JP2007253094A - Gas mixer and hydrogen generator - Google Patents
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Abstract
【課題】組成の異なるガスを均一に混合することができるガス混合器を得ることが第1の目的である。また、このガス混合器を適用して、自己着火を防止することができる水素生成装置を得る。
【解決手段】ガス混合器60は、複数のプレート本体94を積層することで、可燃ガスを導入するための可燃ガス分割流路66と支燃ガスを導入するための支燃ガス分割流路68とがプレート本体94を介して隣接した隣接ユニット74が複数形成されているガス流分割部70と、可燃ガス分割流路66の下流端部と支燃ガス分割流路68の下流端部とを連通して設けられ隣接ユニット74毎に可燃ガスと支燃ガスとを混合する隣接ガス混合部76と、複数の隣接ガス混合部76の混合ガス出口がそれぞれ連通された拡大混合部78とを備える。
【選択図】図1It is a first object to obtain a gas mixer capable of uniformly mixing gases having different compositions. Further, by applying this gas mixer, a hydrogen generator capable of preventing self-ignition is obtained.
A gas mixer 60 includes a plurality of plate main bodies 94 stacked to form a combustible gas dividing channel 66 for introducing a combustible gas and a supporting gas dividing channel 68 for introducing a supporting gas. A gas flow dividing portion 70 in which a plurality of adjacent units 74 adjacent to each other via the plate body 94 are formed, a downstream end portion of the combustible gas dividing flow channel 66 and a downstream end portion of the combustion supporting gas dividing flow channel 68. An adjacent gas mixing unit 76 that is provided in communication and mixes combustible gas and combustion support gas for each adjacent unit 74, and an enlarged mixing unit 78 that communicates with mixed gas outlets of the plurality of adjacent gas mixing units 76. .
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、異なる組成のガスを混合するためのガス混合器、及びこのガス混合器が適用され改質原料を改質して水素を生成するための水素生成装置に関する。 The present invention relates to a gas mixer for mixing gases having different compositions, and a hydrogen generator for generating hydrogen by reforming a reforming raw material to which the gas mixer is applied.
例えば、燃料電池に供給する水素を得るための水素供給装置として、水蒸気改質を含む改質反応によって炭化水素原料を水素含有ガスに改質する、改質式の水素供給装置が考えられている(例えば、特許文献1参照)。このような水素供給装置では、吸熱反応である改質反応を維持するため、改質反応を行う改質部と該改質部に熱を付与する燃焼部とを隣接して設け、改質反応を連続して行い得るように構成されている。そして、この燃焼部の燃料として、燃料電池のアノードオフガスを用いることが考えられている。アノードオフガスは、燃料電池の運転温度に近い比較的高温で燃焼部に供給されるので、燃焼ガスの温度上昇による顕熱ロスが少ないメリットがある。
ところで、改質部を加熱するための燃焼部においてアノードオフガスを触媒燃焼させる構成を採る場合、上記の如く比較的高温で供給されるアノードオフガスが燃焼用空気(支燃ガス)との接触によって自己着火し、燃焼部で気相燃焼が生じてしまうことが懸念される。この自己着火は、アノードオフの濃度が局所的に高い部分で生じやすいので、アノードオフガスと燃焼用空気とを均一に混合する混合器を設けることが自己着火の防止対策となり得る。 By the way, when adopting a configuration in which the anode off gas is catalytically combusted in the combustion section for heating the reforming section, the anode off gas supplied at a relatively high temperature as described above is self-contacted with the combustion air (combustion gas). There is a concern that gas phase combustion may occur in the combustion section after ignition. Since this self-ignition tends to occur in a portion where the anode off concentration is locally high, it is possible to prevent self-ignition by providing a mixer that uniformly mixes the anode off gas and the combustion air.
本発明は、上記事実を考慮して、組成の異なるガスを均一に混合することができるガス混合器を得ることが第1の目的である。また、本発明は、上記ガス混合器を適用して、自己着火を防止することができる水素生成装置を得ることが第2の目的である。 The first object of the present invention is to obtain a gas mixer capable of uniformly mixing gases having different compositions in consideration of the above facts. In addition, a second object of the present invention is to obtain a hydrogen generator capable of preventing self-ignition by applying the gas mixer.
上記第1の目的を達成するために請求項1記載の発明に係るガス混合器は、複数の仕切板を積層することで、第1ガスを導入するための第1ガス流路と第2ガスを導入するための第2ガス流路とが前記仕切板を介して隣接した単位隣接流路部が複数形成されているガス導入部と、前記ガス導入部を構成する各単位隣接流路部において前記第1ガス流路の下流端部と前記第2ガス流路の下流端部とを連通して設けられ、該単位隣接流路部毎に第1ガス流路の第1ガスと第2ガス流路の第2ガスとを混合するための隣接ガス混合部と、を備えている。 In order to achieve the first object, the gas mixer according to the first aspect of the present invention includes a first gas flow path and a second gas for introducing the first gas by laminating a plurality of partition plates. A gas introduction portion in which a plurality of unit adjacent flow passage portions adjacent to each other via the partition plate are formed, and each unit adjacent flow passage portion constituting the gas introduction portion. A downstream end portion of the first gas flow path and a downstream end portion of the second gas flow path are provided in communication with each other, and the first gas and the second gas of the first gas flow path are provided for each unit adjacent flow path portion. And an adjacent gas mixing section for mixing the second gas in the flow path.
請求項1記載のガス混合器では、ガス導入部に独立して供給され各単位隣接流路部を構成する第1ガス流路、第2ガス流路を独立して流れる第1ガスと第2ガスとが、それぞれ隣接ガス混合部にて混合され、各隣接ガス混合部から流出した混合ガスが下流側に位置する混合ガス消費装置等に供給される。ここで、本ガス混合器では、各単位隣接流路部の第1流路第2流路にそれぞれ第1ガス、第2ガスが分散されるので、各単位隣接流路部を流れる第1ガス第2ガスは、それぞれ流量が小さく濃度のばらつきが小さい。そして、各隣接ガス混合部において、それぞれ流量が小さく濃度のばらつきが小さい第1ガスと第2ガスとが(他の隣接ガス混合部とは)独立して混合されるため、第1ガスと第2ガスとはバラつきのない流量バランス(流量比)で良好に混合される。 In the gas mixer according to claim 1, the first gas and the second gas that are independently supplied to the gas introduction unit and that flow independently through the first gas channel and the second gas channel that constitute each unit adjacent channel unit. The gases are mixed in the adjacent gas mixing sections, and the mixed gas flowing out from the adjacent gas mixing sections is supplied to a mixed gas consuming device or the like located on the downstream side. Here, in the present gas mixer, the first gas and the second gas are respectively dispersed in the first flow path and the second flow path of each unit adjacent flow path portion, so the first gas flowing through each unit adjacent flow path portion. The second gas has a small flow rate and a small concentration variation. In each adjacent gas mixing section, the first gas and the second gas having a small flow rate and a small concentration variation are mixed independently (in contrast to the other adjacent gas mixing sections). The two gases are well mixed with a flow rate balance (flow rate ratio) that does not vary.
このように、請求項1記載のガス混合器では、組成の異なるガスを均一に混合することができる。特に、第1ガス流路、第2ガス流路の仕切板積層方向の寸法が小さい構成、例えば、扁平構造やマイクロチャンネル構造では、単位隣接流路部の第1ガスと第2ガスとが合流する予備混合部において高いせん断力を受けてガス流方向に拡散する(流れが乱れる)ため、混合が促進される。なお、各隣接ガス混合部から流出した混合ガスを下流側の装置に供給する前に合流させる混合ガス合流部を設けた構成としても良い。 Thus, in the gas mixer according to claim 1, gases having different compositions can be uniformly mixed. In particular, in a configuration in which the dimension of the first gas flow channel and the second gas flow channel in the partitioning plate stacking direction is small, for example, in a flat structure or a microchannel structure, the first gas and the second gas in the unit adjacent flow channel part merge. In the premixing section, the high shearing force is received and the gas is diffused in the gas flow direction (flow is disturbed), so that mixing is promoted. In addition, it is good also as a structure which provided the mixed gas junction part which joins before supplying the mixed gas which flowed out from each adjacent gas mixing part to a downstream apparatus.
