JP2007314399A - 改質装置およびそれを具備した燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】水の蒸発量を一定とすることが可能な改質装置、およびその改質装置を具備した燃料電池を提供する。
【解決手段】水を気化する気化室２と、気化室２で発生した水蒸気と被改質ガスとの改質反応を行う反応室５とを具備し、気化室２に水供給管３およびガス供給管４が挿入された改質装置１であって、水供給管３は、気化室２における先端部の内径が、気化室２への挿入部における内径よりも大きい。さらには、水供給管３およびガス供給管４が、水供給管３をガス供給管４の内部に設けた二重管構造である。さらには、本発明の改質装置を具備してなる燃料電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は、気化室に水供給管およびガス供給管が挿入された水蒸気改質反応を行うための改質装置に関する。さらには、該改質装置を具備してなる燃料電池に関する。

近年、次世代エネルギーとして、複数の燃料電池セルスタックを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池において発電に用いる燃料ガスとしては水素が用いられ、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを燃料電池本体内に供給し、酸素含有ガスをセル中の酸素極に接触させ、かつ水素をセル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。

この燃料ガスである水素の生成方法としては、たとえば天然ガス等の炭化水素を水蒸気と反応させて水素を生成する水蒸気改質法が知られており、そのような改質を行うための改質装置も種々提案されている。

たとえば、図５は、従来の改質装置の概略的な一部拡大断面図を示したものである。

改質装置２１は、気化室２２および反応室２５を有しており、気化室２２および反応室２５は、通気性のある壁２７で分離されている。なお、反応室２５には、水蒸気と被改質ガスを混合するためや、被改質ガスを改質するための粒状物２６が充填されている。

また、気化室２２には、水供給管２３およびガス供給管２４が挿入されている。この水供給管２３により水蒸気が、ガス供給管２４により被改質ガスがそれぞれ供給される。

このような改質装置は、例えば、燃料電池セルスタックの上方に配置し、燃料電池の燃焼域での熱を利用して気化室で水蒸気を生成し、その水蒸気を改質装置内の改質触媒に供給して、水素を生成し、その水素を燃料電池セルに供給し、発電を行うことが行われている。
特開２００５−２８５６２１号公報

しかしながら、上述した従来の改質装置においては、気化室２２において、水供給管２３より供給される水が蒸発することにより、例えば、供給水中のカルシウム等が水供給管２３の内面側に析出する事が想定される。水供給管２３の内面側への析出量が多くなると、水供給管２３の内径が実質的に小さくなり、水供給ポンプの能力を超える圧力損出が発生し、所定の水量が供給されないおそれがある。さらには、析出物で水供給管２３が完全に詰まった場合も、所定の水量が供給されないおそれがある。

また、例えば、炭化水素系燃料の水蒸気改質において、供給水が少ない条件で反応が行われた場合は、炭素が析出しやすい条件となる。そして、例えば燃料電池セルなどで炭素が析出すると、燃料電池セルに損傷を与える場合があり、その場合、燃料電池セルの発電性能の劣化に繋がるおそれが生じる。

また、水供給管２３の内面側に析出物が付着することを想定して、水供給管２３の内径を全体的に大きくした場合には、供給される水の脈動が大きくなり、水の蒸発量が不安定となるおそれがある。この場合においては、さらにガスの改質量が不安定となるため、燃料電池の出力が不安定なものとなるおそれがある。

また、水供給管内の水の蒸発に伴う不純物の析出を防止するには、水の純度を高めること、すなわち水を浄化することも考えられるが、高精度の浄化装置が必要となるため、燃料電池が大型化する、費用が高くなるといった問題があった。

それゆえ、本発明の目的は、水の蒸発量を一定とすることで、燃料電池の出力を安定なものとすることが可能で、かつ、燃料電池の寿命を向上させる改質装置、およびその改質装置を具備した燃料電池を提供することにある。

本発明の改質装置は、水を気化する気化室と、該気化室で発生した水蒸気と被改質ガスとの改質反応を行う反応室とを具備し、かつ前記気化室に水供給管が挿入された、水蒸気改質反応を行うための改質装置であって、前記水供給管は、前記気化室における先端部の内径が、前記気化室への挿入部における内径よりも大きいことを特徴とする。

