JP2020011883A - 熱交換型改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成にてエネルギー効率を向上できる熱交換型改質器を提供することを目的とする。【解決手段】改質器３０では、改質層３０Ａの入口部４２に対して熱交換部４７Ｂが設けられる。熱交換部４７Ｂは、燃焼層３０Ｂの出口部４６から流出した流出ガスを流通させる。熱交換部４７Ｂは、出口部４６から流出した高温の流出ガスを流通させることで、入口部４２を流通して熱交換部４１へ流入する改質原料のガスを加熱することができる。これにより、エネルギー効率を向上できる。また、熱交換部４７Ｂが改質器３０の一部分である入口部４２に対して設けられているため、改質器３０の外部に熱交換部を設ける場合に比して、システムの体格が大きくなることを抑制できる。【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換型改質器に関する。

従来の熱交換型改質器として、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の熱交換型改質器は、改質原料から水素を含有する改質ガスを生成する改質層と、燃料を燃焼させることで熱を発生する燃焼層と、が互いに積層されて熱交換を行う改質器である。改質層には、改質原料を改質する改質触媒が充填される。また、燃焼層には、燃料を燃焼させる燃焼触媒が充填される。

特開２００７−２９７２３８号公報

ところで、上述のような熱交換型改質器から流出する流出ガス（改質層又は燃焼層から流出するガス）は高温である。従って、熱交換型改質器に対する流入ガスを流出ガスで加熱する熱交換部を設けることで、エネルギー効率を向上できる。しかしながら、このような熱交換部を設けた場合、熱交換型改質器を含むシステムの体格が大きくなるという問題がある。

本発明は、コンパクトな構成にてエネルギー効率を向上できる熱交換型改質器を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る熱交換型改質器は、改質原料から水素を含有する改質ガスを生成する改質層と、燃料を燃焼させることで熱を発生する燃焼層と、が互いに積層されて熱交換を行う熱交換型改質器であって、改質層は、改質原料を改質する改質触媒を含み、燃焼層との間で熱交換を行う第１熱交換部と、第１熱交換部に対して改質原料を流入させる第１入口部と、第１熱交換部で生成した改質ガスを流出させる第１出口部と、を備え、燃焼層は、燃料を燃焼させる燃焼触媒を含み、改質層との間で熱交換を行う第２熱交換部と、第２熱交換部に対して燃料を流入させる第２入口部と、第２熱交換部からの流出ガスを流出させる第２出口部と、を備え、第１入口部及び第２入口部の少なくとも一方に対して第３熱交換部が設けられ、第３熱交換部は、第１出口部及び第２出口部から流出したガスの少なくとも一方を流通させる。

この熱交換型改質器では、改質層の第１入口部及び燃焼層の第２入口部の少なくとも一方に対して第３熱交換部が設けられる。第３熱交換部は、改質層の第１出口部及び燃焼層の第２出口部から流出したガスの少なくとも一方を流通させる。第３熱交換部は、出口部から流出した高温のガスを流通させることで、入口部を流通して熱交換部へ流入するガスを加熱することができる。これにより、エネルギー効率を向上できる。また、第３熱交換部が熱交換型改質器の一部分である入口部に対して設けられているため、熱交換型改質器の外部に熱交換部を設ける場合に比して、システムの体格が大きくなることを抑制できる。以上により、コンパクトな構成にてエネルギー効率を向上できる。

第３熱交換部は、第１入口部に対して設けられてよい。これにより、第３熱交換部は、改質層に流入する改質原料のガスを加熱することができる。第１熱交換部へ流入する前段階で改質原料のガスの温度を高くすることで、燃焼層で必要となる燃料を少なくすることができる。これにより、エネルギー効率を向上することができる。

第３熱交換部は、第２出口部からの流出ガスを流通させてよい。第２出口部からの流出ガスは、燃焼層での燃焼によって生じたガスであるため高温である。従って、第３熱交換部は、このような高温の流出ガスから熱を回収することができる。

第３熱交換部は、第１出口部からの改質ガス及び第２出口部からの流出ガスを流通させてよい。改質ガス及び流出ガスの両方を熱交換に用いることができるため、エネルギー効率を向上することができる。

本発明によれば、コンパクトな構成にてエネルギー効率を向上できる熱交換型改質器が提供される。

一実施形態に係る熱交換型改質器を備える燃料電池システムを示すシステム構成図である。 図１の熱交換型改質器を概略的に示す斜視図である。 図２のIII-III線に沿った断面図である。 （ａ）は図２の改質器の改質層を概略的に示す図であり、（ｂ）は図２の改質器の燃焼層を概略的に示す図である。 改質器を上方から見た平面図である。 図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 変形例に係る熱交換型改質器を上方から見た平面図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱交換型改質器（以下、改質器と称する）を備える燃料電池システムを示すシステム構成図である。図１に示される燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車又は家庭用燃料電池に用いられ得る。燃料電池システム１は、アンモニアを貯蔵するタンク１０と、アンモニアを気化させる気化器２０と、気化されたアンモニアを改質して改質ガスを生成する改質器３０と、改質ガスを冷却する熱交換器４０と、改質ガスから燃料ガスを生成する複数の吸着器（第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂ）と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池６０と、改質器３０に空気を供給する空気供給部７０と、複数の吸着器である第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂをそれぞれ切り替える切替弁８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄと、切替弁８０Ａ〜８０Ｄを制御する制御部９０と、を備えている。

