JP2000344503A

JP2000344503A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2000344503A
Application number: JP23936099A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Kotogami; 佳秀言上; Kazunori Tsuchino; 和典土野; Kenro Mitsuta; 憲朗光田; Kazutoshi Kaneyuki; 和敏金行
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2000-12-12
Anticipated expiration: 2019-08-26
Also published as: JP4186329B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高さを低く抑えたコンパクトな燃料改質装置
を提供する。【解決手段】アルコール、ジメチルエーテル、または
炭化水素系燃料から水素リッチの改質ガスを生成する燃
料改質装置において、吸熱反応が生じる改質部８と発熱
反応が生じる触媒燃焼部７，９とを長方形状の平板要素
に形成し、これら改質部と触媒燃焼部の平板要素を長辺
が水平、短辺が垂直になるように水平方向に密接させて
積層して平板要素積層体を構成し、上記平板要素の一方
の短辺に沿って空気および燃焼ガスのマニホールドを、
他方の短辺に沿って改質ガスおよびオフガスのマニホー
ルドを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば一般電源用
の可搬型燃料電池、あるいは電気自動車に搭載する燃料
電池等に必要な水素を生成するために用いられ、メタノ
ール等のアルコール原料、ジメチルエーテル、または天
然ガス等の炭化水素原料を水素リッチの改質ガスに変換
する燃料改質装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一次燃料としてメタノール等のアルコー
ル原料、ジメチルエーテル、または天然ガス等の炭化水
素原料から水素リッチガスを製造する従来の技術として
は、例えば特願平９−４５８９８号に開示した平板積層
構造の燃料改質装置がある。図９は、このような平板積
層構造の燃料改質装置の基本的構成を示す構成図であ
る。図において、３１は液体原料加熱部、３２は蒸発
部、３３は蒸気過熱部、３４は改質部、３５はＣＯ酸化
部、３６ａ，３６ｂは触媒燃焼部、３７ａ，３７ｂは熱
回収部であり、これらの部の各要素は、周囲に給気・排
気を行うマニホールド、内部に伝熱フィンを有した平板
状の平板要素に形成されている。図中、実線は液体原料
および原料ガスの流れ、破線は改質ガスの流れ、一点鎖
線は燃焼ガスの流れをそれぞれ示す。

【０００３】次にこの燃料改質装置の動作について説明
する。メタノールと水からなる液体原料を液体原料加熱
部３１に供給する。メタノールと水の割合は所定のスチ
ーム・カーボン比（例えば１．５）になるように、予め
それぞれの流量を調節して設定する。メタノールと水は
液体原料加熱部３１で隣接するＣＯ酸化部３５を流れる
改質ガスと熱交換することにより予熱される。予熱され
た液体原料を蒸発部３２で蒸発させ、蒸発に必要な熱を
主に熱回収部３７ａの燃焼ガス排熱およびＣＯ酸化部３
５の発熱により供給する。蒸発に必要な温度は１５０〜
２００℃であり、ＣＯ酸化部３５の入口温度は２００〜
２４０℃、熱回収部の燃焼ガス温度は２５０℃以上にな
るので、蒸発の熱源として十分高い温度レベルであり、
蒸発熱として利用できる。

【０００４】メタノール・水の蒸気を蒸気過熱部３３で
改質温度３００℃にまで過熱するため、蒸気過熱部３３
の両側には加熱源として熱回収部３７ｂと触媒燃焼部３
６ａを設ける。触媒燃焼部の燃焼ガス温度は３００℃以
上の高温であり、蒸気を３００℃まで過熱するのに十分
な熱を保有する。過熱蒸気を改質部３４に供給し、メタ
ノールとスチームを改質反応により水素と二酸化炭素に
変換する。改質反応に必要な熱は、改質部３４の上下に
設けた触媒燃焼部３６ａ，３６ｂより供給する。触媒燃
焼部３６ａ，３６ｂでは、燃料電池の燃料極から排気さ
れ、未利用の水素を含んだ電池オフガス（以下オフガス
と称する）を燃焼用空気で燃焼させて、改質反応の加熱
源とする。改質部３４の温度は、改質ガス中のＣＯ濃度
が後のＣＯ酸化部３５で燃料電池の許容レベル以下まで
低減でき、かつ、生成する改質ガス流量に対して高い改
質率を確保できる温度（約３００℃）とする。

【０００５】改質部３４を出た改質ガスにはＣＯ酸化用
空気がＣＯ酸化部３５に入る前に導入される。ＣＯ酸化
用空気の流量は、改質ガス中のＣＯを酸化するのに必要
な量以上の量（理論空気量に対して５〜１０倍）相当の
流量を供給する。ＣＯ酸化部３５の温度は、ＣＯ酸化に
適切な温度範囲１１０〜２４０℃になるように、ＣＯ酸
化部３５を液体原料加熱部３１と熱回収部３７ａの間に
設ける。ＣＯ酸化部３５の改質ガスは、入口で１５０〜
２００℃の蒸気や２５０℃の燃焼ガスと熱交換し、出口
で低温の液体原料と熱交換することにより、ＣＯ酸化に
適切な温度分布が維持される。ＣＯ酸化部３５の出口で
燃料電池の許容レベル以下までＣＯ濃度を低減した改質
ガスは、燃料改質装置から燃料電池の燃料極へと供給さ
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料改質装置は
上記のように構成されており、例えば電気自動車用に用
いる場合に、燃料改質装置を固体高分子型燃料電池スタ
ックと一緒に座席の床下に置こうとすると、配置の関係
上、高さを１４ｃｍ以下にする必要がある。しかしなが
ら、従来技術による燃料改質装置の構造は、構成要素で
ある略正方形状の平板要素を高さ方向に積層しているた
め、ある程度の高さとなる上に、燃料改質装置の上部に
給排用のガス配管を設置するので、全体の高さを制限内
に抑えられないという問題があった。

