(57)【要約】【課題】触媒酸化方式の反応部で不要な高温部位が形成されることを防止し、逆火を防止することができる改質装置を提供する。【解決手段】本発明の改質装置は、第１チャンバ内に配置される第１触媒により第１燃料を燃焼させて熱を発生する第１反応部と、前記第１反応部の熱によって加熱され、第２触媒により第２燃料を改質する第２反応部と、第１触媒の流入端側に流入する第１燃料の速度を調整する速度調整空間を介して配置される複数の整流板を備える逆火防止部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１チャンバ内に配置される第１触媒により第１燃料を燃焼させて熱を発生する第１反応部と、
前記第１反応部の熱によって加熱され、第２触媒により第２燃料を改質する第２反応部と、
第１触媒の流入端側に流入する第１燃料の速度を調整する速度調整空間を介して配置される複数の整流板を備える逆火防止部と、
を備えることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
前記逆火防止部が、複数の通路を備える逆火防止部であることを特徴とする請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
前記第１燃料が流動する方向を長手方向としたとき、前記速度調整空間の長手方向の長さは、５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の改質装置。
【請求項４】
前記逆火防止部の長手方向における長さは、幅方向における長さに対して５０％〜１００％の範囲を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項５】
前記第２触媒の一端は、前記逆火防止部に隣接して配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項６】
前記第１触媒は、複数の通路を有する第１支持体と、該第１支持体に担持された活性物質とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項７】
前記第１支持体は、モノリスであることを特徴とする請求項６に記載の改質装置。
【請求項８】
前記逆火防止部は、前記第１支持体と同じ断面構造および形状を有するモノリスであることを特徴とする請求項７に記載の改質装置。
【請求項９】
前記モノリスの断面は、ハニカム形状であることを特徴とする請求項７または８に記載の改質装置。
【請求項１０】
前記モノリスは、シート状の第１部材と、波状形状の第２部材とが重なって巻き取られた螺旋形状を備えることを特徴とする請求項７または８に記載の改質装置。
【請求項１１】
前記モノリスの複数の通路の開き面積は、前記モノリスの断面積の４０％〜９５％の範囲であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項１２】
前記モノリスのセル密度は、２００ｃｐｉ〜１５００ｃｐｉの範囲であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項１３】
前記第２反応部は、前記第１チャンバに接する第２チャンバ内に配置される第２触媒を備え、
前記第２触媒は、第２支持体と、該第２支持体に担持された活性物質とを含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項１４】
前記第２燃料が流入する上流側に位置する前記第２支持体の一端は、前記逆火防止部に隣接して配置されることを特徴とする請求項１３に記載の改質装置。
【請求項１５】
前記第２支持体は、ペレットまたは球形状であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の改質装置。
【請求項１６】
前記第２支持体は、セラミックまたは金属モノリスであることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項１７】
前記第１反応部および前記第２反応部は、両端が閉鎖され、流体の流動のための複数の開口部を有する二重管構造であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項１８】
前記第１燃料は、ブタン、メタン、天然ガス、プロパンガスおよびディーゼルのうち少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項１９】
前記第１触媒は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、またはチタニア（ＴｉＯ２）からなる支持体に、ＰｄＡｌ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびこれらの組合せからなる群から選択される少なくとも一種を担持してなることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項２０】
