JP2006156096A - 熱制御装置、改質装置及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度制御が簡単で、かつ、さらなる小型化を実現する。
【解決手段】 所定の目標温度がそれぞれ設定された複数の熱制御対象部を備える熱制御装置において、熱制御対象部は、目標温度の大きさに応じて複数の熱制御対象モジュールに区分されて配置され、各熱制御対象モジュールの間に当該熱制御対象モジュール間の熱通過量を規定する熱伝導部材を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱制御装置、改質装置及び燃料電池に関する。

例えば特開平１０−２３６８０２号公報には、液体原料加熱部、蒸発部、蒸気過熱部、改質部、シフト部、ＣＯ酸化部、触媒燃焼部及び熱回収部を内部に伝熱フィンを設けた平板で構成した後に積層して一体化構造することで、平板要素の温度が改質、燃焼、蒸発、シフト、ＣＯ酸化に適した温度になるように積層方向に沿って温度分布（図１参照）を持つように構成された燃料改質装置が開示されている。この燃料改質装置は、このような構成を採用することにより、軽量コンパクト化、量産化、熱交換による排熱の有効利用、放熱ロスの低減等を図っている。
特開平１０−２３６８０２号公報

しかしながら、上記燃料改質装置では、各構成要素間を断熱するための熱回収部を複数備えており、この熱回収部が存在すること及び当該熱回収部を設けることによって流路が複雑となることによって装置の小型化が十分に達成されていないという問題点がある。
また、上記燃料改質装置では、図１に示されている温度分布を実現するように、各構成要素の温度を制御する構成になっているので、温度制御が複雑であるという問題点もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、温度制御が簡単で、かつ、さらなる小型化を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、熱制御装置に係わる第１の解決手段として、所定の目標温度がそれぞれ設定された複数の熱制御対象部を備える熱制御装置において、前記熱制御対象部は、前記目標温度の高さに応じて複数の熱制御対象モジュールに区分されて配置され、各熱制御対象モジュールの間に当該熱制御対象モジュール間の熱通過量を規定する熱伝導部材を設ける、という手段を採用する。
この発明によれば、熱制御対象モジュールの間に熱伝導部材を設ける構成なので、構造が単純であり、よって温度制御が極めて簡単であると共に小型化あるいは薄型化を容易である。

熱制御装置に係わる第２の解決手段として、上記第１の手段において、熱伝導部材は板状部材であり、その熱抵抗によって熱通過量を規定する、という手段を採用する。
この発明によれば、板状部材である熱伝導部材の厚さによって熱通過量を設定することができるので、当該熱通過量の設定が容易である。

熱制御装置に係わる第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、複数の熱制御対象モジュール及び熱伝導部材からなる熱制御ユニットを２つ備え、各熱制御ユニットにおいて目標温度が最も高温である熱制御対象モジュールを隣接配置した、という手段を採用する。
この発明によれば、各熱制御ユニットにおける高温の熱制御対象モジュールが熱制御装置の中心に位置することになるので、高温の熱制御対象モジュールの熱を有効利用して、各熱制御対象モジュールの温度を設定することができる。

また、本発明では、改質装置に係わる第１の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段に係わる熱制御装置において、熱制御対象モジュールは、液体原料を熱を用いて改質ガスに改質するための低温モジュールと高温モジュールとからなる、という手段を採用する。
この発明によれば、改質装置における低温モジュールと高温モジュールの温度制御を簡単化できると共に改質装置を小型化あるいは薄型化が容易である。

改質装置に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、低温モジュールは、熱伝導部材に隣接して設けられ、高温モジュールから前記熱伝導部材を介して伝導してきた熱を利用して水とメタノールとからなる液体原料を気体原料に蒸発させる蒸発器と、該蒸発器に隣接して前記熱伝導部材の反対側に設けられ、改質ガスを冷却する冷却器と、前記蒸発器に隣接して前記熱伝導部材の反対側に設けられ、冷却器から出力された改質ガスから一炭化酸素を除去するＣＯ除去器とからなり、高温モジュールは、所定の燃料を燃焼して熱を発生する熱源としての燃焼器と、該燃焼器と熱伝導部材との間に設けられ、前記燃焼器の熱によって気体原料を過熱する過熱器と、前記燃焼器と熱伝導部材との間に設けられ、前記過熱器から出力された気体原料を触媒存在下で燃焼器の熱を用いて水素を主成分とする改質ガスに改質する改質器とからなる、という手段を採用する。
この発明によれば、燃料電池用の改質装置における低温モジュールと高温モジュールの温度制御を簡単化できると共に改質装置を小型化あるいは薄型化が容易である。

