(57)【要約】【課題】改質器により生成される改質ガスに含まれる水分を低減することができる改質装置を提供する。【解決手段】改質装置５は、アンモニアガスを水素に分解して改質ガスを生成する複数の改質部８と、アンモニアガスを燃焼して燃焼ガスを生成する複数の燃焼部９とが交互に積層されてなる改質器２０と、燃焼部９の上流側端部９ａ側に配置された複数の入口ヘッダ２１と、燃焼部９の下流側端部９ｂ側に配置され、燃焼部９により生成された燃焼ガスを導出する複数の出口ヘッダ２２とを備え、改質部８の上流側端部８ａは、アンモニアガスが導入されるアンモニアガス導入口２８を有し、改質部８の下流側端部８ｂは、改質部８により生成された改質ガスが導出される改質ガス導出口２９を有し、入口ヘッダ２１は、改質器２０の側方から空気が導入される空気導入部３０と、改質器２０の一端側からアンモニアガスが導入されるアンモニアガス導入部３１とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを改質する改質装置において、
前記燃料ガスを水素に分解して前記水素を含有した改質ガスを生成する複数の改質部と、酸化性ガスにより前記燃料ガスを燃焼して水分を含有した燃焼ガスを生成する複数の燃焼部とが交互に積層されてなる改質器と、
前記燃焼部の一端側に配置され、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記燃焼部に導入する複数の入口ヘッダと、
前記燃焼部の他端側に配置され、前記燃焼部により生成された前記燃焼ガスを導出する複数の出口ヘッダとを備え、
前記改質部の前記入口ヘッダ側の端部は、前記燃料ガスが導入される燃料ガス導入口を有し、
前記改質部の前記出口ヘッダ側の端部は、前記改質部により生成された前記改質ガスが導出される改質ガス導出口を有し、
前記入口ヘッダは、前記改質器の側方から前記酸化性ガスが導入される酸化性ガス導入部と、前記改質器の一端側から前記燃料ガスが導入される燃料ガス導入部とを有する改質装置。
【請求項２】
前記酸化性ガス導入部は、前記燃焼部の一端部における少なくとも一方の側縁部から前記出口ヘッダの反対側に延在し、
前記燃料ガス導入部は、前記酸化性ガス導入部の先端部から前記燃焼部の一端部における反対の側縁部側に向けて延在している請求項１記載の改質装置。
【請求項３】
前記複数の入口ヘッダの前記酸化性ガス導入部には、前記改質部及び前記燃焼部の積層方向に延在し、前記酸化性ガスを前記酸化性ガス導入部に供給する酸化性ガス供給部材が固定されている請求項２記載の改質装置。
【請求項４】
前記出口ヘッダは、前記燃焼部の他端部における一方の側縁部から前記入口ヘッダの反対側に延在し、前記燃焼ガスが導出される燃焼ガス導出部と、前記燃焼ガス導出部の先端部から前記燃焼部の他端部における他方の側縁部側に向けて延在する壁部とを有する請求項１〜３の何れか一項記載の改質装置。
【請求項５】
前記複数の出口ヘッダの前記燃焼ガス導出部には、前記改質部及び前記燃焼部の積層方向に延在し、前記燃焼ガス導出部から導出された前記燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出部材が固定されている請求項４記載の改質装置。
【請求項６】
前記入口ヘッダの基端部には、前記改質器の壁部と接合された入口側接合部が設けられており、
前記出口ヘッダの基端部には、前記改質器の壁部と接合された出口側接合部が設けられている請求項１〜５の何れか一項記載の改質装置。
【請求項７】
前記改質部及び前記燃焼部は、角筒状を呈し、
前記入口側接合部は、前記燃焼部の内側に曲げられた状態で前記壁部と接合されており、
前記出口側接合部は、前記燃焼部の外側に曲げられた状態で前記壁部と接合されている請求項６記載の改質装置。
【請求項８】
前記改質部及び前記燃焼部は、角筒状を呈し、
前記入口側接合部は、前記壁部と前記燃焼部の内側で重なり合った位置関係で接合されており、
前記出口側接合部は、前記壁部と前記燃焼部の外側で重なり合った位置関係で接合されている請求項６記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の改質装置としては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の改質装置は、アンモニアを燃焼させるアンモニア燃焼触媒とアンモニアを分解するアンモニア分解触媒とが充填された反応器を備えている。アンモニア分解触媒は、反応器内におけるアンモニア燃焼触媒の下流側に配置されている。反応器には、アンモニア及び空気が導入されるガス導入口と、改質ガスが導出されるガス導出口とが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１５４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、アンモニア燃焼触媒による燃焼反応とアンモニア分解触媒による改質反応とが同じ反応器（改質器）内で行われる。このため、反応器内から導出される改質ガスは、水素、窒素及び水分を含んだ混合ガスとなる。従って、必要な水素を取り出すために、水分を除去する処理等といった多くの処理が必要となる。
