JP5987258B2 - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に備えられる改質装置に関する。

近年、次世代エネルギとして、複数の燃料電池セルスタックを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されており、それに伴い、その燃料電池に使用される燃料ガスを、改質により生成する改質器も種々提案されている。その一つとして、特許文献１に開示された改質器が挙げられる。

特許文献１には、燃料電池セルユニットの上方に改質器が配設されており、被改質ガスを導入する導入管が改質器の一端側の底面に垂直に接続された構成が開示されている。この改質器は、導入管からの被改質ガスを一時的に流入させるバッファータンクと改質触媒を収容する触媒収容室との間が、鉛直方向に長いスリット状の連通孔を有する仕切板によって仕切られており、導入管より導入された被改質ガスは、この連通孔から触媒収容室へ流出することにより、改質触媒へと接触し、改質される。

特開２０１１−２１０６３１号公報

ところが、このような構成の改質器においては、改質器底面から導入された被改質ガスのバッファータンク内面に沿う移動により、一部の被改質ガスが、連通孔が形成された仕切板表面と平行で、なおかつ、連通孔の長手方向（鉛直方向）と垂直な軸の回りを回転する渦を生じる。連通孔の上下に存在する仕切板の表面は小さいため、その渦を巻く被改質ガスは、仕切板表面にほとんど衝突することなく、仕切板の連通孔の一部から渦によって描かれる回転円の接線方向に流出してしまう。この接線方向に流出する被改質ガスと、連通孔より流出するその他の被改質ガスの流速は異なるため、連通孔から排出される被改質ガスの流速は連通孔における流出位置によってばらつきを生じ、均一とはならない。そして、触媒収容室に流出した被改質ガスの内、大きな流速を有する被改質ガスは、触媒収容室内で分散しづらいことから、触媒収容室の一部の空間ばかりを通過するため、その空間における被改質ガスの流量が大きくなってしまう。このため、改質触媒の改質反応速度によっては、その空間を流れる被改質ガスが十分に改質触媒により改質されないまま、燃料電池セルへと供給されてしまう。すなわち、所定の精製度に達していない改質ガスが燃料電池セルへ供給されてしまうため、燃料電池セルが早期に劣化するという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料電池セルの早期劣化を防止することが可能な燃料電池用改質装置の提供を目的とする。

本発明に係る燃料電池用改質装置は、改質触媒を収容する触媒収容室と、この触媒収容室に隣接し、触媒収容室へ被改質ガスを供給するために一時的に被改質ガスを流入させるバッファータンクと、このバッファータンクと触媒収容室との間を仕切ると共に、バッファータンクと触媒収容室とを連通させる長孔状の連通孔を有する仕切部材と、被改質ガスをバッファータンクへ導入する被改質ガス導入管とを有する燃料電池用改質装置において、仕切部材の長孔状の連通孔は、その短手方向が、バッファータンクへの被改質ガスの導入方向に伸びる直線を仕切部材へ投影させた投影線と平行になるよう設けられていることを特徴とする。

このように構成された本発明は、連通孔の短手方向が、被改質ガスの導入方向に伸びる直線を仕切部材へ投影させた投影線と平行になるように連通孔を設けることによって、連通孔の短手方向に存在する仕切部材の面積を大きく設けるようになしている。これにより、バッファータンクの内壁面と衝突することによって連通孔の長手方向と略平行な軸周りに渦を巻く被改質ガスは、その軸周りに回転する際、上記連通孔の短手方向に存在する仕切部材に接触および衝突しやすくなる。その上、衝突により跳ね返った被改質ガス等の存在により、仕切部材近傍でも、被改質ガス同士が接触および衝突しやすくなるため、こうした接触および衝突を通して、バッファータンク内の仕切部材近傍における被改質ガスの運動エネルギが均一化されていく。これにより、連通孔から流出する被改質ガスの流速が、連通孔の略全体において均一となるため、連通孔より流出した被改質ガスが触媒収容室の一部の空間のみに大量に集中して流れることを防止することができ、これにより、所定の精製度に達していない改質ガスが燃料電池セルへ供給されることを抑制することができ、燃料電池セルの早期劣化を防止することが可能となる。

