JP2005314210A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 互いに隣接する折り返し流路間に断熱層を設けることにより、折り返し流路間の断熱性を向上させ、改質部における転化率および熱効率を向上する。
【解決手段】 改質部３０内の折り返し流路Ｒを形成する中仕切り３２と間隔をあけて改質部３０の軸線方向に延在する仕切板３３を設け、この仕切板３３と中仕切り３２の間に混合ガスの流れが生じない静止空間３４を形成して断熱層とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、折り返し流路に改質触媒を充填してなる改質部に燃料と水蒸気との混合ガスを導入し、改質部を燃焼部によって加熱することによって燃料電池に供給する改質ガスを生成するようにした改質装置に関する。

改質装置は、環状に形成され内部に軸線に沿って延在する折り返し流路が形成されるとともに、折り返し流路の一端および他端には入口および出口が形成され、入口から供給された燃料と水蒸気との混合ガスを改質触媒によって改質して生成された改質ガスを出口から燃料電池に導出する改質部と、外部から供給された燃焼用燃料を燃焼し、その燃焼ガスを改質部の内外壁に沿って流通させ、燃焼ガスによって改質部を加熱する燃焼部とを備えたものが知られている。

特許文献１は、このような改質装置の一例を示すものである。この特許文献１は、図１に示されるように、筒状の改質器容器（１）内の中央に混合ガスを加熱するバーナ（４）を配置し、このバーナ（燃焼部）（４）の周りに環状容器からなる触媒管（改質部）（２）を配置し、この触媒管（２）と改質器容器（１）との間に形成される空間をバーナ（４）の燃焼排気ガス（以下燃焼ガスと称す）が通過する構成となっている。そして、触媒管（２）は、内部を内側空間と外側空間に区画する筒状の中仕切りを配置して折り返し流路を形成し、内側空間に改質触媒（３）を充填した構造とし、外側空間の上部に混合ガスを供給する原燃料導入口（５）を形成し、内側空間の上部に改質ガスを排出する改質ガス出口（６）を形成した構造としている。これにより、原燃料導入口（５）から供給された混合ガスは、外側空間内を折り返し点まで中仕切りに沿って移動した後、内側空間側に移動して内側空間内を改質ガス出口（６）に向かって移動し、その途中で改質触媒（３）を通過して改質され改質ガス出口（６）から排出される。この間、混合ガスは、燃焼ガスによって加熱されているため、入口から出口に向かって移動するにつれて混合ガスの温度が上昇することになる。例えば、折り返し流路の外側空間の入口付近の温度は５００℃程度であり、折り返し流路の内側空間の出口付近での温度は６００℃程度に到達している。

また、同様に折り返し流路を形成し、この折り返し流路を通過する混合ガスを加熱するようにしたものとして特許文献２に示すものがある。この特許文献２に示される改質器は、特許文献２の図２、図３に示されるように、外容器（２０）の中央部に円筒形の燃焼筒（２１）を有し、燃焼ガスを生成する改質器バーナ（３０）が燃焼筒（２１）の下方に取り付けられ、環状容器からなる改質管（改質部）（２２）が燃焼筒（２１）の外周を取り巻き、且つ改質管（２２）の外面に沿って燃焼ガス通路（２４）が形成されている。この改質管（２２）の内部には、内側空間と外側空間に区画する筒状の中仕切りを配置して折り返し流路が形成され、この改質管（２２）の内側空間に改質触媒からなる触媒層（２３）が形成されている。

上述した特許文献１および２に記載の改質装置は、いずれも耐熱性、耐食性、ガス機密性の観点から金属材（例えばステンレス）で形成され、中仕切りも同様に金属材で形成されている。
特開平１０−９５６０１号公報（第２頁、図１） 特開平８−１６２１３７号公報（第４〜第５頁、図２，３）

