JP2008019160A - リフォーマ・バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】リフォーマの触媒の温度分布を減少させることにより、リフォーマ触媒の温度を均一にすることが可能なリフォーマ・バーナを提供する。
【解決手段】炭化水素を改質して水素を生成するリフォーマ内部に設けられ、前記リフォーマの外周に設置された触媒を加熱するリフォーマ・バーナにおいて、燃料が供給される燃料供給管と、燃料供給管を取り囲んで複数の噴射ホールが形成され、噴射ホールからリフォーマ内部に燃料が噴射される燃料供給チャンバとを具備することを特徴とするリフォーマ・バーナである。
【選択図】図４

Description

本発明は、水素を生成するリフォーマを加熱するバーナに係り、さらに詳細には、燃焼効率の改善されたリフォーマ・バーナに関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素との反応による化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。

燃料電池システムは、燃料電池スタックと燃料改質器（ＦＰ：Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を主要部として具備し、燃料タンク、燃料ポンプなどを付随的に具備する。前記燃料電池スタックは、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとからなる単位セルが、数個から数十個積層された構造である。

図１は、燃料電池システムの構成を概略的に図示した図面である。

図１を参照すれば、水素原子を含む燃料は、燃料処理装置で水素ガスに改質され、前記水素ガスは、燃料電池スタックに供給される。燃料電池スタックでは、前記水素と酸素とを電気化学的に反応させ、電気エネルギーを発生させる。

燃料処理装置、は脱硫装置と水素生成装置とを具備する。水素生成装置は、リフォーマ（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）とシフト反応器（ｓｈｉｆｔ ｒｅａｃｔｏｒ）とを具備する。

前記脱硫装置は、前記リフォーマとシフト反応器との触媒が硫黄化合物により被毒されないように、燃料での硫黄を除去する。

前記リフォーマは、炭化水素を改質して水素を生成するが、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成することとなる。前記一酸化炭素は、燃料電池スタックの電極の触媒層に触媒毒として作用するために、改質された燃料をすぐさまスタックに供給してはならず、前記一酸化炭素を除去する装置であるシフト反応器を必要とする。前記シフト反応器は、排出される一酸化炭素の含有量を１０ｐｐｍ以内に減少させることが望ましい。

リフォーマを加熱するリフォーマ・バーナは、リフォーマ内部（燃焼チャンバ）をほぼ７５０℃に加熱し、リフォーマの外部に付着したリフォーマ触媒を通り過ぎる炭化水素を水素ガスに改質する。

図２は、リフォーマの一例を示す図面である。図２を参照すれば、リフォーマ１０の内部である燃焼チャンバ１２には、パイプ状のリフォーマ・バーナ１１が設けられる。リフォーマ１０の外周には、リフォーマ触媒１３が配される。リフォーマ・バーナ１１に供給された燃料及び空気は、点火器（図示せず）によって点火されて燃焼し、燃焼ガスは、排出口１５を介して外部に排出される。

リフォーマ触媒１３は、約７００〜７５０℃の温度に均一に加熱されることが原料（炭化水素）の改質の効率の観点から好ましい。

図３は、図２のリフォーマ１０での温度分布をシミュレーションした図面である。図３を参照すれば、リフォーマ・バーナ１１がパイプ状になっている場合、リフォーマ触媒１３での温度分布が６００〜８２５℃と大きく、この場合は、リフォーマ１０の改質効率を低下させるという問題があった。

特開２００４−５９４１５号公報

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、リフォーマの触媒の温度分布を減少させたリフォーマ・バーナを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、炭化水素を改質して水素を生成するリフォーマ内部に設けられ、前記リフォーマの外周に設置された触媒を加熱するリフォーマ・バーナにおいて、燃料が供給される燃料供給管と、前記燃料供給管の燃料吐出口がその内部に配されるように、前記燃料供給管を取り囲んで複数の噴射ホールが形成され、前記噴射ホールからリフォーマ内部に前記燃料が噴射される燃料供給チャンバとを具備するリフォーマ・バーナが提供される。

前記噴射ホールの直径は、０．７６ｍｍ以下であることが望ましい。

前記燃料供給チャンバは、耐熱性金属またはセラミックにより形成されてもよい。例えば、前記燃料供給チャンバは、ＳＵＳ ３０１により形成されてもよい。また、例えば、燃料供給チャンバは、アルミナにより形成されてもよい。

