JP2010116300A

JP2010116300A - 燃料電池用改質器の製造方法

Info

Publication number: JP2010116300A
Application number: JP2008291185A
Authority: JP
Inventors: Isamu Takenaga; 勇武長
Original assignee: Chofu Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Chofu Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2010-05-27

Abstract

【課題】安定した品質の燃料電池用改質器を作業性よく製造可能な燃料電池用改質器の製造方法を提供する。
【解決手段】それぞれ正面視して長方形状の第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の周縁に設けられた鍔部１５、１６を仕切り板１７を介して重ね合わせたケーシング１０が複数並べられ、ケーシング１０内には改質材が配置された燃料電池用改質器の製造方法において、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６と、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の２倍以上の厚みの仕切り板１７とを重ね合わせ、鍔部１５、１６と仕切り板１７との当接面２１、２２に、その外側側方から当接面２１、２２に平行にレーザー溶接を行い、溶接箇所２３、２４の深さ方向先端位置Ｐ１が鍔部１５、１６の湾曲開始位置Ｐ２までの間の直線部内にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用の改質器の製造方法に関する。

従来、都市ガス又はＬＰガスの原料ガスから生成させた水素を空気と反応させることにより発電する燃料電池が使用されている。ここで、原料ガスから水素を生成させる装置としては、原料ガスと水を触媒の存在下で反応させて水素を生成させる燃料電池用改質器（以下、単に改質器ともいう）が使用されている。
この燃料電池用改質器には、例えば、特許文献１、２のように、水素を生成させる触媒等を収納する円筒型のケーシングを使用した改質器と、特許文献３、４のように、触媒等を収納した平板型のケーシングを複数並べて配置した改質器がある。なお、本願発明は、後者に関するものであるため、以下、平板型のケーシングを使用した燃料電池用改質器について説明する。

図２（Ａ）に示すように、燃料電池用改質器５０は、改質触媒や酸化触媒が充填された複数のケーシング５１〜６０と、図示しない断熱材、排熱回収用熱交換器、及びヒータとを有している。この複数のケーシング５１〜６０は、隣り合うケーシング５１〜６０の側壁の広面を当接させて一体としており、しかもケーシング５１〜６０は、原料ガス、空気、水、又は変成処理ガスが流れる連結用配管６１〜６９等により、それぞれ接続されている。
このように構成することで、原料ガスを水と触媒下で反応させ、原料ガスを改質して、水素リッチな変成処理ガスを生成できる。なお、変成処理ガスの生成の詳細内容については、前記した特許文献３、４に開示されているため、ここでは省略する。

図２（Ｂ）、図３に示すように、燃料電池用改質器５０を構成する１つのケーシング、例えば、ケーシング５８は、仕切り板７０を中心としてその両側に、周囲に鍔部７１、７２がそれぞれ形成された２つの扁平皿形容器７３、７４が、それぞれの開口部７５、７６を仕切り板７０の表面に向け、鍔部７１、７２を仕切り板７０に当接させた状態で取付けられたものである。この仕切り板７０と各扁平皿形容器７３、７４とで形成される第１、第２の空間部７７、７８の原料ガスの入側と出側には、図示しない触媒を保持すると共に、この触媒を通過する原料ガスの流れを整流化する通気用保持板７９、８０が設けられている。
上記したケーシング５８の製造に際しては、図４に示すように、重ね合わせた鍔部７１、７２と仕切り板７０とを溶接しており、その溶接にはＴＩＧ溶接を用いている。なお、この溶接は、鍔部７１、７２と仕切り板７０との当接面全体に渡って行われている。

