(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部、上記水蒸気改質反応の熱エネルギーとなる燃焼ガスを供給する燃焼部を備えた改質装置において、上記改質部を燃焼部の上方で、略筒状の形状をした改質装置の外側に配すると共に、上記改質部の内側に燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、この燃焼ガス流路の内側に空気を密閉した空気室を設けることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
上記改質部の内側に形成した燃焼ガス流路に連接して、改質部の外側に、燃焼ガスが流れるガス流路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の改質装置。
【請求項３】
上記改質部と燃焼ガスの伝熱面に対向する、燃焼ガスが流れる流路の壁面に、高放射伝熱体を付設してなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の改質装置。
【請求項４】
上記改質部に熱エネルギーを供給した燃焼ガスと、外気とで熱交換する熱交換器を備え、且つ、この熱交換器を通過した外気を燃焼部に導入する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部と、この反応の熱エネルギーとなる燃焼ガスを供給する燃焼部を備えた改質装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料電池を構成する装置として、天然ガスやナフサ等の原料を用い、この原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部、及び、上記水蒸気改質反応の熱エネルギーとして、バーナー等を用いて燃料を燃焼させ燃焼ガスを発生させる燃焼部を備える改質装置が知られている（例えば、特開平１０−２１８６０２号公報等）。上記改質ガスは、改質触媒が充填した改質部に、原料と水蒸気を導入し、燃焼ガスにより加熱され、水蒸気改質反応により生成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、燃料電池の使用範囲の拡大に伴い、小型化、軽量化が求められている。例えば、改質ガスの原料としてブタンガスを用いた場合、このブタンガスの水蒸気改質反応は、５００℃以上の高温で反応を行うことが好ましく、上記燃焼部において、５００℃以上の高温の燃焼ガスが発熱する。小型化、軽量化、さらに省エネルギーの観点から、燃焼部で発熱した燃焼ガスの熱エネルギーを効率的に利用する改質装置が求められている。
【０００４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、燃焼ガスの熱エネルギーを効率的に利用する改質装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の改質装置は、原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部、上記水蒸気改質反応の熱エネルギーとなる燃焼ガスを供給する燃焼部を備えた改質装置において、上記改質部を燃焼部の上方で、略筒状の形状をした改質装置の外側に配すると共に、上記改質部の内側に燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、この燃焼ガス流路の内側に空気を密閉した空気室を設けることを特徴とする。上記によって、燃焼ガスの熱が、改質部に伝わらずに改質装置の系外に排出されることが少なくなるよう、上記燃焼ガスが改質部の内側の近傍を通過するようにするものである。また、上記改質装置は、改質部と燃焼ガスの伝熱面積が減少することがないようにすると共に、上記空気室は、燃焼ガスの熱が放熱されることを抑える断熱層としても機能することができるものである。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に効率良く伝えるものである。
【０００６】
請求項２記載の改質装置は、請求項１記載の改質装置において、上記改質部の内側に形成した燃焼ガス流路に連接して、改質部の外側に、燃焼ガスが流れるガス流路が形成されていることを特徴とする。上記によって、改質部の外側からも、燃焼ガスの熱を改質部に伝えることができるものである。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に、より効率良く伝えることができるものである。
【０００７】