前記第１反応部に前記第１燃料を噴射するノズルをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の改質装置。
【請求項２１】
前記第１反応部に供給される前記第１燃料を点火させる点火部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質型燃料電池に使用することのできる改質装置に関し、特に触媒酸化方式の反応部で発生する逆火を防止することができる改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する高効率の発電システムであり、公害物質の排出が非常に低いという点で環境への負荷が少ない。そのため、燃料電池は、クリーンエネルギー源であって、次世代エネルギー源の１つとして注目されている。
【０００３】
このような燃料電池として、溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ  Ｃａｒｂｏｎａｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）などの６００℃以上で作動する高温型燃料電池や、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）などの２００℃以上で作動する中温型燃料電池は、大規模発電やバイオガスプラントなどを主な用途として開発されている。この他に、高分子電解質膜を採用し、１００℃以下の低温領域で作動する高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＥＦＣ）は、主に、輸送用、家庭用、携帯用電源として開発されている。
【０００４】
ＰＥＦＣシステムは、水素ガスを直接用いるシステムと、炭化水素系燃料を用いる改質器ベースのシステムとに大きく区分することができる。
【０００５】
改質器ベースのＰＥＦＣシステムに使用される改質装置は、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化プロパンガス（ＬＰＧ）、ディーゼルなどの炭化水素系燃料や、ブチルアルコールなどのアルコール系燃料を、水素や一酸化炭素などの混合物に変換するものである。改質装置に応用される改質反応の酸化剤としては、スチームまたは空気を用いることができる。ブタンの改質反応は約６００℃で行われ、メタンの改質反応は約８００℃で行われる。また、ブタンとスチームとを用いた改質反応と、メタンと二酸化炭素とを用いた改質反応は、吸熱反応である。
【０００６】
したがって、ブタンやメタンのような炭化水素系燃料を使用する改質装置では、６００℃以上での運転に要求される熱エネルギーを供給できる熱源が必要になる。このような熱源としては、バーナーが一般的である。ところが、バーナー方式は、直熱を避けるために、最小限の燃焼空間を必要とするため、小型改質装置には不向きである。その代替案として、改質装置の他の熱源としては、触媒酸化方式の熱源が提案されている。
【０００７】
上記のような改質装置の従来記述としては、下記特許文献１〜５が挙げられる。
【０００８】
触媒酸化方式の熱源は、熱源自体が相対的に均一な温度分布を有するという長所がある。しかし、６００℃以上の高温雰囲気では、触媒層から、燃料が流入する上流側に向けて逆火が発生するという問題がある。逆火は、改質装置の燃料供給ノズルに火炎が生じるように作用するため、改質装置の寿命に悪影響を及ぼす恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】大韓民国特許公開第２００６−００６５７７８Ａ号
【特許文献２】大韓民国特許出願第１０−０８２３５１５号
【特許文献３】大韓民国特許出願第１０−０６４８７３０号
【特許文献４】大韓民国特許出願第１０−０８１４８８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、従来の改質装置に用いられている触媒酸化方式の熱源は、逆火防止に関してさらなる改善が求められている。したがって、本発明の目的は、触媒酸化方式の反応部で望ましくない高温部位（ホットスポット）が形成されることを防止し、逆火を防止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】
【００１１】
上記の技術的課題を解決するために、本発明によれば、第１チャンバ内に配置される第１触媒により第１燃料を燃焼させて熱を発生する第１反応部と、前記第１反応部の熱によって加熱され、第２触媒により第２燃料を改質する第２反応部と、第１触媒の流入端側に流入する第１燃料の速度を調整する速度調整空間を介して配置される複数の整流板を備える逆火防止部と、を備えることを特徴とする改質装置が提供される。
