JP2015093792A - 燃料改質装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガスと水蒸気を、改質室１３に入る前によく混合する。【解決手段】 蒸発室１１は、燃料ガスと水とが導入され、水を蒸発させて、水蒸気を生成する。混合室１２は、蒸発室１１と連通し、蒸発室１１からの燃料ガス及び水蒸気を混合する。改質室１３は、混合室１２と連通し、混合室１２からの混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する。蒸発室１１には、伝熱促進部材２０が充填され、改質室１３には、改質触媒２１が充填される。蒸発室１１と混合室１２との連通部は、蒸発室１１と混合室１２とを仕切る仕切壁１６の一部に設けられて、混合室１２内へ燃料ガス及び水蒸気の噴流を生じさせる噴口１８である。混合室１２と改質室１３との連通部（開口１９）は、噴口１８の噴出方向線Ｊから外れた位置に形成される。【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料ガスから水蒸気改質反応を利用して水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質装置、及び、この燃料改質装置を含んで構成される燃料電池システムに関する。

特許文献１は、液状の燃料（改質用の原燃料となる炭化水素や水等）、加熱ガス（オフガスを燃焼させて得られる排ガスや、排ガスを熱交換した空気等）、及び、空気が導入される予混合器と、予混合器と連通する混合器と、混合器と連通し、混合器からの混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、を備える３室構造の燃料改質装置を開示している。
予混合器と混合器とは、多孔質体からなる仕切壁を介して連通している。これにより、予混合された燃料と加熱ガスと空気とが多孔質体を通過する際に、燃料が多孔質体の熱により気化し、これらのガスが多孔質体を通過する際の乱流により、気化燃料、加熱ガス、空気が十分に混合されると記載されている。
また、水の供給方法として、混合器内に、多孔質体に向かって水を噴射する水供給装置を設けることも記載されている。

特開２００４−０１１９３３号公報

燃料ガスを水蒸気改質反応を利用して改質する場合、改質室より上流に蒸発室を設け、水を蒸発させて、水蒸気を生成する必要がある。
また、改質室に充填される改質触媒のコーキングを避けるため、燃料ガスと水蒸気は、改質室に導入される前によく混合されていなければならない。
しかし、蒸発室に水が液相で供給されると、蒸発室内に液だまりができ、この液だまりから水が気化するので、蒸発室内が上側の燃料ガスの層と下側の水蒸気の層とに別れ、燃料ガスと水蒸気との混合不足を生じるという問題があった。

燃料ガスと水蒸気をよく混合させるため、邪魔板などを設けて、蒸発室内のガス流れを乱流にする方策もよく行われる。しかし、出力１ｋＷ程度の燃料電池システムの場合、燃料及び水の流量は微小（燃料：数L/min 、水：数g/min ）であるため、蒸発室内のガス流速は遅く、乱流になりにくい。
また、蒸発室には、伝熱ビーズのようにガス流路を確保しつつ伝熱を促進する伝熱促進部材が充填されることが多く、伝熱促進部材の圧力損失がガス流路間のガスの移動を妨げるため、混合しにくい状態となっている。

一方、特許文献１に記載の技術では、燃料改質装置を、予混合器、混合器、改質器の３室構造とし、予混合器と混合器との間の仕切壁を多孔質体により形成し、ガスが多孔質体を通過する際に乱流により混合を促進するようにしている。
しかし、多孔質体を用いても、既に述べたように、これを通過するガス流速が遅いため、乱流にはなりにくい。また、多孔質体の場合、複数種類のガスがそれぞれ別の場所を通過して混合されない恐れがある。
また、水蒸気改質反応用の水を多孔質体に向けて噴射供給する場合は、水の噴射供給装置を設置しなければならず、燃料改質装置の大型化、高コスト化の要因となる。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、燃料ガスと水蒸気を、改質室に入る前によく混合することができる、燃料改質装置を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料改質装置は、燃料ガスと水とが導入され、水を蒸発させて、水蒸気を生成する蒸発室と、蒸発室と連通し、蒸発室からの燃料ガス及び水蒸気を混合する混合室と、混合室と連通し、混合室からの混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質室と、備える。
蒸発室には、伝熱促進部材が充填される。改質室には、改質触媒が充填される。混合室は、伝熱促進部材及び改質触媒が充填されていない空間部をなす。
そして、蒸発室と混合室との連通部は、蒸発室と混合室とを仕切る仕切壁の一部に設けられて、混合室内へ燃料ガス及び水蒸気の噴流を生じさせる噴口とする。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記の燃料改質装置と、燃料改質装置からの改質ガス中の水素と、酸化剤ガス中の酸素とを反応させて、発電する燃料電池と、を含んで構成される。

