(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素ガスと水蒸気を混合した原料ガスを加熱し、触媒を用いた水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する複数の改質管からなる改質管群の外周に、上記改質管を加熱するための燃焼ガスの放熱を防止するための断熱材層を配設した燃料改質器において、
千鳥状に配設された改質管群の外周の改質管の配列形状に対応して、上記断熱材層の内周を多角形状に形成し、
外周列の各改質管と断熱材層の内面との間隔が互いに等しくなるようにして、
各改質管に対する断熱材層の内面からの輻射伝熱が均一になるようにした、
ことを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】
炭化水素ガスと水蒸気を混合した原料ガスを加熱し、触媒を用いた水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する複数の改質管からなる改質管群の外周に、上記改質管を加熱するための放熱を防止するための断熱材層を配設した燃料改質器において、
上記改質管群の外周に、外周列の各改質管から等距離になるように、改質管を模擬した改質反応を行わせないダミー管を配設したことを特徴とする燃料改質器。
【請求項３】
上記ダミー管は断熱材により形成されていることを特徴とする、請求項２記載の燃料改質器。
【請求項４】
改質管を加熱するための燃焼ガスを発生させるバーナーを、燃焼ガスが改質管群の中心部の改質管の周囲よりも外周部の改質管の周囲に多く流れるように、改質管群の外周部の上部または下部に配設したことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料改質器。
【請求項５】
改質管を加熱するための燃焼ガスを発生させるバーナーを、燃焼ガスが改質管群の中心部の改質管の周囲よりも外周部の改質管の周囲に多く流れるように、改質管群の中心部の上部または下部に配設したことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素ガスに水蒸気を混合した原料ガスを燃焼ガスによって加熱し、触媒を用いた水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は電解質板の両面に接するように、正・負の電極板を配設し、正の電極板側に酸化剤ガスを供給し、負の電極板側に燃料改質器によって改質された燃料ガスを供給し、それらの間に化学反応を起こさせることによって発電させるようにしてある。
【０００３】
図８は、従来の燃料電池発電システムにおける一般的な燃料改質器の縦断面図、図９は図８のＡ−Ａ断面図であり、円筒形状の収納容器１の内周面に適当な厚さの断熱材２が装着されており、その収納容器１の内部に、触媒を充填した複数の改質管３によって構成される改質管群４が立設されている。
【０００４】
上記改質管３は、有蓋の円筒状の外筒５とその外筒５内に所定高さまで下方から同心状に挿入された内筒６によって形成され、外筒５及び内筒６間に触媒７が充填されている。そして、上記収納容器１の下部において各改質管３の内外両筒間が原料ガス入口管８に接続され、内管６の下部が改質ガス出口管９に接続されている。
【０００５】
また、収納容器１内の上部には、バーナ燃料供給管１０に連通するバーナ燃料供給室１１が配設されており、そのバーナ燃料供給室１１には下方向に指向された複数個のバーナ１２が設けられている。上記バーナ燃料供給室１１の下方には、バーナ空気供給管１３に連通するバーナ空気供給室１４が配設されており、上記バーナ空気供給室１４を貫通して下方に突出するバーナ１２の外周に設けられている環状間隙からバーナ空気が収納容器１内に供給されるように構成されている。
【０００６】
さらに、上記収納容器１の下部には、各改質管３の外周に沿って降下した燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出管１５が設けられており、また各改質管３の下半部の外周部には伝熱スリーブ１６が配設されている。
【０００７】
しかして、炭化水素ガスに水蒸気を混合した原料ガスは原料ガス入口管８から触媒７が充填されている改質管３の外筒５及び内筒６間に導かれる。そして、上記外筒５及び内筒６間を流れる間に改質管３の外部を流れる燃焼ガスによって熱せられて徐々に温度が上昇するとともに、触媒７の作用によって改質反応が生じ、水素を主成分とする改質ガスに変化し、内筒６内を通り改質ガス出口管９から器外に排出され、図示しない一酸化炭素変成器等を経て燃料電池本体に送られる。
【０００８】
一方、バーナ燃料供給室１１及びバーナ空気供給管１３に供給されたバーナ空気及びバーナ燃料は、バーナ１２で燃焼して高温の燃焼ガスとなった後、改質管３の周囲に流れ込み、各改質管３間に形成されている燃焼ガス通路を流下し、改質管３の下半部に設けられた伝熱スリーブ１６の隙間を高速に流下する。その際、燃焼ガスは改質管３の内部を流れる原料ガスと熱交換することによって徐々に温度が降下し、燃焼ガス排出管１５から排出される。
【０００９】