さらに、本発明では、燃料電池に係わる第１の解決手段として、上記第２の解決手段に係わる改質装置を備える、という手段を採用する。
この発明によれば、燃料電池用の改質装置における温度制御を簡単化できると共に改質装置を小型化あるいは薄型化が容易なので、燃料電池の装置サイズを小型化あるいは薄型化することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係わる燃料電池装置の構成を示すブロック図である。この図に示すように、本燃料電池装置Ａは、燃料タンク１、燃料ポンプ２、改質器３、燃料電池スタック４及び空気用ポンプ５等から構成されている。燃料タンク１は、水とメタノールとの混合水を燃料電池の燃料として貯留するものである。燃料ポンプ２は、上記燃料タンク１から燃料を汲み出して改質器３に供給する。

改質器３は、上記燃料を改質して水素を発生し、この水素を燃料電池スタック４に出力する一方、燃料電池スタック４から入力されたオフガス（水素を含有するものと酸素を含有するもの）を燃焼させて外部に排気ガスを排出するものである。この改質器３は、本実施形態における熱制御装置に該当するものである。

図２は、上記改質器３の構造の概要を示す縦断面図である。この図に示すように、改質器３は、断熱材で構成された略直方体形状の断熱容器３ａと、該断熱容器３ａ内に設けられた高温モジュール３ｂ（熱制御対象モジュール）、低温モジュール３ｃ（熱制御対象モジュール）及び熱伝導部材３ｄから主に構成されている。

なお、この図では省略しているが、この改質器３は上下対称構造を有している。すなわち、上記高温モジュール３ｂ、低温モジュール３ｃ及び熱伝導部材３ｄは熱制御ユニット１を構成しており、当該熱制御ユニット１と同一構造の熱制御ユニット２が制御ユニット１の下側に上下対称状態で隣接配置されている。

高温モジュール３ｂは、複数の熱制御対象部、つまり燃焼器３ｅ、過熱器３ｆ及び改質器３ｇが一体として構成されたものであり、一方、低温モジュール３ｃは、複数の熱制御対象部、つまり蒸発器３ｈ、冷却器３ｉ及び２つのＣＯ除去器３ｍ、３ｎが一体として構成されたものである。高温モジュール３ｂにおける燃焼器３ｅは、燃料電池スタック４から供給されたオフガスを燃焼させて熱を発生する熱源である。過熱器３ｆは、この燃焼器３ｅと熱伝導部材３ｄとの間に設けられており、蒸発器３ｈから供給された燃料蒸気を燃焼器３ｅの熱によって過熱する。改質器３ｇは、蒸気過熱器３ｆと同様に、燃焼器３ｅと熱伝導部材３ｄとの間に設けられ、過熱器３ｆから入力された燃料蒸気を触媒存在下で燃焼器３ｅの熱を用いて水素を主成分とする改質ガスに改質する。

低温モジュール３ｃにおける蒸発器３ｈは、図示するように熱伝導部材３ｄに隣接して設けられており、この熱伝導部材３ｄを介して高温モジュール３ｂから伝導してきた熱を利用して燃料ポンプ２から供給された燃料を気化させて燃料蒸気とする。冷却器３ｉは、図示するように蒸発器３ｈに隣接して熱伝導部材３ｄの反対側に設けられており、改質器３ｇから供給された改質ガスを熱交換によって冷却する。

ＣＯ除去器３ｍは、上記冷却器３ｉと同様に、蒸発器３ｈに隣接して熱伝導部材３ｄの反対側に設けられており、空気用ポンプ５から供給された空気を用いることにより冷却器３ｉから供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する。ＣＯ除去器３ｎは、上記ＣＯ除去器３ｍの上に隣接して設けられており、当該ＣＯ除去器３ｍと同様に、空気用ポンプ５から供給された空気を用いることにより改質ガスから一炭化酸素を除去する。このような２つのＣＯ除去器３ｍ，３ｎは、図示するように断熱容器３ａ内の限定された設置スペースにおいて、十分な一酸化炭素除去性能を得るために２段構成になっている。

また、熱伝導部材３ｄは、熱源としての燃焼器３ｅが配置された高温モジュール３ｂから低温モジュール３ｃに伝導する熱通過量を規定するためのものであり、例えば断熱材からなる板状部材によって形成されている。この熱伝導部材３ｄは、その厚さによって上記熱通過量が規定される。この熱伝導部材３ｄは、例えばエアロジェル断熱材である。

