(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料から改質ガスを生成する改質器であって、
内側筒状体と外側筒状体を円筒とし、これら円筒体に円環状の上蓋と円環状の底蓋を取り付けた改質容器と、
この改質容器の外側筒状体と内側筒状体と上蓋および底蓋の間に、上部に空隙を形成した状態で充填された改質触媒と、
前記底蓋に連結された複数本の改質ガス燃料供給管と、
前記底蓋および改質触媒を貫通し、前記改質触媒の上面から前記空隙に先端が突出した状態で、前記複数本の改質ガス燃料供給管の間にそれぞれ配設された複数本のリターンパイプと、
前記改質触媒および前記改質容器に供給される前記炭化水素原料を加熱するための熱源と、
前記改質容器の内側筒状体の内側側面に沿って、前記熱源からの排ガスの一部が流れる排ガス内側流路と、
前記改質容器の外側側面に沿って、前記熱源からの排ガスの残りが流れる排ガス外側流路と、
を具備したことを特徴とする改質器。
【請求項２】
前記排ガス外側流路を、前記外側筒状体と外殻筒とで形成し、かつ、前記排ガス内側流路を、前記内側筒状体と内側輻射筒とで形成したことを特徴とする請求項１記載の改質器。
【請求項３】
前記排ガス内側流路及び／又は排ガス外側流路の少なくとも一部をらせん状に形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の改質器。
【請求項４】
前記排ガス内側流路及び／又は排ガス外側流路のらせん形状を、前記排ガス内側流路及び／又は排ガス外側流路にらせん状に突設したフィンによって形成したことを特徴とする請求項３記載の改質器。
【請求項５】
前記フィンが、前記外殻筒に取り付けられるフィン胴部と、このフィン胴部の内面にらせん状に突設されたフィン本体からなることを特徴とする請求項４記載の改質器。
【請求項６】
前記フィンの高さ位置を調整自在としたことを特徴とする請求項５記載の改質器。
【請求項７】
前記フィンがピッチの異なる複数のフィンであって、これら複数のフィンを積み重ねたものであることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の改質器。
【請求項８】
前記改質容器，排ガス内側流路及び排ガス外側流路を前記熱源に対して同心状に設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料改質装置に使用される改質器に関し、バーナーを燃焼させたときの排ガスによって、二重円筒状の改質容器の内側及び外側の両側面を加熱し、さらに、生成された改質ガスが流れるリターンパイプを改質容器内に配設することにより、熱効率を向上させた改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水を電気分解するのとは逆に、炭化水素原料から生成した水素ガスと酸素を化学反応させて、この化学反応の際に発生する電気と熱（温水）を利用する電池である。
上記燃料電池は、炭化水素原料として、ナフサ、灯油等の石油系燃料や都市ガス等を用い、この炭化水素原料と水蒸気とを混合してガス状の改質ガス燃料とし、この改質ガス燃料を改質触媒とともに加熱することにより水素ガスを生成している。
このため、燃料電池は、炭化水素原料から水素ガスをいかに効率よく生成するかが最重要課題であり、水素ガスを生成する燃料改質装置及び改質器に関して、様々な技術が開示されている。【０００３】
たとえば、特許文献１には、改質器とその関連機器とを一つのユニットとしてまとめた燃料改質装置であって、真空断熱容器を備え、この真空断熱容器の内側空間を改質器の燃焼ガスの流路とし、燃焼ガスの流路に並設されかつ内部に改質触媒が装填され原料ガス（改質ガス燃料）を流通させてその改質を行なうための複数の改質管を有する燃料改質装置の技術が開示されている。
この技術によれば、セラミックファイバ等の断熱材を使用しなくても、真空断熱容器によって断熱することができるので、燃料改質装置の小型化及び熱効率の向上を図ることができる。【０００４】
また、特許文献２には、改質触媒層の前段に充填物を有する予熱層を設けた、円筒状の改質容器を備え、改質容器の内側側面に沿って排ガスを流すことにより、改質容器を加熱し、改質容器内で生成された水素ガスを、改質容器の外側側面に形成された流路に沿って流す単管円筒式改質器の技術が開示されている。
この技術によれば、予熱層を設けたことにより、原料予熱器が不要となり、原料を効率よく撹拌でき、かつ消費熱量を低減できる。また、各通路等の内部を羽根等によってらせん状に形成することにより、均一な温度分布を得ることができ、また、熱回収効率が向上するので、出口温度を所望の温度に設定することができる。
