２ｂは径方向において対向するよう配設されている。これにより、部材２２ａに衝突する燃焼排ガスと径方向において対向する位置を流れる燃焼排ガスの流れが部材２２ｂに衝突し、部材２２ｂ周辺を拡散した燃焼排ガスと反応器２０とが熱交換する。従って、部材２２ｂ周辺に位置する反応器２０の温度均一性がより向上する。

なお、本例においては、部材２２ａ、２２ｂは径方向において対向するよう配設されているが、一例であって、対向するよう配設されていなくてもよい。

また、部材２２ａ、２２ｂは、燃焼排ガス流路８のうち、反応器と熱交換する燃焼排ガスが流れる部位に設けられる。これにより、部材と衝突して拡散した燃焼排ガスが反応器と熱交換するので、反応器の周方向の温度均一性がより向上する。なお、部材２２ａ、２２ｂの配置位置は、一例であり、反応器と熱交換する燃焼排ガスが流れる部位に設けられなくてよい。具体的には、部材２２ａ、２２ｂが、反応器と熱交換する燃焼排ガスが流れる部位の下流端に設けられていてもよい。また、それよりも更に下流に設けられていても、部材２２ａ、２２ｂに衝突し拡散した燃焼排ガスが反応器と熱交換する位置であれば構わない。

また、本例では、燃焼排ガスと衝突する部材を２つ設けているが、少なくとも一つ設けていれば構わない。
（第１変形例）
第１変形例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置において、部材は、燃焼排ガス流路の軸方向において、異なる高さに配設されている。

相対的に低い位置に配設された部材と衝突した燃焼排ガスは、径方向において対向する側に流れが向き易くなる。ここで、径方向において対向し、かつ相対的に高い位置に配設された部材に、相対的に低い位置に配設された部材と衝突した燃焼排ガスを含む燃焼排ガスが衝突することで、より流れが偏ることが緩和され、反応器の周方向の温度均一性が向上する。

本変形例の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施の形態の水素生成装置と同様に構成されてもよい。

図２は、第１実施形態の第１変形例の水素生成装置の断面図と上面図である。
図２に示すように部材２２ａ、２２ｂは、径方向において互いに対向する位置に配設され、異なる高さに配設されている。具体的には、部材２２ｂが、部材２２ａより相対的に高い位置に配設されている。なお、本例に記載の部材２２ａ、２２ｂは一例であり、径方向において対向し、かつ相対的に異なる位置に配設されていれば、その具体的な配設位置は任意である。また、部材の個数も２つに限定されず、複数個であればいずれの個数でも構わない。
（第２実施形態）
第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態及び第１変形例のいずれの水素生成装置において、部材は、燃焼排ガス流路の入口と出口とを結ぶ経路上に設けられている。

かかる構成により、燃焼排ガスの偏流が生じやすい、燃焼排ガス流路の入口と出口とを結ぶ経路上で部材と衝突するので、燃焼排ガスの偏りがより緩和され易くなり、反応器の周方向の温度均一性が向上する。

本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態及び第１変形例のいずれの水素生成装置と同様に構成されてもよい。

図３は、第２実施形態の水素生成装置の一例を示す断面図および上面図である。

図３に示すように部材２２ａは、燃焼排ガス流路８の入口と出口７を結ぶ経路上に設けられている。本例では、燃焼排ガス流路８の入口は、第３筒状部材３の上流端とこれに対向する第２筒状部材２との間の隙間に相当するが、これは、一例であり、本例に限定されるものではない。
（第３実施形態）
第３実施形態の水素生成装置では、第１実施形態、第１変形例及び第２実施形態のいずれかの水素生成装置において、部材は、螺旋状に形成されていてもよい。

かかる構成により、螺旋状の流路に沿って流れるので、断片的な弧状の部材が設けられている形態に比べ、周方向の偏りが緩和され、反応器の周方向の温度均一性がより向上する。

本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１変形例及び第２実施形態のいずれかの水素生成装置と同様に構成されてもよい。

図４は、第３実施形態の水素生成装置の一例を示す断面図および上面図である。

図４に示すように、部材２３は、螺旋状に形成される。これにより、断片的な弧状の部材が設けられている形態に比べ、周方向の偏りが緩和される。また、周方向に偏りが緩和される流路が第２テーパ部１２及び第３テーパ部１３の傾斜方向に広がりを持って確保されるので、反応器２０の温度均一性が、その傾斜方向においても向上する。
（第４実施形態）
第４実施形態の水素生成装置は、第１実施形態、第１変形例、及び第２実施形態のいずれかの水素生成装置において、部材は、環状であり、その少なくとも一部に燃焼排ガスが通過する流通口を備え、流通口は、燃焼排ガス流路の軸方向から見て、出口と重ならないよう配設されていてもよい。

かかる構成により、環状の部材との衝突による偏流の緩和に加え、燃焼排ガス流路の入口から出口までの経路への偏流も抑制される。

本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１変形例及び第２実施形態のいずれかの水素生成装置と同様に構成されてもよい。

