JP6640962B2 - 改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池セルに供給する改質ガスを生成するための改質器、それを具備するセルスタック装置および燃料電池モジュールならびに燃料電池装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、改質ガス（燃料ガス、言い換えると水素含有ガスともいう。）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。燃料電池セルとして、内部を改質ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板状で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けた固体酸化物形燃料電池セルが挙げられる。燃料電池モジュールは、この燃料電池セルを複数配列した燃料電池セルスタックをハウジング内に収容して構成され、約６００℃〜１０００℃の温度で発電運転される。
ここで、発電のための改質ガスとしては、水素含有ガスが使用され、水素含有ガスと酸素含有ガス（通常は空気が用いられる）とを燃料電池セルに供給し、酸素含有ガスを燃料電池セルの酸素極に接触させるとともに、水素含有ガスを燃料電池セルの燃料極と接触させることによって、所定の電極反応が生じて、発電が行われる。このために、燃料電池セルに供給する水素含有ガスを生成するにあたっては、例えば、天然ガス等の炭化水素と水蒸気とで改質反応させて水素含有ガスである改質ガスを生成する水蒸気改質法が知られており、そのような改質を行うための改質器も種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開ＷＯ２００９／１１９６１６
本開示の改質器は、原燃料ガスと水とが供給されて改質反応を行う、水平方向に延びた筒状の改質器本体を有している。改質器本体の内部には、水蒸気を発生させる気化部と、該気化部で発生した水蒸気を原燃料ガスと反応させて改質ガスを生成する改質部と、を含む。前記改質器本体は、少なくとも内周面または外周面のいずれかに、凸部および他の部位よりも表面粗さの粗い粗部のうち少なくとも一方が設けられている。
第１実施形態のセルスタック装置の一例を示す構成図である。 第１実施形態の改質器の構成の一例を示す斜視図であり、改質器の内部が見えるように一部を切り取って示した外観斜視図である。 第１実施形態の改質器の構成の一例を示す断面図であり、図１のＡ部を拡大して断面視した図である。 第１実施形態の一例の改質器の、中心軸線に垂直な断面の断面図であり、図３のＸ−Ｘ部の断面図である。 第２実施形態の改質器１Ａの構成の一例を示す断面図である。 第２実施形態の一例の改質器１Ａの、中心軸線１４に垂直な断面の断面図であり、図５のＹ−Ｙ部の断面図である。 第２実施形態の一例の改質器１Ａの、中心軸線１４に垂直な断面の断面図であり、図５のＺ−Ｚ部の断面図である。 中心軸線方向から見た蓋体１５を示す図である。 蓋体１５の断面図である。 第３実施形態の改質器１Ｂの構成の一例を示す断面図である。 本実施形態の一例の改質器１Ｂが備える、改質器本体２と蓋体１５との結合部の構成の一例を示す断面図であり、図９のＢ部を拡大して示した図である。 燃料電池モジュールの中心軸線に垂直な断面における断面図である。 燃料電池モジュール内を側方から見た概略図である。 本実施形態の一例の燃料電池装置の構成を示す分解斜視図である。
図１は、第１実施形態のセルスタック装置２０の一例を示す構成図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。図１に示すセルスタック装置２０は、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セル２２を複数個立設させた状態で配列し、間に集電部材（図示せず）を介して互いに電気的に接続したセルスタック２３の上方に改質器１を配置したものである。
セルスタック２３を構成する燃料電池セル２２の下端が、燃料電池セル２２に改質ガス（水素含有ガス）を供給するマニホールド２１に絶縁性の接着材によって固定されており、マニホールド２１の端部に改質ガス供給管１０の一方端が接続されている。また、改質ガス供給管１０の他方端は後述する改質ガス送出口９に接続されている。なお、ここでいうマニホールド２１の端部とは、マニホールド２１の側面のうち燃料電池セル２２の配列方向と直交する側面であり、改質器１の改質ガス送出口９の側と同じ側の側面を意味する。なお、マニホールド２１を介して改質ガスが燃料電池セル２２に供給されればよく、改質ガス供給管１０の一方端は、マニホールド２１の上面や下面に接続されていてもよい。
なお、セルスタック２３の両端部には、燃料電池セル２２の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材（図示せず）が配置されている。ここで、燃料電池セル２２としては、例えば、内部を改質ガスが長手方向に流通する改質ガス流路を有する中空平板状で、支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に設けた固体酸化物形燃料電池セルが挙げられる。なお、燃料電池セル２２として固体酸化物形燃料電池セルを用いる場合には、燃料電池セル２２の発電温度が、６００℃〜１０００℃程度と非常に高温となる。なお、燃料電池セル２２としては、いわゆる円筒型や横縞型を用いることもできる。
上述のセルスタック装置２０においては、後述する改質器１に天然ガスや灯油等の原燃料を供給して改質反応を行なう。この改質反応により得られる改質ガスを、改質ガス供給管１０を介してマニホールド２１に供給し、マニホールド２１に供給された改質ガスが燃料電池セル２２に供給される。さらに、燃料電池セル２２の外側から酸素含有ガスとして空気が供給され、改質ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて、燃料電池セル２２において発電が行なわれる。
また、セルスタック２３と改質器１との間に位置する燃焼部２４において、燃料電池セル２２における発電に使用されなかった余剰の改質ガスを燃焼させる構成とする。これにより、余剰の改質ガスが燃焼することにより生じる燃焼熱によって改質器１の温度を上昇させることができる。それゆえ、改質器１において効率よく改質反応を行なうことができる。なお、図１において、ガスの流れを図中の矢印を用いて示している。本実施形態の燃料電池モジュールは、上述のセルスタック装置２０を収納容器内に収納したものであり、また本実施形態の燃料電池装置は、この燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを作動させるための補機と、燃料電池モジュールおよび補機を収容する外装ケースとを備えたものである。
図２は、第１実施形態の改質器１の構成の一例を示す斜視図であり、改質器１の内部が見えるように一部を切り取って示した外観斜視図である。図２の改質器１は、一方端部に原燃料ガスおよび水が供給される供給口７が設けられ、水平方向に延びた筒状の、改質器本体２を備えたものである。