請求項2記載の発明に係るガス混合器は、請求項1記載のガス混合器において、前記各隣接ガス混合部は、前記単位隣接流路部を構成する第1ガス流路と第2ガス流路とを仕切る前記仕切板における下流端部側に設けられ、該単位隣接流路部の第1ガス流路と第2ガス流路とを連通する連通路を含んで構成されている。 A gas mixer according to a second aspect of the present invention is the gas mixer according to the first aspect, wherein each of the adjacent gas mixing sections includes a first gas flow path and a second gas flow that constitute the unit adjacent flow path section. It is provided in the downstream end part side in the said partition plate which partitions off a path | route, and is comprised including the communicating path which connects the 1st gas flow path and 2nd gas flow path of this unit adjacent flow path part.
請求項2記載のガス混合器では、隣接ガス混合部は、単位隣接流路部を構成する第1ガス流路と第2ガス流路との間に介在している仕切板に設けられた連通路において、第1ガス流路と第2ガス流路とを連通している。連通路は、仕切板に切欠部や切り抜き部(孔)を設けて構成される。これにより、別部材を設けることのない簡単な構造で、各単位隣接流路部に連続する隣接ガス混合部が構成される。
In the gas mixer according to
請求項3記載の発明に係るガス混合器は、請求項2記載のガス混合器において、前記各隣接ガス混合部は、前記連通路に対し下流側に配置され、前記第1ガスを第2ガス側に案内するガス案内手段を含んで構成されている。 A gas mixer according to a third aspect of the present invention is the gas mixer according to the second aspect, wherein each of the adjacent gas mixing portions is disposed downstream of the communication path, and the first gas is used as the second gas. It includes gas guiding means for guiding to the side.
請求項3記載のガス混合器では、第1ガス流路を流通して連通部に至った第1ガスは、ガス案内手段に案内されて、該第1ガス流路とで単位隣接流路部を構成する第2ガス流路下流側に向けてガス流方向が強制的に変換される。これにより、第1ガスと第2ガスとが直接的に衝突するため、上記したせん断作用に頼ることなく、これらの混合が促進される。なお、第2ガス流路側にも連通路の下流で第2ガスを第1ガス側に案内するガス案内部を設けても良い。 4. The gas mixer according to claim 3, wherein the first gas that has flowed through the first gas flow path and reaches the communicating portion is guided by the gas guiding means, and the unit adjacent flow path portion is connected to the first gas flow path. The gas flow direction is forcibly converted toward the downstream side of the second gas flow path constituting the. Thereby, since 1st gas and 2nd gas collide directly, mixing of these is accelerated | stimulated without resorting to an above-mentioned shearing effect | action. In addition, you may provide the gas guide part which guides 2nd gas to the 1st gas side downstream of a communicating path also on the 2nd gas flow path side.
請求項4記載の発明に係るガス混合器は、請求項1乃至請求項3の何れか1項記載のガス混合器において、前記ガス導入部は、前記第1ガス流路が前記隣接ガス混合部に第1ガスを導入するガス流方向と、前記第2ガス流路が前記隣接ガス混合部に第2ガスを導入するガス流方向とが異なる設定とされている。 A gas mixer according to a fourth aspect of the present invention is the gas mixer according to any one of the first to third aspects, wherein the first gas flow path is the adjacent gas mixing section. The gas flow direction for introducing the first gas into the gas flow direction is different from the gas flow direction for introducing the second gas into the adjacent gas mixing section.
請求項4記載のガス混合器では、隣接ガス混合部に導入される(直前の)第1ガスのガス流方向と第2ガスのガス流方向とが異なるため、換言すれば、積層方向から見て第1ガスの速度ベクトルと第2ガスの速度ベクトルとが交差する部分に隣接ガス混合部が配設されているため、第1ガスと第2ガスとの混合が一層促進される。すなわち、ガスのせん断作用(流速差)を利用する構成では、第1ガスと第2ガスとの拡散方向を異ならせて混合効果が増大し、ガス案内手段を有する構成では、積層方向にも速度ベクトルを交差させることで混合効果が増大する。 In the gas mixer according to the fourth aspect, the gas flow direction of the first gas (immediately before) introduced into the adjacent gas mixing portion is different from the gas flow direction of the second gas. Since the adjacent gas mixing portion is disposed at the portion where the velocity vector of the first gas and the velocity vector of the second gas intersect, the mixing of the first gas and the second gas is further promoted. That is, in the configuration using the shearing action (difference in flow velocity) of the gas, the mixing effect is increased by changing the diffusion direction of the first gas and the second gas, and in the configuration having the gas guiding means, the velocity is also increased in the stacking direction. The mixing effect is increased by crossing the vectors.
請求項5記載の発明に係るガス混合器は、請求項4記載のガス混合器において、前記ガス導入部は、前記第1ガス流路が、前記積層方向から見て、前記隣接ガス混合部及び前記ガス合流部とでガス流方向が直線となるように配置されると共に、前記第2ガス流路が前記第1ガス流路とで所定角度の鋭角を成す直線形状に形成されている。 The gas mixer according to a fifth aspect of the present invention is the gas mixer according to the fourth aspect, wherein the gas introduction section includes the adjacent gas mixing section and the first gas flow path as viewed from the stacking direction. The gas flow direction is arranged to be a straight line with the gas merging portion, and the second gas flow path is formed in a linear shape that forms an acute angle with the first gas flow path.
請求項5記載のガス混合器では、第1ガスは、マクロ的には積層方向から見て第1ガス流路、隣接ガス混合部、ガス合流部を直線的に流れ、第2ガスは隣接ガス混合部において斜め方向から第1ガスに合流し、流れ方向を変化しながら第1ガスと混合される。これにより、例えば、第1ガス流路と第2ガス流路とをガス合流部(混合ガスの流れ方向)に対し対称に形成した構成と比較して、混合性能が向上する。また、一方のガス流を直線状にするので、各ガス流の圧力損失を低減することができる。 6. The gas mixer according to claim 5, wherein the first gas flows linearly through the first gas flow path, the adjacent gas mixing portion, and the gas merging portion when viewed from the stacking direction in a macro manner, and the second gas is the adjacent gas. In the mixing portion, the first gas is merged from an oblique direction and mixed with the first gas while changing the flow direction. Thereby, for example, the mixing performance is improved as compared with a configuration in which the first gas channel and the second gas channel are formed symmetrically with respect to the gas merging portion (flow direction of the mixed gas). Moreover, since one gas flow is made linear, the pressure loss of each gas flow can be reduced.
請求項6記載の発明に係るガス混合器は、請求項1乃至請求項5の何れか1項記載のガス混合器において、前記ガス導入部は、前記第1ガスと第2ガスとの流量比が所定値である場合に前記第1ガス流路の圧力損失と第2ガス流路の圧力損失とが一致する設定とされている。 A gas mixer according to a sixth aspect of the present invention is the gas mixer according to any one of the first to fifth aspects, wherein the gas introduction part is a flow rate ratio between the first gas and the second gas. Is set to be equal to the pressure loss of the first gas flow path and the pressure loss of the second gas flow path.
請求項6記載のガス混合器では、第1ガスと第2ガスとの流量比が所定値である場合にガス導入部を通過する第1ガスの圧力損失と第2ガスの圧力損失とが略一致するため、両ガスを小さいエネルギで送出して混合することができる。 In the gas mixer according to claim 6, when the flow rate ratio between the first gas and the second gas is a predetermined value, the pressure loss of the first gas and the pressure loss of the second gas that pass through the gas introduction part are approximately. Since they match, both gases can be delivered and mixed with low energy.
