JP2007290901A - Heat exchange type reformer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば炭化水素等の改質原料から水素含有の改質ガスを得るための改質反応を、改質部において加熱部からの熱供給を受けつつ行う熱交換型改質器に関する。 The present invention relates to a heat exchange type reformer that performs a reforming reaction for obtaining a reformed gas containing hydrogen from a reforming raw material such as a hydrocarbon while receiving heat supply from a heating unit in the reforming unit.
積層された複数のプレート間に、炭化水素原料を改質して水素含有ガスを生成するための改質流路と、改質流路に改質反応用の熱を供給するために燃料ガスを燃焼させる燃焼流路とを形成した直交流熱交換型の燃料改質器が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、プレート間の各部における燃焼反応の発熱分布と改質反応の吸熱分布とが調整されるように、プレート間に触媒の非担持領域を設定する技術が記載されている。
上記従来の直交流熱交換型の燃料改質器では、燃焼反応による高発熱部位と改質反応による高吸熱部位とを一致させるための工夫を行っているが、吸発熱部位を一致させて熱交換効率を向上させる点について改善の余地があった。 In the conventional cross-flow heat exchange type fuel reformer described above, a device has been devised to make the high heat generation part due to the combustion reaction coincide with the high heat absorption part due to the reforming reaction. There was room for improvement in terms of improving exchange efficiency.
本発明は、上記事実を考慮して、加熱部と改質部との熱交換効率が良好な熱交換型改質器を得ることが目的である。 In view of the above facts, an object of the present invention is to obtain a heat exchange type reformer having good heat exchange efficiency between the heating section and the reforming section.
上記目的を達成するために請求項1記載の発明に係る熱交換型改質器は、改質反応用の改質触媒が担持され、水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された改質原料から水素を含有する改質ガスを生成するための改質部と、前記改質部のガス流と同じ方向のガス流を生じさせるように隔壁を介して前記改質部に隣接されると共に触媒燃焼用の酸化触媒が担持され、供給された燃料の触媒燃焼に伴って生じた熱を前記改質部に供給するための加熱部と、一端側が前記改質原料の供給口とされると共に他端側が前記改質部における前記改質原料の流入側に連続した改質原料導入部と、一端側が前記燃料の供給口とされると共に他端側が前記加熱部における前記燃料の流入側に連続し、前記改質原料導入部による改質原料の流れ方向とは異なる流れ方向で前記燃料を前記加熱部に導く燃料導入部と、を備えている。 In order to achieve the above object, a heat exchange type reformer according to the invention described in claim 1 carries a reforming catalyst for reforming reaction and is supplied by a reforming reaction including a steam reforming reaction. A reforming section for generating reformed gas containing hydrogen from the raw material, and adjacent to the reforming section via a partition so as to generate a gas flow in the same direction as the gas flow of the reforming section; An oxidation catalyst for catalytic combustion is carried, a heating unit for supplying heat generated by catalytic combustion of the supplied fuel to the reforming unit, and one end side serving as a supply port for the reforming raw material The reformed raw material introduction part is connected to the reforming raw material inflow side in the reforming part, and the other end is connected to the fuel inflow side in the heating part. However, it is different from the flow direction of the reforming material by the reforming material introducing section. Re includes a fuel inlet portion for guiding the fuel to the heating unit in the direction.
請求項1記載の熱交換型改質器では、改質部において加熱部から燃焼による熱供給を受けつつ、供給された改質ガスを改質触媒に接触させて改質反応を生じさせ(促進し)、水素を含有する改質ガスを得る。改質反応は、改質触媒の担持範囲における上流側(改質原料供給側)の端部近傍に高吸熱部位を生じさせ、燃焼反応は、酸化触媒の担持範囲における上流側(燃料供給側)の端部近傍に高発熱部位を生じさせる。 In the heat exchange type reformer according to claim 1, while the reforming unit receives heat supply from the heating unit through combustion, the supplied reformed gas is brought into contact with the reforming catalyst to cause a reforming reaction (acceleration). And a reformed gas containing hydrogen is obtained. The reforming reaction generates a high endothermic site in the vicinity of the upstream end (reforming raw material supply side) in the reforming catalyst support range, and the combustion reaction is the upstream side (fuel supply side) in the oxidation catalyst support range. A highly exothermic part is generated in the vicinity of the end of the plate.
ここで、改質部における改質原料(改質ガス)の流れ方向と、加熱部における燃料又は燃焼ガスの流れ方向とが一致しているため、換言すれば、加熱部と改質部とで並行流熱交換型の改質器を構成しているため、加熱部における燃焼反応による高発熱部位と改質部における改質反応による高吸熱部位とを、それぞれの触媒担持範囲におけるガス流方向の同じ側(上流側)で生じさせることができる。すなわち、吸熱要求の大きい部分に発熱の大きい部分を近づける(吸発熱の分布傾向を一致させる)ことができる。 Here, since the flow direction of the reforming raw material (reformed gas) in the reforming section and the flow direction of the fuel or combustion gas in the heating section are the same, in other words, in the heating section and the reforming section. Since a parallel flow heat exchange type reformer is configured, a high heat generation site due to a combustion reaction in the heating unit and a high heat absorption site due to the reforming reaction in the reforming unit are arranged in the direction of gas flow in each catalyst support range. It can occur on the same side (upstream side). That is, it is possible to bring a portion where heat generation is large close to a portion where the endothermic demand is large (matching the distribution tendency of heat absorption and heat generation).
そして、本熱交換型改質器では、改質部の上流端に連続する改質原料導入部と、改質部と並行流を成す(熱交換器としての媒体入口を略一致させている)加熱部の上流端に連続する燃料導入部とが、互いに異なる方向に媒体の流れを生じさせるように構成されているため、換言すれば、改質原料導入部と燃料導入部とで擬似的に交差流部を構成しているため、改質原料の供給口と燃料の供給口とを独立して開口させることができる。これにより、改質原料、燃料をそれぞれ独立して改質部、加熱部の同じ側に供給することができ、上記の通り吸熱要求の大きい部分に発熱の大きい部分を近づけた並行流型の熱交換型改質器を構成することができる。 And in this heat exchange type | mold reformer, the reforming raw material introducing | transducing part continuous in the upstream end of a reforming part and the reforming part are made into a parallel flow (medium inlet as a heat exchanger is made to correspond substantially). Since the fuel introduction section that is continuous with the upstream end of the heating section is configured to cause the flow of the medium in different directions, in other words, in a pseudo manner between the reforming raw material introduction section and the fuel introduction section. Since the cross flow portion is configured, the reforming material supply port and the fuel supply port can be opened independently. As a result, the reforming raw material and fuel can be supplied independently to the same side of the reforming section and the heating section. An exchange type reformer can be constructed.
このように、請求項1記載の熱交換型改質器では、加熱部と改質部との熱交換効率が良好である。また、改質原料導入部を流れる改質原料と燃料導入部を流れる燃料との熱交換が行われるため、運転の安定性(ロバスト性)が向上し、変動(例えば改質原料の温度変化)に対し安定な運転が可能となる。 Thus, in the heat exchange type | mold reformer of Claim 1, the heat exchange efficiency of a heating part and a reforming part is favorable. In addition, since heat exchange between the reformed raw material flowing through the reformed raw material introduction section and the fuel flowing through the fuel introduction section is performed, operational stability (robustness) is improved and fluctuations (for example, temperature change of the reformed raw material). In contrast, stable operation is possible.
