(57)【要約】 【課題】  改質燃料から水素を生成する燃料改質装置において、曲がり部を有する流体通路からの流体の供給の不均一化を抑制する技術を提供する。【解決手段】  本発明は、改質燃料から水素を生成する燃料改質装置である。この燃料改質装置は、反応部と、前記反応部に流体を供給するとともに、前記流体の進行方向を曲げる曲がり部を有する流体通路とを備える。前記曲がり部は、前記流体の供給方向成分の流速の分散を抑制する流速分散抑制部を備えることを特徴とする。【選択図】  図４
2006056722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
反応部と、
前記反応部に流体を供給するとともに、前記流体の進行方向を曲げる曲がり部を有する流体通路と、
を備え、
前記曲がり部は、前記流体の供給方向成分の流速の分散を抑制する流速分散抑制部を備えることを特徴とする、燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記流速分散抑制部は、前記曲がり部において前記流体を撹拌する撹拌部を備える、燃料改質装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記撹拌部は、前記流体通路の進行方向の軸の回りに前記流体を旋回させるように構成された流体旋回部を備える、燃料改質装置。
【請求項４】
請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記撹拌部は、前記流体通路の進行方向の軸の回りに前記流体を旋回させるように構成された上流側の第１の流体旋回部と下流側の第２の流体旋回部と、
を備え
前記第１の流体旋回部と前記第２の流体旋回部は、前記流体通路の進行方向の軸について逆方向に前記流体を旋回させるように構成されている、燃料改質装置。
【請求項５】
請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記撹拌部は、前記流体通路の進行方向の軸の回りに前記流体を旋回させるように構成された上流側の第１の流体旋回部と下流側の第２の流体旋回部と、
を備え
前記第１の流体旋回部と前記第２の流体旋回部は、前記流体通路の進行方向の軸について同一方向に前記流体を旋回させるように構成されている、燃料改質装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料改質装置であって、
前記流体通路は、前記流体の熱交換を行う熱交換部から前記流体を受給する、燃料改質装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料改質装置であって、
前記反応部は、前記改質燃料を改質ガスに改質する改質反応を行う、燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系化合物を含む改質燃料から水素を生成する燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の燃料ガス供給元として燃料改質装置が提案されている。燃料改質装置は、燃料電池システムの車載化その他の理由により小型化されることが望まれている。燃料改質装置の小型化は、燃料改質装置の流体通路の一部に曲がり部を設けることによって実現することも可能である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６１３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料改質装置の流体通路に曲がり部を設けると、たとえば改質反応部への流体の供給が不均一となることが予想される。曲がり部は、流体の進行方向に速度ベクトルを有する乱流を発生させるからである。このような改質反応部への不均一な流体の供給は、改質反応部における反応温度の不均一その他の悪影響を改質反応に与えるおそれがある。さらに、このような不均一な流体の供給は、改質反応だけでなくシフト反応その他の反応に対しても悪影響を与えるおそれもある。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、改質燃料から水素を生成する燃料改質装置において、曲がり部を有する流体通路からの流体の供給の不均一化を抑制する技術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】
