JP2002534350A - 小型の燃料気体改質装置 - Google Patents

小型の燃料気体改質装置

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JP2002534350A JP2000593408A JP2000593408A JP2002534350A JP 2002534350 A JP2002534350 A JP 2002534350A JP 2000593408 A JP2000593408 A JP 2000593408A JP 2000593408 A JP2000593408 A JP 2000593408A JP 2002534350 A JP2002534350 A JP 2002534350A
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reformer
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heat
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アール． レジュール，ロジャー
ジェイ． コリガン，トーマス
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インターナショナル フュエル セルズ，エルエルシー
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Abstract

(57)【要約】 燃料電池電力設備に使用される燃料気体改質装置は、間隔を開けた分離プレートと、それらの間に挟まれ気体通路を形成する一体構造の連続気泡スポンジ状部材と、を含む複合プレート装置から構成される。一体構造部材は、横方向と縦方向に結合して拡散気流を提供する内部連続気泡の格子を有する。一体構造構成要素の全表面積は、多孔質アルミナ層によりウォッシュコートされ、ウォッシュコートの選択された領域は、触媒化される。改質装置は、復熱・熱交換気体通路が分離されたコアをそれぞれ備える一連のサブアッセンブリの繰り返しから構成される。各サブアッセンブリ内のコアは、サブアッセンブリを完成させる一対の改質気体通路被膜の間に挟まれる。複合プレート装置内の改質気体通路／復熱通路／改質気体通路からなる隣接したサブアッセンブリは、燃焼気体通路により互いに分離される。各サブアッセンブリの復熱・熱交換気体通路と改質気体通路は、各サブアッセンブリの一部を構成する気流反転マニホールドによって結合される。燃料気体は、装置の一端で改質気体通路を通って流れ、反転マニホールド内でその方向を反転させ、復熱気流通路を通って改質装置から排出される。燃焼器気体は、改質装置の一端に流れ込み、他端から排出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、複数のサブアッセンブリの繰り返しから構成される燃料気体水蒸気
改質装置に関する。特に、本発明は、燃料電池電力設備に使用される従来の水蒸
気改質装置より小型、軽量の燃料気体水蒸気改質装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池電力設備は、通常、天然ガスなどの燃料気体を触媒によって水素、二
酸化炭素に変換するように機能する燃料気体水蒸気改質装置を備える。この変換
過程には、約６７７℃（１，２５０°Ｆ）〜約８７１℃（１，６００°Ｆ）の改
質温度に加熱した触媒床に、燃料気体と水蒸気の混合物を通すことが含まれる。
通常使用される触媒は、アルミナペレット上に沈積させたニッケル触媒である。
通常の改質装置は、熱を保持するように断熱されたハウジングに収容される複数
の反応管を備える。これらの反応管は、ハウジング内で過剰の燃料気体を燃焼さ
せて、反応管の周りに燃焼気体を通過させることによって加熱される。個々の反
応管は、通常、環状の入口通路によって囲まれた中心部にある排気通路を備える
。入口通路には、触媒化したアルミナペレットが充填され、燃料気体・水蒸気用
のマニホールドが、入口通路のそれぞれの底部に燃料気体・水蒸気の混合物を供
給するように機能し、燃料気体・水蒸気の混合物は、この底部の上方にある触媒
床を流れる。生成物である加熱された水素、二酸化炭素の気体混合物は、次に、
それぞれの反応管の中心部にある排気通路を流れ、それぞれの環状の触媒床の内
側部分を加熱するのに役立ち、そして、さらに処理、利用するために改質装置か
ら送り出される。
【０００３】 水蒸気による改質装置には、触媒と燃料混合物とを高度に相互作用させるため
に、表面積の大きな触媒床が必要であり、また、燃料電池を最大効率で作動させ
るのに必要となる分量の水素を生成するために、大きな熱移動表面積が必要であ
