(57)【要約】【課題】本発明は、各部材の熱膨張による破断を抑えることができ、長期間に渡って安定して稼動することができる燃料改質器を得ることを目的とするものである。【解決手段】円筒状の外管１及び内管２は、互いに間隔をおいて同心状に設けられている。外管１及び内管２の下端部同士の間は、ドーナツ状の底板４によって塞がれている。外管１及び内管２の上端部同士の間は、上板５によって塞がれている。底板４は、上板５に対して剛性が高くなっており、上板５は、底板４に対して可撓性が高くなっている。また、上板５は、底板４に対して可撓性が高いことにより、内管２の軸方向及び径方向の伸縮を許容する。外管１及び内管２の間には、互いの間の空間を内側空間Ａと外側空間Ｂとに仕切る円筒状の仕切管７が同心状に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気及び原料ガスを含む混合ガスと改質触媒とを加熱することにより、水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質器であって、
筒状の外管、
上記外管の内周面から間隔をおいて上記外管の内側に設けられた筒状の内管、
上記内管及び上記外管の下端部同士の間を塞ぐ底板、
上記底板よりも可撓性が高く、上記内管及び上記外管の上端部同士の間を塞ぎ、上記内管の軸方向及び径方向の伸縮を許容する上板、及び
上記内管の内部に設けられ、上記内管及び上記外管の間に収容された上記改質触媒及び上記混合ガスを加熱するための燃焼部
を備えていることを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】
上記内管の高さは、上記外管の高さよりも高くなっており、
上記上板は、上記外管の上端部に外周が溶着されたドーナツ状の水平面と、上記水平面の内周から上方に突出する円筒状の突出面とを有しており、
上記突出面及び上記内管の上端部同士は、互いに溶着されていることを特徴とする請求項１記載の燃料改質器。
【請求項３】
上記内管及び上記外管の間に設けられ、上記内管及び上記外管の間の空間を仕切るための筒状の仕切管、
をさらに備え、
上記仕切管の上端部は、上記上板に溶着されており、
上記仕切管の下端部には、上記仕切管の内周面から上記内管の外周面へ向けて突出し、上記内管の外周面に内周が隣接するドーナツ状の仕切管突出面部が設けられており、
上記改質触媒は、上記仕切管突出面部の上面に載置されており、
上記仕切管は、上記上板の撓みに伴って変位することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料改質器。
【請求項４】
上記内管及び上記外管の間に設けられ、上記内管及び上記外管の間の空間を仕切るための筒状の仕切管、
をさらに備え、
上記仕切管の上端部には、上記仕切管よりも可撓性が高いドーナツ状の仕切管上板の内周が溶着されており、
上記仕切管上板の外周は、上記外管の内周面に溶着されており、
上記仕切管の下端部には、上記仕切管の内周面から上記内管の外周面へ向けて突出し、上記内管の外周面に内周が隣接するドーナツ状の仕切管突出面部が設けられており、
上記改質触媒は、上記仕切管突出面部の上面に載置されており、
上記仕切管は、上記内管の熱膨張によって、押し上げられるように変位することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料改質器。
【請求項５】
上記上板の材質の弾性は、上記底板の材質の弾性よりも高いことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項６】
上記底板の形状は、ドーナツ状であり、
上記内管の下端部と上記底板の内周とは、互いに溶着されており、
上記外管の下端部と上記底板の外周とは、互いに溶着されており、
