JP4213895B2 - 燃料改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質装置を低圧損の低流速で運転することは、補機動力を低減する観点から重要である。しかし、ＣＯ除去部においては酸化剤として微量のエアを改質ガス中に混合する必要があるため、図１９に示すようにＣＯシフト部ＳからＣＯ除去部Ｊへの管路Ｐの壁部に開口した開口部Ｏからエアを供給するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料改質装置は、ＣＯシフト部ＳからＣＯ除去部Ｊへの管路の壁部Ｗに開口した開口部Ｏからエアを供給するものであるので、低圧損の低流速においては流路内に層流が形成されている流路における改質ガスの流速の最も低い管路の壁部にエアを供給するものであるため、改質ガスとエアとの十分な混合が得られないとともに、安価に実現することが困難であるという問題があった。
【０００４】
すなわちＣＯを選択酸化除去する場合に、酸化除去触媒の上流側における改質ガスと酸化剤（空気）の混合方法は重要である。空気の混合が不十分である場合、触媒層を通過する間に十分な酸化除去が行われない領域が存在し、混合空気を増加させても十分なＣＯ除去が実現できない不具合が発生する。
【０００５】
混合が困難になるのは、下記の要因による。
流量比が大である。すなわち改質ガス約２０Ｌ／ｍｉｎに対して、混合する空気（酸化剤）は１Ｌ／ｍｉｎ以下と微量である。
低流速である。すなわち補機動力低減のためには改質ガスの圧力損失は出来るだけ小さいことが望ましいので、改質ガスは層流に近い低流速の状態である。
【０００６】
また空気の混合が不十分であるために、混合距離をよほど長く取らない限り十分な混合は得られないという問題があった。加えて、混合距離を長くとることは、装置サイズが大きくなると同時に放熱により改質ガス温度を低下させ、ＣＯ除去部の触媒の活性を失う問題があった。
【０００７】
そこで本発明者は、改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、低圧損の低流速において改質ガスと酸化剤との十分な混合が安価に得られるという目的を達成する本発明に到達した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料改質装置は、
改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、
前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするとともに、
前記酸化剤が供給される部位の下流部位に、前記流路の流路面積が絞られた部分が形成され、
前記流路面積が絞られた部分が、ステップ状の絞り部である
ものである。
【０００９】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位の下流部位に、前記流路内を流れる改質ガスと供給された酸化剤との混合を促進する混合促進部が形成されている
ものである。
【００１０】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位が、流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位である
ものである。
【００１１】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位が、流路内を流れる改質ガスの流れの方向が変化する部位である
ものである。
本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料改質装置は、
改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、
前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするとともに、
前記酸化剤が、テーパー状の配管部分に供給される
ものである。
【００１２】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位における複数箇所に、酸化剤が供給される
ものである。
【００１３】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位が、前記流路の中央の流速が比較的大きい部位である
ものである。
【００１４】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位が、前記流路の流路面積が絞られた部分である
ものである。
【００１５】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位に、複数の開口が形成された酸化剤供給管が配設されている
ものである。
【００１６】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記流路内を流れる改質ガスの流れの方向に、酸化剤が供給されるようにしたものである。
【００１７】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記流路内を流れる改質ガスの流れの方向と異なる方向に、酸化剤が供給されるようにした
ものである。
【００１８】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記混合促進部が、前記流路内を流れる改質ガスの流れに乱流を生成する乱流生成部によって構成されている
ものである。
【００１９】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の燃料改質装置は、改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するとともに、前記酸化剤が供給される部位の下流部位に、前記流路の流路面積が絞られた部分が形成されているので、酸化剤が改質ガス中に供給されたのち流速を速くすることにより、簡単な構造で混合効率が向上でき、装置の低コスト化、小型化を実現するとともに、混合効率の向上によりＣＯ濃度を確実に低減でき、低圧損の低流速において改質ガスと酸化剤との十分な混合が安価に得られるという効果を奏するとともに、前記流路面積が絞られた部分が、ステップ状の絞り部であるので、当該ステップ状の絞り部において乱流が発生し、より混合効率を向上できるという効果を奏する。
【００２０】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位の下流部位に形成された前記混合促進部が、前記流路内を流れる改質ガスと供給された酸化剤との混合を促進するので、改質ガスと酸化剤との混合を一層促進するという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位が、流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位であるので、前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位が、流路内を流れる改質ガスの流れの方向が変化する部位であるので、改質ガスの流れの方向の変化に伴う改質ガスの流れの乱れにより乱流が発生した改質ガスに酸化剤を供給するため、前記絞られた部分の流速との相乗効果により更に混合効率を向上できるという効果を奏する。
