(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーを備えた加熱部の周りに設けられ、一酸化炭素および水を含む水素含有ガスを生成する改質部と、
前記加熱器の周りに設けられ、前記改質部で生成された前記水素含有ガスの一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素含有ガスを生成する変成部と、
前記加熱器の周りに設けられ、空気供給部から供給され空気と前記変成部で生成された前記水素含有ガスを混合する混合部と、
酸素と前記混合部から運ばれるガス中の一酸化炭素とをＣＯ除去触媒と反応させて、一酸化炭素をほとんど含まない水素含有ガスを生成するＣＯ除去部とを有し、かつ前記混合部の流路を分割する仕切り板を設け、前記仕切り板はその一部に傾斜部を備え、
前記傾斜部には、前記混合部の外周流路と内周流路を連通する孔が穿設され、前記仕切り板が、前記傾斜部において弾性変形している
燃料処理装置。
【請求項２】
前記混合部は、前記変成部の側の第１隔壁と前記ＣＯ除去部の側の第２隔壁との間に形成され、
前記第１，第２隔壁のうちの一方の隔壁と前記仕切り板との第１当接部の前記加熱部からの距離：Ｌ１、
前記第１，第２隔壁のうちの他方の隔壁と前記仕切り板との第２当接部の前記加熱部からの距離：Ｌ２とした場合に、Ｌ１ ≠Ｌ２である
請求項１記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記混合部の内部が、前記仕切り板によって同心環状の二重以上の流路に分割されていることを特徴とする
請求項１記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記混合部は、前記変成部の側の第１隔壁と前記ＣＯ除去部の側の第２隔壁との間に形成され、
前記仕切り板は、前記第１，第２隔壁のうちの一方の隔壁と他方の隔壁の両方または一方に固定しない当て止め構造である
請求項１記載の燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系原料ガスを水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを製造し、燃料電池発電装置用等の燃料ガスの製造に用いられる燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料処理装置は、全体形状が円筒形状で、その中心部にバーナーを備えた加熱器が配設され、加熱器の周囲に改質触媒を充填した改質器と、一酸化炭素（ＣＯ）変成触媒を充填した変成器と、一酸化炭素（ＣＯ）除去触媒を充填したＣＯ除去器とを軸心方向に配列されている燃料処理装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
この燃料処理装置において、原料ガスと改質水を、加熱器の周囲に設けた蒸発器として機能するガス流路に供給して、原料ガスと水蒸気を改質器に供給する。さらに、改質器より送出された水素含有ガスを、ガス流路の外周に設けた変成器と、ＣＯ除去器とに順次供給することで、改質ガスが製造される。
【０００４】
図２２は、特許文献１に記載の燃料処理装置を示す。
燃料処理装置１は全体形状が円筒体状であり、その外面を覆う断熱材１ａによって断熱されている。燃料処理装置１の中心部には、バーナー２を配置した燃焼筒３とその外周の排気ガス通路４とからなる加熱部５が配設されている。排気ガス通路４の出口４ａは外部に開放されている。加熱部５の排気ガス通路４の出口４ａ側部分の外周に、蒸発器として機能する第１のガス流路６が配設されている。排気ガス通路４の燃焼筒３から高温の排気ガス７４が流入する側の部分の外周に、改質触媒７を充填した改質部８が配設されている。改質部８の外周には、改質部８から送出された水素含有ガス７３を、第１のガス流路６の外周側に向けて流通させる第２のガス流路９が配設されている。第１のガス流路６の外周の改質部８側の部分には、ＣＯ変成触媒１０を充填した変成部１１が配設され、第１のガス流路６の外周の改質部８から遠い側の部分には、径方向内側の第３のガス流路１２を介して径方向外側に、ＣＯ除去触媒１３を充填したＣＯ除去部１４が配設されている。
【０００５】
第１のガス流路６の入口部６ａに供給された原料ガス７０は、変成部１１およびＣＯ除去部１４の外周に巻回された加熱コイル１５を通して供給される改質水７２と、ガス流路６の入口部６ａにおいて混合される。原料ガス７０と改質水７２は、蒸発器として機能する第１のガス流路６を通過する間に加熱される。高温の原料ガス７０と水蒸気は改質部８に供給され、改質触媒７の作用で原料ガス７０が水蒸気改質されて水素リッチな水素含有ガス７３となる。
【０００６】
改質部８から送出された水素含有ガス７３は、第２のガス流路９を通って変成部１１に供給され、ＣＯ変成触媒１０の作用でガス中の一酸化炭素（ＣＯ）が低減される。変成部１１から送出された水素含有ガス７３は、変成部１１と第３のガス流路１２との間に設けられた混合部１６の空気混合空間で空気供給部１６ａから導入された空気７１と混合される。空気７１と混合された水素含有ガス７３は、第３のガス流路１２を介してＣＯ除去部１４に供給され、ＣＯ除去触媒１３の作用でＣＯを除去されて、水素含有ガス出口１７から水素含有ガス７３が送出される。
【０００７】
図２２に示す燃料処理装置１は、ＣＯ除去部１４と高温の第１のガス流路６との間に介在する第３のガス流路１２を有する。そのため、変成部１１の下流部での温度を反応にとって最適な温度（例えば２００℃）に保持しつつ、ＣＯ除去部１４の入口温度を酸化反応が過剰に促進されない温度（例えば１５０℃）に維持することができる。つまり、変成部１１とＣＯ除去部１４の温度を適温に維持できるという利点がある。
【０００８】
