(57)【要約】【課題】小型化可能な改質器を提供する。【解決手段】火炎Ｆの燃焼を保つ保炎筒３０をセラミックによって形成することにより、従来のステンレス鋼等の鋼材で形成された保炎筒と比べて保炎筒３０の断熱性が高まることとなる。このため、例えば、バーナから放射される火炎Ｆに偏芯や傾きが生じ、保炎筒３０が局所的に加熱される場合であっても、保炎筒３０から該保炎筒３０の外側の部材への局所的な伝熱を防止できる。このように、保炎筒３０の外側の部材が局所的に加熱されることがなくなるため、保炎筒３０と該保炎筒３０の外側の部材（燃焼筒１６や改質触媒１４、断熱材１７等）との間の距離を短くすることができ、改質器１１の小型化を図ることが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナを用いて原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器であって、
前記バーナの火口部に取り付けられ、前記バーナの火炎の燃焼を保つ保炎部材を備え、
前記保炎部材は、セラミックで形成されている、ことを特徴とする改質器。
【請求項２】
前記保炎部材は、円筒状又は板状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
【請求項３】
前記保炎部材は、白色であることを特徴とする請求項１又は２に記載の改質器。
【請求項４】
前記保炎部材には、連結孔が設けられ、
前記バーナには、前記保炎部材の前記連結孔と係合して前記保炎部材を当該バーナに連結させる連結部が設けられている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の改質器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の改質器と、
前記改質器によって生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、バーナを用いて灯油や液化石油ガス等の原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質器を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池システムでは、改質器によって生成された改質ガスを用いて燃料電池スタックで発電が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１８７８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の燃料電池システムにおける改質器では、バーナから放射される火炎の整流や圧力変動等による火炎の失火を防止するため、バーナの火口先端や先端付近に保炎部材を設置することが行われている。この保炎部材は、製作性等の観点から、通常、ステンレス鋼等の鋼材が用いられている。
【０００５】
しかしながら、改質器にバーナを取り付ける際の取り付け誤差や、バーナの製作誤差等によって、想定していた位置から火炎が偏芯したり、火炎が傾いて放射されたりすることがある。この場合、ステンレス製の保炎部材が局所的に加熱され、更に保炎部材からの輻射熱によって保炎部材の外側に位置する部材や壁等が局所的に加熱される。これによって、保炎部材の外側に位置する部材や壁等の温度が不均一になり、これらの部材に過大な応力が発生してしまう。これを防止するため、保炎部材と該保炎部材の外側の部材や壁等との距離を離すことが考えられるが、改質器の大型化を招くといった問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、小型化可能な改質器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る改質器は、バーナを用いて原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器であって、バーナの火口部に取り付けられ、バーナの火炎の燃焼を保つ保炎部材を備え、保炎部材は、セラミックで形成されている、ことを特徴とする。
【０００８】
この改質器では、保炎部材をセラミックによって形成することにより、従来のステンレス鋼等の鋼材で形成された保炎部材と比べて保炎部材の断熱性が高まることとなる。このため、例えば、バーナから放射される火炎に偏芯や傾きが生じ、保炎部材が局所的に加熱される場合であっても、保炎部材から該保炎部材の外側の部材への局所的な伝熱を防止できる。このように、保炎部材の外側の部材が局所的に加熱されることがなくなるため、保炎部材と該保炎部材の外側の部材との間の距離を短くすることができ、改質器の小型化を図ることが可能となる。
【０００９】
また、上記の作用効果を奏するために、具体的には、保炎部材を円筒状又は板状に構成する場合がある。
【００１０】
また、保炎部材は、白色であることが好ましい。この場合には、火炎からの輻射熱が保炎部材で好適に反射され、保炎部材の加熱が抑制される。
【００１１】
また、保炎部材には、連結孔が設けられ、バーナには、保炎部材の連結孔と係合して保炎部材を当該バーナに連結させる連結部が設けられている、ことが好ましい。この場合には、保炎部材の連結穴とバーナの連結部と係合させて、保炎部材をバーナに容易に連結することができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記改質器と、改質器によって生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池システムにおいても、上記改質器を備えているため、改質器を小型化できるという上記効果が奏される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型化可能な改質器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳを示す概略断面図である。
