(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体原料を気化して別途供給される気体原料と共に混合原料ガスとして改質反応部に供給する原料蒸発導入部と、改質触媒によって供給された混合原料ガスを改質する改質反応部と、改質反応部に反応熱を供給する加熱部とを備えた改質反応器において、
前記原料蒸発導入部は、導入された液体原料と気体原料とから成る気液混相体の温度を前記加熱部の余剰熱によって前記気液混相体が流れて行く過程で上昇させ、前記気液混相体中の前記液体原料を沸点以下の温度で蒸発させる蒸発管路を有することを特徴とする改質反応器。
【請求項２】
蒸発管路は、加熱部の余剰熱の流路を軸として螺旋状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の改質反応器。
【請求項３】
螺旋状に形成された蒸発管路は、螺旋の内側側面又は外側側面或いは内外両側面側から加熱される配置とされたことを特徴とする請求項２に記載の改質反応器。
【請求項４】
加熱は、加熱部の余剰熱の外に、改質反応部から流出した反応熱を用いることを特徴とする請求項３に記載の改質反応器。
【請求項５】
蒸発管路の上流端側に接続された気体原料導入管に、液体原料を液滴化して混入する液滴化器を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の改質反応器。
【請求項６】
円筒構造の改質反応部の上部又は下部に、前記円筒と同軸且つ同径の螺旋状に形成された蒸発管路を配設したことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の改質反応器。
【請求項７】
改質反応器は、大気圧近傍で動作する改質反応器であって、改質反応部の下部に配設される蒸発管路は、気体原料の線速度が重力に逆らって流される混合原料ガスの均一混合を保つ線速度以上となる断面積であることを特徴とする請求項６に記載の改質反応器。
【請求項８】
気体原料の線速度は常温換算で３ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項７に記載の改質反応器。
【請求項９】
蒸発管路は、少なくとも改質反応器内部を流通する高温ガスと熱交換関係に配置されると共に、混合原料ガスが重力にしたがって高い位置から低い位置へ流下する下降流路部分と、重力に逆らって低い位置から高い位置へと溯る上昇流路部分とを有することを特徴とする請求項１に記載の改質反応器。
【請求項１０】
改質反応器は大気圧近傍で動作する改質反応器であって、蒸発管路の上昇流路部分は、気体原料の線速度が重力に逆らって流される混合原料ガスの均一混合を保つ線速度以上となる断面積であることを特徴とする請求項９に記載の改質反応器。
【請求項１１】
蒸発管路の上昇流路部分における気体原料の線速度は常温換算で４ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の改質反応器。
【請求項１２】
改質反応器の外部で一部気化した液体原料と気体原料とが原料蒸発導入部に供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の改質反応器。
【請求項１３】
改質反応器で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換する過程で副生した反応熱で液体原料の一部を気化して原料蒸発導入部に供給することを特徴とする請求項１２に記載の改質反応器。
【請求項１４】
蒸発管路の内面に親液体原料性のコーティングが施されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れかに記載の改質反応器。
【請求項１５】
蒸発管路の内面に溝が施されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れかに記載の改質反応器。
【請求項１６】