請求項３記載の改質装置は、請求項１又は請求項２記載の改質装置において、上記改質部と燃焼ガスの伝熱面に対向する、燃焼ガスが流れる流路の壁面に、高放射伝熱体を付設してなることを特徴とする。上記によって、改質部から放射した熱が、高放射伝熱体で反射するので、改質部を暖めることができるものである。したがって、上記改質装置は、高放射伝熱体を付設するので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に、より効率良く伝えることができるものである。
【０００８】
請求項４記載の改質装置は、請求項１乃至請求項３いずれか記載の改質装置において、上記改質部に熱エネルギーを供給した燃焼ガスと、外気とで熱交換する熱交換器を備え、且つ、この熱交換器を通過した外気を燃焼部に導入する手段を備えることを特徴とする。上記によって、燃焼部に導入する空気が加熱された状態で導入されるので、燃焼ガスの発熱を速めることができるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１〜３記載の改質装置に対応する実施の形態の一例を示す概略図である。上記改質装置１は、原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素に富んだ改質ガスを生成する改質部２、上記水蒸気改質反応の熱エネルギーとなる燃焼ガスを供給する燃焼部３を備えている。上記改質装置１は、略円筒状の形状をしており、下部に燃焼部３と、この燃焼部３の上方で、改質装置１の外周に亘って環状の層をなす改質部２を備え、また、上記環状の層をなす改質部２の環内に、燃焼ガス流路４が形成されている。なお、図中の矢印は、燃焼ガス、又は、原料や改質ガスの流れる方向を示す。
【００１０】
上記燃焼部３は、略円筒状の改質装置１の中心部に配置してあり、軸方向を上下として、上方に開口し、燃焼手段としてバーナーを備えている。また、燃焼部３の下端には、燃料ガスと燃焼用の空気を導入する燃料供給路５が接続されている。上記燃焼部３は、燃料供給路５から導入された燃料ガスと空気をバーナーで燃焼し、発生した高温の燃焼ガスを、燃焼部３の上方に形成された燃焼ガス流路４に供給する。なお、上記燃焼手段としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ等の燃焼触媒を担持させたものを使用してもよい。
【００１１】
上記改質部２は、改質触媒を充填して形成されるものであり、燃焼部３で発生した燃焼ガスで加温されるようになっている。上記改質部は、原料と水蒸気を導入する原料導入路６を下端に備え、改質部２で生成した改質ガスを排出する改質ガス供給路７を上端に備えている。上記改質触媒は、原料と水蒸気を高温下で接触させることで、水素に富んだ改質ガスを生成させる、いわゆる水蒸気改質反応を起こすもので、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の金属をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが例示される。改質部２では、改質触媒の粒子間の隙間を、上記原料と水蒸気の混合ガスが通り抜けるようになっており、このとき、上記混合ガスが改質触媒に接触することにより水蒸気改質反応が行われ、改質ガスを生成する。この水蒸気改質反応は、吸熱反応であって、燃焼ガスの熱エネルギーによって加熱され、反応熱が供給されるものである。上記原料としては、メタノール等のアルコール系燃料や天然ガス、ブタン、プロパン等の炭化水素系燃料のガスが利用される。因みに、上記水蒸気改質反応は、原料としてブタンガスを用いた場合、反応温度を５００℃以上とすると良好な反応が行えるものである。
【００１２】
上記改質装置１は、改質部２が環状の層をし、この環状の層をなす改質部２の内側８に燃焼ガス流路４を形成している。上記燃焼ガス流路４は、改質装置１の平面断面視で、上記改質部２の内側８に隣接して環状に形成するものである。また、上記改質装置１は、上記燃焼ガス流路４の内側に、空気を密閉した空気室１１が設けられている。上記改質装置１は、上記空気室１１を備えることで、燃焼ガスの熱が、改質部２に伝わらずに改質装置１の系外に排出されることを少なくなるよう、上記燃焼ガスが上記改質部２の内側８の近傍を通過するようにしている。また、上記改質装置１は、燃焼ガスが改質部２の内側８の近傍を通過するので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部２に効率良く伝えることができる。
【００１３】
また、上記改質装置１は、燃焼ガスが改質部２の内側８の近傍を通過するよう流路の横断面積を小さくすると共に、これに伴い改質部２と燃焼ガスの伝熱面積が減少することがないようにしたものである。また、空気は、例えば、ガラスウール等に比較しても断熱層として良好なものであり、上記空気室１１は、燃焼ガスの熱が改質装置１の系外に放熱されることを抑える断熱層としても機能するものである。
【００１４】
