JP2017021969A

JP2017021969A - 改質ユニット及び燃料電池モジュール

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Publication number: JP2017021969A
Application number: JP2015138177A
Authority: JP
Inventors: 久人大須賀; Hisato Osuga
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: JP6496623B2

Abstract

【課題】蒸発部に供給される水を効率よく加熱することができる改質ユニット及び燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】改質ユニット１００は、供給された水を水蒸気に変化させ、水蒸気と原料ガスとの混合ガスを送出する蒸発部６０と、蒸発部６０から送出された混合ガスを、水素ガスを含むガスに改質する改質部４０と、改質部４０に改質されたガスと外部から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させる燃料電池スタックから送出された未反応ガスを燃焼させ、排ガスとして送出口３１から送出する燃焼部３０と、蒸発部６０と改質部４０の間に設けられ、燃焼部３０の送出口３１から送出された排ガスを外部へ排出する排ガス流路５０とを備える。蒸発部６０には、底部６３を有し、その底部６３に供給された水を集水して水を溜める凹部６２が設けられ、凹部６２の底部６３が送出口３１と対向する。
【選択図】図２

Description

本発明は、改質ユニット及び燃料電池モジュールに関する。

燃料電池モジュールのうちには、燃料電池スタックから排出される排ガスの熱を利用して改質用水蒸気を生成する蒸発部を備えるものがある。例えば、特許文献１には、燃料電池スタックを収容する容器の側壁部に蒸発部を設けた燃料電池モジュールが開示されている。蒸発部は薄い扁平な箱体から構成され、その箱体の側面部が容器の側壁部に接している。また、蒸発部の箱体の底部には傾斜面が設けられ、伝熱性のセラミックビーズが載置されている。蒸発部に供給された水はその傾斜面の低い部分へ溜まり、セラミックビーズに触れて蒸発する。

国際公開第２００９／０２８１６９号

特許文献１に記載された燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックの熱が容器の側壁部に伝導し、さらに蒸発部の箱体の側面部を介して箱体の底部へ伝導する。その結果、セラミックビーズが加熱され水が蒸発する。この燃料電池モジュールでは、水が溜まった底部が直接加熱されず、熱が伝導する距離が長い。そのため、箱体の底部に溜まった水を効率よく加熱することができない。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、蒸発部に供給される水を効率よく加熱することができる改質ユニット及び燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る改質ユニットは、供給された水を水蒸気に変化させ、前記水蒸気と原料ガスとの混合ガスを送出する蒸発部と、前記蒸発部から送出された前記混合ガスを、水素ガスを含むガスに改質する改質部と、前記改質部に改質されたガスと外部から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させる燃料電池スタックから送出された未反応ガスを燃焼させ、排ガスとして送出口から送出する燃焼部と、前記蒸発部と前記改質部の間に設けられ、前記燃焼部の前記送出口から送出された前記排ガスを外部へ排出する排ガス流路とを備え、前記蒸発部には、底部を有し、その底部に供給された水を集水して水を溜める凹部が設けられ、前記凹部の前記底部が前記送出口と対向することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池モジュールでは、蒸発部に、供給された水を底部へ集水して水を溜める凹部が設けられ、凹部では、底部が燃焼部の排ガスを排ガス流路へ送出する送出口と対向している。送出口は、排ガス流路よりも燃焼部に近いので、送出口近傍の排ガスは、排ガス流路内で相対的に温度が高い。このため、凹部では底部が効率よく加熱される。一方、底部には水が安定して溜まる。このため、加熱された底部から水が効率よく蒸発する。本発明によれば、蒸発部に供給される水を効率よく加熱することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの断面図である。燃料電池モジュールが備える改質ユニットの断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る改質ユニット１００及び燃料電池モジュール１０について、図１，２を用いて説明する。

