(57)【要約】【課題】  安定性の高いかつ放熱をできる限り抑制する改質装置の支持構造を提供する。【解決手段】  改質装置２０を支持する支持構造４０は、ＣＯシフト部２３の底部周縁から垂下し水平方向に距離をおいてそれぞれ配置された複数の上支持部材４１と、ＣＯシフト部２３の底面の下方に対向して配置され上支持部材４１の下端部が固定された板部材４２と、この板部材４２から垂下して下板部材４７（筐体Ａ内の底面Ａ１）に立脚し水平方向に距離をおいてそれぞれ配置された複数の下支持部材４３から構成されている。上下両支持部材４１，４３は互いに水平方向位置がずれて配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも改質部および一酸化炭素低減部を一体的に構成した改質装置を基台上に支持する改質装置の支持構造において、
前記支持構造は、前記改質装置の底部から垂下し水平方向に距離をおいてそれぞれ配置された複数の上支持部材と、
前記改質装置の底面の下方に対向して配置され前記上支持部材の下端部が固定された板部材と、
該板部材から垂下して前記基台に立脚し水平方向に距離をおいてそれぞれ配置された複数の下支持部材とを備え、
前記上下両支持部材は互いに水平方向位置がずれて配置されていることを特徴とする改質装置の支持構造。
【請求項２】
請求項１において、前記下支持部材の水平方向位置は前記上支持部材の水平方向位置の略中央位置に配置されていることを特徴とする改質装置の支持構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記板部材の前記改質装置の底面に対向する部位が切り取られていることを特徴とする改質装置の支持構造。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記改質装置および前記板部材は断熱材により覆われていることを特徴とする改質装置の支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも改質部および一酸化炭素低減部を一体的に構成した改質装置を支持する改質装置の支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の改質装置の支持構造の一例として、特許文献１「燃料改質装置の支持構造」に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料改質装置１０が、その比較的温度の低い部分または低温化する必要のある部分の一点としてＣＯシフト部４と熱交換器３との接続部４１において、ブラケット８によって弾性的マウント８１を介して前記パッケージ本体６の内側壁６１に固着されている。また、特許文献１の図６に示されているように、燃料改質装置１０が、その比較的温度の低い部分または低温化する必要のある部分の一点としてＣＯシフト部４とＣＯ選択酸化部５との接続部４２において、ブラケット８によって前記パッケージ本体６の内側壁６１に固着されるとともに、燃料改質装置１０の下部とパッケージ本体６の底部との間に介挿されたバネ部材９（コイルスプリング部材９１）によって弾性的に支持されている。いずれの場合も、シンプルな構造で支持し、かつ、熱応力の集中を緩和することができるようになっている。
【特許文献１】特開２００２−２８４５０６号公報（第３−６頁、第１，３−８図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した特許文献１に記載の改質装置の支持構造においては、熱応力の集中を緩和して燃料改質装置１０を支持することができる。しかし、特許文献１の図１に示す形式においては、重量のある燃料改質装置１０をパッケージ本体６の内周壁６１に吊り下げ支持するため、パッケージ本体６およびブラケット８の強度が必要となり、また、燃料改質装置１０の安定性が不十分であるという問題があった。また、特許文献１の図６に示す形式においては、燃料改質装置１０の下部がバネ部材９（コイルスプリング部材９１）によって弾性的に支持されているものの、重量のある燃料改質装置１０をパッケージ本体６の内周壁６１に支持するため、パッケージ本体６およびブラケット８の強度が必要となり、また、燃料改質装置１０の安定性が不十分であるという問題があった。一方で、燃料改質装置１０の熱がブラケット８を介してパッケージ本体６に伝達（放熱）するので、その放熱をできる限り抑制する必要がある。
【０００４】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、安定性の高いかつ放熱をできる限り抑制する改質装置の支持構造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】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、少なくとも改質部および一酸化炭素低減部を一体的に構成した改質装置を基台上に支持する改質装置の支持構造において、支持構造は、改質装置の底部から垂下し水平方向に距離をおいてそれぞれ配置された複数の上支持部材と、改質装置の底面の下方に対向して配置され上支持部材の下端部が固定された板部材と、この板部材から垂下して基台に立脚し水平方向に距離をおいてそれぞれ配置された複数の下支持部材とを備え、上下両支持部材は互いに水平方向位置がずれて配置されていることである。
