JP3968686B2 - メタノール改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池電気自動車に必要な燃料水素を高効率で発生させることができる熱効率の良いメタノール改質装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタノールの水蒸気改質により水素を発生させる場合、この反応が吸熱反応であり、また、メタノールの水蒸気改質では、銅系の触媒を用いると通常２５０〜３５０℃の温度で反応を行う必要があるために、改質原料ガスや改質触媒に熱を供給する必要がある。
この加熱方法として、メタノールや燃料電池からのオフガスを燃焼触媒により燃焼させる燃焼室と改質反応を行わせる改質室とを介して交互に積み重ねて、改質反応に効率よく燃焼熱を供給する積層型の改質器が提案されている。
【０００３】
このような積層型の改質器として、特公平１−５５８９６号公報、特開平５−３１９８０１号公報等があるがいずれの改質器とも、改質燃料のメタノールと水を気体の状態で導入する構造になっているため、改質器の外部に改質燃料の気化、予熱装置を設けなければならず、燃料電池用燃料供給システムとして設備が過大なものとなってしまう。また、気化器から改質器までの距離が長いと、予熱された改質燃料ガスが気化器から改質器まで移動する間に配管等からの放熱により熱をロスしてしまい、熱効率が低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱効率に優れる積層型改質器と改質燃料の気化器を一体化して、コンパクトかつ効率が良く、さらに、複雑な部品を必要とせず、低コストで量産性が高いメタノール改質装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るメタノール改質装置では、一方の面に燃焼触媒を、他方の面に改質触媒を備えた薄板と、ガス流路を設けたスペーサーとを積層することによって燃焼部と改質部とを形成し、さらに、係る積層構造内に改質燃料の気化部を一体に設けている。
【０００６】
本発明に係るメタノール改質装置は、さらに詳しくは、以下のような構成を備える。なお、以下の構成において、後に言及する図中の参照番号を付している。
すなわち、本発明に係るメタノール改質装置は、触媒コート部において、片面に燃焼触媒１ａをコートし、もう一方の面には触媒をコートせず、上記触媒コート部の周囲に沿って形成された燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路穴１ｃを備えた金属製薄板１Ａと、
触媒コート部において、片面に燃焼触媒１ａを、もう一方の面に改質触媒１ｂをコートし、上記触媒コート部の周囲に沿って形成された燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路穴１ｃを備えた金属製薄板１Ｂと、
金属製薄板１Ａの有するガス通路穴１ｃに対応するガス通路穴のうち、一が閉じられた部分２ｆおよび他のガス通路穴２ｃを備える他は、金属製薄板１Ａと同一の構成の金属製薄板２とを備え、
金属製薄板１Ａ同士を互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ｂと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ｂ同士を互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ａ同士を互いに燃焼触媒をコートしていない面を向けて積層することによって改質燃料の気化部または改質燃料の予熱部を形成し、
金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒をコートしていない面を向けて積層することによって改質燃料の気化部または改質燃料の予熱部を形成し、
金属製薄板１Ｂ同士を互いに改質触媒１ｂをコートした面を向けて積層することによって改質部を形成し、
上記気化部同士の間、上記気化部と上記予熱部の間、上記予熱部同士の間、上記予熱部と上記改質部の間、および上記改質部同士の間には上記いずれかの燃焼部が介在し、
上記いずれの燃焼部、気化部、予熱部、改質部においても各金属製薄板の間に同一形状のスペーサー３を存在させ、スペーサー３には、上記触媒コート部と同じ平面形状の中央部空間３ａが形成され、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路部３ｃが備えられ、かつ中央部空間３ａにはガス流路を形成するための凸部３ｂが形成され、
金属製薄板１Ａ、１Ｂ、２と、スペーサー３とが積層されることによって、ガス通路穴１ｃ、２ｃ、およびガス通路部３ｃが連通することにより、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路が形成され、
スペーサー３は、さらに該ガス通路から燃焼燃料ガス、および改質燃料のいずれかを中央部空間３ａに流入させるための入口スリット３ｅと、中央部空間３ａから排出させるための出口スリット３ｆとを備え、
上記燃焼部では、形成されたガス通路のいずれかから、入口スリット３ｅを経て中央部空間３ａに燃焼燃料ガスが流入し、ガス流路を流れつつ中央部空間３ａで燃焼し、隣接する気化部、予熱部または改質部を流れる改質燃料を気化、または改質燃料を予熱もしくは改質し、しかる後、燃料排ガスとして、出口スリット３ｆを経て、上記流入したガス通路とは別のいずれかのガス通路から排出され、
上記気化部、予熱部または改質部では、形成されたガス通路のいずれかから、入口スリット３ｅを経て中央部空間３ａに流入する改質燃料が、中央部空間３ａのガス流路を流れつつ、隣接する燃焼部からの熱によって気化、予熱または改質され、気化された改質燃料、予熱された改質燃料または改質ガスとして、出口スリット３ｆを経て、上記流入したガス通路とは別のいずれかのガス通路から排出され、
上記改質燃料の気化部および改質燃料の予熱部では、これらの気化部および予熱部が、金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを積層して形成されたものである場合、改質燃料が流入するガス通路に対応する位置に金属製薄板２の閉じられた部分２ｆが位置し、改質燃料が、入口スリット３ｅを経て、素通りせずに中央部空間３ａに流入し、出口スリット３ｆから排出されるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るメタノール改質装置は、さらに他の形態として、燃焼燃料ガスおよび改質燃料を上から下に流し、最下端の燃焼部および改質部で、上記出口スリット３ｆの連通するガス通路とは別のガス通路に連通する出口スリット４ｆを備えたスペーサー４で上記スペーサー３を代替し、上方からの燃焼排ガスおよび改質ガスを出口スリット４ｆを介してガス通路に排出し、上方からの燃焼排ガスおよび改質ガスを上方に戻し、系外に排出するようにしている。
これによって、燃料の入口と出口とを装置に対し同一の方向とし、改質器を真空断熱層を有する容器内に収納することができる。これによって、外部への放熱によるロスを防ぐことができる。またさらに、この場合、気化部よりも予熱部の積層数を多くすることが好適である。これによって、ガスの流入抵抗を減らし、燃料供給ポンプの負荷を低減できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面に示した実施の形態を参照しながら本発明に係るメタノール改質装置を説明する。
