(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を含む燃料ガスの燃焼により燃焼ガスを発生する燃焼室と、上記燃焼ガスから反応熱を得て原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部と、上記改質ガスに含有するＣＯを水性シフト反応により低減させるシフト反応部と、上記燃焼ガスが流れる燃焼ガス路を備える改質装置において、
上記燃焼ガス路が、燃焼ガスを改質部を加熱した後にシフト反応部を加熱する経路を形成し、
上記改質部とシフト反応部の間の燃焼ガス路と、外部から導入した空気が流れる第１の空気路との間で熱交換する熱交換器を備え、且つ、
上記熱交換器を通過して燃焼室に供給する空気の第１の空気路と、上記燃焼室に空気を直接導入する第２の空気路とを切り替える空気の流路切替手段を備えることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
上記熱交換器を通過した、シフト反応部を加熱前の燃焼ガスに、外気を導入する外気導入手段を備えることを特徴とする請求項１記載の改質装置。
【請求項３】
上記シフト反応部を加温した燃焼ガスが流れる燃焼ガス路と、燃焼室に導入する空気が流れる空気路との間で熱交換する熱交換器を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気を含む燃料ガスの燃焼により燃焼ガスを発生する燃焼室を備えた改質装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料電池を構成する装置として、水素に富んだ改質ガスを生成する改質装置が知られている。改質装置は、原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部と、上記改質ガスに含有するＣＯを水性シフト反応により低減させるシフト反応部と、さらにＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化部と、空気を含む燃料ガスの燃焼により燃焼ガスを発生する燃焼室と、上記燃焼ガスが流れる燃焼ガス路を備えるものである（例えば、ＷＯ９８／００３６１号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
改質装置においては、例えば、原料にブタン等の炭化水素系原料を用いた場合、水蒸気改質反応は、５００℃以上の反応温度が適しているため、上記燃焼部では、水蒸気改質反応に適する５００℃以上の高温の燃焼ガスを発熱する。近年の省エネルギーの観点から、上記燃焼ガスを水性シフト反応の熱源に利用することをはじめ、燃焼ガスの熱エネルギーを効率的に利用する改質装置が求められている。
【０００４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、燃焼ガスの熱エネルギーを効率的に利用する改質装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の改質装置は、空気を含む燃料ガスの燃焼により燃焼ガスを発生する燃焼室と、上記燃焼ガスから反応熱を得て原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部と、上記改質ガスに含有するＣＯを水性シフト反応により低減させるシフト反応部と、上記燃焼ガスが流れる燃焼ガス路を備える改質装置において、上記燃焼ガス路が、燃焼ガスを改質部を加熱した後にシフト反応部を加熱する経路を形成し、上記改質部とシフト反応部の間の燃焼ガス路と、外部から導入した空気が流れる第１の空気路との間で熱交換する熱交換器を備え、且つ、上記熱交換器を通過して燃焼室に供給する空気の第１の空気路と、上記燃焼室に空気を直接導入する第２の空気路とを切り替える空気の流路切替手段を備えることを特徴とする。上記によって、燃焼ガスの熱エネルギーを、燃焼ガスを水性シフト反応の熱源、及び、燃焼室に導入する空気の加熱に使用するため、燃焼ガスの熱エネルギーを、効率良く利用できるものである。
【０００６】
請求項２記載の改質装置は、請求項１記載の改質装置において、上記熱交換器を通過した、シフト反応部を加熱前の燃焼ガスに、外気を導入する外気導入手段を備えることを特徴とする。上記によって、シフト反応部を加熱する燃焼ガスの温度が、熱交換器で熱交換した後でも、水性シフト反応に適する温度より高い場合に、冷却用の外気を導入し、燃焼ガスの温度調節を行うことができるものである。
【０００７】
