JP2007091565A - 燃料改質反応器 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱を効率良く伝達し、改質要素の温度分布制御が可能な燃焼要素を備える燃料改質反応器を提供する。
【解決手段】供給空気により供給燃料を燃焼ガス通路４０Ａで燃焼させて、その熱により改質要素３０を加熱する燃焼要素４０と、前記燃焼要素４０で発生する燃焼ガスの熱により、前記燃焼ガス通路４０Ａと平行配置され且つ改質触媒を担持させた改質触媒通路３４で原料を改質して改質ガスを生成する改質要素３０と、前記改質触媒通路３４に面して水素透過膜２５を備え、改質触媒通路３４中の生成改質ガスに含まれる水素ガスを透過させる水素透過要素２０と、前記水素透過膜２５を透過した水素ガスを空間１２に集める水素ガス捕集要素１０と、をこの順に積層し、前記改質要素３０で生成した生成改質ガスの少なくとも一部を、前記燃焼ガス通路４０Ａの燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給して、その各領域で燃焼させるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池等に供給する改質ガスを生成する燃料改質反応器に関し、特に、改質要素と交互に積層配置した燃焼要素から発生する燃焼ガスの熱による加熱に好適な燃料改質反応器に関するものである。
従来から熱交換器等の加熱対象を加熱する高温ガスを発生させるため、希薄燃焼混合器のガス流れ方向に燃料を多段階に供給してＮＯｘや未燃焼燃料の発生を抑制しつつ高温ガスを発生させ、発生した高温ガスを下流に配置した加熱対象に供給する多段燃焼装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２９５８１１号公報
しかしながら、上記従来例では、加熱対象が燃焼装置の下流に配置されているため、加熱対象の燃焼ガス流路までに温度降下が大きく、かつ燃焼ガス流路の入口で最も高温となり出口に至るに連れて低温となる、偏った温度分布となる。このため、燃焼ガス流路と加熱対象とを隔壁プレートを介して隣合せて交互に積層して両者間で熱交換させるよう構成する燃料改質反応器に適用する場合には、燃焼ガス流路の温度分布状態により加熱対象である改質要素に熱を効率良く伝達しにくく、且つ温度分布制御ができないという課題があった。
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、熱を効率良く伝達し、改質要素の温度分布制御が可能な燃焼要素を備える燃料改質反応器を提供することを目的とする。
本発明は、供給空気により供給燃料を燃焼させ、燃焼ガスの熱により改質要素を加熱する燃焼ガス通路を備えた燃焼要素と、前記燃焼要素の燃焼ガス通路で発生する燃焼ガスの熱により原料を改質して改質ガスを生成する改質触媒を担持させた改質触媒通路を、前記燃焼要素の燃焼ガス通路と平行に備える改質要素と、前記改質触媒通路に面して改質触媒通路中の生成改質ガスに含まれる水素ガスを透過させる水素透過膜を備えた水素透過要素と、前記水素透過膜を透過した水素ガスを集める空間を有する水素ガス捕集要素と、をこの順に積層して備え、前記燃焼要素に供給する燃料として改質要素で生成した生成改質ガスの少なくとも一部を、燃焼要素の燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給し、供給した生成改質ガスを燃焼ガス通路の各領域で燃焼させるようにした。
したがって、本発明では、燃焼要素に供給する燃料として改質要素で生成した生成改質ガスの少なくとも一部を、燃焼要素の燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給し、供給した生成改質ガスを燃焼ガス通路の各領域で燃焼させるようにしたため、燃焼要素の燃焼ガスから改質要素の改質ガスへ熱の伝達効率の良い、並行流若しくは対向流により伝達でき、改質要素の全域に亘り高温に維持可能なため、改質触媒の反応速度を高く維持することができ、少ない改質触媒により効率的に改質可能とでき、燃焼要素と改質要素とを積層してコンパクトな燃料改質反応器とすることができる。また、燃焼ガス通路の燃焼ガス流れ方向の領域毎に燃焼温度を個別に制御でき、加熱対象である改質要素の温度分布制御が可能となる。よって、従来のように燃焼ピーク温度を下げるために空気混合率を増大させる必要がなく、少ない空気量で燃焼ピーク温度を下げることが可能となるので、燃焼出口ガスに含まれる水を回収するラジエータに対する要求放熱量を減らすことができ、ラジエータの小型化が可能となる。
以下、本発明の燃料改質反応器を各実施形態に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図９は、本発明を適用した燃料改質反応器の第１実施形態を示し、図１は単燃料改質ユニットを積層した組立状態の燃料改質反応器の全体斜視図、図２は配管要素を取外した状態の燃料改質反応器の全体斜視図、図３は図２の線Ａ−Ａによる断面図、図４は図２の線Ｂ−Ｂによる断面図、図５は単燃料改質ユニットを構成する燃焼要素の平面図、図６は単燃料改質ユニットを構成する改質要素の平面図、図７は単燃料改質ユニットを構成する水素透過ユニットの平面図、図８は単燃料改質ユニットを構成する水素捕集ユニットの平面図、図９は燃焼要素の第２実施例の平面図である。
図１および図２において、本実施形態の燃料改質反応器は、下端エンドプレート２上に、単燃料改質ユニット３を複数層に亙って積層し、上端に上端エンドプレート４を積層し、図示しない締付手段により積層方向に締付けて構成した燃料改質ユニット１を備え、この燃料改質ユニット１に酸化剤ガス通路５、燃料ガス通路６、水素リッチガス通路７を取付けることで構成する。
