(57)【要約】【課題】改質触媒が圧壊や沈降して内管に改質触媒と接触しない部分が生じることを防止して、内管および反応管の耐久性を高めた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】ガスの流路を形成する第１壁と第２壁との間に配置され水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する複数の粒子状の改質触媒４と、改質触媒４の上下にそれぞれ設けられガスの通過を可能にするとともに改質触媒４の高さ方向の位置を規制する上側規制部材５ａおよび下側規制部材５ｂと、第１壁および第２壁のいずれか一方を介して改質触媒４を加熱する加熱手段７と、上側規制部材５ａと下側規制部材５ｂとの間に配置されガスの通過を可能にするとともに改質触媒４を上下に仕切る仕切部材６と、を備え、上側規制部材５ａと仕切部材６は、加熱手段７に近い側が低くなるように傾斜して配置された構成を有する。【選択図】図１
2010248001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向にガスの流路を形成する第１壁と第２壁との間に配置され水蒸気と原料ガスによる水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する複数の粒子状の改質触媒と、前記改質触媒の上下にそれぞれ設けられ前記ガスの通過を可能にするとともに前記改質触媒の高さ方向の位置を規制する上側規制部材および下側規制部材と、前記第１壁および前記第２壁のいずれか一方を介して前記改質触媒を加熱する加熱手段と、前記上側規制部材と前記下側規制部材との間に配置され前記ガスの通過を可能にするとともに前記改質触媒を上下に仕切る仕切部材とを備え、前記上側規制部材と前記仕切部材は、前記加熱手段に近い側が低くなるように傾斜して配置される改質装置。
【請求項２】
前記仕切部材は、前記上側規制部材と前記下側規制部材との間に互いに所定間隔、離して複数配置される請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
前記第１壁および前記第２壁は、中心軸が重なる円筒２重管の外管および内管を構成し、前記内管の内側に加熱手段がある請求項１または２に記載の改質装置。
【請求項４】
前記仕切部材は、前記加熱手段に近い側の前記第１壁および前記第２壁のいずれか一方に固定されている請求項１から３のいずれか１項に記載の改質装置。
【請求項５】
請求項１から４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、原料ガスと改質触媒を改質反応させて水素含有改質ガスを生成する改質装置とそれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の改質装置は、外管と内管とからなる２重管構造で形成された反応管の内部に改質触媒層を有している。そして、改質触媒層は、外管と内管との間に固定して設けられた仕切部材により仕切られている。これにより、改質触媒に加わる荷重を少なくし、内管と外管の熱膨張差などに起因する密度変化を抑制することにより、改質触媒層を形成する空間内での改質触媒の圧壊や粉化による沈降を防止することが開示されている（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５は、従来の改質装置の全体構成を示す部分断面図である。図６は、従来の改質装置において改質触媒が沈降した時の状態を説明する部分断面図である。
【０００５】
図５に示すように、従来の改質装置は、外管１７と内管１８とで２重管構造に構成された反応管１６と、外管１７と内管１８との間の環状空間に改質触媒１９が充填された改質触媒層２０と、改質触媒層２０を複数の環状空間に仕切る仕切部材２１と、改質触媒１９を加熱する加熱手段２２と、を少なくとも有している。ここで、仕切部材２１は、例えばドーナツ状で、改質反応に必要な流体を流すための複数の孔を備えている。そして、仕切部材２１は、反応管１６の長手方向と直交する方向に外管１７と内管１８との間に設けられ、内管１８に溶接などで装着固定されている。
【０００６】
また、反応管１６を内管側から加熱する加熱手段２２である燃焼器２３と燃焼器２３からの燃焼ガスが放出される燃焼筒２４が、反応管１６の内管１８内に設けられている。さらに、燃焼筒２４と反応管１６の内管１８との間の環状空間で燃焼器２３より送出される燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路２５が形成されている。そして、燃焼ガス流路２５を通過した燃焼したガスの熱で反応管１６内の改質触媒１９を加熱して改質触媒による改質反応をさせて水素含有な改質ガスを生成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２０８２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の構成では、改質触媒１９の圧壊や沈降の低減は図れるが、改質装置の過酷な使用条件の場合には運転時間とともに改質触媒１９の圧壊や自重による沈降を完全に無くすことはできない。そのため、改質触媒１９が改質触媒層２０内で下方に沈降し、改質触媒層２０の仕切部材２１で仕切られた領域の頂部に改質触媒１９の存在しない空間が生じる。これにより、特に、温度が高い燃焼ガスと接する内管１８に改質触媒１９が接触しない部分が生じる。
【０００９】
その結果、内管１８には、改質触媒１９と熱伝導して温度が下がる部分と、改質触媒１９と非接触のため熱伝導せず温度が下がらない部分とが発生し、その温度ムラにより内管
