JP2003146612A

JP2003146612A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2003146612A
Application number: JP2001347600A
Authority: JP
Inventors: Toshio Shinoki; 俊雄篠木; Mitsuie Matsumura; 光家松村; Tatsunori Okada; 達典岡田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2003-05-21
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: JP4020187B2

Abstract

(57)【要約】【課題】安価な部材で耐熱応力に優れた燃料改質装置
を得る。【解決手段】円筒状の内管３、中間管５および外管４
を同心状に配置し、内管３と中間管５との間に第１のガ
ス流路部６を構成し、中間管５と外管４との間に第２の
ガス流路部８を構成する。内管３と外管４との他端部に
端部フタ９を接合し、第１のガス流路部６と第２のガス
流路部８とを連通するガス連通部１０を構成する。改質
触媒１１を第１のガス流路部６に保持させて改質触媒層
７を構成する。そして、ガス連通部１０内に第１のガス
流路部６から流出する反応ガス２の端部フタ９への吹き
つけを阻止するように、断熱材１４がガス連通部１０内
に配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、改質反応器内に
おいて原料である例えば炭化水素等の改質反応を行う燃
料改質装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１５は例えば特公平６−７３６２６号
公報に示された従来の燃料改質装置の構成を示す断面図
である。図１５において、円筒状の内管５０、内管５０
より大径の円筒状の中間管５２および中間管５２より大
径の外管５１が同心状に配置されている。これらの内管
５０、中間管５２および外管５１は同一長さに作製され
ている。そして、原料ガス１（反応ガス）が導入・流通
する環状の第１のガス流路部５３が、内管５０と中間管
５２との間に構成され、改質触媒１１が第１のガス流路
部５３内に充填されて改質触媒層７を構成している。ま
た、原料ガス１が改質触媒層７を流通することにより改
質反応が行われて生成された改質ガス２（反応ガス）が
流通する第２のガス流路部５４が、中間管５２と外管５
１との間に構成されている。さらに、環状の端部フタ５
５が、内管５０と外管５１との他端部に溶接等により接
合されて取り付けられ、第１のガス流路部５３と第２の
ガス流路部５４とを連通するガス連通部５６を構成して
いる。これらの端部フタ５５およびガス連通部５６は、
改質触媒層７から流出する改質ガス２を反転させて第２
のガス流路部５４に流入させ、第２のガス流路部５４内
を原料ガス１の流通方向と逆方向に流通させる。また、
複数のガス流通孔が形成された受け皿５７が、第１のガ
ス流路部５３の他端側に配置され、改質触媒１１を保持
するようになっている。これら７、１１、５０、５１、
５２、５３、５４、５５、５６より環状の改質反応器５
８が構成されている。また、環状の端部フタ用保護断熱
材５９が端部フタ５５を囲繞するように配置されてい
る。従来の燃料改質装置は、燃焼装置（図示せず）より
供給される加熱源である燃焼ガス（加熱流体）１５がこ
のように構成された改質反応器５８の内管５０内に形成
された加熱流体流路部１６を流通するように構成されて
いる。

【０００３】つぎに、従来の燃料改質装置の動作につい
て説明する。まず、例えば炭化水素とスチームとからな
る原料ガス１が、例えば４５０℃程度に予熱された後、
改質反応器５８の一端側から第１のガス流路部５３内に
導入される。そして、原料ガス１は、第１のガス流路部
５３内に配置された改質触媒層７内を流通し、改質触媒
１１と接触する。ここで、原料ガス１は、改質触媒１１
の働きにより水蒸気改質反応を生じ、Ｈ₂、ＣＯ、ＣＯ₂
等の混合ガス（改質ガス）となる。改質反応により生成
された高温（７００℃程度）の改質ガス２は、受け皿５
７のガス流通孔を通過して環状のガス連通部５６内に流
出する。そして、改質ガス２は、ガス連通部５６により
流れを反転されて第２のガス流路部５４内に流入し、そ
の第２のガス流路部５４内を原料ガス１の流通方向とは
逆方向に流通する。改質ガス２が第２のガス流路部５４
を流通する過程で、改質ガス２と中間管５２との間で熱
伝達が行われ、改質ガス２の顕熱が中間管５２を経て改
質触媒層７に回収された後、改質ガス２は系外に排出さ
れる。この時、改質反応の熱源としての燃焼ガス１５
が、燃料改質装置の一部として設けられた燃焼装置（図
示せず）より供給され、内管５０を介して改質触媒層７
と熱交換しながら加熱流体流路部１６内を流通する。そ
して、端部フタ保護用断熱材５９が、この燃焼ガス１５
により加熱が不要な所、即ち、改質触媒１１が充填され
ていない端部フタ５５の過熱を防止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この種燃料改質装置に
おいては、例えば、原燃料をメタンとして、改質触媒層
で水蒸気改質反応が行われた場合、メタンの改質反応と
ＣＯのシフト反応が以下の通り進行する。（改質反応） CH₄＋H₂O ⇔ CO+３H₂ （シフト反応） CO＋H₂O ⇔ CO₂＋H₂ この改質反応は、吸熱反応であるため熱源が必要とな
る。改質反応器５８の仕様にもよるが、一般に改質率９
５％を達成させるためには、改質触媒層７の出口部で、
反応ガスとして少なくとも７００℃前後の温度が必要で
ある。これを外部より加熱する場合、加熱流体に面する
内管５０の表面温度（最高温度となる改質触媒層の出口
隣接部分）は８００℃前後になる。従って、内管５０
は、８００℃程度の温度に耐える高温耐久性材料で作製
する必要がある。この場合、加熱流体である燃焼ガス１
５の温度は通常９００〜１０００℃前後である。

【０００５】また、内管５０と外管５１との間には、平
均して例えば１００℃前後の動作上不可避な温度差が生
じている。そこで、この温度差により、内管５０と外管
５１との間に熱膨張差が生じ、その熱膨張差に起因する
応力が端部フタ５５の部分に集中する。このような熱構
造的に弱い端部フタ５５およびその近傍部分の動作温度
は、改質反応器５８の構造強度を決定する上で重要であ
る。後述するように金属材料は高温度になるに従い機械
強度が低下する特性を有する。従って、この部分の温度
を低減することが、改質反応器５８の構造寿命を保つ上
で重要な課題となる。一方、内管５０の中央部分は、構
造上他の構造部材からの干渉が少なく、端部フタ５５の
部分およびその近傍部分とは状況が異なる。このような
構造上拘束のない状態で内管５０が自由膨張する条件で
は、８００℃前後の温度でも問題は少ない。

【０００６】従来の改質反応器５８においては、端部フ
タ５５は、構造的に改質触媒層７の出口部温度（７００
℃前後）と燃焼ガス温度（１０００℃前後）との中間温
度を示している。端部フタ保護用断熱材５９は、燃焼ガ
ス１５から端部フタ５５への熱伝達および放射伝熱を抑
えて端部フタ５５の動作温度をできるだけ低減するため
に設けたものであり、可能な範囲、該当部分温度を燃焼
ガス温度ではなく、改質触媒層７の出口温度（７００℃
前後）に近づけようとするものである。しかしながら、
端部フタ５５の端部が温度の高い内管５０の触媒層出口
隣接部分に近接しており、また断熱材５９の厚みを十分
確保できない等の構造的な理由により、端部フタ５５の
動作温度は、内管５０の最高温度と同程度かやや上回る
レベル（８００〜８５０℃前後）となってしまう。

【０００７】ここで、金属材料の機械的な特性は、材料
固有の性質により動作温度の上昇に伴い低下する。その
低下傾向は、特に６００℃を越すあたりから大きくな
る。相対的に安価で、高温耐熱性の汎用材料であるステ
ンレス３１６材の機械的特性の温度依存性を表１に示
す。表１から分かるように、定性的には、特にクリープ
耐性の低下が著しく、７００℃を越えるような温度領域
においては１０万時間を超えるような運転寿命を得るこ
とが汎用ステンレス材料では難しい。従って、ステンレ
ス材より一層高価であるインコネル材料やチタン・ニオ
ブを含むような鋳造材料を改質反応器の管材料として用
いざるを得ず、特に燃料電池用途等のような量産品向け
には、コスト的および寿命的な面で適用が厳しい状況で
あった。

【０００８】

【表１】

【０００９】この問題の根本的な原因は、改質反応とし
てメタンの十分な分解を得るには反応平衡により少なく
とも７００℃程度の反応温度が必要となること、およ
び、熱構造的に最も弱い端部フタ５５およびその近傍部
分が改質触媒層７の出口部分に近接していることから、
積極的な低温度化方策が無い現状では端部フタ５５の動
作温度が７００℃程度を下回ることは現実的に不可能な
点にある。