前記単燃料改質ユニット３は、図３に示すように、水素ガスを集めるプレート状の水素ガス捕集要素１０と、水素透過膜を備えるプレート状の水素透過要素２０と、供給原料を改質して改質ガスを生成するプレート状の改質要素３０と、前記改質要素３０を加熱するプレート状の燃焼要素４０と、を備える。前記単燃料改質ユニット３は、水素ガス捕集要素１０を挟んでその両面若しくは片面に、水素透過要素２０、改質要素３０、燃焼要素４０を、この順に積層することで、前記単燃料改質ユニット３を構成している。エンドプレート２、４に隣接して積層される単燃料改質ユニット３は、前記水素ガス捕集要素１０の片面に、水素透過要素２０、改質要素３０、燃焼要素４０を、この順に積層して備え、その水素ガス捕集要素１０をエンドプレート２、４に対して積層するよう構成している。前記燃焼要素４０は、隣接して積層される単燃料改質ユニット３の燃焼要素と共用してもよい。
前記燃焼要素４０は、可燃性ガスを空気中の酸素により燃焼させ、発生する熱により隣接して積層配置する改質要素３０を加熱する機能を備える。このため、図５に示すように、燃焼要素４０は、プレート本体４１の一端に設けられた酸化剤ガスの入口４２と対向する反対側の端部に設けられた燃焼ガスの出口４３との間に、比較的大きい打抜き孔４４を備え、両面に積層される隔壁プレート５０と打抜き孔４４とにより形成した燃焼エリアを備える。前記燃焼要素４０のプレート本体４１の周縁には、酸化剤ガスの入口４２の両側においてパージガス通路６１が、また、出口４３の両側において原料マニホールドに連通する通路６２が、夫々貫通穴により形成されている。
前記燃焼エリア内には、前記入口４２の開口および出口４３の開口を塞ぐ状態で、前記打抜き孔４４の前記入口４２および出口４３に臨む両端部に端部を接触させ且つ両面を夫々隔壁プレート５０に接触させて、酸化触媒を担持させた多孔質体４５を配置している。前記多孔質体４５の両側面と前記打抜き孔４４の内面との間には、前記積層される隔壁プレート５０に挟まれて一対の細長い供給空間４６が形成され、この供給空間４６には隔壁プレート５０に設けた貫通穴５１を経由して、後述するように、生成改質ガスの一部が供給される。なお、酸化触媒は、多孔質体４５に担持させる他に、燃焼ガス通路４０Ａを構成する隔壁プレート５０の表面に担持させることも可能である。この場合、隔壁プレート５０の表面加工、例えば、表面凹凸・粗さ等により表面積を増加させることも可能である。
前記多孔質体４５は、前記入口４２の開口に連なり出口４３の開口に到る中央領域では、多孔質の空隙を形成する孔径の比較的大きい密度の低い多孔質体４５Ａが使用され、多孔質の空隙の壁面に酸化触媒が担持されている。前記中央領域を両側から挟む両側領域では、多孔質の空隙を形成する孔径の比較的小さい密度の高い多孔質体４５Ｂが使用されている。前記中央領域の多孔質体４５Ａは、密度の高い両側領域の多孔質体４５Ｂに挟まれて通路抵抗が比較的小さいため、前記入口４２から流入する酸化剤ガス（主として酸素を含む空気）の出口４３への酸化触媒通路４０Ａ（燃焼ガス通路ともいう）を構成する。また、両側領域の多孔質体４５Ｂは、隔壁プレート５０に形成した貫通穴５１を経由させて導入する生成改質ガスを多孔質体４５Ｂの空隙に透過させることにより中央領域の多孔質体４５Ａへ、酸化触媒通路４０Ａの上流から下流までの全領域に一様に供給するよう機能する。
前記燃焼要素４０は、燃焼ガス通路要素５より供給された空気を入口４２から中央領域の多孔質体４５Ａで形成した酸化触媒通路４０Ａに供給し、隔壁プレート５０に設けた貫通穴５１から一対の供給空間４６を経由し、両側領域の多孔質体４５Ｂを透過させて前記酸化触媒通路４０Ａに供給する生成改質ガス中のＨ2、ＣＯ、ＣＨ4などの可燃性ガスを空気中の酸素により燃焼させて発熱させる。この燃焼は、酸化触媒通路４０Ａに開口させた両側領域の多孔質体４５Ｂの空隙から生成改質ガスが酸化触媒通路４０Ａの全域に一様に供給されることにより、酸化触媒通路４０Ａの全域において一様に発生し、燃焼ガスの流れ方向においても一様に発生される。酸化触媒通路４０Ａで発生した燃焼熱は、隔壁プレート５０に伝熱し、隣接している改質要素３０のプレート本体３１に伝熱して、改質要素３０を燃焼熱により加熱する。
前記酸化触媒通路４０Ａ中の可燃性ガスに対する空気過剰率は、常に１を超えるリーン状態となるよう設定する。また、可燃性ガスの燃焼温度は、燃焼要素４０に隣接している改質要素３０における改質触媒の耐熱温度以下であり且つ改質触媒の反応速度から決まる改質触媒反応下限温度以上となるように、両側領域の多孔質体４５Ｂの密度や厚さ、燃焼要素４０の運転圧、および改質要素３０の運転圧を設定する。
前記両側領域の多孔質体４５Ｂの密度若しくは層の厚さ寸法は、酸化触媒通路４０Ａの上流側と下流側とで相違させて形成してもよく、例えば、図９に示すように、上流側で層の厚さ寸法を比較的小さく若しくはその密度を比較的低くし、下流側で層の厚さ寸法を比較的大きく若しくはその密度を比較的高く形成することにより、酸化触媒通路４０Ａの上流側に供給する可燃性ガスを比較的多くし（圧損小）、下流側に供給する可燃性ガスを比較的少なくし（圧損大）、上流側の燃焼温度を下流側の燃焼温度より高めるようにしてもよい。図９では、下流側において連続的に層の厚さ寸法を変化（増加）させているため、酸化触媒通路４０Ａで発生する燃焼温度も、流れ方向の下流側において連続的に変化（低下）させることができる。
