(57)【要約】【課題】従来の円筒型水蒸気改質器における諸問題点を解決し、高性能で且つ安定して水素を製造できる多重円筒型水蒸気改質器を得る。【解決手段】同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体及び第３円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナを備え、第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とし、他方の隙間を原燃料の予熱層とし、且つ、両予熱層に続く下部の隙間に順次、加熱水蒸気と加熱原燃料の混合部及び改質触媒層を備えた燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体及び第３円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、且つ、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の下端で反転させた改質ガスの流路を構成してなる
ことを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項２】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体及び第３円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、且つ、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の上端で反転させた改質ガスの流路を構成してなる
ことを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項３】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体及び、第３円筒体の上部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の下端で反転させた改質ガスの流路を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置してなる
ことを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項４】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体及び、第３円筒体の下部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の上端で反転させた改質ガスの流路を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置してなる
ことを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項５】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体、第３円筒体の上部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体及び、第４円筒体の上部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の下端で反転させた改質ガスの流路を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置するとともに、第２円筒体と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置してなる
ことを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項６】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体、第３円筒体の下部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体及び、第４円筒体の下部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、下部との隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の上端で反転させた改質ガスの流路を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置するとともに、第２円筒体と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置してなる
ことを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項７】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体、第３円筒体の上部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体及び、第４円筒体の上部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の下端で反転させた改質ガスの流路を構成し、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置するとともに、円筒状隔壁と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置し、且つ、
（ｇ）ＣＯ変成触媒層とＣＯ除去触媒層との間に原燃料の予熱層への原燃料導入部を構成してなる
ことを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項８】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体、第３円筒体の下部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体及び、第４円筒体の下部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の上端で反転させた改質ガスの流路を構成し、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置するとともに、円筒状隔壁と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置し、且つ、
（ｇ）ＣＯ変成触媒層とＣＯ除去触媒層との間に原燃料の予熱層への原燃料導入部を構成してなる
ことを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項において、前記第１円筒体の内側に間隔を置いて輻射筒を配置し、前記第１円筒体と当該輻射筒との間隙に前記バーナの燃焼ガスを流通させるようにしてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１０】
請求項１〜８の何れか１項において、前記水及び／又は水蒸気の予熱層が螺旋状流路を有することを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１１】
請求項１０において、前記螺旋状流路が前記予熱層を構成する隙間に棒材を螺旋状に配置することで構成した螺旋状流路であることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１２】
請求項１０において、前記螺旋状流路が、前記予熱層を構成する隙間に、当該隙間幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状に成形したワイヤーメッシュを螺旋状に配置することで構成した螺旋状流路であることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器において、前記予熱層を形成する隙間に螺旋状に配置する当該隙間幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状に成形したワイヤーメッシュが、断面円形状または断面長方形状であることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１４】
請求項２、４、６又は８において、前記水又は水蒸気を含む水の予熱層を構成する隙間に金属メッシュを配置してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか１項において、前記混合部が、前記第１円筒体と前記第２円筒体により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路で、且つ、当該流路が前記第２円筒体に接するように構成された混合部であることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１６】
請求項１〜１４の何れか１項において、前記混合部が、前記第１円筒体と前記第２円筒体により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路で、且つ、当該流路が前記第１円筒体に接するように構成された混合部であることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１７】
請求項１〜１４の何れか１項において、前記混合部が、前記第２円筒体のうち、当該混合部が位置する部位を周方向の内側に向けて凹状に構成し、前記第１円筒体と当該凹状部により周方向に区画された隙間幅を当該混合部が位置しない部位の幅よりも狭い流路としてなる混合部であることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１８】
請求項１〜１４の何れか１項において、前記混合部が、前記第１円筒体と前記第２円筒体により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路で、且つ、当該流路が順次、第１円筒体と第２円筒体に接するように構成された混合部であることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１９】
請求項１〜１４の何れか１項において、前記混合部が、前記第１円筒体と前記第２円筒体により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路で、且つ、当該流路が順次、第２円筒体と第１円筒体に接するように構成された混合部であることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項２０】
請求項１５〜１９の何れか１項において、前記混合部における狭い流路に棒材を螺旋状に配置することで構成した螺旋状流路を有することを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項２１】
請求項１５〜１９の何れか１項において、前記混合部における狭い流路に当該流路幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状に成形したワイヤーメッシュを螺旋状に配置することで構成した螺旋状流路を有することを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項２２】
請求項１〜１４の何れか１項において、前記混合部を、当該混合部が位置する部位の隙間をより狭い流路とし、且つ、当該流路を水蒸気と原燃料の合流ガスの流れを曲折させ、前記第１円筒体と前記第２円筒体の二筒に接する構造としてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器に関し、より具体的には（Ａ）原燃料の多重円筒型水蒸気改質器、（Ｂ）原燃料の多重円筒型水蒸気改質器にＣＯ変成触媒層を一体化した多重円筒型水蒸気改質器、および（Ｃ）原燃料の多重円筒型水蒸気改質器にＣＯ変成触媒層とＣＯ除去触媒層を一体化した多重円筒型水蒸気改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料水素の製造法の一つとして原燃料の水蒸気改質法が知られており、水蒸気改質法では水蒸気改質器が用いられる。水蒸気改質器においては、改質触媒による触媒反応により、原燃料を水蒸気で改質して水素リッチな改質ガスへ変えられる。
【０００３】
本明細書中、改質用に水蒸気改質器に供給する燃料を“原燃料”と称している。原燃料としてはメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、天然ガス、ガソリン、灯油、その他の炭化水素（２種以上の炭化水素の混合物を含む）が使用される。それらにアルコール類やエーテル類が混合されていてもよい。
【０００４】
図２４は、原燃料の改質からＰＥＦＣあるいはＳＯＦＣに至るまでの態様例を説明する図である。水蒸気改質器は、概略、バーナあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部（加熱部）と改質触媒を配置した改質部により構成される。改質触媒としてはＮｉ系、Ｒｕ系等の触媒が用いられる。改質部で起こる反応は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには外部からの熱が必要であり、４００℃程度以上、４００〜６８０℃程度の温度が必要である。なお、定常運転は例えば６８０℃と言うように設定される。このため燃焼部での燃料ガスの空気による燃焼により発生した燃焼熱（ΔＨ）が改質部に供給される。
【０００５】
都市ガスやＬＰガスには漏洩保安を目的とする付臭剤として硫黄化合物が添加され、また、ガソリンや灯油などには、原油からの精製プロセスで脱硫しきれなかった微量の硫黄化合物が含まれている。改質触媒は、それらの硫黄化合物により被毒して性能劣化を来すので、それらの硫黄化合物を除去するために脱硫器へ導入される。次いで、別途設けられた水蒸気発生器からの水蒸気を混合して改質部へ導入され、改質部での原燃料の水蒸気による改質反応により水素リッチな改質ガスが生成される。
