JP2011037648A - 燃料改質装置及び燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の流出を防止する。
【解決手段】燃料改質装置は、第１筒体（内筒２３）を包囲して包囲空間（触媒空間２４ａ）を構成し、触媒（改質触媒２６ａ）が充填された包囲空間に導入された燃料ガスが触媒が充填された包囲空間を流通して改質され、得られた改質ガスが排出される隙間２４ｃを下端部に有する第２筒体（中間筒２４）に、第２筒体の内側から隙間２４ｃを覆うように包囲空間内に、複数の開口孔２８ａ１が側面に形成された流止部材２８が配置されている。流止部材２８により、触媒の流出を防止しつつ、改質ガスを排出できる。
【選択図】図５

Description

本発明は燃料改質装置及び燃料電池発電システムに関し、特に、燃料ガスを、水素を含有する改質ガスに改質する燃料改質装置、及びこの燃料改質装置を備える燃料電池発電システムに関する。

近年、深刻化する環境問題及びエネルギー問題等を考慮した発電方法の一つとして燃料電池が注目されている。燃料電池は空気中の酸素と、水素とで化学反応を生じさせて、電気と共に、水が発生するクリーンな発電装置である。

以下に、このような燃料電池を利用した燃料電池発電システムの一例について説明する。
図１０は、燃料電池発電システムの構成を説明するためのブロック図である。

燃料電池発電システム１００は、脱硫装置１１０、改質装置１２０、ＣＯ（一酸化炭素）変成装置１３０及び燃料電池本体１４０を有する。このような燃料電池発電システム１００では、供給された原燃料ガスＯＧは、図１０に示される矢印に沿って、各装置を通過するごとに所定の処理がそれぞれ行われる。最終的に水素を含有する改質ガスが供給された燃料電池本体１４０で発電される。以下、燃料電池発電システム１００を構成する各装置の概要について説明する。

脱硫装置１１０は、原燃料ガスＯＧに含有される硫黄化合物を除去して、除去した原燃料ガスＯＧを改質装置１２０に供給する。原燃料ガスＯＧは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、消化ガス等の炭化水素系のガスである。家庭等で一般に用いられる炭化水素系のガスにはガス漏れが検知されるように微量の硫黄化合物が含有されている。しかし、硫黄化合物は改質装置１２０及び燃料電池本体１４０が有する触媒に付着してしまうと、改質装置１２０及び燃料電池本体１４０の各性能を低下させてしまう。脱硫装置１１０は、原燃料ガスＯＧから硫黄化合物を除去することにより、各装置の性能の低下を抑制して、さらには、燃料電池発電システム１００の性能の低下を抑制する。

改質装置１２０は、硫黄化合物が除去された炭化水素系のガスを水素を含有する改質ガスに改質する。このような改質処理を行うために、改質装置１２０は、細密に充填された触媒（図示を省略）と、触媒での反応を促進するための触媒を加熱するバーナー（図示を省略）とを備える。改質装置１２０は、後述するＣＯ変成装置１３０からの水蒸気を混合した、硫黄化合物が除去された炭化水素系のガスが供給される。水蒸気が混合された炭化水素系のガスが、バーナーで加熱された触媒を通過する際に反応して、原燃料ガスＯＧが水素を含有する改質ガスに改質される（例えば、特許文献１，２参照）。なお、バーナーでは、後述する燃料電池本体１４０で消費されずに残った水素等の可燃性ガスと、空気とを混ぜ合わせたものが利用されて燃焼炎が放出される。

しかし、このような改質処理では、水素と共に一酸化炭素も同時に生成されてしまう。一酸化炭素は、燃料電池本体１４０に供給されると、燃料電池本体１４０の触媒を汚染して、燃料電池本体１４０の性能を低下させると共に、燃料電池発電システム１００の性能も低下させる。

ＣＯ変成装置１３０は、改質装置１２０で改質された改質ガスに含有される一酸化炭素を水素及び二酸化炭素にそれぞれ変成して、改質ガス中の一酸化炭素の濃度を低減することができる。一酸化炭素の濃度が所定値以下に低減された改質ガスは燃料電池本体１４０に供給される。

燃料電池本体１４０では、ＣＯ変成装置１３０からの改質ガスが燃料極側に、空気が空気極側にそれぞれ供給されて、燃料極及び空気極でそれぞれの化学反応が生じ、直流電圧が発生すると共に水が生成される。また、この時に、燃料電池本体１４０で消費されずに残った可燃性ガスを改質装置１２０に供給する。なお、図１０において、燃料極、空気極及び電解質層についての記載は省略している。

燃料電池発電システム１００では、このようにして発電された直流電圧が、インバータ等の電力変換装置によって交流電圧に変換して、病院、学校、家庭等で利用される。

特開平１１−２２８１０４号公報 特開２００６−３２１７５号公報

上記燃料電池発電システムの改質装置では、以下のような問題がある。
例えば、特許文献１では、中間筒体の下端と底板との間に金網が設けられ、当該金網によって触媒は支えられている。この場合、熱膨張による応力で、金網と底面との溶接が剥がれてしまい、触媒の重みにより金網が外れてしまうと、触媒が中間筒体と外側筒体との間に流出してしまう。

