JP4870491B2 - 燃料改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、原燃料である炭化水素ガスを水蒸気改質する燃料改質装置、特に、燃料電池発電装置等で使用される燃料改質装置における水蒸気発生部の構成に関する。

燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）はアノード側に於ける反応、（２）はカソード側に於ける反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進行する。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ………（１）
１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ ………（２）
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ ………（３）
燃料電池発電装置は、使用する電解質の種類により分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。そこで通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。

天然ガス等の炭化水素系の原燃料には、硫黄分が含まれているので、燃料改質器の前段に設けられた脱硫器に原燃料を流して含有する硫黄分を脱硫している。
改質装置は、脱硫された原燃料を改質器および一酸化炭素変成器において改質され燃料ガスを生成している。
式（４）は、改質器におけるメタンの改質反応について示したものである。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ_２ ＋２０６．１４ ＫＪ／ｍｏｌ ………（４）
式（４）に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにて粒状改質触媒を６００〜７００℃に保つことにより、水素に富む改質ガスを生成する。
改質器を出たこの改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために一酸化炭素変成器に供給され、所定の温度に制御された一酸化炭素変成器で一酸化炭素は1%以下に低減され、リン酸形燃料電池(PAFC)であれば、このガスを燃料電池へと導入して発電を行なうことが出来る。

一方、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、その動作温度が60〜80℃と低いために、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化することから、一酸化炭素をさらに低減するために改質ガスは所定の温度に制御された一酸化炭素除去器に供給され、ここで一酸化炭素が選択的に酸化され二酸化炭素となり一酸化炭素は10ppm以下に低減される。改質されたガスは、固体高分子形燃料電池(PEFC)に供給される。

前記の燃料電池発電システムで使用される燃料改質装置は、改質器の改質触媒温度を600℃〜700℃に保ち、一酸化炭素変成器の触媒温度を250℃前後、一酸化炭素除去器の触媒温度を150℃前後に保ち燃料改質反応を行っている。各反応器の温度を制御するため、それぞれを分離し個別に温度制御を行う燃料改質装置や、脱硫器、改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器等を1つのユニットとしてまとめてなる燃料改質装置で、排ガスと熱交換することによって所定の温度に保つものが知られている（例えば、特許文献１から４参照）。

また、原燃料ガスを水蒸気改質する場合、改質用水蒸気が必要となるが、前記特許文献１ないし３は、燃料改質装置内に設けた水蒸気発生部に改質用水を供給して改質用水蒸気を得、この改質用水蒸気と原燃料ガスとを混合した混合ガスを、改質器に供給する装置を開示している。
特に、特許文献３は、燃料改質装置における水蒸気発生部（蒸発器）の構成に関わり、簡易な構成で、蒸発性能に優れ、熱効率が高い水素生成器を提供することを目的として、下記のような水素生成器の構成を開示している。即ち、「燃焼ガスを発生する燃焼部と、当該燃焼部の周囲に設けられ、前記燃焼部により生じた燃焼ガスからの伝熱を利用して、少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記燃焼部の周囲に設けられた内筒、当該内筒の周囲に設けられた外筒、および前記内筒と前記外筒との間に形成された筒状空間の下部を塞ぐ底板を有し、前記筒状空間に供給される水を蒸発させることにより水蒸気を生成し、当該水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器とを備え、前記筒状空間には、吸水性を有する吸水材が設けられている水素生成器」を開示している。

また、特許文献３の図２には、「前記筒状空間には、上方から供給される水を下方に通過させる降下流路が形成された第１蒸発室と、当該第１蒸発室の内側に設けられ、前記第１蒸発室内の水が蒸発することにより発生した水蒸気を上方へ通過させる上昇流路が形成された第２蒸発室とが設けられており、前記内筒と前記外筒との間には中筒が配置され、前記第１蒸発室は前記外筒と前記中筒との間に形成された筒状空間に、前記第２蒸発室は前記内筒と前記中筒との間に形成された筒状空間にそれぞれ設けられており、また、前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面、前記内筒の前記第２蒸発室側の面および前記底板の上面等に設けられ、さらに、前記吸水材としては、多孔質材料、網状材料、または繊維状材料とし、前記外筒の前記第１蒸発室側の面に設けられている吸水材は、らせん状に配置される構成」が開示されている。

また、特許文献４には、中心軸を同一にして設けられた径の異なる複数の筒体を間隔を置いて多重に配置して構成し、バーナ、改質触媒層、一酸化炭素変成触媒層及び一酸化炭素除去触媒層を内部に設けた円筒式改質器が記載されているが、改質用水は、円筒式改質器の外周に沿ってラセン状に巻き付けられた水加熱管に上方から下方へと通流する間に予熱された後、折り返して上方に通流して水と水蒸気の２相流となって原料ガスに混合するよう構成されている（特許文献４の図１）。またこれとは逆に、上方から下方に通流した後、円筒式改質器の外周に沿ったラセン状の水加熱管を下から上へと通流させて上方の原料ガス供給管に接続する構成も開示されている（特許文献４の図２）。
特開２００３−１６０３０６号公報 特開２００３−３２７４０５号公報 特開２００４−１４９４０２号公報 国際公開第２００２／０９８７９０号パンフレット

