JP2004018280A

JP2004018280A - 改質システム

Info

Publication number: JP2004018280A
Application number: JP2002172483A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Nakaji; 中路　義晴; Yasukazu Iwasaki; 岩崎　靖和
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】燃料電池に水素を充分な量で供給可能な改質システムを得る。
【解決手段】炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器１内で水素を含む燃料ガスに変換し、燃料ガスを貯蔵タンク１５に貯える改質システムであり、改質室２での化合物から水素を含む燃料ガスを水蒸気改質反応により製造し、改質室２の燃料ガスから水素分離膜３、４を透過させて水素分離室５、６に水素を分離し、上流の水素分離室５を貯蔵タンクに連通させ、水素分離膜３は改質室２の化合物入口１１付近の領域を外して配置した。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を製造する改質システムに関し、特に、負荷変動が大きい移動体用の燃料電池等の消費手段に対して水素を含む化合物から改質して燃料ガスを供給する改質システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池の負荷変動に応答するために貯蔵タンクを備えた改質システムは知られており、例えば、特許第３２２０４３８号に記載されたものがある。
【０００３】
このものは、移動体用の燃料電池として好適な固体高分子型燃料電池の燃料ガスである水素を、取り扱いの簡便なアルコールやガソリンのような炭化水素等の水素を含む化合物から水蒸気改質反応手段により得る改質システムである。そして、貯蔵タンクに水蒸気改質反応手段から得られた水素を含む燃料ガスを貯蔵し、水蒸気改質反応手段の応答速度が不充分な時には貯蔵タンクからも燃料ガスを供給可能としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アルコールやガソリンのような炭化水素等の化合物を水蒸気改質反応等によって水素リッチな改質ガスに変換する場合、反応圧力を高めると水素とともにメタンガスが多く生成されることが知られている。
【０００５】
しかしながら、上記従来例では、貯蔵タンクに水素を含む燃料ガスを貯蔵するよう水蒸気改質反応手段の圧力を燃料電池の動作圧力よりも高く設定し、その圧力差を利用して貯蔵タンクに水素を含む燃料ガスを貯蔵するようにしている。
【０００６】
このため、水蒸気改質反応手段でメタンガスが多く発生され、このメタンガスは下流のシフトコンバータとＣＯ選択酸化器を通過して燃料電池に供給され、燃料電池で消費すべき十分な量の水素を供給できない恐れがあった。
【０００７】
さらに、上記メタンガスは水蒸気改質に必要な熱を発生させるよう燃焼器で燃焼させることもできるが、多く発生されたメタンガスの熱量は水蒸気改質に必要な熱量を上回ることとなり、結果として燃焼熱の一部は再利用できずに捨てることとなり、燃費効率の悪化を招く虞がある。
【０００８】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池に水素を充分な量で供給可能な改質システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換し、消費手段に消費させるべく燃料ガスから分離した水素を貯蔵手段に貯える改質システムであって、前記化合物から水素を含む燃料ガスを製造する反応が水蒸気改質反応であり、前記反応器の種類が水素分離膜を備える膜反応器であり、前記反応器の化合物入口付近の領域には水素分離膜を備えないことを特徴とする。
【００１０】
前記消費手段としては、燃料ガスを用いて発電する燃料電池のみでなく、例えば、水素リッチなガスを燃料とする内燃機関である改質ガスエンジンである場合も含む。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、反応器に前記化合物を水蒸気改質する改質室から水素分離膜を介して水素を取出す水素分離室を、化合物の入口に近い上流側水素分離室と遠い下流側水素分離室とに独立させ、上流側水素分離室を前記貯蔵手段に連通させることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、第２の発明において、上流側水素分離室が改質室と連通する水素分離膜と下流側水素分離室が改質室と連通する水素分離膜との間に水素を透過しない領域を設けたことを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、第１の発明において、直列に接続した少なくとも二つの改質反応器を、上流側の反応器は、化合物から水蒸気改質反応により水素を含むガスを製造し、反応器の化合物入口付近の領域を除いて位置する水素分離膜の膜反応により水素を分離し、分離した水素を貯蔵手段に貯蔵させ、下流側の反応器は、上流側の反応器のブリードガスから水蒸気改質反応により水素を含むガスを製造し水素分離膜の膜反応により水素を分離することを特徴とする。
【００１４】
第５の発明は、第４の発明において、上流側の反応器と下流側の反応器との間に圧力調整弁を備えることを特徴とする。圧力調整弁は上流側の反応器の反応圧力を調整できる。
【００１５】
第６の発明は、第４または第５の発明において、上流側の反応器の触媒が下流側の触媒よりも低温で活性を示すことを特徴とする。
【００１６】
第７の発明は、第１の発明において、改質システムは、圧力調整弁を介して供給される改質反応器のブリードガスの一酸化炭素を除去するＣＯ除去装置を備えることを特徴とする。
【００１７】
第８の発明は、炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換し、消費手段に消費させるべく燃料ガスから分離した水素を貯蔵手段に貯える改質システムであって、前記改質反応器は、化合物から水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造する反応器と、前記水蒸気改質反応により生じた燃料ガスから水素分離膜によって水素を分離して前記貯蔵手段に貯蔵させる分離器とからなる一段目の反応手段と、一段目の反応手段のブリードガスから水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造し、水素を透過する水素分離膜の膜反応により水素を分離する二段目の反応手段と、で構成したことを特徴とする。
