JP3550436B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
燃料改質装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3550436B2 JP3550436B2 JP07175795A JP7175795A JP3550436B2 JP 3550436 B2 JP3550436 B2 JP 3550436B2 JP 07175795 A JP07175795 A JP 07175795A JP 7175795 A JP7175795 A JP 7175795A JP 3550436 B2 JP3550436 B2 JP 3550436B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- honeycomb structure
- gas
- heating
- reforming
- passage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料改質装置に関するもので、詳細には、燃料電池システム、水素発生装置等の燃料改質装置に配設される触媒部の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電や原子力発電等は化石燃料の化学エネルギーを熱エネルギーや核エネルギーに変えてから電気エネルギーを得るのに対し、燃料電池は化学エネルギーから直接電気エネルギーを得る。この燃料電池は、反応物が外部から連続的に供給される化学電池であり、燃料電池本体、燃料改質装置、電力変換装置が主な構成要素であって、これらの構成要素に制御装置、排熱回収装置等が加わり燃料電池システムを構成する。
【０００３】
このうち燃料改質装置は、メタン等の燃料ガスと水蒸気とを主成分とする原料ガスを水素リッチの改質ガスへ改質する装置であり、原料ガスを水素と炭酸ガスと一酸化炭素にする改質器と、改質ガス中の一酸化炭素を許容濃度以下にするＣＯ変成器とから構成される。改質器の触媒としては、ペレット状触媒、ハニカム状触媒等が知られている。
【０００４】
改質器では、反応管内に充たされた触媒層を原料ガスが通過するとき、原料ガスが改質され、ＣＯ変成器に供給される。このとき、水蒸気改質法であるから、加熱器で加熱されることにより反応管内での改質反応が促進され、原料ガスが水素と炭酸ガスと一酸化炭素を含む改質ガスに変換される。
（改質反応） ＣＨ４ ＋Ｈ２ Ｏ → ３Ｈ２ ＋ＣＯ −吸熱反応
（シフト反応） ＣＯ＋Ｈ２ Ｏ → ＣＯ２ ＋Ｈ２ −発熱反応
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記改質反応は吸熱反応であるため、従来の燃料改質装置によると反応進行中触媒内に大きな温度降下が起こり、それに伴い反応性も低下する。さらに、原料ガスの温度がある程度以下に低下すると、改質反応の際に炭素が析出する。
【０００６】
従来、ハニカム構造体を用いた改質装置としては、▲１▼セルがすべて同一方向に形成されたハニカム構造体を触媒担体とし、ハニカム構造体の外部からハニカム構造体を加熱することによりセルを流通する原料ガスを加熱する改質装置、▲２▼交互に直行するようにセルを積層し、加熱用ガスと原料ガスとを直行させて流す改質装置が知られている。また、特開平３−１０９２０２号公報には、図１２に示すように、軸方向に貫通する第１の通路６０とこの第１の通路６０を隔離する隔壁内に設けられる第２の通路６７とを有する複雑形状のハニカム構造体を使用して、一方の通路に流通される燃料ガスに他方の通路に流通される接触燃焼用ガスから熱を供給する燃料改質装置が開示されている。
【０００７】
しかし、▲１▼の改質装置によると、ハニカム部分の伝熱が悪いため、水蒸気改質反応のように吸熱反応を行う場合にはハニカム構造体の太さ方向の中心部において原料ガスの温度が下がり改質効率が低下するという問題がある。ハニカム構造体の太さ方向の中心部における原料ガスの温度低下を防ぐために反応管を細くすると、所望の改質能力を得るためには多くの反応管本数が必要なため改質装置が大型化するという問題がある。
【０００８】
一方、▲２▼の改質装置によると、ハニカム構造体の製造コストが高く、加熱用ガスと原料ガスとを分離するためにはセルの積層断面上でガスシールを行う必要がある。
また、特開平３−１０９２０２号公報に示されるものではハニカム構造体の構造が複雑であるため、焼成時および使用時に複雑な熱応力が発生し、ハニカム構造体が破損しやすいという問題がある。また、第２の通路６７が複雑な折曲り形状であるため、この第２の通路６７を流通するガスの圧力損失が大きいという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、構造が簡単で改質率および熱効率が良く、耐久性の高い燃料改質装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の請求項１記載の燃料改質装置は、隔壁によって仕切られた多数の通路を有するハニカム構造体をハウジング内に収めた燃料改質装置であって、
前記ハニカム構造体には、前記通路を囲む前記隔壁の表面に燃料ガスを改質ガスに変換する改質用触媒層が形成された改質用通路が隣接して列状に並んだ複数の原料ガス流通領域と、前記原料ガス流通領域とは前記隔壁を介して隔離され加熱用ガスを流通する加熱用通路が隣接して列状に並んだ複数の加熱ガス流通領域とが交互に平行に設けられ、
前記原料ガス流通領域と前記加熱ガス流通領域との少なくとも一方は、前記隔壁に設けられた横穴によって隣接する前記改質用通路または前記加熱用通路が互いに連通されることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２記載の燃料改質装置は、請求項１記載の燃料改質装置であって、前記ハニカム構造体は、その一方の端部において前記原料ガス流通領域の開口部が平行列状に目封じされ、前記ハニカム構造体の他方の端部において前記加熱ガス流通領域の開口部が平行列状に目封じされていることを特徴とする。
本発明の請求項３記載の燃料改質装置は、請求項１または２記載の燃料改質装置であって、前記燃料ガスおよび前記加熱用ガスは、前記ハニカム構造体への流入方向および流出方向の一方が前記ハニカム構造体の軸方向と平行であり他方が前記ハニカム構造体の軸方向に垂直であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４記載の燃料改質装置は、請求項１、２または３記載の燃料改質装置であって、前記燃料ガスは前記ハニカム構造体の一方の端部から流入して前記ハニカム構造体の他方の端部近傍の壁面から流出し、前記加熱用ガスは前記ハニカム構造体の他方の端部から流入して前記ハニカム構造体の一方の端部近傍の壁面から流出することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５記載の燃料改質装置は、請求項１から４のいずれか一項記載の燃料改質装置であって、前記改質用通路および前記加熱用通路の横断面の形状は、角部がＲ形状の多角形状であることを特徴とする。
【００１４】
【作用および発明の効果】
本発明の請求項１または２記載の燃料改質装置によると、原料ガス流通領域と加熱ガス流通領域とが交互に平行列状に設けられたハニカム構造体を使用するので、隔壁を介しての原料ガス流通領域と加熱ガス流通領域との接触面積が広く、加熱用ガスの熱によって原料ガスを効率良く加熱することができる。また、ハニカム構造体の改質用通路を囲む隔壁の表面に改質用触媒層が設けられているので、改質用通路内を流通する原料ガスと改質用触媒との接触面積が広くなり、ハニカム構造体内を流通する間に原料ガスを効率よく改質することができる。ハニカム構造体は簡単な構造であるため、製造が容易であるとともに耐熱衝撃性が高い。また、上記▲２▼のセル積層型のハニカム構造体を用いる改質装置とは異なり、ハニカム構造体の側平面で原料ガスおよび加熱用ガスのガスシールを行うことができる。改質用通路および加熱用通路はハニカム構造体内に直線状に延びているので、ハニカム構造体内を流通する原料ガスおよび加熱用ガスの圧力損失が少ない。
【００１５】
本発明の請求項３または４記載の燃料改質装置によると、ハニカム構造体に対して原料ガスと加熱ガスとの供給方向および取出方向が互いに直交関係にあるので、原料ガスおよび加熱ガス用の配管の設計が容易である。
本発明の請求項５記載の燃料改質装置によると、ハニカム構造体の横断面において、改質用通路および加熱用通路の角部がＲ形状になっているため、このハニカム構造体の原料ガスおよび加熱ガスの圧力に対する強度が高い。また、この角部のＲ形状により、ハニカム構造体の焼成時および原料ガスの改質時に生じる熱衝撃に対する強度が高くクラックが発生し難いため、ハニカム構造体の耐久性が高い。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例を図１〜図４に示す。