このように、両側領域の多孔質体４５Ｂの密度若しくは層の厚さ寸法を、酸化触媒通路４０Ａの流れ方向の領域に応じて変化させることにより、酸化触媒通路４０Ａの流れ方向の任意の領域の燃焼温度を上昇させたり逆に下降させたりすることができる。一般的に、生成改質ガスを多く供給し、発熱量を多くする必要がある領域は、積層される改質要素３０の主に燃料ガスの改質領域に隣接する部分であり、改質部分の位置・領域にあわせて、両側領域の多孔質の密度分布を低く若しくは層の厚さ寸法を小さく設計する等の調整・微調整が可能である。
前記改質要素３０は、図６に示すように、パージガス通路６１および原料マニホールドに連通する貫通穴６２を燃焼要素４０と同位置に備えるプレート本体３１で形成している。このプレート本体３１の一方は燃焼要素４０の隔壁プレート５０に接触し、他方は水素透過要素２０に接触している。
この改質要素３０は、原料マニホールドに連通している複数の貫通穴で形成した燃料供給孔３２から供給される水とガソリンの混合液を燃料蒸気に蒸発させる複数のスリットにより形成した原料蒸発通路３３と、原料蒸発通路３３の下流に連なり原料蒸発通路３３からの燃料蒸気を水蒸気改質して水素リッチな生成改質ガスとする複数のスリットにより形成した改質触媒通路３４と、出口３５に到達した生成改質ガスを前記隔壁プレート５０の貫通穴５１を経由させて前記燃焼要素４０の一対の供給空間４６に供給するスリットで形成した一対の供給通路３６とを備える。
前記原料蒸発通路３３は、複数のスリットの一方を燃焼要素４０の隔壁プレート５０で塞ぎ、他方を水素透過要素２０の壁面で塞ぐことで構成される。原料蒸発通路３３は、前記燃焼要素４０の酸化触媒通路４０Ａの下流側領域と重なるよう配置され、通路３３内を流れる水とガソリンの混合液を隣接して積層している燃焼要素４０から隔壁プレート５０を介して伝熱される熱エネルギにより加熱・蒸発させて原料蒸気を生成し、下流の改質触媒通路３４に供給する。
前記複数の改質触媒通路３４は、前記燃焼要素４０の酸化触媒通路４０Ａの上流側領域と重なるよう配置された複数のスリットと、このスリットの一方の蓋となる燃焼要素４０の隔壁プレート５０と、他方の蓋となる水素透過要素２０で構成している。複数の改質触媒通路３４を構成するスリットの内壁面と隔壁プレート５０表面には、改質触媒を担持させている。改質触媒は、水蒸気とガソリン混合気を水蒸気改質する水蒸気改質触媒であり、原料蒸発通路３３からの燃料蒸気を通過させることにより、改質触媒通路３４中で水素リッチな改質ガスに水蒸気改質する。前記改質触媒通路３４で生成された生成改質ガスに含まれる水素ガス成分は、隣接して積層されている水素透過要素２０を通して水素捕集要素１０に引抜かれる。さらに、水素を一部引抜かれた改質ガスは、改質触媒通路３４の出口３５に至り、スリットで形成した一対の供給通路３６から前記隔壁プレート５０の貫通穴５１を経由させて前記燃焼要素４０の一対の供給空間４６に供給される。
前記水蒸気改質は、吸熱反応であり、隔壁プレート５０およびプレート本体３１を介して接している燃焼要素４０から熱伝導される燃焼熱により、水蒸気反応を進行させる。なお、改質触媒通路３４での改質反応が、空気と燃料の反応である部分酸化反応と水蒸気改質反応を組合せて、発熱反応である部分酸化反応の熱で、吸熱反応である水蒸気改質に必要な熱をバランスさせて、燃焼触媒などによる外部からの熱の供給なしで改質を行う自熱改質方式（Ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ いわゆる、ＡＴＲ方式）であってもよい。
前記一対の供給通路３６は、プレート３１を貫通させたスリットで形成され、スリットで開放する一方は前記水素透過要素２０の壁面により蓋され、スリットで開放する他方は燃焼要素４０との間に配置された隔壁プレート５０の貫通穴５１に連通する。そして、燃焼要素４０の運転圧力を前記改質要素３０の運転圧力より低く設定するため、水素を一部引抜かれた改質ガスは、改質触媒通路３４の出口３５から供給通路３６に至り、前記貫通穴５１、燃焼要素４０の一対の供給空間４６、前記両側領域の多孔質体４５Ｂを経由して酸化触媒通路４０Ａに供給することとなる。
前記酸化触媒通路４０Ａに供給される可燃性の生成改質ガスは、酸化触媒通路４０Ａの流れ方向に対して、多孔質体４５の密度の高い両側領域の多孔質体４５Ｂを透過させて一様に供給され、酸化触媒通路４０Ａ中での生成改質ガスの燃焼は、燃焼ガスの流れ方向において一様に発生する。このことにより、酸化触媒通路４０Ａ中の燃焼温度分布を一様に制御することが可能となり、特定個所での燃焼ピーク温度の上昇を招くことなく、酸化触媒通路４０Ａ全域に亘って一様に温度上昇させることが可能となり、改質要素３０の改質触媒温度を上昇させて触媒反応速度を高く維持することが可能となる。また、酸化触媒通路４０Ａ中の特定の個所での燃焼ピーク温度が上昇することを抑制できるため、燃焼ピーク温度を低減でき、改質触媒の耐熱性向上や燃焼温度に比例して発生するＮＯｘ放出を抑制させることもできる。
前記水素透過要素２０は、図７に示すように、パージガス通路６１および原料マニホールド６３に連通する貫通穴６２を燃焼要素４０と同位置に備えるプレート本体２１で形成している。また、貫通穴６２間には、原料マニホールド６３が貫通穴により構成されている。
前記改質要素３０の改質触媒通路３４に重なる領域のプレート本体２１は、大きい切欠き孔２３が形成され、この切欠き孔２３には水素透過膜支持体２４が挿入され、水素透過膜支持体２４の前記改質触媒通路３４と面する側には、水素透過膜２５を配置している。
前記水素透過膜２５は、水素透過膜支持体２４の表面に、パラジウム（Ｐｄ）と水、バインダーを混合したパラジウムスラリーを塗布（例えば、１〜１０μｍの厚さで）し乾燥させてパラジウム箔としてコーティングする。このパラジウム箔は、パラジウム（Ｐｄ）を主成分とする水素透過膜２５となる。
