JP2005298260A - 燃料改質システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼触媒通路の温度を均一化できる水素製造装置を提供する。
【解決手段】改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路７と、改質触媒通路７と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼塗布領域１６を有する燃焼触媒通路６と、を備える。さらに、燃焼触媒通路６を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路１２の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料改質システムに関する。特に、燃焼部と改質部との間で熱交換を行うことにより改質反応を生じて、水素を生成する燃料改質システムに関する。

従来の改質装置として、反応物質通路、熱媒体通路、分解生成ガス通路を積層して配置したものが知られている。入口部から反応物質通路内に流入したメタノールは、向流関係にある隣接する熱媒体通路からの入熱を受けてフィンコーティングされた触媒により、メタノールの改質反応が促進される。改質反応により水素とその他の排気ガスに分解され、排気ガスは反応物質通路を通って出口部から排出される。また水素はメンブレンプレートの表目にコーティングされたガス分離膜および多孔質材料のセラミックス板を通って分解生成ガス通路に入り、出口部より水素ガスとして回収される（例えば、特許文献１、参照）。
特開平６−３４５４０４号公報

このような水素製造装置において、改質触媒通路（反応物質通路）および水素分離膜（ガス分離膜）を加熱する燃焼触媒通路（熱媒体通路）に燃料および空気を供給し、燃焼触媒による燃焼反応を発生させる場合、燃焼触媒通路全面に燃料および空気を供給する構成としているため、燃焼触媒通路入口部で過度の温度上昇が発生する。その結果、熱的な負荷により、水素分離膜、改質触媒や水素製造装置本体の耐久性が低下するという問題がある。また、水素分離膜に温度分布が発生して水素透過性を低下させたり、改質触媒に温度分布が生じて改質効率が低下させたりするという問題が生じる。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、燃焼触媒通路の温度を均一化できる水素製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路と、前記改質触媒通路と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼触媒塗布領域を有する燃焼触媒通路と、を備える。さらに、前記燃焼触媒通路を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成する。

燃焼触媒通路を、少なくとも一つの分割通路の断面積が変化するように構成することで、燃焼反応の生じ易さを軸方向に変更することができる。これにより、局所的に過熱される領域の燃焼反応を抑制することができ、燃焼触媒通路の温度を均一化することができる。

第１の実施形態に用いる燃料改質システムの構成を図１に示す。

燃料改質システムを制御するコントロールユニット１と、改質原料となる炭化水素系燃料および水を蒸発させる蒸発器４と、コントロールユニット１からの信号に応じて蒸発器４に炭化水素系燃料および水を噴射する燃料噴射弁２ａ、水噴射弁３を備える。

また、蒸発器４で生成された炭化水素系燃料と水の混合蒸気である燃料蒸気を用いて改質反応を生じる水素製造装置５を備える。水素製造装置５を、改質触媒通路７、燃焼触媒通路６、水素分離膜８と水素通路９から構成する。改質触媒通路７に隣接して燃焼触媒通路６を構成することにより、燃焼触媒通路６と改質触媒通路７との間で熱交換可能に構成する。また、改質触媒通路７と水素通路９を水素分離膜８を介して隣接するように構成することで、改質触媒通路７で生じた水素を、水素分離膜８を選択的に透過させて水素通路９側に回収可能に構成する。水素分離膜８としては、セラミックス等の支持体にＰｄ、Ｃｕ、Ａｇ等の金属を含む薄膜を形成したものを用い、水素分圧差により複数成分の混合ガスから水素のみを選択的に透過する。

改質触媒通路７内には、改質触媒を塗布した低圧損のフィンを設ける。改質触媒としては例えば銅―亜鉛系等の触媒を用いる。また、燃焼触媒通路６内には、燃焼触媒を塗布した低圧損のフィンを設ける。燃焼触媒としては、例えば白金等の触媒を用いる。

また、コントローラ１からの信号に応じて燃焼触媒通路６に選択的に燃料を噴射する燃料噴射弁２ｂと、燃焼触媒通路６に導入する空気量を制御する空気制御バルブ１１ａを備える。さらに、水素製造装置５で生成された水素と酸化剤ガスとしての空気を用いて発電を行う燃料電池１０と、コントロールユニット１からの信号を受けて燃料電池１０に導入する空気の流量を制御する空気制御バルブ１１ｂを備える。

次に、このような燃料改質システムにおける反応について説明する。

蒸発器４において、燃料噴射弁２ａ、水噴射弁３から供給された炭化水素系燃料および水と、水素製造装置５の燃焼触媒通路６で生成された燃焼ガスとの間で熱交換を行うことにより燃料蒸気を生成する。燃料蒸気は水素製造装置５の改質触媒通路７に導入され、改質触媒と接触することにより改質反応を生じて水素とその他のガスに分解する。このとき、改質触媒通路７と燃焼触媒通路６の間で熱交換を行うことで、改質反応場の温度を維持する。改質反応の例として、メタノールの水蒸気改質反応を（１）式に示す。ただし、ガソリンや天然ガス等を用いてもよい。