１８の耐久性が低下するという課題があった。
【００１０】
また、加熱手段に近い方の壁に接触する改質触媒が減少するので改質装置の改質効率が低下するという課題も有していた。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、改質触媒が圧壊や沈降により内管と接触しない部分が生じることを防止して、内管および反応管の耐久性を高め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】
【００１２】
上記従来の課題を解決するために、本発明の改質装置は、上下方向にガスの流路を形成する第１壁と第２壁との間に配置され水蒸気と原料ガスによる水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する複数の粒子状の改質触媒と、改質触媒の上下にそれぞれ設けられガスの通過を可能にするとともに改質触媒の高さ方向の位置を規制する上側規制部材および下側規制部材と、第１壁および第２壁のいずれか一方を介して改質触媒を加熱する加熱手段と、上側規制部材と下側規制部材との間に配置されガスの通過を可能にするとともに改質触媒を上下に仕切る仕切部材とを備え、上側規制部材と仕切部材は、加熱手段に近い側が低くなるように傾斜して配置された構成を有する。
【００１３】
この構成により、改質触媒が圧壊や沈降した場合でも改質触媒は、仕切部材に沿って、常に加熱手段に近い方の第１壁または第２壁に向かって下がり、改質触媒の存在しない空間は加熱手段に遠い方の第２壁または第１壁の近傍に形成されるので、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁に改質触媒が接触しない部分が生じることを防止できる。その結果、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁の温度ムラをなくして、耐久性を大幅に高めることができる。
【００１４】
また、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁と改質触媒が常に接触するので改質装置の改質効率の低下を長期間に亘って防止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の改質装置は、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁と改質触媒との均一接触により、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁の温度ムラを抑制して耐久性を高めることができる。
【００１６】
また、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁と改質触媒とを常に接触させることにより、改質装置の改質効率の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における改質装置の構成を示す部分断面図
【図２】同実施の形態１における改質装置の改質触媒が沈降した状態を説明する部分断面図
【図３】同実施の形態１における改質装置の反応管に改質触媒の封入する途中の状態を説明する部分断面図
【図４】同実施の形態１における改質装置の反応管に改質触媒の封入した状態を説明する部分断面図
【図５】従来の改質装置の全体構成を示す部分断面図
【図６】従来の改質装置の改質触媒が沈降した状態を説明する部分断面図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、上下方向にガスの流路を形成する第１壁と第２壁との間に配置され水蒸
気と原料ガスによる水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する複数の粒子状の改質触媒と、改質触媒の上下にそれぞれ設けられガスの通過を可能にするとともに改質触媒の高さ方向の位置を規制する上側規制部材および下側規制部材と、第１壁および第２壁のいずれか一方を介して改質触媒を加熱する加熱手段と、上側規制部材と下側規制部材との間に配置されガスの通過を可能にするとともに改質触媒を上下に仕切る仕切部材とを備え、上側規制部材と仕切部材は、加熱手段に近い側が低くなるように傾斜して配置された構成の改質装置である。
【００１９】
この構成により、改質触媒が圧壊や沈降した場合でも改質触媒は、仕切部材に沿って、常に加熱手段に近い方の第１壁または第２壁に向かって下がり、改質触媒の存在しない空間は加熱手段に遠い方の第２壁または第１壁の近傍に形成されるので、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁に改質触媒が接触しない部分が生じることを防止できる。その結果、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁の温度ムラをなくして、耐久性を大幅に高めることができる。
【００２０】
また、加熱手段に近い方の第１壁または第２壁と改質触媒が常に接触するので改質装置の改質効率の低下を長期間に亘って防止することができる。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、仕切部材は、上側規制部材と下側規制部材との間に互いに所定間隔、離して複数配置される改質装置である。
【００２２】
これにより、改質触媒の圧壊や沈降が多くなった場合でも、加熱手段側と改質触媒が接触しない部分の発生を防止できる。
【００２３】
第３の発明は、第１の発明において、第１壁および第２壁は、中心軸が重なる円筒２重管の外管および内管を構成し、内管の内側に加熱手段がある改質装置である。
