JP2015189610A - 燃料改質装置、及び、燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料改質装置出口の改質ガスに含まれる炭化水素濃度を減少させ、水素濃度を増加させると共に、改質室内に充填される改質触媒の劣化を抑制する。
【解決手段】燃料改質装置１は、燃料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１２と、改質室１２内を流れる燃料ガスを偏流させる偏流部（仕切壁１６、１７の貫通孔１８、１９）と、を含んで構成される。前記偏流部は、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる。
【選択図】図２
【解決手段】燃料改質装置１は、燃料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１２と、改質室１２内を流れる燃料ガスを偏流させる偏流部（仕切壁１６、１７の貫通孔１８、１９）と、を含んで構成される。前記偏流部は、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる。
【選択図】図２
Description
本発明は、燃料ガスから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（改質用の原燃料等）、及び、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）が導入される予混合室と、予混合室と連通する混合室と、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、を備える３室構造の燃料改質装置を開示している。
予混合室と混合室とは、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、気化燃料及び加熱ガスが十分に混合されて均質化されて改質室に供給されることが記載されている。
また、改質用の水の供給方法として、混合室内に、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。
予混合室と混合室とは、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、気化燃料及び加熱ガスが十分に混合されて均質化されて改質室に供給されることが記載されている。
また、改質用の水の供給方法として、混合室内に、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。
ところで、前述のような改質室には、球状又は円柱状の改質触媒が充填されることが多い。この種の改質触媒は、例えば、担体に活性金属を担持している。ここで、改質触媒の担体については、活性金属の表面積を増やすために多孔質体により構成されるので、その密度が低い。また、改質触媒が球状又は円柱状であることにより、改質触媒間に空隙が形成される。従って、改質触媒自体が低密度であること、及び、改質触媒間に空隙が形成されることにより、改質室内の改質触媒については、その有効熱伝導率が低い。
また、前述のような改質室にて水蒸気改質反応により改質ガスを生成する場合には、その改質反応が吸熱反応であるので、当該反応に必要な熱を改質室に供給しなければならない。ここで、改質反応に必要な熱を供給する手法として、改質室の外殻をなす容器を、その外側から加熱する手法を採用すると、改質室内の改質触媒の有効熱伝導率が低いことにより、当該改質触媒は、改質室の容器内面より内側に向かうほど（換言すれば、容器内面から離れるほど）低温になる。すなわち、改質室内には、その容器内面付近の領域（周辺領域）に、相対的に高温の領域が形成される一方、容器内面から離れた領域（中央領域）に、相対的に低温の領域が形成される。
また、改質反応の反応速度（改質反応速度）は、温度が増すにつれて指数関数的に増加するため、改質触媒の温度が低くなるほど、改質反応速度が遅くなる。それゆえ、改質室内の中央領域では改質反応速度が遅いので、改質室の中央領域を流れる燃料ガスの一部が改質反応の平衡に達しないまま改質室の出口から流出する。改質室内の中央領域で生成した改質ガスは、周辺領域で生成した改質ガスと比べて、炭化水素の濃度が高くなる。結果として、改質触媒の温度が均一である場合と比較して、燃料改質装置出口の改質ガスに含まれる炭化水素の濃度が増加するおそれがあった。
また、改質触媒の温度が低くなるほど、改質反応が平衡に達したときの水素濃度が低下する。それゆえ、中央領域で生成した改質ガスは、周辺領域で生成した改質ガスと比べて、水素濃度が低くなる。結果として、改質触媒の温度が均一である場合と比較して、燃料改質装置出口の改質ガスに含まれる水素の濃度が減少するおそれがあった。
また、改質触媒の温度が低くなるほど、改質反応が平衡に達したときの水素濃度が低下する。それゆえ、中央領域で生成した改質ガスは、周辺領域で生成した改質ガスと比べて、水素濃度が低くなる。結果として、改質触媒の温度が均一である場合と比較して、燃料改質装置出口の改質ガスに含まれる水素の濃度が減少するおそれがあった。
この対策として、燃料改質装置出口の改質ガスに含まれる炭化水素濃度を減少させ、水素濃度を増加させるために、改質室に供給される熱量を増大させて改質室内の中央領域の温度を上昇させると、改質室内の周辺領域に位置する改質触媒が過度に高温となって熱劣化が促進され、ひいては、改質触媒の寿命が短くなるおそれがあった。
本発明は、このような実状に鑑み、燃料改質装置出口の改質ガスに含まれる炭化水素濃度を減少させ、水素濃度を増加させること、及び、改質室内に充填される改質触媒の劣化を抑制することを目的とする。
そのため、本発明に係る燃料改質装置は、燃料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、改質室内を流れる燃料ガスを偏流させる偏流部と、を含んで構成される。偏流部は、改質室内における相対的に低温の領域を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室内における相対的に高温の領域を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる。
また、本発明に係る燃料電池システムは、前述の燃料改質装置と、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、偏流部は、改質室内における相対的に低温の領域を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室内における相対的に高温の領域を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる。これにより、改質室での改質反応が吸熱反応である場合には、改質室内における相対的に低温の領域での吸熱反応が抑制されるので、当該低温の領域での改質反応速度を向上させることができ、ひいては、燃料改質装置出口の改質ガスに含まれる炭化水素濃度を減少させることができる。更に、相対的に低温の領域での吸熱反応が抑制されることで、相対的に低温の領域での温度を増加させ、改質ガスの平衡組成を変化させ、ひいては、燃料改質装置出口の改質ガスに含まれる水素濃度を増加させることができる。
また、本発明によれば、改質室内における相対的に高温の領域での吸熱反応が促進されるので、当該高温の領域での過度な温度上昇を抑制することができ、ひいては、改質室内に充填される改質触媒の劣化を抑制することができる。
また、本発明によれば、改質室内における相対的に高温の領域での吸熱反応が促進されるので、当該高温の領域での過度な温度上昇を抑制することができ、ひいては、改質室内に充填される改質触媒の劣化を抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１（Ａ）は本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
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。
図１（Ａ）は本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
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、その断面形状が矩形状である。燃料改質装置１は、吸熱反応である水蒸気改質反応を利用して燃料ガスを改質し、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、エタン、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。