請求項３記載の改質装置は、請求項１又は請求項２記載の改質装置において、上記シフト反応部を加温した燃焼ガスが流れる燃焼ガス路と、燃焼室に導入する空気が流れる空気路との間で熱交換する熱交換器を備えることを特徴とする。上記によって、水性シフト反応の熱源に使用した燃焼ガスの熱エネルギーを燃焼室に導入する空気の加熱に使用するため、燃焼ガスの熱エネルギーを、効率良く利用できるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１、２記載の改質装置に対応する実施の形態の一例を示す説明図である。上記改質装置は、燃焼ガスを発生する燃焼室１と、水素に富んだ改質ガスを生成する改質部２と、上記改質ガスに含有するＣＯを低減させるシフト反応部３と、上記燃焼ガスが流れる燃焼ガス路４を備えている。
【０００９】
上記燃焼室１は、空気を含む燃料ガスの燃焼により燃焼ガスを発生するものであり、燃料ガスを導入する燃料ガス導入路５と、空気を導入する空気路６が接続されている。また、上記燃焼室１は、燃焼室１で発生した燃焼ガスを排出する燃焼ガス路４が接続されている。また、上記燃焼ガスを発生するための燃焼手段としては、バーナーを用いる方法、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ等の燃焼触媒を担持させたものを用いる方法が挙げられる。
【００１０】
上記改質部２は、改質触媒を充填しており、上記燃焼ガスから反応熱を得て原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成するものである。上記改質触媒は、例えば、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の金属をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが例示される。改質部２では、改質触媒の粒子間の隙間を、上記原料と水蒸気の混合ガスが通り抜けるようになっており、このとき、上記混合ガスが改質触媒に接触することにより水蒸気改質反応が行われ、改質ガスを生成する。この水蒸気改質反応は、燃焼ガスの熱エネルギーによって加熱され、反応熱が供給されるものである。上記原料としては、メタノール等のアルコール系燃料や天然ガス、ブタン、プロパン等の炭化水素系燃料のガスが利用される。上記水蒸気改質反応は、原料としてブタンガスを用いた場合、反応温度を５００℃以上とすると良好な反応が行えるものである。
【００１１】
上記シフト反応部３は、シフト触媒を充填しており、上記改質ガスに含有するＣＯを水性シフト反応により低減させるものである。上記シフト触媒は、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒ等をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが例示される。シフト反応部３では、改質部２にて生成した改質ガスがシフト触媒に接触することにより、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気が反応して水素と二酸化炭素になる水性シフト反応が行われ、これにより改質ガス中の一酸化炭素の大部分が除去される。上記水性シフト反応は、原料としてブタンガスを用いた場合、反応温度は２００〜２５０℃とすると良好な反応が行えるものである。
【００１２】
上記燃焼ガス路４は、燃焼室１で発生した燃焼ガスが流れる流路であり、改質部２を加熱した後にシフト反応部３を加熱するように形成されている。上記改質装置は、上記改質部２とシフト反応部３の間の燃焼ガスの流路に、熱交換器７及び外気の導入によって燃焼ガスの温度の微調整を行なう温度調節器８を備えている。上記熱交換器７は、上記燃焼ガス路４と、外部から導入した空気が通過する第１の空気路６ａを備えており、燃焼ガス路４から第１の空気路６ａへ熱を伝えるものである。上記温度調節器８は、送風機１０を備えた送風路１１が接続されている。上記改質装置は、上記熱交換器７を通過した燃焼ガスの温度を検知するセンサー１２をシフト反応部の入口に設けており、このセンサーで検知した燃焼ガスの温度が、水性シフト反応に適する温度より高い場合に、送風機１０を可動し、冷却用の外気を送風路１１から導入し、燃焼ガスの温度調節を行うようになっている。冷却用の外気を導入する外気導入手段は、上記送風機１０、送風路１１、及び温度調節器８により形成される。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスを水性シフト反応の熱源に利用すると共に、冷却用の外気を導入する外気導入手段を備えるので、熱交換器で熱交換した後でも、燃焼ガスの温度が水性シフト反応に適する温度より高くても、最適な水性シフト反応温度に調製することができる。
【００１３】