さらに、本発明では、被改質ガス流入方向に伸びる直線を仕切部材へ投影させた投影線に対して垂直な方向における連通孔の寸法を大きく設けていることから、連通孔の開口断面積を大きく確保することができるため、仕切部材近傍の触媒収容室の空間により広く被改質ガスを流出させることができる。したがって、より一層、連通孔より流出した被改質ガスが触媒収容室の一部の空間のみに大量に集中して流れることを抑制することができる。

本発明は、好ましくは、仕切部材には、連通孔が複数設けられており、連通孔は、その長手方向において、バッファータンクの被改質ガス導入位置に近いものほど、連通孔の短手方向の寸法を小さくする。

渦を巻く被改質ガスの運動エネルギは、連通孔の長手方向においては、バッファータンクの被改質ガスの導入位置に近いほど大きい。したがって、本発明のように、導入位置に近い連通孔ほど、その短手方向の寸法を小さくすることにより、連通孔の短手方向に存在する仕切部材の面積をよりたくさん設け、バッファータンク内の仕切部材近傍における被改質ガスの運動エネルギをより一層均一にしやすくすることにより、各連通孔から流出する被改質ガスの流速を各連通孔の略全体においてより均一にでき、さらに各連通孔から流出する被改質ガスの流速をも均一にすることが可能となる。これにより、連通孔より流出した被改質ガスが触媒収容室の一部の空間のみに大量に集中して流れることをより確実に抑制することができるため、燃料電池セルの早期劣化を防止することが可能となる。

仕切部材には、連通孔が複数設けられており、連通孔は、その長手方向において、被改質ガス導入位置に近いものほど連通孔の長手方向の寸法を小さくする。

上記のように、連通孔の長手方向においては、渦を巻く被改質ガスの運動エネルギはバッファータンクの被改質ガスの導入位置に近いほど大きい。したがって、連通孔の長手方向において、導入位置に近い連通孔ほどその長手方向の寸法を小さくし、バッファータンク内の仕切部材近傍における被改質ガスの運動エネルギをより一層均一にしやすくすることにより、各連通孔から流出する被改質ガスの流速をより均一にすることが可能となる。これにより、連通孔より流出した被改質ガスが触媒収容室の一部の空間のみに大量に集中して流れることをより確実に抑制することができ、燃料電池セルの早期劣化を防止することが可能となる。

本発明の燃料電池用改質装置によれば、燃料電池セルの早期劣化を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る改質器が装着された燃料電池モジュールの概略図。 本発明の第１実施形態に係る改質器の斜視図。 図２の改質器を、その長手方向に沿って切断した断面斜視図。 本発明の第１実施形態に係る改質器の仕切部材近傍の斜視図。 本発明の第１実施形態に係る仕切部材の正面図。 図４のＭ方向（側方）から見た本発明の第１実施形態に係る改質器内の被改質ガスの流れの様子を表す概略図。 図４のＮ方向（上方）から見た本発明の第１実施形態に係る改質器内の被改質ガスの流れの様子を表す概略図。 本発明の第１実施形態における仕切部材の連通孔より流出する被改質ガスの様子を表す斜視図。 本発明の第２実施形態に係る仕切部材の正面図。 図４のＮ方向（上方）から見た本発明の第２実施形態に係る改質器内の被改質ガスの流れの様子を表す概略図。 図１０の一点鎖線で囲まれた領域の被改質ガスの流れの様子を表す概略図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る改質器２（改質装置）を備えた燃料電池モジュール１の概略図である。図１に示すように、本実施形態に係る改質器２は、燃料電池モジュール１のケーシング５内部に配設され、図示しない供給源より供給された被改質ガスを、改質器２内部で改質した後、その改質された被改質ガス（以下、燃料ガスという）を燃料電池セル６へと供給する。なお、改質器２へ供給される被改質ガスには、外部より供給され、一時的に被改質ガス貯留部９に貯留されていた被改質ガスが用いられる。また、改質器２より排出される燃料ガスは、燃料ガス供給管１２を通り、燃料ガスタンク８に流入した後、燃料電池集合体７を構成する各燃料電池セル６内部へと供給される。