まず、図１に本特許出願人による現在特許出願中（特願２０００−０４２４３９号）の積層型メタノール改質装置の一実施の形態を示す。このメタノール改質装置は、本発明に係るメタノール改質装置の前提をなすものである。
このメタノール改質装置では、図１の実施の形態に示すように片面に燃焼触媒１ａを、もう一方の面に改質触媒１ｂをコートした金属製薄板１と、スペーサー３を交互に複数層積層して、燃焼部１１と改質部１２を有する改質器１０を形成している。
【０００９】
燃焼部１１では、スペーサー３を挟みその上下の相対する面が燃焼触媒１ａになるように、改質部１２ではスペーサー３を挟みその上下の相対する面が改質触媒１ｂになるように金属性薄板１を積層している。スペーサー３は、燃焼部１１と改質部１２とで同一形状のものを使用し、向きを１８０度変えている。これによって、点線で示す燃焼燃料ガスが燃焼部１１で燃焼して燃焼排ガスとして排出されるガス流路と、実線で示す改質燃料が改質部１２で改質されて改質ガスとして排出されるガス流路とが完全に独立して形成される。このことにより、燃焼ガスと改質ガスが混合することがない。なお、このようにするためには、スペーサー３の向きを９０度変えることでも良い。
【００１０】
このようにして、金属製薄板１とスペーサー３の２種類だけの部品を組み合わせることで改質器１０を作製でき、部品点数が少なくて済むので、低コストな改質器とすることができる。
また、組付けはボルト、ナットによる締め付けだけで行うことができ、溶接等手間のかかる工程を必要としないので、この点でも低コストとなる。また、積層する金属製薄板１とスペーサー３の枚数を増減することにより、改質器１０の水素発生容量を自由に変更できるという特徴を備えている。
【００１１】
改質器１０の最上面と最下面には、押さえ板５ａ、５ｂを設けている。これら押さえ板５ａ、５ｂによって、交互に積層した金属製薄板１とスペーサー３を上下からボルト締めにより押さえつけ、各ガスの漏れを防ぐ。
【００１２】
そして、図２に示すように積層した改質器１０を真空断熱層６ａを持つステンレス製の容器６に収容する。これによって、外部への放熱によるロスを抑えることができ、効率の高い装置とすることができる。
【００１３】
本発明に係るメタノール改質装置は、上記図１、図２の実施の形態について説明したメタノール改質装置に改良を行ったものである。本発明では、このメタノール改質装置に気化部および予熱部を組み込むことができるようにした。
このために、本発明に係るメタノール改質装置では、改質部とそれに先立つ気化部、予熱部との間で各々の流れが独立して形成されるようにした。すなわち、例えば以下の実施の形態に示すように、例えば、気化部、予熱部、改質部の境界部分にガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板を使用し、ガス流を区分けすることとしている。
【００１４】
本発明に係るメタノール改質装置を説明するために、図３にガスの通路穴が全て開いている金属製薄板１の実施の形態を示し、図４にガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板２の実施の形態を示す。
まず、図３に示すように、金属製薄板１の中央部には、気化部、予熱部では片面にのみ燃焼触媒１ａがコーティングされている。なお、この金属製薄板１を本明細書中で特に金属製薄板１Ａと言及することがある。
改質部では片面に燃焼触媒１ａが、もう一方の面に改質触媒１ｂがコーティングされている。なお、この金属製薄板を本明細書中で特に金属製薄板１Ｂと言及することがある。
【００１５】
次に、図４に示すように、金属製薄板２の中央部には、片面にのみ燃焼触媒１ａがコーティングされている。上記金属製薄板１、２の触媒コート部の周囲には、図３、図４に示すように、各々、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料または改質ガスのいずれかを通す複数の通路穴１ｃ、２ｃを設けている。ただし、金属製薄板２では、ガスの通路穴が一つ開いてない部分２ｆが存在する。１ｄ、２ｄは、ボルトで上下から締め付けるためのボルト穴である。
【００１６】
さらに、触媒コート部１ａ、１ｂおよび、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料または改質ガスのいずれかを通す通路穴１ｃ、２ｃおよびガスの通路穴が一つ開いてない部分２ｆの周囲には、図３、４の破線で示す位置にビード１ｅ、２ｅを付けている。これによって、上下からの締め付けだけでガス漏れのない装置を組み立てることを可能としている。
金属製薄板１、２の材質としては、熱伝導を良くするためには板厚が薄い方が良く、さらに、３００〜４００℃付近での強度、耐熱性や耐食性を考えるとステンレス製が最も良い。熱伝達を効率よくするために、このステンレス製薄板の厚みは、０．５ｍｍ以下とすると良い。
【００１７】
次に、図５について、上記金属製薄板１Ａ、１Ｂおよび２を用いて気化部、予熱部および改質部を構成した実施の形態を説明する。
この図５は、ガスの流れでこれらの気化部、予熱部および改質部を説明している。図を見やすくするために、気化部１３、予熱部１４、改質部１２の金属製薄板１Ａ、１Ｂおよび２と改質燃料、改質ガスの流れだけを示した。実際には、各金属製薄板の間にはスペーサーが存在し、さらに、燃焼部が各層の間に存在する。
【００１８】
気化部１３に導入された改質燃料は、金属製薄板２の通路穴が一つ閉じられた部分２ｆまで導入され、金属製薄板２より上にある金属製薄板１Ａおよび２上で気化される。ここで、気化部１３として図５に表示された部分では、この閉じられた部分２ｆがあることによって、上流からの改質燃料が、実線で示すように流れ、後段の予熱部１４、改質部１２に素通りしてしまうことがない。すなわち、このように、気化部１３のガス通路は、後段の予熱部１４、改質部１２に連通しているものの、改質燃料が導入された後、必ず一旦は、係る改質燃料が触媒コート部に導入されるような独立した流路を形成する。
【００１９】
気化された改質燃料は、金属製薄板２の気化部用スペーサー出口スリット（後述）とつながった図５中の通路穴２ｃから排出される。気化部１３の改質燃料出口は予熱部１４の入口となる。
予熱部１４に導入された改質燃料は、同様にして金属製薄板２の通路穴が一つ閉じられた部分２ｆまで導入され、金属製薄板２より上にある金属製薄板１Ａおよび２上で予熱される。ここで、予熱部１４として図５に表示された部分では、この閉じられた部分２ｆがあることによって、上流からの改質燃料が、実線で示すように流れ、後段の改質部１２に素通りしてしまうことがない。すなわち、このように、予熱部１４のガス通路は、後段の改質部１２に連通しているものの、改質燃料が導入された後、必ず一旦は、係る改質燃料が触媒コート部に導入されるような独立した流路を形成する。
【００２０】
このようにして予熱部１４が形成され、改質部１２につながっている。
予熱された改質燃料は、金属製薄板２の予熱部用スペーサー出口スリット（後述）とつながった図５中の通路穴２ｃから排出される。予熱部１４の改質燃料出口は改質部１２の入口となる。
【００２１】
図５の実施の形態では、２層毎にガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板２を設けているが、積層するスペーサーと金属製薄板の枚数は、これに限定されるものではなく、変更することができる。