蒸発管路は平板構造の改質反応部の形状に応じて全体として平板形状に納まる配管としたことを特徴とする請求項９乃至請求項１５の何れかに記載の改質反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体原料を気化して別途供給される気体原料と共に混合原料ガスとして改質反応部に供給する原料蒸発導入部と、改質触媒によって供給された混合原料ガスを改質する改質反応部と、改質反応部に反応熱を供給する加熱部とを備えた改質反応器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＮＧ等の気体原料としての炭化水素例えばメタンと液体原料としての水の蒸気との混合原料ガスを、改質触媒の助けにより水素を主成分とする水素混合ガス（改質ガス）に変換する改質反応器は、古くから一般的に知られており技術的にも確立されている。
このような改質反応器の従来例１として、例えば図６に示す改質反応器が特開２００１−１０８０４号公報に示されている。
【０００３】
図６は改質反応器の断面図である。改質反応器４は、円筒状の改質反応部１とこの改質反応部１に反応熱を与える加熱部２とを円筒状の容器３内に有し、容器３の外に設けられた原料蒸発導入部５において、蒸発ボイラー等の蒸発手段を用いて気化した液体原料を、別途供給される気体原料に加えて混合原料ガスとして容器３内の改質反応部１に導く構造である。
【０００４】
この改質反応部１は、改質触媒が充填された触媒層６及び改質ガス戻り流路７で構成されている。
又、加熱部２は、容器３の上部に設けられた燃焼器８の燃焼ガスが、改質反応部１の筒状内部を下部に向って通り（往路９ａ）、改質反応部１の下端を回って筒状外周面（帰路９ｂ）を経てから容器３外へ、燃焼排ガスとして排気されるように構成されている。
【０００５】
この従来例１の改質反応器４では、容器３の外に設けられた原料蒸発導入部５において、液体原料を気化させた蒸気と気体原料である炭化水素（例えばＬＮＧやメタン）とが混合されて、反応原料即ち混合原料ガスとして容器３内の改質反応部１に供給されている。
この混合原料ガスは、改質触媒を保持する触媒層６に導かれ、改質触媒の作用によって下式に従い水素を主成分とする改質ガスに変質される。
改質反応式
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋４Ｈ2          （１）
改質反応は、適正な反応温度が５００〜７５０℃程度の高温反応であり、且つ反応自体が大きな吸熱反応であるため、温度維持の目的で燃焼器８によって反応熱が供給される。最も一般的な加熱法は、燃焼器８による燃焼ガスを改質反応部１に隣接して設けた熱交換用の燃焼ガス流路９ａ、９ｂに通す方法である。
【０００６】
改質反応に必要な蒸気（スチーム）は、通常、改質反応器４から排出された相対的に高温度な例えば４００〜５００℃程度の燃焼排ガスや改質ガス、或いは改質反応器を含むプラントで発生する余剰の熱を利用した排熱回収型蒸発器、例えばボイラ（図示せず）等によって生成される。
しかし、このような構成は、大型の化学プラントや発電プラントにおいては適切なものであるが、小容量の改質反応器を家庭用途や分散電源用途の燃料電池電源として利用する場合（電気出力で１〜１０ｋＷ程度）には不適当である。ボイラ等を別途設けることは、設置スペース、放熱損失、機器構成の簡素さ等の点で不利であり、燃料電池電源の利点を損ないかねない。
【０００７】
次に、小容量の改質反応器の従来例２として、図７に示すような、原料蒸発導入部を内蔵した改質反応器が例えば特開２００１−１０８０４号公報に示されている。
図７は改質反応器２４の断面図である。この改質反応器２４の原料蒸発導入部１５は、円筒状の容器３内の上部に位置し、液体原料としての水と気体原料としての炭化水素を容器３内に導く導入管１６と、途中から導入管１６内に導入された水を重力にしたがって下方に導くよう当該導入管１６内の軸芯方向に配設された導水部材１７と、導水部材１７の下端部が接する略盤状の発熱部１８とで構成されている。
【０００８】
容器３の下部には、円筒状の改質反応部１が容器３と同軸に配置され、この改質反応部１の上端側を塞ぐように、原料蒸発導入部１５の発熱部１８が配設されている。