タンク１０は、アンモニアを液体状態で貯蔵するアンモニアタンクである。タンク１０は、例えば常温（２０℃〜２５℃程度）且つ数気圧（８気圧〜１０気圧程度）でアンモニアを貯蔵する。タンク１０では、アンモニアを気体ではなく液体状態で貯蔵するので、アンモニアを効率よく貯蔵することができる。これにより、燃料電池システム１の稼働時間を長くすることができる。また、タンク１０へのアンモニアの補充を容易に行うことができる。

気化器２０は、タンク１０の下流に設けられており、アンモニア供給管Ｌ１によってタンク１０と接続されている。気化器２０とタンク１０との間には、アンモニアを気化器２０内に導入するためのポンプＰ１が配置されている。気化器２０は、例えば液体状態のアンモニアを加熱することにより、液体状態のアンモニアを気化させる。

改質器３０は、気化器２０の下流に設けられており、アンモニアガス供給管Ｌ２を介して気化器２０と接続されている。アンモニアガス供給管Ｌ２は、改質器３０側において２つの管部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂに分岐している。一方の管部Ｌ２ａは後述する改質器３０の改質層３０Ａに接続され、他方の管部Ｌ２ｂは後述する改質器３０の燃焼層３０Ｂに接続されている。管部Ｌ２ａ上には、改質層３０Ａに導入されるアンモニアガスの量を調整するインジェクタＩ１が設けられている。管部Ｌ２ｂ上には、燃焼層３０Ｂに導入されるアンモニアガスの量を調整するインジェクタＩ２が設けられている。また、インジェクタＩ２の下流において、管部Ｌ２ｂは空気供給管Ｌ３を介して空気供給部７０と接続されている。なお、燃料電池システム１は、インジェクタＩ１，Ｉ２に代えてマスフローコントローラ等を備えてもよい。また、燃料電池システム１はインジェクタＩ１，Ｉ２を備えていなくてもよい。

熱交換器４０は、改質器３０の下流に設けられており、改質ガス供給管Ｌ４を介して改質器３０と接続されている。熱交換器４０には、改質器３０の改質層３０Ａで生成された改質ガスが導入される。また、熱交換器４０には、冷却水が供給される。熱交換器４０では、改質ガスと冷却水とを熱交換することにより、改質ガスを冷却する。冷却水は、改質ガスによって加熱される。これにより、熱交換器４０を通過した改質ガスは、５００℃〜６００℃程度から３０℃〜１００℃程度まで冷却される。

冷却水は、冷却水供給管（流路）Ｌ６を介して熱交換器４０に導入される。冷却水供給管Ｌ６上には、冷却水を冷却するためのラジエータ１００及び冷却水を熱交換器４０に向けて送り出すポンプＰ２が配置されている。熱交換器４０を通過して加熱された冷却水は、冷却水供給管（流路）Ｌ７を介して気化器２０に導入される。熱交換器４０によって加熱された冷却水の熱は、気化器２０において液体状態のアンモニアを効率よく気化させるために利用される。気化器２０を通過した冷却水は冷却水供給管Ｌ７上のラジエータ１００によって冷却され、再び熱交換器４０に導入される。すなわち、冷却水は、冷却水供給管Ｌ６及び冷却水供給管Ｌ７を介して、熱交換器４０、気化器２０、及びラジエータ１００の間を循環している。

第１吸着器５０Ａは、熱交換器４０の下流に設けられており、改質ガス供給管Ｌ８を介して熱交換器４０と接続されている。第１吸着器５０Ａは、改質ガスに含まれる少量のアンモニアを除去することにより、高純度の水素ガスである燃料ガスを生成する。燃料ガスに含まれる水素ガスの比率は、約７５％程度である。第１吸着器５０Ａで生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管Ｌ９を介して燃料電池６０に導入される。

なお、第１吸着器５０Ａは、改質ガスに含まれるアンモニアを吸着するための吸着材を有している。吸着材は、例えば多数の細孔を有する多孔体であり、静電相互作用等によってアンモニアを細孔に吸着させる。また、吸着材は化学的結合によってアンモニアを吸着してもよい。吸着材としては、例えば活性炭の多孔体、アルミナ、又はゼオライト等が用いられ得る。

第２吸着器５０Ｂは、第１吸着器５０Ａと同様に熱交換器４０の下流に設けられており、改質ガス供給管Ｌ８を介して熱交換器４０と接続されている。第２吸着器５０Ｂは、第１吸着器５０Ａに対して並列に配置されている。第２吸着器５０Ｂは、第１吸着器５０Ａと同様に吸着材を有しており、改質ガスに含まれるアンモニアを除去することにより、高純度の水素ガスである燃料ガスを生成する。第２吸着器５０Ｂで生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管Ｌ９を介して燃料電池６０に導入される。