ＣＨ₃ＯＨ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ３Ｈ₂ − ４９．５（kＪ/mol）・・・（１）
生成された改質ガス中の水素は、水素分離膜８を選択的に透過することにより水素通路９に回収される。燃料電池１０のアノードに水素通路９に回収した水素を、カソードに空気を供給することにより（２）式に示すような発電反応を生じる。

Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
ここでは、燃料電池１０として、電池反応を促進する白金等の触媒を備えた固体高分子型燃料電池を用いる。なお、固体高分子型の燃料電池１０において、供給されるガス中のＣＯ濃度許容置は、通常数十ｐｐｍ程度である。

水素分離膜８を透過せずに改質触媒通路７から排出された改質排ガスおよび燃料電池１０のアノードから排出されるアノード排ガス等の可燃燃料に空気を混合した燃焼燃料を、水素製造装置５の燃焼触媒通路６に流通することにより燃焼反応を生じる。燃焼触媒通路６で生成される熱が不足する場合、例えば燃焼触媒通路６の温度上昇が必要な場合には、コントロールユニット１からの信号を受けて、燃料噴射弁２ｂから燃料が噴射され、燃焼燃料が調整される。

次に、水素製造装置５の詳細な構成を図２に示す。図２（a）は、水素製造装置５を燃焼触媒通路６側より見たときの平面図、図２（ｂ）は、水素製造装置５の俯瞰図である。

燃焼触媒通路６を複数に分割して構成する。ここでは、燃焼触媒通路６を２分割して、二つの分割通路１２ｉ、１２ｊより構成する。分割通路１２ｉ、１２ｊは、それぞれ両端に分割通路出入口１３、１４を備え、一方の出入口からもう一方にかけて通路断面積が一方向に変化するように構成する。ここでは、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊは、それぞれ第一、第二分割通路出入口１３ｓ、１４ｓ側で断面積が小さく、第一、第二燃分割通路出入口１３ｂ、１４ｂ側で断面積が大きくなるように構成する。

また、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊの通路軸方向を同じとする。ここでは、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊを略同形状に構成して、断面積の変化方向が逆に向かい合うように配置する。つまり、燃焼触媒通路６の軸方向一端に、第一分割通路出入口１３ｓと第二分割通路出入口１４ｂを、もう一端に第一分割通路出入口１３ｂと第二分割通路出入口１４ｓを設ける。

また、第一、第二分割通路出入口１３ｓ、１４ｓそれぞれの近傍に、触媒を塗布しない領域であるダクト部１５ｉ、１５ｊを設ける。さらに、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれに、燃焼触媒を塗布した燃焼触媒塗布部１６ｉ、１６ｊを設ける。ここでは、第一、第二分割通路出入口１３ｓ、１４ｓから第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊの全長１/３程度までをそれぞれダクト部１５ｉ、１５ｊとし、その他を燃焼触媒塗布部１６ｉ、１６ｊとする。燃焼触媒塗布部１６ｉ、１６ｊのダクト部１５ｉ、１５ｊ側半分の領域では、通路断面積がダクト部１５ｉ、１５ｊから離れるにしたがって徐々に増大するように構成し、残りの半分の領域では、通路断面積が最大を維持するように構成する。燃焼触媒通路６全体の流路断面内にダクト部１５ｉ、１５ｊの一方が存在する領域は、燃焼反応が抑制されやすい領域となる。

さらに、運転条件に応じて、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊの入口と出口を切り替え可能に構成する。例えば、図３に示すように構成することにより、出入口の切り替えを可能に構成する。なお、この切り替え流路は、水素製造装置５の内部または外部のどちらに設けても良い。

図３（ａ）に示すように、可燃燃料と空気との混合流体である燃焼燃料は、第一分割通路１２ｉ側と第二分割通路１２ｊ側に分岐される。第一分割通路１２ｉ側に分岐する流路と、第二分割通路１２ｊ側に分岐する流路それぞれには、通路断面積を変更する第一、第二分配バルブ１７ｉ、１７ｊを備え、運転条件に応じて第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊに分配する燃焼燃料の流量割合を変更可能に構成する。さらに、第一分割通路１２ｉ側は、第一分割通路出入口１３ｓ側と第一分割通路出入口１３ｂ側に分岐し、それぞれの分岐路に第一供給バルブ１８ｓ、１８ｂを備える。また、第一分割通路出入口１３ｓ、１３ｂは、それぞれ第一排出バルブ２０ｓ、２０ｂを備えた排出流路に選択的に連通する。また、第二分割通路１２ｊ側も同様に、燃焼燃料の入口を選択する第二供給バルブ１９ｓ、１９ｂ、燃焼ガスの出口を選択する第二排出バルブ２１ｓ、２１ｂを設ける。第一、第二供給バルブ１８、１９および第一、第二排出バルブ２０、２１の開閉を制御することにより、分割通路１２の出入口の切り替えを行う。また、第一、第二分配バルブ１７ｉ、１７ｊの開度を制御することにより、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊに供給する燃焼燃料の流量割合を調整する。