本発明によれば、蒸発室と混合室との間の仕切壁の一部に設けた噴口により、混合室内に燃料ガス及び水蒸気の噴流を生じさせ、噴流の外縁部で渦による乱流を生じさせて、燃料ガスと水蒸気との混合を促進できる。従って、燃料ガスと水蒸気との混合性が良化され、改質室における改質触媒のコーキングを抑制できる。また、極めてシンプルな構造であり、容易に実施できる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略図 同上実施形態での燃料改質装置の詳細図 噴口の断面積及び混合室の奥行きと混合性指標値との関係を示す図 本発明の他の実施形態を示す燃料改質装置の概略平面図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略図である。
燃料電池システムは、燃料改質装置１と、燃料電池２とを含んで構成される。
また、本実施形態の燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、燃料改質装置１及び燃料電池２はオフガス燃焼部３と共に筐体（燃焼室区画部材）４内に配置される。

燃料改質装置１は、燃料ガスを水蒸気改質反応を利用して改質し、水素を含有する改質ガスを生成する。詳細については後述する。
尚、ここでいう燃料ガスとしては、炭化水素系ガス、具体的には、都市ガス、ＬＰＧ、シェールガス由来のガス、メタン、プロパン、ブタン及びこれらの混合物を挙げることができる。また、これらに、添加物として、メタノール、ジメチルエーテル等が含まれていてもよい。
燃料ガスとしては、また、低沸点の炭化水素化合物、エーテル類を挙げることができる。具体的には、ペンタン、ヘキサン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等である。
燃料ガスとしては、更に、低沸点のアルコール類を挙げることができる。具体的には、メタノール、エタノール等である。

燃料電池２は、複数の固体酸化物形の燃料電池セルの集合体（燃料電池スタック）である。

各燃料電池セルは、固体酸化物からなる電解質の両面にアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）を備える。アノードには、燃料改質装置１から改質ガスが供給される。カソードには、筐体４外の酸化剤供給装置（図示せず）から酸化剤ガス（一般に空気）が供給される。
電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと燃料中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
従って、各燃料電池セルのカソードにて、下記（１）式の電極反応が生起され、アノードにて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（電解質） ・・・（１）
アノード： Ｏ^２−（電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）

燃料電池２は、上記のような燃料電池セルを多数備え、これらが電気的に直列（及び並列）に接続されて、発電出力を発生させる。

オフガス燃焼部３は、燃料電池２から排出されるオフガス（発電未反応ガスとして排出される水素含有燃料）を酸化剤の存在下で燃焼させ、筐体（燃焼室区画部材）４内の燃料電池２を高温状態に維持する。ここで、燃料電池２の上端部が燃料電池２からのオフガスの排出部となり、このオフガスは着火デバイス（図示せず）により着火されて燃焼する。従って、燃料電池２の上端部側がオフガス燃焼部３となる。オフガス燃焼部３での燃焼熱により燃料電池２は発電可能な高温状態に維持される。
また、燃料改質装置１はオフガス燃焼部３での燃焼熱によって加熱されるように、筐体内４で燃料電池２の上方に配置される。言い換えれば、燃料改質装置１の下方にオフガス燃焼部３が配置される。

筐体４内での燃焼によって生成された高温の排気ガスは、排気通路により、筐体４側に排出される。その廃熱は適宜回収され、熱利用される。

次に、燃料改質装置１について、図２を参照して説明する。
燃料改質装置１は、蒸発室１１と、混合室１２と、改質室１３との３室構造である。
詳しくは、燃料改質装置１は、改質前の燃料ガス及び水の入口部１４から、改質後の改質ガスの出口部１５への、燃料の通流方向に、蒸発室１１、混合室１２、改質室１３をこれらの順に備え、これらの室１１、１２、１３は、連通部を有する仕切壁１６、１７により仕切られている。

従って、蒸発室１１は、上流側の燃料改質装置端壁１ａと下流側の仕切壁１６とにより画成され、端壁１ａに入口部１４を有し、仕切壁１６に混合室１２との連通部（後述する噴口１８）を有している。
混合室１２は、上流側の仕切壁１６と下流側の仕切壁１７とにより画成され、下流側の仕切壁１７に改質室１３との連通部（後述する開口１９）を有している。
改質室１３は、上流側の仕切壁１７と下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより画成され、下流側の端壁１ｂに出口部１５を有している。

