(57)【要約】【課題】  制御を簡素化できる燃料改質装置を提供する。【解決手段】  水素を含む改質ガスを生成する原料となる炭化水素燃料、酸素または酸素を含有する気体、及び、水または水蒸気を混合した原料混合流体を予熱する予熱ユニット１、予熱ユニット１で予熱された原料混合流体を燃焼させる燃焼触媒２９及び燃焼触媒２９で生成した生成ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒３１を有する改質ユニット３を備え、予熱ユニット１と改質ユニット３は、熱的に隔離され、予熱ユニット１で予熱された原料混合流体は、予熱ユニット１と改質ユニット３との間に設けられた原料混合流体流路９を介して予熱ユニット１から改質ユニット３に導かれる構成とする。これにより、予熱ユニット１は、燃料予熱器と改質反応器用酸素予熱器とを兼ねたもので、さらに予熱ユニット１と改質ユニット３とは互いの熱的干渉を抑制できるため、燃料改質装置の制御を簡素化できる【選択図】        図１
2007119315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む改質ガスを生成する原料となる炭化水素燃料、酸素または酸素を含有する気体、及び、水または水蒸気を混合した原料混合流体を予熱する予熱ユニットと、該予熱ユニットで予熱された原料混合流体を燃焼させる燃焼触媒及び該燃焼触媒で生成した生成ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質ユニットとを備え、
前記予熱ユニットと前記改質ユニットは、熱的に隔離され、前記予熱ユニットで予熱された原料混合流体は、前記予熱ユニットと前記改質ユニットとの間に設けられた原料混合流体流路を介して前記予熱ユニットから前記改質ユニットに導かれる燃料改質装置。
【請求項２】
前記改質ユニットは、前記改質触媒からの改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段を有し、原料混合流体用に前記予熱ユニットに供給される水または水蒸気は、前記改質ユニットの熱交換手段から前記予熱ユニットに導かれることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
原料混合流体用に前記予熱ユニットに供給される水または水蒸気を、前記改質ユニットの熱交換手段を介して前記予熱ユニットに導く水導入流路と、前記改質ユニットの熱交換手段を介さずに前記予熱ユニットに直接導く水導入流路とを有することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記予熱ユニットに供給される空気に対して燃料を、該空気の流れの方向に対して垂直に交わる方向で合流させ、さらに、該空気と燃料が混合されたガスに水蒸気を合流させて原料混合流体を形成してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
原料混合流体用の炭化水素燃料、酸素または酸素を含有する気体、及び、水または水蒸気のうち少なくとも１つの流体は、前記予熱ユニット及び前記改質ユニットの少なくとも１つからの放熱を回収する放熱回収手段から前記予熱ユニットに導かれることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質装置に係り、特に、内熱式の燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料改質装置は、燃料電池システムなどが必要とする水素を発生させるものである。この燃料改質装置の一つとして、燃料の一部を酸素で燃焼させた熱を、直接、原料から水素を発生させるための改質反応に必要な熱の一部として供給する内熱式つまり内部加熱方式の燃料改質装置がある。内熱式の燃料改質装置は、燃料予熱器、改質反応器用酸素予熱器、改質反応器、一酸化炭素シフト器（以下、ＣＯシフト器と称する）や一酸化炭素選択酸化器（以下、ＣＯ選択酸化器と称する）などで構成されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
【０００３】