また、このようなガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板２は、気化、予熱、改質部の各部１３、１４、１２を仕切り、これら各部のガス流を区分けするために用いている。しかし、これらの各部１３、１４、１２自体の各々の中でガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板２を使用することもできる。これにより、ガスの流路長を長くすることができる。例えば、改質部１２の中でガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板を複数枚使用してガス通路長を長くし、燃料ガスと触媒との接触距離を長くすることで改質効率を向上できる。
【００２２】
ところで、上記図５の実施の形態の形状は、そのまま実施すると、入口（上面）と反対方向（下面）に改質ガスが排出される。このため、図２について示したような改質器から外部への放熱を防ぐための真空断熱層６ａをもつステンレス製容器６に収容できなくなってしまう。
このことを解決するために、改質部スペーサーの出口スリットの位置を変更することにより、入口と同じ方向にガス出口を設けることが可能になる。
【００２３】
図６、７に出口スリットの位置が異なる２種類のスペーサーの拡大図を示す。このスペーサー３、４には、中央部に金属製薄板１の触媒コート部に対応して、該触媒コート部と同じ平面形状の空間３ａ、４ａを設けている。さらに、この空間３ａ、４ａ内に延長する凸部３ｂ、４ｂを設けている。これによって、ガス通路を長くし、燃焼部と気化、予熱、改質部との熱交換効率向上を図っている。なお、図６の（ａ）にスペーサー本体を示し、図６の（ｂ）にスリット部の断面を示している。
【００２４】
上記中央部の空間３ａ、４ａの周囲には、金属製薄板１と同じ形状の燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、改質ガスが通る通路３ｃ、４ｃを設けている。またさらに、ボルトで上下から締め付けるためのボルト穴３ｄ、４ｄを設けている。
また、スペーサー３、４には中央の触媒部の空間３ａと各ガス通路部３ｃを結ぶ入口スリット３ｅ、４ｅおよび出口スリット３ｆ、４ｆを設けている。スリット形状にすることにより、入口および出口部分でも、スペーサー３、４と金属製薄板１、２を押さえつけることができ、ガスの漏れを防ぐことができる。
スペーサー３ではガス通路として使われていないスペーサー４のガス通路穴の位置に、出口スリット４ｆを設けている。
【００２５】
このスペーサー３、４の厚さとしては０．５〜５ｍｍ程度にすると良い。薄すぎると、ガスの通りが悪くなり、ガス圧の上昇やガス流の不均一が生じる。また、厚すぎると、未反応ガスが生じたり、容積や重量が増加してしまう。スペーサー３、４の材質としては、３００〜４００℃付近で使用できれば良く、ステンレスや銅、軽量化を考えるとアルミやチタンなどが考えられる。
【００２６】
図８に出口スリットの位置を変更した図７のスペーサー４を使用した積層型改質器の構造を示す。上段のスペーサー３の使用してないガス通路穴に出口スリット４ｆを設けることにより、燃料入口と同じ方向の上面にガス出口を設けることができ、真空断熱層を持つ容器に収容できるようになる。これによって、外部への放熱によるロスを抑えることにより、効率の高い装置とすることができる。
【００２７】
図９に本発明に係るメタノール改質装置における改質燃料、改質ガス、燃焼燃料、燃焼排ガスの全体の流れを示す。この図９では、金属製薄板１Ａ、１Ｂ、２について、実線の矢印で気化部１３、予熱部１４および改質部１２における液体およびガスの流れ、破線の矢印で燃焼部１１におけるガスの流れを示す。
【００２８】
上記説明したところに従って、片面にのみ燃焼触媒１ａをコートしたガス通路穴が全部開いている金属製薄板１Ａ、片面にのみ燃焼触媒１ａをコートし、ガス通路穴を一つ閉じた金属製薄板２と、片面に燃焼触媒１ａを、もう一方の面に改質触媒１ｂをコートしたガス通路穴が全部開いている金属製薄板１Ｂと、出口スリットの位置が異なるスペーサー３、４を交互に複数層積層している。これによって、燃焼部１１、改質部１２、気化部１３、予熱部１４を有する気化器一体型改質器２０を形成している。
【００２９】
燃焼部１１ではスペーサーの上下が燃焼触媒１ａになるように、改質部１２ではスペーサーの上下が改質触媒１ｂになるように、気化部１３および予熱部１４ではスペーサーの上下が何もコートしてない面になるように金属製薄板１Ａ、１Ｂまたは２を積層している。
スペーサーは燃焼部１１、気化部１３、予熱部１４とで同一形状のスペーサー３（図６）を使用し、改質部１２では出口スリットの位置を変えたスペーサー４（図７）を使用している。
【００３０】
燃焼部のスペーサーに対し、気化、予熱、改質部のスペーサーの向きを９０度あるいは１８０度変えることにより、燃焼ガスと改質ガスが混合することのないガス流路を形成できる。この点は、図１について説明した先行する発明に関する実施の形態と同様である。
その結果、ガス通路穴の一つが閉じているかどうかの違いだけの金属製薄板２種類と出口スリットの位置が異なるだけのスペーサー２種類の４種類だけの部品を組み合わせることで気化器を一体化した改質器２０を作製でき、部品点数が少なくて済む。したがって、低コストな改質器とすることができる。
また、組付けはボルト、ナットによる締め付けだけで行うことができ、溶接等手間のかかる工程を必要としないので、この点でも低コストとなり量産性も高い。また、積層する金属製薄板とスペーサーの枚数を増減することにより、気化器一体型改質器２０の水素発生容量を自由に変更できる。
【００３１】
気化器一体型改質器２０の上面と下面には、図１０に示すように、押さえ板５ａ、５ｂが設けられている。この押さえ板５ａ、５ｂによって、交互に積層した金属製薄板１、２とスペーサー３、４を上下からボルト締めにより押さえつけ、各ガスの漏れを防ぐ。上面の押さえ板５ａには、燃焼燃料、燃焼排ガス、改質燃料、改質ガスを通す通路穴５ｃを設けている。これらの通路穴５ｃは、スペーサーと金属製薄板のガス通路穴に一致するように任意の位置に設けることができる。また、上面および下面の押さえ板５ａ、５ｂには、ボルトで上下から締め付けるためのボルト穴５ｄを設けている。
【００３２】
さらに、本発明では、図２に示すように、積層した気化器一体型改質器２０を真空断熱層６ａを持つステンレス製の容器６に収容して、外部への放熱によるロスを抑える。これにより、効率の高い装置としている。気化器一体型改質器２０の上部にはセラミックス製の断熱材７を設置し、上部からの放熱を抑えている。
なお、金属製薄板とスペーサーの組合せ方法は、改質器のサイズや水素発生容量等に最適になるように選択すれば良く、上記実施の形態で示した組合せに限定されない。
【００３３】
本発明に係る改質装置では、図１１に示すように、改質燃料のメタノールと水は液体の状態で改質装置内の気化部１３に導入され、燃焼部１１での燃焼反応による熱が金属製薄板１Ａ、２を介して気化部に伝わり、改質燃料が気化される。
気化された改質燃料は、ガス通路穴が一つ閉じられた金属製薄板２の位置で予熱部１４に導入され、予熱部１４で燃焼部１１からの熱により改質反応に適した温度（２５０℃以上）まで予熱される（同様に図１１）。
気化部１３では、改質燃料が液体から気体へ変化することによりより体積が増大し、さらに予熱部１４では、気化した改質燃料が温度の上昇により膨張するため、積層するスペーサーと金属製薄板の枚数は、気化部より予熱部の方を多くして流入抵抗を減らす方が良い。
【００３４】
予熱された改質燃料はガス通路穴が一つ閉じられた金属製薄板２の位置で改質部１２に導入され、図１２に示すように改質触媒１ｂにより改質反応が進行する。改質部１２でも吸熱反応である改質反応に燃焼部１１での反応熱が金属製薄板１Ｂを介して供給され、高い反応率で改質反応が進行する。
