JP5075416B2

JP5075416B2 - 燃料改質装置及び燃料電池発電システム

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Publication number: JP5075416B2
Application number: JP2007012982A
Authority: JP
Inventors: 晋小林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-01-23
Also published as: JP2008179494A

Description

本発明は、メタン等の原燃料を用いて燃料電池の発電等に利用される水素に富んだ改質ガスを製造する燃料改質装置、及びこの燃料改質装置を具備し、この燃料改質装置で製造された改質ガスを燃料電池発電に使用する燃料電池発電システムに関するものである。

従来、燃料電池は、その発電燃料として、ボンベや水素吸蔵合金に貯蔵された水素などが用いられていた。しかしながら、水素はその取り扱い性が悪いという理由から、取り扱いが容易なメタン、プロパン、ブタン等の原燃料を用い、改質反応により製造された水素に富んだ改質ガスを発電燃料とする用いる方法が広く用いられている。改質反応式をメタンの例で示すと次のようになる。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ ←→ ＣＯ＋３Ｈ_２
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ←→ ＣＯ_２＋Ｈ_２
これは水蒸気改質反応と呼ばれる代表的な改質反応である。この水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ、触媒反応に必要な所定の温度に加熱する必要があるため、通常、燃料改質装置内にバーナーや触媒燃焼装置などの加熱部を設けている。加熱部に供給される燃焼用燃料としては、原燃料や燃料電池での発電に利用されなかった水素に富んだ改質ガス等が使用される。

この加熱部としては、燃焼用燃料を混合室内に供給して予め空気と十分に混合させる予混合バーナーや、燃焼前の燃焼用燃料が流路内を流れる際の運動エネルギーを利用して空気を流路途中の吸込口から吸い込み、燃焼用燃料と空気を混合させる準予混合バーナー等が挙げられる。

一般的に加熱部１６は、図１０に示すように燃焼用燃料を酸化反応により燃焼させる燃焼部２、この燃焼部２へ空気を供給するための送風部３、空気を燃焼部２へと導く配管で構成される空気導入部４で構成される。前記送風部３としては、例えばファンやブロアに代表される回転体や、ダイヤフラムポンプ等の空気圧縮ポンプが用いられる。このような加熱部１６は、例えば改質反応部１等が多重円筒状に設けられた燃料改質装置Ｂの中心部に配設し、この加熱部１６にて改質反応部１を加熱することにより、熱的なロスを抑制するようにしている。
特開２００２−１０４８０６号公報特開２００４−２８８４３４号公報

しかしながらこのような燃料改質装置Ｂでは、ファン、ブロア、ポンプ等の送風部３からの騒音が大きくなり、特に送風部３の駆動周期と、空気を送風部３から燃焼部２へ導く空気導入部４との気柱共鳴周期が一致した場合、非常に大きな騒音源となる。この騒音は送風部３及び空気導入部４の全体の構成に関わっており、吸音処理が困難である。更に、気柱共鳴により、細孔のノズル等で構成される燃焼部２の圧力変動が発生し、燃焼状態が不安定となり、失火、逆火等が生じる恐れがある。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素系燃料等を原燃料として水素に富んだ改質ガスを製造する燃料改質装置において、騒音発生を抑制すると共に逆火や失火が生じにくい燃料改質装置、及びこの燃料改質装置を用いた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

第１の本発明は、たとえば、原燃料と空気とを反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質反応部１と、前記改質反応部１を加熱するための燃焼部２と、前記燃焼部２へ供給される空気の気流を発生させる送風部３と、前記送風部３と前記燃焼部２とを接続し、前記送風部３で発生した気流を前記燃焼部２へ導く空気導入部４と、前記燃焼部２へ燃焼用燃料を導入する燃料導入部５とを具備し、
且つ、前記送風部３にて発生する音の音源周波数に同調した寸法の内部空間７を有する消音部６を、前記空気導入部４の終端に接続すると共に、前記燃焼部２を前記消音部６と一体に形成して成り、
前記消音部６の内部空間７と空気導入部４とが空気供給口８を介して連通し、
前記消音部６の内部空間７は、前記空気供給口８の開口方向の寸法Ｌが数式
Ｌ＝（１／４）×（Ｃ／ｆ）×ｎ（Ｃは音速を示し、ｎは１以上の任意の整数を示し、ｆは０．９×ｆ_０≦ｆ≦１．１×ｆ_０の条件を満たす数を示し、前記ｆ_０は音源周波数を示す）
に示す寸法を有すると共に、前記空気供給口８の開口方向と直交する方向の断面積が前記空気供給口８の開口面積よりも大きく、
前記空気導入部４に屈曲した流路からなる第二の消音部１２が設けられている、燃料改質装置である。