燃料予熱器は、その内部に燃焼触媒や伝熱管などを有しており、燃焼触媒によって燃料電池から排出される排ガスなどを燃焼させ、この燃焼熱で伝熱管内を通流する燃料を予熱する。改質反応器用酸素予熱器も、燃料予熱器と同様に、燃焼触媒や伝熱管などを有し、燃焼触媒によって燃料電池から排出される排ガスなどを燃焼させ、この燃焼熱で伝熱管内を通流する酸素または酸素を含む気体を予熱する。改質反応器は、燃焼触媒、改質触媒、そして、燃焼触媒や改質触媒を通過した改質ガスと、改質ガスの原料となる水または水蒸気との間で熱交換を行うための伝熱管などを有している。さらに、改質反応器の改質ガスの流れに対して後流にＣＯシフト器、これに続きＣＯ選択酸化器が配置されている。
【０００４】
また、従来の燃料改質装置として、特許文献１などのように、燃料予熱器、改質反応器用酸素予熱器、改質反応器を各々別個に形成した構成ではなく、特許文献２、３などのように、熱損失の低減や装置の小型化などのため、燃料予熱器と改質反応器用酸素予熱器とを兼ね、燃料と酸素又は酸素含有ガスを混合した原料混合ガスを予熱する予熱器となる部分、そして、改質反応器となる部分を、一体の容器の中に収容し、予熱器となる部分と改質反応器となる部分との間に電気ヒータを設置することが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１２３８１９号公報（第５頁、第１図）
【特許文献２】特開２００１−１０６５１３号公報（第３−４頁、第２図）
【特許文献３】国際公開番号ＷＯ０１／０４７８００号公報（第１１頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１などのような、燃料予熱器、改質反応器用酸素予熱器、改質反応器を各々別個に形成した構成の燃料改質装置では、燃料予熱器と空気予熱器とがそれぞれに燃焼触媒を有しており、構成が複雑化し、さらに、燃料予熱器、空気予熱器、そして改質反応器間の熱授受、言い換えれば、互いの熱的干渉があるために制御が複雑化してしまう。
【０００７】
これに対して、特許文献２、３などのような、予熱器と改質反応器を一体に形成した構成の燃料改質装置では、一体の容器に予熱器となる部分と改質反応器となる部分とを収容することにより、燃焼触媒の設置数を減らせるなど構成の簡素化が可能である。しかし、特許文献２、３などのような燃料改質装置でも、予熱器と改質反応器との間の熱授受による制御の複雑化を防ぐことはできない。このため、制御を簡素化できる燃料改質装置が求められている。
【０００８】
本発明の課題は、燃料改質装置の制御を簡素化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料改質装置は、水素を含む改質ガスを生成する原料となる炭化水素燃料、酸素または酸素を含有する気体、及び、水または水蒸気を混合した原料混合流体を予熱する予熱ユニットと、この予熱ユニットで予熱された原料混合流体を燃焼させる燃焼触媒及びこの燃焼触媒で生成した生成ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質ユニットとを備え、予熱ユニットと改質ユニットは、熱的に隔離され、予熱ユニットで予熱された原料混合流体は、予熱ユニットと改質ユニットとの間に設けられた原料混合流体流路を介して予熱ユニットから改質ユニットに導かれる構成とすることにより上記課題を解決する。
【００１０】
このような構成とすれば、燃料予熱器と改質反応器用酸素予熱器とを兼ねた予熱ユニットにでき、この予熱ユニットと改質ユニットとの間の熱授受、言い換えれば、互いの熱的干渉を抑制でき、燃料改質装置の制御を簡素化できる。
【００１１】
また、改質ユニットは、改質触媒からの改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段を有し、原料混合流体用に予熱ユニットに供給される水または水蒸気は、改質ユニットの熱交換手段から予熱ユニットに導かれる構成とする。これにより、改質ユニットの改質触媒からの改質ガスの熱を原料混合流体用に予熱ユニットに供給される水または水蒸気に回収することで、改質ユニット３の熱バランスを取ることが可能となり、燃料改質装置の制御をより簡素化できる。
【００１２】
