(57)【要約】【課題】改質部の温度バランスを保つことができる改質ユニット及び燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】改質ユニットは、水蒸気と原料ガスとの混合ガスを改質ガスに改質する改質部４０を有する。改質部４０は、外周部近傍から供給された混合ガスが中央部分に向かって渦巻状に流れる第１流路Ｐ１と、混合ガスが中央部分から外周部に向かって渦巻状に流れる第２流路Ｐ２と、から構成される二重の渦巻構造を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2017001906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気と原料ガスとの混合ガスを改質ガスに改質する改質部を有し、
前記改質部は、外周部近傍から供給された前記混合ガスが中央部分に向かって渦巻状に流れる第１流路と、前記混合ガスが中央部分から外周部に向かって渦巻状に流れる第２流路と、から構成される二重の渦巻構造を備えることを特徴とする改質ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の改質ユニットと、
前記改質ユニットによって生成された前記改質ガスと、外部から供給された酸化剤ガスと、を電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池スタックと、
を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質ユニット及び燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、メタン（ＣＨ４）等を含んで構成される原料ガスと酸化剤ガスとを利用して電力を得る燃料電池が注目されている。例えば、特許文献１には、燃料電池スタックと、蒸発部及び改質部等を有する改質ユニットとから構成された燃料電池モジュールが開示されている。燃料電池モジュールの改質ユニットは、原料ガスを改質ガスに改質して燃料電池スタックに供給する。燃料電池スタックは、この改質ガスと、別途供給された酸化剤ガスとを用いて発電を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３８８８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された改質部は、原料ガスが、改質部の外周部近傍に形成されている供給口から供給され、改質可能な所定の温度に昇温されて、送出口が形成されている中心部近傍に向かって渦巻状に流れる一重の渦巻構造を備える。このため、改質部の外周部近傍部分と中心部近傍部分との温度差が大きくなりやすく、低温部分が部分的に生じ、改質部の温度バランスが保ちにくくなる。この場合、改質部の改質効率が低下し、燃料電池スタックに炭素が析出し、燃料電池モジュールの発電効率が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、改質部の温度バランスを保つことができる改質ユニット及び燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明に係る改質ユニットは、水蒸気と原料ガスとの混合ガスを改質ガスに改質する改質部を有し、前記改質部は、外周部近傍から供給された前記混合ガスが中央部分に向かって渦巻状に流れる第１流路と、前記混合ガスが中央部分から外周部に向かって渦巻状に流れる第２流路と、から構成される二重の渦巻構造を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、改質部は、混合ガスが外周部近傍から中央部分に向かって渦巻状に流れる第１流路と、中央部分から外周部に向かって渦巻状に流れる第２流路と、から構成される二重の渦巻構造を備える。これにより、改質部の温度分布を均一にさせることができ、結果として、改質部の温度バランスを保つことできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る燃料電池モジュールの断面図である。（Ｂ）は、改質ユニットの正面図である。
【図２】（Ａ）は、図１（Ｂ）のＩＩＡ−ＩＩＡ断面図である。（Ｂ）は、図１（Ｂ）のＩＩＢ−ＩＩＢ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０について、図１及び図２を用いて説明する。
【００１０】
燃料電池モジュール１０は、家庭用の設備機器や車載機器の発電を目的とした燃料電池を用いた発電機である。燃料電池モジュール１０は、水と、炭化水素化合物で構成された原料ガスと、空気等の酸化剤ガスとが供給されることにより発電を行う。燃料電池モジュール１０は、図１（Ａ）に示すように、燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０の上面に配置された改質ユニットと、これらを収納するモジュール筐体を備える。
【００１１】