特開２００３−１５１６０７号公報特開平９−３０９７０２号公報特開２００４−５９３５９号公報特開２００７−３２６７６４号公報

しかしながら、２つの扁平皿形容器７３、７４と仕切り板７０との接合にＴＩＧ溶接を用いた場合、溶接箇所が高入熱となるため、溶接箇所の組織変化に伴う溶接箇所とその周辺部との間に硬度差が発生すると共に、鍔部７１、７２と仕切り板７０が酸化する。なお、ＴＩＧ溶接では、溶接箇所の溶融幅も広く、また熱影響部も広い範囲となるため、上記した硬度差が広い範囲で発生する。
このため、製造した燃料電池用改質器５０の使用時に、仕切り板７０に対して２つの扁平皿形容器７３、７４が、熱による膨張収縮で揺動した場合や、扁平皿型容器７３と扁平皿型容器７４とで温度差が大きい場合には、各扁平皿形容器７３、７４の鍔部７１、７２から傾斜部８１、８２にかけてクラックが発生する恐れがあった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、安定した品質の燃料電池用改質器を作業性よく製造可能な燃料電池用改質器の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る燃料電池用改質器の製造方法は、それぞれ正面視して長方形状の第１、第２の扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部を仕切り板を介して重ね合わせたケーシングが複数並べられ、該ケーシング内には改質材が配置された燃料電池用改質器の製造方法において、
前記第１、第２の扁平皿形容器の前記鍔部と、該第１、第２の扁平皿形容器の２倍以上の厚みの前記仕切り板とを重ね合わせ、該鍔部と該仕切り板との当接面に、その外側側方から該当接面に平行にレーザー溶接を行い、溶接箇所の深さ方向先端位置が前記鍔部の湾曲開始位置までの間の直線部内にある。

本発明に係る燃料電池用改質器の製造方法において、前記溶接箇所の深さ方向先端位置から前記鍔部の湾曲開始位置までの距離は、前記第１、第２の扁平皿形容器の厚みの１倍以上５倍以下であることが好ましい。
本発明に係る燃料電池用改質器の製造方法において、前記鍔部の外側端面から前記湾曲開始位置までの長さが５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明に係る燃料電池用改質器の製造方法において、前記第１、第２の扁平皿形容器と前記仕切り板は、低炭素ステンレス鋼で構成されていることが好ましい。

本発明に係る燃料電池用改質器の製造方法は、レーザー溶接を用いているため、他の溶接方法（例えば、ＴＩＧ溶接）と比較して、溶接箇所の入熱を低減でき、溶接箇所の溶融幅も狭く、また熱影響部も狭い範囲にできる。このため、重ね合わせた第１、第２の扁平皿形容器の鍔部と仕切り板との当接面に、その外側側方から当接面に平行にレーザー溶接を行うことにより、溶接対象となる箇所のみを必要最小限に溶融させて接合できる。また、レーザー溶接は、通常、不活性ガスをシールドガスとして溶接箇所へ吹き付けるため、溶接部の酸化等も抑制できる。更に、このレーザー溶接を行うに際し、溶接箇所の深さ方向先端位置が、鍔部の湾曲開始位置（仕切り板との当接先端位置）までの間の直線部内にあるので、例えば、燃料電池用改質器の使用時に、揺動しようとする各扁平皿形容器の拘束力を弱めたり、また、プレス成形時の湾曲部の残留応力への影響を弱めたり、更にはレーザー溶接による熱影響をほとんどなくすことができる。
これにより、燃料電池用改質器の使用時に、仕切り板に対して各扁平皿形容器が揺動しても、各扁平皿形容器への割れの発生を防止できるので、安定した品質の燃料電池用改質器を製造できる。更に、仕切り板の厚みを、各扁平皿形容器の厚みの２倍以上とするので、各扁平皿形容器の揺動に伴う仕切り板の変形を抑制でき、この変形に起因した各扁平皿形容器への応力集中を抑制できるため、上記した作用効果が更に高められる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池用改質器の製造方法で製造した燃料電池用改質器のケーシングの部分拡大側断面図である。

まず、本発明の一実施の形態に係る燃料電池用改質器の製造方法により製造した燃料電池用改質器について説明した後、本発明の一実施の形態に係る燃料電池用改質器の製造方法について説明する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る燃料電池用改質器の製造方法により製造する燃料電池用改質器は、改質材の一例である触媒（改質触媒又は酸化触媒等）が充填され、又は内部に加熱用のバーナを有したケーシング１０が複数（例えば、２〜２０個程度）並べられて構成され、原料ガスと水を触媒の存在下で反応させて水素を生成するものである。なお、図１においては、上記した触媒やバーナの図示を省略している。

各ケーシング１０は、それぞれ正面視して角部が丸くなった長方形状の第１、第２の扁平皿形容器１１、１２を有している。
第１、第２の扁平皿形容器１１、１２は、それぞれ容器底部の平坦領域が広面となって容器上部に開口部１３、１４を有するものであり、開口側周縁には、鍔部１５、１６が設けられている。なお、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２に設けられた鍔部１５、１６は、それぞれ扁平皿形容器１１、１２の容器底部と平行となるように形成されている。

