(57)【要約】  一酸化炭素および水を含む水素リッチガスを生成する改質部と；前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成する変成部と；前記低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと酸素を含む空気とを混合して、混合ガスを生成する混合流路と；前記混合流路の上流端と接続し、前記混合流路に空気を供給する空気供給部と；前記混合流路の下流端と接続し、前記混合ガス中の一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成する選択酸化部と；を有する燃料電池用の燃料処理装置であって、前記混合流路は、上流側のガス供給領域と、下流側のガス拡散領域とからなり、かつ前記ガス供給領域と前記変成部とを接続する２以上のガス供給口を有し、前記ガス拡散領域の長さは、前記ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である、燃料処理装置。
2009144923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素および水を含む水素リッチガスを生成する改質部と；
前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成する変成部と；
前記低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと酸素を含む空気とを混合して、混合ガスを生成する混合流路と；
前記混合流路の上流端と接続し、前記混合流路に空気を供給する空気供給部と；
前記混合流路の下流端と接続し、前記混合ガス中の一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成する選択酸化部と；を有する燃料電池用の燃料処理装置であって、
前記混合流路は、上流側のガス供給領域と、下流側のガス拡散領域とからなり、かつ
前記ガス供給領域と前記変成部とを接続する２以上のガス供給口を有し、
前記ガス拡散領域の長さは、前記ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である、燃料処理装置。
【請求項２】
前記２以上のガス供給口は、前記混合流路の長軸に沿って配列され、
前記２以上のガス供給口のうち、１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは異なる、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは対向する、請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記ガス供給口のうち、最上流側のガス供給口の口径が最も大きく、最下流側のガス供給口の口径が最も小さい、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記混合流路内に設けられた２以上の障壁をさらに有し、
前記障壁は、前記ガス供給口近辺の混合流路内のガスの流れの一部を遮る、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記ガス供給口の口径は、前記混合流路に向かって絞り込まれている、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、燃料電池用の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、水蒸気および炭化水素系燃料などの原料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リッチ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リッチ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、さらにＣＯ変成触媒によるシフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を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によって、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度をさらに１０ｐｐｍ以下程度まで低下させる選択酸化部と、変成部と選択酸化部とを接続する混合流路とを有する。混合流路は、変成部から排出された水素リッチガスと空気とを混合するための流路である。混合流路内で水素リッチガスと空気とを混合するには、水素リッチガスが流れる混合流路に空気を供給する方法が知られている（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（例えば特許文献１参照）における混合流路の断面図を図１Ａおよび図１Ｂに示す。【０００６】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、混合流路１０は、変成部２０と選択酸化部３０とを接続する。混合流路１０は、さらに空気供給管（４０、４１）と接続されている。また、空気供給管（４０、４１）は混合流路１０の横断面の中心まで伸びている。図１Ａおよび図１Ｂ中の破線矢印は水素リッチガスの流れを示し、実践矢印は空気の流れを示す。【０００７】
図１Ａに示されるように、水素リッチガスが流れる混合流路１０内に、空気供給管４０を通して空気を供給することで、水素リッチガスと空気とを混合することができる。また、図１Ｂに示されるように、水素リッチガスが流れる混合流路１０内に、空気供給管４１の先端に形成された複数の開口部４２を通して空気を供給することで、水素リッチガスと空気とを混合することができる。【０００８】
また、空気供給管が混合流路１０の横断面の中心まで延びているので、水素リッチガスの流速が速い混合流路１０の横断面の中心に空気を供給し、水素リッチガスと空気との混合を促進することができる。【０００９】
通常、混合流路１０内を流れる水素リッチガスの流量は、空気供給管から供給される空気の流量のおよそ２０倍程度である。
このように、混合流路内を流れる水素リッチガスの流量が多く、供給される空気の流量が小さいと、空気の流速が遅く、空気の供給によって混合流路内に形成される渦が小さい。形成される渦が小さいと、混合流路内で水素リッチガスと空気とが十分に混合されない。また、空気の流速を速くするために空気の噴出孔を小さくすることも考えられるが、その場合、圧力損失が大きくなってしまう。【００１０】
また、上述のように水素リッチガスの流量は多いので、図１Ａおよび図１Ｂに示されたような、水素リッチガスが流れる混合流路に空気を流入させる方式では、圧力損失が大きくなるという問題もある。【００１１】
このように、図１Ａおよび図１Ｂに示されたような、水素リッチガスが流れる混合流路に空気を供給する方式では、水素リッチガスと空気との混合が十分に行われず、かつ圧力損失が大きくなるという問題があった。【００１２】
このような問題を解決するため、空気が流れる混合流路に水素リッチガスを供給する方式が提案されている（例えば特許文献２参照）。図２は特許文献２に開示された燃料処理装置における混合流路１０の斜視図である。【００１３】
図２に示されるように混合流路１０は、水素リッチガスが充填された部屋５０内を通り、複数のガス供給口１１を有する。ガス供給口は、混合流路１０の全長にわたって形成される。混合流路１０の下流端は空気供給部に接続され、混合流路１０の下流端は選択酸化部に接続される。【００１４】
次に図２に示された混合流路１０内で水素リッチガスと空気とを混合させるステップについて説明する。まず、混合流路１０内に空気供給部から空気が供給される。その後、混合流路に設けられた複数のガス供給口１１を通して、混合流路１０内に水素リッチガスが供給される。【００１５】
図２に示されたような空気が流れる混合流路に水素リッチガスを供給する方式の混合流路では、流量が少ない空気が流れる混合流路内に、流量が多い水素リッチガスを供給するので、水素リッチガスは高流速で混合流路内に供給される。このため、図１Ａおよび図１Ｂに示された混合流路と比較して、水素リッチガスと空気とを効率的に混合することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００３−２２６５０４号公報
【特許文献２】特開２００４−２６２７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、図２に示されたような混合流路であっても、水素リッチガスと空気とが十分に混合されないという問題があった。特に圧力損失を抑えるために、水素リッチガスの供給量を減らす場合、図２に示されたような混合流路内では、水素リッチガスと空気とが十分に混合されない。混合流路内での水素リッチガスと空気との混合が十分でないと、仮に空気の供給量を増やしたとしても、水素リッチガス中の一酸化炭素が選択酸化部で酸化されず、生成される燃料ガスの一酸化炭素濃度が高くなる。燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなると燃料電池の触媒が被毒される。【００１８】
本発明の目的は、圧力損失が低く、水素リッチガスと空気とを効果的に混合することができる混合流路を有し、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを生成することができる燃料処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者は、混合流路を水素リッチガスが供給される領域と、水素リッチガスおよび空気を拡散させ、水素リッチガスと空気とを混合させるための領域とに分け、水素リッチガスと空気とを混合させるための領域の長さを適宜選択することで、水素リッチガスと空気とを十分に混合できることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。【００２０】
すなわち本発明は、以下に示す燃料処理装置に関する。
［１］一酸化炭素および水を含む水素リッチガスを生成する改質部と；前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成する変成部と；前記低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと酸素を含む空気とを混合して、混合ガスを生成する混合流路と；前記混合流路の上流端と接続し、前記混合流路に空気を供給する空気供給部と；前記混合流路の下流端と接続し、前記混合ガス中の一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成する選択酸化部と；を有する燃料電池用の燃料処理装置であって、前記混合流路は、上流側のガス供給領域と、下流側のガス拡散領域とからなり、かつ前記ガス供給領域と前記変成部とを接続する２以上のガス供給口を有し、前記ガス拡散領域の長さは、前記ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である、燃料処理装置。
［２］前記２以上のガス供給口は、前記混合流路の長軸に沿って配列され、前記２以上のガス供給口のうち、１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは異なる、［１］に記載の燃料処理装置。
［３］前記１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは対向する、［２］に記載の燃料処理装置。
［４］前記ガス供給口のうち、最上流側のガス供給口の口径が最も大きく、最下流側のガス供給口の口径が最も小さい、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
［５］前記混合流路内に設けられた２以上の障壁をさらに有し、前記障壁は、前記ガス供給口近辺の混合流路内のガスの流れの一部を遮る、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
［６］前記ガス供給口の口径は、前記混合流路に向かって絞り込まれている、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の燃料処理装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、混合流路内で水素リッチガスと空気とが十分に混合されるので、選択酸化部で水素リッチガス内の一酸化炭素を効率的に酸化することができる。このため本発明の燃料処理装置は、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを生成することができる。【００２２】
さらに、空気が流れる混合流路内に複数のガス供給口を通してガスを供給することから、混合流路の上流側の流速を低く抑えることができる。これにより一度に水素リッチガスを混合流路に流入させた場合と比べて、圧力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の燃料処理装置における混合流路の断面図
