JP5315108B2

JP5315108B2 - 灯油用改質器

Info

Publication number: JP5315108B2
Application number: JP2009079153A
Authority: JP
Inventors: 暁山本
Original assignee: JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010228983A; WO2010110148A1

Description

本発明は、灯油を改質して水素を含む改質ガスを製造する改質器に関する。

近年、地球環境の保全を背景として、投入したエネルギーを熱と電気に変換できる燃料電池コジェネレーションシステムが開発されている。このシステムでは灯油等の炭化水素系燃料を改質装置により水蒸気改質し、製造した改質ガスを燃料電池に供給して電気を発生させる。また、発電に伴い発生する熱を有効に活用するため、このシステムは使用者の近傍に設置することが求められている。そのため、システムを小型化することで設置場所を小さくすることも重要な開発要素となっている。

一般に、燃料電池が固体酸化物型燃料電池の場合、改質装置は、改質熱を供給するための燃焼部を備え、また、炭化水素と水蒸気を水蒸気改質反応させる改質部を備えている。改質装置の熱効率の向上や小型化を図るために、改質部の各構成要素を一体化した一体型改質器が提案されており、例えば多重円筒構造改質器が開示されている（特許文献１）。

特開２００３−３００７０３号公報

従来の多重円筒構造改質器では、高温の燃焼部を形成する燃焼筒の外側に、吸熱反応を行う改質部を配置することで、燃焼部からの熱を改質部に吸熱させる、多重円筒構造を有していた。そのため、改質器の径が大きくなるという課題があった。

本発明の目的は、より小型化しうる多重円筒構造の燃料改質器を提供することである。

本発明により、次の灯油用改質器が提供される。ただし本発明は、特に、以下の１）から６）に記載される全ての特徴を有する灯油用改質器である。

１）灯油を改質して改質ガスを製造する改質器であって、
灯油を燃焼させる燃焼器；
燃焼器で発生する燃焼ガスを流通させる領域を形成する、円筒形状を有する燃焼筒；
燃焼筒の内部に燃焼筒と同軸に配された中空円筒状の改質触媒層；および、
燃焼ガスを流通させる領域と改質触媒層とを区画するための、改質触媒層の内周面の内側に配された円筒形状部を有する隔壁である第一の隔壁
を含む灯油用改質器。

２）前記改質触媒層の外周面と燃焼筒内周面との間に空隙を有し、
改質触媒層出口端と該空隙とが連通可能に改質触媒層と該空隙とを区画する、円筒形状を有する隔壁である第二の隔壁を有する
１）記載の灯油用改質器。

３）燃焼ガスの流れ方向について改質触媒層より下流側で燃焼筒と隣接して、燃焼ガスと水との熱交換によって水を気化させる熱交換構造を有する水蒸発器を備える
１）または２）記載の灯油用改質器。

４）前記水蒸発器が、円筒形状を有し、かつ燃焼筒と同軸に配され、
水蒸発器の外周面と第一の隔壁の円筒形状部の外周面とが同一の直径を有し、
水蒸発器の外周面に、水蒸発器から水蒸気を排出する孔である水蒸気排出孔を有し、
該水蒸気排出孔から改質触媒層に水蒸気を供給する流路である水蒸気流路を形成する、水蒸発器の外周面と燃焼筒とに接続された壁である水蒸気流路壁を有する
３）記載の灯油用改質器。

５）前記水蒸気流路内の、水蒸気排出孔と改質触媒層との間に、ガス分散板を有する
４）記載の灯油用改質器。

６）前記水蒸気流路内の、水蒸気の流れについて前記分散板より上流側に、灯油を気化させる、真鍮からなる灯油気化板を有する
５）記載の灯油用改質器。

本発明により、より小型化しうる多重円筒構造の燃料改質器が提供される。

本発明の灯油用改質器の一実施形態の基本構成を示す縦断面図である。

以下、図１を用いて、本発明の実施の一形態を説明する。図１に示した灯油改質器は、改質だけでなく水蒸発と灯油気化を行なうことができ、いわば、水蒸発器と灯油気化器が改質器にコンパクトに一体化されている。