ところが、これら特許文献１および２に記載された改質装置の折り返し流路では、入口から折り返し点までの流路と折り返し点から出口までの流路とが金属材で形成された中仕切りを挟んで隣設しているため、中仕切りを介して高温の改質ガスと低温の混合ガスとの間で容易に熱交換が行われてしまう。この結果、折り返し点から出口までの流路を通過中の改質ガスの温度が低下し、燃焼部の燃焼ガスからの熱が水蒸気改質反応に有効に利用されず、転化率（混合ガスが水素に変換される割合）が低下し、熱効率が低下する問題があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、互いに隣接する折り返し流路間に断熱層を設けることにより、折り返し流路間の断熱性を向上させ、改質部における転化率および熱効率を向上することを目的とするものである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、環状に形成され内部に軸線に沿って延在する折り返し流路が形成されるとともに、折り返し流路の一端および他端には入口および出口が形成され、入口から供給された燃料と水蒸気との混合ガスを改質触媒によって改質して生成された改質ガスを出口から燃料電池に導出する改質部と、外部から供給された燃焼用燃料を燃焼し、その燃焼ガスを改質部の内外壁に沿って流通させ、前記燃焼ガスによって改質部を加熱する燃焼部とを備えた改質装置において、改質部の互いに隣接する折り返し流路間に断熱層を介在させたことである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、断熱層を、折り返し流路内に軸線方向に延設した仕切板と前記折り返し流路の隣接壁面とによって形成された空間で形成したことである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、断熱層を、改質部の内外壁を構成する部材の熱伝導率以下の熱伝導率を有する断熱材からなる断熱部材で形成したことである。

また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、断熱部材の全周を金属材で形成されたケーシングで覆う構造とし、ケーシングは互いに接合されていない一対の自由端を備えたことである。

また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、自由端は、折り返し流路に面していない部位に設けられていることを特徴とする改質装置。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、互いに隣接する入口から折り返し点までの流路と折り返し点から出口までの流路との間が断熱層によって断熱されるため、折り返し点から出口側の流路を流れる比較的高温の混合ガスの温度が入口から折り返し点までの流路を流れる比較的低温の混合ガスの温度に引張られて低下することを防止でき、改質部における転化率および熱効率を向上させることができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、折り返し流路内に軸線方向に延設した仕切板と前記折り返し流路の隣接壁面とによって形成された空間で断熱層を形成したので、仕切板を設けるだけで断熱層を形成でき、簡単な構成で隣接する折り返し流路間を断熱し、改質部における転化率および熱効率を向上させることができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、断熱層を形成する断熱部材が改質部の内外壁を構成する部材より小さい熱伝導率を有する断熱材からなることにより、均一な断熱効果が得られ、改質部における転化率および熱効率をさらに向上することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、断熱部材の全周を金属材で形成されたケーシングで覆う構造とし、ケーシングは互いに接合されていない一対の自由端を備えたので、断熱部材から発生する粉末などが折り返し流路に混入するのを確実に防止することできる。さらに、断熱層より内側の折り返し流路と断熱層より外側の折り返し流路で温度差が生じ、これによりケーシングの内側壁と外側壁とに熱膨張差が生じた場合、ケーシングの自由端が熱膨張によって移動するのでケーシングが破損するのを確実に防止することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、自由端は、折り返し流路に面していない部位に設けられているので、折り返し流路を流通する改質ガスが自由端間を通って断熱層内に入り込む支流の発生を防止して、折り返し流路を流れる改質ガスの流れが乱れるのを確実に防止することができる。また、熱膨張差により隙間が発生した自由端から断熱材が改質部内に混入することを防ぐことができる。

以下、本発明による改質装置の一実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置２０を備えている。燃料電池１０の燃料極にはＣＯ浄化部６０から改質ガスが供給され、燃料電池１０の空気極には外部からの空気が供給され、燃料電池１０において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。

改質装置２０は、改質部３０、冷却部４０、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）５０、一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という。）６０および燃焼部７０から構成されている。

改質部３０は、外部から供給された燃料（例えば天然ガス、ＬＰガス、灯油、メタノールなど）と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものであり、有底円筒状に形成されている。この改質部３０は、燃焼部７０のハウジング７１とバーナ燃焼部７２との間の環状空間に改質部３０の筒部が挿入され、燃焼ガス流路７３，７４に取り囲まれるように配置されている。

