JP4810749B2 - 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、燃料改質装置に関し、詳しくは、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料改質装置としては、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに水蒸気を混合し、改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトして水素リッチガスを得るものが提案されている（例えば、特開昭６３−３０３８０１号公報など）。この装置では、水を蒸気化する蒸発器を備え、この蒸発器により蒸気化した水蒸気を改質ガスに混合している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料改質装置では、蒸発器が必要なために、装置が複雑化すると共に大型化する。また、水の蒸気化に必要な熱源が必要となる一方、シフト部における温度調節のために、改質ガスの顕熱を効率よく小領域で冷却することが必要となり、装置の熱効率が低くなる場合が多い。また、従来の熱交換器（例えば、水冷や油冷，空冷など）では構成要素の熱容量や媒体の熱容量により過渡的な温度や熱変化への対応も困難であった。
【０００４】
本発明の燃料改質装置は、装置の小型化や簡易化，応答性の向上を目的の一つとする。また、本発明の燃料改質装置は、改質ガスに水を導入し蒸気となる過程に発生する潜熱冷却を利用して高効率な熱交換を図ると共に改質ガスと気化した水蒸気とをより均等に混合することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料改質装置は、装置の熱効率の向上を目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料改質装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の第１の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、 前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備える水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備え、
前記改質ガス流路は、少なくとも流出口近傍の表面に親水性または吸湿性の材料による被膜を備えることを要旨とする。
本発明の第２の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備る水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備え、
前記水供給混合手段は、前記熱交換手段の後段で該熱交換手段の前記改質ガス流路の流出口近傍の底面と該改質ガス流路の流入口との水を連絡する水連絡手段を備えることを要旨とする。
本発明の第３の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
前記改質ガスに対して水を噴霧すると共に該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れにおける上流側が低くなる傾斜の底面のケースを備えることを要旨とする。
本発明の第４の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
前記改質ガスに対して水を噴霧すると共に該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記水供給混合手段は、前記混合ガス中の未気化の水を気化する気化手段を備え、
前記気化手段は、前記混合ガスを複数に分割して流す複数の混合ガス流路であることを要旨とする。
本発明の第６の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備える水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記水混合手段によって前記水が噴霧される前の改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記水が噴霧される前の改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明の第１ないし第４および第６の燃料改質装置では、水供給混合手段が、改質部からの水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに対して水を噴霧すると共にこの噴霧した水（ミスト）を気化して改質ガスと混合し、この混合ガスを、一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部に供給する。この本発明の第１ないし第４および第６の燃料改質装置によれば、改質ガスに直接水を噴霧するから、水の気化の少なくとも一部を改質ガスの顕熱により行なうことができる。しかも、通常、改質部の適正温度に対してシフト部の適正温度は低いから、水の噴霧と気化による潜熱冷却によりシフト部に供給する混合ガスの温度を低くすることができる。即ち、水供給混合手段は、シフト部へ供給する混合ガスに水蒸気を含ませると共にその温度を調節するものとして機能するのである。
【００１３】
本発明の第１、第２および第６の燃料改質装置では、前記水供給混合手段は、水を加圧して加温する加圧加温手段を備え、該加圧加温手段により加圧および加温された水を噴霧する手段である。そのため、圧力開放時に水の気化をさらに促進することができる。
【００１４】
また、本発明の第１、第２および第６の燃料改質装置によれば、前記加圧加温手段は、前記改質ガスとの熱交換により水を加温する熱交換手段を備えるため、改質ガスの熱を用いて水を加温することができる。
【００１９】
また、本発明の第１の燃料改質装置によれば、前記改質ガス流路は、少なくとも流出口近傍の表面に親水性または吸湿性の材料による被膜を備えるため、噴霧された水の一部が液滴化して改質ガス流路の表面に付着しても、飛散するのを防止することができると共に付着した水を改質ガスの顕熱によって気化することができる。
【００２０】
さらに、本発明の第１の燃料改質装置において、前記改質ガス流路は、少なくとも流出口近傍に複数のフィンを備えるものとすることもできる。こうすれば、噴霧された水の一部が液滴化して改質ガス流路の表面やフィンに付着した場合、改質ガス流路表面やフィンにおける直接伝熱により、付着した水を気化することができる。
【００２１】
本発明の第２の燃料改質装置によれば、前記水供給混合手段は、前記熱交換手段の後段で該熱交換手段の前記改質ガス流路の流出口近傍の底面と該改質ガス流路の流入口との水を連絡する水連絡手段を備えるため、熱交換手段の後段で液滴化した水を改質ガス流路の流入口に導いて気化することができる。本発明の第２の燃料改質装置において、前記水連絡手段は、多孔質材料により形成されてなるものとすることもできるし、毛細管現象を可能とする材料により形成されてなるものとすることもできる。また、前記水連絡手段は、前記改質ガス流路の流出口近傍と該改質ガス流路の流入口近傍との圧力差に基づいて該改質ガス流路の流出口近傍の水を該改質ガス流路の流入口近傍に導く手段であるものとすることもできる。
【００２２】
また、本発明の第３の燃料改質装置によれば、前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れにおける上流側が低くなる傾斜の底面のケースを備えるため、重力の作用により液滴化した水を改質ガスの上流側に集めることができると共に上流側の温度の高い改質ガスに接触することによって液滴化した水を気化することができる。
【００２３】
本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置において、前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れの撹拌混合を促進する撹拌混合手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、改質ガスと噴霧した水との撹拌混合が促進されるから、水の気化を促進することができると共により均一に混合することができる。この態様の本発明の燃料改質装置において、前記撹拌混合手段は、前記改質ガスの流路に設けられた一つまたは複数のオリフィスであるものとすることもできる。
【００２４】
本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置において、前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流路に配置され噴霧により吹き付けられた水を前記改質ガスに気化する気化部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、水の気化を促進することができる。
【００２５】
本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置において、前記水供給混合手段は、前記混合ガス中の未気化の水を気化する気化手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、未気化の水を気化することができる。
【００２６】
水供給混合手段が気化手段を備える態様の本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置において、前記気化手段は、前記混合ガスの流路に配置され、該混合ガスとの接触面積が多い高接触部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、高接触部材の接触面に液滴化する水を混合ガスによって気化することができる。
【００２７】
本発明の第４の燃料改質装置によれば、前記気化手段は、前記混合ガスを複数に分割して流す複数の混合ガス流路であるため、複数の混合ガス流路の壁面に液滴化する水を混合ガスによって気化することができる。
【００２８】
本発明の第４の燃料改質装置において、前記混合ガス流路は、前段の改質ガスの流れに対して所定の角度をもつよう形成されてなるものとしたり、前記混合ガスが流入口から流出口まで直線状に流れないよう形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、液滴化した水がシフト部に供給されるのを抑制することができると共に液滴化し付着した水の気化を促進することができる。
【００２９】
また、本発明の第４の燃料改質装置において、前記混合ガス流路は、表面に親水性または吸湿性の材料による被膜を備えるものとすることもできる。こうすれば、混合ガス流路の表面に液滴化した水が飛散するのを防止することができると共に液滴化した水を混合ガスを用いて気化することができる。
【００３０】
あるいは、本発明の第４の燃料改質装置において、前記混合ガス流路は、複数のフィンを備えるものとすることもできる。こうすれば、混合ガスとの接触面積が多くなるから、液滴化した水の保持量の増加と共に混合ガスへの伝熱効率を向上し、液滴化した水の気化を促進することができる。
【００３１】
水供給混合手段が気化手段を備える態様の本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置、あるいは本発明の第４の燃料改質装置において、前記気化手段は、前記混合ガスを直接または間接に加温する混合ガス加温手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、より確実に未気化の水を気化することができる。
【００３２】
本発明の第５の燃料改質装置は、
炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系燃料から水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成する改質部と、
一酸化炭素と水蒸気から水素と二酸化炭素を生成するシフト反応を進行することによって、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部と、
前記シフト反応に利用されるシフト反応用水を前記改質ガスの流路に供給する水供給部と、
前記シフト反応が完了するのに先立って、前記改質ガスを、前記シフト反応用水の少なくとも一部を含む冷媒との間で熱交換を行なわせて降温させる熱交換部と、
を備え、
前記水供給部は、前記熱交換部で冷媒として用いて昇温した前記シフト反応用水を気化して、前記改質ガスの流路に供給することを要旨とする。
【００３３】
以上のように構成された本発明の第５の燃料改質装置によれば、改質ガスの流路に供給するシフト反応用水を、熱交換部で昇温させるため、シフト反応用水を気化するのに用いるエネルギを削減することができると共に、シフト反応用水を気化するための構成を簡素化することができる。また、このとき熱交換部において、改質ガスを降温させる動作を同時に行なうことができるため、改質ガスを降温させるために設ける特別な構成を削減することができる。したがって、燃料改質装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００３４】
本発明の第５の燃料改質装置において、前記熱交換部は、前記改質ガスを、前記シフト部に供給するのに先立って降温させることとしても良い。一般的に、改質反応が進行する反応温度は、シフト反応が進行する反応温度よりも高い。したがって、改質部より排出された改質ガスを、シフト反応に適した温度にまで降温させる際に、改質ガスの顕熱を用いてシフト反応用水を昇温させることができ、エネルギ効率を向上させることができる。
【００３５】
あるいは、本発明の第５の燃料改質装置において、
前記シフト部は、より高い温度で前記シフト反応が進行する高温シフト部と、前記高温シフト部の下流側に位置してより低い温度で前記シフト反応が進行する低温シフト部とを備え、
前記熱交換部は、前記高温シフト部から排出される前記改質ガスを、前記低温シフト部に供給するのに先立って降温させることとしても良い。
【００３６】
このような構成とすれば、高温シフト部から排出された改質ガスを、低温シフト部における反応に適した温度にまで降温させる際に、改質ガスの顕熱を用いてシフト反応用水を昇温させることができ、エネルギ効率を向上させることができる。
【００３７】
このような構成において、前記水供給部は、前記熱交換部における前記熱交換で昇温した前記シフト反応用水を、前記低温シフト部に供給することとしても良い。
【００３８】
