(57)【要約】【課題】より確実に酸化触媒及び改質触媒全体にわたる均熱化の向上を図ることが可能な構成を有する改質装置を提供すること。【解決手段】本発明は、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を改質して水素を生成する改質装置であって、改質触媒と酸化触媒とにて構成される触媒ユニットと、該触媒ユニットを内部に収容する外装筐体であって、酸化触媒よりも上流側に配設された上流側通路から水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れる入口部と、生成された改質ガスを改質触媒よりも下流側に配設された下流側通路に放出する出口部と、改質触媒及び前記酸化触媒の外周囲を取り囲む外周壁部とを備える外装筐体と、を具備する改質装置において、外装筐体の外周壁部の内壁に断熱材が配設され、酸化触媒及び改質触媒の外周囲に金属テープが配設され、酸化触媒及び改質触媒と断熱材との間に金属テープが配置される。【選択図】図１
2013212953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を改質して水素を生成する改質装置であって、
前記水素系燃料を改質して水素を生成する改質触媒と、前記改質触媒よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で酸化を行う酸化触媒とにて構成される触媒ユニットと、
前記触媒ユニットを内部に収容する外装筐体であって、前記酸化触媒よりも上流側に配設された上流側通路から前記水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れる入口部と、生成された改質ガスを前記改質触媒よりも下流側に配設された下流側通路に放出する出口部と、前記改質触媒及び前記酸化触媒の外周囲を取り囲む外周壁部とを備える外装筐体と、を具備する改質装置において、
前記外装筐体の外周壁部の内壁に断熱材が配設され、前記酸化触媒及び前記改質触媒の外周囲に金属テープが配設され、前記酸化触媒及び前記改質触媒と前記断熱材との間に前記金属テープが配置される、改質装置。
【請求項２】
前記金属テープの外周囲に筒状金属部材が配設され、前記酸化触媒及び前記改質触媒と前記断熱材との間に、前記金属テープ及び前記筒状金属部材が配置される、請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
前記外装筐体の内部にて前記酸化触媒の上流側に電気加熱式ヒーターが配置され、
前記金属テープは、前記酸化触媒及び前記改質触媒の外周囲と前記電気加熱式ヒーターの外周囲とにわたり延在して配設される、請求項１に記載の改質装置。
【請求項４】
前記外装筐体内に複数の前記触媒ユニットが直列に配設され、それぞれの前記触媒ユニットの間には空間が設けられ、最下流の前記触媒ユニットよりも上流側に配置される各前記触媒ユニットには、前記酸化触媒及び前記改質触媒に接触させないで流体を通過させうるように前記酸化触媒及び前記改質触媒を貫通して形成された貫通通路が配設され、
前記貫通通路を通過した流体を、該貫通通路に続く前記空間において旋回流とする旋回手段を有する、請求項１に記載の改質装置。
【請求項５】
前記旋回手段においては、前記空間内における流体の流れの変化をもたらしうる攪拌装置が前記空間内に配置され、該攪拌装置により、前記貫通通路を通過した流体を該貫通通路に続く前記空間において旋回流とする、請求項４に記載の改質装置。
【請求項６】
前記貫通通路は、前記酸化触媒と前記改質触媒とを貫通して延在する管状部材にて形成される、請求項５に記載の改質装置。
【請求項７】
前記旋回手段においては、前記貫通通路が前記触媒ユニットの軸線方向に対して傾斜されて形成され、傾斜された前記貫通通路により、前記貫通通路を通過した流体を該貫通通路に続く前記空間において旋回流とする、請求項４に記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池や内燃機関の吸気／排気系などに供給する水素を生成すべく、少なくとも水素を一構成成分として含む燃料（以下、水素系燃料と称す）を改質して水素を生成する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素系燃料と空気とを含む混合ガスの一部を、改質装置の上流側に備えた酸化反応を行う触媒（以下、酸化触媒という）で酸化させ、その反応熱を利用して内部から改質反応を行う触媒（以下、改質触媒という）を昇温して改質反応を促進させる、いわゆるオートサーマル方式の改質装置の開発が進められている。