【０００６】
また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、下支持部材の水平方向位置は上支持部材の水平方向位置の略中央位置に配置されていることである。
【０００７】
また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、板部材の改質装置の底面に対向する部位が切り取られていることである。
【０００８】
また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、改質装置および板部材は断熱材により覆われていることである。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、改質装置の底部が、上支持部材、板部材および下支持部材からなる支持構造によって基台上に支持されている。これにより、改質装置を従来に比べて十分な安定性を保って支持することができる。さらに、改質装置の熱は、上支持部材、板部材および下支持部材を通って基台に伝導しているが、上下両支持部材が互いに水平方向位置がずれて配置されているため熱伝導経路が板部材においてずれ分だけ長くなっているので、支持構造を介する熱伝導を低減し改質装置から基台への放熱を低減することができる。したがって、安定性の高いかつ放熱をできる限り抑制する改質装置の支持構造を提供することができる。
【００１０】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、下支持部材の水平方向位置は上支持部材の水平方向位置の略中央位置に配置されているので、板部材における熱伝導経路を最も効率よく設定することにより、最も効率よく放熱低減することができる。
【００１１】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、板部材の改質装置の底面に対向する部位が切り取られているので、改質装置の底部からの熱を受けて放熱するのを防止するとともに、軽量化を図ることができる。
【００１２】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、改質装置および板部材は断熱材により覆われているので、板部材の表面から空間への放熱を抑制することにより、支持構造からの放熱をより抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本件の改質装置を基台上に支持する支持構造は、改質装置から基台までの熱の伝達を抑制するために、改質装置から基台までの距離を長くすることを技術思想としており、同時に装置全体の小型化を両立させるため、支持構造の支持部材の位置関係を水平方向にずらして配置することで、熱の伝達系を長くしつつ装置の小型化を達成するものである。詳しくは、改質装置を直接支持する上支持部材と、その下部に設けた下支持部材とが板部材を介して接続される構造であって、上支持部材と板部材とが接続する第１接続部と、下支持部材と板部材とが接続する第２接続部が板部材の面方向に対して互いに位置がずれた（オフセット）関係に配置される。また、上支持部材および下支持部材はそれぞれ複数の部材からなり、各接続部は板部材の面に対して周縁部に配置され、周縁部において上支持部材の接続部と下支持部材の接続部は、同様に互いに板部材の面に対して互いに位置がずれた（オフセット）関係に配置される。
【００１４】
以下、本発明による改質装置の支持構造を適用した燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する水蒸気改質方式の改質装置２０を備えている。燃料電池１０は、燃料極１１と空気極１２を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された空気（カソードエア）を用いて発電するものである。
【００１５】
改質装置２０は、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）２３、一酸化炭素選択酸化部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。
【００１６】
改質部２１は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、それぞれ環状に形成された外側流路２１ａ１と環状の内側流路２１ａ１から構成される、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。
