JP2004059415A - 燃料改質器及び燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】高効率な燃料改質器の提供。
【解決手段】２重円筒容器２の内筒１４内に、バーナ８、燃焼筒９及び輻射筒１０を順に配置し、内筒１４と外筒１５間に中間円筒１１を配置し、燃焼筒９の周囲に水蒸気発生装置７を配置し、輻射筒１０と内筒１４間をバーナ燃焼空間３０に連通するバーナ排ガス流路２９とし、改質触媒層３を内筒１４と中間円筒１１間の第１領域２４の少なくとも一部に形成し、ＣＯ変成触媒層４を中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接させて、第１領域２４と下端部で連通する中間円筒１１と外筒１５間の第２領域２５に形成し、外筒１５の外表面にＣＯ変成触媒層４の冷却装置１２、１３を配置する。
【選択図】 図２
【解決手段】２重円筒容器２の内筒１４内に、バーナ８、燃焼筒９及び輻射筒１０を順に配置し、内筒１４と外筒１５間に中間円筒１１を配置し、燃焼筒９の周囲に水蒸気発生装置７を配置し、輻射筒１０と内筒１４間をバーナ燃焼空間３０に連通するバーナ排ガス流路２９とし、改質触媒層３を内筒１４と中間円筒１１間の第１領域２４の少なくとも一部に形成し、ＣＯ変成触媒層４を中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接させて、第１領域２４と下端部で連通する中間円筒１１と外筒１５間の第２領域２５に形成し、外筒１５の外表面にＣＯ変成触媒層４の冷却装置１２、１３を配置する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高効率な燃料改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムなどの分散電源システム（燃料から電気と熱を作るシステム）では、燃料を水素リッチなガスに改質して使用することが行われる。燃料は炭化水素を含有するものであり、例えば都市ガスやＬＰＧ（液化石油ガス）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、灯油などが使用される。以下、改質対象の燃料を改質原料と呼び、改質原料と水蒸気が混合したものを混合蒸気と呼び、改質された水素リッチなガスを改質ガスと呼ぶ。また、水蒸気の元となる水を改質原料水と呼ぶ。
【０００３】
燃料の改質は、改質原料を水蒸気と混合して触媒層に流通させ、水蒸気改質反応とＣＯ変成反応（ＣＯシフト反応とも呼ばれる）を起こさせることにより行われる。水蒸気改質反応に使用される触媒は改質触媒と呼ばれ、ＣＯ変成反応に使用される触媒はＣＯ変成触媒と呼ばれている。ＣＯ変成触媒は反応温度別に触媒種が異なり、一般に、４００°Ｃ前後の高温側で作動するＨＴＳ触媒（高温用ＣＯ変成触媒）と、２００°Ｃ前後の低温側で作動するＬＴＳ触媒（低温用ＣＯ変成触媒）がある。また、改質ガスをＰＲＯＸ触媒層に流通させて、ＣＯに対する選択酸化反応を起こさせ、燃料電池を被毒させるＣＯ（一酸化炭素）の濃度を極力下げることが行われる。ＰＲＯＸは選択酸化（ＰＲｅｆｅｒａｂｌｅ ＯＸｉｄｉｚａｔｉｏｎ）のことである。燃料改質器は分散電源システムの他、種々のシステムに使用される。
【０００４】
図１に従来の燃料改質器の構成を示す。図１に示すように、従来の燃料改質器１０１は２重の円筒容器２内に、改質触媒層３と、バーナ８と、燃焼筒９と、輻射筒１０と、中間円筒１１を備えたものである。ＣＯ変成触媒層４は燃料改質器１０１とは別のＣＯ変成器１０３に備えられている。改質触媒層３からの改質ガス３ａとＣＯ変成触媒層４からの改質ガス４ａはそれぞれ、個別に製造した熱交換器１０２、１０４で冷却される。更に、燃料改質器１０１の外部に設置した蒸発器１０５により、バーナ排ガス２８を熱源として改質原料水２６から水蒸気２２を発生させている。
【０００５】
つまり、燃料改質器１０１、熱交換器１０２、ＣＯ変成器１０３、熱交換器１０４及び蒸発器１０５はそれぞれ個別に単体で製造された後、別置きにされて、配管等で接続されている。図１中、３３はＰＲＯＸ反応器であり、ＰＲＯＸ触媒層３４を内部に備えている。３８は燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。
【０００６】
以下に、図１の構成を少し詳しく説明する。円筒容器２は内筒１４と、外筒１５と、蓋１６と、底１７を有しており、内筒１４内に、バーナ８と燃焼筒９と輻射筒１０が順に配置されている。中間円筒１１は内筒１４と外筒１５との間に配置されている。図１中、１８は改質器入口、１９は改質ガス出口、２０はバーナ排ガス出口、２１は改質原料、２２は水蒸気、２３は混合蒸気、２４は改質触媒層が形成される第１領域、２６は改質原料水、２７はバーナ火炎、２８はバーナ排ガス、２９はバーナ排ガス流路、３０はバーナ燃焼空間である。
【０００７】
改質触媒層３は改質触媒粒子を充填したものであり、内筒１４と中間円筒１１との間の領域（第１領域２４）に形成されている。改質原料２１と水蒸気２２は混合蒸気２３となって、改質器入口１８から改質触媒層３に通気される。
【０００８】
中間円筒１１と外筒１５との間の領域（第２領域２５）は空であり、単に、改質ガス流路として使用されている。この領域２５は中間円筒１１と底１７との隙間を介して、改質触媒層３が形成される領域２４と連通しており、改質ガス３ａは中間円筒１１と底１７との隙間で折り返し、改質ガス出口１９から器外に至る。
【０００９】
バーナ８は改質触媒層３を加熱するために使用されている。これは水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、この吸熱分をバーナ燃焼熱で与えるためである。輻射筒１０は改質触媒層３の加熱効率を上げるために使用される。輻射筒１０と内筒１４との間の領域はバーナ排ガス流路２９であり、輻射筒１０と底１７との隙間を介して、輻射筒１０内のバーナ燃焼空間３０と連通している。
【００１０】
蒸発器１０５は、燃料改質器１０１のバーナ排ガス出口２０から排出されるバーナ排ガスを熱源とする熱交換器として、改質器１０１とは別置きで配置されている。
【００１１】
ＣＯ変成器１０３はＣＯ変成触媒層４を内蔵しており、燃料改質器１０１からの改質ガス３ａ中のＣＯを極力水素ガスに転換する。熱交換器１０２は、例えば水との熱交換を行うことにより、燃料改質器１０１からの改質ガス３ａの温度が高温なので、ＨＴＳ触媒またはＬＴＳ触媒の適正作動温度まで下げる。
【００１２】
ＰＲＯＸ反応器３３はＰＲＯＸ触媒層３４を内蔵しており、ＣＯ変成器１０３からの改質ガス４ａ中のＣＯを選択的に酸化することで、ＣＯ濃度を下げる。熱交換器１０４は、例えば温水との熱交換を行うことにより、ＣＯ変成器１０３からの改質ガス４ａの温度がＰＲＯＸ触媒層３４の適正作動温度より高い場合に、改質ガス４ａの温度を下げるように使用される。
【００１３】
ＰＲＯＸ触媒層３４を流通した後の改質ガス３４ａは、例えば燃料電池３８の水素極（アノード）に供給される。燃料電池３８の空気極（カソード）には空気が供給され、改質ガス３４ａ中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により、発電が行われる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の燃料改質器には以下の問題がある。
（１） 個別に製造した熱交換器１０２を、燃料改質器１０１とＣＯ変成器１０３の間に配置することで、改質ガス３ａの温度をＣＯ変成触媒層４の適正作動温度まで下げているため、熱交換器１０２で改質ガス３ａの温度を下げた分の熱がロスになり、改質効率が悪かった。
（２） 同様に、個別に製造した熱交換器１０４を、ＣＯ変成器１０３とＰＲＯＸ反応器３３の間に配置することで、改質ガス４ａの温度をＰＲＯＸ触媒層３４の適正作動温度まで下げているため、熱交換器１０４で改質ガス４ａの温度を下げた分の熱がロスになり、改質効率が悪かった。
（３） 更に、ＣＯ変成反応は発熱反応であるが、ＣＯ変成器１０３に入ってくる改質ガス３ａを熱交換器１０２で冷却するだけで、ＣＯ変成器１０３自体では内部のＣＯ変成触媒層（ＨＴＳやＬＴＳ）４を冷却する機構を持たないため、なりゆきの温度分布によってＣＯ変成反応が行われていた。
（４） ＣＯ変成触媒層４で発生した熱は活用されず、ロスになっていた。言い換えれば、改質触媒層３にその吸熱分を全てバーナ８の燃焼熱で与える必要があったため、バーナ焚き込み量が多くなり、改質効率が悪かった。
（５） また更に、蒸発器１０５は改質触媒層３に吸熱分を与えた後のバーナ排ガス２８の顕熱（約４００°Ｃ）を水蒸気発生の熱源としていたため、熱交換の温度差が小さく、負荷変化時の水蒸気発生量の応答性が悪かった。また、改質原料水２６とバーナ排ガス２８との温度差が小さいため、蒸発器１０５のボイラ効率が悪かった。これらにより、蒸発器１０５自体を大きくする必要があり、システムが大型になっていた。
（５） 更に、熱交換器１０２、ＣＯ変成器１０３、熱交換器１０４及び蒸発器１０５がそれぞれ個別に製造され、燃料改質器１０１と別置きであるため、その分、装置点数が増え、システムが大型になり、コストが高くなっていた。
【００１５】
本発明は、上記従来の燃料改質器が持っている問題点に鑑みてなされたものであり、高効率な燃料改質器、並びに、この燃料改質器を用いた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１発明は上記目的を達成する燃料改質器であり、外筒及びこの外筒の内側に配置された内筒を有する２重の円筒容器と、前記内筒内に配置されたバーナと、前記内筒内で前記バーナの外側に配置された燃焼筒と、前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置された輻射筒と、前記内筒と前記外筒との間に配置された中間円筒と、前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置され、改質原料に混合される水蒸気を発生する水蒸気発生装置と、前記輻射筒と前記内筒との隙間で形成され、下端部で前記輻射筒内のバーナ燃焼空間と連通するバーナ排ガス流路と、前記内筒と前記中間円筒との隙間で形成された第１領域の少なくとも一部に形成された改質触媒層と、前記中間円筒と前記外筒との隙間で形成された領域であって、下端部で前記第１領域と連通する第２領域に形成されたＣＯ変成触媒層と、前記外筒の外表面に配置され、前記ＣＯ変成触媒層を冷却する冷却装置とを具備することを特徴とする。
【００１７】
この場合、第１発明の燃料改質器において、水蒸気発生装置として、例えば蛇管式やソレノイド管式のものなどを使用すると良い。また、冷却装置の熱交換で得た熱を有効利用して、バーナ焚き込み燃料量を低下させると良い。例えば、この冷却装置の冷却流体に改質原料水を用いて水蒸気を発生したり、あるいは、冷却流体にバーナ空気を用いてこれを温める。冷却装置で発生した水蒸気は改質原料や改質ガスに混合することができ、冷却装置で温めたバーナ空気はバーナの予混合温度上昇に利用することができる。
【００１８】
第２発明の燃料改質器は、第１発明において、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層が前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする。言い換えれば、低温用ＣＯ変成触媒層は改質触媒層と隣接させないようにしても良い。
【００１９】
第３発明の燃料改質器は、第２発明において、前記ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層が前記第２領域に形成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする。
【００２０】
この場合、無反応層は壁とガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であり、例えば、触媒活性がない粒子を充填したものでも、このような粒子は用いず単に流路幅を狭くして水力直径を小さくしたものであっても良い。要は、無反応層としては、無反応層における壁と改質ガスとの間の熱伝達を向上させるための手段であれば良く、触媒活性のない粒子の充填層あるいは流路のうちその幅が狭くなった部分などが考えられる。
【００２１】
第４発明の燃料改質器は、第１発明において、前記ＣＯ変成触媒層が低温用ＣＯ変成触媒層のみで構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層が前記第２領域に形成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする。
【００２２】
第５発明の燃料改質器は、第１発明において、前記内筒内で、前記燃焼筒内の燃焼空間に配置された輻射熱変換体を具備することを特徴とする。
【００２３】
第６発明の燃料改質器は、第１発明において、前記円筒容器の底及び半径方向の周囲を囲む真空断熱層を具備することを特徴とする。
【００２４】
第７発明の燃料改質器は、第１発明において、前記円筒容器のバーナ排ガス出口に連通するように同円筒容器に接続されたバーナ排ガスダクトを具備し、このバーナ排ガスダクトの内側に前記水蒸気発生装置の一部が配置されていることを特徴とする。
【００２５】
第８発明の燃料改質器は、第２発明において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とする。
【００２６】
第９発明の燃料改質器は、第４発明において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とする。
【００２７】
第８発明、第９発明いずれの燃料改質器においても、第１冷却装置及び第２冷却装置の熱交換で得た熱を有効利用して、バーナ焚き込み燃料量を低下させると良い。例えば、これら２つの冷却装置の冷却流体をともに改質原料水として水蒸気を発生させたり、あるいは、冷却流体をともにバーナ空気としたり、あるいは、一方の冷却装置の冷却流体を改質原料水として水蒸気を発生させ、他方の冷却装置の冷却流体をバーナ空気としたりすることができる。
【００２８】
第１０発明の燃料改質器は、第２発明において、前記中間円筒のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とする。
【００２９】
第１１発明の燃料改質器は、第２発明において、前記中間円筒のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とする。
【００３０】
第１２発明の燃料改質器は、第１発明において、前記冷却装置が、前記外筒の外表面に代えて、前記外筒内に配置されていることを特徴とする。
【００３１】
第１３発明の燃料改質器は、第１２発明において、前記冷却装置が前記外筒の外側に折り返された部分と前記中間円筒との間の領域及びこの領域に隣接する前記中間円筒と前記内筒との間の領域で構成され、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層は前記外筒の折り返された部分で構成される領域が前記中間円筒の外側に連なる中間円筒鍔部で仕切られた部分に配置され、前記高温用ＣＯ変成触媒層は前記低温用ＣＯ変成触媒層よりも上流側に配置されていることを特徴とする。
【００３２】
この場合、改質原料と水蒸気との混合蒸気に加えて、中間円筒と内筒との間に水を直接注入することにより、中間円筒を隔てて流れる高温用ＣＯ変成触媒層の出口ガスの温度が熱交換により下がる。注入した水は水蒸気となって改質触媒層へ流れ、改質反応を生じさせる。低温用ＣＯ変成触媒層は冷却装置により、冷却する。
【００３３】
また、第２領域のうち、高温用ＣＯ変成触媒層より上流の部分において流路幅を狭くして水力直径を小さくし、これを粒子のない無反応層としても良い。これにより、流路幅が狭い部分で壁と改質ガスとの間の熱伝達が向上する。
【００３４】
第１４発明は燃料電池発電システムであり、第１発明から第１３発明いずれかの燃料改質器と、ＰＲＯＸ触媒層を有し前記燃料改質器に接続されたＰＲＯＸ反応器とを機器として具備し、更に、このＰＲＯＸ反応器に接続された燃料電池を具備することを特徴とする。
【００３５】
第１５発明の燃料電池発電システムは、第１４発明において、前記ＰＲＯＸ反応器と前記燃料電池との間に接続された凝縮器を具備することを特徴とする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
［第１実施例の構成］
図２に本発明の第１実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図２に示すように、本第１実施例の燃料改質器１は、２重の円筒容器２内に、改質触媒層３と、ＣＯ変成触媒層４と、水蒸気発生装置７、バーナ８と、燃焼筒９と、輻射筒１０と、中間円筒１１を備えたものである。更に、本第１実施例では、ＣＯ変成触媒層４を、ＨＴＳ触媒層（高温用ＣＯ変成触媒層）５とＬＴＳ触媒層（低温用ＣＯ変成触媒層）６の両方で構成している。また、円筒容器２の外表面に配置する冷却装置として、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３を備えている。
【００３８】
図２において、円筒容器２は内筒１４と、外筒１５と、蓋１６と、底１７を有しており、内筒１４は外筒１５の半径方向内側に間隔を置いて同心円状に配置されている。蓋１６には、それぞれ環状に開口する改質器入口１８、改質ガス出口１９及びバーナ排ガス出口２０が設けられている。改質原料２１と水蒸気２２との混合蒸気２３は、改質器入口１８から改質触媒層３に流通する。
【００３９】
バーナ８、燃焼筒９及び輻射筒１０は、内筒１４の内側に備えられている。具体的には、燃焼筒９はバーナ８の半径方向外側に間隔を置いて同心円状に配置され、輻射筒１０は燃焼筒９の半径方向外側に間隔を置いて同心円状に配置されている。また、中間円筒１１は、内筒１４と外筒１５との間に、これらに対して半径方向に隙間を置いて配置されている。
【００４０】
バーナ８、燃焼筒９、輻射筒１０、中間円筒１１、内筒１４及び外筒１５それぞれの上端部は、蓋１６に固定され、封止されている。内筒１４及び外筒１５それぞれの下端部は底１７に固定され、封止されているが、バーナ８、燃焼筒９、輻射筒１０及び中間円筒１１それぞれの下端部は封止されず、底１７との間に隙間をおいて開放している。
【００４１】
改質触媒層３は、内筒１４と中間円筒１１との間の隙間で形成される第１領域（断面環状のドーナツ状領域）２４内のほぼ全てに形成されている。改質触媒層３は、改質器入口１８から水蒸気２２と混合して流通してくる改質原料２１を、水蒸気改質反応により改質ガス３ａに転換する。改質触媒層３としては、例えばアルミナ粒子を担体にしたＮｉ系やＲｕ系の改質触媒を充填したものが使用されている。なお、改質触媒層３は、かならずしも触媒粒子群を接着等により一体化して層状にしたものである必要はなく、上述のように、触媒粒子群を第１領域２４に単に充填しているだけのものであっても良い。
