JP2013180929A - 燃料処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術よりも低い圧力損失で、改質ガスと空気を十分に混合することのできる燃料処理装置を提供する。
【解決手段】改質ガスと空気が合流した先に孔の開いた混合容器（１３）を設けることによって、その混合容器（１３）内部でガスと空気の混合を促進させる。また、混合容器（１３）の孔（５４）からガスを噴出させ、混合ヘッダ（１４）の円環状の流路を旋回させることによって、更にガスと空気の混合を促進させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用の燃料から水素を生成する燃料処理装置に関する。

家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスを生成する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを有する。

燃料処理装置は、改質ガスを生成する改質部と、一酸化炭素を改質ガス中から除去する一酸化炭素除去部とを有する。改質ガスは水素と一酸化炭素と水蒸気を主成分とし、水蒸気および炭化水素系燃料などの原料から生成される。一酸化炭素は燃料電池を劣化させる性質があるため、十分に除去する必要がある。

一酸化炭素除去部は、ＣＯ変成触媒によるシフト反応によって改質ガス中の一酸化炭素濃度を０．５％程度まで低下させる変成部と、ＣＯ選択酸化触媒による選択酸化反応によって、改質ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低下させる選択酸化部と、変成部と選択酸化部とを接続する混合部とを有する。混合部は、変成部から排出された改質ガスと空気とを混合するための流路である。

ＣＯ選択酸化触媒においては次のような化学反応により一酸化炭素ＣＯが除去される。
２ＣＯ ＋ Ｏ_２ → ２ＣＯ_２
このとき一酸化炭素ＣＯを含む改質ガスと、酸素Ｏ_２を含む空気は十分に混合されていることが求められる。両者の混合が不十分な場合、上記の化学反応が促進されず、一酸化炭素を十分に除去することができないからである。

混合部で改質ガスと空気とを混合する手段として、改質ガスが流れる混合部に空気を供給する方法（特許文献１参照）、あるいは空気が流れる混合部に改質ガスを供給する方法（特許文献２参照）が知られている。

特開２００３−２２６５０４号公報 特許第４５４２２０５号公報

既に提案されている燃料処理装置（例えば、特許文献１参照）における混合部の断面図を図２２，図２３に示す。
図２２に示すように、混合部１０は、変成部２０と選択酸化部３０とを接続する。混合部１０には空気供給管４０が接続されており、空気供給管４０の先端は混合部１０の横断面の中まで伸びている。破線矢印は改質ガスの流れを示し、実線矢印は空気の流れを示す。改質ガスが流れる混合部１０内に、空気供給管４０の先端から空気を供給することで、改質ガスと空気とを混合できる。

また、図２３の場合には、混合部１０の横断面の中まで伸びている空気供給管４１の先端には複数の開口部４２が穿設されており、改質ガスが流れる混合部１０内に、複数の開口部４２を通して空気を供給することで、改質ガスと空気とを混合できる。

何れの場合も、空気供給管４０，４１が混合部１０の横断面の中まで延びているので、改質ガスの流速が速い混合部１０の横断面の中心に空気を供給し、改質ガスと空気との混合を促進することができる。

通常、混合部１０内を流れる改質ガスの流量は、空気供給管４０，４１から供給される空気の流量のおよそ２０倍程度である。このように、混合部１０内を流れる改質ガスの流量が多く、供給される空気の流量が小さいと、空気の流速が遅く、空気の供給によって混合部１０内に形成される渦が小さい。形成される渦が小さいと、混合部１０内で改質ガスと空気とが十分に混合されない。また、空気の流速を速くするために空気の噴出孔を小さくすることも考えられるが、その場合、圧力損失が大きくなってしまう。

このような、改質ガスが流れる混合部１０に空気を供給する方式では、改質ガスと空気との混合が十分に行われず、かつ圧力損失が大きくなるという問題がある。
特許文献１などの混合性能に関する課題を解決するため、空気が流れる混合流路に改質ガスを供給する方式が特許文献２などに提案されている。

図２４は、特許文献２に開示された燃料処理装置における混合部１００を示す。
この場合には、空気供給口１０１から流入して混合流路１１０と混合流路１２０を経て混合ガス出口１３０に向かって空気が流されている。改質ガスは、混合流路１１０に形成されたガス供給口１１１から混合流路１１０に噴出する。改質ガスのこの噴出によって空気の流れに渦が発生し、改質ガスと空気との混合が促進する。また、混合流路１２０において両者のガスが拡散されて混合がさらに促進される。このため、図２４の場合は、図２２，図２３に示された混合部１０と比較して、改質ガスと空気とをより効率的に混合できる。

