JP4479117B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素（ＣＨ4 ，Ｃ3 Ｈ8 等）から水蒸気改質により水素を取り出す従来の燃料改質装置（特開平９−１５３３７２）は、図１５に示されるように火炎が形成される燃焼バーナＢの周りに配設された改質部Ｋと、該改質部Ｋからの改質ガスを原料ガスと熱交換する熱交換器Ｃとが、配管Ｐによって接続されており、前記熱交換器Ｃにおいて熱交換された前記原料ガスが前記改質部Ｋにおいて中心側領域において軸方向に流れてから外周側領域において軸方向に流れるように構成されているものであった。
【０００３】
また従来の水素含有ガス生成装置（特開２０００−１５９５０１）は、図１６に示されるように改質部Ｋを加熱した後の燃焼排ガスを用いて蒸気生成を行う方法が考えられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料改質装置は、リン酸型燃料電池においては電池本体から蒸気を取り出せるため、成立し得るが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた場合においては、電池本体の温度が低く、蒸気を取り出せないため、成立し得ないという問題があった。
【０００５】
また上記従来の燃料改質装置においては、前記改質部Ｋへの熱交換は効率良く行うことが出来るが、図１５に示されるように前記熱交換器Ｃが前記配管Ｐを介して前記改質部Ｋに接続されているため、熱損失が大きいという問題があった。
【０００６】
さらに上記従来の水素含有ガス生成装置は、前記改質部Ｋの被加熱面が平面形状であるため、燃焼排ガスは前記改質部Ｋを加熱すると同時に断面材で覆われた反対面から放熱してしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで本発明者は、火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において，前記改質部の排出口を前記熱交換器の高温側に直結して、前記改質部からの改質ガスを前記熱交換器に直接排出するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、固体高分子型燃料電池において成立する改質装置を提供するとともに、従来における熱損失を解消し、放熱を防止するという目的を達成する本発明に到達した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料改質装置は、
火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において，
前記改質部の排出口を前記熱交換器の高温側に直結した
ものである。
【０００９】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料改質装置は、
前記第１発明において、
前記改質部が、円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナ１の周りに同心円状に配設され、熱交換された前記原料ガスが前記改質部の外周側領域において軸方向に流れてから前記改質部の中心側領域において軸方向に流れるように構成されている
ものである。
【００１０】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃料改質装置は、
前記第２発明において、
前記改質部を加熱した後の燃焼排気ガスによって蒸気生成を行うための蒸発器３が、前記改質部の外側に配置されている
ものである。
【００１１】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃料改質装置は、
前記第３発明において、
前記熱交換器が、対向流型のプレートフィンタイプのステンレスその他の金属製の熱交換器によって構成され、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが熱交換され、
該熱交換器において前記改質ガスによって熱交換された前記水蒸気および原料ガスが、前記改質部に供給されるように構成されている
ものである。
【００１２】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の燃料改質装置は、
前記第４発明において、
前記熱交換器は、内部にフィンを備えたチューブ群と、チューブ群の間に挟着された複数のフィンとから成り、前記チューブの内部を改質ガスが流れるとともに、前記チューブの周囲を水蒸気および原料ガスが流れるように構成されているものである。
【００１３】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の燃料改質装置は、
前記第３発明において、
配管が、前記改質部の周りにスパイラル状に配設され、前記蒸発器に導入される水が、前記配管を経由するように構成されている
ものである。
【００１４】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の燃料改質装置は、火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において、前記改質部の排出口が前記熱交換器の高温側に直結されているので、前記熱交換器と前記改質部とがほぼ一体となるため、前記改質部から前記熱交換器に至る過程における熱損失を小さくすることが可能であるという効果を奏する。
【００１５】
上記構成より成る第２発明の燃料改質装置は、前記第１発明において、前記改質部が、円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナの周りに同心円状に配設され、熱交換された前記原料ガスが前記燃焼バーナの周りの前記改質部の外周側領域において軸方向に流れてから前記改質部の中心側領域において軸方向に流れるので、前記燃焼バーナの燃焼熱が効率良く前記改質部に熱として伝達されるという効果を奏する。
