特開 2024-152147 改質器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024152147

(43)【公開日】2024-10-25

(54)【発明の名称】改質器

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/04 20060101AFI20241018BHJP

   B01J 35/50 20240101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

C01B3/04 B

B01J35/02 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023066174

(22)【出願日】2023-04-14

(71)【出願人】

【識別番号】000116574

【氏名又は名称】愛三工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000394

【氏名又は名称】弁理士法人岡田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】寒川 太郎

(72)【発明者】

【氏名】鳥居 英将

(72)【発明者】

【氏名】永滝 文宏

【テーマコード（参考）】

4G169

【Ｆターム（参考）】

4G169AA02

4G169AA03

4G169AA20

4G169BC67A

4G169BC68A

4G169BC70A

4G169BC72A

4G169CB81

4G169DA06

4G169EA02Y

4G169EE03

(57)【要約】

【課題】吸熱反応である原料ガスから改質ガスへの改質反応を、触媒を用いて促進させる改質器が備える加熱装置（ヒータ）の消費エネルギーを低減させる。
【解決手段】触媒層が形成された区間を含み、触媒層の一方の端面から流入した原料ガスが触媒層を通過するとき改質ガスが生成され、改質ガスが触媒層の他方の端面から流出するように構成された触媒容器と、触媒層を貫通し且つ改質ガスが流れる複数の改質ガス管と、を備え、加熱装置は、改質ガスを、触媒層から流出した後、複数の改質ガス管に流入するまでの区間において加熱する、改質器。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

触媒層が形成された区間を含み、前記触媒層の一方の端面から流入した原料ガスが前記触媒層を通過するときに吸熱を伴う改質反応により改質ガスが生成され、前記改質ガスが前記触媒層の他方の端面から流出するように構成された触媒容器と、
前記触媒層を貫通し且つ前記改質ガスが流れる複数の改質ガス管と、
前記改質ガスを、前記触媒層から流出した後、前記複数の改質ガス管に流入するまでの区間において加熱する加熱装置と、
を備える改質器。

【請求項2】

請求項１に記載の改質器であって、
前記複数の改質ガス管は、前記触媒層において前記改質ガスの下流に向かうに従って内径が大きくなる、改質器。

【請求項3】

触媒層が形成された区間を含み、前記触媒層の一方の端面から流入した原料ガスが前記触媒層を通過するときに吸熱を伴う改質反応により改質ガスが生成され、前記改質ガスが前記触媒層の他方の端面から流出するように構成された触媒容器と、
少なくとも前記触媒層を加熱する加熱装置と、
前記改質ガスと前記触媒層に流入する前の前記原料ガスとの間で熱交換が行われる熱交換部と、
を備える改質器。

【請求項4】

請求項３に記載の改質器であって、
前記原料ガスが前記触媒容器の外側を流れるように構成された外側原料ガス流路と、
前記改質ガスが前記外側原料ガス流路の外側を流れるように構成された外側改質ガス流路と、を備え、
前記加熱装置は、前記触媒層の外側且つ前記外側原料ガス流路の内側に配設され、前記触媒層及び前記外側原料ガス流路を流れる前記原料ガスを加熱し、
前記熱交換部は、前記外側改質ガス流路及び前記外側原料ガス流路によって構成された、改質器。

【請求項5】

請求項３に記載の改質器であって、
前記原料ガスを前記触媒層に導入するように構成された原料ガス流入路と、
前記触媒層を貫通し且つ前記改質ガスが流れるように構成された内側改質ガス流路と、を備え、
前記加熱装置は、前記触媒層の外側に配設され、
前記熱交換部は、前記内側改質ガス流路における前記触媒層よりも下流の区間、及び前記原料ガス流入路によって構成された、改質器。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の改質器であって、
前記原料ガスは、アンモニアガスであり、
前記改質ガスは、前記アンモニアガスが分解して生成された水素ガス及び窒素ガスを含むガスである改質器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、改質器に関する。具体的には、原料ガスの改質反応を促進する改質器に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１９－１３１４５４号公報には、触媒式アンモニア分解装置（所謂、改質器）が開示されている。この装置は、触媒を用いてアンモニアを水素と窒素に分解する。一般に、アンモニアの分解効率は高温になると上昇する。さらに、アンモニアの分解は吸熱反応であるため、アンモニアが分解される際に触媒から熱エネルギーが吸収される。従って、多くの場合、アンモニア分解のための改質器は、アンモニアと触媒を加熱するための加熱装置（ヒータ）を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１３１４５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記装置では、触媒及び構造材によって構成された触媒層の内部に挿入されたアンモニアガス供給管を介してアンモニアが注入され、アンモニアの分解によって生成された水素ガス及び窒素ガスのそれぞれが触媒層の外周部にて捕集される。そのため、アンモニアガス供給管を通過するアンモニアによって触媒層とその内部のアンモニアの熱が奪われる。加えて、アンモニアの分解反応（即ち、吸熱反応）に伴って触媒層の熱が奪われる。従って、触媒層を加熱する加熱装置が大量のエネルギー（例えば、電気式ヒータにあっては、電力）を消費する虞がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