改質ガス供給管Ｌ８上には、切替弁８０Ａが設けられている。切替弁８０Ａは、例えば三方弁であり、熱交換器４０と第１吸着器５０Ａとの接続、及び、熱交換器４０と第２吸着器５０Ｂとの接続を切り替える。すなわち、切替弁８０Ａは、熱交換器４０から供給される改質ガスが第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂに導入されるように、改質ガス供給管Ｌ８を切り替える。

燃料ガス供給管Ｌ９上には、切替弁８０Ｂが設けられている。切替弁８０Ｂは、例えば三方弁であり、第１吸着器５０Ａと燃料電池６０との接続、及び、第２吸着器５０Ｂと燃料電池６０との接続を切り替える。すなわち、切替弁８０Ｂは、第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂから供給される燃料ガスが燃料電池６０に導入されるように、燃料ガス供給管Ｌ９を切り替える。

また、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂは、流出ガス供給管Ｌ５を介して改質器３０の燃焼層３０Ｂと接続されている。改質器３０の燃焼層３０Ｂから流出された高温の流出ガスは、流出ガス供給管Ｌ５を介して第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂに供給される。燃焼層３０Ｂから流出された流出ガスの温度は、例えば５００℃〜６００℃程度である。第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂは、吸着材に吸着されたアンモニアの量が多くなると性能が低下する。このため、吸着材からアンモニアを除去する（吸着材を再生する）必要がある。燃料電池システム１では、改質器３０の燃焼層３０Ｂから流出される流出ガスの熱を用いて第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂの吸着材を再生する。すなわち、燃料電池システム１では、燃焼層３０Ｂは、アンモニアを吸着した吸着材を再生する再生用ガスを第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂに供給する再生用ガス供給部として機能する。第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂを通過した流出ガスは、流出管Ｌ１０を介して燃料電池システム１の外部に流出される。なお、再生用ガスは燃焼層３０Ｂで発生する熱を熱源とした流体であり、ここでは流出ガスが再生用ガスとして用いられる。

流出ガス供給管Ｌ５上には、切替弁８０Ｃが設けられている。切替弁８０Ｃは、例えば三方弁であり、改質器３０の燃焼層３０Ｂと第１吸着器５０Ａとの接続、及び、改質器３０の燃焼層３０Ｂと第２吸着器５０Ｂとの接続を切り替える。すなわち、切替弁８０Ｃは、改質器３０の燃焼層３０Ｂから流出された流出ガスが第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂに導入されるように、流出ガス供給管Ｌ５を切り替える。

このように、切替弁８０Ａ，８０Ｃは、熱交換器４０を通過した改質ガスの供給先を複数の吸着器のうち何れかの吸着器に切り替えると共に、流出ガス（再生用ガス）の供給先を複数の吸着器のうち他の吸着器に切り替える。

流出管Ｌ１０上には、切替弁８０Ｄが設けられている。切替弁８０Ｄは、例えば三方弁であり、第１吸着器５０Ａと燃料電池システム１の外部との接続、及び、第２吸着器５０Ｂと燃料電池システム１の外部との接続を切り替える。すなわち、切替弁８０Ｄは、第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂから排ガスが燃料電池システム１の外部に流出されるように、流出管Ｌ１０を切り替える。

切替弁８０Ａ〜８０Ｄは、制御部９０によって制御される。制御部９０は、複数の吸着器のうち何れかの吸着器に改質ガスが導入されて燃料ガスが生成されると共に、複数の吸着器のうち他の吸着器に流出ガス（再生用ガス）が導入されて吸着材が再生されるように、切替弁８０Ａ〜８０Ｄを制御する。

燃料電池６０は、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂの下流に設けられており、燃料ガス供給管Ｌ９を介して第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂと接続されている。また、燃料電池６０は、空気供給管Ｌ１１を介して空気供給部７０と接続されている。燃料電池６０は、第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂから供給された燃料ガスと、空気供給管Ｌ１１を介して空気供給部７０から供給された空気とを用いて発電を行う。燃料電池６０としては、例えば固体高分子形の燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer electrolyte Fuel Cell）が用いられ得る。なお、燃料電池６０は固体高分子形に限定されず、固体酸化物形又はアルカリ形の燃料電池等であってもよい。

空気供給部７０には、空気供給管Ｌ３，Ｌ１１が接続されている。空気供給部７０は、空気供給管Ｌ３，Ｌ１１を介して、それぞれ改質器３０、燃料電池６０に空気を供給する。

次に、図２〜図４を参照して、改質器３０について説明する。図２は、図１の改質器を概略的に示す斜視図である。図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。図４（ａ）は、図２の改質器の改質層を概略的に示す図であり、図４（ｂ）は、図２の改質器の燃焼層を概略的に示す図である。

改質器３０は、熱交換方式の改質器である。改質器３０は、気化したアンモニアを改質することで、水素を含有する改質ガスを生成する。図２〜図４に示されるように、改質器３０は、気化器２０により気化されたアンモニアを水素に分解する改質触媒を含む複数の改質層３０Ａと、気化器２０により気化されたアンモニアを燃焼する燃焼触媒を含む複数の燃焼層３０Ｂと、を有している。改質層３０Ａと燃焼層３０Ｂとは、燃焼層３０Ｂで発生する熱が改質層３０Ａに伝熱するように、仕切り板３１を介して交互に積層されている（図５参照）。改質層３０Ａと燃焼層３０Ｂとは互いに独立した空間となっており、改質層３０Ａに導入されたガスと燃焼層３０Ｂに導入されたガスとは混合しない構成とされている。