本発明の第５の燃料改質装置において、前記熱交換部の冷媒は、前記シフト反応用水とは異なる他の冷媒を含み、前記熱交換部は、前記改質ガスが通過する改質ガス流路と、前記他の冷媒が通過する第１の冷媒流路と、前記改質ガスとの熱交換のために前記シフト反応用水が通過する第２の冷媒流路と、を有することとしても良い。このように複数種類の冷媒を用いるならば、改質ガスを降温させる効率を向上させることができ、熱交換部をより小型化することが可能となる。また、改質ガスを降温させる動作を、より精度良く制御することが可能となる。さらに、シフト反応用水のすべてを熱交換部で冷媒として用いる場合にも、シフト反応で要する水の量に拘束されることなく、改質ガスを降温させることができる。
【００３９】
このような構成の本発明の第５の燃料改質装置において、前記熱交換部内の前記改質ガス流路と前記第１の冷媒流路とは、熱交換可能であって互いに略直交するように形成されていることとしても良い。
【００４０】
熱交換部が他の流体を冷媒としてさらに用いる態様の本発明の第５の燃料改質装置において、前記熱交換部内における前記第２の冷媒流路は、前記改質ガス流路が形成されている領域の外縁部において、該改質ガス流路に沿って設けられていることとしても良い。改質ガス流路が形成されている領域の外縁部は、改質ガス流路内を通過する改質ガスの流量がより少なく、改質ガスと上記した他の冷媒との間で行なわれる熱交換に貢献する度合いが低い領域であるといえる。したがって、このような領域にシフト反応用水の流路を設けることで、熱交換部全体の熱交換効率を向上させることができる。また、上記熱交換に貢献する度合いが低い領域を利用することで、熱交換部を小型化することができる。
【００４１】
このような燃料改質装置において、前記水供給部は、前記熱交換部において前記改質ガス流路が形成されている領域の外縁部において、前記改質ガス流路の少なくとも一部と前記第２の冷媒流路との双方に接続された多孔質体を備え、これによって、前記シフト反応用水が、前記多孔質体から前記改質ガス流路内に気化された状態で供給されることとしても良い。このような構成とすれば、改質ガスにシフト反応用水を気化して供給するための構成を小型化することができる。
【００４２】
このような燃料改質装置において、前記シフト反応用水が前記第２の冷媒流路から前記多孔質体に流入するときの流れの向きは、前記改質ガス流路内を通過する前記改質ガスの流れの向きと対向することとしても良い。このような構成とすれば、多孔質体内のシフト反応用水は、より温度が高い改質ガスから熱を供給されるため、シフト反応用水の気化を促進することができる。
【００４３】
本発明の第５の燃料改質装置において、前記水供給部は、前記改質部の出口と前記シフト部の出口との間の所定の場所において、前記改質ガスの流路に接続されて、前記熱交換部を経由して昇温したシフト反応用水が供給される多孔質体を備え、これによって、前記シフト反応用水が、前記多孔質体から前記改質ガスの流路内に気化させた状態で供給されることとしても良い。このような構成とすれば、改質ガスにシフト反応用水を気化した状態で供給するための構成を小型化することができる。また、改質ガスが有する熱を用いてシフト反応用水を気化させる際の熱のロスを削減し、エネルギ効率を向上させることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
（Ａ）第１実施例：
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施例である燃料改質装置２０の構成の概略を模式的に示す構成図である。第１実施例の燃料改質装置２０は、水ポンプ２３による水タンク２２からの水と燃料ポンプ２５による燃料タンク２４からの炭化水素系の燃料（例えば、プロパンやブタンなど）とブロア２６による空気を混合して改質原料とする混合部２８と、改質原料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質反応部３０と、水ポンプ３１による水タンク２２からの水を改質ガスに噴霧して水蒸気と改質ガスとからなる混合ガスとすると共に所定範囲の温度に混合ガスを冷却する熱交換部３２と、混合ガス中の一酸化炭素をシフト反応により水素と二酸化炭素とにシフトするシフト反応部３４と、シフト反応部３４ではシフトできなかった一酸化炭素をブロア３６により供給される空気中の酸素を用いて酸化して水素リッチで一酸化炭素濃度が低い燃料ガスとする一酸化炭素浄化部３８とを備える。本発明の中核は、熱交換部３２の構成にあるから、それ以外の構成についての詳細な説明は省略する。なお、第１実施例の燃料改質装置２０における熱交換部３２では、６００〜１０００℃程度で運転される改質反応部３０からの改質ガスに水蒸気を混合すると共に２００〜６００℃程度で運転されるシフト反応部３４に供給するために２００〜６００℃程度まで冷却する。
【００４５】
図２は、熱交換部３２の構成の概略を示す構成図である。熱交換部３２は、図示するように、噴霧する水を改質ガスにより加熱する第１熱交換部４０と、改質ガスに水を噴霧する第２熱交換部５０と、未気化の水を気化する第３熱交換部６０とを備える。
【００４６】
第１熱交換部４０は、図中左側から右側に改質ガスを流すガス流路部材４２と、図中上方から下方に水を流す水流路部材４４とが熱交換可能に複数積層されて構成されており、水タンク２２から供給され圧力調節弁５２により圧力調節された水と改質反応部３０からの改質ガスとの熱交換により、水は加熱され改質ガスは冷却されるようになっている。ガス流路部材４２と水流路部材４４とには、熱交換の効率が良くなるように複数のフィン４３，４５が取り付けられている。なお、第１熱交換部４０における水の加熱は、圧力調節弁５２により加圧された圧力状態で飽和液水となるように調節されている。
【００４７】
第２熱交換部５０は、圧力調節弁５２により開放された水を鉛直上方から下方に向けて改質ガスの流れに対して所定の角度をもって互いに対向するよう噴霧する二つのノズル５４を備える。噴霧された水（ミスト）は、改質ガスから気化熱を奪って気化して水蒸気となり、改質ガスと混合して混合ガスとなる。したがって、改質ガスは水が気化する際の気化熱などにより更に冷却されることになる。ここで、改質ガスの流れに対して所定の角度をもって互いに対向するよう水を噴霧するのは、噴霧した水（ミスト）の改質ガスによる気化の促進と改質ガスとの混合の促進を図るためである。鉛直上方から下方に向けて改質ガスに水を噴霧するのは、鉛直下方を流れる改質ガスの温度を鉛直上方を流れる改質ガスの温度より高くするためである。こうすることにより、噴霧した水（ミスト）のうち凝縮合体により液滴化し第２熱交換部５０の底面に集まった水の気化を促進することができる。なお、第１熱交換部４０で水を鉛直上方から鉛直下方に流すのも鉛直下方を通過して流れる改質ガスの温度を鉛直上方を流れる改質ガスの温度より高くするためである。
【００４８】
第３熱交換部６０は、ハニカムチューブのように複数の壁面により区切られた複数の混合ガス流路６２により構成されている。混合ガス流路６２では、壁面に付着した未気化の水を混合ガスにより気化して水蒸気としている。
【００４９】
以上説明した第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２によれば、シフト反応部３４に必要な水蒸気を改質ガスに混合することができると共に改質ガスと水蒸気とを混合した混合ガスをシフト反応部３４の適正な温度範囲まで冷却することができる。しかも、熱交換部３２を第１熱交換部４０と第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより構成し、改質ガスを段階的に冷却すると共に水を段階的に気化するから、水をより確実に気化することができると共に改質ガスおよび混合ガスをより確実に冷却することができる。また、第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２によれば、供給水の気化と改質ガスの冷却を同一領域内で発生させることにより外部への熱ロスなどをなくし、伝熱効率の向上を図ることができる。さらに、第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２によれば、水を、第１熱交換部４０で加熱し、第２熱交換部５０で噴霧して気化するから、別に蒸発部を設けたり配管の取り回しをする必要がなく、装置の簡易化と小型化を図ることができると共に熱効率を向上させることができる。
【００５０】
（Ｂ）第１実施例の変形例：
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第１熱交換部４０のガス流路部材４２を、改質ガスの全体としての流れと同一方向に改質ガスが流れるよう配置したが、図３の変形例の熱交換部３２Ｂに示すように、第１熱交換部４０Ｂのガス流路部材４２Ｂを、改質ガスの全体としての流れに対して所定の角度をもって流れるよう配置するものとしてもよい。こうすれば、ノズル５４から噴霧された水が上流側に遡るのを抑制することができると共に熱交換効率を向上させることができる。また、付着した水を改質ガスを用いて気化することもできる。このように噴霧された水が上流側に遡るのを抑制すると共に熱交換効率を向上させ、付着した水の気化を図る変形例としては、図４の変形例の熱交換部３２Ｃに示すように、ガス流路部材４２Ｃを屈曲するように配置することもできる。この場合、図５の変形例の熱交換部３２Ｄに示すように、屈曲部に空間４６Ｄを設けるものとしてもよい。また、噴霧した水の上流側への遡上の抑制や熱交換効率の向上，付着した水の気化の促進は、改質ガスが直線状に流れないようにすることにより達成できるから、図６の変形例の熱交換部３２Ｅに示すように、第１熱交換部４０Ｅを前段と後段とにより構成し、前段と後段との間に空間４６Ｅを設けると共に前段と後段におけるガス流路部材４２Ｅが整合しないように配置するものとしてもよい。また、図７の変形例の熱交換部３２Ｆに示すように、水流路部材４４Ｆをチューブ状に形成し、水流路部材４４Ｆを千鳥状に配置することにより改質ガスが直線状に流れないようにすることもできる。
【００５１】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第１熱交換部４０のガス流路部材４２の表面は何ら処理しないものとしたが、図８の変形例の熱交換部３２Ｇに示すように、ガス流路部材４２Ｇの表面に保水性の材料や親水性の材料により形成された被膜４７Ｇを施す処理を行なうものとしてもよい。こうすれば、噴霧した水のうち上流側に遡り壁面で液滴化した水を被膜４７Ｇで保持し、改質ガスにより気化することができる。
【００５２】
この他、ガス流路部材４２のバリエーションとしては、図９の変形例の熱交換部３２Ｈに示すガス流路部材４２Ｈを多孔体により形成するものや、図１０の変形例の熱交換部３２Ｉに示す複数の整流格子４３Ｉを備えるもの、図１１の変形例の熱交換部３２Ｊに示すルーバフィン４３Ｊを備えるもの、図１２の変形例の熱交換部３２Ｋに示す異なるサイズの穴を複数有する複数の整流板４３Ｋを備えるものや図１３の変形例の熱交換部３２Ｌに示す同一のサイズの穴を複数有する整流板４３Ｌを穴が千鳥状になるよう配置したもの、図１４の変形例の熱交換部３２Ｍに示す整流板４３Ｍを多数配置するものなど、種々のものを挙げることができる。なお、いずれのガス流路部材を採用するかについては、熱効率や熱容量，改質ガスの圧損，設置スペースなどにより適宜決定されるものである。
【００５３】
また、第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第１熱交換部４０で鉛直上方から下方に向けて水を流したが、図１５の変形例の熱交換部３２Ｎに示すように、水流路部材４４Ｎを、水が第１熱交換部４０Ｎの鉛直上側に水平に流れた後に鉛直下側に水平に流れるよう構成するものとしてもよい。こうしても鉛直下部を通過する改質ガスの温度を鉛直上部を流れる改質ガスの温度より高くすることができる。また、図１６の変形例の熱交換部３２Ｏに示すように、水流路部材４４Ｏを、水が第１熱交換部４００の改質ガスの流れにおける下流側を水平に流れた後に上流側を水平に流れるよう構成したり、逆に、図１７の変形例の熱交換部３２Ｐに示すように、水流路部材４４Ｐを、水が第１熱交換部４０Ｐの改質ガスの流れにおける上流側を水平に流れた後に下流側を水平に流れるよう構成するものとしてもよい。こうすれば、伝熱効率を向上させることができる。なお、これらの変形例では、水が迂流するから、水が折り返して流れるように折り返し部を設ける必要がある。
【００５４】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第２熱交換部５０の底面に集まった水を改質ガスにより気化するものとしたが、図１８の変形例の熱交換部３２Ｑに示すように、第２熱交換部５０Ｑの底面５５Ｑを上流側が低くなるよう形成し、この底面５５Ｑと第１熱交換部４０Ｑの改質ガスの流入口とを連絡する連絡部５６Ｑを形成するものとしてもよい。こうすれば、底面５５Ｑに集まった水を、第１熱交換部４０Ｑの改質ガスの流入口に導いて、より高温の改質ガスにより気化することができる。なお、連絡部５６Ｑを備えず、第２熱交換部５０Ｑの底面５５Ｑを上流側が低くなるよう形成するだけのものとしても差し支えない。この場合でも底面５５Ｑに集まった水を第２熱交換部５０Ｑにおけるより高温の改質ガスによって気化することができる。また、図１９の変形例の熱交換部３２Ｒに示すように、第２熱交換部５０Ｒの底面５５Ｒから第１熱交換部４０Ｒの改質ガスの流入口の底面にかけて水透過性の多孔質材料により形成された連絡部５６Ｒを備えるものとしてもよい。あるいは、水透過性の多孔質材料に代えて毛細管現象を有する材料により連絡部５６Ｒを構成するものとしてもよい。また、ヒートパイプと同様に水の相変化を利用することも可能であり、第１熱交換部４０Ｒの改質ガスの流出口と第１熱交換部４０Ｒの改質ガスの流入口とに生じる圧力差により底面５５に集まった水を第１熱交換部４０の改質ガスの流入口に導くものとしてもよい。これらの連絡部５６Ｒを備える熱交換部３２Ｒでも、底面５５Ｒに集まった水を第１熱交換部４０Ｒの改質ガスの流入口に導いて、より高温の改質ガスにより気化することができる。なお、圧力差によるものは、重力に依存しないから、装置の形状や設置に制約を受けない。
【００５５】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第２熱交換部５０で二つのノズル５４により、水を鉛直上方から下方に向けて改質ガスの流れに対して所定の角度をもって互いに対向するよう噴霧したが、水の噴霧の方向は如何なる方向としてもよい。また、三つ以上のノズルから水を噴霧するものとしてもよいし、一つのノズルから水を噴霧するものとしてもよい。さらに、ノズル５４として２流体ノズルを用いるものとしてもよい。この場合、２流体のうちの一方は水であるが、他方としては種々の流体を用いるものとしてもよい。例えば、水蒸気を用いるものとしたり、第１実施例の燃料改質装置２０を燃料電池と組み合わせている場合には、燃料電池のアノード側またはカソード側から排出される排ガスを用いるものとすることもできる。また、燃料電池のアノード側またはカソード側から排出される排ガスを排気処理した後のガスを用いたり、燃料改質装置が蒸発器を備える場合には、蒸発器で用いた燃焼ガスを用いることもできる。このように２流体ノズルを用いて水を噴霧すれば、噴霧による水粒子のさらなる微粒子化を図ることができ、噴出流の衝突を併用した場合には水の気化に要する時間をさらに短くすることができる。特に２流体のうちの他方として水蒸気を用いるものとすれば、噴霧する水の量を少なくすることができる。また、２流体のうちの他方として燃料電池からの排ガスを用いるものとすれば、排ガス中の水蒸気を再利用することができると共にその分だけ噴霧する水の量を少なくすることができる。しかも、そのための追加の駆動源を必要としない。この結果、装置の小型化を図ることができる。
