JP2014196208A - 燃料改質装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素を効率的に生成することができる燃料改質装置を提供する。
【解決手段】
燃料改質装置１００は、供給された炭化水素系の原料が流通し、改質反応に使用される第１の触媒３３が充填された第１の流路３２と、第１の流路３２の下流に設けられ、第１の流路３２を通過した気体が流通し、起きる反応の主反応が改質反応とは異なる第２の流路４０と、第１の流路３２に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第１の水素分離手段３４と、第２の流路４０に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第２の水素分離手段３８と、第１の水素分離手段３４を透過した水素および第２の水素分離手段３８を透過した水素が流通する第３の流路３６と、少なくとも炭化水素系の原料および第１の触媒３３を加熱する加熱部１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料改質装置および燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素と酸素から電気エネルギーを発生させる装置である。燃料電池によって、高い発電効率を得ることができる。燃料電池は、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電である。そのため、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが主な特徴として挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っている。そのため、燃料電池は、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴があるため、特に近年、携帯機器などの電源への利用が期待されている。固体高分子形燃料電池に燃料を供給するために、水素を選択的に透過させて分離する水素分離膜を用いた燃料改質装置によって、水素を供給する技術が知られている。

水素分離膜を用いた燃料改質装置においては、式（１）および式（２）に示す反応を用いた水蒸気改質法によって、水素ガスを取り出す技術が知られている。なお、ここでは使用される炭化水素系の原料として、メタンが使用される場合を例に示す。
改質反応：ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ⇔ＣＯ＋３Ｈ_２・・・（１）
ＣＯ変性反応（シフト反応）：ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（２）

この場合、式（１）で示した反応によって生成された水素ガスと、式（１）で生成された一酸化炭素（ＣＯ）をさらに反応させて生成された水素ガスとが、水素分離膜を用いて選択的に取り出される。取り出された水素ガスは、燃料として燃料電池に供給される。たとえば特許文献１には、この技術を用いた燃料改質装置が開示されている。

特開２００４−１０７１７５号公報

しかし、特許文献１の技術では、式（１）および式（２）の反応で生成された水素ガスを、まとめて分離していた。これらの反応はいずれも平衡反応であるため、水素ガスをまとめて分離する場合には、反応系における水素ガスの濃度が比較的高い状態となる。そのため、式（１）の反応は、一酸化炭素と水素が生成される方向には進行しにくい。一酸化炭素の生成量が不十分であるため、加えて式（１）の反応によって生成された水素が分離されずに混在するため、式（２）の平衡反応は、二酸化炭素と水素が生成される方向には進行しにくい。その結果、水素ガスを効率的に生成することができないという問題があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素を効率的に生成することができる燃料改質装置の提供にある。

本発明のある態様は、燃料改質装置である。当該燃料改質装置は、供給された炭化水素系の原料が流通し、改質反応に使用される第１の触媒が充填された第１の流路と、第１の流路３２の下流に設けられ、第１の流路３２を通過した気体が流通し、起きる反応の主反応が改質反応とは異なる第２の流路４０と、第１の流路に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第１の水素分離手段と、第２の流路に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第２の水素分離手段と、第１の水素分離手段を透過した水素および第２の水素分離手段を透過した水素が流通する第３の流路と、少なくとも炭化水素系の原料および第１の触媒を加熱する加熱部と、を備える。

この態様によれば、第１の流路に接して第１の水素分離手段を設けることによって、第１の流路で生成された水素ガスが第１の流路から第３の流路へと透過する。そのため、第１の流路内の水素ガスの濃度を低く保つことができる。これにより、第１の流路において改質反応を効率的に進行させることができる。また、第１の流路において効率的に進行した改質反応によって、第２の流路には水素ガスの含有量が少ない一酸化炭素が流入する。さらに、第２の流路に接して第２の水素分離手段を設けることによって、第２の流路で生成された水素ガスが第２の流路から第３の流路へと透過する。そのため、第２の流路においてＣＯ変性反応を効率的に進行させることができる。その結果、水素ガスの生成効率を高めることができる。

本発明の別の態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、上述した燃料改質装置と、水素と酸素から電気エネルギーを発生させる燃料電池と、を備える。燃料改質装置を用いて分離した水素を、前記燃料電池に供給する。