特許文献２では、触媒層が内筒、外筒及び下部蓋体によって保持されて、第１円筒体中に浮いた状態である。この場合、熱膨張の応力で、下部蓋体及び内筒並びに外筒の溶接が剥がれてしまい、触媒の重みにより下部蓋体が外れてしまうと、触媒が第２円筒体と第３円筒体との間に流出してしまう。

このように触媒が流出してしまうと、バーナーで加熱される触媒の量が減少し、また、触媒の量が充填位置によって変わるため、加熱される触媒に温度の斑が生じる。このため、原燃料ガスから改質ガスへの改質率が低下して、改質ガスの生成量が低減する。この結果、所定の電気量が得られなくなってしまう。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、触媒の流出が防止された燃料改質装置、及びこの燃料改質装置を備える燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、燃料ガスを、水素を含有する改質ガスに改質する燃料改質装置、及びこのような燃料改質装置を備える燃料電池発電システムが提供される。
この燃料改質装置は、第１筒体と、前記第１筒体を包囲して包囲空間を構成し、触媒が充填された前記包囲空間に導入された前記燃料ガスが、前記触媒が充填された前記包囲空間を流通して改質され、得られた前記改質ガスが排出される隙間を下端部に有する第２筒体と、前記第２筒体の内側から前記隙間を覆うように前記包囲空間内に配置され、側面に形成された複数の開口孔を介して前記改質ガスを前記隙間から排出させる流止部材と、を有する。

また、燃料電池発電システムは、このような燃料改質装置を備える。
このような燃料改質装置、及びこのような燃料改質装置を備える燃料電池発電システムによれば、第２筒体が第１筒体を包囲して包囲空間を構成し、触媒が充填された包囲空間に導入された燃料ガスが、触媒が充填された包囲空間を流通して改質され、得られた改質ガスが排出される隙間が第２筒体の下端部に設けられる。そして、流止部材が第２筒体の内側から隙間を覆うように包囲空間内に配置され、流止部材の側面に形成された複数の開口孔を介して改質ガスが隙間から排出されるようになる。

上記燃料改質装置、及びこのような燃料改質装置を備えた燃料電池発電システムでは、触媒の流出が防止されて、改質ガスの改質率の低下が抑制される。

第１の実施の形態の燃料電池発電システムの構成を説明するためのブロック図である。 第１の実施の形態の改質装置の縦断面図である。 図２の改質装置の断面図である。 第１の実施の形態の改質装置に配置された流止部材を説明するための図である。 第１の実施の形態の改質装置の要部縦断面図である。 第２の実施の形態の改質装置に配置された流止部材を説明するための図である。 第３の実施の形態の改質装置の要部縦断面図（その１）である。 第３の実施の形態の改質装置の要部縦断面図（その２）である。 第３の実施の形態の改質装置の断面図である。 燃料電池発電システムの構成を説明するためのブロック図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態の燃料電池発電システムの構成を説明するためのブロック図である。

燃料電池発電システム１０は、脱硫装置１１、改質装置１２（燃料改質装置）、ＣＯ変成装置１３、燃料電池本体１４、気水分離装置１５及びインバータ１６を有する。また、燃料電池発電システム１０は、改質装置１２及び燃料電池本体１４にそれぞれ空気を送風する空気ブロア１７ａ，１７ｂを有する。さらに、燃料電池本体１４を循環した冷却水をＣＯ変成装置１３に供給して、ＣＯ変成装置１３の熱量を回収する冷却水ポンプ１８ａと、燃料電池本体１４で電気エネルギーに変換されずに、熱エネルギーとなった熱量を、冷却水を流通させて回収する冷却水ポンプ１８ｂとを有する。

このような燃料電池発電システム１０では、原燃料ガスが供給されると、当該原燃料ガスは、図１に示されるように、各装置を通過するごとに所定の処理がそれぞれ行われ、原燃料ガスから改質された、水素を含有する改質ガスが燃料電池本体１４に供給されて、燃料電池本体１４で発電される。以下、燃料電池発電システム１０を構成する各装置について説明する。

脱硫装置１１は、２００度〜３００度の温度範囲に加熱された脱硫剤に原燃料ガスを流通させて、原燃料ガスが含有する硫黄化合物を脱硫剤に吸着させて除去する。なお、原燃料ガスはメタンを主成分とする天然ガス、ＬＰ（Liquefied Petroleum）ガス、都市ガス、消化ガス等の炭化水素系のガスである。このような原燃料ガスには、既述の通り、ガス漏れが検知されるように微量の硫黄化合物が含有されている。しかし、硫黄化合物は改質装置１２及び燃料電池本体１４が有する触媒の表面に付着すると、触媒の反応を妨げて、触媒における反応率が低下してしまい、改質装置１２及び燃料電池本体１４の性能をそれぞれ低下させてしまう。脱硫装置１１は、硫黄化合物を原燃料ガスから除去して、各装置の性能の低下を抑制し、さらには、燃料電池発電システム１０の性能の低下を抑制する。