【０００６】
本発明は、改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
反応部と、
前記反応部に流体を供給するとともに、前記流体の進行方向を曲げる曲がり部を有する流体通路と、
を備え、
前記曲がり部は、前記流体の供給方向成分の流速の分散を抑制する流速分散抑制部を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の燃料改質装置では、流体の供給方向成分の流速の分散（ばらつき）が抑制されているので、曲がり部から供給される流体を反応部に均一に供給することができる。これにより、反応部における化学反応のばらつきを抑制しつつ燃料改質装置の小型化を実現することができる。
【０００８】
ここで、「反応部」には、改質反応やシフト反応その他の化学反応を起こさせる構成品が含まれる。また、流体の供給方向成分の流速の分散の抑制は、曲がり部における流体の撹拌や境界層制御といった種々の技術によって実現することができる。これらの技術については後述する。
【０００９】
上記燃料改質装置において、前記流速分散抑制部は、前記曲がり部において前記流体を撹拌する撹拌部を備えるようにしても良い。こうすれば、流体通路中の流体温度のばらつきについても均一化を図ることができる。
【００１０】
上記燃料改質装置において、前記撹拌部は、前記流体通路の進行方向の軸の回りに前記流体を旋回させるように構成された流体旋回部を備えるようにしても良い。
【００１１】
このように、流体通路の進行方向の軸の回りに流体を旋回させるようにすれば、流体の撹拌を実現しつつ流体通路の進行方向の速度ベクトルを過度に形成しないので、流体通路の進行方向の速度の均一化を効率的に実現することができる。
【００１２】
上記燃料改質装置において、前記撹拌部は、前記流体通路の進行方向の軸の回りに前記流体を旋回させるように構成された上流側の第１の流体旋回部と下流側の第２の流体旋回部と、
を備え
前記第１の流体旋回部と前記第２の流体旋回部は、前記流体通路の進行方向の軸について逆方向に前記流体を旋回させるように構成されているようにしても良い。
【００１３】
このように、流体通路の進行方向の軸の回りに形成される流体の旋回を反転させるようにすれば、流体通路の進行方向の速度をより均一化することができる。
【００１４】
上記燃料改質装置において、前記撹拌部は、前記流体通路の進行方向の軸の回りに前記流体を旋回させるように構成された上流側の第１の流体旋回部と下流側の第２の流体旋回部と、
を備え
前記第１の流体旋回部と前記第２の流体旋回部は、前記流体通路の進行方向の軸について同一方向に前記流体を旋回させるように構成されているようにしても良い。
【００１５】
このように、流体通路の進行方向の軸の回りに形成される流体を同一方向に旋回させるようにすれば、流体通路の流路抵抗を過大とすることなく進行方向の速度を均一化することができる。
【００１６】
上記燃料改質装置において、前記流体通路は、前記流体の熱交換を行う熱交換部から前記流体を受給するようにしても良い。こうすれば、熱交換によって発生した流体中の温度勾配を小さくすることができるので、本発明の効果を顕著に奏することができる。
【００１７】
上記燃料改質装置において、前記反応部は、前記改質燃料を改質ガスに改質する改質反応を行うようにしても良い。こうすれば、反応の均一化は改質反応において特に重要なので、改質反応への流体の供給速度を均一化すれば本発明の効果を顕著に奏することができる。
【００１８】
なお、本発明は、燃料改質装置を備える燃料電池システムや燃料改質装置を備える燃料電池システムを搭載する移動体などの装置その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの概略構成：
Ｂ．本発明の実施例における燃料改質装置のハードウェア構成：
Ｃ．変形例：
【００２０】