この態様によれば、燃料電池に供給する水素ガスの供給効率を高めた燃料電池システムを提供することができる。

本発明によれば、水素ガスを効率的に生成することができる。

実施の形態１に係る燃料改質装置を示す軸方向の断面図である。 実施の形態１に係る燃料改質装置の図１のＰ−Ｐ’線に沿った断面図である。 図１のＰ−Ｐ’線に沿った変形例の断面図である。 実施の形態２に係る燃料改質装置に含まれる反応部を示す概略図である。図４（Ａ）は、反応部の斜視図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＱ−Ｑ’線に沿った断面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＲ−Ｒ’線に沿った断面図である。 実施の形態２に係る燃料改質装置を示す概略図である。図５（Ａ）は、実施の形態２に係る燃料改質装置を示す軸方向の断面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＳ−Ｓ’線に沿った断面図である。 実施の形態３に係る燃料電池システムを示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

［実施の形態１］
以下、図１および図２を用いて、実施の形態１の燃料改質装置１００を説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料改質装置１００を示す軸方向の断面図である。図２は、実施の形態１に係る燃料改質装置のＰ−Ｐ’線に沿った断面図である。

本実施の形態の燃料改質装置１００は、燃料改質反応に使用される炭化水素系の原料および水を加熱する加熱部１０と、燃料改質反応を起こす反応部２０と、を備える。反応部２０は、加熱部１０と熱的に接続されている。

本実施の形態では、上述した水蒸気改質法を利用する場合に加えて、水蒸気改質法と以下の式（３）に示す部分酸化反応を利用して水素ガスを取り出す部分燃焼法との両方を併用する場合（オートサーマル改質法）も想定している。なお、ここでは使用される炭化水素系の原料として、メタンが使用される場合を例に示す。
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２→ＣＯ＋２Ｈ_２・・・（３）
以下、これらの反応に使用されうる炭化水素系の原料、水および酸素（空気）をまとめて、単に原料と呼ぶ場合がある。

加熱部１０は、バーナ１２と、燃焼排ガス経路１８と、を備える。バーナ１２は、内部に形成された熱源供給経路１６から供給される熱源用燃料および空気（以下、まとめて熱源用ガスとも呼ぶ）を用いて、炎１４を生成する。炎１４の先端領域のことを、ここでは特に高温部と呼ぶ。炎１４によって、反応部２０が昇温される。この点は後述する。なお、加熱部１０として、炎１４を生じない燃焼触媒をバーナ１２に代えて用いて、燃料を触媒燃焼させることもできる。この場合には、高温部は温度が最も高くなる領域をいう。燃焼触媒として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などの貴金属触媒を好適に使用することができる。燃焼排ガス経路１８は、燃焼後の排ガスを燃料改質装置１００から排出する経路である。

反応部２０は、原料供給経路２２と、第１の流路３２と、第２の流路４０と、第１の水素分離手段３４と、第２の水素分離手段３８と、第３の流路３６と、を備える。

図２に示すように、燃料改質装置１００は、軸方向を有する加熱部１０において軸と垂直な方向の断面をみた場合に、第１の流路３２、第１の水素分離手段３４、第２の水素分離手段３８および第２の流路４０は、この順に加熱部１０を中心とする同心円状に形成されている。より具体的には、第１の水素分離手段３４は、加熱部１０を中心とする内筒として形成されている。第１の流路３２は、第１の水素分離手段３４の内壁の少なくとも一部に接して形成されている。第２の水素分離手段３８は、加熱部１０を中心とする外筒として形成されている。第２の流路４０は、第２の水素分離手段３８の外壁の少なくとも一部に接して形成されている。また、加熱部１０と第１の流路３２との間には、原料供給経路２２が配置されている。

原料供給経路２２は、供給される原料が流通する。原料は、隣接する加熱部１０から生じる熱によって加熱される。

第１の流路３２は、供給された原料が流通する。また、第１の流路３２には、上述した式（１）の改質反応に使用される第１の触媒３３（改質触媒ともいう）が充填されている。第１の触媒３３は、約５００〜約７００℃で高い触媒活性を有するルテニウム（Ｒｕ）、Ｐｔなどの貴金属触媒や、ニッケル（Ｎｉ）触媒であることが好ましい。