加熱部２は、容器３の下部に設けられた燃焼器８の燃焼ガスが、改質反応部１の筒状内部を上部に向って昇りながら（往路９ａ）改質反応部１の内周面に反応熱を与えると共に、発熱部１８をその底から加熱した後、再び、改質反応部１の内周面（帰路９ｂ）に沿って巡りながら改質反応部１の内周面に反応熱を与え、さらに筒状外周面を経てから容器３外へ、燃焼排ガスとして排気されるよう構成されている。尚、図６と同じ符号は同一若しくは同等の内容であるから、その説明を省略する。
【０００９】
従来例２では、気体原料（反応ガスとしての例えばメタン）と共に液体原料としての水（液体）が、重力にしたがって、気体原料の導入管１６の導入口付近から当該導入管１６中に配設された導水部材１７を伝って蒸発管路１８に導入されている。
蒸発管路１８の上面に導かれた水（液体）は、蒸発管路１８の下方に位置する燃焼器８からの高温の燃焼ガスによって加熱される蒸発管路１８の上で蒸発する。本来、燃焼器８の燃焼ガスは改質反応部１に反応熱を与えるためのものであるが、ここでは、この反応熱の余剰熱を利用して、蒸発管路１８を水の沸点以上の温度に保っよう加熱させている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
改質反応では、原料蒸発導入部において、液体原料の蒸発速度が均一であると共に、蒸発後はメタン等の気体原料と速やかに均一混合されることが要求される。
仮に、蒸発速度や気体原料との混合が不均一となると、混合原料ガスの組成（蒸気の気体原料との混合割合）にむらができ、経時的或いは局所的にメタンに対する水蒸気の比率が、通常の比率例えば供給ベースの全平均で２．５〜３．５程度に比べて低い、例えば１．５程度以下の低い個所が生じてしまい、その低い個所の領域の改質触媒に炭素が析出する虞がある。
炭素の析出は、触媒層の反応性低下や圧力損失の増大や、局所的な高温化等をもたらし、定常的な運転を不可としてしまうし、炭素析出に至らないまでも、平均的な改質率を著しく低下させてしまう。
【００１１】
従来例２の構成では、導水部材１７を伝って降りた水（液体）が連続的に蒸発管路１８に供給されるように工夫されているため、給水速度は安定するものの、蒸気発生領域が導水部材１７が発熱部２と接する部分に集中してしまい、蒸発面が限定され、発熱部２の蒸発面としての上面全域に水を行き渡らせて、上面全域を蒸発面とすることができない。このため、蒸気の発生が安定せず、当該蒸発面の上方空間に満たされたメタンと発生させた水蒸気とを均一混合することが困難であった。
【００１２】
又、この従来例２では、重力を利用して導水部材１に水を沿わせて流下（滴下）させる構成であるため、改質反応器２４の設置が重力方向にのみ限定されてしまう。従って、液体原料を常に下方に流下させる必要があり、改質反応器の内部における、原料蒸発導入部１５及びこの原料蒸発導入部１５が接続する改質反応部１等の設置位置や設置姿勢に大きな制約を受けていた。
又、従来例２では、改質反応器２４に外部から振動が与えられた場合に、蒸発量が変動するという不都合もあった。
【００１３】
本発明の目的の一つは、上記のような問題点を解決し、液体原料と気体原料ととが安定且つ均一混合した混合原料ガスを円滑に改質反応部に供給できる原料蒸発導入部を内蔵した改質反応器の提供を目的とする。
又、本発明の他の目的は、内蔵される原料蒸発導入部の構造や原料蒸発導入部と改質反応部との設置位置関係や設置姿勢等の自由度が大きい改質反応器の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、液体原料を気化して別途供給される気体原料と共に混合原料ガスとして改質反応部に供給する原料蒸発導入部と、改質触媒によって供給された混合原料ガスを改質する改質反応部と、改質反応部に反応熱を供給する加熱部とを備えた改質反応器において、前記原料蒸発導入部は、導入された液体原料と気体原料とから成る気液混相体の温度を前記加熱部の余剰熱によって前記気液混相体が流れて行く過程で上昇させ、前記気液混相体中の前記液体原料を沸点以下の温度で蒸発させる蒸発管路を有することを特徴とする。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、蒸発管路は加熱部の余剰熱の流路を軸として螺旋状に形成されたことを特徴とする。
【００１６】
第３の発明は、第２の発明において、螺旋状に形成された蒸発管路は螺旋の内側側面又は外側側面或いは内外両側面側から加熱される配置とされたことを特徴とする。
