JP2020180014A - 改質システム - Google Patents

Abstract

【課題】改質器により生成される改質ガスに含まれる水分を低減することができる改質装置を提供する。【解決手段】改質システム１は、改質装置５と減圧弁５１，５２とを備え、改質装置５は、アンモニアガスを水素に分解して改質ガスを生成する複数の改質部８と、アンモニアガスを燃焼して燃焼ガスを生成する複数の燃焼部９とが交互に積層されてなる改質器２０と、燃焼部９の一端側に配置され、アンモニアガス及び空気を燃焼部９に導入する複数の入口ヘッダ２１と、燃焼部９の他端側に配置され、燃焼ガスを導出する複数の出口ヘッダ２２とを備え、改質部８の上流側端部は、アンモニアガスが導入されるアンモニアガス導入口を有し、改質部８の下流側端部は、改質ガスが導出される改質ガス導出口を有し、減圧弁５１，５２は、改質部８の圧力が燃焼部９の圧力よりも高くなるように改質装置５の圧力を設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、改質システムに関する。

例えば特許文献１には、アンモニアを改質する改質装置が開示されている。特許文献１に記載の改質装置は、アンモニアを燃焼させるアンモニア燃焼触媒とアンモニアを分解するアンモニア分解触媒とが充填された反応器を備えている。アンモニア分解触媒は、反応器内におけるアンモニア燃焼触媒の下流側に配置されている。反応器には、アンモニア及び空気が導入されるガス導入口と、改質ガスが導出されるガス導出口とが設けられている。

特開２０１０−２１５４５７号公報

しかしながら、上記従来技術においては、アンモニア燃焼触媒による燃焼反応とアンモニア分解触媒による改質反応とが同じ反応器（改質器）内で行われる。このため、反応器内から導出される改質ガスは、水素、窒素及び水分を含んだ混合ガスとなる。従って、必要な水素を取り出すために、水分を除去する処理等といった多くの処理が必要となる。

本発明の目的は、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分を低減することができる改質システムを提供することである。

本発明の一態様に係る改質システムは、燃料ガスを改質する改質装置と、改質装置に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、改質装置に供給される酸化性ガスが流れる酸化性ガス流路と、改質装置の圧力を設定する圧力設定部とを備え、改質装置は、燃料ガスを水素に分解して水素を含有した改質ガスを生成する複数の改質部と、酸化性ガスにより燃料ガスを燃焼して水分を含有した燃焼ガスを生成する複数の燃焼部とが交互に積層されてなる改質器と、燃焼部の一端側に配置され、燃料ガス及び酸化性ガスを燃焼部に導入する複数の入口ヘッダと、燃焼部の他端側に配置され、燃焼部により生成された燃焼ガスを導出する複数の出口ヘッダとを備え、複数の入口ヘッダは、燃料ガス流路及び酸化性ガス流路と接続されており、改質部の入口ヘッダ側の端部は、燃料ガス流路と接続され燃料ガスが導入される燃料ガス導入口を有し、改質部の出口ヘッダ側の端部は、改質部により生成された改質ガスが導出される改質ガス導出口を有し、圧力設定部は、改質部の圧力が燃焼部の圧力よりも高くなるように改質装置の圧力を設定する。

このような改質システムにおいては、燃料ガスが改質器の各改質部及び各入口ヘッダ内に導入されると共に、酸化性ガスが各入口ヘッダ内に導入される。入口ヘッダ内に燃料ガス及び酸化性ガスが導入されると、燃料ガス及び酸化性ガスが改質器の燃焼部に供給され、燃焼部において燃料ガスが燃焼する。このため、水分を含有した燃焼ガスが生成され、その燃焼ガスが出口ヘッダ内から導出される。このとき、燃焼ガスの燃焼熱が改質部に伝わり、改質部において燃料ガスの改質が行われることで、水素を含有した改質ガスが生成され、その改質ガスが改質部から導出される。このように改質器では、改質ガスが流れる空間と燃焼ガスが流れる空間とが異なるため、改質ガスと燃焼ガスとが混ざりにくい。また、改質部の圧力を燃焼部の圧力よりも高くすることにより、燃焼部により生成された燃焼ガスに含まれる水分が改質器と入口ヘッダ及び出口ヘッダとの間を通って改質部に漏れることが防止される。以上により、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分が低減される。

圧力設定部は、燃料ガス流路及び酸化性ガス流路の少なくとも一方に配設された圧力調整弁であってもよい。このような構成では、圧力調整弁を調整することで、改質部の圧力を燃焼部の圧力よりも容易に高くすることができる。

入口ヘッダは、燃焼部の一端部における少なくとも一方の側縁部から出口ヘッダの反対側に延在し、燃料ガス及び酸化性ガスが導入されるガス導入部と、ガス導入部の先端部から燃焼部の一端部における他方の側縁部側に向けて延在する入口側壁部とを有してもよい。このような構成では、燃料ガスが改質器の一端側から燃料ガス導入口を通って改質器の改質部に導入されると共に、燃料ガス及び酸化性ガスが改質器の側方から入口ヘッダのガス導入部及び入口ヘッダ内を通って改質器の燃焼部に導入される。このとき、入口ヘッダには入口側壁部が設けられているため、改質器の一端側から改質部に導入される燃料ガスが入口ヘッダ内に入り込むことが防止される。