【００４２】
ＣＯ変成触媒層４は、中間円筒１１と外筒１５との間の隙間で形成される第２領域（断面環状のドーナツ状領域）２５内のほぼ全てに形成されている。この第２領域２５は、改質触媒層３が形成されている第１領域２４とは中間円筒１１を挟んで隣接し、且つ、中間円筒１１と円筒容器２の底１７との間の隙間を介して第１領域２４と連通している。従って、改質触媒層３で生成された改質ガス３ａは、第１領域２４から中間円筒１１と底１７との隙間で折り返して、第２領域２５内のＣＯ変成触媒層４に流通してくる。つまり、改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４は中間円筒１１を挟んで対向流で向かい合って配置されている。
【００４３】
本第１実施例では、改質触媒層３が第１領域２４のほぼ全てに形成され、ＣＯ変成触媒層４が第２領域２５のほぼ全てに形成され、また、ＣＯ変成触媒層４の全てが中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接している。
【００４４】
改質ガス３ａはＣＯ変成触媒層４を流通することで、ＣＯ変成反応により、その中のＣＯが水素に転換される。改質ガス出口１８は配管３２を介して器外のＰＲＯＸ反応器３３と接続されており、ＣＯ変成反応によってより一層水素リッチとなった改質ガス４ａがＰＲＯＸ反応器３３に与えられる。
【００４５】
更に、本第１実施例では、ＣＯ変成触媒層４を、４００°Ｃ±５０°Ｃ前後で作動するＨＴＳ触媒層（高温用ＣＯ変成触媒層）５と、２００°Ｃ±５０°Ｃ前後で作動するＬＴＳ触媒層（低温用ＣＯ変成触媒層）６の両方で構成し、ＬＴＳ触媒層６の長寿命化と、ＣＯ変成効率及び熱効率の向上を図っている。ＨＴＳ触媒層５は第２領域２５中、改質ガス流れ方向の上流側（図２では下側）に配置し、ＬＴＳ触媒層６はＨＴＳ触媒層５に続いて、同領域２５中改質ガス流れ方向の下流側（図２では上側）に配置している。
【００４６】
ＨＴＳ触媒層５としては、例えばＦｅやＣｒ等の金属粒子を充填したものが使用される。ＬＴＳ触媒層６としては、例えばＣｕ／Ｚｎ等の金属粒子を充填したものが使用される。なお、ＨＴＳ触媒層５もＬＴＳ触媒層６も、かならずしも触媒粒子群を接着等により一体化して層状にしたものである必要はなく、上述のように、触媒粒子群を第１領域２５に単に充填しているだけのものであっても良い。
【００４７】
水蒸気発生装置７は改質原料水２６を冷却流体とし、バーナ火炎２７を蒸発熱源とした冷却機能を併せ持つ蒸発装置であり、燃焼筒９の半径方向外側に間隔をおいて、燃焼筒９と同心円状に配置されている。本第１実施例では、管路７ａを蛇管状やソレノイド管状をなしてバーナ８の周囲に配置することで、水蒸気発生装置７を構成している。管路７ａはバーナ８の周囲、例えば、燃焼筒９の外表面に装着したり、あるいは、輻射筒１０の内表面に装着したり、燃焼筒９と輻射筒１０の中間に配置したりすることができる。水蒸気発生装置７はバーナ燃焼熱を熱源とし、バーナ火炎２７及びバーナ排ガス２８の熱で改質原料水２６を蒸発させ、過熱して水蒸気２２とし、管路７ａから改質器入口１８に送る。
【００４８】
上述の構成により、改質触媒層３は、水蒸気発生装置７で一部の熱を奪われた後のバーナ燃焼熱を受け取ることで、水蒸気改質反応の吸熱分を与えられるが、これだけでなく、中間円筒１１を挟んで隣接するＣＯ変成触媒層４からＣＯ変成反応（発熱反応）で発生した熱も受け取る。つまり、中間円筒１１を隔てた改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４間の伝熱により、改質触媒層３出口の改質ガスの顕熱（例えば６５０°Ｃ→４００°Ｃ）とＨＴＳ触媒層５及びＬＴＳ触媒層６における顕熱及び発熱量が自己回収される。触媒活性にも依存するが、一般的には改質原料２１は４００°Ｃ程度から水蒸気改質反応を開始するため、改質触媒層３の入口温度は４００°Ｃを目安としてして設計することができ、バーナ燃焼熱の一部が水蒸気発生用に奪われても、ＣＯ変成触媒層４の発熱を受けるので問題ない。また、輻射筒１０がバーナ火炎２７により加熱されて熱を輻射するので、改質触媒層３はこの輻射熱も受け取る。
【００４９】
バーナ８は改質触媒層３、輻射筒１０及び管路７ａを流れる改質原料水２６を熱するために使用されている。輻射筒１０は改質触媒層３の加熱効率及び水蒸気発生装置７の加熱効率を上げるために使用されている。バーナ８にはバーナ燃料とバーナ空気が供給されるが、改質原料２１の一部が分流してバーナ燃料とされている。
【００５０】
輻射筒１０と内筒１４との間の隙間で形成される断面管状でドーナツ状の領域はバーナ排ガス流路２９を形成しており、輻射筒１０と円筒容器２の底１７との隙間を介して、輻射筒１０内のバーナ燃焼空間３０と連通している。従って、バーナ排ガス２８はバーナ燃焼空間３０から輻射筒１０と底１７との間で折り返し、バーナ排ガス流路２９を経て、バーナ排ガス出口２３に至る。
【００５１】
その際、改質触媒層３と熱交換した後のバーナ排ガス２８は３００〜４００°Ｃであり、そのまま系外に排出すると熱ロスとなるので、改質原料水２６の予熱やバーナ空気の予熱などに利用して、１００°Ｃ以下にして排出すると良い。また、改質触媒層３の入口部分をバーナ排ガス２８との熱交換部分とし、反応開始温度（例えば４００°Ｃ）まで昇温させることもできる。
【００５２】
第１冷却装置１２は外筒１５の外表面のうち、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６との境界部に対応する位置に、ＨＴＳ触媒層５の出口部からＬＴＳ触媒層６の入口部にかけて、装着されている。この第１冷却装置１２は、ＨＴＳ触媒層５の出口部分を冷却することで、主として、ＨＴＳ触媒層５出口部でのガス温度とＬＴＳ触媒層６の適正作動温度との差を極力なくすため、言い換えれば温度差を吸収するために使用されている。本例では、管路１２ａを外筒１５の外表面にソレノイド管状や蛇管状に巻き付けることで、第１冷却装置１２を構成している。その際、管路１２ａと外筒１５との接触熱伝導を向上させるために、伝熱セメントなどの熱伝導の大きい材料を塗布し、乾燥させている。
【００５３】
第２冷却装置１３は外筒１５の外表面のうち、ＬＴＳ触媒層６の出口部に対応する位置（図２では上端部付近）に装着されており、ＬＴＳ触媒層６の出口部を冷却することで、主として、ＬＴＳ触媒層５の出口ガス温度とＰＲＯＸ触媒層３３の適正作動温度との差を極力なくすため、言い換えれば温度差を吸収するために使用されている。本例では、管路１３ａを外筒１５の外表面にソレノイド状や蛇管状に巻き付けることで、第２冷却装置１３を構成している。その際、管路１３ａと外筒１５との接触熱伝導を向上させるために、伝熱セメントなどの熱伝導の大きい材料を塗布し、乾燥させている。
【００５４】
第１冷却装置１２と第２冷却装置１３には、同一系統の冷却流体を直列または並列に流して良く、あるいは、全く別系統の冷却流体を別々に流しても良い。前者の例としては、例えば、後述する第６実施例（図７）や第７実施例（図８）のように第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに冷却流体として水を流し、ＨＴＳ触媒層５やＬＴＳ触媒層６の発熱で水蒸気を発生させるようにしたり、あるいは、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに冷却流体としてバーナ空気を流し、ＨＴＳ触媒層５やＬＴＳ触媒層６の発熱で温まった空気をバーナ８の予混合温度上昇に利用してバーナ８の焚き込み燃料量を低下させるようにすることができる。後者の例としては、例えば、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３のうち、一方に水を流して水蒸気を発生させ、他方にバーナ空気を流して予混合温度上昇に利用するようにすることができる。第１冷却装置１２と第２冷却装置１３の冷却流体は水やバーナ空気に限定されるものではなく、その他の流体を使用可能であるが、冷却時の熱交換で得た熱を上流プロセスに回収して、燃料改質器１の効率が上げることが好ましい。
【００５５】
本第１実施例では、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに改質原料水２６を流し、ＨＴＳ触媒層５やＬＴＳ触媒層６の発熱で改質原料水２６を蒸発させ、過熱して水蒸気２２を発生させ、水蒸気発生装置７で発生した水蒸気２２と合流させている。
【００５６】
円筒容器２の底１７及び半径方向周囲は、熱ロスを少なくするように、第１冷却装置１２及び第２冷却装置１３を含めて断熱材３１で囲んでいる。
【００５７】
燃料改質器１の改質ガス出口１９は配管３２でＰＲＯＸ反応器３３に接続されている。従って、燃料改質器１内の改質触媒層３及びＣＯ変成触媒層４で生成された改質ガス４ａは、ＰＲＯＸ反応器３３のＰＲＯＸ触媒層３４を通気することで、その中のＣＯが選択的に酸化してＣＯ２になり、ＣＯ濃度が極めて低い（例えば、ＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下）改質ガス３４ａとなる。
【００５８】
本第１実施例では、ＰＲＯＸ反応器３３のガス出口に配管３５を介して凝縮器３６を接続している。ＰＲＯＸ反応器３３からの改質ガス３４ａの温度は９０°Ｃ〜１００°Ｃ程度であるので、この温度が用途によって高すぎる場合、凝縮器３６で改質ガス３４ａの温度を例えば６０°Ｃ程度まで下げるために使用される。その際、凝縮器３６は改質ガス３４ａから凝縮した水分を取り除く。従って、凝縮器３６から、適正温度における飽和状態の改質ガス３６ａが得られる。
【００５９】
また、本第１実施例では、凝縮器３６の出口に配管３７を介して燃料電池３８を接続し、改質ガス３６ａを燃料電池３８の水素極（アノード）に供給するようにしている。燃料電池３８の空気極（カソード）には空気が供給されて、発電が行われる。その際、燃料電池３８の水素極から排出されるアノード排ガス３８ａには消費されなかった水素と改質ガス中の残メタンが含まれているので、アノード排ガス３８ａを改質触媒器１のバーナ燃料としてリサイクル使用している。これにより、改質効率が向上する。改質ガス３４ａや改質ガス３６ａは燃料電池電池システムの他、分散電源など、種々のシステムで使用できる。
【００６０】
［改質反応の詳細説明］
ここで、改質反応の詳細を、改質原料２１の一例として、都市ガスの主成分であるメタンガスを挙げて説明する。ＣＨ４（メタン）を水蒸気と混合して改質触媒層３、４を流通させると、水蒸気改質反応とＣＯ変成反応により、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４からなる改質ガスが生成される。起こっている反応は主に、次の化学式（１） 、化学式（２） で示す２種であり、必要な触媒量を確保することで、平衡状態が得られる。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、ＣＯ変成反応は吸熱反応である。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇔３Ｈ２＋ＣＯ 化学式（１） （水蒸気改質反応）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２ 化学式（２） （ＣＯ変成反応）
【００６１】
水蒸気改質反応では、ＣＨ４濃度は平衡温度が高くなればなるほど減少していくが、系の温度を高くすればするほど装置材料の耐熱性の問題や、熱応力の問題が厳しくなる。一方、平衡温度が低くなればなるほど、ＣＨ４濃度が高くなり転化率が低下する。また、システムとしての効率はＣＨ４転化率が８５％以上では向上効果が小さくなってくるため、通常は熱的な問題から、改質触媒層３の出口温度を６５０°Ｃ〜７００°Ｃ程度にするのが一般的である。
【００６２】
この温度（６５０°Ｃ〜７００°Ｃ程度）では、ＣＯ濃度が１０％程度（Ｄｒｙベース）残っているため、後段のＣＯ変成触媒層４を用いてＣＯ２に転換する。ＣＯ変成触媒層４では、水蒸気改質反応が起きないため、ＣＨ４は反応しない。
【００６３】
ＣＯ変成触媒層４では、プロセスとしてＨＴＳ触媒層（例えば４００°Ｃ±５０°Ｃ作動）５を使う場合と使わない場合があるが、ＬＴＳ触媒層（例えば２００°Ｃ±５０°Ｃ作動）６のみではＣＯの反応量が大きいと触媒に対する負荷が大きくなり、寿命低下につながるため、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６の両方をこの順で使用することが好ましい。ＬＴＳ触媒層６の出口温度は１５０°Ｃ〜２００°Ｃ前後にするのが通常である。その理由は、ＬＴＳ触媒層６の出口温度が低いほどＣＯ変成の平衡はＣＯ濃度が下がる方向にあるが、温度が低すぎると反応速度が低下するためである。
【００６４】
燃料電池３８にとってＣＯは被毒物質となるため、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に下げる必要がある。最終段のＰＲＯＸ反応器３３は、次の化学式（３） で示す酸化反応により、ＣＯ濃度を下げる。平衡状態は燃焼反応の殆ど右寄りとなる。
ＣＯ＋０．５Ｏ２⇒ＣＯ２ 化学式（３） （酸化反応）
【００６５】
ＰＲＯＸ反応器３３では、燃焼反応に伴う副反応としてＨ２の酸化反応が生じるが、Ｈ２の消費は効率低下に影響するため、ＰＲＯＸ触媒層３４には、なるべくＣＯを選択的に酸化する触媒を用いる。他の副反応として、次の化学式（４） に示すメタネーション反応も生じるが、これを積極的に利用する場合と利用しない場合があり、これは触媒種の選定によってなされる。
ＣＯ＋３Ｈ２⇔ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ 化学式（４） （メタネーション反応）
【００６６】
ＰＲＯＸ触媒層３３によるＣＯの選択酸化反応は１００°Ｃ付近が適正温度であり、ＣＯのメタネーション反応は１００°Ｃ〜２００°Ｃ付近が適正温度であるため、ＬＴＳ触媒層６の出口温度が、負荷に応じてあるいは運転条件に応じて大きく変わる場合は、メタネーション反応も利用する。
【００６７】
［第１実施例の動作説明］
次に、図２に示した本例の燃料改質器１の動作を説明する。
【００６８】
改質触媒層３には改質原料２１と水蒸気２２との混合蒸気２３が通気されるので、改質触媒層３の入口ガス温度を混合蒸気２３が再凝縮しないような温度とする必要がある。その理由は、改質原料２１が都市ガスなどの炭化水素を含有する燃料であるから、もし混合蒸気２３が再凝縮する温度以下になると、凝縮により蒸気流の変動が引き起こされるため、改質触媒層３に供給する混合蒸気２３のＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）変動の直接的要因となり、カーボン析出による触媒劣化を引き起こすからである。なお、改質反応には通常Ｓ／Ｃが３以上であることがカーボン析出回避の観点から必要であるが、Ｓ／Ｃの増加は全体の効率低下原因となるため３〜６程度が適正範囲である。
【００６９】
次に、図２に示す燃料改質器１について、都市ガス（例えば１３Ａ）を例にとって燃料の改質を説明する。
【００７０】
都市ガス（改質原料）２１と水蒸気２２との混合蒸気２３の温度が、改質触媒層３の入口部分で１００〜２００°Ｃ、改質触媒層３の出口部分で６５０〜７００°Ｃとなるような状態を作る。
【００７１】
具体的には、改質原料水２６を水蒸気発生装置７、冷却装置１２及び第２冷却装置１３に流して蒸発・過熱させて水蒸気２２とし、都市ガス２１と混合して改質触媒層３に送る。混合後の温度は１００〜２００°Ｃとする。これは、蒸発・過熱した水蒸気２３が再凝縮しないように１００°Ｃ以上とし、中間円筒１１を隔てたＣＯ変成触媒層４の作動温度と同等かそれ以下に設定する必要があるためである。
【００７２】
水蒸気発生装置７に熱を供給した後のバーナ排ガス２８の温度は１３００°Ｃ程度であり、この高温のバーナ排ガス２８は円筒容器２の底１７で折り返して、改質触媒層３に隣接するバーナ排ガス流路２９を鉛直上方へ向かって流れていく。水蒸気発生装置７はバーナ火炎２７と折り返し後のバーナ排ガス２８の両方から熱を受け取る。
【００７３】
一方、改質触媒層３で生成した水素リッチな改質ガス３ａは、円筒容器２の底１７で折り返し、隣接するＣＯ変成触媒層４に送られる。ＣＯ変成触媒層４にて発熱反応であるＣＯ変成反応により生じた熱は、隣接する改質触媒層３での水蒸気改質反応の吸熱の一部として利用されるよう、熱設計がなされている。つまり、温度が高いところから低いところへ熱は伝わるため、ＣＯ変成触媒層４の方が中間円筒１１を隔てた改質触媒層３よりも、やや温度が高くなっている。
【００７４】
ＣＯ変成触媒層４のうち、ＨＴＳ触媒層５の出口では改質ガス温度が約３５０°Ｃとなっており、この温度をＬＴＳ触媒層６の適正作動温度域（２００°Ｃ前後）まで下げるため、外筒５外表面の第１冷却装置１２により、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６の境界部分で改質ガスを冷却する。第１冷却装置１２では吸収した熱を改質原料水２６の蒸発熱に利用することにより、冷却で得た熱は上流プロセスに回収されることとなり、熱ロスにはならない。
【００７５】
第１冷却装置１２による冷却で適正温度まで下がった改質ガスはＬＴＳ触媒層６を流通する。ＬＴＳ触媒層６の出口は約２００°Ｃとなっており、ＰＲＯＸ触媒層３４の作動温度が２００°Ｃ以下である場合は、外筒５外表面の第２冷却装置１３により冷却する。第２冷却装置１３でも吸収した熱を改質原料水２６の蒸発熱に利用することにより、冷却で得た熱は上流プロセスに回収されることとなり、熱ロスにならない。
【００７６】
［第１実施例の効果］
以下に、本第１実施例の効果を示す。
（１） 改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４を円筒容器２内に収めて一体化構造としたことにより、従来と比べて器外のＣＯ変成器１０３が不要となり、システムの小型化、低コスト化が可能である。
（２） 改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４が中間円筒１１を隔てて隣接する構造としたことにより、改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４間の伝熱により、改質触媒層３出口の改質ガスの顕熱（例えば６５０°Ｃ→４００°Ｃ）とＣＯ変成触媒層４における顕熱及び発熱量を自己回収することができる。従って、改質触媒層３の吸熱分を全てバーナ８の燃焼熱で与える必要がなくなり、従来と比べてバーナ焚き込み量が少なくなって燃料改質器の効率が高効率化する。また、ＣＯ変成触媒層４を改質触媒層３の吸熱によって冷却するから、従来と比べて所望の適切な温度分布でＣＯ変成反応を行わせることが可能となる。更に、個別製造した器外の熱交換器１０２、１０４が不要となり、従来のような熱ロスがなく、燃料改質器がより高効率化するとともに、装置点数が減り、システムの小型化、低コスト化が可能である。