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、エタン、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： １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（電解質） ・・・（１）
アノード： Ｏ２−（電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− ・・・（２）
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： １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（電解質） ・・・（１）
アノード： Ｏ２−（電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− ・・・（２）
燃料電池２は、前述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。
炭化水素がある濃度以上含まれる改質ガスが燃料改質装置１から燃料電池２のアノードに供給されると、燃料電池２の温度によってはアノードにコークが生成することがある。このコークによって、アノードで起こる電極反応が阻害され、燃料電池２の電圧が低下し、ひいては、燃料電池システムの発電効率が低下する問題が起こる。更に、このコークによって、アノードに形成されている改質ガス流路が閉塞されると、アノードの酸素分圧が増加してアノードが酸化され、燃料電池２の電圧が低下し、ひいては、燃料電池システムの発電効率が低下する問題が起こる。よって、燃料改質装置１は、燃料改質装置１出口の改質ガス中に含まれる炭化水素濃度が、燃料電池２のアノードでコークが生成するときの濃度より低くなるように設計されるのが望ましい。具体的には、定格出力１ｋＷ程度の固体酸化物形燃料電池システムが定格出力で発電しているとき、燃料改質装置１出口の改質ガスに含まれるメタンの濃度は20 vol％ conc (wet) 以下が望ましく、また、燃料改質装置１出口の改質ガスに含まれるエタン、プロパン、ブタン等のような炭素数２以上の燃料ガス成分の濃度については10 volppm conc (wet)以下が望ましい。
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。換言すれば、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。尚、オフガス燃焼部３が、後述する改質室１２の熱源となり得る。
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。換言すれば、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。尚、オフガス燃焼部３が、後述する改質室１２の熱源となり得る。
オフガス燃焼部３での燃焼によって生成された高温の排ガスは、図１（Ｂ）に示すように燃料改質装置１の下壁、側壁、及び上壁の外面に沿って流れた後に、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。
ここで、燃料改質装置１の下壁、側壁、及び上壁の外面に沿って流れる排ガスにより、後述する改質室１２内には、その中央領域に、相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）が形成される一方、改質室１２の下壁、側壁、及び上壁の内面と前記中央領域との間の領域（周辺領域）に、相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）が形成される。
ここで、燃料改質装置１の下壁、側壁、及び上壁の外面に沿って流れる排ガスにより、後述する改質室１２内には、その中央領域に、相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）が形成される一方、改質室１２の下壁、側壁、及び上壁の内面と前記中央領域との間の領域（周辺領域）に、相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）が形成される。
次に、燃料改質装置１について、図２を参照して説明する。
図２（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図２（Ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図に対応している。図２（Ｂ）は、本実施形態における仕切壁１６の概略図であり、図２（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図に対応している。
図２（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図２（Ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図に対応している。図２（Ｂ）は、本実施形態における仕切壁１６の概略図であり、図２（Ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図に対応している。
燃料改質装置１は、入口室１１と、改質室１２と、出口室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蒸気の入口部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、入口室１１、改質室１２、出口室１３をこれらの順に備え、これらの室１１、１２、１３は、連通部を有する矩形板状の仕切壁１６、１７により仕切られている。ここで、仕切壁１６が本発明の上流側仕切壁に対応し、入口室１１と改質室１２とを仕切る。また、仕切壁１７が本発明の下流側仕切壁に対応し、改質室１２と出口室１３とを仕切る。
詳しくは、燃料改質装置１は、改質前の燃料ガス及び水蒸気の入口部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、入口室１１、改質室１２、出口室１３をこれらの順に備え、これらの室１１、１２、１３は、連通部を有する矩形板状の仕切壁１６、１７により仕切られている。ここで、仕切壁１６が本発明の上流側仕切壁に対応し、入口室１１と改質室１２とを仕切る。また、仕切壁１７が本発明の下流側仕切壁に対応し、改質室１２と出口室１３とを仕切る。
従って、入口室１１は、上流側の燃料改質装置端壁１ａと仕切壁１６とにより区画形成され、端壁１ａに入口部１４を有し、仕切壁１６に改質室１２との連通部（後述する複数の貫通孔１８）を有している。
改質室１２は、仕切壁１６と仕切壁１７とにより区画形成され、仕切壁１７に出口室１３との連通部（後述する複数の貫通孔１９）を有している。
出口室１３は、仕切壁１７と下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより区画形成され、下流側の端壁１ｂに出口部１５を有している。
改質室１２は、仕切壁１６と仕切壁１７とにより区画形成され、仕切壁１７に出口室１３との連通部（後述する複数の貫通孔１９）を有している。
出口室１３は、仕切壁１７と下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより区画形成され、下流側の端壁１ｂに出口部１５を有している。
また、入口室１１、改質室１２及び出口室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。
入口室１１は、端壁１ａに入口部１４を有し、燃料ガスと水蒸気とが導入される。尚、ここでは、燃料ガスと水蒸気とが、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。また、本実施形態では、入口室１１の内部に改質触媒が充填されていないが、この他、入口室１１の内部に改質触媒が充填されていてもよい。
入口室１１と改質室１２との間の仕切壁１６には、入口室１１と改質室１２との連通部として、複数（図では１６個）の貫通孔１８が形成されている。これら貫通孔１８は、仕切壁１６の周方向に互いに間隔を空けて仕切壁１６の周縁部に設けられている。ここで、これら貫通孔１８が、本発明の上流側開口部に対応している。また、入口室１１と改質室１２との連通部は、仕切壁１６に設けられる複数の貫通孔１８を含んで構成されている。また、これら貫通孔１８のうち仕切壁１６の下部に位置するものは、改質室１２の熱源（オフガス燃焼部３）に近い。それゆえ、仕切壁１６のうち熱源に近い領域に複数の貫通孔１８が設けられている。
入口室１１は、各貫通孔１８を介して、改質室１２の高温領域ＨＲに連通している。