請求項7記載の発明に係るガス混合器は、請求項1乃至請求項5の何れか1項記載のガス混合器において、前記ガス導入部は、前記第1ガスのガス入口から前記ガス合流部又は隣接ガス混合部までの距離と、前記第2ガスのガス入口から前記ガス合流部又は隣接ガス混合部までの距離との比が一定となるように前記第1ガス流路及び第2ガス流路の流路長が設定されている。 A gas mixer according to a seventh aspect of the present invention is the gas mixer according to any one of the first to fifth aspects, wherein the gas introduction part is connected to the gas merging part from a gas inlet of the first gas. Alternatively, the first gas flow path and the second gas flow may be such that the ratio between the distance to the adjacent gas mixing section and the distance from the gas inlet of the second gas to the gas merging section or the adjacent gas mixing section is constant. The channel length of the path is set.
請求項7記載のガス混合器では、ガス導入部における第1ガスの入口からガス合流部又は隣接ガス混合部までの距離と、ガス導入部における第2ガスのガス入口からガス合流部又は隣接ガス混合部までの距離との比を一定とすることで、第1ガスの圧力損失と第2ガスの圧力損失とを略一致させている。 8. The gas mixer according to claim 7, wherein the distance from the first gas inlet to the gas merging portion or the adjacent gas mixing portion in the gas introducing portion and the gas inlet from the second gas inlet to the gas merging portion or the adjacent gas in the gas introducing portion. By making the ratio of the distance to the mixing part constant, the pressure loss of the first gas and the pressure loss of the second gas are substantially matched.
請求項8記載の発明に係るガス混合器は、請求項6又は請求項7記載のガス混合器において、前記ガス導入部は、前記積層方向及び第1ガスのガス流方向に延在し前記第1ガス流路を区画する複数の第1隔壁と、前記積層方向及び第2ガスのガス流方向に延在し前記第2ガス流路を区画する複数の第2隔壁とを有し、前記第1ガスと第2ガスとの流量比が所定値である場合に前記第1ガス流路の圧力損失と第2ガス流路の圧力損失とが一致するように、前記第1隔壁間の間隔と第2隔壁間の間隔とが設定されている。 A gas mixer according to an eighth aspect of the present invention is the gas mixer according to the sixth or seventh aspect, wherein the gas introduction portion extends in the stacking direction and the gas flow direction of the first gas, and A plurality of first partitions defining one gas flow path, and a plurality of second partitions extending in the stacking direction and the gas flow direction of the second gas and partitioning the second gas flow path, An interval between the first partition walls so that the pressure loss of the first gas flow path and the pressure loss of the second gas flow path coincide with each other when the flow ratio of the first gas to the second gas is a predetermined value. An interval between the second partition walls is set.
請求項8記載のガス混合器では、第1隔壁間、第2隔壁間の間隔が大きくなれば圧力損失(背圧)は低減し、第1隔壁間、第2隔壁間の間隔が小さくなれば圧力損失は増大するので、これら第1隔壁間、第2隔壁間の間隔の設定によって第1ガスの圧力損失と第2ガスの圧力損失とを略一致させている。 In the gas mixer according to claim 8, the pressure loss (back pressure) is reduced when the distance between the first partition walls and the second partition wall is increased, and the distance between the first partition walls and the second partition wall is decreased. Since the pressure loss increases, the pressure loss of the first gas and the pressure loss of the second gas are substantially matched by setting the distance between the first partition walls and the second partition wall.
上記第2の目的を達成するために請求項9記載の発明に係る水素生成装置は、供給された改質原料から水素含有ガスを生成する改質反応を行う改質部と、供給された燃料を燃焼させて生じた熱を、前記改質反応を進行するための熱として前記改質部に供給する加熱部と、前記燃料及び該燃料を燃焼するための支燃ガスの何れか一方を前記第1ガスとするとともに他方を前記第2ガスとして、該燃料と支燃ガスとの混合ガスを前記加熱部に供給するために適用された請求項1乃至請求項8の何れか1項記載のガス混合器と、を備えている。 In order to achieve the second object, a hydrogen generator according to claim 9 includes a reforming unit that performs a reforming reaction for generating a hydrogen-containing gas from a supplied reforming raw material, and a supplied fuel. The heating unit that supplies the heat generated by burning the reforming unit to the reforming unit as the heat for proceeding the reforming reaction, and either one of the fuel and the supporting gas for burning the fuel are used as the heating unit. 9. The method according to claim 1, wherein the first gas is used as the second gas and the other gas is used as the second gas to supply a mixed gas of the fuel and the combustion support gas to the heating unit. A gas mixer.
請求項9記載の水素生成装置では、加熱部は、ガス混合器によって混合された燃料と支燃ガスとの混合ガスが導入され、該混合ガス中の燃料を燃焼させることで生じた熱を、改質部に供給している。改質部では、加熱部から供給された熱を吸収しつつ改質反応が生じ、水素含有ガスが生成される。ここで、加熱部に導入される混合ガスは、請求項1乃至請求項8の何れか1項記載のガス混合器にて混合されているため、均一に混合されて局所的に燃料濃度が高い部分が生じることが防止され、加熱部に導入される前に燃料が自己着火を生じることが防止される。 In the hydrogen generation device according to claim 9, the heating unit introduces heat generated by burning the fuel in the mixed gas after the mixed gas of the fuel mixed with the gas mixer and the combustion support gas is introduced. Supply to the reforming section. In the reforming unit, the reforming reaction occurs while absorbing the heat supplied from the heating unit, and a hydrogen-containing gas is generated. Here, since the mixed gas introduced into the heating unit is mixed in the gas mixer according to any one of claims 1 to 8, it is uniformly mixed and locally has a high fuel concentration. Parts are prevented from occurring and the fuel is prevented from self-igniting before being introduced into the heating section.
このように、請求項9記載の水素生成装置では、自己着火を防止することができる。これにより、例えば加熱部に比較的高温の燃料や支燃ガスを導入することが可能となり、これら燃料や支燃ガスの顕熱を改質反応に供することも可能となる。 Thus, in the hydrogen generator according to claim 9, self-ignition can be prevented. Thereby, for example, it is possible to introduce a relatively high-temperature fuel or combustion-supporting gas into the heating unit, and it is also possible to use the sensible heat of these fuels or combustion-supporting gas for the reforming reaction.
以上説明したように本発明に係るガス混合器は、組成の異なるガスを均一に混合することができるという優れた効果を有する。 As described above, the gas mixer according to the present invention has an excellent effect that gases having different compositions can be uniformly mixed.
また、本発明に係る水素生成装置は、上記ガス混合器を適用して、自己着火を防止することができるという優れた効果を有する。 Moreover, the hydrogen generator according to the present invention has an excellent effect that the gas mixer can be applied to prevent self-ignition.
