(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管と外管の間にドーナツ状の複数の燃焼室と改質室が交互に伝熱隔壁を隔てて積層され、各燃焼室は、単一の分散室とその軸方向両側に配置された一対の燃焼触媒室とから構成される中空円筒形のプレート型改質器であって、
全体が周方向にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの順で７つの領域に区分され、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの外管の外側には、外管を貫通する開口を介して連通した原料ガスマニホールド、排ガスマニホールド、空気マニホールド、燃料ガスマニホールド、及び改質ガスマニホールドがそれぞれ設けられ、
各分散室は、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｃ，Ｄ間に気密仕切板が設けられ、かつ領域Ｅ及びＦの燃焼触媒室との隔壁に複数の燃料噴射穴が設けられ、
各燃焼触媒室は、領域Ｂ，Ｃ間に気密仕切板、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｃ，Ｄ間に貫通穴を有する連通仕切板がそれぞれ設けられ、かつ領域Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ａには燃焼触媒が充填されており、
各改質室は、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｄ，Ｅ間に気密仕切板、領域Ａ，Ｇ間、領域Ｅ，Ｆ間、及び領域Ｆ，Ｇ間には連通仕切板がそれぞれ設けられ、かつ領域Ｆには耐熱粒子、領域Ｇには改質触媒が充填されている、ことを特徴とする中空円筒形プレート型改質器。
【請求項２】
領域Ａの分散室と燃焼触媒室間の隔壁に、前記燃料噴射穴よりも小さい燃料排出穴が設けられ、該燃料排出穴を通して少量の燃料ガスを隣接する燃焼触媒室に導く、ことを特徴とする請求項１に記載の中空円筒形プレート型改質器。
【請求項３】
前記改質室の半径方向内面幅は、前記燃焼触媒室の半径方向内面幅より狭くかつ燃焼触媒室の半径方向中央部に位置し、これにより燃焼触媒室の半径方向中央部から主として改質室に伝熱する、ことを特徴とする請求項１に記載の中空円筒形プレート型改質器。
【請求項４】
前記燃焼触媒室は、前記燃料噴射穴を有する部分が軸方向に狭く構成されており、これにより燃料噴射穴に面する燃焼触媒室内の空気の周方向の流速を部分的に増大させる、ことを特徴とする請求項１に記載の中空円筒形プレート型改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は改質器に係わり、更に詳しくは、溶融炭酸塩型燃料電池におけるプレート型改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備では、図５に模式的に示す天然ガス等の原料ガスを水素を含むガスに改質するために改質器が用いられる。改質器は、隔壁で分離された燃焼室Ｃｏと改質室Ｒｅからなり、燃焼室Ｃｏで燃料ガス１（例えば燃料電池からのアノード排ガス）を燃焼させ、その熱で改質室Ｒｅを加熱し、その内部に充填された改質触媒３により改質室を流れる原料ガス２を水素を含むガス４（以下、改質ガスという）に改質するようになっている。
【０００３】
燃料電池発電装置における改質器には、上述した改質室Ｒｅと燃焼室Ｃｏが平板状のプレート型改質器が提案され用いられている。このプレート型改質器は、図６に例示するように、改質室Ｒｅと燃焼室Ｃｏをそれぞれ平板状に構成して交互に積層したものであり、この燃焼室Ｃｏには、粒子状の燃焼触媒５が平板状に充填され、外部マニホールド６ａ，６ｂから供給される燃料ガス１と燃焼用空気７とが、図に破線で示すように流れ、燃焼触媒５の作用により反応（燃焼）して発熱し、燃焼排ガス８が反対側の外部マニホールド６ｃから排出される。一方、改質室Ｒｅには、粒子状の改質触媒３が同様に平板状に充填され、外部マニホールド６ｄから供給される原料ガス２が、図に実線で示すように流れ、改質触媒３の作用により原料ガス２を改質し、改質ガス４が、反対側の外部マニホールド６ｅから排出されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のプレート型改質器では、▲１▼全体が矩形であり、溶接等で連結されたコーナー部が多く、昇温時にこのコーナー部に高い熱応力が発生して、亀裂や漏れの原因となる問題点があった。