このような構成を有する本発明の改質装置においては、被改質ガスの改質に必要とする量の水を一定に、かつ確実に蒸発させることができる。

すなわち、水供給管の気化室における先端部の内径を、気化室への挿入部における内径よりも大きくすることで、水供給管の先端部の内面側に析出物等が付着した場合であっても、先端部における水(水蒸気)の供給路を確保することができ、被改質ガスの改質に必要とする量の水を一定に、かつ確実に蒸発させることができる。

また、水供給管の気化室における先端部における水（水蒸気）の供給路を確保することができることから、水供給管の内径を全体的に大きくする必要がないため、供給される水の脈動が大きくなることを抑制し、水の蒸発を安定して行うことができる。

また、本発明の改質装置は、前記水供給管の内径は、前記気化室における先端部に向けて漸次大きくなっていることが好ましい。

このような構成を有する本発明の改質装置においては、被改質ガスの改質に必要とする量の水を一定に、かつ確実に蒸発させることができる。

本発明においては、水供給管は、気化室における先端部の内径が、気化室への挿入部における内径よりも大きいことを特徴とし、そのような形状として気化室における先端部に向けて漸次大きくなっている形状とすることから、水供給管の内面側に、角部を有さない。それゆえ、角部での熱応力や析出といった問題が発生しないため、水供給管の寿命を長くすることができる。

また、本発明の改質装置は、前記水供給管の前記気化室における先端部には、スリット状の切込みおよび孔の少なくとも一方を有することが好ましい。

このような構成を有する本発明の改質装置においては、被改質ガスの改質に必要とする量の水を一定に、かつ確実に蒸発させることができる。

水中における不純物の析出は、水供給管の内面側に析出し付着する。一方、本発明においては、水供給管の気化室における先端部に、スリット状の切り込みおよび孔の少なくとも一方を有することにより、その切込み部および孔部においては、不純物の析出物が付着することが少ない。それにより、水蒸気を、切り込みおよび孔の少なくとも一方を通じて拡散することができ、被改質ガスの改質に必要とする量の水を、より確実に蒸発させることができる。

また、本発明の改質装置は、前記気化室にガス供給管が挿入されており、前記水供給管および前記ガス供給管が、前記水供給管を前記ガス供給管の内部に設けた二重管構造であることが好ましい。

このような構成を有する本発明の改質装置においては、水供給管の交換が容易となる。

すなわち、水供給管とガス供給管がそれぞれ別個に設けられる場合においては、それぞれの管は、改質装置に溶接等にて接合されることとなる。したがって、例えば水供給管が、水中の不純物の析出等により目詰まり等を生じ交換を必要とする場合において、改質装置そのものを交換する必要が生じることとなり、交換に伴う費用が高くなる。

一方、水供給管をガス供給管の内部に設けた二重管構造とすることにより、ガス供給管は改質装置に溶接等にて接合されるが、水供給管は、ガス供給管の内部に設けているため、改質装置に溶接等にて接合する必要がなく、例えば、ガス供給管に固定することでよい。

すなわち、水供給管を改質装置に溶接にて接合する必要がなく、ガス供給管に固定することでよいことから、水供給管のみを改質装置から取り出すことが可能となる。したがって、水供給管を交換する必要がある場合には、水供給管のみを交換することが可能となり、改質装置のメンテナンスが容易となるとともに、交換に伴う費用も安価なものとすることができる。

また、本発明の燃料電池は、収納容器内に、複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックと、該セルスタックから所定間隔をおいて配設された上記のうちいずれかに記載の改質装置とを具備することを特徴とする。

それゆえ、本発明の燃料電池においては、水の蒸発量を一定とすることができることで、炭素の析出を抑制することができる改質装置を搭載していることから、燃料電池の出力を安定なものとすることができる。あわせて、燃料電池の寿命を向上することができる。

本発明の改質装置は、水を気化する気化室と、気化室で発生した水蒸気と被改質ガスとの改質反応を行う反応室とを具備し、気化室に挿入される水供給管の気化室における先端部の内径を、気化室への挿入部における内径よりも大きくしたことから、水供給管の先端部の内面側に、水の蒸発による不純物の付着が生じたとしても、水の供給路を確保でき、被改質ガスの改質に必要とする量の水を一定に、かつ確実に蒸発させることができる。