複数の入口ヘッダのガス導入部には、改質部及び燃焼部の積層方向に延在し、燃料ガス及び酸化性ガスをガス導入部に供給するガス供給部材が固定されており、複数の入口ヘッダは、ガス供給部材を介して燃料ガス流路及び酸化性ガス流路と接続されていてもよい。このような構成では、燃料ガス及び酸化性ガスは、ガス供給部材内を流れて各入口ヘッダのガス導入部に供給される。従って、複数の入口ヘッダへの燃料ガス及び酸化性ガスの供給系の構成を簡単化することができる。

出口ヘッダは、燃焼部の他端部における一方の側縁部から入口ヘッダの反対側に延在し、燃焼ガスが導出される燃焼ガス導出部と、燃焼ガス導出部の先端部から燃焼部の他端部における他方の側縁部側に向けて延在する出口側壁部とを有してもよい。このような構成では、燃焼部により生成された燃焼ガスは、出口ヘッダにおいて出口側壁部に沿って燃焼ガス導出部に流れる。従って、燃焼ガスを出口ヘッダ内から改質器の側方にスムーズに導出させることができる。

複数の出口ヘッダの燃焼ガス導出部には、改質部及び燃焼部の積層方向に延在し、燃焼ガス導出部から導出された燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出部材が固定されていてもよい。このような構成では、各出口ヘッダの燃焼ガス導出部から導出された燃焼ガスは、燃焼ガス排出部材内を流れて排出される。従って、複数の出口ヘッダからの燃焼ガスの排出系の構成を簡単化することができる。

入口ヘッダの基端部には、改質器の壁部と接合された入口側接合部が設けられており、出口ヘッダの基端部には、改質器の壁部と接合された出口側接合部が設けられていてもよい。このような構成では、燃焼部の一端部に入口ヘッダが取り付けられ、燃焼部の他端部に出口ヘッダが取り付けられることとなる。

改質部及び燃焼部は、角筒状を呈し、入口側接合部は、燃焼部の内側に曲げられた状態で壁部と接合されており、出口側接合部は、燃焼部の外側に曲げられた状態で壁部と接合されていてもよい。このような構成では、入口ヘッダ内に存在する酸化性ガスが入口側接合部と壁部との間から改質部に漏れにくくなるため、改質部において水分が生成されにくくなる。また、燃焼部に存在する水分が壁部と出口側接合部との間から改質部に漏れにくくなる。以上により、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分がより低減される。

改質部及び燃焼部は、角筒状を呈し、入口側接合部は、壁部と燃焼部の内側で重なり合った位置関係で接合されており、出口側接合部は、壁部と燃焼部の外側で重なり合った位置関係で接合されていてもよい。このような構成でも、入口ヘッダ内に存在する酸化性ガスが入口側接合部と壁部との間から改質部に漏れにくくなるため、改質部において水分が生成されにくくなる。また、燃焼部に存在する水分が壁部と出口側接合部との間から改質部に漏れにくくなる。以上により、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分がより低減される。

本発明によれば、改質器により生成される改質ガスに含まれる水分を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る改質システムを具備した燃料電池システムを示す概略構成図である。 図１に示された改質装置の外観を示す斜視図である。 図２に示された改質装置の一部構成を除いた状態を示す斜視図である。 図２に示された改質装置の平面図である。 図２に示された改質装置の正面図である。 図２に示された改質装置の背面図である。 図２に示された改質装置の拡大断面図である。 図２に示された改質装置の変形例の外観を示す斜視図である。 図８に示された改質装置の正面図である。 図８に示された改質装置の背面図である。 図８に示された改質装置の拡大断面図である。 図１１に示された改質装置の変形例を示す拡大断面図である。 図４に示された改質装置の変形例を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、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改質システムを具備した燃料電池システムを示す概略構成図である。図１において、燃料電池システム１００は、例えば燃料電池自動車に搭載される。燃料電池システム１００は、本実施形態の改質システム１と、燃料電池６とを具備している。改質システム１は、アンモニアタンク２と、気化器３と、空気供給部４と、改質装置５とを備えている。

アンモニアタンク２は、アンモニア（ＮＨ_３）を液体状態で貯蔵するタンクである。気化器３は、アンモニア流路７を介してアンモニアタンク２と接続されている。気化器３は、ポンプ（図示せず）によりアンモニアタンク２から導出された液体状態のアンモニアを気化させて、燃料ガスであるアンモニアガスを生成する。アンモニアタンク２及び気化器３は、アンモニアガスを改質装置５に供給するアンモニアガス供給部を構成している。

空気供給部４は、酸化性ガスである空気を改質装置５及び燃料電池６に供給する。空気供給部４としては、例えば送風機等が用いられる。

改質装置５は、気化器３により生成されたアンモニアガスを改質する。改質装置５は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒８Ａを含み、水素を含有した改質ガスを生成する改質部８と、空気によりアンモニアガスを燃焼する燃焼触媒９Ａを含み、水分を含有した燃焼ガスを生成する燃焼部９とを有している。改質触媒８Ａとしては、例えばルテニウム（Ｒｕ）またはロジウム（Ｒｈ）等が用いられる。燃焼触媒９Ａとしては、例えば白金（Ｐｔ）またはロジウム（Ｒｈ）等が用いられる。

