JP2007277033A - 環状混合・分配ヘッダ - Google Patents

Abstract

【課題】 個別に供給される水蒸気と原料を均一に混合した後、複数の改質器へ分配できるようにする。
【解決手段】 環状の混合チャンバー３５と分配チャンバー３６を仕切板３７を介し積層配置する。混合チャンバー３５に閉塞板３８を設け、その一側位置の仕切板３７に、分配チャンバー３６との連通口３９を設けて、混合チャンバー３５内に、閉塞板３８の他側位置より流体撹拌領域４１を経て連通口３９に至る一方向の周回流路４０を形成させる。それぞれの供給管４３と４４から混合チャンバー３５へ供給される水蒸気１３と原料９を、周回流路４０の流体撹拌領域４１を通過させるときに撹拌して均一な混合ガス４６とし、連通口３９を通して分配チャンバー３６へ導かれた混合ガス４６を周方向に分散させてから各改質器５へ分配して供給させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒状の空間部に配設して周方向の複数個所より供給される複数の流体を均質に混合した後、該混合流体を周方向複数の供給先へ分配して供給するために用いる環状混合・分配ヘッダに関するものである。

燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、１００℃以下という低温で発電が行なわれ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。

上記固体高分子型燃料電池を用いた発電装置（ＰＥＦＣ発電装置）の一般的な構成は、以下のようにしてある。すなわち、図６に示す如く、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜の両面をカソード（空気極）２とアノード（燃料極）３の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータ（図示せず）を介し積層してスタックとしてなる構成として固体高分子型燃料電池１を形成する。上記固体高分子型燃料電池１におけるアノード３の入口側には、改質器５、低温シフトコンバータ６、ＣＯ選択酸化反応器（ＣＯ除去器）７を順に備えてなる燃料処理装置４と、加湿器８を設けている。これにより、燃料供給部より供給される都市ガス（天然ガス）やＬＰＧ、灯油等の原料（原燃料）９を、脱硫器１０にて脱硫した後、原料予熱器（原燃料気化器）１１にて予熱してから、水蒸発器１２より導かれる水蒸気１３と共に上記燃料処理装置４へ供給して、該燃料処理装置４の改質器５にておよそ７００℃前後に加熱して水蒸気改質を行わせる。得られる改質ガス（燃料ガス）１４を、低温シフトコンバータ６に導いておよそ２５０℃前後まで温度低下させてシフト反応させ、更に、上記ＣＯ選択酸化反応器７にておよそ１２０℃前後まで温度低下させてＣＯ除去処理するようにする。しかる後、上記燃料処理装置４より送出される改質ガス１４が、加湿器８にて加湿された後、上記固体高分子型燃料電池１のアノード３へ供給されるようにしてある。一方、上記カソード２の入口側には、酸化ガスとして空気１５が、空気ブロワ１６で加圧された後、上記加湿器８を経てから供給されるようにしてある。

かかる構成としてあることにより、上記固体高分子型燃料電池１にて、アノード３側に供給される改質ガス１４中の水素と、カソード２側に供給される空気１５中の酸素とを電気化学反応（燃料電池反応）させて、この際発生する起電力を取り出すようにしてある。

上記固体高分子型燃料電池１による燃料電池反応の後、アノード３の出口より排出されるアノードオフガス１７には未反応の水素が残存している。そのために、上記アノードオフガス１７は、上記燃料処理装置４の改質器５に付設された図示しないバーナへ導いて燃焼させて、上記改質器５の改質室にて吸熱反応である水蒸気改質反応を進行させるための熱源として利用するようにしてある。

更に、上記アノードオフガス１７の発熱量が小さいことに鑑みて、上記燃料処理装置４のバーナには、燃料供給部より供給される都市ガスやＬＰＧ、灯油等の原料９の一部を追焚き燃料９ａとして供給して燃焼させることにより、上記燃料処理装置４を運転して改質器５にて原料９の水蒸気改質を行わせる際に上記アノードオフガス１７の発熱量のみでは不足する熱量を補うようにしてある。１８は固体高分子型燃料電池１における冷却部である。

ところで、上記改質器５、シフトコンバータ６及びＣＯ選択酸化反応器７を備えてなる燃料処理装置４としては、図７及び図８に示す如く、改質器５とシフトコンバータ６とＣＯ選択酸化反応器７とを上下方向に直列に配置することにより軸方向の熱伸びを緩和できるようにすると共に、上記改質器５に関連するバーナ１９や水蒸発器１２、原料予熱器等を１つのユニットにまとめるようにした形式のものが従来提案されている。