【図３】図２の保炎筒の連結構造を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、鉛直方向の上下方向に対応するものである。
【００１７】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、ＦＰＳ（燃料処理システム）３及び燃料電池４を備え、これらが筐体５に収容されている。この燃料電池システム１は、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、原燃料として、都市ガス、液化石油ガス(LPG)或いは灯油等が用いられる。
【００１８】
脱硫器２は、外部から導入された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施して硫黄分を除去し、この硫黄分を除去した原燃料をＦＰＳ３へ供給する。ＦＰＳ３は、原燃料及び改質水から改質ガスを生成し、この生成した改質ガスを燃料電池４へ供給する。また、ＦＰＳ３は、燃料電池４で使用されなかったオフガス(燃料電池４では水素のみが消費されるために反応に使用されない残ガス)を利用し、改質ガスを生成する。
【００１９】
燃料電池４は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された膜を有している。燃料電池４の各電池セルでは、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。燃料電池４で発生した電力は、コンバータ６及びインバータ７を介して、家庭に供給される。コンバータ６は、直流の電力を変圧し、インバータ７は、変圧された電力を直流から交流に変換する。
【００２０】
図２は、図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳの概略断面図である。図２に示すように、ＦＰＳ３は、改質器１１、ＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３を備え、これらが一体で構成されている。
【００２１】
改質器１１は、中心軸を軸Ｇとする円柱状の外形を呈しており、原燃料を水蒸気改質させる改質触媒１４と、改質触媒１４を加熱するための熱源としてのバーナ１５と、を有している。この改質器１１は、水素を含有する改質ガスを生成し、生成した改質ガスをＣＯ変成器１２へ供給する。
【００２２】
バーナ１５は、改質器１１の上端部に配設されており、バーナ本体部１５ａと、バーナ本体部１５ａから下方に延びる放射部１５ｂとより構成されている。バーナ１５では、放射部１５ｂの下端に設けられた火口１５ｃ（図３参照）からバーナ本体部１５ａに導入された燃料やオフガスを放射して燃焼させることにより火炎Ｆが生成される。バーナ本体部１５ａには、空気、燃料及びオフガスが導入される。放射部１５ｂは、ステンレス鋼材によって形成されている。また、放射部１５ｂの火口１５ｃには、燃焼を保つように火炎Ｆを取り囲み、軸Ｇを中心軸とする円筒状の保炎筒３０（保炎部材）が連結されている。
【００２３】
保炎筒３０は、セラミックにより形成され、その色（色相）が白色となっている。ここでの白色とは、火炎Ｆの輻射熱を反射させる色を指し、純白に限定されるものではない。例えば、この白色として、着色していないセラミックの色等がある。保炎筒３０及び放射部１５ｂの径方向外側には、保炎筒３０及び放射部１５ｂを取り囲むように、軸Ｇを中心軸とする筒状の燃焼筒１６が設けられている。改質触媒１４は、軸Ｇを中心軸とする筒状を呈し、改質器１１の軸方向中央部において燃焼筒１６の径方向外側に配設されている。
【００２４】
バーナ１５、燃焼筒１６及び改質触媒１４の径方向外側には、これらを覆うように断熱材１７が設けられている。
【００２５】
ＣＯ変成器１２は、改質器１１から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるため、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素シフト反応させて、水素及び二酸化炭素に転換する。そして、ＣＯ変成器１２は、一酸化炭素濃度を低下させた改質ガスを、導入流路を介してＣＯ除去器１３へ供給する。
【００２６】
ＣＯ除去器１３は、改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素と空気とを反応させ選択的に酸化して二酸化炭素に転換する。
【００２７】
図３は、図２の保炎筒の連結構造を示す拡大断面図である。図３に示すように、保炎筒３０には、放射部１５ｂと連結される側の端部近傍の壁部に、保炎筒３０の径方向に延びる断面円形の貫通孔３０ａ（連結孔）が設けられている。貫通孔３０ａは、保炎筒３０の周方向等間隔に２つ設けられている。
【００２８】
放射部１５ｂの下端面には、燃料やオフガスを放射し、燃焼させて火炎Ｆを生成するための火口１５ｃ（火口部）が設けられている。更に、放射部１５ｂの下端面には、該放射部１５ｂに保炎筒３０を連結するための連結金具４０（連結部）が設けられている。連結金具４０は、保炎筒３０の貫通孔３０ａの位置と対応するように、放射部１５ｂの周方向等間隔に２つ設けられている。
【００２９】
連結金具４０の下端部には、放射部１５ｂの径方向外側に向けて突出する係合突起４０ａ（連結部）が設けられている。連結金具４０は、ステンレス等の鋼材によって形成されている。係合突起４０ａは、例えば連結金具４０の下端側の端部を放射部１５ｂの径方向外側に向けて折り曲げることによって形成したり、連結金具４０の下端部に放射部１５ｂの径方向外側に向けて突出するように突起を設けることによって形成したりすることができる。
