(57)【要約】【課題】流通する高温の排ガスを用いて触媒をより均一に加熱することができる重管型の改質器を提供すること。【解決手段】重管型の改質器１は、筒状の中管２０と、筒状であり、中管２０の内方に設けられた内側管１０と、内側管１０の内周面１０１に設けられ、内側管１０の内周面１０１から突出する内側フィン１１と、内側管１０の内周面１０１により囲まれて形成された内側管内空間１２１と、中管２０の内周面２１１と内側管１０の外周面１０２との間に形成された反応空間２０１と、を備える。反応空間２０１内には、触媒２０２が配置され、燃料及び蒸気が流通し、反応空間２０１内で高温下において燃料と蒸気とが触媒２０２上で反応して水素が発生し、内側管内空間１２１には、高温のガスＧ１が流通する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の中管と、
筒状であり、前記中管の内方に設けられた内側管と、
前記内側管の内周面に設けられ、前記内側管の内周面から突出する内側フィンと、
前記内側管の内周面により囲まれて形成された内側管内空間と、
前記中管の内周面と前記内側管の外周面との間に形成された反応空間と、を備え、
前記反応空間には、触媒が配置され、燃料及び蒸気が流通し、前記反応空間内で高温下において燃料と蒸気とが前記触媒上で反応して水素が発生し、前記内側管内空間には、高温のガスが流通する重管型の改質器。
【請求項２】
前記内側フィンは、板状であり、前記内側管の軸方向に所定の間隔で平行に複数枚設けられている請求項１に記載の重管型の改質器。
【請求項３】
前記内側フィンは、前記内側管の軸方向視で環を二分割した形状を有する請求項２に記載の重管型の改質器。
【請求項４】
前記内側管の内周面は、前記内側管内空間に流れる高温のガスの流れの上流側に相当する内側管無フィン部であって前記内側フィンが設けられていない内側管無フィン部と、前記内側管内空間に流れる高温のガスの流れの下流側に相当する内側管有フィン部であって前記内側フィンが設けられている内側管有フィン部と、を有する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の重管型の改質器。
【請求項５】
前記内側管の軸方向における前記内側管の単位長さ当たりの前記内側フィンの数は、前記内側管の部分であって前記内側管内空間に流れる高温のガスの上流側の部分に相当する部分よりも、下流側の部分の方が多い請求項１〜請求項４のいずれかに記載の重管型の改質器。
【請求項６】
前記中管の外方に配置された外側管と、
前記中管の前記外周面と前記外側管の内周面との間に形成され、高温のガスが流通する外側空間と、
前記中管の外周面に設けられ、前記中管の外周面から突出する外側フィンと、を備える請求項１〜請求項５のいずれかに記載の重管型の改質器。
【請求項７】
前記外側フィンは、板状であり、前記中管の軸方向に所定の間隔で平行に複数枚設けられている請求項６に記載の重管型の改質器。
【請求項８】
前記外側フィンは、前記中管の軸方向視で環を二分割した形状を有する請求項７に記載の重管型の改質器。
【請求項９】
前記中管の外周面は、前記外側空間に流れる高温のガスの流れの上流側に相当する中管無フィン部であって前記外側フィンが設けられていない中管無フィン部と、前記外側空間に流れる高温のガスの流れの下流側に相当する中管有フィン部であって前記外側フィンが設けられている中管有フィン部と、を有する請求項６〜請求項８のいずれかに記載の重管型の改質器。
【請求項１０】
前記中管の軸方向における前記中管の単位長さ当たりの前記外側フィンの数は、前記中管の部分であって、前記外側空間に流れる高温のガスの上流側の部分よりも、下流側の部分の方が多い請求項６〜請求項９のいずれかに記載の重管型の改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温型燃料電池へ供給する水素を生成するための、重管型の改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に供給する水素を生成するための触媒を備える改質器が知られている。改質器では、触媒上で化石燃料（例えば、メタン等）と蒸気とが反応することにより、水素が発生する（特許文献１参照）。この反応は、燃料の水蒸気改質反応（発熱反応）及び一酸化炭素（ＣＯ）シフト反応（吸熱反応）の平衡反応であり、略７００℃〜８００℃程度の高温下において、均一に触媒が加熱されることが要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２６５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
改質器において略７００℃〜８００℃程度の高温下で燃料と蒸気との反応を行わせるために、例えば熱源として燃焼器等を用いることが考えられる。即ち、燃焼器における燃焼により生じた高温の排ガスを改質器に導いて改質器において熱交換を行い、改質器を高温にする。