したがって、上記燃焼ガスの降下中においては、改質管３の上半部では燃焼ガスが非常に高温であるため、輻射が支配的で強制対流が副次的な伝熱形態となり、一方下半部では相対的に燃焼ガスの温度が低下し流速が速められているため、強制対流が支配的で輻射が副次的な伝熱形態となっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の如き燃料改質器を備えた燃料電池発電システムにおいては、改質反応を起こさせるためには原料ガスを約７５０℃まで加熱する必要がある。このため、改質管３の温度は、上端部において約１０００℃という金属材料にとって極度に苛酷な条件で運転されている。そして、改質性能を充分に引出して機能させるためには、その表面温度のばらつきを特に改質管３の頂部において最少限度にすることが必要不可欠である。
【００１１】
仮に、平均温度約１０００℃に対して局部的な過熱が発生した状態で連続運転した場合、改質管３の金属寿命は急激に低下し、極端な場合には短時間で破壊に至る場合もある。また、逆に局部的な過熱を防ぐために改質管３の平均温度を下げて運転した場合、原料ガスの温度を約７５０℃に加熱することが不可能になり、改質性能の低下という燃料改質器にとって致命的な欠点となる。
【００１２】
このように、多数の改質管３によって改質管群を構成した燃料改質器では、改質管の金属部の温度分布を均一にすることが肝要である。
【００１３】
ところで、改質管３は前述のようにその周囲を流れる燃焼ガスによって加熱されるが、改質管の上半部では燃焼ガスが非常に高温であるため、燃焼ガスと周囲の壁面からの輻射伝熱が支配的になる。しかも、壁面からの輻射伝熱は壁面からの放射率に比例し、壁面からの距離に逆比例するため、改質管の周囲の壁面の材質と距離は管毎に同一であることが改質管毎に温度分布を均一にするために有効な手段である。
【００１４】
しかし、改質管群４の外周の改質管３の外側には、改質管と材料が異なる断熱材２の層があり、しかも改質管３の配列が改質管群４の大きさを最小となるように千鳥状に配置され、その外周側に円筒状に断熱材２が配設されているため、上記外周部の改質管３と断熱材２との距離は、図９に示すように改質管３毎に異なっている。したがって、上記外周部の改質管における温度分布が不均一になるという問題がある。
【００１５】
本発明はこのような点に鑑み、各改質管の周囲の壁面からの輻射伝熱の不均一を取り除き、改質管の表面温度分布を均一化するようにした燃料改質器を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、炭化水素ガスと水蒸気を混合した原料ガスを加熱し、触媒を用いた水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する複数の改質管からなる改質管群の外周に、上記改質管を加熱するための燃焼ガスの放熱を防止するための断熱材層を配設した燃料改質器において、
千鳥状に配設された改質管群の外周の改質管の配列形状に対応して、上記断熱材層の内周を多角形状に形成し、
外周列の各改質管と断熱材層の内面との間隔が互いに等しくなるようにして、
各改質管に対する断熱材層の内面からの輻射伝熱が均一になるようにした、
ことを特徴とする。
【００１７】
第２の発明は、炭化水素ガスと水蒸気を混合した原料ガスを加熱し、触媒を用いた水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する複数の改質管からなる改質管群の外周に、上記改質管を加熱するための燃焼ガスの放熱を防止するための断熱材層を配設した燃料改質器において、上記改質管群の外周に、外周列の各改質管から等距離になるように、改質管を模擬した改質反応を行わせないダミー管を配設したことを特徴とする。
【００１８】
また、第３の発明は、改質管を加熱するための燃焼ガスを発生させるバーナを、燃焼ガスが改質管群の中心部の改質管の周囲よりも外周部の改質管の周囲に多く流れるように、改質管群の外周部の上部または下部に配設したことを特徴とする。
【００１９】
さらに、第４の発明は、改質管を加熱するための燃焼ガスを発生させるバーナを、燃焼ガスが改質管群の外周部の改質管の周囲よりも、内周部の改質管の周囲に多く流れるように、改質管の中心部の上部または下部に配設したことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図７を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、図中図８と同一部分には同一符号を符し、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
図１は、本発明の燃料改質器の横断面図であり、円筒状の収納容器１の内面には断熱材２が層着してあり、その内部に多数の改質管３を千鳥状に配設された改質管群４が立設されている。
【００２２】
ところで、上記断熱材２は、改質管３の外周に設けられている伝熱スリーブ１６より上方の改質管３の上半部の高さ以上の範囲にわたって、改質管群の外周の改質管の配列形状に対応してその内周が六角形状としてあり、上記断熱材の各辺が改質管群の各辺を形成する外周列と平行となるようにしてあり、上記断熱材が改質管群の外周の改質管３から等距離となるようにしてある。
【００２３】