【００３０】
連結金具４０の係合突起４０ａは、保炎筒３０の径方向内側から貫通孔３０ａに嵌め込まれて貫通孔３０ａと係合する。この際、連結金具４０は、該連結金具４０を撓ませて保炎筒３０に内装される。これにより、放射部１５ｂに保炎筒３０が連結される。
【００３１】
以上、本実施形態では、火炎Ｆの燃焼を保つ保炎筒３０をセラミックによって形成することにより、従来のステンレス鋼等の鋼材で形成された保炎筒と比べて保炎筒３０の断熱性が高まることとなる。このため、例えば、バーナから放射される火炎Ｆに偏芯や傾きが生じ、保炎筒３０が局所的に加熱される場合であっても、保炎筒３０から該保炎筒３０の外側の部材への局所的な伝熱を防止できる。このように、保炎筒３０の外側の部材が局所的に加熱されることがなくなるため、保炎筒３０と該保炎筒３０の外側の部材（燃焼筒１６や改質触媒１４、断熱材１７等）との間の距離を短くすることができ、改質器１１の小型化を図ることが可能となる。
【００３２】
また、一般に、セラミックは、ステンレス鋼等の金属と比較して熱膨張が非常に小さいため、加熱による保炎筒３０の変形を防止できる。また、セラミックは、ステンレス鋼等の金属と比較して腐食や磨耗に強いため、この点においても、保炎筒３０をセラミックで形成することは特に有効である。
【００３３】
また、保炎筒３０を円筒状に構成し、保炎筒３０によって火炎Ｆを囲むことにより、火炎Ｆの整流や失火の防止を確実に行うことができる。
【００３４】
また、保炎筒３０を、白色とすることにより、火炎Ｆからの輻射熱が保炎筒３０で好適に反射され、保炎筒３０の加熱がより抑制される。
【００３５】
なお、一般に、セラミックは、金属と比較して硬くて割れ易いという性質を有していることから、従来のステンレス鋼等で形成された保炎筒と比べて、セラミックで形成された保炎筒３０はバーナ１５への取り付けが困難である。このため、セラミックで形成された保炎筒３０を用いる場合には、上述したように、保炎筒３０に貫通孔３０ａを設け、放射部１５ｂに設けられた連結金具４０の係合突起４０ａと保炎筒３０の貫通孔３０ａとを係合させて保炎筒３０を放射部１５ｂに連結することにより、特に容易に連結することができる。
【００３６】
また、保炎筒３０の外側の部材が局所的に加熱されることなく、温度が均一になるので、例えば改質触媒１４の温度分布のバラツキによる性能の低下等を抑制することができる。また、保炎筒３０の外側の部材が局所的に加熱されることなくなるので、保炎筒３０の外側の部材に発生する熱応力を緩和することができ、耐久性の低下を抑制することができる。また、バーナ１５の火炎Ｆに偏芯や傾きや生じていても保炎筒３０の外側の部材が局所的に加熱されることがないため、改質器１１にバーナ１５を取り付ける際の取り付け誤差や、バーナの製作誤差等をなくすための過大な手間やコストが不要となる。
【００３７】
本発明に係る燃料電池システムは、実施形態に係る上記燃料電池システム１や改質器１１に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００３８】
例えば、改質器１１は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであってもよく、原燃料として、天然ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであってもよい。
【００３９】
また、燃料電池４は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であってもよい。
【００４０】
また、ＦＰＳの配置構成については、上記ＦＰＳ３を上下反転したような配置構成としてもよい。つまり、ＦＰＳとして、例えばバーナ１５が下部に設置されて構成されたＦＰＳを採用してもよく、かかる配置構成は限定されるものではない。
【００４１】
保炎筒３０を円筒状としたが、この「円筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや円筒状及び多角筒状の部分を含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。
【００４２】
また保炎筒３０は、断熱性を有するものであれば、火炎Ｆの輻射熱を反射させる白色でなくてもよい。また、保炎筒３０を放射部１５ｂに連結する構造についても、上述した構造に限定されるものではなく、他の連結構造を用いることができる。また、保炎筒３０を放射部１５ｂの下端面に設けられた連結金具４０に連結するものとしたが、保炎筒３０の取り付け位置はこれに限定されず、火炎Ｆの燃焼を保つことができ、且つ火口１５ｃの近傍であればよい。
【００４３】
また、保炎筒３０を形成するセラミックとして、通常のセラミック、ファインセラミック又は構造用セラミック等を用いることができる。また、元素系、窒化物系、酸化物系、水酸化物系、炭化物系、炭酸塩系、ハロゲン化物系又はリン酸塩系等のセラミックを用いることができる。
【００４４】
また、保炎筒３０を円筒状としたが、円筒状以外にも、セラミックで形成された板状の保炎部材を火炎Ｆの燃焼を保つように配置してもよい。この場合には、加工が容易な板状の保炎部材を用いて火炎の整流や失火の防止を行うことができる。ちなみに、この「板状」とは、歪みの無い平板状及び湾曲した板状を含むものである。
【符号の説明】
【００４５】
１…燃料電池システム、１１…改質器、１５…バーナ、１５ｃ…火口（火口部）、３０…保炎筒（保炎部材）、３０ａ…貫通孔（連結孔）、４０…連結金具（連結部）、４０ａ…係合突起（連結部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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