【０００５】
しかし、排ガスを用いて熱交換を行う場合には、流通する排ガスの上流側と下流側とでは温度が異なる。このため、流通する排ガスの上流側から下流側へと向かう方向において所定の長さを有する触媒を、均一に加熱することは困難である。
【０００６】
本発明は、流通する高温の排ガスを用いて触媒をより均一に加熱することができる重管型の改質器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】
【０００７】
本発明は、筒状の中管と、筒状であり、前記中管の内方に設けられた内側管と、前記内側管の内周面に設けられ、前記内側管の内周面から突出する内側フィンと、前記内側管の内周面により囲まれて形成された内側管内空間と、前記中管の内周面と前記内側管の外周面との間に形成された反応空間と、を備え、前記反応空間には、触媒が配置され、燃料及び蒸気が流通し、前記反応空間内で高温下において燃料と蒸気とが前記触媒上で反応して水素が発生し、前記内側管内空間には、高温のガスが流通する重管型の改質器に関する。
【０００８】
また、前記内側フィンは、板状であり、前記内側管の軸方向に所定の間隔で平行に複数枚設けられていることが好ましい。
【０００９】
また、前記内側フィンは、前記内側管の軸方向視で環を二分割した形状を有することが好ましい。
【００１０】
また、前記内側管の内周面は、前記内側管内空間に流れる高温のガスの流れの上流側に相当する内側管無フィン部であって前記内側フィンが設けられていない内側管無フィン部と、前記内側管内空間に流れる高温のガスの流れの下流側に相当する内側管有フィン部であって前記内側フィンが設けられている内側管有フィン部と、を有することが好ましい。
【００１１】
また、前記内側管の軸方向における前記内側管の単位長さ当たりの前記内側フィンの数は、前記内側管の部分であって前記内側管内空間に流れる高温のガスの上流側の部分に相当する部分よりも、下流側の部分の方が多いことが好ましい。
【００１２】
また、前記中管の外方に配置された外側管と、前記中管の前記外周面と前記外側管の内周面との間に形成され、高温のガスが流通する外側空間と、前記中管の外周面に設けられ、前記中管の外周面から突出する外側フィンと、を備えることが好ましい。
【００１３】
また、前記外側フィンは、板状であり、前記中管の軸方向に所定の間隔で平行に複数枚設けられていることが好ましい。
【００１４】
また、前記外側フィンは、前記中管の軸方向視で環を二分割した形状を有することが好ましい。
【００１５】
また、前記中管の外周面は、前記外側空間に流れる高温のガスの流れの上流側に相当する中管無フィン部であって前記外側フィンが設けられていない中管無フィン部と、前記外側空間に流れる高温のガスの流れの下流側に相当する中管有フィン部であって前記外側フィンが設けられている中管有フィン部と、を有することが好ましい。
【００１６】
また、前記中管の軸方向における前記中管の単位長さ当たりの前記外側フィンの数は、前記中管の部分であって、前記外側空間に流れる高温のガスの上流側の部分よりも、下流側の部分の方が多いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、流通する高温の排ガスを用いて触媒をより均一に加熱することができる重管型の改質器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る重管型の改質器１を示す断面斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る重管型の改質器１の内側フィン１１を示す平面図である。
【図３】第２実施形態に係る重管型の改質器１Ａを示す断面斜視図である。
【図４】第１実施形態に係る重管型の改質器１の変形例を示す断面斜視図である。
【図５】第２実施形態に係る重管型の改質器１Ａの変形例を示す断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の第１実施形態に係る重管型の改質器について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る重管型の改質器１を示す断面斜視図である。図２は、第１実施形態に係る重管型の改質器１の内側フィン１１を示す平面図である。
【００２０】
図１に示すように、第１実施形態に係る重管型の改質器１は、内側管１０と中管２０と外側管３０と内側フィン１１と外側フィン２３とを有している。説明の便宜上、内側管１０の軸方向において、内側管１０の端部側であって、後述のように流通する排ガスＧ１の流入口側の端部側を上側と定義し、その反対側の端部側である図１の内側管１０の下端部側を下側と定義する。
【００２１】
内側管１０は、ステンレス鋼からなる円筒状であり、その内周面１０１によって内側管内空間１２１が形成されている。内側管内空間１２１には、燃焼器（図示せず）において燃料が燃焼されて生成された、略７００℃〜８００℃程度の高温の排ガスＧ１が流通可能である。排ガスＧ１は、図１に示す内側管内空間１２１の上端から流入し、下端から内側管内空間１２１の外方へ排出される。