そして、この改質器本体２の内部に、供給口７から原燃料ガスと水とが供給される導入部１３と、この水から水蒸気を発生させる気化部３と、気化部３で発生した水蒸気を原燃料ガスと改質反応させて改質ガスを生成する改質部５（第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂ）と、を含んでいる。改質器１において、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうにあたっては、導入部１３に供給した水を気化部３にて水蒸気に気化させて原燃料ガスと混合し、水蒸気が混合した原燃料ガスを第１改質部５ａに供給する。なお、導入部１３は、導入された水の一部が気化する場合があることから、気化部としての機能も有している。また、第１改質部５ａと第２改質部５ｂとに区分することなく、１つの改質部５としてもよい。また、改質器本体２の他方端部には、改質ガスを送出する改質ガス送出口９が設けられている。
ここで図２に示す改質器１は、改質器本体２の中心軸線１４に垂直な方向に延びた、改質器本体２を区画している、３つの仕切壁１１をさらに有している。この仕切壁１１はそれぞれが、原燃料ガスおよび水蒸気ならびに改質ガスが流通可能な流通可能部１２を、下方側に有している。ここで下方側とは、改質器１の内部の、高さ方向において下端からおよそ２／３の高さまでの領域である。また、仕切壁１１の流通可能部１２以外の部分は遮蔽されており、原燃料ガスおよび水蒸気ならびに改質ガスを流通させない流通不可部となっている。なお、仕切壁１１を、伝熱性の高い部材によって形成することにより、改質器本体２の内部を流れる流体および改質触媒への伝熱を促進することができ、それによって改質効率を向上させることができる。
流通可能部１２は仕切壁１１の開口部に取り付けられた網目状の部材によって構成されてもよい。あるいは、１方向に細長く延びた複数の開口部として、仕切壁１１に設けられた複数のスリット状の切り込みによって構成されてもよい。改質器１の内部は、３つの仕切壁１１によって、供給口７の側から改質ガス送出口９の側にかけて、導入部１３、気化部３、第１改質部５ａ、および第２改質部５ｂの順に区画されている。なお、導入部１３また気化部３を設けない構成とすることもできる。改質器１が備える仕切壁１１は、１つまたは２つでもよく、４つ以上でもよい。なお上記の仕切壁１１において、下方側にのみ流通可能部１２を設けた例を示したが、高さ方向全体に流通可能部１２を設けてもよい。ただし、この場合であっても、後述するように最上部は流通不可部とすることができる。
ここで、供給管８は、原燃料供給管と水供給管の二重管とすることも可能である。なお、二重管とする場合においては、原燃料供給管の内側に水供給管を設けるほか、水供給管の内側に原燃料供給管を設ける形状とすることもできる。ただし、原燃料供給管と水供給管とを別々に設けることももちろん可能である。
図３は、第１実施形態の改質器１の構成の一例を示す断面図であり、図１のＡ部を拡大して断面視した図である。図示していないが、気化部３にはセラミックボールを備えることができる。それにより、気化部３内の表面積を増加させることができ、効率的に原燃料ガスの温度を上昇させることができるほか、第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂにて水蒸気改質を行うにあたり供給された水を効率よく水蒸気に気化させることができる。
第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂの内部には、図２および図３においては図示されていない、改質反応に用いられる改質触媒が備えられている。なお改質触媒としては改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることができる。例えば、γ−アルミナやα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。また改質触媒は第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂにおいて行う改質反応に合わせて適宜一般的に知られている改質触媒を用いることができる。仕切壁１１は、図示されない、気化部３内のセラミックボールと、第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂ内の改質触媒に、偏りが生じることを防いでいる。
このとき、改質触媒は自重により沈み込んで下方に偏在し、上方において改質器本体２の内面との間に隙間が生じる。このため仕切壁１１の全体が流通可能部１２となっている場合には、原燃料ガスや水蒸気が加熱されて温度上昇し上方を流れることによって、原燃料ガスや水蒸気と改質触媒との接触効率が低下し、十分な改質反応を行なうことができないおそれがある。この場合、改質ガスを生成する効率が低下するだけでなく、改質が十分に行なわれていない改質ガスが燃料電池セル２２に供給されると、燃料電池セル２２に炭素析出が生じ、燃料電池セル２２が劣化するおそれがある。
これに対して、本実施形態の改質器１は、流通可能部１２を仕切壁１１の下方側に有しているので、改質器１内で流体が下方を流れて改質触媒との接触効率が向上し、効率よく原燃料ガスと水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成することができる。なお、原燃料ガスおよび水蒸気ならびに改質ガスを流通させない流通不可部を仕切壁１１の上方側に有している場合には、改質器１内で流体が下方をさらに流れやすくすることが可能である。また、改質反応が十分に行なわれていない改質ガスが燃料電池セル２２に供給されることを抑制することができるので、燃料電池セル２２の発電効率の低下や、燃料電池セル２２の劣化を抑制することができる。
ここで、図１，２，３に示すように、供給口７は、改質器本体２の一方端部において、中心軸線１４よりも上側に設けられている。燃料電池モジュール内に改質器１が配置された場合に、燃料電池モジュールの内部においては、燃料電池セル２２における発電および燃焼部２４における燃焼によって、上方が高温となっている。このため、燃料電池モジュールの上方に配置される改質器１においては、供給口７が上方に位置していることによって、改質器１に供給される原燃料ガスや水の温度が上昇し、改質器１において効率よく水蒸気を生成できるほか、原燃料ガスと水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成することができる。
またここで、改質器１は、改質器１の下方に位置する燃焼部２４における燃焼によって加熱されるので、改質器１の燃焼部２４に近い部分は、熱により応力が加わりやすい。このため、供給口７が下方に位置している場合には、供給管８の改質器本体２への溶接部分が燃焼部２４に近い位置になるため、溶接部分に応力が集中してクラックが生じるおそれがある。しかしながら、これに対して、上述のように、供給口７が上方に位置していることによって、原燃料供給管８の改質器本体２への溶接部分が燃焼部２４から離れることで、応力が緩和され、クラックの発生を抑制することができる。
