(57)【要約】【課題】  自己酸化内部加熱型の改質器に配置される酸化空気管の安定化と構造簡単化を図る。【解決手段】  本発明の自己酸化内部加熱型の改質器は、外筒２とその内部に配置された内筒３と、内筒３の中心部に配置された酸化空気管１４とを備え、外筒２と内筒３の間に予備改質室が形成され、内筒３の内部に主改質室が形成されている。そして内筒３と酸化空気管１４はいずれもフランジ３ｂ，１４ｂを有する２枚の溝形金属板３ａ，１４ａを対向配置することにより構成され、且つ内筒３と酸化空気管１４を構成する各溝形金属板３ａ，１４ａのフランジ３ｂ，１４ｂどうしが４重に密着された状態で互いにろう付け固定されていることを特徴とする。【選択図】        図２
2010260734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外筒２とその内部に配置された内筒３と、内筒３の中心部に配置された酸化空気管14とを備え、外筒２と内筒３の間に予備改質室が形成され、内筒３の内部に主改質室が形成される自己酸化内部加熱型の改質器において、
内筒３と酸化空気管14はいずれも両側にフランジ（３ｂ，14ｂ）を有する２枚の溝形金属板（３ａ，14ａ）を対向配置することにより構成され、且つ内筒３の各フランジ３ｂで、酸化空気管14を構成する各溝形金属板14ａの各フランジ14ｂを挟持して、それらが４重に密着された状態で互いにろう付け固定されていることを特徴とする改質器。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸化空気管14を構成する２枚の溝形金属板14ａの内面が外圧により互いに密着することを防止するため、それら溝形金属板14ａの少なくとも一方の内面に複数のディンプル14ｄが突出されていることを特徴とする改質器。
【請求項３】
外筒２とその内部に配置された内筒３と、内筒３の中心部に沿って配置された酸化空気管14とを備え、外筒２と内筒３の間に予備改質室が形成され、内筒３の内部に主改質室が形成される自己酸化内部加熱型の改質器の製造方法において、
内筒３と酸化空気管14をいずれも２枚の溝形金属板（３ａ，14ａ）を対向配置すると共に、酸化空気室14の一対のフランジ部14ｂを内筒３の一対のフランジ３ｂで挟持し、その際、内筒３と酸化空気管14を形成する各溝形金属板（３ａ，14ａ）における各フランジ（３ｂ，14ｂ）を４重に密着した状態で互いにろう付け固定することを特徴とする改質器の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、前記各溝形金属板（３ａ，14ａ）における各フランジ（３ｂ，14ｂ）間に、それぞれ階段状となる段差部２０を所定間隔で複数形成し、各段差部２０をろう付けにより固定することを特徴とする改質器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外筒とその内部に配置された内筒と、内筒の軸方向中心部に沿って配置された酸化空気管とを備え、外筒と内筒の間に予備改質室が形成され、内筒の内部に主改質室が形成される自己酸化内部加熱型の改質器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、原料ガスと水蒸気の混合物（以下、原料−水蒸気混合物という）を改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する改質器が知られている。改質器で得られる水素リッチな改質ガスは、残留するＣＯ（一酸化炭素）をＣＯ低減手段で触媒の存在下に酸素含有ガスと反応させてＣＯ２へ変換し、特に低温で作動する固体高分子電解質型燃料電池用には、数ｐｐｍレベルまでＣＯを低減してから燃料として供給される。
原料ガスには、メタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、或いはジメチルエーテル等のエーテル類、都市ガスなどが用いられる。このような改質器において、メタンを原料ガスとして使用した場合の水蒸気改質の反応式は、ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２で示すことができ、好ましい改質反応温度は、６５０〜７５０℃の範囲である。