図１に戻って、燃料電池スタック４は、複数の発電セルが集積されたものであり、改質器３から入力された水素（改質ガス）と空気用ポンプ５から入力された酸素（空気）とを原料として発電すると共に、発電後の水素を含むオフガスと酸素を含むオフガスとを排出する。この水素を含むオフガスと酸素を含むオフガスとは、上述した改質器３の燃焼器３ｅに燃焼燃料として供給される。空気用ポンプ５は、空気を取り込んで改質器３における２つのＣＯ除去器３ｍ、３ｎ及び燃料電池スタック４に供給するためのものである。

このように構成された燃料電池装置Ａでは、燃料電池スタック４が一方の発電用原料として必要とする水素は、改質器３から改質ガスとして供給される一方、他方の発電用原料として必要とする酸素は、空気用ポンプ５から空気として供給される。そして、燃料電池スタック４は、上記改質ガスと空気とを発電用原料として発電を行い、その結果として水素を含むオフガスと酸素を含むオフガスとを排出する。一方、改質器３は、これらオフガスを燃焼器３ｅで燃焼させることにより熱を得て、この熱を利用して燃料タンクから燃料ポンプを介して入力される燃料（水とメタノールとからなる混合水）を改質ガスに変換して燃料電池スタック４に供給する。

このような燃料電池装置Ａにおいて、改質器３は、本実施形態における熱制御装置に該当するものであり、本実施形態の特徴を示す構成要件である。以下の説明では、この改質器３の熱制御装置としての作用・効果について詳しく説明する。

この改質器３では、高温モジュール３ｂ内には熱源としての燃焼器３ｅが設けられ、燃焼器３ｅは、高温モジュール３ｂの温度が目標温度である例えば３５０°Ｃとなるように制御・運転される。高温モジュール３ｂは、温度が均一化するように燃焼器３ｅ、過熱器３ｆ及び改質器３ｇが一体として構成されたものであり、燃焼器３ｅの燃焼による発熱によって略均一に例えば３５０°Ｃに温度設定される。

このような高温モジュール３ｂは、断熱材から形成された断熱容器３ａ内に収容されていると共に、同じく断熱材から形成された熱伝導部材３ｄによって低温モジュール３ｃと隔てられているので、断熱容器３ａの外部に逃げる熱量が極めて少ないと共に、熱伝導部材３ｄによって低温モジュール３ｃに伝導する熱通過量も所定値に規定されているので、目標温度である３５０°Ｃを維持することが容易である。

このような高温モジュール３ｂに対して、低温モジュール３ｃは、熱伝導部材３ｄを介して高温モジュール３ｂから伝導した熱によって例えば１４０°Ｃに温度設定される。すなわち、低温モジュール３ｃの温度は、熱伝導部材３ｄの厚さによって高温モジュール３ｂから低温モジュール３ｃに伝導する熱通過量が所定値に規定されることによって１４０°Ｃという目標温度に設定される。低温モジュール３ｃは、温度が均一化するように蒸発器３ｈ、冷却器３ｉ及び２つのＣＯ除去器３ｍ、３ｎが一体として構成されたものであり、熱伝導部材３ｄを介して高温モジュール３ｂから伝導してきた熱によって略均一に例えば１４０°Ｃに温度設定される。

この低温モジュール３ｃも、上記高温モジュール３ｂと同様に断熱材から形成された断熱容器３ａ内に収容されていると共に、断熱材から形成された熱伝導部材３ｄによって高温モジュール３ｂと隔てられているので、断熱容器３ａの外部に逃げる熱量が極めて少ないと共に、熱伝導部材３ｄを介して高温モジュール３ｂから伝導してくる熱通過量は所定値に規定されているので、目標温度である例えば１４０°Ｃを容易に維持することができる。

図３は、このような改質器３の温度分布を示すグラフである。高温モジュール３ｂは均一に例えば３５０°Ｃに設定され、低温モジュール３ｃは、熱伝導部３ｄによって熱通過量が所定値に規定されることによって均一に例えば３５０°Ｃに設定され、さらに断熱容器３ａの外側である外部は、断熱容器３ａによって隔てられているので室温となる。すなわち、この図３を見ると分かるように、改質器３の温度分布は２段階構造であり、上述した従来技術の温度分布に比べると極めて単純な構成をしている。