さらに、本発明の燃料電池は、上記のうちいずれかの改質装置を具備してなることから、出力を安定なものとすることが可能な燃料電池を提供することができる。

本発明の改質装置を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる改質装置１の一部拡大断面図を表したものである。

改質装置１は、気化室２および反応室５を有しており、気化室２および反応室５は、通気性のある壁７で分離されている。なお、反応室５には、水蒸気と被改質ガスを混合し、燃料ガスを得るための粒状物６が充填されている。本形態においては、水蒸気と被改質ガスとの混合・改質を行う場所を反応室と呼ぶものとし、反応室には、水蒸気と被改質ガスとの混合や改質反応を進めるための粒状物（例えば、水蒸気と被改質ガスの混合を補助するための粒状物や、改質触媒等）が配置されている。なお、本発明では、水蒸気と被改質ガスとの混合を行う混合室と、改質を行う改質室とを別個に設けてもよい。

また、気化室２には、円筒状の水供給管３およびガス供給管４が挿入されている。この水供給管３により水蒸気が、ガス供給管４により被改質ガスがそれぞれ供給される。なお、以降の図において、同じ構造のものについては、同番号を付与する。また、各図は、本発明を概念的に示すものであり、一部拡大等して記載している。

本発明の改質装置では、従来の改質装置と同様、被改質ガスと水蒸気を気化室２に供給した後、反応室５にて、混合されたのち、改質触媒にて改質ガスを生成する。

ここで、改質触媒としては、それ自体、公知のものを使用することができ、例えばＮｉ触媒等の卑金属触媒や、Ｒｕ，Ｐｔなどの貴金属触媒を使用することができる。

そして、水供給管３は、気化室２における水供給管３の先端部の内径（管内部の横断面積）が、気化室２への挿入部における内径よりも大きいことを特徴としており、さらに本図面においては、気化室２における先端部に向けて漸次大きくなっていることを示している。言い換えれば、水供給管３の先端部がラッパ形状とされている。なお、この挿入部１１とは、改質装置１に対して水供給管３およびガス供給管４が挿入される部位をいい、図１において挿入部１１として示している。

そして、気化室２における水供給管３の先端部の内径が、気化室２への挿入部における内径よりも大きくしたことにより、水供給管３の内面側に析出物等が付着した場合であっても、先端部の内径を確保することができることから、水供給管の寿命を長くすることができる。

また、水供給管３の内径を気化室２における先端部に向けて漸次大きくした場合にあっては、水供給管３の内面側に、角部を有さないことから、角部での熱応力や析出といった問題が発生しないため、さらに水供給管３の寿命を長くすることができる。

なお、内径を段階的に大きくした場合であっても、析出物等が付着した水供給管３における水蒸気の供給路を確保することができるため、水供給管３の寿命を長くすることができる。

また、本発明において水供給管３を、気化室２における先端部に向けて漸次大きくするにあたっては、好ましくは、水供給管３において水の蒸発が開始する部位（以降、水蒸発開始部と呼ぶ）より、気化室２における先端部に向けて漸次大きくすることが好ましい。これは、水供給管を流れる水は、気化室に供給されて直ちに蒸発するのではなく、水の流動とともに温められ、水蒸発開始点に達した際に蒸発が開始するものである。したがって、水供給管３は、水蒸発開始点に達するまでは、水供給管３の内径を一定とすることがより好ましい。

それゆえ、水供給管３の構造を、水蒸発開始点までは水供給管３の内径を一定とし、水蒸発開始点から気化室２における先端部に向けて漸次大きくする構造とすることにより、水の脈動が大きくなることを抑制し、水の蒸発量が安定なものとなる。なお、水の蒸発が開始する部位は、水を蒸発させる際の温度条件や、水供給管の長さ等により、適宜調整して設定することが好ましい。本図面においては、この水蒸気開始部から気化室における先端部までの範囲を、理解しやすくするため、水蒸発開始部から気化室２における先端部までを一点破線の枠８で示している。

図２は、本発明における水供給管３を抽出して表した一部拡大平面図である。本図においては、水供給管３の気化室２における先端部に、スリット状の切込み９および孔１０を形成した状態を示す。なお、本図においては、スリット状の切込み９および孔１０の両方を形成した状態を示したが、水供給管３の気化室２における先端部は、スリット状の切込み９のみを形成した先端部としてもよく、また孔１０のみを形成した先端部としてもよい。