【００１７】
改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、投入された改質用燃料と水蒸気供給管３２から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００１８】
冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。
【００１９】
ＣＯシフト部２３は、冷却部２２を通って改質部２１から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、筒状の筐体２３ａと、筐体２３ａ内に同軸に配置された内筒２３ｂを備えている。内筒２３ｂは、外周端を筐体２３ａ内周面に接続された環状の支持部材２３ｃの内周端に上端が接続されている。筐体２３ａの上面には改質ガス導入口２３ａ１が設けられ、筐体２３ａの側面には一端がＣＯ選択酸化部２４に接続されている接続管３１の他端が接続されている。ＣＯシフト部２３の内筒２３ｂ内および内筒２３ｂと筐体２３ａとの間には触媒２３ｄ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。また、ＣＯシフト部２３内にはＣＯシフト部２３内の温度例えばＣＯシフト部２３の改質ガス導入口付近の温度を検出する温度センサ２３ｅが設けられており、その検出信号が制御装置３０に出力されるようになっている。この温度センサ２３ｅはＣＯシフト部２３内の改質ガス流路のうち導入口２３ａ１側に設けるのが望ましい。これにより、温度センサ２３ｅを改質ガス流路の導出側に設けた場合と比べて、触媒２３ｄの温度を応答性よく制御することができる。
【００２０】
このように構成されたＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導出された改質ガスは、改質ガス導入口２３ａ１を通っておよび内筒２３ｂ内の触媒２３ｄを通り、折り返して内筒２３ｂと筐体２３ａとの間の触媒２３ｄ内を通ってＣＯ選択酸化部２４に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒２３ｄにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００２１】
ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部であり、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。このＣＯ選択酸化部２４は、内部に触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されており、接続管３１を通って導入された改質ガスがＣＯ選択酸化部２４内を流通して導出するようになっている。また、ＣＯ選択酸化部２４に供給される改質ガスには酸化用空気が混合されるようになっており、酸化用空気がＣＯシフト部２３からの改質ガスに混合されてＣＯ選択酸化部２４に供給される。
【００２２】
したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。
【００２３】
燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。この燃焼ガスは、改質部２１の内周壁に沿う内周流路２７ａと、内周流路２７ａから折り返されて改質部２１の外周壁に沿う第１外周流路２７ｂと、第１外周流路２７ｂから折り返されて断熱部２８に沿う第２外周流路２７ｃから構成される燃焼ガス流路２７を流通し、排気管を通って燃焼排ガスとして排気される。なお、燃焼ガス流路２７は断熱部２８によって覆われており、内周流路２７ａおよび第１外周流路２７ｂを流れる燃焼ガスの熱は断熱部２８によって外部への放熱が抑制されるので改質部２１の加熱に有効利用され、第２外周流路２７ｃを流れる燃焼ガスの熱は断熱部２８によって第１外周流路２７ｂへの放熱が抑制されるので蒸発部２６の加熱に有効利用される。
【００２４】
この燃焼部２５には、燃焼用燃料が供給されるようになっている。また、燃焼部２５には、燃料電池１０の起動運転時に改質装置２０からの改質ガスが供給され、燃料電池１０の定常運転時に燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）が供給されるようになっている。さらに燃焼部２５には、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼部２５が着火されると、燃焼部２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。
【００２５】
