JP2004035309A - 燃料改質装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置を大型化することなく、気化の際の熱交換効率を充分に確保する技術を提供する。
【解決手段】水蒸気混合部１２は、その端面に凹面が形成されるハニカム１３と、上記凹面に向かって水を噴霧するノズル１８とを備えている。水が噴霧されるハニカム端面が凹面を形成しているため、ノズル１８から噴霧された水は、ハニカム１３内により均一な状態で導入される。また、ハニカム１３内に入らなかった水は、凹面で跳ね返されて凹面の中央部に集まり、水蒸気混合部１２の上流側から供給される改質ガスに導かれてハニカム１３内に容易に入り込む。ハニカム１３は、内部を高温の改質ガスが通過することで加熱され、ハニカムの各セル壁面と水とが熱交換することで、上記水は気化して改質ガスに混合される。
【選択図】 図２
【解決手段】水蒸気混合部１２は、その端面に凹面が形成されるハニカム１３と、上記凹面に向かって水を噴霧するノズル１８とを備えている。水が噴霧されるハニカム端面が凹面を形成しているため、ノズル１８から噴霧された水は、ハニカム１３内により均一な状態で導入される。また、ハニカム１３内に入らなかった水は、凹面で跳ね返されて凹面の中央部に集まり、水蒸気混合部１２の上流側から供給される改質ガスに導かれてハニカム１３内に容易に入り込む。ハニカム１３は、内部を高温の改質ガスが通過することで加熱され、ハニカムの各セル壁面と水とが熱交換することで、上記水は気化して改質ガスに混合される。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池に供給するための水素を得る方法として、炭化水素系化合物を改質して水素リッチガスを生成する方法が知られている。改質反応によって生成した水素リッチガスは通常は一酸化炭素を含有しているため、上記水素リッチガスを燃料電池に供給するのに先立って、ガス中の一酸化炭素濃度の低減が図られる。改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する方法の一つとして、一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生じるシフト反応が利用されており、この場合には、改質触媒を備える改質器の下流側に、シフト触媒を備えるシフト部が配設される。
【０００３】
上記のように、シフト反応は水（水蒸気）を用いる反応であるため、シフト部に供給する改質ガスは、充分量の水蒸気を含有する必要がある。改質ガスに対して充分量の水蒸気を添加する方法として、本願出願人は既に、改質ガスに対向して水を噴霧する構成を提案している（特開２００２−６０２０５号公報）。ここでは、改質器から排出された高温の改質ガスに対して水を噴霧して、改質ガスの有する熱を利用して噴霧した水を気化させ、生じた水蒸気を改質ガスに混合している。このように、改質ガスが有する熱を利用して気化を行なうことにより、改質ガスに添加する水蒸気を生成するために消費するエネルギを削減することができる。さらに、これによって、改質反応よりも反応温度が低いシフト反応に先立って、改質ガスを充分に降温させることが可能となる。
【０００４】
上記構成では、改質ガスに対向して噴霧された水は、気相中で改質ガスと熱交換して気化するが、気化せずに残った液水は、さらに下流側に配設されるハニカム内に導入されて気化される構成となっている。このように下流側に配設されるハニカムは、その内部を高温の改質ガスが通過することによって昇温するため、高温のハニカム壁面と接触してこれと熱交換することによって、上記残った液水も気化することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高温のハニカム壁面では、噴霧された液水が吹き付けられることによってハニカム表面に形成される蒸気膜によって液水が跳ね返されて、ハニカム内へと液水が入り込むのが妨げられてしまうおそれがある。ハニカム内に入ることができず気化することができない液水が残ると、改質ガスに添加される水蒸気量が少なくなるだけでなく、噴霧した水と改質ガスとの間の熱交換効率が低下して、噴霧した水によって充分に改質ガスを降温できなくなるおそれがある。
【０００６】
ハニカムから跳ね返される液水の量を減らして水と改質ガスとの間の熱交換効率の低下を防ぐためには、ハニカムよりも上流側の気相中でより多くの水を気化させる方法が考えられる。しかしながら、この場合には、気相中で噴霧された液水と改質ガスとが熱交換を行なうスペースをより広く確保する必要があり、装置が大型化してしまうという問題が生じる。このように、気化のための熱交換効率を充分に確保するために装置が大型化してしまうのを抑えるという課題は、液体を気化させる気化装置に共通する課題である。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、装置を大型化することなく、気化の際の熱交換効率を充分に確保する技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料から、水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質器と、
水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備え、前記改質ガスの供給を受けて、前記シフト反応によって一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成するシフト部と、
前記シフト部に供給するのに先立って、前記改質ガスに対して水蒸気を混合する水蒸気混合部と
を備え、
前記水蒸気混合部は、
前記改質器から排出された前記改質ガスが流入する多数の穴を有する流入面と、該流入面の下流側にあり多数の細孔を有する多孔質部とを備えると共に、前記流入面の所定の領域が凹面を形成している気化促進部と、
前記凹面を形成する流入面に対して水を噴霧するノズルと
を備えることを要旨とする。
【０００９】
このような燃料改質装置では、改質器から水蒸気混合部に改質ガスが供給されると、改質ガスの熱によって多孔質部が加熱され、ノズルから噴霧された水は、この多孔質部内を通過しながらこれと熱交換することで気化し、改質ガス中に混合される。このとき、凹面を形成する気化促進部の流入面に向けてノズルから水が噴霧されるため、噴霧された水が気化促進部の流入面で跳ね返されても、跳ね返された水は凹面の中心部に集まりやすくなり、より多くの水を無駄なく気化促進部内に導入して、気化させることが可能となる。また、噴霧した水は、多孔質部と接触して熱交換することによって気化するため、気相中で気化を行なう場合に比べて高い効率で気化を行なうことができ、気化のための装置を小型化することが可能となる。なお、上記凹面の形状は、ノズルから水が噴霧される際にミストが広がる形状により近いことが望ましい。
【００１０】
このような本発明の第１の燃料改質装置において、
前記水蒸気混合部は、前記ノズルから噴霧された後に前記気化促進部内に導入されなかった水を保持する保水部をさらに備えることとしても良い。
【００１１】
これによって、気化促進部内に導入されなかった水を、保水部によって一旦保持することで、改質器から供給される改質ガスを利用して、最終的に気化促進部内に導入することが可能となる。より多くの水を気化促進部内に導入することで、水と改質ガスとの間の熱交換効率を充分に確保することができる。
【００１２】
ここで、上記保水部は、前記気化促進部内に導入されなかった水を、前記流入面の所定の領域近傍でせき止める受け板とすることができる。受け板にせき止められた水は、改質ガスの流れに導かれて、気化促進部内に入り込むことが可能となる。
【００１３】
あるいは、上記保水部は、前記気化促進部の入口近傍において、凹面を成す前記流入面に連続して、所定の範囲にわたって水平方向になだらかに広がる面を備える平坦部とすることができる。平坦部を構成する水平面上に保持された水は、改質ガスの流れに導かれて、気化促進部内に入り込むことが可能となる。
【００１４】
あるいは、上記保水部は、少なくとも、前記多孔質部に対して鉛直方向下側の位置に隣接して配設され、前記流入面近傍に存在する水を吸収可能な吸湿部とすることができる。このような構成とすれば、気化促進部の凹面で跳ね返された水は、上記吸湿部に吸収される。そのため、吸収された水が吸湿部内を通過する際に、隣接する多孔質部の熱によってこれを気化させることができる。
【００１５】
また、本発明の第１の燃料改質装置において、
前記多孔質部は、
その表面の一部に前記凹面を形成する第１の多孔質部と、
前記第１の多孔質部を通過した前記水および改質ガスが導入され、前記第１の多孔質部に比べて細孔の断面積が小さく形成されている第２の多孔質部と
を備えることとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、凹面が形成される第１の多孔質部が有する細孔の断面積が、より大きく形成されているため、凹面において各細孔はより大きく開口している。そのため、噴霧された水をより容易に気化促進部内に導入することができる。また、下流側の第２の多孔質部が有する細孔の断面積が、より小さく形成されているため、導入された水と熱交換する多孔質部の表面積がより充分に確保され、気化効率を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明の第１の燃料改質装置において、
前記気化促進部は、凹面を形成する前記流入面の所定の領域であって、前記ノズルから噴霧される水が到達する領域の中心付近に、前記流入面を前記気化促進部内部に向かってさらに凹ませた形状に形成された空間であるチャンバを備えることとしても良い。
【００１８】
このような構成とすれば、上記凹面において、チャンバが大きく開口しているため、噴霧された水や、凹面に一旦跳ね返された水が、容易にチャンバ内に入り込むことができる。チャンバ内に入り込んだ水は、改質ガスの流れに導かれて気化促進部内に入り込むことができるため、より多くの水を確実に気化促進部内に導入することが可能となる。なお、このような凹面に開口するチャンバは、複数個設けることとしても良い。
【００１９】
このような本発明の第１の燃料改質装置において、
前記ノズルは、直進ノズルであり、
前記チャンバは、前記ノズルから吐出された水を該チャンバの内壁面に向かって反射させる反射板を、その内部に備えることとしても良い。
【００２０】
このような燃料改質装置では、直進ノズルから吐出した水を、無駄なくチャンバ内に入り込ませ、チャンバ内でミスト化して、気化促進部内に導入することができる。なお、チャンバと、このチャンバに向かって水を吐出する直進ノズルとから成る組み合わせを、複数設けることとしても良い。
【００２１】
本発明の第１の燃料改質装置において、
前記水蒸気混合部は、前記ノズルを複数備え、
前記気化促進部は、前記複数のノズルの各々から噴霧される水に対向するように、前記複数のノズルの各々に対応する位置に、前記凹面が複数形成されていることとしても良い。
【００２２】
これによって、ノズルの設置位置に関わらず、ノズルから噴霧する水を効率よく気化促進部内に導入することができる。
【００２３】
また、本発明の第１の燃料改質装置において、
前記気化促進部は、前記多孔質部に隣接して設けられ、前記水および改質ガスが導入される前記凹面を形成すると共に、前記ノズルから噴霧された水が内部に入り込むと、該水が前記凹面から外部へ放出されないように該水を保持する導入水保持部を、さらに備えることとしても良い。このような構成とすれば、一旦気化促進部内に入り込んだ水を、効率よく内部で気化させることができる。
【００２４】
本発明の第２の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料から、水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質器と、
水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備え、前記改質ガスの供給を受けて、前記シフト反応によって一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成するシフト部と、
前記シフト部に供給するのに先立って、前記改質ガスに対して水蒸気を混合する水蒸気混合部と
を備え、
前記水蒸気混合部は、
内部に所定の空間を形成すると共に、前記改質器から排出された前記改質ガスが通過する多孔質部を備える気化促進部と、
前記空間内に水を噴霧するノズルと
を備えることを要旨とする。
【００２５】
このような燃料改質装置では、改質器から水蒸気混合部に改質ガスが供給されると、改質ガスの熱によって多孔質部が加熱され、ノズルから噴霧された水は、この多孔質部と熱交換することで気化し、改質ガス中に混合される。このとき、気化促進部内に形成される空間内においてノズルから水が噴霧されるため、噴霧された水は、外部に排出されることなく、効率よく気化促進部内に入り込むことができる。なお、水を噴霧するノズルと、水が噴霧される空間とを、複数設けることとしても良い。これによって、気化促進部内に対して、より均一に噴霧した水を導入することができる。
【００２６】
本発明の第１または第２の燃料改質装置において、前記多孔質部は、メタルハニカムとすることができる。熱伝導率の高いメタルハニカムを用いることで、改質ガスの加湿・降温を効率良く行なうことができる。また、改質ガスの流れが望ましくない程度に妨げられることもない。さらに、メタルハニカムから成る多孔質部が凹面を形成する場合には、メタルハニカムを構成する各セルは、凹面においてより大きく開口することができるため、ノズルから噴霧された水がより入り込みやすくなる。
【００２７】
このような燃料改質装置において、
前記気化促進部は、前記メタルハニカムと前記シフト部との間に、前記メタルハニカムから排出された改質ガスを通過させて該改質ガス中に残留する水を捕捉し、該水が下流側に飛散するのを防ぐための、多孔質の飛散防止部をさらに備えることとしてもよい。これによって、気化促進部内で気化し残った水が改質器に入り込むのを防止することができる。
【００２８】
また、本発明の第１または第２の燃料改質装置において、
前記多孔質部の外周部において、該多孔質部から外部への熱の伝達を阻害する断熱部をさらに備えることとしてもよい。このような構成とすれば、多孔質部内部で水が気化する際の気化潜熱を用いて効率良く多孔質部を冷却することができ、これによって、効率良く改質ガスを冷却することができる。
【００２９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムや気化装置などの形態で実現することが可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．熱交換部１０の構成：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．第５実施例：
Ｇ．第６実施例：
Ｈ．第７実施例：
Ｉ．第８実施例：
Ｊ．第９実施例：
Ｋ．変形例：
【００３１】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム２０の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム２０は、改質反応に供するガソリンを貯蔵するガソリンタンク３０、水を貯蔵する水タンク３２、加熱部３６を併設した蒸発器３４、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器３８、改質ガスを降温・加湿する熱交換部１０、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を低減するシフト部４０およびＣＯ選択酸化部４２、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４４、空気を圧縮して燃料電池４４に供給するブロワ４６、コンピュータにより構成される制御部４５を主な構成要素とする。以下、それぞれの構成要素について順に説明する。
【００３２】
ガソリンタンク３０に貯蔵されるガソリンは、改質燃料流路５０を介して蒸発器３４に供給される。改質燃料流路５０にはポンプ４７が設けられており、このポンプ４７によって、蒸発器３４に供給するガソリンの量を制御する。
【００３３】
水タンク３２から蒸発器３４に水を送り込む水供給路５１にはポンプ４８が設けられており、このポンプ４８によって、蒸発器３４に供給する水量を調節する。ここで、水供給路５１は、改質燃料流路５０に合流して改質燃料供給路５２となり、蒸発器３４に接続する。改質燃料供給路５２において、ガソリンと水とは所定量ずつ混合されて、蒸発器３４に供給される。なお、水供給路５１には、水分岐路５９が接続しており、流路の接続部には、流量調整弁４９が設けられている。水分岐路５９は熱交換部１０に接続しており、水タンク３２が蓄える水の一部が熱交換部１０に供給される。
【００３４】
蒸発器３４は、上記のように供給されたガソリンおよび水を気化させる装置であり、昇温した水蒸気とガソリンとの混合気体を排出する。蒸発器３４から排出された水蒸気とガソリンとの混合気体は、混合気体流路５３を介して改質器３８に供給される。
【００３５】
蒸発器３４には、水およびガソリンを気化させる熱源として加熱部３６が併設されている。加熱部３６は、燃焼触媒を備えており、水およびガソリンを気化させるのに要する熱を燃焼反応によって発生する。この燃焼反応のために用いる燃料としては、ガソリンタンク３０に貯蔵するガソリンと、燃料電池４４のアノード側から排出されるアノード排ガスとを用いている（図示せず）。
【００３６】
また、混合気体流路５３には、ブロワ３９が接続されている。ブロワ３９は、改質器３８内で進行する部分酸化反応で要する酸素を供給する。ブロワ３９が取り込んだ空気は、混合気体流路５３において、上記混合気体に混合され、改質器３８に供給される。
【００３７】
改質器３８は、供給された混合気体を用いて改質反応を進行する。改質器３８では、部分酸化反応によって生じた熱を利用して、水蒸気改質反応を進行し、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３８は、このような水蒸気改質反応および部分酸化反応を促進する改質触媒を備えている。ガソリンを改質する触媒としては、ロジウム触媒などの貴金属触媒を用いることができる。改質器３８で生成された改質ガスは、改質ガス流路５４を介して熱交換部１０に供給される。
