(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系化合物を含む液体原料から水素ガスを生成する改質装置であって、
前記液体原料を蒸発させる蒸発部と、
前記蒸発した原料から改質反応により水素ガスを生成する改質部と、
少なくとも前記原料が前記改質部で凝縮した凝縮液を除去する凝縮液除去手段と、
を備え、
前記改質部は、改質触媒を担持したユニットと、該ユニットを覆うケースと、前記ユニットと前記ケースとの間に設けられた緩衝材とを備え、
前記凝縮液除去手段は、少なくとも前記緩衝材から前記凝縮液を除去する手段である、
改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の改質装置であって、
前記凝縮液除去手段は、前記凝縮液を弾く手段である、
改質装置。
【請求項３】
請求項１記載の改質装置であって、
更に、前記除去された凝縮液を回収する回収手段を備える、
改質装置。
【請求項４】
請求項３記載の改質装置であって、
前記回収手段は、前記改質部の上流側に設けられている、
改質装置。
【請求項５】
請求項１記載の改質装置であって、
前記改質部は、水平にガスが流れるように設置されている、
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、所定の液体原料から水素ガスを生成する改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素原子を含有する種々の化合物、例えば、ガソリンや、メタノール等のアルコール、エーテル、アルデヒド等の炭化水素系化合物から改質反応によって水素ガスを生成する改質装置が提案されている。
【０００３】
図５は、改質装置の改質器を示す説明図である。改質装置の改質器は、例えば、改質原料としてメタノールを用いた場合、Ｃｕ−Ｚｎ系の卑金属触媒を担持した円筒形のハニカム構造のユニット（以下、触媒担持ハニカムと呼ぶ）１４２の周囲を、アルミナマット１５２を緩衝材として、金属製のケース１４４で覆う構造を採っている。改質装置には、改質部をガスが水平方向に流れるように設置するもの（図５（ａ））や、垂直に流れるように設置するもの（図５（ｂ））がある。一般に、燃料電池車両に搭載するための改質装置としては、車両搭載性上、高さ方向の制限があるため、水平設置型のものが採用される。
【０００４】
改質器には、気化したメタノールおよび水が供給され、次式（１）に示す水蒸気改質反応によって水素ガスが生成される。
【０００５】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋３Ｈ2−４９．５（ｋJ/mol）    …（１）
【０００６】
なお、式（１）の水蒸気改質反応は、次式（２）、（３）に示す２つの反応の結果であると考えることができる。
【０００７】
ＣＨ3ＯＨ    →  ＣＯ＋２Ｈ2−９０．０（ｋJ/mol）           …（２）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋Ｈ2＋４０．５（ｋJ/mol）            …（３）
【０００８】
式（１）の水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、空気（酸素）を導入して次式（４）に示す部分酸化反応の発熱作用によって生じる熱を用いて改質器の運転温度を維持することも行われる。
【０００９】
ＣＨ3ＯＨ＋（１／２）Ｏ2  →  ＣＯ2＋２Ｈ2＋１８９（ｋJ/mol）…（４）
【００１０】
改質装置の起動時には、この部分酸化反応の発熱作用と次式（５）に示す反応の発熱作用とによって生じる熱が、改質器の昇温に利用される。
【００１１】
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ＋２４０（ｋJ/mol）             …（５）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、改質装置の暖機運転の初期段階では、改質器の温度が低いため気化させたメタノールが凝縮してしまう。この凝縮液は、アルミナマット１５２に染み込むことがある。そうすると、式（４）、（５）に示した熱エネルギがアルミナマット１５２に染み込んだ凝縮液を再蒸発させるために消費され、改質装置の起動時間（改質器の昇温時間）を長引かせる。
【００１３】
また、アルミナマット１５２に染み込んだ凝縮液が、触媒担持ハニカム１４２の昇温とともに再蒸発するようになると、改質部のメタノール濃度が高くなり、一部のメタノールは未改質のまま改質器の下流側に流れる。この未改質のメタノールは、腐食性があるため後工程に悪影響を及ぼす。メタノール以外の液体原料を改質原料として用いる場合であっても、未改質ガスが後工程に悪影響を及ぼす場合がある。
【００１４】
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、液体原料を用いた改質装置の起動時間を効率的に短縮する技術を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の改質装置は、
所定の液体原料から水素ガスを生成する改質装置であって、
前記液体原料を蒸発させる蒸発部と、
前記蒸発した原料から改質反応により水素ガスを生成する改質部と、
少なくとも前記原料が前記改質部で凝縮した凝縮液を除去する凝縮液除去手段と、
を備えることを要旨とする。
【００１６】
本発明の改質装置では、所定の液体原料から改質反応によって水素ガスを生成する。所定の液体原料としては、水素原子を含有する種々の化合物、例えば、ガソリンや、メタノール等のアルコール、エーテル、アルデヒド等の炭化水素系化合物を用いることができる。本発明では、気化した原料ガスが凝縮しても、凝縮液除去手段により凝縮液を速やかに除去することができる。これによって、凝縮液の気化に消費される熱エネルギのロスを低減し、効率的に改質部を昇温することができる。この結果、改質部の昇温時間、即ち、改質装置の起動時間を効率的に短縮することができる。