図４（ａ）に示すように、一層当たりの改質層３０Ａは、平板状の形状を有している。改質層３０Ａは、熱交換部４１（第１熱交換部）と、入口部４２（第１入口部）と、出口部４３（第１出口部）と、を備える。なお、以降の説明においては、ＸＹ座標系を用いて説明を行う場合がある。熱交換部４１内においてアンモニアガスが流れる方向をＸ軸方向とする。アンモニアガスの流れにおける上流側をＸ軸方向の負側とし、下流側を正側とする。また、Ｘ軸方向及び改質器３０の積層方向と直交する方向をＹ軸方向とする。Ｙ軸方向の一方側を負側とし、他方側を正側とする。

熱交換部４１は、改質原料であるアンモニアガスを改質する改質触媒３５Ａ（図３参照）を含み、燃焼層３０Ｂとの間で熱交換を行う。これにより、熱交換部４１は、アンモニアガスを改質して改質ガスを生成する。熱交換部４１は、Ｘ軸方向へ真っすぐに延びる矩形状の形状を有している。熱交換部４１は、ガスを流通させる複数の流路４１ａを有する。各流路４１ａは、熱交換部４１のＸ軸方向における両端部間で、Ｘ軸方向に真っ直ぐに延びている。複数の流路４１ａは、Ｙ軸方向に並べられている。熱交換部４１のＸ軸方向の負側の端部、すなわち上流側の端部は、当該熱交換部４１におけるアンモニアガスの入口となる。熱交換部４１のＸ軸方向の正側の端部、すなわち下流側の端部は、当該熱交換部４１における改質ガスの出口となる。

入口部４２は、熱交換部４１に対してアンモニアガスを流入させる。入口部４２は、熱交換部４１の上流側の端部からＸ軸に対して傾斜する方向（傾斜方向Ｄ１と称する）へ延びる。本実施形態では、入口部４２は、熱交換部４１の上流側の端部から、Ｙ軸方向の正側へ向かうように傾斜する。入口部４２の傾斜方向がＸ軸方向に対して傾斜する傾斜角は特に限定されないが、図４においては４５°に設定されている。入口部４２は、アンモニアガスを流通させる複数の流路４２ａを有する。各流路４２ａは、入口部４２の傾斜方向Ｄ１における両端部間で、傾斜方向Ｄ１に真っ直ぐに延びている。複数の流路４２ａは、傾斜方向Ｄ１と直交する方向に並べられている。入口部４２は、流路４１ａと同じ本数の流路４２ａを有する。入口部４２の傾斜方向Ｄ１の端部のうち、熱交換部４１とは反対側の端部、すなわち上流側の端部は、当該入口部４２におけるアンモニアガスの入口となる。また、当該端部が改質層３０Ａにおけるガス導入口３０Ａａを構成する。ガス導入口３０Ａａでは、複数の流路４２ａが開口している。ガス導入口３０Ａａは、傾斜方向Ｄ１と直交する方向に延びている。入口部４２の傾斜方向Ｄ１における端部のうち、熱交換部４１と接続される端部、すなわち下流側の端部は、当該入口部４２におけるアンモニアガスの出口となる。当該端部において、各流路４２ａが各流路４１ａに接続される。

出口部４３は、熱交換部４１で生成した改質ガスを流出させる。出口部４３は、熱交換部４１の下流側の端部からＸ軸に対して傾斜する方向（傾斜方向Ｄ２と称する）へ延びる。本実施形態では、出口部４３は、熱交換部４１の下流側の端部から、Ｙ軸方向の負側へ向かうように傾斜する。出口部４３の傾斜方向がＸ軸方向に対して傾斜する傾斜角は特に限定されないが、図４においては４５°に設定されている。出口部４３は、改質ガスを流通させる複数の流路４３ａを有する。各流路４３ａは、出口部４３の傾斜方向Ｄ２における両端部間で、傾斜方向Ｄ２に真っ直ぐに延びている。複数の流路４３ａは、傾斜方向Ｄ２と直交する方向に並べられている。出口部４３は、流路４１ａと同じ本数の流路４３ａを有する。出口部４３の傾斜方向Ｄ２の端部のうち、熱交換部４１とは反対側の端部、すなわち下流側の端部は、当該出口部４３における改質ガスの出口となる。また、当該端部が改質層３０Ａにおけるガス流出口３０Ａｂを構成する。ガス流出口３０Ａｂでは、複数の流路４３ａが開口している。ガス流出口３０Ａｂは、傾斜方向Ｄ２と直交する方向に延びている。出口部４３の傾斜方向Ｄ２における端部のうち、熱交換部４１と接続される端部、すなわち上流側の端部は、当該出口部４３における改質ガスの入口となる。当該端部において、各流路４３ａが各流路４１ａに接続される。なお、本実施形態では、出口部４３の構成は、熱交換部４１の中央位置を基準点としたときに、積層方向から見て、入口部４２と１８０°の回転角度で回転対称をなす。