Ａ．燃料電池システム１０の概略構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料改質装置２００と、酸化ガス供給部３００と、燃料電池システム全体の動作を制御するための制御部６００と、を備えている。燃料電池１００は、燃料改質装置２００から供給される燃料ガスと、酸化ガス供給部３００から供給される酸化ガスとを用いて発電する。燃料改質装置２００は、原燃料を改質して水素ガスを含む燃料ガスを燃料電池１００に供給する。酸化ガス供給部３００は、ブロワ３１０を用いて酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を燃料電池１００に供給する。
【００２１】
燃料改質装置２００は、予混合燃料タンク２１０と、ブロワ２２０と、気化部２３０と、改質部２４０と、第１の熱交換部２５０と、シフト部２６０と、水素分離部２７０と、第２の熱交換部２８０と、浄化部２９０と、を備える。
【００２２】
予混合燃料タンク２１０は、炭化水素系の原燃料と水とが予め混合された予混合燃料を貯蔵するタンクである。予混合燃料は、ポンプ２１２と噴射弁２１４とを用いて気化部２３０に供給される。ブロワ２２０は、第１の熱交換部２５０を介して、気化部２３０に空気を供給する。第１の熱交換部２５０を介して供給しているのは、気化部２３０に加熱された空気を供給するためである。
【００２３】
気化部２３０は、加熱部２３２を用いて噴射弁２１４によって噴射された予混合燃料を気化させる。これにより、原燃料と水蒸気と空気との混合ガスが生成されて改質部２４０に供給される。
【００２４】
改質部２４０は、混合ガスに含まれる原燃料を、水蒸気と空気中の酸素ガスとを用いて、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む改質ガスに改質する。この改質反応は、図示しない改質触媒を用いて行われる。
【００２５】
第１の熱交換部２５０は、改質部２４０から供給された改質ガスを冷却して、シフト部２６０に供給する。改質ガスを冷却するのは、シフト部２６０における反応温度が、改質部２４０における反応温度よりも低いからである。
【００２６】
シフト部２６０は、改質ガス中の一酸化炭素ガスを、水素ガスと二酸化炭素ガスとに変換して改質ガス中の一酸化炭素ガス濃度を低下させる。改質ガス中の一酸化炭素ガス濃度を低下させるのは、燃料電池１００内部の電極に担持された貴金属触媒の被毒を抑制するためである。シフト反応は、図示しないシフト触媒を用いて行われる。
【００２７】
水素分離部２７０は、シフト部２６０から供給されたガスから水素ガスを抽出して第２の熱交換部２８０に供給する。シフト部２６０から供給されたガスは、水素分離部２７０の供給室２７２に入れられる。供給室２７２は、水素ガスを選択的に透過させる水素透過膜２７０ｆを介して抽出室２７４に面しているので、水素ガスのみが抽出室２７４に供給される。抽出室２７４に供給された水素ガスは、燃料電池１００から供給された酸化オフガスによって第２の熱交換部２８０を介して燃料電池１００に供給される。一方、水素透過膜２７０ｆを透過しなかった残存ガスは、浄化部２９０に送られる。
【００２８】
浄化部２９０は、シフト部２６０において変換されずに排出された一酸化炭素ガスを、空気中の酸素ガスを用いて無害の二酸化炭素ガスにして大気へ排出する。
【００２９】
このように燃料改質装置２００は、複数の段階で化学反応を行って燃料ガスを生成している。かかる複数の段階における化学反応を行う構成部品は、後述するように曲がり部を有する複数の流体通路によって接続されている。
【００３０】
Ｂ．本発明の実施例における燃料改質装置のハードウェア構成：
図２は、本発明の実施例における燃料改質装置２００のハードウェア構成を示すレイアウト図である。このレイアウト図は、燃料電池システム１０の概略構成図（図１）の中の燃料改質装置２００の各構成品の配置を示している。
【００３１】
燃料改質装置２００の各構成品は、２つのＵ字型の流体通路１１０、１２０を用いてコンパクトに配置されている。具体的には、気化部２３０と改質部２４０の間および第１の熱交換部２５０とシフト部２６０との間は、それぞれＵ字型の流体通路１１０とＵ字型の流体通路１２０とによって接続されている。