【００１０】従来の改質反応器構造では、端部フタ５５
は端部フタ用保護断熱材５９により温度保護されている
ものの、現実には、より高温度の燃焼ガス１５と近接し
ており、７００℃を越える温度が実測されている。先に
述べたように端部フタ５５は、高温側の内管５０と相対
的に低温側の外管５１とを構造的に接続しているため、
両者の熱膨張差による応力が集中し、構造的に弱い部分
である。そこで、安価なステンレス材料を端部フタを含
めた改質反応器全体に適用する場合、１０万時間を超え
るような運転寿命を得るには、端部フタおよびその近傍
部分を改質反応温度（７００℃）以下の低温度で動作さ
せる必要があり、改質反応器構造の抜本的な改良が必要
となる。また、運転のさらなる長寿命化を図るには、表
１に示されるように、端部フタおよびその近傍部分をク
リープ強度の低下が始まる６００℃程度以下での低温度
で動作させることが望ましい。

【００１１】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、構造的に弱くなる端部フタある
いはその近傍部分の動作温度を本質的に大きく低下さ
せ、安価な金属材料を適用しつつ熱応力に対して耐性の
ある燃料改質装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料改質
装置は、反応ガスの流通空間を区画する第１および第２
の壁と、上記第１および第２の壁の間に配置された中間
壁と、上記第１の壁と上記中間壁との間に形成され、上
記反応ガスが一端側から導入され、他端側に流出される
第１のガス流路部と、上記第１のガス流路部内に改質触
媒が保持されて構成された改質触媒層と、上記第１の壁
を介して上記改質触媒層と相対して設けられ、加熱流体
が流通する加熱流体流路部と、上記中間壁と上記第２の
壁との間に形成され、上記第１のガス流路部を流通した
後の上記反応ガスが他端側から導入され、一端側から流
出される第２のガス流路部と、上記第１および第２の壁
の他端側に接合され、上記第１のガス流路部と上記第２
のガス流路部とを連通し、上記第１のガス流路部から流
出した上記反応ガスを反転して上記第２のガス流路部に
流入させるガス連通部を構成する端部フタとを有する改
質反応器を備えた燃料改質装置において、上記端部フタ
が、上記第１のガス流路部から流出する上記反応ガスお
よび上記加熱流体流路部を流通する上記加熱流体から熱
的に隔離されているものである。

【００１３】また、第１の断熱材が上記第１のガス流路
部から流出する上記反応ガスに対して上記端部フタを遮
蔽するように上記ガス連通部内に配設され、かつ、第２
の断熱材が上記加熱流体に対して上記端部フタを遮蔽す
るように配設されているものである。

【００１４】また、反応ガスの流通空間を区画する第１
および第２の壁と、上記第１および第２の壁の間に配置
された中間壁と、上記第１の壁と上記中間壁との間に形
成され、上記反応ガスが一端側から導入され、他端側に
流出される第１のガス流路部と、上記第１のガス流路部
内に改質触媒が保持されて構成された改質触媒層と、上
記第１の壁を介して上記改質触媒層と相対して設けら
れ、加熱流体が流通する加熱流体流路部と、上記中間壁
と上記第２の壁との間に形成され、上記第１のガス流路
部を流通した後の上記反応ガスが他端側から導入され、
一端側から流出される第２のガス流路部と、上記第１お
よび第２の壁の他端側に接合され、上記第１のガス流路
部と上記第２のガス流路部とを連通し、上記第１のガス
流路部から流出した上記反応ガスを反転して上記第２の
ガス流路部に流入させるガス連通部を構成する端部フタ
とを有する改質反応器を備えた燃料改質装置において、
上記端部フタを冷却する冷却構造を有するものである。

【００１５】また、上記端部フタが、上記第１のガス流
路部から流出する上記反応ガスおよび上記加熱流体流路
部を流通する上記加熱流体の少なくとも一方から熱的に
隔離されているものである。

【００１６】また、上記第１のガス流路部から流出する
上記反応ガスに対して上記端部フタを遮蔽するように上
記ガス連通部内に配設された第１の断熱材、および、上
記加熱流体に対して上記端部フタを遮蔽するように配設
された第２の断熱材の少なくとも一方を有するものであ
る。

【００１７】また、上記第１および第２の壁が上記中間
壁に対して上記端部フタの設置方向に延伸され、上記端
部フタが上記第１および第２の壁の延伸部に接合されて
いるものである。

【００１８】また、上記第１のガス流路部から流出する
上記反応ガスの上記端部フタ側への流入を遮蔽する仕切
り板が上記ガス連通部に配設されているものである。

【００１９】また、上記第１の壁の上記端部フタとの接
合部と上記第１のガス流路部の他端部との間に位置する
上記第１の壁の延伸部に肉薄部が形成されているもので
ある。

【００２０】また、上記仕切り板は上記第１および第２
の壁の熱膨張差に起因する熱応力を受けないように上記
ガス連通部内に保持されているものである。

【００２１】また、上記冷却構造は、上記端部フタの反
改質触媒層側に密接して配置された冷却部と、該冷却部
内を流通する冷却流体とを有するものである。

【００２２】また、上記冷却部は、上記端部フタの反改
質触媒層側の端面に沿って流れる上記冷却流体の流路
と、上記第１の壁の上記端部フタとの接合部と上記第１
のガス流路部の他端部との間に位置する上記第１の壁の
延伸部の上記加熱流体流路部側の壁面に沿って流れる上
記冷却流体の流路とを有するものである。

【００２３】また、燃焼装置を備え、上記加熱流体が該
燃焼装置から排出される燃焼ガスであり、上記冷却流体
が該燃焼装置に供給される空気および燃料ガスの少なく
とも一方である。

【００２４】また、上記冷却流体は空気であり、該空気
が上記冷却部を流通後上記加熱流体に合流するよう構成
されているものである。

【００２５】また、上記冷却流体は水であり、該水を上
記冷却部を流通させて得られるスチームが上記反応ガス
として上記改質触媒層に供給されるものである。

【００２６】また、上記第１の断熱材は、９０％以上の
アルミナ繊維含有バルク材である。

【００２７】また、上記第１の断熱材は、２０％以上の
アルミナ繊維含有バルク材を、６００℃以上の温度で一
回以上加熱処理したものである。

【００２８】また、上記第１の壁、上記第２の壁および
上記中間壁は同心円状に配置された円筒形状に作製され
ているものである。

【００２９】また、上記第１の壁、上記第２の壁および
上記中間壁は平板形状に作製されているものである。

【００３０】また、上記第２のガス流路部に触媒層を設
け、上記第１のガス流路部に設けた上記改質触媒層を通
過した上記反応ガスが、該触媒層を流通することにより
第２の反応を進行させるものである。

【００３１】また、上記触媒層は、上記第２のガス流路
部に保持されたＣＯを低減させる触媒で構成されている
ものである。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係る燃
料改質装置の要部の構成を示す断面図である。

【００３３】図１において、第１の壁としての円筒状の
内管３、内管３より大径の中間壁としての円筒状の中間
管５および中間管５より大径の第２の壁としての外管４
が同心状に配置されている。なお、内管３および外管４
の他端部は、中間管５の他端部から軸方向外方に同一長
さ延伸されている。原料ガス１（反応ガス）が導入・流
通する環状の第１のガス流路部６が、内管３と中間管５
との間に構成され、改質触媒１１が第１のガス流路部６
内に充填されて改質触媒層７を構成している。また、原
料ガス１が改質触媒層７を流通することにより改質反応
が行われて生成された改質ガス２（反応ガス）が流通す
る環状の第２のガス流路部８が、中間管５と外管４との
間に構成されている。また、断面コ字状のリング状の端
部フタ９が、内管３と外管４との他端部に溶接等により
接合されて取り付けられ、第１のガス流路部６と第２の
ガス流路部８とを連通するガス連通部１０を構成してい
る。このガス連通部１０は、改質触媒層７から流出する
改質ガス２を反転させて第２のガス流路部８に流入さ
せ、第２のガス流路部８内を原料ガス１の流通方向と逆
方向に流通させる。また、複数のガス流通孔が形成され
た受け皿１２が、第１のガス流路部６の他端側に配置さ
れ、改質触媒１１を保持するようになっている。さら
に、第２の断熱材としての環状の端部フタ用保護断熱材
１３が端部フタ９を囲繞するように取り付けられ、第１
の断熱材としての環状の断熱材１４が端部フタ９を改質
ガス２に対して遮蔽するようにガス連通部１０内に配置
されている。なお、端部フタ用保護断熱材１３は、少な
くとも内管３の改質触媒層７の出口部位置より軸方向一
端側の内壁面を露出するように配置されている。

【００３４】この実施の形態１による燃料改質装置は、
燃焼装置（図示せず）より供給される加熱源である燃焼
ガス（加熱流体）１５がこのように構成された改質反応
器１００の内管３内に形成された加熱流体流路部１６を
流通するように構成されている。なお、加熱流体流路部
１６は、断熱性を有する部材からなる円柱状の流路形成
部材１７が内管３内に同軸に挿入され、内管３と流路形
成部材１７との間に形成された環状の流路である。