第２の流路４０は、第１の流路３２の下流に設けられ、第１の流路３２を通過した気体が流通し、起きる反応の主反応が改質反応とは異なる。本実施の形態では、第１の流路３２と第２の流路４０とは、略平行な対向流である。第２の流路４０には、第１の触媒３３または上述した式（２）のＣＯ変性反応（シフト反応）に使用される第２の触媒４１（シフト触媒ともいう）の少なくとも一方が充填されていることが好ましい。本実施の形態では、第２の流路４０には第２の触媒４１が充填されている。第２の触媒４１は、約３００〜約５００℃で高い触媒活性を有する銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）系触媒や、鉄（Ｆｅ）系触媒、Ｒｕ、Ｐｔなどの貴金属触媒であることが好ましい。

なお、式（１）および式（２）で示した反応は平衡反応である。また、第１の触媒３３および第２の触媒４１にそれぞれ第１の水素分離手段３４および第２の水素分離手段３８が接しているため、生成された水素は各流路から奪われる。そのため、第２の触媒４１が存在しない場合でも、式（２）で示した反応はある程度進行する。つまり、第１の流路３２でもある程度は式（２）の反応が起き、第２の流路４０でもある程度は式（１）の反応が起きると考えられる。

第１の水素分離手段３４は、第１の流路３２に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる。本実施の形態では、第１の水素分離手段３４は水素分離膜である。水素分離膜としては、約３００〜約７００℃にて水素の高い選択的透過性を有するＰｄ、Ｐｄ合金（Ｐｄ−銀（Ａｇ）、Ｐｄ−Ｃｕなど）などから形成されたＰｄ系分離膜を好適に使用することができる。または、約５００℃で水素の高い選択的透過性を有し、表面にＰｄなどの水素解離触媒がコーティングされたニオブ（Ｎｂ）合金などから形成されたＮｂ系分離膜を好適に使用することもできる。いずれの膜を用いるかは、加熱部１０と第１の水素分離手段３４との距離などに基づいて決定すればよい。

図１に示すように、第１の流路３２の出口は、第１の水素分離手段３４の内壁側と第２の水素分離手段３８の外壁側とを接続する接続流路２４によって、第２の流路４０の入口に折り返して接続されている。なお、接続流路２４から後述する第３の流路３６に気体が流入しないように、第３の流路３６の接続流路２４と接する部分には壁面が形成されている。

第２の水素分離手段３８は、第２の流路４０に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる。本実施の形態では、第２の水素分離手段３８も第１の水素分離手段３４と同様に水素分離膜である。水素分離膜としては、第１の水素分離手段３４と同様の膜を好適に使用することができる。いずれの膜を用いるかは、加熱部１０と第２の水素分離手段３８との距離などに基づいて決定すればよい。

第３の流路３６は、第１の水素分離手段３４を透過した水素ガスおよび第２の水素分離手段３８を透過した水素ガス（純水素）が流通する流路である。本実施の形態では、第３の流路３６には、第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８との間に設けられている。第３の流路３６には、水素ガスが流通可能な支持体が間挿されていることが好ましい。本実施の形態では、多孔質の支持体３７が間挿されている。支持体３７として、アルミナなどの多孔質セラミックや、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの多孔質金属を好適に使用することができる。第３の流路３６の下流に接続された水素供給経路４２は、水素ガスを燃料改質装置１００の外に取り出すための経路である。

水素分離膜オフガス経路２６は、水素分離手段を透過しなかったオフガスが流通する経路である。オフガスは、燃料改質装置１００の加熱部１０に供給される。

次に、図１を参照して、本実施の形態の燃料改質装置１００の作用を説明する。黒塗りの矢印は、加熱部１０における気体の流れを示す。加熱部１０のバーナ１２は、熱源供給経路１６から供給された熱源用ガスを用いて炎１４を生成する。これによって、反応部２０のうち少なくとも炭化水素系の原料および第１の触媒３３が加熱される。燃焼後の排ガスは、燃焼排ガス経路１８を通じて燃料改質装置１００から排出される。