【００３８】
熱交換部１０は、改質ガスを、シフト部４０に供給するのに先立って降温するための装置である。シフト部４０内で進行するシフト反応の反応温度は、改質器３８における改質反応の反応温度よりも低いため、このように、熱交換部１０を用いて改質ガスを降温させる。すなわち、６００〜１０００℃程度で運転される改質器３８からの改質ガスを、２００〜６００℃程度で運転されるシフト部４０に供給するために、改質ガスを２００〜６００℃程度まで冷却する。なお、熱交換部１０においては、改質器３８から排出された改質ガスを降温させる他に、改質ガスの加湿（シフト反応で要する水の添加）が行なわれる。熱交換部１０の構成については、後に詳しく説明する。熱交換部１０で降温・加湿された改質ガスは、改質ガス流路５５を介して、シフト部４０に供給される。
【００３９】
シフト部４０は、水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備えており、シフト反応を進行することによって、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。シフト触媒としては、例えば、銅系触媒（Ｃｕ／Ｚｎ触媒など）や、白金を備える貴金属系触媒を用いることができる。シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、改質ガス流路５６を介して、ＣＯ選択酸化部４２に供給される。
【００４０】
ＣＯ選択酸化部４２は、改質ガスに豊富に含まれる水素に優先して一酸化炭素を酸化する、一酸化炭素選択酸化反応によって、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。ＣＯ選択酸化部４２が備える一酸化炭素選択酸化触媒としては、白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を挙げることができる。
【００４１】
なお、ＣＯ選択酸化部４２で進行する一酸化炭素選択酸化反応で要する酸素を供給するために、燃料電池システム２０は、外部から空気を圧縮して取り込むブロワ４３を備えている。ブロワ４３は、改質ガス流路５６に接続しており、これによって、取り込んだ圧縮空気をＣＯ選択酸化部４２に供給する。このように燃料電池システム２０では、シフト部４０およびＣＯ選択酸化部４２を用いて改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減することで、燃料電池４４が備える白金触媒に一酸化炭素が吸着して電池性能を低下させてしまうのを防止している。
【００４２】
ＣＯ選択酸化部４２で一酸化炭素濃度が下げられた改質ガスは、燃料ガス供給路５７によって燃料電池４４に導かれ、燃料ガスとしてアノード側における電池反応に供される。燃料電池４４で電池反応に供された後のアノード排ガスは、燃料排出路５８に排出される。このアノード排ガスは、既述したように、加熱部３６において燃焼のための燃料として用いる。一方、燃料電池４４のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、ブロワ４６から酸化ガス供給路６０を介して圧縮空気として供給される。電池反応に用いられた残りのカソード排ガスは、酸化排ガス路６２を介して外部に排出される。
【００４３】
燃料電池４４は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池４４が生じた電力は、燃料電池４４に接続される所定の負荷に供給される。
【００４４】
制御部４５は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭ、あるいは、各種信号を入出力する入出力ポートを備える。制御部４５は、燃料電池システム２０が備える各種センサからの検出信号を入力すると共に、既述したブロワや弁およびポンプなどに駆動信号を出力して、燃料電池システム２０全体の運転状態を制御する。
【００４５】
Ｂ．熱交換部１０の構成：
図２は、熱交換部１０の構成の概略を表わす説明図である。熱交換部１０は、水蒸気混合部１２と、熱交換器１６とを備えている。改質ガス流路５４を介して供給される改質ガスは、水蒸気混合部１２において加湿されると共に冷却され、接続流路１４を介して熱交換器１６に供給される。この熱交換器１６において、改質ガスはさらに冷却され、改質ガス流路５５を介して既述したシフト部４０に供給される。
【００４６】
水蒸気混合部１２は、ハニカム１３と、このハニカム１３に向かって水を噴霧するノズル１８とを備えている。ハニカム１３は、略円柱形状を有しており、ステンレス等の伝熱性の高い金属材料によって形成されるメタルハニカムである。このハニカム１３の両端面は、その外周がほぼ円形を成しているが、ノズル１８に対向する側の端面は、円の中心部が最も凹んだ形状の凹面を形成している。既述したように、水蒸気混合部１２には、改質ガス流路５４を介して改質器３８から改質ガスが供給されるが、この改質ガスは、上記凹面を形成する端面から、ハニカム１３内に導入される。改質器３８から供給される改質ガスは、改質反応の反応温度に応じた所定の高温となっているため、このような改質ガスが内部を通過することによって、ハニカム１３を構成する各セルの壁面は昇温する。なお、水蒸気混合部１２は、図２に示すように、長手方向を横向きにしてほぼ水平に配設されており、この水蒸気混合部１２に対して、改質ガスもほぼ水平方向に流入する。
【００４７】
ノズル１８は、ハニカム１３における上記凹面を形成する端面のほぼ中心部に向かって水を噴霧する扇形ノズルである。ノズル１８から噴霧された液水（ミスト）は、改質ガスと共に、ハニカム１３の上記端面から、ハニカム１３内に導入される。ハニカム１３を構成する各セルの壁面は、上記したように高温となっているため、ハニカム１３内に導入された液水は、各セルの壁面と接触してこれと熱交換することによって気化し、改質ガス中に混合される。ここで、上記ハニカム１３の端面に形成される凹面の形状は、ノズル１８から水が噴霧される際にミストが広がる形状に対応したものとなっている。すなわち、ノズル１８からは、装置側面から見ると扇形となる形状に液水が広がるように水の噴霧が行なわれるが、上記凹面は、この液水が広がる形状に対応した形状となっている。
【００４８】
このように、ハニカム１３に向かって水を噴霧するときに、上記端面においては、ハニカム１３内部に導入されずに液水が跳ね返される場合もある。ハニカム１３の端面で液水が跳ね返される場合には、この端面が上記したように凹面を形成するため、液水は主としてハニカム端面の中心部に向かって跳ね返されることになる。図２では、ノズル１８から水が噴霧される様子を点線で表わし、ノズル１８から噴霧された液水の一部が、上記凹面で跳ね返される様子を、矢印を用いて模式的に示した。凹面を形成する端面中心部に跳ね返されることで、液水は、改質ガスの流れに導かれて、ハニカム内へと入り込むことが可能となる。
【００４９】
熱交換器１６は、水蒸気混合部１２から供給される改質ガスと、冷却水との間で熱交換を行なわせて、改質ガスを降温させる装置である。熱交換器１６で用いる冷却水は、既述した水分岐路５９を介して供給される。熱交換器１６で降温された改質ガスは、改質ガス流路５５に排出される。また、熱交換器１６で改質ガスと熱交換することで昇温した冷却水は、水蒸気混合部１２のノズル１８に導かれ、改質ガスを加湿するために用いられる。
【００５０】
以上のように構成された本実施例の水蒸気混合部１２によれば、シフト反応に供する水を気化させて改質ガスに加えるための装置、あるいは、シフト反応に先立って改質ガスを降温させるための装置を、小型化できるという効果が得られる。すなわち、シフト反応に供する水を、直接改質ガス中に噴霧するため、シフト反応に供するために別途水を気化させる装置を設ける必要がない。また、水を気化させる際に、表面積の大きなハニカムを用い、噴霧した液水とハニカム壁面との間で熱交換を行なわせて水の気化を行なうため、気相中で気化を行なわせる場合に比べてはるかに効率よく、より小さなスペースで気化を行なうことができる。
【００５１】
さらに、本実施例の水蒸気混合部１２によれば、ハニカム１３において改質ガスおよび噴霧された水が導入される端面が凹面を形成するため、噴霧された水をより確実にハニカム１３内に導入することが可能となり、熱交換効率を充分に確保することができる。すなわち、噴霧された液水が吹き付けられて、高温のハニカム壁面上に蒸気膜が形成され、ハニカム内へと液水が入り込むのが妨げられる場合にも、既述したように、液水は端面中心部に向かって跳ね返されて、ハニカム内へと導かれる。また、ハニカム１３の端面が凹面を形成することにより、ハニカム１３の横断面に平行な端面を有する場合に比べて、ハニカム１３を構成する各セルの開口部が、より大きく形成されることになる。したがって、ノズル１８から噴霧された液水が、より容易にハニカム１３内に導入されるようになる。
【００５２】
このように、ノズル１８から噴霧された水が、より確実にハニカム１３内に導入されることで、噴霧した水が無駄なく改質ガスとの熱交換に利用されるようになり、水蒸気混合部１２における水と改質ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。噴霧された水がハニカム１３内に導入されずに、ハニカム１３の入口部付近に滞留してしまうと、滞留した水は、ハニカムを収容する装置外壁と熱交換を行なって、改質ガスの冷却に寄与しなくなるおそれがある。本実施例によれば、このような熱交換効率の低下を抑えることができる。また、このように、シフト反応に供するための水を用いて改質ガスの冷却を行なうことで、シフト反応に供するための水を気化させるために特別に消費するエネルギを削減することができる。そのため、燃料電池システム２０全体のエネルギ効率を、より向上させることができる。
【００５３】
さらに、本実施例の水蒸気混合部１２によれば、ハニカム１３の端面に形成される凹面の形状が、ノズル１８から噴霧されるミストの形状に対応しているため、ノズル１８からハニカム端面までの到達距離が全体として略等しくなり、ハニカム１３を構成する各セルに対して略均一に液水が導入される。そのため、一部のセルに過剰に液水が導入されて、その一部のセルの温度が望ましくない程度に低下して、セル内部で液水が滞留してしまうのを防止することができる。また、各セルに対して略均一に液水が導入されることで、各セルにおいて略均一に改質ガスの冷却が行なうことができ、水蒸気混合部１２から排出される改質ガスにおける温度分布状態をより均一にすることができる。
【００５４】
また、本実施例では、シフト反応に供する改質ガスを降温させるために、熱交換器１６と共に上記した水蒸気混合部１２を用いているため、改質ガスを降温させるために熱交換器１６を用いる場合にも、これをより小型化することができる。また、改質器３８から供給される改質ガスは、一旦水蒸気混合部１２で冷却された後に熱交換器１６に供給されるため、熱交換器１６の耐久性をより向上させることができる。なお、水蒸気混合部１２において、改質ガスを充分に降温可能であれば、熱交換器１６は設けないこととしても良い。
【００５５】
図２に示した熱交換部１０では、水蒸気混合部１２でノズル１８から噴霧する水は、熱交換器１６で冷媒として用いた水を用いることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、ノズル１８から噴霧する水は、水タンク３２から直接供給することとし、熱交換器１６で冷媒として用いて昇温した水は、改質器３８における改質反応に供することとしても良い。このような構成とすれば、改質反応に供する水を気化・昇温するために消費するエネルギを削減することができる。
【００５６】
さらに、本実施例の燃料電池システム２０は、シフト反応に供する水の少なくとも一部を、改質器３８よりも下流の水蒸気混合部１２において加えるため、以下のような効果が得られる。まず第１に、シフト反応で要する水を、シフト部４０の直前で加えることにより、シフト反応に供する水の量を調節する際の応答性が向上する。すなわち、シフト反応で要する水を、より上流に配設される蒸発器３４で気化させる場合に比べて、シフト反応に供する水の量を変化させる際に、ガスが流れる時間によって生じる遅れが少なくなる。そのため、シフト部４０において一時的に水蒸気量が不足してしまうのを防止することができ、このような水蒸気不足に起因して改質ガス中の一酸化炭素濃度が望ましくない程度に上昇してしまうのを防ぐことができる。第２に、シフト反応で要する水の少なくとも一部は、改質器３８よりも上流に設けられた蒸発器３４において改質燃料に加える必要がないため、蒸発器３４で蒸発させるべき水の量が削減されて、蒸発器３４の小型化が可能となる。第３に、水蒸気混合部１２において改質ガスに加えられる水は、改質反応の反応温度にまで昇温する必要がないため、燃料電池システム２０のエネルギ効率の低下を抑えることができる。第４に、蒸発器３４で蒸発させるべき水の量が削減されることで、燃料電池システム２０を始動して暖機運転を行なう際に、蒸発器３４および改質器３８の暖機時間を短縮し始動性を向上させることが可能となる。
【００５７】
図１では、燃料電池システム２０を構成する各部を模式的に表わしたが、各部は種々の形状とすることができる。一例を図３に示す。図３は、混合気体流路５３から改質ガス流路５６までの各部を、断面略円形の管状に形成し、各部を接続する様子を表わしている。ここでは、上記構成を全体として略Ｕ字型に形成しており、改質ガス流路５４および接続流路１４において、Ｕ字の湾曲部を形成している。このような形状とすれば、改質ガスを生成するための燃料改質装置全体をコンパクト化することができる。そのため、燃料電池システム２０を、駆動用電源として車両に搭載する場合のように、搭載可能なスペースに制限がある場合に有利となる。また、上記のようにＵ字型にすることで、ノズル１８を、水蒸気混合部１２内のハニカム１３に対向する位置に配設することが容易となる。なお、図３に示す加熱部３７は、燃料電池システム２０の始動時に、改質器３８内の触媒を加熱するためのヒータである。
【００５８】
上記第１実施例では、ノズル１８として扇形ノズルを用いたが、噴霧された液水がある程度の広がりを持って拡散するならば、他種のノズルを用いることとしても良い。ハニカム１３の端面において、噴霧されるミストの形状に応じた凹面を形成すれば、同様の効果を得ることができる。
【００５９】
Ｃ．第２実施例：
図４は、第２実施例の水蒸気混合部１２Ａの構成の概略を表わす説明図である。水蒸気混合部１２Ａは、第１実施例と同様の燃料電池システム２０において、水蒸気混合部１２に代えて設けられている。なお、図４および以下の実施例で水蒸気混合部の説明に用いる図では、水蒸気混合部の要部のみを示し、下流側の接続流路１４や、特に必要がない限りノズルの記載は省略する。
【００６０】
水蒸気混合部１２Ａは、第１実施例と同様のハニカム１３を備えており、さらにその入口部（凹面を形成する端部周辺）において、受け板６０を備えている。受け板６０は、凹面を形成するハニカム１３の端面の外周に沿って設けられた部材であり、ハニカム１３内に導入されずに跳ね返された液水を保持するための構造である。図４では、受け板６０は、断面が略三角形となる形状に表わしたが、ハニカム１３内に導入されなかった水をハニカム１３の入口部で保持可能な形状であればよい。
【００６１】
ハニカム１３内に導入されず、受け板６０によって保持された水は、上流側から流れる高温の改質ガスの熱によって気化しつつ、改質ガスの流れに導かれてハニカム１３内に導入される（図４の矢印参照）。受け板６０に保持された水がハニカム１３内に導入されると、この水は、ハニカム１３を構成するセルの壁面と接触してこれと熱交換し、次第に気化して改質ガス中に混合される。
【００６２】
以上のように構成された第２実施例の水蒸気混合部１２Ａによれば、第１実施例の水蒸気混合部１２と同様の効果に加えて、さらに次のような効果を奏する。すなわち、ノズル１８から噴霧された液水の一部がハニカム１３内に導入されなかった場合にも、これを受け板６０によって保持することで、ハニカム１３内への導入を促すことができる。したがって、最終的にハニカム１３内に導入されて改質ガス中に混合される水の量をより多くすることができ、噴霧した水と改質ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。
【００６３】
なお、受け板６０は、上記したように、ハニカム１３の端面の外周全体に沿って設ける必要はない。ハニカム１３の上記端面の近傍において、水が落下して滞留する下部領域で水を保持可能となるように、設けることとすればよい。
【００６４】
ハニカム１３内に導入されなかった水を保持するための他の構成を、第２実施例の変形例として以下に示す。図５は、第２実施例の第１の変形例としての水蒸気混合部１２Ｂの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部１２Ｂは、既述した実施例と同様のハニカム１３を備えるが、凹面が形成されるその端面近傍において、平坦部６１を形成している。平坦部６１は、上記凹面から連続して形成され、所定の範囲にわたって水平方向になだらかに広がる面である。ハニカム１３内に導入されなかった水は、この平坦部６１上に一旦保持されて、上流側から流れる高温の改質ガスの熱によって気化しつつ、改質ガスの流れに導かれてハニカム１３内に導入される（図５の矢印参照）。平坦部６１に保持された水がハニカム１３内に導入されると、この水は、ハニカム１３を構成するセルの壁面と接触してこれと熱交換し、次第に気化して改質ガス中に混合される。このような構成とすることで、第２実施例と同様の効果を得ることができる。なお、平坦部６１もまた、ハニカム１３の端面の外周全体に沿って設ける必要はなく、上記端面近傍の下部領域で水を保持可能となるように設ければよい。
【００６５】
図６は、第２実施例の第２の変形例としての水蒸気混合部１２Ｃの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部１２Ｃは、既述した実施例と同様のハニカム１３を備えると共に、さらに、ハニカム１３の外周面に接して、吸湿部６２を備えている。吸湿部６２は、吸湿性材料、例えば、シリカゲルや酸化カルシウム、あるいはゼオライトによって構成することができる。水蒸気混合部１２Ｃでは、ハニカム１３と吸湿部６２とを合わせた端面全体で、既述した凹面を形成している。ハニカム端面に形成される凹面で跳ね返され、ハニカム端面近傍に滞留する水は、この吸湿部６２によって一旦吸収される。その後、吸収された水は、隣接するハニカム１３の有する熱によって、主として吸湿部６２とハニカム１３との接触部において気化し、ハニカム１３内を通過する改質ガス中に混合される。このような構成とすることで、第２実施例と同様の効果を得ることができる。なお、吸湿部６２は、ハニカム１３の外周面全体と接するように設ける必要はなく、上記端面近傍の下部領域に流れ落ちた水を吸収・保持可能となるように設ければよい。
