(57)【要約】【課題】水素製造装置用の改質器についてその反応管の高さ方向でのコンパクト化を図る。【解決手段】改質器は、改質触媒４４に接触させることで原料ガスＧｒに改質反応を生じさせて改質ガスＧｈを生成する反応管２１を備えるとともに、ライナ４７により反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路２２を備え、加熱ガス流路に加熱ガスＦを流すことで反応管を加熱できるようにされている。このような改質器について、その反応管に、伝熱促進材４１を充填の予熱流路２５を設けるとともに、改質触媒を充填の反応流路２６、２８を予熱流路の周囲に同心円状に設け、予熱流路を流下させることで原料ガスを予備的に加熱した後に反応流路に流入させて改質反応を生じさせるようにしている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒に接触させることで原料ガスに改質反応を生じさせて改質ガスを生成する反応管を備えるとともに、加熱ガス流路形成壁体により前記反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路を備え、前記加熱ガス流路に加熱ガスを流すことで前記反応管を加熱できるようにされている改質器において、
前記反応管は、熱伝導性の高い材料による伝熱促進材が充填された予熱流路が設けられるとともに、前記改質触媒が充填された反応流路が前記予熱流路の周囲に同心円状に設けられており、前記予熱流路を流下させることで前記原料ガスを予備的に加熱した後に前記反応流路に流入させて前記改質反応を生じさせるようにされていることを特徴とする改質器。
【請求項２】
前記反応流路として第１の反応流路と第２の反応流路が同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
【請求項３】
前記反応流路における前記改質反応で生成する前記改質ガスが流れる改質ガス流路が前記反応流路に対して同心円状に設けられており、前記改質ガス流路には、熱伝導性の高い材料による伝熱促進材が充填されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の改質器。
【請求項４】
改質触媒に接触させることで原料ガスに改質反応を生じさせて改質ガスを生成する反応管を備えるとともに、加熱ガス流路形成壁体により前記反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路を備え、前記加熱ガス流路に加熱ガスを流すことで前記反応管を加熱できるようにされている改質器において、
前記加熱ガス流路は、前記加熱ガスが流入する流入口寄りの上流側流路部と前記加熱ガスが流出する流出口寄りの下流側流路部からなり、前記下流側流路部は、そこを流れる前記加熱ガスの流速が前記上流側流路部における前記加熱ガスの流速よりも速くなるようにされていることを特徴とする改質器。
【請求項５】
前記下流側流路部における前記流速は、前記加熱ガス流路形成壁体に組み付ける流路幅調整体により前記下流側流路部の流路幅を設定することで得るようにされていることを特徴とする請求項４に記載の改質器。
【請求項６】
改質触媒に接触させることで原料ガスに改質反応を生じさせて改質ガスを生成する反応管を備えるとともに、加熱ガス流路形成壁体により前記反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路を備え、前記加熱ガス流路に加熱ガスを流すことで前記反応管を加熱できるようにされている改質器において、
前記加熱ガス流路を流下した前記加熱ガスを流下させる予熱用加熱ガス流路が設けられるとともに、前記予熱用加熱ガス流路に複数の伝熱管が設けられており、前記複数の各伝熱管に前記原料ガスを通すことで当該原料ガスの予備的な加熱を行えるようにされていることを特徴とする改質器。
【請求項７】
改質触媒に接触させることで原料ガスに改質反応を生じさせて改質ガスを生成する反応管を備えるとともに、加熱ガス流路形成壁体により前記反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路を備え、前記加熱ガス流路に加熱ガスを流すことで前記反応管を加熱できるようにされている改質器において、
