水素製造装置及び燃料電池システム
【課題】改質触媒を効率よく加熱し、水蒸気改質を促進して改質ガスを効率よく生成する。
【解決手段】燃焼筒９と、燃焼筒９内で、燃焼筒９の上端部９ａ側から下端部９ｂ側に向けて火炎Ｆを形成するバーナ部７と、燃焼筒９の外周面９ｃに沿って改質触媒Ｃ１を配置した下流側改質部２４と、下流側改質部２４に接続されると共に、燃焼筒９の下端部９ｂ側で、燃焼筒９の軸線Ｌに交差するように改質触媒Ｃ２を配置した上流側改質部２３と、を備える水素製造装置（ＦＰＳ）３Ａとした。このＦＰＳ３Ａでは、上流側改質部２３によって火炎方向の熱遮断と熱回収とを行うことができ、上流側改質部２３の改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができる。
【解決手段】燃焼筒９と、燃焼筒９内で、燃焼筒９の上端部９ａ側から下端部９ｂ側に向けて火炎Ｆを形成するバーナ部７と、燃焼筒９の外周面９ｃに沿って改質触媒Ｃ１を配置した下流側改質部２４と、下流側改質部２４に接続されると共に、燃焼筒９の下端部９ｂ側で、燃焼筒９の軸線Ｌに交差するように改質触媒Ｃ２を配置した上流側改質部２３と、を備える水素製造装置（ＦＰＳ）３Ａとした。このＦＰＳ３Ａでは、上流側改質部２３によって火炎方向の熱遮断と熱回収とを行うことができ、上流側改質部２３の改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水蒸気改質によって水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス、液化石油ガス、灯油やガソリンなどの原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置が知られている（特許文献１または特許文献２参照）。この種の水素製造装置は、バーナを囲む中空筒状の燃焼筒と、燃焼筒の外周面に沿って配置された改質部とを備えている。改質部には改質触媒が収容されており、改質部内には、気化した原料と水蒸気とが導入される。バーナは燃焼筒内で火炎を形成し、燃焼筒から流出した燃焼ガスは、燃焼筒の外周面に沿って上昇し、上昇する過程で改質部を加熱する。所定の温度まで加熱された改質部では、改質触媒による水蒸気改質が促進され、水素リッチな改質ガスが生成される。
【特許文献１】特許第３６２５７７０号公報
【特許文献２】特開２００６−１７６３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の水素製造装置では、バーナの火炎方向における十分な熱遮断や熱回収が難しく、燃焼筒を流れる燃焼ガスによる改質触媒の加熱だけでは、効率向上は難しかった。
【０００４】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、改質触媒を効率よく加熱でき、水蒸気改質の促進による改質ガスの効率的な生成を可能にする水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
本発明は、水素製造用原料が流入する改質触媒を加熱することで水蒸気改質を促進して水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置において、改質触媒を加熱するための燃焼筒と、燃焼筒内で、燃焼筒の一方の端部側から他方の端部側に向けて火炎を形成するバーナ部と、燃焼筒の外周面に沿って改質触媒を配置した下流側改質部と、下流側改質部に接続されると共に、燃焼筒の他方の端部側で、燃焼筒の軸線に交差するように改質触媒を配置した上流側改質部と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
この水素製造装置では、燃焼筒からの噴出直後の最も高温の燃焼ガスを上流側改質部で受け、この燃焼ガスを利用して上流側改質部の改質触媒を加熱することができる。したがって、燃焼筒の軸線に沿ったバーナ部の火炎方向の熱遮断と熱回収とを上流側改質部で行うことができる。さらに、燃焼筒の外周面からの伝熱によって下流側改質部の改質触媒を加熱することができる。その結果として、改質触媒を効率良く加熱することができ、水蒸気改質の促進による改質ガスの効率的な生成が可能なる。
【０００７】
さらに、上流側改質部は、燃焼筒の軸線上に、水素製造用原料を燃焼筒に向けて流入させる導入部を更に有すると好適である。導入部では、バーナにより形成される火炎に対向するように水素製造用原料が導入されるようになり、水素製造用原料の導入に起因した導入部付近の温度低下を抑えることができ、上流側改質部の改質触媒を効果的に加熱できる。
【０００８】
さらに、上流側改質部は、改質触媒を収容する筐体部と、筐体部内で、燃焼筒の軸線を中心にして放射状に設けられた複数のガイド部と、を更に有し、筐体部には、複数のガイド部によって囲まれた内側に導入部が設けられ、複数のガイド部の外側には、下流側改質部に接続された連絡部が設けられていると好適である。導入部を介して筐体部内に導入された水素製造用原料は、ガイド部に案内されることで、燃焼筒の軸線周りで均等に分散し、偏り無く連絡部に到達して下流側改質部に流入する。その結果として、上流側改質部での効率的な水蒸気改質が可能になり、効率的に改質ガスを生成できる。
【０００９】
連絡部には、多孔板が設けられていると好適である。上流側改質部に流入する水素製造用原料の流れは、多孔板によって均一化され、さらに、上流側改質部から下流側改質部へ流入する水素製造用原料は、多孔板を介して流れることで下流側改質部内に均一に分散して流入する。その結果として、上流側改質部及び下流側改質部での効率的な水蒸気改質が可能になり、効率的に改質ガスを生成できる。
【００１０】
さらに、燃焼筒と下流側改質部との間に設けられた燃焼ガス流路と、燃焼ガス流路内に配置されると共に、燃焼筒と下流側改質部とを熱交換可能に接続する伝熱促進部と、を更に有すると好適である。燃焼ガス流路を通過する燃焼ガスによって下流側改質部の改質触媒を効率よく加熱でき、さらに、伝熱促進部を介して燃焼筒から効率よく下流側改質部に熱伝達されるため、下流側改質部の改質触媒を効率よく加熱できる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記の各水素製造装置のいずれか一つと、その水素製造装置によって生成された改質ガスを利用して発電する燃料電池装置と、を備える。この燃料電池システムでは、水素製造装置において、改質触媒を効率良く加熱することができ、その結果として、水蒸気改質を促進し、改質ガスの効率的な生成が可能になり、発電効率が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、改質触媒を効率よく加熱でき、水蒸気改質の促進による改質ガスの効率的な生成を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明に係る水素製造装置を適用した燃料電池システムの概略を示す図である。燃料電池システム１は、水素製造用原料として燃料Ｑを用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、燃料Ｑとしては、都市ガス、液化石油ガス、液体燃料等が挙げられるが、入手が容易であり且つ独立して貯蔵可能であるという観点から灯油を例とする。