【００２４】
これにより、加熱手段を周方向から加熱手段に近い方の第１壁または第２壁で囲むことができるため、加熱手段から供給される熱量の外部放熱量を減少させて改質装置の改質効率を高めることができる。
【００２５】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、仕切部材は、加熱手段に近い側の第１壁および第２壁のいずれか一方に固定されている改質装置である。
【００２６】
これにより、改質触媒を触媒充填器で充填する場合、加熱手段に遠い方の第１壁または第２壁に密着させた状態で加熱手段に近い方の第１壁または第２壁を上方から下方にスライドさせながら改質触媒を加熱手段に遠い方の第１壁または第２壁側から封入することができるので、改質触媒の封入が容易になる。
【００２７】
第５の発明は、上記改質装置と、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。
【００２８】
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、従来例または先に説明した実施の形態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。
【００２９】
（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。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態１における改質装置の構成を示す部分断面図である。
【００３１】
図２は、本発明の実施の形態１における改質装置の改質触媒が沈降した状態を説明する部分断面図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施の形態の改質装置は、燃焼器８と燃焼筒９からなる加熱手段７と、鉛直方向に配置された反応管１と、反応管１内に充填された改質触媒４と、改質触媒４の上下に設けられた高さ方向の位置を規制する複数の孔（図示せず）を有する上側規制部材５ａ、下側規制部材５ｂと、その間に配置され改質触媒４を上下に仕切る複数の孔（図示せず）を有する複数の仕切部材６と、を少なくとも備えている。このとき、上側規制部材５ａ、下側規制部材５ｂと仕切部材６は、所定の間隔、離して配置される。なお、所定の間隔とは、改質触媒が、圧壊や自重の沈降などにより発生する非改質触媒空間を生じても、反応管の内管と常に接触することができる間隔である。
【００３３】
ここで、反応管１は、鉛直方向に配置された第２壁である外管２と、第１壁である内管３との２重管構造を有している。
【００３４】
また、改質触媒４は、水蒸気と原料ガスとの水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する複数の粒子状の形状を有し、反応管１の外管２と内管３との間の環状空間に充填されている。このとき、改質触媒４は、改質反応に必要な水蒸気と原料ガスの通過を可能にしながら改質触媒の高さ方向の位置を規制する、上側規制部材５ａ、下側規制部材５ｂおよび上側規制部材５ａ、下側規制部材５ｂの間に配置した仕切部材６で、仕切られた空間に充填されている。
【００３５】
そして、少なくとも上側規制部材５ａと仕切部材６とは、反応管１の第１壁である内管３側が低くなるように、例えば４５°程度に傾斜して、内管３に装着されている。
【００３６】
なお、上側規制部材５ａ、下側規制部材５ｂと仕切部材６と設けられている孔の径として、改質触媒４の粒子径が概ね２〜５ｍｍ程度であることを考慮して、改質触媒４の粒子径の概ね１／３〜１／２程度としている。
【００３７】
また、反応管１には、改質反応に必要な流体である水蒸気と原料ガスを供給する流体供給部１１、１２と、改質ガスを取り出す改質ガスパイプ１３が設けられている。このとき、流体供給部１１からは、原料ガスである都市ガス（またはＬＰＧ）が供給され、流体供給部１２からは水が供給される。そして、供給された原料ガスと水は、反応管１内で流動して改質触媒４内で改質反応により改質ガスとなって通過する。
【００３８】
また、加熱手段７は、燃焼ガスが放出される燃焼筒９が反応管１の内側に設けられた燃焼器８は、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）や都市ガスとオフガスを混合した燃料ガスを燃焼させ高温の燃焼ガスを放出して、反応管１を内管３内部から加熱する。
【００３９】
また、燃焼器８からの燃焼ガスが放出される燃焼筒９と、燃焼筒９の外側に設けられた反応管１の内管３との間の環状空間で燃焼ガス流路１０を形成し、燃焼器８より送出される燃焼ガスを通過させている。このとき、燃焼ガス流路１０を通過した燃焼ガスの熱で反応管１内の改質触媒４を加熱する。
【００４０】
以下に、上記構成の改質装置の動作について、説明する。
【００４１】
まず、改質装置の起動時において、燃焼器８から供給される高温（例えば、１０００℃
）の燃焼ガスが燃焼ガス流路１０を通過し、その熱で改質触媒４を反応管１の内管３側から加熱する。そして、水蒸気改質反応に必要な温度（例えば、６５０℃程度）まで、改質触媒４を昇温する。
【００４２】
つぎに、改質触媒４を昇温すると、流体供給部１１から原料となる都市ガス（またはＬＰＧ）を供給するとともに、流体供給部１２から水を供給する。このとき、供給された原料と水は、反応管１内を流動して、燃焼ガス流路１０を通過する燃焼ガスにより加熱されて原料と水蒸気の混合気体となる。そして、混合気体は、改質触媒４に供給されて、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する。