上記構成より成る第２発明の燃料改質装置は、改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするとともに、前記酸化剤が、テーパー状の配管部分に供給されるので、当該テーパー状の配管部分においてより混合効率を向上できるという効果を奏する。
【００２３】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位における複数箇所に、酸化剤が供給されるので、複数箇所に供給された酸化剤によって流路を流れる改質ガスとの混合を促進するという効果を奏する。
【００２４】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位である前記流路の中央に、前記酸化剤が部分的に供給されるので、前記流路の中央における前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００２５】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記流路の流路面積が絞られた部分である前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位に、前記酸化剤が部分的に供給されるので、前記流路の流路面積が絞られた部分における前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００２６】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位に配設された前記酸化剤供給管に形成された前記複数の開口から前記酸化剤が部分的に供給されるので、複数の開口から供給された酸化剤によって流路を流れる改質ガスとの混合を促進するという効果を奏する。
【００２７】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記流路内を流れる改質ガスの流れの方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスの流れに乗せて供給しながら混合するという効果を奏する。
【００２８】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記流路内を流れる改質ガスの流れの方向と異なる方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスと前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００２９】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記混合促進部を構成する前記乱流生成部が、前記流路内を流れる改質ガスの流れに乱流を生成するので、前記改質ガスと前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
本第１実施形態の燃料改質装置は、図１および図２に示されるようにバーナ１によって形成された火炎により、改質部２によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部５とＣＯ除去を行うＣＯ除去部６を備えた燃料改質装置において、前記ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する改質ガスが流れる流路５６における改質ガスとの混合を促進し得る部位である流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位としての前記流路５６の中央部５６１に、酸化剤を供給するものである。
【００３２】
本第１実施形態における燃料改質装置としての水蒸気改質装置は、その概略を示す図１に示されるように天然ガスを利用するもので、火炎が形成されるバーナ燃焼部１と、ルテニウム触媒より成り前記排出口より前記熱交換器３の高温側に直接的に改質ガスを供給する断熱材１２によって包囲された改質器としての改質部２と、燃焼排気ガスによって水を蒸発させ水蒸気を前記熱交換器４に供給する蒸発器３と、改質原料としての都市ガスを前記熱交換器４を介して改質部２に供給する昇圧ポンプ２１と、前記改質部２からの改質ガスを熱交換器４により原料ガスおよび水蒸気と熱交換する前記熱交換器４と、熱交換した前記改質ガスが供給される銅・亜鉛系触媒より成るＣＯシフト部５と、酸化剤が供給されるＣＯ除去部６とから成る。
【００３３】
本実施形態の水蒸気改質装置を適用した燃料電池システムは、上述の構成より成る燃料改質装置と、オフガスを排出するアノード極を備えた燃料電池スタック７と、該燃料電池スタック７のアノード極に連絡した凝縮器（図示せず）とから成る。
【００３４】
前記ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する改質ガスが流れる流路５６の中央部５６１に、一端６５１が開口するエア供給管６５が、前記流路５６を構成する配管５６０を貫通して、該流路５６の流れの方向に直交するように配設されている。
【００３５】
前記エア供給管６５が、その一端開口６５１から、前記ＣＯシフト部５から供給された改質ガスが流れる流路５６の中央部５６１に、酸化剤としてのエアを供給して、前記流路５６内を流れる改質ガスとエアを混合して、前記ＣＯシフト部５に供給される。
【００３６】
本第１実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５によって、前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位である前記流路の中央に、前記酸化剤が部分的に供給されるので、前記流路の中央における前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００３７】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５によって、前記流路５６内を流れる改質ガスの流れの方向と異なる方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスと前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００３８】
本第１実施形態装置においては、エアの吹き込み口を、前記流路５６の流れの中央部としたものであるが、前記流路５６の壁面近くになればなるほど流れは遅くなるために、中心部で吹き込まれたエアが壁面近くまで混合するためには混合距離を許容範囲内において長くとることが望ましい。
【００３９】
（第２実施形態）
本第２実施形態の燃料改質装置は、図３に示されるように複数のエア供給管６５によって、前記流路５６内の複数箇所に、酸化剤が供給される点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００４０】