請求項2記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項1記載の熱交換型改質器において、前記燃料導入部は、全体が前記酸化触媒の非担持領域とされている。 A heat exchange type reformer according to a second aspect of the present invention is the heat exchange type reformer according to the first aspect, wherein the entire fuel introduction part is a non-supporting region of the oxidation catalyst.
請求項2記載の熱交換型改質器では、燃料導入部には酸化触媒が担持されないので、該燃料導入部では触媒燃焼を生じることがない。これにより、触媒燃焼に伴う発熱が改質部によって消費されずに局所的な高温部が生じてしまうことが防止される。特に、改質原料導入部に改質触媒を担持した構成においても、改質原料導入部とで上記した擬似的な交差流部を形成する燃料導入部に酸化触媒を担持した場合には、高発熱部位と高吸熱部位との不一致による局所的な高温部が生じ得るが、燃料導入部に酸化触媒を担持しないことによって、局所的な高温部が生じることが効果的に防止される。 In the heat exchange type reformer of the second aspect, since the oxidation catalyst is not supported on the fuel introduction part, catalytic combustion does not occur in the fuel introduction part. Thereby, it is prevented that the heat generated by the catalytic combustion is not consumed by the reforming unit and a local high-temperature part is generated. In particular, even in the configuration in which the reforming catalyst is supported on the reforming raw material introduction part, when the oxidation catalyst is supported on the fuel introduction part that forms the above-described pseudo cross flow part with the reforming raw material introduction part, the high Although a local high temperature part may be generated due to a mismatch between the heat generation part and the high heat absorption part, the local high temperature part is effectively prevented by not supporting the oxidation catalyst in the fuel introduction part.
請求項3記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項1又は請求項2記載の熱交換型改質器において、前記改質部と加熱部とは、それぞれ複数設けられて少なくとも一部が隣接するように積層されており、前記改質原料導入部は、前記改質部の各層に設けられて前記改質原料の供給口の開口面を一致させており、燃料導入部は、前記加熱部の各層に設けられて前記燃料の供給口の開口面を一致させている。 A heat exchange type reformer according to a third aspect of the present invention is the heat exchange type reformer according to the first or second aspect, wherein a plurality of the reforming sections and heating sections are provided. The reforming raw material introduction section is provided in each layer of the reforming section to match the opening surface of the reforming raw material supply port, and the fuel introduction section is Provided in each layer of the heating unit, the opening surfaces of the fuel supply ports are matched.
請求項3記載の熱交換型改質器では、複数の改質部と加熱部とが積層されることで、少なくとも一部の改質部と加熱部とが隣接している。なお、加熱部は、改質部と同数かそれよりも少なく設けられ、それらの全てが積層方向の両側でそれぞれ改質部に隣接することが好ましい。ここで、各層の改質部にそれぞれ一致した開口面で開口する改質原料導入部が設けられ、かつ各層の加熱部にそれぞれ一致した開口面で開口する燃料導入部が設けられているため、改質原料、燃料をそれぞれ独立して各改質部、加熱部の同じ側に供給することができ、上記の通り吸熱要求の大きい部分に発熱の大きい部分を近づけた並行流型の熱交換型改質器を、熱交換効率の良好な積層構造で構成することができる。 In the heat exchange type reformer according to claim 3, at least a part of the reforming unit and the heating unit are adjacent to each other by stacking the plurality of reforming units and the heating unit. In addition, it is preferable that the heating unit is provided in the same number or fewer than the reforming unit, and all of them are adjacent to the reforming unit on both sides in the stacking direction. Here, a reforming raw material introduction portion that opens at an opening surface that matches each reforming portion of each layer is provided, and a fuel introduction portion that opens at an opening surface that matches each heating portion of each layer is provided, The reforming raw material and fuel can be supplied independently to the same side of each reforming unit and heating unit, and as described above, a parallel flow type heat exchange type in which a part with large heat generation is brought close to a part with large heat absorption requirements A reformer can be comprised by the laminated structure with favorable heat exchange efficiency.
請求項4記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項3記載の熱交換型改質器において、平板状に形成された平板部に、他の平板部との間に前記改質部を構成する熱交換部と、前記熱交換部に対する前記改質原料の供給側において該改質原料を所定方向に案内する立壁が立設され前記他の平板部との間に前記改質原料導入部を構成する改質原料ガイド部とが形成されている改質部形成用プレート部材と、平板状に形成された平板部に、一方側の面に前記酸化触媒が担持されて他の平板部との間に前記加熱部を構成する熱交換部と、前記熱交換部に対する前記燃料の供給側において該燃料を前記改質部形成用プレート部材の所定方向と交差する方向に案内する立壁が立設され前記他の平板部との間に前記燃料導入部を構成する燃料ガイド部とが形成されている加熱部形成用プレート部材と、を所定のパターンで積層することで構成されている。 A heat exchange type reformer according to a fourth aspect of the present invention is the heat exchange type reformer according to the third aspect, wherein the reformer is formed between a flat plate portion formed in a flat plate shape and another flat plate portion. The reforming material is provided between the heat exchanging portion that constitutes a portion and a standing wall that guides the reforming material in a predetermined direction on the supply side of the reforming material with respect to the heat exchanging portion. The reforming part forming plate member in which the reforming material guide part constituting the introduction part is formed, and the flat plate part formed in a flat plate shape, and the other side of the flat plate portion is loaded with the oxidation catalyst. And a standing wall for guiding the fuel in a direction intersecting a predetermined direction of the reforming portion forming plate member on the fuel supply side with respect to the heat exchange portion. A fuel guide portion which is erected and constitutes the fuel introduction portion between the other flat plate portion and It is constructed by laminating a heating unit forming plate member that is made, in a predetermined pattern.
請求項4記載の熱交換型改質器では、改質部形成用プレート部材と加熱部形成用プレート部材とを所定のパターンで積層することで、各平板部の熱交換部間に改質部、加熱部が形成されると共に、各平板部の改質原料ガイド部と燃料ガイド部との間に改質原料導入部、燃料導入部がそれぞれ形成される。すなわち、改質部形成用プレート部材と加熱部形成用プレート部材とを所定のパターンで積層することで、並行流型の熱交換部の上流側にそれぞれ独立して開口する改質原料の供給口、燃料の供給口を有する改質原料導入部、燃料導入部が一体に構成される。 5. The heat exchange type reformer according to claim 4, wherein the reforming section forming plate member and the heating section forming plate member are laminated in a predetermined pattern, so that the reforming section is provided between the heat exchange sections of each flat plate section. A heating part is formed, and a reforming material introduction part and a fuel introduction part are formed between the reforming material guide part and the fuel guide part of each flat plate part. That is, a reforming material supply port that opens independently on the upstream side of the parallel flow type heat exchange unit by laminating the reforming unit forming plate member and the heating unit forming plate member in a predetermined pattern. The reforming raw material introduction unit having the fuel supply port and the fuel introduction unit are integrally configured.
請求項5記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項3又は請求項4記載の熱交換型改質器において、前記複数の改質原料導入部の改質原料の供給口が開口する集合空間を形成し、該複数の改質原料導入部に改質原料を分散して供給するための改質原料用マニホルドと、前記複数の燃料導入部の燃料の供給口が開口する集合空間を形成し、該複数の燃料導入部に燃料を分散して供給するための燃料用マニホルドと、をさらに備えた。 A heat exchange type reformer according to a fifth aspect of the present invention is the heat exchange type reformer according to the third or fourth aspect, wherein the reforming raw material supply ports of the plural reforming raw material introduction sections are open. And a reforming material manifold for distributing and supplying the reforming materials to the plurality of reforming material introduction portions, and a gathering space in which the fuel supply ports of the plurality of fuel introduction portions are opened. And a manifold for fuel for supplying fuel to the plurality of fuel introduction portions in a distributed manner.