【０００５】
本発明の目的は、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分を低減することができる改質装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、燃料ガスを改質する改質装置において、燃料ガスを水素に分解して水素を含有した改質ガスを生成する複数の改質部と、酸化性ガスにより燃料ガスを燃焼して水分を含有した燃焼ガスを生成する複数の燃焼部とが交互に積層されてなる改質器と、燃焼部の一端側に配置され、燃料ガス及び酸化性ガスを燃焼部に導入する複数の入口ヘッダと、燃焼部の他端側に配置され、燃焼部により生成された燃焼ガスを導出する複数の出口ヘッダとを備え、改質部の入口ヘッダ側の端部は、燃料ガスが導入される燃料ガス導入口を有し、改質部の出口ヘッダ側の端部は、改質部により生成された改質ガスが導出される改質ガス導出口を有し、入口ヘッダは、改質器の側方から酸化性ガスが導入される酸化性ガス導入部と、改質器の一端側から燃料ガスが導入される燃料ガス導入部とを有する。
【０００７】
このような改質装置においては、燃料ガスが各入口ヘッダ内及び改質器の各改質部に導入されると共に、酸化性ガスが各入口ヘッダ内に導入される。入口ヘッダ内に燃料ガス及び酸化性ガスが導入されると、燃料ガス及び酸化性ガスが改質器の燃焼部に供給され、燃焼部において燃料ガスが燃焼する。このため、水分を含有した燃焼ガスが生成され、その燃焼ガスが出口ヘッダ内から導出される。このとき、燃料ガスの燃焼熱が改質部に伝わり、改質部において燃料ガスの改質が行われることで、水素を含有した改質ガスが生成され、その改質ガスが改質部から導出される。このように改質器では、改質ガスが流れる空間と燃焼ガスが流れる空間とが異なるため、改質ガスと燃焼ガスとが混ざりにくい。これにより、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分が低減される。
【０００８】
また、燃料ガスは入口ヘッダの燃料ガス導入部に改質器の一端側から導入され、酸化性ガスは入口ヘッダの酸化性ガス導入部に改質器の側方から導入される。このように入口ヘッダ内への燃料ガスの導入位置及び導入方向と入口ヘッダ内への酸化性ガスの導入位置及び導入方向とが異なるため、燃料ガス及び酸化性ガスを入口ヘッダ内に導入しやすい。また、入口ヘッダの各燃料ガス導入部は改質器の各改質部の燃料ガス導入口と同じ側に面することになるため、燃料ガスを入口ヘッダ内及び改質部に一括して導入しやすい。
【０００９】
酸化性ガス導入部は、燃焼部の一端部における少なくとも一方の側縁部から出口ヘッダの反対側に延在し、燃料ガス導入部は、酸化性ガス導入部の先端部から燃焼部の一端部における反対の側縁部側に向けて延在していてもよい。このような構成では、酸化性ガスを改質器の側方から入口ヘッダ内に確実に導入し、燃料ガスを改質器の一端側から入口ヘッダ内に確実に導入することができる。
【００１０】
複数の入口ヘッダの酸化性ガス導入部には、改質部及び燃焼部の積層方向に延在し、酸化性ガスを酸化性ガス導入部に供給する酸化性ガス供給部材が固定されていてもよい。このような構成では、酸化性ガスは、酸化性ガス供給部材内を流れて各入口ヘッダの酸化性ガス導入部に供給される。従って、酸化性ガスの供給系の構成を簡単化することができる。
【００１１】
出口ヘッダは、燃焼部の他端部における一方の側縁部から入口ヘッダの反対側に延在し、燃焼ガスが導出される燃焼ガス導出部と、燃焼ガス導出部の先端部から燃焼部の他端部における他方の側縁部側に向けて延在する壁部とを有してもよい。このような構成では、燃焼部により生成された燃焼ガスは、壁部に沿って燃焼ガス導出部に流れる。従って、燃焼ガスを出口ヘッダ内からスムーズに導出させることができる。
【００１２】
複数の出口ヘッダの燃焼ガス導出部には、改質部及び燃焼部の積層方向に延在し、燃焼ガス導出部から導出された燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出部材が固定されていてもよい。このような構成では、各出口ヘッダの燃焼ガス導出部から導出された燃焼ガスは、燃焼ガス排出部材内を流れて排出される。従って、燃焼ガスの排出系の構成を簡単化することができる。
【００１３】
入口ヘッダの基端部には、改質器の壁部と接合された入口側接合部が設けられており、出口ヘッダの基端部には、改質器の壁部と接合された出口側接合部が設けられていてもよい。このような構成では、燃焼部の一端部に入口ヘッダが取り付けられ、燃焼部の他端部に出口ヘッダが取り付けられることとなる。
【００１４】
改質部及び燃焼部は、角筒状を呈し、入口側接合部は、燃焼部の内側に曲げられた状態で壁部と接合されており、出口側接合部は、燃焼部の外側に曲げられた状態で壁部と接合されていてもよい。このような構成では、入口ヘッダ内に存在する酸化性ガスが改質部に漏れにくくなるため、改質部において水分が生成されにくくなる。また、燃焼部に存在する水分が改質部に漏れにくくなる。以上により、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分がより低減される。
