(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質装置であって、
原燃料から改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部に水蒸気を供給するための水蒸気供給手段と、を備え、
前記水蒸気供給手段は、改質部を加熱する際に生成された燃焼排ガスおよび前記改質ガスの少なくともいずれかとの熱交換により水をドライアウトさせるドライアウト熱交換器を有し、
前記ドライアウト熱交換器は、上流側に接続されている配管の断面積よりも大きな断面積を有していることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
前記水蒸気供給手段は、前記ドライアウト熱交換器よりも上流側に、熱交換により気液混相状態まで水の気化率を高める気液混相熱交換器を更に有することを特徴とする請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
前記水蒸気供給手段は、前記気液混相熱交換器に向けて圧力により水を送出する水送出手段と前記気液混相熱交換器との間に、前記気液混相熱交換器の流路より小さな径を有する上流側絞り機構を有することを特徴とする請求項２に記載の改質装置。
【請求項４】
前記上流側絞り機構より上流側で熱交換による水の核沸騰の発生がないように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の改質装置。
【請求項５】
前記水蒸気供給手段は、前記ドライアウト熱交換器よりも下流側であって前記改質部に原燃料を供給する原燃料供給路との間に、前記ドライアウト熱交換器の流路より小さな径を有する下流側絞り機構を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の改質装置。
【請求項６】
前記ドライアウト熱交換器と前記下流側絞り機構との間に、異物が下流側に流れないように捕獲する異物捕獲手段を有することを特徴とする請求項５に記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を、燃料電池システムにおいて使用される改質ガスに改質する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することで得ている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。
【０００３】
一般に、改質器における改質に必要な水蒸気は、改質器から排出された燃焼排ガスや燃料ガスとの熱交換によって得ることができる。しかしながら、低温の水が熱交換により急激に加熱されると、一部の水が沸騰することで発生する脈動により、水蒸気の流量が大きく変動することがある。このような状態が生じると、水蒸気と原燃料ガスとの混合比（Ｓ／Ｃ（スチーム・カーボン）比）が変動し、改質器における安定した水素ガスの生成を妨げ、ひいては、燃料電池スタックへの安定した水素ガスの供給を妨げる一因となる。
【０００４】
そこで、水の沸騰に起因する水蒸気の流量変動を抑えるために、供給水を水蒸気発生器に導入する供給水余熱ラインにおいて、一酸化炭素除去器と水蒸気発生器との間に供給水の絞り手段を設けた燃料改質装置が考案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２４１１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、改質部に安定して水蒸気が供給される改質装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の改質装置は、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質装置であって、原燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質部に水蒸気を供給するための水蒸気供給手段と、を備える。水蒸気供給手段は、改質部を加熱する際に生成された燃焼排ガスおよび改質ガスの少なくともいずれかとの熱交換により水をドライアウトさせるドライアウト熱交換器を有する。ドライアウト熱交換器は、上流側に接続されている配管の断面積よりも大きな断面積を有している。
【０００７】