【００１６】
上記構成より成る第３発明の燃料改質装置は、前記第２発明において、前記改質部を加熱した後の燃焼排気ガスによって蒸気生成を行うための蒸発器が、前記改質部の外側に配置されているので、バーナ部の燃焼熱は効率良く改質部に熱を伝えた後に蒸発部において蒸気生成を行うことが出来るため、高い効率で改質を行うことが出来る。
【００１７】
上記構成より成る第４発明の燃料改質装置は、前記第３発明において、前記熱交換器を構成する対向流型のプレートフィンタイプのステンレスその他の金属製の前記熱交換器によって、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが熱交換されるので、単位体積あたりの伝熱面積を大きくとれるとともに、温度効率の高い対向流を利用するものであるため、前記水蒸気および原料ガスと改質ガスとが有効に熱交換されるという効果を奏する。また、該熱交換器において前記改質ガスによって熱交換された前記水蒸気および原料ガスが、前記改質部に供給されるので、高い効率で改質を行うことが出来るという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成るに記載の第５発明の燃料改質装置は、前記第４発明において、前記熱交換器が、内部にフィンを備えたチューブ群と、チューブ群の間に挟着された複数のフィンとから成り、前記チューブの内部を改質ガスが流れるとともに、前記チューブの周囲を水蒸気および原料ガスが流れるため、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが有効に熱交換されるという効果を奏する。
【００１９】
上記構成より成る第６発明の燃料改質装置は、前記第３発明において、前記配管が、前記改質部の周りにスパイラル状に配設され、前記蒸発器に導入される水が、前記配管を経由するので、前記改質部からの放熱を回収することで更に効率向上を計ることが出来るという効果を奏する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
本第１実施形態の燃料改質装置は、図１ないし図１０に示されるように火炎が形成される燃焼バーナ１の周りに改質部２が配設され、該改質部２からの改質ガスを熱交換器４により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において、前記改質部２の排出口２２を前記熱交換器４の高温側に直結したものである。
【００２２】
本第１実施形態の燃料改質装置は、図１に示されるように火炎が形成される燃焼バーナ１と、ルテニウム触媒より成り前記排出口よりを前記熱交換器の高温側に直接的に改質ガスを供給する改質部２と、燃焼排気ガスによって水を蒸発させ水蒸気を前記熱交換器に供給する蒸発部３と、前記改質部２からの改質ガスを熱交換器４により原料ガスおよび水蒸気と熱交換する前記熱交換器４と、熱交換した前記改質ガスが供給されるを銅・亜鉛系触媒より成るＣＯシフト部５とから成る。
【００２３】
本第１実施形態の燃料改質器において、円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナ１の周りに同心円状に環状の前記改質部２を構成し、改質部を出たガスが配管を経由することなく熱交換器に導入される様、熱交換器の高温側と改質部出口を直結構造とした。
【００２４】
前記改質部２を加熱後の燃焼排気ガスによって、蒸気生成を行うための前記蒸発器３が、前記改質部２の外部に配置される。
【００２５】
前記熱交換器４は、プレートフィンが単位体積あたりの伝熱面積を大きくとれることと、改質ガス温度を６５０℃程度から２００℃付近まで下げる必要があり温度効率が高いという観点より、対向流型のプレートフィン熱交換器を用いる。
【００２６】
前記熱交換器４は、ステンレスで構成された、内部にフィン８１を持つ断面が長方形のチューブ（図１０（Ａ））もしくは楕円形のチューブ（図１０（Ｂ））等の前記改質器２からの改質ガスを通過させるチューブ群８と、改質原料である都市ガス１３Ａおよび水蒸気を通過させるチューブ群の間に挟まれたフィン９から構成される。
【００２７】
前記熱交換器４においては、対向流プレートフィン型熱交換器を構成するコア部分は熱交換器チューブ８と、熱交換器フィン９とから構成される。前記熱交換器フィン９は、熱交換効率の観点より流れの方向において隣合う列の一定長さのフィンがオフセットして配設されている図１４に示されるオフセットフィンを採用した。
【００２８】
熱交換器チューブ８の形状としては、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように矩形断面の物と楕円断面の物が考えられる。矩形断面の場合、折り曲げ等の加工から比較的容易にチューブを構成可能であると同時に、平面部が多い為に、後述のフィンとの接合を良好に行うことができる。一方で楕円断面のチューブを用いる場合、角部が無いので、熱交換器を構成する他の部品（バッフルプレート、フランジなど）との接合性が良くなると同時に、応力集中部が無い為、矩形断面に比べて耐久上有利であると考えられる。本実施形態においてはガス圧力が低いことから、強度上有利な楕円断面形状よりも、フィンとの接合性および加工性において有利である矩形断面のチューブを採用した。
【００２９】
改質ガスと水蒸気および原料ガスは、図２ないし図９に示される回路を流れることで熱交換を行う。すなわち前記改質器からの改質ガスはチューブ８の内部を通過し、改質原料である都市ガス１３Ａおよび水蒸気は、隣合うチューブ８の間に介挿されたフィン９の間を通過させるように構成される。
【００３０】
また、チューブ群８の外側壁と熱交換器４の内壁との間はステンレス製のウール材１１が挿入されており、改質ガスがチューブ周辺を流れるように制限すると同時に、熱交換器４の外部との断熱を行っている。