【００３２】
図３は、本発明を適用しなかった場合にＵ字型の流体通路１１０ａの内部において流体が流れる様子を示す説明図である。図３から分かるように、気化部２３０から供給された流体は、流体通路の内壁から剥離して乱流（渦）を生じさせている。この乱流は、流体の進行方向に速度ベクトルを有するので、改質部２４０への流体の供給を不均一とすることになる。すなわち、改質部２４０への入り口部において流体の流速の速い部分と遅い部分が生ずることになって、流体が多く供給される部分と少なく供給される部分とが生ずる。
【００３３】
改質部２４０への流体の供給が不均一になると、改質反応の量も不均一となる。これにより、改質反応によって発生する熱も不均一となるため、改質部２４０において熱勾配が発生することになる。このような熱勾配は、改質部２４０における反応温度の制御を困難とするため適切な改質反応を阻害する要因となる。さらに、このような熱勾配は、改質反応だけでなくシフト反応その他の化学反応においても悪影響を与えるおそれがある。
【００３４】
図４は、本発明の実施例におけるＵ字型の流体通路１１０の内部構成を示す説明図である。この流体通路１１０は、上流側外管１１１ｕと、上流側内管１１２ｕと、下流側外管１１１ｄと、下流側内管１１２ｄと、これらを連結する連結管１１８と、上流側外管１１１ｕと連結管１１８との間に装備された上流側絞り板１１６ｕ、下流側外管１１１ｄと連結管１１８との間に装備された下流側絞り板１１６ｄと、上流側内管１１２ｕに装備された上流側旋回翼群１１４ｕと、下流側内管１１２ｄに装備された下流側旋回翼群１１４ｄとを備えている。なお、Ｕ字型の流体通路１２０の内部構成は、Ｕ字型の流体通路１１０と同一である。
【００３５】
Ｕ字型の流体通路１１０の内部において流体は以下のように流れる。気化部２３０から供給された流体は、まず上流側内管１１２ｕの内部に流れ込む。この流体は、上流側内管１１２ｕに装備された上流側旋回翼群１１４ｕの隙間を通じて、旋回しつつ上流側外管１１１ｕに流れ込む。この旋回流は流体通路１１０の中心軸線に垂直な方向に速度ベクトルを有するので、流体通路１１０の中心軸線に垂直な方向に流体を撹拌することができる。この撹拌は、流体通路１１０の中心軸線に垂直な方向における流体通路１１０の中心軸線方向の速度勾配（あるいは分散）を小さくする効果を奏することができる。
【００３６】
このようにして撹拌された流体は、上流側絞り板１１６ｕで形成された上流側の絞りを通過して、連結管１１８に供給される。この絞りは、流体通路１１０の中心軸線方向の速度勾配をさらに小さくする効果を奏することができる。連結管１１８を通過した流体は、下流側絞り板１１６ｄで形成された下流側の絞りを通過して、下流側外管１１１ｄの内部に流れ込む。この流体は、下流側内管１１２ｄに装備された下流側旋回翼群１１４ｄの隙間を通じて、旋回しつつ下流側内管１１２ｄの内部を経由して改質部２４０に供給される。
【００３７】
このように、本実施例では、混合ガスである流体を撹拌することによって流体通路中の濃度分布や流体温度のバラツキ、さらには、流体通路１１０の中心軸方向の流速のバラツキが抑制されることになる。このように、混合ガスである流体の濃度分布、温度分布、および供給量が流体通路で均一化された状態で改質部２４０に供給されるので、改質部２４０における均質な化学反応を実現することができる。
【００３８】
なお、本実施例では、下流側旋回翼群１１４ｄを備える下流側内管１１２ｄと、上流側旋回翼群１１４ｕを備える上流側内管１１２ｕと、２つの絞り板１１６ｕ、１１６ｄとが特許請求の範囲における「流速分散抑制部」に相当する。
【００３９】
また、旋回の方向は、上流側旋回翼群１１４ｕおよび下流側旋回翼群１１４ｄは、流体通路の進行方向の軸について同一方向に旋回させるように構成しても良いし、反転させるように構成しても良い。ただし、同一方向に旋回させるように構成すれば、流体通路の流路抵抗を小さくすることができるという利点があり、反転させるように構成すれば流体通路の進行方向の速度をより均一化することができるという利点がある。
【００４０】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００４１】
