(57)【要約】【課題】温度が均一で、原料ガスと水蒸気との比率が一定の混合ガスを、改質部に均等に供給することができ、燃料ガスを安定して生成することができる燃料処理装置を提供すること。【解決手段】本発明の燃料処理装置の混合ガス生成部は、内筒および外筒を有する二重筒と、水受け部と、熱交換板と、原料ガスを加熱する加熱部と、内筒と外筒との間に形成された原料ガス流路と、外筒と水受け部との間に形成された内部空間と、水受け部と熱交換板との間に形成された混合ガス流路と、を有する。原料ガス流路と内部空間とは、外筒に配列された原料ガス噴出孔を介して接続され、内部空間と混合ガス流路とは、水受け部の円周上に配列された混合ガス噴出孔を介して接続され、内部空間は、原料ガス噴出孔を有する領域と混合ガス噴出孔を有する領域との間に障壁を有し、障壁は互いの領域を接続する接続穴を有する。【選択図】図３
2010260732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する混合ガス生成部と、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって水素含有ガスへと変化させる改質部と、前記水素含有ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を有する燃料処理装置であって、
前記混合ガス生成部は、内筒および外筒を有する二重筒と、前記外筒の一部を円周方向に包囲する水受け部と、前記水受け部を円周方向に包囲する熱交換板と、前記内筒の内側に配置され、前記原料ガスを加熱する加熱部と、前記内筒と前記外筒との間に形成された原料ガス流路と、前記外筒と前記水受け部との間に形成された内部空間と、前記水受け部と前記熱交換板との間に形成された混合ガス流路と、を有し、
前記原料ガス流路と前記内部空間とは、前記外筒に配列された２以上の原料ガス噴出孔を介して接続され、
前記内部空間と前記混合ガス流路とは、前記水受け部の円周上に等間隔に配列された２以上の混合ガス噴出孔を介して接続され、
前記混合ガス流路は前記改質部に接続しており、
前記内部空間は、前記原料ガス噴出孔を有する領域と前記混合ガス噴出孔を有する領域との間に障壁を有し、前記障壁は互いの領域を接続する接続穴を有する、燃料処理装置。
【請求項２】
前記障壁は、リング状部材であり、
前記接続穴は、リング状部材の１つの円弧上に選択的に配置され、
前記円弧は、中心角が１６°以下の劣弧である、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記接続穴の数は、１つである、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記混合ガス噴出孔を有する領域の体積は、前記原料ガス噴出孔を有する領域の体積に対して、１／３〜１／１０倍である、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記混合ガス噴出孔を有する領域は、前記原料ガス噴出孔を有する領域よりも、前記原料ガス流路の上流側に位置する、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記外筒に配列された２以上の原料ガス噴出孔は、前記原料ガス流路の下流側に配列されている、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記２以上の原料ガス噴出孔のうち、前記原料ガス流路の上流側の原料ガス噴出孔の直径は、前記原料ガス噴出孔のうち、前記原料ガス流路の下流側の原料ガス噴出孔の直径の０．３倍〜０．７倍である、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項８】
前記原料ガス流路は螺旋状に形成されており、
前記２以上の原料ガス噴出孔は、前記原料ガス流路に沿って螺旋状に配列されている、請求項１に記載の燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを生成する燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを有する。
【０００３】
燃料処理装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料などの原料ガスと水蒸気とを混合する混合ガス生成部と、混合ガスから水蒸気改質反応によって水素を主成分とする水素含有ガスを生成する改質部と、燃料電池の触媒に対して被毒作用のある一酸化炭素を水素含有ガス中から除去する一酸化炭素除去部とを有する。
【０００４】
一酸化炭素除去部は、ＣＯ変成触媒によるＣＯ水生変成反応で一酸化炭素濃度を０．５％程度まで低下させる変成部と、ＣＯ選択酸化触媒による選択酸化反応でさらに一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度まで低下させる選択酸化部とを有する（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
