JP4695341B2

JP4695341B2 - 燃料改質システム

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Inventors: 元久上條; 博通三輪; ルーベラルーク
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Publication date: 2011-06-08
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Description

本発明は、燃料改質システムに関する。特に、水蒸気改質反応を主反応とする燃料改質システムに関する。

従来、炭化水素化合物を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するシステムが提案されている。このようなシステムでは、改質時における炭素析出を回避するため、部分酸化部において高温下で部分酸化を行い、その後、改質部において水蒸気改質を行っている。改質反応で生じた水素は水素分離膜を利用して分離する。分離部にパージガスとして水蒸気を供給することにより水素分圧を下げ、水素の分離効率を向上する。改質用水蒸気、パージ用水蒸気を、部分酸化部から排出される高温の生成ガスと水との熱交換によって生成する。または、その他の高温部との熱交換、排気されるべき可燃性ガスの燃焼熱を利用して水蒸気を生成する。こうすることにより廃熱・廃棄物を有効活用して水蒸気を生成している（例えば、特許文献１、参照。）。
特開２００１−２２３０１７号公報

しかしながら、上記従来技術においては、改質部に導入される燃料蒸気および水蒸気、または改質中の混合気を十分に加熱する手段が備えられていないことから、空気を多く導入し、部分酸化反応で発熱する必要がある。

部分酸化反応を生じることで燃料を加熱し、水蒸気改質反応を生じるATR反応では、室温の改質燃料と炭素生成回避または反応場のCO低減のために必要なH₂Oを、空気と改質燃料の部分酸化反応により８００℃付近まで昇温させる必要がある。そのため、燃料中のCとほぼ等モルのO原子相当量の空気を導入する必要がある。しかしながら、水蒸気改質反応に比較して部分酸化反応は効率が悪く、部分酸化反応を多く生じることにより、生成される水素量が低減されるという問題が生じる。

これに対して、改質排ガスのエンタルピを改質入口流体へ回収することで、導入酸素を減らすことができる。しかしながら、ATR反応器は、入口温度より出口温度の方が高くなる改質反応場を持つシステムであるために、改質排ガスから回収できるエンタルピを用いることで、反応場が高温になりすぎてしまうという問題がある。そのため、余剰熱量はシステムに回収することができず、全体の効率が低下してしまう。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、システム効率を向上させた燃料改質システムを提供することを目的とする。

本発明は、外部からの熱供給により水蒸気改質反応を生じる水蒸気改質部と、前記水蒸気改質部の上流に配置された部分酸化部と、前記部分酸化部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段をと、を備える。また、前記水蒸気改質部における水蒸気改質反応に用いる水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記部分酸化部、前記水蒸気改質部における部分酸化反応および水蒸気改質反応に用いる燃料を前記部分酸化部に供給する燃料供給手段と、を備え、前記部分酸化部には、燃料を燃料中の重炭化水素を分解する温度にするために必要な量の酸化剤ガスを供給する。

水蒸気改質部で外部からの熱供給により水蒸気改質反応を行うとともに、水蒸気改質部に導入する以前に、部分酸化部において燃料を燃料中の重炭化水素を分解する温度まで上昇させる。これにより、ATR（Autothermal reforming）反応に比較して、部分酸化反応を抑制して水蒸気改質反応を促進することができるので、システムの効率を向上することができる。また、水蒸気改質反応に比較して、外部からの供給熱量を抑えることができるとともに、水蒸気改質部導入後、速やかに反応を開始することができる。

第１の実施形態について説明する。燃料改質システム１における反応として、以下のようなものが知られている。

部分酸化反応： CnHm＋n／２O₂→ｎCO＋m／２H₂ ・・・（１）
水蒸気改質反応： CnHm＋nH₂O→ｎCO＋(n＋m)／２H₂ ・・・（２）
シフト反応： CO＋H₂O→H₂＋CO₂ ・・・（３）
炭化水素化合物（以下、HC）全てが部分酸化反応し、生成したCOが全てシフト反応を起こすとすると、ｍ×３／２の水素が生成する。これに対して、HCが全て水蒸気改質反応し、生成したCOが全てシフト反応を起こすとすると、ｍ×５／２の水素が生成する。つまり、部分酸化反応より水蒸気改質反応のほうが高効率であることが分かる。