【００１７】
第４の発明は、第３の発明において、加熱は加熱部の余剰熱の外に、改質反応部から流出した反応熱を用いることを特徴とする。
【００１８】
第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、蒸発管路の上流端側に接続された気体原料導入管に、液体原料を液滴化して混入する液滴化器を設けたことを特徴とする。
【００１９】
第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、円筒構造の改質反応部の上部又は下部に、前記円筒と同軸且つ同径の螺旋状に形成された蒸発管路を配設したことを特徴とする。
【００２０】
第７の発明は、第６の発明において、改質反応器は大気圧近傍で動作する改質反応器であって、改質反応部の下部に配設される蒸発管路は、気体原料の線速度が重力に逆らって流される混合原料ガスの均一混合を保つ線速度以上となる断面積であることを特徴とする。
【００２１】
第８の発明は、第７の発明において、気体原料の線速度は常温換算で３ｍ／ｓ以上であることを特徴とする。
【００２２】
第９の発明は、第１の発明において、蒸発管路は、少なくとも改質反応器内部を流通する高温ガスと熱交換関係に配置されると共に、混合原料ガスが重力にしたがって高い位置から低い位置へ流下する下降流路部分と、重力に逆らって低い位置から高い位置へと溯る上昇流路部分とを有することを特徴とする。
【００２３】
第１０の発明は、第９の発明において、改質反応器は大気圧近傍で動作する改質反応器であって、蒸発管路の上昇流路部分は、気体原料の線速度が重力に逆らって流される混合原料ガスの均一混合を保つ線速度以上となる断面積であることを特徴とする。
【００２４】
第１１の発明は、第１０の発明において、蒸発管路の上昇流路部分における気体原料の線速度は常温換算で４ｍ／ｓ以上であることを特徴とする。
【００２５】
第１２の発明は、第１乃至第１１の発明の何れかにおいて、改質反応器の外部で一部気化した液体原料と気体原料とが原料蒸発導入部に供給されることを特徴とする。
【００２６】
第１３の発明は、第１２の発明において、改質反応器で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換する過程で副生した反応熱で液体原料の一部を気化して原料蒸発導入部に供給することを特徴とする。
【００２７】
第１４の発明は、第１乃至第１３の発明の何れかにおいて、蒸発管路の内面に親液体原料性のコーティングが施されたことを特徴とする。
【００２８】
第１５の発明は、第１乃至第１３の発明の何れかにおいて、蒸発管路の内面に溝が施されたことを特徴とする。
【００２９】
第１６の発明は、第９乃至第１５の発明の何れかにおいて、蒸発管路は平板構造の改質反応部の形状に応じて全体として平板形状に納まる配管としたことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１の改質反応器は、液体原料を別途供給する気体原料と共に改質反応部に導く原料蒸発導入部を内蔵し、原料蒸発導入部は、細長い管状の蒸気管路を有し、当該蒸気管路の内部を液体原料と気体原料との気液混相体が流通すると共にその流通過程で管の外部より加熱されて、液体原料が気化され、気体原料と均一混合された混合原料ガスとして、後流の改質反応部に供給されるよう構成したものである。以下、これを図１に基づいて説明する。図１は改質反応器の断面図である。尚、図６及び図７の符号と同じ符号は同じ内容である。
【００３１】
図１において、この改質反応器３０は、大気圧近傍で動作する改質反応器であって、円筒状の容器３内の上部に、液体原料を気化しつつ別途供給される気体原料と均一混合した混合原料ガスとして後述の改質反応部１に導く原料蒸発導入部４０を備え、容器３内の下部には、改質触媒によって混合原料ガスを改質する改質反応部１と、改質反応部１に反応熱を供給する加熱部５０とを備えている。
【００３２】
改質反応部１は、全体が円筒状に形成され、容器３の底部側に、当該容器３の底面との間に若干の空間を空けて、円筒状の容器３と同軸に配設されている。