【００１２】
好ましくは、前記逆火防止部が、複数の通路を備える逆火防止部である。
【００１３】
好ましくは、第１燃料が流動する方向を長手方向としたとき、速度調整空間の長手方向の長さは、５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲である。
【００１４】
逆火防止部の長手方向における長さは、幅方向における長さに対して５０％〜１００％の範囲で設計され得る。
【００１５】
第２触媒の一端は、逆火防止部に隣接して配置され得る。
【００１６】
第１触媒は、複数の通路を有する第１支持体と、第１支持体に担持された活性物質とを含む。
【００１７】
第１支持体は、モノリスを含む。
【００１８】
逆火防止部は、第１支持体と同じ断面構造および形状を有するモノリスを含む。
【００１９】
モノリスの断面は、ハニカム形状であり得る。
【００２０】
モノリスは、シート状の第１部材と、波状形状の第２部材とが重なって巻き取られた螺旋形状であり得る。
【００２１】
モノリスの複数の通路の開き面積は、モノリスの断面積の４０％〜９５％の範囲で設計され得る。
【００２２】
モノリスのセル密度は、２００ｃｐｉ〜１５００ｃｐｉの範囲で設計され得る。
【００２３】
第２反応部は、第１チャンバに接する第２チャンバ内に配置される第２触媒を備え、第２触媒は、第２支持体と、第２支持体に担持された活性物質とを含むことができる。
【００２４】
第２燃料が流入する上流側に位置する第２支持体の一端は、逆火防止部に隣接して配置され得る。
【００２５】
第２支持体は、ペレットまたは球形状であり得る。
【００２６】
第２支持体は、セラミックまたは金属モノリスであり得る。
【００２７】
第１反応部および第２反応部は、両端が閉鎖され、流体の流動のための複数の開口部を有する二重管構造であり得る。
【００２８】
第１燃料は、ブタン、メタン、天然ガス、プロパンガスおよびディーゼルのうち少なくとも一種を含む。
【００２９】
第１触媒は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、またはチタニア（ＴｉＯ２）からなる支持体に、ＰｄＡｌ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびこれらの組合せからなる群から選択される少なくとも一種を担持してなり得る。
【００３０】
改質装置は、第１反応部に第１燃料を噴射するノズルをさらに備えることができる。
【００３１】
改質装置は、第１反応部に供給される第１燃料を点火させる点火部をさらに備えることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、燃料分配の改善により反応部内に一定の空間速度を形成することにより、触媒酸化方式の反応部内で逆火が発生することを防止することが可能なため、改質装置の耐久性を向上させることができる。また、熱効率を向上し改質装置の触媒酸化方式の反応部に供給される空気の量を低減することにより、改質装置を採用した燃料電池システムのＢＯＰ（Ｂａｌａｎｃｅ  Ｏｆ  Ｐｌａｎｔｓ）の消費電力を低下することができ、かつ、熱交換器の容量も低減することができる。したがって、本発明は、改質装置およびこれを備える燃料電池システムの小型化かつ高効率化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る改質装置の斜視図である。
【図２】図１の改質装置のＩＩ−ＩＩ方向の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る改質装置の断面図である。
【図４】本発明の改質装置に採用可能な逆火防止部の斜視図である。
【図５】本発明の改質装置に採用可能な他の逆火防止部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３５】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る改質装置の斜視図である。図２は、図１の改質装置のＩＩ−ＩＩ方向の断面図である。
【００３６】
図１および図２に示すように、改質装置１０は、少なくとも１つのチャンバを形成するハウジング２０と、ハウジング２０内に配置される第１反応部３０と、ハウジング２０内に配置される第２反応部４０と、ハウジング２０内に配置される逆火防止部５０とを備える。
【００３７】
本実施形態において、ハウジング２０は、所定の断面積を有し、実質的に両側端部が閉鎖され、流体の流動のための複数の開口部を備えたパイプ形状からなる。ハウジング２０は、断熱性を有する金属または非金属の断熱材料で形成され得る。
【００３８】