ＣＯ除去触媒１３においては次のような化学反応により一酸化炭素ＣＯが除去される。
２ＣＯ  ＋  Ｏ２  →  ２ＣＯ２
このとき一酸化炭素ＣＯを含む水素含有ガス７３と、酸素Ｏ２を含む空気７１は十分に混合されていることが求められる。両者の混合が不十分な場合、上記の化学反応が促進されず、ＣＯを十分に除去することができないからである。
【０００９】
この混合を十分に行うため、混合部１６の空気混合空間や空気供給部１６ａの形状を複雑にしたり、第３のガス流路１２を長くしたりするといった工夫が行われている。しかし、混合性を向上させるこのような行為は、圧力損失を増大させることが多い。また、形状を工夫した結果、混合部１６の空気混合空間の体積が大きくなるため、放熱が大きくなることによる効率の低下や製造コストの上昇という課題がある。
【００１０】
この課題を解決する混合部の形状を提案したものとして、特許文献２に記載の燃料処理装置がある。
図２３は特許文献２に記載の燃料処理装置の混合部を表す。
【００１１】
混合流路１００はパイプ形状のガス供給領域１１０とガス拡散領域１２０及び、ガス供給領域１１０の側面に空けられた孔形状のガス供給口１１１、また、ガス供給領域１１０の始端部の空気流入口１０１からなる。
【００１２】
空気流入口１０１から流入する空気と、ガス供給口１１１から流入する水素含有ガスが、ガス供給領域１１０とガス拡散領域１２０で混合される。
ガス供給領域１１０ではガス供給口１１１からの水素含有ガスの噴出しによって渦が発生し、水素含有ガスと空気との混合が促進する。またガス拡散領域１２０において両者のガスが拡散される領域が設けられており、この領域で混合がさらに促進する。このため効率的に混合を完了させることができる。
【００１３】
また図２３に示される混合部では、空気が流れるガス供給領域１１０に複数のガス供給口を通してガスを供給することから、流路の上流側の流速を低く抑えることができる。これにより一度に水素含有ガスを流入させた場合と比べて、圧力損失を低減することができる。
【００１４】
下記の特許文献３および特許文献４にも、同様の燃料処理装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第４５３６１５３号公報
【特許文献２】特許第４５４２２０５号公報
【特許文献３】特開２００２−１８７７０５号公報
【特許文献４】特開２０１１−１７８６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、図２３に示されたような混合流路は形状が複雑であり、流路を構成するパイプを円弧状に曲げるための加工や、多数の孔を空けるための加工、流路を直角にする加工などが必要となるため部品コストが高くなりやすい。
【００１７】
また、リークを防止し、長期間の運転においても破損しないようにするため、部品同士を例えば連続溶接で固定することが望ましい。しかし、このように複雑な形状においては溶接の自動化が困難であり、手作業に頼らざるを得ず、歩留まりが低くなり、製造するための工数が多くなるという課題がある。
【００１８】
また、図２３の混合流路の場合、混合を行う距離は最大でも１８０ｍｍ程度であり、定常状態であれば十分に混合を完了させられることは確認されているが、不具合による非定常状態になった場合に、混合を完了させる能力としての余裕度が少ない。特許文献２のシミュレーションを行った結果、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２のばらつきが無くなるのは混合流路の終端付近である。
【００１９】
例えば、上流である改質部８の改質触媒７や変成部１１のＣＯ変成触媒１０が経年劣化により粉化してガス流路を阻害するようになると、水素含有ガス７３の流速が大きくなる。その場合混合流路内で十分混合できなくなる。あるいは、変成部１１でＣＯ変成触媒１０が経年劣化により活性が低下すると、水素含有ガス７３に含まれるＣＯを十分低下させることができなくなり、ＣＯ除去部１４の設計時に上限として想定されるＣＯ濃度０．５％以下を達成できなくなる。その場合、増加したＣＯに対して酸素Ｏ２を十分に混合しきれなくなる。
【００２０】
これらの結果、ＣＯ除去部１４のＣＯ除去触媒１３が十分にＣＯ除去反応を行うことができなくなる恐れがある。その場合、発電スタックに高濃度（０．５％以上）のＣＯを含む水素含有ガス７３が供給され、スタック内の触媒が被毒（触媒被毒 catalyst poisoning）して発電性能が低下し、やがてシステムの停止に至る。
【００２１】
混合部で混合を完了させる能力に余裕度が十分であれば、触媒の搭載量によって決まるシステムの寿命まで確実に運転することができるようになる。しかし、図２３のような混合流路の構成では、組み立てやスペースの観点から混合流路を延長させることは困難で、もしできたとしても大幅なコスト上昇や圧力損失の上昇となる。
【００２２】
本発明が解決しようとする課題は、低コストかつ製造工数の少ない構成であり、圧力損失を高めることなく十分な距離の混合流路を確保し、高い混合性能を発揮することができる混合部を有する燃料処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の燃料処理装置は、バーナーを備えた加熱部の周りに設けられ、一酸化炭素および水を含む水素含有ガスを生成する改質部と、前記加熱器の周りに設けられ、前記改質部で生成された前記水素含有ガスの一酸化炭素と水とを反応させて、低濃度の一酸化炭素を含む水素含有ガスを生成する変成部と、前記加熱器の周りに設けられ、空気供給部から供給され空気と前記変成部で生成された前記水素含有ガスを混合する混合部と、酸素と前記混合部から運ばれるガス中の一酸化炭素とをＣＯ除去触媒と反応させて、一酸化炭素をほとんど含まない水素含有ガスを生成するＣＯ除去部とを有し、かつ前記混合部の流路を分割する仕切り板を設け、前記仕切り板はその一部に傾斜部を備え、前記傾斜部には、前記混合部の外周流路と内周流路を連通する孔が穿設され、前記仕切り板が、前記傾斜部において弾性変形していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