図４に示すように、主に原料ガス中の燃料ガスと水蒸気とを改質する燃料改質装置１は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に収められたハニカム構造体３０とからなる。
【００１７】
ハウジング１０の内部において、ハニカム構造体３０の軸方向の一方の端部３０ａには原料ガス入口室１１が設けられており、この原料ガス入口室１１からハニカム構造体３０内に導入された原料ガスはハニカム構造体３０の内部を通って改質されて改質ガスとなり、ハニカム構造体３０の他方の端部３０ｂ付近の外周に設けられた改質ガス出口室１２に集められる。また、ハウジング１０の内部において、ハニカム構造体３０の軸方向の他方の端部３０ｂには加熱ガス入口室２１が設けられており、この加熱ガス入口室２１からハニカム構造体３０内に導入された加熱用ガスはハニカム構造体３０の内部を通ってハニカム構造体３０の一方の端部３０ａ付近の外周に設けられた加熱ガス出口室２２に集められる。原料ガス入口室１１、改質ガス出口室１２、加熱ガス入口室２１および加熱ガス出口室２２は、それぞれ原料ガス導入口１３、改質ガス排出口１４、加熱ガス導入口２３および加熱ガス排出口２４によってハウジング１０の外部に連通している。改質ガス出口室１２と加熱ガス出口室２２との間のハニカム構造体３０の外周には、断熱材３８が設けられている。
【００１８】
次に、ハニカム構造体３０の構造について述べる。
四角柱状のハニカム構造体３０には、図１に示すｘ軸方向に延びる隔壁３１とｙ軸方向に延びる隔壁３２とが交差することにより、ｚ軸方向に延びる四角柱状の通孔が形成されている。図２に示すように、この四角柱状の通孔は、各通孔の角部がＲ形状になっており、原料ガスを流通する改質用通路１５と加熱用ガスを流通する加熱用通路２５とに分けられる。ハニカム構造体３０には、改質用通路１５がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域１６と加熱用通路２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域２６とがｘ軸方向に交互に形成されている。
【００１９】
図３に示すように、加熱用通路２５は、栓部材２８によりハニカム構造体３０の一方の端部３０ａが目封じされている。ハニカム構造体３０の一方の端部３０ａ付近には、ハニカム構造体３０の一側面および加熱用通路２５同志を仕切る隔壁３１に横穴２７が形成されている。また、改質用通路１５は、栓部材１８によりハニカム構造体３０の他方の端部３０ｂが目封じされている。ハニカム構造体３０の他方の端部３０ｂ付近には、ハニカム構造体３０の一側面および改質用通路１５同志を仕切る隔壁３１に横穴１７が形成されている。改質用通路１５の内壁を形成する隔壁３１および隔壁３２の表面には、ハニカム構造体３０の一方の端部３０ａから横穴１７までの範囲にわたって図示しない改質用触媒層が形成されている。
【００２０】
このハニカム構造体３０は、以下のようにして製造される。
コージェライト質セラミックをハニカム状に押出成形してハニカム構造体３０とし、ハニカム構造体３０の一側面から切削加工を行なうことによりこの一側面および隔壁３１に横穴１７および横穴２７を形成する。次いで、ハニカム構造体３０を焼成し、栓部材２８により一方の端部３０ａを平行列状に目封じし、栓部材１８により他方の端部３０ｂを平行列状に目封じする。ハニカム構造体３０の一方の端部３０ａ側からニッケルを主成分とする改質用触媒のスラリー中にハニカム構造体３０をディッピングし、改質用通路２５を形成する隔壁３１および隔壁３２の表面に改質用触媒層を形成する。
【００２１】
ハニカム構造体３０を用いた燃料改質装置１は、以下のように機能する。
図４に示すように、メタンと水蒸気を主成分とする原料ガスは、例えば５００℃程度に予熱されて原料ガス導入口１３から原料ガス入口室１１へ導入され、ハニカム構造体３０の一方の端部３０ａから改質用通路１５に流入する。改質用通路１５内を図３に示す左方向に原料ガスが流れる間に、改質用通路１５の内壁を形成する隔壁３１および隔壁３２の表面に形成された改質用触媒層と原料ガスとが接触することにより、式（１） に示す反応が進行して原料ガスが改質されて改質ガスとなる。
【００２２】
ＣＨ４ ＋Ｈ２ Ｏ → ３Ｈ２ ＋ＣＯ （吸熱反応） ・・・（１）
この反応は吸熱反応であるが、隔壁３２を介して改質用通路１５の図３に示す上下に設けられた加熱用通路２５から加熱用ガスの有する熱が原料ガスに伝熱されるため、改質用通路１５内を流通する原料ガスの温度は式（１） の反応が進行可能な一定温度以上に保たれる。改質ガスは横穴１７を通って改質ガス出口室１２に集められ、改質ガス排出口１４から燃料改質装置１の外部へ排出されて図示しないＣＯ変換器へ送られる。
【００２３】
一方、加熱用ガスは、加熱ガス導入口２３から加熱ガス入口室２１へ導入される。加熱ガス入口室２１内には図示しない燃焼触媒が設けられており、加熱ガス入口室２１内の加熱用ガスを６００℃以上、例えば９００±１００℃に加熱する。この加熱用ガスがハニカム構造体３０の他方の端部３０ｂから加熱用通路２５に流入して図３に示す右方向に流れる間に、隔壁３２を介して加熱用通路２５の図３に示す上下に設けられた改質用通路１５内の原料ガスに加熱用ガスの有する熱が伝熱される。この加熱用ガスは、横穴２７を通って加熱ガス出口室２２に集められた後、加熱ガス排出口２４から燃料改質装置１の外部へ排出される。
【００２４】
本発明の第１実施例によると、ハニカム構造体３０に原料ガス流通領域１６と加熱ガス流通領域２６とが交互に平行列状に設けられているので、隔壁３２を介しての原料ガス流通領域１６と加熱ガス流通領域２６との接触面積が広く熱交換の効率が良い。また、ハニカム構造体３０の改質用通路１５を囲む隔壁３１および隔壁３２の表面に改質用触媒層が設けられているので、この改質用通路１５内を流通する原料ガスと改質用触媒との接触面積が広くなり、ハニカム構造体３０内を流通する間に原料ガスを効率よく改質することができる。改質用通路１５および加熱用通路２５を形成するハニカム構造体３０の通孔の角部はＲ形状になっているため、原料ガスおよび加熱ガスの圧力に対する強度が高い。また、この角部のＲ形状により、ハニカム構造体３０の焼成時および原料ガスの改質時に生じる熱衝撃に対する強度が高くクラックが発生し難い。ハニカム構造体３０は簡単な構造であるため、製造が容易であるとともに耐熱衝撃性が比較的高い。改質用通路１５および加熱用通路２５はハニカム構造体３０内に直線状に延びているので、ハニカム構造体３０内を流通する原料ガスおよび加熱用ガスの圧力損失が少ない。さらに、ハニカム構造体３０に対して原料ガスと加熱ガスとの供給方向および取出方向が互いに直交関係にあるので、原料ガスおよび加熱ガス用の配管の設計が容易である。
【００２５】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図５に示す。この第２実施例は、第１実施例の構成の燃料改質装置において、ハニカム構造体からの改質ガスの取出方向を変えた例である。
図５に示すように、ハニカム構造体１３０には、改質用通路１１５がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域１１６と加熱用通路１２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域１２６とがｘ軸方向に交互に形成されている。そして、隣接する加熱用通路１２５は横穴１２７によって連通され、加熱用通路１２５内を流通する加熱用ガスはハニカム構造体１３０の一側面に設けられた横穴１２７から図５に示す右方向に取出される。一方、隣接する改質用通路１１５は横穴１１７によって連通され、改質用通路１１５内を流通する原料ガスは、改質されてハニカム構造体１３０の一側面と対向する面に設けられた横穴１１７から図５に示す左方向に取出される。この他の部分の構成は、第１実施例と実質的に同様である。
【００２６】
本発明の第２実施例によると、加熱ガスと改質ガスとをハニカム構造体１３０に対して互いに逆方向に取出すので、配管の設計が容易である。
（第３実施例）
本発明の第３実施例を図６に示す。この第３実施例は、第１実施例の構成の燃料改質装置において、ハニカム構造体からの加熱用ガスおよび改質ガスの取出方向を変えた例である。
【００２７】