灯油用改質器は、灯油を燃焼させる燃焼器１と、円筒形状を有する燃焼筒２を有する。燃焼筒は、燃焼器で発生する燃焼ガスを流通させる領域３を形成する。また灯油用改質器は、燃焼筒の内部に中空円筒状の改質触媒層４を有する。この改質触媒層は、燃焼筒と同軸に配置される。灯油用改質器は、燃焼ガスを流通させる領域と改質触媒層とを区画する隔壁（第一の隔壁という）５を有する。第一の隔壁は、改質触媒層の内周面（中空部の周面）の内側に配された円筒形状部５ａを有する。図１に示した形態では、第一の隔壁の円筒形状部以外の部分は、環状部５ｂとされる。このようにして多重円筒構造が形成される。

改質触媒層では吸熱が起こる。つまり改質触媒層では水蒸気改質を行なうか、水蒸気改質による吸熱が部分酸化による発熱を上回る自己熱改質を行なう。水蒸気改質もしくは自己熱改質によって水素を含む改質ガスが製造される。

改質触媒層に用いる触媒はこのような改質反応を促進することのできる公知の触媒から適宜選ぶことができる。例えば触媒の種類としてＮｉ系改質触媒やＲｕ系改質触媒などが用いられる。また、改質触媒の形状として粒状、円柱状、ハニカム状などが挙げられる。

円筒形状の燃焼器１が燃焼筒２の上部に備えられ、燃焼器の火炎を燃焼筒内部に向かって下向きに形成するように燃料を燃焼させる。図１においては、灯油用改質器はこのように配置されており、紙面上方は鉛直上方と一致する。また、この燃焼器は燃焼筒２と同軸上に備えられる。燃焼用燃料として灯油が燃焼器に供給される。燃焼用空気も適宜燃焼器に供給される。

燃焼器として例えば、内部に灯油気化器を有する、円筒形状の予混合燃焼形式の燃焼器を用いることができる。この灯油気化器は、灯油気化器に接するように備えられたヒータによって、或いは燃焼開始後は燃焼熱によって、燃焼用の灯油を気化させるよう構成される。さらに気化灯油と燃焼用空気との混合気体を形成した後、混合気体を燃焼面に供給することで燃焼を維持するよう構成される。この燃焼器は、面燃焼バーナであって、燃焼面が円状である。

改質触媒層から排出される改質ガスを改質触媒層の外側に流すことが好ましい。このために、好ましくは、灯油改質器が、改質触媒層の外周面と燃焼筒内周面との間に空隙（改質ガス流路）６を有し、改質触媒層と空隙６とを区画する隔壁（第二の隔壁という）１４を有する。第二の隔壁は、円筒形状を有する。第二の隔壁は、改質触媒層出口端と空隙６とが連通可能に、改質触媒層と空隙６とを区画する。図１に示した形態においては、第二の隔壁の下端は燃焼筒２の底面と接するが、第二の隔壁の上端は第一の隔壁とは接しておらず、第一の隔壁の環状部５ｂと、第二の隔壁および改質触媒層との間には空隙１３が形成される。このような構造によって改質触媒層出口端（上端）と空隙６とが連通可能とされる。なお、第一の隔壁と第二の隔壁との間に改質触媒が充填されて改質触媒層が形成される。

このような構造によって、改質触媒層で発生した改質ガスを、改質触媒層の外側に形成された改質ガス流路（空隙６）に流すことが可能となる。これにより、改質ガスの持つ顕熱を、第二の隔壁を介して改質触媒層に伝熱させることが可能となる。したがって、改質触媒層の内周側から燃焼ガスによって改質触媒層を加熱するとともに、改質触媒層の外周側から改質ガスによって改質触媒層を加熱することができ、吸熱反応である改質反応に必要な熱量を効率的に改質触媒層に与えることが可能となる。