【０００７】本発明は、上記のような従来のものの問題
点を解決するためになされたものであり、高さを低く抑
えたコンパクトな燃料改質装置を提供することを目的と
している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成によ
る燃料改質装置は、アルコール、ジメチルエーテル、ま
たは炭化水素系燃料から水素リッチの改質ガスを生成す
る燃料改質装置において、吸熱反応が生じる改質部と発
熱反応が生じる触媒燃焼部とを長方形状の平板要素に形
成し、これら改質部と触媒燃焼部の平板要素を長辺が水
平になるように水平方向に密接させて積層して平板要素
積層体を構成し、上記平板要素の一方の短辺に沿って空
気および燃焼ガスのマニホールドを、他方の短辺に沿っ
て改質ガスおよびオフガスのマニホールドを設けたもの
である。

【０００９】本発明の第２の構成による燃料改質装置
は、上記第１の構成に加えて、上記平板要素の中央付近
で平板要素の長辺に平行に、各平板要素を貫通する少な
くとも２本の支柱を通して平板要素積層体を積層方向に
締め付けるものである。

【００１０】本発明の第３の構成による燃料改質装置
は、上記第２の構成に加えて、上記支柱の周りに径の異
なる複数の皿バネを設け、上記支柱を軸として平板要素
積層体の両積層端部間に押し付け面圧を与えて上記平板
要素積層体を積層方向に締め付けるように構成したもの
である。

【００１１】本発明の第４の構成による燃料改質装置
は、上記第１ないし第３の何れかの構成に加えて、上記
平板要素の両方の短辺近傍で短辺に沿って、各平板要素
を貫通する複数本の支柱を通して平板要素積層体を積層
方向に締め付けるものである。

【００１２】本発明の第５の構成による燃料改質装置
は、上記第２ないし第４の何れかの構成に加えて、上記
支柱の周囲の空洞をガスマニホールドとして用いるもの
である。

【００１３】本発明の第６の構成による燃料改質装置
は、上記第１ないし第５の何れかの構成に加えて、改質
部と触媒燃焼部とを水平方向に複数個交互に積層したも
のである。

【００１４】本発明の第７の構成による燃料改質装置
は、上記第１ないし第６の何れかの構成に加えて、アル
コールまたはエーテルを主成分とする液体原料を加熱す
る液体原料加熱部、加熱した液体原料を蒸発する蒸発
部、および蒸発した蒸気を改質部の温度まで過熱する蒸
気過熱部のうちの少なくとも１つを長方形状の平板要素
として備え、改質部および触媒燃焼部と共に積層したも
のである。

【００１５】本発明の第８の構成による燃料改質装置
は、上記第７の構成に加えて、上記蒸発部は、内部に良
熱伝導性材料からなるメッシュまたは多孔質の発泡金属
を有するものである。

【００１６】本発明の第９の構成による燃料改質装置
は、上記第１ないし第８の何れかの構成に加えて、燃焼
ガスの排熱を回収する熱回収部を長方形状の平板要素と
して備え、改質部、液体原料加熱部、蒸発部、および蒸
気過熱部のうちの少なくとも１つと密接させて積層した
ものである。

【００１７】本発明の第１０の構成による燃料改質装置
は、上記第１ないし第９の何れかの構成に加えて、改質
部で生成した改質ガス中のＣＯを微量の空気を加えて選
択的に酸化することによりＣＯ₂に変換するＣＯ酸化部
を長方形状の平板要素として備えると共に、これと隣接
して流路抵抗を調節する溝を設けた長方形状のＣＯ酸化
用空気導入板を備えたものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明に係
る燃料改質装置の実施の形態１を、液体原料をメタノー
ルと水とした場合で説明する。図１は実施の形態１によ
る燃料改質装置の代表的な構成を示す組み立て斜視図で
ある。図において、１はマニホールド端板である。２は
液体原料加熱部、３はＣＯ酸化部、４はＣＯ酸化用空気
導入板、５は熱回収部、６は気化部、７は触媒燃焼部で
あるメタノール燃焼部、８は改質部、９は触媒燃焼部で
あるオフガス燃焼部であり、これらの部の各要素は、周
囲に給気・排気を行うマニホールド、内部に伝熱フィン
を有した平板状の平板要素に形成されている。また、Ｃ
Ｏ酸化部３、改質部８、メタノール燃焼部７およびオフ
ガス燃焼部９は内部に固定した伝熱フィンの内側にＣＯ
酸化触媒、改質触媒および燃焼触媒がそれぞれ充填され
ている。平板要素の詳細な構成については後述する。１
０はメタノール導入口、１１は空気導入口、１２は液体
原料導入口、１３は改質ガス排出口、１４はオフガス導
入口、１５は燃焼ガス排出口である。本実施の形態で
は、平板要素は長方形状であり、長方形状の平板要素を
長辺が水平、短辺が垂直になるように水平方向に密接し
て積層して平板要素積層体を構成している。また、短辺
に沿ってマニホールドが設けられている。なお、本実施
の形態では、気化部６は液体原料を蒸発する蒸発部と蒸
発した蒸気を改質部の温度まで過熱する蒸気過熱部から
構成されているが、気化部の温度が十分に高く蒸発と蒸
気過熱の両方を行える場合には蒸発部のみから構成され
てもよい。

