(57)【要約】【課題】温度分布を最適化できる燃料改質ユニットを提供する。【解決手段】燃料改質ユニット１００は、燃料を蒸発させる蒸発部１１０と、蒸発した燃料を過熱する過熱部１２０と、改質触媒を備え過熱された燃料を改質する改質部１３０と、を備える燃料改質ユニットである。該燃料改質ユニットは、蒸発部、過熱部および改質部に加熱ガスＨＧからの熱を供給する熱交換部１００Ｂと、燃料ガスＦＧから改質ガスを生成するガス生成部１００Ａと、を有する。該燃料改質ユニットは、蒸発部、過熱部および改質部を一体に形成し、且つ、ガス生成部と熱交換部とを互いに対向して積層配置したことを特徴とする。【選択図】図２Ａ
2020117414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を蒸発させる蒸発部と、
蒸発した前記燃料を過熱する過熱部と、
改質触媒を備え過熱された前記燃料を改質する改質部と、を備える燃料改質ユニットであって、
前記蒸発部、前記過熱部および前記改質部に加熱ガスからの熱を供給する熱交換部と、
前記燃料から改質ガスを生成するガス生成部と、を有し、
前記蒸発部、前記過熱部および前記改質部を一体に形成し、且つ、
前記ガス生成部と前記熱交換部とを互いに対向して積層配置したことを特徴とする燃料改質ユニット。
【請求項２】
前記過熱部を前記蒸発部よりも鉛直方向の上方に配置する、請求項１に記載の燃料改質ユニット。
【請求項３】
前記過熱部において、前記ガス生成部の前記燃料の流れ方向は、前記熱交換部の前記加熱ガスの流れ方向と逆方向である、請求項１または請求項２に記載の燃料改質ユニット。
【請求項４】
前記ガス生成部の前記燃料の流路において、前記改質部における圧力損失は、前記過熱部における圧力損失よりも大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料改質ユニット。
【請求項５】
前記改質部は、長方形状を有し、
前記ガス生成部において、前記燃料の流れ方向は前記改質部の短手方向である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料改質ユニット。
【請求項６】
前記熱交換部の前記加熱ガスの流路において、前記蒸発部における圧力損失は、前記改質部における圧力損失よりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料改質ユニット。
【請求項７】
前記ガス生成部において、前記蒸発部の前記燃料の流れ方向は、複数の方向を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料改質ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料を燃料改質ユニットで改質して生成した改質ガスを燃料電池スタックに供給して発電する。燃料改質ユニットでは、蒸発器や改質器を含む各コンポーネントが別体で構成されている。そのため、各コンポーネントの連結箇所のガスリーク対策が必要となり、部品数の増加や構造の複雑化によって、燃料改質ユニットが大型化する問題があった。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、１つのケース内に蒸発器および改質器を収容し、該ケース内に燃料を昇温するためのガス流路を設けることによって、構成を簡素化して小型化した燃料改質ユニットが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５３７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の燃料改質ユニットは、改質器全体を外側のみから熱交換させる構造であるため、改質器の外周部と中心部との間に温度差が生じ、反応が不均一となる場合がある。これにより、改質器の改質性能が低下する可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、温度分布を最適化できる燃料改質ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の燃料改質ユニットは、燃料を蒸発させる蒸発部と、蒸発した前記燃料を過熱する過熱部と、改質触媒を備え過熱された前記燃料を改質する改質部と、を備える燃料改質ユニットである。該燃料改質ユニットは、前記蒸発部、前記過熱部および前記改質部に加熱ガスからの熱を供給する熱交換部と、前記燃料から改質ガスを生成するガス生成部と、を有する。さらに、該燃料改質ユニットは、前記蒸発部、前記過熱部および前記改質部を一体に形成し、且つ、前記ガス生成部と前記熱交換部とを互いに対向して積層配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料改質ユニットを小型化すると共に、燃料改質ユニットの温度分布を最適化し、改質部の改質性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料改質システムを示す概略構成図である。
【図２Ａ】燃料改質ユニットを説明するための構成図である。
【図２Ｂ】燃料改質ユニットの燃料ガスの流れを示す平面図である。
【図２Ｃ】燃料改質ユニットの加熱ガスの流れを示す平面図である。
【図３Ａ】燃料改質ユニットの一部を断面で示す側面図である。
【図３Ｂ】燃料改質ユニットの燃料側プレートを模式的に示す平面図である。
【図３Ｃ】燃料改質ユニットの加熱側プレートを模式的に示す平面図である。
【図４Ａ】変形例１に係る燃料改質ユニットのガス生成部の燃料ガスおよび熱交換部の加熱ガスの流れを示す平面図である。
【図４Ｂ】変形例１に係る燃料改質ユニットの燃料側プレートおよび加熱側プレートを模式的に示す平面図である。
【図５Ａ】変形例２に係る燃料改質ユニットのガス生成部の燃料ガスおよび熱交換部の加熱ガスの流れを示す平面図である。
【図５Ｂ】変形例２に係る燃料改質ユニットの燃料側プレートおよび加熱側プレートを模式的に示す平面図である。
【図６Ａ】変形例３に係る燃料改質ユニットのガス生成部の燃料ガスおよび熱交換部の加熱ガスの流れを示す平面図である。
【図６Ｂ】変形例３に係る燃料改質ユニットの燃料側プレートおよび加熱側プレートを模式的に示す平面図である。
