JP2023127829A - 改質ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼部からの燃焼熱により気化部と改質部とを効率よく加熱すると共に、改質ユニットをよりコンパクトにする。【解決手段】改質ユニットは、アノードガスとカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と共に燃料電池モジュールを構成する。このユニットは、燃料電池からのオフガスが導入される燃焼室を有し燃焼装置により燃焼室内のオフガスを着火させて燃焼させる燃焼部と、燃焼室の内部に配置され改質水を導入して水蒸気を生成する気化部と、燃焼室の外面と所定の間隔を隔てて燃焼室を囲むように筒状に形成された外管と、燃焼室の外面と外管の内面との間の空間に配置され原燃料ガスを導入すると共に気化部から水蒸気を導入して水蒸気改質によりアノードガスを生成する改質部と、を備える。【選択図】図２

Description

本明細書は、改質ユニットについて開示する。

従来、この種の改質ユニットとしては、アノードガスとカソードガスとにより発電可能な燃料電池を含む燃料電池モジュールにおいて、改質水を気化させて水蒸気を生成する気化部と、水蒸気を用いて原燃料ガスをアノードガスに改質する改質部と、燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させて燃焼熱により気化部と改質部とを加熱する燃焼部と、を備えるものが知られている。例えば、特許文献１には、環状の断面形状を有する改質触媒層により改質部を構成すると共に、改質部の内部に燃焼空間を配置した改質ユニットが開示されている。また、特許文献２には、それぞれ円筒状に形成されると共に互いの円筒端同士が接続された気化部（蒸発部）および改質部が燃焼空間内に配置された改質ユニットが開示されている。

特開２０１４－２０７０７８号公報 特開２０１７－１０５６９５号公報

特許文献１記載の改質ユニットでは、気化部が燃焼室の外にあるため、燃焼部に気化部が燃焼熱を受熱するためのスペースを別途確保しなければならず、改質ユニットが大型化してしまう。また、特許文献２記載の改質ユニットでは、気化部と改質部とが共に燃焼空間内に配置されているため、気化部や改質部の加熱に利用されることなく、燃焼空間の外面側から逃げる熱が増加してしまう。更に、気化部は、気化熱により冷却され、周囲と比べて低温となるため、特許文献２記載の改質ユニットのように気化部と改質部とが接続されていると、両者の接続部において、温度差による熱膨張差が生じ、破損等を招くおそれがある。

本開示の改質ユニットは、燃焼部からの燃焼熱により気化部と改質部とを効率よく加熱すると共に、改質ユニットをよりコンパクトにすることを主目的とする。

本開示の改質ユニットは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本開示の改質ユニットは、
アノードガスとカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と共に燃料電池モジュールを構成する改質ユニットであって、
前記燃料電池からのオフガスが導入される燃焼室を有し、燃焼装置により前記燃焼室内のオフガスを着火させて燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼室の内部に配置され、改質水を導入して水蒸気を生成する気化部と、
前記燃焼室の外面と所定の間隔を隔てて前記燃焼室を囲むように筒状に形成された外管と、
前記燃焼室の外面と前記外管の内面との間の空間に配置され、原燃料ガスを導入すると共に前記気化部から水蒸気を導入して水蒸気改質により前記アノードガスを生成する改質部と、
を備えることを要旨とする。

この本開示の改質ユニットでは、気化部は、燃焼室の内部に配置され、改質部は、燃焼室を囲むように筒状に形成された外管の内面と燃焼室の外面との間の空間に配置される。これにより、気化部と改質部とをそれぞれ燃焼室の内外で加熱することができるため、燃焼室から外部へ逃げる熱を少なくすることができ、ひいては燃料電池モジュールを含む燃料電池システムの効率をより向上させることができる。また、気化部を燃焼室の内部に配置することで、外管の筒軸方向の長さを、改質部において改質に必要な改質触媒量や燃焼排ガスと熱交換するために必要な熱交換長等に応じた長さにすれば足りるため、改質ユニットをよりコンパクトにすることができる。