【００１８】
第９の発明は、第８の発明において、一段目の反応手段と二段目の反応手段との間に圧力調整弁を備えることを特徴とする。
【００１９】
第１０の発明は、第８または第９の発明において、一段目の反応手段の触媒が、二段目の反応手段の触媒よりも低温で活性を示すことを特徴とする。
【００２０】
【発明の効果】
したがって、第１の発明では、炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換し、消費手段に消費させるべく燃料ガスから分離した水素を貯蔵手段に貯える改質システムであって、前記化合物から水素を含む燃料ガスを製造する反応が水蒸気改質反応であり、前記反応器の種類が水素分離膜を備える膜反応器であり、前記反応器の化合物入口付近の領域には水素分離膜を備えない。
【００２１】
このため、反応器の入口付近では水素が透過しないので、改質により燃料ガスが入口付近を通過する間に反応器内で水素分圧を上昇させ、水素分圧を上昇した後に水素を分離することができ、効果的に高い分圧の水素を得ることができる。
【００２２】
しかも、その後にも水素を透過させながら水蒸気改質反応を行わせるため、ブリードガスがメタン寄りの組成になることを防ぐことができ、燃料電池に供給する燃料ガスに水素不足を生じることがなく、燃費効率の悪化を防ぐことができる。
【００２３】
第２の発明では、第１の発明の効果に加えて、反応器に前記化合物を水蒸気改質する改質室から水素分離膜を介して水素を取出す水素分離室を、化合物の入口に近い上流側水素分離室と遠い下流側水素分離室とに独立させ、上流側水素分離室を前記貯蔵手段に連通させるため、水素を多く含む上流側の改質ガスから効果的に高い分圧で水素を分離して貯蔵手段に送るとともに、下流側では残った改質ガスから改質反応によって水素を生じさせながら分離膜で分離することでメタン寄りの組成になることを防いでより多くの水素を取出し、前述したような水素の不足や燃費効率の悪化を防ぐことができる。
【００２４】
第３の発明では、第２の発明の効果に加えて、上流側水素分離室が改質室と連通する水素分離膜と下流側水素分離室が改質室と連通する水素分離膜との間に水素を透過しない領域を設けたため、下流側でも反応器内の水素分圧を適切な圧力まで上昇させた後に水素を分離させることで、効果的に水素を得ることができる。
【００２５】
第４の発明では、第１の発明の効果に加えて、直列に接続した少なくとも二つの改質反応器を、上流側の反応器は、化合物から水蒸気改質反応により水素を含むガスを製造し、反応器の化合物入口付近の領域を除いて位置する水素分離膜により水素を分離し、分離した水素を貯蔵手段に貯蔵させ、下流側の反応器は、上流側の反応器のブリードガスから水蒸気改質反応により水素を含むガスを製造し水素分離膜により水素を分離する。
【００２６】
このため、効果的に高い分圧で水素を分離して貯蔵手段に送るとともに、メタン寄りの組成になることを防いでより多くの水素を取出して、前述したような水素の不足や燃費効率の悪化を防ぐことができる。
【００２７】
第５の発明では、第４の発明の効果に加えて、上流側の反応器と下流側の反応器との間に圧力調整弁を備えるため、貯蔵手段に送られる水素の分圧をより高いものとすることができる。
【００２８】
第６の発明では、第４または第５の発明の効果に加えて、上流側の反応器の触媒が下流側の触媒よりも低温で活性を示すため、システムの起動時には上流側の反応器の起動時間を短縮でき、システムの起動性を向上することができる。
【００２９】
第７の発明では、第１の発明の効果に加えて、改質システムは、圧力調整弁を介して供給される改質反応器のブリードガスの一酸化炭素を除去するＣＯ除去装置を備えるため、メタン寄りの組成になることを防いで効果的に水素を生じさせることができるとともに、前記化合物から前記水素を分離した後のブリードガスに含まれる水素や、ブリードガスに含まれる一酸化炭素と水をシフト反応させて得られる水素を燃料電池で使用することができ、燃費効率を向上することができる。
【００３０】
第８の発明では、炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換し、消費手段に消費させるべく燃料ガスから分離した水素を貯蔵手段に貯える改質システムであって、前記改質反応器は、化合物から水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造する反応器と、前記水蒸気改質反応により生じた燃料ガスから水素分離膜によって水素を分離して前記貯蔵手段に貯蔵させる分離器とからなる１段目の反応手段と、一段目の反応手段のブリードガスから水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造し、水素を透過する水素分離膜により水素を分離する二段目の反応手段と、で構成した。
【００３１】
このため、一段目の反応で生じた高い分圧の水素を水素分離膜で分離して貯蔵手段に送ることができるとともに、二段目の反応器でメタン寄りの組成になることを防いでより多くの水素を得ることができる。
【００３２】
第９の発明では、第８の発明の効果に加えて、一目の反応手段と二段目の反応手段との間に圧力調整弁を備えるため、一段目の水素分圧をより高くできる。
【００３３】
第１０の発明では、第８または第９の発明の効果に加えて、一段目の反応手段の触媒が、二段目の反応手段の触媒よりも低温で活性を示すため、システムの起動時には一段目の反応器の起動時間を短縮でき、システムの起動性を向上することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の改質システムを実現する実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明を適用した改質システムの一例を示し、図１は改質システムの概要構成図、図２は改質室の上流から下流に向かっての水素分圧の様子を示すグラフ、図３、４は各ガスの出入口の具体的構成を示す斜視図および断面図である。
【００３６】