この態様によると、ドライアウト熱交換器における断面積が上流側の配管よりも大きいため、ドライアウト熱交換器におけるスラグ流の発生が抑制されるとともに、圧力変動が抑制される。
【０００８】
水蒸気供給手段は、ドライアウト熱交換器よりも上流側に、熱交換により気液混相状態まで水の気化率を高める気液混相熱交換器を更に有してもよい。これにより、ドライアウト熱交換器において急激な水蒸気の発生が抑制され、圧力変動が抑制される。
【０００９】
水蒸気供給手段は、気液混相熱交換器に向けて圧力により水を送出する水送出手段と気液混相熱交換器との間に、気液混相熱交換器の流路より小さな径を有する上流側絞り機構を有してもよい。これにより、例えば、ドライアウト熱交換器や気液混相熱交換器における水の気化に伴う圧力変動が生じても、その圧力変動が水送出手段の送出圧力に与える影響が抑制される。
【００１０】
上流側絞り機構より上流側で熱交換による水の核沸騰の発生がないように構成されていてもよい。これにより、上流側絞り機構より水送出手段側で水の核沸騰は発生しないため、水送出手段の送出圧力が不安定になることが防止される。そのため、安定した水蒸気の生成、ひいては、改質ガスの生成が可能となる。
【００１１】
水蒸気供給手段は、ドライアウト熱交換器よりも下流側であって改質部に原燃料を供給する原燃料供給路との間に、ドライアウト熱交換器の流路より小さな径を有する下流側絞り機構を有してもよい。これにより、仮に、ドライアウト熱交換器において突沸が生じても、それに伴う圧力変動が下流側の原燃料供給路における原燃料圧力に与える影響が抑制される。そのため、安定した原燃料の供給および改質ガスの生成が可能となる。
【００１２】
ドライアウト熱交換器と下流側絞り機構との間に、異物が下流側に流れないように捕獲する異物捕獲手段を有してもよい。これにより、例えば、水に含まれている異物が下流側絞り機構に詰まることが防止され、改質部への安定した水蒸気の供給が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、改質部に安定して水蒸気が供給される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の概略構成を示す断面図である。図２は、図１における改質部近傍の拡大断面図であり、後述する熱交換器１０６，１０８が省略されている状態を示している。燃料電池用改質装置１０は、原燃料であるメタンやプロパン、ブタン等を水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１６】
燃料電池用改質装置１０は、原燃料から改質ガスを生成する改質部１２と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部１４と、シフト変成部１４を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部１６と、改質部１２を収納する改質反応筒１８と、燃料電池の燃料極で消費されなかった燃料オフガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼手段としてのバーナ２０と、改質反応筒１８の外周に同軸に配置され、改質反応筒１８より径が大きい外筒２２と、を備える。外筒２２の周囲は、複数の配管が外部と連通している箇所を除いて断熱材２４で覆われている。
【００１７】
次に、改質部近傍の構成を図２を参照して説明する。改質反応筒１８は、改質管外筒１８ａと触媒管外筒１８ｂと改質管内筒１８ｃとを有し、この順番で外側から同心状に配列されている。また、触媒管外筒１８ｂと改質管内筒１８ｃとの間の領域には環状の触媒層１８ｄが設けられている。触媒層１８ｄは、ニッケルやルテニウム等の金属粒子をアルミナに担持した改質触媒を含む。
【００１８】
改質管外筒１８ａは、上部に改質ガスの排出口１８ｅが設けられている。また、改質管外筒１８ａと改質管内筒１８ｃとは下部が環状の下板部材１８ｆで連結されているとともに、触媒管外筒１８ｂと下板部材１８ｆとの間に隙間が設けられている。これにより、触媒層１８ｄを通過した改質ガスの流れが隙間を通過することで折り返され、上方の排出口１８ｅに向かって流れることになる。
【００１９】