すなわち、上記ユニット化された燃料処理装置４は、所要の高さ寸法を有し且つ上端を閉塞した容器内筒２０ａと容器外筒２０ｂとの間に真空断熱層２０ｃを備えた真空断熱容器２０の下端部に、ベースプレート２１の外周縁部の上側に設けたベース外筒２２の上端部が気密に連結してある。上記ベースプレート２１の中心部には、上記真空断熱容器２０の上下方向中間部付近まで立ち上がるベース内筒２３が設けてあり、該ベース内筒２３の上端部内側にバーナ（燃焼装置）１９が設けてある。

更に、上記ベース内筒２３の上側に、上記真空断熱容器２０の容器内筒２０ａの天井部付近まで上下方向に延びる炉筒２４が接続してある。該炉筒２４の内側には、上記バーナ１９の所要寸法上方位置から炉筒２４の上端よりも所要寸法上方へ突出する位置まで上下方向に延びる下端の閉塞された案内筒２５が、同心状に挿通させて配設されると共に、該案内筒２５の上端部（突出端部）に、上記炉筒２４よりも大径の案内板２６が取り付けてある。これにより、上記バーナ１９におけるアノードオフガス１７や追焚き燃料９ａの燃焼により発生する高温（約１０００〜１２００℃）の燃焼ガス２７を、上記炉筒２４と案内筒２５の隙間を通して上昇させて炉筒２４の上端まで導いた後、上記案内板２６に案内させて該燃焼ガス２７のガス流れ方向を下向きに反転させて、上記容器内筒２０ａと上記炉筒２４及びベース内筒２３との間に形成される上下方向の円筒状の空間部としての燃焼ガス流路２８を、上記ベース外筒２２の側壁に設けた排気口２９へ向けて下向きに流通させることができるようにしてある。

上記炉筒２４の外周に位置する燃焼ガス流路２８の上部領域には、縦長の円筒形状としてある改質器５が、周方向に所要の等間隔で複数基、たとえば、６０°間隔で６基配設されていると共に、該各改質器５の下方位置の燃焼ガス流路２８内に、上記改質器５へ供給する水蒸気１３（図６参照）を発生させるための水蒸発器１２が設けてある。更に、上記ベース内筒２３の外周に位置する燃焼ガス流路２８の下部領域に、上記改質器５の下流側に直列に接続する低温シフトコンバータ６とＣＯ選択酸化反応器７とが上方から順に配設されるようにしてある。３０は上記各改質器５が配設してある燃焼ガス流路２８の上部領域に設けた螺旋板、３１は上記低温シフトコンバータ６の外周に配設した原料予熱器（原燃料気化器）である。

以上の構成としてあることにより、上記バーナ１９でアノードオフガス１７や追焚き燃料９ａを燃焼させて発生させた高温の燃焼ガス２７が上記炉筒２４と案内筒２５との隙間を通して上昇する際に高温に加熱される上記炉筒２４からの輻射（放射伝熱）と、上記炉筒２４の上端に達した後、上記燃焼ガス流路２８を螺旋板３０に沿って下向きに流れる燃焼ガス２７からの対流伝熱により、上記各改質器５が７００℃程度まで加熱されるようにし、この状態にて、該各改質器５へ、原料予熱器３１にて予熱した原料（図示せず）と、上記水蒸発器１２にて発生させた水蒸気（図示せず）とを供給して、水蒸気改質反応を進行させて改質ガスが発生されるようにしてある。該発生した改質ガスは、上記低温シフトコンバータ６へ導いてシフト反応させた後、上記ＣＯ選択酸化反応器７によるＣＯ除去処理を行わせて、燃料電池へ供給するための改質ガスが生成されるようにしてある。

上記各改質器５における水蒸気改質反応の熱源として供されて温度が低下された燃焼ガス２７は、その残存する熱を、上記水蒸発器１２にて上記各改質器５へ供給する水蒸気を発生させるための熱源として利用するようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。

又、上記と同様に、真空断熱容器のベースプレート上に立設したベース内筒の上端部にバーナを設けると共に、該バーナの上側に炉筒を設けて、真空断熱容器の容器内筒と、上記炉筒及びベース内筒との間に、上下方向の円筒状の空間部としての燃焼ガス流路を形成し、該燃焼ガス流路に、改質器と水蒸発器と低温シフトコンバータとＣＯ選択酸化反応器とを上方より順に備えてなる燃料処理装置において、改質ガスを生成させるための原料として灯油を用いる場合に、該灯油を、上記低温シフトコンバータ付近の燃焼ガス流路内に設けた部分気化器（原料予熱器）にて部分気化させた後、混合ヘッダへ導き、該混合ヘッダにて、上記部分気化された灯油と、上記水蒸発器で発生させた水蒸気（加熱水蒸気）とを混合させてから、各改質器へ導くようにすることが考えられてきている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００５−１２７６３４号公報 特開２００５−１０８７５３号公報