改質部３０は後述する冷却部４０の環状マニホールド４３の上面に当接して固定されている。改質部３０内には、図２に示すように環状の空間を内側空間Ｒ１と外側空間Ｒ２に仕切る筒状の中仕切り３２が改質部３０の軸線方向に延在して配置されている。この中仕切り３２は、改質部３０と冷却部４０の環状マニホールド４３とを仕切る底板３１に下端が固定され、上端は改質部３０の環状の天板から間隔をもって延設され、この中仕切り３２上端側の改質部３０の天板との隙間から改質部３０の内側空間Ｒ１と外側空間Ｒ２とは連通している。また、改質部３０の底板３１には、環状マニホールド４３と外側空間Ｒ２とを連通して燃料と水蒸気との混合ガスを導入する複数の混合ガス導入口３１ａが設けられるとともに、環状マニホールド４３の開口４３ａに臨んで設けられ改質ガスを内側空間Ｒ１から導出する改質ガス導出口３１ｂが設けられている。この構成によって改質部３０内には、混合ガス導入口３１ａから筒部先端（上端）の折り返し点Ｐまでの流路（外側空間Ｒ２）と、折り返し点Ｐから改質ガス導出口３１ｂまでの流路（内側空間Ｒ１）から構成される折り返し流路Ｒが形成される。

中仕切り３２の内周側には、中仕切り３２との間に所定間隔を保持して軸線方向に延在する円筒状の仕切板３３が配置されている。この仕切板３３は、中仕切り３２の上端に環状フランジ部３３ａに固定され中仕切り３２に沿って垂下し、中仕切り３２と仕切板３３の間には断熱層としての静止空間３４が形成されている。静止空間３４は仕切板３３の下端と底板３１との間の開口３４ａのみにより、折り返し流路Ｒの内側空間Ｒ１と連通している。このため、静止空間３４には、混合ガスが充満されてはいるが気体の流れの生じない空間となっている。開口３４ａは静止空間３４内の混合ガスと内側空間Ｒ１の間の呼吸作用のために形成されている。

なお、改質部３０の内外壁および中仕切り３２は耐熱性、耐食性、ガス機密性の優れた金属（例えばステンレス）で形成されている。

改質部３０内には、改質触媒３０ａ（例えば、Ｒｕ系、Ｎｉ系の触媒）が充填されており、混合ガス導入口３１ａから導入された燃料と水蒸気との混合ガスが改質触媒３０ａによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。この改質反応は吸熱反応である。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化シフト反応は発熱反応である。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は改質ガス導出口３１ｂを通って冷却部４０に導出される。

冷却部４０は、改質部３０から導出された改質ガスを燃料と水蒸気との混合ガスによって降温して導出するものであり、改質部３０と同軸に配置されている。冷却部４０は、円筒ハウジング４１、環状に形成された底板４２、円筒ハウジング４１の上部に設けられた環状マニホールド４３、環状マニホールド４３の底部にそれぞれ配設された内筒４４、マニホールド４５，４６、および両マニホールド４５，４６を連通する複数の熱交換パイプ４７から構成されている。マニホールド４５には燃料と水蒸気（または水）との混合ガスを導入する導入口４５ａが設けられており、マニホールド４６には環状マニホールド４３に連通する貫通孔４６ａが設けられている。

導入口４５ａから導入された混合ガスは、マニホールド４５、熱交換パイプ４７、マニホールド４６、貫通孔４６ａ、環状マニホールド４３、および改質部３０の混合ガス導入口３１ａを通って改質部３０に導出される。一方、改質ガス導入口である環状マニホールド４３の開口４３ａから導入された改質ガスは、内筒４４および環状の底板４２の開口４２ａを通ってＣＯシフト部５０に導出される。この時、熱交換パイプ４７を介して混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われ、混合ガスは改質ガスによって加熱され、改質ガスは降温する。

ＣＯシフト部５０は、冷却部４０から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものであり、冷却部４０に同軸に固定されている。ＣＯシフト部５０は、外筒５１と、外筒５１と同軸に配置された内筒５２を備えている。外筒５１および内筒５２の各上端縁には環状に形成された天板５３の外周縁および内周縁が一体的に取り付け固定されている。天板５３の開口５３ａは冷却部４０からの改質ガスを導入する導入口である。外筒５１の下端縁には円板状に形成された底板５５の外周縁が一体的に取り付け固定されている。底板５５と内筒５２の下端との間には隙間が形成されている。外筒５１の外周上部には改質ガスが導出される改質ガス導出口５１ａが設けられている。天板５３の上面には、天板５３の開口５３ａの内周縁（すなわち内筒５２の上端開口周縁）から連結部５６が立設されており、この連結部５６の上端は、冷却部４０の底板４２上の開口４２ａの内周縁に取り付け固定されている。ＣＯシフト部５０の内筒５２内および内筒５２と外筒５１との間には触媒５０ａ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。この触媒５０ａは、外周縁を外筒５１の内周に取り付けたフィルタを有する支持部材５４によって支持されている。