すでに提案されている燃料処理装置（特許文献１を参照）の断面図を図１に示す。図１に示される燃料処理装置は、内筒１および外筒２を有する筒体３からなる。内筒１の筒内部には、バーナ等からなる燃焼部４が設けられる。燃焼部４は、燃焼ガスを生成させ、燃焼ガスを内筒１の内周の燃焼ガス流路５に供給する。内筒１の外周には、原料ガス流路６が形成されている。原料ガス流路６は改質部８に接続している。原料ガス流路６は、内筒１を包囲する円筒状の空間であり、改質部８も内筒１を包囲するように円筒状に形成されている。
【０００６】
原料ガス流路６には、原料ガスおよび水が供給される。原料ガスは原料供給部２５から供給され；水は水供給部２６から供給される。原料ガス流路６に供給された水は、燃焼ガス流路５を流れる熱によって加熱され蒸発し；その結果、原料ガスと水蒸気との混合ガスが生成される。この混合ガスは改質部８に流入し、改質触媒の作用によって原料ガスと水蒸気が水蒸気改質反応し、水素含有ガスが生成される。
【０００７】
改質部８で生成された水素含有ガスは、熱交換流路２７を通って一酸化炭素除去部１０に流入する。一酸化炭素除去部１０の変成部１０ａでは、ＣＯ変成触媒の作用によるＣＯ水生変成反応によって、水素含有ガス中の一酸化炭素が除去される。一酸化炭素除去部１０の選択酸化部１０ｂでは、水素含有ガス中の一酸化炭素が、空気供給部２８から供給される空気中の酸素と反応する。このようして一酸化炭素を除去された水素含有ガス（燃料ガス）は、燃料電池１８に供給される。
【０００８】
図１に示されるような燃料処理装置では、燃料電池の運転条件によって、供給される原料ガスの量や水の量が増加すると、原料ガス流路６内で水が完全に蒸発せず、未蒸発の水が改質部８に水が流入することがあった。改質部８に未蒸発の水が流入すると、改質部８が冷却されて触媒温度が低くなり、水素含有ガスの生成効率が低下する。また、改質部８に未蒸発の水が流入すると、改質部８の触媒が劣化することがあった。
【０００９】
このような問題を解決するため、原料ガス流路と改質部との間に水受け部を設けることが提案されている（例えば特許文献２参照）。図２Ａは特許文献２に開示された燃料処理装置の断面図を示す。図２Ｂは、図２Ａに示された燃料処理装置の一部拡大図を示す。
【００１０】
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、特許文献２に開示された燃料処理装置には、原料ガス流路６と混合ガス流路１４との間に、混合ガス噴出孔１２を有する水受け部１１が設けられている。水受け部１１で規定される内部空間１３は、原料ガス噴出孔３６を介して原料ガス流路６と接続されており、かつ混合ガス噴出孔１２を介して混合ガス流路１４に接続されている。また、内部空間１３および混合ガス流路１４は、円筒状の空間である。混合ガス噴出孔１２は、水受け部１１の円周上に均等間隔で配列されている。
【００１１】
図２Ｂに示されるように、原料ガス流路６に供給された原料ガスは、まず原料ガス噴出孔３６を通って、水受け部１１の内部空間１３に流入する。その後、混合ガス噴出孔１２を通って混合ガス流路１４に流入する。このように、原料ガス流路６と混合ガス流路１４との間に、水受け部１１を設けることによって、仮に原料ガス流路６で水が完全に蒸発しなかった場合であっても、未蒸発の水は水受け部に滞留して、改質部８に流入することが防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１８０９１１号公報
【特許文献２】特開２００８−６３１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献２に開示されたような燃料処理装置では、混合ガス噴出孔１２を通って、混合ガス流路１４に流入する混合ガスの温度や、混合ガスにおける原料ガスと水蒸気との比率が一定でないという問題があった。より具体的には、混合ガス噴出孔１２は、上述のように水受け部の円周上に均等間隔で配列されるが、それぞれの混合ガス噴出孔から噴出する混合ガスの温度や、水蒸気と原料ガスとの比率が異なることがあった。
【００１４】
温度や水蒸気と原料ガスとの比率などが異なる混合ガスが、改質部８に流入すると、水素含有ガスの生成効率が低下し、燃料ガスの生成効率が低下する。また、温度や水蒸気と原料ガスとの比率などが異なる混合ガスが、改質部８に流入すると、改質部８の触媒が劣化しやすい。
【００１５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、温度が均一で、原料ガスと水蒸気との比率が一定の混合ガスを、改質部に均等に供給することができ、燃料ガスを安定して生成することができる燃料処理装置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】
【００１６】
本発明者は、水受け部の内部空間を障壁で区切り、障壁に位置選択的に接続穴を設けることで、ガスの混合がより確実になることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。
