JP2001106507A

JP2001106507A - 改質器および該改質器を備えた燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2001106507A
Application number: JP32964199A
Authority: JP
Inventors: Toru Kiyota; 透清田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2001-04-17

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒の沈下によるガスのショ─トパスの発生を
防止する横置き型の改質器および該改質器を使用する燃
料電池発電装置の提供。【解決手段】横置き型改質器の触媒層３内に、改質器内
上部に開口部を有するバッフルプレート７と改質器内下
部に開口部を有するバッフルプレート６とを交互に配置
して強制的にガスの流れを変え、上下方向にジグザグに
流れるよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、部分酸化改質反応
と水蒸気改質反応とを合わせて行う改質器で、内部に充
填された触媒中を改質される原燃料あるいは改質された
燃料ガスが水平方向一方の端部から導入し、水平方向他
方の端部から導出する横置型の改質器、およびこの改質
器を備えた燃料電池発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に燃料電池発電装置は、メタノール
や天然ガス等の原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質す
るための改質器を備えている。部分酸化改質反応と水蒸
気改質反応とを同一改質器内で行う改質方式では、例え
ば原燃料としてメタノールを用いる場合、以下の反応に
より原燃料が改質される。

【０００３】（１）水蒸気改質反応（吸熱反応）； CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H₂ + 49.6 （kJ/mol）この反応は、以下の２つの素反応からなる。

【０００４】CH₃OH → CO + 2H₂ + 90.8（kJ/mol）：メ
タノール分解反応（吸熱反応） CO + H₂O → CO₂ + H₂ − 41.2（kJ/mol）：COシフ
ト反応（発熱反応）（２）メタノール部分酸化改質反応（発熱反応）； CH₃OH + (1/2)O₂ → CO₂ + 2H₂ − 192.4（kJ/mol）改質器には触媒が充填されているが、触媒を活性化する
ための還元操作では、触媒中の酸素が脱落することによ
り、初期と比較して改質器内での触媒体積が減少し、相
応して触媒層の高さが低下することになる。例えば、銅
系触媒の場合には、

【０００５】CuO（活性のない触媒）+ H₂ → Cu（活
性のある触媒）+ H₂O という形で還元操作が行われ、酸素が脱落して、その分
の触媒重量および体積が減少し、触媒層の高さが低くな
る。このような現象を“触媒の沈下”という。

【０００６】また、改質器の運転を開始すると、起動・
停止により容器の熱膨張・熱収縮が繰り返され、その作
用によって内部に充填されている触媒の再配列が起き
る。その結果、充填状態が密になり、触媒の沈下が一層
進むことになる。また、改質器の運転を継続すると、一
部の触媒の強度が低下し、割れを生じて触媒の沈下が進
行する場合もある。

【０００７】このような“触媒の沈下”現象を防止する
ことは困難であり、この現象によって容器中にガスの流
れのショートパスが生じると改質器の改質特性が基本的
に損なわれることとなる。したがって、このショートパ
スの発生を回避するために、従来の改質器には、縦置き
型、すなわち燃料ガスの流れ方向を鉛直方向に配した方
式の改質器が用いられている。

【０００８】また、上述のごとく、同一改質器内で部分
酸化改質反応と水蒸気改質反応とを行う改質方式では、
発熱反応の部分酸化改質反応と吸熱反応の水蒸気改質反
応との発熱と吸熱のバランスをとって反応を行わせてい
る。すなわち、上述のごとく原燃料としてメタノールを
用いる場合、部分酸化改質反応に用いるメタノールの量
と水蒸気改質反応に用いるメタノールの量との割合を、
ｙ；（１−ｙ）とすれば、