さらに、上記改質装置１は、上記改質部２の外側９に亘ってガス流路１０が形成され、上記燃焼ガス流路４と上記ガス流路１０は、改質装置１の上端で接続されている。上記改質装置１は、上記改質部２の内側８を流れた燃焼ガスが、改質装置１の上端で迂回し、改質部２の外側９を流れるようになっているので、改質部の外側９からも、燃焼ガスの熱が改質部２に伝わるため、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部２により効率良く供給することができる。
【００１５】
さらに、上記改質装置１は、上記改質部２と燃焼ガスの伝熱面に対向した流路の壁面に、高放射伝熱体を付設されている。すなわち、上記改質装置１は、改質部２の内側８の面に対向する空気室１１の壁面１２、及び、改質部２の外側９の面に対向するガス流路１０の壁面１３に、高放射伝熱体１４が付設されている。上記高放射伝熱体１４は、放射率が０．４以上の伝熱体であり、例えば、アルミナ、銀等が挙げられる。上記放射率は、汎用される放射率計で測定されるものである。上記高放射伝熱体１４の付設は、高放射伝熱体１４を含有した混合液を上記壁面１２、１３に塗装することにより行うことができる。上記改質装置１は、高放射伝熱体１４を付設するので、改質部２から放射した熱が、高放射伝熱体１４で反射し、改質部２を暖めることができる。したがって、上記改質装置１は、高放射伝熱体を付設することで、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部２に、より効率良く供給することができる。
【００１６】
図２は、請求項４記載の改質装置に対応する実施の形態の一例を示す概略図である。図１の改質装置と異なる点のみ説明する。上記改質装置１は、上記改質部２の外側９に亘って形成されたガス流路１０に連接して、熱交換器２０を備えている。上記熱交換器２０では、改質部２に熱エネルギーを供給した燃焼ガスが流れる排出ガス流路２１と外気が流れる外気路２２の間で、排出ガス流路２１から外気路２２に熱交換がされ、外気が加熱される。図中の符号２２は、排出ガス流路２１と外気路２２を覆う、ガラスウール等からなる断熱層である。
【００１７】
上記改質装置１は、外気路２２が燃料供給路５に接続している。これにより、上記改質装置１は、加熱された空気を、燃料ガスと共に燃焼部３に導入することができるため、空気が加熱された状態で導入するので、燃焼ガスの発熱を速めることができる。したがって、上記改質装置１は、燃焼ガスの熱エネルギーを、より効率良く利用することができるものである。
【００１８】
また、改質部２で生成した改質ガスは、水素以外にＣＯ等を含有しているので、ＣＯを除去するためＣＯ酸化装置（図示せず）を経由して、燃料電池等に供給される。また、排出ガス流路２１を通過した燃焼ガスを、ＣＯ酸化装置の加熱に使用することもできる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１記載の改質装置は、燃焼ガスが改質部の内側近傍を通過するので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に効率良く伝えることができる。また、上記改質装置は、改質部と燃焼ガスの伝熱面積が減少することがないようにするものである。また、上記改質装置は、空気室を燃焼ガスの熱が放熱されることを抑える断熱層としても機能させることができるものである。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを効率的に利用することができる。
【００２０】
さらに、請求項２記載の改質装置は、特に、改質部の外側からも、燃焼ガスの熱が改質部に伝えることができるので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に、より効率良く伝えることができる。
【００２１】
さらに、請求項３記載の改質装置は、特に、改質部から放射した熱が、高放射伝熱体で反射し、改質部を暖めることができるので、燃焼ガスの熱エネルギーを改質部に、より効率良く伝えることができる。
【００２２】
さらに、請求項４記載の改質装置は、特に、燃焼部に導入する空気が加熱された状態で導入されるので、燃焼ガスの発熱を速めることができる。したがって、上記改質装置は、燃焼ガスの熱エネルギーを、より効率良く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質装置の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の他の改質装置の実施の形態の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１      改質装置
２      改質部
３      燃焼部
４      燃焼ガス流路
５      燃料供給路
１１    空気室
１４    高放射伝熱体
【図１】
0003780782.tif 000002
【図２】
0003780782.tif 000003