JP2024026614A - 改質ユニットおよび燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】改質ユニットの設計自由度を高めつつ、熱交換をより効率的に行う。【解決手段】改質ユニット100は、気化部200および改質部300を有する。改質部300は気化部200の下方に位置する。混合ガス導管230は、気化部200の端部近傍から下方に延在し、改質部300の端部近傍において改質部300に接続されている。【選択図】図1
Description
本開示は、改質ユニットおよび燃料電池装置に関する。
燃料電池に改質ガスを供給するための改質ユニットは、一般に、主な構成として、燃料電池のオフガスを燃焼するバーナー、水を気化させる気化器、原料ガスと水蒸気の混合ガスから改質ガスを生成する改質器を有する。従来の改質ユニットでは、バーナー、改質器、気化器がこの順で下から上に積み重なった構造が採用されている。たとえば、特許文献1では、燃焼器で生じた排ガスが改質器の中央部分に設けられた穴を通り、ハウジングの上方に流通する。当該穴の上方において、気化器と改質器とを接続する混合ガス配管が屈曲し、混合ガス配管に排ガスの熱が伝熱しやすい構造となっている。
特許文献1に記載の構造の改質ユニットでは、燃焼器で生じた排ガスの熱が、混合ガス配管内の混合ガスに必要以上に奪われてしまい、酸化剤(空気)との熱交換を効率的に行うことができず、改質ユニットにおける全体的な熱交換の効率を十分に高めることができないという課題が生じる。また、気化器の一方の端部が改質器の中央部分に位置するため、水平方向において、気化器の他方の端部が飛び出る構造となり、気化器の長さに制限が生じ、改質ユニットの設計自由度が低くなるという課題が生じる。
本開示は上述のような課題を鑑みたものであり、設計自由度を高めつつ、熱交換をより効率的に行うことができる改質ユニットを提供することを目的とする。
本開示のある態様は、改質ユニットである。当該改質ユニットは、供給された水を気化させて水蒸気を生成し、前記水蒸気と原料ガスとが混合された混合ガスを送出する気化部と、前記気化部の下方に設置され、前記気化部から送出された前記混合ガスを改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記気化部と前記改質部とを接続する混合ガス導管と、を備え、前記混合ガス導管は、前記気化部の端部近傍から下方に延在し、前記改質部の端部近傍において前記改質部に接続されている。また、本開示の燃料電池装置は、上記の改質ユニットを備える。
本開示の改質ユニットによれば、設計自由度を高めつつ、熱交換をより効率的に行うことができる。また本開示の燃料電池装置によれば、設計自由度を高めつつ、熱交換をより効率的に行うことができる。
以下、本開示の実施形態について、詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る改質ユニット100の概略図である。図1に示すように、改質ユニット100は、気化部200、改質部300および燃焼部(バーナー)400を有する。
図1は、実施形態1に係る改質ユニット100の概略図である。図1に示すように、改質ユニット100は、気化部200、改質部300および燃焼部(バーナー)400を有する。
気化部200の一方の端部(図1では、左側の端部)に、水供給管210、ガス供給管220が接続されている。水供給管210とガス供給管220とは、それぞれ気化部200に別個に接続されてもよく、多重管の形態として気化部200に接続されてもよい。例えば多重管の場合には、中心軸に円筒状の水供給管210が配置され、水供給管210を取り囲むように円筒状のガス供給管220が配置された多重管としてもよい。水供給管210を通じて、水が気化部200に供給される。一方、ガス供給管220に供給された原料ガスは、水供給管210の外壁と、ガス供給管220の内壁との間に形成された流路を流通し、気化部200に到達する。原料ガスは、たとえば、炭化水素を含む天然ガス、LPGなどの気体燃料が挙げられる。
気化部200に供給された水は予熱されながら流通し、一部が水蒸気となる。生成した水蒸気が、気化部200において予熱された原料ガスと混合し、混合ガスが生成する。気化部200の一部に、水蒸気と原料ガスとの混合を促進するためのアルミナ等のセラミックスからなるボール等が充填された混合層を形成してもよく、この場合、混合層において水蒸気と原料ガスとの混合が促進される。
気化部200で生成した混合ガスは、水供給管210およびガス供給管220が接続された側と反対側の下面端部に接続された混合ガス導管230に導かれる。混合ガス導管230が接続される側の、気化部200の端部に電気ヒータ600が設置されており、電気ヒータ600により混合ガスが加熱される。
混合ガス導管230は、屈曲せずに下方に延在し、後述する改質部300の端部近傍において改質部300に接続されており、混合ガス導管230を経由して混合ガスが改質部300に供給される。