本発明の実施形態に係るガス混合器60について、図1乃至図5に基づいて説明する。先ずガス混合器60が適用された水素生成装置10を含む燃料電池システム12の全体システム構成を説明し、次いで、ガス混合器60について詳細に説明することとする。
A
図4には、水素生成装置10が適用された燃料電池システム12のシステム構成図(プロセスフローシート)が示されている。この図に示される如く、水素生成装置10は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池14に供給するようになっている。
FIG. 4 shows a system configuration diagram (process flow sheet) of the fuel cell system 12 to which the hydrogen generator 10 is applied. As shown in this figure, the hydrogen generator 10 supplies a fuel gas containing hydrogen to the
燃料電池14は、水素を含有する燃料ガスをアノード電極に導入するためのアノード流路16と、酸化ガスとしての酸素を含有するカソード用空気をカソード電極に導入するためのカソード流路18とを備えており、アノード電極に供給された水素とカソード電極に供給された酸素とが電気化学的に反応することで、起電力が生じるようになっている。具体的には、燃料電池14は、図5に示す単セル20が積層されたスタックを有して構成されている。単セル20は、電解質層22を一対のセパレータ24、26にて両側から挟み込んで構成されている。各セパレータ24、26は、導電性でかつガス不透過性の材料(例えばカーボン)等で構成されている。一方のセパレータ24には、電解質層22側に開口してカソード流路18が形成されており、他方のセパレータ24には、電解質層22側に開口してアノード流路16が形成されている。
The
電解質層22は、固体酸化物である電解質膜22Aと、電解質膜22Aのセパレータ24側に配置されたカソード22Bと、電解質膜22Aのセパレータ26側に配置されたアノード22Cとで構成されている。電解質膜22Aは、例えばBaCeO3系、SrCeO3系等のペロブスカイト系電解質膜とすることができる。また、カソード22B(カソード触媒)としては、例えば白金(Pt)系の拡散層を有するものが用いられる。
The electrolyte layer 22 includes an
アノード22Cは、セパレータ26側の水素分子解離層28と、電解質膜22A側の水素分離膜30とを積層して構成されている。水素分子解離層28としては、例えばパラジウム薄膜が用いられ、このパラジウム薄膜がアノード電極の触媒としても機能するようになっている。なお、アノード電極の触媒として、必要に応じて白金系の触媒を採用しても良い。水素分離膜30は、例えば、バナジウム膜等の水素の選択的透過性を有する金属が用いられる。なお、水素分子解離層28と水素分離膜30との積層膜を水素分離膜として把握することも可能である。
The
以上説明した燃料電池14(単セル20)では、アノード流路16に導入された燃料ガス中の水素がアノード22C(水素分子解離層28)においてプロトン化され、このプロトンが水素分離膜30を透過して電解質膜22Aに至り、さらにカソード22Bに移動する。このカソード22Bにおいて、このプロトンとカソード流路18に導入された酸素とが反応して水(水蒸気)が生成される。このプロトンの移動に伴って電子がアノード22C(セパレータ26)から外部導体を通じてカソード(セパレータ24)に向けて流れ、発電が行われる。
In the fuel cell 14 (single cell 20) described above, hydrogen in the fuel gas introduced into the
これにより、燃料電池14は、アノード流路16に水素含有の燃料ガスを供給すると共にカソード流路18にカソード用空気を供給することで、発電を行う構成が実現されている。すなわち、燃料電池システム12では、燃料電池14に供給する前の燃料ガスから水素のみを分離することなく、水素と他のガスとの混合ガスをアノード流路に供給して発電を行うことができる構成とされている。
Thus, the
この水素分離膜30を備えた燃料電池14は、水素分離膜30が高温になると拡散を生じ、また低温の水素分離膜30が水素と接触すると水素脆化によって劣化する恐れがあるため、運転温度を所定の温度範囲(例えば、200℃〜700℃、好ましくは300℃〜600℃、より好ましくは400℃〜500℃)に保つようになっている。具体的には、燃料電池システム12では、図4に模式的に示す如く、燃料電池14内(単セル20間)に冷媒流路32が設けられており、この冷媒流路32を通過する冷媒(この実施形態では、空気)によって燃料電池14の運転温度を上記した所定の温度範囲内に保つ構成とされている。
The
燃料電池システム12は、燃料電池14のカソード流路18に酸素含有ガスとしてのカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ34を備えている。カソード用空気ポンプ34の吐出部は、下流端がカソード流路18のカソード用空気入口18Aに接続されたカソード用空気供給ライン36の上流端が接続されている。一方、カソード流路18のカソードオフガス出口18Bには、カソードオフガスライン38の上流端が接続されている。この実施形態では、水蒸気及び酸素(空気)を含むカソードオフガスを水素生成装置10の改質器45(後述)で改質用ガスとして利用するために、カソードオフガスライン38の下流端は水素生成装置10に導入されている。この構成については後述する。
The fuel cell system 12 includes a
また、燃料電池システム12は、燃料電池14の冷媒流路32に冷媒として冷却用空気を供給するための冷却用空気ポンプ40を備えている。冷却用空気ポンプ40の吐出部は、下流端が冷媒流路32の冷媒入口32Aに接続された冷媒ライン42の上流端が接続されている。一方、冷媒流路32の冷媒出口32Bには、冷却オフガスライン44の上流端が接続されている。この実施形態では、酸素を含む冷却オフガスを水素生成装置10の改質器45で支燃ガスとして利用するために、冷却オフガスライン44の下流端は水素生成装置10に導入されている。この構成については後述する。
Further, the fuel cell system 12 includes a cooling air pump 40 for supplying cooling air as a refrigerant to the
水素生成装置10は、炭化水素原料を改質して水素を含有する燃料ガスを得る改質式の水素供給源とされている。したがって、水素生成装置10は、改質反応を行うための改質器45を備えており、改質器45は、改質反応を行う改質部46と該改質部46に改質用の熱を付与する加熱部48とを備えている。以下、具体的に説明する。
The hydrogen generator 10 is a reforming hydrogen supply source that reforms a hydrocarbon raw material to obtain a hydrogen-containing fuel gas. Therefore, the hydrogen generator 10 includes a
改質部46は、供給される炭化水素ガス(ガソリン、メタノール、天然ガス等)と改質用ガス(水蒸気、酸素)を触媒反応させることで、水素ガスを含む燃料ガスを生成する(改質反応を行う)ようになっている。改質反応は、以下の式(1)乃至(4)で表される各反応を含む。したがって、改質工程で得た燃料ガスには、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素(CxHy)等の可燃性ガス、及び二酸化炭素(CO2)、水(H2O)等の不燃性ガスを含むようになっている。
The reforming
CnHm+nH2O → nCO +(n+m/2)H2 … (1)
CnHm+n/2O2 → nCO + m/2H2 … (2)
CO+H2O ⇔ CO2+H2 … (3)
CO+3H2 ⇔ CH4+H2O … (4)
この改質反応の中で主となる式(1)の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ所定の温度以上(本実施形態では、700℃〜800℃程度)で行われることで、燃料電池14の運転温度と略同域である400℃〜500℃の燃料ガスを生成するようになっている。このため、改質器45は、改質部46に改質反応を行い得る熱を供給して改質反応を維持させる加熱部48を有している。加熱部48は、内部に酸化触媒49(図2参照)を有して改質部46に隣接して設けられており、燃料を触媒燃焼させて得た熱を隔壁50を介して改質部46に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒(流体)を介して改質部を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、改質部46に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。この実施形態では、改質器45は、図2に示される如く、改質部46と加熱部48とが隔壁部50を介して交互に積層されて熱交換型の改質器として構成されている。この図2に示される如く、酸化触媒49は、加熱部48の内面すなわち隔壁部50に固定的に支持されている。
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2)
C n H m + n / 2O 2 → nCO + m /
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 CH CH 4 + H 2 O (4)
The steam reforming reaction of the main formula (1) in the reforming reaction is an endothermic reaction, and is performed at a predetermined temperature or higher (in this embodiment, about 700 ° C. to 800 ° C.). A fuel gas of 400 ° C. to 500 ° C., which is substantially in the same range as the operating temperature of the
この水素生成装置10は、図示しない燃料タンクに貯留している炭化水素原料を改質器45の改質部46に供給するための原料ポンプ52を備えており、原料ポンプ52の吐出部は原料供給ライン54を介して改質部46の原料入口46Aに接続されている。また、この原料供給ライン54には、上記したカソードオフガスライン38の下流端が合流している。これにより、改質部46には、原料入口46Aから炭化水素原料及び改質用ガスとしてのカソードオフガス(水蒸気及び酸素)が共に供給される構成とされている。なお、原料供給ライン54とカソードオフガスライン38との合流部に混合器やインジェクタなどを設けて炭化水素原料と改質用ガスとの混合を促進するように構成しても良い。
The hydrogen generator 10 includes a
