(57)【要約】【課題】改質容器が熱伸縮しても、触媒に生ずる熱応力が小さく、触媒の損傷を防止するとともに、改質容器の酸化皮膜の破壊による損傷を軽減する改質反応装置および燃料電池発電装置を提供すること。【解決手段】炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置であって、改質反応を加速する触媒６０と、触媒を収容し長手方向に伸縮する伸縮管２６と、伸縮管を内部に有する容器２０とを備える改質反応装置１２。上記の改質反応装置と、改質反応した水素を含有するガスを導入し発電を行う燃料電池とを備える燃料電池発電装置。【選択図】図１
2007269528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置であって；
前記改質反応を加速する触媒と；
前記触媒を収容し、長手方向に伸縮する伸縮管と；
前記伸縮管を内部に有する容器とを備える；
改質反応装置。
【請求項２】
炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置であって；
前記改質反応を加速する触媒と；
前記触媒を収容する容器と；
前記容器に開口し、前記炭化水素を含むガスを導入する導入口と；
前記容器に開口し、改質反応したガスが導出する導出口とを備え；
前記導入口と前記導出口とは前記触媒を鉛直方向で挟む位置に配置され；
前記容器の内部空間は、鉛直方向上方に向って断面が大きくなるテーパ形状に形成され、前記触媒の鉛直上方に触媒のない空間を有する；
改質反応装置。
【請求項３】
炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置であって；
前記改質反応を加速する触媒と；
前記触媒を収容する容器と；
体積が変化し、前記触媒あるいは前記容器の熱伸縮による体積変化を吸収する応力緩和材を、前記触媒と共に備える；
改質反応装置。
【請求項４】
炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置であって；
前記改質反応を加速する触媒と；
前記触媒を収容する容器と；
前記容器に開口し、前記炭化水素を含むガスを導入する導入口と；
前記容器に開口し、改質反応したガスが導出する導出口とを備え；
前記導入口と前記導出口とは前記触媒を水平方向で挟む位置に配置され；
前記触媒は、鉛直断面において深さの最大値より幅の最大値を大きくし、前記触媒の鉛直上方に触媒のない空間を有して収容される；
改質反応装置。
【請求項５】
前記容器の上部に前記炭化水素を含むガスの水平方向流れを妨害するバッフルプレートを有する；
請求項４に記載の改質反応装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の改質反応装置と；
前記改質反応した水素を含有するガスを導入し、発電を行う燃料電池とを備える；
燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質反応装置および燃料電池発電装置に関し、特に容器と触媒の熱伸縮の差による損傷を低減する改質反応装置および燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分散型発電システムとして開発が進められている燃料電池の多くは水素を燃料として発電するが、水素は炭化水素系の原料を触媒を用いた改質反応により製造するのが一般的である。改質反応は高温で進行するため、改質反応装置の起動・停止に伴い熱膨張・熱収縮が繰返される。すなわち、起動時には触媒を収容する改質容器が高温になり熱膨張することにより触媒が沈下する。そして運転の停止による冷却に伴い改質容器が収縮するため、触媒および改質容器に応力が生ずる。このように繰り返し発生する熱応力により触媒の破壊などを生ずることがある。特に、炭化水素を水素に改質する改質反応装置は、７００〜９００℃程度の高温水蒸気含有雰囲気で使用されるため、改質容器に水蒸気酸化を生じることがある。水蒸気酸化による腐食生成物が健全な皮膜として作用する場合は問題ないが、この皮膜が触媒との摩擦などによって破壊されると、改質容器が腐食損傷しやすくなる。特に触媒を充填した部分においては，触媒の沈下に起因する熱応力が改質容器に生じやすく，皮膜が破壊され腐食が促進される場合がある。