また、図２に示すように、改質ガス送出口９は、改質器本体２の他方端部において、中心軸線１４の左側または右側に設けられている。改質ガス送出口９を上方に配置した場合には、改質触媒が充填されていないところを通った改質ガスが改質ガス送出口９から改質ガス供給管１０へと供給され、改質不十分な改質ガスが燃料電池セル２２に供給されるおそれがある。また、改質ガス送出口９を下方に配置した場合には、上述の供給口７の場合と同様に、改質ガス供給管１０の改質器本体２への溶接部に応力が集中する。
これに対して、本実施形態のように、改質ガス送出口９を中心軸線１４の左側または右側に設けた場合には、改質不十分な改質ガスが改質ガス送出口９に流入することを抑制することができる。さらに、改質ガス供給管１０の改質器本体２への溶接部が燃焼部２４から離れることによって応力集中を抑制することができる。なお、改質ガス送出口９を左右方向の中央部に設けてもよい。
ここで、図３に示すように、改質器本体２は、一方端部および他方端部に蓋体１５を有している。蓋体１５は、蓋体外周部１６に、中心軸線１４の方向に改質器本体２の外側へと延びる蓋体折り返し部１７を有しており、蓋体折り返し部１７は改質器本体２の内面に接している。このような構成によって、蓋体１５と改質器本体２の内面との接触面積が大きくなり、燃焼部２４による加熱によって熱勾配が発生した場合や、熱膨張、熱収縮が生じた場合においても、改質器本体２の変形が抑制される。さらに、蓋体１５の改質器本体２への溶接部に加わる応力を緩和することができる。なお、蓋体折り返し部１７を有さず、改質器本体２に直接溶接されていてもよい。
図４は第１実施形態の一例の改質器１の、中心軸線１４に垂直な断面の断面図であり、図３のＸ−Ｘ部の断面図である。図３および図４に示されるように、本実施形態の改質器１が備える改質器本体２は、内周面２５に凸部２７を有し、外周面２６に他の部位よりも表面粗さの粗い粗部２８を有している。なお、本実施形態の改質器１が備える改質器本体２は、凸部２７または粗部２８の、少なくともいずれか一方が設けられていればよい。また、凸部２７が外周面２６に設けられてもよく、粗部２８が内周面２５に設けられてもよい。
このような構成によって、改質器本体２の内周面２５および外周面２６の表面積が増加し、改質器１が外部から熱を吸収する面積、および吸収した熱を気化触媒や改質触媒に放熱する面積を増加させることができる。すなわち、改質器１が外部から熱を吸収する効率、および吸収した熱を気化触媒や改質触媒に放熱する効率を高めることができる。これらの熱効率を高めることによって、気化反応や改質反応を促進することが可能となり、効率よく水を気化させるとともに原燃料ガスと水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成することができる。
また、図４に示されるように、本実施形態においては、凸部２７の表面が粗部２８となっている。これにより、改質器本体２の内側の表面積がさらに増加し、熱効率をさらに高めることができる。ここで、図３に示されるように、本実施形態においては凸部２７が気化部３に設けられている。これによって、気化部３における気化反応の効率を高めることができる。なお、凸部２７または粗部２８のどちらかが気化部３に設けられてもよく、凸部２７と粗部２８との両方が気化部３に設けられてもよい。また、同じく図３に示されるように、本実施形態においては凸部２７および粗部２８は改質器本体２の中心軸線１４方向に延在している。これによって、改質器本体２の表面積がさらに増加して熱効率をさらに高めることができる。なお、凸部２７および粗部２８は、それぞれ異なる位置に設けてもよく、また複数個設けてもよい。凸部２７および粗部２８を異なる位置に設けた場合には、外部からの熱を吸収する部位や、吸収した熱を放熱する部位が特定個所に集中することを避けることができる。また、凸部２７および粗部２８を複数個設けた場合には、さらに気化反応や改質反応を効率よく行うことができる。
本実施形態の改質器本体２は、例えば、１枚の板材を変形させて円筒状にし、この板材の辺同士を溶接することによって製造することができる。本実施形態においては、内周面２５に設けられた凸部２７と、外周面２６に設けられた粗部２８とは、改質器本体２の同一部位においてそれぞれの反対側の面に設けられている。このような構成は、改質器本体２を製造する際に、１枚の板材を溶接することで、板材の辺同士の溶接部分に凸部２７と粗部２８とが同時に生成することができる。なお、本実施形態の改質器本体２は溶接以外の方法にて設けることもできる。その際に、凸部２７や粗部２８が適宜できるようにすればよい。例えば、製造時に凸部２７ができるような金型等を用いて押し出し成型にて作成してもよく、出来上がった改質器本体の表面の一部を粗面化する工程（例えばブラスト加工等）を有していてもよい。
ここで、凸部２７および粗部２８は、中心軸線１４よりも上側に設けられることが好ましい。燃焼部２４による加熱によって改質器本体２の中心軸線１４より下方は高温となり、上方よりも熱膨張や熱収縮が生じやすい。そのため、凸部２７および粗部２８が中心軸線１４よりも下側に設けられていると、凸部２７および粗部２８に熱による応力が集中し、クラックを生じるおそれがある。凸部２７および粗部２８を中心軸線１４よりも上側に設けることによって、凸部２７および粗部２８が燃焼部２４から離れ、このような応力集中を抑制し、凸部２７および粗部２８に加わる応力を緩和することができる。
また、凸部２７は内周面２５において、改質器本体２の上端以外の位置に設けられることが好ましい。図４に示されるように、仕切壁１１には、凸部２７との機械的な干渉を避けるため、切欠き部を設けることができ、この切欠き部を有している場合には、改質器本体２の内面との間に隙間が生じる。このとき、凸部２７が内周面２５において改質器本体２の上端の位置に設けられている場合には、上端部において仕切壁１１と改質器本体２の内面との間に隙間が生じ、また、改質触媒が自重で沈み込むことで、同じく上端部において改質器本体２の内面との間に隙間が生じる。そのため、原燃料ガスや水蒸気が加熱されて温度上昇し上方を流れることによってこの隙間を通って仕切壁１１を通過し、触媒との接触効率が低下するおそれがある。これに対して、凸部２７を上端以外の位置に設けることによって、仕切壁１１と改質器本体２の内面との間の隙間は、改質触媒の隙間とは異なる位置になるので、このような接触効率の低下を避けることができる。本実施形態においては、凸部２７は改質器本体２の斜め上方であって、上端から４５度程度回転した位置に設けられている。なお、回転角度は適宜設定することができるが、上端から左右９０度の範囲とすることができる。
次に、第２実施形態の改質器について説明する。図５は、第２実施形態の改質器１Ａの構成の一例を示す断面図である。本実施形態の改質器１Ａは、第１実施形態の改質器１と仕切壁の構造が異なっており、これ以外の構造は同じであるので、同じ部位には同じ参照符号を付して説明は省略する。なお、図示しないセラミックボールについても第１実施形態と同様に気化部３に備えることができる。