さらに、改質部46の燃料ガス出口46Bは、下流端が燃料電池14の燃料ガス入口16Aに接続された燃料ガス供給ライン56の上流端に接続されている。これにより、改質部46において炭化水素原料とカソードオフガスとを反応させて生成された水素含有の燃料ガスが燃料電池14のアノード流路16に供給されるようになっている。一方、上記の通り水素分離膜30を備えた燃料電池14は、燃料ガスのうち水素のみを消費して発電を行うようになっている。このため、アノードオフガスには、一酸化炭素(CO)や炭化水素(CxHy)等の可燃性ガスが含まれており、水素生成装置10(改質器45)は、燃料電池14のアノードオフガスを加熱部48の燃料として利用する構成とされている。すなわち、上流端がアノード流路16のアノードオフガス出口16Bに接続されたアノードオフガスライン58は、その下流端が水素生成装置10に導入されている。
Further, the fuel gas outlet 46B of the reforming
したがって、水素生成装置10すなわち改質器45では、可燃ガスであるアノードオフガスを、冷却オフガス(中の酸素)を支燃ガスとして加熱部48にて触媒燃焼させ、改質部46の改質反応を維持する熱を確保する構成とされている。アノードオフガス及び冷却オフガスは、それぞれ燃料電池14の運転温度に相当する温度(400℃〜500℃程度)で供給され、600℃〜800℃程度の温度域での触媒燃焼を生じる構成とされている。この加熱部48から熱量供給を受けて、改質部46は、上記の通り燃料電池14の運転温度域と略同域の温度とされた燃料ガスを生成し、燃料電池14に供給するようになっている。これにより、燃料電池システム12では、熱交換器等を備えることなく熱効率の高い構成が実現されている。なお、運転状況に応じて(発熱量を制御するために)、カソードオフガス、冷却オフガスの一部を系外に排出する(改質部46、加熱部48への供給量を調節する)ように構成しても良い。
Therefore, in the hydrogen generator 10, that is, the
そして、本発明の実施形態に係る水素生成装置10は、アノードオフガスと冷却オフガスとを加熱部48に供給する前に混合するためのガス混合器60を備えている。すなわち、ガス混合器60は、その可燃ガス入口60Aにアノードオフガスライン58の下流端が接続されると共に、その支燃ガス入口60Bに冷却オフガスライン44の下流端が接続されている。また、ガス混合器60は、その混合ガス出口60Cが加熱部48の混合ガス入口48Aに接続されている。これにより、加熱部48は、アノードオフガスと冷却オフガスとが略均一に混合された混合ガスがガス混合器60から供給されるようになっている。また、加熱部48の燃焼排ガス出口48Bは、排ガスライン62を介して排気部64に接続されている。排気部64は、燃焼排ガスを浄化して系外(大気中)に排気する構成とされている。
(混合器の構成)
図2に示される如く、ガス混合器60は、アノードオフガス、冷却オフガスを、混合前に交互に積層配置された可燃ガス分割流路66、支燃ガス分割流路68に分割するガス流分割部70を備えている。この実施形態では、後述するプレート本体94を介して積層方向に隣接する1つの可燃ガス分割流路66と1つの支燃ガス分割流路68で隣接ユニット74が構成されており、ガス流分割部70は多数の単位隣接流路部としての隣接ユニット74が積層されて構成されていると把握することができる。
The hydrogen generator 10 according to the embodiment of the present invention includes a
(Mixer configuration)
As shown in FIG. 2, the
各隣接ユニット74では、可燃ガス分割流路66、支燃ガス分割流路68の下流端が連通されて隣接ガス混合部76が形成されている。したがって、ガス流分割部70の下流端には、それぞれの隣接ユニット74でアノードオフガスと冷却オフガスとが混合される隣接ガス混合部76が多数積層された分割混合部75が配設されている。隣接ガス混合部76の下流には、下流側に向けて徐々に流路断面を拡大するテーパ状の拡大混合部78の上流端に連続している。拡大混合部78の下流端は、加熱部48の混合ガス入口48Aに断面形状が一致されており、混合ガス入口48Aに連通して接続されている。なお、この実施形態では、加熱部48は、扁平形状の複数の流路に分割されており、同様に分割されている改質部46と交互に積層されて熱交換型の改質器45を構成している。
In each
以上説明したガス混合器60の具体的な構成例を説明する。図1に示される如く、ガス混合器60は、混合器本体80を備えている。混合器本体80は、可燃ガス入口60Aが設けられた可燃ガス導入管部82と、支燃ガス入口60Bが設けられた支燃ガス導入管部84と、アノードオフガスと冷却オフガスとを混合させるための分割混合部75が配設される混合管部86とが三叉状に連通して構成されている。この実施形態では、混合器本体80は、支燃ガス導入管部84と混合管部86とが略一直線状に配置され、可燃ガス導入管部82が所定角度で混合管部86に合流する如く平面視で略「y」字状を成している。
A specific configuration example of the
したがって、平面視では、冷却オフガスが略直線状(図1に示す矢印A方向に沿って)に支燃ガス導入管部84から混合管部86に向けて流れ、アノードオフガスは、矢印A方向に対し所定角度を成す矢印B方向に流れて混合管部86に至り、矢印A方向に流れ方向を変換するようになっている。
Accordingly, in plan view, the cooling off gas flows in a substantially straight line (along the arrow A direction shown in FIG. 1) from the combustion supporting gas
混合器本体80内には、ガス流分割部70、分割混合部75(各隣接ガス混合部76)を構成する積層コア88が配設されている。図3に示される如く、積層コア88は、複数の可燃ガス流路形成プレート90、支燃ガス流路形成プレート92を交互に積層して構成されている。可燃ガス流路形成プレート90、支燃ガス流路形成プレート92は、可燃ガス分割流路66と支燃ガス分割流路68とを隔てる平板状のプレート本体94を備えている。
In the mixer
プレート本体94は、可燃ガス導入管部82、支燃ガス導入管部84、混合管部86のそれぞれに入り込むように、平面視で略「y」字状に形成されている。このプレート本体94における可燃ガス導入管部82に入り込む部分を可燃側プレート部94A、支燃ガス導入管部84に入り込む部分を支燃側プレート部94B、混合管部86に入り込む部分を混合プレート部94Cと言うこととする。
The plate body 94 is formed in a substantially “y” shape in plan view so as to enter each of the combustible gas
また、可燃ガス流路形成プレート90、支燃ガス流路形成プレート92は、プレート本体94の周縁における矢印A方向両端及び矢印B方向の上流端を除く部分から立設された外壁96を備えている。さらに、可燃ガス流路形成プレート90は、外壁96における可燃側プレート部94Aと支燃側プレート部94Bとが鋭角を成す角部96Aから矢印B方向に沿って延設され支燃側プレート部94B(支燃ガス入口60B)と混合プレート部94C(可燃ガス分割流路66)とを隔てるガス間隔壁98を備えている。一方、支燃ガス流路形成プレート92は、外壁96の角部96Aから矢印A方向に沿って延設され可燃側プレート部94A(可燃ガス入口60A)と混合プレート部94C(支燃ガス分割流路68)とを隔てるガス間隔壁100を備えている。
Further, the combustible gas flow
そして、この実施形態では、可燃ガス流路形成プレート90における混合プレート部94Cの矢印A方向下流側部分に、隣接ガス混合部76を構成する連通路としての切欠部102が形成されている。したがって、可燃ガス流路形成プレート90は、その下側(プレート本体94側)に隣接する支燃ガス流路形成プレート92とで隣接ユニット74を構成し、切欠部102によって可燃ガス分割流路66と支燃ガス分割流路68とが合流する隣接ガス混合部76を構成している。
In this embodiment, a
また、この実施形態では、可燃ガス流路形成プレート90は、矢印B方向に沿って長手とされプレート本体94から外壁96と同じ側に立設されて可燃ガス分割流路66を複数の並行流路66Aに分割する流路間隔壁104を備えている。流路間隔壁104は、その上流端が可燃側プレート部94Aの矢印B方向上流縁部とされると共に、その下流端が切欠部102の上流縁部とされている。同様に、支燃ガス流路形成プレート92は、矢印A方向に沿って長手とされ、プレート本体94から外壁96と同じ側に立設されて支燃ガス分割流路68を複数の並行流路68Aに分割する流路間隔壁106を備えている。流路間隔壁106は、その上流端が支燃側プレート部94Bの矢印A方向上流縁部とされると共に、その下流端が混合プレート部94Cの下流端とされている。これら流路間隔壁104、106にて分割された並行流路66A、68Aは所謂マイクロチャンネル構造とされている。さらに、可燃ガス側の流路間隔壁104を切欠部102の下流縁部まで延伸した構成としても良い。その場合、流路間隔壁104における切欠部102の上流縁部から下流縁部までは、流路間隔壁106と接するよう平行に配置することが好ましい。
Further, in this embodiment, the combustible gas flow
以上説明した可燃ガス流路形成プレート90、支燃ガス流路形成プレート92を交互に積層して気密に接合することで、ガス流分割部70、分割混合部75が形成された積層コア88が構成されており、この積層コア88を混合器本体80に収容することで、ガス混合器60が構成されている。
By laminating the combustible gas flow
以上まとめると、ガス混合器60は、可燃ガス入口60Aから可燃ガス導入管部82を通じて積層コア88内に形成された各可燃ガス分割流路66に導入され、切欠部102すなわち隣接ガス混合部76に至ったアノードオフガスGa(図2参照)が、支燃ガス入口60Bから支燃ガス導入管部84を通じて積層コア88内に各支燃ガス分割流路68を流れる冷却オフガスGrに対し隣接ガス混合部76にて合流して混合されるようになっている。また、ガス混合器60では、分割混合部75の各隣接ガス混合部76でアノードオフガスGaと冷却オフガスGrとが混合した混合ガスGmが、拡大混合部78にてさらに混合され、又は均一な混合状態を維持しつつ加熱部48に送給されるようになっている。
In summary, the
また、ガス混合器60は、アノードオフガスの流量と冷却オフガスの流量とが一定の流量比である場合(燃焼ストイキが略一定である場合)に、ガス混合器60でのアノードオフガスの圧力損失と冷却オフガスの圧力損失とが略一定となるように各部の寸法、形状が決められている。この実施形態では、図1に示される如く、可燃ガス分割流路66の可燃ガス入口60Aから隣接ガス混合部76までの流路長さLaと、支燃ガス分割流路68の支燃ガス入口60Bから隣接ガス混合部76までの流路長さLrとが同じである設定とされている。さらに、冷却オフガスの方がアノードオフガスよりも流量が大きいことを考慮して、該冷却オフガスの流れ方向を矢印Aに沿う一直線としている。
Further, the
次に、第1の実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the first embodiment will be described.