【００１５】
改質部及び燃焼部は、角筒状を呈し、入口側接合部は、壁部と燃焼部の内側で重なり合った位置関係で接合されており、出口側接合部は、壁部と燃焼部の外側で重なり合った位置関係で接合されていてもよい。このような構成でも、入口ヘッダ内に存在する酸化性ガスが改質部に漏れにくくなるため、改質部において水分が生成されにくくなる。また、燃焼部に存在する水分が改質部に漏れにくくなる。以上により、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分がより低減される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る改質装置を備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る改質装置の外観を示す斜視図である。
【図３】図２に示された改質装置の一部構成を除いた状態を示す斜視図である。
【図４】図２に示された改質装置の平面図である。
【図５】図２に示された改質装置の正面図である。
【図６】図２に示された改質装置の背面図である。
【図７】図２に示された改質装置の拡大断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る改質装置の外観を示す斜視図である。
【図９】図８に示された改質装置の正面図である。
【図１０】図８に示された改質装置の背面図である。
【図１１】図８に示された改質装置の拡大断面図である。
【図１２】図１１に示された改質装置の変形例を示す拡大断面図である。
【図１３】図４に示された改質装置の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る改質装置を備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。図１において、燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車に搭載される。燃料電池システム１は、アンモニアタンク２と、気化器３と、空気供給部４と、改質装置５と、燃料電池６とを備えている。
【００２０】
アンモニアタンク２は、燃料であるアンモニア（ＮＨ３）を液体状態で貯蔵するタンクである。気化器３は、アンモニア流路７を介してアンモニアタンク２と接続されている。気化器３は、ポンプ（図示せず）によりアンモニアタンク２から導出された液体状態のアンモニアを気化させて、燃料ガスであるアンモニアガスを生成する。
【００２１】
空気供給部４は、酸化性ガスである空気を改質装置５及び燃料電池６に供給する。空気供給部４としては、例えば送風機等が用いられる。
【００２２】
改質装置５は、気化器３により生成されたアンモニアガスを改質する。改質装置５は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒８Ａを含み、水素を含有した改質ガスを生成する改質部８と、空気によりアンモニアガスを燃焼する燃焼触媒９Ａを含み、水分を含有した燃焼ガスを生成する燃焼部９とを有している。改質触媒８Ａとしては、例えばルテニウム（Ｒｕ）またはロジウム（Ｒｈ）等が用いられる。燃焼触媒９Ａとしては、例えば白金（Ｐｔ）またはロジウム（Ｒｈ）等が用いられる。
【００２３】
改質部８及び燃焼部９は、アンモニアガス流路１０を介して気化器３と接続されている。アンモニアガス流路１０は、改質部８及び燃焼部９に供給されるアンモニアガスが流れる流路である。アンモニアガス流路１０には、改質部８及び燃焼部９に供給されるアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁１１が配設されている。また、燃焼部９は、空気流路１２を介して空気供給部４と接続されている。空気流路１２は、燃焼部９に供給される空気が流れる流路である。空気流路１２には、燃焼部９に供給される空気の流量を調整する流量調整弁１３が配設されている。
【００２４】
改質部８には、アンモニアガスが導入される。改質部８は、燃焼部９で発生した燃焼熱及び改質触媒８Ａによってアンモニアを水素及び窒素に分解する。具体的には、下記式のように、燃焼熱によりアンモニアの分解反応が起こり（吸熱反応）、水素がリッチな状態の改質ガスが生成される。
ＮＨ３→３／２Ｈ２＋１／２Ｎ２      …（Ａ）
【００２５】
燃焼部９には、アンモニアガス及び空気が導入される。燃焼部９は、燃焼触媒９Ａによってアンモニアを酸化させることで、燃焼熱を発生させる。具体的には、下記式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、アンモニアの酸化反応により燃焼熱が発生する（発熱反応）。このような発熱反応により、窒素及び水蒸気（水分）を含有した燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、燃焼ガス流路１４を流れて大気中に放出される。
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ      …（Ｂ）
【００２６】