蒸発部２６は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものであり、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の第２外周流路２７ｃの外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部２６は、投入された水が蒸発部２６内を流通し加熱されて水蒸気となって水蒸気供給管３２に導出するようになっている。
【００２６】
ＣＯ選択酸化部２４と燃料電池１０の燃料極１１の間には、改質ガスが燃料電池１０を通って燃焼部２５に流通する流路と燃料電池１０を通らないで直接燃焼部２５に流通する流路とを切り換える切換弁３３が設けられており、起動運転時には後者の流路に切り換え、定常運転時には前者の流路に切り換えるようになっている。
【００２７】
上述した改質装置２０は、ＣＯシフト部２３が最下部に配置され、その上に冷却部２２が一体的に組み付けられ、その上に内側から順番に同軸に配置された燃焼部２５、改質部２１、燃焼ガス流路２７、蒸発部２６およびＣＯ選択酸化部２４からなる一体構造体が一体的に組み付けられている。また、これら構成部材は金属材例えばステンレス材から形成されている。
【００２８】
上述した燃料電池システムは筐体Ａに収容されている。そして、改質装置２０は、支持構造４０によって筐体Ａ内の底面Ａ１に支持固定されている。支持構造４０は、ＣＯシフト部２３の底部から垂下する複数の上支持部材４１、板部材である上板部材４２、上板部材４２から垂下する複数の下支持部材４３から構成されている。各上支持部材４１は金属材（例えばステンレス材）でＬ字状に形成されており、上端部が改質装置２０の最下部に配置されているＣＯシフト部２３の底部に溶接などにより固着され、図２および図３に示すように、下端部が上板部材４２にボルト４４とナット４５による螺着などにより固定されている。なお、上支持部材４１の下端部と上板部材４２の間には、セラミックファイバなどの断熱材から形成された断熱部材４６が介装されており、これにより、上支持部材４１と上板部材４２との間の熱伝導を低減している。また、各上支持部材４１は、互いに水平方向に所定距離をおいてまたは所定角度間隔にて配置されている。本実施の形態においては、３個の上支持部材４１がＣＯシフト部２３の中心軸を中心点Ｏとしてその中心点Ｏまわりに所定角度θ１（１２０度）間隔にて配置されている。また、上支持部材４１はＣＯシフト部２３の底部周縁に固着されるのが好ましい。これにより、上支持部材４１がＣＯシフト部２３の底部中央寄り位置に固着される場合と比較して改質装置２０をより安定性よく支持することができる。
【００２９】
上板部材４２は、金属材（例えばステンレス材）で環状円盤に形成されている。上板部材４２は、改質装置２０の底面であるＣＯシフト部２３の底面の下方に円盤面を平行に対向して配置されている。この上板部材４２のＣＯシフト部２３の底面に対向する部位は切り取られており、上板部材４２の穴がこの切り取り部位に相当する。これにより、改質装置２０の底部であるＣＯシフト部２３の底部からの熱を受けて放熱するのを防止するとともに、軽量化を図ることができる。なお、上板部材４２は環状円盤に限らず、中空方形板でもよく、繋がった環状でなくその一部が切れていてもよい。ただし、上板部材４２として要求される強度を有する必要がある。
【００３０】
各下支持部材４３は、金属材（例えばステンレス材）で方形板状に形成されており、上端部が上板部材４２の下面に溶接などにより固着され、下端部が下板部材４７の上面に溶接などにより固着されている。下板部材４７は、上板部材４２と同様に金属材（例えばステンレス材）で環状円盤に形成されており、上板部材４２に平行に対向して配置されている。なお、下板部材４７は、環状でなく単に円盤状、方形板状などでもよく、安定性の観点から上板部材４２より広いほうが好ましい。この下板部材４７はボルト４８により筐体Ａ内の底面Ａ１に螺着固定されている。このように、下支持部材４３は、下板部材４７を介して基台である筐体Ａ内の底面Ａ１に立脚している。なお、下支持部材４３は、下板部材４７を設けないで、筐体Ａ内の底面Ａ１に螺着などにより直接固定するようにしてもよい。
【００３１】
また、各下支持部材４３は、互いに水平方向に所定距離をおいてまたは所定角度間隔にて配置されている。本実施の形態においては、３個の下支持部材４３がＣＯシフト部２３の中心軸を中心点Ｏとしてその中心点Ｏまわりに所定角度θ２（１２０度）間隔にて配置されている。このとき、各下支持部材４３は、各上支持部材４１に対して互いに水平方向位置がずれて（中心点Ｏまわりに６０度ずれて）配置されている。例えば、下支持部材４３の水平方向位置は上支持部材４１の水平方向位置の略中央位置に配置されている。これにより、上支持部材４１を通って伝導したＣＯシフト部２３の熱は、上支持部材４１からほとんど同一距離にある（熱抵抗が同一である）両下支持部材４３，４３にほぼ均等に伝導し、下支持部材４３および下板部材４７を通って筐体Ａに伝導する。
