(57)【要約】【課題】  吸熱反応を伴う熱交換器において、（イ）改質ガス入口部近傍吸熱改質反応を促進させ、（ロ）改質ガス出口部における改質ガスの温度上昇を抑えた改質器用熱交換器の提供。【解決手段】（１）吸熱反応を伴う改質器用熱交換器１０であって、改質ガスの流路に対して、高温熱媒体との熱交換部１３を複数箇所形成し、各熱交換部に対して、高温熱媒体が並列に供給される改質器用熱交換器。（２）前記熱交換部は、積層型熱交換器である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱反応を伴う改質器用熱交換器であって、改質ガスの流路に対して、高温熱媒体との熱交換部を複数箇所形成し、各熱交換部に対して、高温熱媒体が並列に供給される改質器用熱交換器。
【請求項２】
前記熱交換部は、積層型熱交換器である請求項１記載の改質器用熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸熱反応を伴う改質器用熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器において、熱交換する２流体の温度差を高くとって熱交換効率を上げるために、熱交換する２流体を対向する向きに流すことは知られている（たとえば、特開昭５９−２９９９２号公報）。
本出願人が従来開発してきた、炭化水素系燃料と改質水を含む改質原料から水素リッチの改質ガスを生成する改質器用熱交換器３０においても、図５〜図７に示すように、熱交換効率を高くするために、改質原料、改質ガス（以下、単に「改質ガス」という）の流れ３１と高温熱媒体である燃焼ガスの流れ３２とを、互いに対向する流れとしていた。図５は、図７の積層型熱交換器におけるＣ−Ｃ断面での改質ガス流路を示しており、図６は、図７のＤ−Ｄ断面における燃焼ガス流路を示しており、改質ガスは高温燃焼ガスからの熱を吸熱しながら、水素生成の改質反応を行う。
ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ  →  ＣＯ＋３Ｈ2 −Ｑ
ここで、Ｑ：吸熱改質反応の吸熱量
【特許文献１】特開昭５９−２９９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、図５〜図７の改質用熱交換器３０には、つぎの問題点があった。図８は、図５〜図７の改質用熱交換器３０における、改質ガスと燃焼ガスの温度変化を示す。
（イ）図６、図８に示すように、燃焼ガス温度は、燃焼ガス入口部Ａから燃焼ガス出口部Ｂに流れるにしたがい、改質ガスとの熱交換により、大幅に低下する。したがって、改質ガス入口部Ｆ近傍（改質原料が触媒活性温度に上昇し吸熱改質反応の一定温度領域に入った直後の領域）では、改質ガスと燃焼ガスの温度差が小で熱交換されにくく、熱伝達律速になっており、改質ガスにもっと熱を与えて改質反応速度を上げてもよいのにかかわらず、改質ガスへの熱の供給が不足して、改質反応が遅くなっている状態にある。
（ロ）改質ガス出口部Ｅ近傍においては、反応律速になっているにかわらず、燃焼ガス温度が高く維持されて過剰の熱が改質ガスに与えられるため、本来反応に使われるべき熱が、改質ガスの温度上昇に多く使われてしまい（図８のハッチ領域が、燃焼ガスの熱量が改質ガス温度上昇に用いられた部分）、燃焼ガスの熱の改質反応への利用効率が悪くなり、かつ、吸熱改質反応の一定温度領域が狭くなる（一定温度領域に入った後早くから改質ガスの温度が上がるため）。また、改質ガス出口部Ｅにおいて改質ガス温度が高くなり過ぎているため、熱交換器の耐久性が低下する。
【０００４】
本発明の目的は、吸熱反応を伴う熱交換器において、
（イ）改質ガス入口部近傍（活性化後の吸熱改質反応の一定温度領域における改質ガス入口に近い領域部分）での燃焼ガス温度を上げ改質ガスへの熱伝達量を増やし従来の熱伝達律速を解消して吸熱改質反応を促進させ、
（ロ）吸熱改質反応の一定温度領域を改質ガス出口側に拡げて改質反応領域を増大させるとともに、改質ガス出口部における改質ガスの温度上昇を抑えた、
改質器用熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する本発明は、また、上記目的を達成する本発明は、つぎのとおりである。
