(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の外周面側に設けられると共に、環状に改質触媒を充填した改質部を有する高温ユニットと；
前記高温ユニットと連結される側に設けられると共に、筒状又は環状に変成触媒を充填した変成部と、前記高温ユニットと連結される側とは反対側に設けられると共に、筒状又は環状に選択酸化触媒を充填した選択酸化部を有する中低温ユニットと；
前記高温ユニットの改質部を通過した改質ガスを、前記中低温ユニットの変成部側に供給する連結流通管と；
当該連結流通管によって連結される前記高温ユニットと前記中低温ユニットを一体に収容する容器と；
前記高温ユニット及び前記中低温ユニットの外壁と前記容器の内壁との間隙に形成された改質添加水流路と；
該改質添加水流路の前記中低温ユニットの前記高温ユニットと連結される側とは反対側に設けられた改質添加水注入口と；
前記高温ユニットに改質原料を供給する改質原料供給路と；
前記中低温ユニットを経由せず、前記高温ユニットに直接改質添加水を供給する第２改質添加水流路と；
前記改質添加水流路、前記改質原料供給路並びに前記第２改質添加水流路を互いに連通する混合室と；
を備えることを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】
前記高温ユニットと前記中低温ユニットとの連結部間隙に設けられたバッフル板と；
前記高温ユニットと前記中低温ユニットとの対向面に設けられる熱交換部であって、前記高温ユニットから前記中低温ユニットに送られる改質ガスと前記改質添加水との熱交換を行う前記熱交換部と；
を備える請求項１に記載の燃料改質器。
【請求項３】
前記連結流通管は、該連結流通管の軸方向に伸縮する伸縮部材を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料改質器。
【請求項４】
前記変成部は、前記高温ユニット側に設けられると共に、筒状又は環状に第１の変成触媒を充填した第１変成部と、前記選択酸化部側に設けられると共に、筒状又は環状に第２の変成触媒を充填した第２変成部とを有する請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料改質器。
【請求項５】
さらに前記第２変成部は；
前記中低温ユニットの外壁と同軸に設けられた内円筒体と；
前記中低温ユニットの外壁と同軸であって、該内円筒体の外周側に設けられた中円筒体と；
を備え、前記内円筒体の内周面によって前記第１変成部を通過した改質ガスのガス導入流路を形成し；前記内円筒体の外周面と前記中円筒体の内周面によって第２変成部の触媒充填層を形成し；前記中円筒体の外周面と前記中低温ユニットの内周面によってガス導出流路を形成する請求項４に記載の燃料改質器。
【請求項６】
さらに前記第２変成部は；
前記ガス導入流路と前記第２変成部の触媒充填層とを連通すると共に、前記内円筒体の選択酸化部側に設けられた第１の開口部と；
前記第２変成部の触媒充填層と前記ガス導出流路とを連通すると共に、前記中円筒体の第１変成部側に設けられた第２の開口部と；
を備える請求項５に記載の燃料改質器。
【請求項７】
前記変成部と前記選択酸化部との間隙にバッフル板を設け、該バッフル板の中央開口部の内側に選択酸化用空気の導入口を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料改質器。
【請求項８】
前記選択酸化部は、中心部近傍に前記変成部から送られる改質ガスが通過しないように構成された筒体状中空部が設けてあることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料改質器。
【請求項９】
前記中低温ユニットは、前記高温ユニット側に設けられると共に、筒状又は環状に第１の変成触媒を充填した第１変成部と、筒状又は環状に第２の変成触媒を充填した第２変成部とを有する変成部を備え；
前記第２変成部が前記選択酸化部に対して同軸円筒状に位置する請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１０】
前記第２変成部は、前記中低温ユニットの外壁と同軸に設けられた内円筒体と、前記中低温ユニットの外壁と同軸であって、該内円筒体の外周側に設けられた中円筒体とを有し；
前記内円筒体の外周面と前記中円筒体の内周面によって形成された空間に設けられた、前記第２変成部の触媒充填層と；
前記中円筒体の外周面と前記中低温ユニットの内周面によって形成された空間に設けられた、前記選択酸化部の選択酸化触媒充填層と；
前記第１変成部と前記第２変成部との対向部に形成された、前記第１変成部を通過した改質ガスを前記第２変成部に流入させるガス導入流路と；
前記第２変成部の底面側と、前記選択酸化部の前記第１変成部対向部とを連絡する流路であって、前記第２変成部を通過した改質ガスのガス導出流路と；
を備える請求項９に記載の燃料改質器。
【請求項１１】
さらに、前記第１変成部と前記第２変成部との対向部に設けられたバッフル板を有し;
前記ガス導入流路は、前記バッフル板、前記中円筒体の内周面、並びに前記内円筒体の外周面によって形成される請求項１０に記載の燃料改質器。
【請求項１２】
前記ガス導出流路は、前記中円筒体の底面、前記内円筒体の内周面、並びに前記内円筒体の内周面と前記選択酸化部とを連絡する管路によって形成される請求項１０に記載の燃料改質器。
【請求項１３】
前記容器の外周に真空断熱層を備えたことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１４】
燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の外周面側に設けられると共に、改質触媒を充填した改質部を有する高温ユニットと；
前記高温ユニットの改質部を通過した改質ガスを変成する変成部と、前記変成部で変成された改質ガスを選択酸化する選択酸化部を有する中低温ユニットと；
改質添加水が前記中低温ユニットにて熱交換可能に配置されると共に、前記高温ユニットに対して前記改質添加水を供給する改質添加水流路と；
前記中低温ユニットを経由せず、前記高温ユニットに直接改質添加水を供給する第２改質添加水流路と；
前記高温ユニットに改質原料を供給する改質原料供給路と；
前記改質添加水流路、前記第２改質添加水流路並びに当該改質原料供給路を互いに連通する混合室と；
を備えることを特徴とする燃料改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系燃料を改質して水素に富む改質ガスを製造する燃料改質器に関し、特に構造が比較的シンプルで製造コストが安価な一体型の燃料改質器に関する。また、本発明は、炭化水素系燃料として都市ガス、ＬＰＧや嫌気性消化ガス等の気体燃料や灯油やガソリン等の液体燃料等のような各種の炭化水素系燃料に対処できる、固体高分子型燃料電池に適した改質ガスを製造する一体型の燃料改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の保全を背景に熱と電気とを併給できる燃料電池コージェネレーションシステムが開発されつつある。該システムでは天然ガス等の炭化水素系燃料を改質装置により水蒸気改質して水素に富む改質ガスを製造し、製造した改質ガスを燃料電池に供給して発電するようになっている。そこで、改質装置はシステム全体の経済性とエネルギー効率にとって重要な開発要素である。
【０００３】