また、バーナ２０は、空気取入口２６から取り入れた空気と燃料取入口２８から取り入れた燃料オフガスとを混合して燃焼させる。なお、場合によっては原燃料ガスを直接バーナに供給してもよい。バーナ２０で燃料オフガスが燃焼することによって、１２００〜１３００℃の高温の燃焼ガスが発生する。バーナ２０は、改質管内筒１８ｃの中心部に筒状に形成された燃焼室３０の下部に配置されているとともに、外筒２２の下部に固定されている。これにより、バーナ２０で生成された燃焼ガスの熱をすぐに改質部１２における改質反応に用いることができるので、熱効率を向上することができる。
【００２０】
改質反応筒１８と外筒２２との間には、改質反応筒１８を加熱するために前述の燃焼ガスが通過する加熱流路３２が形成されている。
【００２１】
原燃料ガスは、図２に示すように、改質反応筒１８の上部から供給され、改質管内筒１８ｃの上板１８ｇで外側に向かって分散された後、触媒層１８ｄに供給される。この際、原燃料ガスは、燃焼ガスにより加熱され昇温する。なお、各ガスが流れる流路のレイアウトを工夫することで、加熱流路３２を流れる燃料排ガスや改質反応筒１８の内部の改質ガスにより原燃料を加熱することも可能である。
【００２２】
また、改質部１２における改質反応に必要な水蒸気は、燃料電池用改質装置１０の外部から供給された改質水が後述する複数の熱交換器を有する水蒸気供給手段１００により気化されることで得られる。外部から燃料電池用改質装置１０へ水を送出するためには、例えば、圧力により水を送出するポンプ３６が用いられる。改質水は、前述のように気化され、水蒸気として水蒸気供給路４２を経由して改質部１２に送られる。その際、水蒸気は、改質部１２の上部に備えられている混合器３４により原燃料ガスと混合され、改質部１２に送られる。
【００２３】
なお、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０とは異なるが、燃焼排ガスの加熱による原燃料ガスの昇温と水の気化とが別々で行われた後に混合器３４で合流することで、各供給路における原燃料ガスの昇温や水の気化による水蒸気の供給の制御を容易にすることも可能である。
【００２４】
シフト変成部１４は、環状に形成されており、例えば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなる触媒層を有する。シフト変成部１４は、触媒層の働きにより改質ガスに含まれる水蒸気を用いたシフト反応により一酸化炭素を低減することができる。
【００２５】
選択酸化部１６は、例えば、アルミナで担持した一酸化炭素選択酸化触媒からなる触媒層を有する。選択酸化部１６では、触媒層の働きにより酸素で一酸化炭素を酸化し二酸化炭素にすることで、一酸化炭素の濃度が更に低減される。
【００２６】
シフト変成部１４と選択酸化部１６との間の配管には、選択酸化部１６で消費される酸素を供給するために、燃料電池用改質装置１０の外部と連通している空気供給路５４が配置されている。
【００２７】
選択酸化部１６において一酸化炭素が十分低減された改質ガスとしての水素は、燃料電池２００の燃料極２０２へ送出される。燃料電池２００は、燃料極２０２に供給された水素と空気極２０４に供給された酸素とが電解質膜２０６において電気化学反応を起こすことで、発電する装置である。なお、燃料極２０２において反応に寄与しなかった水素は、燃料オフガスとして燃料取入口２８を経由してバーナ２０に供給される。
【００２８】
水蒸気供給手段１００は、ポンプ３６により送出された水を熱交換により気化させ、水蒸気として改質部１２に供給する。水蒸気供給手段１００は、熱交換器１０２，１０４，１０６，１０８を有する。熱交換器１０２は、シフト変成部１４から選択酸化部１６に向かって流れる改質ガスとポンプ３６から送出された改質水との間で熱交換を行う。これにより、改質水が加熱されるとともに改質ガスが冷却される。
【００２９】
熱交換器１０４は、コイル状の配管で構成されている。熱交換器１０４は、熱交換器１０２により加熱された改質水とシフト変成部１４から送出された改質ガスとの間で熱交換を行う。これにより、更に改質水が加熱されるとともに改質ガスが冷却される。
【００３０】
熱交換器１０６は、改質反応筒１８と外筒２２との間に配置されているコイル状の配管で構成されている。熱交換器１０６は、熱交換器１０４により加熱された改質水とバーナ２０で生成された燃焼排ガスとの間で熱交換を行う。これにより、更に改質水が加熱されるとともに燃焼排ガスが冷却される。
【００３１】
熱交換器１０８は、複数の筒状の部材が同心に重ねられて流路が形成されており、改質反応筒１８の上方に配置されている。熱交換器１０８は、熱交換器１０６により加熱された改質水と改質部１２から送出された改質ガスとの間で熱交換を行う。これにより、改質水は更に加熱され改質部１２に水蒸気として送出される。