図２は、本発明の実施形態に係る改質器２の斜視図である。また、図３は、図２の改質器を、その長手方向に沿って切断した断面斜視図である。

改質器２は、被改質ガスの改質に使用される改質触媒１４（図４参照）が数多く収容された触媒収容室１６と、この触媒収容室１６の両端に隣接して設けられたバッファータンク１８ａ、１８ｂと、このバッファータンク１８ａ、１８ｂの底面にそれぞれ接続された被改質ガス導入管４および燃料ガス供給管１２から構成されており、改質収容室１６とバッファータンク１８ａ、１８ｂとの間は、それぞれ仕切部材２０により仕切られており、この仕切部材２０には、バッファータンク１８ａ、１８ｂと改質収容室１６とを連通する連通孔２２が設けられている。

バッファータンク１８ａには、被改質ガス導入管４より導入された被改質ガスが一時的に流入し、その後、被改質ガスは連通孔２２より触媒収容室１６へ流出する。一方、バッファータンク１８ｂには、触媒収容室１６内での被改質ガスの改質により生成された燃料ガスが連通孔２２を介して流入し、その後、その燃料ガスは供給管１２へと供給される。

図４は、図２の改質器２の上面と一側面を取り外した、被改質ガス導入部側における仕切部材２０近傍の拡大図であり、図５は、仕切部材２０の正面図である。これらの図が示すように、仕切部材２０には、同一形状の長孔状の連通孔２２ａが、左右に上下二つずつ形成されている。なお、これらの連通孔２２ａは上下左右対称に形成されており、全ての連通孔２２ａは、その短手方向が、バッファータンク１８ａへの被改質ガス流入方向に伸びる直線を仕切部材２０へ投影させた投影線と平行になるように形成されている。本実施形態においては、被改質ガス導入管４がバッファータンク１８の底面に垂直に接続され、被改質ガスは図５の上下方向上向きに導入される。

また、触媒収容室１６には、多数の改質触媒１４が収容されており、連通孔２２ａの短手方向の寸法（Ｈ１）は、この改質触媒１４の直径よりも小さくなるよう形成されている。これにより、触媒収容室１６の改質触媒１４が、連通孔２２ａよりバッファータンク１８ａへこぼれ落ちることはない。あるいは、仕切部材２０に網体を設けるなどして、改質触媒１４が連通孔２２ａからバッファータンク１８ａに流れ込まないようにしておいてもよい。なお、改質触媒１４としては、セラミックの球体表面にニッケルやルテニウムを付与したもの等が適宜用いられる。

また、バッファータンク１８ａの底面１５に設けられた導入部２８は、バッファータンク１８ａと被改質ガス導入管４との接続部であり、この導入部２８は、連通孔２２ａの長手方向において、底面１５の略中心となる位置に設けられている。

次に、改質器２へ被改質ガス（以下、ガスという）を供給しているときのバッファータンク１８ａ内のガスの流れの様子について説明する。

図６および図７はそれぞれ、改質器２の内部を図４のＭ方向およびＮ方向から見た、バッファータンク１８ａ内のガスの流れの様子を表す説明図である。図６に示すように、バッファータンク１８ａ内では、導入部２８より上下方向上向きに導入されたガスがバッファータンク１８ａの内壁面に衝突することによって、連通孔２２ａの長手方向と略平行な軸２６周りに回転するガスの渦（図中Ｘ）を生じる。