上記構成の水素生成装置10を備えた燃料電池システム12では、この水素生成装置10の改質器45において改質部46が加熱部48からの熱供給を受けつつ行う改質反応によって生成した水素含有の燃料ガスが、燃料ガス供給ライン56を通じて燃料電池14のアノード流路16に供給される。この燃料電池14のカソード流路18には、カソード用空気供給ライン36を通じてカソード用空気ポンプ34からのカソード用空気が常時供給されている。そして、燃料電池14では、アノード流路16に導入された燃料ガス中の水素がアノード22C(水素分子解離層28)においてプロトン化され、このプロトンが水素分離膜30を透過して電解質膜22Aに至り、さらにカソード22Bに移動する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード22C(セパレータ26)から外部導体を通じてカソード(セパレータ24)に向けて流れ、発電が行われる。また、カソード22Bにおいて、プロトンとカソード流路18に導入された酸素とが反応して水(水蒸気)が生成される。またこのとき、燃料電池14は、冷媒ライン42を通じて供給される冷却用空気ポンプ40の冷却用空気によって冷却され、発電(発熱反応)に伴う温度上昇が防止され、運転温度が一定の範囲に維持される。
In the fuel cell system 12 including the hydrogen generator 10 having the above-described configuration, the hydrogen generated by the reforming reaction performed by the
そして、上記の通りカソード22Bで生成した水蒸気を含むカソードオフガスは、カソードオフガスライン38を経由して原料供給ライン54に合流し、原料ポンプ52からの炭化水素原料と共に改質用ガスとして改質部46に供給される。改質部46では、炭化水素原料及びカソードオフガス(の水蒸気及び酸素)が改質触媒と接触することで上式(1)乃至(4)の反応を含む改質反応が行われて、水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが生成され、この燃料ガスは上記の通り燃料電池14に供給される。
Then, the cathode offgas containing water vapor generated at the
また、燃料電池14のアノードオフガスは、アノードオフガスライン58を通じてガス混合器60の可燃ガス導入管部82に導入され、燃料電池14の冷却オフガスは、冷却オフガスライン44を通じてガス混合器60の支燃ガス導入管部84に導入される。アノードオフガス及び冷却オフガスは、それぞれガス流分割部70において独立して安定した濃度分布の微小流に分割され、隣接ガス混合部76で予混合される。このとき、図2に模式的に示す如く、断面視扁平状の多数の微小流路を通過するアノードオフガスGa及び冷却オフガスGrには、それぞれせん断力が作用し、またアノードオフガスGaと冷却オフガスGrとには、隣接ガス混合部76(連通空間)への突出流速の差に基づく高いせん断力が作用する。このため、隣接ガス混合部76に突出したアノードオフガスGa及び冷却オフガスGrは、それぞれ流れ方向に拡散したり渦を形成して相手方ガスと効率的に混合し、混合ガスGmになる。
In addition, the anode off gas of the
さらに、各隣接ガス混合部76から拡大混合部78に突出した混合ガスGmは、拡大混合部78にて拡散したり渦を形成してより均一に混合されつつ(少なくとも良好な混合状態を維持しつつ)下流側に送給される。そして、ガス混合器60で混合された混合ガスGmは、加熱部48に導入されて酸化触媒49に接触して触媒燃焼を生じる。この触媒燃焼に伴う発熱が隔壁部50を介して隣接する改質部46に供給され、改質部46における吸熱反応である改質反応が維持される。すなわち、燃料電池14への水素供給、燃料電池14による発電が維持される。加熱部48で生成された燃焼排ガスは、排ガスライン62を経由して導入された排気部64にて浄化され、系外に排気される。
Further, the mixed gas Gm protruding from each adjacent
ここで、水素生成装置10では、アノードオフガス及び冷却オフガスを加熱部48に供給する前に混合するガス混合器60を設けたため、このような混合器を備えない構成と比較して、アノードオフガスと冷却オフガスとの混合時間、すなわち酸化触媒49への接触前の混合のためにアノードオフガスと冷却オフガスとが気相で接触する気相滞在時間が短縮される。
Here, since the hydrogen generator 10 is provided with the
特に、ガス混合器60は、それぞれ独立して(混合前に)多数の微小流に分割されたアノードオフガスと冷却オフガスとが、先ず隣接ガス混合部76において共通の隣接ユニット74を構成する(隣接する)流路の互いに安定した濃度分布の相手方ガスと微小流量同士で予混合されるので、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとが同等の流量分布の部分間において、バラつきの少ない流量バランス(流量比)で良好に混合される。
In particular, in the
しかも、ガス混合器60のガス流分割部70は、それぞれ扁平状に形成された多数の可燃ガス分割流路と支燃ガス分割流路とが交互に積層されて構成されているため、上記の通りアノードオフガスGa及び冷却オフガスGrには高いせん断力が作用し、さらに隣接ガス混合部76への突出速度の差によるせん断力が作用するため、これらのガスがより効率的に混合される。すなわち、隣接ガス混合部76の混合ガスGmは、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとのマクロ的な混合比に略一致する混合比をミクロ的にも確保した微小混合ガスの集合のように、局所的な高濃度部分が存在しないきわめて均一に混合される。
In addition, since the gas
またここで、ガス混合器60では、平面視で直線的に流れる冷却オフガスGrに対しアノードオフガスGaを所定角度で合流させる構成であるため、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとを合流部分に対し対称となる流れで合流させる構成と比較して、ガスの混合性能が向上することが実験的に確かめられている。以上により、ガス混合器60では、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとの均一混合が促進され易く、加熱部48に供給される前の混合ガスGm中に局所的に可燃ガス濃度が高い部位が生じることが抑制される。この実施形態では、混合ガスGmの可燃成分の濃度分布について、±5%以内を実現した。
Here, in the
さらに、それぞれ微小量に分割されたガスを上記の如く高いせん断力の作用によって混合するため、アノードオフガスと冷却オフガスとの上記均一な混合に要する空間的距離及び混合時間、すなわち混合ガスの気相滞在時間が短縮される。このため、ガス混合器60が適用された水素生成装置10では、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとをガス混合器60を短時間で通過させることができ、アノードオフガス(中の可燃成分)の自己着火を抑制することができる。これにより、水素生成装置10では、400℃〜500℃でガス混合器60(加熱部48)に導入されるアノードオフガスが、同域の温度の冷却オフガスに接触することによる自己着火に伴う気相燃焼の発生が抑制される。また、仮に気相燃焼が生じた場合でも、ガス混合器60によってアノードオフガスと冷却オフガスとが均一に混合されることで、可燃成分の濃度が極端に高い部分は生じないので、加熱部48での気相燃焼に伴う燃焼温度が抑制される。
Furthermore, since the gas divided into minute amounts is mixed by the action of high shearing force as described above, the spatial distance and mixing time required for the uniform mixing of the anode off gas and the cooling off gas, that is, the gas phase of the mixed gas. Stay time is shortened. For this reason, in the hydrogen generator 10 to which the
このように、第1の実施形態に係るガス混合器60では、組成の異なるアノードオフガスと冷却オフガスとを均一に混合することができる。また、ガス混合器60が適用された水素生成装置10では、アノードオフガスの自己着火を防止することができる。
Thus, in the
また、ガス混合器60では、上記の通り隣接ガス混合部76でアノードオフガスと冷却オフガスとが良好に混合されるため、拡大混合部78をテーパ形状としても、流路断面が一定の混合空間に各可燃ガス分割流路66、支燃ガス分割流路68から未混合のアノードオフガスと冷却オフガスとが流出する比較例の混合器と比較して、全体としての混合性能が維持、向上される。そして、ガス混合器60は、テーパ形状の拡大混合部78を用いることで、ガス流分割部70(積層コア88)の断面を加熱部48(のマニホルド)の断面と比較して小さく設定することができるので、全体としてコンパクトに構成される。
Further, in the
この実施形態では、ガス混合器60よりも性能が劣る(可燃成分の濃度分布で±10%以内)上記比較例に係る混合器と比較して、ガス流分割部70の流路断面積で略1/4、全体の質量で略1/3まで、小型軽量化することができた。これにより、ガス混合器60は、熱容量が低減されると共に表面積が低減され、適用された水素生成装置10の始動性改善に寄与し、また自らの放熱損失の低減が図られた。
In this embodiment, the performance is inferior to that of the gas mixer 60 (within ± 10% in the concentration distribution of the combustible component). Compared with the mixer according to the comparative example, the flow cross-sectional area of the gas