【００５６】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第２熱交換部５０で二つのノズル５４により、水を改質ガスの流れに対して所定の角度をもって噴霧したが、図２０の変形例の熱交換部３２Ｓや図２１の変形例の熱交換部３２Ｔに示すように、第２熱交換部５０Ｓ、５０Ｔに改質ガスの流れを撹拌混合する一つ又は複数のオリフィスが形成された撹拌混合板５７Ｓ，５７Ｔを備えるものとしてもよい。こうすれば、改質ガスの流れが乱れるから、噴霧した水と改質ガスとの混合をより均一にすることができると共に混合の均一化に伴う反応体積の有効利用により噴霧した水の気化を促進することができる。なお、変形例の熱交換部３２Ｓ，３２Ｔでは、一つ又は複数の円形のオリフィスを備える撹拌混合板５７Ｓ，５７Ｔを用いたが、改質ガスの流れを乱すものであれば、如何なるものを用いるものとしてもよい。
【００５７】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、二つのノズル５４から改質ガスに対して水を噴霧することにより、水の気化を図ると共に気化した水と改質ガスとの混合を図るものとしたが、図２２の変形例の熱交換部３２Ｕに示すように、ガス透過性の多孔質材料により形成された蒸発板５８Ｕに水を噴霧により吹き付け、改質ガスが蒸発板５８Ｕを透過する際に吹き付けられた水を気化すると同時に混合するものとしてもよい。
【００５８】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、複数の壁面により区切られた複数の混合ガス流路６２により第３熱交換部６０を構成したが、壁面に付着した水を気化可能な構造であれば如何なる構造としてもよい。例えば、上述した第１熱交換部４０におけるガス流路部材４２のバリエーションの一部、図３〜図６に例示したガス流路部材４２Ｂ〜４２Ｅのようにガスが直線状に流れないような構造としたり、図８に例示したガス流路部材４２Ｇのように流路の壁面に保水性や親水性の被膜を施す処理をするものとしたり、図１０〜図１４に例示したガス流路部材４２Ｉ〜４２Ｍのようにガスの流れを規制する構造としてもよい。こうすれば、噴霧した水が液体状態のまま後段のシフト反応部３４に流れ込むのを防止することができると共に伝熱効率を向上させて壁面に付着した水の気化を促進することができる。なお、第３熱交換部６０の構造としていずれの構造を採用するかについては、熱効率や熱容量，改質ガスの圧損，設置スペースなどにより適宜決定されるものである。
【００５９】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、複数のガス流路部材４２と水流路部材４４とにより第１熱交換部４０を構成すると共に複数の混合ガス流路６２で第３熱交換部６０を構成するものとしたが、第１熱交換部４０や第３熱交換部６０にヒータ（例えば、ＥＨＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｔ）やＥＨ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔｏｒ）など）を取り付けるものとしてもよい。こうすれば、装置の始動時に第１熱交換部４０や第３熱交換部６０を加温することができ、暖機を迅速に完了することができる。
【００６０】
第１実施例の燃料改質装置２０では、第１熱交換部４０と第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより熱交換部３２を構成したが、第１熱交換部４０と第２熱交換部５０だけで熱交換部３２を構成したり、第２熱交換部５０と第３熱交換部６０だけで熱交換部３２を構成したり、第２熱交換部５０だけで熱交換部３２を構成するものとしてもかまわない。第１熱交換部４０を備えない構成とすれば、加熱されていない水をノズル５４から噴霧するものとしたり、水を加熱する加熱装置を設けて加熱された液水をノズル５４から噴霧するものとしてもよい。また、第１熱交換部４０を備えない構成の場合、第２熱交換部５０の最上流側に複数のフィンを取り付け、第２熱交換部５０で噴霧する水が改質反応部３０に遡るのを抑制するものとしてもよい。この場合、フィンを伝熱性の高い材料で改質ガスとの接触面積が大きくなるように形成すれば、フィンに付着した水を効果的に気化することができる。
【００６１】
（Ｃ）第２実施例：
図２３は、第２実施例の燃料改質装置が備える熱交換部１３２が、改質反応部３０およびシフト反応部３４と接続する様子を表わす説明図である。第２実施例の燃料改質装置は、熱交換部３２に代えて熱交換部１３２を備える以外は、図１に示した第１実施例の燃料改質装置２０と同様の構成を有している。したがって、第２実施例の燃料改質装置に特徴的な熱交換部１３２以外の構成に関する説明は、省略する。なお、第２実施例の燃料改質装置に関する以下の説明において、第１実施例の燃料改質装置２０と共通して備える構造には、同じ参照番号を用いた。
【００６２】
図２４および図２５は、熱交換部１３２の構成を説明するために、熱交換部１３２の所定の部分を模式的に表わした図である。図２４に示すように、熱交換部１３２は、全体として、図２に示した第１熱交換部４０と類似する構成を備えている。すなわち、改質ガスが通過する改質ガス流路１７０からなる層と、冷媒が通過する冷媒流路１７２からなる層とを、互いに熱交換可能となるように交互に積層して構成される。改質反応部３０から供給された改質ガスは、改質ガス流路１７０内を通過しつつ、冷媒流路１７２内を通過する冷媒と熱交換することで降温する。
【００６３】
本実施例の熱交換部１３２では、冷媒流路１７２内を通過する冷媒は、鉛直方向上方より下方に向かって流れることとした。このような構成とすることで、熱交換部１３２では、下部ほど温度が高くなる。したがって、改質ガス流路１７０内を通過する改質ガスにおいて水蒸気が凝縮し、凝縮水の水滴が改質ガス流路１７０の下部に流れて滞留することがあっても、温度が高い下部領域で凝縮水の気化をより促進することができる。なお、本実施例の熱交換部１３２では、上記冷媒として、外部から取り入れた空気を用いることとした。
【００６４】
図２５に示すように、熱交換部１３２は、さらに、水の流路として構成される昇温部１７４と、昇温部１７４に接続して多孔質体によって形成される気化部１７６とを備えている。上記積層構造を有する熱交換部１３２は、熱交換効率を向上させるためのフィン（図２に示した第１熱交換部４０が備えるフィン４３，４５と同様）を間に配設しつつ、略同一形状の四角形の板状部材を積層して構成される。したがって、熱交換部１３２は、全体として、略直方体状の形状を有している。これに対して、熱交換部１３２に接続する改質反応部３０およびシフト反応部３４は、図２３に示したように、流路断面が略円形となる円柱状に形成されている。したがって、熱交換部１３２の外周部（ガスの流れ方向に平行な４つの辺の近傍）においては、改質反応部３０からシフト反応部３４に向かって流れるガスの流量が比較的少なくなる領域が生じる。上記昇温部１７４および気化部１７６は、このような改質ガス流路の外周領域において、ガスの流れ方向に平行に形成される。
【００６５】
昇温部１７４へは、水タンク２２（図１）から水が供給される（図２５参照）。昇温部１７４内を通過する水は、改質ガス流路１７０内を通過する改質ガスと、熱交換部１３２を構成する部材を介して熱交換し、昇温する。昇温部１７４を通過して昇温した水は、気化部１７６を構成する多孔質体内に供給される。多孔質体内を通過する水は、改質ガス流路１７０内を通過する改質ガスと、熱交換部１３２を構成する部材を介して熱交換してさらに昇温し、多孔質体の内部から改質ガス流路１７０内の改質ガス中に気化する。
【００６６】
図２６は、気化部１７６を含む熱交換部１３２の横断面の一部の様子を表わす説明図である。気化部１７６の周囲では、改質ガス流路１７０の端部と気化部１７６とが連通している。気化部１７６内に供給されて昇温した水は、この改質ガス流路１７０と連通する部位から、改質ガス流路１７０内の改質ガス中に気化する（図２６中の矢印参照）。ここで、図２６では、模式的に、３つの改質ガス流路１７０内に、気化部１７６から水が気化する様子を示した。
【００６７】
昇温部１７４および気化部１７６を内部に配設する熱交換部１３２を組み立てる際には、昇温部１７４および気化部１７６を構成する部材と、改質ガス流路１７０を構成する部材とを備える気化部構成部材１８０を、予め組み立てる。図２７は、気化部構成部材１８０の外観を模式的に表わす斜視図である。また、図２８は、気化部構成部材１８０を組み立てる様子を説明するために、気化部１７６の周囲に配設する部材を分解した状態で模式的に表わす図である。
【００６８】
図２６ないし図２８に示すように、気化部構成部材１８０は、改質ガス流路１７０内に配設するフィン１７１と、スペーサ部材１７７とを交互に積層することによって、気化部１７６から水蒸気の供給を受ける改質ガス流路１７０を形成する。また、上記フィン１７１とスペーサ部材１７７とからなる積層体において、対向する端部２箇所には、それぞれ、昇温部１７４を構成する部材および気化部１７６を構成する多孔質体が配設される（図２７参照）。なお、昇温部１７４を構成する部材とは、両端部（水の流入口および気化部１７６との接続部に対応する）が開放された円筒形状部材である。
【００６９】
気化部１７６を構成する部材および昇温部１７４を構成する部材の周囲には、さらに、外周部材１７５が配設される（図２８参照）。また、上記フィン１７１とスペーサ部材１７７とを交互に重ね合わせた積層体の両側にも、外周部材１７８が配設される。気化部構成部材１８０を組み立てる際には、上記積層体と、昇温部１７４を構成する部材と、気化部１７６を構成する多孔質体とを内部に配設して、これらを覆って配設される外周部材１７５および１７８の端部同士を接続する。ここで、気化部１７６を構成する多孔質体以外の部材、すなわち、フィン１７１、スペーサ部材１７７、昇温部１７４を構成する部材、および外周部材１７５，１７８を構成する部材は、熱伝導性の高い金属材料で形成されている。そのため、外周部材１７５および１７８の端部同士の接続は、ろう付けによって行なった。このような構成とすることで、気化部１７６に供給された水は、気化部構成部材１８０内に形成された改質ガス流路１７０内だけに気化可能となる。
【００７０】
既述したように、熱交換部１３２は、改質ガス流路１７０を構成する部材と冷媒流路１７２を構成する部材とを交互に重ね合わせた積層構造を有している。熱交換部１３２を組み付ける際には、フィン（フィン１７１および、冷媒流路１７２内に配設するフィン）を間に挟みながら、略同一形状の四角形の板状部材を積層して積層体を構成した後に、この積層体の両側に、上記気化部構成部材１８０をさらに配設する。その際、気化部構成部材１８０を固定するために、さらに固定部材１７９（図２６参照）を配設すると共に、これらの構造を所定のケーシング内に収める。このようにして組み立てられた熱交換部１３２は、改質ガス流路１７０内に改質ガスが流入するよう改質反応部３０と接続され、また、改質ガス流路１７０から排出される混合ガスがシフト反応部３４に供給されるよう、シフト反応部３４と接続される。さらに、冷媒流路１７２内を冷媒が流通するように、冷媒の給排装置と接続される。
【００７１】
なお、上記したように、改質ガス流路１７０を構成する部材と冷媒流路１７２を構成する部材とは交互に積層されているが、気化部構成部材１８０内では、昇温部１７４および気化部１７６に冷媒流路１７２が遮られるため冷媒が流通しない。したがって、本実施例の熱交換部１３２では、気化部構成部材１８０内には、冷媒流路１７２は設けられていない。フィン１７１と共に積層したスペーサ部材１７７は、内部に水蒸気が進入しない部材として構成されている。なお、このスペーサ部材１７７は、内部を中空としても中実としても良く、また、内部にフィンを設けることによって、熱交換部１３２全体の熱伝導効率を確保することとしても良い。なお、気化部構成部材１８０においては、スペーサ部材１７７を配設する代わりに、このスペーサ部材１７７を配設した部位にも改質ガス流路１７０を形成することとしても良い。すなわち、昇温部１７４と気化部１７６を除く気化部構成部材１８０全体に、改質ガス流路１７０を形成することとしても良い。
【００７２】
図２９は、図２４に示した熱交換部１３２を、上面側から見た様子を模式的に表わす。既述したように、改質ガス流路１７０内には、熱交換効率を高めるためにフィンが配設されている。改質ガス流路１７０内に配設されるフィン１７１を図３０に示す。フィン１７１は、所定の幅を有する波板状部材であり、個々の改質ガス流路１７０には、複数のフィン１７１が、所定の間隔をおいて配設されている。したがって、気化部１７６と連通する改質ガス流路１７０では、内部を改質ガスが通過するのに伴って、気化部１７６から供給される水蒸気が、この改質ガス流路１７０内全体に拡散可能となっている。
【００７３】
また、熱交換部１３２では、その入り口部および出口部に、所定の空間が形成されている。すなわち、改質ガスが供給される入り口部付近にはガス分配部１７３が形成され、混合ガスが排出される出口部付近にはガス集合部１７５が設けられている（図２９参照）。熱交換部１３２に供給された改質ガスは、上記ガス分配部１７３から、各改質ガス流路１７０に分配される。また、各改質ガス流路１７０から排出された改質ガスは、ガス集合部１７５に集合する。したがって、ガス集合部１７５では、気化部１７６から水蒸気の供給を受けない改質ガス流路１７０内を通過した改質ガスを含めて、改質ガス全体が水蒸気を混合され、混合ガスとなってシフト反応部３４側に排出される。
【００７４】
上記した各改質ガス流路１７０および冷媒流路１７２の幅は、任意に設定可能であり、熱交換効率やガスが通過する際の圧損などを考慮して、適宜設定すればよい。
【００７５】
また、熱交換部１３２では、昇温部１７４および気化部１７６は、流路断面が略円形である円柱状に形成したが、異なる形状としても良い。例えば、上記流路断面を、改質反応部３０およびシフト反応部３４の円形流路断面に沿って三日月状に形成することとしても良い。これによって、より多数の改質ガス流路１７０と気化部１７６とを接続させることが可能となる。あるいは、昇温部１７４および気化部１７６は、流路断面が四角形となる四角柱形状として、熱交換部１３２製造時における組み付け作業の容易化を図ることとしても良い。
【００７６】