図１において、本発明の実施形態の改質システムは、原料である水素を含む化合物が投入される改質室２と、改質室２で発生した水素を水素分離膜３、４を通って分離させる水素分離室５、６と、化合物から水素を発生させる水蒸気改質反応に必要な熱を改質室２に供給する燃焼室７とが、改質室２を中央に挟んで積層して反応器１を構成している。図示例では、改質室２、水素分離室５、６、燃焼室７を１層ずつ備えるものであるが、例えば、燃料電池車両に用いる実際の反応器１では、それぞれの層の厚さが０．１ｍｍ単位〜１ｍｍ単位であり、それらを図示のごとく積層したものを１セットとして１０セットから１００セット程度積層したものとなる。また、各層の幅および奥行きは、数ｃｍ四方から数十ｃｍ四方程度のものとなる。
【００３７】
前記改質室２には、上流側（図示例では、左端）にアルコールやガソリン等の炭化水素等の原料化合物と水との混合物を投入する入口１１を、下流側（図示例では、右端）に水素分離室５、６に移動しなかった水素、二酸化炭素の他、一酸化炭素、メタンガス、改質されずに残ったわずかな原料化合物ガス等からなるブリードガスの出口１２を備える。ブリードガスは改質室２を高圧に保つための圧力調整弁１３を経由して燃焼室７に送られる。前記改質室２には、水素分離室５、６との隔壁および燃焼室７との隔壁の夫々の改質室２側に、前記原料化合物を水蒸気改質させるのに適した触媒層を設けている。前記触媒層は上記二つの隔壁のいずれか一方のみに配置してもよく、また、触媒層は前記両方またはいずれか一方の隔壁の改質室２側に担持させるのでなく改質室２内に充填したペレット触媒により構成してもよい。前記改質室２と水素分離室５、６との隔壁には、改質室２で発生した水素を水素分離室５、６に分離させる水素分離膜３、４を、改質室２の入口１１に続く上流から距離Ａだけ隔たった位置から始まる区間Ｂの範囲、および、区間Ｂの下流端から距離Ｃだけ下流に隔たった位置から改質室２の下流端までの区間Ｄの範囲に設けている。水素分離膜３、４が存在しない距離Ａの範囲および距離Ｃの範囲は隔壁等により水素等のガスの透過を阻止している。
【００３８】
前記水素分離室５、６は、前記隔壁の距離Ｃの位置で上流側水素分離室５と下流側水素分離室６とに分離され、上流側水素分離室５は区間Ｂに配置された水素分離膜３を介して改質室２に連通し、下流側水素分離室６は区間Ｄに配置された水素分離膜４を介して改質室２に連通する。上流側水素分離室５の出口１４は貯蔵手段としての貯蔵タンク１６に接続され、分離した水素を貯蔵させる。下流側水素分離室６の出口１５は図示されない消費手段としての燃料電池（ＣＳＡ）に接続され、分離した水素を供給する。夫々の水素分離室５、６の上流側（図中左側）には、スイープガスの入口１７、１８を設け、夫々水素分離室５、６の下流側の出口１４、１５に向かって水素を掃き出すようにしている。なお、スイープガスは必須ではなく、燃料ガスの出口１４、１５のみを設ける構造としてもよいが、下記の理由により、改質室２から水素分離膜３、４を透過した水素をスイープガスによりスイープすることが望ましい。即ち、水素分離膜３、４両側の水素分圧の平方根の差に比例して水素分子が移動するので、水素以外の気体を多く含むスイープガスによって水素分離室５、６の水素分圧を低下させて、改質室２で生じた水素分子が水素分離膜３、４を透過して水素分離室５、６に移動することを促進できる。
【００３９】
前記燃焼室７は、壁面に担持された触媒または燃焼室７内に充填されたペレット触媒を備える触媒燃焼器である。そして、入口から前記改質室２からのブリードガスと図示されない燃料電池（ＣＳＡ）からの排ガス、空気、必要に応じて原料化合物が送り込まれ、空気に含まれる酸素との酸化反応を促進して発熱して、原料化合物ガスから水素を発生させる水蒸気改質反応のための必要な熱を供給する。燃焼室７に送られるＣＳＡ排ガスは、少なくともＣＳＡの水素極の排ガスを含み、ＣＳＡでの発電に利用されずに残った水素を含んでいる。従って、ＣＳＡ排ガスや空気、原料化合物は、夫々が流量を調節された上でブリードガスに混入される。
【００４０】
以上の構成になる改質システムの作動について以下に説明する。
【００４１】
前記改質室２には、前記した水素を含む化合物である炭化水素と水の混合物が、液相の水を高圧で図示されない蒸発器に噴霧して高温高圧水蒸気とし、その水蒸気中に前記炭化水素を噴霧して水蒸気の顕熱により蒸発させた状態で入口１１から投入される。
【００４２】
前記燃焼室７には、前記改質室２からのブリードガスと図示されない燃料電池（ＣＳＡ）からの排ガス、空気、必要に応じて原料化合物が送り込まれ、空気に含まれる酸素との酸化反応を促進して発熱して、原料化合物ガスの水蒸気改質反応のための必要な熱を供給する。
【００４３】
前記改質室２内では、燃焼室７からの熱により入口１１から投入された原料化合物ガスが、水蒸気改質反応により改質されながら上流から下流に向かって流れる。生成された水素は水素分離膜３、４を透過して水素分離室５、６へ透過し、下流に進むにつれて水素分圧が下がる。即ち、水素分離膜３、４両側の水素分圧の平方根の差に比例して、水素分子が移動する。
【００４４】
図２は、水蒸気改質反応により生じた水素が水素分離膜３、４を透過して水素分離室５、６に移動することにより、改質室２の上流から下流に向かって水素分圧が下がっていく様子を示したものである。
【００４５】
図２において、Ａの領域、即ち、水素を透過しない隔壁が配された前記原料化合物の入口１１に続く領域においては、ガスが入口１１から進むにつれて水蒸気改質反応が進み、水素分圧が増加していく。
【００４６】
Ｂの領域、即ち、Ａの領域に続き水素分離膜３が配された領域においては、水蒸気改質反応によって生成された水素が水素分離膜３を透過して水素分離室５に移動するため、結果として水素分圧が低下していく。
【００４７】
Ｃの領域、即ち、上流側水素分離室５と下流側水素分離室６の仕切り付近に設けられた水素を透過しない隔壁をもつ領域においては、Ａの領域と同じく水素が透過しないために、再び水素分圧が増加する。
【００４８】
最後のＤの領域、即ち、水素分離膜４が配された領域では、上記Ｂの領域と同じく水蒸気改質反応によって生成された水素が水素分離膜４を透過して水素分離室６に移動するため、結果として水素分圧が徐々に低下していく。
【００４９】
このように、原料化合物ガスが改質されながら下流に進むにつれて水素分圧が下がっていくため、水素分離膜３、４を用いない反応器に比べて、水素寄りの平衡になる。
【００５０】