【００１７】
すなわち、本発明は以下に示す燃料処理装置に関する。
［１］水蒸気とメタンを含む原料ガスとを混合して混合ガスを生成する混合ガス生成部と、前記混合ガスを水蒸気改質反応によって水素含有ガスへと変化させる改質部と、前記水素含有ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、を有する燃料処理装置であって、前記混合ガス生成部は、内筒および外筒を有する二重筒と、前記外筒の一部を円周方向に包囲する水受け部と、前記水受け部を円周方向に包囲する熱交換板と、前記内筒の内側に配置され、前記原料ガスを加熱する加熱部と、前記内筒と前記外筒との間に形成された原料ガス流路と、前記外筒と前記水受け部との間に形成された内部空間と、前記水受け部と前記熱交換板との間に形成された混合ガス流路と、を有し、前記原料ガス流路と前記内部空間とは、前記外筒に配列された２以上の原料ガス噴出孔を介して接続され、前記内部空間と前記混合ガス流路とは、前記水受け部の円周上に等間隔に配列された２以上の混合ガス噴出孔を介して接続され、前記混合ガス流路は前記改質部に接続しており、前記内部空間は、前記原料ガス噴出孔を有する領域と前記混合ガス噴出孔を有する領域との間に障壁を有し、前記障壁は互いの領域を接続する接続穴を有する、燃料処理装置。
［２］前記障壁は、リング状部材であり、前記接続穴は、リング状部材の１つの円弧上に選択的に配置され、前記円弧は、中心角が１６°以下の劣弧である、［１］に記載の燃料処理装置。
［３］前記接続穴の数は、１つである、［１］または［２］に記載の燃料処理装置。
［４］前記混合ガス噴出孔を有する領域の体積は、前記原料ガス噴出孔を有する領域の体積に対して、１／３〜１／１０倍である、［１］〜［３］のいずれかに記載の燃料処理装置。
［５］前記混合ガス噴出孔を有する領域は、前記原料ガス噴出孔を有する領域よりも、前記原料ガス流路の上流側に位置する、［１］〜［４］のいずれかに記載の燃料処理装置。
［６］前記外筒に配列された２以上の原料ガス噴出孔は、前記原料ガス流路の下流側に配列されている、［１］〜［５］のいずれかに記載の燃料処理装置。
［７］前記２以上の原料ガス噴出孔のうち、前記原料ガス流路の上流側の原料ガス噴出孔の直径は、前記原料ガス噴出孔のうち、前記原料ガス流路の下流側の原料ガス噴出孔の直径の０．３倍〜０．７倍である、［１］〜［６］のいずれかに記載の燃料処理装置。
［８］前記原料ガス流路は螺旋状に形成されており、前記２以上の原料ガス噴出孔は、前記原料ガス流路に沿って螺旋状に配列されている、［１］〜［７］のいずれかに記載の燃料処理装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料処理装置によれば、温度が均一で、原料ガスと水蒸気との比率が一定の混合ガスを、改質部に均等に供給することができ、燃料ガスを安定して供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の燃料処理装置の断面図
【図２】従来の燃料処理装置の断面図
【図３】実施の形態１の燃料処理装置の断面図
【図４】実施の形態１の混合ガス生成部の断面図
【図５】実施の形態１の二重筒の斜視図
【図６】実施の形態１の二重筒と水受け部との斜視図
【図７】実施の形態１の混合ガス生成部内のガスの流れを示す図
【図８】実施の形態２の混合ガス生成部の断面図
【図９】実施の形態２の二重筒の斜視図
【図１０】実施例１の混合ガスの温度およびガス比率の測定位置を示す図
【図１１】実施例１の結果を示すグラフ
【図１２】実施例１の結果を示すグラフ
【図１３】参考例の混合ガスのガス比率の測定位置を示す図
【図１４】参考例の結果を示すグラフ
【図１５】燃料処理装置によって燃料ガスを生成するフローを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の燃料処理装置は、混合ガス生成部と、改質部と、一酸化炭素除去部とを有する。
【００２１】
混合ガス生成部は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料などのメタンを含む原料ガスと、水蒸気とを混合する。
【００２２】
改質部は、混合ガス生成部と接続され、水蒸気改質反応によって混合ガスから水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。改質部は、後述する二重筒に接していることが好ましく、二重筒を包囲する円筒状部材であることが好ましい。加熱部（後述）からの熱によって、改質部をある程度加熱して、改質反応の効率を高めるためである。改質部は、Ｎｉ系触媒やＲｕ系触媒などの金属系の改質触媒を含む。
【００２３】