【００１５】
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫器２、水素製造装置（以下、「ＦＰＳ」という）３Ａ、固体高分子形燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という）スタック４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。なお、ＰＥＦＣスタック４は、燃料電池装置に相当する。
【００１６】
脱硫器２は、外部から導入された燃料Ｑを脱硫するものである。この脱硫器２には、ヒータ（不図示）が設けられており、これにより、脱硫器２は、例えば１２０℃〜１４０℃まで加熱されるようになっている。
【００１７】
ＦＰＳ３Ａは、熱源としてのバーナ部７と、バーナ部７を取り囲む中空円筒状の燃焼筒９と、燃焼筒９を囲むように配置され、灯油からなる燃料Ｑが気化した気化燃料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部１１と、改質部１１の下方に隣接して配置されると共に、改質部１１で生成された改質ガスＧ２（図２参照）から水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するＣＯ変成部１３と、ＣＯ変成部１３からの改質ガスＧ２中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部１５と、を備えており、断熱材からなる筐体１６で覆われている。
【００１８】
図２に示されるように、バーナ部７は、燃焼筒９の上端部（一方の端部）９ａに取り付けられており、燃焼筒９内で、燃焼筒９の下端部（他方の端部）９ｂ側に向けて火炎Ｆを形成する。燃焼筒９は、金属材料からなり、バーナ部７により形成される火炎によって加熱され、周囲に熱を伝える。
【００１９】
改質部１１は、燃焼筒９の外側で、燃焼筒９と同心に配置された筒状の内胴部１７と、内胴部１７の外側で、内胴部１７と同心に配置された筒状の外胴部１９と、を備える。内胴部１７と外胴部１９との間には、水蒸気改質反応を行うために改質触媒Ｃ１が収容されている。改質触媒Ｃ１での流れを均一にするために、外胴部１９の上端には環状の多孔板２８が配置され、多孔板２８は外胴部１９と内胴部１７との間に設置されている。同様に、内胴部１７の下端外側には、改質触媒Ｃ１を保持するためにも、環状の多孔板１８が配置され、多孔板１８は外胴部１７と内胴部１７との間に設置されている。内胴部１７と外胴部１９との間で保持された改質触媒Ｃ１は、断面環状で燃焼筒９の外周面９ｃに沿うように配置されている。改質触媒Ｃ１、内胴部１７及び改質触媒Ｃ１に接する外胴部１９の上部１９ｂによって下流側改質部２４が構成される。改質触媒Ｃ１は、貴金属系水蒸気改質触媒であり、ルテニウムを用いている。改質触媒Ｃ１の触媒反応に適した温度は５００°Ｃ〜８００°Ｃである。なお、内胴部１７には、改質触媒Ｃ１内に突き出している複数の伝熱板１７ａが設けられている。伝熱板１７ａは、内胴部１７の長手方向に沿って延在する金属板であり、改質触媒Ｃ１の内部にまで効率よく熱を伝える。
【００２０】
図３に示されるように、外胴部１９の下部１９ａは、内胴部１７の下端よりも下側に突き出している。さらに、外胴部１９の下端には、内側の開口を塞ぐようにして改質触媒Ｃ２を保持する円形の底板部２０が溶接されている。底板部２０の上方には、内胴部１７の下端内側に溶接された円形の受熱板部２１が設けられている。底板部２０と受熱板部２１とで挟まれた領域内には、気化燃料と水蒸気が流入し、改質反応を行う改質触媒Ｃ２が収容されている。改質触媒Ｃ２は、改質触媒Ｃ１と同質材料からなるが、異なる材質にすることもできる。受熱板部２１、多孔板１８、外胴部１９の下部１９ａ及び底板部２０によって改質触媒Ｃ２を収容する筐体部２２が構成され、筐体部２２及び改質触媒Ｃ２によって上流側改質部２３が構成されている。
【００２１】
上流側改質部２３は、燃焼筒９の下端部９ｂ側で、燃焼筒９の軸線Ｌに直交するように配置されており、燃焼筒９から噴出した最も高温の燃焼ガスＧ１によって直接的に加熱される。その結果として、熱損失を抑えながら燃焼ガスＧ１の熱量を効率よく利用でき、上流側改質部２３の改質触媒Ｃ２を効率的に加熱できる。
【００２２】
図３及び図５に示されるように、上流側改質部２３と下流側改質部２４とは、環状の多孔板１８が設けられた連絡部２５を介して接続されており、上流側改質部２３に流入した気化燃料や水蒸気を含む反応途中の改質ガスＧ２は多孔板２５によって改質触媒Ｃ２中を均一に流れ、さらに、改質触媒Ｃ２を通過した気化燃料や水蒸気を含む反応途中の改質ガスＧ２は多孔板１８を介して流れることで下流側改質部２４内に均一に分散して流入する。その結果として、上流側改質部２３及び下流側改質部２４での効率的な水蒸気改質が継続して可能になり、改質ガスＧ２が効率的に生成される。
【００２３】
図３及び図４に示されるように、底板部２０の中央には、気化燃料と水蒸気とが導入される導入部２７が設けられている。導入部２７は、燃焼筒９の軸線Ｌ上に設けられ、底板部２０には、改質触媒Ｃ２に接する内面側に、燃焼筒９の軸線Ｌを中心にして複数のガイド板（ガイド部）２９が放射状に立設されている。導入部２７は、複数のガイド板２９によって囲まれた内側に配置され、複数のガイド板２９の外側には環状の連絡部２５が配置されている。
【００２４】
導入部２７を介して筐体部２２内に導入された気化燃料や水蒸気は、改質反応を伴いながらガイド板２９に案内されることで、燃焼筒９の軸線Ｌ周りで均等に分散し、偏り無く連絡部２５に到達して下流側改質部２４に流入する。その結果として、上流側改質部２３での効率的な水蒸気改質が可能になり、効率的に改質ガスを生成できる。さらに、ガイド板２９は金属材料からなり、伝熱促進効果も奏する。
【００２５】
なお、図６に示されるように、底板部２０には、ガイド板２９の代わりに、複数の湾曲したガイド板（ガイド部）３１を設けるようにしてもよい。ガイド板３１は、ガイド板２９と同様に、燃焼筒９の軸線Ｌを中心にして放射状に設けられ、さらに、全てのガイド板３１が、外胴部１９の周方向の一方側に凹曲面を形成するように湾曲している。ガイド板３１によれば、気化燃料の改質触媒Ｃ２への接触距離が長くなり、改質触媒Ｃ２での水蒸気改質が促進される。
【００２６】
図２及び図３に示されるように、底板部２０の下側には、液体燃料Ｑ及びプロセス水Ｗを気化して導入部２７に送り込む気化器３３が設けられている。気化器３３には、燃料供給部３５及びプロセス水供給部３７が接続されている。
【００２７】