また、各貫通孔１８は、入口室１１内に導入された燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁、側壁、及び上壁の付近に集中させる作用がある。
尚、貫通孔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。また、貫通孔１８の大きさは、後述する球状又は円筒状の改質触媒が貫通孔１８を通って入口室１１に流出しない大きさとなっている。
また、各貫通孔１８は、入口室１１内に導入された燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁、側壁、及び上壁の付近に集中させる作用がある。
尚、貫通孔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。また、貫通孔１８の大きさは、後述する球状又は円筒状の改質触媒が貫通孔１８を通って入口室１１に流出しない大きさとなっている。
改質室１２の内部には、図示しない球状又は円筒状の改質触媒が充填されている。改質触媒は、その直径が数ｍｍ程度である。改質触媒は、例えば、多孔質体により構成される担体に活性金属を担持している。担体は、アルミナやシリカ等からなる多孔質セラミックスで構成される。活性金属は、ニッケル、金、白金、パラジウム、ロジウム及びルテニウムからなる群より選ばれる金属元素の１種以上で構成される。改質室１２では、入口室１１からの燃料ガスを入口室１１からの水蒸気を用いて水蒸気改質反応により改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。
改質室１２と出口室１３との間の仕切壁１７には、改質室１２と出口室１３との連通部として、複数（本実施形態では１６個）の貫通孔１９が形成されている。尚、これら貫通孔１９は、仕切壁１７の周方向に互いに間隔を空けて仕切壁１７の周縁部に設けられている。ここで、これら貫通孔１９が、本発明の下流側開口部に対応している。また、改質室１２と出口室１３との連通部は、仕切壁１７に設けられる複数の貫通孔１９を含んで構成されている。また、これら貫通孔１９のうち仕切壁１７の下部に位置するものは、改質室１２の熱源（オフガス燃焼部３）に近い。それゆえ、仕切壁１７のうち熱源に近い領域に複数の貫通孔１９が設けられている。
改質室１２の高温領域ＨＲは、各貫通孔１９を介して、出口室１３に連通している。
また、各貫通孔１９は、改質室１２内の未反応の燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁、側壁、及び上壁の付近に集中させる作用がある。
尚、貫通孔１９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。また、貫通孔１９の大きさは、前述した球状又は円筒状の改質触媒が貫通孔１９を通って出口室１３に流出しない大きさとなっている。
また、各貫通孔１９は、改質室１２内の未反応の燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁、側壁、及び上壁の付近に集中させる作用がある。
尚、貫通孔１９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。また、貫通孔１９の大きさは、前述した球状又は円筒状の改質触媒が貫通孔１９を通って出口室１３に流出しない大きさとなっている。
出口室１３は、端壁１ｂに出口部１５を有し、改質室１２からの改質ガスを燃料電池２（図１参照）へ供給する。尚、本実施形態では、出口室１３の内部に改質触媒が充填されていないが、この他、出口室１３の内部に改質触媒が充填されていてもよい。
燃料改質装置１によれば、入口室１１に導入された燃料ガス及び水蒸気が、複数の貫通孔１８を通って、改質室１２内の高温領域ＨＲに流入する。これにより、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量に比べて、高温領域ＨＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量が大きくなる。従って、複数の貫通孔１８が、本発明の偏流部を構成して、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる機能を実現する。
また、燃料改質装置１によれば、複数の貫通孔１８から改質室１２内の高温領域ＨＲに流入した燃料ガス及び水蒸気は、その一部が低温領域ＣＲに入り得る。しかしながら、この低温領域ＣＲに入った燃料ガス及び水蒸気については、仕切壁１７に複数の貫通孔１９が形成されていることにより、当該貫通孔１９に達するに先立って、高温領域ＨＲに戻って改質され得る。すなわち、仕切壁１７に複数の貫通孔１９が形成されていることによっても、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量に比べて、高温領域ＨＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量が大きくなる。従って、複数の貫通孔１９も、本発明の偏流部を構成して、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる機能を実現する。
ところで、従来の燃料改質装置では、改質室内の低温領域ＣＲと高温領域ＨＲとの温度差が５０〜４００℃程度と大きく、ゆえに、低温領域ＣＲの改質反応速度と高温領域ＨＲの改質反応速度との速度差も大きかった。それゆえ、改質反応速度が遅い低温領域ＣＲでの改質ガス中の炭化水素濃度が減少し平衡に達するのに必要な時間を確保するべく、改質室が大型化、改質触媒量が増加されることでコストが増大すること、及び、燃料改質装置の熱容量が増大し発電効率が低下することがあった。
この点、本実施形態によれば、仕切壁１６、１７に、それぞれ、複数の貫通孔１８、１９が形成されているので、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量に比べて、高温領域ＨＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量が大きくなる。これにより、低温領域ＣＲでは水蒸気改質反応（吸熱反応）が抑制されるので、低温領域ＣＲでの改質反応速度を向上させることができ、ひいては、低温領域ＣＲの改質ガスに含まれる炭化水素濃度を減少させることができる。更に、低温領域ＣＲでの吸熱反応が抑制されることで、低温領域ＣＲでの温度を増加させ、改質ガスの平衡組成を変化させ、ひいては、低温領域ＣＲの改質ガスに含まれる水素濃度を増加させることができる。
一方、高温領域ＨＲでは水蒸気改質反応（吸熱反応）が促進されるので、当該領域の温度が低下し得る。それゆえ、改質室１２の壁面より内側の領域と外側の領域との温度差が大きくなるので、オフガス燃焼部３での燃焼によって生成された排ガスから改質室１２の下壁、側壁、及び上壁を介して改質室１２内に伝わる熱量が増加する。加えて、高温領域ＨＲでは流量増大により流速も大きくなっているので、高温領域ＨＲの有効熱伝導率が増加する。そのため、高温領域ＨＲの温度低下量は低減され、改質反応速度の低下と平衡組成の変化が抑えられることで、高温領域ＨＲの改質ガスに含まれる炭化水素濃度の増加と、水素濃度の減少と、を抑えることができる。
それゆえ、前述のような改質室１２の大型化を行うことなく、改質室１２をコンパクトな構成とすることができる。また、改質室１２をコンパクトな構成とすることができるので、改質室１２内に充填される改質触媒の充填量を低減することができる。従って、コストが増大すること、及び、発電効率が低下すること、を抑制できる。
また、燃料改質装置１から燃料電池２に供給される改質ガス中の水素濃度が増加することになるので、燃料電池２の電圧が上昇し、ひいては、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
また、燃料改質装置１から燃料電池２に供給される改質ガス中の水素濃度が増加することになるので、燃料電池２の電圧が上昇し、ひいては、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
本実施形態によれば、燃料改質装置１は、燃料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１２と、改質室１２内を流れる燃料ガスを偏流させる偏流部（仕切壁１６、１７の貫通孔１８、１９）と、を含んで構成される。前記偏流部は、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる。これにより、改質室１２内における高温領域ＨＲでの吸熱反応が促進されるので、高温領域ＨＲでの過度な温度上昇を抑制することができ、ひいては、改質室１２内の改質触媒の劣化を抑制することができる。