【０００９】−192.4 ×ｙ＋ 49.6（１−ｙ）＝ 0 すなわち、ｙ＝ 0.20 とすることによって、二つの反応
の発熱と吸熱のバランスをとることができる。なお、実
際には、容器の形状による放熱等を考慮して、上記の理
論値より発熱反応の部分酸化改質反応の割合を高めて、
外部からの加熱が不要なコンパクトな構成が採られてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、従来、
主として縦置き型の改質器が用いられているが、高さが
限られた場所に縦置き型の改質器を収める場合には、要
求される触媒充填量を確保するために、径の大きい容器
を使用するか、または径の小さい容器を複数個並列に配
置する必要があり、さらに、いずれの形態においても、
ガスの不等配という解決すべき課題がある。

【００１１】以下、縦置き型の改質器で達成される平均
ガス流量とガスの等配性との関係について、表１に示し
た条件に基づいて設計された改質器を例にとって検討す
る。なお、本明細書において使用する「平均ガス流速」
は触媒層の断面積を対象としたガス流速であり、一般に
空塔速度と呼ばれるものである。実際にはガスは触媒の
粒の隙間を通り抜けていくので、実際の速度はこの流速
とは異なるが、実流速は計算では算出できないので、空
塔速度を触媒層でのガス流速の尺度とする。

【００１２】

【表１】（Ａ）１個の縦置き型改質器の場合（円筒型とした場
合）ガスの流れを出来る限り均等にするために改質器の上部
と下部に配置するマニホールドの高さをそれぞれ 30 mm
とし、触媒を上下で抑えるパンチングプレートの厚さを
それぞれ 3 mm とした。また、改質器容器の上蓋と下蓋
の板厚をそれぞれ 12 mmとし、改質器の上下の表面を覆
う保温材の厚さをそれぞれ 25 mmとした。

【００１３】なお、上記の容器の上蓋と下蓋の板厚は、
圧力が 2 (kg/m²G) 、触媒層の径が500 (mm) のときに
生じる最大撓みと最大曲げ応力を、“機械工学便覧”p.
A4-53 の No.2 に記載の円輪板の周辺固定、等分布荷重
条件での計算式により算出し、最大曲げ応力が“発電用
火力設備の技術基準”の p.148に記載された 300℃にお
ける SUS304 の許容応力 7.7(kg/mm²)の範囲内となるよ
う選定して得た板厚である。また、上記の保温材の厚さ
は、JIS A9501-1984の式を用いて、保温材の表面温度が
60 ℃以下に抑えられるように選定されたもので、内部
温度が 300℃、外気温度が 20 ℃、外気への熱伝達率が
10(kcal/m²h℃) 、保温材の熱伝導率が0.04 (kcal/mh
℃) のとき、保温材の厚さを 25 mmとすると、保温材の
表面温度は 59 ℃となる。

【００１４】高さが 300mmに制限された改質器におい
て、上記のように容器の厚さ、保温材の厚さ、マニホー
ルドの高さ等を選定すると、触媒層の高さは 160mmに制
限される。この触媒層に 30 リットルの触媒を充填する
には、触媒層の径を 489mmとする必要がある。したがっ
て、表１に記載の平均ガス流量、平均ガス密度のとき、
平均ガス流速は 0.04 (m/sec) となる。

【００１５】しかしながら、ガス等配性を良好にするた
めには触媒層のガス流速（空塔速度）を 0.3(m/sec) 程
度以上にする必要があることが経験的に知られており、
この点において、上記の平均ガス流速 0.04 (m/sec) は
極めて遅く、ガス等配性を維持するには何らかの対策が
必要となる。（Ｂ）複数の縦置き型改質器の場合（円筒型とした場
合）複数個の直径が160 mmの円筒型の改質器を並列に配置し
てシステムを構成することとする。このように複数個の
改質器を用いれば、改質器１個当たりのガス流量が小さ
くなるので、改質器内部でのガスの均等配分が容易とな
り、等配用マニホールドの高さを下限の 20 mmまで小さ
くすることができる。