水中における不純物の析出物は、水供給管３の内面側に付着するが、図２に示したスリット状の切込み９および孔１０は、内面側を有さないため、付着することが少なくなる。それゆえ、切込み９および孔１０の少なくとも一方を通じて、気化室２内に水蒸気がより拡散することが可能となる。

なお、切込み９は、水供給管３の気化室２における先端部より、水蒸発開始部の方向へ向けて設けることが好ましく、その長さは、長くとも水蒸発開始部までとするのが好ましい。これは、水が蒸発する前に、水供給管３より水が漏れることを防止するためである。なお、この水供給管３の先端部より水蒸発開始部までの間であれば、その範囲の途中に切込み９を設けるといったように、適宜切込み９を設けることができる。

また、孔１０は、効率的に水蒸気を気化室２内に拡散させる上で、好ましくは複数の孔を設けることがよい。そして孔１０についても、切込み９と同様、水供給管３の気化室２における先端部より、水蒸発開始部までの範囲において、適宜孔１０を設けることができる。

このように、水供給管３の先端部を大きくするだけでなく、切込み９や孔１０を設けることで、気化室２内に水蒸気がより拡散することから、被改質ガスの改質に必要とする量の水を、より効率よく、確実に蒸発させることができるため、水供給管３の寿命を長くすることができる。

図３は、本発明の他の実施形態にかかる改質装置１の一部拡大断面図を表したものである。

本実施形態においては、水供給管１３およびガス供給管１４が、水供給管１３をガス供給管１４の内部に設けた二重管構造を示しており、さらには、水供給管１３の気化室２における先端部の外径が、ガス供給管１４の気化室２における先端部の内径よりも小さいことを表したものである。

なお、図３に二重管構造を形成した一例を示す。図３においては、ガス供給管１４はＬ字型の形状で形成され、その一部を改質装置１と水平となるように、改質装置１に接合されている。また、水供給管１３は、ガス供給管１４の外部から、改質装置１と水平となるガス供給管１４の内部を通じて、改質装置１内部へ挿入されている。また水供給管１３はガス供給管１４に、蓋状の部材１６により固定されている。

なお、水供給管１３とガス供給管１４を二重管構造とした場合において、気化室２には、ガス供給管１４から被改質ガスを供給する必要があるため、本実施態様においては、水供給管１３の気化室２における外径は、ガス供給管１４の気化室２における内径よりも小さいものとする必要がある。

ここで、ガス供給管１４は、改質装置１に溶接等により接合されるのに対し、水供給管１３は、図３からも明確なように、改質装置１に対し溶接等により接合する必要はない。すなわち、水供給管１３は、ガス供給管１４に固定されていればよい。それにより、水供給管１３のみを、改質装置１より取り出すことが可能となる。

燃料電池の改質装置においては、水供給管１３の先端部の内面側に水中の不純物が析出し付着すること、改質触媒等が劣化することにより、交換を余儀なくされる場合がある。ここで、水供給管１３を交換する場合に、水供給管１３のみを交換することが可能となれば、改質装置１のメンテナンスが容易となるとともに、交換に伴う費用も安価なものとすることができる。

本発明においては、水供給管１３をガス供給管１４の内側に設けた二重管構造としたことから、水供給管１３をガス供給管１４より引き抜くことができる。ここで図３に示した改質装置１において、水供給管１３を引き抜くにあたっては、蓋状の部材１６をはずして、水供給管１３とガス供給管１４の固定をはずし、引き抜くことが可能である。すなわち、水供給管１３のみを、改質装置１より取り出すことが可能となる。したがって、水供給管１３を交換する必要がある場合には、水供給管１３のみを交換することが可能となり、改質装置のメンテナンスが容易となるとともに、水供給管１３の交換に伴う費用も安価なものとすることができ、非常に有益なものとなる。