【０００３】
このようなオートサーマル方式の改質装置に、その入口部から水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて、該混合ガスを酸化触媒および改質触媒に接触させることによって生成された改質ガスを出口部から放出させる場合、酸化触媒に近い上流側の改質触媒が過度に加熱される一方で、酸化触媒から遠い下流側の改質触媒の昇温が遅れる。そのために改質触媒の温度分布に偏りが生じ、この温度分布の偏りが改質反応に悪影響を及ぼす場合がありうる。このような改質反応における悪影響を抑制すべく、触媒の外周囲に断熱材を配設することによって該触媒からの放熱を抑制して、触媒における上流部と下流部との間の温度差の適正化をはかる構成を有する改質装置が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２５３１３号公報
【特許文献２】特開２００２−２２０２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような特許文献１の構成において、触媒の外周囲に配設される断熱材は、断熱するという役割機能上の観点から概して熱伝導性が悪い材料から形成され、ゆえに、触媒の上流部から下流部にわたる温度の偏りの十分な抑制が得られない場合がありうる。また、上記のようなオートサーマル方式の改質装置の適用が期待される技術分野は拡大傾向にあり、より確実な改質反応の促進を図るべく、改質触媒の上流部から下流部にわたる温度の偏りの更なる抑制、すなわち、改質触媒全体にわたる更なる均熱化の向上の要望がある。
【０００６】
このような要望に対する一解決手段として、例えば、触媒充填域の上流部から下流部にわたる触媒充填域全体にわたる温度の偏りを抑制すべく、触媒充填域の上流部から下流部に延在する複数のヒートパイプを触媒層の内部に配設する構成が考えられる（特許文献２参照）。
【０００７】
しかしながら、上記のような触媒層の内部に複数のヒートパイプを配設する構成においては、触媒層内部に複数のヒートパイプを配設すべくヒートパイプ径は小径なものとされ、また、ヒートパイプ内部におけるスムーズな作動流体の流通をもたらすべくヒートパイプは硬質な材料で形成されることが想定される。このような小径且つ硬質なヒートパイプが触媒層の内部に配設される構成においては、触媒粒子とヒートパイプとの十分な接触面積が得られず、よって、期待していた触媒充填域全体にわたる均熱化の効果を得られない場合も生じうる。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑み、水素系燃料と空気とを含む混合ガスの一部を、改質装置の上流側に備えた酸化触媒で酸化させ、その反応熱を利用して内部から改質触媒を昇温して改質反応を促進させる、いわゆるオートサーマル方式の改質装置において、より確実に酸化触媒及び改質触媒全体にわたる均熱化の向上を図ることが可能な構成を有する改質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】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を改質して水素を生成する改質装置であって、前記水素系燃料を改質して水素を生成する改質触媒と、前記改質触媒よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で酸化を行う酸化触媒とにて構成される触媒ユニットと、前記触媒ユニットを内部に収容する外装筐体であって、前記酸化触媒よりも上流側に配設された上流側通路から前記水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れる入口部と、生成された改質ガスを前記改質触媒よりも下流側に配設された下流側通路に放出する出口部と、前記改質触媒及び前記酸化触媒の外周囲を取り囲む外周壁部とを備える外装筐体と、を具備する改質装置において、前記外装筐体の外周壁部の内壁に断熱材が配設され、前記酸化触媒及び前記改質触媒の外周囲に金属テープが配設され、前記酸化触媒及び前記改質触媒と前記断熱材との間に前記金属テープが配置される、改質装置が提供される。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明では、水素系燃料と空気とを含む混合ガスの一部を、改質装置の上流側に備えた酸化触媒で酸化させ、その反応熱を利用して内部から改質触媒を昇温して改質反応を促進させる、いわゆるオートサーマル方式の改質装置において、外装筐体の外周壁部の内壁に断熱材を配設することにより酸化触媒及び改質触媒から外気への放熱を抑制しうるとともに、該断熱材と酸化触媒及び改質触媒との間に金属テープを配設する、すなわち、酸化触媒及び改質触媒の外周囲に直接的に断熱材を配置するのではなく、金属テープを介して酸化触媒及び改質触媒の外周囲に断熱材を配置するように構成する。