(57)【要約】【課題】改質反応容器自体をコンパクトにし、原燃料からの未反応ガスの生成を抑制する燃料改質装置を提供する。【解決手段】本発明に係る燃料改質装置は、改質器本体１を燃焼触媒反応器２と燃料ガス改質触媒反応器３とに区分けし、区分けした燃焼触媒反応器２および燃料ガス改質触媒反応器３のうち、前記燃料ガス改質触媒反応器３を内側に配置し、前記燃焼触媒反応器２を前記燃料ガス改質触媒反応器３を包囲形成して外側に配置する。【選択図】  図１
2005022908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器本体を燃焼触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とに区分けし、区分けした燃焼触媒反応器および燃料ガス改質触媒反応器のうち、前記燃料ガス改質触媒反応器を内側に配置し、前記燃焼触媒反応器を前記燃料ガス改質触媒反応器を包囲形成して外側に配置する構成にしたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
改質器本体を燃焼触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とに区分けし、区分けした燃焼触媒反応器および燃料ガス改質触媒反応器のうち、前記燃料ガス改質触媒反応器を内側に配置し、前記燃焼触媒反応器を前記燃料ガス改質触媒反応器を包囲形成して外側に配置するとともに、前記燃料触媒反応器の高さをＬとし、直径をＤとし、前記燃料ガス改質触媒反応器の高さをＬｒとし、直径をＤｒとするとき、前記燃料触媒反応器と前記燃料ガス改質触媒反応器との関係式は、
【数１】
2005022908.tif 000006
の範囲に設定したことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項３】
改質器本体を燃焼触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とに区分け、区分けした燃焼触媒反応器および燃料ガス改質触媒反応器のうち、前記燃料ガス改質触媒反応器を内側に配置し、前記燃焼触媒反応器を前記燃料ガス改質触媒反応器を包囲形成して外側に配置するとともに、前記燃焼触媒反応器に流す原燃料と、前記燃料ガス改質触媒反応器に流す原燃料ガスとを向流形式で流す構成にしたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項４】
原燃料ガスは、燃焼触媒反応器の出口側と反対側に位置する燃料ガス改質触媒反応器の出口側に向って流す構成にしたことを特徴とする請求項３記載の燃料改質装置。
【請求項５】
燃焼触媒反応器は、その器内に充填させる燃焼促進用触媒内を挿通して水蒸発管を備えたことを特徴とする請求項１，２または３記載の燃料改質装置。
【請求項６】
燃焼触媒反応器は、原燃料蒸発器を介装して原燃料タンクに接続する第１原燃料供給系を備えたことを特徴とする請求項１，２または３記載の燃料改質装置。
【請求項７】
燃料ガス改質触媒反応器は、その器内に燃料改質用触媒を充填させるとともに、その入口側に燃焼触媒反応器まで延設させて気化混合器を備えたことを特徴とする請求項１，２または３記載の燃料改質装置。
【請求項８】
気化混合器は、その器内に原燃料の気化を促進させる混合充填物を収容させるとともに、器内温度を１５０℃以上に維持させる一方、供給される水蒸気のモル量と原燃料中に含まれる炭素のモル量とのスチーム／カーボン比を１以上に維持させる構成にしたことを特徴とする請求項７記載の燃料改質装置。
【請求項９】
気化器は、器内温度を１００℃以上に維持させる一方、供給される水蒸気のモル量と、原燃料中に含まれる炭素のモル量との比のスチーム／カーボン比を１以上に維持させる構成にしたことを特徴とする請求項７記載の燃料改質装置。
【請求項１０】
気化混合器は、原燃料タンクに接続する第２原燃料供給系を備えるとともに、この第２原燃料供給系に設けられ、原燃料を霧状にする手段を備えたことを特徴とする請求項７記載の燃料改質装置。
【請求項１１】
燃料ガス改質触媒反応器は、その器内に燃料改質用触媒を充填させるとともに、燃料改質用触媒の少なくとも一部の入口温度を９００℃以下に維持させる一方、燃料改質用触媒の少なくとも一部の出口温度を６００℃以上に維持させる構成にしたことを特徴とする請求項１，２または３記載の燃料改質装置。
【請求項１２】
