JP2010140726A - 燃料電池用改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】組立て時の作業性を良好にできると共に、従来よりも生産性を向上できる燃料電池用改質器を提供する。
【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、１７を仕切り板２４を介して重ね合わせた複数のケーシング１０が、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の裏底１１ａ、１２ａの当接面４３〜４６を接触させて並べて配置され、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において、裏底１２ａに、隣り合うケーシング１０の当接面４４、４６より窪んだヒータ収納部５１が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用の改質器に関する。

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５（Ａ）に示すように、燃料電池用改質器７０は、改質触媒や酸化触媒、又は脱硫触媒等が充填された複数のケーシング７１〜８０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７１〜８０は、隣り合うケーシング７１〜８０の側壁の当接面を接触させて一体としており、しかも各ケーシング７１〜８０間は、原料ガス、空気、水、又は変成処理ガスが流れる配管８１〜８９等により、それぞれ接続されている。なお、隣り合うケーシング７１〜８０間のいくつかには、平板状のヒータが配置されている。
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５（Ｂ）、図６に示すように、燃料電池用改質器７０を構成する１つのケーシング、例えば、ケーシング７８は、仕切り板９０を中心としてその両側に、周囲に鍔部９１、９２がそれぞれ形成された２つの扁平皿形容器９３、９４が、それぞれの開口部９５、９６を仕切り板９０の表面に向け、鍔部９１、９２を仕切り板９０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９０と各扁平皿形容器９３、９４とで形成される第１、第２の空間部９７、９８の原料ガスの入側と出側には、触媒を保持する触媒保持板９９、１００が設けられている。

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、ヒータを挟んで隣り合うケーシングの側壁の当接面は平面状態となっており、燃料電池用改質器７０の組立時には、隣り合う当接面でヒータを挟み込むため、装置構成のコンパクト化が図れず、またヒータがずれ落ちる恐れがあった。
また、隣り合うケーシング間にヒータを配置することで、ケーシング同士を当接させることができず、燃料電池用改質器７０の組立て時の作業性が悪かった。
更に、隣り合うケーシング７１〜８０同士の位置決め精度が悪く、前記した配管の取付け位置に誤差が生じて、配管の取付け時の作業性も悪かった。このように、位置決め精度が悪い状態で、隣り合うケーシングの配管同士を溶接により接続した場合には、これらを分離して再度接続し直す必要もあり、作業工程数が増加して燃料電池用改質器の生産性が低下する問題もあった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、組立て時の作業性を良好にできると共に、従来よりも生産性を向上できる燃料電池用改質器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（偏平皿形容器）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複数のケーシングが、前記第１、第２の扁平皿形容器の裏底の当接面を接触させて並べて配置され、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において、
前記裏底に、隣り合う前記ケーシングの前記当接面より窪んだヒータ収納部が設けられている。

本発明に係る燃料電池用改質器において、前記ヒータ収納部は、前記裏底の一部に設けられており、前記隣り合うケーシング同士が、前記ヒータ収納部以外の前記裏底の一部の前記当接面で接触していることが好ましい。

本発明に係る燃料電池用改質器において、前記当接面に、前記隣り合うケーシング同士の位置決めを行う凹凸部が設けら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において、前記ヒータ収納部は、前記裏底の上下方向中央部に設けら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において、前記ヒータ収納部は、前記裏底の幅方向に渡って設けら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において、前記ヒータ収納部に温度計測センサー設置用凹部が設けら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において、前記ヒータ収納部に配置するヒータの電熱線と、該電熱線に接続されるリード線との接続部を、前記隣り合うケーシングの対向面の外側領域に配置することが好ましい。

請求項１〜７記載の燃料電池用改質器は、第１、第２の扁平皿形容器の裏底に、隣り合うケーシングの当接面より窪んだヒータ収納部が設けられているので、このヒータ収納部にヒータを配置することで、装置構成のコンパクト化が図れ、またヒータのずれ落ちもなくなる。また、隣り合うケーシング同士を、裏底の当接面により接触させることができるため、隣り合うケーシング同士の位置決め精度が高められ、燃料電池用改質器の組立て時の作業性も良好になる。
従って、組立て時の作業性を向上できると共に、生産性よく燃料電池用改質器を製造できる。