外胴部１９の外側には、外胴部１９と同心円筒状の改質ガス用外筒部３９が設けられている。外胴部１９を挟むようにして内外に配置された内胴部１７と改質ガス用外筒部３９とは、外胴部１９よりも上側に突き出しており、環状天板４１によって塞がれている。改質触媒Ｃ１から多孔板２８を介して上方に流出した改質ガスＧ２は、環状天板４１によって流れの向きが変わり、改質ガス用外筒部３９に沿って下方に流下し、改質ガス用外筒部３９の下部に設けられた連絡管４２を通ってＣＯ変成部１３に導入される。なお、改質ガス用外筒部３９を流下する改質ガスＧ２は、７００°Ｃ程度にまで暖められている。ＦＰＳ３Ａでは、下流側改質部２４の外側を改質ガス用外筒部３９で囲み、高温の改質ガスＧ２を流下させているので、高温の改質ガスＧ２を効果的に利用して改質触媒Ｃ１の温度低下を抑止できる。
【００２８】
燃焼筒９と内胴部１７との間には、燃焼ガスＧ１が通過する燃焼ガス流路４３が形成されている。さらに、燃焼ガス流路４３内には、発砲金属やメッシュ状の金属部材などの伝熱促進材を充填し、燃焼ガスＧ１からの熱回収を促進する伝熱促進部４４が設けられている。また、伝熱促進部４４は、燃焼筒９と下流側改質部２４とが熱交換可能に接続されており、下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１の加熱を促進する。
【００２９】
燃焼筒９の上端部９ａは内胴部１７よりも上側に突き出しており、その上端部９ａには外側に張り出した環状の天井板部４５が溶接されている。さらに、天井板部４５の外縁には、改質ガス用外筒部３９の外側に設けられた円筒状の燃焼ガス用外筒部４７が溶接されている。燃焼筒９の外周面９ｃに沿って上昇した燃焼ガスＧ１は、天井板部４５に沿って燃焼ガス用外筒部４７に導かれ、その後、燃焼ガス用外筒部４７に沿って下方に流下し、燃焼ガス用外筒部４７の下部に設けられた燃焼ガス出口４９から排出される。
【００３０】
図１及び図２に示されるように、ＦＰＳ３Ａは、改質部１１の下方に、水性シフト反応によって改質ガスＧ２から一酸化炭素を低減するＣＯ変成部１３と、ＣＯ変成部１３からの改質ガスＧ２中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部１５と、を備えている。
【００３１】
ＣＯ変成部１３には、改質ガスＧ２中の一酸化炭素を水と二酸化炭素とに転化する水性シフト反応を促進するシフト触媒Ｃ３が収容されている。選択酸化部１５には、改質ガス中に残る一酸化炭素の選択酸化反応を促進する選択酸化触媒Ｃ４が収容されている。改質部１１から流出した改質ガスＧ２は、ＣＯ変成部１３に導入されて一酸化炭素が除去される。ＣＯ変成部１３では、一酸化炭素濃度を０．１％以下にすることは困難であるため、ＣＯ変成部１３を経た改質ガスＧ２は、選択酸化部１５に導入される。選択酸化部１５では、一酸化炭素濃度を１０ppm以下にまで低下させることができる。選択酸化部１５で一酸化炭素濃度が低減した改質ガスＧ２は、改質ガス流出部５０から流出する。
【００３２】
なお、ＣＯ変成部１３では、シフト触媒Ｃ３を効果的に機能させるために改質部１１よりも低温の３００°Ｃ程度に維持する必要がある。従来の水素製造装置（特許文献１及び特許文献２参照）では、ガスバーナの火炎方向側にＣＯ変成部が配置されているため、火炎の影響を避けるための様々な工夫が必要である。しかしながら、ガスバーナの火炎方向では非常に高温になり、適当な断熱材や冷却のための適当な熱媒がないために冷却のための広いスペースが必要になってコンパクト化が難しく、さらに、改質部やＣＯ変成部で触媒反応を効果的に発揮させるための熱バランスの維持が困難であった。しかしながら、ＦＰＳ３Ａでは、燃焼筒９とＣＯ変成部１３との間に上流側改質部２３が設けられており、上流側改質部２３で熱遮断と熱回収が行われるために、冷却のためのスペースを狭くでき、ＦＰＳ３Ａ自体の小型化に有効であると共に、所定の温度に制御し易くなって熱バランスの維持に好適である。
【００３３】
ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（不図示）が積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３Ａで得られた改質ガスＧ２を用いて発電してＤＣ電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された電解質である高分子のイオン交換膜とを有しており、アノードに改質ガスＧ２を導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。
【００３４】
インバータ５は、出力されたＤＣ電流をＡＣ電流に変換する。筐体６は、その内部に脱硫器２、ＦＰＳ３Ａ、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。
【００３５】
また、燃料電池システム１は、燃料Ｑを筐体６の外部からＦＰＳ３Ａに導入するための燃料ラインＬ１を備えている。燃料ラインＬ１上には、脱硫器２が設けられている。燃料ラインＬ１の脱硫器２よりも下流側は分岐しており、一方は、燃料Ｑを改質部１１に導入する燃料ラインＬ１１となり、他方は、燃料Ｑをバーナ９に供給する燃料ラインＬ１２となっている。
【００３６】
また、燃料電池システム１は、水蒸気改質に用いられるプロセス水Ｗを改質部１１に導入する水導入ラインＬ２を備えている。水導入ラインＬ２は、ＦＰＳ３Ａに設けられたプロセス水供給部３７（図２参照）に接続されている。
【００３７】
上記のＦＰＳ３Ａによれば、燃焼筒９からの噴出直後の最も高温の燃焼ガスＧ１を上流側改質部２３で受け、この燃焼ガスＧ１を利用して上流側改質部２３の改質触媒を加熱することができる。したがって、燃焼筒９の軸線Ｌに沿ったバーナ部７の火炎方向の熱遮断と熱回収とを上流側改質部２３で行うことができる。さらに、燃焼筒９の外周面９ｃからの伝熱によって下流側改質部２４の改質触媒を加熱することができる。その結果として、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができ、水蒸気改質を促進して改質ガスＧ２の効率的な生成が可能なる。
【００３８】
さらに、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率的に加熱できることで、温度低下に起因した改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２の機能の低下を抑制し易く、その分、改質触媒Ｃ１や改質触媒Ｃ２の減量化にも有効であって小型化に有利である。
【００３９】
さらに、上流側改質部２３は、燃焼筒９の軸線Ｌ上に、燃料Ｑが気化した気化燃料及びプロセス水Ｗの水蒸気を燃焼筒９に向けて流入させる導入部２７を有し、導入部２７では、バーナ部７から放射される火炎に対向するように気化燃料等が導入されるようになり、気化燃料や水蒸気の導入に起因した導入部２７付近の温度低下を抑えることができ、上流側改質部２３の改質触媒Ｃ２を効果的に加熱できる。
【００４０】