金属テープすなわち金属製薄膜材によれば、酸化触媒及び改質触媒の周囲に隙間無く熱伝導材が配置されるという構成を実現することができ、酸化触媒で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒全体にわたり伝導させることを可能とし、酸化触媒及び改質触媒全体にわたる均熱化の向上を図ることを可能とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、前記金属テープの外周囲に筒状金属部材が配設され、前記酸化触媒及び前記改質触媒と前記断熱材との間に、前記金属テープ及び前記筒状金属部材が配置される、請求項１に記載の改質装置が提供される。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、前記外装筐体の内部にて前記酸化触媒の上流側に電気加熱式ヒーターが配置され、前記金属テープは、前記酸化触媒及び前記改質触媒の外周囲と前記電気加熱式ヒーターの外周囲とにわたり延在して配設される、請求項１に記載の改質装置が提供される。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、前記外装筐体内に複数の前記触媒ユニットが直列に配設され、それぞれの前記触媒ユニットの間には空間が設けられ、最下流の前記触媒ユニットよりも上流側に配置される各前記触媒ユニットには、前記酸化触媒及び前記改質触媒に接触させないで流体を通過させうるように前記酸化触媒及び前記改質触媒を貫通して形成された貫通通路が配設され、前記貫通通路を通過した流体を、該貫通通路に続く前記空間において旋回流とする旋回手段を有する、請求項１から請求項３のいずれか一つの請求項に記載の改質装置が提供される。
【００１４】
請求項５に記載の発明によれば、前記旋回手段においては、前記空間内における流体の流れの変化をもたらしうる攪拌装置が前記空間内に配置され、該攪拌装置により、前記貫通通路を通過した流体を該貫通通路に続く前記空間において旋回流とする、請求項４に記載の改質装置が提供される。
【００１５】
請求項６に記載の発明によれば、前記貫通通路は、前記酸化触媒と前記改質触媒とを貫通して延在する管状部材にて形成される、請求項５に記載の改質装置が提供される。
【００１６】
請求項７に記載の発明によれば、前記旋回手段においては、前記貫通通路が前記触媒ユニットの軸線方向に対して傾斜されて形成され、傾斜された前記貫通通路により、前記貫通通路を通過した流体を該貫通通路に続く前記空間において旋回流とする、請求項４に記載の改質装置が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
各請求項に記載の発明によれば、金属テープを介して酸化触媒及び改質触媒の外周囲に断熱材を配置するように構成することで、酸化触媒及び改質触媒の周囲に隙間無く熱伝導材が配置されるという構成を実現することができ、酸化触媒で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒全体にわたり伝導させることを可能とし、酸化触媒及び改質触媒から外気への放熱を抑制しうるとともに酸化触媒及び改質触媒全体にわたる均熱化の向上を図ることを可能とする、という共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の改質装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の改質装置の別の一実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明の改質装置のさらなる別の一実施形態を示す構成図である。
【図４】触媒ユニットに配設された貫通通路を通過する流体の流れを説明する図である。
【図５】複数の触媒ユニットを備える改質装置における本発明の一実施形態を示す構成図である。
【図６】複数の触媒ユニットを備える改質装置における本発明の別の一実施形態を示す構成図である。
【図７】複数の触媒ユニットを備える改質装置における本発明のさらなる別の一実施形態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を用いて本発明に係る改質装置の実施形態について説明する。図１は、本発明の改質装置の一実施形態を示す構成図である。図１において、１は改質装置、２は改質触媒、３は酸化触媒、４は外装筐体、５は入口部、６は出口部、７は外周壁部、８は上流側通路、９は下流側通路、１０は触媒ユニット、１１は断熱材、１２は金属テープ、１５は電気加熱式ヒーターをそれぞれ示す。