この構成によれば、前記混合部の空気混合空間が仕切り板によって外周流路と内周流路とに分割されているので、低コストかつ製造工数の少ない構成であり、圧力損失を高めることなく十分な距離の混合流路を確保し、高い混合性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１における燃料処理装置の混合部の縦断面図
【図２】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】実施の形態１における仕切り板の外観斜視図
【図４】実施の形態１における燃料処理装置の解析結果を示す図
【図５】実施の形態１における混合部の組み立て工程を示す断面図
【図６】実施の形態２における燃料処理装置の混合部の縦断面図
【図７】図６のＪ−Ｊ断面図
【図８】実施の形態３における燃料処理装置の混合部の縦断面図
【図９】図８のＫ−Ｋ断面図
【図１０】実施の形態３における仕切り板の外観斜視図
【図１１】実施の形態３における混合部の組み立て工程を示す断面図
【図１２】実施の形態４における燃料処理装置の混合部の縦断面図
【図１３】実施の形態４における混合部の組み立て工程を示す断面図
【図１４】実施の形態５における燃料処理装置の混合部の縦断面図
【図１５】実施の形態５における混合部の組み立て工程を示す断面図
【図１６】実施の形態６における燃料処理装置の混合部の縦断面図
【図１７】実施の形態６における仕切り板の平面図
【図１８】実施の形態７における燃料処理装置の混合部の縦断面図
【図１９】実施の形態７における混合部の組み立て工程を示す断面図
【図２０】実施の形態８における仕切り板の平面図
【図２１】実施の形態３における仕切り板の別の例の平面図
【図２２】特許文献１に記載の従来例の燃料処理装置の縦断面図
【図２３】特許文献２に記載の燃料処理装置の混合部を表す平面図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の各実施の形態を、図１〜図２１に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図５は本発明の実施の形態１を示す。
【００２９】
図１は燃料処理装置の縦断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。断面図は基本的に断面形状のみを図示しており、投影形状は説明のため、ガス流入孔２０３のみを示している。
【００３０】
なお、図１と図２において、図２２および図２３に示した従来例の燃料処理装置と同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、その説明を省略する。白抜きの矢印Ｆ１は変成後の水素含有ガスの流れ、黒塗りの矢印Ｆ２は空気の流れ、クロスハッチングの矢印Ｆ３は混合ガスの流れを示している。
【００３１】
従来例との差異は、図２２では水素含有ガス７３と空気７１を混合するために、変成部１１と第３のガス流路１２との間に設けられた混合部１６の空気混合空間は、その内部に仕切りが設けられていなかったが、この実施の形態１では、混合部１６の空気混合空間が仕切り板２００により外周流路２０１と内周流路２０２とに分割されていることである。
【００３２】
側面壁に接続された空気供給部１６ａから流入する酸素Ｏ２を含む空気が、混合部１６の空気混合空間に流入する。また、変成部１１でＣＯを低減されて低濃度（０．５％以下）のＣＯを含む水素含有ガスは、ガス流入孔２０３から混合部１６の空気混合空間に流入する。空気と水素含有ガスは垂直方向に衝突し、拡散され、混合を開始する。その後、図２に示すように外周流路２０１を半周した混合ガスは、仕切り板２００の側面に空けられた側面孔２０４を通過して内周流路２０２に流入する。混合ガスは内周流路２０２をさらに半周し、ガス流出孔２０５を通り、第３のガス流路１２に流出する。外周流路２０１と内周流路２０２を通る間にガスは混合され、第３のガス流路１２に流入する時点ではほぼ均一になっている。その後、第１のガス流路６を流れる水を含んだ原料ガスとの間で熱交換し、冷却され（例えば２５０℃から１５０℃）、第３のガス流路出口１２ａを通り、ＣＯ除去部１４に流入し、ＣＯをほぼ完全に除去（例えば１０ｐｐｍ以下）される。
【００３３】
図３は実際に製作することを考慮した仕切り板２００の形状の斜視図である。プレス加工のみによって１部品で製作できることを考慮している。側面孔２０４の大きさは加工が可能な範囲で任意に設定可能であり、後に述べる最適化を経てφ６ｍｍ（約２８ｍｍ２）とした。また、ガス流出孔２０５は切り起こし孔形状となっている。その目的は、混合ガスを第３のガス流路１２の中を周回させ、第３のガス流路出口１２ａまでの間に、流速と流量の周方向ばらつきを無くし、ＣＯ除去触媒１３の利用効率を高めるためである。ここでも、ガス流出孔２０５の開放面積は、後に述べる最適化を経て約３０ｍｍ２とした。
【００３４】
側面孔２０４とガス流出孔２０５の大きさは圧力損失には大きく影響するが、混合性への影響が少ないことが分かっている。ここでは仕切り板２００の製作が容易で、許容できる圧力損失に収まるように孔サイズを決定しているが、圧力損失低下のためには側面孔２０４及びガス流出孔２０５をより大きくすることが有効である。
【００３５】