【００３２】
次に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の動作について説明する。バーナ２０で生成された燃焼ガスは、図２に示すように、上板１８ｇの下面を加熱した後、改質管内筒１８ｃの内面を下降しながら改質管内筒１８ｃを内側から加熱する。この際、改質部１２の触媒層１８ｄは、改質反応に必要な温度、例えば、６００〜７００℃の範囲に加熱される。また、水蒸気供給手段１００を通過する改質水は、図１に示すように、各熱交換器１０２，１０４，１０６，１０８において改質ガスまたは燃焼排ガスにより加熱され気化される。一方、燃料排ガスは、加熱流路３２を上昇し熱交換器１０８により冷却され徐々に温度が低下する。なお、加熱流路３２を通過した燃焼排ガスは、外筒２２の上部に形成された排出口６２から外部へ排出される。
【００３３】
水蒸気供給手段１００で気化された水蒸気と熱交換器１０８で昇温された原燃料ガスとは混合器３４で混合され、改質部１２の内部を下方に送り出される。水蒸気を含む原燃料ガスは、改質部１２の触媒層１８ｄの内部を通過する際に燃焼ガスの熱により徐々に加熱され、改質反応により水素リッチな改質ガスに変化する。
【００３４】
原燃料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、供給される原燃料ガスの流れによって改質管外筒１８ａの内部を上昇し、図１に示す熱交換器１０８と熱交換後、シフト変成部１４に到達する。シフト変成部１４におけるシフト反応は、例えば、２００〜３００℃の範囲で行われ、熱交換器１０８の熱回収で熱バランスをとっている。本実施の形態では、シフト変成部１４が適当な温度範囲に収まるように断熱材２４の厚みが設定されている。これにより、改質ガスはシフト変成部１４において一酸化炭素が低減される。
【００３５】
シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスは更に、供給される原燃料ガスの流れによって選択酸化部１６に到達する。その際、空気供給路５４から供給された空気も選択酸化部１６に到達する。
【００３６】
選択酸化部１６に到達する改質ガスは、熱交換器１０４および熱交換器１０２において改質水との熱交換により冷却されるため、シフト変成部１４における改質ガスの温度より低温となっている。選択酸化部１６における選択酸化反応は、シフト変成部１４におけるシフト反応より低温な、例えば、７０〜２００℃の範囲で行われ、適切な触媒温度を維持するために熱交換器１０４および熱交換器１０２の熱回収で熱バランスをとっている。これにより、改質ガスは選択酸化部１６において更に一酸化炭素が低減される。
【００３７】
上述のように、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０においては、複数の熱交換器を用いて燃焼排ガスや改質ガスとの熱交換により水蒸気を得ている。水が気化し水蒸気となる際には、核沸騰の発生が常に一定となるわけではなく容積も急激に膨張するため、水蒸気が発生する箇所で振動が発生しやすい。例えば、核沸騰によりスラグ流が発生する領域や、水が完全に気化されるいわゆるドライアウトされる領域の近傍では、振動が生じやすい。
【００３８】
そこで、本実施の形態に係る水蒸気供給手段１００は、これらの振動の発生を抑制するとともに、振動の発生が上流側、下流側に伝達されることを抑制するように構成されている。具体的には、本実施の形態に係る熱交換器１０８は、改質ガスとの熱交換により改質水をドライアウトさせるものであり、上流側に接続されている配管の断面積よりも大きな断面積を有している。また、熱交換器１０８は、それまでの配管より径の大きな筒状の部材で構成されている。
【００３９】
このように熱交換器１０８における断面積を上流側の配管よりも大きくすることで、熱交換器１０８におけるスラグ流の発生が抑制され、また、流速が低減される。その結果、圧力変動が抑制される。また、熱交換器１０８が圧力変動を緩衝する圧力緩衝機構を兼ねることで、別々に設けるよりも構成が簡素化される。なお、熱交換器１０８との熱交換は必ずしも改質ガスに限られるものではなく、レイアウトを工夫することで燃焼排ガスとの熱交換が行われるように配置してもよい。
【００４０】
