(57)【要約】【課題】ヒータの絶縁封止体の温度が高温になることを防止できる改質装置およびそれを用いた燃料電池システムを提供する。【解決手段】少なくとも外管１１と内管８と触媒層を備えた反応管４と、改質反応に必要な流体を供給する流体供給部１４ａと、反応管４の外管１１に巻き付けて固定されたヒータ１８と、を少なくとも備え、ヒータ１８は、非発熱線が接続された発熱線と、発熱線と金属シースとの空隙に充填された絶縁材とを端部に開口部を有する金属シース内に収納するとともに、開口部に非発熱線の一部が貫通穴を介して外部に露出するように装着された絶縁封止体２８と、を有し、ヒータ１８の絶縁封止体２８近傍の金属シースを流体供給部１４ａに伝熱体２０を介して接触固定し構成の改質装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも外管と内管とその間の環状空間に充填された触媒層を備えた反応管と、
改質反応に必要な流体を供給する流体供給部と、
前記反応管の前記外管の外側に巻き付けて密着固定されたヒータと、を少なくとも備え、前記ヒータは、末端部に非発熱線が接続された発熱線と前記発熱線と金属シースとの空隙に充填された絶縁材とを端部に開口部を有する金属シース内に収納するとともに、前記開口部に前記非発熱線の一部が貫通穴を介して外部に露出するように装着された絶縁封止体と、を有し、
前記ヒータの前記絶縁封止体近傍の前記金属シースを前記流体供給部に伝熱体を介して接触固定した改質装置。
【請求項２】
前記流体供給部が、改質水供給部である請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
前記流体供給部が、原料ガス供給部である請求項１に記載の改質装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の改質装置と、燃料電池と、を少なくとも備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、改質装置には、触媒部を予熱するためのヒータが設けられている。そして、起動時に、ヒータを通電して加熱することにより、触媒部を短時間で昇温して、触媒部の反応効率を向上させる例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下に、従来の一般的な構造の改質装置について、図面を用いて説明する。
【０００４】
図３は、従来の改質装置の全体構成を示す部分断面図である。
【０００５】
図３に示すように、改質装置は、外管３０と内管３１とで２重管構造に構成された反応管２９と、外管３０と内管３１との間の環状空間に触媒が充填された触媒層３２を備えている。そして、外管３０の外周面に電熱線を有するヒータ３３をらせん状に巻き付けて配設し、触媒層３２を加熱する構成を有している。さらに、反応管２９には、触媒層３２の温度を計測するための、例えば熱電対やサーミスタからなる温度センサを取り付ける温度検知用ポート３４ａ、３４ｂ、３４ｃが設けられている。
【０００６】
そして、温度センサで検出した温度に基づいて、触媒層３２の温度が、例えば１８０℃〜２００℃となるように、ヒータ３３の加熱量を調整して制御している。
【特許文献１】特開２００３−１９２３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の構成では、改質反応時において、外管３０の温度がヒータ３３に熱伝導により伝わるため、外管３０の温度がヒータ３３の耐熱温度を超える箇所では使用できないという課題があった。例えば、絶縁封止体を有するヒータにおいては、外管の温度の伝熱によりヒータが高温になるため、絶縁封止体が熱劣化してヒータ内部の発熱線と金属シースや外部との絶縁性能が損なわれ、改質装置の信頼性が低下するという課題があった。その結果、ヒータの絶縁封止体の絶縁耐久性を維持するためには、改質反応において耐熱温度を超えて高温になる箇所にヒータを取付けられないという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ヒータの、特に絶縁封止体の温度が高温になることを防止して、高温になる箇所にヒータを取付けることができる改質装置およびそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記従来の課題を解決するために、本発明の改質装置は、少なくとも外管と内管と触媒層を備えた反応管と、改質反応に必要な流体を供給する流体供給部と、反応管に巻き付けて密着固定されたヒータと、を少なくとも備え、ヒータは、末端部に非発熱線が接続された発熱線と発熱線と金属シースとの空隙に充填された絶縁材とを端部に開口部を有する金属シース内に収納するとともに、開口部に非発熱線の一部が貫通穴を介して外部に露出するように装着された絶縁封止体と、を有し、ヒータの絶縁封止体近傍の金属シースを流体供給部に伝熱体を介して接触固定した構成を有する。