【００２０】
図１に示される実施形態における改質装置１は、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を改質して水素を生成する改質装置であって、水素系燃料を改質して水素を生成する改質触媒２と、改質触媒２よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で部分酸化や完全酸化などの酸化を行う酸化触媒３と、改質触媒２及び酸化触媒３を内部に収容する外装筐体４とを有して構成される。そして、外装筐体４は、酸化触媒３よりも上流側に配設された上流側通路８から水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れる入口部５と、生成された改質ガスを改質触媒２よりも下流側に配設された下流側通路９に放出する出口部６と、改質触媒２及び酸化触媒３の外周囲を取り囲む外周壁部７とを有して構成される。さらに図１に示される実施形態においては、外装筐体４の内部であって酸化触媒３の上流側に、入口部５から取り入れられた混合ガスを加熱して酸化触媒３の昇温を促進する電気加熱式ヒーター１５が配設される。尚、本明細書に記載される実施形態においては、酸化触媒３は改質触媒２よりも上流側に分離して配設されるように構成されるが、これに限られることはなく、改質触媒２と酸化触媒３とが分離されることなく一体的に配設されるように構成されてもよい。
【００２１】
改質触媒２は、上流側流路８から取り入れられた水素系燃料を改質して水素を生成するという役割を果たすものであり、水素系燃料を改質するための触媒粒子が配置される。本実施形態における改質触媒２は、ハニカム構造にて形成され、取り入れられた混合ガスが流れる方向に沿って形成されている複数の流路を有するものとされる。そして、改質触媒２の触媒粒子は担持体に担持されているものとされ、該担持体は、例えば酸化アルミニウムで形成され、基材にて支持されるものとする。また、取り入れられた水素系燃料を改質するための触媒粒子の金属としては、白金やルテニウム等の貴金属や、あるいは、ニッケルやコバルト等の卑金属を例示することができるが、これらに限られることはなく、取り入れられた水素系燃料の改質をもたらしうるような任意の金属から構成されることができる。
【００２２】
一方で、酸化触媒３は、改質触媒２よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で酸化を行うものであり、入口部５から水素系燃料とともに取り入れられる空気中の酸素を用いて水素系燃料の一部を燃焼して、該燃焼により生じた熱を用いて下流側に配置された改質触媒２の改質可能温度への昇温を促進する役割を果たすものであり、上流側流路８から取り入れられた水素系燃料の一部を、部分酸化や完全酸化などの酸化をさせるための触媒粒子が配置される。本実施形態における酸化触媒３は、改質触媒２と同様にハニカム構造にて形成され、取り入れられた混合ガスが流れる方向に沿って形成されている複数の流路を有するものとされる。そして、酸化触媒３の触媒粒子についても、改質触媒２と同様に担持体に担持されているものとされ、該担持体は、例えば酸化アルミニウムで形成され、基材にて支持されるものとする。取り入れられた水素系燃料を酸化するための触媒粒子の金属としては、白金等の貴金属や鉄等の卑金属を例示することができるが、これらに限られることはなく、取り入れられた燃料の酸化をもたらしうるような任意の金属から構成されることができる。
【００２３】
本実施形態における改質装置においては、外装筐体４の内部であって酸化触媒３の上流側に、入口部５から取り入れられた混合ガスを加熱して酸化触媒３の昇温を促進する電気加熱式ヒーター１５が配設される。このような電気加熱式ヒーターとして本実施形態においては、電気加熱式触媒(ＥＨＣ)が配設される。この電気加熱式触媒は、触媒コート層が形成された担体基材と、該担体基材を電気的に加熱する加熱手段とを備えて構成され、入口部５から水素系燃料とともに取り入れられる空気中の酸素を用いて水素系燃料の一部を燃焼して、該燃焼により生じた熱を用いて混合ガスを加熱して、下流側に配置された酸化触媒３や改質触媒２のそれぞれの所定温度への昇温を促進する役割を果たす。
【００２４】