さらに、ＦＰＳ３Ａは、燃焼ガス流路４３を通過する燃焼ガスＧ１によって下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１を効率よく加熱でき、さらに、燃焼ガス流路４３を流下する燃焼ガスＧ１によって下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１を効率よく加熱でき、さらに、伝熱促進部４４を介して燃焼筒９から効率よく下流側改質部２４に熱伝達されるため、下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１を効率よく加熱できる。
【００４１】
また、上記のＦＰＳ３Ａを備える燃料電池システム１によれば、ＦＰＳ３Ａにおいて、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができ、その結果として、水蒸気改質を促進し、改質ガスＧ２の効率的な生成が可能なり、発電効率が向上する。
【００４２】
次に、第２の実施形態に係るＦＰＳ（水素製造装置）３Ｂについて図７を参照して説明する。なお、ＦＰＳ３Ｂについて、ＦＰＳ３Ａと同様の要素部材や構造については、ＦＰＳ３Ａと同一の符号を記して説明を省略する。
【００４３】
ＦＰＳ３Ｂは、改質部１１の周りを囲むように配置されたＣＯ変成部５１と選択酸化部５３と、を備えている。ＣＯ変成部５１は、選択酸化部５３の下側に隣接して設けられている。改質ガス用外筒部３９から下方に流出した改質ガスＧ２は、ＣＯ変成部５１内を上昇し、一酸化炭素が低減される。その後、ＣＯ変成部５１を流出した改質ガスＧ２は、選択酸化部５３に流入し、一酸化炭素濃度が１０ppmにまで削減され、改質ガス流出部５４から流出する。
【００４４】
ＦＰＳ３Ｂも、ＦＰＳ３Ａと同様に燃焼筒９からの噴出直後の最も高温の燃焼ガスＧ１を上流側改質部２３で受け、この燃焼ガスＧ１を利用して上流側改質部２３の改質触媒を加熱することができる。したがって、燃焼筒９の軸線Ｌに沿ったバーナ部７の火炎方向の熱遮断と熱回収とを上流側改質部２３で行うことができる。さらに、燃焼筒９の外周面９ｃからの伝熱によって下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１を加熱することができる。その結果として、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができ、水蒸気改質を促進して改質ガスＧ２の効率的な生成が可能なる。
【００４５】
また、ＦＰＳ３Ａの代わりに、ＦＰＳ３Ｂを備えた燃料電池システム１によっても、ＦＰＳ３Ｂにおいて、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができ、その結果として、水蒸気改質を促進し、改質ガスの効率的な生成が可能となり、発電効率が向上する。
【００４６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、水素製造用原料として灯油を用いたが、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、バイオマスを利用したバイオ燃料を用いてもよい。また、天然ガス、液化石油ガス、消化ガス等の気体燃料を用いてもよい。なお、この場合には、脱硫器（脱硫方法）及び改質器（改質方法）は、用いる燃料の特性に応じたものとされる。
【００４８】
改質触媒に用いられる貴金属系水蒸気改質触媒としては、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩ属金属を用いることもできる。
【００４９】
また、上流側改質部２３と下流側改質部２４とを接続する連絡部２５には、多孔板１８を設けなくてもよく、上流側改質部２３の改質触媒Ｃ２と下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１とが境界無く連絡しているような態様であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る水素製造装置を用いた燃料電池システムの概略を示す図である。
【図２】第１実施形態に係るＦＰＳ（水素製造装置）の概略を示す断面図である。
【図３】上流側改質部の概略を示す断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、上流側改質部に設けられた複数のガイド板を示す図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】上流側改質部に設けられた複数のガイド板の変形例を示す図である。
【図７】第２実施形態に係るＦＰＳ（水素製造装置）の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料電池システム、３Ａ，３Ｂ…ＦＰＳ（水素製造装置）、４…ＰＥＦＣスタック（燃料電池装置）、７…バーナ部、９…燃焼筒、９ａ…燃焼筒の上端部（一方の端部）、９ｂ…燃焼筒の下端部（他方の端部）、９ｃ…燃焼筒の外周面、１８…多孔板、２２…筐体部、２３…上流側改質部、２４…下流側改質部、２５…連絡部、２７…導入部、２９，３１…ガイド板（ガイド部）、４３…燃焼ガス流路、４４…伝熱促進部、Ｃ１，Ｃ２…改質触媒、Ｇ２…改質ガス、Ｆ…火炎、Ｑ…燃料（水素製造用原料）、Ｌ…燃焼筒の軸線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水蒸気改質によって水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス、液化石油ガス、灯油やガソリンなどの原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置が知られている（特許文献１または特許文献２参照）。この種の水素製造装置は、バーナを囲む中空筒状の燃焼筒と、燃焼筒の外周面に沿って配置された改質部とを備えている。改質部には改質触媒が収容されており、改質部内には、気化した原料と水蒸気とが導入される。バーナは燃焼筒内で火炎を形成し、燃焼筒から流出した燃焼ガスは、燃焼筒の外周面に沿って上昇し、上昇する過程で改質部を加熱する。所定の温度まで加熱された改質部では、改質触媒による水蒸気改質が促進され、水素リッチな改質ガスが生成される。
【特許文献１】特許第３６２５７７０号公報
【特許文献２】特開２００６−１７６３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の水素製造装置では、バーナの火炎方向における十分な熱遮断や熱回収が難しく、燃焼筒を流れる燃焼ガスによる改質触媒の加熱だけでは、効率向上は難しかった。
【０００４】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、改質触媒を効率よく加熱でき、水蒸気改質の促進による改質ガスの効率的な生成を可能にする水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