請求項5記載の熱交換型改質器では、各層の改質部に改質原料を導入するための改質原料導入部の各供給口が改質原料用マニホルドで開口すると共に、各層の加熱部に燃料を導入するための燃料導入部の各供給口が燃料用マニホルドで開口している。このため、改質原料用マニホルドから各層の改質原料導入部を経由して各層の改質部に改質原料を均等に分配することができ、同様に、燃料用マニホルドから各層の燃料導入部を経由して各層の加熱部に燃料を均等に分配することが可能になる。特に、燃料用マニホルドに燃料と支燃ガスとの混合器を設けることで、各層の加熱部の直上流で予混合した混合ガスを該各層の加熱部に供給することが可能となる。この場合、局所的に燃料濃度の高い部分が生じることが防止され、加熱部内で局所的な高温部が発生することが防止される。 In the heat exchange type reformer according to claim 5, each supply port of the reforming material introduction section for introducing the reforming material into the reforming section of each layer is opened by a manifold for reforming material, and heating of each layer is performed. Each supply port of the fuel introduction part for introducing fuel into the part is opened by a fuel manifold. For this reason, the reforming material can be evenly distributed from the reforming material manifold to the reforming part of each layer via the reforming material introduction part of each layer, and similarly, the fuel introduction part of each layer from the fuel manifold. It becomes possible to distribute fuel evenly to the heating parts of the respective layers via the. In particular, by providing a fuel manifold with a mixer of fuel and supporting gas, it is possible to supply the mixed gas premixed immediately upstream of the heating section of each layer to the heating section of each layer. In this case, a portion having a high fuel concentration is prevented from being locally generated, and a local high temperature portion is prevented from being generated in the heating portion.
請求項6記載の発明に係る熱交換型改質器は、請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の熱交換型改質器において、一端側が前記改質ガスの排出口とされると共に他端側が前記改質部における前記改質ガスの流出側に連続した改質ガス導出部と、一端側が前記加熱部の燃焼排ガスの排出口とされると共に他端側が前記加熱部における前記燃焼排ガスの排出側に連続し、前記改質ガス導出部による改質ガスの流れ方向とは異なる流れ方向で前記燃焼排ガスを前記燃焼排ガスの排出口に導く燃焼排ガス排出部と、をさらに備えた。 A heat exchange type reformer according to a sixth aspect of the present invention is the heat exchange type reformer according to any one of the first to fifth aspects, wherein one end side is an outlet for the reformed gas. And the other end side is a reformed gas outlet portion continuous to the reformed gas outflow side in the reforming portion, and one end side is a combustion exhaust gas discharge port of the heating portion, and the other end side is the combustion in the heating portion. A combustion exhaust gas discharge unit that is continuous with the exhaust gas discharge side and guides the combustion exhaust gas to the combustion exhaust gas discharge port in a flow direction different from a flow direction of the reformed gas by the reformed gas deriving unit;
請求項6記載の熱交換型改質器では、改質部の下流端に連続する改質ガス導出部と、改質部と並行流を成す(熱交換器としての媒体出口を略一致させている)加熱部の下流端に連続する燃焼排ガス排出部とが、互いに異なる方向に媒体の流れを生じさせるように構成されているため、換言すれば、改質ガス導出部と燃焼排ガス排出部とで擬似的に交差流部を構成しているため、改質ガスの排出口と燃焼排ガスの排出口とを独立して開口させることができる。これにより、改質ガス、燃焼排ガスをそれぞれ独立して改質部、加熱部の同じ側から排出させることができ、上記の通り吸熱要求の大きい部分に発熱の大きい部分を近づけた並行流型の熱交換型改質器を構成することができる。 In the heat exchange type reformer according to claim 6, the reformed gas lead-out section continuous to the downstream end of the reforming section and a parallel flow with the reforming section (with the medium outlet as the heat exchanger being substantially coincident with each other) In other words, the combustion exhaust gas discharge section that is continuous with the downstream end of the heating section is configured to generate a medium flow in different directions. In other words, the reformed gas discharge section and the combustion exhaust gas discharge section Therefore, the reformed gas discharge port and the combustion exhaust gas discharge port can be opened independently. As a result, the reformed gas and the combustion exhaust gas can be discharged independently from the same side of the reforming unit and the heating unit. A heat exchange type reformer can be constructed.
なお、複数の改質部と複数の加熱部とを少なくとも一部の改質部と加熱部とが隣接するように積層した構成においては、各層の改質部に改質ガス導出部を設けると共に、各層の加熱部に燃焼排ガス排出部を設けることが好ましい。特に、改質部形成用プレート部材と加熱部形成用プレート部材とを所定パターンで積層する構成においては、改質部形成用プレート部材の平板部における熱交換部に対し改質原料ガイド部と反対側に、改質ガスを別途所定方向に案内する立壁が立設され他の平板部との間に改質ガス導出部を構成する改質ガスガイド部が形成されると共に、加熱部形成用プレート部材の平板部における熱交換部に対し燃料ガイド部とは反対側に、燃焼排ガスを前記改質部形成用プレート部材の別途所定方向と交差する方向に案内する立壁が立設され他の平板部との間に燃料導入部を構成する排ガスガイド部が形成された構成とすることが好ましい。この構成では、改質部形成用プレート部材と加熱部形成用プレート部材とを所定パターンで積層することで、並行流型の熱交換器に対する各媒体の出入口を独立して設けることができる。 In a configuration in which a plurality of reforming units and a plurality of heating units are stacked so that at least a part of the reforming units and the heating unit are adjacent to each other, a reforming gas deriving unit is provided in the reforming unit of each layer. It is preferable to provide a combustion exhaust gas discharge part in the heating part of each layer. In particular, in the configuration in which the reforming part forming plate member and the heating part forming plate member are laminated in a predetermined pattern, the heat exchange part in the flat plate part of the reforming part forming plate member is opposite to the reforming material guide part. On the side, a standing wall for separately guiding the reformed gas in a predetermined direction is erected, and a reformed gas guide portion constituting a reformed gas lead-out portion is formed between the other flat plate portion, and a heating portion forming plate On the opposite side of the heat exchanging portion of the flat plate portion of the member from the fuel guide portion, another flat plate portion is provided with a standing wall for guiding the combustion exhaust gas in a direction crossing a predetermined direction of the reforming portion forming plate member. It is preferable that the exhaust gas guide part constituting the fuel introduction part is formed between the two. In this configuration, by laminating the reforming part forming plate member and the heating part forming plate member in a predetermined pattern, the inlets and outlets of the respective media with respect to the parallel flow type heat exchanger can be provided independently.
以上説明したように本発明に係る熱交換型改質器は、加熱部と改質部との熱交換効率が良好である。 As described above, the heat exchange type reformer according to the present invention has good heat exchange efficiency between the heating section and the reforming section.