しかしながら、図２４に示されるような燃料処理装置は、高い混合性能を得るために狭い流路や小さい孔にガスを流すため、圧力損失が大きくなるという課題がある。
そこで本発明は、圧力損失を低減させつつ、従来と同等の混合性能を有する燃料処理装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料処理装置は、一酸化炭素、水素、および水蒸気含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中の一酸化炭素と水とを反応させて一酸化炭素濃度を低下させる変成部と、前記改質ガスと酸素を含む空気を混合する混合部と、前記混合部から運ばれる改質ガス中の一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて燃料ガスを生成する選択酸化部を有し、前記混合部は、前記変成部から運ばれる改質ガスが通る改質ガス流路と、前記空気供給部から供給される空気を運搬し前記改質ガス流路に接続される空気流路と、前記改質ガス流路に接続され改質ガスと空気を混合する混合容器と、環状の空間を有する混合ヘッダと、前記混合ヘッダから流れるガスを前記選択酸化部へと運搬する流路を有し、前記混合容器は、改質ガス流路に接続する面の面積が改質ガス流路の断面積よりも大きく、ガスの出口として側面に孔を設けてあり、前記孔を持つ面の法線方向は前記混合ヘッダの環状の空間の中心軸と平行でないことを特徴とする。

この構成によれば、混合容器は、改質ガス流路に接続する面の面積が改質ガス流路の断面積よりも大きく、ガスの出口として側面に孔を設けてあり、孔を持つ面の法線方向は混合ヘッダの環状の空間の中心軸と平行でないため、ガスの圧力損失を低減しつつ、改質ガスと空気を十分に混合することができる。このことから本発明の燃料処理装置は低い圧力損失で一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを生成することができる。

また、特許文献２に示す混合流路の製造に必要な、流路を円弧状に曲げるための加工、多数の孔をあけるための加工、流路を直角にする加工などを必要としないため、製造工数をより少なくできる。

本発明の燃料処理装置の正面断面図 本発明の燃料処理装置におけるガスの流れを示す図 本発明における混合部の構成とガスの流れを示す図 本発明における混合容器とガスの流れを示す要部斜視図 図３におけるＡ−Ａ断面図 実施例１における改質ガス流路と空気流路の斜視図 実施例１における改質ガス流路と空気流路の断面図 矩形状の断面をもつ改質ガス流路と空気流路の斜視図 ２種類のガスが層を成すときの拡散の様子を示す図 ２種類の気体が層をなし、渦が発生する場合の混合の様子を示す図 狭い流路や広い流路を流れるガスが渦を発生させる様子を示す図 比較例１における混合容器の斜視図 実施例２における混合容器の斜視図 実施例３における混合容器の斜視図 実施例１におけるシミュレーション効果検討における混合容器の斜視図 シミュレーションでの評価領域（断面Ａ−Ａ：第１測定領域（１））を示す図 シミュレーションでの評価領域（断面Ａ−Ａ：第２測定領域（２））を示す図 シミュレーションでの評価領域（断面Ｂ−Ｂ：第３測定領域（３））を示す図 比較例２における改質ガス流路の斜視図 シミュレーションによる混合性能の検証に使用したαの結果 シミュレーションによりαのばらつきを比較した結果 特許文献１における混合部の断面図 特許文献１における別の混合部の断面図 特許文献２における混合部の斜視図

本発明の燃料処理装置は、炭化水素系燃料を含む原料ガスと水蒸気とを水蒸気改質反応させ、燃料電池用の燃料ガスを生成するための装置である。
以下、本発明の燃料処理装置を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の燃料処理装置を示す。
この燃料処理装置は、燃焼部１と、この燃焼部１の外周に設けられた蒸発部２と改質部３と、蒸発部２の外周に設けられた変成部４と混合部５および選択酸化部６を有する。それぞれの部分は金属板によって仕切られている。金属板にはステンレス鋼などが用いられる。原料ガス２１はガス入口５０から供給される。