ところで、前記特許文献３に開示された水蒸気発生部（蒸発器）の構成の場合、前記吸水材が改質用水の蒸発機能を促進する効果はあるものの、下記のような問題があった。即ち、特許文献３に開示された蒸発器の場合、原燃料ガス（都市ガス）と改質用水とが、第１蒸発室の上部に導入された場合、改質用水の一部は、らせん状に配置された吸水材に吸水されるが、残りの一部の水は、前記吸水材と中筒との間の空間を、その上方から下方に原燃料ガスと共に落下する。落下した水は、前記底板の上面および前記内筒の第２蒸発室側の面に設けられた吸水材に吸水されて、前記第２蒸発室側において蒸発に授かる。

従って、水蒸気発生部の構造を、特許文献３に開示されたものより簡素化し、内筒と外筒とで形成される単一の中空環状空間の上方から原燃料ガスと改質用水とを導入して、改質用水を蒸発させるシンプルな構成を実現しようとする場合には、上方から下方に改質用水が原燃料ガスと共に落下し、蒸発効率が低下すると共に、改質用水蒸気が安定して得られない問題が生ずる。

また、上記のような改質用水蒸気の不安定な生成は、水蒸気発生部ひいては改質器全体の圧力変動をもたらし、燃料電池の負荷変動がある場合には問題が増幅する。さらに水蒸気発生部の特に周方向に温度分布が生じさせる問題ももたらし、全体的に改質器の性能が安定しない問題をもたらす。
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、構成を簡素化し、かつ水蒸気生成の性能および安定性に優れた水蒸気発生部を備え、さらに燃料改質装置の起動時間の低減をも図った燃料改質装置を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。
即ち、燃焼器の外側に、同心状に径の異なる複数の円筒が配置されて、径方向の内側から順に、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスが通流する第１環状空間、下端で連通する第２及び第３環状空間を有し、前記第２及び第３環状空間の一部に改質触媒が充填された改質部を有する燃料改質装置において、
前記第２環状空間は、上部に改質用水及び原燃料の導入口と、改質用水を蒸発させる水蒸気発生部を有し、
前記水蒸気発生部は、前記第２環状空間の内周側壁面及び外周側壁面に接する吸水性部材をラセン状に備え、前記第１環状空間を流れる燃焼排ガス及び前記第３環状空間を流れる改質ガスとの熱交換により加熱されることを特徴とする（請求項１）。

前記吸水性の意義は、毛管力により改質水を保持する機能を有することであり、上記請求項１の発明によれば、内周側壁と外周側壁とで形成される中空の第２環状空間の上方から原燃料ガスと改質用水とを導入して改質用水を蒸発させるシンプルな構成において、改質用水はラセン状の吸水性部材に保持されて効率よく蒸発させることができ、また、蒸発して生成された改質用水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを、ラセン状の吸水性部材の間に形成されるラセン状ガス流通路を流通させてスムーズに改質器に誘導できる。特に、前記内周側壁内側面及び前記外周側壁外側面に沿って流れるガスによって改質用水が両面から加熱される場合は、蒸発効率はさらに向上する。即ち、上記請求項１の発明によれば、構成を簡素化し、かつ水蒸気生成の性能および安定性に優れた水蒸気発生部を備えた燃料改質装置が提供できる。

上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし１２の発明が好ましい。まず、改質用水を両面から加熱して蒸発効率を向上させる観点から、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の燃料改質装置において、前記第２環状空間の前記水蒸気発生部の下方に改質部が、前記第３環状空間に一酸化炭素変成部および一酸化炭素除去部を設けた構成とする（請求項２）。

前記請求項２の発明によれば、前記蒸発効率向上の効果以外に、下記の効果が得られる。即ち、水蒸気発生部の内側空間を燃焼排ガス流通路とし、外側空間に一酸化炭素除去部や一酸化炭素変成部を配設しているので、改質装置の起動時において、燃焼排ガスの熱を、水蒸気発生部の内周側壁、ラセン状の吸水性部材および外周側壁を介して、一酸化炭素除去部や一酸化炭素変成部に有効に伝達することができる。これにより、燃料改質装置の起動時間の低減を図ることができる。

