JP2009209008A - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気および改質ガスの混合性を更に高めることができる燃料電池用改質装置を提供する。
【解決手段】燃料電池用改質装置１は、改質用燃料原料から改質ガスを生成する改質部２と、混合室８１を有する混合部８０と、改質部２で生成された改質ガスを混合室８１に供給する改質ガス通路を形成する改質ガス通路形成部材６１と、酸素含有ガスを混合部８０の混合室８１に供給する酸素含有ガス通路７０を形成する酸素含有ガス通路形成部材と、改質ガスおよび酸素含有ガスのうちの一方を他方に対して衝突させるように方向変換させ改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性を高める方向変換部８２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は改質用燃料原料を改質させることにより改質ガスを生成する燃料電池用改質装置に関する。

一般的には、上記した改質装置は、改質用燃料原料から改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減させるシフト部と、改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素と反応させて低減させるＣＯ酸化部とを備えている（特許文献１）。

更に、改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素と反応させて低減させるＣＯ酸化部と、ＣＯ酸化部の上流に設けられ改質ガスと空気とを混合させる混合部とが設けられているＣＯ除去装置が開示されている（特許文献２）。このものによれば、混合部には、オリフィスまたは邪魔板が設けられており、改質ガスと空気との混合性を高めている。
特開２００５−１０８６５１号公報 特開２００７−２７３１７６号公報

改質ガスに含まれる一酸化炭素を効率よく低減させるためには、改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性を高めることが好ましい。しかしながら上記した技術によれば、改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性を高めるためには限界がある。そこで、産業界では、改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性を更に高めることが要請されている。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性を更に高めることができる燃料電池用改質装置を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池用改質装置は、改質用燃料原料から改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成され一酸化炭素を含む可能性がある改質ガスと酸素含有ガスとが供給される混合室を有する混合部と、改質部で生成された改質ガスを混合室に供給する改質ガス通路を形成する改質ガス通路形成部材と、酸素含有ガスを混合部の混合室に供給する酸素含有ガス通路を形成する酸素含有ガス通路形成部材と、混合室に設けられ、改質ガス通路から供給される改質ガスおよび酸素含有ガス通路から供給される酸素含有ガスのうちの一方を他方に対して衝突させるように方向変換させ、混合室における改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性を高める方向変換部とを具備することを特徴とする。

酸素含有ガス通路から酸素含有ガスが混合室に供給される。改質ガス通路から混合室に改質ガスが供給される。方向変換部は、混合室において、改質ガスおよび酸素含有ガスのうちの一方を他方に対して衝突させるように案内する。これにより混合室における改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性が高められる。

改質部は、改質用燃料原料から改質ガスを生成する。改質ガスは、燃料電池の燃料極における発電反応に寄与する活物質（例えば水素）を含む（例えば１０モル％以上含む）ガスである。改質ガスは一酸化炭素を含む可能性がある。そこで改質ガスから一酸化炭素を除去することが好ましい。従って、混合部の混合室には、改質部で生成された改質ガスと、酸素含有ガスとが供給される。酸素含有ガスは、一酸化炭素を酸化させるための酸素を含むガスであり、空気でもよく、酸素を富化した酸素富化ガスでも良い。

改質ガス通路形成部材は、改質部で生成された改質ガスを混合室に供給する改質ガス通路を形成する。酸素含有ガス通路形成部材は、酸素含有ガスを混合部の混合室に供給する酸素含有ガス通路を形成する。方向変換部は、混合室に設けられており、酸素含有ガス通路から供給される酸素含有ガスおよび改質ガス通路から供給される改質ガスのうちの少なくとも一方を、他方に対して衝突させるように方向変換させる。これにより乱流化が進行し、改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性が混合室において高められる。

方向変換部は、改質ガスを酸素含有ガスに対して衝突させるように方向変換させる形態でも良いし、あるいは、酸素含有ガス通路から供給される酸素含有ガスを改質ガスに対して衝突させるように方向変換させる形態でも良い。『衝突』は、正面衝突および側方衝突を含む。上記した方向変換部としては、改質ガスおよび酸素含有ガスの流れ方向に対して傾斜している傾斜部が採用できる。傾斜は、改質部の中心軸線を通る断面で直状（断面直線状）に傾斜していても良いし、中心軸線を通る断面で円弧凸形状に傾斜していても良いし、中心軸線を通る断面で円弧凹形状に傾斜していても良い。

本発明に係る燃料電池用改質装置は、好ましくは、次の態様を含むことができる。

・好ましくは、混合室は所定の軸線の周りを回る形状である。例えば、中心軸線を有するリング形状または円筒形状とされている態様が採用できる。この場合、改質ガス通路は改質ガスを混合室の中心軸線が延設されている方向に沿って流すことができる。

・混合室は中心軸線を有するリング形状または円筒形状とされている態様が採用できる。この場合、酸素含有ガス通路は、酸素含有ガスを混合室の径内方向および径外方向のうちの一方に向けて流す。方向変換部は、改質ガスを混合室の径内方向および径外方向のうちの他方に向けて方向転換させるように流すように、混合室の中心軸線に対して傾斜されている態様が採用できる。これにより混合室において改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性が高められる。『径内方向』は外側から内側に向かうことをいう。『径外方向』は内側から外側に向かうことをいう。

・好ましくは、改質装置は、改質部の下流に設けられ改質ガスに含まれる一酸化炭素をＨ_２０によるシフト反応で低減させるシフト部と、シフト部の下流に設けられ改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素と反応させて低減させるＣＯ酸化部とを具備する態様を含む。一酸化炭素は酸素と反応して二酸化炭素となる。