【特許文献１】特開２００３−３２７４０５号公報  （請求項１，２，３，４、図１）
【特許文献２】特開２００２−１８７７０５号公報  （請求項１，図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料改質装置は、真空断熱容器により熱効率を向上させることができるものの、たとえば、発電量が１ＫＷ程度の小型の燃料電池を想定した場合、改質器における熱効率を同程度とするには、単位面積当たりの放熱量をさらに低減する必要があった。
一般的に、燃料改質装置を小型化すると熱効率が低下するが、小型化しても熱効率が低下しない、好ましくは、熱効率をより向上させることの可能な改質器が要望されていた。【０００６】
また、特許文献２に記載された単管円筒式改質器によれば、改質容器の内側側面に沿って排ガスを流し、さらに、改質容器内で生成された水素ガスを、改質容器の外側側面に形成された流路に沿って流しているものの、熱効率をさらに向上させる必要があった。【０００７】
本発明は、上記問題を解決すべく、小型化しても熱効率を向上させることの可能な改質器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の改質器は、炭化水素原料から改質ガスを生成する改質器であって、内側筒状体と外側筒状体を有する改質容器と、この改質容器に充填された改質触媒と、この改質触媒および前記改質容器に供給される前記炭化水素原料を加熱するための熱源と、前記改質容器の外側側面に沿って、前記熱源からの排ガスが流れる排ガス外側流路と、前記改質容器の内側側面に沿って、前記熱源からの排ガスが流れる排ガス内側流路と、を具備した構成としてある。
このようにすると、排ガスに対する改質容器の単位容積当たりの伝熱面積を広くすることができるので、改質容器を小さくすることができ、結果として、熱効率を向上させることができる。【０００９】
また、本発明の改質器は、前記排ガス外側流路を、前記外側筒状体と外殻筒とで形成し、かつ、前記排ガス内側流路を、前記内側筒状体と内側輻射筒とで形成した構成としてある。
このようにすると、改質器を縦型とする場合であっても、排ガス内側流路と排ガス外側流路を単純な構造で容易に実現することができる。【００１０】
また、本発明の改質器は、前記排ガス内側流路及び／又は排ガス外側流路の少なくとも一部をらせん状に形成した構成としてある。
このようにすると、排ガスの伝熱効率を向上させることができるので、改質器の熱効率を高めることができる。【００１１】
また、本発明の改質器は、前記排ガス内側流路及び／又は排ガス外側流路のらせん形状を、ピッチ可変及び／又は位置移動可能とした構成としてある。
このようにすると、改質容器内に充填された改質触媒に対して、ピッチ間隔を調整することによって、加熱温度を制御することができるので、たとえば、改質容器の下部に位置する改質触媒を最適な加熱温度で加熱することができ、充填された位置にかかわらず改質触媒を有効利用することができる。
また、継続使用によって触媒が部分的に劣化した場合であっても、ピッチの位置・間隔を調整することによって、劣化していない有効な触媒を優先的に加熱することができる。【００１２】
また、本発明の改質器は、前記改質容器内に、生成された前記改質ガスが流れる改質ガス流路を設けた構成としてある。
このようにすると、生成された改質ガスが有する高熱を有効利用して、改質触媒および改質ガス燃料を加熱することができるので、熱効率をより向上させることができる。【００１３】
また、本発明の改質器は、前記改質ガス流路として、複数のリターンパイプを用いた構成としてある。
このようにすると、改質ガス流路の伝熱面積が広くなり、改質ガスの顕熱によって、改質触媒および改質ガス燃料を効率よく加熱することができるので、熱効率をさらに向上させることができる。【００１４】
また、本発明の改質器は、前記内側筒状体及び／又は外側筒状体に、曲り部及び／又は凹凸を設けた構成としてある。
このようにすると、排ガスに対する伝熱面積が増加するので、熱効率をさらに向上させることができる。【００１５】
また、本発明の改質器は、前記改質容器，排ガス内側流路及び排ガス外側流路を前記熱源に対して同心状に設けた構成としてある。
このようにすると、改質容器に充填された改質触媒を、周方向にほぼ均一に加熱することができるので、改質触媒を有効に利用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明における改質器によれば、改質容器の内側及び外側の両側面に沿って排ガスが流れるので、排ガスに対する改質容器の伝熱面積を広くすることができ、熱効率を向上させることができる。また、生成した改質ガスを改質容器内に形成した流路を通すことにより、高温の改質ガスが有する熱を有効利用することができ、熱効率をさらに向上させることができる。