モジュール筐体の上面には、燃料電池モジュール１０の内部に原料ガス及び水を供給するための原料ガス供給管１１及び水供給管１２が設けられている。また、モジュール筐体の側面には、内部に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給管１３と、外部に排ガスを排出するための排ガス排出管１４とが設けられている。モジュール筐体の内周面には、排ガス排出管１４に通じ、排ガスを外部に排出するための排ガス排出流路１５が形成されている。
【００１２】
燃料電池スタック２０は、複数積層された板状の燃料電池セルで構成されている。また、燃料電池スタック２０には、燃料電池セルから排出された未反応ガスを通す、未反応ガス流路２１が形成されている。
【００１３】
燃料電池スタック２０の燃料電池セルは、例えば、セラミックス等から形成されている燃料極（アノード）と空気極（カソード）とからなる一対の電極と、燃料極と空気極との間に介在する電解質とを含んで構成されている。燃料電池スタック２０は、例えば、７００℃程度の高温度域で、改質ガスを電気化学反応させて発電する。そして、燃料電池スタック２０は、電気化学反応に対して未反応の改質ガス（未反応ガス）を、燃料電池スタック２０の下面と燃焼部３０とを接続する未反応ガス流路２１を介して、燃焼部３０に送出する。
【００１４】
改質ユニットは、図１（Ｂ）に示すように、燃焼部３０と、改質部４０と、排ガス流路５０と、蒸発部６０とを備える。燃焼部３０，改質部４０，排ガス流路５０，及び蒸発部６０は、下から順に積層されている。
【００１５】
燃焼部３０は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック２０の上面に設けられている。燃焼部３０は、未反応ガス流路２１を介して供給された未反応ガスを燃焼する。燃焼部３０は、燃焼した未反応ガスを排ガス流路５０に送出する。燃焼部３０は、例えば、７００℃程度の高温度域で未反応ガスの燃焼を行う。また、燃焼部３０は、改質反応に適するように改質部４０の加熱を行う。
【００１６】
改質部４０は、燃焼部３０の上面に設けられている。改質部４０の内部には、改質を促進する改質触媒が充填されている。改質部４０は、原料ガスと水蒸気（Ｈ２Ｏ）とから構成される混合ガスを改質し、水素（Ｈ２）を含む改質ガスを生成する。例えば、原料ガスの主原料がメタン（ＣＨ４）である場合、改質部４０は、下記式（１）に示すように、メタン（ＣＨ４）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）とから、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を生成する。改質部４０は、例えば、６００℃程度の高温度域で改質する。改質部４０は、生成された改質ガスを、改質部４０の側面と燃料電池スタック２０の下面とを接続する改質ガス流路４１を介して、燃料電池スタック２０に送出する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ（ｇ）→３Ｈ２＋ＣＯ      （１）
【００１７】
接続管４２は、略円柱形状の改質部４０の中心部分を、図中上下方向（軸方向）に貫通するように形成されている。この接続管４２によって、燃焼部３０の内部は、排ガス流路５０に通じている。燃焼部３０で未反応ガスを燃焼することによって生じた排ガスは、接続管４２を介して排ガス流路５０に送出される。
【００１８】
図２（Ａ）は、図１（Ｂ）のＩＩＡ−ＩＩＡ断面図であり、図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）のＩＩＢ−ＩＩＢ断面図である。図２に示すように、改質部４０は、外壁を構成する外筒部材４３と、第１隔壁部材４４及び第２隔壁部材４５と、内筒部材４６と、内壁を構成する上述の接続管４２とを有する。
【００１９】
外筒部材４３の外周面には、混合ガスが供給される供給口４３ａ及び改質ガスが排出される排出口４３ｂが形成されている。供給口４３ａ及び排出口４３ｂは、接続管４２を挟んで対向するように形成されている。また、供給口４３ａ及び排出口４３ｂには、パンチング板４７が内側から取り付けられている。パンチング板４７には、複数のパンチング孔が形成されている。このパンチング板４７は改質触媒を保持するために用いられる。
【００２０】
第１隔壁部材４４及び第２隔壁部材４５は、渦巻状に形成されているとともに、同一の形状に形成されている。第２隔壁部材４５は、第１隔壁部材４４に対して、軸回りに１８０°回転した状態で配置されている。
【００２１】
改質部４０には、外筒部材４３と内筒部材４６との間に形成される円環状の空間が、第１隔壁部材４４及び第２隔壁部材４５によって区画されることで、混合ガスの流路である第１流路Ｐ１及び第２流路Ｐ２が形成されている。混合ガス流の上流側の第１流路Ｐ１と下流側の第２流路Ｐ２とは、径方向に交互に配置され、接続管４２を中心とする二重の渦巻構造を構成する。第１流路Ｐ１には、供給された混合ガスが、改質部４０の中央部分（接続管４２近傍）に向かって反時計回りに渦巻状に流れる。第２流路Ｐ２には、混合ガスが中央部分から外周方向に向かって時計回りに渦巻状に流れる。混合ガスは、第１流路Ｐ１及び第２流路Ｐ２を順に流れる間に、改質ガスに改質し、排出口４３ｂから排出される。