前記複数のエア供給管６５が、一端６５１が開口する前記流路５６を構成する配管５６０を上下方向に貫通して、該流路５６の流れの方向に直交するように配設され、前記ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する改質ガスが流れる流路５６内に上下方向から酸化剤としてのエアが導入され、前記流路５６内を流れる改質ガスとエアを混合して、前記ＣＯ除去部６に供給するものである。
【００４１】
本第２実施形態の燃料改質装置は、前記複数のエア供給管６５によって、前記流路５６内の複数箇所に酸化剤が供給されるので、複数箇所に供給された酸化剤によって流路を流れる改質ガスとの混合を促進するという効果を奏する。
【００４２】
また本第２実施形態の燃料改質装置は、前記複数のエア供給管６５によって、前記流路５６内を流れる改質ガスの流れの方向と異なる方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスと前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００４３】
本第２実施形態装置においては、前記複数のエア供給管６５によって空気の混合口を複数にすることは有効な手段であるが、前記複数のエア供給管６５を備えることになり、その分だけ配管構造が複雑になる。
【００４４】
（第３実施形態）
本第３実施形態の燃料改質装置は、図４に示されるようにエア供給管６５によって、ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する改質ガスが流れる流路５６の流路面積が絞られた部分５６３に、酸化剤が供給される点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００４５】
前記エア供給管６５の一端の開口６５１が、両側が直線的に絞られたテーパ部５６２によって流路面積がもっとも狭い平行部５６３に開口しており、テーパ部５６２によって改質ガスの流速が高められ、反面圧力が低下することにより、供給された酸化剤が前記流路５６内に吸い出され、吸い出された酸化剤としてのエアが改質ガスと混合され、前記ＣＯ除去部６に供給するものである。
【００４６】
本第３実施形態の燃料改質装置は、前記流路５６の流路面積が絞られた部分５６３である前記流路５６内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位に、前記酸化剤が部分的に供給されるので、前記流路５６の流路面積が絞られた部分５６３における圧力と前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００４７】
本第３実施形態装置においては、改質器を低圧損の低流速で運転するためには、このようなテーパ状のミキシング機構は障害とならない範囲で用いる必要がある。
【００４８】
（第４実施形態）
本第４実施形態の燃料改質装置は、図５および図６に示されるようにエア供給管６５によって、ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する流路５６の屈曲部５６４に、酸化剤が供給される点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００４９】
本第４実施形態の燃料改質装置は、図６に示されるようにＣＯシフト部５とＣＯ除去部６とが平行に配設され、Ｌ字状の配管５６０によって互いに連通しているものである。
【００５０】
図５に示されるように前記Ｌ字状の配管５６０によって形成される流路５６の前記屈曲部５６４において、流れの方向が直角に変化することにより改質ガスが管壁に衝突して流れが複雑に乱れており、前記エア供給管６５の一端の開口６５１から、前記屈曲部５６４に酸化剤を供給して、酸化剤を改質ガスと充分混合させた後前記ＣＯ除去部６に供給するものである。
【００５１】
本第４実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５が、前記流路５６の流れの方向が直角に変化することにより改質ガスが衝突して流れが複雑に乱れている前記屈曲部５６４に、酸化剤を供給して改質ガスと充分混合させた後に前記ＣＯ除去部６に供給するため、前記改質ガスの流れの乱れを利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００５２】
本第４実施形態装置においては、改質ガス配管５６０の屈曲部５６４を利用して混合を促進するものである。前記屈曲部では境界層の剥離や流速差によって配管内での混合が促進されるため、十分な混合が実現出来る。
【００５３】
（第５実施形態）
本第５実施形態の燃料改質装置は、図７に示されるように流路５６内に挿入された１本のエア供給管６５の円周方向および軸方向の複数の開口６５１によって、ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する流路５６内に酸化剤が供給される点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００５４】
本第５実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５の複数の開口６５１によって、前記流路５６内の複数箇所に酸化剤が供給されるので、複数箇所に供給された酸化剤によって流路を流れる改質ガスとの混合を充分促進するという効果を奏する。
【００５５】
本第５実施形態装置においては、改質ガスが流れる前記流路５６内に、小径の複数の空気混合口を設ける前記１本のエア供給管６５を設けることで混合を促進するものであるが、前記第２実施形態に比べて配管構造をシンプルにするものであり、コストダウンを可能にするとともに、流路５６内に挿入された１本のエア供給管６５および円周方向および軸方向の複数の開口６５１によって、前記流路５６内の改質ガスの流れに複雑な乱れを形成するため、導入された酸化剤と流路５６を流れる改質ガスとの混合を有効に促進するものである。
【００５６】
（第６実施形態）
本第６実施形態の燃料改質装置は、図８に示されるようにＬ字状のエア供給管６５の水平部の一端開口６５１によって、流路５６内を流れる改質ガスの流れの方向と同一方向に、酸化剤が供給されるようにした点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００５７】
本第６実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５の水平部６５２の前記一端開口６５１によって、前記流路５６内を流れる改質ガスの流れの方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスの流れに乗せて供給しながら混合することを可能にするという効果を奏する。
【００５８】
本第６実施形態装置においては、前記エア供給管６５の水平部６５２が前記流路５６内に同軸的に挿置されるものであるため、前記第３実施形態と同様なベンチュリ効果による前記酸化剤と前記改質ガスの混合がある程度期待することが出来る。
【００５９】
（第７実施形態）
本第７実施形態の燃料改質装置は、図５および図６に示される第４実施形態装置に図９に示されるようにＬ字状の配管５６０の水平部５６５にステップ状の絞り部５６６を付加した点が、前記第４実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００６０】