【０００６】
原燃料がメタンである場合の改質反応は「ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ2」で示される。生成する改質ガス中には未反応のメタン、未反応の水蒸気、炭酸ガスのほか、一酸化炭素（ＣＯ）が副生して８〜１５％（容量％、以下％について同じ）程度含まれている。このため改質ガスは、副生ＣＯを炭酸ガスに変えて除去するためにＣＯ変成器に導入される。ＣＯ変成器では銅−亜鉛系や白金触媒等の触媒が用いられるが、その触媒を機能させるには２２０〜３００℃程度（なお、適温２００〜２５０℃程度、２２０〜３３０℃程度の触媒などもある）の温度が必要である。ＣＯ変成器中での反応は「ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2」で示され、この反応で必要な水蒸気としては水蒸気改質器において未反応の残留水蒸気が利用される。
【０００７】
ＣＯ変成器から出る改質ガスは、未反応のメタンと余剰水蒸気を除けば、水素と炭酸ガスとからなっている。このうち水素が目的とする成分であるが、ＣＯ変成器を経て得られる改質ガスについても、ＣＯは完全には除去されず、微量のＣＯが含まれている。ＰＥＦＣに供給する燃料水素中のＣＯ含有量は１００ｐｐｍ（容量ｐｐｍ、以下ｐｐｍについて同じ）程度が限度であり、これを超えると電池性能が著しく劣化するので、ＣＯ成分はＰＥＦＣへ導入する前にできる限り除去する必要がある。
【０００８】
このため、改質ガスはＣＯ変成器によりＣＯ濃度を１％程度以下まで低下させた後、ＣＯ除去器に導入される。ここで空気等の酸化剤ガスが添加され、ＣＯの選択的酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ2＝ＣＯ2）により、ＣＯを１００ｐｐｍ程度以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１０ｐｐｍ以下というように低減させる。ＣＯ除去器の作動温度は１００〜１７０℃程度（なお、適温１００〜１５０℃程度の触媒などもある）である。こうして精製された水素がＰＥＦＣの燃料極に供給される。
【０００９】
以上は、燃料電池がＰＥＦＣである場合であるが、燃料電池がＳＯＦＣである場合には、ＣＯも燃料となるので、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器は不要であり、改質部で生成した水素及びＣＯを含む改質ガス、あるいは水素、ＣＯ及びメタン（メタンはＳＯＦＣの燃料極、支持基板に含まれるＮｉ等の金属により水素、ＣＯへ改質される）を含む改質ガスがＳＯＦＣの燃料極に供給される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、原燃料から水素を製造する装置として多重円筒型水蒸気改質器が知られ、また、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器をＣＯ変成触媒層及びＣＯ除去触媒層として一体化した多重円筒型水蒸気改質器も開発されている（特許文献１〜６、等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ＷＯ  ９８／０００３６１  Ａ１
【特許文献２】特開２００３−３２１２０６号公報
【特許文献３】特開２００６−２１０８４４号公報
【特許文献４】ＷＯ  ０２／０９８７９０  Ａ１
【特許文献５】特開２００２−１８７７０５号公報
【特許文献６】特開２００６−２３２６１１号公報
【００１２】
多重円筒型水蒸気改質器は、例えば図２５に示すように、同心状に間隔を置いて配置された順次径（直径、以下同じ）の大きい第１円筒体１、第２円筒体２及び第３円筒体３からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に配置されたバーナ７と、第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間に予熱層１４と改質触媒層１６を備えている。予熱層１４には、その内部に横断面円形状等の棒材１５が螺旋状に配置され、その内部に連続した螺旋状のガス通路が形成されている。第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に、第２円筒体２の下端で反転させた改質ガスの流路２０が形成されている。
【００１３】
このような形式の多重円筒型水蒸気改質器には、第１円筒体１の内側に間隔を置いて輻射筒を配置した構造のものもある。図２６はその態様を説明する図で、輻射筒６は、その下端が第１円筒体１の底板９に対して間隔を持つように、上蓋兼バーナ取付台８に取付けられる。バーナ７での燃焼ガスは、燃焼室Ｆ中を下降し、輻射筒６の下端で折り返し、燃焼ガス流路１０を経てその上部から排出される。
【００１４】
図２５〜２６の多重円筒型水蒸気改質器は、上下逆置きにしても使用される。図２７に、そのうち図２６の多重円筒型水蒸気改質器を上下逆置きにした場合を示しているが、図２５の多重円筒型水蒸気改質器についても同様である。なお、このように上下逆置きにした場合は、例えば上蓋兼バーナ取付台８は下蓋兼バーナ取付台８と言うことになるが、本明細書では適宜上蓋兼バーナ取付台８との用語で説明している。
【００１５】
また、そのような多重円筒型水蒸気改質器は、第３円筒体３に続く第４円筒体４と第２円筒体２との間に、改質触媒層１６に続きＣＯ変成触媒層を配置して一体化することもでき、改質触媒層１６に続き順次ＣＯ変成触媒層２３及びＣＯ除去触媒層３１を配置して一体化することもできる。そのうち、改質触媒層１６に続き順次ＣＯ変成触媒層及びＣＯ除去触媒層を配置して一体化した多重円筒型水蒸気改質器の例を図２８に示している。
【００１６】
図２８に示すように、前述図２５の構成に加えて、第３円筒体３に続く第４円筒体４と第２円筒体２との間に、改質触媒層１６に続き順次、ＣＯ変成触媒層２３及びＣＯ除去触媒層３１を配置することで構成される。この多重円筒型水蒸気改質器も、上下逆置きにしても使用される。
【００１７】
これら従来の多重円筒型水蒸気改質器において、予熱層１４はこれに原燃料と水を流すことで予熱と混合を同時に行う構造となっている。予熱層１４では原燃料を加熱するとともに、水を加熱して気化し、生成水蒸気を加熱する。原燃料と水蒸気の混合流は予熱層１４に続く改質触媒層１６に導入され、ここでの改質反応により改質ガスを生成する。改質ガスは、第２円筒体２の下端（図２７では上端）で反転して流路２０を経て取り出され、ＣＯ変成触媒層２３及びＣＯ除去触媒層３１を一体化した多重円筒型水蒸気改質器では順次、ＣＯ変成触媒層２３、ＣＯ除去触媒層３１を経て取り出される。
【００１８】
ところで、それら多重円筒型水蒸気改質器は燃料電池用として有用であり、本発明者らはその実用化に向けて改善、開発を続けているが、多重円筒型水蒸気改質器にもさらに問題点があることがわかった。例えば後述実施例（実験例）のとおり、ＣＯ変成触媒層２３中、その周方向に温度分布に差がついてしまうことが観察された。その原因としては、予熱層１４に原燃料と水を同時に流すため、水の蒸発が原燃料の流れに支配されて安定せず、また螺旋状の通路に起因して水に遠心力が作用することによるものと考えられる。
【００１９】
その温度分布差は、多重円筒型水蒸気改質器を図２７のように上下逆に配置したときには、予熱層１４の下部から導入する水に対して重力も作用するのでさらに大きくなる。この点は、図２８に示すようなＣＯ変成触媒層２３及びＣＯ除去触媒層３１を一体化した多重円筒型水蒸気改質器を上下逆に配置したときにも同様である。
【００２０】
また、原燃料と水蒸気の混合流が導入される改質触媒層１６の入口や、ＣＯ変成触媒層２３または、ＣＯ変成触媒層及びＣＯ除去触媒層３１を一体化した多重円筒型水蒸気改質器においては、第２円筒体２に連なる円筒体１２と第４円筒体４との間の隙間のうち円筒体１２の側が、これに隣接する予熱層１４を流れる水によって局所的に冷やされる。そうすると、円筒体１２の外周に配置されているＣＯ変成触媒層がその作動温度より低くなって触媒機能が発揮できず、その分ＣＯ変成触媒が無駄になり、コスト高となってしまう。
【００２１】
本発明は、先行技術における多重円筒型水蒸気改質器における以上の諸問題点を解決し、高性能で且つ安定して水素を製造できる（Ａ）多重円筒型水蒸気改質器、（Ｂ）ＣＯ変成触媒層を一体化した多重円筒型水蒸気改質器および、（Ｃ）ＣＯ変成触媒層及びＣＯ除去触媒層を一体化した多重円筒型水蒸気改質器を提供することを目的とするものである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明（１）は、
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体及び第３円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、且つ、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の下端で反転させた改質ガスの流路を構成してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。
【００２３】
本発明（２）は、
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体及び第３円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、且つ、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の上端で反転させた改質ガスの流路を構成してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。
【００２４】
本発明（２）の燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器において、前記水又は水蒸気を含む水の予熱層に金属メッシュを配置することができる。
【００２５】
本発明（３）は、
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体及び、第３円筒体の上部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の下端で反転させた改質ガスの流路を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。
【００２６】
本発明（４）は、
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体及び、第３円筒体の下部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の上端で反転させた改質ガスの流路を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。
【００２７】
本発明（４）の燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器において、前記水又は水蒸気を含む水の予熱層に金属メッシュを配置することができる。
【００２８】
本発明（５）は、
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体、第３円筒体の上部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体及び、第４円筒体の上部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の下端で反転させた改質ガスの流路を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置するとともに、第２円筒体と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。
【００２９】
本発明（６）は、
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体、第３円筒体の下部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体及び、第４円筒体の下部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、下部との隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の上端で反転させた改質ガスの流路を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置するとともに、第２円筒体と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。
【００３０】
本発明（６）の燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器において、前記水又は水蒸気を含む水の予熱層に金属メッシュを配置することができる。
【００３１】
本発明（７）は、
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体、第３円筒体の上部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体及び、第４円筒体の上部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に上端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の下端で反転させた改質ガスの流路を構成し、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置するとともに、円筒状隔壁と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置し、且つ、