上記底板の溶着箇所には、上記底板に用いられる材質の高温強度よりも高い高温強度の材質が溶接材として用いられることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水蒸気改質反応によって、炭化水素系の原料を燃料電池用の水素に変換するための燃料改質器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料改質器では、仕切円筒管が上部仕切円筒管と下部仕切円筒管とに分離されており、下部仕切円筒管には、伸縮手段としてのスリットが軸方向に延在するように設けられている。内管と仕切円筒管との間の熱膨張量の差が伸縮手段によって吸収されることにより、内管の径方向への熱膨張が許容される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１８６２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の燃料改質器では、上部仕切円筒管と下部仕切円筒管との間の隙間、及び下部仕切円筒管のスリットを覆うＵ字状体の内部に充填材（充填層）が充填されている。この充填材は、起動・停止により生じる熱サイクルによって、経時的に劣化してしまい、その充填箇所に隙間が生じてしまうことがある。そして、原料ガスがその隙間を通って改質部をバイパスしてしまうため、改質性能が低下してしまう。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、各部材の熱膨張による破断を抑えることができ、長期間に渡って安定して稼動することができる燃料改質器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る燃料改質器は、水蒸気及び原料ガスを含む混合ガスと改質触媒とを加熱することにより、水素ガスを含む改質ガスを生成するものであって、筒状の外管、外管の内周面から間隔をおいて外管の内側に設けられた筒状の内管、内管及び外管の下端部同士の間を塞ぐ底板、底板よりも可撓性が高く、内管及び上記外管の上端部同士の間を塞ぎ、内管の軸方向及び径方向の伸縮を許容する上板、及び内管の内部に設けられ、内管及び外管の間に収容された改質触媒及び混合ガスを加熱するための燃焼部を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の燃料改質器は、底板よりも可撓性が高い上板によって、内管の軸方向及び径方向の伸縮が許容されるので、内管の軸方向及び径方向の熱膨張が上板によって吸収され、内管の熱膨張によって底板に作用する応力が低減することにより、各部材の熱膨張による破断を抑えることができ、充填材を用いないことにより、長期間に渡って安定して稼動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による燃料改質器を示す断面図である。
図において、円筒状の外管１の内側には、円筒状の内管２が同心状に設けられている。外管１の上部の外周面には、開口が設けられている。外管１の外周面の開口には、改質ガス排出管３が接続されている。内管２の長さ寸法（軸方向寸法）は、外管１の長さ寸法よりも長くなっており、内管２の上端部は、外管１の上端部よりも上方に突出している。改質ガス排出管３は、外管１の開口から燃料電池又は貯蓄槽（ともに図示せず）までの改質ガス流路を形成している。
【０００９】
外管１及び内管２の下端部同士の間は、ドーナツ状（リング状）の底板４によって塞がれている。底板４の外周と外管１の下端部とは、全周に渡って互いに溶着されている。底板４の内周と内管２の下端部とは、全周に渡って互いに溶着されている。外管１及び内管２の上端部同士の間は、上板５によって塞がれている。上板５の断面形状は、Ｌ字状であり、ドーナツ状（リング状）の上板水平面部５ａと、上板水平面部５ａの内周から上方へ突出する円筒状の上板突出面部５ｂとを有している。上板水平面部５ａの内周側には、開口が設けられている。上板水平面部５ａの開口には、原料導入管６が接続されている。上板水平面部５ａの外周と外管１の上端部とは、互いに全周に渡って溶着されている。上板突出面部５ｂと内管２の上端部同士は、互いに全周に渡って溶着されている。
【００１０】
外管１及び内管２の間には、互いの間の空間を内側空間Ａと外側空間Ｂとに仕切る円筒状の仕切管７が同心状に設けられている。仕切管７の上端部は、上板水平面部５ａの下面に溶着されている。仕切管７の下端部には、仕切管７の内周面から内管２へ向けて突出すし、ドーナツ状の仕切管下側突出面部７ａが設けられている。即ち、仕切管７は、断面Ｌ字状に折り曲げられている。仕切管下側突出面部７ａの内周（先端）は、内管２の外周面に隣接している（溶着されていない）。また、仕切管下側突出面部７ａの全面には、周方向及び径方向に互いに間隔をおいて複数の通気孔（図示せず）が設けられている。
