(57)【要約】      （修正有）【課題】熱交換効率が向上した燃料処理装置を提供する。【解決手段】ケーシングの内側上部に位置したスチームリフォーマユニット１０と、スチームリフォーマユニット１０の下側に配置された熱交換器ユニット２０と、熱交換器ユニット２０の下側に位置した高温転換反応ユニット３０と、高温転換反応ユニット３０の外側を取り囲んで位置した低温転換反応ユニット４０と、高温転換反応ユニット３０の下側に位置し、前記改質ガスおよび燃焼ガスの排出および熱交換流体の供給のために形成された流路部５２を通して供給された改質ガスと熱交換流体とで相互熱交換が行われる熱交換チャンバ５０とを含む燃料処理装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングの内側上部に位置したスチームリフォーマユニットと、
前記スチームリフォーマユニットの下側に配置された熱交換器ユニットと、
前記熱交換器ユニットの下側に位置した高温転換反応ユニットと、
前記高温転換反応ユニットの外側を取り囲んで位置した低温転換反応ユニットと、
前記高温転換反応ユニットの下側に位置し、改質ガスおよび燃焼ガスの排出および熱交換流体の供給のために形成された流路部を通して供給された改質ガスと熱交換流体との間で相互熱交換が行われる熱交換チャンバと
を含む燃料処理装置。
【請求項２】
前記スチームリフォーマユニットは、
前記ケーシングの上端中央から挿入され、長手方向に延びたバーナハウジングと、
前記バーナハウジングの内側上部に設けられ、前記ケーシングの上部から下部に向かって火炎を発生させるバーナユニットと、
前記バーナハウジングを同心円とし、内部に反応触媒が形成された改質反応部と
を含む請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記バーナハウジングの下端は、
前記改質反応部の下端よりも上方に配置される請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記改質反応部は、
前記ケーシングの半径方向に行くほど、厚さが減少する請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記改質反応部は、
前記ケーシングの長手方向上に単位改質反応部の間ごとに形成され、スチームの移動する通路が形成された請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記スチームリフォーマユニットの下側に対向して配置され、前記バーナユニットから発生した火炎が流入する開口部が形成され、前記バーナユニットによって加熱された蒸気が前記開口部を通して流入した後、前記改質反応部に向かって直ちに移動せずに所定時間滞留するように形成された蒸気加熱チャンバをさらに含む請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記蒸気加熱チャンバは、
前記改質反応部に向かって円周方向に沿って延びた延長管をさらに含む請求項６に記載の燃料処理装置。
【請求項８】
前記スチームリフォーマユニットには、
前記改質反応部に供給された蒸気との熱交換により生成された凝縮水が貯蔵される凝縮水貯蔵チャンバをさらに含む請求項２から７のいずれか１項に記載の燃料処理装置。
【請求項９】
前記凝縮水貯蔵チャンバは、
前記蒸気加熱チャンバの下側に位置した請求項６または７に従属する場合の請求項８に記載の燃料処理装置。
【請求項１０】
前記熱交換器ユニットは、
前記バーナユニットに加熱空気を供給するために、前記熱交換器ユニットの外側から内側に延びて外気が供給される空気流入口と、
前記空気流入口を通して流入した外気がスチームと熱交換された後に前記バーナユニットに供給されるように、前記空気流入口の上側に離隔して前記熱交換器ユニットの内側から外側に延びた空気排出口とを含む請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項１１】
前記熱交換器ユニットは、
シェルアンドチューブタイプが用いられる請求項１０に記載の燃料処理装置。
【請求項１２】
前記熱交換器ユニットに移動した改質ガスは、前記空気流入口を通して供給された外気との熱交換により所定の温度以下に下げられる請求項１０に記載の燃料処理装置。
【請求項１３】
ケーシングの内側上部に位置したスチームリフォーマユニットと、
前記スチームリフォーマユニットの下側に配置された熱交換器ユニットと、
前記熱交換器ユニットの下側に位置した高温転換反応ユニットと、