【００１９】次に、本実施の形態による燃料改質装置の
動作を説明する。マニホールド端板１のメタノール導入
口１０にメタノールを、空気導入口１１に空気をそれぞ
れ供給する。メタノールと空気はメタノール燃焼部７に
至る流路の中で混合し、可燃混合気となってメタノール
燃焼部７に流れる。メタノール燃焼部７は平板中央の伝
熱フィンに燃焼触媒を充填した構造になっており、メタ
ノールと空気の可燃混合気を触媒表面で燃焼させる。燃
焼による発熱はメタノール燃焼部７に隣合う気化部６お
よび改質部８に伝わり、各平板の温度を上昇させる。

【００２０】気化部６の温度がメタノールと水の蒸発に
十分な高い温度になった時、マニホールド端板１の液体
原料導入口１２にメタノールと水の混合液を供給する。
メタノールと水の混合割合は所定のスチーム・カーボン
比（例えば１．５）になるように、予めそれぞれの流量
を調節して設定する。上記従来技術の場合と同様に、メ
タノールと水は液体原料加熱部２で隣接するＣＯ酸化部
３を流れる改質ガスと熱交換することにより予熱され
る。予熱された液体原料を気化部６で蒸発させるととも
にメタノールと水の蒸気を改質温度３００℃にまで過熱
する。

【００２１】図２に気化部６の構造を示す。図におい
て、５０はメタノールマニホールド、５１は空気マニホ
ールド、５２は液体原料マニホールド、５３は改質ガス
マニホールド、５４はオフガスマニホールド、５５は燃
焼ガスマニホールドである。各マニホールド５０〜５５
は平板要素の短辺に沿って配置されている。本実施の形
態のように長方形状の平板要素を長辺を水平、短辺を垂
直にして水平方向に積層し、短辺に沿ってマニホールド
を配置した場合には、図２に示すように、液体原料は気
化部６すなわち蒸発部の気化面すなわち蒸発面に側方か
ら供給されることになり、液体原料が気化面全体に広が
らずに供給口の近傍のみで気化が起こる可能性がある。
そこで、図２に示すように、面内にステンレススチール
やアルミニウムや銅等の良熱伝導性材料からなるメッシ
ュ６０や多孔質の発泡金属等を配置して気化が起こる部
分の表面積を拡大させることにより、安定な蒸発が可能
となる。蒸発したメタノールと水の蒸気は、空気マニホ
ールド５１と燃焼ガスマニホールド５５に隣接した蒸気
マニホールド５６を通って、次の蒸気過熱部に導入され
る。

【００２２】気化部６を出たメタノールと水の過熱蒸気
を改質部８に供給して改質反応により水素と二酸化炭素
に変換する。蒸発および改質反応に必要な熱は、当初
は、隣のメタノール燃焼部７から供給する。改質部８を
出た改質ガスにはＣＯ酸化用空気をＣＯ酸化部３に入る
前にＣＯ酸化用空気導入板４で供給する。ＣＯ酸化用空
気は、改質ガス中のＣＯを酸化するのに必要な量以上の
量（理論空気量に対して３〜５倍）に相当する流量を供
給する。

【００２３】図３にＣＯ酸化用空気導入板４の構成の一
例を示す。図において、５７は流路抵抗を調節して空気
流量を調節するための溝であり、ＣＯ酸化用空気導入板
４を貫通しない所定の深さを有する。マニホールド端板
１の空気導入口１１から空気マニホールド５１に導入さ
れた空気は、ＣＯ酸化用空気導入板４の入口で燃焼用空
気とＣＯ酸化用空気に分岐される。１ｋＷ相当の発電量
で燃焼用空気とＣＯ酸化用空気の流量は、それぞれ３０
Ｌ／ｍｉｎと３Ｌ／ｍｉｎである。燃焼用空気の流量は
燃料利用率７５％とし、オフガス中の水素に対して空気
比３（理論空気量の３倍）で設定した。一方、ＣＯ酸化
用空気の流量はＣＯ酸化前のＣＯ濃度を１％とし、ＣＯ
に対して空気比５（理論空気量の５倍）で設定した。Ｃ
Ｏ酸化用空気導入板４には、空気の流れに対して抵抗と
なるコルゲート・フィン、あるいは、図３に示すように
流路抵抗を調節する溝５６を設け、ＣＯ酸化用空気の流
量を燃焼用空気の１／１０に調整する。ＣＯ酸化用空気
導入板４の出口は改質ガスマニホールド５３とつなが
り、改質ガスとＣＯ酸化用空気がＣＯ酸化部３に入る前
に予混合される。