・混合部の混合室はシフト部とＣＯ酸化部との間に設けられていることが好ましい。混合室は、改質ガスがＣＯ酸化部に供給される前に、改質ガスおよび酸素含有ガスを混合させる。この場合、改質ガスおよび酸素含有ガスが混合した状態で、ＣＯ酸化部に供給される。従って、混合室は、ＣＯ酸化部の上流に配置されている。上記した結果、改質ガスがＣＯ酸化部に供給される前に、改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性が向上する。従ってＣＯ酸化部におけるＣＯ酸化反応が良好に実施される。

・好ましくは、混合室は、シフト部と混合部とを仕切る仕切部材を用いて形成されている態様が採用できる。この場合、仕切部材を介してシフト部および混合部は隣設される。仕切部材は金属製でもセラミックス製でも良い。

・好ましくは、シフト部は、シフト触媒を担持する触媒担体を収容すると共に改質ガスを流す改質ガス通路を形成する筒体と、筒体の先端部に対向するように筒体の軸直角方向に沿って配置されたガス通過板とを具備している態様が採用できる。この場合、熱膨張により筒体の先端部およびガス通過板が過剰に衝突しないように、微小隙間が筒体の先端部とガス通過板との間に形成されていることが好ましい。この場合、熱膨張が発生したとしても、筒体の先端部およびガス通過板が過剰に衝突することが抑制される。従って、熱膨張に起因する筒体の先端部およびガス通過板の変形が抑制される。『筒体の軸直角方向に沿って』は、筒体の軸直角方向に対して多少傾斜（例えばプラスマイナス２０度以内）している場合も含む意味である。

本発明によれば、酸素含有ガス通路から酸素含有ガスが混合室に供給される。改質ガス通路から混合室に改質ガスが供給される。混合室における方向変換部は、改質ガスおよび酸素含有ガスのうちの少なくとも一方を他方に対して衝突させるように案内する。これにより混合室において改質ガスおよび酸素含有ガスの混合性が高められる。この結果、改質ガスに含まれる一酸化炭素と酸素とを反応させて一酸化炭素を低減させるとき、一酸化炭素と酸素とを反応させる反応性を向上させることができる。故に改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度の低減に貢献できる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図面を参照して具体的に説明する。本実施形態に係る改質装置は定置用または産業用の燃料電池システムに適用されている。

図１は改質装置１の全体概念を示す。図２および図３は改質装置１の主要部を示す。図１に示すように、改質装置１は、燃焼室２０を形成する改質部２と、燃焼室２０に挿入され改質部２を加熱する燃焼部２５と、蒸発部５０と、シフト部６０と、ＣＯ酸化部５３とをもつ。燃焼部２５には、燃焼用燃料（または燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガス）および燃焼用空気が供給される。改質部２は、鉛直方向に沿った中心軸線Ｐ１をもつ筒形状をなしており、改質用燃料（改質用燃料原料）を水蒸気により改質させ、水素を主要成分とする（例えば３０モル％以上）改質ガスを生成する。改質用燃料がメタンを含む場合には、下記の（１）式に基づく。

図２に示すように、改質部２は、外通路２１と、外通路２１に対して内側となるように同軸的に形成された内通路２２と、外通路２１の上部と内通路２２の上部とを繋ぐ折返通路２３とを有する。内通路２２および外通路２１は第２断熱層４７で仕切られている。外通路２１の下部は改質部２の入口２ｉとされている。内通路２２の下部は改質部２の出口２ｐとされている。外通路２１および内通路２２には、改質触媒を担持した触媒担体２０ａが収容されている。触媒担体２０ａは粒状とされている。

図２に示すように、改質部２の外周側には、筒形状をなす第１断熱層４１が設けられている。第１断熱層４１は、改質部２に同軸的な周壁層４１ａと、改質部２の上部を覆う天井層４１ｃとを有する。天井層４１ｃには中間蓋４２が取り付けられている。第１断熱層４１の内周面および外周面は、燃焼室２０に連通する筒形状をなす第１燃焼通路４３および第２燃焼通路４４を同軸的にそれぞれ形成する。第２燃焼通路４４は、外部に連通する燃焼排ガス通路４５に連通する。更に第１断熱層４１で区画される第２燃焼通路４４の外周側には、改質水を蒸発させる蒸発部５０が同軸的に形成されている。蒸発部５０は、空間幅が狭い筒形状の空間で形成されている。蒸発部５０の下部には、改質水を供給する水入口５０ｉが形成されている。蒸発部５０の上部には、改質水を加熱して生成した水蒸気を吐出する水蒸気出口５０ｐが形成されている。このため蒸発部５０において水および水蒸気は上向きに流れる。但し、蒸発部５０において水および水蒸気を下向きに流すことにしても良い。

蒸発部５０の外周側には、筒形状をなす第３断熱層４８を介して、筒形状をなすＣＯ酸化部５３が同軸的に隣設されている。第３断熱層４８は、ＣＯ酸化部５３の熱が蒸発部５０に伝達されることを抑制し、ＣＯ酸化部５３の温度を確保するのに有効である。ＣＯ酸化部５３の下部には、後述する混合室８１に連通する入口５３ｉが形成されている。ＣＯ酸化部５３の上部には、燃料電池のアノードに連通する出口５３ｐが形成されている。

図１に示すように、燃焼室２０で燃焼された燃焼ガスは、第１燃焼通路４３を下降し，第２燃焼通路４４を上昇して流れ、燃焼排ガス通路４５から外部に向けて排出される。蒸発部５０は第２燃焼通路４４を流れる燃焼ガスにより加熱される。