比較対象である一般の炭化水素と水との混合物の水蒸気改質反応では、例えば、オクタンと水との反応では、Ｃ_８Ｈ_１８＋１６Ｈ_２Ｏ⇔８ＣＯ_２＋２５Ｈ_２となる。ただし、その反応は平衡反応であり、二酸化炭素と水素が圧力や温度の条件に応じた比率で生成され、反応しなかったオクタンと水が残るだけでなく、中間物質としてのメタンや一酸化炭素も圧力や温度の条件に応じて生成される。圧力一定の条件下では、オクタン等から生じるメタンの比率は、温度が高くなるほど小さくなることが知られている。また、ガソリンのような組成の炭化水素を大気圧付近で水蒸気改質反応させる場合、７００℃以上、望ましくは７５０℃以上の反応温度にすることで改質反応後の燃料ガス中のメタンの比率を極めて小さいものとすることができる。そして、同じ温度条件下での反応後の組成は、メタン１分子（ＣＨ_４）中には水素原子が４個含まれることからも分かるように、圧力が高くなるほど、水素寄りでなく、メタン寄りのものとなる。
【００５１】
しかしながら、本実施形態の反応器１では、水素分離膜３、４を備えた膜反応器であることから多くのメタンガスを生じることを避けることができる。即ち、水蒸気改質反応により生じた水素が水素分離膜３、４を透過して水素分離室５、６に移動することにより、反応後の燃料ガスに含まれる水素が少なるため、水素が増える方向、すなわちメタンが減る方向に平衡がずれる。
【００５２】
前記改質室２、水素分離室５、６、燃焼室７への化合物ガス、スイープガス、燃料ガス等の出入口は、各層に平行に出入するように図示したが、各室２、５〜７を積層するものでは、例えば、図３、図４に示す構造とすることがより望ましい。
【００５３】
即ち、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、上下に連通した複数の穴Ｅ〜Ｇを共通して備え、夫々の穴Ｅ〜Ｇに種類の異なるガスを通過させる通路ブロック２１〜２３を設ける。この通路ブロック２１〜２３を各層の隔壁間に介挿して各室２、５〜７の壁面となるよう配置し、ブロック２１〜２３同士で挟まれた隔壁にも同様に複数の穴を設ける。そして、通路は通路ブロック２１〜２３の室５〜７側（図示例では、手前側）の縁を切欠くことで目的とする室に連通させる。
【００５４】
図４は、各穴Ｅ〜Ｇの断面を（Ｅ）断面〜（Ｇ）断面として示すものであり、Ｅの孔は切欠き２４を介してのみ連通しているため、例えば、水素分離室５にスイープガスを供給する通路とし、同様に、Ｆ，Ｇの孔は夫々切欠き２５、２６を介してのみ連通しているため、例えば、改質室２へ燃料を供給する通路および燃焼室７から燃焼ガスを排出する通路とする。もちろん穴Ｅ〜穴Ｇの形状や、前記孔Ｅ〜Ｇを各層に連通させるための切欠き２４〜２６の形状は、図３に示すものに限られるものではない。
【００５５】
ここでは、説明を解かり易くするために、それらの形状を単純なものとしているが、圧力損失を小さくするために、各孔Ｅ〜Ｇの面積を大きくすることや、各孔Ｅ〜Ｇから各室２、５〜７に均一な分布でガスを拡散させるために、各切欠き２４〜２６の開口部をさらに広げることが望ましい。
【００５６】
以上のように、本実施形態では、上流側水素分離室５の出口１４は貯蔵タンク１６に接続され、図２に示すように、原料化合物ガスの入口１１付近では水素分圧が高くなるため、上流側水素分離室５の出口から得られる燃料ガスも水素分圧が高く、貯蔵タンク１６に貯蔵するのに適している。しかも、前述のように、改質室２の圧力を高くしながらも、メタン寄りの組成になることを防ぐことができるので、燃料電池で発電に用いられる燃料ガス中の水素の不足や燃費効率の悪化を防ぐことができる。なお、より一層水素貯蔵の効率を高めるために、図示されないコンプレッサを上流側水素分離室５の出口１４に接続しても良い。また、図２のＣの領域は上流側と下流側の水素分離室５、６を仕切る構造を、水素を透過しない部材で支持するものとして設けているが、図示しないが、この部分を水素分離膜３、４の支持体で兼用させてもよい。
【００５７】
本実施形態にあっては、下記に記載した効果を奏することができる。
【００５８】
（ア）炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器１内で水素を含む燃料ガスに変換し、消費手段としての燃料電池等に消費させるべく燃料ガスを貯蔵手段としての貯蔵タンク１６に貯える改質システムであって、前記化合物から水素を含むガスを製造する反応が水蒸気改質反応であり、前記反応器１の種類が水素分離膜を備える膜反応器であり、前記反応器１の化合物入口１１付近の領域には水素分離膜３を備えないよう構成している。
【００５９】
このため、反応器１の入口１１付近は水素を透過しないので、化合物燃料が入口１１付近を通過する間に反応器１内で水素分圧が上昇した後に水素を分離することができ、効果的に高い分圧の水素を得ることができる。
【００６０】
しかも、その後にも水素を透過させながら水蒸気改質反応を行わせるため、燃料ガスがメタン寄りの組成になることを防ぐことができ、燃料電池に供給する燃料ガスに水素不足を生じることがなく、燃費効率の悪化を防ぐことができる。
【００６１】
（イ）加えて、反応器１に前記化合物を水蒸気改質する改質室２から水素分離膜３、４を透過させて水素を取出す水素分離室５、６を、化合物の入口１１に近い上流側水素分離室５と遠い下流側水素分離室６とに独立させ、上流側水素分離室５を前記貯蔵手段としての貯蔵タンク１６に連通させるため、水素を多く含む上流側の改質ガスから効果的に高い分圧で水素を分離して貯蔵タンク１６に送るとともに、下流側では残った燃料ガスから改質反応によって水素を分離させ分離膜３、４を透過させることで燃料ガスがメタン寄りの組成になることを防いでより多くの水素を取出して、前述したような水素の不足、燃費効率の悪化を防ぐことができる。
【００６２】
（ウ）しかも、上流側水素分離室５を改質室２へ連通させる水素分離膜３と下流側水素分離室６を改質室２へ連通させる水素分離膜４との間に水素を透過しない領域Ｃを設けたため、下流側でも反応器１内の水素分圧を適切な圧力まで上昇させた後に水素を分離させることで、効果的に水素を得ることができる。
【００６３】
（第２実施形態）
図５〜図７は、本発明の改質システムの第２の実施形態を示し、図５は反応器の外観斜視図、図６はその断面図、図７は変形例を示す断面図である。本実施形態においては、燃焼室７、改質室２および水素分離室５、６を積層することに代えて円筒状のケース２８内に内蔵するようにしたものである。