前記反応管と前記加熱ガス流路を含む反応管ユニットが複数台並列に搭載されていることを特徴とする改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料の水蒸気改質により水素を製造する水素製造装置における改質器に関し、特に車両に載せて移動させる車載式（車載移動式）の水素製造装置に好適な改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素製造装置は、例えば都市ガス、天然ガス、ＬＰガスなどの炭化水素系燃料を原料ガスとし、この原料ガスから水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成させ、その改質ガスに所定の処理を施すことにより例えば燃料電池用として高純度な水素ガスを得る。そのため水素製造装置は改質器を備えている。改質器は、そこおける改質反応が吸熱反応であり、効率的な反応を持続させるのに例えば７５０℃という高温条件にする加熱を必要とすることから、原料ガスを効率的に加熱するための加熱構造が設けられている。こうした改質器については、例えば特許文献１〜６に開示の例のように様々な構成が知られている。
【０００３】
図９に、従来の改質器における要部である反応管ユニットの構成の代表的な１つを示す。この改質器は車載式水素製造装置用の場合であり、その反応管ユニットは反応管１を備えている。反応管１は、密封円筒構造とされており、上側端部と下側端部のそれぞれにプレナム（ガス充満空間）２、３が設けられるとともに、これら上部プレナム２と下部プレナム３の間に、断面環状で上下方向に延在するように形成され改質触媒４が充填された反応流路（原料ガス流路）５と上下方向に延在する円筒形に形成され伝熱促進材６が充填された改質ガス流路（熱回収流路）７が同心円状に設けられている。
【０００４】
また反応管ユニットは、断熱材８で覆ったライナ９により反応管１の周囲を密封状に囲むようにして形成された加熱ガス流路１１を備えており、この加熱ガス流路１１に図外の加熱ガス発生源で発生される加熱ガスＦを流入口１３から流入させて流出口１４から流出させることで反応管１をその外周面から加熱できるようにされている。ここで、加熱ガス発生源には燃焼器が用いられ、その燃焼器で発生させる燃焼ガスを加熱ガスとするのが一般的である。
【０００５】
こうした反応管ユニットは以下のように動作する。原料ガス（図の例では都市ガス）に水蒸気を混合器１５で混合させて生成される混合原料ガスＧｒは、例えば３５０℃程度の温度をもって入口ノズル１６から反応管１の上部プレナム２に流入する。上部プレナム２に流入した混合原料ガスＧｒは、反応流路５に流入してそこを下降流れとなって流下し、その間に改質反応を生じる。すなわち反応流路５を流下する混合原料ガスＧｒは、加熱ガスＦにより加熱されている改質触媒４に接触することで給熱されつつ改質反応を生じ、例えば７５０℃程度の改質ガスＧｈとなって反応流路５から下部プレナム３に流出する。この改質ガスＧｈは、下部プレナム３で反転して改質ガス流路７に流入し、そこを上昇流れとなって流下する。この間に改質ガスＧｈは、改質ガス流路７に充填の伝熱促進材６と接触して当該改質ガスＧｈの顕熱を改質触媒４に伝えることで有効利用させつつ冷却され、例えば５００℃程度になる。こうして改質ガス流路７を上昇する改質ガスＧｈは、改質ガス流路７に接続の出口ノズル１７から外部に取り出され、必要な処理を施された後、図外の例えば燃料電池などに供給される。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２３３５３号公報
【特許文献２】特開２００４−１７１９８９号公報
【特許文献３】特開２０００−１７８００４号公報
【特許文献４】特開平７−３３４０２号公報
【特許文献５】特開平６−２１１５０１号公報
