JP2004244230A

JP2004244230A - Cross-flow type fuel reformer

Info

Publication number: JP2004244230A
Application number: JP2003032570A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shimazu; 孝志満津; Hiroshi Aoki; 博史青木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-10
Also published as: JP4210906B2

Abstract

【課題】内部における高温領域の発生を抑制し、改質反応を均一に進行することのできる直交流型燃料改質器を提供する。
【解決手段】積層された複数のプレート２と、プレート２間に形成され改質燃料ガスが流れる改質流路３と、改質流路３の形成されていないプレート２間に形成され燃焼用ガスの流れる燃焼流路４１、４２とを備え、改質燃料ガスと燃焼用ガスとが互いにほぼ直交して流れる直交流型燃料改質器において、改質流路３における改質触媒および燃焼流路４１、４２における燃焼触媒のうち少なくとも一方を、改質反応における吸熱と燃焼用ガスの燃焼反応における発熱とが調整されるよう配分して担持する。
【選択図】図２A cross-flow type fuel reformer capable of suppressing generation of a high-temperature region in the inside thereof and allowing a reforming reaction to proceed uniformly.
Kind Code: A1 A plurality of stacked plates, a reforming passage formed between the plates, through which a reformed fuel gas flows, and a combustion passage formed between the plates without the reforming passage. In a cross-flow type fuel reformer having combustion passages 41 and 42 through which gas flows and in which a reformed fuel gas and a combustion gas flow substantially orthogonally to each other, the reforming catalyst and the combustion flow in the reforming passage 3 At least one of the combustion catalysts in the passages 41 and 42 is distributed and carried so that heat absorption in the reforming reaction and heat generation in the combustion reaction of the combustion gas are adjusted.
[Selection] Fig. 2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系燃料を改質反応により改質して水素を生成する燃料改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用、低公害の自動車用電源等、種々の用途が期待されている。燃料電池は、水素ガスを燃料極に、空気等の酸化剤ガスを酸素極に供給することで発電する。燃料電池の燃料となる水素ガスは、メタノール、メタン、ガソリン等の炭化水素系燃料を改質して生成される。
【０００３】
燃料改質器は、上記炭化水素系燃料と水蒸気とを含む改質燃料ガスから、改質反応により水素リッチガスを生成する装置である。例えば、炭化水素系燃料として、メタンを使用した場合には、改質反応は、式ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯで表される反応となる。この改質反応は、吸熱反応であるため、反応時には熱を供給することが必要となる。
【０００４】
改質燃料ガスを効率良く加熱し、改質反応を促進させるという観点から、様々な構造の燃料改質器が提案されている。一例として、交互に配置された改質部と燃焼部とを有し、燃焼部で燃焼用ガスを触媒燃焼させ、発生した熱を伝熱により改質部での改質反応へ用いる燃料改質器がある。この種の燃料改質器には、例えば、改質燃料ガスと燃焼用ガスとが同一方向に並行に流れる並行流型燃料改質器や、改質燃料ガスと燃焼用ガスとが対向して並行に流れる対向流型燃料改質器がある。これらの燃料改質器は、熱交換効率が高く、改質反応が均質に進行するという利点がある。しかし、同じ方向に開口したマニホールド設計となるため、ガスを配流する点において構造が複雑となり、コストもかかる。一方、改質燃料ガスと燃焼用ガスとが直交するように流れる直交流型燃料改質器がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１２６００２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
直交流型燃料改質器では、改質燃料ガスと燃焼用ガスとが異なる方向から供給されるため、マニホールドの設計が容易となる。しかしながら、改質反応による吸熱の大きな領域と、触媒燃焼反応による発熱の大きな領域とがずれてしまうため、改質器内部にて温度分布が生じ、局所的に高温領域が生じてしまうという問題がある。以下具体的に、図を用いて説明する。
【０００７】
図１４に、直交流型燃料改質器の構造例を示す。図１４に示すように、直交流型燃料改質器１００は、プレート２００と、改質流路３００と、燃焼流路４００とを備える。プレート２００は、ステンレス鋼製であり、複数積層されている。改質流路３００と燃焼流路４００とは、隣り合うプレート２００間に交互に形成されている。改質流路３００を形成するプレート２００の表面には、改質反応を進行させるための改質触媒が担持されている。また、燃焼流路４００を形成するプレート２００の表面には、燃焼用ガスを燃焼させるための燃焼触媒が担持されている。改質流路３００には、図１４中左側から改質燃料ガスが供給される。燃焼流路４００には、図１４中下側から燃焼用ガスが供給される。燃焼流路４００にて燃焼反応が進行し、燃焼により生じた熱は、プレート２００を介して改質流路３００へ伝達される。改質流路３００では、伝達された熱を利用して改質反応が進行する。
【０００８】
ここで、直交流型燃料改質器を構成する一枚のプレートの両表面での反応状態について考察する。図１４に示したように、改質流路と燃焼流路とが交互に形成されているため、一枚のプレートの一方の表面には改質触媒が担持され、他方の表面には燃焼触媒が担持されている。また、改質触媒および燃焼触媒は、プレートの表面全体に均一に担持されている。図１５に、上記一枚のプレートの両表面での反応状態のモデル図を示す。図１５において、プレートの表側（改質側）には改質燃料ガスが流れており、プレートの裏側（燃焼側）には燃焼用ガスが流れている。図１５では、プレートの裏側における反応状態を、点線で示している。改質触媒が担持され、改質反応が行われる改質側では、改質燃料ガスの濃度の高い上流側で反応が進行し易い。つまり、改質燃料ガスの上流側で吸熱が大きい。一方、燃焼触媒が担持され、燃焼用ガスの燃焼反応が行われる燃焼側では、燃焼用ガスの濃度の高い上流側で反応が進行し易い。つまり、燃焼用ガスの上流側で発熱が大きい。つまり、直交流型燃料改質器では、改質燃料ガスの反応勾配と、燃焼用ガスの反応勾配とが直交する傾向を示す。以下、上記一枚のプレートをａ、ｂ、ｃ、ｄの四つの領域に分けて考える。ａは、発熱と吸熱とがともに大きい領域である。したがって、触媒燃焼により生じた熱は、有効に改質反応に利用される。また、ｂは、吸熱が大きく発熱が小さい領域である。さらに、ｃは、吸熱と発熱とがともに小さい領域である。このため、領域ｂ、ｃでは、温度が過度に上昇する可能性は少ない。一方、ｄは、吸熱は小さいが発熱が大きい領域である。また、領域ｄに流入する改質燃料ガスは、ほぼ水素リッチガスに転化され、高温状態となっている。そのため、領域ｄは高温状態となる。つまり、燃料改質器の内部で、過度の高温領域が局所的に生じることになる。燃料改質器の内部が高温になり過ぎると、改質触媒、燃焼触媒、触媒を担持する担体、プレート等が劣化し、燃料改質器の耐久性が低下する。
【０００９】
上記特許文献１に記載された直交流型燃料改質器では、燃焼触媒を、燃焼用ガスの下流側が高密度になるよう担持させている。しかし、この担持方法は、燃焼用ガスの下流側でも充分な発熱を確保するものであり、燃料改質器内部における高温領域の発生を解消するものではない。
【００１０】
本発明は、直交流型燃料改質器における上記問題を解決するためになされたものであり、改質触媒および燃焼触媒のうち少なくとも一方の担持配分を調整することで、内部における高温領域の発生を抑制し、改質反応を均一に進行することのできる直交流型燃料改質器を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の直交流型燃料改質器は、積層された複数のプレートと、該複数のプレート間に形成され、炭化水素系燃料を含む改質燃料ガスが流れる改質流路と、該複数のプレート間に形成され、燃焼用ガスが流れる燃焼流路とを備え、該改質燃料ガスと該燃焼用ガスとが互いにほぼ直交して流れる直交流型燃料改質器であって、前記改質流路を形成するプレートの表面には、改質反応を進行させるための改質触媒が担持され、前記燃焼流路を形成するプレートの表面には、前記燃焼用ガスを燃焼させるための燃焼触媒が担持され、該改質触媒および該燃焼触媒のうち少なくとも一方は、改質反応における吸熱と燃焼用ガスの燃焼反応における発熱とが調整されるよう配分されたことを特徴とする。
【００１２】
上述したように、従来の直交流型燃料改質器では、燃料改質器内の一部の領域にて、改質反応による吸熱と燃焼反応による発熱とのバランスが悪かった。つまり、燃料改質器内の一部の領域にて、燃焼用ガスの燃焼反応で生じた熱量が、改質反応で必要な熱量より過剰になり過ぎていた。そのため、燃料改質器内の一部で温度が上昇し、高温領域が生じていた。
【００１３】
本発明の直交流型燃料改質器では、改質触媒および燃焼触媒のうち少なくとも一方の担持配分を調整して、吸熱と発熱とのバランスをとっている。ここで、「バランス」とは、必ずしも発熱量と吸熱量とが等しい状態のみを意味するものではない。発熱量と吸熱量とが等しい状態に加え、過度の温度上昇を招かない程度であれば、発熱量が吸熱量を上回っている状態をも含む概念である。
【００１４】
具体的には、改質触媒および燃焼触媒のうち少なくとも一方の担持量を、担持させる位置によって変化させる。その結果、個々の領域での吸熱量や発熱量が調整され、局所的な温度上昇が抑制される。また、燃焼側で生じた熱が、燃焼用ガスの顕熱上昇ではなく、改質反応へ有効に利用されるため、改質効率が向上する。したがって、本発明の直交流型燃料改質器では、燃料改質器の内部における高温領域の発生が抑制され、改質反応が効率良く進行する。また、局所的な温度上昇が抑制されるため、本発明の直交流型燃料改質器は耐久性に優れる。
【００１５】
（２）本発明の直交流型燃料改質器は、前記燃焼流路を形成するプレートにおける前記改質燃料ガスの下流域かつ前記燃焼用ガスの上流域に対応する部位では、前記燃焼触媒の担持量が少ない、あるいは前記燃焼触媒が担持されていない態様を採用することが望ましい。
【００１６】