【００６４】
図５、６において、反応器１は、環状の空間に形成した燃焼室７と、環状の燃焼室７の内側に筒状に形成した改質室２と、燃焼室７および改質室２の両端に配置した上流側水素分離室５および下流側水素分離室６とで形成している。改質室２には、図中左側に入口１１が、右側に出口１２が形成され、図中左側が上流となっている。
【００６５】
前記上流側水素分離室５と改質室２との仕切り壁２９には、上流側水素分離室５から改質室２内に突出させて先端が閉じたチューブ３０が配置される。チューブ３０は仕切り壁２９から所定長さの領域Ａではチューブ３０の内外が連通されてなく、先端側の領域Ｂでは破線図示されているように内外が多数の穴等により連通可能であり、その領域Ｂは水素分離膜３で覆われている。チューブ３０は複数（図示例では、３本）本が配置されている。
【００６６】
同様にして、下流側水素分離室６と改質室２との仕切り壁３１には、下流側水素分離室６から改質室２内に突出させて先端が閉じたチューブ３２が配置される。チューブ３２先端は前記上流側水素分離室５から突出されたチューブ３０の先端と寸法Ｃだけ離間させて突出され、先端までの領域Ｄでは破線図示されているように内外が多数の穴等により連通可能であり且つ水素分離膜４で覆われている。チューブ３２は複数（図示例では、３本）本が配置されている。
【００６７】
なお、燃焼室７、改質室２、上流側水素分離室５、および下流側水素分離室６へ夫々供給若しくは排出するガスは前実施態様と同様である。また、改質室２には、水蒸気改質反応に適したペレット触媒が充填され、前記チューブ３０、３２を覆う水素分離膜３、４上にも触媒を担持させるようにしてもよい。また、燃焼室７にも酸化反応を促進させるペレット触媒が充填されている。
【００６８】
上記の領域Ａ〜Ｄは、第１実施形態の領域Ａ〜Ｄと同様に作用し、水素は、領域Ｂにおいて水素分離膜３を透過して上流側水素分離室５に分離され、領域Ｄにおいて水素分離膜４を透過して下流側水素分離室６に分離される。
【００６９】
図７に示す変形例においては、改質室２の片側にのみに水素分離室が形成され、上流側水素分離室５と下流側水素分離室６に壁により分割している。夫々の水素分離室５、６と改質室２との仕切り壁３３には、各水素分離室５、６から改質室２内に突出させて先端が閉じた複数のチューブ３４、３５を配置する。上流側水素分離室５に通じるチューブ３４は、改質室２の上流（図中左側）の壁面から領域Ａだけ隔てた長さに形成され、先端から領域Ｂの長さに亙ってチューブ３４内外が多数の穴等によって連通可能となっている。下流側水素分離室６に通じるチューブ３５は、改質室２の下流（図中右側）の壁面３３から領域Ｄの範囲に突出し、チューブ３５内外が連通可能となっている。夫々のチューブ３４、３５の内外が連通可能となった領域Ｂ、Ｄは水素分離膜３、４で覆っている。その他の構造は、図５、６と同様である。
【００７０】
この構成においても、領域Ａ〜Ｄは、第１実施形態の領域Ａ〜Ｄと同様に作用し、水素は、領域Ｂにおいて水素分離膜３を透過して上流側水素分離室５に分離され、領域Ｄにおいて水素分離膜４を透過して下流側水素分離室６に分離される。
【００７１】
本実施形態においては、第１の実施形態と同様の効果（ア）〜（ウ）に加えて、ケース２８は円筒形状であるため耐圧構造にし易く、多数のチューブ３０、３２、３４、３５を内部に設ける構造としているため水素分離膜３、４の表面積を大きくし易い、という効果（エ）が得られる。
【００７２】
（第３実施形態）
図８は、本発明の改質システムの第３の実施形態を示すシステム図であり、夫々一つの水素分離室５または６を備える二つの水蒸気改質膜反応器１Ａ、１Ｂを圧力調整弁１３Ａを介して接続して構成したものである。
【００７３】
前記上流側および下流側の膜反応器１Ａ、１Ｂは、改質室２Ａ、２Ｂ、水素分離室５、６、および、燃焼室７Ａ、７Ｂを夫々備え、原料化合物は上流側改質室２Ａから下流側改質室２Ｂに流れ、ブリードガスは下流側燃焼室７Ｂを経由して上流側燃焼室７Ａに流れる。
【００７４】
上流側膜反応器１Ａの改質室２Ａ（上流側改質室）の圧力は出口に配置した圧力調整弁１３Ａにより調整可能となっており、投入される原料である化合物の水蒸気改質反応の圧力条件を設定する。出口ガスは下流側膜反応器１Ｂの改質室２Ｂ（下流側改質室）に供給する。下流側膜反応器１Ｂの改質室２Ｂ（下流側改質室）の圧力は出口に配置した圧力調整弁１３Ｂにより調整可能となっており、上流側改質室２Ａからの出口ガスの水蒸気改質反応の圧力条件を設定する。ブリードガスは下流側燃焼室７Ｂに供給する。そして、上流側改質室２Ａの改質触媒の活性は下流側改質室２Ｂの改質触媒に対して低温で活性を示す触媒が用いられている。
【００７５】
上流側改質室２Ａの上流付近の領域Ａおよび下流側改質室２Ｂの上流付近の領域Ｃには、第１の実施形態と同様に水素を透過しない隔壁が構成され、改質により分離された水素の水素分圧を上昇させる。各改質室２Ａ、２Ｂは水素分離膜３、４を介して各水素分離室５、６に連通している。各水素分離室５、６にスイープガスが供給され、上流側水素分離室５は貯蔵タンク１６に連通し、下流側水素分離室６は燃料電池（ＣＳＡ）に連通している。
【００７６】
下流側の反応器１Ｂの改質室２Ｂから出たブリードガスとＣＳＡ排ガス、空気、原料化合物を混合したものが下流側反応器１Ｂの燃焼室７Ｂに送られ、下流側反応器１Ｂの改質室２Ｂでの水蒸気改質反応に必要な熱を発生させる。ＣＳＡ排ガス、空気、原料化合物は第１の実施例と同様に、それぞれ流量を調節されてブリードガスに混合される。
【００７７】
下流側反応器１Ｂの燃焼室７Ｂの排ガスは、それぞれ流量を調節されたＣＳＡ排ガス、空気、原料化合物と混合して上流側反応器１Ａの燃焼室７Ａに送られ、上流側反応器１Ａの改質室２Ａでの水蒸気改質反応に必要な熱を発生させる。
【００７８】
上流側改質室２Ａは圧力制御弁１３Ａの上流において上流側燃焼器７Ａの入口とバイパス弁３８を介して連通可能であり、圧力制御弁１３Ａが閉じられた時にバイパス弁３８を開いて上流側改質室２Ａの出口ガスを上流側燃焼室７Ａに供給可能としている。バイパス弁３８は改質室２Ａの圧力を高圧に維持する。
【００７９】
本実施形態でも上流側反応器１Ａの改質室２Ａの上流の領域Ａに水素を透過しない部材が配されているため、水素分圧が適切に上昇し、貯蔵タンク１６ヘの貯蔵に適した圧力を生じる。
【００８０】
