(57)【要約】【課題】  液体原料を気化する原料気化部を構成する蒸発管の出口部付近での圧力損失の増大を抑えるとともに、原料の流量の脈動を抑制することができ、安定した性能の燃料改質器を得るものである。【解決手段】  液体原料と気体原料とを混合した原料から燃料ガスを生成する燃料改質器において、下流部の開口断面積が上流部の開口断面積より大きい蒸発管９で液体原料を気化する原料気化部６を備えたことを特徴とする燃料改質器を得るものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流部の開口断面積が上流部の開口断面積より大きい蒸発管で液体原料である第１の原料を気化する原料気化部と、
この原料気化部の下流に連結され、上記第１の原料に第２の原料を混合する原料混合部と、
この原料混合部の下流に連結された改質触媒部と、
を備えたことを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】
第２の原料は、気体原料であることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器。
【請求項３】
第２の原料は、一部が液体原料であり、原料混合部において気化されることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器。
【請求項４】
原料気化部から原料混合部へ送られる第１の原料の一部が液体であることを特徴とする請求項３記載の燃料改質器。
【請求項５】
蒸発管の内部における第１の原料の気化分率が１０％となる位置で、上記第１の原料の気相成分の標準状態換算の線速度が３ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池などに燃料ガスを供給する燃料改質器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料改質器では、液体原料である水を原料気化部で気化させたのち原料混合部で気体原料である都市ガスなどと混合して改質触媒部に送り、この改質触媒部で水素、二酸化炭素および一酸化炭素を含む燃料ガスに変換していた（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、灯油と水とを原料とした燃料改質器では、水を水蒸気発生器に供給し、この水蒸気発生器から発生した２００〜３４０℃の水蒸気と脱硫器で脱硫した灯油とを原料混合部である気化器で混合して、この原料混合部で水蒸気の熱を用いて灯油を気化していた（例えば、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１６４９７６号公報（２−３頁、図１）
【特許文献２】特開２００２−２０１４７８号公報（４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料改質器においては、原料気化部は一定の開口断面積をもつパイプ状の蒸発管で構成されており、この蒸発管の中では、液体原料がすべて気化されるまでは、気体と液体とが混合した状態の気液２相の流れとなっている。このとき、蒸発管の入口部では気体の流量が少ないために気相成分の線速度（物質の流れ方向の速度）が遅いスラグ流のような状態となり、間欠的に液体原料の流量が変化する場合があった。このため原料気化部における気体の生成が不安定となり、液体原料を一定量で原料気化部に供給しているのにも関わらず、蒸発管の出口部では流量に脈動が生じる問題があった。
【０００６】
蒸発管の入口部での気相成分の線速度を上げるために、蒸発管の開口断面積を小さくする方法があるが、蒸発管の開口断面積を小さくすると、液体原料がほとんど気化している出口部付近で圧力損失が増大し、原料供給に用いるポンプの動力を増大させる必要があり、燃料改質器の効率が下がるという問題があった。
【０００７】
また、原料に水と灯油とを用いる場合、約３００℃の水蒸気に灯油を混合してこの灯油を気化しているが、燃料改質器の負荷変動や、起動時、停止時などに一時的に原料混合部の温度が上昇すると、灯油が炭化して配管や原料混合部の内壁に付着するなどして原料の流れを妨げる場合があり、原料の流量が変動するなどの問題があった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、蒸発管の出口部付近での圧力損失の増大を抑えて、原料の流量の脈動を抑制することができる燃料改質器を得るものである。
【０００９】
