JP2015113239A - Fuel reformer and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスから水蒸気改質反応を利用して水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質装置、及び、この燃料改質装置を含んで構成される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel reformer that generates a reformed gas containing hydrogen from a fuel gas using a steam reforming reaction, and a fuel cell system that includes the fuel reformer.
特許文献1は、燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する原料混合器を開示している。
これについて説明する。原料混合器を構成するケーシングの一方の端壁を貫通して、ケーシング内に突入・開口する燃料ガス(第1原料)の導入管と水(第2原料)の導入管とが設けられている。燃料ガスの導入管の突入長さは、水の導入管の突入長さより長い。ケーシング内は、障壁により、燃料ガスの導入管が開口する第1原料導入室と、水の導入管が開口する第2原料導入室とに区画されている。そして、両室は連通部により連通している。ここにおいて、混合ガスの流れ方向を基準として、連通部は、燃料ガスの導入管の開口部より後方に配置されている。
Patent document 1 is disclosing the raw material mixer which produces | generates the mixed gas utilized for the electric power generation reaction of a fuel cell.
This will be described. A fuel gas (first raw material) introduction pipe and water (second raw material) introduction pipe penetrating and opening into the casing through one end wall of the casing constituting the raw material mixer are provided. . The entry length of the fuel gas introduction pipe is longer than the entry length of the water introduction pipe. The casing is partitioned by a barrier into a first raw material introduction chamber in which a fuel gas introduction pipe is opened and a second raw material introduction chamber in which a water introduction pipe is opened. Both chambers communicate with each other through a communication portion. Here, on the basis of the flow direction of the mixed gas, the communication portion is arranged behind the opening of the fuel gas introduction pipe.
燃料ガスを水蒸気改質反応を利用して改質する場合、改質室より上流に蒸発室を設け、水を蒸発させて、水蒸気を生成する必要がある。
また、改質室に充填される改質触媒のコーキングを避けるため、燃料ガスと水蒸気は、改質室に導入される前によく混合されていなければならない。
しかし、蒸発室に水が液相で供給されると、蒸発室内に液だまりができ、この液だまりから水が気化するので、蒸発室内が上側の燃料ガスの層と下側の水蒸気の層とに別れ、燃料ガスと水蒸気との混合不足を生じるという問題があった。
When the fuel gas is reformed using a steam reforming reaction, it is necessary to provide an evaporation chamber upstream from the reforming chamber and evaporate water to generate steam.
Further, in order to avoid coking of the reforming catalyst filled in the reforming chamber, the fuel gas and water vapor must be well mixed before being introduced into the reforming chamber.
However, when water is supplied to the evaporation chamber in a liquid phase, a liquid pool is formed in the evaporation chamber, and water is vaporized from this liquid pool, so that an upper fuel gas layer and a lower water vapor layer are formed in the evaporation chamber. In other words, there was a problem of insufficient mixing of fuel gas and water vapor.
特許文献1に記載の技術では、改質室の上流に、混合室(第1原料導入室)と、蒸発室(第2原料導入室)とを設けており、改質室を含め、3室構造となるので、燃料改質装置の大型化を招く。
しかも、燃料ガスの導入管の突入長さが長い分、水蒸気と混合する区間が短くなり、混合が不十分となりやすい。
In the technique described in Patent Document 1, a mixing chamber (first raw material introduction chamber) and an evaporation chamber (second raw material introduction chamber) are provided upstream of the reforming chamber, and three chambers including the reforming chamber are provided. Due to the structure, the fuel reformer is increased in size.
In addition, since the length of the fuel gas introduction pipe that is plunged is longer, the section for mixing with water vapor becomes shorter, and mixing tends to be insufficient.
本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、蒸発室と改質室との2室構造で、燃料ガスと水蒸気を、改質前によく混合することができる、燃料改質装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and has a two-chamber structure of an evaporation chamber and a reforming chamber, and can mix fuel gas and water vapor well before reforming. It is an issue to provide.
本発明に係る燃料改質装置は、伝熱促進部材が充填されていて、燃料ガスと水とが導入され、水を蒸発させて、水蒸気を生成する蒸発室と、改質触媒が充填されていて、前記蒸発室と連通し、前記蒸発室からの燃料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質室と、を備える。
前記蒸発室と前記改質室との連通部は、前記蒸発室と前記改質室とを仕切る仕切壁に形成した第1開口部である。
前記蒸発室内には、前記仕切壁に対向する遮蔽板が設けられ、前記遮蔽板は、前記蒸発室の上壁から下方に垂下されて、その下端縁と前記蒸発室の底壁との間に燃料ガス及び水が流通可能な第2開口部を形成する。
そして、前記第1開口部は、前記第2開口部より高位置に設けられる。
The fuel reformer according to the present invention is filled with a heat transfer promoting member, and is filled with fuel gas and water, evaporates the water to generate water vapor, and the reforming catalyst. A reforming chamber that communicates with the evaporation chamber and generates a reformed gas containing hydrogen by reforming a mixed gas of fuel gas and water vapor from the evaporation chamber.