【００３５】つぎに、この実施の形態１による動作につ
いて説明する。まず、改質反応の熱源としての燃焼ガス
１５（１０００℃程度）が、燃料改質装置の一部として
設けられた燃焼装置より供給され、内管３内の加熱流体
流路部１６内を流通している。これにより、改質触媒層
７が内管３を介して燃焼ガス１５と熱交換し、加熱され
る。そこで、例えば炭化水素系ガスと水蒸気とからなる
原料ガス１が、例えば４００℃程度に予熱された後、改
質反応器１００の一端側から第１のガス流路部６内に導
入される。そして、原料ガス１は、第１のガス流路部６
内に配置された改質触媒層７内を流通し、改質触媒１１
と接触する。ここで、原料ガス１は、改質触媒１１の働
きにより水蒸気改質反応を生じ、H₂、CO、CO₂等の混合
ガス、即ち水素リッチな改質ガスとなる。この改質反応
により生成された７００℃程度の改質ガス２は、受け皿
１２のガス流通孔を通過してガス連通部１０内に流出す
る。そして、改質ガス２は、ガス連通部１０により流れ
を反転されて第２のガス流路部８内に流入し、その第２
のガス流路部８内を原料ガス１の流通方向とは逆方向に
流通する。改質ガス２が第２のガス流路部８を流通する
過程で、改質ガス２と中間管５との間で熱交換が行わ
れ、改質ガス２の顕熱が中間管５を経て改質触媒層７に
回収された後、改質ガス２は改質反応器１００の一端側
から系外に排出される。この時、内管３の中で改質触媒
層７の出口隣接部分が最も高温（８００℃程度）になっ
ている。

【００３６】この実施の形態１では、内管３および外管
４の他端側が中間管５の他端部から軸方向外方（端部フ
タ９側）に延伸されているので、最も高温となっている
内管３の改質触媒層７の出口隣接部分と端部フタ９との
距離が、従来装置に比べて、内管３の延伸分長くなって
いる。そこで、内管３の改質触媒層７の出口隣接部分の
熱が内管３の他端部を介して端部フタ９に伝達しにくく
なり、内管３の改質触媒層７の出口隣接部分の熱に起因
する端部フタ９の温度上昇が抑えられる。また、端部フ
タ保護用断熱材１３が端部フタ９を囲繞するように取り
付けられているので、端部フタ９が燃焼ガス１５から熱
的に隔離され、燃焼ガス１５から端部フタ９への熱移動
が抑えられる。その結果、端部フタ９の温度を従来装置
に比べて低温にすることができる。

【００３７】さらに、断熱材１４が端部フタ９を改質ガ
ス２に対して遮蔽するようにガス連通部１０内に配置さ
れているので、端部フタ９が改質ガス２から熱的に隔離
され、７００℃程度に加熱された改質ガス２から端部フ
タ９への熱移動が効果的に防止される。これにより、改
質ガス２が端部フタ９に直接吹き付けられなくなり、端
部フタ９の温度を７００℃より低温にすることができ
る。また、改質ガス２の熱が内管３および外管４と端部
フタ９との接合部に伝わりにくくなり、該接合部の低温
化が図られる。そこで、改質反応器１００の管材および
端部フタ材に汎用のステンレス３１６材を用いても、内
管３と外管４との熱膨張差に起因する熱応力に対して十
分な耐性が得られ、安価な長寿命化の燃料改質装置を実
現できる。

【００３８】ここで、断熱材１４としては、例えばシリ
カが主成分で、アルミナ繊維を２０％以上とし、バイン
ダが混入されているバルク材を用いることができる。こ
のバルク材においては、アルミナ繊維の含有量が２０〜
９０％であると、シリカが高温下で焼結する性質を有し
ているので、高温動作温度で粉化が進行し、シリカ粉が
飛散し、バインダも熱分解して飛散し、改質触媒が被毒
したり、ガス流路が閉塞する恐れがある。そこで、バル
ク材を６００℃以上の温度で加熱処理を施して飛散する
要因物質を除去して使用することが望ましい。また、ア
ルミナ繊維の含有量が９０％以上であれば、アルミナ単
体の持つ結合力の強さによって飛散が防止されるので、
上述の加熱処理が不要となる。一方、端部フタ用保護断
熱材１３は、改質反応器の外側に配置されていることか
ら改質触媒の被毒防止等を配慮する必要はなく、汎用の
断熱材、例えばセラミック系、シリカ系、ケイ酸カルシ
ウム系等の素材のものを用いることができる。

【００３９】なお、上記実施の形態１では、第１のガス
流路部６のガスの流れと加熱流体流路部１６のガスの流
れとが対向流であるものとして説明しているが、第１の
ガス流路部６のガスの流れおよび加熱流体流路部１６の
ガスの流れはこれに限定されるものではなく、ガスの流
れ方向は任意である。

【００４０】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２に係る燃料改質装置の要部の構成を示す断面図、図
３は発明の実施の形態２に係る燃料改質装置における端
部フタおよびその周辺部の温度測定位置を示す模式図で
ある。この実施の形態２では、図２に示されるように、
断熱材１４の厚みを５０ｍｍとし、断熱材１４の厚みを
厚くした分内管３および外管４の延伸長さを長くしてい
る。ここで、断熱材１４の厚みｈ＝５０ｍｍは、伝熱計
算によって端部フタ９の温度が６００℃以下となるよう
に算出されたものである。なお、他の構成は上記実施の
形態１と同様に構成されている。

【００４１】この実施の形態２による燃料改質装置を動
作させ、図３に示される端部フタ９の各部の温度を測定
したところ、表２に示される結果が得られた。図３にお
けるＡは内管３の改質触媒層７の出口隣接部分、Ｂは内
管３と端部フタ９との接合部、Ｃは外管４と端部フタ９
との接合部である。この表２から、端部フタ９を６００
℃以下の温度で動作させられることが確認された。これ
は、断熱材１４の厚みを厚くすることで、改質ガス２か
ら端部フタ９への熱移動が抑えられることに加え、断熱
材１４の厚みを厚くする分内管３および外管４の延伸長
さも長くなることで、内管３の改質触媒層７の出口隣接
部分から端部フタ９への熱移動が抑えられることによる
もの、と推測される。このように、断熱材１４の厚みを
５０ｍｍ以上とすることで、改質反応器の管材および端
部フタ材に汎用のステンレス３１６材を用いても、内管
３と外管４との熱膨張差に起因する熱応力に対して優れ
た耐性が得られ、さらに長寿命の燃料改質装置を実現で
きる。また、この場合、断熱材１４の厚みを伝熱計算に
よって適切に設定することによって、放熱による改質ガ
ス２の熱損失を低減できる。

【００４２】

【表２】

【００４３】実施の形態３．図４は本発明の実施の形態
３に係る燃料改質装置の要部の構成を示す断面図であ
る。図４において、ステンレス材で作製された平板リン
グ状の仕切り板１８が、その内周部を部分的あるいは全
面的に内管３の外周面（ガス連通部に面する壁面）に溶
接等により接合されて、端部フタ９を改質ガス２に対し
て遮蔽するようにガス連通部１０内に配置されている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されて
いる。

【００４４】この実施の形態３においても、第１のガス
流路部６から流出した７００℃程度の改質ガス２が仕切
り板１８に遮られて端部フタ９に直接吹き付けられな
い。そこで、端部フタ９が改質ガス２から熱的に隔離さ
れ、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。また、
断熱材１４に代えて仕切り板１８を用いているので、上
記実施の形態２に比べて低価格化が図られる。また、仕
切り板１８がその内周部を部分的あるいは全面的に内管
３の外周面に溶接等により接合されているので、仕切り
板１８には内管３と外管４との温度差に起因する熱応力
がかからない。そこで、仕切り板１８が改質ガス２によ
り加熱されても、仕切り板１８が内管３から外れること
もない。

【００４５】なお、上記実施の形態３では、仕切り板１
８を平板リング状に形成するものとしているが、仕切り
板１８の形状はこれに限定されるものではなく、例えば
台状（断面コ字状）、箱状、片脚の伸びたもの（断面Ｌ
字状）等のリング状体でもよい。また、上記実施の形態
３では、断熱材１４が省略されているものとして説明し
ているが、仕切り板１８と端部フタ９との間に断熱材１
４を配設してもよいことは言うまでもないことである。

【００４６】実施の形態４．図５はこの発明の実施の形
態４に係る燃料改質装置の要部の構成を示す断面図であ
る。この実施の形態４では、内管３Ａおよび外管４Ａの
端部フタ９方向に延伸された延伸部に薄肉部３ａ、４ａ
を形成している。なお、他の構成は上記実施の形態２と
同様に構成されている。

【００４７】この実施の形態４によれば、内管３Ａの延
伸部に肉薄部３ａが形成されているので、最も高温とな
っている内管３Ａの改質触媒層７の出口隣接部分から端
部フタ９への熱伝導経路の断面積が薄肉部３ａで縮小さ
れ、熱伝導が抑えられ、端部フタ９の低温化が図られ
る。さらに、外管４Ａの延伸部に肉薄部４ａが形成され
ているので、外管４Ａから端部フタ９への熱伝導経路の
断面積が薄肉部４ａで縮小され、熱伝導が抑えられ、端
部フタ９の低温化が図られる。なお、この実施の形態４
では、内管３Ａおよび外管４Ａの延伸部に肉薄部３ａ、
４ａが形成されているものとしているが、肉薄部は内管
および外管の両延伸部に形成する必要はなく、少なくと
も内管３Ａの延伸部に形成すればよい。