図２に示すように、ハウジング２０は、二重管構造を備える。第１ハウジング２２は、所定の第１断面積を有し、実質的に両側端部が閉鎖されたパイプ形状を備える。第２ハウジング２４は、第１断面積より小さい第２断面積を有し、実質的に両側端部が閉鎖されたパイプ形状を備え、パイプの長手方向において第１ハウジング２２によって取り囲まれる。このとき、第１ハウジング２２の内周面と第２ハウジング２４の外周面とは、一定間隔をおいて離隔され、第２ハウジング２４の内周面と配管６０の外周面とは、一定間隔をおいて離隔される。配管６０は、第２ハウジング２４の第２断面積より小さい第３断面積を有し、実質的に両側端部が開放され、第２ハウジング２４内の第２反応部４０で生成されたリフォーメートを外部に移送するための通路として機能する。本明細書において、リフォーメートとは、炭化水素系燃料またはアルコール系燃料を改質反応によって改質させた際に、生成する生成物質を総称する。改質反応によって生ずる混合物は後述するように水素および一酸化炭素を含むが、リフォーメートはこれらに限られず、他の生成物や未反応の燃料を含むものを指す。
【００３９】
第１ハウジング２２と第２ハウジング２４との間の空間は、第１反応部３０用の第１チャンバとなる。第２ハウジング２４と配管６０との間の空間は、第２反応部４０用の第２チャンバとなる。第１反応部３０と第２反応部４０とを二重管構造で形成すると、第１反応部３０が第２反応部４０の全体を取り囲むため、第１反応部３０で発生した熱を効果的に第２反応部４０に供給することができる。したがって、装置の熱効率を向上させることができる。
【００４０】
第１反応部３０は、第２反応部４０の改質反応に必要な熱を供給する熱源として機能する。第１反応部３０は、６００℃〜８００℃の範囲の反応温度となる。
【００４１】
本実施形態の第１反応部３０は、第１チャンバ内に配置される第１支持体３５と、第１支持体３５に担持された活性物質３６とを含む。第１支持体３５は、複数の通路３８を有するモノリスを含む。本明細書において、モノリスとは、同一の方向に伸張する複数のほぼ同一の形状の通路を備える形状を総称する。この場合、モノリスは一体成形されてもよいし、複数の部材から全体としてのモノリス形状を作り上げてもよい。モノリスは、セラミックまたは金属モノリスで実現可能である。以下では、活性物質が担持されている支持体を触媒として言及する。すなわち、活性物質３６が担持された第１支持体３５は、第１触媒と称する。
【００４２】
第１触媒は、酸化触媒であって、第１燃料を酸化させて熱と燃焼ガスとを発生させる。第１触媒は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、またはチタニア（ＴｉＯ２）からなる第１支持体に、ＰｄＡｌ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｐｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびこれらの組合せからなる群から選択される物質を担持して形成することができる。第１触媒は、複数の通路を有する支持体を酸化および／または還元処理し、支持体に直接活性物質が担持されるように形成することが可能である。
【００４３】
また、第１反応部３０は、第１燃料と酸化剤とが流入する少なくとも１つの第１開口部３１ａと、燃焼ガスの排気のための第２開口部３１ｂとを備える。第１開口部３１ａには、ノズル３２を備える。ノズル３２は、第１反応部３０内に第１燃料を噴射する。また、第１反応部３０は、点火器３３を備え、点火器３３は、第１反応部３０内に噴射される第１燃料を点火する。
【００４４】
第２反応部４０は、第１反応部３０からの熱を受け、第２燃料を改質してリフォーメートを生成する。本実施形態において、第２反応部４０は、第２チャンバ内に配置されるペレットまたは球形状の第２支持体に活性物質が担持されている第２触媒４２を備える。第１触媒と同様に、第２支持体に活性物質が担持された状態のものを第２触媒と称する。第２反応部４０には、第２触媒４２の飛散を防止するために、第２触媒４２を取り囲む網状体４４を備える。他の形態において、第２触媒４２は、複数の管型反応器に充填されたまま第２チャンバ内に配置され得る。
【００４５】
第２触媒４２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、またはチタニア（ＴｉＯ２）からなるペレット形状または球形状の担体（第２支持体）に、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３、Ｒｕ／ＺｒＯ２、Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３／Ｒｕ／ＣｅＯ２−Ａｌ２Ｏ３、およびこれらの組合せからなる群から選択される物質を担持して形成され得る。
【００４６】
第２触媒４２の一端は、逆火防止部５０に隣接して配置されることが好ましい。なぜならば、逆火防止部５０が第１反応部３０の第１チャンバ内に配置されるため、第１燃料の燃焼時に発生する熱によって加熱され、加熱された逆火防止部５０を介して第２触媒４２にさらに熱が伝達できるからである。このような構成によれば、改質装置１０の熱効率を向上させることができる。