【００３５】
他の実施の形態
本発明に係るメタノール改質装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内における変更・修飾・付加は、全て本発明に含まれる。
【００３６】
例えば、気化部と、改質部とでそれぞれ燃焼部からの熱の供給量が最適になるように、気化部と改質部とで燃焼部の流路が別々になるように設定することができる。このような実施の形態を図１３、図１４に示す。
図１３、１４で点線矢印で示したものが、改質部加熱用の燃焼燃料のガス流れである。破線矢印で示したものが、気化、予熱部加熱用燃焼燃料のガス流れを示したものである。改質燃料自体の流れは、図９の実施の形態と同様である。
図１４に示すように、改質部加熱用スペーサー３を気化、予熱部加熱用スペーサー３と直交させ、新たに押え板５ａに改質部加熱用燃焼燃料導入口および燃焼排ガス出口を設けている。これによって気化部と改質部とで燃焼部の流路が別々になるように設定している。
【００３７】
【実施例】
金属製薄板としてＳＵＳ３０１Ｈ、板厚０．２ｍｍのものを使用した。気化部、予熱部では、金属製薄板の片面に燃焼触媒として１〜５ｗｔ％Ｐｔ／アルミナの触媒を塗布し、もう一方の面には何も塗布しないで使用した。改質部では、金属製薄板の片面に燃焼触媒として１〜５ｗｔ％／Ｐｔ／アルミナの触媒を塗布し、もう一方にＣｕ−Ｚｎ系の改質触媒を塗布した。触媒塗布面積は金属製薄板一枚の片面につき１００ｍｍ×１００ｍｍとした。
【００３８】
スペーサーはＳＵＳ３０４、板厚２ｍｍで行った。金属製薄板およびスペーサーの外径はφ１６０ｍｍとし、気化、予熱部を８層、改質部を１０層、燃焼部を１９層として、それぞれを交互に積層させた改質器を作製した。反応部の上部と下部には、ＳＵＳ３０４製で厚さ１０ｍｍの押さえ板を取り付け、ボルト、ナットにより固定した。さらに、放熱による熱のロスを低減するために、真空断熱層をもつステンレス製の容器内に改質器を収容した。
【００３９】
燃焼部の入口から燃焼燃料ガスとしてメタノールと空気を供給し、気化部の入口からメタノールと水のモル比が１対１の改質燃料を液体の状態で供給した。実験の結果、改質器内の温度約３００℃で、９５％の改質率と、４０Ｌ／ｍｉｎの水素を発生させることができた。
【００４０】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、熱効率に優れる積層型改質器と改質燃料の気化器を一体化して、コンパクトかつ熱のロスが少なくて効率が良く、さらに、複雑な部品を必要とせず、低コストで量産性が高いメタノール改質装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる積層型改質器の全体を示す概略図である。
【図２】メタノール改質器を真空断熱容器に入れた状態を説明する概念的断面図である。
【図３】ガス通路穴が全部開いている金属製薄板の一実施の形態を説明する平面図である。
【図４】ガス通路穴が一つ閉じられている金属製薄板の一実施の形態を説明する平面図である。
【図５】ガス通路穴が一つ閉じられている金属製薄板を使用したときの改質燃料、ガスの流れを金属製薄板の配置とともに示した斜視図である。
【図６】スペーサーの一実施の形態を説明する平面図である。
【図７】出口スリットの位置が異なるスペーサーの一実施の形態を説明する平面図である。
【図８】出口スリットの位置が異なるスペーサーを使用したときの改質燃料、ガスの流れを示した斜視図である。
【図９】気化器一体型改質器の一実施の形態について、燃焼ガス、改質燃料、改質ガスの流れを示した概念的断面図である。
【図１０】本発明に係るメタノール改質装置に用いることのできる押え板の一実施の形態を説明する斜視図である。
【図１１】気化部、予熱部における金属製薄板の断面を説明する断面図である。
【図１２】改質部における金属製薄板の断面を説明する断面図である。
【図１３】気化部と改質部で燃焼部の流路を別々に設けた実施の形態において、の燃焼ガス、改質燃料、改質ガスの流れを説明する概念的断面図である。
【図１４】気化部と改質部で燃焼部の流路を別々に設けた図１３の実施の形態について、スペーサーの配置を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ ガス通路穴が開いている金属製薄板
１Ａ 片面に燃焼触媒を塗布した金属製薄板１
１Ｂ 片面に燃焼触媒をもう片面に改質触媒を塗布した金属製薄板１
１ａ 燃焼触媒
１ｂ 改質触媒
１ｃ 燃料、ガス通路穴
１ｄ ボルト穴
１ｅ ビード
２ ガス通路穴が一つ閉じている金属製薄板
２ｃ 燃料、ガス通路穴
２ｄ ボルト穴
２ｅ ビード
２ｆ ガス通路穴を閉じた部分
３ スペーサー
３ａ 中央部空間
３ｂ 凸部
３ｃ 燃料、ガス通路穴
３ｄ ボルト穴
３ｅ 入口スリット
３ｆ 出口スリット
４ 出口スリットの位置が異なるスペーサー
４ａ 中央部空間
４ｂ 凸部
４ｃ 燃料、ガス通路穴
４ｄ ボルト穴
４ｅ 入口スリット
４ｆ 出口スリット
５ａ 上面押さえ板
５ｂ 下面押さえ板
５ｃ 燃料、ガス通路穴
５ｄ ボルト穴
６ 真空保温容器
６ａ 真空断熱層
７ 断熱材
１０ 積層型改質器
１１ 燃焼部
１２ 改質部
１３ 気化部
１４ 予熱部
２０ 気化部一体型改質器
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池電気自動車に必要な燃料水素を高効率で発生させることができる熱効率の良いメタノール改質装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタノールの水蒸気改質により水素を発生させる場合、この反応が吸熱反応であり、また、メタノールの水蒸気改質では、銅系の触媒を用いると通常２５０〜３５０℃の温度で反応を行う必要があるために、改質原料ガスや改質触媒に熱を供給する必要がある。
この加熱方法として、メタノールや燃料電池からのオフガスを燃焼触媒により燃焼させる燃焼室と改質反応を行わせる改質室とを介して交互に積み重ねて、改質反応に効率よく燃焼熱を供給する積層型の改質器が提案されている。
【０００３】
このような積層型の改質器として、特公平１−５５８９６号公報、特開平５−３１９８０１号公報等があるがいずれの改質器とも、改質燃料のメタノールと水を気体の状態で導入する構造になっているため、改質器の外部に改質燃料の気化、予熱装置を設けなければならず、燃料電池用燃料供給システムとして設備が過大なものとなってしまう。また、気化器から改質器までの距離が長いと、予熱された改質燃料ガスが気化器から改質器まで移動する間に配管等からの放熱により熱をロスしてしまい、熱効率が低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱効率に優れる積層型改質器と改質燃料の気化器を一体化して、コンパクトかつ効率が良く、さらに、複雑な部品を必要とせず、低コストで量産性が高いメタノール改質装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るメタノール改質装置では、一方の面に燃焼触媒を、他方の面に改質触媒を備えた薄板と、ガス流路を設けたスペーサーとを積層することによって燃焼部と改質部とを形成し、さらに、係る積層構造内に改質燃料の気化部を一体に設けている。
【０００６】
本発明に係るメタノール改質装置は、さらに詳しくは、以下のような構成を備える。なお、以下の構成において、後に言及する図中の参照番号を付している。