【００１７】
また、本発明では、凝縮液を除去するので、原料ガスが未改質のまま改質器の下流側への流出することを抑制することができる。この結果、未改質ガスの改質器の後工程への悪影響を抑制することもできる。
【００１８】
本発明の改質装置において、凝縮液除去手段は、改質部をガスの流れ方向を軸として高速回転させ、遠心力によって凝縮液を除去したり、改質部を傾斜させて、重力によって除去する手段とすることも可能ではあるが、
前記凝縮液除去手段は、前記凝縮液を弾く手段であるものとすることができる。
【００１９】
凝縮液を弾く手段とは、例えば、凝縮液を弾く材質を用いるようにしてもよいし、凝縮液を弾く表面処理を施すようにしてもよい。こうすることによって、動力が不用であったり、省スペース化が図れる、などの利点がある。
【００２０】
また、本発明の改質装置において、凝縮液が留まりやすい箇所に凝縮液除去手段を設けることが効果的である。
例えば、改質部が、改質触媒を担持したユニットと、該ユニットを覆うケースと、前記ユニットと前記ケースとの間に設けられた緩衝材とを備える場合は、
前記凝縮液除去手段は、少なくとも前記緩衝材から前記凝縮液を除去する手段であるものとすることができる。
【００２１】
改質触媒を担持したユニットとケースとのクッションとなる緩衝材の部分では、凝縮液はそのまま染み込んでしまい、改質部の昇温の妨げとなりやすい。この緩衝材から凝縮液を除去する手段を備えることにより、凝縮液の気化に消費される熱エネルギのロスを低減し、効率的に改質部を昇温することができる。
【００２２】
本発明の改質装置において、
更に、前記除去された凝縮液を回収する回収手段を備えるようにしてもよい。
【００２３】
凝縮液を回収することによって、改質原料として再利用することができる。この結果、原料の利用効率を向上することができる。
【００２４】
なお、上記改質装置において、
前記回収手段は、前記改質部の上流側に設けられているものとすることが好ましい。
【００２５】
凝縮は改質部の上流側で生じやすい。従って、回収手段を改質ガスの上流側に設けることによって、凝縮液を効果的に回収することができる。なお、改質部の上流側とは、例えば、改質部にガスを供給するための配管であってもよいし、改質部自体の上流部、例えば、ガスの入口近傍などであってもよい。
【００２６】
また、本発明の改質装置において、
前記改質部は、水平にガスが流れるように設置されているものとすることができる。
【００２７】
燃料電池車両等に搭載するための改質装置としては、車両搭載性上、高さ方向の制限があるため、水平設置型のものが採用される。この水平設置型の改質装置では、重力によっては凝縮液が流れ出ないので、凝縮液が改質部に留まりやすい。水平設置型の改質装置に本発明を適用することによって、凝縮液を速やかに除去することができるので、改質装置の起動時間を効率的に短縮することができる。なお、「水平」とは、厳密に水平でなくてもよく、重力によっては凝縮液が流れ出ない程度の水平を意味している。
【００２８】
本発明は、上述の改質装置としての構成の他、改質装置を備える燃料電池システム、これを搭載した車両の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
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．改質装置：
Ｂ．凝縮液の除去および回収：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００３０】
Ａ．改質装置：
図１は、本発明の第１実施例としての改質装置の構成を示す説明図である。改質装置１００は、メタノールを貯蔵する原料タンク１０と、水を貯蔵する水タンク２０と、原料タンク１０および水タンク２０から供給されたメタノールおよび水を蒸発させる蒸発部３０と、気化したメタノールを改質反応によって改質する改質部４０と、ＣＯ酸化部６０とを備えている。ＣＯ酸化部６０は、改質反応によって二酸化炭素に変換されずに改質部４０を通過した一酸化炭素を二酸化炭素に酸化するためのものである。
【００３１】
改質部４０の触媒担持ハニカム４２でのメタノールの改質反応は、約３００℃で行う。本実施例の改質装置１００では、起動時の改質部４０の昇温に図示しないヒータからの加熱に加えて、先に示した式（４）、（５）の反応の発熱作用が用いられている。改質装置１００の暖機運転の初期段階では、改質部４０の温度が低いため、蒸発部３０で気化したメタノールおよび水が凝縮する。この凝縮液は、改質部４０の昇温の妨げとなる。改質部４０には、凝縮液を除去するために凝縮液除去手段が設けられている。また、改質部４０の上流側には、凝縮液を回収する回収手段も設けられている。凝縮液除去手段および回収手段については後述する。
【００３２】
Ｂ．凝縮液の除去および回収：
図２は、凝縮液の除去手段および回収手段を示す説明図である。また、図３は、図２において楕円を記したＡ部の詳細を示す説明図である。本実施例の改質装置１００は、図示するように、改質部４０においてガスが水平に流れる水平設置型の装置である。改質部４０は、Ｃｕ−Ｚｎ系の卑金属触媒を担持した円筒形の触媒担持ハニカム４２の周囲を、アルミナマット５２を緩衝材として、金属製のケース１４４で覆う構造を採っている。アルミナマット５２の表面には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョンがコーティングされている（以下、このコーティングをＰＴＦＥコーティングと呼ぶ）。ＰＴＦＥコーティング５３は、耐熱性を有するとともに凝縮液を弾く性質を有しており、凝縮液除去手段として機能する。これによってアルミナマット５２に凝縮液が染み込むのを防止することができる。なお、ＰＴＦＥコーティング５３は、アルミナマット５２の全面に施されている必要はなく、一部のみに施されていてもよい。