【００４７】
第２反応部４０は、第２燃料と水蒸気とが流入する少なくとも１つの第１開口部４１ａと、第２燃料と水蒸気との改質反応によって発生したリフォーメートが流出する少なくとも１つの第２開口部４１ｂとを備える。第２開口部４１ｂは、ハウジング２０の中心部に位置する配管６０の一端に連結される。配管６０の他端は、ハウジング２０の外部に露出する。リフォーメートは、配管６０を介して燃料電池スタックなどに供給され得る。
【００４８】
前述した構成において、第１反応部３０から第２反応部４０に必要な熱を供給するために、第１反応部３０でブタンなどの燃料を触媒酸化方式で燃焼させた場合、逆火が発生しやすくなる。しかし、本実施形態では、第１反応部３０で発生し得る逆火を防止するために、第１チャンバ内の、第１燃料が流入する上流側（入口側、かつ第１触媒の流入端側）に、逆火防止部５０を配置する。
【００４９】
特に、図１および図２に示すような二重管構造の改質装置１０の場合、第１燃料と空気とが流入し始める第１触媒の一端で大きいホットスポットが発生しやすく、このホットスポットによって逆火が発生する恐れがある。しかし、本実施形態の逆火防止部５０を設置すると、これを防止することができる。
【００５０】
ここで、逆火とは、第１燃料および／または空気が第１支持体３５の全体に均一に分散供給されずに第１支持体３５の特定の領域に集中することにより、第１燃料と空気との局部的な酸化反応が起こり、他の領域より熱エネルギーが集中的に発生する領域で火花が発生し、発生した火花が、第１燃料の流れにおいて上流側に広がる現象を意味する。
【００５１】
前述した逆火防止部５０は、第１開口部３１ａおよび／またはノズル３２を介して供給される第１燃料および空気を空間内に適切に分配する役割を果たす。さらに、第１触媒と逆火防止部との間に、速度調整空間を設けることにより、分配された第１燃料等が一定の空間速度を形成するようにする。逆火防止部の働きについては後述する。これにより、逆火防止部５０は、第１触媒の一端部分に相対的に大きいホットスポットが形成されることを防止し、第１反応部３０で逆火が発生することを防止することができる。
【００５２】
本実施形態の逆火防止部５０は、より効果的な逆火の防止のために、第１反応部３０内に配置される第１支持体３５と同じ構造を備える。第１触媒の支持体３５がモノリスの場合には、逆火防止部５０は、触媒が担持されていない状態のモノリス支持体３５と実質的に同じモノリスで実現されることが好ましい。ただし、逆火防止部５０は、一方向における大きさ（通路方向の長さ）だけが、第１触媒のモノリス支持体３５と異なり得る。
【００５３】
逆火防止部５０は、第１支持体３５との間に、速度調整空間５４をおいて配置される。すなわち、逆火防止部５０と第１支持体３５とは、所定間隔Ｌをおいて配置される。間隔Ｌは、約５ｍｍ〜約１５ｍｍの範囲を有する。前記間隔Ｌが５ｍｍ未満であれば、逆火防止部５０を通過した燃料が第１支持体３５の複数の通路３８に円滑に分配されず、各通路３８において燃料の線速度の差が発生し、それによって逆火が発生し得る。そして、前記間隔Ｌが１５ｍｍを超えると、逆火防止部５０で分配された燃料が再び混合され、燃料分配の効果が減少する。したがって、第１支持体３５の複数の通路３８において燃料の線速度の差が発生し、それによって逆火が発生し得る。
【００５４】
前述した改質装置１０の作用を詳細に説明すると、次のとおりである。
【００５５】
ノズル３２および／または第１開口部３１ａを介して第１燃料と空気とが第１反応部３０内に供給されると、第１燃料と空気とは、逆火防止部５０の複数の通路５２を介して分配される。この際、速度分布を有する第１燃料等の流れは一旦逆火防止部の端にぶつかり、適当に複数の通路に分散されることにより整流されてゆく。さらに、逆火防止部の各通路から流出した第１燃料等は、速度調整空間において、互いにぶつかりあってさらに速度分布が狭まり、整流される。第１燃料等は、速度調整空間５４を経て第１支持体３５の複数の通路３８に流入する。ここで、複数の通路５２を備えた逆火防止部５０の構造および形状と、他の複数の通路３８を備えた第１支持体３５の構造および形状とは、実質的に同じであるため、第１反応部３０内に流入した第１燃料と空気とは、逆火防止部５０を通過した後、自然に第１支持体３５の通路３８に流入することができる。
【００５６】
第１支持体３５の通路３８に流入した第１燃料および空気は、第１触媒の触媒作用によって発熱酸化反応して燃焼する。上述したように、逆火防止部で複数の通路に分配された第１燃料および空気が、さらに速度調整空間を経ることで整流され、第１支持体の複数の通路においてほぼ同一の線速度となる。したがって、第１触媒の流入端（第１燃料の上流側、かつ入り口側）での第１燃料の局部的な集中を避けられるため、第１触媒の一端に相対的に大きいホットスポットが発生することが防止される。したがって、逆火は発生しない。  第１反応部３０で生成された熱エネルギーは、第２反応部４０に供給される。このとき、第１反応部３０の第１チャンバ内に共に配置された逆火防止部５０も、第１反応部３０と実質的に同じ温度で加熱されるため、第１反応部３０と共に、第２反応部４０に熱を供給する熱源としても作用する。第１燃料の酸化反応によって発生した燃焼ガスは、第２開口部３１ｂを介して外部に排出される。
