JP7471095B2

JP7471095B2 - 改質ユニットおよび燃料電池装置

Info

Publication number: JP7471095B2
Application number: JP2020014770A
Authority: JP
Inventors: 光博中村; 亨祐山内; 道忠岡田; 一隆内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: JP2021121995A

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（特許文献１参照）。

特開２０１９－９１６１９号公報

従来の改質ユニットでは、気化器とバーナーとが鉛直方向に積み重なった構造が採用されているため、改質ユニットの鉛直方向の寸法が大きくなり、設置スペースに制限が生じたり、重心が高くなることで安定性に欠けたりするという課題が生じる。また、気化器とバーナーとが鉛直方向に積み重なった構造では、局所的に温度が高くなることで熱変形を受けやすく、耐久性が低下す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、安定性および耐久性が向上した改質ユニットおよび燃料電池装置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、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と、を備え、前記燃焼部は、鉛直方向から平面視したときに中央部分に穴が設けられた形状をなし、前記燃焼部の穴に前記気化部の少なくとも一部が位置しており、前記穴において燃焼部と気化部との間には排管及びオフガス導入管を有さない。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、安定性を向上しつつ、耐久性の向上を図ることができる。また本開示の燃料電池装置によれば、安定性を向上しつつ、耐久性の向上を図ることができる。

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３に係る改質ユニットの概略図である。

以下、実施形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
実施形態１に係る改質ユニットの概略図である。図１に示すように、改質ユニット１００は、円筒状の内筒１１０および円筒状の外筒１２０からなる２重のハウジング構造を有し、内筒１１０の内部に、気化部２００、改質部３００および燃焼部（バーナー）４００を有する。

内筒１１０の上端は蓋部１１２で閉じられており、蓋部１１２と離間した位置に空気室壁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。また、内筒１１０の下端は蓋部１１８で閉じられている。

内筒１１０の内壁および蓋部１１８の内側面に当接するように断熱材１１９が設置されている。断熱材１１９の材料は特に限定されず、一般的に使用されるものを用いればよい。断熱材１１９の設置により、内筒１１０内部の熱が外部に逃げることを抑制することができる。

内筒１１０の外壁は、外筒１２０の内壁から離間しており、内筒１１０と外筒１２０との間に空気流路１３０が形成されている。外筒１２０の上端を塞ぐ蓋部１１２に空気供給管１４０が接続されている。空気供給管１４０に供給された空気は、空気室１１６および空気流路１３０を通り、内筒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。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および空気流路１３０を流れる間に、内筒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。

気化部２００は、水供給管２１０、ガス供給管２２０および気化管２３０を有する。図１に示すように、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、さらにガス供給管２２０を取り囲むように円筒状の気化管２３０が配置された多重構造が形成されている。換言すると、本実施形態では、水供給管２１０を中心にガス供給管２２０および気化管２３０が同心円状に配置されている。さらに、ガス供給管２２０を取り囲むように排気管２４０がさらに配設されている。排気管２４０については後述する。

水供給管２１０に供給された水は、水供給管２１０内を上方から下方に向けて予熱されながら流通する。一部の水は、上方から下方に向けて流れる間に水蒸気となる。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上方から下方に向けて予熱されながら流通する。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。

気化管２３０の下端は、水供給管２１０の出口との間に隙間が生じるようにドーム状の蓋で閉じられている。それゆえ、水供給管２１０内を上方から下方に向けて流れる間に気化されなかった水は、ドーム状の蓋の部分に溜まり、溜まった水が気化することとなる。一方、ガス供給管２２０の下端の出口から流出した原料ガスおよび気化した水（水蒸気）は、ガス供給管２２０の外壁と気化管２３０の内壁との間に形成された流路を下方から上方に向けて流通する。ガス供給管２２０の外壁と気化管２３０の内壁との間に形成された流路の一部に、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２６０が形成されており、混合層２６０において水蒸気と原料ガスとの混合が促進され、混合ガスが生成される。なお、混合層２６０は、内筒１１０内の熱を水供給管２１０側に伝える伝熱促進機能も有している。

気化管２３０の上端はガス供給管２２０に接続しており、水蒸気と原料ガスとが混合した混合ガスは、気化管２３０の上部に接続された分岐路２５０を通り、改質部３００に供給される。