こうした本開示の改質ユニットにおいて、前記外管の筒軸方向における閉じられた一方の端部と前記外管の前記一方の端部と同側の前記燃焼室の閉じられた一方の端部との間に空間を有し、当該空間に前記原燃料ガスを導入すると共に当該空間を介して前記気化部の出口と前記改質部の入口とを連通するように構成された均圧部を備えてもよい。こうすれば、均圧部を介在させることで原燃料ガスと水蒸気とを改質部に対して周方向において略均一に流すことができ、改質部に充填される改質触媒を無駄なく利用することができる。この結果、改質触媒の寿命を延長したり、充填する改質触媒量を少なくしたりすることができる。この場合、前記外管の筒軸方向における両端部のうち少なくとも前記一方の端部は、筒軸方向における中央部よりも拡径されてもよい。こうすれば、外管の外径を中央部と端部とで均一にするものに比して、均圧部の空間を確保しつつ、外管の中央部の外径、すなわち改質部のサイズをより適したものとすることができる。また、外管における一方の端部の端面に配管を取り付けるための十分なスペースを確保することができ、取付作業の作業性をより向上させることができる。なお、前記外管における前記一方の端部の端面には、前記原燃料ガスの入口が形成されると共に、前記気化部に改質水を導入するための改質水導入管と前記燃焼室から燃焼排ガスを導出するための燃焼排ガス導出管とが貫通してもよい。

また、本開示の改質ユニットにおいて、前記気化部は、改質水の入口と水蒸気の出口とが同一面上に形成されてもよい。こうすれば、気化部の熱膨張差による破損等を抑制することができる。

本実施形態の改質ユニットを含む燃料電池モジュールの概略構成図である。 改質ユニットの概略構成図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の改質ユニット２０を含む燃料電池モジュール１０の概略構成図である。本実施形態の燃料電池モジュール１０は、図１に示すように、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック１１と、水蒸気改質により原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を改質してアノードガスを生成する改質ユニット２０と、第１および第２熱交換器４１，４２と、凝縮器５０と、を備える。燃料電池スタック１１と改質ユニット２０と第１および第２熱交換器４１，４２とは、断熱性を有する箱形のモジュールケース１２に収容されている。燃料電池モジュール１０は、図示しない原燃料ガス供給装置や改質水供給装置、エア供給装置、貯湯タンクと共に燃料電池システムを構成する。なお、原燃料ガス供給装置は、改質ユニット２０（気化部２１）に原燃料ガスを供給するものであり、改質水供給装置は、改質ユニット２０（気化部２１）に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給するものであり、エア供給装置は、燃料電池スタック１１にカソードガスとしてのエアを供給するものである。また、貯湯タンクは、燃料電池モジュール１０で発生した熱を回収して貯湯するものである。

燃料電池スタック１１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有し、上下方向に配列された複数の固体酸化物形の単セルを備える。各単セルのアノード電極内には、アノードガス通路が形成されている。また、各単セルのカソード電極内には、カソードガス通路が形成されている。

改質ユニット２０は、図１および図２に示すように、気化部２１と改質部２２と燃焼部２３と均圧部２４（図２参照）とを有する。これらは、図２に示すように、筒状に形成されると共に筒軸方向における両端部が閉じられた外管２５により覆われている。

気化部２１には、改質水供給装置の改質水配管３２が接続され、改質水配管３２を介して改質水が導入される。

気化部２１は、導入した改質水を燃焼部２３からの熱（燃焼熱）により加熱し、改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化部２１により生成された水蒸気は、均圧部２４にて当該均圧部２４に導入された原燃料ガスと混合され、その混合ガスは、改質部２２に流入する。

改質部２２は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒２２１（図２参照）を有し、燃焼部２３からの熱の存在下で、改質触媒２２１による混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質部２２は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質部２２によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質部２２により生成されたアノードガスは、アノードガス配管３３を通って燃料電池スタック１１の各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。

また、カソードガスとしてのエアは、エア供給装置からカソードガス配管３４を介して燃料電池スタック１１の各単セルのカソードガス通路へ流入し、カソード電極に供給される。

各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。燃料電池スタック１１の出力端子には、図示しないパワーコンディショナの入力端子が接続されており、燃料電池スタック１１の発電電力は、パワーコンディショナにより交流電力に変換されて電気負荷に供給される。

