(57)【要約】【課題】燃焼室で発生する加熱ガスの熱を有効に利用し、サイズがコンパクトで起動性に優れ、コスト上の負担を軽減することのできる燃料改質装置を提供する。【解決手段】筒形断熱容器１に内部空間を内包し、該内部空間の下部に上向き方向に火炎を発生するバーナ２を配置し、さらに上記内部空間に配置されると共に改質触媒３を充填した第１の多重筒形容器７を備え、上記筒型断熱容器１の上部に空間を隔てて、高温域ＣＯ変成触媒１５を充填した筒形容器１６を配置し、上記筒型断熱容器１及び上記筒形容器１６を内蔵する第２の多重筒形容器３１、３８を設け、該第２の多重筒形容器３１、３８の上部の管壁間には低温域ＣＯ低減触媒３０を充填し、下部の管壁間にはＣＯ除去触媒３５を充填した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形断熱容器に内部空間を内包し、該内部空間の下部に上向き方向に火炎を発生するバーナを配置し、さらに上記内部空間に配置されると共に改質触媒を充填した第１の多重筒形容器を備え、上記筒型断熱容器の上部に空間を隔てて、高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器を配置し、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を設け、該第２の多重筒形容器の上部の管壁間には低温域ＣＯ低減触媒を充填し、下部の管壁間にはＣＯ除去触媒を充填したことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１の燃料改質装置において、周囲に断熱材を施工したことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項３】
請求項１又は２の燃料改質装置において、高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器の周囲に二重筒形管を設置し、該二重筒形管の管壁間に蛇管形状の伝熱管を配置し、伝熱管内部には改質反応に使用する水を冷却媒体として導入することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項４】
請求項３の燃料改質装置において、上記第１の多重筒形容器を二重管とし、該二重管の管壁間に直径の異なる二の筒形管を配置し、直径の大きい一の筒形管と上記二重管の外側の管壁との間及び直径の小さい他方の筒形管と上記二重管の内側の管壁との間に改質触媒を充填し、該改質触媒からの改質ガスを上記高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器に送る流路を設け、上記バーナによって生成する加熱ガスを上記伝熱管を加熱するために流すための流路を設けたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項５】
請求項３の燃料改質装置において、上記第１の多重筒形容器を二重管とし、該二重管の管壁間にさらに筒形管を設け、二重管と筒形管との間に改質触媒を充填し、上記二重管の内部に形成される空間に下端の閉成した下端閉成筒形管を設け、該下端閉成筒形管の内部にさらに下端開放筒形管を設け、上記下端閉成筒形管と下端開放筒形管との間に触媒を充填し、改質触媒からの改質ガスを上記高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器に送る流路を設け、上記バーナによって生成する加熱ガスを伝熱管を加熱するために流すための流路を設けたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの燃料改質装置において、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の内側に、該二重管より径が小さい筒形管を隣接して設け、上記二重管と、上記筒形管の間に上記バーナに供給する空気を冷却媒体として導入することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかの燃料改質装置において、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の外側に、該二重管より径が大きい筒形管を隣接して設け、上記二重管と、上記筒形管の間に上記バーナに供給する空気を冷却媒体として導入することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかの燃料改質装置において、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の外側に、蛇管形状の伝熱管を配置したことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項９】