更に、図１に示すように、改質装置１は、改質部２の下方に配置された熱交換部５４と、熱交換部５４の下方に配置されたシフト部６０と、シフト部６０と熱交換部５４との間に配置された電気式のヒータをもつ暖機部５５（過剰に低温のとき使用）とを備えている。ここで、改質部２の下流（下方）に熱交換部５４が設けられている。熱交換部５４の下流（下方）にシフト部６０が設けられている。熱交換部５４は、互いに熱交換可能な第１熱交換通路５４ａおよび第２熱交換通路５４ｃを有する。熱交換部５４は、燃料原料としての改質用燃料（例えば炭化水素系ガス）を供給する原料入口５４ｉと、蒸発部５０で生成された水蒸気が供給される水蒸気入口５４ｋとを有する。

シフト部６０は、下記の（２）式に基づいて、水蒸気を利用するシフト反応を促進させ、改質ガスに含まれているＣＯを低減させる。ＣＯシフト部６０は、シフト反応を促進させるシフト触媒を有する触媒担体６０ａを有する。シフト触媒は例えば銅−亜鉛系触媒が採用されるが、これに限定されるものではない。触媒担体６０ａは粒状をなす。シフト部６０は、改質ガスを流す改質ガス通路を形成する改質ガス通路形成部材６１を有する。改質ガス通路形成部材６１は、内側の第１シフト通路６１ｆ（改質ガス通路）を形成する筒体として機能する内筒６２と、外側の第２シフト通路６１ｓ（改質ガス通路）を形成するように内筒６２に対して同軸的に配置された筒体として機能する外筒６３と、内筒６２の先端部（下端部）側に設けられた円形状をなす第１ガス通過板６４と、内筒６２の基端部（上端部）側に設けられたリング形状をなす第２ガス通過板６５と、外筒６３の下面開口および内筒６２の下面開口を閉鎖する閉鎖板６６とを有する。

第１シフト通路６１ｆおよび第２シフト通路６１ｓは、内筒６２で仕切られているため、内筒６２は仕切部材として機能する。第１シフト通路６１ｆおよび第２シフト通路６１ｓには、シフト触媒を担持する触媒担体６０ａが収容されている。

第１ガス通過板６４および閉鎖板６６は折返通路６７を形成し、第１シフト通路６１ｆの改質ガスを矢印Ｅ方向にＵターンさせて第２シフト通路６１ｓに流す。第１ガス通過板６４は、ガス通過性を確保しつつ、シフト触媒を担持する触媒担体６０ａが落下することを抑制する。第２ガス通過板６５は、ガス通過性を確保しつつ、シフト触媒を担持する触媒担体６０ａが飛散することを抑制する。外筒６３には、酸素を含む空気（酸素含有ガス）が供給される空気通路７０（酸素含有ガス通路）を形成する第１形成部材７１（酸素含有ガス通路形成部材）が設けられている。

ＣＯ酸化部５３は、シフト部６０の下流に配置されており、シフト部６０で浄化された改質ガスに含まれているＣＯを下記の式（３）に基づいて、酸化させて低減させる酸化反応を促進させるものである。このためＣＯ酸化部５３は、酸化反応を促進させる酸化触媒を有する触媒担体５３ａを有する。触媒担体５３ａは粒状とされている。酸化触媒は例えばルテニウム系、白金系、白金−ルテニウム系等の貴金属触媒が採用されるが、これに限定されるものではない。
式（１）…ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ（吸熱反応）
式（２）…ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２（発熱反応）
式（３）…ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２（発熱反応）
次に改質装置１を作動させるときについて図１を参照して説明する。この場合、燃焼用空気を燃焼部２５に供給すると共に、燃焼用燃料を燃焼部２５に供給する。これにより燃焼部２５が着火され、燃焼室２０において燃料火炎２５ｃが生成される。燃焼用燃料としては気体燃料でも、液体燃料でも、粉化燃料でも良い。具体的には、炭化水素系燃料、アルコール系燃料が採用できる。例えば、炭化水素系の都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、ジメチルエーテル、ガソリン、バイオガス等が採用できる。燃焼部２５により改質部２が改質反応に適するように高温（例えば４００〜９００℃）に加熱される。改質部２と共に蒸発部５０も加熱される。改質用燃料としては気体燃料でも、液体燃料でも良い。具体的には、炭化水素系燃料、アルコール系燃料が採用できる。例えば、炭化水素系の都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、ジメチルエーテル、ガソリン、バイオガス等が採用できる。

改質部２が適温領域にされたら、改質水（改質反応前の水）が蒸発部５０の水入口５０ｉに供給される。改質水は蒸発部５０において加熱されて水蒸気化される。生成された水蒸気は、蒸発部５０を上昇し、蒸発部５０の水蒸気出口５０ｐから水蒸気通路７５を経て熱交換部５４の水蒸気入口５４ｋを介して合流域５６に到達する。これに対して、改質用燃料（燃料原料）は熱交換部５４の原料入口５４ｉから熱交換部５４の合流域５６に供給される。これにより合流域５６において、改質用燃料と水蒸気とが合流して混合される。合流した混合流体が熱交換部５４の低温側の第１熱交換通路５４ａを流れて改質部２の外通路２１の入口２ｉに至る。このとき改質部２の内通路２２の出口２ｐから吐出された高温の改質ガスは、熱交換部５４の第２熱交換通路５４ｃを流れる。このため相対的に高温の改質ガスと、改質ガスよりも相対的に低温の混合流体とは互いに熱交換される。従って、改質反応前の混合流体が予熱される。混合流体は改質部２の外通路２１に流入して矢印Ａ方向（図２参照）に流れ、折返通路２３をＵターンして内通路２２に流入して矢印Ｂ方向（図２参照）に流れる。このとき水蒸気および改質用燃料が混合した混合流体は、上記した（１）に示す改質反応により、水素リッチ（３０モル％以上）な改質ガスとなる。この改質ガスは一酸化炭素を含む可能性がある。

