(57)【要約】    【課題】  燃料ガスと水蒸気を、改質室１２に入る前によく混合する。    【解決手段】  蒸発室１１は、内部に伝熱促進部材が充填されていて、燃料ガスと水とが導入され、水を蒸発させて、水蒸気を生成する。改質室１２は、内部に改質触媒が充填されていて、蒸発室１１と連通し、蒸発室１１からの混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する。蒸発室１１と改質室１２との連通部は、これらを仕切る仕切壁１５に形成した第１開口部１６である。蒸発室１１内には、仕切壁１５に対向する遮蔽板１７が設けられる。遮蔽板１７は、蒸発室１１の上壁から下方に垂下されて、その下端縁と蒸発室１１の底壁との間に燃料ガス及び水が流通可能な第２開口部１８を形成する。第１開口部１６は、第２開口部１８より高位置に設けられる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に伝熱促進部材が充填されていて、燃料ガスと水とが導入され、水を蒸発させて、水蒸気を生成する蒸発室と、
内部に改質触媒が充填されていて、前記蒸発室と連通し、前記蒸発室からの燃料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質室と、
を備え、
前記蒸発室と前記改質室との連通部は、前記蒸発室と前記改質室とを仕切る仕切壁に形成した第１開口部であり、
前記蒸発室内には、前記仕切壁に対向する遮蔽板が設けられ、
前記遮蔽板は、前記蒸発室の上壁から下方に垂下されて、その下端縁と前記蒸発室の底壁との間に燃料ガス及び水が流通可能な第２開口部を形成し、
前記第１開口部は、前記第２開口部より高位置に設けられることを特徴とする、燃料改質装置。
【請求項２】
前記第１開口部は、前記蒸発室への燃料ガス及び水の入口部より高位置に設けられることを特徴とする、請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記第２開口部は、前記蒸発室への燃料ガス及び水の入口部より低位置に設けられることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料改質装置と、
前記燃料改質装置からの改質ガス中の水素と、酸化剤ガス中の酸素とを反応させて、発電する燃料電池と、
を含んで構成される、燃料電池システム。
【請求項５】
前記蒸発室及び前記改質室は、水平方向に並べて配置され、これらの下方に前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部が配置されることを特徴とする、請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする、請求項４又は請求項５記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスから水蒸気改質反応を利用して水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質装置、及び、この燃料改質装置を含んで構成される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する原料混合器を開示している。
これについて説明する。原料混合器を構成するケーシングの一方の端壁を貫通して、ケーシング内に突入・開口する燃料ガス（第１原料）の導入管と水（第２原料）の導入管とが設けられている。燃料ガスの導入管の突入長さは、水の導入管の突入長さより長い。ケーシング内は、障壁により、燃料ガスの導入管が開口する第１原料導入室と、水の導入管が開口する第２原料導入室とに区画されている。そして、両室は連通部により連通している。ここにおいて、混合ガスの流れ方向を基準として、連通部は、燃料ガスの導入管の開口部より後方に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０１６４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料ガスを水蒸気改質反応を利用して改質する場合、改質室より上流に蒸発室を設け、水を蒸発させて、水蒸気を生成する必要がある。
また、改質室に充填される改質触媒のコーキングを避けるため、燃料ガスと水蒸気は、改質室に導入される前によく混合されていなければならない。