さらに、圧力調整弁１３Ａで上流側反応器１Ａの改質室２Ａ内を高圧に保つことにより、さらに高い水素分圧を得ることができる。上流側反応器１Ａの改質室２Ａの出口ガスは、膜反応器である下流側反応器１Ｂの改質室２Ｂでさらに改質されてメタン寄りの組成になることを防いで、燃料電池での発電に用いられる燃料ガス中の水素の不足や燃費効率の悪化を防ぐことができる。
【００８１】
以上のように、本実施形態においては、第１、２実施形態と同様に作動させて同様の効果を発揮させることができる他、上流側と下流側とに反応器１Ａ、１Ｂを分離したため、いずれか一方のみを単独で運転することができる。このため、下記のような運転をさせることで起動時間を短縮することもできる。
【００８２】
即ち、システムの起動時、上流側圧力制御弁１３Ａを閉じ、バイパス弁３８を開放した状態で起動させる。上流側改質室２Ａに供給される化合物は低温活性の改質触媒により低温から改質反応を行い、水素分離膜３により水素を透過させて水素分離室５を経由して燃料電池の発電に必要な水素を含む燃料ガスを発生させる。
【００８３】
前記改質室２Ａは、バイパス弁３８で設定された高圧に維持され、低温であるため、上流側反応器１Ａの改質室２Ａの出口ガスには多くのメタンが含まれる。しかしながら、この出口ガスはバイパス弁３８を介して上流側反応器１Ａの燃焼室７Ａに投入される。即ち、出口ガスに含まれるメタンは上流側反応器１Ａの燃焼室７Ａで発熱反応して上流側反応器１Ａを加熱する。このように、上流側反応器１Ａだけの加熱であれば、反応に適した温度まで反応器を昇温させるのに要する時間が、二つの反応器を加熱する場合に比較して短くなる。この時点では下流側反応器１Ｂが起動していないため、燃料電池で定格出力を発電するのに必要な量の燃料ガスを発生させることはできず、燃料電池を全負荷運転することはできないが、部分負荷運転に必要な燃料ガスを発生させるには充分である。このように、上流側反応器１Ａを起動させながら、下流側反応器１Ｂの燃焼室７Ｂに可燃ガスと空気を送って下流側反応器１Ｂを起動させる。また、図示しないが、上流側反応器１Ａで発生させた燃料ガスにより燃料電池を運転する際に生じる廃熱を利用して上流側反応器１Ａおよびまたは下流側反応器１Ｂを加熱してもよい。以上のように、起動時間を短くできるという効果もある。
【００８４】
本実施形態では、第１実施形態における効果（ア）に加えて、下記に記載する効果を奏することができる。
【００８５】
（オ）直列に接続した少なくとも二つの改質反応器１Ａ、１Ｂを、上流側の反応器１Ａは、化合物から水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造し、反応器１Ａの化合物入口付近の領域Ａを除いて位置する水素分離膜３の膜反応により水素を分離し、分離した水素を貯蔵タンク１６に貯蔵させ、下流側の反応器１Ｂは、上流側の反応器１Ａのブリードガスから水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造し水素分離膜４の膜反応により水素を分離する。
【００８６】
このため、効果的に高い分圧で水素を分離して貯蔵タンク１６に送るとともに、メタン寄りの組成になることを防いでより多くの水素を取出して、前述したような水素の不足や燃費効率の悪化を防ぐことができる。
【００８７】
（カ）上流側の反応器１Ａと下流側の反応器１Ｂとの間に圧力調整弁１３Ａを備えるため、貯蔵タンク１６に送られる水素の分圧をより高いものとすることができる。
【００８８】
（キ）上流側の反応器１Ａの触媒が下流側の反応器１Ｂの触媒よりも低温で活性を示すため、システムの起動時には上流側の反応器１Ａの起動時間を短縮でき、システムの起動性を向上することができる。
【００８９】
（第４実施形態）
図９は、本発明の改質システムの第４の実施形態を示すシステム図であり、第３の実施形態の下流側膜反応器１Ｂに代えてＣＯ除去装置としてのシフト反応器３９とＣＯ選択酸化器４０（以下、ＰｒＯｘ反応器という）を用いるようにしたものである。
【００９０】
図９において、膜反応器１Ａの改質室２Ａの出口側には、圧力調整弁１３Ａ、ＣＯ除去装置としてのシフト反応器３９およびＰｒＯｘ反応器４０を介して燃料電池（ＣＳＡ）に接続され、改質室２Ａの改質ガスは、これら圧力調整弁１３Ａ、シフト反応器３９、ＰｒＯｘ反応器４０を経由してＣＳＡに供給される。
【００９１】
膜反応器１Ａの燃焼室７Ａには、少なくともＣＳＡ水素極の排ガスを含むＣＳＡの排ガスが導入され、図示されない流量調節装置によって夫々調節された流量の原料化合物および空気も投入される。
【００９２】
また、第３の実施形態と同様に、膜反応器１Ａに原料化合物を投入し、水素分離室５からスイープガスとともに取出した水素を貯蔵タンク１６に貯蔵する。
【００９３】
前記シフト反応器３９は、一酸化炭素と水を反応させて、二酸化炭素と水素に生成する反応器である。即ち、ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔ＣＯ_２＋Ｈ_２となる。この反応のために、十分な水が含まれない改質ガスに対しては、シフト反応器３９の入口において水を加える。この反応は平衡反応であり、温度が低いほど水素が増える方向に反応が進む。具体的な反応温度範囲は、１５０℃〜４００℃、望ましくは２００℃〜３５０℃である。
【００９４】
一方、改質室１２Ａでの水蒸気改質に適した反応温度は、原料化合物によって異なるが、ガソリンのような組成の原料化合物では７００℃以上であり、膜反応器１Ａを採用すれば６００℃〜５５０℃程度まで下げることができる。また、原料化合物がメタノールのような組成の場合には、改質反応温度が４００℃、あるいはそれ以下でよい。ガソリンのような原料化合物の改質反応器に適した反応温度はシフト反応器３９に適した反応温度との間に大きな温度差があり、シフト反応器３９の入口で水を加える場合の方法として、液相の水を噴霧により蒸発させてその気化熱でシフト反応器３９への入口ガス温度を下げるようにするのが望ましい。
【００９５】
前記ＰｒＯｘ反応器４０は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化し、その濃度を低減させる反応器である。ＰｒＯｘ反応器４０の入口においては、酸化剤としての空気を加える。
【００９６】
以上の構成においても、第３の実施形態と同様に、圧力調整弁１３Ａで膜反応器を高圧に保つことで、水素分離室５から取出される燃料ガスの水素分圧が、貯蔵に適した高い分圧とできる。
【００９７】