【００１０】
この構成により、ヒータの絶縁封止体の温度が高温になることを防止できる。その結果
、高温になる箇所にヒータを取付けることができる信頼性に優れた改質装置を実現できる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、上記改質装置と、燃料電池と、を少なくとも備えている。これにより、改質反応を長期間に亘って安定に動作する信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の改質装置は、ヒータの絶縁封止体の温度が高温になることを防止し、従来取付けが困難であった高温となる箇所にヒータを取付けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、少なくとも外管と内管とその間の環状空間に充填された触媒層を備えた反応管と、改質反応に必要な流体を供給する流体供給部と、反応管の外管の外側に巻き付けて密着固定されたヒータと、を少なくとも備え、ヒータは、末端部に非発熱線が接続された発熱線と発熱線と金属シースとの空隙に充填された絶縁材とを端部に開口部を有する金属シース内に収納するとともに、開口部に非発熱線の一部が貫通穴を介して外部に露出するように装着された絶縁封止体と、を有し、ヒータの絶縁封止体近傍の金属シースを流体供給部に伝熱体を介して接触固定した構成の改質装置である。
【００１４】
この構成により、ヒータの絶縁封止体の温度が高温になることを防止できる。その結果、高温になる箇所にヒータを取付け、改質反応を長期間に亘って安定に動作する信頼性に優れた改質装置を実現できる。
【００１５】
第２の発明、第１の発明において、流体供給部が、改質水供給部である。これにより、ヒータからの熱伝導による熱で改質装置に供給される改質水の温度を上げることができる。その結果、改質反応に必要な外部から供給する熱量を減少させて、改質装置の効率を高めることができる。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明において、流体供給部が、原料ガス供給部である。これにより、ヒータからの熱伝導による熱で改質装置に供給される原料ガスの温度を上げることができる。その結果、改質反応に必要な外部から供給する熱量を減少させて、改質装置の効率を高めることができる。
【００１７】
第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明の改質装置と、燃料電池と、を少なくとも備える燃料電池システムである。これにより、改質反応を長期間に亘って安定に動作できる信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した従来の構成と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における改質装置について、詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態１における改質装置の全体構成を示す部分断面図である。
【００２１】
図１に示すように、改質装置は、燃焼器１と、少なくとも外管１１と内管８との２重管構造を有する反応管４と、改質水、原料ガスや空気などの流体を供給する流体供給部１４ａ、１４ｂと、反応管４の外管１１に密着して巻かれたヒータ１８とから、少なくとも構
成されている。
【００２２】
ここで、燃焼器１は、ガス弁２から供給される都市ガス（またはＬＰＧ）や燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）あるいは都市ガスとオフガスを混合した燃料ガスと、送風機３から供給される燃焼用空気とを燃焼させて、高温の燃焼ガスを反応管４に放出する。
【００２３】
また、反応管４は、複数の同心円状の管形状を有し、内側から順に、燃焼器１からの燃焼ガスが放出される第１筒５と、第２筒６と、内管８および外管１１から構成されている。そして、第１筒５と第２筒６との環状空間により燃焼ガス流路７が形成されている。さらに、第２筒６と内管８との環状空間により蒸発部９が形成され、蒸発部９に改質触媒層１０が設けられている。また、内管８と外管１１との環状空間には、変成触媒層１２と選択酸化触媒層１３などの触媒層が設けられている。