【００１６】また、直径が小さくなるので容器の上下の
蓋に加わる応力が緩和され、薄板化が可能となる。板厚
を 4 mm とすれば、上記（Ａ）に記述の計算式により算
出される最大曲げ応力は 6.0(kg/mm²)となり、前述した
300 ℃における SUS304 の許容応力の範囲内となる。

【００１７】また、改質器内部の温度は上記（Ａ）と同
等であるので、保温材の厚さは、上記（Ａ）と同じく上
下ともに 25 mmとする必要がある。また、触媒を上下で
抑えるパンチングプレートの厚さも同様にそれぞれ 3 m
m とする。各部の厚さを上記のように選定すれば、高さ
が 300 mm に制限される改質器に許容される触媒層の高
さは 196 mm となる。

【００１８】このように直径が 160 mm で、触媒層の高
さが 196 mm の容器を採用すれば、30リットルの触媒を
充填するには８個の改質器を並列に接続する必要があ
る。したがって、表１に記載の平均ガス流量、平均ガス
密度のとき、平均ガス流速は、0.05 (m/sec) となる。
この流速は（Ａ）の場合に比べて上昇しているが、経験
的に知られている必要流速 0.3(m/sec) には達しておら
ず、この場合も、ガス等配性を維持するには何らかの対
策が必要となる。

【００１９】さらに、このように８個の改質器を並列に
接続して用いる場合には、分岐配管を設置するスペース
が必要となり、さらに、各改質器の温度ならびに流量を
制御しなければならなくなるので運転が複雑となり、コ
ストも上昇する。

【００２０】上記のごとき縦置き型の改質器に対し、改
質器を横置き型、すなわち原燃料ガスの流れを水平方向
に通流させる方式とすれば、触媒層中のガスの流れ方向
の長さは改質器の高さには依存しないので、改質器の高
さに制限されることなく触媒量を自由に選定できる。

【００２１】図５は、従来の横置き型改質器の基本構成
の一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は
（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。本改質器の容
器は、円筒容器１とその両端に結合された蓋板２よりな
り、触媒を充填して形成した触媒層３の両端はパンチン
グプレート４，４Ａにより押さえられている。原燃料ガ
スは、ガス導入マニホールド５よりパンチングプレート
４の孔を通して触媒層３へと送られ、触媒層３を通流し
たのち、パンチングプレート４Ａの孔を通してガス導出
マニホールド５Ａへと送られ、外部に取出される。な
お、改質器の表面を覆う保温材は、本図では省略されて
いる。

【００２２】このような横置き型改質器では、触媒層の
水平方向の長さを調整することによって触媒層中のガス
の流路断面を調整できるので、所要のガス流速が得られ
るよう構成してガス等配性を維持する構成とすることが
容易である。

【００２３】しかしながら、この横置き型の構成の改質
器においても、運転の経過とともに前述のごとく充填さ
れた触媒の沈下が生じるので、図６に示したごとく、触
媒層３の上部に触媒の存在しない空間３ａが発生する。
触媒の沈下はガスの導入側から導出側まで一様に生じる
ので、触媒の存在しない空間３ａは、触媒を介さないで
ガス導入マニホールド５とガス導出マニホールド５Ａを
連通させる。この空間３ａは、触媒層３に比べてガスに
対する流体抵抗が極めて小さいので、ガス導入マニホー
ルド５に導入された原燃料の大部分のガスがこの空間３
ａを流れ、触媒層３を流れるガスは少量となる。したが
って、改質器が所定の改質機能を果たさない事態が生じ
るという問題点がある。なお、運転の経過とともに触媒
が沈下して生じたこの空間３ａにクッション材を挿入し
て流体抵抗を高める方式も考えられるが、通常使用でき
るクッション材の流体抵抗は、触媒層３の流体抵抗に比
較すれば極めて小さいので、実効的な効果を得ることは
できない。