【００４８】実施の形態５．図６はこの発明の実施の形
態５に係る燃料改質装置の要部の構成を示す断面図であ
る。この実施の形態５では、図６に示されるように、ス
テンレス材を断面コ字状（キャップ状）のリング状体に
作製された仕切り板１８Ａが部分的あるいは全面的に内
管３の外周面に溶接等により接合されて、端部フタ９を
改質ガス２に対して遮蔽するようにガス連通部１０内に
配置され、断熱材１４が仕切り板１８Ａと端部フタ９と
の間に配設されている。なお、他の構成は上記実施の形
態２と同様に構成されている。

【００４９】この実施の形態５によれば、改質ガス２が
仕切り板１８Ａにより端部フタ９に吹き付けられること
が阻止され、かつ、仕切り板１８Ａと端部フタ９との間
の断熱性が断熱材１４により向上されるので、端部フタ
９の動作温度のさらなる低温化が図られる。また、断熱
材１４に含有される不純物（例えばイオウ、Ｓｉ等の成
分）および粉体の飛散が仕切り板１８Ａにより防止さ
れ、改質触媒への悪影響およびガス流路の閉塞が防止さ
れる。さらに、仕切り板１８Ａは、部分的あるいは全面
的に内管３にのみ接合されているので、内管３、外管４
ならびに端部フタ９の熱膨張の影響を受けず、仕切り板
１８Ａによって新たな応力は発生しない。

【００５０】なお、この実施の形態５では、仕切り板１
８として、断面コ字状のリング状体のものを示したが、
これに限定されるものではなく、例えば、平板状、箱
形、断面Ｌ字状等のリング状体であってもよい。

【００５１】実施の形態６．図７はこの発明の実施の形
態６に係る燃料改質装置の要部の構成を示す断面図であ
る。図７において、冷却部としての空気供給室２０は、
内管３と外管４との間隔（管材の厚みを含む）と同等の
幅を有する断面矩形の中空リング状体に作製され、端部
フタ９の端面に密接して配置され、端部フタ用保護断熱
材１３により囲繞されて取り付けられている。この空気
供給室２０は、空気供給系統２１から供給される冷却流
体としての空気２２を導入する吸気孔２０ａが外周壁面
の端部フタ９側に穿設され、排気孔２０ｂがその反端部
フタ側（軸方向外方）から内周側に延出する円盤状のフ
ランジ部に、孔方向を改質反応器の軸心に向けて、周方
向に等角ピッチで複数穿設されている。そして、排気孔
２０ｂから排気される空気２２が、空気供給室２０の内
周側の軸心位置に配置されている燃焼装置１９の燃焼部
に供給されるようになっている。なお、上記構成に加え
て、ガス連通部１０に断熱材１４が配設されていない点
を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

【００５２】この実施の形態６では、空気供給系統２１
から吸気孔２０ａを介して空気供給室２０に供給された
空気２２は、空気供給室２０にて端部フタ９との間で熱
交換して、端部フタ９を冷却するとともに、自身は予熱
される。そして、予熱された空気２２は、排気孔２０ｂ
から排出され、主燃焼空気として燃焼用燃料系統２３か
ら供給される燃料ガスと合流し、燃焼装置１９にて燃焼
される。

【００５３】このように、この実施の形態６によれば、
端部フタ９ならびにその近傍が空気供給室２０内に導入
された空気２２によって冷却されるので、端部フタ９の
低温化が図れる。ここで、この実施の形態６による燃料
改質装置における材料各部の温度測定結果を表３に示
す。表３から、端部フタ９の近傍を６００℃よりもさら
に低温度で動作させることができることが分かる。従っ
て、改質反応器の管材および端部フタ材に汎用のステン
レス３１６材を用いても、内管３と外管４との熱膨張差
に起因する熱応力に対して優れた耐性が得られ、安価な
長寿命化の燃料改質装置を実現できる。

【００５４】

【表３】

【００５５】なお、この実施の形態６では、改質反応器
と別体の空気供給室２０を端部フタ９の端面に隣接する
ように配設するものとしているが、空気供給室２０はこ
の構成に限定されるものではなく、例えば内管３および
外管４をさらに延伸させ、内管３および外管４の端部間
を塞口して、端部フタ９、内管３および外管４に囲まれ
た空間を空気供給室とし、空気供給室を改質反応器と一
体に構成してもよい。また、内管３および外管４の何れ
か一方を端部フタ９との接合部位置より長く延伸させ、
この延伸部を利用して空気供給室を構成するようにして
もよい。また、空気供給室２０と端部フタ９との間に断
熱材を挟み込んでもよい。つまり、空気供給室２０内に
導入される空気２２の温度が著しく低温であると、端部
フタ９の径方向（改質反応器の軸心に対して直交する方
向）に大きな温度勾配が形成され、この温度勾配によっ
て熱応力が生じてしまう。しかし、空気供給室２０と端
部フタ９との間に介装された断熱材が、低温の空気２２
に起因して端部フタ９に形成される温度勾配を緩和させ
るように作用し、温度勾配による熱応力の影響を抑える
ことができる。また、上記実施の形態６では、上記実施
の形態１の改質反応器に空気供給室２０を設けるものと
しているが、上記実施の形態２〜５に適用しても、同様
の効果が得られる。

【００５６】実施の形態７．図８はこの発明の実施の形
態７に係る燃料改質装置の要部の構成を示す断面図であ
る。図８において、冷却部としての空気供給室２０Ａ
は、内管３と外管４との間隔（管材の厚みを含む）と同
等の幅を有する断面Ｌ字状の中空リング状体に作製さ
れ、端部フタ９の端面に密接して配置されている。この
空気供給室２０Ａは、空気供給系統２１から供給される
空気２２を導入する吸気孔２０ａが外周壁面の端部フタ
９側に穿設され、排気孔２０ｂがその反端部フタ側（軸
方向外方）から内周側に延出する円盤状のフランジ部
に、孔方向を改質反応器の軸心に向けて、周方向に等角
ピッチで複数穿設され、排気孔２０ｃが内周壁面の端部
フタ側に穿設されている。また、冷却部としての燃料供
給室２４は、断面Ｌ字状の中空リング状体に作製され、
空気供給室２０Ａの反端部フタ側に密接して配置されて
いる。この燃料供給室２４は、燃料供給系統２３から供
給される燃料ガス２５を導入する吸気孔２４ａが外周壁
面の端部フタ９側に穿設され、排出孔２４ｂがその反端
部フタ側（軸方向外方）から内周側に延出する円盤状の
フランジ部に、孔方向を改質反応器の軸心に向けて、周
方向に等角ピッチで複数穿設されている。そして、燃焼
装置１９が燃料供給室２４のフランジ部に連結されて軸
心位置に配置され、燃料ガス２５が排出孔２４ｂを介し
て燃焼装置１９に供給されるようになっている。また、
空気２２が排気孔２０ｂを介して燃焼装置１９の燃焼部
に供給されるようになっている。

【００５７】また、端部フタ用保護断熱材１３が空気供
給室２０Ａおよび燃料供給室２４を囲繞し、かつ、少な
くとも内管３の改質触媒層７の出口部位置より軸方向一
端側の内壁面を露出するように配設されている。そし
て、空気流路２６が内管３の延伸部および端部フタ９と
内管３との接合部の壁面に沿うように端部フタ用保護断
熱材１３に形成され、その一端が排気孔２０ｃに連結さ
れ、他端（排気孔２６ａ）が加熱流体流路部１６に連結
されている。また、断熱材１４が端部フタ９を改質ガス
２に対して遮蔽するようにガス連通部１０内に配置され
ている。さらに、ステンレス材で作製された断面Ｌ字状
のリング状の仕切り板１８Ｂが、その内周部を部分的あ
るいは全面的に内管３の外周面に溶接等により接合され
て、断熱材１４を改質ガス２に対して遮蔽するようにガ
ス連通部１０内に配置されている。なお、他の構成は上
記実施の形態２と同様に構成されている。

【００５８】この実施の形態７では、空気供給系統２１
から供給される空気２２は吸気孔２０ａから空気供給室
２０Ａ内に導入され、端部フタ９の端面に沿って流通し
ながら端部フタ９との間で熱交換し、端部フタ９を冷却
しながら、自身は予熱される。そして、予熱された空気
２２は、主燃焼空気と冷却空気とに分岐され、その主燃
焼空気は排気孔２０ｂから燃焼装置１９の燃焼部に供給
される。一方、分岐された冷却空気は排気孔２０ｃから
空気流路２６に導入され、端部フタ９および内管３の壁
面に沿って流れ、端部フタ９および内管３との間で熱交
換し、端部フタ９および内管３を冷却した後、排気孔２
６ａから加熱流体流通部１６内に排出される。そして、
空気２２は予熱されて燃焼ガス１５に合流し、内管３の
加熱に供せられる。また、燃焼用燃料系統２３から供給
される燃料ガス２５は、吸気孔２４ａを介して燃料供給
室２４に導入され、空気供給室２０Ａの外壁面に沿って
流れ、端部フタ９を間接的に冷却しながら、自身は予熱
される。この予熱された燃料ガス２５は排出孔２４ｂか
ら燃焼装置１９に供給される。