第２の本発明は、たとえば、前記消音部６の内部空間７と空気導入部４とが空気供給口８を介して連通すると共に、前記空気供給口８からその開口方向への延長線上の位置からずらした位置に前記燃焼部２を配設して成る、第１の本発明の燃料改質装置である。

第３の本発明は、たとえば、前記消音部６の内部空間７と前記空気導入部４とを連通する空気供給口８の開口縁と、前記消音部６の内部空間７と前記燃焼部２とを連通する空気導入口１３の開口縁のうち、少なくとも一方に、消音部６の内部空間７に向けて突出する舌片９を設けて成る、第１又は第２の本発明の燃料改質装置である。

第４の本発明は、たとえば、前記消音部６の内部空間７の内壁面に吸音材１０を設けて成る、第１乃至第３のいずれかの本発明の燃料改質装置である。

第５の本発明は、たとえば、前記消音部６に断熱材１１が設けられている、第１乃至第４のいずれかの本発明の燃料改質装置である。

第６の本発明は、たとえば、前記消音部６を、この消音部６内に供給された空気を燃焼用燃料と予め混合する予備混合室として形成して成る、第１乃至第５のいずれかの本発明の燃料改質装置である。

第７の本発明は、たとえば、第１乃至第６のいずれかの本発明の燃料改質装置Ｂを具備する、燃料電池発電システムである。

第１の本発明によれば、送風部３にて発生する騒音を消音部６で消音することができて、簡便且つ小型の装置構成で燃料改質装置Ｂに静音化を実現することができ、更に気柱共鳴による失火、逆火等の発生を防止することができて、特に家庭用の燃料電池発電システムＡにおける発電燃料の供給源として好適なものである。
さらに、第１の本発明によれば、特に音源周波数並びにその２ｍ＋１倍（ｍは０以上の整数）の各近傍の周波数での消音作用を向上し、消音部６によって送風部３の騒音を更に低減することができるものである。
さらに、第１の本発明によれば、消音部６に加えて、第二の消音部１２によっても消音を行うことができ、更なる静音化を達成することができるものである。

第２の本発明によれば、特に音源周波数並びにその２ｍ＋１倍（ｍは０以上の整数）の各近傍の周波数での消音作用を向上し、消音部６によって送風部３の騒音を更に低減することができるものである。

第３の本発明によれば、特に音源周波数並びにその２ｍ＋１倍（ｍは０以上の整数）の谷間の周波数での消音作用を向上し、消音部６によって送風部３の騒音を更に低減することができるものである。

第４の本発明によれば、特に周波数の高い領域における消音作用を向上することができ、消音部６によって送風部３の騒音を更に低減することができるものである。

第５の本発明によれば、消音部６から外部への熱の放出を防止すると共に燃焼部２による改質反応部１の加熱効率を向上することができるものである。

第６の本発明によれば、消音部６と予備混合室とを兼用することができ、装置構成を小型化しつつ燃焼部２を予混合型に形成することができるものである。

第７の本発明によれば、燃料電池発電システムＡ全体の静音化を達成することができ、特に家庭用の燃料電池発電システムＡとして好適なものである。

以下、本発明または本発明に関連する発明を実施するための最良の形態について説明する。

図７は燃料改質装置Ｂの全体構成の一例を示す概略断面図である。ここに示す燃料改質装置Ｂには、下部に加熱部１６を、この加熱部１６の上方に、円柱状の改質部２０を、この改質部２０の上方に円柱状の接続部２１を、この接続部２１の上方に円柱状のシフト・酸化部２２を設けている。改質部２０の内部は中空の第一通気路２３として形成しており、この第一通気路２３内に改質反応部１を配設している。また接続部２１は内部を第一通気路２３に連通する中空な接続路３１として形成しており、この接続部２１の外壁には、冷却用空気路２４を、接続路３１内に連通させて接続している。またシフト・酸化部２２内は、その外壁２５と同心円状に配置された円筒形の内壁２６にて仕切られており、内壁２６の内部の空間は第二通気路２７として形成され、この第二通気路２７内には、シフト反応部２８を配置している。またこの内壁２６と外壁２５との間の空間は第三通気路２９として形成され、この第三通気路２９内には、ＣＯ選択酸化反応部３０を配置している。ここで第三通気路２９は、下部において、接続路３１と連通しており、また上部は燃料改質装置Ｂ外部に連通させている。このとき、前記第一通気路２３、第二通気路２７、第三通気路２９、及び接続路３１にて構成される伝熱空間３５が、改質部２０内、接続部２１内、及びシフト・酸化部２２内を連通している。