前記燃料供給管は、前記燃料供給チャンバの下部中央に配され、前記燃料供給チャンバは、前記リフォーマの下部中央に配されてもよい。

前記燃料供給管の前端には、シリンダメッシュがさらに設けられてもよい。

本発明のリフォーマ・バーナによれば、リフォーマ内での温度分布を一定にし、これは、リフォーマ触媒の温度を均一にすることができる。また、リフォーマで、改質反応に必要な改質触媒との接触面積を増大させるので、相対的に小さなサイズのリフォーマを製作できる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図４は、本発明の一実施形態によるリフォーマ・バーナの構造を示す断面図であり、図５は、図４のリフォーマ・バーナを備えるリフォーマの断面図である。

図４及び図５を参照すれば、リフォーマ・バーナ２０は、燃料、例えば、空気と共にガス燃料及び／または液体燃料が供給される燃料供給管２１と、前記燃料供給管２１を取り囲む燃料供給チャンバ２２とを具備する。前記燃料供給管２１の燃料吐出口２１ａが燃料供給チャンバ２２の内部に配される。

前記燃料供給管２１は、燃料供給チャンバ２２の下部の中央から突出されるように配されている。このように燃料供給管２１を中央に配置することにより、燃料を均一に供給することができる。前記燃料供給管２１は、パイプ状であることが望ましい。また、前記燃料供給チャンバ２２は、前記リフォーマ１０の下部の中央から突出されるように設けられることが望ましい。このように燃料供給チャンバ２２を配置することにより、燃料供給チャンバ２２の外郭が改質触媒で満たされて、改質触媒を均一に加熱することができる。すなわち、火炎が発生する部分を改質触媒が配置された部分に沿って分布させることができる。

前記燃料供給チャンバ２２には、多数の噴射ホール２４が形成されている。前記噴射ホール２４からは、前記燃料供給管２１を介して供給された燃料が燃焼チャンバ１２であるリフォーマ内部に噴射される。前記噴射ホール２４の直径は、逆火（ｂａｃｋ ｄｒａｆｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ）を防止するように設計されねばならず、この直径は、使われる燃料の種類によって異なることがある。ガス移動速度の速い水素を基準とするとき、前記直径は、少なくとも０．７６ｍｍ以下でなければならない。一方、ＣＨ_４ガスの場合、前記直径は、３．３ｍｍ以下ならばよい。前記直径の下限は、燃料供給管２１に流入する流体の圧力によって変わることがある。

前記噴射ホール２４の数は、リフォーマ１０の設計によって変わりうる。燃料供給管に供給される燃料は水素を使用しないが、燃料電池スタックから回収された未反応水素を使用することが可能であるので、前記噴射ホール２４の設計は、水素の燃焼を基準に設計されることが望ましい。

前記燃料供給チャンバ２２は、最高燃焼温度であるほぼ１，０００℃に耐える耐熱性材料、例えば、ＳＵＳ ３０１ステンレススチールまたはセラミック材質により形成されることが望ましい。前記セラミック材質としては、アルミナが使われうる。

ここで、一般に、リフォーマ・バーナにおいて燃焼が行われる部分の温度が最も高い。例えば、上述した図３を参照すると、燃焼が行われる上部の温度が最も高く、燃焼ガスの流れに応じて温度差が大きく発生する。これに対して、本実施形態に係るリフォーマ・バーナは、上述したように、燃焼が行われる部分である噴射ホール２４を加熱しようとする改質触媒の位置に対応して配置することにより、同一の熱量を改質触媒の表面に均一に供給し、温度差を低減させることができる。

図６は、図５のリフォーマでの温度分布をシミュレーションした図面である。図６を参照すれば、リフォーマ触媒での温度分布が６５０〜７２５℃と非常に均一であり、これは、燃料改質の効率を向上させる。また、リフォーマ触媒１３と接触する燃焼チャンバ１２の面積を縮少させることができ、従って、リフォーマ１０の体積を縮少させることができる。

図７は、本発明の他の実施形態によるリフォーマ・バーナの構造を示す図面であり、図８は、図７のリフォーマ・バーナを備えるリフォーマを示す図面である。図２の構成要素と実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。