【００４３】
つぎに、生成した水素含有ガスを、改質ガスパイプ１３から燃料電池（図示せず）の発電セルに供給されて、発電が開始する。
【００４４】
このとき、燃焼ガスの通過や水蒸気改質反応により、内管３は内管内部から加熱手段７で加熱されるので外管２より温度が高くなる。そのため、内管３と外管２の温度差によって生じる熱膨張の差で改質触媒４に圧力がかかり改質触媒４が圧壊したり、改質触媒自体の自重で下方に均一に沈降する。
【００４５】
しかし、本実施の形態によれば、運転時間とともに改質触媒４が圧壊や沈降した場合でも、図２に示すように、内管３側が低くなるよう傾斜して装着した上側規制部材５ａと仕切部材６に沿って、改質触媒４は常に内管３方向に向かって沈降する。そして、外管２側近傍の改質触媒４は沈降して非改質触媒空間を形成するが、内管３には、改質触媒が傾斜に沿って供給されるため、非改質触媒空間が形成されない。その結果、燃焼ガスで加熱される内管の温度ムラは、均等に接触する改質触媒により抑制されるので、内管および反応管の耐久性の低下を長期間に亘って防止できる。
【００４６】
また、本実施の形態によれば、加熱手段に近い方の第１壁である内管に改質触媒が常に接触するので改質装置の改質効率の低下を防止できる。
【００４７】
また、本実施の形態によれば、仕切部材６は、上側規制部材５ａ、下側規制部材５ｂとの間に互いに所定の間隔以上、離して複数配置することにより、改質触媒４の圧壊や沈降が多くなった場合でも加熱手段７に近い内管３に改質触媒４が接触しない部分が生じることを防止できる。
【００４８】
また、本実施の形態によれば、反応管１の外管２と内管３とは中心軸が重なる円筒２重管で構成することにより、加熱手段７を周方向から加熱手段に近い方の内管３で囲むことができるため、加熱手段７から供給される熱量の外部放熱量を減少させて改質装置の改質効率を高めることができる。
【００４９】
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。
【００５０】
なお、本実施の形態では、内管３を第１壁、外管２を第２壁として説明したが、逆であってもよく、単なる表現上の違いだけである。
【００５１】
また、本実施の形態では、上側規制部材が傾斜した例で説明したが、これに限られず、下側規制部材を同様に傾斜させてもよい。これにより、確実に改質触媒のない非改質触媒空間の発生を防止できる。
【００５２】
また、本実施の形態では、図面において、仕切部材を均等に配置した例で図示したが、
これに限られない。例えば、内管の温度が高い領域に仕切部材を多く配置してもよい。これにより、内管の変形を確実に防止できる。
【００５３】
また、本実施の形態では、仕切部材などの傾斜が４５°を例に説明したが、これに限られない。例えば、１０°から７０°でもよく、また改質触媒が反応管の内管を移動できる角度であれば、特に制限されない。
【００５４】
以下に、本発明の実施の形態における改質装置の反応管に改質触媒の封入する封入方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００５５】
図３は、本発明の実施の形態１における改質装置の反応管に改質触媒の封入する途中の状態を説明する部分断面図である。図４は、本発明の実施の形態１における改質装置の反応管に改質触媒の封入した状態を説明する部分断面図である。
【００５６】
なお、本実施の形態の改質装置においては、仕切部材６が反応管１の内管３にのみ固定されている。
【００５７】
図３に示すように、まず、触媒封入台１５ａに、傾斜させた上側規制部材５ａと仕切部材６および下側規制部材５ｂを固定した反応管１の内管３を設置する。そして、触媒封入台１５ａの外壁に沿って、反応管１の外管２を配置する。
【００５８】
つぎに、反応管１の外管２と同一面に触媒封入口１４を設けた触媒充填器１５を外管２の端面に密着させる。その状態で、触媒封入台１５ａに沿って、反応管１の内管３を上方から下方にスライドさせながら、触媒充填器１５の触媒封入口１４を介して改質触媒４を外管２側から封入する。
【００５９】
つぎに、順次、スライドして、図４に示すように、改質触媒を各仕切部材間に充填する。そして、改質触媒封入後に、触媒充填器１５の触媒封入口１４を閉じて、外管２と内管３を一体にして下方にスライドさせることにより、改質触媒４が外管２と内管３との間の環状空間に封入された反応管１が作製できる。
【００６０】
これにより、改質触媒が、仕切部材の傾斜に沿って容易に充填できる。その結果、高い生産性で反応管を作製できる。
【００６１】
なお、触媒封入台１５ａを、例えば振動させて改質触媒を充填することが好ましい。これにより、さらに改質触媒の充填密度を向上して、改質効率を改善できる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明にかかる改質装置は、改質触媒による改質反応を均一にできるので、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。
【符号の説明】
【００６３】
１  反応管
２  外管
３  内管
４  改質触媒
５ａ  上側規制部材
５ｂ  下側規制部材
６  仕切部材
７  加熱手段
８  燃焼器
９  燃焼筒
１０  燃焼ガス流路
１１  流体供給部
１２  流体供給部
１３  改質ガスパイプ
１４  触媒封入口
１５  触媒充填器
１５ａ  触媒封入台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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