特に、請求項３記載の燃料電池用改質器は、当接面に、隣り合うケーシング同士の位置決めを行う凹凸部を設けているので、隣り合うケーシング同士の位置決め精度が更に高められる。
請求項４記載の燃料電池用改質器は、ヒータ収納部が、裏底の上下方向中央部に設けられているので、簡単な構成でヒータの位置決めができる。
請求項５記載の燃料電池用改質器は、ヒータ収納部が、裏底の幅方向に渡って設けられているので、例えば、燃料電池用改質器の組立て時に、複数のケーシングを当接面を接触させて並べて配置した後、ヒータ収納部にヒータを収納できる。このため、ケーシングとヒータの各取付け作業を分けて実施でき、燃料電池用改質器の組立作業が容易になる。

請求項６記載の燃料電池用改質器は、ヒータ収納部に温度計測センサー設置用凹部が設けられているので、温度計測センサーを設置するための場所を新たに確保する必要がなく、また、ヒータによる加熱温度の検出精度も高めることができる。
請求項７記載の燃料電池用改質器は、ヒータの電熱線とリード線との接続部を、隣り合うケーシングの対向面の外側領域に配置するので、接続部を隣り合うケーシングで挟まれていない部分に配置できる。これにより、接続部を隣り合うケーシングで挟まれた部分に配置する場合に発生し易かった断線の危険性を低減できる。

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（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る燃料電池用改質器の正面図、側断面図、背面図、図２は同燃料電池用改質器の隣り合うケーシングの部分拡大側断面図、図３は同隣り合うケーシングの部分拡大平断面図、図４は同隣り合うケーシング間に設けられたヒータ収納部に配置するヒータの正面図である。

図１（Ａ）〜（Ｃ）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は、原料ガスと水（水蒸気）を触媒の存在下で反応させて水素を生成させるものである。この燃料電池用改質器は、前記したように、改質触媒や酸化触媒、又は脱硫触媒等（改質材の一例）が充填された複数（例えば、２〜２０個程度）のケーシングで構成されるものであるため、ここでは、燃料電池用改質器を構成する３つのケーシング１０を接続した状態について説明する。なお、図１（Ｂ）においては、上記した触媒の図示を省略している。

ケーシング１０は、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２を備える外側ケース１３を有している。
正面視して角部が丸くなった長方形状の第１の扁平皿形容器１１は、裏底１１ａが広面（扁平面）となって上部に開口部１４を有する扁平皿型に形成され、この開口側周縁には、鍔部１５が設けられている。また、第２の扁平皿形容器１２も、正面視して角部が丸くなった長方形状であって、裏底１２ａが広面（扁平面）となって上部に開口部１６を有する扁平皿型に形成されたものであり、この開口側周縁には、鍔部１７が設けられている。
各第１、第２の扁平皿形容器１１、１２に設けられた鍔部１５、１７は、それぞれ扁平皿形容器１１、１２の裏底１１ａ、１２ａと平行となるように形成されている。

第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１７を合わせて立設した状態において、上部及び下部となる位置には、例えば、原料ガス、空気、水、又は変成処理ガスを流す配管を接続するための接続部１８〜２１が取付けられている。また、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の上下方向と幅方向の中央部には、改質触媒や酸化触媒の触媒を装入するための触媒充填口２２、２３が形成されている。
なお、第１の扁平皿形容器１１と第２の扁平皿形容器１２は、後述する細かい形状を除いては、同一形状となっている。
以上の構成により、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の開口部１４、１６を向かい合わせた状態で、各鍔部１５、１７を合致させることにより、外側ケース１３が形成される。

外側ケース１３の第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１７の間には、仕切り板２４の周縁部２５が挟持されている。
この仕切り板２４は、その外周が、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１７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、１７と仕切り板２４の周縁部２５とが、例えば、溶接により溶着されている。なお、仕切り板２４には、複数の補強用リブ２６〜２８が形成されている。
このように、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１７を、仕切り板２４を介して重ね合わせることで、外側ケース１３内が、第１の扁平皿形容器１１と仕切り板２４で形成される第１の空間部２９と、第２の扁平皿形容器１２と仕切り板２４で形成される第２の空間部３０とに区分される。