また本実施形態によれば、燃料改質装置１は、燃料ガスが導入され、かつ、改質室１２と連通する入口室１１を更に含んで構成される。改質室１２は、入口室１１からの燃料ガスを改質して改質ガスを生成する。入口室１１と改質室１２との連通部は、入口室１１と改質室１２とを仕切る上流側仕切壁（仕切壁１６）に設けられる少なくとも１つの上流側開口部（貫通孔１８）を含んで構成される。上流側開口部（貫通孔１８）が前記偏流部を構成する。これにより、入口室１１と改質室１２との連通部を前記偏流部として機能させて、入口室１１内の燃料ガスを改質室１２内の高温領域ＨＲに向かわせることができるので、燃料ガス偏流用の部材を別途設けることなく、簡素な構成とすることができる。
また本実施形態によれば、入口室１１には、水蒸気が更に導入される。改質室１２は、入口室１１からの水蒸気を用いて燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して改質ガスを生成する。これにより、入口室１１にて燃料ガスと水蒸気との混合を促進することができる。
また本実施形態によれば、上流側開口部（貫通孔１８）は、上流側仕切壁（仕切壁１６）のうち改質室１２の熱源（オフガス燃焼部３）に近い領域に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、入口室１１内の燃料ガスを改質室１２内の下壁付近の高温領域ＨＲに向かわせることができる。
また本実施形態によれば、上流側開口部（貫通孔１８）は、上流側仕切壁（仕切壁１６）のうち改質室１２の熱源（オフガス燃焼部３）に近い領域に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、入口室１１内の燃料ガスを改質室１２内の下壁付近の高温領域ＨＲに向かわせることができる。
また本実施形態によれば、上流側開口部（貫通孔１８）は、上流側仕切壁（仕切壁１６）の周縁部に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、入口室１１内の燃料ガスを改質室１２内の高温領域ＨＲに向かわせることができる。
また本実施形態によれば、燃料改質装置１は、改質室１２と連通し、かつ、改質室１２からの改質ガスが流入する出口室１３を更に含んで構成される。改質室１２と出口室１３との連通部は、改質室１２と出口室１３とを仕切る下流側仕切壁（仕切壁１７）に設けられる少なくとも１つの下流側開口部（貫通孔１９）を含んで構成される。下流側開口部（貫通孔１９）が前記偏流部を構成する。これにより、改質室１２と出口室１３との連通部を前記偏流部として機能させて、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガスを高温領域ＨＲに向かわせることができるので、燃料ガス偏流用の部材を別途設けることなく、簡素な構成とすることができる。
また本実施形態によれば、燃料改質装置１は、改質室１２と連通し、かつ、改質室１２からの改質ガスが流入する出口室１３を更に含んで構成される。改質室１２と出口室１３との連通部は、改質室１２と出口室１３とを仕切る下流側仕切壁（仕切壁１７）に設けられる少なくとも１つの下流側開口部（貫通孔１９）を含んで構成される。下流側開口部（貫通孔１９）が前記偏流部を構成する。これにより、改質室１２と出口室１３との連通部を前記偏流部として機能させて、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガスを高温領域ＨＲに向かわせることができるので、燃料ガス偏流用の部材を別途設けることなく、簡素な構成とすることができる。
また本実施形態によれば、下流側開口部（貫通孔１９）は、上流側仕切壁（仕切壁１７）のうち改質室１２の熱源（オフガス燃焼部３）に近い領域に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、改質室１２内を流れる燃料ガスを改質室１２内の下壁付近の高温領域ＨＲに向かわせることができる。
また本実施形態によれば、下流側開口部（貫通孔１９）は、下流側仕切壁（仕切壁１７）の周縁部に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガスを高温領域ＨＲに向かわせることができる。
また本実施形態によれば、下流側開口部（貫通孔１９）は、下流側仕切壁（仕切壁１７）の周縁部に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガスを高温領域ＨＲに向かわせることができる。
また本実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料改質装置１と、燃料改質装置１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２と、を含んで構成される。これにより、水素濃度が比較的高い改質ガスが燃料改質装置１から燃料電池２に供給されるので、燃料電池２の電圧を上昇させることができ、ひいては、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
また本実施形態によれば、改質室１２の下方に燃料電池２から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部３が配置される。これにより、オフガス燃焼部３は、燃料電池２を加熱するのみならず、改質室１２も加熱することができる。
また本実施形態によれば、改質室１２の下方に燃料電池２から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部３が配置される。これにより、オフガス燃焼部３は、燃料電池２を加熱するのみならず、改質室１２も加熱することができる。
尚、本実施形態において、仕切壁１６又は仕切壁１７と同様の構成の仕切壁を改質室１２内に配置して、改質室１２内におけるガスの偏流を強化してもよい。この点は、後述する第２〜第４実施形態においても同様である。
また、本実施形態において、仕切壁１６と仕切壁１７とのいずれか一方を省いてもよい。仕切壁１６が省かれる場合には、入口室１１も省かれ、改質室１２が、上流側の燃料改質装置端壁１ａと仕切壁１７とにより区画形成されて、端壁１ａに入口部１４を有する。一方、仕切壁１７が省かれる場合には、出口室１３も省かれ、改質室１２が、仕切壁１６と下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより区画形成されて、端壁１ｂに出口部１５を有する。尚、この点は、後述する第２〜第４実施形態においても同様である。
また、本実施形態において、仕切壁１６と仕切壁１７とのいずれか一方を省いてもよい。仕切壁１６が省かれる場合には、入口室１１も省かれ、改質室１２が、上流側の燃料改質装置端壁１ａと仕切壁１７とにより区画形成されて、端壁１ａに入口部１４を有する。一方、仕切壁１７が省かれる場合には、出口室１３も省かれ、改質室１２が、仕切壁１６と下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより区画形成されて、端壁１ｂに出口部１５を有する。尚、この点は、後述する第２〜第４実施形態においても同様である。
次に、本発明の第２実施形態における燃料改質装置１について、図３を用いて説明する。
図３（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図３（Ｂ）のＶ−Ｖ断面図に対応している。図３（Ｂ）は、本実施形態における仕切壁１６の概略図であり、図３（Ａ）のＩＶ−ＩＶ断面図に対応している。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
図３（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図３（Ｂ）のＶ−Ｖ断面図に対応している。図３（Ｂ）は、本実施形態における仕切壁１６の概略図であり、図３（Ａ）のＩＶ−ＩＶ断面図に対応している。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
入口室１１と改質室１２との間の仕切壁１６には、入口室１１と改質室１２との連通部として、前述の複数の貫通孔１８に加えて、複数（図では４個）の貫通孔２０が形成されている。これら貫通孔２０は、仕切壁１６の幅方向に互いに間隔を空けて１列に仕切壁１６の中央部に設けられている。ここで、これら貫通孔２０も、本発明の上流側開口部に対応している。また、入口室１１と改質室１２との連通部は、仕切壁１６に設けられる複数の貫通孔２０を含んで構成されている。
各貫通孔２０の断面積は、各貫通孔１８の断面積よりも小さい。また、貫通孔２０の個数は、貫通孔１８の個数よりも少ない。