The communicating portion between the evaporation chamber and the reforming chamber is a first opening formed in a partition wall that partitions the evaporation chamber and the reforming chamber.
A shielding plate facing the partition wall is provided in the evaporation chamber, and the shielding plate is suspended downward from the upper wall of the evaporation chamber, and between the lower edge of the evaporation chamber and the bottom wall of the evaporation chamber. A second opening through which fuel gas and water can flow is formed.
The first opening is provided at a higher position than the second opening.
本発明によれば、蒸発室内の液だまりから上方向に発生する水蒸気により上方へ押しやられた燃料ガスの流れ方向を蒸発室の上壁から垂下される遮蔽板により下方向に変えて、対向する水蒸気と衝突させ、混合を促進することができる。
また、遮蔽板の下端縁の下側に形成される第2開口部を通過した燃料ガス及び水蒸気は、仕切壁に衝突して、上方の第1開口部へ向かうことにより、遮蔽板と仕切壁との間でも混合が促進される。
According to the present invention, the flow direction of the fuel gas pushed upward by the water vapor generated upward from the liquid pool in the evaporation chamber is changed downward by the shielding plate suspended from the upper wall of the evaporation chamber, and faces each other. Colliding with water vapor can promote mixing.
Further, the fuel gas and the water vapor that have passed through the second opening formed below the lower edge of the shielding plate collide with the partition wall and head toward the first opening above, so that the shielding plate and the partition wall Mixing is promoted between the two.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略図である。
燃料電池システムは、燃料改質装置1と、燃料電池2とを含んで構成される。
また、本実施形態の燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池(SOFC)方式であり、燃料改質装置1及び燃料電池2はオフガス燃焼部3と共に筐体(燃焼室区画部材)4内に配置される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell system showing an embodiment of the present invention.
The fuel cell system includes a fuel reformer 1 and a fuel cell 2.
The fuel cell system of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) system, and the fuel reformer 1 and the fuel cell 2 are placed in a casing (combustion chamber partition member) 4 together with the off-gas combustion unit 3. Be placed.
燃料改質装置1は、燃料ガスを水蒸気改質反応を利用して改質し、水素を含有する改質ガスを生成する。詳細については後述する。
尚、ここでいう燃料ガスとしては、炭化水素系ガス、具体的には、都市ガス、LPG、シェールガス由来のガス、メタン、プロパン、ブタン及びこれらの混合物を挙げることができる。また、これらに、添加物として、メタノール、ジメチルエーテル等が含まれていてもよい。
燃料ガスとしては、また、低沸点の炭化水素化合物、エーテル類を挙げることができる。具体的には、ペンタン、ヘキサン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等である。
燃料ガスとしては、更に、低沸点のアルコール類を挙げることができる。具体的には、メタノール、エタノール等である。
The fuel reformer 1 reforms a fuel gas using a steam reforming reaction to generate a reformed gas containing hydrogen. Details will be described later.
In addition, as fuel gas here, hydrocarbon gas, specifically, city gas, LPG, gas derived from shale gas, methane, propane, butane, and a mixture thereof can be exemplified. Moreover, methanol, dimethyl ether, etc. may be contained in these as an additive.
Examples of the fuel gas include low-boiling hydrocarbon compounds and ethers. Specifically, pentane, hexane, dimethyl ether, diethyl ether and the like.
Examples of the fuel gas further include alcohols having a low boiling point. Specifically, methanol, ethanol and the like.
燃料電池2は、複数の固体酸化物形の燃料電池セルの集合体(燃料電池スタック)である。 The fuel cell 2 is an assembly (fuel cell stack) of a plurality of solid oxide fuel cells.
各燃料電池セルは、固体酸化物からなる電解質の両面にアノード(燃料極)及びカソード(酸化剤極)を備える。アノードには、燃料改質装置1から改質ガスが供給される。カソードには、筐体4外の酸化剤供給装置(図示せず)から酸化剤ガス(一般に空気)が供給される。
電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと燃料中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
従って、各燃料電池セルのカソードにて、下記(1)式の電極反応が生起され、アノードにて、下記(2)式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード: 1/2O2+2e−→O2−(電解質) ・・・(1)
アノード: O2−(電解質)+H2→H2O+2e− ・・・(2)
Each fuel cell includes an anode (fuel electrode) and a cathode (oxidant electrode) on both sides of an electrolyte made of a solid oxide. The reformed gas is supplied from the fuel reformer 1 to the anode. An oxidant gas (generally air) is supplied to the cathode from an oxidant supply device (not shown) outside the housing 4.
