(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼部と該燃焼部からの火炎及び排ガスをガイドする筒体とを有する熱源としての燃焼筒と、
前記燃焼筒を囲むように配置され、水素製造用原料を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記燃焼筒と前記改質器との間に形成された、前記燃焼筒からの排ガスが通過する排ガス流路と、を備え、
前記燃焼筒の前記筒体の先端部は自由端部とされ、
前記先端部の加熱による変形を抑制する変形抑制リングが、前記先端部に配置され、
前記変形抑制リングは、前記筒体の先端部における内周面側に配置される第２の変形抑制リングを有し、
前記第２の変形抑制リングは、前記筒体の内周面との間に隙間を置いて配置され、
前記燃焼筒の前記筒体の先端部には、内外を連通する筒体側連通孔が設けられており、
前記第２の変形抑制リングには、少なくとも前記筒体側連通孔に対応する高さ位置に内外を連通するリング側連通孔が設けられていることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
前記変形抑制リングは、前記筒体の先端部における外周面側に配置される第１の変形抑制リングを有し、
前記第１の変形抑制リングは、前記筒体の外周面に一体化されていることを特徴とする請求項１記載の改質装置。
【請求項３】
前記第２の変形抑制リングは、厚肉部と該厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、前記リング側連通孔は前記薄肉部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の改質装置。
【請求項４】
前記燃焼筒の前記筒体の先端開口と対向するように離間して設けられ、前記第２の変形抑制リングを着脱可能に搭載する壁部を備え、
前記第２の変形抑制リングは、一端側を介して前記壁部に搭載したときに他端側が前記筒体内に至るように高さ調整されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯油等の水素製造用原料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを製造する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の改質装置として、上方に炎を噴出させるバーナと、バーナから発生した排ガスを上方に案内する内側輻射筒と、自由端とされている内側輻射筒の上端開口部から吹き出る排ガスを下方へ案内する排ガス流路と、排ガス流路を通過する排ガスの熱を用いて改質ガス燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質容器と、を中心部から径方向外側に向かって備えた円筒形の改質装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−３１２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、上記の改質装置にあっては、バーナを燃焼させた時に、内側輻射筒が非常に高温になり、非運転時との温度差が大きくなる。従って、特に、自由端とされている上端開口部は、温度変化により形状が変形してしまうという可能性があり、そのような場合は安定した改質を行うことができず、また、装置の耐久性にも問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、温度変化による燃焼筒の変形を抑制し、安定した改質と装置の耐久性向上を実現させることのでき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】
【０００５】
本発明に係る改質装置によれば、燃焼部と該燃焼部からの火炎及び排ガスをガイドする筒体とを有する熱源としての燃焼筒と、燃焼筒を囲むように配置され、水素製造用原料を水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、燃焼筒と改質器との間に形成された、燃焼筒からの排ガスが通過する排ガス流路と、を備え、燃焼筒の筒体の先端部は自由端部とされ、先端部の加熱による変形を抑制する変形抑制リングが、先端部に配置されていることを特徴とする。
【０００６】
この改質装置によれば、先端部の加熱による変形を抑制するための変形抑制リングが、燃焼筒の中でも特に変形が生じ易い部分である筒体の先端部に配置されているため、温度変化による燃焼筒の変形を抑制し、装置の耐久性を向上させることができる。
【０００７】