改質部８及び燃焼部９は、アンモニアガス流路１０，１１を介して気化器３とそれぞれ接続されている。アンモニアガス流路１０は、気化器３と改質部８とを接続し、改質部８に供給されるアンモニアガスが流れる燃料ガス流路である。アンモニアガス流路１１は、気化器３と燃焼部９とを接続し、燃焼部９に供給されるアンモニアガスが流れる燃料ガス流路である。アンモニアガス流路１１は、アンモニアガス流路１０に分岐接続されている。

アンモニアガス流路１０には、改質部８に供給されるアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁１２が配設されている。アンモニアガス流路１１には、燃焼部９に供給されるアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁１３が配設されている。

また、アンモニアガス流路１１には、燃焼部９に供給されるアンモニアガスを減圧する減圧弁５１が配設されている。減圧弁５１は、燃焼部９に供給されるアンモニアガスの圧力を所定圧に保持する圧力調整弁である。減圧弁５１は、例えばアンモニアガス流路１１における流量調整弁１３の下流側に配置されている。

燃焼部９は、空気流路１４を介して空気供給部４と接続されている。空気流路１４は、燃焼部９に供給される空気が流れる酸化性ガス流路である。空気流路１４には、燃焼部９に供給される空気の流量を調整する流量調整弁１５が配設されている。

また、空気流路１４には、燃焼部９に供給される空気を減圧する減圧弁５２が配設されている。減圧弁５２は、燃焼部９に供給される空気の圧力を所定圧に保持する圧力調整弁である。減圧弁５２は、例えば空気流路１４における流量調整弁１５の下流側に配置されている。

減圧弁５１，５２は、改質部８の圧力が燃焼部９の圧力よりも高くなるように改質装置５の圧力を設定する圧力設定部を構成している。

このような改質システム１において、改質装置５の改質部８には、気化器３により生成されたアンモニアガスが導入される。改質装置５の燃焼部９には、気化器３からのアンモニアガスと空気供給部４からの空気とが導入される。

燃焼部９では、燃焼触媒９Ａによってアンモニアが酸化することで、燃焼熱が発生する。具体的には、下記式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、アンモニアの酸化反応により燃焼熱が発生する（発熱反応）。このような発熱反応により、窒素及び水蒸気（水分）を含有した燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、燃焼ガス流路１６を流れて大気中に放出される。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ

改質部８では、改質触媒８Ａによってアンモニアが水素及び窒素に分解される。具体的には、下記式のように、燃焼部９で発生した燃焼熱により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。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２

燃料電池６は、改質ガス流路１７を介して改質部８と接続されていると共に、空気流路１８を介して空気供給部４と接続されている。改質ガス流路１７は、改質部８により生成された改質ガスが流れる流路である。空気流路１８には、燃料電池６に供給される空気の流量を調整する流量調整弁１９が配設されている。

燃料電池６は、改質ガス中の水素と空気中の酸素とを化学反応させて、発電を行う。燃料電池６としては、例えば固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ：polymerelectrolyte fuel cell）が用いられる。なお、燃料電池６は、固体酸化物型またはアルカリ型の燃料電池等であってもよい。

図２は、改質装置５の外観を示す斜視図である。図３は、改質装置５の一部構成を除いた状態を示す斜視図である。図４は、改質装置５の平面図である。図５は、改質装置５の正面図である。図６は、改質装置５の背面図である。図７は、改質装置５の拡大断面図である。

図２〜図７において、改質装置５は、複数の改質部８と複数の燃焼部９とが交互に積層されてなる熱交換型の改質器２０と、燃焼部９の上流側端部９ａ（図７参照）側に配置された複数の入口ヘッダ２１と、燃焼部９の下流側端部９ｂ（図７参照）側に配置された複数の出口ヘッダ２２と、複数の入口ヘッダ２１に固定された２つのガス供給部材２３と、複数の出口ヘッダ２２に固定された燃焼ガス排出部材２４とを備えている。燃焼部９の上流側端部９ａは、燃焼部９の長手方向（Ｘ方向）の一端部である。燃焼部９の下流側端部９ｂは、燃焼部９の長手方向の他端部である。

改質器２０は、正面視矩形状の角筒状体２５と、この角筒状体２５の内部に配置されたハニカム構造体２６とを有している。角筒状体２５及びハニカム構造体２６は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。

角筒状体２５は、上壁２５ａ、下壁２５ｂ及び側壁２５ｃ，２５ｄからなっている。上壁２５ａ及び下壁２５ｂは、互いに対向している。側壁２５ｃ，２５ｄは、上壁２５ａ及び下壁２５ｂの対向方向に垂直な方向で互いに対向している。改質器２０の上流側及び下流側の端は、開口している。ハニカム構造体２６は、正方形状または矩形状のセルを形成する複数のセル壁部２７から構成されている。

