JP4450756B2 - 燃料改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置に関する。

例えば、燃料電池では、燃料ガスとして主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給されている。この水素含有ガスとしては、一般的に、メタノールやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素燃料から改質原料ガスを得、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、オートサーマル改質等を施して生成される改質ガスが用いられている。

例えば、特許文献１に開示されている改質装置では、図９に示すように、蒸発器１に供給された純水が燃焼排気ガスを介して蒸発された後、水蒸気が熱交換器２を通って改質器３に供給されるように構成されている。蒸発器１は、熱交換用ガスである燃焼排気ガスにより通過する水を蒸発させて水蒸気を生成する熱交換部を備えた蒸発熱交換器４を設けている。蒸発熱交換器４は、互いに平行に配設される複数の配管５と、前記配管５の上流端及び下流端が開口する入口マニホールド６及び出口マニホールド７とを備えている。この入口マニホールド６には、繊維状の突出防止部材８が配設されている。

特開２００３−１９２３０４号公報（図１）

ところで、上記の改質装置では、蒸発器１、熱交換器２及び改質器３が水蒸気の流れ方向（矢印Ｘ方向）に配列されており、実際上、前記蒸発器１と前記熱交換器２と前記改質器３とは、図示していないが、配管により繋がっている。従って、複数の配管が使用されるため、改質装置全体が大型化するという問題がある。しかも、配管からの放熱が発生し易く、放熱ロスが惹起して熱効率が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、配管を可及的に削減することができ、熱効率の向上を図るとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能な燃料改質装置を提供することを目的とする。

本発明は、改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置である。この燃料改質装置は、改質用燃料を蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記改質用燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器と、昇温した前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備え、前記過熱器と前記改質器とは、互いに同軸且つ直列に連結されている。

また、改質器は、内側筒体及び外側筒体を備え、前記内側筒体の内方には、改質触媒が充填されるとともに、前記内側筒体と前記外側筒体との間には、改質用燃料を流通させる通路が形成されることが好ましい。

さらに、過熱器は、改質器側の端部に通路に連通する改質用燃料の出口を有するとともに、前記改質器は、前記過熱器とは反対側の端部に、前記通路に連通して内側筒体内に前記改質用燃料を供給する改質用燃料導入部が設けられることが好ましい。

さらにまた、改質器には、過熱器側の端部から前記過熱器内に挿入され、改質触媒を通過した改質ガスを改質用燃料の加熱源として通流させる管体が連結されることが好ましい。また、改質器を囲繞して断熱用カバー部材が設けられることが好ましい。

さらに、過熱器を囲繞して蒸発器が同心円上に配設されるとともに、前記過熱器と改質器とは、互いに同軸且つ直列に連結されることが好ましい。

さらにまた、蒸発器で改質用燃料を蒸発させるための加熱流体を予熱する予熱器を備え、前記予熱器は、過熱器に改質器とは反対側に同軸且つ直列に連結されることが好ましい。

本発明によれば、過熱器と改質器とは、互いに同軸且つ直列に連結されるため、前記過熱器と前記改質器とを配管により連結する構成に比べて、配管を良好に削減（又は短尺化）することができる。これにより、配管からの放熱が低減され、熱効率の向上を図るとともに、燃料改質装置全体を簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料改質装置１０内の流れ状態を示す断面図である。

燃料改質装置１０は、例えば、メタン等の炭化水素やアルコール等を含む改質用燃料を改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成して、前記燃料ガスを、例えば、燃料電池（図示せず）に供給する。

燃料改質装置１０は、改質用燃料を蒸発させる蒸発器１２と、蒸発した前記改質用燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器１４と、昇温した前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質器１６と、前記蒸発器１２で前記改質用燃料を蒸発させるための加熱流体を予熱する予熱器１８とを備える。蒸発器１２は、過熱器１４を囲繞して同心円上に配設されるとともに、前記過熱器１４と改質器１６とは、互いに同軸且つ直列に連結される。予熱器１８は、過熱器１４に改質器１６とは反対側に同軸且つ直列に連結される。

図３〜図５に示すように、蒸発器１２は、湾曲管部材２０と、前記湾曲管部材２０の両側に且つ前記湾曲管部材２０と同心円状に配設される内筒部材２２及び外筒部材２４とを有する。湾曲管部材２０は、軸方向（矢印Ａ方向）一端（下端）を第１セパレータ２６に固定する固定端として構成されるとともに、軸方向他端（上端）を自由端として構成される開口断面円弧状の複数の円弧状管２８ａ、２８ｂを備える。