改質装置１２は、複数の触媒（以下、改質装置１２の触媒を「改質触媒」と呼ぶ）からなる触媒層（同様に、「改質触媒層」と呼ぶ）と、改質触媒層での反応を促進するための改質触媒層を加熱するバーナーを具備する燃焼部（図示を省略）とを備える。このような改質装置１２は、気水分離装置１５から供給される水蒸気と共に、硫黄化合物が除去された原燃料ガスを、バーナーで７００度〜８００度に加熱された改質触媒を通過させて反応させる。すると、原燃料ガスが水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスに改質される。なお、当該改質処理は化学式を用いて、以下のように表される。

ＣｎＨｍ ＋ ｍＨ₂Ｏ（水蒸気） → （（ｎ／２）＋ｍ）Ｈ₂ ＋ ｍＣＯ
（Ｃは炭素、Ｈ₂Ｏは水、Ｈは水素、ｎ，ｍは自然数）
なお、改質装置１２の改質触媒層は改質触媒が細密かつ所定領域に均等に充填されて構成されている。また、改質触媒層は原燃料ガスの種類（メタンの含有量）に応じた量の改質触媒により構成されている。当該改質装置１２の燃焼部に具備されるバーナーは、空気ブロア１７ａにより送風される空気と、後述する燃料電池本体１４から供給されるオフガス等とを混合したものを利用して燃焼炎を放出する。なお、改質装置１２の構成及び機能の詳細については後述する。

ＣＯ変成装置１３は、改質ガスに含有される、燃料電池本体１４の触媒を汚染する一酸化炭素を水素に変成する触媒を有する。なお、当該触媒は、例えば、２００度〜３００度の温度範囲で反応する。また、当該ＣＯ変成処理は化学式を用いると以下のように表される。

ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ （ＣＯ₂は二酸化炭素）
上記化学式のように、改質装置１２から供給された改質ガスはＣＯ変成装置１３の触媒で反応して、二酸化炭素と水素とにそれぞれ変成する。このため、改質ガスに含有される一酸化炭素の濃度が低減する。一酸化炭素の濃度が所定値以下に低減された改質ガスは燃料電池本体１４に導かれる。なお、水素と同様に生成される二酸化炭素は、環境等に影響を与えないほどの微量であって、外部に排気される。上記触媒反応によって発熱したＣＯ変成装置１３の内部に冷却水ポンプ１８ａにより冷却水が供給される。冷却水はＣＯ変成装置１３の内部を循環して、熱エネルギーとなった熱量を回収し、ＣＯ変成装置１３の温度向上を抑制する。なお、熱量を回収した冷却水は気水分離装置１５に戻される。

燃料電池本体１４では、リン酸形燃料電池であって、リン酸で構成された電解質で隔てられた燃料極及び空気極（各構成については図示を省略）を有する単セルが複数積層されて構成されている。ＣＯ変成装置１３から導かれた水素を含有する改質ガスは燃料極に供給され、空気ブロア１７ｂにより空気が空気極に送風される。そして、燃料極で、改質ガスに含有される水素分子が電子と水素イオンとに分解され、電子は外部回路（図示を省略）へ、水素イオンは空気極側へ供給される。空気極で、空気に含有される酸素分子と、外部回路からの電子と、燃料極からの水素イオンとが反応して水が生成される。外部回路を流れる電子により直流電圧が得られる。また、このような燃料電池本体１４での化学反応で消費されずに残った水素等の可燃性ガス（オフガス）は改質装置１２のバーナーに供給され、直流電圧と共に発生する排ガスは外部に排気される。また、燃料電池本体１４の内部を気水分離装置１５から供給された冷却水が循環して、上記の化学反応により電気エネルギーに変換されずに熱エネルギーとなって発熱した燃料極及び空気極等を冷却する。熱エネルギーとなった熱量を回収した冷却水は、冷却水ポンプ１８ｂによって流通されて、気水分離装置１５に戻り、冷却水ポンプ１８ａによってＣＯ変成装置１３に送られる。なお、燃料電池本体１４は、リン酸形燃料電池以外にも、アルカリ形、固体高分子形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形等の燃料電池を適用しても構わない。

気水分離装置１５は、ＣＯ変成装置１３及び冷却水ポンプ１８ｂから、熱エネルギーとなった熱量を回収した冷却水を、冷却水と水蒸気とに分離して、水蒸気を改質装置１２に、冷却水を燃料電池本体１４にそれぞれ供給する。

インバータ１６は、燃料電池本体１４の外部回路に電気的に接続されており、燃料電池本体１４により発電された直流電圧を交流電圧に変換する。
なお、さらに、燃料電池発電システム１０には図示しない制御装置が配置されている。上記の各装置及び空気ブロア１７ａ，１７ｂ、冷却水ポンプ１８ａ，１８ｂ等は当該制御装置によって、ガス、空気、水蒸気等の流量及び流速等が制御されて、各装置の所定の処理が実行される。

次に、上記構成を有する燃料電池発電システム１０における、原燃料ガスの供給から、交流電圧が得られるまでの処理工程の概要について説明する。
まず、炭化水素系のガスの原燃料ガスが燃料電池発電システム１０に供給されると、原燃料ガスは脱硫装置１１に導かれる。原燃料ガスは、脱硫装置１１の２００度〜３００度に加熱された脱硫剤を流通することで硫化化合物が脱硫剤に吸着して除去される。