加熱装置の消費エネルギーを低減させることが可能な改質器を提供するため、本明細書によって開示される技術は以下の手段を採用する。

【0006】

本開示に係る第１の手段は、触媒層が形成された区間を含み、前記触媒層の一方の端面から流入した原料ガスが前記触媒層を通過するときに吸熱を伴う改質反応により改質ガスが生成され、前記改質ガスが前記触媒層の他方の端面から流出するように構成された触媒容器と、前記触媒層を貫通し且つ前記改質ガスが流れる複数の改質ガス管と、前記改質ガスを、前記触媒層から流出した後、前記複数の改質ガス管に流入するまでの区間において加熱する加熱装置と、を備える改質器である。

【0007】

第２の手段は、第１の手段に係る改質器であって、前記複数の改質ガス管は、前記触媒層において前記改質ガスの下流に向かうに従って内径が大きくなる、改質器である。

【0008】

第３の手段は、触媒層が形成された区間を含み、前記触媒層の一方の端面から流入した原料ガスが前記触媒層を通過するときに吸熱を伴う改質反応により改質ガスが生成され、前記改質ガスが前記触媒層の他方の端面から流出するように構成された触媒容器と、少なくとも前記触媒層を加熱する加熱装置と、前記改質ガスと前記触媒層に流入する前の前記原料ガスとの間で熱交換が行われる熱交換部と、を備える改質器である。

【0009】

第４の手段は、第３の手段に係る改質器であって、前記原料ガスが前記触媒容器の外側を流れるように構成された外側原料ガス流路と、前記改質ガスが前記外側原料ガス流路の外側を流れるように構成された外側改質ガス流路と、を備え、前記加熱装置は、前記触媒層の外側且つ前記外側原料ガス流路の内側に配設され、前記触媒層及び前記外側原料ガス流路を流れる前記原料ガスを加熱し、前記熱交換部は、前記外側改質ガス流路及び前記外側原料ガス流路によって構成された、改質器である。

【0010】

第５の手段は、第３の手段に係る改質器であって、前記原料ガスを前記触媒層に導入するように構成された原料ガス流入路と、前記触媒層を貫通し且つ前記改質ガスが流れるように構成された内側改質ガス流路と、を備え、前記加熱装置は、前記触媒層の外側に配設され、前記熱交換部は、前記内側改質ガス流路における前記触媒層よりも下流の区間、及び前記原料ガス流入路によって構成された、改質器である。

【0011】

第６の手段は、第１乃至第５の手段に係る改質器であって、前記原料ガスは、アンモニアガスであり、前記改質ガスは、前記アンモニアガスが分解して生成された水素ガス及び窒素ガスを含むガスである改質器である。

【発明の効果】

【0012】

第１の手段において、加熱装置によって改質ガスが加熱されて高温となり、次いで、複数の改質ガス管を流れる高温の改質ガスによって触媒層が加熱される。即ち、触媒層が内部から加熱される箇所（より具体的には、改質ガス管のそれぞれの触媒層を貫通する区間の外周面の面積の和と等しい伝熱面積）が、改質ガス管の数が増えるに従って増加する。そのため、触媒層の一部を必要以上に加熱することなく、触媒層の多くの部分を触媒作用が活性化する温度に維持することができる。従って、第１の手段によれば、加熱装置の消費エネルギーが過大となることを回避できる可能性が高くなる。

【0013】

ところで、改質ガス管を流れる改質ガスは、触媒層との熱交換に伴い、下流に進むに従って温度が低下する。一方、第２の手段における改質ガス管は、下流において内径が大きくなっているので、改質ガスの流速が低下する。そのため、改質ガスの流速が大きい場合と比較して、改質ガスから触媒への熱伝達が促進される。そのため、改質ガス管を流れる改質ガスの温度低下に伴って触媒層への伝熱量が減少することが可及的に回避される。従って、第２の手段によれば、加熱装置の消費エネルギーが過大となることを回避しつつ、触媒層の更に多くの部分を触媒作用が活性化する温度に維持することができる可能性が高くなる。