燃料改質用触媒は、ルテニウム塩酸塩、ロジウム塩酸塩、パラジウム塩酸塩、白金塩酸塩、ルテニウム硝酸塩、ロジウム硝酸塩、パラジウム硝酸塩、白金硝酸塩のうち、いずれか少なくとも１種類以上の塩であり、触媒に占める塩の重量が０．１重量％以上であることを特徴とする請求項１１記載の燃料改質装置。
【請求項１３】
燃料改質用触媒は、ルテニウム塩酸塩、ロジウム塩酸塩、パラジウム塩酸塩、白金塩酸塩、ルテニウム硝酸塩、ロジウム硝酸塩、パラジウム硝酸塩、白金硝酸塩のうち、少なくともいずれか１種類以上の塩に、アルカリ金属の酸化物およびアルカリ土類金属酸化物のうち、いずれか１種類、ランタノイド系列物質の酸化物、８族元素に属する酸化物のうち、少なくともいずれか１種類以上の反応促進剤を加えたものであり、触媒に占める反応促進剤の重量が１重量％以上であることを特徴とする請求項１１記載の燃料改質装置。
【請求項１４】
原燃料は液体燃料であることを特徴とする請求項３，８または１０記載の燃料改質装置。
【請求項１５】
原燃料は気体燃料であることを特徴とする請求項２または９記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料に空気と水蒸気を加え、触媒の作用の下、部分酸化と水蒸気改質とを同時に行わせ、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質させる改質手法には、原燃料に水を加えて加熱し、生成された水蒸気燃料ガスを触媒の力を借りて水素リッチな燃料ガスに改質させる、水蒸気改質法と、この水蒸気改質と組み合わせ、原燃料に水を加えて気化させ、その燃料ガスに空気を加えて部分酸化させ、触媒の力を借りて水素リッチな燃料ガスに改質させる、オートサーマルリフォーミング法とがある。
【０００３】
このような改質手法のうち、オートサーマルリフォーミング法は、いわゆる内燃式の発熱反応を行うため、外部から熱を加える必要がないので、装置自身が簡素化でき、定格に至るまでの時間が短く、電気自動車や可搬式発電装置に好まれてより多く採用されつつある。
【０００４】
このオートサーマルリフォーミング法は、例えば、アルコール類を原燃料とするとき、次に示す反応を行っている。
【０００５】
（１）式に示される水蒸気改質反応と（２）式に示される部分酸化反応とが同時に行われ、全体として（３）式に示される反応が行われる。
【０００６】
【化１】
2005022908.tif 000003
ここで、（１）式は吸熱反応であり、（２）式および（３）式は発熱反応である。
【０００７】
このように、オートサーマルリフォーミング法は、上式（３）で示すように、発熱反応を行うため、外部から熱を加える必要がなく、装置全体をコンパクト化できる利便性を持っていた。
【０００８】
なお、オートサーマルリフォーミング法を用いて装置のコンパクト化を図った発明として、例えば特開２０００−８４４１０号公報（特許文献１参照）、特開２０００−２０８４２６号公報（特許文献２参照）等が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−８４４１０号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−２０８４２６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、オートサーマルリフォーミング法は、装置のコンパクト化に伴って機動性に優れており、例えば、イソプロピルアルコールや灯油等の液体燃料を原燃料として使用する場合、炭素析出の危険性が低く、好ましい改質技術である反面、改質装置内に充填する改質触媒層に入口側から出口側に向って温度差分布が生じ易く、必ずしも良好な改質状態を維持させている訳ではなかった。
【００１２】
また、オートサーマルリフォーミング法は、例えば、ナフサや灯油等の液体燃料を原燃料として使用する場合、未反応原燃料成分が改質装置出口から流出し、下流側に設置する水蒸気改質反応器やオートサーマル反応器よりも低温で作動する熱機器、例えば一酸化炭素変成反応器や一酸化炭素選択酸化反応器の各内部で液化を引き起こし、一酸化炭素反応を妨げたり、一酸化炭素反応を促進させる触媒を破壊させる等の不具合、不都合を生じさせていた。
【００１３】
このように問題点に対処して、試行錯誤を繰り返し、工夫、改良を加え、熱交換器を始めとした複数の機器を付帯させてみたものの、結果的には機器構成が複雑で大型化してしまい、終局の意図である装置自体のコンパクト化には程遠いものであった。
【００１４】
また、原燃料に気体燃料を使用する場合、液体燃料のような問題は生じないものの、原燃料の部分酸化を行うときの反応器が水蒸気改質を行うときの反応器に較べて大きくなり、依然としてコンパクト化ができない問題を抱えていた。
