JP2010235406A - 改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡易でかつ熱効率に優れ得る改質器を提供する。
【解決手段】改質器であって、改質原料ガスを改質するための改質触媒が担持された板３と、改質反応に伴う吸熱反応に利用される熱を改質原料ガス及び／又は改質ガスに供給するための熱供給体６を有する。熱供給体６が板３の略中心に位置し、改質原料ガス及び／又は改質ガスが熱供給体６の近傍に位置する入口７ｂ１から板３の外周側に位置する出口７ｃ１に向けて板３に沿って流れる。
【選択図】図３

Description

本発明は、炭化水素系化合物を含む改質原料ガスから水素を含む改質ガスを改質する改質器に関する。

燃料電池に供給される水素ガスを得るための改質器等が従来知られている。改質器は、吸熱反応を伴って改質原料ガスを改質するもの（例えば：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ −49.6kJ/mol）と、発熱反応を伴って改質するもの（例えば：ＣＨ₃ＯＨ＋ ０．５Ｏ₂→ ２Ｈ₂＋ＣＯ₂＋192.0kJ/mol）と、これらを組み合わせたもの（オートサーマル改質）とが知られている。吸熱反応を伴って改質原料ガスを改質する改質器は、熱供給装置を有している。

例えば従来の改質器は、ハニカム構造の本体を有しており、ハニカム構造の隔壁によって形成される複数の第一と第二の通路を有しており、第一の通路の内壁に改質反応のための改質触媒が担持され、第二の通路の内壁に燃焼用の燃焼触媒が担持されている（特許文献１参照）。第二の通路に燃焼用ガスが供給されることで、燃焼用ガスが燃焼触媒によって燃焼して熱を発し（熱供給装置）、その熱を利用して第一の通路を流れる改質原料ガスが改質され得る。また従来、改質触媒が担持された改質器本体と、改質器本体の外周部に熱を供給する熱供給装置も知られている。

特開平３−１０９２０２号公報

しかし第一と第二の通路が複雑に入り組んだハニカム構造は、製造することが容易でないという問題がある。また改質器本体の外周部に熱を供給する熱供給装置は、熱が改質器本体の外部へ放熱され、それによって熱効率が悪いという問題がある。そこで本発明は、構造が簡易でかつ熱効率に優れ得る改質器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備える改質器であることを特徴とする。請求項１に記載の発明によると、改質器は、改質原料ガスを改質するための改質触媒が担持された板と、改質反応に伴う吸熱反応に利用される熱を改質原料ガス及び／又は改質ガスに供給するための熱供給体を有している。熱供給体が板の略中心に位置し、改質原料ガス及び／又は改質ガスが熱供給体の近傍に位置する入口から板の外周側に位置する出口に向けて板に沿って流れる。

したがって熱供給体から供給された熱は、板の中心側から外周側へ伝わる。そのため板の外周部側に熱供給体を設置した場合に比べて外部への放熱量が少なくなり、熱効率が向上され得る。またガスは、板の表面に沿って流れるために板に担持された改質触媒によって改質原料ガスが改質ガスに改質される。改質反応は、改質原料ガスの濃度が濃い入口側で生じやすく、改質原料ガスの濃度が薄い出口側で生じにくい。そのため改質反応に伴う吸熱反応に必要な熱量は、入口側で多く必要でかつ出口側で小さい。これに対してガスは、温度が高い熱供給体の近傍に位置する入口から熱供給体から遠い板の外周側に位置する出口に向けて流れる。そのため改質原料ガスは、効率良く熱を利用しつつ改質され得る。また熱供給体は、板の略中心に設けられる構造であるために、従来のハニカム構造の本体内に熱供給体が形成される改質器等に比べて簡易に製造され得る。

請求項２に記載の発明によると、積層される複数の板と、複数の板の間に設けられかつ改質触媒が担持されたフィンとによって区画されて流路が形成され、フィンが熱供給体側から放射線状に延出している。したがってフィンによって放射線状に区画された流路によって、ガスが熱供給体側から伝熱方向に流れる。そしてガスは、板とフィンに沿って流れることで、板とフィンに担持された改質触媒によって改質され得る。

請求項３に記載の発明によると、板中心側に第一の角度ピッチで配設された第一のフィンによって内周側流路が区画され、第一のフィンよりも外周側にて第一の角度ピッチよりも小さい第二の角度ピッチで配設された第二のフィンによって外周側流路が区画され、改質原料ガス及び／又は改質ガスが内周側流路から外周側流路へ流れる。したがってガスは、内周側流路から外周側流路へ流れることで分岐される。そのためガスが分岐されずに流れる場合に比べて、ガスがフィンに接触する面積が広くなる。これによりガスは、第一と第二のフィンに担持された改質触媒によって改質反応されやすい。