本態様では、燃焼流路における燃焼触媒の担持配分を調整している。つまり、直交型燃料改質器を作動させた際、高温になる領域に対応する部位には、担持させる燃焼触媒の量を予め少なくするか、あるいは燃焼触媒を担持しないようにする。上述したように、直交流型燃料改質器では、吸熱が小さく発熱が大きい領域、つまり、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域で、高温状態となり易い。したがって、その領域に対応する部位における燃焼触媒を他の部位より減量する、あるいは非担持とすることで、発熱反応である触媒燃焼を抑制し、過度の温度上昇を抑制することができる。
【００１７】
（３）上記（２）の態様を採用した場合、前記燃焼流路を形成するプレートにおいて、前記燃焼触媒は、少なくとも前記改質燃料ガスの上流域かつ前記燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持されていることが望ましい。
【００１８】
上述したように、改質燃料ガスの上流域では、改質燃料ガス濃度が高いため改質反応が進行し易い。よって、改質燃料ガスの上流域では吸熱が大きい。したがって、改質燃料ガスの上流域と、燃焼用ガス濃度が高く大きな発熱の期待できる燃焼用ガスの上流域とが重複する部位に、燃焼触媒を担持させることで、燃焼により生じた熱を有効に改質反応に利用して、改質効率を向上させることができる。
【００１９】
（４）本発明の直交流型燃料改質器は、前記燃焼用ガスの下流域における前記燃焼触媒の担持面積が、該燃焼用ガスの上流域における該燃焼触媒の担持面積より小さい態様を採用することが望ましい。
【００２０】
本態様は、上記（２）の態様と同様に、燃焼流路における燃焼触媒の担持配分を調整したものである。燃焼用ガスの上流域において、触媒燃焼により発生した熱は、燃焼用ガスの顕熱として下流へ移送される。よって、燃焼触媒の担持密度を一定とした場合、燃焼用ガスの下流域に、上流域と同じ面積の燃焼触媒が担持されていると、下流域の熱量は、燃焼触媒による発熱量と燃焼用ガスの顕熱として移送された熱量との和となる。つまり、下流域における熱量が大きくなる。本態様では、下流域の触媒面積が上流域の触媒面積よりも小さいため、下流域における触媒燃焼による発熱が減少し、温度上昇が抑制される。
【００２１】
（５）本発明の直交流型燃料改質器は、前記燃焼用ガスの下流域における前記燃焼触媒の担持量が、該燃焼用ガスの上流域における該燃焼触媒の担持量より少ない態様を採用することが望ましい。
【００２２】
本態様も、上記（２）の態様と同様に、燃焼流路における燃焼触媒の担持配分を調整したものである。上述したように、燃焼用ガスの上流域において、触媒燃焼により発生した熱は、燃焼用ガスの顕熱として下流へ移送される。よって、燃焼用ガスの下流域に、上流域と同じ量の燃焼触媒が担持されていると、下流域の熱量は、燃焼触媒による発熱量と燃焼用ガスの顕熱として移送された熱量との和となる。つまり、下流域における熱量が大きくなる。本態様では、下流域の触媒量が上流域の触媒量よりも少ないため、下流域における触媒燃焼による発熱が減少し、温度上昇が抑制される。
【００２３】
（６）本発明の直交流型燃料改質器は、前記複数のプレート間が、該プレートの面方向に延びる仕切壁により区画され、該仕切壁により区画された各々の区画流路が前記燃焼流路となり、前記燃焼用ガスが該燃焼流路を順に往復して流れる態様を採用することが望ましい。
【００２４】
本態様では、一対のプレート間に複数の燃焼流路が形成されている。例えば、プレート間を仕切壁により二つに区画して、第一燃焼流路と第二燃焼流路とを形成することができる。このように、二つの燃焼流路を形成した態様において、燃焼用ガスを第一燃焼流路へ供給した場合には、第一燃焼流路を通過したガスは、燃焼用ガスの供給方向とは逆の方向で、第二燃焼流路へ供給される。つまり、供給された燃焼用ガスは燃料改質器内でＵターンし、供給された側と同じ側から排出される。この場合、供給される燃焼用ガスの濃度が高く、改質燃料ガスの上流域に対応する第一燃焼流路において、上記（２）〜（５）の態様を採用するとより望ましい。
【００２５】
本態様における燃焼流路は、一対のプレート間に一つの燃焼流路が形成された場合と比較して、反応可能な面積が小さい。そのため、燃焼用ガスが最初に通過する燃焼流路では、一部の燃焼用ガスが、未反応のまま通過すると考えられる。この未反応の燃焼用ガスは、後に続く燃焼流路において燃焼される。このように、燃焼反応を複数の燃焼流路にて段階的に行うことで、過度の発熱が抑制され、温度上昇が抑制される。
【００２６】
また、改質燃料ガスの上流域では、改質燃料ガス濃度が高いため、改質反応が進行し易く吸熱が大きい。よって、改質燃料ガスの上流域に対応する燃焼流路における発熱量が大きい場合には、改質反応をより促進することができる。燃焼用ガスが最初に通過する燃焼流路にて、発熱量が最も大きくなるよう燃焼触媒の担持配分を調整することで、燃焼により生じた熱を改質反応へ有効に利用させることができる。また、燃焼用ガスの燃焼反応を、改質燃料ガスの上流側へ集中させることで、並行流型燃料改質器における改質反応に近い状態を実現することができる。すなわち、改質効率を高くすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の直交流型燃料改質器の実施形態について詳しく説明する。
【００２８】
（１）第一実施形態
まず、本実施形態の直交流型燃料改質器の構成を説明する。図１に、本実施形態の直交流型燃料改質器の流路構造の斜視図を示す。なお、図１では、流路構造の一部のみを拡大して示している。つまり、本実施形態の直交流型燃料改質器では、図１に示す流路構造が、プレートの積層方向に繰り返し展開されている。
【００２９】
図１に示すように、直交流型燃料改質器１は、プレート２と、改質流路３と、第一燃焼流路４１と、第二燃焼流路４２とを備える。プレート２は、ステンレス鋼製であり、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ５００μｍの薄板状を呈している。プレート２は、複数積層されており、隣り合うプレート２の間は、５００μｍである。改質流路３と、第一燃焼流路４１および第二燃焼流路４２とは、隣り合うプレート２間に交互に形成されている。
【００３０】
改質流路３を形成するプレート２の表面には、改質触媒としてロジウム（Ｒｈ）系触媒が担持されている。改質触媒は、該プレート２の表面全体にほぼ均一に担持されている。
【００３１】
改質流路３が形成されていない隣り合うプレート２の間には、プレート２の面方向に延びる仕切壁２０が設けられている。仕切壁２０は、ステンレス鋼製であり、角柱状を呈している。仕切壁２０により、隣り合うプレート２の間が二つに区画され、二つの区画流路が形成されている。二つの区画流路は、それぞれ第一燃焼流路４１、第二燃焼流路４２となっている。第一燃焼流路４１および第二燃焼流路４２は、本発明の直交流型燃料改質器における燃焼流路に相当する。つまり、燃焼流路は、改質流路３が形成されていない隣り合うプレート２の間に、二つずつ形成されている。第一燃焼流路４１および第二燃焼流路４２を形成するプレート２の表面には、燃焼触媒として白金（Ｐｔ）系触媒が担持されている。燃焼触媒は、改質反応における吸熱と燃焼用ガスの燃焼反応における発熱とが調整されるよう配分担持されている。第一燃焼流路４１および第二燃焼流路４２を形成するプレート２の表面における燃焼触媒の配置については、後述する。
【００３２】
次に、本実施形態の直交流型燃料改質器における改質機構を説明する。改質流路３には、図中左側から改質燃料ガスが供給される。第一燃焼流路４１には、図中下側から燃焼用ガスが供給される。第一燃焼流路４１を通過したガスは、Ｕターンして第二燃焼流路４２へ供給される。第一燃焼流路４１および第二燃焼流路４２にて燃焼反応が進行し、燃焼により生じた熱は、プレート２を介して改質流路３へ伝達される。改質流路３では、伝達された熱を利用して改質反応が進行する。
【００３３】
次に、プレートの表面における改質触媒および燃焼触媒の配置を説明する。本実施形態では、第一燃焼流路同士等、図中番号の同じ燃焼流路において、燃焼触媒の配置は同じである。また、改質触媒の配置は、すべての改質流路において同じである。図２に、直交流型燃料改質器を構成するプレートを三枚だけ示す。図２において、紙面最前列のプレート２１と、前から二枚目のプレート２２との間には、改質流路３が形成されている。また、前から二枚目のプレート２２と三枚目のプレート２３との間には、第一燃焼流路４１および第二燃焼流路４２が形成されている。なお、プレート２１の表側も、第一燃焼流路４１および第二燃焼流路４２を形成している。
【００３４】
図２中、斜線部分は、改質触媒の担持位置を示す。また、黒塗り部分は、燃焼触媒の担持位置を示す。図２中斜線で示すように、プレート２１、２２における改質流路３側の表面全体には、改質触媒がほぼ均一に担持されている。一方、プレート２１〜２３の表面における第一燃焼流路４１を形成する部位には、燃焼触媒が分散して担持されている。なお、各々の部位における燃焼触媒の担持密度は同じである。また、プレート２１〜２３の表面における第二燃焼流路４２を形成する部位には、燃焼触媒がほぼ均一に担持されている。
【００３５】
以下、第一燃焼流路４１における燃焼触媒の配置について詳しく説明する。第一燃焼流路４１では、燃焼触媒は、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持されている。しかし、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒は担持されていない。また、燃焼触媒は、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの下流域に対応する部位に担持されているが、その担持面積は、燃焼用ガスの上流域における担持面積より小さい。つまり、燃焼触媒は、燃焼用ガスの上流域と下流域とにおいて、担持面積が異なるよう二段の階段状に配置されている。
【００３６】
次に、第一燃焼流路４１および第二燃焼流路における、燃焼用ガスの流れおよび燃焼反応について説明する。燃焼用ガスは、まず、第一燃焼流路４１へ供給される。改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持された燃焼触媒により、同部位で燃焼反応が進行し熱が発生する。発生した熱は、プレート２１〜２３の各々を介して改質流路３へ伝達され、改質燃料ガスの改質反応に利用される。一方、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒が担持されていない。よって、改質燃料ガスの濃度がそれほど高くなく吸熱の少ない領域では、燃焼反応による発熱は生じない。未反応の燃焼用ガスは、燃焼用ガスの下流域にて担持された燃焼触媒により燃焼する。よって、燃焼用ガスの下流域にて熱が発生する。また、燃焼用ガスの上流域で発生した熱の一部は、図中点線の矢印で示すように、燃焼用ガスの顕熱として下流域へ移送される。よって、燃焼用ガスの下流域では、燃焼反応により生じた熱と、上流域から下流域へ移送された熱とが存在する。第一燃焼流路４１を通過した燃焼用ガスは、Ｕターンして第二燃焼流路４２へ供給される。第二燃焼流路４２を形成するプレート２１〜２３の表面には、燃焼触媒がほぼ均一に担持されている。そのため、未反応の燃焼用ガスの燃焼反応が進行する。第二燃焼流路４２を通過した後、燃焼用ガスは排出される。
【００３７】
第一燃焼流路４１では、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒は担持されていない。よって、改質燃料ガスの濃度がそれほど高くなく吸熱の少ない領域にて、燃焼反応による発熱は生じない。そのため、同領域での過度の温度上昇は抑制される。また、第一燃焼流路４１では、燃焼用ガスの下流域に担持された燃焼触媒の担持面積は、上流域の担持面積よりも小さい。言い換えれば、燃焼用ガスの下流域に担持された燃焼触媒の担持量は、上流域の担持量より少ない。このため、上流域での発熱量と比較して、下流域での発熱量は小さくなる。下流域で発生した熱は改質反応に利用されるため、燃焼用ガスの下流域において過度に温度が上昇することはない。このように、第一燃焼流路４１では、燃焼触媒の担持配分が調整されているため、高温領域の発生が抑制され、改質反応が効率よく進行する。