前記高温転換反応ユニットの外側を取り囲んで位置した低温転換反応ユニットと、
前記高温転換反応ユニットと前記低温転換反応ユニットとの間に位置し、前記高温転換反応ユニットの過熱を防止するために、内部に熱交換のための流体が供給される熱交換コイルユニットと、
前記高温転換反応ユニットの下側に位置し、改質ガスおよび燃焼ガスの排出および熱交換流体の供給のために形成された流路部を通して供給された改質ガスと熱交換流体とで相互熱交換が行われる熱交換チャンバとを含む燃料処理装置。
【請求項１４】
前記熱交換チャンバは、
前記改質ガスが移動する改質ガス流路部を取り囲む請求項１３に記載の燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガスを燃料電池スタックに供給しやすい改質ガスに転換するために用いられるものであって、より詳細には、バーナから発生した高温の火炎が鉛直下向きとなるようにバーナユニットを配置させることで、改質反応部の反応時間と温度を向上させ、熱交換器ユニットにおける熱効率が向上した燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料処理装置は、水蒸気改質法（Ｓｔｅａｍ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）を利用して天然ガスを水素に転換する改質反応器（Ｓｔｅａｍ  ｒｅｆｏｒｍｅｒ）と、水素とともに生成された一酸化炭素を二酸化炭素に転換する転換反応器（ＨＴＳ、ＬＴＳ）と、熱量を供給するバーナとを含んで構成される。
【０００３】
すなわち、天然ガスの主成分はメタン（ＣＨ４）であり、改質反応器で水蒸気と反応して水素と一酸化炭素が生成されるが、反応温度は通常６５０〜７００℃程度であり、上記反応は吸熱反応で、反応に必要な熱量はバーナを用いて供給している。
【０００４】
水素とともに生成された一酸化炭素は、燃料電池スタックに流入する場合、スタックを被毒させて性能に致命的な悪影響を及ぼすことから、これを除去するために、高温転換反応器（ＨＴＳ）および低温転換反応器（ＬＴＳ）を通して二酸化炭素に転換している。
【０００５】
上記ＨＴＳおよびＬＴＳの転換反応温度は、高温転換反応器の場合、通常３００〜３５０℃程度であり、低温転換反応器は通常１８０〜２５０℃程度であり、転換反応は発熱反応で、反応時に熱を発散している。
【０００６】
バーナは、燃料処理装置の燃焼室に位置して燃焼し、燃焼過程で発生した燃焼排気ガスは燃料処理装置の上層部に上がって触媒反応器と燃焼室との間の流路を上から下へ通過し、触媒反応器に熱を供給している。
【０００７】
従来の燃料処理装置は、前述のように、反応器をそれぞれ改質反応器と転換反応器に区分して分離使用しているが、改質反応器の場合に吸熱反応、転換反応器の場合には発熱反応で熱勾配が異なり、反応温度の差が大きいことから、別途に区分して分離作製しており、これによって内部構造および流路が複雑になり、全体的な反応器の体積が大きくなる問題が発生した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／００６５５００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の実施形態は、改質ガスを生成するために用いられるスチームリフォーマユニット、熱交換器ユニット、高温転換反応ユニット、および低温転換反応ユニットの配置を変更し、熱交換チャンバを通した熱交換効率が向上した燃料処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置は、ケーシングの内側上部に位置したスチームリフォーマユニットと、前記スチームリフォーマユニットの下側に配置された熱交換器ユニットと、前記熱交換器ユニットの下側に位置した高温転換反応ユニットと、前記高温転換反応ユニットの外側を取り囲んで位置した低温転換反応ユニットと、前記高温転換反応ユニットの下側に位置し、前記改質ガスおよび燃焼ガスの排出および熱交換流体の供給のために形成された流路部を通して供給された改質ガスと熱交換流体とで相互熱交換が行われる熱交換チャンバとを含む。
【００１１】
前記スチームリフォーマユニットは、前記ケーシングの上端中央から挿入され、長手方向に延びたバーナハウジングと、前記バーナハウジングの内側上部に設けられ、前記ケーシングの上部から下部へと火炎を発生させるバーナユニットと、前記バーナハウジングを同心円とし、内部に反応触媒が形成された改質反応部とを含む。
【００１２】