一般に、燃料電池がリン酸型燃料電池の場合には、改質装置は、改質熱を供給する燃焼部、炭化水素を水蒸気との改質反応によって水素とＣＯに改質する改質部、並びに改質ガス中のＣＯを水蒸気との変成反応によって水素とＣＯ２に変成する変成部とを備えている。また、燃料電池が固体高分子型燃料電池の場合には、改質装置は、改質熱を供給する燃焼部、改質部、変成部、並びにＣＯ変成ガス中の残留ＣＯを酸素との選択的酸化反応により除去する選択酸化部とを備えている。改質装置のコンパクト化や熱効率向上を図るために、改質器の各構成部を一体化した一体型改質器が提案されており、例えば多重円筒式改質器や積層平板型改質器等が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の多重円筒型改質器では、高温のバーナー燃焼部と、加熱が必要な高温吸熱反応を行う改質部と、冷却が必要な中低温放熱反応を行う変成反応部及び選択酸化部とが同軸の多重円筒体に配置されているので、構造がかなり複雑で製造コストが高くなるという課題があった。また、従来の多重円筒型改質器では、各部を区画する円筒状隔壁の長さと面積が大きく、且つ各部間における温度差が大きいことから、各部の連結部に発生する熱応力が大きく、また隔壁を通過する熱流が大きいという性質がある。そこで、各部の温度分布が互いに影響し合っていて温度制御が難しく、起動時間も長い等の課題がある。また、従来の積層平板型改質器についても、多重円筒型改質器と基本的に同様な課題を抱えている。
【０００５】
また、従来の改質装置では都市ガスや天然ガスのような気体燃料と、ガソリン、灯油、メタノール等の液体燃料の何れか一方に対処している。即ち、気体燃料に対しては気体燃料の予熱や水蒸気との混合機構が要求される。他方、液体燃料では、液体燃料の気化機構が必要となる。そこで、従来の改質装置では気体燃料用と液体燃料用とを別々に用意することで、顧客の需要に応えようとしていた。
【０００６】
しかし、気体燃料と液体燃料とは供給事業者が別系列であると共に、揮発油税のような課税に対しても異なる取扱いがされている。そこで、燃料電池の使用者においては、改質装置が気体燃料と液体燃料の何れにも対処できれば、経済環境の時々の変動に応じて最適な燃料を利用できるという利点がある。また、気体燃料用と液体燃料用の改質装置を別々に製造する場合に比較して、気体燃料と液体燃料の両方に適用できる改質装置を製造する場合には、量産効果により改質装置の製造コストが低下する可能性もある。
【０００７】
本発明は上記した課題を解決するもので、第１の目的は、構造が比較的シンプルで製造コストが安価な燃料改質器を提供することである。第２の目的は、熱応力の発生が少なくて耐久性に優れる燃料改質器を提供することである。第３の目的は、燃料改質器各部の最適温度分布の制御が容易で熱効率が高く、且つ起動時間も短い燃料改質器を提供することである。第４の目的は、気体燃料と液体燃料の両方を改質できる燃料改質器を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の目的を達成する本発明の燃料改質器は、図１に示すように、燃料が燃焼する燃焼室５Ａと、該燃焼室５Ａの外周面側に設けられると共に、環状に改質触媒を充填した改質部７を有する高温ユニット２と、高温ユニット２と連結される側に設けられると共に、筒状又は環状に変成触媒を充填した変成部（２１、２６）と、高温ユニット２と連結される側とは反対側に設けられると共に、筒状又は環状に選択酸化触媒を充填した選択酸化部３６を有する中低温ユニット３と、高温ユニット２の改質部を通過した改質ガスを、中低温ユニット３の変成部側に供給する連結流通管１９と、連結流通管１９によって連結される高温ユニット２と中低温ユニット３を一体に収容する容器１３とを備えている。
【０００９】
燃焼室５Ａは、典型的にはバーナー４を内部に有し、該バーナー４で燃料を燃焼させる。さらに典型的には、該バーナー４は燃焼室５Ａの中心軸に備えられている。
このように構成された燃料改質器においては、高温ユニット２では、改質部７の温度が、例えば起動時の室温程度の状態から定常運転時の運転温度まで昇温する。中低温ユニット３では変成部（２１、２６）の温度が、起動時の室温程度の状態から定常運転時の変成部温度まで昇温し、選択酸化部３６の温度が、起動時の室温程度の状態から定常運転時の選択酸化部温度まで昇温する。このように定常状態での稼動温度によって、高温ユニット２と中低温ユニット３に区分して、連結流通管１９によって改質ガスを改質→変成→選択酸化という処理の流れに沿って流通するようにしていると共に、容器１３にて一体に収容しているので、構造が簡単で製造コストが安価になる。好ましくは、高温ユニット２と中低温ユニット３の軸線は共通とし、断面形状は円形若しくは長方形（正方形を含む）とすると、顧客の設置場所に合わせた形状の燃料改質器が提供される。特に、円形とするとガスの流れが一様となり、製造に必要な材料も少なくて済む。長方形、特に正方形とすると、設置が容易になる。
【００１０】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、さらに、高温ユニット２及び中低温ユニット３の外壁と容器１３の内壁との間隙に形成された改質添加水流路４０と、該改質添加水流路４０の中低温ユニット３の高温ユニット２と連結される側とは反対側に設けられた改質添加水注入口４１とを備える構成とするとよい。このように構成すると、定常運転時には高温ユニット２及び中低温ユニット３の外壁を通じて、改質添加水流路４０を流れる改質添加水と改質ガスとの熱交換が行われ、熱効率が高まる。
【００１１】
好ましくは、さらに第４の目的を達成するために、本発明の燃料改質器において、さらに、高温ユニット２に改質原料を供給する改質原料供給路５０、改質添加水流路４０並びに改質原料供給路５０を互いに連通する混合室４４とを備える構成とすると、改質添加水流路４０にて過熱蒸気状態となった改質添加水を用いて、混合室４４内の改質原料に対して、改質部７での改質反応を円滑に行うための処理がなされる。即ち、改質原料が液体燃料の場合には燃料の気化が行われ、気体燃料の場合には燃料の予熱が行われる。
【００１２】
好ましくは、さらに第３及び第４の目的を達成するために、本発明の燃料改質器において、さらに、高温ユニット２に改質原料を供給する改質原料供給路５０と、中低温ユニット３を経由せず、高温ユニット２に直接改質添加水を供給する第２改質添加水流路４５と、改質添加水流路４０、改質原料供給路５０並びに第２改質添加水流路４５を互いに連通する混合室４４とを備える構成とするとよい。
【００１３】
このように構成された燃料改質器の起動時においては予熱用熱媒としての改質添加水を第２改質添加水流路４５より供給し、燃焼ガスとの熱交換により混合室４４にて、改質添加水の蒸気を発生させる。この発生した蒸気を改質添加水流路４０に逆流させることにより、中低温ユニット３を予熱して、中低温ユニット３の予熱に窒素ガスのような熱媒を用いることなく予熱することで、起動時間を短縮させる。また、中低温ユニット３を改質ガス導入前に予熱しておくことで、改質ガス導入時に中低温ユニット３の変成触媒層や選択酸化触媒層における水の結露を防ぎ、よって触媒寿命を向上させることができる。
また、燃料改質器の定常運転時において、改質添加水の総流量を変えることなく、改質添加水流路４０と第２改質添加水流路４５の各水量の比率を調整させるだけで、各部の温度を安定的に制御できる。
【００１４】
第３の目的を達成する本発明の燃料改質器は、さらに、高温ユニット２と中低温ユニット３との連結部間隙に設けられたバッフル板１８と、高温ユニット２と中低温ユニット３との対向面に設けられる熱交換部２４であって、高温ユニット２から中低温ユニット３に送られる改質ガスと改質添加水との熱交換を行う熱交換部２４とを備える構造とすると、熱交換部２４において高温ユニット２及び中低温ユニット３の外壁を通じて、改質添加水流路４０を流れる改質添加水と改質ガスとの熱交換が行われ、改質添加水を蒸発させて過熱すると共に、燃料改質器内部の温度分布が適切なものとなる。