また、原料に水と灯油などの液体原料とを用いる場合に、一時的に原料混合部が高温になった場合でも灯油の炭化を防止して、安定した原料の流量を維持することができる燃料改質器を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る燃料改質器においては、下流部の開口断面積が上流部の開口断面積より大きい蒸発管で液体原料である第１の原料を気化する原料気化部と、第１の原料に第２の原料を混合する原料混合部と、改質触媒部とを備えたものである。
【００１１】
また、第２の原料が液体原料である場合、第２の原料が原料混合部で気化されるとともに、原料気化部から原料混合部へ送られる第１の原料の一部が液体であるように構成したものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係る燃料改質器においては、原料気化部の蒸発管の入口部付近では気液２相の均一な流れとなる気相成分の線速度を得ることができるとともに、蒸発管の出口部付近では圧力損失の増大を抑制することができる。
【００１３】
また、第２の原料が液体原料である場合に、燃料改質器の負荷変動や、起動時、停止時などで一時的に原料混合部の温度が上昇しても第２の原料の炭化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による燃料改質器の断面模式図である。円筒状の燃焼ガス流路１の下部にバーナ２を備えた燃焼室３が設けられている。バーナ２の横には燃料と空気とをバーナ２に送る燃料配管４が設けられている。燃焼ガス流路１の外周部に接して原料改質部５が設けられている。この原料改質部５は、液体原料が流れる上流から順に、原料気化部６、原料混合部７および改質触媒部８で構成されている。原料気化部６は、円筒状の燃焼ガス流路１の外周部に接してらせん状に巻きつけられた金属製のパイプの蒸発管９で構成されており、内径が２．２ｍｍで長さが４ｍのパイプに内径４．４ｍｍで長さが６ｍのパイプを接続したもので、入口部９ａは内径が２．２ｍｍであり、出口部９ｂは内径が４．４ｍｍである。つまり、蒸発管９の下流部の開口断面積を上流部の開口断面積より大きくしている。蒸発管９と燃焼ガス流路１との隙間には伝熱性の高いセメントなどを充填して熱交換性能を向上させている。原料混合部７は、蒸発管９の出口部９ｂに連結された内径４．４ｍｍのパイプで構成されており、このパイプの側面に原料配管１０が接続されている。改質触媒部８にはニッケルを活性金属とする改質触媒物質が充填されている。
【００１５】
次に、本実施の形態における燃料改質器の動作について説明する。バーナ２に燃料配管４から燃料と空気とが供給されると、バーナ２に炎が形成され燃焼室３内に高温の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは燃焼ガス流路１を通過して燃焼ガス出口（図示せず）から系外に排出される。高温の燃焼ガスが燃焼ガス流路１を通過するときに、改質触媒部８、原料気化部６にそれぞれ気化や触媒反応に必要な熱を与える。本実施の形態においては、燃焼室３に近い改質触媒部８は４００〜７００℃、に、原料気化部６は２００〜３００℃に保たれている。
【００１６】
本実施の形態では、液体原料である第１の原料としては水を、第２の原料としては気体原料である都市ガスを用いている。原料気化部６の蒸発管９の入口部９ａから下方へ向かって供給された水は、蒸発管９の内部で水蒸気に気化されたのちに原料混合部７へ供給される。原料混合部７に送られた水蒸気は、原料配管１０から供給された都市ガスと混合されて改質触媒部８に送られる。この改質触媒部８の改質触媒物質の表面で改質反応が起こり、水素、二酸化炭素および一酸化炭素を含む燃料ガスに変換される。この燃料ガスが原料改質部５の下部で流れの方向を上方に変えられたのち系外に設置される燃料電池（図示せず）などに送られる。
【００１７】
本実施の形態において、比較のために原料気化部６の蒸発管９の内径を変化させた場合の試験を行った。参考例１は、原料気化部６を内径４．４ｍｍで長さが１０ｍの蒸発管で構成したものであり、参考例２は、原料気化部６を内径２．２ｍｍで長さが１０ｍの蒸発管で構成したものである。原料気化部６以外の構成は、本実施の形態と同じである。表１は、本実施の形態、参考例１および参考例２の特性を比較したものである。液体原料である水の供給流量は一定の１５ｃｃ／ｍｉｎとし、蒸発管の出口部での流量変動および蒸発管の入口部と出口部との間での圧力損失を測定した。表中の気化分率とは、測定位置を流れる原料全体に対する気化された原料の重量比率であり、蒸発管の入口部で水がすべて液体の場合には気化分率は０％であり、出口部付近で水のすべてが水蒸気に気化された場合には気化分率は１００％である。気液２相の流れの流動状態は、一般的な２相流流動様式の整理方法、例えばＢａｋｅｒの流動様式線図（伝熱工学資料改定第４版、１３５頁、日本機械学会）により予測が可能であり、流体物質、流路形状、流量、温度などから気化分率および線速度を求めることができる。本実施の形態、参考例１および参考例２において、水の供給流量、蒸発管の構造、燃料改質器の構造や動作条件などから、それぞれの条件における気化分率１０％の位置およびその位置での気相成分の線速度をシミュレーションで算出した。なお、気相成分の線速度は、気体の温度によって気体の体積が変化することから、比較のために標準状態（０℃）における線速度に換算している。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