【図２】従来の燃料処理装置における混合流路の斜視図
【図３】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
【図４】実施の形態１の燃料処理装置のブロック図
【図５】実施の形態１の燃料処理装置の断面図
【図６】実施の形態１の混合流路の断面図
【図７】実施の形態２の混合流路を示す図
【図８】実施の形態３の混合流路を示す図
【図９】実施の形態４の混合流路の断面図
【図１０】実施の形態５の混合流路の断面図
【図１１】実施の形態６の混合流路の断面図
【図１２】実施例で解析した混合流路の形状を示す図
【図１３】実施例の解析結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の燃料処理装置は、炭化系燃料またはアルコールを含む原料ガスと水蒸気とを水蒸気改質反応させ、燃料電池用の燃料ガスを生成するための装置である。
本発明の燃料処理装置は、燃焼部、蒸発部、改質部、変成部、空気供給部、混合流路および選択酸化部を有する。
【００２５】
燃焼部は、改質部および蒸発部を熱するための機構である。燃焼部は火炎を形成できるのであれば特に限定されず、例えばバーナである。
【００２６】
蒸発部は、水を蒸発させて、水蒸気を生成し、原料ガスと水蒸気とを混合するための機構である。蒸発部は、燃焼部、改質部、変成部および選択酸化部と熱交換し、水を蒸発させて、水蒸気を生成する。生成された水蒸気は蒸発部で原料ガスと混合される。
【００２７】
改質部は、ルテニウム系やニッケル系の触媒を含み、蒸発部から供給される原料ガスと水蒸気とから、水蒸気改質反応によって、水素リッチガスを生成するための機構である。また、改質部で生成される水素リッチガスは、一酸化炭素および水蒸気を含む。改質部で生成された水素リッチガスの一酸化炭素濃度は、例えば７〜１３％である。
【００２８】
変成部は、改質部で生成された水素リッチガスから低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成するための機構である。変成部は、白金系や銅・亜鉛系の触媒を含み、改質部で生成された水素リッチガス中の一酸化炭素と水とから、シフト反応によって、二酸化炭素および水素を生成する。ここで「一酸化炭素の濃度が低い」とは、一酸化炭素の濃度が０．５％以下であることを意味する。
【００２９】
混合流路は、変成部で生成された一酸化炭素濃度が低い水素リッチガスと空気とを混合して、混合ガスを生成するための流路である。混合流路は、例えば円管または矩形管によって構成される領域である。混合流路は、円管によって構成された管状の領域であることが好ましい。混合流路の上流端は、混合流路に空気を供給する空気供給部と接続されている。空気供給部は、例えばポンプなどである。混合流路の下流端は、後述する選択酸化部に接続されている。
【００３０】
本発明の混合流路は、予め空気が流れている混合流路内にガス供給口を通して水素リッチガスを供給することで、水素リッチガスと空気とを混合する方式を採用する。したがって、本発明の混合流路は、変成部と接続する複数のガス供給口を有する。変成部を通過した水素リッチガスは複数のガス供給口を通して混合流路内に供給される。ガス供給口の構造については後述する。
【００３１】
選択酸化部は、混合流路で生成された混合ガス中の、一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成するための機構である。選択酸化部では、変成部で反応せずに残った混合ガス中の一酸化炭素が酸素によって酸化され、二酸化炭素になる。これにより、混合ガス中の一酸化炭素濃度は、１０ｐｐｍ以下にされ、燃料ガスが生成される。
【００３２】
このような構成を有する燃料処理装置は、燃料電池スタックを含む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などに適用されることができる。このような家庭用コージェネレーションシステムでは、燃料電池スタックのアノードからのオフガスは、凝縮器によって水分を除去され、再び燃料処理装置に導入され、燃焼部の燃料として使用されてもよい。また、アノードからのオフガスは、改質部と熱交換してもよい。
【００３３】
次に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について、図３を参照しながら説明する。
【００３４】
まず蒸発部に水と原料ガスであるメタンとを供給する。蒸発部に水と原料ガスとを供給すると水は蒸発部内で加熱され水蒸気になる。水蒸気と原料ガスとは蒸発部内で混合される（Ｓ１０００）。
【００３５】
その後、原料ガスおよび水蒸気は、改質部に流入する。改質部では以下の水蒸気改質反応により、原料ガスおよび水蒸気から一酸化炭素を含む水素リッチガスが生成される（Ｓ１００１）。また、水素リッチガスには未反応の水蒸気が含まれる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
【００３６】
改質部で生成された水素リッチガスは、変成部に流入する。変成部では、以下のシフト反応によって、改質部で生成された水素リッチガスから、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスが生成される（Ｓ１００２）。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００３７】
変成部で生成された低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスは、予め空気供給部から供給された空気が流れている混合流路にガス供給口を通して流入する。混合流路内では、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと空気とが混合され、混合ガスが生成される（Ｓ１００３）。
【００３８】
混合流路で生成された混合ガスは選択酸化部に流入する。選択酸化部では、混合ガス中の酸素と変成部で酸化されなかった一酸化炭素とが反応し、一酸化炭素が酸化され、混合ガスにおける一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低減される（Ｓ１００４）。選択酸化部を通過したガスは、燃料ガスとして取り出される。
【００３９】
このように生成された燃料ガスは、選択酸化部から流出し、燃料電池に供給される。燃料電池は、燃料ガス中の水素と、空気など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する。
【００４０】
上述の通り、ステップＳ１００３では、変成部を通過後の水素リッチガスと空気とが、混合流路内で混合されて、混合ガスが生成される。ところが、空気が流れる混合流路に水素リッチガスを流入させる方式（図２参照）では、混合流路内で水素リッチガスと空気とが十分に混合されないことがある。水素リッチガスと空気とが十分に混合されないまま、選択酸化部に流入すると、水素リッチガス中の一酸化炭素が十分に酸化されず、燃料ガスの一酸化炭素濃度が高くなる。
【００４１】
本発明の燃料処理装置は、水素リッチガスと空気とを混合流路内で十分に混合することができることを特徴とする。具体的には、本発明では、混合流路は、上流側のガス供給領域と、下流側のガス拡散領域とからなり；かつガス供給領域と変成部とを接続するガス供給口を有する。すなわち、本発明ではガス供給領域はガス供給口を介して変成部と接続し、ガス拡散領域はガス供給口を有さない。
【００４２】
ガス供給領域は、混合流路のうち、水素リッチガスが供給される領域である。ガス供給領域は、複数のガス供給口によって変成部と接続されている。したがって、変成部で生成された低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスは、ガス供給口を通って混合流路のガス供給領域内に流入する。
【００４３】
ガス供給口の数は特に限定されないが、例えば２〜６である。また、ガス供給口の口径は、混合流路の長さおよび直径によって適宜選択されうるが、例えば２〜５ｍｍである。ガス供給口は、混合流路の長軸に沿って所定の間隔ごとに配列されていることが好ましい。また、それぞれのガス供給口の混合流路の円周方向の位置は同じであってもよいし（実施の形態１参照）、異なっていてもよい（実施の形態２参照）。
【００４４】
それぞれのガス供給口の混合流路の円周方向の位置が異なる場合、１のガス供給口の混合流路の円周方向の位置は、他のガス供給口の混合流路の円周方向の位置と対向することが好ましい（実施の形態２参照）。それぞれのガス供給口の混合流路の円周方向の位置を違えることで、水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。
【００４５】
また、最上流側のガス供給口の口径が最大であり、最下流側のガス供給口の口径が最小であることが好ましい（実施の形態３参照）。より具体的には、ガス供給口の口径は、混合流路を流れるガスの方向に沿って徐々に小さくなることが好ましい。
【００４６】
ガス拡散領域は、ガス供給口を有さず、水素リッチガスと空気とが拡散効果により均一に混合するための時間を確保するための領域である。したがって、ガス拡散領域は、ガス供給領域を通過した水素リッチガスおよび空気が選択酸化部に到達するまでに一定時間を要するように設計されている。これにより、ガス供給領域を通過した水素リッチガスおよび空気は、ガス拡散領域を流れる過程で、拡散効果により十分に混合される。
【００４７】
具体的には、ガス供給領域を通過した水素リッチガスおよび空気が選択酸化部に到達するまでに一定時間を要するように、ガス拡散領域は一定量の体積を有する。ガス拡散領域の体積を確保するためには、ガス拡散領域の長さを調節してもよいし、ガス拡散領域の直径を調節してもよいが、ガス拡散領域の長さを調節することが好ましい。例えば、ガス拡散領域の直径を大きくすることで、ガス拡散領域の体積を調節した場合、ガス拡散領域の混合流路を流れる水素リッチガスおよび空気の流速が遅くなり、水素リッチガスと空気とが混合されにくくなる。
【００４８】
ガス拡散領域の長さを調節する場合、ガス拡散領域の長さは、ガスの性質や、混合流路の直径などによって適宜選択されることが好ましい。具体的には、混合流路の直径をＤ（ｍ）とし、ガス拡散領域内を流れるガス（水素リッチガスおよび空気）の流速（ｍ／秒）をＵとし、ガスが１ｍ拡散するために必要な時間（秒／ｍ）をｔとしたとき、ガス拡散領域の長さＬは以下の式で定義されることが好ましい。
Ｌ＝Ｕ×Ｄ×ｔ
【００４９】
このような、式を満たすガス拡散領域の長さは、通常、ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である。
【００５０】
ガス拡散領域の長さがガス供給領域の長さの０．５倍以下であった場合、ガス拡散領域内で、水素リッチガスと空気とが十分に混合されないことがある。一方、ガス拡散領域の長さがガス供給領域の長さの２倍以上であった場合、装置サイズが大きくなりすぎる。また、ガス拡散領域の長さがガス供給領域の長さの２倍以上であった場合、混合ガスの温度が下がり、選択酸化部で一酸化炭素の酸化反応が不十分になるおそれもある。また、ガス拡散領域の長さがガス供給領域の長さの２倍以上であった場合、圧力損失が大きくなる。
【００５１】
すなわち本発明の燃料処理装置では、変成部で生成された一酸化炭素濃度の低い水素リッチガスは、１）ガス供給口を通って、空気が流れるガス供給領域に流入し、そこで水素リッチガスと空気とがある程度攪拌され、２）ガス拡散領域を通る過程で、水素リッチガスと空気とが拡散効果によって十分に混合されて、混合ガスが生成される。生成された混合ガスは、選択酸化部に流入する。
【００５２】
このように、本発明では、水素リッチガスおよび空気は、ガス供給口を有さないガス拡散領域を通るので、仮にガス供給領域内での水素リッチガスと空気との混合が不十分であったとしても、ガス拡散領域を通過する過程で、十分に混合され、混合ガスが生成される。
【００５３】
このように、混合流路をガス供給領域と、ガス拡散領域とに分け；ガス拡散領域の長さを、ガス供給領域の長さの０．５〜２倍とすることで；混合流路内で、水素リッチガスと空気とを十分に混合することができ、水素リッチガスと空気との比率が均一な混合ガスを選択酸化部に供給することができる。このため、本発明の燃料処理装置は、燃料電池の運転状況によって生成される水素リッチガスおよび供給される空気の量が変動する場合であっても安定して燃料ガスを供給することができる。
【００５４】
また、空気が流れる混合流路内に、複数のガス供給口を通してガスを供給することから、混合流路の上流側の流速を低く抑えることができる。これにより一つの供給口のみから水素リッチガスを混合流路に流入させた場合と比べて、圧力損失を低減することができる（実施の形態１参照）。
【００５５】
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。
【００５６】
（実施の形態１）
図４は、実施の形態１の燃料処理装置の模式図を示し、図５は実施の形態１の燃料処理装置の断面図を示す。図４における斜線矢印は熱エネルギの動きを示し、図４および図５における実線矢印は、ガス（原料ガス、水蒸気または水素リッチガス）の流れを示す。