断熱材の材料は、耐熱材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化珪素（ＳｉＯ２）を主成分としたセラミック系断熱材の成型品やブランケットで形成されている。
【００２４】
しかして、本実施の形態によれば、改質管群４の各外周辺の改質管３の全ては、断熱材２の内面から等一距離に位置するようになるため、断熱材２からの輻射伝熱が略同一となり、改質管の表面温度の不均一や局部加熱の発生が抑制される。
【００２５】
図２は、図１に示す改質管３の本数を変えた場合を示し、図３は改質管群の千鳥配列を変えた場合を示す図であって、そのいずれの場合においても、配列管群４の断面形状に対応して断熱材２の層の内周面形状を変えることによって図１と同じ効果を奏する。
【００２６】
なお、本発明は、上記実施例に示す配列の改質管群４を有する燃料改質器の他に、様々な配列の改質管群４をもつ燃料改質器においても、改質管群の周囲に適切な多角形の断熱材を配設することによって同様な目的を達成することができる。
【００２７】
図４及び図５は、本発明の他の実施の形態を示す図であり、千鳥状に配設された改質管群４の外周の改質管の位置に、改質管３と同一形状もしくは相似形のダミー管２０が配設されている。このダミー管２０は、図４に示すように改質管３の伝熱スリーブ１６の上部から改質管３の上半分の高さ以上の高さとしてあり、改質管３と同等のニッケル（Ｎｉ）を８％以上含有する耐熱鋼またはセラミック系断熱材の成型品やブラケットで形成されている。そして、ダミー管２０の内部には改質機能が不要のため触媒は充填されていない。
【００２８】
なお、ダミー管２０の改質管３と対向しない外面側は改質管３への輻射伝熱に寄与しないため外面側の形状は自由であり、図５に示すように、円筒のダミー管２０の外面部を収納容器１の内面にある断熱材２の層内に埋め込んでもよく、ダミー管２０の形状を改質管３と向き合っている面のみを円形とした半円形状にしてもよい。
【００２９】
しかして、この場合も、改質管３の周囲の壁面の材質と距離が各改質管毎に同一になるため、壁面からの輻射伝熱も同一となり、改質管３の表面温度の不均一や局部加熱の発生を防止することができる。
【００３０】
図６は本発明のさらに他の実施の形態を示す図であり、改質管群４の上方に配設されているバーナ１２が改質管群４の上方外周部のみに配設してある。
【００３１】
しかして、この場合はバーナ１２からの燃焼ガスの流量が改質管群４の外周部程多く流れ、外周部の改質管３では中心部に比較して加熱量が多くなる。
【００３２】
一方、図７はさらに他の実施の形態を示す図であり、改質管群４の中央部上方のみにバーナ１２が配設してある。しかして、この場合改質管群４の中心部が外周部におけるより加熱量が多くなる。
【００３３】
このように、改質管群の外周部と中心部で加熱量を適切に調整することにより、改質管３の壁面からの輻射伝熱の不均一があっても改質管３の表面温度分布を均一にすることができる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態を組み合わせた構造とすることもできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は改質管群の改質管とその周囲の壁面からの距離を改質管毎に同様になるように改質管群の周囲の断熱材の内周面を多角形状とし、或は改質管群の外周に改質管を模擬した改質反応を行わないダミー管を配置したので、壁面からの輻射伝熱を均一化することができ、改質管毎の表面温度分布を均一にすることができ、より安全で信頼性の高い燃料改質器を得ることができる。
また、バーナを改質管群の外周側或は中心部の上方または下方に配設した場合には、改質管群の周囲に流れる燃焼ガスの流量を改質管群の中心部と外周部とで変化させることができ、改質管の壁面からの輻射伝熱の不均一の影響があっても改質管毎の表面温度分布を均一にでき、より安全で信頼性のあるものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料改質器の一実施の形態を示す横断面図。
【図２】本発明の燃料改質器の他の実施の形態を示す横断面図。
【図３】本発明のさらに他の実施の形態を示す横断面図。
【図４】本発明の燃料改質器の他の実施の形態を示す縦断面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図６】本発明の燃料改質器のさらに他の実施の形態を示す縦断面図。
【図７】本発明の燃料改質器の他の実施の形態の縦断面図。
【図８】従来の燃料改質器の縦断面図。
【図９】図８のＡ−Ａ線に沿う横断面図。
【符号の説明】
１  収納容器
２  断熱材
３  改質器
４  改質管群
７  触媒
１０  バーナ燃料供給管
１２  バーナ
１３  バーナ空気供給管
１６  伝熱スリーブ
２０  ダミー管
【図１】
0003842352.tif 000002
【図２】
0003842352.tif 000003
【図３】
0003842352.tif 000004
【図４】
0003842352.tif 000005
【図５】
0003842352.tif 000006
【図６】
0003842352.tif 000007
【図７】
0003842352.tif 000008
【図８】
0003842352.tif 000009
【図９】
0003842352.tif 000010