前記水素透過膜２５は、隣接する改質要素３０の改質触媒通路３４の蓋を形成するよう積層される。改質要素３０の改質触媒通路３４等の各通路は相対的に高圧に設定されており、水素透過膜２５に加わる面圧は水素透過膜支持体２４で支え、プレート２１に受け止められる。
前記水素捕集要素１０は、図８に示すように、パージガス通路６１、原料マニホールド６３、および原料マニホールド６３と連通する一方の貫通穴６２を水素透過要素２０と同位置に備えるプレート本体１１で形成している。
そして、水素透過要素２０の水素透過膜支持体２４の背面に位置する領域が、水素捕集空間１２として切欠かれ、この水素捕集空間１２は一方のパージガス通路６１に連通される一方、外部へ連通させる水素出口１３に連通させている。前記水素出口１３は、水素リッチガス通路要素７に連通される。
従って、改質要素３０の改質触媒通路３４で生成された生成改質ガスに含まれる水素は、図３に示すように、水素透過要素２０の水素透過膜２５を透過して水素捕集要素１０の水素捕集空間１２に流入し、出口１３を介して水素リッチガス通路要素７から吐出される。
また、原料通路６２に供給された原料は、図４に示すように、いずれか一方の通路（貫通穴）６２から原料マニホールド６３に流入し、原料マニホールド６３に開口する改質要素３０の燃料供給孔３２から改質要素３０の燃料蒸発通路３３に供給されることとなる。
以上の構成になる燃料改質反応器においては、水素出口１３を閉じた状態で、空気入口４２から空気を供給すると共に可燃性ガス、例えば、気化させたガソリン等を酸化剤ガス通路５および／または原料入口６から供給し、酸化触媒通路４０Ａ内で燃焼させて暖機させ、酸化触媒出口４３から酸化触媒反応ガスとして放出させる。空気入口５から供給した可燃性ガスは、酸化触媒通路４０Ａの主に上流部分で燃焼して上流部分の改質要素を暖機し、原料入口６から供給した可燃性ガスは、原料蒸発通路３３、改質触媒通路３４、供給通路３６を経て一対の供給空間４６から両側領域の多孔質体４５Ｂを透過して酸化触媒通路４０Ａに供給され、酸化触媒通路４０Ａの全域で燃焼して全域の改質要素３０を暖機し、酸化触媒通路４０Ａの出口から酸化触媒反応ガスとして放出される。
暖機の進行に伴い、空気入口５からは空気のみの供給に切換えると共に原料入口６から液体原料、例えば、ガソリンと水との混合液を供給する。原料は原料蒸発通路３３を通過することで原料蒸気に生成されて改質触媒通路３４に至り、次いで、改質触媒通路３４を通過することで改質ガスに生成される。改質触媒通路３４で生成された生成改質ガスは、改質触媒通路３４の出口３５から供給通路３６に至り、前記貫通穴５１、燃焼要素４０の一対の供給空間４６、前記両側領域の多孔質体４５Ｂを経由して酸化触媒通路４０Ａに供給され、酸化触媒通路４０Ａの全域で燃焼して全域の改質要素３０を暖機する。
各要素の温度が暖機完了温度に達した段階で、液体原料の供給量を規定量に増量させ、改質要素３０の運転圧力を維持しつつ水素出口１３を開放すると、改質触媒通路３４で生成された生成改質ガスに含まれる水素は、水素透過要素２０の水素透過膜２５を透過して水素捕集要素１０の水素捕集空間１２に流入し、水素出口１３から水素ガスを吐出させ、例えば、燃料電池や貯蔵手段に供給を開始させることができる。水素を一部引抜かれた改質ガスは、改質触媒通路３４の出口３５から供給通路３６に至り、前記貫通穴５１、燃焼要素４０の一対の供給空間４６、前記両側領域の多孔質体４５Ｂを経由して酸化触媒通路４０Ａに供給される。なお、酸化触媒通路４０Ａの出口４３から放出される酸化触媒反応ガスは、図示しないラジエータを経由させて含まれる水および熱を回収することが望ましい。
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
（ア）供給空気により供給燃料を燃焼させ、燃焼ガスの熱により改質要素３０を加熱する燃焼ガス通路４０Ａを備えた燃焼要素４０と、前記燃焼要素４０の燃焼ガス通路４０Ａで発生する燃焼ガスの熱により原料を改質して改質ガスを生成する改質触媒を担持させた改質触媒通路３４を、前記燃焼要素４０の燃焼ガス通路４０Ａと平行に備える改質要素３０と、前記改質触媒通路３４に面して改質触媒通路３４中の生成改質ガスに含まれる水素ガスを透過させる水素透過膜２５を備えた水素透過要素２０と、前記水素透過膜２５を透過した水素ガスを集める空間１２を有する水素ガス捕集要素１０と、をこの順に積層して備え、前記燃焼要素４０に供給する燃料として改質要素３０で生成した生成改質ガスの少なくとも一部を、燃焼要素４０の燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給し、供給した生成改質ガスを燃焼ガス通路４０Ａの各領域で燃焼させるようにしたため、燃焼要素４０の燃焼ガスから改質要素３０の改質ガスへ熱の伝達効率の良い、並行流若しくは対向流により伝達でき、改質要素３０の全域に亘り高温に維持可能なため、改質触媒の反応速度を高く維持することができ、少ない改質触媒により効率的に改質可能とでき、燃焼要素４０と改質要素３０とを積層してコンパクトな燃料改質反応器とすることができる。また、燃焼ガス通路４０Ａの燃焼ガス流れ方向の領域毎に燃焼温度を個別に制御でき、加熱対象である改質要素３０の温度分布制御が可能となる。よって、従来のように燃焼ピーク温度を下げるために空気混合率を増大させる必要がなく、少ない空気量で燃焼ピーク温度を下げることが可能となるので、燃焼出口ガスに含まれる水を回収するラジエータに対する要求放熱量を減らすことができ、ラジエータの小型化が可能となる。