本発明に係る改質装置において、変形抑制リングは、筒体の先端部における外周面側に配置される第１の変形抑制リングを有し、第１の変形抑制リングは、筒体の外周面に一体化されていることが好ましい。この改質装置によれば、第１の変形抑制リングが筒体の外周面に配置されているため、筒体の先端部が補強され、これによって筒体の先端部の外側への変形を抑制することができる。また、筒体の外周面に配置されているため、筒体の先端部の外側への変形も抑制することができる。
【０００８】
本発明に係る改質装置において、変形抑制リングは、筒体の先端部における内周面側に配置される第２の変形抑制リングを有し、第２の変形抑制リングは、筒体の内周面との間に隙間を置いて配置されていることが好ましい。この改質装置によれば、第２の変形抑制リングが、筒体の内周面との間に隙間を置いて配置されているため、筒体の先端部が内周側へ変形した場合に、第２の変形抑制リングの外周面で受けることによって、その変形を抑制することができる。また、仮に筒体の内周面と第２の変形抑制リングを隙間なく固定した場合は、筒体の先端部の代わりに燃焼筒のその他の部分で予期せぬ変形が生じてしまい、かえって耐久性を損なう可能性もある。しかし、この改質装置によれば、筒体の内周面と第２の変形抑制リングの間に隙間を設けているため、予期せぬ変形を防止することができる。
【０００９】
本発明に係る改質装置において、燃焼筒の筒体の先端部には、内外を連通する筒体側連通孔が設けられており、第２の変形抑制リングには、少なくとも筒体側連通孔に対応する高さ位置に内外を連通するリング側連通孔が設けられていることが好ましい。第１及び第２の変形抑制リングを配置することによって、燃料筒から排ガス流路へ排ガスを供給するための流路が塞がれてしまった場合にあっては、排ガスの流路を十分に確保することができなくなると共に、圧力損失が上昇してしまう可能性がある。しかし、この改質装置によれば、燃焼筒からの排ガスは、筒体の先端部に設けられた筒体側連通孔と、第２の変形抑制リングに設けられたリング側連通孔とを通過することによって、排ガス流路に供給されることができる。これによって、第１及び第２の変形抑制リングを配置した場合であっても、排ガス流路を十分に確保することができると共に、圧力損失が上昇してしまうことを防止することができる。
【００１０】
本発明に係る改質装置において、第２の変形抑制リングは、厚肉部と該厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、リング側連通孔は薄肉部に設けられていることが好ましい。この改質装置によれば、厚肉部によって、リング側連通孔が設けられる薄肉部を補強することができる。
【００１１】
本発明に係る改質装置において、燃焼筒の筒体の先端開口と対向するように離間して設けられ、第２の変形抑制リングを着脱可能に搭載する壁部を備え、第２の変形抑制リングは、一端側を介して壁部に搭載したときに他端側が筒体内に至るように高さ調整されていることが好ましい。この改質装置によれば、第２の変形抑制リングが壁部に着脱可能に搭載されているため、第２の変形抑制リングの取替えや、装置の周期的なメンテナンスが可能となる。また、第２の変形抑制リングの他端側が筒体内に至るように高さ調整されているため、燃焼筒の変形も確実に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る改質装置によれば、温度変化による燃焼筒の変形を抑制し、装置の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る改質装置を適用した燃料電池システムを示す概略構成図、図２は本発明の一実施形態に係る改質装置の概略構成図である。燃料電池システムは、水素製造用原料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、水素製造用原料としては、水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に入手できる水素製造用原料の好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの炭化水素油を挙げることができる。なかでも液体燃料であると好ましく、特に灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、燃料処理システム（ＦＰＳ）３、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。
【００１６】
脱硫器２は、外部から導入された水素製造用原料を脱硫するものである。この脱硫器２には、ヒータ（図示せず）が設けられており、これにより、脱硫器２は、例えば水素製造用原料を１３０℃〜１４０℃まで加熱するようになっている。