燃焼部１は、蒸発部２および改質部３を熱するための機構である。燃焼部１は火炎を形成できるのであれば特に限定されず、例えばバーナである。燃焼部１は燃焼排ガス２９を排出する。

蒸発部２は、ガス入口５０から供給された原料ガス２１と水３１のうちの、水３１を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原料ガス２１とを混合する。さらに蒸発部２は、燃焼部１、改質部３、変成部４および選択酸化部６と熱交換し、水３１を蒸発させて、水蒸気を生成する。生成された水蒸気は蒸発部２で原料ガスと混合される。

改質部３は、ルテニウム系やニッケル系の触媒を含み、蒸発部２から供給される原料ガスと水蒸気とから、水蒸気改質反応によって、改質ガスを生成する。また、改質部３で生成される改質ガスは、一酸化炭素および水蒸気を含む。改質部３で生成された改質ガスの一酸化炭素濃度は、例えば７〜１３％である。

変成部４は、改質部３で生成された改質ガスから低濃度の一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。変成部４は、白金系や銅・亜鉛系の触媒を含み、改質部３で生成された改質ガス中の一酸化炭素と水とから、シフト反応によって、二酸化炭素および水素を生成する。ここで「一酸化炭素の濃度が低い」とは、一酸化炭素の濃度が０．５％以下であることを意味する。

混合部５は、変成部４から運ばれる改質ガス２２と大気から供給される空気２３を混合する。混合部５の詳細な構成や機能については後述する。
選択酸化部６は、混合部５で生成された混合ガス２４中の、一酸化炭素と酸素とを反応させて、燃料ガス２５を生成する。選択酸化部６は、変成部４で反応せずに残った混合ガス中の一酸化炭素が酸素によって酸化され、二酸化炭素になる。これにより、混合ガス中の一酸化炭素濃度は、１０ｐｐｍ以下にされ、燃料ガス２５が生成される。

このような構成を有する燃料処理装置は、燃料電池スタックを含む家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムなどに適用されることができる。このような家庭用コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池スタックの負極から排出されるガス（オフガス）は、凝縮器によって水分を除去され、再び燃料処理装置に導入され、燃焼部の燃料として使用されてもよい。また、負極からのオフガスは、改質部と熱交換する。

図２は図１の燃料処理装置におけるガスの流れを示している。
細い矢印はガスの流れを表し、太い斜線入りの矢印は熱（ heat ）の動きを表す。また、図２の破線で囲まれた領域が燃料処理装置（ Fuel Processer ）を表す。

まず、蒸発部２に原料ガス２１と水３１とを供給する。蒸発部２では燃焼部１の周りを螺旋状に旋回する構成であり、ここに原料ガス２１と水３１が流れる。水３１は燃焼部１からの燃焼排ガス２９や変成部４や選択酸化部６からの伝熱により加熱され、水蒸気に変化する。この水蒸気は原料ガス２１と混合しながら蒸発部２を流れる。

その後、原料ガス２１および水蒸気は、改質部３に流入する。改質部３では以下の水蒸気改質反応により、原料ガス２１および水蒸気から一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。また、改質ガスには未反応の水蒸気が含まれる。

ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ_２
改質部で生成された改質ガスは、変成部に流入する。変成部では、以下のシフト反応によって、改質部で生成された改質ガスから、低濃度の一酸化炭素を含む改質ガス２２が生成される。

ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２
変成部で生成された低濃度の一酸化炭素を含む改質ガス２２は、混合部５へ流入する。混合部５内部では、低濃度の一酸化炭素を含む改質ガス２２と空気２３とが混合され、混合ガス２４が生成される。

混合部５で生成された混合ガス２４は選択酸化部６に流入する。選択酸化部６では、混合ガス２４中の酸素と変成部４で酸化されなかった一酸化炭素とが反応し、一酸化炭素が酸化され、混合ガス２４における一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低減される。選択酸化部６を通過したガスは、燃料ガス２５として取り出される。

このように生成された燃料ガスは、選択酸化部６から流出し、燃料電池７の負極に供給される。燃料電池７は、燃料ガス２５中の水素と、大気から供給される空気２６など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する。

燃料電池で水素を消費したガス（オフガス２７）は、再び燃料処理に輸送される。ここでオフガス２７は大気から供給される空気２８と混合され、燃焼部１で燃焼することで改質部３を加熱する。また燃焼部１から排出される燃焼排ガス２９は蒸発部２を加熱した後、大気へと放出される。