尚、本実施形態においては、この電気加熱式触媒１５は、主として酸化触媒３が酸化可能温度となる所定温度に昇温されるまでの間において補助的に使用されるものとされ、酸化触媒３が所定温度に昇温された後においては通電が停止され、その使用が停止されるものとする。また、本実施形態においては、酸化触媒３が所定温度に昇温されるまでの間の昇温促進手段として電気加熱式触媒１５を配置するが、これに限られることはなく、入口部５を介して取り入れられた混合気を、通電などすることにより加熱しうるような機能を有する電気加熱式ヒーターであれば、どのような電気加熱式ヒーターが使用されてもよい。さらには、本実施形態においては、酸化触媒３の迅速な所定温度への昇温を目的として酸化触媒３の上流側に電気加熱式ヒーターのような昇温促進手段を配置しているが、このような昇温促進手段は配置されなくともよく、このような昇温促進手段の必要性の有無は概して酸化触媒３の性能に応じて決定される。
【００２５】
外装筐体４の外周壁部７の内壁には断熱材１１が配設される。このように外装筐体４の外周壁部７の内壁に断熱材１１を配設することにより、酸化触媒３及び改質触媒２からの外気への放熱を抑制することを可能とする。
【００２６】
上記のような改質触媒２と酸化触媒３と電気加熱式ヒーター１５とを有して構成される本実施形態における改質装置１においては、酸化触媒３の温度が酸化可能温度よりも低いような低温状態にあるような場合に、電気加熱式ヒーター１５への通電がなされて酸化触媒３の酸化可能温度への迅速な昇温が行われる。そして、酸化可能温度に昇温された酸化触媒３における酸化反応による反応熱を利用して、改質反応を行う改質触媒２を昇温して改質反応を促進させる、いわゆるオートサーマル方式の改質制御が実行される。
【００２７】
ところで、上記のようなオートサーマル方式の改質装置１においては、外装筐体４の外周壁部４の内壁に配設される断熱材１１は、断熱するという役割機能上の観点から概して熱伝導性が悪い材料から形成され、ゆえに、改質触媒２の上流部から下流部にわたる温度の偏りの十分な抑制が得られない場合があり、この温度分布の偏りが改質反応に悪影響を及ぼす事態をまねくこともありうる。
【００２８】
このような事態を回避すべく、本発明の改質装置は、外装筐体４の外周壁部７の内壁に断熱材１１を配設することにより、酸化触媒３及び改質触媒２からの外気への放熱を抑制するとともに、酸化触媒３で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能としうるような手段を有して構成される。
【００２９】
図１は、本発明の改質装置の一実施形態を示す構成図である。図１に示される実施形態における改質装置においては、酸化触媒３で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能とすべく、酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲に金属テープ１２が配設され、酸化触媒３及び改質触媒２と断熱材１１との間に金属テープ１２が配置されて構成される。
【００３０】
すなわち、図１に示される実施形態における改質装置においては、酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲に直接的に断熱材１１を配置するのではなく、金属テープ１２を介して酸化触媒及３及び改質触媒２の外周囲に断熱材１１を配置するように構成する。金属テープ１２すなわち金属製薄膜材によれば、酸化触媒３及び改質触媒２の周囲に隙間無く熱伝導材が配置されるという構成を実現することができ、酸化触媒３で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能とし、酸化触媒３及び改質触媒２の全体にわたる均熱化の向上を図ることを可能とする。尚、本発明における一構成要素となる金属テープは、本実施形態においてはアルミニウム製の金属テープが適用されるものとする。しかしながら、適用される金属テープはアルミニウム製の金属テープに限られるものではなく、ステンレス製の金属テープなど、製品の設計仕様などに鑑みて、熱伝導率性能などの観点から適当な金属テープが選択されうる。
【００３１】
図２は、本発明の改質装置の別の一実施形態を示す構成図である。図２に示される実施形態における改質装置においては、酸化触媒３で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能とすべく、酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲に金属テープ１２が配設される。そして、本実施形態においては更に、金属テープ１２の外周囲にステンレス鋼管１３が配設され、酸化触媒３及び改質触媒２と断熱材１１との間に、金属テープ１２及びステンレス鋼管１３が配置される。