しかしながら、水蒸気改質反応の場合、反応場の温度を４００℃〜８００℃、ガソリン燃料の場合、好ましくは６００℃〜８００℃とする必要がある。また水蒸気反応を主反応とする場合、入口（反応開始位置付近）の温度を６００℃〜８００℃として、水蒸気改質反応（吸熱反応）による反応場の温度降下が生じても、出口温度４００℃以上を維持しなければならない。

そこで、外部（バーナ４４）から熱を供給するとともに、予め部分酸化反応部（CPOX：Catalytic Partial Oxidation 部の通称）４１に導入して、燃料を所定温度まで上昇させてから水蒸気改質部４３に導入する。さらに、CPOX４１に導入する酸化剤ガスまたは燃料を予め改質排ガスを用いて加熱することにより、酸化剤ガス導入量を抑えて部分酸化反応を低減し、水蒸気改質反応を増大する。燃料電池システムの構成を図１に示す。

以下はH₂透過メンブレン式水蒸気改質反応システムの例であるが、メンブレンを組み合わせていない水蒸気改質反応システムに対しても同様に、水蒸気改質をメインとしたシステムに部分酸化反応を利用した本燃料改質システム１を構成することが可能である。

燃料改質システム１を、大きくエゼクタシステム２（図２）、流体調整装置３（図３）、改質サブシステム４（図４）より構成する。

エゼクタシステム２では、燃料改質に用いる水を駆動流体として用いることで酸化剤ガスを加圧する。エゼクタシステム２として、水と酸化剤ガスを分離する水トラップ２１を備える。なお、水トラップ２１の換わりに相分離器等をもちいてもよい。また、後述する流体調整装置３で改質排ガスから分離された水と図示しない水凝縮装置で凝縮された水を水トラップ２１に供給する水ポンプ２２を備える。図示しない水凝縮装置としては、例えば、図示しない燃料電池の排ガスから水を分離・回収する装置を用いる。さらに、水を駆動流体として酸化剤ガスを吸引するエゼクタ２３と、水トラップ２１で分離された水を、後述する流体調整装置３に送る水ポンプ２４を備える。水ポンプ２４により吐出された水の一部が、エゼクタ２３の入口に導入されるように構成する。

エゼクタ２３では、水ポンプ２４によって押し出された水の一部を駆動流体として、酸化剤ガスを吸引し、酸化剤ガスと水の混合気を生成する。この混合気を水トラップ２１に導入し、再度水と酸化剤ガスに分離してから、水ポンプ２４によって水を流体調整装置３に導入し、また、酸化剤ガスを後述する改質サブシステム４に導入する。このとき、後述するように改質反応場の圧力を調整するバルブ４７により、エゼクタシステム２内の酸化剤ガスの圧力を調整する。酸化剤ガス圧力は、後述する改質反応場の圧力まで上昇される。例えば、後述するように１〜１．５MPaとする。これにより空気圧縮器等を省略することができ、システムの大型化を抑制することができる。

さらに、エゼクタ２３の吸引部の上流側に酸化剤ガス導入手段２５を備える。酸化剤ガスとして、図示しない燃料電池からのカソード排ガスを用いる場合には、バルブ等により酸化剤ガス吸引量を調整する。また、酸化剤ガスとして外気を用いる場合には、コンプレッサ等により流量を調整して導入する。

また、図１に示すように、改質燃料、ここではガソリンの流量を調整する噴射システム５１を備える。図示しない燃料タンクから噴射システム５１を用いて後述する流体調整装置３へ、流量を調整した液状の改質燃料を導入する。

次に、流体調整装置３について図３を用いて説明する。流体調整装置３では、改質燃料、H₂Oを加熱する。なお、ここでは酸化剤ガスの加熱は行っていないが、酸化剤ガスとして外気等の比較的低温なガスを用いた場合には、後述する予熱器３２または予熱器３３により加熱するのが好ましい。