本第７実施形態の燃料改質装置は、Ｌ字状の配管５６０の水平部５６５にステップ状の絞り部５６６の前後に改質ガスの流れの乱れを生成するので、前記絞り部５６６の前後に改質ガスの流れの乱れを利用してエア供給管６５から供給された酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００６１】
本第７実施形態装置においては、Ｌ字状の配管５６０の壁面近傍の流速が遅い領域の境界層を剥離させることで、配管壁面近傍の流速が遅い範囲の混合を促進することをねらいとしている。流路断面を大きく絞る必要がないので、圧力損失の増加を押さえることができるという利点も有する。
【００６２】
（第８実施形態）
本第８実施形態の燃料改質装置は、図１に示される第１実施形態のエア供給管６５の下流に図１０に示されるように混合促進部としての前記流路内を流れる改質ガスの流れに乱流を生成する金網より成る乱流生成部５７が配設されている点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００６３】
本第８実施形態の燃料改質装置は、前記混合促進部を構成する前記乱流生成部が、前記流路内を流れる改質ガスの流れに乱流を生成するので、前記改質ガスとエア供給管６５から供給された酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００６４】
本第８実施形態装置においては、前記第１実施形態のエア供給管６５による空気混合の後に乱流促進材としての乱流生成部５７を配置して、混合を促進しているが、圧力損失と混合促進具合を考慮して、最適にチューニングする必要がある。
【００６５】
【実施例】
以下本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
【００６６】
上述した実施形態の燃料改質装置の中から第２実施形態、第４実施形態および第７実施形態の燃料改質装置を第１実施例（図１１）、第２実施例（図１２）および第３実施例（図１３）として取り上げて実際に評価を行った。
【００６７】
流路を構成する改質ガス配管はφ１２．７−ｔ１．２４ｍｍとし、混合距離はすべて同一とした。エア供給管６５としての空気配管にはφ６．３５−ｔ１ｍｍの配管を用いた。
【００６８】
また、第４実施例（図１４）に示されるように理想的な混合状態を得るためにベンチュリー部５６２、５６３、２９メッシュの金網５６８を並設した部屋５６７を備えた混合部を設置した場合との比較も行った。混合部が複雑になると改質部ガスの温度が低下して、ＣＯ選択酸化除去の弊害となるので、ヒータ５６９により温度の維持を行っている。
【００６９】
図１５に示されるように従来装置を用いた場合と上述の各実施例でのＣＯ除去部出口におけるＣＯ濃度の比較を行った。横軸は改質ガス中のＣＯ量に対して加えた空気中のＯ量の比を示している。ＣＯだけが空気中の酸素すべてと反応すると仮定した場合〔Ｏ〕／〔ＣＯ〕＝１でＣＯ濃度はゼロとなる。過剰な酸素は水素と反応消費することになるから、〔Ｏ〕／〔ＣＯ〕を低く運転出来るほど改質器の性能は向上することになる。
【００７０】
従来技術では、〔Ｏ〕／〔ＣＯ〕を大きくしていく、つまり混合空気量を増加させていっても、ＣＯ濃度は十分に低下出来ないことが分かる。これは空気量を増加させても十分に混合が得られないために、改質ガス中での酸素濃度にムラが生じて、ＣＯを十分に低減出来ない領域が存在するためと考えられる。
【００７１】
これに比較して４つの実施例では、図１６に示されるようにいずれもＣＯ濃度を、ＰＥＦＣ用に要求される１０ｐｐｍレベルにまで下げることが出来ている。実施例の間で比較すると、実施例３では、理想的な混合状態の実施例４とほぼ同程度の〔Ｏ〕／〔ＣＯ〕で、十分にＣＯ濃度が低減できており、最も性能が良いことが分かる。
【００７２】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００７３】
上述した第４実施形態の燃料改質装置は、図１７に示されるように複数の開口５６１を備えたエア供給管６５を屈曲部５６４に配設するように改良することも可能であり、前記屈曲部５６４における改質ガスの衝突に伴う改質ガスの流れの乱れと前記エア供給管６５の複数の開口６５１からのエアにより、充分な混合が実現される。
【００７４】
上述した第４実施形態の燃料改質装置は、図１８に示されるようにＬ字状の配管５６０の水平部５６５にデーパ状の絞り部５６２、５６３を形成するように改良することも可能であり、エア供給管６５の先端の開口６５１より絞り部５６２、５６３に酸化剤としてのエアを排出するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図２】本第１実施形態の燃料改質装置の全体を示す全体図である。
【図３】本発明の第２実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図６】本第４実施形態の燃料改質装置の全体を示す全体図である。
【図７】本発明の第５実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図８】本発明の第６実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図９】本発明の第７実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１０】本発明の第８実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１実施例の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１２】本発明の第２実施例の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１３】本発明の第３実施例の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１４】本発明の第４実施例の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１５】本発明の各実施例と従来の燃料改質装置におけるＣＯ除去部のＣＯ濃度とＯ／ＣＯとの関係を示す線図である。
【図１６】本発明の各実施例の燃料改質装置におけるＣＯ除去部のＣＯ濃度とＯ／ＣＯとの関係を示す線図である。
【図１７】本発明の第４実施形態のその他の実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態のその他の実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１９】従来の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１ バーナ
２ 改質部
５ ＣＯシフト部
６ ＣＯ除去部
５６ 流路
５６１ 中央部