入口室１１は、各貫通孔２０を介して、改質室１２の低温領域ＣＲに連通している。
各貫通孔２０の断面積は、各貫通孔１８の断面積よりも小さい。また、貫通孔２０の個数は、貫通孔１８の個数よりも少ない。
入口室１１は、各貫通孔２０を介して、改質室１２の低温領域ＣＲに連通している。
本実施形態において、各貫通孔１８は、入口室１１内に導入された燃料ガス及び水蒸気のうちの大部分を、改質室１２内の下壁、側壁、及び上壁の付近に集中させる作用がある。一方、各貫通孔２０は、入口室１１内に導入された燃料ガス及び水蒸気のうちの小部分を、改質室１２内の中央領域（改質室１２内において下壁、側壁、及び上壁から離れた領域）に向かわせる作用がある。
尚、貫通孔２０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。
尚、貫通孔２０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。
改質室１２と出口室１３との間の仕切壁１７には、改質室１２と出口室１３との連通部として、前述の複数の貫通孔１９に加えて、複数（本実施形態では４個）の貫通孔２１が形成されている。尚、これら貫通孔２１は、仕切壁１７の幅方向に互いに間隔を空けて１列に仕切壁１７の中央部に設けられている。ここで、これら貫通孔２１も、本発明の下流側開口部に対応している。また、改質室１２と出口室１３との連通部は、仕切壁１７に設けられる複数の貫通孔２１を含んで構成されている。
各貫通孔２１の断面積は、各貫通孔１９の断面積よりも小さい。また、貫通孔２１の個数は、貫通孔１９の個数よりも少ない。
改質室１２の低温領域ＣＲは、各貫通孔２１を介して、出口室１３に連通している。
各貫通孔２１の断面積は、各貫通孔１９の断面積よりも小さい。また、貫通孔２１の個数は、貫通孔１９の個数よりも少ない。
改質室１２の低温領域ＣＲは、各貫通孔２１を介して、出口室１３に連通している。
本実施形態において、各貫通孔１９は、改質室１２内の未反応の燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁、側壁、及び上壁の付近に集中させる作用がある。一方、各貫通孔２０は、改質室１２内の中央領域（改質室１２内において下壁、側壁、及び上壁から離れた領域）にて生成された改質ガスを出口室１３に向かわせる作用がある。
尚、貫通孔２１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。
尚、貫通孔２１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。
特に本実施形態によれば、入口室１１に導入された燃料ガス及び水蒸気のうちの大部分が、複数の貫通孔１８を通って、改質室１２内の高温領域ＨＲに流入する。一方、入口室１１に導入された燃料ガス及び水蒸気のうちの小部分が、複数の貫通孔２０を通って、改質室１２内の低温領域ＣＲに流入する。これにより、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量に比べて、高温領域ＨＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量が大きくなる。従って、複数の貫通孔１８、２０が、本発明の偏流部を構成して、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる機能を実現する。
また本実施形態によれば、改質室１２内の低温領域ＣＲに流入する燃料ガス及び水蒸気が少量であるので、低温領域ＣＲにて十分に改質することができ、その結果、低温領域ＣＲにて生成された改質ガスが、仕切壁１７の複数の貫通孔２１を通って、出口室１３に流入する。また、貫通孔１９の断面積が貫通孔２１の断面積より大きいことにより、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量に比べて、高温領域ＨＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量が大きくなる。従って、複数の貫通孔１９、２１が、本発明の偏流部を構成して、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる機能を実現する。
次に、本発明の第３実施形態における燃料改質装置１について、図４を用いて説明する。
図４（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図４（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図に対応している。図４（Ｂ）は、本実施形態における仕切壁１６の概略図であり、図４（Ａ）のＶＩ−ＶＩ断面図に対応している。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
図４（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図４（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図に対応している。図４（Ｂ）は、本実施形態における仕切壁１６の概略図であり、図４（Ａ）のＶＩ−ＶＩ断面図に対応している。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
入口室１１と改質室１２との間の仕切壁１６には、入口室１１と改質室１２との連通部として、複数（図では６個）の貫通孔１８が形成されている。これら貫通孔１８は、仕切壁１６の幅方向に互いに間隔を空けて１列に仕切壁１６の下縁部に設けられている。ここで、これら貫通孔１８が、本発明の上流側開口部に対応している。また、入口室１１と改質室１２との連通部は、仕切壁１６に設けられる複数の貫通孔１８を含んで構成されている。また、仕切壁１６のうち熱源（オフガス燃焼部３）に近い領域に複数の貫通孔１８が設けられている。
入口室１１は、各貫通孔１８を介して、改質室１２の高温領域ＨＲに連通している。
また、各貫通孔１８は、入口室１１内に導入された燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁の付近に集中させる作用がある。
入口室１１は、各貫通孔１８を介して、改質室１２の高温領域ＨＲに連通している。
また、各貫通孔１８は、入口室１１内に導入された燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁の付近に集中させる作用がある。
改質室１２と出口室１３との間の仕切壁１７には、改質室１２と出口室１３との連通部として、複数（本実施形態では６個）の貫通孔１９が形成されている。尚、これら貫通孔１９は、仕切壁１７の幅方向に互いに間隔を空けて仕切壁１７の下縁部に設けられている。ここで、これら貫通孔１９が、本発明の下流側開口部に対応している。また、改質室１２と出口室１３との連通部は、仕切壁１７に設けられる複数の貫通孔１９を含んで構成されている。また、仕切壁１７のうち熱源（オフガス燃焼部３）に近い領域に複数の貫通孔１９が設けられている。
改質室１２の高温領域ＨＲは、各貫通孔１９を介して、出口室１３に連通している。
また、各貫通孔１９は、改質室１２内の未反応の燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁の付近に集中させる作用がある。
改質室１２の高温領域ＨＲは、各貫通孔１９を介して、出口室１３に連通している。
また、各貫通孔１９は、改質室１２内の未反応の燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁の付近に集中させる作用がある。
特に本実施形態によれば、上流側開口部（貫通孔１８）は、上流側仕切壁（仕切壁１６）の下部（例えば下縁部）に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、入口室１１内の燃料ガスを改質室１２内の下壁付近の高温領域ＨＲに向かわせることができる。
また本実施形態によれば、下流側開口部（貫通孔１９）は、下流側仕切壁（仕切壁１７）の下部（例えば下縁部）に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、改質室１２内を流れる燃料ガスを改質室１２内の下壁付近の高温領域ＨＲに向かわせることができる。
また本実施形態によれば、下流側開口部（貫通孔１９）は、下流側仕切壁（仕切壁１７）の下部（例えば下縁部）に設けられる。これにより、比較的簡素な構成で、改質室１２内を流れる燃料ガスを改質室１２内の下壁付近の高温領域ＨＲに向かわせることができる。