【００５７】
図４および図５に示されるように、実施の形態１の燃料処理装置は、燃焼部１と、蒸発部２と、改質部３と、変成部４と、混合流路１００と、選択酸化部５と、を有する。
【００５８】
また、図４に示されるように、燃料処理装置は、燃料電池スタック６と接続されてもよい。燃料処理装置が燃料電池スタック６と接続されている場合、選択酸化部５で生成された燃料ガスが燃料電池スタック６のアノードに供給され、燃料電池スタック６のアノードのオフガスが、凝縮器（不図示）を経て燃焼部１に供給される。
【００５９】
実施の形態１の燃料処理装置は、混合流路１００の構成に特徴を有する。以下、混合流路１００の構成について詳細に説明する。
【００６０】
図６は、図５に示した燃料処理装置の混合流路１００の拡大図である。混合流路１００の全長は、例えば１００〜２００ｍｍである。また、混合流路１００の直径は、燃料電池システムの出力によって適宜選択される。例えば燃料電池システムの出力が７５０Ｗであった場合、混合流路１００の断面の面積は、１２〜５０ｍｍ２である。図６に示されるように混合流路１００は、ガス供給領域１１０と、ガス拡散領域１２０とからなる。
【００６１】
ガス供給領域１１０の長さは、例えば５０〜１００ｍｍである。ガス拡散領域１２０の長さは、例えば５０〜１００ｍｍである。このようにガス拡散領域１２０の長さをガス供給領域１１０の長さの０．５〜２倍にすることで、混合流路１００内で水素リッチガスと空気とを十分に混合することができる（後述）。
【００６２】
ガス供給領域１１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口１１１および第２ガス供給口１１２を有する。空気流入口１０１と第１ガス供給口１１１との間隔と；第１ガス供給口１１１と第２ガス供給口１１２との間隔と；第２ガス供給口１１２とガス供給領域１１０の下流端との間隔と、は等しい。
一方、ガス拡散領域１２０はガス供給口を有さない。ガス供給口の面積は、燃料電池システムの出力が７５０ｗであった場合、例えば１２〜４０ｍｍ２である。
【００６３】
次に混合流路１００を流れる水素リッチガスおよび空気の挙動について説明する。図６中の矢印は、空気および水素リッチガスの流れを示す。
【００６４】
図６に示されるようにガス供給領域１１０には、予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口１１１および第２ガス供給口１１２を通って、ガス供給領域１１０に流入する。水素リッチガスの流量は、空気の流量のおよそ２０倍である。
【００６５】
このように、本実施の形態では流量が少ない空気が流れるガス供給領域１１０内に、流量が多い水素リッチガスがガス供給孔を通って流入するので、水素リッチガスの流入速度が速くなり、流入した水素リッチガスがガス供給領域１１０内に渦を発生させ、ガス供給領域１１０内の水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。
【００６６】
ガス供給領域１１０である程度攪拌された水素リッチガスと空気とは、ガス拡散領域１２０に流入する。ガス拡散領域１２０の長さは、水素リッチガスと空気とが拡散効果によって十分に混合される時間を確保できるように設定されている。したがって、水素リッチガスと空気とは、ガス拡散領域１２０を流れる過程で、拡散効果により十分に混合される。
【００６７】
このように本実施の形態によれば、混合流路を、ガス供給領域とガス拡散領域とに分け、ガス拡散領域の長さを、ガス供給領域の長さの約０．５〜２倍とすることで、混合流路内で、水素リッチガスと空気とを十分に混合することができる。これにより、水素リッチガスと、空気との比率が均一な混合ガスを選択酸化部に供給することができる。
【００６８】
また、水素リッチガスのガス供給口を２つ設けることで、水素リッチガスのガス供給口が一つだった場合と比較して、圧力損失を低減することができる。以下、ガス供給口を２つ設けることと、圧力損失を低減することとの関係について説明する。
【００６９】
ガス供給領域１１０全体の圧力損失Ｐは、空気流入口１０１から第１ガス供給口１１１間の圧力損失をＰ０とし；第１ガス供給口１１１と第２ガス供給口との間の圧力損失をＰ１とし；第２ガス供給口１１２とガス供給領域１１０の下流端との間の圧力損失をＰ２としたとき、下記式（１）のように定義される。
Ｐ＝Ｐ０＋Ｐ１＋Ｐ２                                    （１）
【００７０】
圧力損失は、層流の場合、ガスの流量に比例する。したがって、空気流入口１０１から第１ガス供給口１１１間のガスの流量をＱ０とし；第１ガス供給口１１１と第２ガス供給口との間のガスの流量をＱ１とし；第２ガス供給口１１２とガス供給領域１１０の下流端との間のガスの流量をＱ２とし；第１ガス供給口と第２ガス供給口とから均等量の水素リッチガスが供給されると仮定したとき、それぞれ圧力損失（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２）は、下記式（２）のように定義される。
Ｐ０＝α×Ｑ０×Ｌ
Ｐ１＝β×Ｑ１×Ｌ
Ｐ２＝β×Ｑ２×Ｌ
Ｑ２＝２×Ｑ１＋Ｑ０                                    （２）
【００７１】
ここで、Ｌはガス供給領域１１０の全長の１／３の長さ、αおよびβはガスの粘性および流路幅の関数を意味する。上述のように、空気の流量は水素リッチガスの流量の１／２０程度であるため０と近似してよい。したがってガスの流量は下記（３）式のように定義できる。
Ｑ０≒０
Ｑ２＝２×Ｑ１                                          （３）
【００７２】
よって、ガス供給領域１１０がガス供給口を二つ有する場合の、ガス供給領域１１０の圧力損失Ｐは下記（４）式のように定義できる。
Ｐ＝３×βＱ１×Ｌ                                      （４）
【００７３】
一方、ガス供給領域１１０が第２ガス供給口１１２を有さず；第１ガス供給口１１１のみから水素リッチガスを供給した場合、第１ガス供給口１１１より下流のガス供給領域１１０内のガスの流量は一定となる。そのため、ガス供給領域１１０内の圧力損失Ｐ’は、下記式（５）のように定義される。
Ｐ０＝α×Ｑ０×Ｌ
Ｐ１＝β×２Ｑ１×Ｌ
Ｐ２＝β×２Ｑ１×Ｌ
Ｐ’＝Ｐ０＋Ｐ１＋Ｐ２                                  （５）
【００７４】
よって、ガス供給口が１つの場合、ガス供給領域１１０内の圧力損失Ｐ’は下記式（６）のように定義される。
Ｐ’＝４×βＱ１×Ｌ                                    （６）
【００７５】
式（４）および式（６）より、ガス供給口を２つ設けた場合、ガス供給口が一つのみである場合よりも圧力損失を約３／４倍にすることができる。また、ガス供給口が混合流路の流れに沿って等間隔に配列されている場合、ガス供給口の数を増やすことにより圧力損失を更に低減することができる。
【００７６】
よって、実施の形態１に記載の燃料処理装置を用いることにより、低圧力損失で水素リッチガスと空気とを混合することができる。
【００７７】
（実施の形態２）
実施の形態１では、各ガス供給口の混合流路の円周方向の位置が同じである形態について説明した。実施の形態２では、各ガス供給口の混合流路の円周方向の位置が異なる形態について説明する。
【００７８】
実施の形態２の燃料処理装置では、ガス供給領域のガス供給口の配列パターンが異なる以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態２では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【００７９】
図７Ａは、実施の形態２の混合流路２００のうちガス供給領域２１０の斜視図である。図７Ａに示されるようにガス供給領域２１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口２１１、第２ガス供給口２１２、第３ガス供給口２１３および第４ガス供給口２１４を有する。各ガス供給口の混合流路２００の円周方向の位置は、それぞれ異なる。また、第１ガス供給口２１１と第２ガス供給口２１２との混合流路２００の円周方向の間隔と；第２ガス供給口２１２と第３ガス供給口２１３との混合流路２００の円周方向の間隔と；第３ガス供給口２１３と第４ガス供給口２１４との混合流路２００の円周方向の間隔と；は等しいことが好ましい。
【００８０】
また、第１ガス供給口２１１の混合流路２００の円周方向の位置と第３ガス供給口２１３の混合流路２００の円周方向の位置とは対向しており；かつ第２ガス供給口２１２の混合流路２００の円周方向の位置と、第４ガス供給口２１４の混合流路２００の円周方向の位置とは、対向している。
【００８１】
次にガス供給領域２１０における空気および水素リッチガスの挙動について説明する。図７Ｂは図７Ａに示したガス供給領域２１０の混合流路２００のＡＡ線の断面図である。図７Ｂ中の矢印は、空気および水素リッチガスの流れを示す。
【００８２】
図７Ｂに示されるようにガス供給領域２１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口２１１および第３ガス供給口２１３を通って、ガス供給領域２１０に流入する。
【００８３】
上述のように本実施の形態では、各ガス供給口の混合流路２００の円周方向の位置がそれぞれ異なる。これにより、ガス供給領域２１０内で水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。以下、各ガス供給口の混合流路２００の円周方向の位置がそれぞれ異なることと、ガス供給領域２１０内で水素リッチガスと空気との攪拌が促進されることとの関係について説明する。
【００８４】
図７Ｂに示されるように、空気流入口１０１を通して供給された空気Ａ１は、第１ガス供給口２１１を通して流入した水素リッチガスＨ１と攪拌される。一方、混合流路２００の壁面のうち第１ガス供給口２１１と対向する壁面側を流れる空気Ａ２は、水素リッチガスＨ１と攪拌されることなく、第１ガス供給口２１１が形成された領域を通過してしまうことがある。特に水素リッチガスの供給量が少なく、水素リッチガスの流入速度が遅い場合、空気Ａ２は、水素リッチガスＨ１と攪拌されることなく通過しやすい。
【００８５】
しかし、本実施の形態では、第３ガス供給口２１３は、混合流路２００の壁面のうち第１ガス供給口２１１と対向する壁面側に配置されている。このため、水素リッチガスＨ１と混合されずに通過した空気Ａ２は、第３ガス供給口２１３を通して流入した水素リッチガスＨ２と攪拌される。
【００８６】
このように、本実施の形態では、各ガス供給口の混合流路の円周方向の位置を違えることで、仮に水素リッチガスの流量が少ない場合であっても、ガス供給領域内における水素リッチガスと空気との攪拌を促すことができる。
【００８７】
（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２では、各ガス供給口の口径が全て同じである形態について説明した。実施の形態３ではガス供給口の口径が異なる形態について説明する。
【００８８】
実施の形態３の燃料処理装置では、ガス供給領域のガス供給口の配列パターンが異なる以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態３では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【００８９】
図８Ａは、本実施の形態の混合流路３００のうちガス供給領域３１０の斜視図である。図８Ａに示されるようにガス供給領域３１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口３１１、第２ガス供給口３１２および第３ガス供給口３１３を有する。混合流路３００の上流側の第１ガス供給口３１１の口径は最も大きく、下流側の第３ガス供給口３１３の口径は最も小さい。このように本実施の形態では混合流路３００内をガスが流れる方向に沿って、ガス供給口の口径が段階的に小さくなることを特徴とする。
【００９０】
次にガス供給領域３１０における空気および水素リッチガスの挙動について説明する。図８Ｂは図８Ａに示したガス供給領域３１０の混合流路３００のＡＡ線の断面図である。図３Ｂ中の矢印は、空気および水素リッチガスの流れを示す。
【００９１】
図８Ｂに示されるように、ガス供給領域３１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口３１１、第２ガス供給口３１２、第３ガス供給口３１３を通って、ガス供給領域３１０に流入する。
【００９２】
上述したように、空気の流量は水素リッチガスの流量の１／２０程度であるので、水素リッチガスが供給されていないガス供給領域３１０の上流では、ガスの流量が少なく；ガス供給口を通して水素リッチガスが流入するにしたがって、ガスの流量が段階的に多くなる。このようにガス供給領域内でのガスの流量にばらつきがあると、ガス供給領域内で水素リッチガスと空気との攪拌が十分に行われないおそれがある。
【００９３】