【特許文献６】特開平６−５６４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水素製造装置についても装置一般と同様にコンパクト化が望まれる。このコンパクト化要求については、車載式の水素製造装置において特に高い。すなわち車載式の水素製造装置においては、車両が公道を走行する際に受ける重量制限や高さ制限などの関係からコンパクト化についての要求が高く、特に装置の高さ方向でのコンパクト化が強く求められる。水素製造装置の高さを規定する主要部分は改質器である。したがって水素製造装置の高さ方向のコンパクト化は、実質的に改質器の高さ方向のコンパクト化であり、さらには改質器における反応管ユニット、より具体的には反応管ユニットにおける反応管の高さ方向のコンパクト化であると言え、反応管を高さ方向で十分にコンパクト化できれば、車載式の水素製造装置に要求されるコンパクト化の実現が可能となる。なお、以下では反応管の高さ方向でのコンパクト化を単に反応管のコンパクト化と呼ぶ場合もある。
【０００８】
本発明は、こうした要求に応えるべくなされたものであり、水素製造装置用の改質器についてその反応管のコンパクト化を課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
反応管のコンパクト化を図るについては、効率的な予熱構造を設けることで、原料ガスの温度を予め効率よく高めることができるようにするか、または反応流路断面サイズ拡大構造を設けることで、原料ガスを流下させつつ改質反応を生じさせる反応流路の断面サイズを一定の制限内でできるだけ大きくできるようにするか、または伝熱高効率化構造を設けることで、改質反応中の原料ガスに対する加熱ガスからの熱伝導効率を高めるようにするのが有効である。本発明では、こうした考え方にしたがって反応管のコンパクト化という課題を解決するものとしている。
【００１０】
すなわち本発明では、改質触媒に接触させることで原料ガスに改質反応を生じさせて改質ガスを生成する反応管を備えるとともに、加熱ガス流路形成壁体により前記反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路を備え、前記加熱ガス流路に加熱ガスを流すことで前記反応管を加熱できるようにされている改質器において、前記反応管に、熱伝導性の高い材料による伝熱促進材が充填された予熱流路を設けるとともに、前記改質触媒が充填された反応流路を前記予熱流路の周囲に同心円状に設け、前記予熱流路を流下させることで前記原料ガスを予備的に加熱した後に前記反応流路に流入させて前記改質反応を生じさせるようにしている。
【００１１】
このように予熱流路にて原料ガスを効率的に予備加熱する予熱構造を設けたことにより、反応流路での改質反応をより効率的に生じさせることができるようになる。その結果、反応流路の高さを低くすることができ、反応管のコンパクト化を図ることができる。また反応流路を予熱流路の周囲に同心円状に設ける構造としたことにより、効率的な予熱構造をより簡易な装置構造で実現することができる。
【００１２】
また本発明では、上記のような改質器について、前記反応流路として第１の反応流路と第２の反応流路を同心円状に設けるものとしている。
【００１３】
このように反応流路を複数パス構造とすることにより、十分な改質反応効率を実現しつつ反応流路の断面サイズを大きくすることができるようになる。その結果、反応流路の高さを低くすることができ、反応管のコンパクト化を図ることができる。そしてこうした反応流路断面サイズ拡大構造によるコンパクト化が上記予熱構造によるコンパクト化に組み合わされることにより、より一層のコンパクト化が可能となる。
【００１４】
また本発明では、上記のような改質器について、前記反応流路における前記改質反応で生成する前記改質ガスが流れる改質ガス流路を前記反応流路に対して同心円状に設け、前記改質ガス流路には、熱伝導性の高い材料による伝熱促進材を充填するものとしている。
【００１５】
このように伝熱促進材を充填した改質ガス流路を反応流路に対して同心円状に設けることにより、改質ガスの顕熱を改質触媒に伝えることで有効利用することができる。
【００１６】
また本発明では、改質触媒に接触させることで原料ガスに改質反応を生じさせて改質ガスを生成する反応管を備えるとともに、加熱ガス流路形成壁体により前記反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路を備え、前記加熱ガス流路に加熱ガスを流すことで前記反応管を加熱できるようにされている改質器において、前記加熱ガス流路を、前記加熱ガスが流入する流入口寄りの上流側流路部と前記加熱ガスが流出する流出口寄りの下流側流路部で構成し、前記下流側流路部は、そこを流れる前記加熱ガスの流速が前記上流側流路部における前記加熱ガスの流速よりも速くなるようにしている。