しかし、蒸発室に水が液相で供給されると、蒸発室内に液だまりができ、この液だまりから水が気化するので、蒸発室内が上側の燃料ガスの層と下側の水蒸気の層とに別れ、燃料ガスと水蒸気との混合不足を生じるという問題があった。
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、改質室の上流に、混合室（第１原料導入室）と、蒸発室（第２原料導入室）とを設けており、改質室を含め、３室構造となるので、燃料改質装置の大型化を招く。
しかも、燃料ガスの導入管の突入長さが長い分、水蒸気と混合する区間が短くなり、混合が不十分となりやすい。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、蒸発室と改質室との２室構造で、燃料ガスと水蒸気を、改質前によく混合することができる、燃料改質装置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】
本発明に係る燃料改質装置は、伝熱促進部材が充填されていて、燃料ガスと水とが導入され、水を蒸発させて、水蒸気を生成する蒸発室と、改質触媒が充填されていて、前記蒸発室と連通し、前記蒸発室からの燃料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質室と、を備える。
前記蒸発室と前記改質室との連通部は、前記蒸発室と前記改質室とを仕切る仕切壁に形成した第１開口部である。
前記蒸発室内には、前記仕切壁に対向する遮蔽板が設けられ、前記遮蔽板は、前記蒸発室の上壁から下方に垂下されて、その下端縁と前記蒸発室の底壁との間に燃料ガス及び水が流通可能な第２開口部を形成する。
そして、前記第１開口部は、前記第２開口部より高位置に設けられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、蒸発室内の液だまりから上方向に発生する水蒸気により上方へ押しやられた燃料ガスの流れ方向を蒸発室の上壁から垂下される遮蔽板により下方向に変えて、対向する水蒸気と衝突させ、混合を促進することができる。
また、遮蔽板の下端縁の下側に形成される第２開口部を通過した燃料ガス及び水蒸気は、仕切壁に衝突して、上方の第１開口部へ向かうことにより、遮蔽板と仕切壁との間でも混合が促進される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略図
【図２】同上実施形態での燃料改質装置の詳細図
【図３】蒸発室底壁から遮蔽板下端縁までの距離Ｈと混合性指標値との関係を示す図
【図４】仕切壁と遮蔽板との距離Ｓと混合性指標値との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略図である。
燃料電池システムは、燃料改質装置１と、燃料電池２とを含んで構成される。
また、本実施形態の燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、燃料改質装置１及び燃料電池２はオフガス燃焼部３と共に筐体（燃焼室区画部材）４内に配置される。
【００１１】
燃料改質装置１は、燃料ガスを水蒸気改質反応を利用して改質し、水素を含有する改質ガスを生成する。詳細については後述する。
尚、ここでいう燃料ガスとしては、炭化水素系ガス、具体的には、都市ガス、ＬＰＧ、シェールガス由来のガス、メタン、プロパン、ブタン及びこれらの混合物を挙げることができる。また、これらに、添加物として、メタノール、ジメチルエーテル等が含まれていてもよい。
燃料ガスとしては、また、低沸点の炭化水素化合物、エーテル類を挙げることができる。具体的には、ペンタン、ヘキサン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等である。
燃料ガスとしては、更に、低沸点のアルコール類を挙げることができる。具体的には、メタノール、エタノール等である。
【００１２】
燃料電池２は、複数の固体酸化物形の燃料電池セルの集合体（燃料電池スタック）である。
【００１３】
各燃料電池セルは、固体酸化物からなる電解質の両面にアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）を備える。アノードには、燃料改質装置１から改質ガスが供給される。カソードには、筐体４外の酸化剤供給装置（図示せず）から酸化剤ガス（一般に空気）が供給される。
