(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒に反応熱を与える円筒状の加熱管と、前記加熱管の外周を囲んで取り付けられ、前記加熱管との間に前記改質触媒を内蔵する円筒状の触媒管とを、各円筒の中心線が同心になるように組み合せた構成を有し、
前記加熱管内の下部には燃焼器が配設され、
前記触媒管の上端部には系外から改質原料ガスを供給する入口が開口しており、
前記加熱管は、改質原料ガスの入口側に凸となる略半球形の曲面及び円筒部からなる器状の上部構造部材と、これに突き合わせ溶接された円筒部材から構成され、この曲面の最上部が前記入口の直下に位置していることを特徴とする改質器。
【請求項２】
改質触媒に反応熱を与える円筒部を備えた加熱管と、前記加熱管の外周を囲んで取り付けられ、前記加熱管との間に改質触媒を内蔵する円筒状の触媒管と、前記触媒管の外側に位置して改質された改質ガスを導く円筒状の改質管とを、前記各円筒の中心線が同心になるように組み合せた改質器において、
前記加熱管の頂部又は底部を円筒に連なる曲面加工により形成された頂底部を有する構造部材で構成し、該構造部材と前記加熱管の円筒部とを突き合わせ溶接で接合し、前記改質管の頂部又は底部を円筒に連なる曲面加工により形成された頂底部を有する構造部材で構成して、この構造部材と前記改質管の円筒部とを突き合わせ溶接で接合し、
前記触媒管の上端部には系外から改質原料ガスを供給する入口が開口し、
前記加熱管の頂部は、前記入口側に凸となる略半球形の曲面とされ、その最上部が前記入口の直下に位置していることを特徴とする改質器。
【請求項３】
上向きに凸となる略半球形の曲面及び円筒部からなる器状の上部構造部材と、これに突き合わせ溶接された円筒部材から構成され、改質触媒に反応熱を与える加熱管と、該加熱管の内部において前記加熱管の中心軸と同心に取り付けられた中心軸を有する燃焼筒とを有し、同じく前記加熱管の外には触媒管が前記加熱管の外周を囲んで取り付けられ、前記触媒管と加熱管との間には、改質原料ガスの改質触媒が充填され、前記触媒管の上端部には系外から改質原料ガスを供給する入口が開口しており、この入口の直下に、前記加熱管が有する凸状の曲面の最上部が位置していることを特徴とする改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池等に使用される水素を得るために、触媒反応により、炭化水素ガス等を水素成分の多いガスに改質する改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池システムは、水素の有している化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、実業的には比較的容易かつ安価に入手できる天然ガス、ナフサ等の炭化水素ガスやメタノール等のアルコール類の改質原料ガス（以下改質原料ガスというと水蒸気とを混合して改質器で改質することにより高い純度の水素ガスを得て、その水素成分を燃料電池本体の電極（燃料極）に供給して発電をしている。
【０００３】
一方、改質原料ガスから水素を得る固体高分子型燃料電池システムの改質器の構造は、円筒とこの円筒の頂部、又は底部を（円板状の）塞ぐ平板によって、加熱管、触媒管や改質管等が形成されている。
【０００４】
このような改質器においては、バーナで高温に加熱された改質用触媒層に改質原料ガスを通過させて改質反応を行う際に、改質器を構成する燃焼管は高温の燃焼ガスに直接に接して触媒を加熱し、触媒管は高温度に加熱された触媒を内蔵して改質原料ガスを改質し、改質管は高温の触媒層を経て改質された改質ガスを導出して次の工程に送る部材であり、それぞれが高温にさらされ、熱的な歪みに伴う変形応力を繰り返し受け、熱的な損傷や偏った触媒反応を生じて改質機能を低下させるおそれがある。
【０００５】