また、シフト反応器３９およびＰｒＯｘ反応器４０は、膜反応器１Ａで生じたメタンを水素に改質する機能を持たないため、改質ガス中に含まれるメタンはそのままＣＳＡに送られる。そして、燃料電池ＣＳＡとして固体高分子型燃料電池であるので、メタンはそのまま排ガスとなってＣＳＡ水素極から戻されて燃焼室７Ａに至り、改質室２Ａでの水蒸気改質に必要な熱を生じさせるのに利用される。
【００９８】
即ち、圧力調整弁１３Ａを膜反応器１Ａの改質室２Ａの出口に備えることで、貯蔵に好適な高い分圧の水素を膜反応器１Ａで生成する一方、膜反応器１Ａで生じたメタンを有効に利用して、燃費効率の悪化を防いでいる。
【００９９】
なお、第３の実施形態と同様に、起動時に膜反応器１Ａの改質室２Ａの出口ガスをバイパス弁３８を経由して直接燃焼室７Ａに投入して、膜反応器１Ａだけを先に起動するようにしてもよい。
【０１００】
本実施形態においては、第１の実施形態の効果（ア）に加えて、下記に記載した効果を奏する。
【０１０１】
（ク）改質システムは、圧力調整弁１３Ａを介して供給される改質反応器１Ａのブリードガスの一酸化炭素を除去するＣＯ除去装置としてのシフト反応器３９とＰｒＯｘ反応器４０を備えるため、メタン寄りの組成になることを防いで効果的に水素を生じさせることができるとともに、前記化合物から前記水素を分離した後のブリードガスに含まれる水素や、ブリードガスに含まれる一酸化炭素と水をシフト反応させて得られる水素を燃料電池で使用することができ、燃費効率を向上することができる。
【０１０２】
（第５実施形態）
図１０は、本発明の改質システムの第５の実施形態を示すシステム図であり、第３の実施形態の上流側膜反応器１Ａに代えてＳＲ反応器１Ｃと水素分離ユニット１Ｄからなる一段目の反応手段を用いるようにしたものである。
【０１０３】
図１０において、ＳＲ反応器１Ｃと水素分離ユニット１Ｄからなる一段目の反応手段と、二段目の反応手段としての下流側膜反応器１Ｂとから構成している。
【０１０４】
前記ＳＲ反応器１Ｃは、改質室２Ａと燃焼室７Ａとを合体させたものであり、下流側膜反応器１Ｂの燃焼室７Ｂの出口ガスとＣＳＡ排ガス、原料化合物、空気とが混合されて燃焼室７Ａに導入され、燃焼室７Ａよりの熱により供給された原料化合物を改質室２Ａで水蒸気改質反応により改質する。このＣＳＡ排ガスは、少なくともＣＳＡ水素極の排ガスを含むものである。
【０１０５】
前記水素分離ユニット１Ｄは、改質ガスが通過する室４１と水素分離室５とを水素分離膜３により画成したものであり、水素分離室５にはスイープガスの入口１７と貯蔵タンク１６に連通した燃料ガスの出口１４とが設けられている。前記ＳＲ反応器１Ｃで改質された水素リッチな改質ガスは水素分子のみが水素分離膜３を透過して水素分離室５に移動し、スイープガスとともに貯蔵タンク１６に送られる。
【０１０６】
前記水素分離ユニット１Ｄの出口は圧力調整弁１３Ａを介して、第３の実施形態の下流側反応器１Ｂと同様の下流側膜反応器１Ｂに接続される。この下流側膜反応器１Ｂのブリードガスは圧力調整弁１３Ｂを介して、ＣＳＡ排ガス、原料化合物、空気と混合されて、下流側膜反応器１Ｂの燃焼室７Ｂに送られる。ＣＳＡ排ガスは少なくともＣＳＡ水素極の排ガスを含み、ＣＳＡ排ガス、原料化合物、空気はそれぞれ流量を調節されてブリードガスと混合される。
【０１０７】
以上の構成でも、水素分離ユニット１Ｄの下流の圧力調整弁１３ＡでＳＲ反応器１Ｃの改質室２Ａ内が高圧に保たれることにより、水素分離ユニット１Ｄで得られる燃料ガスは貯蔵に適した高圧の水素分圧のものとなる。
【０１０８】
また、上流のＳＲ反応器１Ｃが水素分離膜を備えないので、ＳＲ反応器１Ｃの改質室２Ａの出口ガスの組成はメタンが少なからず含まれるものの、ＳＲ反応器１Ｃの改質室２Ａの出口ガスは膜反応器１Ｂで再び水蒸気改質され、すでに述べたような膜反応器の作用により、効率的に水素リッチなガスとなる。もちろんブリードガスには改質し切れなかったメタンや、水素分離膜４を透過しなかった水素が残るが、膜反応器１ＢとＳＲ反応器１Ｃの燃焼室７Ｂ、７Ａで触媒燃焼され、水蒸気改質のために必要な熱を生じるのに用いられるので、燃費効率の悪化を防ぐことができる。
【０１０９】
さらに、起動時には、水素分離ユニット１Ｄの出口ガスを直接ＳＲ反応器１Ｃの燃焼室７Ａに送ることにより、ＳＲ反応器１Ｃだけを先に起動するようにして、起動時間を短くできるという効果が得られる。その場合、ＳＲ反応器１Ｃの触媒を、膜反応器１Ｂと比較して比較的低い温度から高い活性を示す触媒とすることが望ましい。またＳＲ反応器１Ｃと水素分離ユニット１Ｄの間に図示されない熱交換器を設け、ＳＲ反応器１Ｃの改質室２Ａの出口ガスの温度を下げることにより、耐熱性の低い水素分離膜３を使うことができ、コストを低減し、信頼性を向上することもできる。
【０１１０】
本実施形態においては、下記に記載した効果を奏することができる。
【０１１１】
（ケ）炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換し、消費手段としての燃料電池等に消費させるべく燃料ガスを貯蔵タンク１６に貯える改質システムであり、前記改質反応器は、化合物から水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造する反応器としてのＳＲ反応器１Ｃと、前記水蒸気改質反応により生じた改質ガスから水素分離膜３によって水素を分離して前記貯蔵タンク１６に貯蔵させる分離器としての水素分離ユニット１Ｄとからなる一段目の反応手段と、一段目の反応手段のブリードガスから水蒸気改質反応により水素を含むガスを製造し、水素を透過する膜の表面に触媒を担持した水素分離膜４の膜反応により水素を分離する二段目の反応手段としての膜反応器１Ｂと、で構成した。
【０１１２】
このため、一段目の反応で生じた高い分圧の水素を水素分離膜３で分離して貯蔵タンク１６に送ることができるとともに、二段目の反応器１Ｂでメタン寄りの組成になることを防いでより多くの水素を得ることができる。
【０１１３】
（コ）一段目の反応手段と二段目の反応手段との間に圧力調整弁１３Ａを備えるため、一段目の水素分圧をより高くすることができる。
【０１１４】
（サ）一段目の反応手段の触媒が、二段目の反応手段の触媒よりも低温で活性を示すため、システムの起動時には一段目の反応器としてのＳＲ反応器１Ｃの起動時間を短縮でき、システムの起動性を向上することができる。
【０１１５】