すなわち、本発明に係るメタノール改質装置は、触媒コート部において、片面に燃焼触媒１ａをコートし、もう一方の面には触媒をコートせず、上記触媒コート部の周囲に沿って形成された燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路穴１ｃを備えた金属製薄板１Ａと、
触媒コート部において、片面に燃焼触媒１ａを、もう一方の面に改質触媒１ｂをコートし、上記触媒コート部の周囲に沿って形成された燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路穴１ｃを備えた金属製薄板１Ｂと、
金属製薄板１Ａの有するガス通路穴１ｃに対応するガス通路穴のうち、一が閉じられた部分２ｆおよび他のガス通路穴２ｃを備える他は、金属製薄板１Ａと同一の構成の金属製薄板２とを備え、
金属製薄板１Ａ同士を互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ｂと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ｂ同士を互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ａ同士を互いに燃焼触媒をコートしていない面を向けて積層することによって改質燃料の気化部または改質燃料の予熱部を形成し、
金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒をコートしていない面を向けて積層することによって改質燃料の気化部または改質燃料の予熱部を形成し、
金属製薄板１Ｂ同士を互いに改質触媒１ｂをコートした面を向けて積層することによって改質部を形成し、
上記気化部同士の間、上記気化部と上記予熱部の間、上記予熱部同士の間、上記予熱部と上記改質部の間、および上記改質部同士の間には上記いずれかの燃焼部が介在し、
上記いずれの燃焼部、気化部、予熱部、改質部においても各金属製薄板の間に同一形状のスペーサー３を存在させ、スペーサー３には、上記触媒コート部と同じ平面形状の中央部空間３ａが形成され、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路部３ｃが備えられ、かつ中央部空間３ａにはガス流路を形成するための凸部３ｂが形成され、
金属製薄板１Ａ、１Ｂ、２と、スペーサー３とが積層されることによって、ガス通路穴１ｃ、２ｃ、およびガス通路部３ｃが連通することにより、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路が形成され、
スペーサー３は、さらに該ガス通路から燃焼燃料ガス、および改質燃料のいずれかを中央部空間３ａに流入させるための入口スリット３ｅと、中央部空間３ａから排出させるための出口スリット３ｆとを備え、
上記燃焼部では、形成されたガス通路のいずれかから、入口スリット３ｅを経て中央部空間３ａに燃焼燃料ガスが流入し、ガス流路を流れつつ中央部空間３ａで燃焼し、隣接する気化部、予熱部または改質部を流れる改質燃料を気化、または改質燃料を予熱もしくは改質し、しかる後、燃料排ガスとして、出口スリット３ｆを経て、上記流入したガス通路とは別のいずれかのガス通路から排出され、
上記気化部、予熱部または改質部では、形成されたガス通路のいずれかから、入口スリット３ｅを経て中央部空間３ａに流入する改質燃料が、中央部空間３ａのガス流路を流れつつ、隣接する燃焼部からの熱によって気化、予熱または改質され、気化された改質燃料、予熱された改質燃料または改質ガスとして、出口スリット３ｆを経て、上記流入したガス通路とは別のいずれかのガス通路から排出され、
上記改質燃料の気化部および改質燃料の予熱部では、これらの気化部および予熱部が、金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを積層して形成されたものである場合、改質燃料が流入するガス通路に対応する位置に金属製薄板２の閉じられた部分２ｆが位置し、改質燃料が、入口スリット３ｅを経て、素通りせずに中央部空間３ａに流入し、出口スリット３ｆから排出されるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るメタノール改質装置は、さらに他の形態として、燃焼燃料ガスおよび改質燃料を上から下に流し、最下端の燃焼部および改質部で、上記出口スリット３ｆの連通するガス通路とは別のガス通路に連通する出口スリット４ｆを備えたスペーサー４で上記スペーサー３を代替し、上方からの燃焼排ガスおよび改質ガスを出口スリット４ｆを介してガス通路に排出し、上方からの燃焼排ガスおよび改質ガスを上方に戻し、系外に排出するようにしている。
これによって、燃料の入口と出口とを装置に対し同一の方向とし、改質器を真空断熱層を有する容器内に収納することができる。これによって、外部への放熱によるロスを防ぐことができる。またさらに、この場合、気化部よりも予熱部の積層数を多くすることが好適である。これによって、ガスの流入抵抗を減らし、燃料供給ポンプの負荷を低減できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面に示した実施の形態を参照しながら本発明に係るメタノール改質装置を説明する。
まず、図１に本特許出願人による現在特許出願中（特願２０００−０４２４３９号）の積層型メタノール改質装置の一実施の形態を示す。このメタノール改質装置は、本発明に係るメタノール改質装置の前提をなすものである。
このメタノール改質装置では、図１の実施の形態に示すように片面に燃焼触媒１ａを、もう一方の面に改質触媒１ｂをコートした金属製薄板１と、スペーサー３を交互に複数層積層して、燃焼部１１と改質部１２を有する改質器１０を形成している。
【０００９】
燃焼部１１では、スペーサー３を挟みその上下の相対する面が燃焼触媒１ａになるように、改質部１２ではスペーサー３を挟みその上下の相対する面が改質触媒１ｂになるように金属性薄板１を積層している。スペーサー３は、燃焼部１１と改質部１２とで同一形状のものを使用し、向きを１８０度変えている。これによって、点線で示す燃焼燃料ガスが燃焼部１１で燃焼して燃焼排ガスとして排出されるガス流路と、実線で示す改質燃料が改質部１２で改質されて改質ガスとして排出されるガス流路とが完全に独立して形成される。このことにより、燃焼ガスと改質ガスが混合することがない。なお、このようにするためには、スペーサー３の向きを９０度変えることでも良い。
【００１０】
このようにして、金属製薄板１とスペーサー３の２種類だけの部品を組み合わせることで改質器１０を作製でき、部品点数が少なくて済むので、低コストな改質器とすることができる。
また、組付けはボルト、ナットによる締め付けだけで行うことができ、溶接等手間のかかる工程を必要としないので、この点でも低コストとなる。また、積層する金属製薄板１とスペーサー３の枚数を増減することにより、改質器１０の水素発生容量を自由に変更できるという特徴を備えている。
【００１１】
改質器１０の最上面と最下面には、押さえ板５ａ、５ｂを設けている。これら押さえ板５ａ、５ｂによって、交互に積層した金属製薄板１とスペーサー３を上下からボルト締めにより押さえつけ、各ガスの漏れを防ぐ。
【００１２】
そして、図２に示すように積層した改質器１０を真空断熱層６ａを持つステンレス製の容器６に収容する。これによって、外部への放熱によるロスを抑えることができ、効率の高い装置とすることができる。
【００１３】
本発明に係るメタノール改質装置は、上記図１、図２の実施の形態について説明したメタノール改質装置に改良を行ったものである。本発明では、このメタノール改質装置に気化部および予熱部を組み込むことができるようにした。