【００６６】
Ｄ．第３実施例：
図７は、第３実施例の水蒸気混合部１１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部１１２は、既述した実施例のハニカム１３に代えて、改質ガスが導入する側に配設された低密度ハニカム６６と、この低密度ハニカム６６に隣接して設けられた高密度ハニカム１１３とを備えている。低密度ハニカム６６において、改質器３８から供給される改質ガスおよびノズル１８から噴霧された水が導入される側の端面は、既述したハニカム１３と同様に、凹面が形成されている。
【００６７】
低密度ハニカム６６の断面の様子を図８（Ａ）に、高密度ハニカム１１３の断面の様子を図８（Ｂ）に、それぞれ示す。図８に示すように、低密度ハニカム６６は、これが備える各セルの断面積が、高密度ハニカム１１３が備える各セルの断面積に比べて小さくなるように形成されている。
【００６８】
このような構成とすれば、上記端面を凹面とすることによる効果に加えて、噴霧された液水が導入される開口部を大きく形成することにより、噴霧された液水をハニカム内部に導入する効率を向上させ、噴霧された液水と改質ガスとを熱交換させる効率を向上させる効果を得ることができる。ここで、下流側には高密度ハニカム１１３を配設しているため、水蒸気混合部１１２全体としては、ハニカムの表面積を充分に確保して、充分な効率で液水と改質ガスとの熱交換を行なうことができる。
【００６９】
なお、図８に示したように、上記第３実施例では、上流側の低密度ハニカム６６と高密度ハニカム１１３とでは、各セルの断面の形状が類似する形状としたが、異なる形状としても良い。上流側に配設した各セルの開口部をより大きく形成して、ミストの導入を促すならば、ハニカムが備えるセル断面の形状を異なる形状としても、同様の効果を得ることができる。上流側に配設する低密度ハニカム６６の他の形状の例を、その断面図として図９に示す。図９（Ａ）に示す低密度ハニカムは、平行に配設された複数の横板のみで形成することによって、各々の開口部をより大きく確保している。図９（Ｂ）は、上記平行に配設された横板に加えて、さらに縦板を設けて強度を確保しているが、縦板を配設する間隔を充分に広くとることによって、開口部をより大きく形成している。図９（Ｃ）は、比較的多くの水が吹き付けられる中央部に設けられるセルの開口部をより大きく形成して、より多くの液水が内部に導入され易い形状としている。なお、図９（Ｃ）の構成では、中央部付近の開口部を大きくした分、周辺部の開口部を小さく形成しており、これによって、改質ガスとの間で熱交換を行なうハニカム表面積を、低密度ハニカム全体として充分に確保している。
【００７０】
Ｅ．第４実施例：
図１０は、第４実施例の水蒸気混合部２１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部２１２は、第１実施例と同様の凹面を有するハニカム２１３において、さらにチャンバ６８を形成した構造を有している。チャンバ６８は、既述したように凹面を形成するハニカム２１３の端面近傍において、上記凹面の中心部付近に開口するように、上記凹面からさらにハニカム内部にえぐれた形状として設けられる空間である。水蒸気混合部２１２では、ノズル１８から噴霧された液水の内、上記凹面の中心部付近に噴霧された液水は、大きく開いたチャンバ６８の開口部から、容易にチャンバ６８内に入り込む。そして、上記凹面の周辺部に噴霧されて、ハニカム２１３内に入り込まずに中心部付近に跳ね返された水もまた、大きく開いたチャンバ６８の開口部から、改質ガスに導かれて容易にチャンバ６８内に入り込む。チャンバ６８内に入り込んだ液水は、その後、改質ガスの流れに導かれてハニカム２１３内に導入され、ハニカム２１３を構成するセルの壁面と接触してこれと熱交換し、次第に気化して改質ガス中に混合される。
【００７１】
以上のように構成された第４実施例の水蒸気混合部２１２によれば、ノズル１８を用いて水を噴霧する際に、より多くの液水が集まる上部凹面の中心部付近に、ハニカムを構成する各セルの開口部に比べてはるかに大きな開口部を有するチャンバ６８が設けられているため、ハニカム２１３から跳ね返される液水の量を効果的に削減することができる。このように、より多くの量の液水を確実にハニカム２１３内に導入できることにより、ノズル１８から噴霧した水と改質ガスとの間の熱交換効率をより高めることができる。
【００７２】
上記第４実施例の水蒸気混合部２１２では、上記凹面の中心部付近に開口部を有するようにチャンバ６８を一つ設けたが、このようなチャンバ６８を複数個設けることとしても良い。図１１は、第４実施例の変形例としての水蒸気混合部２１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部２１２Ａは、上記第４実施例と同様のチャンバ６８を２つ形成するハニカム２１３Ａを備えている。このような場合にも、ハニカムを構成する各セルの開口部に比べてはるかに大きな開口部を有するチャンバ６８内に、噴霧した水を取り込むことで、より多くの量の液水を確実にハニカム内に取り込む同様の効果を得ることができる。
【００７３】
Ｆ．第５実施例：
既述した実施例では、ノズル１８は、凹面を形成するハニカム端面の中心部付近に向かって、改質ガスの流れ方向と略平行となる向きに、水を噴霧することとしたが、異なる構成とすることも可能である。図１２は、第５実施例の水蒸気混合部３１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部３１２は、その上部壁面の近傍にノズル１８を備えており、ノズル１８は、改質ガスの流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。また、水蒸気混合部３１２は、既述した実施例と類似するハニカム３１３を備えているが、このハニカム３１３は、上部壁面に設けられたノズル１８が噴霧する水に対して略称面から対向する形状の凹面を、改質ガスが流入する端面に形成している。
【００７４】
このような場合にも、ハニカム端面に形成された凹面に向かって水を噴霧することで、既述した実施例と同様の効果を得ることができる。水蒸気混合部を備える燃料改質装置の形状や、燃料改質装置を設置する場所によっては、ハニカム端面の中心部付近に向かって改質ガスの流れ方向と略平行となる向きに水を噴霧するようするように、ノズルを配設することが困難な場合もある。そのような場合には、ノズルが噴霧する水に対して略正面から対向するように、ハニカム端面の凹面を形成すればよい。例えば、ノズルが配設される位置およびその向きが、ハニカム端部に形成される凹面の中心軸とほぼ重なるようにすることが望ましい。なお、ハニカム端面に形成する凹面は、ノズルが水を噴霧する際にミストが広がる形状に対応した形状とすることが望ましい。図１３に、図１２に示したハニカム３１３に比べてミスト形状により近い形状の凹面を有するハニカム３１３Ａを備える水蒸気混合部３１２Ａを示す。
【００７５】
Ｇ．第６実施例：
既述した実施例では、水蒸気混合部において、ハニカム端面に向かって水を噴霧するノズルを一つ設けることとしたが、複数のノズルを設けることとしても良い。図１４は、第６実施例の水蒸気混合部４１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部４１２は、２つのノズル１８を備えている。一方のノズル１８は、水蒸気混合部４１２の上部壁面の近傍に設けられており、改質ガスの流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。他方のノズル１８は、水蒸気混合部４１２の下部壁面の近傍に設けられており、改質ガスの流れ方向下流側の斜め上方に向けて水を噴霧する。また、水蒸気混合部４１２は、既述した実施例と類似するハニカム４１３を備えているが、このハニカム４１３は、上記２つのノズル１８のそれぞれに対応して、各々のノズル１８に対向する２つの凹面を、改質ガスが流入する端部に形成している。すなわち、上記一方のノズル１８に対しては、下に凸となる形状の凹面が形成されており、上記他方のノズル１８に対しては、上に凸となる形状の凹面が形成されている。
【００７６】
このような場合にも、ハニカム端面に形成された凹面に向かって水を噴霧することで、既述した実施例と同様の効果を得ることができる。特に、本実施例では、対称な位置に２つのノズル１８を配設しているため、ハニカム４１３に対して充分に均一に水を噴霧することが可能となる。あるいは、複数のノズル１８を備えることで、水の噴霧に用いるノズルの数を増減することが可能となり、これによって、水を噴霧する際のターンダウン比を向上させることが可能となる。
【００７７】
また、複数のノズルを配設する際に、互いに対称とはならない位置に設けることも可能である。図１５は、第６実施例の変形例としての水蒸気混合部４１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部４１２Ａは、２つのノズル１８を備えているが、これら２つのノズル１８は、共に、水蒸気混合部４１２Ａの上部壁面の近傍に設けられており、改質ガスの流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。また、水蒸気混合部４１２Ａは、既述した実施例と類似するハニカム４１３Ａを備えているが、このハニカム４１３Ａは、上記２つのノズル１８のそれぞれに対応して、各々のノズル１８に対向する２つの凹面を、改質ガスが流入する端面に形成している。すなわち、ハニカム４１３Ａの端部には、下に凸となる形状の凹面が、２つ並んで形成されている。このような場合にも、複数のノズル１８を用いて、液水をより均一な状態でハニカム内に導入することができると共に、既述した実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７８】
Ｈ．第７実施例：
図１６は、第７実施例の水蒸気混合部５１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部５１２は、内部に所定の空間を形成するハニカム５１３を備えている。また、水蒸気混合部５１２は、上記所定の空間内に水を噴霧するノズル１８を備えている。ハニカム５１３に対しては、改質器３８側から改質ガスが導入されるため、ノズル１８から上記所定の空間内に水が噴霧されると、噴霧された液水は、改質ガスの流れに導かれてハニカム５１３内を下流側に流れる。このとき、噴霧された液水は、ハニカム５１３を構成する各セルの壁面と接触しながらこれと熱交換し、気化して改質ガス中に混合される。
【００７９】
以上のように構成された第７実施例の水蒸気混合部５１２によれば、ハニカム５１３の内部において水を噴霧するため、噴霧した水を無駄なくハニカム５１３内に導入して、これを気化させることが可能となる。既述したように、高温のハニカム壁面に液水が吹き付けられると、その表面に蒸気膜が形成され、いわゆるライデンフロスト現象によって液水が跳ね返されてしまうおそれがある。本実施例では、ハニカム５１３内部に水を噴霧するため、上記空間内においてこのように液水が跳ね返されても、液水がハニカム５１３外部に放出されることはない。噴霧された水は、最終的には、改質ガスの流れに導かれて、ほぼ全てをハニカム５１３内に導入することが可能となる。また、ハニカム５１３内で水を噴霧するため、ハニカムの外部から水を噴霧する場合に比べて、より強い勢いでハニカム内に水を吹き込むことが可能となり、跳ね返されることなくハニカム内に水を導入することがより容易になる。上記のように、より多くの量の液水を確実にハニカム５１３内に導入できることにより、ノズル１８から噴霧した水と改質ガスとの間の熱交換効率をより高めることができる。
【００８０】
本実施例において、ハニカム内に水を噴霧するノズル、および、ハニカム内に形成されて水が噴霧される空間を、それぞれ複数設けることとしても良い。図１７は、第７実施例の変形例としての水蒸気混合部５１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部５１２Ａでは、ノズル１８と、ノズル１８が水を噴霧する空間とを、それぞれ２つずつ設けている。このように、複数箇所から水を噴霧することで、より均一にハニカム５１３Ａ内に液水を導入することができる。
【００８１】
Ｉ．第８実施例：
図１８は、第８実施例の水蒸気混合部６１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部６１２は、既述した実施例と類似するハニカム６１３と、傾斜フィン７０とを備えている。傾斜フィン７０は、ハニカム６１３に隣接して、改質ガスの流れ方向の上流側に配設されており、改質ガスが導入される側の端面に、既述した実施例と同様の凹面を形成している。この傾斜フィン７０は、図１８に示すように、隣接するハニカム６１３側に向かって重力方向に傾斜して互いに平行に配設される複数の薄板状部材を備える。なお、このような傾斜フィン７０の横断面は、図９（Ａ）に示した断面と同様の形状になる。
【００８２】
ノズル１８から噴霧された液水が傾斜フィン７０端部の開口部内に入り込むと、上記傾斜して配設される複数の薄板状部材によって、ハニカム６１３側に導かれる。ハニカム６１３側に導かれた液水は、改質ガスの流れによって、さらにハニカム６１３内に導かれ、この内部で、ハニカム６１３を構成する各セルの壁面との間で熱交換することによって気化する。
【００８３】
本実施例の水蒸気混合部６１２によれば、傾斜フィン７０端部の開口部内に入り込んだ液水が、傾斜する薄板状部材によってハニカム６１３側に導かれるため、傾斜フィン７０やハニカム６１３の表面に既述した蒸気膜が形成される場合にも、一旦開口部内に入り込んだ液水が蒸気膜に跳ね飛ばされて再び上記凹面から排出されてしまうのを防止することができる。そのため、ハニカム６１３内に導入する液水の量を確保して、噴霧した液水と改質ガスとの間の熱交換効率を充分に高くすることができる。上記のように、本実施例では、傾斜フィン７０は、内部に一端入り込んだ液水を保持するための導入水保持部として働く。
【００８４】
図１９は、第８実施例の変形例としての水蒸気混合部６１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部６１２Ａは、上記第８実施例における傾斜フィン７０と同様の第１傾斜フィン７０Ａに加えて、この第１傾斜フィン７０Ａとハニカム６１３との間に、第２傾斜フィン７０Ｂとを備えている。第２傾斜フィン７０Ｂは、第１傾斜フィン７０Ａとは逆に、隣接するハニカム６１３側に向かって重力方向逆向きに傾斜して互いに平行に配設される複数の薄板状部材を備えている。ここで、第２傾斜フィン７０Ｂは、第１傾斜フィン７０Ａと共に、導入水保持部７２を形成している。
【００８５】
ノズル１８から噴霧された液水が第１傾斜フィン７０Ａの開口部内に入り込むと、第１傾斜フィン７０Ａが備える上記傾斜して配設される複数の薄板状部材によって、第２傾斜フィン７０Ｂ側に導かれる。第１傾斜フィン７０Ａと第２傾斜フィン７０Ｂとでは薄板状部材の傾斜の向きが異なっているため、第２傾斜フィン７０Ｂ側に導かれた上記液水は、第１傾斜フィン７０Ａと第２傾斜フィン７０Ｂとの接続部付近に滞留する。この滞留した液水は、第１傾斜フィン７０Ａおよび第２傾斜フィン７０Ｂの壁面や、改質ガスと熱交換することによって気化し、改質ガス中に混合される。このような構成としても、第８実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、第１傾斜フィン７０Ａと第２傾斜フィン７０Ｂとの接続部付近に液水を保持することで、気化しない状態の液水が改質ガスによって吹き飛ばされて、ハニカム６１３よりも下流側に流されるのを防止することができる。
【００８６】
Ｊ．第９実施例：
図２０は、第９実施例の水蒸気混合部７１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部７１２は、第４実施例の水蒸気混合部２１２と同様に、チャンバ６８を形成するハニカム２１３を備えており、このチャンバ６８内に、反射板７４をさらに備えている。また、本実施例の水蒸気混合部７１２は、既述したノズル１８に代えて、直進ノズルであるノズル７１８を備えている。
【００８７】
水蒸気混合部７１２では、ノズル７１８は、チャンバ６８内の反射板に向かってまっすぐに水を吐出する。吐出された水は、反射板７４によってチャンバ６８の内壁に跳ね返されて、チャンバ６８内で拡散し、ミスト化する。チャンバ６８内でミスト化した水は、改質ガスによってハニカム２１３内に導入されて、ハニカム２１３内で気化する。
【００８８】
本実施例の水蒸気混合部７１２によれば、直進ノズルを用いてチャンバ６８内に一旦水を吹き込んでから、ハニカム２１３内に液水を導入するので、より多くの水を確実にハニカム２１３内で導入し、気化させることができる。また、直進ノズルを用いることで、ハニカム２１３に供給される水の勢いをより強くすることができるため、ハニカム２１３の壁面上に既述した蒸気膜が形成される場合にも、その影響を受けずにハニカム２１３内に液水を導入することがより容易となる。
【００８９】
上記第９実施例では、ノズル７１８およびチャンバ６８は一つずつ設けることとしたが、それぞれ複数設けることとしても良い。図２１は、第９実施例の変形例としての水蒸気混合部７１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部７１２Ａは、第４実施例の変形例の水蒸気混合部２１２Ａと同様に、２つのチャンバ６８を形成するハニカム２１３Ａを備えている。２つのチャンバ６８の内部には、上記第９実施例と同様に、反射板７４がそれぞれ設けられている。また、水蒸気混合部７１２Ａは、直進ノズルであるノズル７１８を２つ備えている。２つのうちの一方のノズル７１８は、２つのうちの一方のチャンバ６８内に対して水を吐出し、他方のノズル７１８は、他方のチャンバ６８内に対して水を吐出する。チャンバ６８内に吐出された水は、既述したように、反射板７４によってチャンバ６８の内壁に跳ね返されて、チャンバ６８内で拡散し、ミスト化する。そして、改質ガスによってハニカム２１３Ａ内に導入されて、ハニカム２１３Ａ内で気化する。