（ｇ）ＣＯ変成触媒層とＣＯ除去触媒層との間に原燃料の予熱層への原燃料導入部を構成してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。
【００３２】
本発明（８）は、
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体、第３円筒体、第３円筒体の下部に当該第３円筒体の径より大きい径の第４円筒体及び、第４円筒体の下部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体からなる複数の円筒体と、第１円筒体の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、
（ｄ）第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層及び原燃料の予熱層に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部及び改質触媒層を備え、
（ｅ）第２円筒体と第３円筒体により周方向に区画された隙間に第２円筒体の上端で反転させた改質ガスの流路を構成し、
（ｆ）第２円筒体と第４円筒体との間にＣＯ変成触媒層を配置するとともに、円筒状隔壁と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置し、且つ、
（ｇ）ＣＯ変成触媒層とＣＯ除去触媒層との間に原燃料の予熱層への原燃料導入部を構成してなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。
【００３３】
本発明（８）の燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器において、前記水又は水蒸気を含む水の予熱層に金属メッシュを配置することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、「第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層とし、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とする」ことを基本構造とすることにより、下記（１）〜（４）の効果が得られる。
（１）水及び／又は水蒸気の予熱と原燃料の予熱を十分にでき、且つ改質触媒層入口の温度分布差を低減することができる。また、この効果を低コストで達成できる。
（２）上記基本構造における原燃料の予熱層の外周にＣＯ変成触媒層を配置することにより、ＣＯ変成触媒層の温度を均一化することができる。
（３）水及び／又は水蒸気の予熱層に金属メッシュを配置することにより、水と水蒸気の二相流の流動を安定化させ、脈動の発生、脈動幅を低減させることができる。
（４）加熱された原燃料及び水蒸気の混合部について、その混合流の流路を狭くすることにより、当該流路での流速を上げて熱交換を促進することができる。
【００３５】
本発明によれば、上記基本構造に続き、原燃料の予熱層並びに水及び／又は水蒸気の予熱層で加熱された原燃料及び水蒸気の「混合部」を備える構造とすることにより、下記（５）〜（６）の効果が得られる。
（５）加熱された原燃料及び水蒸気の混合部について、その混合流が第１円筒体と接する構造にすることにより、バーナからの燃焼ガスと効率よく熱交換することができる。
（６）加熱された原燃料及び水蒸気の混合部について、その混合流を第２円筒体と接する構造とすることにより改質触媒層からの改質ガスと効率よく熱交換することができる。
【００３６】
本発明によれば、（７）原燃料の予熱層と水及び／又は水蒸気の予熱層を分けて別層とし、原燃料の予熱層をＣＯ変成触媒層側に配置するので、ＣＯ変成触媒層に対して水及び／又は水蒸気の予熱層による局所的冷却を防ぐことができる。
【００３７】
本発明によれば、（８）上記（７）の局所的冷却防止の結果として、本発明の構造を採らない構造では「ＣＯ変成触媒層が局所的に冷却されることにより、作動温度より低くなることにより、その触媒機能が発揮できず、その分ＣＯ変成触媒が無駄になり、コスト高となる」ことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明（１）の態様：混合部の構造１を説明する図である。
【図２】輻射筒を持つ多重円筒型水蒸気改質器を説明する図である。
【図３】“予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐材”の例を示す図（図面代用写真）である。
【図４】“予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐材”の例を示す図である。
【図５】水及び／又は水蒸気の予熱層、混合部にワイヤーメッシュ紐材を適用する態様を説明する図である。
【図６】混合部の構造２を説明する図である。
【図７】混合部の構造３を説明する図である。
【図８】混合部の構造４を説明する図である。
【図９】混合部の構造５を説明する図である。
【図１０】本発明（２）の態様を説明する図である。
【図１１】本発明（３）の態様を説明する図である。
【図１２】本発明（４）の態様を説明する図である。
【図１３】本発明（５）の態様を説明する図である。
【図１４】本発明（６）の態様を説明する図である。
【図１５】本発明（７）の態様を説明する図である。
【図１６】本発明（８）の態様を説明する図である。
【図１７】本発明（９）の態様を説明する図である。
【図１８】本発明（１０）の態様を説明する図である。
【図１９】本発明（１１）の態様を説明する図である。
【図２０】本発明（１２）の態様を説明する図である。
【図２１】実験例１〜２の実験用装置の概略を示す図である。
【図２２】実験例３の実験用の、水の予熱層に金属メッシュを配置した装置を示す図である。
【図２３】実験例３装置に配置した金属メッシュＭを示す図である。
【図２４】原燃料の改質からＰＥＦＣあるいはＳＯＦＣに至るまでの態様例を説明する図である。
【図２５】本発明適用前の多重円筒型水蒸気改質器の例を示す図である。
【図２６】本発明適用前の多重円筒型水蒸気改質器の例を示す図である。
【図２７】本発明適用前の多重円筒型水蒸気改質器の例を示す図である。
【図２８】本発明適用前の多重円筒型水蒸気改質器の例を示す図である。
【図２９】実験例５を説明する図である。
【図３０】実験例５を説明する図である。
【図３１】実験例５を説明する図である。
【図３２】実験例５を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明（１）〜（８）の態様について順次説明する。以下において、本発明（１）〜（８）に共通する事項については本発明（１）〜（２）の箇所で説明している。
【００４０】
〈本発明（１）〜（２）について〉
本発明（１）〜（２）の燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器は、ＣＯ変成触媒層とＣＯ除去触媒層を備えない多重円筒型水蒸気改質器である。本発明（１）〜（２）に共通する事項、また、それらに関連する変形態様等については適宜〈本発明（１）の態様〉の箇所で説明している。
【００４１】
〈本発明（１）の態様〉
本発明（１）は、下記（ａ）〜（ｅ）の構成を備えてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。図１は本発明（１）の態様を説明する図で、下記構成（ａ）〜（ｅ）において各部材や構成に付している符号は図１中の符号である。
【００４２】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２及び第３円筒体３からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に上端から配置されたバーナ７とを備え、
（ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁５０を配置して第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間及び円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層１４とするとともに、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間を原燃料の予熱層６０とし、且つ、
（ｄ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層５０及び原燃料の予熱層６０に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層５０で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層６０で加熱した原燃料との混合部７０及び改質触媒層１６を備え、
（ｅ）第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に第２円筒体２の下端で反転させた改質ガスの流路２０を構成してなること。
【００４３】
図１のとおり、直径を順次大きくした、第１円筒体１、第２円筒体２及び第３円筒体３を中心軸を同一にして間隔を置いて配置する。図１中、一点鎖線はその中心軸を示し、矢印（↑）はその中心軸の方向、すなわち軸方向を示している。本明細書において、その軸方向に対して直角の方向を周方向と称している。
【００４４】
第１円筒体１の内側にバーナ７が配置されている。バーナ７は、中心軸の部位に配置され、上蓋兼バーナ取付台８を介して取り付けられている。すなわち、バーナ７は、第１円筒体１の上端から配置されている。４１は燃焼排ガスの排出管、４２は水及び／又は水蒸気の導入管、４３は原燃料の導入管、４５は改質ガスの導出管である。なお、第１円筒体１と上蓋兼バーナ取付台８とバーナ７と後述底板９とで燃焼室Ｆが構成される。
【００４５】
第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間のうち、その下部に改質触媒層１６を配置し、その上部に円筒状隔壁５０を配置し、その間に混合部７０を構成する。円筒状隔壁５０は第１円筒体１〜第３円筒体３、上蓋兼バーナ取付台８等と同じくステンレス鋼等の耐熱性材料で構成される。そして、円筒状隔壁５０と第１円筒体１との隙間に水及び／又は水蒸気の予熱層１４を構成し、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間に原燃料を予熱するための層すなわち原燃料の予熱層６０を構成する。
【００４６】
そのように、円筒状隔壁５０と第１円筒体１との間の隙間に水及び／又は水蒸気の予熱層１４を構成し、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間に原燃料の予熱層６０を構成した構造は本発明（１）において重要な構造である。
【００４７】
前述図２５〜２８のとおり、従来の多重円筒型水蒸気改質器においては、第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に原燃料と水の混合流の予熱層１４を構成している。しかし、この構造では、予熱層１４に原燃料と水を同時に流すため、水の蒸発が原燃料（原燃料である都市ガス等のガスやＬＰＧ等は低沸点の揮発性液体である）の流れに支配されて安定せず、予熱層１４中、周方向に温度分布差がついて水の蒸発を阻害し、所期の蒸発効果、加熱効果が得られない。
【００４８】
そこで、本発明（１）においては、円筒状隔壁５０と第１円筒体１との間の隙間に水及び／又は水蒸気の予熱層１４を構成し、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間に原燃料の予熱層６０を構成する。この基本構造により、従来の多重円筒型水蒸気改質器における上記問題点を解決したものである。
【００４９】
原燃料は予熱層６０に導入されて加熱される。水及び／又は水蒸気は予熱層１４に導入されて加熱される。予熱層１４において、水及び／又は水蒸気のうち、水蒸気は加熱され、水は加熱されて水蒸気となり、生成した水蒸気はさらに加熱される。
【００５０】
水蒸気の発生源としては（ａ）水、（ｂ）水蒸気を含む水（水の割合が多い場合）、（ｃ）水を含む水蒸気（水蒸気の割合が多い場合）、あるいは（ｄ）水蒸気を使用する。予熱層１４へはそれら（ａ）〜（ｄ）の何れかの形で導入する。本明細書中“水及び／又は水蒸気”とは、上記（ａ）〜（ｄ）の何れかの形であることを意味する。
【００５１】
第１円筒体１〜第３円筒体３の径は、それぞれ上下通して同じくする。前述図２５〜２８のとおり、従来の多重円筒型水蒸気改質器では第２円筒体２に続き第２円筒体２よりも径が小さい円筒体１２を配置し、図２５〜２８中符号Ｘとして示すとおり、第２円筒体２の上端と円筒体１２の下端（図２７では、第２円筒体２の下端と円筒体１２の上端）を必要に応じてスペーサー等を介在させて溶接等により接合する必要があったが、本発明（１）においては、第１円筒体１、第３円筒体３と同じく、第２円筒体２の径を上下通して同じくするのでその接合が不要である。
【００５２】
第１円筒体１には底板９が配置され、底板９は第１円筒体１の直径に対応した直径で円盤状の板体である。バーナ７で発生させた燃焼ガスは、図１中矢印で示すように第１円筒体１内の底板９乃至その手前で折り返して、第１円筒体１の内側に沿って上昇しながら順次、改質触媒層１６を流れる原燃料と水蒸気との混合流（なお、その混合流は、より詳しくは改質触媒層の改質触媒により改質ガスを生成しながら流れる）を加熱するとともに、予熱層１４を流れる水及び／又は水蒸気と予熱層６０を流れる原燃料を加熱し、燃焼排ガスの排出管４１から排出される。
【００５３】
〈水及び／又は水蒸気の予熱層に構成する“螺旋状流路”について〉