（３） 冷却装置１２、１３でＣＯ変成触媒層４を冷却する構造としたので、従来と比べて所望の適切な温度分布でＣＯ変成反応を行わせることが可能となる。冷却装置１２、１３は円筒容器２の外筒１５の外表面に位置するので、システムの小型化を妨げない。
（４） 冷却装置１２、１３に冷却流体として改質原料水２６を流し、水蒸気２２を発生させて改質原料２１に混合させたり、あるいは、冷却流体としてバーナ空気を流し、これを温めてバーナの予混合温度上昇に利用することにより、冷却装置１２、１３の熱交換で得た熱を有効利用し、バーナ８の焚き込み燃料量を低下させることができる。
（５） 水蒸気発生装置７を円筒容器２内にて燃焼筒９の外側に位置する構造としたことにより、水蒸気発生装置７がバーナ８近傍に位置し、バーナ火炎２７が蒸発熱源となる。従って、従来と比べて熱交換の温度差が大きく、負荷変化時の応答性が向上する。また、バーナ火炎２７が蒸発熱源となることから、改質原料水２６と蒸発熱源との温度差が大きくなってボイラ効率が向上し、水蒸気発生装置７自体を小さくできる。更に、個別製造した器外の蒸発器１０５が不要となり、装置点数が減り、システムの小型化、低コスト化が可能である。
（６） ＣＯ変成触媒層４をＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６の両方で構成したことにより、ＣＯの反応量が大きくてもＬＴＳ触媒層６に対する負荷が少なく、寿命が延びる。この場合、少なくともＨＴＳ触媒層５が中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接すれば、前項（２） の効果が得られる。
（７） 冷却装置を２つ（第１冷却装置１２と第２冷却装置１３）を備えるから、第１冷却装置１２でＨＴＳ触媒層５出口のガス温度をＬＴＳ触媒層６の適正作動温度域まで下げ、第２冷却装置１３でＬＴＳ触媒層６出口のガス温度をＰＲＯＸ触媒層３４の適正作動温度域まで下げることができる。
（８） 第１冷却装置１２と第２冷却装置１３の両方で水蒸気を発生させたり、両方でバーナ空気を温めたり、あるいは、一方で水蒸気を発生させ、他方でバーナ空気を温めることができる。
（９） 円筒容器２の半径方向周囲及び底１７を断熱材３１で囲んだことにより、熱ロスが減少する。
（１０）ＰＲＯＸ触媒層３３の出口に凝縮器３６を配置したことにより、温度が低く、適正温度における飽和改質ガス３６ａを得ることができる。
【００７７】
［第２実施例］
図３に本発明の第２実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図３に示す燃料改質器は、図２に示したもの（第１実施例）と比べ、中間円筒１１及び外筒１５のそれぞれに薄肉部３９、４０を追加して設けた点が異なり、他は同じである。従って、図３中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。但し、断熱材３１は図示を省略した。
【００７８】
即ち、図３において、中間円筒１１のうち、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６との境界部に相当する部分３９の肉厚を、ＨＴＳ触媒層５の出口部からＬＴＳ触媒層６の入口部にかけて、他より薄くしてある。同様に、外筒１５のうち、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６との境界部に相当する部分４０の肉厚を他より薄くしてある。
【００７９】
本第２実施例の効果は次のとおりである。中間円筒１１及び外筒１５のそれぞれに薄肉部３９、４０を設けたことにより、薄肉部３９、４０で熱伝導が低下するから、ＨＴＳ触媒層５から中間円筒１１及び外筒１５を通してＬＴＳ触媒層６への熱伝導量が少なくなる。この熱伝導量は装置の温度分布によって生じるものであるから、燃料改質器の負荷が低くなっても比例で減少せず、これを冷却するために必要以上の冷却が必要となる。冷却媒体に改質原料水を用いる場合には、低負荷でＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）が必要以上に大きくなり効率低下の要因となる。従って、薄肉部３９、４０により負荷に応じた冷却量でＨＴＳ触媒層５の出口ガス温度とＬＴＳ触媒層６の適正作動温度を得ることができる。ＨＴＳ触媒層５の出口ガス温度とＬＴＳ触媒層６の適正作動温度との温度差によっては、第１冷却装置１２を除外することができる。
【００８０】
［第３実施例］
図４に本発明の第３実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図４に示す燃料改質器は、図２に示したもの（第１実施例）と比べ、輻射熱変換体４１、無反応層４２及びバーナ排ガスダクト４３を追加した点と、水蒸気発生装置７の一部をバーナ排ガスダクト４３の内側にも設けた点が異なり、他は同じである。従って、図４中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。但し、断熱材３１は図示を省略した。
【００８１】
即ち、図４において、内筒１４内のバーナ燃焼空間３０にて、燃焼筒９の前方に輻射熱変換体４１を配置している。輻射熱変換体４１はバーナ火炎２７やバーナ排ガス２８で自身が加熱され、バーナ火炎２７やバーナ排ガス２８の顕熱を輻射熱に変換する。輻射熱変換体４１としては輻射熱変換効率がなるべく高く、バーナ排ガス２８に対し大きな妨げとならないものであれば、その材料に格別の制限はない。本第３実施例では、輻射熱変換体４１として多孔質セラミックスを用いている。輻射熱変換体４１の配置場所は、図４では輻射筒１０の下端部であるが、それより上方であっても、底１７上であっても良い。輻射熱変換体４１は、バーナ火炎２７やバーナ排ガス２８の顕熱を効率良く回収し、また、改質触媒層３の出口部におけるバーナ排ガス２８と内筒１４の壁との熱伝達を向上させる。従って、改質触媒層３は、輻射熱変換体４１がない場合に比べ、輻射筒１０や内筒１４を介してより多く熱を受け取ることができる。また、水蒸気発生装置７もより多く熱を受け取ることができる。更に、輻射熱変換体４１はバーナ８より下にある内筒１４の壁面に入る熱流束を平均化させ、局所的な加熱を緩和させることができるため、触媒や部材の耐久性向上につながる。
【００８２】
また、ＣＯ変成触媒層４を構成するＨＴＳ触媒層５及びＬＴＳ触媒層６に加え、中間円筒１１と外筒１５との間の第２領域２５にて、ＨＴＳ触媒層５より上流側（図４では下側）に無反応層４２を形成している。無反応層４２はＨＴＳ触媒層５及びＬＴＳ触媒層６とともに、中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接している。
【００８３】
無反応層４２は当該無反応層４２における壁と改質ガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であり、本例では、無反応層４２として、実質的に触媒作用がない物体を改質ガス３ａの流れを妨げない程度に集合したダミーの充填層を用いており、触媒作用が全くない物体の他、触媒作用が少ない物体を用いることができる。例えば、単なるセラミック粒子（セラミックボール）の層を用いたり、フィンの集合体を用いることができる。
【００８４】
無反応層４２は、このような触媒活性がない粒子等の物体を充填したものに限らず、当該無反応層４２における壁と改質ガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であれば良く、例えば、このような物体は用いず、単に無反応層４２に相当する部分（第２領域２５のうちＨＴＳ触媒層５よりも上流側の部分）の流路幅を狭くして水力直径を小さくしたものであっても良い。要するに、無反応層４２としては、触媒活性のない物質の充填層あるいは流路幅が狭くなった部分などが考えられる。
【００８５】
更に、円筒容器２にバーナ排ガスダクト４３を形成して、バーナ排ガスダクト４３を蓋１６のバーナ排ガス出口２０に連通させ、このバーナ排ガスダクト４３の半径方向内側から燃焼筒９の半径方向外側にかけて水蒸気発生装置７を配置している。具体的には、円筒容器２の内筒１４を蓋１６外部へ延長させる形でバーナ排ガスダクト４３を形成し、また、バーナ排ガスダクト４３内にて燃焼筒９を蓋１６外部へ延長させる形で案内筒４４を形成し、水蒸気発生装置７を構成する管路７ａの一部を燃焼筒９の半径方向外側に間隔をおいて同心円状に配置し、更に、残りの一部を案内筒４４の半径方向外側に間隔をおいて同心円状に配置している。
【００８６】
本第３実施例の効果を以下に示す。
（１） バーナ燃焼空間３０内に輻射熱変換体４１を配置したことにより、バーナ火炎２７やバーナ排ガス２８の顕熱を効率良く回収することができ、また、改質触媒層３の出口部におけるバーナ排ガス２８と内筒１４の壁との熱伝達を向上させることができる。更に、バーナ８より下にある内筒１４の壁面に入る熱流束を平均化させる効果があり、燃料改質器１の耐熱性及び耐久性を向上させることができる。
（２） 無反応層４２の効果は次のとおりである。改質触媒層３の出口部分における改質ガス３ａの温度は６５０°Ｃ〜７００°Ｃ程度であるが、ＨＴＳ触媒層５を用いた場合でも、耐熱性の問題から約５００°Ｃにまで下げねばならないことがある。このような場合、改質ガス３ａが折り返した後の場所に、セラミックボール等の触媒活性がない充填層や流路幅が狭くなった部分等の無反応層４２を配置することにより、水蒸気改質反応の吸熱の一部に改質触媒層３出口部分の改質ガス３ａ自体の顕熱を利用し、ＨＴＳ触媒層５入口部分におけるガス温度を下げることができる。
（３） 水蒸気発生装置７を燃焼筒９の外側からバーナ排ガスダクト４３の内側にかけて設けたことにより、バーナ排ガス２８の熱を水蒸気発生の熱源に効果的に利用することができる。
【００８７】
［第４実施例］
図５に本発明の第４実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図５に示す燃料改質器は、図２に示したものと比べ、断熱材３１を真空断熱層４４に代えた点が異なり、他は同じである。従って、図５中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。
【００８８】
即ち、図５において、円筒容器２の底１７及び半径方向周囲を、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３を含めて、真空断熱層４４で囲んである。
【００８９】
これにより、燃料改質器１の熱ロスが極めて少なくなる。また、断熱材３１を用いる場合に比べ、燃料改質器１がコンパクトになる。図３や図４に示したものに真空断熱層４４を適用しても同様である。
【００９０】
［第５実施例］
図６に本発明の第５実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図６に示す燃料改質器は、図４に示した第３実施例の燃料改質器を上下逆さまにして設置したものであり、他は同じである。このように上下逆さまにしても、第３実施例と同様の効果が得られる。図６中で図４と同じ部分には同じ符号を付し、説明の重複を省く。図２や図３に示したものを上下逆さまにしても同様である。
【００９１】
［第６実施例］
図７に本発明の第６実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図７に示す燃料改質器は、図２に示した第１実施例の燃料改質器において、第１冷却装置１２及び第２冷却装置１３ともに冷却流体として改質原料水２６を流すようにしたものである。従って、図７中で図２と同じ部分には同じ符号を付し、説明の重複を省く。
【００９２】
即ち、本第６実施例では、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに改質原料水２６を直列に流し、これらを水蒸気発生装置としても機能させている。つまり、第１冷却装置１２の管路１２ａと第２冷却装置１３の管路１３ａを直列に接続し、管路１３ａから改質原料水２６を流し、ＬＴＳ触媒層６の発熱とＨＴＳ触媒層５の発熱を順に利用して蒸発させ、過熱して水蒸気２２を発生させている。この水蒸気２２は管路１２ａから取り出し、水蒸気発生装置７で発生した水蒸気２２と合流して、改質触媒層３に流すようにしている。
【００９３】
これにより、冷却時の熱交換で得た熱が上流プロセスに回収され、燃料改質器１の効率が上がる。第１冷却装置１２と第２冷却装置１３に対し並列に改質原料水２６を流すことも可能である。
【００９４】
［第７実施例］
図８に本発明の第７実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図８に示す燃料改質器は、図２に示した第１実施例の燃料改質器において、第１冷却装置１２及び第２冷却装置１３でともに水蒸気を発生させるが、この水蒸気で改質ガスを加湿するようにしたものである。従って、図８中で図２と同じ部分には同じ符号を付し、説明の重複を省く。
【００９５】
即ち、本第７実施例では、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに改質原料水２６を直列に流し、これらを水蒸気発生装置としても機能させている点では図７の第６実施例と同様であるが、管路１２ａから取り出した水蒸気２２は、例えばＰＲＯＸ反応器３３の出口で、改質ガス３４ａと混合して燃料電池３８に直接与えるようにしている。従って、改質触媒層３には、内筒１４内の水蒸気発生装置７で発生した水蒸気２２のみが与えられることとなる。また、図２中の凝縮器３６はＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）の条件によっては省略することができる。
【００９６】
本第７実施例では、第１冷却装置１２及び第２冷却装置１３で熱交換により得た熱を上流プロセスに回収しないため燃料改質器１の効率は若干低下するが、燃料電池３８に送られる改質ガス３４ａ中の水分量だけでは必要な加湿量に満たない場合に発電性能が低下するのを防止できるという効果がある。
【００９７】
改質ガス３４ａの加湿は、ＰＲＯＸ反応器３３の出口の他、これより上流側で水蒸気２２を混合しても達成できる。但し、改質触媒層３に供給する水蒸気２２を単に増やすと、水蒸気改質反応におけるＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）増加により吸熱量が増加し、効率が低下しまうため、これを避けるには、改質触媒層３の出口より以降で水蒸気２２を改質ガスに混合すれば良い。
【００９８】
図８において、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３に改質原料水２６を並列に流すようにしても良い。この場合、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３のうち、一方（例えば第１冷却装置１２）で発生した水蒸気を水蒸気発生装置７で発生した水蒸気２２と混合させ、他方（例えば第１冷却装置１２）で発生した水蒸気を改質ガス３４ａの加湿に使用することができる。
【００９９】
［第８実施例］
図９に本発明の第８実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図９に示す燃料改質器は、図２に示したもの（第１実施例）と比べ、ＨＴＳ触媒層５を除外し、その代わりにダミーの無反応層４２を用いた点が異なり、他は同じである。従って、図９中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。但し、断熱材３１は図示を省略した。
【０１００】
即ち、本第８実施例では、無反応層４２を中間円筒１１と外筒１５間の第２領域２５中、改質ガス流れ方向の上流側（図９では下側）に配置し、ＬＴＳ触媒層６を無反応層４２に続いて、同領域２５中改質ガス流れ方向の下流側（図９では上側）に配置している。
【０１０１】
つまり、ＣＯ変成触媒層４はＬＴＳ触媒層６のみであり、第２領域２５内の一部に形成されている。ＬＴＳ触媒層６と無反応層４２は中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接している。
【０１０２】
無反応層４２は実質的に触媒作用をしないから、改質触媒層３からの改質ガス３ａの温度を下げる作用をする。そのため、第２領域２５内で無反応層４２を長く取ることにより、ＬＴＳ触媒層６を適正動作温度まで低下させることができる。従って、ＨＴＳ触媒層５を使用せず、ＬＴＳ触媒層６だけでＣＯ変成反応を行うことができる。
【０１０３】
無反応層４２は前述したように、当該無反応層４２における壁と改質ガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であり、本例でも、無反応層４２として、実質的に触媒作用がない物体を改質ガス３ａの流れを妨げない程度に集合したダミーの充填層を用いており、触媒作用が全くない物体の他、触媒作用が少ない物体を用いることができる。例えば、単なるセラミック粒子（セラミックボール）の層を用いたり、フィンの集合体を用いることができる。このような触媒活性がない粒子等の物体を充填したものに限らず、無反応層４２は、当該無反応層４２における壁と改質ガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であれば良く、例えば、このような物体は用いず、単に無反応層４２に相当する部分（第２領域２５のうちＬＴＳ触媒層６よりも上流側の部分）の流路幅を狭くして水力直径を小さくしたものであっても良い。要するに、無反応層４２としては、触媒活性のない物質の充填層あるいは流路幅が狭くなった部分などが考えられる。
【０１０４】
ＨＴＳ触媒層５に代えて無反応層４２を第２領域２５に配置する場合、第１冷却装置１２は外筒１５のうち、無反応層４２とＬＴＳ触媒層６との境界部に対応する部分に配置すると良い。また、図３に示した中間円筒１１の薄肉部３９及び外筒１５の薄肉部４０も、無反応層４２とＬＴＳ触媒層６との境界部に対応する部分に配置すると良い。
【０１０５】
［第９実施例］
図１０に本発明の第９実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図１０に示す燃料改質器は、図２に示したもの（第１実施例）と比べ、改質触媒層３を第１領域２４の一部に形成した点が異なり、他は同じである。従って、図１０中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。但し、断熱材３１は図示を省略した。
【０１０６】
ＣＯ変成触媒層４は図２と同様、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６の両方で構成し、ＨＴＳ触媒層５は内筒１４と中間円筒１１間の第２領域２５中、改質ガス流れ方向の上流側（図１０では下側）に配置し、ＬＴＳ触媒層６はＨＴＳ触媒層５に続いて、同第２領域２５中改質ガス流れ方向の下流側（図１０では上側）に配置している。
【０１０７】
これに対して、中間円筒１１と外筒１５との間の第１領域２４のうち、中間円筒１１を隔ててＬＴＳ触媒層６と隣接する部分（混合蒸気流れ方向の上流側部分（図１０では上側））を空にし、残りの部分（混合蒸気流れ方向の下流側部分（図１０では下側））に、改質触媒層３を形成している。
