JP4687886B2 - 燃料電池用水素発生装置 - Google Patents
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Description
燃料電池は、水素と酸素を燃料とするものであり、この水素の生成には、天然ガスなどの炭化水素成分、メタノールなどのアルコール、あるいはナフサなどの分子中に水素原子を有する有機化合物を原料とし、水蒸気で改質する方法が広く用いられている。このような水蒸気を用いた改質反応は吸熱反応である。このため、水蒸気改質を行う水素発生装置は、原料および水蒸気、改質反応を行う改質触媒を加熱して高温にする必要がある。水素の生成効率を考えた場合、この時消費する熱量をできるだけ少なくすることが望ましい。
上記各過程における反応は、反応温度が大きく異なるため、各反応器が適正温度になるよう制御することが重要である。有機化合物の水蒸気改質反応温度を最も高くし、次いで、一酸化炭素の変成反応、一酸化炭素の選択酸化反応と順に反応温度を低くする必要がある。また、水素発生装置としての運転効率を高くするためには各反応器で余剰熱を回収し、温度制御することが望まれる。
内側から燃焼管、改質管、外管、断熱手段、CO変成器、および容器の順に各々を同心円状に配置した燃料電池用水素発生装置であって、
前記CO変成器へ供給された前記改質ガスを周方向に均一に分散させて前記変成触媒に供給する分散供給手段を備え、
前記CO変成器は少なくとも内管と前記変成触媒を具備した変成器外管とからなる2重管構造を有し、前記CO変成器へ装置上方から貫通して連結された改質ガス供給管を経て供給された前記改質ガスを前記断熱手段側の前記内管に導入し、次いで前記変成器外管に導入する構成としたCO変成器を用い、
前記分散供給手段として、前記改質ガスを前記改質ガス供給管から前記内管に導入する改質ガス通路に前記内管の管壁を上方に延在させて邪魔板を形成し、前記邪魔板の前記改質ガス供給管側の圧力をP1、前記邪魔板の前記内管側の圧力をP2とした時、P1とP2が次式(1)の関係となるように構成したことを特徴とする。
P1>P2 式(1)
D2>H1 式(2)
D2>D3 式(3)
H2>h 式(4)
D1>d 式(5)
P3>P4 式(6)
内側から燃焼管、改質管、外管、断熱手段、CO変成器、および容器の順に各々を同心円状に配置した燃料電池用水素発生装置であって、
前記CO変成器へ供給された前記改質ガスを周方向に均一に分散させて前記変成触媒に供給する分散供給手段を備え、
前記CO変成器は少なくとも内管と前記変成触媒を具備した変成器外管とからなる2重管構造を有し、前記CO変成器へ装置上方から貫通して連結された改質ガス供給管を経て供給された前記改質ガスを前記断熱手段側の前記内管に導入し、次いで前記変成器外管に導入する構成としたCO変成器を用い、
前記分散供給手段として、前記改質ガスを前記改質ガス供給管から前記内管に導入する改質ガス通路に前記内管の管壁を上方に延在させて邪魔板を形成し、前記邪魔板の前記改質ガス供給管側の圧力をP1、前記邪魔板の前記内管側の圧力をP2とした時、P1とP2が前記式(1)の関係となるように構成したことを特徴とするものであり、
改質管の内管の内側に燃焼管を設置し、この燃焼管での燃焼用燃料の燃焼により改質反応に必要な熱量を触媒層に供給し、改質ガスは前記改質管の外側と外管の間に形成した改質ガスの通路を通過させ、一方、燃焼排ガスを改質管の内管の内側および外管の外周に供給するようにすると、改質管中の改質触媒は内側から排ガスにより加熱されるとともに、外管側からも排ガスにより加熱されるので、改質ガスにより熱を奪われるのを抑制でき、加熱効率が向上する。
そして、燃焼用燃料の燃焼により改質反応に必要な熱量を与える加熱手段の燃焼管を中心に設置し、その周りに改質管、その周りに外管、その外部に断熱手段を配置し、その外部にCO変成器を配置し、1つの容器に各々を同心円状に収納して一体化して、簡素な構成とし、小型化可能になるとともに、各反応器での余剰熱を回収して有効に使用して、各反応器を最適温度に精度よくコントロールでき、熱効率が高い。
そして、CO変成器へ供給された改質ガスを周方向に均一に分散させて変成触媒に均一に供給する分散供給手段を備えたので、CO変成器へ供給された改質ガスの流れが周方向において均一になり、改質ガスを変成触媒に均一に供給でき、変成触媒が有効に使われない箇所がなくなり、その結果、反応効率が向上し、触媒量の低減が可能になり、構造が簡単で、小型化や低コスト化可能となるという、顕著な効果を奏する。
そして、P1とP2が前記式(1)の関係となるように構成したので、CO変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向において確実に均一にすることができるというさらなる顕著な効果を奏する。