請求項４に記載の発明によると、改質原料ガスを改質することでガス全体の体積が増えるガスを対象とする。そして熱供給体側に位置する入口断面積の和が最も小さく、板の外周側に位置する出口断面積の和が大きく、かつ入口から出口に向けて徐々に断面積が大きくなるように流路が区画されている。したがってガスは、流路の入口側から出口側に向けて流れることで改質反応が進み、徐々に体積が増える。これに対して断面積が徐々に増えるように流路が区画されている。そのためガスの体積が増加することでガス流速が上昇することが、断面積の増加によって抑制され得る。かくして改質原料ガスが改質触媒に接触する時間が出口側においても短くなることが防止され得る。

請求項５に記載の発明によると、略平行に積層される複数の板と、複数の板の間において所定の角度ピッチで板の全周において放射線状に配設されるフィンとによって複数の流路が区画されている。したがって断面積が板の中心側から外周側に向けて徐々に大きくなるように流路が区画されている。

請求項６に記載の発明によると、熱供給体は、電気ヒータである。したがって電気ヒータへの電流量を調整することで熱供給体が発する熱量を容易に制御し得る。例えばガスを燃焼させて熱を発する熱供給装置に比べて容易に制御し得る。

請求項７に記載の発明によると、改質触媒が担持された板が内設される筐体と、板の外周部に近接する筐体の壁面の温度を測定する温度センサを有している。温度センサからの検知信号に基づいて電気ヒータが制御される。したがって温度センサは、板の外周部に位置する出口から排出される改質ガスの温度を測定し得る。改質ガスの温度は、改質反応が吸熱反応を伴うために改質反応の状態で変わる。そのため温度センサによって改質反応の状態を測定でき、改質反応の状態に応じて電気ヒータが制御され得る。かくして電気ヒータを制御することで、改質反応に好適な熱量をガスに供給でき、これによって改質率を向上させることができる。

燃料電池システムの概略構成図である。 改質器の概略斜視図である。 改質器の分解斜視図である。 改質器の一部断面側方概略図である。 シミュレーションによる流路内のガスの温度分布図である。 シミュレーションによる流路内のガスの温度分布線図である。 シミュレーションによる流路内のガスの改質率分布線図である。 他の実施の形態にかかるフィン部材の断面図である。 他の実施の形態にかかるフィン部材の断面図である。 他の実施の形態にかかるフィン部材の断面図である。 他の実施の形態にかかるフィン部材の上面概略図である。 他の実施の形態にかかるフィン部材の上面概略図である。 他の実施の形態にかかる板とフィン部材の一部上面断面図である。 他の実施の形態にかかる板とフィン部材の一部上面断面図である。 他の実施の形態にかかる改質器の一部断面図である。 図１５のXVI―XVI線断面矢視図である。 他の実施の形態にかかる改質器の一部断面図である。 図１７の形態にかかる改質器の一部分解斜視図である。 他の実施の形態にかかる改質器の一部断面図である。 図１９の形態にかかる改質器の一部分解斜視図である。 他の実施の形態にかかる改質器の一部断面図である。 図２１の形態にかかる改質器の一部分解斜視図である。 他の実施の形態にかかる熱供給体の斜視図である。 他の実施の形態にかかる熱供給体の斜視図である。

実施の形態を図１〜７にしたがって説明する。図１に示すように燃料電池システム１０は、原燃料タンク１２、水タンク１３、気化器１４、改質器１、燃料電池１１および制御装置１６を有している。原燃料タンク１２には、炭化水素系燃料であるメタノールなどの原燃料が貯蔵される。水タンク１３には、改質反応に供する水が貯留される。原燃料と水は、ポンプ１７，１８によって原燃料タンク１２と水タンク１３から吸い上げられ、混合された状態で気化器１４に供給される。

気化器１４は、原燃料と水の混合物を気化しかつ所定の温度に昇温する。気化器１４は、バーナ１４ａを有しており、バーナ１４ａは、原燃料タンク１２からポンプ１９によって供給されたメタノールを燃焼することで熱を生成する。制御装置１６は、ポンプ１７，１８を制御することで気化器１４へ供給される原燃料と水の割合を調整し得る。また制御装置１６は、ポンプ１９を制御することで気化器１４で昇温される改質原料ガス（原燃料と水の混合気）の温度を所定温度（例えば２６０±４０℃）に調整し得る。

