(57)【要約】【課題】熱交換による冷媒の蒸発に適した構成の熱交換器、触媒反応装置および燃料改質システムを提供する。【解決手段】発熱を伴う反応を生じる触媒層１４と、多孔質体１８を有し、触媒層１４と熱交換可能に構成した冷媒流路１３を備え、冷媒流路１３の空孔率を触媒層１４からの距離に応じて変化させる。ここでは、触媒層１４側に多孔質体１８を配置し、触媒層１４から離れた側に多孔質体１８より空効率の小さい空間を設ける。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、
多孔質体を有し、前記触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備え、
前記冷媒流路の空孔率を前記触媒反応層からの距離に応じて変化させることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項２】
前記冷媒流路内で、前記冷媒流路と前記触媒反応層とを隔てる部分近傍より、前記冷媒流路の中心軸側の空孔率が大きくなるように構成する請求項１に記載の触媒反応装置。
【請求項３】
前記冷媒流路に供給される冷媒が、液相または液相と気相の二相状態である請求項１または２に記載の触媒反応装置。
【請求項４】
前記多孔質体の鉛直方向下端が液体状態の冷媒と常に接触するように構成する請求項１から３のいずれか一つに記載の触媒反応装置。
【請求項５】
前記多孔質体を金属で構成する請求項１から４のいずれか一つに記載の触媒反応装置。
【請求項６】
前記冷媒流路の上流側に、液体状態の冷媒を貯蓄するリザーバタンクを備える請求項１から５のいずれか一つに記載の触媒反応装置。
【請求項７】
前記冷媒流路の下流側に、冷媒の気液分離を行う気液分離手段を備え、
前記気液分離手段により分離した液体状態の冷媒を前記リザーバタンクに回収する請求項６に記載の触媒反応装置。
【請求項８】
前記多孔質体の鉛直方向下端と前記リザーバタンクとを連通させ、
前記多孔質体の鉛直方向下端よりも、前記リザーバタンクに貯蓄した冷媒の液面が鉛直方向上側にあるように構成する請求項６または７に記載の触媒反応装置。
【請求項９】
前記冷媒流路の冷媒入口側を冷媒出口側に比較して鉛直方向下側に構成する請求項１から８のいずれか一つに記載の触媒反応装置。
【請求項１０】
前記触媒反応層を、触媒を担持させた多孔質体により構成する請求項１から９のいずれか一つに記載の触媒反応装置。
【請求項１１】
前記触媒反応層において、水素リッチガス中の一酸化炭素の選択的酸化反応を生じる請求項１から１０のいずれか一つに記載の触媒反応装置。
【請求項１２】
少なくとも水と燃料を用いて改質ガスを生成する改質反応器と、
前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する触媒反応層と、冷媒を用いて前記触媒反応層と熱交換を行う冷媒流路と、を備える一酸化炭素除去装置と、
前記触媒反応層で生じた熱を用いて水蒸気または燃料蒸気を生成する蒸気生成手段と、を備え、
前記一酸化炭素除去装置の前記冷媒流路に多孔質体を有し、
前記冷媒流路の空孔率が、前記冷媒流路とこれに隣接する前記触媒反応層とを隔てる部分近傍と、前記冷媒流路の中心軸付近で異なるように構成したことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項１３】
前記冷媒流路を流通する冷媒として純水または液体燃料を用い、前記冷媒流路と前記触媒反応層との間で熱交換を行うことにより水蒸気または燃料蒸気を生成する請求項１２に記載の燃料改質システム。
【請求項１４】
前記冷媒流路を通過した冷媒を気液分離する気液分離手段を備える請求項１３に記載の燃料改質システム。
【請求項１５】
高温源と液相を含む低温流体との熱交換を行う熱交換器において、
低温流体を流通する低温流体流路を多孔質に構成し、
前記低温流体流路の空孔率を、前記低温流体流路に隣接する前記高温源からの距離に応じて変化させることを特徴とする熱交換器。
【請求項１６】
発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、
多孔質体を有し、冷媒を流通することにより前記触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備え、