本発明の第1の実施形態に係る熱交換型改質器10について、図1乃至図6に基づいて説明する。先ず、熱交換型改質器10が適用された燃料電池システム11の全体システム構成を説明し、次いで、熱交換型改質器10の詳細構造を説明することとする。
A heat
(燃料電池システムの全体構成)
図4には、燃料電池システム11のシステム構成図(プロセスフローシート)が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム11は、水素を消費して発電を行う燃料電池12と、燃料電池12に供給するための水素含有の改質ガスを生成するための熱交換型改質器(改質器)10とを主要構成要素として構成されている。
(Overall configuration of fuel cell system)
FIG. 4 shows a system configuration diagram (process flow sheet) of the
燃料電池12は、アノード電極(燃料極)14とカソード電極(空気極)16との間に、図示しない電解質を挟んで構成されており、主にアノード電極に供給される水素とカソード電極16に供給される酸素とを電気化学反応させて発電を行う構成とされている。燃料電池12としては、種々の形式のものを採用することができるが、この実施形態では、中温域(300℃〜600℃程度)で運転されると共に、発電に伴ってカソード電極16で水が生成されるプロトン伝導型の電解質を有する燃料電池(例えば、固体高分子型や水素分離膜型の燃料電池)が採用されている。
The fuel cell 12 is configured by sandwiching an electrolyte (not shown) between an anode electrode (fuel electrode) 14 and a cathode electrode (air electrode) 16. The fuel cell 12 mainly includes hydrogen supplied to the anode electrode and the
熱交換型改質器10は、図4に示される如く、燃料電池12のアノード電極14に供給するための水素含有の改質ガスを生成する改質部としての改質流路18と、改質流路18が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部として燃焼流路20とを含んで構成されている。改質流路18には、改質触媒22が担持されており、供給される炭化水素ガス(ガソリン、メタノール、天然ガス等)と改質用ガス(水蒸気)を触媒反応させることで、水素ガスを含む改質ガスを生成する(改質反応を行う)ようになっている。
As shown in FIG. 4, the heat
改質流路18における改質反応には、以下の式(1)乃至(4)で表されるように、式(1)で示す水蒸気改質反応を含む各反応が含まれる。したがって、改質工程で得た改質ガスには、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素(CxHy)等の可燃性ガス、及び二酸化炭素(CO2)、水(H2O)等の不燃性ガスを含むようになっている。
The reforming reaction in the reforming
CnHm+nH2O → nCO +(n+m/2)H2 … (1)
CnHm+n/2O2 → nCO + m/2H2 … (2)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 … (3)
CO+3H2 ⇔ CH4+H2O … (4)
この改質反応の中で主となる式(1)の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ改質流路18は、上記の通り中温又は高温で運転される燃料電池12に改質ガスを供給するため所定温度以上の温度で運転されるようになっている。燃焼流路20は、この改質流路18における改質反応、運転温度を維持するための熱の供給する構成とされている。燃焼流路20は、酸化触媒24を担持して改質流路18に隣接して設けられており、供給された燃料を酸素と共に酸化触媒24接触させて触媒燃焼を生じさせる構成とされている。また、式(2)の部分酸化反応は発熱反応であり、この部分酸化反応による発熱は、燃焼流路20からの熱と併せて水蒸気改質反応に供されるようになっている。
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2) H 2 ... (1)
C n H m + n / 2O 2 → nCO + m / 2H 2 ... (2)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 CHCH 4 + H 2 O (4)
The main steam reforming reaction of the formula (1) in the reforming reaction is an endothermic reaction, and the reforming
熱交換型改質器10は、燃焼流路20で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を後述するプレート部52を介して改質流路18に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒(流体)を介して改質流路18を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、改質流路18に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。
The
そして、燃料電池システム11は、改質流路18に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ26を備えており、原料ポンプ26の吐出部は原料供給ライン28を介して改質流路18の原料入口18Aに接続されている。炭化水素原料は、上記した改質反応には寄与しない硫黄成分(硫黄化合物)をわずかに含んでいる。この炭化水素原料は、例えば蒸発器やインジェクション等図示しない気化手段等によって、気相又は微粒化状態で改質流路18に供給されるようになっている。
The
また、改質流路18の改質ガス出口18Bは、下流端がアノード電極14の燃料入口14Aに接続された改質ガス供給ライン30の上流端に接続されている。これにより、改質流路18で生成された改質ガスが燃料電池12のアノード電極14に供給されるようになっている。一方、アノード電極14のオフガス出口14Bには、アノードオフガスライン32の上流端が接続されており、アノードオフガスライン32の下流端はガス混合器33の燃料入口33Aに接続されている。ガス混合器33は、後述する支燃ガス供給ライン46から供給された冷却オフガスとアノードオフガスとを略均一に混合するようになっている。ガス混合器33の混合ガス出口33Bは、燃焼流路20の燃料(混合ガス)入口20Aに接続されている。
The reformed
以上により、燃料電池システム11では、改質流路18で生成された改質ガス中の水素が燃料電池12で消費され、この消費された水素を除く残余成分がアノードオフガスとして燃焼流路20に導入され、そのうちの可燃成分(水素(H2)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、メタン(CH4)、二酸化炭素(CO2))が燃焼流路20で燃料として消費されるようになっている。この燃焼流路20の排ガス出口20Bには、燃焼排ガスを系外に排出するための排気ガスライン34が接続されている。
As described above, in the
また、燃料電池システム11は、カソード電極16にカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ36を備えており、カソード用空気ポンプ36の吐出部は、下流端がカソード電極16の空気入口16Aに接続されたカソード用空気供給ライン38の上流端が接続されている。さらに、カソード電極16のオフガス出口16Bには、水蒸気供給ライン40の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン40の下流端は、改質流路18の水蒸気入口18C接続されている。これにより、カソード電極16で生成された水蒸気、該カソード電極16で消費されなかった酸素を含むカソードオフガスが改質流路18に供給される構成である。そして、カソードオフガス中の水蒸気が式(1)の水蒸気改質反応に利用され、酸素が式(2)の部分酸化反応に利用されるようになっている。すなわち本実施形態に係る熱交換型改質器10は、酸素を含有するカソードオフガスを改質流路18に供給することで、炭化水素減量中の炭素量に対する供給酸素量の割合であるO/C比がある特定の条件で運転される構成とされている。
The
さらに、燃料電池システム11は、燃料電池12に冷却空気を供給するための冷却用空気ポンプ42を備えており、冷却用空気ポンプ42の吐出部は、下流端が燃料電池12の冷媒流路(図示省略)の入口12Aに接続された冷却用空気ライン44の上流端に接続されている。この冷媒流路の出口12Bは、支燃ガス供給ライン46の上流端に接続されている。支燃ガス供給ライン46は、ガス混合器33の支燃ガス入口33Cに接続されており、ガス混合器33に燃焼支燃ガスとしての酸素を含む冷却オフガスを供給するようになっている。これにより、燃焼流路20では、アノードオフガスライン32からのアノードオフガスと支燃ガス供給ライン46からの冷却オフガスとがガス混合器33にて混合された混合ガスを内蔵した酸化触媒24に接触させて、触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
Further, the
なお、燃料電池システム11は、例えば、水蒸気供給ライン40にカソードオフガス中の水蒸気のみを選択的に透過させる分離膜(ポリイミドやセラミック等の多孔体分離膜)を設けたり、改質用の水蒸気を系外から導入したりすることで、改質流路18に酸素が供給されない構成又は炭化水素原料中の炭素に対する供給酸素量(O/C比)が小さくなる構成とすることができる。これらの構成では、熱交換型改質器10における改質反応の主反応が水蒸気改質反応となり、部分酸化反応が行われないか又は部分酸化反応による発熱量が極めて小さくなる。