改質器１は、改質原料ガスを改質して水素リッチの改質ガスを生成する装置であって、例えばメタノールを水蒸気改質反応によって水素と二酸化炭素に改質する。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂−４９．６ｋＪ／ｍｏｌ…(式１)
改質器１から排出されたガスには、微量な一酸化炭素が含まれており、ＣＯ低減装置１５を介して燃料電池１１に供給される。ＣＯ低減装置１５は、選択酸化反応等を利用して一酸化炭素を低減する装置である。燃料電池１１は、改質器１によって得た水素と図示省略のコンプレッサによって供給された空気に含まれる酸素とを反応させて発電する。発電された電力は、例えば電気自動車の動力用電力や、自家発電装置の供給電力に利用され得る。

改質器１は、図２に示すように筐体２と、改質触媒が担持された複数の板３と、改質反応に利用される熱を供給するための熱供給体６を有している。筐体２は、筒状の側壁面２ａと、側壁面２ａの上下部を塞ぐ円盤状の底板部２ｂと天板部２ｃを有している。底板部２ｂと天板部２ｃには、入口管２ｄと出口管２ｅが設けられており、ガスが入口管２ｄから筐体２内に供給され、出口管２ｅから排出される。

板３は、図３，４に示すように円盤状であって、略中心（好ましくは円盤の中心）に中心孔３ｃを有している。中心孔３ｃの孔縁部には、中心方向へ突出する伝熱用爪３ｂが形成されている。伝熱用爪３ｂは、中心孔３ｃに挿入された熱供給体６によって変形して熱供給体６の外周面に当接する。そのため熱供給体６の熱は、伝熱用爪３ｂを介して板３に伝わる。複数の板３の間には、改質触媒が担持されたフィン部材４，５が配設される。

第一と第二のフィン部材４，５は、図３，４に示すように略円環状（好ましくは円環）である。第一のフィン部材４は、板３の内周側に配設され、第二のフィン部材５は、第一のフィン部材４の外周縁に隣接されて板３の外周側に配設される。フィン部材４，５は、扇面４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂとフィン４ｃ，５ｃを有している。第一の扇面４ａ，５ａと第二の扇面４ｂ，５ｂは、フィン４ｃ，５ｃを介して周方向に交互に配設される。フィン４ｃ，５ｃは、扇面４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂの側縁に立設しており、第一の扇面４ａ，５ａと第二の扇面４ｂ，５ｂを軸方向に離間させる。

図３，４に示すように板３とフィン部材４，５は、交互に複数積層される。板３の上にフィン部材４，５を設置し、フィン部材４，５の上に別の板３を設置することで、フィン部材４，５の第一の扇面４ａ，５ａが下側の板３に当接する。そして第二の扇面４ｂ，５ｂが上側の板３に当接し、フィン４ｃ，５ｃが二枚の板３の間を立設し離間させる。これにより二枚の板３と第一のフィン部材４によって内周側流路７ｂが区画され、二枚の板３と第二のフィン部材５によって外周側流路７ｃが区画される。

内周側流路７ｂと第一のフィン４ｃは、図３に示すように板３の中心から放射線状にかつ直線状に延出している。これらは、略１２°（好ましくは１２±２°）の第一の角度ピッチ４ｄで板３の全周に配設されている。外周側流路７ｃと第二のフィン５ｃは、内周側流路７ｂと第一のフィン４ｃの外周側において放射線状でかつ直線状に延出している。これらは、第一の角度ピッチ４ｄよりも小さい角度、例えば略４°（好ましくは４±１°）の第二の角度ピッチ５ｄで板３の全周に配設されている。

内周側流路７ｂは、板３の中心側に入口７ｂ１を形成するように区画され、外周側流路７ｃは、板３の外周部に出口７ｃ１を形成するように区画される。したがってガスは、入口７ｂ１から内周側流路７ｂを径外方に流れ、三分割されて外周側流路７ｃを径方向に流れ、出口７ｃ１を通って板３の外方に排出される。内周側流路７ｂの径方向長さは、外周側流路７ｃの径方向長さよりも短いことが好ましい。

図３に示すように板３は、略平行（好ましくは距離の差が１０％以下）に積層されることで、どの場所においても軸方向高さが略同じでになるように流路７ｂ，７ｃを区画する。フィン４ｃ，５ｃは、入口７ｂ１から出口７ｃ１に向けて周方向長さと断面積が徐々に大きくなるように流路７ｂ，７ｃを区画する。詳しくは、入口７ｂ１の断面積の和が最も小さく、径外方において断面積の和が徐々に大きくなり、出口７ｃ１の断面積の和が最も大きくなるように流路７ｂ，７ｃが区画されている。そのため改質原料ガスは、式１を参照するように改質反応によってモル数が増えて体積が上昇するものの、断面積が徐々に大きくなるためにガス流速が上昇することが抑制され得る。