一酸化炭素除去部は、改質部と接続され、水素含有ガスから一酸化炭素を除去する。一酸化炭素除去部は、ＣＯ変成触媒によるＣＯ水生変成反応で一酸化炭素濃度を０．５％程度まで低下させる変成部と；ＣＯ選択酸化触媒による選択酸化反応でさらに一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで下げる選択酸化部とを有する。また、変成部と選択酸化部との間には、水素含有ガスに空気を供給するための空気供給部が備えられている。また、一酸化炭素除去部の出口は燃料電池と接続している。
【００２４】
本発明の燃料処理装置は、混合ガス生成部の構造に特徴を有する。混合ガス生成部は、内筒および外筒を有する二重筒と、外筒の一部を円周方向に包囲する水受け部と、水受け部を円周方向に包囲する熱交換板と、を有する。
【００２５】
二重筒は、水を蒸発させ、原料ガスを加熱するための部材である。二重筒の内筒の内側にはバーナなどからなる加熱部が配置される。また、内筒の内側には、加熱部によって加熱された燃焼ガスを流すための流路が形成されていてもよい。
【００２６】
二重筒の内筒と外筒との間には、原料ガス流路が形成されている。原料ガス流路は、都市ガスなどの原料ガスおよび水が流れるための流路である。また、原料ガス流路は内筒の外周に沿って周回するように螺旋状に形成されていることが好ましい。内筒と外筒との間に螺旋状の原料ガス流路を形成するためには、内筒と外筒との間の空間に内筒の外周に沿って周回する螺旋状のガイドを設ければよい。
【００２７】
原料ガス流路を螺旋状にすることで、原料ガス流路を長くすることができ、原料ガスおよび水が原料ガス流路を流れる時間を長くすることができる。原料ガスおよび水が原料ガス流路を流れる時間が長いと、水が蒸発しやすくなる。蒸発した水（水蒸気）は、原料ガスと混合しやすい。
【００２８】
外筒には、原料ガス流路と後述する内部空間とを接続する複数の原料ガス噴出孔が配列されている。原料ガス噴出孔は、原料ガス流路の下流側の領域に配列されていることが好ましい。また、原料ガス流路が螺旋状に形成されている場合、複数の原料ガス噴出孔は、原料ガス流路に沿って螺旋状に配列されることが好ましい。
【００２９】
配列された原料ガス噴出孔の直径は、その配置位置によって異なっていてもよい。つまり、原料ガス噴出孔のうち、原料ガス流路の上流側に配列された原料ガス噴出孔の直径は、原料ガス流路の下流側に配列された原料ガス噴出孔の直径よりも小さいことが好ましい。より具体的には、原料ガス流路の上流側に配列された原料ガス噴出孔の直径は、原料ガス流路の下流側に配列された原料ガス噴出孔の直径の０．３〜０．７倍であることが好ましく、０．４〜０．６倍であることがさらに好ましい。混合ガス（後述）における原料ガスと水蒸気との比率を、より均一にするためである（実施の形態２参照）。
【００３０】
ここで、「原料ガス流路の上流側に配列された原料ガス噴出孔」とは、原料ガス噴出孔が配列された原料ガス流路のうち、上流側１／２の領域、好ましくは上流側１／４の領域に配列された原料ガス噴出孔を意味する。
【００３１】
水受け部は、外筒の原料ガス噴出孔が配置された領域を円周方向に包囲し、改質部に水が流入することを防止するための部材である。外筒と水受け部との間には、内部空間が形成される。内部空間は、外筒に配列された複数の原料ガス噴出孔を介して、原料ガス流路と接続されている。内部空間は、外筒の原料ガス噴出孔が配置された領域を囲む円筒状の空間であることが好ましい。
【００３２】
内部空間において、原料ガス流路から流入した原料ガスと水蒸気とが混合することができる。また内部空間において、原料ガス流路を流れる過程で蒸発できなかった未蒸発の水分を滞留させることができる。それにより、未蒸発の水分が改質部に流入することを抑制し、改質部の劣化を防止することができる。燃料電池の運転状況によって供給する水の量を多くした場合に、未蒸発の水分が特に発生しやすい。
【００３３】
水受け部は、内部空間と混合ガス流路（後述）とを接続する複数の混合ガス噴出孔を有する。複数の混合ガス噴出孔は、水受け部の円周上に等間隔で配列されていることが好ましい。混合ガス噴出孔の径は１〜３ｍｍであることが好ましく、約２ｍｍでありうる。水受け部には、例えば１０〜３０個の混合ガス噴出孔が配列されていることが好ましい。
【００３４】
熱交換板と水受け部との間には、混合ガス流路が形成される。混合ガス流路は、水受け部を囲む円筒状の空間であることが好ましい。上述のように、混合ガス流路と内部空間とは、水受け部に配置された混合ガス噴出孔を介して接続されている。さらに混合ガス流路は改質部（好ましくは、二重筒を包囲する円筒状の改質部）に接続している。
【００３５】
本発明の燃料処理装置によって燃料ガスを生成するフローの概要を図１５に示す。
【００３６】
まず、原料ガス流路に原料ガスおよび水を供給する（図１５のＡ）。原料ガス流路に供給された原料ガスおよび水は、原料ガス流路を流れる間に加熱される（図１５のＢ）。その結果、水は蒸発して水蒸気となる。加熱された原料ガスおよび水蒸気は、複数の原料ガス噴出孔を通して内部空間に流入して、内部空間で混合される（図１５のＣ）。
【００３７】
内部空間で混合されたガスは、円筒状の混合ガス流路を通って、円筒状の改質部に流入する。改質触媒の触媒作用で、原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、水素含有ガスが生成される（図１５のＤ）。