さらに、前記ラセン状の吸水性部材は弾性を有するものが好ましく、前記第２環状空間の内周側壁面及び外周側壁面に圧接して設けることが好ましい（請求項３）。
前記弾性の意義は、吸水性部材が第２環状空間を形成する内筒と外筒との間にラセン状に装着された際（実際の組み立てにおいては、吸水性部材をまず内筒にラセン状に装着した後、ラセン状の吸水性部材の外側に外筒を軸方向から装着する）に、ラセン状の吸水性部材が前記内筒と外筒との間でその弾性により筒の径方向に圧縮され、かつ、装着後はその弾性反発力により、ラセン状の吸水性部材と前記内筒または外筒との間の熱接触抵抗を低減することにある。従って、上記のような弾性と吸水性の機能を備えるものであれば、後述する実施形態に限定されることなく、部材は種々の形態をとり得る。

さらにまた、前記ラセン状の吸水性部材は、前記水蒸気発生部の内周側壁面にラセン状の凸部を形成するガイド上に沿って設けられたものとする（請求項４）。
上記請求項４の発明において、ラセン状のガイドは改質用水の保持・伝達機能を有する。ラセン状の吸水性部材は保水機能を有するが、ラセン状の吸水性部材から溢れた水が内筒（内周側壁面）又は外筒（外周側壁面）の側壁を伝って鉛直方向に滴下してしまうことにより蒸発効率が低下しまう問題があったが、本発明のラセン状ガイドを有する構成とすれば改質用水は当該ラセン状ガイドに沿って下方に移動する。水量にもよるが、実験で確認したところによれば、ラセン状の吸水性部材から溢れた水が最下部に直接落下しないようにするためには、下記請求項５の発明が好ましい。即ち、前記請求項４に記載の燃料改質装置において、前記ラセン状の吸水性部材の下部に設けたラセン状ガイドを水蒸気発生部の内周側壁面との接点全域に渡って溶接により固定したものとする（請求項５）。この構成によれば、ラセン状の金属部材から溢れた水は、ラセン状の金属棒と内周側壁万との間の隙間から重力方向へ滴下することなくラセン状の金属棒に沿って順次移動し、その間に徐々にラセン状の吸水性部材を介して蒸発する。

さらに、ラセン状の吸水性部材やラセン状ガイドの固定構造に関しては、下記請求項６の発明が好ましい。即ち、請求項４または５に記載の燃料改質装置において、前記ラセン状の吸収性部材の下部に設けたラセン状ガイドに加えて、さらに、ラセン状の吸収性部材の上部に沿うラセン状ガイドを設けて、ラセン状の吸水性部材を上下のラセン状ガイドの間に配置したものとする（請求項６）。これによれば、ラセン状の吸水性部材の上下方向へのずれが防止できる。なお、上部に設けるラセン状ガイドは、改質用水の保持・伝達機能を必要としないので、下部に設けるラセン状ガイドに比較して、内周側壁面からの径方向への突出高さを小さいものとすることができる。

また、ラセン状ガイドとしては金属棒を、ラセン状の吸水性部材としては、金属フェルト、金属布、金属不織布もしくは金属金網などの吸水性および弾性を有する金属部材を用いることが好ましい（請求項７）。
さらに、ラセン状の給水性部材の異なる構成の実施態様としては、請求項８または９の発明が好ましい。即ち、請求項１または２に記載の燃料改質装置において、ラセン状の金属部材は、複数本の金属製細線の撚り線からなるものとする（請求項８）。また、請求項１または２に記載の燃料改質装置において、ラセン状の吸水性部材は、金属フェルト、金属布、金属不織布もしくは金属金網の一部を、ラセン棒により内周側壁面に圧接してラセン状のくびれ部を形成したものからなるものとする（請求項９）。

さらに、ラセン状の吸水性部材の配置に関しては、請求項１０から１３のように配置されるのが好ましい。即ち、吸水性部材が、一酸化炭素変成部および前記一酸化炭素除去部に隣接する部位に設ける（請求項１０）。このようにすれば、吸水性部材に保水された改質用に、改質ガスの熱だけでなく、一酸化炭素変成部および一酸化炭素除去部の発熱も効率よく伝熱され、水蒸気発生効率が向上する。

また、前記吸水性部材を、一酸化炭素除去部に隣接する部位にのみ設ける構成とする（請求項１１）。このように、一酸化炭素除去部に隣接する部位に集中的に前記吸水性部材を設けることとすれば、一酸化炭素除去部をその適温である１５０℃〜２００℃に保つのに好適である。
さらに、隣接する第３環状空間の各部位を夫々に適温に維持するように、前記吸水性部材のラセンピッチを設定するか、前記吸水性部材に熱交換能力の異なる複数の部材を配置することが好ましい。具体的には、吸水性部材は、第３環状空間において相対的に高温に維持される部位に隣接する部分よりも、相対的に低温に維持される部位に隣接する部分のラセンピッチが、より小さくなるように設置する（請求項１２）。または、吸水性部材を、熱交換能力の異なる複数の部材から構成し、かつ、第３環状空間において相対的に高温に維持される部位に隣接する部分よりも、相対的に低温に維持される部位に隣接する部分に熱交換能力のより高い（伝熱量の大きい）部材を配置するものとする（請求項１３）。