【００２４】従来の改質器においては、上述のごとき問
題点に加えて、さらに下記のごとき内部の温度分布に伴
う課題が残存する。すなわち、上述のごとく、同一改質
器内で部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを行う改質
方式では、部分酸化改質反応の発熱、水蒸気改質反応の
吸熱、ならびに容器からの放熱のバランスをとって反応
を行わせることによって、外部からの加熱が不要なコン
パクトな構成が採られている。

【００２５】しかしながら、原燃料が例えばメタノール
のごとき炭化水素の場合、発熱反応である部分酸化改質
反応の反応速度は、吸熱反応である水蒸気改質反応の反
応速度に比べて極めて早い。したがって、原燃料と酸素
の混合ガスが触媒層に導入されると、触媒層の入口部分
では部分酸化改質反応がより多く起こることになるた
め、この部分の温度が大きく上昇し、そのため触媒の寿
命が低下するという問題点がある。

【００２６】また、このように触媒層の入口部分で多く
の発熱反応が生じてしまうので、下流側の部分では温度
の上昇が少なく、水蒸気改質反応に寄与できる温度領域
にある触媒層の割合が低下して、十分に水蒸気改質反応
を起こすことができなくなるという難点がある。

【００２７】本発明は、上記のごとき従来技術の問題点
を考慮してなされたもので、本発明の目的は、装置の高
さが制限される場合にも使用可能で、かつガスのショー
トパスの発生が防止され、さらには内部の温度が適正に
保持されて効果的に燃料ガスの改質が行われる横置き型
の改質器、およびこのような改質器を備え、効率的な運
転が可能な燃料電池発電装置を提供することにある。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達するため
に、本発明においては、メタノールまたは炭化水素から
なる原燃料を水素に富む燃料ガスに改質する改質器で、
内部に充填された触媒中を原燃料ならびに燃料ガスが水
平方向一方の端部から導入し、水平方向他方の端部から
導出する横置型の改質器において、（１）改質器内上部に開口部を有するバッフルプレート
と、改質器内下部に開口部を有するバッフルプレートを
交互に触媒層内に配置することとする。（２）さらに、上記のバッフルプレートを、水平方向に
移動可能に組み込むこととする。

【００２９】（３）さらにまた、これらのバッフルプレ
ートを、相互の間の距離が触媒層のガス出口側で小さ
く、触媒層のガス入口側で大きくなるように配置するこ
ととする。（４）また、触媒の沈下によって生じる空間を埋めるた
めのクッション材を触媒層の上部に備えることとする。
さらに、燃料電池発電装置に、以上のごとく構成した改
質器を備えることとする。

【００３０】上記（１）のごとく、改質器の触媒層内に
上部に開口部を有するバッフルプレートと下部に開口部
を有するバッフルプレートを交互に配置すれば、バッフ
ルプレートがガスの水平方向の流れを遮断するので、ガ
スはバッフルプレートの開口部においてのみ水平方向に
流れることとなる。このバッフルプレートの開口部は上
部と下部に交互に配置されているので、ガスはバッフル
プレートとバッフルプレートの間を垂直方向に上方へ、
あるいは下方へと流れた後、開口部を通して次のバッフ
ルプレートとバッフルプレートの間へと導かれ、垂直方
向に下方へ、あるいは上方へと流れることとなる。すな
わち、導入されたガスはバッフルプレートの間を垂直方
向にジグザグに流れたのち、導出用マニホールドへと送
られることとなる。したがって、挿入するバッフルプレ
ートの枚数を多くして、バッフルプレートとバッフルプ
レートの間隔を狭めれば流れるガスの流速が増大する。

【００３１】前述の表１の条件により設計した本発明の
横置き型の改質器の検討結果は以下のごとくである。な
お、改質器の容器は１個とし、円筒型とした。表１の条
件のごとく高さ制限が 300 mm のとき、縦置き型の場合
と同様に保温材の厚さを 25 mm、容器の板厚を 4 mm と
すれば、触媒層の直径は最大で 242mmとすることができ
る。したがって、30リットルの触媒を充填するに必要な
長さは約 700 mm となる。