図６に示すように、ハニカム構造体２３０には、改質用通路２１５がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域２１６と加熱用通路２２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域２２６とがｘ軸方向に交互に形成されている。そして、ハニカム構造体２３０のｙ軸方向のほぼ中央に位置する隔壁２３４を境にして、図６において右側に位置する加熱用通路２２５を流通する加熱用ガスは右側に取出され、左側に位置する加熱用通路２２５を流通する加熱用ガスは左側に取り出されるように、隣接する加熱用通路２２５が横穴２２７によって連通され、ハニカム構造体２３０の図６に示す左右の側面に設けられた横穴２２７から取出される。同様に、ハニカム構造体２３０のｙ軸方向のほぼ中央に位置する隔壁２３４を境にして、図６において右側に位置する改質用通路２１５を流通する原料ガスは改質されて右側に取出され、左側に位置する改質用通路２１５を流通する原料ガスは改質されて左側に取り出されるように、隣接する改質用通路２１５が横穴２１７によって連通され、ハニカム構造体２３０の図６に示す左右の側面に設けられた横穴２１７から取出される。この他の部分の構成は、第１実施例と実質的に同様である。
【００２８】
本発明の第３実施例によると、原料ガス流通領域２１６および加熱ガス流通領域２２６を流通する原料ガスおよび加熱用ガスを、ハニカム構造体２３０の図６に示す左右に分けて取出すため、改質ガスおよび加熱ガスが通過する横穴２１７および横穴２２７の数が第１実施例に比べて少ない。このため、これらのガスの圧力損失が少なくなるという効果がある。
【００２９】
（第４実施例）
本発明の第４実施例を図７に示す。この第４実施例は、第１実施例の構成においてハニカム構造体の加熱用通路の形状を変えた例である。
図７に示すように、ハニカム構造体３３０には、ｘ軸方向に延びる隔壁３３１とｙ軸方向に延びる隔壁３３２とが交差することにより原料ガスを流通する改質用通路３１５および加熱用ガスを流通する加熱用通路３２５が形成されており、改質用通路がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域３１６と加熱用通路３２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域３２６とがｘ軸方向に交互に配置されている。本発明の第３実施例においては、改質用通路３１５同志を仕切る隔壁３３１間の距離に対して加熱用通路３２５同志を仕切る隔壁３３１間の距離を２倍にしている。この他の部分の構成は、第１実施例と実質的に同様である。
【００３０】
隔壁３３２の間隔が同じである場合、原料ガスの改質効率の点からは隔壁３３１の間隔は狭い方が原料ガスと改質触媒との接触面積が広くなるため好ましい。しかし、隔壁３３１の間隔を狭くすると、ハニカム構造体３３０内を流通する原料ガスおよび加熱用ガスの圧力損失が増大するという問題がある。特に、原料ガスの加熱を十分に行うためには原料ガスの流速に比べて加熱用ガスの流速を大きくするが、加熱ガス流通領域に設けられた隔壁３３１の間隔が狭いと加熱用ガスの圧力が増大してハニカム構造体３３０の破損につながる恐れもある。本発明の第３実施例によると、原料ガス流通領域３１６に設けられた隔壁３３１の数に比べて加熱ガス流通領域３２６に設けられた隔壁３３１の数が少ないので、加熱用ガスの圧力損失を低減できる。加熱ガス流通領域に設けられた隔壁の数は、ハニカム構造体の強度に影響を与えない程度であればさらに少なくしてもよい。
【００３１】
（第５実施例）
本発明の第５実施例を図８に示す。この第５実施例は、第１実施例の構成においてハニカム構造体の加熱用通路の形状を変えた例である。
図８に示すように、ハニカム構造体４３０には、ｘ軸方向に延びる隔壁４３１とｙ軸方向に延びる隔壁４３２とが交差することにより原料ガスを流通する改質用通路４１５および加熱用ガスを流通する加熱用通路４２５が形成されており、改質用通路がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域４１６と加熱用通路４２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域４２６とがｘ軸方向に交互に配置されている。本発明の第５実施例においては、改質用通路４１５同志を仕切る隔壁４３２間の距離に対して加熱用通路４２５同志を仕切る隔壁４３２間の距離を約１．５倍にしている。この他の部分の構成は、第１実施例と実質的に同様である。
【００３２】
本発明の第５実施例によると、改質用通路４１５の容積に比べて加熱用通路４２５の容積が大きいため、加熱用ガスの流速が第１実施例と同じ場合にも原料ガスの加熱を十分に行うことができる。このため、加熱用ガスの流速を抑えて加熱用ガスがハニカム構造体４３０に及ぼす圧力を低減することができる。
（第６実施例）
本発明の第６実施例を図９〜図１１に示す。
【００３３】
図９に示すように、燃料改質装置５は、ハウジング５１０と、ハウジング５１０内に収められたハニカム構造体５３０とからなる。
ハウジング５１０の内部において、ハニカム構造体５３０の軸方向の一方の端部５３０ａ付近のハニカム構造体５３０の外周には原料ガス入口室５１１が設けられており、この原料ガス入口室５１１からハニカム構造体５３０内に導入された原料ガスはハニカム構造体５３０の内部を通って改質されて改質ガスとなり、ハニカム構造体５３０の他方の端部５３０ｂ付近の外周に設けられた改質ガス出口室５１２に集められる。また、ハニカム構造体５３０の軸方向の他方の端部３０ｂとハウジング５１０との間には加熱ガス入口室５２１が形成され、ハニカム構造体５３０の一方の端部５３０ａとハウジング５１０との間には加熱ガス出口室５２２が形成されている。原料ガス入口室５１１、改質ガス出口室５１２、加熱ガス入口室５２１および加熱ガス出口室５２２は、それぞれ原料ガス導入口５１３、改質ガス排出口５１４、加熱ガス導入口５２３および加熱ガス排出口５２４によってハウジング５１０の外部に連通している。加熱ガス導入口５２３から加熱ガス入口室５２１に導入された加熱ガスは、ハニカム構造体５３０の内部およびハニカム構造体５３０とハウジング５１０との間を通って加熱ガス出口室５２２に集められ、加熱ガス排出口５２４から排出される。
【００３４】
次に、ハニカム構造体５３０の構造について述べる。
図１０に示すように、四角柱状のハニカム構造体５３０には、ｘ軸方向に延びる隔壁５３１とｙ軸方向に延びる隔壁５３２とが交差することにより原料ガスを流通する改質用通路５１５および加熱用ガスを流通する加熱用通路５２５が形成され、改質用通路５１５がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域５１６と加熱用通路５２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域５２６とがｘ軸方向に交互に配置されている。
【００３５】
図１１に示すように、加熱用通路５２５は、ハニカム構造体５３０の軸方向に貫通している。また、改質用通路５１５は、栓部材５２８によりハニカム構造体５３０の一方の端部５３０ａが目封じされ、栓部材５１８により他方の端部５３０ｂが目封じされている。ハニカム構造体５３０の一方の端部５３０ａ付近にはハニカム構造体５３０の一側面および改質用通路５１５同志を仕切る隔壁５３１に横穴５２７が形成され、他方の端部５３０ｂ付近にはハニカム構造体５３０の一側面および改質用通路５１５同志を仕切る隔壁５３１に横穴５１７が形成されている。改質用通路５１５の内壁を形成する隔壁５３１および隔壁５３２の表面には図示しない改質用触媒層が形成されている。
【００３６】
原料ガス導入口５１３から原料ガス入口室５１１へ導入された原料ガスは、ハニカム構造体５３０の一方の端部５３０ａ付近に設けられた横穴５２７から改質用通路５１５に流入する。改質用通路５１５内を図１１に示す左方向に流れる間に、改質用通路５１５の内壁を形成する隔壁５３１および隔壁５３２の表面に形成された改質用触媒層と原料ガスとが接触することにより、原料ガスが改質されて改質ガスとなる。この改質ガスはハニカム構造体５３０の他方の端部５３０ｂ付近に設けられた横穴５１７を通って改質ガス出口室５１２に集められ、改質ガス排出口５１４から燃料改質装置５の外部へ排出されて図示しないＣＯ変換器へ送られる。
【００３７】
一方、加熱用ガスは、加熱ガス導入口５２３から加熱ガス入口室５２１へ導入され、ハニカム構造体５３０の内部およびハニカム構造体５３０とハウジング５１０との間を流通しながらハニカム構造体５３０の内外から改質用通路５１５内の原料ガスを加熱し、加熱ガス出口室５２２に集められて加熱ガス排出口５２４から燃料改質装置５の外部へ排出される。
【００３８】