熱供給体６は、図２，３に示すように電気ヒータであって本体部６ａと電源線６ｂを有している。本体部６ａは、電源線６ｂから供給された電流によってジュール熱を発する。本体部６ａは、円柱状であって、板３の中心孔３ｃに挿入されて各板３の伝熱用爪３ｂと接触する。熱供給体６の温度は、改質器１に供給されるガスとして改質反応に適切な温度（例えば３００±３０℃）に設定されている。熱供給体６から各板３に供給される熱量は略均等（好ましくは差が１０％以下）であって、各板３に供給された熱は、板３の中心側から外周側に放射線状に伝わる。

板３の温度は、中心部において最も高く、外周部に向けて徐々に低くなり、外周部において最も低くなる。外周部における温度は、改質器１に供給されるガスの温度よりも低く、例えば２００〜２５０℃になることが好ましい。板３の表面に沿って流れるガスの温度は、板３の中心部側において最も高く、外周部において最も低く、例えば２８０±２０℃、２５０±１０℃になることが好ましい。これにより改質器１から排出されるガスに含まれるＣＯ量を抑制し得る。すなわちＣＯ平衡反応（式２）の特性から出口側である板３の外周部近傍におけるガス温度を低くすることでＣＯ量が減る。その結果、改質触媒にＣＯが付着（被毒）することを抑制し得る。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ ⇔ ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４１．２ｋＪ／ｍｏｌ（発熱）…（式２）

改質器１に供給されたガス（改質原料ガス）は、図２，３に示すように入口管２ｄから筐体２に供給され、板３の内周縁と熱供給体６の隙間を通って、筐体２の中心を軸方向に流れる（第一の流路７ａ）。一番上の板３は、ガスが貫通しないように中心孔の径が熱供給体６の径とほぼ同じか小さい。そのためガスは、第一の流路７ａから板３の表面に沿って放射線方向に流れる（ラジアルフロー）。

ラジアルフローでは、図３に示すようにガスが熱供給体６の近傍（好ましくは５ｍｍ以内の距離）に位置する入口７ｂ１から内周側流路７ｂ内を径方向に流れる。そして分岐して外周側流路７ｃ内を径方向に流れ、出口７ｃ１から板３の外周外方へ排出される。ガスは、板３とフィン部材４，５に沿って流れて、これらに担持された改質触媒に接する。そして吸熱反応を伴って改質原料ガスが改質ガスに改質される。板３の外方に排出されたガスは、板３の外周部と筐体２との隙間（外周流路７ｄ）を通って流れ、一番上の板３と筐体２の隙間（上部流路７ｅ）を通り、出口管２ｅを通って改質器１の外へ排出される。

図１，２に示すように筐体２の側壁面２ａの内周面には、改質ガスの温度を測定するための温度センサ９が設けられている。側壁面２ａは、板３の表面を通過して板３の外周部に排出された改質ガスに接するために改質ガスの温度に応じて変化する。改質ガスの温度は、改質反応が吸熱反応を伴うために改質反応の状態に応じて変化する。そのため制御装置１６は、温度センサ９からの検知信号に基づいて改質反応の状態を判断し得る。そして制御装置１６は、温度センサ９の検知信号に基づいて熱供給体６の温度を調整することで、改質反応に好適な熱量をガスに供給し得る。かくして改質率を向上させることができる。

筐体２の外周部には、筐体２から放熱することを抑制するための図示省略の断熱構造が設けられている。断熱構造は、例えばガラス繊維などの断熱材、あるいは筐体２との間に真空部分を形成する二層構造を有している。これによって筐体２からの放熱によるエネルギーロスを抑制し得る。

図５〜７には、本形態におけるシミュレーション結果が示されている。シミュレーションでは、熱供給体６の温度を３００℃に設定し、改質器１に供給される改質原料ガスの温度を２６０℃に設定している（実施例）。図５は、一対の板３の間を流れるガスの温度分布を示しており、流路の一部（一つの内周側流路７ｂから三つの外周側流路７ｃに分岐して流れる部分）を示している。