【００３８】
改質部で生成された水素含有ガスは、一酸化炭素除去部の変成部に流入し、ＣＯ変成反応によって水素含有ガス中の一酸化炭素が除去される（図１５のＥ）。変成部で一酸化炭素が除去された水素含有ガスは、空気供給部によって供給された酸素を含む空気と混合された後に、一酸化炭素除去部の選択酸化部に流入する（図１５のＦ）。選択酸化部では、水素含有ガス中の一酸化炭素と酸素とがＣＯ選択酸化触媒の作用で反応し、水素含有ガス中の一酸化炭素がさらに除去される。一酸化炭素除去部で一酸化炭素が除去された水素含有ガス（燃料ガス）は、一酸化炭素除去部から流出し、燃料電池に供給される。燃料電池は、水素含有ガス中の水素と、空気など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する。
【００３９】
前記の通り、加熱された原料ガスおよび水蒸気は内部空間で混合されて、混合ガスとなる。ところが、原料ガス流路を流れる過程で加熱される原料ガスおよび水蒸気は、原料ガス流路の位置によって、水蒸気および原料ガス（以下単に「ガス」とも称する）の温度や、水蒸気と原料ガスとの比率（以下単に「ガス比率」とも称する）にばらつきがあることが多い。そのため、それぞれの原料ガス噴出孔から噴出されるガスの温度やガス比率は異なる。そのため、内部空間においても原料ガスと水蒸気とを十分に混合しきれず、ガスの温度およびガス比率にばらつくことがある。
【００４０】
そこで本発明の燃料処理装置は、原料ガス流路から内部空間に流入した原料ガスおよび水蒸気を、内部空間において十分に混合させることを特徴とする。具体的には、燃料処理装置の内部空間を、「障壁」により、「原料ガス噴出孔を有する領域（以下単に「原料ガス噴出孔領域」とも称する）」と「混合ガス噴出孔を有する領域（以下単に「混合ガス噴出孔領域」とも称する）」とに区切っている。
【００４１】
障壁は、外筒を囲むリング状部材であることが好ましく；それにより、原料ガス噴出孔領域および混合ガス噴出孔領域とも、外筒を囲む円筒状の空間とする。混合ガス噴出孔領域は、原料ガス噴出孔領域よりも、原料ガス上流側に位置することが好ましい。また、混合ガス噴出孔領域の体積は、原料ガス噴出孔領域の体積に対して１／３〜１／１０であることが好ましい。
【００４２】
障壁は、原料ガス噴出孔領域と混合ガス噴出孔領域とを接続する接続穴を有するが；その接続穴は、位置選択的に配置されていることが好ましい。より具体的には、接続穴が、障壁であるリング状部材の１つの円弧上に選択的に配置されていることが好ましい。接続穴が配置された円弧は、中心角が１６°以下の劣弧であることが好ましく、中心角が８°以下の劣弧であることがさらに好ましい。障壁に配置された接続穴は、１つでも２以上でもよいが、１つであることが好ましい。
【００４３】
以上のように本発明の燃料処理装置では、内部空間を障壁で、混合ガス噴出孔領域と原料ガス噴出孔領域とに区切り；混合ガス噴出孔領域の体積を、原料ガス噴出孔領域の体積と比較して小さくしており；かつ障壁に、互いの領域を接続する接続穴を位置選択的に配置している。そのため、内部空間において原料ガスと水蒸気とをより確実に混合させることができる。さらに、内部空間の混合ガス噴出孔領域全体に、一定の温度の均等量のガスを供給することができる。
【００４４】
すなわち本発明の燃料処理装置において、原料ガス流路のガスは、１）原料ガス噴出孔を通って原料ガス噴出孔領域に流入し、そこである程度混合され、２）原料ガス噴出孔領域に流入したガスは、その後、障壁に設けられた接続穴を通して、混合ガス噴出孔領域へ流入する。
【００４５】
上述のように障壁には、位置選択的に接続穴が配置されている。したがって、原料ガス噴出孔領域に流入したガスは、一旦、当該接続穴に集められる。そのため、原料ガス噴出孔領域に流入したガスの温度やガス比率が不均一であったとしても、接続穴を通過するときに、それらが均一となった混合ガスとなる。さらには、原料ガス噴出孔領域内から、障壁に形成された狭い接続穴を通過する混合ガスは、そのガス流速が速くなるので混合がより促進される。
【００４６】
また、混合ガス噴出孔領域の体積は小さいので、混合ガス噴出孔領域全体に、均等量の混合ガスを供給することができる。つまり、接続穴を通過する流速の速い混合ガスは、体積の小さい混合ガス噴出孔領域に流入すると、混合ガス噴出孔を通って混合ガス流路に流出してしまう前に、混合ガス噴出孔領域内において素早く均一に拡散することができる。混合ガス噴出孔領域内において均一に拡散した混合ガスは、それぞれの混合ガス噴出孔を通って混合ガス流路へと流入する。したがって、均等量の混合ガスを、混合ガス流路に流すことができる。
【００４７】
また、混合ガスは、混合ガス噴出孔領域内に素早く拡散するので、混合ガスと外部との熱交換が抑制され、混合ガス噴出孔領域内の混合ガスの温度は均一になる。これにより、均一の温度の混合ガスが、混合ガス噴出孔を通って混合ガス流路に流入する。