各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、アノードオフガス配管３５を通ってモジュールケース１２外へ一旦導出され、モジュールケース１２外に設置された凝縮器５０（冷却器）に供給される。そして、凝縮器５０へ供給されたアノードオフガスは、貯湯タンクからの湯水との熱交換により冷却させられてアノードオフガスに含まれる水蒸気が除去された後、モジュールケース１２内に再導入され、改質ユニット２０の燃焼部２３へと供給される。なお、アノードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮されることで得られた水は、改質水タンクに貯留されて改質水として用いられる。

また、各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、カソードオフガス配管３６を通って燃焼部２３に供給される。

燃焼部２３に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼部２３に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、バーナー装置２３５により燃焼部２３で着火させられて混合ガス（以下、「オフガス」という）が燃焼すると、当該オフガスの燃焼により、気化部２１での水蒸気の生成や、改質部２２での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼部２３では、未燃燃料を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管３７を通って、燃焼触媒を経て外気へ排出される。なお、燃焼触媒は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。

第１および第２熱交換器４１，４２は、いずれも、モジュールケース１２内に設置されている。第１熱交換器４１は、アノードオフガス配管３５の凝縮器５０よりも上流側を流通するアノードオフガスと、アノードオフガス配管３５の凝縮器５０よりも下流側を流通するアノードオフガスとの間で熱交換を行なう。第２熱交換器４２は、燃焼排ガス配管３７を流通する燃焼排ガスと、カソードガス配管３４を流通するカソードガスとの間で熱交換を行なう。

改質ユニット２０において、図２に示すように、燃焼部２３は、筒状に形成されると共に筒軸方向における両端部が端壁２３２，２３３により閉じられた燃焼室２３１と、燃焼室２３１の端壁２３２の内面側に設けられたバーナー装置２３５と、を有する。燃焼室２３１の端壁２３２には、バーナー装置２３５の内側から燃焼室２３１内にアノードオフガスが流入するようにアノードオフガス配管３５が接続されると共に、バーナー装置２３５の外側から燃焼室２３１内にカソードオフガスが流入するようにカソードオフガス配管３６が接続されている。また、燃焼室２３１の端壁２３２とは反対側の端壁２３３には、燃焼室２３１内でアノードオフガスおよびカソードオフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスがユニット外へ流出するように燃焼排ガス配管３７が接続されている。

気化部２１は、燃焼室２３１の内部に配置された気化室２１１を有する。気化室２１１は、燃焼室２３１のバーナー装置２３５が配置される端壁２３２とは反対側の端壁２３３に所定の間隔をおいて近接するように配置されている。燃焼室２３１の端壁２３３と同側の気化室２１１の閉じられた端部の端壁２１３には、改質水を流入するように改質水配管３２が配置される。気化室２１１には、熱伝導率の高い球状のアルミナが充填されており、燃焼室２３１で発生した燃焼熱により当該アルミナが加熱された状態で改質水配管３２から改質水が流入（滴下）されることにより、改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。また、気化室２１１の改質水配管３２が配置された端壁２３２と同じ端壁２３２には、水蒸気配管２１４が接続されており、気化室２１１で生成された水蒸気は、水蒸気配管２１４を通って均圧部２４へ流出し、均圧部２４を介して改質部２２へと供給される。すなわち、気化室２１１の出入口は、同一面に形成されている。これにより、流通する改質水と水蒸気との温度差に基づく熱膨張差により気化室２１１の壁面が破損するのを効果的に抑制することができる。本実施形態では、改質水配管３２と水蒸気配管２１４とは二重管により形成されている。

改質部２２は、燃焼室２３１の側壁（周壁）２３４の外周面と外管２５の側壁（周壁）２５１の内周面との間に形成される筒状の空間（筒状空間）に配置された改質触媒２２１を有する。改質部２２は、筒状空間の筒軸方向における一方の端部から水蒸気と原燃料ガスとを流入し、水蒸気改質により生成されたアノードガスを筒軸方向における他方の端部から流出する。改質部２２から流出されたアノードガスは、アノードガス配管３３を通って燃料電池スタック１１のアノード電極へ供給される。