図６は、入口７ｂ１から出口７ｃ１（距離２５ｍｍ）までの各位置におけるガスの流路断面における平均温度を示している。Ａは実施例の結果であり、Ｂは比較例の結果である。比較例では、板３の全体を２６０℃に設定、すなわち図５の上下面全体を２６０℃に設定している。図７は、入口７ｂ１から出口７ｃ１までの各位置における改質率（水素取得率）を示している。Ｃは実施例の結果であり、Ｄは比較例の結果である。最終的な改質率（図７の右端）は、実施例では９８．２％、比較例では９６．７％であった。

図６の結果から、実施例（Ａ）ではガス温度が入口近傍（入口から２ｍｍ以内）において板中心側から熱を受けて上昇するが、熱供給体６の温度（３００℃）までは上昇しないことがわかる。比較例（Ｂ）ではガス温度が入口近傍（入口から２ｍｍ以内）において下がり、出口側では板の温度（２６０℃）とほぼ等しくなることがわかる。これらから入口近傍は、出口側に比べて改質原料ガスの濃度が濃いために改質反応が多く生じ、それに伴って吸熱反応が多く生じたことがわかる。図７の結果から、実施例（Ｃ）の入口近傍（とりわけ入口から５ｍｍ以内）における改質率は、比較例（Ｄ）に比べてかなり高くなることがわかる。このことから実施例では、入口近傍における改質反応に必要な熱を比較例に比べて十分に供給し得たことがわかる。

また図６の結果から、実施例（Ａ）の出口側のガス温度は、比較例（Ｂ）よりも低くなることがわかる。このことから実施例は、比較例に比べてＣＯの排出量を少なくし得ることがわかる。また図７の結果から、実施例（Ｃ）と比較例（Ｄ）のいずれにおいても改質率の上昇割合（変化率）が入口から１０ｍｍにおいて徐々に減少し、１０ｍｍの直後において増え、それ以降において徐々に減少することがわかる。入口から１０ｍｍまでと、１０ｍｍ以降において改質率の上昇割合が徐々に減少する理由は、入口から出口に向けて改質反応が進み改質燃料ガスの濃度が薄くなり、改質燃料ガスが改質触媒に接触する時間が減るためである。

入口から１０ｍｍにおいて改質率の上昇割合が増える理由は、図３に示すように入口から１０ｍｍまではガスが第一のフィン４ｃに沿って流れ、１０ｍｍ以降は第二のフィン５ｃに沿って流れ、ガスがフィン４ｃ，５ｃに接触する面積が１０ｍｍの位置で増えるからである。これにより改質反応が多くなり、改質率が上昇する。

以上のように改質器１は、図３に示すように板３と熱供給体６とを有している。そして熱供給体６が板３の略中心（好ましくは円中心）に位置し、改質原料ガス及び／又は改質ガスが熱供給体６の近傍（好ましくは５ｍｍ以内）に位置する入口７ｂ１から板３の外周側に位置する出口７ｃ１に向けて板３に沿って流れる。

したがって熱供給体６から供給された熱は、板３の中心側から外周側へ伝わる。そのため板３の外周部側に熱供給体６を設置した場合に比べて外部への放熱量が少なくなり、熱効率が向上され得る。またガスは、板３の表面に沿って流れるために板３に担持された改質触媒によって改質原料ガスが改質ガスに改質される。改質反応は、改質原料ガスの濃度が濃い入口側で生じやすく、改質原料ガスの濃度が薄い出口側で生じにくい。そのため改質反応に伴う吸熱反応に必要な熱量は、入口７ｂ１側で多く必要でかつ出口７ｃ１側で小さい。これに対してガスは、温度が高い熱供給体６の近傍に位置する入口７ｂ１から熱供給体６から遠い板３の外周側に出口７ｃ１に向けて流れる。そのため改質原料ガスは、効率良く熱を利用しつつ改質され得る。また熱供給体６は、板３の略中心に設けられる構造であるために、従来のハニカム構造の本体内に熱供給体が設けられる改質器等に比べて簡易に製造され得る。

また図２，３に示すように積層される複数の板３と、複数の板３の間に設けられかつ改質触媒が担持されたフィン４ｃ，５ｃとによって区画されて流路７ｂ，７ｃが形成され、フィン４ｃ，５ｃが熱供給体６側から放射線状に延出している。したがってフィン４ｃ，５ｃによって放射線状に区画された流路７ｂ，７ｃによって、ガスが熱供給体６側から伝熱方向に流れる。そしてガスは、板３とフィン４ｃ，５ｃに沿って流れることで、板３とフィン４ｃ，５ｃに担持された改質触媒によって改質され得る。