【００１５】
しかも、気体燃料の場合も、液体燃料と同様に未反応成分が改質触媒出口から流出し、反応効率を悪くする等の問題もあった。
【００１６】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであって、改質器出口からの未反応原燃料成分の流れを抑制し、改質反応器自体をコンパクト化し、原燃料から長期間安定した水素リッチな改質燃料ガスを生成できる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、改質器本体を燃焼触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とに区分けし、区分けした燃焼触媒反応器および燃料ガス改質触媒反応器のうち、前記燃料ガス改質触媒反応器を内側に配置し、前記燃焼触媒反応器を前記燃料ガス改質触媒反応器を包囲形成して外側に配置する構成にしたものである。
【００１８】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、改質器本体を燃焼触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とに区分けし、区分けした燃焼触媒反応器および燃料ガス改質触媒反応器のうち、前記燃料ガス改質触媒反応器を内側に配置し、前記燃焼触媒反応器を前記燃料ガス改質触媒反応器を包囲形成して外側に配置するとともに、前記燃料触媒反応器の高さをＬとし、直径をＤとし、前記燃料ガス改質触媒反応器の高さをＬｒとし、直径をＤｒとするとき、前記燃料触媒反応器と前記燃料ガス改質触媒反応器との関係式は、
【数２】
2005022908.tif 000004
の範囲に設定したものである。
【００１９】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、改質器本体を燃焼触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とに区分け、区分けした燃焼触媒反応器および燃料ガス改質触媒反応器のうち、前記燃料ガス改質触媒反応器を内側に配置し、前記燃焼触媒反応器を前記燃料ガス改質触媒反応器を包囲形成して外側に配置するとともに、前記燃焼触媒反応器に流す原燃料と、前記燃料ガス改質触媒反応器に流す原燃料ガスとを向流形式で流す構成にしたものである。
【００２０】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、原燃料ガスは、燃焼触媒反応器の出口側と反対側に位置する燃料ガス改質触媒反応器の出口側に向って流す構成にしたものである。
【００２１】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、燃焼触媒反応器は、その器内に充填させる燃焼促進用触媒内を挿通して水蒸発管を備えたものである。
【００２２】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、燃焼触媒反応器は、原燃料蒸発器を介装して原燃料タンクに接続する第１原燃料供給系を備えたものである。
【００２３】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、燃料ガス改質触媒反応器は、その器内に燃料改質用触媒を充填させるとともに、その入口側に燃焼触媒反応器まで延設させて気化混合器を備えたものである。
【００２４】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、気化混合器は、その器内に原燃料の気化を促進させる混合充填物を収容させるとともに、器内温度を１５０℃以上に維持させる一方、供給される水蒸気のモル量と原燃料中に含まれる炭素のモル量とのスチーム／カーボン比を１以上に維持させる構成にしたものである。
【００２５】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、気化器は、器内温度を１００℃以上に維持させる一方、供給される水蒸気のモル量と、原燃料中に含まれる炭素のモル量との比のスチーム／カーボン比を１以上に維持させる構成にしたものである。
【００２６】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、気化混合器は、原燃料タンクに接続する第２原燃料供給系を備えるとともに、この第２原燃料供給系に設けられ、原燃料を霧状にする手段を備えたものである。