水蒸気供給手段１００は、熱交換器１０８よりも上流側に、熱交換により気液混相状態まで改質水の気化率を高めることができる熱交換器１０６を有している。そのため、熱交換器１０８には、熱交換器１０６により気化率が高められ、気相と液相とが混在している気液混相状態で改質水が供給される。具体的には、改質水は、１００〜１２５℃程度になっている。そのため、気化率が低く低温の改質水が熱交換器１０８に供給される場合と比較して、熱交換器１０８において急激な水蒸気の発生が抑制され、圧力変動が抑制される。
【００４１】
水蒸気供給手段１００は、熱交換器１０６とポンプ３６との間に熱交換器１０６の流路より小さな径を有する熱交換器１０４を有している。したがって、熱交換器１０４は、水蒸気供給手段１００の上流側絞り機構としても機能することになる。これにより、例えば、熱交換器１０８や熱交換器１０６における水の気化に伴う圧力変動が生じても、その圧力変動がポンプ３６の送出圧力に与える影響が抑制される。
【００４２】
また、熱交換器１０４は、改質ガスとの熱交換により水の核沸騰の発生が開始するように構成されている。換言すると、改質水は、熱交換器１０４に流入する前では、水の核沸騰が発生していない。具体的には、熱交換器１０４に流入する改質水の気化率は５％以下であり、より好ましくは１００℃以下となるように熱交換器１０２の構成を調整するとよい。その結果、絞り機構として機能する熱交換器１０４の上流側では核沸騰が発生しておらず、熱交換器１０４およびその下流側で核沸騰によるスラグ流が発生しても、振動が上流側に伝達されることが抑制される。なお、熱交換器１０４との熱交換は必ずしも改質ガスに限られるものではなく、レイアウトを工夫することで燃焼排ガスや触媒充填層との熱交換が行われるように配置してもよい。
【００４３】
また、熱交換器１０８の断面積Ｓ１、熱交換器１０６の断面積Ｓ２、熱交換器１０４の断面積Ｓ３は、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３の関係を満たしており、各熱交換器における振動の発生が上流側に伝達されることが抑制される。また、熱交換器１０８において熱交換として作用する領域の体積Ｖ１、熱交換器１０６において熱交換として作用する領域の体積Ｖ２、熱交換器１０４において熱交換として作用する領域の体積Ｖ３は、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３の関係を満たしており、体積の大きな熱交換器１０８において確実に改質水をドライアウトできるとともに、例えば、突沸が生じても振動の発生を緩和することができる。
【００４４】
上述のように、燃料電池用改質装置１０は、水蒸気の発生に伴う振動の発生を抑制するとともに、振動の発生が上流側に伝達されることを抑制するように構成されているため、ポンプ３６の送出圧力が不安定になることが防止され、安定した水蒸気の生成、ひいては、改質ガスの生成が可能となる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、図１に示す水蒸気供給手段１００において、熱交換器１０８の下流側であって改質部１２に原燃料を供給する原燃料供給路４０との間に熱交換器よりも小さな径を有する下流側絞り機構を備えている点が大きく異なる。以下では、第１の実施の形態と同様の構成については説明を適宜省略する。
【００４６】
図３は、熱交換器１０８から改質部１２に至るまでの概略構成を示す模式図である。図３に示すように、水蒸気供給手段１００は、熱交換器１０８よりも下流側であって改質部１２に原燃料を供給する原燃料供給路４０との間に、下流側絞り機構であるキャピラリ１１２が接続されている。キャピラリ１１２は、少なくとも熱交換器１０８の流路より小さな径を有しいてる。これにより、仮に、熱交換器１０８において突沸が生じても、それに伴う圧力変動が下流側の原燃料供給路４０における原燃料圧力に与える影響が抑制される。そのため、安定した原燃料の供給および改質ガスの生成が可能となる。
【００４７】
また、本実施の形態では、熱交換器１０８とキャピラリ１１２との間に異物が下流側に流れないようにトラップするミストトラップが接続されている。図４は、ミストトラップの概略断面図である。ミストトラップ１１０は、内部にメッシュ１１４が設けられており、例えば、水に含まれているシリカ等の異物が析出し配管の壁面から剥離してもそれを捕獲することができる。これにより、下流側のキャピラリ１１２が詰まることが防止され、改質部１２への安定した水蒸気の供給が可能となる。また、圧力により水を供給するポンプへの負荷が軽減される。なお、本実施の形態に係るメッシュ１１４には、目の粗さが６０メッシュ、密度が２３０ｋｇ／ｍ３である材質のものが用いられている。
