(57)【要約】【課題】燃料改質システムにおいて、反応器から外部に放出する熱を回収する燃料改質システムの熱回収装置を提供する。【解決手段】燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成するために反応器（２０）を備えた燃料改質システムにおいて、流体が流れる流路層（６）を前記反応器を覆うように設け、前記流路層に前記燃料改質システムで使用する流体を流し、前記反応器からの放熱を前記流体で回収することを特徴とする燃料電池システムの熱回収装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成するために反応器を備えた燃料改質システムにおいて、流体が流れる流路層を前記反応器を覆うように設け、前記流路層に前記燃料改質システムで使用する流体を流し、前記反応器からの放熱を前記流体で回収することを特徴とする燃料改質システムの熱回収装置。
【請求項２】
前記反応器は触媒層を備え、前記触媒層の周囲を前記流路層で覆うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システムの熱回収装置。
【請求項３】
前記流体は前記燃料改質システムで使用する水蒸気を発生する水であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質システムの熱回収装置。
【請求項４】
前記反応器は前記流路層との間に保温材層を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料改質システムの熱回収装置。
【請求項５】
前記流路層に流す流体の流量を、前記燃料改質システムの負荷に応じて調節することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料改質システムの熱回収装置。
【請求項６】
前記流路層で反応器間を接続する配管の周囲を覆うようにしたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料改質システムの熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は燃料電池システムの反応器からの放熱を回収する燃料改質システムの熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を改質して水素リッチな改質ガスを得る燃料改質システムにおいては、通常は触媒を用いた化学反応によって燃料からの水素の生成や一酸化炭素の除去等を行っている。このため、これらの化学反応を促進させるために反応器の温度は一定以上の高温にする必要がある。ところが、これによって反応器と外気との間に温度差が生じ、反応器から外気に熱が放出されるため、改質システム効率が低下するという問題がある。このため、従来は反応器を保温材で被って反応器からの放熱を低減していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では保温材のみで反応器から外気への放熱を抑制しようとしているため、特にガソリン改質器等の反応温度の高い反応器においては反応器と外気との温度差が大きいために放熱量が大きくなり効率が低下する傾向がある。これに対して、十分に放熱量を抑制しようとすれば保温材を著しく厚くする必要があり、保温材を含む反応器全体として大型化するという問題点があった。
【０００４】
また逆に、反応器全体を小型化すべく保温材を薄くすれば、反応器からの放熱量が増大して改質システムの効率が低下する事になる。
【０００５】
ガソリン改質は、その反応を促進させるために通常反応温度を８００℃前後の高温にする必要がある。このため、外気との温度差が大きく、反応器からの放熱が改質システムの効率を低下させる主要因の一つとなっている。このため、通常は反応器の周囲を保温材で被って放熱を低減しているが、現実的な保温材厚さでは十分に放熱量を抑える事が出来ないのが実情である。
【０００６】
本発明はこの様な問題を解決するためになされたものであり、反応器から改質システム外部への放熱を大幅に低減する事によりシステムの効率を向上させるとともに、保温材の厚さを低減して反応器全体をコンパクト化する事を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成するために反応器を備えた燃料改質システムにおいて、流体が流れる流路層を前記反応器を覆うように設け、前記流路層に前記燃料改質システムで使用する流体を流し、前記反応器からの放熱を前記流体で回収する。
【０００８】
【発明の効果】
反応器を被う流路層内に低温の流体を流す事によって、流路層内の温度を反応器本体の温度にくらべて大幅に低く保つことができるので、外気への放熱による損失を大幅に低減する事ができる。また、流路層内の流体が回収した熱は再び反応器に供給し反応に活用するので、外部に放出する事がない。このため、改質システムの効率を向上する事ができる。
【０００９】
更に、保温材とは異なり流路層の厚さとは無関係に流路層内の流体の温度によって外気への放熱量が決まるため、保温材によって同等の効果を得ようとする場合に比べて反応器全体を大幅に小型化する事ができる。