The electrolyte conducts oxide ions at high temperatures. The anode reacts oxide ions with hydrogen in the fuel to generate electrons and water. The cathode reacts oxygen and electrons in the oxidant to generate oxide ions.
Therefore, the electrode reaction of the following formula (1) is caused at the cathode of each fuel cell, and the electrode reaction of the following formula (2) is caused at the anode to generate electric power.
Cathode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (electrolyte) (1)
Anode: O 2− (electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
燃料電池2は、上記のような燃料電池セルを多数備え、これらが電気的に直列(及び並列)に接続されて、発電出力を発生させる。 The fuel cell 2 includes many fuel cells as described above, and these are electrically connected in series (and in parallel) to generate a power generation output.
オフガス燃焼部3は、燃料電池2から排出されるオフガス(発電未反応ガスとして排出される水素含有燃料)を酸化剤の存在下で燃焼させ、筐体(燃焼室区画部材)4内の燃料電池2を高温状態に維持する。ここで、燃料電池2の上端部が燃料電池2からのオフガスの排出部となり、このオフガスは着火デバイス(図示せず)により着火されて燃焼する。従って、燃料電池2の上端部側がオフガス燃焼部3となる。オフガス燃焼部3での燃焼熱により燃料電池2は発電可能な高温状態に維持される。
また、燃料改質装置1はオフガス燃焼部3での燃焼熱によって加熱されるように、筐体内4で燃料電池2の上方に配置される。言い換えれば、燃料改質装置1の下方にオフガス燃焼部3が配置される。
The off-gas combustion unit 3 burns off-gas discharged from the fuel cell 2 (hydrogen-containing fuel discharged as power generation unreacted gas) in the presence of an oxidant, and the fuel cell in the casing (combustion chamber partition member) 4 2 is maintained at a high temperature. Here, the upper end portion of the fuel cell 2 serves as a discharge portion for the off gas from the fuel cell 2, and this off gas is ignited and burned by an ignition device (not shown). Accordingly, the upper end portion side of the fuel cell 2 becomes the off-gas combustion portion 3. The fuel cell 2 is maintained in a high-temperature state capable of generating power by the combustion heat in the off-gas combustion unit 3.
The fuel reformer 1 is disposed above the fuel cell 2 in the housing 4 so as to be heated by the combustion heat in the off-gas combustion unit 3. In other words, the off-gas combustion unit 3 is disposed below the fuel reformer 1.
筐体4内での燃焼によって生成された高温の排気ガスは、排気通路により、筐体4側に排出される。その廃熱は適宜回収され、熱利用される。 High-temperature exhaust gas generated by combustion in the housing 4 is discharged to the housing 4 side through the exhaust passage. The waste heat is appropriately recovered and used as heat.
次に、燃料改質装置1について、図2を参照して説明する。
燃料改質装置1は、内部に伝熱ビーズ等の伝熱促進部材(図示省略)が充填される蒸発室11と、内部にペレット形状等の改質触媒(図示せず)が充填される改質室12との2室構造である。
詳しくは、燃料改質装置1は、改質前の燃料ガス及び水の入口部13から、改質後の改質ガスの出口部14への、燃料の通流方向に、蒸発室11及び改質室12をこれらの順に備え、これらの室11、12は、連通部を有する仕切壁15により仕切られている。
Next, the fuel reformer 1 will be described with reference to FIG.
The fuel reformer 1 includes an evaporation chamber 11 filled with a heat transfer promotion member (not shown) such as a heat transfer bead and a reforming catalyst (not shown) filled with a pellet shape or the like inside. It is a two-chamber structure with a pawn chamber 12.
Specifically, the fuel reforming apparatus 1 includes the evaporating chamber 11 and the reformer in the direction of fuel flow from the inlet portion 13 of the fuel gas and water before reforming to the outlet portion 14 of the reformed gas after reforming. A quality chamber 12 is provided in this order, and these chambers 11 and 12 are partitioned by a partition wall 15 having a communication portion.