【００１７】
このように加熱ガス流路を上流側流路部と下流側流路部で構成し、その下流側流路部での加熱ガスの流速を上流側流路部での加熱ガスの流速よりも速くなるようにすることにより、伝熱高効率化構造が得られ、改質反応中の原料ガスに対する加熱ガスからの熱伝導効率を高めることができる。その結果、改質反応をより効率的に生じさせることができ、それだけ反応流路の高さを低くすることができ、反応管のコンパクト化を図ることができる。
【００１８】
また本発明では、上記のような改質器について、前記下流側流路部における前記流速は、前記加熱ガス流路形成壁体に組み付ける流路幅調整体により前記下流側流路部の流路幅を設定することで得るようにしている。
【００１９】
このようにすることにより、加熱ガス流路の製作上での制約の影響を受けることなく、下流側流路部の流路幅に望ましい値を高精度で与えることができ、伝熱高効率化構造をより有効的なものとすることができる。
【００２０】
また本発明では、改質触媒に接触させることで原料ガスに改質反応を生じさせて改質ガスを生成する反応管を備えるとともに、加熱ガス流路形成壁体により前記反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路を備え、前記加熱ガス流路に加熱ガスを流すことで前記反応管を加熱できるようにされている改質器において、前記加熱ガス流路を流下した前記加熱ガスを流下させる予熱用加熱ガス流路を設けるとともに、前記予熱用加熱ガス流路に複数の伝熱管を設け、前記複数の各伝熱管に前記原料ガスを通すことで当該原料ガスの予備的な加熱を行えるようにしている。
【００２１】
このように予熱用加熱ガス流路に流下する加熱ガス、つまり改質反応への給熱を終えた加熱ガスから熱を受ける伝熱管に原料ガスを通すことでその予備的な加熱を行うようにしたことにより、加熱ガスをより効率的に利用しつつ、効率的な予熱構造を実現でき、したがって反応管のコンパクト化を図ると同時に加熱ガスの利用効率を高めることができる。
【００２２】
また本発明では、改質触媒に接触させることで原料ガスに改質反応を生じさせて改質ガスを生成する反応管を備えるとともに、加熱ガス流路形成壁体により前記反応管の周囲を囲むようにして形成された加熱ガス流路を備え、前記加熱ガス流路に加熱ガスを流すことで前記反応管を加熱できるようにされている改質器において、前記反応管と前記加熱ガス流路を含む反応管ユニットを複数台並列に搭載するようにしている。
【００２３】
このように複数台の反応管ユニットを並列に搭載するようにしたことにより、反応流路の断面サイズを実効的に拡大することができ、したがって反応管のコンパクト化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のような本発明によれば、水素製造装置用の改質器についてその反応管のコンパクト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１〜図３に第１の実施形態による改質器の要部である反応管ユニットの構成を示す。図１は、本実施形態における改質器の反応管ユニットを中心線に沿って縦方向に断面した状態を示し、図２は、図１中のＡ部で断面した状態を示し、図３は、図１中のＢ部で断面した状態を示している。
【００２６】
本実施形態の改質器における反応管ユニットは、基本的要素として反応管２１と加熱ガス流路２２を備えており、反応流路の断面サイズを大きくするとともに効率的な予熱構造を与えることで反応管２１のコンパクト化が図られる。そのために反応管２１は、密封筒構造に形成され、上側端部と下側端部のそれぞれにプレナム（ガス充満空間）２３、２４が設けられるとともに、これら上部プレナム２３と下部プレナム２４の間に、予熱流路２５、第１の反応流路２６、改質ガス流路（熱回収流路）２７、および第２の反応流路２８がこの順で同心円状に設けられている。
【００２７】
上部プレナム２３は、平板状の上部プレナム仕切３１により上下に仕切ることで上側の改質ガス回収プレナム３２と下側の反応流路間連通プレナム３３に分けられている。その上部プレナム仕切３１には、図２に示すように、後述する予熱流路２５のための中央管体３４を貫通させるための通し孔３５が設けられるとともに、改質ガス流路２７を改質ガス回収プレナム３２に連通させる連通孔３６が離散的に複数設けられている。