第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂの内部には、改質反応に用いられる改質触媒４が備えられている。なお改質触媒４としては改質効率や耐久性に優れた改質触媒４を用いることが好ましく、例えば、γ−アルミナやα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体にＲｕ、Ｐｔ等の貴金属やＮｉ、Ｆｅ等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。また改質触媒４は、第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂにおいて行う改質反応に合わせて適宜一般的に知られている改質触媒を用いることができる。仕切壁１１Ａは、気化部３内のセラミックボールと、第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂ内の改質触媒に、偏りが生じることを防いでいる。
図６は第２実施形態の一例の改質器１Ａの、中心軸線１４に垂直な断面の断面図であり、図５のＹ−Ｙ部の断面図である。第１改質部５ａおよび第２改質部５ｂ内において、改質触媒４は自重により沈み込んで下方に偏在し、上方において改質器本体２の内面との間に隙間が生じる。本実施形態の仕切壁１１Ａは、仕切壁のおおよそ全体に原燃料ガスおよび水蒸気ならびに改質ガスが流通可能な開口が設けられており、中心軸線１４よりも下方側の開口面積が、中心軸線１４よりも上方側の開口面積より大きくなっている。図６に示す例では、仕切壁１１Ａには、左右方向に延びるスリット状の開口（単に「スリット」）１１０が壁全体に設けられている。中心軸線１４よりも上方側は、例えば仕切壁１１Ａの上方側の半円部分であり、中心軸線１４よりも下方側は、例えば仕切壁１１Ａの下方側の半円部分である。上方側の半円部分に設けられた複数のスリット１１０による開口の面積の和と、下方側の半円部分に設けられた複数のスリット１１０による開口の面積の和とを比較したときに、下方側の複数のスリット１１０による開口の面積の和のほうが大きい。原燃料ガスおよび水蒸気は、開口面積が大きな仕切壁の下方側を流過しやすい。改質触媒４は自重により沈み込んで下方に偏在するが、仕切壁１１Ａによって改質器１内で流体が下方側を多く流れて改質触媒４との接触効率が向上し、効率よく原燃料ガスと水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成することができる。また、上方側も開口されているので、仕切壁１１Ａを通過する際の不要な圧力損失の増加を抑えることができる。
改質器本体２内に設けられる全てがこのような仕切壁１１Ａであってもよく、少なくとも１つの仕切壁がこのような仕切壁１１Ａであってもよい。仕切壁１１Ａに設けられる開口は、左右方向に延びるスリットに限らず、上下方向に延びるスリットであってもよく、斜め方向に延びるスリットであってもよい。開口の形状は、スリット状に限らず、円形状、矩形状、多角形状およびスリット状を含む複数の形状を組み合わせたものであってもよい。また、１つの開口が上方側の半円部分と下方側の半円部分とにわたって設けられている場合は、上方側の半円部分にかかる開口部分の面積を上方側の開口面積とし、下方側の半円部分にかかる開口部分の面積を下方側の開口面積とすればよい。
仕切壁１１Ａは、下方側の開口面積のほうが上方側の開口面積よりも大きい。言い換えれば、上方側の半円部分は、開口以外の実部分の面積が、下方側の半円部分の実部分の面積よりも大きい。上方側の実部分の大きさを利用して、例えば、実部分に鞘管を接続し鞘管内に熱電対を挿入して、改質器１内の温度を測定するようにしてもよい。
改質器本体２内に設けられる複数の仕切壁は、上記のような仕切壁１１Ａ以外に、下方側の開口面積のほうが上方側の開口面積よりも小さいもの、下方側の開口面積と上方側の開口面積とが同じものを含んでいてもよい。図７は、第２実施形態の一例の改質器１Ａの、中心軸線１４に垂直な断面の断面図であり、図５のＺ−Ｚ部の断面図である。本例に示す仕切壁１１Ｂは、下方側の開口面積と上方側の開口面積とが同じ場合である。例えば、上方側の半円部分に設けられたスリット１１０と下方側の半円部分に設けられたスリット１１０とが、中心軸線１４を挟んで対称となっている。スリット１１０が上下で対称であるので、開口面積が上下で同一である。なお、スリット１１０が上下で対称となっている必要はなく、開口面積が同じであれば、スリット１１０の配置、大きさ、形状などが異なっていてもよい。仕切壁１１Ｂは、開口面積が上下で同一であるので、仕切壁１１Ｂを通過するガスは、特に仕切壁１１Ｂによって流れが偏向されることはない。
本実施形態では、仕切壁として、下方側の開口面積が大きな仕切壁１１Ａと、開口面積が上下で同一の仕切壁１１Ｂとを含んでいる。異なる種類の仕切壁を組み合わせることで、改質器本体２内を流れるガスの流れを意図的に偏向させることができ、例えば改質触媒４との接触効率を向上させることができる。
図８Ａは、中心軸線方向から見た蓋体１５を示す図であり、図８Ｂは、蓋体１５の断面図である。改質ガス送出口９が設けられた蓋体１５は、改質部５に面しており、改質部５に収納された改質触媒４のうち比較的粒径が小さいものは、改質ガス送出口９通って改質ガス供給管１０へと流出してしまうおそれがある。本実施形態の改質器１Ａは、図８Ａ、図８Ｂに示すように、改質触媒４が改質ガス送出口９から流出することを防止する流出防止部材９０を備える。流出防止部材９０は、改質ガス送出口９から所定の間隔をあけて設けられる帯状部９１と、帯状部９１の両端部を、改質器本体２の内面（蓋体１５の内面）に固定する固定部９２と、を含む。
本実施形態では、帯状部９１は２本で、２本が平行に上下方向に延びている。帯状部９１の両端部には、それぞれ固定部９２が接続されており、固定部９２を介して帯状部９１が、蓋体１５の内面に接続されている。この固定部９２によって、帯状部９１は、改質ガス送出口９から内方に所定の間隔をあけた状態で保持される。ここで、所定の間隔は、収納される改質触媒４の最小となる粒径よりも小さくしている。さらに、帯状部９１同士の間隔も収納される改質触媒４の最小となる粒径よりも小さくしている。これにより、改質触媒４が流出防止部材９０を通り抜けてしまうことを抑制することができる。また、改質触媒４が、帯状部９１によって改質ガス送出口９から離隔されるので、改質ガス送出口９が改質触媒４によって塞がれたり、送出される改質ガスの量が減少することを抑制することができる。
流出防止部材９０を構成する材料は、改質触媒４との接触などによっても変形しないような強度を有し、高温高湿環境下においても腐食などが生じない材料であればよく、たとえば、耐食性のあるステンレス鋼等の金属材料を用いることができる。
なお、流出防止部材９０は、改質ガス送出口９から改質触媒４が流出することを抑制できる構成であれば、上下方向に延びる帯状部９１に限らず、左右方向の延びるものであってもよく、斜め方向に延びるものであってもよい。さらに、帯状部９１は、改質ガス送出口９の大きさおよび帯状部９１の大きさを適宜設定することで、１本の帯状部９１であってもよく、３本以上の帯状部９１であってもよい。