【００２７】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、燃料ガス改質触媒反応器は、その器内に燃料改質用触媒を充填させるとともに、燃料改質用触媒の少なくとも一部の入口温度を９００℃以下に維持させる一方、燃料改質用触媒の少なくとも一部の出口温度を６００℃以上に維持させる構成にしたものである。
【００２８】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、燃料改質用触媒は、ルテニウム塩酸塩、ロジウム塩酸塩、パラジウム塩酸塩、白金塩酸塩、ルテニウム硝酸塩、ロジウム硝酸塩、パラジウム硝酸塩、白金硝酸塩のうち、いずれか少なくとも１種類以上の塩であり、触媒に占める塩の重量が０．１重量％以上であることを特徴とするものである。
【００２９】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、燃料改質用触媒は、ルテニウム塩酸塩、ロジウム塩酸塩、パラジウム塩酸塩、白金塩酸塩、ルテニウム硝酸塩、ロジウム硝酸塩、パラジウム硝酸塩、白金硝酸塩のうち、少なくともいずれか１種類以上の塩に、アルカリ金属の酸化物およびアルカリ土類金属酸化物のうち、いずれか１種類、ランタノイド系列物質の酸化物、８族元素に属する酸化物のうち、少なくともいずれか１種類以上の反応促進剤を加えたものであり、触媒に占める反応促進剤の重量が１重量％以上であることを特徴とするものである。
【００３０】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、原燃料は液体燃料であることを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明に係る燃料改質装置は、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、原燃料は気体燃料であることを特徴とするものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料改質装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係る燃料改質装置の実施形態を示す概念図である。
【００３４】
本実施形態に係る燃料改質装置は、改質器本体１を燃焼触媒反応器２と燃料ガス改質触媒反応器３とに区分けし、区分けした燃焼触媒反応器２および燃料ガス改質触媒反応器３のうち、燃料ガス改質触媒反応器３を内側に配置し、燃焼触媒反応器２を外側に、かつ同心的に配置して燃料改質触媒反応器３を包囲形成する構成になっている。
【００３５】
燃料ガス改質触媒反応器３は、燃料改質用触媒を層として充填する容器の入口側に原燃料導入部目皿４を介装し、燃焼触媒反応器２まで延設する気化混合器５を備えるとともに、その出口側に燃料改質ガス出口目皿６を介装して燃料改質ガス出口７を備えている。
【００３６】
また、気化混合器５には、その器内に収容され、液体原燃料を気化促進させる混合充填物に空気導入系２０を介して外部から空気を供給するブロア８が設けられている。
【００３７】
一方、燃焼触媒反応器２には、例えばメタノール、イソプロピレンアルコール等のアルコール類、あるいは、例えばナフサ、ガソリン、灯油などの炭化系水素等の液体原燃料を充填する液体原燃料タンク９が設けられている。
【００３８】
液体原燃料タンク９は、燃焼触媒反応器２の入口に接続し、液体原燃料を供給する第１液体原燃料供給系１０と、ポンプ１１を介装し、気化混合器５に液体原燃料を供給する第２液体原燃料供給系１２とを備えている。
【００３９】
また、第１液体原燃料供給系２０には、ポンプ１３と、例えばヒータ等の加熱源を備えた液体原燃料蒸発器１４とが設けられている。
【００４０】
さらに、燃焼触媒反応器２には、燃焼促進用触媒を層として充填した器内の壁面に沿って蛇行状に配置され、入口側から出口側に向って延設する水蒸発管１５にポンプ１６を介して水を供給する水タンク１７と、その器内に燃焼促進用空気を供給するブロア１８とが設けられている。なお、符号１９は、燃焼ガス出口である。
【００４１】
このような構成を備える燃料改質装置の作用を説明する。
【００４２】
起動時、第１液体原燃料供給系１０は、ポンプ１３を介して液体原燃料タンク９からの液体原燃料を燃焼触媒反応器２に供給する際、液体原燃料蒸発器１４に内蔵するヒータ等の加熱源で加熱して蒸発させ、その燃料ガスをブロア１８からの燃焼促進用空気とともに燃焼触媒反応器２に供給し、ここで液体原燃料ガスを燃焼促進用触媒の作用の下、燃焼させ、その燃焼ガスを矢印Ｘで示す方向に沿って燃焼ガス出口１９に案内する。