【００２２】
内側フィン１１は、内側管１０の内周面１０１に設けられている。内側フィン１１は、内側管１０の内周面１０１から、内側管１０の径方向内方へ向かって突出している。
内側フィン１１は、側方視で平板状である。内側フィン１１は、平面視で、同一形状の中心角１２０°〜１８０°を有する略扇形の環の一部が線対称形状の位置関係で対をなして配置されたような形状を有している。本実施形態では、内側フィン１１は、あたかも環がその直径位置（中心角１８０°の位置）において二分割されたような形状を有して対をなしており、環の直径位置にある二分割線１１１、１１１同士が、１０ｍｍの間隔で離間して配置された位置関係を有する。
【００２３】
内側フィン１１は、図１に示すように、平行な位置関係を有する平坦な上面１１２と平坦な下面１１３とを有しており、上面１１２及び下面１１３は、それぞれ、内側管１０の径方向に平行な面、即ち、水平面に対して１０°の角度をなして交差する位置関係を有して傾斜している。また、各内側フィン１１同士においても、その上面１１２と上面１１２とは互いに平行な位置関係を有しており、下面１１３と下面１１３とは、互いに平行な位置関係を有している。
上述のように傾斜している内側フィン１１、１１の部分であって、二分割線１１１（１１１Ａ）、１１１（１１１Ａ）、１１１（１１１Ｂ）、１１１（１１１Ｂ）のうちの一方の対をなす二分割線１１１Ａ、１１１Ａを有する部分は、内側フィン１１、１１においては、上下方向において最も上に位置する部分であり、二分割線１１１Ｂ、１１１Ｂを有する部分は、内側フィン１１、１１においては、上下方向において最も下に位置する部分である。内側フィン１１は、内側管１０の上端部近傍から、後述する触媒２０２の下端に対向する位置に至るまで、内側管１０の軸方向に１０ｍｍ間隔で２３対設けられている。
【００２４】
中管２０は、内側中管２１と外側中管２２とを有する。内側中管２１は、円筒状であり、内側管１０の外方において内側管１０と同芯状に配置されている。従って、内側管１０は、内側中管２１の内方に中管２０と同芯状に配置されている。内側管１０の軸方向において、内側中管２１の下端は、内側管１０の下端よりも上方に位置している。内側管１０の軸方向において、内側中管２１の上端は、内側管１０の上端よりも下方に位置している。
【００２５】
内側中管２１の内周面２１１及び内側管１０の外周面１０２は、反応空間２０１の一部を形成している。反応空間２０１は、後述する都市ガスと蒸気との混合ガスＧ２が反応空間２０１に配置された後述の触媒２０２中を通過することにより、燃料である都市ガスの水蒸気改質反応（発熱反応）及び一酸化炭素（ＣＯ）シフト反応（吸熱反応）の平衡反応が行われ、水素ガスＧ２が生成される空間である。反応空間２０１の下半分には、触媒２０２が設けられている。触媒２０２は、反応空間２０１内において、内側中管２１の内周面２１１と内側管１０の外周面１０２との間に充填されるように配置されている。
【００２６】
外側中管２２は、円筒状であり、内側中管２１の外方において内側中管２１と同芯状に配置されている。内側管１０の軸方向において、外側中管２２の下端は、内側中管２１の下端よりも下方に位置し、且つ、内側管１０の下端と一致した位置関係を有している。外側中管２２の下端と内側管１０の下端とは、中管下壁２４によって接続されている。内側中管２１の外周面２１２及び外側中管２２の内周面２２１は、反応空間２０１の一部を形成している。反応空間２０１は、中管下壁２４によって、内側管１０の軸方向における下端において閉塞されている。また、内側中管２１の下端において、反応空間２０１の部分であって、内側中管２１の外周面２１２及び外側中管２２の内周面２２１により形成されている部分と、内側中管２１の内周面２１１及び内側管１０の外周面１０２により形成されている部分とは、互いに連通している。
【００２７】
また、内側管１０の軸方向において、外側中管２２の上端は、内側中管２１の上端と一致している。外側中管２２の上端と内側管１０の外周面１０２とは、中管上壁２５によって接続されている。中管上壁２５によって、内側管１０の軸方向における上端において、反応空間２０１は閉塞されている。また、内側中管２１の上端において、反応空間２０１の部分であって、内側中管２１の外周面２１２及び外側中管２２の内周面２２１により形成されている部分と、内側中管２１の内周面２１１及び内側管１０の外周面１０２により形成されている部分とは、連通しておらず遮断されている。
【００２８】
中管上壁２５には、貫通孔２５１が形成されている。貫通孔２５１の開口部には、当該開口部を取り囲み、中管上壁２５から内側管１０の軸方向且つ上方へ延びる燃料蒸気流入管部２５２が設けられている。また、外側中管２２の側面の上端部には、貫通孔２５３が形成されており、貫通孔２５３の開口部には、当該開口部を取り囲み、当該外側中管２２の側面の上端部から外側中管２２の径方向外方へ延びる燃料蒸気排出管部２５４が設けられている。