Ｃ−１．上記実施例では、改質部２４０に流体を供給するＵ字型の流体通路１１０と、シフト部２６０に流体を供給するＵ字型の流体通路１２０の双方に流速分散抑制部が装備されているが、たとえば改質部２４０に流体を供給するＵ字型の流体通路１１０にのみ流速分散抑制部を装備するように構成しても良い。本発明は、一般に、改質反応やシフト反応といった化学反応を行う構成品に流体を供給する流体通路の少なくとも一部に流速分散抑制部が装備されるように構成されていれば良い。
【００４２】
ただし、一部の反応部に流体を供給する流体通路にのみ流速分散抑制部を装備する場合には、改質燃料を改質ガスに改質する改質反応を行う改質部２４０に流体を供給する流体通路に流速分散抑制部を装備することが好ましい。反応の均一化は改質反応において特に重要なので、改質反応への流体の供給速度を均一化すれば本発明の効果を顕著に奏することができるからである。
【００４３】
また、熱交換は、流体温度の不均一化を生じさせやすいので、流体の熱交換を行う熱交換部から流体を受給する流体通路の曲がり部に流速分散抑制部が装備されるように構成することが好ましい。
【００４４】
Ｃ−２．上記実施例では、流速分散抑制部は、下流側旋回翼群１１４ｄを備える下流側内管１１２ｄと、上流側旋回翼群１１４ｕを備える上流側内管１１２ｕとを用いて流体を旋回させることによって流体を撹拌し、これにより流速を均一化させているが、たとえば図５に示すように、２つの内管１１２ｍに旋回翼の代わりに多数の孔を形成して流体を撹拌するように構成しても良い。
【００４５】
Ｃ−３．上記実施例では、撹拌することによって流体の供給方向成分の流速の分散（ばらつき）を抑制しているが、たとえば曲がり部における流体の流体通路内壁からの剥離を抑制して流体通路からの流体の供給の不均一化を抑制するようにしても良い。かかる流体の剥離は、たとえば流体通路内壁に小さな突起を多数設けて近傍の流体の境界層に小さな多数の渦を発生させることによって抑制することができる（境界層制御）。本発明で使用する流速分散抑制部は、一般に、流体の供給方向成分の流速の分散を抑制するように構成されていれば良い。
【００４６】
Ｃ−４．上記実施例では、曲がり部を有する流体通路としてＵ字型の流体通路１１０、１２０が使用されて流体の進行方向が１８０度曲げられているが、流体の進行方向をたとえば９０度曲げる場合にも本発明は適用することができる。本発明は、角度に関わりなく、広く流体の進行方向を曲げる曲がり部を有する流体通路を使用する燃料改質装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図。
【図２】本発明の実施例における燃料改質装置２００のハードウェア構成を示すレイアウト図。
【図３】本発明を適用しなかった場合にＵ字型の流体通路１１０ａの内部において流体が流れる様子を示す説明図。
【図４】本発明の実施例におけるＵ字型の流体通路１１０の内部構成を示す説明図。
【図５】本発明の変形例におけるＵ字型の流体通路の内部構成の一部を示す説明図。
【符号の説明】
【００４８】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０、１１０ａ…流体通路
１１１ｄ…下流側外管
１１１ｕ…上流側外管
１１２ｄ…下流側内管
１１２ｕ…上流側内管
１１２ｍ…変形例の内管
１１４ｄ…下流側旋回翼群
１１４ｕ…上流側旋回翼群
１１６ｄ、１１６ｕ…絞り形成板
１１８…連結管
１２０…流体通路
２００…燃料改質装置
２１０…予混合燃料タンク
２１２…ポンプ
２１４…噴射弁
２２０…ブロワ
２３０…気化部
２３２…加熱部
２４０…改質部
２５０…第１の熱交換部
２６０…シフト部
２７０…水素分離部
２７０ｆ…水素透過膜
２７２…供給室
２７４…抽出室
２８０…第２の熱交換部
２９０…浄化部
３００…酸化ガス供給部
３１０…ブロワ
６００…制御部
【図１】
2006056722.tif 000003
【図２】
2006056722.tif 000004
【図３】
2006056722.tif 000005
【図４】
2006056722.tif 000006
【図５】
2006056722.tif 000007