そこで熱応力の発生を抑えるため、内筒と外筒の間に触媒を充填し、反応容器の起動時と停止時の内筒および外筒の熱収縮に合わせて触媒底部の支持体の支持方法を変え、触媒の空間を拡大・縮小して熱応力を低減する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３−２４５８３３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、内筒と外筒を備えることは容器のスペース利用等で効率的ではない。また、上記の方法では支持方法を変えるために、支持体と内筒あるいは支持体と外筒との間で相対的な移動が起き、両者の間で磨耗損傷を生ずる可能性がある。そこで、本発明は、改質容器と触媒に熱伸縮の差が生じても、改質容器および触媒に生ずる熱応力が小さな改質反応装置および燃料電池発電装置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】
【０００４】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置は、例えば図１に示すように、改質反応を加速する触媒６０と；触媒６０を収容し、長手方向に伸縮する伸縮管２６と；伸縮管２６を内部に有する容器２０とを備える。
【０００５】
このように構成すると、触媒が長手方向に伸縮する伸縮管に収容されているので、熱伸縮に差があっても、容器と触媒との体積の差は伸縮管が長手方向に伸縮することで吸収される。よって、触媒と容器とに生ずる熱応力は低減される。
【０００６】
前記目的を達成するため、請求項２に記載の発明に係る炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置は、例えば図２に示すように、改質反応を加速する触媒６０と；触媒６０を収容する容器３０と；容器３０に開口し、炭化水素を含むガスＧを導入する導入口３２と；容器３０に開口し、改質反応したガスＲが導出する導出口３４とを備え；導入口３２と導出口３４とは触媒６０を鉛直方向で挟む位置に配置され；容器３０の内部空間３８は、鉛直方向上方に向って断面が大きくなるテーパ形状に形成され、触媒６０の鉛直上方に触媒６０のない空間を有する。なおここで、「鉛直」とは厳密な意味での鉛直方向でなくてもよく、実質的に鉛直方向であればよい。
【０００７】
このように構成すると、容器の内部空間が上方に向って断面が大きくなるテーパ形状に形成されているので、熱伸縮に差があっても、容器と触媒との体積の差は触媒が上下に移動することにより吸収される。特に触媒が圧縮され触媒と容器に熱応力が生ずるときには、触媒が上方の空間に逃げることにより体積の差が吸収される。よって、触媒と容器とに生ずる熱応力は低減される。
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項３に記載の発明に係る炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置は、例えば図３に示すように、改質反応を加速する触媒６０と；触媒６０を収容する容器２０と；体積が変化し、触媒６０あるいは容器２０の熱伸縮による体積変化を吸収する応力緩和材６２を触媒６０と共に備える。
【０００９】
このように構成すると、触媒あるいは容器の熱伸縮による体積変化を吸収する応力緩和材を触媒と共に備えるので、熱伸縮に差があっても、容器と触媒との体積の差は応力緩和材にて吸収される。よって、触媒と容器とに生ずる熱応力は低減される。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項４に記載の発明に係る炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置は、例えば図４に示すように、改質反応を加速する触媒６０と；触媒６０を収容する容器４０と；容器４０に開口し、炭化水素を含むガスＧを導入する導入口３２と；容器４０に開口し、改質反応したガスＲが導出する導出口３４とを備え；導入口３２と導出口３４とは触媒６０を水平方向で挟む位置に配置され；触媒６０は、鉛直断面において深さの最大値ｈより幅の最大値ｖを大きくし、触媒６０の鉛直上方に触媒のない空間４４を有して収容される。なおここで、「鉛直」あるいは「水平」とは厳密な意味での鉛直あるいは水平方向でなくてもよく、実質的に鉛直あるいは水平方向であればよい。「深さ」とは鉛直方向に測定し、「幅」とは水平方向に測定した値とする。
【００１１】