【００３８】
第二燃焼流路４２では、第一燃焼流路４１において反応しなかった未反応の燃焼用ガスが燃焼する。よって、燃焼用ガスのロスは少ない。また、第二燃焼流路４２では、燃焼用ガスの濃度は低くなっているため、燃焼反応は穏やかに進行し、過度の温度上昇はない。そして、燃焼反応により生じた熱は、プレート２１〜２３の各々を介して改質流路３へ伝達され、改質反応へ利用される。このように、一対のプレート間に二つの燃焼流路を設けることで、燃焼反応を段階的に行うことができる。その結果、過度の発熱が抑制され、温度上昇が抑制される。また、燃焼用ガスの燃焼反応を、改質燃料ガスの上流側へ集中させることができる。その結果、並行流型燃料改質器における改質反応に近い状態を実現することができ、改質効率が高くなる。
【００３９】
（２）第二実施形態
第二実施形態と第一実施形態との相違点は、第一燃焼流路における燃焼触媒の担持位置を変更した点である。それ以外の構成は、第一実施形態と同じであるため、ここでは、主に第一燃焼流路における燃焼触媒の担持位置について説明する。
【００４０】
本実施形態の直交流型燃料改質器において、第一燃焼流路および第二燃焼流路を形成する一枚のプレート表面を図３に示す。なお、図２と対応する部材は同じ符号で示す。プレート２１は、図中点線で示す位置で、図示しない仕切壁にて仕切られている。プレート２１の左半分が第一燃焼流路４１を、右半分が第二燃焼流路４２を形成する。図３中、黒塗り部分は、燃焼触媒の担持位置を示す。図３に示すように、プレート２１の表面における第一燃焼流路４１を形成する部位には、燃焼触媒が分散して担持されている。また、プレート２１の表面における第二燃焼流路４２を形成する部位には、燃焼触媒がほぼ均一に担持されている。
【００４１】
以下、第一燃焼流路４１における燃焼触媒の配置について詳しく説明する。第一燃焼流路４１では、燃焼触媒は、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持されている。しかし、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒は担持されていない。また、燃焼触媒は、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの下流域に対応する部位に担持されているが、その担持面積は、燃焼用ガスの上流域における担持面積より小さい。そして、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの下流域に対応する部位に担持された燃焼触媒の位置は、第一実施形態における同燃焼触媒の位置と比較して、改質燃料ガスの下流側にシフトしている。このように、燃焼触媒は、燃焼用ガスの上流域と下流域とに分散され、各々の担持面積が異なるよう配置されている。
【００４２】
本実施形態では、燃焼触媒が分散され、かつその担持面積が調整されているため、上記第一実施形態と同様、燃料改質器における高温領域の発生が抑制され、改質反応が効率よく進行する。
【００４３】
（３）第三実施形態
第三実施形態と第一実施形態との相違点は、第一燃焼流路における燃焼触媒の担持位置を変更した点である。それ以外の構成は、第一実施形態と同じであるため、ここでは、主に第一燃焼流路における燃焼触媒の担持位置について説明する。
【００４４】
本実施形態の直交流型燃料改質器において、第一燃焼流路および第二燃焼流路を形成する一枚のプレート表面を図４に示す。なお、図２と対応する部材は同じ符号で示す。プレート２１は、図中点線で示す位置で、図示しない仕切壁にて仕切られている。プレート２１の左半分が第一燃焼流路４１を、右半分が第二燃焼流路４２を形成する。図４中、黒塗り部分は、燃焼触媒の担持位置を示す。図４に示すように、プレート２１の表面における第一燃焼流路４１を形成する部位の一部には、燃焼触媒が担持されていない。また、プレート２１の表面における第二燃焼流路４２を形成する部位には、燃焼触媒がほぼ均一に担持されている。
【００４５】
以下、第一燃焼流路４１における燃焼触媒の配置について詳しく説明する。第一燃焼流路４１では、燃焼触媒は、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には担持されていない。一方、燃焼触媒は、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持されている。さらに、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの下流域に対応する部位、および、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの下流域に対応する部位の一部にも、燃焼触媒は担持されている。つまり、本実施形態と第一実施形態とでは、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの下流域に対応する部位における燃焼触媒の有無が異なる。本実施形態では、上記部位にも燃焼触媒が担持されている。そのため、本実施形態では、燃焼触媒の担持面積は、燃焼用ガスの上流域よりも下流域の方が大きくなっている。
【００４６】
本実施形態では、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒は担持されていない。よって、改質燃料ガスの濃度がそれほど高くなく吸熱の少ない領域にて、燃焼反応による発熱は生じない。そのため、同領域での過度の温度上昇は抑制される。また、燃焼触媒の担持面積は、燃焼用ガスの上流域よりも下流域の方が大きくなっている。第一燃焼流路４１において、燃焼用ガスの下流域は、上流域で燃焼反応が進行するため、燃焼用ガスの濃度が比較的低い領域となる。さらに、改質燃料ガスの上流域に対応する領域では、改質反応による吸熱が大きい。そのため、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの下流域に対応する部位に燃焼触媒が担持されていても、燃焼反応による発熱はそれほど大きくならない。よって、同部位における燃焼触媒の有無は、燃料改質器内部における温度上昇にあまり影響がない。したがって、本実施形態においても、上記第一実施形態と同様、燃料改質器における高温領域の発生を抑制し、改質反応を効率よく進行させることができる。
【００４７】
（４）第四実施形態
第四実施形態と第一実施形態との相違点の一つは、燃焼流路が形成される一対のプレート間が仕切壁で区画されておらず、同プレート間に、燃焼流路が一つだけ形成された点である。すなわち、本実施形態の直交流型燃料改質器は、上記図１４に示した構造を有する。図１４に示したように、供給された燃焼用ガスは、隣り合うプレート間に形成された一つの燃焼流路を通過した後、そのまま排出される。また、もう一つの相違点は、燃焼流路における燃焼触媒の担持位置が異なる点である。それ以外の構成は、第一実施形態と同じである。そのため、ここでは、燃焼流路における燃焼触媒の担持位置について説明する。
【００４８】
まず、燃焼触媒の配置を説明する。図５に、本実施形態の直交流型燃料改質器における、燃焼流路を形成する一枚のプレート表面を示す。図５中、黒塗り部分は、燃焼触媒の担持位置を示す。なお、図５中、改質燃料ガスは、点線矢印で示したように、プレート５の裏側を左側から右側へ流れる。燃焼用ガスは、白抜き矢印で示したように、下側から上側へ流れる。図５に示すように、燃焼触媒は、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持されている。しかし、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒は担持されていない。また、燃焼触媒は、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの下流域に対応する部位に担持されているが、その担持面積は、燃焼用ガスの上流域における担持面積より小さい。つまり、燃焼触媒は、燃焼用ガスの上流域と下流域とにおいて、担持面積が異なるよう二段の階段状に配置されている。
【００４９】
次に、燃焼流路における、燃焼用ガスの流れおよび燃焼反応について説明する。図中下側から供給された燃焼ガスは、最初に、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持された燃焼触媒により燃焼する。燃焼用ガスの燃焼反応により熱が発生する。発生した熱は、プレート５の裏側に形成された改質流路へ伝達され、改質燃料ガスの改質反応に利用される。一方、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒が担持されていない。よって、改質燃料ガスの濃度がそれほど高くなく吸熱の少ない領域では、燃焼反応による発熱は生じない。また、該流域で反応しなかった燃焼用ガスは、燃焼用ガスの下流域にて担持された燃焼触媒により燃焼する。よって、燃焼用ガスの下流域にて熱が発生する。一方、燃焼用ガスの上流域で発生した熱の一部は、図中点線の矢印で示すように、燃焼用ガスの顕熱として下流域へ移送される。よって、燃焼用ガスの下流域では、燃焼反応により生じた熱と、上流域から下流域へ移送された熱とが存在する。燃焼流路を通過した燃焼用ガスは、図中上側へ排出される。
【００５０】
本実施形態では、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒は担持されていない。よって、改質燃料ガスの濃度がそれほど高くなく吸熱の少ない領域にて、燃焼反応による発熱は生じない。そのため、同領域での過度の温度上昇は抑制される。また、燃焼用ガスの下流域に担持された燃焼触媒の担持面積は小さい。このため、上流域での発熱量と比較して、下流域での発熱量は小さくなる。下流域で発生した熱は改質反応に利用されるため、燃焼用ガスの下流域において過度に温度が上昇することはない。このように、本実施形態では、燃焼触媒の担持配分が調整されているため、高温領域の発生が抑制され、改質反応が効率よく進行する。
【００５１】
（５）第五実施形態
第五実施形態と第四実施形態との相違点は、燃焼流路における燃焼触媒の担持位置を変更した点である。それ以外の構成は、第四実施形態と同じであるため、ここでは、主に燃焼流路における燃焼触媒の担持位置について説明する。
【００５２】
まず、燃焼触媒の配置を説明する。本実施形態の直交流型燃料改質器において、燃焼流路を形成する一枚のプレート表面を図６に示す。図６中、黒塗り部分は、燃焼触媒の担持位置を示す。なお、図６中、改質燃料ガスは、点線矢印で示したように、プレート５の裏側を左側から右側へ流れる。燃焼用ガスは、白抜き矢印で示したように、下側から上側へ流れる。図６に示すように、本実施形態では、燃焼触媒が、燃焼用ガスの上流から下流に向かって、かつ、改質燃料ガスの上流から下流に向かって、三段の階段状に担持されている。すなわち、燃焼触媒は、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持され、続いて、プレート５の対角線右上方向に、階段状に二カ所担持されている。よって、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒は担持されていない。また、燃焼触媒の担持面積は、改質燃料ガスの下流かつ燃焼用ガスの下流になるほど、小さくなっている。
【００５３】