図３及び図６に示すように、複数、例えば、４つの円弧状管２８ａが同一円周上に等角度間隔ずつ離間して併設されるとともに、この１列目の４つの円弧状管２８ａの外周には、同心円状に複数、例えば、４つの円弧状管２８ｂが同一円周上に等角度間隔ずつ離間して設けられる。１列目の円弧状管２８ａと２列目の円弧状管２８ｂとは、互いに位相をずらして設けられる。各円弧状管２８ａ、２８ｂ内には、加熱流体である燃焼ガスを流通させる第１通路３０が形成されるとともに、内筒部材２２、外筒部材２４及び各円弧状管２８ａ、２８ｂの間には、改質用燃料である原燃料を流通させる第２通路３２が形成される。

湾曲管部材２０内には、湾曲燃焼触媒３４が配設される。湾曲燃焼触媒３４は、断面円弧状を有し、軸方向一端が第２セパレータ３６に固定された固定端とするとともに、軸方向他端が自由端に構成される複数且つ２列の触媒外筒３８ａ、３８ｂを設ける。１列目の触媒外筒３８ａは、１列目の円弧状管２８ａ内に１つずつ配設されるとともに、２列目の触媒外筒３８ｂは、２列目の円弧状管２８ｂ内に２つずつ配設される。

各触媒外筒３８ａ同士は、等角度間隔ずつ離間して配設されるとともに、各触媒外筒３８ｂ同士は、同様に所定角度間隔ずつ離間して配設される。触媒外筒３８ａ、３８ｂには、燃焼触媒を担持した偏平型メタルハニカム４０ａ、４０ｂが収容される。

図２及び図５に示すように、第１セパレータ２６は、外筒部材２４の下端部に固着されるとともに、第２セパレータ３６は、前記外筒部材２４の外方に配置される略円筒状のケーシング４２の下端に固着される。第１及び第２セパレータ２６、３６は、所定距離離間しており、オフガス流体経路４４が形成される。このオフガス流体経路４４は、第１セパレータ２６と触媒外筒３８ａ、３８ｂとの間に形成される通路４６ａ、４６ｂに連通するとともに、ケーシング４２と外筒部材２４との間を通って前記ケーシング４２の上端縁部に形成される排気口４８から外部に連通する。

図５に示すように、外筒部材２４の上端部は、ケーシング４２の上端部に固着されるとともに、円弧状管２８ａ、２８ｂの上端部に蓋部材５０が装着される。円弧状管２８ａ、２８ｂの上端と触媒外筒３８ａ、３８ｂの上端との間には、室５２が形成され、後述するように、メタルハニカム４０ａ、４０ｂを上方に向かって流動した加熱流体が前記室５２で折り返して第１通路３０に送られる。

図２及び図３に示すように、ケーシング４２の上端部には、リング部材５４が取り付けられる。このリング部材５４には、メタン等の改質用燃料供給管５６と空気供給管５８とが取り付けられる。このリング部材５４内に給水管６０が配設されており、この給水管６０の端部６０ａは、前記リング部材５４を貫通して外部に露呈する。給水管６０は、リング状に成形されており、下部側に複数の孔部（図示せず）を設けてシャワー状に給水することができる。リング部材５４の上部には、ドーナツ状の蓋体６２が固定される。なお、メタンと空気とを予め混合して燃料供給管５６から供給する場合には、空気供給管５８が不要になる。

図２及び図７に示すように、過熱器１４は、外筒６４を備え、この外筒６４は、蒸発器１２の内筒部材２２に固定される。外筒６４は、内筒部材２２よりも矢印Ａ方向に長尺に構成され、下端縁部には、前記内筒部材２２の下部から下方に位置して第２通路３２に連通する複数の原燃料入口６６が、例えば、４箇所に形成される。この原燃料入口６６は、周方向に延在するスリット状又は多孔状を有している。外筒６４の下端部に第３セパレータ６８が固定される。

図７に示すように、略円板状の第３セパレータ６８には、複数の孔部７０が形成され、前記孔部７０には、管体７２の一端が溶接やろう付け等により固定される。管体７２には、複数の仕切り板７４が圧入やろう付け等によりそれぞれ所定の高さ位置に固定される。仕切り板７４には、各管体７２を挿入するための複数の孔部７６が形成されるとともに、それぞれ交互に異なる位置に切り欠き部７８が形成される。