このために、本発明に係るメタノール改質装置では、改質部とそれに先立つ気化部、予熱部との間で各々の流れが独立して形成されるようにした。すなわち、例えば以下の実施の形態に示すように、例えば、気化部、予熱部、改質部の境界部分にガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板を使用し、ガス流を区分けすることとしている。
【００１４】
本発明に係るメタノール改質装置を説明するために、図３にガスの通路穴が全て開いている金属製薄板１の実施の形態を示し、図４にガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板２の実施の形態を示す。
まず、図３に示すように、金属製薄板１の中央部には、気化部、予熱部では片面にのみ燃焼触媒１ａがコーティングされている。なお、この金属製薄板１を本明細書中で特に金属製薄板１Ａと言及することがある。
改質部では片面に燃焼触媒１ａが、もう一方の面に改質触媒１ｂがコーティングされている。なお、この金属製薄板を本明細書中で特に金属製薄板１Ｂと言及することがある。
【００１５】
次に、図４に示すように、金属製薄板２の中央部には、片面にのみ燃焼触媒１ａがコーティングされている。上記金属製薄板１、２の触媒コート部の周囲には、図３、図４に示すように、各々、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料または改質ガスのいずれかを通す複数の通路穴１ｃ、２ｃを設けている。ただし、金属製薄板２では、ガスの通路穴が一つ開いてない部分２ｆが存在する。１ｄ、２ｄは、ボルトで上下から締め付けるためのボルト穴である。
【００１６】
さらに、触媒コート部１ａ、１ｂおよび、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料または改質ガスのいずれかを通す通路穴１ｃ、２ｃおよびガスの通路穴が一つ開いてない部分２ｆの周囲には、図３、４の破線で示す位置にビード１ｅ、２ｅを付けている。これによって、上下からの締め付けだけでガス漏れのない装置を組み立てることを可能としている。
金属製薄板１、２の材質としては、熱伝導を良くするためには板厚が薄い方が良く、さらに、３００〜４００℃付近での強度、耐熱性や耐食性を考えるとステンレス製が最も良い。熱伝達を効率よくするために、このステンレス製薄板の厚みは、０．５ｍｍ以下とすると良い。
【００１７】
次に、図５について、上記金属製薄板１Ａ、１Ｂおよび２を用いて気化部、予熱部および改質部を構成した実施の形態を説明する。
この図５は、ガスの流れでこれらの気化部、予熱部および改質部を説明している。図を見やすくするために、気化部１３、予熱部１４、改質部１２の金属製薄板１Ａ、１Ｂおよび２と改質燃料、改質ガスの流れだけを示した。実際には、各金属製薄板の間にはスペーサーが存在し、さらに、燃焼部が各層の間に存在する。
【００１８】
気化部１３に導入された改質燃料は、金属製薄板２の通路穴が一つ閉じられた部分２ｆまで導入され、金属製薄板２より上にある金属製薄板１Ａおよび２上で気化される。ここで、気化部１３として図５に表示された部分では、この閉じられた部分２ｆがあることによって、上流からの改質燃料が、実線で示すように流れ、後段の予熱部１４、改質部１２に素通りしてしまうことがない。すなわち、このように、気化部１３のガス通路は、後段の予熱部１４、改質部１２に連通しているものの、改質燃料が導入された後、必ず一旦は、係る改質燃料が触媒コート部に導入されるような独立した流路を形成する。
【００１９】
気化された改質燃料は、金属製薄板２の気化部用スペーサー出口スリット（後述）とつながった図５中の通路穴２ｃから排出される。気化部１３の改質燃料出口は予熱部１４の入口となる。
予熱部１４に導入された改質燃料は、同様にして金属製薄板２の通路穴が一つ閉じられた部分２ｆまで導入され、金属製薄板２より上にある金属製薄板１Ａおよび２上で予熱される。ここで、予熱部１４として図５に表示された部分では、この閉じられた部分２ｆがあることによって、上流からの改質燃料が、実線で示すように流れ、後段の改質部１２に素通りしてしまうことがない。すなわち、このように、予熱部１４のガス通路は、後段の改質部１２に連通しているものの、改質燃料が導入された後、必ず一旦は、係る改質燃料が触媒コート部に導入されるような独立した流路を形成する。
【００２０】
このようにして予熱部１４が形成され、改質部１２につながっている。
予熱された改質燃料は、金属製薄板２の予熱部用スペーサー出口スリット（後述）とつながった図５中の通路穴２ｃから排出される。予熱部１４の改質燃料出口は改質部１２の入口となる。
【００２１】
図５の実施の形態では、２層毎にガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板２を設けているが、積層するスペーサーと金属製薄板の枚数は、これに限定されるものではなく、変更することができる。
また、このようなガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板２は、気化、予熱、改質部の各部１３、１４、１２を仕切り、これら各部のガス流を区分けするために用いている。しかし、これらの各部１３、１４、１２自体の各々の中でガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板２を使用することもできる。これにより、ガスの流路長を長くすることができる。例えば、改質部１２の中でガスの通路穴を一つ閉じた金属製薄板を複数枚使用してガス通路長を長くし、燃料ガスと触媒との接触距離を長くすることで改質効率を向上できる。
【００２２】
ところで、上記図５の実施の形態の形状は、そのまま実施すると、入口（上面）と反対方向（下面）に改質ガスが排出される。このため、図２について示したような改質器から外部への放熱を防ぐための真空断熱層６ａをもつステンレス製容器６に収容できなくなってしまう。
このことを解決するために、改質部スペーサーの出口スリットの位置を変更することにより、入口と同じ方向にガス出口を設けることが可能になる。
【００２３】
図６、７に出口スリットの位置が異なる２種類のスペーサーの拡大図を示す。このスペーサー３、４には、中央部に金属製薄板１の触媒コート部に対応して、該触媒コート部と同じ平面形状の空間３ａ、４ａを設けている。さらに、この空間３ａ、４ａ内に延長する凸部３ｂ、４ｂを設けている。これによって、ガス通路を長くし、燃焼部と気化、予熱、改質部との熱交換効率向上を図っている。なお、図６の（ａ）にスペーサー本体を示し、図６の（ｂ）にスリット部の断面を示している。
【００２４】
上記中央部の空間３ａ、４ａの周囲には、金属製薄板１と同じ形状の燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、改質ガスが通る通路３ｃ、４ｃを設けている。またさらに、ボルトで上下から締め付けるためのボルト穴３ｄ、４ｄを設けている。
また、スペーサー３、４には中央の触媒部の空間３ａと各ガス通路部３ｃを結ぶ入口スリット３ｅ、４ｅおよび出口スリット３ｆ、４ｆを設けている。スリット形状にすることにより、入口および出口部分でも、スペーサー３、４と金属製薄板１、２を押さえつけることができ、ガスの漏れを防ぐことができる。
スペーサー３ではガス通路として使われていないスペーサー４のガス通路穴の位置に、出口スリット４ｆを設けている。
【００２５】