図５は、第５実施形態の水素生成装置の一例を示す断面図および上面図である。

図５に示すように、部材２４は、環状であり、燃焼排ガスが通過する流通口２５を備え、ている。流通口２５は、燃焼排ガス流路の軸方向から見て、出口７と重ならないよう配設されている。これにより、部材２４と燃焼排ガスとが衝突することで、燃焼排ガスの偏流が緩和される。また、燃焼排ガスが出口７に到達する前に流通口２５に集約することで、燃焼排ガス流路の入口から出口７までの経路への偏流も抑制される。また、出口７と重ならない位置の反応器２０との熱交換性が向上し、流通口２５から出口７へ至るまでの燃焼排ガス流路と反応器２０との熱交換性も向上する。

なお、本例では、流通口２５が一つ設けられているが、複数個設けられていてもよい。つまり、少なくとも一つの流通口が設けられればよい。

また、流通口の形状は、環状の部材２４を切断する切断口となっているが、一例であって、その形状は任意である。具体的には、環状の部材２４の径方向の一部を開口した形状であってもよい。
（第２変形例）
第４実施形態の第２変形例は、第４実施形態の水素生成装置において、流通口を複数備え、複数の流通口のいずれも燃焼排ガス流路の軸方向から見て出口と重ならないよう配設されている。

かかる構成により、環状の部材に設けられた流通口が１つの場合に比べ、燃焼排ガスの周方向の偏りが緩和される。

図６は、第４実施形態の第２変形例の水素生成装置の一例を示す断面図および上面図である。

図６に示すように、部材２４は、流通口２５を複数備え、複数の流通口のいずれも燃焼排ガス流路８の軸方向から見て出口７と重ならないよう配設されている。これにより、流通口が１つの場合に比べ、周方向の燃焼排ガスの偏流が抑制される。また、周方向に複数設けられた流通口２５より燃焼排ガスが通過するため、部材２４の下方だけでなく上方の燃焼排ガス流路に対向する反応器２０の周方向の温度均一性も向上する。
（第５実施形態）
第５実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態−第４実施形態、第１変形例及び第２変形例のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。

かかる構成により、燃焼排ガスの流れが乱され、燃焼排ガスの偏りが従来よりも緩和され、反応器の周方向の温度均一性が向上する。従って、水素生成装置よりより安定した量の水素含有ガスが供給されるので、燃料電池システムの発電運転の安定性がより向上する。

図７は、第５実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す断面図である。

図７に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、第１実施形態の水素生成装置１００と、燃料電池３０とを備える。

燃料電池３０は、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池である。燃料電池３０は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池等を用いることができる。なお、燃料電池３０が、固体酸化物形燃料電池の場合、水素生成装置１００は改質器で、燃料電池３０と改質器とが一体化されたホットモジュールとして構成されてもよい。

発電運転時において、燃料電池システム２００は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の一態様は、燃焼排ガスの偏りが従来よりも緩和され、反応器の周方向の温度均一性が向上するので、水素生成装置及び燃料電池システム等として有用である。

１ 第１筒状部材
２ 第２筒状部材
３ 第３筒状部材
５ 燃焼器
６ 環状蓋
７ 出口
８ 燃焼排ガス流路
１１ 第１テーパ部
１２ 第２テーパ部
１３ 第３テーパ部
２０ 反応器
２２ａ 部材
２２ｂ 部材
２３ 部材
２４ 部材
２５ 流通口
３０ 燃料電池
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池システム

Claims (9)

1. 原料を用いた水素含有ガスの生成に関係する反応を実行する反応器と、前記反応器を加熱するための燃焼器と、前記燃焼器で生成した燃焼排ガスが流れるテーパ状の燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路の下流端面に設けられた出口と、前記燃焼排ガス流路に設けられ、燃焼排ガスの流れに衝突する部材とを備える、水素生成装置。
2. 前記部材は、径方向において対向するよう配設されている、請求項１記載の水素生成装置。
3. 前記部材は、燃焼排ガス流路の軸方向において、異なる高さに配設されている、請求項２記載の水素生成装置。
4. 前記部材は、前記燃焼排ガス流路の入口と出口とを結ぶ経路上に設けられる、請求項１−３のいずれかに記載の水素生成装置。
5. 前記部材は、前記燃焼排ガス流路のうち、前記反応器と熱交換する燃焼排ガスが流れる部位に設けられる、請求項１−４のいずれかに記載の水素生成装置。
6. 前記部材は、螺旋状に形成されている、請求項１−５のいずれかに記載の水素生成装置。
7. 前記部材は、環状であり、その少なくとも一部に燃焼排ガスが通過する流通口を備え、前記流通口は、前記燃焼排ガス流路の軸方向から見て、前記出口と重ならないよう配設されている、請求項１記載の水素生成装置。
8. 前記流通口を複数備え、前記複数の流通口のいずれも前記燃焼排ガス流路の軸方向から見て前記出口と重ならないよう配設されている、請求項７記載の水素生成装置。
9. 請求項１−８のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える、燃料電池システム。

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