又、加熱部５０は容器３の底面に設けられた燃焼器８と、燃焼器８の燃焼ガスが容器３の軸に沿って上方に向けて通る燃焼ガス流路９と、この燃焼ガスを容器３の外に排気するため容器３の上面に設けられた排気管９ｃとで構成されている。
【００３３】
原料蒸発導入部４０は、液体原料としての例えば水と気体原料としての例えば炭化水素（メタン）との気液混相体を容器３内に導入する原料導入管４１と、導入された混合原料中の水を気化させながら気体原料と均一混合させた混合原料ガスを生成して改質反応部１に導く蒸発管路４２とで構成されている。
【００３４】
容器３の外部にあって、容器３内部の前記蒸発管路４２の上流端に、気体原料を供給するよう接続された原料導入管４１の途中には、液体原料としての水を細かい水滴に液滴化して気体原料に中に均一に混入させる液滴化器４３が接続されている。この液滴化器４３は、図１に示すように、液滴化ノズルを用いて、相対的に高流速で流れる気流中に液体を連続的に噴出させることで、液滴を小さく気相中に分散させているが、これに限らず、例えば、液滴化ノズルに替えて単に小径配管を用い、気相側の流れを十分高速化することにより液体の流れを小粒径分散化させるものや、その他適宜の液滴化器を用いてもよい。
【００３５】
原料蒸発導入部４０の蒸発管路４２は、加熱部５０が改質反応部１を加熱した後の余剰熱の利用により加熱されるよう、加熱部５０の燃焼ガス流路９を軸として螺旋状に形成されている。図示の例では、改質反応部１の円筒形状と同軸且つ同径に形成して、当該改質反応部１の上部に設置されている。
従って、螺旋状に形成された蒸発管路４２は、螺旋の内側側面が加熱部５０の燃焼ガスによって加熱される。
【００３６】
更に、この改質反応器３０は、円筒状に構成された改質反応部１の下端部側から当該改質反応部１で生成された比較的高温の反応ガスやその他の高温ガスが当該改質反応部１の外周面と容器３の内周面との間の間隙（以下、改質ガス戻り流路ともいう）４４を通って上昇するように構成してある。
従って、螺旋状に形成された蒸発管路４２は、上記した加熱部５０の余剰熱の外に、改質反応部１から流出する改質ガス等の高温ガスの熱によって、螺旋の外側側面も加熱されることになる。即ち、この螺旋状の蒸発管路４２は、螺旋の外側側面と外両側面側とから効率よく加熱される。
【００３７】
図示の蒸発管路４２は、熱を十分に受けられるように、矩形管を螺旋状に巻き上げて形成したもので、当該管路の上流端即ち入口側は原料導入管４１に、下流端即ち出口側は改質反応部１の上端側と接続している。
【００３８】
次に動作について説明する。
この改質反応器３０の改質原料即ち混合原料ガスは気体原料としてのメタンと液体原料としての水が気化されたスチーム（水）である。
メタンが供給される原料導入管路４１の途中に設けられた液滴化器４３において、改質反応器３０へ供給されているメタンに水が液滴化されて混入される。液滴下された水は細かい水滴となってメタンの流れに乗り、メタンと相俟って気液混相体となって改質反応器３０の蒸発管路４２に供給される。
【００３９】
蒸発管路４２は、加熱部２の燃焼ガスにより高温に加熱されているので、気液混相体が蒸発管路４２を流下して行く過程で、気液混相体中の水滴が気化（蒸発）して気液混相体は混合原料ガスとなって、反応部１に供給される。
即ち、螺旋状の蒸発管路４２は、その内周面側が高温の燃焼ガス流路９により加熱され、その外周面側が改質ガス戻り流路４４と熱交換関係に配置されているので、気液混相体は蒸発管路４２の入口部１ａから順次１ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉと出口側まで流れて行く過程で、両側の高温ガスから熱を受けて気液混相体の温度を徐々に上昇させ、同時に、入口部１ａから順次１ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉと出口側までの各所において、温度の飽和蒸気圧まで徐々に水滴を蒸発させることができる。
【００４０】
螺旋状に形成された蒸発管路４２における水滴（水）の蒸発状況検討例として、管長さ方向における温度分布及び蒸発割合を図３に示す。
図３に示されたように、この形態１の構成における蒸発管路４２での蒸発は、第２成分であるメタンの存在により原料の流れ方向に沸点を順次変化しながら、メタン気相中に水分が飽和蒸気圧まで加湿していく蒸発形態（以下、加湿蒸発ともいう）であり、従来のような一般的な沸騰蒸発とは異なる。