白抜きの矢印は、反応部２０における気体の流れを示す。まず原料供給経路２２を経由して供給された原料から、加熱された第１の触媒３３によって第１の流路３２において水素ガスが生成される。生成された水素ガスは、第１の水素分離手段３４を透過して第３の流路３６および水素供給経路４２を流通して燃料改質装置１００の外に取り出される。水素が第１の流路３２から奪われるため、上述した式（１）の平衡反応は、一酸化炭素および水素が生成される方向にさらに進行する。ここで生成された一酸化炭素は、接続流路２４を経由して第２の流路４０に移動する。気体の温度が低下する第２の流路４０では、主に上述した式（２）の反応によって、移動した一酸化炭素から水素ガスが生成される。生成された水素ガスは、第２の水素分離手段３８を透過して第３の流路３６および水素供給経路４２を流通して燃料改質装置１００の外に取り出される。水素が第２の流路４０から奪われるため、上述した式（２）の平衡反応は、二酸化炭素および水素が生成される方向にさらに進行する。オフガスは、水素分離膜オフガス経路２６を経由して再び燃料改質装置１００の加熱部１０に供給される。

本実施の形態では、第２の流路４０に第２の触媒４１が充填されている。そのため、第２の流路４０において式（２）の反応はさらに効率的に進行する。また、式（１）の反応の至適温度は約５００〜約７００℃であって、式（２）の反応の至適温度は約３５０〜約５００℃である。そのため、発電時において、加熱部１０の高温部から第１の流路３２までの最短距離ｄ_１が、高温部から第２の流路４０までの最短距離ｄ_２よりも短くなるように、第１の流路３２と第２の流路４０が配置されている。これらの距離やバーナ１２の火力を調節することによって、第１の流路３２と第２の流路４０の内部の温度が、少なくとも一部の領域において、それぞれの触媒の至適温度に維持されている。

上述したように、第１の流路３２を流れる気体の流れ方向と第２の流路４０を流れる気体の流れ方向とは、互いに略平行であることが好ましい。さらに、第１の流路３２と第２の流路４０とは、略平行な対向流であることがより好ましい。この場合に、加熱部１０の炎の先端は、発電時において、図１に示すように第１の流路３２のうち上流側近傍に配置されることが好ましい。

以上、本実施の形態によると、第１の流路３２に接して第１の水素分離手段３４を設けることによって、第１の流路３２で生成された水素ガスが第１の流路３２から第３の流路３６へと透過する。そのため、第１の流路３２内の水素ガスの濃度を低く保つことができる。これにより、第１の流路３２において改質反応を効率的に進行させることができる。また、第１の流路３２において効率的に進行した改質反応によって、第２の流路４０には水素ガスの含有量が少ない一酸化炭素が流入する。さらに、第２の流路４０に接して第２の水素分離手段３８を設けることによって、第２の流路４０で生成された水素ガスが第２の流路４０から第３の流路３６へと透過する。そのため、第２の流路４０においてＣＯ変性反応を効率的に進行させることができる。その結果、水素ガスの生成効率を高めることができる。

また、第２の流路４０に第１の触媒３３または第２の触媒４１の少なくとも一方を充填することによって、水素ガスの生成効率をさらに向上させることができる。また、炎１４の先端から第１の流路３２までの最短距離を炎１４の先端から第２の流路４０までの最短距離よりも短くすることによって、第１の流路３２では改質反応を、第２の流路４０ではＣＯ変性反応を、それぞれ効率的に進行させやすい温度とすることができる。

また、加熱部１０の炎１４の先端を、発電時において第１の流路３２のうち上流側近傍に配置する。これにより、図２に示すバーナ１２の軸に垂直な方向の両方において、第１の流路３２と第２の流路４０との間で温度の勾配を形成することができる。そのため、それぞれの流路に充填された触媒に至適な温度を有する領域を形成することができる。

また、燃料改質装置１００の断面を図２のように同心円状に形成することによって、燃料改質装置１００を小型化するとともに、加熱部１０で生成された熱を有効に使用することができる。

なお、本実施の形態では、第１の流路３２に第１の触媒３３が充填されている。この場合、第１の流路３２には式（１）で示した改質反応が主反応として起こる程度に第１の触媒３３が充填されていればよく、第１の触媒３３に加えて第２の触媒４１が充填されていてもよい。同様に、第２の流路４０には式（２）で示したＣＯ変性反応が主反応として起こりさえすれば、第１の触媒３３または第２の触媒４１のいずれが充填されていてもよい。

また、オートサーマル改質法を用いる場合には、第１の流路３２では式（３）の反応が主反応であってもよい。ただし、この場合にも、式（１）の反応と式（２）の反応を比較した場合には、第１の流路３２では式（１）の反応が主反応であって、第２の流路４０では式（２）の反応が主反応である。