【０１０８】
従って、改質触媒層３とは、ＨＴＳ触媒層５のみが中間円筒１１を隔てて隣接する。言い換えれば、ＬＴＳ触媒層６は改質触媒層３とは隣接していない。
【０１０９】
このようにＣＯ変成触媒層４のうち、ＨＴＳ触媒層５が中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接し、ＬＴＳ触媒層６は改質触媒層３と隣接しないことにより、以下に示す効果がある。
（１） 改質触媒層３の触媒活性にもよるが、２００°Ｃ程度では吸熱反応（水蒸気改質反応）が起こらない場合、ＬＴＳ触媒層６に改質触媒層３が隣接していても、ＬＴＳ触媒層６における発熱分を改質触媒層３が吸収しきれず、ＬＴＳ触媒層６の温度がそれの適正作動温度より高くなってしまう。
（２） このような場合、第１領域２４のうち、ＬＴＳ触媒層６と隣接する部分には改質触媒層３を形成しないことにより、ＬＴＳ触媒層６の温度を適正作動温度域に下げることができる。
【０１１０】
［第１０実施例］
図１１に本発明の第１０実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図１１に示す燃料改質器は、図１０に示したもの（第９実施例）と比べ、冷却装置を燃料改質器の内部に備えた点と、高温用ＣＯ変成触媒層（ＨＴＳ触媒層）５と低温用ＣＯ変成触媒層（ＬＴＳ触媒層）６とを熱的に切り離すことで冷却効果を得た点とが異なる。従って、図１１中で図２や図１０と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。
【０１１１】
図１１に示すように、冷却装置２００は外筒１５内に配置されている。より具体的には、外筒１５の上端部は外側に２度折り返されており、この折り返しで内外の２つの部分２０１、２０２が形成されている。そして、内側の折り返し部分２０１と中間円筒１１との間の領域２０３、及び、この領域２０３に隣接する中間円筒１１と内筒１４との間の領域２０４で、冷却装置２００が構成されている。また、外筒１５の上端部は中央部及び下部よりも小径に形成されている。また、中間円筒１１の上部を下部よりも小径にして、第１領域２４の流路を上部で狭くしている。
【０１１２】
更に、外筒１５の２つの折り返し部分２０１、２０２で構成される領域２０５を下端部を除いて仕切るように、中間円筒１１に、その外側に連なった中間円筒鍔部２０６が形成されている。中間円筒鍔部２０６で仕切られた２つの領域２０７、２０８は下端部で連通している。
【０１１３】
ＣＯ変成触媒層４のうち、ＬＴＳ触媒層（低温用ＣＯ変成触媒層）６は２つの領域２０７、２０８に配置されている。ＨＴＳ触媒層（高温用ＣＯ変成触媒層）５はＬＴＳ触媒層６よりも上流側に配置されている。
【０１１４】
このとき、第２領域２５の上部には何もなく、第２領域２５はＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６との間の部分２０９で、流路が狭くなっている。
【０１１５】
また、第１領域２４の上部の狭い流路には何もなく、改質触媒層３は下部の広い部分に配置されている。
【０１１６】
熱ロスを少なくするように円筒容器２を囲んでいる断熱材３１は、外筒１５の折り返しと、小径化により形成された領域２１０にまで入り込んでいる。
【０１１７】
本例の燃料改質器では、改質原料と水蒸気との混合蒸気に加えて、中間円筒１１と内筒１４との間に水２１１を直接注入する。これにより、中間円筒１１を隔てて流れるＨＴＳ触媒層５の出口ガスの温度が熱交換により下がる。注入した水２１１は水蒸気となって改質触媒層３へ流れ、改質反応を生じさせる。ＬＴＳ触媒層６は冷却装置２００により、冷却する。また、第２領域２５の流路が狭くなった部分２０９により、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６とが熱的に切り離され、無反応層を設けた場合と同様の冷却効果が得られる。つまり、ＨＴＳ触媒層５出口ガスは流路が狭くなった部分２０９で温度が下がり、ＬＴＳ触媒層６に流れる。これにより、低負荷においても、低いＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）で燃料改質器の高効率運転を行うことができる。
【０１１８】
言い換えれば、主として改質原料が蒸発する部分が冷却装置２００であって、これがＬＴＳ触媒層６の内側に位置するので、ＨＴＳ触媒層５の出口ガスの温度を冷却するとともに、冷却装置２００に向かい合うＬＴＳ触媒層６を冷却する。ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６とを熱的に切り離したことにより、ＨＴＳ触媒層５からＬＴＳ触媒層６への熱伝導が減少し、ＨＴＳ触媒層５の出口ガス（約４００°Ｃ）をＬＴＳ触媒層６の入口ガス（約２００°Ｃ）まで冷却するためにひつような熱量がガスの顕熱分だけで良く、低負荷時に冷却量が過剰に必要になることがなく、低負荷時においても低Ｓ／Ｃで高効率な運転を行うことができる。
【０１１９】
更に、本例では、第２領域２５において、ＨＴＳ触媒層５よりも上流側の部分２１２の流路幅を狭めることで、水力直径を小さくし、その部分における壁と改質ガスとの間の熱伝達率を高めている。言い換えれば、流路幅の狭い部分２１２が無反応層に相当し、無反応粒子など触媒活性のない物質の充填層を配置しなくても、これと同等の冷却効果を得ることができる。なお、図１１中で、２１３は混合器を示す。
【０１２０】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、本発明によれば、以下に示す効果がある。
【０１２１】
第１発明の燃料改質器は、外筒及びこの外筒の内側に配置された内筒を有する２重の円筒容器と、前記内筒内に配置されたバーナと、前記内筒内で前記バーナの外側に配置された燃焼筒と、前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置された輻射筒と、前記内筒と前記外筒との間に配置された中間円筒と、前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置され、改質原料に混合される水蒸気を発生する水蒸気発生装置と、前記輻射筒と前記内筒との隙間で形成され、下端部で前記輻射筒内のバーナ燃焼空間と連通するバーナ排ガス流路と、前記内筒と前記中間円筒との隙間で形成された第１領域の少なくとも一部に形成された改質触媒層と、前記中間円筒と前記外筒との隙間で形成された領域であって、下端部で前記第１領域と連通する第２領域に形成されたＣＯ変成触媒層と、前記外筒の外表面に配置され、前記ＣＯ変成触媒層を冷却する冷却装置とを具備することを特徴とするので、以下に示すように、燃料改質器が高効率化し、また、適切な温度分布でＣＯ変成反応を行うことでき、更に、燃料改質器を使用するシステムの小型化、低コスト化が可能である。
（１） 改質触媒層とＣＯ変成触媒層を円筒容器内に収めた一体化構造であり、従来と比べて器外のＣＯ変成器が不要である。
（２） 改質触媒層とＣＯ変成触媒層が中間円筒を隔てて隣接する構造であり、改質触媒層とＣＯ変成触媒層間の伝熱により、改質触媒層出口の改質ガスの顕熱とＣＯ変成触媒層における顕熱及び発熱量とを自己回収することができる。従って、従来と比べてバーナ焚き込み量が少なくな。
（３） ＣＯ変成触媒層が改質触媒層の吸熱によって冷却され、また、冷却装置で冷却される。
（４） 従来の個別製造した器外の熱交換器が不要である。
（５） 水蒸気発生装置が円筒容器内にて燃焼筒の外側に位置する構造であり、バーナ火炎が蒸発熱源となるので、従来と比べて熱交換の温度差が大きく、負荷変化時の応答性が向上する。また、ボイラ効率が向上し、水蒸気発生装置自体が小さくできる。
（６） 従来の個別製造した器外の蒸発器が不要である。
【０１２２】
第２発明の燃料改質器は、第１発明において、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層が前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とするので、ＣＯの反応量が大きくてもＬＴＳ触媒層に対する負荷が少なく、寿命が延びる。この場合、少なくとも高温用ＣＯ変成触媒層が中間円筒を隔てて改質触媒層と隣接していることにより、改質触媒層出口の改質ガスの顕熱と高温用ＣＯ変成触媒層における顕熱及び発熱量とを自己回収することができる。低温用ＣＯ変成触媒層が改質触媒層と隣接しない場合は、第１領域のうち低温用ＣＯ変成触媒層が改質触媒層と隣接する部分が空となり、これによって低温用ＣＯ変成触媒層の温度を適正作動温度域に下げることができる。
【０１２３】
第３発明の燃料改質器は、第２発明において、前記ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層（触媒活性のない物質の充填層あるいは流路幅が狭くなった部分など）が前記第２領域に形成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とするので、無反応層が改質触媒層からの改質ガスの温度を、高温用ＣＯ変成触媒層の適正動作温度域まで低下させることができる。つまり、水蒸気改質反応の吸熱の一部に改質触媒層出口部分の改質ガス自体の顕熱を利用し、高温用ＣＯ変成触媒層の入口部分におけるガス温度を下げることができる。この場合、少なくとも高温用ＣＯ変成触媒層が中間円筒を隔てて改質触媒層と隣接していることにより、改質触媒層出口の改質ガスの顕熱と高温用ＣＯ変成触媒層における顕熱及び発熱量とを自己回収することができる。
【０１２４】
第４発明の燃料改質器は、第１発明において、前記ＣＯ変成触媒層が低温用ＣＯ変成触媒層のみで構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層が前記第２領域に形成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とするので、無反応層が改質触媒層からの改質ガスの温度を下げる。つまり、水蒸気改質反応の吸熱の一部に改質触媒層出口部分の改質ガス自体の顕熱を利用し、低温用ＣＯ変成触媒層の入口部分におけるガス温度を下げることができる。従って、第２領域内での無反応層を長く取ることにより、低温用ＣＯ変成触媒層を適正動作温度まで低下させることができ、高温用ＣＯ変成触媒層を使用しなくてもＣＯ変成反応を行うことができる。
【０１２５】
第５発明の燃料改質器は、第１発明において、前記内筒内で、前記燃焼筒内の燃焼空間に配置された輻射熱変換体を具備することを特徴とするので、バーナ火炎やバーナ排ガスの顕熱を効率良く回収することができる。また、改質触媒層の出口部におけるバーナ排ガスと内筒の壁との熱伝達を向上させることができる。更に、バーナより下にある内筒の壁面に入る熱流束を平均化させ、燃料改質器の耐熱性及び耐久性を向上させることができる。
【０１２６】
第６発明の燃料改質器は、第１発明において、前記円筒容器の底及び半径方向の周囲を囲む真空断熱層を具備することを特徴とするので、燃料改質器の熱ロスが極めて少なくなる。また、燃料改質器がコンパクトになる。
【０１２７】
第７発明の燃料改質器は、第１発明において、前記円筒容器のバーナ排ガス出口に連通するように同円筒容器に接続されたバーナ排ガスダクトを具備し、このバーナ排ガスダクトの内側に前記水蒸気発生装置の一部が配置されていることを特徴とするので、バーナ排ガスの熱を水蒸気発生の熱源に効果的に利用することができる。
【０１２８】
第８発明の燃料改質器は、第２発明において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とするので、第１冷却装置で高温用ＣＯ変成触媒層の出口のガス温度を低温用ＣＯ変成触媒層の適正作動温度域まで低下させ、第２冷却装置で低温用ＣＯ変成触媒層の出口のガス温度をＰＲＯＸ触媒層の適正作動温度域まで低下させることができる。また、第１、第２冷却装置に流す冷却流体を改質原料水やバーナ空気から選ぶことが可能で、冷却の熱交換で得た熱を有効利用することができる。
【０１２９】
第９発明の燃料改質器は、第４発明において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とするので、第１冷却装置で無反応層の出口のガス温度を低温用ＣＯ変成触媒層の適正作動温度域まで低下させ、第２冷却装置で低温用ＣＯ変成触媒層の出口のガス温度をＰＲＯＸ触媒層の適正作動温度域まで低下させることができる。また、第１、第２冷却装置に流す冷却流体を改質原料水やバーナ空気から選ぶことが可能で、冷却の熱交換で得た熱を有効利用することができる。
【０１３０】
第１０発明の燃料改質器は、第２発明において、前記中間円筒のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とするので、各薄肉部で熱伝導が低下し、高温用ＣＯ変成触媒層から中間円筒及び外筒を通して低温用ＣＯ変成触媒層への熱伝導量が少なくなる。これにより、負荷に応じた冷却量で高温用ＣＯ変成触媒層の出口ガス温度と低温用ＣＯ変成触媒層の適正作動温度を得ることができる。
【０１３１】
第１１発明の燃料改質器は、第４発明において、前記中間円筒のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とするので、無反応層から中間円筒及び外筒を通して低温用ＣＯ変成触媒層への熱伝導量が少なくなる。これにより、負荷に応じた冷却量で無反応層の出口ガス温度と低温用ＣＯ変成触媒層の適正作動温度を得ることができる。
【０１３２】
第１２発明の燃料改質器は、第１発明において、前記冷却装置が、前記外筒の外表面に代えて、前記外筒内に配置されているので、第１発明と同様に、燃料改質器が高効率化し、また、適切な温度分布でＣＯ変成反応を行うことでき、更に、燃料改質器を使用するシステムの小型化、低コスト化が可能である。
【０１３３】
第１３発明の燃料改質器は、第１２発明において、前記冷却装置が前記外筒の外側に折り返された部分と前記中間円筒との間の領域及びこの領域に隣接する前記中間円筒と前記内筒との間の領域で構成され、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層は前記外筒の折り返された部分で構成される領域が前記中間円筒の外側に連なる中間円筒鍔部で仕切られた部分に配置され、前記高温用ＣＯ変成触媒層は前記低温用ＣＯ変成触媒層よりも上流側に配置されているので、中間円筒と内筒との間に水を直接注入することにより、中間円筒を隔てて流れる高温用ＣＯ変成触媒層の出口ガスの温度が熱交換により下がる。また低温用ＣＯ変成触媒層は冷却装置により、冷却される。
【０１３４】
第１４発明は燃料電池発電システムであり、第１発明から第１３発明いずれかの燃料改質器と、ＰＲＯＸ触媒層を有し前記燃料改質器に接続されたＰＲＯＸ反応器とを機器として具備し、更に、このＰＲＯＸ反応器に接続された燃料電池とを具備することを特徴とするので、効率良く改質原料（燃料）から電気を発生することができる。
【０１３５】
第１５発明の燃料電池発電システムは、第１４発明において、前記ＰＲＯＸ反応器と前記燃料電池との間に接続された凝縮器を具備することを特徴とするので、適正温度における飽和改質ガスを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術を示す図。
【図２】本発明の第１実施例を示す図。
【図３】本発明の第２実施例を示す図。
【図４】本発明の第３実施例を示す図。
【図５】本発明の第４実施例を示す図。
【図６】本発明の第５実施例を示す図。
【図７】本発明の第６実施例を示す図。
【図８】本発明の第７実施例を示す図。
【図９】本発明の第８実施例を示す図。
【図１０】本発明の第９実施例を示す図。
【図１１】本発明の第１０実施例を示す図。
【符号の説明】
１ 燃料改質器
２ ２重の円筒容器
３ 改質触媒層
３ａ 改質ガス
４ ＣＯ変成触媒層
４ａ 改質ガス
５ ＨＴＳ触媒層（高温用ＣＯ変成触媒層）
６ ＬＴＳ触媒層（低温用ＣＯ変成触媒層）
７ 水蒸気発生装置
７ａ 水蒸気発生装置を構成する管路
８ バーナ
９ 燃焼筒
１０ 輻射筒
１１ 中間円筒
１２ 第１冷却装置
１２ａ 第１冷却装置を構成する管路
１３ 第２冷却装置
１３ａ 第２冷却装置を構成する管路
１４ 内筒
１５ 外筒
１６ 蓋
１７ 底
１８ 改質器入口
１９ 改質ガス出口
２０ バーナ排ガス出口
２１ 改質原料
２２ 水蒸気
２３ 混合蒸気
２４ 第１領域（改質触媒層が形成される領域）
２５ 第２領域（ＣＯ変成触媒層が形成される領域）
２６ 改質原料水
２７ バーナ火炎
２８ バーナ排ガス
２９ バーナ排ガス流路
３０ 燃焼空間
３１ 断熱材
３２ 配管
３３ ＰＲＯＸ反応器
３４ ＰＲＯＸ触媒層
３４ａ 改質ガス
３５ 配管
３６ 凝縮器
３６ａ 改質ガス
３７ 配管
３８ 燃料電池（ＦＣ）
３８ａ アノード排ガス
３９ 中間円筒の薄肉部
４０ 外筒の薄肉部
４１ 輻射熱変換体
４２ 無反応層
４３ バーナ排ガスダクト
４４ 案内筒
４５ 真空断熱層
１０１ 燃料改質器（従来）
１０２、１０４ 熱交換器（従来）
１０３ ＣＯ変成器（従来）
１０５ 蒸発器（従来）
２００ 冷却装置
２０１、２０２ 外筒の折り返された部分
２０３ 内側の折り返し部分と中間円筒との間の領域
２０４ 中間円筒と内筒との間の領域
２０５ ２つの折り返し部分で構成される領域
２０６ 中間円筒鍔部
２０７、２０８ 中間円筒鍔部で仕切られた領域
２０９ 第２領域中のＨＴＳ触媒層とＬＴＳ触媒層との間の部分
２１０ 断熱材が入り込んだ領域
２１１ 水
２１２ 第２領域中でＨＴＳ触媒層より上流側の流路幅の狭い部分
２１３ 混合器
【発明の属する技術分野】
本発明は高効率な燃料改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムなどの分散電源システム（燃料から電気と熱を作るシステム）では、燃料を水素リッチなガスに改質して使用することが行われる。燃料は炭化水素を含有するものであり、例えば都市ガスやＬＰＧ（液化石油ガス）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、灯油などが使用される。以下、改質対象の燃料を改質原料と呼び、改質原料と水蒸気が混合したものを混合蒸気と呼び、改質された水素リッチなガスを改質ガスと呼ぶ。また、水蒸気の元となる水を改質原料水と呼ぶ。
【０００３】
燃料の改質は、改質原料を水蒸気と混合して触媒層に流通させ、水蒸気改質反応とＣＯ変成反応（ＣＯシフト反応とも呼ばれる）を起こさせることにより行われる。水蒸気改質反応に使用される触媒は改質触媒と呼ばれ、ＣＯ変成反応に使用される触媒はＣＯ変成触媒と呼ばれている。ＣＯ変成触媒は反応温度別に触媒種が異なり、一般に、４００°Ｃ前後の高温側で作動するＨＴＳ触媒（高温用ＣＯ変成触媒）と、２００°Ｃ前後の低温側で作動するＬＴＳ触媒（低温用ＣＯ変成触媒）がある。また、改質ガスをＰＲＯＸ触媒層に流通させて、ＣＯに対する選択酸化反応を起こさせ、燃料電池を被毒させるＣＯ（一酸化炭素）の濃度を極力下げることが行われる。ＰＲＯＸは選択酸化（ＰＲｅｆｅｒａｂｌｅ ＯＸｉｄｉｚａｔｉｏｎ）のことである。燃料改質器は分散電源システムの他、種々のシステムに使用される。