【００２９】
外側管３０は、円筒状であり、外側中管２２の外方において外側中管２２と同芯状に配置されている。内側管１０の軸方向において、外側管３０の下端は、内側管１０の下端よりも下方に位置している。
外側管３０の下端は、外側管下壁３１によって閉塞されている。外側管３０の内周面３０１及び外側中管２２の外周面２２２は、外側空間３０３を形成している。内側管内空間１２１は、外側管下壁３１の上面と、中管下壁２４の下面との間の空間を介して、外側空間３０３に連通している。
【００３０】
また、内側管１０の軸方向において、外側管３０の上端は、外側中管２２の燃料蒸気排出管部２５４よりも下方に位置している。外側管３０の上端と外側中管２２の外周面２２２とは、外側管上壁３２によって接続されている。外側管上壁３２によって外側空間３０３は、内側管１０の軸方向上端において閉塞されている。
外側管３０の外周面３０２の上端部には、貫通孔３０４が形成されており、貫通孔３０４の開口部には、当該開口部を取り囲み、当該外側管３０の外周面３０２の上端部から外側管３０の径方向外方へ延びる排ガス排出管部３０５が設けられている。
【００３１】
外側フィン２３は、外側中管２２の外周面２２２に設けられている。外側フィン２３は、外側中管２２の外周面２２２から、内側管１０の径方向外方へ向かって突出している。
内側フィン１１と同様に、外側フィン２３は、側方視で平板状である。外側フィン２３は、平面視で、同一形状の中心角１２０°〜１８０°を有する略扇形の環の一部が線対称形状の位置関係で対をなして配置されたような形状を有している。本実施形態では、外側フィン２３は、あたかも環がその直径位置（中心角１８０°の位置）において二分割されたような形状を有して対をなしており、環の直径位置にある二分割線２３１、２３１同士が、１５ｍｍの間隔で離間して配置された位置関係を有する。なお、図１においては、対をなす外側フィン２３のうちの一方のみが現れている。
【００３２】
外側フィン２３は、図１に示すように、平行な位置関係を有する平坦な上面２３２と平坦な下面２３３とを有しており、上面２３２及び下面２３３は、それぞれ、外側管３０の径方向に平行な面、即ち、水平面に対して１２°の角度をなして交差する位置関係を有して傾斜している。また、各外側フィン２３同士においても、その上面２３２と上面２３２とは互いに平行な位置関係を有しており、下面２３３と下面２３３とは、互いに平行な位置関係を有している。
上述のように傾斜している外側フィン２３、２３の部分であって、二分割線２３１（２３１Ａ）、２３１（２３１Ａ）、２３１（２３１Ｂ）、２３１（２３１Ｂ）のうちの一方の対をなす二分割線２３１Ａ、２３１Ａを有する部分は、外側フィン２３、２３においては、上下方向において最も上に位置する部分であり、二分割線２３１Ｂ、２３１Ｂを有する部分は、外側フィン２３、２３においては、上下方向において最も下に位置する部分である。外側フィン２３は、外側中管２２の下端部近傍から、外側管３０の上端部近傍であって外側管３０の排ガス排出管部３０５よりも下の部分に相当する部分に至るまで、内側管１０の軸方向に２０ｍｍ間隔で１４対設けられている。
【００３３】
次に、重管型の改質器１の動作について説明する。図１に示すように、重管型の改質器１の内側管内空間１２１には、燃焼器（図示せず）における燃焼により生成された高温の排ガスＧ１が供給される。また、重管型の改質器１の反応空間２０１には、都市ガスのガス栓から供給された都市ガスと、濾過膜モジュール（図示せず）の濾過膜（例えば、逆浸透膜、ナノ濾過膜）によりろ過された水が加熱されて得られた蒸気との混合ガスＧ２が供給される。
【００３４】
排ガスＧ１は、内側管内空間１２１を上側から下側へと流れる。このとき、排ガスＧ１の一部は、内側フィン１１に衝突し、内側フィン１１に熱を十分に伝達する。内側フィン１１に伝達された熱は、内側管１０を通して反応空間２０１内の触媒２０２や混合ガスＧ２へ伝達される。内側管内空間１２１の下端に至った排ガスＧ１は、外側管下壁３１の上面と中管下壁２４の下面との間の空間を通って、外側空間３０３の下端から外側空間３０３内に流入する。そして、外側空間３０３内を下側から上側へと流れる。このとき、排ガスＧ１の一部は、外側フィン２３に衝突し、外側フィン２３に熱を十分に伝達する。外側フィン２３に伝達された熱は、外側中管２２を通して、後述の反応空間２０１内を流れる水素ガスＧ２であって、混合ガスＧ２から生成された水素ガスＧ２へ伝達される。
【００３５】
混合ガスＧ２は、燃料蒸気流入管部２５２から反応空間２０１内に流入し、反応空間２０１を上側から下側へと流れる。そして、均一に加熱された触媒２０２の中を通過することにより、燃料である都市ガスの水蒸気改質反応（発熱反応）及び一酸化炭素（ＣＯ）シフト反応（吸熱反応）の平衡反応が、略７００℃〜８００℃程度の高温下において行われ、水素ガスＧ２が生成される。水素ガスＧ２は、反応空間２０１の部分であって、内側中管２１の外周面２１２及び外側中管２２の内周面２２１により形成されている部分を、下側から上側へと流れ、外側フィン２３によって加熱され、燃料蒸気排出管部２５４から排出される。
