(57)【要約】【課題】効率よく電気エネルギを生成することができる改質装置１を提供することを課題とする。【解決手段】改質装置１は、改質用原料を改質反応により改質燃料とする改質部２と、改質反応に適するように改質部２を加熱する加熱部３と、高温側４０および低温側４２をもち熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部４とを具備する。熱電変換部４の低温側４２は、改質装置１に接続された液体通路により冷却される。【選択図】図１
2007254227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用原料を改質反応により改質燃料とする改質部と、改質反応に適するように前記改質部を加熱する加熱部と、高温に晒される高温側および前記高温側よりも低温に晒される低温側をもち熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部とを具備しており、
前記改質部および／または前記加熱部の熱により前記熱電変換部の前記高温側を加熱する改質装置において、
前記熱電変換部の前記低温側は、前記改質装置に接続された液体通路を流れる液体により冷却されることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記加熱部は、燃焼源を燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部の燃焼で発生した燃焼排ガスを通過させる燃焼排ガス通路とを備えており、
前記熱電変換部の高温側は、前記燃焼排ガス通路を通過する燃焼排ガスの熱により加熱されることを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項１または２において、水系原料を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部を具備しており、前記液体通路は、前記蒸発部に前記水系原料を供給する水系原料通路であることを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項２または３において、前記熱電変換部の前記高温側に対面する前記焼燃焼排ガス通路における燃焼排ガスの流れ方向と、前記熱電変換部の前記低温側に対面する前記液体通路を流れる液体の流れ方向とは、同じ方向とされていることを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項２〜４のうちのいずれか一項において、前記熱電変換部の前記高温側に対面する前記燃焼ガス通路における燃焼排ガスの流れ方向と、前記熱電変換部の前記低温側に対面する前記液体通路を流れる液体の流れ方向とは、逆方向とされていることを特徴とする改質装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記熱電変換部の前記低温側に対面する前記液体通路の流れ方向の中間に、前記液体を補給する補給手段を具備することを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部を有する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排熱利用の発電技術として、高温型燃料電池の動作温度を水素の製造に用いた後、その排熱を、媒体熱交換器に設けたバイナリサイクル発電装置の熱交換器に用いたシステムが知られている（特許文献１）。また高温の排ガスが通過する排気管の通路に、熱電変換材料で形成した熱電変換部を組み込み、熱電変換部の高温側熱源として高温排ガスの排熱を利用した発電装置が知られている（特許文献２）。また、燃料電池用の改質装置として、改質用原料を改質反応により改質燃料とする改質部と、改質反応に適するように改質部を加熱する加熱部と、高温側および低温側をもち熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部とを備えているものが知られている（特許文献３）。このものによれば、加熱部は、燃焼ガスを燃焼させる燃焼部と、燃焼で発生した燃焼排ガスを通過させる燃焼排ガス通路とを備えている。熱電変換部の高温側は、燃焼排ガス通路を通過する燃焼排ガスの熱により加熱される。
【特許文献１】特開２００５−１３３７０２号公報の請求項３
【特許文献２】特開２００２−２３８２７２号公報
【特許文献３】特開平１０−１６７７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
改質装置では、その排熱を利用して効率よく電気エネルギを生成することが要請されている。上記した特許文献１に係る改質装置では、改質装置の排熱を利用して効率よく電気エネルギを生成することができる。しかし産業界では、更に効率よく電気エネルギを生成することが要請されている。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、効率よく電気エネルギを生成することができる改質装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る改質装置は、改質用原料を改質反応により改質燃料とする改質部と、改質反応に適するように改質部を加熱する加熱部と、高温に晒される高温側および高温側よりも低温に晒される低温側をもち熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部とを具備しており、改質部および／または加熱部の熱により熱電変換部の高温側を加熱する改質装置において、熱電変換部の低温側は、改質装置に接続された液体通路を流れる液体により冷却されることを特徴とする。
