JP3780782B2 - Reformer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部と、この反応の熱エネルギーとなる燃焼ガスを供給する燃焼部を備えた改質装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、燃料電池を構成する装置として、天然ガスやナフサ等の原料を用い、この原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部、及び、上記水蒸気改質反応の熱エネルギーとして、バーナー等を用いて燃料を燃焼させ燃焼ガスを発生させる燃焼部を備える改質装置が知られている(例えば、特開平10−218602号公報等)。上記改質ガスは、改質触媒が充填した改質部に、原料と水蒸気を導入し、燃焼ガスにより加熱され、水蒸気改質反応により生成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
近年、燃料電池の使用範囲の拡大に伴い、小型化、軽量化が求められている。例えば、改質ガスの原料としてブタンガスを用いた場合、このブタンガスの水蒸気改質反応は、500℃以上の高温で反応を行うことが好ましく、上記燃焼部において、500℃以上の高温の燃焼ガスが発熱する。小型化、軽量化、さらに省エネルギーの観点から、燃焼部で発熱した燃焼ガスの熱エネルギーを効率的に利用する改質装置が求められている。
【0004】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、燃焼ガスの熱エネルギーを効率的に利用する改質装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の改質装置は、原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部、上記水蒸気改質反応の熱エネルギーとなる燃焼ガスを供給する燃焼部を備えた改質装置において、上記改質部を燃焼部の上方で、略筒状の形状をした改質装置の外側に配すると共に、上記改質部の内側に燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、この燃焼ガス流路の内側に空気を密閉した空気室を設けることを特徴とする。上記によって、燃焼ガスの熱が、改質部に伝わらずに改質装置の系外に排出されることが少なくなるよう、上記燃焼ガスが改質部の内側の近傍を通過するようにするものである。また、上記改質装置は、改質部と燃焼ガスの伝熱面積が減少することがないようにすると共に、上記空気室は、燃焼ガスの熱が放熱されることを抑える断熱層としても機能することができるものである。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に効率良く伝えるものである。
【0006】
請求項2記載の改質装置は、請求項1記載の改質装置において、上記改質部の内側に形成した燃焼ガス流路に連接して、改質部の外側に、燃焼ガスが流れるガス流路が形成されていることを特徴とする。上記によって、改質部の外側からも、燃焼ガスの熱を改質部に伝えることができるものである。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に、より効率良く伝えることができるものである。
【0007】
請求項3記載の改質装置は、請求項1又は請求項2記載の改質装置において、上記改質部と燃焼ガスの伝熱面に対向する、燃焼ガスが流れる流路の壁面に、高放射伝熱体を付設してなることを特徴とする。上記によって、改質部から放射した熱が、高放射伝熱体で反射するので、改質部を暖めることができるものである。したがって、上記改質装置は、高放射伝熱体を付設するので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に、より効率良く伝えることができるものである。
【0008】
請求項4記載の改質装置は、請求項1乃至請求項3いずれか記載の改質装置において、上記改質部に熱エネルギーを供給した燃焼ガスと、外気とで熱交換する熱交換器を備え、且つ、この熱交換器を通過した外気を燃焼部に導入する手段を備えることを特徴とする。上記によって、燃焼部に導入する空気が加熱された状態で導入されるので、燃焼ガスの発熱を速めることができるものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、請求項1〜3記載の改質装置に対応する実施の形態の一例を示す概略図である。上記改質装置1は、原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部2、上記水蒸気改質反応の熱エネルギーとなる燃焼ガスを供給する燃焼部3を備えている。上記改質装置1は、略円筒状の形状をしており、下部に燃焼部3と、この燃焼部3の上方で、改質装置1の外周に亘って環状の層をなす改質部2を備え、また、上記環状の層をなす改質部2の環内に、燃焼ガス流路4が形成されている。なお、図中の矢印は、燃焼ガス、又は、原料や改質ガスの流れる方向を示す。
【0010】
上記燃焼部3は、略円筒状の改質装置1の中心部に配置してあり、軸方向を上下として、上方に開口し、燃焼手段としてバーナーを備えている。また、燃焼部3の下端には、燃料ガスと燃焼用の空気を導入する燃料供給路5が接続されている。上記燃焼部3は、燃料供給路5から導入された燃料ガスと空気をバーナーで燃焼し、発生した高温の燃焼ガスを、燃焼部3の上方に形成された燃焼ガス流路4に供給する。なお、上記燃焼手段としては、Pt、Ru、Pd、Rh等の燃焼触媒を担持させたものを使用してもよい。
【0011】
上記改質部2は、改質触媒を充填して形成されるものであり、燃焼部3で発生した燃焼ガスで加温されるようになっている。上記改質部は、原料と水蒸気を導入する原料導入路6を下端に備え、改質部2で生成した改質ガスを排出する改質ガス供給路7を上端に備えている。上記改質触媒は、原料と水蒸気を高温下で接触させることで、水素に富んだ改質ガスを生成させる、いわゆる水蒸気改質反応を起こすもので、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の金属をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが例示される。改質部2では、改質触媒の粒子間の隙間を、上記原料と水蒸気の混合ガスが通り抜けるようになっており、このとき、上記混合ガスが改質触媒に接触することにより水蒸気改質反応が行われ、改質ガスを生成する。この水蒸気改質反応は、吸熱反応であって、燃焼ガスの熱エネルギーによって加熱され、反応熱が供給されるものである。上記原料としては、メタノール等のアルコール系燃料や天然ガス、ブタン、プロパン等の炭化水素系燃料のガスが利用される。因みに、上記水蒸気改質反応は、原料としてブタンガスを用いた場合、反応温度を500℃以上とすると良好な反応が行えるものである。
【0012】
上記改質装置1は、改質部2が環状の層をし、この環状の層をなす改質部2の内側8に燃焼ガス流路4を形成している。上記燃焼ガス流路4は、改質装置1の平面断面視で、上記改質部2の内側8に隣接して環状に形成するものである。また、上記改質装置1は、上記燃焼ガス流路4の内側に、空気を密閉した空気室11が設けられている。上記改質装置1は、上記空気室11を備えることで、燃焼ガスの熱が、改質部2に伝わらずに改質装置1の系外に排出されることを少なくなるよう、上記燃焼ガスが上記改質部2の内側8の近傍を通過するようにしている。また、上記改質装置1は、燃焼ガスが改質部2の内側8の近傍を通過するので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部2に効率良く伝えることができる。
【0013】
また、上記改質装置1は、燃焼ガスが改質部2の内側8の近傍を通過するよう流路の横断面積を小さくすると共に、これに伴い改質部2と燃焼ガスの伝熱面積が減少することがないようにしたものである。また、空気は、例えば、ガラスウール等に比較しても断熱層として良好なものであり、上記空気室11は、燃焼ガスの熱が改質装置1の系外に放熱されることを抑える断熱層としても機能するものである。
【0014】