従って、蒸発室11は、上流側の燃料改質装置端壁1aと下流側の仕切壁15とにより画成され、端壁1aに入口部13を有し、仕切壁15に改質室12との連通部(後述する第1開口部16)を有している。
改質室12は、上流側の仕切壁15と下流側の燃料改質装置端壁1bとにより画成され、下流側の端壁1bに出口部14を有している。
蒸発室11と改質室12との連通部は、蒸発室11と改質室12とを仕切る仕切壁15の比較的上部に形成した第1開口部16である。比較的上部に設けるのは、蒸発室11内の水が直接流れ込まないようにするためである。
Accordingly, the evaporation chamber 11 is defined by the upstream fuel reformer end wall 1a and the downstream partition wall 15, and has an inlet 13 in the end wall 1a. Communication portion (first opening 16 described later).
The reforming chamber 12 is defined by an upstream partition wall 15 and a downstream fuel reformer end wall 1b, and has an outlet 14 in the downstream end wall 1b.
A communicating portion between the evaporation chamber 11 and the reforming chamber 12 is a first opening 16 formed at a relatively upper portion of the partition wall 15 that partitions the evaporation chamber 11 and the reforming chamber 12. The reason why it is provided in the relatively upper part is to prevent the water in the evaporation chamber 11 from flowing directly.
また、蒸発室11及び改質室12は水平方向に並べられ、これらの下方にオフガス燃焼部3が配置される。ここでいう水平方向とは略同一高さであればよく、必ずしも一直線上に設ける必要はない。 Further, the evaporation chamber 11 and the reforming chamber 12 are arranged in the horizontal direction, and the off-gas combustion unit 3 is disposed below them. The horizontal direction here may be almost the same height, and is not necessarily provided on a straight line.
蒸発室11(及び改質室12)について更に詳しく説明する。
蒸発室11は、端壁1aに入口部13を有し、燃料ガスと水とが導入される。尚、ここでは、燃料ガスと水とが、図示しない導入配管内で予混合されて、単一の入口部13から導入されるようにしているが、別々に導入されるようにしてもよい。
蒸発室11の内部には伝熱ビーズ等の伝熱促進部材(図示省略)が充填されている。蒸発室11では、水を蒸発されて、水蒸気を生成する。
The evaporation chamber 11 (and the reforming chamber 12) will be described in more detail.
The evaporation chamber 11 has an inlet portion 13 in the end wall 1a, and fuel gas and water are introduced. Here, the fuel gas and water are premixed in an introduction pipe (not shown) and introduced from a single inlet portion 13, but may be introduced separately.
The evaporation chamber 11 is filled with a heat transfer promoting member (not shown) such as a heat transfer bead. In the evaporation chamber 11, water is evaporated to generate water vapor.
ここにおいて、蒸発室11には、仕切壁15の上流側に、遮蔽板17が設けられる。遮蔽板17は、蒸発室11の上壁から下方に垂下され、その下端縁と蒸発室11の底壁との間に燃料ガス及び水が流通可能な第2開口部18を形成する。
尚、遮蔽板17と仕切壁15との間は蒸発室11の一部であり、ここにも伝熱促進部材が充填されることは言うまでもない。
Here, a shielding plate 17 is provided in the evaporation chamber 11 on the upstream side of the partition wall 15. The shielding plate 17 hangs downward from the upper wall of the evaporation chamber 11 and forms a second opening 18 between the lower edge of the evaporation plate 11 and the bottom wall of the evaporation chamber 11 through which fuel gas and water can flow.
In addition, it is needless to say that the space between the shielding plate 17 and the partition wall 15 is a part of the evaporation chamber 11 and is filled with a heat transfer promoting member.
第2開口部18、特にその上縁部(遮蔽板17の下端縁)は、蒸発室11と改質室12とを仕切る仕切壁15に設けられる第1開口部16より低位置に設けられる。言い換えれば、第1開口部16は、第2開口部18より高位置に設けられる。 The second opening 18, particularly the upper edge (the lower edge of the shielding plate 17), is provided at a lower position than the first opening 16 provided in the partition wall 15 that partitions the evaporation chamber 11 and the reforming chamber 12. In other words, the first opening 16 is provided at a higher position than the second opening 18.
蒸発室11への燃料ガス及び水の入口部13と、第1開口部16及び第2開口部18との高さ関係に言及する。
第1開口部16は、蒸発室11への燃料ガス及び水の入口部13より高位置に設けられる。
第2開口部18、特にその上縁部(遮蔽板17の下端縁)は、蒸発室11への燃料ガス及び水の入口部13より低位置に設けられる。
従って、蒸発室11への燃料ガス及び水の入口部13、第2開口部18、第1開口部16の高さ関係は、低い順に、第2開口部18、入口部13、第1開口部16の順である。
Reference is made to the height relationship between the fuel gas and water inlet 13 to the evaporation chamber 11 and the first opening 16 and the second opening 18.
The first opening 16 is provided at a position higher than the inlet 13 for the fuel gas and water to the evaporation chamber 11.