さらに、原料混合流体用に予熱ユニットに供給される水または水蒸気を、改質ユニットの熱交換手段を介して予熱ユニットに導く水導入流路と、改質ユニットの熱交換手段を介さずに予熱ユニットに直接導く水導入流路とを有する構成とする。このような構成とすれば、改質ユニットの改質触媒の出口側における改質ガスの温度が所定値または所定範囲より低くなるのを抑制しながら、所定のスチームカーボン比にできる。
【００１３】
また、予熱ユニットに供給される空気に対して燃料を、この空気の流れの方向に対して垂直に交わる方向で合流させ、さらに、この空気と燃料が混合されたガスに水蒸気を合流させて原料混合流体を形成する構成とする。これにより、原料混合流体となる空気、燃料、水の混合性を向上できる。
【００１４】
さらに、原料混合流体用の炭化水素燃料、酸素または酸素を含有する気体、及び、水または水蒸気のうち少なくとも１つの流体は、予熱ユニット及び改質ユニットの少なくとも１つからの放熱を回収する放熱回収手段から予熱ユニットに導かれる構成とする。これにより、予熱ユニットの表面温度を下げることができ、燃料改質装置を１つのパッケージ内に納める場合などでも、熱効率を向上できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料改質装置の制御を簡素化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる燃料改質装置の第１の実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる燃料改質装置の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。図２は、図１のII−II線での断面図である。図３は、本発明を適用してなる燃料改質装置の原料混合流体管路の構造を模式的に示す断面図である。
【００１７】
本実施形態の燃料改質装置は、図１及び図２に示すように、内熱式の燃料改質装置であり、原料を予熱するための予熱器となる予熱ユニット１、改質反応により原料から水素を生成するための改質器となる改質ユニット３、一酸化炭素シフト器（以下、ＣＯシフト器と称する）５、そして、一酸化炭素選択酸化器（以下、ＣＯ選択酸化器と称する）７などで構成されている。予熱ユニット１と改質ユニット３は、熱授受つまり熱的な干渉を低減するため間隔を開けて設置されており、予熱ユニット１と改質ユニット３との間は、燃料、空気、そして、水または水蒸気といった原料を混合した原料混合ガスを予熱ユニット１から改質ユニット３に導く原料混合流体管路９によって連結されている。
【００１８】
予熱ユニット１は、原料となる燃料、酸素または酸素含有ガス、水または水蒸気を予熱するものであり、内部の空間１ａに燃焼触媒１１と、熱交換手段となる伝熱管１３を有している。また、予熱ユニット１は、予熱ユニット１内部の空間１ａの周囲が断熱材１５で覆われた状態となっている。予熱ユニット１には、燃料を導く燃料導入管路１７、酸素または酸素含有ガスとして空気を導く空気導入管路１９、水を導く水導入管路２１が連結されており、これらの管路１７、１９、２１は、伝熱管１３に連結されている。さらに、予熱ユニット１には、燃焼触媒に対して酸素または酸素含有ガスとして空気を導く燃焼触媒用空気導入管路２３、燃料改質装置が水素を供給する図示していない燃料電池からのアノード排ガスを導くアノード排ガス導入管路２５なども連結されている。
【００１９】
本実施形態では、空気導入管路１９は、燃料導入管路１７の予熱ユニット１の外側に位置する部分で燃料導入管路１７に合流している。また、水導入管路２１は、燃料導入管路１７が伝熱管１３に連結された伝熱管１３の入口部分に連結されている。伝熱管１３は、入口部分と出口部分との間で複数、図１及び図２では２本に分岐した状態で設置されている。予熱ユニット１の内部の空間１ａは、燃焼触媒１１によって２つの空間に分割された状態になっており、一方の空間内に伝熱管１３が設置されている。他方の空間つまり伝熱管１３が設置されていない空間側には、燃焼触媒用空気導入管路２３とアノード排ガス導入管路２５が連通している。原料混合流体管路９の一方の端部は、伝熱管１３の出口部分に連結されている。
【００２０】