このように混合部５では、変成部４を通過後の改質ガス２２と空気２３とが混合されて、混合ガス２４が生成される。ところが、改質ガス２２と空気２３とが十分に混合されないまま、選択酸化部５に流入すると、改質ガス２２中の一酸化炭素が十分に酸化されず、燃料ガス２５の一酸化炭素濃度が高くなる。一酸化炭素は燃料電池７の触媒を劣化させる性質があるため、改質ガス２２と空気２３の混合は燃料電池の品質を維持することにおいて非常に重要である。

そこで本発明の燃料処理装置では、改質ガス２２と空気２３を混合部５で十分に混合できるように次のように構成されている。
図３は、混合部５の構成とガスの流れを示す。

変成部４から運ばれる改質ガス２２と、大気から供給される空気２３とを混合す混合部５は、変成部４や選択酸化部６と同じように、蒸発部２の外周に設けられている。また、混合部５は、変成部４と選択酸化部６の間に設けられている。

変成部４と混合部５を仕切る隔壁５１の変成部４の側には、筒状で下端に変成部４を通過した改質ガス２２が供給される改質ガス流路１１が設けられている。改質ガス流路１１の途中には、空気流路１２を介して大気から空気２３が供給されている。

隔壁５１の混合部５の側で、蒸発部２の外周に配置された円環状の領域である混合ヘッダ１４には、混合ヘッダ１４の底面に、混合容器１３が設けられている。
この混合容器１３の底面には改質ガス流路１１の上端が接続されており、混合容器１３の改質ガス流路１１に接続する面の面積は、改質ガス流路１１の断面積よりも大きい。さらに、混合容器１３の側面のうちでも、その面の放線方向が、円環状の混合ヘッダ１４の中心軸（仮想線５２）と平行でない側面５３には、改質ガス流路１１から供給された改質ガスを、混合ヘッダ１４の円環状方向に沿って吹き出す孔５４が形成されている。

図４は混合容器１３とガスの流れを表す図である。図３における断面Ａ−Ａを図５に示す。
混合ヘッダ１４の天井面には、蒸発部２の外周に沿って延長されて選択酸化部６に接続された流路１５が内周部に形成されている。

このように構成したため、改質ガス流路１１を流れる改質ガス２２は、空気流路１２を流れる空気２３と合流し混合容器１３へと流れ、混合容器１３の孔５４から噴出した混合ガス２４は、混合ヘッダ１４の円環状の領域を旋回するように流れる。そして、選択酸化部６の選択酸化触媒へと輸送される。この改質ガス流路１１から流路１５への流れのなかで改質ガス２２と空気２３の混合が行われる。

改質ガス流路１１や空気流路１２は圧力損失が生じないように流量にあわせて適切な大きさの断面積と長さをもつことが必要である。
例えば、各流路が円筒形状で改質ガスの流量が０．１〜０．５ｇ／ｓ程度の場合、改質ガス流路１１の内径はφ５〜φ２０ｍｍ程度、空気流路１２の内径はφ２〜１０ｍｍ程度がよい。また各流路の長さは１０〜４０ｍｍ程度がよい。各流路は適切な大きさの断面積と長さをもてばよく、改質ガス流路１１や空気流路１２の形状は、図６と図７に示すように円筒状のものであってもよい。あるいは、図８に示すように断面が矩形状のものであってもよい。

混合容器１３の機能について説明する。
改質ガス２２と空気２３はともに混合容器１３に運ばれ、この領域で発生する渦が混合を促進させる。渦が混合を促進する理由について以下に説明する。

この混合は、複数の分子が拡散することによって起こる。図９は２種類のガスが層を成すときの拡散（ diffusion ）の様子を示す。２種類の層（ layer A，layer B ）の境界面で分子の拡散が発生することで混合が促進する。

また図１０は、２種類のガスが層をなしつつ渦が発生する場合の混合の様子を示す。渦の発生によって境界面の面積が増加するため、分子の拡散も増加する。この境界面の増加により混合が促進される。改質ガス流路１１から輸送される改質ガス２２と空気２３は、混合容器１３の壁に衝突することにより、渦を発生させる。この渦が混合を促進させる。また、渦を発生させる構造としてはガスの流路が広くなったり狭まったりするものが望ましい。