改質反応部１、シフト反応部２８、及びＣＯ選択酸化反応部３０は、それぞれ螺旋状の改質反応管３２ａ、シフト反応管３２ｂ及びＣＯ酸化反応管３２ｃとして形成することができ、改質反応管３２ａ内にはニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の改質触媒が、シフト反応管３２ｂ内には銅−亜鉛系のシフト触媒が、またＣＯ酸化反応管３２ｃ内には、白金、ルテニウム等のＣＯ酸化触媒を充填している。ここで図７に示す例においては、改質反応管３２ａは改質反応部１の外壁の内面に沿って上下方向の螺旋状に形成し、シフト反応管３２ｂはシフト・酸化部２２の内壁２６の内面に沿って上下方向の螺旋状に形成し、またＣＯ酸化反応管３２ｃはシフト・酸化部２２の外壁２５の内面及び内壁２６の外面に沿った上下方向の螺旋状に形成している。

また改質反応管３２ａの上流側の端部には、原燃料供給管３３と水蒸気供給管３４を連通接続して設けるものであり、この図７に示す例においては水蒸気供給管３４は原燃料供給管３３と合流して改質反応管３２ａに接続するようにしている。改質反応管３２ａの下流側の端部とシフト反応管３２ｂの上流側の端部は、接続管３６で連通接続しており、またシフト反応管３２ｂの下流側の端部とＣＯ酸化反応管３２ｃの上流側の端部は、接続管３７で連通接続している。またＣＯ酸化反応管３２ｃの下流側の端部には、改質ガス導出管３８を連通接続して設けている。

加熱部１６にて燃焼反応により生成されるＣＯ₂等の燃焼排ガスは、第一通気路２３に供給されるようにしている。

上記のようにして構成される燃料改質装置Ｂでは、ブタン等の燃焼用燃料と、燃焼用空気とを加熱部１６にそれぞれ供給して、燃焼用燃料を燃焼させる。燃焼用燃料の燃焼により得られる熱エネルギーは、燃焼用燃料の燃焼により発生する燃焼排ガスを媒体として、先ず第一通気路２３を通過し、改質反応部１を、改質反応の反応進行温度である５００〜９００℃まで加熱する。この熱エネルギーは、接続路３１を通じて第二通気路２７へ伝達され、シフト反応部２８をシフト反応の反応開始温度である約２００℃の温度、好ましくは２２０〜２８０℃の温度まで加熱する。更にこの熱エネルギーは、主として内壁２６を介して第二通気路２７から第三通気路２９へ伝達され、ＣＯ選択酸化反応部３０を、ＣＯ選択酸化反応の反応開始温度である約１００℃の温度、好ましくは１２０〜１８０℃の温度まで加熱する。ここで燃焼部２にて発生させた熱エネルギーを、加熱温度の高い反応部から順に伝達させることにより、各反応部を効率良く加熱することができる。上記のように改質反応部１を構成する改質反応管３２ａ、シフト反応部２８を構成するシフト反応管３２ｂ、及びＣＯ選択酸化反応部３０を構成するＣＯ酸化反応管３２ｃを螺旋状に配置することにより、各反応管３２ａ、３２ｂ、３２ｃの表面積を大きくして、加熱効率を更に向上させることができるものである。

このように各反応部を加熱した状態で、原燃料及び水を改質反応部１へ供給して、原燃料の改質を行う。原燃料としてはブタンガス等の炭化水素系の気体または液体の燃料や、アルコール系の燃料等を用いることができる。原燃料は原燃料供給管３３から改質反応部１に送られる。また、改質反応に必要な水は水蒸気供給管３４に供給した水を改質反応部１から受ける熱により気化させたものを原燃料供給管３３に送ることで原燃料と混合してから改質反応部１に送ることができる。この改質反応部１中において改質反応により、原燃料から水素リッチな改質ガスが生成する。水素ガスを充分に含む改質ガスを生成するためには、改質反応は改質反応部１に充填してあるニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の改質触媒の存在下で、５００〜９００℃の温度で進行させるのが好ましい。この改質反応は吸熱反応であるため、改質反応を進めるためには燃料改質装置Ｂの運転中常に改質反応部１に熱エネルギーを供給し続ける。改質反応部１中で生成された改質ガス中には水素ガスの他にＣＯ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等が含まれ、原燃料としてブタンガスを用いた場合ＣＯは改質ガス中に約１０％含む。