また、予熱ユニット１には、伝熱管１３が設置されている側の空間１ａの部分に、燃焼触媒１１によるアノード排ガスの燃焼により生じた燃焼排ガスを排出するための排ガス管路２７が連結されている。
【００２１】
改質ユニット３は、予熱ユニット１で予熱した原料混合ガスから水素を生成するものであり、内部の空間３ａに燃焼触媒２９、改質触媒３１、そして、伝熱管３３などを有している。また、改質ユニット３は、改質ユニット３内部の空間３ａの周囲が断熱材３５で覆われた状態となっている。改質ユニット３には、水を導く水導入管路３７、原料混合流体管路９の予熱ユニット１に連結された側と反対側の端部などが連結されている。
【００２２】
本実施形態では、改質ユニット３の内部の空間３ａは、燃焼触媒２９と改質触媒３１によって２つの空間に分割された状態になっており、一方の空間部分に伝熱管３３が設置されている。そして、他方の空間部分つまり伝熱管３３が設置されていない側の空間部分に、原料混合流体管路９の予熱ユニット１に連結された側と反対側の端部が連通している。
【００２３】
本実施形態の原料混合流体管路９は、図３に示すように、フレキシブル配管からなる内管部９ａの外面周囲に断熱材を施工して断熱材部９ｂで被覆したものである。このように本実施形態の原料混合流体管路９は、内管部９ａをフレキシブル配管とすることで温度変化による管路の熱伸縮を許容できるようにしている。また、断熱材部９ｂで被覆し、さらに、その外側を外管部９ｃが被覆した状態となっており、断熱材部９ｂで被覆することで放熱損失を低減している。加えて、断熱材部９ｂなどで被覆することで、内管部９ａで万が一のガス漏れが生じた場合でも、断熱材部９ｂが外部へのガス漏れを抑制し、安全性を向上できる。
【００２４】
改質ユニット３では、燃焼触媒２９と改質触媒３１は、原料混合流体管路９から改質ユニット３の内部の空間３ａに流入したガスなどが、燃焼触媒２９から改質触媒３１の順に通過するように設置されている。言い換えれば、伝熱管３３が設置されている空間３ａの部分側に改質触媒３１が、伝熱管３３が設置されていない空間３ａの部分側に燃焼触媒２９が設置されている。
【００２５】
水導入管路３７は、改質ユニット３内の伝熱管３３の入口部分に連結されており、予熱ユニット１に連結された水導入管路２１の予熱ユニット１に連結された側と反対側の端部は、改質ユニット３内の伝熱管３３の入口部分に連結されている。したがって、本実施形態では、水または水蒸気は、水導入管路３７、改質ユニット３内の伝熱管３３、水導入管路２１、そして、予熱ユニット１内の伝熱管１３の順に通流して行く。
【００２６】
改質ユニット３内の伝熱管３３が設置されている空間３ａの部分を通流した生成された水素を含むガスは、ＣＯシフト器５、連結流路３８、ＣＯ選択酸化器７の順に通流して行く。なお、本実施形態で用いた燃焼触媒１１、２９、改質触媒３１、ＣＯシフト器５、ＣＯ選択酸化器７などは、従来の燃料改質装置と同様のものである。
【００２７】
このような構成の燃料改質装置の動作や本発明の特徴部などについて説明する。  ここでは、内熱式の燃料改質装置である本実施形態の燃料改質装置の燃料が天然ガスの主成分であるメタンである場合を例として水素生成過程について説明する。改質ユニット３内の改質触媒３１でのメタンと水蒸気の改質反応は、従来の燃料改質装置と同様に、次式（１）と次式（２）の左辺から右辺への逐次反応であるが、全体として吸熱反応であるため、熱を与えて反応温度の６００℃程度を維持する必要がある。
ＣＨ4  ＋  Ｈ2Ｏ  ⇔  ＣＯ  ＋  ３Ｈ2（吸熱反応）  ・・・（１）
ＣＯ  ＋  Ｈ2Ｏ  ⇔  ＣＯ2  ＋  ３Ｈ2（発熱反応）  ・・・（２）
【００２８】
本実施形態のような内熱式の燃料改質装置では、吸熱反応に必要な熱を、原料となる燃料、ここではメタンの一部を、空気により、改質ユニット３の燃焼触媒２９で燃焼させた熱で賄う。
【００２９】