さらに、上記改質装置1は、上記改質部2の外側9に亘ってガス流路10が形成され、上記燃焼ガス流路4と上記ガス流路10は、改質装置1の上端で接続されている。上記改質装置1は、上記改質部2の内側8を流れた燃焼ガスが、改質装置1の上端で迂回し、改質部2の外側9を流れるようになっているので、改質部の外側9からも、燃焼ガスの熱が改質部2に伝わるため、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部2により効率良く供給することができる。
【0015】
さらに、上記改質装置1は、上記改質部2と燃焼ガスの伝熱面に対向した流路の壁面に、高放射伝熱体を付設されている。すなわち、上記改質装置1は、改質部2の内側8の面に対向する空気室11の壁面12、及び、改質部2の外側9の面に対向するガス流路10の壁面13に、高放射伝熱体14が付設されている。上記高放射伝熱体14は、放射率が0.4以上の伝熱体であり、例えば、アルミナ、銀等が挙げられる。上記放射率は、汎用される放射率計で測定されるものである。上記高放射伝熱体14の付設は、高放射伝熱体14を含有した混合液を上記壁面12、13に塗装することにより行うことができる。上記改質装置1は、高放射伝熱体14を付設するので、改質部2から放射した熱が、高放射伝熱体14で反射し、改質部2を暖めることができる。したがって、上記改質装置1は、高放射伝熱体を付設することで、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部2に、より効率良く供給することができる。
【0016】
図2は、請求項4記載の改質装置に対応する実施の形態の一例を示す概略図である。図1の改質装置と異なる点のみ説明する。上記改質装置1は、上記改質部2の外側9に亘って形成されたガス流路10に連接して、熱交換器20を備えている。上記熱交換器20では、改質部2に熱エネルギーを供給した燃焼ガスが流れる排出ガス流路21と外気が流れる外気路22の間で、排出ガス流路21から外気路22に熱交換がされ、外気が加熱される。図中の符号22は、排出ガス流路21と外気路22を覆う、ガラスウール等からなる断熱層である。
【0017】
上記改質装置1は、外気路22が燃料供給路5に接続している。これにより、上記改質装置1は、加熱された空気を、燃料ガスと共に燃焼部3に導入することができるため、空気が加熱された状態で導入するので、燃焼ガスの発熱を速めることができる。したがって、上記改質装置1は、燃焼ガスの熱エネルギーを、より効率良く利用することができるものである。
【0018】
また、改質部2で生成した改質ガスは、水素以外にCO等を含有しているので、COを除去するためCO酸化装置(図示せず)を経由して、燃料電池等に供給される。また、排出ガス流路21を通過した燃焼ガスを、CO酸化装置の加熱に使用することもできる。
【0019】
【発明の効果】
請求項1記載の改質装置は、燃焼ガスが改質部の内側近傍を通過するので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に効率良く伝えることができる。また、上記改質装置は、改質部と燃焼ガスの伝熱面積が減少することがないようにするものである。また、上記改質装置は、空気室を燃焼ガスの熱が放熱されることを抑える断熱層としても機能させることができるものである。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを効率的に利用することができる。
【0020】
さらに、請求項2記載の改質装置は、特に、改質部の外側からも、燃焼ガスの熱が改質部に伝えることができるので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に、より効率良く伝えることができる。
【0021】
さらに、請求項3記載の改質装置は、特に、改質部から放射した熱が、高放射伝熱体で反射し、改質部を暖めることができるので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に、より効率良く伝えることができる。
【0022】
さらに、請求項4記載の改質装置は、特に、燃焼部に導入する空気が加熱された状態で導入されるので、燃焼ガスの発熱を速めることができる。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを、より効率良く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の改質装置の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図2】本発明の他の改質装置の実施の形態の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
1 改質装置
2 改質部
3 燃焼部
4 燃焼ガス流路
5 燃料供給路
11 空気室
14 高放射伝熱体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reforming apparatus including a reforming section that generates a reformed gas rich in hydrogen by a steam reforming reaction and a combustion section that supplies combustion gas that becomes thermal energy of the reaction.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a device constituting a fuel cell, a raw material such as natural gas or naphtha is used, a reforming section that generates a reformed gas rich in hydrogen by a steam reforming reaction from the raw material and steam, and the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, with the expansion of the range of use of fuel cells, miniaturization and weight reduction are required. For example, when butane gas is used as a raw material for the reformed gas, the steam reforming reaction of the butane gas is preferably performed at a high temperature of 500 ° C. or higher. Fever. From the viewpoint of miniaturization, weight reduction, and energy saving, there is a need for a reformer that efficiently uses the thermal energy of the combustion gas generated in the combustion section.