このように構成すると、触媒あるいは容器の熱伸縮による体積変化を生じても、容器は水平面での最大断面積が鉛直面での最大断面積より大きく形成されているので、容器と触媒との体積変化の差は触媒が上下に移動することで吸収される。特に触媒が圧縮され触媒と容器に熱応力が生ずるときには、触媒が上方の空間に逃げることにより体積の差が吸収される。よって、触媒と容器とに生ずる熱応力は低減される。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明に係る改質反応装置は、例えば図４に示すように、請求項４に記載の改質反応装置１８において、容器４０の上部に炭化水素を含むガスＧの水平方向流れを妨害するバッフルプレート４２を有する。
【００１３】
このように構成すると、容器の上部に炭化水素を含むガスの水平方向流れを妨害するバッフルプレートを有するので、炭化水素を含むガスが容器内で触媒のない空間を流れることが防止され、確実に改質反応することになる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池発電装置は、例えば図５に示すように、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の改質反応装置１２と；改質反応した水素を含有するガスＲを導入し、発電を行う燃料電池７０とを備える。
【００１５】
このように構成すると、熱伸縮により触媒および容器が損傷を受けにくい改質装置にて水素を製造し、製造した水素を用いて発電する燃料電池が提供される。よって、例えば起動停止が繰り返されても容器と触媒とに生ずる熱応力の小さな燃料電池発電装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置によれば、改質反応を加速する触媒と、触媒を収容し長手方向に伸縮する伸縮管と、伸縮管を内部に有する容器とを備えるので、熱伸縮に差があっても容器と触媒との体積の差は伸縮管が長手方向に伸縮することで吸収され、触媒と容器とに生ずる熱応力は低減される。したがって、触媒と容器とに生ずる熱応力の小さな改質反応装置が提供される。
【００１７】
本発明に係る炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置によれば、改質反応を加速する触媒と、触媒を収容する容器と、容器に開口し炭化水素を含むガスを導入する導入口と、容器に開口し改質反応したガスが導出する導出口とを備え、導入口と導出口とは触媒を鉛直方向で挟む位置に配置され、容器の内部空間は鉛直方向上方に向って断面が大きくなるテーパ形状に形成され、触媒の鉛直上方に触媒のない空間を有しているので、熱伸縮に差があっても容器と触媒との体積の差は容器の上方の空間にて吸収され、触媒と容器とに生ずる熱応力は低減される。したがって、触媒と容器とに生ずる熱応力の小さな改質反応装置が提供される。
【００１８】
本発明に係る炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置によれば、改質反応を加速する触媒と、触媒を収容する容器と、体積が変化し触媒あるいは容器の熱伸縮による体積変化を吸収する応力緩和材を触媒と共に備えるので、熱伸縮に差があっても容器と触媒との体積の差は応力緩和材にて吸収され、触媒と容器とに生ずる熱応力は低減される。したがって、触媒と容器とに生ずる熱応力の小さな改質反応装置が提供される。
【００１９】
本発明に係る炭化水素を改質反応させ水素を含有するガスを製造する改質反応装置によれば、改質反応を加速する触媒と、触媒を収容する容器と、容器に開口し炭化水素を含むガスを導入する導入口と、容器に開口し改質反応したガスが導出する導出口とを備え、導入口と導出口とは触媒を水平方向で挟む位置に配置され、触媒は鉛直断面において深さの最大値より幅の最大値を大きくし触媒の鉛直上方に触媒のない空間を有して収容されるので、熱伸縮に差があっても容器と触媒との体積の差は触媒が上下に移動することで吸収され、触媒と容器とに生ずる熱応力は低減される。したがって、触媒と容器とに生ずる熱応力の小さな改質反応装置が提供される。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池発電装置によれば、上述の改質反応装置と、改質反応された水素を含有するガスを導入し発電を行う燃料電池とを備えるので、熱応力の小さな改質装置にて水素を製造し、製造した水素を用いて発電する燃料電池が提供される。よって、例えば起動停止が繰り返されても熱応力の小さな燃料電池発電装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号あるいは類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２２】