【００２４】従来の場合と同様に、ＣＯ酸化部３の温度
は、ＣＯ酸化に適切な温度範囲１１０〜２４０℃になっ
ており、ＣＯ酸化部３の改質ガスは、入口で１５０〜２
００℃の蒸気や２５０℃の燃焼ガスと熱交換し、出口で
低温の液体原料と熱交換することにより、ＣＯ酸化に適
切な温度分布が維持される。ＣＯ酸化部３の出口で燃料
電池の許容レベル以下までＣＯ濃度を低減した改質ガス
は、マニホールド端板１の改質ガス排出口１３から燃料
電池の燃料極へと供給される。

【００２５】本実施の形態による横積み平板積層型の燃
料改質装置の隣にはＰＥＦＣ電池（固体高分子型燃料電
池）スタックを設置し、燃料改質装置の改質ガスをＰＥ
ＦＣ電池の燃料極入口に導入し、燃料極出口のオフガス
を燃料改質装置のオフガス導入口１４に導入する。オフ
ガス導入口１４に導入されたオフガスはオフガス燃焼部
９に供給され、オフガス燃焼の発熱により改質部８に熱
を伝える。改質部８の温度はメタノール燃焼およびオフ
ガス燃焼の両方により上昇し、改質反応に適切な温度３
００℃になった時、メタノールの供給を停止してオフガ
ス燃焼だけによる定常運転に切り替える。メタノール燃
焼部７、オフガス燃焼部９を出た燃焼ガスは熱回収部５
に入り、蒸発に必要な熱が回収された後、マニホールド
端板の燃焼ガス排出口１５より排気する。なお、本実施
の形態ではメタノール燃焼部７を設けて、燃料改質装置
立上げ当初の熱源としたが、電熱器等他の手段によって
もよい。また、オフガス燃焼部９を図８で示した従来例
の場合と同様に改質部８と気化部６の間にも設けてもよ
い。さらに、気化部６における蒸発部と蒸気過熱部の間
にも熱回収部を設けてもよい。

【００２６】つぎに、平板要素の構成の一例について説
明する。図４において、１６は伝熱平板、１７は断熱平
板、１８ａは接合面、１８ｂは反応有効面である。図４
（ａ）はメタノール燃焼部の平板要素の構成を示す分解
斜視図、（ｂ）は接合後のメタノール燃焼部の平板要素
を示す斜視図である。

【００２７】伝熱平板１６は厚さ０．５〜１．０ｍｍ
で、材質は熱伝導性の良好なアルミニウムあるいはアル
ミニウム合金である。伝熱平板１６に開ける穴は、空気
５１、燃焼ガス５５、オフガス５４、改質ガス５３、お
よびメタノール蒸気５６の各マニホールドである。板の
寸法形状は、短辺すなわち高さが例えば１２ｃｍ、長辺
すなわち巾が３０ｃｍ〜４０ｃｍの長方形とする。伝熱
平板１６は平板外周の接合面１８ａと平板中央の反応有
効面１８ｂとから成る。なお、図では分かりやすいため
接合面１８ａにはハッチングを施して示している。

【００２８】断熱平板１７は厚さ２．０〜４．０ｍｍ
で、この厚さは反応有効面１８ｂに充填する触媒の大き
さや伝熱フィンの高さに依存する。断熱平板１７の外形
は伝熱平板１６と同じで、内部の反応有効部分をくり抜
いて、各マニホールドのうち、要素が必要とする入口と
出口の２カ所につながり、入り口から出口にガスが流れ
るように流路を構成する。すなわち図３ではメタノール
マニホールド５０からメタノール蒸気マニホールド５６
にガスが流れるように流路を構成する。断熱平板１７の
材質は断熱性能の良好なシリコンやポリテトラフルオロ
エチレン等のフッ素系合成樹脂、あるいは膨張黒鉛やス
テンレスなどの比較的熱伝導性の低い金属などを用い
る。

【００２９】所定の形状に加工した伝熱平板１６および
断熱平板１７の接合面１８ａにシリコンあるいはフッ素
系合成樹脂の接着剤、あるいは、フィルム状加熱硬化形
接着剤を塗布し、両者を貼り合わせる。平板の接合に
は、この他にろう付け、はんだ付け、溶接などがあり、
各平板要素の動作温度に応じて適切な接合方法を選ぶ。
例えば、２００℃以下の低温部分にはシリコンあるいは
フッ素系合成樹脂の接着剤を用い、１８０〜２６０℃の
温度では９１Ｓｎ−９Ｚｎ系の低温はんだ、２６０〜３
７０℃の温度では７０Ｚｎ−３０Ｓｎ系の中温はんだ、
３７０〜４３０℃では９５Ｚｎ−５Ａｌ系の高温はん
だ、それ以上の高温ではＡｌ系やＳｉ系のブレージング
シートによるろう付けを行う。接合した各平板要素には
反応有効面に伝熱フィンと、必要に応じて各要素に応じ
た触媒を充填し、このようにして製作した平板要素を４
フッ化エチレン系等のシールシートを介在させて積層し
て、燃料改質装置全体を構成する。

【００３０】このように平板を伝熱平板１６と断熱平板
１７に分けることにより、薄板と厚板のレーザ切断など
量産化に適した加工方法を採用することができる。レー
ザ切断の加工時間は１平板当たり数分であり、伝熱平板
１６と断熱平板１７に分けないで反応有効部分を切削加
工した場合の加工時間は約１時間であるので、大幅な加
工時間の節約となる。また、伝熱平板１６により反応有
効面１８ｂの熱伝導性を良好に保持しながら、断熱平板
１７により周囲への放熱損失を低減することができる。