この発明によれば、構成を簡素化し、かつ水蒸気生成の性能および安定性に優れた水蒸気発生部を備え、さらに燃料改質装置の起動時間の低減をも図った燃料改質装置を提供することができる。

本発明の実施形態に関して、図１に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置の模式的概略構成図である。
まず、図１の燃料改質装置の基本構造について説明する。
燃料改質装置１０の中心軸上には、一体に形成された燃焼空気筒１１と燃焼筒１２とから成り、内部に下向きに火炎を形成するバーナ１４を備える燃焼器１３が配置されている。燃焼空気筒１１とその内側の燃焼空気筒内筒１５との間の環状の空間は燃焼空気供給路１６を形成しており、燃焼空気供給路１６の下部はバーナカップ１７に形成された孔に連通している。燃焼空気筒内筒１５の内部には、バーナ１４へ燃焼用燃料を供給するバーナ燃料供給路１８が貫通しており、バーナ燃料供給路１８の上端はバーナ燃料供給口１９を有している。

上記の構成を備えた燃焼器１３の外側には、燃焼器１３よりも径が大きく底面を有する内筒２０を配置し、燃焼器１３と内筒２０との間の間隙により燃焼排ガス流路２１を形成している。
内筒２０の底板と燃焼筒１２の下端との間は、燃焼排ガス中の水分が凝縮して底部に溜まっても、燃焼排ガスが燃焼筒１２の先端で折り返して燃焼排ガス流路２１に流入する際に、この凝縮水を巻き込んで流路が閉塞しない適度の距離を設けている。底部に溜まった凝縮水は、燃焼部が十分加熱されると気化して燃焼排ガスとともに外部に排出される。

燃焼空気筒内筒１５と、燃焼空気筒１１及び内筒２０は、各々の上端付近に形成されたフランジ部２２にガスケットを挟んで重ねたのちボルトで固定されている。
内筒２０のさらに外側には、同じく底面を有する外筒２３が内筒２０との間に間隙を設けて配置されている。そして、内筒２０と外筒２３との間には隔壁２４が設けられ、内筒２０と外筒２３との間を同心円状の２つの環状空間に区分されていると共に、両環状空間は外筒２３の底面と隔壁２４下端との間に設けられた間隙を介して連通している。なお、隔壁２４は、燃焼空気筒１１の外周部分に位置する径の小さい上部仕切筒２４ａと、これよりも径が大きく燃焼筒１２の外周部分に位置する下部仕切筒２４ｂと、上部仕切筒２４ａ下端と上部仕切筒２４ｂ上端との間に径の差によって生じる隙間を塞ぐ環状の水平板とにより構成されている。

内筒２０と上部仕切筒２４ａとの間の環状空間は、上端部に改質用水と原燃料ガスとを併せて供給する原燃料ガス供給口２５が接続されていると共に、上部仕切筒２４ａに相対する内筒２０の外壁には、ラセン状に板または棒状の部材により形成されたラセン状ガイド５２と、弾性を有する吸水性部材５０がラセン状に溶接されており、原燃料ガス供給口２５から供給された改質用水がラセン状ガイド５２上を伝って内筒２０の表面に接して流れる間に加熱され、気化する水蒸気発生部２７を構成している。そして、ラセン状の吸水性部材５０の間隔部分には、ラセン状ガス通路５１が形成されている。

内筒２０と下部仕切筒２４ｂとの間の環状空間は、下端に触媒が落ちないように触媒直径よりも小さく、かつガスが通過する際に過度の圧損とならない程度の径の孔が形成された板底を有しており、その上に改質触媒が充填され改質部２８が形成されている。改質触媒としてはルテニウム系やニッケル系の水蒸気改質触媒が用いられる。改質触媒の上にはアルミナボールを充填したアルミナボール層２９が形成されており、これにより、アルミナボール層２９を通過する原燃料ガスが、その内側を通流する燃焼排ガスと外側を通流する改質ガスからの熱を回収して昇温され、一方、改質ガスは降温される。また万が一、未気化の改質水が流れ込んできた場合には、アルミナボール層２９における熱交換で水が蒸発するので、水のまま改質部２８に流入することで触媒を劣化させるのを防ぐことができる。

水蒸気発生部２７とアルミナボール層２９との間には、気化せずに水蒸気発生部２７の下端へ到達した改質用水を受け止め、気体のみを改質部２８へ通流させるための水受け部３０が設けられている。これにより、改質用水が液体の状態で改質部２８に入ることを防ぎ、これにより触媒の割れや剥がれが発生することを防止するとともに、改質用水の急激な気化による急激な体積変化によって圧力変動が発生し、原燃料ガス量や蒸気量が変動して改質反応が不安定になるのを防止し、さらには、急激な気化によって改質部の温度が不安定になるのを防止している。