本発明の第６実施例によると、加熱用ガスによって原料ガスをハニカム構造体５３０の内外から加熱することができる。また、加熱用通路５２５はハニカム構造体５３０を貫通しているため、ハニカム構造体５３０内を流通する加熱ガスの圧力損失が少ない。
なお、本発明の第１〜第６実施例では、ハニカム構造体をコージェライト質セラミックより形成したが、ハニカム構造体を形成する材料としては緻密で熱伝導性のよい材料を任意に選ぶことができる。具体的には金属質、セラミック質、ガラス質等の材料またはその複合材料がよい。セラミックとしては、炭化珪素、窒化珪素など耐熱性が高く熱膨張率の小さい材料が好ましい。ハニカム構造体の材料としてセラミックを用いた場合には、耐熱性および耐腐蝕性に優れるという利点がある。また、ハニカム構造体の材料として金属を用いた場合には、熱伝導性が良い、隔壁を薄くすることができる、横穴の加工が容易であるという利点がある。金属材料からハニカム構造体を製造する場合には、スラリーにディッピングするか金属箔を貼付けるなどの方法により目封じを行えばよい。
【００３９】
加熱用ガスとしては、燃料電池の排ガスを用いるとこの排ガスのもつ熱を利用することができシステムの効率がよい。第１〜第５実施例においては加熱ガス入口室内に接触燃焼触媒を設けたが、加熱用ガスの加熱方法としては加熱ガス入口室の周囲にヒータ、バーナなどを設ける方法によってもよい。
また、本発明の第１〜第６実施例においてはニッケルを主成分とする改質用触媒を使用したが、改質用触媒の成分はニッケルに限定されるものではない。
【００４０】
なお、本発明は、燃料改質装置として用いるほか、本発明による構造体を熱交換器として使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ方向矢視図である。
【図３】図２のＩＩＩ −ＩＩＩ 線断面図である。
【図４】本発明の第１実施例による燃料改質装置を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の第２実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図である。
【図６】本発明の第３実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図である。
【図７】本発明の第４実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図である。
【図８】本発明の第５実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図である。
【図９】本発明の第６実施例による燃料改質装置を示す模式的断面図である。
【図１０】本発明の第６実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図であり、図９のＸ方向矢視図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図１２】従来の燃料改質装置のハニカム構造体を示す横断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料改質装置
１０ ハウジング
１１ 原料ガス入口室
１２ 改質ガス出口室
１３ 原料ガス導入口
１４ 改質ガス排出口
１５ 改質用通路
１６ 原料ガス流通領域
１７ 横穴
１８ 栓部材
２１ 加熱ガス入口室
２２ 加熱ガス出口室
２３ 加熱ガス導入口
２４ 加熱ガス排出口
２５ 加熱用通路
２６ 加熱ガス流通領域
２７ 横穴
２８ 栓部材
３０ ハニカム構造体
３１ 隔壁
３２ 隔壁
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料改質装置に関するもので、詳細には、燃料電池システム、水素発生装置等の燃料改質装置に配設される触媒部の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電や原子力発電等は化石燃料の化学エネルギーを熱エネルギーや核エネルギーに変えてから電気エネルギーを得るのに対し、燃料電池は化学エネルギーから直接電気エネルギーを得る。この燃料電池は、反応物が外部から連続的に供給される化学電池であり、燃料電池本体、燃料改質装置、電力変換装置が主な構成要素であって、これらの構成要素に制御装置、排熱回収装置等が加わり燃料電池システムを構成する。
【０００３】
このうち燃料改質装置は、メタン等の燃料ガスと水蒸気とを主成分とする原料ガスを水素リッチの改質ガスへ改質する装置であり、原料ガスを水素と炭酸ガスと一酸化炭素にする改質器と、改質ガス中の一酸化炭素を許容濃度以下にするＣＯ変成器とから構成される。改質器の触媒としては、ペレット状触媒、ハニカム状触媒等が知られている。
【０００４】
改質器では、反応管内に充たされた触媒層を原料ガスが通過するとき、原料ガスが改質され、ＣＯ変成器に供給される。このとき、水蒸気改質法であるから、加熱器で加熱されることにより反応管内での改質反応が促進され、原料ガスが水素と炭酸ガスと一酸化炭素を含む改質ガスに変換される。
（改質反応） ＣＨ４ ＋Ｈ２ Ｏ → ３Ｈ２ ＋ＣＯ −吸熱反応
（シフト反応） ＣＯ＋Ｈ２ Ｏ → ＣＯ２ ＋Ｈ２ −発熱反応
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記改質反応は吸熱反応であるため、従来の燃料改質装置によると反応進行中触媒内に大きな温度降下が起こり、それに伴い反応性も低下する。さらに、原料ガスの温度がある程度以下に低下すると、改質反応の際に炭素が析出する。
【０００６】
従来、ハニカム構造体を用いた改質装置としては、▲１▼セルがすべて同一方向に形成されたハニカム構造体を触媒担体とし、ハニカム構造体の外部からハニカム構造体を加熱することによりセルを流通する原料ガスを加熱する改質装置、▲２▼交互に直行するようにセルを積層し、加熱用ガスと原料ガスとを直行させて流す改質装置が知られている。また、特開平３−１０９２０２号公報には、図１２に示すように、軸方向に貫通する第１の通路６０とこの第１の通路６０を隔離する隔壁内に設けられる第２の通路６７とを有する複雑形状のハニカム構造体を使用して、一方の通路に流通される燃料ガスに他方の通路に流通される接触燃焼用ガスから熱を供給する燃料改質装置が開示されている。
【０００７】
しかし、▲１▼の改質装置によると、ハニカム部分の伝熱が悪いため、水蒸気改質反応のように吸熱反応を行う場合にはハニカム構造体の太さ方向の中心部において原料ガスの温度が下がり改質効率が低下するという問題がある。ハニカム構造体の太さ方向の中心部における原料ガスの温度低下を防ぐために反応管を細くすると、所望の改質能力を得るためには多くの反応管本数が必要なため改質装置が大型化するという問題がある。
【０００８】
一方、▲２▼の改質装置によると、ハニカム構造体の製造コストが高く、加熱用ガスと原料ガスとを分離するためにはセルの積層断面上でガスシールを行う必要がある。
また、特開平３−１０９２０２号公報に示されるものではハニカム構造体の構造が複雑であるため、焼成時および使用時に複雑な熱応力が発生し、ハニカム構造体が破損しやすいという問題がある。また、第２の通路６７が複雑な折曲り形状であるため、この第２の通路６７を流通するガスの圧力損失が大きいという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、構造が簡単で改質率および熱効率が良く、耐久性の高い燃料改質装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の請求項１記載の燃料改質装置は、隔壁によって仕切られた多数の通路を有するハニカム構造体をハウジング内に収めた燃料改質装置であって、
前記ハニカム構造体には、前記通路を囲む前記隔壁の表面に燃料ガスを改質ガスに変換する改質用触媒層が形成された改質用通路が隣接して列状に並んだ複数の原料ガス流通領域と、前記原料ガス流通領域とは前記隔壁を介して隔離され加熱用ガスを流通する加熱用通路が隣接して列状に並んだ複数の加熱ガス流通領域とが交互に平行に設けられ、
前記原料ガス流通領域と前記加熱ガス流通領域との少なくとも一方は、前記隔壁に設けられた横穴によって隣接する前記改質用通路または前記加熱用通路が互いに連通されることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２記載の燃料改質装置は、請求項１記載の燃料改質装置であって、前記ハニカム構造体は、その一方の端部において前記原料ガス流通領域の開口部が平行列状に目封じされ、前記ハニカム構造体の他方の端部において前記加熱ガス流通領域の開口部が平行列状に目封じされていることを特徴とする。