なお、図２５に示すように、熱交換部１３２では、昇温部１７４から気化部１７６に向かって流れる水の流れの向きは、改質ガス流路１７０内を通過する改質ガスの流れの向きとは対向する向きとなっている。改質ガスは、熱交換部１３２内を通過しつつ熱交換を行なうことで降温するため、下流側ほど温度が低くなる。したがって、改質ガスの温度がより高い上流側の近傍に気化部１７６を配設することによって、気化部１７６から改質ガスへの水の気化が、より促進される。
【００７７】
以上説明した第２実施例の燃料改質装置によれば、改質ガスが有する熱を用いて気化させた水蒸気を、シフト反応で用いている。したがって、水を気化するためや改質ガスを降温させるために特別にエネルギを消費する必要がない。また、このような熱交換を利用した気化の動作は、改質ガスの流路（改質ガス流路１７０）と水の流路（昇温部１７４および気化部１７６）とを互いに近接して設けることで実現しているため、改質ガスが有する熱のロスを抑えることができる。したがって、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。また、水を気化し改質ガスを降温させる装置全体を小型化することができる。
【００７８】
また、昇温部１７４および気化部１７６は、熱交換部１３２内において改質ガスの流量が比較的少ない外周部に設けたため、改質ガスに水蒸気を供給する構造を設けたことによる装置の大型化を抑えることができる。熱交換部１３２において改質ガスの流量が少ない外周領域は、熱交換部１３２の熱容量を増大させ、熱交換部１３２全体での熱交換効率を低下させる要因となる。しかしながら、このような外周領域に昇温部１７４および気化部１７６を設け、冷媒流路１７２を通過する冷媒とは異なる冷媒である水を通過させることで、熱交換部１３２全体の熱交換効率を向上させることができる。
【００７９】
一般に、触媒反応が進行する改質反応部３０やシフト反応部３４は、反応器全体でガスの流れを均一化するために、流路断面が略円形となる円柱状に形成することが望ましい。一方、改質ガス流路１７０および冷媒流路１７２を形成する部材を積層し、改質ガスと冷媒との流れの方向が直交する様に形成する熱交換部１３２は、板状部材を積層して直方体形状とすることにより、製造が容易になる。したがって、このような形状の各部を接続する本実施例の燃料改質装置では、熱交換部１３２において、その外周部に、改質ガスの流量が少なく熱交換効率の低下を引き起こす余剰の空間が生じる。そのため、このような領域に昇温部１７４および気化部１７６を設ける構成は、空間の有効利用という点で特に有用である。
【００８０】
また、第２実施例の燃料改質装置の熱交換部１３２によれば、改質反応部３０からシフト反応部３４に供給する改質ガスを冷却するための冷媒として、昇温部１７４に供給する水と共に、冷媒流路１７２内を通過する他の冷媒を用いている。このように複数系統の冷媒を用いることで、改質ガスを冷却する際の温度制御を、より精密に行なうことが可能となる。本実施例の構成では、昇温部１７４および気化部１７６に供給する水の量は、改質ガスに混合してシフト反応に供すべき水蒸気量に応じて定まる。このとき、さらに他種の冷媒を用いることにより、改質ガスに供給すべき水蒸気量に拘束されることなく、改質ガスの冷却状態を制御することができる。また、複数系統の冷媒を用いることで、より充分に改質ガスを降温させることができるため、熱交換部１３２を小型化することが可能となる。
【００８１】
なお、既述したように、本実施例では、冷媒流路１７２を通過する他の冷媒として、外部から取り入れた空気を用いているが、水タンク２２に貯蔵する水や、燃料タンク２４に貯蔵する炭化水素系燃料などを用いることとしても良い。熱交換部１３２において冷媒として用いることで昇温した上記空気や水や炭化水素系燃料は、改質反応部３０で進行する改質反応（部分酸化反応や水蒸気改質反応）で用いることができる。このような構成とすれば、改質反応部３０に供給するのに先立ってこれらの流体を昇温するのに要するエネルギを削減することができ、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００８２】
（Ｄ）第２実施例の変形例：
（Ｄ−１）変形例１；
第２実施例の燃料改質装置の熱交換部１３２では、昇温部１７４を経由して昇温した水は、多孔質体からなる気化部１７６から改質ガス中に気化することとしたが、第１実施例と同様に、改質ガス中に噴霧する構成も可能である。このような場合にも、噴霧する水を予め昇温させるための流路（昇温部１７４に相当する流路）を、熱交換部１３２の外周部に形成すれば、エネルギ効率の向上や、熱交換部の小型化など、既述した効果を得ることができる。
【００８３】
（Ｄ−２）変形例２；
第２実施例の燃料改質装置の熱交換部１３２では、冷媒流路１７２内を通過する冷媒は、改質ガス中に気化させる水とは別系統の冷媒としたが、異なる構成とすることも可能である。例えば、冷媒流路１７２内を通過する冷媒として水タンク２２に貯蔵した水を用い、冷媒流路１７２を通過することで昇温した水を、改質ガスが有する熱を利用して改質ガス中に気化させることとしても良い。このような場合にも、エネルギ効率を向上させたり熱交換部を小型化させる同様の効果を得ることができる。ここで、冷媒流路１７２内を通過して昇温した水を改質ガス中に気化させる際に、多孔質体からなる気化部を用いる場合に、この気化部を、第２実施例と同様に熱交換部１３２の外周部に形成するならば、これらの効果をさらに高めることができる。
【００８４】
（Ｄ−３）変形例３；
上記第２実施例の燃料改質装置の熱交換部１３２において、改質ガス内で生じた凝縮水の気化を促すための構造を、さらに設ける構成も好適である。例えば、第１実施例の熱交換部３２の変形例で説明したように、熱交換部１３２の下流側（改質ガス流路１７０の下流側やガス集合部１７５）において、保水性の材料や親水性の材料によって形成された被膜を形成する処理を、流路表面に施すこととしても良い。あるいは、このような領域の流路表面に、多孔質材料を取り付けることとしても良い。このような構成とすれば、上記被膜や多孔質材料において、凝縮水からなる水滴を保持し、改質ガスの有する熱を利用して改質ガス中に気化させることができる。
【００８５】
（Ｄ−４）変形例４；
第２実施例の燃料改質装置では、熱交換部１３２は、改質反応部３０とシフト反応部３４との間に設けることとしたが、同様の熱交換部を、より下流側に設ける構成も可能である。このような、第２実施例の変形例である燃料改質装置２２０の構成を図３１に示す。燃料改質装置２２０は、第１実施例の燃料改質装置２０に類似する構成を有しているため、燃料改質装置２０と共通して備える構造には、同じ参照番号を用いた。燃料改質装置において、シフト反応部を、より高温でシフト反応を進行する高温シフト部と、より低温でシフト反応を進行する低温シフト部とから構成することができる。燃料改質装置２２０は、高温シフト部２３３と低温シフト部２３５とを有するシフト反応部３４を備えており、第２実施例の熱交換部１３２と同様の熱交換部２３２を、これら２つのシフト部の間に配設した。
【００８６】
このような構成とすれば、高温シフト部２３３と低温シフト部２３５との間で改質ガスを降温させる際に、改質ガスの有する熱を利用して、シフト反応で用いる水を昇温・気化させることができ、同様の効果を奏することができる。また、既述した熱交換部１３２と同様に、種々の変形が可能である。なお、高温シフト部２３３と低温シフト部２３５との間に設けた熱交換部２３２で昇温させた水を、高温シフト部２３３で進行するシフト反応で利用することとしても良い。
【００８７】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料改質装置２０の構成の概略を模式的に示す構成図である。
【図２】熱交換部３２の構成の概略を示す構成図である。
【図３】変形例の熱交換部３２Ｂを模式的に示す構成図である。
【図４】変形例の熱交換部３２Ｃを模式的に示す構成図である。
【図５】変形例の熱交換部３２Ｄを模式的に示す構成図である。
【図６】変形例の熱交換部３２Ｅを模式的に示す構成図である。
【図７】変形例の熱交換部３２Ｆを模式的に示す構成図である。
【図８】変形例の熱交換部３２Ｇを模式的に示す構成図である。
【図９】変形例の熱交換部３２Ｈを模式的に示す構成図である。
【図１０】変形例の熱交換部３２Ｉを模式的に示す構成図である。
【図１１】変形例の熱交換部３２Ｊを模式的に示す構成図である。
【図１２】変形例の熱交換部３２Ｋを模式的に示す構成図である。
【図１３】変形例の熱交換部３２Ｌを模式的に示す構成図である。
【図１４】変形例の熱交換部３２Ｍを模式的に示す構成図である。
【図１５】変形例の熱交換部３２Ｎを模式的に示す構成図である。
【図１６】変形例の熱交換部３２Ｏを模式的に示す構成図である。
【図１７】変形例の熱交換部３２Ｐを模式的に示す構成図である。
【図１８】変形例の熱交換部３２Ｑを模式的に示す構成図である。
【図１９】変形例の熱交換部３２Ｒを模式的に示す構成図である。
【図２０】変形例の熱交換部３２Ｓを模式的に示す構成図である。
【図２１】変形例の熱交換部３２Ｔを模式的に示す構成図である。
【図２２】変形例の熱交換部３２Ｕを模式的に示す構成図である。
【図２３】熱交換部１３２が改質反応部３０およびシフト反応部３４と接続する様子を表わす図である。
【図２４】熱交換部１３２の構成の一部を模式的に表わす図である。
【図２５】熱交換部１３２の構成の一部を模式的に表わす図である。
【図２６】熱交換部１３２の横断面の一部の様子を表わす説明図である。
【図２７】気化部構成部材１８０の外観を模式的に表わす斜視図である。
【図２８】気化部構成部材１８０を組み立てる様子を表わす説明図である。
【図２９】熱交換部１３２の側面の様子を表わす模式図である。
【図３０】フィン１７１の構成を示す説明図である。
【図３１】燃料改質装置２２０の構成の概略を模式的に表わす説明図である。
【符号の説明】
２０，１２０，２２０…燃料改質装置
２２…水タンク
２３…水ポンプ
２４…燃料タンク
２５…燃料ポンプ
２６…ブロア
２８…混合部
３０…改質反応部
３２，３２Ｂ〜３２Ｕ，１３２，２３２…熱交換部
３４，１３４，２３４…シフト反応部
３６…ブロア
３８…一酸化炭素浄化部
４０，４０Ｂ〜４０Ｕ…第１熱交換部
４２，４２Ｂ〜４２Ｍ…ガス流路部材
４３，４５…フィン
４３Ｉ…整流格子
４３Ｊ…ルーバフィン
４３Ｋ…整流板
４３Ｌ，４３Ｍ…整流板
４４，４４Ｂ〜４４Ｇ…水流路部材
４６Ｄ，４６Ｅ…空間
４７Ｇ…被膜
５０，５０Ｂ〜５０Ｕ…第２熱交換部
５２…圧力調節弁
５４，５４Ｑ〜５４Ｒ…ノズル
５５Ｑ…底面
５６Ｑ…連絡部
５７Ｓ，５７Ｔ…撹拌混合板
５８Ｕ…蒸発板
６０，６０Ｂ〜６０Ｕ…第３熱交換部
６２…混合ガス流路
１７０…改質ガス流路
１７１…フィン
１７２…冷媒流路
１７３…ガス分配部
１７５…ガス集合部
１７４…昇温部
１７５，１７８…外周部材
１７６…気化部
１７７…スペーサ部材
１７９…固定部材
１８０…気化部構成部材
２３３…高温シフト部
２３５…低温シフト部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置に関し、詳しくは、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料改質装置としては、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに水蒸気を混合し、改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトして水素リッチガスを得るものが提案されている（例えば、特開昭６３−３０３８０１号公報など）。この装置では、水を蒸気化する蒸発器を備え、この蒸発器により蒸気化した水蒸気を改質ガスに混合している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料改質装置では、蒸発器が必要なために、装置が複雑化すると共に大型化する。また、水の蒸気化に必要な熱源が必要となる一方、シフト部における温度調節のために、改質ガスの顕熱を効率よく小領域で冷却することが必要となり、装置の熱効率が低くなる場合が多い。また、従来の熱交換器（例えば、水冷や油冷，空冷など）では構成要素の熱容量や媒体の熱容量により過渡的な温度や熱変化への対応も困難であった。
【０００４】
本発明の燃料改質装置は、装置の小型化や簡易化，応答性の向上を目的の一つとする。また、本発明の燃料改質装置は、改質ガスに水を導入し蒸気となる過程に発生する潜熱冷却を利用して高効率な熱交換を図ると共に改質ガスと気化した水蒸気とをより均等に混合することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料改質装置は、装置の熱効率の向上を目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料改質装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の第１の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、 前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備える水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備え、
前記改質ガス流路は、少なくとも流出口近傍の表面に親水性または吸湿性の材料による被膜を備えることを要旨とする。
本発明の第２の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備る水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備え、
前記水供給混合手段は、前記熱交換手段の後段で該熱交換手段の前記改質ガス流路の流出口近傍の底面と該改質ガス流路の流入口との水を連絡する水連絡手段を備えることを要旨とする。
本発明の第３の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
前記改質ガスに対して水を噴霧すると共に該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れにおける上流側が低くなる傾斜の底面のケースを備えることを要旨とする。
本発明の第４の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
前記改質ガスに対して水を噴霧すると共に該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記水供給混合手段は、前記混合ガス中の未気化の水を気化する気化手段を備え、
前記気化手段は、前記混合ガスを複数に分割して流す複数の混合ガス流路であることを要旨とする。
本発明の第６の燃料改質装置は、
炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備える水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記水混合手段によって前記水が噴霧される前の改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記水が噴霧される前の改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明の第１ないし第４および第６の燃料改質装置では、水供給混合手段が、改質部からの水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに対して水を噴霧すると共にこの噴霧した水（ミスト）を気化して改質ガスと混合し、この混合ガスを、一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部に供給する。この本発明の第１ないし第４および第６の燃料改質装置によれば、改質ガスに直接水を噴霧するから、水の気化の少なくとも一部を改質ガスの顕熱により行なうことができる。しかも、通常、改質部の適正温度に対してシフト部の適正温度は低いから、水の噴霧と気化による潜熱冷却によりシフト部に供給する混合ガスの温度を低くすることができる。即ち、水供給混合手段は、シフト部へ供給する混合ガスに水蒸気を含ませると共にその温度を調節するものとして機能するのである。
【００１３】
本発明の第１、第２および第６の燃料改質装置では、前記水供給混合手段は、水を加圧して加温する加圧加温手段を備え、該加圧加温手段により加圧および加温された水を噴霧する手段である。そのため、圧力開放時に水の気化をさらに促進することができる。
【００１４】
また、本発明の第１、第２および第６の燃料改質装置によれば、前記加圧加温手段は、前記改質ガスとの熱交換により水を加温する熱交換手段を備えるため、改質ガスの熱を用いて水を加温することができる。
【００１９】
また、本発明の第１の燃料改質装置によれば、前記改質ガス流路は、少なくとも流出口近傍の表面に親水性または吸湿性の材料による被膜を備えるため、噴霧された水の一部が液滴化して改質ガス流路の表面に付着しても、飛散するのを防止することができると共に付着した水を改質ガスの顕熱によって気化することができる。
【００２０】
さらに、本発明の第１の燃料改質装置において、前記改質ガス流路は、少なくとも流出口近傍に複数のフィンを備えるものとすることもできる。こうすれば、噴霧された水の一部が液滴化して改質ガス流路の表面やフィンに付着した場合、改質ガス流路表面やフィンにおける直接伝熱により、付着した水を気化することができる。
【００２１】
本発明の第２の燃料改質装置によれば、前記水供給混合手段は、前記熱交換手段の後段で該熱交換手段の前記改質ガス流路の流出口近傍の底面と該改質ガス流路の流入口との水を連絡する水連絡手段を備えるため、熱交換手段の後段で液滴化した水を改質ガス流路の流入口に導いて気化することができる。本発明の第２の燃料改質装置において、前記水連絡手段は、多孔質材料により形成されてなるものとすることもできるし、毛細管現象を可能とする材料により形成されてなるものとすることもできる。また、前記水連絡手段は、前記改質ガス流路の流出口近傍と該改質ガス流路の流入口近傍との圧力差に基づいて該改質ガス流路の流出口近傍の水を該改質ガス流路の流入口近傍に導く手段であるものとすることもできる。
【００２２】
また、本発明の第３の燃料改質装置によれば、前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れにおける上流側が低くなる傾斜の底面のケースを備えるため、重力の作用により液滴化した水を改質ガスの上流側に集めることができると共に上流側の温度の高い改質ガスに接触することによって液滴化した水を気化することができる。
【００２３】
本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置において、前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れの撹拌混合を促進する撹拌混合手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、改質ガスと噴霧した水との撹拌混合が促進されるから、水の気化を促進することができると共により均一に混合することができる。この態様の本発明の燃料改質装置において、前記撹拌混合手段は、前記改質ガスの流路に設けられた一つまたは複数のオリフィスであるものとすることもできる。
【００２４】
本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置において、前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流路に配置され噴霧により吹き付けられた水を前記改質ガスに気化する気化部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、水の気化を促進することができる。
【００２５】
本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置において、前記水供給混合手段は、前記混合ガス中の未気化の水を気化する気化手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、未気化の水を気化することができる。
【００２６】
水供給混合手段が気化手段を備える態様の本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置において、前記気化手段は、前記混合ガスの流路に配置され、該混合ガスとの接触面積が多い高接触部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、高接触部材の接触面に液滴化する水を混合ガスによって気化することができる。
【００２７】
本発明の第４の燃料改質装置によれば、前記気化手段は、前記混合ガスを複数に分割して流す複数の混合ガス流路であるため、複数の混合ガス流路の壁面に液滴化する水を混合ガスによって気化することができる。
【００２８】
本発明の第４の燃料改質装置において、前記混合ガス流路は、前段の改質ガスの流れに対して所定の角度をもつよう形成されてなるものとしたり、前記混合ガスが流入口から流出口まで直線状に流れないよう形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、液滴化した水がシフト部に供給されるのを抑制することができると共に液滴化し付着した水の気化を促進することができる。
【００２９】
また、本発明の第４の燃料改質装置において、前記混合ガス流路は、表面に親水性または吸湿性の材料による被膜を備えるものとすることもできる。こうすれば、混合ガス流路の表面に液滴化した水が飛散するのを防止することができると共に液滴化した水を混合ガスを用いて気化することができる。
【００３０】
あるいは、本発明の第４の燃料改質装置において、前記混合ガス流路は、複数のフィンを備えるものとすることもできる。こうすれば、混合ガスとの接触面積が多くなるから、液滴化した水の保持量の増加と共に混合ガスへの伝熱効率を向上し、液滴化した水の気化を促進することができる。
【００３１】
水供給混合手段が気化手段を備える態様の本発明の第１ないし第３いずれかの燃料改質装置、あるいは本発明の第４の燃料改質装置において、前記気化手段は、前記混合ガスを直接または間接に加温する混合ガス加温手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、より確実に未気化の水を気化することができる。
【００３２】
本発明の第５の燃料改質装置は、
炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系燃料から水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成する改質部と、
一酸化炭素と水蒸気から水素と二酸化炭素を生成するシフト反応を進行することによって、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部と、
前記シフト反応に利用されるシフト反応用水を前記改質ガスの流路に供給する水供給部と、
前記シフト反応が完了するのに先立って、前記改質ガスを、前記シフト反応用水の少なくとも一部を含む冷媒との間で熱交換を行なわせて降温させる熱交換部と、
を備え、
前記水供給部は、前記熱交換部で冷媒として用いて昇温した前記シフト反応用水を気化して、前記改質ガスの流路に供給することを要旨とする。
【００３３】
以上のように構成された本発明の第５の燃料改質装置によれば、改質ガスの流路に供給するシフト反応用水を、熱交換部で昇温させるため、シフト反応用水を気化するのに用いるエネルギを削減することができると共に、シフト反応用水を気化するための構成を簡素化することができる。また、このとき熱交換部において、改質ガスを降温させる動作を同時に行なうことができるため、改質ガスを降温させるために設ける特別な構成を削減することができる。したがって、燃料改質装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００３４】
本発明の第５の燃料改質装置において、前記熱交換部は、前記改質ガスを、前記シフト部に供給するのに先立って降温させることとしても良い。一般的に、改質反応が進行する反応温度は、シフト反応が進行する反応温度よりも高い。したがって、改質部より排出された改質ガスを、シフト反応に適した温度にまで降温させる際に、改質ガスの顕熱を用いてシフト反応用水を昇温させることができ、エネルギ効率を向上させることができる。
【００３５】
あるいは、本発明の第５の燃料改質装置において、
前記シフト部は、より高い温度で前記シフト反応が進行する高温シフト部と、前記高温シフト部の下流側に位置してより低い温度で前記シフト反応が進行する低温シフト部とを備え、
前記熱交換部は、前記高温シフト部から排出される前記改質ガスを、前記低温シフト部に供給するのに先立って降温させることとしても良い。
【００３６】
このような構成とすれば、高温シフト部から排出された改質ガスを、低温シフト部における反応に適した温度にまで降温させる際に、改質ガスの顕熱を用いてシフト反応用水を昇温させることができ、エネルギ効率を向上させることができる。
【００３７】
このような構成において、前記水供給部は、前記熱交換部における前記熱交換で昇温した前記シフト反応用水を、前記低温シフト部に供給することとしても良い。
【００３８】
本発明の第５の燃料改質装置において、前記熱交換部の冷媒は、前記シフト反応用水とは異なる他の冷媒を含み、前記熱交換部は、前記改質ガスが通過する改質ガス流路と、前記他の冷媒が通過する第１の冷媒流路と、前記改質ガスとの熱交換のために前記シフト反応用水が通過する第２の冷媒流路と、を有することとしても良い。このように複数種類の冷媒を用いるならば、改質ガスを降温させる効率を向上させることができ、熱交換部をより小型化することが可能となる。また、改質ガスを降温させる動作を、より精度良く制御することが可能となる。さらに、シフト反応用水のすべてを熱交換部で冷媒として用いる場合にも、シフト反応で要する水の量に拘束されることなく、改質ガスを降温させることができる。
【００３９】
このような構成の本発明の第５の燃料改質装置において、前記熱交換部内の前記改質ガス流路と前記第１の冷媒流路とは、熱交換可能であって互いに略直交するように形成されていることとしても良い。
【００４０】
熱交換部が他の流体を冷媒としてさらに用いる態様の本発明の第５の燃料改質装置において、前記熱交換部内における前記第２の冷媒流路は、前記改質ガス流路が形成されている領域の外縁部において、該改質ガス流路に沿って設けられていることとしても良い。改質ガス流路が形成されている領域の外縁部は、改質ガス流路内を通過する改質ガスの流量がより少なく、改質ガスと上記した他の冷媒との間で行なわれる熱交換に貢献する度合いが低い領域であるといえる。したがって、このような領域にシフト反応用水の流路を設けることで、熱交換部全体の熱交換効率を向上させることができる。また、上記熱交換に貢献する度合いが低い領域を利用することで、熱交換部を小型化することができる。
【００４１】
このような燃料改質装置において、前記水供給部は、前記熱交換部において前記改質ガス流路が形成されている領域の外縁部において、前記改質ガス流路の少なくとも一部と前記第２の冷媒流路との双方に接続された多孔質体を備え、これによって、前記シフト反応用水が、前記多孔質体から前記改質ガス流路内に気化された状態で供給されることとしても良い。このような構成とすれば、改質ガスにシフト反応用水を気化して供給するための構成を小型化することができる。
【００４２】
このような燃料改質装置において、前記シフト反応用水が前記第２の冷媒流路から前記多孔質体に流入するときの流れの向きは、前記改質ガス流路内を通過する前記改質ガスの流れの向きと対向することとしても良い。このような構成とすれば、多孔質体内のシフト反応用水は、より温度が高い改質ガスから熱を供給されるため、シフト反応用水の気化を促進することができる。
【００４３】
本発明の第５の燃料改質装置において、前記水供給部は、前記改質部の出口と前記シフト部の出口との間の所定の場所において、前記改質ガスの流路に接続されて、前記熱交換部を経由して昇温したシフト反応用水が供給される多孔質体を備え、これによって、前記シフト反応用水が、前記多孔質体から前記改質ガスの流路内に気化させた状態で供給されることとしても良い。このような構成とすれば、改質ガスにシフト反応用水を気化した状態で供給するための構成を小型化することができる。また、改質ガスが有する熱を用いてシフト反応用水を気化させる際の熱のロスを削減し、エネルギ効率を向上させることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
（Ａ）第１実施例：
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施例である燃料改質装置２０の構成の概略を模式的に示す構成図である。第１実施例の燃料改質装置２０は、水ポンプ２３による水タンク２２からの水と燃料ポンプ２５による燃料タンク２４からの炭化水素系の燃料（例えば、プロパンやブタンなど）とブロア２６による空気を混合して改質原料とする混合部２８と、改質原料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質反応部３０と、水ポンプ３１による水タンク２２からの水を改質ガスに噴霧して水蒸気と改質ガスとからなる混合ガスとすると共に所定範囲の温度に混合ガスを冷却する熱交換部３２と、混合ガス中の一酸化炭素をシフト反応により水素と二酸化炭素とにシフトするシフト反応部３４と、シフト反応部３４ではシフトできなかった一酸化炭素をブロア３６により供給される空気中の酸素を用いて酸化して水素リッチで一酸化炭素濃度が低い燃料ガスとする一酸化炭素浄化部３８とを備える。本発明の中核は、熱交換部３２の構成にあるから、それ以外の構成についての詳細な説明は省略する。なお、第１実施例の燃料改質装置２０における熱交換部３２では、６００〜１０００℃程度で運転される改質反応部３０からの改質ガスに水蒸気を混合すると共に２００〜６００℃程度で運転されるシフト反応部３４に供給するために２００〜６００℃程度まで冷却する。