る。これら必要とされる大きな触媒床や熱移動表面積を、管状の改質装置で触媒
を被覆したペレットを使用して実現すると、好ましくないことには、大規模で高
重量の改質装置となってしまう。例えば、市販されている２００ｋＷの酸型燃料
電池電力設備は、体積が約４．２５〜５．０ｍ3（１５０〜１７５立方フィート
）、重量が約１，５８８ｋｇ（３，５００ポンド）の水蒸気改質装置を備える。
【０００４】 １９９８年３月３１日に付与された米国特許第５，７３３，３４７号には、触
媒化されたペレットを使用せず、その代わりに触媒化された壁を有する波形の改
質コアを使用する水蒸気改質装置が開示されている。この波形の改質コアには、
改質する燃料用の平行な通路が形成されるとともに、この改質通路と直接熱交換
するように隣接して配置された平行な燃焼気体通路が形成されている。同様に、
改質通路は、復熱通路と直接熱交換するようになっている。この装置は、触媒化
されたペレットを使用する水蒸気改質装置より小型、軽量であり、しかも波形コ
アは非常に大きな表面積を有するので、触媒化された改質通路と、燃焼気体通路
および復熱通路との間で、非常に効率よく熱交換が行われる。この装置は、波形
通路の周りに挟まれた一連の実質的に平らなプレートから構成され、さらに、こ
の装置は、燃焼通路、改質通路、復熱通路、改質通路、燃焼通路などといった繰
り返しパターンを備える。気流反転マニホールドによって、改質通路は復熱通路
と接続される。上述した平らなプレート装置によって所望する重量、大きさの低
減が図れるが、この装置には波形の気流通路が含まれるので、気体がこの装置を
通る気流パターンが拡散されることはない。このように、波形の設計によって、
より望ましい大きさ、重量の改質装置が実現されるが、一方、触媒化されたペレ
ットの設計によって、より望ましい拡散気流パターンが実現される。燃料電池電
力設備に使用するのに適しており、触媒化されたペレットによる拡散気流パター
ンを提供し、しかも上述した壁が触媒化された改質装置と同様に小型、軽量の水
蒸気改質装置を提供するのは、非常に望ましいことであろう。
【０００５】
【発明の開示】
本発明は、必要な触媒化された熱移動表面積を提供し、小型、軽量であり、さ
らに内部拡散気流パターンを提供する水蒸気改質装置構造に関する。本発明の水
蒸気改質装置構造は、一連の実質的に平らなプレート状の改質装置構成要素から
構成されるので、上で参照した特許された改質装置に類似している。改質装置構
成要素のそれぞれは、複数の中央にある復熱・熱交換通路の周りに挟まれた外側
改質通路を備える。改質装置構成要素の第１の端部で、改質通路は、燃料・水蒸
気混合物を改質通路に供給する燃料・水蒸気マニホールドに結合される。それぞ
れの構成要素の他端には、外側改質通路から排出される燃料気体・水蒸気混合物
を中央復熱・熱交換通路に戻し込む流れ反転マニホールドが設けられる。さらに
、改質された気流を電力設備の次の燃料処理部に供給するために、それぞれの構
成要素の第１の端部に改質装置出口マニホールドが配置される。隣接する改質装
置構成要素は、改質装置燃焼気流が通る燃焼気体通路プレートにより互いに隔て
られる。このように、改質通路プレート装置は、燃焼通路プレート装置に直接隣
接して配置され、隣接する改質通路と燃焼通路は、共通の壁を共有する。
【０００６】 水蒸気改質装置の平らなプレート構成要素は、一体構造の気流通路構成要素に
よって互いに隔てられる平面金属シートから構成することができる。一体構造の
気流構成要素は、網状構造の相互に連結した連続気泡（ｏｐｅｎ ｃｅｌｌｓ）
を備え、連続気泡の表面は、ニッケル触媒によって、あるいは白金、パラジウム
、ロジウム、ニオブなどの貴金属触媒によって、触媒化される。また、連続気泡
発泡体網状構造によって、燃料気体を適切に改質するのに十分な触媒を提供する
のに必要とされる大きな表面積が提供される。実際、連続気泡発泡体の触媒化さ
れた表面積は、波形パネルの触媒化された表面積の２倍にまで達する。さらに、
気体は一体構造を通って横方向と縦方向の両方向に流れるので、連続気泡発泡体
網状構造によって、一体構造を通る気体に拡散気流パターンが提供される。装置
の平らなプレート改質構成要素とプレート燃焼構成要素を構成する金属シートは
、両面とも触媒化されたアルミナ被覆で被覆されている。装置の復熱装置部の壁
は、触媒化されない。
【０００７】 触媒化される表面は、グレース商会（Ｗ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ ａｎｄ Ｃｏ．）
やエンゲルハルト社などにより提供される従来のウォッシュコート処理（ｗａｓ
ｈ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって下塗りされる。ウォッシュコー