下部仕切筒２４ｂと外筒２３との間の環状空間は改質ガス流路３１を構成している。上部仕切筒２４ａと外筒２３との間の環状空間には、その上端部近傍に一酸化炭素除去触媒が充填された一酸化炭素除去部３２が、その下方に一酸化炭素変成触媒を充填した一酸化炭素変成部３４が形成されている。一酸化炭素変成部入口マニホールド３３と一酸化炭素変成部３４との間には、アルミナボールを充填したアルミナボール層２９を設けて原料ガスと改質ガスとの熱交換により一酸化炭素変性部３４の入口温度が一酸化炭素変性反応に適した３００〜３５０℃になるようにしている。なお、一酸化炭素除去触媒としては貴金属系触媒が、一酸化炭素変成触媒としては、貴金属系触媒または銅−亜鉛触媒などが用いられる。また、一酸化炭素除去部３２と一酸化炭素変成部３４との間は環状の水平板で仕切られており、一酸化炭素変成部出口マニホールド３５に接続された一酸化炭素変成ガス排出口３６から導出した一酸化炭素変成後の改質ガスに、狭い配管内で選択酸化用空気を混合した後、選択酸化空気混合ガス入口３７を介して選択酸化空気混合後マニホールド３８に戻すことによって、改質ガスに対し均一に空気を混合するようにしている。

一酸化炭素除去部３２の上部の一酸化炭素除去部出口マニホールド３９には、一酸化炭素除去後の改質ガスを燃料改質装置１０の外に取り出すための改質ガス排出口４０が接続されている。
また、燃料改質装置１０の周囲は、燃料改質装置１０からの放熱を防ぐために図示しない断熱材で覆われている。

次に、上述のように構成された本発明の燃料改質装置１０を作動した場合の各流体の流れについて、燃料電池と組み合わせて運転する場合を例に説明する。なお、図１中の矢印は、各流体の通流方向を示す。
通常運転時には、燃料電池から反応に利用されずに排出された電池オフガスがバーナ燃料としてバーナ燃料供給口１９を介してバーナ燃料供給路１８に、また、空気が燃焼空気供給路１６に供給されて、各々鉛直方向下向きに流れ、バーナ１４で燃焼する。

一方、燃料改質装置１０の起動時には、バーナ燃料供給口１９に改質用の原燃料ガスを供給するが、これに代えて、改質原燃料として原燃料ガス供給口２５から供給され各反応部を通流後、改質ガス排出口４０から排出されたガスを再びバーナ燃料供給口１９に送る配管（図示せず）から循環供給することとしても良い。また、起動後、通常運転に入るまでの調整運転の段階では、改質ガス排出口４０から排出された改質ガスの全量をバーナ燃料供給口１９から燃焼バーナ１４に送って燃焼させる。

燃焼によって発生した高温の燃焼排ガスは、燃焼筒１２下端の開口部から内筒２０に排出され、燃焼排ガス流路２１を下から上へと流れる。一方、原燃料ガス供給口２５から導入された原燃料ガスと改質用水とは、水蒸気発生部２７の上方から下方へと向かって流れるが、改質用水は上述したように、ラセン状の吸水性部材５０の上流側から順に滲み込み、吸水性部材５０からの伝熱により蒸発する。また、吸水性部材５０から溢れた改質用水はラセン状ガイド５２上を伝って流れて吸水性部材５０の下流側へと運ばれる。これにより、溢れた改質用水は重力方向へ真直ぐ滴下することなく、水蒸気発生部２７の両側壁面からの熱が吸水性部材５０を介して有効に伝えられ、水蒸気となって改質部２８へ原燃料ガスとともに供給される。改質部２８は内側を流れる燃焼排ガスにより４００℃〜６５０℃程度に加熱される。改質部２８を出た改質ガスは、下部仕切筒２４ｂの下端で折り返して流れの方向を変え、改質ガス流路３１を上昇しながら内側に隣接する改質部２８に熱を与え、３００℃〜３５０℃程度となって一酸化炭素変成部３４へ導入される。

一酸化炭素変成部３４での反応は発熱反応であり、この反応熱が内側の水蒸気発生部２７を通流する改質用水または水蒸気と原燃料ガスに与えられ、改質ガスは２００℃程度となって一酸化炭素変成部３４を出る。選択酸化用空気が混合された改質ガスは１５０℃〜１００℃程度となって一酸化炭素除去部３２に導入されるが、ここでも改質ガスの熱は水蒸気発生部２７へ伝えられ、一酸化炭素除去部３２を出る改質ガスの温度は１００℃程度まで低下する。
＜第１の実施例＞
第１の実施例では、上述した図１に示す構造の燃料改質装置を用い、水蒸気発生部２７の吸水性部材５０として金属フェルトを、ラセン状ガイド５２として針金状の金属棒を用いた。本実施例の構成および機能に関して、図２により詳述する。図２（ａ）は、本実施例の水蒸気発生部２７の機能を説明する模式的部分拡大図、図２（ｂ）は、特許文献３の図２に開示された構成を類似の水蒸気発生部に適用した場合の比較例である。なお、図２において、図１に示した部材と同一機能を有する部材には同一番号を付して示す。