【００２４】
そして、外管１１の外周面には、改質水供給部である流体供給部１４ａ、１４ｂ、温度検知用ポート１５、選択酸化空気ポート１６と改質ガスパイプ１７が設けられている。ここで、流体供給部１４ａは水蒸気改質反応に必要な改質水を、流体供給部１４ｂは原料ガスを供給し、選択酸化空気ポート１６は改質ガスに含まれる一酸化炭素選択酸化反応に必要な空気を供給する。また、温度検知用ポート１５は、例えば熱電対やサーミスタからなる温度センサが取り付けられ、改質触媒層１０、変成触媒層１２や選択酸化触媒層１３などの触媒層の温度を検出する。
【００２５】
さらに、ヒータ１８は、外管１１に外側から、例えばらせん状に巻き付けて密着固定されている。このとき、外管１１に密着固定されていないヒータの端部１９近傍が、改質水が供給される流体供給部１４ａに伝熱体２０を介して接触した状態で固定されている。なお、伝熱体２０としては、例えば、ステンレスや銅などの金属やカーボンなどを用いることができる。
【００２６】
以下に、本発明の実施の形態１における改質装置に用いられるヒータの構造について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図２は、本発明の実施の形態１における改質装置に用いられるヒータの断面図である。
【００２８】
図２に示すように、ヒータ１８は、まず、発熱線２３の末端部２３ａが非発熱線２２に接続されて金属シース２１内に収納されている。このとき、発熱線２３を収納した金属シース２１の空隙に、例えばマグネシアなどの絶縁材２４を充填して発熱部２５が構成されている。そして、金属シース２１の端部の開口部２６から突出した非発熱線２２を絶縁封止体２８の貫通穴２７に挿入した状態で、金属シース２１の端部の開口部２６に絶縁封止体２８を圧入して装着された構成を有する。このとき、非発熱線２２の一部は絶縁封止体２８から外部に露出し、外部の電源や制御回路などと接続される。
【００２９】
そして、上記構成により、ヒータ１８は、絶縁封止体２８を圧入装着した時の非発熱線２２と貫通穴２７との密着度と、金属シース２１の端部の開口部２６と絶縁封止体２８との密着度で、金属シース２１との絶縁性や気密性を確保している。
【００３０】
以下に、上記のように構成されたヒータ１８を備えた改質装置の動作について、説明する。
【００３１】
まず、改質装置の起動時において、ヒータ１８を通電することにより、燃焼器１から供給される高温（例えば、１０００℃）の燃焼ガスとともに、各々の触媒層を加熱する。そ
して、温度センサで検出した変成触媒層１２や選択酸化触媒層１３の温度が、例えば１８０℃〜２００℃になると、ヒータ１８の加熱量を調整して各々の触媒層の温度を維持する。つまり、ヒータ１８の加熱により、各々の触媒層の昇温時間が短縮される。
【００３２】
そして、水蒸気改質反応に必要な温度まで、各触媒層が昇温すると、ヒータ１８への通電を止めて、加熱を停止する。
【００３３】
つぎに、水蒸気改質反応に必要な温度まで昇温すると、流体供給部１４ａから水蒸気改質反応に必要な改質水と、流体供給部１４ｂから原料ガスなどの流体が蒸発部９に供給される。このとき、原料ガスや改質水などの流体は、燃焼器１で燃焼した燃焼ガスが蒸発部９の内壁面の燃焼ガス流路７を通過する時に、例えば第２筒６に伝えられた熱により、原料ガスの加熱あるいは改質水を蒸発させて水蒸気にする。そして、加熱された原料ガスと蒸発した改質水などの流体は、改質触媒層１０に供給され、改質触媒との水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する。
【００３４】
つぎに、生成した水素含有ガスを、さらに変成触媒層１２と選択酸化触媒層１３を通過させることにより、水性変成反応と選択酸化反応により、改質反応で発生した一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる。これにより、一酸化炭素を５０ｐｐｍ程度まで低減させた改質ガスが、改質ガスパイプ１７から燃料電池（図示せず）の発電セルに供給される。
【００３５】
このとき、燃焼ガスの通過や水蒸気改質反応により、反応管４の外管１１が加熱される。この場合、外管１１の温度は、運転開始時にヒータ１８によって昇温した時よりも高温になる。その結果、高温になった外管１１の熱が、熱伝導によりヒータ１８自体の温度を上昇させる。このとき、ヒータ１８自体の耐熱温度（一般に、絶縁封止体の耐熱温度により制限される）以上に加熱される場合がある。