外筒６４内には、複数の管体７２の外周部と複数の仕切り板７４の切り欠き部７８とによって蛇行する過熱用通路８２が形成される（図２参照）。各管体７２内には、改質後に加熱された改質ガス（水素リッチガス）を上方から下方に向かって流すための通路８４が形成される。管体７２の上部側には、分配板８６を介して第４セパレータ８８が固着される。分配板８６には、管体７２を挿通するための孔部９０が形成されるとともに、中央部に分配用の開口部（改質用燃料の出口）９２が設けられる。第４セパレータ８８には、管体７２を挿通するための孔部９４が形成される。

図２及び図８に示すように、改質器１６は、外筒９６と内筒９８とを備え、前記外筒９６と前記内筒９８との間には、開口部９２に連通する原燃料通路１００が形成される。外筒９６の上部には、閉塞された室１０２が形成され、原燃料通路１００からこの室１０２に導入された原燃料は、改質用燃料導入部１０５から内筒９８内に配設される複数の整流板１０４に供給される。

各整流板１０４には、複数の孔部１０６が形成され、原燃料の整流機能を有する。整流板１０４の下方には、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ等の改質用触媒を担持したハニカム状の触媒部１０８が配設される。この触媒部１０８に第４セパレータ８８が固定されるとともに、前記第４セパレータ８８内には、各管体７２の通路８４に連通する室１１０が形成される。外筒９６を囲って断熱用カバー部材１１１が配設され、このカバー部材１１１内に断熱層１１１ａが形成される。

図２及び図５に示すように、予熱器１８は、連結部材１１２を介して蒸発器１２の下端部に連結される。連結部材１１２は、略リング状の室１１４を形成しており、この室１１４の上部側には、リング状の板部材１１６が配設され、前記板部材１１６に複数の孔部１１８が形成される。板部材１１６は、蒸発器１２の第２セパレータ３６に対向してこの第２セパレータ３６との間に室１２０を形成し、室１１４は、孔部１１８及び前記室１２０を介して触媒外筒３８ａ、３８ｂ内に連通する。

図２に示すように、連結部材１１２には、室１１４に連通する通路１２２が設けられ、この通路１２２は、予熱器１８を構成する外筒部材１２４内に連通する。外筒部材１２４内には、過熱器１４と同様に、複数の管体１２６と複数の仕切り板１２８とが配設される。管体１２６は、矢印Ａ方向に延在するとともに、前記管体１２６の所定の高さ位置には、交互に切り欠き部１３０が設けられる仕切り板１２８が固着される。

管体１２６内には、過熱器１４を通過した改質ガスを鉛直下方向に流すための通路１３２が設けられる一方、前記管体１２６の外周面及び各仕切り板１２８を介し加熱流体を蛇行するようにして鉛直上方向に導く予熱用通路１３４が設けられる。外筒部材１２４の外周下端縁部には、加熱流体を供給するための供給口１３６が設けられる。

蒸発器１２を構成する内筒部材２２と過熱器１４を構成する外筒６４との間には、この蒸発器１２への伝熱を抑制するために伝熱抑制媒体として、例えば、フィン部材１４２が挿入される。

なお、燃料改質装置１０では、蒸発器１２を構成する円弧状管２８ａ、２８ｂ間には、例えば、図６に示すように、伝熱促進フィン部材１４０が挿入される。このフィン部材１４０は、波状に形成しているが、直線状であってもよく、円弧状管２８ａ、２８ｂの矢印Ａ方向の長さよりも短尺に構成されることが好ましい。

また、過熱器１４と予熱器１８とは直結されているが、この過熱器１４とこの予熱器１８との間には、水素リッチガス中の二酸化炭素を水素に転化するＣＯ変成器（図示せず）を介装してもよい。さらに、予熱器１８の下流側に水素リッチガス中に残存する一酸化炭素を除去する選択酸化除去装置（ＰＲＯＸ）を設けてもよい。

このように構成される燃料改質装置１０の動作について、以下に説明する。

例えば、図示しない燃料電池から排出されるオフガスが、加熱流体として予熱器１８の供給口１３６からこの予熱器１８に供給される。予熱器１８では、図２に示すように、加熱流体は、各仕切り板１２８の切り欠き部１３０と複数の管体１２６の外周との間に形成される予熱用通路１３４を通って蛇行しながら鉛直上方向に移動する。一方、管体１２６の通路１３２には、後述するように改質によって生成された水素リッチな改質ガスが、過熱器１４を通過して、例えば、３００℃前後に冷却された後に供給されている。