噴射システム５１により導入された改質燃料、エゼクタシステム２から供給されたH₂Oを蒸発する蒸発器３１を備える。また、蒸発器３１で生成された燃料蒸気をさらに加熱する予熱器３２を備える。予熱器３２は、後述するバーナ４４の一部を熱源として燃料蒸気を加熱可能に構成する。ここでは、予熱器３２をバーナ４４の最上流端である第一バーナ部４４ａと熱交換可能に構成する。予熱器３２で昇温された燃料蒸気に、前述したエゼクタシステム２で加圧された酸化剤ガスが混入され、後述する改質サブシステム４のCPOX４１に導入される。また、蒸発器３１で生成された水蒸気をさらに加熱する予熱器３３を備える。予熱器３３も、バーナ４４の一部、ここでは最下流端である第三バーナ部４４ｃを熱源として水蒸気を加熱可能に構成する。予熱器３３で昇温された水蒸気は、後述する改質サブシステム４の水蒸気改質部４３に導入するためにミキサ４２へ供給される。

さらに、改質排ガス中の水を分離・回収する水凝縮器３５を備える。水凝縮器３５と蒸発器３１を熱交換可能に構成する。水凝縮器３５で凝縮に伴って生じる潜熱を用いて蒸発器３１で蒸発を行う。水凝縮器３５に導入される改質排ガスは高温高圧であるため、効率良く水が凝縮されるとともに、蒸発器３１側へ多くの熱量が供給される。水凝縮器３５で水を分離・回収された改質排ガスは、バルブ３６を介して、バーナ４４に供給される。一方、水凝縮器３５で回収された水は、水ポンプ２２により前述したエゼクタシステム２に導入される。

次に、改質サブシステム４について、図４を用いて説明する。

部分酸化反応を生じるCPOX４１と、CPOX４１において加圧された改質燃料に水蒸気を混入するミキサ４２、水蒸気改質反応を生じる水蒸気改質部４３を備える。水蒸気改質部４３は、バーナ４４と熱交換可能に構成する。バーナ４４には、前述したように予熱器３２、３３と熱交換を行う第一バーナ部４４ａ、第三バーナ部と、水蒸気改質部４３と熱交換を行う第二バーナ部４４ｂから構成する。第二バーナ部４４ｂにおいて水蒸気改質部４３を許容された所定の反応温度範囲に調整する。

バーナ４４へは、酸化剤ガスとしてのカソード排ガスまたは外気と、水凝縮器３５で水を分離・回収された改質排ガスを供給する。また、必要に応じてバルブ３４を介して噴射システム５１から噴射された液状燃料の一部をバーナ４４に導入可能に構成する。バーナ４４としては、例えば酸化触媒を用いる。

さらに、水蒸気改質部４３で生成された水素を選択的に透過する水素分離膜４５を備える。水素分離膜４５を介して分離された水素は、図示しない燃料電池のアノードに導入され、発電反応に用いられる。

水蒸気改質部４３を、図５に示すような積層構造により構成する。

触媒が担持され、改質燃料が導入される溝状の水蒸気改質触媒通路６１が構成されたプレート６２を備える。また、水素分離膜４５を支持する支持体６３と、水素分離膜４５を透過した水素が流通する水素リッチガス通路６４を備える。さらに、酸化触媒が担持された溝状の酸化触媒通路６５を設けたプレート６６（第二バーナ４４ｂ）を備える。水蒸気改質触媒通路６１、水素分離膜支持体６３、水素リッチガス通路６４、水素分離膜支持体６３、水蒸気改質触媒通と６１、酸化触媒通路６５の順番で積層されるように各部材を積層する。このとき、溝状の水蒸気改質触媒通路６１の開口部が、水素分離膜４５に対峙するように構成する。

水素透過量を確保するためには、水蒸気改質触媒通路６１内を高圧に保つ必要がある。ここでは、水蒸気改質部４３の下流に配置したバルブ４７により水改質反応場の圧力を調整する。なお、バルブ４７は、水凝縮器３５のさらに下流側、例えばバーナ４４の改質排ガス入口近傍に配置する。加圧レベルは水素分離膜４５の透過性や設計サイズによって異なるが、通常は１〜１．５MPaとする。また、水素分離膜４５の水素透過を促進するために、水素リッチガス通路６４には水蒸気等のパージガスを流通させてもよい。