【０００３】
改質器の改質反応に必要な熱を供給する方式として外部加熱型と、内部加熱型がある。外部加熱型の改質器は、外部に加熱部を設け、その熱源で原料ガスと水蒸気を反応させて改質ガスを生成するようになっている。内部加熱型の改質器はその供給側（上流側）に部分酸化反応層を設け、該部分酸化反応層で発生した熱を用いて下流側に配備した水蒸気改質反応層を水蒸気改質反応温度まで加熱し、該加熱された水蒸気改質触媒層で水蒸気改質反応をさせて水素リッチな改質ガスを生成するようになっている。
【０００４】
部分酸化反応は、ＣＨ４＋１／２・Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２で示すことができ、好ましい部分酸化反応の温度は２５０℃以上の範囲である。内部加熱型の改質器を改良したものとして自己酸化内部加熱型の改質器が例えば特許文献１に記載されている。特許文献１の改質器は外側の予備改質室と内側の主改質室を備えた二重筒状に構成され、予備改質室には原料一水蒸気混合物の供給部、改質触媒層および排出部が設けられ、主改質室には前記排出部からの排出物を受け入れる供給部、改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、シフト触媒層および改質ガスの排出部が設けられ、さらに主改質室には混合触媒層に酸化用の空気を供給する酸化空気管が配置されている。
【０００５】
図５は特許文献１に示されている従来の自己酸化内部加熱型の改質器を模式的に示す断面図であり、図６は図５の外筒と内筒部分の一部破断斜視図である。改質器１は二重筒状に配置した外側の１つの予備改質室２２と内側の２つの主改質室３３を備えており、全体的に薄型に形成されている。予備改質室２２と主改質室３３はそれぞれ細長く断面が偏平状（図示の例では偏平な方形）に形成されると共に、それらの断面は互いに相似形とされる。
【０００６】
予備改質室２２は外筒２と２つの内筒３の間における複数の領域に形成され、２つの主改質室３３は２つの内筒３の内側にそれぞれ形成される。予備改質室２２には改質触媒層４が設けられ、主改質室３３には改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層５とシフト触媒層６がそれぞれ設けられ、シフト触媒層６は高温シフト触媒層７と低温シフト触媒層８により構成される。なお、これら触媒層に充填される触媒は一般に粒子状またはハニカム状のものが用いられる。
【０００７】
改質触媒層４を構成する改質触媒は、原料ガスを水蒸気改質するものであり、例えばＮｉＯ−Ａ１２ＯあるいはＮｉＯ−ＳｉＯ２・Ａ１２Ｏ３などのＮｉ系改質反応触媒やＷＯ２−ＳｉＯ２・Ａ１２Ｏ３やＮｉＯ−ＷＯ２・ＳｉＯ２・Ａ１２Ｏ３などが使用される。混合触媒層５を構成する改質触媒は上記と同様なものが使用され、それに均一に分散される酸化触媒は原料−水蒸気混合物中の原料ガスを酸化発熱させて水蒸気改質反応に必要な温度を得るもので、例えば白金（Ｐｔ）やロジウム（Ｒｈ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）あるいはバラジウム（Ｐｄ）が使用される。
なお改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて１〜１５％程度の範囲で選択され、例えば原料ガスとしてメタンを使用する場合は５％±２％程度、メタノールの場合は２％±１％程度の混合割合とされる。
【０００８】