【００２８】
下部プレナム２４は、半球面状の下部プレナム仕切３７により上下に仕切ることで上側の予熱流路／反応流路間連通プレナム３８と下側の反応流路／改質ガス流路路間連通プレナム３９に分けられている。
【００２９】
予熱流路２５は、反応管２１の中心部に立設した中央管体（第１の管体）３４で形成され、反応管２１の中心部にあって筒形で上下方向に延在するようにされている。また予熱流路２５は、熱伝導性の高い材料の粒子を用いた伝熱促進材４１が充填され、その上端に入口ノズル４２が接続されている。
【００３０】
第１の反応流路２６は、中央管体３４に対して同心円状に立設した中間管体（第２の管体）４３と中央管体３４により区画することで形成され、断面が環状となって予熱流路２５を同心円的に囲む状態で上下方向に延在するようにされている。また第１の反応流路２６は、改質触媒４４が充填され、反応流路間連通プレナム３３を介して第２の反応流路２８と連通するようにされるとともに、予熱流路／反応流路間連通プレナム３８を介して予熱流路２５と連通するようにされている。
【００３１】
改質ガス流路２７は、中間管体４３に対して同心円状に立設した仕切管体（第３の管体）４５と中間管体４３により区画することで形成され、断面が環状となって第１の反応流路２６を同心円的に囲む状態で上下方向に延在するように形成されている。また改質ガス流路２７は、予熱流路２５におけるのと同様な伝熱促進材４１が充填され、反応流路／改質ガス流路路間連通プレナム３９を介して第２の反応流路２８と連通するようにされている。
【００３２】
第２の反応流路２８は、仕切管体４５と反応管２１の壁面により区画することで形成され、断面が環状となって改質ガス流路２７を同心円的に囲む状態で上下方向に延在するように形成されている。また第２の反応流路２８は、改質触媒４４が充填されている。この第２の反応流路２８は、上述のように、反応流路間連通プレナム３３を介して第１の反応流路２６と連通し、また反応流路／改質ガス流路路間連通プレナム３９を介して改質ガス流路２７と連通するようにされている。
【００３３】
加熱ガス流路２２は、断熱材４６で覆ったライナ４７により反応管２１の周囲を密封状に囲むようにして形成され、図外の加熱ガス発生源で発生される加熱ガスＦを流入口４８から流入させて流出口４９から流出させることで反応管２１をその外周面から加熱できるようにされている。
【００３４】
以上が反応管ユニットの構造である。以下ではこの反応管ユニットの動作状態について説明する。原料ガス（図の例では都市ガス）と水蒸気を混合器５１で混合させて生成される混合原料ガスＧｒは、入口ノズル４２から予熱流路２５に流入する。予熱流路２５に流入した混合原料ガスＧｒは、予熱流路２５を下降流れとなって流下し、その間に高温状態の伝熱促進材４１と接触することで予備的な加熱を受けて昇温する。予熱流路２５を流下しきった混合原料ガスＧｒは、予熱流路／反応流路間連通プレナム３８に流出し、そこを通じて第１の反応流路２６に流入する。
【００３５】
第１の反応流路２６に流入した混合原料ガスＧｒは、そこを上昇流れとなって流下し、その間に高温状態の改質触媒４に接触することで加熱されつつ一定割合までの改質反応を生じることで中間改質ガスＧｍとなって第１の反応流路２６から反応流路間連通プレナム３３に流出する。反応流路間連通プレナム３３に流出した中間改質ガスＧｍは、中間管体４３と仕切管体４５にわたって設けられている連通路５２を通って第２の反応流路２８に流入する。
【００３６】
第２の反応流路２８に流入した中間改質ガスＧｍは、そこを下降流れとなって流下し、その間に高温状態の改質触媒４に接触することで加熱されつつ最終状態までの改質反応を生じることで改質ガスＧｈとなって第２の反応流路２８から反応流路／改質ガス流路路間連通プレナム３９に流出する。反応流路／改質ガス流路路間連通プレナム３９に流出した改質ガスＧｈは、改質ガス流路２７に流入する。
【００３７】
改質ガス流路２７に流入した改質ガスＧｈは、そこを上昇流れとなって流下し、その間に伝熱促進材４１と接触して当該改質ガスＧｈの顕熱を改質触媒４４に伝えることで有効利用させつつ冷却される。改質ガス流路２７を流下しきった改質ガスＧｈは、上部プレナム仕切３１の連通孔３６を通って改質ガス回収プレナム３２に流出し、改質ガス回収プレナム３２に接続の出口ノズル５３から外部に取り出され、必要な処理を施された後、図外の例えば燃料電池などに供給される。