燃料電池モジュール１０は、家庭用の設備機器や車載機器の発電を目的とした燃料電池を用いた発電機である。燃料電池モジュール１０は、水と、炭化水素化合物で構成された原料ガスと、空気等の酸化剤ガスとが供給されることにより発電する。燃料電池モジュール１０は、図１に示すように、燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０の上面側に配置された改質ユニット１００と、これらを収納するモジュール筐体７０を備える。

モジュール筐体７０は図中上下方向を長手方向とする略円柱状に形成されている。モジュール筐体７０の上面部には、原料ガス供給管１１及び水供給管１２が設けられている。原料ガス供給管１１及び水供給管１２は、モジュール筐体７０内の改質ユニット１００に原料ガス及び水を供給する。

一方、モジュール筐体７０の側壁部には、酸化剤ガス供給管１３及び排ガス排出管１４が設けられている。酸化剤ガス供給管１３は、モジュール筐体７０内の燃料電池スタック２０に酸化剤ガスを供給する。排ガス排出管１４は、モジュール筐体７０の内周部に形成された排ガス排出流路７１を通じて、改質ユニット１００から送出される排ガスを外部に排出する。

燃料電池スタック２０は、改質ガス流路４１によって改質ユニット１００と接続されている。改質ユニット１００は、上述した原料ガス及び水を改質することによって水素を含むガス（以下、改質ガスと呼ぶ）を生成する。燃料電池スタック２０には、改質ユニット１００が生成した改質ガスが供給される。

燃料電池スタック２０は、複数積層された板状の燃料電池セルで構成されている。燃料電池セルは、セラミックス等から形成されている燃料極（アノード）と空気極（カソード）とからなる一対の電極と、燃料極と空気極との間に介在する電解質とを含んで構成されている。燃料電池スタック２０は、改質ユニット１００が生成する改質ガスと酸化剤ガス供給管１３から供給される酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する。改質ガス及び酸化剤ガスは、後述する燃焼部３０や第１熱交換部８０等によって加熱される。これにより、燃料電池スタック２０は例えば、７００℃程度の高温度域で発電する。一方、燃料電池スタック２０では、電気化学反応に対して未反応のガス（以下、未反応ガスと呼ぶ）が発生する。燃料電池スタック２０には、燃焼部３０に通じた未反応ガス流路２１が形成されている。燃料電池スタック２０は、未反応ガス流路２１を介して未反応ガスを燃焼部３０に送出する。

改質ユニット１００は、図２に示すように、燃焼部３０と、改質部４０と、排ガス流路５０と、蒸発部６０とを備える。燃料電池スタック２０，燃焼部３０，改質部４０，排ガス流路５０，及び蒸発部６０は、下から順に積層されている。

燃焼部３０は、図１に示すように、燃料電池スタック２０の上側に設けられている。燃焼部３０は、未反応ガス流路２１から供給された未反応ガスを燃焼させる。燃焼部３０は、接続管４２を介して排ガス流路５０と通じている。燃焼部３０は、改質ガスが燃焼して生じる排ガスを排ガス流路５０に送出する。一方、燃焼部３０の上側には改質部４０が設けられている。燃焼部３０は、改質ガスの燃焼によって改質部４０を加熱する。

改質部４０は、混合ガス流路６１を介して蒸発部６０に接続されている。蒸発部６０では、後述するように原料ガスと水蒸気（Ｈ_２Ｏ）とが混合した混合ガスを生成する。改質部４０には、蒸発部６０から混合ガスが供給される。一方、改質部４０の内部には、水蒸気改質触媒が充填されている。改質部４０は、水蒸気改質触媒によって、混合ガスを水蒸気改質（以下、改質と呼ぶ）することにより、水素（Ｈ_２）を含むガス（改質ガス）を生成する。例えば、原料ガスの主原料がメタン（ＣＨ_４）である場合、改質部４０は、下記式（１）に示すように、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）とから、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）を生成する。改質部４０は、燃焼部３０によって加熱され、例えば、６００℃程度の高温度域に加熱されて改質反応する。改質部４０は、生成した改質ガスを、改質部４０の側面と燃料電池スタック２０の下面とを接続する改質ガス流路４１を介して、燃料電池スタック２０に送出する。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ（ｇ）→３Ｈ_２＋ＣＯ（１）