また図３に示すように板３中心側に第一の角度ピッチ４ｄで配設された第一のフィン４ｃによって内周側流路７ｂが区画され、第二の角度ピッチ５ｄで配設された第二のフィン５ｃによって外周側流路７ｃが区画され、改質原料ガス及び／又は改質ガスが内周側流路７ｂから外周側流路７ｃへ流れる。したがってガスは、内周側流路７ｂから外周側流路７ｃへ流れることで分岐される。そのためガスが分岐されずに流れる場合に比べて、ガスがフィン４ｃ，５ｃに接触する面積が広くなる。これによりガスは、第一と第二のフィン４ｃ，５ｃに担持された改質触媒によって改質反応されやすい。

また改質器１は、改質原料ガスを改質することでガス全体の体積が増えるガスを対象とする（式１参照）。そして熱供給体６側に位置する入口７ｂ１断面積の和が最も小さく、板３の外周側に位置する出口７ｃ１断面積の和が大きく、かつ入口７ｂ１から出口７ｃ１に向けて徐々に断面積が大きくなるように流路が区画されている。したがってガスは、流路７ｂ，７ｃの入口７ｂ１側から出口７ｃ１側に向けて流れることで改質反応が進み、徐々に体積が増える。これに対して断面積が徐々に増えるように流路７ｂ，７ｃが区画されている。そのためガスの体積が増加することでガス流速が上昇することが、断面積の増加によって抑制され得る。かくして改質原料ガスが改質触媒に接触する時間が出口側においても短くなることが防止され得る。

また図３に示すように板３が略平行（好ましくは距離の差が１０％以内）に積層され、フィン４ｃ，５ｃが複数の板３の間において所定の角度ピッチで板３の全周において放射線状に配設され、板３とフィン４ｃ，５ｃによって複数の流路７ｂ，７ｃが区画されている。したがって断面積が板３の中心側から外周側に向けて徐々に大きくなるように流路７ｂ，７ｃが区画されている。

また熱供給体６は、電気ヒータである。したがって電気ヒータへの電流量を調整することで熱供給体が発する熱量を容易に制御し得る。例えばガスを燃焼させて熱を発する熱供給装置に比べて容易に制御し得る。

またガスは、改質反応によって体積が増えるが、流路７ｂ，７ｃの断面積が入口７ｂ１から出口７ｃ１に近づくほど大きくなるため、ガス流速の増加が抑制され得る。好ましくは、外周側流路７ｃにおいて徐々にガス流速が遅くなることが好ましい。その理由は、改質反応が進むことで改質原料ガスの濃度が薄くなるために、ガス速度を遅くしてガスが改質触媒に接触し得る時間を増やし、これにより最終的な改質率を高くし得るからである。

また図２，５に示すように板３と筐体２は、略中心に熱供給体６が配設されているために外周部が中心側の温度に比べて低温になる。そのため筐体２の壁面から外部への放熱量が小さくなる。その結果、筐体２の外部に設けられる断熱構造を簡易な構造にし得る。例えば断熱材や真空層を薄くすることができる。あるいは省略することができる。

（他の実施の形態）
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、以下の形態等であっても良い。例えば図３に示すフィン部材４，５は、フィン４ｃ，５ｃが扇面４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂに対して略垂直（好ましくは９０±５°）に立設しており、断面矩形状である。しかし図３のフィン部材４，５に代えて、図８に示すように断面台形状のフィン部材２０、あるいは図９に示すように断面三角形のフィン部材２１、あるいは図１０に示すように断面波形のフィン部材２２を有している形態であっても良い。

図３に示す改質器１は、径方向に直線状に延出するフィン４ｃ，５ｃを有している。しかし図３のフィン４ｃ，５ｃに代えて、改質器が図１１に示すように半径方向線に対して周方向一方へ湾曲するフィン２３ｂを有しており、フィン２３ｂによって流路２３ａが区画されていても良い。あるいは図１２に示すように半径方向線に対して周方向両方に湾曲するフィン２４ｂを有しており、フィン２４ｂによって流路２４ａが区画されていても良い。

図３に示すフィン部材４，５は、隣接しており、これによって内周側流路７ｂと外周側流路７ｃが連続している。しかしフィン部材４，５に代えて、図１３に示すように隙間（ガス混合部２５ｃ）を有した状態で配設されるフィン部材２５ａ，２５ｂを有していても良い。この構成によってガスは、フィン部材２５ａによって形成される複数の内周側流路２５ａ１からガス混合部２５ｃに排出され、ガス混合部２５ｃで混合された状態でフィン部材２５ｂによって形成される各外周側流路２５ｂ１に流れ得る。あるいは図１４に示すように三つ以上のフィン部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃを有し、フィン部材２６ａ，２６ｂによって流路２６ａ１，２６ｂ１が区画され、かつフィン部材２６ａの間においてガス混合部２６ｄ，２６ｅが区画されていても良い。