仕切り板２００は、混合部１６の空気混合空間を構成する隔壁と複数箇所で接触した当て止め構成としている。具体的には、図１に示すように、変成部１１の側の第１隔壁としての底板２１との第１当接部２０６、ＣＯ除去部１４の側の第２隔壁としての天板２２との第２当接部２０７、内周当接部２０８の３箇所となる。この部分に隙間が生じると、未混合のガスが後方の流路に漏洩して、ＣＯ除去が効率的に行われない。そこで、溶接やロウ付け等の方法により、これらの当接部を固定するのが確実である。
【００３６】
ただし、第１，第２当接部２０６，２０７の隙間が流路断面積に対して微量（例えば１％以下）であれば、圧力差により大部分のガスが混合流路を通るため、混合ガス全体に占める漏洩の影響は非常に微小であり、第３のガス流路１２を通過する間に十分に混合される。したがって、これらの第１，第２当接部２０６，２０７は溶接やロウ付けのような固定をすることなく、混合部１６の空気混合空間を構成する部品間の当て止めによって、仕切り板２００を弾性変形させて密着させることで、十分に混合流路の機能を満たすことができる。
【００３７】
図５は仕切り板２００を混合部１６に組み込む工程を示している。
図５（ａ）は仕切り板２００を加熱部５の外周に挿入し、ＣＯ除去部１４を固定する前の状態を示している。この状態では、仕切り板２００の内周当接部２０８が加熱部５の外周に接触し、仕切り板２００の第１当接部２０６が混合部１６の底板２１に当接している。
【００３８】
ＣＯ除去部１４を取り付けると、図５（ｂ）に示すように、仕切り板２００の第２当接部２０７が押さえ付けられて、仕切り板２００の第１当接部２０６と混合部１６の底板２１との隙間、ならびに仕切り板２００の第２当接部２０７と混合部１６の天板２２との隙間が小さくなる方向に更に押さえ付けられる。このとき、第１当接部２０６の加熱部５の中心からの距離：Ｌ１、第２当接部２０７の加熱部５の中心からの距離：Ｌ２は、
Ｌ１≠Ｌ２
Ｌ１＞Ｌ２
であって、仕切り板２００の第１当接部２０６と第２当接部２０７の間に、外周側傾斜部２３ａが一体に成形されている。また、第２当接部２０７の内周側には内周側傾斜部２３ｂが形成されているため、外周側傾斜部２３ａが仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。また、内周側傾斜部２３ｂも僅かに弾性変形する。
【００３９】
このように外周側傾斜部２３ａと内周側傾斜部２３ｂの弾性変形によって、仕切り板２００の高さと混合部１６の内側の高さとの寸法差が無くなって、仕切り板２００の第１当接部２０６と混合部１６の底板２１との隙間、ならびに仕切り板２００の第２当接部２０７と混合部１６の天板２２との隙間が小さくなる方向に作用している。図５（ｂ）の状態で混合部１６の天板２２が溶接やロウ付け等によって、変成部１１の側に接合固定されている。
【００４０】
本実施例においては、プレス加工で製作した仕切り板２００のみを用い、溶接などの固定を追加することなく、図２３の構成と同等以上の混合性能を確保することができた。その結果、部品コストと製造工数の大幅な削減を果たすことができた。本実施例においては構造体の板厚０．８〜１．０ｍｍに対して、仕切り板２００の板厚を０．３ｍｍとして、弾性を確保した。仕切り板２００の材質はバネ用材料が望ましいが、耐熱性とコストの観点で構造体と同じステンレスを用いた。変成部１１の外面との第１当接部２０６、ＣＯ除去部１４の外面との第２当接部２０７を密着させるため、仕切り板２００を軸方向に０．１〜０．３ｍｍ圧縮して固定している。圧縮量はそれ以上、例えば１ｍｍ程度としても構わない。第１のガス流路との内周当接部２０８は径で０〜０．４ｍｍの隙間を持った嵌合としている。拡管やかしめなどにより密着させることが望ましいが、嵌合だけでも十分な耐リーク性がある。
【００４１】
前記の当て止め構成とすることで、燃料処理装置が繰り返しの起動停止を行い、構造体の温度上昇と冷却による熱収縮を行った場合でも、溶接などの固定をする場合に比べて、構造体にかかる応力が低減できる。そのため、長期間使用した場合の疲労破壊などによる不具合を防止することが期待できる。
【００４２】
本構成での混合流路の長さは約３８０ｍｍで、同等の出力の燃料処理装置であり、製品外径がほぼ等しい図２３の構成の混合流路の約１８０ｍｍに対して２倍以上の混合距離がある。そのため経年劣化等による条件の悪化にあっても、安定した混合性能を提供でき、高ロバスト性が期待できる。
【００４３】
実施の形態１に対する効果の検証として、解析を行った結果を図４に示す。解析は３Ｄモデルを用いて行った。解析ソフトはアンシス（ＡＮＳＹＳ）社製の汎用熱流体解析ソフトウェア“ANSYS FLUENT 12.1”を用いた。
【００４４】
流入する空気の流量は７．６７×１０−６ｋｇ／ｓ、空気の温度２５℃、水素含有ガスの流量は１．６９×１０−４ｋｇ／ｓ、水素含有ガスの温度２００℃とした。水素含有ガスの組成はメタン３．１％、水蒸気２１．２％、二酸化炭素１５．２％、一酸化炭素０．２％、水素６０．３％とした。
【００４５】
混合部１６の空気混合空間の図４に示す各断面位置Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ，Ｆ−Ｆ，Ｇ−Ｇ，Ｈ−Ｈ，Ｉ−Ｉにおける外周流路２０１と内周流路２０２のそれぞれの混合ガスの酸素Ｏ２の濃度と一酸化炭素ＣＯの濃度のモル比率Ｏ２／ＣＯを測定した。
【００４６】
断面位置          外周流路２０１          内周流路２０２
Ｂ−Ｂ            （Ｌ）〜（Ｈ）            １．９５〜２．０４
Ｃ−Ｃ            （Ｌ）〜（Ｈ）            １．９５〜２．０４
Ｄ−Ｄ            （Ｌ）〜２．８５          １．９５〜２．０４
Ｅ−Ｅ             １．９５〜２．０４       １．５０〜２．４９
Ｆ−Ｆ             １．８６〜２．１３       １．８６〜２．１３