（イ）改質要素３０は、改質触媒通路３４の上流に燃料と水を蒸発・加熱し燃料蒸気とする燃料ガス加熱通路３３を備え、改質触媒通路３４は燃料ガス加熱通路３３で得られた燃料蒸気から改質ガスを生成するため、燃焼要素４０との組合せが可能となり、燃焼要素４０からの熱供給により原料から原料蒸気を生成可能となる。
（ウ）燃焼要素４０に供給する燃料は、改質要素３０の改質触媒通路３４に生成され且つ含まれる水素ガスの少なくとも一部を隣接して積層された水素透過要素２０の水素透過膜２５により引抜かれた生成改質ガスを供給することにより、改質要素３０で生成した水素は水素透過膜２５により高純度化され水素リッチガスとなり、水素リッチガス出口１３から燃料電池などへ供給することができる。一方、水素透過膜２５を通過できなかった残りの水素や改質反応で生成したメタンやＣＯは、必要に応じて追加燃料と混合され、改質排気ガスとして、燃焼要素４０で燃焼反応し、改質要素３０および原料蒸発通路３３を加熱するため、無駄とならない。
（エ）燃焼要素４０への燃料の供給は、燃焼ガス通路４０Ａの燃焼ガスの流れ方向の側面から燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給することにより、燃焼要素４０への供給通路３６、５１、４６を確保しつつ改質要素３０と燃焼要素４０の積層化が可能となる。
（オ）燃焼要素４０の燃焼ガス通路４０Ａの燃焼ガスの流れ方向の側面からの燃料の供給は、燃焼ガスの流れ方向に沿って配置した多孔質体４５Ｂを介して行われることにより、多孔質体４５Ｂの空隙から生成改質ガスが酸化触媒通路４０Ａの全域に一様に供給されることにより、酸化触媒通路４０Ａでの燃焼が全域において一様に発生し、燃焼ガスの流れ方向においても一様に発生される。
（カ）多孔質体４５Ｂは、燃焼ガスの流れ方向の各領域に応じて、その密度および／または厚さにより夫々の領域に供給する燃料量を調整している、即ち、多孔質体４５Ｂの密度および／または厚さは、燃焼ガス通路４０Ａの燃焼ガス流れ方向の下流領域において増加させていることにより、酸化触媒通路４０Ａの上流側に供給する可燃性ガスを比較的多くし（圧損小）、下流側に供給する可燃性ガスを比較的少なくし（圧損大）、上流側の燃焼温度を下流側の燃焼温度より高めることができる。
（キ）燃焼要素４０の燃焼ガス通路４０Ａは、その壁面および／または通路内に配置された担体４５Ａに酸化触媒を担持させて備えることにより、燃焼ガス通路４０Ａ内での生成改質ガスおよび／または追加燃料の燃焼が確実に行える。
（ク）担体４５Ａは、多孔質体であることにより、燃焼ガス通路４０Ａを形成する構造体の微細な空隙表面に触媒を担持しており、燃焼量が増え、改質要素３０への熱伝導が促進される。
（ケ）燃焼要素４０の運転圧力は、改質要素３０の運転圧力より低く設定していることにより、改質要素３０から燃焼要素４０への生成改質ガス供給が可能となる。
（コ）燃料改質反応器は、前記水素捕集要素１０の両側に隣接して水素透過要素２０を積層し、さらに両側に改質要素３０および燃焼要素４０をこの順に積層して備えることにより、改質要素３０での改質が水蒸気改質のような吸熱反応の場合、燃焼要素４０の熱を改質触媒に伝え、温度が下がった状態の生成改質ガスが水素透過膜２５に接触するため、水素透過膜２５の温度を燃焼要素４０の燃焼温度より低く保ち、水素透過膜２５の熱耐久性を向上させることができる。
（サ）改質要素３０の改質触媒通路３４は、複数のスリットとこのスリットの開口部分に接触する隔壁部材５０若しくは燃焼要素４０の壁部とで形成したため、改質触媒通路３４の表面積が増え、担持できる触媒量が増え、且つ、燃焼要素４０からの熱伝達が促進される。また、機械的強度も向上できる。
（第２実施形態）
図１０〜図１１は、本発明を適用した燃料改質反応器の第２実施形態を示し、図１０は改質要素の平面図、図１１は燃焼要素の平面図である。本実施形態においては、改質要素の改質触媒通路が位置する領域の燃焼要素による加熱を最適化した構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
図１０に示す改質要素３０は、生成改質ガスの燃焼要素４０への供給通路３６の長さを、改質触媒通路３４が設けられた領域と略一致する長さに短縮し、隔壁プレート５０に連通させて設ける貫通孔５１の長さも短縮している。また、改質触媒通路３４の出口３５に位置させて、改質要素３０、燃焼要素４０、水素透過要素２０、改組捕集要素１０の各本体プレート１１〜４１および隔壁プレート５０も含めて新たに貫通孔６４を設け、生成改質ガスの出口３５から貫通穴６４を介しても燃焼要素４０に生成改質ガスを供給できるようにしている。
図１１に示す燃焼要素４０は、酸化剤ガスの入口４２から出口４３に至る燃焼エリアが入口４２側で幅広となり出口４３に至るに連れてその幅が減少される空間により酸化触媒通路４０Ａを形成している。酸化触媒通路４０Ａの壁面には酸化触媒が担持させている。なお、酸化触媒通路４０Ａの空間内に酸化触媒を担持させた多孔質体を挿入して、燃焼反応がより一層促進されるようにしてもよい。前記酸化触媒通路４０Ａの上流側空間の両側には、前記改質要素３０の供給通路３６に隔壁プレート５０の貫通穴５１を介して連通する一対の供給空間４６が薄い側壁４７を介して配置されている。前記側壁４７には、図１１（Ｂ）に示すように、多数の連通孔４７Ａが配置され、供給された生成改質ガスを連通孔４７Ａを介して燃焼エリア（酸化触媒通路４０Ａ）に供給可能としている。
また、酸化剤ガスの入口４２の中央部に開口させた前記貫通穴６４に連通させて、燃焼エリアの上流側領域に延びる第２の供給空間４８を形成し、この第２の供給空間４８の側壁にも、同様に図１１（Ｂ）に示す、多数の連通孔４８Ａを配置し、供給された生成改質ガスを連通孔４８Ａを介して燃焼エリアに供給可能としている。