【００９０】
このような水蒸気混合部７１２Ａによれば、上記第９実施例と同様の効果を奏すると共に、複数のチャンバ６８内に水を供給することで、より均一な状態で液水をハニカム内に導入可能となる。このような構成は、水蒸気混合部や、これを備える燃料改質装置の形状により、ハニカム端面に正対する位置にノズルを配設することが困難な場合にも適用可能である。水蒸気混合部の壁面近傍にノズルを設ける場合にも、このように複数のノズルを用いることで、ハニカム内により均一に液水を導入することができる。
【００９１】
なお、反射板７４としては、例えば、セラミックなどの高密度な多孔体によって構成することができる。また、反射板７４は、平滑板状に形成しても良いし、凹面あるいは凸面といった曲面を形成する形状としても良い。曲面とすることで、直進ノズルから吐出される水の推進力を効果的に分散して、液水を良好にミスト化し、ハニカム内への導入を促すことができる。
【００９２】
Ｋ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９３】
Ｋ１．変形例１：
既述した各実施例の水蒸気混合部において、ハニカムの後段側に、さらに、発泡金属や樹脂フォームからなる多孔質体を、液水飛散防止部として配設することとしても良い。第１実施例の水蒸気混合部１２と同様の水蒸気混合部において、このような液水飛散防止部１５を配設する様子を、図２２に示す。ここでは、液水飛散防止部１５は、ハニカム１３の下流側の端面に隣接するように配設している。
【００９４】
このような構成とすれば、ハニカム１３の後段に配設されたシフト部４０内に液水が入り込むのを防止することができる。ノズル１８から噴霧された水は、ハニカム１３の壁面と熱交換することによって気化するが、既述したようにハニカム壁面上に蒸気膜が形成されることで、（いわゆるライデンフロスト現象によって）ハニカム壁面上を滑るように液水が後段側に流される場合が考えられる。上記のように液水飛散防止部１５を設ければ、このようなことが起こっても、液水飛散防止部１５によって液水を捕捉することができる。シフト部内に液水が侵入すると、シフト触媒表面が濡れることによってシフト反応が抑制されてしまうおそれがあるが、ハニカム後段で液水を捕捉することにより、このような不都合を防止することができる。
【００９５】
Ｋ２．変形例２：
また、水蒸気混合部によって改質ガスを気化・昇温させる際に、改質ガスの熱を、より効率よく水の気化に利用するために、ハニカムの周囲に断熱材を配設する構成も好適である。図２３は、第１実施例の水蒸気混合部１２と同様の水蒸気混合部において、このような断熱部１７を配設する様子を表わす説明図である。断熱部１７は、ハニカム１３の側面全体を覆うように配設されている。この断熱部１７は、ハニカム１３と、ハニカム１３を内部に収容する水蒸気混合部の外壁との間の熱交換を妨げる部材である。熱伝導率が充分に低い部材によって形成すれば良く、例えばガラス繊維を用いることができる。
【００９６】
このような断熱部１７を備えることで、ハニカム１３上で液水が気化する際の気化潜熱を用いて、改質ガスを冷却する効率をより向上させることが可能となる。ハニカム１３と上記外壁とが接している場合には、ノズル１８から噴霧した液水の気化潜熱によってハニカム１３が冷却されるときに、ハニカム１３と接する上記外壁もまた冷却されてしまう。このように外壁を冷却するために用いられる気化潜熱は、改質ガスの冷却に寄与することができない。上記したように、ハニカム１３の外周に断熱部１７を設けることで、液水の気化潜熱を無駄なく利用してハニカム１３を冷却することができ、最終的に、ハニカム１３内を通過する改質ガスの冷却を行なうことができる。
【００９７】
Ｋ３．変形例３：
既述した実施例では、改質ガスおよびミストと熱交換してミストを気化させるために、ハニカムを用いているが、異なる種類の多孔質体を用いることも可能である。ノズルから噴霧された液水や改質ガスと接触する充分な表面積と、充分な熱伝導性を有していればよい。また、多孔質体の備える細孔が、多孔質体の端面において、噴霧された水が効率よく内部に入り込むのに充分な大きさに開口していれば良い。これによって、実施例のハニカムと同様に、噴霧された水の気化を促進する効果を得ることができる。例えば発泡金属を用いることとしても良い。
【００９８】
あるいは、異なる種類の多孔質体を組み合わせて用いることもできる。例えば、第３実施例の水蒸気混合部１１２において、改質ガスが導入される位置に、既述した低密度ハニカム６６を配設し、これよりも下流側では高密度ハニカム１１３に代えて、細孔径がより小さい発泡金属を配設することとしても良い。
【００９９】
Ｋ４．変形例４：
図１に示した燃料電池システム２０では、改質燃料としてガソリンを用いることとしたが、他種の改質燃料を用いることとしても良い。改質燃料としては、ガソリンの他、天然ガスなどの炭化水素や、メタノールなどのアルコール、アルデヒドなど、改質して水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を適用可能である。用いる改質燃料に応じて改質触媒や改質温度は適宜定まるが、一般に、上記炭化水素系燃料の改質反応温度よりもシフト触媒温度が低いため、本発明を適用して改質ガスの加湿と冷却とを行ない、同様の効果を得ることができる。また、水蒸気混合部において充分に改質ガスを降温可能であれば、熱交換部１０において、図２に示した熱交換器１６は設けないこととしても良い。
【０１００】
Ｋ５．変形例５：
また、既述した実施例では、水蒸気混合部を改質器とシフト部との間に設けたが、同様の水蒸気混合部を、シフト部の途中に設けることとしても良い。すなわち、シフト部内でシフト触媒を備える触媒層を複数に分割して互いに直列に接続し、上流側の触媒層と下流側の触媒層との間に、水蒸気混合部を設けることとしても良い。このような構成では、シフト反応に供する水が、シフト部の上流側とシフト部の途中とで、分割供給されることとなる。
【０１０１】
このような場合には、上流側のシフト部触媒層から排出された改質ガスは、水蒸気混合部で加湿された後、下流側のシフト部触媒層に導入されるため、水蒸気混合部において改質ガスの温度を大きく低下させる必要はない。このように、水蒸気混合部内で加湿されるガスが降温するのを抑えたい場合には、水蒸気混合部の周囲に配設される高温の装置と水蒸気混合部とを、伝熱性の高い部材を用いて熱的に接続し、上記高温の装置の熱を水蒸気混合部に伝えることとすればよい。すなわち、上流側のシフト部触媒層および／または下流側のシフト部触媒層の熱を、水蒸気混合部のハニカムに伝える構成として、上流側および下流側の触媒層と水蒸気混合部との全体を、所定の高温状態に保つこととすればよい。
【０１０２】
Ｋ６．変形例６：
既述した実施例では、本発明の水蒸気混合部を、シフト反応に供する水を改質ガスに加えるために用いたが、シフト反応に供する水以外の液体を気化させるための気化装置として用いることも可能である。図２４は、改質器３８で進行する水蒸気改質反応に供する水を気化させるために、気化部８１２を用いる様子を表わす説明図である。図２４に示すように、気化部８１２は、改質器３８の前段側に配設されており、既述した実施例の水蒸気混合部と同様に、端部に凹面を形成するハニカム１３を備えている。さらに、気化部８１２は、上記凹面に向かって水を噴霧するノズル８１８を備えている。また、ハニカム１３の外周面と、改質器３８の触媒層の外周面とは、熱伝導性の高い部材からなる伝熱部７６によって一括して覆われている。改質器３８は、改質反応が進行して所定の温度範囲に保たれるが、上記伝熱部７６を設けることで、改質器３８の熱がハニカム１３に伝えられ、ハニカム１３が加熱される。このようにハニカム１３が高温に保たれるため、ノズル８１８から噴霧された水は、ハニカムが備える各セル表面と熱交換して気化する。このような気化部８１２によれば、改質反応に供する水を気化する装置を小型化することができる。
【０１０３】
このとき、既述した実施例のように、改質燃料として液体燃料を用いる場合には、予め液体の改質燃料と水とを混合し、水を混合した液体燃料をノズル８１８から噴霧して、水と液体燃料との両方を、ハニカム１３上で気化させることができる。あるいは、水と液体燃料とを、それぞれ別々のノズルを用いて、ハニカム１３に噴霧することとしても良い。特に、ガソリンのように分子量の大きな炭化水素系液体燃料を用いる場合には、噴霧されるハニカム端面にタールが付着して入口部に次第に堆積するおそれがあるが、上記のようにハニカム端部を凹面として各セルの開口部を広げることで、ガスの流れによってタールは下流側に入り込むようになる。これによって、入口部がタールで塞がれるのを防止することが可能となる。また、改質反応において水蒸気を用いない場合には、水に代えて液体燃料だけをノズルからハニカム１３に噴霧することとすればよい。
【０１０４】
図２４に示した気化部８１２では、改質燃料として気体燃料を用いる場合の気体燃料や、改質反応に供する空気は、気化部８１２に供給されて上記凹面からハニカム１３内に導入される。そのため、気化部８１２に第２実施例の水蒸気混合部の構成をさらに適用して、上記気体燃料や空気の流れを利用して、ハニカム内に導入されなかった液体がハニカム内に導入されるのを促すことも可能である。
【０１０５】
なお、図２４において、ハニカム１３と改質器３８との間には、水蒸気と改質燃料との混合気体における水蒸気の分布状態を均一化するために所定の空間が設けられているが、このような空間を設けず、ハニカム１３と改質触媒とを連続して配設することも可能である。また、ハニカム１３の後段部に、図２２に示したのと同様の液水飛散防止部を設けることとしても良い。あるいは、気化部８１２の外壁と改質器の外壁とが接続されることで、充分量の熱が改質器から気化部８１２に伝えられるならば、特には伝熱部７６を設けないこととしても良い。また、ノズル８１８は、扇形ノズル以外のノズルを用いることとしても良く、例えば、改質反応に供する空気を利用する２流体ノズルを用いることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム２０の構成の概略を表わす説明図である。
【図２】熱交換部１０の構成の概略を表わす説明図である。
【図３】混合気体流路５３から改質ガス流路５６までの各部を接続する様子を表わす説明図である。
【図４】第２実施例の水蒸気混合部１２Ａの構成の概略を表わす説明図である。
【図５】第２実施例の第１の変形例としての水蒸気混合部１２Ｂの構成を表わす説明図である。
【図６】第２実施例の第２の変形例としての水蒸気混合部１２Ｃの構成を表わす説明図である。
【図７】第３実施例の水蒸気混合部１１２の構成を表わす説明図である。
【図８】低密度ハニカム６６および高密度ハニカム１１３の断面の様子を表わす説明図である。
【図９】低密度ハニカム６６の他の形状の例を示す説明図である。
【図１０】第４実施例の水蒸気混合部２１２の構成を表わす説明図である。
【図１１】第４実施例の変形例としての水蒸気混合部２１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図１２】第５実施例の水蒸気混合部３１２の構成を表わす説明図である。
【図１３】水蒸気混合部３１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図１４】第６実施例の水蒸気混合部４１２の構成を表わす説明図である。
【図１５】第６実施例の変形例としての水蒸気混合部４１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図１６】第７実施例の水蒸気混合部５１２の構成を表わす説明図である。
【図１７】第７実施例の変形例としての水蒸気混合部５１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図１８】第８実施例の水蒸気混合部６１２の構成を表わす説明図である。
【図１９】第８実施例の変形例としての水蒸気混合部６１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図２０】第９実施例の水蒸気混合部７１２の構成を表わす説明図である。
【図２１】第９実施例の変形例としての水蒸気混合部７１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図２２】液水飛散防止部１５を備える水蒸気混合部の構成を表わす説明図である。
【図２３】断熱部１７を備える水蒸気混合部の様子を表わす説明図である。
【図２４】水蒸気改質反応に供する水を気化させるために水蒸気混合部８１２を用いる様子を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０…熱交換部
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…水蒸気混合部
１３…ハニカム
１４…接続流路
１５…液水飛散防止部
１６…熱交換器
１７…断熱部
１８…ノズル
２０…燃料電池システム
３０…ガソリンタンク
３２…水タンク
３４…蒸発器
３６…加熱部
３７…加熱部
３８…改質器
３９，４３，４６…ブロワ
４０…シフト部
４２…ＣＯ選択酸化部
４４…燃料電池
４５…制御部
４７，４８…ポンプ
４９…流量調整弁
５０…改質燃料流路
５１…水供給路
５２…改質燃料供給路
５３…混合気体流路
５４〜５６…改質ガス流路
５７…燃料ガス供給路
５８…燃料排出路
５９…水分岐路
６０…受け板
６０…酸化ガス供給路
６１…平坦部
６２…吸湿部
６２…酸化排ガス路
６６…低密度ハニカム
６８…チャンバ
７０…傾斜フィン
７０Ａ…第１傾斜フィン
７０Ｂ…第２傾斜フィン
７２…導入水保持部
７４…反射板
７６…伝熱部
１１２…水蒸気混合部
１１３…高密度ハニカム
２１２，２１２Ａ…水蒸気混合部
２１３，２１３Ａ…ハニカム
３１２，３１２Ａ…水蒸気混合部
３１３，３１３Ａ…ハニカム
４１２，４１２Ａ…水蒸気混合部
４１３，４１３Ａ…ハニカム
５１２，５１２Ａ…水蒸気混合部
５１３，５１３Ａ…ハニカム
６１２，６１２Ａ…水蒸気混合部
６１３…ハニカム
７１２，７１２Ａ…水蒸気混合部
７１８…ノズル
８１２…水蒸気混合部
８１８…ノズル
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池に供給するための水素を得る方法として、炭化水素系化合物を改質して水素リッチガスを生成する方法が知られている。改質反応によって生成した水素リッチガスは通常は一酸化炭素を含有しているため、上記水素リッチガスを燃料電池に供給するのに先立って、ガス中の一酸化炭素濃度の低減が図られる。改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する方法の一つとして、一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生じるシフト反応が利用されており、この場合には、改質触媒を備える改質器の下流側に、シフト触媒を備えるシフト部が配設される。
【０００３】
上記のように、シフト反応は水（水蒸気）を用いる反応であるため、シフト部に供給する改質ガスは、充分量の水蒸気を含有する必要がある。改質ガスに対して充分量の水蒸気を添加する方法として、本願出願人は既に、改質ガスに対向して水を噴霧する構成を提案している（特開２００２−６０２０５号公報）。ここでは、改質器から排出された高温の改質ガスに対して水を噴霧して、改質ガスの有する熱を利用して噴霧した水を気化させ、生じた水蒸気を改質ガスに混合している。このように、改質ガスが有する熱を利用して気化を行なうことにより、改質ガスに添加する水蒸気を生成するために消費するエネルギを削減することができる。さらに、これによって、改質反応よりも反応温度が低いシフト反応に先立って、改質ガスを充分に降温させることが可能となる。
【０００４】
上記構成では、改質ガスに対向して噴霧された水は、気相中で改質ガスと熱交換して気化するが、気化せずに残った液水は、さらに下流側に配設されるハニカム内に導入されて気化される構成となっている。このように下流側に配設されるハニカムは、その内部を高温の改質ガスが通過することによって昇温するため、高温のハニカム壁面と接触してこれと熱交換することによって、上記残った液水も気化することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高温のハニカム壁面では、噴霧された液水が吹き付けられることによってハニカム表面に形成される蒸気膜によって液水が跳ね返されて、ハニカム内へと液水が入り込むのが妨げられてしまうおそれがある。ハニカム内に入ることができず気化することができない液水が残ると、改質ガスに添加される水蒸気量が少なくなるだけでなく、噴霧した水と改質ガスとの間の熱交換効率が低下して、噴霧した水によって充分に改質ガスを降温できなくなるおそれがある。
【０００６】
ハニカムから跳ね返される液水の量を減らして水と改質ガスとの間の熱交換効率の低下を防ぐためには、ハニカムよりも上流側の気相中でより多くの水を気化させる方法が考えられる。しかしながら、この場合には、気相中で噴霧された液水と改質ガスとが熱交換を行なうスペースをより広く確保する必要があり、装置が大型化してしまうという問題が生じる。このように、気化のための熱交換効率を充分に確保するために装置が大型化してしまうのを抑えるという課題は、液体を気化させる気化装置に共通する課題である。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、装置を大型化することなく、気化の際の熱交換効率を充分に確保する技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料から、水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質器と、
水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備え、前記改質ガスの供給を受けて、前記シフト反応によって一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成するシフト部と、
前記シフト部に供給するのに先立って、前記改質ガスに対して水蒸気を混合する水蒸気混合部と
を備え、
前記水蒸気混合部は、
前記改質器から排出された前記改質ガスが流入する多数の穴を有する流入面と、該流入面の下流側にあり多数の細孔を有する多孔質部とを備えると共に、前記流入面の所定の領域が凹面を形成している気化促進部と、