次に、燃焼流路における、燃焼用ガスの流れおよび燃焼反応について説明する。図中下側から供給された燃焼ガスは、最初に、改質燃料ガスの上流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位に担持された燃焼触媒により燃焼する。燃焼用ガスの燃焼反応により熱が発生する。発生した熱は、プレート５の裏側に形成された改質流路へ伝達され、改質燃料ガスの改質反応に利用される。一方、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒が担持されていない。よって、改質燃料ガスの濃度がそれほど高くなく吸熱の少ない領域では、燃焼反応による発熱は生じない。また、該流域で反応しなかった燃焼用ガスは、燃焼用ガスの中流域および下流域に担持された燃焼触媒により順に燃焼する。よって、燃焼用ガスの中流域および下流域にて熱が発生する。一方、燃焼用ガスの上流域で発生した熱の一部は、図中点線の矢印で示すように、燃焼用ガスの顕熱として下流方向へ移送される。よって、燃焼用ガスの中流域および下流域では、燃焼反応により生じた熱と、上流域から移送された熱とが存在する。燃焼流路を通過した燃焼用ガスは、図中上側へ排出される。
【００５４】
本実施形態では、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位には、燃焼触媒は担持されていない。よって、改質燃料ガスの濃度がそれほど高くなく吸熱の少ない領域にて、燃焼反応による発熱は生じない。そのため、同領域での過度の温度上昇は抑制される。また、燃焼用ガスの中流域から下流域にかけて担持された燃焼触媒の面積は、徐々に小さくなっている、このため、上流域での発熱量と比較して、発熱量は徐々に小さくなる。燃焼用ガスの中流域および下流域においても、発生した熱は改質反応に利用されるため、該領域において過度に温度が上昇することはない。このように、本実施形態では、燃焼触媒の担持配分が調整されているため、高温領域の発生が抑制され、改質反応が効率よく進行する。
【００５５】
（６）その他
以上、本発明の直交流型燃料改質器の実施形態について説明した。しかしながら、本発明の直交流型燃料改質器は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の直交流型燃料改質器は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００５６】
例えば、上記実施形態では、改質流路と燃焼流路とを一つずつ交互に配置した。しかしながら、改質流路と燃焼流路との間で熱交換が可能であれば、各々の流路の配置は、特に限定されるものではない。例えば、改質流路と燃焼流路とを二つずつ交互に配置してもよく、また、一つの燃焼流路の両側に二つの改質流路を配置したサンドイッチ構造を繰り返してもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、燃焼触媒の担持配分を調整した。しかし、燃焼触媒に加えて、改質触媒の担持配分をも調整してもよい。また、改質触媒のみの担持配分を調整しても構わない。改質触媒の担持配分を調整する場合、燃焼用ガスの燃焼反応による発熱が大きい領域で、より改質反応が進行するよう改質触媒を担持させることが望ましい。改質触媒の担持配分の調整例を以下に示す。図１３に、改質流路を形成する一枚のプレート表面を示す。図１３中、斜線部分は改質触媒の担持位置を示し、斜線がクロスした部位は、他の部位に比べて改質触媒の担持密度が高いことを示す。なお、図１３中、改質燃料ガスは、白抜き矢印で示したように、プレート６の左側から右側へ流れる。燃焼用ガスは、点線矢印で示したように、プレート６の裏側を下側から上側へ流れる。図１３に示すように、改質触媒は、改質燃料ガスの下流域かつ燃焼用ガスの上流域に対応する部位における担持量が多くなるよう配分担持されている。つまり、燃焼反応による発熱の大きい領域で、改質反応が促進されることになる。したがって、燃焼反応による発熱が有効に改質反応へ利用される。
【００５８】
上記実施形態では、燃焼触媒の担持位置を調整して、吸熱と発熱とを調整した。燃焼触媒および改質触媒のいずれの担持配分を調整する場合であっても、吸熱と発熱との調整ができれば、その調整方法が特に限定されるものではない。各々の触媒の担持位置を調整する他、担持位置により担持密度や触媒の種類を変化させてもよい。例えば、触媒担持量の増減、触媒を担持させる担体量の増減、触媒粒子の大きさの調整、触媒の分散状態の調整等により、触媒の担持密度を担持位置によって変化させることができる。
【００５９】
第一実施形態〜第三実施形態では、一対のプレート間に燃焼流路を二つ形成した。そして、第一燃焼流路における燃焼触媒を、燃焼用ガスの上流域と下流域とで担持面積が異なるよう配置した。しかし、燃焼用ガスの上流域と下流域とにおける燃焼触媒の担持面積の大きさは、特に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、燃焼用ガスの上流域と下流域とで担持面積を同じにして、燃焼触媒を配置してもよい。また、例えば、図８に示すように、燃焼用ガスの上流域のみに、燃焼触媒を配置してもよい。図７および図８のいずれの態様であっても、燃焼触媒の担持配分が調整されているため、高温領域の発生が抑制される。
【００６０】
第四実施形態および第五実施形態では、一対のプレート間に燃焼流路を一つ形成した。そして、燃焼流路における燃焼触媒の担持配分を調整した。これらの形態においても、燃焼触媒の配置は、特に限定されるものではない。例えば、第四実施形態では、燃焼用ガスの上流域における担持面積が大きくなるよう、燃焼触媒を配置した。しかし、例えば、図９に示すように、燃焼用ガスの下流域における担持面積が大きくなるよう、燃焼触媒を配置してもよい。また、図１０に示すように、燃焼用ガスの上流域と下流域とで担持面積を同じにして、燃焼触媒を配置してもよい。さらに、図１１に示すように、改質燃料ガスの上流域に対応する部位のみに、燃焼触媒を二段の階段状に配置してもよい。また、第五実施形態では、燃焼用ガスの上流から下流方向に担持面積が小さくなるよう、燃焼触媒を配置した。しかし、例えば、図１２に示すように、燃焼用ガスの上流域、中流域、下流域において担持面積を同じにして、燃焼触媒を配置してもよい。図９〜図１２のいずれの態様であっても、燃焼触媒の担持配分が調整されているため、高温領域の発生が抑制される。
【００６１】
第一実施形態〜第三実施形態では、一対のプレート間に二つの燃焼流路を形成した。一対のプレート間における燃焼流路の数は、特に限定されるものではない。但し、流路の数が増えると、流路を通過するガスの圧力損失は増加する。したがって、ガスの圧力損失を考慮して、流路数を適当な数とすればよい。第一実施形態〜第三実施形態では、二つの燃焼流路の流路幅を等しくした。しかし、個々の燃焼流路の幅を等しくする必要はない。つまり、複数の燃焼流路を形成する場合には、個々の燃焼流路の幅を自由に設定することができる。
【００６２】
また、改質流路を、一対のプレート間に複数形成してもよい。なお、燃焼触媒の配置に対応させて、複数の改質流路を形成し、改質燃料ガスを流す改質流路を適宜選択することで、改質反応の制御が可能となる。
【００６３】
プレート表面における触媒の担持形状も、特に限定されるものではない。上記実施形態では、燃焼触媒を四角形状に担持させたが、円状や多角形状等種々の形状にて担持させることができる。改質流路および燃焼流路を形成するプレートに各触媒を担持させる方法は、特に限定されるものではない。例えば、触媒を分散担持させる場合には、プレート表面で触媒が担持されない部位をマスキングし、マスキングした部位以外に触媒を塗布等すればよい。その後、各プレートを積層させ燃料改質器を組み立てればよい。上記実施形態では、改質触媒をＲｈ系触媒とし、燃焼触媒をＰｔ系触媒とした。しかし、各々の触媒は、上記種類に限定されるものではない。例えば、上記触媒の他、Ｎｉ系、Ｃｕ系、Ｐｄ系触媒等、改質反応、燃焼反応のそれぞれに適当な触媒を適宜選択すればよい。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の直交流型燃料改質器では、改質触媒および燃焼触媒のうち少なくとも一方が、改質反応における吸熱と燃焼用ガスの燃焼反応における発熱とが調整されるよう配分されている。これにより、燃料改質器内部の各領域ごとの吸熱量と発熱量とが調整され、局所的な温度上昇が抑制される。また、燃焼側で生じた熱が、改質反応へ有効に利用されるため、改質効率が向上する。したがって、本発明の直交流型燃料改質器では、燃料改質器の内部における高温領域の発生が抑制され、改質反応が効率良く進行する。また、局所的な温度上昇が抑制されるため、本発明の直交流型燃料改質器は耐久性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態の直交流型燃料改質器における流路構造の斜視図を示す。
【図２】第一実施形態の直交流型燃料改質器を構成する三枚のプレートを示す。
【図３】第二実施形態の直交流型燃料改質器における、第一燃焼流路および第二燃焼流路を形成する一枚のプレート表面を示す。
【図４】第三実施形態の直交流型燃料改質器における、第一燃焼流路および第二燃焼流路を形成する一枚のプレート表面を示す。
【図５】第四実施形態の直交流型燃料改質器における、燃焼流路を形成する一枚のプレート表面を示す。
【図６】第五実施形態の直交流型燃料改質器における、燃焼流路を形成する一枚のプレート表面を示す。
【図７】燃焼触媒の配置例を示す。
【図８】燃焼触媒の配置例を示す。
【図９】燃焼触媒の配置例を示す。
【図１０】燃焼触媒の配置例を示す。
【図１１】燃焼触媒の配置例を示す。
【図１２】燃焼触媒の配置例を示す。
【図１３】改質触媒の配置例を示す。
【図１４】直交流型燃料改質器の構造例を示す。
【図１５】直交流型燃料改質器を構成する一枚のプレートの両表面での反応状態のモデル図を示す。
【符号の説明】
１：直交流型燃料改質器
２：プレート２０：仕切壁２１〜２３：プレート
３：改質流路
４１：第一燃焼流路４２：第二燃焼流路
５、６：プレート[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reformer that generates hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel by a reforming reaction.
[0002]
[Prior art]
Fuel cells, which generate electricity by electrochemical reaction of gas, have high power generation efficiency, and the discharged gas is clean and has very little effect on the environment. Applications are expected. A fuel cell generates power by supplying hydrogen gas to a fuel electrode and oxidizing gas such as air to an oxygen electrode. Hydrogen gas serving as fuel for a fuel cell is produced by reforming a hydrocarbon-based fuel such as methanol, methane, and gasoline.
[0003]
The fuel reformer is a device that generates a hydrogen-rich gas by a reforming reaction from a reformed fuel gas containing the hydrocarbon-based fuel and steam. For example, when methane is used as the hydrocarbon-based fuel, the reforming reaction has the formula CH ₄ + H ₂ O → 3H ₂ The reaction is represented by + CO. Since this reforming reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat during the reaction.