均圧部２４は、燃焼室２３１の端壁２３３と外管２５の端壁２５４とにより画成された空間を有する。外管２５の端壁２５４には、上述した改質水配管３２と燃焼排ガス配管３７とが均圧部２４を貫通するように取り付けられ、原燃料ガスが均圧部２４に流入するように原燃料ガス配管３１が接続されている。また、均圧部２４の空間は、水蒸気配管２１４を介して気化室２１１と連通する。これにより、原燃料ガスと水蒸気とが均圧部２４を介して改質部２２に流入することにより、均圧部２４がバッファ空間として機能し、改質部２２の筒状空間（改質触媒２２１）に対して原燃料ガスと水蒸気とを周方向に略均一に供給することができる。この結果、改質触媒２２１を無駄なく利用することができ、改質触媒２２１の長寿命化を図ったり、充填する改質触媒２２１の量を低減したりすることが可能となる。

外管２５の筒軸方向における長さは、水蒸気改質に必要な改質触媒２２１の量や、燃焼排ガスとの熱交換により改質部２２（改質触媒）を加熱するために必要な熱交換長等によって定められる。上述したように、気化部２１は燃焼室２３１の内部に配置されているため、気化部２１を改質部２２と外管２５の筒軸方向に並べるものに比して、改質ユニット２０の軸長を短縮することができる。この結果、改質ユニット２０のサイズを、改質ユニット２０の下方に配置される燃料電池スタック１１のサイズの範囲内に収めることも可能となり、燃料電池モジュール１０をコンパクトにすることができる。

また、外管２５の筒軸方向における両端部２５２，２５３は、中央部よりも拡径されている。外管２５の端部２５３には、改質水配管３２や燃焼排ガス配管３７、原燃料ガス配管３１の他に、改質部２２に流入するガス（原燃料ガスおよび水蒸気）の温度を検出するための温度センサ５１（サーミスタ）が取り付けられている。外管２５の端部２５３を中央部よりも拡径することで、各種配管（原燃料ガス配管３１や改質水配管３２、燃焼排ガス配管３７）や温度センサ５１の取付スペースを十分に確保することができ、取付作業の作業性を向上させることができる。また、外管２５の端部２５３を中央部よりも拡径することで、改質部２２が配置される外管２５の中央部の外径の拡大を抑制することができる。すなわち、改質触媒２２１が充填される筒状空間を必要な改質触媒量に応じた適切な容積にしつつ、原燃料ガスや水蒸気、アノードガスをスムーズに流通させるために外管２５の側壁２５１と燃焼室２３１の側壁２３４との間の隙間を十分に確保したり、改質部２２の熱交換長を十分に確保したりすることができる。

以上説明した本実施形態の改質ユニット２０では、気化部２１は、燃焼室２３１の内部に配置され、改質部２２は、燃焼室２３１を囲むように筒状に形成された外管２５の内面と燃焼室２３１の外面との間の空間に配置される。これにより、気化部２１と改質部２２とをそれぞれ燃焼室２３１の内外で加熱することができるため、燃焼室２３１から外部へ逃げる熱を少なくすることができ、ひいては燃料電池モジュール１０を含む燃料電池システムの効率をより向上させることができる。また、気化部２１を燃焼室２３１の内部に配置することで、外管２５の筒軸方向の長さを改質部２２において改質に必要な触媒量や燃焼排ガスと熱交換するために必要な熱交換長等に応じた長さにすれば足りるため、改質ユニット２０をよりコンパクトにすることが可能である。

また、本実施形態の改質ユニット２０では、原燃料ガスを導入すると共に気化部２１の出口と改質部２２の入口とを連通させるように、燃焼室２３１の端壁２３３と外管２５の端壁２５４とにより画成される空間により均圧部２４を構成する。均圧部２４を介して原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを改質部２２へ供給することで、混合ガスを改質部２２に対して周方向において略均一に流すことができ、改質部２２に充填される改質触媒２２１を無駄なく利用することができる。この結果、改質触媒２２１の寿命を延長したり、充填する改質触媒量を少なくしたりすることができる。

さらに、外管２５の端部２５３は、中央部よりも拡径されているため、外管２５の外径を中央部と端部とで均一にするものに比して、均圧部２４の空間を確保しつつ、外管２５の中央部の外径、すなわち改質部２２のサイズをより適したものとすることができる。また、外管２５の端壁２５４に配管（原燃料ガス配管３１や改質水配管３２、燃焼排ガス配管３７）を取り付けるための十分なスペースを確保することができ、取付作業の作業性をより向上させることができる。