ところが、上記特許文献１に記載された燃料処理装置４では、６基設けてある各改質器５で原料の水蒸気改質反応を均等に行わせるためには、原料予熱器で予熱された原料と、水蒸発器１２より供給される水蒸気とを、予め均一に混合し、この均一に混合された原料と水蒸気の混合ガスを、上記改質器５へ均等に分配して供給できるようにする必要がある。すなわち、万一、各改質器５ごとに供給される原料と水蒸気の混合ガスのスチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）にむらが生じると、改質の行われやすい改質器と、改質の行われ難い改質器とに分かれてしまうため、装置全体での改質反応効率の低下につながる虞がある。

そこで、上記各改質器５の上流側に、原料予熱器より導いた原料と、水蒸発器１２より導いた水蒸気とを均一に混合するための混合ヘッダを設けることが考えられるが、該混合ヘッダは円筒状の空間部である燃焼ガス流路２８に配設するものであるという点、及び、上記燃焼ガス流路２８の上部領域に周方向に例えば６基配設されている各改質器５に対して上記原料と水蒸気の混合ガスを均等に分配して供給できるようにするという点から、混合ヘッダの全体形状を環状として、上記燃焼ガス流路２８に同心状に配置できるようにすることが望まれる。更に、該環状の混合ヘッダの周方向における上記各改質器５の周方向配置にそれぞれ対応する個所と、それぞれ周方向に対応する改質器５とを、流路形状や口径が揃った配管を介して接続できるようにすることが所望される。更には、上記のように全体形状を環状とする混合ヘッダに、上記原料予熱器３１より導かれる原料と、水蒸発器１２より導かれる水蒸気が周方向の異なる位置から供給されても、上記原料及び水蒸気を、一旦均一に混合してから、該均一とされた混合ガスを、上記各改質器５へ均等に分配できる機能も求められる。

更に、上記水蒸発器１２では、熱効率を改善するために、蒸発器伝熱管を複数系列設けることが考えられる。又、ＣＯ選択酸化反応器７と低温シフトコンバータ６は共に発熱反応の反応器であるため、これらＣＯ選択酸化反応器７及び低温シフトコンバータ６を共に水冷構造とし、上記ＣＯ選択酸化反応器７と低温シフトコンバータ６の冷却に供した後に発生する水蒸気を、上記各改質器５における原料の水蒸気改質に有効利用できるようにすることも考えられる。そのために、水蒸発器１２における上記複数系列の蒸発器伝熱管にて発生させた水蒸気や、上記ＣＯ選択酸化反応器７と低温シフトコンバータ６の冷却に供した後に発生する水蒸気を、上記したような全体形状を環状とする混合ヘッダの周方向の異なる複数個所に対して個別に供給しても、該供給される水蒸気と原料予熱器３１より導かれる原料とを全体が均一になるように混合できる機能も所望される。

しかし、環状構造を有すると共に、周方向の異なる複数個所から供給される上記原料及び水蒸気のような複数の被混合流体を均一に混合した後、該均一な混合状態とされた混合流体を、上記各改質器５のような複数の供給先へ、該各供給先の配置に応じた周方向の複数個所から均等に分配して供給できる機能を有する混合ヘッダについての具体的な構成は、現状では提案されていない。

又、特許文献２に記載された混合ヘッダは、部分気化器にて部分気化させた灯油と、水蒸発器で発生させた水蒸気（加熱水蒸気）と混合して改質器へ供給する機能を有するものであるが、具体的な構成は示されていない。

そこで、本発明は、環状構造とすると共に、周方向の異なる複数個所へ供給される複数の被混合流体を均一に混合できると共に、この混合により生じる均一な混合流体を、周方向の複数個所より複数の供給先へ分配して供給できる機能を有する環状混合・分配ヘッダを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、環状の混合チャンバーと分配チャンバーとを並べて配置し、上記混合チャンバー内の周方向所要個所に、閉塞板と、上記混合チャンバーと分配チャンバーとを連通させる連通口とを設けて、上記混合チャンバー内に、上記連通口に至る一方向の周回流路を形成させ、該周回流路の上記連通口の上流側位置に、流通する流体を撹拌できるようにした流体撹拌領域を設け、上記周回流路の複数個所に、複数の被混合流体を周回流路へ供給する供給管をそれぞれ連通接続し、更に上記分配チャンバーの周方向複数個所に、複数の供給先を混合流体分配管を介し接続してなる構成とする。