更に、従来の改質器は、円盤状の平板と円筒とを組み合わせた構造によって触媒管等が作られ、円筒と円盤状平板との溶接部において集中的に上述のような繰り返し応力を受け、耐久性に影響を及ぼす課題を有している。
【０００６】
また、触媒層の入口付近の改質原料ガスの流れと、燃焼ガス等からの触媒への熱供給を併せて考えると、触媒管の近傍の触媒層外側では、ガスの流速が速く吸熱量が多いが、この部分へは燃焼ガスから遠く供給熱量が少ないために、触媒層の温度は低くなる。一方、触媒層の内側になる加熱管の近傍の側では、ガスの流速が遅く吸熱量が少ないが、この部分へは燃焼ガスからの供給熱量が多いために、触媒層の温度は高くなり、触媒層の入口付近では、触媒層の内側と外側とで温度差を生じることは避け難い課題を有していた。
【０００７】
この対策として、特開平７−３３４０２号においては、改質器内部のガスの偏流を低減するために攪拌用のガイドフィンを備えたものが示されているが、かかる課題を解決するようなものではない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの問題点を解決するものであり、新しく創出された構造材を用いた構成の改質器とすることにより、大幅な構造の変更を行わずに、応力が集中しやすい溶接個所を低減し、かつ、改質原料ガスの流れおよび触媒温度分布を改善し、改質器の熱効率と耐久性や信頼性とを向上させ、製造コストを低減した改質器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、改質触媒に反応熱を与える円筒状の加熱管と、前記加熱管の外周を囲んで取り付けられ、前記加熱管との間に前記改質触媒を内蔵する円筒状の触媒管とを、各円筒の中心線が同心になるように組み合せた構成を有し、前記加熱管内の下部には燃焼器が配設され、前記触媒管の上端部には系外から改質原料ガスを供給する入口が開口しており、前記加熱管は、改質原料ガスの入口側に凸となる略半球形の曲面及び円筒部からなる器状の上部構造部材と、これに突き合わせ溶接された円筒部材から構成され、この曲面の最上部が前記入口の直下に位置しているものである。
【００１０】
請求項２記載の発明は、改質触媒に反応熱を与える円筒部を備えた加熱管と、前記加熱管の外周を囲んで取り付けられ、前記加熱管との間に改質触媒を内蔵する円筒状の触媒管と、前記触媒管の外側に位置して改質された改質ガスを導く円筒状の改質管とを、前記各円筒の中心線が同心になるように組み合せた改質器において、前記加熱管の頂部又は底部を円筒に連なる曲面加工により形成された頂底部を有する構造部材で構成し、該構造部材と加熱管の円筒部とを突き合わせ溶接で接合し、前記改質管の頂部又は底部を円筒に連なる曲面加工により形成された頂底部を有する構造部材で構成して、この構造部材と前記改質管の円筒部とを突き合わせ溶接で接合し、前記触媒管の上端部には系外から改質原料ガスを供給する入口が開口し、前記加熱管の頂部は、前記入口側に凸となる略半球形の曲面とされ、その最上部が前記入口の直下に位置しているものである。
【００１１】
請求項３記載の発明は、上向きに凸となる略半球形の曲面及び円筒部からなる器状の上部構造部材と、これに突き合わせ溶接された円筒部材から構成され、改質触媒に反応熱を与える加熱管と、該加熱管の内部において前記加熱管の中心軸と同心に取り付けられた中心軸を有する燃焼筒とを有し、同じく前記加熱管の外には触媒管が前記加熱管の外周を囲んで取り付けられ、前記触媒管と加熱管との間には、改質原料ガスの改質触媒が充填され、前記触媒管の上端部には系外から改質原料ガスを供給する入口が開口しており、この入口の直下に、前記加熱管が有する凸状の曲面の最上部が位置しているものである。
【００１２】