また、後述するように、運転条件に応じて燃焼燃料の空気燃料比を変更する場合には、図３（ｂ）に示すように、改質排ガス、アノード排ガス、燃料よりなる可燃燃料と、空気の導入を別々に行う。つまり、出口を設定する第一、第二排出バルブ３０、３１に加えて、分割通路１２の可燃燃料の入口を切り替える第一、第二供給バルブ２８、２９と、可燃燃料の流量割合を制御する第一、第二分配バルブ２７ｉ、２７ｊを備える。また、分割通路１２の空気の入口を切り替える第一、第二供給バルブ３８、３９と、空気の流量割合を制御する第一、第二分配バルブ３７ｉ、３７ｊを備える。なお、空気燃料比の調整を行うための構成はこの限りではない。

一方、改質触媒通路７の一端には、改質触媒入口２２を、もう一端には改質触媒出串２３を設ける。さらに、改質触媒通路７から水素分離膜８を透過して水素通路９に回収された水素の取出し口となる水素流路出口２４を設ける。図２に示すように、改質触媒通路７と燃焼触媒通路６の通路軸が略直交するように構成する。第一分割通路１２ｉが改質触媒通路７の上流側、第二分割通路１２ｊが下流側に重なるように構成する。

このように、一方の出入口から他方にかけて通路面積が変化する複数の通路（第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊ）を組み合わせて燃焼触媒通路６を形成する。水素製造装置５全体としては、このような燃焼触媒通路６、改質触媒通路７、水素分離膜８、水素通路９を一組として、多数積層された形で構成される。

次に、制御方法について図４を用いて説明する。運転条件によりこれら分割通路１２ｉ、１２ｊに供給する燃焼燃料の供給口および量を変更する。なお、図４中のグラフにおける一点鎖線は従来の水素製造装置における温度であり、図４の左から右に向かって燃料と空気を一括して供給した場合の燃焼触媒通路６の温度を示している。

通常運転条件（後述するステップＳ５０２で始動状態でないとき）では、燃焼燃料を流路断面積の小さい側から導入する。つまり、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊの第一、第二分割通路出入口１３ｓ、１４ｓから燃焼燃料を供給し、図中ＡからＢに向かって流通させる。

供給された燃焼燃料は、ダクト部１５ｉ、１５ｊを介して燃焼触媒塗布部１６ｉ、１６ｊに導入される。第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊは、それぞれ燃焼触媒塗布部１６ｉ、１６ｊに導入される位置から温度上昇が開始する。かつ、燃焼触媒塗布部１６ｉ、１６ｊの入口側（Ａ側）では、燃焼燃料の濃度が高いため、燃焼反応が多く生じ、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊの温度が上昇し易い。また、燃焼触媒塗布部１６の面積が徐々に増大するように構成しているので、その面積増大に従って燃焼反応が生じ易くなり次第に温度が上昇する。

第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊを互いに向かい合うように構成しているため、燃焼触媒通路６全体としては、改質触媒通路７の通路軸に沿った中央部付近（図中の点線で囲んだ部分）の温度が相対的に高くなる。かつ、この最高温度は、燃焼触媒通路６を分割せず、燃料と空気を一括で供給する場合の最高温度（図中グラフの一点鎖線）に比べて、２分割していることで半分程度に低下する（図中グラフの太線）。最高温度を抑制することで燃焼触媒通路６の過度の温度上昇を抑制し，水素分離膜８、改質触媒や水素製造装置５本体への熱負荷を低下させることができるとともに、温度分布の発生による改質効率や水素透過性能の低下を避けることが可能となる。さらに、水素を含む改質ガスの流量が流路壁近傍より相対的に増加する改質触媒通路７の中央付近で温度を効果的に高めるため、吸熱反応である水蒸気改質反応の効率を高めることが可能となる。

また、通常運転時には、運転条件に応じて、改質触媒通路７の上流側に重なる領域に配置される第一分割通路１２ｉの温度を変更する。改質触媒入口２２から導入される燃料蒸気量が増加する場合、すなわち負荷が増加した場合には、第一分割通路１２ｉの温度を高めるように制御する。例えば、第一分割通路１２ｉに導入する燃焼燃料を増大する、または、導入する燃焼燃料の空気燃料比を抑制する。