【０００６】
熱電変換部の低温側は、改質装置に接続された液体通路を流れる液体により冷却されるため、効率よく冷却される。このため熱電変換部の発電効率が向上する。更に、液体通路は、改質装置に接続されるため、改質装置に供給される液体（例えば水、水系原料、あるいは、改質用液状燃料）が暖められる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る改質装置によれば、熱電変換部の低温側は、改質装置に接続された液体通路を流れる液体により冷却されるため、効率よく冷却される。このため熱電変換部の発電効率が向上する。更に、液体通路は改質装置に接続されるため、改質装置に供給される液体（例えば水、水系原料、改質用液状燃料）が暖められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る改質装置は、改質用原料を改質反応により改質燃料とする改質部と、改質反応に適するように改質部を加熱する加熱部と、高温側および低温側をもち熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部とを備えている。改質部は、改質用原料を改質反応により改質燃料とするものである。改質用原料としては、炭化水素系が例示され、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ＣＮＧ、ガソリン、灯油等でも良いが、これらに限定されるものではない。例えば、改質用原料がメタンガスであるときには、改質部では次の（１）の改質反応により、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。また改質用原料がメタノールであるときには、改質部では次の（２）の改質反応により、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。また改質用原料としてのメタノールを部分酸化改質するときには、改質部では次の（３）の改質反応により、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
（２）…ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２
（３）…ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２＋２Ｎ２→２Ｈ２＋ＣＯ２＋２Ｎ２
【０００９】
加熱部は、改質反応に適するように改質部を加熱するものであれば、加熱源は特に制限されない。この場合、加熱部は、燃焼ガスを燃焼させる燃焼部と、燃焼で発生した燃焼排ガスを通過させる燃焼排ガス通路とを備えている形態が例示される。
【００１０】
熱電変換部は、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換材料で形成されている。一般的には、熱電変換部は、ｎ型熱電変換材料とｐ型熱電変換材料とを組み合わせて形成されている。熱電変換材料としては、使用される温度条件によっても相違するが、酸化物系、金属系が例示されるが、これらに限定されるものではない。酸化物系はインジウム酸化物系、コバルト酸化物系が例示される。金属系は、ビスマス−テルル系、鉛−テルル系、鉄−シリコン系が例示される。熱電変換部はＰ型半導体とＮ型半導体とが交互に配置され、直列に電気的接続されている形態が例示される。
【００１１】
熱電変換部の高温側は、改質部および／または加熱部の熱により加熱される。熱電変換部の高温側は、燃焼排ガス通路を通過する燃焼排ガスの熱により加熱される形態が例示される。熱電変換部の低温側は、改質装置に接続された液体通路により冷却される。液体通路を流れる液体としては特に限定されず、水、水系原料が例示される。液体は、空気などの気体よりも大きな比熱をもち、大きな冷却能をもつ。
【００１２】
改質用原料としては、水などの原料水の他に、液状燃料が例示される。液状燃料としては、メタノール等のアルコール系原料、ガソリン等の炭化水素系原料が例示される。液体通路は改質装置に接続されるため、改質装置に供給される液体（例えば水、水系原料、改質用液状燃料）が改質反応前に暖められる。
【００１３】
即ち本発明によれば、液体通路としては、改質部に供給される改質用原料が流れる液体通路である形態が例示される。改質部に供給される改質用原料は、改質部で改質される前の液状原料（例えば原料水、液状燃料）である。従って、液体通路としては、改質部で改質される前の液状原料（例えば原料水、液状燃料）が流れる通路である形態が例示される。この場合、改質部で改質される前の液状原料（例えば原料水、液状燃料）を改質反応前において予熱し、改質反応の効率を高めるのに有利である。
【００１４】