更に、改質反応を経た高温の改質ガスは、改質部２の内通路２２の出口２ｐから熱交換部５４に矢印Ｃ方向（図２参照）に流入する。即ち、高温の改質ガスは、熱交換部５４の高温側の第２熱交換通路５４ｃを通過することにより、低温側の第１熱交換通路５４ａの混合流体を加熱する。更に、改質ガスは、暖機部５５を経て、シフト部６０の入口６０ｉからシフト部６０の第１シフト通路６１ｆに矢印Ｄ方向に流入する。シフト部６０においては、上記した式（２）に示すように、水蒸気を利用したシフト反応が行われる。これにより改質ガスに含まれている一酸化炭素が低減され、改質ガスは浄化される。改質ガスの流れは燃焼ガスの流れと逆方向であり、改質ガスの加熱効率を高めることができ、改質反応に有利である。

更に、シフト部６０において浄化された改質ガスは、シフト部６０から通路を矢印Ｅ，Ｇ方向（図４参照）に流れ、混合室８１に至る。更に、改質ガスは混合室８１を流れ、混合室８１の出口８１ｐから通路８５を矢印Ｈ，Ｉ方向（図２参照）に流れ、入口５３ｉからＣＯ酸化部５３内に流入する。ＣＯ酸化部５３においては、改質ガスは矢印Ｊ方向（上向き，図２参照）に流れる。ＣＯ酸化部５３において、上記した式（３）に示すように、酸素を利用した酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２）が行われる。この結果、改質ガスに含まれているＣＯが浄化されて更に低減される。このように浄化された改質ガスは、ＣＯ酸化部５３の出口５３ｐからアノードガスとして、燃料電池の燃料極（アノード）に供給される。カソードガスとして機能する空気は、燃料電池の酸化剤極（カソード）に供給される。これにより燃料電池において発電反応が発生し、電気エネルギが生成される。アノードガスの発電反応後のオフガス（燃料電池のアノードから排出されたガス）は、発電反応が行われなかった水素を含むことがある。このためオフガスは燃焼部２５に供給されて燃焼され、燃焼部２５の熱源となる。なお、改質装置１の全体は、断熱材料で形成された外殻状をなす被覆層２００（図１参照）で被覆されている。

更に本実施形態の改質装置１について、図２を参照して説明を加える。改質装置１は、内周から外周に向かうにつれて、第１筒９１、第２筒９２、第３筒９３、第４筒９４、第５筒９５、第６筒９６、第７筒９７、第８筒９８および第９筒９９を中心軸線Ｐ１に対して同軸的に有する。各筒９１〜９９はほぼ円筒形状をなしており、金属（例えばステンレス鋼）で形成されている。ここで、改質部２は、第１筒９１と、第２筒９２と、第３筒９３と、第４筒９４とを同軸的に配置している。第１筒９１は有底形状をなしており、底部９１ｃと、底部９１ｃに溶接または取付具で固定された下向きに突出する係合ピン９１ｅとを有する。

図３に示すように、第１筒９１の外周面と第２筒９２の内周面とで、改質用の触媒担体２０ａが収容されている筒形状をなす内通路２２（触媒通路）が形成されている。第３筒９３の外周面と第４筒９４の内周面とで、改質用の触媒担体２０ａが収容されている筒形状をなす外通路２１（触媒通路）が形成されている。第４筒９４の外周面と第１断熱層４１の内周面とで、リング形状または筒形状をなす第１燃焼通路４３が形成されている。第５筒９５の内周面は第１断熱層４１を被覆している。第５筒９５の外周面と第６筒９６の内周面とで、リング形状をなす第２燃焼通路４４が形成されている。第６筒９６の上面開口は主蓋４９で閉鎖されている。第６筒９６の外周面と第７筒９７の内周面とで、リング空間状をなす蒸発部５０が形成されている。第７筒９７の外周面と第８筒９８の内周面とで、筒形状をなす第３断熱層４８が被覆されている。第８筒９８の外周面と第９筒９９の内周面とで、筒形状をなすＣＯ酸化部５３が形成されている。

図２に示すように、各筒の下方には金属製の主基体８６が配置されている。但し主基体８６はセラミックス製としても良い。主基体８６は、改質部２の外通路２１に連通する第１連通孔８６ｆと、改質部２の内通路２２に連通する第２連通孔８６ｓとを有する。第３筒９３の下端部、第４筒９４の下端部、第６筒９６の下端部は、金属製の主基体８６に溶接等で固定されている。第１筒９１の上端部と第４筒９４の上端部とには、リング形状の蓋８８が溶接等で接合されている。

改質部２の外通路２１の下部には、ガス通過性をもつ第１ガス通過部材１１０が配置されている。第１ガス通過部材１１０は中心軸線Ｐ１に対して同軸的なリング形状をなしており、厚み方向に貫通する多数の通孔１１０ｍを有する金属製のパンチングメタルまたは網部材で形成されている。第１ガス通過部材１１０は、外通路２１に収容されている触媒担体２０ａが落下することを抑制する。主基体８６には副基体８７が載せられている。副基体８７は耐火材または金属で形成されている。副基体８７と主基体８６とは、改質ガスを通過させるためにガス通過性をもつ主ガス通過部材１５０が保持されている。主ガス通過部材１５０は円形状をなしており、改質ガスを通過させるために、厚み方向に貫通する多数の通孔１５０ｍを有するパンチングメタルまたは網部材で形成されている。第１筒９１の係合ピン９１ｅは、主ガス通過部材１５０の係合孔１５０ｅに挿入されて係合している。これにより組付時において第１筒９１の位置決め精度が確保され、第１筒９１の同軸性が確保され易くなる。故に、内通路２２の通路幅をこれの周方向において均一化させるのに貢献できる。このため内通路２２における触媒反応のムラが低減され、改質反応を良好になし得る。係合ピン９１ｅ付近、すなわち改質部２０の出口２ｐ側の触媒担体２０ａを高温にでき、改質反応に有利である。