燃料電池６は、改質ガス流路１５を介して改質部８と接続されていると共に、空気流路１６を介して空気供給部４と接続されている。改質ガス流路１５は、改質部８により生成された改質ガスが流れる流路である。空気流路１６には、燃料電池６に供給される空気の流量を調整する流量調整弁１７が配設されている。燃料電池６は、改質ガス中の水素と空気中の酸素とを化学反応させて、発電を行う。燃料電池６としては、例えば固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ：polymerelectrolyte fuel cell）が用いられる。なお、燃料電池６は、固体酸化物型またはアルカリ型の燃料電池等であってもよい。
【００２７】
図２は、本発明の一実施形態に係る改質装置の外観を示す斜視図である。図３は、図２に示された改質装置の一部構成を除いた状態を示す斜視図である。図４は、図２に示された改質装置の平面図である。図５は、図２に示された改質装置の正面図である。図６は、図２に示された改質装置の背面図である。
【００２８】
図２〜図６において、本実施形態の改質装置５は、複数の改質部８と複数の燃焼部９とが交互に積層されてなる熱交換型の改質器２０と、燃焼部９の上流側端部９ａ（図７参照）側に配置された複数の入口ヘッダ２１と、燃焼部９の下流側端部９ｂ（図７参照）側に配置された複数の出口ヘッダ２２と、複数の入口ヘッダ２１に固定された２つの空気供給部材２３（酸化性ガス供給部材）と、複数の出口ヘッダ２２に固定された燃焼ガス排出部材２４とを備えている。燃焼部９の上流側端部９ａは、燃焼部９の長手方向（Ｘ方向）の一端部である。燃焼部９の下流側端部９ｂは、燃焼部９の長手方向の他端部である。
【００２９】
改質器２０は、正面視矩形状の角筒状体２５と、この角筒状体２５の内部に配置されたハニカム構造体２６とを有している。角筒状体２５及びハニカム構造体２６は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。
【００３０】
角筒状体２５は、上壁２５ａ、下壁２５ｂ及び側壁２５ｃ，２５ｄからなっている。上壁２５ａ及び下壁２５ｂは、互いに対向している。側壁２５ｃ，２５ｄは、側壁２５ｃ，２５ｄの対向方向に垂直な方向で互いに対向している。改質器２０の上流側及び下流側の端は、開口している。ハニカム構造体２６は、正方形状または矩形状のセルを形成する複数のセル壁部２７から構成されている。
【００３１】
改質部８及び燃焼部９は、複数段（ここでは２段）のセル毎に交互に積層されている。改質器２０の最上部及び最下部は、燃焼部９となっている。なお、図面では、便宜上改質器２０の最上部及び最下部が改質部８となっている。上記の改質触媒８Ａは、改質部８を構成するセル壁部２７に担持されている。上記の燃焼触媒９Ａは、燃焼部９を構成するセル壁部２７に担持されている。また、改質触媒８Ａ及び燃焼触媒９Ａとしては、ハニカム構造体２６の空間（セル）に触媒ペレットをつめてもよい。なお、改質触媒８Ａ及び燃焼触媒９Ａとしては、同じ触媒でもよいし、異なる触媒でもよい。
【００３２】
改質部８の上流側端部８ａ（図７参照）は、アンモニアガスが導入されるアンモニアガス導入口２８（燃料ガス導入口）を有している。改質部８の上流側端部８ａは、改質部８の入口ヘッダ２１側の端部である。改質部８の下流側端部８ｂ（図７参照）は、改質部８により生成された改質ガスが導出される改質ガス導出口２９を有している。改質部８の下流側端部８ｂは、改質部８の出口ヘッダ２２側の端部である。
【００３３】
入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａから上流側（出口ヘッダ２２の反対側）に突き出るように上流側端部９ａに取り付けられている。入口ヘッダ２１は、アンモニアガス及び空気を燃焼部９に導入する。入口ヘッダ２１は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。
【００３４】
入口ヘッダ２１は、平面視で２つの直角三角形が燃焼部９の幅方向（Ｙ方向）の中心に対して線対称に並んだ形状を呈している。燃焼部９の幅方向は、燃焼部９の長手方向に垂直な方向である。
【００３５】
具体的には、入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａの側縁部９ｃ，９ｄから上流側に延在し、空気が導入される２つの空気導入部３０（酸化性ガス導入部）と、各空気導入部３０の先端部３０ａから燃焼部９の上流側端部９ａにおける幅方向の中央部まで延在し、アンモニアガスが導入される２つのアンモニアガス導入部３１（燃料ガス導入部）とを有している。なお、燃焼部９の上流側端部９ａの側縁部９ｃ，９ｄは、燃焼部９の上流側端部９ａにおける角筒状体２５の側壁２５ｃ，２５ｄに対応する部分である。
【００３６】
空気導入部３０は、燃焼部９の上流側端部９ａにおける少なくとも一方の側縁部から出口ヘッダ２２の反対側に延在している。このため、空気は、改質器２０の側方から入口ヘッダ２１内に導入される。
【００３７】