【００３２】ここで、触媒層内に、一端に開口部を有す
る円板状のバッフルプレートを、開口部が交互に上下に
位置するように、100 mm間隔で配置すると、バッフルプ
レート間を上方、あるいは下方に流れるガスの流速は、
流路断面積が最大となる円筒の中心の高さにおいて最低
となり、表１の条件の内部平均ガス流量 60(kg/h）、内
部平均ガス密度 2（kg/m³)のとき、その最低平均ガス流
速は 0.33 (m/sec) と算出される。この値は、触媒層内
において良好なガス等配性を得るために必要な最低流速
として経験的に知られている 0.3 (m/sec)を上回ってい
る。

【００３３】また、バッフルプレートの開口部を、円板
の上部あるいは下部の端部から 80mmまでの部分を切除
したものとして形成すれば、この開口部の面積は 0.013
5 （m ²) と算出され、ガスがこの開口部を水平方向に通
過するときの平均ガス流速は0.62 (m/sec) となり、必
要最低流速 0.3 (m/sec)を十分に上回る。

【００３４】したがって、上記の（１）のごとくとすれ
ば、表１の条件においても必要最低流速を上回るガス流
速が得られ、メタノールまたは炭化水素からなる原燃料
が効果的に水素に富む燃料ガスへと改質されることとな
る。

【００３５】また、運転の継続に伴って触媒の沈下が生
じても、ガスは上下方向へとジグザグに流れることとな
るので、ガスのショートパスは触媒が欠如する上部の一
部に限られ、ショートパスによる機能低下は抑制され
る。

【００３６】また、上記（２）のごとく、上記のバッフ
ルプレートを、ガスの流れの方向に移動可能に組み込め
ば、条件に合わせてバッフルプレートを配置することが
可能となるので、特に好適である。

【００３７】また、原燃料が例えばメタノールのごとき
炭化水素の場合、発熱反応である部分酸化改質反応の反
応速度が、吸熱反応である水蒸気改質反応の反応速度に
比べて極めて早いので、触媒層の入口部分では部分酸化
改質反応がより多く生じて発熱が大きくなるが、上記
（３）のごとく、触媒層のガス入口側のバッフルプレー
ト間の距離を、触媒層のガス出口側に比べて大きくなる
よう配置すれば、ガス入口側の流速が低下し反応が抑え
られるので、この部分の発熱量が減少し、温度上昇が抑
えられる。また、発熱反応領域が下流側にシフトするの
で、この部分では相対的に温度上昇が促進される。した
がって、水蒸気改質が活性化される高温度の領域が下流
側へと拡大し、効率よく改質が行われることとなる。

【００３８】また、上記の（４）のごとくとすれば、例
え可搬型の燃料電池発電装置であっても、触媒の欠如し
た部分が効果的にクッション材により満たされるので、
触媒が浮き上がり容器に衝突することによって生ずる割
れや破損を防止することができる。

【００３９】さらに、上記の（１）〜（４）のごとく構
成した改質器を組み込んで燃料電池発電装置を構成すれ
ば、メタノ─ルまたは炭化水素からなる原燃料が効率的
に水素に富む燃料ガスに改質され、効率のよい運転が可
能となる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。なお、これらは、いずれも実施形態の一部であ
り、本発明を制限するものではない。＜実施例１＞図１は、本発明の横置き型の改質器の第１
の実施例の基本構成を示すもので、（ａ）は縦断面図、
（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った横断面図である。

【００４１】本実施例の構成の図５，６に示した従来例
との相違点は、下部に開口部を備えたバッフルプレート
６と、上部に開口部を備えたバッフルプレート７が、触
媒層３の中に 100 mm の間隔を設けて交互に配置され、
さらに触媒層３の上部にクッション材９が備えられてい
ることにある。バッフルプレート６は、図１（ｂ）に見
られるように、容器１の内壁にほぼ接する円板よりな
り、その下端を切除して高さ８の開口部が形成されてい
る。同様にバッフルプレート７も容器１の内壁にほぼ接
する円板よりなり、その上端に開口部が形成されてい
る。