【００４３】
液体原燃料ガスの燃焼中に発生する熱は、水タンク１７からポンプ１６を介して水蒸発管１５に供給される水を加熱させ、蛇行しながら気化混合器５に向うに従って徐々に水蒸気化させる。
【００４４】
燃焼触媒反応器２の器内温度が予め定められた温度に維持されると、液体原燃料タンク９は、液体原燃料蒸発器１４の加熱源をカットし、液体原燃料をそのまま第１液体原燃料供給系１０を介して燃焼触媒反応器２に供給するとともに、第２液体原燃料供給系１２、ポンプ１１を介して気化混合器５にも液体原燃料を供給する。
【００４５】
第２液体原燃料供給系１２が運転されると、気化混合器５は、第２液体原燃料供給系１２からの液体原燃料のほかにブロア８からの空気および水蒸発管１５からの水蒸気が加えられ、液体原燃料を気化させる。
【００４６】
気化混合器５で気化させた液体原燃料ガスは、原燃料導入部目皿４の透口を介して燃焼ガス改質触媒反応器３に供給され、ここで燃焼触媒反応器２を流れる燃焼ガスの矢印Ｘの流れ方向に対し、矢印Ｙの流れ方向の、いわゆる向流形式で流れ、この間、燃料改質用触媒の作用の下、水蒸気改質と部分酸化を同時に行わせ、水素リッチな燃料ガスに改質させ、改質させた水素リッチな燃料ガスを燃料改質ガス出口目皿６の透口を介して燃料改質ガス出口７から他の熱機器、例えば一酸化炭素変成器に供給される。
【００４７】
このように、本実施形態は、改質器本体１を燃焼触媒反応器２と燃料ガス改質触媒反応器３とに区分けし、区分けした燃焼触媒反応器２および燃料ガス改質触媒反応器３のうち、燃料ガス改質触媒反応器３を内側に、また燃焼触媒反応器２を同心的にして燃料ガス改質触媒反応器３を包囲する外側に配置し、燃焼触媒反応器２の入口側から出口側（気化混合器５側）に向って液体原燃料を流し、燃料ガス改質触媒反応器３の入口側（気化混合器５側）から燃料改質ガス出口７側に向って改質燃料ガスを流す、いわゆる向流形式に流す構成にしたので、装置自体をコンパクト化させるとともに、改質燃料ガスの温度分布を均一化させることができ、温度分布の均一化に伴って未反応の燃料ガスの生成を防止して均質な成分の燃料ガスを生成することができる。
【００４８】
なお、液体原燃料と改質燃料ガスとを向流形式で流すのは、次の理由に基づく。
【００４９】
一般に、燃料ガス改質触媒反応器３は、改質燃料ガスを生成する際、温度４００℃以上の高温に維持される。このため、燃料ガス改質触媒反応器３は、運転中、熱膨張し、器内に充填する燃料改質用触媒層内に空間を生じさせる。この空間を埋めるため、改質用触媒は重力の作用も手伝って燃料改質ガス出口７側の底部に集まり、その底部側が高温化される。
【００５０】
反対に、液体原燃料を燃焼触媒反応器２の出口側（気化混合器５側）から流し、改質燃料ガスと平行流で流すと、上述燃料ガス改質触媒反応器３の熱膨張により燃料改質用触媒が燃料改質ガス出口７側に沈降し、その入口側は空間ができ、高温化されにくくなる。
【００５１】
また、改質用触媒層の上部に空間が生じたまま、上部に向って液体原燃料ガスを流すと、ガス流により燃料改質用触媒が浮遊し、燃料改質用触媒が破壊し、粉化することがある。粉化が生じると、燃料改質用触媒層の圧力損失が生じ、改質反応率が悪くなる。特に、オートサーマルリフォーミング反応の場合、原燃料ガスの流速は水蒸気改質反応の流速の少なくとも５倍以上であるから、燃料改質用触媒層の空間に原燃料を流すと燃料改質用触媒は浮遊し易く、粉化する可能性が高い。
【００５２】
このような事象に基づき、本実施形態では、燃料ガス改質触媒反応器３の燃料改質ガス出口７側に集まる高温熱を巧みに利用することを創案したもので、液体原燃料ガスと改質燃料ガスとは向流形式で流す構成にしたものである。
【００５３】
なお、原燃料に気体燃料を使用する場合、起動用液体原燃料供給系１０の液体原燃料蒸発器１４は、気体原燃料の加熱器として使用される。また、気化混合器５は、原燃料が液体燃料から気体燃料に代ったところで、その構造、機能は同じである。
【００５４】
図２は、図１に示した燃料改質装置のうち、燃焼触媒反応器２と燃料ガス改質触媒反応器３とを抜き出した概念図である。なお、図２に付した符号は、図１のものと対応させている。
【００５５】
本実施形態に適用する水蒸気管１５は、燃焼触媒反応器２に充填する燃焼促進用触媒層間を挿通し、燃料ガス改質触媒反応器３に沿って蛇行状に配置され、気化混合器５に接続される。
【００５６】
また、燃焼促進用触媒は、液体原燃料を燃焼させる、例えばパラジウムあるいはバリウムヘキサアルミネート等が用いられる。