【００１５】
第２及び第３の目的を達成する本発明の燃料改質器は、連結流通管１９が、該連結流通管１９の軸方向に伸縮する伸縮部材を有する構造とすると、起動時のような冷えた状態と定常運転時のように昇温した状態とで、高温ユニット２、中低温ユニット３並びに容器１３との間で生じる熱膨張による歪を連結流通管１９の伸縮によって吸収でき、起動／運転を繰り返しても熱応力の影響が少なくて済む。伸縮部材には、ベローズのように波形断面を有するものと、ダイヤフラムのように曲げ変形が容易な部材とが含まれる。さらに、伸縮部材の表面積は直管に比較すると広いため、管内を流れる改質ガスと管外を流れる改質添加水との熱交換が効率的に行える。
【００１６】
本発明の燃料改質器において、高温ユニット２は上側に配置され、中低温ユニット３は高温ユニット２の下側に配置されると、改質水添加流路が設けられている場合には、水から水蒸気への相変化と、水と水蒸気の比重の差と重力方向が一致して自然になる。また、本発明の燃料改質器において、高温ユニット２は下側に配置され、中低温ユニット３は高温ユニット２の上側に配置されると、例えば燃料改質器に対する水の供給や改質原料の供給に既設配管を利用する場合には、倒立取付けとすることで、燃料改質器の据付施工面で便利な場合もある。
【００１７】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、変成部は、高温ユニット２側に設けられると共に、筒状又は環状に第１の変成触媒を充填した第１変成部２１と、選択酸化部３６側に設けられると共に、筒状又は環状に第２の変成触媒を充填した第２変成部２６とを有する構成とすると、変成部における温度分布が最適化されると共に、変成反応に伴う発熱の除熱が容易になる。また、定常運転時においては、第１変成部２１が第２変成部２６に比較して高温になるため、この定常時の温度にて変成反応が効率良く進行するように、第１の変成触媒と第２の変成触媒の組成を適切に選択できる。
【００１８】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、例えば図７に示すように、さらに第２変成部２６は、中低温ユニット３の外壁と同軸に設けられた内円筒体２９と、中低温ユニット３の外壁と同軸であって、該内円筒体２９の外周側に設けられた中円筒体３０とを備え、内円筒体２９の内周面によって第１変成部２１を通過した改質ガスのガス導入流路３１を形成し、内円筒体２９の外周面と中円筒体３０の内周面によって第２変成部２６の触媒充填層２５を形成し、中円筒体３０の外周面と中低温ユニット３の内周面によってガス導出流路３２を形成する構成とするとよい。即ち、第１変成部２１を通過した改質ガスはガス導入流路３１を通過し、次に触媒充填層２５を通過し、さらにガス導出流路３２を通過して選択酸化部３６へ導かれる。
【００１９】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、例えば図７に示すように、さらに第２変成部２６は、ガス導入流路３１と第２変成部２６の触媒充填層２５とを連通すると共に、内円筒体２９の選択酸化部３６側に設けられた第１の開口部３３と、第２変成部２６の触媒充填層２５とガス導出流路３２とを連通すると共に、中円筒体３０の第１変成部２１側に設けられた第２の開口部２８と備える構成とするとよい。即ち、第１変成部２１を通過した改質ガスは下向流でガス導入流路３１を通過し、第１の開口部３３で折り返して、上向流で触媒充填層２５を通過する。触媒充填層２５を出た改質ガスは、第２の開口部２８にて折り返して、下向流でガス導出流路３２を通過して選択酸化部３６へ導かれる。
【００２０】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、例えば図１及び図７に示すように、変成部（２１、２６）と選択酸化部３６との間隙にバッフル板３８を設け、該バッフル板３８の中央開口部の内側に選択酸化用空気の導入口５８を配置すると、変成部にて変成された改質ガスと選択酸化用空気とが適切に混合されて、選択酸化部３６での選択酸化反応が効果的に進行する。
【００２１】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、例えば図７に示すように、選択酸化部３６は、中心部近傍に変成部（２１、２６）から送られる改質ガスが通過しないように構成された筒体状中空部３６Ｂが設けている構成とすると、改質ガスの流れる量が多くなりがちな中心部近傍の流れが抑止されるので、選択酸化部３６の周縁部に改質ガスが均一に流れ、選択酸化反応が均一に進行する。そこで、選択酸化部３６で充填される選択酸化触媒の量が最適化されると共に、温度分布も最適化される。
【００２２】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、例えば図８に示すように、中低温ユニット３は、高温ユニット２側に設けられると共に、筒状又は環状に第１の変成触媒を充填した第１変成部２１と、筒状又は環状に第２の変成触媒を充填した第２変成部２６Ａとを有する変成部（２１、２６Ａ）を備え、第２変成部２６Ａが選択酸化部３６Ａに対して同軸円筒状に位置する構成とすると、第２変成部２６Ａと選択酸化部３６Ａが同心円状に配置されて改質器全体がコンパクトになる。
【００２３】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、例えば図８に示すように、第２変成部２６Ａは、中低温ユニット３の外壁と同軸に設けられた内円筒体２９Ａと、中低温ユニット３の外壁と同軸であって、内円筒体２９Ａの外周側に設けられた中円筒体３０Ａとを有している。そして、第２変成部２６Ａの触媒充填層２５Ａは、内円筒体２９Ａの外周面と中円筒体３０Ａの内周面によって形成された空間に設けられている。選択酸化部３６Ａの選択酸化触媒充填層３５Ａは、中円筒体３０Ａの外周面と中低温ユニット３の内周面によって形成された空間に設けられている。ガス導入流路３１Ａは、第１変成部２１と第２変成部２６Ａとの対向部に形成されたもので、第１変成部２１を通過した改質ガスを第２変成部２６Ａに流入させる。ガス導出流路３２Ａは、第２変成部２６Ａの底面側と、選択酸化部３６Ａの第１変成部２１対向部とを連絡する管路７０Ａとで形成され、第２変成部２６Ａを通過した改質ガスを選択酸化部３６Ａに送る。
【００２４】
このように構成された装置においては、第１変成部２１を通過した改質ガスはガス導入流路３１Ａを通過し、次に第２変成部２６Ａを通過し、さらにガス導出流路３２Ａを通過して選択酸化部３６Ａへ導かれる。また、選択酸化部３６Ａは第２変成部２６Ａを中心部として環状に位置しているので、改質ガスの流れる量が多くなりがちな改質器中心部近傍の流れが抑止され、選択酸化部３６Ａの周縁部に改質ガスが均一に流れ、選択酸化反応が均一に進行する。この結果、選択酸化部３６Ａに充填される選択酸化触媒の量が最適化されると共に、温度分布も最適化される。
【００２５】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、例えば図８に示すように、さらに、第１変成部２１と第２変成部２６Ａとの対向部に設けられたバッフル板２７Ａを有し、ガス導入流路３１Ａは、バッフル板２７Ａ、中円筒体３０Ａの内周面、並びに内円筒体２９Ａの外周面によって形成される構成とするとよい。好ましくは、バッフル板２７Ａは円環状とし、円環の中心部にガス分散板３４Ａを設けると、第２変成部２６Ａに改質ガスが均一に流れ、変成反応が均一に進行する。