【0014】

第３の手段において、改質ガスは、加熱装置によって加熱された触媒層から流出したときには比較的高温となっている。そのため、原料ガスは、熱交換部にて改質ガスにより加熱されてから触媒層に流入する。従って、第３の手段によれば、改質ガスの熱エネルギーが有効に活用されるので、加熱装置の消費エネルギーが過大となることを回避できる可能性が高くなる。

【0015】

第４の手段において、原料ガスは、熱交換部及び加熱装置により加熱されてから触媒層に流入する。そのため、第４の手段によれば、加熱装置の消費エネルギーが過大となることを回避できる可能性が更に高くなる。

【0016】

第５の手段において、改質ガスは、内側改質ガス流路を流れるときに触媒層（特に、加熱装置から離れた触媒層の中心部）を加熱した後、熱交換部にて原料ガスを加熱する。第５の手段によれば、加熱装置の消費エネルギーが過大となることを回避できる可能性が更に高くなる。

【0017】

第６の手段によれば、改質器を用いてアンモニアガスを水素ガス及び窒素ガスに分解することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る改質器の縦断面図である。

【図3】第１実施形態に係る改質器の横断面図である。

【図4】第１実施形態の変形例に係る改質器の縦断面図である。

【図5】第２実施形態に係る改質器の縦断面図である。

【図6】第３実施形態に係る改質器の縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

＜第１実施形態＞
第１実施形態を図１～図６を参照しながら説明する。説明中の同じ参照番号は、重複する説明をしないが同じ機能を有する同じ要素を意味する。第１実施形態に係る改質器１は、図１に示す燃料電池システム１００に適用される。燃料電池システム１００は、改質器１に加えてアンモニア貯蔵器９１、吸着装置９２及び燃料電池９３を含んでいる。

【0020】

［改質器］
改質器１は、原料ガスとしてアンモニア貯蔵器９１から流入したアンモニア（ＮＨ₃）ガスが水素（Ｈ₂）と窒素（Ｎ₂）とに分解する改質反応を促進させる。アンモニア分解反応は、吸熱反応である。改質器１は、水素ガス、窒素ガス、及び改質反応に寄与しなかったアンモニアガスを含む混合ガスを吸着装置９２に供給する。即ち、混合ガスの主成分は、改質ガスである水素ガス及び窒素ガスである。

【0021】

アンモニア貯蔵器９１は、アンモニアを液体の状態にて貯蔵している。アンモニア貯蔵器９１は、気化したアンモニア（即ち、アンモニアガス、原料ガス）を改質器１へ必要量だけ圧送するポンプ（不図示）を備えている。吸着装置９２は、混合ガスに含まれるアンモニアを吸着する。吸着装置９２は、アンモニアが除去された精製ガスを燃料電池９３に供給する。燃料電池９３は、精製ガスに含まれる水素を燃料として発電する。

【0022】

図２に示すように、改質器１は、触媒容器１１、収容容器１２、断熱材１３、区画板１４ａ～１４ｂ、触媒層１５、ヒータ１６、改質ガス流路１７、改質ガス分岐部１８、改質ガス合流部１９、改質ガス流入管２１、改質ガス流出管２２及び原料ガス流入管２３を含んでいる。図３に示すように、改質ガス流路１７は、複数の改質ガス管１７ａ～１７ｉによって形成されている。以下、改質器１の構造に関する説明における上下左右の方向は、図２で見たときの方向である。

【0023】

［触媒容器］
触媒容器１１及び収容容器１２のそれぞれは、図２の一点鎖線を軸線Ｌ１とする略円筒形状を有し、同軸状に配置されている。より具体的には、収容容器１２は、触媒容器１１を覆っている。収容容器１２の内壁面と触媒容器１１の外壁面との間に形成された空間には、周知の断熱材料からなる断熱材１３が充填されている。

【0024】

触媒容器１１は、内部に原料ガス室１１ａ、触媒層１５及び改質ガス室１１ｂを含んでいる。触媒層１５は、原料ガス室１１ａの上方に隣接している。改質ガス室１１ｂは、触媒層１５の上方に隣接している。原料ガス室１１ａと触媒層１５とは、区画板１４ａによって仕切られている。触媒層１５と改質ガス室１１ｂとは、区画板１４ｂによって仕切られている。区画板１４ａ、ｂのそれぞれは、円盤形状を有している。区画板１４ａ、ｂは、多数の孔が形成されており、以て、通気性を有している。