図２および図３に示すように、ＣＯ酸化部５３のうち下部には、ガス通過性をもつ第２ガス通過部材１２０が保持されている。ＣＯ酸化部５３のうち上部には、ガス通過性をもつ第３ガス通過部材１３０が保持されている。第２ガス通過部材１２０および第３ガス通過部材１３０は、中心軸線Ｐ１に対して同軸的なリング形状をなしており、厚み方向に貫通する多数の通孔１２０ｍ，１３０ｍを有するパンチングメタルまたは網部材で形成されている。第２ガス通過部材１２０は、ＣＯ酸化部５３の触媒担体５３ａが落下することを抑制する。第３ガス通過部材１３０は、ＣＯ酸化部５３の触媒担体５３ａに対してガス通過性を確保しつつ蓋をしている。ＣＯ酸化部５３においては、第２ガス通過部材１２０の下方にリング形状をなす下部空間５３ｄが形成されていると共に、第２ガス通過部材１２０の上方にリング形状をなす上部空間５３ｕが形成されている。

図２および図３に示すように、第２燃焼通路４４には伝熱フィン４６が挿入されている。第６筒９６の下部には、径内方向に突出する突起９６ａ（係合体）が形成されている。突起９６ａは、第６筒９６の周方向において間隔を隔てて断続的に複数個設けられている。突起９６ａは、第５筒９５と第６筒９６との同軸性を高めるのに貢献できる。更に、伝熱フィン４６の落下は突起９６ａにより抑制されている。改質装置１の組付時に、改質装置１を構成する部品が上下逆に配置されることがある。このような場合であっても、中間蓋４２のフランジ部４２ｆにより伝熱フィン４６の落下が抑制される。

さて本実施形態によれば、図１および図４に示すように、混合室８１を有する混合部８０が設けられている。混合室８１はシフト部６０に隣設されつつシフト部６０の下流に設けられ、且つ、ＣＯ酸化部５３の上流に位置している。混合室８１の中心軸線は、中心軸線Ｐ１と同軸である。混合室８１には、改質部２で生成された一酸化炭素を含む可能性がある改質ガス（シフト部６０を流れ且つＣＯ酸化部５３に供給される前の改質ガス）と、空気通路７０の入口７０ｉから空気（酸素含有ガス）とが供給されて混合される。

図４に示すように、混合室８１は、中心軸線Ｐ１の回りを１周するリング形状または円筒形状の空間をなしている。改質ガス通路としての第２シフト通路６１ｓは、混合室８１の軸線（中心軸線Ｐ１）に対して延設された通路を形成している。従って、第２シフト通路６１ｓ（改質ガス通路）は、第２シフト通路６１ｓが延設されている方向に沿って、つまり矢印Ｇ方向（上向き）に沿って、改質ガスを流す。これに対して、酸素含有ガス通路として機能する空気通路７０は、空気（酸素含有ガス）を混合室８１の中心軸線Ｐ１に対して直角方向に沿って径内方向（矢印Ｒ方向）に向けて流す。ここで、図４に示すように、混合室８１の内周側には方向変換部８２が設けられている。方向変換部８２は、改質ガス通路としての第２シフト通路６１ｓから供給される改質ガスと、空気とを互いに衝突させるように案内する機能を有する。具体的には、中心軸線Ｐ１を通る断面（図１および図４）において、方向変換部８２は、中心軸線Ｐ１の回りを１周するように設けられており、中心軸線Ｐ１に対してほぼ直状（断面直線状）に傾斜されている傾斜面８２ａを有する。中心軸線Ｐ１と平行な方向に対する傾斜面８２ａの傾斜角θ１は、２０〜８０度の範囲内、３０〜６０度の範囲内、あるいは、３５〜５５度の範囲内とすることができる。

図４に示すように、方向変換部８２は、混合室（改質部２）の中心軸線Ｐ１に対して傾斜されている。方向変換部８２は、重力方向の下方に向かうにつれて縮径するように傾斜している。すなわち方向変換部８２は、上方に向かうにつれて拡径するように傾斜している。空気が混合室８１に供給されていないとき、方向変換部８２は、第２シフト通路６１ｓを矢印Ｇ方向（中心軸線Ｐ１に沿った方向）に流れる改質ガスを、混合室８１において径外方向（矢印Ｓ方向）に指向させる。更に、改質ガスが流れていないとき、方向変換部８２は、空気通路７０を矢印Ｒ方向に流れる空気を、混合室８１において混合室８１の軸線（中心軸線Ｐ１）が延設されている方向（図４に示す矢印Ｔ方向）に指向させる。

この結果、混合室８１において、改質ガスと空気とを互いに対向させて衝突させるように、方向変換部８２は改質ガスおよび空気を案内させる。このため、混合室８１において改質ガスおよび空気同士が衝突流となり易い。故に、混合室８１において乱流化が進行し、混合室８１における改質ガスおよび空気同士の混合性を高めることができる。