【００５９】この実施の形態７によれば、空気供給室２
０Ａおよび燃料供給室２４が端部フタ９の端面に密接し
て配設され、空気供給室２０Ａおよび燃料供給室２４に
導入された空気２２および燃料ガス２５が端部フタ９と
の間で熱交換するように構成されているので、端部フタ
９およびその周辺部をより効果的に冷却できる。また、
空気供給室２０Ａおよび燃料供給室２４に導入された空
気２２および燃料ガス２５を燃焼装置１９およびその燃
焼部に供給するようにしているので、燃焼空気および燃
料ガスの予熱が行える。また、空気流路２６が内管３の
延伸部および端部フタ９と内管３との接合部の壁面に沿
うように形成され、空気供給室２０Ａ内に導入された空
気の一部が冷却空気として空気流路２６を流通するよう
にしているので、燃焼ガス１５から内管３の延伸部およ
び端部フタ９への熱移動を抑制することができる。さら
に、断熱材１４ならびに仕切り板１８Ｂがガス連通部１
０内に配設されているので、改質ガス２から端部フタ９
への熱移動を抑制することができる。

【００６０】ここで、この実施の形態７による燃料改質
装置を動作させ、改質反応器の各部の温度を測定した結
果を表４に示す。なお、断熱材１４の厚みは５０ｍｍで
ある。表４から、この実施の形態７によれば、端部フタ
９近傍の温度を６００℃よりも十分余裕を持って低温度
で動作させることができる。

【００６１】

【表４】

【００６２】なお、この実施の形態７では、空気供給室
２０Ａおよび燃料供給室２４を端部フタ９の外部に隣接
するように配設するものとしているが、例えば内管３お
よび外管４をさらに延伸させ、内管３および外管４の端
部間を塞口して、端部フタ９、内管３および外管４に囲
まれた空間を空気供給室および燃料供給室として、改質
反応器と一体に構成してもよい。また、内管３および外
管４の何れか一方を端部フタ９との接合部位置より長く
延伸させ、この延伸部を利用して空気供給室および燃料
供給室を構成するようにしてもよい。また、上記実施の
形態７では、空気流路２６を流通した冷却空気を燃焼ガ
ス１５に単に合流させるものとしているが、該冷却空気
を燃焼の補助燃焼用空気として用いてもよい。また、上
記実施の形態７では、断面Ｌ字状のリング状の仕切り板
１８Ｂを断熱材１４に接するように配設するものとして
いるが、仕切り板の形状はこれに限定されるものではな
く、あるいは仕切り板を省略してもよい。また、上記実
施の形態７では、上記実施の形態２の改質反応器に空気
供給室２０Ａおよび燃料供給室２４を設けるものとして
いるが、上記実施の形態１、３〜５に適用しても、同様
の効果が得られる。

【００６３】実施の形態８．図９はこの発明の実施の形
態８に係る燃料改質装置の要部の構成を示す断面図であ
る。図９において、冷却流体である水の流通配管２７が
端部フタ用保護断熱材１３に埋設されて、冷却部を構成
している。また、ガス連通部１０には断熱材１４が配設
されていない。なお、他の構成は上記実施の形態１と同
様に構成されている。

【００６４】この実施の形態８では、水が流通配管２７
に流通され、端部フタ９を冷却した後、自身は予熱され
て排出される。そして、水は、予熱されてスチームとな
り、原料ガス１に供給されて、改質反応に利用される。
従って、この実施の形態８によれば、端部フタ９が効果
的に冷却され、端部フタ９近傍の温度を６００℃よりも
さらに低温度で動作させることができる。

【００６５】なお、上記実施の形態８では、冷却流体と
して水を用いるものとしているが、冷却流体は水に限定
されるものではなく、例えば他の冷媒体を用いてもよ
い。また、上記実施の形態８では、上記実施の形態１の
改質反応器に水の流通配管２７を設けるものとしている
が、上記実施の形態２〜５に適用しても、同様の効果が
得られる。

【００６６】実施の形態９．上記実施の形態５では、空
気供給室２０を端部フタ９の外側に密接させて配置し、
端部フタ９を冷却して予熱された空気２２を単に排気孔
２０ｂから燃焼装置１９の燃焼部に供給するものとして
いるが、この実施の形態９では、空気供給室２０Ｂは、
図１０に示されるように、端部フタ９を冷却して予熱さ
れた空気２２が、排気孔２０ｃを通って空気流路２６を
流通した後、排気孔２０ｂから燃焼装置１９の燃焼部に
供給するように構成されている。また、断熱材１４およ
び仕切り板１８Ｂが改質ガス２から端部フタ９を熱的に
隔離するようにガス連通部１０に配設されている。

【００６７】この実施の形態９では、空気供給室２０Ｂ
に導入された空気２２が端部フタ９に沿って流れ、端部
フタ９との間で熱交換し、端部フタ９を冷却しつつ自身
が予熱される。そして、予熱された空気２２は空気流路
２６を流通し、端部フタ９と内管３との接合部および内
管３の延伸部に沿って流れ、端部フタ９と内管３との接
合部および内管３の延伸部との間で熱交換し、端部フタ
９と内管３との接合部および内管３の延伸部を冷却しつ
つ自身が予熱される。その後、空気２２は排気孔２０ｂ
から燃焼装置１９の燃焼部に供給される。これによっ
て、燃焼空気の予熱が行えるとともに、燃焼ガス１５か
らの熱移動も防止することで、端部フタ９およびその周
辺部をより効果的に冷却することができる。さらに、ガ
ス連通部１０の内部に配設された断熱材１４および仕切
り板１８Ｂにより、改質ガス２から端部フタ９への熱移
動が抑えられる。従って、この実施の形態９によれば、
上記実施の形態５に比べて、端部フタ９の温度をさらに
下げることができる。

【００６８】実施の形態１０．上記実施の形態９では、
空気供給室２０Ｂは、端部フタ９を冷却して予熱された
空気２２が、空気流路２６を流通した後、排気孔２０ｂ
から燃焼装置１９の燃焼部に供給するように構成されて
いるものとしているが、この実施の形態１０では、空気
供給室２０Ｃは、図１１に示されるように、端部フタ９
を冷却して予熱された空気２２が、排気孔２０ｃを通っ
て空気流路２６を流通した後、排気孔２６ａから排出さ
れて燃焼ガス１５に合流するように構成されている。従
って、この実施の形態１０においても、上記実施の形態
９と同様の効果が得られる。

【００６９】実施の形態１１．上記実施の形態５では、
空気供給室２０を端部フタ９の外側に密接させて配置
し、端部フタ９を冷却して予熱された空気２２を単に排
気孔２０ｂから燃焼装置１９の燃焼部に供給するものと
しているが、この実施の形態１１では、空気供給室２０
Ｄは、図１２に示されるように、端部フタ９を冷却して
予熱された空気２２を、主燃料空気と冷却空気とに分岐
し、主燃料空気を排気孔２０ｂから燃焼装置１９の燃焼
部に供給し、かつ、冷却空気を排気孔２０ｃから排出さ
せて燃焼ガス１５に合流するように構成されている。

【００７０】この実施の形態１１では、空気供給室２０
Ｄに導入された空気２２は、端部フタ９に沿って流れ、
端部フタ９との間で熱交換し、端部フタ９を冷却しつ
つ、自身が予熱される。そして、予熱された空気２２
は、主燃料空気と冷却空気とに分岐され、主燃料空気が
排気孔２０ｂから燃焼装置１９に供給される。一方、冷
却空気は、排気孔２０ｃから排出され、燃焼ガス１５に
合流される。

【００７１】従って、この実施の形態１１によれば、燃
焼空気の予熱が行えるとともに、空気供給室２０Ｄを通
過する空気量が多くなり、端部フタ９およびその周辺部
をより効果的に冷却することができる。また、分岐され
た冷却空気は端部フタ９側に形成された排気孔２０ｃか
ら排気されるので、該冷却空気が火炎外周に供給される
ことになり、火炎の広がりを抑えて、燃焼を安定させる
ことができる。また、冷却空気が燃焼室内での補助燃焼
として作用もし、高い空燃比においても、不完全燃焼を
防止して燃焼ガス中の一酸化炭素発生をほぼ零まで低減
することができる。さらに、燃焼ガス１５の温度を冷却
させ、所要の温度に制御する機能を持たせることもでき
る。

【００７２】なお、上記実施の形態１１では、断熱材１
４を省略するものとして説明しているが、断熱材および
仕切り板を設けてもよく、上記実施の形態７と同様に内
管３および外管４を延伸させてもよい。

【００７３】実施の形態１２．図１３はこの発明の実施
の形態１２に係る燃料改質装置の要部の構成を示す断面
図である。図１３において、改質反応器１０１は断面長
方形の中空箱状に作製され、平板状の第１の壁３０によ
り断面長方形の短辺方向（図１３中上下方向）に反応ガ
ス流路部と加熱流体流路部１６とに画成され、反応ガス
流路部が平板状の中間壁３２により断面長方形の短辺方
向に第１のガス流路部６と第２のガス流路部８とに画成
されている。ここで、第１のガス流路部６は第１の壁３
０と中間壁３２との間に形成された断面長方形の流路で
あり、第２のガス流路部８は中間壁３２と第２の壁３１
（改質反応器の上板に相当）との間に形成された断面長
方形の流路である。さらに、加熱流体流路部１６は第１
の壁３０と改質反応器の底板３３との間に形成された断
面長方形の流路である。なお、第１の壁３０および第２
の壁３１は中間壁３２に対して他端側（図１３中左側）
に延伸されている。