尚、本実施形態では、貫通孔１８、１９が、仕切壁１６、１７の下部に設けられているが、これに加えて、又は、これに代えて、貫通孔１８、１９が、仕切壁１６、１７の上部及び／又は側部に設けられてもよい。
次に、本発明の第４実施形態における燃料改質装置１について、図５を用いて説明する。
図５（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図５（Ｂ）のＩＸ−ＩＸ断面図に対応している。図５（Ｂ）は、本実施形態における仕切壁１６の概略図であり、図５（Ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図に対応している。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
図５（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図５（Ｂ）のＩＸ−ＩＸ断面図に対応している。図５（Ｂ）は、本実施形態における仕切壁１６の概略図であり、図５（Ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図に対応している。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
入口室１１と改質室１２との間の仕切壁１６は、燃料改質装置１の上壁から下方に垂下され、その下端縁と燃料改質装置１の下壁との間に、燃料ガス及び水蒸気が流通可能な開口部２５を形成している。換言すれば、仕切壁１６には、その下端部に開口部２５が設けられている。ここで、この開口部２５が、本発明の上流側開口部に対応している。また、入口室１１と改質室１２との連通部は、仕切壁１６に設けられる開口部２５を含んで構成されている。また、仕切壁１６のうち熱源（オフガス燃焼部３）に近い領域に開口部２５が設けられている。尚、改質室１２内の改質触媒が開口部２５を通って入口室１１に流出しないように、開口部２５に金網（図示せず）が設けられ得る。
入口室１１は、開口部２５を介して、改質室１２の高温領域ＨＲに連通している。
また、開口部２５は、入口室１１内に導入された燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁の付近に集中させる作用がある。
入口室１１は、開口部２５を介して、改質室１２の高温領域ＨＲに連通している。
また、開口部２５は、入口室１１内に導入された燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁の付近に集中させる作用がある。
改質室１２と出口室１３との間の仕切壁１７は、燃料改質装置１の上壁から下方に垂下され、その下端縁と燃料改質装置１の下壁との間に、改質ガスが流通可能な開口部２６を形成している。換言すれば、仕切壁１７には、その下端部に開口部２６が設けられている。ここで、開口部２６が、本発明の下流側開口部に対応している。また、改質室１２と出口室１３との連通部は、仕切壁１７に設けられる開口部２６を含んで構成されている。また、仕切壁１７のうち熱源（オフガス燃焼部３）に近い領域に開口部２６が設けられている。尚、改質室１２内の改質触媒が開口部２６を通って出口室１２に流出しないように、開口部２６に金網（図示せず）が設けられ得る。
改質室１２の高温領域ＨＲは、開口部２６を介して、出口室１３に連通している。
また、開口部２６は、改質室１２内の未反応の燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁の付近に集中させる作用がある。
改質室１２の高温領域ＨＲは、開口部２６を介して、出口室１３に連通している。
また、開口部２６は、改質室１２内の未反応の燃料ガス及び水蒸気を、改質室１２内の下壁の付近に集中させる作用がある。
特に本実施形態によれば、入口室１１に導入された燃料ガス及び水蒸気が、開口部２５を通って、改質室１２内における下壁の付近の高温領域ＨＲに流入する。これにより、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量に比べて、高温領域ＨＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量が大きくなる。従って、開口部２５が、本発明の偏流部を構成して、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる機能を実現する。
また本実施形態によれば、開口部２５から改質室１２内の高温領域ＨＲに流入した燃料ガス及び水蒸気は、その一部が低温領域ＣＲに入り得る。しかしながら、この低温領域ＣＲに入った燃料ガス及び水蒸気については、仕切壁１７に開口部２６が形成されていることにより、開口部２６に達するに先立って、改質室１２における下壁の付近の高温領域ＨＲに戻って改質され得る。すなわち、仕切壁１７に開口部２６が形成されていることによっても、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量に比べて、高温領域ＨＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量が大きくなる。従って、開口部２６も、本発明の偏流部を構成して、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる機能を実現する。
尚、本実施形態では、入口室１１に水蒸気が導入されているが、これに加えて、又は、これに代えて、入口室１１に水が液相で導入されてもよい。この場合には、改質室１２は、入口室１１からの水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に、この水蒸気を用いて燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して改質ガスを生成する。この場合には、改質用水が入口室１１から開口部２５を通って改質室１２の底部に少量ずつ途切れなく流入するので、改質用水を気化させる際に、突沸を回避することができ、ひいては系内の圧力変動の発生を抑制することができる。
また、本実施形態では、開口部２５、２６が、仕切壁１６、１７の下端縁と燃料改質装置１の下壁との間に形成されているが、これに加えて、又は、これに代えて、開口部２５、２６が、仕切壁１６、１７の上端縁と燃料改質装置１の上壁との間に形成されてもよく、また、仕切壁１６、１７の側縁と燃料改質装置１の側壁との間に形成されてもよい。
次に、本発明の第５実施形態における燃料改質装置１について、図６を用いて説明する。
図６（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図６（Ｂ）のＸＩ−ＸＩ断面図に対応している。図６（Ｂ）は、本実施形態における案内部材３１の概略図であり、図６（Ａ）のＸ−Ｘ断面図に対応している。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
図６（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図６（Ｂ）のＸＩ−ＸＩ断面図に対応している。図６（Ｂ）は、本実施形態における案内部材３１の概略図であり、図６（Ａ）のＸ−Ｘ断面図に対応している。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
燃料改質装置１は改質室１２のみの１室構造である。
改質室１２は、上流側の燃料改質装置端壁１ａと下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより区画形成され、端壁１ａに入口部１４を有して、端壁１ｂに出口部１５を有する。尚、改質室１２の内部には、図示しない球状又は円筒状の改質触媒が充填されている。また、入口部１４及び出口部１５には、改質室１２内の改質触媒の室外への流出を抑制するために金網（図示せず）が設けられ得る。
改質室１２は、上流側の燃料改質装置端壁１ａと下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより区画形成され、端壁１ａに入口部１４を有して、端壁１ｂに出口部１５を有する。尚、改質室１２の内部には、図示しない球状又は円筒状の改質触媒が充填されている。また、入口部１４及び出口部１５には、改質室１２内の改質触媒の室外への流出を抑制するために金網（図示せず）が設けられ得る。
改質室１２内には、少なくとも１つ（図では２個）の案内部材３１、３２が設けられている。
本実施形態において、案内部材３１は、改質室１２内における上流側部分に位置しており、また、案内部材３２は、改質室１２内における下流側部分に位置している。案内部材３１、３２は、燃料の通流方向に互いに間隔を空けて並んでいる。
案内部材３１、３２は、各々が、改質室１２の下流側から上流側に向かって先細となる略Ｖ字形状の断面形状であり、改質室１２に幅方向に延在している。