【図７Ａ】変形例４に係る燃料改質ユニットのガス生成部の燃料ガスおよび熱交換部の加熱ガスの流れを示す平面図である。
【図７Ｂ】変形例４に係る燃料改質ユニットの燃料側プレートおよび加熱側プレートを模式的に示す平面図である。
【図８Ａ】変形例５に係る燃料改質ユニットのガス生成部の燃料ガスおよび熱交換部の加熱ガスの流れを示す平面図である。
【図８Ｂ】変形例５に係る燃料改質ユニットの燃料側プレートおよび加熱側プレートを模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１１】
（燃料電池システム１０）
図１は、燃料電池システム１０を示す概略構成図である。図１を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０について説明する。
【００１２】
図１に示される燃料電池システム１０は、燃料を改質して改質ガスＲＧを生成し、改質ガスＲＧおよび酸化剤ガスＯＧを燃料電池スタック１１に供給して発電する。改質ガスＲＧは、燃料電池スタック１１のアノード電極へ供給されるアノードガスである。酸化剤ガスＯＧは、燃料電池スタック１１のカソード電極へ供給されるカソードガスである。酸化剤ガスＯＧは、酸素、あるいは酸素を含有する空気などから構成される。
【００１３】
本実施形態の燃料電池スタック１１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に適用される。ＳＯＦＣは、アノードガスとして水素だけでなく一酸化炭素やメタンも使用することができるため、燃料改質ユニット１００の発電効率を向上させることができる。
【００１４】
燃料は、改質することでアノードガスとして燃料電池スタック１１の発電に利用可能な燃料であれば特に限定されない。燃料としては、例えば、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油、天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ３ＯＣＨ３）、アセトン（ＣＨ３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ３）、バイオ燃料等が挙げられる。本実施形態では、燃料および水を混合した液体の水含有燃料ＭＷを用いて改質ガスＲＧを生成する場合を例に挙げて説明する。
【００１５】
図１を参照して、燃料電池システム１０は、水含有燃料ＭＷを貯蔵する燃料タンク２０と、ヒーター３１と、ミキサー３２と、燃焼器３３と、酸化剤供給部４１と、熱交換器４２と、燃料改質ユニット１００と、を有する。
【００１６】
燃料タンク２０は、燃料および水を混合した水含有燃料ＭＷを貯蔵する。燃料および水を混合して貯蔵することによって、燃料を貯蔵するための燃料用タンクと、水を貯蔵するための貯水用タンクとをそれぞれ個別に設ける必要がない。これにより、燃料改質ユニット１００の構成を簡素化および小型化することができる。なお、燃料タンク２０には、燃料と水の組成を検出する濃度センサを設けてもよい。
【００１７】
ヒーター３１は、燃料電池スタック１１から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを加熱する。ミキサー３２は、加熱されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを混合する。燃焼器３３は、混合されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼して高温の加熱ガスＨＧを生成する。高温の加熱ガスＨＧは、燃料改質ユニット１００および熱交換器４２に供給される。
【００１８】
酸化剤供給部４１は、酸素または空気からなる酸化剤ガスＯＧを供給する。本実施形態の酸化剤供給部４１は、空気を外部から吸引して熱交換器４２に供給するブロワーから構成される。
【００１９】
熱交換器４２は、酸化剤供給部４１から供給される酸化剤ガスＯＧと燃焼器３３から供給される加熱ガスＨＧとの間で熱交換して、酸化剤ガスＯＧを加熱する。ＳＯＦＣに適用される燃料電池スタック１１は、約５００〜１２００℃の高温で作動する。このため、起動時および運転時には、高温に加熱された酸化剤ガスＯＧを流通させて燃料電池スタック１１を昇温し、あるいは燃料電池スタック１１の高温状態を維持する。
【００２０】
燃料改質ユニット１００は、水含有燃料ＭＷ（「燃料」に相当）を蒸発（気化）させて水蒸気を含む燃料ガスＦＧを生成する蒸発部１１０と、燃料ガスＦＧ（「蒸発した燃料」に相当）を過熱する過熱部１２０と、改質触媒を備え、過熱された燃料ガスＦＧを改質する改質部１３０と、を有する。
【００２１】
燃料タンク２０の水含有燃料ＭＷは、燃料改質ユニット１００へ供給され、気化されて燃料ガスＦＧとなった後、改質されて改質ガスＲＧとなる。改質ガスＲＧは、アノードガスとして燃料電池スタック１１に供給される。
【００２２】
蒸発部１１０は、燃料タンク２０から供給された水含有燃料ＭＷを気化して水蒸気および燃料を含む燃料ガスＦＧを生成する。
【００２３】
過熱部１２０は、改質部１３０へ供給する燃料ガスＦＧを過熱する機能を有する。過熱部１２０における過熱温度は、特に限定されないが、例えば、５００度以上とすることができる。
【００２４】
改質部１３０は、長方形状を有する。改質部１３０の短手方向は、鉛直方向Ｚであり、長手方向は、横方向Ｘである。改質部１３０は、改質反応を促進する改質触媒を有する。改質触媒は、燃料側プレート１０１の表面のうち、改質部１３０に相当する部分に塗布される。改質部１３０は、蒸発部１１０から供給される燃料ガスＦＧを改質して、燃料電池スタック１１に供給される改質ガスＲＧを生成する。改質部１３０においては燃料ガスＦＧ中の燃料ガスおよび水蒸気が触媒反応を起して水蒸気改質によって改質ガスＲＧが生成される。
【００２５】
改質部１３０は、燃料として水含有燃料ＭＷの水蒸気改質反応を促進することにより、改質ガスＲＧとして例えば、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（Ｃ２Ｈ４）等を生成する。改質ガスＲＧは、燃料電池スタック１１に供給されてアノードガスとして発電に使用される。