図３，４に示す板３は、熱供給体６から熱供給を受けるための伝熱用爪３ｂを有している。しかし伝熱用爪３ｂに代えて、図１５，１６に示すように板３の中心孔３ｃの内周縁と熱供給体６の外周面の間に設置される球形状等の伝熱用中間物２７が配設されていても良い。あるいは図１７，１８に示すように熱供給体６の本体部６ａの外周面から径方向に突出する伝熱用突片６ｃと、板３の中心孔３ｃの孔縁から径外方に切り込まれた切込み部３ｄを有し、切込み部３ｄに伝熱用突片６ｃが設置される形態であっても良い。

あるいは図１９，２０に示すように板３の中心孔３ｃに隣接して周方向に延出する複数の孔３ｅと、孔３ｅの間に径方向に延出する架橋部３ｆと、中心孔３ｃの孔縁から径方向外側へ延出する切込み部３ｇを有している形態であっても良い。この形態の場合、中心孔３ｃに熱供給体６が挿入されることで、切込み部３ｇが拡開して切込み部３ｇ間の片３ｈが熱供給体６に接触する。そして熱供給体６の熱が片３ｈと架橋部３ｆを伝わって、板３の外周方向に伝わる。ガスは、孔３ｅを通って熱供給体６に沿って軸方向に流れ得る。

あるいは図２１，２２に示すように板３の中心孔３ｃの内周縁と熱供給体６との間に設置される伝熱用部材２８を有していても良い。伝熱用部材２８は、径方向と周方向とに蛇行しながら延出し、板３に接する外周部分２８ａと、熱供給体６に接する内周部分２８ｂを有しており、熱供給体６の熱を板３側へ伝え得る。

図３に示すように熱供給体６は、電気ヒータである。しかし熱供給体６に代えて、図２３に示す高温ガスが通る中空部２９ａを備える熱供給体２９を有していても良い。高温（例えば３００±３０℃）のガスとしては、例えば気化器１４（図１参照）からの排ガス等を使用し得る。

あるいは図２４に示すように触媒燃焼によって熱を発する熱供給体３０を有していても良い。熱供給体３０は、内周面に燃焼触媒が担持されており、空気などの酸素を含むガスが長手一端部の入口から中空部３０ａに供給され、内周面に担持された燃焼触媒に接触して燃焼反応して熱が発生する。

図１に示す改質器１に供給される改質原料ガスには、炭化水素系燃料としてメタノールが含まれている。しかしメタノールに代えて、例えばエタノール、メタン、天然ガス（プロパン等）やガソリンなどの他の炭化水素系燃料でも良い。

図３に示す改質器１は、フィン４ｃ，５ｃによって板３の全周が所定の間隔で仕切られて、全周において流路７ｂ，７ｃが放射方向に区画されている。しかしフィン４ｃ，５ｃを有さずに、板３のみによって流路が円環状に区画されていても良い。あるいはフィンによって板の一部が仕切られて板の一部に流路が区画される形態、例えば板の中心側に位置する入口と板の外周側に位置する出口が略同じ幅を有するように複数のフィンによって流路が区画される形態であっても良い。

図２，３に示す板３は円盤形状であり、筐体２は円筒形状である。しかし板が多角形、楕円形などの他の形状を有していても良い。そして筐体が六面体等の箱形状、円錐形状、断面楕円形状などの他の形状を有していても良い。

図２に示す改質器１は、筐体２内にガスが供給される一つの入口（入口管２ｄ）と、筐体２外にガスが排出される一つの出口（出口管２ｅ）を有している。しかし複数の入口、あるいは複数の出口を有していても良い。これによりガス流れの圧力損失等のエネルギーロスを少なくすることができる。

図３に示すフィン４ｃ，５ｃは、板３の中心側から外周側に近づくことで断面積が広くかつ周方向長さが長くなるように流路７ｂ，７ｃを区画している。しかし板の中心側から外周側に近づくことで流路断面が広くなる他の形態、例えば周方向長さは変わらないが、高さが変わるように板によって流路が区画される形態などであっても良い。