【００３１】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、長方形状の平板要素を用い、その長辺を水平、短辺
を垂直にして水平方向に積層しているので、給排用のガ
ス配管を側部に設置でき、燃料改質装置の高さは平板要
素の短辺の長さに依存することになり、低く抑えること
ができる。さらに、各マニホールドをその短辺に沿って
設けたので、平板要素の長方形状を有効に利用して反応
有効面積を縮小することなく高さを低く抑えたコンパク
トな燃料改質装置が得られる。なお、短辺は垂直方向か
ら多少ずれていてもよく、この場合は、平板要素が縦横
比のあまり大きくない長方形状であり短辺の長さが例え
ば１２ｃｍより長くても、燃料改質装置の高さを１２ｃ
ｍ以内に抑えることが可能となる。

【００３２】実施の形態２．つぎに、本発明の実施の形
態２による燃料改質装置について説明する。図５は本発
明の実施の形態２による燃料改質装置の全体構成を示す
斜視図、図６は図５の燃料改質装置に用いられる平板要
素の一例を示す平面図である。図において、２３は平板
要素の中央部で平板要素の長辺に平行に並んで２本設け
られた支柱、２４はＯリング等のシール部材、２５は平
板要素の周囲に配置した支柱、２６は平板要素の短辺に
沿って配置したマニホールドの内部を通る支柱である。
また、１０１は端版であり、マニホールド端板１と共に
例えばステンレススチールやチタンで形成され、両端板
１，１０１間に各平板要素が挟持されている。本実施の
形態では、メタノールマニホールド５０と液体原料マニ
ホールド５２は平板中央の支柱２３の周りに形成されて
いる。

【００３３】図５に示すように長方形状の端板１，１０
１の周縁部に複数本の支柱２５を通して平板積層型燃料
改質装置の周囲に配置する。支柱２５の先端には数ｃｍ
長さの直径６ｍｍ〜８ｍｍ（Ｍ６〜Ｍ８）のネジ部を設
け、皿バネを通して両端をナット２９で締め付ける。こ
れにより平板要素積層体は積層方向に締め付けられる。
平板要素の短辺に沿った周縁部と平板要素の中央部分に
も複数本の支柱２６，２３を通し、支柱２６，２３の両
端をナット２９で締め付けて←追加いる。平板要素の中
央部分に配置した支柱２３により反応有効面が占める平
板の中央部にも荷重を加えることにより、伝熱フィンを
設けて構成した反応有効面にも均一に荷重がかかり、仕
切板と伝熱フィンとの接触が良好になって熱抵抗が小さ
くなり、積層方向の熱伝導が促進され、燃焼熱が速やか
に伝えられ、改質反応や蒸発が速やかに進行するように
できる。また、平板要素の短辺近傍で短辺に沿って配置
した支柱２６で平板要素の短辺に沿って設けられたマニ
ホールドの周辺部分を締め付けることにより、ガスリー
クを防止することができる。

【００３４】また、図６に示すように中央部分に通した
２本の支柱２３の周囲にはそれぞれ空洞を設けてマニホ
ールド化し、液体原料とメタノールを流し、空間を有効
に利用する。液体原料は気化部、メタノールはメタノー
ル燃焼部に供給する。このように液体を改質装置の中央
部分に流すことにより液体を加熱し、速やかに蒸発させ
ることができる。また、平板要素の短辺に沿って配置し
た空気、燃焼ガス、オフガス、改質ガスのマニホールド
５１、５３〜５５の中心にも支柱２６を通し、これらの
マニホールド５１、５３〜５５の周辺部分を優先的に締
め付けることにより、ガスリークを防止することができ
る。

【００３５】なお、図５および６では平板要素の中央部
に２本の支柱２３を設けた場合を示しているが、支柱２
３は２本以上であればよく、さらに、平板要素の長辺に
平行に並べて配置した方が平板要素の反応有効面に均一
に荷重をかけることができるので好ましい。また、平板
要素の短辺に沿って配置する支柱２６も２本以上であれ
ばよい。また、中央部分に設けるマニホールドは液体原
料５２やメタノール５０に限るものではなく、空気５
１、燃焼ガス５５、オフガス５４、改質ガス５２の何れ
でもよく、流れの中央部分での吸い込みや湧き出しをつ
くることにより、対流熱伝達を促進することができる。

【００３６】実施の形態３．つぎに、本発明の実施の形
態３による燃料改質装置について説明する。図７は本発
明の実施の形態３による燃料改質装置の全体構成を示す
断面図であり、燃料改質装置を垂直方向に切断して示し
ている。本実施の形態では、平板要素の中央付近に実施
の形態２と同様に平板要素の長手方向に並んで２本設け
られた支柱２３の周りに皿バネガイドと径の異なる複数
の皿バネを配して平板要素に締め付け荷重を加えてい
る。図において、２７は皿バネガイド、２８ａは径の大
きな皿バネ、２８ｂは径の小さな皿バネ、２９は締め付
けナット、３０はシール部材であり例えばＯリングであ
る。