硫化化合物が除去された原燃料ガスは、気水分離装置１５から供給される水蒸気と共に、改質装置１２に導かれる。改質装置１２では、空気ブロア１７ａから送風される空気に加えて、燃料電池発電システム１０の動作初期には、燃料電池発電システム１０に供給された脱硫される前の原燃料ガスが供給される。燃料電池本体１４に改質ガスが安定して導かれるようになると、原燃料ガスの供給が少しずつ減少される代わりに、燃料電池本体１４で発生するオフガスが改質装置１２に供給される。改質装置１２では、空気とオフガス（または脱硫される前の原燃料ガス）とが混合されたものが利用されてバーナーから燃焼炎が放出される。改質装置１２では、このようにしてバーナーから放出される燃焼炎によって改質触媒層が加熱される。水蒸気が混合された原燃料ガスは、７００度〜８００度に加熱された改質触媒層を流通すると、改質触媒層で反応して、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスに改質される。

水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスは、ＣＯ変成装置１３に導かれ、ＣＯ変成装置１３内の触媒を流通する。そして、触媒で反応した改質ガスは、一酸化炭素は水素と二酸化炭素に変成されて、改質ガス中の一酸化炭素の濃度が低減されると共に、微量の二酸化炭素が外部に排気される。

一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスは、燃料電池本体１４の燃料極に導かれる。また、空気ブロア１７ｂにより空気が空気極に送風される。そして、既述の通り、燃料極及び空気極での化学反応によって、外部回路を流れる電子により直流電圧が得られる。さらに、インバータ１６は、燃料電池本体１４で発電された直流電圧を交流電圧に変換する。

なお、燃料電池発電システム１０において、燃料電池本体１４が固体高分子形である場合には、ＣＯ変成装置１３からの改質ガスを、新たに設けたＣＯ除去装置を介して燃料電池本体１４に導くようにすることが望ましい。当該ＣＯ除去装置は、一酸化炭素を選択的に酸化させる反応を利用して、一酸化炭素を二酸化炭素に変えて除去する。改質ガスに微量の空気を混ぜて触媒を用いて１００度〜２００度で反応させることで、一酸化炭素の濃度をさらに低減することができる。

次に、燃料電池発電システム１０の構成要素である改質装置１２の詳細について下記図面を参照して説明する。
図２は、第１の実施の形態の改質装置の縦断面図、図３は、図２の改質装置の断面図である。なお、図３は、図２の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図であり、図３の矢印は加熱された空気の流れを表している。

改質装置１２は、図２及び図３に示されるように、底板３０上に、それぞれ円筒状をなす燃焼筒２２、内筒２３（第１筒体）、中間筒２４（第２筒体）及び外筒２５が同心円状に配置され、上部が上蓋部３１で、外側が外蓋部３２，３３，３４でそれぞれ覆われている。なお、改質装置１２の底板３０の厚さは７ｍｍ〜９ｍｍであって、直径４８５ｍｍ〜４８７ｍｍ、改質装置１２の高さは２０００ｍｍ〜２０５０ｍｍである。実際の改質装置１２は全体が断熱材２７で覆われているが、図２では、改質装置１２の下側のみが覆われている場合を示している。

燃焼筒２２は、内部に燃焼空間２２ａを有する円筒状をなしている。燃焼筒２２は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、耐食耐熱超合金（ＮＣＦ）等の耐熱性の高い材料で構成されている。燃焼筒２２の上部には燃焼空間２２ａに燃焼炎２１ｄを導入する燃焼部２１が配置されている。燃焼部２１は、空気ブロア１７ａ（図１）から空気が供給される空気供給口２１ａと、脱硫前の原燃料ガスまたは燃料電池本体１４からのオフガスが供給されるガス供給口２１ｂとを有する。さらに、燃焼部２１は空気とオフガス（または原燃料ガス）とが混合したものを利用して生成した燃焼炎２１ｄを燃焼空間２２ａに放出するバーナー２１ｃを有する。なお、バーナー２１ｃの燃焼炎２１ｄの放出口付近の燃焼筒２２の内面には断熱材２１ｅが配置されている。このため、燃焼炎２１ｄによる燃焼筒２２の劣化及び損傷が防止される。また、バーナー２１ｃから放出される燃焼炎２１ｄの火力は、空気ブロア１７ａ及び燃料電池本体１４等を制御して、空気とオフガス（または原燃料ガス）との燃焼部２１への供給量を制御して調節される。

内筒２３は、上部の外周面に沿って開口部２３ｃが形成され、底板３０に対して隙間２２ｂが構成された燃焼筒２２を包囲するように底板３０上に配置されている。なお、隙間２２ｂを設けずに、底板３０に配置した燃焼筒２２の下端部に、例えば、開口部を外周面に沿って形成するようにしても構わない。内筒２３の内周面と燃焼筒２２の外周面との間には、燃焼筒２２を取り囲むように、燃焼空間２２ａで加熱された空気が流通する流通空間２３ａが構成されている。さらに、流通空間２３ａと、内筒２３の外周面、上蓋部３１及び外蓋部３２で覆われて構成された流通空間３１ａとが開口部２３ｃを介して一体的に構成されていると共に、外蓋部３２には流通空間３１ａに連通するガス排出口２３ｂが形成されている。したがって、燃焼空間２２ａ内の加熱された空気は、図２に示されるように、図２中下方の隙間２２ｂに導かれて流通空間２３ａに流れ込む。流通空間２３ａに流れ込んだ空気は、流通空間２３ａを図２中上方に流通して、開口部２３ｃから流通空間３１ａに流れ込む。流通空間３１ａに流れ込んだ空気は、図３に示されるように、流通空間３１ａを流通して、ガス排出口２３ｂから外部に排出される。なお、内筒２３についてもステンレス鋼、耐食耐熱超合金等の耐熱性の高い材料で構成されている。