本発明の請求項３記載の燃料改質装置は、請求項１または２記載の燃料改質装置であって、前記燃料ガスおよび前記加熱用ガスは、前記ハニカム構造体への流入方向および流出方向の一方が前記ハニカム構造体の軸方向と平行であり他方が前記ハニカム構造体の軸方向に垂直であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４記載の燃料改質装置は、請求項１、２または３記載の燃料改質装置であって、前記燃料ガスは前記ハニカム構造体の一方の端部から流入して前記ハニカム構造体の他方の端部近傍の壁面から流出し、前記加熱用ガスは前記ハニカム構造体の他方の端部から流入して前記ハニカム構造体の一方の端部近傍の壁面から流出することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５記載の燃料改質装置は、請求項１から４のいずれか一項記載の燃料改質装置であって、前記改質用通路および前記加熱用通路の横断面の形状は、角部がＲ形状の多角形状であることを特徴とする。
【００１４】
【作用および発明の効果】
本発明の請求項１または２記載の燃料改質装置によると、原料ガス流通領域と加熱ガス流通領域とが交互に平行列状に設けられたハニカム構造体を使用するので、隔壁を介しての原料ガス流通領域と加熱ガス流通領域との接触面積が広く、加熱用ガスの熱によって原料ガスを効率良く加熱することができる。また、ハニカム構造体の改質用通路を囲む隔壁の表面に改質用触媒層が設けられているので、改質用通路内を流通する原料ガスと改質用触媒との接触面積が広くなり、ハニカム構造体内を流通する間に原料ガスを効率よく改質することができる。ハニカム構造体は簡単な構造であるため、製造が容易であるとともに耐熱衝撃性が高い。また、上記▲２▼のセル積層型のハニカム構造体を用いる改質装置とは異なり、ハニカム構造体の側平面で原料ガスおよび加熱用ガスのガスシールを行うことができる。改質用通路および加熱用通路はハニカム構造体内に直線状に延びているので、ハニカム構造体内を流通する原料ガスおよび加熱用ガスの圧力損失が少ない。
【００１５】
本発明の請求項３または４記載の燃料改質装置によると、ハニカム構造体に対して原料ガスと加熱ガスとの供給方向および取出方向が互いに直交関係にあるので、原料ガスおよび加熱ガス用の配管の設計が容易である。
本発明の請求項５記載の燃料改質装置によると、ハニカム構造体の横断面において、改質用通路および加熱用通路の角部がＲ形状になっているため、このハニカム構造体の原料ガスおよび加熱ガスの圧力に対する強度が高い。また、この角部のＲ形状により、ハニカム構造体の焼成時および原料ガスの改質時に生じる熱衝撃に対する強度が高くクラックが発生し難いため、ハニカム構造体の耐久性が高い。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例を図１〜図４に示す。
図４に示すように、主に原料ガス中の燃料ガスと水蒸気とを改質する燃料改質装置１は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に収められたハニカム構造体３０とからなる。
【００１７】
ハウジング１０の内部において、ハニカム構造体３０の軸方向の一方の端部３０ａには原料ガス入口室１１が設けられており、この原料ガス入口室１１からハニカム構造体３０内に導入された原料ガスはハニカム構造体３０の内部を通って改質されて改質ガスとなり、ハニカム構造体３０の他方の端部３０ｂ付近の外周に設けられた改質ガス出口室１２に集められる。また、ハウジング１０の内部において、ハニカム構造体３０の軸方向の他方の端部３０ｂには加熱ガス入口室２１が設けられており、この加熱ガス入口室２１からハニカム構造体３０内に導入された加熱用ガスはハニカム構造体３０の内部を通ってハニカム構造体３０の一方の端部３０ａ付近の外周に設けられた加熱ガス出口室２２に集められる。原料ガス入口室１１、改質ガス出口室１２、加熱ガス入口室２１および加熱ガス出口室２２は、それぞれ原料ガス導入口１３、改質ガス排出口１４、加熱ガス導入口２３および加熱ガス排出口２４によってハウジング１０の外部に連通している。改質ガス出口室１２と加熱ガス出口室２２との間のハニカム構造体３０の外周には、断熱材３８が設けられている。
【００１８】
次に、ハニカム構造体３０の構造について述べる。
四角柱状のハニカム構造体３０には、図１に示すｘ軸方向に延びる隔壁３１とｙ軸方向に延びる隔壁３２とが交差することにより、ｚ軸方向に延びる四角柱状の通孔が形成されている。図２に示すように、この四角柱状の通孔は、各通孔の角部がＲ形状になっており、原料ガスを流通する改質用通路１５と加熱用ガスを流通する加熱用通路２５とに分けられる。ハニカム構造体３０には、改質用通路１５がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域１６と加熱用通路２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域２６とがｘ軸方向に交互に形成されている。
【００１９】
図３に示すように、加熱用通路２５は、栓部材２８によりハニカム構造体３０の一方の端部３０ａが目封じされている。ハニカム構造体３０の一方の端部３０ａ付近には、ハニカム構造体３０の一側面および加熱用通路２５同志を仕切る隔壁３１に横穴２７が形成されている。また、改質用通路１５は、栓部材１８によりハニカム構造体３０の他方の端部３０ｂが目封じされている。ハニカム構造体３０の他方の端部３０ｂ付近には、ハニカム構造体３０の一側面および改質用通路１５同志を仕切る隔壁３１に横穴１７が形成されている。改質用通路１５の内壁を形成する隔壁３１および隔壁３２の表面には、ハニカム構造体３０の一方の端部３０ａから横穴１７までの範囲にわたって図示しない改質用触媒層が形成されている。
【００２０】
このハニカム構造体３０は、以下のようにして製造される。
コージェライト質セラミックをハニカム状に押出成形してハニカム構造体３０とし、ハニカム構造体３０の一側面から切削加工を行なうことによりこの一側面および隔壁３１に横穴１７および横穴２７を形成する。次いで、ハニカム構造体３０を焼成し、栓部材２８により一方の端部３０ａを平行列状に目封じし、栓部材１８により他方の端部３０ｂを平行列状に目封じする。ハニカム構造体３０の一方の端部３０ａ側からニッケルを主成分とする改質用触媒のスラリー中にハニカム構造体３０をディッピングし、改質用通路２５を形成する隔壁３１および隔壁３２の表面に改質用触媒層を形成する。
【００２１】
ハニカム構造体３０を用いた燃料改質装置１は、以下のように機能する。
図４に示すように、メタンと水蒸気を主成分とする原料ガスは、例えば５００℃程度に予熱されて原料ガス導入口１３から原料ガス入口室１１へ導入され、ハニカム構造体３０の一方の端部３０ａから改質用通路１５に流入する。改質用通路１５内を図３に示す左方向に原料ガスが流れる間に、改質用通路１５の内壁を形成する隔壁３１および隔壁３２の表面に形成された改質用触媒層と原料ガスとが接触することにより、式（１） に示す反応が進行して原料ガスが改質されて改質ガスとなる。
【００２２】
ＣＨ４ ＋Ｈ２ Ｏ → ３Ｈ２ ＋ＣＯ （吸熱反応） ・・・（１）
この反応は吸熱反応であるが、隔壁３２を介して改質用通路１５の図３に示す上下に設けられた加熱用通路２５から加熱用ガスの有する熱が原料ガスに伝熱されるため、改質用通路１５内を流通する原料ガスの温度は式（１） の反応が進行可能な一定温度以上に保たれる。改質ガスは横穴１７を通って改質ガス出口室１２に集められ、改質ガス排出口１４から燃料改質装置１の外部へ排出されて図示しないＣＯ変換器へ送られる。
【００２３】
一方、加熱用ガスは、加熱ガス導入口２３から加熱ガス入口室２１へ導入される。加熱ガス入口室２１内には図示しない燃焼触媒が設けられており、加熱ガス入口室２１内の加熱用ガスを６００℃以上、例えば９００±１００℃に加熱する。この加熱用ガスがハニカム構造体３０の他方の端部３０ｂから加熱用通路２５に流入して図３に示す右方向に流れる間に、隔壁３２を介して加熱用通路２５の図３に示す上下に設けられた改質用通路１５内の原料ガスに加熱用ガスの有する熱が伝熱される。この加熱用ガスは、横穴２７を通って加熱ガス出口室２２に集められた後、加熱ガス排出口２４から燃料改質装置１の外部へ排出される。
【００２４】