液体原料である水は、蒸発管の内部を上流部から下流部に向かって流れていく過程で加熱され、水蒸気への蒸発割合を増加させていく。気液２相の流れでは気化された水蒸気により未気化の水を随伴する流れとなるが、このときの気相成分の線速度が遅いとスラグ流のような不均一な流れの状態となり、蒸発管の出口部での水蒸気の流量に脈動が発生する。参考例１においては、蒸発管の内径が４．４ｍｍと大きいため、蒸発管の入口部に近い気化分率１０％の位置での気相成分の線速度が２ｍ／ｓと遅く、そのために出口部での流量変動が±２０％と大きくなっており、原料の流量に脈動が生じていることがわかる。一方、内径を２．２ｍｍと小さくした参考例２においては、蒸発管の入口部に近い気化分率１０％の位置での気相成分の線速度が８ｍ／ｓと速いために流量変動は±５％に抑えられているが、水蒸気への気化が進んだ出口部では圧力損失が１５０ｋＰａと増大していることがわかる。これらの参考例に対して、本実施の形態においては、気体の流量が少ないために気相成分の線速度が遅くなりやすい蒸発管の入口部では蒸発管の内径を２．２ｍｍと細くして気相成分の線速度が８ｍ／ｓとなるようにして流量変動を抑え、圧力損失が大きくなりやすい出口部では内径を４．４ｍｍとして圧力損失の増大を抑えている。
【００２０】
このように本実施の形態における燃料改質器では、蒸発管の上流部の内径が小さいので、気体の流量が少ない入口部でも充分な気相成分の線速度が得られるために第１の原料の脈動を抑えることができるとともに、蒸発管の下流部の内径が上流部より大きいので、出口部での圧力損失の増大を抑制することができる。その結果、原料混合部で水蒸気と都市ガスとの混合比率が常に一定となり、安定して動作する燃料改質器が得られる。
【００２１】
なお、本実施の形態では、蒸発管の内径を２段階に変更する例を示したが、２段階以上に出口部に向かって徐々に内径を大きくしてもよく、また連続的に内径が増大する構造を採用することもできる。とくに、連続的に内径が増大する構造では、内径の変化に段差がないために第１の原料の流れがよりなめらかとなる。また、原料気化部の蒸発管の内径を変えることで開口断面積を変えているが、原料気化部を内径が同じ複数本の蒸発管で構成し、下流部の蒸発管の本数を上流部より増やすことで開口断面積を大きくしてもよい。さらには、本実施の形態では蒸発管を金属製のパイプで構成する例を示したが、必ずしもパイプ状である必要はなく、例えば２枚の金属板に溝を形成して貼り合わせて密閉流路を形成したようなものを用いることもできる。この方法を用いると、連続的に内径が増大する構造や複数の流路で断面積を変える構造を実現し易くなる。
【００２２】
また、本実施の形態においては、液体原料である第１の原料として水を、第２の原料として都市ガスを組み合わせて用いたが、第１の原料として灯油を、第２の原料として酸素ガスまたは空気を組み合わせて用いることもできる。また、第２の原料として都市ガスを用いたが、都市ガスの替わりにプロパンガスなどを用いることもできる。
【００２３】
実施の形態２．
実施の形態２においては、実施の形態１において、蒸発管９の上流部の開口断面積が異なる蒸発管を用いて、気化分率１０％の位置での原料の気相成分の線速度を変化させ、線速度と流量変動の関係を調べた。このとき、蒸発管９の下流部の開口断面積は変化させていない。具体的には、下流部は内径が４．４ｍｍで長さが６ｍのパイプを想定し、上流部はシミュレーションにより気化分率１０％の位置で気相成分の線速度が２、３、５および８ｍ／ｓとなる長さ４ｍのパイプの内径を算出し、それらの上流部と下流部とを組み合わせた蒸発管を設計した。このシミュレーションより得られたそれぞれ上流部の内径が異なる蒸発管を作製し、これらを用いて複数の燃料改質器を組み立て、蒸発管の出口部９ｂでの原料の流量変動を測定した。
【００２４】
図２は、気化分率１０％の位置での標準状態換算での気相成分の線速度と流量変動の関係を示した特性図である。線速度が遅くなるにしたがって、流量変動が増加することがわかる。流量変動を±１０％以下に抑えるためには、気化分率１０％の位置での標準状態換算の気相成分の線速度が３ｍ／ｓ以上にすることが必要である。