このスペーサー３、４の厚さとしては０．５〜５ｍｍ程度にすると良い。薄すぎると、ガスの通りが悪くなり、ガス圧の上昇やガス流の不均一が生じる。また、厚すぎると、未反応ガスが生じたり、容積や重量が増加してしまう。スペーサー３、４の材質としては、３００〜４００℃付近で使用できれば良く、ステンレスや銅、軽量化を考えるとアルミやチタンなどが考えられる。
【００２６】
図８に出口スリットの位置を変更した図７のスペーサー４を使用した積層型改質器の構造を示す。上段のスペーサー３の使用してないガス通路穴に出口スリット４ｆを設けることにより、燃料入口と同じ方向の上面にガス出口を設けることができ、真空断熱層を持つ容器に収容できるようになる。これによって、外部への放熱によるロスを抑えることにより、効率の高い装置とすることができる。
【００２７】
図９に本発明に係るメタノール改質装置における改質燃料、改質ガス、燃焼燃料、燃焼排ガスの全体の流れを示す。この図９では、金属製薄板１Ａ、１Ｂ、２について、実線の矢印で気化部１３、予熱部１４および改質部１２における液体およびガスの流れ、破線の矢印で燃焼部１１におけるガスの流れを示す。
【００２８】
上記説明したところに従って、片面にのみ燃焼触媒１ａをコートしたガス通路穴が全部開いている金属製薄板１Ａ、片面にのみ燃焼触媒１ａをコートし、ガス通路穴を一つ閉じた金属製薄板２と、片面に燃焼触媒１ａを、もう一方の面に改質触媒１ｂをコートしたガス通路穴が全部開いている金属製薄板１Ｂと、出口スリットの位置が異なるスペーサー３、４を交互に複数層積層している。これによって、燃焼部１１、改質部１２、気化部１３、予熱部１４を有する気化器一体型改質器２０を形成している。
【００２９】
燃焼部１１ではスペーサーの上下が燃焼触媒１ａになるように、改質部１２ではスペーサーの上下が改質触媒１ｂになるように、気化部１３および予熱部１４ではスペーサーの上下が何もコートしてない面になるように金属製薄板１Ａ、１Ｂまたは２を積層している。
スペーサーは燃焼部１１、気化部１３、予熱部１４とで同一形状のスペーサー３（図６）を使用し、改質部１２では出口スリットの位置を変えたスペーサー４（図７）を使用している。
【００３０】
燃焼部のスペーサーに対し、気化、予熱、改質部のスペーサーの向きを９０度あるいは１８０度変えることにより、燃焼ガスと改質ガスが混合することのないガス流路を形成できる。この点は、図１について説明した先行する発明に関する実施の形態と同様である。
その結果、ガス通路穴の一つが閉じているかどうかの違いだけの金属製薄板２種類と出口スリットの位置が異なるだけのスペーサー２種類の４種類だけの部品を組み合わせることで気化器を一体化した改質器２０を作製でき、部品点数が少なくて済む。したがって、低コストな改質器とすることができる。
また、組付けはボルト、ナットによる締め付けだけで行うことができ、溶接等手間のかかる工程を必要としないので、この点でも低コストとなり量産性も高い。また、積層する金属製薄板とスペーサーの枚数を増減することにより、気化器一体型改質器２０の水素発生容量を自由に変更できる。
【００３１】
気化器一体型改質器２０の上面と下面には、図１０に示すように、押さえ板５ａ、５ｂが設けられている。この押さえ板５ａ、５ｂによって、交互に積層した金属製薄板１、２とスペーサー３、４を上下からボルト締めにより押さえつけ、各ガスの漏れを防ぐ。上面の押さえ板５ａには、燃焼燃料、燃焼排ガス、改質燃料、改質ガスを通す通路穴５ｃを設けている。これらの通路穴５ｃは、スペーサーと金属製薄板のガス通路穴に一致するように任意の位置に設けることができる。また、上面および下面の押さえ板５ａ、５ｂには、ボルトで上下から締め付けるためのボルト穴５ｄを設けている。
【００３２】
さらに、本発明では、図２に示すように、積層した気化器一体型改質器２０を真空断熱層６ａを持つステンレス製の容器６に収容して、外部への放熱によるロスを抑える。これにより、効率の高い装置としている。気化器一体型改質器２０の上部にはセラミックス製の断熱材７を設置し、上部からの放熱を抑えている。
なお、金属製薄板とスペーサーの組合せ方法は、改質器のサイズや水素発生容量等に最適になるように選択すれば良く、上記実施の形態で示した組合せに限定されない。
【００３３】
本発明に係る改質装置では、図１１に示すように、改質燃料のメタノールと水は液体の状態で改質装置内の気化部１３に導入され、燃焼部１１での燃焼反応による熱が金属製薄板１Ａ、２を介して気化部に伝わり、改質燃料が気化される。
気化された改質燃料は、ガス通路穴が一つ閉じられた金属製薄板２の位置で予熱部１４に導入され、予熱部１４で燃焼部１１からの熱により改質反応に適した温度（２５０℃以上）まで予熱される（同様に図１１）。
気化部１３では、改質燃料が液体から気体へ変化することによりより体積が増大し、さらに予熱部１４では、気化した改質燃料が温度の上昇により膨張するため、積層するスペーサーと金属製薄板の枚数は、気化部より予熱部の方を多くして流入抵抗を減らす方が良い。
【００３４】
予熱された改質燃料はガス通路穴が一つ閉じられた金属製薄板２の位置で改質部１２に導入され、図１２に示すように改質触媒１ｂにより改質反応が進行する。改質部１２でも吸熱反応である改質反応に燃焼部１１での反応熱が金属製薄板１Ｂを介して供給され、高い反応率で改質反応が進行する。
【００３５】
他の実施の形態
本発明に係るメタノール改質装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内における変更・修飾・付加は、全て本発明に含まれる。
【００３６】
例えば、気化部と、改質部とでそれぞれ燃焼部からの熱の供給量が最適になるように、気化部と改質部とで燃焼部の流路が別々になるように設定することができる。このような実施の形態を図１３、図１４に示す。
図１３、１４で点線矢印で示したものが、改質部加熱用の燃焼燃料のガス流れである。破線矢印で示したものが、気化、予熱部加熱用燃焼燃料のガス流れを示したものである。改質燃料自体の流れは、図９の実施の形態と同様である。
図１４に示すように、改質部加熱用スペーサー３を気化、予熱部加熱用スペーサー３と直交させ、新たに押え板５ａに改質部加熱用燃焼燃料導入口および燃焼排ガス出口を設けている。これによって気化部と改質部とで燃焼部の流路が別々になるように設定している。
【００３７】
【実施例】
金属製薄板としてＳＵＳ３０１Ｈ、板厚０．２ｍｍのものを使用した。気化部、予熱部では、金属製薄板の片面に燃焼触媒として１〜５ｗｔ％Ｐｔ／アルミナの触媒を塗布し、もう一方の面には何も塗布しないで使用した。改質部では、金属製薄板の片面に燃焼触媒として１〜５ｗｔ％／Ｐｔ／アルミナの触媒を塗布し、もう一方にＣｕ−Ｚｎ系の改質触媒を塗布した。触媒塗布面積は金属製薄板一枚の片面につき１００ｍｍ×１００ｍｍとした。
【００３８】
スペーサーはＳＵＳ３０４、板厚２ｍｍで行った。金属製薄板およびスペーサーの外径はφ１６０ｍｍとし、気化、予熱部を８層、改質部を１０層、燃焼部を１９層として、それぞれを交互に積層させた改質器を作製した。反応部の上部と下部には、ＳＵＳ３０４製で厚さ１０ｍｍの押さえ板を取り付け、ボルト、ナットにより固定した。さらに、放熱による熱のロスを低減するために、真空断熱層をもつステンレス製の容器内に改質器を収容した。
【００３９】
燃焼部の入口から燃焼燃料ガスとしてメタノールと空気を供給し、気化部の入口からメタノールと水のモル比が１対１の改質燃料を液体の状態で供給した。実験の結果、改質器内の温度約３００℃で、９５％の改質率と、４０Ｌ／ｍｉｎの水素を発生させることができた。