まず図１を参照して、伸縮管２６を備える改質反応装置１２について説明する。図１は、改質反応装置１２を説明する模式的断面図である。改質反応装置１２は、改質反応を促進する触媒６０と、触媒を収容する伸縮管２６と、触媒６０を収容した伸縮管２６を内部に有する容器２０とを備える。容器２０には、容器２０内に原料ガスＧを導入する導入口３２と改質反応した後の水素を含有する改質ガスＲを導出する導出口３４とを有する。容器２０は、典型的には、円筒形の胴部と、胴部とフランジ接続する２つの蓋部とで構成され、導入口３２および導出口３４は蓋部に形成される。胴部と蓋部とをフランジ接続することにより、触媒６０の充填・取替え等を行いやすくなる。改質反応は７００〜９００℃の高温で行われるので、容器２０は、ステンレス鋼などの耐熱金属材料で形成される。
【００２３】
伸縮管２６は、いわゆるエクスパンション・ジョイントと類似の構造の管であり、典型的には薄肉の蛇腹により長手方向に伸縮する管である。管全体が蛇腹になっておらず、その一部が蛇腹になり、あるいは、長手方向のところどころの断面がＵ字型に成形され、長手方向に変形し易い構造とされてもよい。伸縮管２６は、高温での強度が大きく、かつ、疲労強度の大きな材料で形成され、例えばステンレス鋼あるいはチタン合金などが用いられる。伸縮管２６は、容器２０の内部空間２４に容器２０と同軸に配置され、一端は、容器２０の蓋部あるいは円筒形の端面に固着される。伸縮管２６が固着された蓋部あるいは端面に導入口３２が形成され、導入口３２は伸縮管２６の内側に開口する。典型的には、図１に示す方向と同様に、容器２０が中心軸を鉛直に向け、その下端面に伸縮管２６の端部が固着される。伸縮管２６の外径は、容器２０の内径より僅かに小さく、容器２０の内面２２にほとんど接することはないが、伸縮管２６の傾斜は、容器２０の内面２２により抑えられる。したがって、伸縮管２６は一端を固着されただけではあるが、傾斜することなく長手方向に伸縮する。
【００２４】
触媒６０は、典型的にはアルミナＡｌ２Ｏ３にルテニウムＲｕやニッケルＮｉを担持させたものである。触媒６０は表面積を大きくとるため細かい粒子状に成形され、典型的には直径１〜５ｍｍ程度の球形をしている。触媒６０は伸縮管２６内に充填される。図１では、伸縮管２６の固着された端部から他端まで触媒６０が満杯に充填されているように示されているが、伸縮管２６の他端には触媒６０が充填されていない空間が保たれていることが好ましい。伸縮管２６の他端に空間があることで、触媒６０が伸縮管２６からあふれ出ることが防止される。したがって、容器２０と触媒６０とが直に接することがない。
【００２５】
導入口３２から容器２０の内部空間２４に導入された原料ガスＧは、導入口３２が伸縮管２６の内側に開口しているので、伸縮管２６に充填された触媒６０中に導かれる。原料ガスＧは、細かい粒子状の触媒６０の間を通過し、その間に改質反応して、改質ガスＲとなり、さらに容器２０の内部空間２４を進み、導出口３４から容器２０の外へ導出される。図１では、伸縮管２６が容器２０の長さの半分以下であるように示されているが、伸縮管２６は容器２０の長さより僅かに短く、容器２０、触媒６０等の熱伸縮により相対的に長くなっても、容器２０の内面上端に当たらない程度の長さであればよい。
【００２６】
導入口３２に供給される原料ガスＧは、炭化水素ＣｍＨｎを多く含むガスであり、例えば天然ガス、都市ガス、ケロシン、バイオマスから製造された熱分解ガスなどである。この原料ガスＧを改質反応させるためには水蒸気を用いるのが一般的で、導入口３２に至る原料ガス配管（不図示）に水蒸気を注入するノズル（不図示）を設けたり、あるいは、容器２０に水蒸気を導入するノズル（不図示）を設ける。原料ガスＧが改質反応することにより、炭化水素ＣｍＨｎは一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ２および水素Ｈ２等に改質され、改質ガスＲとなる。
【００２７】
続いて、図１を参照して改質反応装置１２の作用について説明する。上述の通り、改質反応は７００〜９００℃の高温で行われるので、触媒６０も容器２０も高温になり、熱膨張する。また、運転を停止すると常温に温度が低下するので、熱収縮する。容器２０と触媒６０とは、材質が異なるので、線膨張係数が異なるのが一般的で、同じ温度差で熱膨張・収縮したとしても熱伸縮に差を生ずる。例えば、触媒６０の主たる原材料であるアルミナＡｌ２Ｏ３の線膨張係数は７×１０−６（１／Ｋ）程度であり、容器２０の主たる原材料であるオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＪＩＳ  ＳＵＳ３０４材）の線膨張係数は、１７×１０−６（１／Ｋ）程度である。そのため、従来の容器２０に触媒６０を直接充填しただけの改質反応装置では容器２０がより収縮した場合に、あるいは触媒６０がより膨張した場合に、容器２０の内面２２の直径より、充填された触媒６０の占める領域の直径が大きくなる。すると、触媒６０は径方向に圧縮され、容器２０は径方向に押し拡げられ、触媒６０と容器２０に熱応力が生ずる。特に、触媒６０が充填された表面から離れた場所（充填された触媒６０の底付近）では、上方（長手方向）に触媒６０が移動して逃げることができないので、大きな応力を生じやすい。
