(57)【要約】【課題】小型でエネルギー損失の少ない燃料改質システムを提供する。【解決手段】原料と水蒸気によって水素リッチな改質ガスに改質する改質層３と、改質ガス中の水素を分離する水素分離層６と、分離した水素が通過する水素層５を有するメンブレンリアクタ２を備えた燃料改質システムにおいて、水素を分離しメンブレンリアクタ２から排出された排出ガス中の二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離装置７を備える。そして、二酸化炭素を水素層５のスイープガスとして用いる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水によって水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中の水素を分離する水素分離部と、前記水素分離部によって分離した前記水素が通過する水素通過部からなる改質手段を備えた燃料改質システムにおいて、
前記改質部より排出された排出ガス中の二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段を備え、
前記分離した二酸化炭素を前記水素通過部内に導入して前記水素通過部に滞留する前記水素を掃気することを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素分離手段を前記改質手段内に設け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。
【請求項３】
前記二酸化炭素分離手段を前記改質ガスの流れに対して前記水素分離部よりも下流、かつ前記水素通過部から排出する前記水素の流れに対して前記水素分離部よりも上流に設けることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
複数の前記水素分離部と複数の前記二酸化炭素分離手段を設け、
前記改質ガスの流れに対して前記水素分離部と前記二酸化炭素分離手段を交互に配置することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記二酸化炭素分離手段によって前記二酸化炭素を分離した前記改質ガスを燃焼する燃焼手段と、を備え、
前記燃焼手段によって発生する熱によって前記改質手段を温め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。
【請求項６】
前記水素通過部内で前記水素、または前記二酸化炭素の流れに対して抵抗を与える突起部を設けたこと特徴とする請求項１から５に記載の燃料改質システム。
【請求項７】
前記二酸化炭素分離手段とは異なる経路によって前記水素通過部に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料改質システムに関するものであり、特にメンブレンリアクタを用いた燃料改質システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池から排出される排出ガスから水蒸気を分離し、その水蒸気を水素生成器（改質手段）の水素を掃気するスイープガスとして用いたものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１４３７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明をメンブレンリアクタ（改質手段）に使用し、メンブレンリアクタの動作温度と水蒸気を分離する水蒸気分離装置との温度が異なる場合には、メンブレンリアクタと水蒸気分離装置との間に温度を調整する温度調整器が必要となり、熱交換によるエネルギー損失があり、また熱交換器を設けるため燃料改質装置全体として大型になるといった問題点がある。また、熱交換器を設けない場合にはメンブレンリアクタの温度が下がり改質効率を高くすることができないといった問題がある。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、スイープガスの温度調整をすることなく、メンブレンリアクタにスイープガスを供給し、燃料改質システムのエネルギー損失が少なく、燃料改質システムを小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、原料と水によって水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中の水素を分離する水素分離部と、分離した水素が通過する水素通過部とからなる改質手段を備えた燃料改質システムにおいて、改質部から排出される排出ガス中の二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段を備える。