JP4479237B2 - 断熱容器構造 - Google Patents

Description

本発明は、断熱容器構造に関するものであって、特に、燃料電池の燃料となる水素を製造するための燃料改質装置の改質器等に適用すると有効な断熱容器構造に関するものである。

一般に、燃料電池は、水の電気分解とは逆に水素と酸素を結合させて、その時に発生する電気と熱を取り出すものであり、その発電効率の高さや環境への適合性から、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや燃料電池自動車としての開発が盛んに行われているが、そうした燃料電池の燃料となる水素は、ナフサ、灯油等の石油系燃料や都市ガス等を改質器で改質して製造される。

図２は改質器が設けられる設備の一例として、定置式の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）の全体系統を表わすものであって、１は改質器、２は改質器１から排出される排ガスの熱により水を蒸発させて水蒸気を発生させる水蒸発器、３は前記排ガスの熱によりナフサ等の原燃料を気化させる原燃料気化器、４は改質器１へ供給する原料ガスの脱硫を行う脱硫器、５は改質器１で改質した改質ガスを冷却水で所要温度（およそ２００〜２５０［℃］前後）に温度降下させＣＯとＨ₂ＯをＣＯ₂とＨ₂に変換する低温シフトコンバータ、６は低温シフトコンバータ５を通過した改質ガスを冷却水で冷却し酸化反応によってＣＯを除去する選択酸化ＣＯ除去器、７は選択酸化ＣＯ除去器６を通過した改質ガスを加湿する加湿器、８はカソード８ａとアノード８ｂを有する固体高分子型燃料電池である。

図２に示される設備においては、水が水蒸発器２で水蒸気とされ、且つナフサ等の燃料が原燃料気化器３で気化されて原料ガスとされ、前記水蒸気を混合した原料ガスが脱硫器４へ導かれ、該脱硫器４で脱硫された原料ガスが改質器１へ導かれ、該改質器１で改質された改質ガスが低温シフトコンバータ５と選択酸化ＣＯ除去器６と加湿器７とを介して固体高分子型燃料電池８のアノード８ｂへ導かれると共に、空気が加湿器７を介して固体高分子型燃料電池８のカソード８ａへ導かれ、発電が行われるようになっており、又、前記アノード８ｂから排出されるアノードオフガスは、改質器１における燃料ガスとして再利用される一方、前記カソード８ａから排出される水は、固体高分子型燃料電池８と選択酸化ＣＯ除去器６と低温シフトコンバータ５それぞれの冷却水、並びに原料ガスに混合される水蒸気の一部として用いられるようになっている。

従来、前記改質器１と、その関連機器としての水蒸発器２、原燃料気化器３、脱硫器４、低温シフトコンバータ５、及び選択酸化ＣＯ除去器６は、図３に示される如く、燃料改質装置として一つのユニットにまとめられており、該燃料改質装置における改質器１は、アノードオフガスが燃料ガスとして供給され且つ空気が導入される改質容器本体９内に、燃料ガスを燃焼させて温度上昇させる第一触媒燃焼器１０を設けると共に、該第一触媒燃焼器１０の下流側における改質容器本体９内に、内部に改質触媒（図示せず）が装填され且つ原料ガスを流通させてその改質を行うための改質筒体１２を改質容器本体９と同芯状に配設し、該改質筒体１２の外周側所要箇所における改質容器本体９内に、改質筒体１２内を流通する原料ガスとの熱交換により温度降下した燃焼排ガスを再度燃焼させて温度上昇させるための第二触媒燃焼器１１を設けてなる構成を有している。

前記改質器１に燃料ガスとして供給されるアノードオフガスはカロリーが低く着火しにくいが、図３に示されるような燃料改質装置における改質器１においては、前記燃料ガスと空気が改質容器本体９内に供給されると、第一触媒燃焼器１０で酸化反応が強制的に行われて発熱し、これを熱源として原料ガスが改質筒体１２内の改質触媒（図示せず）を通過する際に改質が行われ、改質ガスが生成され、低温シフトコンバータ５と選択酸化ＣＯ除去器６とを経由しＣＯが除去された改質ガスとして排出されると共に、前記原料ガスの改質反応のために熱を奪われて温度降下した燃焼排ガスは、第二触媒燃焼器１１で再度燃焼が行われて温度上昇し、水蒸発器２と原燃料気化器３でそれぞれ改質用の水並びにナフサ等の原燃料と熱交換を行った後、排出されるようになっている。