前記供給空間４６（第２の供給空間４８も含めて）の側壁に設ける多数の連通孔４７Ａ、４８Ａは、その間隔が酸化触媒通路４０Ａの上流側で小さく且つ下流側に移行するに連れて大きくなるように形成して、生成改質ガスの供給量が酸化触媒通路４０Ａの上流側で多くなるようにして、上流側領域の燃焼反応熱の発生が多くなるようにして、積層される改質要素３０の改質触媒通路３４の改質反応がその下流側に移行するに連れて促進されるようにしている。その他の構成は、第１実施形態と同様に構成している。
この実施形態の改質反応器においては、燃焼要素４０の酸化触媒通路４０Ａの上流側において、供給空間４６および第２供給空間４８から生成改質ガスが重点的に供給されるため、積層される改質要素３０の改質触媒通路３４での改質反応をより一層促進させることができる。また、上流側で発生した燃焼ガスが下流に流れることにより、また、酸化触媒通路４０Ａに担持させている酸化触媒により未燃焼成分も完全に燃焼されるため、積層される改質要素３０の燃料蒸発通路３３での燃料の気化も促進することができる。
また、供給空間４６および第２供給空間４８から酸化触媒通路４０Ａの上流側ほど燃焼反応熱が多く発生するようにしているため、積層される改質要素３０の改質触媒通路３４での改質反応が下流に移るに連れてより促進され、出口３５に至るまでに水素リッチなガスに完全に改質させることができる。
また、第２供給空間４８は酸化触媒通路４０Ａの上流側の中央に位置されており、生成改質ガスが酸化触媒通路４０Ａの両サイドと中央とから供給されるため、酸化触媒通路４０Ａでの燃焼反応の分布を均一に発生させることができ、積層される改質要素３０の複数の改質触媒通路３４の全てに対して均一に燃焼熱を加えて、均一に改質反応を促進させることができる。
なお、改質触媒通路３４の出口３５に位置させて、改質要素３０、燃焼要素４０、水素透過要素２０、改組捕集要素１０の各本体プレート１１〜４１および隔壁プレート５０も含めて新たに設けた貫通孔６４には、生成改質ガスの出口３５から貫通穴６４を介しても燃焼要素４０に生成改質ガスを供給できるようにしているものであるが、図示しないが、外部からこの貫通孔６４に追加燃料を供給するようにしてもよい。このように外部から追加燃料を供給するようにすると、追加燃料は第２供給空間４８から酸化触媒通路４０Ａに供給される他、改質触媒通路３４の出口３５から生成改質ガスと共に、一対の供給通路３６、貫通孔５１、供給空間４６を経て、酸化触媒通路４０Ａに供給される。
前記燃焼要素４０の酸化触媒通路４０Ａでは、水素が引抜かれた生成改質ガスと追加燃料との両者が燃焼される。このため、追加された追加燃料ガスが燃焼される酸化触媒通路４０Ａの燃焼温度を追加燃料の量に応じて上昇させることができる。従って、追加燃料の導入量は、例えば、運転中の改質要素３０の温度を計測し、改質触媒反応下限温度以下となる場合に、必要な燃料導入量を算出することなどで決定できる。このようにして、燃焼要素４０を必要に応じて温度制御することが可能である。
また、改質要素３０の燃料蒸発通路３３へ燃料を供給する燃料供給孔３２は、原料マニホールド６３に流れ込んで溜まるため、複数の燃料供給孔３２同士で通過する燃料量に差が発生することは稀であるが、この原料マニホールド６３の容量が大きくできず、燃料がマニホールド６３内の一方から他方へ一様に流れを生じている場合には、図１０に示すように、その流れの下流側の燃料供給孔３２の内径を上流側の燃料供給孔３２の内径より大きくなるように形成すると、各燃料蒸発通路３３に供給する燃料量を均一化できる。
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（エ）、（キ）、（ケ）〜（サ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
（シ）燃料改質反応器は、改質要素３０で生成した生成改質ガスの少なくとも一部に加えて、外部からの燃料を燃焼要素４０に供給可能であることにより、燃焼要素４０の燃焼ガス通路４０Ａの流れ方向の部分領域、例えば、上流領域の温度を必要に応じて独立させて制御することが可能となる。
（ス）燃焼要素４０への燃料の供給は、燃焼ガス通路４０Ａの燃焼ガスの流れ方向に沿った中央から燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給することにより、酸化触媒通路４０Ａでの燃焼反応の分布を均一に発生させることができ、積層される改質要素３０の複数の改質触媒通路３４の全てに対して均一に燃焼熱を加えて、均一に改質反応を促進させることができる。
（セ）燃焼要素４０の燃焼ガス通路４０Ａの燃焼ガスの流れ方向の側面および／または背面からの燃料の供給は、燃焼ガスの流れ方向の各領域に応じて配置した供給孔（連通孔）４７Ａ、４８Ａの単位面積当たり若しくは単位長さ当たりの開口面積により夫々の領域に供給する燃料量を調整していることにより、例えば、酸化触媒通路４０Ａの上流側に供給する可燃性ガスを比較的多くし（圧損小）、下流側に供給する可燃性ガスを比較的少なくし（圧損大）、上流側の燃焼温度を下流側の燃焼温度より高めることができる。
（ソ）燃焼要素４０への燃料の供給は、積層されている改質要素３０の改質触媒通路３４と重なる領域の燃焼ガス通路４０Ａに主に供給することにより、供給空間４６および第２供給空間４８から酸化触媒通路４０Ａの上流側ほど燃焼反応熱が多く発生させることができ、積層される改質要素３０の改質触媒通路３４での改質反応が下流に移るに連れてより促進され、出口に至るまでに水素リッチなガスに完全に改質させることができる。