前記バーナハウジングは、前記改質反応部の下端より相対的に短い長さで延びたことを特徴とする。
【００１３】
前記改質反応部は、前記ケーシングの半径方向に行くほど、厚さが減少することを特徴とする。
【００１４】
前記改質反応部は、前記ケーシングの長手方向上に単位改質反応部の間ごとに形成され、スチームの移動する通路が形成されたことを特徴とする。
【００１５】
前記スチームリフォーマユニットの下側に対向して配置され、前記バーナユニットから発生した高温の火炎が流入する開口部が形成され、前記バーナユニットによって加熱された蒸気が前記開口部を通して流入した後、前記改質反応部に向かって直ちに移動せずに所定時間滞留するように形成された蒸気加熱チャンバをさらに含む。
【００１６】
前記蒸気加熱チャンバは、前記改質反応部に向かって円周方向に沿って延びた延長管をさらに含む。
【００１７】
前記スチームリフォーマユニットには、前記改質反応部に供給された蒸気と熱交換で生成された凝縮水が貯蔵される凝縮水貯蔵チャンバをさらに含む。
【００１８】
前記凝縮水貯蔵チャンバは、前記蒸気加熱チャンバの下側に位置したことを特徴とする。
【００１９】
前記熱交換器ユニットは、前記バーナユニットに高温の加熱空気を供給するために、前記熱交換器ユニットの外側から内側に延びて外気が供給される空気流入口と、前記空気流入口を通して流入した外気がスチームと熱交換された後に前記バーナユニットに供給されるように、空気流入口の上側に離隔して前記熱交換器ユニットの内側から外側に延びた空気排出口とを含む。
【００２０】
前記熱交換器ユニットは、シェルアンドチューブタイプが用いられることを特徴とする。
【００２１】
前記熱交換器ユニットに移動した改質ガスは、前記空気流入口を通して供給された外気との熱交換により所定の温度以下に下げられる。
【００２２】
本発明の第２実施形態に係る燃料処理装置は、ケーシングの内側上部に位置したスチームリフォーマユニットと、前記スチームリフォーマユニットの下側に配置された熱交換器ユニットと、前記熱交換器ユニットの下側に位置した高温転換反応ユニットと、前記高温転換反応ユニットの外側を取り囲んで位置した低温転換反応ユニットと、前記高温転換反応ユニットと前記低温転換反応ユニットとの間に位置し、前記高温転換反応ユニットの過熱を防止するために、内部に熱交換のための流体が供給される熱交換コイルユニットと、前記高温転換反応ユニットの下側に位置し、前記改質ガスおよび燃焼ガスの排出および熱交換流体の供給のために形成された流路部を通して供給された改質ガスと熱交換流体とで相互熱交換が行われる熱交換チャンバとを含む。
【００２３】
前記熱交換チャンバは、前記改質ガスが移動する改質ガス流路部を取り囲むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の実施形態は、燃料処理装置の高さを相対的に低減することができて、コンパクトな装備運営が可能であり、改質反応のためのウォームアップ（ｗａｒｍ  ｕｐ）時間が短縮し、改質反応に必要な温度を迅速に上昇させることができて、燃料処理装置の効率が向上する。
【００２５】
本発明の実施形態は、バーナユニットに供給される高温の蒸気が加熱できる空間が別途に形成されていて、改質反応に必要な高温の蒸気を安定して供給することができ、火炎による改質触媒を直接加熱するのではなく、高温の蒸気を利用して加熱を行うため、前記改質触媒の耐久性を向上させることができる。
【００２６】
本発明の実施形態は、熱交換器ユニットを通して改質ガスと熱交換による熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置を示す縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るスチームリフォーマユニットの横断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置のバーナユニットの作動状態に応じた温度分布シミュレーションを示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料処理装置を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る熱交換コイルユニットを示す縦断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る熱交換チャンバを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置について、図面を参照して説明する。添付した図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置を示す縦断面図であり、図２は、本発明の第１実施形態に係るスチームリフォーマユニットの横断面図であり、図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置のバーナユニットの作動状態に応じた温度分布シミュレーションを示す図である。