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質装置を低圧損の低流速で運転することは、補機動力を低減する観点から重要である。しかし、ＣＯ除去部においては酸化剤として微量のエアを改質ガス中に混合する必要があるため、図１９に示すようにＣＯシフト部ＳからＣＯ除去部Ｊへの管路Ｐの壁部に開口した開口部Ｏからエアを供給するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料改質装置は、ＣＯシフト部ＳからＣＯ除去部Ｊへの管路の壁部Ｗに開口した開口部Ｏからエアを供給するものであるので、低圧損の低流速においては流路内に層流が形成されている流路における改質ガスの流速の最も低い管路の壁部にエアを供給するものであるため、改質ガスとエアとの十分な混合が得られないとともに、安価に実現することが困難であるという問題があった。
【０００４】
すなわちＣＯを選択酸化除去する場合に、酸化除去触媒の上流側における改質ガスと酸化剤（空気）の混合方法は重要である。空気の混合が不十分である場合、触媒層を通過する間に十分な酸化除去が行われない領域が存在し、混合空気を増加させても十分なＣＯ除去が実現できない不具合が発生する。
【０００５】
混合が困難になるのは、下記の要因による。
流量比が大である。すなわち改質ガス約２０Ｌ／ｍｉｎに対して、混合する空気（酸化剤）は１Ｌ／ｍｉｎ以下と微量である。
低流速である。すなわち補機動力低減のためには改質ガスの圧力損失は出来るだけ小さいことが望ましいので、改質ガスは層流に近い低流速の状態である。
【０００６】
また空気の混合が不十分であるために、混合距離をよほど長く取らない限り十分な混合は得られないという問題があった。加えて、混合距離を長くとることは、装置サイズが大きくなると同時に放熱により改質ガス温度を低下させ、ＣＯ除去部の触媒の活性を失う問題があった。
【０００７】
そこで本発明者は、改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、低圧損の低流速において改質ガスと酸化剤との十分な混合が安価に得られるという目的を達成する本発明に到達した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料改質装置は、
改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、
前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするとともに、
前記酸化剤が供給される部位の下流部位に、前記流路の流路面積が絞られた部分が形成され、
前記流路面積が絞られた部分が、ステップ状の絞り部である
ものである。
【０００９】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位の下流部位に、前記流路内を流れる改質ガスと供給された酸化剤との混合を促進する混合促進部が形成されている
ものである。
【００１０】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位が、流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位である
ものである。
【００１１】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位が、流路内を流れる改質ガスの流れの方向が変化する部位である
ものである。
本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料改質装置は、
改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、
前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするとともに、
前記酸化剤が、テーパー状の配管部分に供給される
ものである。
【００１２】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位における複数箇所に、酸化剤が供給される
ものである。
【００１３】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位が、前記流路の中央の流速が比較的大きい部位である
ものである。
【００１４】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位が、前記流路の流路面積が絞られた部分である
ものである。
【００１５】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記酸化剤が部分的に供給される部位に、複数の開口が形成された酸化剤供給管が配設されている
ものである。
【００１６】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記流路内を流れる改質ガスの流れの方向に、酸化剤が供給されるようにしたものである。
【００１７】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記流路内を流れる改質ガスの流れの方向と異なる方向に、酸化剤が供給されるようにした
ものである。
【００１８】
本発明の燃料改質装置は、
前記発明において、
前記混合促進部が、前記流路内を流れる改質ガスの流れに乱流を生成する乱流生成部によって構成されている
ものである。
【００１９】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の燃料改質装置は、改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するとともに、前記酸化剤が供給される部位の下流部位に、前記流路の流路面積が絞られた部分が形成されているので、酸化剤が改質ガス中に供給されたのち流速を速くすることにより、簡単な構造で混合効率が向上でき、装置の低コスト化、小型化を実現するとともに、混合効率の向上によりＣＯ濃度を確実に低減でき、低圧損の低流速において改質ガスと酸化剤との十分な混合が安価に得られるという効果を奏するとともに、前記流路面積が絞られた部分が、ステップ状の絞り部であるので、当該ステップ状の絞り部において乱流が発生し、より混合効率を向上できるという効果を奏する。
【００２０】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位の下流部位に形成された前記混合促進部が、前記流路内を流れる改質ガスと供給された酸化剤との混合を促進するので、改質ガスと酸化剤との混合を一層促進するという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位が、流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位であるので、前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位が、流路内を流れる改質ガスの流れの方向が変化する部位であるので、改質ガスの流れの方向の変化に伴う改質ガスの流れの乱れにより乱流が発生した改質ガスに酸化剤を供給するため、前記絞られた部分の流速との相乗効果により更に混合効率を向上できるという効果を奏する。
上記構成より成る第２発明の燃料改質装置は、改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするとともに、前記酸化剤が、テーパー状の配管部分に供給されるので、当該テーパー状の配管部分においてより混合効率を向上できるという効果を奏する。