予熱層１４は、第１円筒体１の内側を流れる燃焼ガスにより水及び／又は水蒸気を予熱するためのものであるが、これに続く水蒸気改質器に配置された改質触媒の有効温度、つまり改質触媒としての機能を発揮する温度である約４００℃程度以上の温度で導入するためには、予熱層１４で効率よく充分に加熱する必要がある。そのため、従来、予熱層１４の内部に金属製棒材１５が螺旋状に配置している。
【００５４】
これに対して、本発明（１）においては、円筒状隔壁５０と第１円筒体１との間の隙間にすなわち水及び／又は水蒸気の予熱層の隙間幅に、当該予熱層の隙間幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状に成形したワイヤーメッシュ１１５を螺旋状に配置して螺旋状の流路を構成することができる。この構成は、本発明において重要な構成である。本明細書中、そのように「予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状に成形したワイヤーメッシュ」を“紐状ワイヤーメッシュ”と称している。
【００５５】
〈“予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状ワイヤーメッシュ”について〉
予熱層の隙間幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状に成形したワイヤーメッシュは、予熱層を構成する第１円筒体と第２円筒体との間の隙間幅より大きい直径で且つ弾性を有することが必須である。その断面形状（＝紐状ワイヤーメッシュの長手方向に対して直角の方向に切断したときのその断面の形状）は円形でも多角形でもよいが、断面円形状や断面長方形状であるのが好ましい。
【００５６】
紐状ワイヤーメッシュは、ステンレス鋼等の金属製の極細の針金〔例えば、直径約０．０６〜０．１２ｍｍ（６０〜１２０μｍ）〕の多数本を編んだり、撚ったり、組んだりして形成したもので、その直径方向に弾性を有することが必須である。その素材である極細の針金は、例えば鋼材等の金属を細長く延ばして作られる。そのように「直径方向に弾性を有する紐状に成形したワイヤーメッシュ」は、多数本の金属製の極細の針金で形成した網状等の構造を持ち且つ弾性を有する紐状にした材料と言う意味で“ワイヤーメッシュ紐材”とも言える。そして、本発明においては当該ワイヤーメッシュ紐材のうち予熱層の幅より大きい直径のものを使用するものである。
【００５７】
図３にその数例を示し（図面代用写真）、図４は他の例で、図４（ｂ）は図４（ａ）の一部を拡大して示した図である。図３に示すワイヤーメッシュ紐材は、多数の極細の針金を網紐状に編み立てて形成した網目体を円筒状等に密に巻くなどして構成した紐材であり、いずれもその直径方向に弾性を有する。また、図４に示すワイヤーメッシュ紐材は、多数（例えば数十本）の極細の針金を纏めて束とし、その束の複数個を、繊維の分野で言ういわゆる「八つ打ちロープ」状に構成した紐材であり、その直径方向に弾性を有する。
【００５８】
本発明においては、図３〜４のようなワイヤーメッシュ紐材とは限らず、極細の針金で編んだ網体を断面円形状に重ねて紐状にしたものなど、その直径方向に弾性を有するものであればいずれも使用できる。そして、そのように直径方向に弾性を有し、且つ、円筒状隔壁５０と第１円筒体１との間の隙間にすなわち水及び／又は水蒸気の予熱層の幅より直径が大きい紐状ワイヤーメッシュを、予熱層の内部に螺旋状に配置することにより、予熱層の内部に連続した螺旋状の流路を構成する。
【００５９】
当該紐状ワイヤーメッシュは、予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有するので、紐材が例えば横断面円形状のものである場合、予熱層１４の内部に螺旋状に配置する前には、図５（ｂ）中、上側の図に示すように横断面円形状であった紐材が、予熱層１４の内部に螺旋状に配置した後には、図５（ｂ）中、下側の図に示すように、第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間で押しつぶされた形の紐材１１５として配置される。
【００６０】
そのように、紐材１１５を円筒状隔壁５０と第１円筒体１との間の隙間で押しつぶした状態で配置することにより、図５（ｂ）中、下側の図に示ように、紐材１１５が第１円筒体１の外面及び円筒状隔壁５０の内面に対して面接触となり、これにより紐材１１５と第１円筒体１の外周面との間、紐材１１５と円筒状隔壁５０の内周面との間に隙間を無くすることができる。また、紐材１１５を配置した後も、その弾性により第１円筒体１の外面及び円筒状隔壁５０の内面に対して押圧がかかり、それらの面に密に張り付くことになるので、紐材１１５と円筒状隔壁５０の内周面との間に隙間が生じることも無い。
【００６１】
図４に示す紐材の例では、その外面に僅かではあるが凹凸があるが、予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有することから、これを予熱層に配置すると押しつぶされることになり、第１円筒体１との接触面、円筒状隔壁５０との接触面に隙間が生じることはない。この点は、紐状ワイヤーメッシュが横断面多角形状のものである場合にも、予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有するので、横断面円形状の紐材の場合と同様である。
【００６２】
当該紐材を予熱層を構成する第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間に螺旋状に嵌め込むに際しては、当該紐材は多数の金属製の極細の針金でなり且つ紐状であるため曲げ易く、第１円筒体の外周に螺旋状に巻き付けることは容易である。その際、螺旋状に巻き付け後の紐材の外周を円筒状隔壁（外管）で覆う際の位置ずれ等を防ぐため、必要箇所を点溶接等で固定するようにしてもよい。
【００６３】
また、当該紐材は、棒材とは異なり、直径方向（＝長手方向に直交する方向）に弾力性を有することから、例えば、第１円筒体と円筒状隔壁との二重円管の隙間を２ｍｍとした場合、直径２．５ｍｍの紐材（紐状ワイヤーメッシュ）を適用しても、外管で覆う際に２ｍｍに押しつぶされ、その配置後もその弾性により第１円筒体、円筒状隔壁に対して押圧がかかるため、第１円筒体との間、円筒状隔壁との間に隙間を作ることなく且つ簡単に施工でき、施工費のコスト低減を図ることができる。
【００６４】
紐状ワイヤーメッシュをそのように配置することにより、水及び／又は水蒸気が上から下に流れる構造において、紐状ワイヤーメッシュ１１５と第１円筒体１との間、紐状ワイヤーメッシュ１１５と円筒状隔壁との間の隙間を無くすることができる。そしてこれにより、原燃料と水及び／又は水蒸気との混合流を螺旋状流路に流す際に、隙間から水のショートカットを無くして加熱を十分に行い、また水及び／又は水蒸気の脈動や局所的な冷却を無くすことができる。
【００６５】
また、紐状ワイヤーメッシュ１１５の巻き数や傾斜は適宜選定することができる。そのように螺旋状に配置した紐状ワイヤーメッシュにより螺旋状流路を形成し、予熱層１４の内部に連続した螺旋状の通路を形成して熱交換効率を上げ、水及び／又は水蒸気を良好に加熱することができる。
【００６６】
以上、“予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状ワイヤーメッシュ”については、本発明（１）とは限らず、当該紐状ワイヤーメッシュを水及び／又は水蒸気の予熱層に配置する他の本発明についても同様である。
【００６７】
また、当該ワイヤーメッシュ紐材は、図５中、符号１７１として示すように、以下に述べる「混合部」における、第１円筒体と第２円筒体との間に周方向に区画された隙間に螺旋状の流路を構成するのにも適用することができる。そのうち図５（ａ）に示す構造の混合部に当該紐材を適用する場合の例を図５（ｂ）中括弧付きの符号で記載している。
【００６８】
〈混合部について〉
本発明の多重円筒型水蒸気改質器において、第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、水及び／又は水蒸気の予熱層および原燃料の予熱層の下端と改質触媒層の上端との間に混合部を設ける。すなわち、第１円筒体と第２円筒体との間に周方向に区画された隙間のうち、水及び／又は水蒸気の予熱層および原燃料の予熱層の下端と改質触媒層の上端との間に間隔を置き、その間隔を置いて設けた空間を、水及び／又は水蒸気の予熱層からの加熱水蒸気と原燃料の予熱層からの加熱原燃料との混合部とする。
【００６９】
そのように、混合部は、第１円筒体と第２円筒体との間に周方向に区画された隙間のうち、水及び／又は水蒸気の予熱層の下端および原燃料の予熱層の下端と改質触媒層の上端との間に構成する。混合部は、水及び／又は水蒸気の予熱層からの加熱水蒸気と原燃料の予熱層からの加熱原燃料とを混合する役割をする。混合部は、以下混合部の構造１〜８のように、各種態様の構造を採ることができる。
【００７０】
すなわち、加熱水蒸気と加熱原燃料の混合は、水及び／又は水蒸気の予熱層の下端および原燃料の予熱層の下端で始まり、改質触媒層の上端まで続くことになるので、混合部は第１円筒体と第２円筒体との間に周方向に区画された隙間のうち、水及び／又は水蒸気の予熱層の下端および原燃料の予熱層の下端と改質触媒層の上端との間となるが、その混合部に構造１〜８の構造を構成するものである。
【００７１】
〈混合部の構造１〜３：第１円筒体と第２円筒体の間隙より狭い流路〉
混合部の構造１〜３では、第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間のうち、混合部が位置する部位つまり混合部を構成する部位における第１円筒体と第２円筒体との間の間隙を、第１円筒体と第２円筒体との間の間隙より狭い流路とする。当該狭い流路の構造として、下記混合部の構造１〜３の構造を採ることができる。
【００７２】
〈混合部の構造１〉
図１〜２は、本発明（１）の態様（輻射筒を有しない構造及び輻射筒を有する構造）、混合部の構造１を説明する図である。図１〜２中、符号７２として示すように、混合部７０が位置する部位における第１円筒体１の外周に部材７２を配置し、部材７２と第２円筒体２との間に狭い隙間を持つ構造とし、その狭い隙間を流路７３とする。この構造１は、第１円筒体１と第２円筒体により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路で、且つ、当該流路が第２円筒体２に接するように構成される。
【００７３】
〈混合部の構造２〉
図６は、混合部の構造２を説明する図である。図６中、符号７２として示すように、混合部７０が位置する部位における第２円筒体２の内周に部材７２を配置し、部材７２と第１円筒体１との間に狭い隙間を持つ構造とし、その狭い隙間を流路７３とする。この構造２は、第１円筒体１と第２円筒体により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路で、且つ、当該流路が第１円筒体１に接するように構成される。
【００７４】
図１〜２、図６では、狭い流路とするための部材として、断面コ字状乃至断面“［”状の部材を示しているが、そのような内部が空の部材とは限らず、断面矩形状の厚めの板体を用いてもよい。それら混合部の構造１〜２において、部材７２は縦方向（図１〜２、図６中、上下方向）に幅をもち且つ周方向に厚みを持つ円環状の部材である。その縦方向の長さの分が流路の長さとなるのでその長さを調整することで流路の長さを調整し、また、その厚さの分だけ流路が狭くなるので、その厚さを調整することにより狭い流路の流路幅を調整することができる。
【００７５】
〈混合部の構造３〉
図７中、符号９１として示すように、第２円筒体２のうち、混合部９０が位置する部位を周方向の内側に向けて凹状９１に構成し、第１円筒体１と当該凹状部９１により周方向に区画された隙間幅（＝隙間の幅）を混合部９０が位置しない部位の第１円筒体１と第２円筒体２との幅よりも狭くした構造とする。前記凹状９１に合わせて第３円筒体３についてもその凹部に対応して凹状９４に構成する。この混合部の構造３は、第２円筒体２のうち、混合部が位置する部位を周方向の内側に向けて凹状９１に構成し、当該凹状部９１と第１円筒体１とにより周方向に区画された狭い流路として構成される。
【００７６】
混合部の構造１〜３では、予熱層１４からの加熱水蒸気と予熱層６０からの加熱原燃料とが両予熱層の下端で合流、混合しながら、当該狭い流路を通過するときに流速を増してさらに混合し、改質触媒層にその上端から供給される。また、後述のとおり、予熱層１４に螺旋状流路を構成する態様では、予熱層１４の下端から螺旋状に排出される加熱水蒸気に加熱原燃料が合流することになるので、上記狭い流路によりさらに混合が進むことになる。これらの構造、作用により加熱水蒸気と加熱原燃料の混合を良好に行うことができる。
【００７７】
〈混合部の構造４：狭い流路＋流路曲折（その１）〉
混合部の構造４は、加熱水蒸気との加熱原燃料との混合部について、第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路とし且つその流路を曲折させる構造である。図８は混合部の構造４を説明する図である。
【００７８】
図８のとおり、第１円筒体１及び第２円筒体２のうち、混合部１００が位置する部位における第１円筒体１及び第２円筒体２により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路とし、当該流路を、水蒸気と原燃料の合流ガスの流れが第１円筒体１、第２円筒体２のうちどちら側に接して流れるかの観点で、且つ、水蒸気と原燃料の合流ガスの流れ方向でみて、上流側では第２円筒体２に接するように構成し、下流側では第１円筒体１に接するように構成する。
【００７９】
すなわち、混合部１００が位置する部位の第１円筒体１と第２円筒体２について、水蒸気と原燃料の合流ガスの流れ方向でみて、上流側では第１円筒体１の外周に部材１０１を配置して部材１０１と第２円筒体２の内周との間に流路を構成し、下流側では第２円筒体２の内周に部材１０２を配置して部材１０２と第１円筒体１の外周との間に流路を構成する。図８では部材１０１〜１０２として断面コ字状乃至断面“［”状の部材を示しているが、そのような内部が空の部材とは限らず、断面矩形状の厚めの板体を用いてもよい。