【００２６】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、例えば図８に示すように、ガス導出流路３２Ａは、中円筒体３０Ａの底面３９、内円筒体２９の内周面、並びに内円筒体２９Ａの内周面と選択酸化部３６Ａとを連絡する管路７０Ａによって形成されると、コンパクトな形状の改質器に対して、ガス導出流路３２Ａが効果的に配置される。好ましくは、選択酸化用空気の導入口５８が、内円筒体２９の中円筒体３０Ａの底面３９側に位置する第１開口部３３Ａの内側に配置されると、変成部（２１、２６Ａ）にて変成された改質ガスと選択酸化用空気とが適切に混合されて、選択酸化部３６Ａでの選択酸化反応が効果的に進行する。
【００２７】
好ましくは、本発明の燃料改質器において、容器１３の外周に真空断熱層６０を備えると、改質器全体がコンパクトになると共に、高温ユニット２、中低温ユニット３、改質添加水流路４０を流れる改質添加水からの熱損失が少ないので、改質器の熱効率が向上する。好ましくは、真空断熱層６０を形成する壁面を反射率の高い材料、例えば銀メッキやアルミメッキにて形成すると、熱伝導に加えて熱ふく射も減少させることができる。
【００２８】
第３及び第４の目的を達成する本発明の燃料改質器は、例えば図１に示すように、燃料が燃焼する燃焼室５Ａと、該燃焼室５Ａの外周面側に設けられると共に、改質触媒を充填した改質部７を有する高温ユニット２と、高温ユニット２の改質部７を通過した改質ガスを変成する変成部（２１、２６）と、前記変成部で変成された改質ガスを選択酸化する選択酸化部３６を有する中低温ユニット３と、改質添加水が中低温ユニット３にて熱交換可能に配置されると共に、高温ユニット２に対して前記改質添加水を供給する改質添加水流路４０と、中低温ユニット３を経由せず、高温ユニット２に直接改質添加水を供給する第２改質添加水流路４５と、高温ユニット２に改質原料を供給する改質原料供給路５０と、改質添加水流路４０、第２改質添加水流路４５並びに改質原料供給路５０を互いに連通する混合室４４とを備えている。
【００２９】
このように構成された燃料改質器の起動時においては予熱用熱媒としての改質添加水を第２改質添加水流路４５より供給し、燃焼ガスとの熱交換により混合室４４にて、改質添加水の蒸気を発生させる。この発生した蒸気を改質添加水流路４０に逆流させることにより、中低温ユニット３を予熱して、中低温ユニット３の予熱に窒素ガスのような熱媒を用いることなく予熱することで、起動時間を短縮させる。また、中低温ユニット３を改質ガス導入前に予熱しておくことで、改質ガス導入時に中低温ユニット３の変成触媒層や選択酸化触媒層における水の結露を防ぎ、よって触媒寿命を向上させることができる。
また、燃料改質器の定常運転時において、改質添加水の総流量を変えることなく、改質添加水流路４０と第２改質添加水流路４５の各水量の比率を調整させるだけで、各部の温度を安定的に制御できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による改質器の概略構成を示す断面図を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による燃料改質器の第１の実施形態を示す縦断面図である。図において、改質器１は高温ユニットとしての改質器上部２と、中低温ユニットとしての改質器下部３を備えている。改質器上部２は、燃料を燃焼させるバーナー４と、バーナー４と同軸に配置された燃焼円筒体５と、改質触媒充填層６を収容した円環体状の改質部７を有している。バーナー４は、燃焼円筒体５のほぼ中心軸上に設けられている。改質触媒充填層６に用いる改質触媒は、改質反応を促進するものであれば何でもよく、例えば触媒の種類としてＮｉ系改質触媒やＲｕ系改質触媒などが用いられる。また、改質触媒の形状として粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。なお、バーナー４の詳細に関する図示は省略している。
【００３１】
燃焼室５Ａは、燃焼円筒体５によって周壁が形成されている。燃焼円筒体５と改質部７との間隙には、燃焼ガス流路１０とバッフル板１１と出口１２が設けられている。隔壁１５は、燃焼ガス流路１０と改質ガス流路１６とを隔離するもので、耐熱性の高い金属材料等で形成されている。断熱材１４は、燃焼室５Ａと隔壁１５の間に設けられるもので、改質部７を出た改質ガスと燃焼ガスとの間の熱伝達を抑制する。バッフル板１１は、燃焼ガス流路１０での燃焼ガスの流れ分布を均一化させるもので、その構造は円環状で、多数の孔が形成されている。
【００３２】
改質器下部３は、第１変成触媒充填層２０を収容した円筒体状第１変成部２１と、第２変成触媒充填層２５を収容した円筒体状第２変成部２６と、選択酸化触媒充填層３５を収容した円筒体状選択酸化部３６とを備えている。第１変成触媒充填層２０に用いる第１変成触媒として、例えばＦｅ−Ｃｒ系の高温変成触媒やＰｔ系の中高温変成触媒などがある。第２変成触媒充填層２５に用いる第２変成触媒として、例えばＣｕ−Ｚｎ系低温変成触媒やＰｔ系低温変成触媒などがある。第１変成触媒充填層２０と第２変成触媒充填層２５に用いられる触媒の形状としては、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。
【００３３】
選択酸化触媒充填層３５に用いる選択酸化触媒は、ＣＯに対する選択酸化性が高いものであれば何でもよく、例えばＰｔ系選択酸化触媒、Ｒｕ系選択酸化触媒やＰｔ−Ｒｕ系選択酸化触媒などがある。選択酸化触媒充填層３５に用いられる触媒の形状として粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。
【００３４】
連結流通管１９は、改質器上部２の底面１７と改質器下部３の上面２３を連結するもので、例えば連結流通管１９の軸方向に伸縮するコルゲート形伸縮管を用いる。ここで、改質器上部２は円筒状の筒体にて周縁が囲われており、底面１７は改質器上部２に対してバケツ状の底板状に設けられると共に、中央部には連結流通管１９に通じる開口部を有している。改質器下部３は円筒状の筒体にて周縁が囲われており、上面２３は改質器下部３に対して蓋状に設けられると共に、中央部には連結流通管１９に通じる開口部を有している。底面４３は改質器下部３に対してバケツ状の底板状に設けられると共に、中央部には改質ガス導出管５５に通じる開口部を有している。
【００３５】
連結流通管１９にコルゲート形伸縮管を用いる場合には、伸縮管の軸方向の変形によって改質器上部２と改質器下部３の熱伸縮を吸収可能なので、底面１７と上面２３には剛性の高い材料を用いても良い。また連結流通管１９の底面１７と上面２３に対する取付け位置は中央部に限らず、周縁部でもよく、また複数の連結流通管１９を底面１７と上面２３に設けても良い。連結流通管１９の管路部分に直管を用いる場合には、底面１７と上面２３の曲げ変形によって改質器上部２と改質器下部３の熱伸縮を吸収可能するために、連結流通管１９の底面１７と上面２３に対する取付け位置は中央部とすると共に、底面１７と上面２３には改質器上部２、改質器下部３の他の部分と同材質の鋼板を用いても良い。なお、底面１７と上面２３には、コルゲート成形を施せば、さらに曲げ変形が容易になり好ましい。このようにすると、連結流通管１９として伸縮性を有しない通常のパイプを用いることもできる。
【００３６】