前記凹面を形成する流入面に対して水を噴霧するノズルと
を備えることを要旨とする。
【０００９】
このような燃料改質装置では、改質器から水蒸気混合部に改質ガスが供給されると、改質ガスの熱によって多孔質部が加熱され、ノズルから噴霧された水は、この多孔質部内を通過しながらこれと熱交換することで気化し、改質ガス中に混合される。このとき、凹面を形成する気化促進部の流入面に向けてノズルから水が噴霧されるため、噴霧された水が気化促進部の流入面で跳ね返されても、跳ね返された水は凹面の中心部に集まりやすくなり、より多くの水を無駄なく気化促進部内に導入して、気化させることが可能となる。また、噴霧した水は、多孔質部と接触して熱交換することによって気化するため、気相中で気化を行なう場合に比べて高い効率で気化を行なうことができ、気化のための装置を小型化することが可能となる。なお、上記凹面の形状は、ノズルから水が噴霧される際にミストが広がる形状により近いことが望ましい。
【００１０】
このような本発明の第１の燃料改質装置において、
前記水蒸気混合部は、前記ノズルから噴霧された後に前記気化促進部内に導入されなかった水を保持する保水部をさらに備えることとしても良い。
【００１１】
これによって、気化促進部内に導入されなかった水を、保水部によって一旦保持することで、改質器から供給される改質ガスを利用して、最終的に気化促進部内に導入することが可能となる。より多くの水を気化促進部内に導入することで、水と改質ガスとの間の熱交換効率を充分に確保することができる。
【００１２】
ここで、上記保水部は、前記気化促進部内に導入されなかった水を、前記流入面の所定の領域近傍でせき止める受け板とすることができる。受け板にせき止められた水は、改質ガスの流れに導かれて、気化促進部内に入り込むことが可能となる。
【００１３】
あるいは、上記保水部は、前記気化促進部の入口近傍において、凹面を成す前記流入面に連続して、所定の範囲にわたって水平方向になだらかに広がる面を備える平坦部とすることができる。平坦部を構成する水平面上に保持された水は、改質ガスの流れに導かれて、気化促進部内に入り込むことが可能となる。
【００１４】
あるいは、上記保水部は、少なくとも、前記多孔質部に対して鉛直方向下側の位置に隣接して配設され、前記流入面近傍に存在する水を吸収可能な吸湿部とすることができる。このような構成とすれば、気化促進部の凹面で跳ね返された水は、上記吸湿部に吸収される。そのため、吸収された水が吸湿部内を通過する際に、隣接する多孔質部の熱によってこれを気化させることができる。
【００１５】
また、本発明の第１の燃料改質装置において、
前記多孔質部は、
その表面の一部に前記凹面を形成する第１の多孔質部と、
前記第１の多孔質部を通過した前記水および改質ガスが導入され、前記第１の多孔質部に比べて細孔の断面積が小さく形成されている第２の多孔質部と
を備えることとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、凹面が形成される第１の多孔質部が有する細孔の断面積が、より大きく形成されているため、凹面において各細孔はより大きく開口している。そのため、噴霧された水をより容易に気化促進部内に導入することができる。また、下流側の第２の多孔質部が有する細孔の断面積が、より小さく形成されているため、導入された水と熱交換する多孔質部の表面積がより充分に確保され、気化効率を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明の第１の燃料改質装置において、
前記気化促進部は、凹面を形成する前記流入面の所定の領域であって、前記ノズルから噴霧される水が到達する領域の中心付近に、前記流入面を前記気化促進部内部に向かってさらに凹ませた形状に形成された空間であるチャンバを備えることとしても良い。
【００１８】
このような構成とすれば、上記凹面において、チャンバが大きく開口しているため、噴霧された水や、凹面に一旦跳ね返された水が、容易にチャンバ内に入り込むことができる。チャンバ内に入り込んだ水は、改質ガスの流れに導かれて気化促進部内に入り込むことができるため、より多くの水を確実に気化促進部内に導入することが可能となる。なお、このような凹面に開口するチャンバは、複数個設けることとしても良い。
【００１９】
このような本発明の第１の燃料改質装置において、
前記ノズルは、直進ノズルであり、
前記チャンバは、前記ノズルから吐出された水を該チャンバの内壁面に向かって反射させる反射板を、その内部に備えることとしても良い。
【００２０】
このような燃料改質装置では、直進ノズルから吐出した水を、無駄なくチャンバ内に入り込ませ、チャンバ内でミスト化して、気化促進部内に導入することができる。なお、チャンバと、このチャンバに向かって水を吐出する直進ノズルとから成る組み合わせを、複数設けることとしても良い。
【００２１】
本発明の第１の燃料改質装置において、
前記水蒸気混合部は、前記ノズルを複数備え、
前記気化促進部は、前記複数のノズルの各々から噴霧される水に対向するように、前記複数のノズルの各々に対応する位置に、前記凹面が複数形成されていることとしても良い。
【００２２】
これによって、ノズルの設置位置に関わらず、ノズルから噴霧する水を効率よく気化促進部内に導入することができる。
【００２３】
また、本発明の第１の燃料改質装置において、
前記気化促進部は、前記多孔質部に隣接して設けられ、前記水および改質ガスが導入される前記凹面を形成すると共に、前記ノズルから噴霧された水が内部に入り込むと、該水が前記凹面から外部へ放出されないように該水を保持する導入水保持部を、さらに備えることとしても良い。このような構成とすれば、一旦気化促進部内に入り込んだ水を、効率よく内部で気化させることができる。
【００２４】
本発明の第２の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料から、水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質器と、
水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備え、前記改質ガスの供給を受けて、前記シフト反応によって一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成するシフト部と、
前記シフト部に供給するのに先立って、前記改質ガスに対して水蒸気を混合する水蒸気混合部と
を備え、
前記水蒸気混合部は、
内部に所定の空間を形成すると共に、前記改質器から排出された前記改質ガスが通過する多孔質部を備える気化促進部と、
前記空間内に水を噴霧するノズルと
を備えることを要旨とする。
【００２５】
このような燃料改質装置では、改質器から水蒸気混合部に改質ガスが供給されると、改質ガスの熱によって多孔質部が加熱され、ノズルから噴霧された水は、この多孔質部と熱交換することで気化し、改質ガス中に混合される。このとき、気化促進部内に形成される空間内においてノズルから水が噴霧されるため、噴霧された水は、外部に排出されることなく、効率よく気化促進部内に入り込むことができる。なお、水を噴霧するノズルと、水が噴霧される空間とを、複数設けることとしても良い。これによって、気化促進部内に対して、より均一に噴霧した水を導入することができる。
【００２６】
本発明の第１または第２の燃料改質装置において、前記多孔質部は、メタルハニカムとすることができる。熱伝導率の高いメタルハニカムを用いることで、改質ガスの加湿・降温を効率良く行なうことができる。また、改質ガスの流れが望ましくない程度に妨げられることもない。さらに、メタルハニカムから成る多孔質部が凹面を形成する場合には、メタルハニカムを構成する各セルは、凹面においてより大きく開口することができるため、ノズルから噴霧された水がより入り込みやすくなる。
【００２７】
このような燃料改質装置において、
前記気化促進部は、前記メタルハニカムと前記シフト部との間に、前記メタルハニカムから排出された改質ガスを通過させて該改質ガス中に残留する水を捕捉し、該水が下流側に飛散するのを防ぐための、多孔質の飛散防止部をさらに備えることとしてもよい。これによって、気化促進部内で気化し残った水が改質器に入り込むのを防止することができる。
【００２８】
また、本発明の第１または第２の燃料改質装置において、
前記多孔質部の外周部において、該多孔質部から外部への熱の伝達を阻害する断熱部をさらに備えることとしてもよい。このような構成とすれば、多孔質部内部で水が気化する際の気化潜熱を用いて効率良く多孔質部を冷却することができ、これによって、効率良く改質ガスを冷却することができる。
【００２９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムや気化装置などの形態で実現することが可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．熱交換部１０の構成：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．第５実施例：
Ｇ．第６実施例：
Ｈ．第７実施例：
Ｉ．第８実施例：
Ｊ．第９実施例：
Ｋ．変形例：
【００３１】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム２０の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム２０は、改質反応に供するガソリンを貯蔵するガソリンタンク３０、水を貯蔵する水タンク３２、加熱部３６を併設した蒸発器３４、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器３８、改質ガスを降温・加湿する熱交換部１０、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を低減するシフト部４０およびＣＯ選択酸化部４２、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４４、空気を圧縮して燃料電池４４に供給するブロワ４６、コンピュータにより構成される制御部４５を主な構成要素とする。以下、それぞれの構成要素について順に説明する。
【００３２】
ガソリンタンク３０に貯蔵されるガソリンは、改質燃料流路５０を介して蒸発器３４に供給される。改質燃料流路５０にはポンプ４７が設けられており、このポンプ４７によって、蒸発器３４に供給するガソリンの量を制御する。
【００３３】
水タンク３２から蒸発器３４に水を送り込む水供給路５１にはポンプ４８が設けられており、このポンプ４８によって、蒸発器３４に供給する水量を調節する。ここで、水供給路５１は、改質燃料流路５０に合流して改質燃料供給路５２となり、蒸発器３４に接続する。改質燃料供給路５２において、ガソリンと水とは所定量ずつ混合されて、蒸発器３４に供給される。なお、水供給路５１には、水分岐路５９が接続しており、流路の接続部には、流量調整弁４９が設けられている。水分岐路５９は熱交換部１０に接続しており、水タンク３２が蓄える水の一部が熱交換部１０に供給される。
【００３４】
蒸発器３４は、上記のように供給されたガソリンおよび水を気化させる装置であり、昇温した水蒸気とガソリンとの混合気体を排出する。蒸発器３４から排出された水蒸気とガソリンとの混合気体は、混合気体流路５３を介して改質器３８に供給される。
【００３５】
蒸発器３４には、水およびガソリンを気化させる熱源として加熱部３６が併設されている。加熱部３６は、燃焼触媒を備えており、水およびガソリンを気化させるのに要する熱を燃焼反応によって発生する。この燃焼反応のために用いる燃料としては、ガソリンタンク３０に貯蔵するガソリンと、燃料電池４４のアノード側から排出されるアノード排ガスとを用いている（図示せず）。
【００３６】
また、混合気体流路５３には、ブロワ３９が接続されている。ブロワ３９は、改質器３８内で進行する部分酸化反応で要する酸素を供給する。ブロワ３９が取り込んだ空気は、混合気体流路５３において、上記混合気体に混合され、改質器３８に供給される。
【００３７】
改質器３８は、供給された混合気体を用いて改質反応を進行する。改質器３８では、部分酸化反応によって生じた熱を利用して、水蒸気改質反応を進行し、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３８は、このような水蒸気改質反応および部分酸化反応を促進する改質触媒を備えている。ガソリンを改質する触媒としては、ロジウム触媒などの貴金属触媒を用いることができる。改質器３８で生成された改質ガスは、改質ガス流路５４を介して熱交換部１０に供給される。
【００３８】
熱交換部１０は、改質ガスを、シフト部４０に供給するのに先立って降温するための装置である。シフト部４０内で進行するシフト反応の反応温度は、改質器３８における改質反応の反応温度よりも低いため、このように、熱交換部１０を用いて改質ガスを降温させる。すなわち、６００〜１０００℃程度で運転される改質器３８からの改質ガスを、２００〜６００℃程度で運転されるシフト部４０に供給するために、改質ガスを２００〜６００℃程度まで冷却する。なお、熱交換部１０においては、改質器３８から排出された改質ガスを降温させる他に、改質ガスの加湿（シフト反応で要する水の添加）が行なわれる。熱交換部１０の構成については、後に詳しく説明する。熱交換部１０で降温・加湿された改質ガスは、改質ガス流路５５を介して、シフト部４０に供給される。
【００３９】
シフト部４０は、水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備えており、シフト反応を進行することによって、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。シフト触媒としては、例えば、銅系触媒（Ｃｕ／Ｚｎ触媒など）や、白金を備える貴金属系触媒を用いることができる。シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、改質ガス流路５６を介して、ＣＯ選択酸化部４２に供給される。
【００４０】
ＣＯ選択酸化部４２は、改質ガスに豊富に含まれる水素に優先して一酸化炭素を酸化する、一酸化炭素選択酸化反応によって、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。ＣＯ選択酸化部４２が備える一酸化炭素選択酸化触媒としては、白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を挙げることができる。
【００４１】
なお、ＣＯ選択酸化部４２で進行する一酸化炭素選択酸化反応で要する酸素を供給するために、燃料電池システム２０は、外部から空気を圧縮して取り込むブロワ４３を備えている。ブロワ４３は、改質ガス流路５６に接続しており、これによって、取り込んだ圧縮空気をＣＯ選択酸化部４２に供給する。このように燃料電池システム２０では、シフト部４０およびＣＯ選択酸化部４２を用いて改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減することで、燃料電池４４が備える白金触媒に一酸化炭素が吸着して電池性能を低下させてしまうのを防止している。
【００４２】
ＣＯ選択酸化部４２で一酸化炭素濃度が下げられた改質ガスは、燃料ガス供給路５７によって燃料電池４４に導かれ、燃料ガスとしてアノード側における電池反応に供される。燃料電池４４で電池反応に供された後のアノード排ガスは、燃料排出路５８に排出される。このアノード排ガスは、既述したように、加熱部３６において燃焼のための燃料として用いる。一方、燃料電池４４のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、ブロワ４６から酸化ガス供給路６０を介して圧縮空気として供給される。電池反応に用いられた残りのカソード排ガスは、酸化排ガス路６２を介して外部に排出される。
【００４３】
燃料電池４４は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池４４が生じた電力は、燃料電池４４に接続される所定の負荷に供給される。
【００４４】
制御部４５は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭ、あるいは、各種信号を入出力する入出力ポートを備える。制御部４５は、燃料電池システム２０が備える各種センサからの検出信号を入力すると共に、既述したブロワや弁およびポンプなどに駆動信号を出力して、燃料電池システム２０全体の運転状態を制御する。
【００４５】
Ｂ．熱交換部１０の構成：
図２は、熱交換部１０の構成の概略を表わす説明図である。熱交換部１０は、水蒸気混合部１２と、熱交換器１６とを備えている。改質ガス流路５４を介して供給される改質ガスは、水蒸気混合部１２において加湿されると共に冷却され、接続流路１４を介して熱交換器１６に供給される。この熱交換器１６において、改質ガスはさらに冷却され、改質ガス流路５５を介して既述したシフト部４０に供給される。
【００４６】
水蒸気混合部１２は、ハニカム１３と、このハニカム１３に向かって水を噴霧するノズル１８とを備えている。ハニカム１３は、略円柱形状を有しており、ステンレス等の伝熱性の高い金属材料によって形成されるメタルハニカムである。このハニカム１３の両端面は、その外周がほぼ円形を成しているが、ノズル１８に対向する側の端面は、円の中心部が最も凹んだ形状の凹面を形成している。既述したように、水蒸気混合部１２には、改質ガス流路５４を介して改質器３８から改質ガスが供給されるが、この改質ガスは、上記凹面を形成する端面から、ハニカム１３内に導入される。改質器３８から供給される改質ガスは、改質反応の反応温度に応じた所定の高温となっているため、このような改質ガスが内部を通過することによって、ハニカム１３を構成する各セルの壁面は昇温する。なお、水蒸気混合部１２は、図２に示すように、長手方向を横向きにしてほぼ水平に配設されており、この水蒸気混合部１２に対して、改質ガスもほぼ水平方向に流入する。
【００４７】