さらに、図４に示すように、水蒸気改質部４３の下流側には、水素分離膜４５を透過できなかったH₂、CO、CH₄、CO₂、およびH₂O等の改質排ガスを回収する排出マニホールド４６を備える。改質排ガスは高温高圧の状態で、前述した水凝縮器３５に導入される。

流体調整装置３において加熱された燃料蒸気に、加圧された酸化剤ガスが混入され、CPOX４１に導入される。CPOX４１において、（１）式に示す部分酸化反応が生じて水素が生成されるとともに、燃料蒸気の温度が上昇する。この部分酸化反応により燃料が水蒸気反応に必要な温度となるように、酸化剤ガス導入手段２５により導入する酸化剤ガス量を調整する。ここでは、CPOX４１における反応により燃料蒸気の温度が燃料中の重HCを分化する温度となるように酸化剤ガス量を設定する。このとき、燃料は予め改質排ガス中の水の潜熱を用いて蒸発器３１において燃料蒸気に変換され、さらに改質排ガスの燃焼により予熱器３２において加熱されている。そのため、CPOX４１に導入された時点での燃料蒸気の温度は高く、燃料蒸気が、後流の水蒸気改質部４３における反応に適した温度に昇温されるまでに必要とする熱量は抑制されている。言い換えれば、目標加熱温度到達のために導入される酸素量は、ATR反応における理論的な部分酸化に必要な酸素当量に比べて非常に少なくすることができる。具体的には、このとき導入される酸化剤ガス量としては、全体燃料中のCモル数に対して４％相当のモル数のO原子を含む酸化剤ガス量となる。

CPOX４１で昇温された燃料蒸気に、ミキサ４２において流体調整装置３において加熱された水蒸気を混入する。このとき、蒸発器３１で生成された水蒸気も予熱器３３でさらに加熱されているので、燃料蒸気を高温に維持することができる。これを水蒸気改質部４３に導入することにより、（２）式の水蒸気改質反応、（３）式のシフト反応を生じ、燃料中のHC分解を促進し、水素リッチガスを生成する。

このように、流体調整装置３において予め燃料蒸気を加熱してから、部分酸化反応を生じることにより、目標温度に達するのに必要な部分酸化反応を抑制し、水蒸気改質反応を増大することができるので、効率のよいシステムを構成することができる。このとき、予め燃料蒸気を加熱する際には改質排ガスの有するエネルギを用いる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

外部からの熱供給により水蒸気改質反応を生じる水蒸気改質部４３と、水蒸気改質部４３の上流に配置されたCPOX４１を備える。また、CPOX４１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入手段２５と、水蒸気改質部４３における水蒸気改質反応に用いる水を供給する水ポンプ２４と、CPOX４１にCPOX４１および水蒸気改質部４３におけるそれぞれの反応に用いる燃料を供給する噴射システム５１と、を備える。CPOX４１には、燃料を所定の温度にするために必要な量の酸化剤ガスを供給する。

外部から熱供給されることにより、ATR反応に比較して部分酸化反応が低減され、システム効率を向上することができる。また、CPOX４１での反応量が増えるとCOが生成されるが、CPOX４１での反応量を抑えることでCOの生成量が抑制され、水蒸気改質部４３でシフト反応（発熱）が起きても、加熱端面より出口温度を低くすることが可能となる。つまり、排気エネルギが過剰にならないので、さらにシステム効率が向上することができる。さらに、部分酸化反応により燃料温度を高めることにより、水蒸気改質部４３を小型化することができる。また、一般的な水蒸気改質温度６００℃〜８００℃の温度を外部加熱で得るためには高温の熱源が必要となり、耐熱構造やバーナ加熱の場合NOx生成の問題があるが、ここではCPOX４１内で燃料を直接加熱するので、熱伝達のための高温の熱源が必要なく、上記のような問題が生じない。