この改質反応部１で改質させた改質ガスは接続管３６を通じてシフト反応部２８に送られ、改質ガス中のＣＯの大部分はシフト反応部２８中で水性シフト反応によりＣＯ₂に変換される。この水性シフト反応は、ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂の反応式で表される発熱反応であって、シフト反応部２８に充填してある銅−亜鉛系のシフト触媒の存在下で約２００℃の温度で開始する。水性シフト反応を安定して継続させるにはシフト反応部２８を２２０〜２８０℃の温度とするのが好ましい。この水性シフト反応に必要な水は改質反応で用いられなかった改質ガス中の剰余の水蒸気を利用することができる。そのため水蒸気供給管３４から予め改質反応に必要な水蒸気だけでなく水性シフト反応に必要な水蒸気も改質反応部１に送るようにしておく。シフト反応部２８中の水性シフト反応により改質ガス中のＣＯは約１％まで低減される。

ＣＯを低減された改質ガスは更に接続管３７を通じてＣＯ選択酸化反応部３０に送られ、改質ガスに未だ残存するＣＯがＣＯ選択酸化反応によりＣＯ₂に酸化され、改質ガス中のＣＯ濃度が約５０ｐｐｍにまで低減される。このＣＯ選択酸化反応は、２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂と表される発熱反応であって、ＣＯ選択酸化反応部３０に充填してある白金、ルテニウム等のＣＯ酸化触媒の存在下で約１００℃の温度で開始する。ＣＯ選択酸化反応を安定して継続させるにはＣＯ選択酸化反応部３０を１２０〜１８０℃の温度とするのが好ましい。

上記のように改質反応部１にて生成し、シフト反応部２８及びＣＯ選択酸化反応部３０にてＣＯ濃度を低減した改質ガスはＣＯ選択酸化反応部３０から改質ガス導出管３８を通じて燃料改質装置Ｂ外に導出され、燃料電池Ｃの発電燃料として利用することができる。この改質ガスは上述のようにＣＯ濃度が低減されていることから、ＣＯによる燃料電池Ｃの白金系または合金系電極触媒の被毒を抑制し、電極特性の低下を防止することができる。

図１は、燃料改質装置Ｂにおける加熱部１６の構成の一例を示す。この加熱部１６は、燃焼部２、消音部６、空気導入部４、燃料導入部５及び送風部３で構成されている。

燃焼部２は円筒状に形成された改質反応部１の内側の伝熱空間３５に臨む位置に設けられており、燃焼部２で発生した熱が前記伝熱空間３５を介して改質反応部１に伝達されるようになっている。燃焼部２はバーナーや触媒燃焼装置などで構成されるものであり、空気導入部４から空気が供給されると共に燃料導入部５から燃焼用燃料が供給され、燃焼用燃料を燃焼させることで熱を発生するものである。この燃焼部２の側面には、空気を導入するための開口である空気導入口１３が設けられている。

消音部６はその内部に所定寸法の内部空間７を有する中空容器状に形成されており、その内部に上記燃焼部２が配設されている。内部空間７が占有する形状は特に制限されず、例えば円柱形であったり、直方体や立方体であったりして良い。

空気導入部４は空気が流通する管路にて形成されている。この空気導入部４の終端が空気供給口８を介して内部空間７に連通されており、燃焼用の空気が空気導入部４及び内部空間７を介して燃焼部２に供給されるようになっている。

この空気導入部４に送風部３が設けられており、この送風部３の駆動力によって空気導入部４における空気の流通を生じさせる。送風部３としては、ファンやブロア等の回転翼を有する送風機や、ダイヤフラムポンプ等のポンプを設けることができる。図示の例では送風部３は空気導入部４の管路の途中に設けているが、空気導入部４の管路上に設けるものであれば、例えばこの管路の始端に設けるなど適宜の位置に設ければ良い。