本発明は、水素製造用原料が流入する改質触媒を加熱することで水蒸気改質を促進して水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置において、改質触媒を加熱するための燃焼筒と、燃焼筒内で、燃焼筒の一方の端部側から他方の端部側に向けて火炎を形成するバーナ部と、燃焼筒の外周面に沿って改質触媒を配置した下流側改質部と、下流側改質部に接続されると共に、燃焼筒の他方の端部側で、燃焼筒の軸線に交差するように改質触媒を配置した上流側改質部と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
この水素製造装置では、燃焼筒からの噴出直後の最も高温の燃焼ガスを上流側改質部で受け、この燃焼ガスを利用して上流側改質部の改質触媒を加熱することができる。したがって、燃焼筒の軸線に沿ったバーナ部の火炎方向の熱遮断と熱回収とを上流側改質部で行うことができる。さらに、燃焼筒の外周面からの伝熱によって下流側改質部の改質触媒を加熱することができる。その結果として、改質触媒を効率良く加熱することができ、水蒸気改質の促進による改質ガスの効率的な生成が可能なる。
【０００７】
さらに、上流側改質部は、燃焼筒の軸線上に、水素製造用原料を燃焼筒に向けて流入させる導入部を更に有すると好適である。導入部では、バーナにより形成される火炎に対向するように水素製造用原料が導入されるようになり、水素製造用原料の導入に起因した導入部付近の温度低下を抑えることができ、上流側改質部の改質触媒を効果的に加熱できる。
【０００８】
さらに、上流側改質部は、改質触媒を収容する筐体部と、筐体部内で、燃焼筒の軸線を中心にして放射状に設けられた複数のガイド部と、を更に有し、筐体部には、複数のガイド部によって囲まれた内側に導入部が設けられ、複数のガイド部の外側には、下流側改質部に接続された連絡部が設けられていると好適である。導入部を介して筐体部内に導入された水素製造用原料は、ガイド部に案内されることで、燃焼筒の軸線周りで均等に分散し、偏り無く連絡部に到達して下流側改質部に流入する。その結果として、上流側改質部での効率的な水蒸気改質が可能になり、効率的に改質ガスを生成できる。
【０００９】
連絡部には、多孔板が設けられていると好適である。上流側改質部に流入する水素製造用原料の流れは、多孔板によって均一化され、さらに、上流側改質部から下流側改質部へ流入する水素製造用原料は、多孔板を介して流れることで下流側改質部内に均一に分散して流入する。その結果として、上流側改質部及び下流側改質部での効率的な水蒸気改質が可能になり、効率的に改質ガスを生成できる。
【００１０】
さらに、燃焼筒と下流側改質部との間に設けられた燃焼ガス流路と、燃焼ガス流路内に配置されると共に、燃焼筒と下流側改質部とを熱交換可能に接続する伝熱促進部と、を更に有すると好適である。燃焼ガス流路を通過する燃焼ガスによって下流側改質部の改質触媒を効率よく加熱でき、さらに、伝熱促進部を介して燃焼筒から効率よく下流側改質部に熱伝達されるため、下流側改質部の改質触媒を効率よく加熱できる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記の各水素製造装置のいずれか一つと、その水素製造装置によって生成された改質ガスを利用して発電する燃料電池装置と、を備える。この燃料電池システムでは、水素製造装置において、改質触媒を効率良く加熱することができ、その結果として、水蒸気改質を促進し、改質ガスの効率的な生成が可能になり、発電効率が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、改質触媒を効率よく加熱でき、水蒸気改質の促進による改質ガスの効率的な生成を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明に係る水素製造装置を適用した燃料電池システムの概略を示す図である。燃料電池システム１は、水素製造用原料として燃料Ｑを用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、燃料Ｑとしては、都市ガス、液化石油ガス、液体燃料等が挙げられるが、入手が容易であり且つ独立して貯蔵可能であるという観点から灯油を例とする。
【００１５】
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫器２、水素製造装置（以下、「ＦＰＳ」という）３Ａ、固体高分子形燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という）スタック４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。なお、ＰＥＦＣスタック４は、燃料電池装置に相当する。
【００１６】
脱硫器２は、外部から導入された燃料Ｑを脱硫するものである。この脱硫器２には、ヒータ（不図示）が設けられており、これにより、脱硫器２は、例えば１２０℃〜１４０℃まで加熱されるようになっている。
【００１７】
ＦＰＳ３Ａは、熱源としてのバーナ部７と、バーナ部７を取り囲む中空円筒状の燃焼筒９と、燃焼筒９を囲むように配置され、灯油からなる燃料Ｑが気化した気化燃料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部１１と、改質部１１の下方に隣接して配置されると共に、改質部１１で生成された改質ガスＧ２（図２参照）から水性シフト反応によって一酸化炭素を低減するＣＯ変成部１３と、ＣＯ変成部１３からの改質ガスＧ２中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部１５と、を備えており、断熱材からなる筐体１６で覆われている。
【００１８】
図２に示されるように、バーナ部７は、燃焼筒９の上端部（一方の端部）９ａに取り付けられており、燃焼筒９内で、燃焼筒９の下端部（他方の端部）９ｂ側に向けて火炎Ｆを形成する。燃焼筒９は、金属材料からなり、バーナ部７により形成される火炎によって加熱され、周囲に熱を伝える。
【００１９】
改質部１１は、燃焼筒９の外側で、燃焼筒９と同心に配置された筒状の内胴部１７と、内胴部１７の外側で、内胴部１７と同心に配置された筒状の外胴部１９と、を備える。内胴部１７と外胴部１９との間には、水蒸気改質反応を行うために改質触媒Ｃ１が収容されている。改質触媒Ｃ１での流れを均一にするために、外胴部１９の上端には環状の多孔板２８が配置され、多孔板２８は外胴部１９と内胴部１７との間に設置されている。同様に、内胴部１７の下端外側には、改質触媒Ｃ１を保持するためにも、環状の多孔板１８が配置され、多孔板１８は外胴部１７と内胴部１７との間に設置されている。内胴部１７と外胴部１９との間で保持された改質触媒Ｃ１は、断面環状で燃焼筒９の外周面９ｃに沿うように配置されている。改質触媒Ｃ１、内胴部１７及び改質触媒Ｃ１に接する外胴部１９の上部１９ｂによって下流側改質部２４が構成される。改質触媒Ｃ１は、貴金属系水蒸気改質触媒であり、ルテニウムを用いている。改質触媒Ｃ１の触媒反応に適した温度は５００°Ｃ〜８００°Ｃである。なお、内胴部１７には、改質触媒Ｃ１内に突き出している複数の伝熱板１７ａが設けられている。伝熱板１７ａは、内胴部１７の長手方向に沿って延在する金属板であり、改質触媒Ｃ１の内部にまで効率よく熱を伝える。