気化部200の下方に、ハウジング110が設置されている。当該ハウジング110の内部に、改質部300、燃焼部400および排ガス誘導室500が収容されている。
ハウジング110の上端は空気室壁114で閉じられており、空気室壁114と離間した位置に蓋部112を設けることにより、蓋部112と空気室壁114との間に、外部より空気供給管140を経由して供給される酸素含有ガス(空気等)が流れる酸素含有ガス流通路の一部である空気室116が設けられている。すなわち、空気室116は、改質部300の上方に位置する。なお、空気室116をハウジング110内に位置するものとしてもよい。すなわち、ハウジング110の上端を蓋部112で閉じ、蓋部112と離間したハウジング110内の位置に空気室壁114を設けることにより、蓋部112と空気室壁114との間に、外部より空気供給管140を経由して供給される酸素含有ガス(空気等)が流れる酸素含有ガス流通路の一部である空気室116を設けてもよい。また、ハウジング110の下端は蓋部118で閉じられている。蓋部118の下部において、蓋部118と離間した位置に空気室壁115を設けることにより、蓋部118の一部と空気室壁115との間に、酸素含有ガス流通路の一部である空気室119が設けられている。また、空気室119をハウジング110内に位置するものとしてもよい。すなわち、ハウジング110の下端を空気室壁115で閉じ、空気室壁115と離間したハウジング110内の位置に蓋部118を設けることにより、蓋部118と空気室壁115との間に、酸素含有ガス流通路の一部である空気室119を設けてもよい。空気室119は後述する燃焼部400と近接しており、燃焼部400で生じた熱が空気室119内の空気に伝熱する構造となっている。なお、空気室116および空気室119の大きさは、ハウジング110の一側面の長さ、もしくは幅と必ずしも一致していなくてもよく、蓋部112や空気室壁115の大きさを適宜調整して変更することができる。
蓋部112に空気供給管140が接続されている。図示していないハウジング110の壁面の一部も、蓋部112と空気室壁114とで形成された二重壁構造のようになっており、当該二重壁の内側に空気が流通する空気流路(図示せず)が形成されている。当該空気流路は空気室116と空気室119とを接続する。空気供給管140に供給された空気は、空気室116、二重壁の内側の空気流路および空気室119を通り、ハウジング110の下部に接続された空気導入路150を経由して、燃料電池スタックに供給される。本実施形態では、ハウジング110の壁面の一部に空気流路用の二重壁構造が形成されているが、ハウジング110の壁面全体(6面)に空気流路用の二重壁構造が形成されていてもよい。
このように空気供給管140より供給された空気は、空気室116、二重壁の内側の空気流路、および空気室119を流れる間に、ハウジング110内の熱と熱交換され、温度の上昇した空気として、燃料電池スタックに供給することができる。すなわち、本開示の改質ユニット100は、外部より供給される空気の温度を上昇させる熱交換器の機能も備えていることとなる。
また、空気室116にプレートフィンを設け、オフガスとの熱交換が効率的に行われるようにしてもよい。
このように空気供給管140より供給された空気は、空気室116、二重壁の内側の空気流路、および空気室119を流れる間に、ハウジング110内の熱と熱交換され、温度の上昇した空気として、燃料電池スタックに供給することができる。すなわち、本開示の改質ユニット100は、外部より供給される空気の温度を上昇させる熱交換器の機能も備えていることとなる。
また、空気室116にプレートフィンを設け、オフガスとの熱交換が効率的に行われるようにしてもよい。
改質部300は、鉛直方向から平面視したときに、穴が空いたドーナツ型の形状を有する。この穴は改質部300の中央部分に設けてもよい。改質部300の外形は、特に限定されず、たとえば、円形、楕円形、矩形などである。改質部300には、改質触媒が収容されており、当該改質触媒により混合ガスが改質され、水素を含有する改質ガスが生成される。改質部300で生成した改質ガスは改質部300に接続された改質ガス供給路330を通り、燃料電池スタックに供給される。改質触媒としては、一般的に知られているものを用いればよい。
改質部300において混合ガス導管230が接続される位置は、改質部300の上面の端部近傍(図1では、改質部300の右側端部近傍)である。より詳細には、改質部300に設けられた穴から離間した位置であって、上面の端部近傍に接続することができる。
燃料電池スタックとしては、種々のものを用いることができる。例えば、燃料電池セルが固体酸化物形である場合には、いわゆる平板型、円筒型、円筒平板型など各種の構造のものを用いることができる。また、固体酸化物形に限らず、固体高分子形等の燃料電池スタックも利用することができる。