容器１３は、連結流通管１９によって連結された改質器上部２と改質器下部３を一体に収容する円筒体で、底面には第１改質添加水注入口４１と改質ガス導出管５５が設けられている。容器１３は、円筒状の改質器上部２と改質器下部３に対して同軸に設けられる。断熱層６０は、容器１３の外周及び改質器上部２の上面に設けられるもので、用いる断熱層としては、例えば真空断熱層が好適である。ガス分散板２２は、改質下部上面２３と第１変成触媒充填層２０の間隙に形成された空間に設けられるもので、連結流通管１９から流れてくる改質ガスが均一に第１変成触媒充填層２０に流れるように多孔板が用いられる。ガス分散板３７は、第２変成触媒充填層２５の底面と選択酸化触媒充填層３５の間隙に形成された空間であって、円環状バッフル板３８の下方に設けられるもので、円環状バッフル板３８の中央開口部から流れてくる変成ガスが均一に選択酸化触媒充填層３５に流れるように多孔板が用いられる。
【００３７】
第１改質添加水流路４０は、改質器上部２の外壁及び改質器下部３の外壁と、容器１３の内壁との間隙に形成されるもので、ここでは改質器上部２と改質器下部３が容器１３と同軸に設けられた円筒であるため、断面円環状空間となっている。また、第１改質添加水流路４０は、パイプにて改質器上部２と改質器下部３を貫通すると共に、熱交換できる管材料にて形成されていてもよい。第１改質添加水注入口４１は、第１改質添加水流路４０の改質器下部３側の下端に設けられている。第１改質添加水注入流路６６は、流量調整弁６４と第１改質添加水注入口４１を経由して、第１改質添加水流路４０に改質添加水を供給する管路である。ドレン電磁弁６３は、起動時に開とされて第１改質添加水流路４０を改質添加水又は水蒸気が逆流することを可能とし、定常運転時には閉されて、第１改質添加水流路４０に供給された改質添加水が外部に洩れないようにする。
【００３８】
混合室４４は、改質器上部２の上端に設けられるもので、第１改質添加水流路４０、第２改質添加水流路４５、改質原料流路５０並びに改質部入口ガス流路８が連通しており、定常運転時には改質添加水と改質原料が供給されて、改質添加水と改質原料の混合されたガスを改質部７に送る。第２改質添加水流路４５は、混合室４４の上方に該混合室４４と連通されるように設けられているもので、例えば円環状をしている。第２改質添加水流路４５には、分散板４６と注入口４７が設けられ、第２改質添加水注入流路６７に設けられた流量調整弁６５を介して改質添加水が供給される。改質原料供給路としての改質原料流路５０は、第２改質添加水流路４５の下方であって、混合室４４に連通されるように設けられている円環状の流路である。改質原料流路５０は、分散板５１と注入口５２が設けられる管路である。
【００３９】
円環状バッフル板１８は、改質器上部底面１７と改質下部上面２３との間隙にが設けられている。バッフル板１８は、第１改質添加水流路４０の流れを邪魔して、連結流通管１９側に改質添加水の流れを導くことで、改質添加水の改質器上部底面１７と改質下部上面２３との熱交換を効率良くさせている。熱交換部２４は、改質器上部底面１７、改質下部上面２３、バッフル板１８並びに連結流通管１９によって形成される円環状の空間で、改質ガスと第１改質添加水との熱交換が行われる。
【００４０】
改質ガス導出管５５及び選択酸化用空気導入管５７は、改質器下部３の底面４３に二重管状に設けられている。選択酸化用空気導入口５８は、選択酸化用空気導入管５７の第２変成触媒充填層２５と選択酸化触媒充填層３５との間隙側に設けられた開口部で、円環状バッフル板３８の中央開口部の内側に設置される。電磁弁６２は、改質ガス導出管５５の改質ガス出口に設けられたもので、起動時には閉にされると共に、定常運転時には開にされる。
【００４１】
次に、本発明の燃料改質器の運転方法について説明する。図２は図１の装置における起動時の運転手順を説明する流れ図である。図３は図１の装置における起動時の予熱状態、図４は改質原料の供給開始状態、図５は第１改質添加水の供給開始状態を説明する縦断面図である。なお、図３乃至図５において、弁６２、６３、６４、６５が閉じているときは黒塗りとし、開いているときは白抜きとしている。
【００４２】
まず起動時における運転方法を説明すると、燃焼空気をバーナー４に送りバーナー４と燃焼円筒体５と燃焼ガス流路１０をプレパージして、点火装置を作動すると同時にバーナー燃料の供給を開始し、バーナー着火を行う（Ｓ１００）。バーナー着火が確認されたら、第２改質添加水注入口４７より起動時熱媒としての第２改質添加水を注入し始める（図３参照）。着火後高温の燃焼ガスが、燃焼円筒体５の底部で折り返し、燃焼ガス流路１０を通過しながら改質触媒充填層６を予熱すると共に、第２改質添加水流路４５と混合室４４を流過する起動時熱媒としての第２改質添加水を蒸発し過熱する。起動時には改質ガス出口の電磁弁６２を閉に、第１改質添加水流路のドレン電磁弁６３を開にしているので、発生した過熱蒸気が第１改質添加水流路４０を逆流し、改質器下部３を予熱する（Ｓ１０２）。このように改質器下部３を改質ガス導入前に導入改質ガスの露点以上に予熱しておくことで改質ガス導入時触媒層における水の凝縮を防ぎ、よって触媒寿命を向上させることができる。そして、改質触媒充填層６の入口温度が所定温度に到達したか判断し（Ｓ１０４）、所定温度に到達するまで改質器下部３の予熱を継続する。この改質触媒充填層６の入口温度に対する所定温度は、改質する燃料の種類によって異なるが、例えば４５０〜５５０℃の範囲が好ましい。
【００４３】
改質触媒充填層６の入口温度が所定温度に到達したら、改質ガス出口電磁弁６２を開に、第１改質添加水流路のドレン電磁弁６３を閉に切り替える（Ｓ１０６）。そして、燃料注入口５２と選択酸化用空気導入口５８より定格負荷時の３０〜５０％程度の改質原料としての燃料及び選択酸化用空気をそれぞれ供給し、燃料の改質を開始する（Ｓ１０８；図４参照）。
【００４４】
燃料の改質が始まると、後述のように変成反応及び選択酸化反応が発熱反応なので、第１変成触媒充填層２０と第２変成触媒充填層２５と選択酸化触媒充填層３５とが自らの反応発熱によって昇温する。そして、定常運転に移行するために律速となる触媒層の温度、例えば図１の装置においては、昇温に最も時間がかかる触媒層としての第２変成触媒充填層２５の入口温度が所定温度に到達したか判断する（Ｓ１１０）。第２変成触媒充填層２５の入口温度が所定温度に到達まで、第２改質添加水による燃料の改質を継続する。第２変成触媒充填層２５の入口温度に対する所定温度は、例えば第２変成触媒としてＣｕ−Ｚｎ系低温変成触媒を用いる場合には、１８０〜２２０℃の範囲が好ましい。
【００４５】
第２変成触媒充填層２５の入口温度が所定温度に到達したら、第１改質添加水注入口４１より第１改質添加水の注入を開始する（Ｓ１１２）と共に、燃料及び選択酸化用空気の導入量を定格流量まで徐々に増加させて、起動状態を終了して定常状態に移行する（図５参照）。また、改質ガス導出管５５の出口より排出された改質ガスをバーナー４に導き、バーナー燃料として利用することができる。本発明の燃料改質器の起動時の運転として、燃料改質器の各触媒充填層を予熱する工程を設けることにより、起動時間を短縮し起動性を改善することができる。また、本発明によれば改質器の予熱に改質添加水を熱媒として用い、従来品のように窒素等の熱媒を用いる必要がないため、燃料改質器を各所に分散配置する場合の熱媒確保が容易になる。
【００４６】
次に、本実施の形態における燃料改質器の定常運転時における運転状態を説明する。ここでは、第１改質添加水、第２改質添加水並びに改質原料が改質器上部２や改質器下部３の各部で、どのような条件で処理されて行くかを、図１と図５を参照して説明する。第１改質添加水注入口４１より注入される第１改質添加水は、改質器下部３の内部を流れる改質ガスと対向流で第１改質添加水流路４０を流過する。第１改質添加水流路４０を流れる第１改質添加水は、選択酸化部３６、第２変成部２６及び第１変成部２１を冷却すると同時に蒸発し、熱交換部２４にて改質部７を出た高温の改質ガスによって過熱され、混合室４４に導かれる。燃料注入口５２より注入される改質原料は、灯油など液体燃料の場合には混合室４４にて第１改質添加水の過熱蒸気によって気化され、都市ガスなど気体燃料の場合には予熱される。ここで、混合室４４に入る第１改質添加水過熱蒸気の温度は、例えば４００〜６００℃の範囲にすることができるので、過熱蒸気は燃料の気化又は予熱の熱源として十分に高い能力を有する。