【００２９】
添付した図１〜図３を参照すれば、本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置１は、ケーシング２の内側上部にスチームリフォーマユニット１０が位置し、スチームリフォーマユニット１０の下側に熱交換器ユニット２０が配置され、熱交換器ユニット２０の下側に高温転換反応ユニット３０が配置され、高温転換反応ユニット３０の外側を取り囲んで位置した低温転換反応ユニット４０と、高温転換反応ユニット３０の下側に位置し、前記改質ガスおよび燃焼ガスの排出および熱交換流体の供給のために形成された流路部５２を通して供給された改質ガスと熱交換流体とで相互熱交換が行われる熱交換チャンバ５０とを含む。
【００３０】
本実施形態に係るスチームリフォーマユニット１０は、ケーシング２の上端中央から挿入され、長手方向に延びたバーナハウジング１２と、バーナハウジング１２の内側上部に設けられ、ケーシング２の上部から下部へと火炎を発生させるバーナユニット１４と、バーナハウジング１２を同心円とし、内部に反応触媒が形成された改質反応部１６とを含む。
【００３１】
ケーシング２は、円筒状に形成され、バーナユニット１４がバーナハウジング１２の上端に設けられるが、バーナユニット１４がバーナハウジング１２の上端に設けられる理由は、スチームリフォーマユニット１０の長手方向における延長長さが相対的に短くなるので小型化が可能で、設置空間のレイアウトによる制約が最小化され、設置の利便性が同時に向上できるからである。
【００３２】
添付した図３を参照すれば、バーナユニット１４が作動する場合に発生した高温の火炎はバーナハウジング１２の長手方向に沿って移動し、バーナハウジング１２の下端に高温の火炎が集中するので、ケーシング２の外側への熱損失が最小化され、バーナハウジング１２の外側に位置した改質反応部１６により多くの蒸気を供給することができて、改質反応部１６の触媒反応が向上する。これによって、より迅速な始動が可能になって作動時間が短縮し、改質反応部１６で改質反応が安定して実施できる温度雰囲気が維持される。
【００３３】
バーナハウジング１２は、改質反応部１６の下端より相対的に短い長さで延びるが、この場合、バーナユニット１４から発生した火炎によって加熱された蒸気が、矢印で示されているように改質反応部１６に拡散しながら、反応触媒が所定の温度に加熱される。
【００３４】
改質反応部１６は、バーナハウジング１２を同心円とし、ケーシング２の半径方向に直径が増加する単位改質反応部が複数配置される。単位改質反応部は、ケーシング２の半径方向外側に行くほど直径は増加する一方で、厚さは減少する。このため、相対的に反応触媒量は減少するが、スチームとの接触面積が増加して、改質反応は安定して行われる。
【００３５】
特に、改質反応部１６に位置した反応触媒は、バーナユニット１４から発生した火炎と直接的に接触せず、高温状態に加熱された乾燥状態のスチームと熱交換が行われるため、反応触媒の耐久性が向上し、長期間反応触媒を用いる場合にも安定して使用可能である。
【００３６】
改質反応部１６は、ケーシング２の長手方向上に単位改質反応部の間ごとに形成され、スチームの移動する通路１６ａが形成される。スチームは通路１６ａを通して矢印で示された方向に移動し、バーナハウジング１２の下端において改質反応部１６の長手方向の下側から上側に沿って高温のスチームが移動し、改質反応部１６の上側から再び下側に向かって移動しながら、反応触媒と熱交換による改質反応が行われる。
【００３７】
また、蒸気加熱チャンバ６０は、スチームリフォーマユニット１０の下側に対向して配置され、バーナユニット１４から発生した高温の火炎が流入する開口部６２が形成されていて、バーナユニット１４によって加熱された蒸気が開口部６２を通して流入した後、改質反応部１６に向かって直ちに移動することはない。したがって、蒸気が所定時間蒸気加熱チャンバ６０に滞留した後に移動するため、熱交換時間が安定して確保される。
【００３８】