燃料導入部５は、燃焼用燃料が流通する管路にて形成されている。この燃料導入部５は、消音部６の外部からこの消音部６の外壁を貫通し、燃焼部２に直接接続されている。これにより、燃焼部２は、燃焼用燃料と燃焼用空気とが別個に供給され、この燃焼部２の内部で燃焼用燃料と空気とが衝突して酸化反応により熱エネルギーを発生させる拡散型の燃焼部２として形成されている。この燃料導入部５の始端側から供給される燃焼用燃料としては、改質ガスの生成のために用いられるものと同一の原燃料や、改質ガスを燃料電池発電に利用した後に排出される排ガスであって発電に利用されなかった水素が残存するもの等が挙げられる。

本実施形態では、空気供給口８は内部空間７の内壁面を構成する一つの平面状の内壁面（前端面１４）に開口して設けられており、燃焼部２は内部空間７内の前記前端面１４と対向する他の平面状の内壁面（後端面１５）に設けられている。図示の例では空気供給口８と対向する位置、すなわち空気供給口８からこの空気供給口８の開口方向に伸びた延長線上に、燃焼部２が設けられている。

上記消音部６内の内部空間７は、送風部３で発生する音の音源周波数に同調した寸法を有し、そのため、内部空間７内で送風部３で発生する騒音を低減し、また気柱共鳴の発生も防止することができる。

ここで、上記音源周波数は、送風部３で発生する駆動音の周波数ごとの強度に基づき、最も強度が強いピーク値の周波数を選択することができる。この音源周波数は、例えば送風部３の駆動音を実測してその周波数ごとの強度を測定し、その測定結果に基づいて最も強度が強いピーク値を選択することができる。また、特に送風部３がファンやブロア等の回転翼を有する送風機である場合には、その回転翼の羽数と回転速度との積から導出される周波数を音源周波数とすることができる。この場合、回転翼の回転数をＡ（ｓ^-1）、回転翼の羽数をＢとすると、音源周波数はＡ×Ｂ（Ｈｚ）となる。また、送風部３がダイヤフラムポンプ等のポンプである場合には、その駆動周波数を音源周波数とすることができる。

また、送風部３が送風量を調節するなど運転状況を変更可能なものである場合には、最も騒音量が大きくなる場合での運転状況において、上記のように音源周波数を設定することが好ましい。この場合、騒音量が最も大きくなる状態に合わせて消音を行うことができる。

また、音源周波数と同調する寸法とは、内部空間７内で音源周波数の音波が反射することにより逆位相の音波の重ね合わせを生じさせ得るような内部空間７の寸法をいう。

具体的には、内部空間７の、空気供給口８の開口方向の寸法（前端面１４と後端面１５との間の寸法）Ｌが、下記式（１）に示す寸法となるようにする。

Ｌ＝（１／４）×（Ｃ／ｆ）×ｎ…（１）
式（１）中のＣは音速、ｎは１以上の任意の整数、ｆは０．９×ｆ_０≦ｆ≦１．１×ｆ_０の条件を満たす数を示するものであり、またｆ_０は音源周波数を示す。

ここで、ｆの値が音源周波数ｆ_０である場合に、著しい消音作用が期待できるが、ｆの値が０．９×ｆ_０≦ｆ≦１．１×ｆ_０の範囲であれば、十分な消音作用が発揮され得る。また、上記ｎが値は小さい方が装置構成の小型化に寄与することができ、最も好ましいｎの値は１である。

また、空気供給口８は、内部空間７の前端面１４の全面に開口するようにはせず、内部空間７の空気供給口８の開口方向と直交する方向の断面積が、空気供給口８の開口面積よりも大きくなるようにすること、すなわち空気供給口８の開口径Ｄ１が、内部空間７の径（空気供給口８と直交する方向の断面の径）Ｄ２よりも小さくなるようすることが好ましく、このＤ１に対するＤ２の値の比が大きいほど高い消音作用が得られる。

このような消音部６を設ける場合、その消音作用の程度は理論的には次の式（２）で表されるようなものになる。

上記式（２）に基づく、音波の周波数と周波数ごとの消音作用の程度との関係を表したグラフを図５に示す。横軸は周波数を、縦軸は減音量を、それぞれ示す。

すなわち、消音部６は、周波数が上記式（１）中のｆの近傍の音波の強度を著しく低減することができ、また、前記周波数ｆの２ｍ＋１倍（ｍは１以上の整数）の周波数近傍の音波の強度も併せて低減することができるものである。