ここでは、所定の温度を、燃料中の重炭化水素を分解する温度とする。部分酸化反応により燃料を高温にすることで、水蒸気反応では改質困難なガソリン燃料などの一部に含まれる重HCを分解し、反応させることができる。全てのHCを改質可能であれば、効率の序列だけで、SR（水蒸気改質の効率）>CPOX+SR（本実施形態の効率）>ATR（ＡＴＲ反応の効率）となるが、実際のSRは、改質できなかったHC（重HC）分だけ下がる。そのため、SR≒CPOX+SR>ATRとなり、水蒸気改質と同等の効率を保つことができる。なお、この序列は、水蒸気改質部４３の重HC改質能力や燃料組成により変わることがある。

なお、重HCを水蒸気改質のみで改質する、もしくは、熱により、より小さいHCに分解することを想定した場合、一般的な水蒸気改質温度６００℃〜８００℃以上の温度、好ましくは８５０℃〜９００℃の温度が必要である。外部加熱で８５０℃〜９００℃の反応場温度を得る為には、熱伝達のために例えば９５０℃〜１０００℃の熱源が必要となり、耐熱構造やバーナ加熱の場合NOxの問題が生じるが、本実施形態ではこれを解決できる。

また、水蒸気および燃料または酸化剤ガスの少なくとも一方を加熱する流体調整装置３を備える。CPOX４１の上流側で、少なくとも一方が加熱された燃料および酸化剤ガスを導入し、CPOX４１の下流側かつ水蒸気改質部４３の上流側で、加熱された水蒸気を導入する。CPOX４１の上流で燃料または酸化剤ガスの少なくとも一方を加熱するので、部分酸化反応により燃料を所定の温度まで上昇させるのに必要な酸化剤ガス量を低減することができる。また、水蒸気を加熱することで、水蒸気改質部４３に供給されて直ちに水蒸気改質反応を開始することができる。また、CPOX４１に水蒸気を供給しないので、燃料を容易に高温にでき、重HCの分解を促進できる。

燃料改質システム１は、燃料電池に導入する水素リッチガスを生成するシステムであって、CPOX４１に供給される酸化剤ガスとして、燃料電池のカソード排ガスまたは外気のうち少なくとも一方を用いる。CPOX４１に導入することで、CPOX４１における部分酸化反応が可能となる。CPOX４１へ導入する空気の温度上昇はカソード排ガスの方が若干上昇が鈍い（O／Cで０．０４と微量）が、温度が外気導入の場合より高いので、カソード排ガスを用いることでCPOX４１において所定の温度に加熱するための酸化剤ガスを減少できる。

また、水蒸気改質部４３を、水素分離膜４５と一体に構成し、生成された水素の一部を反応場から分離する。水素分離膜４５と改質反応場を合わせて構成した場合、水素分離膜４５を挟んだ水素分圧差を確保するために高圧での反応が必要である。そのため、例えば、システム内に空気を導入するコンプレッサ等が大型化してしまう。しかしながら、本実施形態においては導入する酸化剤ガス量を少なくすることができるため、高圧反応場へ導入する酸化剤ガス導入手段２５としてコンプレッサを用いた場合にもその容量を抑えることが可能となる。さらに、水素分離膜４５を透過しなかったＣＯリッチの改質ガスを、バーナ４４に導入して発熱させ、その熱を水蒸気改質反応に用いることができ、高効率のパワープラントシステムとすることができる。また、燃料電池のアノードのストイキ比が、純水素を用いたときと同じ１付近となり、通常１．１〜１．３のストイキ比が必要となる水蒸気改質反応器に水素分離膜を組み合わせない改質反応器システムに対し、高効率のパワープラントシステムとすることができる。

また、水または燃料を駆動流体とするエゼクタシステム２を備える。酸化剤ガスの圧力を、エゼクタシステム２の利用により改質圧力まで上昇させる。これにより、空気圧縮器などを用いずに、空気を反応場圧力まで上昇させることができる。

エゼクタシステム２として、水または燃料を駆動流体とするエゼクタ２３と、駆動流体をエゼクタ２３に圧送するポンプ２２と、を備える。エゼクタ２３において酸化剤ガスを吸引することにより酸化剤ガスの圧力を上昇させる。ポンプ２２は、燃料改質システム１の水蒸気発生に必要な水加圧ポンプとして用いることができ、システムの簡素化を図ることができる。