【0025】

より具体的に述べると、触媒容器１１の内周面、区画板１４ａ及び区画板１４ｂによって形成される空間には触媒が充填され、以て、触媒層１５が構成されている。触媒層１５は多数の粒状の触媒の集合体であり、通気性を有し且つ区画板１４ａ、１４ｂによって円柱形状に保持されている。触媒はアンモニア分解反応を促進するための改質触媒であり、例えばルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）及びパラジウム（Ｐｄ）の少なくとも一つとすることができるが、特定の触媒に限定されない。

【0026】

改質ガス室１１ｂには、ヒータ１６が配設されている。ヒータ１６は電気式の加熱装置である。ヒータ１６は、電力線（不図示）によって供給される電力によって発熱する。ヒータ１６は、例えば円筒形状（円環板状）とし、触媒容器１１の内周面に沿って配置することができる。

【0027】

［改質ガス管］
改質ガス管１７ａ～１７ｉのそれぞれは、改質ガス室１１ｂから原料ガス室１１ａまで、区画板１４ｂ、触媒層１５及び区画板１４ａを貫通して延在している。図３に示すように、改質ガス管１７ａは、軸線Ｌ１と同軸状に延在している。改質ガス管１７ｂ～１７ｉのそれぞれは、軸線Ｌ１を中心とする円周上に等間隔に配置され、軸線Ｌ１と平行に延在している。

【0028】

改質ガス分岐部１８は、改質ガス室１１ｂに配設され、改質ガス流路１７のそれぞれと接続されている。改質ガス分岐部１８における改質ガス流路１７とは反対側には、軸線Ｌ１と同軸状に延在する改質ガス流入管２１の一端が接続されている。改質ガス流入管２１の他端は、改質ガス室１１ｂ内にある。従って、改質ガス室１１ｂと改質ガス分岐部１８とは、改質ガス流入管２１を介して互いに連通している。

【0029】

改質ガス合流部１９は、原料ガス室１１ａに配設され、改質ガス流路１７のそれぞれと接続されている。改質ガス合流部１９における改質ガス流路１７とは反対側には、軸線Ｌ１と同軸状に延在する改質ガス流出管２２の一端が接続されている。従って、改質ガス流入管２１と改質ガス流出管２２とは、改質ガス流路１７のそれぞれを介して互いに連通している。改質ガス流出管２２は、断熱材１３及び収容容器１２を貫通して延在している。改質ガス流出管２２の他端（不図示）は、吸着装置９２と接続されている。

【0030】

原料ガス室１１ａには、原料ガス流入管２３の一端が左方から接続されている。原料ガス流入管２３は、断熱材１３及び収容容器１２を貫通して延在している。原料ガス流入管２３の他端（不図示）には、アンモニア貯蔵器９１が接続されている。

【0031】

［アンモニアの改質］
アンモニア貯蔵器９１から供給されるアンモニアは、原料ガス流入管２３を介して原料ガス室１１ａに流入する。

【0032】

次いで、アンモニアは、区画板１４ａに形成された多数の孔を介して触媒層１５に流入する。触媒層１５に流入したアンモニアは、触媒の作用を受けながら熱エネルギーを吸収して水素と窒素に分解する。分解されたこれらのガス（即ち、改質ガス）は、未分解のアンモニアと共に区画板１４ｂに形成された多数の孔を介して改質ガス室１１ｂに流入する。

【0033】

改質ガス室１１ｂにある混合ガス（即ち、改質ガス及びアンモニアガス）は、ヒータ１６によって加熱されて高温となる。高温となった混合ガスは、改質ガス流入管２１及び改質ガス分岐部１８を経て改質ガス流路１７のそれぞれに流入し、触媒層１５とその内部を流れるアンモニアを加熱する。即ち、高温となった混合ガスと触媒との間で改質ガス流路１７の壁を介した熱交換が行われる。その結果、触媒が活性化し、触媒層１５内のアンモニアの分解反応が促進される。より具体的に述べると、複数の改質ガス管１７ａ～１７ｉの管壁を介した熱交換によって混合ガスと触媒層１５との間の伝熱面積を増加させることが可能となり、その結果、触媒層１５における多くの部分を触媒作用が活性化する温度に維持することができる。