In the
(熱交換型改質器の構成)
図1には、熱交換型改質器10の積層コア部65が分解斜視図にて示されている。この図に示される如く、熱交換型改質器10は、積層された複数の改質部形成用プレート部材、加熱部形成用プレート部材としての単位プレート部材50、51間に改質部としての改質流路18、加熱部としての燃焼流路20が、単位プレート部材50、51の平板部としてのプレート部52を隔壁として隔てられた独立したガス流路として形成されている。この実施形態では、改質流路18と燃焼流路20とは積層方向(プレート部52の厚み方向)に交互に配置されており、プレート部52を介して隣接している。以下、具体的に説明する。
(Configuration of heat exchange type reformer)
FIG. 1 shows an exploded perspective view of the
単位プレート部材50は、平板状に形成されたプレート部52を備えている。プレート部52は、平面視で、長方形状とされた熱交換部としての並行流部52Aの長手方向両側に、それぞれ流れ方向変換部52B、52Cが連設されて構成されている。この実施形態では、流れ方向変換部52B、52Cは、それぞれ並行流部52A(長方形)の短辺に底辺を一致させた如き三角形状に形成されており、このためプレート部52は全体として略六角形状に形成されている。各単位プレート部材50は、プレート部52の周縁から改質流路18の形成側に立設された外壁54を備えている。
The
外壁54は、方向変換部52B、52Cの各一辺部分を除きプレート部52の全周から立設されることで、積層された単位プレート部材50、51間に改質流路18を形成するスペーサ機能、改質流路18からのガス流出を防止する外壁機能を果たすと共に、流れ方向変換部52B側のガス入口50A、流れ方向変換部52C側のガス出口50Bを形成している。ガス入口50A、ガス出口50Bは、プレート部52の図心に対し対称に形成されており、それぞれ流れ方向変換部52B、52Cにおける外壁54の長手方向に沿った並行流部52Aとは反対向きの矢印C1方向、矢印C2方向を向いて開口している。
The
また、単位プレート部材50のプレート部52における改質流路18の形成側からは、改質流路18を複数の平行流路に区画する複数の立壁(隔壁)56が立設されている。各立壁56は、ガス入口50Aからガス出口50Bまで、外壁54と略平行とされており、改質流路18を複数の分割流路(マイクロチャンネル)58に区画する構成とされている。各分割流路58は、上記したガス入口50A、ガス出口50Bの対称配置によって、ガス入口50Aからガス出口50Bまでの流路長が略一定となるクランク状に形成されている。
A plurality of standing walls (partition walls) 56 that divide the reforming
そして、各分割流路58における並行流部52Aにおいて該並行流部52Aの長手方向に沿う各立壁56の隔壁部56Aにて区画された部分は、それぞれ熱交換流路58Aとされている。一方、各分割流路58における流れ方向変換部52Bから各立壁56のうち矢印C1方向に沿う入口ガイド壁56Bが立設された部分は、改質原料ガイド部としての改質原料ガイド流路58Bとされている。さらに、各分割流路58における流れ方向変換部52Cから各立壁56のうち矢印C2方向に沿う出口ガイド壁56Cが立設された部分は、改質ガスガイド部としての改質ガスガイド流路58Cとされている。
And in the
単位プレート部材51は、単位プレート部材50を構成するプレート部52と同じ形状のプレート部52を備えており、またプレート部52の周縁から燃焼流路20の形成側に立設された外壁60を備えている。外壁60は、方向変換部52B、52Cにおける各一辺部分を除きプレート部52の全周から立設されることで、積層された単位プレート部材51、50間に燃焼流路20を形成するスペーサ機能、燃焼流路20からのガス流出を防止する外壁機能を果たすと共に、流れ方向変換部52B側のガス入口51A、流れ方向変換部52C側のガス出口51Bを形成している。
The
ガス入口51Aは、並行流部52Aに対し単位プレート部材50のガス入口50Aと長手方向の同じ側(図1の矢印A側)において、ガス入口50Aが開口する矢印C1方向とは異なる(並行流部52Aの長手方向に対し対称となる)矢印D1方向を向いて開口するように形成されている。また、ガス出口51Bは、並行流部52Aに対し単位プレート部材50のガス出口50Bと長手方向の同じ側(図1の矢印B側)において、ガス出口50Bが開口する矢印C2方向とは異なる(並行流部52Aの長手方向に対し対称となる)矢印D2方向を向いて開口するように形成されている。
The
また、単位プレート部材51のプレート部52における改質流路18の形成側からは、燃焼流路20を複数の平行流路に区画する複数の立壁(隔壁)62が立設されている。各立壁62は、ガス入口51Aからガス出口51Bまで、外壁60と略平行とされており、燃焼流路20を複数の分割流路(マイクロチャンネル)64に区画する構成とされている。各分割流路64は、上記したガス入口51A、ガス出口51Bの対称配置によって、ガス入口51Aからガス出口51Bまでの流路長が略一定となるクランク状に形成されている。
A plurality of standing walls (partition walls) 62 that divide the
そして、各分割流路64における並行流部52Aにおいて該並行流部52Aの長手方向に沿う各立壁56の隔壁部62Aにて区画された部分は、それぞれ熱交換流路64Aとされている。一方、各分割流路64における流れ方向変換部52Bから各立壁62のうち矢印D1方向に沿う入口ガイド壁62Bが立設された部分は、燃料ガイド部としての混合ガスガイド流路64Bとされている。さらに、各分割流路64における流れ方向変換部52Cから各立壁62のうち矢印D2方向に沿う出口ガイド壁62Cが立設された部分は、燃焼排ガスガイド部としての燃焼排ガスガイド流路64Cとされている。
And in the
以上説明した熱交換型改質器10は、上記の通りガス入口50A、51Aが並行流部52A(熱交換流路58A、64A)に対する同じ側(矢印A側)に位置すると共に、ガス出口50B、51Bが並行流部52Aに対する同じ側(矢印B側)に位置することで、各層の熱交換流路58A、熱交換流路64Aでのガス流れ方向がそれぞれ同じ方向(矢印F方向)とされている。
In the heat
また、以上説明した単位プレート部材50、単位プレート部材51は、例えばステンレス鋼などの金属材や中実の(多孔体ではない)セラミック材にて、各部(プレート部52・外壁54・立壁56、又はプレート部52・外壁60・立壁62)が一体的に形成されている。また、それぞれ複数の単位プレート部材50と単位プレート部材51とは、積層された状態でプレート部52と外壁54又は外壁60(各立壁56、62)とが、例えばロウ材を用いたろう付けや拡散接合によって気密に接合されて、熱交換型改質器10の積層コア部65を構成している。なお、図2に示される如く、熱交換型改質器10は、この実施形態では、最上部には外壁54等が立設されない平板状のプレート部52(カバー)が積層されて、改質流路18を閉止している。
The
図2に示される如く、積層コア部65には、各層のガス入口50Aが開口する集合空間を形成する改質入口マニホルド66が接続されている。また、積層コア部65には、各層のガス出口50Bが開口する集合空間を形成する改質出口マニホルド68が接続されている。さらに、積層コア部65には、各層のガス入口51Aが開口する集合空間を形成する燃焼入口マニホルド70が接続されている。さらにまた、積層コア部65には、各層のガス出口51Bが開口する集合空間を形成する燃焼出口マニホルド72が接続されている。各マニホルド66、68、70、72は、それぞれ矩形筒状に形成され、一方の開口端が最上下層のプレート部52及び各層の外壁54、外壁60の端部にロウ付け等によって接合されている。
As shown in FIG. 2, the
改質入口マニホルド66には、改質原料(炭化水素)及び水蒸気(カソードオフガス)を導入するための原料入口18A及び水蒸気入口18Cが設けられており、改質出口マニホルド68には、改質ガスを放出するための改質ガス出口18Bが設けられている。また、燃焼入口マニホルド70には、ガス混合器33からの混合ガスを導入するための燃料入口20Aが設けられており、燃焼出口マニホルド72には、燃焼排ガスを排出するための排ガス出口20Bが設けられている。
The reforming
そして、以上説明した熱交換型改質器10(積層コア部65)は、単位プレート部材50における分割流路58の内面に改質触媒22が担持されており、単位プレート部材51における分割流路64の内面に酸化触媒24が担持されている。各立壁56、62の図示を省略した分解平面図である図3に示される如く、改質触媒22は、分割流路58(改質流路18)におけるガス入口50A側の一部を除く所定範囲に亘って担持されており、酸化触媒24は、分割流路64(燃焼流路20)におけるガス入口51A側の一部を除く所定範囲に亘って担持されている。
In the heat exchange type reformer 10 (laminated core portion 65) described above, the reforming
より具体的には、図3に示される如く、改質触媒22は、改質原料が供給されるガス流れ方向の上流側(矢印A側)の端部である上流側担持端22Aが、各分割流路58における熱交換流路58A(並行流部52A)と改質ガスガイド流路58B(流れ方向変換部52B)との境界部に略一致している。一方、酸化触媒24は、燃料が供給されるガス流れ方向の上流側(矢印A側)の端部である上流側担持端24Aが、各分割流路64における熱交換流路64A(並行流部52A)と混合ガスガイド流路64B(流れ方向変換部52B)との境界部に略一致している。なお、酸化触媒24の上流側担持端24Aは、改質触媒22の上流側担持端22Aと一致するか、該上流側担持端22Aよりも若干下流側に位置している。