予備改質室２２の下部に原料−水蒸気混合物の供給部９が設けられ、予備改質室２２の上部に予備改質後の流出物が排出する排出部１０が設けられる。主改質室３３の上部には前記予備改質室２２の排出部１０に連通する供給部１１が設けられ、２つの主改質室３３の中央部にそれぞれ酸化空気を供給する酸化空気管１４が延長され、その酸化空気管１４が混合触媒層５に延長する部分に複数のノズルからなる空気噴出部１５が形成されている。２本の酸化空気管１４の下部はケーシング１６で互いに連通し、そのケーシング１６に空気供給用の配管１７が接続される。さらに主改質室３３の下部には改質ガスの排出部１２が設けられる。なお酸化空気管１４の断面は偏平状に形成されると共に、前記予備改質室２２と主改質室３３の断面と相似形になっている。
【０００９】
主改質室３３には上部から下部に順に混合触媒層５、高温シフト触媒層７および低温触媒層８が設けられるが、各触媒層の境界部および排出部１２を含む低温シフト触媒層８の下側には触媒粒子を支持する支持板１８が配置される。（なお予備改質室２２にも同様な支持板１８が配置される。）これら支持板１８は気体流通性を有するが触媒粒子は通過させない孔径を有しており、通常、板状のパンチメタルやメッシュ等の多孔性の部材が使用される。
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１２６３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図５、図６に示す従来の改質器は、内筒３の軸方向中心部に酸化空気管１４が延長され、その下端のみがケーシング１６に固定されている。そのため酸化空気管１４を傾斜させずに正確に内筒３の軸方向中心に同軸的に配置するには熟練と手間がかかる。また例え正確に同軸的に配置できたとしても、内筒３の内部に混合触媒やシフト触媒を充填する際に、押し込まれた触媒からの不均一な押圧力により酸化空気管１４の側面に偏った力が加わると、酸化空気管１４の先端に近い部分が内筒３の軸方向中心から傾いた状態で触媒中に固定されてしまうという問題がある。
【００１２】
そのように酸化空気管１４の先端に近い部分が内筒３の軸方向中心から傾いた状態になっていると、その空気噴出部１５から周囲の混合触媒層５に浸透する酸化空気量分布も不均一になる。また、従来の改質器では内筒３と酸化空気管１４をそれぞれ別個に製作した上で、耐圧検査などの検圧工程を個別に行う必要がある。
【００１３】
上記問題を解決するため、内筒３の内側と酸化空気管１４の外側の間を何らかの連結手段で連結し、その連結状態で触媒充填を行うことも考えられる。しかしその場合は新たな追加部品が必要になる上に全体構造も複雑になる。さらに内筒３と酸化空気管１４に対する個別の検圧工程が必要になるという問題は解決されない。
そこで本発明は、このような従来の改質器における問題を解決することを課題とし、そのための新規な内筒と酸化空気管の構造を備えた改質器及びその製造方法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】
【００１４】
前記課題を解決する本発明の改質器は、外筒とその内部に配置された内筒と、内筒の中心部に配置された酸化空気管とを備え、外筒と内筒の間に予備改質室が形成され、内筒の内部に主改質室が形成される自己酸化内部加熱型の改質器である。そして内筒と酸化空気管は、フランジを有するいずれも２枚の溝形金属板を対向配置することにより構成され、且つ内筒の一対のフランジが酸化空気管の一対のフランジを挟持して、それらフランジが４重に密着された状態で互いにろう付け固定されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１５】
上記内筒と酸化空気管がいずれもその軸方向の断面を偏平とした改質器において、酸化空気管を構成する２枚の溝形金属板の内面が外圧により互いに密着することを防止するため、それら溝形金属板の少なくとも一方の内面に複数のディンプルを突出させることができる（請求項２）。
【００１６】
前記課題を解決する本発明の改質器の製造方法は、外筒とその内部に配置された内筒と、内筒の軸方向中心部に沿って配置された酸化空気管とを備え、外筒と内筒の間に予備改質室が形成され、内筒の内部に主改質室が形成される自己酸化内部加熱型の改質器の製造方法である。