【００２８】
そこで、改質反応装置１２では、伸縮管２６内に触媒６０を充填している。伸縮管２６も容器２０と同等のあるいは類似の材質で形成されるのが一般的であるが、伸縮管２６は容易に長手方向に伸縮するので、径方向に触媒６０が圧縮されても、伸縮管２６の長手方向の伸びにつれて上方（長手方向）に広がる（逃げる）ことができ、熱応力が低減される。逆に、容器２０がより膨張した場合、あるいは触媒６０がより収縮した場合には、触媒６０だけが沈下するのではなく、伸縮管２６が触媒６０につれて長手方向に縮むことにより、伸縮管２６と触媒６０との間に隙間が形成されにくくなり、触媒６０の沈下も防止される。したがって、熱応力が低減され、触媒６０や容器２０の損傷が防止される。なお、伸縮管２６が薄肉であるので、その弾性により径方向に伸縮することで熱応力を低減する効果を有することは好適である。
【００２９】
また、容器２０がオーステナイト系ステンレス鋼製の場合、高温水蒸気含有雰囲気で使用されるため、水蒸気酸化を生ずる。オーステナイト系ステンレス鋼の場合、表面に形成された酸化皮膜が酸化の進行を防止する。しかし、例えば触媒６０と摩擦を生ずる場合には、酸化皮膜が損傷を受け、酸化被膜による防食効果が失われて酸化が進行する恐れがある。改質反応装置１２では、触媒６０が伸縮管２６内に充填され、容器２０の内面２２と接していないので、容器２０の酸化皮膜を損傷することがない。一方、伸縮管２６がオーステナイト系ステンレス鋼製の場合、伸縮管２６は酸化により損傷することがある。伸縮管２６が損傷しても、中を流れる高温の原料ガスＧあるいは改質ガスＲは容器２０内に留まるため、事故を招くことはなく、安全である。また、伸縮管２６が損傷した場合には、伸縮管２６だけを交換すればよく、容器２０を交換する場合に比べ、容易で安価である。あるいは、伸縮管２６をチタン合金製とすれば、水蒸気酸化も防止でき、かかる懸念がなくなる。上述のように、改質反応装置１２では温度変化による触媒６０と容器２０との熱応力が低減され、触媒６０や容器２０の損傷が防止されると共に、容器２０の内面２２の摩擦も防止され、容器２０の酸化被膜の損傷が防止され、より容器２０の損傷を防止する効果が高まる。
【００３０】
次に図２を参照して、容器３０の内部空間３８が鉛直方向上方に向って断面が大きくなるテーパ形状に形成されている改質反応装置１４について説明する。図２は、改質反応装置１４を説明する模式的断面図である。図２での上下方向は、実際に改質反応装置１４が設置される方向と一致している。改質反応装置１４も、基本的構成は改質反応装置１２（図１参照）と同様であるので、共通する説明は省略し、相違点について説明する。改質反応装置１４では、伸縮管２６を備えておらず、容器３０の内部空間３８が、下部がすぼまり、上方に向って断面が大きくなるテーパ状に形成されている。導入口３２は容器３０の下端（下側の蓋部）に接続し、導出口３４は容器３０の上端（上側の蓋部）に接続する。すなわち、容器３０の内部空間３８は、円錐形を倒立したような形状となり、その下端にある頂点で導入口３２が連接し、上端の底面で導出口３４が連接する。触媒６０は導入口３２と導出口３４との間で鉛直方向に挟まれ、原料ガスＧは容器３０の下端から導入され、触媒６０内を通過して、上端から導出される。
【００３１】
改質反応装置１４においては、熱伸縮の差により触媒６０と容器３０とに熱応力が生ずる状態になると、触媒６０はテーパのついた容器３０の内面３６で押されることになる。ここで、内面３６が触媒６０を押す力ｐは、図２中に矢印で示したように、径方向（水平方向）の力ｒと長手方向（鉛直方向）の力ｇとに分けられる。すなわち、触媒６０を径方向に圧縮する力ｒだけではなく、触媒６０を上方へ持ち上げようとする力ｇが生ずることになる。そのため、触媒６０は上方へ逃げようとする。上方の断面は広がっており、かつ、上方に触媒６０のない空間があるので、触媒６０は容易に上方へ移動し、その結果、圧縮する力は低減される。よって、触媒６０および容器３０に生ずる熱応力は低減される。