電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと燃料中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。
従って、各燃料電池セルのカソードにて、下記（１）式の電極反応が生起され、アノードにて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード：  １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（電解質）    ・・・（１）
アノード：  Ｏ２−（電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−   ・・・（２）
【００１４】
燃料電池２は、上記のような燃料電池セルを多数備え、これらが電気的に直列（及び並列）に接続されて、発電出力を発生させる。
【００１５】
オフガス燃焼部３は、燃料電池２から排出されるオフガス（発電未反応ガスとして排出される水素含有燃料）を酸化剤の存在下で燃焼させ、筐体（燃焼室区画部材）４内の燃料電池２を高温状態に維持する。ここで、燃料電池２の上端部が燃料電池２からのオフガスの排出部となり、このオフガスは着火デバイス（図示せず）により着火されて燃焼する。従って、燃料電池２の上端部側がオフガス燃焼部３となる。オフガス燃焼部３での燃焼熱により燃料電池２は発電可能な高温状態に維持される。
また、燃料改質装置１はオフガス燃焼部３での燃焼熱によって加熱されるように、筐体内４で燃料電池２の上方に配置される。言い換えれば、燃料改質装置１の下方にオフガス燃焼部３が配置される。
【００１６】
筐体４内での燃焼によって生成された高温の排気ガスは、排気通路により、筐体４側に排出される。その廃熱は適宜回収され、熱利用される。
【００１７】
次に、燃料改質装置１について、図２を参照して説明する。
燃料改質装置１は、内部に伝熱ビーズ等の伝熱促進部材（図示省略）が充填される蒸発室１１と、内部にペレット形状等の改質触媒（図示せず）が充填される改質室１２との２室構造である。
詳しくは、燃料改質装置１は、改質前の燃料ガス及び水の入口部１３から、改質後の改質ガスの出口部１４への、燃料の通流方向に、蒸発室１１及び改質室１２をこれらの順に備え、これらの室１１、１２は、連通部を有する仕切壁１５により仕切られている。
【００１８】
従って、蒸発室１１は、上流側の燃料改質装置端壁１ａと下流側の仕切壁１５とにより画成され、端壁１ａに入口部１３を有し、仕切壁１５に改質室１２との連通部（後述する第１開口部１６）を有している。
改質室１２は、上流側の仕切壁１５と下流側の燃料改質装置端壁１ｂとにより画成され、下流側の端壁１ｂに出口部１４を有している。
蒸発室１１と改質室１２との連通部は、蒸発室１１と改質室１２とを仕切る仕切壁１５の比較的上部に形成した第１開口部１６である。比較的上部に設けるのは、蒸発室１１内の水が直接流れ込まないようにするためである。
【００１９】
また、蒸発室１１及び改質室１２は水平方向に並べられ、これらの下方にオフガス燃焼部３が配置される。ここでいう水平方向とは略同一高さであればよく、必ずしも一直線上に設ける必要はない。
【００２０】
蒸発室１１（及び改質室１２）について更に詳しく説明する。
蒸発室１１は、端壁１ａに入口部１３を有し、燃料ガスと水とが導入される。尚、ここでは、燃料ガスと水とが、図示しない導入配管内で予混合されて、単一の入口部１３から導入されるようにしているが、別々に導入されるようにしてもよい。
蒸発室１１の内部には伝熱ビーズ等の伝熱促進部材（図示省略）が充填されている。蒸発室１１では、水を蒸発されて、水蒸気を生成する。
【００２１】
ここにおいて、蒸発室１１には、仕切壁１５の上流側に、遮蔽板１７が設けられる。遮蔽板１７は、蒸発室１１の上壁から下方に垂下され、その下端縁と蒸発室１１の底壁との間に燃料ガス及び水が流通可能な第２開口部１８を形成する。
尚、遮蔽板１７と仕切壁１５との間は蒸発室１１の一部であり、ここにも伝熱促進部材が充填されることは言うまでもない。
【００２２】
第２開口部１８、特にその上縁部（遮蔽板１７の下端縁）は、蒸発室１１と改質室１２とを仕切る仕切壁１５に設けられる第１開口部１６より低位置に設けられる。言い換えれば、第１開口部１６は、第２開口部１８より高位置に設けられる。