【００３２】
すなわち、図２に示される実施形態における改質装置においては、酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲に直接的に断熱材１１を配置するのではなく、金属テープ１２及びステンレス鋼管１３を介して酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲に断熱材１１を配置するように構成する。図１に示される実施形態の改質装置と同様に、金属テープ１２すなわち金属製薄膜材によれば、酸化触媒３及び改質触媒２の周囲に隙間無く熱伝導材が配置されるという構成を実現することができ、酸化触媒３で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能とし、酸化触媒及び改質触媒全体にわたる均熱化の向上を図ることを可能とする。そして、本実施形態においては更に、金属テープ１２の外周囲にステンレス鋼管１３を配設することにより、さらなる熱伝導性の向上とともに、生成された改質ガスに対する気密性の確保という点においても向上を図ることを可能とする。本実施形態では筒状金属部材としてステンレス鋼管１３を用いたが、金属であれば熱伝導性が良いので、アルミ合金など他の材質でもよい。
【００３３】
図３は、本発明の改質装置のさらなる別の一実施形態を示す構成図である。図３に示される実施形態における改質装置は、酸化触媒３で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能とするとともに、外装筐体４の内部にて酸化触媒３の上流側に配設された電気加熱式ヒーター１５にて生じた熱をも改質触媒２の昇温に有効利用しうるようにするものである。このことを実現すべく、図３に示される実施形態における改質装置においては、金属テープ１２が、酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲と電気加熱式ヒーター１５の外周囲とにわたり延在して配設される。
【００３４】
すなわち、図３に示される実施形態における改質装置においては、図１に示される実施形態と同様に酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲に直接的に断熱材１１を配置するのではなく、金属テープ１２を介して酸化触媒及３及び改質触媒２の外周囲に断熱材１１を配置するように構成とともに、酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲と電気加熱式ヒーター１５の外周囲とを一続きの金属テープにて繋げるように構成する。図１に示される実施形態の改質装置と同様に、金属テープ１２すなわち金属製薄膜材によれば、酸化触媒３及び改質触媒２の周囲に隙間無く熱伝導材が配置されるという構成を実現することができ、酸化触媒３で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能とし、酸化触媒及び改質触媒全体にわたる均熱化の向上を図ることを可能とする。そして、本実施形態においては更に、酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲と電気加熱式ヒーター１５の外周囲とを一続きの金属テープにて繋げるように構成することにより、酸化触媒３で生じた反応熱とともに電気加熱式ヒーター１５にて生じた熱をも、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能とし、酸化触媒及び改質触媒全体にわたる均熱化の向上とともに昇温性の向上をも図ることを可能とする。
【００３５】
また、酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲と電気加熱式ヒーター１５の外周囲とを一続きの金属テープにて繋げるように構成される図３に示される実施形態における改質装置によれば、外径の異なる触媒ユニット１０と電気加熱式ヒーター１５とが外装筐体４内に配設されるような場合においても、断熱材１１の内壁側の一部に、異なる外径を吸収しうるような段差を設けて、該段差の部分においては該段差に沿うように金属テープ１２を配設して酸化触媒３及び改質触媒２の外周囲と電気加熱式ヒーター１５の外周囲とを一続きに金属テープ１２を配設するようにすることで、外装筐体４の外径を一定としつつ、すなわち、製造を容易とするような外装筐体４の均径化を可能としつつ、酸化触媒３で生じた反応熱とともに電気加熱式ヒーター１５にて生じた熱をも、より確実にスムーズに改質触媒２の全体にわたり伝導させることを可能としうる。