アンモニアガス導入部３１は、空気導入部３０の先端部３０ａから燃焼部９の上流側端部９ａにおける反対の側縁部側に延在している。アンモニアガス導入部３１は、燃焼部９の長手方向及び幅方向に対して傾斜するように延在している。このため、入口ヘッダ２１の各アンモニアガス導入部３１は、改質器２０の上流側（長手方向の一端側）に面している。従って、アンモニアガスは、改質器２０の上流側から入口ヘッダ２１内に導入される。
【００３８】
入口ヘッダ２１の基端部には、図７に示されるように、燃焼部９の上流側端部９ａにおいてハニカム構造体２６のセル壁部２７と接合された入口側接合部３２が設けられている。入口側接合部３２は、セル壁部２７の一端面に接合されている。入口ヘッダ２１の厚みは、例えば燃焼部９の高さ方向（Ｚ方向）の寸法と等しい。なお、燃焼部９の高さ方向は、改質部８と燃焼部９との積層方向に相当する。燃焼部９の高さ方向は、燃焼部９の長手方向及び幅方向に垂直な方向である。
【００３９】
出口ヘッダ２２は、燃焼部９の下流側端部９ｂから下流側（入口ヘッダ２１の反対側）に突き出るように下流側端部９ｂに取り付けられている。出口ヘッダ２２は、燃焼部９により生成された燃焼ガスを導出する。出口ヘッダ２２は、入口ヘッダ２１と同じ金属で形成されている。
【００４０】
出口ヘッダ２２は、平面視で直角三角形状を呈している。具体的には、出口ヘッダ２２は、燃焼部９の下流側端部９ｂの側縁部９ｄから下流側に延在し、燃焼ガスが導出される燃焼ガス導出部３３と、燃焼ガス導出部３３の先端部３３ａから燃焼部９の下流側端部９ｂの側縁部９ｃまで延在する壁部３４とを有している。なお、燃焼部９の下流側端部９ｂの側縁部９ｃ，９ｄは、燃焼部９の下流側端部９ｂにおける角筒状体２５の側壁２５ｃ，２５ｄに対応する部分である。
【００４１】
燃焼ガス導出部３３は、燃焼部９の下流側端部９ｂにおける一方の側縁部から入口ヘッダ２１の反対側に延在している。このため、燃焼ガスは、改質器２０の側方に導出される。壁部３４は、燃焼ガス導出部３３の先端部３３ａから燃焼部９の下流側端部９ｂにおける他方の側縁部側に向けて延在している。壁部３４は、燃焼部９の長さ方向及び幅方向に対して傾斜するように延在している。
【００４２】
出口ヘッダ２２の基端部には、図７に示されるように、燃焼部９の下流側端部９ｂにおいてハニカム構造体２６のセル壁部２７と接合された出口側接合部３５が設けられている。出口側接合部３５は、セル壁部２７の他端面に接合されている。出口ヘッダ２２の厚みは、例えば燃焼部９の高さ方向の寸法と等しい。
【００４３】
空気供給部材２３は、複数の入口ヘッダ２１の空気導入部３０に固定されている。空気供給部材２３は、改質器２０の高さ方向（改質部８及び燃焼部９の積層方向）に延在している。空気供給部材２３は、空気を各空気導入部３０に供給する部材である。空気供給部材２３は、例えば入口ヘッダ２１に導入された空気がアンモニアガス導入部３１の延在方向に平行な方向に流れるように、空気を空気導入部３０に供給する。これにより、入口ヘッダ２１内に導入された空気がアンモニアガス導入部３１から抜け出にくくなる。
【００４４】
燃焼ガス排出部材２４は、複数の出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３に固定されている。燃焼ガス排出部材２４は、改質器２０の高さ方向に延在している。燃焼ガス排出部材２４は、各燃焼ガス導出部３３から導出された燃焼ガスを排出する部材である。
【００４５】
以上のような改質装置５において、改質器２０の各改質部８のアンモニアガス導入口２８及び各入口ヘッダ２１のアンモニアガス導入部３１には、上記のアンモニアガス流路１０が接続されている。各空気供給部材２３には、上記の空気流路１２が接続されている。改質器２０の各改質部８の改質ガス導出口２９には、上記の改質ガス流路１５が接続されている。燃焼ガス排出部材２４には、上記の燃焼ガス流路１４が接続されている。
【００４６】
燃料電池システム１の運転が開始されると、アンモニアガスが各入口ヘッダ２１内及び改質器２０の各改質部８に供給されると共に、空気が空気供給部材２３を通って各入口ヘッダ２１内に供給される。また、燃料電池６にも、空気が供給される。
【００４７】
各入口ヘッダ２１のアンモニアガス導入部３１にアンモニアガスが供給されると、アンモニアガスが各入口ヘッダ２１内を流れて改質器２０の各燃焼部９に供給される。各入口ヘッダ２１の空気導入部３０に空気が供給されると、空気が各入口ヘッダ２１内を流れて改質器２０の各燃焼部９に供給される。各燃焼部９では、空気によりアンモニアが燃焼されるため、アンモニアの燃焼熱が発生し、その燃焼熱が各改質部８に供給されると共に、Ｎ２及びＨ２Ｏを含む燃焼ガスが生成される。すると、各改質部８では、燃焼熱によってアンモニアガスの改質が行われるため、Ｎ２及びＨ２を含む改質ガスが生成される。
【００４８】
各改質部８により生成された改質ガスは、燃料電池６に供給される。そして、燃料電池６では、改質ガス及び空気を用いて発電が行われる。各燃焼部９により生成された燃焼ガスは、各出口ヘッダ２２内を流れて燃焼ガス導出部３３から導出された後、燃焼ガス排出部材２４を通って大気中に放出される。このとき、燃焼ガスは、ガス処理部（図示せず）によって未燃のアンモニアガス等が処理された後に、大気中に放出される。
【００４９】