【００４７】
一方、第２改質添加水注入口４７より注入される第２改質添加水は、第２改質添加水流路４５を流過しながら燃焼ガスによって加熱されて蒸発し、混合室４４にて第２改質添加水及び改質原料の混合ガスと合流し、改質部入口ガス流路８を経て改質触媒充填層６に導かれる。
改質触媒充填層６において主に燃料の水蒸気改質反応が行われる。例えば改質原料がメタンの場合、次式による水蒸気改質反応が行われる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２  ・・・（１）
【００４８】
炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応なので、反応温度が高いほど炭化水素の改質率が高く反応速度も速い。しかし、温度をあまり高くすると改質器材料の耐熱仕様に対する要求が厳しくなり、また、改質器の放散熱増大などで熱効率が下がる傾向がある。そこで、改質触媒充填層６の温度分布をガスの流れ方向にて例えば５５０〜８００℃にし、改質原料の種類によって最適の温度分布をさらに限定することができる。また、反応にかかわる水蒸気の添加量は多い程改質率が高くなるが、水蒸気を発生するための熱量の増加で熱効率が低下するので、Ｓ／Ｃとして例えば２．２〜３．５の範囲が好適である。なお、改質触媒充填層６への改質反応熱の供給は、燃焼室５Ａでのバーナー燃料の燃焼熱を熱源として、燃焼円筒体５からの熱輻射と、燃焼ガス流路１０を流過する燃焼ガスからの熱伝達とによって行われる。
【００４９】
改質部７を出た改質ガスが熱交換部２４にて減温された後、第１変成部２１並びに第２変成部２６に導かれ、下式の変成反応が行われる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２  ・・・（２）
この変成反応は発熱反応なので、反応温度を低くすれば、有利な点として変成後の改質ガスのＣＯ濃度が低くなる点があり、不利な点として反応速度が遅くなる点がある。
【００５０】
そこで、本実施形態では比較的反応温度の高い第１変成部２１と、反応温度の低い第２変成部２６とを設け、第１変成部２１にて反応速度を早くし、第２変成部２６にて改質ガスのＣＯ濃度を低くすることで、総合的な変成反応の効率を高めている。第１変成触媒充填層２０の温度分布は、例えばガスの流れ方向にて５００〜２８０℃、好ましくは４５０〜３００℃にし、第２変成触媒充填層２５の温度分布は、例えばガスの流れ方向にて２８０〜１７０℃、好ましくは２５０〜１９０℃にするのがよい。各部における改質ガスのＣＯ濃度は、第１変成触媒充填層２０の入口で１０％程度、第２変成触媒充填層２５の入口で３〜５％程度、第２変成触媒充填層の出口で０．３〜１％程度である。このように各変成触媒充填層の温度分布を最適化して変成後改質ガス中の残留ＣＯ濃度を低くすると同時に、変成触媒全体の充填量を少なくし、改質器のコンパクト化と低コスト化を図ることができる。
【００５１】
第２変成部２６を出た改質ガスは選択酸化部３６に導かれ、選択酸化用空気導入口５８より導入された選択酸化用空気との間で下式のＣＯ選択酸化反応が行われる。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２  ・・・（３）
選択酸化用空気中の酸素は、反応式（３）により改質ガス中のＣＯを酸化して除去する他に、改質ガス中の水素をも酸化し消費するので、改質器の水素製造効率、即ち熱効率を高くする上で酸素と水素との酸化反応を抑制することが重要である。
【００５２】
本実施形態では、第２変成部２６と選択酸化部３６との空隙に円環状バッフル板３８を設け、バッフル板３８の中央開口部に選択酸化用空気導入口５８を配置することで改質ガスと選択酸化用空気とを均一混合させている。また、選択酸化触媒充填層３５の温度分布は、例えばガスの流れ方向にて２００〜１００℃、好ましくは１５０〜１１０℃にしている。選択酸化用空気の導入量は、選択酸化後改質ガスの残留ＣＯ濃度が例えば１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下となるように決定すればよい。改質器の水素製造効率を高めるには、選択酸化用空気中の酸素と選択酸化部３６に導入される改質ガス中のＣＯとのモル比（Ｏ２／ＣＯ）として、例えば１．２〜３．０の範囲が望ましく、１．２〜１．８の範囲がより望ましい。
【００５３】
このように選択酸化触媒充填層３５の温度分布を最適化することと、改質ガスと選択酸化用空気との混合をよくすることにより、選択酸化後改質ガスのＣＯ残留濃度を低減すると共に、水素の消費を抑制して改質器の熱効率を改善することができる。
【００５４】
なお、第１の実施形態では上述のように選択酸化部３６を１段としているが、選択酸化部３６を２段にして、例えば図１に示す選択酸化部３６の下方に第２の選択酸化部を設けてもよく、また、改質器７の下流に第２の選択酸化器を設けることもできる。
【００５５】
また、選択酸化部３６を出た選択酸化後改質ガスは改質ガス導出管５５の出口より得られるが、得られた改質ガスを燃料電池に供して発電することができる（燃料電池の詳細に関する図示は省略している）。一般に、炭化水素の改質ガスを燃料とする燃料電池発電の場合、改質ガス中の水素の７０〜８０％が消費され、残りの水素がアノードオフガスとして排出される。第１の実施形態によれば、燃料電池のアノードオフガスをバーナー燃料として用いることができる。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、バーナー４において、定常運転時のバーナー燃料をアノードオフガスだけでまかなうアノードオフガス専焼方式か、又はアノードオフガスとあわせ補助燃料として改質原料を供給する混焼方式を用いる構成としてもよい。バーナー４による燃焼で発生した燃焼ガスは下向流で燃焼円筒体５を流過し、燃焼円筒体５の下方にて折り返して、上向流で燃焼ガス流路１０を流過し、バッフル板１１を経て燃焼ガス排出口１２より排出される。
【００５７】
図６は本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図である。ここでは、図１に示す燃料改質器の定常状態での運転に適するように、第１改質添加水流量制御部７０と第２改質添加水流量制御部７２が設けられている。第１改質添加水流量制御部７０は、入力計器として改質器上部２や改質器下部３の各部の温度を測定する熱電対のような温度計Ｔ１〜Ｔ５と、第１改質添加水流路４０を流れる第１改質添加水の流量を測定する第１流量計Ｆ１を有すると共に、流量調整弁６４に対して弁開度信号を送っている。改質器上部２には、混合室４４近傍での第１改質添加水の温度を測定する第１温度計Ｔ１や改質部７の温度を測定する第２温度計Ｔ２が設けられている。改質器下部３には、第１変成部２１の温度を測定する第３温度計Ｔ３、第２変成部２６の温度を測定する第４温度計Ｔ４、並びに選択酸化部３６の温度を測定する第５温度計Ｔ５が設けられている。
【００５８】
第２改質添加水流量制御部７２は、入力計器として第１改質添加水流路４０を流れる第１改質添加水の流量を測定する第１流量計Ｆ１、第２改質添加水流路４５を流れる第２改質添加水の流量を測定する第２流量計Ｆ２、改質原料流路５０を流れる改質原料の流量を測定する第３流量計Ｆ３を有すると共に、流量調整弁６５に対して弁開度信号を送っている。