さらに、排ガス内側流路及び／又は排ガス外側流路のらせん形状を、ピッチ可変及び／又は位置移動可能とすることにより、改質容器内に充填された改質触媒に対して、加熱温度を制御することができ、充填された位置にかかわらず改質触媒を有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる改質器の概略図であり、（ａ）は上面方向断面図を、（ｂ）はＡ−Ａ断面図を示している。
【図２】第一応用例にかかる改質容器の要部の概略拡大図であり、（ａ）は曲り部を設けた断面図を、（ｂ）は凹凸を設けた断面図を示している。
【図３】第二応用例にかかる改質容器の要部の概略拡大図を示している。
【図４】本発明の第二実施形態にかかる改質器の外部フィンの概略図であり、（ａ）は拡大断面図を、（ｂ）は取付断面図を示している。
【図５】第三応用例にかかる改質器の外部フィンの概略図であり、（ａ）は拡大断面図を、（ｂ）は取付断面図を示している。
【図６】本発明の第三実施形態にかかる改質器の概略図であり、（ａ）は上面方向断面図を、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図を示している。
【符号の説明】
【００１８】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ  改質器
２  バーナー
２ｃ  セル
３  内側輻射筒
４  改質容器
５  真空断熱容器
６  リターンパイプ
７，７ａ  フィン
２１  炎
４０  改質触媒
４１，４１ａ  内側筒状体
４２，４２ａ  外側筒状体
４１ｂ，４２ｂ  曲り部
４１ｃ，４２ｃ  凹凸
４３  上蓋
４４  改質ガス燃料供給管
３０  排ガス内側流路
５０  排ガス外側流路
５１  外殻筒
５２  断熱材
６０  ガス流路
６１  仕切り板
６２  ガス排出口
７１，７１ａ  フィン本体
７２  フィン胴部
７３  取付けねじ
７４  ナット
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
[第一実施形態]
図１は、本発明の第一実施形態にかかる改質器の概略図であり、（ａ）は上面方向断面図を、（ｂ）はＡ−Ａ断面図を示している。
同図において、改質器１は、中心部から外周方向に向かって、バーナー２，内側輻射筒３，改質容器４及び真空断熱容器５を設けた構成としてある。
本実施形態の改質器１は、燃料電池の燃料改質装置に組み込まれた改質器としてあり、図示してないが、改質器１の下方に、燃料改質装置に必要な関連機器、たとえば、水蒸発器，炭化水素原料気化器，炭化水素原料と水蒸気を混合する混合ノズル等が設けられている。
なお、本発明の改質器１は、燃料改質装置としてユニット化される場合に限定されるものではなく、たとえば、水蒸発器等から独立した状態で燃料電池に使用されてもよい。【００２０】
改質容器４は、内側筒状体４１と外側筒状体４２を備えた筒状の密閉容器であり、内部に改質触媒４０が充填されている。
この改質容器４は、内側筒状体４１と外側筒状体４２を円筒とし、これら円筒に円環状の上蓋４３及び底蓋（図示せず）を溶接した二重円筒としてある。
なお、改質容器４の内側筒状体４１と外側筒状体４２は、上記形状に限定されるものではなく、たとえば、図２（ａ）に示すように、伝熱面積を増加させるための曲り部４１ｂ，４２ｂを形成した内側筒状体４１ａと外側筒状体４２ａとしてもよい。また、曲り部４１ｂ，４２ｂの代わりに、同図（ｂ）に示すように、凹凸４１ｃ，４２ｃを形成した形状としてもよい。このようにすると、排ガスに対する伝熱面積が増加するので、熱効率をさらに向上させることができる。【００２１】
また、改質容器４は、８本の改質ガス燃料供給管４４が、周方向に等間隔で底蓋に連結されており、この改質ガス燃料供給管４４を経由して改質ガス燃料が改質容器４に供給される。このように、改質ガス燃料供給管４４を周方向に等間隔で配設することにより、改質ガス燃料を周方向にほぼ均一な状態で供給することができ、改質容器４内の改質触媒４０を周方向にほぼ同じ状態で反応させることができる。
改質容器４に供給された改質ガス燃料は、改質容器４内部を上昇しながら改質触媒４０によって水素ガスに改質される。
なお、改質ガス燃料供給管４４は、８本に限定されるものではなく、たとえば、１６本や２４本等でもよい。【００２２】