次に、第３実施形態の改質器について説明する。図９は、第３実施形態の改質器１Ｂの構成の一例を示す断面図である。本実施形態の改質器１Ｂは、第１実施形態の改質器１と蓋体１５の構造が異なっており、これ以外の構造は同じであるので、同じ部位には同じ参照符号を付して説明は省略する。なお、図示しないセラミックボールについても第１実施形態と同様に気化部３に備えることができる。
図１０は、本実施形態の一例の改質器１Ｂが備える、改質器本体２と蓋体１５との結合部の構成の一例を示す断面図であり、図９のＢ部を拡大して示した図である。図１０に示すように、蓋体外周部１６において、蓋体折り返し部１７を改質器本体２に溶接した溶接部の表面は粗面となっており、蓋体外周部１６の表面に粗部１９を有している。このような構成によって、燃料電池セル２２における発電や燃焼部２４における燃焼によって発生する熱を用いて改質器１Ｂを加熱する際に、改質器１Ｂがその外部から熱を受容する表面積が増大し、改質器１の内部の温度が上昇して、効率よく改質ガスを生成することができる。
図１１は、燃料電池モジュール４０の中心軸線１４に垂直な断面における断面図である。燃料電池モジュール４０は、上記のセルスタック装置２０と、セルスタック装置２０を収納する収納容器４１と、を備えている。収納容器４１は、一面が開口した箱体３１と、箱体３１の開口３１ａを塞ぐ容器蓋体３２とからなる。本実施形態では、箱体３１は、直方体形状であり、直方体の６面のうち、最も面積の大きな一対の面の一方の面が開口している。開口３１ａに対向する他方の面３１ｂが、箱体３１の底面３１ｂであり、その他の４つの面が箱体３１の側面である。
燃料電池モジュール４０における酸素含有ガスおよび排ガスの流れについて、それぞれの流路の構成とともに説明する。本実施形態では、酸素含有ガスは、燃料電池モジュール４０の外部に存在する空気である。この空気を外部から燃料電池モジュール内へと供給するための管状の導入部３３が容器蓋体３２の外表面に設けられている。
容器蓋体３２は、酸素含有ガスおよび収納室より排出される排ガスのうちいずれか一方のガスが流れる第１ガス流路と、第１ガス流路と隣接して配設され、酸素含有ガスおよび排ガスのうちいずれか他方のガスが流れる第２ガス流路とを備えている。本実施形態においては、内方側、すなわち箱体３１側に設けられるガス流路を第１ガス流路３４とし、第１ガス流路３４には、排ガスが流れる。また、外方側に設けられるガス流路を第２ガス流路３５とし、第２ガス流路３５には、酸素含有ガスである空気が流れる。なお、図において、容器蓋体３２の内側（箱体３１側）に第１ガス流路３４、外側（外面側）に第２ガス流路３５を設けた例を示しているが、第１ガス流路と第２ガス流路とを容器蓋体３２の内側（箱体３１側）または、容器蓋体３２の外側（外面側）に設けた構成とすることもできる。なお、後述する第２断熱材４６を第１ガス流路３４と隙間を空けて配置することで、第１ガス流路３４に代えて該隙間を酸素含有ガスおよび排ガスのうちいずれか他方のガスが流れる第５ガス流路とすることもできる。
容器蓋体３２は、箱体３１の開口３１ａを塞ぐための平板状の蓋体本体３２ａと、蓋体本体３２ａの、箱体３１に臨む内面側に設けられ、第１ガス流路３４を規定する第１流路部材３４ａと、蓋体本体３２ａの、外方に臨む外面側に設けられ、第２ガス流路３５を規定する第２流路部材３５ａと、によって構成されている。第１流路部材３４ａおよび第２流路部材３５ａは、いずれも略矩形板状の部材であり、４辺において、第２流路部材３５ａの第１面（一方の主面）側および第１流路部材３４ａの第１面（一方の主面）に流路幅分だけ立設する部分が設けられている。立設する４辺部分を蓋体本体３２ａの内面または外面に接合することにより、蓋体本体３２ａと第１流路部材３４ａとの間隙が第１ガス流路３４となり、蓋体本体３２ａと第２流路部材３５ａとの間隙が第２ガス流路３５となる。つまり本実施形態において、蓋体本体３２ａが第１ガス流路３４と第２ガス流路３５とを区画する流路区画部となる。
本実施形態の燃料電池モジュール４０では、平板状の蓋体本体３２ａに、第１流路部材３４ａと第２流路部材３５ａを、間隙を設けるように重ね合わせて接合することにより、容易に空気の流路と排ガスの流路とを形成することができる。また、容器蓋体３２に、ガス流路を設けたことにより、箱体３１に設けられるガス流路を少なくすることができ、箱体３１の構成を簡単な構成とすることができる。
本実施形態では、空気を導入するための導入部３３は、第２ガス流路３５に連通されている。導入部３３は、例えば、容器蓋体３２の下方端部に設けられ、導入部３３から導入された空気は、第２ガス流路３５を下方から上方に向かって流れる。なお、第２ガス流路３５を蛇行流路にすることもできる。そして、第２ガス流路３５の上方端部において、収納容器４１の内部、すなわち容器蓋体３２よりも内方に空気を流入させるために、蓋体本体３２ａの上方端部には、厚み方向（左右方向）に貫通する孔、スリットなどの流入口３２ｂが設けられる。本実施形態においては、流入口３２ｂとして、セルスタック２３の燃料電池セル２２の配列方向に沿って並列に配置された複数の貫通孔が設けられている。複数の貫通孔を設けた構成とすることによって、機械的強度の低下を抑制し、十分な量の空気を容器蓋体３２よりも内方に流入させることができる。
流入口３２ｂから収納容器４１の内部に流入した空気は、改質器１の上方において、箱体３１内に形成された第３ガス流路３６を介して、改質器１、セルスタック２３を超えて箱体３１の底面３１ｂ側へと流れる。なお、第３ガス流路３６は、箱体３１の内側面のうち、改質器１に対向する内側面、すなわち動作時に上部に位置する内側面に平行な板状部材からなる流路壁である第３流路部材３６ａによって規定される。
第３ガス流路３６は、流れ方向下流側であって、改質器１およびセルスタック２３と底面３１ｂとの間の位置において、酸素含有ガス導入板３７に接続される。酸素含有ガス導入板３７は、例えば、２つの板状部材を、隙間を空けて外周を接合したものであって、第３ガス流路３６と連通する部分とセルスタック２３に対して酸素含有ガスである空気を供給するための酸素含有ガス導入口３７ａのみが開放され、それ以外は閉塞されている。
第３ガス流路３６は、燃料電池セル２２の長手方向一端側である上方側に設けられており、導入部３３および酸素含有ガス導入口３７ａは、燃料電池セル２２の長手方向他端側である下方側に設けられている。
酸素含有ガス導入板３７は、第３流路部材３６ａに設けられた連通孔３６ｂにおいて、第３ガス流路３６と接続され、第３ガス流路３６を流れる空気が連通孔３６ｂを通って、酸素含有ガス導入板３７内に流入する。
本実施形態では、第３ガス流路３６は、第２ガス流路３５から酸素含有ガス導入板３７までを接続する主流路部分３６ｃと、酸素含有ガス導入板３７と主流路部分３６ｃとが接続する位置からさらに箱体３１の底面３１ｂ側へと延びる延設部分３６ｄとを有している。なお、延設部分３６ｄを設けずに、第３ガス流路３６が、主流路部分３６ｃのみで構成されるようにしてもよい。
酸素含有ガス導入板３７に流入した空気は、箱体３１の底面３１ｂに沿って下方に向かって流れ、流れ方向下流端部に設けられた酸素含有ガス導入口３７ａから吐出され、セルスタック２３の燃料電池セル２２間に供給される。