改質部３００は、鉛直方向に平面視したとき、中央部分に穴が設けられたドーナツ型の形状を有する改質容器３１０、および当該改質容器３１０内に収容された改質触媒３２０を有する。改質部３００に設置された改質触媒により気化部２００から送出された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容器３１０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。

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。

上述した気化部２００および排気管２４０の上部は、鉛直方向に平面視したときに、改質容器３１０に設けられた穴に位置している。具体的には、気化部２００および排気管２４０の上部は、改質容器３１０に設けられた穴に挿通されている。換言すると、改質部３００に設けられた穴に気化部２００の少なくとも一部が位置している。改質容器３１０の穴の内径は、排気管２４０の外径より大きく、排気管２４０と、当該穴を形成する改質容器３１０の円筒状の壁との間に所定の隙間が形成されている。言い換えると、鉛直方向に平面視したときに、改質部の中心部分に気化部が位置している。

燃焼部４００は、改質部３００と同様に、鉛直方向に平面視したとき、中央部分に穴が設けられたドーナツ型の形状を有する燃焼容器４１０を有する。燃焼容器４１０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、燃焼容器４１０の上面の複数箇所に設けられた噴出口４２０からオフガスが噴出する。噴出したオフガスは点火装置４３０により点火されて燃焼する。本実施形態では、鉛直方向に平面視したとき、燃焼部４００の燃焼容器のドーナツ形状と、改質部３００の改質容器のドーナツ形状とが重畳するように配置されている。これにより、燃焼部４００で生じた熱が改質部３００の改質容器３１０の下面全体を一様に加温するため、改質部３００における改質効率の向上を図ることができる。

また、上述した気化部２００および排気管２４０の下部は、鉛直方向に平面視したときに、燃焼容器４１０に設けられた穴に位置している。具体的には、気化部２００および排気管２４０の下部は、燃焼容器４１０に設けられた穴に挿通されている。混合層２６０の少なくとも一部は、燃焼容器４１０に設けられた穴を挿通するように配置されている。

オフガスが燃焼して生じる排ガスは、排気管２４０の内壁と気化管２３０の外壁との間（言い換えると、気化部２００の周囲）に形成された流路の上端の入口から下方に向けて流入する。すなわち排気管２４０は上端が開放端となっている。

排気管２４０の内壁と気化管２３０の外壁との間に形成された流路の一部には、燃焼触媒が充填された燃焼触媒層５００が形成されており、燃焼触媒層５００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。排気管２４０が気化管２３０を取り囲む構造により、未反応ガスの燃焼により生じた熱が気化部２００内に伝熱しやすくなり、気化が促進される。燃焼触媒層５００は、少なくとも一部が、燃焼容器４１０に設けられた穴を挿通するように配置されている。

上述したように、混合層２６０および燃焼触媒層５００の一部が燃焼容器４１０に設けられた穴を挿通するように配置されているため、燃焼触媒層５００で生じた熱のみならず、燃焼部４００で生じた熱が混合層２６０に伝熱しやすくなることにより、気化部２００における気化効率の向上を図ることができる。

燃焼触媒層５００を通過した排ガスは、排気管２４０の下端に接続された排出管２９０を通じて、改質ユニット１００の外部に排出される。

本実施形態の改質ユニット１００では、改質部３００の改質容器３１０の外周面と内筒１１０の内壁とが平板状の固定部材６００を介して固定されており、改質部３００の安定性が高められている。同様に、燃焼部４００の燃焼容器４１０の外周面と内筒１１０の内壁とが平板状の固定部材６１０を介して固定されており、燃焼部４００の安定性が高められている。また、改質容器３１０の穴部分の内周面と排気管２４０とが平板状の固定部材６２０を介して固定され、さらに、燃焼容器４１０の穴部分の内周面と排気管２４０とが平板状の固定部材６３０を介して固定されている。また、内筒１１０の内壁と排気管２４０とが平板状の固定部材６４０を介して固定されている。これにより、排気管２４０の安定性が高められている。なお、それぞれの固定部材は、噴出口４２０から噴出されたオフガスの流れを極力阻害しない構造がよく、例えば一部のみ設けられて固定されている構造のほか、固定部に穴を有し、オフガスが上方へと流れる構造等が例示できる。