まず、図２（ａ）において、２７は水蒸気発生部、５１はラセン状ガス流通路、５０ａは金属フェルト、５２ａはラセン状ガイドとしての金属棒を示す。水蒸気発生部２７は、同心円状に配置された２つの円筒間に形成される中空環状空間の上方から、原燃料ガスＡ（例えば、都市ガス１３Ａ）と改質用水とを導入して、内側円筒（内筒２０）内壁面に沿って流れる燃焼排ガスＣと、外側円筒（上部仕切筒２４ａ）外壁面に沿って流れる改質ガスＢとによって加熱し、加熱された原燃料ガスと加熱により生成した改質用水蒸気との混合ガスを下方から導出して、図示しない改質部に供給する構成を備える。さらに、前記中空環状空間は、弾性と吸水性とを備えた金属フェルト５０ａを備え、この金属フェルト５０ａと前記内側円筒（内筒２０）および外側円筒（上部仕切筒２４ａ）とで作る空間が、混合ガスの閉じたラセン状ガス流通路５１として構成される。

これに対して、特許文献３に開示された構成に関わる図２（ｂ）の場合には、金網６０が、内側円筒（内筒２０）の表面にラセン状に巻回されるものの、金網６０によって形成されるラセン状ガス流通路５１ｂは、オープン流路５１ｃに対して開いたガス流通路となっている。従って、原燃料ガス供給口２５から原燃料ガス（例えば、都市ガス１３Ａ）と改質用水とを導入した場合、改質用水の一部は金網６０によって吸水されるが、他の改質用水は、オープン流路５１ｃから重力方向に滴下してしまい、壁面及び金網からの伝熱が行われず、改質用水蒸気が安定して得られない問題が生じる。

一方、図２（ａ）に示す本実施例の構造では、金属フェルト５０ａが、前記内側円筒（内筒２０）および外側円筒（上部仕切筒２４ａ）の両方に圧接されているので、両側面からの熱が金属フェルトを介して伝熱される。さらに、金属フェルトから溢れた改質用水も金属棒５２ａを伝わって、内側円筒（内筒２０）表面を旋回しながら流れるので、比較例の場合のような問題がなく、蒸発効率が良い。

なお、ラセン状ガイドとしての金属棒５２ａは、内筒２０にラセン全体にわたってロウ付けすることにより、保水機能および水のラセン棒に沿った移動機能の向上（重力方向への滴下防止）を図ることができる。
＜第２の実施例＞
図３は第２の実施例に係る燃料改質装置の水蒸気発生部２７の模式的部分拡大図であり、図３（ａ）は部分的側断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部を円筒周方向に展開した説明図である。

本実施例では、第１の実施例の水蒸気発生部２７においてラセン状の金属フェルト５０ａの下側に設けたラセン状の金属棒５２ａに加えて、金属フェルト５０ａの上側に沿ったラセン状の金属棒５２ｂを設けた。さらに、前記金属棒５２ａ、５２ｂ及び金属フェルト５０ａは、内筒２０に対してスポット溶接により部分的に固定した。図３に示す上部仕切筒２４ａは、前記金属棒５２ａ、５２ｂ及び金属フェルト５０ａを内筒２０に固定した後、上方から装着するが、この際、金属フェルト５０ａを径方向に圧縮させながら装着し、装着後においては、金属フェルト５０ａはその弾性により、内筒２０および上部仕切筒２４ａに押し付けられた状態となり、係合部材相互の熱移動を良好にしている。

また、本実施例では、２本の金属棒５２ａ、５２ｂにより、金属フェルト５０ａが挟まれるので、金属フェルト５０ａのずれを防止することができる。
＜第３の実施例＞
図４は、水蒸気発生部２７の異なる実施形態を示す模式的概念図であり、実施例１の金属フェルト５０ａおよび金属棒５２ａに代えて、弾性と吸水性とを備えた金属部材として複数本の金属製細線からなる撚り線をラセン状に設けた場合を示す。図４において、５３は撚り線ラセン状壁を示し、この撚り線ラセン状壁５３と内筒２０および上部仕切筒２４ａとにより、混合ガス（原燃料ガスおよび改質用水蒸気）が流通するラセン状ガス流通路５１が形成される。なお、上記撚り線ラセン状壁５３は、改質用水の吸水機能および保持・伝達機能とを兼ね備えている。
＜第４の実施例＞
図５は、水蒸気発生部２７のさらに異なる実施形態を示す模式的概念図であり、実施例１の金属フェルト５０ａおよび金属棒５２ａに代えて、金属金網の一部を、ラセン棒により内筒２０に圧接してラセン状のくびれ部を有する構造としたものである。図５において、５４はラセン状弾性金網壁、５２ｃは固定用のラセン状金属棒を示し、前記くびれ部と上部仕切筒２４ａとにより、混合ガスのラセン状ガス流通路５１が形成されている。
＜第５の実施例＞
図６は、水蒸気発生部２７の吸水性部材５０のラセンピッチと水蒸気発生部２７を流れる原燃料ガスおよび改質用水への伝熱量との関係を示すグラフである。