ノズル１８は、ハニカム１３における上記凹面を形成する端面のほぼ中心部に向かって水を噴霧する扇形ノズルである。ノズル１８から噴霧された液水（ミスト）は、改質ガスと共に、ハニカム１３の上記端面から、ハニカム１３内に導入される。ハニカム１３を構成する各セルの壁面は、上記したように高温となっているため、ハニカム１３内に導入された液水は、各セルの壁面と接触してこれと熱交換することによって気化し、改質ガス中に混合される。ここで、上記ハニカム１３の端面に形成される凹面の形状は、ノズル１８から水が噴霧される際にミストが広がる形状に対応したものとなっている。すなわち、ノズル１８からは、装置側面から見ると扇形となる形状に液水が広がるように水の噴霧が行なわれるが、上記凹面は、この液水が広がる形状に対応した形状となっている。
【００４８】
このように、ハニカム１３に向かって水を噴霧するときに、上記端面においては、ハニカム１３内部に導入されずに液水が跳ね返される場合もある。ハニカム１３の端面で液水が跳ね返される場合には、この端面が上記したように凹面を形成するため、液水は主としてハニカム端面の中心部に向かって跳ね返されることになる。図２では、ノズル１８から水が噴霧される様子を点線で表わし、ノズル１８から噴霧された液水の一部が、上記凹面で跳ね返される様子を、矢印を用いて模式的に示した。凹面を形成する端面中心部に跳ね返されることで、液水は、改質ガスの流れに導かれて、ハニカム内へと入り込むことが可能となる。
【００４９】
熱交換器１６は、水蒸気混合部１２から供給される改質ガスと、冷却水との間で熱交換を行なわせて、改質ガスを降温させる装置である。熱交換器１６で用いる冷却水は、既述した水分岐路５９を介して供給される。熱交換器１６で降温された改質ガスは、改質ガス流路５５に排出される。また、熱交換器１６で改質ガスと熱交換することで昇温した冷却水は、水蒸気混合部１２のノズル１８に導かれ、改質ガスを加湿するために用いられる。
【００５０】
以上のように構成された本実施例の水蒸気混合部１２によれば、シフト反応に供する水を気化させて改質ガスに加えるための装置、あるいは、シフト反応に先立って改質ガスを降温させるための装置を、小型化できるという効果が得られる。すなわち、シフト反応に供する水を、直接改質ガス中に噴霧するため、シフト反応に供するために別途水を気化させる装置を設ける必要がない。また、水を気化させる際に、表面積の大きなハニカムを用い、噴霧した液水とハニカム壁面との間で熱交換を行なわせて水の気化を行なうため、気相中で気化を行なわせる場合に比べてはるかに効率よく、より小さなスペースで気化を行なうことができる。
【００５１】
さらに、本実施例の水蒸気混合部１２によれば、ハニカム１３において改質ガスおよび噴霧された水が導入される端面が凹面を形成するため、噴霧された水をより確実にハニカム１３内に導入することが可能となり、熱交換効率を充分に確保することができる。すなわち、噴霧された液水が吹き付けられて、高温のハニカム壁面上に蒸気膜が形成され、ハニカム内へと液水が入り込むのが妨げられる場合にも、既述したように、液水は端面中心部に向かって跳ね返されて、ハニカム内へと導かれる。また、ハニカム１３の端面が凹面を形成することにより、ハニカム１３の横断面に平行な端面を有する場合に比べて、ハニカム１３を構成する各セルの開口部が、より大きく形成されることになる。したがって、ノズル１８から噴霧された液水が、より容易にハニカム１３内に導入されるようになる。
【００５２】
このように、ノズル１８から噴霧された水が、より確実にハニカム１３内に導入されることで、噴霧した水が無駄なく改質ガスとの熱交換に利用されるようになり、水蒸気混合部１２における水と改質ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。噴霧された水がハニカム１３内に導入されずに、ハニカム１３の入口部付近に滞留してしまうと、滞留した水は、ハニカムを収容する装置外壁と熱交換を行なって、改質ガスの冷却に寄与しなくなるおそれがある。本実施例によれば、このような熱交換効率の低下を抑えることができる。また、このように、シフト反応に供するための水を用いて改質ガスの冷却を行なうことで、シフト反応に供するための水を気化させるために特別に消費するエネルギを削減することができる。そのため、燃料電池システム２０全体のエネルギ効率を、より向上させることができる。
【００５３】
さらに、本実施例の水蒸気混合部１２によれば、ハニカム１３の端面に形成される凹面の形状が、ノズル１８から噴霧されるミストの形状に対応しているため、ノズル１８からハニカム端面までの到達距離が全体として略等しくなり、ハニカム１３を構成する各セルに対して略均一に液水が導入される。そのため、一部のセルに過剰に液水が導入されて、その一部のセルの温度が望ましくない程度に低下して、セル内部で液水が滞留してしまうのを防止することができる。また、各セルに対して略均一に液水が導入されることで、各セルにおいて略均一に改質ガスの冷却が行なうことができ、水蒸気混合部１２から排出される改質ガスにおける温度分布状態をより均一にすることができる。
【００５４】
また、本実施例では、シフト反応に供する改質ガスを降温させるために、熱交換器１６と共に上記した水蒸気混合部１２を用いているため、改質ガスを降温させるために熱交換器１６を用いる場合にも、これをより小型化することができる。また、改質器３８から供給される改質ガスは、一旦水蒸気混合部１２で冷却された後に熱交換器１６に供給されるため、熱交換器１６の耐久性をより向上させることができる。なお、水蒸気混合部１２において、改質ガスを充分に降温可能であれば、熱交換器１６は設けないこととしても良い。
【００５５】
図２に示した熱交換部１０では、水蒸気混合部１２でノズル１８から噴霧する水は、熱交換器１６で冷媒として用いた水を用いることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、ノズル１８から噴霧する水は、水タンク３２から直接供給することとし、熱交換器１６で冷媒として用いて昇温した水は、改質器３８における改質反応に供することとしても良い。このような構成とすれば、改質反応に供する水を気化・昇温するために消費するエネルギを削減することができる。
【００５６】
さらに、本実施例の燃料電池システム２０は、シフト反応に供する水の少なくとも一部を、改質器３８よりも下流の水蒸気混合部１２において加えるため、以下のような効果が得られる。まず第１に、シフト反応で要する水を、シフト部４０の直前で加えることにより、シフト反応に供する水の量を調節する際の応答性が向上する。すなわち、シフト反応で要する水を、より上流に配設される蒸発器３４で気化させる場合に比べて、シフト反応に供する水の量を変化させる際に、ガスが流れる時間によって生じる遅れが少なくなる。そのため、シフト部４０において一時的に水蒸気量が不足してしまうのを防止することができ、このような水蒸気不足に起因して改質ガス中の一酸化炭素濃度が望ましくない程度に上昇してしまうのを防ぐことができる。第２に、シフト反応で要する水の少なくとも一部は、改質器３８よりも上流に設けられた蒸発器３４において改質燃料に加える必要がないため、蒸発器３４で蒸発させるべき水の量が削減されて、蒸発器３４の小型化が可能となる。第３に、水蒸気混合部１２において改質ガスに加えられる水は、改質反応の反応温度にまで昇温する必要がないため、燃料電池システム２０のエネルギ効率の低下を抑えることができる。第４に、蒸発器３４で蒸発させるべき水の量が削減されることで、燃料電池システム２０を始動して暖機運転を行なう際に、蒸発器３４および改質器３８の暖機時間を短縮し始動性を向上させることが可能となる。
【００５７】
図１では、燃料電池システム２０を構成する各部を模式的に表わしたが、各部は種々の形状とすることができる。一例を図３に示す。図３は、混合気体流路５３から改質ガス流路５６までの各部を、断面略円形の管状に形成し、各部を接続する様子を表わしている。ここでは、上記構成を全体として略Ｕ字型に形成しており、改質ガス流路５４および接続流路１４において、Ｕ字の湾曲部を形成している。このような形状とすれば、改質ガスを生成するための燃料改質装置全体をコンパクト化することができる。そのため、燃料電池システム２０を、駆動用電源として車両に搭載する場合のように、搭載可能なスペースに制限がある場合に有利となる。また、上記のようにＵ字型にすることで、ノズル１８を、水蒸気混合部１２内のハニカム１３に対向する位置に配設することが容易となる。なお、図３に示す加熱部３７は、燃料電池システム２０の始動時に、改質器３８内の触媒を加熱するためのヒータである。
【００５８】
上記第１実施例では、ノズル１８として扇形ノズルを用いたが、噴霧された液水がある程度の広がりを持って拡散するならば、他種のノズルを用いることとしても良い。ハニカム１３の端面において、噴霧されるミストの形状に応じた凹面を形成すれば、同様の効果を得ることができる。
【００５９】
Ｃ．第２実施例：
図４は、第２実施例の水蒸気混合部１２Ａの構成の概略を表わす説明図である。水蒸気混合部１２Ａは、第１実施例と同様の燃料電池システム２０において、水蒸気混合部１２に代えて設けられている。なお、図４および以下の実施例で水蒸気混合部の説明に用いる図では、水蒸気混合部の要部のみを示し、下流側の接続流路１４や、特に必要がない限りノズルの記載は省略する。
【００６０】
水蒸気混合部１２Ａは、第１実施例と同様のハニカム１３を備えており、さらにその入口部（凹面を形成する端部周辺）において、受け板６０を備えている。受け板６０は、凹面を形成するハニカム１３の端面の外周に沿って設けられた部材であり、ハニカム１３内に導入されずに跳ね返された液水を保持するための構造である。図４では、受け板６０は、断面が略三角形となる形状に表わしたが、ハニカム１３内に導入されなかった水をハニカム１３の入口部で保持可能な形状であればよい。
【００６１】
ハニカム１３内に導入されず、受け板６０によって保持された水は、上流側から流れる高温の改質ガスの熱によって気化しつつ、改質ガスの流れに導かれてハニカム１３内に導入される（図４の矢印参照）。受け板６０に保持された水がハニカム１３内に導入されると、この水は、ハニカム１３を構成するセルの壁面と接触してこれと熱交換し、次第に気化して改質ガス中に混合される。
【００６２】
以上のように構成された第２実施例の水蒸気混合部１２Ａによれば、第１実施例の水蒸気混合部１２と同様の効果に加えて、さらに次のような効果を奏する。すなわち、ノズル１８から噴霧された液水の一部がハニカム１３内に導入されなかった場合にも、これを受け板６０によって保持することで、ハニカム１３内への導入を促すことができる。したがって、最終的にハニカム１３内に導入されて改質ガス中に混合される水の量をより多くすることができ、噴霧した水と改質ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。
【００６３】
なお、受け板６０は、上記したように、ハニカム１３の端面の外周全体に沿って設ける必要はない。ハニカム１３の上記端面の近傍において、水が落下して滞留する下部領域で水を保持可能となるように、設けることとすればよい。
【００６４】
ハニカム１３内に導入されなかった水を保持するための他の構成を、第２実施例の変形例として以下に示す。図５は、第２実施例の第１の変形例としての水蒸気混合部１２Ｂの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部１２Ｂは、既述した実施例と同様のハニカム１３を備えるが、凹面が形成されるその端面近傍において、平坦部６１を形成している。平坦部６１は、上記凹面から連続して形成され、所定の範囲にわたって水平方向になだらかに広がる面である。ハニカム１３内に導入されなかった水は、この平坦部６１上に一旦保持されて、上流側から流れる高温の改質ガスの熱によって気化しつつ、改質ガスの流れに導かれてハニカム１３内に導入される（図５の矢印参照）。平坦部６１に保持された水がハニカム１３内に導入されると、この水は、ハニカム１３を構成するセルの壁面と接触してこれと熱交換し、次第に気化して改質ガス中に混合される。このような構成とすることで、第２実施例と同様の効果を得ることができる。なお、平坦部６１もまた、ハニカム１３の端面の外周全体に沿って設ける必要はなく、上記端面近傍の下部領域で水を保持可能となるように設ければよい。
【００６５】
図６は、第２実施例の第２の変形例としての水蒸気混合部１２Ｃの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部１２Ｃは、既述した実施例と同様のハニカム１３を備えると共に、さらに、ハニカム１３の外周面に接して、吸湿部６２を備えている。吸湿部６２は、吸湿性材料、例えば、シリカゲルや酸化カルシウム、あるいはゼオライトによって構成することができる。水蒸気混合部１２Ｃでは、ハニカム１３と吸湿部６２とを合わせた端面全体で、既述した凹面を形成している。ハニカム端面に形成される凹面で跳ね返され、ハニカム端面近傍に滞留する水は、この吸湿部６２によって一旦吸収される。その後、吸収された水は、隣接するハニカム１３の有する熱によって、主として吸湿部６２とハニカム１３との接触部において気化し、ハニカム１３内を通過する改質ガス中に混合される。このような構成とすることで、第２実施例と同様の効果を得ることができる。なお、吸湿部６２は、ハニカム１３の外周面全体と接するように設ける必要はなく、上記端面近傍の下部領域に流れ落ちた水を吸収・保持可能となるように設ければよい。
【００６６】
Ｄ．第３実施例：
図７は、第３実施例の水蒸気混合部１１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部１１２は、既述した実施例のハニカム１３に代えて、改質ガスが導入する側に配設された低密度ハニカム６６と、この低密度ハニカム６６に隣接して設けられた高密度ハニカム１１３とを備えている。低密度ハニカム６６において、改質器３８から供給される改質ガスおよびノズル１８から噴霧された水が導入される側の端面は、既述したハニカム１３と同様に、凹面が形成されている。
【００６７】
低密度ハニカム６６の断面の様子を図８（Ａ）に、高密度ハニカム１１３の断面の様子を図８（Ｂ）に、それぞれ示す。図８に示すように、低密度ハニカム６６は、これが備える各セルの断面積が、高密度ハニカム１１３が備える各セルの断面積に比べて小さくなるように形成されている。
【００６８】
このような構成とすれば、上記端面を凹面とすることによる効果に加えて、噴霧された液水が導入される開口部を大きく形成することにより、噴霧された液水をハニカム内部に導入する効率を向上させ、噴霧された液水と改質ガスとを熱交換させる効率を向上させる効果を得ることができる。ここで、下流側には高密度ハニカム１１３を配設しているため、水蒸気混合部１１２全体としては、ハニカムの表面積を充分に確保して、充分な効率で液水と改質ガスとの熱交換を行なうことができる。
【００６９】
なお、図８に示したように、上記第３実施例では、上流側の低密度ハニカム６６と高密度ハニカム１１３とでは、各セルの断面の形状が類似する形状としたが、異なる形状としても良い。上流側に配設した各セルの開口部をより大きく形成して、ミストの導入を促すならば、ハニカムが備えるセル断面の形状を異なる形状としても、同様の効果を得ることができる。上流側に配設する低密度ハニカム６６の他の形状の例を、その断面図として図９に示す。図９（Ａ）に示す低密度ハニカムは、平行に配設された複数の横板のみで形成することによって、各々の開口部をより大きく確保している。図９（Ｂ）は、上記平行に配設された横板に加えて、さらに縦板を設けて強度を確保しているが、縦板を配設する間隔を充分に広くとることによって、開口部をより大きく形成している。図９（Ｃ）は、比較的多くの水が吹き付けられる中央部に設けられるセルの開口部をより大きく形成して、より多くの液水が内部に導入され易い形状としている。なお、図９（Ｃ）の構成では、中央部付近の開口部を大きくした分、周辺部の開口部を小さく形成しており、これによって、改質ガスとの間で熱交換を行なうハニカム表面積を、低密度ハニカム全体として充分に確保している。
【００７０】
Ｅ．第４実施例：
図１０は、第４実施例の水蒸気混合部２１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部２１２は、第１実施例と同様の凹面を有するハニカム２１３において、さらにチャンバ６８を形成した構造を有している。チャンバ６８は、既述したように凹面を形成するハニカム２１３の端面近傍において、上記凹面の中心部付近に開口するように、上記凹面からさらにハニカム内部にえぐれた形状として設けられる空間である。水蒸気混合部２１２では、ノズル１８から噴霧された液水の内、上記凹面の中心部付近に噴霧された液水は、大きく開いたチャンバ６８の開口部から、容易にチャンバ６８内に入り込む。そして、上記凹面の周辺部に噴霧されて、ハニカム２１３内に入り込まずに中心部付近に跳ね返された水もまた、大きく開いたチャンバ６８の開口部から、改質ガスに導かれて容易にチャンバ６８内に入り込む。チャンバ６８内に入り込んだ液水は、その後、改質ガスの流れに導かれてハニカム２１３内に導入され、ハニカム２１３を構成するセルの壁面と接触してこれと熱交換し、次第に気化して改質ガス中に混合される。
【００７１】
以上のように構成された第４実施例の水蒸気混合部２１２によれば、ノズル１８を用いて水を噴霧する際に、より多くの液水が集まる上部凹面の中心部付近に、ハニカムを構成する各セルの開口部に比べてはるかに大きな開口部を有するチャンバ６８が設けられているため、ハニカム２１３から跳ね返される液水の量を効果的に削減することができる。このように、より多くの量の液水を確実にハニカム２１３内に導入できることにより、ノズル１８から噴霧した水と改質ガスとの間の熱交換効率をより高めることができる。
【００７２】
上記第４実施例の水蒸気混合部２１２では、上記凹面の中心部付近に開口部を有するようにチャンバ６８を一つ設けたが、このようなチャンバ６８を複数個設けることとしても良い。図１１は、第４実施例の変形例としての水蒸気混合部２１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部２１２Ａは、上記第４実施例と同様のチャンバ６８を２つ形成するハニカム２１３Ａを備えている。このような場合にも、ハニカムを構成する各セルの開口部に比べてはるかに大きな開口部を有するチャンバ６８内に、噴霧した水を取り込むことで、より多くの量の液水を確実にハニカム内に取り込む同様の効果を得ることができる。
【００７３】
Ｆ．第５実施例：