【００４１】
即ち、このような加湿蒸発では、いわゆる沸点（大気圧下では１００℃）以下の低温度で蒸発が開始し、外部からの熱受入に伴い飽和蒸気圧を上限として蒸発が進行する。従って、熱源として低温排熱（１００℃以下の熱源）をも有効に利用することができる。
又、この形態１の蒸発管路４２における加湿蒸発の場では、第２成分であるメタンの高速気流が存在するため、蒸発界面での乱れが大きくなって、生成した蒸気がメタンの高速気流によって持ち去られるため、常に、一定の蒸発速度で安定した蒸発を実現させることができる。
【００４２】
従来での一般的な、強制的な流れが無いか、或いは、あっても流れの小さい沸騰蒸発（図６に示す従来例２）では、蒸発の場が、自ら生成した蒸気成分に覆われてしまうため、沸点近傍の温度（１気圧では１００℃）で集中的に蒸発が進行する上、蒸発現象に突沸等の集中蒸発や休止現象即ちオン／オフが生じ易く、このような集中或いは断続的な蒸発では改質ガス系に脈動が生じて安定した運転が難しくなる。
【００４３】
しかし、この実施の形態１によれば、蒸発後の水蒸気（スチーム）とメタンとの混合原料ガスは、水滴（水）の蒸発が進行する場で、同時に、メタンとスチームとの２成分のガスが流通し混合するので、蒸発管路４２の出口１ｉ、即ち改質反応部１に対して、常に、均一混合された脈動の無い安定した混合原料ガスを供給することができる。
又、脈動の無い安定した混合原料ガスが供給されるため、この改質反応器３０では、電池の電圧変動や改質反応部１の加熱部２の安定燃焼、即ちＣＯやＮＯ等の発生が抑制されて、システムの運転を安定に行うことができる。
又、改質反応部１に混合原料ガスとしての改質反応ガスが均一組成で供給されるため、従来のような、改質触媒への炭素析出や改質率の低下等が抑制される。
【００４４】
液体原料（水）と気体原料（炭化水素）との気液混相体を螺旋状の蒸発管路４２を有する原料蒸発導入部４０を介し、混合原料ガスとして改質反応部器１に供給した際の、当該改質反応部１の入口部における圧力変動を、従来構造の改質反応器（例えば、水原料と炭化水素原料を図７に示すような開放系の蒸発空間へ滴下供給する改質反応器２４）における圧力変動と比較した試験例を表１に示す。
【００４５】
【表１】
0003886762.tif 000002
【００４６】
表１に示すように、この実施の形態１では、脈動や燃焼安定性が大きく改善されると共に、分解後の点検でも、改質触媒に炭素析出の不具合が見られない。
【００４７】
尚、図１に示す原料蒸発導入部４０の蒸発管路４２において、脈動のない安定な蒸発を行うためには、気液混相体が常に均質に搬送される必要がある。
これを実現する一つの方法は、図１に示すように、蒸発管路４２を上方（上流側）から下方（下流側）に向けて配置し、気液混相体が重力にしたがって常に流下して流れるようにすればよい。
【００４８】
しかし、このような螺旋状の蒸気管路４２の構成のままでは、改質反応器３０を設計したり、設置したりする際に、蒸気管路４２内の気液混相体の流れが下から上に逆転しないよう注意しなければならないという制約を受け、例えば、大きく傾けた設置や、上下を逆にした設置は不適当となる。
【００４９】
実施の形態２．
実施の形態２は、上記実施の形態１の改質反応器３０を、その上下方向の位置関係に関わることなく設置できる改質反応器である。これを図２に基づいて説明する。
図２に示す改質反応器３１は図１の改質反応器３０と略同じ構成であり、その設置方向を上下反転したものである。しかし、この反転に伴って、蒸発管路４２の流路即ち管の断面積を、気液混相体が均一混合のままで重力に逆らって流通するように小さくした点が異なる。尚、図２において、図１と同じ符号は同じ内容である。
【００５０】
この形態２の改質反応器３１では、蒸発管路４２の管の断面の小面積化に対応して、伝熱用充填材１１を燃焼ガス流路９及び改質ガス戻り流路４４との間に充填し、高温ガスとの良好な熱交換性を維持させ、伝熱性の維持を図っている。伝熱用充填材１１としては、例えばセラミクスや金属の粉末粒子の充填や、蒸発管路管４２の外周部にロー付け等を施して充填とてもよい。
【００５１】