又、上記構成において、流体撹拌領域を、流路内にオリフィスや邪魔板や障害物を備えてなる構成とする。

更に、上記各構成において、複数の被混合流体を供給する供給管のうちのいずれかを、混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続するようにした構成とする。

又、上記構成において、混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続する供給管を、周回流路内に滞留しても問題を生じる虞が小さい被混合流体を供給するための供給管とするようにした構成とする。

上述の各構成において、複数の被混合流体を水蒸気及び改質ガス生成用の原料とし、且つ供給先を燃料処理装置の改質器とした構成とする。

更に、上記構成において、燃料処理装置の水蒸発器、又は、ＣＯ選択酸化反応器と低温シフトコンバータの冷却用の冷却水ラインより水蒸気を導く水蒸気供給管を、混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続するようにした構成とする。

本発明の環状混合・分配ヘッダによれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）環状の混合チャンバーと分配チャンバーとを並べて配置し、上記混合チャンバー内の周方向所要個所に、閉塞板と、上記混合チャンバーと分配チャンバーとを連通させる連通口とを設けて、上記混合チャンバー内に、上記連通口に至る一方向の周回流路を形成させ、該周回流路の上記連通口の上流側位置に、流通する流体を撹拌できるようにした流体撹拌領域を設け、上記周回流路の複数個所に、複数の被混合流体を周回流路へ供給する供給管をそれぞれ連通接続し、更に上記分配チャンバーの周方向複数個所に、複数の供給先を混合流体分配管を介し接続してなる構成としてあるので、上記混合チャンバーの周回流路にて、上記複数の供給管より供給される複数の被混合流体を、連通口へ向けて流通させる間に混合し、更に、流体撹拌領域を通過するときに更に撹拌混合して均一な混合流体としてから連通口を通して分配チャンバーへ導き、該分配チャンバー内にて周方向に分散させてから、上記均一な混合流体を、複数の供給先へ各混合流体分配管を経てそれぞれ供給できる。
（２）流体撹拌領域を、流路内にオリフィスや邪魔板や障害物を備えてなる構成とした構成とすることにより、複数の供給管より複数の被混合流体をそれぞれ供給するのみで、混合度を容易に高めることができ、より均一な混合流体としてから各供給先へ分配できる。このため、撹拌装置等を別途必要とすることはないため、コンパクトな構成とすることができると共に、低コストで製造が可能となる。
（３）複数の被混合流体を供給する供給管のうちのいずれかを、混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続するようにした構成とすることにより、上記閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続した供給管より供給される被混合流体により、周回流路の全体に亘り連通口へ向かう流れを形成できる。このため、他の被混合流体は、上記既に流れが形成されている被混合流体に対して混合が行われるようになるため、効率よく混合することができる。
（４）混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続する供給管を、周回流路内に滞留しても問題を生じる虞が小さい被混合流体を供給するための供給管とするようにすれば、該被混合流体により周回流路の全体に亘り連通口へ向かう流れを形成できるため、他の被混合流体として、周回流路内に滞留すると問題を生じる虞がある流体を用いる場合であっても、上記他の被混合流体が上記周回流路へ供給された時点で上記問題を起こす虞が小さい被混合流体と混合して、速やかに連通口まで導くことが可能となる。
（５）複数の被混合流体を水蒸気及び改質ガス生成用の原料とし、且つ供給先を燃料処理装置の改質器とした構成、更に具体的には、燃料処理装置の水蒸発器、又は、ＣＯ選択酸化反応器と低温シフトコンバータの冷却用の冷却水ラインより水蒸気を導く水蒸気供給管を、混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続するようにした構成とすることにより、水蒸気と原料とを均一に混合した後、燃料処理装置に設けてある複数の改質器へ、水蒸気と原料が均一に混合された混合ガスをそれぞれ均等に分配して供給できるようになるため、各改質器に、改質むらが生じる虞を解消できて、燃料処理装置全体での改質反応効率が低減する虞を解消することが可能となる。
（６）更に、上記原料として、原料予熱器にて予熱された半気化状態の灯油等の原料を用いる場合であっても、上記水蒸発器で予め過熱状態の水蒸気を発生させるようにしておけば、上記混合チャンバーにて、過熱水蒸気中へ上記半気化状態の灯油等の原料を混合することができて、上記過熱水蒸気の顕熱を利用して原料の完全気化を行わせることも可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１（イ）（ロ）乃至図３は本発明の環状混合・分配ヘッダの実施の一形態として、図３に示す如く、図７及び図８に示した燃料処理装置４と同様の燃料処理装置４の円筒状の燃焼ガス流路２８に配設した状態で、複数の改質器５へ原料と水蒸気の混合ガスを供給できるようにするために適用する場合を示すものである。