【００３３】
凝縮は改質部４０の上流側で生じやすい。そして、ＰＴＦＥコーティング５３によって弾かれた凝縮液は、重力によって下方に移動しＡ部から染み出す。改質部４０の上流側の配管には、凝縮液を回収する回収手段としてのドレーン５４が設けられている。ドレーン５４から回収した凝縮液は、改質原料として再利用することができる。なお、改質部４０は、上流側が下流側よりも低くなるように傾斜して設置していてもよい。こうすることによって、改質部４０で生じた凝縮液が上流側のドレーン５４に流れやすくすることができる。
【００３４】
このように第１実施例によれば、触媒担持ハニカム４２とケース４４との緩衝材であるアルミナマット５２に凝縮液を弾くＰＴＦＥディスパージョンをコーティングしているので、凝縮液を速やかに除去することができる。これによって、凝縮液の気化に消費される熱エネルギのロスを低減し、効率的に改質部を昇温することができる。この結果、改質装置１００の起動時間を短縮することができる。また、未改質のメタノールガスが改質部４０の下流側に流れるのを抑制することができるので、後工程に及ぼす悪影響を抑制することもできる。
【００３５】
Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、凝縮液除去手段としてアルミナマット５２に施したＰＴＦＥコーティング５３を用いた。第２実施例では、この代わりにＰＴＦＥ製のマットを緩衝材として用いる。これ以外の構成は、第１実施例と同じである。
【００３６】
第２実施例によれば、緩衝材としてＰＴＦＥマット５２Ａを用いているので、凝縮液を弾き、速やかに除去することができる。この結果、改質装置１００の起動時間を短縮することができる。また、未改質のメタノールガスが改質部４０の下流側に流れるのを抑制することができるので、後工程に及ぼす悪影響を抑制することができる。
【００３７】
Ｄ．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。
【００３８】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、凝縮液除去手段として改質部に凝縮液を弾く性質を有する緩衝材（表面処理も含む）を用いたが、これに限定されるものではない。一般に、本発明は、改質部で生じる凝縮液を除去するものであるので、例えば、改質部をガスの流れ方向を軸として高速回転させ、遠心力によって凝縮液を除去してもよい。
【００３９】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、凝縮液除去手段に耐熱性および凝縮液を弾く性質を有するポリテトラフルオロエチレンを用いたが、要求される耐熱温度に応じて他の材料を用いてもよい。
【００４０】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、改質部４０の上流側の配管に凝縮液を回収するためのドレーン５４を設けたが、改質部４０自体の上流部に設けるようにしてもよい。図４は、変形例としての改質装置の凝縮液の除去手段および回収手段を示す説明図である。この変形例では、緩衝材として、上流部にはリング状のＰＴＦＥマット５２Ａａ〜５２Ａｅを隙間ができるように配置しており、下流部にはＰＴＦＥマット５２Ａｆを配置している。そして、ケース４４ＡにはＰＴＦＥマット５２Ａａ〜５２Ａｆの各隙間と一致する位置にドレーン５４ａ〜５４ｅを設けている。この他は、上記実施例と同じである。こうすることによって、改質部４０で生じた凝縮液は、ＰＴＦＥマット５２Ａａ〜５２Ａｆの隙間からも除去することができ、また、ドレーン５４ａ〜５４ｅから回収することができる。なお、この変形例では、ＰＴＦＥマット５２Ａａ〜５２Ａｆの隙間から凝縮液を除去するようにしているが、例えば、隙間の代わりに貫通孔を有するＰＴＦＥマットを用いて、貫通孔から凝縮液を除去するようにしてもよい。
【００４１】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、凝縮液除去手段を備える水平設置型の改質装置について示したが、垂直設置型の改質装置に凝縮液除去手段を備えるようにしてもよい。
【００４２】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、改質装置について示したが、本発明の改質装置を備える燃料電池システムとして構成することもできる。また、これを搭載した車両の発明として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としての改質装置の構成を示す説明図である。
【図２】凝縮液の除去手段および回収手段を示す説明図である。
【図３】図２において楕円を記したＡ部の詳細を示す説明図である。
【図４】変形例としての改質装置の凝縮液の除去手段および回収手段を示す説明図である。
【図５】改質装置の改質器を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…原料タンク
２０…水タンク
３０…蒸発部
４０…改質部
４２…触媒担持ハニカム
４４、４４Ａ…ケース
５２Ａ、５２Ａａ〜５２Ａｆ…ＰＴＦＥマット
５４、５４ａ〜５４ｅ…ドレーン
１００…改質装置
１４２…触媒担持ハニカム
１４４…ケース
１５２…アルミナマット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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