燃料電池セル２２間に供給された空気は、燃料電池セル２２において、改質器１からマニホールド２１を介して供給される改質ガスとともに発電反応に供され、各燃料電池セル２２において発電される。
発電反応で使用されなかった改質ガスと空気とは、セルスタック２３と改質器１との間の燃焼部２４において燃焼され、高温の排ガスを生じる。排ガスは、第１流路部材３４ａに上方に設けられた連通孔３４ｂを介して第１ガス流路３４に流入し、蓋体本体３２ａに沿って下方に流れる。前述のように、外部から流入した空気は、第２ガス流路３５を上方に向かって流れ、排ガスは、第２ガス流路３５に隣接する第１ガス流路３４を下方に向かって流れ、この間に蓋体本体３２ａを挟んで比較的低温の空気と比較的高温の排ガスとの間で熱交換され、空気が暖められるとともに排ガスが冷却される。
熱交換された排ガスは、第１ガス流路３４の下流端部である下方側端部において、第２ガス流路３５の流れ方向に直交するように第２ガス流路３５を横切る排出部４２を介して第２ガス流路３５の外方へと排出される。
排出部４２から排出された排ガスは、熱交換器に供給される。熱交換器では、外部より供給される媒体とで熱交換を行い、加熱された媒体は、例えば直接または間接的に給湯装置に利用され、排ガスを熱交換することにより生じる凝縮水は、その後改質器１での水蒸気改質に再利用される。なお、本実施形態では、第２ガス流路３５のさらに外方に第４ガス流路４３が設けられており、排出部４２から排出された排ガスは、第４ガス流路４３に流入し、第４ガス流路４３に沿って上方に流れる。第４ガス流路４３には、例えば、燃焼部２４でも燃焼されなかった未燃焼ガスを燃焼させるための燃焼触媒を配置し、未燃焼ガスが燃料電池モジュール４０から外部へと排出されないようにすることもできる。第４ガス流路４３は、第１ガス流路３４、第２ガス流路３５と同様に、第４流路部材４３ａによって規定される。
第４ガス流路４３に沿って上方に流れた排ガスは、第４ガス流路４３の下流側端部である上方側端部において、熱交換器との接続管４４と連通し、接続管４４を介して熱交換器に供給される。
また収納容器４１内には、燃料電池モジュール４０内の熱が極端に放散され、燃料電池セル２２の温度が低下して発電量が低減しないよう、燃料電池モジュール４０内の温度を高温に維持するための断熱材が適宜設けられている。
第１断熱材４５は、箱体３１の底面３１ｂと酸素含有ガス導入板３７との間に、底面３１ｂ全体を覆うように設けられる。第２断熱材４６は、セルスタック２３と第１ガス流路３４の第１流路部材３４ａとの間に設けられる。第３断熱材４７は、動作時にマニホールド２１の下方側となる位置に設けられる。セルスタック２３は、動作時に左右側および下方側となる位置に設けられた第１断熱材４５、第２断熱材４６および第３断熱材４７によって三方を囲まれ、さらに、上方には、燃焼部２４が設けられるので、熱の放散による燃料電池セル２２の温度低下が抑制される。
さらに、酸素含有ガス導入板３７とセルスタック２３との間には、セルスタック２３の配列方向に沿って延びる帯状の第４断熱材４８が設けられる。第４断熱材４８は、上下に間隔を空けて２本を平行に配置している。セルスタック２３を挟んで、第４断熱材４８とは反対側にも同様に第４断熱材４８を、上下に間隔を空けて２本を平行に配置しており、第２断熱材４６とセルスタック２３との間に設けられる。酸素含有ガス導入板３７とセルスタック２３との間に設けられる第４断熱材４８は、酸素含有ガス導入板３７の、セルスタック２３に対向する面に設けられた断熱材固定部材３７ｂに配設され、高さ位置が位置決めされている。これにより、輸送状態もしくは稼動状態において、セルスタック装置２０を、適切な位置で支持できるようになっている。
さらに、第２断熱材４６とセルスタック２３との間に設けられる第４断熱材４８は、第２断熱材４６の、セルスタック２３に対向する面に設けられた溝状凹部４６ａに嵌入されて、高さ位置が位置決めされている。これにより、輸送状態もしくは稼動状態において、セルスタック装置２０を、適切な位置で支持できるようになっている。
図１１に示すように、本実施形態では、セルスタック２３と改質器本体２との距離をＤ１とし、改質器本体２と第３流路部材３６ａとの距離をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２である。すなわち、改質器本体２とセルスタック２３との間隙よりも、改質器本体２と第３流路部材３６ａとの間隙のほうが狭い。収納容器４１内において、相対的に温かい気体は、上方へと流れる。特に燃焼部２４で燃焼された高温の排ガスは、改質器１の上方の第３流路部材３６ａ側へと流れたのち、連通孔３４ｂを介して第１ガス流路３４に流入する。改質器本体２と第３流路部材３６ａとの間隙のほうが狭いことにより、排ガスは、改質器本体２と第３流路部材３６ａとの間隙に滞留する時間が、より長くなる。第３流路３６を流れる空気は、第３流路部材３６ａを介して排ガスと熱交換し、加熱されるが、改質器本体２と第３流路部材３６ａとの間隙に排ガスが滞留する時間が長くなるほど第３流路部材３６ａを介した排ガスと空気との熱交換効率を高めることができる。すなわち、改質器本体２と第３流路部材３６ａとの間隙に排ガスが滞留する時間がより長くなることで、滞留した排ガスと第３流路部材３６ａを流れる空気との熱交換量が増え、滞留した排ガスの温度が低下する。それにより、改質器本体２の上方側における熱による応力を低減できる。特に、上述した凸部２７または粗部２８の、少なくともいずれか一方が、改質器本体２の上方側に設けられている場合に、より効果的に応力を低減できる。
上記のように改質器本体２は、凸部２７または粗部２８の、少なくともいずれか一方が設けられており、外部から熱を吸収する効率、および吸収した熱を気化触媒や改質触媒に放熱する効率を高めることができる。さらに、Ｄ１＞Ｄ２とすることにより、改質器本体２と第３流路部材３６ａとの間隙に排ガスが滞留する時間が長くなり、第３流路３６を流れる空気をさらに暖めることができるほか、改質器本体２の上方側における応力を低下できる。
図１２は、他の実施形態の燃料電池モジュール４０内を側方から見た概略図である。本実施形態では、図１２に示すように、改質器本体２が、セルスタック２３の配列方向（紙面左右方向）に対して傾斜して設けられている。セルスタック２３を構成する燃料電池セル２２は、全て同じ外形状を有しており、したがって、各燃料電池セル２２の上面は同じ高さに揃っている。改質器本体２が傾斜していることにより、改質器本体２とセルスタック２３との距離が、改質器本体２の中心軸線１４方向に沿って連続的に異なっている。
気化部３と改質部５とは、改質器本体２の中心軸線１４に沿って配置されており、改質器本体２の、改質部５が配置された側の端部とセルスタック２３との距離をＤ１Ａとする。また、改質器本体２の、気化部３が配置された側の端部とセルスタック２３との距離をＤ１Ｂとする。このとき、Ｄ１Ａ＞Ｄ１Ｂとなるように、改質器本体２が傾斜している。すなわち、改質器本体２は、改質部５側の端部が、気化部３側の端部よりもセルスタック２３から離れている。また、第３流路部材３６ａは、セルスタック２３の配列方向に平行に設けられており、改質器本体２の、改質部５が配置された側の端部と第３流路部材３６ａとの距離をＤ２Ａとし、改質器本体２の、気化部３が配置された側の端部と第３流路部材３６ａとの距離をＤ２Ｂとしたとき、Ｄ２Ａ＜Ｄ２Ｂである。