【００７４】そして、第１の壁３０と第２の壁３１との
他端が塞口されている。さらに、端部フタ９が第１の壁
３０と第２の壁３１との他端側内壁面に溶接等により接
合されて取り付けられ、反応ガス流路部と空気供給室４
０とを区画するとともに、第１のガス流路部６と第２の
ガス流路部８とを連通するガス連通部１０を構成してい
る。また、改質触媒１１が第１のガス流路部６内に充填
されて改質触媒層７を構成している。また、複数のガス
流通孔が形成された受け皿１２が、第１のガス流路部６
の他端側に配置され、改質触媒１１を保持するようにな
っている。また、直方体の断熱材１４が端部フタ９を改
質ガス２に対して遮蔽するようにガス連通部１０内に配
置されている。平板状の仕切り板１８が第１の壁３０に
部分的に溶接等により取り付けられ、断熱材１４を改質
ガス２に対して遮蔽するようにガス連通部１０内に配置
されている。また、平板状の端部フタ用保護断熱材１３
が、少なくとも第１の壁３０の改質触媒層７の出口部位
置より一端側（図１３中右側）の壁面を露出するように
第１の壁３０の加熱流体流路部１６側の壁面に取り付け
られている。

【００７５】加熱流体流路部１６の他端側には、前段燃
焼触媒４２と後段燃焼触媒４３とが配置され、燃焼装置
４１を構成している。そして、空気供給室４０には、空
気供給系統２１から供給される空気２２を導入するため
の吸気孔４０ａが形成され、主燃焼空気２０ａを排出す
るための第１の排気孔４０ｂが前段燃焼触媒４２の前段
に位置するように第１の壁３０に形成され、補助燃焼空
気２０ｂを排出するための第２の排気孔４０ｃが前段燃
焼触媒４２と後段燃焼触媒４３との間に位置するように
第１の壁３０に形成されている。

【００７６】この実施の形態１２による燃料改質装置
は、燃料ガスが燃料供給系統２３から燃焼装置４１に供
給され、かつ、空気２２が空気供給室４０から燃焼装置
４１に供給され、燃焼装置４１での燃焼ガス１５がこの
ように構成された改質反応管１０１の加熱流体流路部１
６を流通するように構成されている。

【００７７】つぎに、この燃料改質装置の動作について
説明する。まず、燃料ガスが燃料供給系統２３から燃焼
装置４１に供給される。そして、空気２２が空気供給室
４０に供給され、その主燃焼空気２２ａが第１の排気孔
４０ｂから前段燃焼触媒４２の燃焼用として供給され、
補助燃焼空気２２ｂが第２の排気孔４０ｃから後段燃焼
触媒４３の燃焼用として供給される。これによる燃焼ガ
ス１５が加熱流体流路部１６内を流通している。これに
より、改質触媒層７が第１の壁３０を介して燃焼ガス１
５と熱交換し、加熱される。そこで、例えば炭化水素系
ガスと水蒸気とからなる原料ガス１が、例えば４００℃
程度に予熱された後、改質反応器１０１の一端側から第
１のガス流路部６内に導入される。そして、原料ガス１
は、第１のガス流路部６内に配置された改質触媒層７内
を流通し、改質触媒１１と接触する。ここで、原料ガス
１は、改質触媒１１の働きにより水蒸気改質反応を生
じ、水素リッチな改質ガスとなる。この改質反応により
生成された７００℃程度の改質ガス２は、受け皿１２の
ガス流通孔を通過してガス連通部１０内に流出する。そ
して、改質ガス２は、ガス連通部１０により流れを反転
されて第２のガス流路部８内に流入し、その第２のガス
流路部８内を原料ガス１の流通方向とは逆方向に流通す
る。改質ガス２が第２のガス流路部８を流通する過程
で、改質ガス２と中間壁３２との間で熱交換が行われ、
改質ガス２の顕熱が中間壁３２を経て改質触媒層７に回
収された後、改質ガス２は改質反応器１０１の一端側か
ら系外に排出される。

【００７８】この時、第１の壁３０の中で改質触媒層７
の出口隣接部分が最も高温（８００℃程度）になってい
る。また、改質ガス２は仕切り板１８および断熱材１４
により端部フタ９への吹き付けが防止されている。ま
た、空気供給系統２１から吸気孔４０ａを通って空気供
給室４０内に導入された空気２２は、端部フタ９に沿っ
て流れて端部フタ９との間で熱交換し、端部フタ９を冷
却すると共に、予熱される。予熱された空気２２は、主
燃焼空気２２ａと補助燃焼空気２２ｂとに分岐し、それ
ぞれ第１および第２の排気孔４０ｂ、４０ｃから前段燃
焼触媒４２および後段燃焼触媒４３に供給される。

【００７９】従って、この実施の形態１２においても、
燃焼空気の予熱が行えるとともに、端部フタ９およびそ
の近傍の低温化と温度条件設定を容易にする等、上記各
実施の形態と同様の効果が得られる。

【００８０】なお、この実施の形態１２では、触媒燃焼
の燃焼装置４１を用いるものとしているが、燃焼装置は
これに限定されるものではなく、ライン燃焼や他の燃焼
手段を用いてもよい。また、空気供給室４０は、端部フ
タ９、第１の壁３０および第２の壁３１により構成して
改質反応器に一体に構成するものとしているが、改質反
応器と別体の空気供給室を端部フタ９の外部に隣接する
ように取り付けてもよい。また、第１のガス流路部６お
よび第２のガス流路部８を加熱流体流路部１６の上部に
配置するように構成しているが、第１のガス流路部６お
よび第２のガス流路部８を加熱流体流路部１６の下部に
配置してもよいし、第１のガス流路部６および第２のガ
ス流路部８を加熱流体流路部１６を上下に挟むように複
数配置してもよい。

【００８１】実施の形態１３．この実施の形態１３で
は、図１４に示されるように、ＣＯ低減触媒４６を第２
のガス流路部８に充填し、第２の触媒層４５を構成して
いる。なお、他の構成は上記実施の形態１２と同様に構
成されている。

【００８２】この実施の形態１３では、ガス連通部１０
で反転して第２のガス流路部８に流入した改質ガス２
が、第２の触媒層４５を流通する。この時、第２の触媒
層４５は、触媒動作温度に適応した温度範囲に充填され
ており（例えば、３５０℃から１５０℃程度の範囲）、
１０vol％前後のＣＯガス濃度を１％以下レベル、場合
によれば１０ppmレベルまで低減させる。このＣＯ低減
反応は、発熱反応であることから、この発生した熱は、
中間壁３２を通して、第１のガス流路部６に伝達し、原
料ガス１の予熱への熱源となる。

【００８３】この実施の形態１３においても、燃焼空気
の予熱が行えるとともに、端部フタ９およびその近傍の
低温化と温度条件設定を容易にできる。また、改質ガス
２中のＣＯ濃度を低減させることができるので、別途Ｃ
Ｏ低減機能部が必要であった、例えば固体高分子型燃料
電池および燐酸型燃料電池等の場合、装置自体をコンパ
クトにでき、また原料ガスの予熱に必要な熱源も当該装
置内でまかなう事が可能となり、熱の有効利用が図れ、
熱効率が向上する。

【００８４】ここで、ＣＯ低減触媒４６は、例えばシフ
ト触媒（Ｃｕ−Ｚｎ系、貴金属系）、ＣＯ選択酸化触媒
（貴金属系）、ＣＯメタン化反応触媒（貴金属系）等を
用いることができる。このうち、シフト触媒単体では、
０．４vol%程度、シフト触媒＋ＣＯ選択酸化触媒では、
１０ppm未満、シフト触媒＋メタン化反応触媒では、２
５ppm程度まで改質ガス２中のＣＯを低減できる。な
お、上記各実施の形態において、図示されていないが、
放熱防止の断熱材が改質反応器１００、１０１の周囲に
設けられている。そして、該断熱材の形状は特定の形状
に限定されるものではなく、いかなる形状のものであっ
てもよい。