CO変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向において容易に均一にすることができるという、さらなる顕著な効果を奏する。
CO変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向において容易に確実に均一にすることができるという、さらなる顕著な効果を奏する。
CO変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向においてさらに一層容易に確実に均一にすることができるという、さらなる顕著な効果を奏する。
(1)第1実施形態:
図1は、本発明の燃料電池用水素発生装置の1実施の形態を示す断面説明図である。
図2は、図1に示した本発明の燃料電池用水素発生装置の分散供給手段を説明する説明図である。
本発明の燃料電池用水素発生装置1は、前記燃料と水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を充填して触媒層2を形成した直立する改質管3(およそ700℃、吸熱反応)と、前記燃料を改質管3に供給する燃料供給部4と、前記水を改質管3に供給する水供給部5と、改質管3の内側に設置された燃焼管6での燃焼用燃料の燃焼(前記燃料の一部あるいは燃料電池から送られるオフガスと燃焼用空気を用いバーナで燃焼する)により前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段7と、改質管3の外側に改質ガスの通路8を形成するように配置された外管9と、その外周に改質管3より放熱される熱を断熱する断熱手段10と、改質管3から流出する改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて水素と二酸化炭素とに変成する変成触媒11を具備したCO変成器12(およそ200〜300℃、発熱反応)と、前記構成材を収納する図示しない容器とからなり、
内側から燃焼管6、改質管3、外管9、断熱手段10、CO変成器12および図示しない容器の順に各々が同心円状に配置されている。
その結果、CO変成器12へ供給された改質ガスの流れをCO変成器12の周方向において均一にすることができる。改質ガスを変成触媒11に均一に供給できるので、変成触媒11が有効に使われない箇所がなくなり、反応効率が向上し、触媒量の低減が可能になる。
燃焼排ガスの熱が外管9側から改質管3に伝わり、改質管3中の改質触媒2は内側から排ガスにより加熱されるとともに、外管9側からも排ガスにより加熱されるので、改質ガスにより熱を奪われるのを抑制でき、加熱効率が向上する。
断熱材の表面温度を200〜300℃に制御することにより、CO変成器12における反応温度をおよそ200〜300℃の最適温度に精度よくコントロールできる。
第2実施形態における本発明の他の燃料電池用水素発生装置1Bは、図3に示したように、前記燃料電池用水素発生装置1の前記改質ガス供給管13を途中で分岐して改質ガス供給管13−1を設け、本発明の燃料電池用水素発生装置1の改質ガス供給管路13と同様に、装置上方から貫通してCO変成器12へ改質ガスを供給するように固定して連結されている以外は、図1に示した本発明の燃料電池用水素発生装置1と同様になっている。
改質管3から流出する改質ガスは改質器3の外側の通路8を通り水供給部5で熱交換した後、改質ガス供給管路13および改質ガス供給管13−1を経て2箇所からCO変成器12の上方に供給される。
改質ガスを2箇所からCO変成器12の上方に供給すれば、改質ガスを変成触媒11により均一に供給できるので、変成触媒11が有効に使われない箇所がなくなり、反応効率が向上し、触媒量の低減が可能になる。
改質ガスの供給箇所は2箇所に限定されず、2箇所以上設けることができる。改質ガスの供給箇所を2箇所以上設けると、CO変成器12へ供給された改質ガスの流れを周方向においてさらに均一にすることができる。
本発明の他の燃料電池用水素発生装置は、図2に示したように内管14の管壁を上方に延在させて形成された邪魔板18の上部先端までの高さをH2、邪魔板18の上部先端とCO変成器12の天面内壁面までの距離をH1、変成器外管15の内壁面と邪魔板18との間隙をD1、邪魔板18と内管14の壁面と断熱手段10側の壁面(断熱手段側外管10−1の壁面)との間隙をD2、改質ガス供給管13外面と邪魔板18との間隙をD3、改質ガス供給管13の下部先端と変成器外管15の天面外壁19との間隙をh、改質ガス供給管13の内径をdとした時、H1とD2が前記式(2)の関係となるように構成し、そして必要に応じてD2とD3が前記式(3)の関係となるように構成し、さらに必要に応じてH2とhが前記式(4)、D1とdが前記式(5)の関係となるように構成した以外は、図1に示した本発明の燃料電池用水素発生装置1と同様になっている。
CO変成器12へ供給された改質ガスの流れを周方向において容易に確実に均一にすることができる。