本発明では、改質触媒により、改質原料ガスである炭化水素化合物ガスを水素ガスに改質する改質器において、加熱管や触媒管などを形成する円筒部とその頂部の上板又は底部の下板とを金属板の絞り加工等で一体に形成することにより、改質器を構成するこれらの加熱管や触媒管の構造部材が直角に接して溶接される個所を低減し、改質器の信頼性を向上させるものである。
【００１３】
また、加熱管の頂部を改質原料ガスの入口側に、略半球形の凸状の曲面を有する器状の上部構造部材と円筒の構造材（断面が逆Ｕ字状の形）にすることによって、改質器に導入された改質原料ガスが曲面状の加熱管上板に衝突する際に、上板の曲面に沿って触媒層の内側に流れ込み、触媒層の内側でのガス流速が、触媒層の外側のガス流速に比較して速くなり、かつ、この内側では、燃焼室から十分な反応熱が供給されるようにし、触媒層の温度の下がり過ぎを防ぎ、触媒層の入口付近における内側と外側との温度差を低減し、改質の反応性能が向上されるようにしたものである。
【００１４】
また、改質器を構成する円筒部とその頂部の上板、又は底部の下板とが相互に接する部分での応力集中が分散される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１６】
一般に、固体高分子型燃料電池システムは、アノード側に水素、カソード側に酸素を投入することにより、電気化学反応により電気を生じる機構を有している。このようなシステムで使用される酸素は、大気中に存在する酸素を使用することができるが、アノード側で使われる水素には水素ボンベ等からの供給或いは、炭化水素化合物を改質した水素濃度の濃いガス又はこのようなガスから分離して取り出した水素を使用している。
【００１７】
例えば、改質原料ガスである炭化水素ガスにメタンを使用した水蒸気改質方式では、その反応過程で水素の他に一酸化炭素（ＣＯ）も生成され、その出口ガスの組成は水素濃度が７５〜８０％、一酸化炭素濃度が１０〜１５％、二酸化炭素濃度が１０％程度になる。
【００１８】
図１はこのような改質器の基本的な構造を模式的に示す端面図である。
【００１９】
図１において、改質器１は、燃焼加熱室２を形成する円筒状の加熱管３と、該加熱管３の外側の円筒状の触媒管４及び改質管５並びに触媒管４と加熱管３との間に形成された反応容器に充填された改質触媒層６等から構成されている。
【００２０】
燃焼室７は、下部に設けられたガスバーナ等の燃焼器８、及び、この燃焼器８が燃焼用の空気を空気口９から取入れ、燃料管１０から供給されるＬＰＧや都市ガス等の燃料を燃焼させることにより発生した高温の燃焼ガスを燃焼室７の上方に導く燃焼案内筒１１並びにこの燃焼ガスが加熱管３の内周に沿って流下した後、改質管５の底部下板１２及び改質管５の外周の排気室１３を経て排気口１４から排ガスを排出させる構造を有している。
【００２１】
中心軸を一致させて組み立てられた円筒状の触媒管４と加熱管３との間に形成されたる空間（反応容器）１５は縦に細長い円筒形をしており、上面より少し下の横断面に上部仕切板１６、下面より少し上の横断面に下部仕切板１７が設けられ、この中に粒状の触媒が収納されて触媒層６が形成されている。
【００２２】
この上下部の仕切板１６、１７には金網や多孔質の板が使用され、この仕切板の孔を通して触媒層６の中にガスが出入りできるようになっている。この孔の大きさは、触媒の粒の大きさよりも小さく触媒がこぼれないようになっている。１８は改質原料ガスを反応容器１５に導入するガス導入管であり、このガス導入管１８と上部仕切板１６との間には入口空間１９が形成されている。
【００２３】
このように構成された改質器１において、燃焼器８の運転を開始して高温の燃焼ガスにより燃焼管３、反応容器１５の中の触媒６及び改質管５を加熱させつつ、ガス導入管１８から改質原料ガス及び水蒸気を流入させると、触媒層６で炭化水素化合物と水蒸気とが反応し、上述のように、水素ガスと一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスとが発生する。