本発明によれば、水系原料を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部を具備している形態が例示される。液体通路は、蒸発部に水系原料を供給する水系原料通路である形態が例示される。ここで、水系原料通路は、熱電変換部の低温側を通過した後に蒸発部に至る形態が例示される。この場合、水系原料通路を流れて蒸発部に至る水は、熱電変換部の低温側を冷却するとき、熱電変換部により暖められる。このため蒸発部に供給する水を、蒸発部に供給する前に暖めることができる。
【００１５】
燃焼排ガス通路に隣接するように、熱電変換部および蒸発部が配置されている形態が例示される。この場合、燃焼排ガス通路を流れる燃焼排ガスにより、熱電変換部の高温側および蒸発部を暖めることができる。
【００１６】
本発明によれば、後述する実施例１として例示するように、熱電変換部の高温側に対面する燃焼排ガス通路における燃焼排ガスの流れ方向と、熱電変換部の低温側に対面する液体通路を流れる液体の流れ方向とは、同じ方向とされている形態が例示される。
【００１７】
また、後述する実施例２として例示するように、熱電変換部の高温側に対面する焼燃焼排ガス通路における燃焼排ガスの流れ方向と、熱電変換部の低温側に対面する液体通路を流れる液体の流れ方向とは、逆方向とされている形態が例示される。
【００１８】
本発明によれば、熱電変換部の低温側に対面する液体通路のうちの流れ方向の中間（途中部）に、液体を補給する補給手段が設けられている形態が例示される。この場合、熱電変換部の低温側に対面する液体通路のうちの流れ方向の中間（途中部）に液体を補給するため、液体通路のうちの中間以降の下流側を効果的に冷やすことができる。この場合、熱電変換部の変換効率を高めるのに有利である。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例１を図１を参照して具体的に説明する。本実施例に係る改質装置は、燃料電池発電システムに使用される改質装置１に適用したものである。図１に示すように、改質装置１は、改質部２と、加熱部３と、熱電変換部４とを備えている。加熱部３は、改質反応に適するように改質部２を加熱するものである。加熱部３は、燃焼ガスを燃焼させる燃焼バーナで形成された燃焼部３０と、燃焼部３０における燃焼で発生した燃焼排ガスを排気させるために燃焼排ガスを通過させる燃焼排ガス通路３２とを備えている。なお、燃焼部３０は、燃焼ガスが供給される供給路３０ａと、空気が供給される空気通路３０ｃとをもつ。
【００２０】
図１に示すように、燃焼排ガス通路３２は、内側の第１燃焼排ガス通路３２１と、外側の第２燃焼排ガス通路３２２と、第１燃焼排ガス通路３２２および第２燃焼排ガス通路３２２を連通させる第３燃焼排ガス通路３２３とを有する。第１燃焼排ガス通路３２１および第２燃焼排ガス通路３２２は互いに同軸的に配置されており、円筒形状（筒形状）の通路とされている。なお、燃焼排ガスは第３燃焼排ガス通路３２３でＵターンするので、第１燃焼排ガス通路３２１および第２燃焼排ガス通路３２２では、燃焼排ガスは逆向きに流れる。図１では、第１燃焼排ガス通路３２１では、燃焼排ガスは下向き（矢印Ａ１方向）に流れる。第２燃焼排ガス通路３２２では、燃焼排ガスは上向き（矢印Ａ２方向）に流れる。但し、流れ方向はこれに限定されるものではない。
【００２１】
改質部２は、改質用原料としての原料ガス（例えば天然ガス、都市ガス、プロパンガス等）を、水蒸気を利用した改質反応により水素リッチな燃料ガス（改質燃料）として改質する。改質部２はガスを通過できる通路を形成しつつ耐火材料で形成されている。改質部２は、燃焼部３０を包囲するように円筒形状に形成されている。ここで、改質部２の内周部は第１燃焼排ガス通路３２１で包囲されている。改質部２の外周部は第２燃焼排ガス通路３２２で包囲されている。
【００２２】
図１に示すように、熱電変換部４は第２燃焼排ガス通路３２２の外周側に配置されている。熱電変換部４は、高温に晒される高温側４０と、高温側４０よりも低温に晒される低温側４２とをもつ。高温側４０および低温側４２は、伝熱性をもつ盤体で形成されている。熱電変換部４は、高温側４０および低温側４２の間の温度差に基づいて熱エネルギを電気エネルギに変換する。熱電変換部４は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが交互に配置され、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを直列に電気的に接続された熱電変換モジュールで形成されている。熱電変換部４の高温側４０は、燃焼排ガス通路３２のうちの第２燃焼排ガス通路３２２を通過する高温の燃焼排ガスの熱により加熱される。
【００２３】
図１に示すように、第２燃焼排ガス通路３２２に接近するように蒸発部７が設けられている。蒸発部７は、第２燃焼排ガス通路３２２の外周部３２２ｐ側に熱電変換部４と共に設けられている。故に、第２燃焼排ガス通路３２２の外周部３２２ｐは、蒸発部７および熱電変換部４の高温側４０の双方に対面する。よって第２燃焼排ガス通路３２を流れる燃焼排ガスの熱は、蒸発部７および熱電変換部４の高温側４０に伝熱される。即ち、燃焼排ガスにより、蒸発部７および熱電変換部４の高温側４０が暖められる。
【００２４】