More specifically, as shown in FIG. 3, the reforming
熱交換型改質器10では、図5(A)及び図5(B)に示される如く、積層コア部65をガス出口50B、ガス出口51B側からスラリ状の触媒担体75を貯留した貯槽76に浸漬することで、改質流路18の分割流路58と燃焼流路20の分割流路64とに触媒担体を設置し、その後各分割流路58、64に設置された触媒担体75に改質触媒22、酸化触媒24を担持させている。上流側担持端22A、上流側担持端24A(制御ライン)で触媒担体を停止させるために、各分割流路58、64の代表的な一部又は全部に配置され触媒担体を検出する触媒センサ74の検出信号を用いている。この熱交換型改質器10の製造方法を具体的に説明する。
In the heat
熱交換型改質器10を製造するに当たっては、図2に示される如く単位プレート部材50、51を交互に積層し、各外壁54、60の自由端を隣接する単位プレート部材50、51のプレート部52に接合する。これにより、積層コア部65が形成される。次いで、図5(A)に示される如く、積層コア部65の各分割流路58、64に触媒担持位置センサ74をセットする。触媒担持位置センサ74は、その先端に設けられたスラリ検知部74Aに触媒担体が接触すると図示しない報知手段(表示装置や報知音発生装置等)にON信号を出力するようになっている。したがって、触媒担持位置センサ74は、スラリ検知部74Aが各分割流路58、64における改質触媒22の上流側担持端22A、酸化触媒24の上流側担持端24Aの制御目標位置に位置するように、ガス入口50A、51A側から代表的な一部の分割流路58、64に挿入される。
In manufacturing the heat
このように触媒担持位置センサ74がセットされた積層コア部65をガス出口50B、ガス出口51B側から貯槽76内の触媒担体75に浸漬する。マイクロチャンネル構造の積層コア部65では、毛管現象によって各分割流路58、64内の触媒担体75の表面が貯槽76内の表面よりも高位になることを考慮して、報知手段からの報知があるまで(触媒担持位置センサ74が触媒担体75を検知するまで)、図5(A)及び図5(B)に示される如く、徐々に(低速で)積層コア部65を触媒担体75に浸漬させる。報知手段の作動後は、積層コア部65を貯槽76から引き上げ、余剰の触媒担体75をガス入口50A、51からのエアブロー等によって各分割流路58、64から除去する。
The
次いで、図5(C)に示される如く、ガス出口50Bから各分割流路58内に改質触媒22を供給して、各分割流路58内の触媒担体75に改質触媒22を担持させる。また、ガス出口51Bから各分割流路64内に酸化触媒24を供給して、各分割流路64内の触媒担体75に酸化触媒24を担持させる。これにより、各分割流路58における熱交換流路58A、改質ガスガイド流路58Cに改質触媒22が担持されると共に改質ガスガイド流路58Bには改質触媒22が担持されず、かつ各分割流路64における熱交換流路64A、燃焼排ガスガイド流路64Cに酸化触媒24が担持されると共に混合ガスガイド流路64Bには酸化触媒24が担持されない積層コア部65が構成されている。
Next, as shown in FIG. 5C, the reforming
そして、積層コア部65における各層のガス入口50A、51A、ガス出口50B、51Bの開口部に、改質入口マニホルド66、燃焼入口マニホルド70、改質出口マニホルド68、燃焼出口マニホルド72を接合する。これにより、図2に示される如き熱交換型改質器10の製造が完了する。
The reforming
次に、実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the embodiment will be described.
上記構成の燃料電池システム11では、原料ポンプ26、カソード用空気ポンプ36の作動によって、原料供給ライン28から熱交換型改質器10の改質流路18に炭化水素原料、水蒸気(カソードオフガス)が導入される。熱交換型改質器10の改質流路18内では、燃焼流路20からの熱供給を受けつつ導入された炭化水素原料を水蒸気と共に改質触媒22に接触させることで式(1)の水蒸気改質反応、式(2)の部分酸化反応を含む改質反応(上式(1)〜(4)参照)が行われ、水素を高濃度で含有する改質ガスが生成される。
In the
改質流路18で生成された改質ガスは、アノード電極14の燃料入口14Aからアノード電極14に供給される。燃料電池12では、アノード電極14に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトンが電解質を経由してカソード電極16に移動して該カソード電極16に導入された空気中の酸素と反応する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード電極14から外部導体を通じてカソード電極に向けて流れ、発電が行われる。
The reformed gas generated in the reforming
この発電によって燃料電池12では、アノード電極14に供給された改質ガス中の水素、カソード電極16に供給されたカソード用空気中の酸素が発電量(負荷の電力消費量)に応じて消費され、カソード電極16では水(運転温度において水蒸気)が生成される。この水蒸気を含むガスは、上記の通りカソードオフガスとしてカソード電極16から水蒸気供給ライン40に押し出され、水蒸気入口18Cから改質流路18に導入される。
With this power generation, in the fuel cell 12, hydrogen in the reformed gas supplied to the
一方、発電に伴って改質ガス中の水素が発電量に応じて消費された後のガスは、アノードオフとしてアノード電極14から排出され、このアノードオフガスは、アノードオフガスライン32を経由して、熱交換型改質器10の燃焼流路20に供給される。また、燃焼流路20には、支燃ガス供給ライン46から燃料電池12を冷却した後の冷却オフガスが供給される。この燃焼流路20では、燃料であるアノードオフガス中の可燃成分を、冷却オフガス中の酸素を支燃ガスと共に酸化触媒24に接触させることで触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼によって生じた熱は、プレート部52を介して改質流路18に供給される。この熱によって改質流路18では、吸熱反応である改質反応を維持すると共に運転温度(改質ガス温)を改質反応に必要な温度に保つ。
On the other hand, the gas after the hydrogen in the reformed gas is consumed according to the amount of power generated along with the power generation is discharged from the
以上により、燃料電池システム11では、熱交換型改質器10に炭化水素原料を供給すると共に、燃料電池12の各排出ガス(水蒸気を含むカソードオフガス、可燃成分を含むアノードオフガス、酸素を含む冷却オフガス)を有効利用して、該燃料電池12に供給する水素を生成する熱交換型改質器10の運転を維持する。
As described above, in the
ところで、改質流路18における改質反応は、改質原料の入口側すなわち改質触媒22担持範囲の上流側担持端22A側で吸熱のピークを生じる。また、燃焼流路20における燃焼反応は、燃料の入口側すなわち酸化触媒24担持範囲の上流側担持端24A側で発熱のピークを生じる。このため、例えば、直交流型の熱交換型改質器では、改質部と加熱部とでガス流れ方向が交差するので、構造上、局所的な高温部が発生してしまう問題がある。また例えば、対向流型の熱交換型改質器は、改質部と加熱部との吸発熱のピークが熱交換部におけるガス流方向反対側の端部で生じるので、改質器における熱交換器としては不向きである。
By the way, the reforming reaction in the reforming
ここで、熱交換型改質器10では、改質流路18の熱交換流路58Aと燃焼流路20の熱交換流路64Aとでガス流れ方向が同じである並行流型熱交換器を構成しているため、換言すれば、改質反応において改質原料が供給されるガス入口50A側で生じる吸熱のピークと、燃焼反応において燃料が供給されるガス入口51A側で生じる発熱のピークとをガス流れ方向の同じ側に制御することができるため、改質流路18と燃焼流路20との間の熱交換効率が向上する。これにより、熱交換型改質器10では、燃焼流路20での発熱を有効に利用して効率的に改質による水素生成を行うことができる。
Here, in the heat
このように、第1の実施形態に係る熱交換型改質器10では、燃焼流路20と改質流路18との熱交換効率が良好である。
Thus, in the heat
またここで、熱交換型改質器10では、実質的に並行流型熱交換器を構成する熱交換流路58A、64Aの上流側に位置する改質ガスガイド流路58Bと混合ガスガイド流路64Bとが交差流熱交換部を構成しているため、この熱交換によって変動に対し安定した運転が可能になる(ロバスト性が向上する)。図6に実験例を示す。図6は、供給される混合ガスの温度が400℃で一定である場合の分割流路64のガス流れ方向各部温度分布を示す線図であって、実線は分割流路58に供給される改質原料の温度が600℃の場合、破線は分割流路58に供給される改質原料の温度が400℃の場合を示している。この図から、分割流路58への流入ガス温度が200℃変化しても、分割流路64の最高温度の上昇は30℃に抑えられることが判る。すなわち、熱交換型改質器10では、ガス入口温度に依存した反応場温度の急変を効果的に抑制することができる。
Further, here, in the heat