ラセンピッチが小さくなるほど単位長さ当りのラセン巻数が増えると共に、吸水性部材５０と原燃料ガスおよび改質用水との接触面積が増え、かつ、原燃料ガスおよび改質用水蒸気の流速が上がる。その結果、図６に示すように、ラセン状の吸水性部材５０のラセンピッチが小さい箇所ほど、ラセン状吸水性部材５０での伝熱量が大きくなる。また、同一構造、同一部材のラセン状吸水性部材５０を備えた水蒸気発生部２７の温度と伝熱量の関係は、図７に示すように温度が高くなるほど熱伝達係数が大きくなる。

これらを考慮して、第５の実施例では、図８に示すように、水蒸気発生部２７のうち、１５０℃〜２００℃に保たれる一酸化炭素除去部３２に隣接する部分の吸水性部材５０およびラセン状ガイド５２のラセンピッチを狭くし、２００℃〜３５０℃に保たれる一酸化炭素変成部３４に隣接する部分では、吸水性部材５０およびラセン状ガイド５２のラセンピッチをこれよりも広くすることで、各反応部の触媒層が上記所定の温度になるようにした。また、吸水性部材５０およびラセン状ガイド５２には第１の実施例と同じ金属フェルト５０ａおよび金属棒５２ａを各々用いた。
＜第６の実施例＞
図９は、ラセン状の吸水性部材５０の配置に関する異なる実施例である。

本実施例でも吸水性部材５０及びラセン状ガイド５２として、第１の実施例と同じ金属フェルト５０ａおよび金属棒５２ａを各々用いているが、水蒸気発生部２７のうち、１５０℃〜２００℃以下に保つ一酸化炭素除去部３２に隣接する部位にのみに吸水性部材５０及びラセン状ガイド５２を配置し、それ以外の部位にはラセン状の吸水性部材５０及びラセン状ガイド５２を設けていない構造としている。
＜第７の実施例＞
図１０は、ラセン状の吸水性部材５０の配置に関するさらに異なる実施例である。本実施例では、吸水性部材５０のラセンピッチは変えずに、吸水性部材５０の配置部位によって、熱交換能力の異なる複数の吸水性部材を用いたものである。

具体的には、水蒸気発生部２７のうち、１５０℃〜２００℃に保つ一酸化炭素除去部３２に隣接する部位には、吸水性部材５０として熱交換能力の高い金属フェルト５０ａ（または金属不織布）をラセン状に配置し、２００℃〜３５０℃に保つ一酸化炭素変成部に隣接する位置には、吸水性部材５０として前記金属フェルト５０ａより熱交換能力の低い金網６０をラセン状に配置した。また、金属フェルト５０ａは他の実施例同様に、内筒２０と上部仕切筒２４ａとに圧接して設けられており、これらの間にラセン状ガス流通路５１を形成しているが、金網６０は、内筒２０のみに接して設けられており、金網６０と上部仕切筒２４ａとの間は、原燃料ガスおよび水蒸気が鉛直方向に流通可能なオープン流路５１ｃとなっている。このような構成により、各部位に適した伝熱量となるよう調整した。
＜第８の実施例＞
図１１は、ラセン状の吸水性部材５０の配置に関するさらに異なる実施例である。本実施例では、水蒸気発生部２７の部位によって、配置する吸水性部材５０の種類、ラセンピッチを変えることにより各部位の伝熱量を調整している。

具体的は、図１１に示すように、発熱反応後のガスの排出口であり、反応熱が発生しない一酸化炭素除去部出口マニホールド３９近傍に隣接する水蒸気発生部２７には、保水のための金網６０を配置し、反応熱が発生する一酸化炭素除去部３２の入口付近に隣接する水蒸気発生部２７には、熱交換能力の高い金属フェルト５０ａ（または金属不織布）をラセン状に設置した。また、一酸化炭素除去部３２よりも高温に維持される一酸化炭素変成部３４に隣接する水蒸気発生部２７には、熱交換能力の高い金属フェルト５０ａ（または金属不織布）のラセンピッチを広くすることで伝熱量を調整した。