なお、本実施形態においては、連通孔２２ａの短手方向が、バッファータンク１８ａへのガス流入方向に伸びる直線を仕切部材２０へ投影させた投影線と平行になるよう連通孔２２ａを形成しており、ガスの回転方向に沿う、連通孔２２ａの短手方向の仕切部材２０の面積（例えば、図５の一点鎖線で囲まれたＡ領域に占める仕切部材２０の面積）を十分に確保している。

バッファータンク１８ａ内で回転するガスは、連通孔２２ａから触媒収容室１６へ流出するガスの流れに巻き込まれて、仕切部材２０へ向って流れていくため、連通孔２２ａの短手方向の連通孔近傍の仕切部材２０の面積を大きくしている本実施形態においては、ガスが仕切部材２０表面に非常に接触および衝突しやすい。また、これに伴い、仕切部材２０の表面を沿って流れるガス同士の衝突も生じやすくなる。さらに、こうした衝突により跳ね返ったガスが、仕切部材２０に向ってくるガスと衝突するなど、仕切部材２０の近傍においても接触および衝突が生じやすい。

こうした接触および衝突により、ガスはバッファータンク１８ａ内の仕切部材２０の近傍において、その運動エネルギが均一化されるため、連通孔２２ａより触媒収容室１６へ流出するガスの流速は、図８に示すように、連通孔２２ａの略全体において均一となり、ガスは連通孔２２ａの開口断面と略垂直な方向へ略同一の流速で流出していく。そして、連通孔２２ａより流出したガスは、流出方向へ進行しつつ、上下左右へ均一に分散していく。なお、流出前に仕切部材２０の近傍において、ガスの運動エネルギが略均一になっていることから、従来のように連通孔２２ａより流出した一部のガスの流速が大きくなることがなく、連通孔２２ａより流出したガスは、流出後、比較的早期に上下左右へ均一に分散していく。したがって、仕切部材２０近傍の触媒収容室１６の空間へもガスが流れていくため、ガスが触媒収容室１６内全体に略均一に分散する。したがって、本実施形態の燃料電池用改質装置においては、触媒収容室１６の一部の空間のみに集中的に大量のガスが流れることを抑制することができ、これより、所定の精製度に達していない燃料ガスが燃料電池セルへ供給されることを防止できることから、燃料電池セルの早期劣化を防止することができる。

また、本実施形態のように、ガス流入方向に伸びる直線を仕切部材２０へ投影させた投影線と垂直な方向の連通孔２２ａの寸法が、投影線と平行な方向の連通孔２２の寸法よりも大きくなるよう形成することによって、連通孔２２ａの開口断面積を大きく設けることができるため、図７に示すように、触媒収容室１６の仕切部材２０近傍の空間に、より広範囲にわたってガスを流出させることができる。

さらに、本実施形態においては、連通孔２２ａが上下左右対称に仕切部材２０に形成されているため、連通孔２２ａより流出したガスが、触媒収容室１６内部でより均一に分散しやすい。

本発明の実施形態によれば、以上のように、触媒収容室１６内の一部の空間に大量のガスが集中して流れていくことを抑制し、触媒収容室１６内を流れるガスが十分に改質触媒１４により改質されるようにすることで、燃料電池セルの早期劣化を防止することができる。

続いて、本発明における第２実施形態について説明する。

第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、仕切部材２０に設けられた連通孔２２の個数と寸法である。図９は、本発明の第２実施形態の仕切部材２０の正面図であり、この図に示すように、本実施形態の仕切部材２０には、第１実施形態とほぼ同一寸法の連通孔２２ｂが、仕切部材２０の左右それぞれに、上下に１つずつ設けられており、さらに、長孔の長手方向および短手方向のどちらの寸法も連通孔２２ｂより小さい連通孔２２ｃが、仕切部材２０の左右それぞれにおいて、連通孔２２ｂの内側に、上下１つずつ設けてある。（図９中、Ｗ１＞Ｗ２かつＨ１＞Ｈ２である。）なお、これらの連通孔２２ｂ、２２ｃは全て、その短手方向が、バッファータンク１８ａへのガス流入方向に伸びる直線を仕切部材２０へ投影させた投影線と平行になるよう仕切部材に形成してある。