図４（ｂ）に示すように、一層当たりの燃焼層３０Ｂは、平板状の形状を有している。燃焼層３０Ｂは、熱交換部４４（第２熱交換部）と、入口部４５（第２入口部）と、出口部４６（第２出口部）と、を備える。

熱交換部４４は、燃料であるアンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒３５Ｂ（図３参照）を含み、改質層３０Ａとの間で熱交換を行う。これにより、熱交換部４４は、発生した熱を改質層３０Ａの熱交換部４１へ付与する。熱交換部４４は、Ｘ軸方向へ真っすぐに延びる矩形状の形状を有している。熱交換部４４は、ガスを流通させる複数の流路４４ａを有する。各流路４４ａは、熱交換部４４のＸ軸方向における両端部間で、Ｘ軸方向に真っ直ぐに延びている。複数の流路４４ａは、Ｙ軸方向に並べられている。熱交換部４４のＸ軸方向の負側の端部、すなわち上流側の端部は、当該熱交換部４４におけるアンモニアガスの入口となる。熱交換部４４のＸ軸方向の正側の端部、すなわち下流側の端部は、当該熱交換部４４における排ガスの出口となる。

入口部４５は、熱交換部４４に対して燃料であるアンモニアガスを流入させる。入口部４５は、熱交換部４４の上流側の端部からＸ軸に対して傾斜する方向（傾斜方向Ｄ３と称する）へ延びる。本実施形態では、入口部４５は、熱交換部４４の上流側の端部から、Ｙ軸方向の負側へ向かうように傾斜する。入口部４５の傾斜方向がＸ軸方向に対して傾斜する傾斜角は特に限定されないが、図４においては４５°に設定されている。入口部４５は、アンモニアガスを流通させる複数の流路４５ａを有する。各流路４５ａは、入口部４５の傾斜方向Ｄ３における両端部間で、傾斜方向Ｄ３に真っ直ぐに延びている。複数の流路４５ａは、傾斜方向Ｄ３と直交する方向に並べられている。入口部４５は、流路４４ａと同じ本数の流路４５ａを有する。入口部４５の傾斜方向Ｄ３の端部のうち、熱交換部４４とは反対側の端部、すなわち上流側の端部は、当該入口部４５におけるアンモニアガスの入口となる。また、当該端部が燃焼層３０Ｂにおけるガス導入口３０Ｂａを構成する。ガス導入口３０Ｂａでは、複数の流路４５ａが開口している。ガス導入口３０Ｂａは、傾斜方向Ｄ３と直交する方向に延びている。入口部４５の傾斜方向Ｄ３における端部のうち、熱交換部４４と接続される端部、すなわち下流側の端部は、当該入口部４５におけるアンモニアガスの出口となる。当該端部において、各流路４５ａが各流路４４ａに接続される。

出口部４６は、熱交換部４４からの流出ガスを流出させる。出口部４６は、熱交換部４４の下流側の端部からＸ軸に対して傾斜する方向（傾斜方向Ｄ４と称する）へ延びる。本実施形態では、出口部４６は、熱交換部４４の下流側の端部から、Ｙ軸方向の正側へ向かうように傾斜する。出口部４６の傾斜方向がＸ軸方向に対して傾斜する傾斜角は特に限定されないが、図４においては４５°に設定されている。出口部４６は、排ガスを流通させる複数の流路４６ａを有する。各流路４６ａは、出口部４６の傾斜方向Ｄ４における両端部間で、傾斜方向Ｄ４に真っ直ぐに延びている。複数の流路４６ａは、傾斜方向Ｄ４と直交する方向に並べられている。出口部４６は、流路４４ａと同じ本数の流路４６ａを有する。出口部４６の傾斜方向Ｄ４の端部のうち、熱交換部４４とは反対側の端部、すなわち下流側の端部は、当該出口部４６における排ガスの出口となる。また、当該端部が燃焼層３０Ｂにおけるガス流出口３０Ｂｂを構成する。ガス流出口３０Ｂｂでは、複数の流路４６ａが開口している。ガス流出口３０Ｂｂは、傾斜方向Ｄ４と直交する方向に延びている。出口部４６の傾斜方向Ｄ４における端部のうち、熱交換部４４と接続される端部、すなわち上流側の端部は、当該出口部４６における排ガスの入口となる。当該端部において、各流路４６ａが各流路４４ａに接続される。なお、本実施形態では、出口部４６の構成は、熱交換部４４の中央位置を基準点としたときに、積層方向から見て、入口部４５と１８０°の回転角度で回転対称をなす。