[0004]
From the viewpoint of efficiently heating the reformed fuel gas and promoting the reforming reaction, fuel reformers having various structures have been proposed. As an example, a fuel reforming unit having a reforming unit and a burning unit arranged alternately, in which a combustion gas is catalytically combusted in the burning unit, and the generated heat is used for a reforming reaction in the reforming unit by heat transfer. There is a vessel. In this type of fuel reformer, for example, a parallel flow type fuel reformer in which the reformed fuel gas and the combustion gas flow in parallel in the same direction, or the reformed fuel gas and the combustion gas are opposed to each other. There are counter-flow fuel reformers that flow in parallel. These fuel reformers have the advantage that the heat exchange efficiency is high and the reforming reaction proceeds homogeneously. However, since the manifold is designed to be opened in the same direction, the structure becomes complicated in terms of gas distribution, and the cost is increased. On the other hand, there is a cross-flow type fuel reformer in which a reformed fuel gas and a combustion gas flow orthogonally (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-7-126002
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the cross-flow type fuel reformer, since the reformed fuel gas and the combustion gas are supplied from different directions, the design of the manifold becomes easy. However, there is a problem that a region having large heat absorption due to the reforming reaction and a region having large heat generation due to the catalytic combustion reaction are shifted from each other, so that a temperature distribution is generated inside the reformer, and a high-temperature region is locally generated. is there. This will be specifically described below with reference to the drawings.
[0007]
FIG. 14 shows a structural example of a cross-flow type fuel reformer. As shown in FIG. 14, the cross-flow type fuel reformer 100 includes a plate 200, a reforming flow path 300, and a combustion flow path 400. The plate 200 is made of stainless steel and has a plurality of layers. The reforming passages 300 and the combustion passages 400 are alternately formed between the adjacent plates 200. On the surface of the plate 200 forming the reforming flow path 300, a reforming catalyst for promoting the reforming reaction is carried. Further, a combustion catalyst for burning the combustion gas is carried on the surface of the plate 200 forming the combustion flow path 400. The reforming fuel gas is supplied to the reforming channel 300 from the left side in FIG. A combustion gas is supplied to the combustion channel 400 from the lower side in FIG. The combustion reaction proceeds in the combustion channel 400, and the heat generated by the combustion is transmitted to the reforming channel 300 via the plate 200. In the reforming channel 300, the reforming reaction proceeds using the transferred heat.
[0008]
Here, the reaction state on both surfaces of one plate constituting the cross-flow type fuel reformer will be considered. As shown in FIG. 14, since the reforming passages and the combustion passages are alternately formed, the reforming catalyst is carried on one surface of one plate, and the combustion catalyst is carried on the other surface. Is carried. Further, the reforming catalyst and the combustion catalyst are uniformly supported on the entire surface of the plate. FIG. 15 shows a model diagram of a reaction state on both surfaces of the one plate. In FIG. 15, the reformed fuel gas flows on the front side (reforming side) of the plate, and the combustion gas flows on the back side (combustion side) of the plate. In FIG. 15, the reaction state on the back side of the plate is indicated by a dotted line. On the reforming side where the reforming catalyst is carried and the reforming reaction is performed, the reaction easily proceeds on the upstream side where the concentration of the reformed fuel gas is high. That is, heat absorption is large on the upstream side of the reformed fuel gas. On the other hand, on the combustion side where the combustion catalyst is carried and the combustion reaction of the combustion gas is performed, the reaction easily proceeds on the upstream side where the concentration of the combustion gas is high. That is, heat generation is large on the upstream side of the combustion gas. That is, in the cross-flow type fuel reformer, the reaction gradient of the reformed fuel gas and the reaction gradient of the combustion gas tend to be orthogonal. Hereinafter, the one plate is divided into four regions a, b, c, and d. a is a region where both heat generation and heat absorption are large. Therefore, the heat generated by the catalytic combustion is effectively used for the reforming reaction. B is a region where heat absorption is large and heat generation is small. Further, c is a region where both heat absorption and heat generation are small. Therefore, in the regions b and c, there is little possibility that the temperature rises excessively. On the other hand, d is a region where heat absorption is small while heat absorption is small. Further, the reformed fuel gas flowing into the region d is substantially converted into a hydrogen-rich gas and is in a high temperature state. Therefore, the region d is in a high temperature state. That is, an excessively high temperature region locally occurs inside the fuel reformer. If the temperature inside the fuel reformer becomes too high, the reforming catalyst, the combustion catalyst, the carrier supporting the catalyst, the plate, and the like deteriorate, and the durability of the fuel reformer decreases.
[0009]
In the cross-flow type fuel reformer described in Patent Document 1, the combustion catalyst is carried so that the downstream side of the combustion gas has a high density. However, this supporting method ensures sufficient heat generation even on the downstream side of the combustion gas, and does not eliminate generation of a high-temperature region inside the fuel reformer.
[0010]
The present invention has been made in order to solve the above-described problem in the cross-flow type fuel reformer, and the generation of a high-temperature region inside is adjusted by adjusting the loading distribution of at least one of the reforming catalyst and the combustion catalyst. It is an object of the present invention to provide a cross-flow type fuel reformer that can suppress reforming and promote the reforming reaction uniformly.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
(1) A cross-flow type fuel reformer of the present invention includes a plurality of stacked plates, a reforming flow path formed between the plurality of plates, and through which a reformed fuel gas containing a hydrocarbon-based fuel flows. A cross-flow type fuel reformer formed between the plurality of plates and having a combustion flow path through which combustion gas flows, wherein the reformed fuel gas and the combustion gas flow substantially orthogonally to each other, On the surface of the plate forming the reforming flow path, a reforming catalyst for promoting a reforming reaction is carried, and on the surface of the plate forming the combustion flow path, the combustion gas is burned. , And at least one of the reforming catalyst and the combustion catalyst is distributed so that heat absorption in the reforming reaction and heat generation in the combustion reaction of the combustion gas are adjusted.
[0012]
As described above, in the conventional cross-flow type fuel reformer, the balance between the heat absorption due to the reforming reaction and the heat generated due to the combustion reaction is poor in a part of the fuel reformer. That is, in a part of the area inside the fuel reformer, the amount of heat generated by the combustion reaction of the combustion gas is excessively larger than the amount of heat required for the reforming reaction. Therefore, the temperature rises in a part of the fuel reformer, and a high-temperature region is generated.
[0013]
In the cross-flow type fuel reformer of the present invention, the load distribution of at least one of the reforming catalyst and the combustion catalyst is adjusted to balance heat absorption and heat generation. Here, “balance” does not necessarily mean only a state where the heat generation amount and the heat absorption amount are equal. The concept includes not only a state where the heat generation amount is equal to the heat absorption amount but also a state where the heat generation amount exceeds the heat absorption amount as long as an excessive rise in temperature is not caused.
[0014]
Specifically, the supported amount of at least one of the reforming catalyst and the combustion catalyst is changed according to the supported position. As a result, the amount of heat absorbed and the amount of heat generated in each region are adjusted, and a local temperature rise is suppressed. Further, since the heat generated on the combustion side is effectively used for the reforming reaction instead of increasing the sensible heat of the combustion gas, the reforming efficiency is improved. Therefore, in the cross-flow type fuel reformer of the present invention, generation of a high-temperature region inside the fuel reformer is suppressed, and the reforming reaction proceeds efficiently. Further, since the local temperature rise is suppressed, the cross-flow type fuel reformer of the present invention is excellent in durability.
[0015]
(2) The cross-flow type fuel reformer of the present invention is characterized in that a portion of the plate forming the combustion flow path, which corresponds to a downstream area of the reformed fuel gas and an upstream area of the combustion gas, has It is desirable to adopt a mode in which the amount supported is small or the combustion catalyst is not supported.
[0016]
In this embodiment, the distribution of the carried combustion catalyst in the combustion passage is adjusted. That is, when the orthogonal type fuel reformer is operated, the amount of the combustion catalyst to be carried is reduced in advance or the combustion catalyst is not carried in the portion corresponding to the region where the temperature becomes high. As described above, the cross-flow type fuel reformer is likely to be in a high temperature state in a region where heat absorption is small and heat generation is large, that is, in a downstream region of the reformed fuel gas and an upstream region of the combustion gas. Therefore, by reducing the amount of the combustion catalyst in a portion corresponding to the region or by not carrying the catalyst, the catalytic combustion, which is an exothermic reaction, can be suppressed, and an excessive rise in temperature can be suppressed.
[0017]
(3) In the case where the aspect of (2) is adopted, in the plate forming the combustion flow path, the combustion catalyst has a portion corresponding to at least an upstream area of the reformed fuel gas and an upstream area of the combustion gas. It is desirable to be carried by.
[0018]
As described above, in the upstream region of the reformed fuel gas, the reforming reaction easily proceeds because the reformed fuel gas concentration is high. Therefore, heat absorption is large in the upstream region of the reformed fuel gas. Therefore, by supporting the combustion catalyst in a portion where the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas where the combustion gas concentration is high and large heat generation can be expected, the heat generated by the combustion is effectively used. This can be used for the reforming reaction to improve the reforming efficiency.
[0019]
(4) The cross-flow type fuel reformer of the present invention employs an aspect in which the area of the combustion catalyst carried in the downstream area of the combustion gas is smaller than the area of the combustion catalyst carried in the area upstream of the combustion gas. It is desirable to do.
[0020]
In this embodiment, as in the case of the above (2), the loading distribution of the combustion catalyst in the combustion channel is adjusted. In the upstream region of the combustion gas, heat generated by catalytic combustion is transferred downstream as sensible heat of the combustion gas. Therefore, when the carrying density of the combustion catalyst is constant, if the combustion catalyst having the same area as the upstream region is carried in the downstream region of the combustion gas, the calorific value of the downstream region is different from the calorific value of the combustion catalyst and the combustion amount. It is the sum of the heat transferred as the sensible heat of the gas. That is, the amount of heat in the downstream area increases. In this aspect, since the catalyst area in the downstream area is smaller than the catalyst area in the upstream area, heat generation due to catalytic combustion in the downstream area is reduced, and the temperature rise is suppressed.
[0021]
(5) The cross-flow type fuel reformer of the present invention employs an aspect in which the amount of the combustion catalyst carried in the downstream region of the combustion gas is smaller than the amount of the combustion catalyst carried in the region upstream of the combustion gas. It is desirable to do.