改質容器４は、容器上部の空隙４５に生成された水素ガスを回収する水素ガス流路として、８本のリターンパイプ６を上記改質ガス燃料供給管４４の間に配設してある。また、改質容器４は、容器上部に空隙４５が形成されるように、改質触媒４０が充填されており、リターンパイプ６は、底蓋を貫通した状態で、充填された改質触媒４０の上面から、リターンパイプ６の先端が突出するように取り付けられており、空隙４５に溜まった水素ガスを改質容器４の下方に排出する。
ここで、各リターンパイプ６を改質ガス燃料供給管４４の間に配設することにより、改質ガス燃料供給管４４から供給された改質ガス燃料が、ほぼ上方に流れるので、偏流が発生するといった不具合を防止でき、改質触媒４０の反応速度を周方向においてほぼ均一にすることができる。したがって、改質触媒４０の寿命が尽きるまで、安定した状態で水素ガスを生成することができる。
また、リターンパイプ６を改質容器４の内部に設けることにより、生成された高温の水素ガスがリターンパイプ６を流れる際、周囲の改質触媒４０及び改質ガス燃料を加熱するので、その分熱効率を向上させることができる。【００２３】
また、本実施形態では、水素ガス流路として、リターンパイプ６を使用した構成としてあるが、この構成に限定されるものではなく、図３に示すように、内側筒状体４１と外側筒状体４２の間に垂直方向に仕切り板６１を溶接して、周方向に等間隔で四つのガス流路６０を形成してもよい。
このガス流路６０は、構造が単純化されているので、製造原価のコストダウンを図ることができる。
なお、ガス流路６０を通過した水素ガスは、ガス排出口６２からガス排出パイプ（図示せず）へと流出する。【００２４】
改質器１は、改質容器４の下方中心部に、バーナー２が設けてあり、このバーナー２と改質容器４の間に、バーナー２からの炎２１が改質容器４に直接当たらないように、改質容器４とほぼ同じ高さを有する内側輻射筒３が設けてある。この内側輻射筒３と改質容器４との間には、排ガス内側流路３０が形成され、バーナー２によって上方に吹き上げられた排ガスの一部は、この排ガス内側流路３０を通って下方向に流れ、この際、改質容器４の内側側面と接触して、改質容器４を加熱する。【００２５】
また、外殻筒５１と改質容器４の外側筒状体４２との間には、排ガス外側流路５０が形成され、バーナー２によって上方に吹き上げられた排ガスの残りは、この排ガス外側流路５０を通って下方向に流れる。この際、排ガスが改質容器４の外側側面と接触して改質容器４を加熱する。
なお、本実施形態では、断熱手段として、真空断熱容器５とその内側に設けた断熱材５２を使用している。また、断熱材５２を収納する外殻筒５１の内側側板を、熱を内側に輻射するために利用することもできる。【００２６】
ここで、好ましくは、改質容器４，排ガス内側流路３０及び排ガス外側流路５０をバーナー２に対して同心状に設けるとよく、このようにすると、改質容器４に充填された改質触媒４０を、周方向にほぼ均一に加熱することができ、改質触媒４０を有効に利用することができる。また、周方向に対して反応条件をほぼ同じにすることができるので、生成される水素ガスの濃度が、周方向によって異なるといった不具合を防止することができる。
なお、バーナー２は、一本の炎２１が噴き出す構成としてあるが、このタイプのバーナーに限定されるものではなく、たとえば、円環状に炎が噴き出すバーナーを使用してもよい。【００２７】
次に、上記構成の改質器１の動作について説明する。
改質器１は、まずバーナー２が点火されると、内側輻射筒３を通って上昇した排ガスが排ガス内側流路３０及び排ガス外側流路５０を流れ、改質容器４の内側側面及び外側側面の両側面から改質容器４を加熱する。そして、改質容器４等が所定の温度まで加熱すると、改質ガス燃料供給管４４から約５００℃に昇温された改質ガス燃料が供給される。
供給された改質ガス燃料は、改質容器４内を上昇しながら加熱されるとともに改質触媒４０によって化学反応を起こし、改質容器４の上部に到達するころには水素ガスに改質されるとともに、約７００℃の高温ガスに昇温される。【００２８】
上記のように生成された水素ガスは、リターンパイプ６を介して改質容器４の下方に排出される。そして、リターンパイプ６を通過する際、約７００℃の高温水素ガスは、リターンパイプ６を介して改質ガス燃料及び改質触媒４０を加熱する。【００２９】
このように、本実施形態の改質器１は、改質容器４が内側及び外側の両面から加熱されるので、伝熱面積が広くなり熱効率を向上させることができる。
また、生成された高温の水素ガスを改質容器４の内部に配設されたリターンパイプ６に流すことにより、改質ガス燃料及び改質触媒４０を加熱することもできるので、熱効率をさらに向上させることができる。【００３０】
[第二実施形態]