エゼクタ２３の駆動流体として水を用い、エゼクタ２３下流に水トラップ２１もしくは相分離器を備える。水トラップ２１もしくは相分離器において分離された酸化ガスをCPOX４１に導入する。これにより、CPOX４１への水の流入を防止することができるので、CPOX４１において、水の気化と加熱に必要な酸化熱を発生するために消費される酸化剤ガスを低減することができる。このとき、エゼクタ２３の駆動流体として、水トラップ２１もしくは相分離器で分離された水を取出す水ポンプ２４により圧送された水の一部を用いる。つまり、エゼクタ２３の駆動流体である水を回収するように構成することで、駆動流体の流量範囲を任意に設定することができる。これにより、エゼクタ２３の設計自由度が向上される。

改質反応場と略同じ圧力状態の改質排ガス中の水を回収する水凝縮器３５を備える。水の凝縮熱を蒸発器３１へ伝え、CPOX４１への酸化ガスまたは燃料および水を加熱することで、所定の温度を確保するためのCPOX４１への必要導入酸素量を抑制することが可能となる。これにより、部分酸化反応による効率悪化を最小限にし、かつ、エゼクタ２３の容量を小さくすることができる。

水凝縮器３５で生じる凝縮に伴う熱を用いて水または燃料の少なくとも一方を蒸発させる蒸発器３１を備える。改質排ガスの熱を水蒸気生成のための潜熱および顕熱として回収することでき、CPOX４１への必要導入酸素量を抑制できる。これにより、部分酸化反応による効率悪化を最小限にし、かつ、エゼクタ２３の容量を小さくすることができる。

蒸発器３１から供給される蒸気を予熱する予熱器３２、３３を備える。これにより、CPOX４１および水蒸気改質部４３上流を加熱することで、必要導入酸素量を抑制し、エゼクタ２３の容量を小さくすることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。図６に燃料改質システム１の構成を示す。ここでは、エゼクタシステム２における駆動流体として改質燃料を用いる。

図示しないガソリンタンクから液状改質燃料を取出す燃料ポンプ７１と、取出した改質燃料を蒸発させる燃料蒸発器７２、燃料蒸発器７２で生成された燃料蒸気を駆動流体としてカソード排ガスまたは外気等の酸化剤ガスを吸引するエゼクタ７３を備える。エゼクタ７３から排出された高圧状態の燃料蒸気と酸化剤ガスの混合ガスを、流体調整装置３の予熱器３３に導入して加熱してから、改質サブシステム４のCPOX４１に導入する。このとき、燃料と酸化剤ガスの混合は、部分酸化反応で燃料を水蒸気改質反応に必要な所定温度まで上昇させる割合で混合する。また、バーナ部４４ｃで、燃焼可能域を越えるような割合で、燃料および酸化剤ガスを混合する。ここでは、空気中でのガソリン体積濃度が８％をはるかに超える値とする。なお、燃焼可能域を、空気中でのガソリン体積濃度が０．５〜８％の領域とする。

また、流体調整装置３の水凝縮器３５で回収された水や、図示しない燃料電池の排ガスから回収した水を貯蔵する水タンク８１を備える。さらに、水タンク８１に貯蔵された水を、流量調整して取出す水噴射システム８２を備える。流量調整して取出された水は、蒸発器３１に導入され、水蒸気が生成される。なお、蒸発器３１の熱源は、第１の実施形態と同様に水凝縮器３５で生じる潜熱とする。ここでは、潜熱により高温となった改質排ガスと水とを蒸発器３１において熱交換可能に構成する。ただしこの限りではなく、第１の実施形態と同様に、水凝縮器３５と蒸発器３１とを熱交換可能に構成してもよい。このように生成された水蒸気は、予熱器３３、３２を介してミキサ４２に導入され、燃料蒸気に混入される。なお、予熱が十分である場合には、第１の実施形態と同様に、水蒸気を予熱器３２のみで予熱してもよい。