【００２６】
酸化剤供給部４１から供給された酸化剤ガスＯＧは、熱交換器４２へ供給され、熱交換器４２において加熱された後、カソードガスとして燃料電池スタック１１に供給される。
【００２７】
燃料電池スタック１１から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスは、ヒーター３１によって加熱され、ミキサー３２によって混合され、燃焼器３３で燃焼されて加熱ガスＨＧとなる。加熱ガスＨＧは、熱交換器４２および燃料改質ユニット１００に分岐して流れる。
【００２８】
熱交換器４２に流入した加熱ガスＨＧは、酸化剤ガスＯＧと熱交換した後、熱交換器４２の外部に排出される。同様に、燃料改質ユニット１００に流入した加熱ガスＨＧは、改質部１３０、過熱部１２０および蒸発部１１０において燃料ガスＦＧと熱交換した後、燃料改質ユニット１００の外部に排出される。アノードオフガスおよびカソードオフガスからなる加熱ガスＨＧの熱量を熱交換器４２や燃料改質ユニット１００の加熱に利用することによって、燃料改質ユニット１００のエネルギー効率を向上させることができる。
【００２９】
図２Ａは、燃料改質ユニット１００を説明するための構成図である。図２Ｂは、燃料改質ユニット１００の燃料ガスＦＧの流れを示す平面図である。図２Ｃは、燃料改質ユニット１００の加熱ガスＨＧの流れを示す平面図である。
【００３０】
図２Ａを参照して、燃料改質ユニット１００は、複数の燃料側プレート１０１および複数の加熱側プレート１０２を交互に積層した積層体１００Ｓを有する。燃料側プレート１０１および加熱側プレート１０２の各々は、蒸発部１１０、過熱部１２０および改質部１３０の各機能を有する。燃料側プレート１０１は、加熱側プレート１０２との間に水含有燃料ＭＷ（燃料に相当）から改質ガスＲＧを生成するガス生成部１００Ａを形成する。加熱側プレート１０２は、燃料側プレート１０１との間に熱交換部１００Ｂを形成する。
【００３１】
図２Ｂを参照して、ガス生成部１００Ａは、水含有燃料ＭＷや燃料ガスＦＧが流れる燃料用流路１１１、１２１、１３１によって構成される。燃料用流路１１１、１２１、１３１は、燃料側プレート１０１の表面に形成される。燃料側プレート１０１において、燃料ガスＦＧは、蒸発部１１０の燃料用流路１１１、過熱部１２０の燃料用流路１２１、改質部１３０の燃料用流路１３１を順に流通する。ガス生成部１００Ａにおいて、蒸発部１１０は最上流に位置する。
【００３２】
水含有燃料ＭＷは、蒸発部１１０において気化されて水蒸気を含む燃料ガスＦＧとなる。燃料ガスＦＧは、過熱部１２０において反応に適した温度に過熱された後に、改質部１３０に供給される。改質部１３０は、水蒸気改質によって燃料ガスＦＧから水素リッチな改質ガスＲＧを生成する。
【００３３】
図２Ｃを参照して、熱交換部１００Ｂは、加熱ガスＨＧが流れる加熱用流路１１２、１２２、１３２によって構成される。加熱用流路１１２、１２２、１３２は、加熱側プレート１０２の表面に形成される。加熱側プレート１０２において、加熱ガスＨＧは、過熱部１２０の加熱用流路１２２を通った後、蒸発部１１０の加熱用流路１１２および改質部１３０の加熱用流路１３２に流れる。加熱ガスＨＧは、過熱部１２０において熱交換した後に、蒸発部１１０および改質部１３０を加熱する。このため、過熱部１２０の温度は、蒸発部１１０および改質部１３０よりも高くなる。
【００３４】
換言すれば、燃料改質ユニット１００は、燃料用流路１１１、１２１、１３１と、加熱用流路１１２、１２２、１３２とが交互に積層された構成を有する。燃料用流路１１１、１２１、１３１と加熱用流路１１２、１２２、１３２が交互になるように積層することで、積層体１００Ｓの積層方向に対する温度ムラを低減して、温度分布を最適化できる。
【００３５】
図３Ａは、燃料改質ユニット１００の一部を断面で示す側面図である。図３Ｂは、燃料改質ユニット１００の燃料側プレート１０１を模式的に示す平面図である。図３Ｃは、燃料改質ユニット１００の加熱側プレート１０２を模式的に示す平面図である。
【００３６】
図３Ａに示すように、燃料改質ユニット１００は、水含有燃料ＭＷの供給口１０１ａと、改質ガスＲＧの排出口１０１ｂと、加熱ガスＨＧの供給口１０２ａと、加熱ガスＨＧの排出口１０２ｂとを有する。
【００３７】
図３Ｂに示すように、燃料側プレート１０１は、燃料用流路１１１、１２１、１３１を有する。蒸発部１１０の燃料用流路１１１および過熱部１２０の燃料用流路１２１は、燃料側プレート１０１の表面に複数の凸部１０１Ａを配置して形成されたドット状流路である。複数の凸部１０１Ａの間に形成された燃料用流路１１１、１２１を流れる燃料ガスＦＧの流れは蛇行し、その流れ方向は、複数（２以上）の方向を含む。これにより、燃料ガスＦＧの拡散性が向上し、熱交換部１００Ｂ側との有効熱交換面積が増加する。その結果、改質部１３０の入口温度を上昇させると共に、燃料ガスＦＧの濃度を均一化できる。
【００３８】
改質部１３０の燃料用流路１３１は、燃料側プレート１０１の表面に鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ１０１Ｂを配置して形成されたストレート状流路である。複数のリブ１０１Ｂの間に形成された燃料用流路１３１は、燃料ガスＦＧを鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ一方向に流通させる流れを形成する。換言すれば、ガス生成部１００Ａにおいて、燃料ガスＦＧの流れ方向は改質部１３０の短手方向（Ｚ方向）である。改質部１３０の燃料用流路１３１の表面には、改質触媒が塗布される。
【００３９】
本実施形態では、改質部１３０は、改質触媒が塗布された燃料用流路１３１を備える構造体を燃料側プレート１０１と別体で形成し、当該構造体を燃料側プレート１０１の表面に設置することによって形成される。当該構造体は、長尺状の基板にロール・トゥ・ロールで改質触媒を塗布した後に、切断することによって大量生産することができる。
【００４０】
ガス生成部１００Ａの改質部１３０の燃料用流路１３１のストレート状流路は、過熱部１２０の燃料用流路１２１のドット状流路よりも合計流路断面積が小さくなるように構成されている。これにより、改質部１３０の燃料用流路１３１の圧力損失は、過熱部１２０の燃料用流路１２１の圧力損失よりも大きくなる。ガス生成部１００Ａにおいて、燃料ガスＦＧが過熱部１２０に留まる時間が長くなるため、過熱部１２０での燃料ガスＦＧの昇温とミキシング効果を高めることができる。