本発明の第１実施例によると、ハニカム構造体３０に原料ガス流通領域１６と加熱ガス流通領域２６とが交互に平行列状に設けられているので、隔壁３２を介しての原料ガス流通領域１６と加熱ガス流通領域２６との接触面積が広く熱交換の効率が良い。また、ハニカム構造体３０の改質用通路１５を囲む隔壁３１および隔壁３２の表面に改質用触媒層が設けられているので、この改質用通路１５内を流通する原料ガスと改質用触媒との接触面積が広くなり、ハニカム構造体３０内を流通する間に原料ガスを効率よく改質することができる。改質用通路１５および加熱用通路２５を形成するハニカム構造体３０の通孔の角部はＲ形状になっているため、原料ガスおよび加熱ガスの圧力に対する強度が高い。また、この角部のＲ形状により、ハニカム構造体３０の焼成時および原料ガスの改質時に生じる熱衝撃に対する強度が高くクラックが発生し難い。ハニカム構造体３０は簡単な構造であるため、製造が容易であるとともに耐熱衝撃性が比較的高い。改質用通路１５および加熱用通路２５はハニカム構造体３０内に直線状に延びているので、ハニカム構造体３０内を流通する原料ガスおよび加熱用ガスの圧力損失が少ない。さらに、ハニカム構造体３０に対して原料ガスと加熱ガスとの供給方向および取出方向が互いに直交関係にあるので、原料ガスおよび加熱ガス用の配管の設計が容易である。
【００２５】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図５に示す。この第２実施例は、第１実施例の構成の燃料改質装置において、ハニカム構造体からの改質ガスの取出方向を変えた例である。
図５に示すように、ハニカム構造体１３０には、改質用通路１１５がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域１１６と加熱用通路１２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域１２６とがｘ軸方向に交互に形成されている。そして、隣接する加熱用通路１２５は横穴１２７によって連通され、加熱用通路１２５内を流通する加熱用ガスはハニカム構造体１３０の一側面に設けられた横穴１２７から図５に示す右方向に取出される。一方、隣接する改質用通路１１５は横穴１１７によって連通され、改質用通路１１５内を流通する原料ガスは、改質されてハニカム構造体１３０の一側面と対向する面に設けられた横穴１１７から図５に示す左方向に取出される。この他の部分の構成は、第１実施例と実質的に同様である。
【００２６】
本発明の第２実施例によると、加熱ガスと改質ガスとをハニカム構造体１３０に対して互いに逆方向に取出すので、配管の設計が容易である。
（第３実施例）
本発明の第３実施例を図６に示す。この第３実施例は、第１実施例の構成の燃料改質装置において、ハニカム構造体からの加熱用ガスおよび改質ガスの取出方向を変えた例である。
【００２７】
図６に示すように、ハニカム構造体２３０には、改質用通路２１５がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域２１６と加熱用通路２２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域２２６とがｘ軸方向に交互に形成されている。そして、ハニカム構造体２３０のｙ軸方向のほぼ中央に位置する隔壁２３４を境にして、図６において右側に位置する加熱用通路２２５を流通する加熱用ガスは右側に取出され、左側に位置する加熱用通路２２５を流通する加熱用ガスは左側に取り出されるように、隣接する加熱用通路２２５が横穴２２７によって連通され、ハニカム構造体２３０の図６に示す左右の側面に設けられた横穴２２７から取出される。同様に、ハニカム構造体２３０のｙ軸方向のほぼ中央に位置する隔壁２３４を境にして、図６において右側に位置する改質用通路２１５を流通する原料ガスは改質されて右側に取出され、左側に位置する改質用通路２１５を流通する原料ガスは改質されて左側に取り出されるように、隣接する改質用通路２１５が横穴２１７によって連通され、ハニカム構造体２３０の図６に示す左右の側面に設けられた横穴２１７から取出される。この他の部分の構成は、第１実施例と実質的に同様である。
【００２８】
本発明の第３実施例によると、原料ガス流通領域２１６および加熱ガス流通領域２２６を流通する原料ガスおよび加熱用ガスを、ハニカム構造体２３０の図６に示す左右に分けて取出すため、改質ガスおよび加熱ガスが通過する横穴２１７および横穴２２７の数が第１実施例に比べて少ない。このため、これらのガスの圧力損失が少なくなるという効果がある。
【００２９】
（第４実施例）
本発明の第４実施例を図７に示す。この第４実施例は、第１実施例の構成においてハニカム構造体の加熱用通路の形状を変えた例である。
図７に示すように、ハニカム構造体３３０には、ｘ軸方向に延びる隔壁３３１とｙ軸方向に延びる隔壁３３２とが交差することにより原料ガスを流通する改質用通路３１５および加熱用ガスを流通する加熱用通路３２５が形成されており、改質用通路がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域３１６と加熱用通路３２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域３２６とがｘ軸方向に交互に配置されている。本発明の第３実施例においては、改質用通路３１５同志を仕切る隔壁３３１間の距離に対して加熱用通路３２５同志を仕切る隔壁３３１間の距離を２倍にしている。この他の部分の構成は、第１実施例と実質的に同様である。
【００３０】
隔壁３３２の間隔が同じである場合、原料ガスの改質効率の点からは隔壁３３１の間隔は狭い方が原料ガスと改質触媒との接触面積が広くなるため好ましい。しかし、隔壁３３１の間隔を狭くすると、ハニカム構造体３３０内を流通する原料ガスおよび加熱用ガスの圧力損失が増大するという問題がある。特に、原料ガスの加熱を十分に行うためには原料ガスの流速に比べて加熱用ガスの流速を大きくするが、加熱ガス流通領域に設けられた隔壁３３１の間隔が狭いと加熱用ガスの圧力が増大してハニカム構造体３３０の破損につながる恐れもある。本発明の第３実施例によると、原料ガス流通領域３１６に設けられた隔壁３３１の数に比べて加熱ガス流通領域３２６に設けられた隔壁３３１の数が少ないので、加熱用ガスの圧力損失を低減できる。加熱ガス流通領域に設けられた隔壁の数は、ハニカム構造体の強度に影響を与えない程度であればさらに少なくしてもよい。
【００３１】
（第５実施例）
本発明の第５実施例を図８に示す。この第５実施例は、第１実施例の構成においてハニカム構造体の加熱用通路の形状を変えた例である。
図８に示すように、ハニカム構造体４３０には、ｘ軸方向に延びる隔壁４３１とｙ軸方向に延びる隔壁４３２とが交差することにより原料ガスを流通する改質用通路４１５および加熱用ガスを流通する加熱用通路４２５が形成されており、改質用通路がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域４１６と加熱用通路４２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域４２６とがｘ軸方向に交互に配置されている。本発明の第５実施例においては、改質用通路４１５同志を仕切る隔壁４３２間の距離に対して加熱用通路４２５同志を仕切る隔壁４３２間の距離を約１．５倍にしている。この他の部分の構成は、第１実施例と実質的に同様である。
【００３２】
本発明の第５実施例によると、改質用通路４１５の容積に比べて加熱用通路４２５の容積が大きいため、加熱用ガスの流速が第１実施例と同じ場合にも原料ガスの加熱を十分に行うことができる。このため、加熱用ガスの流速を抑えて加熱用ガスがハニカム構造体４３０に及ぼす圧力を低減することができる。
（第６実施例）
本発明の第６実施例を図９〜図１１に示す。
【００３３】
図９に示すように、燃料改質装置５は、ハウジング５１０と、ハウジング５１０内に収められたハニカム構造体５３０とからなる。
ハウジング５１０の内部において、ハニカム構造体５３０の軸方向の一方の端部５３０ａ付近のハニカム構造体５３０の外周には原料ガス入口室５１１が設けられており、この原料ガス入口室５１１からハニカム構造体５３０内に導入された原料ガスはハニカム構造体５３０の内部を通って改質されて改質ガスとなり、ハニカム構造体５３０の他方の端部５３０ｂ付近の外周に設けられた改質ガス出口室５１２に集められる。また、ハニカム構造体５３０の軸方向の他方の端部３０ｂとハウジング５１０との間には加熱ガス入口室５２１が形成され、ハニカム構造体５３０の一方の端部５３０ａとハウジング５１０との間には加熱ガス出口室５２２が形成されている。原料ガス入口室５１１、改質ガス出口室５１２、加熱ガス入口室５２１および加熱ガス出口室５２２は、それぞれ原料ガス導入口５１３、改質ガス排出口５１４、加熱ガス導入口５２３および加熱ガス排出口５２４によってハウジング５１０の外部に連通している。加熱ガス導入口５２３から加熱ガス入口室５２１に導入された加熱ガスは、ハニカム構造体５３０の内部およびハニカム構造体５３０とハウジング５１０との間を通って加熱ガス出口室５２２に集められ、加熱ガス排出口５２４から排出される。