（タ）改質要素３０は、平行する複数の改質触媒通路３４を備え、夫々の改質触媒通路３４に原料を導入する供給孔３２は、その開口面積を調整することにより原料の導入量を夫々調整することにより、各燃料蒸発通路３３、改質触媒通路３４に供給する燃料量を均一化できる。
（第３実施形態）
図１２〜図１６は、本発明を適用した燃料改質反応器の第３実施形態を示し、図１２は単燃料改質ユニットを積層した組立状態の燃料改質反応器の全体斜視図、図１３は図１２のＣ−Ｃ線による単燃料改質ユニットの断面図、図１４は燃焼要素の平面図、図１５は改質要素の平面図、図１６は隔壁プレートの平面図である。本実施形態においては、改質要素の改質触媒通路が位置する領域の燃焼要素による加熱を一層最適化した構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１、２実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
本実施形態の改質反応器においては、改質要素３０の構成は、図１５に示すように、第２実施形態の改質要素３０と略同じ構成としている。改質触媒通路３４の出口３５に連通させた貫通穴６５を介して、生成改質ガスの一部が、図１４に示すように、燃焼要素４０に設けた貫通穴６５に供給され、図１６に示すように、燃焼要素４０に積層される隔壁プレート５０に設けた貫通穴６５に供給されるよう構成している。
前記隔壁プレート５０には、貫通穴６５に連通する溝５３が形成され、この溝５３は、貫通穴６５から隔壁プレート５０の中央に延び、中央部から長手方向に延在された供給溝５４に繋がっている。この供給溝５４の底部には、複数の連通孔５５が隔壁プレート５０を貫通させて配置されている。前記連通孔５５の配置状態は、図１４に燃焼要素４０に対する位置関係を示すように、燃焼要素４０の酸化触媒通路４０Ａの中央に開口させており、連通孔５５の間隔は、酸化触媒通路４０Ａの上流側で小さく且つ下流側に移行するに連れて大きくなるように形成して、生成改質ガスの供給量が酸化触媒通路４０Ａの上流側で多くなるようにして、上流側領域の燃焼反応熱の発生が多くなるようにして、積層される改質要素３０の改質触媒通路３４の改質反応がその下流側に移行するに連れて促進されるようにしている。その他の構成は、第１、２実施形態と同様に構成している。
この実施形態の改質反応器においては、燃焼要素４０の酸化触媒通路４０Ａの上流側において、供給空間４６および第２供給溝５４から生成改質ガスが重点的に供給されるため、積層される改質要素３０の改質触媒通路３４での改質反応をより一層促進させることができる。また、上流側で発生した燃焼ガスが下流に流れることにより、また、酸化触媒通路４０Ａに担持させている酸化触媒により未燃焼成分も完全に燃焼されるため、積層される改質要素３０の燃料蒸発通路３３での燃料の気化も促進することができる。
また、供給空間４６および供給溝５４から酸化触媒通路４０Ａの上流側ほど燃焼反応熱が多く発生するようにしているため、積層される改質要素３０の改質触媒通路３４での改質反応が下流に移るに連れてより促進され、出口３５に至るまでに水素リッチなガスに完全に改質させることができる。
また、供給溝５４は酸化触媒通路４０Ａの上流側の中央に位置しており、生成改質ガスが酸化触媒通路４０Ａの両サイドと中央とから供給されるため、酸化触媒通路４０Ａでの燃焼反応の分布をより均一に発生させることができ、積層される改質要素３０の複数の改質触媒通路３４の全てに対して均一に燃焼熱を加えて、均一に改質反応を促進させることができる。
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（エ）、（キ）、（ケ）〜（サ）および第２実施形態における効果（セ）〜（タ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
（チ）燃焼要素４０への燃料の供給は、燃焼ガス通路４０Ａの燃焼ガスの流れ方向の背面となる改質要素３０側とは反対側から燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給することにより、酸化触媒通路４０Ａでの燃焼反応の分布をより均一に発生させることができ、積層される改質要素３０の複数の改質触媒通路３４の全てに対して均一に燃焼熱を加えて、均一に改質反応を促進させることができる。
本発明の一実施形態を示す燃料改質反応器の組立状態の全体斜視図。 同じく配管要素を取外した状態の燃料改質反応器の全体斜視図。 図２の線Ａ−Ａによる断面図。 図２の線Ｂ−Ｂによる断面図。 単燃料改質ユニットを構成する燃焼要素の平面図。 単燃料改質ユニットを構成する改質要素の平面図。 単燃料改質ユニットを構成する水素透過ユニットの平面図。 単燃料改質ユニットを構成する水素捕集ユニットの平面図。 燃焼要素の第２実施例の平面図。 本発明の第２実施形態を示す燃料改質反応器の改質要素の平面図。 同じく燃焼要素の平面図（Ａ）および矢視Ａの部分図（Ｂ）。 本発明の第３実施形態を示す燃料改質反応器の燃料改質反応器の全体斜視図。 図１２の線Ｃ−Ｃによる単燃料改質ユニットの断面図。 同じく燃焼要素の平面図（Ａ）および矢視Ａの部分図（Ｂ）。 同じく改質要素の平面図。 同じく隔壁プレートの平面図。
符号の説明
１ 燃料改質ユニット
２、４ エンドプレート
３ 単燃料改質ユニット
５ 酸化剤ガス通路（空気入口）
６ 燃料ガス通路（原料入口）
７ 水素ガス通路
１０ 水素捕集要素
１１、２１、３１、４１ 本体プレート
１３ 水素出口
２０ 水素透過要素
２５ 水素透過膜
３０ 改質要素
３２ 供給孔
３３ 燃料加熱通路
３４ 改質触媒通路