【００２４】
すなわち、改質器１に導入された改質原料ガスは、加熱管３の筒の頂部の上板２０に打ち付けられ、該表面に沿って四方に広がり、触媒管４の内壁に当たり、触媒層６に流入する。このとき、触媒管４の内壁（触媒層６の外周側）に沿って触媒層６に流れ込むガス量が多いため、改質原料ガスの分布は、触媒層６の外周側に多く行き渡り、触媒層６の外側（触媒管４壁の内周近傍）の流速が大きく、触媒層６の内側（加熱管３の外壁近傍）の流速が小さくなる傾向がある。
【００２５】
水蒸気による炭化水素化合物の改質反応は、吸熱反応であるため、改質触媒は燃焼加熱室２を流れる高温の燃焼ガスから反応熱を受取る。すなわち、触媒層６の内側では、燃焼加熱室２の燃焼ガスから炭化水素化合物の改質反応に必要な熱が供給され、触媒層６の外側は改質管５を経て流出する改質ガスから反応の熱の供給を受ける構造になっている。
【００２６】
燃焼案内筒１１に導かれて、加熱管３の頂部上板２０に達した後、加熱管３の内壁に沿って流下し、改質管５の底部下板１２に沿って排気室１３に流れ、その後に排気口１４から排出される燃焼ガスの温度は、例えば、加熱管３の頂部上板２０付近で１０００℃以上になるため、頂部上板付近の触媒層６の内側（加熱管３の管壁近傍）に対しては十分な熱量を供給できるが、燃焼ガスの流れは下流になるに従って燃焼ガスの温度が低下する。
【００２７】
このとき、下部仕切板１７付近の触媒層６（ガス出口）の温度は約７００℃に設定されているため、このような温度で流出する改質された後のガスから熱を供給される触媒層６の外側（触媒管４の管壁近傍）においては、触媒層６の内側が加熱管３から受ける程の熱量は得られない。さらに、触媒管４の管壁に近い触媒層６の外側ではガスの流速が速く吸熱能力が高いために、触媒層６の温度は更に低くなる傾向にある。
【００２８】
また、改質原料ガスの炭化水素化合物にメタンを使用した水蒸気改質の場合、改質器１の出口ガス組成は、水素濃度が７５〜８０％、一酸化炭素濃度が１０〜１５％、二酸化炭素濃度が１０％程度であるが、触媒層６の入口付近では、水素への改質反応が十分には進んでいないので、残留メタンが多く存在し、一酸化炭素の濃度が高くなっている。
【００２９】
一方、触媒層６の内側（加熱管３の管壁近傍）では、改質ガスの流速が遅く吸熱能力が低いために触媒層６温度が高くなりがちであり、このようにして、触媒層６の入口（入口空間１９）付近では、触媒層６の外側と内側とで大きな温度差を生じる。
【００３０】
改質器１の構造は、通常は、図５に示すように、円筒３０、３１、３２と円盤状の平板３３、３４、３５、３６を組み合わせた構造であり、改質器１を構成する加熱管３、触媒管４、改質管５の筒上体の頂部上板３３、３４、底部下板３５、３６等の接合部は直角に当接させて溶接されている。
【００３１】
このため、加熱管３等の筒状体の頂部上板３４、底部下板３５、３６等の接合部は改質器１の運転中に改質器１の内部の温度が、例えば、加熱管３の上部の燃焼ガスは１０００℃以上に達する一方、外側の反応容器１５の温度は数百℃程度であり、この温度差によって生じる熱膨張の差によって熱歪み応力が溶接部に集中する。この熱歪みは、加熱管３の筒状部３０と上板３４との接合部Ｙおよび触媒管４の筒状部３１と下板３５との接合部Ｙにおいて著しい。
【００３２】
さらに、固体高分子型燃料電池システムの運転を停止しているときには、改質器１全体の温度が室温になるために、電池の運転と停止を繰り返すと上述のような溶接部分に繰り返し応力が集中してかかりやすく、構造材の溶接部分の耐久性に大きな影響を及ぼしかねない。出力が数十ｋＷの固体高分子型燃料電池システムでは一度運転を始めると運転停止をすることが殆ど無いので、上述した大きな繰り返し応力が改質器に生じることは殆ど無いが、出力が数ｋＷの固体高分子型燃料電池システムの場合は、運転の起動と停止が頻繁に行われるので、改質器には大きな繰り返し応力がかかる可能性が高い。