【０００４】
図１に従来の燃料改質器の構成を示す。図１に示すように、従来の燃料改質器１０１は２重の円筒容器２内に、改質触媒層３と、バーナ８と、燃焼筒９と、輻射筒１０と、中間円筒１１を備えたものである。ＣＯ変成触媒層４は燃料改質器１０１とは別のＣＯ変成器１０３に備えられている。改質触媒層３からの改質ガス３ａとＣＯ変成触媒層４からの改質ガス４ａはそれぞれ、個別に製造した熱交換器１０２、１０４で冷却される。更に、燃料改質器１０１の外部に設置した蒸発器１０５により、バーナ排ガス２８を熱源として改質原料水２６から水蒸気２２を発生させている。
【０００５】
つまり、燃料改質器１０１、熱交換器１０２、ＣＯ変成器１０３、熱交換器１０４及び蒸発器１０５はそれぞれ個別に単体で製造された後、別置きにされて、配管等で接続されている。図１中、３３はＰＲＯＸ反応器であり、ＰＲＯＸ触媒層３４を内部に備えている。３８は燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。
【０００６】
以下に、図１の構成を少し詳しく説明する。円筒容器２は内筒１４と、外筒１５と、蓋１６と、底１７を有しており、内筒１４内に、バーナ８と燃焼筒９と輻射筒１０が順に配置されている。中間円筒１１は内筒１４と外筒１５との間に配置されている。図１中、１８は改質器入口、１９は改質ガス出口、２０はバーナ排ガス出口、２１は改質原料、２２は水蒸気、２３は混合蒸気、２４は改質触媒層が形成される第１領域、２６は改質原料水、２７はバーナ火炎、２８はバーナ排ガス、２９はバーナ排ガス流路、３０はバーナ燃焼空間である。
【０００７】
改質触媒層３は改質触媒粒子を充填したものであり、内筒１４と中間円筒１１との間の領域（第１領域２４）に形成されている。改質原料２１と水蒸気２２は混合蒸気２３となって、改質器入口１８から改質触媒層３に通気される。
【０００８】
中間円筒１１と外筒１５との間の領域（第２領域２５）は空であり、単に、改質ガス流路として使用されている。この領域２５は中間円筒１１と底１７との隙間を介して、改質触媒層３が形成される領域２４と連通しており、改質ガス３ａは中間円筒１１と底１７との隙間で折り返し、改質ガス出口１９から器外に至る。
【０００９】
バーナ８は改質触媒層３を加熱するために使用されている。これは水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、この吸熱分をバーナ燃焼熱で与えるためである。輻射筒１０は改質触媒層３の加熱効率を上げるために使用される。輻射筒１０と内筒１４との間の領域はバーナ排ガス流路２９であり、輻射筒１０と底１７との隙間を介して、輻射筒１０内のバーナ燃焼空間３０と連通している。
【００１０】
蒸発器１０５は、燃料改質器１０１のバーナ排ガス出口２０から排出されるバーナ排ガスを熱源とする熱交換器として、改質器１０１とは別置きで配置されている。
【００１１】
ＣＯ変成器１０３はＣＯ変成触媒層４を内蔵しており、燃料改質器１０１からの改質ガス３ａ中のＣＯを極力水素ガスに転換する。熱交換器１０２は、例えば水との熱交換を行うことにより、燃料改質器１０１からの改質ガス３ａの温度が高温なので、ＨＴＳ触媒またはＬＴＳ触媒の適正作動温度まで下げる。
【００１２】
ＰＲＯＸ反応器３３はＰＲＯＸ触媒層３４を内蔵しており、ＣＯ変成器１０３からの改質ガス４ａ中のＣＯを選択的に酸化することで、ＣＯ濃度を下げる。熱交換器１０４は、例えば温水との熱交換を行うことにより、ＣＯ変成器１０３からの改質ガス４ａの温度がＰＲＯＸ触媒層３４の適正作動温度より高い場合に、改質ガス４ａの温度を下げるように使用される。
【００１３】
ＰＲＯＸ触媒層３４を流通した後の改質ガス３４ａは、例えば燃料電池３８の水素極（アノード）に供給される。燃料電池３８の空気極（カソード）には空気が供給され、改質ガス３４ａ中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により、発電が行われる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の燃料改質器には以下の問題がある。
（１） 個別に製造した熱交換器１０２を、燃料改質器１０１とＣＯ変成器１０３の間に配置することで、改質ガス３ａの温度をＣＯ変成触媒層４の適正作動温度まで下げているため、熱交換器１０２で改質ガス３ａの温度を下げた分の熱がロスになり、改質効率が悪かった。
（２） 同様に、個別に製造した熱交換器１０４を、ＣＯ変成器１０３とＰＲＯＸ反応器３３の間に配置することで、改質ガス４ａの温度をＰＲＯＸ触媒層３４の適正作動温度まで下げているため、熱交換器１０４で改質ガス４ａの温度を下げた分の熱がロスになり、改質効率が悪かった。
（３） 更に、ＣＯ変成反応は発熱反応であるが、ＣＯ変成器１０３に入ってくる改質ガス３ａを熱交換器１０２で冷却するだけで、ＣＯ変成器１０３自体では内部のＣＯ変成触媒層（ＨＴＳやＬＴＳ）４を冷却する機構を持たないため、なりゆきの温度分布によってＣＯ変成反応が行われていた。
（４） ＣＯ変成触媒層４で発生した熱は活用されず、ロスになっていた。言い換えれば、改質触媒層３にその吸熱分を全てバーナ８の燃焼熱で与える必要があったため、バーナ焚き込み量が多くなり、改質効率が悪かった。
（５） また更に、蒸発器１０５は改質触媒層３に吸熱分を与えた後のバーナ排ガス２８の顕熱（約４００°Ｃ）を水蒸気発生の熱源としていたため、熱交換の温度差が小さく、負荷変化時の水蒸気発生量の応答性が悪かった。また、改質原料水２６とバーナ排ガス２８との温度差が小さいため、蒸発器１０５のボイラ効率が悪かった。これらにより、蒸発器１０５自体を大きくする必要があり、システムが大型になっていた。
（５） 更に、熱交換器１０２、ＣＯ変成器１０３、熱交換器１０４及び蒸発器１０５がそれぞれ個別に製造され、燃料改質器１０１と別置きであるため、その分、装置点数が増え、システムが大型になり、コストが高くなっていた。
【００１５】
本発明は、上記従来の燃料改質器が持っている問題点に鑑みてなされたものであり、高効率な燃料改質器、並びに、この燃料改質器を用いた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
第１発明は上記目的を達成する燃料改質器であり、外筒及びこの外筒の内側に配置された内筒を有する２重の円筒容器と、前記内筒内に配置されたバーナと、前記内筒内で前記バーナの外側に配置された燃焼筒と、前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置された輻射筒と、前記内筒と前記外筒との間に配置された中間円筒と、前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置され、改質原料に混合される水蒸気を発生する水蒸気発生装置と、前記輻射筒と前記内筒との隙間で形成され、下端部で前記輻射筒内のバーナ燃焼空間と連通するバーナ排ガス流路と、前記内筒と前記中間円筒との隙間で形成された第１領域の少なくとも一部に形成された改質触媒層と、前記中間円筒と前記外筒との隙間で形成された領域であって、下端部で前記第１領域と連通する第２領域に形成されたＣＯ変成触媒層と、前記外筒の外表面に配置され、前記ＣＯ変成触媒層を冷却する冷却装置とを具備することを特徴とする。
【００１７】
この場合、第１発明の燃料改質器において、水蒸気発生装置として、例えば蛇管式やソレノイド管式のものなどを使用すると良い。また、冷却装置の熱交換で得た熱を有効利用して、バーナ焚き込み燃料量を低下させると良い。例えば、この冷却装置の冷却流体に改質原料水を用いて水蒸気を発生したり、あるいは、冷却流体にバーナ空気を用いてこれを温める。冷却装置で発生した水蒸気は改質原料や改質ガスに混合することができ、冷却装置で温めたバーナ空気はバーナの予混合温度上昇に利用することができる。
【００１８】
第２発明の燃料改質器は、第１発明において、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層が前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする。言い換えれば、低温用ＣＯ変成触媒層は改質触媒層と隣接させないようにしても良い。
【００１９】
第３発明の燃料改質器は、第２発明において、前記ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層が前記第２領域に形成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする。
【００２０】
この場合、無反応層は壁とガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であり、例えば、触媒活性がない粒子を充填したものでも、このような粒子は用いず単に流路幅を狭くして水力直径を小さくしたものであっても良い。要は、無反応層としては、無反応層における壁と改質ガスとの間の熱伝達を向上させるための手段であれば良く、触媒活性のない粒子の充填層あるいは流路のうちその幅が狭くなった部分などが考えられる。
【００２１】
第４発明の燃料改質器は、第１発明において、前記ＣＯ変成触媒層が低温用ＣＯ変成触媒層のみで構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層が前記第２領域に形成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする。
【００２２】
第５発明の燃料改質器は、第１発明において、前記内筒内で、前記燃焼筒内の燃焼空間に配置された輻射熱変換体を具備することを特徴とする。
【００２３】
第６発明の燃料改質器は、第１発明において、前記円筒容器の底及び半径方向の周囲を囲む真空断熱層を具備することを特徴とする。
【００２４】
第７発明の燃料改質器は、第１発明において、前記円筒容器のバーナ排ガス出口に連通するように同円筒容器に接続されたバーナ排ガスダクトを具備し、このバーナ排ガスダクトの内側に前記水蒸気発生装置の一部が配置されていることを特徴とする。
【００２５】
第８発明の燃料改質器は、第２発明において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とする。
【００２６】
第９発明の燃料改質器は、第４発明において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とする。
【００２７】
第８発明、第９発明いずれの燃料改質器においても、第１冷却装置及び第２冷却装置の熱交換で得た熱を有効利用して、バーナ焚き込み燃料量を低下させると良い。例えば、これら２つの冷却装置の冷却流体をともに改質原料水として水蒸気を発生させたり、あるいは、冷却流体をともにバーナ空気としたり、あるいは、一方の冷却装置の冷却流体を改質原料水として水蒸気を発生させ、他方の冷却装置の冷却流体をバーナ空気としたりすることができる。
【００２８】
第１０発明の燃料改質器は、第２発明において、前記中間円筒のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とする。
【００２９】
第１１発明の燃料改質器は、第２発明において、前記中間円筒のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とする。
【００３０】
第１２発明の燃料改質器は、第１発明において、前記冷却装置が、前記外筒の外表面に代えて、前記外筒内に配置されていることを特徴とする。
【００３１】
第１３発明の燃料改質器は、第１２発明において、前記冷却装置が前記外筒の外側に折り返された部分と前記中間円筒との間の領域及びこの領域に隣接する前記中間円筒と前記内筒との間の領域で構成され、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層は前記外筒の折り返された部分で構成される領域が前記中間円筒の外側に連なる中間円筒鍔部で仕切られた部分に配置され、前記高温用ＣＯ変成触媒層は前記低温用ＣＯ変成触媒層よりも上流側に配置されていることを特徴とする。
【００３２】
この場合、改質原料と水蒸気との混合蒸気に加えて、中間円筒と内筒との間に水を直接注入することにより、中間円筒を隔てて流れる高温用ＣＯ変成触媒層の出口ガスの温度が熱交換により下がる。注入した水は水蒸気となって改質触媒層へ流れ、改質反応を生じさせる。低温用ＣＯ変成触媒層は冷却装置により、冷却する。
【００３３】
また、第２領域のうち、高温用ＣＯ変成触媒層より上流の部分において流路幅を狭くして水力直径を小さくし、これを粒子のない無反応層としても良い。これにより、流路幅が狭い部分で壁と改質ガスとの間の熱伝達が向上する。
【００３４】
第１４発明は燃料電池発電システムであり、第１発明から第１３発明いずれかの燃料改質器と、ＰＲＯＸ触媒層を有し前記燃料改質器に接続されたＰＲＯＸ反応器とを機器として具備し、更に、このＰＲＯＸ反応器に接続された燃料電池を具備することを特徴とする。
【００３５】
第１５発明の燃料電池発電システムは、第１４発明において、前記ＰＲＯＸ反応器と前記燃料電池との間に接続された凝縮器を具備することを特徴とする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
［第１実施例の構成］
図２に本発明の第１実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図２に示すように、本第１実施例の燃料改質器１は、２重の円筒容器２内に、改質触媒層３と、ＣＯ変成触媒層４と、水蒸気発生装置７、バーナ８と、燃焼筒９と、輻射筒１０と、中間円筒１１を備えたものである。更に、本第１実施例では、ＣＯ変成触媒層４を、ＨＴＳ触媒層（高温用ＣＯ変成触媒層）５とＬＴＳ触媒層（低温用ＣＯ変成触媒層）６の両方で構成している。また、円筒容器２の外表面に配置する冷却装置として、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３を備えている。
【００３８】
図２において、円筒容器２は内筒１４と、外筒１５と、蓋１６と、底１７を有しており、内筒１４は外筒１５の半径方向内側に間隔を置いて同心円状に配置されている。蓋１６には、それぞれ環状に開口する改質器入口１８、改質ガス出口１９及びバーナ排ガス出口２０が設けられている。改質原料２１と水蒸気２２との混合蒸気２３は、改質器入口１８から改質触媒層３に流通する。
【００３９】
バーナ８、燃焼筒９及び輻射筒１０は、内筒１４の内側に備えられている。具体的には、燃焼筒９はバーナ８の半径方向外側に間隔を置いて同心円状に配置され、輻射筒１０は燃焼筒９の半径方向外側に間隔を置いて同心円状に配置されている。また、中間円筒１１は、内筒１４と外筒１５との間に、これらに対して半径方向に隙間を置いて配置されている。
【００４０】
バーナ８、燃焼筒９、輻射筒１０、中間円筒１１、内筒１４及び外筒１５それぞれの上端部は、蓋１６に固定され、封止されている。内筒１４及び外筒１５それぞれの下端部は底１７に固定され、封止されているが、バーナ８、燃焼筒９、輻射筒１０及び中間円筒１１それぞれの下端部は封止されず、底１７との間に隙間をおいて開放している。
【００４１】
改質触媒層３は、内筒１４と中間円筒１１との間の隙間で形成される第１領域（断面環状のドーナツ状領域）２４内のほぼ全てに形成されている。改質触媒層３は、改質器入口１８から水蒸気２２と混合して流通してくる改質原料２１を、水蒸気改質反応により改質ガス３ａに転換する。改質触媒層３としては、例えばアルミナ粒子を担体にしたＮｉ系やＲｕ系の改質触媒を充填したものが使用されている。なお、改質触媒層３は、かならずしも触媒粒子群を接着等により一体化して層状にしたものである必要はなく、上述のように、触媒粒子群を第１領域２４に単に充填しているだけのものであっても良い。
【００４２】
ＣＯ変成触媒層４は、中間円筒１１と外筒１５との間の隙間で形成される第２領域（断面環状のドーナツ状領域）２５内のほぼ全てに形成されている。この第２領域２５は、改質触媒層３が形成されている第１領域２４とは中間円筒１１を挟んで隣接し、且つ、中間円筒１１と円筒容器２の底１７との間の隙間を介して第１領域２４と連通している。従って、改質触媒層３で生成された改質ガス３ａは、第１領域２４から中間円筒１１と底１７との隙間で折り返して、第２領域２５内のＣＯ変成触媒層４に流通してくる。つまり、改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４は中間円筒１１を挟んで対向流で向かい合って配置されている。
【００４３】
本第１実施例では、改質触媒層３が第１領域２４のほぼ全てに形成され、ＣＯ変成触媒層４が第２領域２５のほぼ全てに形成され、また、ＣＯ変成触媒層４の全てが中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接している。
【００４４】
改質ガス３ａはＣＯ変成触媒層４を流通することで、ＣＯ変成反応により、その中のＣＯが水素に転換される。改質ガス出口１８は配管３２を介して器外のＰＲＯＸ反応器３３と接続されており、ＣＯ変成反応によってより一層水素リッチとなった改質ガス４ａがＰＲＯＸ反応器３３に与えられる。
【００４５】
更に、本第１実施例では、ＣＯ変成触媒層４を、４００°Ｃ±５０°Ｃ前後で作動するＨＴＳ触媒層（高温用ＣＯ変成触媒層）５と、２００°Ｃ±５０°Ｃ前後で作動するＬＴＳ触媒層（低温用ＣＯ変成触媒層）６の両方で構成し、ＬＴＳ触媒層６の長寿命化と、ＣＯ変成効率及び熱効率の向上を図っている。ＨＴＳ触媒層５は第２領域２５中、改質ガス流れ方向の上流側（図２では下側）に配置し、ＬＴＳ触媒層６はＨＴＳ触媒層５に続いて、同領域２５中改質ガス流れ方向の下流側（図２では上側）に配置している。
【００４６】
ＨＴＳ触媒層５としては、例えばＦｅやＣｒ等の金属粒子を充填したものが使用される。ＬＴＳ触媒層６としては、例えばＣｕ／Ｚｎ等の金属粒子を充填したものが使用される。なお、ＨＴＳ触媒層５もＬＴＳ触媒層６も、かならずしも触媒粒子群を接着等により一体化して層状にしたものである必要はなく、上述のように、触媒粒子群を第１領域２５に単に充填しているだけのものであっても良い。
【００４７】
水蒸気発生装置７は改質原料水２６を冷却流体とし、バーナ火炎２７を蒸発熱源とした冷却機能を併せ持つ蒸発装置であり、燃焼筒９の半径方向外側に間隔をおいて、燃焼筒９と同心円状に配置されている。本第１実施例では、管路７ａを蛇管状やソレノイド管状をなしてバーナ８の周囲に配置することで、水蒸気発生装置７を構成している。管路７ａはバーナ８の周囲、例えば、燃焼筒９の外表面に装着したり、あるいは、輻射筒１０の内表面に装着したり、燃焼筒９と輻射筒１０の中間に配置したりすることができる。水蒸気発生装置７はバーナ燃焼熱を熱源とし、バーナ火炎２７及びバーナ排ガス２８の熱で改質原料水２６を蒸発させ、過熱して水蒸気２２とし、管路７ａから改質器入口１８に送る。