【００３４】
次に、ハニカム構造体５３０の構造について述べる。
図１０に示すように、四角柱状のハニカム構造体５３０には、ｘ軸方向に延びる隔壁５３１とｙ軸方向に延びる隔壁５３２とが交差することにより原料ガスを流通する改質用通路５１５および加熱用ガスを流通する加熱用通路５２５が形成され、改質用通路５１５がｙ軸方向に隣接して並んだ原料ガス流通領域５１６と加熱用通路５２５がｙ軸方向に隣接して並んだ加熱ガス流通領域５２６とがｘ軸方向に交互に配置されている。
【００３５】
図１１に示すように、加熱用通路５２５は、ハニカム構造体５３０の軸方向に貫通している。また、改質用通路５１５は、栓部材５２８によりハニカム構造体５３０の一方の端部５３０ａが目封じされ、栓部材５１８により他方の端部５３０ｂが目封じされている。ハニカム構造体５３０の一方の端部５３０ａ付近にはハニカム構造体５３０の一側面および改質用通路５１５同志を仕切る隔壁５３１に横穴５２７が形成され、他方の端部５３０ｂ付近にはハニカム構造体５３０の一側面および改質用通路５１５同志を仕切る隔壁５３１に横穴５１７が形成されている。改質用通路５１５の内壁を形成する隔壁５３１および隔壁５３２の表面には図示しない改質用触媒層が形成されている。
【００３６】
原料ガス導入口５１３から原料ガス入口室５１１へ導入された原料ガスは、ハニカム構造体５３０の一方の端部５３０ａ付近に設けられた横穴５２７から改質用通路５１５に流入する。改質用通路５１５内を図１１に示す左方向に流れる間に、改質用通路５１５の内壁を形成する隔壁５３１および隔壁５３２の表面に形成された改質用触媒層と原料ガスとが接触することにより、原料ガスが改質されて改質ガスとなる。この改質ガスはハニカム構造体５３０の他方の端部５３０ｂ付近に設けられた横穴５１７を通って改質ガス出口室５１２に集められ、改質ガス排出口５１４から燃料改質装置５の外部へ排出されて図示しないＣＯ変換器へ送られる。
【００３７】
一方、加熱用ガスは、加熱ガス導入口５２３から加熱ガス入口室５２１へ導入され、ハニカム構造体５３０の内部およびハニカム構造体５３０とハウジング５１０との間を流通しながらハニカム構造体５３０の内外から改質用通路５１５内の原料ガスを加熱し、加熱ガス出口室５２２に集められて加熱ガス排出口５２４から燃料改質装置５の外部へ排出される。
【００３８】
本発明の第６実施例によると、加熱用ガスによって原料ガスをハニカム構造体５３０の内外から加熱することができる。また、加熱用通路５２５はハニカム構造体５３０を貫通しているため、ハニカム構造体５３０内を流通する加熱ガスの圧力損失が少ない。
なお、本発明の第１〜第６実施例では、ハニカム構造体をコージェライト質セラミックより形成したが、ハニカム構造体を形成する材料としては緻密で熱伝導性のよい材料を任意に選ぶことができる。具体的には金属質、セラミック質、ガラス質等の材料またはその複合材料がよい。セラミックとしては、炭化珪素、窒化珪素など耐熱性が高く熱膨張率の小さい材料が好ましい。ハニカム構造体の材料としてセラミックを用いた場合には、耐熱性および耐腐蝕性に優れるという利点がある。また、ハニカム構造体の材料として金属を用いた場合には、熱伝導性が良い、隔壁を薄くすることができる、横穴の加工が容易であるという利点がある。金属材料からハニカム構造体を製造する場合には、スラリーにディッピングするか金属箔を貼付けるなどの方法により目封じを行えばよい。
【００３９】
加熱用ガスとしては、燃料電池の排ガスを用いるとこの排ガスのもつ熱を利用することができシステムの効率がよい。第１〜第５実施例においては加熱ガス入口室内に接触燃焼触媒を設けたが、加熱用ガスの加熱方法としては加熱ガス入口室の周囲にヒータ、バーナなどを設ける方法によってもよい。
また、本発明の第１〜第６実施例においてはニッケルを主成分とする改質用触媒を使用したが、改質用触媒の成分はニッケルに限定されるものではない。
【００４０】
なお、本発明は、燃料改質装置として用いるほか、本発明による構造体を熱交換器として使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ方向矢視図である。
【図３】図２のＩＩＩ −ＩＩＩ 線断面図である。
【図４】本発明の第１実施例による燃料改質装置を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の第２実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図である。
【図６】本発明の第３実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図である。
【図７】本発明の第４実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図である。
【図８】本発明の第５実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図である。
【図９】本発明の第６実施例による燃料改質装置を示す模式的断面図である。
【図１０】本発明の第６実施例による燃料改質装置のハニカム構造体を示す側面図であり、図９のＸ方向矢視図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
【図１２】従来の燃料改質装置のハニカム構造体を示す横断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料改質装置
１０ ハウジング
１１ 原料ガス入口室
１２ 改質ガス出口室
１３ 原料ガス導入口
１４ 改質ガス排出口
１５ 改質用通路
１６ 原料ガス流通領域
１７ 横穴
１８ 栓部材
２１ 加熱ガス入口室
２２ 加熱ガス出口室
２３ 加熱ガス導入口
２４ 加熱ガス排出口
２５ 加熱用通路
２６ 加熱ガス流通領域
２７ 横穴
２８ 栓部材
３０ ハニカム構造体
３１ 隔壁
３２ 隔壁
Claims (5)
- 隔壁によって仕切られた多数の通路を有するハニカム構造体をハウジング内に収めた燃料改質装置であって、
前記ハニカム構造体には、前記通路を囲む前記隔壁の表面に燃料ガスを改質ガスに変換する改質用触媒層が形成された改質用通路が隣接して列状に並んだ複数の原料ガス流通領域と、前記原料ガス流通領域とは前記隔壁を介して隔離され加熱用ガスを流通する加熱用通路が隣接して列状に並んだ複数の加熱ガス流通領域とが交互に平行に設けられ、
前記原料ガス流通領域と前記加熱ガス流通領域との少なくとも一方は、前記隔壁に設けられた横穴によって隣接する前記改質用通路または前記加熱用通路が互いに連通されることを特徴とする燃料改質装置。 - 前記ハニカム構造体は、その一方の端部において前記原料ガス流通領域の開口部が平行列状に目封じされ、前記ハニカム構造体の他方の端部において前記加熱ガス流通領域の開口部が平行列状に目封じされていることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
- 前記燃料ガスおよび前記加熱用ガスは、前記ハニカム構造体への流入方向および流出方向の一方が前記ハニカム構造体の軸方向と平行であり他方が前記ハニカム構造体の軸方向に垂直であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料改質装置。
- 前記燃料ガスは前記ハニカム構造体の一方の端部から流入して前記ハニカム構造体の他方の端部近傍の壁面から流出し、前記加熱用ガスは前記ハニカム構造体の他方の端部から流入して前記ハニカム構造体の一方の端部近傍の壁面から流出することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料改質装置。
- 前記改質用通路および前記加熱用通路の横断面の形状は、角部がＲ形状の多角形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の燃料改質装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07175795A JP3550436B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 燃料改質装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07175795A JP3550436B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 燃料改質装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08283002A JPH08283002A (ja) | 1996-10-29 |