【００４１】
また、蒸発部１１０および改質部１３０は、横方向Ｘに並列に配置される。過熱部１２０は、蒸発部１１０よりも鉛直方向Ｚの上方に配置される。液体燃料である水含有燃料ＭＷは、蒸発すると気体の燃料ガスＦＧとなって上昇する。過熱部１２０が蒸発部１１０よりも鉛直方向Ｚの上方に配置されることによって、蒸発部１１０から過熱部１２０への燃料ガスＦＧの流れを形成し易くなる。
【００４２】
図３Ｃに示すように、加熱側プレート１０２は、加熱用流路１１２、１２２、１３２を有する。蒸発部１１０の加熱用流路１１２および改質部１３０の燃料用流路１３１は、鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ１０２Ａを配置して形成されたストレート状流路である。過熱部１２０の加熱用流路１２２は、加熱側プレート１０２のうち加熱用流路１１２、１３２の複数のリブ１０２Ａが配置されない部分に形成される。
【００４３】
蒸発部１１０の幅Ｗ１は、改質部１３０の幅Ｗ２よりも小さい。よって、蒸発部１１０の加熱用流路１１２の合計流路断面積は、改質部１３０の加熱用流路１３２の合計流路断面積よりも小さくなる。そのため、蒸発部１１０の加熱用流路１１２の圧力損失は、改質部１３０の加熱用流路１３２の圧力損失よりも大きくなるように構成されている。これにより、蒸発部１１０よりも改質部１３０側に加熱ガスＨＧが流れやすくなり、蒸発部１１０に比べて改質部１３０の方がより高温となる。その結果、改質部１３０において高い燃料ガスＦＧの転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制できる。
【００４４】
燃料側プレート１０１および加熱側プレート１０２は、例えば、ステンレス等の金属板によって形成される。金属板の表面にエッチングやプレス加工を施すことによって燃料用流路１１１、１２１、１３１および加熱用流路１１２、１２２、１３２を形成することができる。このように、エッチングやプレス加工によって金属板に蒸発部１１０、過熱部１２０および改質部１３０を同時に成形することができるため、製造工程の簡素化が可能となる。
【００４５】
また、蒸発部１１０、過熱部１２０および改質部１３０の各機能に応じて、燃料用流路１１１、１２１、１３１および加熱用流路１１２、１２２、１３２のデザインを決定することができる。そのため、温度分布の最適化や改質触媒の反応性向上に寄与することができる。
【００４６】
また、ガス生成部１００Ａと熱交換部１００Ｂとを積層することによって、平面で熱交換することできるため、ガス生成部１００Ａの温度分布を最適化することができる。
【００４７】
図２Ｂおよび図２Ｃを参照して、蒸発部１１０および過熱部１２０において、燃料用流路１１１、１２１の燃料ガスＦＧの流れ方向と加熱用流路１１２、１２２の加熱ガスＨＧの流れ方向は、対向する方向である。これにより、蒸発部１１０および過熱部１２０において、燃料ガスＦＧの流れの下流側を上流側よりも高温にすることができる。その結果、蒸発部１１０よりも過熱部１２０の方が高温となるため、蒸発部２１０において気化された燃料ガスＦＧを反応に適した温度まで過熱することができる。これにより、燃料ガスＦＧの改質反応を促進することができる。また、改質部１３０では、燃料用流路１３１の燃料ガスＦＧの流れ方向と加熱用流路１３２の加熱ガスＨＧの流れ方向は、同じ方向である。
【００４８】
蒸発部、過熱部および改質部の各コンポーネントが別体で構成された場合、それぞれを繋ぐ外部配管や連結部品を新たに設ける必要がある。この場合、連結箇所が増えることによるガスリーク対策のために、部品数の増加や構造の複雑化を招く虞がある。これにより、スペースの有効利用が図れず、燃料改質ユニットが大型化し、燃料改質ユニットの製造コストも増加する可能性がある。
【００４９】
これに対して、本実施形態に係る燃料改質ユニット１００によれば、蒸発部１１０、過熱部１２０および改質部１３０を一体に形成することによって、それぞれを繋ぐ外部配管や連結部品が不要となるため、部品数を減少させ、構造を簡素化できる。これにより、燃料改質ユニット１００を小型化できる。
【００５０】
また、改質器全体を外側のみから熱交換させる構造の場合、改質器の外周部と中心部での温度差が生じて反応が不均一となってしまう。これにより、改質性能が低下する虞がある。
【００５１】
これに対して、本実施形態に係る燃料改質ユニット１００によれば、ガス生成部１００Ａと熱交換部１００Ｂとを交互に配置するため、ガス生成部１００Ａの温度を制御しやすくなる。これにより、ガス生成部１００Ａの温度分布を最適化することができる。特に、改質部１３０の温度を均一化できるため、改質性能を向上させることができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の燃料改質ユニット１００は、水含有燃料ＭＷ（燃料）を蒸発させて燃料ガスＦＧを生成する蒸発部１１０と、燃料ガスＦＧ（蒸発した燃料）を過熱する過熱部１２０と、改質触媒を備え過熱された燃料ガスＦＧ（燃料）を改質する改質部１３０と、を備える燃料改質ユニットである。燃料改質ユニット１００は、蒸発部１１０、過熱部１２０および改質部１３０に加熱ガスＨＧからの熱を供給する熱交換部１００Ｂと、燃料ガスＦＧ（燃料）から改質ガスＲＧを生成するガス生成部１００Ａと、を有する。燃料改質ユニット１００は、蒸発部１１０、過熱部１２０および改質部１３０を一体に形成し、且つ、ガス生成部１００Ａと熱交換部１００Ｂとを互いに対向して積層配置したことを特徴とする。
【００５３】
上記燃料改質ユニット１００によれば、蒸発部１１０、過熱部１２０および改質部１３０を一体に形成することによって、各構成部を接続するための配管やマニホールドを削減することができるため、燃料改質ユニット１００のスペースを有効に利用することができる。また、ガス生成部１００Ａと熱交換部１００Ｂとを互いに対向して積層配置したことによって、積層方向の温度ムラを低減することができる。その結果、燃料改質ユニット１００を小型化すると共に、燃料改質ユニット１００の温度分布を最適化し、改質部１３０の改質性能を向上することができる。