The second opening 18, particularly the upper edge (the lower edge of the shielding plate 17), is provided at a position lower than the fuel gas and water inlet 13 to the evaporation chamber 11.
Therefore, the height relationship between the fuel gas and water inlet 13, the second opening 18, and the first opening 16 into the evaporation chamber 11 is the second opening 18, the inlet 13, and the first opening in descending order. The order is 16.
改質室12の内部には改質触媒(図示省略)が充填されている。改質室12では、蒸発室11からの混合ガスを改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。
改質室12は、端壁1bに出口部14を有し、生成された改質ガスを燃料電池2(図1)へ供給する。
The reforming chamber 12 is filled with a reforming catalyst (not shown). In the reforming chamber 12, the mixed gas from the evaporation chamber 11 is reformed to generate a reformed gas containing hydrogen.
The reforming chamber 12 has an outlet 14 in the end wall 1b, and supplies the generated reformed gas to the fuel cell 2 (FIG. 1).
上記の燃料改質装置1によれば、燃料ガス及び水が入口部13から蒸発室11に導入され、液相で導入された水は蒸発室11内に液だまりを形成し、液だまりから気化する。従って、燃料ガスは蒸発室11内の上側へ押しやられる。このため、蒸発室11内には、上側に燃料ガスの層ができ、下側に水蒸気の層ができる。
しかし、仕切壁15の上流側に、蒸発室11の上壁から垂下される遮蔽板17があるため、燃料ガスは遮蔽板17に衝突して、下向きの流れとなり、水蒸気と衝突することで、燃料ガスと水蒸気との混合が促進される。
液だまりの液面は、気泡の生成と消滅との繰返しにより不規則に揺動している。燃料ガスは遮蔽板17に衝突して、下向きの流れとなり、不規則な揺動部に誘導されることで、燃料ガスと水蒸気との混合が促進される効果もある。
水蒸気と衝突した燃料ガスは、その後、遮蔽板17の下端縁と蒸発室11の底壁との間に形成される第2開口部18を通過することになる。従って、狭い第2開口部18を通過する際に、燃料ガスと水蒸気とが更に良好に混合される。
また、燃料ガス及び水蒸気は、第2開口部18を通過した後、仕切壁15の下部に衝突して、ここでも混合が促進される。そして、燃料及び水蒸気は、遮蔽板17と仕切壁15との間の空間で、流れを上向きに変えられ、しかる後に、第2開口部16から改質室12内へ流入する。従って、遮蔽板17と仕切壁15との間でも燃料ガスと水蒸気とが良好に混合され、良質な混合気となって、改質室12に流入する。
According to the fuel reformer 1 described above, fuel gas and water are introduced into the evaporation chamber 11 from the inlet 13, and the water introduced in the liquid phase forms a liquid pool in the evaporation chamber 11, and is vaporized from the liquid pool. To do. Accordingly, the fuel gas is pushed upward in the evaporation chamber 11. For this reason, a fuel gas layer is formed on the upper side and a water vapor layer is formed on the lower side in the evaporation chamber 11.
However, since there is a shielding plate 17 suspended from the upper wall of the evaporation chamber 11 on the upstream side of the partition wall 15, the fuel gas collides with the shielding plate 17, becomes a downward flow, and collides with water vapor. Mixing of fuel gas and water vapor is promoted.
The liquid level of the puddle oscillates irregularly due to repeated generation and disappearance of bubbles. The fuel gas collides with the shielding plate 17 to form a downward flow, and is guided to the irregular rocking portion, so that the mixing of the fuel gas and water vapor is promoted.
The fuel gas that has collided with the water vapor then passes through the second opening 18 formed between the lower edge of the shielding plate 17 and the bottom wall of the evaporation chamber 11. Therefore, when passing through the narrow second opening 18, the fuel gas and the water vapor are further mixed well.
Further, the fuel gas and the water vapor collide with the lower part of the partition wall 15 after passing through the second opening 18, and the mixing is promoted here. Then, the fuel and water vapor are changed upward in the space between the shielding plate 17 and the partition wall 15, and then flow into the reforming chamber 12 from the second opening 16. Therefore, the fuel gas and the water vapor are well mixed between the shielding plate 17 and the partition wall 15 to form a good air-fuel mixture and flow into the reforming chamber 12.
仕切壁15と遮蔽板17との間の距離Sは、十分に縮め(伝熱ビーズ直径の1〜3倍程度)、遮蔽板17の第2開口部18を通った燃料ガス及び水蒸気を仕切壁15の下部に勢いよく衝突させて、混合を促進するとよい。 The distance S between the partition wall 15 and the shielding plate 17 is sufficiently reduced (about 1 to 3 times the diameter of the heat transfer beads), and the fuel gas and water vapor that have passed through the second opening 18 of the shielding plate 17 are separated from the partition wall. The lower part of 15 may be vigorously collided to promote mixing.