【００４２】本実施例の構成では、上記のごときバッフ
ルプレート６、７が組み込まれているので、図１（ａ）
に見られるように、ガス導入マニホールド５より導入さ
れたガスは、バッフルプレート６とバッフルプレート７
の間を矢印で示したごとく上下方向にジグザグに流れ、
ガス導出マニホールド５Ａへ到達して外部に取出され
る。さらに、触媒層３の上部にクッション材９が備えら
れているので、運転時間の経過とともに触媒の沈下が生
じても空隙が生じることがなく、沈下部分での触媒の浮
遊による割れ破損が防止できる。

【００４３】図２は、本発明の燃料電池発電装置の反応
ガス系統の要部の基本構成を示すブロック図である。本
構成はメタノールを原料とする固体高分子型燃料電池シ
ステムを示したもので、図中、２１は燃料電池、２２は
図１に示したごとき基本構成を備えた改質器、２３はＣ
Ｏ選択酸化反応器である。メタノールタンクから供給さ
れたメタノールに水を加えた原燃料は蒸発器を通過し気
化される。その後、ブロアにより取り込まれた空気と混
合し、改質器２２へと送られ、触媒作用に基づいた部分
酸化改質反応と水蒸気改質反応とによって改質ガスが製
造される。得られた改質ガスはＣＯ選択酸化反応器２３
へと送られ、改質ガスに含まれる、電極触媒の活性を阻
害する一酸化炭素を二酸化炭素に転換した後、燃料電池
２１の燃料極へ供給される。なお、燃料電池２１の空気
極にはブロアにより取り込まれた空気が供給される。ま
た、冷却水ポンプによって内蔵する冷却板に冷却水を循
環供給することによって燃料電池２１の温度が所定の運
転温度に保持される。燃料電池２１の燃料極および空気
極から排出された電池排燃料および電池排空気は、燃焼
器で混合、燃焼されたのち凝縮器で冷却され、含まれる
水分が水タンクへ回収される。

【００４４】本固体高分子型燃料電池システムに組み込
まれた改質器２２は、図１に示したごとき基本構成より
なるので、高さ制限を受ける場合にあってもガスの等分
配性を維持するに十分なガス流速を備えており、さらに
クッション材の内蔵により触媒の破損が防止できるの
で、効率的な運転が可能である。したがって、本改質器
２２を組み込んだ燃料電池システムも効率よく運転でき
る。＜実施例２＞図３は、本発明の横置き型の改質器の第２
の実施例の基本構成を示すもので、（ａ）は（ｂ）のＺ
−Ｚ線に沿った水平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ
線に沿った縦断面図、（ｃ）は（ｂ）のＹ−Ｙ線に沿っ
た横断面図である。

【００４５】本実施例の改質器は直方体型の多段層改質
器であり、触媒層３の内部に、ガイド棒１５に支持され
て可動式のバッフルプレート１２，１３，１４が組み込
まれている。このうち、バッフルプレート１２，１４は
下部に開口部を、また、バッフルプレート１３は上部に
開口部を備えている。図３（ｂ）において紙面の左側の
直方体状容器１１の水平方向に設けられたガス導入口１
８より導入されたガスは、矢印で示したごとく触媒層３
の中を上下方向にジグザグに流れたのち、紙面の右側の
直方体状容器１１の水平方向に設けられたガス導出口１
９より外部へ取出される。