（１）吸熱反応を伴う改質器用熱交換器であって、改質ガスの流路に対して、高温熱媒体との熱交換部を複数箇所形成し、各熱交換部に対して、高温熱媒体が並列に供給される改質器用熱交換器。
（２）前記熱交換部は、積層型熱交換器である（１）記載の改質器用熱交換器。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の改質器用熱交換器によれば、改質ガスの流路に対して、高温熱媒体（燃焼ガス）との熱交換部が、複数箇所、互いに直列に形成され、各熱交換部に高温熱媒体が並列に供給されるので、
（イ）各熱交換部で改質ガスと高温熱媒体との熱交換が行われ、改質ガス入口部近傍での改質原料と高温熱媒体との温度差が大きくなり、改質ガス入口部近傍での高温熱媒体から改質原料への伝達熱量が増え、改質ガス入口部近傍での改質ガスへの熱の供給不足および改質ガス入口部近傍の熱伝達律速が解消され、吸熱改質反応が促進される。
（ロ）また、複数の熱交換部の各熱交換部において吸熱改質反応が促進されることにより、吸熱改質反応の一定温度領域が拡大し（改質ガス出口側に拡大し）、その結果、高温熱媒体の熱量の改質反応への利用量が増えるとともに、改質原料の出口部近傍での改質ガスの温度上昇に使われる熱量が低減する。また、改質ガスの出口部近傍での改質ガスの温度の上昇抑制によって、熱交換器の耐久性も向上する。
上記（２）の改質器用熱交換器によれば、熱交換部が積層型熱交換器であるため、熱交換器がコンパクトになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の改質器用熱交換器を、図１〜図４を参照して説明する。
本発明の改質器用熱交換器１０は、吸熱反応を伴う反応型の熱交換器である。
改質器用熱交換器１０は、改質原料（炭化水素系燃料、たとえば、メタン、メタノール等と、改質水）を、高温熱媒体（「燃焼ガス」ともいう）との熱交換と、改質触媒により促進された吸熱改質反応を伴って、水素リッチの「改質ガス」を生成する。以下、「改質ガス」という用語には、改質前の「改質原料」も含むものとする。
改質器用熱交換器１０は、改質ガス流路１１と燃焼ガス流路１２を有し、改質ガス流路１１の、伝熱フィンを含む内表面に、改質反応のための改質触媒（貴金属、ニッケル等）が担持されている。改質触媒は、流路壁面への担持に換えて、流路にペレットを配置したものでもよい。
改質ガス流路１１には改質ガス（改質原料であるを含む）が流れ、燃焼ガス流路１２には燃焼ガスが流れる。改質ガスと燃焼ガスは互いに混じり合わない。改質ガス流路１１を流れる改質ガスの流れと、燃焼ガス流路１２を流れる燃焼ガスの流れとは、互いに対向する流れである。
【０００８】
改質器用熱交換器１０は、複数の熱交換部１３を有する。改質ガスは複数の熱交換部１３を直列に流れ、燃焼ガスは複数の熱交換部１３を並列に流れる。
図１、図２は、熱交換部１３が２段（第１段の熱交換部１３Ａ、第２段の熱交換部１３Ｂ）設けられた場合を示すが、熱交換部１３の数は２とは限らず、３以上であってもよい。複数の熱交換部１３Ａ、１３Ｂは、単一の積層型熱交換器を複数段に分離壁１６で仕切って形成されてもよいし、あるいは、別々の熱交換器から形成されてもよい。
【０００９】
図１は図３のＤ−Ｄ断面を示しており、燃焼ガス流路１２を示している。改質ガス流路１１は図３のＣ−Ｃ断面にあり、Ｄ−Ｄ断面とは異なる断面であり、図１の紙面とは異なる面にある。図２は、図１のＫ−Ｋ線に沿った断面を示す。
【００１０】
図１の紙面と異なる面内において、改質ガスは、まず第１段の熱交換部１３Ａに流入し、ついで第１段の熱交換部１３Ａから流出し、ついで、第２段の熱交換部１３Ｂに流入し、ついで第２段の熱交換部１３Ｂから流出する。
【００１１】
図１の紙面内において、燃焼ガスは、燃焼ガス入口マニホールド１４Ａから第１段の熱交換部１３Ａに流入し、第１段の熱交換部１３Ａを改質ガスと対向して流れ、ついで第１段の熱交換部１３Ａから燃焼ガス出口マニホールド１５Ａに流出する。
燃焼ガスは、第１段の熱交換部１３Ａを流れるのとは別に、燃焼ガス入口マニホールド１４Ｂから第２段の熱交換部１３Ｂに流入し、第２段の熱交換部１３Ｂを改質ガスと対向して流れ、ついで第２段の熱交換部１３Ｂから燃焼ガス出口マニホールド１５Ｂに流出する。