改質層３０Ａの熱交換部４１と燃焼層３０Ｂの熱交換部４４は同形状に形成されている。また、改質層３０Ａのうち、燃焼層３０Ｂの入口部４５及び出口部４６に対応する位置には、当該入口部４５及び出口部４６と同一の外形を有する支持部４７Ａ，４８Ａが形成されている。支持部４７Ａ，４８Ａは、積層時に入口部４５及び出口部４６をそれぞれ支持する。燃焼層３０Ｂのうち、改質層３０Ａの入口部４２及び出口部４３に対応する位置には、当該入口部４２及び出口部４３と同一の外形を有する熱交換部４７Ｂ（第３熱交換部）及び支持部４８Ｂが形成されている。熱交換部４７Ｂ及び支持部４８Ｂは、積層時に入口部４２及び出口部４３をそれぞれ支持する。これにより、改質層３０Ａと燃焼層３０Ｂは、積層方向から見て同一の外形を有している。改質層３０Ａと燃焼層３０Ｂは、交互に積層される。従って、熱交換部４１と熱交換部４４とは交互に積層され、入口部４２と熱交換部４７Ｂとは交互に積層され、出口部４３と支持部４８Ｂとは交互に積層され、入口部４５と支持部４７Ａとは交互に積層され、出口部４６と支持部４８Ａとは交互に積層される。

熱交換部４７Ｂは、入口部４２に対して設けられ、当該入口部４２に対して熱を供給する部分である。なお、「入口部４２に対して設けられ」とは、熱交換部４７Ｂが入口部４２に対して直接取り付け（積層）されている状態を示している。すなわち、入口部４２から延びる配管に対して、当該入口部４２から離れた位置に熱交換部を設けた場合、当該熱交換部は、入口部４２に対して設けられたものに該当しない。熱交換部４７Ｂは、出口部４６から流出した流出ガスを流通させる。熱交換部４７Ｂは、出口部４６からの流出ガスを流通させる複数の流路４７Ｂａを有する。各流路４７Ｂａは、入口部４２の流路４２ａが延びる方向（傾斜方向Ｄ１）に対して交差する方向（ここでは傾斜方向Ｄ３）へ真っすぐ延びる。複数の流路４７Ｂａは、傾斜方向Ｄ３と直交する方向に並べられている。熱交換部４７Ｂの傾斜方向Ｄ３の端部のうち、一方の端部は、当該熱交換部４７Ｂにおける流出ガスの入口となる。また、当該端部が熱交換部におけるガス導入口４７Ｂｂを構成する。熱交換部４７Ｂの傾斜方向Ｄ３の端部のうち、他方の端部は、当該熱交換部４７Ｂにおける流出ガスの出口となる。また、当該端部が熱交換部におけるガス流出口４７Ｂｃを構成する。本実施形態では、出口部４６に近い側の端部がガス導入口４７Ｂｂとなり、遠い側の端部がガス流出口４７Ｂｃとなる。

図３に示すように、熱交換部には、例えばフィン構造体３４が配置されている。フィン構造体３４は、改質層３０Ａの内部及び燃焼層３０Ｂの内部を複数の流路に分割している。これにより、流路４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａ，４５ａ，４６ａ，４７Ｂａが形成される。

改質層３０Ａの熱交換部４１内には、ペレット状の改質触媒３５Ａが充填されている。改質触媒３５Ａは、熱交換部４１の各流路４１ａ内に充填される。改質触媒３５Ａとしては、例えばルテニウム（Ｒｕ）又はロジウム（Ｒｈ）等が用いられ得る。なお、改質触媒３５Ａは、触媒材料を担持体に担持させた粒状の部材である。燃焼層３０Ｂの熱交換部４４内には、ペレット状の燃焼触媒３５Ｂが充填されている。燃焼触媒３５Ｂは、熱交換部４４の各流路４４ａ内に充填される。燃焼触媒３５Ｂとしては、例えば白金（Ｐｔ）又はロジウム（Ｒｈ）等が用いられ得る。なお、燃焼触媒３５Ｂは、触媒材料を担持体に担持させた粒状の部材である。ただし、各触媒は粒子状の部材でなくともよく、例えば各触媒の材料を流路の壁部に塗布することで触媒層を形成してもよい。

ガス導入口３０Ａａはアンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ａ（図１参照）に接続され、ガス導入口３０Ｂａはアンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ｂ（図１参照）に接続されている。ガス流出口３０Ａｂは改質ガス供給管Ｌ４（図１参照）に接続されている。また、ガス流出口３０Ｂｂは中継管Ｌ１５を介して熱交換部４７Ｂのガス導入口４７Ｂｂと接続される。熱交換部４７Ｂのガス流出口４７Ｂｃは、流出ガス供給管Ｌ５（図１参照）に接続されている。

改質層３０Ａには、アンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ａからアンモニアガスが供給される。アンモニアガスは、ガス導入口３０Ａａを通過してそれぞれの改質層３０Ａに導入される。改質層３０Ａに導入されたアンモニアは、燃焼層３０Ｂで発生した熱及び改質触媒によって水素及び窒素に分解される。より具体的には、下記の式のように、アンモニアの分解反応が起こり（吸熱反応）、水素がリッチな状態の改質ガスが生成される。なお、改質ガスには少量のアンモニアが含まれていてもよい。改質ガスに含まれる水素の比率は約７５％程度である。それぞれの改質層３０Ａで生成された改質ガスは、ガス流出口３０Ａｂを通過して改質ガス供給管Ｌ４に供給される。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２