このように構成されたＣＯシフト部５０においては、導入口５３ａから導入された改質ガスは、内筒５２を通り、折り返して内筒５２と外筒５１との間の空間を通って改質ガス導出口５１ａから導出する。このとき、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒５０ａにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は、発熱反応である。

ＣＯ浄化部６０は、ＣＯシフト部５０から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものである。ＣＯ浄化部６０は改質ガスを導入および導出する導入口６１および導出口６２を備えている。導入口６１は配管８１により改質ガス導出口５１ａに連通しており、この配管８１の途中には酸化空気が供給されるようになっている。導入口６１にはＣＯシフト部５０からの改質ガスと酸化空気との混合ガスが供給されている。導入された混合ガス中の一酸化炭素は、酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は、ＣＯ浄化部６０の内部に充填された触媒６０ａ（例えば、Ｒｕ系、Ｐｔ系の触媒）によって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極に供給されるようになっている。

燃焼部７０は、改質部３０を加熱する燃焼ガスを生成するものである。この燃焼部７０は、ハウジング７１とこのハウジング７１の上部中央に突設されたバーナ燃焼部７２とから構成されている。バーナ燃焼部７２の上部には燃焼用燃料、燃焼空気およびオフガスを導入するガス導入口７２ａが設けられ、バーナ燃焼部７２の下部には導入された燃焼用燃料またはオフガスに着火する着火手段である電極（図示省略）が設けられている。バーナ燃焼部７２内において、着火手段によって着火された燃焼用燃料またはオフガスが燃焼する。その燃焼ガスがバーナ燃焼部７２の下部開口端から導出される。そして、この燃焼ガスは、バーナ燃焼部７２と改質部３０の筒部の内壁面との間に形成された環状流路７３と、改質部３０の筒部の外壁面とハウジング７１との間に形成されて環状流路７３の上部と連通する環状流路７４とを通って外部に排気される。

また、ＣＯ浄化部６０の導出口６２と燃料電池１０の燃料極の導入口１１ａとを連通する配管８２が設けられ、燃料電池の燃料極の導出口１１ｂと燃焼部のガス導入口７２ａとを連通する配管８３が設けられている。両配管８２，８３の間にはバイパス管８４が設けられており、配管８２のバイパス管８４の連結部分には切り替え装置９１が設けられている。この切り替え装置９１は、定常運転時にはＣＯ浄化部６０を燃料電池１０に連通し、起動運転時には一酸化炭素濃度が高い改質ガスを燃料電池１０に供給しないようにするためＣＯ浄化部６０を燃焼部７０のバーナ燃焼部７２に連通するように切り替えられている。これにより、起動運転時には、外部からの燃焼用燃料またはＣＯ浄化部６０から導出された改質ガスの少なくともどちらか一方がバーナ燃焼部７２に供給されて燃焼され、定常運転時には、燃料電池１０で未使用の水素ガス（オフガス）がバーナ燃焼部７２に供給されて燃焼される。

このように構成された燃料電池システムの改質装置の動作について説明する。定常運転時には、図１に示すように、冷却部４０のマニホールド４５に水（または水蒸気）に燃料が混合され導入される。冷却部４０においては、導入された混合ガスが上述したように環状マニホールド４３へ到達する間に、改質部３０から供給されて内筒４４内を流れる改質ガスによって加熱され完全に気体化されて、改質部３０の混合ガス導入口３１ａに導出される。そして、触媒３０ａを通過する間に水蒸気改質反応によって改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成される。また、これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じる。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部４０の内筒４４に導出される。冷却部４０の内筒４４内においては、改質ガスが内筒４４を通過する間に降温され、ＣＯシフト部５０に導出される。そして、ＣＯシフト部５０においては、冷却部４０から供給された改質ガスがその中に含まれる一酸化炭素を低減されてＣＯ浄化部６０に導出される。さらにＣＯ浄化部６０に導出された改質ガスには酸化反応用空気が混合され、酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて導出されたのち、燃料電池１０の燃料極に供給される。