請求項３〜５のいずれかの燃料改質装置において、伝熱管からの水蒸気及び／又は燃料を上記第１の多重筒形容器に送る流路を設けたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項３〜５のいずれかの燃料改質装置において、上記筒型断熱容器と、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器との間に、上記第２の多重筒形容器加熱するために加熱ガスの流路を設けたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかの燃料改質装置において、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器の外側に加熱手段を巻回したことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項１２】
請求項３〜５のいずれかの燃料改質装置において、上記伝熱管の配置された二重筒形管の管壁間に伝熱粒を充填したことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２の燃料改質装置において、上記伝熱管の配置された二重筒形管の内側の管壁に伝熱管を密着させ、伝熱管と二重筒形管の外側の管壁との間に伝熱粒を充填したことを特徴とする燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料から水素ガスを得るための燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池が注目されており、燃料電池に使用する水素ガスを得るための燃料改質装置が提案されている。
しかし、従来の燃料改質装置は、以下のように改善すべき点を持っていた。
【０００３】
まず、燃料改質装置では、反応温度を確保するために燃焼室で燃料を燃焼している。このような燃焼室内では、約９００℃の高温ガスが対流するために、断熱材を厚くする必要があり、そのためサイズが肥大化し、さらに起動時の昇温熱容量が増大し、起動時間を長くし、起動燃費を大きくしてしまっていた。例えば、改質管を複数使用し、出力の向上を図り、そのような改質管を断熱材で囲んだ燃焼室に内蔵するタイプ（特開平５−１７０４０２号公報等）では、そのような欠点を有していた。
【０００４】
特開平１１−２５５５０１号公報に記載された燃料改質装置は、改質管を単数としているものの、改質管を加熱する面が一面のため、出力増大時には、加熱面積を増大させる必要があり、内部の燃焼空間が増大し、装置が大型化するといった難点を克服していない。
【０００５】
一方、特開平１１−２５５５０１号公報に記載された燃料改質装置では、改質管から発生した改質ガスを別置きのＣＯ変成器に流入するようにしている。しかし、このタイプでもＣＯ変成部が別置きのため、装置全体のサイズが増大するといった欠点があった。また、別置きのため接続配管など工事量も増大するという難点があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１７０４０２号公報
【特許文献２】
特開平１１−２５５５０１号公報
【特許文献３】
特開平１１−２５５５０１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に対して、本発明は、燃焼室で発生する加熱ガスの熱を有効に利用し、サイズがコンパクトで起動性に優れ、コスト上の負担を軽減することのできる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料改質装置において、筒形断熱容器に内部空間を内包し、該内部空間の下部に上向き方向に火炎を発生するバーナを配置し、さらに上記内部空間に配置されると共に改質触媒を充填した第１の多重筒形容器を備え、上記筒型断熱容器の上部に空間を隔てて、高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器を配置し、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を設け、該第２の多重筒形容器の上部の管壁間には低温域ＣＯ低減触媒を充填し、下部の管壁間にはＣＯ除去触媒を充填したことを特徴とする。
【０００９】
後に説明する実施の形態に関する説明から了解されるように、筒形断熱容器は、好適には、内部が中空の円筒形状の断熱材である。第１の多重筒形容器は、図１の実施の形態に示すように金属容器であって、本体部分を金属二重管で構成することができる。高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器は、後の実施の形態にあるように、具体的には金属円筒管として構成することができる。第２の多重筒形容器は、金属二重管として実施することができる。なお、燃料改質装置は、改質装置、燃料改質器、又は改質器等の他の名称により指称されることがあるが、いずれも実質的に同一内容である。本明細書では、燃料改質装置と表現している。
【００１０】