次に、本実施形態におけるガスの流れについて説明する。図１０は、本実施形態における改質器２の内部を、図４のＮ方向から見た場合のガスの流れの様子を表す説明図である。

図１０に示すように、導入部２８より導入されたガスは、バッファータンク１８ａ内を、渦を巻きながら導入部２８から離れていく方向へ移動していく。導入部２８近傍のガスは、バッファータンク１８ａに導入されたばかりであり、大きな運動エネルギを有していることから、導入部２８近傍に連通孔２２が存在する場合、その連通孔２２からは、渦を巻くガスがその渦により描かれる回転円の接線方向へそのまま流出していきやすい。したがって、本実施形態の連通孔２２ｃのように、仕切部材２０に設けられた連通孔２２ｂ、２２ｃの長手方向において、導入部２８に近いものほど、その連通孔の長手方向および短手方向における寸法を小さくすることによって、連通孔２２ｃ周辺で、よりガスの仕切部材２０への接触および衝突、さらに、ガス同士の接触および衝突を生じやすくさせ（図１１参照）、バッファータンク１８ａの仕切部材２０全面の近傍におけるガスの運動エネルギを均一にすることにより、各連通孔２２ｂ、２２ｃより流出するガスの流速を各連通孔２２ｂ、２２ｃの全体において均一にすることができ、さらに、各連通孔２２ｂ、２２ｃより流出するガスの流速をも均一にすることが可能となるため、より確実に触媒収容室１６内において、ガスを均一に分散させることができ、所定の精製度に達していない燃料ガスが燃料電池セルへ供給されることを抑制することができる。

１…燃料電池モジュール
２…改質器
３…改質容器
４…被改質ガス導入管
５…ケーシング
６…燃料電池セル
７…燃料電池セル集合体
８…燃料ガスタンク
９…被改質ガス貯留部
１０…基台
１２…燃料ガス供給管
１４…改質触媒
１５…底面
１６…触媒収容室
１８ａ、１８ｂ…バッファータンク
２０…仕切部材
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…連通孔
２４…上面
２６…軸
２８…導入部

Claims (3)

1. 改質触媒を収容する触媒収容室と、
   前記触媒収容室に隣接し、前記触媒収容室へ被改質ガスを供給するために一時的に被改質ガスを流入させるバッファータンクと、
   前記バッファータンクと前記触媒収容室との間を仕切ると共に、前記バッファータンクと前記触媒収容室とを連通させる長孔状の連通孔を面に有する板状の仕切部材と、
   被改質ガスを前記バッファータンクの底面に設けられた導入部を介して前記バッファータンクの内部へ導入する被改質ガス導入管と、を有する燃料電池用改質装置において、
   前記被改質ガス導入管は、前記バッファータンクへの被改質ガスの導入方向が前記仕切り部材の面と平行になるように、バッファータンクの下方に配設されており、
   前記仕切部材の長孔状の連通孔は、前記導入部より導入された被改質ガスが前記バッファータンクの内壁面を沿って移動することにより生じる垂直方向に延在する軸の回りを回転する渦のために、前記連通孔における排出位置により前記被改質ガスの流速がばらつくことを抑制するように、その短手方向が、前記バッファータンクへの被改質ガスの導入方向に伸びる直線を前記仕切部材へ投影させた投影線と平行になるよう設けられていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
2. 前記仕切部材には、前記連通孔が複数設けられており、
   前記連通孔は、その長手方向において、前記導入部に近いものほど、前記連通孔の短手方向の寸法を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
3. 前記仕切部材には、前記連通孔が複数設けられており、
   前記連通孔は、その長手方向において、前記導入部に近いものほど、前記連通孔の長手方向の寸法を小さくすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用改質装置。

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