本実施形態によれば、方向変換部８２は、内筒６２の基端部６２ｂを径外方向に円錐形状に拡径加工させることにより形成されている。上記したように方向変換部８２は内筒６２の一部分で形成されているため、別部品を必要とせず、部品の点数を低減できる。上記した内筒６２は、シフト部６０の第１シフト通路６１ｆと混合部８０とを仕切る仕切部材として機能する。混合室８１は、シフト部６０の第１シフト通路６１ｆと混合部８０とを仕切る内筒６２（仕切部材）を用いて形成されている。この場合、内筒６２（仕切部材）を介してシフト部６０の第１シフト通路６１ｆおよび混合部８０は隣設されている。図６は、混合状態を平面から視認する概念形態を模式的に示す。図６に示すように、混合室８１に供給された改質ガスは、方向変換部８２により径外方向（矢印Ｓ方向）に指向する。これに対して、空気通路７０の入口７０ｉから混合室８１に供給される空気は、径内方向（矢印Ｒ方向）に向かい、更に方向変換部８２に当たると、矢印Ｔ方向（図４参照）に指向する。このため、殊に空気通路７０の入口７０ｉ付近においては、空気と改質ガスとの対向流としての衝突度が高くなる。これにより混合室８１における乱流化が促進される。故に、混合室８１における空気と改質ガスとの均一混合性が増加する。殊に空気通路７０の入口７０ｉ付近においては、上記した均一混合性が増加する。

ここで、空気通路７０の入口７０ｉは、混合室８１において出口８１ｐから最も遠い位置に設けられている。空気通路７０の入口７０ｉから混合室８１に供給された空気は、混合室８１の周方向に沿って流れ、混合室８１の出口８１ｐから吐出される。上記したように空気と改質ガスとの混合室８１における混合性が向上すれば、空気を含む改質ガスが入口５３ｉからＣＯ酸化部５３に供給されたとき、ＣＯ酸化部５３におけるＣＯ酸化反応を良好に実施することができる。ここで、改質ガス（シフト部通過後のガス）量に対して混合する空気の量が圧倒的に少ないので、両者を均一に混合しにくい。また改質ガスの主要成分は水素であり、空気の主要成分は酸素と窒素であり、両者は比重がかなり異なり、両者を均一に混合しにくい。両者の反応を促進させるためには、均一に混合させることが重要である。上記した混合室８１に方向変換部８２を形成する構成を採用すれば、混合室８１における水素と酸素との均一混合性が向上される。

なお、図６によれば、空気通路７０の入口７０ｉが単数である形態を示す。更に図７に示すように、空気通路７０の入口７０ｉが混合室８１の周方向において複数個設けられている形態でも良い。この場合、空気と改質ガスとの均一混合性が更に増加する。

更に本実施形態によれば、図１に示すように、空気が供給される混合室８１はシフト部６０に隣設されており、このため、発熱を伴うシフト反応を行うシフト部６０を空気（大気）により積極的に冷却させることができる。殊に、空気が供給される混合室８１はシフト部６０の入口６０ｉ（出口６０ｐ）に隣設されており、このため、発熱を伴うシフト反応を行うシフト部６０の入口６０ｉ（出口６０ｐ）を空気（大気）により積極的に冷却させることができる。この場合、シフト部６０（殊に入口６０ｉ）における過剰高温化が抑制される。従って、シフト部６０における発熱を伴うシフト反応が損なわれることが抑制され、一酸化炭素を効率よく低減させるのに貢献することができる。

ここで、シフト反応は上記した式（２）（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２）に基づく。シフト部６０が過剰に高温化されると、上記した発熱を伴うシフト反応の効率が低下する傾向がある。なお、シフト部６０の入口６０ｉと出口６０ｐとの間の中間部を空気で冷却させることも考えられるが、ＣＯ濃度が高くシフト反応が行われ易い入口６０ｉ側を冷却させることは有効である。なお、図４から理解できるように、シフト部６０の入口６０ｉにおいて、外周側を流れる改質ガスが方向変換部８２の傾斜面８２ｃに当たると、改質ガスは矢印ＫＡ方向（図４参照）に中心軸線Ｐ１に向けて指向するように案内される。

更に本実施形態によれば、図６に示すように、混合室８１は中心軸線Ｐ１の回りにリング形状または筒形状に延設されている。故に、混合室８１自体を流れる通路距離（入口７０ｉから出口８１ｐまでの通路距離）が確保される。故に、混合室８１において空気と改質ガスとを混合させる混合距離を確保でき、空気と改質ガスとを混合性を更に向上させるのに有利となる。

加えて本実施形態によれば、図１に示すように、シフト部６０に隣設されている混合部８０の混合室８１の出口８１ｐからＣＯ酸化部５３の入口５３ｉまで延設されている通路８５が延設されている。すなわち混合部８０の混合室８１はＣＯ酸化部５３の上流に配置されており、混合室８１とＣＯ酸化部５３とを繋ぐ通路８５の通路距離が存在している。このため、空気を含む改質ガスが通路８５を流れるとき、改質ガスと空気とを通路８５（ＣＯ酸化部５３の上流の配管）において拡散などで更に混合させることができ、混合性を更に一層高めることを期待できる。よってＣＯ酸化部５３における酸化反応性を向上させるのに有利となる。

更に本実施形態によれば、前述したように、図４に示すように、シフト部６０は、シフト触媒を担持する触媒担体６０ａを収容すると共に改質ガスを流す第１シフト通路６１ｆを形成する内筒６２と、シフト触媒を担持する触媒担体６０ａを収容すると共に改質ガスを流す第２シフト通路６１ｓを形成する外筒６３と、内筒６２の先端部６２ｃに対向するように内筒６２および外筒６３の軸直角方向に沿って配置された第１ガス通過板６４とを有する。第１ガス通過板６４は厚み方向に貫通する通孔６４ｍをもつ。