[0022]
In this embodiment, similarly to the embodiment (2), the distribution of the carried combustion catalyst in the combustion passage is adjusted. As described above, in the upstream region of the combustion gas, heat generated by catalytic combustion is transferred downstream as sensible heat of the combustion gas. Therefore, when the same amount of combustion catalyst is carried in the downstream region of the combustion gas as in the upstream region, the calorific value of the downstream region is the difference between the calorific value of the combustion catalyst and the calorie transferred as sensible heat of the combustion gas. It becomes sum. That is, the amount of heat in the downstream area increases. In this aspect, since the amount of catalyst in the downstream region is smaller than the amount of catalyst in the upstream region, heat generation due to catalytic combustion in the downstream region is reduced, and a rise in temperature is suppressed.
[0023]
(6) In the cross-flow type fuel reformer of the present invention, the plurality of plates are partitioned by a partition wall extending in a plane direction of the plate, and each of the partitioned flow paths partitioned by the partition wall forms the combustion. It is desirable to adopt a mode in which the gas for combustion flows in a reciprocating manner in the combustion channel in order.
[0024]
In this embodiment, a plurality of combustion channels are formed between a pair of plates. For example, the first combustion channel and the second combustion channel can be formed by dividing the plate into two by a partition wall. As described above, in the embodiment in which the two combustion flow paths are formed, when the combustion gas is supplied to the first combustion flow path, the gas that has passed through the first combustion flow path is different from the supply direction of the combustion gas. In the opposite direction, it is supplied to the second combustion channel. That is, the supplied combustion gas makes a U-turn in the fuel reformer, and is discharged from the same side as the supplied side. In this case, it is more preferable to adopt the above modes (2) to (5) in the first combustion channel corresponding to the high concentration of the supplied combustion gas and the upstream region of the reformed fuel gas.
[0025]
The combustion channel in this embodiment has a smaller responsive area as compared to the case where one combustion channel is formed between a pair of plates. Therefore, in the combustion flow path through which the combustion gas first passes, it is considered that some of the combustion gas passes unreacted. This unreacted combustion gas is burned in a subsequent combustion channel. As described above, by performing the combustion reaction stepwise in the plurality of combustion channels, excessive heat generation is suppressed, and the temperature rise is suppressed.
[0026]
Further, in the upstream region of the reformed fuel gas, since the reformed fuel gas concentration is high, the reforming reaction easily proceeds and the heat absorption is large. Therefore, when the calorific value in the combustion passage corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas is large, the reforming reaction can be further promoted. By adjusting the loading distribution of the combustion catalyst so that the calorific value becomes maximum in the combustion flow path through which the combustion gas first passes, the heat generated by the combustion can be effectively used for the reforming reaction. Further, by concentrating the combustion reaction of the combustion gas on the upstream side of the reformed fuel gas, a state close to the reforming reaction in the parallel flow type fuel reformer can be realized. That is, the reforming efficiency can be increased.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the cross-flow type fuel reformer of the present invention will be described in detail.
[0028]
(1) First embodiment
First, the configuration of the cross-flow type fuel reformer of the present embodiment will be described. FIG. 1 shows a perspective view of the flow channel structure of the cross-flow type fuel reformer of the present embodiment. Note that FIG. 1 shows only a part of the flow channel structure in an enlarged manner. That is, in the cross flow type fuel reformer of the present embodiment, the flow channel structure shown in FIG. 1 is repeatedly developed in the stacking direction of the plates.
[0029]
As shown in FIG. 1, the cross-flow type fuel reformer 1 includes a plate 2, a reforming passage 3, a first combustion passage 41, and a second combustion passage 42. The plate 2 is made of stainless steel and has a thin plate shape of 100 mm long × 100 mm wide × 500 μm thick. A plurality of plates 2 are stacked, and the distance between adjacent plates 2 is 500 μm. The reforming passage 3 and the first combustion passage 41 and the second combustion passage 42 are formed alternately between the adjacent plates 2.
[0030]
A rhodium (Rh) -based catalyst is supported as a reforming catalyst on the surface of the plate 2 forming the reforming channel 3. The reforming catalyst is supported almost uniformly on the entire surface of the plate 2.
[0031]
A partition wall 20 extending in the surface direction of the plate 2 is provided between the adjacent plates 2 where the reforming channel 3 is not formed. The partition wall 20 is made of stainless steel and has a prismatic shape. The partition wall 20 divides the space between the adjacent plates 2 into two, and two divided flow paths are formed. The two partition passages are a first combustion passage 41 and a second combustion passage 42, respectively. The first combustion passage 41 and the second combustion passage 42 correspond to combustion passages in the cross-flow type fuel reformer of the present invention. That is, two combustion channels are formed between the adjacent plates 2 where the reforming channels 3 are not formed. A platinum (Pt) -based catalyst is carried as a combustion catalyst on the surface of the plate 2 forming the first combustion channel 41 and the second combustion channel 42. The combustion catalyst is distributed and supported so that heat absorption in the reforming reaction and heat generation in the combustion reaction of the combustion gas are adjusted. The arrangement of the combustion catalyst on the surface of the plate 2 forming the first combustion channel 41 and the second combustion channel 42 will be described later.
[0032]
Next, the reforming mechanism in the cross-flow type fuel reformer of the present embodiment will be described. The reforming fuel gas is supplied to the reforming passage 3 from the left side in the figure. A combustion gas is supplied to the first combustion channel 41 from the lower side in the figure. The gas that has passed through the first combustion flow path 41 makes a U-turn and is supplied to the second combustion flow path 42. The combustion reaction proceeds in the first combustion channel 41 and the second combustion channel 42, and the heat generated by the combustion is transmitted to the reforming channel 3 via the plate 2. In the reforming channel 3, a reforming reaction proceeds using the transferred heat.
[0033]
Next, the arrangement of the reforming catalyst and the combustion catalyst on the surface of the plate will be described. In the present embodiment, the arrangement of the combustion catalyst is the same in the combustion channels having the same number in the figure, such as the first combustion channels. The arrangement of the reforming catalyst is the same in all reforming channels. FIG. 2 shows only three plates constituting the cross-flow type fuel reformer. In FIG. 2, a reforming channel 3 is formed between a plate 21 in the frontmost row on the paper surface and a second plate 22 from the front. A first combustion channel 41 and a second combustion channel 42 are formed between the second plate 22 and the third plate 23 from the front. The front side of the plate 21 also forms a first combustion channel 41 and a second combustion channel 42.
[0034]
In FIG. 2, the hatched portions indicate the positions where the reforming catalyst is carried. The black portions indicate the positions where the combustion catalyst is carried. As shown by hatching in FIG. 2, the reforming catalyst is almost uniformly carried on the entire surfaces of the plates 21 and 22 on the side of the reforming flow path 3. On the other hand, a portion of the surface of the plates 21 to 23 where the first combustion channel 41 is formed carries the combustion catalyst in a dispersed manner. The loading density of the combustion catalyst in each part is the same. Further, a combustion catalyst is supported substantially uniformly at a portion of the surface of the plates 21 to 23 where the second combustion channel 42 is formed.
[0035]
Hereinafter, the arrangement of the combustion catalyst in the first combustion passage 41 will be described in detail. In the first combustion passage 41, the combustion catalyst is supported on a portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. However, a combustion catalyst is not carried in a region corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Further, the combustion catalyst is supported on a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the downstream region of the combustion gas, and the supported area is smaller than the supported area in the upstream region of the combustion gas. That is, the combustion catalyst is arranged in two steps so that the carrying area is different between the upstream area and the downstream area of the combustion gas.
[0036]
Next, the flow of the combustion gas and the combustion reaction in the first combustion passage 41 and the second combustion passage will be described. First, the combustion gas is supplied to the first combustion channel 41. A combustion catalyst carried on a portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas causes a combustion reaction to proceed at the same portion to generate heat. The generated heat is transmitted to the reforming flow path 3 via each of the plates 21 to 23, and is used for the reforming reaction of the reformed fuel gas. On the other hand, a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas does not carry a combustion catalyst. Therefore, in the region where the concentration of the reformed fuel gas is not so high and the heat absorption is small, no heat is generated by the combustion reaction. The unreacted combustion gas is burned by the combustion catalyst carried in the downstream region of the combustion gas. Therefore, heat is generated in the downstream region of the combustion gas. Further, part of the heat generated in the upstream region of the combustion gas is transferred to the downstream region as sensible heat of the combustion gas, as indicated by the dotted arrow in the figure. Therefore, heat generated by the combustion reaction and heat transferred from the upstream region to the downstream region exist in the downstream region of the combustion gas. The combustion gas that has passed through the first combustion passage 41 is supplied to the second combustion passage 42 in a U-turn. On the surfaces of the plates 21 to 23 forming the second combustion flow path 42, the combustion catalyst is carried almost uniformly. Therefore, the combustion reaction of the unreacted combustion gas proceeds. After passing through the second combustion channel 42, the combustion gas is discharged.
[0037]
In the first combustion flow path 41, a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas does not carry a combustion catalyst. Therefore, heat generation due to the combustion reaction does not occur in a region where the concentration of the reformed fuel gas is not so high and the heat absorption is small. Therefore, an excessive temperature rise in the same region is suppressed. Further, in the first combustion flow path 41, the carrying area of the combustion catalyst carried in the downstream area of the combustion gas is smaller than the carrying area of the upstream area. In other words, the carried amount of the combustion catalyst carried in the downstream region of the combustion gas is smaller than the carried amount in the upstream region. For this reason, the calorific value in the downstream area is smaller than the calorific value in the upstream area. Since the heat generated in the downstream region is used for the reforming reaction, the temperature does not excessively increase in the downstream region of the combustion gas. As described above, in the first combustion passage 41, the distribution of the carried combustion catalyst is adjusted, so that the generation of a high-temperature region is suppressed, and the reforming reaction proceeds efficiently.
[0038]
In the second combustion channel 42, unreacted combustion gas that has not reacted in the first combustion channel 41 is burned. Therefore, the loss of the combustion gas is small. In the second combustion channel 42, since the concentration of the combustion gas is low, the combustion reaction proceeds gently and there is no excessive rise in temperature. Then, the heat generated by the combustion reaction is transmitted to the reforming channel 3 through each of the plates 21 to 23, and is used for the reforming reaction. Thus, by providing two combustion channels between a pair of plates, a combustion reaction can be performed stepwise. As a result, excessive heat generation is suppressed, and temperature rise is suppressed. Further, the combustion reaction of the combustion gas can be concentrated on the upstream side of the reformed fuel gas. As a result, a state close to the reforming reaction in the parallel flow type fuel reformer can be realized, and the reforming efficiency increases.
[0039]
(2) Second embodiment
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that the carrying position of the combustion catalyst in the first combustion passage is changed. The other configuration is the same as that of the first embodiment. Therefore, here, the position where the combustion catalyst is carried in the first combustion passage will be mainly described.