【００４５】
図２は、熱交換部３２の構成の概略を示す構成図である。熱交換部３２は、図示するように、噴霧する水を改質ガスにより加熱する第１熱交換部４０と、改質ガスに水を噴霧する第２熱交換部５０と、未気化の水を気化する第３熱交換部６０とを備える。
【００４６】
第１熱交換部４０は、図中左側から右側に改質ガスを流すガス流路部材４２と、図中上方から下方に水を流す水流路部材４４とが熱交換可能に複数積層されて構成されており、水タンク２２から供給され圧力調節弁５２により圧力調節された水と改質反応部３０からの改質ガスとの熱交換により、水は加熱され改質ガスは冷却されるようになっている。ガス流路部材４２と水流路部材４４とには、熱交換の効率が良くなるように複数のフィン４３，４５が取り付けられている。なお、第１熱交換部４０における水の加熱は、圧力調節弁５２により加圧された圧力状態で飽和液水となるように調節されている。
【００４７】
第２熱交換部５０は、圧力調節弁５２により開放された水を鉛直上方から下方に向けて改質ガスの流れに対して所定の角度をもって互いに対向するよう噴霧する二つのノズル５４を備える。噴霧された水（ミスト）は、改質ガスから気化熱を奪って気化して水蒸気となり、改質ガスと混合して混合ガスとなる。したがって、改質ガスは水が気化する際の気化熱などにより更に冷却されることになる。ここで、改質ガスの流れに対して所定の角度をもって互いに対向するよう水を噴霧するのは、噴霧した水（ミスト）の改質ガスによる気化の促進と改質ガスとの混合の促進を図るためである。鉛直上方から下方に向けて改質ガスに水を噴霧するのは、鉛直下方を流れる改質ガスの温度を鉛直上方を流れる改質ガスの温度より高くするためである。こうすることにより、噴霧した水（ミスト）のうち凝縮合体により液滴化し第２熱交換部５０の底面に集まった水の気化を促進することができる。なお、第１熱交換部４０で水を鉛直上方から鉛直下方に流すのも鉛直下方を通過して流れる改質ガスの温度を鉛直上方を流れる改質ガスの温度より高くするためである。
【００４８】
第３熱交換部６０は、ハニカムチューブのように複数の壁面により区切られた複数の混合ガス流路６２により構成されている。混合ガス流路６２では、壁面に付着した未気化の水を混合ガスにより気化して水蒸気としている。
【００４９】
以上説明した第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２によれば、シフト反応部３４に必要な水蒸気を改質ガスに混合することができると共に改質ガスと水蒸気とを混合した混合ガスをシフト反応部３４の適正な温度範囲まで冷却することができる。しかも、熱交換部３２を第１熱交換部４０と第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより構成し、改質ガスを段階的に冷却すると共に水を段階的に気化するから、水をより確実に気化することができると共に改質ガスおよび混合ガスをより確実に冷却することができる。また、第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２によれば、供給水の気化と改質ガスの冷却を同一領域内で発生させることにより外部への熱ロスなどをなくし、伝熱効率の向上を図ることができる。さらに、第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２によれば、水を、第１熱交換部４０で加熱し、第２熱交換部５０で噴霧して気化するから、別に蒸発部を設けたり配管の取り回しをする必要がなく、装置の簡易化と小型化を図ることができると共に熱効率を向上させることができる。
【００５０】
（Ｂ）第１実施例の変形例：
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第１熱交換部４０のガス流路部材４２を、改質ガスの全体としての流れと同一方向に改質ガスが流れるよう配置したが、図３の変形例の熱交換部３２Ｂに示すように、第１熱交換部４０Ｂのガス流路部材４２Ｂを、改質ガスの全体としての流れに対して所定の角度をもって流れるよう配置するものとしてもよい。こうすれば、ノズル５４から噴霧された水が上流側に遡るのを抑制することができると共に熱交換効率を向上させることができる。また、付着した水を改質ガスを用いて気化することもできる。このように噴霧された水が上流側に遡るのを抑制すると共に熱交換効率を向上させ、付着した水の気化を図る変形例としては、図４の変形例の熱交換部３２Ｃに示すように、ガス流路部材４２Ｃを屈曲するように配置することもできる。この場合、図５の変形例の熱交換部３２Ｄに示すように、屈曲部に空間４６Ｄを設けるものとしてもよい。また、噴霧した水の上流側への遡上の抑制や熱交換効率の向上，付着した水の気化の促進は、改質ガスが直線状に流れないようにすることにより達成できるから、図６の変形例の熱交換部３２Ｅに示すように、第１熱交換部４０Ｅを前段と後段とにより構成し、前段と後段との間に空間４６Ｅを設けると共に前段と後段におけるガス流路部材４２Ｅが整合しないように配置するものとしてもよい。また、図７の変形例の熱交換部３２Ｆに示すように、水流路部材４４Ｆをチューブ状に形成し、水流路部材４４Ｆを千鳥状に配置することにより改質ガスが直線状に流れないようにすることもできる。
【００５１】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第１熱交換部４０のガス流路部材４２の表面は何ら処理しないものとしたが、図８の変形例の熱交換部３２Ｇに示すように、ガス流路部材４２Ｇの表面に保水性の材料や親水性の材料により形成された被膜４７Ｇを施す処理を行なうものとしてもよい。こうすれば、噴霧した水のうち上流側に遡り壁面で液滴化した水を被膜４７Ｇで保持し、改質ガスにより気化することができる。
【００５２】
この他、ガス流路部材４２のバリエーションとしては、図９の変形例の熱交換部３２Ｈに示すガス流路部材４２Ｈを多孔体により形成するものや、図１０の変形例の熱交換部３２Ｉに示す複数の整流格子４３Ｉを備えるもの、図１１の変形例の熱交換部３２Ｊに示すルーバフィン４３Ｊを備えるもの、図１２の変形例の熱交換部３２Ｋに示す異なるサイズの穴を複数有する複数の整流板４３Ｋを備えるものや図１３の変形例の熱交換部３２Ｌに示す同一のサイズの穴を複数有する整流板４３Ｌを穴が千鳥状になるよう配置したもの、図１４の変形例の熱交換部３２Ｍに示す整流板４３Ｍを多数配置するものなど、種々のものを挙げることができる。なお、いずれのガス流路部材を採用するかについては、熱効率や熱容量，改質ガスの圧損，設置スペースなどにより適宜決定されるものである。
【００５３】
また、第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第１熱交換部４０で鉛直上方から下方に向けて水を流したが、図１５の変形例の熱交換部３２Ｎに示すように、水流路部材４４Ｎを、水が第１熱交換部４０Ｎの鉛直上側に水平に流れた後に鉛直下側に水平に流れるよう構成するものとしてもよい。こうしても鉛直下部を通過する改質ガスの温度を鉛直上部を流れる改質ガスの温度より高くすることができる。また、図１６の変形例の熱交換部３２Ｏに示すように、水流路部材４４Ｏを、水が第１熱交換部４００の改質ガスの流れにおける下流側を水平に流れた後に上流側を水平に流れるよう構成したり、逆に、図１７の変形例の熱交換部３２Ｐに示すように、水流路部材４４Ｐを、水が第１熱交換部４０Ｐの改質ガスの流れにおける上流側を水平に流れた後に下流側を水平に流れるよう構成するものとしてもよい。こうすれば、伝熱効率を向上させることができる。なお、これらの変形例では、水が迂流するから、水が折り返して流れるように折り返し部を設ける必要がある。
【００５４】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第２熱交換部５０の底面に集まった水を改質ガスにより気化するものとしたが、図１８の変形例の熱交換部３２Ｑに示すように、第２熱交換部５０Ｑの底面５５Ｑを上流側が低くなるよう形成し、この底面５５Ｑと第１熱交換部４０Ｑの改質ガスの流入口とを連絡する連絡部５６Ｑを形成するものとしてもよい。こうすれば、底面５５Ｑに集まった水を、第１熱交換部４０Ｑの改質ガスの流入口に導いて、より高温の改質ガスにより気化することができる。なお、連絡部５６Ｑを備えず、第２熱交換部５０Ｑの底面５５Ｑを上流側が低くなるよう形成するだけのものとしても差し支えない。この場合でも底面５５Ｑに集まった水を第２熱交換部５０Ｑにおけるより高温の改質ガスによって気化することができる。また、図１９の変形例の熱交換部３２Ｒに示すように、第２熱交換部５０Ｒの底面５５Ｒから第１熱交換部４０Ｒの改質ガスの流入口の底面にかけて水透過性の多孔質材料により形成された連絡部５６Ｒを備えるものとしてもよい。あるいは、水透過性の多孔質材料に代えて毛細管現象を有する材料により連絡部５６Ｒを構成するものとしてもよい。また、ヒートパイプと同様に水の相変化を利用することも可能であり、第１熱交換部４０Ｒの改質ガスの流出口と第１熱交換部４０Ｒの改質ガスの流入口とに生じる圧力差により底面５５に集まった水を第１熱交換部４０の改質ガスの流入口に導くものとしてもよい。これらの連絡部５６Ｒを備える熱交換部３２Ｒでも、底面５５Ｒに集まった水を第１熱交換部４０Ｒの改質ガスの流入口に導いて、より高温の改質ガスにより気化することができる。なお、圧力差によるものは、重力に依存しないから、装置の形状や設置に制約を受けない。
【００５５】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第２熱交換部５０で二つのノズル５４により、水を鉛直上方から下方に向けて改質ガスの流れに対して所定の角度をもって互いに対向するよう噴霧したが、水の噴霧の方向は如何なる方向としてもよい。また、三つ以上のノズルから水を噴霧するものとしてもよいし、一つのノズルから水を噴霧するものとしてもよい。さらに、ノズル５４として２流体ノズルを用いるものとしてもよい。この場合、２流体のうちの一方は水であるが、他方としては種々の流体を用いるものとしてもよい。例えば、水蒸気を用いるものとしたり、第１実施例の燃料改質装置２０を燃料電池と組み合わせている場合には、燃料電池のアノード側またはカソード側から排出される排ガスを用いるものとすることもできる。また、燃料電池のアノード側またはカソード側から排出される排ガスを排気処理した後のガスを用いたり、燃料改質装置が蒸発器を備える場合には、蒸発器で用いた燃焼ガスを用いることもできる。このように２流体ノズルを用いて水を噴霧すれば、噴霧による水粒子のさらなる微粒子化を図ることができ、噴出流の衝突を併用した場合には水の気化に要する時間をさらに短くすることができる。特に２流体のうちの他方として水蒸気を用いるものとすれば、噴霧する水の量を少なくすることができる。また、２流体のうちの他方として燃料電池からの排ガスを用いるものとすれば、排ガス中の水蒸気を再利用することができると共にその分だけ噴霧する水の量を少なくすることができる。しかも、そのための追加の駆動源を必要としない。この結果、装置の小型化を図ることができる。
【００５６】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、第２熱交換部５０で二つのノズル５４により、水を改質ガスの流れに対して所定の角度をもって噴霧したが、図２０の変形例の熱交換部３２Ｓや図２１の変形例の熱交換部３２Ｔに示すように、第２熱交換部５０Ｓ、５０Ｔに改質ガスの流れを撹拌混合する一つ又は複数のオリフィスが形成された撹拌混合板５７Ｓ，５７Ｔを備えるものとしてもよい。こうすれば、改質ガスの流れが乱れるから、噴霧した水と改質ガスとの混合をより均一にすることができると共に混合の均一化に伴う反応体積の有効利用により噴霧した水の気化を促進することができる。なお、変形例の熱交換部３２Ｓ，３２Ｔでは、一つ又は複数の円形のオリフィスを備える撹拌混合板５７Ｓ，５７Ｔを用いたが、改質ガスの流れを乱すものであれば、如何なるものを用いるものとしてもよい。
【００５７】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、二つのノズル５４から改質ガスに対して水を噴霧することにより、水の気化を図ると共に気化した水と改質ガスとの混合を図るものとしたが、図２２の変形例の熱交換部３２Ｕに示すように、ガス透過性の多孔質材料により形成された蒸発板５８Ｕに水を噴霧により吹き付け、改質ガスが蒸発板５８Ｕを透過する際に吹き付けられた水を気化すると同時に混合するものとしてもよい。
【００５８】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、複数の壁面により区切られた複数の混合ガス流路６２により第３熱交換部６０を構成したが、壁面に付着した水を気化可能な構造であれば如何なる構造としてもよい。例えば、上述した第１熱交換部４０におけるガス流路部材４２のバリエーションの一部、図３〜図６に例示したガス流路部材４２Ｂ〜４２Ｅのようにガスが直線状に流れないような構造としたり、図８に例示したガス流路部材４２Ｇのように流路の壁面に保水性や親水性の被膜を施す処理をするものとしたり、図１０〜図１４に例示したガス流路部材４２Ｉ〜４２Ｍのようにガスの流れを規制する構造としてもよい。こうすれば、噴霧した水が液体状態のまま後段のシフト反応部３４に流れ込むのを防止することができると共に伝熱効率を向上させて壁面に付着した水の気化を促進することができる。なお、第３熱交換部６０の構造としていずれの構造を採用するかについては、熱効率や熱容量，改質ガスの圧損，設置スペースなどにより適宜決定されるものである。
【００５９】
第１実施例の燃料改質装置２０の熱交換部３２では、複数のガス流路部材４２と水流路部材４４とにより第１熱交換部４０を構成すると共に複数の混合ガス流路６２で第３熱交換部６０を構成するものとしたが、第１熱交換部４０や第３熱交換部６０にヒータ（例えば、ＥＨＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｔ）やＥＨ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔｏｒ）など）を取り付けるものとしてもよい。こうすれば、装置の始動時に第１熱交換部４０や第３熱交換部６０を加温することができ、暖機を迅速に完了することができる。
【００６０】