【００３８】
以上のように本実施形態では、予熱流路２５により混合原料ガスＧｒを予備的に加熱するようにしている。このような予熱構造を設けたことにより、第１の反応流路２６や第２の反応流路２８での改質反応をより効率的に生じさせることができる。その結果、容量（単位時間当たりの改質ガスの生成量）が同一である条件下で第１、第２の各反応流路２６、２８の高さを低くすることができ、したがって反応管２１のコンパクト化を図れる。また本実施形態では、第１の反応流路２６と第２の反応流路２８による２パス構造の反応流路としている。このため十分な改質反応効率を実現しつつ反応流路の断面サイズを大きくすることができる。そしてこうした反応流路断面サイズ拡大構造によっても同一容量条件下で第１、第２の各反応流路２６、２８の高さを低くすることができ、したがって反応管２１のより一層のコンパクト化を図ることができる。さらに本実施形態では、予熱流路２５を中心にして各流路（第１の反応流路２６、改質ガス流路２７、第２の反応流路２８）を同心円状に設ける構造としている。このため効率的な予熱構造と反応流路断面サイズ拡大構造をより簡易な装置構造で実現することができる。
【００３９】
図４に第２の実施形態による改質器の要部である反応管ユニットの構成を示す。図４は本実施形態による改質器における反応管ユニットを中心線に沿って縦方向に断面した状態を示している。本実施形態では、加熱ガス流路６１に伝熱高効率化構造を与えることで反応管１のコンパクト化が図られる。そのために本実施形態の改質器における反応管ユニットは、加熱ガス流路６１の構成に主要な特徴があり、その他の要素については、例えば図９に関して説明した従来の一般的な改質器における反応管ユニットと同様にすることができ、本実施形態でもそのようにしている。したがって以下では、加熱ガス流路６１について主に説明し、図９の反応管ユニットと共通する要素については図９の場合と同一の符号を用い、それらの説明は適宜省略する。
【００４０】
加熱ガス流路６１は、流入口６２寄りの上流側流路部６３と流出口６４寄りの下流側流路部６５に分けられている。例えば９００℃程度で流入口６２から流入して加熱ガス流路６１を流下する加熱ガスＦは、反応管１に熱を与えることで温度を下げつつ例えば５００℃程度となって流出口６４から流出する。すなわち加熱ガス流路６１を流下する加熱ガスＦには、流入口６２寄り側が９００℃程度といったレベルの高温で流出口６４寄り側が５００℃程度といったレベルの低温であるという温度差を生じる。このような温度差は、加熱ガスＦから反応管１への伝熱についての特性に相違をもたらし、高温な流入口６２寄りでは輻射伝熱が支配的となり、一方、低温な流出口６４寄りでは対流伝熱が支配的となる。
【００４１】
上流側流路部６３と下流側流路部６５は、上述のような伝熱特性に基づいて設けられており、上流側流路部６３は、輻射伝熱をより効果的に得られるようにされ、下流側流路部６５は、対流伝熱をより効果的に得られるようにされている。輻射伝熱を効果的に得られるようにするには、加熱ガス流路６１を形成する加熱ガス流路形成壁体であるライナ６６が与える放熱面の面積を大きくするのが有効である。一方、対流伝熱を効果的に得られるようにするには、加熱ガスＦの流速を高めるのが有効である。こうしたことから、ライナ６６を上流側流路部６３に対応する上流側ライナ部６７と下流側流路部６５に対応する下流側ライナ部６８で構成し、上流側ライナ部６７については、大きな断面幅（断面径）Ｒａを与えることでライナ６６の内周面を広くして放熱面を大きくし、下流側ライナ部６８については、小さな断面幅Ｒｂを与えることで流路幅Ｗｂを一定以下まで狭めて加熱ガスＦの流速を十分に高める、つまり効果的な対流伝熱が得られるのに十分な流速となるようにしている。
【００４２】