前記多孔質体の鉛直方向下端に常に液体状態の冷媒を接触させることを特徴とする触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱交換器、触媒反応装置および燃料改質システムに関する。特に、熱交換器または熱交換型触媒反応装置の熱交換を行う部分の構造と、熱交換器または触媒反応装置の少なくとも一方を備えた燃料改質システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱交換器として、互いに並列な複数の内側パイプと、それら内側パイプ全体を外囲する外側パイプ３とを備えたものが知られている。各内側パイプ内に多孔質焼結体をそれぞれ充填し、外側パイプの上端部に冷却水入口パイプを設け、かつ下端部に冷却水出口パイプを設ける。内側パイプの外周面にらせん状に巻回して固着したらせん状フィン、または、円筒状の多孔質体を設ける。各内側パイプにガスを通し、外側パイプ内に冷却水を冷却水入口パイプから冷却水出口パイプに向けて通す。これにより、冷却水に対して大きな接触面を確保でき、熱交換効率を向上することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２９４１６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上記従来の技術においては、外側パイプの流路断面全体に冷却水入口パイプから取り入れた冷却水を供給する構成となっている。そのため、外側パイプの流路断面全体に液体状の冷却水が満たされており、熱交換により冷却水の蒸発が生じた場合に、冷却水流路内で冷却水の体積が増大することは考慮されていない。
【０００５】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、熱交換による冷媒の蒸発に適した構成の熱交換器、触媒反応装置および燃料改質システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、触媒反応装置において、発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、多孔質体を有し、前記触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備える。前記冷媒流路の空孔率を前記触媒反応層からの距離に応じて変化させる。
【０００７】
または、燃料改質システムにおいて、少なくとも水と燃料を用いて改質ガスを生成する改質反応器を備える。また、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する触媒反応層と、冷媒を用いて前記触媒反応層と熱交換を行う冷媒流路と、を備える一酸化炭素除去装置を備える。さらに、前記触媒反応層で生じた熱を用いて水蒸気または燃料蒸気を生成する蒸気生成手段と、を備える。前記一酸化炭素除去装置として、前記冷媒流路に多孔質体を有し、前記冷媒流路の空孔率が、前記冷媒流路とこれに隣接する前記触媒反応層とを隔てる部分近傍と、前記冷媒流路の中心軸付近で異なるように構成する。
【０００８】
または、高温源と液相を含む低温流体との熱交換を行う熱交換器において、低温流体を流通する低温流体流路を多孔質に構成し、前記低温流体流路の空孔率を、前記低温流体流路に隣接する前記高温源からの距離に応じて変化させる。
【０００９】
または、触媒反応装置において、発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、多孔質体を有し、冷媒を流通することにより前記触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備える。前記多孔質体の鉛直方向下端に常に液体状態の冷媒を接触させる。
【００１０】
【作用及び効果】
発熱を伴う反応を生じる触媒反応層と、多孔質体を有し、触媒反応層と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路を備え、冷媒流路の空孔率を触媒反応層からの距離に応じて変化させる。これにより、冷媒が蒸発した際に、空孔率の大きな部分に蒸発した冷媒を優先的に流通することができ、冷媒流路から蒸発した冷媒を速やかに排出することができる。その結果、蒸発することにより冷媒の体積が急激に増大した場合に、冷媒の供給をスムーズに行うとともに、触媒反応装置に生じる応力を抑制することができる。
【００１１】
触媒反応層で生じた熱を用いて水蒸気または燃料蒸気を生成する蒸気生成手段を備え、一酸化炭素除去装置として、冷媒流路に多孔質体を有し、冷媒流路の空孔率が、冷媒流路と触媒反応層とを隔てる部分近傍と、冷媒流路の中心軸付近で異なるように構成する。これにより、蒸発することにより冷媒の体積が急激に増大した場合に、一酸化炭素除去装置への冷媒の供給をスムーズに行うことができるとともに、一酸化炭素除去装置で生じる熱を効率的に用いることができる。
【００１２】
低温流体を流通する低温流体流路を多孔質に構成し、低温流体流路の空孔率を、前記低温流体流路に隣接する高温源からの距離に応じて変化させる。これにより、低温流体が蒸発した際に、空孔率の大きな部分に蒸発した低温流体を優先的に流通することができ、低温流体流路から蒸発した低温流体を速やかに排出することができる。その結果、蒸発することにより低温流体の体積が急激に増大した場合に、低温流体の供給をスムーズに行うとともに、熱交換器に生じる応力を抑制することができる。
【００１３】
多孔質体の鉛直方向下端に液体状態の冷媒を接触させる。これにより、毛細管現象により、冷媒を供給するための駆動力が不要となる、または、低減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態について説明する。ここでは、駆動源として自動車等に搭載される燃料電池システムについて説明する。燃料電池システムの概略構成を図１に示す。