【００１１】
底板４の径方向中心（内管２の内部）には、例えばバーナ等の燃焼部８が設けられている。燃焼部８は、外部から供給される燃焼ガスを燃焼し、燃焼ガスを燃焼することによって高温ガスを生成する。内側空間Ａにおける仕切管下側突出面部７ａ側の空間は、６００〜８００℃で動作する改質部Ｃを形成している。改質部Ｃには、改質触媒９が充填されており、改質触媒９は、仕切管下側突出面部７ａの上面に載置されている。外側空間Ｂにおける上板５側の空間は、３００〜５００℃で動作するシフト部Ｄを形成している。シフト部Ｄには、シフト触媒１０が充填されている。
【００１２】
ここで、底板４と上板５との関係について具体的に説明する。まず、底板４の厚さ寸法は例えば２〜５ｍｍであり、上板５の厚さ寸法は例えば１ｍｍである。つまり、底板４は上板５に対して厚板であり、上板５は底板４に対して薄板である。このように、底板４及び上板５の厚みが互いに異なっていることにより、底板４は、上板５に対して剛性が高くなっており、上板５は、底板４に対して可撓性が高くなっている。また、上板５は、底板４に対して可撓性が高いことにより、内管２の軸方向及び径方向の伸縮を許容する。従って、燃料改質器本体の下部は上部に比べて剛構造となっており、燃料改質器本体の上部は、下部に比べて柔構造となっている。なお、内管２の厚さは、底板４の厚さと同程度である。
【００１３】
次に動作について説明する。まず、都市ガス等の炭化水素系の原料ガスと水蒸気とを含む混合ガスが、原料導入管６から内側空間Ａの改質部Ｃに送られる。また、外部から供給される燃焼ガスを燃焼部８が燃焼することによって高温ガス発生し、この高温ガスによって内管２の内側が加熱され、改質部Ｃ及びシフト部Ｄが加熱される。そして、改質部Ｃ内を混合ガスが通過し、改質部Ｃ内の熱を混合ガスが吸収することにより、混合ガスに改質反応が生じ、水素を主成分とする（水素ガスを含む）改質ガスに混合ガスが改質される。この改質ガスは、改質部Ｃ内を下方へ進むにつれて、ガス自体の温度が高くなり、水素濃度が高くなる。そして、改質ガスは、仕切管下側突出面部７ａの通気孔を通って底板４の上面に向けて排出されて、外側空間Ｂ側へ変位され、シフト部Ｄへ送られる。その改質ガスは、シフト触媒１０によって、ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）が低減され、改質ガス排出管３から外部（燃料電池又は貯蓄槽）へと送られる。
【００１４】
ここで、内管２の下端部の内側から燃焼部８によって加熱されるため、内管２の下部から上部への軸方向に向けて温度が低くなる温度勾配が生じ、この温度勾配によって、外管１と内管２との間、及び底板４と上板５との間にそれぞれ温度差が生じる。そして、外管１と内管２との間の温度差によって内管２が軸方向（上下方向）及び径方向へ膨張すると、内管２の膨張に追従して上板５が軸方向（上下方向）及び径方向へ撓む。このときに、上板５の撓みに伴って、仕切管７が上方へ変位される。即ち、内管２と仕切管７との間の間隔は、上板５の撓みに伴って仕切管７が変位されることにより、一定に保たれている。
【００１５】
上記のような燃料改質器では、底板４よりも可撓性が高い上板５によって、内管２の軸方向及び径方向の伸縮が許容されるので、内管２の軸方向及び径方向の熱膨張が上板５によって吸収され、内管２の熱膨張によって底板４に作用する応力が低減することにより、各部材の熱膨張による破断を抑えることができ、充填材を用いないことにより、長期間に渡って安定して稼動することができる。
【００１６】
また、仕切管７が上板５の撓みに伴って変位されるので、内管２と仕切管７との間の間隔が一定に保たれることにより、内管２の熱膨張による改質触媒９の圧壊を防ぐことができる。
【００１７】
ここで、従来の燃料改質器では、各部材の熱膨張による破断を防止するために、例えばベローズ等の一方向の緩衝機構を用いていたが、上記のような燃料改質器では、内管２の軸方向及び径方向の熱膨張が上板５によって吸収されるので、一方向の緩衝機構を不要とすることができ、製造コストを低減させることができる。