【００３３】
本発明においては、改質器１の構造に図２に示すような構造を用いることにより上述のような問題の解決したものである。
【００３４】
図２には改質器１のみを取り出して模式的に改質器１の構造材の構成及び突き合わせ溶接個所Ｗ並びにその他の溶接個所Ｘを示している。
【００３５】
加熱管３の頂部上板２１の形状は、図５に示す従来の改質器１のような円筒と平板との溶接Ｙによって製造した構造と異なり、改質原料ガスの流入側に凸状の曲面（絞り）加工を施した、断面が逆Ｕ字型の構造部材と円筒２２とを突き合わせ溶接Ｗによって作られている。
【００３６】
図２に示す改質器１は、触媒層６を形成する加熱管３及び触媒管４等の筒状の構造材の角部（図５のＹ部分）を、従来のような金属板を直角に当てた溶接部が存在しない構成にしているので、温度差があっても、従来のような直角な溶接部分での応力集中は存在せず、熱歪みによる応力を分散し改質器１を構成する構造材での応力集中が少なくなる。さらに、従来の改質器と比較して、溶接個所の低減により、改質器１の製造コストを下げつつ、溶接を原因とする改質器１のトラブルを低減することができる。
【００３７】
また、このような改質器１にすれば、新たなガイドフィンや整流板を設けて構造を複雑にしたりコストを上げることも無く、ガイドフィン等の部品を使用したのと同様な原料ガス改質の効果を期待できるものである。
【００３８】
すなわち、図２のような改質器１の構造における改質原料ガスの流れは、図３で模式的に示すような流れになる。
【００３９】
ガス導入管１８から改質器１に導入された改質原料ガスは、曲面状の加熱管３の上板２１に打ち付けられ、この曲面に沿って触媒層６の内側（加熱管３の外側近傍）に主に流れ込む。このため、触媒層６の内側でのガス流速が、触媒層６の外側のガス流速に比較して速くなる。触媒層６の内側（加熱管３の外側近傍）では、吸熱反応が大きく多量の熱量が必要であるが、燃焼加熱室２を流れる燃焼ガスには、この反応熱を補うのに十分な熱量を有してその熱を触媒層６に供給できるために、上述のように触媒層６の内側（加熱管３の外側近傍）に多量の改質原料ガスが流れても、加熱触媒の温度が下がりすぎることはない。
【００４０】
また、触媒層６の外側におけるガス流速は、内側に比較して小さくなるために、改質管５を流れる温度の低い改質ガスからでも改質反応に充分な反応熱が供給される。
【００４１】
このようにして、触媒層６の入口付近における外側と内側との触媒温度の差が解消され、バーナによる必要以上の加熱も不要となり、改質器１における熱ロスを低減させて、改質器１の熱効率を向上させることができる。
【００４２】
実験例として図２及び図３で示した構成の改質器１をＳＵＳ３１０Ｓで作り、触媒量を５００ｃｃ、改質原料ガスにメタンを用い、触媒のガス出口温度を７００℃に制御して試験した結果では、改質器の熱効率は、同様な機能の改質器を図５のような構造で作ったものと比較して、数％の熱効率の向上が確認された。この効率の改善は、加熱管３の上板２１に相当する部分に絞り加工によって曲面を形成した構造材を使用することによって触媒層６の内部での温度差が解消されたことに起因して得られたものであると推測される。
【００４３】
また、他の実験例として、図２のような構成の改質器１をＳＵＳ３１０Ｓで作り、触媒量を５００ｃｃ、改質原料ガスにメタンを用い、触媒のガス出口温度を７００℃に制御して、室温の停止状態から、起動後定常運転を５時間継続する運転、その後停止し再起動と運転を繰り返すサイクル試験した結果では、図５のような従来の構造では溶接部にクラックの成長の始まりが見られたが、図２の構造の改質器１については、１００サイクルの後も溶接部の異常は認められなかった。
【００４４】
図４は、このような発明による改質器１の具体的な一実施例を示す断面図である。図の改質器１において、図１と同様な部分は同じ図番を付してその説明を略す。