【００３１】
上記構成より成る本第１実施形態の燃料改質装置の動作について説明する。
改質原料となる都市ガスである１３Ａ（主成分メタン）は、前記蒸発部３で生成される蒸気と混合し、前記熱交換器４で約５００℃前後まで予熱された後に前記改質部２に導入され、前記燃焼バーナ１によって加熱されながら、主に改質反応である以下の化１の反応と副反応である以下の化２の反応を引き起こす。
【化１】
【化２】
このとき改質ガスの出口温度が、６５０℃前後となるように前記燃焼バーナ１の燃焼量が調整される。前記改質部２を出たガスは前記熱交換器４によって原料ガスと熱交換を行い、２００〜２５０℃程度まで冷却された後に前記シフト部においてシフト反応である上述の化２と同様の反応を引き起こす。このＣＯシフト後で、ＣＯ濃度は１％以下まで低減される。
【００３２】
上記作用の本第１実施形態の燃料改質装置は、火炎が形成される前記燃焼バーナ１の周りに前記改質部２が配設され、該改質部２からの改質ガスを前記熱交換器４により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において、前記改質部２の排出口が前記熱交換器４の高温側に直結されているので、前記熱交換器４と前記改質部２とがほぼ一体となるため、前記改質部２から前記熱交換器４に至る過程における熱損失を小さくすることが可能であるという効果を奏する。
【００３３】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記改質部２が、図１に示されるように円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナ１の周りに同心円状に配設され、熱交換された前記原料ガスが前記燃焼バーナ１の周りの前記改質部２の外周側領域において軸方向に流れてから前記改質部２の中心側領域において軸方向に流れるので、前記燃焼バーナ１の燃焼熱が効率良く前記改質部２に熱として伝達されるという効果を奏する。
【００３４】
すなわち前記改質部２が前記燃焼バーナ１の周りに配置されているので、バーナ部の燃焼熱は効率良く改質部に熱を伝えることが出来るため、高い効率で改質を行うことが出来る。
【００３５】
さらに本第１実施形態の燃料改質装置は、前記改質部２を加熱した後の燃焼排気ガスによって蒸気生成を行うための前記蒸発器３が、前記改質部２の外側に配置されているので、前記バーナ部１の燃焼熱は効率良く前記改質部２に熱を伝えた後に前記蒸発部３において蒸気生成を行うことが出来るため、高い効率で改質を行うことが出来る。
【００３６】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記熱交換器４を構成する対向流型のプレートフィンタイプのステンレスその他の金属製の熱交換器によって、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが熱交換されるので、単位体積あたりの伝熱面積を大きくとれるとともに、温度効率の高い対向流を利用するものであるため、前記水蒸気および原料ガスと改質ガスとが有効に熱交換されるという効果を奏する。
【００３７】
すなわち本第１実施形態においては、前記熱交換器４としてプレートフィンを用いたので、他の形式の熱交換器に比べて単位体積あたりの伝熱面積を大きくとることが出来る。
【００３８】
また本第１実施形態においては、前記熱交換器４を対向流タイプにしたので、前記シフト部５の触媒（銅・亜鉛系）の使用温度は２００〜２５０℃であるため、改質ガス温度を６５０℃程度から２００℃付近まで下げる必要があり、一方で、熱交換媒体となる蒸気と改質原料の温度は１２０〜１７０℃であるから、２００℃近傍まで下げるためには温度効率の高い対向流を採用するほうが望ましいのである。
【００３９】
さらに本第１実施形態の燃料改質装置は、前記熱交換器４において前記改質ガスによって有効に熱交換された前記水蒸気および原料ガスが、前記改質部２に供給されるので、高い効率で改質を行うことが出来るという効果を奏する。
【００４０】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記熱交換器４が、内部にフィン８１を備えたチューブ群８と、チューブ群８の間に挟着された複数のフィン９とから成り、前記チューブ８の内部を改質ガスが流れるとともに、前記チューブの周囲を水蒸気および原料ガスが流れるため、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが有効に熱交換されるという効果を奏する。
【００４１】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記熱交換器４が、その外側壁をステンレスその他の金属製のウール材によって囲われているので、前記改質ガスが前記チューブの周辺を流れるように制限すると同時に、外部との断熱を可能にするという効果を奏する。
【００４２】
（第２実施形態）
本第２実施形態の燃料改質装置は、図１１に示されるように蒸発器３に導入される水は、改質部２の周りにスパイラル状に配設された配管３１を経由する点が前記第１実施形態との主たる相違点であり、同一部分には同一符号を用いて説明を省略し、以下相違点を中心に説明する。
【００４３】
天然ガスを利用したＰＥＦＣ型の燃料電池７においては、電極のＣＯ被毒が発生するために、燃料電池７（ＰＥＣＦ）に導入される燃料ガス中のＣＯ濃度は１０ｐｐｍ以下に下げる必要がある。そこで、シフト後にルテニウム触媒で構成されたＣＯ選択酸化部６を設け、酸化空気と改質ガスの酸化反応である以下の化３の反応によりＣＯを１０ｐｐｍ以下まで低減する。
【化３】
【００４４】
前記燃料電池７に導入された水素ガスのうち、実際に消費される水素ガスは最大でも９０〜９５％であるため、燃料電池７から排出されるガス中には水素ガスが残留している。この残留ガスすなわち前記燃料電池７のアノード極オフガスは前記改質器２の内部に配設された前記燃焼バーナ１の燃料の一部として使用する。