【００５７】
一方、ノズル３２および／または他の第１開口部４１ａを介して第２反応部４０内に流入した第２燃料と水蒸気とは、改質反応を促す第２触媒４２により水蒸気改質反応する。水蒸気改質反応は、水蒸気と炭化水素燃料とを高温雰囲気で分解して、水素分子と二酸化炭素とで再構成するものである。第２燃料としてブタンを用いた場合の水蒸気改質反応の化学式は、下記のとおりである。
【００５８】
【化１】
2010143816.tif 000003
【００５９】
上記式１をみると、水蒸気改質反応は、低エネルギー状態の水分子から高エネルギー状態の水素分子を生成することになる。そのため、左から右への反応は吸熱反応になる。水蒸気改質反応は、水素の発生量が多いという長所がある。第２反応部４０で生成されたリフォーメートは、第２開口部４１ｂに連結された配管６０を介して外部に放出される。リフォーメートは、水素ガス、二酸化炭素などを含む。
【００６０】
［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係る改質装置の断面図である。図３に示すように、本実施形態の改質装置１００は、第１チャンバおよび第２チャンバを形成する二重管構造のハウジング１２０と、ハウジング１２０内にそれぞれ配置される第１反応部１３０と、第２反応部１４０と、逆火防止部１５０とを備える。
【００６１】
ハウジング１２０は、所定の第１断面積および一定の長さを有し、実質的に両端が閉鎖されたパイプ形状の第１ハウジング１２２と、第１断面積より大きい第２断面積を有し、第１ハウジング１２２の長手方向において第１ハウジング１２２を囲み、実質的に両端が閉鎖されたパイプ形状の第２ハウジング１２４とを備える。第１ハウジング１２２は、第１燃料と空気との流入のための少なくとも１つの第１開口部１３１ａと、第１燃料の酸化反応時に発生する燃焼ガスを排出するための少なくとも１つの第２開口部１３１ｂとを備える。第２ハウジング１２４は、第２燃料と水蒸気との流入のための少なくとも１つの第１開口部１４１ａと、第２燃料と水蒸気との改質反応によって生成されたリフォーメートを放出するための少なくとも１つの第２開口部１４１ｂとを備える。
【００６２】
第１反応部１３０は、第１ハウジング１２２によって形成される第１チャンバ内部に存在する。第１反応部１３０は、第１チャンバ内に配置され、一方向に延びる複数の通路１３８を有する第１支持体１３５と、第１支持体１３５に担持された活性物質１３６とを含む。活性物質１３６が担持された第１支持体１３５は、第１触媒を形成する。
【００６３】
第１支持体１３５は、セラミックまたは金属モノリスで形成可能である。第１支持体１３５は、複数の通路１３８のうち、隣接する通路が、その中間部分において側面に共通の孔を有し、互いの流体が流入するように互いに連結されていてもよい。
【００６４】
第１触媒は、第１支持体１３５を酸化および／または還元処理し、第１支持体１３５に直接活性物質１３６が担持されるように形成可能である。例えば、第１触媒は、活性金属種を均一に含有する結晶性の前駆体を焼成、還元する固相晶析法（ｓｏｌｉｄ  ｐｈａｓｅ  ｃｒｙｓｔａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ；ｓｐｃ−）により作製可能である。固相結晶法による第１触媒は、第１実施形態においても適用可能である。前駆体としては、ぺロブスカイトまたはハイドロタルサイト系の前駆体を用いることができる。例えば、ニッケル（Ｎｉ）を含有するＭｇ−Ａｌ系のハイドロタルサイトを前駆体として準備し、準備した前駆体を焼成してＮｉＯ−ＭｇＯ固溶体を生成した後、それを還元することにより、高分散かつ安定したｓｐｃ−Ｎｉ／Ｍｇ−Ａｌ触媒を製造することができる。
【００６５】
本明細書において、触媒は、基本的に、活性物質が担持されている支持体を意味する。しかし、本明細書における触媒は、広義の意味において触媒作用をする活性物質自体を指すこともある。また、本明細書における触媒は、支持体の比表面積を一定の大きさ（例えば、１００ｍ２／ｇ）以上となるように、支持体に他の支持体が付加された構造体に活性物質が担持されている触媒システムをも含む。
【００６６】
第２反応部１４０は、第１ハウジング１２２の外表面と、第２ハウジング１２４の内表面とによって形成される第２チャンバ内に存在する。第２反応部１４０は、第２チャンバ内に配置され、一方向に延びる複数の通路１４３を有する第２支持体１４１と、第２支持体１４１に担持される活性物質１４２とを含む。