【００１５】
燃料電池システムに、発電に用いる水素を生成するために、ガソリン等の炭化水素系燃料から改質ガスを生成する燃料改質システムを備える。燃料改質システムには、燃料蒸気と、水蒸気と、酸化剤ガス（空気）とを用いて改質反応を生じる改質触媒を有する改質器３を備える。なお、ここでは改質器３をＡＴＲ（Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ    Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）を行う触媒反応器とする。
【００１６】
改質器３で生成した改質ガス中には、後述するスタック８における発電を妨げる原因となる一酸化炭素（以下、ＣＯ）が含まれる。そこで、スタック８の上流側に、改質ガス中のＣＯ濃度を低減する触媒反応器を備える。ここでは触媒反応器として、シフト反応器４とＣＯ除去器５を備える。
【００１７】
シフト反応器４では、シフト反応器４の上流側で改質ガスに混入させた水とＣＯが反応して水素と二酸化炭素（以下、ＣＯ２）を生成する。また、ＣＯ除去器５では、ＣＯ除去器５の上流側で混入した酸化剤、ここでは空気とＣＯとが反応することにより、ＣＯ２を生成する。これにより、ＣＯ濃度が例えば１０ｐｐｍ以下まで低減された改質ガスを生成する。
【００１８】
このように生成した改質ガスと酸化剤ガス（空気）を用いて発電を行うスタック８を備える。ここでは、例えば固体高分子電解質型燃料電池を用いる。スタック８では、図示しない電解質膜をプロトンが移動することにより起電力を生じる。このとき、移動したプロトンと空気中の酸素が結びついて水が生成される。
【００１９】
このような燃料電池システムにおいて、各触媒反応器における反応を維持するためには、触媒反応器の触媒を活性温度に維持する必要がある。例えば、ＣＯ除去器５においては、ＣＯの酸化反応に伴って熱を生じるため、ＣＯ除去器５を触媒活性温度に維持するための温度調整システムを備える。ここでは、温度調整システムとして、純水を流通する純水系１５を備える。ＣＯ除去器５を熱交換可能な触媒装置として構成し、純水系１５を流れる純水をＣＯ除去器５の熱交換部に流通させることにより、ＣＯ除去器５を適切な温度に維持する。なお、図１において、純水系１５を流れる流体が液体の純水の場合には点線、気相の純水の場合には一点破線で示している。
【００２０】
純水系１５には、純水を収容する水タンク７を備える。水タンク７には、上述したように発電に伴ってスタック８で生成された水が回収される。水タンク７から取り出された液体状態の純水はＣＯ除去器５内に供給される。純水がＣＯ除去器５内を通流する際に、純水の少なくとも一部が蒸発して水蒸気が生成される。ＣＯ除去器５から排出された気液二相状態の純水を、図示しない蒸発器や気液分離装置等に供給して、気相一相からなる水蒸気を生成し、改質器３やシフト反応器４に供給する。なお、ＣＯ除去器５から排出される純水が気相一相状態であれば、必ずしも蒸発器や気液分離装置等を設ける必要はない。
【００２１】
しかしながら、このような燃料改質システムにおいては、ＣＯ除去器５内で純水が蒸発することにより、急激に純水の体積が増大する可能性がある。その結果、ＣＯ除去器５内の圧力が増大して、ＣＯ除去器５自体に余分な応力が生じる。また、運転停止直後などに空気、水、燃料の供給が停止した場合、改質反応及びシフト反応に用いる水の供給が停止されるので、ＣＯ除去器５の温度調整を行うための水の供給も停止される。これにより、ＣＯ除去器５に蓄積された熱量が除去されず、図２に示すようにＣＯ除去器５自体の温度が上昇してしまう。その結果、ＣＯ除去器５に担持された触媒が許容範囲を上回り、触媒が溶解して触媒粒径増大による劣化を引き起こし、死活する可能性があった。
【００２２】
そこで本実施形態では、ＣＯ除去器５を以下のように構成する。
【００２３】
ＣＯ除去器５全体の概略構成を図３に示す。また、冷媒流路１３の詳細を図４に示す。図４には、ＣＯ除去器５の冷媒入口１２、冷媒出口１１を含む方向の断面図を示す。なお、図４に示す断面図上では、改質ガスは触媒層１４を、紙面垂直方向に手前から奥に向かって流れる。
【００２４】
水タンク７から取り出した純水の入口部分となる冷媒入口１２をＣＯ除去器５の下方部分に備える。また、冷媒入口１２から供給された純水を後述する冷媒流路１３に分配する供給マニホールド２５ａをＣＯ除去器５の下方部分に備える。また、熱交換部となり、複数の平行に配置された純水の流路である冷媒流路１３を備える。ここでは、冷媒流路１３内を純水が鉛直下方から上方に向かって流れる。冷媒流路１３の下端部と供給マニホールド２５ａとを連通し、さらに供給マニホールド２５ａと水タンク７とを連通する。つまり、冷媒流路１３の下端、言い換えれば後述するように冷媒流路１３に備えた多孔質体１８の下端は、常に水タンク７からの冷媒に接触するように構成する。
【００２５】