図７及び図８を参照すれば、リフォーマ・バーナ４０は、燃料、例えば、空気と共にガス燃料及び／または液体燃料が供給される燃料供給管４１と、前記燃料供給管４１を取り囲む燃料供給チャンバ４２と、前記燃料供給管４１の前端に設けられたシリンダメッシュ４６とを具備する。

前記燃料供給管４１は、燃料供給チャンバ４２の下部から突出されるように配されている。前記燃料供給管４１は、パイプ状であることが望ましい。前記燃料供給チャンバ４２は、前記リフォーマ１０の下部の中央から突出されるように設けられることが望ましい。

前記燃料供給チャンバ４２には、多数の噴射ホール４４が形成されている。前記噴射ホール４４からは、前記燃料供給管４１を介して供給された燃料が燃焼チャンバ１２であるリフォーマ内部に噴射される。前記噴射ホール４４の直径は、逆火を防止するように設計されねばならず、該直径は、使われる燃料の種類によって異なりうる。ガス移動速度が速い水素を基準とするとき、前記直径は、最小０．７６ｍｍ以下でなければならない。前記噴射ホール４４の数は、リフォーマ１０の設計によって変わりうる。

前記燃料供給チャンバ４２は、最高燃焼温度であるほぼ１，０００℃に耐える耐熱性材料、例えば、ＳＵＳ ３０１ステンレススチールまたはセラミック材質により形成されることが望ましい。前記セラミック材質としては、アルミナが使われうる。

前記シリンダメッシュ４６は、燃料供給管４１に流入される燃料が燃料供給チャンバ４２内で均等に排出され、前記燃料供給チャンバ４２に形成された噴射ホール４４から噴射される燃料の量を均等にするためのものである。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明のリフォーマ・バーナは、例えば、燃料電池関連の技術分野に効果的に適用可能である。

燃料電池システムの構成を概略的に図示した図面である。 一般的なリフォーマの構造を図示した図面である。 図２のリフォーマでの温度分布をシミュレーションした図面である。 本発明の一実施形態によるリフォーマ・バーナの構造を示す図面である。 図４のリフォーマ・バーナを備えるリフォーマを示す図面である。 図５のリフォーマでの温度分布をシミュレーションした図面である。 本発明の他の実施形態によるリフォーマ・バーナの構造を示す図面である。 図７のリフォーマ・バーナを備えるリフォーマを示す図面である。

符号の説明

１０ リフォーマ
１１，２０，４０ リフォーマ・バーナ
１２ 燃料チャンバ
１３ リフォーマ触媒
１５ 排出口
２１，４１ 燃料供給管
２１ａ 燃料吐出口
２２，４２ 燃料供給チャンバ
２４，４４ 噴射ホール
４６ シリンダメッシュ

Claims (8)

1. 炭化水素を改質して水素を生成するリフォーマ内部に設けられ、前記リフォーマの外周に設置された触媒を加熱するリフォーマ・バーナにおいて、
   燃料が供給される燃料供給管と、
   前記燃料供給管の燃料吐出口がその内部に配されるように、前記燃料供給管を取り囲んで複数の噴射ホールが形成され、前記噴射ホールから前記リフォーマ内部に前記燃料が噴射される燃料供給チャンバと、
   を備えることを特徴とする、リフォーマ・バーナ。
2. 前記噴射ホールの直径は、０．７６ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のリフォーマ・バーナ。
3. 前記燃料供給チャンバは、耐熱性金属またはセラミックにより形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のリフォーマ・バーナ。
4. 前記燃料供給チャンバは、ＳＵＳ ３０１ステンレススチールにより形成されたことを特徴とする、請求項３に記載のリフォーマ・バーナ。
5. 前記燃料供給チャンバは、アルミナにより形成されたことを特徴とする、請求項３に記載のリフォーマ・バーナ。
6. 前記燃料供給管は、前記燃料供給チャンバの下部中央に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載のリフォーマ・バーナ。
7. 前記燃料供給チャンバは、前記リフォーマの下部中央に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載のリフォーマ・バーナ。
8. 前記燃料供給管の前端には、シリンダメッシュがさらに設けられたことを特徴とする、請求項１に記載のリフォーマ・バーナ。