[0040]
FIG. 3 shows the surface of one plate that forms the first combustion channel and the second combustion channel in the cross-flow type fuel reformer of the present embodiment. The members corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. The plate 21 is partitioned by a partition wall (not shown) at a position indicated by a dotted line in the drawing. The left half of the plate 21 forms the first combustion channel 41, and the right half forms the second combustion channel 42. In FIG. 3, the black portions indicate the positions where the combustion catalyst is carried. As shown in FIG. 3, a portion of the surface of the plate 21 that forms the first combustion channel 41 carries a dispersion of the combustion catalyst. In addition, a portion of the surface of the plate 21 where the second combustion channel 42 is formed carries a combustion catalyst substantially uniformly.
[0041]
Hereinafter, the arrangement of the combustion catalyst in the first combustion passage 41 will be described in detail. In the first combustion passage 41, the combustion catalyst is supported on a portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. However, a combustion catalyst is not carried in a region corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Further, the combustion catalyst is supported on a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the downstream region of the combustion gas, and the supported area is smaller than the supported area in the upstream region of the combustion gas. The position of the combustion catalyst supported on the downstream region of the reformed fuel gas and the portion corresponding to the downstream region of the combustion gas is smaller than the position of the combustion catalyst in the first embodiment. It has shifted downstream. As described above, the combustion catalyst is dispersed in the upstream region and the downstream region of the combustion gas, and is arranged so that the respective carrying areas are different.
[0042]
In this embodiment, since the combustion catalyst is dispersed and the carrying area thereof is adjusted, the generation of a high-temperature region in the fuel reformer is suppressed, and the reforming reaction proceeds efficiently, as in the first embodiment. I do.
[0043]
(3) Third embodiment
The difference between the third embodiment and the first embodiment is that the carrying position of the combustion catalyst in the first combustion passage is changed. The other configuration is the same as that of the first embodiment. Therefore, here, the position where the combustion catalyst is carried in the first combustion passage will be mainly described.
[0044]
FIG. 4 shows the surface of one plate forming the first combustion channel and the second combustion channel in the cross-flow type fuel reformer of the present embodiment. The members corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. The plate 21 is partitioned by a partition wall (not shown) at a position indicated by a dotted line in the drawing. The left half of the plate 21 forms the first combustion channel 41, and the right half forms the second combustion channel 42. In FIG. 4, the black portions indicate the positions where the combustion catalyst is carried. As shown in FIG. 4, a part of the surface of the plate 21 that forms the first combustion channel 41 does not carry a combustion catalyst. In addition, a portion of the surface of the plate 21 where the second combustion channel 42 is formed carries a combustion catalyst substantially uniformly.
[0045]
Hereinafter, the arrangement of the combustion catalyst in the first combustion passage 41 will be described in detail. In the first combustion passage 41, the combustion catalyst is not carried on a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. On the other hand, the combustion catalyst is supported on a portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Further, the combustion catalyst is also provided at a portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the downstream region of the combustion gas and a portion of the portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the downstream region of the combustion gas. It is carried. In other words, the presence and absence of the combustion catalyst in the portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the downstream region of the combustion gas differs between the present embodiment and the first embodiment. In the present embodiment, a combustion catalyst is also carried on the above-mentioned portion. For this reason, in the present embodiment, the carrying area of the combustion catalyst is larger in the downstream region than in the upstream region of the combustion gas.
[0046]
In the present embodiment, the combustion catalyst is not supported on a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Therefore, heat generation due to the combustion reaction does not occur in a region where the concentration of the reformed fuel gas is not so high and the heat absorption is small. Therefore, an excessive temperature rise in the same region is suppressed. Further, the carrying area of the combustion catalyst is larger in the downstream area than in the upstream area of the combustion gas. In the first combustion flow path 41, the downstream region of the combustion gas is a region where the concentration of the combustion gas is relatively low because the combustion reaction proceeds in the upstream region. Further, in a region corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas, heat absorption due to the reforming reaction is large. For this reason, even if the combustion catalyst is carried in a region corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the downstream region of the combustion gas, the heat generated by the combustion reaction does not increase so much. Therefore, the presence or absence of the combustion catalyst in the same portion has little effect on the temperature rise inside the fuel reformer. Therefore, also in the present embodiment, similarly to the first embodiment, the generation of a high-temperature region in the fuel reformer can be suppressed, and the reforming reaction can efficiently proceed.
[0047]
(4) Fourth embodiment
One of the differences between the fourth embodiment and the first embodiment is that a pair of plates in which a combustion flow path is formed is not partitioned by a partition wall, and one combustion flow path is provided between the plates. It is a point formed only. That is, the cross-flow type fuel reformer of the present embodiment has the structure shown in FIG. As shown in FIG. 14, the supplied combustion gas is discharged as it is after passing through one combustion channel formed between adjacent plates. Another difference is that the carrying position of the combustion catalyst in the combustion passage is different. Other configurations are the same as those of the first embodiment. Therefore, here, a description will be given of the position where the combustion catalyst is carried in the combustion channel.
[0048]
First, the arrangement of the combustion catalyst will be described. FIG. 5 shows the surface of one plate forming a combustion channel in the cross-flow type fuel reformer of the present embodiment. In FIG. 5, the black portions indicate the positions where the combustion catalyst is carried. In FIG. 5, the reformed fuel gas flows from the left side to the right side on the back side of the plate 5 as indicated by the dotted arrow. The combustion gas flows from the lower side to the upper side as indicated by the white arrow. As shown in FIG. 5, the combustion catalyst is supported on a portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. However, a combustion catalyst is not carried in a region corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Further, the combustion catalyst is supported on a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the downstream region of the combustion gas, and the supported area is smaller than the supported area in the upstream region of the combustion gas. That is, the combustion catalyst is arranged in two steps so that the carrying area is different between the upstream area and the downstream area of the combustion gas.
[0049]
Next, the flow of the combustion gas and the combustion reaction in the combustion channel will be described. First, the combustion gas supplied from the lower side in the figure is burned by a combustion catalyst carried in a region corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Heat is generated by the combustion reaction of the combustion gas. The generated heat is transmitted to a reforming flow path formed on the back side of the plate 5 and used for a reforming reaction of the reformed fuel gas. On the other hand, a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas does not carry a combustion catalyst. Therefore, in the region where the concentration of the reformed fuel gas is not so high and the heat absorption is small, no heat is generated by the combustion reaction. Further, the combustion gas that has not reacted in the basin is burned by the combustion catalyst carried in the downstream region of the combustion gas. Therefore, heat is generated in the downstream region of the combustion gas. On the other hand, part of the heat generated in the upstream region of the combustion gas is transferred to the downstream region as sensible heat of the combustion gas, as indicated by the dotted arrow in the figure. Therefore, heat generated by the combustion reaction and heat transferred from the upstream region to the downstream region exist in the downstream region of the combustion gas. The combustion gas that has passed through the combustion flow path is discharged upward in the figure.
[0050]
In the present embodiment, the combustion catalyst is not supported on a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Therefore, heat generation due to the combustion reaction does not occur in a region where the concentration of the reformed fuel gas is not so high and the heat absorption is small. Therefore, an excessive temperature rise in the same region is suppressed. Further, the area of the combustion catalyst carried in the downstream region of the combustion gas is small. For this reason, the calorific value in the downstream area is smaller than the calorific value in the upstream area. Since the heat generated in the downstream region is used for the reforming reaction, the temperature does not excessively increase in the downstream region of the combustion gas. As described above, in the present embodiment, since the distribution of the loaded combustion catalyst is adjusted, the generation of a high-temperature region is suppressed, and the reforming reaction proceeds efficiently.
[0051]
(5) Fifth embodiment
The difference between the fifth embodiment and the fourth embodiment is that the carrying position of the combustion catalyst in the combustion passage is changed. The other configuration is the same as that of the fourth embodiment. Therefore, here, the position of the combustion catalyst carried in the combustion flow path will be mainly described.
[0052]
First, the arrangement of the combustion catalyst will be described. FIG. 6 shows the surface of one plate forming a combustion flow channel in the cross-flow type fuel reformer of the present embodiment. In FIG. 6, the black portions indicate the positions where the combustion catalyst is carried. In FIG. 6, the reformed fuel gas flows from the left side to the right side on the back side of the plate 5 as indicated by a dotted arrow. The combustion gas flows from the lower side to the upper side as indicated by the white arrow. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the combustion catalyst is supported in three steps from upstream to downstream of the combustion gas, and from upstream to downstream of the reformed fuel gas. I have. That is, the combustion catalyst is supported on a portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas, and is subsequently carried in two steps in a diagonally upper right direction of the plate 5 in a stepwise manner. Therefore, the combustion catalyst is not carried in the region corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Further, the carrying area of the combustion catalyst becomes smaller as the downstream of the reformed fuel gas and the downstream of the combustion gas.
[0053]
Next, the flow of the combustion gas and the combustion reaction in the combustion channel will be described. First, the combustion gas supplied from the lower side in the figure is burned by a combustion catalyst carried in a region corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Heat is generated by the combustion reaction of the combustion gas. The generated heat is transmitted to a reforming flow path formed on the back side of the plate 5 and used for a reforming reaction of the reformed fuel gas. On the other hand, a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas does not carry a combustion catalyst. Therefore, in the region where the concentration of the reformed fuel gas is not so high and the heat absorption is small, no heat is generated by the combustion reaction. Further, the combustion gas that has not reacted in the basin is burned in order by the combustion catalyst carried in the middle and downstream regions of the combustion gas. Therefore, heat is generated in the middle and downstream regions of the combustion gas. On the other hand, part of the heat generated in the upstream region of the combustion gas is transferred downstream as sensible heat of the combustion gas, as indicated by the dotted arrow in the figure. Thus, in the middle and downstream regions of the combustion gas, there is heat generated by the combustion reaction and heat transferred from the upstream region. The combustion gas that has passed through the combustion flow path is discharged upward in the figure.
[0054]
In the present embodiment, the combustion catalyst is not supported on a portion corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. Therefore, heat generation due to the combustion reaction does not occur in a region where the concentration of the reformed fuel gas is not so high and the heat absorption is small. Therefore, an excessive temperature rise in the same region is suppressed. Further, the area of the combustion catalyst carried from the midstream region to the downstream region of the combustion gas gradually decreases. Therefore, the calorific value gradually decreases as compared with the calorific value in the upstream region. Also in the middle and downstream regions of the combustion gas, the generated heat is used for the reforming reaction, so that the temperature does not excessively increase in the region. As described above, in the present embodiment, since the distribution of the loaded combustion catalyst is adjusted, the generation of a high-temperature region is suppressed, and the reforming reaction proceeds efficiently.