改質部８及び燃焼部９は、複数段（ここでは２段）のセル毎に交互に積層されている。改質器２０の最上部及び最下部は、燃焼部９となっている。なお、図面では、便宜上改質器２０の最上部及び最下部が改質部８となっている。上記の改質触媒８Ａは、改質部８を構成するセル壁部２７に担持されている。上記の燃焼触媒９Ａは、燃焼部９を構成するセル壁部２７に担持されている。また、改質触媒８Ａ及び燃焼触媒９Ａとしては、ハニカム構造体２６の空間（セル）に触媒ペレットをつめてもよい。なお、改質触媒８Ａ及び燃焼触媒９Ａとしては、同じ触媒でもよいし、異なる触媒でもよい。

改質部８の上流側端部８ａ（図７参照）は、アンモニアガスが導入されるアンモニアガス導入口２８（燃料ガス導入口）を有している。改質部８の上流側端部８ａは、改質部８の入口ヘッダ２１側の端部である。改質部８の下流側端部８ｂ（図７参照）は、改質部８により生成された改質ガスが導出される改質ガス導出口２９を有している。改質部８の下流側端部８ｂは、改質部８の出口ヘッダ２２側の端部である。

入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａから上流側（出口ヘッダ２２の反対側）に突き出るように上流側端部９ａに取り付けられている。入口ヘッダ２１は、アンモニアガス及び空気を燃焼部９に導入する。入口ヘッダ２１は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。

入口ヘッダ２１は、平面視で２つの直角三角形が燃焼部９の幅方向（Ｙ方向）の中心に対して線対称に並んだ形状を呈している。燃焼部９の幅方向は、燃焼部９の長手方向に垂直な方向である。

具体的には、入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａの側縁部９ｃ，９ｄから上流側に延在し、アンモニアガス及び空気が導入される２つのガス導入部３０と、各ガス導入部３０の先端部３０ａから燃焼部９の上流側端部９ａにおける幅方向の中央部まで延在する２つの入口側壁部３１とを有している。なお、燃焼部９の上流側端部９ａの側縁部９ｃ，９ｄは、燃焼部９の上流側端部９ａにおける角筒状体２５の側壁２５ｃ，２５ｄに対応する部分である。

ガス導入部３０は、燃焼部９の上流側端部９ａにおける少なくとも一方の側縁部から出口ヘッダ２２の反対側に延在している。このため、アンモニアガス及び空気は、改質器２０の側方から入口ヘッダ２１内に導入される。入口側壁部３１は、ガス導入部３０の先端部３０ａから燃焼部９の上流側端部９ａにおける他方の側縁部側に延在している。入口側壁部３１は、燃焼部９の長手方向及び幅方向に対して傾斜するように延在している。

入口ヘッダ２１の基端部には、燃焼部９の上流側端部９ａにおいてハニカム構造体２６のセル壁部２７と接合された入口側接合部３２が設けられている。入口側接合部３２は、セル壁部２７の一端面に接合されている。入口ヘッダ２１の厚みは、例えば燃焼部９の高さ方向（Ｚ方向）の寸法と等しい。なお、燃焼部９の高さ方向は、改質部８と燃焼部９との積層方向に相当する。燃焼部９の高さ方向は、燃焼部９の長手方向及び幅方向に垂直な方向である。

出口ヘッダ２２は、燃焼部９の下流側端部９ｂから下流側（入口ヘッダ２１の反対側）に突き出るように下流側端部９ｂに取り付けられている。出口ヘッダ２２は、燃焼部９により生成された燃焼ガスを導出する。出口ヘッダ２２は、入口ヘッダ２１と同じ金属で形成されている。

出口ヘッダ２２は、平面視で直角三角形状を呈している。具体的には、出口ヘッダ２２は、燃焼部９の下流側端部９ｂの側縁部９ｄから下流側に延在し、燃焼ガスが導出される燃焼ガス導出部３３と、燃焼ガス導出部３３の先端部３３ａから燃焼部９の下流側端部９ｂの側縁部９ｃまで延在する出口側壁部３４とを有している。なお、燃焼部９の下流側端部９ｂの側縁部９ｃ，９ｄは、燃焼部９の下流側端部９ｂにおける角筒状体２５の側壁２５ｃ，２５ｄに対応する部分である。

燃焼ガス導出部３３は、燃焼部９の下流側端部９ｂにおける一方の側縁部から入口ヘッダ２１の反対側に延在している。このため、燃焼ガスは、改質器２０の側方に導出される。出口側壁部３４は、燃焼ガス導出部３３の先端部３３ａから燃焼部９の下流側端部９ｂにおける他方の側縁部側に向けて延在している。出口側壁部３４は、燃焼部９の長さ方向及び幅方向に対して傾斜するように延在している。

出口ヘッダ２２の基端部には、燃焼部９の下流側端部９ｂにおいてハニカム構造体２６のセル壁部２７と接合された出口側接合部３５が設けられている。出口側接合部３５は、セル壁部２７の他端面に接合されている。出口ヘッダ２２の厚みは、例えば燃焼部９の高さ方向の寸法と等しい。

ガス供給部材２３は、複数の入口ヘッダ２１のガス導入部３０に固定されている。ガス供給部材２３は、改質器２０の高さ方向（改質部８及び燃焼部９の積層方向）に延在している。ガス供給部材２３は、アンモニアガス及び空気を各ガス導入部３０に供給する部材である。

