JP7414632B2

JP7414632B2 - 改質ユニットおよび燃料電池装置

Info

Publication number: JP7414632B2
Application number: JP2020079403A
Authority: JP
Inventors: 一隆内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2040-04-28
Also published as: JP2024026614A; JP2021174727A

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。

特開２０１９－９１６１９号公報

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。

実施形態１に係る改質ユニットの概略図である。実施形態２に係る改質ユニットの概略図である。実施形態２で用いられる改質部の平面図である。

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。

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。

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。

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。

１００改質ユニット、２００気化部、３００改質部、２３０混合ガス導管

Claims

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おり、
前記混合ガス導管は、鉛直方向から平面視したときに、前記気化部において前記混合ガス導管が接続される接続口と、前記改質部において前記混合ガス導管が接続される接続口と、が重なるように接続されている、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。