中間筒２４は、上部の外周面に沿って開口部２４ｄが形成され、底板３０に対して隙間２４ｃを構成して、内筒２３を包囲するように配置されている。隙間２４ｃの高さは底板３０から３８ｍｍ〜４２ｍｍである。中間筒２４の内周面と内筒２３の外周面との間には、内筒２３を取り囲むように、複数の改質触媒２６ａにより構成される改質触媒層２６（図５を参照）が充填される触媒空間２４ａ（包囲空間）が構成されている。さらに、触媒空間２４ａと、中間筒２４の上部外周面を包囲する外蓋部３３で構成された流通空間３３ａとが開口部２４ｄを介して一体的に構成されている。また、外蓋部３３には流通空間３３ａに連通する原燃料ガスのガス供給口２４ｂが形成されている。したがって、脱硫装置１１から供給された原燃料ガスはガス供給口２４ｂから流通空間３３ａに導かれる。原燃料ガスは流通空間３３ａを流通して、開口部２４ｄから触媒空間２４ａに入り込む。触媒空間２４ａは流通空間２３ａと隣接しているために、流通空間２３ａを流通する加熱された空気によって、触媒空間２４ａに充填されている改質触媒層２６が加熱される。加熱された改質触媒層２６を図２中下方に流通する原燃料ガスは、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスに改質される。そして、改質ガスは隙間２４ｃから排出される。なお、触媒空間２４ａに改質触媒２６ａが細密かつ均等に注入されて改質触媒層２６が充填されて、後述する流止部材２８により、流通空間２５ａへの流れ込みが防止されている。このため、流通空間２３ａを図２中上方に流通する加熱された空気によって、改質触媒層２６は温度のばらつきが無く、均等に加熱される。なお、中間筒２４についてもステンレス鋼、耐食耐熱超合金等の耐熱性の高い材料で構成されている。また、触媒空間２４ａの厚さは２３ｍｍ〜３３ｍｍである。

外筒２５は、上部の外周面に沿って開口部２５ｃが形成され、中間筒２４を包囲するように底板３０に配置されて、外筒２５の内周面と中間筒２４の外周面との間には改質ガスが流通する流通空間２５ａが構成されている。さらに、流通空間２５ａと、外筒２５の上部外周面を包囲する外蓋部３４で構成された流通空間３４ａとが開口部２５ｃを介して一体的に構成されていると共に、外蓋部３４には流通空間３４ａに連通する改質ガスのガス排出口２５ｂが形成されている。したがって、隙間２４ｃから排出された改質ガスは流通空間２５ａを図２中上方に流通し、開口部２５ｃから流通空間３４ａに導かれる。改質ガスは流通空間３４ａを流通して、ガス排出口２５ｂから排出され、燃料電池本体１４の燃料極に導かれる。なお、外筒２５についてもステンレス鋼、耐食耐熱超合金等の耐熱性の高い材料で構成されており、厚さは３ｍｍ〜５ｍｍである。

そして、流止部材２８が、図２に示されるように、中間筒２４の内側から隙間２４ｃを覆うように触媒空間２４ａ内の底板３０に配置されている。流止部材２８は、触媒空間２４ａに充填された改質触媒層２６の隙間２４ｃからの流出を防止しながら、改質ガスを流通空間２５ａに導くことができる。以下に、流止部材２８の詳細について図面を参照して説明する。

図４は、第１の実施の形態の改質装置に配置された流止部材を説明するための図である。なお、図４では、流止部材２８の（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は一方の主面から見た側面図、（Ｃ）は他方の主面から見た側面図をそれぞれ表している。なお、（Ｂ）の破線は貼付されたパンチングプレート２８ｂの一方の長辺の位置を表しており、（Ｃ）の破線は開口孔２８ａ１の形成位置を表している。

流止部材２８は、図４（Ａ）に示されるように、円筒状であって、開口孔２８ａ１が側面に複数形成されたリング部材２８ａと、開口孔２８ａ１を覆う金網状のパンチングプレート２８ｂとにより構成されている。なお、パンチングプレート２８ｂの網の目は、改質触媒２６ａを通過させない大きさである。金網状のパンチングプレート２８ｂに代わって、改質触媒２６ａを通過させない格子状の部材であっても構わない。なお、リング部材２８ａの縁部側（図中４上部）には、リング部材２８ａの内側から外側に傾斜した傾斜部２８ｃ（図５を参照）が形成されている。このような流止部材２８は、例えば以下のようにして形成される。