そのために、触媒の損傷が防止される。また、熱応力の減少は触媒６０と容器３０との間の面圧を低減し、ひいては摩擦損傷を軽減する。よって、容器３０の表面被膜の損傷も軽減される。さらに、容器３０は外形が円筒形で、内部空間３８がテーパ形状に形成されており、肉厚が下部になるほど厚く形成されている。特に熱応力、すなわち摩擦が大きくなりやすい下部の肉厚が厚いので、容器３０が水蒸気酸化を受けたとしても、腐食代が大きく長寿命となる。なお、上方に向って断面が大きくなるテーパは、容器３０の内面３６が触媒６０を押す力ｐを、径方向（水平方向）の力ｒと長手方向（鉛直方向）の力ｇとに分けたときに、長手方向（鉛直方向）の力ｇが鉛直上方を向いたベクトルとなるような形状であること、すなわち、内面３６がいずれにおいても水平方向より上方を向いていることが好ましい。また、触媒６０を鉛直方向で挟む導入口３２と導出口３４は、導入口３２については内部空間３８が最もすぼまった下部に配置され、導出口３４については上方の触媒６０のない空間に配置されるのが好ましい。
【００３２】
次に図３を参照して、触媒６０と共に応力緩和材６２が容器２０に充填されている改質反応装置１６について説明する。図３は、改質反応装置１６を説明する模式的断面図である。改質反応装置１６も、基本的構成は改質反応装置１２（図１参照）と同様であるので、共通する説明は省略し、相違点について説明する。改質反応装置１６では、伸縮管２６を備えておらず、触媒６０中に応力緩和材６２が分散混入されている。応力緩和材６２とは、触媒６０や容器２０より弾性変形あるいは塑性変形しやすい物体で、例えばグラスウールの様な繊維状化合物や、金属金網を球状に丸めた金属金網などでよい。さらに金属銅など容器２０のステンレス鋼よりも軟らかい金属の塊を用いてもよい。容器２０と触媒６０との熱伸縮の差により熱応力が生じた場合に、応力緩和材６２が優先的に変形して熱伸縮の差を吸収することにより、熱応力を低減する。応力緩和材６２は、触媒６０と同程度の粒径を有する粒子状、あるいは、より大きい粒子状であることが好適であり、形状は球形でなくてもよい。応力緩和材６２は触媒６０中にほぼ均一に分散させるのがよい。このように構成することにより、熱応力を触媒６０全体で低減することができる。しかし、改質反応は吸熱反応であり、触媒６０に原料ガスＧが入る箇所で改質反応が優先的に起こる場合などには、触媒６０内部で急激な温度勾配による熱応力が生ずる場合がある。この様な場合には、触媒６０として機能しない、あるいは触媒活性の低い応力緩和材６２を原料ガスＧが入り込むところに多く混入させ、改質反応速度を抑制して局所的な反応促進による温度上昇を防止することもできる。なお、後述の改質反応装置１８（図４参照）を含む他の改質反応装置１２、１４、１８において、応力緩和材６２を触媒６０に混入しても熱応力を軽減する効果を有するので、好適である。
【００３３】
改質反応装置１６においては、熱伸縮の差により触媒６０と容器２０とに熱応力が生ずる状態になると、応力緩和材６２が変形して熱伸縮の差を吸収し、熱応力を低減することになる。そのために、触媒６０の損傷が防止される。また、熱応力の減少は触媒６０と容器２０の内面２２との間の面圧を低減し、ひいては摩擦損傷を軽減する。よって、容器２０の損傷も防止される。
【００３４】
次に図４を参照して、触媒６０が収容された層を鉛直断面において深さの最大値ｈより幅の最大値ｖを大きくし、触媒６０の鉛直上方に触媒のない空間４４を有して収容した改質反応装置１８について説明する。なお、触媒６０が収容された層の鉛直断面における深さの最大値ｈあるいは幅の最大値ｖを、簡単に、触媒６０の鉛直断面における深さの最大値ｈあるいは幅の最大値ｖともいう。図４において、（ａ）は改質反応装置１８を説明する模式的断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ矢視図（中心軸に垂直な面での断面図）である。図４での上下方向は、実際に改質反応装置１８が設置される方向と一致している。すなわち、図４（ａ）も（ｂ）も鉛直断面図となる。改質反応装置１８も、基本的構成は改質反応装置１２（図１参照）と同様であるので、共通する説明は省略し、相違点について説明する。改質反応装置１８では、容器４０が横置きされ、すなわち、導入口３２と導出口３４とが水平方向に離間して開口し、その間で触媒６０が容器４０の内部に充填されている。触媒６０は、導入口３２および導出口３４が開口している位置よりも上方まで充填されている。容器４０は円筒形で、径よりも長手方向が長く形成されている。