【００４６】既に述べたように、原燃料が例えばメタノ
ールのごとき炭化水素の場合、発熱反応である部分酸化
改質反応の反応速度が、吸熱反応である水蒸気改質反応
の反応速度に比べて極めて早いので、触媒層３の入口部
分では部分酸化改質反応がより多く生じて発熱が大きく
なるが、本構成では、図３（ｂ）に示したように、ジグ
ザグに流れる流路の幅Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が、Ｄ１
＞Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４となるように可動式のバッフルプレ
ート１２，１３，１４を配置して構成されているので、
上流側で流速が低下し、発熱反応が抑えられ、発熱反応
領域が下流側にシフトするため、上流側の温度上昇が抑
えられ、逆に下流側の温度を相対的に上昇させることが
できる。

【００４７】なお、上記の流路の幅Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，
Ｄ４の適正値は、触媒の性能、触媒の充填量、ガスの組
成、ガスの流量等によって異なる。本構成ではバッフル
プレートが可動式であるので、バッフルプレート１２，
１３，１４の位置を変動させながらガス流量と温度分布
及びガス組成との関係を把握することによって、流路の
幅Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を適正な値に設定し、効果的
に改質する改質器とすることができる。＜実施例３＞図４は、本発明の横置き型の改質器の第３
の実施例の基本構成を示すもので、（ａ）は（ｂ）のＺ
−Ｚ線に沿った水平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ
線に沿った縦断面図、（ｃ）は（ｂ）のＹ−Ｙ線に沿っ
た横断面図である。

【００４８】本実施例の改質器も直方体型の多段層改質
器である。実施例２の構成と異なり、本構成では、容器
内部を区画するバッフルプレートが直方体状容器１１に
固定されており、さらに、パンチングプレートを用いて
触媒層を分割し、その中間にマニホールドを形成する構
成としている。このうち、バッフルプレート１２Ａ，１
４Ａは下端に開口部を備え、バッフルプレート１３Ａは
上端に開口部を備えている。これらのバッフルプレート
１２Ａ，１３Ａ，１４Ａは、基礎的実験結果に基づいて
所望の温度分布が得られるように、その間隔ｄ１＞ｄ２
＞ｄ３＞ｄ４を定めて配置されている。

【００４９】触媒層３は、図４（ｂ）に見られる下側の
パンチングプレート１７Ａを組み込んだ後、その上に触
媒を充填し、最後に上側のパンチングプレート１７Ｂを
組み込んで構成される。したがって、本構成の改質器で
は、直方体状容器１１の左側水平方向に設けられたガス
導入口１８より導入されたガスは、矢印で示したごとく
触媒層３の間隔ｄ１の中を下方へと流れ、パンチングプ
レート１７Ａを通過して下部のマニホールドへと達し、
次いで、パンチングプレート１７Ａを通過して触媒層３
の間隔ｄ２の中を上方へと流れ、パンチングプレート１
７Ｂを通過して上部のマニホールドへと到達する。引き
続いて、ガスは、触媒層３の間隔ｄ３の中を下方へと流
れて第２の下部のマニホールドへと達し、次いで、触媒
層３の間隔ｄ４の中を上方へと流れてガス導出口１９よ
り外部に排出される。このようにガスの流れの中間にマ
ニホールドが備えられているので、そのマニホールドの
前段の触媒層３内で大きな温度分布やガスの流れの不均
一によってガスの組成に偏りができても、マニホールド
部分で均一化されたのち次段の触媒層３内へと送られる
ので、より均一に改質反応を行わせることができる。ま
た、長時間運転にともなって触媒が破損し、粉化した場
合でも、生成した粉は流速の小さい次のマニホールド内
に堆積するので、触媒層３に堆積して圧力損失を増大さ
せる危険性が回避される。

【００５０】なお、実施例１においては改質器を円筒型
としているが、直方体型等の形状としてもよい。また、
実施例２および３においては改質器を直方体型としてい
るが、円筒型等の形状とすることもできる。また、実施
例１〜３において改質器容器に組み込まれている各バッ
フルプレートの枚数は図示したものに限定されるもので
はなく、所望の条件に応じて選定されればよい。