【００３２】
このように、支持構造４０は、改質装置２０を直接支持する上支持部材４１と、その下部に設けた下支持部材４３とが板部材４２を介して接続される構造であって、上支持部材４１と板部材４２とが接続する第１接続部４２ａと、下支持部材４３と板部材４２とが接続する第２接続部４２ｂが板部材４２の面方向に対して互いに位置がずれた（オフセット）関係に配置される。また、上支持部材４１および下支持部材４３はそれぞれ複数の部材からなり、各接続部４２ａ，４２ｂは板部材４２の面に対して周縁部に配置され、周縁部において上支持部材４１の接続部４２ａと下支持部材４３の接続部４２ｂは、同様に互いに板部材４２の面に対して互いに位置がずれた（オフセット）関係に配置される。
【００３３】
したがって、改質装置２０は強度のある安定した構造の支持構造４０によって底部から支持されるので高い安定性を維持して筐体Ａに固定される。
また、ＣＯシフト部２３の熱は、上支持部材４１を通って上板部材４２に伝導し、上板部材４２を上支持部材４１から下支持部材４３まで、すなわち上下両支持部材４１，４３のずれ分だけ伝導し、下支持部材４３を通って下板部材４７に伝導する。したがって、上下両支持部材４１，４３の直結した支持部材を使用する場合に比べて、上下両支持部材４１，４３のずれ分だけ熱抵抗を多くすることができ、これにより、支持構造を直接通って伝導する熱をできる限り少なく抑制することができる。
【００３４】
また、上述した改質装置２０および支持構造４０の一部、具体的には少なくとも上支持部材４１および上板部材４２が断熱材５０によって覆われている。断熱材５０は、例えばセラミック系断熱材で形成されている。これにより、改質装置２０の表面から空間への放熱および支持構造４０の一部の表面から空間への放熱を抑制することができる。
【００３５】
上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、改質装置２０の底部が、上支持部材４１、板部材４２および下支持部材４３からなる支持構造４０によって基台である筐体Ａ内の底面Ａ１に支持されている。これにより、改質装置２０を従来に比べて十分な安定性を保って支持することができる。さらに、改質装置２０の熱は、上支持部材４１、板部材４２および下支持部材４３を通って基台に伝導しているが、上下両支持部材４１，４３が互いに水平方向位置がずれて配置されているため熱伝導経路が板部材４２においてずれ分だけ長くなっているので、支持構造４０を介する熱伝導を低減し改質装置２０から基台（筐体Ａの底面Ａ１）への放熱を低減することができる。したがって、安定性の高いかつ放熱をできる限り抑制する改質装置の支持構造を提供することができる。
【００３６】
また、下支持部材４３の水平方向位置は上支持部材４１の水平方向位置の略中央位置に配置されているので、板部材４２における熱伝導経路を最も効率よく設定することにより、最も効率よく放熱低減することができる。
【００３７】
また、改質装置２０および板部材４２は断熱材５０により覆われているので、板部材４２の表面から空間への放熱を抑制することにより、支持構造４０からの放熱をより抑制することができる。
【００３８】
なお、本発明は、水蒸気改質反応タイプの改質装置だけでなく、部分酸化改質反応タイプの改質装置にも適用することができる。この場合、改質装置２０の構成部材から燃焼部２５が削除される。
【００３９】
また、上述した実施の形態においては、改質ガスの生成工程のうち降温過程であるＣＯシフト部２３の底部にて支持するようにしたが、ＣＯシフト部２３と同様に一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部であるＣＯ選択酸化部２４を改質装置２０の底部に配置するようにしてその底部にて支持するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による改質装置の支持構造を適用した燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す２−２線に沿った断面図である。
【図３】図２に示す３−３線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２１ａ…折り返し流路、２１ｂ…触媒、２２…冷却部、２３…ＣＯシフト部、２３ｄ…触媒、２４…ＣＯ選択酸化部、２４ａ…触媒、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、３１…接続管、３２…水蒸気供給管、３３…切換弁、４０…支持構造、４１…上支持部材、４２…上板部材、４２ａ，４２ｂ…接続部、４３…下支持部材、５０…断熱材、Ａ…筐体、Ａ１…筐体の底面。
【図１】
2006265046.tif 000003
【図２】
2006265046.tif 000004
【図３】
2006265046.tif 000005