【００４８】
上述のように、各実施の形態に係る燃料電池用改質装置によれば、水蒸気の発生に伴う振動を低減し、また、振動の伝達を抑制することで、原燃料供給圧力や改質水供給圧力の変動幅や圧力自体の低減が図られる。
【００４９】
また、例えば、起動時、熱交換器１０８に液相の水が滞留していても、改質ガスにより気化されるため、起動時に効率よく水蒸気を発生させることができる。
【００５０】
（比較例）
図５は、比較例に係る燃料電池用改質装置２１０の概略構成図である。燃料電池用改質装置２１０は、原燃料から改質ガスを生成する改質部２１２と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部２１４と、シフト変成部２１４を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部２１６と、を備える。改質部２１２の下方にはバーナ２１８が取り付けられ、バーナ２１８の燃焼により改質部２１２の内部に収納されている改質触媒を加熱して所定の触媒反応温度（例えば、６００〜７００℃）に保持するようにしてある。
【００５１】
改質部２１２の上方には、水蒸気発生器２２０が配設されている。水蒸気発生器２２０は、改質水をドライアウト可能なように構成されている。水蒸気発生器２２０で発生した水蒸気は、水蒸気供給路２２２を経由して改質部２１２の入口側に供給されるが、その際、水蒸気供給路２２２の途中に炭化水素系の原燃料ガスが混入される。これにより、改質部２１２には、水蒸気と原燃料ガスとが混合した混合ガスが供給される。この混合ガスの供給は、改質触媒が触媒反応温度まで昇温された後に行われる。
【００５２】
改質部２１２に供給された混合ガスは、内部に収納されている改質触媒層を通過する間に水蒸気改質され、水素を主体とした改質ガスとなる。その後、改質ガスは、改質部２１２の出口側から排出されるとともに、水蒸気発生器２２０を経由してシフト変成部２１４の入口側に導入される。この場合、高温の改質ガスは、水蒸気発生器２２０内を通過する際に水蒸気発生器２２０に供給される水との間で熱交換が行われる。
【００５３】
シフト変成部２１４に導入された改質ガスは、内部に収納されている変成触媒層を通過する間に変成されて改質ガス中のＣＯ濃度が低減され、シフト変成部２１４の出口側から排出されるとともに、選択酸化部２１６の入口側に導入される。選択酸化部２１６に導入された変成改質ガスは、内部に収納されている酸化触媒を通過する間に選択酸化され、変成改質ガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍ程度に低減され、選択酸化部２１６の出口側から排出されるとともに、燃料電池（不図示）の燃料極に供給される。
【００５４】
給水経路２２４は、水蒸気発生器２２０に水を供給するために設けられている。給水経路２２４は、途中で熱交換器２２６、選択酸化部２１６の熱交換部２１６ａ、シフト変成部２１４の熱交換部２１４ａに、この順で水を経由させることで、冷水を徐々に昇温できるようにした給水予熱ラインとして形成されている。
【００５５】
前述の熱交換器２２６は、バーナ２１８の燃焼により生じた燃焼排ガスが通過するように構成され、この燃焼排ガスと給水経路２２４に供給された冷水との間で熱交換が行われる。これにより、燃焼排ガスの排熱を有効利用することができる。この熱交換器２２６を通過して昇温された水は、選択酸化部２１６を通過する際に内部の酸化触媒との間で熱交換が行われる。酸化触媒の触媒反応温度は、例えば、１００〜１８０℃である。この触媒反応は発熱反応であるため、燃料電池の発電中においては冷却して触媒反応温度を保持する必要がある。この冷熱源として給水経路２２４の水を使用し、その水は熱交換により昇温する。
【００５６】
選択酸化部２１６で昇温された水は、シフト変成部２１４を通過する際に内部の変成触媒との間で熱交換が行われる。変成触媒の触媒反応温度は、例えば、１８０〜２５０℃である。この触媒反応も発熱反応であるため、燃料電池の発電中においては冷却して触媒反応温度を保持する必要がある。この冷熱源として給水経路２２４の水を使用し、その水は熱交換により昇温する。
【００５７】
このようにして、給水経路２２４に供給された冷水は、水蒸気発生器２２０に至るまでの途中で３段階に渡って徐々に予熱された後、水蒸気発生器２２０に導入される。この際、予熱により給水経路２２４の途中で水が１００℃を超えると一部沸騰し、給水経路２２４内で圧力変動が生じて水の流れが乱れることになる。