上記図３に示した燃料処理装置４は、図７及び図８に示した燃料処理装置４の構成に加えて、水蒸発器１２を複数系列、たとえば、３系列の蒸発器伝熱管３３を有してなる構成とすると共に、ＣＯ選択酸化反応器７及び低温シフトコンバータ６を、一連の冷却水ライン３４により冷却可能な水冷構造とする。更に、原料予熱器３１を低温シフトコンバータ６の上部位置に配設した構成とする。このため、本発明の環状混合・分配ヘッダ３２は、上記水蒸発器１２の３系列の蒸発器伝熱管３２より個別に供給される水蒸気１３、及び、上記冷却水ライン３４にてＣＯ選択酸化反応器７及び低温シフトコンバータ６の冷却に供した後に発生する水蒸気１３を第１の被混合流体とし、上記原料予熱器３１にて予熱された原料９を第２の被混合流体として、該第１被混合流体としての水蒸気１３と第２被混合流体としての原料９とを混合した後、該水蒸気１３と原料９の混合ガスを、上記燃焼ガス流路２８の上部領域に周方向６０°間隔で６基配設してある改質器５へ分配供給できる機能を有するものとしてあり、具体的には以下のような構成とする。

ここで、図１（イ）は上記環状混合・分配ヘッダ３２の一部切断平面図を、又、図１（ロ）は、図１（イ）における図上上端部位置から開環させた状態の切断展開側面図をそれぞれ示してある。更に、説明の便宜上、図１（イ）（ロ）では、各部の周方向の位置は、上記図１（イ）における上端部位置（図１（ロ）における開環位置）を基点（０°位置）とする時計周り方向の角度配置として述べるようにしてある。

すなわち、上記環状混合・分配ヘッダ３２は、並べて配置された一対の混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とを備える。このために、たとえば、水平配置した環状の矩形管の内部を、上下方向（軸心方向）の中間位置に配した仕切板３７により全周に亘り仕切って、矩形断面を有する混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とを上下に積層させて設ける。

上記混合チャンバー３５の周方向所要位置、たとえば、図１（イ）（ロ）における１８０°位置に、該混合チャンバー３５の内部を閉塞させる閉塞板３８を設ける。更に、上記仕切板３７における上記閉塞板３８の周方向一側位置（図上右側位置）に、上記混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とを連通させる連通口３９を設ける。これにより、上記混合チャンバー３５の内部に、上記閉塞板３８の周方向他側位置（図上左側位置）から図１（イ）における時計周り方向に延びて上記連通口３９に至る一方向の周回流路４０を形成させて、該混合チャンバー３５に流入するすべての流体を、上記周回流路４０を通して上記連通口３９まで導き、しかる後、該連通口３９を経て分配チャンバー３６へ流入させることができるようにする。

更に、上記混合チャンバー３５の周回流路４０における下流側（終端側）には、周方向の複数個所（図では３個所）にオリフィス４２を所要間隔で備えてなる流体撹拌領域４１を設けて、上記周回流路４０を通して連通口３９まで導かれる流体が上記流体撹拌領域４１を通過する間に、該流体の流れを各オリフィス４２によって乱して撹拌することができるようにする。

上記混合チャンバー３５の周回流路４０における上記流体撹拌領域４１よりも上流側の所要個所に、上述した水蒸発器１２の３系列の蒸発器伝熱管３３にて発生させた水蒸気１３をそれぞれ個別に導く水蒸気供給管４３、及び、上記ＣＯ選択酸化反応器７及び低温シフトコンバータ６の冷却水ライン３４より該ＣＯ選択酸化反応器７及び低温シフトコンバータ６冷却に供した後に発生する水蒸気１３を導く水蒸気供給管４３と、上記原料予熱器３１にて予熱された原料９を導く原料供給管４４とを、たとえば、混合チャンバー３５の上面側より連通接続する。この場合、被混合流体である上記原料９と水蒸気１３のうち、原料９は、たとえば、灯油のような可燃物であるため、上記混合チャンバー３５内での滞留が生じないようにすることが好ましい。一方、水蒸気１３は、上記混合チャンバー３５内で多少の滞留が生じても問題が発生する虞は小さい。これらのことに鑑みて、本実施の形態においては、上記混合チャンバー３５の周回流路４０における閉塞板３８を挟んで連通口３９と反対側近傍位置、すなわち、上記周回流路４０の上流側端部となる上記閉塞板３８の周方向他側位置に、上記４本の水蒸気供給管４３のうち、少なくともいずれか一本を接続してなる構成として、上記周回流路４０内に、上流側端部から上記連通口３９へ向かう水蒸気１３の流れを全体的に生じさせることができるようにしてある。更に、上記原料供給管４４は、上記周回流路４０の中間部付近に接続する構成とし、これにより、該原料供給管４４より供給される原料９を、周回流路４０内に既に流れが形成されている水蒸気１３に対して混合（混入）させることができるようにして、上記周回流路４０内に原料９の滞留が生じる虞を未然に防止できるようにしてある。

更に又、残る水蒸気供給管４３を、上記原料供給管４４の接続位置よりも下流側で且つ流体撹拌領域４１よりも上流側に接続するようにすると、該水蒸気配管４３より供給される水蒸気１３により、上記周回流路４０のより上流側位置より流れてくる水蒸気１３と原料９とを、更に撹拌してから下流側の流体撹拌領域４１へ送ることができるようになる。そのため、本実施の形態では、上記原料供給管４４の接続位置よりも周回流路４０の下流側へ所要寸法離れた位置に、２本の水蒸気供給管４３を接続するようにしてある。残る１本の水蒸気供給管４３は、上記原料供給管４４の接続位置のやや上流側位置に接続してある。

上記分配チャンバー３６には、上記混合チャンバー３５より連通口３９を経て流入する上記原料９と水蒸気１３が均一に混合されたガスを、燃料処理装置４の上記各改質器５を供給先として均等に分配して供給できるようにするために、周方向６０°間隔個所の下面側に、上記各改質器５を、混合流体分配管４５を介して個別に接続する。この場合、上記連通口３９を通過して分配チャンバー３６へ流入するガスがそのまま混合流体分配管４５へ吹き抜ける虞を防止できるように、上記各混合流体分配管４５の取り付け位置は、上記連通口３９の配設位置より周方向にずれた配置となるようにしてある。

上記混合チャンバー３５の流体撹拌領域４１に設ける各オリフィス４２は、たとえば、図２に示す如く、流路を中心部のみに絞る形状として、上記原料９と水蒸気１３の混合されたガスの流れを一旦縮流させた後、拡大させることで該ガスの流れを乱して撹拌できるようにしてある。

その他、図６乃至図８に示したものと同一のものには同一符号が付してある。

以上の構成としてあることにより、上記環状混合・分配ヘッダ３２に、各水蒸気供給管４３を通して上記水蒸発器１２の３系列の蒸発器伝熱管３３にて発生させた水蒸気１３、及び、上記ＣＯ選択酸化反応器７並びに低温シフトコンバータ６の冷却に供した後に発生する水蒸気１３を供給すると共に、原料供給管４４を通して原料予熱器３１にて予熱された原料９を供給すると、上記混合チャンバー３５の周回流路４０内に、連通口３９に向いた水蒸気１３の流れが全体的に形成され、この状態にて、該水蒸気１３に対して上記原料９の混合が行われる。更に、該原料９と水蒸気１３の混合されたガスは、上記オリフィス４２が設けてある流体撹拌領域４１を通過するときに更に撹拌されて混合度が高められて、均一な混合ガス４６とされる。次いで、上記均一な混合ガス４６は、連通口３９を経て分配チャンバー３６へ導かれ、該分配チャンバー３６内を周方向に分散するように流通された後、周方向の６個所から各混合流体分配管４５を経てそれぞれ対応する周方向位置の改質器５へ導かれるようになる。

このように、本発明の環状混合・分配ヘッダ３２によれば、環状構造を有しているため、上記燃料処理装置４にて円筒状の空間部として形成されている燃焼ガス流路２８へ容易に配設することができると共に、周方向の複数個所より供給される複数の被混合流体である原料９と水蒸気１３とを均一に混合することができる。更に、この均一な混合ガス４６を、複数の供給先である６基の改質器５へそれぞれ均等に分配して供給することができる。よって、燃料処理装置４の上記各改質器５に、改質むらが生じる虞を防止できて、燃料処理装置４全体での改質反応効率が低減する虞を解消することが可能となる。

更に、上記原料９として、原料予熱器３１にて予熱された半気化状態の灯油等の原料９が原料供給管４４を通して上記環状混合・分配ヘッダ３２へ供給される場合には、上記水蒸発器１２で予め過熱状態の水蒸気１３を発生させるようにしておけば、上記混合チャンバー３５にて、過熱水蒸気１３中へ上記半気化状態の灯油等の原料９を混合することができ、上記過熱水蒸気１３の顕熱を利用して原料９の完全気化を行わせることが可能になる。

しかも、上記環状混合・分配ヘッダ３２は、各水蒸気供給管４３より水蒸気を供給し、原料供給管４４より原料を供給するのみで、撹拌装置等を別途必要とすることなく均一な混合ガス４６としてから、該均一な混合ガス４６を、各改質器５へ偏りなく均等に分配でき、構成をコンパクトにできると共に低コストなものとすることができる。

次に、図４（イ）（ロ）（ハ）（ニ）は本発明の実施の他の形態として、上記混合チャンバー３５及び分配チャンバー３６の形状及び配置の変形例を示すもので、上記実施の形態においては、混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とを、環状の矩形管の内部を仕切板３７により上下に仕切って形成させるものとして示したが、図４（イ）に示す如く、環状の円管の内部を仕切板３７により上下方向中間部で仕切って混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とを積層状態で形成させるようにしてもよい。

又、図４（ロ）に示す如く、混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とを、それぞれ別個の環状の矩形管とし、該各混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とを積層すると共に、互いに接している壁面に、連通口３９を穿設するようにしてもよい。

更に、図４（ハ）に示す如く、混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とをそれぞれ環状の円管として、上下に積層配置した上記混合チャンバー３５と分配チャンバー３６との間を、パイプ状の部材により形成した連通口３９により連通接続してもよい。

更に又、図４（ニ）に示す如く、混合チャンバー３５と分配チャンバー３６を、環状の矩形管の内部を仕切板３７により内周側と外周側に仕切って形成させるようにしてもよい。

又、図示してはいないが、混合チャンバー３５と分配チャンバー３６とをそれぞれ別個の環状の矩形管あるいは円管として、上下方向に、あるいは、内周側と外周側に所要寸法の隙間を隔てて並列に配置して、上記図４（ハ）に示したと同様のパイプ状の部材により形成した連通口３９により連通接続させるようにしてもよい。更には、混合チャンバー３５と分配チャンバー３６の配置を入れ替えるようにしてもよい。上記混合チャンバー３５へ被混合流体としての原料９や水蒸気１３を供給するために連通接続する各供給管４３，４４の接続方向や、上記分配チャンバー３６に連通接続する混合流体分配管４５の接続方向は、上記各供給４３，４４の配管経路や、混合流体の供給先としての各改質器５の相対的な配置、上記環状混合・分配ヘッダ３２内での混合チャンバー３５と分配チャンバー３６の配置等に応じて上面側、下面側、内周側、外周側等、いずれの方向に設定してもよい。

次いで、図５（イ）（ロ）（ハ）は、本発明の実施の更に他の形態として、混合チャンバー３５における周回流路４０に設ける流体撹拌領域４１の別の構成例を示すもので、上記実施の形態においては流体撹拌領域４１内における周方向の３個所に、流路を絞る形状のオリフィス４２を設けるものとして示したが、図５（イ）に示す如く、流体撹拌領域４１内に、底面より上方へ所要寸法突出する邪魔板４７ａと天井面より下方へ所要寸法突出する邪魔板４７ｂとを、上下流方向に位置をずらして交互に備えてなる構成として、原料９と水蒸気１３の混合されたガスの流れを上下方向に蛇行させて撹拌できるようにしてもよい。又、図５（ロ）に示す如く、流体撹拌領域４１内の内周側と外周側の各側壁面に、対向する側壁面方向に突出する邪魔板４８ａ，４８ｂを、上下流方向に位置をずらして交互に具備してなる構成として、原料９と水蒸気１３の混合ガスの流れを内外周方向に蛇行させて撹拌できるようにしてもよい。

更に、原料９と水蒸気１３の混合ガスが流体撹拌領域４１を通過するときに、該混合ガスの流れを乱して撹拌できれば、図５（ハ）に示す如く、流体撹拌領域４１となる周回流路４０内に、任意の形状の障害物、たとえば、円筒状の障害物４９を設置してなる構成としてもよい。更には、図示してはいないが、周回流路４０の周壁面に、凹凸を設けて上記混合ガスの流れを乱すようにしてもよい。

なお、図５（イ）（ロ）（ハ）では、便宜上、周回流路４０の流体撹拌領域４１の部分を直線的に示してある。又、図４（イ）（ロ）（ハ）（ニ）及び図５（イ）（ロ）（ハ）において図１（イ）（ロ）乃至図３に示したものと同一のものには同一符号が付してある。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、被混合流体の供給管としての水蒸気供給管４３は、水蒸気１３の発生源の数に応じて適宜増減させてもよい。又、原料供給管４４を複数本に分岐して、混合チャンバー３５における周回流路４０の複数個所に接続するようにしてもよい。更に、燃料処理装置の設計に応じて改質器５の数が変更される場合は、それに応じて混合流体分配管４５の本数を適宜増減してもよい。又、改質器５の周方向の配置が均等でない場合には、分配チャンバー３６に対する上記混合流体分配管４５の取り付け位置は周方向に均等な配置としなくてもよい。

所要の機器や部材を取り囲むように配置する必要がある等、環状構造とすることが所望され、且つ周方向の複数個所から供給される複数の被混合流体を均一に混合した後、該均一な混合流体を周方向複数個所に配設されている複数の供給先へ供給することが所望される場合であれば、燃料処理装置４における改質器５へ原料９と水蒸気１３を混合して供給する場合以外にも適用できる。すなわち、均一に混合すべき複数の被混合流体は、上記原料９と水蒸気１３以外の気体でもよく、更には、被混合流体が液体の場合にも適用できる。又、被混合流体は３種以上であってもよいこと、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の環状混合・分配ヘッダの実施の一形態を示すもので、（イ）は一部切断平面図、（ロ）は便宜的に環状構造を開環して直線状配置として示したものの概略切断展開側面図である。 図１（イ）のＡ−Ａ方向矢視拡大図である。 図１の環状混合・分配ヘッダを装備した燃料処理装置の概要を示す図である。 本発明の実施の他の形態として、混合チャンバー及び分配チャンバーの形状及び配置の変形例を示すものを示すもので、（イ）（ロ）（ハ）（ニ）はいずれも連通口部分で切断した断面を示す図である。 本発明の実施の更に他の形態として、混合チャンバーにおける周回流路の下流側部分に設ける流体撹拌領域の別の構成例を示すもので、（イ）（ロ）は概略斜視図、（ハ）は概略切断平面図である。 一般的な固体高分子型燃料電池発電装置の概要を示す図である。 従来提案されている燃料処理装置の概要を示す切断側面図である。 図７のＢ−Ｂ方向矢視図である。

符号の説明

４ 燃料処理装置
５ 改質器（供給先）
６ 低温シフトコンバータ
７ ＣＯ選択酸化反応器
９ 原料（被混合流体）
１２ 水蒸発器
１３ 水蒸気
３２ 環状混合・分配ヘッダ
３４ 冷却水ライン
３５ 混合チャンバー
３６ 分配チャンバー
３８ 閉塞板
３９ 連通口
４０ 周回流路
４１ 流体撹拌領域
４２ オリフィス
４３ 水蒸気供給管（供給管）
４４ 原料供給管（供給管）
４５ 混合流体分配管
４７ａ，４７ｂ 邪魔板
４８ａ，４８ｂ 邪魔板
４９ 障害物

Claims (6)

1. 環状の混合チャンバーと分配チャンバーとを並べて配置し、上記混合チャンバー内の周方向所要個所に、閉塞板と、上記混合チャンバーと分配チャンバーとを連通させる連通口とを設けて、上記混合チャンバー内に、上記連通口に至る一方向の周回流路を形成させ、該周回流路の上記連通口の上流側位置に、流通する流体を撹拌できるようにした流体撹拌領域を設け、上記周回流路の複数個所に、複数の被混合流体を周回流路へ供給する供給管をそれぞれ連通接続し、更に上記分配チャンバーの周方向複数個所に、複数の供給先を混合流体分配管を介し接続してなる構成を有することを特徴とする環状混合・分配ヘッダ。
2. 流体撹拌領域を、流路内にオリフィスや邪魔板や障害物を備えてなる構成とした請求項１記載の環状混合・分配ヘッダ。
3. 複数の被混合流体を供給する供給管のうちのいずれかを、混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続するようにした請求項１又は２記載の環状混合・分配ヘッダ。
4. 混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続する供給管を、周回流路内に滞留しても問題を生じる虞が小さい被混合流体を供給するための供給管とするようにした請求項３記載の環状混合・分配ヘッダ。
5. 複数の被混合流体を水蒸気及び改質ガス生成用の原料とし、且つ供給先を燃料処理装置の改質器とした請求項１、２、３又は４記載の環状混合・分配ヘッダ。
6. 燃料処理装置の水蒸発器、又は、ＣＯ選択酸化反応器と低温シフトコンバータの冷却用の冷却水ラインより水蒸気を導く水蒸気供給管を、混合チャンバーの周回流路における閉塞板を挟んで連通口と反対側近傍位置に接続するようにした請求項５記載の環状混合・分配ヘッダ。

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