第１段の熱交換部１３Ａの燃焼ガスの流れと第２段の熱交換部１３Ｂの燃焼ガスの流れとは、互いに並列である。第１段の熱交換部１３Ａの燃焼ガスの流れと第２段の熱交換部１３Ｂの燃焼ガスの流れとは、分離壁１６によって、互いに隔てられる。
【００１２】
１７は燃焼ガスと改質ガスとを分離しシールするシール部であり、１８は改質部外壁１９と熱交換部１３との間をシールして改質ガスが熱交換部１３を通過せずに吹き抜けることを防止するシール部である。
各熱交換部１３は、伝熱フィンを有する。２０は改質ガス側伝熱フィンを示し、２１は燃焼ガス側伝熱フィンを示す。
【００１３】
図３に示すように、改質器用熱交換器１０は、改質ガス側伝熱フィン２０、積層プレート２２、燃焼ガス側伝熱フィン２１、積層プレート２２を順に積層した、積層型熱交換器から構成されてもよい。
改質ガス側伝熱フィン２０の表面および積層プレート２２の改質ガス側表面には、改質触媒が担持される。
積層プレート２２の中央に分離壁１６が設けられていて、熱交換部１３を複数の熱交換部１３Ａ、１３Ｂに分離している。
【００１４】
つぎに、本発明の改質器用熱交換器１０の作用、効果を説明する。
【００１５】
改質ガス流路１１に対して、高温熱媒体（燃焼ガス）との熱交換部１３が、複数箇所（第１の熱交換部１３Ａ、第２の熱交換部１３Ｂ）、互いに直列に形成され、各熱交換部に燃焼ガスが並列に供給されるので、各熱交換部１３Ａ、１３Ｂで改質ガスと燃焼ガスとの熱交換が行われ、改質ガス入口部Ｆ近傍（改質ガス温度が触媒活性化温度に上がって、一定温度領域に入った直後の領域）での改質ガスと燃焼ガスとの温度差が大きくなり、改質ガス入口部Ｆ近傍での燃焼ガスから改質ガスへの伝達熱量が増える。その結果、改質ガス入口部Ｆ近傍での改質ガスへの熱の供給不足が解消され、改質ガス入口部近傍の熱伝達律速が解消され、吸熱改質反応が促進される。
【００１６】
また、複数の熱交換部１３の各熱交換部１３Ａ、１３Ｂにおいて吸熱改質反応が促進されることにより、吸熱改質反応が行われている一定温度領域が拡大し（改質ガス出口部Ｅ側に拡大し）、その結果、燃焼ガスの熱量の改質反応の吸熱への利用量が増え、広い領域において改質反応が促進される。また、改質ガスの出口部Ｅ近傍での改質ガスの温度上昇に使われる熱量が低減し、改質ガスの出口部Ｅ近傍の改質ガス温度が従来に比べて低減する。その結果、熱交換器の改質ガス流路の耐久性も向上する。
【００１７】
また、熱交換部１３が積層型熱交換器であるため、熱交換部１３Ａ、１３Ｂが別体の場合に比べて、熱交換器がコンパクトになる。その結果、コストダウン、車両への搭載性に有利等の種々の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の改質器用熱交換器の燃焼ガス流路部分の断面図である。
【図２】図１の改質器用熱交換器のＫ−Ｋ線断面図である。
【図３】図２の改質器用熱交換器の積層コア部品の斜視図である。
【図４】本発明の改質器用熱交換器の、燃焼ガス、改質ガスの温度と燃焼ガス、改質ガスの流れ方向位置との関係を示すグラフである。
【図５】本出願人が従来開発してきた改質器用熱交換器の改質ガス流路部分の断面図（図７のＣ−Ｃ断面図）である。
【図６】図５の改質器用熱交換器の燃焼ガス流路部分の断面図（図７のＣ−Ｃ断面図）である。
【図７】図５の改質器用熱交換器の積層コア部品の斜視図である。
【図８】図５の改質器用熱交換器の、燃焼ガス、改質ガスの温度と燃焼ガス、改質ガスの流れ方向位置との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１０  改質器用熱交換器
１１  改質ガス流路
１２  燃焼ガス流路
１３  熱交換部
１３Ａ  第１の熱交換部
１３Ｂ  第２の熱交換部
１４Ａ  （第１の熱交換部Ａに対する）燃焼ガス入口マニホールド
１４Ｂ  （第２の熱交換部Ｂに対する）燃焼ガス入口マニホールド
１５Ａ  （第１の熱交換部Ａに対する）燃焼ガス出口マニホールド
１５Ｂ  （第２の熱交換部Ｂに対する）燃焼ガス出口マニホールド
１６  分離壁
１７  シール部
１８  シール部
１９  改質部外壁
２０  改質ガス伝熱フィン
２１  燃焼ガス伝熱フィン
【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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