【００１７】
ＦＰＳ３は、水素製造用原料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質装置３０、ＣＯ変成器１０及び選択酸化器１５を有している。改質装置３０は、水素製造用原料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを製造するものであり、改質器８及びバーナ９を有している。
【００１８】
改質装置３０の改質器８は、脱硫器２から脱硫された水素製造用原料を供給されると共に、外部から水蒸気（水）を供給される。そして、脱硫された水素製造用原料と水蒸気（水）とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。また、改質装置３０のバーナ９は、改質器８の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。なお、バーナ９の燃料として、装置の起動時には脱硫器２からの水素製造用原料を用い、運転中は、ＰＥＦＣスタック４からのオフガスを用いることが好ましい。
【００１９】
ＣＯ変成器１０は、改質器８で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度（ＣＯ）を低減するため、一酸化炭素を水と反応させ、水素シフト反応により水素と二酸化炭素に転換するためのものである。また、選択酸化器１５は、ＣＯ変成器１０で処理された改質ガスの一酸化炭素濃度を更に低減させるため、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化することにより二酸化炭素にするものである。
【００２０】
ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（図示せず）が積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３で得られた改質ガスを用いて発電して直流（ＤＣ）電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された固体高分子である電解質とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。
【００２１】
インバータ５は、出力されたＤＣ電流を交流（ＡＣ）電流に変換する。筐体６は、その内部に脱硫器２、ＦＰＳ３、ＳＯＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。
【００２２】
図２は、改質装置３０の具体的な構成を示す概略構成図である。図２に示すように、改質装置３０は、改質器８と、燃焼筒１１と、排ガス流路１２と、水蒸気流路1３と、改質ガス流路１４と、凸部１９とを備えている。この改質装置３０では、燃焼筒１１を同軸的に取り囲むように、内周側から排ガス流路１２、改質器８、水蒸気流路１３の順番で外形が略円柱状に配置され、排ガス流路１２には伝熱媒体としてのアルミナビーズ１７（詳細は後述）が充填されている（図３参照）。
【００２３】
燃焼筒１１は、筒状の筒体１１ａの上端部にバーナ（燃焼部）９を取り付けることによって構成される。この燃焼筒１１は、バーナ９から下方へ火炎Ｆを噴射することによって排ガスＥを発生させ、筒体１１ａによって、バーナ９からの火炎Ｆ及び排ガスＥを下方向へガイドする。また、筒体１１ａの下方側の先端部１１ｂは先端開口１１ｃを有するとともに自由端部とされている。筒体１１ａの先端部１１ｂにおける外周面側には外リング（第１の変形抑制リング）１６が取り付けられ、内周面側には内リング（第２の変形抑制リング）１８が配置される（詳細は後述）。なお、バーナ９が筒体１１ａの上端部に取り付けられ下向きに配置されているため、液だれなどの入り込みを防止することができる。
【００２４】
改質器８は、その内部に改質反応を行うための改質触媒８ａを有し、燃焼筒１１との間に隙間が設けられるように、燃焼筒１１を取り囲んで配置される。改質器８は、上端側から水素製造用原料である灯油と水蒸気を取り込み、下端側から改質ガスを出す。改質器８と燃焼筒１１との間には、排ガスＥを通過させるための排ガス流路１２が設けられ、改質器８の下端側には改質ガスをＣＯ変成器（図１の１０）などへガイドするための改質ガス流路１４が設けられ、改質器８の外周側には改質器８へ供給するための水蒸気をガイドするための水蒸気流路１３が設けられる。
【００２５】
凸部１９は、内リング１８を位置決めするものであり、筒体１１ａの先端開口１１ｃと対向するように離間して、改質装置３０の底壁（壁部）３０ａ上に設けられている。
【００２６】