第１実施例の燃料改質装置２０では、第１熱交換部４０と第２熱交換部５０と第３熱交換部６０とにより熱交換部３２を構成したが、第１熱交換部４０と第２熱交換部５０だけで熱交換部３２を構成したり、第２熱交換部５０と第３熱交換部６０だけで熱交換部３２を構成したり、第２熱交換部５０だけで熱交換部３２を構成するものとしてもかまわない。第１熱交換部４０を備えない構成とすれば、加熱されていない水をノズル５４から噴霧するものとしたり、水を加熱する加熱装置を設けて加熱された液水をノズル５４から噴霧するものとしてもよい。また、第１熱交換部４０を備えない構成の場合、第２熱交換部５０の最上流側に複数のフィンを取り付け、第２熱交換部５０で噴霧する水が改質反応部３０に遡るのを抑制するものとしてもよい。この場合、フィンを伝熱性の高い材料で改質ガスとの接触面積が大きくなるように形成すれば、フィンに付着した水を効果的に気化することができる。
【００６１】
（Ｃ）第２実施例：
図２３は、第２実施例の燃料改質装置が備える熱交換部１３２が、改質反応部３０およびシフト反応部３４と接続する様子を表わす説明図である。第２実施例の燃料改質装置は、熱交換部３２に代えて熱交換部１３２を備える以外は、図１に示した第１実施例の燃料改質装置２０と同様の構成を有している。したがって、第２実施例の燃料改質装置に特徴的な熱交換部１３２以外の構成に関する説明は、省略する。なお、第２実施例の燃料改質装置に関する以下の説明において、第１実施例の燃料改質装置２０と共通して備える構造には、同じ参照番号を用いた。
【００６２】
図２４および図２５は、熱交換部１３２の構成を説明するために、熱交換部１３２の所定の部分を模式的に表わした図である。図２４に示すように、熱交換部１３２は、全体として、図２に示した第１熱交換部４０と類似する構成を備えている。すなわち、改質ガスが通過する改質ガス流路１７０からなる層と、冷媒が通過する冷媒流路１７２からなる層とを、互いに熱交換可能となるように交互に積層して構成される。改質反応部３０から供給された改質ガスは、改質ガス流路１７０内を通過しつつ、冷媒流路１７２内を通過する冷媒と熱交換することで降温する。
【００６３】
本実施例の熱交換部１３２では、冷媒流路１７２内を通過する冷媒は、鉛直方向上方より下方に向かって流れることとした。このような構成とすることで、熱交換部１３２では、下部ほど温度が高くなる。したがって、改質ガス流路１７０内を通過する改質ガスにおいて水蒸気が凝縮し、凝縮水の水滴が改質ガス流路１７０の下部に流れて滞留することがあっても、温度が高い下部領域で凝縮水の気化をより促進することができる。なお、本実施例の熱交換部１３２では、上記冷媒として、外部から取り入れた空気を用いることとした。
【００６４】
図２５に示すように、熱交換部１３２は、さらに、水の流路として構成される昇温部１７４と、昇温部１７４に接続して多孔質体によって形成される気化部１７６とを備えている。上記積層構造を有する熱交換部１３２は、熱交換効率を向上させるためのフィン（図２に示した第１熱交換部４０が備えるフィン４３，４５と同様）を間に配設しつつ、略同一形状の四角形の板状部材を積層して構成される。したがって、熱交換部１３２は、全体として、略直方体状の形状を有している。これに対して、熱交換部１３２に接続する改質反応部３０およびシフト反応部３４は、図２３に示したように、流路断面が略円形となる円柱状に形成されている。したがって、熱交換部１３２の外周部（ガスの流れ方向に平行な４つの辺の近傍）においては、改質反応部３０からシフト反応部３４に向かって流れるガスの流量が比較的少なくなる領域が生じる。上記昇温部１７４および気化部１７６は、このような改質ガス流路の外周領域において、ガスの流れ方向に平行に形成される。
【００６５】
昇温部１７４へは、水タンク２２（図１）から水が供給される（図２５参照）。昇温部１７４内を通過する水は、改質ガス流路１７０内を通過する改質ガスと、熱交換部１３２を構成する部材を介して熱交換し、昇温する。昇温部１７４を通過して昇温した水は、気化部１７６を構成する多孔質体内に供給される。多孔質体内を通過する水は、改質ガス流路１７０内を通過する改質ガスと、熱交換部１３２を構成する部材を介して熱交換してさらに昇温し、多孔質体の内部から改質ガス流路１７０内の改質ガス中に気化する。
【００６６】
図２６は、気化部１７６を含む熱交換部１３２の横断面の一部の様子を表わす説明図である。気化部１７６の周囲では、改質ガス流路１７０の端部と気化部１７６とが連通している。気化部１７６内に供給されて昇温した水は、この改質ガス流路１７０と連通する部位から、改質ガス流路１７０内の改質ガス中に気化する（図２６中の矢印参照）。ここで、図２６では、模式的に、３つの改質ガス流路１７０内に、気化部１７６から水が気化する様子を示した。
【００６７】
昇温部１７４および気化部１７６を内部に配設する熱交換部１３２を組み立てる際には、昇温部１７４および気化部１７６を構成する部材と、改質ガス流路１７０を構成する部材とを備える気化部構成部材１８０を、予め組み立てる。図２７は、気化部構成部材１８０の外観を模式的に表わす斜視図である。また、図２８は、気化部構成部材１８０を組み立てる様子を説明するために、気化部１７６の周囲に配設する部材を分解した状態で模式的に表わす図である。
【００６８】
図２６ないし図２８に示すように、気化部構成部材１８０は、改質ガス流路１７０内に配設するフィン１７１と、スペーサ部材１７７とを交互に積層することによって、気化部１７６から水蒸気の供給を受ける改質ガス流路１７０を形成する。また、上記フィン１７１とスペーサ部材１７７とからなる積層体において、対向する端部２箇所には、それぞれ、昇温部１７４を構成する部材および気化部１７６を構成する多孔質体が配設される（図２７参照）。なお、昇温部１７４を構成する部材とは、両端部（水の流入口および気化部１７６との接続部に対応する）が開放された円筒形状部材である。
【００６９】
気化部１７６を構成する部材および昇温部１７４を構成する部材の周囲には、さらに、外周部材１７５が配設される（図２８参照）。また、上記フィン１７１とスペーサ部材１７７とを交互に重ね合わせた積層体の両側にも、外周部材１７８が配設される。気化部構成部材１８０を組み立てる際には、上記積層体と、昇温部１７４を構成する部材と、気化部１７６を構成する多孔質体とを内部に配設して、これらを覆って配設される外周部材１７５および１７８の端部同士を接続する。ここで、気化部１７６を構成する多孔質体以外の部材、すなわち、フィン１７１、スペーサ部材１７７、昇温部１７４を構成する部材、および外周部材１７５，１７８を構成する部材は、熱伝導性の高い金属材料で形成されている。そのため、外周部材１７５および１７８の端部同士の接続は、ろう付けによって行なった。このような構成とすることで、気化部１７６に供給された水は、気化部構成部材１８０内に形成された改質ガス流路１７０内だけに気化可能となる。
【００７０】
既述したように、熱交換部１３２は、改質ガス流路１７０を構成する部材と冷媒流路１７２を構成する部材とを交互に重ね合わせた積層構造を有している。熱交換部１３２を組み付ける際には、フィン（フィン１７１および、冷媒流路１７２内に配設するフィン）を間に挟みながら、略同一形状の四角形の板状部材を積層して積層体を構成した後に、この積層体の両側に、上記気化部構成部材１８０をさらに配設する。その際、気化部構成部材１８０を固定するために、さらに固定部材１７９（図２６参照）を配設すると共に、これらの構造を所定のケーシング内に収める。このようにして組み立てられた熱交換部１３２は、改質ガス流路１７０内に改質ガスが流入するよう改質反応部３０と接続され、また、改質ガス流路１７０から排出される混合ガスがシフト反応部３４に供給されるよう、シフト反応部３４と接続される。さらに、冷媒流路１７２内を冷媒が流通するように、冷媒の給排装置と接続される。
【００７１】
なお、上記したように、改質ガス流路１７０を構成する部材と冷媒流路１７２を構成する部材とは交互に積層されているが、気化部構成部材１８０内では、昇温部１７４および気化部１７６に冷媒流路１７２が遮られるため冷媒が流通しない。したがって、本実施例の熱交換部１３２では、気化部構成部材１８０内には、冷媒流路１７２は設けられていない。フィン１７１と共に積層したスペーサ部材１７７は、内部に水蒸気が進入しない部材として構成されている。なお、このスペーサ部材１７７は、内部を中空としても中実としても良く、また、内部にフィンを設けることによって、熱交換部１３２全体の熱伝導効率を確保することとしても良い。なお、気化部構成部材１８０においては、スペーサ部材１７７を配設する代わりに、このスペーサ部材１７７を配設した部位にも改質ガス流路１７０を形成することとしても良い。すなわち、昇温部１７４と気化部１７６を除く気化部構成部材１８０全体に、改質ガス流路１７０を形成することとしても良い。
【００７２】
図２９は、図２４に示した熱交換部１３２を、上面側から見た様子を模式的に表わす。既述したように、改質ガス流路１７０内には、熱交換効率を高めるためにフィンが配設されている。改質ガス流路１７０内に配設されるフィン１７１を図３０に示す。フィン１７１は、所定の幅を有する波板状部材であり、個々の改質ガス流路１７０には、複数のフィン１７１が、所定の間隔をおいて配設されている。したがって、気化部１７６と連通する改質ガス流路１７０では、内部を改質ガスが通過するのに伴って、気化部１７６から供給される水蒸気が、この改質ガス流路１７０内全体に拡散可能となっている。
【００７３】
また、熱交換部１３２では、その入り口部および出口部に、所定の空間が形成されている。すなわち、改質ガスが供給される入り口部付近にはガス分配部１７３が形成され、混合ガスが排出される出口部付近にはガス集合部１７５が設けられている（図２９参照）。熱交換部１３２に供給された改質ガスは、上記ガス分配部１７３から、各改質ガス流路１７０に分配される。また、各改質ガス流路１７０から排出された改質ガスは、ガス集合部１７５に集合する。したがって、ガス集合部１７５では、気化部１７６から水蒸気の供給を受けない改質ガス流路１７０内を通過した改質ガスを含めて、改質ガス全体が水蒸気を混合され、混合ガスとなってシフト反応部３４側に排出される。
【００７４】
上記した各改質ガス流路１７０および冷媒流路１７２の幅は、任意に設定可能であり、熱交換効率やガスが通過する際の圧損などを考慮して、適宜設定すればよい。
【００７５】
また、熱交換部１３２では、昇温部１７４および気化部１７６は、流路断面が略円形である円柱状に形成したが、異なる形状としても良い。例えば、上記流路断面を、改質反応部３０およびシフト反応部３４の円形流路断面に沿って三日月状に形成することとしても良い。これによって、より多数の改質ガス流路１７０と気化部１７６とを接続させることが可能となる。あるいは、昇温部１７４および気化部１７６は、流路断面が四角形となる四角柱形状として、熱交換部１３２製造時における組み付け作業の容易化を図ることとしても良い。
【００７６】
なお、図２５に示すように、熱交換部１３２では、昇温部１７４から気化部１７６に向かって流れる水の流れの向きは、改質ガス流路１７０内を通過する改質ガスの流れの向きとは対向する向きとなっている。改質ガスは、熱交換部１３２内を通過しつつ熱交換を行なうことで降温するため、下流側ほど温度が低くなる。したがって、改質ガスの温度がより高い上流側の近傍に気化部１７６を配設することによって、気化部１７６から改質ガスへの水の気化が、より促進される。
【００７７】
以上説明した第２実施例の燃料改質装置によれば、改質ガスが有する熱を用いて気化させた水蒸気を、シフト反応で用いている。したがって、水を気化するためや改質ガスを降温させるために特別にエネルギを消費する必要がない。また、このような熱交換を利用した気化の動作は、改質ガスの流路（改質ガス流路１７０）と水の流路（昇温部１７４および気化部１７６）とを互いに近接して設けることで実現しているため、改質ガスが有する熱のロスを抑えることができる。したがって、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。また、水を気化し改質ガスを降温させる装置全体を小型化することができる。
【００７８】
また、昇温部１７４および気化部１７６は、熱交換部１３２内において改質ガスの流量が比較的少ない外周部に設けたため、改質ガスに水蒸気を供給する構造を設けたことによる装置の大型化を抑えることができる。熱交換部１３２において改質ガスの流量が少ない外周領域は、熱交換部１３２の熱容量を増大させ、熱交換部１３２全体での熱交換効率を低下させる要因となる。しかしながら、このような外周領域に昇温部１７４および気化部１７６を設け、冷媒流路１７２を通過する冷媒とは異なる冷媒である水を通過させることで、熱交換部１３２全体の熱交換効率を向上させることができる。
【００７９】
一般に、触媒反応が進行する改質反応部３０やシフト反応部３４は、反応器全体でガスの流れを均一化するために、流路断面が略円形となる円柱状に形成することが望ましい。一方、改質ガス流路１７０および冷媒流路１７２を形成する部材を積層し、改質ガスと冷媒との流れの方向が直交する様に形成する熱交換部１３２は、板状部材を積層して直方体形状とすることにより、製造が容易になる。したがって、このような形状の各部を接続する本実施例の燃料改質装置では、熱交換部１３２において、その外周部に、改質ガスの流量が少なく熱交換効率の低下を引き起こす余剰の空間が生じる。そのため、このような領域に昇温部１７４および気化部１７６を設ける構成は、空間の有効利用という点で特に有用である。
【００８０】
また、第２実施例の燃料改質装置の熱交換部１３２によれば、改質反応部３０からシフト反応部３４に供給する改質ガスを冷却するための冷媒として、昇温部１７４に供給する水と共に、冷媒流路１７２内を通過する他の冷媒を用いている。このように複数系統の冷媒を用いることで、改質ガスを冷却する際の温度制御を、より精密に行なうことが可能となる。本実施例の構成では、昇温部１７４および気化部１７６に供給する水の量は、改質ガスに混合してシフト反応に供すべき水蒸気量に応じて定まる。このとき、さらに他種の冷媒を用いることにより、改質ガスに供給すべき水蒸気量に拘束されることなく、改質ガスの冷却状態を制御することができる。また、複数系統の冷媒を用いることで、より充分に改質ガスを降温させることができるため、熱交換部１３２を小型化することが可能となる。
【００８１】
なお、既述したように、本実施例では、冷媒流路１７２を通過する他の冷媒として、外部から取り入れた空気を用いているが、水タンク２２に貯蔵する水や、燃料タンク２４に貯蔵する炭化水素系燃料などを用いることとしても良い。熱交換部１３２において冷媒として用いることで昇温した上記空気や水や炭化水素系燃料は、改質反応部３０で進行する改質反応（部分酸化反応や水蒸気改質反応）で用いることができる。このような構成とすれば、改質反応部３０に供給するのに先立ってこれらの流体を昇温するのに要するエネルギを削減することができ、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００８２】
（Ｄ）第２実施例の変形例：
（Ｄ−１）変形例１；
第２実施例の燃料改質装置の熱交換部１３２では、昇温部１７４を経由して昇温した水は、多孔質体からなる気化部１７６から改質ガス中に気化することとしたが、第１実施例と同様に、改質ガス中に噴霧する構成も可能である。このような場合にも、噴霧する水を予め昇温させるための流路（昇温部１７４に相当する流路）を、熱交換部１３２の外周部に形成すれば、エネルギ効率の向上や、熱交換部の小型化など、既述した効果を得ることができる。