【００２０】
図３に示されるように、外胴部１９の下部１９ａは、内胴部１７の下端よりも下側に突き出している。さらに、外胴部１９の下端には、内側の開口を塞ぐようにして改質触媒Ｃ２を保持する円形の底板部２０が溶接されている。底板部２０の上方には、内胴部１７の下端内側に溶接された円形の受熱板部２１が設けられている。底板部２０と受熱板部２１とで挟まれた領域内には、気化燃料と水蒸気が流入し、改質反応を行う改質触媒Ｃ２が収容されている。改質触媒Ｃ２は、改質触媒Ｃ１と同質材料からなるが、異なる材質にすることもできる。受熱板部２１、多孔板１８、外胴部１９の下部１９ａ及び底板部２０によって改質触媒Ｃ２を収容する筐体部２２が構成され、筐体部２２及び改質触媒Ｃ２によって上流側改質部２３が構成されている。
【００２１】
上流側改質部２３は、燃焼筒９の下端部９ｂ側で、燃焼筒９の軸線Ｌに直交するように配置されており、燃焼筒９から噴出した最も高温の燃焼ガスＧ１によって直接的に加熱される。その結果として、熱損失を抑えながら燃焼ガスＧ１の熱量を効率よく利用でき、上流側改質部２３の改質触媒Ｃ２を効率的に加熱できる。
【００２２】
図３及び図５に示されるように、上流側改質部２３と下流側改質部２４とは、環状の多孔板１８が設けられた連絡部２５を介して接続されており、上流側改質部２３に流入した気化燃料や水蒸気を含む反応途中の改質ガスＧ２は多孔板２５によって改質触媒Ｃ２中を均一に流れ、さらに、改質触媒Ｃ２を通過した気化燃料や水蒸気を含む反応途中の改質ガスＧ２は多孔板１８を介して流れることで下流側改質部２４内に均一に分散して流入する。その結果として、上流側改質部２３及び下流側改質部２４での効率的な水蒸気改質が継続して可能になり、改質ガスＧ２が効率的に生成される。
【００２３】
図３及び図４に示されるように、底板部２０の中央には、気化燃料と水蒸気とが導入される導入部２７が設けられている。導入部２７は、燃焼筒９の軸線Ｌ上に設けられ、底板部２０には、改質触媒Ｃ２に接する内面側に、燃焼筒９の軸線Ｌを中心にして複数のガイド板（ガイド部）２９が放射状に立設されている。導入部２７は、複数のガイド板２９によって囲まれた内側に配置され、複数のガイド板２９の外側には環状の連絡部２５が配置されている。
【００２４】
導入部２７を介して筐体部２２内に導入された気化燃料や水蒸気は、改質反応を伴いながらガイド板２９に案内されることで、燃焼筒９の軸線Ｌ周りで均等に分散し、偏り無く連絡部２５に到達して下流側改質部２４に流入する。その結果として、上流側改質部２３での効率的な水蒸気改質が可能になり、効率的に改質ガスを生成できる。さらに、ガイド板２９は金属材料からなり、伝熱促進効果も奏する。
【００２５】
なお、図６に示されるように、底板部２０には、ガイド板２９の代わりに、複数の湾曲したガイド板（ガイド部）３１を設けるようにしてもよい。ガイド板３１は、ガイド板２９と同様に、燃焼筒９の軸線Ｌを中心にして放射状に設けられ、さらに、全てのガイド板３１が、外胴部１９の周方向の一方側に凹曲面を形成するように湾曲している。ガイド板３１によれば、気化燃料の改質触媒Ｃ２への接触距離が長くなり、改質触媒Ｃ２での水蒸気改質が促進される。
【００２６】
図２及び図３に示されるように、底板部２０の下側には、液体燃料Ｑ及びプロセス水Ｗを気化して導入部２７に送り込む気化器３３が設けられている。気化器３３には、燃料供給部３５及びプロセス水供給部３７が接続されている。
【００２７】
外胴部１９の外側には、外胴部１９と同心円筒状の改質ガス用外筒部３９が設けられている。外胴部１９を挟むようにして内外に配置された内胴部１７と改質ガス用外筒部３９とは、外胴部１９よりも上側に突き出しており、環状天板４１によって塞がれている。改質触媒Ｃ１から多孔板２８を介して上方に流出した改質ガスＧ２は、環状天板４１によって流れの向きが変わり、改質ガス用外筒部３９に沿って下方に流下し、改質ガス用外筒部３９の下部に設けられた連絡管４２を通ってＣＯ変成部１３に導入される。なお、改質ガス用外筒部３９を流下する改質ガスＧ２は、７００°Ｃ程度にまで暖められている。ＦＰＳ３Ａでは、下流側改質部２４の外側を改質ガス用外筒部３９で囲み、高温の改質ガスＧ２を流下させているので、高温の改質ガスＧ２を効果的に利用して改質触媒Ｃ１の温度低下を抑止できる。
【００２８】
燃焼筒９と内胴部１７との間には、燃焼ガスＧ１が通過する燃焼ガス流路４３が形成されている。さらに、燃焼ガス流路４３内には、発砲金属やメッシュ状の金属部材などの伝熱促進材を充填し、燃焼ガスＧ１からの熱回収を促進する伝熱促進部４４が設けられている。また、伝熱促進部４４は、燃焼筒９と下流側改質部２４とが熱交換可能に接続されており、下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１の加熱を促進する。
【００２９】
燃焼筒９の上端部９ａは内胴部１７よりも上側に突き出しており、その上端部９ａには外側に張り出した環状の天井板部４５が溶接されている。さらに、天井板部４５の外縁には、改質ガス用外筒部３９の外側に設けられた円筒状の燃焼ガス用外筒部４７が溶接されている。燃焼筒９の外周面９ｃに沿って上昇した燃焼ガスＧ１は、天井板部４５に沿って燃焼ガス用外筒部４７に導かれ、その後、燃焼ガス用外筒部４７に沿って下方に流下し、燃焼ガス用外筒部４７の下部に設けられた燃焼ガス出口４９から排出される。
【００３０】
図１及び図２に示されるように、ＦＰＳ３Ａは、改質部１１の下方に、水性シフト反応によって改質ガスＧ２から一酸化炭素を低減するＣＯ変成部１３と、ＣＯ変成部１３からの改質ガスＧ２中の一酸化炭素を選択酸化する選択酸化部１５と、を備えている。
【００３１】
ＣＯ変成部１３には、改質ガスＧ２中の一酸化炭素を水と二酸化炭素とに転化する水性シフト反応を促進するシフト触媒Ｃ３が収容されている。選択酸化部１５には、改質ガス中に残る一酸化炭素の選択酸化反応を促進する選択酸化触媒Ｃ４が収容されている。改質部１１から流出した改質ガスＧ２は、ＣＯ変成部１３に導入されて一酸化炭素が除去される。ＣＯ変成部１３では、一酸化炭素濃度を０．１％以下にすることは困難であるため、ＣＯ変成部１３を経た改質ガスＧ２は、選択酸化部１５に導入される。選択酸化部１５では、一酸化炭素濃度を１０ppm以下にまで低下させることができる。選択酸化部１５で一酸化炭素濃度が低減した改質ガスＧ２は、改質ガス流出部５０から流出する。
【００３２】
なお、ＣＯ変成部１３では、シフト触媒Ｃ３を効果的に機能させるために改質部１１よりも低温の３００°Ｃ程度に維持する必要がある。従来の水素製造装置（特許文献１及び特許文献２参照）では、ガスバーナの火炎方向側にＣＯ変成部が配置されているため、火炎の影響を避けるための様々な工夫が必要である。しかしながら、ガスバーナの火炎方向では非常に高温になり、適当な断熱材や冷却のための適当な熱媒がないために冷却のための広いスペースが必要になってコンパクト化が難しく、さらに、改質部やＣＯ変成部で触媒反応を効果的に発揮させるための熱バランスの維持が困難であった。しかしながら、ＦＰＳ３Ａでは、燃焼筒９とＣＯ変成部１３との間に上流側改質部２３が設けられており、上流側改質部２３で熱遮断と熱回収が行われるために、冷却のためのスペースを狭くでき、ＦＰＳ３Ａ自体の小型化に有効であると共に、所定の温度に制御し易くなって熱バランスの維持に好適である。