【００２３】
蒸発室１１への燃料ガス及び水の入口部１３と、第１開口部１６及び第２開口部１８との高さ関係に言及する。
第１開口部１６は、蒸発室１１への燃料ガス及び水の入口部１３より高位置に設けられる。
第２開口部１８、特にその上縁部（遮蔽板１７の下端縁）は、蒸発室１１への燃料ガス及び水の入口部１３より低位置に設けられる。
従って、蒸発室１１への燃料ガス及び水の入口部１３、第２開口部１８、第１開口部１６の高さ関係は、低い順に、第２開口部１８、入口部１３、第１開口部１６の順である。
【００２４】
改質室１２の内部には改質触媒（図示省略）が充填されている。改質室１２では、蒸発室１１からの混合ガスを改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。
改質室１２は、端壁１ｂに出口部１４を有し、生成された改質ガスを燃料電池２（図１）へ供給する。
【００２５】
上記の燃料改質装置１によれば、燃料ガス及び水が入口部１３から蒸発室１１に導入され、液相で導入された水は蒸発室１１内に液だまりを形成し、液だまりから気化する。従って、燃料ガスは蒸発室１１内の上側へ押しやられる。このため、蒸発室１１内には、上側に燃料ガスの層ができ、下側に水蒸気の層ができる。
しかし、仕切壁１５の上流側に、蒸発室１１の上壁から垂下される遮蔽板１７があるため、燃料ガスは遮蔽板１７に衝突して、下向きの流れとなり、水蒸気と衝突することで、燃料ガスと水蒸気との混合が促進される。
液だまりの液面は、気泡の生成と消滅との繰返しにより不規則に揺動している。燃料ガスは遮蔽板１７に衝突して、下向きの流れとなり、不規則な揺動部に誘導されることで、燃料ガスと水蒸気との混合が促進される効果もある。
水蒸気と衝突した燃料ガスは、その後、遮蔽板１７の下端縁と蒸発室１１の底壁との間に形成される第２開口部１８を通過することになる。従って、狭い第２開口部１８を通過する際に、燃料ガスと水蒸気とが更に良好に混合される。
また、燃料ガス及び水蒸気は、第２開口部１８を通過した後、仕切壁１５の下部に衝突して、ここでも混合が促進される。そして、燃料及び水蒸気は、遮蔽板１７と仕切壁１５との間の空間で、流れを上向きに変えられ、しかる後に、第２開口部１６から改質室１２内へ流入する。従って、遮蔽板１７と仕切壁１５との間でも燃料ガスと水蒸気とが良好に混合され、良質な混合気となって、改質室１２に流入する。
【００２６】
仕切壁１５と遮蔽板１７との間の距離Ｓは、十分に縮め（伝熱ビーズ直径の１〜３倍程度）、遮蔽板１７の第２開口部１８を通った燃料ガス及び水蒸気を仕切壁１５の下部に勢いよく衝突させて、混合を促進するとよい。
【００２７】
蒸発室１１での混合後、改質室１２に入った燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、混合性が良化されているため、コーキングをほぼ生じることなく、改質され、水素を含有する改質ガスが生成される。
【００２８】
本実施形態の燃料電池システムであって、発電出力が１ｋＷ程度の場合における、遮蔽板１７の下端縁の位置（蒸発室１１の底壁から遮蔽板１７の下端縁までの距離Ｈ）、及び、仕切壁１５と遮蔽板１７との距離Ｓについては、次の通りである。
蒸発室１１の底壁から遮蔽板１７の下端縁までの距離Ｈについては、十分な混合効果を発揮させるために、７ｍｍ以下とするのが望ましい。但し、液だまりの液面高さ以上に設定する。
仕切壁１５と遮蔽板１７との距離Ｓについては、十分な混合効果を発揮させるために、７ｍｍ以下とするのが望ましい。
【００２９】
シミュレーション結果について図３及び図４により説明する。
図３はシミュレーションとして蒸発室底壁から遮蔽板下端縁までの距離Ｈ（ｍｍ）と混合性指標値との関係を示す図である。
シミュレーションでは、仕切壁と遮蔽板との距離Ｓを７ｍｍに固定し、蒸発室底壁から遮蔽板下端縁までの距離Ｈを変化させて、混合性指標値により、混合性を評価した。
混合性指標値は、次のように算出した。改質室内の各部（複数箇所）のスチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）を検出し、これらのうちの最小値、すなわち、Ｓ／Ｃが最も低い箇所のＳ／Ｃを混合性指標値とした。従って、混合性指標値が小さいほど、改質室内にＳ／Ｃの小さい部位があり、混合していないことを意味する。