好ましくは、灯油用改質器は、燃焼ガスの流れ方向について、改質触媒層より下流側で燃焼筒と隣接する位置に、水蒸発器８を備える。水蒸発器は、燃焼ガスと水との熱交換によって水を気化させる熱交換構造を有する。このような構造により、改質触媒層４に伝熱した燃焼ガスと水とを熱交換させることで、改質に必要な水蒸気を発生させることができる。この水蒸気を改質触媒層４に導入させることで、熱効率を高めることが可能となる。

また、水蒸発器は円筒形状を有することができ、水蒸発器を燃焼筒と同軸に配することができる。特には、水蒸発器８の外周面の直径と、第一の隔壁の円筒形状部５ａの外周面の直径とを、同一にすることができる。そして、水蒸発器の外周面に、水蒸発器から水蒸気を排出する孔である水蒸気排出孔１０を設けることができる。さらに、水蒸気排出孔から改質触媒層に水蒸気を供給する流路である水蒸気流路１１を形成することができる。このために、水蒸発器の外周面と燃焼筒とに接続された壁である水蒸気流路壁１２を設けることができる。

このような構造により、水蒸気を別配管で取り回すことなく改質触媒層に供給することが可能となる。これにより、構造の複雑化や、取り回しによる放熱を防ぐことが可能となる。

図１に示した形態では、より具体的には、水蒸発器はシェルアンドチューブ型の熱交換構造を有し、チューブ側が燃焼ガス流路とされ、シェル側で水が蒸発する。水蒸発器の上部に水蒸気排出孔１０が設けられる。水蒸気流路壁１２が、水蒸発器の外周面と燃焼筒とを接続する。水蒸気流路壁は、円筒状部１２ａと環状部１２ｂとを有する。円筒状部１２ａの内周面は、第二の隔壁の内周面と同一の直径を有する。水蒸気流路壁は燃焼筒と同軸に設けられる。

好ましくは、灯油用改質器は、水蒸気流路１１内の、水蒸気排出孔１０と改質触媒層との間にガス分散板７を有する。ガス分散板は複数枚用いることが好ましい。また、好ましくは、灯油用改質器は、水蒸気流路１１内の、水蒸気の流れについてガス分散板より上流側に、灯油（液体）を気化させる灯油気化板９を有する。

図示した形態では、分散板には、燃焼筒と同軸に複数の穴を有しており、複数の分散板のうち、水蒸気の流れについてより上流側の分散板においては、穴の数が増加する。

このような構造により、灯油気化板９において発生した灯油蒸気が、水蒸気に同伴され、水蒸気と灯油蒸気の混合気体となり、ガス分散板７により混合気体の混合が促進され、混合気体を改質触媒層４に、より均等に分配することが可能となる。

また、灯油気化板９の材質については、真鍮を用いることで熱伝導を高め、灯油蒸気の発生を安定的に行うことが可能となる。

図１に示した形態では、環状のガス分散板７を燃焼筒と同軸に配置している。灯油気化板は、水蒸気流路壁の環状部１２ｂが兼ねている。したがって、灯油気化板は環状であり、燃焼筒と同軸に配置されている。

なお、灯油改質器に供給する流体の入口や灯油気化器から排出される流体の出口は、適宜設けることができる。図中の矢印は、流体の流れ方向を示すものである。

本発明の利用形態として、内部改質型固体酸化物形燃料電池と上記灯油用改質器とを有する内部改質型固体酸化物形燃料電池システムを挙げることができる。内部改質型固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、ＳＯＦＣに供給する改質ガスを製造する改質器（内部改質器と呼ばれる）と、ＳＯＦＣおよび内部改質器を収容する筐体とを有する。上記灯油用改質器は内部改質器とは別個のものである。内部改質器は、ＳＯＦＣから輻射などによって受熱可能な位置に配される。灯油改質器は、ＳＯＦＣのアノードに改質ガスを供給可能となるように接続される。