Ｇ−Ｇ             １．５９〜２．４９       １．９５〜２．０４
Ｈ−Ｈ             （Ｌ）〜２．７６         １．９５〜２．０４
Ｉ−Ｉ             （Ｌ）〜（Ｈ）           １．９５〜２．０４
ここで（Ｈ）は３．３０以上、（Ｌ）は１．５０以下である。
【００４７】
解析の評価としては、流出する混合ガスの酸素Ｏ２の濃度と一酸化炭素ＣＯの濃度のモル比率Ｏ２／ＣＯを測定した。Ｏ２は空気に含まれ、ＣＯは水素含有ガスに含まれるので、Ｏ２／ＣＯのばらつきが小さいほど、十分に混合されていることを示唆する。ＣＯ除去触媒の特性から決まる要求仕様は、混合ガスのＯ２／ＣＯが１．８〜３．０の範囲に収まることである。
【００４８】
また、ポンプの性能などによって決まる、圧力損失の要求仕様は５００Ｐａ以下に抑えられることである。
解析結果によると、Ｏ２／ＣＯの値は外周流路２０１でほぼ収束し、側面孔２０４を通る時点で１．８６〜２．１３の範囲に収まっている。つまり、この時点で混合は十分に完了している。その後、内周流路２０２を進む中でさらに混合が進んでいくが、Ｏ２／ＣＯの値は１．９５〜２．０４の範囲に収束しており、ほとんど変化は見られない。したがって、本構成は十分な混合性能を有しており、さらに十分な余裕度を持った高ロバスト性を有していることが確認できた。
【００４９】
同時に解析を行っている圧力損失は４０２Ｐａとなり、仕様を満足した。
圧力損失については、設計当初に側面孔２０４とガス流出孔２０５の大きさをより小さく設計しており、圧力損失が大幅に許容値を越えていた。その後、順次側面孔２０４とガス流出孔２０５を拡大していったところ、混合性にはほとんど影響が無く、圧力損失が順調に低下していった。最終的に、加工性とのバランスのとれた、現状の大きさとしている。
【００５０】
当て止め構成に関して、製造上のばらつきにより、隙間が発生する可能性があるため、繰り返しの組み立てにより隙間の最大量を求めた。その結果、変成部１１の外面との第１当接部２０６における隙間は最大で０．２ｍｍ、ＣＯ除去部１４の外面との第２当接部２０７における隙間も最大で０．２ｍｍであった。また、第１のガス流路との内周当接部２０８の隙間は径で最大０．４ｍｍである。実際にそのような状態になることは考えにくいが、最悪条件として、これらの最大隙間を全周に与えたモデルで解析を行った。その結果でも混合流路終端でのＯ２／ＣＯの値は１．８２〜２．３４となり、仕様を満たしている。したがって、当て止め構成でも十分に混合性能を確保することができる構成となっている。ちなみにその最悪条件において、圧力損失は２０８Ｐａに低下する。
【００５１】
実施例として、実施の形態１に示した構成の混合部１６を有する燃料処理装置を実際に製作し、運転試験を行ったところ、製造された水素含有ガスのＣＯ濃度は１０ｐｐｍ以下であり、正常にＣＯが低減されていた。現在までに４６００時間の連続運転を行ったものと、１５７０回の起動停止試験を行ったもののそれぞれにおいて、ＣＯ濃度や圧力損失に異常は発生していない。
【００５２】
（実施の形態２）
図６，図７は本発明の実施の形態２を示す。
実施の形態１では混合流路が外周流路２０１と内周流路２０２に分割されていた。実施の形態２ではこれがさらに分割数が多い場合（ここでは４分割）について説明する。
【００５３】
図６は本要部構成の縦断面図であり、図７は図６におけるＪ−Ｊ断面図である。断面図は、基本的に断面形状のみを図示しており、投影形状は説明のためガス流入孔２０３のみを示している。白抜きの矢印Ｆ１は変成後の水素含有ガスの流れ、黒塗りの矢印Ｆ２は空気の流れ、クロスハッチングの矢印Ｆ３は混合ガスの流れを示している。
【００５４】
側面壁に接続された空気供給部１６ａから流入する酸素Ｏ２を含む空気が混合部１６の空気混合空間に流入する。また、変成部１１でＣＯを低減されて低濃度（０．５％以下）のＣＯを含む水素含有ガスはガス流入孔２０３から混合部１６の空気混合空間に流入する。空気と水素含有ガスは垂直方向に衝突し、拡散され、混合を開始する。その後、外周流路２０１を半周した混合ガスは、仕切り板の側面に空けられた側面孔２０４を通過して第１の中間流路２０９に流入する。その後、第１の中間流路２０９を半周し、第２の側面孔２０４ａ、第２の中間流路２１０、第３の側面孔２０４ｂを通過して、内周流路２０２に流入する。以降の流れは実施の形態１と同様である。
【００５５】
本構成での混合流路の長さは約７５０ｍｍであり、同等の出力の燃料処理装置であり、製品外径がほぼ等しい図２３の構成の混合流路の約１８０ｍｍに対して４倍以上の混合距離がある。そのため、より高いロバスト性が期待できる。
【００５６】
現在は出力によって決まる触媒搭載量の関係で、加熱部５を図１に寸法線で示す７９ｍｍ、燃料処理装置の外径を１４４ｍｍとしているが、より小型の低出力モデルの開発や、触媒をハニカム構成にするなどで、製品外径が小さくなる可能性がある。その場合でも混合に必要な距離はあまり変わらないため、混合部１６の空気混合空間の体積が相対的に大きくなる恐れがある。その場合でも本構成を用いることで、空気混合空間を大きくすることなく、外径を縮小しても、十分な混合性を確保することができる。
【００５７】
この実施の形態２でも実施の形態１の場合と同様に、仕切り板２００には傾斜部が形成されている。具体的には、図６の２３ａ，２３ａ2，２３ａ3，２３ｂが傾斜部である。このように傾斜部を形成したため、ＣＯ除去部１４を取り付けると、外周側傾斜部２３ａと内周側傾斜部２３ｂ，傾斜部２３ａ2，２３ａ3，の弾性変形によって、仕切り板２００の高さと混合部１６の内側の高さとの寸法差を無くせる。
【００５８】
（実施の形態３）
図８〜図１１と図２１は本発明の実施の形態３を示す。