各ケーシング１０は、仕切り板１７を介して、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６を重ね合わせて形成されており、立設した状態の第１の扁平皿形容器１１の上部及び下部には、それぞれ広面から鍔部１５に渡って傾斜部１８が形成され、また、第２の扁平皿形容器１２の上部及び下部にも、それぞれ広面から鍔部１６に渡って傾斜部１９が形成されている。この各傾斜部１８、１９には、例えば、原料ガス、空気、水、又は変成処理ガスを流す連結用配管（図示しない）が取付けられている。
なお、第１の扁平皿形容器１１と第２の扁平皿形容器１２は、仕切り板１７を中心として面対称の形状となっているが、異なる形状でもよい。

第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６の間には、仕切り板１７の周縁部２０が挟持されている。
この仕切り板１７は、その外周が、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６の外周と同じ、又はそれより僅かに大きくなっており、各扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６と仕切り板１７の周縁部２０との当接面２１、２２が、その外側側方から当接面２１、２２と平行に行うレーザー溶接により溶着されている。

このレーザー溶接を行うに際しては、第１の扁平皿形容器１１と仕切り板１７との溶接箇所２３（第２の扁平皿形容器１２と仕切り板１７との溶接箇所２４も同様）の深さ方向先端位置Ｐ１が、鍔部１５の湾曲開始位置Ｐ２までの間の直線部内にある。好ましくは、深さ方向先端位置Ｐ１から湾曲開始位置Ｐ２までの距離Ｄは、２ｍｍ以上あることが望ましい。なお、湾曲開始位置Ｐ２とは、第１の扁平皿形容器１１の鍔部１５と傾斜部１８との境界位置であり、仕切り板１７の表面から第１の扁平皿形容器１１が離れ始める起点位置（第１の扁平皿形容器１１が湾曲し始める位置）を意味している。

ここで、溶接箇所の深さ方向先端位置が湾曲部にかかった場合、溶接箇所が深くなり過ぎ、仕切り板に対する第１の扁平皿形容器の拘束力が高められ、その自由度が小さくなる。このため、例えば、燃料電池用改質器の使用時に、第１の扁平皿形容器が揺動した際に湾曲開始位置から傾斜部へかけての部分（以下、湾曲開始位置近傍ともいう）にクラックが発生する恐れがある。
また、溶接箇所が深くなり過ぎることで、レーザー溶接による湾曲開始位置近傍への熱影響が発生して、クラックが発生する恐れがある。なお、熱影響を低減するため、第１、第２の扁平皿形容器と仕切り板を、焼きが入りにくい材料、例えば、低炭素ステンレス鋼（例えば、炭素量：０．０８質量％以下）で構成することが好ましい。

以上のことから、溶接箇所２３の深さ方向先端位置Ｐ１を、外側端面２５から鍔部１５の湾曲開始位置Ｐ２までの直線部内に位置するようにしたが、好ましくは、溶接箇所２３の深さ方向先端位置Ｐ１から鍔部１５の湾曲開始位置Ｐ２までの距離Ｄを、２ｍｍ以上、更には３ｍｍ以上確保するのがよい。
なお、溶接箇所２３の深さ方向先端位置Ｐ１から、鍔部１５の湾曲開始位置Ｐ２までの距離Ｄの上限値は、その長さが長くなるに伴って上記した作用効果が得られるため、特に規定していない。しかし、仕切り板１７と鍔部１５との接合強度を考慮すれば、距離Ｄの上限値を、鍔部１５の外側端面２５から湾曲開始位置Ｐ２までの長さＬの例えば０．５倍以上０．８倍以下の範囲内とするのがよい。この長さＬは、燃料電池用改質器の製造コスト等を考慮すれば、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、上記した仕切り板１７の周縁部２０の厚みＴ１は、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６のそれぞれの厚みＴ２、Ｔ３の２倍以上である。なお、厚みＴ２と厚みＴ３は、同一であるが異なる厚みでもよい。
ここで、仕切り板の厚みＴ１が、第１の扁平皿形容器の厚みＴ２（第２の扁平皿形容器のＴ３も同様）の２倍未満の場合、仕切り板の厚みが薄くなり過ぎ、例えば、燃料電池用改質器の使用時に、第１の扁平皿形容器の揺動に伴って仕切り板が変形し易くなる。このため、この変形に起因して各扁平皿形容器の湾曲開始位置近傍へ応力が集中し、クラックが発生し易くなる。また、仕切り板の厚みが薄くなり過ぎると、レーザー溶接を行う際に、仕切り板の周縁部の厚み方向全体が溶融し、仕切り板の品質低下を招く恐れもある。