[0055]
(6) Other
The embodiments of the cross-flow type fuel reformer of the present invention have been described above. However, the cross-flow type fuel reformer of the present invention is not limited to the above embodiment. The cross-flow type fuel reformer of the present invention can be embodied in various forms in which a person skilled in the art can make changes and improvements without departing from the gist of the present invention.
[0056]
For example, in the above embodiment, the reforming passages and the combustion passages are alternately arranged one by one. However, as long as heat exchange is possible between the reforming flow path and the combustion flow path, the arrangement of each flow path is not particularly limited. For example, two reforming channels and two combustion channels may be alternately arranged, or a sandwich structure in which two reforming channels are arranged on both sides of one combustion channel may be repeated.
[0057]
Further, in the above embodiment, the distribution of the carried combustion catalyst was adjusted. However, the distribution of the reforming catalyst may be adjusted in addition to the combustion catalyst. Further, the distribution of the reforming catalyst alone may be adjusted. When the distribution of the reforming catalyst is adjusted, it is desirable to load the reforming catalyst so that the reforming reaction proceeds more in a region where heat generated by the combustion reaction of the combustion gas is large. An example of adjusting the distribution of the reforming catalyst will be described below. FIG. 13 shows the surface of one plate that forms a reforming channel. In FIG. 13, the hatched portion indicates the position at which the reforming catalyst is supported, and the portion where the hatched portion crosses indicates that the density of the reforming catalyst carried is higher than other portions. In FIG. 13, the reformed fuel gas flows from the left side to the right side of the plate 6 as indicated by a white arrow. The combustion gas flows from the lower side to the upper side on the back side of the plate 6 as indicated by the dotted arrow. As shown in FIG. 13, the reforming catalyst is distributed and supported so as to increase the carrying amount in a region corresponding to the downstream region of the reformed fuel gas and the upstream region of the combustion gas. That is, the reforming reaction is promoted in a region where the heat generated by the combustion reaction is large. Therefore, the heat generated by the combustion reaction is effectively used for the reforming reaction.
[0058]
In the above embodiment, the heat absorption and the heat generation are adjusted by adjusting the position where the combustion catalyst is carried. Regardless of the case where the distribution of the combustion catalyst and the reforming catalyst is adjusted, the method of adjusting the heat absorption and the heat generation is not particularly limited as long as the adjustment can be made between heat absorption and heat generation. In addition to adjusting the loading position of each catalyst, the loading density and the type of catalyst may be changed depending on the loading position. For example, the loading density of the catalyst can be changed depending on the loading position by increasing or decreasing the amount of the supported catalyst, increasing or decreasing the amount of the carrier supporting the catalyst, adjusting the size of the catalyst particles, adjusting the dispersion state of the catalyst, and the like.
[0059]
In the first to third embodiments, two combustion channels are formed between a pair of plates. Then, the combustion catalyst in the first combustion passage was arranged such that the carrying area differs between the upstream region and the downstream region of the combustion gas. However, the size of the carrying area of the combustion catalyst in the upstream region and the downstream region of the combustion gas is not particularly limited. For example, as shown in FIG. 7, the carrying area may be the same in the upstream area and the downstream area of the combustion gas, and the combustion catalyst may be arranged. Further, for example, as shown in FIG. 8, the combustion catalyst may be arranged only in the upstream region of the combustion gas. 7 and 8, since the distribution of the carried combustion catalyst is adjusted, the occurrence of a high-temperature region is suppressed.
[0060]
In the fourth and fifth embodiments, one combustion channel is formed between a pair of plates. Then, the distribution of the carried combustion catalyst in the combustion passage was adjusted. Also in these embodiments, the arrangement of the combustion catalyst is not particularly limited. For example, in the fourth embodiment, the combustion catalyst is arranged such that the carrying area of the combustion gas in the upstream region is increased. However, for example, as shown in FIG. 9, the combustion catalyst may be arranged so that the carrying area of the downstream side of the combustion gas becomes large. Further, as shown in FIG. 10, the combustion catalyst may be arranged with the same carrying area in the upstream region and the downstream region of the combustion gas. Further, as shown in FIG. 11, the combustion catalyst may be arranged in a two-step shape only at a portion corresponding to the upstream region of the reformed fuel gas. In the fifth embodiment, the combustion catalyst is arranged such that the carrying area decreases from the upstream to the downstream of the combustion gas. However, for example, as shown in FIG. 12, the combustion catalyst may be arranged with the same carrying area in the upstream region, the middle region, and the downstream region of the combustion gas. In any of the embodiments of FIGS. 9 to 12, the distribution of the combustion catalyst is adjusted, so that the occurrence of a high-temperature region is suppressed.
[0061]
In the first to third embodiments, two combustion channels are formed between a pair of plates. The number of combustion channels between the pair of plates is not particularly limited. However, as the number of channels increases, the pressure loss of the gas passing through the channels increases. Therefore, the number of flow paths may be set to an appropriate number in consideration of the gas pressure loss. In the first to third embodiments, the widths of the two combustion channels are equal. However, the widths of the individual combustion channels need not be equal. That is, when forming a plurality of combustion channels, the width of each combustion channel can be set freely.
[0062]
Further, a plurality of reforming channels may be formed between a pair of plates. The reforming reaction can be controlled by forming a plurality of reforming passages corresponding to the arrangement of the combustion catalyst and appropriately selecting a reforming passage through which the reformed fuel gas flows.
[0063]
The shape of the catalyst carried on the plate surface is not particularly limited. In the above embodiment, the combustion catalyst is supported in a square shape, but may be supported in various shapes such as a circular shape and a polygonal shape. The method for supporting each catalyst on the plate forming the reforming channel and the combustion channel is not particularly limited. For example, when the catalyst is dispersed and supported, a portion where the catalyst is not supported on the plate surface may be masked, and the catalyst may be applied to a portion other than the masked portion. After that, the plates may be stacked to assemble the fuel reformer. In the above embodiment, the reforming catalyst is an Rh-based catalyst, and the combustion catalyst is a Pt-based catalyst. However, each catalyst is not limited to the above type. For example, in addition to the above-mentioned catalysts, appropriate catalysts for each of the reforming reaction and the combustion reaction, such as Ni-based, Cu-based, and Pd-based catalysts, may be appropriately selected.
[0064]
【The invention's effect】
In the cross-flow type fuel reformer of the present invention, at least one of the reforming catalyst and the combustion catalyst is distributed such that heat absorption in the reforming reaction and heat generation in the combustion reaction of the combustion gas are adjusted. As a result, the amount of heat absorbed and the amount of heat generated in each region inside the fuel reformer are adjusted, and a local temperature rise is suppressed. Further, since the heat generated on the combustion side is effectively used for the reforming reaction, the reforming efficiency is improved. Therefore, in the cross-flow type fuel reformer of the present invention, generation of a high-temperature region inside the fuel reformer is suppressed, and the reforming reaction proceeds efficiently. Further, since the local temperature rise is suppressed, the cross-flow type fuel reformer of the present invention is excellent in durability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a flow channel structure in a cross-flow type fuel reformer of a first embodiment.
FIG. 2 shows three plates constituting the cross-flow type fuel reformer of the first embodiment.
FIG. 3 shows a surface of one plate forming a first combustion channel and a second combustion channel in a cross-flow type fuel reformer of a second embodiment.
FIG. 4 shows a surface of one plate forming a first combustion channel and a second combustion channel in the cross-flow type fuel reformer of the third embodiment.
FIG. 5 shows the surface of one plate forming a combustion channel in a cross-flow type fuel reformer of a fourth embodiment.
FIG. 6 shows the surface of one plate forming a combustion channel in a cross-flow type fuel reformer of a fifth embodiment.
FIG. 7 shows an example of the arrangement of a combustion catalyst.
FIG. 8 shows an example of arrangement of a combustion catalyst.
FIG. 9 shows an example of the arrangement of a combustion catalyst.
FIG. 10 shows an example of arrangement of a combustion catalyst.
FIG. 11 shows an example of the arrangement of a combustion catalyst.
FIG. 12 shows an example of the arrangement of a combustion catalyst.
FIG. 13 shows an example of arrangement of a reforming catalyst.
FIG. 14 shows a structural example of a cross-flow type fuel reformer.
FIG. 15 is a model diagram showing a reaction state on both surfaces of one plate constituting a cross-flow type fuel reformer.
[Explanation of symbols]
1: Cross-flow type fuel reformer
2: Plate 20: Partition wall 21 to 23: Plate
3: Reforming channel
41: First combustion channel 42: Second combustion channel
5, 6: plate

Claims

A plurality of stacked plates,
A reforming passage formed between the plurality of plates and through which a reformed fuel gas containing a hydrocarbon-based fuel flows;
A cross-flow type fuel reformer formed between the plurality of plates and including a combustion flow path through which combustion gas flows, wherein the reformed fuel gas and the combustion gas flow substantially orthogonally to each other,
On the surface of the plate forming the reforming channel, a reforming catalyst for carrying out a reforming reaction is supported,
A combustion catalyst for burning the combustion gas is carried on the surface of the plate forming the combustion flow path,
A cross-flow type fuel reformer, wherein at least one of the reforming catalyst and the combustion catalyst is distributed such that heat absorption in the reforming reaction and heat generation in the combustion reaction of the combustion gas are adjusted.

In a portion corresponding to a downstream region of the reformed fuel gas and an upstream region of the combustion gas in a plate forming the combustion flow path, a small amount of the combustion catalyst is carried, or the combustion catalyst is not carried. Item 7. A cross-flow type fuel reformer according to item 1.

3. The cross-flow type according to claim 2, wherein in the plate forming the combustion flow path, the combustion catalyst is supported at least in a region corresponding to an upstream region of the reformed fuel gas and an upstream region of the combustion gas. Fuel reformer.

2. The cross-flow type fuel reformer according to claim 1, wherein a carrying area of the combustion catalyst in a downstream area of the combustion gas is smaller than a carrying area of the combustion catalyst in an upstream area of the combustion gas. 3.

The cross-flow type fuel reformer according to claim 1, wherein the amount of the combustion catalyst carried in the downstream region of the combustion gas is smaller than the amount of the combustion catalyst carried in the upstream region of the combustion gas.

The plurality of plates are partitioned by a partition wall extending in a plane direction of the plate, and each partition flow path partitioned by the partition wall becomes the combustion flow path, and the combustion gas sequentially passes through the combustion flow path. The cross-flow type fuel reformer according to claim 1, wherein the fuel flows in a reciprocating manner.