【００３３】
ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（不図示）が積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３Ａで得られた改質ガスＧ２を用いて発電してＤＣ電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された電解質である高分子のイオン交換膜とを有しており、アノードに改質ガスＧ２を導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。
【００３４】
インバータ５は、出力されたＤＣ電流をＡＣ電流に変換する。筐体６は、その内部に脱硫器２、ＦＰＳ３Ａ、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。
【００３５】
また、燃料電池システム１は、燃料Ｑを筐体６の外部からＦＰＳ３Ａに導入するための燃料ラインＬ１を備えている。燃料ラインＬ１上には、脱硫器２が設けられている。燃料ラインＬ１の脱硫器２よりも下流側は分岐しており、一方は、燃料Ｑを改質部１１に導入する燃料ラインＬ１１となり、他方は、燃料Ｑをバーナ９に供給する燃料ラインＬ１２となっている。
【００３６】
また、燃料電池システム１は、水蒸気改質に用いられるプロセス水Ｗを改質部１１に導入する水導入ラインＬ２を備えている。水導入ラインＬ２は、ＦＰＳ３Ａに設けられたプロセス水供給部３７（図２参照）に接続されている。
【００３７】
上記のＦＰＳ３Ａによれば、燃焼筒９からの噴出直後の最も高温の燃焼ガスＧ１を上流側改質部２３で受け、この燃焼ガスＧ１を利用して上流側改質部２３の改質触媒を加熱することができる。したがって、燃焼筒９の軸線Ｌに沿ったバーナ部７の火炎方向の熱遮断と熱回収とを上流側改質部２３で行うことができる。さらに、燃焼筒９の外周面９ｃからの伝熱によって下流側改質部２４の改質触媒を加熱することができる。その結果として、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができ、水蒸気改質を促進して改質ガスＧ２の効率的な生成が可能なる。
【００３８】
さらに、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率的に加熱できることで、温度低下に起因した改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２の機能の低下を抑制し易く、その分、改質触媒Ｃ１や改質触媒Ｃ２の減量化にも有効であって小型化に有利である。
【００３９】
さらに、上流側改質部２３は、燃焼筒９の軸線Ｌ上に、燃料Ｑが気化した気化燃料及びプロセス水Ｗの水蒸気を燃焼筒９に向けて流入させる導入部２７を有し、導入部２７では、バーナ部７から放射される火炎に対向するように気化燃料等が導入されるようになり、気化燃料や水蒸気の導入に起因した導入部２７付近の温度低下を抑えることができ、上流側改質部２３の改質触媒Ｃ２を効果的に加熱できる。
【００４０】
さらに、ＦＰＳ３Ａは、燃焼ガス流路４３を通過する燃焼ガスＧ１によって下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１を効率よく加熱でき、さらに、燃焼ガス流路４３を流下する燃焼ガスＧ１によって下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１を効率よく加熱でき、さらに、伝熱促進部４４を介して燃焼筒９から効率よく下流側改質部２４に熱伝達されるため、下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１を効率よく加熱できる。
【００４１】
また、上記のＦＰＳ３Ａを備える燃料電池システム１によれば、ＦＰＳ３Ａにおいて、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができ、その結果として、水蒸気改質を促進し、改質ガスＧ２の効率的な生成が可能なり、発電効率が向上する。
【００４２】
次に、第２の実施形態に係るＦＰＳ（水素製造装置）３Ｂについて図７を参照して説明する。なお、ＦＰＳ３Ｂについて、ＦＰＳ３Ａと同様の要素部材や構造については、ＦＰＳ３Ａと同一の符号を記して説明を省略する。
【００４３】
ＦＰＳ３Ｂは、改質部１１の周りを囲むように配置されたＣＯ変成部５１と選択酸化部５３と、を備えている。ＣＯ変成部５１は、選択酸化部５３の下側に隣接して設けられている。改質ガス用外筒部３９から下方に流出した改質ガスＧ２は、ＣＯ変成部５１内を上昇し、一酸化炭素が低減される。その後、ＣＯ変成部５１を流出した改質ガスＧ２は、選択酸化部５３に流入し、一酸化炭素濃度が１０ppmにまで削減され、改質ガス流出部５４から流出する。
【００４４】
ＦＰＳ３Ｂも、ＦＰＳ３Ａと同様に燃焼筒９からの噴出直後の最も高温の燃焼ガスＧ１を上流側改質部２３で受け、この燃焼ガスＧ１を利用して上流側改質部２３の改質触媒を加熱することができる。したがって、燃焼筒９の軸線Ｌに沿ったバーナ部７の火炎方向の熱遮断と熱回収とを上流側改質部２３で行うことができる。さらに、燃焼筒９の外周面９ｃからの伝熱によって下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１を加熱することができる。その結果として、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができ、水蒸気改質を促進して改質ガスＧ２の効率的な生成が可能なる。
【００４５】
また、ＦＰＳ３Ａの代わりに、ＦＰＳ３Ｂを備えた燃料電池システム１によっても、ＦＰＳ３Ｂにおいて、改質触媒Ｃ１及び改質触媒Ｃ２を効率良く加熱することができ、その結果として、水蒸気改質を促進し、改質ガスの効率的な生成が可能となり、発電効率が向上する。
【００４６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、水素製造用原料として灯油を用いたが、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、バイオマスを利用したバイオ燃料を用いてもよい。また、天然ガス、液化石油ガス、消化ガス等の気体燃料を用いてもよい。なお、この場合には、脱硫器（脱硫方法）及び改質器（改質方法）は、用いる燃料の特性に応じたものとされる。
【００４８】