図４は、本発明の第二実施形態にかかる改質器の外部フィンの概略図であり、（ａ）は軸方向断面図を、（ｂ）は取付断面図を示している。
同図において、改質器１ａは、排ガス外側流路５０に、フィン７を設けた構成としてある。
フィン７は、外殻筒５１に挿入されるフィン胴部７２と、このフィン胴部７２の内面にらせん状に突設されたフィン本体７１とからなっており、排ガスがフィン７と接触し流れ方向が変化することにより、改質容器４への伝熱効率を高くすることができる。
このフィン７は、フィン本体７１に貫通孔が穿設されており、この貫通孔に全ねじからなる取付けねじ７３が挿入され、任意の高さ位置に固定される。
なお、その他の構成は、上記改質器１とほぼ同様としてある。【００３１】
上記構成の改質器１ａは、改質容器４に対しフィン７の高さ位置を自在に調整することができるので、改質容器４の高さ方向の温度を調整することができる。すなわち、改質容器４内の改質触媒４０は、約５５０〜６５０℃の温度範囲において、効率よく化学反応が行なわれるので、上記フィン７を設けることにより、上下方向における改質触媒４０の温度を強制的に調整することができる。
このようにすると、たとえば、改質容器４に約１０年分の改質触媒４０を充填した場合、改質容器４の下方の改質触媒４０は、温度が比較的低くなるので、十分性能を発揮できないことが想定されるが、フィン７の高さを調整することにより、改質容器４の上部から下部に至るまでの改質触媒４０に対して、最適な温度で化学反応を行なうことができ、水素ガスを効率よくかつ安定的に生成するとともに、改質触媒４０を有効に使用することができる。
なお、本実施形態では、排ガス外側流路５０にフィン７を設けているが、排ガス内側流路３０にほぼ同様の構造を有するフィンを設けることも可能である。【００３２】
また、本実施形態では、排ガス外側流路５０の一部に、フィン７を設ける構成としてあるが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、図５に示すように、異なるピッチのフィン７ａを積み重ねる構成としてもよく、このようにすると、熱の伝達効率を全体的に向上させるとともに、
また、ピッチの狭いフィン７を上段に積み重ねたとき、改質容器４の上部の改質触媒４０を重点的に使用でき、また、図示してないが、フィン７を下段に積み重ねたときは、改質容器４の下部の改質触媒４０を重点的に使用することができる。すなわち、フィン７，７ａの積み重ねる順番を、たとえば、定期メンテナンスの際に交換することにより、フィン（らせん形状）のピッチを変更することができるので、高さ位置にかかわらず最適な温度に改質触媒４０を加熱することができ、改質触媒４０全体を有効に使用することができる。【００３３】
以上、本発明の改質器について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る改質器は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、改質器１の内側筒状体４１及び外側筒状体４２は、軸方向に曲り部を設けたジャバラ状の形状としてもよく、このようにしても、排ガスとの伝熱面積が大きくなり、熱効率を向上させることができる。【００３４】
また、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、発電時の発熱に加え、一般に余剰の水素をセル出口で燃焼させていることから、高温の排ガスが発生する。この場合、図６に示すように、熱源としてバーナーの代わりに、ＳＯＦＣのセル２ｃを用いてもよい。このようにすると、改質器１ｃは、セル２ｃから排出される高温の排ガスを利用することにより、構造を単純化でき製造原価のコストダウンを図ることができるとともに、全体的なエネルギー効率を向上させることができる。
なお、セル２ｃの数量は、一又は二以上としてある。したがって、セル２ｃは、単品のセルを集合させたスタックやバンドルなどを含むものである。また、セル２ｃから排出される高温の水蒸気等が、熱源からの排ガスとして機能する。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の改質器は、触媒として改質触媒を用い、反応ガスとして改質ガス燃料を用いる場合に限定されるものではなく、たとえば、所定の温度で触媒を用いて化学反応を行なう反応装置としても、本発明を適用することが可能である。
【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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