燃焼ガス排出部材２４は、複数の出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３に固定されている。燃焼ガス排出部材２４は、改質器２０の高さ方向に延在している。燃焼ガス排出部材２４は、各燃焼ガス導出部３３から導出された燃焼ガスを排出する部材である。

以上のような改質装置５において、改質器２０の各改質部８のアンモニアガス導入口２８には、上記のアンモニアガス流路１０が接続されている。各ガス供給部材２３には、上記のアンモニアガス流路１１及び空気流路１４が接続されている。つまり、アンモニアガス流路１１及び空気流路１４は、各入口ヘッダ２１のガス導入部３０にガス供給部材２３を介して接続されている。

改質器２０の各改質部８の改質ガス導出口２９には、上記の改質ガス流路１７が接続されている。燃焼ガス排出部材２４には、上記の燃焼ガス流路１６が接続されている。つまり、燃焼ガス流路１６は、各出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３に燃焼ガス排出部材２４を介して接続されている。

燃料電池システム１００の運転が開始されると、アンモニアガスが改質器２０の各改質部８に供給されると共に、アンモニアガス及び空気がガス供給部材２３内を流れて各入口ヘッダ２１内に供給される。また、燃料電池６にも、空気が供給される。

各入口ヘッダ２１のガス導入部３０にアンモニアガス及び空気が供給されると、アンモニアガス及び空気が各入口ヘッダ２１内を流れて改質器２０の各燃焼部９に供給される。このとき、アンモニアガス及び空気は、入口ヘッダ２１内を入口側壁部３１に沿って流れる。各燃焼部９では、空気によりアンモニアが燃焼されるため、アンモニアの燃焼熱が発生し、その燃焼熱が各改質部８に供給されると共に、Ｎ_２及びＨ_２Ｏを含む燃焼ガスが生成される。すると、各改質部８では、燃焼熱によってアンモニアガスの改質が行われるため、Ｎ_２及びＨ_２を含む改質ガスが生成される。

ここで、減圧弁５１，５２によって改質部８の圧力が燃焼部９の圧力よりも高くなるように設定されている。このため、燃焼部９で生成された燃焼ガスが改質器２０と入口ヘッダ２１の入口側接合部３２及び出口ヘッダ２２の出口側接合部３５との間を通って改質部８に入り込むことが起きにくい。

各改質部８により生成された改質ガスは、燃料電池６に供給される。そして、燃料電池６では、改質ガス及び空気を用いて発電が行われる。各燃焼部９により生成された燃焼ガスは、各出口ヘッダ２２内及び燃焼ガス排出部材２４内を流れて導出された後、大気中に放出される。このとき、燃焼ガスは、ガス処理部（図示せず）によって未燃のアンモニアガス等が処理された後に、大気中に放出される。

以上のように本実施形態にあっては、アンモニアガスが改質器２０の各改質部８及び各入口ヘッダ２１内に導入されると共に、空気が各入口ヘッダ２１内に導入される。入口ヘッダ２１内にアンモニアガス及び空気が導入されると、アンモニアガス及び空気が改質器２０の燃焼部９に供給され、燃焼部９においてアンモニアガスが燃焼する。このため、水分を含有した燃焼ガスが生成され、その燃焼ガスが出口ヘッダ２２内から導出される。このとき、燃焼ガスの燃焼熱が改質部８に伝わり、改質部８においてアンモニアガスの改質が行われることで、水素を含有した改質ガスが生成され、その改質ガスが改質部８から導出される。このように改質器２０では、改質ガスが流れる空間と燃焼ガスが流れる空間とが異なるため、改質ガスと燃焼ガスとが混ざりにくい。また、改質部８の圧力を燃焼部９の圧力よりも高くすることにより、燃焼部９により生成された燃焼ガスに含まれる水分が改質器２０と入口ヘッダ２１及び出口ヘッダ２２との間を通って改質部８に漏れることが防止される。以上により、改質器２０により生成される改質ガスに含まれる水分が低減される。その結果、改質ガスに含まれる水分を除去する処理が不要または簡単になる。

また、本実施形態では、アンモニアガス流路１１に配設された減圧弁５１と空気流路１４に配設された減圧弁５２とを調整することで、改質部８の圧力を燃焼部９の圧力よりも容易に高くすることができる。

また、本実施形態では、アンモニアガスが改質器２０の上流側からアンモニアガス導入口２８を通って改質器２０の改質部８に導入されると共に、アンモニアガス及び空気が改質器２０の側方から入口ヘッダ２１のガス導入部３０及び入口ヘッダ２１内を通って改質器２０の燃焼部９に供給される。このとき、入口ヘッダ２１には入口側壁部３１が設けられているため、改質器２０の上流側から改質部８に導入されるアンモニアガスが入口ヘッダ２１内に入り込むことが防止される。

また、本実施形態では、アンモニアガス及び空気は、ガス供給部材２３内を流れて各入口ヘッダ２１のガス導入部３０に導入される。従って、アンモニアガス及び空気の供給系の構成を簡単化することができる。