改質部５は、改質反応が生じることで気化部３よりも内部が相対的に高温となる。さらに燃焼部２４で生じた高熱の排ガスによって改質器本体２は加熱される。改質部５側の端部が、セルスタック２３から離れることにより、燃焼部２４からも離れることになるので、改質部５への応力集中を抑制し、改質器本体２の凸部２７および粗部２８に加わる応力を緩和することができる。
また、相対的に温度が高温になり難い気化部３側の端部は、応力集中が生じ難いので、セルスタック２３に近く、燃焼部２４にも近いことで、加熱されやすく、効率よく水を水蒸気に気化させることができる。
なお、Ｄ１ＡとＤ２Ａとの大小関係およびＤ１ＢとＤ２Ｂとの大小関係は、特に限定されないが、図１１に示した実施形態と同様に、Ｄ１Ａ＞Ｄ２ＡおよびＤ１Ｂ＞Ｄ２Ｂとすることができる。
図１３は、外装ケース５０内に、収納容器４１内にセルスタック装置２０を収納した燃料電池モジュール４０と、燃料電池モジュール４０を動作させるための補機（図示せず）とを収納した、本実施形態の一例の燃料電池装置６０の構成を示す分解斜視図である。なお、図１３においては一部構成を省略して示している。
燃料電池装置６０は、支柱５１と外装板５２から構成される外装ケース５０内を仕切板５３により上下に区画する。その上側を上述の燃料電池モジュール４０を収納するモジュール収納室５４とし、下側が燃料電池モジュール４０を動作させるための補機を収納する補機収納室５５として構成されている。なお補機収納室５５に収納する補機を省略して示している。
また、仕切板５３には補機収納室５５の空気をモジュール収納室５４側に流すための空気流通口５６が設けられており、モジュール収納室５４を構成する外装板５２の一部にモジュール収納室５４内の空気を排気するための排気口５７が設けられている。
このような燃料電池装置６０においては、改質器１で効率よく改質ガスを生成し、これにより発電効率の高い燃料電池装置６０とすることができる。
なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に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で種々の変更を施すことは何等支障ない。
１、１Ａ、１Ｂ 改質器
２ 改質器本体
３ 気化部
５ 改質部
５ａ 第１改質部
５ｂ 第２改質部
６ 通気壁
７ 供給口
８ 原燃料供給管
９ 改質ガス送出口
１０ 改質ガス供給管
１１、１１Ａ、１１Ｂ 仕切壁
１２ 流通可能部
１３ 水導入部
１４ 中心軸線
１５ 蓋体
１６ 蓋体外周部
１７ 蓋体折り返し部
２０ セルスタック装置
２１ マニホールド
２２ 燃料電池セル
２３ セルスタック
２４ 燃焼部
２５ 内周面
２６ 外周面
２７ 凸部
２８ 粗部
４０ 燃料電池モジュール
４１ 収納容器
５０ 外装ケース
５１ 支柱
５２ 外装板
５３ 仕切板
５４ モジュール収納室
５５ 補機収納室
５６ 空気流通口
５７ 排気口
６０ 燃料電池装置
９０ 流出防止部材
９１ 帯状部
９２ 固定部

Claims (10)

  1. 原燃料ガスと水とが供給されて改質反応を行う、筒状の改質器本体を有し、
    該改質器本体の内部に、水蒸気を発生させる気化部と、
    該気化部で発生した水蒸気を原燃料ガスと反応させて改質ガスを生成する改質部と、を含み、
    前記改質器本体は、内周面に凸部が設けられ、外周面に他の部位よりも表面粗さの粗い粗部が設けられており、前記凸部と前記粗部とが、前記改質器本体の同一部位においてそれぞれの反対側の面に設けられている改質器。
  2. 前記凸部および前記粗部が、前記気化部に設けられている請求項１に記載の改質器。
  3. 前記凸部および前記粗部は、前記改質器本体の中心軸線方向に延在している請求項１または２に記載の改質器。
  4. 前記凸部および前記粗部は、前記改質器本体の中心軸線方向から見たときに該中心軸線よりも上側に設けられている請求項１〜３のいずれか１つに記載の改質器。
  5. 前記改質部に改質触媒が充填されており、前記改質器本体内には、前記改質器本体の中心軸線に垂直な方向に伸びた１または複数の仕切壁を有し、前記凸部は前記内周面において、前記改質器本体の上端以外の位置に設けられている請求項１〜４のいずれか１つに記載の改質器。
  6. 内部にガス流路を有する柱状の複数の燃料電池セルが、互いに電気的に接続されて、立設された状態で配列されてなるセルスタックと、
    該セルスタックの上方に配置された請求項１〜５のいずれか１つに記載の改質器と、
    前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに前記改質ガスを供給するマニホールドと、
    該マニホールドの端部に一方端が接続され、前記改質器に他方端が接続される改質ガス供給管と、を備えるセルスタック装置。
  7. 収納容器内に請求項６に記載のセルスタック装置を収納してなる燃料電池モジュール。
  8. 前記収納容器内で前記セルスタック装置の上方に設けられた流路壁を備え、
    前記流路壁と前記収納容器の内面とによって、前記セルスタックに供給されるガスが流れる流路が規定され、
    前記セルスタックと前記改質器本体との距離をＤ１とし、前記改質器本体と前記流路壁との距離をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２である請求項７に記載の燃料電池モジュール。
  9. 前記気化部と前記改質部とは、前記改質器本体の中心軸線に沿って配置され、
    前記改質器本体の、前記改質部が配置された側の端部と、前記セルスタックとの距離をＤ１Ａとし、前記改質器本体の、前記気化部が配置された側の端部と、前記セルスタックとの距離をＤ１Ｂとしたとき、Ｄ１Ａ＞Ｄ１Ｂである請求項７または８に記載の燃料電池モジュール。
  10. 請求項７〜９のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える燃料電池装置。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3833470A1 (de) * 2018-08-07 2021-06-16 FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Durchflussreaktor und verfahren zur umsetzung eines eduktes
CN116682991B (zh) * 2023-08-02 2023-12-08 山东美燃氢动力有限公司 一种燃料电池进气气罩

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3785779A (en) * 1971-08-02 1974-01-15 Exxon Research Engineering Co Gas liquid inlet distributor
JPS62270403A (ja) * 1986-05-19 1987-11-24 Yamaha Motor Co Ltd 燃料電池用改質装置