さらに、熱交換型改質器10では、改質ガスガイド流路58Bと混合ガスガイド流路64Bとが構成する交差流熱交換部に改質触媒22、酸化触媒24が担持されていないため、改質ガスガイド流路58B、混合ガスガイド流路64Bで改質反応、燃焼反応が生じることがない。このため、直交流型の熱交換型改質装置では問題となる吸発熱位置のアンバランスに起因する局所的な高温部位の発生が防止される。改質ガスガイド流路58B、混合ガスガイド流路64Bに改質触媒22、酸化触媒24を担持した構成では、各分割流路58(改質出口マニホルド68)から排出される改質ガスの温度が650℃に制御した場合の改質ガスガイド流路58Bの最高温度が略800℃であったのに対し、熱交換型改質器10では、同条件で改質ガスガイド流路58Bの最高温度が略180℃である実験結果が得られた。
Furthermore, in the heat
以上により、熱交換流路58Aと熱交換流路64Aとで構成する並行流熱交換部の上流に改質ガスガイド流路58B、混合ガスガイド流路64Bで構成する交差流熱交換部(擬似直交流部)を設けることで、改質流路18と燃焼流路20との理想的な反応場(熱バランス)を形成することができ、しかもシステムとしてのロバスト性を向上することが実現された。
As described above, the cross-flow heat exchange unit (pseudo-pseudo) configured by the reformed
また、触媒担持位置センサ74を用いて触媒担体75の設置範囲すなわち改質触媒22、酸化触媒24の担持範囲を制御するため、改質触媒22、酸化触媒24の上流側担持端22A、24Aを精度良く形成することができる。すなわち、多数の単位プレート部材50、51を積層した積層コア部65では、各分割流路58、64の内部を目視することができないが、触媒担持位置センサ74を用いることで、図7(A)に示される如く改質ガスガイド流路58B、混合ガスガイド流路64Bに触媒が担持されてしまったり、図7(B)に示される如く熱交換流路58A、64Aへの触媒担持量が不足したり、図7(C)に示される如く改質触媒22と酸化触媒24との担持範囲が大きく異なってしまうことが防止される。
Further, in order to control the installation range of the
また、熱交換型改質器10の積層コア部65では、実質的に並行流型熱交換器を構成する熱交換流路58A、64Aの上流側に位置する改質ガスガイド流路58Bと混合ガスガイド流路64Bとが交差流(擬似直交流)部を構成しているため、各層で開口面を一致させたガス入口50Aと各層で開口面を一致させたガス入口51Aとを、開口方向が異なる独立した開口部として構成することができた。これにより、上記の如く吸発熱のバランスが良好な並行流型でありながら、各層のガス入口50Aが開口する集合空間を形成する改質入口マニホルド66、各層のガス入口51Aが開口する集合空間を形成する燃焼入口マニホルド70を接続する構成が実現された。このため、各層のガス入口50A、51Aに個別に改質原料、混合ガス(燃料としてのアノードオフガス)を供給する構成と比較して、各分割流路58、64への流量分配の均一性を向上することができる。
In addition, the
特に、燃焼入口マニホルド70を設けることで、各分割流路64(燃焼流路20)に混合ガスを供給するガス混合器33をガス入口51Aの直前に配置することが可能となる。このようなガス混合器33を、単位プレート部材50、51から流れ方向変換部52C、出口ガイド壁56C、62Cを取り除いた如き単位プレートを交互に積層して構成されたマイクロチャンネル構造の下流に設けた混合空間として構成すれば、該ガス混合器33を燃焼入口マニホルド70(に連続する矩形断面配管)内に配設(構成)することが可能となる。
In particular, by providing the
さらに、熱交換型改質器10の積層コア部65では、実質的に並行流型熱交換器を構成する熱交換流路58A、64Aの下流側に位置する改質ガスガイド流路58Cと燃焼排ガスガイド流路64Cとが交差流(擬似直交流)部を構成しているため、ガス出口50B、51Bを開口方向が異なる独立した開口部として構成することができた。これにより、上記の如く吸発熱のバランスが良好な並行流型でありながら、各層のガス出口50Bが開口する集合空間を形成する改質出口マニホルド68、各層のガス出口51Bが開口する集合空間を形成する燃焼出口マニホルド72を接続する構成が実現された。このため、上記した改質入口マニホルド66、燃焼入口マニホルド70の設置効果をと併せて、各層のガス出口50B、51Bから個別に改質ガス、燃焼排ガスを排出する構成と比較して、各分割流路58、64への流量分配の均一性を一層向上することができる。
Further, in the
なお、上記各実施形態では、熱交換型改質器10が燃料電池システム11に適用された例を示したが、本発明はこれに限定されず、改質原料から水素含有ガスを得るための各種熱交換型改質器であれば足り、用途によって限定されることはない。
In each of the above embodiments, the example in which the heat
また、上記各実施形態では、改質流路18を形成するための単位プレート部材50と燃焼流路20を形成するための単位プレート部材51とを交互に積層して熱交換型改質器10、70、80、90を構成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、2層の改質流路18に対し1層の燃焼流路20が配置されるように単位プレート部材50、単位プレート部材51を積層しても良い。
Further, in each of the above embodiments, the
さらに、上記各実施形態では、略矩形状の並行流部52A(熱交換流路58A、64A)に対し略三角形状の流れ方向変換部52B、52C(ガスガイド流路58B、64B、58C、64C)が一体化された単位プレート部材50、51を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、各種形状の流れ方向変換部52B、52Cを設けることができる。また、これら流れ方向変換部52B等と共にガスガイド流路58B等を構成するガイド壁56B等は、直線形状ある構成には限定されず、例えば湾曲形状等としても良い。
Further, in each of the above-described embodiments, the flow
10 熱交換型改質器
18 改質流路(改質部)
20 燃焼流路(加熱部)
22 改質触媒
24 酸化触媒
50 単位プレート部材(改質部形成用プレート部材)
50A ガス入口(改質原料の供給口)
50B ガス出口(改質ガスの排出口)
51 単位プレート部材(加熱部形成用プレート部材)
51B ガス出口(燃料の供給口)
51A ガス入口(燃焼排ガスの排出口)
52 プレート部(平板部)
56 立壁
58 分割流路(改質部)
58A 熱交換流路(熱交換部)
58B 改質原料ガイド流路(改質原料ガイド部)
62 立壁
64 分割流路(加熱部)
64A 熱交換流路(熱交換部)
64B 混合ガスガイド流路(燃料ガイド部)
65 積層コア部
66 改質入口マニホルド(改質原料用マニホルド)
70 燃焼入口マニホルド(燃料用マニホルド)
10 Heat
20 Combustion flow path (heating part)
22 reforming
50A gas inlet (reforming raw material supply port)
50B Gas outlet (reformed gas outlet)
51 Unit plate member (Plate member for heating part formation)
51B Gas outlet (fuel supply port)
51A Gas inlet (exhaust port for combustion exhaust gas)
52 Plate part (flat plate part)
56 Standing wall 58 Divided flow path (reformer)
58A Heat exchange channel (Heat exchange part)
58B Reformed Raw Material Guide Channel (Reformed Raw Material Guide Section)
62
64A heat exchange flow path (heat exchange section)
64B Mixed gas guide channel (fuel guide part)
65
70 Combustion inlet manifold (fuel manifold)
Claims (6)
前記改質部のガス流と同じ方向のガス流を生じさせるように隔壁を介して前記改質部に隣接されると共に触媒燃焼用の酸化触媒が担持され、供給された燃料の触媒燃焼に伴って生じた熱を前記改質部に供給するための加熱部と、
一端側が前記改質原料の供給口とされると共に他端側が前記改質部における前記改質原料の流入側に連続した改質原料導入部と、
一端側が前記燃料の供給口とされると共に他端側が前記加熱部における前記燃料の流入側に連続し、前記改質原料導入部による改質原料の流れ方向とは異なる流れ方向で前記燃料を前記加熱部に導く燃料導入部と、
を備えた熱交換型改質器。 A reforming part for generating a reformed gas containing hydrogen from a reforming raw material supported by a reforming reaction including a steam reforming reaction, on which a reforming catalyst for reforming reaction is supported;