ここで、改質器１は燃料から水素を生成する燃料電池発電システムの主要構成機器であって、その反応は７００〜８００［℃］程度の非常に高温で進行する吸熱反応であり、しかも、改質器１における反応の温度レベルと、低温シフトコンバータ５や選択酸化ＣＯ除去器６における反応の温度レベルとが異なっているため、各機器の間には、セラミックファイバ等の断熱材１３を充填すると共に、全体を断熱材１３で被覆して断熱層１４を形成するようになっている。

尚、真空断熱容器の内部に改質器を収容した断熱容器構造を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
特開２００３−８９５０３号公報

しかしながら、図３に示されるような燃料改質装置の如く、各機器の間に、セラミックファイバ等の断熱材１３を充填すると共に、全体を断熱材１３で被覆して断熱層１４を形成するのでは、燃料改質装置に占める断熱層１４の容積が非常に大きくなると共に、その施工に手間がかかり、しかも、改質器１内の触媒交換や点検等のメンテナンスの都度、断熱材１３を除去し、その上に改質容器本体９を切断しなければならず、非常に手間がかかるという欠点を有していた。

特に、近年、実用化が期待されている固体高分子型燃料電池は規模が小さいため、とりわけ断熱層１４の容積が相対的に大きくなる。

例えば、直径が２００［ｍｍ］の円筒状に製作した改質器１に１５０［ｍｍ］の厚さの断熱材１３を施工する場合、全容積のおよそ８０［％］以上が断熱層１４となってしまう。

改質器１は小型化を期待されている機器であるため、断熱層１４の容積の削減と放熱損失の低減を両立させることは大きな課題であると言える。

尚、特許文献１に示されるような断熱容器構造では、真空断熱容器を使用するため、高い断熱性能は得られるものの、コスト面で不利となる欠点を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、高価となる真空断熱容器等を用いることなく、断熱層の容積を削減でき且つ放熱損失を低減でき、装置の小型化並びに熱効率向上を図ることができ、更に、断熱層の施工の手間を大幅に軽減し得、メンテナンスも容易に行い得る断熱容器構造を提供しようとするものである。

本発明は、容器を内側断熱層と外側断熱層とからなる二重構造とし、内側断熱層の内部を、燃料を燃焼用空気により燃焼させた燃焼ガスの流路とすると共に、内側断熱層と外側断熱層との間を燃焼用空気の供給流路とし、該供給流路に導入される燃焼用空気を前記流路内の燃焼ガスにより予熱して内側断熱層の内部に供給するよう構成し、
燃料を燃焼用空気により燃焼させた燃焼ガスを噴射する燃焼器と、内部に改質触媒が装填され原料ガスを流通させてその改質を行う改質管とを内側断熱層の内部に配設し、改質器を形成するようにしたことを特徴とする断熱容器構造にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

内側断熱層の内部での燃焼に伴って外部へ逃げようとする熱は、供給流路に導入される燃焼用空気を予熱することに利用され、内側断熱層の内部に還流される形となり、更に、外部への最終的な放熱を防ぐ外側断熱層は、燃焼用空気と外気との温度差が小さいため、薄い厚さのもので良くなり、トータルの断熱層の厚さを従来に比べ大幅に薄くすることが可能になると共に、放熱損失を低減することが可能となる。

前記断熱容器構造においては、燃料を燃焼用空気により燃焼させた燃焼ガスを噴射する燃焼器と、内部に改質触媒が装填され原料ガスを流通させてその改質を行う改質管とを内側断熱層の内部に配設し、改質器を形成するようにしてあるので、改質器のコンパクト化と放熱損失の低減が可能になることに加え、内側断熱層と外側断熱層とからなる二重構造の容器を改質器に被せるだけで断熱層の施工が行われるため、従来のように、改質器の周囲にセラミックファイバ等の断熱材を充填したりする必要がなくなり、断熱層の施工の手間が大幅に軽減され、しかも、改質器内の触媒交換や点検等のメンテナンスの際には、容器を開放するだけで済み、その都度、断熱材を除去したり、改質器を切断したりする必要もない。