【００３６】
次に、本発明の第２実施形態に係る重管型の改質器１Ａについて図３を参照しながら説明する。第２実施形態に係る重管型の改質器１Ａにおいては、中管２０Ａ等の構成が異なることにより、反応空間２０１Ａの構成や排ガスＧ１や混合ガスＧ２の流れる方向が、第１実施形態に係る重管型の改質器１とは異なる。
【００３７】
図３に示すように、第２実施形態に係る重管型の改質器１Ａは、内側管１０Ａと中管２０Ａと外側管３０Ａと内側フィン１１と外側フィン２３とを有している。内側管１０Ａ、中管２０Ａ、外側管３０Ａ、内側フィン１１、及び外側フィン２３は、第１実施形態のものと同一の材料により構成されている。説明の便宜上、内側管１０Ａの軸方向において後述のように流通する排ガスＧ１の上流側を上側と定義し、下流側を下側と定義する。
【００３８】
内側管１０Ａは、円筒状であり、その内周面１０１Ａによって内側管内空間１２１Ａが形成されている。内側管内空間１２１Ａには、燃焼器（図示せず）において燃料が燃焼されて生成された、略７００℃〜８００℃程度の高温の排ガスＧ１が流通可能である。排ガスＧ１は、後述する排ガス流入管部１５を通して内側管内空間１２１Ａの上方から流通してきて、内側管内空間１２１Ａの上端から流入し、内側管１０Ａの下端から内側管１０Ａ外へ排出される。
【００３９】
内側管１０Ａの内周面１０１Ａには、内側フィン１１が設けられている。内側フィン１１は、内側管１０Ａの内周面１０１Ａから、内側管１０Ａの径方向内方へ向かって突出している。各内側フィン１１の構成については、第１実施形態の内側フィン１１と同一であるため説明を省略する。
内側フィン１１は、内側管１０Ａの上端部近傍から、後述する触媒２０２Ａの下端に対向する位置に至るまで、内側管１０Ａの軸方向に１５ｍｍ間隔で１６対設けられている。
【００４０】
中管２０Ａは、内側中管２１Ａと外側中管２２Ａとを有する。内側中管２１Ａは、円筒状であり、内側管１０Ａの外方において内側管１０Ａと同芯状に配置されている。従って、内側中管２１Ａの内方には、内側管１０Ａが中管２０Ａと同芯状に配置されている。内側管１０Ａの軸方向において、内側中管２１Ａの下端は、内側管１０Ａの下端よりも上方に位置している。内側管１０Ａの軸方向において、内側中管２１Ａの上端は、内側管１０Ａの上端よりも下方に位置している。
【００４１】
外側中管２２Ａは、円筒状であり、内側中管２１Ａの外方において内側中管２１Ａと同芯状に配置されている。内側管１０Ａの軸方向において、外側中管２２Ａの下端は、内側中管２１Ａの下端と一致した位置関係を有している。外側中管２２Ａの下端と内側中管２１Ａの下端と内側管１０Ａの外周面１０２Ａとは、中管下壁２４Ａによって接続されている。
【００４２】
反応空間２０１Ａは、内側中管２１Ａの外周面２１２Ａと外側中管２２Ａの内周面２２１Ａとで形成される空間と、内側中管２１Ａの内周面２１１Ａと内側管１０Ａの外周面１０２Ａとで形成される空間とにより構成されている。反応空間２０１Ａは、中管下壁２４Ａによって、内側管１０Ａの軸方向下端において閉塞されている。また、反応空間２０１Ａの部分であって、内側中管２１Ａの外周面２１２Ａと外側中管２２Ａの内周面２２１Ａとで形成される部分は、反応空間２０１Ａの部分であって、内側中管２１Ａの内周面２１１Ａと内側管１０Ａの外周面１０２Ａとで形成される部分に、内側中管２１Ａの上端において連通している。
【００４３】
反応空間２０１Ａの上半分には、触媒２０２Ａが設けられている。触媒２０２Ａは、内側中管２１Ａの外周面２１２Ａと外側中管２２Ａの内周面２２１Ａとの間に充填されるように配置されている。
また、内側管１０Ａの軸方向において、外側中管２２Ａの上端は、内側中管２１Ａの上端よりも上方に位置している。内側管１０Ａの軸方向において、外側中管２２Ａの上端と内側管１０Ａの上端とは、一致した位置関係を有している。外側中管２２Ａの上端と内側管１０Ａの上端とは、中管上壁２５Ａによって接続されている。反応空間２０１Ａは、中管下壁２４Ａによって、内側管１０Ａの軸方向下端において閉塞されている。
【００４４】
外側中管２２Ａの外周面２２２Ａには、外側フィン２３が設けられている。外側フィン２３は、外側中管２２Ａの外周面２２２Ａから、内側管１０Ａの径方向外方へ向かって突出している。各外側フィン２３の構成については、第１実施形態の外側フィン２３と同一であるため説明を省略する。外側フィン２３は、触媒２０２Ａの上端に相当する部分から、外側中管２２Ａの下端部近傍であって後述の外側管３０Ａの排ガス排出管部３０５Ａよりも上の部分に相当する部分に至るまで、内側管１０Ａの軸方向に１７ｍｍ間隔で１６対設けられている。
【００４５】