しかし、本実施の形態では、上流側の第１ガス供給口３１１の口径が大きいので、上流側の第１ガス供給口３１１から流入する水素リッチガスの流量が多く；下流側の第３ガス供給口３１３の口径が小さいので、下流側の第３ガス供給口３１３から流入する水素リッチガスの流量が小さい。このため、ガス供給領域３１０内を流れるガスの流量が均一化され、より効果的に水素リッチガスと空気とを攪拌することができる。
【００９４】
（実施の形態４）
実施の形態４では、混合流路がガス供給領域内に複数の障壁を有する形態について説明する。
【００９５】
実施の形態４の燃料処理装置では、混合流路がガス供給領域内に複数の障壁を有する以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態４では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【００９６】
図９は実施の形態４の混合流路４００のうちガス供給領域４１０の断面図を示す。図９に示されるように、ガス供給領域４１０は、空気流入口１０１と接続し、複数の障壁４０１を有する。障壁４０１は、混合流路４００の壁面のうち、ガス供給口と対向する領域に設けられており、ガス供給口近辺の混合流路４００内のガスの流れの一部を遮る。
【００９７】
次にガス供給領域４１０内の水素リッチガスおよび空気の挙動について説明する。図９中の矢印は、水素リッチガスおよび空気の流れを示す。図９に示されるようにガス供給領域４１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口４１１、第２ガス供給口４１２を通って、ガス供給領域４１０に流入する。
【００９８】
本実施の形態では、空気流入口１０１から流入した空気は、ガス供給口近傍（若干上流側）に配置された障壁４０１によりガス供給口へ近傍へと導かれる。このため、仮にガス供給口を通って流入する水素リッチガスの流速が遅く、ガス供給口の近傍のみで渦が形成される場合であっても、障壁４０１によりガス供給口近傍に空気が導かれるため、水素リッチガスと空気とを十分に攪拌することができる。
【００９９】
（実施の形態５）
実施の形態５では、ガス供給口の口径が、混合流路に向かって絞られている形態について説明する。
【０１００】
実施の形態５の燃料処理装置では、ガス供給領域が有するガス供給口の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態５では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【０１０１】
図１０は実施の形態５の混合流路５００のうちガス供給領域５１０の断面図を示す。図１０に示されるように、ガス供給領域５１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口５１１および第２ガス供給口５１２を有する。第１ガス供給口５１１および第２ガス供給口５１２は、混合流路５００に向かって絞り込まれている。
【０１０２】
次にガス供給領域５１０内の水素リッチガスおよび空気の挙動について説明する。図１０中の矢印は、水素リッチガスおよび空気の流れを示す。図１０に示されるようにガス供給領域５１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口５１１、第２ガス供給口５１２を通って、ガス供給領域５１０に流入する。
【０１０３】
本実施の形態では、ガス供給口の口径が混合流路に向かって絞り込まれているので、第１ガス供給口５１１および第２ガス供給口５１２を通って、ガス供給領域５１０に流入する水素リッチガスの流速が速くなる。これにより水素リッチガスと空気との攪拌が促進される。さらに、ガス供給口を通って流入する水素リッチガスの流速を高めることで、水素リッチガスの流入によって形成される渦を大きくすることができ、水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。
【０１０４】
（実施の形態６）
実施の形態６では、ガス供給口が、混合流路の横断面の中心まで延びている形態について説明する。
【０１０５】
実施の形態６の燃料処理装置では、ガス供給領域が有するガス供給口の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態６では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【０１０６】
図１１は実施の形態６の混合流路６００のうちガス供給領域６１０の断面図を示す。図１１に示されるように、ガス供給領域６１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口６１１および第２ガス供給口６１２を有する。第１ガス供給口６１１および第２ガス供給口６１２は、混合流路６００の横断面の中心まで伸びている。
【０１０７】
次にガス供給領域６１０内の水素リッチガスおよび空気の挙動について説明する。図１１中の矢印は、水素リッチガスおよび空気の流れを示す。図１１に示されるようにガス供給領域５１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口６１１、第２ガス供給口６１２を通って、ガス供給領域６１０に流入する。
【０１０８】
混合流路６００内を流れるガスの流速は、混合流路６００の壁面近傍よりも混合流路６００の横断面の中心の方が速い。本実施の形態では、ガス供給口が延びているので、ガス供給口を通って流入した水素リッチガスを、ガスの流速の速い混合流路６００の横断面の中心に導くことができる。これにより、水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。
【実施例】
【０１０９】
実施例では、本発明の燃料処理装置の混合流路における水素リッチガスおよび空気の挙動をコンピューターシミュレーションを用いて解析した。【０１１０】
（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。【０１１１】
（混合流路の形状）
実施例で解析した混合流路１００の形状を図１２に示す。図１２に示されるように混合流路１００を半円型の円管によって構成した。円管の内径は６ｍｍとした。半円の直径Ｄは１２０ｍｍとした。また、ガス供給領域１１０の長さを９４ｍｍとし、ガス拡散領域の長さを９４ｍｍとした。ガス供給領域１１０には、ガス供給口１１１をガスの流れに沿って配列した。ガス供給口１１１の口径を４ｍｍとした。４つのガス供給口は図１２に示すように２２．５°ごとに配置した。【０１１２】
（空気および水素リッチガスの流量）
空気の流量を０．６Ｌ／ｍｉｎとし、水素リッチガスの流量を１８Ｌ／ｍｉｎとした。【０１１３】
（水素リッチガスの組成）
水素リッチガスの組成を以下のように設定した。
メタン１．８％；水蒸気１８．７％；二酸化炭素１５．４％；一酸化炭素０．２％；水素６３．９％。【０１１４】
（測定位置）
図１３に示されるように、１８°ごとにガス拡散領域の断面における酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率（酸素のモル濃度／一酸化炭素のモル濃度）を測定した。酸素は空気に含まれ、一酸化炭素は水素リッチガスに含まれるので、酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率のばらつきが小さいほど、水素リッチガスと空気とが十分に混合されていることを示唆する。【０１１５】
（解析結果）
実施例の解析結果を図１３に示す。図１３に示されるようにガス拡散領域の最も上流の断面（１）では、酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率のばらつきの幅は、２．４〜４．０となった。一方、断面（２）では、酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率のばらつきの幅は、２．８〜３．２となり、断面（３）では、２．８〜３．０となる。そして、断面（５）では、酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率のばらつきは確認されなかった。【０１１６】
上記解析結果は、ガス供給領域だけでは、水素リッチガスと空気との混合が不十分であるが、本発明のように、ガス供給領域のあとにガス拡散領域を設けることで、水素リッチガスと空気とを十分に混合できることを示唆する。【０１１７】
本出願は、２００８年５月３０日出願の特願２００８−１４３０２８に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の燃料処理装置は、安定して燃料電池用の燃料ガスを生成することができる。このため本発明の燃料処理装置は、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】
【０１１９】
１  燃焼部
２  蒸発部  
３  改質部
４  変成部
５  選択酸化部
６  燃料電池スタック
１００、２００、３００、４００、５００、６００  混合流路
１０１  空気流入口
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０  ガス供給領域
１２０  ガス拡散領域
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１  第１ガス供給口
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２、６１２  第２ガス供給口
２１３、３１３  第３ガス供給口
２１４  第４ガス供給口
４０１  障壁
【図１】
2009144923.tif 000003
【図２】
2009144923.tif 000004
【図３】
2009144923.tif 000005
【図４】
2009144923.tif 000006
【図５】
2009144923.tif 000007
【図６】
2009144923.tif 000008
【図７】
2009144923.tif 000009
【図８】
2009144923.tif 000010
【図９】
2009144923.tif 000011
【図１０】
2009144923.tif 000012
【図１１】
2009144923.tif 000013
【図１２】
2009144923.tif 000014
【図１３】
2009144923.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月19日(2009.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の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、水蒸気および炭化水素系燃料などの原料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リッチ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リッチ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、さらにＣＯ変成触媒によるシフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を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によって、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度をさらに１０ｐｐｍ以下程度まで低下させる選択酸化部と、変成部と選択酸化部とを接続する混合流路とを有する。混合流路は、変成部から排出された水素リッチガスと空気とを混合するための流路である。混合流路内で水素リッチガスと空気とを混合するには、水素リッチガスが流れる混合流路に空気を供給する方法が知られている（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（例えば特許文献１参照）における混合流路の断面図を図１Ａおよび図１Ｂに示す。
【０００６】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、混合流路１０は、変成部２０と選択酸化部３０とを接続する。混合流路１０は、さらに空気供給管（４０、４１）と接続されている。また、空気供給管（４０、４１）は混合流路１０の横断面の中心まで伸びている。図１Ａおよび図１Ｂ中の破線矢印は水素リッチガスの流れを示し、実践矢印は空気の流れを示す。
【０００７】
図１Ａに示されるように、水素リッチガスが流れる混合流路１０内に、空気供給管４０を通して空気を供給することで、水素リッチガスと空気とを混合することができる。また、図１Ｂに示されるように、水素リッチガスが流れる混合流路１０内に、空気供給管４１の先端に形成された複数の開口部４２を通して空気を供給することで、水素リッチガスと空気とを混合することができる。
【０００８】
また、空気供給管が混合流路１０の横断面の中心まで延びているので、水素リッチガスの流速が速い混合流路１０の横断面の中心に空気を供給し、水素リッチガスと空気との混合を促進することができる。
【０００９】