また、各冷媒流路１３から気液二相状態の冷媒を回収する排出マニホールド２５ｂ、回収した冷媒を排出する冷媒出口１１をＣＯ除去器５の上方部分に備える。さらに、冷媒流路１３と直交する方向に改質ガスを流通する、複数の平行に並んだ触媒層１４を備える。冷媒流路１３と触媒層１４とを交互に構成する。冷媒流路１３と触媒層１４とは仕切り板２１により分離する。ここで、仕切り板２１は良熱伝導性の材質を用いて構成する。
【００２６】
純水は、冷媒流路１３を流通する際に、改質ガス自体の熱、および、触媒層１４で生じる改質ガスの酸化反応に伴って生じる熱を吸収する。この熱交換により触媒層１４を活性温度に維持する。このとき、純水に潜熱分の熱が得られると、冷媒は液体から気体へ相変化して気液二相状態となる。
【００２７】
次に、冷媒流路１３及び熱交換の詳細を図５を用いて説明する。
【００２８】
触媒層１４には、改質ガスの流通方向に伸びるハニカム構造の伝熱拡大板２２を備える。伝熱拡大板２２を、金属平板を用いて構成する。また、伝熱拡大板２２には酸化触媒を担持する。伝熱拡大板２２を備えることにより改質ガスの接触面積を増大して、酸化反応を促進するとともに、伝熱面を拡大する。なお、触媒層１４は、流路にフィンを設けた構造としてもよい。
【００２９】
触媒層１４の間には冷媒流路１３を構成する。冷媒流路１３には、多孔質体１８を備える。ここでは、多孔質体１８を触媒層１４に近接する部分に構成する。つまり、仕切り板２１に隣接して多孔質体１８を備える。多孔質体１８を金属により構成する。また、触媒層１４から離れた冷媒流路１３の中心軸近傍には、空間により構成した蒸気流路１９を備える。または、冷媒流路１３の中心軸近傍に空孔率の大きい多孔質体を備えて蒸気流路１９とし、触媒層１４側には空孔率の比較的小さい多孔質体１８を備えてもよい。言い換えれば、冷媒流路１３を、触媒層１４側に比べて中心軸近傍の空孔率が大きくなるように構成する。なお、「空孔率が大きい」場合には、「多孔質体が存在しない」場合も含める。
【００３０】
このように構成した冷媒流路１３には、下方部分から飽和温度より低い温度の純水が供給される。液体状態の純水は毛細管現象により、多孔質体１８内を上方に向かって流れる。この際、多孔質体１８を流れる純水と、触媒層１４との間で熱交換が行われ、純水が加熱される。この熱交換により潜熱を得て気相となった純水、すなわち水蒸気は、冷媒流路１３の空孔率の大きい部分を通って上昇する。つまり、水蒸気は多孔質体１８から蒸気流路１９に移動し、蒸気流路１９内を上昇する。このとき、蒸気流路１９内は蒸気状態の純水が流れるので、水蒸気は速やかに冷媒流路１３から排出される。
【００３１】
ここで、水蒸気の発生を向上させるために、冷媒流路１３に供給される純水を、飽和液、もしくは飽和に近い状態にしておくため、純水の温度を、飽和温度か、飽和温度よりも低く、かつ、飽和温度に近い温度に調整しておくのが好ましい。そのため、ＣＯ除去器５の冷媒入口１２の上流側に、純水の温度を調整する手段を備えることが好ましい。
【００３２】
また、毛細管現象により多孔質体１８に純水が流通することにより触媒層１４の温度調整を行うが、毛細管現象の駆動力だけでは水の供給が不足する場合には、外部からの駆動力を補助的に使用してもよい。また、触媒層１４の温度が異常に上昇した場合など、さらに多くの純水を流通させて温度調整を行う必要がある場合には、外部からの駆動力により蒸気流路１９に純水を流通させることもできる。これにより、触媒の劣化を確実に防ぐことができる。
【００３３】
また、多孔質体１８を空孔率の異なる複数の層から構成してもよい。この場合には、触媒層１４に最も近い部分の多孔質体の空孔率が最も小さく、触媒層１４から離れるに従って空孔率が大きくなるように構成する。これにより、水蒸気の移動がスムーズになり、熱交換が最も盛んに行われる触媒層１４付近に水蒸気が留まることにより熱交換効率が低下するのを防ぐことができる。
【００３４】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００３５】
発熱を伴う反応を生じる触媒層１４と、多孔質体１８を有し、触媒層１４と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路１３を備え、冷媒流路１３の空孔率を触媒層１４からの距離に応じて変化させる。ここでは、触媒層１４側に多孔質体１８を配置し、触媒層１４から離れた側に多孔質体１８より空効率の小さい空間を設ける。これにより、冷媒、ここでは純水が蒸発した際に、空孔率の大きな部分に水蒸気を優先的に流通することができ、冷媒流路１３から水蒸気を速やかに排出することができる。その結果、蒸発することにより純水の体積が急激に増大した場合に、冷媒の供給をスムーズに行うとともに、ＣＯ除去器５に生じる応力を抑制することができる。また、触媒層１４との位置関係において空孔率を異ならせているので、冷媒の受ける熱に応じた冷媒量を通流させて適切な熱交換を行うことができる。さらに、多孔質体１８を備えることで、毛細管現象が生じるので、水を供給するための駆動力が不要もしくは軽減できる。また、多孔質体１８を用いることで、フィンタイプのものより伝熱面積が３倍程度増加し、熱交換効率が増加するので、全体の体積を小さくできる。