ト処理によって、触媒被覆用の基部を構成する多孔質アルミナ層が製造される。
そのようなウォッシュコートは、現在、自動車の触媒変換装置、薪ストーブ触媒
放射装置、などを作製するのに使用されている。平らなプレート構成要素を構成
するのに使用される金属プレートは、アルミニウムを含む鋼合金プレートであり
、これは、発泡体とろう付けまたはスポット溶接することができ、表面処理し、
ウォッシュコートし、次に触媒を選択的に被覆することができる。装置の改質と
燃焼の通路の熱移動壁を触媒化することによって、改質装置の作動温度は最小限
に維持することができる。平らなプレートと連続気泡一体構造との構成を、その
最大の表面積とともに使用することで、改質装置の大きさ、重量を最小限にする
ことができる。
【０００８】 復熱熱交換通路の壁は、ウォッシュコート下塗り層を設けることはできるが、
触媒化されない。連続気泡一体構造のコアは、ニッケル、ステンレス鋼、アルミ
ニウム−ステンレス鋼合金、セラミック材料などから構成することができる。連
続気泡一体構造の外部表面ばかりでなく間隙もウォッシュコートされ、必要なら
ば、触媒化されることが理解されよう。
【０００９】 従って、本発明の目的は、小型、軽量の改良された水蒸気改質装置を提供する
ことである。
【００１０】 本発明のさらなる目的は、向上した熱移動特性とともに作動する上述した特徴
を備える改質装置を提供することである。
【００１１】 本発明の別の目的は、装置を流れる燃焼気体と燃料気体に拡散流経路を提供す
る上述した特徴を備える改質装置を提供することである。
【００１２】 本発明のさらなる別の目的は、装置を流れる処理燃料気体に曝される大きな表
面積の触媒表面を有する上述した特徴を備える改質装置を提供することである。
【００１３】 本発明のこれらと他の目的、利点は、添付の図面と併せて、本発明の好ましい
実施態様の以下の詳細な説明から、当業者には、より容易に明らかになるであろ
う。
【００１４】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を参照すると、図１には、通常の燃料電池電力設備の一部を構成する燃料
処理装置の概略図が示される。燃料処理装置は、燃料水蒸気改質・復熱装置２、
シフト変性装置４、選択的酸化装置６を備えており、この選択的酸化装置６は、
高濃度の一酸化炭素に耐性のない特定の燃料電池には必要とされるものである。
改質・復熱装置２は、ライン８によりシフト変性装置４に接続される。改質・復
熱装置２は、燃料と水蒸気の混合物を触媒化された改質帯１２に供給する燃料と
水蒸気の入口ライン１０を備える。燃料電池のセルスタックから部分的に消費さ
れた燃料と空気の混合物が、ライン１６、１８を介して燃焼器構成要素１４に供
給される。上述した混合物は、そこで燃焼されて燃料と水蒸気の混合物を反応温
度まで加熱する。燃焼器１４は、ライン２０を介して改質・復熱装置２から排気
される。
【００１５】 図２は、本発明に従って構成された改質・復熱構成要素２の実施態様の概略図
である。改質・復熱構成要素２は、一対の間隔を開けた外側の平面状壁部材２２
と、一対の間隔を開けた内側の平面状壁部材２４とを備える。改質・復熱構成要
素２は、さらに、構成要素２の改質部２８に通じるマニホールド２６に通じる燃
料と水蒸気の混合物の入口ライン１０を備える。改質部２８は、平面状壁部材２
２、２４の間に配置され、改質部２８のそれぞれは、網状構造の相互に連結した
連続気泡３１を備える一体構造の気流構成要素３０を備える。さらに、一体構造
の連続気泡構成要素３０は、復熱装置３８、燃焼部１４にも含まれる。
【００１６】 燃料と水蒸気の混合物は、矢印Ａで示されるように、マニホールド２６から一
体構造３０を通って、流れ反転マニホールド３６に到達する。そこで混合物は、
矢印Ｂで示されるように、流れ方向を反転し、構成要素２の中央部の復熱・熱交
換部３８に供給される。復熱・熱交換部３８は、上述したように一体構造３０を
備える。気流は、矢印Ｃで示されるように、構成要素２の復熱・熱交換部３８を
流れ、改質装置出口ライン８に供給される。構成要素２の側面には、一体構造イ
ンサート（ｉｎｓｅｒｔｓ）３０を備える燃焼気体部１４が位置する。矢印Ｄで
示されるように高温の燃焼器気流が、燃焼通路一体構造３０を流れる。
【００１７】 改質装置は、燃焼気体部１４により互いに間隔を開けて並列した適切な数の上
述した構成要素２２からなる。改質部２８の外側の壁２２は、燃焼気体部１４に
よって加熱され、改質部２８の内側の壁２４は、復熱・熱交換部３８を流れる高
温の改質流出気流によって加熱される。
【００１８】 先に述べたように、改質部、復熱・熱交換部、燃焼部の金属構成要素は、好ま
しくはアルミニウムを含む鋼基合金から形成される。平面状の壁と気流一体構造
とは、装置をろう付けや溶接して組み立てる。次に装置は、例えば、改質部、復