さらに、ガス混合器60では、アノードオフガスの流量と冷却オフガスの流量とが一定の流量比である場合(燃焼ストイキが略一定である場合)に、ガス混合器60でのアノードオフガスの圧力損失と冷却オフガスの圧力損失とが略一定であるため、アノードオフガス及び冷却オフガスの両者の供給圧力を小さくすることができ、システム全体の動作圧力を低減してエネルギ効率を向上することができる。
Further, in the
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については上記第1の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略し、図示を省略する場合がある。 Next, another embodiment of the present invention will be described. Parts and portions that are basically the same as those in the first embodiment or the previous configuration are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment or the previous configuration, and the description thereof is omitted. May be omitted.
(第2の実施形態)
図6には、第2の実施形態に係るガス混合器110の要部が拡大された断面図が示されている。この図に示される如く、ガス混合器110は、可燃ガス分割流路66のアノードオフガスGaを同じ隣接ユニット74を構成する支燃ガス分割流路68側に案内するガイド部112を備える点で、第1の実施形態に係るガス混合器60とは異なる。ガイド部112は、切欠部102の上流側縁部102Aよりも下流側で可燃ガス分割流路66を矢印A方向に閉止して構成されている。
(Second Embodiment)
FIG. 6 shows an enlarged cross-sectional view of a main part of the
これにより、矢印A方向に流れてガイド部112に突き当たったアノードオフガスGaは強制的に支燃ガス分割流路68側に押し込まれるようになっている。ガイド部112は、例えば外壁96に連続する壁部として構成しても良く、別部材を取り付けて構成しても良い。ガス混合器110の他の構成は、図示しない部分を併せてガス混合器60の対応する構成と同じである。
As a result, the anode off-gas Ga flowing in the direction of arrow A and hitting the
したがって、第2の実施形態に係るガス混合器110では、第1の実施形態に係るガス混合器60と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。ガス混合器110の作用でガス混合器60とは異なる部分を補足すると、ガス混合器110では、ガイド部112が設けられているため、主にアノードオフガスGaを冷却オフガスGrに衝突させる(速度ベクトルを交差させる)ことで、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとの突出速度差に起因するせん断力を利用した場合と同等の良好な混合性能を実現している。
Therefore, in the
(第3の実施形態)
図7には、第3の実施形態に係るガス混合器120の要部が拡大された断面図が示されている。この図に示される如く、ガス混合器120は、ガイド部112に代えて同じ機能のガイド部122を備える点で第2の実施形態とは異なる。ガイド部122は、矢印A方向上流側の面が該上流側及び支燃ガス分割流路68側を共に向くテーパ面122Aとされており、アノードオフガスGaをスムースに支燃ガス分割流路68に案内するようになっている。ガス混合器120の他の構成は、図示しない部分を併せてガス混合器110の対応する構成と同じである。
(Third embodiment)
FIG. 7 shows an enlarged cross-sectional view of a main part of the
したがって、第3の実施形態に係るガス混合器120では、第2の実施形態に係るガス混合器110と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、ガス混合器120では、ガイド部122がテーパ面122Aを有するため、アノードオフガスGaの剥離が防止され、アノードオフガスGaは均一な分布のまま冷却オフガスGrに衝突し、良好に混合される。また、圧力損失の低減が図られる。
Therefore, in the
(第4の実施形態)
図8には、第4の実施形態に係るガス混合器130の要部が拡大された断面図が示されている。この図に示される如く、ガス混合器130は、ガイド部112の下流に混合ガスGmを可燃ガス分割流路66側に案内するガイド部132が設けられている点で、第2の実施形態とは異なる。ガイド部132は、ガイド部112の下流側で支燃ガス分割流路68を矢印A方向に閉止して構成されている。すなわち、ガス混合器130では、多段案内部が形成されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 shows an enlarged cross-sectional view of a main part of the
これにより、矢印A方向に流れてガイド部132に突き当たった混合ガスGmは、可燃ガス分割流路66側に押し込まれるようになっている。ガイド部132は、例えば外壁96に連続する壁部として構成しても良く、別部材を取り付けて構成しても良い。ガス混合器130の他の構成は、図示しない部分を併せてガス混合器110の対応する構成と同じである。
As a result, the mixed gas Gm flowing in the direction of the arrow A and hitting the
したがって、第4の実施形態に係るガス混合器130では、第2の実施形態に係るガス混合器110と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、ガス混合器130では、隣接ユニット74の隣接ガス混合部76での混合流路が長いため、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとは拡大混合部78に流出する前に良好に混合される。
Therefore, in the
(第5の実施形態)
図9には、第5の実施形態に係るガス混合器140の要部が拡大された断面図が示されている。この図に示される如く、ガス混合器140は、アノードオフガスGaを支燃ガス分割流路68側に案内するガイド部142と、冷却オフガスGrを可燃ガス分割流路66側に案内するガイド部144とが矢印A方向の同じ位置にそれぞれ設けられている点で、第2の実施形態とは異なる。
(Fifth embodiment)
FIG. 9 shows an enlarged cross-sectional view of the main part of the
ガイド部142、144は、それぞれ可燃ガス分割流路66の略半分、支燃ガス分割流路68の略半分を閉止して構成されており、該ガイド部142、144の間においてアノードオフガスGaと冷却オフガスGrとを混合するようになっている。この構成によっても、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとは速度ベクトルが交差し、直接的に衝突して混合されるようになっている。ガス混合器140の他の構成は、図示しない部分を併せてガス混合器110の対応する構成と同じである。
The
したがって、第5の実施形態に係るガス混合器130では、第2の実施形態に係るガス混合器110と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
Therefore, in the
(第6の実施形態)
図10には、第6の実施形態に係るガス混合器150の要部が拡大された断面図が示されている。この図に示される如く、ガス混合器150は、ガイド部142、144に代えて同じ機能のガイド部152、154を備える点で第5の実施形態とは異なる。ガイド部152は、矢印A方向上流側の面が該上流側及び支燃ガス分割流路68側を共に向くテーパ面152Aとされており、アノードオフガスGaをスムースに支燃ガス分割流路68側に案内するようになっている。同様に、機能のガイド部154は、矢印A方向上流側の面が該上流側及び可燃ガス分割流路66側を共に向くテーパ面154Aとされており、冷却オフガスGrをスムースに可燃ガス分割流路66側に案内するようになっている。ガス混合器150の他の構成は、図示しない部分を併せてガス混合器140の対応する構成と同じである。
(Sixth embodiment)
FIG. 10 shows an enlarged cross-sectional view of the main part of the
したがって、第6の実施形態に係るガス混合器150では、第5の実施形態に係るガス混合器140と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、ガス混合器150では、ガイド部152、154がテーパ面152A、154Aを有するため、アノードオフガスGa、冷却オフガスGrの剥離が防止され、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとは互いに均一な分布のまま衝突し、良好に混合される。また、圧力損失の低減が図られる。
Therefore, in the
(第7の実施形態)
図11には、第7の実施形態に係るガス混合器160の要部が拡大された断面図が示されている。この図に示される如く、ガス混合器160は、1つの可燃ガス分割流路66と1つの支燃ガス分割流路68とで構成された隣接ユニット74に代えて、2つの可燃ガス分割流路66間に1つの支燃ガス分割流路68を挟んだ3層構造の隣接ユニット162を備える点で、第1、第2の実施形態とは異なる。
(Seventh embodiment)
FIG. 11 shows an enlarged cross-sectional view of the main part of the