【0034】

（第１変形例）
第１実施形態の変形例（第１変形例）について、図４を参照しながら説明する。第１変形例に係る改質器１ａは、上述した改質ガス流路１７、改質ガス分岐部１８及び改質ガス合流部１９とは異なる形態の改質ガス流路２４、改質ガス分岐部２７及び改質ガス合流部２８を含んでいる。改質ガス分岐部２７及び改質ガス合流部２８は、触媒容器１１及び収容容器１２と共に図４の一点鎖線が軸線Ｌ１ａ（即ち、上下方向の中心線）となるように同軸状に配置されている。改質ガス室１１ｂにて改質ガス流入管２１に流入した混合ガスは、改質ガス分岐部２７、改質ガス流路２４及び改質ガス合流部２８を経て改質ガス流出管２２に流入する。

【0035】

改質ガス流路２４は、上面視においてマトリクス状（格子状）に配置された４×４＝１６本の改質ガス管によって形成されており、図４には改質ガス管２４ａ～２４ｄ（即ち、４本のガス管）が示されている。即ち、図４に示された視認方向（図４の視点）において、改質ガス管２４ａの手前（図４の紙面の表側）には改質ガス管２４ａと同形である２本のガス管があり、改質ガス管２４ａの奥側（図４の紙面の裏側）には改質ガス管２４ａと同形である１本のガス管がある。

【0036】

図４から理解されるように、改質ガス流路２４のそれぞれは、小径部２５及び大径部２６を含んでいる。大径部２６は、小径部２５と比較して外径及び内径が大きい区間である。そのため、混合ガスが小径部２５から大径部２６に流入すると、内径の増加に伴って混合ガスの流速が低下する。

【0037】

一方、改質ガス室１１ｂにてヒータ１６により加熱されて高温となった混合ガスは、触媒層１５を加熱しながら改質ガス流路２４を流れるので、改質ガス合流部２８に近づくほど温度が低下する。換言すれば、改質ガス流路２４において混合ガスの温度が低下するとき、混合ガスの流速が低下し、以て、混合ガスへの熱エネルギーの移動が促進される。従って、改質器１ａによれば、触媒層１５における上側（改質ガス分岐部２７側）と下側（改質ガス合流部２８側）との温度勾配を小さくすることが可能となる。その結果、触媒層１５における更に多くの部分を触媒作用が活性化する温度に維持することができる。

【0038】

＜第２実施形態＞
第２実施形態について、図５を参照しながら第１実施形態との差異を中心に説明する。第２実施形態に係る改質器２は、図５に示すように、触媒容器３１、中間容器３２、外側容器３３、収容容器３４、断熱材３５、触媒容器流出管３６、区画板３７ａ～３７ｂ、ヒータ３８、触媒層３９、原料ガス流入管４１及び改質ガス流出管４２を含んでいる。以下、改質器２の構造に関する説明における上下左右の方向は、図５で見たときの方向である。

【0039】

触媒容器３１、中間容器３２、外側容器３３及び収容容器３４のそれぞれは、図５の一点鎖線を軸線Ｌ２とする同軸状に配置されている。外側容器３３の外壁面と収容容器３４の内壁面との間に形成された空間には、周知の断熱材料からなる断熱材３５が充填されている。

【0040】

触媒容器３１の下面には、軸線Ｌ２を中心とする円形開口部（円形孔）である触媒容器流入口３１ａが形成されている。触媒容器３１の上面には、軸線Ｌ２と同軸状に延在する触媒容器流出管３６が接続されている。

【0041】

触媒容器３１は、内部に原料ガス室３１ｂ、ヒータ３８、触媒層３９及び改質ガス室３１ｃ、を含んでいる。ヒータ３８及び触媒層３９は、原料ガス室３１ｂの上方に隣接している。改質ガス室３１ｃは、ヒータ３８及び触媒層３９の上方に隣接している。

【0042】

原料ガス室３１ｂの上端には、区画板３７ａが配置されている。改質ガス室３１ｃの下端には、区画板３７ｂが配置されている。触媒容器３１における区画板３７ａと区画板３７ｂとの間の内周面には、ヒータ３８が配設されている。ヒータ３８は、円筒形状を有する電気式の加熱装置である。区画板３７ａ、３７ｂ及びヒータ３８の内周面によって形成される円筒形状の空間には触媒が充填され、以て、触媒層３９が形成されている。

【0043】

中間容器３２の左上部には、原料ガス流入管４１の一端が接続されている。原料ガス流入管４１は、外側容器３３、断熱材３５及び収容容器３４を貫通して延在している。原料ガス流入管４１の他端（不図示）は、アンモニア貯蔵器９１に接続されている。