【００５７】
そして、燃焼促進用触媒の入口側は温度約９００℃にし、その出口側の気化反応器５の付近で温度約５００℃に維持させている。
【００５８】
一方、燃焼触媒反応器２および燃料ガス改質触媒反応器３は、図３に示すように、燃焼触媒反応器２の高さをＬ、直径をＤとし、燃料ガス改質触媒反応器３の高さをＬｒとし、直径をＤｒとするとき、次の関係式が成り立っている。
【００５９】
【数３】
2005022908.tif 000005
【００６０】
これらの式を満たすとき、燃料ガス改質触媒反応器３は、燃焼触媒反応器２から熱が充分に供給され、燃料改質用触媒層の温度分布を均一化させることが実験で認められた。
【００６１】
なお、燃焼触媒反応器２の寸法は、Ｌ／Ｄ≧１にし、好ましくはＬ／Ｄ≧３である。これは、燃焼用流路が短いと、燃料ガス改質触媒反応器３に充分に熱を供給できなくなるからである。
【００６２】
また、燃焼触媒反応器２は、燃焼促進用触媒層で燃料ガス改質触媒反応器３の入口側および出口側を含めて全体を覆う構成になっている。燃料ガス改質触媒反応器３の燃料改質ガス出口７側を燃焼促進用触媒で覆うことは、液体原燃料を使用する場合、燃焼促進用触媒からの熱が燃料改質ガス出口７に充分に供給され、未反応原燃料の流出が防止される。また、燃料ガス改質触媒反応器３の入口側を燃焼促進用触媒で覆うことは、気化混合器５の加熱または保温を行うことになり、液体原燃料の蒸発に役立つ。
【００６３】
図４および図５は、図１に示した燃料改質装置のうち、気化混合器５を抜き出した概念図である。なお、図４は、図１に示すＡ−Ａ矢視方向から見た気化混合器５の平面図であり、図５は、気化混合器５の側面図である。また、図４、図５に付した符号は、図１のものと対応させている。
【００６４】
気化混合器５は、例えば中空筒状に構成され、定格時用液体原燃料供給系１０、空気導入系２０、水蒸発管１５を備えるとともに、中空筒状内に、例えばステンレスボール、アルミナボール、シリカボール等の混合充填物を収容させ、第１液体原燃料供給系１０から供給される液体原燃料を気化させている。なお、第１液体原燃料供給系１０は、液体原燃料の気化をより一層促進させるためにノズル（図示せず）を備えている。
【００６５】
また、気化混合器５は、出口（底部）側に透口を介して原燃料導入部目皿４を備えている。
【００６６】
この原燃料導入部目皿４は、気化混合器５と燃料ガス改質蒸発反応器３との境界としての役目を持たせるとともに、原燃料ガスを燃料ガス改質触媒反応器３で改質させる場合、酸化または部分酸化反応に基づいて発生する反応熱を遮る働きをもさせている。
【００６７】
なお、気化混合器５は、液体原燃料を使用する場合、使用温度が１５０℃〜４５０℃の範囲に制御される。温度１５０℃以下では、液体原燃料が気化しない虞があり、また、温度４５０℃以上では、例えば灯油を蒸発させると、灯油が熱分解の際、タール状物質を生成する虞があるためである。
【００６８】
ところで、燃料ガス改質触媒反応器３は、頂部の入口（気化混合器５）側で温度を４００℃以上（４５０℃以上がより好ましい）にし、底部の出口（燃料改質ガス出口７）側で温度を９００℃（８００℃がより好ましい）に制御されている。
【００６９】
入口温度を４００℃以上としたのは、温度がそれよりも低いと、燃料改質用触媒層から炭素が析出されるからである。また、出口温度を９００℃としたのは、温度がそれよりも高いと、燃料改質用触媒層がシンタリングを起し、燃料改質用触媒の寿命が短くなることに基づく。
【００７０】
なお、燃料ガス改質触媒反応器３は、入口側から出口側に向って温度を徐々に高温化させ、液体原燃料と改質燃料ガスとを向流形式に流すことができる構成にしているので、熱の有効活用を図ることができる。
【００７１】
一方、燃料ガス改質触媒反応器３の出口側に設けた燃料改質ガス出口目皿６は、燃料改質用触媒層を支持させる役目を持つばかりでなく、下流側に配置する、例えば一酸化炭素変成器等の熱機器への熱遮蔽の機能も持たせている。
【００７２】
［実施例］
上述の構成を備えた本実施形態に係る燃料改質装置の試験結果を以下に示す。
【００７３】
（試験結果１）
原燃料は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を使用した。
【００７４】
試験条件は、燃料ガス改質触媒反応器３の入口（原燃料導入部目皿４）側における燃料改質用触媒層の温度を９００℃以下にするとともに、燃料ガス改質触媒反応器３の出口（燃料改質ガス出口目皿６）側における燃料改質用触媒層の温度を６００℃以上にした。
【００７５】