以上のように本実施形態にあっては、アンモニアガスが各入口ヘッダ２１内及び改質器２０の各改質部８に導入されると共に、空気が各入口ヘッダ２１内に導入される。入口ヘッダ２１内にアンモニアガス及び空気が導入されると、アンモニアガス及び空気が改質器２０の燃焼部９に供給され、燃焼部９においてアンモニアガスが燃焼する。このため、水分を含有した燃焼ガスが生成され、その燃焼ガスが出口ヘッダ２２内から導出される。このとき、アンモニアガスの燃焼熱が改質部８に伝わり、改質部８においてアンモニアガスの改質が行われることで、水素を含有した改質ガスが生成され、その改質ガスが改質部８から導出される。このように改質器２０では、改質ガスが流れる空間と燃焼ガスが流れる空間とが異なるため、改質ガスと燃焼ガスとが混ざりにくい。これにより、改質器２０により生成される改質ガスに含まれる水分が低減される。その結果、改質ガスに含まれる水分を除去する処理が不要または簡単になる。
【００５０】
また、本実施形態では、アンモニアガスは入口ヘッダ２１のアンモニアガス導入部３１に改質器２０の上流側から導入され、空気は入口ヘッダ２１の空気導入部３０に改質器２０の側方から導入される。このように入口ヘッダ２１内へのアンモニアガスの導入位置及び導入方向と入口ヘッダ２１内への空気の導入位置及び導入方向とが異なるため、アンモニアガス及び空気を入口ヘッダ２１内に導入しやすい。また、入口ヘッダ２１の各アンモニアガス導入部３１は改質器２０の各アンモニアガス導入口２８と同じ側に面することになるため、アンモニアガスを入口ヘッダ２１内及び改質器２０の改質部８に一括して導入しやすい。
【００５１】
また、本実施形態では、アンモニアガスは、空気供給部材２３内を流れて各入口ヘッダ２１の空気導入部３０に導入される。従って、空気の供給系の構成を簡単化することができる。
【００５２】
また、本実施形態では、燃焼部９により生成された燃焼ガスは、壁部３４に沿って燃焼ガス導出部３３に流れる。従って、燃焼ガスを出口ヘッダ２２内からスムーズに導出させることができる。
【００５３】
また、本実施形態では、各出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３から導出された燃焼ガスは、燃焼ガス排出部材２４内を流れて排出される。従って、燃焼ガスの排出系の構成を簡単化することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、入口ヘッダ２１の基端部には、ハニカム構造体２６のセル壁部２７と接合された入口側接合部３２が設けられており、出口ヘッダ２２の基端部には、ハニカム構造体２６のセル壁部２７と接合された出口側接合部３５が設けられている。従って、燃焼部９の上流側端部９ａに入口ヘッダ２１が取り付けられ、燃焼部９の下流側端部９ｂに出口ヘッダ２２が取り付けられることとなる。
【００５５】
また、本実施形態では、入口ヘッダ２１内に導入された空気はアンモニアガス導入部３１の延在方向に平行な方向に流れて改質器２０の燃焼部９に供給されるため、燃焼部９における空気の流れ分布の均一性が良くなる。
【００５６】
なお、本実施形態では、改質器２０において、改質部８及び燃焼部９が複数段のセル毎に交互に積層されているが、特にその形態には限られず、改質部８及び燃焼部９が１段のセル毎に交互に積層されていてもよい。
【００５７】
また、本実施形態では、改質器２０は、正面視矩形状の角筒状体２５と、この角筒状体２５の内部に配置されたハニカム構造体２６とを有しているが、特にその形態には限られない。改質器２０は、正面視円形状の円筒状体と、この円筒状体の内部に配置されたハニカム構造体とを有していてもよい。
【００５８】
図８は、本発明の他の実施形態に係る改質装置の外観を示す斜視図である。図９は、図８に示された改質装置の正面図である。図１０は、図８に示された改質装置の背面図である。
【００５９】
図８〜図１０において、本実施形態の改質装置５は、上記の実施形態と同様に、複数の改質部８と複数の燃焼部９とが交互に積層されてなる改質器２０と、複数の入口ヘッダ２１と、複数の出口ヘッダ２２と、２つの空気供給部材２３と、燃焼ガス排出部材２４とを備えている。
【００６０】
改質部８及び燃焼部９は、何れも扁平の角筒状を呈している。つまり、改質部８及び燃焼部９は、角筒壁部４５により構成されている。改質装置５は、上記の実施形態のハニカム構造体２６を有していない。角筒壁部４５は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。
【００６１】
入口ヘッダ２１の基端部に設けられた入口側接合部３２は、図１１に示されるように、燃焼部９の上流側端部９ａにおいて角筒壁部４５と接合されている。具体的には、入口側接合部３２は、燃焼部９の内側（燃焼部９内）に折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。つまり、入口側接合部３２を構成する上下の壁は、燃焼部９内に入り込んで出口ヘッダ２２側に向かって互いに近接するように折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。なお、入口側接合部３２を構成する両側の壁は、燃焼部９の内側に折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されていてもよいし、角筒壁部４５の一端面に接合されていてもよい。入口ヘッダ２１の厚みは、例えば燃焼部９の高さ方向の寸法と等しい。