【００３７】マニホールド端板１や各平板要素には、支
柱２３の周辺に、ガスリークを防止するためにＯリング
溝を設け、Ｏリング３０をはめ込む。支柱２３は例えば
Ｍ１０のステンレス製ボルトで、皿バネガイド２７に径
の大きな皿バネ２８ａと径の小さな皿バネ２８ｂを設け
て支柱の周りに均一に面圧をかける。皿バネ２８ａは例
えば、外径が１１２ｍｍ、内径が５７ｍｍ、板厚４．０
ｍｍの皿バネを３枚重ねたもので、皿バネ２８ｂは外径
５０ｍｍ、内径２５．４ｍｍ、板厚１．９ｍｍを３枚重
ねたものであり、大きい皿バネ２８ａと小さい皿バネ２
８ｂで平板要素積層体の高さ（例えば１２ｃｍ）方向全
体をカバーし、それぞれの外径部分がマニホールド端板
１に当たるように配置し、皿バネガイド２７によりナッ
ト２９を用いて平板要素積層体の両端部間に端板１を介
して押し付け面圧を与えて平板要素積層体を積層方向に
締め付けている。

【００３８】径の大きな皿バネ２８ａは１ｍｍの変形で
３５０ｋｇｆの荷重がかかり、径の小さな皿バネ２８ｂ
は１ｍｍの変形で１５０ｋｇｆの荷重がかかる。両皿バ
ネ２８ａ，２８ｂの変形量が１．１５ｍｍになるように
締め付けたところ、平板要素積層体にかかる締め付け荷
重は５８０ｋｇｆとなり、平均４ｋｇｆ／ｃｍ²の面圧
がかかった。この時、端板１と液体原料加熱部２の平板
の間に面圧センサーを挿入して端板１と液体原料加熱部
２の接触面全体での荷重のバラツキを測定したところ、
プラスマイナス０．１ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲で面圧が分
布していることが確認できた。

【００３９】皿バネの径の組み合わせに関しては、大き
い方の外径が平板の短辺、即ち燃料改質装置の高さの９
５％付近、小さい方の外径が３０〜５０％付近のとき、
最も良い圧力分布を示した。なお、本実施例では径の異
なる２種類の皿バネを用いたが、３種類以上の皿バネを
同心円状に配置しても同等以上の効果が得られる。本実
施の形態において、選択した皿バネのばね定数を外径で
割るとそれぞれ３．１となり同じ変形量に対して周長あ
たりにかかる荷重は同じとなる。異なるばね定数の皿バ
ネを用いて面圧分布を測定したところ、各皿バネのばね
定数と外径の商は２０％以内の違いであればほぼ問題な
く良い面圧分布が得られた。

【００４０】実施の形態４．図８は本発明の実施の形態
４による燃料改質装置の構成を各部の温度分布と共に示
す説明図である。なお、燃料改質装置の構成は、燃料改
質装置を垂直方向に切断して示している。本実施の形態
では、ＣＯ酸化部３、液体原料加熱部２、気化部６、改
質部８、および触媒燃焼部９の各要素はそれぞれ実施の
形態１と同様に短辺に沿って給気・排気を行うマニホー
ルド、内部に伝熱フィンを有した長方形状の平板要素に
形成されており、これらの平板要素を長辺が水平、短辺
が垂直になるように水平方向に密接させて積層して平板
要素積層体を構成している。

【００４１】また、本実施の形態では、吸熱反応が生じ
る改質部８と発熱反応が生じる触媒燃焼部９とを複数個
交互に積層した積層体の両側に気化部６、液体原料加熱
部２、およびＣＯ酸化部３を対称に配置しており、図に
示すように左右対称の温度分布を形成している。図８で
は、改質部８の平板要素を８層積層した改質ブロックを
３ブロックと、燃焼用空気とオフガスを供給する触媒燃
焼部９の平板要素を２層積層した触媒燃焼ブロックを４
ブロック備え、改質ブロックを挟むように触媒燃焼ブロ
ックが配置されている。

【００４２】このように、改質部８は全部で２４層、触
媒燃焼部９は全部で８層になり、改質部８と触媒燃焼部
９の積層数の比率は３：１で改質部８を多くしている。
この比率は主に改質部８と触媒燃焼部９の反応速度の差
によるもので、改質反応は燃焼反応に比べて反応速度が
遅く、これらの反応速度をそろえるには、改質部８は触
媒燃焼部９に対して３倍の容積の触媒充填量を必要とす
る。なお、改質ブロック内で特に積層方向（厚み方向）
の温度分布に著しい温度差を生じる場合には、触媒燃焼
部９を挟み込むピッチを密にして、例えば、改質部６層
あるいは４層毎に触媒燃焼部９を設ければよい。また、
本実施の形態では、ＣＯ酸化部３、液体原料加熱部２、
および気化部６もそれぞれの平板要素を複数層積層して
構成している。