ここで、下流側流路部６５の流路幅Ｗｂは、所定流量の加熱ガスＦを流下させることができる範囲においてできるだけ狭いのが望ましい。つまり下流側ライナ部６８の内周面を反応管１の外周面にできるだけで近づけるのが望ましい。しかし、それには製作上の制約がある。すなわち下流側ライナ部６８の内周面と反応管１の外周面の間隔を余り狭くすると製作上での下流側ライナ部６８の幅寸法誤差の大きくなり、そのために流下する加熱ガスＦの流速に周方向でアンバランスを発生する。こうしたことから、本実施形態では、下流側ライナ部６８の断面幅Ｒｂを製作が容易なサイズとしてライナ６６を製作し、筒状の流路幅調整体６９を下流側ライナ部６８の内周面に組み付けることで十分に狭い流路幅Ｗｂの下流側流路部６５を得られるようにしている。このようにすると、ライナ６６に比べて精度よく流路幅調整体６９を製作できること、それに流路幅Ｗｂを確認しながら流路幅調整体６９のサイズを調整することが可能であることなどにより、流路幅Ｗｂに望ましい値を高精度で与えることができる。なお、本実施形態では、流路幅調整体６９を下流側ライナ部６８に取り付けて流路幅Ｗｂを設定するようにしたことに付随して、支持体７０を介してライナ６６を反応管１に支持させるようにしている。
【００４３】
以上のように本実施形態では、加熱ガス流路６１を流下する加熱ガスにおける温度分布に基づく伝熱特性を利用することで加熱ガス流路６１に伝熱高効率化構造を与えている。このため反応管１への熱供給効率が高まり、反応管１における改質反応をより効率的に生じさせることができ、したがってそれだけ反応管１のコンパクト化を図れる。
【００４４】
図５と図６に第３の実施形態による改質器の要部である反応管ユニットの構成を示す。図５は本実施形態による改質器の反応管ユニットを中心線に沿って縦方向に断面した状態を示し、図６は、図５中のＣ部で断面した状態を示している。本実施形態の反応管ユニットは、基本的には第２の実施形態の反応管ユニットと同様で、予熱構造が付加されている点でのみ相違している。したがって以下では、予熱構造に関連する構成について主に説明し、第２の実施形態の反応管ユニットと共通する要素については図４の場合と同一の符号を用い、それらの説明は適宜省略する。
【００４５】
本実施形態の反応管ユニットにおける予熱構造は、反応管１へ熱を与え終えた加熱ガスＦを利用して混合原料ガスＧｒを予備的に加熱するように形成されている。具体的には、予熱用加熱ガス流路７１が加熱ガス流路６１の周囲に加熱ガス流路６１と同心円状に設けられるとともに、この予熱用加熱ガス流路７１に伝熱管群７２（図６）が設けられている。伝熱管群７２は、断面が環状である予熱用加熱ガス流路７１に対応して環状に配列した複数の伝熱管７３で構成されており、その各伝熱管７３は、下端を入口ヘッダ７４で連結されるとともに、上端を入口ノズル１６に接続の出口ヘッダ７５で連結され、さらに中間部分をフィン７６で連結されている。
【００４６】
こうした予熱用加熱ガス流路７１と伝熱管群７２による混合原料ガスＧｒの予備的な加熱は以下のようにしてなされる。例えば９００℃で流入口６２から加熱ガス流路６１に流入した加熱ガスＦは、加熱ガス流路６１を上昇流れとなって流下し、その間に反応管１で熱を消費されることで例えば５００℃となって予熱用加熱ガス流路７１に流入する。予熱用加熱ガス流路７１に流入した加熱ガスＦは、そこを下降流れとなって流下し、その間に伝熱管群７２の各伝熱管７３に熱を伝えることで、例えば４００℃となって流出口６４から排出される。混合器１５から供給される例えば３５０℃の混合原料ガスＧｒは、以上のようにして反応管１へ熱を与え終えた加熱ガスＦで加熱されている伝熱管群７２の各伝熱管７３に入口ヘッダ７４を介して流入し、各伝熱管７３を上昇流れとなって流下し、その間に各伝熱管７３により加熱されることで例えば５００℃程度になるような加熱を受け、出口ヘッダ７５から入口ノズル１６に流入する。
【００４７】
以上のように本実施形態では、第２の実施形態における伝熱高効率化構造に加えて、予熱構造が与えられている。このため、反応管１をその高さ方向でより一層コンパクト化することができるようになる。またその予熱構造において反応管１へ熱を与え終えた加熱ガスＦを利用するようにしているので、加熱ガスＦの利用効率を高めることができる。
【００４８】
図７に第４の実施形態による改質器の要部である反応管ユニットの構成を示す。図７は本実施形態による反応管ユニットを中心線に沿って縦方向に断面した状態を示している。本実施形態の反応管ユニットは、第１の実施形態における予熱構造と反応流路断面サイズ拡大構造に第２の実施形態における伝熱高効率化構造を組み合わせた構成とされている。したがって本実施形態の反応管ユニットについては、第１、第２の各実施形態について説明したことがそのまま当てはまる。そこで、第１、第２の各実施形態における改質器と共通する主な要素を図１や図４の場合と同一の符号で示すにとどめ、それらの説明は省略する。