【００４８】
このように、内部空間の混合ガス噴出孔領域の体積を小さくし、かつ混合ガス噴出孔領域と原料ガス噴出孔領域とを区切る障壁に接続穴を位置選択的に設けることで、ガス比率および温度が均一な混合ガスを、混合ガス流路に均等に供給することができる。混合ガス流路を流れる均一な混合ガスが改質部に流入するので、改質部において水素含有ガスを効率よく生成することができる。そのため、燃料ガスも効率よく生成することができる。
【００４９】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００５０】
［実施の形態１］
図３は、実施の形態１の燃料処理装置の断面図を示す。図３に示されるように実施の形態１の燃料処理装置は、混合ガス生成部１００と、改質部２００と、一酸化炭素除去部３００とを有する。
【００５１】
一酸化炭素除去部３００は、変成部３０１と、選択酸化部３０３とを有する。変成部と３０１と選択酸化部３０３との間には、空気供給部３０５が設けられている。
【００５２】
本実施の形態の燃料処理装置は、混合ガス生成部１００に特徴を有する。以下混合ガス生成部１００について詳細に説明する。
【００５３】
図４は、混合ガス生成部１００の断面図である。図４に示されるように混合ガス生成部１００は、二重筒１１０と、二重筒１１０の一部を円周方向に包囲する水受け部１２０と、水受け部１２０を円周方向に包囲する熱交換板１３０とを有する。
【００５４】
二重筒１１０は内筒１１１と外筒１１２とを有する。内筒１１１の直径は、例えば６０〜１００ｍｍであり；外筒１１２の直径は、例えば６１〜１０１ｍｍである。また、内筒１１１の長さは、例えば３００〜５００ｍｍであり；外筒１１２の長さは、例えば３００〜５００ｍｍである。また、外筒１１２と内筒１１１との間の隙間は、例えば１〜５ｍｍである。内筒１１１と外筒１１２との間には、螺旋状の原料ガス流路１１３が形成されている。原料ガス流路１１３の長さは、例えば、３００〜５００ｍｍである。原料ガス流路１１３は、螺旋状のガイド１１４によって規定されている。また、外筒１１２には、複数の原料ガス噴出孔１１５が、原料ガス流路１１３に沿って、螺旋状に配列されている。原料ガス噴出孔の直径は、例えば１〜５ｍｍである。また、内筒の内側には、バーナなどからなる加熱部が配置される（不図示）。
【００５５】
図５は、二重筒１１０の斜視図である。図５に示されるように原料ガス噴出孔１１５は、外筒１１２のうち、原料ガス流路１１３の下流側の領域１１２’に配列されている。領域１１２’の高さ１１２’ｈは、例えば５０〜１００ｍｍであり、７０ｍｍであることが好ましい。
【００５６】
次に図４および図６を参照して、水受け部１２０について説明する。図６Ａは水受け部１２０によって包囲された二重筒１１０の斜視図であり、図６Ｂは、混合ガス噴出孔領域１２７を省略した水受け部１２０によって包囲された二重筒１１０の斜視図である。
【００５７】
図４、図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、水受け部１２０は、原料ガス噴出孔１１５が配列された領域１１２’を円周方向に包囲する。図６Ａに示される、水受け部１２０と二重筒１１０との隙間Ｇは、例えば６〜２ｍｍである。また水受け部１２０の高さ１２０ｈは、例えば、４５〜１３０ｍｍ（１２０ｈ＝１２５ｈ＋１２７ｈ＝（４０〜１００ｍｍ）＋（５〜３０ｍｍ））である。また、水受け部１２０は、水受け部１２０の円周上に均等に配列された、混合ガス噴出孔１２１を有する。混合ガス噴出孔１２１の直径は例えば１〜３ｍｍである。また、水受け部１２０が有する混合ガス噴出孔１２１の数は、例えば１０〜３０である。
【００５８】
二重筒１１０と水受け部１２０との間には、内部空間１２３が形成される。内部空間１２３は、原料ガス噴出孔１１５を有する領域１２５（原料ガス噴出孔領域１２５）と、混合ガス噴出孔１２１を有する領域１２７（混合ガス噴出孔領域１２７）とを有し、原料ガス噴出孔領域１２５と混合ガス噴出孔領域１２７との間に障壁１２９を有することを特徴とする。原料ガス噴出孔領域１２５の高さ１２５ｈは、例えば４０〜１００ｍｍであり、混合ガス噴出孔領域１２７の高さ１２７ｈは、例えば５〜３０ｍｍである。図６Ｃは、障壁１２９の平面図である。図６Ｃに示されるように、障壁１２９は、リング状の板である。障壁１２９は、原料ガス噴出孔領域１２５と混合ガス噴出孔領域１２７とを接続する一つの接続穴１２８を有する。接続穴１２８は、リング状の板の１つの円弧Ｘ内に選択的に配置されている。円弧Ｘは、中心角が１６°以下の劣弧である。
【００５９】
次に図４を参照し熱交換板１３０について説明する。熱交換板１３０と水受け部１２０との間には混合ガス流路１３１が形成される。混合ガス流路１３１は改質部２００に接続する。
【００６０】
次に本実施の形態の混合ガス生成部１００によって、混合ガスを生成する手順について説明する。図７は、実施の形態１の混合ガス生成部１００内におけるガス（原料ガスおよび水蒸気の）の動きを示す。図７中の矢印Ａは、ガスの動きを示す。
【００６１】