【００８５】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されているような効果を奏する。

【００８６】この発明によれば、反応ガスの流通空間を
区画する第１および第２の壁と、上記第１および第２の
壁の間に配置された中間壁と、上記第１の壁と上記中間
壁との間に形成され、上記反応ガスが一端側から導入さ
れ、他端側に流出される第１のガス流路部と、上記第１
のガス流路部内に改質触媒が保持されて構成された改質
触媒層と、上記第１の壁を介して上記改質触媒層と相対
して設けられ、加熱流体が流通する加熱流体流路部と、
上記中間壁と上記第２の壁との間に形成され、上記第１
のガス流路部を流通した後の上記反応ガスが他端側から
導入され、一端側から流出される第２のガス流路部と、
上記第１および第２の壁の他端側に接合され、上記第１
のガス流路部と上記第２のガス流路部とを連通し、上記
第１のガス流路部から流出した上記反応ガスを反転して
上記第２のガス流路部に流入させるガス連通部を構成す
る端部フタとを有する改質反応器を備えた燃料改質装置
において、上記端部フタが、上記第１のガス流路部から
流出する上記反応ガスおよび上記加熱流体流路部を流通
する上記加熱流体から熱的に隔離されている。これによ
り、ガス連通部を通過する７００℃前後の反応ガスおよ
び１０００℃前後の加熱流体から端部フタおよびその近
傍への熱移動が抑えられ、部材の低温化が図られるの
で、耐クリープ強度の高い状態で運用できる。従って、
高価な耐クリープ材を使用せずとも耐熱性に強い運転が
可能となり、装置の信頼性向上ならびにコストの低減が
図れる。

【００８７】また、第１の断熱材が上記第１のガス流路
部から流出する上記反応ガスに対して上記端部フタを遮
蔽するように上記ガス連通部内に配設され、かつ、第２
の断熱材が上記加熱流体に対して上記端部フタを遮蔽す
るように配設されているので、ガス連通部を通過する７
００℃前後の反応ガスおよび１０００℃前後の加熱流体
から端部フタおよびその近傍への熱移動を簡易な構造で
抑えることができる。そして、第１および第２の断熱材
の厚み調整等で容易にかつ効果的に低温化すること可能
である。

【００８８】また、反応ガスの流通空間を区画する第１
および第２の壁と、上記第１および第２の壁の間に配置
された中間壁と、上記第１の壁と上記中間壁との間に形
成され、上記反応ガスが一端側から導入され、他端側に
流出される第１のガス流路部と、上記第１のガス流路部
内に改質触媒が保持されて構成された改質触媒層と、上
記第１の壁を介して上記改質触媒層と相対して設けら
れ、加熱流体が流通する加熱流体流路部と、上記中間壁
と上記第２の壁との間に形成され、上記第１のガス流路
部を流通した後の上記反応ガスが他端側から導入され、
一端側から流出される第２のガス流路部と、上記第１お
よび第２の壁の他端側に接合され、上記第１のガス流路
部と上記第２のガス流路部とを連通し、上記第１のガス
流路部から流出した上記反応ガスを反転して上記第２の
ガス流路部に流入させるガス連通部を構成する端部フタ
とを有する改質反応器を備えた燃料改質装置において、
上記端部フタを冷却する冷却構造を有する。これによ
り、端部フタが冷却され、部材の低温化が図られるの
で、耐クリープ強度の高い状態で運用できる。従って、
高価な耐クリープ材を使用せずとも耐熱性に強い運転が
可能となり、装置の信頼性向上ならびにコストの低減が
図れる。

【００８９】また、上記端部フタが、上記第１のガス流
路部から流出する上記反応ガスおよび上記加熱流体流路
部を流通する上記加熱流体の少なくとも一方から熱的に
隔離されている。これにより、ガス連通部を通過する７
００℃前後の反応ガスおよび１０００℃前後の加熱流体
の少なくとも一方からの熱移動が抑えられ、部材の低温
化が図られるので、耐クリープ強度の高い状態で運用で
きる。従って、高価な耐クリープ材を使用せずとも熱サ
イクルに強く、装置の信頼性向上ならびにコストの低減
が図れる。

【００９０】また、上記第１のガス流路部から流出する
上記反応ガスに対して上記端部フタを遮蔽するように上
記ガス連通部内に配設された第１の断熱材、および、上
記加熱流体に対して上記端部フタを遮蔽するように配設
された第２の断熱材の少なくとも一方を有するので、ガ
ス連通部を通過する７００℃前後の反応ガスおよび１０
００℃前後の加熱流体の少なくとも一方から端部フタお
よびその近傍への熱移動を簡易な構造で抑えることがで
きる。そして、第１および第２の断熱材の厚み調整等で
容易にかつ効果的に低温化すること可能である。

【００９１】また、上記第１および第２の壁が上記中間
壁に対して上記端部フタの設置方向に延伸され、上記端
部フタが上記第１および第２の壁の延伸部に接合されて
いるので、第１の壁の最も高温となる部位から端部フタ
への熱移動距離が長くなり、第１の壁から端部フタへの
熱伝導が抑えられる。

【００９２】また、上記第１のガス流路部から流出する
上記反応ガスの上記端部フタ側への流入を遮蔽する仕切
り板が上記ガス連通部に配設されているので、単純な構
成で、反応ガスから端部フタへの強制的な熱伝達が抑え
られる。

【００９３】また、上記第１の壁の上記端部フタとの接
合部と上記第１のガス流路部の他端部との間に位置する
上記第１の壁の延伸部に肉薄部が形成されているので、
第１の壁の最も高温となる部位から端部フタへの熱伝導
経路中に断面積の少ない肉薄部が形成され、第１の壁か
ら端部フタへの熱伝導が抑えられる。

【００９４】また、上記仕切り板は上記第１および第２
の壁の熱膨張差に起因する熱応力を受けないように上記
ガス連通部内に保持されているので、仕切り板を設ける
ことによる新たな熱応力の発生がない。

【００９５】また、上記冷却構造は、上記端部フタの反
改質触媒層側に密接して配置された冷却部と、該冷却部
内を流通する冷却流体とを有するので、端部フタが強制
的に冷却され、部材の低温化が図られる。従って、高価
な耐クリープ材を使用せずとも耐熱性の強い装置の実現
が可能となる。

【００９６】また、上記冷却部は、上記端部フタの反改
質触媒層側の端面に沿って流れる上記冷却流体の流路
と、上記第１の壁の上記端部フタとの接合部と上記第１
のガス流路部の他端部との間に位置する上記第１の壁の
延伸部の上記加熱流体流路部側の壁面に沿って流れる上
記冷却流体の流路とを有するので、端部フタに加えて上
記第１の壁の延伸部を冷却でき、高価な耐クリープ材を
使用せずとも、熱応力による割れに対してより信頼性の
高い装置が作製可能となる。

【００９７】また、燃焼装置を備え、上記加熱流体が該
燃焼装置から排出される燃焼ガスであり、上記冷却流体
が該燃焼装置に供給される空気および燃料ガスの少なく
とも一方である。これにより、空気や燃料ガスが端部フ
タを冷却することで予熱されるので、熱を燃焼ガスに回
収することが可能となり、改質器効率のよい装置の実現
が可能となる。

【００９８】また、上記冷却流体は空気であり、該空気
が上記冷却部を流通後上記加熱流体に合流するよう構成
されているので、端部を冷却することで予熱された空気
が加熱流体の温度調節用に使用でき、改質温度を容易に
制御することができる。これにより、熱効率のよい装置
の実現化可能となる。

【００９９】また、上記冷却流体は水であり、該水を上
記冷却部を流通させて得られるスチームが上記反応ガス
として上記改質触媒層に供給されるので、スチーム発生
機構が簡易もしくは不要となり、効率のよい装置の実現
化可能となる。

【０１００】また、上記第１の断熱材は、９０％以上の
アルミナ繊維含有バルク材であるので、改質触媒の被毒
や第１および第２のガス流路部の閉塞の発生が抑えられ
る。

【０１０１】また、上記第１の断熱材は、２０％以上の
アルミナ繊維含有バルク材を、６００℃以上の温度で一
回以上加熱処理したので、一般的に使用されている安価
な保温用断熱材を用いても、改質触媒の被毒や第１およ
び第２のガス流路部の閉塞の発生が抑えられる。

【０１０２】また、上記第１の壁、上記第２の壁および
上記中間壁は同心円状に配置された円筒形状に作製され
ているので、端部フタおよびその周辺を反応ガスもしく
は加熱流体から熱的影響を遠ざけたり、また端部フタの
冷却機構を単純に構成することができる。これにより安
価で、コンパクトな燃料改質装置を提供できる。

【０１０３】また、上記第１の壁、上記第２の壁および
上記中間壁は平板形状に作製されているので、端部フタ
およびその近傍を反応ガスもしくは加熱流体から熱的影
響を遠ざけたり、また端部フタの冷却機構を単純に構成
することができる等、同心円状円管構造と同等の効果が
得られ、さらに矩形の容器に収納し易い形状で製作可能
となる。

【０１０４】また、上記第２のガス流路部に触媒層を設
け、上記第１のガス流路部に設けた上記改質触媒層を通
過した上記反応ガスが、該触媒層を流通することにより
第２の反応を進行させるので、触媒層で、別途反応器が
必要な構成機器を設ける必要があるような場合、機器数
を減らすことでコンパクトになるという効果が得られ
る。

【０１０５】また、上記触媒層は、上記第２のガス流路
部に保持されたＣＯを低減させる触媒で構成されている
ので、ＣＯ低減反応である発熱反応を第１のガス流路部
を流通する反応ガスの予熱に使用することができ、熱効
率向上の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料改質装置
の要部の構成を示す断面図である。