外側管３０Ａは、円筒状であり、外側中管２２Ａの外方において外側中管２２Ａと同芯状に配置されている。内側管１０Ａの軸方向において、外側管３０Ａの下端は、内側中管２１Ａの下端及び外側中管２２Ａの下端と一致する位置関係を有している。外側管３０Ａの下端は、中管下壁２４Ａによって内側中管２１Ａの下端及び外側中管２２Ａの下端と接続されている。外側管３０Ａの下端は、中管下壁２４Ａによって閉塞されている。外側管３０Ａの内周面３０１Ａ及び外側中管２２Ａの外周面２２２Ａは、外側空間３０３Ａを形成している。
【００４６】
また、内側管１０Ａの軸方向において、外側管３０Ａの上端は、中管上壁２５Ａよりも上方に位置しており、上壁（図示せず）によって閉塞されている。上壁の中央には、貫通孔（図示せず）が形成されており、貫通孔の開口部には、当該開口部を取り囲み、上方へ延びる排ガス流入管部１５が設けられている。排ガス流入管部１５の下端と内側管１０Ａの上端とは、所定の距離で離間しており、内側管内空間１２１Ａと外側空間３０３Ａとは、中管上壁２５Ａ上で連通している。
【００４７】
外側管３０Ａの側面の下端部には、貫通孔３０４Ａが形成されており、貫通孔３０４Ａの開口部には、当該開口部を取り囲み、当該外側管３０Ａの外周面３０２Ａの下端部から内側管１０Ａの径方向且つ外側管３０Ａの外方へ延びる排ガス排出管部３０５Ａが設けられている。
中管下壁２４Ａには、貫通孔２５１Ａが形成されている。貫通孔２５１Ａは、中管下壁２４Ａの部分であって、反応空間２０１Ａを構成している空間、即ち、内側中管２１Ａの外周面２１２Ａ及び外側中管２２Ａの内周面２２１Ａにより形成されている空間に対向する部分に形成されている。貫通孔２５１Ａの開口部には、当該開口部を取り囲み、中管下壁２４Ａから内側管１０Ａの軸方向且つ下方へ延びる燃料蒸気流入管部２５２Ａが設けられている。
また、中管下壁２４Ａには、貫通孔２５３Ａが形成されている。貫通孔２５３Ａは、中管下壁２４Ａの部分であって、反応空間２０１Ａを構成している空間、即ち、内側中管２１Ａの内周面２１１Ａ及び内側管１０Ａの外周面１０２Ａにより形成されている空間に対向する部分に形成されている。貫通孔２５３Ａの開口部には、当該開口部を取り囲み、中管下壁２４Ａから内側管１０Ａの軸方向且つ下方へ延びる燃料蒸気排出管部２５４Ａが設けられている。
【００４８】
次に、重管型の改質器１Ａの動作について説明する。重管型の改質器１Ａの内側管内空間１２１Ａには、図３に示すように、燃焼器（図示せず）における燃焼により生成された高温の排ガスＧ１が、排ガス流入管部１５を通して供給される。
具体的には、排ガスＧ１は、内側管内空間１２１Ａを上側から下側へと流れる。このとき、排ガスＧ１の一部は、内側フィン１１に衝突し、内側フィン１１に熱を十分に伝達する。内側フィン１１に伝達された熱は、内側管１０Ａを通して、反応空間を構成する空間、即ち内側管１０Ａの外周面１０２Ａと内側中管２１Ａの内周面２１１Ａとの間の空間に流通する水素ガスＧ２であって、混合ガスＧ２から生成された水素ガスＧ２へ伝達される。そして、排ガスＧ１は、内側管１０Ａの下端から排出される。
【００４９】
また、中管上壁２５Ａ上を通り、内側管１０Ａの径方向外方へ流れた排ガスＧ１は、外側空間３０３Ａの上端から外側空間３０３Ａ内に流入する。そして、外側空間３０３Ａを上側から下側へと流れる。このとき、排ガスＧ１の一部は、外側フィン２３に衝突し、外側フィン２３に熱を十分に伝達する。外側フィン２３に伝達された熱は、外側中管２２Ａを通して、触媒２０２Ａと、後述のように反応空間２０１Ａ内を流れる混合ガスＧ２とへそれぞれ伝達される。外側空間３０３Ａの下端に至った排ガスＧ１は、排ガス排出管部３０５Ａから排出される。
【００５０】
重管型の改質器１Ａの反応空間２０１Ａには、図３に示すように、都市ガスと蒸気との混合ガスＧ２が供給される。
具体的には、混合ガスＧ２は、燃料蒸気流入管部２５２Ａから反応空間２０１Ａ内に流入し、反応空間２０１Ａを構成する空間、即ち、内側中管２１Ａの外周面２１２Ａ及び外側中管２２Ａの内周面２２１Ａにより形成されている空間において、下側から上側へと流れる。そして、均一に加熱された触媒２０２Ａの中を通過することにより、燃料である都市ガスの水蒸気改質反応（発熱反応）及び一酸化炭素（ＣＯ）シフト反応（吸熱反応）の平衡反応が、略７００℃〜８００℃程度の高温下において行われ、水素が生成される。そして、反応空間２０１Ａの上端において、反応空間２０１Ａの部分、即ち、内側管１０Ａの外周面１０２Ａと内側中管２１Ａの内周面２１１Ａとにより形成される部分空間に流入し、上側から下側へ流れ、燃料蒸気排出管部２５４Ａから排出される。
【００５１】
上記本実施形態の重管型の改質器１、１Ａによれば、以下のような効果を得ることができる。