蒸気加熱チャンバ６０は、バーナハウジング１２と互いに対向する状態で位置し、上面は火炎または蒸気が流入するように開口部６２が形成され、円周方向に沿って改質反応部１６に向かって複数延びた延長管６４が配置されるが、延長管６４を通して高温の蒸気が改質反応部１６に向かって安定して移動する。
【００３９】
特に、延長管６４は、放射状に蒸気加熱チャンバ６０に配置されるため、管状からなる改質反応部１６の下端に多量の蒸気を安定して供給することができる。参考として、蒸気加熱チャンバ６０の内部温度は７００℃以上の高温の温度条件が維持される。
【００４０】
スチームリフォーマユニット１０には、改質反応部１６に供給された蒸気と熱交換で生成された凝縮水が貯蔵される凝縮水貯蔵チャンバ７０をさらに含む。凝縮水貯蔵チャンバ７０は、スチームが加熱された後に温度変化によって生成される凝縮水を別途に排出させるのではなく、凝縮水貯蔵チャンバ７０に溜まった状態で保管する。
【００４１】
上記保管された凝縮水は、バーナユニット１４から発生した高温の火炎または高温の蒸気によって溜まった状態が維持されず、バーナユニット１４の作動と同時に高温に熱せられて蒸発される。
【００４２】
したがって、凝縮水を燃料処理装置１の外側に排出させるための別途のドレーン通路を形成しなくても、バーナユニット１４の作動またはスチームリフォーマユニット１０で維持される高温の温度雰囲気により蒸発および除去が容易になって、凝縮水による問題が発生しない。
【００４３】
凝縮水貯蔵チャンバ７０は、蒸気加熱チャンバ６０の下側に位置するが、当該位置に配置される理由は、蒸気加熱チャンバ６０において改質反応部１６に向かって延びた延長管６４から排出され得る凝縮水を保管するためであり、改質反応部１６の下端とも一定間隔以上離隔していて、凝縮水による反応触媒の誤作動を事前に予防することができる。
【００４４】
熱交換器ユニット２０は、外形が円筒形状からなり、シェルアンドチューブタイプが用いられ、チューブには流体の水が移動し、シェルには改質ガスが互いに相対移動しながら相互熱交換が行われる。
【００４５】
熱交換器ユニット２０は、バーナユニット１４に高温の加熱空気を供給するために、熱交換器ユニット２０の外側から内側に延びて外気が供給される空気流入口２２と、空気流入口２２を通して流入した外気がスチームと熱交換された後にバーナユニット１４に供給されるように、空気流入口２２の上側に離隔して熱交換器ユニット２０の内側から外側に延びた空気排出口２４とを含む。
【００４６】
熱交換器ユニット２０に移動した改質ガスは、前述したスチームリフォーマユニット１０で高温の蒸気によって生成された初期の温度が７００℃前後の高温状態であるが、熱交換器ユニット２０を経由する場合、６００℃以下に低下した状態で後述の高温転換反応ユニット３０に移動するため、改質ガスの温度を安定して低下させることができる。また、後述の高温転換反応ユニット３０で安定した反応が維持できる温度に改質ガスの温度を予め調節することで、高温転換反応ユニット３０の効率を向上させることができる。
【００４７】
空気流入口２２に流入した外気は、熱交換器ユニット２０の周りに形成された高温の改質ガスと熱交換された後に空気排出口２４を通してバーナユニット１４に供給されるが、バーナユニット１４に供給される空気は相対的に高い温度状態が維持されてバーナユニット１４に供給される方が引火点を高めて燃焼状態を安定して行うことができ、これを通じて改質反応部１６の温度を最適な温度に維持することができる。
【００４８】
特に、熱交換器ユニット２０では、バーナユニット１４から発生した排気ガスと改質反応部１６で反応後生成された改質ガスの温度を低下させることができて、スタックに供給される改質ガスに含まれている一酸化炭素を基準値以下に維持させることができて、上記の熱交換を行う。
【００４９】
高温転換反応ユニット３０は、熱交換器ユニット２０で６００℃の温度状態が維持される改質ガスを、３５０℃前後に温度が維持されるように熱交換が行われる。
【００５０】
低温転換反応ユニット４０は、直径が高温転換反応ユニット３０に比べて大きく構成されるが、厚さは相対的に薄い厚さとなり、高温転換反応ユニット３０を経由した改質ガスが供給され、内部に位置したペレット触媒と反応が行われる。
【００５１】
低温転換反応ユニット４０は、厚さが薄いほど、改質ガスとペレット触媒との相互接触が大部分行われて触媒使用率が向上し、ペレット触媒量も相対的に低減されて経済性が向上する。
【００５２】
また、改質ガスは、低温転換反応ユニット４０を経由しながら２５０℃前後まで温度が低下し、一酸化炭素量も０．２％〜０．５％の範囲内に減少する。
【００５３】