【００４５】
改質器１は、断熱材からなる基板２３に取り付けられ、燃焼器８は、高カロリーの燃料ガスと共に、固体高分子型燃料電池システムの未反応ガスを燃焼させるためにガスを供給する管路２４及び、改質原料ガス（実線矢印）と改質ガス（点線矢印）とを熱交換して熱効率を上げる熱交換器２５及びこの熱交換器全体を収納して燃焼排ガスで加熱する予熱室２６を有しており、これにより、一層効率の良い改質器１を実現させている。
【００４６】
なお、図中Ｗは、それぞれ、図２で説明したと同様な構造部材を用い、他の筒状部材と突き合わせ溶接をした個所を示し、各溶接個所で分断される新しい構造部材は、円筒部と頂部上板又は底部下板とを絞り加工等で形成した金属部材である。
【００４７】
なお、上記の発明の実施の形態の説明において、改質器１を形成する加熱管３、触媒管４、改質管５等の部品名には説明の便宜上、管の文字を使用しているが、これは、いわゆる管に限定される意味ではない。この表現は、管以外に、筒やそれ以外の同様な趣旨の構造物も含むことは言うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は以上のように、改質触媒を内蔵する円筒状の触媒管と、前記改質触媒に反応熱を与える円筒部を備えた加熱管と、改質された改質ガスを導く改質管とを、前記各円筒の中心線が同心になるように組み合せた改質器において、前記各円筒の頂部又は底部を円筒に連なる曲面加工により形成された頂底部を有する構造部材で構成し、該構造部材と加熱管等の円筒部とを突き合わせ溶接で接合しているので、改質器に大幅な設計の変更を行うことなく、改質器の加熱管上板に絞り加工を施したカップ状の部材を用いることにより、加熱管と加熱管上板とが直角に接する溶接部がなくなり、製造コストを低減できる。
【００４９】
同様に、改質器１の構造部材に従来のような円筒と円盤状平板を用いるのではなく、絞り加工を施した部材の使用によって、溶接部位が少なくなり、かつ、曲面加工を施した部材を効果的に組み合わせることにより、改質原料ガスのガスの流れを改善することができ、更には、改質器の熱効率が向上するものである。
【００５０】
特にこのような絞り加工と突き合わせ溶接等を自動加工機によって行い、改質器を製造するときは、改質器全体が精度良く均質で平均した機械的強度を有する改質器として形成されるために原料ガスの流れや、触媒との反応において、ガスの流れの偏りや温度の分布の非対象な偏りを生じるおそれが減少し、温度分布が均一になるので改質ガスも均質になり触媒や改質器１を構成する構造材及びこれらの溶接部への応力の集中を減らし、耐久性と信頼性を向上した改質器を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】改質器の構造を模式的に示す端面図である。
【図２】本発明による改質器の構造材の組立構成例を示す模式図である。
【図３】本発明による改質器のガスの流れを説明する模式図である。
【図４】本発明による改質器の実施例の構造を示す断面図である。
【図５】改質器の基本的な構造を模式的に示す端面図である。
【符号の説明】
１  改質器
２  燃焼加熱室
３  加熱管
４  触媒管
５  改質管
６  触媒層
７  燃焼室
８  燃焼器
１２  改質管の底部下板
１５  反応容器
１６  上部仕切板
１７  下部仕切板
１８  改質原料ガス導入管
２０  頂部上板
２１  上板（逆Ｕ字型構造部材）
２２  円筒
Ｗ  突き合わせ溶接個所
【図１】
0003920516.tif 000002
【図２】
0003920516.tif 000003
【図３】
0003920516.tif 000004
【図４】
0003920516.tif 000005
【図５】
0003920516.tif 000006