また、気化混合器５は、温度を１５０℃以上にするとともに、供給する水蒸気のモル量と液体原燃料中の炭素のモル量とのスチーム／カーボン比を１以上にした。
【００７６】
液体原燃料（イソプロピルアルコール）の液体空間速度ＬＨＳＶは、ＬＨＳＶ＝０．４とし、酸素と炭素数の比Ｏ２／Ｃを、Ｏ２／Ｃ＝０．３とし、水蒸気と液体原燃料のモル数の比Ｓ／ＣをＳ／Ｃ＝１．５とした。
【００７７】
また、液体原燃料であるイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）は、例えば、ステンレスボール、アルミナボール、シリカボール等の混合充填物を収容する気化混合器５に第１液体原燃料供給系１０に設けたノズルから霧状にして供給し、ここで水蒸気および空気を加えて燃料ガス改質触媒反応器３に供給した。
【００７８】
燃料ガス改質触媒反応器３の出口側のガス組成比は、Ｈ２＝４８％、ＣＯ＝１０％、ＣＯ２＝１４％、Ｎ２＝２８％であった。
【００７９】
また、その出口側ではイソプロピルアルコールが熱分解したときに生成されるアセトンは検出されず、出口側ガス組成は平衡組成に近い値を示していた。
【００８０】
図６は、イソプロピルアルコール、灯油、メタンを原燃料とする場合と、従来のオートサーマルリフォーミング法とを対比させた、燃料ガス改質触媒反応器３の燃料改質用触媒層温度分布線図である。
【００８１】
この線図から、イソプロピルアルコールを原燃料として使用する場合、燃料改質用触媒層は、入口側で温度４５０℃、出口側で温度７００℃になっており、入口側から出口側に向って上昇する温度分布が確認できた。
【００８２】
反応中、燃料ガス改質触媒反応器３の圧力損失は認められず、液体原燃料から水素リッチな燃料ガスが安定して生成された。
【００８３】
このときに使用した燃料改質用触媒は、下記のうち、いずれかを選択した。
【００８４】
（１）燃料改質用触媒は、ルテニウム塩酸塩、ロジウム塩酸塩、パラジウム塩酸塩、白金塩酸塩、ルテニウム硝酸塩、ロジウム硝酸塩、パラジウム硝酸塩、白金硝酸塩のうち、いずれか少なくとも１種類以上の塩であり、触媒重量のうち、この塩が占める重量が０．１重量％以上である。
【００８５】
（２）燃料改質用触媒は、ルテニウム塩酸塩、ロジウム塩酸塩、パラジウム塩酸塩、白金塩酸塩、ルテニウム硝酸塩、ロジウム硝酸塩、パラジウム硝酸塩、白金硝酸塩のうち、少なくとも１種類以上の塩にアルカリ金属の酸化物およびアルカリ土類金属酸化物のうち、いずれか１種類、ランタノイド系列物質の酸化物、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の８族元素に属する酸化物のうち、少なくともいずれか１種類以上の反応促進剤を加えたものであり、触媒重量のうち、この反応促進剤が占める重量が１重量％以上である。
【００８６】
なお、（１）および（２）で述べた燃料改質用触媒は、例えば、アルミナ担体に、三塩化Ｐｄ（ＰｄＣＬ３・ｎＨ２Ｏ：Ｐｄ）、硝酸カルシウム［Ｃａ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ］、硝酸セリウム［Ｃｅ（ＮＯ３）４・ｎＨ２Ｏ］を用いて製造した。
【００８７】
試験後、燃料改質用触媒を取り出し、目視観察したところ、燃料改質用触媒は、その表面に炭素析出が認められず、良好な状態であった。燃料改質用触媒中の炭素含有量の分析結果は、使用前後ともに０．５重量％であり、変化が認められていない。したがって炭素析出はないと判定した。
【００８８】
なお、燃料改質用触媒の担体は、例えばγ形態のアルミナを使用したが、他の結晶体のアルミナでもよく、また、ＺｒＯ２，Ｓｉ２Ｏ，ＴｉＯ２でもよい。
【００８９】
（試験結果２）
原燃料は、灯油を使用した。
【００９０】
試験条件は、試験結果１のものと同一に合わせた。また、気化混合器５の温度およびスチーム／カーボン比も試験結果１のものと同一に合わせた。
【００９１】
液体原燃料（灯油）の液体空間速度ＬＨＳＶは、ＬＨＳＶ＝０．４とし、酸素と炭素数の比Ｏ２／Ｃを、Ｏ２／Ｃ＝０．４とし、水蒸気と液体燃料のモル数の比Ｓ／ＣをＳ／Ｃ＝２．０とした。
【００９２】
また、液体原燃料は、試験結果１と同様に、定格時用液体原燃料供給系１０に設けたノズルから霧状にして気化混合器５に供給した。
【００９３】
燃料ガス改質触媒反応器３の出口側のガス組成比は、Ｈ２＝４１％、ＣＯ＝１０％、ＣＯ２＝１３％、ＣＨ４＝０％、Ｎ２＝３５％となり、ほぼ平衡組成に近い値を示した。
【００９４】
このときの燃料改質用触媒層温度分布は、図６に示すように、入口側で温度６００℃、出口側で温度８００℃になっており、入口側から出口側に向って上昇する温度分布が確認できた。