熱交換チャンバ５０は、ケーシング２の下端に別途の構成からなり、流路部５２を含む。流路部５２は、流体が供給されるための第１流路部５２と、バーナユニット１４から発生した排気ガスが排出されるために、ケーシング２の中央から外側に延びた第２流路部５４と、改質ガスが排出されるための第３流路部５６とを含む。
【００５４】
第２流路部５４を基準として、第３流路部５６は、第２流路部５４と密着した状態で配置され、第１流路部５２は、第２流路部５４と第３流路部５６を外側から取り囲む形態で配置されるため、相対的に高温状態の排気ガスと改質ガスは、第１流路部５２を通して供給された流体によって熱交換された状態で排出されたり、スタックに供給されるため、廃熱に含まれている熱エネルギーと熱交換を行うことができる。
【００５５】
本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置は、燃料電池システムに装着して使用可能であり、これを通じて安定した水素生産を図ることができる。
【００５６】
本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置は、水素充填システムに設けられるが、水素充填システムは、ハイブリッド自動車または水素生産のためのプラント設備または小規模水素充填システムにいずれも適用して使用されてもよい。
【００５７】
本発明の第１実施形態に係る燃料処理装置は、燃料電池システム用水素製造装置に設けられて使用可能であり、中大型または小規模水素製造装置に使用されてもよい。
【００５８】
本発明の第２実施形態に係る燃料処理装置について、図面を参照して説明する。
【００５９】
添付した図４〜図６を参照すれば、本発明の第２実施形態に係る燃料処理装置１ａは、ケーシング２の内側上部に位置したスチームリフォーマユニット１００と、スチームリフォーマユニット１００の下側に配置された熱交換器ユニット２００と、熱交換器ユニット２００の下側に位置した高温転換反応ユニット３００と、高温転換反応ユニット３００の外側を取り囲んで位置した低温転換反応ユニット４００と、高温転換反応ユニット３００と低温転換反応ユニット４００との間に位置し、高温転換反応ユニット３００の過熱を防止するために、内部に熱交換のための流体が供給される熱交換コイルユニット４１０と、高温転換反応ユニット３００の下側に位置し、改質ガスおよび燃焼ガスの排出および熱交換流体の供給のために形成された流路部５２０を通して供給された改質ガスと熱交換流体とで相互熱交換が行われる熱交換チャンバ５００とを含む。
【００６０】
特に、本実施形態では、熱交換コイルユニット４１０は、高温転換反応ユニット３００の周りに配置されて、高温転換反応ユニット３００の過熱を防止する。高温の改質ガスが流入する場合であっても、熱交換コイルユニット４１０は、内部に供給された流体によって熱交換を行うことにより高温転換反応ユニット３００で異常に温度が上がる現象を防止する。
【００６１】
高温転換反応ユニット３００が高温に上昇する場合には、改質ガスに含まれている一酸化炭素の含有量が増加することがあり、低温転換反応ユニット４００で追加的に所望の温度まで下げなければならない。このため、熱交換コイルユニット４１０を通して特定温度まで改質ガスの温度を低下させることが好ましい。
【００６２】
また、熱交換コイルユニット４１０は、改質反応部１６０に供給されるスチームとして用いられる流体を高温に上昇させなければならない。高温転換反応ユニット３００は、熱を放出して改質ガスの温度を下げる。熱交換コイルユニット４１０は、高温転換反応ユニット３００から放出された熱を高温の蒸気を生成できるエネルギー源として使用することができる。このため、相互熱交換によるエネルギーの損失を低減して、効率を向上させることができる。
【００６３】
本実施形態に係るスチームリフォーマユニット１００は、ケーシング２の上端中央から挿入され、長手方向に延びたバーナハウジング１２０と、バーナハウジング１２０の内側上部に設けられ、ケーシング２の上部から下部へと火炎を発生させるバーナユニット１４０と、バーナハウジング１２０を同心円とし、内部に反応触媒が形成された改質反応部１６０とを含む。
【００６４】
ケーシング２は、円筒状に形成され、バーナユニット１４０がバーナハウジング１２０の上端に設けられるが、バーナユニット１４０がバーナハウジング１２０の上端に設けられる理由は、スチームリフォーマユニット１００の長手方向における延長長さが相対的に短くなるので小型化が可能で、設置空間のレイアウトによる制約、および設置の利便性が向上できるからである。
【００６５】