さらに、改質触媒流路７の上流側に重なる第一分割通路１２ｉの温度を、下流側に重なる第二分割通路１２ｊに比較して高くなるように制御してもよい。例えば、第一分割通路１２ｉ側に分岐する流路と、第二分割通路１２ｊ側に分岐する流路、それぞれに設けた第一、第二分配バルブ１７ｉ、１７ｊの開度を調整することにより、第一分割通路１２ｉに導入する燃焼燃料量を大きく設定する。または、第一、第二分配バルブ２７ｉ、２７ｊおよび３７ｉ、３７ｊの開度を調整することにより、第一分割通路１２ｉに導入する空気燃料比を小さく設定する。これにより、水蒸気改質反応の進み易い改質触媒入口２２近傍で加熱を促進し、改質効率を高めることが可能となる。

一方、始動時には、燃焼燃料を流路断面積の大きい側から導入する。つまり、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊの第一、第二分割通路出入口１３ｂ、１４ｂから燃焼燃料を供給し、図４中ＢからＡに向かって燃焼燃料を流通させる。

このとき最高温度は、燃焼触媒通路６を分割せず、燃料と空気を一括で供給する場合の最高温度（図中グラフの一点鎖線）に比べて、半分程度に低下する。しかし、ここでは燃焼燃料が流入された直後において、燃焼触媒塗布部１６が占める断面積が大きくなるため、前述した図中Ａから燃焼燃料を供給する場合と比べ、最高温度は入口端部で上昇することとなる。従って、燃焼触媒通路６全体の温度としては、改質触媒通路７の流路壁面付近が相対的に高い温度分布となる（図中グラフの太線）。ただし、図中Ａから燃焼燃料を供給する場合には、燃焼触媒の存在していないダクト部１５を積極的に加熱していないものの、この図中Ｂから供給する場合には、ダクト部１５にも燃焼ガスが通過して加熱を行うこととなる。従って水素製造装置５全面に渡り加熱することが可能となり、水素分離膜８を均一に加熱して、熱負荷による水素分離膜８の耐久性の低下を避けることが可能となる。

次に、図５のフロー図に沿って、運転制御の一例を説明する。本フローは、燃料改質システムを起動する信号が出力された後、停止信号が出力されるまでの間に、所定時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ５０１において運転条件をルックアップする。ステップＳ５０２で運転条件から始動時か否かを判断する。始動時の場合はステップＳ５０３に進み、流路断面の大きな第一、第二分割通路出入口１３ｂ、１４ｂ側から燃焼燃料の供給を行う。つまり、図３において、第一、第二供給バルブ１８ｓ、１９ｓおよび第一、第二排出バルブ２０ｂ、２１ｂを閉とし、第一、第二供給バルブ１８ｂ、２９ｂおよび第一、第二排出バルブ２０ｓ、２１ｓを開とする。また、第一、第二分配バルブ１７ｉ、１７ｊの開度は、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれに導入される燃焼燃料が、略同量となるように制御する。

一方、ステップＳ５０２において始動時でないと判断されたら、通常の改質運転時と判断する。そこで、ステップＳ５０４に進み、流路断面の小さな第一、第二分割通路出入口１３ｓ、１４ｓ側から燃焼燃料の供給を行う。つまり、図３において、第一、第二供給バルブ１８ｂ、１９ｂおよび第一、第二排出バルブ２０ｓ、２１ｓを閉とし、第一、第二供給バルブ１８ｓ、１９ｓおよび第一、第二排出バルブ２０ｂ、２１ｂを開とする。

このとき、第一、第二分配バルブ１７ｉ、１７ｊは予め設定した開度に制御する。例えば、ここでは、第一分割通路１２ｉに、燃焼燃料が比較的多く供給されるように設定する。または、燃料と空気の混合比を分割通路１２毎に変更可能に構成し、第一分割通路１２ｉに導入される燃焼燃料の空気燃料比が比較的小さくなるように設定してもよい。

さらに、ステップＳ５０５で燃料電池１０の要求負荷、または水素製造装置５に要求される負荷が増加しているか否かを判断する。負荷増加時と判断された場合には、ステップＳ５０６で第一分割通路１２ｉに導入される燃焼燃料割合を増大する。ここでは、第一、第二分配バルブ１７ｉ、１７ｊを制御する。これにより、第一分割通路１２ｉの温度が上昇し、改質触媒通路７の上流側により多くの熱を供給する。または、第一分割通路１２ｉに導入される燃焼燃料の空気燃料比を抑制してもよい。

一方、ステップＳ５０５で負荷が増加していないと判断された場合には、ステップＳ５０７に進み、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれに導入される燃焼燃料が予め設定した割合となるように、第一、第二分配バルブ１７ｉ、１７ｊの開度を設定する。