【0044】

外側容器３３の右下部には、改質ガス流出管４２の一端が接続されている。改質ガス流出管４２は、断熱材３５及び収容容器３４を貫通して延在している。改質ガス流出管４２の他端（不図示）は、吸着装置９２と接続されている。

【0045】

原料ガス流入管４１から中間容器３２に流入したアンモニアは、中間容器３２の内壁面と触媒容器３１の外壁面との間に形成された外側原料ガス流路３２ａを下方に流れる。次いで、アンモニアは、触媒容器流入口３１ａから触媒容器３１（具体的には、原料ガス室３１ｂ）に流入する。原料ガス室３１ｂに流入したアンモニアは、区画板３７ａを介して触媒層３９に流入し、触媒の作用を受けながら熱エネルギーを吸収して水素と窒素に分解する。

【0046】

分解されたこれらのガス（混合ガス）は、未分解のアンモニアとともに区画板３７ｂを介して改質ガス室３１ｃに流入する。混合ガスは、触媒容器流出管３６を経て、中間容器３２の外壁面と外側容器３３の内壁面との間に形成された外側改質ガス流路３３ａに流入し、下方に流れる。次いで、混合ガスは、改質ガス流出管４２を経て排出され、吸着装置９２に向かう。

【0047】

ここで、ヒータ３８の外側をアンモニアが流れるように構成された外側原料ガス流路３２ａの意義について説明する。ヒータ３８が発生させる熱エネルギーは、触媒層３９の外周部（即ち、ヒータ３８と接する外周面近傍の領域）から触媒層３９の軸線近傍（即ち、軸線Ｌ２近傍の領域）へ向けて移動する。加えて、ヒータ３８は、内側にある触媒層３９やその内部にあるアンモニアを直接加熱するのみならず、外側にある外側原料ガス流路３２ａを流れるアンモニアも加熱する。ヒータ３８によって加熱されたアンモニアは触媒層３９に流入する前から部分的に分解が始まり、触媒層３９に流入すると触媒のもとでさらに分解される。

【0048】

加えて、外側原料ガス流路３２ａの外側を混合ガスが流れるように構成された外側改質ガス流路３３ａの意義について説明する。原料ガス流入管４１から外側原料ガス流路３２ａに流入したアンモニアの温度は、一般に、混合ガスの温度よりも低い。そのため、外側原料ガス流路３２ａを流れるアンモニアと外側改質ガス流路３３ａを流れる混合ガスとの間で熱交換が行われる。具体的には、混合ガスがアンモニアによって冷却される。そのため、吸着装置９２において、流入した混合ガスを冷却するための工程を省略する、或いは省力化することが可能となる。更に、アンモニアがヒータ３８だけでなく混合ガスによって加熱されるため、ヒータ３８の消費電力を抑えることができる。

【0049】

＜第３実施形態＞
第３実施形態について、図６を参照しながら第１実施形態との差異を中心に説明する。第３実施形態に係る改質器３は、図６に示すように、触媒容器５１、収容容器５２、断熱材５３、区画板５４ａ～５４ｂ、ヒータ５５、触媒層５６、原料ガス流入路５７及び内側改質ガス流路５８を含んでいる。以下、改質器３の構造に関する説明における上下左右の方向は、図６で見たときの方向である。

【0050】

触媒容器５１及び収容容器５２のそれぞれは、例えば略円筒形状を有するものであり、図６の一点鎖線を軸線Ｌ３とする同軸状に配置されている。触媒容器５１の外壁面と収容容器５２の内壁面との間に形成された空間には、周知の断熱材料からなる断熱材５３が充填されている。

【0051】

触媒容器５１は、内部に原料ガス室５１ａ、ヒータ５５、触媒層５６及び改質ガス室５１ｂを含んでいる。ヒータ５５及び触媒層５６は、原料ガス室５１ａの上方に隣接している。改質ガス室５１ｂは、ヒータ５５及び触媒層５６の上方に隣接している。原料ガス室５１ａの上端には、区画板５４ａが配置されている。改質ガス室５１ｂの下端には、区画板５４ｂが配置されている。

【0052】

触媒容器５１における区画板５４ａと区画板５４ｂとの間の内周面には、ヒータ５５が配設されている。ヒータ５５は、円筒形状を有する電気式の加熱装置である。区画板５４ａ、５４ｂ及びヒータ５５の内周面によって形成される円筒形状の空間には触媒が充填され、以て、触媒層５６が形成されている。ヒータ５５は、発熱して触媒層３９とその内部のアンモニアを加熱する。