ただし、燃料であるメタンの燃焼量をできるだけ減らさなければ、発生する水素の量が低下してしまう。一方、水素を供給する設備や機器類が固体高分子型燃料電池システム（以下、ＰＥＦＣシステムと称する）などの場合、ＰＥＦＣシステム本体から未反応水素を含むアノード排ガスが出てくる。そこで、内熱式の燃料改質装置では、アノード排ガスを燃焼させた燃焼熱を原料である燃料、空気、水にフィードバックすることで燃料改質装置全体の熱効率を高める工夫をしている。本実施形態の燃料改質装置でも、このようなアノード排ガスを燃焼させた燃焼熱をフィードバックさせるために予熱ユニット１を備えており、この予熱ユニット１の燃焼触媒用空気導入管路２３からの空気と燃焼触媒１１とによって、アノード排ガス導入管路２５からのアノード排ガスを燃焼させ、その燃焼熱で伝熱管１３を通流する燃料、空気、水を予熱している。
【００３０】
このとき、本実施形態の燃料改質装置では、従来と異なり、空気導入管路１９が予熱ユニット１の外側で燃料導入管路１７に合流し、また、水導入管路２１が予熱ユニット１内で伝熱管１３の上流側の端部に合流することで、予熱ユニット１内の伝熱管１３の最上流部分で、燃料、空気、そして、水が、全て合流して原料混合流体となり、伝熱管１３に流入する。
【００３１】
さらに、原料混合流体となる燃料、空気、そして、水の混合を促進するため、空気導入管路１９が予熱ユニット１の外側で燃料導入管路１７に垂直に合流しており、各々の流れが垂直に交わる状態で、流量が比較的多い空気に対して流量が比較的少ない燃料が合流する。さらに、改質ユニット３からの水導入管路２１が予熱ユニット１内で伝熱管１３の上流側の端部に合流することで、空気と燃料を混合した後、改質ユニット３の伝熱管３３で水蒸気となった水導入管路３７からの水が、水蒸気の状態で、燃料と空気の混合流体に合流する。これにより、これら３つの流体の混合を促進している。
【００３２】
また、ＣＯシフト器５へ流入する改質ガスを適正温度にするなど、改質ユニット３の熱バランスを取るため、さらに、改質ユニット３での改質反応に必要な水を水蒸気に変えるため、改質ユニット３の改質触媒３１を通過したガス、つまり、改質触媒３１の出口側から出てくる改質ガスの熱を回収する伝熱管３３が設けられており、水導入管路３７からの水が伝熱管３３を通流することで水蒸気となり、伝熱管３３で生じた水蒸気が、水導入管路２１を介して予熱ユニット１内で伝熱管１３に導かれている。
【００３３】
このように予熱ユニット１の伝熱管１３を通流することで予熱された原料混合ガスは、原料混合流体管路９を経由して改質ユニット３に流入する。改質ユニット３に流入した原料混合ガスは、改質ユニット３の燃焼触媒２９において、空気によって燃料の一部が燃焼して発熱することにより、改質反応も併発し、燃料の一部が水素に変換される。その後、燃焼触媒２９からのガスは、改質触媒３１に流入して改質反応が促進され、水素リッチな改質ガスとなる。そして、改質ユニット３で生成された水素リッチな改質ガスは、ＣＯシフト器５、ＣＯ選択酸化器７などを通過した後、水素を供給するＰＥＦＣシステムなどの機器や設備などに導かれる。
【００３４】
なお、予熱ユニット１では、アノード排ガスと空気との燃焼触媒１１による燃焼によって生じた燃焼ガスは、伝熱管１３に熱を与えたのち、燃焼排ガスとして排ガス管路２７を介して大気へ放出される。また、改質ユニット３では、改質ユニット３の周囲を囲う断熱材３５として、従来の燃料改質装置よりも断熱を強化するため、従来の燃料改質装置に用いられていた断熱材よりも低熱伝導率の断熱材を使用するか、または、断熱材の厚さを増すなどの処置を施している。
【００３５】
このように、本実施形態の燃料改質装置では、予熱ユニット１は、燃料予熱器と改質反応器用酸素予熱器とを兼ねた構成となっており、この予熱ユニット１と改質ユニット３とは、予熱ユニット１で予熱された原料混合ガスが通流する原料混合流体管路９を介して連結されているのみであり、熱的に隔離された状態となっている。したがって、予熱ユニット１と改質ユニット３との間の複雑な熱授受、言い換えれば、互いの熱的干渉を抑制でき、燃料改質装置の制御を簡素化できる。
【００３６】
さらに、本実施形態の燃料改質装置では、燃料改質装置の制御を簡素化できることから、操作の簡素化や、制御性の向上などが可能となる。加えて、本実施形態の燃料改質装置では、改質ユニット３は、改質触媒３１からの改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段となる伝熱管３３を有し、原料混合流体用に予熱ユニット１に供給される水または水蒸気は、改質ユニット３の伝熱管３３から水導入管路３７を介して予熱ユニット１に導かれている。したがって、改質ユニット３の改質触媒３１からの改質ガスの熱を原料混合流体用に予熱ユニット１に供給される水または水蒸気に回収することで、改質ユニット３の熱バランスを取ることが可能となり、燃料改質装置の制御をより簡素化できる。