管の断面を小面積化した蒸発管路４２内では、流通する気液混相体の流速を所定値以上に保つことによって、液滴化器４３によって微細な水滴状態で気体原料に混入された液体原料と気体原料とから成る気液混相状態の気液混相体が、液滴を気体（ガス）に随伴させた良好な状態のまま、安定に搬送される。
勿論、この改質反応器３１は、図２の反転状態から図１の状態に戻しても使用することができる。従って、この改質反応器３１は、重力による影響に拘わらず、上下設置の制約受けず、設置環境に応じて自在に設置することができる。
【００５２】
次に、空気と水を模擬的に気液混相体として供給する場合の２相流流動状態の可視化試験結果例（大気圧：常温）を表２に示す。
【００５３】
【表２】
0003886762.tif 000003
【００５４】
表２に示すように、上向き流れにおいて、空気−水系で液滴を小粒化し連続・噴霧的な流れとするには、空気ガスの線速度（室温基準）として約３ｍ／ｓ程度が必要である。勿論、２相流のこのような流動状態は、動作条件（圧力、温度、成分等）に依存する。動作条件の相違に対する補正は、一般的な２相流流動様式の整理方法（例えばＢａｋｅｒの流動様式線図の補正項・伝熱工学資料改訂第４版ｐ１３５（日本機械学会））を準用する。
例えば、ＬＮＧ（代表的にはメタン）を原料とする場合、メタンは空気より密度が小さく、その影響を考慮すると約４ｍ／ｓ以上の線速度（室温基準：大気圧）を確保する必要がある。
【００５５】
尚、極端な上向きでなく横方向の流れが主の場合、空気−水系で２ｍ／ｓ程度、メタン−水系の場合３ｍ／ｓ程度の気体流速があればよい。
又、上記実施の形態１においても、３ｍ／ｓ以上、好ましくは４ｍ／ｓ以上のガス線速度を蒸発管路４２内で保つことにより、改質反応器３０の設置の際における蒸発管路４２の傾き等の現実的な問題を克服し、安定な運転を行わせることができる。
【００５６】
図２に示す実施の形態２では、蒸発管路４２の全長にわたる流体流路即ち管の断面積を小さく設定して、全流路において気液混相体を下から上方向に、重力に逆らって流通可能としたが、必ずしもそのように設定する必要はない。
例えば、蒸発管路４２の構成や改質反応部１と外部の配管接続の関係等により原料蒸発導入部４０の蒸発管路４２の一部のみで気液混相体を上方向に流通させたい場合、該当の流路部分の流路断面積を小さく設定すればよい。
尚、流路断面積を必要以上に小さくすることは、当該部分の圧力損失を大きくし、ブロア動力損失を大きくする欠点がある。
【００５７】
何れにせよ、蒸発管路４２の管径等を適切に選択することにより、蒸発管路４２内の気液混相体の流れを、重力に逆らって、下（上流）から上方向（下流）に設計することが可能となるので、結局、重力の影響に拘わらず、改質反応器３１の上下方向の何れにでも、設置することが可能となる。又、これにより、改質反応器の設計の自由度が増す。
【００５８】
図１、２に示す実施の形態１、２の蒸発管路４２は、何れも管を螺旋状に曲げて形成しているが、必ずしも、螺旋状に曲げる必要は無い。改質反応器３０、３１の加熱部５０によって改質反応部１に反応熱を与える設計思想に応じて、その余剰熱を効率よく利用できる形態とすればよい。
例えば、図１、２において、燃焼ガス流路９を形成する円筒外面と改質ガス戻り流路４４を形成する内側円筒内面との間のドーナツ型の空間に、螺旋状の円盤仕切り板を配置し（図示せず）、気液混相体を蒸発管路４２の入口側から出口側に導くように構成してもよい。
【００５９】
又、実施の形態１、２おいて、改質反応に必要とされる液体原料としての水は全て液体状態で改質反応器３０、３１に供給される例で説明したが、必ずしもそうである必要はない。
例えば、改質反応器と燃料電池を用いた燃料電池システム（図示せず）において、システム内で発生した余剰の排熱を用いて水を一部気化し、その後、一部気化した水とメタンとを改質反応器に供給してもよい。
【００６０】
より具体的には、例えば、燃料電池が固体高分子形燃料電池の場合（図示せず）、改質反応器で生成した改質ガス中の一酸化炭素は、極微量まで除去され燃料電池に供給される必要がある。システム内における余剰の熱源として、このような一酸化炭素除去のためのシフト反応や選択酸化反応に伴う副生発熱を利用することもできる。
【００６１】