熱部、燃焼部の露出した全ての表面に酸化アルミニウムの表面被覆が生成するよ
うに熱処理することで、熱周期の間にウォッシュコートが付着するように処理す
る。次に、ウォッシュコート下塗り剤を少なくとも触媒化される表面に塗布する
。ウォッシュコートは、必要ならば装置の露出した全ての表面に塗布することが
できる。次に、触媒化された被覆を燃焼通路、改質通路のウォッシュコートした
表面に塗布する。
【００１９】 図３を参照すると、２００ｋＷ燃料電池電力設備に使用される水蒸気改質装置
が図式的に示される。改質装置２は、断熱されたハウジング４６に収容される。
燃焼器燃料ライン１６、燃焼器空気ライン１８がハウジング４６の最上部に接続
され、燃焼器排気がハウジング４６の最下部にある排気ライン２０を通して排出
される。改質装置構成要素２は、ハウジング４６内に配置され、燃料・水蒸気気
体混合物は、ハウジング４６の最下部にあるライン１０を介して改質装置構成要
素２に供給され、改質された気体は、ライン８を介してハウジング４６から排出
される。
【００２０】 平面状の部品を備えるプレート構造と、一体構造の気流通路構成要素とを使用
することで、改質装置の単位体積当たりの大きな表面積と非常に効率的な熱交換
を有する軽量で頑丈な水蒸気改質装置が得られる。さらに、一体構造の気流構成
要素によって、改質装置を通る拡散気流が得られる。上述したプレート構造は、
燃料電池電力設備の水蒸気改質装置、オレセン（Ｏ．Ｌ．Ｏｌｅｓｅｎ）らに１
９７８年７月４日に付与された米国特許第４，０９８，５８７号などに示された
型式の独立型の水蒸気改質装置、移動式輸送装置の燃料電池装置の一部を構成す
る水蒸気改質装置、などに使用することができる。改質装置の改質部、燃焼部の
全ての表面は、組み立てた改質装置をウォッシュコートした後で触媒化すること
ができる。あるいは、ウォッシュコート処理と触媒化処理は、組み合わせて１つ
の処理にすることができる。装置の加熱された部分は改質部と共通の壁を共有し
、さらに、壁の両側は連続気泡一体構造の発泡構成要素と直に接しているので、
改質装置の壁は、現在入手できる触媒化したペレット型式の改質装置より低温で
機能させることができる。上述した構成を使用して実現される重量と大きさの低
減は、より大きくより高出力の燃料電池電力設備または独立式の改質装置に使用
することで、より改善することができる。ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金
、ニッケル、セラミックなどからなる上述した型式のコアは、ＥＲＧすなわちカ
リフォルニア州オークランドのエネルギーリサーチアンドジェネレーション社（
Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｉｎｃ．）
から入手でき、登録商標「ＤＵＯＣＥＬ」で販売されている。
【００２１】 本発明の概念から逸脱せずに本発明の開示した実施態様にさまざまな変更、変
形を行うことができるので、特許請求の範囲により請求する以外の発明に限定さ
れるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料電池電力設備の一部を構成する本発明の燃料処理装置の概略図。
【図２】 本発明に従って構成された改質装置の単一改質装置構成要素の概略部分斜視図
。
【図３】 本発明に従って構成された小型水蒸気改質装置の概略断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＬ，Ａ Ｍ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ， ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ Ｆターム(参考） 3K017 BB07 BB08 BC02 BD01 BE11 BF02 4G040 EA03 EA06 EB12 EB23 EB31 EB44 EC02 4G070 AA01 AB04 BB06 CA06 CA09 CB02 CB16 CC01 DA23 4G075 AA03 AA45 AA62 AA63 BA05 BD03 BD04 BD14 CA02 CA52 CA54 FC11 5H027 AA02 BA01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭化水素燃料気体水蒸気改質装置であって、 ａ）燃料気体と水蒸気の混合物を改質装置に供給するための入口マニホール
    ドと、 ｂ）間隔を開けた第１、第２のプレートとこれらの間に挟まれた一体構造の
    連続気泡発泡部材とから構成され、前記燃料気体と水蒸気の混合物の流れを受け
    取るために前記入口マニホールドに接続され、前記一体構造の連続気泡発泡部材