【図２】この発明の実施の形態２に係る燃料改質装置
の要部の構成を示す断面図である。

【図３】この発明の実施の形態２に係る燃料改質装置
における端部フタおよびその周辺部の温度測定位置を示
す模式図である。

【図４】この発明の実施の形態３に係る燃料改質装置
の要部の構成を示す断面図である。

【図５】この発明の実施の形態４に係る燃料改質装置
の要部の構成を示す断面図である。

【図６】この発明の実施の形態５に係る燃料改質装置
の要部の構成を示す断面図である。

【図７】この発明の実施の形態６に係る燃料改質装置
の要部の構成を示す断面図である。

【図８】この発明の実施の形態７に係る燃料改質装置
の要部の構成を示す断面図である。

【図９】この発明の実施の形態８に係る燃料改質装置
の要部の構成を示す断面図である。

【図１０】この発明の実施の形態９に係る燃料改質装
置の要部の構成を示す断面図である。

【図１１】この発明の実施の形態１０に係る燃料改質
装置の要部の構成を示す断面図である。

【図１２】この発明の実施の形態１１に係る燃料改質
装置の要部の構成を示す断面図である。

【図１３】この発明の実施の形態１２に係る燃料改質
装置の要部の構成を示す断面図である。

【図１４】この発明の実施の形態１２に係る燃料改質
装置の要部の構成を示す断面図である。

【図１５】従来の燃料か異質装置の要部の構成を示す
断面図である。

【符号の説明】

１原料ガス（反応ガス）、２改質ガス（反応ガ
ス）、３、３Ａ内管（第１の壁）、３ａ肉薄部、
４、４Ａ外管（第２の壁）、５中間管（中間壁）、
６第１のガス流路部、７改質触媒層、８第２のガ
ス流路部、９端部フタ、１０ガス連通部、１１改
質触媒、１３端部フタ用保護断熱材（第２の断熱
材）、１４断熱材（第１の断熱材）、１５燃焼ガス
（加熱流体）、１６加熱流体流路部、１８、１８Ａ、１
８Ｂ仕切り板、１９、４１燃焼装置、２０、２０
Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、４０空気供給室（冷却
部）、２２空気（冷却流体）、２４燃料供給室（冷却
部）、２５燃料ガス（冷却流体）、２７水の流通配
管（冷却部）、３０第１の壁、３１第２の壁、３２
中間壁、４５触媒層、４６ＣＯ低減触媒、１０
０、１０１改質反応器。

フロントページの続き (72)発明者岡田達典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） 3K068 AA01 AB27 AB36 EA01 EA02 4G040 EA03 EA06 EB03 EB12 EB23 EB31 EB32 EB43 EB44 EB46

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応ガスの流通空間を区画する第１およ
び第２の壁と、上記第１および第２の壁の間に配置され
た中間壁と、上記第１の壁と上記中間壁との間に形成さ
れ、上記反応ガスが一端側から導入され、他端側に流出
される第１のガス流路部と、上記第１のガス流路部内に
改質触媒が保持されて構成された改質触媒層と、上記第
１の壁を介して上記改質触媒層と相対して設けられ、加
熱流体が流通する加熱流体流路部と、上記中間壁と上記
第２の壁との間に形成され、上記第１のガス流路部を流
通した後の上記反応ガスが他端側から導入され、一端側
から流出される第２のガス流路部と、上記第１および第
２の壁の他端側に接合され、上記第１のガス流路部と上
記第２のガス流路部とを連通し、上記第１のガス流路部
から流出した上記反応ガスを反転して上記第２のガス流
路部に流入させるガス連通部を構成する端部フタとを有
する改質反応器を備えた燃料改質装置において、上記端部フタが、上記第１のガス流路部から流出する上
記反応ガスおよび上記加熱流体流路部を流通する上記加
熱流体から熱的に隔離されていることを特徴とする燃料
改質装置。
【請求項２】第１の断熱材が上記第１のガス流路部か
ら流出する上記反応ガスに対して上記端部フタを遮蔽す
るように上記ガス連通部内に配設され、かつ、第２の断
熱材が上記加熱流体に対して上記端部フタを遮蔽するよ
うに配設されてい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】反応ガスの流通空間を区画する第１およ
び第２の壁と、上記第１および第２の壁の間に配置され
た中間壁と、上記第１の壁と上記中間壁との間に形成さ
れ、上記反応ガスが一端側から導入され、他端側に流出
される第１のガス流路部と、上記第１のガス流路部内に
改質触媒が保持されて構成された改質触媒層と、上記第
１の壁を介して上記改質触媒層と相対して設けられ、加
熱流体が流通する加熱流体流路部と、上記中間壁と上記
第２の壁との間に形成され、上記第１のガス流路部を流
通した後の上記反応ガスが他端側から導入され、一端側
から流出される第２のガス流路部と、上記第１および第
２の壁の他端側に接合され、上記第１のガス流路部と上
記第２のガス流路部とを連通し、上記第１のガス流路部
から流出した上記反応ガスを反転して上記第２のガス流
路部に流入させるガス連通部を構成する端部フタとを有
する改質反応器を備えた燃料改質装置において、上記端部フタを冷却する冷却構造を有することを特徴と
する燃料改質装置。
【請求項４】上記端部フタが、上記第１のガス流路部
から流出する上記反応ガスおよび上記加熱流体流路部を
流通する上記加熱流体の少なくとも一方から熱的に隔離
されていることを特徴とする請求項３記載の燃料改質装
置。
【請求項５】上記第１のガス流路部から流出する上記
反応ガスに対して上記端部フタを遮蔽するように上記ガ
ス連通部内に配設された第１の断熱材、および、上記加
熱流体に対して上記端部フタを遮蔽するように配設され
た第２の断熱材の少なくとも一方を有することを特徴と
する請求項４記載の燃料改質装置。
【請求項６】上記第１および第２の壁が上記中間壁に
対して上記端部フタの設置方向に延伸され、上記端部フ
タが上記第１および第２の壁の延伸部に接合されている
ことを特徴とする請求項１項、請求項２、請求項４およ
び請求項５のいずれかに記載の燃料改質装置。
【請求項７】上記第１のガス流路部から流出する上記
反応ガスの上記端部フタ側への流入を遮蔽する仕切り板
が上記ガス連通部に配設されていることを特徴とする請
求項６記載の燃料改質装置。
【請求項８】上記第１の壁の上記端部フタとの接合部
と上記第１のガス流路部の他端部との間に位置する上記
第１の壁の延伸部に肉薄部が形成されていることを特徴
とする請求項６記載の燃料改質装置。
【請求項９】上記仕切り板は上記第１および第２の壁
の熱膨張差に起因する熱応力を受けないように上記ガス
連通部内に保持されてい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１０】上記冷却構造は、上記端部フタの反改
質触媒層側に密接して配置された冷却部と、該冷却部内
を流通する冷却流体とを有することを特徴とする請求項
３記載の燃料改質装置。
【請求項１１】上記冷却部は、上記端部フタの反改質
触媒層側の端面に沿って流れる上記冷却流体の流路と、
上記第１の壁の上記端部フタとの接合部と上記第１のガ
ス流路部の他端部との間に位置する上記第１の壁の延伸
部の上記加熱流体流路部側の壁面に沿って流れる上記冷
却流体の流路とを有することを特徴とする請求項１０記
載の燃料改質装置。
【請求項１２】燃焼装置を備え、上記加熱流体が該燃
焼装置から排出される燃焼ガスであり、上記冷却流体が
該燃焼装置に供給される空気および燃料ガスの少なくと
も一方であることを特徴とする請求項１０又は請求項１
１記載の燃料改質装置。
【請求項１３】上記冷却流体は空気であり、該空気が
上記冷却部を流通後上記加熱流体に合流するよう構成さ
れていることを特徴とする請求項１０又は請求項１１記
載の燃料改質装置。
【請求項１４】上記冷却流体は水であり、該水を上記
冷却部を流通させて得られるスチームが上記反応ガスと
して上記改質触媒層に供給されることを特徴とする請求
項１０又は請求項１１記載の燃料改質装置。
【請求項１５】上記第１の断熱材は、９０％以上のア
ルミナ繊維含有バルク材であることを特徴とする請求項
２又は請求項５記載の燃料改質装置。
【請求項１６】上記第１の断熱材は、２０％以上のア
ルミナ繊維含有バルク材を、６００℃以上の温度で一回
以上加熱処理したものであることを特徴とする請求項２
又は請求項５記載の燃料改質装置。
【請求項１７】上記第１の壁、上記第２の壁および上
記中間壁は同心円状に配置された円筒形状に作製されて
いることを特徴とする請求項１又は請求項３記載の燃料
改質装置。
【請求項１８】上記第１の壁、上記第２の壁および上
記中間壁は平板形状に作製されていることを特徴とする
請求項１又は請求項３記載の燃料改質装置。
【請求項１９】上記第２のガス流路部に触媒層を設
け、上記第１のガス流路部に設けた上記改質触媒層を通
過した上記反応ガスが、該触媒層を流通することにより
第２の反応を進行させることを特徴とする請求項１又は
請求項３記載の燃料改質装置。
【請求項２０】上記触媒層は、上記第２のガス流路部
に保持されたＣＯを低減させる触媒で構成されているこ
とを特徴とする請求項１９記載の燃料改質装置。