図２に示す温度センサ９は、筐体２の側壁面２ａの内周面に設けられている。しかし温度センサ９が筐体２の側壁面２ａの外周面、天板部２ｃの外周面または内周面、出口管２ｅの外周面または内周面に設けられていても良い。図２に示す改質器１は、図示省略の断熱構造を有しているが、断熱構造を有していなくても良い。

図３に示す複数の第一のフィン４ｃは、略等間隔の第一の角度ピッチ４ｄで周方向に並んでおり、複数の第二のフィン５ｃは、略等間隔の第二の角度ピッチ５ｄで周方向に並んでいる。しかし第一の角度ピッチと第二の角度ピッチは、等間隔である必要はない。

上記実施の形態では、改質原料ガスを改質することでガス全体の体積が増えるガスを対象としている。しかし改質によって体積が増えないまたは減るガスを対象としても良い。この場合でも、図２，３に示すように入口７ｂ１から出口７ｃ１に向けて徐々に断面積が大きくなるように流路７ｂ，７ｃが区画されることが好ましい。その理由は、改質が進んで改質原料ガスの濃度が徐々に薄くなるが、ガスの流速が遅くなることで、改質原料ガスが触媒に接触する機会が減ることを抑制し、これにより改質率を向上させ得るからである。

ガス流れ方向は、図２，５を参考にするように伝熱方向と完全に一致していることが好ましいが、どちらも板中心から外側に向かっていれば良く、必ずしも方向が一致しなくても良い。

１…改質器
２…筐体
３…板
４…第一のフィン部材
４ｃ…第一のフィン
４ｄ…第一の角度ピッチ
５…第二のフィン部材
５ｃ…第二のフィン
５ｄ…第二の角度ピッチ
６…熱供給体（電気ヒータ）
７ｂ，２５ａ１…内周側流路
７ｂ１…入口
７ｃ，２５ｂ１…外周側流路
７ｃ１…出口
９…温度センサ
１０…燃料電池システム
１１…燃料電池
１２…原燃料タンク
１３…水タンク
１４…気化器
１５…ＣＯ低減装置
１６…制御装置
２０，２１，２５ａ，２５ｂ，２６ａ〜２６ｃ…フィン部材
２３ａ，２４ａ，２６ａ１〜２６ｃ１…流路
２３ｂ，２４ｂ…フィン
２５ｃ，２６ｄ，２６ｅ…ガス混合部
２９，３０…熱供給体

Claims (7)

1. 炭化水素系化合物を含む改質原料ガスから水素を含む改質ガスを改質する改質器であって、
   前記改質原料ガスを改質するための改質触媒が担持された板と、改質反応に伴う吸熱反応に利用される熱を前記改質原料ガス及び／又は前記改質ガスに供給するための熱供給体を有し、
   前記熱供給体が前記板の略中心に位置し、
   前記改質原料ガス及び／又は前記改質ガスが前記熱供給体の近傍に位置する入口から前記板の外周側に位置する出口に向けて前記板に沿って流れることを特徴とする改質器。
2. 請求項１に記載の改質器であって、
   積層される複数の板と、前記複数の板の間に設けられかつ改質触媒が担持されたフィンとによって区画されて流路が形成され、前記フィンが熱供給体側から放射線状に延出していることを特徴とする改質器。
3. 請求項２に記載の改質器であって、
   板中心側に第一の角度ピッチで配設された第一のフィンによって内周側流路が区画され、前記第一のフィンよりも外周側にて前記第一の角度ピッチよりも小さい第二の角度ピッチで配設された第二のフィンによって外周側流路が区画され、改質原料ガス及び／又は改質ガスが前記内周側流路から前記外周側流路へ流れることを特徴とする改質器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の改質器であって、
   改質原料ガスを改質することでガス全体の体積が増えるガスを対象とし、
   熱供給体側に位置する入口断面積の和が最も小さく、板の外周側に位置する出口断面積の和が大きく、かつ前記入口から前記出口に向けて徐々に断面積が大きくなるように流路が区画されていることを特徴とする改質器。
5. 請求項４に記載の改質器であって、
   略平行に積層される複数の板と、前記複数の板の間において所定の角度ピッチで前記板の全周において放射線状に配設されるフィンとによって複数の流路が区画されていることを特徴とする改質器。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の改質器であって、
   熱供給体は、電気ヒータであることを特徴とする改質器。
7. 請求項６に記載の改質器であって、
   改質触媒が担持された板が内設される筐体と、前記板の外周部に近接する前記筐体の壁面の温度を測定する温度センサを有し、
   前記温度センサからの検知信号に基づいて電気ヒータが制御されることを特徴とする改質器。

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