【００４８】
上述の構成により、改質触媒層３は、水蒸気発生装置７で一部の熱を奪われた後のバーナ燃焼熱を受け取ることで、水蒸気改質反応の吸熱分を与えられるが、これだけでなく、中間円筒１１を挟んで隣接するＣＯ変成触媒層４からＣＯ変成反応（発熱反応）で発生した熱も受け取る。つまり、中間円筒１１を隔てた改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４間の伝熱により、改質触媒層３出口の改質ガスの顕熱（例えば６５０°Ｃ→４００°Ｃ）とＨＴＳ触媒層５及びＬＴＳ触媒層６における顕熱及び発熱量が自己回収される。触媒活性にも依存するが、一般的には改質原料２１は４００°Ｃ程度から水蒸気改質反応を開始するため、改質触媒層３の入口温度は４００°Ｃを目安としてして設計することができ、バーナ燃焼熱の一部が水蒸気発生用に奪われても、ＣＯ変成触媒層４の発熱を受けるので問題ない。また、輻射筒１０がバーナ火炎２７により加熱されて熱を輻射するので、改質触媒層３はこの輻射熱も受け取る。
【００４９】
バーナ８は改質触媒層３、輻射筒１０及び管路７ａを流れる改質原料水２６を熱するために使用されている。輻射筒１０は改質触媒層３の加熱効率及び水蒸気発生装置７の加熱効率を上げるために使用されている。バーナ８にはバーナ燃料とバーナ空気が供給されるが、改質原料２１の一部が分流してバーナ燃料とされている。
【００５０】
輻射筒１０と内筒１４との間の隙間で形成される断面管状でドーナツ状の領域はバーナ排ガス流路２９を形成しており、輻射筒１０と円筒容器２の底１７との隙間を介して、輻射筒１０内のバーナ燃焼空間３０と連通している。従って、バーナ排ガス２８はバーナ燃焼空間３０から輻射筒１０と底１７との間で折り返し、バーナ排ガス流路２９を経て、バーナ排ガス出口２３に至る。
【００５１】
その際、改質触媒層３と熱交換した後のバーナ排ガス２８は３００〜４００°Ｃであり、そのまま系外に排出すると熱ロスとなるので、改質原料水２６の予熱やバーナ空気の予熱などに利用して、１００°Ｃ以下にして排出すると良い。また、改質触媒層３の入口部分をバーナ排ガス２８との熱交換部分とし、反応開始温度（例えば４００°Ｃ）まで昇温させることもできる。
【００５２】
第１冷却装置１２は外筒１５の外表面のうち、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６との境界部に対応する位置に、ＨＴＳ触媒層５の出口部からＬＴＳ触媒層６の入口部にかけて、装着されている。この第１冷却装置１２は、ＨＴＳ触媒層５の出口部分を冷却することで、主として、ＨＴＳ触媒層５出口部でのガス温度とＬＴＳ触媒層６の適正作動温度との差を極力なくすため、言い換えれば温度差を吸収するために使用されている。本例では、管路１２ａを外筒１５の外表面にソレノイド管状や蛇管状に巻き付けることで、第１冷却装置１２を構成している。その際、管路１２ａと外筒１５との接触熱伝導を向上させるために、伝熱セメントなどの熱伝導の大きい材料を塗布し、乾燥させている。
【００５３】
第２冷却装置１３は外筒１５の外表面のうち、ＬＴＳ触媒層６の出口部に対応する位置（図２では上端部付近）に装着されており、ＬＴＳ触媒層６の出口部を冷却することで、主として、ＬＴＳ触媒層５の出口ガス温度とＰＲＯＸ触媒層３３の適正作動温度との差を極力なくすため、言い換えれば温度差を吸収するために使用されている。本例では、管路１３ａを外筒１５の外表面にソレノイド状や蛇管状に巻き付けることで、第２冷却装置１３を構成している。その際、管路１３ａと外筒１５との接触熱伝導を向上させるために、伝熱セメントなどの熱伝導の大きい材料を塗布し、乾燥させている。
【００５４】
第１冷却装置１２と第２冷却装置１３には、同一系統の冷却流体を直列または並列に流して良く、あるいは、全く別系統の冷却流体を別々に流しても良い。前者の例としては、例えば、後述する第６実施例（図７）や第７実施例（図８）のように第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに冷却流体として水を流し、ＨＴＳ触媒層５やＬＴＳ触媒層６の発熱で水蒸気を発生させるようにしたり、あるいは、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに冷却流体としてバーナ空気を流し、ＨＴＳ触媒層５やＬＴＳ触媒層６の発熱で温まった空気をバーナ８の予混合温度上昇に利用してバーナ８の焚き込み燃料量を低下させるようにすることができる。後者の例としては、例えば、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３のうち、一方に水を流して水蒸気を発生させ、他方にバーナ空気を流して予混合温度上昇に利用するようにすることができる。第１冷却装置１２と第２冷却装置１３の冷却流体は水やバーナ空気に限定されるものではなく、その他の流体を使用可能であるが、冷却時の熱交換で得た熱を上流プロセスに回収して、燃料改質器１の効率が上げることが好ましい。
【００５５】
本第１実施例では、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに改質原料水２６を流し、ＨＴＳ触媒層５やＬＴＳ触媒層６の発熱で改質原料水２６を蒸発させ、過熱して水蒸気２２を発生させ、水蒸気発生装置７で発生した水蒸気２２と合流させている。
【００５６】
円筒容器２の底１７及び半径方向周囲は、熱ロスを少なくするように、第１冷却装置１２及び第２冷却装置１３を含めて断熱材３１で囲んでいる。
【００５７】
燃料改質器１の改質ガス出口１９は配管３２でＰＲＯＸ反応器３３に接続されている。従って、燃料改質器１内の改質触媒層３及びＣＯ変成触媒層４で生成された改質ガス４ａは、ＰＲＯＸ反応器３３のＰＲＯＸ触媒層３４を通気することで、その中のＣＯが選択的に酸化してＣＯ２になり、ＣＯ濃度が極めて低い（例えば、ＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下）改質ガス３４ａとなる。
【００５８】
本第１実施例では、ＰＲＯＸ反応器３３のガス出口に配管３５を介して凝縮器３６を接続している。ＰＲＯＸ反応器３３からの改質ガス３４ａの温度は９０°Ｃ〜１００°Ｃ程度であるので、この温度が用途によって高すぎる場合、凝縮器３６で改質ガス３４ａの温度を例えば６０°Ｃ程度まで下げるために使用される。その際、凝縮器３６は改質ガス３４ａから凝縮した水分を取り除く。従って、凝縮器３６から、適正温度における飽和状態の改質ガス３６ａが得られる。
【００５９】
また、本第１実施例では、凝縮器３６の出口に配管３７を介して燃料電池３８を接続し、改質ガス３６ａを燃料電池３８の水素極（アノード）に供給するようにしている。燃料電池３８の空気極（カソード）には空気が供給されて、発電が行われる。その際、燃料電池３８の水素極から排出されるアノード排ガス３８ａには消費されなかった水素と改質ガス中の残メタンが含まれているので、アノード排ガス３８ａを改質触媒器１のバーナ燃料としてリサイクル使用している。これにより、改質効率が向上する。改質ガス３４ａや改質ガス３６ａは燃料電池電池システムの他、分散電源など、種々のシステムで使用できる。
【００６０】
［改質反応の詳細説明］
ここで、改質反応の詳細を、改質原料２１の一例として、都市ガスの主成分であるメタンガスを挙げて説明する。ＣＨ４（メタン）を水蒸気と混合して改質触媒層３、４を流通させると、水蒸気改質反応とＣＯ変成反応により、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４からなる改質ガスが生成される。起こっている反応は主に、次の化学式（１） 、化学式（２） で示す２種であり、必要な触媒量を確保することで、平衡状態が得られる。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、ＣＯ変成反応は吸熱反応である。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇔３Ｈ２＋ＣＯ 化学式（１） （水蒸気改質反応）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２ 化学式（２） （ＣＯ変成反応）
【００６１】
水蒸気改質反応では、ＣＨ４濃度は平衡温度が高くなればなるほど減少していくが、系の温度を高くすればするほど装置材料の耐熱性の問題や、熱応力の問題が厳しくなる。一方、平衡温度が低くなればなるほど、ＣＨ４濃度が高くなり転化率が低下する。また、システムとしての効率はＣＨ４転化率が８５％以上では向上効果が小さくなってくるため、通常は熱的な問題から、改質触媒層３の出口温度を６５０°Ｃ〜７００°Ｃ程度にするのが一般的である。
【００６２】
この温度（６５０°Ｃ〜７００°Ｃ程度）では、ＣＯ濃度が１０％程度（Ｄｒｙベース）残っているため、後段のＣＯ変成触媒層４を用いてＣＯ２に転換する。ＣＯ変成触媒層４では、水蒸気改質反応が起きないため、ＣＨ４は反応しない。
【００６３】
ＣＯ変成触媒層４では、プロセスとしてＨＴＳ触媒層（例えば４００°Ｃ±５０°Ｃ作動）５を使う場合と使わない場合があるが、ＬＴＳ触媒層（例えば２００°Ｃ±５０°Ｃ作動）６のみではＣＯの反応量が大きいと触媒に対する負荷が大きくなり、寿命低下につながるため、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６の両方をこの順で使用することが好ましい。ＬＴＳ触媒層６の出口温度は１５０°Ｃ〜２００°Ｃ前後にするのが通常である。その理由は、ＬＴＳ触媒層６の出口温度が低いほどＣＯ変成の平衡はＣＯ濃度が下がる方向にあるが、温度が低すぎると反応速度が低下するためである。
【００６４】
燃料電池３８にとってＣＯは被毒物質となるため、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に下げる必要がある。最終段のＰＲＯＸ反応器３３は、次の化学式（３） で示す酸化反応により、ＣＯ濃度を下げる。平衡状態は燃焼反応の殆ど右寄りとなる。
ＣＯ＋０．５Ｏ２⇒ＣＯ２ 化学式（３） （酸化反応）
【００６５】
ＰＲＯＸ反応器３３では、燃焼反応に伴う副反応としてＨ２の酸化反応が生じるが、Ｈ２の消費は効率低下に影響するため、ＰＲＯＸ触媒層３４には、なるべくＣＯを選択的に酸化する触媒を用いる。他の副反応として、次の化学式（４） に示すメタネーション反応も生じるが、これを積極的に利用する場合と利用しない場合があり、これは触媒種の選定によってなされる。
ＣＯ＋３Ｈ２⇔ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ 化学式（４） （メタネーション反応）
【００６６】
ＰＲＯＸ触媒層３３によるＣＯの選択酸化反応は１００°Ｃ付近が適正温度であり、ＣＯのメタネーション反応は１００°Ｃ〜２００°Ｃ付近が適正温度であるため、ＬＴＳ触媒層６の出口温度が、負荷に応じてあるいは運転条件に応じて大きく変わる場合は、メタネーション反応も利用する。
【００６７】
［第１実施例の動作説明］
次に、図２に示した本例の燃料改質器１の動作を説明する。
【００６８】
改質触媒層３には改質原料２１と水蒸気２２との混合蒸気２３が通気されるので、改質触媒層３の入口ガス温度を混合蒸気２３が再凝縮しないような温度とする必要がある。その理由は、改質原料２１が都市ガスなどの炭化水素を含有する燃料であるから、もし混合蒸気２３が再凝縮する温度以下になると、凝縮により蒸気流の変動が引き起こされるため、改質触媒層３に供給する混合蒸気２３のＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）変動の直接的要因となり、カーボン析出による触媒劣化を引き起こすからである。なお、改質反応には通常Ｓ／Ｃが３以上であることがカーボン析出回避の観点から必要であるが、Ｓ／Ｃの増加は全体の効率低下原因となるため３〜６程度が適正範囲である。
【００６９】
次に、図２に示す燃料改質器１について、都市ガス（例えば１３Ａ）を例にとって燃料の改質を説明する。
【００７０】
都市ガス（改質原料）２１と水蒸気２２との混合蒸気２３の温度が、改質触媒層３の入口部分で１００〜２００°Ｃ、改質触媒層３の出口部分で６５０〜７００°Ｃとなるような状態を作る。
【００７１】
具体的には、改質原料水２６を水蒸気発生装置７、冷却装置１２及び第２冷却装置１３に流して蒸発・過熱させて水蒸気２２とし、都市ガス２１と混合して改質触媒層３に送る。混合後の温度は１００〜２００°Ｃとする。これは、蒸発・過熱した水蒸気２３が再凝縮しないように１００°Ｃ以上とし、中間円筒１１を隔てたＣＯ変成触媒層４の作動温度と同等かそれ以下に設定する必要があるためである。
【００７２】
水蒸気発生装置７に熱を供給した後のバーナ排ガス２８の温度は１３００°Ｃ程度であり、この高温のバーナ排ガス２８は円筒容器２の底１７で折り返して、改質触媒層３に隣接するバーナ排ガス流路２９を鉛直上方へ向かって流れていく。水蒸気発生装置７はバーナ火炎２７と折り返し後のバーナ排ガス２８の両方から熱を受け取る。
【００７３】
一方、改質触媒層３で生成した水素リッチな改質ガス３ａは、円筒容器２の底１７で折り返し、隣接するＣＯ変成触媒層４に送られる。ＣＯ変成触媒層４にて発熱反応であるＣＯ変成反応により生じた熱は、隣接する改質触媒層３での水蒸気改質反応の吸熱の一部として利用されるよう、熱設計がなされている。つまり、温度が高いところから低いところへ熱は伝わるため、ＣＯ変成触媒層４の方が中間円筒１１を隔てた改質触媒層３よりも、やや温度が高くなっている。
【００７４】
ＣＯ変成触媒層４のうち、ＨＴＳ触媒層５の出口では改質ガス温度が約３５０°Ｃとなっており、この温度をＬＴＳ触媒層６の適正作動温度域（２００°Ｃ前後）まで下げるため、外筒５外表面の第１冷却装置１２により、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６の境界部分で改質ガスを冷却する。第１冷却装置１２では吸収した熱を改質原料水２６の蒸発熱に利用することにより、冷却で得た熱は上流プロセスに回収されることとなり、熱ロスにはならない。
【００７５】
第１冷却装置１２による冷却で適正温度まで下がった改質ガスはＬＴＳ触媒層６を流通する。ＬＴＳ触媒層６の出口は約２００°Ｃとなっており、ＰＲＯＸ触媒層３４の作動温度が２００°Ｃ以下である場合は、外筒５外表面の第２冷却装置１３により冷却する。第２冷却装置１３でも吸収した熱を改質原料水２６の蒸発熱に利用することにより、冷却で得た熱は上流プロセスに回収されることとなり、熱ロスにならない。
【００７６】
［第１実施例の効果］
以下に、本第１実施例の効果を示す。
（１） 改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４を円筒容器２内に収めて一体化構造としたことにより、従来と比べて器外のＣＯ変成器１０３が不要となり、システムの小型化、低コスト化が可能である。
（２） 改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４が中間円筒１１を隔てて隣接する構造としたことにより、改質触媒層３とＣＯ変成触媒層４間の伝熱により、改質触媒層３出口の改質ガスの顕熱（例えば６５０°Ｃ→４００°Ｃ）とＣＯ変成触媒層４における顕熱及び発熱量を自己回収することができる。従って、改質触媒層３の吸熱分を全てバーナ８の燃焼熱で与える必要がなくなり、従来と比べてバーナ焚き込み量が少なくなって燃料改質器の効率が高効率化する。また、ＣＯ変成触媒層４を改質触媒層３の吸熱によって冷却するから、従来と比べて所望の適切な温度分布でＣＯ変成反応を行わせることが可能となる。更に、個別製造した器外の熱交換器１０２、１０４が不要となり、従来のような熱ロスがなく、燃料改質器がより高効率化するとともに、装置点数が減り、システムの小型化、低コスト化が可能である。
（３） 冷却装置１２、１３でＣＯ変成触媒層４を冷却する構造としたので、従来と比べて所望の適切な温度分布でＣＯ変成反応を行わせることが可能となる。冷却装置１２、１３は円筒容器２の外筒１５の外表面に位置するので、システムの小型化を妨げない。
（４） 冷却装置１２、１３に冷却流体として改質原料水２６を流し、水蒸気２２を発生させて改質原料２１に混合させたり、あるいは、冷却流体としてバーナ空気を流し、これを温めてバーナの予混合温度上昇に利用することにより、冷却装置１２、１３の熱交換で得た熱を有効利用し、バーナ８の焚き込み燃料量を低下させることができる。
（５） 水蒸気発生装置７を円筒容器２内にて燃焼筒９の外側に位置する構造としたことにより、水蒸気発生装置７がバーナ８近傍に位置し、バーナ火炎２７が蒸発熱源となる。従って、従来と比べて熱交換の温度差が大きく、負荷変化時の応答性が向上する。また、バーナ火炎２７が蒸発熱源となることから、改質原料水２６と蒸発熱源との温度差が大きくなってボイラ効率が向上し、水蒸気発生装置７自体を小さくできる。更に、個別製造した器外の蒸発器１０５が不要となり、装置点数が減り、システムの小型化、低コスト化が可能である。
（６） ＣＯ変成触媒層４をＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６の両方で構成したことにより、ＣＯの反応量が大きくてもＬＴＳ触媒層６に対する負荷が少なく、寿命が延びる。この場合、少なくともＨＴＳ触媒層５が中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接すれば、前項（２） の効果が得られる。
（７） 冷却装置を２つ（第１冷却装置１２と第２冷却装置１３）を備えるから、第１冷却装置１２でＨＴＳ触媒層５出口のガス温度をＬＴＳ触媒層６の適正作動温度域まで下げ、第２冷却装置１３でＬＴＳ触媒層６出口のガス温度をＰＲＯＸ触媒層３４の適正作動温度域まで下げることができる。
（８） 第１冷却装置１２と第２冷却装置１３の両方で水蒸気を発生させたり、両方でバーナ空気を温めたり、あるいは、一方で水蒸気を発生させ、他方でバーナ空気を温めることができる。
（９） 円筒容器２の半径方向周囲及び底１７を断熱材３１で囲んだことにより、熱ロスが減少する。
（１０）ＰＲＯＸ触媒層３３の出口に凝縮器３６を配置したことにより、温度が低く、適正温度における飽和改質ガス３６ａを得ることができる。
【００７７】
［第２実施例］
図３に本発明の第２実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図３に示す燃料改質器は、図２に示したもの（第１実施例）と比べ、中間円筒１１及び外筒１５のそれぞれに薄肉部３９、４０を追加して設けた点が異なり、他は同じである。従って、図３中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。但し、断熱材３１は図示を省略した。
【００７８】