また、消音部６には断熱材１１を設けることにより、消音部６からの外部への放熱を抑制すると共に加熱効率を向上することができる。断熱材１１は例えば図示のように消音部６の周囲に設けることができる。断熱材１１の材質としては公知のものを適宜採用し得る。断熱材１１は少なくとも発熱源である燃焼部２の近傍、すなわち消音部６の後端面１５側の外面の周囲に設けることが好ましく、図示のように消音部６の外周全体を覆うように設けても良い。このような断熱部１１は、燃焼部２にて発生した熱が消音部６から外部へ放出することを防ぐものであり、またこのため燃焼部２にて発生する熱を効率よく伝熱空間３５に伝達させて、燃焼部２による改質反応部１の加熱効率を向上することができるものである。

ここで、改質反応部１の外周側にも断熱材４０が設けられており、このため改質反応部１から外部への熱の放出も防止され、これによっても加熱効率が向上している。また、上記消音部６の周囲の断熱材１１は、改質反応部１の消音部６が設けられている側の端部をも覆うようにも設けられ、このため、更に改質反応部１からの熱の放出を抑制して加熱効率を向上している。

図２は、加熱部１６の他の形態の例を示す。本実施形態は以下に示す構成を除き、図１に示すものと同様の構成を有している。

当該加熱部１６においては、空気供給口８が、内部空間７の内壁面の前端面１４において、燃焼部２と対向する位置からずれた位置に設けられている。すなわち、内部空間７の後端面１５における、空気供給口８からその開口方向への延長線上の位置からずらした位置に、燃焼部２を配設しているものである。このとき、前記延長線上の位置と燃焼部２の配置位置との間のずれは、少なくとも燃焼部２における空気空気導入口１３の位置と、空気供給口８の開口をその開口方向に投影した軌跡４１とが重ならないようにすることが好ましい。

このように、空気供給口８の位置と燃焼部２の位置とをずらすことで、消音部６による消音作用の程度を向上することができる。

また、本実施形態では、空気供給口８の開口縁に、消音部６の内部の空間に向けて突出する舌片９を設けている。舌片９は、図示のように前記開口縁の全周から突出する筒状に形成することができる。

このように舌片９を設けることで、周波数ｆの近傍、及び周波数ｆの２ｍ＋１倍の近傍の周波数以外の周波数についても、消音作用を向上することができ、消音部６を設けたことによる全体的な消音作用を向上することができる。

このように舌片９を空気供給口８の開口縁に設けるほか、燃焼部２の空気導入口１３に内部空間７に突出する舌片９を設けても良く、また、空気供給口８と空気導入口１３の両方に舌片９を設けても良く、この場合も同様に消音作用の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、内部空間７の内壁面に吸音材１０を設けている。図示の例では、吸音材１０を内部空間７の内周面の全面に亘って設けている。吸音材１０としては適宜のものを採用することができ、例えばガラスウール、ウレタンウール等の多孔質体といった、音波エネルギーを熱エネルギーへ変換できる材料を用いることができる。

このような吸音材１０を設けると、消音部６による消音作用を更に向上することができ、特に周波数の高い音の消音作用を向上することができる。これにより、消音部６による全体的な消音作用を更に向上することができる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態による消音作用を示すグラフである。図６（ａ）は図１に示す形態における理論的な消音作用を破線で示し、これに対して本実施形態のように空気供給口８の位置と燃焼部２の位置とをずらした場合の消音作用を実線で示す。このように、空気供給口８の位置と燃焼部２の位置とをずらすことで、周波数ｆの近傍、及び周波数ｆの２ｍ＋１倍の近傍の周波数での消音作用を向上することができるものである。

また、図６（ｂ）は、更に舌片９を設けた場合の消音作用を実線で示し、図６（ａ）で実線で示されている舌片９を設けない場合の消音作用を破線で示す。このように、舌片９を設けることで、周波数ｆ及びその２ｍ＋１倍の周波数の間の谷間における周波数での消音作用が向上するものである。

また、図６（ｃ）は、更に吸音材１０を設けた場合の消音作用を実線で示し、図６（ｂ）に実線で示されている吸音材１０を設けない場合の消音作用を破線で示す。このように吸音材１０を設けることで、特に高い周波数での消音作用を向上することができるものである。