そして内筒と酸化空気管をいずれも、フランジを有する２枚の溝形金属板を対向配置することにより形成し、その際、内筒の一対のフランジで酸化空気管の一対のフランジを挟持することにより、各フランジを４重に密着した状態で互いにろう付け固定することを特徴とする（請求項３）。
【００１７】
上記改質器の製造方法において、前記各溝形金属板のフランジ間に階段状となる段差部を所定間隔で複数形成し、各段差部をろう付けにより固定することができる（請求項４）。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の改質器は請求項１に記載のように、内筒と酸化空気管はいずれも２枚の溝形金属板を対向配置することにより構成され、且つ内筒と酸化空気管を構成する各溝形金属板のフランジどうしが４重に密着された状態で互いにろう付け固定されていることを特徴とする。
【００１９】
このように構成すると、改質器の製造過程で、内筒の軸方向中心部に沿って酸化空気管が同軸的に且つ正確に配置される。そして内筒と酸化空気管の間に触媒を充填する際に、触媒の不均一な押圧力により酸化空気管１４の側面に偏った力が加わったとしても、酸化空気管のフランジが内筒のフランジに固定されているので、内筒と酸化空気管の同軸関係が崩れる恐れはない。さらに、改質器の製造過程で内筒と酸化空気管は一体化されて同時に完成されるので、その後の耐圧試験等の検圧工程も１回で済む。
【００２０】
上記内筒と酸化空気管がいずれもその軸方向の断面を偏平とした改質器において、請求項２記載のように、酸化空気管を構成する２枚の溝形金属板の内面が外圧により互いに密着することを防止するため、それら溝形金属板の少なくとも一方の内面に複数のディンプルを突出させることができる。このように構成すると触媒充填時などに断面が偏平な酸化空気管の側面に過大な押圧力が加わったとしても、酸化空気管の変形を防止できる。
【００２１】
前記課題を解決する本発明の改質器の製造方法は、請求項３に記載のように、内筒と酸化空気管をいずれも、フランジを有する２枚の溝形金属板を対向配置することにより形成し、その際、内筒の一対のフランジで酸化空気管の一対のフランジを挟持して、各フランジを４重に密着した状態で互いにろう付け固定することを特徴とする。
【００２２】
本発明の製造方法によれば、内筒の軸方向中心部に沿って酸化空気管を同軸的に且つ正確に配置することができる。また、内筒と酸化空気管を特別な部品を用いることなく容易に一体化できる。また耐圧試験等の検圧工程も１回で済む。
【００２３】
上記改質器の製造方法において、請求項４に記載のように、前記各溝形金属板における各フランジ間に階段状となる段差部を所定間隔で複数形成し、各段差部をろう付けにより固定することができる。
【００２４】
一般に、改質器は複数のステンレス鋼板などを重ねた細長い接合部分を互いに固定する場合には、ニッケルろうによるろう付け法が採用されるが、その際、ジェル状の糊に粉末状のニッケルろうを混ぜたペースト状のろう材が用いられる。そして接合部分に沿って所定間隔で複数個所にろう材を上から置き（塗布）、加熱炉内でろう付けされる。
【００２５】
しかし接合部分の上面にろう材を置いたとき、その流動性により一部は接合部の隙間に浸透するが、残りの一部は重力方向に流れ落ちて拡散し、接合部分におけるろう材の付着が不均一になるという問題がある。また、ペースト状のろう材が炉内で乾燥すると、ろう材と接合部分との接着性が低下し、加熱炉などへの搬送途中に振動や傾きなどが生じ、ろう材の部分的な剥離現象を生じることがある。
【００２６】
しかし上記製造方法のように、ろう付けするフランジ間に階段状の段差部を形成すると、ペースト状のろう材をその段差部に置いたとき、従来のように重力方向への流れ落ち現象がなくなる。これはペースト状のろう材が段差の隅角の部分に発生する表面張力の作用で、そこに留まろうとする現象が発生しているからと推定される。
【００２７】