この第１、第２の空間部２９、３０の上部と下部には、それぞれ第１、第２の空間部２９、３０の幅方向に渡って触媒保持板３１〜３４が配置されている。
この各触媒保持板３１〜３４は、多数の小孔が形成された１枚の金属板、即ちパンチングメタルを折り曲げ成形したものであり、内部に充填する触媒を保持すると共に、原料ガスの流れを確保するものである。
これにより、第１の空間部２９内の仕切り板２４、上下の触媒保持板３１、３２、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３０内の仕切り板２４、上下の触媒保持板３３、３４、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（図示しない）を充填できる。

図１（Ｂ）、図２に示すように、隣り合うケーシング１０は、複数の連結部（凹凸部）３５〜４２を介して当接配置されている。
隣り合う外側ケース１３の裏底１１ａ、１２ａにそれぞれ設けられた上側の当接面４３、４４の両側部（一部）には、２つの連結部３５、３６と２つの連結部３７、３８がそれぞれ設けられ、また下側の当接面４５、４６の両側部（一部）には、２つの連結部３９、４０と２つの連結部４１、４２がそれぞれ設けられている。
この連結部３５（連結部３７、３９、４１も同様）は、隣り合う一方側のケーシング１０の外側ケース１３を構成する第１の扁平皿形容器１１に形成された凹部４７と、他方側のケーシング１０の外側ケース１３を構成する第２の扁平皿形容器１２に形成され、凹部４７に嵌め込まれて係合する凸部４８とで構成される。また、連結部３６（連結部３８、４０、４２も同様）は、他方側のケーシング１０の第２の扁平皿形容器１２に形成された凹部４９と、一方側のケーシング１０の第１の扁平皿形容器１１に形成され、凹部４９に嵌め込まれて係合する凸部５０とで構成される。

このように、複数（例えば、２〜１６個程度、ここでは８個）の連結部３５〜４２を使用することで、隣り合うケーシング１０同士の位置決めを容易にできる。
また、ここでは、一箇所に、例えば、外側ケース１３の上側の片側部に複数（例えば、２〜４個程度、ここでは２個）の連結部３５、３６を設けているが、１個でもよい。そして、一箇所に設けられた複数の連結部の凹凸の向きを逆にしているが、同一方向にしてもよい。更に、隣り合うケーシングごとに、凹部と凸部の組み合わせの位置、又は凹部と凸部の形成ピッチを変えることで、複数のケーシングを一体とする際に、各ケーシングの配置位置を間違えることなく、燃料電池用改質器を製造できる。
以上に示した連結部３５〜４２を構成する凹部４７、４９と凸部４８、５０は、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２に対してプレスすることにより形成できる。

図１（Ｂ）、（Ｃ）、図２、図３に示すように、第２の扁平皿形容器１２の裏底１２ａの上下方向中央部、即ち隣り合うケーシング１０の上側の当接面４４と下側の当接面４６との間には、この各当接面４４、４６より窪んだヒータ収納部５１が設けられている。このように、ヒータ収納部５１は、裏底１２ａの一部に設けられているため、隣り合うケーシング１０同士が、ヒータ収納部５１以外の隣り合うケーシング１０の外側ケース１３の裏底１１ａの当接面４３、４５と裏底１２ａの当接面４４、４６で接触する。
ヒータ収納部５１は、図３に示すように、第２の扁平皿形容器１２の裏底１２ａの幅方向に渡って形成されている。このヒータ収納部５１の形成に際しては、第２の扁平皿形容器１２の裏底１２ａの上部及び下部を除く部分に対し、外側から面状のプレスをする。
なお、ヒータ収納部５１に配置するヒータとしては、図４に示す従来公知のマイカヒータ等、具体的には、平板状のヒータ５１ａを使用できる。