また、本実施形態では、燃焼部９により生成された燃焼ガスは、出口ヘッダ２２において出口側壁部３４に沿って燃焼ガス導出部３３に流れる。従って、燃焼ガスを出口ヘッダ２２内からスムーズに導出させることができる。

また、本実施形態では、各出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３から導出された燃焼ガスは、燃焼ガス排出部材２４内を流れて排出される。従って、燃焼ガスの排出系の構成を簡単化することができる。

また、本実施形態では、入口ヘッダ２１の基端部には、ハニカム構造体２６のセル壁部２７と接合された入口側接合部３２が設けられており、出口ヘッダ２２の基端部には、ハニカム構造体２６のセル壁部２７と接合された出口側接合部３５が設けられている。従って、燃焼部９の上流側端部９ａに入口ヘッダ２１が取り付けられ、燃焼部９の下流側端部９ｂに出口ヘッダ２２が取り付けられることとなる。

また、本実施形態では、入口ヘッダ２１内に導入されたアンモニアガス及び空気は、入口側壁部３１に沿って流れて改質器２０の燃焼部９に供給される。このため、燃焼部９における空気の流れ分布の均一性が良くなる。

なお、本実施形態では、改質器２０において、改質部８及び燃焼部９が複数段のセル毎に交互に積層されているが、特にその形態には限られず、改質部８及び燃焼部９が１段のセル毎に交互に積層されていてもよい。

また、本実施形態では、改質器２０は、正面視矩形状の角筒状体２５と、この角筒状体２５の内部に配置されたハニカム構造体２６とを有しているが、特にその形態には限られない。改質器２０は、正面視円形状の円筒状体と、この円筒状体の内部に配置されたハニカム構造体とを有していてもよい。

図８は、図２に示された改質装置の変形例の外観を示す斜視図である。図９は、図８に示された改質装置の正面図である。図１０は、図８に示された改質装置の背面図である。図１１は、図８に示された改質装置の拡大断面図である。

図８〜図１１において、本変形例の改質装置５は、上記の実施形態と同様に、複数の改質部８と複数の燃焼部９とが交互に積層されてなる改質器２０と、複数の入口ヘッダ２１と、複数の出口ヘッダ２２と、２つのガス供給部材２３と、燃焼ガス排出部材２４とを備えている。

改質部８及び燃焼部９は、何れも扁平の角筒状を呈している。つまり、改質部８及び燃焼部９は、角筒壁部４５により構成されている。改質装置５は、上記の実施形態のハニカム構造体２６を有していない。角筒壁部４５は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。

入口ヘッダ２１の基端部に設けられた入口側接合部３２は、燃焼部９の上流側端部９ａにおいて角筒壁部４５と接合されている。具体的には、入口側接合部３２は、燃焼部９の内側（燃焼部９内）に折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。つまり、入口側接合部３２を構成する上下の壁は、燃焼部９内に入り込んで出口ヘッダ２２側に向かって互いに近接するように折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。なお、入口側接合部３２を構成する両側の壁は、燃焼部９の内側に折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されていてもよいし、角筒壁部４５の一端面に接合されていてもよい。入口ヘッダ２１の厚みは、例えば燃焼部９の高さ方向の寸法と等しい。

出口ヘッダ２２の基端部に設けられた出口側接合部３５は、燃焼部９の下流側端部９ｂにおいて角筒壁部４５と接合されている。具体的には、出口側接合部３５は、燃焼部９の外側に折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。つまり、出口側接合部３５を構成する上下の壁は、燃焼部９の外側に入口ヘッダ２１側に向かって互いに離間するように折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。なお、出口側接合部３５を構成する両側の壁は、燃焼部９の外側に折り曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されていてもよいし、角筒壁部４５の他端面に接合されていてもよい。出口ヘッダ２２の厚みは、例えば燃焼部９の高さ方向の寸法と等しい。

このような本変形例では、入口側接合部３２は、燃焼部９の内側に曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。従って、入口ヘッダ２１内に存在する空気が入口側接合部３２と角筒壁部４５との間から改質部８に漏れにくくなるため、改質部８において水分が生成されにくくなる。また、出口側接合部３５は、燃焼部９の外側に曲げられた状態で角筒壁部４５と接合されている。従って、燃焼部９に存在する水分が角筒壁部４５と出口側接合部３５との間から改質部８に漏れにくくなる。以上により、改質器２０により生成される改質ガスに含まれる水分がより低減される。さらに、入口側接合部３２及び出口側接合部３５の厚みを等しくすることができる。

図１２は、図１１に示された改質装置の変形例を示す拡大断面図である。図１２において、入口ヘッダ２１の入口側接合部３２は、角筒壁部４５と燃焼部９の内側（燃焼部９内）で重なり合った位置関係で接合されている。つまり、入口側接合部３２を構成する上下の壁は、燃焼部９内に入り込んで角筒壁部４５と重なり合った位置関係で接合されている。なお、入口側接合部３２を構成する両側の壁は、角筒壁部４５と燃焼部９の内側で重なり合った位置関係で接合されていてもよいし、角筒壁部４５の一端面に接合されていてもよい。