既述した実施例では、ノズル１８は、凹面を形成するハニカム端面の中心部付近に向かって、改質ガスの流れ方向と略平行となる向きに、水を噴霧することとしたが、異なる構成とすることも可能である。図１２は、第５実施例の水蒸気混合部３１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部３１２は、その上部壁面の近傍にノズル１８を備えており、ノズル１８は、改質ガスの流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。また、水蒸気混合部３１２は、既述した実施例と類似するハニカム３１３を備えているが、このハニカム３１３は、上部壁面に設けられたノズル１８が噴霧する水に対して略称面から対向する形状の凹面を、改質ガスが流入する端面に形成している。
【００７４】
このような場合にも、ハニカム端面に形成された凹面に向かって水を噴霧することで、既述した実施例と同様の効果を得ることができる。水蒸気混合部を備える燃料改質装置の形状や、燃料改質装置を設置する場所によっては、ハニカム端面の中心部付近に向かって改質ガスの流れ方向と略平行となる向きに水を噴霧するようするように、ノズルを配設することが困難な場合もある。そのような場合には、ノズルが噴霧する水に対して略正面から対向するように、ハニカム端面の凹面を形成すればよい。例えば、ノズルが配設される位置およびその向きが、ハニカム端部に形成される凹面の中心軸とほぼ重なるようにすることが望ましい。なお、ハニカム端面に形成する凹面は、ノズルが水を噴霧する際にミストが広がる形状に対応した形状とすることが望ましい。図１３に、図１２に示したハニカム３１３に比べてミスト形状により近い形状の凹面を有するハニカム３１３Ａを備える水蒸気混合部３１２Ａを示す。
【００７５】
Ｇ．第６実施例：
既述した実施例では、水蒸気混合部において、ハニカム端面に向かって水を噴霧するノズルを一つ設けることとしたが、複数のノズルを設けることとしても良い。図１４は、第６実施例の水蒸気混合部４１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部４１２は、２つのノズル１８を備えている。一方のノズル１８は、水蒸気混合部４１２の上部壁面の近傍に設けられており、改質ガスの流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。他方のノズル１８は、水蒸気混合部４１２の下部壁面の近傍に設けられており、改質ガスの流れ方向下流側の斜め上方に向けて水を噴霧する。また、水蒸気混合部４１２は、既述した実施例と類似するハニカム４１３を備えているが、このハニカム４１３は、上記２つのノズル１８のそれぞれに対応して、各々のノズル１８に対向する２つの凹面を、改質ガスが流入する端部に形成している。すなわち、上記一方のノズル１８に対しては、下に凸となる形状の凹面が形成されており、上記他方のノズル１８に対しては、上に凸となる形状の凹面が形成されている。
【００７６】
このような場合にも、ハニカム端面に形成された凹面に向かって水を噴霧することで、既述した実施例と同様の効果を得ることができる。特に、本実施例では、対称な位置に２つのノズル１８を配設しているため、ハニカム４１３に対して充分に均一に水を噴霧することが可能となる。あるいは、複数のノズル１８を備えることで、水の噴霧に用いるノズルの数を増減することが可能となり、これによって、水を噴霧する際のターンダウン比を向上させることが可能となる。
【００７７】
また、複数のノズルを配設する際に、互いに対称とはならない位置に設けることも可能である。図１５は、第６実施例の変形例としての水蒸気混合部４１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部４１２Ａは、２つのノズル１８を備えているが、これら２つのノズル１８は、共に、水蒸気混合部４１２Ａの上部壁面の近傍に設けられており、改質ガスの流れ方向下流側の斜め下方に向けて水を噴霧する。また、水蒸気混合部４１２Ａは、既述した実施例と類似するハニカム４１３Ａを備えているが、このハニカム４１３Ａは、上記２つのノズル１８のそれぞれに対応して、各々のノズル１８に対向する２つの凹面を、改質ガスが流入する端面に形成している。すなわち、ハニカム４１３Ａの端部には、下に凸となる形状の凹面が、２つ並んで形成されている。このような場合にも、複数のノズル１８を用いて、液水をより均一な状態でハニカム内に導入することができると共に、既述した実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７８】
Ｈ．第７実施例：
図１６は、第７実施例の水蒸気混合部５１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部５１２は、内部に所定の空間を形成するハニカム５１３を備えている。また、水蒸気混合部５１２は、上記所定の空間内に水を噴霧するノズル１８を備えている。ハニカム５１３に対しては、改質器３８側から改質ガスが導入されるため、ノズル１８から上記所定の空間内に水が噴霧されると、噴霧された液水は、改質ガスの流れに導かれてハニカム５１３内を下流側に流れる。このとき、噴霧された液水は、ハニカム５１３を構成する各セルの壁面と接触しながらこれと熱交換し、気化して改質ガス中に混合される。
【００７９】
以上のように構成された第７実施例の水蒸気混合部５１２によれば、ハニカム５１３の内部において水を噴霧するため、噴霧した水を無駄なくハニカム５１３内に導入して、これを気化させることが可能となる。既述したように、高温のハニカム壁面に液水が吹き付けられると、その表面に蒸気膜が形成され、いわゆるライデンフロスト現象によって液水が跳ね返されてしまうおそれがある。本実施例では、ハニカム５１３内部に水を噴霧するため、上記空間内においてこのように液水が跳ね返されても、液水がハニカム５１３外部に放出されることはない。噴霧された水は、最終的には、改質ガスの流れに導かれて、ほぼ全てをハニカム５１３内に導入することが可能となる。また、ハニカム５１３内で水を噴霧するため、ハニカムの外部から水を噴霧する場合に比べて、より強い勢いでハニカム内に水を吹き込むことが可能となり、跳ね返されることなくハニカム内に水を導入することがより容易になる。上記のように、より多くの量の液水を確実にハニカム５１３内に導入できることにより、ノズル１８から噴霧した水と改質ガスとの間の熱交換効率をより高めることができる。
【００８０】
本実施例において、ハニカム内に水を噴霧するノズル、および、ハニカム内に形成されて水が噴霧される空間を、それぞれ複数設けることとしても良い。図１７は、第７実施例の変形例としての水蒸気混合部５１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部５１２Ａでは、ノズル１８と、ノズル１８が水を噴霧する空間とを、それぞれ２つずつ設けている。このように、複数箇所から水を噴霧することで、より均一にハニカム５１３Ａ内に液水を導入することができる。
【００８１】
Ｉ．第８実施例：
図１８は、第８実施例の水蒸気混合部６１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部６１２は、既述した実施例と類似するハニカム６１３と、傾斜フィン７０とを備えている。傾斜フィン７０は、ハニカム６１３に隣接して、改質ガスの流れ方向の上流側に配設されており、改質ガスが導入される側の端面に、既述した実施例と同様の凹面を形成している。この傾斜フィン７０は、図１８に示すように、隣接するハニカム６１３側に向かって重力方向に傾斜して互いに平行に配設される複数の薄板状部材を備える。なお、このような傾斜フィン７０の横断面は、図９（Ａ）に示した断面と同様の形状になる。
【００８２】
ノズル１８から噴霧された液水が傾斜フィン７０端部の開口部内に入り込むと、上記傾斜して配設される複数の薄板状部材によって、ハニカム６１３側に導かれる。ハニカム６１３側に導かれた液水は、改質ガスの流れによって、さらにハニカム６１３内に導かれ、この内部で、ハニカム６１３を構成する各セルの壁面との間で熱交換することによって気化する。
【００８３】
本実施例の水蒸気混合部６１２によれば、傾斜フィン７０端部の開口部内に入り込んだ液水が、傾斜する薄板状部材によってハニカム６１３側に導かれるため、傾斜フィン７０やハニカム６１３の表面に既述した蒸気膜が形成される場合にも、一旦開口部内に入り込んだ液水が蒸気膜に跳ね飛ばされて再び上記凹面から排出されてしまうのを防止することができる。そのため、ハニカム６１３内に導入する液水の量を確保して、噴霧した液水と改質ガスとの間の熱交換効率を充分に高くすることができる。上記のように、本実施例では、傾斜フィン７０は、内部に一端入り込んだ液水を保持するための導入水保持部として働く。
【００８４】
図１９は、第８実施例の変形例としての水蒸気混合部６１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部６１２Ａは、上記第８実施例における傾斜フィン７０と同様の第１傾斜フィン７０Ａに加えて、この第１傾斜フィン７０Ａとハニカム６１３との間に、第２傾斜フィン７０Ｂとを備えている。第２傾斜フィン７０Ｂは、第１傾斜フィン７０Ａとは逆に、隣接するハニカム６１３側に向かって重力方向逆向きに傾斜して互いに平行に配設される複数の薄板状部材を備えている。ここで、第２傾斜フィン７０Ｂは、第１傾斜フィン７０Ａと共に、導入水保持部７２を形成している。
【００８５】
ノズル１８から噴霧された液水が第１傾斜フィン７０Ａの開口部内に入り込むと、第１傾斜フィン７０Ａが備える上記傾斜して配設される複数の薄板状部材によって、第２傾斜フィン７０Ｂ側に導かれる。第１傾斜フィン７０Ａと第２傾斜フィン７０Ｂとでは薄板状部材の傾斜の向きが異なっているため、第２傾斜フィン７０Ｂ側に導かれた上記液水は、第１傾斜フィン７０Ａと第２傾斜フィン７０Ｂとの接続部付近に滞留する。この滞留した液水は、第１傾斜フィン７０Ａおよび第２傾斜フィン７０Ｂの壁面や、改質ガスと熱交換することによって気化し、改質ガス中に混合される。このような構成としても、第８実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、第１傾斜フィン７０Ａと第２傾斜フィン７０Ｂとの接続部付近に液水を保持することで、気化しない状態の液水が改質ガスによって吹き飛ばされて、ハニカム６１３よりも下流側に流されるのを防止することができる。
【００８６】
Ｊ．第９実施例：
図２０は、第９実施例の水蒸気混合部７１２の構成を表わす説明図である。水蒸気混合部７１２は、第４実施例の水蒸気混合部２１２と同様に、チャンバ６８を形成するハニカム２１３を備えており、このチャンバ６８内に、反射板７４をさらに備えている。また、本実施例の水蒸気混合部７１２は、既述したノズル１８に代えて、直進ノズルであるノズル７１８を備えている。
【００８７】
水蒸気混合部７１２では、ノズル７１８は、チャンバ６８内の反射板に向かってまっすぐに水を吐出する。吐出された水は、反射板７４によってチャンバ６８の内壁に跳ね返されて、チャンバ６８内で拡散し、ミスト化する。チャンバ６８内でミスト化した水は、改質ガスによってハニカム２１３内に導入されて、ハニカム２１３内で気化する。
【００８８】
本実施例の水蒸気混合部７１２によれば、直進ノズルを用いてチャンバ６８内に一旦水を吹き込んでから、ハニカム２１３内に液水を導入するので、より多くの水を確実にハニカム２１３内で導入し、気化させることができる。また、直進ノズルを用いることで、ハニカム２１３に供給される水の勢いをより強くすることができるため、ハニカム２１３の壁面上に既述した蒸気膜が形成される場合にも、その影響を受けずにハニカム２１３内に液水を導入することがより容易となる。
【００８９】
上記第９実施例では、ノズル７１８およびチャンバ６８は一つずつ設けることとしたが、それぞれ複数設けることとしても良い。図２１は、第９実施例の変形例としての水蒸気混合部７１２Ａの構成を表わす説明図である。水蒸気混合部７１２Ａは、第４実施例の変形例の水蒸気混合部２１２Ａと同様に、２つのチャンバ６８を形成するハニカム２１３Ａを備えている。２つのチャンバ６８の内部には、上記第９実施例と同様に、反射板７４がそれぞれ設けられている。また、水蒸気混合部７１２Ａは、直進ノズルであるノズル７１８を２つ備えている。２つのうちの一方のノズル７１８は、２つのうちの一方のチャンバ６８内に対して水を吐出し、他方のノズル７１８は、他方のチャンバ６８内に対して水を吐出する。チャンバ６８内に吐出された水は、既述したように、反射板７４によってチャンバ６８の内壁に跳ね返されて、チャンバ６８内で拡散し、ミスト化する。そして、改質ガスによってハニカム２１３Ａ内に導入されて、ハニカム２１３Ａ内で気化する。
【００９０】
このような水蒸気混合部７１２Ａによれば、上記第９実施例と同様の効果を奏すると共に、複数のチャンバ６８内に水を供給することで、より均一な状態で液水をハニカム内に導入可能となる。このような構成は、水蒸気混合部や、これを備える燃料改質装置の形状により、ハニカム端面に正対する位置にノズルを配設することが困難な場合にも適用可能である。水蒸気混合部の壁面近傍にノズルを設ける場合にも、このように複数のノズルを用いることで、ハニカム内により均一に液水を導入することができる。
【００９１】
なお、反射板７４としては、例えば、セラミックなどの高密度な多孔体によって構成することができる。また、反射板７４は、平滑板状に形成しても良いし、凹面あるいは凸面といった曲面を形成する形状としても良い。曲面とすることで、直進ノズルから吐出される水の推進力を効果的に分散して、液水を良好にミスト化し、ハニカム内への導入を促すことができる。
【００９２】
Ｋ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９３】
Ｋ１．変形例１：
既述した各実施例の水蒸気混合部において、ハニカムの後段側に、さらに、発泡金属や樹脂フォームからなる多孔質体を、液水飛散防止部として配設することとしても良い。第１実施例の水蒸気混合部１２と同様の水蒸気混合部において、このような液水飛散防止部１５を配設する様子を、図２２に示す。ここでは、液水飛散防止部１５は、ハニカム１３の下流側の端面に隣接するように配設している。
【００９４】
このような構成とすれば、ハニカム１３の後段に配設されたシフト部４０内に液水が入り込むのを防止することができる。ノズル１８から噴霧された水は、ハニカム１３の壁面と熱交換することによって気化するが、既述したようにハニカム壁面上に蒸気膜が形成されることで、（いわゆるライデンフロスト現象によって）ハニカム壁面上を滑るように液水が後段側に流される場合が考えられる。上記のように液水飛散防止部１５を設ければ、このようなことが起こっても、液水飛散防止部１５によって液水を捕捉することができる。シフト部内に液水が侵入すると、シフト触媒表面が濡れることによってシフト反応が抑制されてしまうおそれがあるが、ハニカム後段で液水を捕捉することにより、このような不都合を防止することができる。
【００９５】
Ｋ２．変形例２：
また、水蒸気混合部によって改質ガスを気化・昇温させる際に、改質ガスの熱を、より効率よく水の気化に利用するために、ハニカムの周囲に断熱材を配設する構成も好適である。図２３は、第１実施例の水蒸気混合部１２と同様の水蒸気混合部において、このような断熱部１７を配設する様子を表わす説明図である。断熱部１７は、ハニカム１３の側面全体を覆うように配設されている。この断熱部１７は、ハニカム１３と、ハニカム１３を内部に収容する水蒸気混合部の外壁との間の熱交換を妨げる部材である。熱伝導率が充分に低い部材によって形成すれば良く、例えばガラス繊維を用いることができる。
【００９６】
このような断熱部１７を備えることで、ハニカム１３上で液水が気化する際の気化潜熱を用いて、改質ガスを冷却する効率をより向上させることが可能となる。ハニカム１３と上記外壁とが接している場合には、ノズル１８から噴霧した液水の気化潜熱によってハニカム１３が冷却されるときに、ハニカム１３と接する上記外壁もまた冷却されてしまう。このように外壁を冷却するために用いられる気化潜熱は、改質ガスの冷却に寄与することができない。上記したように、ハニカム１３の外周に断熱部１７を設けることで、液水の気化潜熱を無駄なく利用してハニカム１３を冷却することができ、最終的に、ハニカム１３内を通過する改質ガスの冷却を行なうことができる。
【００９７】
Ｋ３．変形例３：
既述した実施例では、改質ガスおよびミストと熱交換してミストを気化させるために、ハニカムを用いているが、異なる種類の多孔質体を用いることも可能である。ノズルから噴霧された液水や改質ガスと接触する充分な表面積と、充分な熱伝導性を有していればよい。また、多孔質体の備える細孔が、多孔質体の端面において、噴霧された水が効率よく内部に入り込むのに充分な大きさに開口していれば良い。これによって、実施例のハニカムと同様に、噴霧された水の気化を促進する効果を得ることができる。例えば発泡金属を用いることとしても良い。
【００９８】
あるいは、異なる種類の多孔質体を組み合わせて用いることもできる。例えば、第３実施例の水蒸気混合部１１２において、改質ガスが導入される位置に、既述した低密度ハニカム６６を配設し、これよりも下流側では高密度ハニカム１１３に代えて、細孔径がより小さい発泡金属を配設することとしても良い。
【００９９】
Ｋ４．変形例４：
図１に示した燃料電池システム２０では、改質燃料としてガソリンを用いることとしたが、他種の改質燃料を用いることとしても良い。改質燃料としては、ガソリンの他、天然ガスなどの炭化水素や、メタノールなどのアルコール、アルデヒドなど、改質して水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を適用可能である。用いる改質燃料に応じて改質触媒や改質温度は適宜定まるが、一般に、上記炭化水素系燃料の改質反応温度よりもシフト触媒温度が低いため、本発明を適用して改質ガスの加湿と冷却とを行ない、同様の効果を得ることができる。また、水蒸気混合部において充分に改質ガスを降温可能であれば、熱交換部１０において、図２に示した熱交換器１６は設けないこととしても良い。
【０１００】
Ｋ５．変形例５：
また、既述した実施例では、水蒸気混合部を改質器とシフト部との間に設けたが、同様の水蒸気混合部を、シフト部の途中に設けることとしても良い。すなわち、シフト部内でシフト触媒を備える触媒層を複数に分割して互いに直列に接続し、上流側の触媒層と下流側の触媒層との間に、水蒸気混合部を設けることとしても良い。このような構成では、シフト反応に供する水が、シフト部の上流側とシフト部の途中とで、分割供給されることとなる。
【０１０１】