本発明の請求項１記載の断熱容器構造によれば、高価となる真空断熱容器等を用いることなく、断熱層の容積を削減でき且つ放熱損失を低減でき、装置の小型化並びに熱効率向上を図ることができ、更に、断熱層の施工の手間を大幅に軽減し得、メンテナンスも容易に行い得るという優れた効果を奏し得る。

更に、本発明の請求項１記載の断熱容器構造によれば、高価となる真空断熱容器等を用いることなく、改質器を含む燃料改質装置における断熱層の容積を削減でき且つ放熱損失を低減でき、改質器を含む燃料改質装置の小型化並びに熱効率向上を図ることができ、更に、改質器を含む燃料改質装置における断熱層の施工の手間を大幅に軽減し得、メンテナンスも容易に行い得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図２及び図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、容器１５を内側断熱層１５ａと外側断熱層１５ｂとからなる二重構造とし、内側断熱層１５ａの内部を、燃料を燃焼用空気により燃焼させた燃焼ガスの流路１７とすると共に、内側断熱層１５ａと外側断熱層１５ｂとの間を燃焼用空気の供給流路１８とし、該供給流路１８に導入される燃焼用空気を前記流路１７内の燃焼ガスにより予熱して内側断熱層１５ａの内部に供給するよう構成したものである。

本図示例の場合、燃料ガス（アノードオフガス）を燃焼用空気により燃焼させた燃焼ガスを噴射するバーナ等の燃焼器１６と、内部に改質触媒（図示せず）が装填され原料ガスを流通させてその改質を行う改質管１９とを内側断熱層１５ａの内部に配設し、改質器１を形成してある。尚、前記改質管１９は、内管１９ａと外管１９ｂとからなる二重管構造としてあり、原料ガスを内管１９ａと外管１９ｂとの間に形成される外側の空間内を上昇させて前記燃焼ガスと熱交換させた後、その上端で折り返して内管１９ａの内側の空間内を下降させるようにしてある。

次に、上記図示例の作用を説明する。

内側断熱層１５ａの内部での燃焼に伴って外部へ逃げようとする熱は、供給流路１８に導入される燃焼用空気を予熱することに利用され、内側断熱層１５ａの内部に還流される形となり、更に、外部への最終的な放熱を防ぐ外側断熱層１５ｂは、燃焼用空気と外気との温度差が小さいため、薄い厚さのもので良くなり、トータルの断熱層の厚さを従来に比べ大幅に薄くすることが可能になると共に、放熱損失を低減することが可能となる。

本図示例に示す如く、燃料ガス（アノードオフガス）を燃焼用空気により燃焼させた燃焼ガスを噴射する燃焼器１６と、内部に改質触媒が装填され原料ガスを流通させてその改質を行う改質管１９とを内側断熱層１５ａの内部に配設し、改質器１を形成すると、改質器１のコンパクト化と放熱損失の低減が可能になることに加え、内側断熱層１５ａと外側断熱層１５ｂとからなる二重構造の容器１５を改質器１に被せるだけで断熱層の施工が行われるため、従来のように、改質器１の周囲にセラミックファイバ等の断熱材を充填したりする必要がなくなり、断熱層の施工の手間が大幅に軽減され、しかも、改質器１内の触媒交換や点検等のメンテナンスの際には、容器１５を開放するだけで済み、その都度、断熱材を除去したり、改質器１を切断したりする必要もない。

因みに、本発明者等の試算では、直径Ｄ１＝φ２００［ｍｍ］、高さＨ＝１３００［ｍｍ］の改質器１を断熱し、放散熱量Ｑ＝２５０［Ｗ］を達成しようとした場合、単層容器では、最高の断熱性能を有する断熱材を使用しても、容器の外径は、φ３６２［ｍｍ］必要となるのに対し、本図示例に示すような二重構造の容器１５では、同じ断熱材の使用で、
内側断熱層１５ａの外径Ｄ２＝φ２８０［ｍｍ］
外側断熱層１５ｂの内径Ｄ３＝φ２８６［ｍｍ］
外側断熱層１５ｂの外径Ｄ４＝φ２９８［ｍｍ］
となり、およそ３２［％］の容積削減が可能となる。