【００４５】
一方前記蒸発器３に導入される水は、コの字状の縦断面形状の前記改質部２の筒状部を包囲するように形成され、前記燃焼バーナ１から排出された燃焼排気ガスが中心側領域において軸方向図１１中下方に流れ外周側領域において軸方向図１１中上方に流れる通路を構成する筒状部材２０の外筒２１の周りにスパイラル状に配設された前記スパイラル状の配管３１を経由して加熱された後、前記蒸発器３に導入されるように構成されている。
【００４６】
本第２実施形態の燃料改質装置は、前記改質部２の周りにスパイラル状に配設された前記配管３１を経由することにより、前記改質部からの放熱を回収することで更に効率向上を計ることが出来るという効果を奏する。
【００４７】
本第２実施形態における構成を用いた場合の、燃焼量に対する前記改質部２における吸熱量と前記蒸発部３における吸熱量を図１２に示す。設計値１において、約５０％を前記改質部２に与えた後に前記蒸発部３に約２５％の熱量を与えており、効率良く燃焼熱量を利用できていることが分かる。また前記熱交換器４の熱交換効率は７５〜８０％と高い効率が得られている。
【００４８】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００４９】
本発明は、上述の第１実施形態の燃料改質装置における前記チューブ８の内部に配設された前記フィン８１に、高温シフト触媒を担持させるように変形することが可能であり、そうすることによりシフト反応を速やかに進行させることが可能であり、熱交換部下流に設置された前記低温シフト部５の負荷容量を減らすことが可能である。
【００５０】
熱交換器に用いるフィン形状については、図１３に示すような矩形断面、三角形の鋸歯状断面、円弧状断面その他の様々な流路断面を持つストレートフィンの他に、機械学会編・伝熱工学資料にみられるような隣合う列のフィンがオフセットして配設されているオフセットフィンや、コルゲートその他のルーバードフィンや、ウェービーフィンを用いる事が可能である。
【００５１】
ストレートフィンは製作が比較的容易であるが、流路断面間のガス往来が無いため、熱交換器内部での温度の均一化やガス組成の均一化が期待できない。ウェービーフィンも同様にガス混合の面で不利である。オフセットフィンやルーバーフィンは製作が困難であるが、ガス混合が期待できる。本実施形態ではこれらのフィン中から、チューブ内部でのガス混合の促進、乱流効果による伝熱促進が期待できる上、フィン部に平面が確保されているために矩形断面チューブとの良好な接合が期待できる図１４に示されるオフセットフィンを採用したのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料改質装置を示すブロック図である。
【図２】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器における各ガスの流れを示す斜視図である。
【図３】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器における外側フィン部の断面を説明するための説明図である。
【図４】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器におけるチューブの断面を説明するための説明図である。
【図５】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器内の構造を示す斜視図である。
【図６】本第１実施形態の燃料改質装置のバーナ、改質器および熱交換器内の構造を示す斜視図である。
【図７】本第１実施形態の燃料改質装置における改質ガスの流れを示すブロック図である。
【図８】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器における図７中Ａ−Ａ線に沿う断面図である。
【図９】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器における図７中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図１０】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器におけるチューブの断面形状を説明するための説明図である。
【図１１】本発明の第２実施形態の燃料改質装置を示すブロック図である。
【図１２】本第２実施形態の燃料改質装置における熱フローを示す線図である。
【図１３】本発明の実施形態において採用することが出来るストレートフィンの例を示す説明図である。
【図１４】本発明の第１実施形態において採用したオフセットフィンの例を示す部分斜視図である。
【図１５】従来の燃料改質装置を示すブロック図である。
【図１６】従来の水素含有ガス生成装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼バーナ
２ 改質部
４ 熱交換器
２２ 排出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素（ＣＨ4 ，Ｃ3 Ｈ8 等）から水蒸気改質により水素を取り出す従来の燃料改質装置（特開平９−１５３３７２）は、図１５に示されるように火炎が形成される燃焼バーナＢの周りに配設された改質部Ｋと、該改質部Ｋからの改質ガスを原料ガスと熱交換する熱交換器Ｃとが、配管Ｐによって接続されており、前記熱交換器Ｃにおいて熱交換された前記原料ガスが前記改質部Ｋにおいて中心側領域において軸方向に流れてから外周側領域において軸方向に流れるように構成されているものであった。
【０００３】