【００６２】
出口ヘッダ２２の基端部に設けられた出口側接合部３５は、図１１に示されるように、燃焼部９の下流側端部９ｂにおいて角筒壁部４５と接合されている。具体的には、出口側接合部３５は、燃焼部９の外側に折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。つまり、出口側接合部３５を構成する上下の壁は、燃焼部９の外側に入口ヘッダ２１側に向かって互いに離間するように折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。なお、出口側接合部３５を構成する両側の壁は、燃焼部９の外側に折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されていてもよいし、角筒壁部４５の他端面に接合されていてもよい。出口ヘッダ２２の厚みは、例えば燃焼部９の高さ方向の寸法と等しい。
【００６３】
このような本実施形態では、入口側接合部３２は、燃焼部９の内側に曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。従って、入口ヘッダ２１内に存在する空気が改質部８に漏れにくくなるため、改質部８において水分が生成されにくくなる。また、出口側接合部３５は、燃焼部９の外側に曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。従って、燃焼部９に存在する水分が改質部８に漏れにくくなる。以上により、改質器２０により生成される改質ガスに含まれる水分がより低減される。さらに、入口側接合部３２及び出口側接合部３５の厚みを等しくすることができる。
【００６４】
図１２は、図１１に示された改質装置の変形例を示す拡大断面図である。図１２において、入口ヘッダ２１の入口側接合部３２は、角筒壁部４５と燃焼部９の内側（燃焼部９内）で重なり合った位置関係で接合されている。つまり、入口側接合部３２を構成する上下の壁は、燃焼部９内に入り込んで角筒壁部４５と重なり合った位置関係で接合されている。なお、入口側接合部３２を構成する両側の壁は、角筒壁部４５と燃焼部９の内側で重なり合った位置関係で接合されていてもよいし、角筒壁部４５の一端面に接合されていてもよい。
【００６５】
出口ヘッダ２２の出口側接合部３５は、角筒壁部４５と燃焼部９の外側で重なり合った位置関係で接合されている。つまり、出口側接合部３５を構成する上下の壁は、角筒壁部４５と燃焼部９の外側で重なり合った位置関係で接合されている。なお、出口側接合部３５を構成する両側の壁は、角筒壁部４５と燃焼部９の外側で重なり合った位置関係で接合されていてもよいし、角筒壁部４５の他端面に接合されていてもよい。
【００６６】
このような本変形例においても、入口ヘッダ２１内に存在する空気が改質部８に漏れにくくなるため、改質部８において水分が生成されにくくなる。また、燃焼部９に存在する水分が改質部８に漏れにくくなる。以上により、改質器２０により生成される改質ガスに含まれる水分がより低減される。さらに、入口側接合部３２及び出口側接合部３５を折り曲げなくて済むため、改質装置５の製造工程の簡素化を図ることができる。
【００６７】
図１３は、図４に示された改質装置の変形例を示す平面図である。図１３において、本変形例の改質装置５は、平面視で直角三角形状を呈する入口ヘッダ２１を備えている。入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａの側縁部９ｃから上流側に延在し、空気が導入される空気導入部４０（酸化性ガス導入部）と、空気導入部４０の先端部４０ａから燃焼部９の上流側端部９ａの側縁部９ｄまで延在し、アンモニアガスが導入されるアンモニアガス導入部４１（燃料ガス導入部）とを有している。
【００６８】
空気導入部４０は、燃焼部９の上流側端部９ａにおける一方の側縁部から出口ヘッダ２２の反対側に延在している。このため、空気は、改質器２０の側方から入口ヘッダ２１内に導入される。
【００６９】
アンモニアガス導入部４１は、空気導入部４０の先端部４０ａから燃焼部９の上流側端部９ａにおける反対の側縁部側に延在している。アンモニアガス導入部４１は、燃焼部９の長手方向及び幅方向に対して傾斜するように延在している。このため、入口ヘッダ２１の各アンモニアガス導入部４１は、改質器２０の上流側に面している。従って、アンモニアガスは、改質器２０の上流側から入口ヘッダ２１内に導入される。
【００７０】
出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３は、燃焼部９の下流側端部９ｂにおける空気導入部４０とは反対側の側縁部９ｄから下流側（入口ヘッダ２１の反対側）に延在している。つまり、燃焼ガス導出部３３は、燃焼部９の幅方向における空気導入部４０の反対側に配置されている。
【００７１】