以上のことから、仕切り板１７の厚みＴ１を、第１の扁平皿形容器１１の厚みＴ２の２倍以上としたが、好ましくは、下限を２．３倍、更には２．５倍とすることが好ましい。なお、仕切り板１７の厚みＴ１は、例えば、２〜１０ｍｍ程度、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の厚みＴ２とＴ３は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。
また、仕切り板１７の厚みＴ１は、その厚みが厚くなるに伴って、仕切り板の変形を抑制できるため、その上限値を設けていない。しかし、仕切り板１７の厚みが厚くなるほど、例えば、仕切り板１７の材料コストが余計にかかって経済的でなく、また仕切り板１７の重さが重くなって搬送時の作業性が悪くなるという問題がある。このため、現実的には、仕切り板１７の厚みＴ１は、第１の扁平皿形容器１１の厚みＴ２の５倍以下、更には３倍以下とすることが好ましい。

そして、前記した溶接箇所２３の深さ方向先端位置Ｐ１から、鍔部１５の湾曲開始位置Ｐ２までの距離Ｄは、第１の扁平皿形容器１１の鍔部１５（第２の扁平皿形容器１２の鍔部１６も同様）の厚みＴ２の１倍以上５倍以下（好ましくは、下限を１．２倍、上限を３倍、更には２倍）であることが好ましい。
ここで、距離Ｄが厚みＴ２の１倍未満の場合、仕切り板と鍔部との未溶接部分の長さが短くなり過ぎ、前記したように、燃料電池用改質器の使用時に、湾曲開始位置近傍にクラックが発生する恐れがある。一方、距離Ｄが厚みＴ２の５倍を超える場合、仕切り板と鍔部との未溶接部分の長さが長くなり過ぎ、燃料電池用改質器の使用時に、仕切り板から第１の扁平皿形容器が外れる恐れがある。

以上に示したように、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６を、仕切り板１７を介して重ね合わせることで、第１の扁平皿形容器１１と仕切り板１７で囲まれる第１の空間部２６と、第２の扁平皿形容器１２と仕切り板１７で囲まれる第２の空間部２７とが形成される。なお、仕切り板１７は、第１、第２の空間部２６、２７間で、伝熱を行う機能も有している。
この第１、第２の空間部２６、２７の上部と下部には、それぞれ第１、第２の空間部２６、２７の幅方向に渡って通気用保持板（図３参照）が配置されている。
これにより、第１の空間部２６内の仕切り板１７、上下の通気用保持板、及び第１の扁平皿形容器１１の底部で囲まれる領域と、第２の空間部２７内の仕切り板１７、上下の通気用保持板、及び第２の扁平皿形容器１２の底部で囲まれる領域に、触媒を充填できると共に、連結用配管への触媒の流出を防ぐことができる。更に、通気用保持板の上下の外側部分は、ヘッダーとして働くので、原料ガスを触媒間に均等に流すことができる。

燃料電池用改質器は、以上に示したケーシング１０を複数有し、隣り合うケーシング１０の側壁の広面を当接させて一体としており、しかも各ケーシング１０間は、各ケーシング１０に連結用配管を取付けることにより、それぞれ接続されている。
このように構成することで、水素を生成させるに際しては、第１の空間部２６の上流側に取付けられた連結用配管を介して原料ガスを流入させ、第１の空間部２６内の触媒を通過させた後、第１の空間部２６の外部へ流すことができる。また、第２の空間部２７の上流側に取付けられた連結用配管を介して原料ガスを流入させ、第２の空間部２７内の触媒を通過させた後、第２の空間部２７の外部へ流すことができる。
これにより、原料ガスから燃料電池に使用する水素を生成できる。

続いて、本発明の一実施の形態に係る燃料電池用改質器の製造方法について説明する。
まず、連結用配管接続口を溶接により取付けた第１、第２の扁平皿形容器１１、１２、仕切り板１７、及び通気用保持板を準備する（図３参照）。
次に、立設状態とした場合の第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の容器底部の平坦領域の上部及び下部に、各通気用保持板を溶接によりそれぞれ取付ける。そして、仕切り板１７の両側から、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の開口部１３、１４を向かい合わせた（対向させた）状態で、鍔部１５、１６の表面を仕切り板１７の周縁部２０の表面に当接させる（図３参照）。
このように当接させた各扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６と仕切り板１７の周縁部２０とを、レーザー溶接により溶着させる。この溶接方法を、以下に説明する。