この結果、蒸発室底壁から遮蔽板の下端縁までの距離の上限値Ｈmax は７ｍｍであり、これを超えると、十分な衝突効果が得られず、混合性指標値が小さくなって、混合性が悪化することがわかった。尚、蒸発室底壁から遮蔽板の下端縁までの距離Ｈについては、液だまりの液面高さより高くする必要があり、下限値Ｈmin も存在する。
【００３０】
図４はシミュレーションとして仕切壁と遮蔽板との距離Ｓと混合性指標値との関係を示す図である。
シミュレーションでは、蒸発室底壁から遮蔽板の下端縁までの距離Ｈを７ｍｍに固定し、仕切壁と遮蔽板との距離Ｓを変化させて、上記の混合性指標値により、混合性を評価した。
この結果、仕切壁と遮蔽板との距離Ｓは、７ｍｍ以下であることが必要で、７ｍｍを超えると、ガス混合が不十分となり、混合性指標値が小さくなって、混合性が悪化することがわかった。
【００３１】
但し、上記のシミュレーションは発電出力が１ｋＷ程度の場合であり、発電出力が１ｋＷを超える場合は、改質に必要な燃料ガス及び水の量が増えるため、前記距離Ｈ及び前記距離Ｓはいずれも７ｍｍより大きくすることができる。
【００３２】
本実施形態によれば、蒸発室１１内の液だまりから上方向に発生する水蒸気により上方へ押しやられた燃料ガスの流れ方向を蒸発室１１の上壁から垂下される遮蔽板１７により下方向に変えて、対向する水蒸気と衝突させ、燃料ガスと水蒸気との混合を促進することができる。
また、遮蔽板１７の下端縁の下側に形成される第２開口部１８を通過した燃料ガス及び水蒸気は、仕切壁１５に衝突して、上方の第１開口部１６へ向かうことにより、遮蔽板１７と仕切壁１５との間でも混合が促進される。
従って、燃料ガスと水蒸気との混合性が良化され、改質室１２における改質触媒のコーキングを抑制できる。また、極めてシンプルかつ低コストな構造であり、容易に実施できる。
【００３３】
混合性良化による効果は次の通りである。
１）水が気相、液相、混相のいずれの状態で導入されても燃料ガスとの混合性が良化され、改質室１２における改質触媒のコーキングを抑制できることから、コーキング抑制のために多めに設定していた水の供給量を低減でき、これにより発電効率の向上が可能となる。また、水の供給量を低減させると、改質触媒の温度が上昇し、改質反応速度が上昇するため、改質反応を完全に終了させるために必要な改質触媒の充填量の低減も可能となる。あわせて、燃料改質装置の小型化も可能であるため、燃料電池システムも小型化できる。小型化により燃料改質装置及び燃料電池システムの熱容量が減少するため、燃料改質装置及び燃料電池システムを所定の温度に維持するために必要な燃料の量が少なくなり、発電効率を向上させることができる。
２）発電出力変動時等における燃料ガス及び水の流量増減速度を上げた場合、発電出力増大時に蒸発室１１内での水の気化遅れによる一時的な水蒸気供給量の低下が懸念されるが、混合性の良化により、改質室１２での局所的な水蒸気量の低下が起こらなくなり、コーキングを抑制できる。従って、燃料ガス及び水の流量増減速度を上げることが可能となり、発電出力の応答性向上が可能となる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、仕切壁１５の第１開口部１６は、蒸発室１１への燃料ガス及び水の入口部１３より高位置に設けられることにより、蒸発室１１内の水が改質室１２に直接流れ込むのを確実に防止できる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、遮蔽板１７の第２開口部１８は、蒸発室１１への燃料ガス及び水の入口部１３より低位置に設けられることにより、燃料ガスを確実に下向きにして水蒸気と衝突させることができる。
【００３６】
尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料改質装置
２  燃料電池
３  オフガス燃焼部
４  筐体（燃焼室区画部材）
１１  蒸発室
１２  改質室
１３  入口部
１４  出口部
１５  仕切壁
１６  第１開口部
１７  遮蔽板
１８  第２開口部
【図１】
2015113239.tif 000003
【図２】
2015113239.tif 000004
【図３】
2015113239.tif 000005
【図４】
2015113239.tif 000006