また、本実施の形態では、バーナ１２から炎１４が１つ生成される場合を示した。生成される炎１４が複数ある場合には、最短距離ｄ_１および最短距離ｄ_２は、最も近い炎１４の高温部からの距離としてもよい。バーナ１２に代えて燃焼触媒を用いる場合には、最短距離ｄ_１および最短距離ｄ_２は、温度が最も高くなる高温部からの距離としてもよい。

また、本実施の形態では、第１の流路３２と第２の流路４０が折り返して接続されている場合を示したが、両者は折り返して接続されていなくてもよい。たとえば、１つの水素分離手段の一方の面において、上流に第１の流路３２が、下流に第２の流路４０がそれぞれ形成されていてもよい。この場合には、１つの水素分離手段のうち、第１の流路３２に接する領域を第１の水素分離手段３４、第２の流路４０に接する領域を第２の水素分離手段３８としてもよい。この場合には、接続流路２４は設けられていなくてもよい。

（変形例）
図１のＰ−Ｐ’線に沿った断面図の変形例を、図３を参照して説明する。燃料改質装置１００は、図３に示す断面を有していてもよい。この場合、第１の水素分離手段３４および第２の水素分離手段３８は、これら自体が湾曲することによって、側面に凹凸が形成された筒体である。この場合の支持体３７は、外形が略同一である３つ以上の柱状または筒状の部材が、第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８との間において、内筒または外筒の少なくとも一方の中心軸方向と略平行に配置され、第１の水素分離手段３４および第２の水素分離手段３８が部材の側面に接している。図３に示す例では、支持体３７は１２個の円柱状の部材から形成されている。これによって、第１の水素分離手段３４および第２の水素分離手段３８に形成された凹凸が維持されている。本変形例では、第１の水素分離手段３４は支持体３７の内側面全体に、第２の水素分離手段３８は支持体３７の外側面全体に、それぞれ形成されている。

本変形例によると、第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８に凹凸を形成することによって、両者の表面積を大きくすることができる。これにより、水素ガスの透過効率を向上させることができる。また、多孔質の支持体を用いることによって、水素の透過効率を維持しつつ、第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８とが自立性を有さない場合にもこれらの形状を保持することができる。その結果、第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８との耐久性を向上させることができる。

［実施の形態２］
本実施の形態では、反応部２０がモジュールとして形成され、このモジュールが筺体５０に複数収容されて燃料改質装置１００が形成されている点が実施の形態１とは異なる。

図４は、実施の形態２に係る燃料改質装置１００に含まれる反応部２０を示す概略図である。図４（Ａ）は、反応部２０の斜視図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＱ−Ｑ’線に沿った断面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＲ−Ｒ’線に沿った断面図である。図５は、実施の形態２に係る燃料改質装置１００を示す概略図である。図５（Ａ）は、実施の形態２に係る燃料改質装置１００を示す軸方向の断面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＳ−Ｓ’線に沿った断面図である。

図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、反応部２０は、第１の流路３２と、第２の流路４０と、第１の水素分離手段３４と、第２の水素分離手段３８と、第３の流路３６と、接続流路２４とが、反応部筺体３０の内部に形成されている。図４（Ａ）および（Ｃ）に示すように、反応部筺体３０は、断面が略台形の柱状である。略台形の短辺側に形成された第１の流路３２には第１の触媒３３が、略台形の長辺側に形成された第２の流路４０には第２の触媒４１が、それぞれ充填されている。反応部筺体３０の一方の端部には、原料供給経路２２と、水素分離膜オフガス経路２６と、水素供給経路４２とが形成されている。シール部２８は、第１の流路３２と第２の流路４０との間で気体が流通することを防止する。

図５（Ｂ）に示すように、本実施の形態の燃料改質装置１００では、８個の反応部２０が、筺体５０の内部において、略台形の短辺側に形成された第１の流路３２が内側となるように、同心円上に配置されている。また、筺体５０の内壁と反応部筺体３０の外壁との間に形成された空間５２には、断熱材が充填されている。

図５（Ａ）に示すように、本実施の形態では、原料供給経路２２は燃焼排ガス経路１８の内部に形成されている。また、気体の流れる方向は両者で逆向きとなっている。そのため、炎１４によって昇温された燃料排ガスによって、原料供給経路２２に投入された原料が熱交換して効率的に昇温する構造となっている。