また従来の水素含有ガス生成装置（特開２０００−１５９５０１）は、図１６に示されるように改質部Ｋを加熱した後の燃焼排ガスを用いて蒸気生成を行う方法が考えられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料改質装置は、リン酸型燃料電池においては電池本体から蒸気を取り出せるため、成立し得るが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた場合においては、電池本体の温度が低く、蒸気を取り出せないため、成立し得ないという問題があった。
【０００５】
また上記従来の燃料改質装置においては、前記改質部Ｋへの熱交換は効率良く行うことが出来るが、図１５に示されるように前記熱交換器Ｃが前記配管Ｐを介して前記改質部Ｋに接続されているため、熱損失が大きいという問題があった。
【０００６】
さらに上記従来の水素含有ガス生成装置は、前記改質部Ｋの被加熱面が平面形状であるため、燃焼排ガスは前記改質部Ｋを加熱すると同時に断面材で覆われた反対面から放熱してしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで本発明者は、火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において，前記改質部の排出口を前記熱交換器の高温側に直結して、前記改質部からの改質ガスを前記熱交換器に直接排出するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、固体高分子型燃料電池において成立する改質装置を提供するとともに、従来における熱損失を解消し、放熱を防止するという目的を達成する本発明に到達した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料改質装置は、
火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において，
前記改質部の排出口を前記熱交換器の高温側に直結した
ものである。
【０００９】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料改質装置は、
前記第１発明において、
前記改質部が、円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナ１の周りに同心円状に配設され、熱交換された前記原料ガスが前記改質部の外周側領域において軸方向に流れてから前記改質部の中心側領域において軸方向に流れるように構成されている
ものである。
【００１０】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃料改質装置は、
前記第２発明において、
前記改質部を加熱した後の燃焼排気ガスによって蒸気生成を行うための蒸発器３が、前記改質部の外側に配置されている
ものである。
【００１１】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃料改質装置は、
前記第３発明において、
前記熱交換器が、対向流型のプレートフィンタイプのステンレスその他の金属製の熱交換器によって構成され、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが熱交換され、
該熱交換器において前記改質ガスによって熱交換された前記水蒸気および原料ガスが、前記改質部に供給されるように構成されている
ものである。
【００１２】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の燃料改質装置は、
前記第４発明において、
前記熱交換器は、内部にフィンを備えたチューブ群と、チューブ群の間に挟着された複数のフィンとから成り、前記チューブの内部を改質ガスが流れるとともに、前記チューブの周囲を水蒸気および原料ガスが流れるように構成されているものである。
【００１３】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の燃料改質装置は、
前記第３発明において、
配管が、前記改質部の周りにスパイラル状に配設され、前記蒸発器に導入される水が、前記配管を経由するように構成されている
ものである。
【００１４】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の燃料改質装置は、火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において、前記改質部の排出口が前記熱交換器の高温側に直結されているので、前記熱交換器と前記改質部とがほぼ一体となるため、前記改質部から前記熱交換器に至る過程における熱損失を小さくすることが可能であるという効果を奏する。
【００１５】
上記構成より成る第２発明の燃料改質装置は、前記第１発明において、前記改質部が、円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナの周りに同心円状に配設され、熱交換された前記原料ガスが前記燃焼バーナの周りの前記改質部の外周側領域において軸方向に流れてから前記改質部の中心側領域において軸方向に流れるので、前記燃焼バーナの燃焼熱が効率良く前記改質部に熱として伝達されるという効果を奏する。
【００１６】
上記構成より成る第３発明の燃料改質装置は、前記第２発明において、前記改質部を加熱した後の燃焼排気ガスによって蒸気生成を行うための蒸発器が、前記改質部の外側に配置されているので、バーナ部の燃焼熱は効率良く改質部に熱を伝えた後に蒸発部において蒸気生成を行うことが出来るため、高い効率で改質を行うことが出来る。
【００１７】