【００５１】また、図２に示した本発明の燃料電池発電
装置の反応ガス系統に組み込まれた第１の実施例の基本
構成を備えた横置き型の改質器に代わって、第２の実施
例、あるいは第３の実施例の基本構成を備えた横置き型
の改質器を組み込むこととしてもよい。

【００５２】

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明におい
ては、（１）改質器を請求項１〜４のごとく構成することとし
たので、導入されたガスが触媒層内を上下方向にジグザ
グに流れ、装置の高さが制限される場合にも所定のガス
流速を保持して触媒層内に均一に流れて効率よく改質さ
れることとなり、かつ、ガスのショートパスの発生が防
止され、さらには内部の温度が適正に保持されて効果的
に燃料ガスの改質が行われる横置き型の改質器が得られ
ることとなった。

【００５３】（２）また、請求項５のごとく、燃料電池
発電装置に請求項１〜４のごとく構成した改質器を備え
れば、装置の高さが制限される場合にあっても、所要性
能が満たされることとなり、所定の条件で効率よく運転
できる燃料電池発電装置が得られることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の横置き型の改質器の第１の実施例の基
本構成を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は
（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った横断面図

【図２】第１の実施例の基本構成を備えた横置き型の改
質器を組み込んだ本発明の燃料電池発電装置の反応ガス
系統の要部の基本構成を示すブロック図

【図３】本発明の横置き型の改質器の第２の実施例の基
本構成を示すもので、（ａ）は（ｂ）のＺ−Ｚ線に沿っ
た水平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った縦
断面図、（ｃ）は（ｂ）のＹ−Ｙ線に沿った横断面図

【図４】本発明の横置き型の改質器の第３の実施例の基
本構成を示すもので、（ａ）は（ｂ）のＺ−Ｚ線に沿っ
た水平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った縦
断面図、（ｃ）は（ｂ）のＹ−Ｙ線に沿った横断面図

【図５】従来の横置き型改質器の基本構成の一例を示す
もので、運転開始時の、（ａ）は横断面図、（ｂ）は
（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図

【図６】従来の横置き型改質器の基本構成の一例を示す
もので、運転時間経過時の、（ａ）は横断面図、（ｂ）
は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図

【符号の説明】

１円筒容器２蓋板３触媒層４，４Ａパンチングプレート５ガス導入マニホールド５Ａガス導出マニホールド６バッフルプレート（下部開口部）７バッフルプレート（上部開口部）８高さ（開口部）９クッション材１１直方体状容器１２バッフルプレート（可動式）１２Ａバッフルプレート（固定式）１３バッフルプレート（可動式）１３Ａバッフルプレート（固定式）１４バッフルプレート（可動式）１４Ａバッフルプレート（固定式）１５ガイド棒１７Ａパンチングプレート（下側）１７Ｂパンチングプレート（上側）１８ガス導入口１９ガス導出口２１燃料電池２２改質器２３ＣＯ選択酸化反応器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平方向一方の端部から導入したアルコー
ルまたは炭化水素からなる原燃料を水素に富む燃料ガス
に改質して水平方向他方の端部から導出する横置型の改
質器において、前記改質器内上部に開口部を有するバッフルプレート
と、前記改質器内下部に開口部を有するバッフルプレー
トとが交互に触媒層内に配置されていることを特徴とす
る改質器。
【請求項２】触媒層内に配置された前記バッフルプレー
トが、水平方向に移動可能に組み込まれていることを特
徴とする請求項１に記載の改質器。
【請求項３】前記バッフルプレート間の距離が触媒層の
ガス出口側で小さく、触媒層のガス入口側で大きいこと
を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の改質
器。
【請求項４】触媒の沈下によって生じる空間を埋めるた
めのクッション材を触媒層の上部に備えていることを特
徴とする請求項１、２または３のいずれかに記載の改質
器。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の改質器
を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。