本発明に係る燃料改質装置は、その周囲に断熱材を施工することが好適である。また、上記高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器の周囲に二重筒形管（金属二重管を設置し、該二重筒形管の管壁間に蛇管形状の伝熱管（蛇管チューブ）を配置し、伝熱管内部には改質反応に使用する水を冷却媒体として導入することが好適である。
【００１１】
また、本発明は、好適には、上記第１の多重筒形容器を二重管とし、該二重管の管壁間に直径の異なる二の筒形管（好適には金属円筒管）を配置し、直径の大きい一の筒形管と上記二重管の外側の管壁との間及び直径の小さい他方の筒形管と上記二重管の内側の管壁との間に改質触媒を充填し、該改質触媒からの改質ガスを上記高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器に送る流路を設け、上記バーナによって生成する加熱ガスを上記伝熱管を加熱するために流すための流路を設けた燃料改質装置として実施される。この形態に相当するのは、図１から図７の実施の形態である。
【００１２】
また、本発明は、他の実施の形態として、上記第１の多重筒形容器を二重管（好適には金属二重管）とし、該二重管の管壁間にさらに筒形管（好適には金属円筒管）を設け、二重管と筒形管との間に改質触媒を充填し、上記二重管の内部に形成される空間に下端の閉成した下端閉成筒形管（好適には金属円筒管）を設け、該下端閉成筒形管の内部にさらに下端開放筒形管（好適には金属円筒管）を設け、上記下端閉成筒形管と下端開放筒形管との間に触媒を充填し、改質触媒からの改質ガスを上記高温域ＣＯ変成触媒を充填した筒形容器に送る流路を設け、上記バーナによって生成する加熱ガスを伝熱管を加熱するために流すための流路を設けた燃料改質装置として実施される。この形態に相当するのは、図８の実施の形態である。
【００１３】
さらに、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の内側に、該二重管より径が小さい筒形管を隣接して設け、上記二重管と、上記筒形管の間に上記バーナに供給する空気を冷却媒体として導入することとすることもできる。またさらに、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の外側に、該二重管より径が大きい筒形管を隣接して設け、上記二重管と、上記筒形管の間に上記バーナに供給する空気を冷却媒体として導入することとすることもできる。
【００１４】
上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器を、二重管として構成し、該二重管の外側に、蛇管形状の伝熱管を配置することも本発明の実施の形態に含むことができる。本発明では、一般的に、伝熱管からの水蒸気及び／又は燃料を上記第１の多重筒形容器に送る流路を設ける。また、上記筒型断熱容器と、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器との間に、上記伝熱管を加熱するために加熱ガスの流路を設けることが好適である。
さらに好適には、上記筒型断熱容器及び上記筒形容器を内蔵する第２の多重筒形容器の外側に加熱手段（好適には電気ヒータ）を巻回する。
上記伝熱管の配置された二重筒形管の管壁間に伝熱粒を充填することも好適である。この場合、上記伝熱管の配置された二重筒形管の内側の管壁に伝熱管を密着させ、伝熱管と二重筒形管の外側の管壁との間に伝熱粒を充填することが好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面に示した実施の形態を参照しながら、本発明に係る燃料改質装置をさらに詳細に説明する。
第１の実施の形態に係る燃料改質装置
図１は本発明に係る燃料改質装置について、第１の実施の形態を示す縦断面図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料改質装置は、中心軸を同一にして設けられた径の異なる複数の金属円筒管、断熱材を間隔を置いて多重に配置して構成される。
【００１６】
まず、この燃料改質装置は、内部が中空の円筒形状（筒型）のアルミナ系断熱材１を有する。図中、断熱材１は、中心線Ｌを中心として左右対称に現れており、部材そのものとしては、上下が開放された筒状のものである。該断熱材１の下端穴には、上向き方向に燃焼ガスを発生するためのバーナ２を配置している。さらに断熱材１の内部には、金属容器４を設置している。該金属容器４は、ステンレス等で構成され、内部に改質触媒３を充填している。金属容器４は、本体部分として金属二重管７を有し、内部に金属二重管５がさらに内蔵されている。
【００１７】
改質触媒３は、金属二重管５の内面、及び外面に一定の厚みを持たせて充填されている。金属二重管５を構成する内部管５ａは、その壁面の断面が下方では、中心線Ｌを挟んで対称に現れ、全体としては図中で断面コ字状に描かれている。すなわち、上端が閉成し、下端が開放された形状となっている。外側の管壁５ｂは、図では、上下が開放された筒状に現れている。