このような熱制御装置としての作用を有する改質器３によれば、熱源を有する高温モジュール３ｂと低温モジュール３ｃとの間に熱伝導部材３ｄを設けることによって高温モジュール３ｂの温度を例えば３５０°Ｃに設定すると共に低温モジュール３ｃの温度を１４０°Ｃに設定するので、温度制御が極めて簡単である。また板状部材である熱伝導部材３ｄによって高温モジュール３ｂと低温モジュール３ｃの温度を目標温度に設定するので、構造が単純であり、よって小型化あるいは薄型化を容易に実現することができる。

図４は、一例として燃料電池装置Ａの形状を示す模式図であるが、改質器３を小型化することによって縦幅及び横幅が各々数１００ｍｍで、高さが数１０ｍｍ〜数１００ｍｍの小型サイズに燃料電池装置Ａをまとめることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記改質器３では、高温モジュール３ｂと低温モジュール３ｃという２つの熱制御対象モジュールの間に熱伝導部材３ｄを設ける構成を採用したが、熱制御対象モジュールの個数は必要に応じてさらに増やしても良い。また、上記改質器３は、上下対象状態で隣接配置された同一構造の熱制御ユニット１と熱制御ユニット２とから構成されているが、熱制御ユニット１と熱制御ユニット２とは同一構成でなくても良い。

（２）上記改質器３は燃料電池用の改質器であるが、本発明はこのような改質器に限定されることなく、種々の熱制御装置に適用することができる。
（３）また、熱制御対象モジュールである上記高温モジュール３ｂ及び低温モジュール３ｃは、各々に複数の熱制御対象部からなるものであるが、熱制御対象モジュールを構成する熱制御対象部の個数は、複数である必要はなく単数であっても良い。

本発明の一実施形態に係わる燃料電池装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における改質器３（熱制御装置）の構造の概要を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態における改質器３の温度分布を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係わる燃料電池装置Ａの形状の一例を示す模式図である

符号の説明

Ａ…燃料電池装置、１…燃料タンク、２…燃料ポンプ、３…改質器（熱制御装置）、３ａ…断熱容器、３ｂ…高温モジュール（熱制御対象モジュール）、３ｃ…低温モジュール（熱制御対象モジュール）、３ｄ…熱伝導部材、３ｅ…燃焼器（熱制御対象部）、３ｆ…過熱器（熱制御対象部）、３ｇ…改質器（熱制御対象部）、３ｈ…蒸発器（熱制御対象部）、３ｉ…冷却器（熱制御対象部）、３ｍ、３ｎ…ＣＯ除去器（熱制御対象部）、４…燃料電池スタック、５…空気用ポンプ

Claims (6)

1. 所定の目標温度がそれぞれ設定された複数の熱制御対象部を備える熱制御装置において、
   前記熱制御対象部は、前記目標温度の高さに応じて複数の熱制御対象モジュールに区分されて配置され、各熱制御対象モジュールの間に当該熱制御対象モジュール間の熱通過量を規定する熱伝導部材を設ける
   ことを特徴とする熱制御装置。
2. 熱伝導部材は板状部材であり、その熱抵抗によって熱通過量を規定することを特徴とする請求項１記載の熱制御装置。
3. 複数の熱制御対象モジュール及び熱伝導部材からなる熱制御ユニットを２つ備え、各熱制御ユニットにおいて目標温度が最も高温である熱制御対象モジュールを隣接配置したことを特徴とする請求項１または２記載の熱制御装置。
4. 請求項１〜３いずれかの熱制御装置において、熱制御対象モジュールは、液体原料を熱を用いて改質ガスに改質するための低温モジュールと高温モジュールとからなることを特徴とする改質装置。
5. 低温モジュールは、
   熱伝導部材に隣接して設けられ、高温モジュールから前記熱伝導部材を介して伝導してきた熱を利用して水とメタノールとからなる液体原料を気体原料に蒸発させる蒸発器と、
   該蒸発器に隣接して前記熱伝導部材の反対側に設けられ、改質ガスを冷却する冷却器と、
   前記蒸発器に隣接して前記熱伝導部材の反対側に設けられ、冷却器から出力された改質ガスから一炭化酸素を除去するＣＯ除去器とからなり、
   高温モジュールは、
   所定の燃料を燃焼して熱を発生する熱源としての燃焼器と、
   該燃焼器と熱伝導部材との間に設けられ、前記燃焼器の熱によって気体原料を過熱する過熱器と、
   前記燃焼器と熱伝導部材との間に設けられ、前記過熱器から出力された気体原料を触媒存在下で燃焼器の熱を用いて水素を主成分とする改質ガスに改質する改質器とからなることを特徴とする請求項４記載の改質装置。
6. 請求項５記載の改質装置を備えることを特徴とする燃料電池。
   
   

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