リング部材２８ａは、例えば、厚さが４ｍｍ〜６ｍｍのステンレス鋼、耐食耐熱超合金等の耐熱性の高い材料から、短辺の長さが５８ｍｍ〜６２ｍｍで短冊状に切り出される。短冊状に切り出されたリング部材２８ａの一方の長辺側に傾斜部２８ｃを形成する。さらに、短冊状に切り出されたリング部材２８ａに、直径が３０ｍｍ〜３２ｍｍの開口孔２８ａ１を長手方向に沿って一列、直線状に複数形成する。なお、開口孔２８ａ１は、当該開口孔２８ａ１の中心間の間隔を４５ｍｍ〜４８ｍｍとする。また、開口孔２８ａ１は一列に限定されず、配置も直線状に限定されない。さらに、開口面積も当該直径に限定されない。開口孔２８ａ１は、流止部材２８が、図２に示されるように、改質装置１２にセットされた際に、隙間２４ｃと対向するように、リング部材２８ａに形成される。第１の実施の形態の場合であれば、リング部材２８ａに、傾斜部２８ｃが形成された長辺側から１８ｍｍ〜２２ｍｍの領域を開けて、開口孔２８ａ１を形成する（図４（Ｂ）を参照）。開口孔２８ａ１が形成された短冊状のリング部材２８ａの他方の主面側に、金網状のパンチングプレート２８ｂを、開口孔２８ａ１が覆われるように、溶接により貼付する（図４（Ｃ）を参照）。パンチングプレート２８ｂが貼付された短冊状のリング部材２８ａにおいて、パンチングプレート２８ｂが内側になるように、短辺同士を溶接して固着させることにより、図４（Ａ）に示されるリング状の流止部材２８が形成される。

図５は、第１の実施の形態の改質装置の要部縦断面図である。なお、図５は、図２の改質装置１２の隙間２４ｃ付近を拡大した縦断面図であり、実線矢印は加熱された空気の流れ、破線矢印は改質ガスの流れをそれぞれ表している。

図４で説明した流止部材２８が、内筒２３に嵌合されて（図２）、図５に示されるように、中間筒２４の内側から隙間２４ｃを覆うように底板３０に配置される。流止部材２８は、流止部材２８の底部が底板３０に溶接されて固着される。なお、流止部材２８の外周面と中間筒２４の内周面との距離を１ｍｍ〜２ｍｍ開けて、流止部材２８を底板３０に固着する。改質触媒２６ａに対する加熱に伴って流止部材２８に熱膨張が生じる可能性がある。流止部材２８を中間筒２４の内周面との距離を開けて固着することにより、流止部材２８の熱膨張に伴った、中間筒２４及び隙間２４ｃ等の破損を防止し、さらには改質触媒２６ａの流通空間２５ａへの流れ出しを防止することができる。

流止部材２８の固着後、改質触媒２６ａを触媒空間２４ａ内に静かに注入する。なお、図５に示される改質触媒２６ａの形状は直径が３ｍｍ〜５ｍｍの球体状であるが、その他、ペレット状、ハニカム状、キュービック状であっても構わない。注入された改質触媒２６ａは、流止部材２８の傾斜部２８ｃによって、流止部材２８と内筒２３の外周面との間の触媒空間２４ａに円滑に導かれる。そして、所定量の改質触媒２６ａで細密かつ均等に構成された改質触媒層２６が触媒空間２４ａ内に充填される。なお、この時、流止部材２８は改質触媒層２６から圧力を受ける。開口孔２８ａ１は三角形、四角形等の多角形といった様々な形状でも構わないが、改質触媒層２６からの開口孔２８ａ１の縁部の任意の箇所への圧力の集中を防止するために、楕円形または図４に示されるような円形であることが望ましい。

このように流止部材２８のみを配置しただけで改質装置１２を簡便に形成することができる。この結果、改質触媒２６ａの充填量を変えずに、改質触媒２６ａの流通空間２５ａへの流れ込みを防止して、改質触媒層２６の反応率を維持して、改質率の低下を抑制して、改質ガスを流通空間２５ａに導くことができる。

なお、第１の実施の形態の流止部材２８において、開口孔２８ａ１の形成位置に応じて、開口孔２８ａ１の周囲のリング部材２８ａに強度が低下する領域が生じる。例えば、開口孔２８ａ１の間隔を狭くした場合には、図４（Ｂ）に示される領域２８ａ２が狭くなり、当該領域２８ａ２の強度が低下して、改質触媒２６ａの圧力を受けて決壊する恐れがある。また、開口孔２８ａ１の形成位置をリング部材２８ａの長辺側に近づけた場合には、図４（Ｂ）に示される領域２８ａ３が狭くなり、同様に、流止部材２８が決壊する恐れがある。リング部材２８ａは、改質触媒２６ａからの圧力に耐えうる強度が維持されるように、開口孔２８ａ１が形成される際には、極端に狭い領域が形成されないことが必要となる。一方、所定量の改質ガスを流通空間２５ａに導くことも必要であるために、リング部材２８ａの開口面積も所定面積以上必要となる。

したがって、改質触媒２６ａを通過させないようにパンチングブレード２８ｂで覆われた開口孔２８ａ１がリング部材２８ａの強度を落とさない程度に間隔を開け、所定の開口面積になるように複数形成されたリング部材２８ａを有する流止部材２８であることが好ましい。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、改質装置１２において流止部材２８に変えて上記を踏まえた図６に示される流止部材３８が適用された場合について説明する。