以上説明した改質ユニット１００は、ドーナツ形状を有する改質容器３１０および燃焼容器４１０にそれぞれ設けられた穴に気化部２００が挿通した構造を採用することにより、鉛直方向の薄型化および低重心化を図ることができる。これにより、改質ユニット１００の設置に必要なスペースが低減し、改質ユニット１００の設置自由度を高めることができる。また、改質ユニット１００の低重心化により、改質ユニット１００の安定性を高めることができる。

また、以上説明した改質ユニット１００は、気化部２００を中心に、気化部２００から離間して改質部３００および燃焼部４００が配置され、気化部２００、改質部３００および燃焼部４００を内筒１１０に収める配置が採用されている。これにより、各部材にホットスポットが生じにくくなり、熱変形しにくくなる。また、仮に、各部材が熱変形した場合であっても、互いに影響を及ぼすことが抑制される。この結果、改質ユニット１００の耐久性を向上させることができる。本実施形態のように、改質部３００および燃焼部４００をドーナツ型とし、内筒１１０および外筒１２０を円筒形とすることにより、各部材の温度分布をより均一にすることができ、より一層熱変形しにくくさせることができる。

また、以上説明した改質ユニット１００では、各部材を繋ぐために必要な主な接続配管が、気化部２００と改質部３００とを接続する分岐路２５０のみであり、構造を簡素化することができる。このため、改質ユニット１００の製造が容易となり、製造コストの低減を図ることができる。また、構造が簡便なため、改質ユニット１００を壊れにくくするとともに、メンテナンスを容易なものとすることができる。

（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。なお、本実施形態および後述する実施形態３では、点火装置４３０の図示を省略する。

本実施形態では、内筒１１０の上部に空気室壁１６０および空気室壁１６２によって形成される空気室７００が設けられている。空気室７００には空気供給管１４０を通じて空気が供給される。さらに、蓋部１１２と空気室壁１６０との間に排気室７２０が設けられている。燃焼部４００で生じた排ガスは、空気室７００を貫通する流路７３０を経由して排気室７２０に導入される。すなわち、内筒１１０内の排気ガスの流れが上記実施形態１とは異なっており、実施形態１のような気化管２３０を取り囲む排気管は有しておらず、内筒１１０内の排ガスは、上方に流れたのち、空気室７００を貫通する流路７３０を経由して排気室７２０に導入される。排気室７２０には、排気管２４０が接続されており、排気室７２０から排出される排ガスは、排気管２４０を通じて外部に排出される。

また、酸素含有ガス流通路を構成する空気室７００は、鉛直方向から平面視したときに、ドーナツ形状であるほか、それ以外の少なくとも一部に穴が設けられた形状をなしている。なお、この穴が上記の流路７３０となる。一方で、気化管２３０はドーナツ形状の穴に挿通されて、空気室７００に接続されている。

本実施形態のように、空気室壁１６０を介して、空気室７００および排気室７２０を配置することにより、水供給管２１０に供給される水、ガス供給管２２０に供給される原料ガスのみならず、空気室７００内の空気を、排気室７２０および内筒１１０内とで挟み込むことで、効率よく予熱することができる。なお、排気室７２０に流れた排ガスは、排気室７２０や排気管２４０に設けられた燃焼触媒によって処理することができる。

なお、本実施形態のように、排気管２４０の途中に熱交換器７４０を設け、熱交換器７４０により排ガスの熱を回収することにより、エネルギー効率を高めることができる。

本実施形態では、燃焼容器４１０の上面にドーム状の凹部４５０が設けられており、気化管２３０の下端のドーム形状部分が当該凹部４５０から離間した状態で気化管２３０の最下端が当該凹部４５０によって形成される凹み部分に位置するように配置される。凹部４５０にオフガスが噴出する噴出口４２０を配置することにより、オフガスの燃焼によって生じる熱を気化部２００に効率よく伝熱させることができ、ひいては気化部２００における気化効率を高めることができる。なお、本実施形態では、実施形態１と同様に、改質部３００は、燃焼部４００の上方に配置されている。