まず、原料ガス流路１１３に原料ガスおよび水を供給する。原料ガス流路１１３に供給された原料ガスおよび水は、原料ガス流路を流れる間に、加熱される。その結果、水は、蒸発して水蒸気となる。加熱された原料ガスおよび水蒸気は、複数の１１５原料ガス噴出孔を通して、原料ガス噴出孔領域１２５に流入する。
【００６２】
上述のようにそれぞれの原料ガス噴出孔１１５から噴出されるガスの温度やガス比率は異なっていることから、原料ガス噴出孔領域１２５内では、位置によってガスの温度およびガス比率にばらつきがある。
【００６３】
原料ガス噴出孔領域１２５に流入したガスは、その後、障壁１２９に設けられた接続穴１２８を通して、混合ガス噴出孔領域１２７へ流入する。ガスが接続穴１２８を通って混合ガス噴出孔領域１２７に流入することで、ガスが十分に混合されガス比率および温度が均一の混合ガスが得られる。
【００６４】
混合ガス噴出孔領域１２７へ流入後、混合ガスは速やかに混合ガス噴出孔領域１２７内に拡散する。その後、それぞれの混合ガス噴出孔１２１から均等量の混合ガスが混合ガス流路１３１内に流入する。
【００６５】
このように、本実施の形態によれば、混合ガス噴出孔領域の体積を小さくし、混合ガス噴出孔領域と原料ガス噴出孔領域とを区切る障壁に位置選択的に１つの接続穴を設けることで、ガス比率および温度が均一な混合ガスを混合ガス流路に均等に供給することができる。
【００６６】
［実施の形態２］
実施の形態１では、原料ガス噴出孔の大きさが全て同一である例について説明した。実施の形態２では、上流側の原料ガス噴出孔の大きさが小さい例について説明する。
【００６７】
図８は実施の形態２の燃料処理装置における混合ガス生成部の断面図を示す。
実施の形態２の混合ガス生成部は、二重筒２１０を有する以外は、実施の形態１の混合ガス生成部１００と同じである。実施の形態１と同一の構成部材については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６８】
図９は、二重筒２１０の斜視図である。図８および図９に示されるように二重筒２１０に配列された螺旋状の原料ガス噴出孔のうち、原料ガス流路の上流側の原料ガス噴出孔２１５’の直径は、原料ガス噴出孔のうち、原料ガス流路の下流側の原料ガス噴出孔原料ガス噴出孔２１５の直径よりも小さい。原料ガス噴出孔２１５’の直径は、例えば原料ガス噴出孔２１５の直径の０．５倍である。
【００６９】
原料ガス流路上流側では、未蒸発の水の割合が多いため、原料ガスの割合が高い。このため、原料ガス流路の上流側の原料ガス噴出孔から噴出するガスにおける原料ガスの比率が高い。このため、原料ガスのほとんどが上流側の原料ガス噴出孔から噴出され、下流にまで十分な量の原料ガスを流すことができない。このため、原料ガス流路の下流側の原料ガス噴出孔から噴出されるガスでは、水蒸気の割合が高くなる。このため、原料ガス噴出孔領域内では、ガス比率のばらつきが大きくなり、生成される混合ガスのガス比率がばらつく恐れがある。
【００７０】
しかし、本実施の形態のように、原料ガス流路の上流側の原料ガス噴出孔の径を小さくすると、原料ガス流路上流側の原料ガス噴出孔から噴出される原料ガスの量を低減することができるため、下流にまで十分な量の原料ガスを流すことができ、上流側の原料ガス噴出孔から噴出されるガスのガス比率と、下流側の原料ガス噴出孔から噴出されるガスのガス比率とを均一化することができる（参考例１参照）。これにより、混合ガスのガス比率をさらに均一にすることができる。
【実施例】
【００７１】
［実施例１］
実施例１では、実施の形態１の燃料処理装置における混合ガス生成部から改質部に供給される混合ガスの温度およびガス比率をコンピューターシミュレーションを用いて測定した。
【００７２】
（使用したプログラム）
シミュレーションではＡＮＳＹＳ社製のＦＬＵＥＮＴ６．２を用いた。
【００７３】
（供給される原料ガスおよび水の量と温度）
図１０Ａに示されるように、原料ガス流路に原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを供給した。混合ガスにおける原料ガスと水蒸気との質量比率を３：７とした。混合ガスの流量を１．３×１０−４ｋｇ／秒とし、温度を１００℃とした。
また、原料ガス流路の下流側にある液相の水が蒸発し、原料ガス流路の下流側で流量３．６×１０−５ｋｇ／秒、温度１００℃の水蒸気が発生するように設定した。
【００７４】
（温度条件）
二重筒は、燃焼ガスと熱交換するように設定した。水受け部は、改質部を通過した水素含有ガスと熱交換するように設定した。二重筒のうち混合ガス噴出孔領域に囲まれた領域の温度を３００℃に設定し、二重筒の原料ガス流路下流側の端部の温度を６００℃に設定した。混合ガス噴出孔領域側の水受け部の温度を３５０℃に設定し、原料ガス噴出孔領域側の水受け部の温度を４００℃に設定した。
【００７５】
（測定位置）
図１０Ｂに示されるように、円筒状の改質部２００の入口２０１（図１０Ａ参照）の破線Ｙ上における混合ガスの温度およびガス比率を測定した。温度の測定結果を図１１に示し、ガス比率の測定結果を図１２に示す。