ここで改質部３０を通過する改質ガスの動作について詳述する。図２に示すように、混合ガス導入口３１ａから導入された混合ガス（４００℃〜５５０℃）は、改質部３０内の外側空間Ｒ２に導入される。外側空間Ｒ２に導入された混合ガスは、中仕切り３２に沿って上昇し、改質触媒３０ａを通過する。このとき混合ガスは環状流路７４を通過する燃焼ガスによって加熱される。そして改質部３０の天板と中仕切り３２の上端の隙間から折り返し点Ｐで折り返して内側空間Ｒ１側に移動し、仕切板３３に沿って下降する。この内側空間Ｒ１を下降する混合ガスは、環状通路７３を通過する燃焼ガスとバーナ燃焼部７２の燃焼ガスによってさらに加熱される（５５０℃〜７５０℃）。

このとき、混合ガス導入口３１ａから折り返し点Ｐまでの流路（外側空間Ｒ２）と折り返し点Ｐから改質ガス導出口３１ｂまでの流路（内側空間Ｒ１）との間は、静止空間３４により断熱されている。このため、内側空間Ｒ１内を流れる比較的高温の混合ガスの温度は、外側空間Ｒ２を流れる比較的低温の混合ガスの温度に引張られて低下することなく、改質ガス導出口３１ｂから冷却部４０に導出される。

図３は、内側空間Ｒ１および外側空間Ｒ２から構成される折り返し流路Ｒ内の温度を測定した温度分布グラフである。この温度分布グラフは、混合ガス導入口３１ａから改質ガス導出口３１ｂまで図２に示すＴ１からＴ９の位置の温度を測定したものである。また、静止空間３４の効果を明確にするため、図４に示すように、仕切板３３を設けずに静止空間３４を形成しない構成の改質部３０において、混合ガス導入口３１ａから改質ガス導出口３１ｂまでＴ１からＴ９の位置の温度を測定した。この静止空間３４のない従来の改質部３４の温度分布グラフを図５に示す。

図５に示す従来の静止空間３４がない温度分布グラフにおいて、位置Ｔ６をピークとして位置Ｔ９の温度は低下している。これに対して静止空間３４を形成した本実施の形態における改質部３０では、図３に示すように位置Ｔ６から位置Ｔ９においても温度は低下していない。この図３、図５の温度分布グラフを比較して明らかなように、本実施の形態において、改質部３０の位置Ｔ６から位置Ｔ９の間、すなわち、折り返し点Ｐから改質ガス導出口３１ｂまでの流路（内側空間Ｒ１）を流れる比較的高温の改質ガスの温度が、外側空間Ｒ２を流れる比較的低温の混合ガスの温度に引張られて低下することを静止空間３４の断熱作用によって防止していることが確認できる。

従って、混合ガス導入口３１ａから折り返し点Pまでの流路（外側空間Ｒ２）と折り返し点Ｐから改質ガス導出口３１ｂまでの流路（内側空間Ｒ１）との間に静止空間３４を設けることによって、隣接する折り返し流路Ｒの間の断熱性を向上できる。この結果、内側空間Ｒ１を流れる比較的高温の改質ガスの温度は、外側空間Ｒ１を流れる比較的低温の混合ガスの温度に引張られて低下せず、改質部３０における転化率および熱効率を向上させることができる。また、上述した実施の形態のように、仕切板３２を設けることにより中仕切り３２と仕切板３３の間に気体の流れのない静止空間３４を形成して断熱層とすれば、簡単な構成で隣接する折り返し流路間を断熱し、改質部３０における転化率および熱効率を向上させることができる。

なお、上述の実施形態では、中仕切り３２から仕切板３３が環状フランジ部３３ａを介して垂下されるように構成したが、図６に示すように中仕切り３２の内周側に所定間隔をあけて中仕切り３２と平行に底板３１から立設し、中仕切り３２のと仕切板３３の上端に環状のパンチングメタル３５を装着するようにしてもよい。

このようにパンチングメタル３５を装着して静止空間３４を形成するようにすれば、改質触媒３０ａが静止空間３４に落下してくることを防止したうえ呼吸作用を行うことができるうえ、中仕切り３２および仕切板３３の剛性が増し、折り返し流路Ｒ内を混合ガスが移動すること等によって中仕切り３２および仕切板３３が振動することを防止できる。