上記のような内部改質型ＳＯＦＣシステムでは、ＳＯＦＣシステムの起動時に、内部改質器から改質ガスを発生させることが可能となる温度まで内部改質器が昇温するまでの間、ＳＯＦＣの酸化劣化を防止するために、灯油改質器から改質ガスをＳＯＦＣに供給することが可能となる。また、ＳＯＦＣシステムの停止時にも、内部改質器での改質ガス製造が困難となった後に、ＳＯＦＣの酸化劣化防止のために還元ガス供給が必要な温度（例えばＳＯＦＣ温度が２００〜７００℃程度の温度範囲）にＳＯＦＣがある場合においても、灯油改質器から改質ガスを供給することが可能となる。

本発明によれば、燃焼筒の内側に改質触媒を充填した改質部が形成されることから、改質器の径を抑制することが可能となる。これにより、改質器の小型化が可能となり、また、改質器の熱効率を向上させる目的で改質器周囲に配置される断熱材の搭載量を低減させることが可能となる。

さらに、第二の隔壁を設けて、第二の隔壁と燃焼筒の間に、改質触媒層から発生した改質ガスを流通させることで、改質ガスの持つ顕熱を第二の隔壁を介して改質触媒層に伝熱させることができ、改質器の熱効率を向上させることができる。

また、燃焼ガスの流れ方向から見て、改質触媒層と同等か、それより下流側に設置された水蒸発器を備え、改質触媒層に伝熱した燃焼ガスと水とを熱交換させることで、改質に必要な水蒸気を発生させ、この水蒸気を改質触媒層に導入させることで、熱効率を高めることが可能となる。

１燃焼器
２燃焼筒
３燃焼ガスが流通する領域
４改質触媒層
５第一の隔壁
５ａ第一の隔壁の円筒形状部
５ｂ第一の隔壁の環状部
６空隙（改質ガス流路）
７ガス分散板
８水蒸発器
９灯油気化板
１０水蒸気排出孔
１１水蒸気流路
１２水蒸気流路壁
１２ａ水蒸気流路壁の円筒状部
１２ｂ水蒸気流路壁の環状部
１３空隙
１４第二の隔壁

Claims

灯油を改質して改質ガスを製造する改質器であって、
灯油を燃焼させる燃焼器；
燃焼器で発生する燃焼ガスを流通させる領域を形成する、円筒形状を有する燃焼筒；
燃焼筒の内部に燃焼筒と同軸に配された中空円筒状の改質触媒層；および、
燃焼ガスを流通させる領域と改質触媒層とを区画するための、改質触媒層の内周面の内側に配された円筒形状部を有する隔壁である第一の隔壁
を含み、かつ、
前記改質触媒層の外周面と燃焼筒内周面との間に空隙を有し、
改質触媒層出口端と該空隙とが連通可能に改質触媒層と該空隙とを区画する、円筒形状を有する隔壁である第二の隔壁を有し、かつ、
燃焼ガスの流れ方向について改質触媒層より下流側で燃焼筒と隣接して、燃焼ガスと水との熱交換によって水を気化させる熱交換構造を有する水蒸発器を備え、かつ、
前記水蒸発器が、円筒形状を有し、かつ燃焼筒と同軸に配され、
水蒸発器の外周面と第一の隔壁の円筒形状部の外周面とが同一の直径を有し、
水蒸発器の外周面に、水蒸発器から水蒸気を排出する孔である水蒸気排出孔を有し、
該水蒸気排出孔から改質触媒層に水蒸気を供給する流路である水蒸気流路を形成する、水蒸発器の外周面と燃焼筒とに接続された壁である水蒸気流路壁を有し、かつ、
前記水蒸気流路内の、水蒸気排出孔と改質触媒層との間に、ガス分散板を有し、かつ、
前記水蒸気流路内の、水蒸気の流れについて前記分散板より上流側に、灯油を気化させる、真鍮からなる灯油気化板を有する
灯油用改質器。