本実施の形態によると、モジュールである反応部２０を用いることによって、第１の流路３２と第２の流路４０との間で温度の勾配が形成された構造を簡易に作製することができる。また、反応部２０をモジュールとして形成するため、反応部２０のメンテナンス性を向上させることができる。また、原料供給経路２２を燃焼排ガス経路１８の内部に形成することによって、反応部２０に供給される原料の温度を効率的に高めることができる。

なお、空間５２には、断熱材に加えて、または断熱材に代えて、熱交換器が設けられていてもよい。この熱交換器を用いて、燃料改質装置１００から発生する熱と原料供給経路２２中の原料との間で熱交換してもよい。また、反応部２０の断面の形状は、複数の反応部２０を同心円上に配置できさえすれば、たとえば六角形などの任意の形状であってもよい。また、たとえば三角形と四角形などの断面形状の異なる複数の反応部２０を同心円上に配置してもよい。

［実施の形態３］
図６は、実施の形態３に係る燃料電池システム２００を示す概略図である。

本実施の形態の燃料電池システム２００は、実施の形態１または２の燃料改質装置１００と、熱交換部１１０と、水素と酸素から電気エネルギーを発生させる燃料電池１２０と、制御部１３０と、を主に備える。制御部１３０は、熱源供給経路１６および原料供給経路２２における気体または液体（水）の流量を調節する。

（熱の利用）
改質反応およびシフト反応によって生成された水素ガスは、図１および図５（Ａ）で示したように、第１の水素分離手段３４または第２の水素分離手段３８を透過して水素供給経路４２を流通する。また、水素分離膜を透過しなかったオフガスは、水素分離膜オフガス経路２６を流通する。オフガス中には、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、少量の水素などが含まれる。第１の水素分離手段３４または第２の水素分離手段３８を透過した水素ガスおよび透過しなかったオフガスは、高温である（たとえば約３００〜約５００℃）。特に水素ガスは、燃料電池１２０にダメージを与えない温度まで冷却してから燃料電池１２０に供給する必要がある。また、燃料電池システム２００の発電効率を向上させるためには、各ガスの持つ熱を有効利用する必要がある。そのため、水素供給経路４２または水素分離膜オフガス経路２６を流通するガスの少なくともいずれか一つと、原料供給経路２２を流通するガスとの間で熱交換をすることが好ましい。

そこで、本実施の形態では、第１の水素分離手段３４または第２の水素分離手段３８（以下、両者をまとめて単に水素分離手段と呼ぶ場合がある）を透過して水素供給経路４２に入った高温の水素ガスは、熱交換部１１０を経由して燃料電池１２０に供給される。水素ガスの熱は、同じく熱交換部１１０を経由する原料供給経路２２を流れる原料との間で交換される。これにより、原料供給経路２２中の原料を予熱することができるため、燃料電池システム２００の熱効率が向上する。同時に、水素供給経路４２中の水素ガスを、燃料電池１２０にダメージを与えない温度にまで冷却することができる（たとえば約５０〜約８０℃）。水素供給経路４２に加えて、または水素供給経路４２に代えて、水素分離膜オフガス経路２６が熱交換部１１０を経由してもよい。

また、図６に示すように、水素分離膜オフガス経路２６を燃料改質装置１００の加熱部１０に接続してガスを燃焼させてもよい。また、燃料電池１２０のオフガスを燃料改質装置１００の加熱部１０に供給する燃料電池オフガス経路１２２が設けられていてもよい。これらによっても、燃料電池システム２００の熱効率を向上させることができる。

（炭化水素と水蒸気の比率）
水蒸気改質の場合には、原料供給経路２２を通じて燃料改質装置１００に投入する炭化水素系の原燃料と水蒸気との比率（スチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ比））は、約２．５〜約４．０の範囲であることが好ましい。Ｓ／Ｃ比が低すぎると、炭素析出が生じて改質触媒の性能低下を招く場合がある。一方、Ｓ／Ｃ比が高すぎると、改質ガス中の水素濃度が低下することによって、燃料電池１２０の発電効率の低下を招く場合がある。

（温度、ガスの制御条件）
燃料電池システム２００の稼動時には、燃料改質装置１００の内部の部材がそれぞれ以下の温度となるように、制御部１３０が加熱部１０に供給する熱源用ガスの流量を調節することが好ましい。第１の水素分離手段３４および第２の水素分離手段３８の温度は、約３００〜約７００℃となることが好ましく、約３００〜約５００℃となることがより好ましい。また、第１の触媒３３の温度は約５００〜約７００℃となることが好ましい。また、第２の触媒４１の温度は約３００〜約５００℃となることが好ましい。