改質部４０には、接続管４２が、図中上下方向に貫通して形成されている。一方、改質部４０の上側には、改質部４０の上面と離間して蒸発部６０が設けられている。改質部４０と蒸発部６０とを離間する空間は略円筒形の排ガス流路５０を形成する。接続管４２は、排ガス流路５０と燃焼部３０とを接続する。接続管４２は、燃焼部３０で生じた排ガスを排ガス流路５０の送出口３１へ送出する。

排ガス流路５０の外周面には、排ガスが通過する孔５１が形成されている。孔５１は、例えば、排ガス流路５０の外周面に一箇所以上形成される。孔５１は、改質ユニット１００とモジュール筐体７０の内周部との間に形成された空間を介して排ガス排出流路７１とつながっている。排ガス流路５０では、高温の排ガスが送出口３１から孔５１へ流れ、排ガスは排ガス排出流路７１を介して外部へ排出される。このとき、排ガスは改質部４０を改質反応に適する温度に加熱する。また、蒸発部６０を加熱する。

蒸発部６０は、モジュール筐体７０内の上部近傍に設けられている。蒸発部６０の上面部には、原料ガス供給管１１及び水供給管１２が接続されている。蒸発部６０には、矢印Ａ１及びＡ２に示されるように、燃料電池モジュール１０の外部から原料ガス及び水が供給される。

蒸発部６０の下面部には、図２に示すように、下面全体にわたって形成された凹部６２が設けられている。凹部６２は、底部６３と、蒸発部６０の内周壁から底部６３へ向かって徐々に低くなる斜面部６４とを有している。

底部６３は平面かつ略円形状に形状されている。一方、斜面部６４は、内面側が下へ凹んだ半球の底を平面で切断した形状に形成されている。その切断部に底部６３が配置され、斜面部６４は底部６３を取り囲んでいる。斜面部６４は、水供給管１２から供給された水を伝わらせ、その水を底部６３へ集水する。底部６３とその近傍には集水された水が溜まる。

底部６３は、接続管４２の送出口３１の上側に設けられ、送出口３１と対向している。底部６３の中心は、接続管４２の送出口３１の中心軸と同軸である。このため、底部６３には、矢印Ａ３に示されるように、接続管４２から送出される排ガスが吹き付けられる。排ガスが高温であるため、底部６３はこの排ガスによって加熱される。底部６３は、例えば、３００℃程度の低温度域まで加熱される。底部６３に溜まった水は蒸発し、この温度領域の水蒸気へ変化する。

一方、底部６３には、複数のアルミナボール６５が配置され、アルミナボール６５は凹部６２の熱伝導性及び熱容量を高める。アルミナボール６５は底部６３に溜まった水の突沸を防止する。

蒸発部６０は、底部６３で発生した水蒸気と、原料ガス供給管１１から供給された原料ガスとが混合した混合ガスを生成する。蒸発部６０の側壁部には、図１に示すように、混合ガス流路６１が接続されている。混合ガス流路６１は改質部４０と通じている。蒸発部６０は、生成した混合ガスを改質部４０へ送出する。上述したように、混合ガスは改質部４０で改質された後、燃料電池スタック２０へ送出される。

一方、燃料電池モジュール１０は、上述した燃料電池スタック２０や改質ユニット１００に加えて、第１熱交換部８０及び第２熱交換部９０を備える。

第１熱交換部８０は、図１に示すように、酸化剤ガスＧ_Ａを供給する酸化剤ガス供給管１３に接続されている。また、第１熱交換部８０は、モジュール筐体７０の外周部に設けられている。一方、モジュール筐体７０の内周部には高温の排ガスＧ_Eが流れる排ガス排出流路７１が形成されている。第１熱交換部８０は、排ガス排出流路７１の排ガスＧ_Eと熱交換し、酸化剤ガス供給管１３から供給された酸化剤ガスＧ_Ａを加熱する。第１熱交換部８０は、第２熱交換部９０と通じる第１酸化剤ガス流路８１に接続されている。第１熱交換部８０は、加熱した酸化剤ガスＧ_Ａを、第１酸化剤ガス流路８１を介して第２熱交換部９０に送出する。