また、▲２▼改質ガス４の出口と、低温の燃焼ガス１及び燃焼用空気７の入口とが、隔壁を隔てて上下に隣接しているので、改質されて高温（例えば約７００℃）になった改質ガス４が改質触媒３を出た部分で低温の燃焼ガス１及び燃焼用空気７と熱交換し、外部マニホールド５ｅを出る改質ガスの温度が低くなり過ぎる（例えば約６８０℃）問題点があった。
【０００５】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、コーナー部が少なく過大な熱応力の発生部分が少なく、かつ改質ガスを高温のまま供給することができるプレート型改質器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内管と外管の間にドーナツ状の複数の燃焼室と改質室が交互に伝熱隔壁を隔てて積層され、各燃焼室は、単一の分散室とその軸方向両側に配置された一対の燃焼触媒室とから構成される中空円筒形のプレート型改質器であって、全体が周方向にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの順で７つの領域に区分され、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの外管の外側には、外管を貫通する開口を介して連通した原料ガスマニホールド、排ガスマニホールド、空気マニホールド、燃料ガスマニホールド、及び改質ガスマニホールドがそれぞれ設けられ、各分散室は、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｃ，Ｄ間に気密仕切板が設けられ、かつ領域Ｅ及びＦの燃焼触媒室との隔壁に複数の燃料噴射穴が設けられ、各燃焼触媒室は、領域Ｂ，Ｃ間に気密仕切板、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｃ，Ｄ間に貫通穴を有する連通仕切板がそれぞれ設けられ、かつ領域Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ａには燃焼触媒が充填されており、各改質室は、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｄ，Ｅ間に気密仕切板、領域Ａ，Ｇ間、領域Ｅ，Ｆ間、及び領域Ｆ，Ｇ間には連通仕切板がそれぞれ設けられ、かつ領域Ｆには耐熱粒子、領域Ｇには改質触媒が充填されている、ことを特徴とする中空円筒形プレート型改質器が提供される。
【０００７】
本発明の好ましい実施例によれば、領域Ａの分散室と燃焼触媒室間の隔壁に、前記燃料噴射穴よりも小さい燃料排出穴が設けられ、該燃料排出穴を通して少量の燃料ガスを隣接する燃焼触媒室に導く。また、前記改質室の半径方向内面幅は、前記燃焼触媒室の半径方向内面幅より狭くかつ燃焼触媒室の半径方向中央部に位置し、これにより燃焼触媒室の半径方向中央部から主として改質室に伝熱する。更に、前記燃焼触媒室は、前記燃料噴射穴を有する部分が軸方向に狭く構成されており、これにより燃料噴射穴に面する燃焼触媒室内の空気の周方向の流速を部分的に増大させる、ことが好ましい。
【０００８】
【作用】
上述した本発明の構成によれば、プレート型改質器が、内管と外管の間にドーナツ状の複数の燃焼室と改質室が交互に伝熱隔壁を隔てて積層され、かつ各燃焼室が単一の分散室と一対の燃焼触媒室とから構成された中空円筒形をしているので、全体が中空円筒形であり溶接等で連結されたコーナー部をほとんどなくすことができ、発生する熱応力を大幅に緩和することができる。
【０００９】
また、改質室の改質触媒が充填された領域Ｇで改質された改質ガスは、耐熱粒子（例えばアルミナボール）が充填された領域Ｆと領域Ｅを通って改質ガスマニホールドに導かれるので、改質室の両側に位置する燃焼触媒室の燃焼触媒が充填された領域Ｆと領域Ｅからの伝熱により、改質後の改質ガスを更に加熱することができる。従って、改質されて高温（例えば約７００℃）になった改質ガスを更に高温に加熱（例えば約７８０℃まで）することができ、改質ガスを高温のまま供給することができる。