また、上述の実施の形態では中仕切り３２と仕切板３３の間に混合ガスの流れのない静止空間３４を形成し、この静止空間３４内の混合ガスにより断熱層を形成したが、断熱層を、改質部３０の内外壁を構成する部材の熱伝導率以下の熱伝導率を有する断熱材（例えば、セラミックボード（セラミックファイバー断熱材）などのセラミック材）からなる断熱部材３６で形成してもよい。この場合、図７に示す如く断熱部材３６を中仕切り３２に接着またはモールド成形によって固定すればよい。さらに、中仕切り３２自体を断熱部材３６と同様の断熱材で形成してもよい。

このように、断熱部材３６を用いて断熱層を形成するようにすれば、断熱層は改質部３０の内外壁を構成する部材の熱伝導率以下の熱伝導率を有することになり、均一な断熱効果が得られ、改質部３０における転化率および熱効率をさらに向上することができる。

また、上述の実施の形態において、断熱部材３６（１３６ａ）の下端部を内側に向けて延設して、その環状延設部１３６ｂによって冷却部４０と隣接する改質部３０を区画して断熱するようにしてもよい。これにより、改質部３０はより確実に放熱を防止することができる。なお、円筒状の断熱部材３６（１３６ａ）と環状延設部１３６ｂとの一体を断熱部材１３６としている。

さらに、この断熱部材１３６の全周を金属材（例えばステンレス材）で形成されたケーシング１００で覆う構造とするのが好ましい。このケーシング１００は、仕切り外筒１０１、仕切り内筒１０２、第１〜第３環状フランジ１０３〜１０５および第１および第２連結部材１０６，１０７から構成される一体構造体である。仕切り外筒１０１、仕切り内筒１０２および第１連結部材１０６は、上述した中仕切り３２、仕切板３３および環状フランジ部３３ａと同様に構成されている。

仕切り外筒１０１の下端は、冷却部４０の上面に設けた環状の取付部４０ａの上面に溶接などにより固定されている。仕切り外筒１０１の下端には第１環状フランジ１０３の外周端が接続されている。仕切り外筒１０１の上端には環状に形成された第１連結部材１０６の外周端が接続され、第１連結部材１０６の内周端から仕切り内筒１０２が垂下している。仕切り内筒１０２の下端には第２環状フランジ１０４の外周端が接続され、第２環状フランジ１０４の内周端から円筒状に形成された第２連結部材１０７が垂下し、第２連結部材１０７の下端には第３環状フランジ１０５の内周端が接続されている。第３環状フランジ１０５の外周端１０５ａは第１環状フランジ１０３の内周端１０３ａに下側に重なるように配置されている。なお、取付部４０ａは冷却部４０から導出される燃料と水蒸気の混合ガスを改質部３０の外側空間Ｒ２に導入する導出口４０ｂを備えている。

これにより、ケーシング１００は互いに接合されていない一対の自由端である第３環状フランジ１０５の外周端１０５ａおよび第１環状フランジ１０３の内周端１０３ａを備えることになる。したがって、断熱部材１３６から発生する粉末などが折り返し流路Ｒに混入するのを確実に防止することできる。さらに、断熱層である断熱部材１３６より内側の内側流路Ｒ１と断熱部材１３６より外側の外側流路Ｒ２で温度差が生じ、これによりケーシング１００の内側壁である仕切り内筒１０２と外側壁である仕切り外筒１０１とに熱膨張差が生じた場合、ケーシング１００の自由端が熱膨張によって移動する。具体的には、内側流路Ｒ１が外側流路Ｒ２より高温となり仕切り内筒１０２が仕切り外筒１０１より膨張する場合、第２環状フランジ１０４ひいては第３環状フランジ１０５およびその外周端１０５ａが下方に移動する。したがって、ケーシング１００が変形して破損するのを確実に防止することができる。

また、これら自由端（第３環状フランジ１０５の外周端１０５ａおよび第１環状フランジ１０３の内周端１０３ａ）は、折り返し流路Ｒに面していない部位に設けられるのが好ましい。これによれば、折り返し流路Ｒを流通する改質ガスが自由端間を通って断熱層（断熱部材１３６）内に入り込む支流の発生を防止して、折り返し流路Ｒを流れる改質ガスの流れが乱れるのを確実に防止することができる。また、熱膨張差により隙間が発生した自由端から断熱材（断熱部材１３６の細かい粉）が改質部３０内に混入することを防ぐことができる。