【００３７】
加えて、改質ユニット３が、改質触媒３１からの改質ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段となる伝熱管３３を有していることにより、改質ユニット３での改質反応に必要な水、言い換えれば、予熱ユニット１に供給される水を、予熱ユニット１の燃焼触媒１１での燃焼熱と、改質ユニット３の改質触媒３１からの改質ガスの熱との両方の熱で水蒸気に変えることができ、改質ユニット３での改質反応に必要な水をより確実に水蒸気に気化できる。ただし、アノード排ガスの燃焼熱の熱量で改質反応に必要な水つまり原料となる水のほぼ全量を水蒸気に変えるだけの蒸発潜熱を得ることができる場合や、改質ユニット３の改質触媒３１からの改質ガスの温度を下げる必要がない場合などは、改質ユニット３に伝熱管３３を設けず、水導入管路３７から予熱ユニット１の伝熱管１３に水または水蒸気を直接導く構成にすることもできる。
【００３８】
ところで、従来の内燃式の燃料改質装置では、改質触媒の周囲に水蒸気が流れているために、改質触媒の温度分布が生じ易いという問題や、原料となる燃料と空気の混合流体を予熱後に水を合流させている構成や、層流域という条件などのため、原料の混合性に問題がある。このように原料の混合性に問題があると、燃料改質装置の水素発生能力を低下させる要因となる。
【００３９】
これに対して、実施形態の燃料改質装置では、原料混合流体となる燃料、空気、そして、水のうち、流量が比較的多い空気に対して流量が比較的少ない燃料が各々の流れの方向が垂直に交わる状態で合流し、また、この空気と燃料が混合されたガスに、水蒸気が合流することで、原料混合ガスの混合が行われる。このため、原料である燃料、空気、そして、水との混合性を向上できる。加えて、原料である燃料、空気、そして、水との混合性が向上した状態で改質ユニット３の燃焼触媒２９と改質触媒３１に原料混合流体が流入することにより、燃焼触媒２９と改質触媒３１の、原料混合流体の流れの方向に対して垂直方向の温度分布を低減できる。また、燃焼触媒２９と改質触媒３１の、原料混合流体の流れの方向に対して垂直方向の温度分布を低減できることから、燃焼触媒と改質触媒の寿命を延長できる。
【００４０】
さらに、従来の内燃式の燃料改質装置では、燃料と空気の混合ガスを加熱する場合、自己着火や逆火、炭化水素燃料の分解などに対する安全性を確保する必要があるため、燃料予熱器と空気予熱器を各々別個に形成し、それぞれに燃焼部を有している構成としているものがある。このため、燃料予熱器と空気予熱器を各々別個に形成している場合、構成要素機器数が比較的多くなっている。このように、従来の内燃式の燃料改質装置では、自己着火や逆火及び炭化水素燃料の分解などに対する安全性を向上するうえでは、燃料予熱器と空気予熱器とを個々に分離した構成とすることが望ましいが、このような構成では、装置構成が複雑になるという問題が生じる。
【００４１】
これに対して、本発明者らは、種々の検討を行った結果、内熱式の燃料改質装置に必要な条件となる燃料と空気の混合ガスを加熱する場合、所定温度以上としなければ自己着火および逆火は発生しないこと、さらに、燃料、空気、水または水蒸気を加えて組成比を適正化すれば炭化水素燃料の分解も生じないことを見いだした。本実施形態の燃料改質装置は、このような知見に対応する構成となっており、燃料予熱器と空気予熱器を１つの予熱ユニット１にできることから、自己着火や逆火、炭化水素燃料の分解などに対する安全性を向上しながら、装置構成を簡素化できる。また、炭化水素燃料の分解などに対する安全性を向上できることから、水素発生能力の安定性をより向上できる。加えて、本実施形態の燃料改質装置では、要素機器数を低減でき、装置構成を簡素化できることから、燃料改質装置の保守作業を簡素化できる。