【００１０】
【実施例】
以下に本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による中空円筒形プレート型改質器の一例を示す平面図（Ａ）とそのＡ−Ａ線における側面断面図（Ｂ）である。この図に示すように、本発明の中空円筒形プレート型改質器１０は、内管１１と外管１２の間にドーナツ状の複数の燃焼室Ｃｏと改質室Ｒｅが交互に伝熱隔壁１３を隔てて積層されている。また各燃焼室Ｃｏは、単一の分散室１４とその軸方向両側に配置された一対の燃焼触媒室１５とからなる。
【００１１】
また、図１に示すように、本発明の中空円筒形プレート型改質器１０は、全体が周方向にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの順で７つの領域に区分され、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの外管１２の外側には、外管１２を貫通する開口１２ａを介して連通した原料ガスマニホールド１６ａ、排ガスマニホールド１６ｂ、空気マニホールド１６ｃ、燃料ガスマニホールド１６ｄ、及び改質ガスマニホールド１６ｅがそれぞれ設けられている。この図において、領域Ａ〜Ｇは平面図で時計周りに順に配置されているが、本発明はこれに限定されず、反時計周りに配置してもよい。また、図１では、中空円筒形の軸線を上下方向に向けて全体を配置しているが、軸線を水平に配置してもよく、或いは斜めに配置してもよい。なお、以下、図１の配置に基づいて説明する。
【００１２】
図２（Ａ）は、分散室１４の平面図である。この図に示すように、各分散室１４は、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｃ，Ｄ間に気密仕切板１４ａ、１４ｂが設けられ、かつ領域Ｅ及びＦの燃焼触媒室との隔壁１７に複数の燃料噴射穴１７ａが設けられている。かかる構成により、燃料ガスマニホールド１６ｄから分散室１４の領域Ｄに入った燃料ガスを、燃料噴射穴１７ａを通して燃焼触媒室１５の領域Ｅ及びＦに噴射することができる。
【００１３】
また、図２（Ａ）に示すように、領域Ａの分散室１４と燃焼触媒室１５の間の隔壁１７に、燃料噴射穴１７ａよりも小さい燃料排出穴１７ｂが設けられている。この構成により、燃料排出穴１７ｂを通して少量の燃料ガスを隣接する燃焼触媒室１５に導くことができ、運転中の燃料ガスの滞留と、プラント停止時のガスパージ時間を短縮することができる。
【００１４】
図２（Ｂ）は燃焼触媒室１５の平面図である。この図に示すように、各燃焼触媒室１５には、領域Ｂ，Ｃ間に気密仕切板１５ａ、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｃ，Ｄ間に貫通穴を有する連通仕切板１５ｂ，１５ｃがそれぞれ設けられている。また、燃焼触媒室１５の領域Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ａには燃焼触媒５が充填されている。かかる構成により、空気マニホールド１６ｃから領域Ｃに入った空気を領域Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ａ，Ｂの順で周方向に流し、排ガスマニホールド１６ｂから排気することができる。また、前述のように領域Ｅ及びＦには、燃料噴射穴１７ａを通して分散室１４から燃料ガスが流入して空気と混合し、燃焼触媒５の作用で領域Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ａで燃料ガスが燃焼し、その熱を隣接する改質室Ｒｅに伝熱することができる。
【００１５】
図２（Ｃ）は、改質室Ｒｅの平面図である。この図に示すように、各改質室Ｒｅは、領域Ａ，Ｂ間及び領域Ｄ，Ｅ間に気密仕切板１８ａ，１８ｂ、領域Ａ，Ｇ間、領域Ｅ，Ｆ間、及び領域Ｆの中間には連通仕切板１８ｃ，１８ｄ，１８ｆがそれぞれ設けられている。また領域Ｆの領域Ｅ側には耐熱粒子１９（例えばアルミナボール）、領域Ｇ及び領域Ｆの一部には改質触媒３が充填されている。かかる構成により、原料ガスマニホールド１６ａから領域Ａに入った原料ガスを、領域Ｇ，Ｆ，Ｅの順で周方向に流し、改質ガスマニホールド１６ｅを介して外部に供給することができる。原料ガスは、領域Ｇ及びＦに充填された改質触媒３の作用で改質されて改質ガスとなり、更に、改質反応が完了した改質ガスを隣接する燃焼触媒室の領域Ｆと領域Ｅからの伝熱により、更に加熱することができる。従って、改質されて高温（例えば約７００℃）になった改質ガスを更に高温に加熱（例えば約７８０℃まで）することができ、改質ガスを高温のまま供給することができる。