上記改質装置は、ポンプ１３を備えた、空気導入路１４を有する。上記空気導入路１４は、熱交換器７に空気を導入する第１の空気路６ａと、燃焼室１に外気を直接導入する第２の空気路６ｂに分岐される。上記第１の空気路６ａは、熱交換器７内を経由し、第２の空気路６ｂに合流する。上記第１の空気路６ａと第２の空気路６ｂを分岐する分岐点には、空気を第１の空気路６ａを経由て燃焼室１に導入したり、第１の空気路６ａを遮断し、第２の空気路６ｂで直接燃焼室１に導入する切替装置９が設けられている。上記切替装置９としては、バタフライ弁等が挙げられる。
【００１４】
上記改質装置は、改質装置の起動するときは、第２の空気路６ｂで直接燃焼室１に空気を導入し、燃焼ガスが発生後は、熱交換器７で加温された空気を第１の空気路６ａから導入するものである。
【００１５】
上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを、燃焼ガスを水性シフト反応の熱源、及び、燃焼室に導入する空気の加熱に使用するため、燃焼ガスの熱エネルギーを、効率良く利用できるものである。
【００１６】
また、シフト反応部３を通過した改質ガスは、必要に応じて、ＣＯをさらに除去するためＣＯ選択酸化部（図示せず）を経由し、燃料電池等に供給される。
【００１７】
図２は、請求項３記載の改質装置に対応する実施の形態の一例を示す説明図である。図１の改質装置と異なる点のみ説明する。上記改質装置は、ＣＯ選択酸化部１５を備え、このＣＯ選択酸化部１５をシフト反応部３を加熱した燃焼ガスが加熱するように、燃焼ガス路４ａを形成している。
【００１８】
上記ＣＯ選択酸化部１５は、ＣＯ酸化触媒を充填しており、上記シフト反応部３を通過した改質ガスに残存するＣＯを選択的に酸化することで低減させるものである。上記ＣＯ酸化触媒は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが例示される。上記ＣＯ選択酸化部１５は、改質ガスがＣＯ酸化触媒と接触して、ＣＯが選択的に酸化され、二酸化炭素となって除去される。上記ＣＯ選択酸化の反応は、原料としてブタンガスを用いた場合、反応温度は１２０〜２５０℃とすると良好な反応が行えるものである。
【００１９】
さらに、上記改質装置は、シフト反応部３とＣＯ選択酸化部１５の燃焼ガスの流路に、第２の熱交換器１６を備えている。上記第２の熱交換器１６は、燃焼ガス路４ａと、外部から導入した空気が通過する第３の空気路６ｃを備えており、燃焼ガス路４ａから第３の空気路６ｃへ熱を伝えるものである。上記第３の空気路６ｃは、第１の空気路６ａから分岐し、第２の熱交換器１６を経由し、第２の空気路６ｂに合流するものである。上記第１の空気路６ａと第３の空気路６ｃの分岐点には、上記空気路６ａ、６ｂのどちらか一方、または、両方に空気を流す切替装置１７が設けられている。
【００２０】
上記改質装置は、改質装置の起動するときは、第２の空気路６ｂで直接燃焼室１に空気を導入し、燃焼ガスが発生後は、熱交換器７、１６で加温された空気を第１の空気路６ａ及び第３の空気路６ｃから導入するものである。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを、燃焼ガスを水性シフト反応及びＣＯ酸化反応の熱源、並びに、燃焼室に導入する空気の加熱に使用するため、燃焼ガスの熱エネルギーを、効率良く利用できるものである。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを、燃焼ガスを水性シフト反応の熱源、及び、燃焼室に導入する空気の加熱に使用するため、燃焼ガスの熱エネルギーを、効率良く利用することができる。
【００２２】
さらに、請求項２記載の改質装置は、特に、シフト反応部を加熱する燃焼ガスの温度が、熱交換器で熱交換した後でも、水性シフト反応に適する温度より高い場合に、冷却用の外気を導入し、燃焼ガスの温度調節を行うことができる。
【００２３】
さらに、請求項３記載の改質装置は、特に、水性シフト反応の熱源に使用した燃焼ガスの熱エネルギーを燃焼室に導入する空気の加熱に使用するため、燃焼ガスの熱エネルギーを、より効率良く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質装置の実施の形態の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の他の改質装置の実施の形態の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１      燃焼室
２      改質部
３      シフト反応部
４      燃焼ガス路
６，６ａ，６ｂ６ｃ空気路
７      熱交換器
９      切替装置
１５    ＣＯ選択酸化部
１６    熱交換器
【図１】
0003664003.tif 000002
【図２】
0003664003.tif 000003