【００４３】上述のように、本実施の形態においては、
吸熱反応が生じる改質部８と発熱反応が生じる触媒燃焼
部９とを複数個交互に積層した積層体の両側に気化部
６、液体原料加熱部６、およびＣＯ酸化部を対称に配置
しており、左右対称でしかも中央部の温度が高い温度分
布を形成しているので、熱エネルギーを有効に使って効
率的に液体原料から水素リッチの改質ガスを生成するこ
とができる。また、吸熱反応が生じる改質部８と発熱反
応が生じる触媒燃焼部９とを複数個交互に積層している
ので、改質部における積層方向の温度分布の偏りを緩和
して改質反応を効率的に行うことができる。また、各部
はそれぞれの平板要素を複数層積層しているので、同じ
厚さの平板要素を用いてその積層数を各部に要求される
厚さに応じて変えることにより製造が容易となる。さら
に、改質部８と触媒燃焼部９における反応速度の違いに
応じてそれらの積層数の比率を調整しているので、改質
部８と触媒燃焼部９で反応速度がそろい、触媒燃焼部９
の熱を有効に利用して改質部８で効率的に改質反応を行
うことが可能となる。

【００４４】なお、上記各実施の形態では液体原料を用
いる場合について説明したが、天然ガス等を用いてもよ
く、この場合には液体原料加熱部２や気化部６は不要に
なる。

【００４５】また、ＣＯ酸化部３や熱回収部５は必ずし
も無くてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明の第１の構成によ
れば、アルコール、ジメチルエーテル、または炭化水素
系燃料から水素リッチの改質ガスを生成する燃料改質装
置において、吸熱反応が生じる改質部と発熱反応が生じ
る触媒燃焼部とを長方形状の平板要素に形成し、これら
改質部と触媒燃焼部の平板要素を長辺が水平になるよう
に水平方向に密接させて積層して平板要素積層体を構成
し、上記平板要素の一方の短辺に沿って空気および燃焼
ガスのマニホールドを、他方の短辺に沿って改質ガスお
よびオフガスのマニホールドを設けたので、平板要素の
長方形状を有効に利用して、高さを低く抑えたコンパク
トな燃料改質装置が得られる。

【００４７】本発明の第２の構成によれば、上記第１の
構成に加えて、上記平板要素の中央付近で平板要素の長
辺に平行に、各平板要素を貫通する少なくとも２本の支
柱を通して平板要素積層体を積層方向に締め付けるの
で、平板要素中央部の反応有効面にも均一に荷重がかか
り積層方向の熱伝導を促進することができる。

【００４８】本発明の第３の構成によれば、上記第２の
構成に加えて、上記支柱の周りに径の異なる複数の皿バ
ネを設け、上記支柱を軸として平板要素積層体の両積層
端部間に押し付け面圧を与えて上記平板要素積層体を積
層方向に締め付けるように構成したので、平板要素積層
面内での面圧のバラツキを抑制することができる。

【００４９】本発明の第４の構成によれば、上記第１な
いし第３の何れかの構成に加えて、上記平板要素の両方
の短辺近傍で短辺に沿って、各平板要素を貫通する複数
本の支柱を通して平板要素積層体を積層方向に締め付け
るので、平板要素の短辺に沿って設けられたマニホール
ドの周辺部分を締め付けることによりガスリークを防止
することができる。

【００５０】本発明の第５の構成によれば、上記第２な
いし第４の何れかの構成に加えて、上記支柱の周囲の空
洞をガスマニホールドとして用いるので、空間を有効に
利用することができる。

【００５１】本発明の第６の構成によれば、上記第１な
いし第５の何れかの構成に加えて、改質部と触媒燃焼部
とを水平方向に複数個交互に積層したので、改質部にお
ける積層方向の温度分布の偏りを緩和して改質反応を効
率的に行うことができる。

【００５２】本発明の第７の構成によれば、上記第１な
いし第６の何れかの構成に加えて、アルコールまたはエ
ーテルを主成分とする液体原料を加熱する液体原料加熱
部、加熱した液体原料を蒸発する蒸発部、および蒸発し
た蒸気を改質部の温度まで過熱する蒸気過熱部のうちの
少なくとも１つを長方形状の平板要素として備え、改質
部および触媒燃焼部と共に積層したので、高さを抑えた
コンパクトな構成で液体原料から水素リッチの改質ガス
を生成することができる。

【００５３】本発明の第８の構成によれば、上記第７の
構成に加えて、上記蒸発部は、内部に良熱伝導性材料か
らなるメッシュまたは多孔質の発泡金属を有するので、
気化する部分の表面積が拡大して安定な蒸発が可能とな
る。

【００５４】本発明の第９の構成によれば、上記第１な
いし第８の何れかの構成に加えて、燃焼ガスの排熱を回
収する熱回収部を長方形状の平板要素として備え、改質
部、液体原料加熱部、蒸発部、および蒸気過熱部のうち
の少なくとも１つと密接させて積層したので、高さを抑
えたコンパクトな構成で燃焼ガスの排熱を有効に利用し
て、効率的に水素リッチの改質ガスを生成することがで
きる。

【００５５】本発明の第１０の構成によれば、上記第１
ないし第９の何れかの構成に加えて、改質部で生成した
改質ガス中のＣＯを微量の空気を加えて選択的に酸化す
ることによりＣＯ₂に変換するＣＯ酸化部を長方形状の
平板要素として備えると共に、これと隣接して流路抵抗
を調節する溝を設けた長方形状のＣＯ酸化用空気導入板
を備えたので、１つの導入口から供給された空気をＣＯ
酸化用と燃焼用とに分離し、ＣＯ酸化部に所定量の空気
を供給してＣＯ濃度を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による燃料改質装置の
代表的な構成を示す組み立て斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態１に係り、気化部の構成
を示す斜視図である。