このように構成された改質装置３０においては、外部からの灯油と水蒸気流路１３を通過する水蒸気とが、改質器８へ供給され、改質触媒８ａで水蒸気改質反応された後、改質ガスとして改質器８の下端側から改質ガス流路１４へ供給される。このとき、バーナ９の燃焼によって発生した排ガスＥが、筒体１１ａの先端部１１ｂ側から排ガス流路１２へ供給され、改質器８を加熱しながら排ガス流路１２内を通過し、外部へ排気される。なお、このとき、改質器８の上端部側は４００℃程度まで加熱され、下端部側は７００℃程度まで加熱される。
【００２７】
図４は、図２に示すＡの拡大断面図である。図４に示すように、排ガス流路１２には、伝熱性及び蓄熱性が少なくとも空気より高く、粒径が０．５〜３ｍｍ程度のアルミナビーズ１７が充填されている。このアルミナビーズ１７は、例えばＳＵＳ３０４，３１０ｓ等のステンレス鋼や、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ニクロム、カンタル（登録商標）などであってもよい。なお、排ガス流路１２の上端側には、排ガスＥが流れ込むことによるアルミナビーズの噴出しを防止するための網状の噴出し防止蓋（図示せず）が設けられている。
【００２８】
外リング１６は、筒体１１ａよりも大きな径を有し、その内周面が筒体１１ａの先端部１１ｂの外周面に溶接等されることによって、筒体１１ａと一体化されている。この外リング１６によって、排ガス流路１２の下端の流路幅が狭小化されるとともに、排ガス流路１２内に充填されたアルミナビーズ１７が支持される。外リング１６の外周面と排ガス流路１２の外周側の壁面１２ａとの間には、アルミナビーズ１７の径よりも小さい隙間２０が設けられる。また、筒体１１ａの先端部１１ｂにおける外リング１６が取り付けられた位置よりも上方には、内外を連通する筒体側連通孔１１ｄが設けられている。なお、外リング１６の材質としては、ＳＵＳ３１０が好ましい。
【００２９】
内リング１８は、凸部１９の縁部１９ａにはめ込まれるように着脱可能に搭載され、その上端（第２の変形抑制リングの他端）１８ｄが、筒体１１ａに設けられた筒体側連通孔１１ｄの位置よりも上方へ至るように高さ調整されている。内リング１８は、筒体１１ａよりも小さな径を有し、その外周面が筒体１１ａの先端部１１ｂの内周面との間に微小が隙間２１が形成されるように配置される。内リング１８は、上端１８ｄ側に形成された厚肉部１８ａと、該厚肉部１８ａよりも薄い薄肉部１８ｂとを有し、薄肉部１８ｂには内外を連通するリング側連通孔１８ｃが全面に渡って設けられている（図５参照）。薄肉部１８ｂの上側のリング側連通孔１８ｃの一部は、筒体側連通孔１１ｄを塞がないように、筒体側連通孔１１ｄに対応する高さ位置に設けられる。これによって、排ガスＥが、リング側連通孔１８ｃと筒体側連通孔１１ｄを通過して燃焼筒１１から排ガス流路１２へ供給される。なお、内リング１８の材質としては、ＳＵＳ３１０が好ましい。
【００３０】
以上によって、筒体１１ａの先端部１１ｂの加熱による変形を抑制するための内リング１８及び外リング１６が、燃焼筒１１の中でも特に変形が生じ易い部分である筒体１１ａの先端部１１ｂに、配置されているため、温度変化による燃焼筒１１の変形を抑制し、改質装置３０の耐久性を向上させることができる。
【００３１】
また、外リング１６が筒体１１ａの外周面に配意されているため、筒体１１ａの先端部１１ｂが補強され、これによって筒体１１ａの先端部１１ｂの内側及び外側への変形を抑制することができる。また、筒体１１ａの外周面に配置されているため、筒体１１ａの先端部１１ｂの外側への変形も抑制することができる。
【００３２】
また、内リング１８が、筒体１１ａの内周面との間に隙間２１を置いて配置されているため、筒体１１ａの先端部１１ｂが内周側へ変形した場合に、内リング１８の外周面で受けることによって、その変形を抑制することができる。また、仮に筒体１１ａの内周面と内リング１８を隙間なく固定した場合は、筒体１１ａの先端部１１ｂの代わりに燃焼筒１１のその他の部分で予期せぬ変形が生じてしまい、かえって耐久性を損なう可能性もある。しかし、この改質装置３０によれば、筒体１１ａの内周面と内リング１８の間に隙間２１を設けているため、予期せぬ変形を防止することができる。なお、外リング１６側でも隙間２０が設けられているため、予期せぬ変形を防止することができる。
【００３３】
また、外リング１６及び内リング１８を配置することによって、燃料筒１１から排ガス流路１２へ排ガスＥを供給するための流路が塞がれてしまった場合にあっては、排ガスＥの流路を十分に確保することができなくなると共に、圧力損失が上昇してしまう可能性がある。しかし、この改質装置３０によれば、燃焼筒１１からの排ガスＥは、筒体１１ａの先端部１１ｂに設けられた筒体側連通孔１１ｄと、内リング１８に設けられたリング側連通孔１８ｃとを通過することによって、排ガス流路１２に供給されることができる。これによって、外リング１６及び内リング１８を配置した場合であっても、排ガス流路１２を十分に確保することができると共に、圧力損失が上昇してしまうことを防止することができる。