燃焼層３０Ｂには、アンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ｂからアンモニアガス及び空気が供給される。アンモニアガス及び空気は、ガス導入口３０Ｂａを通過してそれぞれの燃焼層３０Ｂに導入される。燃焼層３０Ｂでは、アンモニアを酸化させることで熱を発生させる。より具体的には、下記の式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、そのアンモニアの酸化反応により熱が発生する（発熱反応）。この反応により、窒素、酸素、及び水を含む流出ガスが生成される。それぞれの燃焼層３０Ｂで生成された流出ガスは、ガス流出口３０Ｂｂを通過して中継管Ｌ１５及び熱交換部４７Ｂを介して流出ガス供給管Ｌ５に供給される。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ

なお、改質器３０は、燃料電池システム１の起動運転時にアンモニアを分解するための熱を発生させるヒータ部を有していてもよい。

次に、図５及び図６を参照して、改質器３０においてガスを流通させるための構成の具体例について説明する。図５は、改質器を上方から見た平面図である。図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。

図５に示すように、入口部４２のガス導入口３０Ａａに対してヘッダ部５１が設けられる。ヘッダ部５１は、アンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ａに接続される。ヘッダ部５１は、当該管部Ｌ２ａから供給されたアンモニアガスを内部空間で広げて、各ガス導入口３０Ａａへ供給する。出口部４３のガス流出口３０Ａｂに対してヘッダ部５２が設けられる。ヘッダ部５２は、改質ガス供給管Ｌ４に接続される。ヘッダ部５２は、各ガス流出口３０Ａｂから流出した改質ガスを内部空間で広げて、改質ガス供給管Ｌ４へ供給する。入口部４５のガス導入口３０Ｂａに対してヘッダ部５３が設けられる。ヘッダ部５３は、アンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ｂに接続される。ヘッダ部５３は、当該管部Ｌ２ｂから供給されたアンモニアガスを内部空間で広げて、各ガス導入口３０Ｂａへ供給する。出口部４６のガス流出口３０Ｂｂに対してヘッダ部５４が設けられる。ヘッダ部５４は、中継管Ｌ１５に接続される。ヘッダ部５４は、各ガス流出口３０Ｂｂから流出した流出ガスを内部空間で広げて、中継管Ｌ１５へ供給する。熱交換部４７Ｂのガス導入口４７Ｂｂに対してヘッダ部５５が設けられる。ヘッダ部５５は、中継管Ｌ１５に接続される。ヘッダ部５５は、当該中継管Ｌ１５から供給された流出ガスを内部空間で広げて、各ガス導入口４７Ｂｂへ供給する。熱交換部４７Ｂのガス流出口４７Ｂｃに対してヘッダ部５６が設けられる。ヘッダ部５６は、流出ガス供給管Ｌ５に接続される。ヘッダ部５６は、各ガス流出口４７Ｂｃから流出した流出ガスを内部空間で広げて、流出ガス供給管Ｌ５へ供給する。

図６に示すように、ヘッダ部５５は、積層方向における全部のガス導入口４７Ｂｂを覆うように設けられる。各ガス導入口４７Ｂｂは、ヘッダ部５５の内部空間ＳＰに対して開口している。一方、入口部４２は、ヘッダ部５５に対して遮断されている。従って、熱交換部４７Ｂの流路４７Ｂａは、ヘッダ部５５の内部空間と連通しており、入口部４２の流路４２ａは、ヘッダ部５５の内部空間と連通していない。ヘッダ部５６は、積層方向における全部のガス流出口４７Ｂｃを覆うように設けられる。各ガス流出口４７Ｂｃは、ヘッダ部５６の内部空間ＳＰに対して開口している。一方、入口部４２は、ヘッダ部５６に対して遮断されている。従って、熱交換部４７Ｂの流路４７Ｂａは、ヘッダ部５６の内部空間と連通しており、入口部４２の流路４２ａは、ヘッダ部５６の内部空間と連通していない。このような構成により、中継管Ｌ１５を介してヘッダ部５５へ流れ込んだ流出ガスは、当該ヘッダ部５５の内部空間で広がり、各ガス導入口４７Ｂｂを介して各熱交換部４７Ｂの流路４７Ｂａへ流入する。また、各熱交換部４７Ｂの流路４７Ｂａを流通した流出ガスは、ガス流出口４７Ｂｃを介してヘッダ部５６の内部空間へ流出する。そして、ヘッダ部５６の内部空間で集められた流出ガスは、流出ガス供給管Ｌ５へ流れる。ここで、流路４７Ｂａを流れる流出ガスは、燃焼層３０Ｂでの燃焼によって発生したガスであるため高温である。一方、流路４２ａを流れるアンモニアガスは、反応前のガスであるため、流出ガスに比して低温である。従って、流路４７Ｂａを流れる流出ガスの熱は、流路４２ａを流れるアンモニアガスへ供給される。なお、他のヘッダ部５１，５２，５３，５４も、ヘッダ部５５，５６と同趣旨の構成を有している。