（実施形態３）
実施形態３に係る改質ユニット１００について、実施形態２と同様な構成については説明を省略し、実施形態２と異なる構成を中心に以下に説明する。

実施形態２では、気化管２３０の上部において、改質容器３１０に設けられた穴に気化管２３０が挿通しているが、本実施形態では、気化管２３０の下部において、改質容器３１０に設けられた穴に気化管２３０が挿通している。また実施形態１、２においては、水供給管２１０の先端（下端）が、ガス供給管２２０の先端（下端）よりも下方に位置するように配置されていたが、本実施形態３においては、ガス供給管２２０の先端（下端）が、水供給管２１０の先端（下端）よりも下方に位置するように配置されている。具体的には、ガス供給管２２０の下部領域に、水供給管２１０の出口から滴下した水の気化を促進するための気化促進層２６１が設けられており、水供給管２１０の出口は、ガス供給管２２０の下部領域に設けられた気化促進層２６１の上方に位置している。なお、本実施形態においては、ガス供給管２２０の下部領域に加えて、ガス供給管２２０と気化管２３０との間にも気化促進層２６１が設けられている。なお気化促進層２６１、水の気化の促進に加え水蒸気と原料ガスとの混合を促進する混合層の役割も担っている。気化促進層２６１としては、例えばアルミナ等のセラミックスからなるボール等を充填することができる。

また、本実施形態では、改質容器３１０と燃焼部４００は近接しており、燃焼容器４１０には、凹部４５０のみだけでなく、改質容器３１０の下方領域にも噴出口４２０が設けられている。燃焼部４００が気化部２００および改質部３００に近接しているため、燃焼部４００で生じた熱が気化部２００および改質部３００により伝熱しやすい。このため、気化部２００および改質部３００を適温に容易に加熱することができ、気化部２００における気化効率および改質部３００における改質効率をより一層高めることができる。

また、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。上述の実施形態１では、鉛直方向から平面視したときの、改質容器３１０および燃焼容器４１０の形状がドーナツ状であるが、改質容器３１０および燃焼容器４１０の形状は中央部分に穴が形成された矩形状であってもよい。

１００改質ユニット、２００気化部、３００改質部

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、
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と、
を備え、
前記燃焼部は、鉛直方向から平面視したときに中央部分に穴が設けられた形状をなし、
前記燃焼部の穴に前記気化部の少なくとも一部が位置しており、
前記穴において前記燃焼部と前記気化部との間には排管及びオフガス導入管を有さない、改質ユニット。
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、
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と、
を備え、
前記燃焼部は、鉛直方向から平面視したときに中央部分に穴が設けられた形状をなし、
前記燃焼部の穴に前記気化部の少なくとも一部が位置しており、
前記改質部は、鉛直方向から平面視したときに中央部分に穴が設けられた形状をなし、
前記改質部の穴に前記気化部の少なくとも一部が位置しており、
前記燃焼部の上方に前記改質部が配置されている、改質ユニット。
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、
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と、
を備え、
前記燃焼部は、鉛直方向から平面視したときに中央部分に穴が設けられた形状をなし、
前記燃焼部の穴に前記気化部の少なくとも一部が位置しており、
前記改質部は、鉛直方向から平面視したときに中央部分に穴が設けられた形状をなし、
前記改質部の穴に前記気化部が貫通している、改質ユニット。
前記気化部は、鉛直方向に延びた直線形状であり、前記改質部の上面から出た鉛直方向の長さが、前記改質部の下面から出た鉛直方向の長さよりも長い、請求項３に記載の改質ユニット。
外部より供給される空気のみが流通する空気流通路をさらに備え、
前記気化部を中心に前記改質部、前記燃焼部及び前記空気流通路が同心円状に配置されている、請求項２または３に記載の改質ユニット。
前記気化部の周囲に前記燃焼部で生じた排ガスが流通する流路が形成され、前記流路の一部に前記排ガスに含まれる未反応ガスを燃焼させる燃焼触媒が設けられている、請求項５に記載の改質ユニット。
前記燃焼部の上面に凹部が形成されており、前記凹部に前記オフガスが噴出する噴出口が配置され、
前記凹部によって形成される凹み領域に前記気化部の下端が位置しており、前記燃焼部の上方に前記改質部が配置されている、請求項５または６に記載の改質ユニット。
前記改質部が前記気化部の下部に位置し、前記燃焼部が前記改質部および前記気化部に近接している、請求項７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８のいずれか１項に記載の改質ユニット。
前記酸素含有ガス流通路は、鉛直方向から平面視したときに少なくとも一部に穴が設けられた形状をなしている、請求項９に記載の改質ユニット。
前記改質部は、鉛直方向から平面視したときの形状がドーナツ型である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の改質ユニット。
請求項１乃至１１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。