【００２２】
図１に戻り、排ガス流路５０は、改質部４０と蒸発部６０とを離間するための空間を備える略円筒形の空間であり、改質部４０と蒸発部６０との間に形成されている。排ガス流路５０の外周面には、排ガスが通過する孔５１が形成されている。孔５１は、例えば、排ガス流路５０の外周面に一箇所以上形成されている。排ガス流路５０は、燃焼部３０とともに、改質反応に適するように改質部４０の加熱を行う。また、排ガス流路５０は、水の蒸発に適するように蒸発部６０の加熱を行う。
【００２３】
蒸発部６０は、モジュール筐体内の上部に配置されている。蒸発部６０には、原料ガス及び水を供給するための原料ガス供給管１１及び水供給管１２が接続されている。蒸発部６０には、燃料電池モジュール１０の外部から原料ガス及び水が供給される。蒸発部６０は、供給された水を蒸発し、水蒸気に変化させる。蒸発部６０は、この水蒸気と原料ガスとを、混合ガス流路６１を介して改質部４０に送出する。蒸発部６０は、例えば、３００℃程度の低温度域で、水を蒸発させる。
【００２４】
燃料電池モジュール１０は、上述した燃料電池スタック２０及び改質ユニットに加えて、第１熱交換部８０及び第２熱交換部９０を備える。
【００２５】
第１熱交換部８０は、モジュール筐体の外周面に配置されている。第１熱交換部８０は、排ガス排出流路１５を流れる排ガスとの熱交換によって、酸化剤ガス供給管１３から供給された酸化剤ガスを加熱する。第１熱交換部８０は、加熱された酸化剤ガスを、第１酸化剤ガス流路８１を介して第２熱交換部９０に送出する。
【００２６】
第２熱交換部９０は、燃料電池スタック２０の外周面に配置されている。第２熱交換部９０は、原料ガスの電気化学反応により高温となる燃料電池スタック２０の輻射熱によって、第１熱交換部８０によって加熱された酸化剤ガスをさらに加熱する。第２熱交換部９０は、燃料電池スタック２０の輻射熱によって加熱された酸化剤ガスを、第２酸化剤ガス流路９１を介して燃料電池スタック２０に送出する。
【００２７】
以上、説明したように、本発明に係る実施の形態では、改質部４０は、混合ガスが外周面側から中心部に向かって渦巻状に流れる第１流路Ｐ１と、中心部から外周面側に向かって渦巻状に流れる第２流路Ｐ２と、から構成される二重の渦巻構造を備える。これにより、改質部４０の温度分布を均一にさせることができ、結果として、改質部４０の温度バランスを保つことできる。また、温度バランスを保つことにより、改質部４０に充填されている改質触媒を有効に使用することができ、充填される触媒量を減らすことが可能になる。
【００２８】
また、本実施の形態では、上流側の第１流路Ｐ１と、下流側の第２流路Ｐ２とが、径方向に交互に配置されている。このため、改質部４０の温度分布をより均一にさせることができ、結果として、改質部４０の温度バランスを保つことできる。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態によって限定されるものではない。
【００３０】
例えば、本発明の実施の形態や燃料電池モジュール１０の各部材（燃料電池スタック２０，燃焼部３０，改質部４０，排ガス流路５０，及び蒸発部６０）の温度域は、一つの例であり、これに限定するものではない。例えば、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタック２０は、例えば、７００℃程度の高温度域で動作するが、これに限らず、例えば、電気化学反応が生じる温度域であれば、実施の形態で例示した温度域以外であってもよい。
【００３１】
また、本実施の形態では、上流側の第１流路Ｐ１では、混合ガスが反時計回りに渦巻状に流れ、下流側の第２流路Ｐ２では、混合ガスが時計回りに渦巻状に流れる。しかしながら、これに限らず、第１流路Ｐ１で、混合ガスが時計回りに渦巻状に流れ、第２流路Ｐ２では、混合ガスが反時計回りに渦巻状に流れてもよい。
【００３２】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料電池モジュール、１１  原料ガス供給管、１２  水供給管、１３  酸化剤ガス供給管、１４  排ガス排出管、１５  排ガス排出流路、２０  燃料電池スタック、２１  未反応ガス流路、３０  燃焼部、４０  改質部、４１  改質ガス流路、４２  接続管、４３  外筒部材、４３ａ  供給口、４３ｂ  排出口、４４  第１隔壁部材、４５  第２隔壁部材、４６  内筒部材、４７  パンチング板、５０  排ガス流路、５１  孔、６０  蒸発部、６１  混合ガス流路８０  第１熱交換部、８１  第１酸化剤ガス流路、９０  第２熱交換部、９１  第２酸化剤ガス流路、Ｐ１  第１流路、Ｐ２  第２流路
【図１】
2017001906.tif 000003
【図２】
2017001906.tif 000004