図１１は、ガスが狭いところから広いところへ流れる場合、あるいは広いところから狭いところへ流れる場合において発生する渦（ vortex ）の様子を示すものである。このような流路では渦が発生しやすくなる。したがって、混合容器１３の底面の面積は、改質ガス流路１１の断面が持つ面積よりも大きいことが必要である。また混合容器１３の出口は図１２のように一面まるごと空いているものではなく、図４のように面を設けて孔５４を形成しているものが望ましい。

混合容器１３から噴出した混合ガス２４は、混合ヘッダ１４の円環状の領域を旋回する。この旋回によって改質ガス２２と空気２３の混合がよりいっそう促進され、混合ヘッダ１４全域にガスが拡散する。

混合ガス２４を混合ヘッダ１４で旋回させるためには、孔５４を持つ側面５３の法線方向が混合ヘッダ１４における円環形状の周方向に沿うことが理想的である。少なくとも、孔を持つ面の法線方向は混合ヘッダ１４における円環の中心軸の方向と同じにならないようにする必要がある。図４においては孔５４を混合容器１３の上面ではなく側面５３に配置し、面の法線方向が円環の中心軸５２と平行になることを回避することで、混合ガス２４が混合ヘッダ１４を旋回するような構造になっている。

また、孔５４の数は複数であっても良いが、流れ方向を統一するため、孔５４を有する面の法線方向はすべて統一されていることが望ましい。混合ガス２４を混合ヘッダ１４で旋回させるためには、孔５４の大きさも重要である。

混合ヘッダ１４で混合ガス２４を十分に旋回させるためには、混合容器１３から出る混合ガス２４の速度を十分に保つ必要がある。孔５４の面積が大きすぎると混合ガス２４の速度が小さくなり十分にガスが旋回できなくなる。しかし、逆に孔５４の面積が小さすぎると大きな圧力損失が生じてしまう。ガスの速度は、ガスの最大流量に合わせて適切に設計する必要がある。例えば、下記の＜混合性能の検証＞で示した寸法を参照。孔５４の形状は特に限定されないが、ここでは円形状として図示した。

以上のことをふまえると、混合容器１３の特徴としては、混合容器１３の底面の面積が改質ガス流路１１の断面積よりも大きいこと、混合容器１３の出口として図４のように側面５３に孔５４を設けていること、孔５４を持つ面の法線方向は混合ヘッダ１４の円環の中心軸５２と平行にならないこと、孔５４を有する面の法線方向が統一されていること、などが必要とされる。さらに、孔５４の大きさが流量に対して適切に設定されていることも重要である。

＜ 実施例１ ＞
実施例１の改質ガス流路１１と空気流路１２は、図６と図７に示すように円筒パイプ形状とする。改質ガス流路１１と空気流路１２の隙間５５から空気が漏れないように、空気流路１２の先端は改質ガス流路１１のパイプ表面よりも２ｍｍ以上内側に入り込み、なおかつ改質ガスパイプの内側表面に当たらない位置に配置した。

このような構成にしておけば、改質ガス流路１１と空気流路１２のパイプ同士は必ずしも接触されてなくてもよい。すなわち両パイプの間には１ｍｍ程度の隙間があってもよい。燃料処理装置の内部で円筒状のパイプを溶接することは工法上困難な場合があり、パイプ同士が接触していない簡素な構成であっても、改質ガス２２が定常的に流れている状態であれば、その改質ガス２２の流れに沿って空気が流れ、しかもパイプから漏れ出すことなく混合容器１３に流入する。

混合容器１３の形状は、図４のような直方体形状とした。孔５４の数は１つとした。
＜ 実施例２ ＞
図１３は実施例２の混合容器１３を示す。

実施例１の混合容器１３の形状は、図４のような直方体形状であったが、この実施例２の混合容器１３の形状は、三角柱形状で、流れの上流から下流にかけて流路の断面積が大きくなる形状とした。その他は実施例１と同じである。

混合容器１３を三角柱形状にすると、直方体形状の場合よりも面の数が減るので混合容器５の材料の量を減らすことができる。また三角柱形状のほうが辺の数が少なく、容器密閉のための溶接箇所が減るため、製造にかかる工数が減る。

＜ 実施例３ ＞
図１４は実施例３の混合容器１３を示す。
実施例１の混合容器１３の孔５４の数は１つであったが、この実施例３の混合容器１３の孔５４の数を２つに変えたものである。その他は実施例１と同じである。