【0053】

原料ガス流入路５７は、収容容器５２、断熱材５３及び収容容器５２を貫通し、下流側の一端（上端）は原料ガス室５１ａ内にある。原料ガス流入路５７の上流側はアンモニア貯蔵器９１と接続されている。

【0054】

内側改質ガス流路５８は、触媒層５６を貫通して延びる触媒層貫通部５８ａと混合ガスを改質器３から排出する改質ガス流出部５８ｂとを含んでいる。内側改質ガス流路５８の上流側の一端（上端）は、改質ガス室５１ｂ内にある。改質ガス流出部５８ｂの一部は、原料ガス流入路５７内に配置されている。具体的には、内側改質ガス流路５８は原料ガス流入路５７の出口から内部に入り、しばらく原料ガス流入路５７に含まれた区間（熱交換区間）を経た後、原料ガス流入路５７の壁を貫通して外部に出る。原料ガス流入路５７の下流側の端（不図示）は吸着装置９２に接続されている。

【0055】

原料ガス流入路５７から原料ガス室５１ａに流入したアンモニアは、区画板５４ａを介して触媒層５６に流入し、触媒の作用を受けながら熱エネルギーを吸収して水素と窒素に分解する。分解されたこれらのガス（混合ガス）は、未分解のアンモニアとともに区画板５４ｂを介して改質ガス室５１ｂに流入する。その後、混合ガスは、内側改質ガス流路５８を経て排出され、吸着装置９２に向かう。

【0056】

ここで、内側改質ガス流路５８の触媒層貫通部５８ａの意義について説明する。ヒータ５５が発生させた熱エネルギーは、触媒層５６とその内部を流れるガスを触媒層５６の外周部（即ち、ヒータ５５と接する外周面近傍の領域）から中心部（即ち、図６の軸線Ｌ３近傍の領域）に向かって加熱する。

【0057】

一方、触媒層５６から流出した改質ガスや未分解のアンモニア（即ち、混合ガス）は、比較的高温になっている。このため、内側改質ガス流路５８を流れる混合ガスは、触媒層貫通部５８ａの壁を介して触媒層５６とその内部を流れるアンモニアを触媒層５６の中心部から加熱する。このように、高温の混合ガスを利用して触媒層５６を中心部から加熱できるため、ヒータ５５の消費電力を抑えることができる。

【0058】

加えて、内側改質ガス流路５８の一部区間が原料ガス流入路５７の内部に含まれていることの意義について説明する。内側改質ガス流路５８における触媒層５６を貫通する区間よりも下流（即ち、区画板５４ａよりも下方の区間）を流れる混合ガスの温度は、触媒との熱交換が行われた後であっても比較的高い。一方、アンモニア貯蔵器９１から供給されるアンモニアは、加熱されておらず、温度が比較的低い（例えば、２５℃）。そのため、熱交換区間において混合ガスとアンモニアとの間で内側改質ガス流路５８の壁を介して熱交換が行われる。即ち、アンモニアは、原料ガス室５１ａに流入する前に加熱される。

【0059】

アンモニアと混合ガスとの熱交換によってアンモニアの温度が上昇するので、触媒の温度上昇に寄与する。従って、ヒータ５５の消費電力を抑えることができる。一方、熱交換によって混合ガスの温度が低下するので、吸着装置９２において混合ガスを冷却する負担が軽減される。

【0060】

以上、説明したように、各実施形態の改質器１、１ａ、２、３によれば、ヒータ１６、３８、５５の消費電力が過大となることを回避できる。

【0061】

＜他の実施形態＞
上述した実施形態において、原料ガスはアンモニアガスであり且つ改質ガスは水素及び窒素を含んでいた。別の実施形態として、原料ガスの主成分はメタンガス（ＣＨ₄）及び水蒸気（Ｈ₂Ｏ）であり且つ改質ガスは二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素を含むようにしても良い。即ち、改質器１、１ａ、２、３は、適切な種類および形態の触媒を用いてメタンガスを水蒸気改質反応により分解できるように構成されても良い。なお、メタンガスの水蒸気改質反応は吸熱反応である。

【0062】

ヒータ１６、３８、５５は、電気式の加熱装置であった。別の実施形態として、これらの加熱装置は、電気式とは異なる加熱装置であっても良い。例えば、加熱装置は、燃料電池９３から排出された高温の水蒸気が導入されて発熱するように構成されても良い。