An oxidation catalyst for catalytic combustion is supported while adjoining the reforming section through a partition so as to generate a gas flow in the same direction as the gas flow of the reforming section, and accompanying the catalytic combustion of the supplied fuel A heating unit for supplying the generated heat to the reforming unit,
One end side is the reforming raw material supply port, and the other end side is a reforming raw material introduction section continuous to the reforming raw material inflow side in the reforming section,
One end side is the fuel supply port and the other end side is continuous with the fuel inflow side in the heating unit, and the fuel is supplied in a flow direction different from the flow direction of the reforming material by the reforming material introduction unit. A fuel introduction section that leads to the heating section;
A heat exchange type reformer equipped with
前記改質原料導入部は、前記改質部の各層に設けられて前記改質原料の供給口の開口面を一致させており、
燃料導入部は、前記加熱部の各層に設けられて前記燃料の供給口の開口面を一致させている請求項1又は請求項2記載の熱交換型改質器。 A plurality of the reforming unit and the heating unit are provided so that at least a part of the reforming unit and the heating unit are adjacent to each other.
The reforming material introduction section is provided in each layer of the reforming section, and the opening surface of the reforming material supply port is matched,
3. The heat exchange reformer according to claim 1, wherein the fuel introduction section is provided in each layer of the heating section so that the opening surfaces of the fuel supply ports coincide with each other.
平板状に形成された平板部に、他の平板部との間に前記加熱部を構成する熱交換部と、前記熱交換部に対する前記燃料の供給側において該燃料を前記改質部形成用プレート部材の所定方向と交差する方向に案内する立壁が立設され前記他の平板部との間に前記燃料導入部を構成する燃料ガイド部とが形成されている加熱部形成用プレート部材と、
を所定のパターンで積層することで構成されている積層コア部を含む請求項3記載の熱交換型改質器。 A flat plate portion formed in a flat plate shape and a heat exchanging portion constituting the reforming portion between the flat plate portion and the reforming raw material in a predetermined direction on the supply side of the reforming raw material with respect to the heat exchanging portion A reforming portion forming plate member in which a standing wall for guiding is formed and a reforming material guide portion constituting the reforming material introducing portion is formed between the other flat plate portion,
A heat exchange part constituting the heating part between the flat plate part formed in a flat plate shape and another flat plate part, and the fuel for reforming part formation on the fuel supply side with respect to the heat exchange part A heating part forming plate member in which a standing wall that guides in a direction crossing a predetermined direction of the member is erected and a fuel guide part that constitutes the fuel introduction part is formed between the other flat plate part;
The heat exchange type | mold reformer of Claim 3 containing the lamination | stacking core part comprised by laminating | stacking by a predetermined pattern.
前記複数の燃料導入部の燃料の供給口が開口する集合空間を形成し、該複数の燃料導入部に燃料を分散して供給するための燃料用マニホルドと、
をさらに備えた請求項3又は請求項4記載の熱交換型改質器。 A reforming material manifold for forming a collective space in which the reforming material supply ports of the plurality of reforming material introducing portions are opened, and for distributing and supplying the reforming materials to the plurality of reforming material introducing portions; ,
A fuel manifold for forming a collective space in which fuel supply ports of the plurality of fuel introduction portions are opened, and for distributing and supplying fuel to the plurality of fuel introduction portions;
The heat exchange reformer according to claim 3 or 4, further comprising:
一端側が前記加熱部の燃焼排ガスの排出口とされると共に他端側が前記加熱部における前記燃焼排ガスの排出側に連続し、前記改質ガス導出部による改質ガスの流れ方向とは異なる流れ方向で前記燃焼排ガスを前記燃焼排ガスの排出口に導く燃焼排ガス排出部と、
をさらに備えた請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の熱交換型改質器。 A reformed gas lead-out section having one end side as an outlet for the reformed gas and the other end side being continuous with the outflow side of the reformed gas in the reforming section;
One end side is a combustion exhaust gas discharge port of the heating unit and the other end side is continuous with the combustion exhaust gas discharge side of the heating unit, and the flow direction is different from the flow direction of the reformed gas by the reformed gas outlet unit A combustion exhaust gas discharge part for guiding the combustion exhaust gas to the exhaust port of the combustion exhaust gas,
The heat exchange type reformer according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
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