実施の形態２では、混合部１６からＣＯ除去部１４への流路へ繋がるガス流出孔２０５が、仕切り板２００の一部に形成されていたが、この実施の形態３では、混合部１６の天板２２にガス流出孔２０５が形成されている。そして実施の形態３における仕切り板２００には、混合部１６の底板２１と接触する第１当接部２０６と、混合部１６の天板２２と接触する第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂが形成されている。第１当接部２０６の加熱部５からの距離：Ｌ１、第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂの加熱部５からの距離：Ｌ２，Ｌ３とした場合（図１１（ａ）参照）に、
Ｌ１ ≠ Ｌ２ ≠ Ｌ３
Ｌ２ ＞ Ｌ１ ＞ Ｌ３
である。さらに、仕切り板２００の第２当接部２０７ａと第３当接部２０７ｂの間には、底板２１の側に窪んだ溝部２４が形成されている。溝部２４の底面２４ａの一部に第１当接部２０６が形成されている。第１当接部２０６の外周側と底面２４ａとの接続部に外周側傾斜部２３ａが形成されている。第１当接部２０６の内周側と底面２４ａとの接続部に内周側傾斜部２３ｂが形成されている。
【００５９】
図１１は、仕切り板２００を混合部１６に組み込む工程を示している。
図１１（ａ）は仕切り板２００を加熱部５の外周に挿入し、混合部１６の天板２２を固定する前の状態を示している。この状態では、仕切り板２００の第１当接部２０６が混合部１６の底板２１に接触している。
【００６０】
混合部１６の天板２２を取り付けると、図１１（ｂ）に示すように、仕切り板２００の第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂが押さえ付けられて、第１当接部２０６と底板２１との隙間、ならびに第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂと天板２２との隙間が小さくなる方向に更に押さえ付けられる。さらに、溝部２４の底面２４ａが仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。また、外周側傾斜部２３ａと内周側傾斜部２３ｂも僅かに弾性変形する。天板２２が図１１（ｂ）の状態で溶接やロウ付け等によって、変成部１１の側に接合固定されている。
【００６１】
このように“Ｌ１ ≠ Ｌ２ ≠ Ｌ３”に形成したため、仕切り板２００の一部が弾性変形して、仕切り板２００の高さと混合部１６の内側の高さとの寸法差が無くなって、仕切り板２００の第１当接部２０６と底板２１との隙間、ならびに仕切り板２００の第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂと天板２２との隙間が小さくなる方向に作用する。
【００６２】
外周流路２０１に流入した、空気の流れ（Ｆ２）と変成後の水素含有ガスの流れ（Ｆ１）は、図９に示すように周方向に一緒に流れた後に、流入位置とは１８０°の位置に形成されている側面孔２０４を通過して内周流路２０２に流入する。混合ガスは内周流路２０２をさらに周方向に一緒に流れてガス流出孔２０５を通り、ＣＯ除去部１４に流出する。
【００６３】
この実施の形態３では、外周側傾斜部２３ａと内周側傾斜部２３ｂを有する凸部を、仕切り板２００の溝部２４の底面２４ａの一部に形成して、第１当接部２０６が形成されていたが、図２１に示すように、外周側傾斜部２３ａと内周側傾斜部２３ｂでは無くて傾斜していない壁面２５の凸部であっても、略同様の効果を期待できる。
【００６４】
なお、仕切り板２００は、第１当接部２０６を底板２１に当接させ、第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂを天板２２に当接させることで、仕切り板２００の溝部２４の底部２４ｂを天板２２の側に突出するように弾性変形させたが、第１当接部２０６を天板２２に当接させ、第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂを底板２１に当接させて、仕切り板２００の溝部２４の底部２４ｂを底板２２の側に突出するように弾性変形させて構成することもできる。
【００６５】
（実施の形態４）
図１２と図１３は本発明の実施の形態４を示す。
実施の形態３とは仕切り板２００の形状が異なっている。“Ｌ１ ≠ Ｌ２ ≠ Ｌ３”“Ｌ２ ＞ Ｌ１ ＞ Ｌ３”は同じである。この実施の形態４では、仕切り板２００の第２当接部２０７ａと第３当接部２０７ｂの間には、底部中央に第１当接部２０６が形成され、その両側に外周側傾斜部２３ａと内周側傾斜部２３ｂが形成されたＶ溝部２６が形成されている。
【００６６】
図１３は、仕切り板２００を混合部１６に組み込む工程を示している。
図１３（ａ）は仕切り板２００を加熱部５の外周に挿入し、混合部１６の天板２２を固定する前の状態を示している。この状態では、仕切り板２００の第１当接部２０６が混合部１６の底板２１に接触している。
【００６７】
混合部１６の天板２２を取り付けると、図１３（ｂ）に示すように、仕切り板２００の第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂが押さえ付けられて、第１当接部２０６と底板２１との隙間、ならびに第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂと天板２２との隙間が小さくなる方向に更に押さえ付けられる。さらに、仕切り板２００の外周側傾斜部２３ａと内周側傾斜部２３ｂが仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。図１３（ｂ）の状態で天板２２が溶接やロウ付け等によって、変成部１１の側に接合固定されている。