また、蒸発室１１、混合室１２及び改質室１３は、水平方向に並べられ、これらの下方にオフガス燃焼部３が配置される。ここでいう水平方向とは、同一高さであればよく、必ずしも一直線上に設ける必要はない。

蒸発室１１、混合室１２、改質室１３について更に詳しく説明する。
蒸発室１１は、端壁１ａに入口部１４を有し、燃料ガスと水とが導入される。尚、ここでは、燃料ガスと水とが、図示しない導入配管内で予混合されて、単一の入口部１４から導入されるようにしているが、別々に導入されるようにしてもよい。
蒸発室１１の内部には伝熱ビーズ等の伝熱促進部材２０が充填されている。蒸発室１１では、水を蒸発させて、水蒸気を生成する。

蒸発室１１と混合室１２との間の仕切壁１６には、蒸発室１１と混合室１２との連通部として、当該連通部を絞って、混合室１２内へ燃料ガス及び水蒸気の噴流を生じさせる噴口１８が形成されている。
混合室１２の内部には伝熱促進部材や改質触媒は充填されておらず、内部は混合用の空間部となっている。混合室１２では、噴流の外縁部で渦による乱流を生じさせて、燃料ガスと水蒸気との混合を促進する。

混合室１２と改質室１３との間の仕切壁１７には、混合室１２と改質室１３との連通部として、開口１９が形成されている。開口１９については絞り効果は不要であり、噴口１８に比べ十分に大きい。但し、開口１９は、噴口１８の噴出方向線（噴流の中心線）Ｊから外れた位置に形成し、噴流の中心部が仕切壁１７に衝突することなく改質室１３に直接入ることを防止する。

改質室１３の内部には改質触媒２１が充填されている。改質室１３では、混合室１２からの混合ガスを改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。
改質室１３は、端壁１ｂに出口部１５を有し、生成された改質ガスを燃料電池２（図１）へ供給する。

上記の燃料改質装置１によれば、燃料ガス及び水が蒸発室１１に導入され、液相で導入された水は蒸発室１１内に液だまりを形成し、液だまりから気化する。従って、蒸発室１１内には、上側に燃料ガスの層ができ、下側に水蒸気の層ができる。しかし、蒸発室１１から混合室１２への連通部は，実質的に１つの噴口１８であるため、燃料ガスと水蒸気は、噴口１８により絞られ、一緒になって混合室１２内に噴出する。
噴口１８から混合室１２への燃料ガスと水蒸気の噴流は、中心部の流速が高く、外縁部にて周囲との相対速度差が大きいため、外縁部から順に剥離して、渦を生じ、流速が低下する。そして、噴流の進行と共に次第に、相対速度差の大きい部位が外縁部から中心部へ移行し、最終的には中心部も剥離して、渦を生じる。このようにして、順次発生する渦により、混合室１２内に乱流を生じ、燃料ガスと水蒸気との混合が促進される。

また、混合室１２と改質室１３との連通部（開口１９）は、噴流の中心部の流れ方向から外れた位置に形成してあるので、噴流の中心部が改質室１３に直接入ることはなく、仕切壁１９などに衝突することで、混合を促進できる。

混合室１２での混合後、改質室１３に入った燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、混合性が良化されているため、コーキングをほぼ生じることなく、改質され、水素を含有する改質ガスが生成される。

噴口１８の形状、大きさ、個数等について次の通りである。
噴口１８の形状（断面形状）については、円形でよいが、これに限るものではなく、多角形、楕円形、長円形としてもよい。

噴口１８の大きさ（断面積）は、十分な絞り効果を発揮させて、乱流を生起可能な高流速の噴流を形成するために、２１０ｍｍ² 以下とするのが望ましく、５０ｍｍ² 以下とするのがより望ましい。
また、噴口１８の大きさは、垂直方向（重力方向）の長さを水平方向の長さ以下とするのが望ましい。垂直方向の長さが水平方向の長さより大きい場合、蒸発室１１内の上側に生成する燃料ガスの層と下側に生成する水蒸気の層との接触面積が減少すること、及び、垂直方向の燃料−水蒸気間距離が増加すること、が原因で、混合不足となる事態が起こりうるからである。