【００５９】
第１改質添加水流量制御部７０は、改質器上部２や改質器下部３の各部の温度を、第１温度計Ｔ１〜第５温度計Ｔ５により測定し、各部に予め設定された設定温度よりも低下したときは、流量調整弁６４の弁を閉じて第１改質添加水流量を減少させる。すると、例えば第１変成部２１等の各部の温度が昇温して、第１改質添加水流量制御部７０によるフィードバック制御にて設定温度に維持される。第２改質添加水流量制御部７２は、例えば第３流量計Ｆ３の流量信号と改質原料の組成より、改質する改質原料中の炭素量を演算し、次に演算された炭素量に対して一定の比率をもつ改質添加水量を演算する（以下、改質添加水と改質原料中炭素とのモル比率を、「Ｓ／Ｃ」(Steam/Carbon)にて表す）。そして、第２改質添加水流量制御部７２は、演算された改質添加水量から第１流量計Ｆ１にて計測された第１改質添加水の水量を控除して、第２改質添加水として供給すべき水量を演算し、流量調整弁６５に対して弁開度信号を送って、第２流量計Ｆ２で測定する第２改質添加水の流量が演算された供給水量になるように制御する。
【００６０】
本実施の形態によれば、第２改質添加水流量制御部７２を設けているので、改質器の定常運転時において、改質添加水の総流量、即ちＳ／Ｃを変えることなく第１改質添加水と第２改質添加水との流量比率を調整することができる。そこで、第１改質添加水流量制御部７０により各部の温度を安定的に制御することができる。例えば、第１変成部２１の温度分布が何らかの原因で高温側にシフトした場合に、第１改質添加水流量制御部７０と第２改質添加水流量制御部７２を連携させて、第１改質添加水注入流路６６上の流量調整弁６４と第２改質添加水注入流路６７上の流量調整弁６５を操作して第２改質添加水の流量を適宜減らすと同時に、第１改質添加水の流量を増やすことにより、第１変成部２１の温度分布を適正の温度分布に戻すことができる。かくして各運転負荷における最適のＳ/Ｃを常に保持することで改質の熱効率を改善することができる。
【００６１】
次に、本発明による燃料改質器の第３の実施形態を説明する。図７は、第３の実施形態による燃料改質器の縦断面図である。なお、図７において、前記図１と同一又は対応する部材又は要素は、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００６２】
図において、内円筒体２９と中円筒体３０は、第２変成部２６の改質器下部３の外壁と同軸に設けられたもので、内円筒体２９が中心側、中円筒体３０が周縁側に設けられている。ガス導入流路３１は、内円筒体２９の中心側に形成される空間であって、内円筒体２９の第１変成部２１側の端部には円環状バッフル板２７の開口部が接続されている。第２変成触媒充填層２５は、内円筒体２９の周縁側と中円筒体３０の中心側の間に形成された空間で、第２変成触媒が充填されている。ガス導出流路３２は、中円筒体３０の周縁側と改質器下部３の外壁、並びに第１変成部２１と第２変成部２６との間隙に設置された円環状バッフル板２７と第２変成部の底面３９によって形成された空間である。ガス導入流路３１と第２変成触媒充填層２５とは、内円筒体２９の第１の開口部としての下端開口部３３によって連通されている。第２変成触媒充填層２５とガス導出流路３２とは、中円筒体３０の第２の開口部としての上端開口部２８によって連通されている。
【００６３】
このように構成された第２変成部２６においては、第１変成部２１を出た改質ガスは下向流でガス導入流路３１を通過して、内円筒体２９の下端開口部３３にて折り返し、上向流で第２変成触媒充填層２５を通過し、そして、第２変成触媒充填層２５を出た改質ガスは中円筒体３０の上端開口部２８にて折り返し、下向流でガス導出流路３２を通過し、選択酸化部３６へ導かれるようになっている。選択酸化部３６には、選択酸化部３６の中心部に改質ガスが通過できない円筒体状中空部３６Ｂが設けてある。円筒体状中空部３６Ｂを設けると、選択酸化部３６の触媒充填量及び温度分布が最適化される。かくして本実施形態にかかる燃料改質器の変成部及び選択酸化部における温度分布を最適化し、改質器の性能をさらに向上させることができる。
なお、本実施形態にかかる燃料改質器の運転方法については、前述した第１実施形態と同じなので、説明を省略する。
【００６４】
次に、本発明による燃料改質器の第４の実施形態を説明する。図８は、第４の実施形態による燃料改質器の縦断面図である。なお、図８において、前記図１と同一又は対応する部材又は要素は、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図において、中低温ユニット３には、筒状に第１の変成触媒を充填した第１変成部２１と、環状に第２の変成触媒を充填した第２変成部２６Ａと、第２変成部２６Ａの外周に沿って同軸円筒状に位置する選択酸化部３６Ａが設けられている。
【００６５】
第２変成部２６Ａには、中低温ユニット３の外壁と同軸に設けられた内円筒体２９Ａと、中低温ユニット３の外壁と同軸であって、内円筒体２９Ａの外周側に設けられた中円筒体３０Ａとが設けられている。第２変成部２６Ａの触媒充填層２５Ａは、第２変成触媒が収容される円環状の空間で、内円筒体２９Ａの外周面と中円筒体３０Ａの内周面によって形成されている。円環状バッフル板２７Ａは、第１変成部２１と第２変成部２６Ａとの間隙に設置されるもので、円環の中心部にガス分散板３４Ａが設けられている。
【００６６】
ガス導入流路３１Ａは、円環状バッフル板２７Ａ、選択酸化部３６Ａの内側に位置する中円筒体３０Ａの第１変成部２１側の内周面、並びに内円筒体２９の第１変成部２１側の外周面によって形成された空間で、第１変成部２１を通過した改質ガスを第２変成部２６Ａに導入する流路である。ガス導出流路３２Ａは、中円筒体３０Ａの底面４３側の内周面、第２変成部２６Ａの底面３９、内円筒体２９Ａの内周面、並びに選択酸化部３６Ａの第１変成部２１対向部とを連絡する管路７０Ａによって形成された空間で、第２変成部２６Ａを通過した改質ガスを選択酸化部３６Ａに導入する流路である。管路７０Ａは、内円筒体２９Ａの一端と接続され、中円筒体３０Ａを貫通する円形断面や矩形断面の筒体で、ガス導入流路３１Ａの流れを阻害しない程度の管径となっている。管路７０Ａは、ガス導入流路７１Ａ側に設けられた第２の開口部２８Ａを有している。第１の開口部３３Ａは、中円筒体３０Ａの底面３９側に位置する内円筒体２９の一端に設けられている。選択酸化用空気の導入口５８は、第１の開口部３３Ａの近傍に配置されており、好ましくは第１の開口部３３Ａの内側に若干挿入された態様で配置されているとよい。選択酸化用空気の導入口５８が第１の開口部３３Ａの近傍に設置されているので、第２変成部２６Ａにて変成された改質ガスと選択酸化用空気とが適切に混合されて、選択酸化部３６Ａでの選択酸化反応が効果的に進行する。
【００６７】
選択酸化部３６Ａは、中低温ユニット３の内周面と中円筒体３０Ａの外周面によって形成された選択酸化触媒充填層３５Ａを有しており、更にガス導入流路７１Ａとガス導出流路７２Ａが設けられている。ガス導入流路７１Ａは、中低温ユニット３の内周面、中円筒体３０の外周面、円環状バッフル板２７Ａによって形成される空間で、第２変成部２６Ａを通過した改質ガスを選択酸化触媒充填層３５Ａに導く。ガス分散板３７Ａは、ガスの流れを均質化するもので、ガス導入流路７１Ａに設けられている。ガス導出流路７２Ａは、中低温ユニット３の内周面、中円筒体３０Ａの外周面、第２変成部２６Ａの底面３９、中低温ユニット３の底面４３、並びに改質ガス導出管５５の内周面によって形成される空間で、選択酸化触媒充填層３５Ａを通過した改質ガスを改質ガス導出管５５に導く構成となっている。