【0063】

触媒層１５、３９、５６は、粒状の触媒の集合体であった。別の実施形態として、触媒層は、多孔質の担体（基材）にルテニウム及びニッケル等の活性成分（触媒物質）を担持させることによって構成されても良い。

【0064】

図２および図３の改質器１は、９本の直線状に延在する改質ガス管（即ち、軸線Ｌ１と同軸状に延在する改質ガス管１７ａ、及び軸線Ｌ１を中心とする円周上に配置された改質ガス管１７ｂ～１７ｉ）を含んでいた。別の実施形態として、中央の改質ガス管１７ａは省略しても良い。或いは、別の実施形態として、改質ガス管の数は、９本とは異なっていても良い。更に別の実施形態として、改質ガス流路１７のそれぞれは、直線状に延在していなくても良い。例えば、改質ガス管１７ｂ～１７ｉのそれぞれは、改質ガス分岐部１８から改質ガス合流部１９へ捻じれながら延在していても良い。

【0065】

図４の改質器１ａに係る改質ガス流路２４のそれぞれは、小径部２５及び大径部２６を含んでいた。即ち、改質ガス流路２４の外径及び内径は、触媒層において混合ガスの下流において内径が大きくなるように２段階に変化していた。別の実施形態として、改質ガス流路２４の外径及び内径は、混合ガスの下流において内径が大きくなるように３段階に変化しても良い。或いは、別の実施形態として、改質ガス流路２４の外径及び内径は、混合ガスの下流に向かうに従って連続的に大きくなっても良い。

【0066】

図２の改質器１に係るヒータ１６は、触媒容器１１の内周面に配設されていた。別の実施形態として、ヒータ１６は、触媒容器１１の外周面に、改質ガス室１１ｂにある混合ガスを加熱するように配設されても良い。

【0067】

図６の改質器３に係るヒータ５５の内周面は、触媒層５６の外周面と接していた。別の実施形態として、ヒータ５５の内周面と、触媒層５６の外周面と、の間に空間が形成されていても良い。

【0068】

図６の改質器３において、アンモニアと混合ガスとの間の熱交換が促進されるように、原料ガス流入路５７及び内側改質ガス流路５８が熱交換区間を有していた。即ち、原料ガス流入路５７及び内側改質ガス流路５８が、二重管型熱交換器として機能する区間を含んでいた。別の実施形態として、原料ガス流入路５７及び内側改質ガス流路５８は、アンモニアと混合ガスとの間の熱交換が促進されるように、互いの外周面が接し且つ螺旋状に捩れた区間を熱交換区間として含んでいても良い。

【0069】

以上、様々な実施形態を上記のシステムを参照して説明したが、本技術の目的を逸脱せずに多くの置換、改良、変更が可能であることは当業者であれば明らかである。従って本技術の形態は、添付された請求項の主旨と目的を逸脱しない全ての置換、改良、変更を含み得る。

【符号の説明】

【0070】

１、１ａ、２、３…改質器
１１…触媒容器
１１ａ…原料ガス室
１１ｂ…改質ガス室
１２…収容容器
１３…断熱材
１４ａ、１４ｂ…区画板
１５…触媒層
１６…ヒータ
１７…改質ガス流路
１７ａ～１７ｉ…改質ガス管
１８…改質ガス分岐部
１９…改質ガス合流部
２１…改質ガス流入管
２２…改質ガス流出管
２３…原料ガス流入管
２４…改質ガス流路
２４ａ～２４ｄ…改質ガス管
２５…小径部
２６…大径部
２７…改質ガス分岐部
２８…改質ガス合流部
３１…触媒容器
３１ａ…触媒容器流入口
３１ｂ…原料ガス室
３１ｃ…改質ガス室
３２…中間容器
３２ａ…外側原料ガス流路
３３…外側容器
３３ａ…外側改質ガス流路
３４…収容容器
３５…断熱材
３６…触媒容器流出管
３７ａ、３７ｂ…区画板
３８…ヒータ
３９…触媒層
４１…原料ガス流入管
４２…改質ガス流出管
５１…触媒容器
５１ａ…原料ガス室
５１ｂ…改質ガス室
５２…収容容器
５３…断熱材
５４ａ、５４ｂ…区画板
５５…ヒータ
５６…触媒層
５７…原料ガス流入路
５８…内側改質ガス流路
５８ａ…触媒層貫通部
５８ｂ…改質ガス流出部
９１…アンモニア貯蔵器
９２…吸着装置
９３…燃料電池
１００…燃料電池システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】