【００６７】
第２支持体１４１は、セラミックまたは金属モノリスで形成可能である。例えば、第１反応部１３０の第１支持体１３５が第１金属モノリスの場合、第２反応部１４０の第２支持体１４１は、第１金属モノリスを囲む第２金属モノリスで構成が可能である。第２支持体１４１は、複数の通路１４３のうち、隣接する通路が、その中間部分において共通の孔を有し、互いの流体が流入するように互いに連結されていてもよい。なお、第１実施形態においても、第１支持体または第２支持体は、複数の通路のうち、隣接する通路が、その中間部分において共通の孔を有し、互いの流体が流入するように互いに連結されうる。
【００６８】
活性物質１４２が担持された第２支持体１４１は、第２触媒を形成する。第２触媒は、支持体上に活性物質を塗布する方式で製造されるか、支持体を酸化および／または還元処理し、支持体に直接活性物質が担持されるように製造可能である。活性物質１４２が担持された第２支持体１４１の一端１４５は、逆火防止部１５０に隣接して配置されることが好ましい。なぜならば、逆火防止部１５０が第１反応部１３０の第１チャンバ内に配置されるため、第１燃料の燃焼時に発生する熱によって加熱され、加熱された逆火防止部１５０を介して活性物質１４２にさらに熱が伝達できるからである。このような構成によれば、改質装置１００の熱効率を向上させることができる。
【００６９】
逆火防止部１５０は、第１チャンバ内において第１開口部１３１ａと第１支持体１３５との間に配置される。逆火防止部１５０は、セラミックまたは金属性材料からなる胴体１５１を備える。
【００７０】
胴体１５１は、一方向に延びる複数の通路１５２を備える。第１反応部１３０の第１支持体１３５が金属モノリスの場合、逆火防止部１５０の胴体１５１も、第１支持体１３５と実質的に同じ金属モノリスで形成される。このとき、胴体１５１には、触媒は担持されない。
【００７１】
また、逆火防止部１５０は、第１反応部１３０の第１支持体１３５の一端、すなわち、第１開口部１３１ａに対向する一端と、約５ｍｍ〜約１５ｍｍの範囲の間隔Ｌをおいて配置される。前述した逆火防止部１５０によれば、第１燃料分配の改善により第１反応部１３０の上流側での燃料の線速度を均一化できることにより、第１触媒の上流側の一端において大きなホットスポットの形成を防止できる。
【００７２】
上記の好ましい第１実施形態および第２実施形態においては、逆火防止部を第１支持体と同様の形状のものとして説明したが、本発明の逆火防止部はこれに限られない。第１燃料および空気を流入側で均一に分配することで整流でき、第１支持体に流入する際の流体の線速度が各通路でほぼ同一になるものであれば、他の形状または構造のものも本発明に採用し得る。例えば、第１燃料等の流れを一部遮るように、一定の角度を有する整流板を互い違いに複数設置する構成も可能である。上記第１および第２実施形態の場合は、複数の通路の壁一つ一つを整流板とみなすことができる。このほか、逆火防止部の好ましい例として、以下に説明する図４および図５がある。
【００７３】
図４は、本発明の改質装置に採用可能な逆火防止部の一例の斜視図である。図４に示すように、本実施形態の逆火防止部２５０は、胴体２５１と、一方向に胴体２５１を貫通する複数の通路２５２とを備える。
【００７４】
胴体２５１は、円筒状または円盤状のセラミックまたは金属母材を加工し、母材を一方向に貫通する複数の通路２５２を形成するか、複数の通路２５２が備えられた形で製造され得る。このような構造は、製造が容易で機械的強度に優れる点で好ましい。
【００７５】
本実施形態において、複数の通路２５２が延びる方向と直交する方向における断面は、ハニカム形状である。このようなハニカム形状の断面は一例であり、胴体２５１の断面形状は、三角形、四角形、六角形、台形、または円形状を有し得る。
【００７６】
逆火防止部２５０の平方インチあたりのセルの数（ｃｅｌｌｓ  ｐｅｒ  ｓｑｕａｒｅ  ｉｎｃｈ；ｃｐｓｉ  １ｉｎｃｈ＝０．２５ｃｍ）は、２００ｃｐｓｉ〜１５００ｃｐｓｉの範囲を有し得る。他の形態において、複数の通路２５２の開き面積は、胴体２５１の断面積に対して約４０％〜約９５％の範囲を有し得る。前述した範囲は、触媒酸化方式の反応部に配置された第１支持体のセル密度を考慮して設定されたものである。
【００７７】
また、胴体２５１の一方向における長さＨ１は、幅方向（Ｈ１に直交する方向）における長さが大きくなるほど大きくなり得る。例えば、胴体２５１の断面が円形の場合、胴体２５１の長さＨ１は、幅方向における長さ（すなわち直径）に対して約５０％〜約１００％の範囲を有し得る。すなわち、胴体２５１の長さＨ１は、胴体２５１の断面積が大きくなるに伴い、一定範囲内で大きくなるように設計され得る。前記一定範囲において、長さＨ１が、幅方向における長さの５０％より小さいか１００％より大きければ、逆火防止部２５０における燃料分配や空間速度の改善効果は損なわれる可能性がある。
【００７８】