また、気化部２１の改質水の入口と水蒸気の出口とを燃焼室の同一面に形成しているため、熱膨張差による気化部２１の破損等を抑制することができる。

上述した実施形態では、外管２５の両端部２５２，２５３を中央部よりも拡径するものとしたが、一方の端部２５３のみを拡径してもよいし、端部を拡径することなく、筒軸方向における外径を均一にしても差し支えない。

上述した実施形態では、気化部２１に連結される改質水配管３２と水蒸気配管２１４とを二重管により形成するものとしたが、二重管とすることなく、並行して設けられてもよい。

上述した実施形態では、燃料電池スタック１１からのアノードオフガスを凝縮器５０に供給し、凝縮器５０においてアノードオフガスに含まれる水蒸気を除去した後、燃焼部２３へ供給するものとした。しかし、燃料電池スタック１１からのアノードオフガスを直接に燃焼部２３へ供給してもよい。この場合、燃焼部２３でオフガスの燃焼により生じた燃焼排ガスを凝縮器へ供給し、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を凝縮するようにすればよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック１１が本開示の「燃料電池」に相当し、燃焼部２３が「燃焼部」に相当し、気化部２１が「気化部」に相当し、外管２５が「外管」に相当し、改質部２２が「改質部」に相当する。また、均圧部２４が「均圧部」に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、改質ユニットや燃料電池モジュールの製造産業などに利用可能である。

１０ 燃料電池モジュール、１１ 燃料電池スタック、１２ モジュールケース、２０ 改質ユニット、２１ 気化部、２２ 改質部、２３ 燃焼部、２４ 均圧部、２５ 外管、３１ 原燃料ガス配管、３２ 改質水配管、３３ アノードガス配管、３４ カソードガス配管、３５ アノードオフガス配管、３６ カソードオフガス配管、３７ 燃焼排ガス配管、４１ 第１熱交換器、４２ 第２熱交換器、５０ 凝縮器、５１ 温度センサ、２１１ 気化室、２１３ 端壁、２１４ 水蒸気配管、２２１ 改質触媒、２３１ 燃焼室、２３２，２３３ 端壁、２３４ 周壁、２３５ バーナー装置、２５１ 側壁、２５２，２５３ 端部、２５４ 端壁。

Claims (5)

1. アノードガスとカソードガスとに基づいて発電する燃料電池と共に燃料電池モジュールを構成する改質ユニットであって、
   前記燃料電池からのオフガスが導入される燃焼室を有し、燃焼装置により前記燃焼室内のオフガスを着火させて燃焼させる燃焼部と、
   前記燃焼室の内部に配置され、改質水を導入して水蒸気を生成する気化部と、
   前記燃焼室の外面と所定の間隔を隔てて前記燃焼室を囲むように筒状に形成された外管と、
   前記燃焼室の外面と前記外管の内面との間の空間に配置され、原燃料ガスを導入すると共に前記気化部から水蒸気を導入して水蒸気改質により前記アノードガスを生成する改質部と、
   を備える改質ユニット。
2. 請求項１に記載の改質ユニットであって、
   前記外管の筒軸方向における閉じられた一方の端部と前記外管の前記一方の端部と同側の前記燃焼室の閉じられた一方の端部との間に空間を有し、当該空間に前記原燃料ガスを導入すると共に当該空間を介して前記気化部の出口と前記改質部の入口とを連通するように構成された均圧部を備える、
   改質ユニット。
3. 請求項２に記載の改質ユニットであって、
   前記外管の筒軸方向における両端部のうち少なくとも前記一方の端部は、筒軸方向における中央部よりも拡径されている、
   改質ユニット。
4. 請求項３に記載の改質ユニットであって、
   前記外管における前記一方の端部の端面には、前記原燃料ガスの入口が形成されると共に、前記気化部に改質水を導入するための改質水導入管と前記燃焼室から燃焼排ガスを導出するための燃焼排ガス導出管とが貫通している、
   改質ユニット。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の改質ユニットであって、
   前記気化部は、改質水の入口と水蒸気の出口とが同一面上に形成されている、
   改質ユニット。

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