通常、混合流路１０内を流れる水素リッチガスの流量は、空気供給管から供給される空気の流量のおよそ２０倍程度である。
このように、混合流路内を流れる水素リッチガスの流量が多く、供給される空気の流量が小さいと、空気の流速が遅く、空気の供給によって混合流路内に形成される渦が小さい。形成される渦が小さいと、混合流路内で水素リッチガスと空気とが十分に混合されない。また、空気の流速を速くするために空気の噴出孔を小さくすることも考えられるが、その場合、圧力損失が大きくなってしまう。
【００１０】
また、上述のように水素リッチガスの流量は多いので、図１Ａおよび図１Ｂに示されたような、水素リッチガスが流れる混合流路に空気を流入させる方式では、圧力損失が大きくなるという問題もある。
【００１１】
このように、図１Ａおよび図１Ｂに示されたような、水素リッチガスが流れる混合流路に空気を供給する方式では、水素リッチガスと空気との混合が十分に行われず、かつ圧力損失が大きくなるという問題があった。
【００１２】
このような問題を解決するため、空気が流れる混合流路に水素リッチガスを供給する方式が提案されている（例えば特許文献２参照）。図２は特許文献２に開示された燃料処理装置における混合流路１０の斜視図である。
【００１３】
図２に示されるように混合流路１０は、水素リッチガスが充填された部屋５０内を通り、複数のガス供給口１１を有する。ガス供給口は、混合流路１０の全長にわたって形成される。混合流路１０の下流端は空気供給部に接続され、混合流路１０の下流端は選択酸化部に接続される。
【００１４】
次に図２に示された混合流路１０内で水素リッチガスと空気とを混合させるステップについて説明する。まず、混合流路１０内に空気供給部から空気が供給される。その後、混合流路に設けられた複数のガス供給口１１を通して、混合流路１０内に水素リッチガスが供給される。
【００１５】
図２に示されたような空気が流れる混合流路に水素リッチガスを供給する方式の混合流路では、流量が少ない空気が流れる混合流路内に、流量が多い水素リッチガスを供給するので、水素リッチガスは高流速で混合流路内に供給される。このため、図１Ａおよび図１Ｂに示された混合流路と比較して、水素リッチガスと空気とを効率的に混合することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００３−２２６５０４号公報
【特許文献２】特開２００４−２６２７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、図２に示されたような混合流路であっても、水素リッチガスと空気とが十分に混合されないという問題があった。特に圧力損失を抑えるために、水素リッチガスの供給量を減らす場合、図２に示されたような混合流路内では、水素リッチガスと空気とが十分に混合されない。混合流路内での水素リッチガスと空気との混合が十分でないと、仮に空気の供給量を増やしたとしても、水素リッチガス中の一酸化炭素が選択酸化部で酸化されず、生成される燃料ガスの一酸化炭素濃度が高くなる。燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなると燃料電池の触媒が被毒される。
【００１８】
本発明の目的は、圧力損失が低く、水素リッチガスと空気とを効果的に混合することができる混合流路を有し、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを生成することができる燃料処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者は、混合流路を水素リッチガスが供給される領域と、水素リッチガスおよび空気を拡散させ、水素リッチガスと空気とを混合させるための領域とに分け、水素リッチガスと空気とを混合させるための領域の長さを適宜選択することで、水素リッチガスと空気とを十分に混合できることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。
【００２０】
すなわち本発明は、以下に示す燃料処理装置に関する。
［１］一酸化炭素および水を含む水素リッチガスを生成する改質部と；前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成する変成部と；前記低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと酸素を含む空気とを混合して、混合ガスを生成する混合流路と；前記混合流路の上流端と接続し、前記混合流路に空気を供給する空気供給部と；前記混合流路の下流端と接続し、前記混合ガス中の一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成する選択酸化部と；前記混合流路の下流端と前記選択酸化部とを繋ぐ流路と；を有する燃料電池用の燃料処理装置であって、前記混合流路は、前記燃料処理装置の円周方向に沿った長軸を有する一本の管であり、かつ上流側のガス供給領域と下流側のガス拡散領域とからなり、前記混合流路は、前記ガス供給領域と前記変成部とを接続する２以上のガス供給口を有し、かつ前記ガス拡散領域には、前記ガス供給口を有さず、前記混合流路の下流端と前記選択酸化部とを繋ぐ流路の長軸は、前記燃料処理装置の長軸方向に沿い、前記ガス拡散領域の長さは、前記ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である、燃料処理装置。
［２］前記２以上のガス供給口は、前記混合流路の長軸に沿って配列され、前記ガス拡散領域における圧力損失は、前記ガス供給領域における圧力損失よりも高い、［１］に記載の燃料処理装置。
［３］前記２以上のガス供給口のうち、１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは異なる、［２］に記載の燃料処理装置。
［４］前記１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは対向する、［２］に記載の燃料処理装置。
［５］前記ガス供給口のうち、最上流側のガス供給口の口径が最も大きく、最下流側のガス供給口の口径が最も小さい、［２］に記載の燃料処理装置。
［６］前記混合流路内に設けられた２以上の障壁をさらに有し、前記障壁は、前記ガス供給口近辺の混合流路内のガスの流れの一部を遮る、［２］に記載の燃料処理装置。
［７］前記ガス供給口の口径は、前記混合流路に向かって絞り込まれている、［２］に記載の燃料処理装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、混合流路内で水素リッチガスと空気とが十分に混合されるので、選択酸化部で水素リッチガス内の一酸化炭素を効率的に酸化することができる。このため本発明の燃料処理装置は、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを生成することができる。
【００２２】
さらに、空気が流れる混合流路内に複数のガス供給口を通してガスを供給することから、混合流路の上流側の流速を低く抑えることができる。これにより一度に水素リッチガスを混合流路に流入させた場合と比べて、圧力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の燃料処理装置における混合流路の断面図
【図２】従来の燃料処理装置における混合流路の斜視図
【図３】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
【図４】実施の形態１の燃料処理装置のブロック図
【図５】実施の形態１の燃料処理装置の断面図
【図６】実施の形態１の混合流路の断面図
【図７】実施の形態２の混合流路を示す図
【図８】実施の形態３の混合流路を示す図
【図９】実施の形態４の混合流路の断面図
【図１０】実施の形態５の混合流路の断面図
【図１１】実施の形態６の混合流路の断面図
【図１２】実施例で解析した混合流路の形状を示す図
【図１３】実施例の解析結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の燃料処理装置は、炭化系燃料またはアルコールを含む原料ガスと水蒸気とを水蒸気改質反応させ、燃料電池用の燃料ガスを生成するための装置である。
本発明の燃料処理装置は、燃焼部、蒸発部、改質部、変成部、空気供給部、混合流路および選択酸化部を有する。
【００２５】
燃焼部は、改質部および蒸発部を熱するための機構である。燃焼部は火炎を形成できるのであれば特に限定されず、例えばバーナである。
【００２６】
蒸発部は、水を蒸発させて、水蒸気を生成し、原料ガスと水蒸気とを混合するための機構である。蒸発部は、燃焼部、改質部、変成部および選択酸化部と熱交換し、水を蒸発させて、水蒸気を生成する。生成された水蒸気は蒸発部で原料ガスと混合される。
【００２７】
改質部は、ルテニウム系やニッケル系の触媒を含み、蒸発部から供給される原料ガスと水蒸気とから、水蒸気改質反応によって、水素リッチガスを生成するための機構である。また、改質部で生成される水素リッチガスは、一酸化炭素および水蒸気を含む。改質部で生成された水素リッチガスの一酸化炭素濃度は、例えば７〜１３％である。
【００２８】
変成部は、改質部で生成された水素リッチガスから低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成するための機構である。変成部は、白金系や銅・亜鉛系の触媒を含み、改質部で生成された水素リッチガス中の一酸化炭素と水とから、シフト反応によって、二酸化炭素および水素を生成する。ここで「一酸化炭素の濃度が低い」とは、一酸化炭素の濃度が０．５％以下であることを意味する。
【００２９】
混合流路は、変成部で生成された一酸化炭素濃度が低い水素リッチガスと空気とを混合して、混合ガスを生成するための流路である。混合流路は、例えば円管または矩形管によって構成される領域である。混合流路は、円管によって構成された管状の領域であることが好ましい。混合流路の上流端は、混合流路に空気を供給する空気供給部と接続されている。空気供給部は、例えばポンプなどである。混合流路の下流端は、後述する選択酸化部に接続されている。
【００３０】
本発明の混合流路は、予め空気が流れている混合流路内にガス供給口を通して水素リッチガスを供給することで、水素リッチガスと空気とを混合する方式を採用する。したがって、本発明の混合流路は、変成部と接続する複数のガス供給口を有する。変成部を通過した水素リッチガスは複数のガス供給口を通して混合流路内に供給される。ガス供給口の構造については後述する。
【００３１】
選択酸化部は、混合流路で生成された混合ガス中の、一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成するための機構である。選択酸化部では、変成部で反応せずに残った混合ガス中の一酸化炭素が酸素によって酸化され、二酸化炭素になる。これにより、混合ガス中の一酸化炭素濃度は、１０ｐｐｍ以下にされ、燃料ガスが生成される。
【００３２】
このような構成を有する燃料処理装置は、燃料電池スタックを含む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などに適用されることができる。このような家庭用コージェネレーションシステムでは、燃料電池スタックのアノードからのオフガスは、凝縮器によって水分を除去され、再び燃料処理装置に導入され、燃焼部の燃料として使用されてもよい。また、アノードからのオフガスは、改質部と熱交換してもよい。
【００３３】
次に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について、図３を参照しながら説明する。
【００３４】
まず蒸発部に水と原料ガスであるメタンとを供給する。蒸発部に水と原料ガスとを供給すると水は蒸発部内で加熱され水蒸気になる。水蒸気と原料ガスとは蒸発部内で混合される（Ｓ１０００）。
【００３５】
その後、原料ガスおよび水蒸気は、改質部に流入する。改質部では以下の水蒸気改質反応により、原料ガスおよび水蒸気から一酸化炭素を含む水素リッチガスが生成される（Ｓ１００１）。また、水素リッチガスには未反応の水蒸気が含まれる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
【００３６】
改質部で生成された水素リッチガスは、変成部に流入する。変成部では、以下のシフト反応によって、改質部で生成された水素リッチガスから、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスが生成される（Ｓ１００２）。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００３７】
変成部で生成された低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスは、予め空気供給部から供給された空気が流れている混合流路にガス供給口を通して流入する。混合流路内では、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと空気とが混合され、混合ガスが生成される（Ｓ１００３）。
【００３８】