【００２３】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位における複数箇所に、酸化剤が供給されるので、複数箇所に供給された酸化剤によって流路を流れる改質ガスとの混合を促進するという効果を奏する。
【００２４】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位である前記流路の中央に、前記酸化剤が部分的に供給されるので、前記流路の中央における前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００２５】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記流路の流路面積が絞られた部分である前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位に、前記酸化剤が部分的に供給されるので、前記流路の流路面積が絞られた部分における前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００２６】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記酸化剤が部分的に供給される部位に配設された前記酸化剤供給管に形成された前記複数の開口から前記酸化剤が部分的に供給されるので、複数の開口から供給された酸化剤によって流路を流れる改質ガスとの混合を促進するという効果を奏する。
【００２７】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記流路内を流れる改質ガスの流れの方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスの流れに乗せて供給しながら混合するという効果を奏する。
【００２８】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記流路内を流れる改質ガスの流れの方向と異なる方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスと前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００２９】
上記構成より成る本発明の燃料改質装置は、前記発明において、前記混合促進部を構成する前記乱流生成部が、前記流路内を流れる改質ガスの流れに乱流を生成するので、前記改質ガスと前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
本第１実施形態の燃料改質装置は、図１および図２に示されるようにバーナ１によって形成された火炎により、改質部２によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部５とＣＯ除去を行うＣＯ除去部６を備えた燃料改質装置において、前記ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する改質ガスが流れる流路５６における改質ガスとの混合を促進し得る部位である流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位としての前記流路５６の中央部５６１に、酸化剤を供給するものである。
【００３２】
本第１実施形態における燃料改質装置としての水蒸気改質装置は、その概略を示す図１に示されるように天然ガスを利用するもので、火炎が形成されるバーナ燃焼部１と、ルテニウム触媒より成り前記排出口より前記熱交換器３の高温側に直接的に改質ガスを供給する断熱材１２によって包囲された改質器としての改質部２と、燃焼排気ガスによって水を蒸発させ水蒸気を前記熱交換器４に供給する蒸発器３と、改質原料としての都市ガスを前記熱交換器４を介して改質部２に供給する昇圧ポンプ２１と、前記改質部２からの改質ガスを熱交換器４により原料ガスおよび水蒸気と熱交換する前記熱交換器４と、熱交換した前記改質ガスが供給される銅・亜鉛系触媒より成るＣＯシフト部５と、酸化剤が供給されるＣＯ除去部６とから成る。
【００３３】
本実施形態の水蒸気改質装置を適用した燃料電池システムは、上述の構成より成る燃料改質装置と、オフガスを排出するアノード極を備えた燃料電池スタック７と、該燃料電池スタック７のアノード極に連絡した凝縮器（図示せず）とから成る。
【００３４】
前記ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する改質ガスが流れる流路５６の中央部５６１に、一端６５１が開口するエア供給管６５が、前記流路５６を構成する配管５６０を貫通して、該流路５６の流れの方向に直交するように配設されている。
【００３５】
前記エア供給管６５が、その一端開口６５１から、前記ＣＯシフト部５から供給された改質ガスが流れる流路５６の中央部５６１に、酸化剤としてのエアを供給して、前記流路５６内を流れる改質ガスとエアを混合して、前記ＣＯシフト部５に供給される。
【００３６】
本第１実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５によって、前記流路内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位である前記流路の中央に、前記酸化剤が部分的に供給されるので、前記流路の中央における前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００３７】
また本第１実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５によって、前記流路５６内を流れる改質ガスの流れの方向と異なる方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスと前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００３８】
本第１実施形態装置においては、エアの吹き込み口を、前記流路５６の流れの中央部としたものであるが、前記流路５６の壁面近くになればなるほど流れは遅くなるために、中心部で吹き込まれたエアが壁面近くまで混合するためには混合距離を許容範囲内において長くとることが望ましい。
【００３９】
（第２実施形態）
本第２実施形態の燃料改質装置は、図３に示されるように複数のエア供給管６５によって、前記流路５６内の複数箇所に、酸化剤が供給される点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００４０】
前記複数のエア供給管６５が、一端６５１が開口する前記流路５６を構成する配管５６０を上下方向に貫通して、該流路５６の流れの方向に直交するように配設され、前記ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する改質ガスが流れる流路５６内に上下方向から酸化剤としてのエアが導入され、前記流路５６内を流れる改質ガスとエアを混合して、前記ＣＯ除去部６に供給するものである。
【００４１】