さらに、制御や装置構成を簡素化できることから、低コスト化や装置全体のコンパクト化が可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では、原料となる水または水蒸気の全量が、改質ユニット３の伝熱管３３を通流した後、予熱ユニット１に導かれる構成となっている。しかし、改質反応に必要な水のほぼ全量を水蒸気に変えるうえで、アノード排ガス導入管路２５からのアノード排ガスの燃焼熱のみでもある程度の熱量が賄える場合、つまり、原料となる水が元々水蒸気である場合やアノード排ガスの燃焼熱で得られる熱量に応じて、また、改質ユニット３の改質触媒３１からの改質ガスの温度を下げる程度に応じては、水の全量を改質ユニット３の伝熱管３３に通流させず、原料として用いる水または水蒸気の一部のみを伝熱管３３に通流させる構成にすることもできる。
【００４３】
（第２の実施形態）
以下、本発明を適用してなる燃料改質装置の第２の実施形態について図４を参照して説明する。図４は、本発明を適用してなる燃料改質装置の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。なお、本実施形態では第１の実施形態と同一の構成などは同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成などについて説明を行う。
【００４４】
本実施形態の燃料改質装置が第１の実施形態と相違する点は、改質反応に用いる水つまり原料となる水を改質ユニット３の伝熱管３３に導く水導入管路３７に加えて、予熱ユニット１の伝熱管１３の上流側に原料となる水を導く水導入管路３９を設けたことにある。そして、本実施形態の燃料改質装置では、水導入管路３７から改質ユニット３の伝熱管３３、そして、水導入管路２１を介して予熱ユニット１の伝熱管１３に水、水蒸気を導く流路に加え、必要に応じ、原料となる水を、改質ユニット３を介さずに直接予熱ユニット１の伝熱管１３に加えている。つまり、本実施形態の燃料改質装置では、原料となる水の一部は、改質ユニット３の伝熱管３３を介さずに、水導入管路３９から直接予熱ユニット１の伝熱管１３に供給される。
【００４５】
ここで、燃料改質装置に原料として共有される水の量は、内熱式の燃料改質装置全体としてのスチームカーボン比、つまり、カーボンを析出させないために必要な燃料中のカーボンに対する水蒸気のモル比率を適正範囲に維持するための調整代の役割を果たしている。また、水導入管路３７からの原料となる水の供給量つまり改質ユニット３の伝熱管３３への水の供給量は、改質ユニット３の改質触媒３１の出口側における改質ガスの温度を所定値または所定範囲に保つのに必要な量である。すなわち、導入管路３７からの原料となる水の供給量は、改質ユニット３の改質触媒３１の出口側における改質ガスの温度を所定値または所定範囲に保つための必要量から決まる。したがって、水導入管路３７からの原料となる水の供給量では、所定のスチームカーボン比に達しない場合は、水導入管路３９から水を予熱ユニット１の伝熱管１３に投入する。
【００４６】
これにより、改質ユニット３の改質触媒３１の出口側における改質ガスの温度が所定値または所定範囲より低くなるのを抑制しながら、所定のスチームカーボン比にできる。
【００４７】
このように、本実施形態の燃料改質装置では、原料となる水の一部は、必要に応じて改質ユニット３の伝熱管３３を介さずに、水導入管路３９から直接予熱ユニット１の伝熱管１３に供給される。このため、本実施形態の燃料改質装置でも、第１の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、改質ユニット３の改質触媒３１の出口側における改質ガスの温度を所定値または所定範囲に保つのに必要な量の水では、スチームカーボン比が所定の値からはずれるような運転条件の場合であっても、改質ユニットの改質触媒の出口側における改質ガスの温度が所定値または所定範囲より低くなるのを抑制しながら、所定のスチームカーボン比にできる。さらに、スチームカーボン比を所定の値に調整できるので、カーボン析出に起因する不具合を抑制でき、また、運転条件の範囲を広げることができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