【００９５】
反応中、燃料ガス改質触媒反応器３の圧力損失は、試験結果１のものと同一に合わせた。
【００９６】
試験後、燃料改質用触媒を取り出し、燃料改質用触媒中の炭素含有量を分析したところ、使用前が０．５重量％であるのに対し、使用後が０．３重量％と減少したが、炭素の析出は認められず、良好な状態であった。
【００９７】
（試験結果３）
原燃料は、メタンである気体燃料を使用した。
【００９８】
気体原燃料（メタン）の燃料改質は、図６に示すように、燃料改質用触媒層の入口側を温度５００℃にし、その出口側を温度８５０℃で行った。
【００９９】
また、気化混合器５は、温度１００℃以上にするとともに、供給する水蒸気のモル量と気体原燃料中の炭素のモル量とのスチーム／カーボン比を１以上にした。
【０１００】
気体原燃料（メタン）の気体空間速度ＧＨＳＶは、ＧＨＳＶ＝１０，０００、酸素と炭素数の比Ｏ２／ＣをＯ２／Ｃ＝０．１、水蒸気と気体原燃料のモル数の比Ｓ／Ｃを、Ｓ／Ｃ＝２．５とする試験条件に設定した。
【０１０１】
燃料ガス改質触媒反応器３の出口側のガス組成比は、Ｈ２＝６５％、ＣＯ＝１１％、ＣＯ２＝１４％、ＣＨ４＝０％、Ｎ２＝１０％となり、ほぼ平衡組成に近い値を示した。
【０１０２】
このときに使用した燃料改質用触媒は、試験結果１のものと同一に合わせた。
【０１０３】
なお、燃料改質用触媒は、例えば、アルミナ担体に、三塩化白金（ＰｔＣｌ２・ｎＨ２Ｏ：Ｐｔ）と硝酸マグネシウム［Ｍｇ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ］を用いて製造した。
【０１０４】
試験後、燃料改質用触媒を取り出し、燃料改質用触媒中の炭素含有量を分析したところ、使用前が０．５重量％であるのに対し、使用後が０．４重量％と減少したが、炭素の析出は認められず、良好な状態であった。
【０１０５】
なお、試験結果１〜３を求めるために使用する燃料改質装置は、図１〜図５に示す構成のものである。
【０１０６】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃料改質装置は、改質器本体を燃焼触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とに区分けし、区分けした燃焼触媒反応器および燃料ガス改質反応器のうち、燃料ガス改質触媒反応器を内側に配置し、燃焼触媒反応器を外側で、かつ同心的に配置するとともに、燃焼促進用触媒を充填した燃焼触媒反応器を流れる原燃料と、燃料改質用触媒を充填した燃料ガス改質触媒反応器を流れる改質燃料ガスとを向流形式で流す構成にするので、装置自体をコンパクト化させるとともに、改質燃料ガスの温度分布を均一化させて未反応の燃料ガスの生成を防止し、均質な成分の燃料ガスを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料改質装置の実施形態を示す概念図。
【図２】図１で示した燃料改質装置のうち、燃料触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とを抜き出した概念図。
【図３】図１で示した燃料改質装置のうち、燃料触媒反応器と燃料ガス改質触媒反応器とを抜き出して寸法を設定するための概念図。
【図４】図１で示した燃料改質装置のうち、気化反応器を抜き出し、図１に示すＡ−Ａ矢視方向から見た気化混合器の平面図。
【図５】気化器の側面図。
【図６】イソプロピルアルコール、灯油、メタンを原燃料とする場合と、従来のオートサーマルリフォーミング法とを対比させた燃料ガス改質触媒反応器の燃料改質用触媒層温度分布線図。
【符号の説明】
１  改質器本体
２  燃焼触媒反応器
３  燃料ガス改質触媒反応器
４  原燃料導入部目皿
５  気化混合器
６  燃料改質ガス出口目皿
７  燃料改質ガス出口
８  ブロア
９  液体原燃料タンク
１０  第１液体原燃料供給系
１１  ポンプ
１２  第２液体原燃料供給系
１３  ポンプ
１４  液体原燃料蒸発器
１５  水蒸発管
１６  ポンプ
１７  水タンク
１８  ブロア
１９  燃焼ガス出口
２０  空気導入系
【図１】
2005022908.tif 000007
【図２】
2005022908.tif 000008
【図３】
2005022908.tif 000009
【図４】
2005022908.tif 000010
【図５】
2005022908.tif 000011
【図６】
2005022908.tif 000012