案内部材３１、３２は、各々の両端部が、改質室１２の両側壁に固定されており、改質室１２内における上下方向の略中央部に位置している。
本実施形態において、案内部材３１は、改質室１２内における上流側部分に位置しており、また、案内部材３２は、改質室１２内における下流側部分に位置している。案内部材３１、３２は、燃料の通流方向に互いに間隔を空けて並んでいる。
案内部材３１、３２は、各々が、改質室１２の下流側から上流側に向かって先細となる略Ｖ字形状の断面形状であり、改質室１２に幅方向に延在している。
案内部材３１、３２は、各々の両端部が、改質室１２の両側壁に固定されており、改質室１２内における上下方向の略中央部に位置している。
案内部材３１、３２は、低温領域ＣＲである改質室１２内の中央領域を流れる燃料ガスを、高温領域ＨＲである改質室１２内の下壁及び上壁付近の領域（周辺領域）に導く。それゆえ、案内部材３１、３２が、本発明の偏流部を構成して、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる機能を実現する。
特に本実施形態によれば、偏流部は、改質室１２内に設けられる案内部材３１、３２を含んで構成される。案内部材３１、３２は、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスを、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）へ導く。これにより、比較的簡素な構成で、改質室１２内を流れる燃料ガスを、改質室１２内の下壁及び上壁の付近に集中させることができる。
尚、本実施形態では、偏流部を構成する案内部材が２個である例を示したが、偏流部を構成する案内部材の個数はこれに限らず、１個又は３個以上であってもよい。
また、本実施形態では、案内部材の断面形状が略Ｖ字形状であるが、当該断面形状はこれに限らず、例えば、円弧状であってもよい。
また、本実施形態では、案内部材の断面形状が略Ｖ字形状であるが、当該断面形状はこれに限らず、例えば、円弧状であってもよい。
次に、本発明の第６実施形態における燃料改質装置１について、図７を用いて説明する。
図７（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図７（Ｂ）のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図に対応している。図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
図７（Ａ）は、本実施形態における燃料改質装置１の詳細図であり、図７（Ｂ）のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図に対応している。図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。
図１及び図２に示した第１実施形態と異なる点について説明する。
燃料改質装置１は改質室１２のみの１室構造である。
改質室１２は、上流側の燃料改質装置端壁１ａと下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより区画形成され、端壁１ａに入口部１４を有して、端壁１ｂに出口部１５を有する。尚、入口部１４及び出口部１５には、改質室１２内の改質触媒（後述する第２の改質触媒）の室外への流出を抑制するために金網（図示せず）が設けられ得る。
改質室１２は、上流側の燃料改質装置端壁１ａと下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより区画形成され、端壁１ａに入口部１４を有して、端壁１ｂに出口部１５を有する。尚、入口部１４及び出口部１５には、改質室１２内の改質触媒（後述する第２の改質触媒）の室外への流出を抑制するために金網（図示せず）が設けられ得る。
改質室１２の内部には、上下方向に３層（最上層４１、中間層４２、及び最下層４３）に分けて、図示しない球状又は円筒状の改質触媒が充填されている。
改質室１２内において、最上層４１及び最下層４３に充填される改質触媒（第１の改質触媒）の大きさは、中間層４２に充填される改質触媒（第２の改質触媒）の大きさよりも大きい。例えば、最上層４１には、直径４〜７ｍｍ程度の第１の改質触媒が充填され、中間層４２には直径２〜４ｍｍ程度の第２の改質触媒が充填されて、最下層４３には直径４〜７ｍｍ程度の第１の改質触媒が充填される。
最上層４１と中間層４２との間には金網４５が介装されている。同様に、中間層４２と最下層４３との間には金網４６が介装されている。
改質室１２内において、最上層４１及び最下層４３は高温領域ＨＲに対応している。また、中間層４２は低温領域ＣＲの全域を含んでいる。
改質室１２内において、最上層４１及び最下層４３に充填される改質触媒（第１の改質触媒）の大きさは、中間層４２に充填される改質触媒（第２の改質触媒）の大きさよりも大きい。例えば、最上層４１には、直径４〜７ｍｍ程度の第１の改質触媒が充填され、中間層４２には直径２〜４ｍｍ程度の第２の改質触媒が充填されて、最下層４３には直径４〜７ｍｍ程度の第１の改質触媒が充填される。
最上層４１と中間層４２との間には金網４５が介装されている。同様に、中間層４２と最下層４３との間には金網４６が介装されている。
改質室１２内において、最上層４１及び最下層４３は高温領域ＨＲに対応している。また、中間層４２は低温領域ＣＲの全域を含んでいる。
本実施形態では、最上層４１及び最下層４３に充填される第１の改質触媒の大きさが、中間層４２に充填される第２の改質触媒の大きさよりも大きい。それゆえ、改質室１２内を流れる燃料ガス及び水蒸気については、最上層４１及び最下層４３での圧力損失が中間層４２での圧力損失に比べて小さいので、燃料ガス及び水蒸気が最上層４１及び最下層４３に偏流する。これにより、改質室１２内の低温領域ＣＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量に比べて、高温領域ＨＲを流れる燃料ガス及び水蒸気の流量が大きくなる。従って、第１の改質触媒及び第２の改質触媒が本発明の偏流部を構成して、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）を流れる燃料ガスの流量に比べて、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＨＲ）を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる機能を実現する。
特に本実施形態によれば、偏流部は、改質室１２内における相対的に高温の領域（高温領域ＣＲ）に充填される第１の改質触媒と、改質室１２内における相対的に低温の領域（低温領域ＣＲ）に充填される第２の改質触媒と、含んで構成される。第１の改質触媒の大きさは、第２の改質触媒の大きさよりも大きい。これにより、前述のような仕切壁を設けることなく、簡素な構成で、改質室１２内を流れる燃料ガスを、改質室１２内の高温領域ＨＲに集中させることができる。
図７（Ｃ）は本実施形態の変形例であり、金網４５、４６の代わりとして、矩形筒状の金網４７を用いている。この金網４７は、改質室１２内の低温領域ＣＲをその外側から覆うように設置されている。すなわち、金網４７内の大部分は低温領域ＣＲであり、金網４７外は高温領域ＨＲである。金網４７内には、大きさが小さい第２の改質触媒が充填されており、また、金網４７外には、大きさが大きい第１の改質触媒が充填されている。それゆえ、金網４７は、第１の改質触媒が充填される領域と第２の改質触媒が充填される領域との境界に設置されている。
尚、前述の第１〜第６実施形態では、燃料改質装置１の断面形状（図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）及び（Ｃ）に示した断面形状）が矩形状であるが、当該断面形状はこれに限らず、例えば円形状であってもよい。図８は、当該断面形状が円形状である場合の偏流部の変形例を示しており、図８（Ａ）〜（Ｅ）は前述の第１〜第５実施形態に対応している。また、図８（Ｆ）は前述の第６実施形態における図７（Ｂ）に示した形態に対応しており、図８（Ｇ）は前述の第６実施形態における図７（Ｃ）に示した変形例に対応している。
また、前述の第１〜第６実施形態では、燃料改質装置１（特に改質室１２）の壁面を加熱する手段としてオフガス燃焼部３を挙げて説明したが、当該加熱手段はこれに限らず、例えばバーナー又は電気ヒータであってもよい。また、燃料電池が燃料改質装置１に隣接して配置される場合には当該燃料電池が当該加熱手段に対応し得る。また、当該加熱手段の機能が、高温のガス（例えば、燃料改質装置１の壁面に沿ってその外側を流れる高温の排ガス）によって実現され得る。また、当該加熱手段による加熱部位は、燃料改質装置１（特に改質室１２）の下面に限らず、燃料改質装置１（特に改質室１２）の側面及び／又は上面であってもよい。ここで、これら加熱手段が本発明の「改質室の熱源」に対応し得る。