混合流路で生成された混合ガスは選択酸化部に流入する。選択酸化部では、混合ガス中の酸素と変成部で酸化されなかった一酸化炭素とが反応し、一酸化炭素が酸化され、混合ガスにおける一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低減される（Ｓ１００４）。選択酸化部を通過したガスは、燃料ガスとして取り出される。
【００３９】
このように生成された燃料ガスは、選択酸化部から流出し、燃料電池に供給される。燃料電池は、燃料ガス中の水素と、空気など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する。
【００４０】
上述の通り、ステップＳ１００３では、変成部を通過後の水素リッチガスと空気とが、混合流路内で混合されて、混合ガスが生成される。ところが、空気が流れる混合流路に水素リッチガスを流入させる方式（図２参照）では、混合流路内で水素リッチガスと空気とが十分に混合されないことがある。水素リッチガスと空気とが十分に混合されないまま、選択酸化部に流入すると、水素リッチガス中の一酸化炭素が十分に酸化されず、燃料ガスの一酸化炭素濃度が高くなる。
【００４１】
本発明の燃料処理装置は、水素リッチガスと空気とを混合流路内で十分に混合することができることを特徴とする。具体的には、本発明では、混合流路は、上流側のガス供給領域と、下流側のガス拡散領域とからなり；かつガス供給領域と変成部とを接続するガス供給口を有する。すなわち、本発明ではガス供給領域はガス供給口を介して変成部と接続し、ガス拡散領域はガス供給口を有さない。
【００４２】
ガス供給領域は、混合流路のうち、水素リッチガスが供給される領域である。ガス供給領域は、複数のガス供給口によって変成部と接続されている。したがって、変成部で生成された低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスは、ガス供給口を通って混合流路のガス供給領域内に流入する。
【００４３】
ガス供給口の数は特に限定されないが、例えば２〜６である。また、ガス供給口の口径は、混合流路の長さおよび直径によって適宜選択されうるが、例えば２〜５ｍｍである。ガス供給口は、混合流路の長軸に沿って所定の間隔ごとに配列されていることが好ましい。また、それぞれのガス供給口の混合流路の円周方向の位置は同じであってもよいし（実施の形態１参照）、異なっていてもよい（実施の形態２参照）。
【００４４】
それぞれのガス供給口の混合流路の円周方向の位置が異なる場合、１のガス供給口の混合流路の円周方向の位置は、他のガス供給口の混合流路の円周方向の位置と対向することが好ましい（実施の形態２参照）。それぞれのガス供給口の混合流路の円周方向の位置を違えることで、水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。
【００４５】
また、最上流側のガス供給口の口径が最大であり、最下流側のガス供給口の口径が最小であることが好ましい（実施の形態３参照）。より具体的には、ガス供給口の口径は、混合流路を流れるガスの方向に沿って徐々に小さくなることが好ましい。
【００４６】
ガス拡散領域は、ガス供給口を有さず、水素リッチガスと空気とが拡散効果により均一に混合するための時間を確保するための領域である。したがって、ガス拡散領域は、ガス供給領域を通過した水素リッチガスおよび空気が選択酸化部に到達するまでに一定時間を要するように設計されている。これにより、ガス供給領域を通過した水素リッチガスおよび空気は、ガス拡散領域を流れる過程で、拡散効果により十分に混合される。
【００４７】
具体的には、ガス供給領域を通過した水素リッチガスおよび空気が選択酸化部に到達するまでに一定時間を要するように、ガス拡散領域は一定量の体積を有する。ガス拡散領域の体積を確保するためには、ガス拡散領域の長さを調節してもよいし、ガス拡散領域の直径を調節してもよいが、ガス拡散領域の長さを調節することが好ましい。例えば、ガス拡散領域の直径を大きくすることで、ガス拡散領域の体積を調節した場合、ガス拡散領域の混合流路を流れる水素リッチガスおよび空気の流速が遅くなり、水素リッチガスと空気とが混合されにくくなる。
【００４８】
ガス拡散領域の長さを調節する場合、ガス拡散領域の長さは、ガスの性質や、混合流路の直径などによって適宜選択されることが好ましい。具体的には、混合流路の直径をＤ（ｍ）とし、ガス拡散領域内を流れるガス（水素リッチガスおよび空気）の流速（ｍ／秒）をＵとし、ガスが１ｍ拡散するために必要な時間（秒／ｍ）をｔとしたとき、ガス拡散領域の長さＬは以下の式で定義されることが好ましい。
Ｌ＝Ｕ×Ｄ×ｔ
【００４９】
このような、式を満たすガス拡散領域の長さは、通常、ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である。
【００５０】
ガス拡散領域の長さがガス供給領域の長さの０．５倍以下であった場合、ガス拡散領域内で、水素リッチガスと空気とが十分に混合されないことがある。一方、ガス拡散領域の長さがガス供給領域の長さの２倍以上であった場合、装置サイズが大きくなりすぎる。また、ガス拡散領域の長さがガス供給領域の長さの２倍以上であった場合、混合ガスの温度が下がり、選択酸化部で一酸化炭素の酸化反応が不十分になるおそれもある。また、ガス拡散領域の長さがガス供給領域の長さの２倍以上であった場合、圧力損失が大きくなる。
【００５１】
すなわち本発明の燃料処理装置では、変成部で生成された一酸化炭素濃度の低い水素リッチガスは、１）ガス供給口を通って、空気が流れるガス供給領域に流入し、そこで水素リッチガスと空気とがある程度攪拌され、２）ガス拡散領域を通る過程で、水素リッチガスと空気とが拡散効果によって十分に混合されて、混合ガスが生成される。生成された混合ガスは、選択酸化部に流入する。
【００５２】
このように、本発明では、水素リッチガスおよび空気は、ガス供給口を有さないガス拡散領域を通るので、仮にガス供給領域内での水素リッチガスと空気との混合が不十分であったとしても、ガス拡散領域を通過する過程で、十分に混合され、混合ガスが生成される。
【００５３】
このように、混合流路をガス供給領域と、ガス拡散領域とに分け；ガス拡散領域の長さを、ガス供給領域の長さの０．５〜２倍とすることで；混合流路内で、水素リッチガスと空気とを十分に混合することができ、水素リッチガスと空気との比率が均一な混合ガスを選択酸化部に供給することができる。このため、本発明の燃料処理装置は、燃料電池の運転状況によって生成される水素リッチガスおよび供給される空気の量が変動する場合であっても安定して燃料ガスを供給することができる。
【００５４】
また、空気が流れる混合流路内に、複数のガス供給口を通してガスを供給することから、混合流路の上流側の流速を低く抑えることができる。これにより一つの供給口のみから水素リッチガスを混合流路に流入させた場合と比べて、圧力損失を低減することができる（実施の形態１参照）。
【００５５】
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。
【００５６】
（実施の形態１）
図４は、実施の形態１の燃料処理装置の模式図を示し、図５は実施の形態１の燃料処理装置の断面図を示す。図４における斜線矢印は熱エネルギの動きを示し、図４および図５における実線矢印は、ガス（原料ガス、水蒸気または水素リッチガス）の流れを示す。
【００５７】
図４および図５に示されるように、実施の形態１の燃料処理装置は、燃焼部１と、蒸発部２と、改質部３と、変成部４と、混合流路１００と、選択酸化部５と、を有する。
【００５８】
また、図４に示されるように、燃料処理装置は、燃料電池スタック６と接続されてもよい。燃料処理装置が燃料電池スタック６と接続されている場合、選択酸化部５で生成された燃料ガスが燃料電池スタック６のアノードに供給され、燃料電池スタック６のアノードのオフガスが、凝縮器（不図示）を経て燃焼部１に供給される。
【００５９】
実施の形態１の燃料処理装置は、混合流路１００の構成に特徴を有する。以下、混合流路１００の構成について詳細に説明する。
【００６０】
図６は、図５に示した燃料処理装置の混合流路１００の拡大図である。混合流路１００の全長は、例えば１００〜２００ｍｍである。また、混合流路１００の直径は、燃料電池システムの出力によって適宜選択される。例えば燃料電池システムの出力が７５０Ｗであった場合、混合流路１００の断面の面積は、１２〜５０ｍｍ２である。図６に示されるように混合流路１００は、ガス供給領域１１０と、ガス拡散領域１２０とからなる。
【００６１】
ガス供給領域１１０の長さは、例えば５０〜１００ｍｍである。ガス拡散領域１２０の長さは、例えば５０〜１００ｍｍである。このようにガス拡散領域１２０の長さをガス供給領域１１０の長さの０．５〜２倍にすることで、混合流路１００内で水素リッチガスと空気とを十分に混合することができる（後述）。
【００６２】
ガス供給領域１１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口１１１および第２ガス供給口１１２を有する。空気流入口１０１と第１ガス供給口１１１との間隔と；第１ガス供給口１１１と第２ガス供給口１１２との間隔と；第２ガス供給口１１２とガス供給領域１１０の下流端との間隔と、は等しい。
一方、ガス拡散領域１２０はガス供給口を有さない。ガス供給口の面積は、燃料電池システムの出力が７５０ｗであった場合、例えば１２〜４０ｍｍ２である。
【００６３】
次に混合流路１００を流れる水素リッチガスおよび空気の挙動について説明する。図６中の矢印は、空気および水素リッチガスの流れを示す。
【００６４】
図６に示されるようにガス供給領域１１０には、予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口１１１および第２ガス供給口１１２を通って、ガス供給領域１１０に流入する。水素リッチガスの流量は、空気の流量のおよそ２０倍である。
【００６５】
このように、本実施の形態では流量が少ない空気が流れるガス供給領域１１０内に、流量が多い水素リッチガスがガス供給孔を通って流入するので、水素リッチガスの流入速度が速くなり、流入した水素リッチガスがガス供給領域１１０内に渦を発生させ、ガス供給領域１１０内の水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。
【００６６】
ガス供給領域１１０である程度攪拌された水素リッチガスと空気とは、ガス拡散領域１２０に流入する。ガス拡散領域１２０の長さは、水素リッチガスと空気とが拡散効果によって十分に混合される時間を確保できるように設定されている。したがって、水素リッチガスと空気とは、ガス拡散領域１２０を流れる過程で、拡散効果により十分に混合される。
【００６７】
このように本実施の形態によれば、混合流路を、ガス供給領域とガス拡散領域とに分け、ガス拡散領域の長さを、ガス供給領域の長さの約０．５〜２倍とすることで、混合流路内で、水素リッチガスと空気とを十分に混合することができる。これにより、水素リッチガスと、空気との比率が均一な混合ガスを選択酸化部に供給することができる。
【００６８】
また、水素リッチガスのガス供給口を２つ設けることで、水素リッチガスのガス供給口が一つだった場合と比較して、圧力損失を低減することができる。以下、ガス供給口を２つ設けることと、圧力損失を低減することとの関係について説明する。
【００６９】
ガス供給領域１１０全体の圧力損失Ｐは、空気流入口１０１から第１ガス供給口１１１間の圧力損失をＰ０とし；第１ガス供給口１１１と第２ガス供給口との間の圧力損失をＰ１とし；第２ガス供給口１１２とガス供給領域１１０の下流端との間の圧力損失をＰ２としたとき、下記式（１）のように定義される。
Ｐ＝Ｐ０＋Ｐ１＋Ｐ２                                    （１）
【００７０】
圧力損失は、層流の場合、ガスの流量に比例する。したがって、空気流入口１０１から第１ガス供給口１１１間のガスの流量をＱ０とし；第１ガス供給口１１１と第２ガス供給口との間のガスの流量をＱ１とし；第２ガス供給口１１２とガス供給領域１１０の下流端との間のガスの流量をＱ２とし；第１ガス供給口と第２ガス供給口とから均等量の水素リッチガスが供給されると仮定したとき、それぞれ圧力損失（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２）は、下記式（２）のように定義される。
Ｐ０＝α×Ｑ０×Ｌ
Ｐ１＝β×Ｑ１×Ｌ
Ｐ２＝β×Ｑ２×Ｌ
Ｑ２＝２×Ｑ１＋Ｑ０                                    （２）
【００７１】
ここで、Ｌはガス供給領域１１０の全長の１／３の長さ、αおよびβはガスの粘性および流路幅の関数を意味する。上述のように、空気の流量は水素リッチガスの流量の１／２０程度であるため０と近似してよい。したがってガスの流量は下記（３）式のように定義できる。
Ｑ０≒０
Ｑ２＝２×Ｑ１                                          （３）
【００７２】
よって、ガス供給領域１１０がガス供給口を二つ有する場合の、ガス供給領域１１０の圧力損失Ｐは下記（４）式のように定義できる。
Ｐ＝３×βＱ１×Ｌ                                      （４）