上記構成より成る第４発明の燃料改質装置は、前記第３発明において、前記熱交換器を構成する対向流型のプレートフィンタイプのステンレスその他の金属製の前記熱交換器によって、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが熱交換されるので、単位体積あたりの伝熱面積を大きくとれるとともに、温度効率の高い対向流を利用するものであるため、前記水蒸気および原料ガスと改質ガスとが有効に熱交換されるという効果を奏する。また、該熱交換器において前記改質ガスによって熱交換された前記水蒸気および原料ガスが、前記改質部に供給されるので、高い効率で改質を行うことが出来るという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成るに記載の第５発明の燃料改質装置は、前記第４発明において、前記熱交換器が、内部にフィンを備えたチューブ群と、チューブ群の間に挟着された複数のフィンとから成り、前記チューブの内部を改質ガスが流れるとともに、前記チューブの周囲を水蒸気および原料ガスが流れるため、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが有効に熱交換されるという効果を奏する。
【００１９】
上記構成より成る第６発明の燃料改質装置は、前記第３発明において、前記配管が、前記改質部の周りにスパイラル状に配設され、前記蒸発器に導入される水が、前記配管を経由するので、前記改質部からの放熱を回収することで更に効率向上を計ることが出来るという効果を奏する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
本第１実施形態の燃料改質装置は、図１ないし図１０に示されるように火炎が形成される燃焼バーナ１の周りに改質部２が配設され、該改質部２からの改質ガスを熱交換器４により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において、前記改質部２の排出口２２を前記熱交換器４の高温側に直結したものである。
【００２２】
本第１実施形態の燃料改質装置は、図１に示されるように火炎が形成される燃焼バーナ１と、ルテニウム触媒より成り前記排出口よりを前記熱交換器の高温側に直接的に改質ガスを供給する改質部２と、燃焼排気ガスによって水を蒸発させ水蒸気を前記熱交換器に供給する蒸発部３と、前記改質部２からの改質ガスを熱交換器４により原料ガスおよび水蒸気と熱交換する前記熱交換器４と、熱交換した前記改質ガスが供給されるを銅・亜鉛系触媒より成るＣＯシフト部５とから成る。
【００２３】
本第１実施形態の燃料改質器において、円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナ１の周りに同心円状に環状の前記改質部２を構成し、改質部を出たガスが配管を経由することなく熱交換器に導入される様、熱交換器の高温側と改質部出口を直結構造とした。
【００２４】
前記改質部２を加熱後の燃焼排気ガスによって、蒸気生成を行うための前記蒸発器３が、前記改質部２の外部に配置される。
【００２５】
前記熱交換器４は、プレートフィンが単位体積あたりの伝熱面積を大きくとれることと、改質ガス温度を６５０℃程度から２００℃付近まで下げる必要があり温度効率が高いという観点より、対向流型のプレートフィン熱交換器を用いる。
【００２６】
前記熱交換器４は、ステンレスで構成された、内部にフィン８１を持つ断面が長方形のチューブ（図１０（Ａ））もしくは楕円形のチューブ（図１０（Ｂ））等の前記改質器２からの改質ガスを通過させるチューブ群８と、改質原料である都市ガス１３Ａおよび水蒸気を通過させるチューブ群の間に挟まれたフィン９から構成される。
【００２７】
前記熱交換器４においては、対向流プレートフィン型熱交換器を構成するコア部分は熱交換器チューブ８と、熱交換器フィン９とから構成される。前記熱交換器フィン９は、熱交換効率の観点より流れの方向において隣合う列の一定長さのフィンがオフセットして配設されている図１４に示されるオフセットフィンを採用した。
【００２８】
熱交換器チューブ８の形状としては、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように矩形断面の物と楕円断面の物が考えられる。矩形断面の場合、折り曲げ等の加工から比較的容易にチューブを構成可能であると同時に、平面部が多い為に、後述のフィンとの接合を良好に行うことができる。一方で楕円断面のチューブを用いる場合、角部が無いので、熱交換器を構成する他の部品（バッフルプレート、フランジなど）との接合性が良くなると同時に、応力集中部が無い為、矩形断面に比べて耐久上有利であると考えられる。本実施形態においてはガス圧力が低いことから、強度上有利な楕円断面形状よりも、フィンとの接合性および加工性において有利である矩形断面のチューブを採用した。
【００２９】
改質ガスと水蒸気および原料ガスは、図２ないし図９に示される回路を流れることで熱交換を行う。すなわち前記改質器からの改質ガスはチューブ８の内部を通過し、改質原料である都市ガス１３Ａおよび水蒸気は、隣合うチューブ８の間に介挿されたフィン９の間を通過させるように構成される。
【００３０】
また、チューブ群８の外側壁と熱交換器４の内壁との間はステンレス製のウール材１１が挿入されており、改質ガスがチューブ周辺を流れるように制限すると同時に、熱交換器４の外部との断熱を行っている。
【００３１】
上記構成より成る本第１実施形態の燃料改質装置の動作について説明する。
改質原料となる都市ガスである１３Ａ（主成分メタン）は、前記蒸発部３で生成される蒸気と混合し、前記熱交換器４で約５００℃前後まで予熱された後に前記改質部２に導入され、前記燃焼バーナ１によって加熱されながら、主に改質反応である以下の化１の反応と副反応である以下の化２の反応を引き起こす。
【化１】
【００３２】
上記作用の本第１実施形態の燃料改質装置は、火炎が形成される前記燃焼バーナ１の周りに前記改質部２が配設され、該改質部２からの改質ガスを前記熱交換器４により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において、前記改質部２の排出口が前記熱交換器４の高温側に直結されているので、前記熱交換器４と前記改質部２とがほぼ一体となるため、前記改質部２から前記熱交換器４に至る過程における熱損失を小さくすることが可能であるという効果を奏する。