【００８０】
〈混合部の構造５：狭い流路＋流路曲折（その２）〉
狭い流路で且つ流路を曲折させる混合部の構造として、図８を利用して説明すると、混合部１００が位置する部位の第１円筒体１と第２円筒体２について、水蒸気と原燃料の合流ガスの流れ方向でみて、上流側では上記部材１０１に相当する部材を第２円筒体２の内周に配置して部材１０１に相当する部材と第１円筒体１の外周との間に流路を構成し、下流側では上記部材１０２に相当する部材を第１円筒体１の外周に配置して部材１０２に相当する部材と第２円筒体２の内周との間に流路を構成してもよい。
【００８１】
混合部の構造４のように、第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路で、且つ、当該流路が、順次、第１円筒体と第２円筒体に接するように構成するか、混合部の構造５のように、第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間幅よりも狭い流路で、且つ、第２円筒体と第１円筒体に接するように構成することにより、混合部が位置する部位の隙間をより狭くして原燃料と水蒸気の混合を促進し、且つ、水蒸気と原燃料の合流ガスの流路を曲折させ、第１円筒体１と第２円筒体２の二筒に接する構造とすることにより、第１円筒体１と第２円筒体２の壁面からの熱による水蒸気と原燃料の混合ガスの加熱を良好に行うことができる。
【００８２】
〈混合部の構造６：螺旋状流路（その１）〉
混合部における、第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間に螺旋状の流路を構成する。その態様として螺旋状の流路を構成する部材として第１円筒体と第２円筒体との間に螺旋状の棒材を配置してもよい。その巻き数や傾斜は適宜選定することができる。このように混合部の構造として螺旋状流路を構成することにより、その流路を長くするとともに、水蒸気と原燃料の混合流に遠心力を与え、水蒸気と原燃料の混合をより良好に行うことができる。
【００８３】
前述図１〜２には、混合部の構造１である「第１円筒体１の外周に部材７２を配置し、部材７２と第２円筒体２との間に混合部７０が位置する部位の隙間をより狭くした構造」に加えて、混合部の構造６である「その狭くした隙間に螺旋状棒材７１を配置した構造」を示している。この構造では、流路７３が螺旋状の流路となる。
【００８４】
〈混合部の構造８：螺旋状流路（その２）〉
図５中、符号１７１として示すように、混合部の螺旋状流路を構成する部材としてワイヤーメッシュ紐材１７１を螺旋状に配置した構造にしてもよい。ワイヤーメッシュ紐材を螺旋状に配置した構造についての、ワイヤーメッシュ紐材の構成、配置の仕方、作用効果については前述〈“予熱層の幅より大きい直径で且つ弾性を有する紐状ワイヤーメッシュ”について〉の箇所で述べたとおりである。
【００８５】
〈混合部の構造９：狭い流路＋流路曲折＋螺旋状流路（その３）〉
図９は混合部の構造９を説明する図である。図９のとおり、混合部の構造４における、混合部１００が位置する部位の第１円筒体１と第２円筒体２について、水蒸気と原燃料の合流ガスの流れ方向でみて、上流側での部材１０１と第２円筒体２の内周との間に構成された流路に螺旋状の棒材１０４を配置して螺旋状流路を構成する。螺旋状の棒材１０４に代えて螺旋状のワイヤーメッシュ紐材を配置して螺旋状流路を構成してもよい。
【００８６】
また、前述混合部の構造５における、混合部１００が位置する部位の第１円筒体１と第２円筒体２について、図９を利用して説明すると、水蒸気と原燃料の合流ガスの流れ方向でみて、上流側では上記部材１０１に相当する部材を第２円筒体２の内周に配置して部材１０１に相当する部材と第１円筒体１の外周との間に流路を構成し、当該流路に螺旋状の棒材１０４を配置して螺旋状流路を構成する。螺旋状の棒材１０４に代えて螺旋状のワイヤーメッシュ紐材を配置して螺旋状流路を構成してもよい。
【００８７】
混合部の構造１〜５の何れの構造においても、混合部にそのように螺旋状流路を構成することにより、その流路を長くするとともに、水蒸気と原燃料の混合流に遠心力を与え、水蒸気と原燃料の混合をより良好に行うことができる。
【００８８】
なお、図１〜２、１０〜２０では混合部の構造１と螺旋状流路である混合部の構造６の構造を持つものを例にしているが、これら各図に示す多重円筒型水蒸気改質器とも、混合部の構造は以上の何れか一つまたは複数の構造を採ることができるものである。
【００８９】
水及び／又は水蒸気の予熱層１４で加熱された水蒸気と原燃料の予熱層６０で加熱された原燃料は、予熱層１４、６０の下端部で合流し、混合部７０で混合されて、改質触媒層１６に流入する。改質触媒層１６の上端部に多孔板、網目体等の支持体１７が配置され、その下端部に多孔板、網目体等の支持体１８が配置され、改質触媒はそれら支持体により支持されている。両支持体１７、１８は改質触媒層１６を区画し、支持体１７は原燃料と水蒸気の混合流を分配し流通させる役割をし、支持体１８は改質触媒層１６で生成した改質ガスを流通させる役割をする。
【００９０】
第２円筒体２は、その下端が第３円筒体３の底板１９との間に間隔を持つように配置される。底板１９は、第３円筒体３の直径に対応した直径を有する円盤状の板体である。そして、第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に改質ガスの流路２０を構成している。
【００９１】
原燃料は、改質触媒層１６中を下降しながら水蒸気により改質される。その際、改質触媒層１６では、混合部７０で水蒸気と原燃料が予め混合されているので、改質反応が良好に進行して改質ガスを生成する。改質触媒層１６での改質反応は吸熱反応であり、バーナ７での燃焼ガスが第１円筒体１の内側を流通するときに、その熱が第１円筒体１を介して改質触媒層１６に吸収され、改質反応が進行する。改質触媒層１６で生成した改質ガスは、第２円筒体２の下端と底板１９の間で折り返して改質ガス流路２０を流れ、その上部から導出管４５を介して取り出される。燃料電池がＳＯＦＣの場合にはそのままＳＯＦＣの燃料極に供給され、燃料電池がＰＥＦＣの場合にはＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経てＰＥＦＣの燃料極に供給される。
【００９２】
〈輻射筒を有する多重円筒型水蒸気改質器について〉
本発明（１）の多重円筒型水蒸気改質器においては、図２に示すように、第１円筒体１の内側に間隔を置いて輻射筒６を配置し、当該輻射筒６の内側にバーナ７を配置した構造としてもよい。輻射筒６は、第１円筒体１の底板９に対して間隔を置いて、すなわちその下端が第１円筒体１の底板９との間に間隔を保つように配置される。
【００９３】
そのように輻射筒６を持つ構造では、バーナ７で発生させた燃焼ガスは、図２中矢印で示すように輻射筒６の下端で折り返して、当該輻射筒６と第１円筒体の隙間に形成された燃焼ガス流路１０中を上昇しながら順次、改質触媒層１６を流れる原燃料と水蒸気との混合流、予熱層１４を流れる水及び／又は水蒸気と予熱層６０を流れる原燃料を加熱し、燃焼排ガスの排出管４１から排出される。
【００９４】
以上、本発明（１）の態様及びその一環として述べた円筒状隔壁、水及び／又は水蒸気の予熱層、原燃料の予熱層、螺旋状流路、混合部、輻射筒、等の諸事項、構造は、以下に述べる本発明にも共通する事項である。本発明（２）〜（８）の態様を説明するに際して、適宜、図２のように輻射筒６を持つ構造の図面を用いて説明しているが、それらの図面中、輻射筒６を外しても多重円筒型水蒸気改質器として同様のものである。
【００９５】
本発明（１）の多重円筒型水蒸気改質器をＳＯＦＣ用とする場合には、改質ガスはＳＯＦＣの燃料極に供給され、本発明（１）の多重円筒型水蒸気改質器をＰＥＦＣ用とする場合には、改質ガスはＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経てＰＥＦＣの燃料極に供給される。この点は、本発明（２）の多重円筒型水蒸気改質器についても同様である。
【００９６】
〈本発明（２）の態様〉
本発明（２）は、下記（ａ）〜（ｆ）の構成を備えてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。図１０は本発明（２）の態様を説明する図で、下記構成（ａ）〜（ｅ）において各部材や構成に付している符号は図１０中の符号である。図１０には輻射筒６を持つ構造を示しているが、輻射筒６を持たない構造についても同様であり、この点、図１１〜２０についても同様である。
【００９７】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２及び第３円筒体３からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に下端から配置されたバーナ７とを備え、
（ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁５０を配置して第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間及び円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層１４とするとともに、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間を原燃料の予熱層６０とし、
（ｄ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層１４及び原燃料の予熱層６０に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層１４で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層６０で加熱した原燃料との混合部７０及び改質触媒層１６を備え、且つ、
（ｅ）第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に第２円筒体２の上端で反転させた改質ガスの流路２０を構成してなること。
【００９８】
本発明（２）は、本発明（１）の燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器を上下逆置きに設置したものに相当する。図１０のとおり、上下逆置きに設置した点以外は、図１〔＝本発明（１）〕の構造と同様である。
【００９９】
本発明（２）においては、例えば、改質触媒層１６で生成した改質ガスを第２円筒体２の上端で反転させ、第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間である改質ガスの流路２０中を下向きに流通させるように構成される。
【０１００】
本発明（２）のように上下逆置きに設置した多重円筒型水蒸気改質器においては、水又は水蒸気を含む水の予熱層に金属メッシュを配置することができる。図１１はこの態様を説明する図で、図１１中符号Ｍとして示すように金属メッシュＭを配置する。
【０１０１】
〈金属メッシュＭについて〉
金属メッシュは、ステンレス鋼等の金属製の針金の多数を編み込んで構成したもので、金属製の網体乃至網目体を意味する。針金の径や編み方は適宜選定することができる。金属メッシュＭにより、その表面張力の作用で針金の表面（針金の交差部分を含む）に水が捕捉され、蒸発した気体である水蒸気のみが下流に流れる（図１１で言えば上方へ流れる）こととなり、金属メッシュＭを配置しないと不安定な水と水蒸気との二相流の流動が、金属メッシュＭにより安定化し、その脈動の発生を少なくし、またその脈動幅を低減することができる。
【０１０２】
金属メッシュＭは、予熱層１４を構成する第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間に１枚ないし複数枚を巻き付ける、などして配置する。金属メッシュＭは、予熱層１４の下部から上部までの全域に配置してもよく、予熱層１４中の下部から所定高さまで配置してもよい。図１１には一例としてその下半部に配置した態様を示している。
【０１０３】
金属メッシュＭを予熱層１４中どの程度の高さまで配置するかは、改質器の規模、予熱層１４を構成する第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間の幅などの条件により異なるが、水と水蒸気との二相流のうち全ての水が気化し、水蒸気となる箇所を目安とすることができる。なお、金属メッシュＭを予熱層１４の下部から所定高さまで配置する場合、その上部に螺旋状流路を構成してもよく、この場合には水蒸気の流路が長くなることなどから、その加熱が促進される。螺旋状流路の構成については前述〈水及び／又は水蒸気の予熱層に構成する“螺旋状流路”について〉と同様に行うことができる。
【０１０４】
本発明（２）の態様及びその一環として述べた、金属メッシュＭにいての事項は、後述本発明（４）（図１４）、本発明（６）（図１７）、本発明（８）（図２０）の態様にも共通する事項である。
【０１０５】
以上の点以外の点については本発明（１）の多重円筒型水蒸気改質器と同様である。
【０１０６】
〈本発明（３）の態様〉
本発明（３）は、下記（ａ）〜（ｆ）の構成を備えてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。図１２は本発明（３）を説明する図である。下記構成（ａ）〜（ｆ）において各部材や構成に付している符号は図１２中の符号である。
【０１０７】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第３円筒体３及び、第３円筒体３の上部に当該第３円筒体３の径より大きい径の第４円筒体４からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に上端から配置されたバーナ７とを備え、
（ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁５０を配置して第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間及び円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層１４とするとともに、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間を原燃料の予熱層６０とし、
（ｄ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層１４及び原燃料の予熱層６０に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層１４で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層６０で加熱した原燃料との混合部７０及び改質触媒層１６を備え、
（ｅ）第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に第２円筒体２の下端で反転させた改質ガスの流路２０を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２３を配置してなること。
【０１０８】
本発明（３）は、本発明（１）の多重円筒型水蒸気改質器に対して、第３円筒体３の上部に当該第３円筒体３の径より大きい第４円筒体４を配置し、第３円筒体３と第４円筒体４との間にＣＯ変成器に相当するＣＯ変成触媒層２３を配置したものに相当している。
【０１０９】
図１２のとおり、第３円筒体３の上部に当該第３円筒体３より径を大きくした第４円筒体４を配置し、第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２３を設ける。第３円筒体３の上端部と第４円筒体４の下端部との間には板体２１を配置する。板体２１の上に間隔を置いてガス流通用の複数の孔を有する支持板２２を配置し、支持板２２の上にＣＯ変成触媒層２３を配置し、ＣＯ変成触媒層２３の上にガス流通用の複数の孔を有する仕切板２４を配置する。第４円筒体４の上端部と第２円筒体２の外周壁との間には仕切板２４に対して間隔を置いて板体２５を配置する。
【０１１０】
板体２１は、第３円筒体３の直径に相当する部分は第３円筒体３で占められるのでドーナツ状の板体であり、また支持板２２と仕切板２４と板体２５とは、第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるのでドーナツ状の板体である。支持板２２、仕切板２４は金属製等の網体で構成してもよく、この場合には網体の網目がガス流通孔となる。
【０１１１】
改質ガス流路２０を流通した改質ガスは、支持板２２に設けられた多数の孔を経てＣＯ変成触媒層２３に供給される。ＣＯ変成触媒層２３ではＣＯ変成反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）により改質ガス中のＣＯが二酸化炭素に変成され、併せて水素が生成する。
【０１１２】
ＣＯ変成触媒層２３から出る改質ガスは、未反応の原燃料（メタン等）と余剰水蒸気を除けば、水素と二酸化炭素からなっている。このうち水素が燃料電池の燃料となるが、ＣＯ変成触媒層２３を経て得られる改質ガスについても、ＣＯは完全には除去されず、１％程度以下ではあるが、尚ＣＯが含まれている。
【０１１３】
ＰＥＦＣに供給する水素中のＣＯの許容濃度は１０ｐｐｍ程度であり、これを超えると電池性能が著しく劣化する。このため、改質ガスはＣＯ変成触媒層２３によりＣＯ濃度を１％程度以下まで低下させた後、ＣＯ除去器に供給される。ＣＯ除去器では空気等の酸化剤ガスが添加され、ＣＯの選択的酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2）によりＣＯを除去し、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下、あるいは５ｐｐｍ以下というように低減させる。
【０１１４】
以上の点以外の点については本発明（１）の多重円筒型水蒸気改質器と同様である。
【０１１５】
〈本発明（４）の態様〉
本発明（４）は、下記（ａ）〜（ｆ）の構成を備えてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。図１３は本発明（４）の態様を説明する図で、下記構成（ａ）〜（ｆ）において各部材や構成に付している符号は図１３中の符号である。
【０１１６】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第３円筒体３及び、第３円筒体３の下部に当該第３円筒体３の径より大きい径の第４円筒体４からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に下端から配置されたバーナ７とを備え、
（ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁５０を配置して第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間及び円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層１４とするとともに、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間を原燃料の予熱層６０とし、
（ｄ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層１４及び原燃料の予熱層６０に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層１４で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層６０で加熱した原燃料との混合部７０及び改質触媒層１６を備え、
（ｅ）第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に第２円筒体２の上端で反転させた改質ガスの流路２０を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２３を配置してなること。
【０１１７】
本発明（４）では、例えば、改質触媒層１６で生成した改質ガスを第２円筒体２の上端で反転させ、第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間である改質ガス流路２０中を下向きに流通させるように構成される。
【０１１８】
本発明（４）においても、本発明（２）の多重円筒型水蒸気改質器と同じく、水及び／又は水蒸気の予熱層に金属メッシュを配置することができる。図１４にこの態様を示している。図１１中符号Ｍとして示すように金属メッシュを配置する。金属メッシュＭの構成、配置の仕方等は前述〈本発明（２）の態様〉で述べたとおりである。
【０１１９】
本発明（４）は、本発明（３）の多重円筒型水蒸気改質器を上下逆置きに設置したものに相当している。図１３のとおり、本発明（４）の多重円筒型水蒸気改質器の構造は、上下逆置きに設置した点以外は、図１０〔＝本発明（２）〕、図１２〔＝本発明（３）〕の態様と同様である。
【０１２０】
〈本発明（５）の態様〉
本発明（５）は、下記（ａ）〜（ｆ）の構成を備えてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。図１５は本発明（５）の態様を説明する図で、下記構成（ａ）〜（ｆ）において各部材や構成に付している符号は図１５中の符号である。
【０１２１】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第３円筒体３、第３円筒体３の上部に当該第３円筒体３の径より大きい径の第４円筒体４及び、第４円筒体４の上部に下記円筒状隔壁５０の径より大きい径の第５円筒体５からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に上端から配置されたバーナ７とを備え、
（ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁５０を配置して第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間及び円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層１４とするとともに、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間を原燃料の予熱層６０とし、
（ｄ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層１４及び原燃料の予熱層６０に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層１４で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層６０で加熱した原燃料との混合部７０及び改質触媒層１６を備え、
（ｅ）第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に第２円筒体２の下端で反転させた改質ガスの流路２０を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２３を配置するとともに、第２円筒体２と第５円筒体５との間にＣＯ除去触媒層３１を配置してなること。
【０１２２】
本発明（５）は、本発明（４）の多重円筒型水蒸気改質器に対して、第４円筒体４の上部に第５円筒体５を配置し、第２円筒体２と第５円筒体５との間にＣＯ除去触媒層３１を配置したものに相当している。図１５のとおり、第４円筒体４の上部に第５円筒体５を配置し、第２円筒体２と第５円筒体５との間にＣＯ除去触媒層３１を設ける。仕切板２８の上に間隔を置いてガス流通用の複数の孔を有する支持板３０を配置し、支持板３０の上にＣＯ除去触媒層３１を配置し、ＣＯ除去触媒層３１の上にガス流通用の複数の孔を有する仕切板３２を配置する。
【０１２３】
支持板３０、仕切板３２は金属製等の網体で構成してもよく、この場合には網体の網目がガス流通孔となる。第５円筒体５の上端部と第２円筒体２の外周壁との間には仕切板３２に対して間隔を置いて板体３３を配置する。板体３３は、第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるのでドーナツ状の板体である。
【０１２４】
ＣＯ変成触媒層２３とＣＯ除去触媒層３１との間の構造については、ＣＯ変成触媒層２３の上の多孔板２４の上に間隔を置いて仕切板２６を配置し、当該仕切板２６の上に間隔を置いて仕切板２８を配置する。ＣＯ除去用空気供給管４４を仕切板２６と仕切板２８との間の隙間にその供給口を臨ませて配置する。仕切板２６と仕切板２８は第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるのでドーナツ状の仕切板である。
【０１２５】
符号２７は仕切板２６に設けた一個の改質ガス流通孔であり、符号２９は仕切板２８に設けた一個の改質ガス流通孔である。改質ガス流通孔２７と改質ガス流通孔２９とが周方向に相対する位置、すなわち周方向に反対側に位置するように配置する。図１５には、改質ガス流通孔２７と改質ガス流通孔２９とを周方向に１８０°反対側の位置に配置した場合を示している。この周方向に相対する位置は、周方向に１８０°の反対側の位置であるのが最もよいが、±１０°を限度にずれた位置でもよい。
【０１２６】
空気供給管４４により供給する空気は、ＣＯ変成触媒層２３の上に配置された多孔板２４の孔から流出し、仕切板２６の改質ガス流通孔２７を介して仕切板２６と仕切板２８との間の隙間に流入する。改質ガス流通孔２９は改質ガス流通孔２７に対して周方向に反対側に配置されているので、空気とＣＯ変成触媒層２３からのＣＯ変成済み改質ガスは、仕切板２６と仕切板２８との間の隙間で混合しながら仕切板２８の改質ガス流通孔２９に至り、流通孔２９を介して仕切板２８と支持板３０との間の隙間に流入し、ＣＯ除去触媒層３１に供給される。
【０１２７】
なお、仕切板２６は、これがあった方が空気とＣＯ変成済み改質ガスとの混合がより促進されるが、必須ではないので、無くてもよい。また、図１５のように仕切板２６を配置する場合、支持板２４と仕切板２６との間に空気供給管４４の開口を臨ませてもよい。
【０１２８】
ＣＯ除去触媒層３１には、ＣＯ除去触媒（Ｐｒｏｘ触媒とも呼ばれる）が充填してあり、ＣＯ除去触媒によるＣＯの選択的酸化反応によりＣＯをＣＯ2に変えることでＣＯを除去し、ＣＯ濃度を数ｐｐｍレベルにまで低減させる。ＣＯを除去した改質ガスは、支持板３２に設けられた複数個の孔から導出され、支持板３２と板体３３との間の隙間を経て改質ガス取出管４５から取り出される。
【０１２９】
以上の点以外の点については図１〜９〔＝本発明（１）〕、図１２〔＝本発明（３）〕の多重円筒型水蒸気改質器と同様である。
【０１３０】
〈本発明（６）の態様〉
本発明（６）は、下記（ａ）〜（ｆ）の構成を備えてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。図１６は本発明（６）の態様を説明する図で、下記構成（ａ）〜（ｆ）において各部材や構成に付している符号は図１６中の符号である。
【０１３１】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第３円筒体３、第３円筒体３の下部に当該第３円筒体３の径より大きい径の第４円筒体４及び、第４円筒体４の下部に下記円筒状隔壁の径より大きい径の第５円筒体５からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に下端から配置されたバーナとを備え、
（ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、下部との隙間に円筒状隔壁５０を配置して第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間及び円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層１４とするとともに、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間を原燃料の予熱層６０とし、
（ｄ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層１４及び原燃料の予熱層６０に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層１４で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層で加熱した原燃料との混合部７０及び改質触媒層１６を備え、
（ｅ）第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に第２円筒体２の上端で反転させた改質ガスの流路２０を構成し、且つ、
（ｆ）第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２３を配置するとともに、第２円筒体２と第５円筒体との間にＣＯ除去触媒層を配置してなること。
【０１３２】
本発明（６）は、本発明（５）の多重円筒型水蒸気改質器を上下逆置きに設置したものに相当している。図１６のとおり、本発明（６）の多重円筒型水蒸気改質器の構造は、上下逆置きに設置した点以外は、図１５〔＝本発明（５）〕の構造と同様である。
【０１３３】
本発明（６）では、例えば、改質触媒層１６で生成した改質ガスを第２円筒体２の上端で反転させ、第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間である改質ガスの流路２０中を下向きに流通させるように構成される。
【０１３４】
本発明（６）においても、本発明（２）、（４）の多重円筒型水蒸気改質器と同じく、水及び／又は水蒸気の予熱層に金属メッシュを配置することができる。図１７にこの態様を示している。図１７中符号Ｍとして示すように金属メッシュを配置する。金属メッシュＭの構成、配置の仕方等は前述〈本発明（２）の態様〉で述べたとおりである。
【０１３５】
〈本発明（７）の態様〉
本発明（７）は、下記（ａ）〜（ｇ）の構成を備えてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。図１８は本発明（７）の態様を説明する図で、下記構成（ａ）〜（ｇ）において各部材や構成に付している符号は図１８中の符号である。
【０１３６】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第３円筒体３、第３円筒体３の上部に当該第３円筒体３の径より大きい径の第４円筒体４及び、第４円筒体４の上部に下記円筒状隔壁５０の径より大きい径の第５円筒体５からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に上端から配置されたバーナ７とを備え、
（ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、上部の隙間に円筒状隔壁５０を配置して第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間及び円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層１４とするとともに、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間を原燃料の予熱層６０とし、
（ｄ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層１４及び原燃料の予熱層６０に続く下部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層１４で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層６０で加熱した原燃料との混合部７０及び改質触媒層１６を備え、
（ｅ）第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に第２円筒体２の下端で反転させた改質ガスの流路２０を構成し、
（ｆ）第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２３を配置するとともに、円筒状隔壁５０と第５円筒体５との間にＣＯ除去触媒層３１を配置し、且つ、
（ｇ）ＣＯ変成触媒層２３とＣＯ除去触媒層３１との間に原燃料の予熱層への原燃料導入部８０を構成してなること。
【０１３７】
本発明（７）は、本発明（５）の多重円筒型水蒸気改質器（図１５）に対して、ＣＯ変成触媒層２３上の支持板２４とＣＯ除去触媒層３１の支持板３０との間に原燃料導入部８０を配置したものに相当している。
【０１３８】
図１８のとおり、支持板２４の上部で且つ第２円筒体２と第４円筒体４との間に仕切板８１を配置し、仕切板８１の上部で且つ円筒状隔壁５０と第４円筒体４との間に仕切板８２を配置し、第４円筒体４の上端部と第５円筒体５の外周との間に仕切板８３を配置する。仕切板８１は第２円筒体２の径（直径）に相当する部分は第２円筒体２で占められ、仕切板８２は円筒状隔壁５０の径（直径）に相当する部分は円筒状隔壁５０で占められ、仕切板８３は第５円筒体５の径（直径）に相当する部分は第５円筒体５で占められているので、それぞれドーナツ状の板体である。
【０１３９】
そのうち、仕切板８１と仕切板８２との間の隙間と、当該隙間の外周である第４円筒体４との間を原燃料導入部８０とする。より詳しくは、原燃料導入部８０は、円筒状隔壁５０の外周のうち、仕切板８２が配置された箇所の下部で原燃料の予熱層６０に連通し、第４円筒体４のうち当該隙間（仕切板８１と仕切板８２との間の隙間）の外周に相当する箇所に原燃料導入部８０への原燃料導入管４３を配置する。すなわち、原燃料導入部８０は、仕切板８１と、仕切板８２と、円筒状隔壁５０の外周つまり円筒状隔壁５０のうち仕切板８２の配置箇所から仕切板８１が位置する部位までの部分とで構成される。
【０１４０】
また、第４円筒体４のうち、支持板２４が位置する箇所と仕切板８１が位置する箇所との間にＣＯ変成触媒層２３からのＣＯ変成済み改質ガスの流通孔（流出孔）８４を設け、第４円筒体４のうち、仕切板８２が位置する箇所と仕切板８３が位置する箇所との間に、ＣＯ除去用空気を混合したＣＯ変成済み改質ガスの流通孔（ＣＯ除去触媒層３１の下部への流入孔）８６を設ける。
【０１４１】
そして、上記流通孔８４、８６を囲むように第４円筒体４の外壁（外側）にＣＯ除去用空気供給部８５を構成し、当該ＣＯ酸化用空気供給部８５にＣＯ除去用空気導入管４４の開口を臨ませる。ＣＯ変成触媒層２３でのＣＯ変成済み改質ガスは、流通孔８４からＣＯ酸化用空気供給部８５に流入し、ＣＯ除去用空気導入管４４から導入される空気と混合した後、流通孔８６、支持板３０の孔を経てＣＯ除去触媒層３１に供給される。
【０１４２】
以上の点以外の点については、図１５〔＝本発明（５）〕の構造と同様である。
【０１４３】
〈本発明（８）の態様〉
本発明（８）は、下記（ａ）〜（ｇ）の構成を備えてなることを特徴とする燃料電池用多重円筒型水蒸気改質器である。図１９は本発明（８）の態様を説明する図で、下記構成（ａ）〜（ｇ）において各部材や構成に付している符号は図１９中の符号である。
【０１４４】
（ａ）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体１、第２円筒体２、第３円筒体３、第３円筒体３の下部に当該第３円筒体３の径より大きい径の第４円筒体４及び、第４円筒体４の下部に下記円筒状隔壁５０の径より大きい径の第５円筒体５からなる複数の円筒体と、第１円筒体１の周方向中心部に下端から配置されたバーナ７とを備え、
（ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、下部の隙間に円筒状隔壁５０を配置して第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間及び円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間との二つの隙間を構成し、
（ｃ）当該二つの隙間のうち、第１円筒体１と円筒状隔壁５０との間の隙間を水及び／又は水蒸気の予熱層１４とするとともに、円筒状隔壁５０と第２円筒体２との間の隙間を原燃料の予熱層６０とし、
（ｄ）第１円筒体１と第２円筒体２により周方向に区画された隙間のうち、前記水及び／又は水蒸気の予熱層１４及び原燃料の予熱層６０に続く上部の隙間に順次、水及び／又は水蒸気の予熱層１４で加熱した水蒸気と原燃料の予熱層６０で加熱した原燃料との混合部７０及び改質触媒層１６を備え、
（ｅ）第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間に第２円筒体２の上端で反転させた改質ガスの流路２０を構成し、
（ｆ）第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２３を配置するとともに、円筒状隔壁５０と第５円筒体５との間にＣＯ除去触媒層３１を配置し、且つ、
（ｇ）ＣＯ変成触媒層２３とＣＯ除去触媒層３１との間に原燃料の予熱層６０への原燃料導入部７０を構成してなること。
【０１４５】
本発明（８）は、本発明（７）の多重円筒型水蒸気改質器を上下逆置きに配置したものに相当している。図１９のとおり、本発明（８）の多重円筒型水蒸気改質器の構造は、上下逆置きに設置した点以外は、図１８〔＝本発明（７）〕の構造と同様である。
【０１４６】
本発明（８）では、例えば、改質触媒層１６で生成した改質ガスを第２円筒体２の上端で反転させ、第２円筒体２と第３円筒体３により周方向に区画された隙間である改質ガスの流路２０中を下向きに流通させるように構成される。
【０１４７】
本発明（８）においても、本発明（２）、（４）、（６）の多重円筒型水蒸気改質器と同様、水及び／又は水蒸気の予熱層に金属メッシュを配置することができる。図２０にこの態様を示している。図２０中符号Ｍとして示すように金属メッシュを配置する。金属メッシュＭの構成、配置の仕方等は前述〈本発明（２）の態様〉で述べたとおりである。
【実施例】
【０１４８】
実験例を基に本発明をさらに説明するが、本発明が実験例に限定されないことはもちろんである。
【０１４９】
〈実験例１〜２〉
実験例１〜２は、第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に、水と原燃料を導入して加熱した場合と、水を導入して加熱した場合とについて、各部位における温度分布に係る実験及びその結果である。原燃料には都市ガス（１３Ａ）を用いた。
【０１５０】
実験用として“水、原燃料の予熱器”を作製、使用して、当該予熱器における各部位における温度を計測し、各部位における温度分布の状態を観察した。図２１に実験用予熱器の概略を示し、温度計測の部位等を標示している。図２１（ａ）は縦断面図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）中Ａ−Ａ線断面図である。図２１（ａ）〜（ｂ）に示す符号１〜２、６〜７、４１〜４３、４５は前述図１〜２０に示す符号に相当している。
【０１５１】
図２１（ａ）中、２５ｍｍ、５０ｍｍ・・・３５０ｍｍと示しているのは、それぞれ第２円筒体２の下端からの距離（高さ）である。図２１（ｂ）は、２５ｍｍ、５０ｍｍ・・・２２５ｍｍの各部位における各部位毎に第２円筒体２の周囲の４箇所に温度計測用の熱電対を配置したことを示している。また、２５０ｍｍの部位と３５０ｍｍの部位では第１円筒体１と第２円筒体２との間の間隙における、それぞれ４箇所に温度計測用の熱電対を配置している。
【０１５２】
実験は、バーナ７を作動しながら、（Ａ）第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に水と都市ガスを導入した場合と（Ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に水のみを導入した場合の二通りについて行なった。（Ａ）では原燃料導入管４３から都市ガスを、水導入管４２から水を導入し、（Ｂ）では水導入管４２から水を導入した。表１は（Ａ）の場合の結果であり、表２は（Ｂ）の場合の結果である。
【０１５３】
【表１】
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【０１５４】
【表２】
2010157498.tif 000004
【０１５５】
表１の結果と表２の結果を対比すると、（Ａ）水と都市ガスを導入した場合、各部位の温度は相対的に低く、また各高さにおける円環上の各部位の温度は高低差が大きい。例えば、（Ａ）での高さ２００ｍｍでの温度は９０゜の箇所で２４０．３℃であるのに対して、２７０゜の箇所で９３．５℃であり、その差１４６．８℃である。（Ｂ）での高さ２００ｍｍでの温度は２７０゜の箇所で２５０．２℃であるのに対して、９０゜の箇所で２０１．６℃であり、その差４８．６℃である。
【０１５６】
このように、（Ｂ）第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に水のみを導入した場合は、（Ａ）第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に水と都市ガスを導入した場合に比べて、温度分布差を格段に減少させることができる。
【０１５７】
〈実験例３〉
実験用の水の予熱層に金属メッシュＭを配置した装置を作製、使用して、水予熱層における各部位における温度を計測し、各部位における温度分布の状態を観察した。図２２に実験用予熱層装置の概略、温度計測の部位等を示し、図２３にここで使用した金属メッシュＭを拡大して示している。図２２（ａ）は縦断面図、図２２（ｂ）は図２２（ａ）中Ａ−Ａ線断面図である。図２２（ａ）〜（ｂ）に示す符号１〜２、６〜７、４１〜４２、４５は前述図１〜２０に示す符号に相当している。