図５に示すように、隙間幅Ｋ１を有する微小隙間６８が内筒６２の先端部６２ｃと第１ガス通過板６４との間に形成されている。これにより内筒６２の軸線方向に沿った熱膨張が大きいときであっても、内筒６２の先端部６２ｃが第１ガス通過板６４が過剰に衝突しないようにされている。従って第１ガス通過板６４、内筒６２の薄肉化を図りつつ、これらの長寿命化および耐久性が確保される。殊に、多数の通孔６４ｍをもつ第１ガス通過板６４の変形が抑制される。

（実施形態２）
図８は実施形態２を示す。本実施例は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を示す。混合室８１において、入口７０ｉから出口８１ｐにかけて、複数のピン状をなす突起８１ｍが突設されている。空気および改質ガスが混合室８１の出口８１ｐに向けて周方向に流れるにあたり、突起８１ｍに当たり、ガス速度によっては、カルマン渦を生成させることを期待できる。この場合、突起８１ｍは、乱流化促進要素として機能することができる。この場合、均一混合性を向上させる。

（実施形態３）
図９は実施形態３を示す。本実施例は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を示す。但し、内筒６２の基端部には、断面で波状をなす蛇腹部で形成された方向変換部８２Ｂが形成されている。断面で、蛇腹部は、互いに異なる向きに傾斜する傾斜面８２ｕ，８２ｖを形成するように山部および谷部をもつ。空気通路７０から空気は混合室８１の径内方向（矢印Ｒ方向）に向けて流れる。空気は、混合室８１において方向変換部８２Ｂに当たると、方向変換され、乱流化が促進される。改質ガスも同様である。これにより混合室８１における改質ガスと空気との混合性が向上する。方向変換部８２Ｂは、空気の乱流化を促進させる乱流化促進要素として機能することができる。

（実施形態４）
図１０は実施形態４を示す。本実施例は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を示す。但し、混合部８０Ｃの混合室８１Ｃは、シフト部から分離されており、ＣＯ酸化部に繋がる図略の出口を有する。改質ガス通路形成部材６１Ｃは、改質ガスを混合室８１の径内方向（矢印ＲＣ方向）に向けて混合室８１に供給する。方向変換部８２Ｃは混合室８１内に傾斜されており、上向きに流れる空気を混合室８１の径外方向に向けて方向転換させるように流す。これにより混合室８１において改質ガスおよび空気の混合性が高められる。

（その他）
上記した実施形態１では、改質ガスを方向変換部８２に当てて混合室８１において径外方向に向けて方向変換させているが、これに限らず、改質ガスを方向変換部に当てて混合室において径内方向に向けて方向変換させ、空気と衝突させることにしても良い。この場合、空気を径外方向に指向するように混合室８１に供給する。混合室８１には空気を供給させているが、これに限らず、酸素ガスを供給させることにしても良い。酸素濃度を濃縮させた酸素富化ガスを供給させることにしても良い。方向変換部８２は、重力方向の下方に向かうにつれて縮径するように傾斜しているが、これに限らず、重力方向の上方に向かうにつれて縮径するように傾斜している構造とすることもできる。この場合、下向きに流れる改質ガスが方向変換部に当たり、方向変換される。

実施形態１では、改質部２は内通路２１および外通路２２の双方を有するが、これに限らず、いずれか一方のみとしても良い。蒸発部５０は改質部２と一体的であるが、これに限らず、蒸発部５０は改質部２から分離されていても良い。シフト部６０が改質部２に一体的に連設されているが、これに限らず、シフト部６０は改質部２から分離されていても良い。場合によっては、シフト部６０を廃止しても良い。暖機部５５は必要に応じて設ければ良い。改質部２がシフト部６０の上方に配置されているが、これに限らず、改質部２がＣＯシフト部６０の下方または横方に配置されていても良い。改質部２の上側に燃焼部２５が配置されているが、改質部２の下部側に配置されても良い。場合によっては、第１断熱層４１，第２断熱層４７，第３断熱層４８を廃止しても良い。

実施形態１では、改質部２、ＣＯ酸化部５３および蒸発部５０が同軸的に配置されているが、同軸でなくても良く、非同軸タイプでも良い。各触媒は上記したものに限定されるものではない。上記した改質触媒を担持する触媒担体２０ａ、シフト触媒を担持する触媒担体６０ａ、酸化触媒を担持する触媒担体５３ａは、粒状とされているが、これに限らず、モノリス構造体としても良い。実施形態１では、混合室８１にはシフト触媒を担持する触媒担体６０ａが収容されていないが、場合によっては、収容しても良い。

被覆層２００、伝熱フィン４６、突起９６ａ、係合ピン９１ｅは、必要に応じて設ければ良い。上記した第１筒９１〜第９筒９９等に使用されるステンレス鋼はＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３０４、ＮＣＡ−１（日新製鋼株式会社，アルミニウム含有の高温酸化用のステンレス鋼）等が例示される。改質装置１に用いられる配管はＳＵＳ３１６Ｌが例示される。本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した記載から次の技術的思想が把握される。