【００５８】
そのため、比較例では、給水経路２２４における水蒸気発生器２２０の入口側にバッファ手段２２８が設けられている。バッファ手段２２８としては、例えば、バッファ機能を有するタンクを用いることができる。
【００５９】
このように構成された比較例の燃料電池用改質装置２１０において、改質用水は給水経路２２４における熱交換器２２６、選択酸化部２１６の熱交換部２１６ａ、シフト変成部２１４の熱交換部２１４ａをそれぞれ通過する際に予熱され、更にバッファ手段２２８を通過して水蒸気発生器２２０に流入する。この水蒸気発生器２２０に流入した水は、１００℃近くの気液混合相になっているため、短時間で気化されるとともに、水蒸気供給路２２２に供給される。そして、前述のように水蒸気供給路２２２の途中で原燃料ガスが供給されるため、水蒸気と原燃料ガスとが混入した状態で改質部２１２の入口側に供給される。
【００６０】
水蒸気発生器２２０で水蒸気が発生すると圧力が変動し、この圧力変動によって給水経路２２４内に脈動が発生し、水蒸気発生器２２０に流入する給水量が変化する。本比較例では、水蒸気発生器２２０の入口側にはバッファ手段２２８が設けられているため、このバッファ手段２２８の緩衝機構によって脈動エネルギーを吸収することができる。しかしながら、本比較例では水蒸気発生器２２０とは別にバッファ手段２２８を設ける必要があり、構成が複雑となっている。
【００６１】
これに対して、上述の各実施の形態に係る燃料電池用改質装置では、ドライアウト熱交換器として機能する熱交換器１０８が、上流側（入口側）に接続されている配管の断面積よりも大きな断面積を有している。これにより、熱交換器１０８自体で蒸発振動を抑えることができるので、比較例と比べてバッファ手段を省略することができ、コストの低減や装置の小型化が図られる。
【００６２】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００６３】
上述の燃料電池用改質装置は、ガスと水との熱交換部において、ガス側の伝熱を促進させるために、ガス側通路にアルミナボールやマクマホンパッキン等の拡散により伝熱性を上げるものを充填してもよい。
【００６４】
また、上述の燃料電池用改質装置に用いられる原燃料としては、例示されているメタンやプロパン、ブタン等に限られるものではない。例えば、天然ガス、プロパン・ブタンを主成分とするＬＰＧ、ナフサ、灯油等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、ジメチルエーテル等のエーテル類、等を、原燃料として用いてもよい。
【００６５】
また、上述の燃料電池用改質装置は、一酸化炭素低減部としてシフト変成部１４および選択酸化部１６を備えているが、シフト変成部１４のみで一酸化炭素の濃度を実用上問題ない範囲に低減できれば、選択酸化部１６を省略してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１における改質部近傍の拡大断面図である。
【図３】熱交換器から改質部に至るまでの概略構成を示す模式図である。
【図４】ミストトラップの概略断面図である。
【図５】比較例に係る燃料電池用改質装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  燃料電池用改質装置、  １２  改質部、  １４  シフト変成部、  １６  選択酸化部、  １８  改質反応筒、  ２０  バーナ、  ２２  外筒、  ２４  断熱材、  ２６  空気取入口、  ２８  燃料取入口、  ３０  燃焼室、  ３２  加熱流路、  ３４  混合器、  ３６  ポンプ、  ４０  原燃料供給路、  ４２  水蒸気供給路、  ５４  空気供給路、  ６２  排出口、  １００  水蒸気供給手段、  １０２  熱交換器、  １０４  熱交換器、  １０６  熱交換器、  １０８  熱交換器、  １１０  ミストトラップ、  １１２  キャピラリ、  １１４  メッシュ。  
【図１】
0005103236.tif 000002
【図２】
0005103236.tif 000003
【図３】
0005103236.tif 000004
【図４】
0005103236.tif 000005
【図５】
0005103236.tif 000006