図６は、第２の実施の形態の改質装置に配置された流止部材を説明するための図である。なお、図６では、流止部材３８の（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は一方の主面から見た側面図をそれぞれ表している。

流止部材３８は、図６（Ａ）に示されるように、円筒状であって、開口孔３８ａ１が側面に複数形成されたリング部材３８ａにより構成されている。なお、リング部材３８ａの縁部側（図中上部）にも、リング部材３８ａの内側から外側に傾斜した傾斜部３８ｃが形成されている。このような流止部材３８は、流止部材２８と同様に、例えば以下のようにして形成される。

リング部材３８ａは、例えば、厚さが４ｍｍ〜６ｍｍのステンレス鋼、耐食耐熱超合金等の耐熱性の高い材料から、短辺の長さが５８ｍｍ〜６２ｍｍで短冊状に切り出される。短冊状に切り出されたリング部材３８ａの一方の長辺側に傾斜部３８ｃを形成する。さらに、短冊状に切り出されたリング部材３８ａに、改質触媒２６ａが通過できない、例えば、直径が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの複数の開口孔３８ａ１をリング部材３８ａの強度を低下させない程度に距離を開けて形成する。全ての開口孔３８ａ１は、流止部材３８が、図２に示されるように、改質装置１２にセットされた際に、隙間２４ｃと対向するように、リング部材３８ａに形成される。第２の実施の形態の場合であれば、リング部材３８ａに、傾斜部３８ｃが形成された長辺側から１８ｍｍ〜２２ｍｍの領域を開けて、開口孔３８ａ１を形成する（図６（Ｂ）を参照）。そして、短冊状のリング部材３８ａにおいて、短辺同士を溶接して固着させることにより、図６（Ａ）に示されるリング状の流止部材３８が形成される。

流止部材３８を、流止部材２８と同様に、内筒２３に嵌合させて、中間筒２４の内側から隙間２４ｃを覆うように底板３０に配置する。流止部材３８は、流止部材３８の底部が底板３０に溶接されて固着される。なお、流止部材３８の外周面と中間筒２４の内周面との距離を上記の理由の通り、１ｍｍ〜２ｍｍ開けて、流止部材３８を底板３０に固着する。

このように流止部材３８のみを配置しただけで改質装置１２を簡便に形成することができる。この結果、改質触媒２６ａの充填量を変えずに、改質触媒２６ａの流通空間２５ａへの流れ込みを防止して、改質触媒層２６の反応率が維持されて、改質率の低下を抑制して、改質ガスを流通空間２５ａに導くことができる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、第１の実施の形態の改質装置１２において流止部材２８上に区切部材２９をさらに配置した場合について説明する。

図７及び図８は、第３の実施の形態の改質装置の要部縦断面図、図９は、第３の実施の形態の改質装置の断面図である。なお、図７及び図８は、改質装置１２の縦断面図において隙間２４ｃの付近の拡大図をそれぞれ表している。また、図７及び図８に示す流止部材２８には傾斜部２８ｃが形成される場合を示しているが、傾斜部２８ｃが形成されていなくても構わない。図９は、図７及び図８の一点鎖線Ｂ−Ｂでの断面図である。

区切部材２９は、金網状の部材でリング状に構成されている。さらに、主面に開口領域２９ａが形成されており、改質触媒２６ａは開口領域２９ａ以外の領域では区切部材２９を通過することはできない。また、区切部材２９は、内筒２３と中間筒２４との間の触媒空間２４ａに挿入されて、流止部材２８により底板３０側の裏面が支持されて、改質装置１２に対して溶接等で固着されずにセットされる。さらに、区切部材２９を触媒空間２４ａに挿入した時の区切部材２９の内周縁及び内筒２３の外周面、並びに区切部材２９の外周縁及び中間筒２４の内周面のそれぞれの隙間は、改質触媒２６ａが通過できない長さになるようにしておく。なお、区切部材２９は、金網状以外にも、主面に複数の開口孔が形成された板部材であっても構わない。

このため流止部材２８に熱膨張が生じ、中間筒２４の内周面と流止部材２８との隙間が広がっても、区切部材２９によって、当該隙間から改質触媒２６ａが通過して流れ出すことはない。なお、区切部材２９についてもステンレス鋼、耐食耐熱超合金等の耐熱性の高い材料で構成されており、厚さは１ｍｍ〜３ｍｍである。

上記区切部材２９の改質装置１２のセット後、開口領域２９ａから改質触媒２６ａを細密かつ均等に注入することができる。触媒空間２４ａに改質触媒２６ａを区切部材２９まで充填させて、区切部材２９に開口領域２９ａを覆うように蓋部材２９ｂを配置する。そして、蓋部材２９ｂが配置された区切部材２９上に再び改質触媒２６ａを細密かつ均等に注入して、触媒空間２４ａに改質触媒２６ａで構成された改質触媒層２６が形成される。改質触媒層２６が触媒空間２４ａに形成されると、区切部材２９は改質触媒層２６の重さにより触媒空間２４ａ内で固定される。

このように改質装置１２にセットされた区切部材２９は、流止部材２８の熱膨張によって、中間筒２４の内周面と流止部材２８との隙間が広がっても、当該隙間から改質触媒２６ａの流通空間２５ａへの流れ込みを防止しつつ、改質ガスを排出することができる。