さらに、この実施の形態は、下部先端の閉じた金属二重管７を有し、その内部に金属二重管５が包含されるように構成している。この金属二重管７も中心線Ｌに関して、図中断面が左右対称に現れており、二重の壁で構成された筒形状に構成されている。二重壁自体は下端が閉成され、上端が開放されている。二重壁を構成する内側の内部管（内側の管壁）７ａと上記内部管（内側の管壁）５ａとの間、外側の外部管（外側の管壁）７ｂと上記外部管（外側の管壁）５ｂとの間に、改質触媒３が挟み込まれるように充填されている。なお、内部管５ａと外部管５ｂとは、二重管と見ることもできるが、各々独立した円筒管と見ることもできる。
【００１８】
この改質触媒３の上下の支持はパンチングプレート６で行っている。
この実施の形態では、さらに金属円筒管１１を有する。この金属円筒管１１は天板９に固定している。この金属円筒管１１は、中心線Ｌに関し、左右対称に断面が現れている。金属円筒管１１は、金属二重管７の内側を流れる加熱ガス８の流路を確保するためのものである。
【００１９】
本実施の形態では、ＨＴＳ触媒（高温域ＣＯ変成触媒）１５を改質触媒３の上部に設置している。該ＨＴＳ触媒１５は、４００℃で作動する触媒であり、改質触媒３を通過した改質ガス１４中のＣＯを変成し、水素を生成する（変成反応を行う）ためのものである。なお、ＨＴＳ触媒１５は、パンチングプレート１６ａによって支持されている。
【００２０】
本発明では、ＣＯシフト触媒として、ＨＴＳ触媒（ＣＯ変成触媒）及びＬＴＳ触媒（低温域ＣＯ低減触媒、ＣＯ変成触媒）を用いている。ＣＯシフト触媒は、燃料電池システムにおいて、改質器によって製造された水素含有ガス中のＣＯ濃度を低減する。燃料電池本体に入るまでにＣＯ濃度を１０ＰＰｍ以下にするため、ＬＴＳ出口ではＣＯ濃度を６％から２０００ｐｐｍ以下にまで低減させる。ＣＯシフト触媒には、上記したように３５０〜４５０℃前後の高温でシフト反応するＨＴＳ触媒と、２００℃前後の低温でシフト反応するＬＴＳ触媒の２種類がある。いずれもガス中の一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素を生成するシフト反応を行う。Ｃｕ−ＺｎＯ系の触媒等を使用する。
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２
【００２１】
ＨＴＳ触媒１５は金属円筒管１６の内部に充填される。該金属円筒管１６は、金属二重管５の外部管５ｂと連続してその上方に設けられている。図示のように上端が開放された形態に構成されている。金属円筒管１６には、それより内径が大きい金属円筒管１８が同心円状に配置されている。この金属円筒管１８は、後述するように、ＨＴＳ触媒１５を通過して、一部のＣＯがＨ２に変成された改質ガス１７を下方向に導びく役割を果たす。このため、金属円筒管１８の上端は、図示のように閉成されている。
【００２２】
さらに、金属円筒管１８の外周には、金属二重管２０が取り巻いている。該金属二重管２０は、金属二重管１８によって下方に導かれた改質ガス１７がその内部に流れ込めるように構成されている。金属二重管２０の上端は、その左側の管壁断面に示されるように上端が閉成されている。そして、右側の管壁断面に示すように改質ガス用のバイパス２２が少なくとも１箇所設けられている。
そして、金属二重管２０の管壁内部には、蛇管チューブ１９が収納されている。後述するように、この管壁内部の空間で改質ガスは下方から上方に向かい、バイパス２２から流出する。蛇管チューブ１９に流入する改質原料となるプロセス水２１は、改質ガスと熱交換する。
【００２３】
また、金属二重管２０と金属円筒管１８との間には、断熱材２４を設けて蛇管チューブ１９が直接、ＨＴＳ触媒１５を冷却することを防いでいる。これによって、ＨＴＳ触媒１５の半径方向に温度分布を作らないように構成している。温度分布が発生すると、ＨＴＳ触媒１５の作動温度３５０〜４５０℃の範囲以下の部分のガスがＣＯ変成されずに通過する可能性があるからである。
【００２４】
プロセス水２１は、改質ガス１７を冷却する量しか流入しないので、改質に必要なプロセス水全量に至らない。そこで、蛇管チューブ１９に併設するように金属二重管２５を設置し、その内部に蛇管チューブａを設け、これにプロセス水２６を上方から流入するように構成している。なお、金属二重管２５の一方の円筒壁は、下方で断熱材１を取り巻く円筒を構成している。
なおまた、プロセス水２６は、後述するようにガス穴１０を通過した加熱ガス２７と熱交換して蒸気となる。
本実施の形態では、ミキサー２８を設け、プロセス水２１，２６の双方の蒸気を混合することとしている。
【００２５】
バイパス２２を通過した改質ガス２９は、約２００℃で作動するＣＯ変成触媒、ＬＴＳ触媒（低温域ＣＯ低減触媒、ＣＯ変成触媒）３０に流入することができるように構成されている。ＬＴＳ触媒３０は、金属二重管３１の内部空間に充填されている。このＬＴＳ触媒３０では、改質ガス２９中のＣＯ濃度を例えば、６％から２０００ｐｐｍ程度に低減する。金属二重管３１も、前述した他の二重管と同様、中心線Ｌを中心とした円筒形状に構成されており、中心線Ｌを中心として、図中左右に断面が現れている。