改質触媒に用いられる貴金属系水蒸気改質触媒としては、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩ属金属を用いることもできる。
【００４９】
また、上流側改質部２３と下流側改質部２４とを接続する連絡部２５には、多孔板１８を設けなくてもよく、上流側改質部２３の改質触媒Ｃ２と下流側改質部２４の改質触媒Ｃ１とが境界無く連絡しているような態様であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る水素製造装置を用いた燃料電池システムの概略を示す図である。
【図２】第１実施形態に係るＦＰＳ（水素製造装置）の概略を示す断面図である。
【図３】上流側改質部の概略を示す断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、上流側改質部に設けられた複数のガイド板を示す図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】上流側改質部に設けられた複数のガイド板の変形例を示す図である。
【図７】第２実施形態に係るＦＰＳ（水素製造装置）の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料電池システム、３Ａ，３Ｂ…ＦＰＳ（水素製造装置）、４…ＰＥＦＣスタック（燃料電池装置）、７…バーナ部、９…燃焼筒、９ａ…燃焼筒の上端部（一方の端部）、９ｂ…燃焼筒の下端部（他方の端部）、９ｃ…燃焼筒の外周面、１８…多孔板、２２…筐体部、２３…上流側改質部、２４…下流側改質部、２５…連絡部、２７…導入部、２９，３１…ガイド板（ガイド部）、４３…燃焼ガス流路、４４…伝熱促進部、Ｃ１，Ｃ２…改質触媒、Ｇ２…改質ガス、Ｆ…火炎、Ｑ…燃料（水素製造用原料）、Ｌ…燃焼筒の軸線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素製造用原料が流入する改質触媒を加熱することで水蒸気改質を促進して水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置において、
前記改質触媒を加熱するための燃焼筒と、
前記燃焼筒内で、前記燃焼筒の一方の端部側から他方の端部側に向けて火炎を形成するバーナ部と、
前記燃焼筒の外周面に沿って前記改質触媒を配置した下流側改質部と、
前記下流側改質部に接続されると共に、前記燃焼筒の前記他方の端部側で、前記燃焼筒の軸線に交差するように前記改質触媒を配置した上流側改質部と、を備えたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記上流側改質部は、
前記燃焼筒の軸線上に設けられると共に、前記水素製造用原料を前記燃焼筒に向けて流入させる導入部を更に有することを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記上流側改質部は、
前記改質触媒を収容する筐体部と、
前記筐体部内で、前記燃焼筒の軸線を中心にして放射状に設けられた複数のガイド部と、を更に有し、
前記筐体部には、複数の前記ガイド部によって囲まれた内側に前記導入部が設けられ、複数の前記ガイド部の外側には、前記下流側改質部に接続された連絡部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記連絡部には、多孔板が設けられていることを特徴とする請求項３記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記燃焼筒と前記下流側改質部との間に設けられた燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路内に配置されると共に、前記燃焼筒と前記下流側改質部とを熱交換可能に接続する伝熱促進部と、を更に備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水素製造装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項記載の水素製造装置と、前記水素製造装置によって生成された改質ガスを利用して発電する燃料電池装置と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
水素製造用原料が流入する改質触媒を加熱することで水蒸気改質を促進して水素リッチな改質ガスを生成する水素製造装置において、
前記改質触媒を加熱するための燃焼筒と、
前記燃焼筒内で、前記燃焼筒の一方の端部側から他方の端部側に向けて火炎を形成するバーナ部と、
前記燃焼筒の外周面に沿って前記改質触媒を配置した下流側改質部と、
前記下流側改質部に接続されると共に、前記燃焼筒の前記他方の端部側で、前記燃焼筒の軸線に交差するように前記改質触媒を配置した上流側改質部と、を備えたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記上流側改質部は、
前記燃焼筒の軸線上に設けられると共に、前記水素製造用原料を前記燃焼筒に向けて流入させる導入部を更に有することを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記上流側改質部は、
前記改質触媒を収容する筐体部と、
前記筐体部内で、前記燃焼筒の軸線を中心にして放射状に設けられた複数のガイド部と、を更に有し、
前記筐体部には、複数の前記ガイド部によって囲まれた内側に前記導入部が設けられ、複数の前記ガイド部の外側には、前記下流側改質部に接続された連絡部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記連絡部には、多孔板が設けられていることを特徴とする請求項３記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記燃焼筒と前記下流側改質部との間に設けられた燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路内に配置されると共に、前記燃焼筒と前記下流側改質部とを熱交換可能に接続する伝熱促進部と、を更に備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水素製造装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項記載の水素製造装置と、前記水素製造装置によって生成された改質ガスを利用して発電する燃料電池装置と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−７２０４（Ｐ２００９−７２０４Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７０６７４（Ｐ２００７−１７０６７４）
【出願日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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