JPH05305229A (ja) * 1990-08-27 1993-11-19 Toshiba Corp 改質装置
CA2096724C (en) 1990-11-23 1999-01-05 Ian Palmer Application of fuel cells to power generation systems
US7195663B2 (en) * 1996-10-30 2007-03-27 Idatech, Llc Hydrogen purification membranes, components and fuel processing systems containing the same
DE10136768B4 (de) * 2001-07-27 2012-03-01 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenanlage mit zwei Umformeinheiten zur katalytischen Dekomposition und Verfahren zur katalytischen Dekomposition
US20040136883A1 (en) * 2002-02-27 2004-07-15 Buxbaum Robert E Membrane reactor for gas extraction
US20030194362A1 (en) * 2002-04-12 2003-10-16 Rogers Stephen P. Chemical reactor and fuel processor utilizing ceramic technology
JP3979219B2 (ja) * 2002-08-07 2007-09-19 カシオ計算機株式会社 小型化学反応装置
JP2004149402A (ja) * 2002-10-10 2004-05-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素生成器とそれを備える燃料電池システム
CN1914118B (zh) 2004-01-30 2010-08-11 出光兴产株式会社 改性器
BRPI0507741A (pt) 2004-02-17 2007-07-10 Modine Mfg Co trocador de calor recuperativo e sistema de processamento de combustìvel
KR100570754B1 (ko) 2004-02-26 2006-04-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
JP2005330131A (ja) * 2004-05-18 2005-12-02 Babcock Hitachi Kk 水素製造装置
JP4617966B2 (ja) 2005-03-31 2011-01-26 パナソニック株式会社 水素生成器
WO2007040146A1 (ja) * 2005-09-30 2007-04-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 水素生成装置及び燃料電池システム
KR100731329B1 (ko) * 2006-02-10 2007-06-21 두산중공업 주식회사 연료개질실을 포함하는 용융탄산염 연료전지용 분리판 및그의 제조방법
JP4832184B2 (ja) * 2006-06-28 2011-12-07 京セラ株式会社 燃料電池
KR100859940B1 (ko) * 2006-11-02 2008-09-23 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 개질장치
EP2273594B1 (en) 2008-03-26 2016-09-21 Kyocera Corporation Reformer, cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device
JP2010238444A (ja) 2009-03-30 2010-10-21 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池装置
US8147767B2 (en) * 2009-06-26 2012-04-03 Global Energy Science, Llc Chemical process accelerator systems utilizing taylor vortex flows
JP2011096604A (ja) 2009-11-02 2011-05-12 Toto Ltd 燃料電池モジュール
JP2011210631A (ja) * 2010-03-30 2011-10-20 Toto Ltd 燃料電池モジュール
JP5552379B2 (ja) 2010-06-23 2014-07-16 リンナイ株式会社 発電装置
JP5700978B2 (ja) * 2010-08-31 2015-04-15 京セラ株式会社 セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP5803516B2 (ja) 2011-09-29 2015-11-04 Toto株式会社 燃料電池装置
KR20130052920A (ko) * 2011-11-14 2013-05-23 삼성에스디아이 주식회사 연료전지
JP5762318B2 (ja) 2012-01-20 2015-08-12 新日鐵住金株式会社 連続式固定床触媒反応装置及びこれを用いた触媒反応方法
JP5871637B2 (ja) 2012-01-26 2016-03-01 大阪瓦斯株式会社 改質装置
JP6109484B2 (ja) * 2012-03-12 2017-04-05 アイシン精機株式会社 燃料電池装置
JP5603510B2 (ja) 2012-06-25 2014-10-08 パナソニック株式会社 燃料処理装置
JP5926135B2 (ja) * 2012-06-27 2016-05-25 京セラ株式会社 燃料電池装置
JP6036023B2 (ja) * 2012-08-31 2016-11-30 Toto株式会社 燃料電池装置
CN105189345B (zh) * 2013-03-25 2016-11-30 住友精密工业株式会社 燃料改性器及燃料电池
JP2015189610A (ja) 2014-03-27 2015-11-02 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 燃料改質装置、及び、燃料電池システム
DK178843B1 (en) * 2014-07-16 2017-03-20 Serenergy As A reformer for a fuel cell system
JP2017117533A (ja) * 2015-12-21 2017-06-29 京セラ株式会社 モジュールおよびモジュール収容装置

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