【００３６】
ところで、上記のようなオートサーマル方式の改質装置において、酸化触媒と改質触媒とにて構成される複数の触媒ユニットを直列に多段式に配置することで、混合ガスと改質触媒との接触経路を長くとることを可能として改質率の向上を図る改質装置が知られている。このような複数の触媒ユニットが直列に多段式に配置される改質装置においては、各触媒ユニットに混合ガスを供給する何らかの手段を設けることが必要となる。
【００３７】
各触媒ユニットに混合ガスを供給する一手段として、それぞれの触媒ユニットの間に空間を設けて、最下流の触媒ユニットよりも上流側に配置される各触媒ユニットに、酸化触媒及び改質触媒に接触させないで混合ガスを通過させうるように酸化触媒及び改質触媒を貫通して形成された貫通通路を配設することにより、各触媒ユニットに混合ガスを供給することが考えられる。
【００３８】
図４は、上記のような多段式の改質器の一実施形態を示す図であって、触媒ユニットに配設された上記のような貫通通路を通過する流体の流れを説明する図である。図４に示される実施形態においては、２つの触媒ユニット１０１、１０２が直列に配置され、最下流となる後段触媒ユニット１０２よりも上流側に配置された前段触媒ユニット１０１に、酸化触媒３及び改質触媒２に接触させないで流体を通過させうるように酸化触媒３及び改質触媒２を貫通して形成された貫通通路１６であって前段触媒ユニット１０１の軸線方向に貫通して形成される貫通通路１６が配設される。
【００３９】
図４から理解されうるごとく、前段触媒ユニット１０１の貫通通路１６を通過する流体は、前段触媒１０１と後段触媒１０２との間に形成される空間１０３に特に遮るものがなければ、該空間１０３を直進して進み、後段触媒ユニット１０２の入口表面の一部分から集中して後段触媒に侵入することになる。このため、後段触媒ユニット１０２の酸化触媒３における反応熱を十分に得ることができず、後段触媒ユニット１０２の改質触媒２の昇温に支障をきたす場合もありうる。
【００４０】
このことに基づいて、外装筐体内に複数の触媒ユニットが直列に配設され、それぞれの触媒ユニットの間に空間が設けられ、最下流の触媒ユニットよりも上流側に配置される各触媒ユニットには、酸化触媒及び改質触媒に接触させないで流体を通過させうるように酸化触媒及び改質触媒を貫通して形成された貫通通路が配設されるような改質装置に対して、本発明の一実施形態においては、貫通通路を通過した流体を、該貫通通路に続く空間において旋回流とする旋回手段を有して構成される。
【００４１】
図５は、上記のような複数の触媒ユニットを備えるような改質装置、特に２つの触媒ユニットを備えるような改質装置における本発明の一実施形態を示す構成図である。図５に示される実施形態における旋回手段においては、前段触媒１０１と後段触媒１０２との間に形成される空間１０３内における流体の流れの変化をもたらしうる攪拌装置１４が空間１０３内に配置され、該攪拌装置１４により、前段触媒１０１の貫通通路１６を通過した流体を該貫通通路１６に続く空間１０３において旋回流とするように旋回手段が構成される。尚、図５に示される実施形態における断熱材１１及び金属テープ１２の配置構成、また、電気加熱式ヒーター１５の配置構成は、図１に示される実施形態のものと同様であり、その説明は省略する。
【００４２】
すなわち、図５に示される実施形態における改質装置においては、前段触媒ユニット１０１と後段触媒ユニット１０２との間に形成される空間１０３内に攪拌装置１４を配置することで、前段触媒ユニット１０１の貫通通路１６を通過した混合ガス流を空間１０３にて旋回流２０とする。本実施形態において攪拌装置１４は帯状の板をねじって形成し、空間１０３に配置している。これにより、前段触媒ユニット１０１に形成される貫通通路１６を通過する混合ガスを、後段触媒ユニット１０２の入口表面全体から後段触媒ユニット１０２に侵入させることでき、後段触媒ユニット１０２の酸化触媒３における反応熱を十分に得ることを可能とする。なお、攪拌装置としては、空間１０３内に固定され、旋回流を発生させるような羽を設けた、いわゆる固定式ミキサーなど様々な形式を取ることができる。
【００４３】