以下、本発明を適用してなる燃料改質装置の第３の実施形態について図５を参照して説明する。図５は、本発明を適用してなる燃料改質装置の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。なお、本実施形態では第１の実施形態と同一の構成などは同じ符号を付して説明を省略し、第１及び第２の実施形態と異なる構成などについて説明を行う。
【００４９】
本実施形態の燃料改質装置が第１及び第２の実施形態と相違する点は、第２の実施形態と同様に２本の原料となる水の流路つまり水導入管路３７、３９を設けたのに加えて、予熱ユニット１からの放熱を回収するように配管された空気導入管路４１を設け、放熱回収手段としたことにある。本実施形態の燃料改質装置では、空気導入管路４１が、予熱ユニット１の表面の両端部間にわたって、つまり、燃焼触媒用空気導入管路２３やアノード排ガス導入管路２５などが設けられた側の端部から、排ガス管路２７などが設けられた側の端部にかけて付設されている。そして、空気導入管路４１の空気の流れに対して下流側の端部は、第１及び第２の実施形態と同様に、燃料導入管路１７に連結されている。
【００５０】
これにより、予熱ユニット１の表面温度を下げ、燃料改質装置を１つのパッケージ内に納める場合、つまり、燃料改質装置を１つの筐体などに収容する場合などでも、熱効率を向上できる。さらに、予熱ユニット１の表面温度を下げることができるため、安全性も向上できる。
【００５１】
このように、本実施形態の燃料改質装置では、予熱ユニット１からの放熱を回収するように配管された空気導入管路４１を設けている。このため、本実施形態の燃料改質装置でも、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、予熱ユニットの表面温度を下げることができ、燃料改質装置を１つのパッケージ内に納める場合などでも、熱効率を向上できる。また、安全性も向上できる。
【００５２】
また、本実施形態では、予熱ユニット１からの放熱を回収するように配管された空気導入管路４１を設けているが、条件などに応じて空気導入管路に代え、予熱ユニット１からの放熱を回収するように水導入管路や燃料導入管路、それらの管路を適宜組み合わせて配管することなどで、放熱回収手段を形成することもできる。
【００５３】
また、第１乃至第２の実施形態では、燃料となるメタン、空気、水を用いているが、メタン以外の水素を生成できる様々な燃料、空気以外の燃焼剤となる酸素または酸素を含む気体、燃料改質装置に応じて水または水蒸気などを適宜選択して用いることができる。
【００５４】
また、本発明を適用してなる燃料改質装置は、第１乃至第２の実施形態の構成に限らず、様々な構成で形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明を適用してなる燃料改質装置の第１の実施形態の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。
【図２】図１のII−II線での断面図である。
【図３】本発明を適用してなる燃料改質装置の第１の実施形態における原料混合流体管路の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明を適用してなる燃料改質装置の第２の実施形態の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。
【図５】本発明を適用してなる燃料改質装置の第３の実施形態の概略構成を予熱ユニットと改質ユニットを断面で模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  予熱ユニット
３  改質ユニット
５  ＣＯシフト器
７  ＣＯ選択酸化器
９  原料混合流体管路
１１、２９  燃焼触媒
１３、３３  伝熱管
１５、３５  断熱材
１７  燃料導入管路
１９  空気導入管路
２１、３７  水導入管路
２３  燃焼触媒用空気導入管路
２５  アノード排ガス導入管路
２７  排ガス管路
３１  改質触媒
【図１】
2007119315.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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