このため、加熱流体は、改質ガスとの間で熱交換を行って昇温された後、連結部材１１２の通路１２２から室１１４に導入される。この室１１４の上部には、板部材１１６が配設されており、予熱された加熱流体は、前記板部材１１６に形成される複数の孔部１１８から一旦室１２０に導入された後、前記室１２０に連通する触媒外筒３８ａ、３８ｂ内のメタルハニカム４０ａ、４０ｂに沿って鉛直上方向に移動する。従って、加熱流体は、メタルハニカム４０ａ、４０ｂに担持された燃焼触媒を介して燃焼し、燃焼ガスが得られる。

この燃焼ガスは、図５に示すように、触媒外筒３８ａ、３８ｂの上端部と円弧状管２８ａ、２８ｂの閉塞された上端部との間に形成された室５２に導入された後、鉛直下方向に折り返して第１通路３０を鉛直下方向に移動する。一方、燃料供給管５６には、例えば、メタン等を含む改質用燃料が供給されるとともに、空気供給管５８には、空気が供給される。さらに、給水管６０に水が供給され、改質用燃料空気及び水がリング部材５４内で混在して原燃料が得られる。

この原燃料は、内筒部材２２、外筒部材２４及び円弧状管２８ａ、２８ｂの間に形成された第２通路３２に沿って鉛直下方向に流動し、第１通路３０を流動する燃焼ガスとの間で熱交換が行われる。これにより、原燃料は、気化した後に過熱器１４を構成する外筒６４の下部に形成された原燃料入口６６からこの外筒６４の内部に導入される。

このため、図２に示すように、気化した原燃料は、複数の仕切り板７４に設けられている切り欠き部７８及び複数の管体７２の間を形成される過熱用通路８２を通って鉛直上方向に移動する。一方、後述する改質後の高温（６５０℃前後）の改質ガスは、管体７２内の通路８４に沿って鉛直下方向に向かって移動する。従って、過熱用通路８２を移動する気化状態の原燃料は、通路８４に沿って移動する改質ガスによって昇温され、例えば、５５０℃前後まで加熱された後、分配板８６の開口部９２から改質器１６に供給される。

この改質器１６では、気化及び加熱された原燃料は、原燃料通路１００を通って一旦室１０２に導入された後、改質用燃料導入部１０５から鉛直下方向に向かって移動する。改質器１６には、複数の整流板１０４が多段に配設されており、前記整流板１０４によって整流された原燃料は、触媒部１０８によって改質されて改質ガスが得られる。

具体的には、改質器１６では、改質用燃料中のメタン、空気中の酸素及び水蒸気によって、酸化反応であるＣＨ₄＋２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）と、燃料改質反応であるＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂（吸熱反応）とが同時に行われる。このため、二酸化炭素と水素とを含む改質ガスが生成され、この改質ガスは、室１１０から複数の管体７２の通路８４に供給される。

さらに、通路８４に供給された高温（６５０℃前後）の改質ガスは、鉛直下方向に移動しながら、過熱用通路８２に沿って移動する原燃料を加熱した後、予熱器１８を構成する管体１２６内の通路１３２に供給される。この改質ガスは、通路１３２を鉛直下方向に移動することにより予熱用通路１３４に沿って移動する加熱流体を予熱した後、図示しない燃料電池等に供給される。

この場合、本実施形態では、蒸発器１２によって蒸発した原燃料（改質用燃料）を昇温させる過熱器１４と、昇温した前記原燃料を改質する改質器１６とが、互いに同軸且つ直列に連結されている（図２参照）。具体的には、過熱器１４を構成する分配板８６には、昇温した改質用燃料である原燃料を改質器１６に供給するための改質用燃料ガスの出口として開口部９２が設けられるとともに、この開口部９２は、前記改質器１６に設けられる原燃料通路１００に直接連通している。

従って、過熱器１４から導出される原燃料は、開口部９２から原燃料通路１００に直接供給された後、改質用燃料導入部１０５から整流板１０４に供給されている。このため、過熱器１４と改質器１６とを連結するための配管が不要になり、配管を良好に削減することができ、前記配管からの放熱が発生せず、熱効率の向上を図るとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。

さらに、改質器１６の改質ガス出口側には、第４セパレータ８８を介して室１１０が形成されており、この室１１０には、過熱器１４を構成する複数の管体７２が固着されている。従って、改質器１６により生成された改質ガスは、管体７２内の通路８４を通ることによって、過熱用通路８２を流動する原燃料との間で即座に熱交換が行われる。これにより、高温の改質ガスを原燃料を過熱するための過熱源として利用することができ、熱効率の向上が容易に図られる。