また上記製造方法のように、ろう付けする部分に階段状の段差部を形成すると、ペースト状のろう材が加熱乾燥した際に、段差の隅角の部分にろう材が留まる作用（隅角への入り込み作用）により、加熱炉などへの搬送時に振動や衝撃が加わったとしても、ろう材が接合部分から剥離することはない。そして加熱炉内でろう付けを行う際には、ろう材は融点を超えて液体に変化し、階段状に加工された部品同士の隙間に毛細管現象によりろう材が浸透していく。これにより、接合部分全体にろう材を塗布しなくても所定強度のろう付けが達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の改質器の主要部である内筒と酸化空気管の部分を示す斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視及びＢ−Ｂ矢視から見た部分に外筒部分を組み合わせた断面図。
【図３】酸化空気管の溝形金属板14ａの平面図。
【図４】図１の改質器の接合部に段差部２０を形成した部分を拡大して示す部分斜視図。
【図５】従来の自己酸化内部加熱型の改質器を模式的に示す断面図。
【図６】図５の外筒と内筒部分の一部破断斜視図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、図面に基づいて本発明の最良の実施形態を説明する。なお本実施形態の改質器１が前述した図５、図６の改質器１と異なる部分は、内筒３と酸化空気管１４の構造とそれらの接合部分のみで、そのほかは同様に構成される。そこで図５、図６の改質器と同じ部分は同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３０】
内筒３は、両側にフランジ３ｂを有する断面が略溝形状（コ字状）の細長い同寸法の２枚のステンレス鋼板等の溝形金属板３ａを対向配置することにより構成され、それら溝形金属板３ａの各フランジ３ｂを密着して重ね合わせることにより、それらの内側に断面偏平な空間が形成され、その空間に酸化空気管１４は配置されると共に触媒が充填される。なお内筒３は図５にも示されているように、その上部の僅かな領域の断面は大きく、それ以外の下部の断面は小さくなっており、その断面の大きい部分から小さい部分に移行する肩部分３ｃが図２（ａ）に示されている。
【００３１】
酸化空気管１４も、フランジ14ｂを有する断面が略溝形（コ字状）の細長い同寸法の２枚のアルミニウムやステンレス等の溝形金属板14ａを対向配置することにより構成され、それら溝形金属板14ａのフランジ14ｂを密着して重ね合わせることにより、それらの内側に断面偏平な空間が形成され、その空間に酸化用の空気が流通する流通路が形成される。
【００３２】
内筒３における断面の大きい部分（僅かな領域の部分）を形成する２枚の溝形金属板３ａのフランジ３ｂは、互いに密着して重ね合わせた２重重ね合わせ部分を構成し、その二重重ね合わせ部分がろう付けにより互いに固定されている。一方、内筒３の断面の小さい部分（残る大部分の領域）を形成する２枚の溝形金属板３ａのフランジ３ｂと、酸化空気管１４を形成する２枚の溝形金属板14ａのフランジ14ｂは、互いに密着して重ね合わせた４重の重ね合わせ部分を構成し、その４重の重ね合わせ部分がろう付けにより互いに固定されている。この固定により内筒３の中心部に沿って酸化空気管１４が正確に同軸的に配置された状態となり、且つ内筒３と酸化空気管１４が互いに一体化される。なお、内筒３と酸化空気管１４の軸方向の断面を一定とすることもでき、その場合は両者のフランジ全体を互いに密着して重ね合わせた４重の重ね合わせ部分に構成し、その４重の重ね合わせ部分をろう付けにより互いに固定することもできる。
【００３３】
図３は図１、図２に示す酸化空気管１４を形成するための溝形金属板14ａの正面図である。溝形金属板14ａは平坦部14ｆとその周縁に形成されたテーパ部14ｃを有している。すなわち平坦部14ｆとテーパ部14ｃにより全体が略皿状に形成されている。一方、平坦部14ｆの上部には複数のノズル（小孔）からなる空気噴出部１５が形成されている。さらに平坦部14ｆには複数のディンプル14ｄが分散して内面側に突設形成されている。
【００３４】