このように、各流路１２ｉ、１２ｊへの供給口、供給割合を運転条件に応じて設定したら、本フローを終了する。

なお、ここでは、改質触媒通路７の上流側に重なる第一分割通路１２ｉ側で、燃焼燃料の導入割合が比較的大きくなるように、または、燃焼燃料の空気燃料比が比較的小さくなるように設定したがこの限りではない。触媒塗布量や触媒塗布面積が分割通路１２毎に異なる場合には、これに応じて燃焼燃料の供給割合や空気燃料比を設定してもよい。例えば、第一、第二分割通路１２ｉ、１２ｊの触媒塗布量や触媒塗布面積を同じとした場合には、燃焼燃料の供給割合や空気燃料比を同じに制御するように設定してもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。

改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路７と、改質触媒通路７と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼塗布領域１６を有する燃焼触媒通路６と、を備える。さらに、燃焼触媒通路６を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路１２の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成する。これにより、燃焼反応の生じ易さを軸方向に変更することができ、局所的に過熱される領域の燃焼反応を抑制することができるので、燃焼触媒通路６の温度を均一化することができる。その結果、改質触媒や水素製造装置５本体の熱負荷を抑制するとともに、温度分布による改質効率の低下を抑制することができる。ここでは、改質触媒通路７に面して水素分離膜８を有しているため、水素分離膜８の熱負荷を抑制するとともに、温度分布の発生による水素透過性能の低下を抑制することができる。

また、分割通路１２それぞれの通路軸を略平行に構成する。分割通路１２それぞれの断面積が通路軸方向に沿って一方向に変化するように構成するとともに、隣り合う分割通路１２の断面積の変化方向が異なるように構成する。これにより、燃焼触媒通路６における燃焼反応を分散して生じさせることができるので、局所的に過熱されるのを抑制して燃焼触媒通路６の温度を均一化することができる。

さらに、燃焼触媒通路６を分割して二つの分割通路１２ｉ、１２ｊにより構成する。分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれを、一方の出入口１３ｓ、１４ｓからもう一方の出入口１３ｂ、１４ｂにかけて断面積を変化させて、出入口１３ｓ、１３ｂ、および、１４Ｓ１４ｂの大きさが異なるように構成する。さらに、燃焼触媒通路６全体は、二つの分割通路１２ｉ、１２ｊの断面積の変化方向を逆向きに組み合わせて構成する。これにより、通路軸方向に燃焼反応を分散して生じさせることができるので、燃焼触媒通路６の温度を均一化することができる。

また、分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれの通路軸を略平行に構成し、隣り合う分割通路１２の触媒塗布部１６ｉ、１６ｊを、通路軸方向にずらして構成する。これにより、分割通路１２ｉ、１２ｊ内の燃焼反応が生じる領域をずらすことができ、燃焼触媒通路６の温度を均一化することができる。

改質触媒通路７の通路軸と、分割通路１２ｉ、１２ｊよりなる燃焼触媒通路６の通路軸と、が略直交となるように構成し、改質運転時には、分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれの断面積が小さい側から燃焼燃料を導入する。これにより、燃焼触媒通路６内の温度差が過度に大きくなるのを避けるとともに、改質触媒通路７の通路軸に沿った中央部分の加熱を促進して、改質効率を向上することができる。

また、改質触媒通路７の通路軸と、分割通路１２ｉ、１２ｊよりなる燃焼触媒通路６の通路軸と、が略直交となるように構成し、始動時には、分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれの断面積が大きい側から燃焼燃料を導入する。これにより、改質触媒通路７および水素分離膜８全面を加熱することが可能であり、加熱状態の差により生じる熱負荷を抑制して、耐久性を向上することができる。

さらに、燃焼触媒通路６に供給する燃焼燃料は可燃燃料と空気との混合流体であり、分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれに導入する燃焼燃料の流量または空気燃料比を設定する燃焼燃料調整手段を備える。ここでは、第一、第二分配バルブ１７ｉ、１７ｊまたは第一、第二分配バルブ２７ｉ、２７ｊ、３７ｉ、３７ｊを備える。分割通路１２ｉ、１２ｊそれぞれの燃焼触媒塗布部１６ｉ、１６ｊの面積、または、塗布触媒量の少なくとも一方に応じて、分割通路１２それぞれに導入する燃焼燃料量または空気燃料比を設定する。これにより、未反応のまま燃焼燃料が排出されることによる熱不足が生じるのを抑制することができる。また、発生する熱の分布を予め設定することができるので、適した温度分布状態を設定することができる。

または、分割通路１２ｉ、１２ｊのうち改質触媒通路７の改質触媒入口２２近傍に重なる領域に燃焼触媒塗布部１６ｉを有する分割通路１２ｉに、他に比較して多くの燃焼燃料量を供給する、または、他に比較して空気燃料比の小さな燃焼燃料を供給する。これにより、改質反応の活発な改質触媒入口２２近傍の加熱量を増大し、改質効率を向上させることができる。