さらに、孔５４の数は複数であってよいが、流れ方向を統一するため、孔５４を有する面の法線方向はすべて統一されている。すなわち、孔５４はすべて同じ側面に設置されている。孔５４の数が一つの場合、ガスの流量によっては圧力損失が大きくなる場合がある。この実施例３ように複数の孔５４，５４を設けることで、ガスの流量に対して出口の面積を十分に確保でき、圧力損失の上昇を抑えることが可能である。
＜ 混合性能の検証 ＞
実施例１，実施例２，実施例３のガスの混合性を、コンピュータによる流体シミュレーションには、アンシス（ＡＮＳＹＳ）社製の汎用熱流体解析ソフトウェア“ANSYS FLUENT 12.1”を用いた。

［シミュレーションで用いる方程式］
下記の方程式において∂／∂ｔ＝０とおいて流れの定常解を求めた。
質量保存式は、

ナビエ・ストークス方程式は、

エネルギー輸送方程式は、

各化学物質の組成（質量分率Ｙｉ）の輸送方程式は、

［混合部の各構成部の寸法］
混合部５の改質ガス流路１１のパイプ外径はφ１０ｍｍ、空気流路１２のパイプ外径はφ４．６ｍｍとし、パイプの厚みはどちらも０．８ｍｍとした。空気流路１２パイプは改質ガス流路１１パイプの外径位置に対して、２．５ｍｍ内側に入り込んだ状態に配置した。

実施例１の混合容器１３の寸法は、図１５のように高さ８ｍｍ、幅１１．６ｍｍ×２１．６ｍｍとし、混合容器１３の厚みは０．８ｍｍ、孔５４の直径はφ６ｍｍとした。
図３において混合ヘッダ１４の内法の高さＬは１４ｍｍとした。図５において円環の内径Ｄ１はφ８１ｍｍ、円環の外径Ｄ２はφ１４２．２ｍｍとした（仕切り板の部分は除く）。流路１５の内径はφ８１ｍｍ、流路１５の外径はφ８３ｍｍとした（仕切り板の部分は除く）。

実施例２の混合容器１３の寸法は、図１３のように高さ８ｍｍ、幅１１．６ｍｍ×２１．６ｍｍとし、混合容器１３の厚みは０．８ｍｍ、孔５４の直径はφ６ｍｍとした。
［改質ガスおよび空気の流量と組成］
改質ガス２２の流量は０．１６６ｇ／ｓとした。改質ガス２２の組成は、質量分率としてメタン３．８８％、二酸化炭素５４．６％、一酸化炭素０．９％、水素９．７％、水蒸気３１．１％とした。また混合部５への改質ガス２２の流入温度は１９０℃とした。

空気の流量は０．０１４４ｇ／ｓとした。空気の組成は酸素２３．３％、窒素７６．７％である。空気の混合部５への流入温度は２５℃とした。
［評価項目］
混合特性の評価は次の式で表される値αを用いて行う。

α ＝ ｎ１ ／ （ ｎ１ ＋ ｎ２ ）
ここでｎ１は酸素のモル濃度、ｎ２は一酸化炭素のモル濃度である。酸素は空気２３に含まれ、一酸化炭素は改質ガス２２に含まれる物質なのでαのばらつきが小さいほど、改質ガス２２と空気２３とが十分に混合されていることを示唆する。そこで混合特性の評価はある領域におけるαの最大値と最小値の差をとり、それを「αのばらつき」と称して評価項目とした。つまり、
αのばらつき ＝ αの最大値 − αの最小値
である。混合が十分に進んでαのばらつきが“０”となり、ガスの組成が均一になった場合、上記のガス流量から計算すると、理論上αの値は“０．６６３”になる。

［評価項目の判断基準］
ガスが均一になった場合におけるαの理論上の値は“０．６６３”程度になる。これは混合が完了した理想的な状態であることを示す。一酸化炭素を選択酸化部６で除去することにおいては、この均一状態での理論上のαの値に対して３％程度のばらつきであれば、混合特性として十分であると考えられている。すなわちαの許容値は
０．６６３ × ０．０３ ≒ ０．０２
である。αのばらつきが“０．０２”以上であるとき混合が十分でないと判断する。