３５ 出口
３６ 供給通路
４０ 燃焼要素
４０Ａ 酸化触媒通路（燃焼ガス通路）
４２ 入口
４３ 出口
４５ 多孔質体
４６ 供給空間
５０ 隔壁プレート
５１ 貫通孔

Claims (17)

  1. 供給空気により供給燃料を燃焼させ、燃焼ガスの熱により改質要素を加熱する燃焼ガス通路を備えた燃焼要素と、
    前記燃焼要素の燃焼ガス通路で発生する燃焼ガスの熱により原料を改質して改質ガスを生成する改質触媒を担持させた改質触媒通路を、前記燃焼要素の燃焼ガス通路と平行に備える改質要素と、
    前記改質触媒通路に面して改質触媒通路中の生成改質ガスに含まれる水素ガスを透過させる水素透過膜を備えた水素透過要素と、
    前記水素透過膜を透過した水素ガスを集める空間を有する水素ガス捕集要素と、をこの順に積層して備え、
    前記燃焼要素に供給する燃料として改質要素で生成した生成改質ガスの少なくとも一部を、燃焼要素の燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給し、供給した生成改質ガスを燃焼ガス通路の各領域で燃焼させることを特徴とする燃料改質反応器。
  2. 前記改質要素は、改質触媒通路の上流に燃料と水を蒸発・加熱し燃料蒸気とする燃料ガス加熱通路を備え、改質触媒通路は燃料ガス加熱通路で得られた燃料蒸気から改質ガスを生成することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質反応器。
  3. 前記燃焼要素に供給する燃料は、改質要素の改質触媒通路に生成され且つ含まれる水素ガスの少なくとも一部を隣接して積層された水素透過要素の水素透過膜により引抜かれた生成改質ガスを供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料改質反応器。
  4. 前記燃料改質反応器は、改質要素で生成した生成改質ガスの少なくとも一部に加えて、外部からの燃料を燃焼要素に供給可能であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  5. 前記燃焼要素への燃料の供給は、燃焼ガス通路の燃焼ガスの流れ方向の側面から燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  6. 前記燃焼要素への燃料の供給は、燃焼ガス通路の燃焼ガスの流れ方向に沿った中央から燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  7. 前記燃焼要素への燃料の供給は、燃焼ガス通路の燃焼ガスの流れ方向の背面となる改質要素側とは反対側から燃焼ガスの流れ方向の各領域に夫々供給されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  8. 前記燃焼要素の燃焼ガス通路の燃焼ガスの流れ方向の側面からの燃料の供給は、燃焼ガスの流れ方向に沿って配置した多孔質体を介して行われることを特徴とする請求項５に記載の燃料改質反応器。
  9. 前記多孔質体は、燃焼ガスの流れ方向の各領域に応じて、その密度および／または厚さにより夫々の領域に供給する燃料量を調整していることを特徴とする請求項８に記載の燃料改質反応器。
  10. 前記多孔質体の密度および／または厚さは、燃焼ガス通路の燃焼ガス流れ方向の下流領域において増加されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料改質反応器。
  11. 前記燃焼要素の燃焼ガス通路の燃焼ガスの流れ方向の側面および／または背面からの燃料の供給は、燃焼ガスの流れ方向の各領域に応じて配置した供給孔の単位面積当たり若しくは単位長さ当たりの開口面積により夫々の領域に供給する燃料量を調整していることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  12. 前記燃焼要素への燃料の供給は、積層されている改質要素の改質触媒通路と重なる領域の燃焼ガス通路に主に供給することを特徴とする請求項５から請求項１１のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  13. 前記燃焼要素の燃焼ガス通路は、その壁面および／または通路内に配置された担体に酸化触媒を担持させて備えることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  14. 前記担体は、多孔質体であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料改質反応器。
  15. 前記燃焼要素の運転圧力は、改質要素の運転圧力より低く設定していることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  16. 前記燃料改質反応器は、前記水素捕集要素の両側に隣接して水素透過要素を積層し、さらに両側に改質要素および燃焼要素をこの順に積層して備えることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
  17. 前記改質要素は、平行する複数の改質触媒通路を備え、夫々の改質触媒通路に原料を導入する供給孔は、その開口面積を調整することにより原料の導入量を夫々調整していることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか一つに記載の燃料改質反応器。
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