運転負荷増大時には、分割通路１２ｉ、１２ｊのうち、改質触媒通路７の改質触媒入口２２近傍に重なる領域に燃焼触媒塗布部１６ｉを有する分割通路１２ｉにおいて、燃焼燃料の供給量を増大する、または、燃焼燃料の空気燃料比を抑制する。これにより、運転条件に応じて適切な加熱を行うことができ、効率のよい改質反応を生じることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。水素製造装置５の構成を図６に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

燃焼触媒通路６を、第一分割通路４２ｉ、第二分割通路４２ｊの二つに分割して構成する。第一、第二分割通路４２ｉ、４２ｊに、それぞれダクト部４５ｉ、４５ｊと、燃焼触媒塗布部４６ｉ、４６ｊを備える。燃焼触媒塗布部４６ｉ、４６ｊの流路断面を、ダクト部４５ｉ、４５ｊから離れるに従って徐々に大きくなるように構成する。但し、燃焼触媒通路６の全体の断面は一定とし、対向して配置される他方の分割通路４２ｊ、４２ｉにおけるダクト部４５ｊ、４５ｉに沿っては、燃焼触媒塗布部４６ｉ、４６ｊの断面が最大に維持されるように構成する。

燃焼触媒通路６の通路軸一端に、第一、第二分割通路出入口４３ｓ、４４ｂを設け、もう一方の一端に、第一、第二分割通路出入口４３ｂ、４４ｓを設ける。なお、第一、第二分割通路出入口４３ｓ、４４ｓの断面を比較的小さく、第一、第二分割通路出入口４３ｂ、４４ｂの断面を比較的大きく構成する。

また、ダクト部４５ｊがダクト部４５ｉより大きくなるように構成する。言い換えれば、第一分割通路４２ｉの燃焼触媒塗布部４６ｉが、第二分割通路４２ｊの燃焼触媒塗布部４６ｊより大きくなるように構成する。なお、第一、第二分割通路４２ｉ、４２ｊの全通路長さおよび最大幅は略同じとする。

さらに、改質触媒通路７と燃焼触媒通路６の通路軸が略平行となるように構成する。つまり、第一、第二分割通路４２ｉ、４２ｊを、それぞれ改質触媒通路７と略平行に構成する。

また、後述するように、燃焼触媒通路６内を燃焼燃料が一方向に流通するように制御する。よって、図７（ａ）に示すように、出入口切り替えのためのバルブ（１８〜２１、２８〜３１、３８、３９）は用いず、第一、第二分割通路４２ｉ、４２ｊへの燃焼燃料の導入割合を制御する第一、第二分配バルブ４７ｉ、４７ｊのみを備える。または、燃焼燃料の導入割合のみではなく、空気燃料比を変更する場合には、図７（ｂ）に示すように、可燃燃料の導入割合を調整する第一、第二分配バルブ５７ｉ、５７ｊと、空気の導入割合を調整する第一、第二分配バルブ６７ｉ、６７ｊを備える。

次に、上述した水素製造装置５に燃焼燃料を導入した場合の温度状態を図８に示す。

全ての運転条件で、燃焼触媒通路６の同じ側の端部に位置する第一、第二分割通路出入口４３ｂ、４４ｂから燃焼燃料を導入し、図面ＡからＢに向かって流通させる。これにより、導入してすぐに燃焼触媒塗布部４６ｉが存在する第一分割通路４２ｉ側の温度上昇が先に開始し、次に、ダクト部４５ｊの後流に燃焼触媒塗布部４６ｊが存在する第二分割通路４２ｊの温度が上昇する。その結果、最高温度は、燃焼触媒通路６を分割せずに、燃料と空気を一括して供給する場合の最高温度（図中グラフの一点鎖線）に比べて、半分程度に低下する（図中グラフの太線）。最高温度を抑制することで燃焼触媒通路６における過度の温度上昇を抑制し，水素分離膜８、改質触媒や水素製造装置５本体への熱負荷を低下させ、温度分布の発生による改質効率や水素透過性能の低下を避けることが可能となる。

また、燃焼触媒通路６、改質触媒通路７の燃焼燃料、改質燃料それぞれの流通方向を同じ方向とする。さらに、改質触媒入口５２の近傍で、改質触媒入口５２の近傍に重なる領域で、燃焼触媒塗布部１６ｉを有する第一分割通路４２ｉの面積が第二分割通路４２ｊの面積よりも大きくなるように構成する。このとき、第一分割通路４２ｉ側への燃焼燃料の導入割合が比較的大きい所定の割合で、燃焼燃料が導入されるように制御する。その結果、改質触媒入口２２近傍に多くの熱を供給することができ、積極的に改質反応を生じることができる。なお、燃焼燃料の供給割合の替わりに、空気燃料比を設定することにより、改質触媒入口２２近傍の加熱量を増大してもよい。また、第一分割通路４２ｉの燃焼触媒塗布部４６ｉの容積を、第二分割通路４２ｊの燃焼触媒塗布部４６ｊより大きく設定する。ただし、この限りではなく、燃焼触媒塗布部４６ｉ、４６ｊの容積を略同じとしても良い。