第２熱交換部９０は、燃料電池スタック２０の外周部に設けられている。燃料電池スタック２０は改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって高温となる。第２熱交換部９０は、高温になった燃料電池スタック２０の輻射熱によって、第１熱交換部８０から供給された酸化剤ガスＧ_Ａをさらに加熱する。第２熱交換部９０は、第２酸化剤ガス流路９１を介して燃料電池スタック２０に接続されている。第２熱交換部９０は、加熱した酸化剤ガスＧ_Ａを燃料電池スタック２０に送出する。燃料電池スタック２０には、上述した高温度域の酸化剤ガスＧ_Ａが供給される。

以上、説明したように、本発明に係る実施形態では、蒸発部６０に、供給された水を底部６３へ集水して水を溜める凹部６２が設けられている。蒸発部６０の下面部が水平面状に形成された場合、供給された水が溜まる位置が一定とならず、水の蒸発する位置が一定とならないことがある。このため、蒸発部６０の温度バランスが悪化することがある。これに対して、本発明に係る実施形態では、供給された水が凹部６２の底部６３に集水されて溜められ、底部６３から安定して水が蒸発する。このため、蒸発部６０の温度バランスを一定の状態に保つことができる。本発明に係る実施形態によれば、改質ユニット１００の耐久性を高めることができる。また、蒸発部６０に供給される水を効率よく加熱することができる。

本実施形態では、蒸発部６０と改質部４０との間に排ガス流路５０が設けられている。蒸発部６０が排ガス流路５０によって加熱されることで、蒸発部６０が効率的に昇温する。また、蒸発部６０に形成された凹部６２が燃焼部３０と排ガス流路５０とを接続する接続管４２の送出口３１と対向している。排ガス流路５０では、接続管４２の送出口３１近傍の排ガスが最も温度が高い。このため、蒸発部６０の凹部６２が効率よく加熱される。結果として、凹部６２に溜まる水がより蒸発しやすい。本実施形態によれば、蒸発部６０の水を効率よく蒸発させることができる。

凹部６２の底部６３の中心は、接続管４２の送出口３１と同軸に設けられている。このため、底部６３の中心が凹部６２のなかで最も加熱される。水は底部６３を中心とする領域に溜まるため、結果として水を効率よく蒸発させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態によって限定されるものではない。

例えば、上記の実施形態では、蒸発部６０の凹部６２が有する斜面部６４が、内面側が下へ凹んだ半球の底を平面で切断した形状に形成されている。しかしながら、本発明は、これに限られない。凹部６２は、供給された水を底に向かって集水し、その底に水を溜める形状であれば、上記の形状と異なる形状であってもよい。例えば、斜面部６４が楕円体の一部の曲面で形成されてもよいし、逆円錐台側面や逆角錐側面と同様の形状であってもよい。また、凹部６２が平面かつ円形状の底部６３を有さない形状であってもよい。例えば、凹部６２全体が、内面側が下へ凹んだ半球状の形状であってもよい。

また、凹部６２に補強部材が設けられてもよい。例えば、凹部６２を補強するビードが形成されてもよい。ビードは剛性を高めるため凹凸状であってもよい。この場合、ビードは凹部６２の底部６３を取り囲む形状であるとよい。例えば、凹部６２の斜面部６４が、内面側が下へ凹んだ半球の底を平面で切断した形状である場合、ビードは、円形状の底部６３の中心と同心の円を描くうね状に形成されてもよい。このようなビードが形成されることにより、熱応力を緩和して、改質ユニット１００の耐久性を高めることができる。また、蒸発部６０の下面部が水平面状である場合と比較して蒸発部６０の表面積が増加する。排ガス流路５０と熱交換がされやすくなり、結果として蒸発部６０に十分な熱が供給される。