【００２６】
さらに、ＬＴＳ触媒３０の後流には、金属二重管３１の外側に金属円筒管３２を設け、その間隙３３に冷却用空気３４を流入することができるように構成している。
ＬＴＳ触媒３０を経た改質ガス３６には、取り出されて、微量の空気３７を混入し、ＰＲＯＸ触媒３５に流入することができるように構成している。このための取出口３１ａ・流入口３８ａを備える。
【００２７】
ＰＲＯＸ触媒３５は、金属三重管３８の２つの間隙に設置する。このことによりＰＲＯＸ触媒３５の（触媒長さ／流路断面積）が大きくとれて、安定した反応が期待できる。金属三重管３８も、前述した他の二重管と同様、中心線Ｌを中心とした円筒形状に構成されており、中心線Ｌを中心として、図中左右に断面が現れている。なお、金属三重管３８は、金属二重管又は金属四重管以上の多重管としても構成することができる。
【００２８】
ＰＲＯＸ触媒３５としては、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化し得る触媒であれば特に限定はなく、例えばＲｕ系などの金属触媒が用いられる。
ＰＲＯＸ触媒３５中では、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化して、ＣＯ濃度を例えば２０００ｐｐｍから１０ｐｐｍに低減する。その反応で発生する反応熱は、金属三重管３８の外側には、金属円筒管３９が設けられ、それらの間隙４０に冷却用空気４１を流入することができるように構成している。この金属円筒管３９も、中心線Ｌを中心とした円筒形状に構成されており、中心線Ｌを中心として、図中左右に断面が現れている。
【００２９】
流出口３８ｂは、ＣＯ除去された改質ガス４２を流出させるための出口である。
ＬＴＳ触媒３０、ＰＲＯＸ触媒３５を充填した容器の周囲、及びＨＴＳ触媒１５の上部には、断熱材４３を設置している。
この断熱材４３は、外部への放熱を低減するためのものである。断熱材４３としてはマイクロサーム、ケイ酸カルシウム、アルミナファイバなど、断熱効果の高いものを使用する。
【００３０】
本実施の形態に係る燃料改質装置を起動するには、まず改質触媒３を４００℃〜７００℃に、ＨＴＳ触媒１５を４００℃に、ＬＴＳ触媒３０を２００℃に、ＰＲＯＸ触媒３５を１５０℃に昇温する必要がある。
改質触媒３はバーナ２の加熱ガス８で容易に昇温することが可能である。また、ＨＴＳ触媒１５も、改質触媒３を通過する水蒸気などで容易に昇温できる。
ここで、起動時に発生する改質ガス４２中のＣＯ濃度を最終的に低減するのは、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５である。すなわち、これらの触媒をいかに作動温度まで昇温するかが重要である。
【００３１】
本実施の形態では、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５の容器の外側に、電気ヒータ４４を設置している。これによって、温度管理をしながら所定温度まで昇温することができる。
以上、本実施の形態に係る燃料改質装置の主だった構成要素を説明した。生成される改質ガスは、所定の流路以外に漏洩せず、また、改質ガス以外の原料以外は流入することがないように構成している。また、図中、断面表記上一見して一体に構成されている部材（金属二重管等）は、製造上の都合に適合させ、複数の部材を組み合わせ、接合して構成することができる。なお、改質触媒３、ＨＴＳ触媒１５、ＬＴＳ触媒３０、ＰＲＯＸ触媒３５は、断面表記上粒状物が上下に一部だけ描かれているが、実際には、上下にわたって充填されている。
【００３２】
次に、上記構成の本発明に係る燃料改質装置について、その作用を、構成要素について説明を補充しつつさらに詳細に説明する。
【００３３】
まず、バーナ２からの加熱ガス８は金属二重管７の内面及び外面を加熱するように下から上方向へ流れる。すなわち、内面と外面の二面を加熱する。この加熱ガス８の流量分配は、金属二重管５、７を固定している天板９に設けたガス穴１０の流路断面積により調整する。また、金属円筒管１１によって金属二重管７の内側を流れる加熱ガス８の流路を確保することができる。なお、加熱ガス８はガス穴付近で約５００℃となる。
【００３４】
改質の原料となる水蒸気＋１３Ａなどの燃料混合気１２は天板９に設けた流入口１３から改質触媒３の上部へ約４００℃で流入する。この混合気１２は改質触媒３中を下方向に流れながら、反応に必要な熱を上方向に流れる加熱ガス８から受け取り、水素を含むガスである改質ガス１４となる。
【００３５】