次に、図９に示すフローチャートに沿って、運転制御の一例を説明する。本フローは、燃料電池システムを起動する信号が出力された後、停止信号が出力されるまでの間に、所定時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ９０１で第一、第二分割通路出入口４３ｂ、４４ｓから燃焼燃料を供給する。このとき、燃焼燃料の供給割合が所定の割合となるように分配バルブ４７ｉ、４７ｊの開度を設定する。次に、ステップＳ９０２で、負荷増加時であるか否かを判断する。負荷増加時には、ステップＳ９０３に進み、第一分割通路４２ｉへの燃焼燃料供給量を増大し、改質効率を向上する。一方、ステップＳ９０２において、負荷増加時ではないと判断されたら、ステップＳ９０４において、燃焼燃料の導入割合を、第一分割通路４２ｉが比較的大きい所定の割合に設定する。

なお、ここでは、所定割合を、改質触媒通路７の改質触媒入口５２近傍に重なる領域に燃焼触媒塗布部４６ｉを有する第一分割通路４２ｉに導入される割合が大きくなるように設定したが、この限りではない。第一分割通路４２ｉ、４２ｊに導入される燃焼燃料を略同量としたり、燃焼触媒塗布量や塗布面積に応じて設定してもよい。例えば、燃焼触媒塗布部４６ｉ、４６ｊの面積比に応じて、第一分割通路４２ｉへの燃焼触媒の導入割合が大きくなるように設定してもよい。

また、ここでは燃焼触媒通路６内の流通方向と、改質触媒通路７内の流通方向を略同一方向としたが、この限りではなく、一般的に熱交換率のよい対向流としてもよい。図１０に示すように、燃焼燃料を第一、第二分割通路出入口４３ｓ、４４ｂから、図中ＢからＡに向かって流れるように導入してもよい。その結果、最高温度は、燃焼触媒通路６を分割せず、燃料と空気を一括で供給する場合の最高温度（図中グラフの一点鎖線）に比べて、半分程度に低下する（図中グラフの太線）。そのため、最高温度を低下させることで、燃焼触媒通路６における過度の温度上昇を抑制し、水素分離膜８、改質触媒や水素製造装置５本体への熱負荷を低下させ、耐久性を向上させるとともに、温度分布の発生による改質効率や水素透過性能の低下を避けることが可能となる。

このとき、第一分割通路４２ｉの燃焼触媒塗布部４６ｉの容積を，第二分割通路４２ｊの燃焼触媒塗布部４６ｊに対して相対的に増加させる。これにより、水蒸気改質反応の場合に改質反応の進み易い改質触媒通路７の改質触媒入口５２近傍を積極的に加熱し、改質効率を高めることが可能となる。

次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第一の実施形態と異なる効果のみを説明する。

改質触媒通路７の通路軸と、分割通路４２ｉ、４２ｊよりなる燃焼触媒通路６の通路軸と、が略平行となるように構成する。分割通路４２ｉ、４２ｊに、改質燃料と略同方向に燃焼燃料を流通させる。これにより、分割通路４２ｉ、４２ｊにおける過度の温度上昇を抑制するとともに、改質触媒流路７の上流領域の加熱を促進して改質効率を向上させることができる。

また、改質触媒通路７の通路軸と、分割通路４２ｉ、４２ｊよりなる燃焼触媒通路６の通路軸と、が略平行となるように構成する。分割通路４２ｉ、４２ｊのうち、改質触媒通路７の改質触媒入口５２近傍に重なる領域で比較的大きな断面積を占める分割通路４２ｉが、少なくとも改質触媒通路７の改質触媒入口５２近傍に重なる領域に燃焼触媒塗布部１６ｉを有するように構成する。これにより、改質触媒通路７の上流領域の加熱をより確実に促進し、改質効率を向上することができる。

なお、本実施形態では、改質触媒通路７に面して水素分離膜８を配置したが、この限りではない。例えば、水素分離膜８を有さない場合等にも、本発明の構成をとることで、改質触媒や、水素製造装置５自体が局所的に過熱されることを避けることができ、耐熱性を向上することができる。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、改質反応により水素を生成する水素製造装置に適用することができる。例えば、燃料電池に用いる水素を生成するための燃料電池システムに用いる水素製造装置に適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第１の実施形態に用いる水素製造装置の構成図である。 第１の実施形態における燃焼触媒通路への燃焼燃料導入路の概略図である。 第１の実施形態における水素製造装置の温度分布を示す図である。 第１の実施形態における燃焼燃料の供給制御を示すフローチャートである。 第２の実施形態に用いる水素製造装置の構成図である。 第２の実施形態における燃焼触媒通路への燃焼燃料導入路の概略図である。 第２の実施形態における水素製造装置の温度分布を示す図である。 第２の実施形態における燃焼燃料の供給制御を示すフローチャートである。 第２の実施形態における水素製造装置の温度分布の別の例を示す図である。