実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、円筒状の改質反応部を有する改質反応器３０、３１に接続する原料蒸発導入部４０の例で説明したが、この実施の形態３では、広く知られている平板状の改質反応部を有する平板型改質反応器を例にして、図４及び図５に基づいて説明する。図４は原料蒸発導入部の蒸発管路の側面図、図５は蒸発管路の平面図である。尚、図４、図５において図１、図２と同じ符号は同じ内容である。
【００６２】
図４及び図５に示すように、蒸発管路４２は平板構造の改質反応部（図示せず）の形状に応じて全体として平板形状に納まる配管とした。即ち、蒸発管路４２を平板状空間内において適宜曲げ加工し、全体として平板状空間内に納まる形状の蒸発管路４２とする。このように構成することにより、平板型改質反応器（図示せず）に容易に組込むことができる。尚、この例では、曲げ加工した蒸発管路４２を伝熱用充填材１１としての金属平板である挟み込み、ロー付けにより一体化した構造としている。
【００６３】
又、上記実施の形態１乃至３では、何れも管で蒸発管路４２を構成しているが、これに限定されない。例えば、平板によって箱状空間を作り、その内部に関となる板状部材を交互に配置して、気液混相体が蛇行しながら流れる流路を形成して蒸発管路としてもよい。
【００６４】
又、原料蒸発導入部の蒸発管路４２の管の内面に親液体原料性のコーティングを施すと、蒸発管路４２の内面への液滴の濡れ性を増すことになって、より大きな液滴の形成を防ぎ、液体原料が円滑且つ連続的に管内を流通し、安定な蒸発を促すことができる。又、親液性のコーティングに替えて、微細な凹凸の溝（図示せず）を管の内面に施すことによっても、微細な溝が有する表面張力効果により濡れ性が向上し、同様の効果が得られる。このような、親液性コーティングや凹凸溝加工は、蒸発面積を増大し熱伝達性を改善する点でも効果がある。
【００６５】
【発明の効果】
第１乃至第１６の発明によれば、何れも、気体原料としての例えばメタンと液体原料としての例えば水の気液混相体が、原料蒸発導入部の蒸気管路を通る間に、外部からの加熱により液滴状態の水が安定・効率良く順次気相に蒸発すると共に、蒸発の場が強制的な気体原料の流れを伴う狭い空間であり、蒸発した水と炭化水素（メタン）との混合が円滑且つ迅速に行われ、安定且つ均一混合された混合原料ガスを生成することができる。
【００６６】
第２乃至第４の発明によれば、何れも、改質反応器の余剰熱を有効利用することができると共に、液体原料の蒸発が促進される。
【００６７】
第６乃至第１１の発明によれば、何れも、蒸発管路が重力に逆らって下方から上方へと気液混相体を流通させる管の流路部分において、当該流体流路の流路断面積を十分小さくし液滴が気流に随伴し安定して流通するので、原料蒸発導入部の流路の配管設計や改質反応器の設置方向の制約が無く、設計自由度が大きく安定した蒸発を行うことができる改質反応器を提供することができる。
【００６８】
第１４及び第１５の発明によれば、何れも、蒸発管路の内面への液滴の濡れ性が増して、より大きな液滴の形成を防ぐことができ、液体原料を円滑且つ連続的に安定な蒸発を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１の改質反応器の断面図である。
【図２】  実施の形態２の改質反応器の断面図である。
【図３】  実施の形態１における水の蒸発状況を示す温度分布図である。
【図４】  実施の形態３の蒸発管路の側面図である。
【図５】  実施の形態３の蒸発管路の平面図である。
【図６】  従来の改質反応器の構造を示す断面図である。
【図７】  従来の別の改質反応器の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１  改質反応部、３  容器、６  触媒層、８  燃焼器、９  燃焼ガス流路、３０、３１  改質反応器、４０  原料蒸発導入部、４１  原料導入管、４２  蒸発管路、４３  液滴化部、４４  改質戻りガス流路、５０  加熱部。
【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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