図３に加熱部１６の更に他の形態の例を示す。本実施形態も、以下に示す構成を除き、図１に示すものと同様の構成を有している。

当該加熱部１６においては、燃料導入部５の終端は消音部６の外部からこの消音部６の外壁を貫通した後、燃焼部２に直接接続されることなく、内部空間７内で開口している。これにより、本実施形態では、内部空間７内に空気導入部４から空気が供給されると共に燃料導入部５から燃焼用燃料が供給され、この空気と燃焼用燃料とが内部空間７内で予備混合された後に、燃焼部２に供給されるようになっている。すなわち、消音部６が、消音部６内に供給された空気を燃焼用燃料と予め混合する予備混合室を兼用するものとして形成されている。このとき、燃焼部２は予め混合された燃焼用燃料と燃焼用空気とが供給される予混合型の燃焼部２として形成されている。

また、内部空間７の内周面には、段部１９が形成されている。この段部１９は、１以上の適宜の数を設けることができ、図示の例では二つの段部１９が設けられている。各段部１９は、内部空間７の後端面１５と対向する面を有している。このような段部１９を設けた箇所では、内部空間７内の段部１９の表面と後端面１５との間の寸法が、後端面１５と前端面１４との間とは異なる寸法となり、この寸法に応じた消音作用が発揮される。すなわち、上述のような周波数ｆ及びその２ｍ＋１倍の周波数の近傍を中心とした消音作用に加えて、前記段部１９の表面と後端面１５との間の寸法に応じた周波数帯での消音作用が付加されることとなり、消音部６による全体的な消音作用が向上することとなる。ここで、図示の例では段部１９は前記の通りその表面が後端面１５と対向するように形成されているが、前端面１４と対向する面を有する段部１９を設ける場合も同様の効果を得ることができ、この場合、前記段部１９の表面と前端面１４との間の寸法に応じた周波数帯での消音作用が付加される。

図４に加熱部１６の別の形態の例を示す。本実施形態では、消音部６を、改質反応部１の内側に配設している。このため、改質反応部１の周囲に設けられた断熱材４０が、消音部１の周囲の断熱材１１としても機能する。すなわち、この断熱部１１（４０）は、燃焼部２にて発生した熱が外部へ放出することを防ぐものであり、このため燃焼部２にて発生する熱を効率よく伝熱空間３５に伝達させて、燃焼部２による改質反応部１の加熱効率を向上することができるものである。また、消音部６と送風部３との間の空気導入部４に、第二の消音部１２を設けている。図示の例では、第二の消音部１２は空気が流通する屈曲した流路として形成されており、このため第二の消音部１２を流通する過程で複雑な音波の反射が生じることにより音波が干渉し合い、消音作用が発揮される。このような第二の消音部１２を設けることで、全体的な消音作用が更に向上する。

尚、第二の消音部１２は、このような屈曲した流路のほか、例えば消音部６と同様の形態のものを設けるなど、適宜の形態のものを設けることができる。

上記加熱部１６の各実施形態は、本発明または本発明に関連する発明の実施形態の一例であり、本発明または本発明に関連する発明は上記各実施形態のものに限られない。例えば各実施形態における各構成要素を適宜組み合わせた加熱部１６を形成することもできる。

このように構成される燃料改質装置Ｂと、この燃料改質装置Ｂにて製造された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池Ｃとを組み合わせて、燃料電池発電システムＡを構成することができる。図８は燃料電池発電システムＡの構成例を示すものであり、燃料改質装置Ｂから導出される改質ガス導出管３８の終端が燃料電池Ｃに接続され、改質ガス導出管３８を通じて改質ガスが発電用燃料として燃料電池Ｃに供給されるようになっている。また、原燃料供給管３３の始端には、ブタン等の原燃焼を貯留するボンベ等からなる燃料貯留部１７が接続されており、燃料貯留部１７から原燃料供給管３３を介し、水蒸気供給管３４と合流して原燃料を燃料改質装置Ｂへ供給するようになっている。また、この原燃料供給管３３から燃料導入部５が分岐しており、前記原燃料を燃料導入部５を介して燃焼用燃料として燃焼部２に供給できるようになっている。また、燃料電池Ｃからは、改質ガスを燃料電池発電に利用した後に排出される排ガスが流通する排ガス流路１８が導出されており、この排ガス流路１８の終端は燃料導入部５に合流し、前記排ガスも燃焼用燃料として利用できるようになっている。

図２に示す構成の加熱部１６を備える燃料改質装置Ｂを燃料電池発電システムＡに組み込み、この燃料電池発電システムＡを運転した場合の、騒音試験を行った。

このとき、測定対象である燃料電池発電システムＡは防音室の中央に設置し、騒音値を測定するマイクロホンは燃料電池発電システムＡから１ｍ離れた位置に設置した。マイクロフォンは人間の可聴域特性を模擬したＡ特性フィルターをかけて使用した。