【図３】本発明の実施の形態１に係り、ＣＯ酸化用空
気導入板の構成を示す斜視図である。

【図４】本発明の実施の形態１に係るメタノール燃焼
部の平板要素の構成を示し、（ａ）は分解斜視図、
（ｂ）は接合後の斜視図である。

【図５】実施の形態２による燃料改質装置の全体構成
を示す斜視図である。

【図６】図５の燃料改質装置に用いられる平板要素の
一例を示す平面図である。

【図７】本発明の実施の形態３による燃料改質装置の
全体構成を示す断面図である。

【図８】本発明の実施の形態４による燃料改質装置の
全体構成を各部の温度分布と共に示す説明図である。

【図９】従来の平板積層構造の燃料改質装置の基本構
成を示す構成図である。

【符号の説明】

１マニホールド端板、２液体原料加熱部、３ＣＯ
酸化部、４ＣＯ酸化用空気導入板、５熱回収部、６
気化部、７メタノール燃焼部、８改質部、９オ
フガス燃焼部、１０メタノール導入口、１１空気導
入口、１２液体原料導入口、１３改質ガス排出口、
１４オフガス導入口、１５燃焼ガス排出口、１６
伝熱平板、１７断熱平板、１８ａ接合面、１８ｂ
反応有効面、２３平板中央の支柱、２４シール部
材、２５平板周囲に配置した支柱、２６短辺に配置
したマニホールドの内部を通る支柱、２７皿バネガイ
ド、２８ａ径の大きな皿バネ、２８ｂ径の小さな皿
バネ、２９締め付けナット、３０Ｏリング、３１
液体原料加熱部、３２蒸発部、３３蒸気過熱部、３
４改質部、３５ＣＯ酸化部、３６ａ，３６ｂ触媒
燃焼部、３７ａ，３７ｂ熱回収部、５０メタノール
マニホールド、５１空気マニホールド、５２液体原料
マニホールド、５３改質ガスマニホールド、５４オ
フガスマニホールド、５５燃焼ガスマニホールド、５
６蒸気マニホールド、５７溝、６０メッシュ、１
０１端板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者光田憲朗東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者金行和敏東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 3D038 CA11 CB01 CC00 CC18 CD19 4G040 EA02 EA03 EA06 EB01 EB12 EB14 EB23 EB44 EC08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルコール、ジメチルエーテル、または
炭化水素系燃料から水素リッチの改質ガスを生成する燃
料改質装置において、吸熱反応が生じる改質部と発熱反
応が生じる触媒燃焼部とを長方形状の平板要素に形成
し、これら改質部と触媒燃焼部の平板要素を長辺が水平
になるように水平方向に密接させて積層して平板要素積
層体を構成し、上記平板要素の一方の短辺に沿って空気
および燃焼ガスのマニホールドを、他方の短辺に沿って
改質ガスおよびオフガスのマニホールドを設けたことを
特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】上記平板要素の中央付近で平板要素の長
辺に平行に、各平板要素を貫通する少なくとも２本の支
柱を通して平板要素積層体を積層方向に締め付けること
を特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】上記支柱の周りに径の異なる複数の皿バ
ネを設け、上記支柱を軸として平板要素積層体の両積層
端部間に押し付け面圧を与えて上記平板要素積層体を積
層方向に締め付けるように構成したことを特徴とする請
求項２記載の燃料改質装置。
【請求項４】上記平板要素の両方の短辺近傍で短辺に
沿って、各平板要素を貫通する複数本の支柱を通して平
板要素積層体を積層方向に締め付けることを特徴とする
請求項１ないし３の何れかに記載の燃料改質装置。
【請求項５】上記支柱の周囲の空洞をガスマニホール
ドとして用いることを特徴とする請求項２ないし４の何
れかに記載の燃料改質装置。
【請求項６】改質部と触媒燃焼部とを水平方向に複数
個交互に積層したことを特徴とする請求項１ないし５の
何れかに記載の燃料改質装置。
【請求項７】アルコールまたはエーテルを主成分とす
る液体原料を加熱する液体原料加熱部、加熱した液体原
料を蒸発する蒸発部、および蒸発した蒸気を改質部の温
度まで過熱する蒸気過熱部のうちの少なくとも１つを長
方形状の平板要素として備え、改質部および触媒燃焼部
と共に積層したことを特徴とする請求項１ないし６の何
れかに記載の燃料改質装置。
【請求項８】上記蒸発部は、内部に良熱伝導性材料か
らなるメッシュまたは多孔質の発泡金属を有することを
特徴とする請求項７記載の燃料改質装置。
【請求項９】燃焼ガスの排熱を回収する熱回収部を長
方形状の平板要素として備え、改質部、液体原料加熱
部、蒸発部、および蒸気過熱部のうちの少なくとも１つ
と密接させて積層したことを特徴とする請求項１ないし
８の何れかに記載の燃料改質装置。
【請求項１０】改質部で生成した改質ガス中のＣＯを
微量の空気を加えて選択的に酸化することによりＣＯ₂
に変換するＣＯ酸化部を長方形状の平板要素として備え
ると共に、これと隣接して流路抵抗を調節する溝を設け
た長方形状のＣＯ酸化用空気導入板を備えたことを特徴
とする請求項１ないし９の何れかに記載の燃料改質装
置。