【００３６】
冷媒流路１３内で、冷媒流路１３と触媒層１４とを隔てる部分近傍より、冷媒流路１３の中心軸側の空孔率が大きくなるように構成する。ここでは、冷媒流路１３と触媒層１４とを隔てる部分近傍に多孔質体１８を、冷媒流路１３の中心軸側に空間からなる蒸気流路１９を構成する。これにより、純水が気化して体積が急激に増大しても水蒸気を逃すことができ、冷媒の供給をスムーズに行うことができる。
【００３７】
冷媒流路１３に供給される冷媒が、液相または液相と気相の二相状態である。供給される冷媒が液相または二相状態の場合には、冷媒流路１３内で冷媒の気化が生じる可能性がある。つまり、冷媒流路１３内で冷媒が二相状態となる可能性がある。このような場合には、均一の空孔率をもった多孔質体１８のみで冷媒流路１３を構成すると、熱伝達の最も盛んに行われる触媒層１４に気相が形成されて、熱伝達効率の低下を生じる恐れがある。そこで、本実施形態のように、触媒層１４からの距離に応じて空効率を変化させることで、気相は空孔率の大きな部分を流れるので、熱伝達効率の低下を抑制することができる。
【００３８】
さらに、多孔質体１８の鉛直方向下端が液体状態の純水と常に接触するように構成する。これにより、多孔質体１８の下端部分に純水を接触させることで、毛細管現象により純水を供給することができ、純水を供給するための外部から駆動力を抑制または不要とすることができる。また、燃料改質システムの運転・停止にかかわらず、常に冷媒を供給することができ、ＣＯ除去器５の異常な昇温を防ぐことができる。
【００３９】
また、多孔質体１８を金属で構成する。多孔質体１８をセラミックのものではなく、金属にすることで、熱伝導性がよくなって熱交換効率が向上する。例えば、セラミックものに比べて、熱伝導率を５倍程度にすることができ、さらに全体の体積を小さくすることができる。
【００４０】
また、冷媒流路１３の冷媒入口１２側を冷媒出口１１側に比較して鉛直方向下側に構成する。これにより、熱交換により生成された冷媒蒸気が排出されやすくなるので、冷媒の供給をよりスムーズに行うことができる。
【００４１】
ここでは、触媒層１４において、水素リッチガス中のＣＯの選択的酸化反応を生じる。つまり、上述したような構成を、ＣＯ除去器５に適用することができる。これにより、ＣＯ除去器５において、冷媒の蒸発により冷媒の供給がスムーズに行われなかったり、過剰な昇温により触媒層１４が劣化したりするのを防ぐことができる。
【００４２】
また、少なくとも水と燃料を用いて改質ガスを生成する改質器３を備える。また、改質ガス中のＣＯを低減する触媒層１４と、冷媒を用いて触媒層１４と熱交換を行う冷媒流路１３と、を備えるＣＯ除去器５を備える。さらに、触媒層１４で生じた熱を用いて水蒸気を生成する蒸気生成手段、ここでは純水系１５を備える。生成した水蒸気は、改質気３に供給する。または、生成した水蒸気をシフト反応器４に供給してもよい。または、触媒層１４で生じた熱を用いて燃料蒸気を生成し、改質器３に導入してもよい。ＣＯ除去器５の冷媒流路１３に多孔質体１８を有し、冷媒流路１３の空孔率が、冷媒流路１３とこれに隣接する触媒層１４とを隔てる部分近傍と、冷媒流路１３の中心軸付近で異なるように構成する。これにより、蒸発により冷媒体積が急激に増大した場合に、ＣＯ除去器５への冷媒の供給をスムーズに行うことができるとともに、ＣＯ除去器５で生じる熱を効率よく用いることができる。
【００４３】
冷媒流路１３を流通する冷媒として純水を用い、冷媒流路１３と触媒層１４との間で熱交換を行うことにより水蒸気を生成する。または、冷媒として燃料を用いて燃料蒸気を生成してもよい。これにより、簡単な構成で、ＣＯ除去器５で生じる熱を用いて水蒸気または燃料蒸気を生成することができ、熱効率を向上することができる。
【００４４】
発熱を伴う反応を生じる触媒層１４と、多孔質体１８を有し、冷媒を流通することにより触媒層１４と熱交換可能に隣接して構成した冷媒流路１３を備える。多孔質体１８の鉛直方向下端に常に液体状態の冷媒を接触させる。これにより、毛細管現象により、冷媒を供給するための駆動力が不要となる、または、低減することができる。また、通常運転時には外部の駆動装置を用いて冷媒を循環させる場合においても、外部の駆動装置を停止した場合にも、多孔質体１８に水を供給することができるので、触媒層１４が過剰に昇温するのを抑制することができる。
【００４５】
なお、ここでは、触媒層１４に伝熱拡大板２２を備えたが、図６に示すように多孔質体２０を備えることもできる。触媒を担持させた多孔質体２０を充填することにより触媒層１４を構成する。このように、触媒層１４を、触媒を担持させた多孔質体２０により構成することで、触媒の充填を空間的に均一化することができるので、反応熱を均一化することができる。また、伝熱面積をさらに拡大することができるので、触媒層１４から冷媒流路１３への伝熱がスムーズに行われ、全体の体積を小さくすることができる。
【００４６】