ここで、燃料改質装置Ｂにおける送風部３としては、羽数１０枚の回転翼を有する軸流ファンを使用した。ここで用いた送風部３からの騒音が最も大きくなるのは、ファンを７３００ｒｐｍの回転数で運転させた状態であるため、それに基づき、音源周波数を７３００÷６０×１０＝１２２０（Ｈｚ）と設定し、上記式（１）により内部空間７の前端面１４と後端面１５との間の寸法Ｌを７０ｍｍとした。

また、消音部６を設けない以外は同一の条件とした場合についも、同様に騒音試験を行った。

騒音の測定結果を図９に示す。この図９（ａ）は騒音の測定結果をフーリエ変換周波数分析した結果である。これにより、消音部６を設けない場合に測定される１２２０Ｈｚの強いピークの強度が、消音部６を設けた場合に低減されていることが確認できる。また、図９（ｂ）は１／３オクターブ周波数分析を行った結果である。これにより、消音部６を設けることで約１８ｄＢの消音作用が得られたことが確認できる。

本発明に関連する発明の実施の形態の要部の一例を示す概略断面図である。同上の他例を示す概略断面図である。同上の更に他例を示す概略断面図である。同上の更に他例を示す概略断面図である。図１に示す実施の形態における消音効果を示すグラフであり、横軸は周波数、縦軸は減音量を示す。（ａ）乃至（ｃ）は図２に示す実施の形態における消音効果を示すグラフであり、横軸は周波数、縦軸は減音量を示す。燃料改質装置の構成の一例を示す概略断面図である。燃料電池発電システムの構成の一例を示す概略図である。実施例における騒音測定結果を示すものであり、（ａ）はフーリエ変換周波数分析した結果を示すグラフ、（ｂ）は１／３オクターブ周波数分析を行った結果のグラフである。従来技術の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

Ａ燃料電池発電システム
Ｂ燃料改質装置
１改質反応部
２燃焼部
３送風部
４空気導入部
５燃料導入部
６消音部
７内部空間
８空気供給口
９舌片
１０吸音材
１１断熱材
１２第二の消音部
１３空気導入口

Claims

原燃料と空気とを反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質反応部と、前記改質反応部を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部へ供給される空気の気流を発生させる送風部と、前記送風部と前記燃焼部とを接続し、前記送風部で発生した気流を前記燃焼部へ導く空気導入部と、前記燃焼部へ燃焼用燃料を導入する燃料導入部とを具備し、
且つ、前記送風部にて発生する音の音源周波数に同調した寸法の内部空間を有する消音部を、前記空気導入部の終端に接続すると共に、前記燃焼部を前記消音部と一体に形成して成り、
前記消音部の内部空間と空気導入部とが空気供給口を介して連通し、
前記消音部の内部空間は、前記空気供給口の開口方向の寸法Ｌが数式
Ｌ＝（１／４）×（Ｃ／ｆ）×ｎ（Ｃは音速を示し、ｎは１以上の任意の整数を示し、ｆは０．９×ｆ_０≦ｆ≦１．１×ｆ_０の条件を満たす数を示し、前記ｆ_０は音源周波数を示す）
に示す寸法を有すると共に、前記空気供給口の開口方向と直交する方向の断面積が前記空気供給口の開口面積よりも大きく、
前記空気導入部に屈曲した流路からなる第二の消音部が設けられている、燃料改質装置。
前記消音部の内部空間と空気導入部とが空気供給口を介して連通すると共に、前記空気供給口からその開口方向への延長線上の位置からずらした位置に前記燃焼部を配設して成る、請求項１に記載の燃料改質装置。
前記消音部の内部空間と前記空気導入部とを連通する空気供給口の開口縁と、前記消音部の内部空間と前記燃焼部とを連通する空気導入口の開口縁のうち、少なくとも一方に、消音部の内部空間に向けて突出する舌片を設けて成る、請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
前記消音部の内部空間の内壁面に吸音材を設けて成る、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料改質装置。
前記消音部に断熱材が設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料改質装置。
前記消音部を、この消音部内に供給された空気を燃焼用燃料と予め混合する予備混合室として形成して成る、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料改質装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料改質装置を具備する、燃料電池発電システム。