蒸発室11での混合後、改質室12に入った燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、混合性が良化されているため、コーキングをほぼ生じることなく、改質され、水素を含有する改質ガスが生成される。 After mixing in the evaporation chamber 11, the mixed gas of the fuel gas and water vapor that has entered the reforming chamber 12 has been improved in its mixing property, and thus is reformed and hardly contains coking. A reformed gas is generated.
本実施形態の燃料電池システムであって、発電出力が1kW程度の場合における、遮蔽板17の下端縁の位置(蒸発室11の底壁から遮蔽板17の下端縁までの距離H)、及び、仕切壁15と遮蔽板17との距離Sについては、次の通りである。
蒸発室11の底壁から遮蔽板17の下端縁までの距離Hについては、十分な混合効果を発揮させるために、7mm以下とするのが望ましい。但し、液だまりの液面高さ以上に設定する。
仕切壁15と遮蔽板17との距離Sについては、十分な混合効果を発揮させるために、7mm以下とするのが望ましい。
In the fuel cell system of the present embodiment, when the power generation output is about 1 kW, the position of the lower end edge of the shielding plate 17 (distance H from the bottom wall of the evaporation chamber 11 to the lower end edge of the shielding plate 17), and The distance S between the partition wall 15 and the shielding plate 17 is as follows.
The distance H from the bottom wall of the evaporation chamber 11 to the lower end edge of the shielding plate 17 is preferably 7 mm or less in order to exhibit a sufficient mixing effect. However, it should be set higher than the liquid level in the puddle.
The distance S between the partition wall 15 and the shielding plate 17 is preferably 7 mm or less in order to exhibit a sufficient mixing effect.
シミュレーション結果について図3及び図4により説明する。
図3はシミュレーションとして蒸発室底壁から遮蔽板下端縁までの距離H(mm)と混合性指標値との関係を示す図である。
シミュレーションでは、仕切壁と遮蔽板との距離Sを7mmに固定し、蒸発室底壁から遮蔽板下端縁までの距離Hを変化させて、混合性指標値により、混合性を評価した。
混合性指標値は、次のように算出した。改質室内の各部(複数箇所)のスチーム/カーボン比(S/C)を検出し、これらのうちの最小値、すなわち、S/Cが最も低い箇所のS/Cを混合性指標値とした。従って、混合性指標値が小さいほど、改質室内にS/Cの小さい部位があり、混合していないことを意味する。
この結果、蒸発室底壁から遮蔽板の下端縁までの距離の上限値Hmax は7mmであり、これを超えると、十分な衝突効果が得られず、混合性指標値が小さくなって、混合性が悪化することがわかった。尚、蒸発室底壁から遮蔽板の下端縁までの距離Hについては、液だまりの液面高さより高くする必要があり、下限値Hmin も存在する。
The simulation result will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the distance H (mm) from the bottom wall of the evaporation chamber to the lower edge of the shielding plate and the mixing index value as a simulation.
In the simulation, the distance S between the partition wall and the shielding plate was fixed to 7 mm, the distance H from the bottom wall of the evaporation chamber to the lower edge of the shielding plate was changed, and the mixing property was evaluated by the mixing property index value.
The mixing index value was calculated as follows. The steam / carbon ratio (S / C) of each part (plural locations) in the reforming chamber is detected, and the minimum value of these, that is, the S / C at the location where the S / C is the lowest is used as the mixing index value. . Therefore, the smaller the mixability index value, the smaller the S / C portion in the reforming chamber, which means that the mixture is not mixed.
As a result, the upper limit value Hmax of the distance from the bottom wall of the evaporation chamber to the lower end edge of the shielding plate is 7 mm. If the upper limit value Hmax is exceeded, a sufficient impact effect cannot be obtained, and the mixing index value becomes small. It turned out to get worse. Note that the distance H from the bottom wall of the evaporation chamber to the lower edge of the shielding plate needs to be higher than the liquid level of the liquid pool, and there is also a lower limit value Hmin.
図4はシミュレーションとして仕切壁と遮蔽板との距離Sと混合性指標値との関係を示す図である。
シミュレーションでは、蒸発室底壁から遮蔽板の下端縁までの距離Hを7mmに固定し、仕切壁と遮蔽板との距離Sを変化させて、上記の混合性指標値により、混合性を評価した。
この結果、仕切壁と遮蔽板との距離Sは、7mm以下であることが必要で、7mmを超えると、ガス混合が不十分となり、混合性指標値が小さくなって、混合性が悪化することがわかった。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the distance S between the partition wall and the shielding plate and the mixing index value as a simulation.