即ち、図３において、中間円筒１１のうち、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６との境界部に相当する部分３９の肉厚を、ＨＴＳ触媒層５の出口部からＬＴＳ触媒層６の入口部にかけて、他より薄くしてある。同様に、外筒１５のうち、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６との境界部に相当する部分４０の肉厚を他より薄くしてある。
【００７９】
本第２実施例の効果は次のとおりである。中間円筒１１及び外筒１５のそれぞれに薄肉部３９、４０を設けたことにより、薄肉部３９、４０で熱伝導が低下するから、ＨＴＳ触媒層５から中間円筒１１及び外筒１５を通してＬＴＳ触媒層６への熱伝導量が少なくなる。この熱伝導量は装置の温度分布によって生じるものであるから、燃料改質器の負荷が低くなっても比例で減少せず、これを冷却するために必要以上の冷却が必要となる。冷却媒体に改質原料水を用いる場合には、低負荷でＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）が必要以上に大きくなり効率低下の要因となる。従って、薄肉部３９、４０により負荷に応じた冷却量でＨＴＳ触媒層５の出口ガス温度とＬＴＳ触媒層６の適正作動温度を得ることができる。ＨＴＳ触媒層５の出口ガス温度とＬＴＳ触媒層６の適正作動温度との温度差によっては、第１冷却装置１２を除外することができる。
【００８０】
［第３実施例］
図４に本発明の第３実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図４に示す燃料改質器は、図２に示したもの（第１実施例）と比べ、輻射熱変換体４１、無反応層４２及びバーナ排ガスダクト４３を追加した点と、水蒸気発生装置７の一部をバーナ排ガスダクト４３の内側にも設けた点が異なり、他は同じである。従って、図４中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。但し、断熱材３１は図示を省略した。
【００８１】
即ち、図４において、内筒１４内のバーナ燃焼空間３０にて、燃焼筒９の前方に輻射熱変換体４１を配置している。輻射熱変換体４１はバーナ火炎２７やバーナ排ガス２８で自身が加熱され、バーナ火炎２７やバーナ排ガス２８の顕熱を輻射熱に変換する。輻射熱変換体４１としては輻射熱変換効率がなるべく高く、バーナ排ガス２８に対し大きな妨げとならないものであれば、その材料に格別の制限はない。本第３実施例では、輻射熱変換体４１として多孔質セラミックスを用いている。輻射熱変換体４１の配置場所は、図４では輻射筒１０の下端部であるが、それより上方であっても、底１７上であっても良い。輻射熱変換体４１は、バーナ火炎２７やバーナ排ガス２８の顕熱を効率良く回収し、また、改質触媒層３の出口部におけるバーナ排ガス２８と内筒１４の壁との熱伝達を向上させる。従って、改質触媒層３は、輻射熱変換体４１がない場合に比べ、輻射筒１０や内筒１４を介してより多く熱を受け取ることができる。また、水蒸気発生装置７もより多く熱を受け取ることができる。更に、輻射熱変換体４１はバーナ８より下にある内筒１４の壁面に入る熱流束を平均化させ、局所的な加熱を緩和させることができるため、触媒や部材の耐久性向上につながる。
【００８２】
また、ＣＯ変成触媒層４を構成するＨＴＳ触媒層５及びＬＴＳ触媒層６に加え、中間円筒１１と外筒１５との間の第２領域２５にて、ＨＴＳ触媒層５より上流側（図４では下側）に無反応層４２を形成している。無反応層４２はＨＴＳ触媒層５及びＬＴＳ触媒層６とともに、中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接している。
【００８３】
無反応層４２は当該無反応層４２における壁と改質ガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であり、本例では、無反応層４２として、実質的に触媒作用がない物体を改質ガス３ａの流れを妨げない程度に集合したダミーの充填層を用いており、触媒作用が全くない物体の他、触媒作用が少ない物体を用いることができる。例えば、単なるセラミック粒子（セラミックボール）の層を用いたり、フィンの集合体を用いることができる。
【００８４】
無反応層４２は、このような触媒活性がない粒子等の物体を充填したものに限らず、当該無反応層４２における壁と改質ガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であれば良く、例えば、このような物体は用いず、単に無反応層４２に相当する部分（第２領域２５のうちＨＴＳ触媒層５よりも上流側の部分）の流路幅を狭くして水力直径を小さくしたものであっても良い。要するに、無反応層４２としては、触媒活性のない物質の充填層あるいは流路幅が狭くなった部分などが考えられる。
【００８５】
更に、円筒容器２にバーナ排ガスダクト４３を形成して、バーナ排ガスダクト４３を蓋１６のバーナ排ガス出口２０に連通させ、このバーナ排ガスダクト４３の半径方向内側から燃焼筒９の半径方向外側にかけて水蒸気発生装置７を配置している。具体的には、円筒容器２の内筒１４を蓋１６外部へ延長させる形でバーナ排ガスダクト４３を形成し、また、バーナ排ガスダクト４３内にて燃焼筒９を蓋１６外部へ延長させる形で案内筒４４を形成し、水蒸気発生装置７を構成する管路７ａの一部を燃焼筒９の半径方向外側に間隔をおいて同心円状に配置し、更に、残りの一部を案内筒４４の半径方向外側に間隔をおいて同心円状に配置している。
【００８６】
本第３実施例の効果を以下に示す。
（１） バーナ燃焼空間３０内に輻射熱変換体４１を配置したことにより、バーナ火炎２７やバーナ排ガス２８の顕熱を効率良く回収することができ、また、改質触媒層３の出口部におけるバーナ排ガス２８と内筒１４の壁との熱伝達を向上させることができる。更に、バーナ８より下にある内筒１４の壁面に入る熱流束を平均化させる効果があり、燃料改質器１の耐熱性及び耐久性を向上させることができる。
（２） 無反応層４２の効果は次のとおりである。改質触媒層３の出口部分における改質ガス３ａの温度は６５０°Ｃ〜７００°Ｃ程度であるが、ＨＴＳ触媒層５を用いた場合でも、耐熱性の問題から約５００°Ｃにまで下げねばならないことがある。このような場合、改質ガス３ａが折り返した後の場所に、セラミックボール等の触媒活性がない充填層や流路幅が狭くなった部分等の無反応層４２を配置することにより、水蒸気改質反応の吸熱の一部に改質触媒層３出口部分の改質ガス３ａ自体の顕熱を利用し、ＨＴＳ触媒層５入口部分におけるガス温度を下げることができる。
（３） 水蒸気発生装置７を燃焼筒９の外側からバーナ排ガスダクト４３の内側にかけて設けたことにより、バーナ排ガス２８の熱を水蒸気発生の熱源に効果的に利用することができる。
【００８７】
［第４実施例］
図５に本発明の第４実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図５に示す燃料改質器は、図２に示したものと比べ、断熱材３１を真空断熱層４４に代えた点が異なり、他は同じである。従って、図５中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。
【００８８】
即ち、図５において、円筒容器２の底１７及び半径方向周囲を、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３を含めて、真空断熱層４４で囲んである。
【００８９】
これにより、燃料改質器１の熱ロスが極めて少なくなる。また、断熱材３１を用いる場合に比べ、燃料改質器１がコンパクトになる。図３や図４に示したものに真空断熱層４４を適用しても同様である。
【００９０】
［第５実施例］
図６に本発明の第５実施例に係る燃料改質器の構成を示す。図６に示す燃料改質器は、図４に示した第３実施例の燃料改質器を上下逆さまにして設置したものであり、他は同じである。このように上下逆さまにしても、第３実施例と同様の効果が得られる。図６中で図４と同じ部分には同じ符号を付し、説明の重複を省く。図２や図３に示したものを上下逆さまにしても同様である。
【００９１】
［第６実施例］
図７に本発明の第６実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図７に示す燃料改質器は、図２に示した第１実施例の燃料改質器において、第１冷却装置１２及び第２冷却装置１３ともに冷却流体として改質原料水２６を流すようにしたものである。従って、図７中で図２と同じ部分には同じ符号を付し、説明の重複を省く。
【００９２】
即ち、本第６実施例では、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに改質原料水２６を直列に流し、これらを水蒸気発生装置としても機能させている。つまり、第１冷却装置１２の管路１２ａと第２冷却装置１３の管路１３ａを直列に接続し、管路１３ａから改質原料水２６を流し、ＬＴＳ触媒層６の発熱とＨＴＳ触媒層５の発熱を順に利用して蒸発させ、過熱して水蒸気２２を発生させている。この水蒸気２２は管路１２ａから取り出し、水蒸気発生装置７で発生した水蒸気２２と合流して、改質触媒層３に流すようにしている。
【００９３】
これにより、冷却時の熱交換で得た熱が上流プロセスに回収され、燃料改質器１の効率が上がる。第１冷却装置１２と第２冷却装置１３に対し並列に改質原料水２６を流すことも可能である。
【００９４】
［第７実施例］
図８に本発明の第７実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図８に示す燃料改質器は、図２に示した第１実施例の燃料改質器において、第１冷却装置１２及び第２冷却装置１３でともに水蒸気を発生させるが、この水蒸気で改質ガスを加湿するようにしたものである。従って、図８中で図２と同じ部分には同じ符号を付し、説明の重複を省く。
【００９５】
即ち、本第７実施例では、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３ともに改質原料水２６を直列に流し、これらを水蒸気発生装置としても機能させている点では図７の第６実施例と同様であるが、管路１２ａから取り出した水蒸気２２は、例えばＰＲＯＸ反応器３３の出口で、改質ガス３４ａと混合して燃料電池３８に直接与えるようにしている。従って、改質触媒層３には、内筒１４内の水蒸気発生装置７で発生した水蒸気２２のみが与えられることとなる。また、図２中の凝縮器３６はＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）の条件によっては省略することができる。
【００９６】
本第７実施例では、第１冷却装置１２及び第２冷却装置１３で熱交換により得た熱を上流プロセスに回収しないため燃料改質器１の効率は若干低下するが、燃料電池３８に送られる改質ガス３４ａ中の水分量だけでは必要な加湿量に満たない場合に発電性能が低下するのを防止できるという効果がある。
【００９７】
改質ガス３４ａの加湿は、ＰＲＯＸ反応器３３の出口の他、これより上流側で水蒸気２２を混合しても達成できる。但し、改質触媒層３に供給する水蒸気２２を単に増やすと、水蒸気改質反応におけるＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）増加により吸熱量が増加し、効率が低下しまうため、これを避けるには、改質触媒層３の出口より以降で水蒸気２２を改質ガスに混合すれば良い。
【００９８】
図８において、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３に改質原料水２６を並列に流すようにしても良い。この場合、第１冷却装置１２と第２冷却装置１３のうち、一方（例えば第１冷却装置１２）で発生した水蒸気を水蒸気発生装置７で発生した水蒸気２２と混合させ、他方（例えば第１冷却装置１２）で発生した水蒸気を改質ガス３４ａの加湿に使用することができる。
【００９９】
［第８実施例］
図９に本発明の第８実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図９に示す燃料改質器は、図２に示したもの（第１実施例）と比べ、ＨＴＳ触媒層５を除外し、その代わりにダミーの無反応層４２を用いた点が異なり、他は同じである。従って、図９中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。但し、断熱材３１は図示を省略した。
【０１００】
即ち、本第８実施例では、無反応層４２を中間円筒１１と外筒１５間の第２領域２５中、改質ガス流れ方向の上流側（図９では下側）に配置し、ＬＴＳ触媒層６を無反応層４２に続いて、同領域２５中改質ガス流れ方向の下流側（図９では上側）に配置している。
【０１０１】
つまり、ＣＯ変成触媒層４はＬＴＳ触媒層６のみであり、第２領域２５内の一部に形成されている。ＬＴＳ触媒層６と無反応層４２は中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接している。
【０１０２】
無反応層４２は実質的に触媒作用をしないから、改質触媒層３からの改質ガス３ａの温度を下げる作用をする。そのため、第２領域２５内で無反応層４２を長く取ることにより、ＬＴＳ触媒層６を適正動作温度まで低下させることができる。従って、ＨＴＳ触媒層５を使用せず、ＬＴＳ触媒層６だけでＣＯ変成反応を行うことができる。
【０１０３】
無反応層４２は前述したように、当該無反応層４２における壁と改質ガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であり、本例でも、無反応層４２として、実質的に触媒作用がない物体を改質ガス３ａの流れを妨げない程度に集合したダミーの充填層を用いており、触媒作用が全くない物体の他、触媒作用が少ない物体を用いることができる。例えば、単なるセラミック粒子（セラミックボール）の層を用いたり、フィンの集合体を用いることができる。このような触媒活性がない粒子等の物体を充填したものに限らず、無反応層４２は、当該無反応層４２における壁と改質ガスとの間の熱伝達を促進することを目的とした熱伝達率を向上させるための手段であれば良く、例えば、このような物体は用いず、単に無反応層４２に相当する部分（第２領域２５のうちＬＴＳ触媒層６よりも上流側の部分）の流路幅を狭くして水力直径を小さくしたものであっても良い。要するに、無反応層４２としては、触媒活性のない物質の充填層あるいは流路幅が狭くなった部分などが考えられる。
【０１０４】
ＨＴＳ触媒層５に代えて無反応層４２を第２領域２５に配置する場合、第１冷却装置１２は外筒１５のうち、無反応層４２とＬＴＳ触媒層６との境界部に対応する部分に配置すると良い。また、図３に示した中間円筒１１の薄肉部３９及び外筒１５の薄肉部４０も、無反応層４２とＬＴＳ触媒層６との境界部に対応する部分に配置すると良い。
【０１０５】
［第９実施例］
図１０に本発明の第９実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図１０に示す燃料改質器は、図２に示したもの（第１実施例）と比べ、改質触媒層３を第１領域２４の一部に形成した点が異なり、他は同じである。従って、図１０中で図２と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。但し、断熱材３１は図示を省略した。
【０１０６】
ＣＯ変成触媒層４は図２と同様、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６の両方で構成し、ＨＴＳ触媒層５は内筒１４と中間円筒１１間の第２領域２５中、改質ガス流れ方向の上流側（図１０では下側）に配置し、ＬＴＳ触媒層６はＨＴＳ触媒層５に続いて、同第２領域２５中改質ガス流れ方向の下流側（図１０では上側）に配置している。
【０１０７】
これに対して、中間円筒１１と外筒１５との間の第１領域２４のうち、中間円筒１１を隔ててＬＴＳ触媒層６と隣接する部分（混合蒸気流れ方向の上流側部分（図１０では上側））を空にし、残りの部分（混合蒸気流れ方向の下流側部分（図１０では下側））に、改質触媒層３を形成している。
【０１０８】
従って、改質触媒層３とは、ＨＴＳ触媒層５のみが中間円筒１１を隔てて隣接する。言い換えれば、ＬＴＳ触媒層６は改質触媒層３とは隣接していない。
【０１０９】
このようにＣＯ変成触媒層４のうち、ＨＴＳ触媒層５が中間円筒１１を隔てて改質触媒層３と隣接し、ＬＴＳ触媒層６は改質触媒層３と隣接しないことにより、以下に示す効果がある。
（１） 改質触媒層３の触媒活性にもよるが、２００°Ｃ程度では吸熱反応（水蒸気改質反応）が起こらない場合、ＬＴＳ触媒層６に改質触媒層３が隣接していても、ＬＴＳ触媒層６における発熱分を改質触媒層３が吸収しきれず、ＬＴＳ触媒層６の温度がそれの適正作動温度より高くなってしまう。
（２） このような場合、第１領域２４のうち、ＬＴＳ触媒層６と隣接する部分には改質触媒層３を形成しないことにより、ＬＴＳ触媒層６の温度を適正作動温度域に下げることができる。
【０１１０】
［第１０実施例］
図１１に本発明の第１０実施例に係る燃料改質器の構成を模式的に示す。図１１に示す燃料改質器は、図１０に示したもの（第９実施例）と比べ、冷却装置を燃料改質器の内部に備えた点と、高温用ＣＯ変成触媒層（ＨＴＳ触媒層）５と低温用ＣＯ変成触媒層（ＬＴＳ触媒層）６とを熱的に切り離すことで冷却効果を得た点とが異なる。従って、図１１中で図２や図１０と同じ部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。
【０１１１】
図１１に示すように、冷却装置２００は外筒１５内に配置されている。より具体的には、外筒１５の上端部は外側に２度折り返されており、この折り返しで内外の２つの部分２０１、２０２が形成されている。そして、内側の折り返し部分２０１と中間円筒１１との間の領域２０３、及び、この領域２０３に隣接する中間円筒１１と内筒１４との間の領域２０４で、冷却装置２００が構成されている。また、外筒１５の上端部は中央部及び下部よりも小径に形成されている。また、中間円筒１１の上部を下部よりも小径にして、第１領域２４の流路を上部で狭くしている。
【０１１２】
更に、外筒１５の２つの折り返し部分２０１、２０２で構成される領域２０５を下端部を除いて仕切るように、中間円筒１１に、その外側に連なった中間円筒鍔部２０６が形成されている。中間円筒鍔部２０６で仕切られた２つの領域２０７、２０８は下端部で連通している。
【０１１３】
ＣＯ変成触媒層４のうち、ＬＴＳ触媒層（低温用ＣＯ変成触媒層）６は２つの領域２０７、２０８に配置されている。ＨＴＳ触媒層（高温用ＣＯ変成触媒層）５はＬＴＳ触媒層６よりも上流側に配置されている。
【０１１４】
このとき、第２領域２５の上部には何もなく、第２領域２５はＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６との間の部分２０９で、流路が狭くなっている。
【０１１５】
また、第１領域２４の上部の狭い流路には何もなく、改質触媒層３は下部の広い部分に配置されている。
【０１１６】
熱ロスを少なくするように円筒容器２を囲んでいる断熱材３１は、外筒１５の折り返しと、小径化により形成された領域２１０にまで入り込んでいる。
【０１１７】