ヒータ収納部５１の深さＤは、ヒータ５１ａの厚みによって変わるが、ヒータ５１ａの厚みと同等、もしくは僅かに浅い方がよい。これにより、ヒータ５１ａの厚み方向両側外面を、裏底１１ａ、１２ａに確実に接触させることができる。
また、図２に示すように、ヒータ収納部５１の側壁５２は、ヒータ収納部５１の底面５３に対して、角度θ（例えば、９０度を超え１５０度以下、好ましくは、下限を１１０度、上限を１３０度の範囲内）で傾斜している。これにより、ヒータ収納部５１の形成時にプレスの力でヒータ収納部の側壁にひびや割れが発生することを防止できる。

そして、図１（Ｃ）に示すように、ヒータ収納部５１の上下の側壁５２には、第２の扁平皿形容器１２の幅方向中央部に、それぞれ位置決め突起部５４、５５が設けられている。この位置決め突起部５４、５５は、図４に示すヒータ５１ａの上下方向両側に形成された切欠き凹部５６、５７に係合する。これにより、ヒータ収納部５１に対するヒータ５１ａの左右方向の位置決めができる。なお、図４において、５８はヒータ５１ａの電熱線、５９は電熱線に接続されるリード線であり、リード線５９の端部に設けられたコネクタ６０を電源に接続することで、ヒータ５１ａに給電できる。なお、図４のヒータ５１ａの中央部に記載した二点鎖線領域は、電熱線５８の配置禁止範囲を示している。
前記した触媒充填口２３は、これを塞いだ場合に、その先端位置が、ヒータ収納部５１の底面５３よりも凹んだ位置（同等位置でもよい）に形成されている。

上記したヒータ収納部は、第１の扁平皿形容器の裏底の上下方向中央部に形成してもよく、また第１、第２の扁平皿形容器の双方の裏底の上下方向中央部に形成してもよい。なお、ヒータ収納部の形成に際しては、前記したように、扁平皿形容器の外側から面状のプレスをして形成する。更に、ヒータ収納部には、温度計測センサーを設置するための温度計測センサー設置用凹部を設けてもよい。
また、ヒータ収納部は、扁平皿形容器の裏底の幅方向の全体に渡って形成することなく、幅方向の両側を除く部分（即ち、中央部）に形成してもよい。この場合、上記したように、扁平皿形容器の裏底の上下方向の両側を除く部分にヒータ収納部を形成することで、ヒータ収納部の周辺部が、隣り合うケーシングの当接面となるため、ヒータの位置決めが更に確実にできる。

このように、隣り合うケーシング１０の間にヒータ収納部５１を設けることで、隣り合うケーシング１０の間にヒータ５１ａを配置する場合、装置構成のコンパクト化が図れ、しかも隣り合うケーシング１０同士の位置決めもできる。

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ケーシング１０の製造方法について説明する。
まず、プレスにより、凹部４７、４９、凸部４８、５０、及びヒータ収納部５１を形成した複数の第１、第２の扁平皿形容器１１、１２を製造する。また、仕切り板２４、４つの触媒保持板３１〜３４、及び接続部１８〜２１も準備する。
次に、接続部１８〜２１を溶接により取付けた第１、第２の扁平皿形容器１１、１２内面の上部及び下部に、各触媒保持板３１〜３４を溶接によりそれぞれ取付ける。そして、仕切り板２４の両側から、第１、第２の扁平皿形容器１１、１２の開口部１４、１６を向かい合わせた（対向させた）状態で、鍔部１５、１７の表面を仕切り板２４の周縁部２５の表面に当接させる。
このように当接させた各扁平皿形容器１１、１２の鍔部１５、１７と仕切り板２４の周縁部２５とを、例えば、溶接により溶着した後、触媒充填口２２、２３を介して、第１、第２の空間部２９、３０内に、それぞれ触媒を充填し、この触媒充填口２２、２３を塞ぐ。