【００７３】
一方、ガス供給領域１１０が第２ガス供給口１１２を有さず；第１ガス供給口１１１のみから水素リッチガスを供給した場合、第１ガス供給口１１１より下流のガス供給領域１１０内のガスの流量は一定となる。そのため、ガス供給領域１１０内の圧力損失Ｐ’は、下記式（５）のように定義される。
Ｐ０＝α×Ｑ０×Ｌ
Ｐ１＝β×２Ｑ１×Ｌ
Ｐ２＝β×２Ｑ１×Ｌ
Ｐ’＝Ｐ０＋Ｐ１＋Ｐ２                                  （５）
【００７４】
よって、ガス供給口が１つの場合、ガス供給領域１１０内の圧力損失Ｐ’は下記式（６）のように定義される。
Ｐ’＝４×βＱ１×Ｌ                                    （６）
【００７５】
式（４）および式（６）より、ガス供給口を２つ設けた場合、ガス供給口が一つのみである場合よりも圧力損失を約３／４倍にすることができる。また、ガス供給口が混合流路の流れに沿って等間隔に配列されている場合、ガス供給口の数を増やすことにより圧力損失を更に低減することができる。
【００７６】
よって、実施の形態１に記載の燃料処理装置を用いることにより、低圧力損失で水素リッチガスと空気とを混合することができる。
【００７７】
（実施の形態２）
実施の形態１では、各ガス供給口の混合流路の円周方向の位置が同じである形態について説明した。実施の形態２では、各ガス供給口の混合流路の円周方向の位置が異なる形態について説明する。
【００７８】
実施の形態２の燃料処理装置では、ガス供給領域のガス供給口の配列パターンが異なる以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態２では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【００７９】
図７Ａは、実施の形態２の混合流路２００のうちガス供給領域２１０の斜視図である。図７Ａに示されるようにガス供給領域２１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口２１１、第２ガス供給口２１２、第３ガス供給口２１３および第４ガス供給口２１４を有する。各ガス供給口の混合流路２００の円周方向の位置は、それぞれ異なる。また、第１ガス供給口２１１と第２ガス供給口２１２との混合流路２００の円周方向の間隔と；第２ガス供給口２１２と第３ガス供給口２１３との混合流路２００の円周方向の間隔と；第３ガス供給口２１３と第４ガス供給口２１４との混合流路２００の円周方向の間隔と；は等しいことが好ましい。
【００８０】
また、第１ガス供給口２１１の混合流路２００の円周方向の位置と第３ガス供給口２１３の混合流路２００の円周方向の位置とは対向しており；かつ第２ガス供給口２１２の混合流路２００の円周方向の位置と、第４ガス供給口２１４の混合流路２００の円周方向の位置とは、対向している。
【００８１】
次にガス供給領域２１０における空気および水素リッチガスの挙動について説明する。図７Ｂは図７Ａに示したガス供給領域２１０の混合流路２００のＡＡ線の断面図である。図７Ｂ中の矢印は、空気および水素リッチガスの流れを示す。
【００８２】
図７Ｂに示されるようにガス供給領域２１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口２１１および第３ガス供給口２１３を通って、ガス供給領域２１０に流入する。
【００８３】
上述のように本実施の形態では、各ガス供給口の混合流路２００の円周方向の位置がそれぞれ異なる。これにより、ガス供給領域２１０内で水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。以下、各ガス供給口の混合流路２００の円周方向の位置がそれぞれ異なることと、ガス供給領域２１０内で水素リッチガスと空気との攪拌が促進されることとの関係について説明する。
【００８４】
図７Ｂに示されるように、空気流入口１０１を通して供給された空気Ａ１は、第１ガス供給口２１１を通して流入した水素リッチガスＨ１と攪拌される。一方、混合流路２００の壁面のうち第１ガス供給口２１１と対向する壁面側を流れる空気Ａ２は、水素リッチガスＨ１と攪拌されることなく、第１ガス供給口２１１が形成された領域を通過してしまうことがある。特に水素リッチガスの供給量が少なく、水素リッチガスの流入速度が遅い場合、空気Ａ２は、水素リッチガスＨ１と攪拌されることなく通過しやすい。
【００８５】
しかし、本実施の形態では、第３ガス供給口２１３は、混合流路２００の壁面のうち第１ガス供給口２１１と対向する壁面側に配置されている。このため、水素リッチガスＨ１と混合されずに通過した空気Ａ２は、第３ガス供給口２１３を通して流入した水素リッチガスＨ２と攪拌される。
【００８６】
このように、本実施の形態では、各ガス供給口の混合流路の円周方向の位置を違えることで、仮に水素リッチガスの流量が少ない場合であっても、ガス供給領域内における水素リッチガスと空気との攪拌を促すことができる。
【００８７】
（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２では、各ガス供給口の口径が全て同じである形態について説明した。実施の形態３ではガス供給口の口径が異なる形態について説明する。
【００８８】
実施の形態３の燃料処理装置では、ガス供給領域のガス供給口の配列パターンが異なる以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態３では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【００８９】
図８Ａは、本実施の形態の混合流路３００のうちガス供給領域３１０の斜視図である。図８Ａに示されるようにガス供給領域３１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口３１１、第２ガス供給口３１２および第３ガス供給口３１３を有する。混合流路３００の上流側の第１ガス供給口３１１の口径は最も大きく、下流側の第３ガス供給口３１３の口径は最も小さい。このように本実施の形態では混合流路３００内をガスが流れる方向に沿って、ガス供給口の口径が段階的に小さくなることを特徴とする。
【００９０】
次にガス供給領域３１０における空気および水素リッチガスの挙動について説明する。図８Ｂは図８Ａに示したガス供給領域３１０の混合流路３００のＡＡ線の断面図である。図３Ｂ中の矢印は、空気および水素リッチガスの流れを示す。
【００９１】
図８Ｂに示されるように、ガス供給領域３１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口３１１、第２ガス供給口３１２、第３ガス供給口３１３を通って、ガス供給領域３１０に流入する。
【００９２】
上述したように、空気の流量は水素リッチガスの流量の１／２０程度であるので、水素リッチガスが供給されていないガス供給領域３１０の上流では、ガスの流量が少なく；ガス供給口を通して水素リッチガスが流入するにしたがって、ガスの流量が段階的に多くなる。このようにガス供給領域内でのガスの流量にばらつきがあると、ガス供給領域内で水素リッチガスと空気との攪拌が十分に行われないおそれがある。
【００９３】
しかし、本実施の形態では、上流側の第１ガス供給口３１１の口径が大きいので、上流側の第１ガス供給口３１１から流入する水素リッチガスの流量が多く；下流側の第３ガス供給口３１３の口径が小さいので、下流側の第３ガス供給口３１３から流入する水素リッチガスの流量が小さい。このため、ガス供給領域３１０内を流れるガスの流量が均一化され、より効果的に水素リッチガスと空気とを攪拌することができる。
【００９４】
（実施の形態４）
実施の形態４では、混合流路がガス供給領域内に複数の障壁を有する形態について説明する。
【００９５】
実施の形態４の燃料処理装置では、混合流路がガス供給領域内に複数の障壁を有する以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態４では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【００９６】
図９は実施の形態４の混合流路４００のうちガス供給領域４１０の断面図を示す。図９に示されるように、ガス供給領域４１０は、空気流入口１０１と接続し、複数の障壁４０１を有する。障壁４０１は、混合流路４００の壁面のうち、ガス供給口と対向する領域に設けられており、ガス供給口近辺の混合流路４００内のガスの流れの一部を遮る。
【００９７】
次にガス供給領域４１０内の水素リッチガスおよび空気の挙動について説明する。図９中の矢印は、水素リッチガスおよび空気の流れを示す。図９に示されるようにガス供給領域４１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口４１１、第２ガス供給口４１２を通って、ガス供給領域４１０に流入する。
【００９８】
本実施の形態では、空気流入口１０１から流入した空気は、ガス供給口近傍（若干上流側）に配置された障壁４０１によりガス供給口へ近傍へと導かれる。このため、仮にガス供給口を通って流入する水素リッチガスの流速が遅く、ガス供給口の近傍のみで渦が形成される場合であっても、障壁４０１によりガス供給口近傍に空気が導かれるため、水素リッチガスと空気とを十分に攪拌することができる。
【００９９】
（実施の形態５）
実施の形態５では、ガス供給口の口径が、混合流路に向かって絞られている形態について説明する。
【０１００】
実施の形態５の燃料処理装置では、ガス供給領域が有するガス供給口の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態５では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【０１０１】
図１０は実施の形態５の混合流路５００のうちガス供給領域５１０の断面図を示す。図１０に示されるように、ガス供給領域５１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口５１１および第２ガス供給口５１２を有する。第１ガス供給口５１１および第２ガス供給口５１２は、混合流路５００に向かって絞り込まれている。
【０１０２】
次にガス供給領域５１０内の水素リッチガスおよび空気の挙動について説明する。図１０中の矢印は、水素リッチガスおよび空気の流れを示す。図１０に示されるようにガス供給領域５１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口５１１、第２ガス供給口５１２を通って、ガス供給領域５１０に流入する。
【０１０３】
本実施の形態では、ガス供給口の口径が混合流路に向かって絞り込まれているので、第１ガス供給口５１１および第２ガス供給口５１２を通って、ガス供給領域５１０に流入する水素リッチガスの流速が速くなる。これにより水素リッチガスと空気との攪拌が促進される。さらに、ガス供給口を通って流入する水素リッチガスの流速を高めることで、水素リッチガスの流入によって形成される渦を大きくすることができ、水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。
【０１０４】
（実施の形態６）
実施の形態６では、ガス供給口が、混合流路の横断面の中心まで延びている形態について説明する。
【０１０５】
実施の形態６の燃料処理装置では、ガス供給領域が有するガス供給口の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料処理装置と同じである。したがって、実施の形態６では、混合流路のうちガス供給領域についてのみ説明する。
【０１０６】
図１１は実施の形態６の混合流路６００のうちガス供給領域６１０の断面図を示す。図１１に示されるように、ガス供給領域６１０は、空気流入口１０１と接続し、第１ガス供給口６１１および第２ガス供給口６１２を有する。第１ガス供給口６１１および第２ガス供給口６１２は、混合流路６００の横断面の中心まで伸びている。
【０１０７】
次にガス供給領域６１０内の水素リッチガスおよび空気の挙動について説明する。図１１中の矢印は、水素リッチガスおよび空気の流れを示す。図１１に示されるようにガス供給領域５１０には予め空気流入口１０１から供給された空気が流れている。また、変成部４を通過した水素リッチガスが、第１ガス供給口６１１、第２ガス供給口６１２を通って、ガス供給領域６１０に流入する。
【０１０８】
混合流路６００内を流れるガスの流速は、混合流路６００の壁面近傍よりも混合流路６００の横断面の中心の方が速い。本実施の形態では、ガス供給口が延びているので、ガス供給口を通って流入した水素リッチガスを、ガスの流速の速い混合流路６００の横断面の中心に導くことができる。これにより、水素リッチガスと空気との攪拌を促進することができる。
【実施例】
【０１０９】
実施例では、本発明の燃料処理装置の混合流路における水素リッチガスおよび空気の挙動をコンピューターシミュレーションを用いて解析した。
【０１１０】
（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。
【０１１１】
（混合流路の形状）