そして、分離した二酸化炭素を水素通過部に導入することによって、水素通過部の水素を水素通過部から掃気する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、改質部とほぼ等しい温度の二酸化炭素をスイープガスとして用いるので、スイープガスを温める温度調整装置などが不要となり、燃料改質システムの全体のエネルギー損失を少なくすることができる。また、温度調整装置が不要となるので、燃料改質システムを小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１実施形態の構成を図１のブロック図を用いて説明する。この実施形態では、原料と水を蒸発させ、蒸発器１と、原料を水蒸気により水素リッチなガスに改質する改質手段であるメンブレンリアクタ２と、メンブレンリアクタ２によって改質された改質ガス中の水素と空気によって発電する燃料電池８と、メンブレンリアクタ２で水素を分離した後の改質ガスである排出ガス中の二酸化炭素を分離する二酸化炭層分離装置７、を備える。
【０００８】
蒸発器１は、図示しない燃料タンクから例えば炭化水素系の原料と、図示しない純水タンクから水と、メンブレンリアクタ２での改質に適した温度に加熱する。なお、蒸発器１は後述する燃焼層４から排出される高温の燃焼ガスによって加熱され、その熱によって原料などを加熱する。また、図示しない加熱手段によって加熱し、温度を制御してもよい。なお、燃焼層４から供給された燃焼ガスは、その後外部へ排出される。
【０００９】
メンブレンリアクタ２は、改質部である改質層３と、燃焼手段である燃焼層４と、水素通過部である水素層５と、水素分離部である水素分離層６から構成される。改質層３は、蒸発器１によって加熱された原料、水蒸気により水素リッチな改質ガスを生成する。なお改質層３での改質に適した温度は、５５０〜７００℃程度であり、燃焼層４によりその温度に保たれる。また、改質層３での改質反応が発熱反応と吸熱反応を伴うオートサーマル反応の場合には、発熱反応と吸熱反応の熱収支により改質に適した温度に保たれるため、加熱手段（燃焼層４）はなくてもよい。この場合には改質層３に酸化剤（空気）を供給する。この改質反応により、水素の他に、一酸化炭素、二酸化炭素を含んだ改質ガスが生成される。
【００１０】
燃焼層４には、改質層３から排出された排出ガス中の二酸化炭素を後述する二酸化炭素分離装置７によって分離した残りの残留ガスが供給され、その残留ガスを図示しないエアコンプレッサから供給される空気によって燃焼する。これによって発生した燃焼ガスを蒸発器１に供給し、蒸発器１で原料などを加熱する。また、燃焼によって生じた熱でメンブレンリアクタ２を加熱する。燃焼層４で燃焼する残留ガスは、主に一酸化炭素、水素分離層６によって分離されなかった残留水素である。
【００１１】
水素分離層６の構成について図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）はこの実施形態の水素分離層６の正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。水素分離層６はＳＵＳ枠１２とＳＵＳ多孔質体１３で構成されるＳＵＳ基板１１と、ＳＵＳ多孔質体１３上に水素分離膜１４であるパラジウム薄膜によって構成される。水素分離膜１４はＳＵＳ多孔質体１３にパラジウム薄膜をめっきすることで成形される。これにより、パラジウム薄膜の水素分離膜１４で改質ガス中から水素を分離する。なお、水素分離層６はこの形状に限られず、円筒形などにしてもよい。
【００１２】
水素層５は、改質層３とによって水素分離層６を挟んで設ける。つまり、水素分離層６は改質層３と水素層５によって挟まれる。水素分離層６によって分離された改質ガス中の水素は、ＳＵＳ多孔質体１３を通り水素層５を通過する。また、後述する二酸化炭素分離装置７によって分離された二酸化炭素が二酸化炭素分離装置７から供給される。そして、二酸化炭素によって水素層５から燃料電池１の図示しないアノードへ水素を供給する。なお、二酸化炭素は水素層５の水素供給口５ａよりも上流側から供給される。二酸化炭素を水素層５の上流から供給することで、水素層５内の水素を掃気するので、水素層５内の水素分圧を効率良く下げる事が出来る。つまり、二酸化炭素を水素層５から水素を掃気するスイープガスとして用いる。
【００１３】
二酸化炭素分離装置７は、二酸化炭素分離手段である二酸化炭素分離膜９を備え、改質層３から排出された排出ガス中の二酸化炭素を分離する。二酸化炭素分離装置７では改質層３の改質圧力によって二酸化炭素を分離し、その圧力の一部によって二酸化炭素を水素層５に圧送することができる。二酸化炭素分離膜９は、リチウムジルコネートであり、二酸化炭素を分離するために適した温度は４５０〜７００℃である。二酸化炭素分離膜９によって分離された二酸化炭素は水素層５に供給される。また、残りの残留ガスは燃焼層４に供給され、空気を用いて燃焼される。なお、二酸化炭素分離装置７に供給される排出ガスは、二酸化炭素、一酸化炭素、水素分離層６によって分離されなかった残留ガスである。二酸化炭素分離膜９はリチウムジルコネート以外の物質でもよい。