さらに、好適には、断熱部材３６を空気の熱伝導率以下の断熱材から形成することが好ましい。これにより、混合ガスが存在する静止空間３４を断熱層とした場合と比較して、同じ断熱効果を得るのに断熱層の厚みを小さくすることができ、改質装置２０をコンパクトにすることができる。なお、この場合、断熱材としては、例えば日本マイクロサーム社製のマイクロサームやドイツ・ワッカー社製のＷＤＳなどを用いることができる。また、断熱部材３６を改質ガスの熱伝導率以下の断熱材から形成してもよい。

また、上述の実施の形態では、中仕切り３２を改質部３０内に１つのみ配置して１回の折り返しからなる折り返し流路Ｒについて述べたが、径の異なる中仕切り３２を複数配置して複数の折り返しからなる折り返し流路において、断熱層を形成してもよい。これによっても改質部３０における転化率および熱効率を向上させることができる。

なお、静止空間３４の厚みについては、折り返し流路Ｒを通過する混合ガスの温度勾配、流速および改質部３０を構成する各部材の材質（熱伝導率）に基づいて適宜設計できる。

また、上述の実施の形態において、燃料と水蒸気の混合ガスを内側空間Ｒ１側から導入して外側空間Ｒ２に導くようにしてもよい、すなわち実施の形態における改質ガス導出口３１ｂを混合ガス導入口とし、混合ガス導入口３１ａを改質ガス導出口としてもよい。この場合、それに合わせて冷却部４０の構造が変えられる。

本発明に係る改質装置を示す概要図である。 本発明に係る改質装置の第１の実施の形態における要部拡大図である。 本発明に係る改質装置の第１の実施の形態における改質部内の温度分布グラフである。 本発明に係る改質装置の第１の実施の形態との比較における従来の改質部の概要図である。 図４における従来の改質部内の温度分布グラフである。 本発明に係る改質装置の第２の実施の形態における要部拡大図である。 本発明に係る改質装置の第３の実施の形態における要部拡大図である。 本発明に係る改質装置の第４の実施の形態における要部拡大図である。

符号の説明

１０…燃料電池、２０…改質装置、３０…改質部、３０ａ…改質触媒、３１ａ…混合ガス導入口、３１ｂ…改質ガス導出口、３２…中仕切り、３３…仕切板、３４…静止空間、３３ａ,４２ａ，４３ａ，５３ａ…開口、３６，１３６…断熱部材、４０…冷却部、４５ａ…導入口、４６ａ…貫通孔、５０ａ，６０ａ…触媒、５１ａ…改質ガス導出口、６０…ＣＯ浄化部、６１…導入口、６２…導出口、７０…燃焼部、８１〜８３…配管、８４…バイパス管、９１…切り替え装置、１００…ケーシング、１０１…仕切り外筒、１０２…仕切り内筒、１０３〜１０５…第１〜第３環状フランジ、１０３ａ…第１環状フランジの内周端（自由端）、１０５ａ…第３環状フランジの外周端（自由端）、１０６，１０７…第１および第２連結部材、Ｐ…折り返し点、Ｒ…折り返し流路、Ｒ１…内側空間、Ｒ２…外側空間。

Claims (5)

1. 環状に形成され内部に軸線に沿って延在する折り返し流路が形成されるとともに、該折り返し流路の一端および他端には入口および出口が形成され、前記入口から供給された燃料と水蒸気との混合ガスを改質触媒によって改質して生成された改質ガスを前記出口から燃料電池に導出する改質部と、
   外部から供給された燃焼用燃料を燃焼し、その燃焼ガスを前記改質部の内外壁に沿って流通させ、前記燃焼ガスによって前記改質部を加熱する燃焼部と、
   を備えた改質装置において、
   前記改質部の互いに隣接する折り返し流路間に断熱層を介在させたことを特徴とする改質装置。
2. 請求項１において、前記断熱層を、前記折り返し流路内に前記軸線方向に延設した仕切板と前記折り返し流路の隣接壁面とによって形成された空間で形成したことを特徴とする改質装置。
3. 請求項１において、前記断熱層を、前記改質部の内外壁を構成する部材の熱伝導率以下の熱伝導率を有する断熱材からなる断熱部材で形成したことを特徴とする改質装置。
4. 請求項３において、前記断熱部材の全周を金属材で形成されたケーシングで覆う構造とし、前記ケーシングは互いに接合されていない一対の自由端を備えたことを特徴とする改質装置。
5. 請求項４において、前記自由端は、前記折り返し流路に面していない部位に設けられていることを特徴とする改質装置。

Images