【００３６】
しかし、本実施の形態によれば、ヒータ１８の端部１９が、改質水供給部である流体供給部１４ａに伝熱体２０を介して接触して密着固定されている。そして、ヒータ１８の端部１９に伝熱した熱は、改質水供給部である流体供給部１４ａへ熱伝導により伝熱するため、ヒータ１８の端部１９の温度が下がる。その結果、ヒータ１８の端部１９の金属シース２１の端部の開口部２６や絶縁封止体２８の温度が高温にならないため、絶縁耐久性が損なわれない。さらに、ヒータ１８の絶縁封止体２８の耐熱温度で制限されていた、従来取付けが困難であった高温となる箇所にヒータ１８を取付けることができる。
【００３７】
上述したように、本実施の形態によれば、ヒータの端部の熱を、伝熱体を介して流体供給部に供給される改質水に吸収させることができる。そのため、ヒータの端部の金属シースの開口部と絶縁封止体の絶縁耐久性が低下しない。その結果、改質反応を長期間に亘って安定に維持できる信頼性に優れた改質装置および燃料電池システムを実現できる。
【００３８】
また、本実施の形態によれば、流体供給部を通過する水蒸気改質反応に必要な改質水などの流体の温度が、ヒータから伝熱体を介して供給される熱により上がる。その結果、水蒸気改質反応に必要な外部から供給する熱量を減少できるため、効率の高い改質装置および燃料電池システムを実現できる。
【００３９】
なお、上記実施の形態では、ヒータ１８の端部１９を改質水供給部である流体供給部１４ａに接触固定した例で説明したが、これに限られない。例えば、原料ガス供給部である流体供給部１４ｂに、ヒータ１８の端部１９を接触固定してもよい。これにより、原料ガス供給部を流れる原料ガスの温度が、ヒータ１８から伝熱体を介して供給される熱により上昇する。その結果、水蒸気改質反応に必要な外部から供給する熱量を減少できるため、効率の高い改質装置および燃料電池システムを実現できる。
【００４０】
さらに、流体供給部が、選択酸化空気ポートから供給される空気供給部であってもよい。これにより、選択酸化触媒に供給される空気の温度が上昇する。その結果、選択酸化触媒を通過する改質ガスと空気の混合気体の温度が高くなるため、選択酸化触媒の反応効率が上がり改質ガス中のＣＯ除去率の高い改質装置および燃料電池システムを実現できる。
【００４１】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池システムについて説明する。
【００４２】
本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の改質装置と、燃料電池とで少なくとも構成されている。そして、燃料電池は、改質装置から供給される水素含有ガスと、空気との化学反応により発電する。
【００４３】
本実施の形態によれば、熱効率の高い改質装置により、改質反応を長期間に亘って安定に維持するとともに、発電効率の高い燃料電池システムを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、長期間に亘って安定な動作が要望される改質装置や燃料電池システムの技術分野において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１における改質装置の全体構成を示す部分断面図
【図２】本発明の実施の形態１における改質装置に用いられるヒータの断面図
【図３】従来の改質装置の全体構成を示す部分断面図
【符号の説明】
【００４６】
１  燃焼器
２  ガス弁
３  送風機
４，２９  反応管
５  第１筒
６  第２筒
７  燃焼ガス流路
８，３１  内管
９  蒸発部
１０  改質触媒層
１１，３０  外管
１２  変成触媒層
１３  選択酸化触媒層
１４ａ，１４ｂ  流体供給部
１５，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ  温度検知用ポート
１６  選択酸化空気ポート
１７  改質ガスパイプ
１８，３３  ヒータ
１９  端部
２０  伝熱体
２１  金属シース
２２  非発熱線
２３  発熱線
２３ａ  末端部
２４  絶縁材
２５  発熱部
２６  開口部
２７  貫通穴
２８  絶縁封止体
３２  触媒層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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