【００４９】
図８に第５の実施形態による改質器の構成を示す。本実施形態は、反応流路の断面サイズの拡大により反応管のコンパクト化を図る場合であり、反応流路断面サイズの拡大を反応管ユニットの複数並列搭載で実現する場合である。具体的にいうと本実施形態の改質器は、図９に関して説明した従来の一般的な改質器におけるのと同様な反応管ユニット８１を複数台（図の例では４台）並列に搭載した構成とされている。以下では、複数の反応管ユニット８１の並列搭載構造について主に説明し、図９と共通する要素については図９と同一の符号を用い、それらの説明は適宜省略する。
【００５０】
改質器は、並列に配置された４台の反応管ユニット８１を備えるとともに、各反応管ユニット８１の入口ノズル１６に接続する原料ガス供給配管８２、各反応管ユニット８１の出口ノズル１７に接続する改質ガス回収配管８３、および各反応管ユニット８１の加熱ガス流入口１３に接続する加熱ガス供給配管８４を備えている。そして混合器１５で生成された原料ガスは、原料ガス供給配管８２により各反応管ユニット８１に供給され、一方、各反応管ユニット８１で生成された改質ガスは改質ガス回収配管８３を通じて外部に取り出される。また加熱ガス発生源である燃焼器（バーナ）８５で発生される加熱ガスＦは、加熱ガス供給配管８４を通じて各反応管ユニット８１に供給される。
【００５１】
以上のように本実施形態では、複数の反応管ユニット８１を並列に搭載するようにしており、このことで反応流路の断面サイズを実効的に拡大することができる。その結果、同一容量条件下で反応管２１の高さを抑えて反応管２１のコンパクト化を図ることができる。
【００５２】
ここで、本発明は、以上の実施形態に限られるものでなく、その趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば上記第５の実施形態では、並列搭載する反応管ユニットとして図９の反応管ユニットを用いていたが、これに代えて、例えば第１〜第４の各実施形態における反応管ユニットを用いる形態とすることも可能である。また上記各実施形態は、改質ガス流路に伝熱促進材を充填する場合であったが、伝熱促進材を用いない形態とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１の実施形態による改質器の反応管ユニットを中心線に沿って縦方向に断面した状態を示す図である。
【図２】図１中のＡ部で断面した状態を示す図である。
【図３】図１中のＢ部で断面した状態を示す図である。
【図４】第２の実施形態による改質器における反応管ユニットを中心線に沿って縦方向に断面した状態を示す図である。
【図５】第３の実施形態による改質器における反応管ユニットを中心線に沿って縦方向に断面した状態を示す図である。
【図６】図５中のＣ部で断面した状態を示す図である。
【図７】第４の実施形態による改質器における反応管ユニットを中心線に沿って縦方向に断面した状態を示す図である。
【図８】第５の実施形態による改質器の構成を示す図である。
【図９】従来の改質器における反応管ユニットの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、２１    反応管
４、４４    改質触媒
５    反応流路
６、４１    伝熱促進材
７、２７    改質ガス流路
９、４７、６７    ライナ（加熱ガス流路形成壁体）
１１、２２、６１    加熱ガス流路
１３、４８、６２    流入口
１４、４９、６４    流出口
２５    予熱流路
２６    第１の反応流路
２８    第２の反応流路
６３    上流側流路部
６５    下流側流路部
６９    流路幅調整体
７１    予熱用加熱ガス流路
７３    伝熱管
８１    反応管ユニット
Ｆ      加熱ガス
Ｇｒ    混合原料ガス（原料ガス）
【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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