このような場合には、上流側のシフト部触媒層から排出された改質ガスは、水蒸気混合部で加湿された後、下流側のシフト部触媒層に導入されるため、水蒸気混合部において改質ガスの温度を大きく低下させる必要はない。このように、水蒸気混合部内で加湿されるガスが降温するのを抑えたい場合には、水蒸気混合部の周囲に配設される高温の装置と水蒸気混合部とを、伝熱性の高い部材を用いて熱的に接続し、上記高温の装置の熱を水蒸気混合部に伝えることとすればよい。すなわち、上流側のシフト部触媒層および／または下流側のシフト部触媒層の熱を、水蒸気混合部のハニカムに伝える構成として、上流側および下流側の触媒層と水蒸気混合部との全体を、所定の高温状態に保つこととすればよい。
【０１０２】
Ｋ６．変形例６：
既述した実施例では、本発明の水蒸気混合部を、シフト反応に供する水を改質ガスに加えるために用いたが、シフト反応に供する水以外の液体を気化させるための気化装置として用いることも可能である。図２４は、改質器３８で進行する水蒸気改質反応に供する水を気化させるために、気化部８１２を用いる様子を表わす説明図である。図２４に示すように、気化部８１２は、改質器３８の前段側に配設されており、既述した実施例の水蒸気混合部と同様に、端部に凹面を形成するハニカム１３を備えている。さらに、気化部８１２は、上記凹面に向かって水を噴霧するノズル８１８を備えている。また、ハニカム１３の外周面と、改質器３８の触媒層の外周面とは、熱伝導性の高い部材からなる伝熱部７６によって一括して覆われている。改質器３８は、改質反応が進行して所定の温度範囲に保たれるが、上記伝熱部７６を設けることで、改質器３８の熱がハニカム１３に伝えられ、ハニカム１３が加熱される。このようにハニカム１３が高温に保たれるため、ノズル８１８から噴霧された水は、ハニカムが備える各セル表面と熱交換して気化する。このような気化部８１２によれば、改質反応に供する水を気化する装置を小型化することができる。
【０１０３】
このとき、既述した実施例のように、改質燃料として液体燃料を用いる場合には、予め液体の改質燃料と水とを混合し、水を混合した液体燃料をノズル８１８から噴霧して、水と液体燃料との両方を、ハニカム１３上で気化させることができる。あるいは、水と液体燃料とを、それぞれ別々のノズルを用いて、ハニカム１３に噴霧することとしても良い。特に、ガソリンのように分子量の大きな炭化水素系液体燃料を用いる場合には、噴霧されるハニカム端面にタールが付着して入口部に次第に堆積するおそれがあるが、上記のようにハニカム端部を凹面として各セルの開口部を広げることで、ガスの流れによってタールは下流側に入り込むようになる。これによって、入口部がタールで塞がれるのを防止することが可能となる。また、改質反応において水蒸気を用いない場合には、水に代えて液体燃料だけをノズルからハニカム１３に噴霧することとすればよい。
【０１０４】
図２４に示した気化部８１２では、改質燃料として気体燃料を用いる場合の気体燃料や、改質反応に供する空気は、気化部８１２に供給されて上記凹面からハニカム１３内に導入される。そのため、気化部８１２に第２実施例の水蒸気混合部の構成をさらに適用して、上記気体燃料や空気の流れを利用して、ハニカム内に導入されなかった液体がハニカム内に導入されるのを促すことも可能である。
【０１０５】
なお、図２４において、ハニカム１３と改質器３８との間には、水蒸気と改質燃料との混合気体における水蒸気の分布状態を均一化するために所定の空間が設けられているが、このような空間を設けず、ハニカム１３と改質触媒とを連続して配設することも可能である。また、ハニカム１３の後段部に、図２２に示したのと同様の液水飛散防止部を設けることとしても良い。あるいは、気化部８１２の外壁と改質器の外壁とが接続されることで、充分量の熱が改質器から気化部８１２に伝えられるならば、特には伝熱部７６を設けないこととしても良い。また、ノズル８１８は、扇形ノズル以外のノズルを用いることとしても良く、例えば、改質反応に供する空気を利用する２流体ノズルを用いることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム２０の構成の概略を表わす説明図である。
【図２】熱交換部１０の構成の概略を表わす説明図である。
【図３】混合気体流路５３から改質ガス流路５６までの各部を接続する様子を表わす説明図である。
【図４】第２実施例の水蒸気混合部１２Ａの構成の概略を表わす説明図である。
【図５】第２実施例の第１の変形例としての水蒸気混合部１２Ｂの構成を表わす説明図である。
【図６】第２実施例の第２の変形例としての水蒸気混合部１２Ｃの構成を表わす説明図である。
【図７】第３実施例の水蒸気混合部１１２の構成を表わす説明図である。
【図８】低密度ハニカム６６および高密度ハニカム１１３の断面の様子を表わす説明図である。
【図９】低密度ハニカム６６の他の形状の例を示す説明図である。
【図１０】第４実施例の水蒸気混合部２１２の構成を表わす説明図である。
【図１１】第４実施例の変形例としての水蒸気混合部２１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図１２】第５実施例の水蒸気混合部３１２の構成を表わす説明図である。
【図１３】水蒸気混合部３１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図１４】第６実施例の水蒸気混合部４１２の構成を表わす説明図である。
【図１５】第６実施例の変形例としての水蒸気混合部４１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図１６】第７実施例の水蒸気混合部５１２の構成を表わす説明図である。
【図１７】第７実施例の変形例としての水蒸気混合部５１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図１８】第８実施例の水蒸気混合部６１２の構成を表わす説明図である。
【図１９】第８実施例の変形例としての水蒸気混合部６１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図２０】第９実施例の水蒸気混合部７１２の構成を表わす説明図である。
【図２１】第９実施例の変形例としての水蒸気混合部７１２Ａの構成を表わす説明図である。
【図２２】液水飛散防止部１５を備える水蒸気混合部の構成を表わす説明図である。
【図２３】断熱部１７を備える水蒸気混合部の様子を表わす説明図である。
【図２４】水蒸気改質反応に供する水を気化させるために水蒸気混合部８１２を用いる様子を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０…熱交換部
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…水蒸気混合部
１３…ハニカム
１４…接続流路
１５…液水飛散防止部
１６…熱交換器
１７…断熱部
１８…ノズル
２０…燃料電池システム
３０…ガソリンタンク
３２…水タンク
３４…蒸発器
３６…加熱部
３７…加熱部
３８…改質器
３９，４３，４６…ブロワ
４０…シフト部
４２…ＣＯ選択酸化部
４４…燃料電池
４５…制御部
４７，４８…ポンプ
４９…流量調整弁
５０…改質燃料流路
５１…水供給路
５２…改質燃料供給路
５３…混合気体流路
５４〜５６…改質ガス流路
５７…燃料ガス供給路
５８…燃料排出路
５９…水分岐路
６０…受け板
６０…酸化ガス供給路
６１…平坦部
６２…吸湿部
６２…酸化排ガス路
６６…低密度ハニカム
６８…チャンバ
７０…傾斜フィン
７０Ａ…第１傾斜フィン
７０Ｂ…第２傾斜フィン
７２…導入水保持部
７４…反射板
７６…伝熱部
１１２…水蒸気混合部
１１３…高密度ハニカム
２１２，２１２Ａ…水蒸気混合部
２１３，２１３Ａ…ハニカム
３１２，３１２Ａ…水蒸気混合部
３１３，３１３Ａ…ハニカム
４１２，４１２Ａ…水蒸気混合部
４１３，４１３Ａ…ハニカム
５１２，５１２Ａ…水蒸気混合部
５１３，５１３Ａ…ハニカム
６１２，６１２Ａ…水蒸気混合部
６１３…ハニカム
７１２，７１２Ａ…水蒸気混合部
７１８…ノズル
８１２…水蒸気混合部
８１８…ノズル
Claims (20)
- 炭化水素系化合物を含む燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料から、水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質器と、
水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備え、前記改質ガスの供給を受けて、前記シフト反応によって一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成するシフト部と、
前記シフト部に供給するのに先立って、前記改質ガスに対して水蒸気を混合する水蒸気混合部と
を備え、
前記水蒸気混合部は、
前記改質器から排出された前記改質ガスが流入する多数の穴を有する流入面と、該流入面の下流側にあり多数の細孔を有する多孔質部とを備えると共に、前記流入面の所定の領域が凹面を形成している気化促進部と、
前記凹面を形成する流入面に対して水を噴霧するノズルと
を備える燃料改質装置。 - 請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気混合部は、前記ノズルから噴霧された後に前記気化促進部内に導入されなかった水を保持する保水部をさらに備える
燃料改質装置。 - 請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記保水部は、前記気化促進部内に導入されなかった水を、前記流入面の所定の領域近傍でせき止める受け板である
燃料改質装置。 - 請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記保水部は、前記気化促進部の入口近傍において、凹面を成す前記流入面に連続して、所定の範囲にわたって水平方向になだらかに広がる面を備える平坦部である
燃料改質装置。 - 請求項２記載の燃料改質装置であって、
前記保水部は、少なくとも、前記多孔質部に対して鉛直方向下側の位置に隣接して配設され、前記流入面近傍に存在する水を吸収可能な吸湿部である
燃料改質装置。 - 請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記多孔質部は、
その表面の一部に前記凹面を形成する第１の多孔質部と、
前記第１の多孔質部を通過した前記水および改質ガスが導入され、前記第１の多孔質部に比べて細孔の断面積が小さく形成されている第２の多孔質部と
を備える燃料改質装置。 - 請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記気化促進部は、凹面を形成する前記流入面の所定の領域であって、前記ノズルから噴霧される水が到達する領域の中心付近に、前記流入面を前記気化促進部内部に向かってさらに凹ませた形状に形成された空間であるチャンバを備える
燃料改質装置。 - 請求項７記載の燃料改質装置であって、
前記ノズルは、直進ノズルであり、
前記チャンバは、前記ノズルから吐出された水を該チャンバの内壁面に向かって反射させる反射板を、その内部に備える
燃料改質装置。 - 請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気混合部は、前記ノズルを複数備え、
前記気化促進部は、前記複数のノズルの各々から噴霧される水に対向するように、前記複数のノズルの各々に対応する位置に、前記凹面が複数形成されている
燃料改質装置。 - 請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記気化促進部は、前記多孔質部に隣接して設けられ、前記水および改質ガスが導入される前記凹面を形成すると共に、前記ノズルから噴霧された水が内部に入り込むと、該水が前記凹面から外部へ放出されないように該水を保持する導入水保持部を、さらに備える
燃料改質装置。 - 請求項１０記載の燃料改質装置であって、
前記導入水保持部は、隣接する前記多孔質部側に向かって重力方向に傾斜して配設された複数の薄板状部材を備える
燃料改質装置。 - 請求項１１記載の燃料改質装置であって、
前記導入水保持部は、前記重力方向に傾斜して配設された複数の板状部材に接続して、前記多孔質部との間に、重力方向逆向きに傾斜して配設された他の複数の薄板状部材をさらに備える
燃料改質装置。 - 炭化水素系化合物を含む燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料から、水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質器と、
水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備え、前記改質ガスの供給を受けて、前記シフト反応によって一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスを生成するシフト部と、
前記シフト部に供給するのに先立って、前記改質ガスに対して水蒸気を混合する水蒸気混合部と
を備え、
前記水蒸気混合部は、
内部に所定の空間を形成すると共に、前記改質器から排出された前記改質ガスが通過する多孔質部を備える気化促進部と、
前記空間内に水を噴霧するノズルと
を備える燃料改質装置。 - 請求項１３記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気混合部は、前記ノズルを複数備え、
前記気化促進部は、前記複数のノズルの各々に対応して、水が噴霧される前記空間を複数備えている
燃料改質装置。 - 請求項１ないし１４いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記多孔質部は、メタルハニカムである
燃料改質装置。 - 請求項１５記載の燃料改質装置であって、
前記気化促進部は、前記メタルハニカムと前記シフト部との間に、前記メタルハニカムから排出された改質ガスを通過させて該改質ガス中に残留する水を捕捉し、該水が下流側に飛散するのを防ぐための、多孔質の飛散防止部をさらに備える
燃料改質装置。 - 請求項１ないし１６いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記多孔質部の外周部において、該多孔質部から外部への熱の伝達を阻害する断熱部をさらに備える
燃料改質装置。 - 液体を気化させるための気化装置であって、
前記液体を噴霧するノズルと、
多孔質体によって形成される多孔質部と、前記ノズルから噴霧された前記液体が前記多孔質部に向かって流入する流入面とを備えると共に、前記流入面の所定の領域が凹面を形成している気化促進部と、
外部に設けられた所定の高温装置の熱を前記多孔質部に伝える伝熱部と
を備える気化装置。 - 液体を気化させるための気化装置であって、
多孔質部を備えると共に内部に所定の空間を形成する気化促進部と、
前記所定の空間内に前記液体を噴霧するノズルと、
外部に設けられた所定の高温装置の熱を前記多孔質部に伝える伝熱部と
を備える気化装置。 - 請求項１８または１９記載の気化装置であって、
前記気化装置は、前記気化促進部内を通過することで気化・昇温した改質燃料を、改質反応を進行する改質器に対して供給するための装置であり、
前記ノズルは、少なくとも前記改質反応に供するための水を、前記液体として噴霧し、
前記伝熱部は、前記改質器の熱を前記多孔質部に伝える
気化装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002193292A JP2004035309A (ja) | 2002-07-02 | 2002-07-02 | 燃料改質装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2002193292A JP2004035309A (ja) | 2002-07-02 | 2002-07-02 | 燃料改質装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004035309A true JP2004035309A (ja) | 2004-02-05 |
Family
ID=31702291
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002193292A Pending JP2004035309A (ja) | 2002-07-02 | 2002-07-02 | 燃料改質装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004035309A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008007349A (ja) * | 2006-06-28 | 2008-01-17 | Kyocera Corp | 改質装置およびそれを具備した燃料電池 |
| JP2010212178A (ja) * | 2009-03-12 | 2010-09-24 | Hitachi Ltd | 固体酸化物形燃料電池システム |
| JP2012131873A (ja) * | 2010-12-20 | 2012-07-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Ｃｏシフト変換システム及び方法、石炭ガス化発電プラント |
| US8568495B2 (en) | 2008-09-05 | 2013-10-29 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Evaporator and fuel reformer having the same |
-
2002
- 2002-07-02 JP JP2002193292A patent/JP2004035309A/ja active Pending
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| JP2012131873A (ja) * | 2010-12-20 | 2012-07-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Ｃｏシフト変換システム及び方法、石炭ガス化発電プラント |
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