【００２５】
実施の形態３．
図３は、実施の形態３による燃料改質器の断面模式図である。本実施の形態では、第１の原料として水を、第２の原料として液体原料である灯油を用いるものである。本実施の形態においては、実施の形態１と同様な構成において、原料混合部７の原料配管１０が接続された位置が第２の原料の蒸発領域１１として機能するものである。原料混合部７の上流部分の蒸発領域１１は、燃焼ガス流路１から熱が与えられて、第２の原料を気化するために必要な温度に保たれている。
【００２６】
次に、本実施の形態における燃料改質器の動作について説明する。第１の原料が気化される原料気化部６での動作は実施の形態１と同じであるので、第２の原料が供給される原料混合部７での動作について説明する。原料配管１０から供給された灯油は、蒸発領域１１で気化される。このとき、原料気化部６から水蒸気が蒸発領域１１に流れてきており、灯油はこの水蒸気と混合されながら気化されることになる。蒸発領域１１では原料気化部６から流れてきた水蒸気が気相成分としてすでに十分にあるので、スラグ流のような状態にはならず脈動は発生しない。ただし、蒸発領域１１の温度があまり高いと灯油が気化する前に炭化してしまう場合があり、蒸発領域１１の温度は３５０℃以下にすることが望ましい。灯油が炭化すると、原料混合部７のパイプの内壁に付着して原料の流れを妨げたり、改質触媒部８の触媒物質の表面に付着したりして、原料の流量の変動や燃料改質器の性能低下の原因となる。そのため、蒸発領域１１の温度は３５０℃以下になるように構成する。
【００２７】
このように構成することにより、蒸発管の上流部の内径が小さいので、気体の流量が少ない入口部でも充分な気相成分の線速度が得られるために第１の原料の脈動を抑えることができるとともに、蒸発管の下流部の内径が上流部より大きいので、出口部での圧力損失の増大を抑制することができる。また、原料混合部が蒸発領域をもつことにより、第２の原料に液体燃料を用いることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、第２の原料の液体原料として灯油を用いたが、灯油以外の液体原料として、例えばメチルアルコール、エチルアルコール、ガソリン、ナフサなどを用いてもよい。また、第２の原料は１００％液体原料である必要はなく、都市ガスなどの気体燃料を混合してもよい。
【００２９】
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態３において、蒸発管９の出口部９ｂから原料混合部７へ送られる第１の原料である水がすべて水蒸気に気化されているのではなく、一部未気化の成分をもたせるようにしたものである。通常、第１の原料である水がすべて気化された場合は、原料混合部７に送られる第１の原料の温度は１００℃以上になるが、本実施の形態では、原料混合部７に送られる第１の原料は一部に液体の水を含くんでいるため、その温度は水の気化温度である約１００℃となる。
【００３０】
このように構成することにより、原料混合部７へ送られる第１の原料の温度が約１００℃であるため、蒸発領域１１に供給された第２の原料である灯油が必要以上の高温にならず、より効果的に灯油の炭化を防止することができる。とくに燃料改質器の負荷変動や、起動時、停止時などに燃焼ガスが高温になって一時的に蒸発領域１１が高温になっても、原料混合部７へ送られる第１の原料の温度が約１００℃であるので、第２の原料である灯油が必要以上に高温にならず、灯油の炭化を防止する効果がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１による燃料改質器の断面模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２による燃料改質器の特性図である。
【図３】この発明の実施の形態３による燃料改質器の断面模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃焼ガス流路、      ２  バーナ、            ３  燃焼室
４  燃料配管、          ５  原料改質部、        ６  原料気化部
７  原料混合部、        ８  改質触媒部、        ９  蒸発管
９ａ  入口部、          ９ｂ  出口部、          １０  原料配管
１１  蒸発領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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