又、特許文献１に示されるものでは、真空断熱容器に収容されている改質器が容器構造になっているため、一見すると、本図示例と類似した二重容器構造となっているが、特許文献１に示されるものの場合、断熱はあくまでも外側の真空断熱容器が単独で担うようになっており、改質器と真空断熱容器との間の空間には、空気のような流体を流しておらず、その空間は断熱には全く寄与していないと言うことができ、特許文献１に示されるものは、真空断熱容器の内壁と外壁との熱伸び差を吸収することに主眼を置いているものに過ぎない。

更に又、本図示例に示すような二重構造の容器１５では、外側断熱層１５ｂの内壁温度は、最高でも１２０［℃］程度にしかならないが、特許文献１に示されるような断熱容器構造では、真空断熱容器の内壁温度をおよそ６００［℃］と想定しており、この点も両者の大きな相違となっている。

一方、本図示例においては、改質器１のみを内側断熱層１５ａの内部に配設しているが、参考例として、改質器１だけではなく、改質器１の関連機器として挙げられる、図２及び図３に示されるような、改質器１で改質した改質ガスを所要温度に温度降下させＣＯとＨ₂ＯをＣＯ₂とＨ₂に変換する低温シフトコンバータ５と、該低温シフトコンバータ５を通過した改質ガスを冷却しＣＯを除去する選択酸化ＣＯ除去器６とを内側断熱層１５ａの内部に配設することができる。

又、参考例となる前記改質器１の関連機器としては、燃焼ガスの熱により水を蒸発させて水蒸気を発生させる水蒸発器２や、燃焼ガスの熱により原燃料を気化させる原燃料気化器３や、改質器１へ供給する原料ガスの脱硫を行う脱硫器４を挙げることもでき、これらの機器を内側断熱層１５ａの内部に配設することもできる。

尚、一般に、固体高分子型燃料電池８（ＰＥＦＣ）用のプロセスでは、改質ガス中に含まれる微量のＣＯは固体高分子型燃料電池８の被毒物質であって数ｐｐｍレベルまで除去する必要があるため、低温シフトコンバータ５を通過した改質ガスを冷却水で冷却し酸化反応によってＣＯを除去する選択酸化ＣＯ除去器６を用いているのであるが、該選択酸化ＣＯ除去器６の代りに、メタネーション反応、即ち、
ＣＯ＋３Ｈ₂→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ
という反応式で示されるメタンの改質の逆反応を用いるメタネータを、ＣＯ除去器として使用することも可能である。該メタネータにおいては、触媒としてＮｉ系のものが用いられ、およそ２５０［℃］程度で反応を進めるようにすれば、
４Ｈ₂＋ＣＯ₂→ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ
という反応式で示されるような反応が起こってしまうことはなく、暴走する心配もない。

こうして、高価となる真空断熱容器等を用いることなく、改質器１、或いは該改質器１とその関連機器を含む燃料改質装置における断熱層の容積を削減でき且つ放熱損失を低減でき、改質器１、或いは該改質器１とその関連機器を含む燃料改質装置の小型化並びに熱効率向上を図ることができ、更に、改質器１、或いは該改質器１とその関連機器を含む燃料改質装置における断熱層の施工の手間を大幅に軽減し得、メンテナンスも容易に行い得る。

尚、本発明の断熱容器構造は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例の側断面図である。 改質器が設けられる設備の一例を表わす全体系統図である。 従来の燃料改質装置の一例を表わす側断面図である。

符号の説明

１ 改質器
２ 水蒸発器（関連機器）
３ 原燃料気化器（関連機器）
４ 脱硫器（関連機器）
５ 低温シフトコンバータ（関連機器）
６ 選択酸化ＣＯ除去器（関連機器）
１５ 容器
１５ａ 内側断熱層
１５ｂ 外側断熱層
１６ 燃焼器
１７ 流路
１８ 供給流路
１９ 改質管

Claims (1)

1. 容器を内側断熱層と外側断熱層とからなる二重構造とし、内側断熱層の内部を、燃料を燃焼用空気により燃焼させた燃焼ガスの流路とすると共に、内側断熱層と外側断熱層との間を燃焼用空気の供給流路とし、該供給流路に導入される燃焼用空気を前記流路内の燃焼ガスにより予熱して内側断熱層の内部に供給するよう構成し、
   燃料を燃焼用空気により燃焼させた燃焼ガスを噴射する燃焼器と、内部に改質触媒が装填され原料ガスを流通させてその改質を行う改質管とを内側断熱層の内部に配設し、改質器を形成するようにしたことを特徴とする断熱容器構造。

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