燃焼部400には、オフガス供給路440を通じて燃料電池スタックから排出されたオフガスが供給され、燃焼部400の上面に設けられた噴出口(図示せず)からオフガスが噴出する。噴出したオフガスはセラミックヒータなどの点火装置610により点火されて燃焼する。点火装置610は、ハウジングにおいて電気ヒータ600が設置される側と同じ側に設けられることができる。また、点火装置610の近傍に、熱電対620を設置することで、ハウジング内の温度のモニタを容易に可能とすることができる。オフガスの燃焼により生じた排ガスは、改質部300に設けられた穴を通り、改質部300と熱交換する。なお、空気室116の下部に接して排ガス誘導室500を設けることもでき、この場合、改質部300と熱交換した排ガスは、排ガス誘導室500に流入することで、排ガス誘導室500内の排ガスの熱が空気室116内の空気に効率よく伝熱することができる。
排ガス誘導室500の上面端部(本実施形態では、図1の右側端部)に排ガス管510が接続されており、排ガス管510を経由して、排ガスが気化部200の下方に隣接して設けられた燃焼触媒室520に流入する。
排ガス管510は、上述した混合ガス導管230の周囲に設けられており、混合ガス導管230の外壁と排ガス管510の内壁との間が排ガスが流通する流路となっている。この流路を通過する過程で、排ガスの熱が混合ガス導管230を流通する混合ガスに伝熱する。
なお、混合ガス導管230は、排ガス管510および混合ガス導管230で形成される二重構造の領域の下方において排ガス誘導室500を貫通しており、排ガス誘導室500内の排ガスの熱が混合ガス導管230に伝熱する構造となっている。
燃焼触媒室520の一部には、燃焼触媒が充填された燃焼触媒層が形成されており、燃焼触媒層において排ガスに含まれる未反応ガスの燃焼が促進される。
燃焼触媒室520における排ガスの流れは、気化部200における水、原料ガス、あるいは混合ガスの流れと対向する対向流となっている。燃焼触媒室520で生じた熱が気化部200に伝熱し、気化部200に供給された水の蒸発が促進される。燃焼触媒室520を通過した排ガスは、排ガス管540を経由して外部に送出される。
改質ユニット100では、水供給管210、ガス供給管220、空気供給管140、排ガス管540などの吸・排気系引出部は、混合ガス導管230が接続される改質部300の端部とは反対側に設けられている。一方、電気ヒータ600、点火装置610、熱電対620などの電気系引出部は、混合ガス導管230が接続される改質部300の端部と同じ側に配置されている。
以上説明した改質ユニット100によれば、混合ガス導管230と、排ガスの熱交換面積が小さくなり、排ガスの熱が混合ガス導管230に伝導しにくくなる。これにより、ハウジング内の上部において、排ガスの熱により空気をより効率的に加熱することができる。
また、混合ガス導管230が屈曲せずに延在しているため、改質ユニット100の構造が簡便になり、ひいては、製造工程の簡略化や製造コストの低減を図ることができる。
また、吸・排気系引出部を混合ガス導管230が接続される改質部300の端部とは反対側に設け、電気系引出部を混合ガス導管230が接続される改質部300の端部と同じ側に配置することにより、安全性をより高めるとともに、気化部200の長さを大きくでき、改質ユニット100の設計の自由度を向上させることができる。
(実施形態2)
実施形態2に係る改質ユニット100について、実施形態1と同様な構成については説明を省略し、実施形態1と異なる構成を中心に以下に説明する。
実施形態2に係る改質ユニット100について、実施形態1と同様な構成については説明を省略し、実施形態1と異なる構成を中心に以下に説明する。
図2は、実施形態2に係る改質ユニット100の概略図である。図3は、改質部301の平面図である。図3に示すように、本実施形態では、改質部301に仕切り部310が設けられており、仕切り部310の一方の側の近傍に混合ガス導管230が接続され、仕切り部310の他方の側の近傍に改質ガス供給路330が接続される。混合ガス導管230が接続される第1位置と、改質ガス供給路330が接続される第2位置とが近接しており、第1位置から前記第2位置までの流路が改質部301に設けられた穴320の回りを周回する。
これによれば、改質部301において、第1位置から第2位置への経路をより長くすることができ、改質部301における改質効率をより高めることができる。
上述したような改質ユニットを備えることで、本実施形態の燃料電池装置とすることができる。燃料電池装置としては、いわゆる燃料電池モジュールとしてもよく、また燃料電池装置とこれを動作させるための補機を備えた燃料電池としてもよい。例えば、平板型の燃料電池スタックを用いる場合には、上述の改質ユニットと燃料電池スタックとを収納容器内に収納する、または断熱材で一体的に覆うことにより、燃料電池モジュールとすることができる。また、円筒型や中空平板型の燃料電池スタックを用いる場合には、上述の改質ユニットと燃料電池スタックとを収納容器内に収納することで、燃料電池モジュールとすることができる。また、固体高分子形の燃料電池スタックを用いる場合には、それぞれを独立させた状態で外装ケース内に収納してもよい。さらに、これらの燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させるための補機(例えば、ポンプ類やセンサ類)を備えることで、燃料電池とすることができる。