符号の説明

５ 水素製造装置
６ 燃焼触媒通路
７ 改質触媒通路
１２、４２ 分割通路
１３、１４、４３、４４ 分割通路出入口
１３ｓ、１４ｓ、４３ｓ、４４ｓ 分割通路出入口（断面積小）
１３ｂ、１４ｂ、４３ｂ、４４ｂ 分割通路出入口（断面積大）
１６、４６ 燃焼触媒塗布部（燃焼触媒塗布領域）

Claims (11)

1. 改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路と、
   前記改質触媒通路と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼触媒塗布領域を有する燃焼触媒通路と、を備え、
   さらに、前記燃焼触媒通路を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成することを特徴とする燃料改質システム。
2. 前記分割通路それぞれの通路軸を略平行に構成し、
   前記分割通路それぞれの断面積は通路軸方向に沿って一方向に変化するように構成するとともに、隣り合う前記分割通路の断面積の変化方向が異なるように構成する請求項１に記載の燃料改質システム。
3. 前記燃焼触媒通路を分割して二つの分割通路により構成し、
   前記分割通路を、それぞれの一方の出入口からもう一方の出入口にかけて断面積を変化させ、出入口の大きさが異なるように構成するとともに、
   前記燃焼触媒通路全体は、二つの前記分割通路の断面積の変化方向を逆向きに組み合わせて構成する請求項２に記載の燃料改質システム。
4. 前記分割通路それぞれの通路軸を略平行に構成し、
   隣り合う前記分割通路の燃焼触媒塗布領域を、通路軸方向にずらして構成する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
5. 前記改質触媒通路の通路軸と、前記分割通路よりなる前記燃焼触媒通路の通路軸と、が略直交となるように構成し、
   改質運転時には、前記分割通路それぞれの断面積が小さい側から燃焼燃料を導入する請求項２または３に記載の燃料改質システム。
6. 前記改質触媒通路の通路軸と、前記分割通路よりなる前記燃焼触媒通路の通路軸と、が略直交となるように構成し、
   始動時には、前記分割通路それぞれの断面積が大きい側から燃焼燃料を導入する請求項２または３に記載の燃料改質システム。
7. 前記改質触媒通路の通路軸と、前記分割通路よりなる前記燃焼触媒通路の通路軸と、が略平行となるように構成し、
   前記分割通路に、改質燃料と略同じ方向に燃焼燃料を流通させる請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
8. 前記改質触媒通路の通路軸と、前記分割通路よりなる前記燃焼触媒通路の通路軸と、が略平行となるように構成し、
   前記分割通路のうち、前記改質触媒通路の入口近傍に重なる領域で比較的大きな断面積を占める分割通路が、少なくとも前記改質触媒通路入口近傍に重なる領域に前記燃焼触媒塗布領域を有するように構成する請求項１から４または７のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
9. 前記燃焼触媒通路に供給する燃焼燃料は可燃燃料と空気との混合流体であり、
   前記分割通路それぞれに導入する燃焼燃料の流量または空気燃料比を設定する燃焼燃料調整手段を備え、
   前記分割通路それぞれの燃焼触媒塗布領域の面積、または、塗布触媒量の少なくとも一方に応じて、前記分割通路それぞれに導入する燃焼燃料量または燃焼燃料の空気燃料比を設定する請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
10. 前記燃焼触媒通路に供給する燃焼燃料は可燃燃料と空気との混合流体であり、
    前記分割通路それぞれに導入する燃焼燃料の流量または空気燃料比を設定する燃焼燃料調整手段を備え、
    前記分割通路のうち前記改質触媒通路の入口近傍に重なる領域に前記燃焼触媒塗布領域を有する分割通路に、他に比較して多くの燃焼燃料量を供給する、または、他に比較して空気燃料比の小さな燃焼燃料を供給する請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
11. 前記燃焼触媒通路に供給する燃焼燃料は可燃燃料と空気との混合流体であり、
    前記分割通路それぞれに導入する燃焼燃料の流量または空気燃料比を設定する燃焼燃料調整手段を備え、
    運転負荷増大時には、前記分割通路のうち前記改質触媒通路の入口近傍に重なる領域に前記燃焼触媒塗布領域を有する分割通路の、燃焼燃料の供給量を増大する、または、燃焼燃料の空気燃料比を抑制する請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料改質システム。

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