または、本実施形態では、純水系１５によりＣＯ除去器５の温度調整を行ったが、純水系１５と別に冷却系を設けても良い。例えば図７に示すように冷媒系１６を備える。冷媒系１６内を循環する冷媒とＣＯ除去器５との間で熱交換を行うことにより、ＣＯ除去器５を適切な温度に調整する。また、冷媒系１６には熱交換器６を備える。この熱交換器６において冷媒と純水系１５の純水との間で熱交換を行うことにより、冷媒、ひいてはＣＯ除去器５の温度調整を行う。水タンク７から取り出された純水を熱交換器６に供給し、冷媒との熱交換を行うことにより水蒸気を生成して、改質反応やシフト反応等に用いる。つまり、冷媒系１６と純水系１５を組み合わせる等をして、蒸気生成手段を構成してもよい。
【００４７】
さらに、ここでは、触媒反応装置としてＣＯ除去器５を用いたがこの限りではない。例えば、シフト反応器４を用いることもできる。または、改質器３に冷却システムが必要な場合には、改質器３に適用してもよい。つまり、温度調整を行う際に冷媒の気化が生じる触媒反応装置に対して、適用することができる。
【００４８】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４９】
燃料電池システムの構成を、第１の実施形態と同様とする。ＣＯ除去器５の概略構成を図８に示す。
【００５０】
ここでは、ＣＯ除去器５にリザーバタンク１７を備える。ここで、リザーバタンク１７は、水タンク７と同一のものとしてもよい。ただし、レイアウト上ＣＯ除去器５の近辺に大きな水タンク７を配置できない場合には、水タンク７とは別に、小型のリザーバタンク１７を備える。
【００５１】
リザーバタンク１７を冷媒入口１２の上流側に備える。リザーバタンク１７内には、冷媒、ここでは純水を貯蔵する。リザーバタンク１７内の冷媒の液面が、ＣＯ除去器５に備えた多孔質体１８の鉛直方向下端よりも上方にあるように構成する。または、リザーバタンク１７内の冷媒の液面が、ＣＯ除去器５に備えた多孔質体１８の鉛直方向下端よりも上方にあるように、リザーバタンク１７内の純水流量を調整する。さらに、多孔質体１８の鉛直方向下端が、常に液体状の純水に接触するように構成する。ここでは、リザーバタンク１７の下方部分と、供給マニホールド２５ａとを連通させる。
【００５２】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５３】
冷媒流路１３の上流側に、液体状態の冷媒を貯蓄するリザーバタンク１７を備える。これにより、改質システムが運転・停止にかかわらず、常に水を供給できＣＯ除去器５の異常な温度上昇を防ぐことができる。
【００５４】
ここでは、多孔質体１８の鉛直方向下端とリザーバタンク１７とを連通させ、多孔質体１８の鉛直方向下端よりも、リザーバタンク１７に貯蓄した冷媒の液面が鉛直方向上側にあるように構成する。これにより、熱交換を行う冷媒を多孔質体１８の鉛直下面に常に接触させることができる。
【００５５】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５６】
燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とする。ＣＯ除去器５の概略構成を図９に示す。第２の実施形態と同様に、冷媒入口１２の上流側にリザーバタンク１７を備える。また、冷媒の液面が多孔質体１８下端より上方となるように構成する。
【００５７】
リザーバタンク１７と供給マニホールド２５ａの間に熱交換器２９を備える。また、排出マニホールド２５ｂの下流側には気液分離装置２３を備える。ここでは、気液分離装置２３を冷媒出口１１の下流側に配置する。つまり、熱交換器２９を多孔質体１８に対して下方に配置する。また、気液分離装置２３を、多孔質体１８に対して上方に配置する。
【００５８】
リザーバタンク１７に貯蔵された純水を熱交換器２９に供給する。ここでは、純水を飽和温度より低く、かつ、飽和温度に近い温度に調整する。これを直接供給マニホールド２５ａ、冷媒流路１３に供給することで、配管等を流れる際の放熱を抑えることができ、正確に温度を調整した純水を冷媒流路１３に供給することができる。その結果、効率良く熱交換を行って水蒸気を生成することができる。
【００５９】
純水は、冷媒流路１３で一部が蒸発することにより気液二相流となる。この気液二相流を気液分離装置２３に供給して、気相と液相に分離する。分離した気相は、改質器３やシフト反応器４に供給されて反応に用いられる。一方、分離した液相状態の純水は、ポンプ２４によりリザーバタンク１７に回収する。
【００６０】
次に、本発明の効果を説明する。以下、第１、第２実施形態の効果と異なる効果のみを説明する。
【００６１】
冷媒流路１３の下流側に、冷媒の気液分離を行う気液分離装置２３を備え、気液分離装置２３により分離した液体状態の冷媒をリザーバタンク１７に回収する。このように、気化しなかった飽和温度である液体の水をリザーバタンク１７へ戻すことで、ＣＯ除去器５の冷媒流路１３へ導入する純水を事前に予熱することができる。これにより、冷媒流路１３において純水が蒸発し易くなり、効率よく水蒸気を生成することができる。
【００６２】