【００６８】
このように“Ｌ１ ≠ Ｌ２ ≠ Ｌ３”に形成したため、仕切り板２００の一部が弾性変形して、仕切り板２００の高さと混合部１６の内側の高さとの寸法差が無くなって、仕切り板２００の第１当接部２０６と底板２１との隙間、ならびに仕切り板２００の第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂと天板２２との隙間が小さくなる方向に作用する。
【００６９】
外周流路２０１に流入した、空気の流れ（Ｆ２）と変成後の水素含有ガスの流れ（Ｆ１）は、実施の形態２と同じである。
（実施の形態５）
図１４と図１５は本発明の実施の形態５を示す。
【００７０】
上記の各実施の形態の形態では、混合部１６の下方に配設された変成部１１から、混合部１６の外周流路２０１に、変成後の水素含有ガスの流れ（Ｆ１）が流入し、混合部１６の外周から空気の流れ（Ｆ２）が外周流路２０１に流入し、混合部１６の上方に配設されたＣＯ除去部１４へ、混合部１６の内周流路２０２から、ガス流出孔２０５を通過して流出したが、この実施の形態５では、変成部１１が混合部１６の上方に配設され、ＣＯ除去部１４が混合部１６の下方に配設されている。ガス流出孔２０５は、混合部１６の底板２１に形成されている。
【００７１】
混合部１６は、環状の仕切り板２００によって外周流路２０１と内周流路２０に分割されている。仕切り板２００には、混合部１６の内周で底板２１に接触する第１当接部２０６と、混合部１６の外周で天板２２に接触する第１当接部２０６が形成されている。
【００７２】
第１当接部２０６の加熱部５からの距離：Ｌ１、第２当接部２０７ａの加熱部５からの距離：Ｌ２とした場合に、“Ｌ１ ≠ Ｌ２”“Ｌ２ ＞ Ｌ１” である。また、第１当接部２０６と第２当接部２０７ａの間は、環状の傾斜部２３が一体に形成されている。
【００７３】
図１５は、仕切り板２００を混合部１６に組み込む工程を示している。
図１５（ａ）は仕切り板２００を加熱部５の外周に挿入し、混合部１６の天板２２を固定する前の状態を示している。この状態では、仕切り板２００の第１当接部２０６が混合部１６の底板２１に接触している。
【００７４】
天板２２を取り付けると、図１５（ｂ）に示すように、仕切り板２００の第２当接部２０７ａが押さえ付けられて、第１当接部２０６と底板２１との隙間、ならびに第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂと天板２２との隙間が小さくなる方向に更に押さえ付けられる。さらに、傾斜部２３が仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。図１１（ｂ）の状態で天板２２が溶接やロウ付け等によって、ＣＯ除去部１４の側に接合固定されている。
【００７５】
このように“Ｌ１ ≠ Ｌ２ ”“Ｌ２ ＞ Ｌ１”に形成したため、仕切り板２００の一部が弾性変形して、仕切り板２００の高さと混合部１６の内側の高さとの寸法差が無くなって、仕切り板２００の第１当接部２０６と底板２１との隙間、ならびに仕切り板２００の第２当接部２０７ａと天板２２との隙間が小さくなる方向に作用する。
【００７６】
内周流路２０２に流入した、空気の流れ（Ｆ２）と変成後の水素含有ガスの流れ（Ｆ１）は、図１４に示すように周方向に一緒に流れた後に、流入位置とは１８０°の位置に形成されている側面孔２０４を通過して外周流路２０１に流入する。混合ガスは外周流路２０１をさらに周方向に一緒に流れてガス流出孔２０５を通り、ＣＯ除去部１４に流出する。
【００７７】
（実施の形態６）
図１６と図１７は本発明の実施の形態６を示す。
変成部１１が混合部１６の上方に配設され、ＣＯ除去部１４が混合部１６の下方に配設されている点は、実施の形態５と同じである。実施の形態５では混合部１６の内部が、仕切り板２００によって外周流路２０１と内周流路２０２に分割されていたが、この実施の形態６では、混合部１６の内部が、仕切り板２００によって上流路２７と下流路２８に分割されている。さらに、環状の仕切り板２００が、混合部１６の内周面に、溶接やロウ付け等２９ａ，２９ｂによって、混合部１６の内周面に接合固定されている点が、実施の形態５とは異なっている。
【００７８】
内周流路２０２に流入した、空気の流れ（Ｆ２）と変成後の水素含有ガスの流れ（Ｆ１）は、上流路２７を周方向に一緒に流れた後に、流入位置とは１８０°の位置に形成されている孔３０を通過して下流路２８に流入する。混合ガスは下流路２７をさらに周方向に一緒に流れてガス流出孔２０５を通り、ＣＯ除去部１４に流出する。
【００７９】
（実施の形態７）
図１８と図１９は本発明の実施の形態７を示す。
上記の各実施の形態では、混合部１６の内部を一つの環状の仕切り板２００によって流路を複数に分割したが、この実施の形態７は、混合部１６の内部を複数の環状の仕切り板によって流路を複数に分割した点で異なっている。
【００８０】
この実施の形態７で説明する具体例は、図８〜図１１に示した実施の形態３の変形例である。その他の実施の形態においても同様に実施できる。
図１８に示すように、混合部１６に仕切り板２００ａ，２００ｂを組み込むことによって、外周流路２０１と第１，第２内周流路２０２ａ，２０２ｂに分割されている。なお、仕切り板２００ａは図３の仕切り板２００と同じである。
【００８１】
外周流路２０１に流入した、空気の流れ（Ｆ２）と変成後の水素含有ガスの流れ（Ｆ１）は、外周流路２０１を周方向に一緒に流れた後に、流入位置とは１８０°の位置に形成されている側面孔２０４を通過して第１内周流路２０２ａに流入する。混合ガスは第１内周流路２０２ａをさらに周方向に流れて、仕切り板２００ｂに形成されている流入孔３１を通過して第２内周流路２０２ｂに流入する。ここでは流入孔３１が、側面孔２０４とは周方向に１８０°の位置に形成されている。