改質ガス１４は、金属二重管５の間隙を通って上方向に流れて、４００℃で作動するＨＴＳ触媒１５に流入する。改質触媒３を通過した改質ガス１４は、ＨＴＳ触媒１５の下部から流入し、上方に通過する。その過程で改質ガス１４中のＣＯを水素に変成する。ＨＴＳ触媒１５を通過して、一部のＣＯがＨ２に変成された改質ガス１７は、金属円筒管１８により下方向に導かれ、金属二重管２０の下部から流入し、上方に流れて行く。その間、改質ガス１７は蛇管チューブ１９に流入する改質原料となるプロセス水２１と熱交換して、約２００℃まで冷却され、次の触媒へ導く複数本のバイパス２２に流入する。
【００３６】
プロセス水２１は熱交換後、水蒸気２３となり、水と燃料との混合気１２となって改質触媒３に流入される。ここで、断熱材２４により、蛇管チューブ１９が直接、ＨＴＳ触媒１５を冷却して、触媒の半径方向に温度分布をつくらいないようにする。温度分布が発生すると、ＨＴＳ触媒１５の作動温度３５０〜４００℃の範囲以下の部分のガスがＣＯ変成されずに通過する可能性があるからである。
【００３７】
前述のプロセス水２１は、改質ガス１７を冷却する量しか流入しないので、改質に必要なプロセス水全量に至らない。そこで、蛇管チューブ２５ａにプロセス水２６を上方から流入する。このプロセス水２６は、加熱ガス８に由来する加熱ガス２７と熱交換して蒸気となり、ミキサー２８で前述の水蒸気２３と混合され、改質触媒３に流入される。
【００３８】
バイパス２２を通過した改質ガス２９は、約２００℃で作動するＬＴＳ触媒３０に流入する。ＬＴＳ触媒３０では、改質ガス２９中のＣＯ濃度を例えば、６％から２０００ｐｐｍ程度に低減する。ＬＴＳ触媒３０の後流では、金属二重管３１とその外側の円筒管３２との間隙３３に冷却用空気３４を流入し、ＬＴＳ触媒３０中の改質ガスを、後流のＰＲＯＸ触媒３５の作動温度、例えば１５０℃の改質ガス３６に冷却する。
【００３９】
この改質ガス３６は、微量の空気３７を混入したのち、ＰＲＯＸ触媒３５に流入する。ＰＲＯＸ触媒３５中では、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化して、ＣＯ濃度を例えば２０００ｐｐｍから１０ｐｐｍに低減する。その反応で発生する反応熱は、金属三重管３８と、その外側に設けた金属円筒管３９との間隙４０に冷却用空気４１を流入することで冷却する。
ＣＯ除去された改質ガス４２は、燃料電池に流入され、発電することができる。
【００４０】
本実施の形態に係る燃料改質装置では、メタン、都市ガス、灯油などの炭化水素系燃料を改質燃料に使用する。これら燃料の投入方法は、プロセス水２６に同伴して蛇管チューブ２５ａでプロセス水２６と共に蒸発気化せるか、又は、燃料単独でミキサー２８に流入し、水蒸気２３と混合して、水と燃料との混合気１２にして改質触媒３に流入する。
【００４１】
なお、前述したように、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５の容器の外側に設置した電気ヒータ４４により、温度管理をしながらこれらの触媒を所定温度まで昇温する。
また、定常運転時では蛇管チューブａと熱交換後の加熱ガス４５は、排気管４６から系外を排出する。しかし、起動の時は、バルブ４７を閉じて、ＬＴＳ触媒３０、ＰＲＯＸ触媒３５と断熱材１の間に設けた間隙４８に加熱ガス４９を流し、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５を昇温する。昇温後の加熱ガス４９は排気管５０から系外に排気する。起動終了後はバルブ５１を閉じ、バルブ４７を開開いて、加熱ガス４５を排気管４６から排出する。
【００４２】
ＬＴＳ触媒３０を冷却した冷却用空気３４とＰＲＯＸ触媒３５を冷却した冷却用空気４１はバーナ用二次空気５２として、混合後、バーナ２へ供給する。この方法で、ＬＴＳ触媒３０とＰＲＯＸ触媒３５から回収した熱を改質触媒３の加熱に再利用できるので効率の向上を図ることができる。
【００４３】
第２の実施の形態に係る燃料改質装置
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００４４】
本実施の形態では、プロセス水２６を第１とは別の位置に蛇管チューブ２５ａを設置する。すなわち、断熱材１の上部に金属二重管５４を設け、プロセス水２６を蒸発させる蛇管チューブ２５ａをその間隙に収めている。また、断熱材１の下方には、金属二重管５４に連続するように金属円筒管２５（図１の金属二重管２５の外部側のみのもの）と、金属円筒管５５とで間隙を形成し、蛇管チューブ２５ａを係る間隙に収めている。なお、金属二重管５４、金属円筒管５５は、共に、左右の断面が図中に現れている。
【００４５】
改質触媒３を充填した金属容器４の表面を加熱した加熱ガス２７は、ガス穴１０を通過したのち、流れ方向を反転して金属二重管５４の間隙を下方向に流れる。この間、加熱ガス２７は、金属二重管５４の内側管５４ａを介して再度加熱昇温される。その状態で蛇管チューブ２５ａを加熱して、内部を流れるプロセス水２６を蒸発させる。蒸発したプロセス水はミキサー２８に流入する。
この実施の形態では、加熱ガス２７を再度加熱昇温することにより、同じ熱量を蛇管チューブ２５ａに与える場合でも、加熱ガス２７のガス流量を低減することができ、ブロアなどの動力を低減できる。