以上の方法で製造した複数のケーシング１０を、複数の連結部３５〜４２を介して隣り合わせ、裏底１１ａ、１２ａの上側の当接面４３、４４と下側の当接面４５、４６を当接させて並べて配置する。このとき、隣り合うケーシング１０の第１の扁平皿形容器１１に形成された凹部４７内に、第２の扁平皿形容器１２に形成された凸部４８を嵌め込むと共に、第２の扁平皿形容器１２に形成された凹部４９内に、第１の扁平皿形容器１１に形成された凸部５０を嵌め込む。
また、各ヒータ収納部５１内には、予めヒータ５１ａを配置する。
この複数のケーシング１０を、その側壁の当接面で接触させて一体とした後、各ケーシング１０間を配管により接続する。なお、ヒータ収納部５１を裏底１２ａの幅方向に渡って設けているので、ヒータ５１ａは、複数のケーシング１０を、その側壁の当接面で当接させて一体とした後、各ヒータ収納部５１内に、ケーシング１０の側方から差し込んでもよい。

このように構成した複数のケーシング１０の前後、上下、及び左右を、図３に示すように、断熱材６１で囲み、その表面を外装６２で覆う。
このとき、ヒータ５１ａの電熱線５８と、電熱線５８に接続されるリード線５９との接続部６３を、隣り合うケーシング１０の対向面の外側領域、具体的には、上記した複数のケーシング１０の周囲を囲む断熱材６１内に配置する。
これにより、燃料電池用改質器として使用できる。

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、外側ケースを構成する第１、第２の扁平皿形容器に補強用リブを形成しなかったが、勿論形成してもよく、また、仕切り板に形成した補強用リブは、これに限定されるものではない。

（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る燃料電池用改質器の正面図、側断面図、背面図である。 同燃料電池用改質器の隣り合うケーシングの連結部の部分拡大側断面図である。 同隣り合うケーシングの部分拡大平断面図である。 同隣り合うケーシング間に設けられたヒータ収納部に配置するヒータの正面図である。 （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。

符号の説明

１０：ケーシング、１１：第１の扁平皿形容器、１１ａ：裏底、１２：第２の扁平皿形容器、１２ａ：裏底、１３：外側ケース、１４：開口部、１５：鍔部、１６：開口部、１７：鍔部、１８〜２１：接続部、２２、２３：触媒充填口、２４：仕切り板、２５：周縁部、２６〜２８：補強用リブ、２９：第１の空間部、３０：第２の空間部、３１〜３４：触媒保持板、３５〜４２：連結部、４３〜４６：当接面、４７：凹部、４８：凸部、４９：凹部、５０：凸部、５１：ヒータ収納部、５１ａ：ヒータ、５２：側壁、５３：底面、５４、５５：位置決め突起部、５６、５７：切欠き凹部、５８：電熱線、５９：リード線、６０：コネクタ、６１：断熱材、６２：外装、６３：接続部

Claims (7)

1. 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複数のケーシングが、前記第１、第２の扁平皿形容器の裏底の当接面を接触させて並べて配置され、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において、
   前記裏底に、隣り合う前記ケーシングの前記当接面より窪んだヒータ収納部が設けられていることを特徴とする燃料電池用改質器。
2. 請求項１記載の燃料電池用改質器において、前記ヒータ収納部は、前記裏底の一部に設けられており、前記隣り合うケーシング同士が、前記ヒータ収納部以外の前記裏底の一部の前記当接面で接触していることを特徴とする燃料電池用改質器。
3. 請求項２記載の燃料電池用改質器において、前記当接面に、前記隣り合うケーシング同士の位置決めを行う凹凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池用改質器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用改質器において、前記ヒータ収納部は、前記裏底の上下方向中央部に設けられていることを特徴とする燃料電池用改質器。
5. 請求項４記載の燃料電池用改質器において、前記ヒータ収納部は、前記裏底の幅方向に渡って設けられていることを特徴とする燃料電池用改質器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用改質器において、前記ヒータ収納部に温度計測センサー設置用凹部が設けられていることを特徴とする燃料電池用改質器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用改質器において、前記ヒータ収納部に配置するヒータの電熱線と、該電熱線に接続されるリード線との接続部を、前記隣り合うケーシングの対向面の外側領域に配置することを特徴とする燃料電池用改質器。

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