以上、本実施形態について述べたが、これらは本開示の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
例えば、改質ユニット100の設計自由度を高めるにあたり、側面視、平面視、正面視の少なくとも1つにおいて、気化部200の幅および改質部300の幅のうち、一方の幅が他方の幅よりも内側に位置するようにしてもよい。それにより、改質ユニット100の構造がシンプルとなって、改質ユニット100の周囲を囲む断熱材や収納容器等のサイズも小さくなることで、全体的にコンパクトとすることができる。なお、この場合において、混合ガス導管等は、上述した接続構造とすればよい。
また、1つの容器の内部にセルスタック及び改質ユニット100を収納し、セルスタック上部におけるオフガスの燃焼により生じた排ガスが、改質部300に設けられた穴を通り、改質部300と熱交換した後、排ガス誘導室500に流入するようにしてもよい。なお1つの容器として、例えば金属等で作製された容器が挙げられるが、これに限られず、セルスタックおよび改質ユニット100を断熱材で覆った場合には、この断熱材を1つの容器とみなすこともできる。
さらに、改質部300の上部に、所定の隙間を形成するように連結されることにより、排気ガス(及び空気)が流入可能である箱状の排気ガス導入部材(ガス溜り)を設け、断熱機能を持たせるようにしてもよい。
例えば、改質ユニット100の設計自由度を高めるにあたり、側面視、平面視、正面視の少なくとも1つにおいて、気化部200の幅および改質部300の幅のうち、一方の幅が他方の幅よりも内側に位置するようにしてもよい。それにより、改質ユニット100の構造がシンプルとなって、改質ユニット100の周囲を囲む断熱材や収納容器等のサイズも小さくなることで、全体的にコンパクトとすることができる。なお、この場合において、混合ガス導管等は、上述した接続構造とすればよい。
また、1つの容器の内部にセルスタック及び改質ユニット100を収納し、セルスタック上部におけるオフガスの燃焼により生じた排ガスが、改質部300に設けられた穴を通り、改質部300と熱交換した後、排ガス誘導室500に流入するようにしてもよい。なお1つの容器として、例えば金属等で作製された容器が挙げられるが、これに限られず、セルスタックおよび改質ユニット100を断熱材で覆った場合には、この断熱材を1つの容器とみなすこともできる。
さらに、改質部300の上部に、所定の隙間を形成するように連結されることにより、排気ガス(及び空気)が流入可能である箱状の排気ガス導入部材(ガス溜り)を設け、断熱機能を持たせるようにしてもよい。
100 改質ユニット、200 気化部、300 改質部、230 混合ガス導管
Claims (6)
- 供給された水を気化させて水蒸気を生成し、前記水蒸気と原料ガスとが混合された混合ガスを送出する気化部と、
前記気化部の下方に設置され、前記気化部から送出された前記混合ガスを改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
前記気化部と前記改質部とを接続する混合ガス導管と、
を備え、
前記混合ガス導管は、前記気化部の端部近傍から下方に延在し、前記改質部の端部近傍において前記改質部に接続されている、改質ユニット。 - 前記改質部は、鉛直方向から平面視したときに穴が設けられた形状をなす請求項1に記載の改質ユニット。
- 燃料電池スタックから排出されたオフガスを燃焼するための燃焼部をさらに備え、
前記燃焼部で生じた排ガスが前記穴を通過する、請求項2に記載の改質ユニット。 - 前記改質部において、前記混合ガス導管が接続される第1位置と、前記改質部から前記改質ガスが送出される改質ガス供給路が接続される第2位置とが近接し、前記第1位置から前記第2位置までの流路が前記穴の回りを周回する、請求項2または3に記載の改質ユニット。
- 前記改質部の上方に、外部より供給される酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流通路を備えている、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の改質ユニット。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の改質ユニットを備える、燃料電池装置。
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