実施例で解析した混合流路１００の形状を図１２に示す。図１２に示されるように混合流路１００を半円型の円管によって構成した。円管の内径は６ｍｍとした。半円の直径Ｄは１２０ｍｍとした。また、ガス供給領域１１０の長さを９４ｍｍとし、ガス拡散領域の長さを９４ｍｍとした。ガス供給領域１１０には、ガス供給口１１１をガスの流れに沿って配列した。ガス供給口１１１の口径を４ｍｍとした。４つのガス供給口は図１２に示すように２２．５°ごとに配置した。
【０１１２】
（空気および水素リッチガスの流量）
空気の流量を０．６Ｌ／ｍｉｎとし、水素リッチガスの流量を１８Ｌ／ｍｉｎとした。
【０１１３】
（水素リッチガスの組成）
水素リッチガスの組成を以下のように設定した。
メタン１．８％；水蒸気１８．７％；二酸化炭素１５．４％；一酸化炭素０．２％；水素６３．９％。
【０１１４】
（測定位置）
図１３に示されるように、１８°ごとにガス拡散領域の断面における酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率（酸素のモル濃度／一酸化炭素のモル濃度）を測定した。酸素は空気に含まれ、一酸化炭素は水素リッチガスに含まれるので、酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率のばらつきが小さいほど、水素リッチガスと空気とが十分に混合されていることを示唆する。
【０１１５】
（解析結果）
実施例の解析結果を図１３に示す。図１３に示されるようにガス拡散領域の最も上流の断面（１）では、酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率のばらつきの幅は、２．４〜４．０となった。一方、断面（２）では、酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率のばらつきの幅は、２．８〜３．２となり、断面（３）では、２．８〜３．０となる。そして、断面（５）では、酸素のモル濃度と一酸化炭素のモル濃度との比率のばらつきは確認されなかった。
【０１１６】
上記解析結果は、ガス供給領域だけでは、水素リッチガスと空気との混合が不十分であるが、本発明のように、ガス供給領域のあとにガス拡散領域を設けることで、水素リッチガスと空気とを十分に混合できることを示唆する。
【０１１７】
本出願は、２００８年５月３０日出願の特願２００８−１４３０２８に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の燃料処理装置は、安定して燃料電池用の燃料ガスを生成することができる。このため本発明の燃料処理装置は、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】
【０１１９】
１  燃焼部
２  蒸発部  
３  改質部
４  変成部
５  選択酸化部
６  燃料電池スタック
１００、２００、３００、４００、５００、６００  混合流路
１０１  空気流入口
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０  ガス供給領域
１２０  ガス拡散領域
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１  第１ガス供給口
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２、６１２  第２ガス供給口
２１３、３１３  第３ガス供給口
２１４  第４ガス供給口
４０１  障壁
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素および水を含む水素リッチガスを生成する改質部と；
前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成する変成部と；
前記低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと酸素を含む空気とを混合して、混合ガスを生成する混合流路と；
前記混合流路の上流端と接続し、前記混合流路に空気を供給する空気供給部と；
前記混合流路の下流端と接続し、前記混合ガス中の一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成する選択酸化部と；
前記混合流路の下流端と前記選択酸化部とを繋ぐ流路と；を有する燃料電池用の燃料処理装置であって、
前記混合流路は、前記燃料処理装置の円周方向に沿った長軸を有する一本の管であり、かつ上流側のガス供給領域と下流側のガス拡散領域とからなり、
前記混合流路は、前記ガス供給領域と前記変成部とを接続する２以上のガス供給口を有し、かつ前記ガス拡散領域には、前記ガス供給口を有さず、
前記混合流路の下流端と前記選択酸化部とを繋ぐ流路の長軸は、前記燃料処理装置の長軸方向に沿い、
前記ガス拡散領域の長さは、前記ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である、燃料処理装置。
【請求項２】
前記２以上のガス供給口は、前記混合流路の長軸に沿って配列され、
前記ガス拡散領域における圧力損失は、前記ガス供給領域における圧力損失よりも高い、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記２以上のガス供給口のうち、１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは異なる、請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは対向する、請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記ガス供給口のうち、最上流側のガス供給口の口径が最も大きく、最下流側のガス供給口の口径が最も小さい、請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記混合流路内に設けられた２以上の障壁をさらに有し、
前記障壁は、前記ガス供給口近辺の混合流路内のガスの流れの一部を遮る、請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記ガス供給口の口径は、前記混合流路に向かって絞り込まれている、請求項２に記載の燃料処理装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009144923.tif 000016
【図２】
2009144923.tif 000017
【図３】
2009144923.tif 000018
【図４】
2009144923.tif 000019
【図５】
2009144923.tif 000020
【図６】
2009144923.tif 000021
【図７】
2009144923.tif 000022
【図８】
2009144923.tif 000023
【図９】
2009144923.tif 000024
【図１０】
2009144923.tif 000025
【図１１】
2009144923.tif 000026
【図１２】
2009144923.tif 000027
【図１３】
2009144923.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月18日(2010.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
すなわち本発明は、以下に示す燃料処理装置に関する。
［１］  一酸化炭素および水を含む水素リッチガスを生成する改質部と；前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成する変成部と；前記低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと酸素を含む空気とを混合して、混合ガスを生成し、かつ上流側のガス供給領域と、下流側のガス拡散領域とからなる混合流路と；前記混合流路の上流端と接続し、前記混合流路に空気を供給する空気供給部と；前記混合流路の下流端と接続し、前記混合ガス中の一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成する選択酸化部と；を有する燃料電池用の燃料処理装置であって、前記混合流路は、前記ガス供給領域と前記変成部とを接続する２以上のガス供給口を有し、かつ前記ガス拡散領域には、前記ガス供給口を有さず、前記混合流路は、前記燃料処理装置の円周方向に沿った一本の管と、前記一本の管の下流端と接続し、前記燃料処理装置の長軸方向に沿った流路と、からなり、前記燃料処理装置の円周方向に沿った一本の管は、前記ガス供給領域と、前記ガス拡散領域の一部とからなり、前記燃料処理装置の長軸方向に沿った流路は、前記ガス拡散領域の他の一部からなり、前記ガス拡散領域の長さは、前記ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である、燃料処理装置。
［２］前記２以上のガス供給口は、前記混合流路の長軸に沿って配列され、前記ガス拡散領域における圧力損失は、前記ガス供給領域における圧力損失よりも高い、［１］に記載の燃料処理装置。
［３］前記２以上のガス供給口のうち、１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは異なる、［２］に記載の燃料処理装置。
［４］前記１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは対向する、［３］に記載の燃料処理装置。
［５］前記ガス供給口のうち、最上流側のガス供給口の口径が最も大きく、最下流側のガス供給口の口径が最も小さい、［２］に記載の燃料処理装置。
［６］前記混合流路内に設けられた２以上の障壁をさらに有し、前記障壁は、前記ガス供給口近辺の混合流路内のガスの流れの一部を遮る、［２］に記載の燃料処理装置。
［７］前記ガス供給口の口径は、前記混合流路に向かって絞り込まれている、［２］に記載の燃料処理装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素および水を含む水素リッチガスを生成する改質部と；
前記水素リッチガス中の一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスを生成する変成部と；
前記低濃度の一酸化炭素を含む水素リッチガスと酸素を含む空気とを混合して、混合ガスを生成し、かつ上流側のガス供給領域と、下流側のガス拡散領域とからなる混合流路と；
前記混合流路の上流端と接続し、前記混合流路に空気を供給する空気供給部と；
前記混合流路の下流端と接続し、前記混合ガス中の一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガスを生成する選択酸化部と；を有する燃料電池用の燃料処理装置であって、
前記混合流路は、前記ガス供給領域と前記変成部とを接続する２以上のガス供給口を有し、かつ前記ガス拡散領域には、前記ガス供給口を有さず、
前記混合流路は、前記燃料処理装置の円周方向に沿った一本の管と、前記一本の管の下流端と接続し、前記燃料処理装置の長軸方向に沿った流路と、からなり、
前記燃料処理装置の円周方向に沿った一本の管は、前記ガス供給領域と、前記ガス拡散領域の一部とからなり、
前記燃料処理装置の長軸方向に沿った流路は、前記ガス拡散領域の他の一部からなり、
前記ガス拡散領域の長さは、前記ガス供給領域の長さの０．５〜２倍である、燃料処理装置。
【請求項２】
前記２以上のガス供給口は、前記混合流路の長軸に沿って配列され、
前記ガス拡散領域における圧力損失は、前記ガス供給領域における圧力損失よりも高い、請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記２以上のガス供給口のうち、１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは異なる、請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記１のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置と、他のガス供給口の前記混合流路の円周方向の位置とは対向する、請求項３に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記ガス供給口のうち、最上流側のガス供給口の口径が最も大きく、最下流側のガス供給口の口径が最も小さい、請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記混合流路内に設けられた２以上の障壁をさらに有し、
前記障壁は、前記ガス供給口近辺の混合流路内のガスの流れの一部を遮る、請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記ガス供給口の口径は、前記混合流路に向かって絞り込まれている、請求項２に記載の燃料処理装置。
【国際調査報告】
2009144923.tif 000029
2009144923.tif 000030
2009144923.tif 000031
2009144923.tif 000032