噴口１８の個数については、１つでよいが、これに限るものではなく、複数としてもよい。
但し、複数設ける場合は、断面積の和（総断面積）を２１０ｍｍ² 以下とするのが望ましく、５０ｍｍ² 以下とするのがより望ましい。
また、複数設ける場合は、噴口群が垂直方向（重力方向）に分布する範囲（長さ）を水平方向に分布する範囲（長さ）以下とするのが望ましい。理由については上記と同様である。
具体的には、噴口が複数形成される場合、これらが入る大きさの長方形であって、水平線と垂直線とで構成される最小面積の長方形は、垂直方向の長さが水平方向の長さ以下であるようにする。
また、複数設ける場合は、実質的に１箇所に集中的に設けるのが望ましい。分散して設けると、例えば１箇所から燃料ガスの噴霧、別の箇所から水蒸気の噴霧が出て、しかもこれらが衝突せずに、混合不足となる事態が起こりうるからである。
具体的には、噴口が複数形成される場合、これらは、水平方向の長さが３０ｍｍで、垂直方向の長さが水平方向の長さ以下である長方形内に入るように、実質的に１箇所に集中的に配置されるのが望ましい。

混合室１２の奥行きＤ（噴口１８の噴出方向線Ｊ方向の長さ）については、次の通りである。
混合室１２は、噴口１８の噴出方向線Ｊの方向に、噴口１８の断面積と等しい面積を持つ円の直径（噴口１８が円形の場合は、噴口１８の直径）の５倍以上の長さの、奥行きＤを有しているのが望ましい。
例えば、噴口１８が円形で、断面積が５０ｍｍ² の場合、その直径は約８ｍｍであるので、混合室１２の奥行きＤは、８ｍｍ×５＝４０ｍｍ以上であることが求められる。
これは、噴流の中心部付近のガスは、これ以上の距離まで進行しないと、乱流にならないと考えられるからである。

シミュレーション結果について図３により説明する。
図３はシミュレーションとして噴口の断面積及び混合室の奥行きと混合性指標値との関係を示す図である。
シミュレーションでは、噴口を円形とし、噴口の断面積及び混合室の奥行きを変化させて、混合性指標値により、混合性を評価した。
混合性指標値は、次のように算出した。改質室内の各部（複数箇所）のスチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）を検出し、これらのうちの最小値、すなわち、Ｓ／Ｃが最も低い箇所のＳ／Ｃを混合性指標値とした。従って、混合性指標値が小さいほど、改質室内にＳ／Ｃの小さい部位があり、混合していないことを意味する。
この結果、混合室の奥行きは、噴口直径の５倍以上であることが必要で、５倍未満では、乱流が十分に発達できず、混合性指標値が小さくなって、混合性が悪化することがわかった。
尚、混合室の奥行きを噴口直径との比で規定するのは次の理由による。噴口を小さくするほど流速が大きくなり、混合室の周囲流体との流速差が大きくなるため、渦ができやすく混合しやすい。よって混合室の奥行きは小さくできる。逆に噴口を大きくするほど流速が小さくなり、混合室の周囲流体との流速差が小さくなるため、渦ができにくく混合しにくい。よって混合室の奥行を大きくする必要がある。

本実施形態によれば、蒸発室１１と混合室１２との間の仕切壁１６の一部に設けた噴口１８により、混合室１２内に燃料ガス及び水蒸気の噴流を生じさせ、噴流の外縁部で渦による乱流を生じさせて、燃料ガスと水蒸気との混合を促進できる。従って、燃料ガスと水蒸気との混合性が良化され、改質室１３における改質触媒のコーキングを抑制できる。また、極めてシンプルな構造であり、容易に実施できる。

混合性良化による効果は次の通りである。
１）水が気相、液相、混相のいずれの状態で導入されても燃料ガスとの混合性が良化され、改質室１３における改質触媒２１のコーキングを抑制できることから、コーキング抑制のために多めに設定していた水の供給量を低減でき、これにより発電効率の向上が可能となる。また、水の供給量を低減させると、改質触媒２１の温度が上昇し、改質反応速度が上昇するため、改質反応を完全に終了させるために必要な改質触媒２１の充填量の低減も可能となる。あわせて、燃料改質装置の小型化も可能であるため、燃料電池システムも小型化できる。小型化により燃料改質装置及び燃料電池システムの熱容量が減少するため、燃料改質装置及び燃料電池システムを所定の温度に維持するために必要な燃料の量が少なくなり、発電効率を向上させることができる。
２）発電出力変動時等における燃料ガス及び水の流量増減速度を上げた場合、発電出力増大時に蒸発室１１内での水の気化遅れによる一時的な水蒸気供給量の低下が懸念されるが、混合性の良化により、改質室１３での局所的な水蒸気量の低下が起こらなくなり、コーキングを抑制できる。従って、燃料ガス及び水の流量増減速度を上げることが可能となり、発電出力の応答性向上が可能となる。