    によって内部に拡散気流経路が提供される改質部と、 ｃ）前記改質部に隣接し、前記第１のプレートと、前記第１のプレートから
    間隔を開けて前記第２のプレートとは反対側の前記第１のプレートの側面にある
    第３のプレートとから構成され、さらに前記第１、第３のプレートの間に挟まれ
    た一体構造の連続気泡発泡部材を備え、この一体構造の連続気泡発泡部材によっ
    て内部に拡散気流経路が提供され、この拡散気流経路を流れる気体から前記改質
    部の拡散気流経路を流れる気体への熱移動が前記第１のプレートによって実現さ
    れる復熱・熱交換部と、 ｄ）前記復熱・熱交換部とは反対側の前記改質部の側面で前記改質部に隣接
    し、前記第２のプレートと、前記第２のプレートから間隔を開けた第４のプレー
    トとから構成され、さらに前記第２、第４のプレートの間に挟まれた一体構造の
    連続気泡発泡部材を備え、この一体構造の連続気泡発泡部材によって内部に拡散
    気流経路が提供され、この拡散気流経路を流れる燃焼気体から前記改質部の拡散
    気流経路を流れる気体への熱移動が前記第２のプレートによって実現される燃焼
    気体部と、 ｅ）前記改質部の拡散気流経路を前記復熱・熱交換部の拡散気流経路と接続
    し、前記改質部から排出される気流を前記復熱・熱交換部に供給するように機能
    する気流反転マニホールドと、 ｆ）前記復熱・熱交換部に接続され、改質された燃料気体を改質装置から排
    出する出口マニホールドと、 を備えることを特徴とする改質装置。
  2. 【請求項２】 前記一体構造の連続気泡発泡部材は、ステンレス鋼、アルミニ
    ウム−ステンレス鋼合金、ニッケル、セラミックス、これらの混合物からなる群
    より選択される高温保持材料から形成されることを特徴とする請求項１記載の改
    質装置。
  3. 【請求項３】 前記改質部の発泡部材の間隙が、触媒化されたアルミナ被覆で
    被覆されることを特徴とする請求項１記載の改質装置。
  4. 【請求項４】 前記燃焼気体部の発泡部材の間隙が、触媒化されたアルミナ被
    覆で被覆されることを特徴とする請求項２記載の改質装置。
  5. 【請求項５】 復熱・熱交換気体部、改質気体部、燃焼気体部を備える炭化水
    素燃料気体水蒸気改質装置であって、 前記復熱・熱交換気体部と前記燃焼気体部とは、前記改質気体部の周りに挟
    まれ、 前記改質気体部は、前記復熱・熱交換気体部と第１の共通熱移動壁を共有し
    、さらに前記燃焼気体部と第２の共通熱移動壁を共有し、 前記気体部のそれぞれは、前記熱移動壁の間に拡散気流経路を提供する一体
    構造の連続気泡発泡部材を備え、 燃焼部と改質部の前記気流経路の間隙が、触媒化されたアルミナ被覆で被覆
    され、 改質装置は、さらに、 燃料気体・水蒸気混合物を改質気体通路に供給するために機能するように前
    記改質気体部に接続された入口マニホールドと、 改質された気体を改質気流経路から復熱・熱交換気流経路へ移動するために
    機能するように前記改質部を前記復熱・熱交換部と接続する流れ反転マニホール
    ドと、 改質された気体を改質装置から排出するために機能するように前記復熱・熱
    交換部に接続された出口マニホールドと、 を備えることを特徴とする改質装置。
  6. 【請求項６】 中央復熱・熱交換気体部と、 前記復熱・熱交換気体部の一方側に配置された第１の改質気体部と、 前記復熱・熱交換気体部の反対側に配置された第２の改質気体部と、 前記第１の改質気体部の外側に配置された第１の燃焼気体部と、 前記第２の改質気体部の外側に配置された第２の燃焼気体部と、 を備える炭化水素燃料気体水蒸気改質装置であって、 前記改質気体部は、前記復熱・熱交換気体部と共通熱移動壁を共有し、さら
    に前記燃焼気体部と共通熱移動壁を共有し、 前記気体部のそれぞれは、前記熱移動壁に固定された一体構造の発泡部材か
    ら構成されるそれぞれの拡散気流経路を備え、 前記燃焼部と前記改質部の前記気流経路は、触媒化されたアルミナ被覆で被
    覆され、 改質装置は、さらに、 燃料気体・水蒸気混合物を改質気流経路に供給するために機能するように前
    記改質気体部に接続された入口マニホールドと、 改質された気体を前記改質気流経路から復熱・熱交換気流経路へ移動するた
    めに機能するように前記改質部を前記復熱・熱交換部と接続する流れ反転マニホ
    ールドと、 改質された気体を改質装置から排出するために機能するように前記復熱・熱
    交換部に接続された出口マニホールドと、 を備えることを特徴とする改質装置。
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