【０１５８】
図２２（ａ）中、２５ｍｍ〜３５０ｍｍとして示すのは、それぞれ第２円筒体２の下端からの距離（高さ）である。図２２（ｂ）のとおり、２５ｍｍ〜２２５ｍｍの各部位において各部位毎に第２円筒体２の周囲の４箇所に温度計測用の熱電対を配置したことを示している。また、２５０ｍｍと３５０ｍｍの円環上の部位では第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に、それぞれ４箇所に温度計測用の熱電対を配置している。
【０１５９】
図２２（ａ）に示す金属メッシュＭは、図２３に示すように、ステンレス鋼の金属製針金を織り込んだもので、複数の極細針金を束紐（ストランド）にし、そのストランドを用いて緯編（weft knit）状に編み込んだものである。その複数枚を重ねて第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に巻き付けることで配置した。
【０１６０】
実験は、バーナ７を作動しながら、第１円筒体１と第２円筒体２との間の隙間に水のみを導入して行なった。表３はその結果である。
【０１６１】
【表３】
2010157498.tif 000005
【０１６２】
表３のとおり、各高さにおける円環上の各部位の温度は、高低差が小さく、ほぼ同じである。例えば、
高さ５０ｍｍでの温度は、０゜の箇所で９９．５℃、９０゜の箇所で１００．６℃、１８０゜の箇所で１００．１℃、２７０゜の箇所で９９．９℃であり、その差は殆どない。
高さ１５０ｍｍでの温度は、０゜の箇所で１０４．３℃、９０゜の箇所で１０４．０℃、１８０゜の箇所で１０４．２℃、２７０゜の箇所で１０５．８℃であり、その差は殆どない。
高さ１５０ｍｍでの温度は、０゜の箇所で２３３．９℃、９０゜の箇所で２３２．３℃、１８０゜の箇所で２５７．４℃、２７０゜の箇所で２６８．７℃であり、その差３６．４℃で、小さい。
高さ２５０ｍｍでの温度は０゜の箇所で４９１．８℃、９０゜の箇所で４９２．３℃、１８０゜の箇所で４７１．８℃、２７０゜の箇所で４８５．３℃であり、その差は殆どない。
【０１６３】
このように、水の予熱層に金属メッシュＭを配置することにより、各計測箇所における温度分布差は、殆ど無いか小さく、均等化している。
【０１６４】
また、図２２における金属メッシュＭを配置した部分の水の脈動の振幅と、金属メッシュを配置しない場合の対応箇所の水の脈動の振幅とを計測したところ、金属メッシュを配置した部分の水の脈動の振幅は０．６ｋＰａ、金属メッシュを配置しない場合の対応箇所の水の脈動の振幅は４．８ｋＰａであった。このように金属メッシュＭを配置することにより、水の脈動の振幅幅を格段に減少させることができる。
【０１６５】
〈実験例４〉
実験例４は、（ａ）本発明適用前の多重円筒型水蒸気改質器である図２８の円筒式水蒸気改質器と、（ｂ）本発明の多重円筒型水蒸気改質器の例として図１８〔＝本発明（１０）の構造〕の多重円筒型水蒸気改質器と、（ｃ）図１９〔＝本発明（１１）の構造〕の多重円筒型水蒸気改質器について、各部位における温度分布に係る実験を行なった。（ａ）は（ｂ）〜（ｃ）に対する比較例に相当している。
【０１６６】
図２８、図１８及び図１９の各構造の多重円筒型水蒸気改質器を作製し、作動して、各多重円筒型水蒸気改質器における各部位における温度を計測し、各部位における温度分布の状態を観察した。温度計測は熱電対で行い、図２８、図１８及び図１９の各図中、温度計測箇所である熱電対を配置した位置を熱電対設置位置として示している。また、ＣＯ変成触媒層については、改質ガスの流れ方向でみて、４位置〔ＣＯ変成触媒層入口部、ＣＯ変成触媒層（中間１）、ＣＯ変成触媒層（中間２）、ＣＯ変成触媒層出口部〕について、それぞれ内側、中央部、外側の３箇所、合計１２箇所で計測した。
【０１６７】
改質触媒層の改質触媒として作動温度４００〜６８０℃のＲｕ系触媒を使用し、ＣＯ変成触媒層のＣＯ変成触媒として作動温度２２０〜３３０℃の銅−亜鉛系触媒を使用し、ＣＯ除去触媒層のＣＯ酸化触媒として作動温度１３０〜１７０℃のＲｕ系触媒を使用した。
なお、ＣＯ変成触媒層の入口部へはその作動温度よりは高温の改質ガスが導入されるが、ＣＯ変成触媒層中を流通しながら低下し作動温度で変成される。
【０１６８】
他の実験条件、実験結果は表４〜６のとおりである。表４は比較例（図２８）である本発明適用前の多重円筒型水蒸気改質器についての実験条件、実験結果であり、表５は本発明（７）の多重円筒型水蒸気改質器である図１８の円筒式水蒸気改質器についての実験条件、実験結果であり、表６は本発明（８）の多重円筒型水蒸気改質器である図１９の円筒式水蒸気改質器についての実験条件、実験結果である。
【０１６９】
【表４】
2010157498.tif 000006
【０１７０】
【表５】
2010157498.tif 000007
【０１７１】
【表６】
2010157498.tif 000008
【０１７２】
表４のとおり、比較例では、ＣＯ変成触媒層（中間層１）の温度については、内側で３６２．９℃、中央部で３５５．５℃、外側で３１５．０℃であり、ＣＯ変成触媒層（中間層２）の温度については、内側で２６６．４℃、中央部で２９３．７℃、外側で２６４．０℃であり、中間層１の内側、中央部でＣＯ変成触媒の適温２２０〜３３０℃より高い。また、ＣＯ変成触媒層出口のうち内側温度は１７１．６℃と極端に低く、ＣＯ変成触媒の適温の下限２２０℃に対して格段に低い。
【０１７３】
これに対して、表５のとおり、ＣＯ変成触媒層（中間層１）の温度については、内側で２７１．８℃、中央部で２８９．７℃、外側で２６３．２℃であり、ＣＯ変成触媒層（中間層２）の温度については、内側で２２１．４℃、中央部で２４０．４℃、外側で２２９．３℃であり、いずれの部位においても、ＣＯ変成触媒の適温２２０〜３３０℃の範囲内であり、各部位の温度について、その幅は小さく、均等化されている。また、ＣＯ変成触媒層出口のうち内側温度は２００．０℃であり、比較例での同位置の温度１７１．６℃に対して改善されている。
【０１７４】
このように、本発明において特徴とする構造、すなわち“第１円筒体と第２円筒体により周方向に区画された隙間に円筒状隔壁を配置して第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間及び円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間との二つの隙間を構成し、第１円筒体と円筒状隔壁との間の隙間を水又は水蒸気を含む水の予熱層とするとともに、円筒状隔壁と第２円筒体との間の隙間を原燃料の予熱層とし、且つ原燃料の予熱層の外周にＣＯ変成触媒層を配置した構造”により、ＣＯ変成触媒層の温度を均一化し、ＣＯ変成触媒の作動温度２２０〜３００℃の範囲内に維持することができる。
【０１７５】
また、表６のとおり、ＣＯ変成触媒層（中間層１）の温度については、内側で３２６．５℃、中央部で３４０．４℃、外側で３００．４℃であり、中央部でＣＯ変成触媒の作動温度２２０〜３３０℃よりやや高いが、ＣＯ変成触媒層（中間層２）の温度については、内側で２６５．４℃、中央部で２８８．２℃、外側で２６５．１℃であり、ＣＯ変成触媒の作動温度２２０〜３３０℃の範囲内に維持されている。また、ＣＯ変成触媒層出口のうち内側温度は２３６．３℃であり、比較例での同位置の温度１７１．６℃に対して改善されている。
【０１７６】
〈予熱層に配置する断面長方形状の紐状ワイヤーメッシュについて〉
予熱層に水のみが導入される構造の場合には、予熱層に隣接する触媒部、特にＣＯ除去触媒層におけるＰｒｏｘ触媒の冷却が不足していた。その冷却不足を予熱層に断面長方形状のワイヤーメッシュを配置することにより改善することができる。断面長方形状のワイヤーメッシュは断面円形状のワイヤーメッシュと同様に紐状であり、弾力性を有するため、曲げやすく、容易に円筒管の側面に螺旋状に配置することができる。
【０１７７】
例えば、２重円筒管の隙間を２ｍｍとした際に、断面円形状のワイヤーメッシュであれば直径３ｍｍ程度のワイヤーメッシュを押しつぶして使用し、円筒との接触長さは４ｍｍ程度になる。これに対して、断面長方形状のワイヤーメッシュでは断面寸法３ｍｍ×６ｍｍのワイヤーメッシュを押しつぶして使用すると、円筒との接触長さは７ｍｍ程度となる。つまり、断面長方形状のワイヤーメッシュは断面円形状のワイヤーメッシュと同様に隙間を作ることなく簡単に加工でき、加工費のコスト低減を図ることができるだけでなく、同じ巻き数であれば断面円形状のワイヤーメッシュよりも接触面積を広くとることが可能となる。
【０１７８】
〈実験例５〉
図２９〜３２は実験例５を説明する図である。図２９に並置して示すとおり、Ｄ、Ｅ、Ｆの三つの構造の水蒸気改質器を作製した。図２９に示す水蒸気改質器Ｄ〜Ｆはそれぞれ図３０〜３２に拡大して示している。
【０１７９】
図２９に示すとおり、Ｄ、Ｅ、Ｆの三つの構造の水蒸気改質器について、同じ条件〔原料ガス（脱硫済み都市ガス１３Ａ）量、燃焼ガス量、Ｓ／Ｃ比〕で運転した際の各ＣＯ酸化触媒（Ｐｒｏｘ触媒）層の温度は表７のとおりであった。各温度は、図２９中各構造の水蒸気改質器Ｄ、Ｅ、Ｆについて、それぞれＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２として示す部位に熱電対を配置することで作動後定常運転時の温度を計測したものである。
【０１８０】
【表７】
2010157498.tif 000009
【０１８１】
表７のとおり、予熱層に横断面円形状の紐状ワイヤーメッシュを配置し、原料ガスと水と両方が流通する構造の水蒸気改質器Ｄは、入口（Ａ１、Ａ２）と出口（Ｂ１、Ｂ２）で温度差（Ａ１−Ｂ１、Ａ２−Ｂ２）が充分にあり、流通する水によって冷却されている。これに対して、予熱層に横断面円形状の紐状ワイヤーメッシュを配置し、水のみが流通する構造の水蒸気改質器Ｅでは、温度差が小さく、充分ではない。そして、予熱層に配置するワイヤーメッシュを横断面長方形状の紐状ワイヤーメッシュに変えた水蒸気改質器Ｆでは水蒸気改質器Ｄと同様に温度差がとれることを示している。
【０１８２】
水蒸気改質器Ｄでは予熱層に原料ガスと水の両方が流通するため、ガスがワイヤーメッシュ同士の間を流れる勢いと共に水も一諸に流されるため、結果的に冷却面積が大きくなる。一方、水しか流れない水蒸気改質器Ｅや水蒸気改質器Ｆではガスの勢いがないため、ワイヤーメッシュに浸透して流れる水が殆どとなる。
【０１８３】
したがって、冷却面積も紐状ワイヤーメッシュが管と接触している面積、すなわち紐状ワイヤーメッシュと予熱層を構成する円筒体とが接触している面積（例えば、図５で言えば、紐状ワイヤーメッシュ１１５と第１円筒体１の外周面及び円筒状隔壁５０の内周面とが接触している面積）となる。そこで、水蒸気改質器Ｆのように紐状ワイヤーメッシュを横断面長方形状にすることによって、管との接触面積が増え、結果的に冷却効果が大きくなったと考えられる。
【０１８４】
なお、横断面長方形状とは、紐状ワイヤーメッシュについて、その長手方向に対して直角方向に切断したときの切断面が長方形状であることを意味し、本明細書中、断面長方形状とも称している。この点、横断面円形状についても同様である。
【符号の説明】
【０１８５】
１〜５  第１円筒体〜第５円筒体
６  輻射筒
７  バーナ
８  上蓋兼バーナ取付台
９  第１円筒体１の底板
１０  燃焼ガスの流路
１４  水及び／又は水蒸気の予熱層
１５  螺旋状棒材
１６  改質触媒層
２０  水及び／又は水蒸気の予熱層
２３  ＣＯ変成触媒層
３１  ＣＯ除去触媒層
４１  燃焼排ガス導出管
４２  水導入管
４３  原燃料導入管
４４  空気供給管
４５  改質ガス導出管
５０  円筒状隔壁
６０  原燃料の予熱層
７０、８０、９０、１００  混合部
Ｆ  燃焼室
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010157498.tif 000012
【図４】
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【図５】
2010157498.tif 000014
【図６】
2010157498.tif 000015
【図７】
2010157498.tif 000016
【図８】
2010157498.tif 000017
【図９】
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【図１０】
2010157498.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
2010157498.tif 000021
【図１３】
2010157498.tif 000022
【図１４】
2010157498.tif 000023
【図１５】
2010157498.tif 000024
【図１６】
2010157498.tif 000025
【図１７】
2010157498.tif 000026
【図１８】
2010157498.tif 000027
【図１９】
2010157498.tif 000028
【図２０】
2010157498.tif 000029
【図２１】
2010157498.tif 000030
【図２２】
2010157498.tif 000031
【図２３】
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【図２４】
2010157498.tif 000033
【図２５】
2010157498.tif 000034
【図２６】
2010157498.tif 000035
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
2010157498.tif 000039
【図３１】
2010157498.tif 000040
【図３２】
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