【００３４】
また、内リング１８が厚肉部１８ｄを有しているため、該厚肉部１８ｄによって、リング側連通孔１８ｃが設けられる薄肉部１８ｂを補強することができる。
【００３５】
また、内リング１８が凸部１９に着脱可能に搭載されているため、内リング１８の取替えや、装置の周期的なメンテナンスが可能となる。また、内リング１８の上端ｄ側が筒体１１ａ内に至るように高さ調整されているため、燃焼筒１１の変形も確実に抑制することができる。
【００３６】
また、排ガス流路１２に伝熱性の高いアルミナビーズ１７が配置されているため、排ガス流路１２を通過する排ガスＥからの熱を改質器８に十分に伝えることができる。これによって、装置の大型化を図ることなく、水素製造用原料を効率よく改質することができる。
【００３７】
また、例えば、燃焼筒１１内の燃焼状態や改質ガスの流量などが急に変動した場合などであっても、アルミナビーズ１７に蓄えられた熱を改質器８へ供給することによって、改質器８内の急激な温度変化を防止することができ、これによって、水素製造用原料の安定した改質が可能となる。
【００３８】
また、伝熱媒体を粒状であるアルミナビーズ１７とすることによって、伝熱媒体の表面積を広くすることができるため、排ガス流路１２を通過する排ガスＥから十分に熱を受け取ることができるようになり、改質器８へ効率よく熱を伝達することができる。また、適度の隙間を設けることができるため、排ガス流路１２内の不要な圧力損失の上昇を抑止することができる。
【００３９】
また、バーナ９に対する液だれなどを防止すべく、本実施形態のようにバーナ９から下方へ向けて排ガスＥを発生させ、筒体１１ａの先端部１１ｂ側から排ガス流路１２に排ガスＥを供給する構成としたときに、筒体１１ａの外面側に配置された変形抑制用の外リング１６を粒状のアルミナビーズ１７を支持する支持部材として兼用することができ、部品点数の減少を図ることができる。このとき、筒体１１ａの先端部１１ｂに筒体側連通孔１１ｄを設けることによって、排ガスＥを供給するための流路も十分確保することができる。
【００４０】
また、伝熱媒体としてアルミナを用いているため、コストを低減できると共に、伝熱媒体としての伝熱性及び蓄熱性の両方をバランスよく確保できる。
【００４１】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００４２】
例えば、排ガス流路１２に配置する伝熱媒体として粒状のアルミナビーズ１７を用いているが、図６に示すように、排ガス流路１２内で上下方向に延在する複数のフィン２５を設けてもよい。このようなフィン２５によっても、アルミナビーズ１７と同様の作用・効果を奏する。
【００４３】
また、内リング１８及び外リング１６のうち、一方のみを取り付ける構成としてもよい。なお、外リング１６を取り付けない場合は、アルミナビーズ１７を支持する部材を別途設ける。
【００４４】
更に、スタックは、ＰＥＦＣスタックに限らず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形あるいは固体酸化物形などの他の形式のスタックであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る改質装置を適用した燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る改質装置を示した構成概略図である。
【図３】図２に示す改質装置の横断面図である。
【図４】図２中のＡの部分拡大断面図である。
【図５】内リングの斜視図である。
【図６】他の実施形態に係る改質装置の横断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
８…改質器、９…バーナ（燃焼部）、１１…燃焼筒、１１ａ…筒体、１１ｂ…先端部、１１ｃ…先端開口、１１ｄ…筒体側連通孔、１２…排ガス流路、１６…外リング（第１の変形抑制リング）、１８…内リング（第２の変形抑制リング）、１８ａ…厚肉部、１８ｂ…薄肉部、１８ｃ…リング側連通孔、１８ｄ…上端（第２の変形抑制リングの他端）、２１…隙間、３０…改質装置、３０ａ…底壁（壁部）。
【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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