出口ヘッダ２２の出口側接合部３５は、角筒壁部４５と燃焼部９の外側で重なり合った位置関係で接合されている。つまり、出口側接合部３５を構成する上下の壁は、角筒壁部４５と燃焼部９の外側で重なり合った位置関係で接合されている。なお、出口側接合部３５を構成する両側の壁は、角筒壁部４５と燃焼部９の外側で重なり合った位置関係で接合されていてもよいし、角筒壁部４５の他端面に接合されていてもよい。

このような本変形例においても、入口ヘッダ２１内に存在する空気が入口側接合部３２と角筒壁部４５との間から改質部８に漏れにくくなるため、改質部８において水分が生成されにくくなる。また、燃焼部９に存在する水分が角筒壁部４５と出口側接合部３５との間から改質部８に漏れにくくなる。以上により、改質器２０により生成される改質ガスに含まれる水分がより低減される。さらに、入口側接合部３２及び出口側接合部３５を折り曲げなくて済むため、改質装置５の製造工程の簡素化を図ることができる。

図１３は、図４に示された改質装置の変形例を示す平面図である。図１３において、本変形例の改質装置５は、平面視で直角三角形状を呈する入口ヘッダ２１を備えている。入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａの側縁部９ｃから上流側に延在し、アンモニアガス及び空気が導入されるガス導入部４０と、ガス導入部４０の先端部４０ａから燃焼部９の上流側端部９ａの側縁部９ｄまで延在する入口側壁部４１とを有している。

ガス導入部４０は、燃焼部９の上流側端部９ａにおける一方の側縁部から出口ヘッダ２２の反対側に延在している。このため、アンモニアガス及び空気は、改質器２０の側方から入口ヘッダ２１内に導入される。入口側壁部４１は、ガス導入部４０の先端部４０ａから燃焼部９の上流側端部９ａにおける他方の側縁部側に延在している。入口側壁部４１は、燃焼部９の長手方向及び幅方向に対して傾斜するように延在している。

出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３は、燃焼部９の下流側端部９ｂにおけるガス導入部４０とは反対側の側縁部９ｄから下流側（入口ヘッダ２１の反対側）に延在している。つまり、燃焼ガス導出部３３は、燃焼部９の幅方向におけるガス導入部４０の反対側に配置されている。

このような本変形例においても、入口ヘッダ２１内に導入されたアンモニアガス及び空気は、入口側壁部４１に沿って流れて改質器２０の燃焼部９に供給される。このため、燃焼部９におけるアンモニアガス及び空気の流れ分布の均一性が良くなる。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、入口ヘッダ２１は、平面視で直角三角形状を有しているが、入口ヘッダ２１の形状としては、特に直角三角形状には限られず、平面視で台形状または扇形状等であってもよい。

また、上記実施形態では、出口ヘッダ２２は、平面視で直角三角形状を有しているが、出口ヘッダ２２の形状としては、特に直角三角形状には限られず、入口ヘッダ２１と同様に平面視で台形状または扇形状等であってもよい。

また、上記実施形態では、アンモニアガス流路１１に減圧弁５１が配設され、空気流路１４に減圧弁５２が配設されているが、特にその形態には限られない。例えば、減圧弁５１，５２に加え、アンモニアガス流路１０にも、改質部８に供給されるアンモニアガスを減圧する減圧弁が配設されていてもよい。この場合には、３つの減圧弁によって、改質部８の圧力が燃焼部９の圧力よりも高くなるように改質装置５の圧力が設定される。また、アンモニアガス流路１１に配設された減圧弁５１のみによって、改質部８の圧力が燃焼部９の圧力よりも高くなるように改質装置５の圧力を設定してもよい。

また、使用する圧力調整弁としては、特に減圧弁には限られず、逃し弁等であってもよい。また、改質装置５の圧力を設定する圧力設定部としては、特に圧力調整弁には限られず、流量調整弁等であってもよい。

また、上記実施形態では、複数の入口ヘッダ２１のガス導入部３０にガス供給部材２３が固定されており、アンモニアガス及び空気がガス供給部材２３内を流れて各入口ヘッダ２１のガス導入部３０に供給されているが、特にそのようなガス供給部材２３を設けずに、各入口ヘッダ２１のガス導入部３０にアンモニアガス流路１１及び空気流路１４を直接接続してもよい。

また、上記実施形態では、複数の出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３に燃焼ガス排出部材２４が固定されており、各出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３から導出された燃焼ガスが燃焼ガス排出部材２４内を流れて燃焼ガス流路１６に送られているが、特にそのような燃焼ガス排出部材２４を設けずに、各出口ヘッダ２２の燃焼ガス導出部３３に燃焼ガス流路１６を直接接続してもよい。

また、上記実施形態では、入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａに取り付けられ、出口ヘッダ２２は、燃焼部９の下流側端部９ｂに取り付けられているが、特にその形態には限られない。入口ヘッダ２１は、燃焼部９の上流側端部９ａ側に上流側端部９ａから離間して配置され、出口ヘッダ２２は、燃焼部９の下流側端部９ｂ側に下流側端部９ｂから離間して配置されていてもよい。この場合、例えば改質装置５を収容する筐体に入口ヘッダ２１及び出口ヘッダ２２が取り付けられる。また、このような構成では、上記のハニカム構造体２６は、ステンレス鋼等の金属で形成されていてもよいし、或いはコージェライト、ＳｉＣまたはＳｉＳｉＣ等のセラミックで形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気を使用しているが、特にその形態には限られず、酸化性ガスとして酸素を使用してもよい。