本第２実施形態の燃料改質装置は、前記複数のエア供給管６５によって、前記流路５６内の複数箇所に酸化剤が供給されるので、複数箇所に供給された酸化剤によって流路を流れる改質ガスとの混合を促進するという効果を奏する。
【００４２】
また本第２実施形態の燃料改質装置は、前記複数のエア供給管６５によって、前記流路５６内を流れる改質ガスの流れの方向と異なる方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスと前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００４３】
本第２実施形態装置においては、前記複数のエア供給管６５によって空気の混合口を複数にすることは有効な手段であるが、前記複数のエア供給管６５を備えることになり、その分だけ配管構造が複雑になる。
【００４４】
（第３実施形態）
本第３実施形態の燃料改質装置は、図４に示されるようにエア供給管６５によって、ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する改質ガスが流れる流路５６の流路面積が絞られた部分５６３に、酸化剤が供給される点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００４５】
前記エア供給管６５の一端の開口６５１が、両側が直線的に絞られたテーパ部５６２によって流路面積がもっとも狭い平行部５６３に開口しており、テーパ部５６２によって改質ガスの流速が高められ、反面圧力が低下することにより、供給された酸化剤が前記流路５６内に吸い出され、吸い出された酸化剤としてのエアが改質ガスと混合され、前記ＣＯ除去部６に供給するものである。
【００４６】
本第３実施形態の燃料改質装置は、前記流路５６の流路面積が絞られた部分５６３である前記流路５６内を流れる改質ガスの速度が比較的大きい部位に、前記酸化剤が部分的に供給されるので、前記流路５６の流路面積が絞られた部分５６３における圧力と前記改質ガスの速度を利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００４７】
本第３実施形態装置においては、改質器を低圧損の低流速で運転するためには、このようなテーパ状のミキシング機構は障害とならない範囲で用いる必要がある。
【００４８】
（第４実施形態）
本第４実施形態の燃料改質装置は、図５および図６に示されるようにエア供給管６５によって、ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する流路５６の屈曲部５６４に、酸化剤が供給される点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００４９】
本第４実施形態の燃料改質装置は、図６に示されるようにＣＯシフト部５とＣＯ除去部６とが平行に配設され、Ｌ字状の配管５６０によって互いに連通しているものである。
【００５０】
図５に示されるように前記Ｌ字状の配管５６０によって形成される流路５６の前記屈曲部５６４において、流れの方向が直角に変化することにより改質ガスが管壁に衝突して流れが複雑に乱れており、前記エア供給管６５の一端の開口６５１から、前記屈曲部５６４に酸化剤を供給して、酸化剤を改質ガスと充分混合させた後前記ＣＯ除去部６に供給するものである。
【００５１】
本第４実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５が、前記流路５６の流れの方向が直角に変化することにより改質ガスが衝突して流れが複雑に乱れている前記屈曲部５６４に、酸化剤を供給して改質ガスと充分混合させた後に前記ＣＯ除去部６に供給するため、前記改質ガスの流れの乱れを利用して前記酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００５２】
本第４実施形態装置においては、改質ガス配管５６０の屈曲部５６４を利用して混合を促進するものである。前記屈曲部では境界層の剥離や流速差によって配管内での混合が促進されるため、十分な混合が実現出来る。
【００５３】
（第５実施形態）
本第５実施形態の燃料改質装置は、図７に示されるように流路５６内に挿入された１本のエア供給管６５の円周方向および軸方向の複数の開口６５１によって、ＣＯシフト部５と前記ＣＯ除去部６とを連絡する流路５６内に酸化剤が供給される点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００５４】
本第５実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５の複数の開口６５１によって、前記流路５６内の複数箇所に酸化剤が供給されるので、複数箇所に供給された酸化剤によって流路を流れる改質ガスとの混合を充分促進するという効果を奏する。
【００５５】
本第５実施形態装置においては、改質ガスが流れる前記流路５６内に、小径の複数の空気混合口を設ける前記１本のエア供給管６５を設けることで混合を促進するものであるが、前記第２実施形態に比べて配管構造をシンプルにするものであり、コストダウンを可能にするとともに、流路５６内に挿入された１本のエア供給管６５および円周方向および軸方向の複数の開口６５１によって、前記流路５６内の改質ガスの流れに複雑な乱れを形成するため、導入された酸化剤と流路５６を流れる改質ガスとの混合を有効に促進するものである。
【００５６】
（第６実施形態）
本第６実施形態の燃料改質装置は、図８に示されるようにＬ字状のエア供給管６５の水平部の一端開口６５１によって、流路５６内を流れる改質ガスの流れの方向と同一方向に、酸化剤が供給されるようにした点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００５７】
本第６実施形態の燃料改質装置は、前記エア供給管６５の水平部６５２の前記一端開口６５１によって、前記流路５６内を流れる改質ガスの流れの方向に、酸化剤が供給されるようにしたので、前記改質ガスの流れに乗せて供給しながら混合することを可能にするという効果を奏する。
【００５８】
本第６実施形態装置においては、前記エア供給管６５の水平部６５２が前記流路５６内に同軸的に挿置されるものであるため、前記第３実施形態と同様なベンチュリ効果による前記酸化剤と前記改質ガスの混合がある程度期待することが出来る。
【００５９】
（第７実施形態）
本第７実施形態の燃料改質装置は、図５および図６に示される第４実施形態装置に図９に示されるようにＬ字状の配管５６０の水平部５６５にステップ状の絞り部５６６を付加した点が、前記第４実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００６０】
本第７実施形態の燃料改質装置は、Ｌ字状の配管５６０の水平部５６５にステップ状の絞り部５６６の前後に改質ガスの流れの乱れを生成するので、前記絞り部５６６の前後に改質ガスの流れの乱れを利用してエア供給管６５から供給された酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００６１】
本第７実施形態装置においては、Ｌ字状の配管５６０の壁面近傍の流速が遅い領域の境界層を剥離させることで、配管壁面近傍の流速が遅い範囲の混合を促進することをねらいとしている。流路断面を大きく絞る必要がないので、圧力損失の増加を押さえることができるという利点も有する。