【００３３】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記改質部２が、図１に示されるように円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナ１の周りに同心円状に配設され、熱交換された前記原料ガスが前記燃焼バーナ１の周りの前記改質部２の外周側領域において軸方向に流れてから前記改質部２の中心側領域において軸方向に流れるので、前記燃焼バーナ１の燃焼熱が効率良く前記改質部２に熱として伝達されるという効果を奏する。
【００３４】
すなわち前記改質部２が前記燃焼バーナ１の周りに配置されているので、バーナ部の燃焼熱は効率良く改質部に熱を伝えることが出来るため、高い効率で改質を行うことが出来る。
【００３５】
さらに本第１実施形態の燃料改質装置は、前記改質部２を加熱した後の燃焼排気ガスによって蒸気生成を行うための前記蒸発器３が、前記改質部２の外側に配置されているので、前記バーナ部１の燃焼熱は効率良く前記改質部２に熱を伝えた後に前記蒸発部３において蒸気生成を行うことが出来るため、高い効率で改質を行うことが出来る。
【００３６】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記熱交換器４を構成する対向流型のプレートフィンタイプのステンレスその他の金属製の熱交換器によって、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが熱交換されるので、単位体積あたりの伝熱面積を大きくとれるとともに、温度効率の高い対向流を利用するものであるため、前記水蒸気および原料ガスと改質ガスとが有効に熱交換されるという効果を奏する。
【００３７】
すなわち本第１実施形態においては、前記熱交換器４としてプレートフィンを用いたので、他の形式の熱交換器に比べて単位体積あたりの伝熱面積を大きくとることが出来る。
【００３８】
また本第１実施形態においては、前記熱交換器４を対向流タイプにしたので、前記シフト部５の触媒（銅・亜鉛系）の使用温度は２００〜２５０℃であるため、改質ガス温度を６５０℃程度から２００℃付近まで下げる必要があり、一方で、熱交換媒体となる蒸気と改質原料の温度は１２０〜１７０℃であるから、２００℃近傍まで下げるためには温度効率の高い対向流を採用するほうが望ましいのである。
【００３９】
さらに本第１実施形態の燃料改質装置は、前記熱交換器４において前記改質ガスによって有効に熱交換された前記水蒸気および原料ガスが、前記改質部２に供給されるので、高い効率で改質を行うことが出来るという効果を奏する。
【００４０】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記熱交換器４が、内部にフィン８１を備えたチューブ群８と、チューブ群８の間に挟着された複数のフィン９とから成り、前記チューブ８の内部を改質ガスが流れるとともに、前記チューブの周囲を水蒸気および原料ガスが流れるため、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが有効に熱交換されるという効果を奏する。
【００４１】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記熱交換器４が、その外側壁をステンレスその他の金属製のウール材によって囲われているので、前記改質ガスが前記チューブの周辺を流れるように制限すると同時に、外部との断熱を可能にするという効果を奏する。
【００４２】
（第２実施形態）
本第２実施形態の燃料改質装置は、図１１に示されるように蒸発器３に導入される水は、改質部２の周りにスパイラル状に配設された配管３１を経由する点が前記第１実施形態との主たる相違点であり、同一部分には同一符号を用いて説明を省略し、以下相違点を中心に説明する。
【００４３】
天然ガスを利用したＰＥＦＣ型の燃料電池７においては、電極のＣＯ被毒が発生するために、燃料電池７（ＰＥＣＦ）に導入される燃料ガス中のＣＯ濃度は１０ｐｐｍ以下に下げる必要がある。そこで、シフト後にルテニウム触媒で構成されたＣＯ選択酸化部６を設け、酸化空気と改質ガスの酸化反応である以下の化３の反応によりＣＯを１０ｐｐｍ以下まで低減する。
【化３】
前記燃料電池７に導入された水素ガスのうち、実際に消費される水素ガスは最大でも９０〜９５％であるため、燃料電池７から排出されるガス中には水素ガスが残留している。この残留ガスすなわち前記燃料電池７のアノード極オフガスは前記改質器２の内部に配設された前記燃焼バーナ１の燃料の一部として使用する。
【００４５】
一方前記蒸発器３に導入される水は、コの字状の縦断面形状の前記改質部２の筒状部を包囲するように形成され、前記燃焼バーナ１から排出された燃焼排気ガスが中心側領域において軸方向図１１中下方に流れ外周側領域において軸方向図１１中上方に流れる通路を構成する筒状部材２０の外筒２１の周りにスパイラル状に配設された前記スパイラル状の配管３１を経由して加熱された後、前記蒸発器３に導入されるように構成されている。
【００４６】
本第２実施形態の燃料改質装置は、前記改質部２の周りにスパイラル状に配設された前記配管３１を経由することにより、前記改質部からの放熱を回収することで更に効率向上を計ることが出来るという効果を奏する。
【００４７】
本第２実施形態における構成を用いた場合の、燃焼量に対する前記改質部２における吸熱量と前記蒸発部３における吸熱量を図１２に示す。設計値１において、約５０％を前記改質部２に与えた後に前記蒸発部３に約２５％の熱量を与えており、効率良く燃焼熱量を利用できていることが分かる。また前記熱交換器４の熱交換効率は７５〜８０％と高い効率が得られている。