よって、図４（ａ）に示す鉛直断面においても、（ｂ）に示す鉛直断面においても、収容された触媒６０の層の鉛直断面での幅の最大値ｖ１、ｖ２（総称してｖとする。）は深さの最大値ｈよりも大きくなる。前述のように触媒６０と容器４０との熱伸縮の差により生ずる熱応力は、水平方向に生じる。鉛直方向では、触媒６０の上部に空間４４が生じており、いわば自由表面となっており、そのため鉛直方向には変形できるが、水平方向においては触媒６０が容器４０に囲まれて変形が拘束されるからである。そこで、触媒６０の層の水平方向の長さである、幅の最大値ｖを垂直方向の長さである、深さの最大値ｈより大きくすることにより、触媒６０と容器４０との熱伸縮の差により生ずる体積の差は、触媒が鉛直上方に変位する（逃げる）ことにより容易に吸収される。よって、水平方向の熱応力が低減される。すなわち、深さｈが相対的に浅いので、自由表面である触媒６０の表面までの距離が近くなり、触媒６０が変位しやすく、熱応力が低減される。したがって、触媒６０の損傷が防止される。また、熱応力の減少は触媒６０と容器４０の内面との間の面圧を低減し、ひいては摩擦損傷を軽減する。よって、容器４０の損傷も防止される。なお、導入口３２と導出口３４とは極力長く離間して触媒６０を挟む位置に配置されるのが、好ましい。例えば、改質反応装置１８では、図４（ａ）および（ｂ）に示すような代表的な鉛直断面において、最長の水平距離となるように配置するのが好適である。導入口３２と導出口３４との距離が長ければよく、同一の水平面上に配置される必要はない。
【００３５】
導入口３２から触媒６０中に入った原料ガスＧは、触媒６０中を流れることにより触媒６０により促進され改質反応をすることになるが、その原料ガスＧの流れ方向と平行に上部に空間４４を有している。すなわち、空間４４に流出した原料ガスＧは、触媒６０に触れず、改質反応せずに容器４０内を流れることができる。導出口３４から容器４０外に流出するためには再度触媒６０内を通過することにはなるが、触媒６０中を流れる時間が短く、十分に改質されない可能性がある。そこで、空間４４の上記原料ガスＧの流れを防止するために、バッフルプレート４２を設置することが好ましい。図４（ｂ）でも明らかなように、バッフルプレート４２は容器４０の内面に密着固定され、少なくとも空間４４の軸直角面を覆う板である。バッフルプレート４２は、触媒６０の中に深く挿入される方が、触媒６０の表面付近を流れ僅かな時間しか触媒６０中に入らない原料ガスＧの流れを防止できて好ましい。しかし、深く挿入しすぎると、その断面での原料ガスＧの流路が狭められ、流体抵抗が増大し、圧力損失が増加してしまう。そこで、容器４０の軸直角面の半分以下の面積とするのが好適である。図４（ａ）では３枚のバッフルプレート４２を示しているが、３枚には限られず、１枚だけ設置してもよい。ただし、複数枚のバッフルプレート４２を設置した方が、より確実に原料ガスＧの空間４４の流れを阻止できるので好ましい。なお、導入口３２および導出口３４を中心軸上ではなく、より下部に形成すれば、空間４４を主として流れ、触媒６０中を流れない原料ガスＧの流れを防止できるので好ましい。あるいは、導入口３２および導出口３４を蓋部あるいは円筒形の端面ではなく、円筒形の胴部の下部に形成してもよい。このときにも、導入口３２と導出口３４とは長手方向（軸方向）に離間した位置に形成されるので、導入口３２と導出口３４は触媒６０を挟む位置に配置されているという。
【００３６】
改質反応装置１８においては、熱伸縮の差により触媒６０と容器４０とに熱応力が生ずる状態になると、触媒６０が鉛直上方に移動して、熱伸縮の差により生ずる体積の差を吸収し熱応力を低減することになる。そのために、触媒６０の損傷が防止される。また、熱応力の減少は触媒６０と容器４０の内面との間の面圧を低減し、ひいては摩擦損傷を軽減する。よって、容器４０の損傷も防止される。なお、これまでは容器４０の形状は円筒形を横置きした形状として説明したが、容器４０の形状は円筒形を横置きした形状には限られず、径が長手方向より大きな円筒形を縦置きしてもよいし、直方体形状でもよく、任意の形状でよい。ただし、円筒形であれば成形しやすく、強度的にも優れているので好適である。
【００３７】