また、上記実施形態の改質システム１は、燃料電池システム１００に適用されているが、本発明は、例えばアンモニアエンジンまたはアンモニアガスタービン等を備えたシステムにも適用可能である。

また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスを使用しているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用した改質装置にも適用可能である。

１…改質システム、５…改質装置、８…改質部、８ａ…上流側端部、８ｂ…下流側端部、９…燃焼部、９ａ…上流側端部（一端部）、９ｂ…下流側端部（他端部）、９ｃ，９ｄ…側縁部、２０…改質器、２１…入口ヘッダ、２２…出口ヘッダ、２３…ガス供給部材、２４…燃焼ガス排出部材、２６…ハニカム構造体、２７…セル壁部（壁部）、２８…アンモニアガス導入口（燃料ガス導入口）、２９…改質ガス導出口、３０…ガス導入部、３０ａ…先端部、３１…入口側壁部、３２…入口側接合部、３３…燃焼ガス導出部、３４…出口側壁部、３５…出口側接合部、４０…ガス導入部、４１…入口側壁部、４５…角筒壁部（壁部）、５１，５２…減圧弁（圧力調整弁、圧力設定部）。

Claims (9)

1. 燃料ガスを改質する改質装置と、
   前記改質装置に供給される前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
   前記改質装置に供給される酸化性ガスが流れる酸化性ガス流路と、
   前記改質装置の圧力を設定する圧力設定部とを備え、
   前記改質装置は、
   前記燃料ガスを水素に分解して前記水素を含有した改質ガスを生成する複数の改質部と、前記酸化性ガスにより前記燃料ガスを燃焼して水分を含有した燃焼ガスを生成する複数の燃焼部とが交互に積層されてなる改質器と、
   前記燃焼部の一端側に配置され、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記燃焼部に導入する複数の入口ヘッダと、
   前記燃焼部の他端側に配置され、前記燃焼部により生成された前記燃焼ガスを導出する複数の出口ヘッダとを備え、
   前記複数の入口ヘッダは、前記燃料ガス流路及び前記酸化性ガス流路と接続されており、
   前記改質部の前記入口ヘッダ側の端部は、前記燃料ガス流路と接続され前記燃料ガスが導入される燃料ガス導入口を有し、
   前記改質部の前記出口ヘッダ側の端部は、前記改質部により生成された前記改質ガスが導出される改質ガス導出口を有し、
   前記圧力設定部は、前記改質部の圧力が前記燃焼部の圧力よりも高くなるように前記改質装置の圧力を設定する改質システム。
2. 前記圧力設定部は、前記燃料ガス流路及び前記酸化性ガス流路の少なくとも一方に配設された圧力調整弁である請求項１記載の改質システム。
3. 前記入口ヘッダは、前記燃焼部の一端部における少なくとも一方の側縁部から前記出口ヘッダの反対側に延在し、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスが導入されるガス導入部と、前記ガス導入部の先端部から前記燃焼部の一端部における他方の側縁部側に向けて延在する入口側壁部とを有する請求項１または２記載の改質システム。
4. 前記複数の入口ヘッダの前記ガス導入部には、前記改質部及び前記燃焼部の積層方向に延在し、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記ガス導入部に供給するガス供給部材が固定されており、
   前記複数の入口ヘッダは、前記ガス供給部材を介して前記燃料ガス流路及び前記酸化性ガス流路と接続されている請求項３記載の改質システム。
5. 前記出口ヘッダは、前記燃焼部の他端部における一方の側縁部から前記入口ヘッダの反対側に延在し、前記燃焼ガスが導出される燃焼ガス導出部と、前記燃焼ガス導出部の先端部から前記燃焼部の他端部における他方の側縁部側に向けて延在する出口側壁部とを有する請求項１〜４の何れか一項記載の改質システム。
6. 前記複数の出口ヘッダの前記燃焼ガス導出部には、前記改質部及び前記燃焼部の積層方向に延在し、前記燃焼ガス導出部から導出された前記燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出部材が固定されている請求項５記載の改質システム。
7. 前記入口ヘッダの基端部には、前記改質器の壁部と接合された入口側接合部が設けられており、
   前記出口ヘッダの基端部には、前記改質器の壁部と接合された出口側接合部が設けられている請求項１〜６の何れか一項記載の改質システム。
8. 前記改質部及び前記燃焼部は、角筒状を呈し、
   前記入口側接合部は、前記燃焼部の内側に曲げられた状態で前記壁部と接合されており、
   前記出口側接合部は、前記燃焼部の外側に曲げられた状態で前記壁部と接合されている請求項７記載の改質システム。
9. 前記改質部及び前記燃焼部は、角筒状を呈し、
   前記入口側接合部は、前記壁部と前記燃焼部の内側で重なり合った位置関係で接合されており、
   前記出口側接合部は、前記壁部と前記燃焼部の外側で重なり合った位置関係で接合されている請求項７記載の改質システム。

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