次に本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

エゼクタ７３の駆動流体として燃料を用い、エゼクタ７３から排出された酸化剤ガスと燃料の混合気をCPOX４１に導入する。CPOX４１に酸化剤ガスと燃料の混合気を分離せずにそのまま供給しても、そもそも混合気に水が含まれてないので、水の気化と加熱に必要な熱を発生に必要なCPOX４１への酸化剤ガス導入量分を低減することができる。また、酸化剤ガスと燃料とを分離する装置、第１の実施形態では水トラップ２１に相当する装置が不要となり、構成をシンプルにすることができる。

なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、燃料改質システム１に適用することができる。特に、水蒸気改質反応を主反応とする燃料改質システム１に適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料改質システムの概略構成図である。第１の実施形態に用いるエゼクタシステムの構成図である。第１の実施形態に用いる流体調整装置の構成図である。第１の実施形態に用いる燃料改質サブシステムの構成図である。第１の実施形態に用いる水蒸気改質触媒の構成図である。第２の実施形態に用いる燃料改質システムの概略構成図である。

符号の説明

２エゼクタシステム
２２、７１ポンプ（水供給手段）
２１水トラップ
２３、７３エゼクタ
２５酸化剤ガス導入手段（酸化剤ガス供給手段）
３流体調整装置
３１蒸発器
３２予熱器
３３予熱器
３５水凝縮器
４燃料改質サブシステム
４１ CPOX（部分酸化部）
４３水蒸気改質部
４４バーナ
４５水素分離膜
５１噴射システム（燃料供給手段）
７２燃料蒸発器（燃料供給手段）
８２水噴射システム（水供給手段）

Claims

外部からの熱供給により水蒸気改質反応を生じる水蒸気改質部と、
前記水蒸気改質部の上流に配置された部分酸化部と、
前記部分酸化部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記水蒸気改質部における水蒸気改質反応に用いる水を供給する水供給手段と、
前記部分酸化部に、前記部分酸化部および前記水蒸気改質部における部分酸化反応および水蒸気改質反応に用いる燃料を供給する燃料供給手段と、を備え、
前記部分酸化部には、燃料を燃料中の重炭化水素を分解する温度にするために必要な量の酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料改質システム。
水蒸気および燃料または酸化剤ガスの少なくとも一方を加熱する流体調整装置を備え、
前記部分酸化部の上流側で、少なくとも一方が加熱された燃料および酸化剤ガスを導入し、
前記部分酸化部の下流側かつ前記水蒸気改質部の上流側で、加熱された水蒸気を導入する請求項１に記載の燃料改質システム。
前記燃料改質システムは、燃料電池に導入する水素リッチガスを生成するシステムであって、
前記部分酸化部に供給される酸化剤ガスとして、前記燃料電池のカソード排ガスまたは外気のうち少なくとも一方を用いる請求項１または２に記載の燃料改質システム。
前記水蒸気改質部を水素分離膜と一体に構成し、生成された水素の少なくとも一部を反応場から分離する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
水または燃料を駆動流体とする加圧式エゼクタシステムを備え、
酸化剤ガスの圧力を、前記加圧式エゼクタシステムの利用により改質圧力まで上昇させる請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
前記加圧式エゼクタシステムとして、水または燃料を駆動流体とするエゼクタと、
前記駆動流体を前記エゼクタに圧送する液体ポンプと、を備え、
前記エゼクタにおいて酸化剤ガスを吸引する請求項５に記載の燃料改質システム。
前記エゼクタの駆動流体として水を用い、
前記エゼクタ下流に水トラップもしくは相分離器を備え、
前記水トラップもしくは相分離器において分離された酸化ガスを前記部分酸化部に導入する請求項６に記載の燃料改質システム。
改質反応場と略同じ圧力状態の改質排ガス中の水を回収する水凝縮器を備える請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
前記水凝縮器で生じる凝縮に伴う熱を用いて水または燃料の少なくとも一方を蒸発させる蒸発器を備える請求項８に記載の燃料改質システム。
前記蒸発器から供給される水または燃料の蒸気を予熱する予熱器を備える請求項９に記載の燃料改質システム。
前記エゼクタの駆動流体として燃料を用い、
前記エゼクタから排出された酸化剤ガスと燃料の混合気を前記部分酸化部に導入する請求項５に記載の燃料改質システム。