【００５４】
また、過熱部１２０を蒸発部１１０よりも鉛直方向Ｚの上方に配置する。ガス生成部１００Ａの蒸発部１１０において、液体の水含有燃料ＭＷは蒸発し、燃料ガスＦＧとして上昇する。このため、過熱部１２０を蒸発部１１０の鉛直方向Ｚの上方に配置することによって、蒸発部１１０から過熱部１２０への燃料ガスＦＧの拡散性を高めることができる。
【００５５】
また、過熱部１２０において、ガス生成部２００Ａの燃料ガスＦＧの流れ方向は、熱交換部２００Ｂの加熱ガスＨＧの流れ方向と逆方向である。これにより、過熱部２２０の加熱ガスＨＧの流れの上流側に位置する改質部２３０の入口温度を下流側に位置する蒸発部１１０よりも高くすることができるため、改質反応を促進できる。これにより、改質部２３０において高い燃料の転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制できる。
【００５６】
また、ガス生成部１００Ａにおいて、改質部１３０の燃料用流路１３１の圧力損失は、過熱部１２０の燃料用流路１２１の圧力損失よりも大きくなるように構成される。ガス生成部１００Ａにおいて、改質部１３０の圧力損失を過熱部１２０の圧力損失よりも大きくすることで、過熱部１２０での昇温とミキシング効果を高めることができる。これにより、改質部１３０において高い燃料ガスＦＧの転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制することができる。
【００５７】
また、改質部１３０は、長方形状を有する。ガス生成部１００Ａにおいて、燃料ガスＦＧの流れ方向は改質部１３０の短手方向（Ｚ方向）である。これにより、改質部１３０の燃料用流路１３１の長さが短くなる。同じ容積の燃料ガスＦＧを改質部１３０に流通させる場合、燃料用流路１３１の長さが短い方が燃料ガスＦＧの線速度が小さくなる。そのため、改質部１３０における燃料ガスＦＧの流速を低減できるため、改質部１３０の表面の改質触媒の利用率を向上させることができる。これにより、改質部１３０において高い燃料ガスＦＧの転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制できる。
【００５８】
また、熱交換部１００Ｂの加熱用流路１１２、１３２において、蒸発部１１０の加熱用流路１１２の圧力損失は、改質部１３０の加熱用流路１３２の圧力損失よりも大きい。これにより、蒸発部１１０よりも改質部１３０側に加熱ガスＨＧが流れやすくなり、蒸発部１１０に比べて改質部１３０の方がより高温となる。その結果、改質部１３０において高い燃料ガスＦＧの転化率を維持することができるため、カーボン析出による劣化を抑制できる。
【００５９】
また、ガス生成部１００Ａにおいて、蒸発部１１０の燃料ガスＦＧの流れ方向は、複数の方向を含む。これにより、燃料ガスＦＧの拡散性が向上し、熱交換部１００Ｂ側との有効熱交換面積が増加する。その結果、改質部１３０の入口温度を上昇させると共に、燃料ガスＦＧの濃度を均一化できる。これにより、改質部１３０において高い燃料ガスＦＧの転化率を維持することができるため、カーボン析出による改質性能の劣化を抑制できる。
【００６０】
次に、図４Ａ〜図８Ｂを参照しての燃料改質ユニットの変形例について説明する。
【００６１】
（変形例１）
図４Ａは、変形例１に係る燃料改質ユニットのガス生成部２００Ａの燃料ガスＦＧおよび熱交換部２００Ｂの加熱ガスＨＧの流れを示す平面図である。図４Ｂは、変形例１に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート２０１および加熱側プレート２０２を模式的に示す平面図である。
【００６２】
変形例１に係る燃料改質ユニットは、ガス生成部２００Ａの燃料ガスＦＧの全ての流れ方向が熱交換部２００Ｂの加熱ガスＨＧの流れ方向と逆方向（対向する方向）である点で前述した実施形態と異なる。
【００６３】
図４Ａを参照して、ガス生成部２００Ａの燃料ガスＦＧは、蒸発部２１０、過熱部２２０、改質部２３０を順に流通する。一方、熱交換部２００Ｂの加熱ガスＨＧは、改質部２３０、過熱部２２０、蒸発部２１０を順に流通する。これにより、燃料改質ユニットの温度は、蒸発部２１０、過熱部２２０、改質部２３０の順に高くなる。改質部２３０を最も高温とすることによって、改質部１３０において高い燃料ガスＦＧの転化率を維持することができる。また、蒸発部２１０よりも過熱部２２０を高温にできるため、蒸発部２１０において気化された燃料ガスＦＧを反応に適した温度まで過熱することができる。これにより、燃料ガスＦＧの改質反応を促進することができる。
【００６４】
図４Ｂの上図を参照して、燃料側プレート２０１は、燃料用流路２１１、２２１、２３１を有する。蒸発部２１０の燃料用流路２１１および改質部２３０の燃料用流路２３１は、燃料側プレート２０１の表面に鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ２０１Ａを配置して形成されたストレート状流路である。複数のリブ２０１Ａの間に形成された燃料用流路２１１は、燃料ガスＦＧを鉛直方向Ｚに沿って一方向に流通させる流れを形成する。燃料用流路２３１は、燃料ガスＦＧを鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ一方向に流通させる流れを形成する。過熱部２２０の燃料用流路２２１は、燃料側プレート２０１のうち燃料用流路２１１、２３１の複数のリブ２０１Ａが配置されない部分に形成される。
【００６５】
図４Ｂの下図を参照して、加熱側プレート２０２は、加熱用流路２１２、２２２、２３２を有する。蒸発部２１０の加熱用流路２１２および改質部２３０の加熱用流路２３２は、加熱側プレート２０２の表面に鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ２０２Ａを配置して形成されたストレート状流路である。複数のリブ２０２Ａの間に形成された加熱用流路２１２は鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ一方向に流れ、加熱用流路２３２は鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ一方向に流れる。過熱部２２０の加熱用流路２２２は、加熱側プレート２０２のうち加熱用流路２１２、２３２の複数のリブ２０２Ａが配置されない部分に形成される。