尚、図５に示される実施形態における改質装置においては、前段触媒ユニット１０１に形成される貫通通路１６は、酸化触媒３と改質触媒２とを貫通して延在する管状部材にて形成される。該貫通通路１６の形成において、例えば酸化触媒３及び改質触媒２のそれぞれに別個の貫通通路を設けるような構成も考えられるが、このような場合においては、酸化触媒３に形成される貫通通路と改質触媒２に形成される貫通通路とにズレが生じるような場合もありうる。これに対して、貫通通路１６を酸化触媒３と改質触媒２とを貫通して延在する管状部材にて形成する場合においては、上記のようなズレが生じるようなことはなく、後段触媒１０２への混合ガスの分配のばらつきを低減することを可能としうる。しかしながら、貫通通路１６の形態は、これに限られることはなく、各触媒の形態や設計仕様などに応じて、例えば、酸化触媒３及び改質触媒２のそれぞれに別個の貫通通路を設けるような形態とされてもよい。
【００４４】
図６は、上記のような複数の触媒ユニットを備えるような改質装置、特に２つの触媒ユニットを備えるような改質装置における本発明の別の一実施形態を示す構成図である。図６に示される実施形態における旋回手段においては、前段触媒１０１に形成される貫通通路１６が該前段触媒ユニット１０１の軸線方向に対して傾斜されて形成され、傾斜された貫通通路１６により、貫通通路１６を通過した流体を該貫通通路１６に続く空間１０３において旋回流とするように旋回手段が構成される。尚、図６に示される実施形態おける断熱材１１及び金属テープ１２の配置構成、また、電気加熱式ヒーター１５の配置構成は、図１に示される実施形態のものと同様であり、その説明は省略する。
【００４５】
すなわち、図６に示される実施形態における改質装置においては、前段触媒１０１に形成する貫通通路１６を前段触媒１０１の軸線方向に対して傾斜させて形成させることで、貫通通路１６を通過した混合ガス流を空間１０３にて旋回流２０とする。これにより、前段触媒ユニット１０１に形成される貫通通路１６を通過する混合ガスを、後段触媒ユニット１０２の入口表面全体から後段触媒ユニット１０２に侵入させることができ、後段触媒ユニット１０２の酸化触媒３における反応熱を十分に得ることを可能とする。
【００４６】
図７は、上記のような複数の触媒ユニットを備えるような改質装置、特に２つの触媒ユニットを備えるような改質装置における本発明のさらなる別の一実施形態を示す構成図である。図７に示される実施形態における旋回手段においては、前段触媒ユニット１０１と後段触媒ユニット１０２との間に形成される空間１０３内に攪拌装置１４は配置するとともに、前段触媒１０１に形成される貫通通路１６を前段触媒１０１の軸線方向に対して傾斜させて形成させることで、前段触媒１０１の貫通通路１６を通過した混合ガス流を空間１０３にて旋回流２０とする。これにより、前段触媒ユニット１０１に形成される貫通通路１６を通過する混合ガスを、後段触媒ユニット１０２の入口表面全体から後段触媒１０２に侵入させるようすることでき、後段触媒ユニット１０２の酸化触媒３における反応熱を十分に得ることを可能とする。尚、図７に示される実施形態おける断熱材１１及び金属テープ１２の配置構成、また、電気加熱式ヒーター１５の配置構成は、図１に示される実施形態のものと同様であり、その説明は省略する。
【００４７】
すなわち、図７に示される実施形態における改質装置においては、旋回手段が、図５に示される実施形態における旋回手段の構成要素となる攪拌装置１４と、図６に示される実施形態における旋回手段の構成要素となる傾斜された貫通通路１６とが組み合わされて構成される。これにより、前段触媒ユニット１０１に形成される貫通通路１６を通過する混合ガスを、より確実に空間１０３にて旋回流２０とすることを可能として、後段触媒ユニット１０２の入口表面全体から後段触媒１０２に侵入させるようにすることができ、後段触媒ユニット１０２の酸化触媒３における反応熱を十分に得ることを可能とする。
【００４８】
以上の説明から理解されうるごとく、上述したような本発明の改質装置によれば、オートサーマル方式の改質装置において、金属テープを介して酸化触媒及び改質触媒の外周囲に断熱材を配置するように構成することで、酸化触媒及び改質触媒の周囲に隙間無く熱伝導材が配置されるという構成を実現することができ、酸化触媒で生じた反応熱を、より確実にスムーズに改質触媒全体にわたり伝導させることを可能とし、酸化触媒及び改質触媒から外気への放熱を抑制しうるとともに酸化触媒及び改質触媒全体にわたる均熱化の向上を図ることを可能とする。
【符号の説明】
【００４９】
１    改質装置
２    改質触媒
３    酸化触媒
４    外装筐体
５    入口部
６    出口部
７    外周壁部
８    上流側通路
９    下流側通路
１０    触媒ユニット
１１    断熱材
１２    金属テープ
【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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