内側管１０、１０Ａの内周面１０１、１０１Ａには、内周面１０１、１０１Ａから突出する内側フィン１１が設けられているため、内側管１０、１０Ａ内に流れる高温の排ガスＧ１の熱を、触媒２０２、２０２Ａ、混合ガスＧ２、及び水素ガスＧ２に均一に伝達することができる。このため、触媒２０２、２０２Ａ上における燃料と蒸気との反応に均一に効果的に導くことができる。同様に、中管２０、２０Ａを構成する外側中管２２、２２Ａの外周面２２２、２２２Ａには、外側中管２２、２２Ａの外周面２２２、２２２Ａから突出する外側フィン２３が設けられているため、外側空間３０３、３０３Ａ内に流れる高温の排ガスＧ１の熱を、触媒２０２、２０２Ａ、混合ガスＧ２、及び水素ガスＧ２に均一に伝達することができる。このため、触媒２０２、２０２Ａ上における燃料と蒸気との反応に均一に効果的に導くことができる。このため、均一な反応により効率よく水素を発生させることができる。
この結果、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）のような高温型の燃料電池に、均一な反応により効率よく発生させた高温の水素を供給することができる。また、排ガスＧ１から混合ガスＧ２へ低圧損で高効率な熱交換を可能とすることができる。
【００５２】
また、内側フィン１１は、板状であり、内側管１０、１０Ａの軸方向に所定の間隔で平行に複数枚設けられているため、高温の排ガスＧ１を、内側フィン１１の上面１１２及び下面１１３に広く当てることができると共に、スムーズに内側管１０、１０Ａの軸方向へ流すことができる。同様に、外側フィン２３は、板状であり、中管２０、２０Ａの軸方向に所定の間隔で平行に複数枚設けられているため、高温の排ガスＧ１を外側フィン２３の上面２３２及び下面２３３に広く当てることができると共に、スムーズに内側管１０、１０Ａの軸方向へ流すことができる。
【００５３】
また、内側フィン１１は、内側管１０、１０Ａの軸方向視で環を二分割した形状を有するため、内側管１０、１０Ａ内において、高温の排ガスＧ１を内側管１０、１０Ａの軸方向へスムーズに流すことができる。同様に、外側フィン２３は、内側管１０、１０Ａの軸方向視で環を二分割した形状を有するため、外側空間３０３、３０３Ａ内において、高温の排ガスＧ１を内側管１０、１０Ａの軸方向へスムーズに流すことができる。
【００５４】
また、前述のように、内側フィン１１の上面１１２及び下面１１３は、それぞれ、内側管１０、１０Ａの径方向に平行な面に対して１０°の角度をなして交差する位置関係を有する。また、外側フィン２３の上面２３２及び下面２３３は、それぞれ、内側管１０、１０Ａの径方向に平行な面に対して１２°の角度をなして交差する位置関係を有する。このため、内側フィン１１、外側フィン２３の破損を低減することができ、また、内側フィン１１、外側フィン２３の伝熱面積を大きくすることができる。
【００５５】
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、上述の第１実施形態では、内側フィン１１は、内側管１０の上端部近傍から、触媒２０２の下端に対向する位置に至るまで、内側管１０の軸方向に１０ｍｍ間隔で２３対設けられていたが、この構成に限定されない。即ち、内側フィン１１の数や間隔の値は、本実施形態の数や値に限定されず、また、内側フィンは、内側管１０、１０Ａの上端部近傍から、触媒２０２、２０２Ａの下端に対向する位置に至るまで一様に設けられていなくてもよい。
【００５６】
例えば、図４、図５にそれぞれ示すように、内側管１０、１０Ａの内周面１０１、１０１Ａは、内側管内空間１２１、１２１Ａに流れる高温のガスである排ガスＧ１の流れの上流側に相当する部分であって内側フィン１１が設けられていない内側管無フィン部１０５、１０５Ａと、内側管内空間１２１、１２１Ａに流れる排ガスＧ１の流れの下流側に相当する部分であって内側フィン１１が設けられている内側管有フィン部１０６、１０６Ａと、を有していてもよい。
【００５７】
同様に、中管２０、２０Ａの外側中管２２、２２Ａの外周面２２２、２２２Ａは、外側空間３０３、３０３Ａに流れる排ガスＧ１の流れの上流側に相当する部分であって外側フィン２３が設けられていない中管無フィン部２７、２７Ａと、外側空間３０３、３０３Ａに流れる排ガスＧ１の流れの下流側に相当する部分であって外側フィン２３が設けられている中管有フィン部２８、２８Ａと、を有していてもよい。
【００５８】
図４は、第１実施形態に係る重管型の改質器１の変形例を示す断面斜視図である。図４に示す第１実施形態の変形例は、内側フィン１１の数が異なる点、内側フィン１１の設けられている位置が異なる点、外側フィン２３の数が異なる点、及び外側フィン２３の設けられている位置が異なる点のみにおいて、第１実施形態とは異なる。
また、図５は、第２実施形態に係る重管型の改質器１Ａの変形例を示す断面斜視図である。図５に示す第２実施形態の変形例は、内側フィン１１の数が異なる点、内側フィン１１の設けられている位置が異なる点、外側フィン２３の数が異なる点、及び外側フィン２３の設けられている位置が異なる点のみにおいて、第２実施形態とは異なる。
【００５９】