【００７６】
［比較例１］
比較例として、原料ガス噴出孔領域と混合ガス噴出孔領域とを区切る障壁がない混合ガス生成部から改質部に供給される混合ガスの温度およびガス比率を測定した。
【００７７】
（解析結果）
図１１は、実施例１の混合ガスにおけるガス比率（水蒸気のモル濃度／原料ガスのモル濃度）の分布と、比較例１の混合ガスのガス比率の分布とを示すグラフである。グラフの縦軸は、ガス比率（水蒸気の濃度／原料ガスの濃度）の中央値からのズレを％で示す。また、グラフの横軸は、測定位置を示す。
【００７８】
図１１に示されるように、比較例１では混合ガスのガス比率のばらつきは約９３％であるのに対し、実施例１では、混合ガスのガス比率のばらつきは、約２６％である。このように、本発明では混合ガスのガス比率のばらつきが小さい。この結果は、本発明によって混合ガスのガス比率が均一化されることを示唆する。
【００７９】
図１２は、実施例１の混合ガスの温度の分布と、比較例１の混合ガスの温度の分布とを示すグラフである。グラフの縦軸は、標準温度との差を示す。グラフの横軸は測定箇所を示す。図１２に示されるように、比較例１では、混合ガスの温度の最大値と最小値との差は１８℃であるのに対し、実施例１では、混合ガスの温度の最大値と最小値との差が約１４℃である。このように、本発明では混合ガスの温度差が小さい。この結果は、本発明によって混合ガスの温度が均一化されることを示唆する。
【００８０】
［参考例１］
参考例１では、実施の形態２の燃料処理装置における二重筒のそれぞれの原料ガス噴出孔から噴出されるガスのガス比率を測定した。
【００８１】
（使用したプログラム）
実施例１と同じとした。
【００８２】
（供給される原料ガスおよび水蒸気の量と温度）
実施例１と同じとした。
【００８３】
（温度条件）
実施例１と同じとした。
【００８４】
（測定位置）
図１３に示されるように、外筒１１２に配列された原料ガス噴出孔それぞれから噴出するガスのガス比率を測定した。外筒１１２に配列された原料ガス噴出孔の数は４８個とした。また、原料ガス噴出孔のうち、原料ガス流路上流側の１２個の原料ガス噴出孔２１５’の直径を小さくした。具体的には、原料ガス噴出孔２１５’の直径を２ｍｍとし、原料ガス噴出孔２１５の直径を４ｍｍとした。測定結果を図１４に示す。
【００８５】
［参考例２］
参考例２では、実施の形態１の混合ガス生成部の二重筒に配列されたそれぞれの原料ガス噴出孔から噴出されたガスのガス比率を測定した。
【００８６】
（解析結果）
図１４は、参考例のそれぞれの原料ガス噴出孔から噴出される混合ガスのガス比率（水蒸気の濃度／原料ガスの濃度）を示したグラフである。
グラフの縦軸は、ガス比率（水蒸気のモル濃度／原料ガスのモル濃度）の中央値からのズレを％で示す。グラフの横軸は測定した原料ガス噴出孔の位置を示す。１が最も原料ガス流路上流側の原料ガス噴出孔であり、４８が最も原料ガス下流側の原料ガス噴出孔である。
【００８７】
図１４に示されるように、参考例１のガス比率の中央値からのズレ幅は、参考例２のガス比率の中央値からのズレ幅よりも小さい。具体的には、参考例２では、ガス比率の最大値は３５０％であるのに対し、参考例１では、ガス比率の最大値は１８０％である。この結果は、上流側の原料ガス噴出孔を絞ることで、原料ガス噴出孔から噴出するガスのガス比率を均一化することができることを示唆する。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の燃料処理装置は、効率よく燃料ガスを生成することができることから、家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００８９】
１００  混合ガス生成部
１１０、２１０  二重筒
１１１  内筒
１１２  外筒
１１３  原料ガス流路
１１４  ガイド
１１５、２１５  原料ガス噴出孔
１２０  水受け部
１２１  混合ガス噴出孔
１２３  内部空間
１２５  原料ガス噴出孔領域
１２７  混合ガス噴出孔領域
１２８  接続穴
１２９  障壁
１３０  熱交換板
１３１  混合ガス流路
２００  改質部
２０１  改質部入口
３００  一酸化炭素除去部
３０１  変成部
３０３  選択酸化部
３０５  空気供給部
【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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【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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【図１４】
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【図１５】
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