これらディンプル14ｄは２枚の溝形金属板14ａを対向配置したその先端どうしが接触する。一方、溝形金属板14ａのテーパ部14ｃの外側、すなわち溝形金属板14ａの周縁部に所定間隔で複数の切り欠き部14ｅが形成されている。これら切り欠き部14ｅは後述する接合部の段階部を形成するものである。
【００３５】
次に、図１に示す内筒３と酸化空気管１４の固定方法について説明する。固定はこの分野で代表的に行われているろう付け法を採用する。本実施形態では、先ず酸化空気管１４を形成する２枚の溝形金属板14ａのフランジ14bを互いに重ね合わせて対向配置して断面偏平な酸化空気管１４に組み立てる。次に組み立てた酸化空気管１４のフランジ14bの外側に内筒３を形成する２枚の溝形金属板３ａのフランジ３ｂをそれぞれ重ね合わせ、接合部となる４重重ね合わせ部を形成する。この状態で内筒３の中心部に沿って酸化空気管１４が正確に同軸的に配置される。
【００３６】
次に水平状態にした接合部を水平にして、その上側にペースト状のニッケルろう材を置き（塗布し）、加熱炉でろう付けを行う。本実施形態では接合部の長手方向に沿って所定間隔で予め段階部をフランジ３ｂ，14b間に形成し、その段階部ごとにペースト状のろう材を置く方法を採用する。
【００３７】
図４は接合部に段階状の段差部２０を形成した部分を拡大して示す部分斜視図であり、図中の左側の段差部２０はペースト状のろう材２１を置く前の状態で、右側の段差部２０はペースト状のろう材２１を置いた状態を例示的に示している。
【００３８】
段差部２０を形成するため、内筒３を形成する溝形金属板３ａに切り欠き部３ｄが設けられると共に、酸化空気管１４を形成する溝形金属板14ａに図３に示したような切り欠き部14ｅが設けられる。これら切り欠き部３ｄ、14ｅにおける接合部の長手方向の長さは、４重に重ね合わされた溝形金属板３ａ、14ａの各接触部に複数の段差もしくは隅角を形成するために、図示のように互いに異なった寸法とされる。
【００３９】
接合部における上記段差部２０に図示のようにペースト状のろう材２１を置くと、前述のように、ペースト状のろう材２１が重力方向へ流れ落ちる現象を防止できる。また、ペースト状のろう材２１が段差の隅角部分に留まる作用（隅角への入り込み作用）により、加熱炉などへの搬送時に振動や衝撃が加わったとしても、ろう材２１が接合部分から剥離する恐れはない。そして加熱炉内でろう付けを行う際には、ろう材２１は融点を超えて液体に変化し、階段状に加工された部品同士の隙間に毛細管現象によりろう材が浸透していく。これにより、接合部分全体に（長手方向全長に亘って）ろう材を塗布しなくても良好なろう付けが達成できる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の改質器およびその製造方法は、燃料電池に水素リッチな改質ガスを燃料として供給する改質器に利用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  改質器
２２  予備改質室
２  外筒
３３  主改質室
３  内筒
３ａ  溝形金属板
３ｂ  フランジ
３ｃ  肩部分
３ｄ  切り欠き部
【００４２】
４  改質触媒層
５  混合触媒層
６  シフト触媒層
７  高温シフト触媒層
８  低温シフト触媒層
９  供給部
１０  排出部
１１  供給部
【００４３】
１２  排出部
１４  酸化空気管
14ａ  溝形金属板
14ｂ  フランジ
14ｃ  テーパ部
14ｄ  ディンプル
14ｅ  切り欠き部
14ｆ  平坦部
【００４４】
１５  空気噴出部
１６  ケーシング
１７  配管
１８  支持板
２０  段差部
２１  ろう材
【図１】
2010260734.tif 000003
【図２】
2010260734.tif 000004
【図３】
2010260734.tif 000005
【図４】
2010260734.tif 000006
【図５】
2010260734.tif 000007
【図６】
2010260734.tif 000008