続いて、図５を参照して、これまで説明した改質反応装置１２で製造された改質ガスＲを用いて発電を行う燃料電池発電装置７について説明する。図５は、燃料電池発電装置７の構成を説明するブロック図である。燃料電池発電装置７は、原料燃料を炭化水素を含む可燃性ガスＧにガス化するガス化装置８０と、原料ガスＧを改質する改質装置１２と、改質装置１２から排出された改質ガスＲを冷却する熱交換器７８と、改質ガスＲと空気Ｏを用いて発電を行う燃料電池７０とを備える。なお、改質反応装置１２については、既に説明しているので、重複する説明は省略する。ガス化装置８０は、例えば廃材などのバイオマスを熱分解して原料ガスＧを製造する装置である。燃料電池発電装置７はガス化装置８０を備えずに、系外から例えば天然ガス、都市ガス、ケロシンなどを原料ガスＧとして導入してもよい。原料ガスＧは、水蒸気Ｓが混入された後に改質反応装置１２に送られ、改質反応され、水素を含有する改質ガスＲとなる。原料ガスＧに硫黄化合物が含まれる場合には、改質触媒６０（図１参照）の活性を低下させるため、脱硫装置（不図示）を前処理として備えることが好ましい。
【００３８】
改質反応装置１２から改質ガスＲが燃料電池７０の燃料極７４に送られる。燃料電池７０の空気極７６には、酸化剤ガスとしての空気Ｏが送られる。燃料電池７０は、燃料極７４と空気極７６との間に固体高分子電解質膜７２を備えており、燃料極７４の改質ガスＲの水素Ｈ２と、空気極７６の空気Ｏ中の酸素Ｏ２との間の電気化学的反応により、発電が行われる。固体高分子電解質膜を用いた、いわゆる固体高分子型燃料電池は、典型的には８０℃〜１００℃で運転されるので、たとえば７００〜９００℃で反応する改質反応装置１２から排出される改質ガスＲを熱交換器７８で、８０℃〜１００℃に冷却する。さらに、熱交換器７８では、空気Ｏを８０℃〜１００℃に加温するため、改質ガスＲと空気Ｏとの熱交換を行ってもよい。改質ガスＲは一酸化炭素ＣＯを含むのが一般的であり、一酸化炭素ＣＯは固体高分子型燃料電池に対して有毒なガスであるので、改質反応装置１２と熱交換器７８との間に、一酸化炭素ＣＯを変成反応させて二酸化炭素ＣＯ２に変成する変成装置（不図示）、および変成反応によっても残留する一酸化炭素ＣＯを酸化する選択酸化装置（不図示）を備えてもよい。
【００３９】
燃料電池発電装置７では、改質反応装置１２を備えているので、起動・停止による温度変化による改質触媒６０（図１参照）を含む改質反応装置１２が損傷を受けにくく、よって寿命の長い、あるいはメンテナンス期間が長く手間の掛からない、すなわち効率のよい燃料電池発電装置となる。なお、上記の説明では、燃料電池発電装置７は、改質反応装置１２を備えるものとして説明したが、断るまでもなく上述の他の改質反応装置１４〜１８等、他の改質反応装置を供えてもよい。また、改質反応装置１２で改質された改質ガスＲを燃料電池７０に供給しているが、高温水蒸気電解層（不図示）を備え、高温水蒸気電解層に改質ガスＲと水蒸気とを供給して水蒸気を電気分解することにより製造した水素を燃料電池７０に供給してもよい。また、酸化剤ガスとして空気Ｏを用いるものとして説明したが、酸化剤ガスは空気Ｏに限られず、改質ガスＲ中の水素Ｈ２を酸化する酸素Ｏ２を含有するガスであればよく、酸素ガス等も好適に用いられる。さらに、上記の説明では、燃料電池７０は、固体高分子型燃料電池として説明したが、燃料電池は他のいかなるタイプの燃料電池であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】伸縮管を備える改質反応装置を説明する模式的断面図である。
【図２】容器の内部空間が鉛直方向上方に向って断面が大きくなるテーパ形状に形成されている改質反応装置を説明する模式的断面図である。
【図３】触媒と共に応力緩和材が充填されている改質反応装置を説明する模式的断面図である。
【図４】容器の水平面での最大断面積を鉛直面での最大断面積より大きく形成した改質反応装置を説明する図で、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ矢視図である。
【図５】燃料電池発電装置の構成を説明するブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
７  燃料発電装置
１２、１４、１６、１８  改質反応装置
２０、３０、４０  容器
２２、３６  容器内面
２４、３８  内部空間
２６  伸縮管
３２  導入口
３４  導出口
４２  バッフルプレート
４４  空間
６０  触媒
６２  応力緩和材
７０  燃料電池
７２  固体高分子電解質膜
７４  燃料極
７６  空気極
７８  熱交換器
８０  ガス化装置
Ｇ  原料ガス
Ｒ  改質ガス
Ｓ  水蒸気
ｈ  触媒層の深さの最大値
ｖ  触媒層の幅の最大値
【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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