（起動時および停止時の制御）
水素分離膜である第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８の材質によっては、低温時に水素分離膜に接して水素が存在することによって、水素脆化が生じてこれらが劣化する可能性がある。そのため、第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８を適切な温度（たとえば約３００〜約５００℃）まで昇温させた後に、水素ガスの原料となる原燃料の供給を開始することが好ましい。

また、燃料電池システム２００の稼働停止後には、第１の水素分離手段３４および第２の水素分離手段３８に水素が接した存在した状態で温度が下がる可能性がある。水素分離膜である第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８の材質によっては、水素脆化が生じてこれらが劣化する可能性がある。これを防止するために、燃料電池システム２００の稼働停止時には、第１の水素分離手段３４と第２の水素分離手段３８の近傍を水素以外のガスでパージすることが好ましい。パージガスとしては、たとえば原燃料(炭化水素)、水蒸気、空気などを好適に用いることができる。

本実施の形態によると、燃料電池１２０に効率的に水素ガスを供給することができる。また、熱交換部１１０を設けて水素ガスおよび／またはオフガスの熱を原料ガスと交換することによって、原料ガスの温度を効率的に高めることができる。その結果、水素ガスの生成効率をさらに高めることができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

１０ 加熱部、３２ 第１の流路、３３ 第１の触媒、３４ 第１の水素分離手段、３６ 第３の流路、３８ 第２の水素分離手段、４０ 第２の流路、１００ 燃料改質装置

Claims (10)

1. 供給された炭化水素系の原料が流通し、改質反応に使用される第１の触媒が充填された第１の流路と、
   前記第１の流路の下流に設けられ、前記第１の流路を通過した気体が流通し、起きる反応の主反応が前記改質反応とは異なる第２の流路と、
   前記第１の流路に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第１の水素分離手段と、
   前記第２の流路に接して設けられ、水素ガスを選択的に透過させる第２の水素分離手段と、
   前記第１の水素分離手段を透過した水素および前記第２の水素分離手段を透過した水素が流通する第３の流路と、
   少なくとも前記炭化水素系の原料および前記第１の触媒を加熱する加熱部と、を備えることを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記第２の流路には、前記第１の触媒またはシフト反応に使用される第２の触媒の少なくとも一方が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
3. 前記加熱部における高温部から前記第１の流路までの最短距離は、前記加熱部における高温部から前記第２の流路までの最短距離よりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
4. 前記第１の流路を流れる気体の流れ方向と前記第２の流路を流れる気体の流れ方向とは、互いに略平行であって、
   前記加熱部における高温部は、前記第１の流路のうち上流側近傍に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
5. 前記第１の水素分離手段は、前記加熱部を中心とする内筒として形成され、
   前記第２の水素分離手段は、前記加熱部を中心とする外筒として形成され、
   前記第１の流路は、前記第１の水素分離手段の内壁の少なくとも一部に接して形成され、
   前記第２の流路は、前記第２の水素分離手段の外壁の少なくとも一部に接して形成され、
   前記第１の流路の下流領域は、前記第１の水素分離手段の内壁側と前記第２の水素分離手段の外壁側とを接続する接続流路によって、前記第２の流路の上流領域に折り返して接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
6. 前記第１の水素分離手段および前記第２の水素分離手段は、側面に凹凸が形成された筒体であることを特徴とする請求項５に記載の燃料改質装置。
7. 外形が略同一である３つ以上の柱状または筒状の部材が、前記第１の水素分離手段と前記第２の水素分離手段との間において、前記内筒または前記外筒の少なくとも一方の中心軸方向と略平行に配置され、前記第１の水素分離手段および前記第２の水素分離手段が前記部材の側面に接することにより、前記凹凸が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料改質装置。
8. 前記第１の水素分離手段と前記第２の水素分離手段との間には、水素ガスが流通可能な多孔質の支持体が間挿されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
9. 前記水素分離手段を透過した水素ガスまたは前記水素分離手段を透過しなかったオフガスの少なくともいずれか一方と、前記加熱部によって加熱される前の原料ガスとの間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料改質装置と、
    水素と酸素から電気エネルギーを発生させる燃料電池と、を備え、
    前記燃料改質装置を用いて分離した水素を、前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システム。

Images