本例の燃料改質器では、改質原料と水蒸気との混合蒸気に加えて、中間円筒１１と内筒１４との間に水２１１を直接注入する。これにより、中間円筒１１を隔てて流れるＨＴＳ触媒層５の出口ガスの温度が熱交換により下がる。注入した水２１１は水蒸気となって改質触媒層３へ流れ、改質反応を生じさせる。ＬＴＳ触媒層６は冷却装置２００により、冷却する。また、第２領域２５の流路が狭くなった部分２０９により、ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６とが熱的に切り離され、無反応層を設けた場合と同様の冷却効果が得られる。つまり、ＨＴＳ触媒層５出口ガスは流路が狭くなった部分２０９で温度が下がり、ＬＴＳ触媒層６に流れる。これにより、低負荷においても、低いＳ／Ｃ（水とカーボンのモル比）で燃料改質器の高効率運転を行うことができる。
【０１１８】
言い換えれば、主として改質原料が蒸発する部分が冷却装置２００であって、これがＬＴＳ触媒層６の内側に位置するので、ＨＴＳ触媒層５の出口ガスの温度を冷却するとともに、冷却装置２００に向かい合うＬＴＳ触媒層６を冷却する。ＨＴＳ触媒層５とＬＴＳ触媒層６とを熱的に切り離したことにより、ＨＴＳ触媒層５からＬＴＳ触媒層６への熱伝導が減少し、ＨＴＳ触媒層５の出口ガス（約４００°Ｃ）をＬＴＳ触媒層６の入口ガス（約２００°Ｃ）まで冷却するためにひつような熱量がガスの顕熱分だけで良く、低負荷時に冷却量が過剰に必要になることがなく、低負荷時においても低Ｓ／Ｃで高効率な運転を行うことができる。
【０１１９】
更に、本例では、第２領域２５において、ＨＴＳ触媒層５よりも上流側の部分２１２の流路幅を狭めることで、水力直径を小さくし、その部分における壁と改質ガスとの間の熱伝達率を高めている。言い換えれば、流路幅の狭い部分２１２が無反応層に相当し、無反応粒子など触媒活性のない物質の充填層を配置しなくても、これと同等の冷却効果を得ることができる。なお、図１１中で、２１３は混合器を示す。
【０１２０】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、本発明によれば、以下に示す効果がある。
【０１２１】
第１発明の燃料改質器は、外筒及びこの外筒の内側に配置された内筒を有する２重の円筒容器と、前記内筒内に配置されたバーナと、前記内筒内で前記バーナの外側に配置された燃焼筒と、前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置された輻射筒と、前記内筒と前記外筒との間に配置された中間円筒と、前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置され、改質原料に混合される水蒸気を発生する水蒸気発生装置と、前記輻射筒と前記内筒との隙間で形成され、下端部で前記輻射筒内のバーナ燃焼空間と連通するバーナ排ガス流路と、前記内筒と前記中間円筒との隙間で形成された第１領域の少なくとも一部に形成された改質触媒層と、前記中間円筒と前記外筒との隙間で形成された領域であって、下端部で前記第１領域と連通する第２領域に形成されたＣＯ変成触媒層と、前記外筒の外表面に配置され、前記ＣＯ変成触媒層を冷却する冷却装置とを具備することを特徴とするので、以下に示すように、燃料改質器が高効率化し、また、適切な温度分布でＣＯ変成反応を行うことでき、更に、燃料改質器を使用するシステムの小型化、低コスト化が可能である。
（１） 改質触媒層とＣＯ変成触媒層を円筒容器内に収めた一体化構造であり、従来と比べて器外のＣＯ変成器が不要である。
（２） 改質触媒層とＣＯ変成触媒層が中間円筒を隔てて隣接する構造であり、改質触媒層とＣＯ変成触媒層間の伝熱により、改質触媒層出口の改質ガスの顕熱とＣＯ変成触媒層における顕熱及び発熱量とを自己回収することができる。従って、従来と比べてバーナ焚き込み量が少なくな。
（３） ＣＯ変成触媒層が改質触媒層の吸熱によって冷却され、また、冷却装置で冷却される。
（４） 従来の個別製造した器外の熱交換器が不要である。
（５） 水蒸気発生装置が円筒容器内にて燃焼筒の外側に位置する構造であり、バーナ火炎が蒸発熱源となるので、従来と比べて熱交換の温度差が大きく、負荷変化時の応答性が向上する。また、ボイラ効率が向上し、水蒸気発生装置自体が小さくできる。
（６） 従来の個別製造した器外の蒸発器が不要である。
【０１２２】
第２発明の燃料改質器は、第１発明において、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層が前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とするので、ＣＯの反応量が大きくてもＬＴＳ触媒層に対する負荷が少なく、寿命が延びる。この場合、少なくとも高温用ＣＯ変成触媒層が中間円筒を隔てて改質触媒層と隣接していることにより、改質触媒層出口の改質ガスの顕熱と高温用ＣＯ変成触媒層における顕熱及び発熱量とを自己回収することができる。低温用ＣＯ変成触媒層が改質触媒層と隣接しない場合は、第１領域のうち低温用ＣＯ変成触媒層が改質触媒層と隣接する部分が空となり、これによって低温用ＣＯ変成触媒層の温度を適正作動温度域に下げることができる。
【０１２３】
第３発明の燃料改質器は、第２発明において、前記ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層（触媒活性のない物質の充填層あるいは流路幅が狭くなった部分など）が前記第２領域に形成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とするので、無反応層が改質触媒層からの改質ガスの温度を、高温用ＣＯ変成触媒層の適正動作温度域まで低下させることができる。つまり、水蒸気改質反応の吸熱の一部に改質触媒層出口部分の改質ガス自体の顕熱を利用し、高温用ＣＯ変成触媒層の入口部分におけるガス温度を下げることができる。この場合、少なくとも高温用ＣＯ変成触媒層が中間円筒を隔てて改質触媒層と隣接していることにより、改質触媒層出口の改質ガスの顕熱と高温用ＣＯ変成触媒層における顕熱及び発熱量とを自己回収することができる。
【０１２４】
第４発明の燃料改質器は、第１発明において、前記ＣＯ変成触媒層が低温用ＣＯ変成触媒層のみで構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層が前記第２領域に形成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とするので、無反応層が改質触媒層からの改質ガスの温度を下げる。つまり、水蒸気改質反応の吸熱の一部に改質触媒層出口部分の改質ガス自体の顕熱を利用し、低温用ＣＯ変成触媒層の入口部分におけるガス温度を下げることができる。従って、第２領域内での無反応層を長く取ることにより、低温用ＣＯ変成触媒層を適正動作温度まで低下させることができ、高温用ＣＯ変成触媒層を使用しなくてもＣＯ変成反応を行うことができる。
【０１２５】
第５発明の燃料改質器は、第１発明において、前記内筒内で、前記燃焼筒内の燃焼空間に配置された輻射熱変換体を具備することを特徴とするので、バーナ火炎やバーナ排ガスの顕熱を効率良く回収することができる。また、改質触媒層の出口部におけるバーナ排ガスと内筒の壁との熱伝達を向上させることができる。更に、バーナより下にある内筒の壁面に入る熱流束を平均化させ、燃料改質器の耐熱性及び耐久性を向上させることができる。
【０１２６】
第６発明の燃料改質器は、第１発明において、前記円筒容器の底及び半径方向の周囲を囲む真空断熱層を具備することを特徴とするので、燃料改質器の熱ロスが極めて少なくなる。また、燃料改質器がコンパクトになる。
【０１２７】
第７発明の燃料改質器は、第１発明において、前記円筒容器のバーナ排ガス出口に連通するように同円筒容器に接続されたバーナ排ガスダクトを具備し、このバーナ排ガスダクトの内側に前記水蒸気発生装置の一部が配置されていることを特徴とするので、バーナ排ガスの熱を水蒸気発生の熱源に効果的に利用することができる。
【０１２８】
第８発明の燃料改質器は、第２発明において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とするので、第１冷却装置で高温用ＣＯ変成触媒層の出口のガス温度を低温用ＣＯ変成触媒層の適正作動温度域まで低下させ、第２冷却装置で低温用ＣＯ変成触媒層の出口のガス温度をＰＲＯＸ触媒層の適正作動温度域まで低下させることができる。また、第１、第２冷却装置に流す冷却流体を改質原料水やバーナ空気から選ぶことが可能で、冷却の熱交換で得た熱を有効利用することができる。
【０１２９】
第９発明の燃料改質器は、第４発明において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とするので、第１冷却装置で無反応層の出口のガス温度を低温用ＣＯ変成触媒層の適正作動温度域まで低下させ、第２冷却装置で低温用ＣＯ変成触媒層の出口のガス温度をＰＲＯＸ触媒層の適正作動温度域まで低下させることができる。また、第１、第２冷却装置に流す冷却流体を改質原料水やバーナ空気から選ぶことが可能で、冷却の熱交換で得た熱を有効利用することができる。
【０１３０】
第１０発明の燃料改質器は、第２発明において、前記中間円筒のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とするので、各薄肉部で熱伝導が低下し、高温用ＣＯ変成触媒層から中間円筒及び外筒を通して低温用ＣＯ変成触媒層への熱伝導量が少なくなる。これにより、負荷に応じた冷却量で高温用ＣＯ変成触媒層の出口ガス温度と低温用ＣＯ変成触媒層の適正作動温度を得ることができる。
【０１３１】
第１１発明の燃料改質器は、第４発明において、前記中間円筒のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とするので、無反応層から中間円筒及び外筒を通して低温用ＣＯ変成触媒層への熱伝導量が少なくなる。これにより、負荷に応じた冷却量で無反応層の出口ガス温度と低温用ＣＯ変成触媒層の適正作動温度を得ることができる。
【０１３２】
第１２発明の燃料改質器は、第１発明において、前記冷却装置が、前記外筒の外表面に代えて、前記外筒内に配置されているので、第１発明と同様に、燃料改質器が高効率化し、また、適切な温度分布でＣＯ変成反応を行うことでき、更に、燃料改質器を使用するシステムの小型化、低コスト化が可能である。
【０１３３】
第１３発明の燃料改質器は、第１２発明において、前記冷却装置が前記外筒の外側に折り返された部分と前記中間円筒との間の領域及びこの領域に隣接する前記中間円筒と前記内筒との間の領域で構成され、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層は前記外筒の折り返された部分で構成される領域が前記中間円筒の外側に連なる中間円筒鍔部で仕切られた部分に配置され、前記高温用ＣＯ変成触媒層は前記低温用ＣＯ変成触媒層よりも上流側に配置されているので、中間円筒と内筒との間に水を直接注入することにより、中間円筒を隔てて流れる高温用ＣＯ変成触媒層の出口ガスの温度が熱交換により下がる。また低温用ＣＯ変成触媒層は冷却装置により、冷却される。
【０１３４】
第１４発明は燃料電池発電システムであり、第１発明から第１３発明いずれかの燃料改質器と、ＰＲＯＸ触媒層を有し前記燃料改質器に接続されたＰＲＯＸ反応器とを機器として具備し、更に、このＰＲＯＸ反応器に接続された燃料電池とを具備することを特徴とするので、効率良く改質原料（燃料）から電気を発生することができる。
【０１３５】
第１５発明の燃料電池発電システムは、第１４発明において、前記ＰＲＯＸ反応器と前記燃料電池との間に接続された凝縮器を具備することを特徴とするので、適正温度における飽和改質ガスを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術を示す図。
【図２】本発明の第１実施例を示す図。
【図３】本発明の第２実施例を示す図。
【図４】本発明の第３実施例を示す図。
【図５】本発明の第４実施例を示す図。
【図６】本発明の第５実施例を示す図。
【図７】本発明の第６実施例を示す図。
【図８】本発明の第７実施例を示す図。
【図９】本発明の第８実施例を示す図。
【図１０】本発明の第９実施例を示す図。
【図１１】本発明の第１０実施例を示す図。
【符号の説明】
１ 燃料改質器
２ ２重の円筒容器
３ 改質触媒層
３ａ 改質ガス
４ ＣＯ変成触媒層
４ａ 改質ガス
５ ＨＴＳ触媒層（高温用ＣＯ変成触媒層）
６ ＬＴＳ触媒層（低温用ＣＯ変成触媒層）
７ 水蒸気発生装置
７ａ 水蒸気発生装置を構成する管路
８ バーナ
９ 燃焼筒
１０ 輻射筒
１１ 中間円筒
１２ 第１冷却装置
１２ａ 第１冷却装置を構成する管路
１３ 第２冷却装置
１３ａ 第２冷却装置を構成する管路
１４ 内筒
１５ 外筒
１６ 蓋
１７ 底
１８ 改質器入口
１９ 改質ガス出口
２０ バーナ排ガス出口
２１ 改質原料
２２ 水蒸気
２３ 混合蒸気
２４ 第１領域（改質触媒層が形成される領域）
２５ 第２領域（ＣＯ変成触媒層が形成される領域）
２６ 改質原料水
２７ バーナ火炎
２８ バーナ排ガス
２９ バーナ排ガス流路
３０ 燃焼空間
３１ 断熱材
３２ 配管
３３ ＰＲＯＸ反応器
３４ ＰＲＯＸ触媒層
３４ａ 改質ガス
３５ 配管
３６ 凝縮器
３６ａ 改質ガス
３７ 配管
３８ 燃料電池（ＦＣ）
３８ａ アノード排ガス
３９ 中間円筒の薄肉部
４０ 外筒の薄肉部
４１ 輻射熱変換体
４２ 無反応層
４３ バーナ排ガスダクト
４４ 案内筒
４５ 真空断熱層
１０１ 燃料改質器（従来）
１０２、１０４ 熱交換器（従来）
１０３ ＣＯ変成器（従来）
１０５ 蒸発器（従来）
２００ 冷却装置
２０１、２０２ 外筒の折り返された部分
２０３ 内側の折り返し部分と中間円筒との間の領域
２０４ 中間円筒と内筒との間の領域
２０５ ２つの折り返し部分で構成される領域
２０６ 中間円筒鍔部
２０７、２０８ 中間円筒鍔部で仕切られた領域
２０９ 第２領域中のＨＴＳ触媒層とＬＴＳ触媒層との間の部分
２１０ 断熱材が入り込んだ領域
２１１ 水
２１２ 第２領域中でＨＴＳ触媒層より上流側の流路幅の狭い部分
２１３ 混合器
Claims (15)
- 外筒及びこの外筒の内側に配置された内筒を有する２重の円筒容器と、
前記内筒内に配置されたバーナと、
前記内筒内で前記バーナの外側に配置された燃焼筒と、
前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置された輻射筒と、
前記内筒と前記外筒との間に配置された中間円筒と、
前記内筒内で前記燃焼筒の外側に配置され、改質原料に混合される水蒸気を発生する水蒸気発生装置と、
前記輻射筒と前記内筒との隙間で形成され、下端部で前記輻射筒内のバーナ燃焼空間と連通するバーナ排ガス流路と、
前記内筒と前記中間円筒との隙間で形成された第１領域の少なくとも一部に形成された改質触媒層と、
前記中間円筒と前記外筒との隙間で形成された領域であって、下端部で前記第１領域と連通する第２領域に形成されたＣＯ変成触媒層と、
前記外筒の外表面に配置され、前記ＣＯ変成触媒層を冷却する冷却装置と
を具備することを特徴とする燃料改質器。 - 請求項１において、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層が前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする燃料改質器。
- 請求項２において、前記ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層が前記第２領域に形成され、少なくとも前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする燃料改質器。
- 請求項１において、前記ＣＯ変成触媒層が低温用ＣＯ変成触媒層のみで構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層に加えて、実質的に触媒作用がない無反応層が前記第２領域に形成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層と前記無反応層とが前記中間円筒を隔てて前記改質触媒層と隣接していることを特徴とする燃料改質器。
- 請求項１において、前記内筒内で、前記燃焼筒内の燃焼空間に配置された輻射熱変換体を具備することを特徴とする燃料改質器。
- 請求項１において、前記円筒容器の底及び半径方向の周囲を囲む真空断熱層を具備することを特徴とする燃料改質器。
- 請求項１において、前記円筒容器のバーナ排ガス出口に連通するように同円筒容器に接続されたバーナ排ガスダクトを具備し、このバーナ排ガスダクトの内側に前記水蒸気発生装置の一部が配置されていることを特徴とする燃料改質器。
- 請求項２において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とする燃料改質器。
- 請求項４において、前記冷却装置として、前記外筒の外表面のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分に配置された第１冷却装置と、前記外筒の外表面のうち、前記低温用ＣＯ変成触媒層の出口部に相当する部分に配置された第２冷却装置を具備することを特徴とする燃料改質器。
- 請求項２において、前記中間円筒のうち、前記高温用ＣＯ変成触媒層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とする燃料改質器。
- 請求項４において、前記中間円筒のうち、前記無反応層と前記低温用ＣＯ変成触媒層との境界部に相当する部分の肉厚が他より薄く、前記外筒のうち、前記境界部に相当する部分の肉厚が他より薄いことを特徴とする燃料改質器。
- 請求項１において、前記冷却装置が、前記外筒の外表面に代えて、前記外筒内に配置されていることを特徴とする燃料改質器。
- 請求項１２において、前記冷却装置が前記外筒の外側に折り返された部分と前記中間円筒との間の領域及びこの領域に隣接する前記中間円筒と前記内筒との間の領域で構成され、前記ＣＯ変成触媒層は高温用ＣＯ変成触媒層と低温用ＣＯ変成触媒層から構成され、前記低温用ＣＯ変成触媒層は前記外筒の折り返された部分で構成される領域が前記中間円筒の外側に連なる中間円筒鍔部で仕切られた部分に配置され、前記高温用ＣＯ変成触媒層は前記低温用ＣＯ変成触媒層よりも上流側に配置されていることを特徴とする燃料改質器。
- 請求項１から１３いずれかに記載の燃料改質器と、ＰＲＯＸ触媒層を有し前記燃料改質器に接続されたＰＲＯＸ反応器とを機器として具備し、更に、このＰＲＯＸ反応器に接続された燃料電池を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
- 請求項１４において、
前記ＰＲＯＸ反応器と前記燃料電池との間に接続された凝縮器を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
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