本発明の実施形態に係る燃料改質装置の模式的概略構成図。 第１の実施例の水蒸気発生部と特許文献３の構成および機能を比較して説明する模式的部分拡大図。 第２の実施例の水蒸気発生部の金属フェルトおよびラセン棒の固定構造を説明する模式的部分拡大図。 第３の実施例の水蒸気発生部の構成を示す模式的概念図。 第４の実施例の水蒸気発生部の構成を示す模式的概念図。 水蒸気発生部の吸水性部材のラセンピッチと伝熱量との関係を示す図。 同一構造、同一部材の吸水性部材を備えた水蒸気発生部の温度と伝熱量の関係を示す図。 第５の実施例に係る燃料改質装置の模式的概略構成図。 第６の実施例に係る燃料改質装置の模式的概略構成図。 第７の実施例に係る燃料改質装置の模式的概略構成図。 第８の実施例に係る燃料改質装置の模式的概略構成図。

符号の説明

１０ 燃料改質装置
１１ 燃焼空気筒
１２ 燃焼筒
１３ 燃焼器
１４ バーナ
１５ 燃焼空気筒内筒
１６ 燃焼空気供給路
１７ バーナカップ
１８ バーナ燃料供給路
１９ バーナ燃料供給口
２０ 内筒
２１ 燃焼排ガス流路
２２ フランジ部
２３ 外筒
２４ａ 上部仕切筒
２４ｂ 下部仕切筒
２５ 原燃料ガス供給口
２７ 水蒸気発生部
２８ 改質部
２９ アルミナボール層
３０ 水受け部
３１ 改質ガス流路
３２ 一酸化炭素除去部
３３ 一酸化炭素変成部入口マニホールド
３４ 一酸化炭素変成部
３５ 一酸化炭素変成部出口マニホールド
３６ 一酸化炭素変成ガス排出口
３７ 選択酸化空気混合ガス入口
３８ 選択酸化空気混合後マニホールド
３９ 一酸化炭素除去部出口マニホールド
４０ 改質ガス排出口
４１ 燃焼排ガス排出口
４３ 脱硫部
４４ 脱硫部原燃料入口
４５ 脱硫部原燃料出口
５０ 吸水性部材
５１ ラセン状ガス流通路
５２ ラセン状ガイド
５３ 撚り線ラセン状壁
５４ ラセン状弾性金網
６０ 金網

Claims (13)

1. 燃焼器の外側に、同心状に径の異なる複数の円筒が配置されて、径方向の内側から順に、前記燃焼器から排出された燃焼排ガスが通流する第１環状空間、下端で連通する第２及び第３環状空間を有し、前記第２及び第３環状空間の一部に改質触媒が充填された改質部を有する燃料改質装置において、
   前記第２環状空間は、上部に改質用水及び原燃料の導入口と、改質用水を蒸発させる水蒸気発生部を有し、
   前記水蒸気発生部は、前記第２環状空間の内周側壁面及び外周側壁面に接する吸水性部材をラセン状に備え、前記第１環状空間を流れる燃焼排ガス及び前記第３環状空間を流れる改質ガスとの熱交換により加熱されることを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記第２環状空間の前記水蒸気発生部の下方に改質部が、前記第３環状空間に一酸化炭素変成部および一酸化炭素除去部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
3. 前記吸水性部材は弾性を有し、前記第２環状空間の内周側壁面及び外周側壁面に圧接していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
4. 前記吸水性部材は、前記水蒸気発生部の内周側壁面にラセン状の凸部を形成するガイド上に沿って設けられたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
5. 前記ガイドは、前記水蒸気発生部の内周側壁面との接点全域に渡って溶接により固定されたものであることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質装置。
6. 前記水蒸気発生部の内周側壁面には前記ガイドに加え、これと平行に第２のラセン状ガイドを設け、前記２本の平行なガイド間に前記吸水性部材が配置されたものであることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料改質装置。
7. 前記ガイドは金属棒からなり、前記吸水性部材は金属フェルト、金属布、金属不織布もしくは金属金網からなることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
   
8. 前記吸水性部材は複数本の金属製細線の撚り線からなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質装置。
9. 前記吸水性部材は、金属フェルト、金属布、金属不織布もしくは金属金網の一部を、ラセン棒により前記水蒸気発生部の内周側壁面に圧接してラセン状のくびれ部を形成したものからなることを特徴とする前記請求項１または２に記載の燃料改質装置。
10. 前記吸水性部材が、前記一酸化炭素変成部および前記一酸化炭素除去部に隣接する部位に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
11. 前記吸水性部材が、前記一酸化炭素除去部に隣接する部位にのみ設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
12. 前記吸水性部材は、前記第３環状空間において相対的に高温に維持される部位に隣接する部分よりも、相対的に低温に維持される部位に隣接する部分のラセンピッチが、より小さくなるように設置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
13. 前記吸水性部材が、熱交換能力の異なる複数の部材からなり、かつ、前記第３環状空間において相対的に高温に維持される部位に隣接する部分よりも、相対的に低温に維持される部位に隣接する部分に熱交換能力のより高い部材が配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料改質装置。

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