次に、本実施形態に係る改質器３０の作用・効果について説明する。

この改質器３０では、改質層３０Ａの入口部４２に対して熱交換部４７Ｂが設けられる。熱交換部４７Ｂは、燃焼層３０Ｂの出口部４６から流出した流出ガスを流通させる。熱交換部４７Ｂは、出口部４６から流出した高温の流出ガスを流通させることで、入口部４２を流通して熱交換部４１へ流入する改質原料のガスを加熱することができる。これにより、エネルギー効率を向上できる。また、熱交換部４７Ｂが改質器３０の一部分である入口部４２に対して設けられているため、改質器３０の外部に熱交換部を設ける場合に比して、システムの体格が大きくなることを抑制できる。以上により、コンパクトな構成にてエネルギー効率を向上できる。

熱交換部４７Ｂは、入口部４２に対して設けられる。これにより、熱交換部４７Ｂは、改質層３０Ａに流入する改質原料のガスを加熱することができる。熱交換部４１へ流入する前段階で改質原料のガスの温度を高くすることで、燃焼層３０Ｂが改質層３０Ａへ供給する熱量を低減できる。すなわち、燃焼層３０Ｂで必要となる燃料を少なくすることができる。これにより、エネルギー効率を向上することができる。

熱交換部４７Ｂは、出口部４６からの流出ガスを流通させる。流出ガスは、燃焼層３０Ｂでの燃焼によって生じるガスであるため高温である。従って、熱交換部４７Ｂは、高温の流出ガスから熱を回収することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、図７（ａ）に示す構成を採用してもよい。この構成における熱交換部４７Ｂは、改質層３０Ａの出口部４３から中継管Ｌ１６を介して改質ガスを流通させている。この場合、熱交換部４７Ｂは、高温の改質ガスによって改質原料のガスを加熱することができる。改質ガスは、改質層３０Ａを出た後は冷却される必要があり、そのために熱交換器４０が設けられている。熱交換部４７Ｂに改質ガスを流通させて改質原料ガスを加熱すると、加熱した分だけ改質ガスが冷却される。従って、その分だけ熱交換器４０を小型化することができる。

また、図７（ｂ）に示す構成を採用してもよい。この改質器は、図５に示す改質器３０に対して、熱交換部１４７Ａ（第３熱交換部）が追加されている。熱交換部１４７Ａは、前述の支持部４７Ａ（図４参照）に対して熱交換部４７Ｂと同趣旨の流路を形成することによって構成される。熱交換部１４７Ａは、燃焼層３０Ｂの入口部４５に対して設けられる。また、熱交換部１４７Ａは、改質層３０Ａの出口部４３から中継管Ｌ１７を介して改質ガスを流通させている。このように、熱交換部１４７Ａ，４７Ｂは、出口部４３からの改質ガス及び出口部４６からの流出ガスを流通させている。改質ガス及び流出ガスの両方を熱交換に用いることができるため、エネルギー効率を向上することができる。

なお、熱交換部１４７Ａが流出ガスを流通させてもよい。また、熱交換部４７Ｂ及び熱交換部１４７Ａの少なくとも一方が、改質ガス及び流出ガスの両方を流通させてもよい。この場合、改質ガスと流出ガスとが混合しないように流路を分ける必要がある。また、熱交換部４７Ｂ及び熱交換部１４７Ａの両方が改質ガスを流通させてもよく、熱交換部４７Ｂ及び熱交換部１４７Ａの両方が流出ガスを流通させてもよい。

３０…改質器（熱交換型改質器）、３０Ａ…改質層、３０Ｂ…燃焼層、３５Ａ…改質触媒、３５Ｂ…燃焼触媒、４１…熱交換部（第１熱交換部）、４２…入口部（第１入口部）、４３…出口部（第１出口部）、４４…熱交換部（第２熱交換部）、４５…入口部（第２入口部）、４６…出口部（第２出口部）、４７Ｂ，１４７Ａ…熱交換部（第３熱交換部）。

Claims (4)

1. 改質原料から水素を含有する改質ガスを生成する改質層と、
   燃料を燃焼させることで熱を発生する燃焼層と、が互いに積層されて熱交換を行う熱交換型改質器であって、
   前記改質層は、
   前記改質原料を改質する改質触媒を含み、前記燃焼層との間で熱交換を行う第１熱交換部と、
   前記第１熱交換部に対して前記改質原料を流入させる第１入口部と、
   前記第１熱交換部で生成した前記改質ガスを流出させる第１出口部と、を備え、
   前記燃焼層は、
   前記燃料を燃焼させる燃焼触媒を含み、前記改質層との間で熱交換を行う第２熱交換部と、
   前記第２熱交換部に対して前記燃料を流入させる第２入口部と、
   前記第２熱交換部からの流出ガスを流出させる第２出口部と、を備え、
   前記第１入口部及び前記第２入口部の少なくとも一方に対して第３熱交換部が設けられ、
   前記第３熱交換部は、前記第１出口部及び前記第２出口部から流出したガスの少なくとも一方を流通させる、熱交換型改質器。
2. 前記第３熱交換部は、前記第１入口部に対して設けられる、請求項１に記載の熱交換型改質器。
3. 前記第３熱交換部は、前記第２出口部からの前記流出ガスを流通させる、請求項１又は２に記載の熱交換型改質器。
4. 前記第３熱交換部は、前記第１出口部からの前記改質ガス及び前記第２出口部からの前記流出ガスを流通させる、請求項１〜３の何れか一項に記載の熱交換型改質器。

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