【００６６】
以上説明したように変形例１に係る燃料改質ユニットは、ガス生成部２００Ａにおける燃料ガスＦＧの全ての流れ方向は、熱交換部２００Ｂにおける加熱ガスＨＧの流れ方向と逆方向である。これにより、燃料改質ユニットの温度は、蒸発部２１０、過熱部２２０、改質部２３０の順に高くなるため、改質反応をより一層促進できる。
【００６７】
（変形例２）
図５Ａは、変形例２に係る燃料改質ユニットのガス生成部３００Ａの燃料ガスＦＧおよび熱交換部３００Ｂの加熱ガスＨＧの流れを示す平面図である。図５Ｂは、変形例２に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート３０１および加熱側プレート３０２を模式的に示す平面図である。
【００６８】
変形例２に係る燃料改質ユニットは、鉛直方向Ｚの下方から蒸発部３１０、過熱部３２０、改質部３３０の順に縦に配置される点で前述した実施形態と異なる。
【００６９】
図５Ａの左図を参照して、ガス生成部３００Ａの燃料ガスＦＧは、蒸発部３１０、過熱部３２０、改質部３３０の順に鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ流れる。気体の燃料ガスＦＧは上昇するため、蒸発部３１０、過熱部３２０、改質部３３０の順に鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ向かう流れを容易に形成することができる。
【００７０】
図５Ａの右図を参照して、熱交換部３００Ｂの加熱ガスＨＧは、改質部３３０、過熱部３２０、蒸発部３１０の順に鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ流れる。すなわち、熱交換部３００Ｂにおける加熱ガスＨＧの全ての流れ方向は、ガス生成部３００Ａにおける燃料ガスＦＧの流れ方向と逆方向である。熱交換部３００Ｂは、改質部３３０、過熱部３２０、蒸発部３１０の順に熱交換するため上流側の改質部３３０から下流側の蒸発部３１０に向かって徐々に温度が低下する。改質部３３０を最も高温とすることによって、改質部３３０において高い燃料ガスＦＧの転化率を維持することができる。また、蒸発部３１０よりも過熱部３２０を高温とすることによって、蒸発部３１０において気化された燃料ガスＦＧを反応に適した温度まで過熱することができる。これにより、燃料ガスＦＧの改質反応を促進することができる。
【００７１】
図５Ｂの左図を参照して、燃料側プレート３０１は、鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ流れる燃料用流路３１１、３２１、３３１を有する。蒸発部３１０の燃料用流路３１１および過熱部３２０の燃料用流路３２１は、燃料側プレート３０１の表面に複数の凸部３０１Ａを配置して形成されたドット状流路である。改質部３３０の燃料用流路３３１は、燃料側プレート３０１の表面に鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ３０１Ｂを配置して形成されたストレート状流路である。
【００７２】
図５Ｂの右図を参照して、加熱側プレート３０２は、鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ流れる加熱用流路３１２、３２２、３３２を有する。加熱用流路３１２、３２２、３３２は、鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ３０２Ａを配置して形成されたストレート状流路である。これにより、蒸発部３１０の加熱用流路３１２、過熱部３２０の加熱用流路３２２および改質部３３０の加熱用流路３３２は、互いに連続して形成される。加熱用流路３１２、３２２、３３２を連続して形成することによって、加熱ガスＨＧの流れを円滑にすることができるため、熱交換部３００Ｂによる熱交換の効率を向上させることができる。
【００７３】
（変形例３）
図６Ａは、変形例３に係る燃料改質ユニットのガス生成部４００Ａの燃料ガスＦＧおよび熱交換部４００Ｂの加熱ガスＨＧの流れを示す平面図である。図６Ｂは、変形例３に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート４０１および加熱側プレート４０２を模式的に示す平面図である。
【００７４】
変形例３に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート４０１および加熱側プレート４０２は、変形例２に比べてアスペクト比（Ｚ方向の長さ／Ｘ方向の長さ）が小さい。その他の構成は、変形例２と同様である。
【００７５】
図６Ａの上図を参照して、ガス生成部４００Ａの燃料ガスＦＧは、蒸発部４１０、過熱部４２０、改質部４３０の順に鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ流れる。また、図６Ａの下図を参照して、熱交換部４００Ｂの加熱ガスＨＧは、改質部４３０、過熱部４２０、蒸発部４１０の順に鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ流れる。
【００７６】
図６Ｂの上図を参照して、燃料側プレート４０１は、鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ流れる燃料用流路４１１、４２１、４３１を有する。蒸発部４１０の燃料用流路４１１および過熱部４２０の燃料用流路４２１は、燃料側プレート４０１の表面に複数の凸部４０１Ａを配置して形成されたドット状流路である。改質部４３０の燃料用流路４３１は、燃料側プレート４０１の表面に鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ４０１Ｂを配置して形成されたストレート状流路である。
【００７７】