【００６２】
（第８実施形態）
本第８実施形態の燃料改質装置は、図１に示される第１実施形態のエア供給管６５の下流に図１０に示されるように混合促進部としての前記流路内を流れる改質ガスの流れに乱流を生成する金網より成る乱流生成部５７が配設されている点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００６３】
本第８実施形態の燃料改質装置は、前記混合促進部を構成する前記乱流生成部が、前記流路内を流れる改質ガスの流れに乱流を生成するので、前記改質ガスとエア供給管６５から供給された酸化剤との混合を促進するという効果を奏する。
【００６４】
本第８実施形態装置においては、前記第１実施形態のエア供給管６５による空気混合の後に乱流促進材としての乱流生成部５７を配置して、混合を促進しているが、圧力損失と混合促進具合を考慮して、最適にチューニングする必要がある。
【００６５】
【実施例】
以下本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
【００６６】
上述した実施形態の燃料改質装置の中から第２実施形態、第４実施形態および第７実施形態の燃料改質装置を第１実施例（図１１）、第２実施例（図１２）および第３実施例（図１３）として取り上げて実際に評価を行った。
【００６７】
流路を構成する改質ガス配管はφ１２．７−ｔ１．２４ｍｍとし、混合距離はすべて同一とした。エア供給管６５としての空気配管にはφ６．３５−ｔ１ｍｍの配管を用いた。
【００６８】
また、第４実施例（図１４）に示されるように理想的な混合状態を得るためにベンチュリー部５６２、５６３、２９メッシュの金網５６８を並設した部屋５６７を備えた混合部を設置した場合との比較も行った。混合部が複雑になると改質部ガスの温度が低下して、ＣＯ選択酸化除去の弊害となるので、ヒータ５６９により温度の維持を行っている。
図１５に示されるように従来装置を用いた場合と上述の各実施例でのＣＯ除去部出口におけるＣＯ濃度の比較を行った。横軸は改質ガス中のＣＯ量に対して加えた空気中のＯ量の比を示している。ＣＯだけが空気中の酸素すべてと反応すると仮定した場合〔Ｏ〕／〔ＣＯ〕＝１でＣＯ濃度はゼロとなる。過剰な酸素は水素と反応消費することになるから、〔Ｏ〕／〔ＣＯ〕を低く運転出来るほど改質器の性能は向上することになる。
【００７０】
従来技術では、〔Ｏ〕／〔ＣＯ〕を大きくしていく、つまり混合空気量を増加させていっても、ＣＯ濃度は十分に低下出来ないことが分かる。これは空気量を増加させても十分に混合が得られないために、改質ガス中での酸素濃度にムラが生じて、ＣＯを十分に低減出来ない領域が存在するためと考えられる。
【００７１】
これに比較して４つの実施例では、図１６に示されるようにいずれもＣＯ濃度を、ＰＥＦＣ用に要求される１０ｐｐｍレベルにまで下げることが出来ている。実施例の間で比較すると、実施例３では、理想的な混合状態の実施例４とほぼ同程度の〔Ｏ〕／〔ＣＯ〕で、十分にＣＯ濃度が低減できており、最も性能が良いことが分かる。
【００７２】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００７３】
上述した第４実施形態の燃料改質装置は、図１７に示されるように複数の開口５６１を備えたエア供給管６５を屈曲部５６４に配設するように改良することも可能であり、前記屈曲部５６４における改質ガスの衝突に伴う改質ガスの流れの乱れと前記エア供給管６５の複数の開口６５１からのエアにより、充分な混合が実現される。
【００７４】
上述した第４実施形態の燃料改質装置は、図１８に示されるようにＬ字状の配管５６０の水平部５６５にデーパ状の絞り部５６２、５６３を形成するように改良することも可能であり、エア供給管６５の先端の開口６５１より絞り部５６２、５６３に酸化剤としてのエアを排出するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図２】本第１実施形態の燃料改質装置の全体を示す全体図である。
【図３】本発明の第２実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図６】本第４実施形態の燃料改質装置の全体を示す全体図である。
【図７】本発明の第５実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図８】本発明の第６実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図９】本発明の第７実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１０】本発明の第８実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１実施例の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１２】本発明の第２実施例の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１３】本発明の第３実施例の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１４】本発明の第４実施例の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１５】本発明の各実施例と従来の燃料改質装置におけるＣＯ除去部のＣＯ濃度とＯ／ＣＯとの関係を示す線図である。
【図１６】本発明の各実施例の燃料改質装置におけるＣＯ除去部のＣＯ濃度とＯ／ＣＯとの関係を示す線図である。
【図１７】本発明の第４実施形態のその他の実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態のその他の実施形態の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【図１９】従来の燃料改質装置の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１ バーナ
２ 改質部
５ ＣＯシフト部
６ ＣＯ除去部
５６ 流路
５６１ 中央部
Claims (2)
- 改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、
前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするとともに、
前記酸化剤が供給される部位の下流部位に、前記流路の流路面積が絞られた部分が形成され、
前記流路面積が絞られた部分が、ステップ状の絞り部である
ことを特徴とする燃料改質装置。 - 改質部によって改質ガスを生成して、生成された改質ガスをシフト変成するＣＯシフト部とＣＯ除去を行うＣＯ除去部を備えた燃料改質装置において、
前記ＣＯシフト部と前記ＣＯ除去部とを連絡する改質ガスが流れる流路における改質ガスとの混合を促進し得る部位に、部分的に酸化剤を供給するようにするとともに、
前記酸化剤が、テーパー状の配管部分に供給される
ことを特徴とする燃料改質装置。
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