【００４８】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００４９】
本発明は、上述の第１実施形態の燃料改質装置における前記チューブ８の内部に配設された前記フィン８１に、高温シフト触媒を担持させるように変形することが可能であり、そうすることによりシフト反応を速やかに進行させることが可能であり、熱交換部下流に設置された前記低温シフト部５の負荷容量を減らすことが可能である。
【００５０】
熱交換器に用いるフィン形状については、図１３に示すような矩形断面、三角形の鋸歯状断面、円弧状断面その他の様々な流路断面を持つストレートフィンの他に、機械学会編・伝熱工学資料にみられるような隣合う列のフィンがオフセットして配設されているオフセットフィンや、コルゲートその他のルーバードフィンや、ウェービーフィンを用いる事が可能である。
【００５１】
ストレートフィンは製作が比較的容易であるが、流路断面間のガス往来が無いため、熱交換器内部での温度の均一化やガス組成の均一化が期待できない。ウェービーフィンも同様にガス混合の面で不利である。オフセットフィンやルーバーフィンは製作が困難であるが、ガス混合が期待できる。本実施形態ではこれらのフィン中から、チューブ内部でのガス混合の促進、乱流効果による伝熱促進が期待できる上、フィン部に平面が確保されているために矩形断面チューブとの良好な接合が期待できる図１４に示されるオフセットフィンを採用したのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料改質装置を示すブロック図である。
【図２】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器における各ガスの流れを示す斜視図である。
【図３】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器における外側フィン部の断面を説明するための説明図である。
【図４】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器におけるチューブの断面を説明するための説明図である。
【図５】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器内の構造を示す斜視図である。
【図６】本第１実施形態の燃料改質装置のバーナ、改質器および熱交換器内の構造を示す斜視図である。
【図７】本第１実施形態の燃料改質装置における改質ガスの流れを示すブロック図である。
【図８】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器における図７中Ａ−Ａ線に沿う断面図である。
【図９】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器における図７中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図１０】本第１実施形態の燃料改質装置の熱交換器におけるチューブの断面形状を説明するための説明図である。
【図１１】本発明の第２実施形態の燃料改質装置を示すブロック図である。
【図１２】本第２実施形態の燃料改質装置における熱フローを示す線図である。
【図１３】本発明の実施形態において採用することが出来るストレートフィンの例を示す説明図である。
【図１４】本発明の第１実施形態において採用したオフセットフィンの例を示す部分斜視図である。
【図１５】従来の燃料改質装置を示すブロック図である。
【図１６】従来の水素含有ガス生成装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼バーナ
２ 改質部
４ 熱交換器
２２ 排出口
Claims (6)
- 火炎が形成される燃焼バーナの周りに改質部が配設され、該改質部からの改質ガスを熱交換器により原料ガスと熱交換する燃料改質装置において、
前記改質部の排出口を前記熱交換器の高温側に直結した
ことを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項１において、
前記改質部が、円筒状に火炎が形成される前記燃焼バーナの周りに同心円状に配設され、熱交換された前記原料ガスが前記改質部の外周側領域において軸方向に流れてから前記改質部の中心側領域において軸方向に流れるように構成されている
ことを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項２において、
前記改質部を加熱した後の燃焼排気ガスによって蒸気生成を行うための蒸発器が、前記改質部の外側に配置されている
ことを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項３において、
前記熱交換器が、対向流型のプレートフィンタイプのステンレスその他の金属製の熱交換器によって構成され、水蒸気および原料ガスと改質ガスとが熱交換され、
該熱交換器において前記改質ガスによって熱交換された前記水蒸気および原料ガスが、前記改質部に供給されるように構成されている
ことを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項４において、
前記熱交換器は、内部にフィンを備えたチューブ群と、チューブ群の間に挟着された複数のフィンとから成り、前記チューブの内部を改質ガスが流れるとともに、前記チューブの周囲を水蒸気および原料ガスが流れるように構成されていることを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項３において、
配管が、前記改質部の周りにスパイラル状に配設され、前記蒸発器に導入される水が、前記配管を経由するように構成されている
ことを特徴とする燃料改質装置。
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