このように蒸発部７は燃焼排ガスの熱により高温に加熱されている。このため、水系原料としての原料水が蒸発部７に供給されると、原料水が蒸発して水蒸気が生成される。蒸発部７で生成された水蒸気は、原料ガスと混合された後に、供給通路７０を介して改質部２に送給される。改質部２に供給された原料ガスおよび水蒸気は、改質部２の熱により改質反応を発生させて燃料ガス（改質ガス）となる。燃料ガスは水素を主要成分とし、水蒸気を含むことがある。
【００２５】
図１に示すように、液体通路として水系原料通路５が設けられている。水系原料通路５は、蒸発部７に水系原料としての原料水を供給する。水系原料通路５は、熱電変換部４の低温側４２を同軸的に包囲するように筒形状に形成されている。ポンプ等の給水手段により、水系原料通路５は原料水を上向き（矢印Ｂ１方向）に流す。水系原料通路５を流れる原料水は、燃料電池発電システムにおける凝縮器６で凝縮させた凝縮水が使用される。
【００２６】
水系原料通路５を流れる原料水は、熱電変換部４の低温側４２に対面しつつ上向きに流れ、熱電変換部４の低温側４２を冷却した後に、蒸発部７に至る。原料水が熱電変換部４の低温側４２を冷却させることは、原料水が熱電変換部４を介して暖められることに相当する。このように暖められた原料水が蒸発部７に供給されるので、蒸発部７に供給された原料水は予め暖められ予熱されており、蒸発部７における蒸発効率を高めることができる。
【００２７】
以上説明したように本実施例によれば、熱電変換部４の低温側４２は、改質装置１に接続された液体通路である水系原料通路５を流れる原料水により冷却される。水は比熱が大きいため、大きい冷却能力をもつ。このため、熱電変換部４の低温側４２をファンにより空気で強制的に冷却させるよりも、熱電変換部４の低温側４２を水系原料通路５の原料水により効率よく冷却させることができる。この結果、熱電変換部４の高温側４０と低温側４２との温度差を大きくすることができる。故に、熱電変換部４による発電効率を高めることができる。
【００２８】
更に本実施例によれば、前述したように、水系原料通路５を流れる原料水は、蒸発部７に供給される前に、熱電変換部４の低温側４２を冷却しつつ熱電変換部４により暖められる。このように予め暖められた原料水が蒸発部７に供給される。このように蒸発部７に供給された原料水は予め暖められ予熱されているため、蒸発部７における蒸発効率を高めることができる。殊に、気温が低い条件下で改質装置１が使用される場合であっても、蒸発部７における蒸発効率を高めることができる。
【００２９】
即ち本実施例は、熱電変換部４による発電効率の向上と、蒸発部７に供給される原料水の温度の予熱との双方を実行することができる。
【００３０】
ところで、燃焼部３０で燃焼した燃焼排ガスは、第２燃焼排ガス通路３２２においてこれの上流３２２ｕから下流３２２ｄに向かうにつれて次第に降温する。原料水は水系原料通路５においてこれの上流５ｕから下流５ｄに向かうにつれて次第に降温する。
【００３１】
熱電変換部４で発電する電気エネルギを大きくするためには、熱電変換部４の高温側４０と低温側４２との間における温度差をできるだけ大きくすることが好ましい。この点本実施例によれば、図１に示すように、第２燃焼排ガス通路３２２における高温の燃焼排ガスの流れ方向（上向き、矢印Ａ２方向）と、水系原料通路５を流れる低温の原料水の流れ方向（上向き、矢印Ｂ１方向）とは、同じ方向とされている。つまり、熱電変換部４で発電させるとき、燃焼排ガスの流れ方向および原料水の流れ方向とは同じ方向される並行流方式が採用されている。
【００３２】
この結果、第２燃焼排ガス通路３２２における燃焼排ガスの上流と、水系原料通路５における原料水の上流とが熱電変換部４を介して背中合わせとなる。更に、第２燃焼排ガス通路３２２における燃焼排ガスの下流と、水系原料通路５における原料水の下流とが熱電変換部４を介して背中合わせとなる。このため、熱電変換部４の一端部４ａ側では、原料水の流れ方向（矢印Ｂ１方向）において最も高温の燃焼排ガスと最も低温の原料水とが熱電変換部４を介して対向することになる。故に、熱電変換部４の一端部４ａ側における燃焼排ガスと原料水との温度差ΔＴを、できるだけ大きくさせることができる。
【実施例２】
【００３３】
図２は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同じ構成、作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、第２燃焼排ガス通路３２２における燃焼排ガスの流れ方向（下向き、矢印Ａ３方向）と、水系原料通路５を流れる原料水の流れ方向（上向き、矢印Ｂ１方向）とは、互いに逆方向とされている。つまり、熱電変換部４で発電させるとき、燃焼排ガスの流れ方向および原料水の流れ方向とは逆方向される対向流方式が採用されている。
【００３４】
結果として、第２燃焼排ガス通路３２２における燃焼排ガスの上流と、水系原料通路５における原料水の下流とが、熱電変換部４を介して背中合わせとなる。更に、第２燃焼排ガス通路３２２における燃焼排ガスの下流と、水系原料通路５における原料水の上流とが熱電変換部４を介して背中合わせとなる。故に、原料水の流れ方向において、熱電変換部４の一端部４ａ側における燃焼排ガスと原料水との温度差ΔＴ１と、熱電変換部４の他端部４ｃ側における燃焼排ガスと原料水との温度差ΔＴ２との温度差を、できるだけ近づけることができる。よって、熱電変換部４における発電ムラの低減に有利となる。