さらに、水供給管１３の気化室２における先端部の内径を、気化室２への挿入部における内径よりも大きく形成するとともに、水供給管１３の気化室２における先端部の外径を、ガス供給管１４の気化室２における内径よりも小さくすることで、被改質ガスの改質に必要とする量の水を一定に、かつ確実に蒸発させることができるとともに、上述したように水供給管１３のみを改質装置１より取り出すことが可能となる。したがって、水供給管１３を交換する必要がある場合には、水供給管１３のみを交換することが可能となり、改質装置１のメンテナンスが容易となるとともに、交換に伴う費用も安価なものとすることができる。

さらに、本発明の改質装置１においては、水供給管１３の気化室２における先端部の内径を、気化室２への挿入部における内径よりも大きく形成したこと、また好ましくは先端部に向けて漸次大きくしたことから、水蒸気が拡散しやすくなる。

また同様に、水供給管１３の形状を気化室２の先端部で広がった形状としたことから、ガス供給管１４より供給される被改質ガスも、水供給管１３の外面の形状に沿って流れるため、被改質ガスがよどみ等を生じず、スムーズに流れやすくなる。

それにより、水蒸気と被改質ガスが混合しやすくなることから、改質装置１における反応室５の長さを短くすることも可能となり、改質装置１を小型化することが可能となる。

図４は、収納容器内に、複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタック１７と、セルスタックから所定間隔をおいて配設された改質装置１と、セルスタック１７に酸素含有ガスを供給するための供給管１９と、を具備する燃料電池２０を示したものであり、特には改質装置１を、セルスタック１７の側面側に対向して配置した場合を示している。なお、改質装置１を、セルスタックの側面側に対向して配置した場合には、セルスタック１７の輻射熱を有効に利用して、改質反応を進めることができる。なお、本発明の改質装置１の内部が明確となるよう、改質装置１の一部を断面図にて示している。

本発明の燃料電池２０は、本発明の改質装置１を具備してなることから、燃料電池セルに安定して改質ガスが供給される。従って、燃料電池セルの出力を安定にすることができ、燃料電池システムの寿命を向上することができる。

また、本発明の改質装置１において、一定量の水が供給されることから、炭素が析出することが抑制され、燃料電池セルが損傷を生じることも抑制され、燃料電池２０の寿命を向上することができる。

なお、本図面においては、改質装置１をセルスタックの側面側に対向して配置した場合を示しているが、セルスタックから所定間隔を置いて配置されていればよく、例えばセルスタックの上方に配置してもよい。その場合においては、セルスタックの燃焼域１８での燃焼熱を有効に利用することができる。

また、該燃料電池は、本発明の改質装置１を具備することから、燃料電池のメンテナンスを容易に行うことができる。

なお、上述した実施形態においては、水供給管１３およびガス供給管１４を円筒状として説明したが、円筒状以外にも、例えば断面が四角形状の筒形状とすることもできる。この場合、水供給管１３の外径は最大外面幅で定義され、内径は断面積から求めることができる。

また、本発明において、例えば水供給管１３の内径を、気化室２の先端部に向けて漸次大きくすることとしたが、その場合において、水供給管１３の内径を大きくすればよく、水供給管１３の外径は、内径に併せて漸次大きくしてもよく、また同一の大きさとしてもよい。

本発明の改質装置の一例を示す一部拡大断面図である。 本発明の水供給管の一例を示す平面図である。 本発明の改質装置の他の実施形態を示す一部拡大断面図である。 本発明の燃料電池の一例を示したものである。 従来の改質装置の一例を示す一部拡大断面図である。

符号の説明

１：改質装置
２：気化室
３：水供給管
４：ガス供給管
１１：挿入部

Claims (5)

1. 水を気化する気化室と、該気化室で発生した水蒸気と被改質ガスとの改質反応を行う反応室とを具備し、前記気化室に水供給管が挿入された改質装置であって、前記水供給管は、前記気化室における先端部の内径が、前記気化室への挿入部における内径よりも大きいことを特徴とする改質装置。
2. 前記水供給管の内径は、前記気化室における先端部に向けて漸次大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の改質装置。
3. 前記水供給管の前記気化室における先端部には、スリット状の切込みおよび孔の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の改質装置。
4. 前記気化室にガス供給管が挿入されており、前記水供給管および前記ガス供給管が、前記水供給管を前記ガス供給管の内部に設けた二重管構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の改質装置。
5. 収納容器内に、複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックと、該セルスタックから所定間隔をおいて配設された請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の改質装置とを具備することを特徴とする燃料電池。

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