In the simulation, the distance H from the bottom wall of the evaporation chamber to the lower edge of the shielding plate is fixed to 7 mm, the distance S between the partition wall and the shielding plate is changed, and the mixing property is evaluated by the above-described mixing index value. .
As a result, the distance S between the partition wall and the shielding plate needs to be 7 mm or less, and if it exceeds 7 mm, the gas mixing becomes insufficient, the mixing index value becomes small, and the mixing property deteriorates. I understood.
但し、上記のシミュレーションは発電出力が1kW程度の場合であり、発電出力が1kWを超える場合は、改質に必要な燃料ガス及び水の量が増えるため、前記距離H及び前記距離Sはいずれも7mmより大きくすることができる。 However, the above simulation is a case where the power generation output is about 1 kW, and when the power generation output exceeds 1 kW, the amount of fuel gas and water required for reforming increases, so both the distance H and the distance S are It can be larger than 7 mm.
本実施形態によれば、蒸発室11内の液だまりから上方向に発生する水蒸気により上方へ押しやられた燃料ガスの流れ方向を蒸発室11の上壁から垂下される遮蔽板17により下方向に変えて、対向する水蒸気と衝突させ、燃料ガスと水蒸気との混合を促進することができる。
また、遮蔽板17の下端縁の下側に形成される第2開口部18を通過した燃料ガス及び水蒸気は、仕切壁15に衝突して、上方の第1開口部16へ向かうことにより、遮蔽板17と仕切壁15との間でも混合が促進される。
従って、燃料ガスと水蒸気との混合性が良化され、改質室12における改質触媒のコーキングを抑制できる。また、極めてシンプルかつ低コストな構造であり、容易に実施できる。
According to this embodiment, the flow direction of the fuel gas pushed upward by the water vapor generated upward from the liquid pool in the evaporation chamber 11 is lowered by the shielding plate 17 suspended from the upper wall of the evaporation chamber 11. Alternatively, it can be made to collide with the opposing water vapor and promote mixing of the fuel gas and water vapor.
Further, the fuel gas and water vapor that have passed through the second opening 18 formed on the lower side of the lower end edge of the shielding plate 17 collide with the partition wall 15 and travel toward the upper first opening 16, thereby shielding. Mixing is also promoted between the plate 17 and the partition wall 15.
Therefore, the mixing property of the fuel gas and the water vapor is improved, and the coking of the reforming catalyst in the reforming chamber 12 can be suppressed. In addition, the structure is extremely simple and low cost, and can be easily implemented.
混合性良化による効果は次の通りである。
1)水が気相、液相、混相のいずれの状態で導入されても燃料ガスとの混合性が良化され、改質室12における改質触媒のコーキングを抑制できることから、コーキング抑制のために多めに設定していた水の供給量を低減でき、これにより発電効率の向上が可能となる。また、水の供給量を低減させると、改質触媒の温度が上昇し、改質反応速度が上昇するため、改質反応を完全に終了させるために必要な改質触媒の充填量の低減も可能となる。あわせて、燃料改質装置の小型化も可能であるため、燃料電池システムも小型化できる。小型化により燃料改質装置及び燃料電池システムの熱容量が減少するため、燃料改質装置及び燃料電池システムを所定の温度に維持するために必要な燃料の量が少なくなり、発電効率を向上させることができる。
2)発電出力変動時等における燃料ガス及び水の流量増減速度を上げた場合、発電出力増大時に蒸発室11内での水の気化遅れによる一時的な水蒸気供給量の低下が懸念されるが、混合性の良化により、改質室12での局所的な水蒸気量の低下が起こらなくなり、コーキングを抑制できる。従って、燃料ガス及び水の流量増減速度を上げることが可能となり、発電出力の応答性向上が可能となる。
The effects of improved mixing are as follows.
1) Even if water is introduced in any of a gas phase, a liquid phase, and a mixed phase, the miscibility with the fuel gas is improved and coking of the reforming catalyst in the reforming chamber 12 can be suppressed. Therefore, it is possible to reduce the amount of water that has been set to a large amount, thereby improving the power generation efficiency. Also, if the amount of water supplied is reduced, the temperature of the reforming catalyst rises and the reforming reaction rate increases, so that the amount of reforming catalyst filling required to complete the reforming reaction can be reduced. It becomes possible. In addition, since the fuel reformer can be downsized, the fuel cell system can also be downsized. Since the heat capacity of the fuel reformer and the fuel cell system is reduced by downsizing, the amount of fuel required to maintain the fuel reformer and the fuel cell system at a predetermined temperature is reduced, and the power generation efficiency is improved. Can do.