【００１０】
【実施の形態】
図１に本発明による反応器である改質反応器２０の構造を示す。円筒容器１の内部にはガソリンから改質ガスを発生させる触媒層２が収納されており、その両端には前後のダクトと接続するためのフランジ部３、４が設けられている。円筒容器１の外周面は全周にわたって保温材層５により被われており、更に保温材層５の外周には、水を流すための環状の流路層６が設けられており保温材層５を被っている。流路層６の外周部の両端には環状のマニホールド７、８が設けられており、それぞれに水を供給及び排出するためのパイプ９、１０が取り付けられている。各マニホールド７、８と流路層６との間には全周にわたり等間隔をおいて複数の連通孔１１が設けられている。
【００１１】
触媒層２の上流側からはガソリン蒸気、水蒸気、及び空気が過熱、混合されて供給され、触媒層２内を通過しながら触媒反応によって水素リッチな改質ガスとなって下流へと排出される。この時、反応速度の関係でガソリン蒸気と空気による発熱反応（酸化反応）が主に上流寄りで起こり、ガソリン蒸気と水蒸気による吸熱反応が下流寄りで起こるため、触媒層２内の上流側の方が下流側に比べてより高温となる傾向がある。
【００１２】
一方、改質システム内の図示しない純水タンクからガス流れの上流側のパイプ９に水が供給され、マニホールド７で分配されて連通孔１１より流路層６内を上流から下流に向かって流れ、触媒層２での反応熱によって加熱されてマニホールド８を介して下流側のパイプ１０より排出される。排出された水は図２に示す蒸発器２１に供給され、水蒸気となってガソリン蒸気および空気に混合される。
【００１３】
触媒層２内は反応熱により８００℃前後まで上昇する。このため、外気との温度差は８００℃弱となる。これに対し、本実施形態の様に流路層６内に触媒層２に供給する水蒸気量に相当する２０℃程度の水を流すと流路層６内の温度はおおむね５０℃以下に保つ事が出来るため、外気との温度差は２０〜３０℃程度となり大幅に低減される。ここで触媒層２と流路層６の間に保温材層５が設けられている事によって、触媒層２から流路層６への熱の移動量を制限する事が出来、触媒層２の過冷却による反応速度の低下や、流路層６内の水の過昇温を防ぎ適切な温度に維持する事が可能となる。これらの事から本実施形態では、触媒層２の外周部に本実施形態の保温材層および流路層を合わせた厚さと同等の厚さの保温材層のみを設けた場合と比較して、外気への放熱量を１０分の１以下に低減する事が可能となる。
【００１４】
この場合、水の熱伝達率が外気よりも高いため触媒層２が奪われる熱量は流路層６を設けない場合に比べて多くなるが、その熱量のうちの大部分を水の加熱に活用する事が出来るためシステム全体としては効率が向上する事になる。これに対し、流路層６に水の代わりに空気を流す事も可能であり、この場合には触媒層２が奪われる熱量を低減する事が出来る。また同様に水の代わりにガソリンを用いても差し支えない。ただし、水を用いた方が空気やガソリンに対して比熱が大きいために温度を低く抑える事が出来るため、より外気への放熱量を低減する事が出来る。
【００１５】
また、その冷却効果によって円筒容器１の温度を低減でき、耐熱温度の低い安価な材料を使用する事が可能になるという利点もある。本実施形態では水を上流側から供給して下流側から排出しているが、これは前述の様に触媒層温度のより高い上流側に加熱される前の水を供給する事により効率的な冷却効果を得る事を狙っている。ただし、これとは逆に下流側から水を供給して上流側から排出しても差し支えない。
【００１６】
一方、本実施形態では流路層６の出入口にマニホールド７、８を設けているが、これによって流路層６内に水をより均等に流す事が出来るため、部分的な過昇温を防ぐ事が出来る。更に流路層６内の流れを均等にしたい場合には、流路層６内に軸方向に複数の仕切り板あるいは整流板を設ける事も出来る。ただし、流路層６の上面と下面をつなぐ様に仕切り板を設けると、放熱量を増大させる事になるため注意が必要である。
【００１７】
流路層６内の流れを均等にするための他の実施形態として、マニホールドを設けずに流路層６内に螺旋状の仕切り板あるいは整流板を設ける方法も考えられるが、この場合も同様に流路層６の上面と下面をつながない構造とする事が望ましい。
【００１８】
図２に示すように、水は図示しない水供給手段により流量調節弁２６を介して改質反応気２０の流路層６に供給される。流路層６で加熱された水は蒸発器２１に供給されてさらに過熱された後、圧力調整弁２７を介して改質反応器２０に供給される。また、水の一部は流量調節弁２８を介してシフト反応器２２に供給される。
【００１９】
流路層６内に供給する水の流量は改質システムの負荷に応じて流量調節弁２６により調節される。このように制御することにより、通常の改質システムには負荷に応じて改質器に供給する流量を調節する手段が設けられているため、新たに制御手段を設ける必要がない。また、この方法によれば反応ガスを流さない起動時には必然的に流路層６内の水の流速もゼロとなるため、過冷却によって暖機時間が長くなるという弊害を避ける事ができる。