| JP3550436B2 true JP3550436B2 (ja) | 2004-08-04 |
Family
ID=13469740
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07175795A Expired - Lifetime JP3550436B2 (ja) | 1995-03-29 | 1995-03-29 | 燃料改質装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3550436B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001015877A1 (fr) * | 1999-08-30 | 2001-03-08 | Ngk Insulators, Ltd. | Structure en nid d'abeille de paroi ondulee et procede de production de celle-ci |
| JP4742405B2 (ja) * | 2000-06-28 | 2011-08-10 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料改質装置 |
| KR101126201B1 (ko) | 2004-06-23 | 2012-03-28 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기 |
| JP4462082B2 (ja) | 2005-03-22 | 2010-05-12 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料改質装置 |
| JP4521513B2 (ja) * | 2006-01-30 | 2010-08-11 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 内部発熱式の熱交換構造体 |
| JP2007198706A (ja) * | 2006-01-30 | 2007-08-09 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 交差した流路方向を有する内部発熱式の熱交換構造体 |
| JP4966887B2 (ja) * | 2008-02-14 | 2012-07-04 | 日本碍子株式会社 | プラズマ反応器、及びプラズマ反応装置 |
| DE102008058072A1 (de) * | 2008-11-19 | 2010-05-20 | Daimler Ag | Versorgungsanordnung zur Ankopplung an eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellensystem mit der Versorgungsanordnung |
| WO2012098572A1 (ja) * | 2011-01-18 | 2012-07-26 | 三菱電機株式会社 | 積層型熱交換器及びそれを搭載したヒートポンプシステム |
| WO2015068783A1 (ja) * | 2013-11-06 | 2015-05-14 | イビデン株式会社 | 熱交換器 |
-
1995
- 1995-03-29 JP JP07175795A patent/JP3550436B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08283002A (ja) | 1996-10-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4943037B2 (ja) | 燃料電池モジュール | |
| JP5063048B2 (ja) | 燃料電池 | |
| EP1444475B1 (en) | Monolithic system, method for mass and/or heat transfer and plant therefor | |
| EP0328812B1 (en) | Electrochemical generators of rectangular design having corner heating | |
| EP0584107B1 (en) | Modular isothermal reactor | |
| US8038960B2 (en) | Reformer | |
| ES2430841T3 (es) | Sistema de intercambiador de calor que comprende zonas de circulación fluida recubiertas de forma selectiva con un catalizador de reacción química | |
| JP5436196B2 (ja) | 発電装置 | |
| KR102107529B1 (ko) | 고체 산화물 연료 전지 | |
| US8021794B2 (en) | Fuel cell with cross-shaped reformer | |
| ZA200508176B (en) | Method and equipment for distribution of two fluids and out of the channels in a multi-channel monolithic structure and use thereof | |
| GB2354960A (en) | Reactor with a heat exchanger structure | |
| JP3550436B2 (ja) | 燃料改質装置 | |
| JP6415962B2 (ja) | 燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュール | |
| JP6037749B2 (ja) | 燃料電池モジュール | |
| JP5960072B2 (ja) | 燃料電池モジュール、及びその製造方法 | |
| JP4914846B2 (ja) | 燃料電池システム用蒸発器 | |
| JPH02129001A (ja) | 燃料電池用改質器 | |
| JP6016520B2 (ja) | 燃料電池モジュール | |
| JPH0755803B2 (ja) | 燃料電池システムの燃料改質装置 | |
| JP2014165010A (ja) | 燃料電池モジュール | |
| JP2023039180A (ja) | 水蒸気電解システム | |
| JP6466136B2 (ja) | 燃料電池モジュール | |
| JP2017126466A (ja) | 燃料電池モジュール | |
| JPH0740746U (ja) | プレート形改質装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040130 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040330 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040426 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090430 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100430 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100430 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110430 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110430 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120430 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120430 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130430 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140430 Year of fee payment: 10 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |