JP2006256932A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質用燃料と加熱流体との効率的な熱交換を行うとともに、簡単且つコンパクトに構成することを可能にする。
【解決手段】燃料改質装置１０を構成する蒸発器１２は、湾曲管部材２０を備えるとともに、前記湾曲管部材２０は、断面円弧状を有し、且つ同一円周上に複数配設される円弧状管２８ａ、２８ｂを備える。円弧状管２８ａ、２８ｂは、同心円上に２列に配列されるとともに、前記円弧状管２８ａ、２８ｂ内には、加熱流体を流通させる第１通路３０が形成される。内筒部材２２、外筒部材２４及び湾曲管部材２０の間には、改質用燃料を流通させる第２通路３２が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置に関する。

例えば、燃料電池では、燃料ガスとして主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給されている。この水素含有ガスとしては、一般的に、メタノールやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素燃料から改質原料ガスを得、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、オートサーマル改質等を施して生成される改質ガスが用いられている。

例えば、特許文献１に開示されている改質装置では、図１４に示すように、蒸発器１に供給された純水が燃焼排気ガスを介して蒸発された後、水蒸気が熱交換器２を通って改質器３に供給されるように構成されている。蒸発器１は、熱交換用ガスである燃焼排気ガスにより通過する水を蒸発させて水蒸気を生成する熱交換部を備えた蒸発熱交換器４を設けている。蒸発熱交換器４は、互いに平行に配設される複数の配管５と、前記配管５の上流端及び下流端が開口する入口マニホールド６及び出口マニホールド７とを備えている。この入口マニホールド６には、繊維状の突出防止部材８が配設されている。

特開２００３−１９２３０４号公報（図１）

ところで、上記の蒸発器１では、純水が複数の配管５に沿って矢印Ｘ方向に流れる一方、燃焼排気ガスは、矢印Ｘ方向に直交する矢印Ｙ方向に供給されている。その際、配管５を通る純水を確実に蒸発させて水蒸気を生成するためには、前記純水に燃焼排気ガスから所定の熱量を与える必要がある。従って、純水と燃焼排気ガスとの熱交換時間を確保するために、前記配管５を矢印Ｘ方向に相当に長尺化しなければならない。これにより、蒸発器１は、矢印Ｘ方向に相当に大型化し、改質装置全体の小型化が図ることができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、改質用燃料と加熱流体との効率的な熱交換を行うとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能な燃料改質装置を提供することを目的とする。

本発明は、改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置であり、この燃料改質装置は、前記改質用燃料を加熱流体との熱交換により蒸発させる蒸発器を備える。

蒸発器は、湾曲管部材と、湾曲管部材の両側に且つ前記湾曲管部材と同心円上に配設される内筒部材及び外筒部材とを有する。湾曲管部材内には、加熱流体又は改質用燃料の一方を流通させる第１通路が形成されるとともに、内筒部材、外筒部材及び前記湾曲管部材の間には、前記加熱流体又は前記改質用燃料の他方を流通させる第２通路が形成される。

また、湾曲管部材は、複数の同心円上に配設されることが好ましい。多数の（長尺な）第１及び第２通路を設けることができ、改質用燃料の熱交換効率が有効に向上するからである。

さらに、湾曲管部材内に配設される湾曲燃焼触媒を設け、第１通路は、前記湾曲燃焼触媒により燃焼した加熱流体を流通させる加熱流体通路である一方、第２通路は、改質用燃料を流通させて前記加熱流体と熱交換を行う改質用燃料通路であることが好ましい。

さらにまた、湾曲燃焼触媒は、扁平型メタルハニカムを備えることが好ましい。ハニカム内の面内温度分布を均一化することができ、触媒の性能を維持し且つ前記触媒の温度制御が容易に遂行されるからである。

また、改質用燃料通路には、伝熱促進用フィン部材が配設されることが好ましい。改質用燃料の熱交換効率が一層向上するからである。

さらに、湾曲管部材は、軸方向一端を固定端に構成するとともに、軸方向他端を自由端に構成することが好ましい。湾曲管部材は、改質用燃料及び加熱流体の流れ方向（軸方向）に伸縮が規制されることがないため、運転時と停止時との温度差に起因する流れ方向の熱応力が発生することを阻止できる。これにより、湾曲管部材は、耐久性が向上するとともに、薄肉化が容易に図られ、燃料改質装置全体の軽量化及び小型化が可能になる。

さらにまた、湾曲管部材は、開口断面円弧状を有し且つ同一円周上に配設される２以上の円弧状管を備え、前記円弧状管内には、断面円弧状の湾曲燃焼触媒が少なくとも１つ配設されることが好ましい。

また、湾曲管部材は、開口断面リング状を有する円筒管を備え、前記円筒管内には、断面円弧状の湾曲燃焼触媒が配設されることが好ましい。

さらに、燃料改質装置は、蒸発器で蒸発した改質用燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器と、昇温した前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備え、前記過熱器を囲繞して前記蒸発器が同心円上に配設されるとともに、前記過熱器と前記改質器とは、互いに同軸且つ直列に連結されることが好ましい。燃料改質装置全体をコンパクトに集積することができるとともに、配管を一挙に削減して放熱ロス及び圧損の低減を図ることが可能になる。

さらにまた、燃料改質装置は、蒸発器で改質用燃料を蒸発させるための加熱流体を予熱する予熱器を備え、前記予熱器は、過熱器に改質器とは反対側に同軸且つ直列に連結されることが好ましい。これにより、コンポーネントの集積化と、配管の削減による放熱ロス及び圧損の低減が図られる。

本発明によれば、湾曲管部材内に形成される第１通路と、内筒部材、外筒部材及び前記湾曲管部材の間に形成される第２通路とに、加熱流体及び改質用燃料が流通する。このため、湾曲管部材の軸方向に沿って、すなわち、同一方向又は逆方向に沿って改質用燃料及び加熱流体を流すことができ、前記改質用燃料と前記加熱流体との効率的な熱交換を行うとともに、蒸発器を簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料改質装置１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料改質装置１０内の流れ状態を示す断面図である。

燃料改質装置１０は、例えば、メタン等の炭化水素やアルコール等を含む改質用燃料を改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成して、前記燃料ガスを、例えば、燃料電池（図示せず）に供給する。

燃料改質装置１０は、改質用燃料を蒸発させる蒸発器１２と、蒸発した前記改質用燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器１４と、昇温した前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質器１６と、前記蒸発器１２で前記改質用燃料を蒸発させるための加熱流体を予熱する予熱器１８とを備える。蒸発器１２は、過熱器１４を囲繞して同心円上に配設されるとともに、前記過熱器１４と改質器１６とは、互いに同軸且つ直列に連結される。予熱器１８は、過熱器１４に改質器１６とは反対側に同軸且つ直列に連結される。

図３〜図５に示すように、蒸発器１２は、湾曲管部材２０と、前記湾曲管部材２０の両側に且つ前記湾曲管部材２０と同心円状に配設される内筒部材２２及び外筒部材２４とを有する。湾曲管部材２０は、軸方向（矢印Ａ方向）一端（下端）を第１セパレータ２６に固定する固定端として構成されるとともに、軸方向他端（上端）を自由端として構成される開口断面円弧状の複数の円弧状管２８ａ、２８ｂを備える。

図３及び図６に示すように、複数、例えば、４つの円弧状管２８ａが同一円周上に等角度間隔ずつ離間して併設されるとともに、この第１列目の４つの円弧状管２８ａの外周には、同心円状に複数、例えば、４つの円弧状管２８ｂが同一円周上に等角度間隔ずつ離間して設けられる。１列目の円弧状管２８ａと２列目の円弧状管２８ｂとは、互いに位相をずらして設けられる。各円弧状管２８ａ、２８ｂ内には、加熱流体である燃焼ガスを流通させる第１通路３０が形成されるとともに、内筒部材２２、外筒部材２４及び各円弧状管２８ａ、２８ｂの間には、改質用燃料である原燃料を流通させる第２通路３２が形成される。

湾曲管部材２０内には、湾曲燃焼触媒３４が配設される。湾曲燃焼触媒３４は、断面円弧状を有し、軸方向一端が第２セパレータ３６に固定された固定端とするとともに、軸方向他端が自由端に構成される複数且つ２列の触媒外筒３８ａ、３８ｂを設ける。１列目の触媒外筒３８ａは、１列目の円弧状管２８ａ内に１つずつ配設されるとともに、２列目の触媒外筒３８ｂは、２列目の円弧状管２８ｂ内に２つずつ配設される。

各触媒外筒３８ａ同士は、等角度間隔ずつ離間して配設されるとともに、各触媒外筒３８ｂ同士は、同様に所定角度間隔ずつ離間して配設される。触媒外筒３８ａ、３８ｂには、燃焼触媒を担持した偏平型メタルハニカム４０ａ、４０ｂが収容される。

図２及び図５に示すように、第１セパレータ２６は、外筒部材２４の下端部に固着されるとともに、第２セパレータ３６は、前記外筒部材２４の外方に配置される略円筒状のケーシング４２の下端に固着される。第１及び第２セパレータ２６、３６は、所定距離離間しており、オフガス流体経路４４が形成される。このオフガス流体経路４４は、第１セパレータ２６と触媒外筒３８ａ、３８ｂとの間に形成される通路４６ａ、４６ｂに連通するとともに、ケーシング４２と外筒部材２４との間を通って前記ケーシング４２の上端縁部に形成される排気口４８から外部に連通する。

図５に示すように、外筒部材２４の上端部は、ケーシング４２の上端部に固着されるとともに、円弧状管２８ａ、２８ｂの上端部に蓋部材５０が装着される。円弧状管２８ａ、２８ｂの上端と触媒外筒３８ａ、３８ｂの上端との間には、室５２が形成され、後述するように、メタルハニカム４０ａ、４０ｂを上方に向かって流動した加熱流体が前記室５２で折り返して第１通路３０に送られる。

図２及び図３に示すように、ケーシング４２の上端部には、リング部材５４が取り付けられる。このリング部材５４には、メタン等の改質用燃料供給管５６と空気供給管５８とが取り付けられる。このリング部材５４内に給水管６０が配設されており、この給水管６０の端部６０ａは、前記リング部材５４を貫通して外部に露呈する。給水管６０は、リング状に成形されており、下部側に複数の孔部（図示せず）を設けてシャワー状に給水することができる。リング部材５４の上部には、ドーナツ状の蓋体６２が固定される。なお、メタンと空気とを予め混合して燃料供給管５６から供給する場合には、空気供給管５８を不要にすることができる。

図２及び図７に示すように、過熱器１４は、外筒６４を備え、この外筒６４は、蒸発器１２の内筒部材２２に固定される。外筒６４は、内筒部材２２よりも矢印Ａ方向に長尺に構成され、下端縁部には、前記内筒部材２２の下部から下方に位置して第２通路３２に連通する複数の原燃料入口６６が、例えば、４箇所に形成される。この原燃料入口６６は、周方向に延在するスリット状又は多孔状を有している。外筒６４の下端部に第３セパレータ６８が固定される。

図７に示すように、略円板状の第３セパレータ６８には、複数の孔部７０が形成され、前記孔部７０には、管体７２の一端が溶接やろう付け等により固定される。管体７２には、複数の仕切り板７４が圧入やろう付け等によりそれぞれ所定の高さ位置に固定される。仕切り板７４には、各管体７２を挿入するための複数の孔部７６が形成されるとともに、それぞれ交互に異なる位置に切り欠き部７８が形成される。

外筒６４内には、複数の管体７２の外周部と複数の仕切り板７４の切り欠き部７８とによって蛇行する過熱用通路８２が形成される（図２参照）。各管体７２内には、改質後に加熱された改質ガス（水素リッチガス）を上方から下方に向かって流すための通路８４が形成される。管体７２の上部側には、分配板８６を介して第４セパレータ８８が固着される。分配板８６には、管体７２を挿通するための孔部９０が形成されるとともに、中央部に分配用の開口部９２が設けられる。第４セパレータ８８には、管体７２を挿通するための孔部９４が形成される。

図２及び図８に示すように、改質器１６は、外筒９６と内筒９８とを備え、前記外筒９６と前記内筒９８との間には、原燃料通路１００が形成される。外筒９６の上部には、閉塞された室１０２が形成され、原燃料通路１００からこの室１０２に導入された原燃料は、内筒９８内に配設される複数の整流板１０４に供給される。外筒９６を囲ってカバー部材１１１が配設され、このカバー部材１１１内に断熱層１１１ａが形成される。

各整流板１０４には、複数の孔部１０６が形成され、原燃料の整流機能を有する。整流板１０４の下方には、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ等の改質用触媒を担持したハニカム状の触媒部１０８が配設される。この触媒部１０８に第４セパレータ８８が固定されるとともに、前記第４セパレータ８８内には、各管体７２の通路８４に連通する室１１０が形成される。

図２及び図５に示すように、予熱器１８は、連結部材１１２を介して蒸発器１２の下端部に連結される。連結部材１１２は、略リング状の室１１４を形成しており、この室１１４の上部側には、リング状の板部材１１６が配設され、前記板部材１１６に複数の孔部１１８が形成される。板部材１１６は、蒸発器１２の第２セパレータ３６に対向してこの第２セパレータ３６との間に室１２０を形成し、室１１４は、孔部１１８及び前記室１２０を介して触媒外筒３８ａ、３８ｂ内に連通する。

図２に示すように、連結部材１１２には、室１１４に連通する通路１２２が設けられ、この通路１２２は、予熱器１８を構成する外筒部材１２４内に連通する。外筒部材１２４内には、過熱器１４と同様に、複数の管体１２６と複数の仕切り板１２８とが配設される。管体１２６は、矢印Ａ方向に延在するとともに、前記管体１２６の所定の高さ位置には、交互に切り欠き部１３０が設けられる仕切り板１２８が固着される。

管体１２６内には、過熱器１４を通過した改質ガスを鉛直下方向に流すための通路１３２が設けられる一方、前記管体１２６の外周面及び各仕切り板１２８を介し加熱流体を蛇行するようにして鉛直上方向に導く予熱用通路１３４が設けられる。外筒部材１２４の外周下端縁部には、加熱流体を供給するための供給口１３６が設けられる。

図２に示すように、蒸発器１２を構成する内筒部材２２と過熱器１４を構成する外筒６４との間には、この蒸発器１２への伝熱を抑制するために伝熱抑制媒体として、例えば、フィン部材１４２が挿入される。

なお、燃料改質装置１０では、蒸発器１２を構成する円弧状管２８ａ、２８ｂ間には、例えば、図６に示すように、伝熱促進フィン部材１４０が挿入される。このフィン部材１４０は、波状に形成しているが、直線状であってもよく、円弧状管２８ａ、２８ｂの矢印Ａ方向の長さよりも短尺に構成されることが好ましい。

また、過熱器１４と予熱器１８とは直結されているが、この過熱器１４とこの予熱器１８との間には、水素リッチガス中の二酸化炭素を水素に転化するＣＯ変成器（図示せず）を介装してもよい。さらに、予熱器１８の下流側に水素リッチガス中に残存する一酸化炭素を除去する選択酸化除去装置（ＰＲＯＸ）を設けてもよい。

このように構成される燃料改質装置１０の動作について、以下に説明する。

例えば、図示しない燃料電池から排出されるオフガスが、加熱流体として予熱器１８の供給口１３６からこの予熱器１８に供給される。予熱器１８では、図２に示すように、加熱流体は、各仕切り板１２８の切り欠き部１３０と複数の管体１２６の外周との間に形成される予熱用通路１３４を通って蛇行しながら鉛直上方向に移動する。一方、管体１２６の通路１３２には、後述するように改質によって生成された水素リッチな改質ガスが、過熱器１４を通過して、例えば、３００℃前後に冷却された後に供給されている。

このため、加熱流体は、改質ガスとの間で熱交換を行って昇温された後、連結部材１１２の通路１２２から室１１４に導入される。この室１１４の上部には、板部材１１６が配設されており、予熱された加熱流体は、前記板部材１１６に形成される複数の孔部１１８から一旦室１２０に導入された後、前記室１２０に連通する触媒外筒３８ａ、３８ｂ内のメタルハニカム４０ａ、４０ｂに沿って鉛直上方向に移動する。従って、加熱流体は、メタルハニカム４０ａ、４０ｂに担持された燃焼触媒を介して燃焼し、燃焼ガスが得られる。

この燃焼ガスは、図５に示すように、触媒外筒３８ａ、３８ｂの上端部と円弧状管２８ａ、２８ｂの閉塞された上端部との間に形成された室５２に導入された後、鉛直下方向に折り返して第１通路３０を鉛直下方向に移動する。一方、燃料供給管５６には、例えば、メタン等を含む改質用燃料が供給されるとともに、空気供給管５８には、空気が供給される。さらに、給水管６０に水が供給され、改質用燃料空気及び水がリング部材５４内で混在して原燃料が得られる。

この原燃料は、内筒部材２２、外筒部材２４及び円弧状管２８ａ、２８ｂの間に形成された第２通路３２に沿って鉛直下方向に流動し、第１通路３０を流動する燃焼ガスとの間で熱交換が行われる。これにより、原燃料は、気化した後に過熱器１４を構成する外筒６４の下部に形成された原燃料入口６６からこの外筒６４の内部に導入される。

このため、図２に示すように、気化した原燃料は、複数の仕切り板７４に設けられている切り欠き部７８及び複数の管体７２の間を形成される過熱用通路８２を通って鉛直上方向に移動する。一方、後述する改質後の高温（６５０℃前後）の改質ガスは、管体７２内の通路８４に沿って鉛直下方向に向かって移動する。従って、過熱用通路８２を移動する気化状態の原燃料は、通路８４に沿って移動する改質ガスによって昇温され、例えば、５５０℃前後まで加熱された後、分配板８６の開口部９２から改質器１６に供給される。

この改質器１６では、気化及び加熱された原燃料は、原燃料通路１００を通って一旦室１０２に導入された後、鉛直下方向に向かって移動する。改質器１６には、複数の整流板１０４が多段に配設されており、前記整流板１０４によって整流された原燃料は、触媒部１０８によって改質されて改質ガスが得られる。

具体的には、改質器１６では、改質用燃料中のメタン、空気中の酸素及び水蒸気によって、酸化反応であるＣＨ₄＋２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）と、燃料改質反応であるＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂（吸熱反応）とが同時に行われる。このため、二酸化炭素と水素とを含む改質ガスが生成され、この改質ガスは、室１１０から複数の管体７２の通路８４に供給される。

さらに、通路８４に供給された高温（６５０℃前後）の改質ガスは、鉛直下方向に移動しながら、過熱用通路８２に沿って移動する原燃料を加熱した後、予熱器１８を構成する管体１２６内の通路１３２に供給される。この改質ガスは、通路１３２を鉛直下方向に移動することにより予熱用通路１３４に沿って移動する加熱流体を予熱した後、図示しない燃料電池等に供給される。

この場合、第１の実施形態では、蒸発器１２がそれぞれ同心円上に２列に配設される開口断面円弧状の複数の円弧状管２８ａ、２８ｂを備えるとともに、前記円弧状管２８ａ、２８ｂ内には、メタルハニカム４０ａ、４０ｂを収容した開口断面円弧状の触媒外筒３８ａ、３８ｂが配設されている。そして、各円弧状管２８ａ、２８ｂ内には、触媒外筒３８ａ、３８ｂを周回して矢印Ａ方向に延在する第１通路３０が形成されるとともに、内筒部材２２、外筒部材２４及び前記円弧状管２８ａ、２８ｂの間には、矢印Ａ方向に延在する第２通路３２が形成されている。

このため、加熱流体がメタルハニカム４０ａ、４０ｂを通過して生成された燃焼ガスは、第１通路３０に沿って鉛直下方向に流動する。一方、改質用燃料、空気及び水が混在した原燃料は、第２通路３２に沿って鉛直下方向に移動し、前記燃焼ガスと前記原燃料との間で熱交換が行われている。

このように、加熱流体である燃焼ガスと原燃料とは、同一方向に移動しながら熱交換を行うため、効率的な熱交換が行われるとともに、矢印Ａ方向の寸法を有効に短尺化することが可能になる。これにより、蒸発器１２は、熱交換効率が向上するとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。

さらに、湾曲管部材２０は、それぞれ複数の円弧状管２８ａ、２８ｂを同心円上に２列に配設するとともに、各円弧状管２８ａ、２８ｂには、湾曲燃焼触媒３４を構成する触媒外筒３８ａ、３８ｂが配設されている。従って、外筒部材２４と内筒部材２２との間には、多数の（すなわち、長尺な）第１及び第２通路３０、３２を設けることができ、原燃料と燃焼ガスとの熱交換効率が有効に向上するという利点がある。

また、湾曲燃焼触媒３４は、偏平型のメタルハニカム４０ａ、４０ｂを備えている。これにより、メタルハニカム４０ａ、４０ｂ内の面内温度分布を均一化することでき、触媒の性能を維持し、且つ前記触媒の温度制御が容易に遂行される。さらにまた、円弧状管２８ａ、２８ｂ間には、伝熱促進用のフィン部材１４０が配設されており、原燃料と燃焼ガスとの熱交換効率が一層向上する。

さらに、円弧状管２８ａ、２８ｂは、軸方向一端が開放された第１セパレータ２６に固定された固定端を構成するとともに、軸方向他端が自由端を構成している。このため、円弧状管２８ａ、２８ｂは、軸方向に伸縮が規制されることがないため、運転時と停止時との温度差に起因する流れ方向（軸方向）の熱応力が発生することを阻止できる。従って、円弧状管２８ａ、２８ｂは、耐久性が向上するとともに、薄肉化が容易に図られ、蒸発器１２全体の軽量化及び小型化が遂行可能になる。

さらにまた、第１の実施形態では、過熱器１４と改質器１６とは、互いに同軸且つ直列に連結されるとともに、予熱器１８は、前記過熱器１４に前記改質器１６とは反対側に同軸且つ直列に連結されている。これにより、改質器１６、過熱器１４及び予熱器１８を繋ぐ配管を一挙に削減することができ、燃料改質装置１０全体を小型化するとともに、配管からの放熱を抑制して熱効率の向上を図ることが可能になる。しかも、少ない始動エネルギで、燃料改質装置１０の始動が良好に遂行され、省エネが確実に行われる。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料改質装置１５０の流れ状態を示す断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料改質装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

蒸発器１５２を構成する円筒管部材１５４は、開口断面リング状を有し且つ同心円上に２列に配置される外側円筒管１５６及び内側円筒管１５８を備える。外側円筒管１５６は、２枚の円筒板１５６ａ、１５６ｂの上端部を固着するとともに、内側円筒管１５８は、２枚の円筒板１５８ａ、１５８ｂの上端部を固着して構成される。

図１０に示すように、外側円筒管１５６及び内側円筒管１５８は、それぞれの上部に室５２を設ける。外側円筒管１５６を構成する円筒板１５６ａの下端部は、外筒部材２４に固着され、前記外側円筒管１５６を構成する円筒板１５６ｂと、内側円筒管１５８を構成する円筒板１５８ａとは、下端部同士を固着する。内側円筒管１５８を構成する円筒板１５８ｂの下端部は、過熱器１４を構成する外筒６４の下端部に原燃料入口６６の下方に位置して固着される。

このように構成される第２の実施形態では、改質用燃料、空気及び水を含む原燃料が蒸発器１５２に供給されると、主に、水は、外側円筒管１５６及び内側円筒管１５８と外筒部材２４との間に形成された第２通路３２に沿って鉛直下方向に落下する（図１０及び図１１参照）。その際、湾曲燃焼触媒３４では、加熱流体が燃焼されて燃焼ガスが生成され、この燃料ガスは、第１通路３０に沿って鉛直下方向に移動する。

このため、高温の燃焼ガスと水との間で熱交換が行われて蒸気が発生する。この蒸気は、鉛直上方向に移動して改質用燃料及び空気が混在して蒸気化した原燃料が得られ、この原燃料が過熱器１４を構成する外筒６４の原燃料入口６６からこの外筒６４内に導入される。

これにより、第２の実施形態では、円筒管部材１５４の軸方向に沿って原燃料及び燃焼ガスを流すことができ、原燃料が通路３２を往復して流れることから、第１の実施形態に比べ飛躍的に効率的な熱交換を行うとともに、簡単且つコンパクトに構成することができる等、第１の実施形態以上の効果が得られる。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料改質装置を構成する蒸発器１７０の横断面図である。

蒸発器１７０は、湾曲管部材１７２を備え、この湾曲管部材１７２は、開口断面円弧状の円弧状管１７４ａ、１７４ｂ及び１７４ｃがそれぞれ同心円上に複数配設される。円弧状管１７４ａ〜１７４ｃは、互いに位相をずらして配設されることにより、各円弧状管１７４ａ〜１７４ｃには、蛇行するように第２通路１３２が形成される。円弧状管１７４ａ〜１７４ｃ内には、湾曲燃焼触媒１７６を構成する触媒外筒１７８ａ〜１７８ｃが収容される。触媒外筒１７８ａ〜１７８ｃには、メタルハニカム１８０ａ〜１８０ｃが配設される。

このように構成される第３の実施形態では、湾曲管部材１７２及び湾曲燃焼触媒１７６が同心円上に３列に配設されている。従って、第１及び第２通路３０、３２が多数設けられることにより、出力のアップ（処理原料ガス量のアップ）に対して、容易に対応することで可能である。

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料改質装置を構成する蒸発器１９０の概略構成説明図である。

蒸発器１９０を構成する湾曲燃焼触媒１９２は、触媒外筒３８ａ、３８ｂ内に第１燃焼触媒層１９４ａと第２燃焼触媒層１９４ｂとを加熱流体の流れ方向に沿って収容する。具体的には、触媒外筒３８ａ、３８ｂの下部側には、低温着火性に優れるＰｔ系触媒を担持したハニカムが配置される一方、前記触媒外筒３８ａ、３８ｂの上部には、特にメタンの浄化性能に優れるＰｄ／Ｐｔ合金を担持したハニカムが配置される。

このように構成される第４の実施形態では、湾曲燃焼触媒１９２の上流側に設けられる第１燃焼触媒層１９４ａによって低温着火性が向上する。しかも、下流側に配置される第２燃焼触媒層１９４ｂによって加熱流体中のＣＨ₄が燃焼されずに流動しても、このＣＨ₄が前記第２燃焼触媒層１９４ｂで浄化される。これにより、燃焼ガス中にＣＨ₄が混在することを確実に阻止することができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料改質装置の概略斜視説明図である。 前記燃料改質装置内の流れ状態を示す断面図である。 前記燃料改質装置を構成する蒸発器の分解斜視説明図である。 前記蒸発器の一部省略斜視説明図である。 前記蒸発器の一部断面説明図である。 前記蒸発器の横断面図である。 前記燃料改質装置を構成する過熱器の分解斜視図である。 前記燃料改質装置を構成する改質器の分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料改質装置内の流れ状態を示す断面図である。 前記燃料改質装置を構成する蒸発器の一部断面説明図である。 前記蒸発器の一部省略斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料改質装置を構成する蒸発器の横断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料改質装置を構成する蒸発器の断面説明図である。 従来技術の改質装置の概略説明図である。

符号の説明

１０、１５０…燃料改質装置 １２、１５２、１７０、１９０…蒸発器
１４…過熱器 １６…改質器
１８…予熱器 ２０、１７２…湾曲管部材
２２…内筒部材 ２４、１２４…外筒部材
２６、３６、６８、８８…セパレータ
２８ａ、２８ｂ、１７４ａ〜１７４ｃ…円弧状管
３０、３２、８４、１２２、１３２…通路
３４、１７６、１９２…湾曲燃焼触媒
３８ａ、３８ｂ、１７８ａ〜１７８ｃ…触媒外筒
４０ａ、４０ｂ、１８０ａ〜１８０ｃ…メタルハニカム
４２…ケーシング ５２、１０２、１１０、１１４、１２０…室
５６…燃料供給管 ５８…空気供給管
６４、９６…外筒 ６６…原燃料入口
７２、１２６…管体 ７４、１２８…仕切り板
７８、１３０…切り欠き部 ８２…過熱用通路
８６…分配板 ９８…内筒
１００…原燃料通路 １０４…整流板
１１２…連結部材 １４０、１４２…フィン部材
１５４…円筒管部材 １５６…外側円筒管
１５８…内側円筒管 １９４ａ、１９４ｂ…燃焼触媒層

Claims (10)

1. 改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置であって、
   前記改質用燃料を加熱流体との熱交換により蒸発させる蒸発器を備え、
   前記蒸発器は、湾曲管部材と、
   前記湾曲管部材の両側に且つ該湾曲管部材と同心円上に配設される内筒部材及び外筒部材と、
   を有し、
   前記湾曲管部材内には、前記加熱流体又は前記改質用燃料の一方を流通させる第１通路が形成されるとともに、
   前記内筒部材、前記外筒部材及び前記湾曲管部材の間には、前記加熱流体又は前記改質用燃料の他方を流通させる第２通路が形成されることを特徴とする燃料改質装置。
2. 請求項１記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材は、複数の同心円上に複数列に配設されることを特徴とする燃料改質装置。
3. 請求項１又は２記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材内に配設される湾曲燃焼触媒を設け、
   前記第１通路は、前記湾曲燃焼触媒により燃焼した加熱流体を流通させる加熱流体通路である一方、
   前記第２通路は、前記改質用燃料を流通させて前記加熱流体と熱交換を行う改質用燃料通路であることを特徴とする燃料改質装置。
4. 請求項３記載の燃料改質装置において、前記湾曲燃焼触媒は、扁平型メタルハニカムを備えることを特徴とする燃料改質装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記改質用燃料通路には、伝熱促進用フィン部材が配設されることを特徴とする燃料改質装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材は、軸方向一端を固定端に構成するとともに、軸方向他端を自由端に構成することを特徴とする燃料改質装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材は、開口断面円弧状を有し且つ同一円周上に配設される２以上の円弧状管を備え、
   前記円弧状管内には、断面円弧状の前記湾曲燃焼触媒が少なくとも１つ配設されることを特徴とする燃料改質装置。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材は、開口断面リング状を有する円筒管を備え、
   前記円筒管内には、断面円弧状の前記湾曲燃焼触媒が配設されることを特徴とする燃料改質装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記蒸発器で蒸発した前記改質用燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器と、
   昇温した前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
   を備え、
   前記過熱器を囲繞して前記蒸発器が同心円上に配設されるとともに、
   前記過熱器と前記改質器とは、互いに同軸且つ直列に連結されることを特徴とする燃料改質装置。
10. 請求項９記載の燃料改質装置において、前記蒸発器で前記改質用燃料を蒸発させるための前記加熱流体を予熱する予熱器を備え、
    前記予熱器は、前記過熱器に前記改質器とは反対側に同軸且つ直列に連結されることを特徴とする燃料改質装置。

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