【００４６】
第３の実施の形態に係る燃料改質装置
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００４７】
この実施の形態では、蛇管チューブ２５ａで蒸発させたプロセス水２６をミキサー２８に流入するのではなく、蛇管チューブ１９に流入させるようにしている。
この実施の形態では、蛇管チューブ２５ａと１９へ各々のプロセス水２６と２１を別々に流入する必要がなく、補機である水ポンプの動力低減、補機点数を低減することが可能となる。また、蛇管チューブ２５ａ内のプロセス水２６は過熱蒸気ではなく、例えば１００℃の飽和蒸気になるので、温度が低減され、加熱ガス２７との熱交換性能がさらに向上する利点もある。
なお、この実施の形態では、さらに図２の実施の形態の蛇管チューブ２５ａと併用することもできる。
【００４８】
第４の実施の形態に係る燃料改質装置
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００４９】
この実施の形態では、ＰＲＯＸ触媒３５を金属三重管３８の外側に設置している。そして、ＬＴＳ触媒３０を通過した改質ガス３６にＰＲＯＸ反応用の空気３７を混合した後、三重円筒管３８の一番内側の間隙を下方向の流入させている。三重円筒管３８の外側の間隙には下方向に冷却用空気４１を流入して改質ガス３６を例えば２５０℃から１５０℃まで冷却している。冷却された改質ガス３６を上方向に折返しＰＲＯＸ触媒３５に流入するようにしている。また、冷却用空気４１はバーナ用二次空気５２としてバーナ２に流入させている。
この実施の形態では、冷却用空気４１が、改質ガス３６を冷却すると同時にＰＲＯＸ触媒３５の内部反応熱も冷却できる。
この実施の形態は、図１〜図３の実施の形態においても実施することができる。
【００５０】
第５の実施の形態に係る燃料改質装置
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００５１】
この実施の形態では、蛇管チューブ５６、５７を設けている。
そして、プロセス水５８を蛇管チューブ５６に流し、ＬＴＳ触媒３０を通過する改質ガス３６を例えば２５０℃から１５０℃に冷却している。熱交換したプロセス水５８は水蒸気５９となり、連絡管６０により、ミキサー２８に流入させる。また、ＰＲＯＸ触媒３５での発熱を蛇管チューブ５７に流入したプロセス水６１で冷却し、発生した水蒸気６２を連絡管６３によりミキサー２８に流入している。
この、実施の形態は、蛇管チューブ２５ａに流入するプロセス水２６を低減でき、その分、このプロセス水２６を加熱する燃料を節約できるといった効果を有する。
この実施の形態は、図１〜図３の実施の形態においても実施することができる。
【００５２】
第６の実施の形態に係る燃料改質装置
図６は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００５３】
この実施の形態では、蒸発器の蛇管チューブ２５ａと金属二重管２５との間隙に例えば直径３ｍｍのアルミナセラミック、ステンレスボールなどの伝熱球体６３を充填している。この伝熱球体６０により、伝熱球体（伝熱粒）６３間を通過する加熱ガス２７からの熱を効率よく回収し、その熱を蛇管チューブ２５ａに効率よく伝熱することで、蒸発器の効率が向上する。なお、この伝熱球体６３を充填することで加熱ガス２７の圧力損失が増大するので、適用の際は、補機動力の強化が必要である。
なお、本実施の形態は、図１〜図５の実施の形態においても実施することができる。
【００５４】
第７の実施の形態に係る燃料改質装置
図７は、本発明の第７の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００５５】
図６の実施の形態と同様に、本実施の形態では、伝熱球体６３を備える。本実施の形態では、蛇管チューブ２５ａを金属二重管２５の内側管２５ｂに密着設置し、加熱ガス２７が蛇管チューブ２５ａと金属二重管２５の外側管の間のみ流れるようにしている。この間隙に伝熱球体６３を設置している。
本実施の形態では、上記図７の実施の形態と比較すると熱回収効率が低減するものの、圧損も少なく伝熱球体６３の熱容量を低減することができ、蛇管チューブ２５ａ内部のプロセス水２６の蒸発の際の負荷応答性が向上する。
なお、本実施の形態は、図１〜５の実施の形態においても実施することができる。
【００５６】
第８の実施の形態に係る燃料改質装置
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料改質装置を縦断面図として示す図である。
以下、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と異なる点について主に説明し、第１の実施の形態に係る燃料改質装置と同一又は共通する点については、特に必要がある場合を除き、説明を省略している。また、図１について説明したものと同一又は共通する構成要素については、同一の参照番号を付している。
【００５７】
本実施の形態では、下端を閉成した金属二重管７１、下端を閉成した金属円筒管７２、下端を開放した金属円筒管７３、７４を用いている。これらの管は、いずれも中心線Ｌを中心として左右対称に現れる。また、金属円筒管１１の下端も閉成している。
この実施の形態では、金属二重管７１の内部管７１ａと金属円筒管７４との間及び金属円筒管７２と金属円筒管７３との間に改質触媒３を充填している。
【００５８】
加熱ガス８は、ガス流路７５を通過し、改質触媒３を加熱する。加熱を終了した加熱ガス８はガス穴１０を通過する。改質触媒３を通過した改質ガス１４は折り返して改質触媒３に隣接する流路７６、７７を通過して例えば７００℃から４５０℃に冷却され、その熱を改質触媒３に伝える。これにより、加熱ガス８へ与える熱量を低減できる。
【００５９】
他の実施の形態
本発明に係る燃料改質装置は、上記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限定されるものではなく、当業者にとって自明な修飾・変更・付加は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６０】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明による燃料改質装置は、燃焼室で発生する加熱ガスの熱を有効に利用し、サイズがコンパクトで起動性に優れ、コスト上の負担を軽減することができる。すなわち、改質触媒を充填した円筒管を内外の２面から加熱ガスで加熱することができ、しかも、加熱ガス及び改質ガスの流路を上記のように構成することによって、熱効率の良い熱交換を行っている。さらに、起動時に加熱ガスによって、ＬＴＳ触媒、ＰＲＯＸ触媒等の触媒を加熱して起動性を高めることができる等多くの利点を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料改質装置について、第１の実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る燃料改質装置について、第２の実施の形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明に係る燃料改質装置について、第３の実施の形態を示す縦断面図である。
【図４】本発明に係る燃料改質装置について、第４の実施の形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明に係る燃料改質装置について、第５の実施の形態を示す縦断面図である。
【図６】本発明に係る燃料改質装置について、第６の実施の形態を示す縦断面図である。
【図７】本発明に係る燃料改質装置について、第７の実施の形態を示す縦断面図である。
【図８】本発明に係る燃料改質装置について、第８の実施の形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１          断熱材
２          バーナ
３          改質触媒
４          金属容器
５          金属二重管
６          パンチングプレート
７          金属二重管
８          加熱ガス
９          天板
１１        金属円筒管
１４        改質ガス
１５        ＨＴＳ触媒
１６        金属円筒管
１８        金属円筒管
２０        金属円筒管
２４        断熱材
２５        金属二重管
２５ａ      蛇管チューブ
２６        プロセス水
２７        加熱ガス
２８        ミキサー
２９        改質ガス
３０        ＬＴＳ触媒
３１        金属二重管
３４        冷却用空気
３５        ＰＲＯＸ触媒
３６        改質ガス
３８        金属三重管
３９        金属円筒管
４１        冷却用空気
４２        改質ガス
４３        断熱材
４４        電気ヒータ
４５        加熱ガス
４６        排気管
４７        バルブ
５２        二次空気
５４        金属二重管
５５        金属円筒管
５６        蛇管チューブ
５７        蛇管チューブ
５８        プロセス水
５９        水蒸気
６０        連絡管
６１        プロセス水
６２        水蒸気
６３        伝熱球体
【図１】
2005015292.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005015292.tif 000007
【図６】
2005015292.tif 000008
【図７】
2005015292.tif 000009
【図８】
2005015292.tif 000010