【００４０】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、熱効率に優れる積層型改質器と改質燃料の気化器を一体化して、コンパクトかつ熱のロスが少なくて効率が良く、さらに、複雑な部品を必要とせず、低コストで量産性が高いメタノール改質装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる積層型改質器の全体を示す概略図である。
【図２】メタノール改質器を真空断熱容器に入れた状態を説明する概念的断面図である。
【図３】ガス通路穴が全部開いている金属製薄板の一実施の形態を説明する平面図である。
【図４】ガス通路穴が一つ閉じられている金属製薄板の一実施の形態を説明する平面図である。
【図５】ガス通路穴が一つ閉じられている金属製薄板を使用したときの改質燃料、ガスの流れを金属製薄板の配置とともに示した斜視図である。
【図６】スペーサーの一実施の形態を説明する平面図である。
【図７】出口スリットの位置が異なるスペーサーの一実施の形態を説明する平面図である。
【図８】出口スリットの位置が異なるスペーサーを使用したときの改質燃料、ガスの流れを示した斜視図である。
【図９】気化器一体型改質器の一実施の形態について、燃焼ガス、改質燃料、改質ガスの流れを示した概念的断面図である。
【図１０】本発明に係るメタノール改質装置に用いることのできる押え板の一実施の形態を説明する斜視図である。
【図１１】気化部、予熱部における金属製薄板の断面を説明する断面図である。
【図１２】改質部における金属製薄板の断面を説明する断面図である。
【図１３】気化部と改質部で燃焼部の流路を別々に設けた実施の形態において、の燃焼ガス、改質燃料、改質ガスの流れを説明する概念的断面図である。
【図１４】気化部と改質部で燃焼部の流路を別々に設けた図１３の実施の形態について、スペーサーの配置を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１ ガス通路穴が開いている金属製薄板
１Ａ 片面に燃焼触媒を塗布した金属製薄板１
１Ｂ 片面に燃焼触媒をもう片面に改質触媒を塗布した金属製薄板１
１ａ 燃焼触媒
１ｂ 改質触媒
１ｃ 燃料、ガス通路穴
１ｄ ボルト穴
１ｅ ビード
２ ガス通路穴が一つ閉じている金属製薄板
２ｃ 燃料、ガス通路穴
２ｄ ボルト穴
２ｅ ビード
２ｆ ガス通路穴を閉じた部分
３ スペーサー
３ａ 中央部空間
３ｂ 凸部
３ｃ 燃料、ガス通路穴
３ｄ ボルト穴
３ｅ 入口スリット
３ｆ 出口スリット
４ 出口スリットの位置が異なるスペーサー
４ａ 中央部空間
４ｂ 凸部
４ｃ 燃料、ガス通路穴
４ｄ ボルト穴
４ｅ 入口スリット
４ｆ 出口スリット
５ａ 上面押さえ板
５ｂ 下面押さえ板
５ｃ 燃料、ガス通路穴
５ｄ ボルト穴
６ 真空保温容器
６ａ 真空断熱層
７ 断熱材
１０ 積層型改質器
１１ 燃焼部
１２ 改質部
１３ 気化部
１４ 予熱部
２０ 気化部一体型改質器
Claims (3)
- 触媒コート部において、片面に燃焼触媒１ａをコートし、もう一方の面には触媒をコートせず、上記触媒コート部の周囲に沿って形成された燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路穴１ｃを備えた金属製薄板１Ａと、
触媒コート部において、片面に燃焼触媒１ａを、もう一方の面に改質触媒１ｂをコートし、上記触媒コート部の周囲に沿って形成された燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路穴１ｃを備えた金属製薄板１Ｂと、
金属製薄板１Ａの有するガス通路穴１ｃに対応するガス通路穴のうち、一が閉じられた部分２ｆおよび他のガス通路穴２ｃを備える他は、金属製薄板１Ａと同一の構成の金属製薄板２とを備え、
金属製薄板１Ａ同士を互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ｂと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ｂ同士を互いに燃焼触媒１ａをコートした面を向けて積層することによって燃焼部を形成し、
金属製薄板１Ａ同士を互いに燃焼触媒をコートしていない面を向けて積層することによって改質燃料の気化部または改質燃料の予熱部を形成し、
金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを互いに燃焼触媒をコートしていない面を向けて積層することによって改質燃料の気化部または改質燃料の予熱部を形成し、
金属製薄板１Ｂ同士を互いに改質触媒１ｂをコートした面を向けて積層することによって改質部を形成し、
上記気化部同士の間、上記気化部と上記予熱部の間、上記予熱部同士の間、上記予熱部と上記改質部の間、および上記改質部同士の間には上記いずれかの燃焼部が介在し、
上記いずれの燃焼部、気化部、予熱部、改質部においても各金属製薄板の間に同一形状のスペーサー３を存在させ、スペーサー３には、上記触媒コート部と同じ平面形状の中央部空間３ａが形成され、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路部３ｃが備えられ、かつ中央部空間３ａにはガス流路を形成するための凸部３ｂが形成され、
金属製薄板１Ａ、１Ｂ、２と、スペーサー３とが積層されることによって、ガス通路穴１ｃ、２ｃ、およびガス通路部３ｃが連通することにより、燃焼燃料ガス、燃焼排ガス、改質燃料、または改質ガスのいずれかを通すガス通路が形成され、
スペーサー３は、さらに該ガス通路から燃焼燃料ガス、および改質燃料のいずれかを中央部空間３ａに流入させるための入口スリット３ｅと、中央部空間３ａから排出させるための出口スリット３ｆとを備え、
上記燃焼部では、形成されたガス通路のいずれかから、入口スリット３ｅを経て中央部空間３ａに燃焼燃料ガスが流入し、ガス流路を流れつつ中央部空間３ａで燃焼し、隣接する気化部、予熱部または改質部を流れる改質燃料を気化、または改質燃料を予熱もしくは改質し、しかる後、燃料排ガスとして、出口スリット３ｆを経て、上記流入したガス通路とは別のいずれかのガス通路から排出され、
上記気化部、予熱部または改質部では、形成されたガス通路のいずれかから、入口スリット３ｅを経て中央部空間３ａに流入する改質燃料が、中央部空間３ａのガス流路を流れつつ、隣接する燃焼部からの熱によって気化、予熱または改質され、気化された改質燃料、予熱された改質燃料または改質ガスとして、出口スリット３ｆを経て、上記流入したガス通路とは別のいずれかのガス通路から排出され、
上記改質燃料の気化部および改質燃料の予熱部では、これらの気化部および予熱部が、金属製薄板１Ａと、金属製薄板２とを積層して形成されたものである場合、改質燃料が流入するガス通路に対応する位置に金属製薄板２の閉じられた部分２ｆが位置し、改質燃料
が、入口スリット３ｅを経て、素通りせずに中央部空間３ａに流入し、出口スリット３ｆから排出されるようにした
ことを特徴とするメタノール改質装置。 - 燃焼燃料ガスおよび改質燃料を上から下に流し、最下端の燃焼部および改質部で、上記出口スリット３ｆの連通するガス通路とは別のガス通路に連通する出口スリット４ｆを備えたスペーサー４で上記スペーサー３を代替し、上方からの燃焼排ガスおよび改質ガスを出口スリット４ｆを介してガス通路に排出し、上方からの燃焼排ガスおよび改質ガスを上方に戻し、系外に排出するようにしてなることを特徴とする請求項１のメタノール改質装置。
- 予熱部の積層数を気化部の積層数よりも多くしたことを特徴とする請求項１または２のメタノール改質装置。
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