本実施形態の逆火防止部２５０は、図３の第２実施形態に示す改質装置の逆火防止部と同様に、改質反応を行う第２反応部が酸化反応を行う第１反応部を囲む二重管構造に採用可能である。一方、第１反応部が第２反応部を囲む二重管構造の場合、本実施形態の逆火防止部２５０の胴体２５１は、中央部に第２反応分が配置可能な空間を有する円盤状の円環に変形して用い得る。
【００７９】
図５は、本発明の改質装置に採用可能な他の一例の逆火防止部の斜視図である。図５に示すように、本実施形態の逆火防止部３５０は、薄い板状の金属を加工した、金属からなる胴体３５１と、一方向に胴体３５１を貫通する複数の通路３５２とを備える。
【００８０】
胴体３５１の断面は、螺旋状となっている。しかし、このような螺旋状の断面は一例であり、胴体３５１は、円形や楕円形のような対称的構造を有するように変形可能である。
【００８１】
胴体３５１は、シート状の第１胴体３５１ａと、シワ状（波状）の第２胴体３５１ｂとを重ねて螺旋状に巻き取った後、第１胴体３５１ａと第２胴体３５１ｂとの間に所定の接着剤を塗布した後、熱を加えてロウ付けすることにより作製が可能である。第１胴体３５１ａと第２胴体３５１ｂとの間の空間には、複数の通路３５２が形成される。このような製造方法は、本実施形態の逆火防止部３５０または触媒酸化方式の反応部用の第１支持体を金属モノリス形状に簡単に作製できる方法であって、製造費用を節約でき、かつ、量産に適するという利点がある。また、逆火防止部３５０を金属モノリスで製造すると、単位体積あたりの高い表面積、広い入口の開き面積、および優れた耐摩滅性などを有するため好ましい。
【００８２】
逆火防止部３５０の平方インチあたりのセルの数は、２００ｃｐｓｉ〜１５００ｃｐｓｉの範囲を有し得る。複数の通路３５２の開き面積は、胴体３５１の断面積に対して約４０％〜約９５％の範囲を有し得る。前述した範囲は、触媒酸化方式の反応部に配置された第１支持体のセル密度を考慮して設定されたものである。本実施形態の逆火防止部３５０のセル密度は、改質装置に要求される熱伝導条件または伝熱表面積に応じて、および／または胴体３５１の構成および形状に応じて、通路３５２の往復距離、通路３５２間の壁厚の設計を変更することにより適宜調整可能である。
【００８３】
また、胴体３５１の一方向における長さＨ２は、幅方向（Ｈ２に直交する方向）における長さが長くなるほど長くなり得る。例えば、胴体３５１の断面を円形と仮定するとき、胴体３５１の長さＨ２は、幅方向における長さ（すなわち直径）に対して約５０％〜約１００％の範囲を有し得る。すなわち、胴体３５１の長さＨ２は、胴体３５１の断面積が大きくなるにしたがって、一定範囲内で大きくなるように設計され得る。前記一定範囲において、長さＨ２が、幅方向における長さの５０％より小さいか１００％より大きければ、逆火防止部３５０における燃料分配または空間速度の改善効果は損なわれる可能性がある。
【００８４】
本実施形態の逆火防止部３５０は、第２反応部１４０が、第１反応部１３０および逆火防止部１５０を一方向で囲む二重管構造（図３参照）と同様に、触媒酸化反応を行う第１反応部と共に、改質反応を行う第２反応部によって囲まれるように、二重管構造内に配置され得る。
【００８５】
他の形態において、胴体３５１の中心部３５３には、図１および図２の配管６０と同様に、流体を移送するための配管が配置され得る。他の形態において、胴体３５１の中心部３５３には、図１および図２の配管６０および第２反応部４０と同様に、配管および第２反応部が配置され得る。この場合、中心部３５３は、配管および第２反応部が配置できるように、より広く形成され得る。
【符号の説明】
【００８６】
１０、１００      改質装置、
２０、１２０      ハウジング、
２２、１２２      第１ハウジング、
２４、１２４      第２ハウジング、
３０、１３０      第１反応部、
３１ａ、４１ａ、１３１ａ、１４１ａ      第１開口部、
３１ｂ、４１ｂ、１３１ｂ、１４１ｂ      第２開口部、
３２      ノズル、
３３      点火器、
３５、１３５      第１支持体、
３６、１３６、１４２      活性物質、
３８、５２、１３８、１４３、１５２、２５２、３５２      通路、
４０、１４０      第２反応部、
４２      第２触媒、
４４      網状体、
５０、１５０、２５０、３５０      逆火防止部、
５４      速度調整空間、
６０      配管、
１４１      第２支持体、
１５１、２５１、３５１      胴体、
３５１ａ      第１胴体、
３５１ｂ      第２胴体、
３５３      中心部、
Ｌ      間隔、
Ｈ１、Ｈ２      長さ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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