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
１１ 入口室
１２ 改質室
１３ 出口室
１４ 入口部
１５ 出口部
１６、１７ 仕切壁
１８、１９、２０、２１ 貫通孔
２５、２６ 開口部
３１、３２ 案内部材
４１ 最上層
４２ 中間層
４３ 最下層
４５、４６、４７ 金網
ＣＲ 低温領域
ＨＲ 高温領域
２ 燃料電池
３ オフガス燃焼部
４ 筐体
１１ 入口室
１２ 改質室
１３ 出口室
１４ 入口部
１５ 出口部
１６、１７ 仕切壁
１８、１９、２０、２１ 貫通孔
２５、２６ 開口部
３１、３２ 案内部材
４１ 最上層
４２ 中間層
４３ 最下層
４５、４６、４７ 金網
ＣＲ 低温領域
ＨＲ 高温領域
Claims (17)
- 燃料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、
該改質室内を流れる燃料ガスを偏流させる偏流部と、
を含んで構成され、
前記偏流部は、前記改質室内における相対的に低温の領域を流れる燃料ガスの流量に比べて、前記改質室内における相対的に高温の領域を流れる燃料ガスの流量が大きくなるように、燃料ガスを偏流させる、燃料改質装置。 - 燃料ガスが導入され、かつ、前記改質室と連通する入口室を更に含んで構成され、
前記改質室は、前記入口室からの燃料ガスを改質して前記改質ガスを生成し、
前記入口室と前記改質室との連通部は、前記入口室と前記改質室とを仕切る上流側仕切壁に設けられる少なくとも１つの上流側開口部を含んで構成され、該上流側開口部が前記偏流部を構成する、請求項１に記載の燃料改質装置。 - 前記入口室には、水蒸気が更に導入され、
前記改質室は、前記入口室からの水蒸気を用いて燃料ガスを改質して前記改質ガスを生成する、請求項２に記載の燃料改質装置。 - 前記入口室には、水が更に導入され、
前記改質室は、前記入口室からの水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に、該水蒸気を用いて燃料ガスを改質して前記改質ガスを生成する、請求項２に記載の燃料改質装置。 - 前記上流側開口部は、前記上流側仕切壁のうち前記改質室の熱源に近い領域に設けられる、請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
- 前記上流側開口部は、前記上流側仕切壁の周縁部に設けられる、請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
- 前記上流側開口部は、前記上流側仕切壁の下部に設けられる、請求項２〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
- 前記改質室と連通し、かつ、前記改質室からの前記改質ガスが流入する出口室を更に含んで構成され、
前記改質室と前記出口室との連通部は、前記改質室と前記出口室とを仕切る下流側仕切壁に設けられる少なくとも１つの下流側開口部を含んで構成され、該下流側開口部が前記偏流部を構成する、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。 - 前記下流側開口部は、前記下流側仕切壁のうち前記改質室の熱源に近い領域に設けられる、請求項８に記載の燃料改質装置。
- 前記下流側開口部は、前記下流側仕切壁の周縁部に設けられる、請求項８又は請求項９に記載の燃料改質装置。
- 前記下流側開口部は、前記下流側仕切壁の下部に設けられる、請求項８〜請求項１０のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
- 前記偏流部は、前記改質室内に設けられる案内部材を含んで構成され、
該案内部材は、前記改質室内における相対的に低温の領域を流れる燃料ガスを、前記改質室内における相対的に高温の領域へ導く、請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載の燃料改質装置。 - 前記偏流部は、前記改質室内における相対的に高温の領域に充填される第１の改質触媒と、前記改質室内における相対的に低温の領域に充填される第２の改質触媒と、含んで構成され、
前記第１の改質触媒の大きさが前記第２の改質触媒の大きさよりも大きい、請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載の燃料改質装置。 - 前記改質室では、燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して前記改質ガスを生成する、請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
- 請求項１〜請求項１４のいずれか１つに記載の燃料改質装置と、
該燃料改質装置からの前記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。 - 前記改質室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、請求項１５に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池である、請求項１５又は請求項１６に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014066909A JP2015189610A (ja) | 2014-03-27 | 2014-03-27 | 燃料改質装置、及び、燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014066909A JP2015189610A (ja) | 2014-03-27 | 2014-03-27 | 燃料改質装置、及び、燃料電池システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015189610A true JP2015189610A (ja) | 2015-11-02 |
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ID=54424442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014066909A Pending JP2015189610A (ja) | 2014-03-27 | 2014-03-27 | 燃料改質装置、及び、燃料電池システム |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2015189610A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11456473B2 (en) | 2016-06-16 | 2022-09-27 | Kyocera Corporation | Reformer, cell stack apparatus, fuel cell module, and fuel cell apparatus |
| CN115650165A (zh) * | 2022-11-15 | 2023-01-31 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构 |
-
2014
- 2014-03-27 JP JP2014066909A patent/JP2015189610A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11456473B2 (en) | 2016-06-16 | 2022-09-27 | Kyocera Corporation | Reformer, cell stack apparatus, fuel cell module, and fuel cell apparatus |
| CN115650165A (zh) * | 2022-11-15 | 2023-01-31 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构 |
| CN115650165B (zh) * | 2022-11-15 | 2024-04-12 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种配合燃料电池制氢重整器使用的燃料蒸发腔室结构 |
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