また、区切部材２９は、内筒２３、中間筒２４または流止部材２８に固着されておらず、余計な拘束がない。このために、区切部材２５ａは、改質装置１２の温度上昇により熱膨張が生じた内筒２３等からの応力の影響を受けない。区切部材２９が膨張したとしても改質装置１２本体に使用されている部材より厚さが薄いため、熱膨張した区切部材２９によって内筒２３及び中間筒２４が座屈する可能性は低い。区切部材２９は、内筒２３、中間筒２４または流止部材２８に固着されていないために、溶接等の煩雑な工数を増やすことなく、セットされる。

さらに、熱膨張した区切部材２９及び内筒２３、並びに区切部材２９及び中間筒２４とのそれぞれの間に隙間が生じても、流止部材２８によって、改質触媒２６ａの流出が防止されるため、この構造によって２重の流れ止めの防止策となる。

このように流止部材２８を配置し、さらに、内筒２３と中間筒２４との間の触媒空間２４ａに挿入されて、流止部材２８により底板３０側の裏面が支持される区切部材２９を配置しただけで改質装置１２を簡便に形成することができる。この結果、改質触媒２６ａの充填量を変えずに、改質触媒２６ａの流通空間２５ａへの流れ込みを防止して、改質触媒層２６の反応率が維持されて、改質率の低下を抑制して、改質ガスを流通空間２５ａに導くことができる。

１０ 燃料電池発電システム
１１ 脱硫装置
１２ 改質装置
１３ ＣＯ変成装置
１４ 燃料電池本体
１５ 気水分離装置
１６ インバータ
１７ａ，１７ｂ 空気ブロア
１８ａ，１８ｂ 冷却水ポンプ
２１ 燃焼部
２１ａ 空気供給口
２１ｂ，２４ｂ ガス供給口
２１ｃ バーナー
２１ｄ 燃焼炎
２１ｅ，２７ 断熱材
２２ 燃焼筒
２２ａ 燃焼空間
２２ｂ，２４ｃ 隙間
２３ 内筒
２３ａ，２５ａ，３１ａ，３３ａ，３４ａ 流通空間
２３ｂ，２５ｂ ガス排出口
２３ｃ，２４ｄ，２５ｃ 開口部
２４ 中間筒
２４ａ 触媒空間
２５ 外筒
２６ 改質触媒層
２６ａ 改質触媒
２８，３８ 流止部材
２８ａ，３８ａ リング部材
２８ａ１，３８ａ１ 開口孔
２８ａ２，２８ａ３ 領域
２８ｂ パンチングプレート
２８ｃ，３８ｃ 傾斜部
２９ 区切部材
２９ａ 開口領域
２９ｂ 蓋部材
３０ 底板
３１ 上蓋部
３２，３３，３４ 側蓋部

Claims (10)

1. 燃料ガスを、水素を含有する改質ガスに改質する燃料改質装置において、
   第１筒体と、
   前記第１筒体を包囲して包囲空間を構成し、触媒が充填された前記包囲空間に導入された前記燃料ガスが、前記触媒が充填された前記包囲空間を流通して改質され、得られた前記改質ガスが排出される隙間を下端部に有する第２筒体と、
   前記第２筒体の内側から前記隙間を覆うように前記包囲空間内に配置され、側面に形成された複数の開口孔を介して前記改質ガスを前記隙間から排出させる流止部材と、
   を有することを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記流止部材は、前記流止部材の内側から前記開口孔を覆うように網状の網部材が貼付されていることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
3. 前記開口孔は前記触媒を通過させない開口面積であることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
4. 前記隙間を覆う前記流止部材の上縁部が内側から外側に傾斜していることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
5. リング状の板部材であって主面に開口孔が複数形成されて、前記包囲空間に挿入されて、前記流止部材に裏面側から支持される区切部材をさらに有し、
   前記区切部材を挟んで前記包囲空間に前記触媒が充填されていることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
6. 前記区切部材は網状の板部材であることを特徴とする請求項５記載の燃料改質装置。
7. 前記区切部材に形成された前記開口孔は前記触媒を通過させない開口面積であることを特徴とする請求項５記載の燃料改質装置。
8. 前記区切部材の前記包囲空間への挿入時に、前記区切部材の内周縁と前記第１筒体の外周面との隙間は、前記触媒が通過できない長さであることを特徴とする請求項５記載の燃料改質装置。
9. 前記区切部材の前記包囲空間への挿入時に、前記区切部材の外周縁と前記第２筒体の内周面との隙間は、前記触媒が通過できない長さであることを特徴とする請求項５記載の燃料改質装置。
10. 燃料ガスを、水素を含有する改質ガスに改質する燃料改質装置を備える燃料電池発電システムにおいて、
    第１筒体と、
    前記第１筒体を包囲して包囲空間を構成し、触媒が充填された前記包囲空間に導入された前記燃料ガスが、前記触媒が充填された前記包囲空間を流通して改質され、得られた前記改質ガスが排出される隙間を下端部に有する第２筒体と、
    前記第２筒体の内側から前記隙間を覆うように前記包囲空間内に配置され、側面に形成された複数の開口孔を介して前記改質ガスを前記隙間から排出させる流止部材と、
    を有する燃料改質装置を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。

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