[0004]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a reformer that efficiently uses the thermal energy of combustion gas.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The reforming apparatus according to claim 1, wherein a reforming unit that generates a reformed gas rich in hydrogen by a steam reforming reaction from a raw material and steam, and a combustion that supplies a combustion gas that becomes thermal energy of the steam reforming reaction In the reformer provided with a section, the reformer is disposed above the combustion section and outside the reformer having a substantially cylindrical shape, and the combustion gas flows inside the reformer A flow path is formed, and an air chamber in which air is sealed is provided inside the combustion gas flow path. By the above, the combustion gas passes through the vicinity of the inside of the reforming unit so that the heat of the combustion gas is not discharged to the outside of the reforming system without being transmitted to the reforming unit. It is. Further, the reformer prevents the heat transfer area of the reforming part and the combustion gas from decreasing, and the air chamber also functions as a heat insulating layer that suppresses the heat of the combustion gas from being radiated. Is something that can be done. Therefore, the reformer efficiently transmits the thermal energy of the combustion gas to the reforming unit.
[0006]
The reformer according to
[0007]
The reformer according to
[0008]
A reformer according to a fourth aspect of the present invention is the reformer according to any one of the first to third aspects, further comprising a heat exchanger for exchanging heat between the combustion gas supplied with thermal energy to the reformer and the outside air. And a means for introducing outside air that has passed through the heat exchanger into the combustion section. By the above, since the air introduced into the combustion section is introduced in a heated state, the heat generation of the combustion gas can be accelerated.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an embodiment corresponding to the reforming apparatus according to claims 1 to 3. The reformer 1 includes a
[0010]
The
[0011]
The reforming
[0012]
In the reformer 1, the reforming
[0013]
In addition, the reformer 1 reduces the cross-sectional area of the flow path so that the combustion gas passes near the
[0014]
Furthermore, the reformer 1 has a
[0015]
Further, the reformer 1 is provided with a high radiant heat transfer body on the wall surface of the flow path facing the reforming
[0016]
FIG. 2 is a schematic view showing an example of an embodiment corresponding to the reforming apparatus of the fourth aspect. Only differences from the reformer of FIG. 1 will be described. The reformer 1 includes a
[0017]
In the reformer 1, the
[0018]
Further, since the reformed gas generated in the reforming
[0019]
【The invention's effect】
In the reforming apparatus according to the first aspect, since the combustion gas passes in the vicinity of the inside of the reforming section, the thermal energy of the combustion gas can be efficiently transmitted to the reforming section. The reformer prevents the heat transfer area of the reforming section and the combustion gas from decreasing. Moreover, the said reformer can function the air chamber as a heat insulation layer which suppresses that the heat | fever of combustion gas is thermally radiated. Therefore, the reformer can efficiently use the thermal energy of the combustion gas.
[0020]
Further, the reforming apparatus according to
[0021]
Further, the reforming apparatus according to
[0022]
Furthermore, since the reforming apparatus according to the fourth aspect is introduced in a state where the air introduced into the combustion section is heated, the heat generation of the combustion gas can be accelerated. Therefore, the reformer can use the thermal energy of the combustion gas more efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an embodiment of a reforming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of an embodiment of another reformer of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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