【００６８】
このように構成された第２変成部２６Ａにおいては、第１変成部２１を通過した改質ガスは、下向流でガス導入流路３１Ａとガス分散板３４Ａを通過し、次に触媒充填層２５Ａを通過する。そして、第２変成触媒充填層２５Ａを通過した改質ガスは、第１の開口部３３Ａで折り返して、上向流でガス導出流路３２Ａを通過し、第２の開口部２８Ａを通過して、ガス導入流路７１Ａを経由して選択酸化部３６Ａへ導かれる。即ち、第２変成部２６Ａを通過した改質ガスは、ガス導入流路７１Ａとガス分散板３７Ａを通過し、次に選択酸化触媒充填層３５Ａを下向流で通過し、さらにガス導出流路７２Ａを通過して系外へ導かれる。
【００６９】
このように第２変成部２６Ａと選択酸化部３６Ａを同心円状に構成すると、改質ガスの流れる量が多くなりがちな中心部に第２変成部２６Ａが位置しているので、第２変成部２６Ａの外周縁部に位置する選択酸化部３６Ａに対して改質ガスが均一に流れ、選択酸化反応が均一に進行する。そこで、選択酸化部３６Ａに充填される選択酸化触媒の量が最適化されると共に、温度分布も最適化される。
【００７０】
なお、上記第１乃至第４実施の形態においては、高温ユニットとしての改質器上部２が上側に配置され、中低温ユニットとしての改質器下部３が下側に配置される燃料改質器を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料改質器を上下反転させて用いることもできる。
【００７１】
また、上記第１乃至第４実施の形態においては、改質器上部２と改質器下部３との連結部間隙に円環状バッフル板１８を設け、改質器上部２の底面、改質器下部３の上面、並びに連結流通管１９によって改質ガスと改質添加水との熱交換部２４を形成する場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、要するに第１改質添加水を蒸発し過熱すると共に、各部の最適温度分布を達成することができればよい。
【００７２】
例えば、第１変成部２１の底面と第２変成部２６の上面とを連結流通管によって連結し、該連結部の間隙に円環状バッフル板を設ける構成とし、第１変成部２１の底面、第２変成部２６の上面、並びに連結流通管によって改質ガスと第１改質添加水との熱交換を行う第２の熱交換部を設けてもよい。さらに、第２変成部２６の底面と選択酸化部３６の上面とを連結流通管によって連結し、該連結部の間隙に円環状バッフル板を設ける構成とし、第２変成部２６の底面、選択酸化部３６の上面、並びに連結流通管によって改質ガスと第１改質添加水との熱交換を行う第３の熱交換部を設けることもできる。また、第３熱交換部を設ける場合には、第２変成部２６の底面と選択酸化部３６の上面とを連結した連結流通管の内側に、選択酸化用空気の導入口を設置することもできる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の燃料改質器によれば、燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の外周面側に設けられると共に、環状に改質触媒を充填した改質部を有する高温ユニットと、前記高温ユニットと連結される側に設けられると共に、筒状又は環状に変成触媒を充填した変成部と、前記高温ユニットと連結される側とは反対側に設けられると共に、筒状又は環状に選択酸化触媒を充填した選択酸化部を有する中低温ユニットを有する構造としているので、高温と低温の二つのユニットに大きく２分割されて組成されており、一体型の燃料改質器の構造を簡単化し、製造コストの低下と熱効率の向上を図ることができる。
また、本発明の燃料改質器によれば、高温ユニットの改質部を通過した改質ガスを、中低温ユニットの変成部側に供給する連結流通管と、当該連結流通管によって連結される前記高温ユニットと前記中低温ユニットを一体に収容する容器とを備えているので、熱応力の発生を著しく軽減し、燃料改質器の耐久性を向上させることができる。
【００７４】
また、本発明の燃料改質器によれば、さらに高温ユニット及び中低温ユニットの外壁と容器の内壁との間隙に形成された改質添加水流路と、高温ユニットに改質原料を供給する改質原料供給路と、改質添加水流路と改質原料供給路を互いに連通する混合室を設ける構成とすると、改質添加水流路と高温ユニット及び中低温ユニットとの熱交換によって改質添加水を改質ガスの顕熱で蒸発、過熱し、発生した改質添加水の高温過熱蒸気を用いて混合室にて気体燃料の場合燃料を予熱し、液体燃料の場合燃料を気化することができる。かくして本発明の燃料改質器を都市ガス、ＬＰＧや嫌気性消化ガス等の気体燃料にも、灯油やナフサ等の液体燃料にも適用することができる。
【００７５】
また、本発明の燃料改質器によれば、さらに高温ユニットに改質原料を供給する改質原料供給路と、中低温ユニットを経由せず、前記高温ユニットに直接改質添加水を供給する第２改質添加水流路と、改質添加水流路、前記改質原料供給路並びに前記第２改質添加水流路を互いに連通する混合室を設ける構成とすると、起動時間を大幅に短縮すると共に各反応部の温度制御を容易にすることができる。
【００７６】
また、本発明の燃料改質器によれば、前記中低温ユニットは、前記高温ユニット側に設けられると共に、筒状又は環状に第１の変成触媒を充填した第１変成部と、筒状又は環状に第２の変成触媒を充填した第２変成部とを有する変成部を備え、前記第２変成部が前記選択酸化部に対して同軸円筒状に位置する構成とすると、第２変成部と選択酸化部が同心円状に配置されて改質器全体がコンパクトになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の基本構成を示す縦断面図である。
【図２】  図１の装置における起動時の運転手順を説明する流れ図である。
【図３】  図１の装置における起動時の予熱状態を説明する縦断面図である。
【図４】  図１の装置における改質原料の供給開始状態を説明する縦断面図である。
【図５】  図１の装置における第１改質添加水の供給開始状態を説明する縦断面図である。
【図６】  本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図である。
【図７】  本発明の第３の実施の形態を示す縦断面図である。
【図８】  本発明の第４の実施の形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  改質器
２  改質器上部（高温ユニット）
３  改質器下部（中低温ユニット）
４  バーナー
５  燃焼円筒体
６  改質触媒充填層
７  改質部
８  改質部入口ガス流路
１０  燃焼ガス流路
１３  容器
１４  断熱材
１５  隔壁
１６  改質ガス流路
１７  改質器上部底面
１８  バッフル板
１９  コルゲート形伸縮管（連結流通管）
２０  第１変成触媒充填層
２１  第１変成部
２４  熱交換部
２５、２５Ａ  第２変成触媒充填層
２６、２６Ａ  第２変成部
２８、２８Ａ  中円筒体上端開口部（第２の開口部）
２９、２９Ａ  内円筒体
３０、３０Ａ  中円筒体
３１、３１Ａ  ガス導入流路
３２、３２Ａ  ガス導出流路
３３、３３Ａ  内円筒体下端開口部（第１の開口部）
３５、３５Ａ  選択酸化触媒充填層
３６、３６Ａ  選択酸化部
４０  第１改質添加水流路（改質添加水流路）
４４  混合室
４５  第２改質添加水流路
５０  燃料流路（改質原料供給路）
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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