上記の実施形態では、１つの接続管４２が改質部４０を上下方向に貫通している。そして、その１つの接続管４２の上に１つの底部６３が対向して設けられている。さらに、その１つの底部６３の上に、１つの水供給管１２の水供給口が対向して設けられている。しかしながら、接続管４２の排ガス排出口と底部６３とが対向する限り、接続管４２、水供給管１２、及び底部６３の数は任意である。例えば、接続管４２が複数設けられてもよい。その場合、蒸発部６０の下面部には、接続管４２と同数の底部６３が形成されるとよい。その場合、底部６３それぞれは、接続管４２の排ガス排出口それぞれに対向するとよい。底部６３中心それぞれが接続管４２の排ガス排出口それぞれと同軸であるとよい。また、水供給管１２の水供給口が複数設けられてもよい。その場合、底部６３も複数設けられ、水供給管１２の水供給口それぞれから給水された水が凹部６２の斜面部６４に集水されて底部６３それぞれに溜まってもよい。また、水供給口の中心が底部６３中心又は排ガス排出口の中心と同軸であってもよい。

上記の実施形態では、底部６３の中心が、接続管４２の排ガス排出口と同軸に設けられている。しかしながら、本発明はこれに限られない。底部６３は、接続管４２の送出口３１と対向していればよい。底部６３が十分加熱され、その結果、溜まった水が十分加熱される。

上記の実施形態では、凹部６２の底部６３にアルミナボール６５が配置されている。しかしながら、本発明ではアルミナボール６５の有無は任意である。アルミナボール６５を有する場合、アルミナボール６５は、熱伝導性部材であれば、その部材と置き換えられてもよい。例えば、ワイヤーメッシュと置き換えられてもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

１０燃料電池モジュール、１１原料ガス供給管、１２水供給管、１３酸化剤ガス供給管、１４排ガス排出管、２０燃料電池スタック、２１未反応ガス流路、３０燃焼部、３１送出口、４０改質部、４１改質ガス流路、４２接続管、５０排ガス流路、５１孔、６０蒸発部、６１混合ガス流路、６２凹部、６３底部、６４斜面部、６５アルミナボール、７０モジュール筐体、７１排ガス排出流路、８０第１熱交換部、８１第１酸化剤ガス流路、９０第２熱交換部、９１第２酸化剤ガス流路、１００改質ユニット

Claims

供給された水を水蒸気に変化させ、前記水蒸気と原料ガスとの混合ガスを送出する蒸発部と、前記蒸発部から送出された前記混合ガスを、水素ガスを含むガスに改質する改質部と、前記改質部に改質されたガスと外部から供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させる燃料電池スタックから送出された未反応ガスを燃焼させ、排ガスとして送出口から送出する燃焼部と、前記蒸発部と前記改質部の間に設けられ、前記燃焼部の前記送出口から送出された前記排ガスを外部へ排出する排ガス流路とを備え、
前記蒸発部には、底部を有し、その底部に供給された水を集水して水を溜める凹部が設けられ、前記凹部の前記底部が前記送出口と対向することを特徴とする改質ユニット。
前記蒸発部に水を供給する供給管を備え、前記供給管が有する水供給口と前記底部とが対向し、前記水供給口が複数である場合、一つの前記水供給口に対して一つの前記底部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の改質ユニット。
前記蒸発部には、前記凹部を補強するビードが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の改質ユニット。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の改質ユニットと、前記改質ユニットによって生成された水素ガスを含むガスと、外部から供給された酸化剤ガスと、を電気化学反応させることによって発電する燃料電池スタックとを備えることを特徴とする燃料電池モジュール。