また、冷媒流路１３を通過した冷媒を気液分離する気液分離装置２３を備える。気液分離装置２３により分離した気体状態の冷媒を改質器３に供給する。または、気液分離層２３により分離した気体状態の冷媒をシフト反応器４に供給する。これにより、水蒸気のみを改質器３に供給することができるので、改質器３における反応及び温度管理を容易にすることができる。
【００６３】
次に、第４の実施形態について説明する。燃料電池システムの概略構成を図１０に示す。以下、第１の実施形態とは異なる部分を中心に説明する。
【００６４】
シフト反応器４を複数段により構成する。また、ＣＯ除去器５を複数段により構成する。ここでは、シフト反応器４を上流側シフト反応器４ａと下流側シフト反応器４ｂとから構成し、ＣＯ除去器５を上流側ＣＯ除去器５ａと下流側ＣＯ除去器５ｂとから構成する。ここでは、各反応器４、５で用いる反応物は、各反応器４、５のすぐ上流側で混入する。つまり、上流側シフト反応器４ａ、下流側シフト反応器４ｂそれぞれの上流側では、改質ガスに水蒸気が混入される。また、上流側ＣＯ除去器５ａ、下流側ＣＯ除去器５ｂそれぞれの上流側では、改質ガスに酸化剤、ここでは空気が混入される。
【００６５】
なお、上流側シフト反応器４ａ、下流側シフト反応器４として、それぞれ第１実施形態に用いたＣＯ除去器５において、触媒層１４に充填した触媒をシフト反応を促進させる触媒に置き換えたものを用いる。つまり、シフト反応器４ａ、４ｂでは、外部の駆動装置を必要とせずに、毛細管現象により温度調整に用いられる純水が供給される構造とする。
【００６６】
また、改質器３の下流側に熱交換器２８ａを、ＣＯ除去器５の下流側に熱交換器２８ｂを備える。さらに、スタック８の下流側に燃焼器２７を備える。また、液状の改質燃料を貯蔵する燃料タンク２６を備える。
【００６７】
燃料タンク２６に貯蔵された液状の燃料と、燃焼器２７との間で熱交換を行うことにより燃料蒸気を生成する。なお、燃焼器２７では後述するようにスタック８の排ガスが燃焼される。燃料蒸気、空気、および、後述するように熱交換器２８ａで生成した水蒸気を改質器３に供給して改質ガスを生成する。このとき改質ガスの温度は、シフト反応器４に保持される触媒の活性温度よりも高温となる。そこで、改質ガスを熱交換器２８ａに供給して、水タンク７から導入された純水と熱交換を行うことにより、改質ガス温度を低下させる。
【００６８】
さらに改質ガスをシフト反応器４に供給する。上流側シフト反応器４ａ、下流側シフト反応器４ｂでは、それぞれの上流側で混入された水蒸気とＣＯとが反応することによりＣＯ濃度を低減する。シフト反応器４から排出された改質ガスをＣＯ除去器５に供給する。上流側ＣＯ除去器５ａ、下流側ＣＯ除去器５ｂでは、それぞれの上流側で混入された空気中の酸素とＣＯとが反応することによりＣＯ濃度を低減する。
【００６９】
このように低ＣＯ濃度とした改質ガスを熱交換器２８ｂに流通させる。ここで、ＣＯ除去器５に保持される触媒の活性温度に対して、固体高分子型燃料電池であるスタック８の反応温度は低く設定される。そこで、熱交換器２８ｂにおいて改質ガス温度を低下させてから、スタック８に供給する。スタック８で発電に用いられずに排出された排ガスは、燃焼器２７に供給されて、燃焼処理される。このとき生じる熱を用いて、液状の燃料から改質反応に用いる蒸気燃料を生成する。
【００７０】
次に、純水系１５について説明する。
【００７１】
流量調整された純水を水タンク７から熱交換器２８ａに供給する。熱交換器２８ａにおいて、前述したように改質器３で生成された高温の改質ガスと、純水との間で熱交換を行うことにより水蒸気を生成し、改質反応に用いる。
【００７２】
また、流量調整された純水を水タンク７から熱交換器２８ｂに供給する。熱交換器２８ｂにおいて、前述したようにＣＯ除去器５から排出された改質ガスと純水との間で熱交換を行うことにより、純水の温度を上昇させる。
【００７３】
さらに、純水を下流側ＣＯ除去器５ｂに供給する。下流側ＣＯ除去器５ｂにおいて、改質ガス自体の熱およびＣＯ選択酸化反応に伴う熱を吸収することにより純水が加熱される。このとき、水の潜熱に相当する熱を吸収した場合には、純水は気液二相流の状態となる。さらに、純水を上流側ＣＯ除去器５ａに供給して加熱する。
【００７４】
このように温度上昇した純水を、純水をシフト反応器４に供給する。ここでは、ＣＯ除去器５において純水の温度を予め上昇させておいてから純水をシフト反応器４に供給する。これにより、シフト反応器４内の冷媒流路１３を流れる際に効率よく水蒸気を生成することができる。
【００７５】
純水を上流側シフト反応器４ａ側と下流側シフト反応器４ｂ側に分岐させる。ここで、この分岐割合は、各シフト反応器４ａ、４ｂにおけるシフト反応に用いる純水量の比となる。上流側シフト反応器４ａ側に分岐した純水は、上流側シフト反応器４ａの冷媒流路１３に供給される。ここで、第１の実施形態と同様に、多孔質体１８を流れる純水が、触媒層１４に供給される改質ガスの熱と、シフト反応に伴って生じた熱を吸収することにより、水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、空孔率の大きな蒸気流路１９を流れて排出される。下流側シフト反応器４ｂにおいても同様とする。