［測定領域］
測定領域は次の３つである。
第１測定領域・・・図３の断面Ａ−Ａにおける混合容器１３の内部領域。すなわち、図１６のハッチング部分（１）を示す。

第２測定領域・・・図３の断面Ａ−Ａにおける混合ヘッダ１４の領域。すなわち、図１７のハッチング部分（２）を示す。
第３測定領域・・・図３の断面Ｂ−Ｂにおける流路１５の領域。すなわち、図１８のハッチング部分（３）を示す。

この第１測定領域，第２測定領域，第３測定領域においてαのばらつきを評価して、混合がどのように進むかを調べた。
なお、断面Ａ−Ａは混合容器１３の孔５４の中心を通る位置とし、断面Ｂ−Ｂは混合ヘッダ１４から１５ｍｍ離れた位置に配置した。ガスは上流から下流へと第１測定領域（１）→ 第２測定領域（２）→ 第３測定領域（３）の順で流れる。

［比較対象］
本発明の混合容器１３の効果を比較検証するため、次の２つの構造についても同様にシミュレーションを行った。

比較例１・・・混合容器１３の出口として、図１２のように一面すべて空いている構造。ただし、混合容器１３の寸法は実施例１と同じである。混合容器以外の構成や寸法は実施例１と同じである。

比較例２・・・混合容器１３が無く、図１９に示すように、ガスが改質ガス流路１１から混合ヘッダ１４に直接に流れる構造。混合容器以外の構成や寸法は実施例１と同じである。

［解析結果］
実施例１，比較例１，比較例２における第１測定領域（１），第２測定領域（２），第３測定領域（３）のαの範囲を、図２０でグラフ化した。またαのばらつきを図２１でグラフ化した。

第１測定領域（１）では実施例１，比較例１は、共にαの値のばらつきは“０．８”以上となっており、混合が進んでいない状態である。例えば、 実施例１のαの最大値は“０．８７４”であり、これは一酸化炭素に比べて酸素が多く含まれていることを意味する。また実施例１の最小値は“０．０２９”でありこれは酸素に比べて一酸化炭素が多く含まれていることを意味する。

このように第１測定領域（１）の中で酸素が多い箇所と一酸化炭素が多い箇所が存在するため、αのばらつきが大きく、混合が進んでいないと考えることができる。比較例１についても同じことが言える。

第２測定領域（２）へとガスが流れると、混合容器１３で発生する渦の効果により実施例１，比較例１のαのばらつきは第１測定領域（１）の値よりも減少する。実施例１は０．４６６、比較例１は“０．６２９”となる。ここで実施例１は混合容器１３に孔５４をあけたことによって比較例１よりも多くの渦が発生しているため、混合が比較例１よりも進む。よって第２測定領域（２）では実施例１のαのばらつきは比較例１よりも小さくなる。このことから、混合容器１３の出口は図１２のように一面まるごと開いているものではなく、図４のように面に孔５４を設けているものがより効果的に混合すると言える。

比較例２には混合容器ないため、第１測定領域（１）が存在しない。混合容器１３による混合の機能がないため比較例２の第２測定領域（２）でのαのばらつきは実施例１や比較例１よりも大きく“０．８６”となった。この結果から混合容器１３を設けることによる混合性の効果が確認された。

実施例１，比較例１においては混合容器から噴出すガスが混合ヘッダ１４を旋回しながら拡散することで混合が促進する。ガスが第３測定領域（３）に至るとαの値は理想的な値である“０．６６３”に近づく。第３測定領域（３）でのαのばらつきは第２測定領域（２）よりも減少し、実施例１は“０．００５”、比較例１は“０．０２８”、比較例２は“０．１１５”となる。

比較例２においては混合ヘッダ１４での旋回の速度が小さいため混合の効果は実施例１，比較例１と比較すると小さい。
混合特性としては第３測定領域（３）に至るまでにどれだけαのばらつきが小さくなったかが重要であり、それを実施例１，比較例１，比較例２で比較すると、実施例１“０．００５” ＜ 比較例１“０．０２８” ＜ 比較例２“０．１１５”という結果になる。このうち、上記の［評価項目の判断基準］で示した“０．０２”の値を下回るものは（ａ）実施例１だけである。以上のことから、混合容器１３を設けること、さらに混合容器１３の出口として面に孔５４を設ける構造をとることによる混合性の向上を確かめることができた。
＜ 圧力損失の検証 ＞
実施例１におけるガスの圧力損失についての検証を、コンピュータによる流体シミュレーションを用いて行った。構造は上記の＜混合性能の検証＞の実施例１と同じである。使用したソフトウェア、シミュレーションで用いる方程式、改質ガスおよび空気の流量と組成も、上記の＜混合性能の検証＞で用いたものと同じである。