また、バーナユニット１４０が作動する場合に発生した高温の火炎は、バーナハウジング１２０の長手方向に沿って図示のようにバーナハウジング１２０の下端に高温の火炎が集中するので、ケーシング２の外側への熱損失が最小化され、バーナハウジング１２０の外側に位置した改質反応部１６０により多くの蒸気を供給することができて、改質反応部１６０の触媒反応が向上する。
【００６６】
したがって、より迅速な始動が可能になって作動時間が短縮し、改質反応部１６０で改質反応が安定して実施できる温度雰囲気が維持される。
【００６７】
バーナハウジング１２０は、改質反応部１６０の下端より相対的に短い長さで延びるが、この場合、バーナユニット１４０から発生した火炎によって加熱された蒸気が、矢印で示されているように改質反応部１６０に拡散しながら、反応触媒が所定の温度に加熱される。
【００６８】
改質反応部１６０は、バーナハウジング１２０を同心円とし、ケーシング２の半径方向に直径が増加する単位改質反応部が複数配置される。単位改質反応部は、ケーシング２の半径方向外側に行くほど直径は増加する一方で、厚さは減少する。このため、相対的に反応触媒量は減少するが、スチームとの接触面積が増加して、改質反応は安定して行われる。
【００６９】
特に、改質反応部１６０に位置した反応触媒は、バーナユニット１４０から発生した火炎と直接的に接触せず、高温状態に加熱された乾燥状態のスチームと熱交換が行われるため、反応触媒の耐久性が向上し、長期間反応触媒を用いる場合にも安定して使用可能である。
【００７０】
改質反応部１６０は、ケーシング２の長手方向上に単位改質反応部の間ごとに形成され、スチームの移動する通路１６ａ（図２参照）が形成されるが、通路１６ａを通したスチームの移動方向は、矢印で示されているように、バーナハウジング１２０の下端において改質反応部１６０の長手方向の下側から上側に沿って高温のスチームが移動し、改質反応部１６０の上側から再び下側に向かって移動しながら、反応触媒と熱交換による改質反応が行われる。
【００７１】
蒸気加熱チャンバ６００は、スチームリフォーマユニット１００の下側に対向して配置され、バーナユニット１４０から発生した高温の火炎が流入する開口部６２０が形成され、バーナユニット１４０によって加熱された蒸気が開口部６２０を通して流入した後、改質反応部１６０に向かって直ちに移動せずに所定時間滞留することになる。
【００７２】
蒸気加熱チャンバ６００は、バーナハウジング１２０と互いに対向する状態で位置し、上面は火炎または蒸気が流入するように開口部６２０が形成され、円周方向には改質反応部１６０に向かって延びた延長管６４０が複数形成されるが、延長管６４０を通して高温の蒸気が改質反応部１６０に向かって安定して移動する。
【００７３】
特に、延長管６４０は、放射状に蒸気加熱チャンバ６００に配置されるため、管状からなる改質反応部１６０の下端に多量の蒸気を安定して供給することができる。参考として、蒸気加熱チャンバ６００の内部温度は７００℃以上の高温の温度条件が維持される。
【００７４】
スチームリフォーマユニット１００には、改質反応部１６０に供給された蒸気と熱交換で生成された凝縮水が貯蔵される凝縮水貯蔵チャンバ７００をさらに含むが、凝縮水貯蔵チャンバ７００は、スチームが加熱された後に温度変化によって生成される凝縮水を別途に排出させるのではなく、凝縮水貯蔵チャンバ７００に溜まった状態で保管が行われ、保管された凝縮水は、バーナユニット１４０から発生した高温の火炎または高温の蒸気によって溜まった状態が維持されず、バーナユニット１４０の作動とともに蒸発される。
【００７５】
したがって、凝縮水を燃料処理装置１ａの外側に排出させるための別途のドレーン通路を形成しなくても、バーナユニット１４０の作動またはスチームリフォーマユニット１００で維持される高温の温度雰囲気により蒸発および除去が容易になって、凝縮水による問題が発生しない。
【００７６】
凝縮水貯蔵チャンバ７００は、蒸気加熱チャンバ６００の下側に位置するが、当該位置に配置される理由は、蒸気加熱チャンバ６００において改質反応部１６０に向かって延びた延長管６４０から排出され得る凝縮水を保管するためであり、改質反応部１６０の下端とも一定間隔以上離隔していて、凝縮水による反応触媒の誤作動を事前に予防することができる。
【００７７】
熱交換器ユニット２００は、外形が円筒形状からなり、シェルアンドチューブタイプが用いられ、チューブには流体の水が移動し、シェルには改質ガスが互いに相対移動しながら相互熱交換が行われる。
【００７８】