【実施例３】
【００３５】
図３は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同じ構成、作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、図３に示すように、第２燃焼排ガス通路３２２の外周部３２２ｐの全体に熱電変換部４が設けられている。水系原料通路５の下流５ｄ側に蒸発部７が設けられている。この場合には、熱電変換部４の高温側４０および低温側４２の距離Ｌ１（図３参照）が確保される。ひいては高温側４０において発電に寄与する燃焼排ガスの流れ距離が確保され、低温側４２において原料水の流れ距離が確保される。従って、高温側４０を加熱する加熱総量、低温側４２を冷却する冷却総量が確保され、熱電変換部４における発電量を確保するのに有利である。
【実施例４】
【００３６】
図４は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同じ構成、作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、図４に示すように、第２燃焼排ガス通路３２２の外周部３２２ｐの全体に熱電変換部４が設けられている。そして水系原料通路５の下流５ｄに蒸発部７が設けられている。この場合、前述したように、熱電変換部４の高温側４０および低温側４２の距離Ｌ１が確保され、熱電変換部４の発電量が確保される。
【００３７】
水系原料通路５の下流５ｄを流れる原料水の温度は、上流５ｕを流れる原料水の温度よりも高くなっている。熱電変換部４からの伝熱の影響である。そこで本実施例によれば、水系原料通路５のうちの下流５ｄを効果的に冷却できる構造が採用されている。即ち、図４に示すように、水系原料通路５の流れ方向の中間部である途中部５ｍから、冷たい原料水（まだ水系原料通路５を流れていない液体）を水系原料通路５に供給できるように、第２水系原料通路５Ｓ（第２液体通路）と、第２水系原料通路５Ｓを開閉するための制御弁５５（液体供給要素）とが設けられている。途中部５ｍは、水系原料通路５の流れ方向の中間部（途中部）に設けられている。この場合、必要に応じて制御弁５５を開放すれば、制御弁５５および第２水系原料通路５Ｓを介して、冷たい原料水を水系原料通路５の下流５ｄ側に供給し、下流５ｄ側も低温にできる利点が得られ、熱電変換部４の低温側４２の冷却に貢献できる。このように制御弁５５および第２水系原料通路５Ｓは、水系原料通路５のうちの下流５ｄ、つまり熱電変換部４の低温側４２のうちの下流に、原料水（液体）を補給する補給手段として機能する。これにより熱電変換部４の低温側４２をできるだけ低温に維持させるのに有利となり、熱電変換部４の熱電変換効率を高くできる。
【００３８】
（その他）
本発明は上記した各実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。場合によっては、蒸発部７は改質部や加熱部３から離れた部位に配置されていても良い。水系原料通路５を流れる原料水は、燃料電池発電システムにおける凝縮器６で凝縮させた凝縮水が使用されるが、これに限らず、他の水源からの水を用いても良い。
【００３９】
上記した液体通路に流す液体としては、原料水だけでなく、メタノール等のアルコール類、ガソリン等の液体炭化水素系原料に代表される改質反応前の液状燃料でも良い。従って上記した各実施例において、原料水だけでなく、メタノール等のアルコール類、ガソリン等の液体炭化水素系原料に代表される改質反応前の液状燃料を液体通路に流しても良い。第２燃焼排ガス通路３２２の外周部３２２ｐの全体に熱電変換部４が設けられているが、これに限らず、第２燃焼排ガス通路３２２の外周部３２２ｐにおいて部分的に設けられていても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は水素製造システム等に利用することができ、例えば、水素製造システムを有する燃料電池発電システムに利用することができる。燃料電池発電システムは定置用、車載用、電気機器、電子機器用、携帯用等のシステムが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１に係り、改質装置の概念を模式的に示す断面図である。
【図２】実施例２に係り、改質装置の概念を模式的に示す断面図である。
【図３】実施例３に係り、改質装置の概念を模式的に示す断面図である。
【図４】実施例４に係り、改質装置の概念を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１は改質装置、２は改質部、３は加熱部、３０は燃焼部、３２は燃焼排ガス通路、３２２は第２燃焼排ガス通路、４は熱電変換部、４０は高温側、４２は低温側、５は水系原料通路（液体通路）、７は蒸発部を示す。
【図１】
2007254227.tif 000003
【図２】
2007254227.tif 000004
【図３】
2007254227.tif 000005
【図４】
2007254227.tif 000006