【００１６】
図３（Ａ）は、図１（Ｂ）の部分拡大図であり、図３（Ｂ）は、その改質室における半径方向の温度分布である。この図に示すように、改質室Ｒｅの半径方向内面幅は、燃焼触媒室１５の半径方向内面幅より狭く構成されており、また、改質室Ｒｅは、燃焼触媒室１５の半径方向中央部に位置している。かかる構成により、図３（Ｂ）に示すように内管１１及び外管１２からの放熱により温度が低下する部分からの改質室Ｒｅへの伝熱を少なくし、燃焼触媒室１５の半径方向中央部から主として改質室Ｒｅに伝熱することができ、改質室の壁面近くの改質率を向上させることができる。
【００１７】
図４（Ａ）は、領域Ｄの分散室１４及び燃焼触媒室１５の周方向部分断面図である。この図に示すように、燃焼触媒室１５は、燃料噴射穴１７ａを有する部分が軸方向に狭く構成されており、これにより燃料噴射穴１７ａに面する燃焼触媒室１５内の空気の周方向の流速を部分的に増大させ、その部分の静圧を下げ、燃料ガスの分散室１４から燃焼触媒室１５への吸い込みを図りその逆流を防止するようになっている。
【００１８】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００１９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の構成によれば、プレート型改質器が、内管と外管の間にドーナツ状の複数の燃焼室と改質室が交互に伝熱隔壁を隔てて積層され、かつ各燃焼室が単一の分散室と一対の燃焼触媒室とから構成された中空円筒形をしているので、全体が中空円筒形であり溶接等で連結されたコーナー部をほとんどなくすことができ、発生する熱応力を大幅に緩和することができる。
【００２０】
また、改質室の改質触媒が充填された領域Ｇで改質された改質ガスは、耐熱粒子（例えばアルミナボール）が充填された領域Ｆと領域Ｅを通って改質ガスマニホールドに導かれるので、改質室の両側に位置する燃焼触媒室の燃焼触媒が充填された領域Ｆと領域Ｅからの伝熱により、改質後の改質ガスを更に加熱することができる。従って、改質されて高温（例えば約７００℃）になった改質ガスを更に高温に加熱（例えば約７８０℃まで）することができ、改質ガスを高温のまま供給することができる。
【００２１】
従って、本発明の中空円筒形プレート型改質器は、コーナー部が少なく過大な熱応力の発生部分が少なく、かつ改質ガスを高温のまま供給することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による中空円筒形プレート型改質器の一例を示す平面図（Ａ）とそのＡ−Ａ線における側面断面図（Ｂ）である。
【図２】分散室、燃焼触媒室、改質室の平面図である。
【図３】図１（Ｂ）の部分拡大図と改質室における半径方向の温度分布である。
【図４】領域Ｄの分散室及び燃焼触媒室の周方向部分断面図である。
【図５】改質器の模式図である。
【図６】従来のプレート型改質器の構成図である。
【符号の説明】
１  燃料ガス
２  原料ガス
３  改質触媒
４  改質ガス
５  燃焼触媒
６ａ〜６ｅ  外部マニホールド
７  燃焼用空気
８  燃焼排ガス
１０  中空円筒形プレート型改質器
１１  内管
１２  外管
１２ａ  開口
１３  伝熱隔壁
１４  分散室
１４ａ，１４ｂ  気密仕切板
１５  燃焼触媒室
１５ａ  気密仕切板
１５ｂ，１５ｃ  連通仕切板
１６ａ〜１６ｅ  マニホールド
１７ａ，１７ｂ  穴
１８ａ，１８ｂ  気密仕切板
１８ｃ〜１８ｆ  連通仕切板
１９  耐熱粒子（アルミナボール）
Ｒｅ  改質室
Ｃｏ  燃焼室
【図１】
0003555703.tif 000002
【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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