本発明の他の燃料電池用水素発生装置1Cは、図4に示したようにCO変成器12で変成された変成ガスの出口通路21にオリフィス、メッシュ、パンチングメタルなどからなる後部邪魔板18−1を形成し、後部邪魔板18−1のCO変成器12側の圧力をP3、後部邪魔板18−1のCO変成器12と反対側の圧力をP4とした時、P3>P4となるように構成した以外は、図1に示した本発明の燃料電池用水素発生装置1と同様になっている。
後部邪魔板18−1を形成し、P3>P4となるように構成したことにより、CO変成器12へ供給された改質ガスの流れを周方向においてさらに一層容易に確実に均一にすることができる。
本発明の燃料電池用水素発生装置は、CO変成器へ供給された改質ガスを周方向に均一に分散させて変成触媒に均一に供給する分散供給手段を備えたので、CO変成器へ供給された改質ガスの流れが周方向において均一になり、改質ガスを変成触媒に均一に供給でき、変成触媒が有効に使われない箇所がなくなり、その結果、反応効率が向上し、触媒量の低減が可能になり、構造が簡単で、小型化や低コスト化可能となるという、顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。
2 触媒層
3 改質管
4 燃料供給部
5 水供給部
6 燃焼管
7 加熱手段
8 通路
9 外管
10 断熱手段
10−1 断熱手段側外管
11 変成触媒
12 CO変成器
13、13−1 改質ガス供給管路
14 内管
15 変成器外管
16 変成ガス出口管路
17 改質ガス通路
18 邪魔板
19 天面外壁
20 管路
21 出口通路
Claims (4)
- 水素原子を分子中に有する有機化合物を含有する燃料と水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を充填して触媒層を形成した直立する改質管と、前記燃料を前記改質管に供給する燃料供給部と、前記水を前記改質管に供給する水供給部と、前記改質管の内側に設置された燃焼管での燃焼用燃料の燃焼により前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段と、前記改質管の外側に改質ガスの通路を形成するように配置された外管と、その外周に前記改質管より放熱される熱を断熱する断熱手段と、前記改質管から流出する改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変成する変成触媒を具備したCO変成器と、前記構成材を収納する容器とからなり、
内側から燃焼管、改質管、外管、断熱手段、CO変成器、および容器の順に各々を同心円状に配置した燃料電池用水素発生装置であって、
前記CO変成器へ供給された前記改質ガスを周方向に均一に分散させて前記変成触媒に供給する分散供給手段を備え、
前記CO変成器は少なくとも内管と前記変成触媒を具備した変成器外管とからなる2重管構造を有し、前記CO変成器へ装置上方から貫通して連結された改質ガス供給管を経て供給された前記改質ガスを前記断熱手段側の前記内管に導入し、次いで前記変成器外管に導入する構成としたCO変成器を用い、
前記分散供給手段として、前記改質ガスを前記改質ガス供給管から前記内管に導入する改質ガス通路に前記内管の管壁を上方に延在させて邪魔板を形成し、前記邪魔板の前記改質ガス供給管側の圧力をP1、前記邪魔板の前記内管側の圧力をP2とした時、P1とP2が次式(1)の関係となるように構成したことを特徴とする燃料電池用水素発生装置。
P1>P2 式(1) - 前記改質ガス供給管を2つ以上設けたことを特徴とする請求項1記載の燃料電池用水素発生装置。
- 前記邪魔板の上部先端までの高さをH2、前記邪魔板の上部先端と前記CO変成器の天面内壁面までの距離をH1、前記変成器外管の内壁面と前記邪魔板との間隙をD1、前記邪魔板と前記内管の壁面と前記断熱手段側の壁面との間隙をD2、前記改質ガス供給管外面と前記邪魔板との間隙をD3、前記改質ガス供給管の下部先端と前記外管の天面外壁との間隙をh、前記改質ガス供給管の内径をdとした時、H1とD2が次式(2)の関係となるように構成し、そして必要に応じてD2とD3が次式(3)の関係となるように構成し、さらに必要に応じてH2とhが次式(4)、D1とdが次式(5)の関係となるように構成したことを特徴とする請求項1記載の燃料電池用水素発生装置。
D2>H1 式(2)
D2>D3 式(3)
H2>h 式(4)
D1>d 式(5) - 前記CO変成器で変成された変成ガスの出口通路に後部邪魔板を形成し、前記後部邪魔板の前記CO変成器側の圧力をP3、前記後部邪魔板の前記CO変成器と反対側の圧力をP4とした時、P3とP4が次式(6)の関係となるように構成したことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の燃料電池用水素発生装置。
P3>P4 式(6)
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