（付記項１）改質用燃料原料から改質ガスを生成する改質部と、前記改質部の下流に設けられ改質ガスに含まれる一酸化炭素をＨ_２０によるシフト反応で低減させるシフト部とを具備しており、前記シフト部は、シフト触媒を担持する触媒担体を収容すると共に前記改質ガスを流す改質ガス通路を形成する筒体と、前記筒体の先端部に対向するように前記筒体の軸直角方向に沿って配置されたガス通過板とを具備しており、熱膨張により前記筒体の前記先端部および前記ガス通過板が過剰に衝突しないように、微小隙間が前記筒体の前記先端部と前記ガス通過板との間に形成されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。熱膨張が発生したとしても、筒体の先端部およびガス通過板が過剰に衝突しない。

（付記項２）改質用燃料原料から改質ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成され一酸化炭素を含む可能性がある改質ガスと酸素含有ガスとが供給される混合室を有する混合部と、前記改質部で生成された前記改質ガスを前記混合室に供給する改質ガス通路を形成する改質ガス通路形成部材と、前記酸素含有ガスを前記混合部の前記混合室に供給する酸素含有ガス通路を形成する酸素含有ガス通路形成部材と、前記混合室に設けられ、前記酸素含有ガス通路から供給される前記酸素含有ガスおよび前記改質ガス通路から供給される前記改質ガスのうちの少なくとも一方の乱流化を促進させる乱流化促進要素（方向変換部）とを具備することを特徴とする燃料電池用改質装置。乱流化により混合室における酸素含有ガスおよび改質ガスの混合性が向上する。

本発明は燃料電池システムに使用される改質装置に利用することができる。

実施形態１に係り、改質装置を示す断面図である。 実施形態１に係り、改質装置の改質部付近を示す断面図である。 実施形態１に係り、改質装置の改質部付近を拡大して示す断面図である。 実施形態１に係り、改質装置の混合室に隣設するＣＯシフト部付近を拡大して示す断面図である。 実施形態１に係り、ＣＯシフト部の内筒の先端部付近を拡大して示す断面図である。 空気流路の入口が単数設けられているとき、混合室における流れ形態を模式的に示す平面図である。 空気流路の入口が複数設けられているとき、混合室における流れ形態を模式的に示す平面図である。 実施形態２に係り、空気流路の入口が単数設けられているとき、混合室における流れ形態を模式的に示す平面図である。 実施形態３に係り、混合室付近を模式的に示す断面図である。 実施形態４に係り、混合室付近を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１は改質装置、２は改質部、２０は燃焼室、２１は外通路、２２は内通路、２５は燃焼部、４１は第１断熱層、４３は第１燃焼通路、４４は第２燃焼通路、４６は伝熱フィン、５０は蒸発部、５３はＣＯ酸化部、５４は熱交換部、６０はシフト部、６１は改質ガス通路形成部材、６１ｆは第１シフト通路（改質ガス通路）、６１ｓは第２シフト通路（改質ガス通路）、６２は内筒（筒体，仕切部材）、６３は外筒（筒体）、６４は第１ガス通過板、６５は第２ガス通過板、６６は閉鎖板、７０は空気通路（酸素含有ガス流路）、７１は第１形成部材（酸素含有ガス通路形成部材）、７５は水蒸気通路、８０は混合部、８１は混合室、８２は方向変換部、１１０は第１ガス通過部材、１２０は第２ガス通過部材、１５０は主ガス通過部材を示す。

Claims (5)

1. 改質用燃料原料から改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質部で生成され一酸化炭素を含む可能性がある改質ガスと酸素含有ガスとが供給される混合室を有する混合部と、
   前記改質部で生成された前記改質ガスを前記混合室に供給する改質ガス通路を形成する改質ガス通路形成部材と、
   前記酸素含有ガスを前記混合部の前記混合室に供給する酸素含有ガス通路を形成する酸素含有ガス通路形成部材と、
   前記混合室に設けられ、前記酸素含有ガス通路から供給される前記酸素含有ガスおよび前記改質ガス通路から供給される前記改質ガスのうちの一方を他方に対して衝突させるように方向変換させ、前記混合室における前記酸素含有ガスおよび前記改質ガスの混合性を高める方向変換部とを具備することを特徴とする燃料電池用改質装置。
2. 請求項１において、前記混合室は所定の軸線の回りを回る形状であり、前記酸素含有ガス通路は、前記酸素含有ガスを前記混合室の径内方向および径外方向のうちの一方に向けて流し、
   前記方向変換部は、前記改質ガスを前記混合室の径内方向および径外方向のうちの他方に向けて方向転換させるように流すように、前記混合室の前記中心軸線に対して傾斜されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
3. 請求項１または２において、前記改質部の下流に設けられ前記改質ガスに含まれる一酸化炭素をＨ_２０によるシフト反応で低減させるシフト部と、前記シフト部の下流に設けられ前記改質ガスに含まれる前記一酸化炭素を酸素と反応させて低減させるＣＯ酸化部とを具備しており、
   前記混合部の前記混合室は前記シフト部と前記ＣＯ酸化部との間に設けられており、且つ、前記混合部の前記混合室は、前記改質ガスが前記ＣＯ酸化部に供給される前に、前記酸素含有ガスおよび前記改質ガスを混合させることを特徴とする燃料電池用改質装置。
4. 請求項３において、前記混合部は前記シフト部の出口に隣設されており、前記混合室は、前記シフト部と前記混合部とを仕切る仕切部材を用いて形成されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
5. 請求項３または４において、前記シフト部は、シフト触媒を担持する触媒担体を収容すると共に前記改質ガスを流す改質ガス通路を形成する筒体と、前記筒体の先端部に対向するように前記筒体の軸直角方向に沿って配置されたガス通過板とを具備しており、熱膨張により前記筒体の前記先端部および前記ガス通過板が過剰に衝突しないように、微小隙間が前記筒体の前記先端部と前記ガス通過板との間に形成されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。

Images