2) When the flow rate increase / decrease rate of the fuel gas and water at the time of power generation output fluctuation etc. is increased, there is a concern that the water vapor supply amount temporarily decreases due to the delay in vaporization of water in the evaporation chamber 11 when the power generation output increases. By improving the mixing property, local reduction of the water vapor amount in the reforming chamber 12 does not occur, and coking can be suppressed. Therefore, the flow rate increase / decrease speed of the fuel gas and water can be increased, and the response of the power generation output can be improved.
また、本実施形態によれば、仕切壁15の第1開口部16は、蒸発室11への燃料ガス及び水の入口部13より高位置に設けられることにより、蒸発室11内の水が改質室12に直接流れ込むのを確実に防止できる。 Further, according to the present embodiment, the first opening 16 of the partition wall 15 is provided at a position higher than the inlet 13 of the fuel gas and water to the evaporation chamber 11 so that the water in the evaporation chamber 11 is modified. It is possible to reliably prevent direct flow into the quality chamber 12.
また、本実施形態によれば、遮蔽板17の第2開口部18は、蒸発室11への燃料ガス及び水の入口部13より低位置に設けられることにより、燃料ガスを確実に下向きにして水蒸気と衝突させることができる。 Further, according to the present embodiment, the second opening 18 of the shielding plate 17 is provided at a position lower than the inlet 13 of the fuel gas and water to the evaporation chamber 11, so that the fuel gas is surely directed downward. Can collide with water vapor.
尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。 The illustrated embodiments are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to those directly described by the described embodiments, and various improvements and modifications made by those skilled in the art within the scope of the claims. Needless to say, it encompasses changes.
1 燃料改質装置
2 燃料電池
3 オフガス燃焼部
4 筐体(燃焼室区画部材)
11 蒸発室
12 改質室
13 入口部
14 出口部
15 仕切壁
16 第1開口部
17 遮蔽板
18 第2開口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel reformer 2 Fuel cell 3 Off-gas combustion part 4 Case (combustion chamber division member)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Evaporation chamber 12 Reforming chamber 13 Inlet part 14 Outlet part 15 Partition wall 16 1st opening part 17 Shielding plate 18 2nd opening part
Claims (6)
内部に改質触媒が充填されていて、前記蒸発室と連通し、前記蒸発室からの燃料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質室と、
を備え、
前記蒸発室と前記改質室との連通部は、前記蒸発室と前記改質室とを仕切る仕切壁に形成した第1開口部であり、
前記蒸発室内には、前記仕切壁に対向する遮蔽板が設けられ、
前記遮蔽板は、前記蒸発室の上壁から下方に垂下されて、その下端縁と前記蒸発室の底壁との間に燃料ガス及び水が流通可能な第2開口部を形成し、
前記第1開口部は、前記第2開口部より高位置に設けられることを特徴とする、燃料改質装置。 An evaporation chamber that is filled with a heat transfer promotion member, fuel gas and water are introduced, water is evaporated, and water vapor is generated;
A reforming chamber that is filled with a reforming catalyst, communicates with the evaporation chamber, reforms a mixed gas of fuel gas and water vapor from the evaporation chamber, and generates a reformed gas containing hydrogen;
With
The communicating portion between the evaporation chamber and the reforming chamber is a first opening formed in a partition wall that partitions the evaporation chamber and the reforming chamber,
In the evaporation chamber, a shielding plate facing the partition wall is provided,
The shielding plate is suspended downward from the upper wall of the evaporation chamber, and forms a second opening through which fuel gas and water can flow between a lower edge of the evaporation plate and a bottom wall of the evaporation chamber,
The fuel reformer according to claim 1, wherein the first opening is provided at a position higher than the second opening.
前記燃料改質装置からの改質ガス中の水素と、酸化剤ガス中の酸素とを反応させて、発電する燃料電池と、
を含んで構成される、燃料電池システム。 The fuel reformer according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell for generating electricity by reacting hydrogen in the reformed gas from the fuel reformer and oxygen in the oxidant gas;
A fuel cell system comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013253844A JP2015113239A (en) | 2013-12-09 | 2013-12-09 | Fuel reformer and fuel cell system |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017021969A (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-26 | フタバ産業株式会社 | Modification unit and fuel cell module |
| JP2021068617A (en) * | 2019-10-24 | 2021-04-30 | 株式会社デンソー | Water evaporator |
-
2013
- 2013-12-09 JP JP2013253844A patent/JP2015113239A/en active Pending
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