【００８２】
第２内周流路２０２ｂに流入した混合ガスは、第２内周流路２０２ｂをさらに周方向に流れて、天板２２に形成されたガス流出孔２０５を通り、第３のガス流路１２に流出する。このように、第１内周流路２０２ａの内部を、第２内周流路２０２ｂによって更に分割することによって、流路長を実施の形態３の場合よりも長くできる。
【００８３】
図１９は、仕切り板２００ａ，２００ｂを混合部１６に組み込む工程を示している。
図１９（ａ）は加熱部５の外周に、仕切り板２００ａ，２００ｂを積み重ねて挿入して、混合部１６の天板２２を固定する前の状態を示している。
【００８４】
この状態では、仕切り板２００ａの第１当接部２０６が混合部１６の底板２１に接触している。さらに、仕切り板２００ｂの第４当接部２０６ｂが、仕切り板２００ａの溝部２４の底面２４ａに接触している。
【００８５】
天板２２を取り付けると、図１９（ｂ）に示すように、仕切り板２００ａの第２当接部２０７ａが、仕切り板２００ｂの第５当接部２０７ｃを介して押さえ付けられ、仕切り板２００ａの第３当接部２０７ｂが、仕切り板２００ｂの第６当接部２０７ｄを介して押さえ付けられる。
【００８６】
これによって、仕切り板２００ａの底板２４ａが仮想線位置から実線位置に弾性変形する。また、仕切り板２００ｂの第４当接部２０６ｂと第５当接部２０７ｃの間に形成された傾斜部３２、ならびに仕切り板２００ｂの第４当接部２０６ｂと第６当接部２０７ｄの間の側面３３も、仮想線位置から実線位置へ弾性変形する。図１９（ｂ）の状態で天板２２が溶接やロウ付け等によって、変成部１１の側に接合固定されている。
【００８７】
このように
“Ｌ１ ≠ Ｌ２ ≠ Ｌ３”
“Ｌ２ ＞ Ｌ１ ＞ Ｌ３”
さらに、第４当接部２０６ｂの加熱部５からの距離：Ｌ４、第５当接部２０７ｃの加熱部５からの距離：Ｌ５、第７当接部２０７ｄの加熱部５からの距離：Ｌ６とした場合に、
“Ｌ２ ＝ Ｌ５， Ｌ３ ＝ Ｌ６”
“Ｌ５ ＞ Ｌ４ ＞ Ｌ６”
に形成したため、仕切り板２００ａ，２００ｂの一部が弾性変形して、仕切り板２００ａ，２００ｂの高さと混合部１６の内側の高さとの寸法差が無くなって、第１当接部２０６と底板２１との隙間、仕切り板２００ａの第２，第３当接部２０７ａ，２０７ｂと仕切り板２００ｂとの隙間、第４当接部２０６ｂと仕切り板２００ａとの隙間、および仕切り板２００ｂと天板２２との隙間が、それぞれ小さくなる方向に作用する。
【００８８】
この実施の形態７では、外周側傾斜部２３ａと内周側傾斜部２３ｂを有する凸部を、仕切り板２００ａの溝部２４の底面２４ａの一部に形成して、第１当接部２０６が形成されていたが、仕切り板２００ａの形状は図２１に示した仕切り板２００と同じであっても、略同様の効果を期待できる。
【００８９】
（実施の形態８）
図２０は本発明の実施の形態８を示す。
上記の各実施の形態において、仕切り板によって分割された一方の流路から別の流路への混合ガスの流路は、孔であったが、切り欠きでも実施できる。具体的には、実施の形態３の図９，図１０では側面孔２０４が丸形状の孔で構成されていたが、図２０に示すように切り欠き３４で構成することもできる。
【００９０】
なお、上記の実施の形態６を除く実施の形態では、各仕切り板が、混合部１６の隔壁、変成部１１の側の底板２１，ＣＯ除去部１４の側の天板２２のうちの何れにも、溶接やロウ付け等によって接合固定しなかったが、仕切り板の少なくとも一部分を、底板２１または天板２２の一方にだけ溶接やロウ付け等によって接合固定して構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の燃料処理装置は、簡素な構造で、圧力損失を高めることなく、混合性能のロバスト性を大幅に高めることができ、家庭用コージェネレーションシステム等の燃料電池に用いられて、長期間の連続運転と負荷変動においても変わらずＣＯ除去性能を発揮することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１  燃料処理装置
１ａ  断熱材
２  バーナー
３  燃焼筒
４  排気ガス通路
４ａ  排気ガス通路４の出口
５  加熱部
６  第１のガス流路
６ａ  ガス流路６の入口部
７  改質触媒
８  改質部
９  第２のガス流路
１０  ＣＯ変成触媒
１１  変成部
１２  第３のガス流路
１２ａ  第３のガス流路出口
１３  ＣＯ除去触媒
１４  ＣＯ除去部
１５  加熱コイル
１６  混合部
１６ａ  空気供給部
１７  水素含有ガス出口
２１  混合部１６の底板
２２  混合部１６の天板
２３ａ  外周側傾斜部
２３ｂ  内周側傾斜部
Ｌ１  第１当接部２０６の加熱部５の中心からの距離
Ｌ２  第２当接部２０７の加熱部５の中心からの距離
２４  溝部
２４ａ  溝部２４の底面
２５  傾斜していない壁面
２６  Ｖ溝部
２７  上流路
２８  下流路
２９ａ，２９ｂ  溶接やロウ付け箇所
３０  孔
３１  流入孔
７０  原料ガス
７１  空気
７２  改質水
７３  水素含有ガス
７４  排気ガス
１００  混合流路
１０１  空気流入口
１１０  ガス供給領域
１１１  ガス供給口
１２０  ガス拡散領域
２００，２００ａ，２００ｂ  仕切り板
２０１  外周流路
２０２  内周流路
２０３  ガス流入孔
２０４  側面孔
２０４ａ  第２の側面孔
２０４ｂ  第３の側面孔
２０５  ガス流出孔
２０６  第１当接部
２０７  第２当接部
２０７ａ，２０７ｂ  第２，第３当接部
２０８  内周当接部
２０９  第１の中間流路
２１０  第２の中間流路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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