このような本変形例においても、入口ヘッダ２１内へのアンモニアガスの導入位置及び導入方向と入口ヘッダ２１内への空気の導入位置及び導入方向とが異なるため、アンモニアガス及び空気を入口ヘッダ２１内に導入しやすい。また、入口ヘッダ２１の各アンモニアガス導入部４１は改質器２０の各アンモニアガス導入口２８と同じ側に面することになるため、アンモニアガスを入口ヘッダ２１内及び改質器２０の改質部８に一括して導入しやすい。また、入口ヘッダ２１内に導入された空気はアンモニアガス導入部４１の延在方向に平行な方向に流れて改質器２０の燃焼部９に供給されるため、燃焼部９における空気の流れ分布の均一性が良くなる。
【００７２】
なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、入口ヘッダ２１は、平面視で直角三角形状を有しているが、入口ヘッダ２１の形状としては、特に直角三角形状には限られず、平面視で台形状または扇形状等であってもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、出口ヘッダ２２は、平面視で直角三角形状を有しているが、出口ヘッダ２２の形状としては、特に直角三角形状には限られず、入口ヘッダ２１と同様に平面視で台形状または扇形状等であってもよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、複数の入口ヘッダ２１の空気導入部３０に空気供給部材２３が固定されており、空気流路１２により送られてきた空気が空気供給部材２３内を流れて各入口ヘッダ２１の空気導入部３０に供給されているが、特にそのような空気供給部材２３を設けずに、各入口ヘッダ２１の空気導入部３０に空気流路１２を直接接続してもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、複数の出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３に燃焼ガス排出部材２４が固定されており、各出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３から導出された燃焼ガスが燃焼ガス排出部材２４内を流れて燃焼ガス流路１４に送られているが、特にそのような燃焼ガス排出部材２４を設けずに、各出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３に燃焼ガス流路１４を直接接続してもよい。
【００７６】
また、上記実施形態では、入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａに取り付けられ、出口ヘッダ２２は、燃焼部９の下流側端部９ｂに取り付けられているが、特にその形態には限られない。入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａ側に上流側端部９ａから離間して配置され、出口ヘッダ２２は、燃焼部９の下流側端部９ｂ側に下流側端部９ｂから離間して配置されていてもよい。この場合、例えば改質装置５を収容する筐体に入口ヘッダ２１及び出口ヘッダ２２が取り付けられる。また、このような構成では、上記のハニカム構造体２６は、ステンレス鋼等の金属で形成されていてもよいし、或いはコージェライト、ＳｉＣまたはＳｉＳｉＣ等のセラミックで形成されていてもよい。
【００７７】
また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気を使用しているが、特にその形態には限られず、酸化性ガスとして酸素を使用してもよい。
【００７８】
また、上記実施形態の改質装置５は、燃料電池システム１に適用されているが、本発明は、例えばアンモニアエンジンまたはアンモニアガスタービン等を備えたシステムにも適用可能である。
【００７９】
また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスを使用しているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用した改質装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
５…改質装置、８…改質部、８ａ…上流側端部、８ｂ…下流側端部、９…燃焼部、９ａ…上流側端部（一端部）、９ｂ…下流側端部（他端部）、９ｃ，９ｄ…側縁部、２０…改質器、２１…入口ヘッダ、２２…出口ヘッダ、２３…空気供給部材（酸化性ガス供給部材）、２４…燃焼ガス排出部材、２６…ハニカム構造体、２７…セル壁部（壁部）、２８…アンモニアガス導入口（燃料ガス導入口）、２９…改質ガス導出口、３０…空気導入部（酸化性ガス導入部）、３０ａ…先端部、３１…アンモニアガス導入部（燃料ガス導入部）、３２…入口側接合部、３３…燃焼ガス導出部、３４…壁部、３５…出口側接合部、４０…空気導入部（酸化性ガス導入部）、４１…アンモニアガス導入部（燃料ガス導入部）、４５…角筒壁部（壁部）。
【図１】
2020083703.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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