【００１４】
以上の構成により、メンブレンリアクタ２によって改質ガス中の水素を分離し、二酸化炭素分離装置７によって改質ガス中の二酸化炭素を分離し、二酸化炭素によって水素層５の水素を掃気する。
【００１５】
この実施形態では、二酸化炭素分離装置７によって分離した二酸化炭素を水素層５に供給し、水素層５内の水素濃度を低下させるので、水素層５での水素分圧が低下し、水素分離層６による水素の分離（透過）を促進することができる。また、メンブレンリアクタ２で改質に適した温度と、二酸化炭素分離装置７で二酸化炭素分離に適した温度がほぼ等しいので、メンブレンリアクタ２と二酸化炭素分離装置７間に温度調整を行う温度調整装置などを用いる必要はない。
【００１６】
なお、図３に示すように二酸化炭素分離装置７と水素層５の間に二酸化炭素供給手段である二酸化炭素ボンベ１０を設けてもよい。これによって燃料電池８に負荷変動が生じた際（特に負荷が増加した場合）に、メンブレンリアクタ２での改質量を増加するタイミングよりも燃料電池８へ水素を供給するために必要な二酸化炭素の分離タイミングが遅くれた場合に、二酸化炭素ボンベ１０から二酸化炭素を水素層５に供給し、水素層５から水素を掃気することで水素生成量を増やし、燃料電池８へ水素を素早く供給する。
【００１７】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００１８】
この実施形態では、メンブレンリアクタ２の改質層３における水素分離のための動作温度と、二酸化炭素分離装置７における二酸化炭素分離膜９の動作温度が、ほぼ等しいので、二酸化炭素分離装置７からメンブレンリアクタ２へ二酸化炭素を供給した場合でもメンブレンリアクタ２の温度はほぼ一定であり、メンブレンリアクタ２の温度低下を防ぐことができる。これによって、温度調整装置などを用いる必要がなく燃料改質システムを小型にすることができ、温度低下による改質層３での改質効率の低下を防ぐことができる。また、温度調整装置などを用いないので、燃料改質システムのエネルギー損失を少なくすることができる。
【００１９】
また、二酸化炭素を水素層５の水素供給口５ａよりも上流側より供給し、水素層５内の水素を燃料電池８へ供給するので、効率良く水素分圧を下げることができ、水素分離層６での水素分離（透過）を促進させることができる。
【００２０】
また、二酸化炭素分離装置７と水素層５の間に二酸化炭素ボンベ１０を設けると、燃料電池８の負荷変動（負荷増加）に対して、素早く水素層５内に供給する二酸化炭素を増やすことができ、水素層５内の水素分圧を低下させるので、水素分離膜６での水素分離（透過）を素早く行い、負荷変動に対する水素供給の追従性を高めることができる。
【００２１】
次に本発明の第２実形態について図４のブロック図を用いて説明する。第２実施形態については図１と異なる部分を説明する。この実施形態では、二酸化炭素分離装置７をメンブレンリアクタ２内の水素分離層６に設ける。すなわち二酸化炭素分離膜９を水素分離膜１４が設けられた同一のＳＵＳ基板１１に設ける。この構成によって燃料改質システムを小型にすることができる。
【００２２】
二酸化炭素分離膜９は水素分離層６において蒸発器１から供給される原料などの流れ、すなわち改質ガスの流れに対して水素分離膜１４よりも下流に位置する。また、水素層５では二酸化炭素分離膜９が水素供給口よりも上流に位置する。すなわち、蒸発器１からの原料の流れ、つまり改質層３内の流れと、水素層５内の流れが逆方向となるようにする。これによって、二酸化炭素を水素層５の上流から供給し、水素層５内の水素を掃気する。
【００２３】
ここで、水素分離層６について、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）はこの実施形態の水素分離層６であり、図５（ｂ）は水素分離層６のＡ−Ａ断面図である。
【００２４】
水素分離層６はＳＵＳ枠１２とＳＵＳ多孔質体１３で構成されるＳＵＳ基板１１と、ＳＵＳ多孔質体１３上にパラジウム薄膜である水素分離膜１４、リチウムジルコネート薄膜である二酸化炭層分離膜９と、で構成される。
【００２５】
次に水素分離層６の製造工程を図６（ａ）〜（ｄ）の行程フローを用いて説明する。
【００２６】