図６Ｂの下図を参照して、加熱側プレート４０２は、鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ流れる加熱用流路４１２、４２２、４３２を有する。蒸発部４１０の加熱用流路４１２、過熱部４２０の加熱用流路４２２および改質部４３０の加熱用流路４３２は、互いに連続して形成され、鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ４０２Ａを配置して形成されたストレート状流路である。
【００７８】
以上説明したように変形例３に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート４０１および加熱側プレート４０２は、変形例２に比べてアスペクト比（Ｚ方向の長さ／Ｘ方向の長さ）が小さい。これにより、燃料用流路４１１、４２１、４３１の長さが短くなる。同じ容積の燃料ガスＦＧを流通させる場合、燃料用流路４１１、４２１、４３１の長さが短い方が燃料ガスＦＧの線速度が小さくなる。その結果、ガス生成部４００Ａにおける燃料ガスＦＧの流速を低減できるため、熱交換部４００Ｂによる熱交換を効率的に行うことができると共に、改質部４３０の表面の触媒利用率を向上させることができる。
【００７９】
（変形例４）
図７Ａは、変形例４に係る燃料改質ユニットのガス生成部５００Ａの燃料ガスＦＧおよび熱交換部５００Ｂの加熱ガスＨＧの流れを示す平面図である。図７Ｂは、変形例４に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート５０１および加熱側プレート５０２を模式的に示す平面図である。
【００８０】
変形例４に係る燃料改質ユニットは、蒸発部５１０、過熱部５２０、改質部５３０が全て横方向Ｘに並列に配置される点で前述した実施形態と異なる。
【００８１】
図７Ａの上図を参照して、ガス生成部５００Ａの燃料ガスＦＧは、蒸発部５１０において鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ上昇した後、横方向（Ｘ方向）へ移動し過熱部５２０に流れ込む。過熱部５２０において鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ下降した後、横方向（Ｘ方向）へ移動して改質部５３０に流れ込み、鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ上昇する。
【００８２】
図７Ａの下図を参照して、熱交換部５００Ｂの加熱ガスＨＧは、改質部５３０において鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ下降した後、横方向（Ｘ方向）へ移動し過熱部５２０に流れ込む。過熱部５２０において鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ上昇した後、横方向（Ｘ方向）へ移動して蒸発部５１０に流れ込み、鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ下降する。
【００８３】
このように、ガス生成部５００Ａにおける燃料ガスＦＧの流れ方向は、熱交換部５００Ｂにおける加熱ガスＨＧの流れ方向と逆方向である。これにより、改質部５３０の入口温度を過熱部５２０や蒸発部５１０よりも高くすることができるため、改質反応を促進できる。
【００８４】
図７Ｂの上図を参照して、燃料側プレート５０１は、燃料用流路５１１、５２１、５３１を有する。蒸発部５１０の燃料用流路５１１および過熱部５２０の燃料用流路５２１は、燃料側プレート５０１の表面に複数の凸部５０１Ａを配置して形成されたドット状流路である。改質部５３０の燃料用流路５３１は、燃料側プレート５０１の表面に鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ５０１Ｂを配置して形成されたストレート状流路である。
【００８５】
図７Ｂの下図を参照して、蒸発部５１０の加熱用流路５１２、過熱部５２０の加熱用流路５２２および改質部５３０の加熱用流路５３２は、鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ５０２Ａを配置して形成されたストレート状流路である。
【００８６】
以上説明したように変形例４に係る燃料改質ユニットは、蒸発部５１０、過熱部５２０、改質部５３０が全て横方向Ｘに並列に配置される。このため、燃料改質ユニットの鉛直方向Ｚの高さを比較的小さく形成することができる。その結果、燃料改質ユニットを搭載する際に、鉛直方向Ｚのスペースを確保することができる。
【００８７】
（変形例５）
図８Ａは、変形例５に係る燃料改質ユニットのガス生成部６００Ａの燃料ガスＦＧおよび熱交換部６００Ｂの加熱ガスＨＧの流れを示す平面図である。図８Ｂは、変形例５に係る燃料改質ユニットの燃料側プレート６０１および加熱側プレート６０２を模式的に示す平面図である。
【００８８】
変形例５に係る燃料改質ユニットは、過熱部６２０が改質部６３０と横方向Ｘに並列に配置される点で前述した実施形態と異なる。前述した実施形態と同様に、過熱部６２０は、蒸発部６１０の鉛直方向Ｚの上方に配置される。
【００８９】
図８Ａの左図を参照して、ガス生成部６００Ａの燃料ガスＦＧは、蒸発部６１０および過熱部６２０において鉛直方向Ｚに沿って下方から上方へ上昇した後、横方向（Ｘ方向）へ移動して、改質部６３０に流れ込み、鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ下降する。
【００９０】
図８Ａの右図を参照して、熱交換部６００Ｂの加熱ガスＨＧは、過熱部６２０および改質部６３０に流れ込んだ後、鉛直方向Ｚに沿って上方から下方へ下降する。過熱部６２０から下降した加熱ガスＨＧは、蒸発部６１０へ流れ込む。
【００９１】
ガス生成部６００Ａの蒸発部６１０および過熱部６２０の燃料用流路６１１、６２１における燃料ガスＦＧの流れ方向は、熱交換部６００Ｂの蒸発部６１０および過熱部６２０の加熱用流路６１２、６２２における加熱ガスＨＧの流れ方向と逆方向である。これにより、過熱部６２０の温度を蒸発部６１０よりも高くすることができるため、蒸発部６１０において気化した加熱ガスＨＧを過熱部６２０において反応に適した温度に過熱することができる。