【００１８】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図２は、実施の形態２による燃料改質器を示す断面図である。実施の形態２の仕切管７の上端部には、ドーナツ状の仕切管上板１１の内周が溶着されている。仕切管上板１１の外周は、外管１の内周面に溶着されている。仕切管上板１１は、例えば厚さ１ｍｍの薄板であり、可撓性を有している。仕切管７と仕切管上板１１とによって、断面Ｚ字状の一連の部材が構成されている。
【００１９】
ここで、燃焼部８によって内管２が加熱されることにより、内管２には、下部から上部にかけて径方向外側への熱膨張が生じる。この内管２の熱膨張によって、仕切管下側突出面部７ａの内周面と内管２の下部の外周面とが互いに密接する。そして、内管２の熱膨張が進み、内管２の仕切管下側突出面部７ａとの密接箇所の周寸法が仕切管下側突出面部７ａの内周面の周寸法を上回ると、仕切管下側突出面部７ａが内管２によって押し上げられ、仕切管７が上方へ変位される。これに伴い、仕切管下側突出面部７ａの変位に追従するように仕切管上板１１が撓む。つまり、内管２の熱膨張に伴って仕切管７が変位され、内管２と仕切管７との間の間隔が一定に保たれる。他の構成及び動作は実施の形態１と同様である。
【００２０】
上記のような燃料改質器であっても、内管２と仕切管７との間の間隔が一定に保たれることにより、内管２の熱膨張による改質触媒９の圧壊を防ぐことができる。
【００２１】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３の上板５の材質の弾性は、底板４の材質の弾性よりも高くなっている。例えば、底板４の材質にステンレス鋼が用いられる場合、上板５の材質にアルミ合金又は銅が用いられる。これにより、上板５の材質のヤング率が底板４の材質のヤング率の約１／２となり、上板５の材質の弾性が底板４の材質の弾性の約２倍となる。他の構成及び動作は実施の形態１又は実施の形態２と同様である。
【００２２】
上記のような燃料改質器では、上板５の材質の弾性が底板４の材質の弾性よりも高くなっているので、実施の形態１よりも上板５が撓みやすくなり、稼働をさらに安定させることができる。
【００２３】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４では、内管２と底板４との間の溶接箇所における溶接材に、内管２及び底板４の材質の高温強度よりも高い高温強度の材質が用いられている。例えば、内管２及び底板４の材質にステンレス鋼が用いられる場合、溶接材には、インコネル合金が用いられる。他の構成及び動作は、実施の形態１〜３のいずれかと同様である。
【００２４】
ここで、一般的な燃料改質器では、容器内に生じる温度分布により、各溶接箇所に熱応力が生じる。特に、内管と底板との間の溶接箇所は、燃焼部のバーナの近くに位置しており、バーナからの熱によって７００℃以上に加熱されるため、高温に加熱されることより溶接箇所の強度が低下してしまう。これに加えて、その溶接箇所には、溶接時に巣が発生するため、母材（内管及び底板）と溶接材とが同一の材質である場合、巣によっても、溶接箇所の溶接材の強度が母材の強度よりも低下してしまう。これに対して、上記のような燃料改質器では、内管２及び底板４の材質の高温強度よりも高い高温強度の材質が溶接材として用いられているので、高温時における溶接箇所の強度が母材の強度以上となることにより、溶接箇所での破断を抑えることができ、稼働をより安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１による燃料改質器を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２による燃料改質器を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  外管、２  内管、４  底板、５  上板、５ａ  上板水平面部、５ｂ  上板突出面部、７  仕切管、７ａ  仕切管下側突出面部、８  燃焼部、９  改質触媒、１１  仕切管上板。
【図１】
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【図２】
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