まず、図６（ａ）において、ＳＵＳ基板１１となるＳＵＳ枠１２をプレスにより成型する。これにより、ＳＵＳ多孔質体１３を充填する穴１６を設ける。次に図６（ｂ）において、ＳＵＳ枠１２の穴１６にＳＵＳ微粉末を充填し、その後焼成し、ＳＵＳ基板１１を成形する。このときＳＵＳ基板１１の表面を研磨してもよい。その後図６（ｃ）において、パラジウム薄膜１４を成形するＳＵＳ多孔質体１２以外の箇所をマスキングし、パラジウム薄膜をめっきする。これにより、水素分離膜１４であるパラジウム薄膜をＳＵＳ基板１１に成形する。最後に、図６（ｄ）において、マスキングを外したＳＵＳ基板１１にリチウムジルコネートを塗布し、その後焼成し、二酸化炭素分離膜９であるリチウムジルコネート薄膜を成形する。
【００２７】
以上により、水素分離層６を製造する。なお、水素分離層６はこの形状に限られず、円筒形などにすることも可能である。
【００２８】
なお、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、水素分離膜１４と二酸化炭素分離膜９を複数に設け、例えば、交互に配置してもよい。なお、図７（ａ）は正面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。水素分離膜１４と二酸化炭素分離膜９の配置については、この配置に限られず、例えば碁盤格子などにしてもよい。
【００２９】
また、図８に示すように水素層５に二酸化炭素、または水素の流れを整流する突起部１５を設けてもよい。この突起部１５により、水素層５内で水素と二酸化炭素を攪拌することができる。
【００３０】
突起部１５は、水素層５に水素、または二酸化炭素の流れに抵抗を与え、水素層５内で流れを乱し水素分離膜層６付近の水素濃度を効率良く低下させる。これは例えば、水素分離膜１４が形成されたＳＵＳ多孔質体１３と二酸化炭素分離膜９が形成されたＳＵＳ多孔質体１３との間に設け、突起部１５と水素分離層６の間を狭くする。これにより突起部１５と水素分離層６間を通過した二酸化炭素の流速は速くなり、水素層５内の水素の淀みを少なくすることができる。
【００３１】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００３２】
この実施形態では、二酸化炭素分離膜９をメンブレンリアクタ２内に設けるので、燃料改質システムをより小型にすることができる。また、二酸化炭素分離膜９と改質層３の温度をより等しくすることができ、例えば燃料改質システムの起動時に燃焼層４での燃焼熱により素早く温めることができ、燃料改質システムの起動時間を短縮することができる。
【００３３】
二酸化炭素分離膜９を改質層３の下流であり、水素層５の上流に設けるので、二酸化炭素分離膜９により分離した二酸化炭素によって水素層５の水素を効率良く掃気することができる。
【００３４】
また、水素分離膜１４と二酸化炭素分離膜９を交互に設けることでも同様に水素分離膜層６付近の水素濃度を効率良く低下させられ、水素分離層６での水素分離（透過）を促進することができる。
【００３５】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
改質型の燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の水素分離層であり、（ａ）正面図である。（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態で二酸化炭素ボンベを備えた構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２実施形態の水素分離層であり、（ａ）正面図である。（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態の水素分離層の製造工程を示す工程図である。
【図７】本発明の第２実施形態で水素分離膜と二酸化炭素分離膜を複数備えた場合の水素分離層であり、（ａ）正面図である。（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態で水素層に突起部を備えた構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３８】
１      蒸発器
２      メンブレンリアクタ（改質手段）
３      改質層（改質部）
４      燃焼層（燃焼手段）
５      水素層（水素通過部）
６      水素分離層（水素分離部）
７      二酸化炭素分離装置
８      燃料電池
９      二酸化炭素分離膜（二酸化炭素分離手段）
１０    二酸化炭素ボンベ（二酸化炭素供給手段）
１４    水素分離膜
１５    突起部
【図１】
2005298261.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005298261.tif 000008
【図７】
2005298261.tif 000009
【図８】
2005298261.tif 000010