［評価項目］
圧力損失Δｐ［Ｐａ］はガスの入口の圧力ｐ１と、出口での圧力ｐ２から
Δｐ ＝ ｐ１ − ｐ２
で計算した。実施例１の場合、ｐ１は改質ガス流路１１の入口の圧力、ｐ２は孔５４での圧力である。

［比較対象］
本発明の実施例１における混合容器の効果を比較検証するため、図２４に示す混合流路についても圧力損失を計算した。すなわちこれは従来技術における混合流路である。この構造を比較例３とする。流れるガスの流量と組成は＜混合性能の検証＞と同じとした。また図２４における混合流路１１０，１２０の内径をφ７ｍｍ、ガス供給口１１１の径をφ２ｍｍとした。この構造においては、ｐ１は混合流路１１０の外部の圧力、ｐ２は混合流路１２０の出口の圧力として圧力損失Δｐを計算した。

［解析結果］
実施例１と比較例３の計算結果は以下のようになった。αのバラツキはｐ２を取得した位置での値である。

実施例１： Δｐ ＝ １６３［Ｐａ］，αのばらつき“０．００５１”
比較例３： Δｐ ＝ ３１１［Ｐａ］，αのばらつき“０．００５６”
実施例１の圧力損失１６３［Ｐａ］は、比較例３の圧力損失３１１［Ｐａ］よりも小さい。また、αのばらつきがほぼ同等であることから、実施例１は比較例３と同等の混合特性をもつということがいえる。

以上のことから本発明の燃料処理装置は、ガスの圧力損失を低減しつつ、改質ガスと空気を十分に混合することができると言える。

本発明は、家庭用コージェネレーションシステムや、移動体通信の基地局の電源システムなどの燃料電池システムに有用である。

１ 燃焼部
２ 蒸発部
３ 改質部
４ 変成部
５ 混合部
６ 選択酸化部
７ 燃料電池
１１ 改質ガス流路
１２ 空気流路
１３ 混合容器
１４ 混合ヘッダ
１５ 流路
２１ 原料ガス
２２ 改質ガス
２３ 空気
２４ 混合ガス
２５ 燃料ガス
２６ 空気
２７ オフガス
２８ 空気
２９ 燃焼排ガス
３１ 水
５２ 混合ヘッダ１４の環状の空間の中心軸
５３ 孔５４を持つ側面
５４ 孔

Claims (4)

1. 一酸化炭素、水素、および水蒸気含む改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質ガス中の一酸化炭素と水とを反応させて一酸化炭素濃度を低下させる変成部と、
   前記改質ガスと酸素を含む空気を混合する混合部と、
   前記混合部から運ばれる改質ガス中の一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて燃料ガスを生成する選択酸化部を有し、
   前記混合部は、
   前記変成部から運ばれる改質ガスが通る改質ガス流路と、
   前記空気供給部から供給される空気を運搬し前記改質ガス流路に接続される空気流路と、
   前記改質ガス流路に接続され改質ガスと空気を混合する混合容器と、
   環状の空間を有する混合ヘッダと、
   前記混合ヘッダから流れるガスを前記選択酸化部へと運搬する流路を有し、
   前記混合容器は、
   改質ガス流路に接続する面の面積が改質ガス流路の断面積よりも大きく、ガスの出口として側面に孔を設けてあり、前記孔を持つ面の法線方向は前記混合ヘッダの環状の空間の中心軸と平行でない
   燃料処理装置。
2. 前記混合容器は直方体形状であり、流れの上流から下流にかけて流路の断面積が同じであることを特徴とする
   請求項１に記載の燃料処理装置。
3. 前記混合容器は三角柱形状であり、流れの上流から下流にかけて流路の断面積が大きくなることを特徴とする
   請求項１に記載の燃料処理装置。
4. 前記混合容器は出口として複数の孔を持ち、前記孔の法線方向が全て同じであることを特徴とする
   請求項１に記載の燃料処理装置。

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