また、本実施形態によれば、混合室１２と改質室１３との連通部は、噴口１８の噴出方向線Ｊから外れた位置に形成されるので、次のような効果を得ることができる。噴口１８の噴出方向線（噴流の中心線）Ｊ上にあるガスが最も混合しにくい。混合室１２と改質室１３との連通部（開口１９）を噴口１８の噴出方向線Ｊから外れた位置に形成することで、噴出方向線Ｊ上のガスが仕切壁１７に衝突せずに改質室１３に直接入るのを防ぐことができる。
尚、図４（燃料改質装置の概略平面図）に示すように、仕切壁１６（噴口１８の形成面）と仕切壁１７（開口１９の形成面）とを相対させないようにしてもよい。

また、本実施形態によれば、混合室１２は、噴口１８の噴出方向線Ｊの方向に、噴口１８の断面積と等しい面積を持つ円の直径の５倍以上の長さの、奥行きＤを有しているので、渦が発達するためのスペースが確保され、混合性の良化をより確実なものとすることができる。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 燃料改質装置
２ 燃料電池
３ オフガス燃焼部
４ 筐体（燃焼室区画部材）
１１ 蒸発室
１２ 混合室
１３ 改質室
１４ 入口部
１５ 出口部
１６、１７ 仕切壁
１８ 噴口
１９ 開口
２０ 伝熱促進部材
２１ 改質触媒

Claims (11)

1. 燃料ガスと水とが導入され、水を蒸発させて、水蒸気を生成する蒸発室と、
   前記蒸発室と連通し、前記蒸発室からの燃料ガス及び水蒸気を混合する混合室と、
   前記混合室と連通し、前記混合室からの混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質室と、
   を備え、
   前記蒸発室には、伝熱促進部材が充填され、
   前記改質室には、改質触媒が充填され、
   前記混合室は、前記伝熱促進部材及び前記改質触媒が充填されていない空間部をなし、
   前記蒸発室と前記混合室との連通部は、前記蒸発室と前記混合室とを仕切る仕切壁の一部に設けられて、前記混合室内へ燃料ガス及び水蒸気の噴流を生じさせる噴口であることを特徴とする、燃料改質装置。
2. 前記混合室と前記改質室との連通部は、前記噴口の噴出方向線から外れた位置に形成されることを特徴とする、請求項１記載の燃料改質装置。
3. 前記噴口は、前記蒸発室と前記混合室とを仕切る仕切壁の一部に、１〜複数形成され、これらの総断面積は２１０ｍｍ² 以下であることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の燃料改質装置。
4. 前記蒸発室、前記混合室及び前記改質室は、水平方向に並べて配置され、
   前記噴口の大きさは、垂直方向の長さが水平方向の長さ以下であることを特徴とする、請求項３記載の燃料改質装置。
5. 前記噴口は、円形、多角形、楕円形又は長円形であることを特徴とする、請求項３又は請求項４記載の燃料改質装置。
6. 前記蒸発室、前記混合室及び前記改質室は、水平方向に並べて配置され、
   前記噴口が複数形成される場合、これらが入る大きさの長方形であって、水平線と垂直線とで構成される最小面積の長方形は、垂直方向の長さが水平方向の長さ以下であることを特徴とする、請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
7. 前記噴口が複数形成される場合、これらは、水平方向の長さが３０ｍｍで、垂直方向の長さが水平方向の長さ以下である長方形内に入るように配置されることを特徴とする、請求項６記載の燃料改質装置。
8. 前記混合室は、前記噴口の噴出方向線の方向に、前記噴口の断面積と等しい面積を持つ円の直径の５倍以上の長さの、奥行きを有していることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の燃料改質装置と、
   前記燃料改質装置からの改質ガス中の水素と、酸化剤ガス中の酸素とを反応させて、発電する燃料電池と、
   を含んで構成される、燃料電池システム。
10. 前記蒸発室、前記混合室及び前記改質室は、水平方向に並べて配置され、これらの下方に前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部が配置されることを特徴とする、請求項９記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする、請求項９又は請求項１０記載の燃料電池システム。

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