具体的には、第１実施形態の変形例では、図４に示すように、重管型の改質器１Ｂの内側管内空間１２１における排ガスＧ１の流れの上流側に相当する部分である図４の上側の略３分の２程度の部分には、内側フィン１１は設けられていない。内側管１０の内周面１０１であって、このように内側フィン１１が設けられていない部分は、内側管無フィン部１０５を構成する。これに対して内側管内空間１２１における排ガスＧ１の流れの下流側に相当する部分である図４の下側の略３分の１程度の部分には、内側フィン１１が１１ｍｍ間隔で９対設けられている。内側管１０の内周面１０１のこの部分は、内側管有フィン部１０６を構成する。
【００６０】
また、外側空間３０３における排ガスＧ１の流れの上流側に相当する部分である下側の略３分の１程度の部分には、外側フィン２３は設けられていない。外側中管２２の外周面２２２のこの部分は、中管無フィン部２７を構成する。これに対して外側空間３０３における排ガスＧ１の流れの下流側に相当する部分である上側の略３分の２程度の部分には、外側フィン２３が２２ｍｍ間隔で９対設けられている。外側中管２２の外周面２２２のこの部分は、中管有フィン部２８を構成する。
【００６１】
また、第２実施形態の変形例では、図５に示すように、重管型の改質器１Ｃの内側管内空間１２１Ａにおける排ガスＧ１の流れの上流側に相当する部分である図５の上側の略２分の１程度の部分には、内側フィン１１は設けられていない。内側管１０Ａの内周面１０１Ａのこの部分は、内側管無フィン部１０５Ａを構成する。これに対して内側管内空間１２１Ａにおける排ガスＧ１の流れの下流側に相当する部分である下側の略２分の１程度の部分には、内側フィン１１が１６ｍｍ間隔で９対設けられている。内側管１０Ａの内周面１０１Ａのこの部分は、内側管有フィン部１０６Ａを構成する。
【００６２】
また、外側空間３０３Ａにおける排ガスＧ１の流れの上流側に相当する部分である上側の略３分の１程度の部分には、外側フィン２３は設けられていない。外側中管２２Ａの外周面２２２Ａのこの部分は、中管無フィン部２７Ａを構成する。これに対して外側空間３０３Ａにおける排ガスＧ１の流れの下流側に相当する部分である下側の略３分の２程度の部分には、外側フィン２３が３０ｍｍ間隔で１２対設けられている。外側中管２２Ａの外周面２２２Ａのこの部分は、中管有フィン部２８Ａを構成する。
【００６３】
排ガスＧ１は、流れてゆくに従い、その温度は低下する。また、蒸気及び燃料の混合ガスＧ２は、発熱反応、吸熱反応を繰り返すので、その温度は低下する。しかし、上述のように内側フィン１１及び外側フィン２３を配置させたため、当該排ガスＧ１の温度が低下した位置においても排ガスＧ１から熱を効果的に触媒２０２、２０２Ａに伝達させることができ、必要最小限のフィンの数で、熱を均一に触媒２０２、２０２Ａに伝達することができる。
【００６４】
また、上述の実施形態及び変形例では、内側フィン１１、外側フィン２３は、等間隔で配置されていたが、等間隔でなくてもよい。
例えば、内側管１０、１０Ａの軸方向における内側管１０、１０Ａの単位長さ当たりの内側フィン１１の数は、内側管１０、１０Ａの部分であって内側管内空間１２１、１２１Ａに流れる高温のガスである排ガスＧ１の上流側の部分に相当する部分よりも、下流側の部分の方が多く構成されていてもよい。同様に、中管２０、２０Ａの軸方向における中管２０、２０Ａの単位長さ当たりの外側フィン２３の数は、中管２０、２０Ａの部分であって、外側空間３０３、３０３Ａに流れる排ガスＧ１の上流側の部分よりも、下流側の部分の方が多く構成されていてもよい。
【００６５】
前述のように排ガスＧ１は、流れてゆくに従い、排ガスＧ１の温度は低下する。また、蒸気及び燃料の混合ガスＧ２は、発熱反応、吸熱反応を繰り返すので、その温度は低下する。しかし、このように内側フィン１１及び外側フィン２３を配置させたため、当該温度が低下した位置において、排ガスＧ１からより多くの熱を効果的に触媒２０２、２０２Ａに伝達させることができ、熱を均一に触媒２０２、２０２Ａに伝達することができる。
また、上述の実施形態及び変形例では、中管２０、２０Ａは、外側中管２２、２２Ａ及び内側中管２１、２１Ａにより構成されているが、この構成に限定されない。また、改質器１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃにより生成された水素が用いられるのは、高温型燃料電池に限定されない。
【符号の説明】
【００６６】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  改質器
１０  内側管
１１  内側フィン
２０  中管
２１  内側中管
２２  外側中管
２３  外側フィン
３０  外側管
１０１、２１１、２２１  内周面
１０２、２１２、２２２  外周面
１１２、２３２  上面
１１３、２３３  下面
Ｇ１  排ガス
Ｇ２  混合ガス（水素ガス）
２０１  反応空間
２０２  触媒
３０３  外側空間
【図１】
2013227161.tif 000003
【図２】
2013227161.tif 000004
【図３】
2013227161.tif 000005
【図４】
2013227161.tif 000006
【図５】
2013227161.tif 000007