なお、上記実施形態において、燃料電池の燃料ガスを生成するための改質システムとして説明しているが、燃料電池ではなく、水素リッチなガスを燃料とする内燃機関である改質ガスエンジンを用いるシステムにおいて、本発明を前記改質ガスエンジンに燃料ガスを供給する改質システムとして使用することも好適である。
【０１１６】
また、上記実施形態において、膜反応器１Ａ、１Ｂや水素分離ユニット１Ｄの燃料ガスをスイープガスとともに取出すものとして説明しているが、図示しないが、貯蔵タンク１６に接続される燃料ガスは貯蔵により適した純粋な水素とするために、スイープガスを用いずに取出すものとしてもよい。
【０１１７】
また、第３から第５の実施形態における膜反応器１Ａ、１Ｂを図で説明したような積層型とする場合には、第１の実施形態で説明したような積層構造、寸法、ガス出入口構造とすればよい。
【０１１８】
また、第３から第５の実施形態における膜反応器１Ａ、１Ｂは、第１の実施形態と同様の図としているが、積層型反応器に限られるものではなく、第２の実施形態と同様の構成としてもよい。
【０１１９】
また、第５の実施形態におけるＳＲ反応器１Ｃを図で説明したような積層型とする場合にも、第１の実施形態における膜反応器１から水素分離室５、６を除いたような積層構造、寸法、ガス出入口構造とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す改質システムの概略構成図。
【図２】同じく改質室の上流から下流に向かっての水素分圧の様子を示すグラフ。
【図３】各ガスの出入口の具体的構成を示す斜視図。
【図４】各ガスの出入口の具体的構成を（Ａ）〜（Ｃ）に夫々示す断面図。
【図５】本発明の第２実施形態を示す改質システムの外観斜視図。
【図６】図５に示した改質システムの断面図。
【図７】図６の変形例を示す改質システムの断面図。
【図８】本発明の第３実施形態を示す改質システムの概略構成図。
【図９】本発明の第４実施形態を示す改質システムの概略構成図。
【図１０】本発明の第５実施形態を示す改質システムの概略構成図。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ　反応器（膜反応器）
１Ｃ　ＳＲ反応器
１Ｄ　水素分離ユニット
２、２Ａ、２Ｂ　改質室
３、４　水素分離膜
５、６　水素分離室
７、７Ａ、７Ｂ　燃焼室
１１　改質室への入口
１２　改質室からの出口
１３、１３Ａ、１３Ｂ　圧力調整弁
３９　シフト反応器
４０　ＰｒＯｘ反応器

Claims

炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する改質システムと、前記燃料ガスから分離した水素を消費する消費手段と、前記改質システムと前記消費手段との間にあって、前記水素を貯える貯蔵手段とを備え、前記改質システムの前記水素圧力が前記消費手段の動作圧力より高く、前記改質システムの前記水素圧力と前記消費手段の動作圧力との圧力差を用いて、前記貯蔵手段に水素を貯える改質システムであって、
前記化合物から水素を含む燃料ガスを製造する反応が水蒸気改質反応であり、
前記反応器の種類が水素分離膜を備える膜反応器であり、
前記反応器の化合物入口付近の領域には水素分離膜を備えないことを特徴とする改質システム。
前記反応器は、前記化合物を水蒸気改質する改質室から水素分離膜を透過させて水素を取出す水素分離室を備え、
前記水素分離室は、化合物の入口に近い上流側水素分離室と遠い下流側水素分離室とに独立しており、上流側水素分離室が前記貯蔵手段に連通されていることを特徴とする請求項１記載の改質システム。
前記上流側水素分離室が改質室と連通する水素分離膜と下流側水素分離室が改質室と連通する水素分離膜との間には、水素を透過しない領域を設けたことを特徴とする請求項２記載の改質システム。
前記改質システムは、直列に接続された少なくとも二つの改質反応器からなり、
上流側の反応器は、化合物から水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造し、反応器の化合物入口付近の領域を除いて位置する水素分離膜により水素を分離し、分離した水素を貯蔵手段に貯蔵するものであり、
下流側の反応器は、上流側の反応器のブリードガスから水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造し、水素分離膜により水素を分離するものである、ことを特徴とする請求項１記載の改質システム。
前記上流側の反応器と下流側の反応器との間に圧力調整弁を備えることを特徴とする請求項４記載の改質システム。
前記上流側の反応器の触媒が下流側の反応器の触媒よりも低温で活性を示すことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の改質システム。
前記改質システムは、一酸化炭素を除去するＣＯ除去装置を備え、
前記ＣＯ除去装置には、圧力調整弁を介して前記改質反応器のブリードガスを供給することを特徴とする請求項１記載の改質システム。
炭素および水素を含む化合物の燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する改質システムと、前記燃料ガスから分離した水素を消費する消費手段と、前記改質システムと前記消費手段との間にあって、燃料ガスから分離した水素を貯える貯蔵手段とを備え、前記改質システムの前記水素圧力が前記消費手段の動作圧力より高く、前記改質システムの前記水素圧力と前記消費手段の動作圧力との圧力差を用いて、前記貯蔵手段に水素を貯える改質システムであって、
前記改質反応器は、化合物から水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造する反応器と、前記水蒸気改質反応により生じた燃料ガスから水素分離膜によって水素を分離して前記貯蔵手段に貯蔵させる水素分離器とからなる一段目の反応手段と、
前記一段目の反応手段のブリードガスから水蒸気改質反応により水素を含む燃料ガスを製造し、水素を透過する水素分離膜により水素を分離する二段目の反応手段と、で構成したことを特徴とする改質システム。
前記一段目の反応手段と前記二段目の反応手段との間に圧力調整弁を備えることを特徴とする請求項８記載の改質システム。
前記一段目の反応手段の触媒が、前記二段目の反応手段の触媒よりも低温で活性を示すことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の改質システム。