隣接ユニット162では、2つの可燃ガス分割流路66の下流端側にそれぞれ112(122でも良い)を設けることで、各可燃ガス分割流路66のアノードオフガスGaを支燃ガス分割流路68に案内して冷却オフガスGrに衝突させるようになっている。このため、隣接ユニット162では、積層方向中央の支燃ガス分割流路68と可燃ガス分割流路66とを仕切る可燃ガス流路形成プレート90、支燃ガス流路形成プレート92の各プレート本体94にそれぞれ切欠部102が形成されており、別の隣接ユニット162との間を仕切る可燃ガス流路形成プレート90、支燃ガス流路形成プレート92の各プレート本体94には切欠部102が形成されない構成とされている。
In the
以上説明したガス混合器160は、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとの混合メカニズムはガス混合器110、120等と同様である。ガス混合器160の他の構成は、図示しない部分を併せてガス混合器60、110の対応する構成と同じである。
In the
したがって、第7の実施形態に係るガス混合器160では、第2の実施形態に係るガス混合器110と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態では、2つの可燃ガス分割流路66を含む3層構造の隣接ユニット162を有する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、2つの支燃ガス分割流路68で1つの可燃ガス分割流路66を挟んだ3層構造の隣接ユニットを構成しても良い。この構成によって、流量の大きい冷却オフガスGrを多数の支燃ガス分割流路68に分散させ、アノードオフガスGaと冷却オフガスGrとの圧力損失を一定にすることも可能である。
Therefore, in the
(第8の実施形態)
図12には、第8の実施形態に係るガス混合器170を構成する可燃ガス流路形成プレート90、支燃ガス流路形成プレート92が平面図にて示されている。これらの図に示される如く、可燃ガス流路形成プレート90、支燃ガス流路形成プレート92は、可燃ガス分割流路66をさらに分割する流路間隔壁104間の間隔W1が、支燃ガス分割流路68をさらに分割する流路間隔壁106間の間隔W2よりも狭く設定されている。この設定により、ガス混合器170では、アノードオフガスの流量と冷却オフガスの流量とが一定の流量比である場合(燃焼ストイキが略一定である場合)に、ガス混合器60でのアノードオフガスの圧力損失と冷却オフガスの圧力損失とが略一定となるように各部の寸法、形状が決められている。ガス混合器170の他の構成は、図示しない部分を併せてガス混合器60の対応する構成と同じである。
(Eighth embodiment)
FIG. 12 is a plan view showing a combustible gas flow
したがって、第8の実施形態に係るガス混合器160では、第1の実施形態に係るガス混合器60と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
Therefore, in the
上記した各実施形態に係る構成のガス混合器60〜170のガス混合性能を比較すると、第1の実施形態に係るガス混合器60が最も良好であり、次いで第2の実施形態に係るガス混合器110が良好であり、残余のガス混合器120〜170の性能はほぼ同等であった。
Comparing the gas mixing performance of the
なお、上記した各実施形態では、ガス混合器60等が水素生成装置10に適用された例を示したが、本発明はこれに限定されず、各種用途の混合器に本発明を適用することができる。
In each of the above-described embodiments, an example in which the
10 水素生成装置
46 改質部
48 加熱部
60 ガス混合器
66 可燃ガス分割流路(第1流路)
68 支燃ガス分割流路(第2流路)
70 ガス流分割部(ガス導入部)
74 隣接ユニット(単位隣接流路部)
76 隣接ガス混合部
80 混合器本体(ガス導入部)
90 可燃ガス流路形成プレート(仕切板)
92 支燃ガス流路形成プレート(仕切板)
94 プレート本体(仕切板)
102 切欠部(連通路)
104 流路間隔壁(第1隔壁)
106 流路間隔壁(第2隔壁)
110・120・130・140・150・160・170 ガス混合器
112・122・132・142・144・152・154 ガイド部
162 隣接ユニット(単位隣接流路部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
68 Combustion gas split flow path (second flow path)
70 Gas flow division part (gas introduction part)
74 Adjacent unit (unit adjacent channel)
76 Adjacent
90 Combustible gas flow path forming plate (partition plate)
92 Supporting gas flow path forming plate (partition plate)
94 Plate body (partition plate)
102 Notch (communication path)
104 Channel spacing wall (first partition)
106 Channel spacing wall (second partition)
110, 120, 130, 140, 150, 160, 170
Claims (9)
前記ガス導入部を構成する各単位隣接流路部において前記第1ガス流路の下流端部と前記第2ガス流路の下流端部とを連通して設けられ、該単位隣接流路部毎に第1ガス流路の第1ガスと第2ガス流路の第2ガスとを混合するための隣接ガス混合部と、
を備えたガス混合器。 By laminating a plurality of partition plates, a unit adjacent flow in which a first gas channel for introducing a first gas and a second gas channel for introducing a second gas are adjacent to each other via the partition plate A gas introduction portion in which a plurality of passage portions are formed;
In each unit adjacent flow path portion constituting the gas introduction section, the downstream end portion of the first gas flow path and the downstream end portion of the second gas flow path are provided in communication with each other. An adjacent gas mixing section for mixing the first gas in the first gas flow path and the second gas in the second gas flow path;
With gas mixer.
前記第1ガス流路が、前記積層方向から見て、前記隣接ガス混合部及び前記ガス合流部とでガス流方向が直線となるように配置されると共に、
前記第2ガス流路が前記第1ガス流路とで所定角度の鋭角を成す直線形状に形成されている請求項4記載のガス混合器。 The gas introduction part is
The first gas flow path is disposed so that the gas flow direction is a straight line between the adjacent gas mixing portion and the gas merging portion when viewed from the stacking direction,
The gas mixer according to claim 4, wherein the second gas channel is formed in a linear shape that forms an acute angle with the first gas channel.
供給された燃料を燃焼させて生じた熱を、前記改質反応を進行するための熱として前記改質部に供給する加熱部と、
前記燃料及び該燃料を燃焼するための支燃ガスの何れか一方を前記第1ガスとするとともに他方を前記第2ガスとして、該燃料と支燃ガスとの混合ガスを前記加熱部に供給するために適用された請求項1乃至請求項8の何れか1項記載のガス混合器と、
を備えた水素生成装置。 A reforming unit that performs a reforming reaction to generate a hydrogen-containing gas from the supplied reforming raw material;
A heating unit for supplying heat generated by burning the supplied fuel to the reforming unit as heat for proceeding with the reforming reaction;
Either one of the fuel and combustion supporting gas for burning the fuel is used as the first gas and the other is used as the second gas, and a mixed gas of the fuel and the combustion supporting gas is supplied to the heating unit. A gas mixer according to any one of claims 1 to 8 applied for
A hydrogen generation apparatus comprising:
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