【００９２】
図８Ｂの上図を参照して、燃料側プレート６０１は、燃料用流路６１１、６２１、６３１を有する。蒸発部６１０の燃料用流路６１１および過熱部６２０の燃料用流路６２１は、燃料側プレート６０１の表面に複数の凸部６０１Ａを配置して形成されたドット状流路である。改質部６３０の燃料用流路６３１は、燃料側プレート６０１の表面に鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ６０１Ｂを配置して形成されたストレート状流路である。
【００９３】
図８Ｂの下図を参照して、加熱側プレート６０２は、加熱用流路６１２、６２２、６３２を有する。蒸発部６１０の加熱用流路６１２、過熱部６２０の加熱用流路６２２および改質部６３０の加熱用流路６３２は、鉛直方向Ｚに沿って直線状に延在する複数のリブ６０２Ａを配置して形成されたストレート状流路である。
【００９４】
以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係る燃料改質ユニットを説明したが、本発明は実施形態および変形例において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。
【００９５】
例えば、燃料改質ユニットの燃料側プレートおよび加熱側プレートは一枚ずつ交互に積層する構成に限定されず、例えば、複数枚をセットにして交互に積層してもよいし、複数枚と一枚を組み合わせて積層してもよい。また、燃料側プレートおよび加熱側プレートの積層体の最外層のみに燃料側プレートを挟持するように加熱側プレートを配置してもよいし、燃料側プレートの片側のみに加熱側プレートを配置してもよい。
【００９６】
また、蒸発部、過熱部および改質部を形成する流路の形状は、前述した実施形態や変形例の構成に限定されず適宜変更することができる。例えば、過熱部をストレート状流路によって形成してもよい。
【００９７】
また、燃料側プレートおよび加熱側プレートは、それぞれ別体のプレートからなる構成に限定されず、１枚のプレートから構成してもよい。この場合、１枚のプレートの一方の面に燃料用流路を形成し、他方の面に加熱用流路を形成することができる。
【００９８】
また、燃料改質ユニットは、前述した実施形態および変形例の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。
【００９９】
また、前述した実施形態では、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に適用されるとして説明したが、これに限定されず、例えば、固体高分子膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Ｍｏｌｔｅｎ  Ｃａｒｂｏｎａｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に適用してもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１０      燃料電池システム、
１１      燃料電池スタック、
２０      燃料タンク、
３１      ヒーター、
３２      ミキサー、
３３      燃焼器、
４１      酸化剤供給部、
４２      熱交換器、
１００    燃料改質ユニット、
１００Ａ、２００Ａ、３００Ａ、４００Ａ、５００Ａ、６００Ａ  ガス生成部、
１００Ｂ、２００Ｂ、３００Ｂ、４００Ｂ、５００Ｂ、６００Ｂ  熱交換部、
１００Ｓ  積層体、
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１  燃料側プレート、
１０１ａ  供給口、
１０１ｂ  排出口、
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２  加熱側プレート、
１０２ａ  供給口、
１０２ｂ  排出口、
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０  蒸発部、
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１  燃料用流路、
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２、６１２  加熱用流路、
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０  過熱部、
１２１、２２１、３２１、４２１、５２１、６２１  燃料用流路、
１２２、２２２、３２２、４２２、５２２、６２２  加熱用流路、
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０  改質部、
１３１、２３１、３３１、４３１、５３１、６３１  燃料用流路、
１３２、２３２、３３２、４３２、５３２、６３２  加熱用流路、
ＦＧ      燃料ガス、
ＨＧ      加熱ガス、
ＭＷ      水含有燃料（燃料）、
ＯＧ      酸化剤ガス、
ＲＧ      改質ガス、
Ｚ        鉛直方向。
【図１】
2020117414.tif 000003
【図２Ａ】
2020117414.tif 000004
【図２Ｂ】
2020117414.tif 000005
【図２Ｃ】
2020117414.tif 000006
【図３Ａ】
2020117414.tif 000007
【図３Ｂ】
2020117414.tif 000008
【図３Ｃ】
2020117414.tif 000009
【図４Ａ】
2020117414.tif 000010
【図４Ｂ】
2020117414.tif 000011
【図５Ａ】
2020117414.tif 000012
【図５Ｂ】
2020117414.tif 000013
【図６Ａ】
2020117414.tif 000014
【図６Ｂ】
2020117414.tif 000015
【図７Ａ】
2020117414.tif 000016
【図７Ｂ】
2020117414.tif 000017
【図８Ａ】
2020117414.tif 000018
【図８Ｂ】
2020117414.tif 000019