さらにまた、改質器１６には、外筒９６を覆ってカバー部材１１１が配設され、このカバー部材１１１内に断熱層１１１ａが形成されている。このため、外筒９６と内筒９８との間に形成される原燃料通路１００を流動する原燃料は、温度低下を有効に阻止することができ、改質器１６による改質処理が効率的且つ確実に遂行されるという利点がある。

また、本実施形態では、蒸発器１２は、過熱器１４を囲繞して同心円上に配設されるとともに、予熱器１８は、前記過熱器１４に改質器１６とは反対側に同軸且つ直列に連結されている。これにより、蒸発器１２、過熱器１４、改質器１６及び予熱器１８を繋ぐ配管を一挙に削減することができ、燃料改質装置１０全体を小型化するとともに、配管からの放熱を抑制して熱効率の向上を図ることが可能になる。しかも、少ない始動エネルギで、燃料改質装置１０の始動が良好に遂行され、省エネが確実に行われる。

本発明の実施形態に係る燃料改質装置の概略斜視説明図である。 前記燃料改質装置内の流れ状態を示す断面図である。 前記燃料改質装置を構成する蒸発器の分解斜視説明図である。 前記蒸発器の一部省略斜視説明図である。 前記蒸発器の一部断面説明図である。 前記蒸発器の横断面図である。 前記燃料改質装置を構成する過熱器の分解斜視図である。 前記燃料改質装置を構成する改質器の分解斜視図である。 従来技術の改質装置の概略説明図である。

符号の説明

１０…燃料改質装置 １２…蒸発器
１４…過熱器 １６…改質器
１８…予熱器 ２０…湾曲管部材
２２…内筒部材 ２４、１２４…外筒部材
２６、３６、６８、８８…セパレータ
２８ａ、２８ｂ…円弧状管 ３０、３２、８４、１２２…通路
３４…湾曲燃焼触媒 ３８ａ、３８ｂ…触媒外筒
４０ａ、４０ｂ…メタルハニカム ４２…ケーシング
５２、１０２、１１０、１１４、１２０…室
５６…燃料供給管 ５８…空気供給管
６４、９６…外筒 ６６…原燃料入口
７２、１２６…管体 ７４、１２８…仕切り板
７８、１３０…切り欠き部 ８２…過熱用通路
８６…分配板 ９２…開口部
９８…内筒 １００…原燃料通路
１０４…整流板 １０５…改質用燃料導入部
１１１…カバー部材 １１２…連結部材
１４０、１４２…フィン部材

Claims (7)

1. 改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置であって、
   前記改質用燃料を蒸発させる蒸発器と、
   蒸発した前記改質用燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器と、
   昇温した前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
   を備え、
   前記過熱器と前記改質器とは、互いに同軸且つ直列に連結されることを特徴とする燃料改質装置。
2. 請求項１記載の燃料改質装置において、前記改質器は、内側筒体及び外側筒体を備え、
   前記内側筒体の内方には、改質触媒が充填されるとともに、
   前記内側筒体と前記外側筒体との間には、前記改質用燃料を流通させる通路が形成されることを特徴とする燃料改質装置。
3. 請求項２記載の燃料改質装置において、前記過熱器は、前記改質器側の端部に前記通路に連通する改質用燃料の出口を有するとともに、
   前記改質器は、前記過熱器とは反対側の端部に、前記通路に連通して前記内側筒体内に前記改質用燃料を供給する改質用燃料導入部が設けられることを特徴とする燃料改質装置。
4. 請求項３記載の燃料改質装置において、前記改質器には、前記過熱器側の端部から前記過熱器内に挿入され、前記改質触媒を通過した改質ガスを前記改質用燃料の加熱源として通流させる管体が連結されることを特徴とする燃料改質装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記改質器を囲繞して断熱用カバー部材が設けられることを特徴とする燃料改質装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記過熱器を囲繞して前記蒸発器が同心円上に配設されるとともに、
   前記過熱器と前記改質器とは、互いに同軸且つ直列に連結されることを特徴とする燃料改質装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記蒸発器で前記改質用燃料を蒸発させるための加熱流体を予熱する予熱器を備え、
   前記予熱器は、前記過熱器に前記改質器とは反対側に同軸且つ直列に連結されることを特徴とする燃料改質装置。

Images