【００７６】
このように、上流側シフト反応器４ａで生成された水蒸気を、シフト反応器４ａの上流側から改質ガスに混入する。また、下流側シフト反応器４ｂで生成された水蒸気を、下流側シフト反応器４ｂの上流側から改質ガスに混入する。水蒸気を混入された改質ガスをシフト反応器４ａまたは４ｂに供給してシフト反応を生じる。
【００７７】
なお、熱交換器２８ａ内の純水の流路を、第１実施形態に示した冷媒流路１３と同様の構成とすることができる。なお、この場合には、改質ガスが流れる改質ガス流路からの距離に応じて多孔質体１８の空孔率を変化させる。改質ガス流路から離れるほど空孔率を増大する。例えば純水の流路の中心軸近傍分を空間により構成する。
【００７８】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１〜３の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７９】
触媒層１４として、シフト反応を促進する触媒を充填する。つまり、触媒反応装置としてシフト反応器４を用いることができる。この場合には、冷媒としてＣＯ除去器５内を流通した純水を、冷媒としてシフト反応器４に供給することで、予め純水温度を上昇させておくことができる。その結果、水蒸気の生成効率を向上することができる。また、ＣＯ除去器５において純水を予め昇温しておくことで、シフト反応器４を複数段により構成した場合には、複数のシフト反応器４ａ、４ｂに並列に純水を供給することができる。これにより、シフト反応器４において純水全体に熱が供給されやすくなり、さらに効率良く水蒸気を生成することができる。
【００８０】
また、高温源（改質ガス）と液相を含む低温流体（純水）との熱交換を行う熱交換器２８ａにおいて、純水を流通する純水流路を多孔質に構成し、純水流路（冷媒流路１３）の空孔率を、改質ガスからの距離に応じて変化させる。これにより、純水が蒸発した際に、空孔率の大きな部分に水蒸気を優先的に流通することができ、純水流路から水蒸気を速やかに排出することができる。その結果、蒸発することにより純水の体積が急激に増大した場合に、純水の供給をスムーズに行うとともに、熱交換器２８ａに生じる応力を抑制することができる。また、熱交換器２８ａからの水蒸気の取り出しをスムーズに行うことができる。
【００８１】
なお、第１〜３実施形態においても、第４の実施形態と同様に、ＣＯ除去器５を複数段により構成してもよい。また、各熱交換器２８ａ、２８ｂを備えても良い。さらに、第４実施形態において、シフト反応器４ａ、４ｂの構成を、第２、３実施形態に用いたＣＯ除去器５の構成としてもよい。ただし、触媒層３にはシフト反応を促進する触媒を担持させる。また、第４の実施形態において、ＣＯ除去器５ａ、５ｂとして第１〜３の実施形態のいずれかに用いたものを用い、シフト反応器４の冷媒として水蒸気を用いることもできる。
【００８２】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略図である。
【図２】第１の実施形態に用いるＣＯ除去器の触媒の温度変化を示す図である。
【図３】第１の実施形態に用いるＣＯ除去器の外観図である。
【図４】第１の実施形態に用いるＣＯ除去器の冷媒流路の概略図である。
【図５】第１の実施形態に用いるＣＯ除去器の冷媒流路の構成および作用を示す図である。
【図６】第１の実施形態に用いるＣＯ除去器の冷媒流路の構成および作用の別の例を示す図である。
【図７】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの別の例の概略図である。
【図８】第２の実施形態に用いるＣＯ除去器の概略図である。
【図９】第３の実施形態に用いるＣＯ除去器の概略図である。
【図１０】第４の実施形態に用いる燃料電池システムの概略図である。
【符号の説明】
３    改質器（改質反応器）
４    シフト反応器
４ａ  上流側シフト反応器（触媒反応装置）
４ｂ  下流側シフト反応器（触媒反応装置）
５    ＣＯ除去器（触媒反応装置）
１１  冷媒出口
１２  冷媒入口
１５  純水系（蒸気生成手段）
１６  冷却系（蒸気生成手段）
１７  リザーバタンク
１８  多孔質体
１９  蒸気流路
２０  多孔質体
２３  気液分離装置（気液分離手段）
２８ａ  熱交換器
【図１】
2005040660.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005040660.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005040660.tif 000008
【図７】
2005040660.tif 000009
【図８】
2005040660.tif 000010
【図９】
2005040660.tif 000011
【図１０】
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