熱交換器ユニット２００は、バーナユニット１４０に高温の加熱空気を供給するために、熱交換器ユニット２００の外側から内側に延びて外気が供給される空気流入口２２０と、空気流入口２２０を通して流入した外気がスチームと熱交換された後にバーナユニット１４０に供給されるように、空気流入口２２０の上側に離隔して熱交換器ユニット２００の内側から外側に延びた空気排出口２４０とを含む。
【００７９】
熱交換器ユニット２００に移動した改質ガスは、前述したスチームリフォーマユニット１００で高温の蒸気によって生成された初期の温度が７００℃前後の高温状態であるが、熱交換器ユニット２００を経由する場合、６００℃以下に低下した状態で後述の高温転換反応ユニット３００に移動するため、改質ガスの温度を安定して低下させることができる。また、後述の高温転換反応ユニット３００で安定した反応が維持できる温度に改質ガスの温度を予め調節することで、高温転換反応ユニット３００の効率を向上させることができる。
【００８０】
外気は空気流入口２２０に流入した後、周りに形成された高温の改質ガスと熱交換された後に空気排出口２４０を通してバーナユニット１４０に供給されるが、バーナユニット１４０に供給される空気は相対的に高い温度状態が維持されてバーナユニット１４０に供給される方が引火点を高めて燃焼状態を安定して行うことができ、これを通じて改質反応部１６０の温度を最適な温度に維持することができる。
【００８１】
特に、熱交換器ユニット２００では、バーナユニット１４０から発生した排気ガスと改質反応部１６０で反応後生成された改質ガスの温度を低下させることができて、スタックに供給される改質ガスに含まれている一酸化炭素を基準値以下に維持させることができて、上記の熱交換を行う。
【００８２】
高温転換反応ユニット３００は、熱交換器ユニット２００で６００℃の温度状態が維持される改質ガスを、３５０℃前後の温度が維持されるように熱交換が行われる。
【００８３】
低温転換反応ユニット４００は、直径が高温転換反応ユニット３００に比べて大きく構成されるが、厚さは相対的に薄い厚さとなり、高温転換反応ユニット３００を経由した改質ガスが供給され、内部に位置したペレット触媒と反応が行われる。
【００８４】
低温転換反応ユニット４００は、厚さが薄いほど、改質ガスとペレット触媒との相互接触が大部分行われて触媒使用率が向上し、ペレット触媒量も相対的に低減されて経済性が向上する。
【００８５】
また、改質ガスは、低温転換反応ユニット４００を経由しながら２５０℃前後の温度まで低下し、一酸化炭素量も０．２％〜０．５％の範囲内に減少する。
【００８６】
熱交換チャンバ５００は、ケーシング２の下端に別途の構成からなり、流路部５２０を含む。流路部５２０は、流体が供給されるための第１流路部５２０と、バーナユニット１４０から発生した排気ガスが排出されるために、ケーシング２の中央から外側に延びた第２流路部５４０と、改質ガスが排出されるための第３流路部５６０とを含む。
【００８７】
第２流路部５４０を基準として、第３流路部５６０は、第２流路部５４０と密着した状態で配置され、第１流路部５２０は、第２流路部５４０と第３流路部５６０を外側から取り囲む形態で配置されるため、相対的に高温状態の排気ガスと改質ガスは、第１流路部５２０を通して供給された流体によって熱交換された状態で排出されたり、スタックに供給されるため、廃熱に含まれている熱エネルギーと熱交換を行うことができる。
【００８８】
熱交換チャンバ５００は、図６に示すように改質ガス流路部としての第３流路部５６０を取り囲む構造からなるので、改質ガスの温度をスタックに供給できる最適な温度で熱交換が行われるため、限定されたケーシング２の大きさで最適な熱交換を行うことができる。
【００８９】
そして、説明されていない図面符号は、上記で説明した第１実施形態の構成と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【符号の説明】
【００９０】
２：ケーシング
１０、１００：スチームリフォーマユニット
１２、１２０：バーナハウジング
１４、１４０：バーナユニット
１６、１６０：改質反応部
２０、２００：熱交換器ユニット
２２、２２０：空気流入口
２４、２４０：空気排出口
３０、３００：高温転換反応ユニット
４０、４００：低温転換反応ユニット
５０、５００：熱交換チャンバ
５２、５２０：流路部
６０：蒸気加熱チャンバ
７０：凝縮水貯蔵チャンバ
４１０：熱交換コイルユニット
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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