【００８３】
（Ｄ−２）変形例２；
第２実施例の燃料改質装置の熱交換部１３２では、冷媒流路１７２内を通過する冷媒は、改質ガス中に気化させる水とは別系統の冷媒としたが、異なる構成とすることも可能である。例えば、冷媒流路１７２内を通過する冷媒として水タンク２２に貯蔵した水を用い、冷媒流路１７２を通過することで昇温した水を、改質ガスが有する熱を利用して改質ガス中に気化させることとしても良い。このような場合にも、エネルギ効率を向上させたり熱交換部を小型化させる同様の効果を得ることができる。ここで、冷媒流路１７２内を通過して昇温した水を改質ガス中に気化させる際に、多孔質体からなる気化部を用いる場合に、この気化部を、第２実施例と同様に熱交換部１３２の外周部に形成するならば、これらの効果をさらに高めることができる。
【００８４】
（Ｄ−３）変形例３；
上記第２実施例の燃料改質装置の熱交換部１３２において、改質ガス内で生じた凝縮水の気化を促すための構造を、さらに設ける構成も好適である。例えば、第１実施例の熱交換部３２の変形例で説明したように、熱交換部１３２の下流側（改質ガス流路１７０の下流側やガス集合部１７５）において、保水性の材料や親水性の材料によって形成された被膜を形成する処理を、流路表面に施すこととしても良い。あるいは、このような領域の流路表面に、多孔質材料を取り付けることとしても良い。このような構成とすれば、上記被膜や多孔質材料において、凝縮水からなる水滴を保持し、改質ガスの有する熱を利用して改質ガス中に気化させることができる。
【００８５】
（Ｄ−４）変形例４；
第２実施例の燃料改質装置では、熱交換部１３２は、改質反応部３０とシフト反応部３４との間に設けることとしたが、同様の熱交換部を、より下流側に設ける構成も可能である。このような、第２実施例の変形例である燃料改質装置２２０の構成を図３１に示す。燃料改質装置２２０は、第１実施例の燃料改質装置２０に類似する構成を有しているため、燃料改質装置２０と共通して備える構造には、同じ参照番号を用いた。燃料改質装置において、シフト反応部を、より高温でシフト反応を進行する高温シフト部と、より低温でシフト反応を進行する低温シフト部とから構成することができる。燃料改質装置２２０は、高温シフト部２３３と低温シフト部２３５とを有するシフト反応部３４を備えており、第２実施例の熱交換部１３２と同様の熱交換部２３２を、これら２つのシフト部の間に配設した。
【００８６】
このような構成とすれば、高温シフト部２３３と低温シフト部２３５との間で改質ガスを降温させる際に、改質ガスの有する熱を利用して、シフト反応で用いる水を昇温・気化させることができ、同様の効果を奏することができる。また、既述した熱交換部１３２と同様に、種々の変形が可能である。なお、高温シフト部２３３と低温シフト部２３５との間に設けた熱交換部２３２で昇温させた水を、高温シフト部２３３で進行するシフト反応で利用することとしても良い。
【００８７】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料改質装置２０の構成の概略を模式的に示す構成図である。
【図２】熱交換部３２の構成の概略を示す構成図である。
【図３】変形例の熱交換部３２Ｂを模式的に示す構成図である。
【図４】変形例の熱交換部３２Ｃを模式的に示す構成図である。
【図５】変形例の熱交換部３２Ｄを模式的に示す構成図である。
【図６】変形例の熱交換部３２Ｅを模式的に示す構成図である。
【図７】変形例の熱交換部３２Ｆを模式的に示す構成図である。
【図８】変形例の熱交換部３２Ｇを模式的に示す構成図である。
【図９】変形例の熱交換部３２Ｈを模式的に示す構成図である。
【図１０】変形例の熱交換部３２Ｉを模式的に示す構成図である。
【図１１】変形例の熱交換部３２Ｊを模式的に示す構成図である。
【図１２】変形例の熱交換部３２Ｋを模式的に示す構成図である。
【図１３】変形例の熱交換部３２Ｌを模式的に示す構成図である。
【図１４】変形例の熱交換部３２Ｍを模式的に示す構成図である。
【図１５】変形例の熱交換部３２Ｎを模式的に示す構成図である。
【図１６】変形例の熱交換部３２Ｏを模式的に示す構成図である。
【図１７】変形例の熱交換部３２Ｐを模式的に示す構成図である。
【図１８】変形例の熱交換部３２Ｑを模式的に示す構成図である。
【図１９】変形例の熱交換部３２Ｒを模式的に示す構成図である。
【図２０】変形例の熱交換部３２Ｓを模式的に示す構成図である。
【図２１】変形例の熱交換部３２Ｔを模式的に示す構成図である。
【図２２】変形例の熱交換部３２Ｕを模式的に示す構成図である。
【図２３】熱交換部１３２が改質反応部３０およびシフト反応部３４と接続する様子を表わす図である。
【図２４】熱交換部１３２の構成の一部を模式的に表わす図である。
【図２５】熱交換部１３２の構成の一部を模式的に表わす図である。
【図２６】熱交換部１３２の横断面の一部の様子を表わす説明図である。
【図２７】気化部構成部材１８０の外観を模式的に表わす斜視図である。
【図２８】気化部構成部材１８０を組み立てる様子を表わす説明図である。
【図２９】熱交換部１３２の側面の様子を表わす模式図である。
【図３０】フィン１７１の構成を示す説明図である。
【図３１】燃料改質装置２２０の構成の概略を模式的に表わす説明図である。
【符号の説明】
２０，１２０，２２０…燃料改質装置
２２…水タンク
２３…水ポンプ
２４…燃料タンク
２５…燃料ポンプ
２６…ブロア
２８…混合部
３０…改質反応部
３２，３２Ｂ〜３２Ｕ，１３２，２３２…熱交換部
３４，１３４，２３４…シフト反応部
３６…ブロア
３８…一酸化炭素浄化部
４０，４０Ｂ〜４０Ｕ…第１熱交換部
４２，４２Ｂ〜４２Ｍ…ガス流路部材
４３，４５…フィン
４３Ｉ…整流格子
４３Ｊ…ルーバフィン
４３Ｋ…整流板
４３Ｌ，４３Ｍ…整流板
４４，４４Ｂ〜４４Ｇ…水流路部材
４６Ｄ，４６Ｅ…空間
４７Ｇ…被膜
５０，５０Ｂ〜５０Ｕ…第２熱交換部
５２…圧力調節弁
５４，５４Ｑ〜５４Ｒ…ノズル
５５Ｑ…底面
５６Ｑ…連絡部
５７Ｓ，５７Ｔ…撹拌混合板
５８Ｕ…蒸発板
６０，６０Ｂ〜６０Ｕ…第３熱交換部
６２…混合ガス流路
１７０…改質ガス流路
１７１…フィン
１７２…冷媒流路
１７３…ガス分配部
１７５…ガス集合部
１７４…昇温部
１７５，１７８…外周部材
１７６…気化部
１７７…スペーサ部材
１７９…固定部材
１８０…気化部構成部材
２３３…高温シフト部
２３５…低温シフト部
Claims (29)
- 炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備える水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備え、
前記改質ガス流路は、少なくとも流出口近傍の表面に親水性または吸湿性の材料による被膜を備える
燃料改質装置。 - 前記改質ガス流路は、少なくとも流出口近傍に複数のフィンを備える請求項１記載の燃料改質装置。
- 炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備る水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備え、
前記水供給混合手段は、前記熱交換手段の後段で該熱交換手段の前記改質ガス流路の流出口近傍の底面と該改質ガス流路の流入口との水を連絡する水連絡手段を備える
燃料改質装置。 - 前記水連絡手段は、多孔質材料により形成されてなる請求項３記載の燃料改質装置。
- 前記水連絡手段は、毛細管現象を可能とする材料により形成されてなる請求項３記載の燃料改質装置。
- 前記水連絡手段は、前記改質ガス流路の流出口近傍と該改質ガス流路の流入口近傍との圧力差に基づいて該改質ガス流路の流出口近傍の水を該改質ガス流路の流入口近傍に導く手段である請求項３記載の燃料改質装置。
- 炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
前記改質ガスに対して水を噴霧すると共に該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れにおける上流側が低くなる傾斜の底面のケースを備える
燃料改質装置。 - 前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れの撹拌混合を促進する撹拌混合手段を備える請求項１ないし７いずれか記載の燃料改質装置。
- 前記撹拌混合手段は、前記改質ガスの流路に設けられた一つまたは複数のオリフィスである請求項８記載の燃料改質装置。
- 前記水供給混合手段は、前記改質ガスの流路に配置され噴霧により吹き付けられた水を前記改質ガスに気化する気化部材を備える請求項１ないし９いずれか記載の燃料改質装置。
- 前記水供給混合手段は、前記混合ガス中の未気化の水を気化する気化手段を備える請求項１ないし１０いずれか記載の燃料改質装置。
- 前記気化手段は、前記混合ガスの流路に配置され、該混合ガスとの接触面積が多い高接触部材を備える請求項１１記載の燃料改質装置。
- 炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
前記改質ガスに対して水を噴霧すると共に該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記水供給混合手段は、前記混合ガス中の未気化の水を気化する気化手段を備え、
前記気化手段は、前記混合ガスを複数に分割して流す複数の混合ガス流路である
燃料改質装置。 - 前記混合ガス流路は、前段の改質ガスの流れに対して所定の角度をもつよう形成されてなる請求項１３記載の燃料改質装置。
- 前記複数の混合ガス流路は、前記混合ガスが流入口から流出口まで直線状に流れないよう形成されてなる請求項１３または１４記載の燃料改質装置。
- 前記混合ガス流路は、表面に親水性または吸湿性の材料による被膜を備える請求項１３ないし１５いずれか記載の燃料改質装置。
- 前記混合ガス流路は、複数のフィンを備える請求項１３ないし１６いずれか記載の燃料改質装置。
- 前記気化手段は、前記混合ガスを直接または間接に加温する混合ガス加温手段を備える請求項１１ないし１７いずれか記載の燃料改質装置。
- 炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系燃料から水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成する改質部と、
一酸化炭素と水蒸気から水素と二酸化炭素を生成するシフト反応を進行することによって、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部と、
前記シフト反応に利用されるシフト反応用水を前記改質ガスの流路に供給する水供給部と、
前記シフト反応が完了するのに先立って、前記改質ガスを、前記シフト反応用水の少なくとも一部を含む冷媒との間で熱交換を行なわせて降温させる熱交換部と、
を備え、
前記水供給部は、前記熱交換部で冷媒として用いて昇温した前記シフト反応用水を気化して、前記改質ガスの流路に供給することを特徴とする
燃料改質装置。 - 請求項１９記載の燃料改質装置であって、
前記熱交換部は、前記改質ガスを、前記シフト部に供給するのに先立って降温させる
燃料改質装置。 - 請求項１９記載の燃料改質装置であって、
前記シフト部は、より高い温度で前記シフト反応が進行する高温シフト部と、前記高温シフト部の下流側に位置してより低い温度で前記シフト反応が進行する低温シフト部とを備え、
前記熱交換部は、前記高温シフト部から排出される前記改質ガスを、前記低温シフト部に供給するのに先立って降温させる
燃料改質装置。 - 請求項２１記載の燃料改質装置であって、
前記水供給部は、前記熱交換部における前記熱交換で昇温した前記シフト反応用水を、前記低温シフト部に供給する
燃料改質装置。 - 請求項１９ないし２２いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記熱交換部の冷媒は、前記シフト反応用水とは異なる他の冷媒を含み、
前記熱交換部は、前記改質ガスが通過する改質ガス流路と、前記他の冷媒が通過する第１の冷媒流路と、前記改質ガスとの熱交換のために前記シフト反応用水が通過する第２の冷媒流路と、を有する
燃料改質装置。 - 請求項２３記載の燃料改質装置であって、
前記熱交換部内の前記改質ガス流路と前記第１の流路とは、熱交換可能であって互いに略直交するように形成されている
燃料改質装置。 - 請求項２３または２４記載の燃料改質装置であって、
前記熱交換部内における前記第２の冷媒流路は、前記改質ガス流路が形成されている領域の外縁部において、該改質ガス流路に沿って設けられている
燃料改質装置。 - 請求項２５記載の燃料改質装置であって、
前記水供給部は、前記熱交換部において前記改質ガス流路が形成されている領域の外縁部において、前記改質ガス流路の少なくとも一部と前記第２の冷媒流路との双方に接続された多孔質体を備え、これによって、前記シフト反応用水が、前記多孔質体から前記改質ガス流路内に気化された状態で供給される
燃料改質装置。 - 請求項２６記載の燃料改質装置であって、
前記シフト反応用水が前記第２の冷媒流路から前記多孔質体に流入するときの流れの向きは、前記改質ガス流路内を通過する前記改質ガスの流れの向きと対向することを特徴とする
燃料改質装置。 - 請求項１９ないし２４いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水供給部は、前記改質部の出口と前記シフト部の出口との間の所定の場所において、前記改質ガスの流路に接続されて、前記熱交換部を経由して昇温したシフト反応用水が供給される多孔質体を備え、これによって、前記シフト反応用水が、前記多孔質体から前記改質ガスの流路内に気化された状態で供給される
燃料改質装置。 - 炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であって、
前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質する改質部と、
一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、
水を加圧して加温する加圧加温手段を備える水供給混合手段であって、前記加圧加温手段により加圧および加温された水を前記改質ガスに対して噴霧すると共に、該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合し、該混合ガスを前記シフト部に供給する水供給混合手段と
を備え、
前記加圧加温手段は、前記水混合手段によって前記水が噴霧される前の改質ガスの流路をなす改質ガス流路と前記水の流路をなす水流路とが熱交換可能に配置されてなり、前記水が噴霧される前の改質ガスとの熱交換により前記水を加温する熱交換手段を備える
燃料改質装置。
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