【００２０】
流路層６内で加熱された水を蒸発器２１で蒸発させて改質反応器２０に供給する事を想定しているが、放熱低減効果は少なくなるものの流路層６内で蒸発させてもよい。また加熱した水の供給先を他の反応器、例えばシフト反応器２２とする事も考えられる。
【００２１】
空気は図示しない空気供給手段により、流量調節弁２９、３０を介して改質反応器２０および一酸化炭素除去反応器２３に供給される。なお、一酸化炭素除去反応器２３は改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去するものであり、一酸化炭素を除去された改質ガスは図示しない燃料電池に供給される。
【００２２】
以下に、この実施例による効果を列挙する。
【００２３】
燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する触媒層を備える燃料改質システムの改質反応器２０において、流体が流れる流路層６を触媒層２を覆うように設け、流路層６に燃料改質システムで使用する流体を流し、触媒層２からの放熱を流体で回収する。改質反応器２０を被う流路層６内に低温の流体を流す事によって、流路層６内の温度を改質反応器２０本体の温度にくらべて大幅に低く保つことができるので、外気への放熱による損失を大幅に低減する事ができる。また、流路層６内の流体が回収した熱は再び改質反応器２０に供給し反応に活用するので、外部に放出する事がない。このため、改質システムの効率を向上する事ができる。
【００２４】
更に、保温材とは異なり流路層６の厚さとは無関係に流路層６内の流体の温度によって外気への放熱量が決まるため、保温材によって同等の効果を得ようとする場合に比べて改質反応器２０全体を大幅に小型化する事ができる。
【００２５】
流体は改質器で使用する水蒸気を発生する水とすることにより、流路層６内に空気や燃料を流す場合に比べて比熱が大きいため、少ない流量でも温度を低く抑える事ができ、外気への放熱を抑制し易い。また、熱伝達率が外気に比べて大きいため、結果として反応器内壁の温度を低くする事が出来、耐熱温度の低い安価な材料を使用する事ができる。
【００２６】
触媒層２と流路層６の間に保温材層５を設けたことにより、保温材層５の厚さによって触媒層２から流路層６に伝わる熱を調節することができるので、保温材層５の厚さを適切に選定する事によって流路層６内の流体の流量および温度を意図通りに設定する事ができる。
【００２７】
流路層６に流す流体の流量を、燃料改質システムの負荷に応じて調節することにより、通常の改質システムには負荷に応じて改質反応器２０に供給する流体の流量を調節する手段が設けられているので、新たに制御手段を設ける必要がない。また、この方法によれば反応ガスを流さない起動時には必然的に流路層６内の流体の流速もゼロとなるため、過冷却によって暖機時間が長くなるという弊害を避ける事ができる。
【００２８】
本実施形態では特に効果の大きいガソリン改質器の場合を例に取って説明したが、メタノールやエタノール、メタン等の他の燃料を用いた改質反応器２０に適用しても差し支えない。また、改質器だけでなく、シフト反応器２２や一酸化炭素除去反応器２３等の他の反応器に適用する事も出来る。更に、これらの個々の要素だけでなく、それらのいくつかを収納した容器や、改質システム全体を収納した容器に適用すれば、より大きな効果を得る事が出来る。
【００２９】
また、蒸発器を含む、改質システムの各構成要素２０、２１、２２、２３を接続するガス配管の全部または一部を覆うように水の流路を設けるようにしてもよい。これにより、各構成要素だけでなく各構成要素間を接続する配管を含めた放熱を簡素な構造で回収する事ができるので、安価に改質システム全体の熱損失を低減する事ができる。
【００３０】
本発明を、構造的と方法的特徴に関してある程度特定的な言葉で説明したが、本明細書に開示した手段は本発明を実施する好ましい形態を含むものであり、本発明はこれら図示し記載された特定の特徴に制限されないことを理解されたい。したがって、本発明は、均等の原則に従って適切に解釈される特許請求の範囲に記載された範囲内におけるいかなる形態または変更についても含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガソリン改質器の構造を説明する図である。
【図２】本発明によるガソリン改質器を適用する燃料改質システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１：円筒容器
２：触媒層
３：フランジ部
４：フランジ部
５：保温材層
６：流路層
７：マニホールド
８：マニホールド
９：パイプ
１０：パイプ
１１：連通孔
２０：改質反応器
２１：蒸発器
２２：シフト反応器
２３：一酸化炭素除去反応器
２６：流量調節弁
２７：流量調節弁
２８：流量調節弁
２９：流量調節弁
３０：流量調節弁
【図１】
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【図２】
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