図１に示すように、重ね合わせた第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１６と仕切り板１７との当接面２１、２２に、鍔部１５、１６と仕切り板１７の外側側方から当接面２１、２２に平行となる方向、即ち、鍔部１５、１６の外側端面２５に直交する方向から、レーザー溶接を行う。なお、レーザー溶接は、鍔部１５、１６と仕切り板１７との当接面２１、２２の全周囲に渡って行うことが好ましいが、全周を分割して複数回に分けて行ってもよい。また、鍔部１５、１６と仕切り板１７との当接面２１、２２を溶着できれば、例えば、当接面２１、２２を基準として±５度の範囲で傾斜してレーザー溶接してもよい。
このレーザー溶接で使用するレーザ光線（溶接用熱源）には、例えば、炭酸ガスレーザとＹＡＧレーザがある。また、レーザー溶接の際に使用するシールドガスには、例えば、アルゴン、ヘリウム、又は窒素等の不活性ガスを使用できる。

このレーザー溶接を行うに際しては、溶接箇所２３、２４の深さ方向先端位置Ｐ１を、鍔部１５、１６の湾曲開始位置Ｐ２までの間の直線部内にする。具体的には、パワー密度：０．３６〜３．６ＭＷ／ｃｍ^２、レーザービーム径：１９〜２３ｍｍ、レーザー焦点径：２００ｍｍの各種条件の範囲内で溶接条件を決定して、溶接箇所２３の深さ方向先端位置Ｐ１を、鍔部１５の湾曲開始位置Ｐ２までの間の直線部内にする。好ましくは、深さ方向先端位置Ｐ１から湾曲開始位置Ｐ２までの直線部の距離Ｄを、２ｍｍ以上とすることが望ましい。
上記した方法で、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２と仕切り板１７とを溶着させた後、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の容器底部に設けられた触媒充填口（図示しない）を介して、第１、第２の空間部２６、２７内に、それぞれ触媒を充填し、この触媒充填口を塞ぐ。
以上の方法で製造した複数のケーシング１０を、その側壁となる容器底部を連接させて一体とし、各ケーシング間を連結用配管により接続することで、燃料電池用改質器として使用する。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の燃料電池用改質器の製造方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、第１、第２の扁平皿形容器及び仕切り板に補強用リブを形成しなかったが、勿論形成してもよい。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池用改質器の製造方法で製造した燃料電池用改質器のケーシングの部分拡大側断面図である。（Ａ）は従来例に係る燃料電池用改質器の斜視図、（Ｂ）は燃料電池用改質器を構成する１つのケーシングの斜視図である。同ケーシングの分解斜視図である。従来例に係る燃料電池用改質器の製造方法で製造した燃料電池用改質器のケーシングの部分拡大側断面図である。

符号の説明

１０：ケーシング、１１：第１の扁平皿形容器、１２：第２の扁平皿形容器、１３、１４：開口部、１５、１６：鍔部、１７：仕切り板、１８、１９：傾斜部、２０：周縁部、２１、２２：当接面、２３、２４：溶接箇所、２５：外側端面、２６、２７：空間部

Claims

それぞれ正面視して長方形状の第１、第２の扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部を仕切り板を介して重ね合わせたケーシングが複数並べられ、該ケーシング内には改質材が配置された燃料電池用改質器の製造方法において、
前記第１、第２の扁平皿形容器の前記鍔部と、該第１、第２の扁平皿形容器の２倍以上の厚みの前記仕切り板とを重ね合わせ、該鍔部と該仕切り板との当接面に、その外側側方から該当接面に平行にレーザー溶接を行い、溶接箇所の深さ方向先端位置が前記鍔部の湾曲開始位置までの間の直線部内にあることを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。
請求項１記載の燃料電池用改質器の製造方法において、前記溶接箇所の深さ方向先端位置から前記鍔部の湾曲開始位置までの距離は、前記第１、第２の扁平皿形容器の厚みの１倍以上５倍以下であることを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。
請求項１及び２のいずれか１項に記載の燃料電池用改質器の製造方法において、前記鍔部の外側端面から前記湾曲開始位置までの長さが５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用改質器の製造方法において、前記第１、第２の扁平皿形容器と前記仕切り板は、低炭素ステンレス鋼で構成されていることを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。