JP2014193811A - 燃料電池用反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】二重筒管構造の燃料電池用反応器において、触媒層に分配されるガスの温度を均一化することによって、触媒反応を良好に行うことのできる燃料電池用反応器を提供する。
【解決手段】二重筒管構造の燃料電池用反応器において、バッファ槽３９は、管軸方向に層をなすように複数の分割槽３９ａ〜３９ｃに仕切られており、分割槽３９ａのガス流入口２０５ａから環状空間内を略半周離隔した部位に、分割槽３９ａに隣接された分割槽３９ｂのガス流入口２０６ａが設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池用反応器に関するものである。

燃料電池は、一般的に、電極を配したセルに、水素リッチなガスと空気とを供給し、電気化学的に反応させて発電を行う。水素リッチなガスとしては、天然ガス，メタノ−ル，ナフサ等の原料を水蒸気と混合し改質用の触媒で反応させて生成した改質ガスが広く用いられている。ここでの改質反応は、下記化１に示されるような反応式で表され、主に７００〜８００℃程度の高温下でなされる。

ここで生成される改質ガスにはある程度（十数％）の一酸化炭素が含まれているが、一酸化炭素は電極の触媒能を低下させる原因となるので、これを防ぐため、転化用触媒を備えたＣＯ変成器を通して、改質ガス中の一酸化炭素を下記化２の反応で二酸化炭素に転化反応してから燃料電池に供給するようにしている改質システムが多い。ＣＯ変成器は改質器より低温（１８０〜３００℃程度）で運転されるが、これは、化２の反応が平衡状態に達すると、低温度である方が一酸化炭素濃度が低濃度となるように平衡がずれるからである。

このような改質システムには、図９に示されるような、外観円柱状の改質器のまわりに、二重円筒管内に転化用触媒が充填されたＣＯ変成器が設けられたものも開発されており、改質器の熱がＣＯ変成器の加熱に利用でき、熱ロスが低減される点で優れている（例えば特許文献１参照。）。

ところで、この二重円筒管構造のＣＯ変成器は、触媒層の１３５の入口側に沿って環状のバッファ槽１３９が設けられており、ガス入口１４２からバッファ槽１３９に導入された改質ガスは２つに分岐され、バッファ槽１３９内を約半周旋回しながら触媒層１３５に分配され、更に、触媒層１３５内を管軸方向に流通しながら転化されるようになっている。

特開平６−１４００６８号公報

このＣＯ変成器１０４では、バッファ槽１３９内を流通する改質ガスは、高温の改質器１０３から熱を受けるので、ガス入口１４２から離隔するほど温度は上昇し、ガス入口１４２と反対側の部位で最もガス温度が高くなる。即ち、触媒層１３５に分配される改質ガスの温度が不均一になる。

触媒層１３５に入る改質ガスの温度が不均一であると、部分的にガス温度が低くなって転化反応が不十分となったり、部分的にガス温度が高くなって一酸化炭素の濃度が十分に低減されないという状態が生じやすい。なお、このような課題は、ＣＯ変成器だけに限られず、例えば、高温の流体が流れる管の外周に設けられた二重筒管構造で、内部に脱硫用の触媒を備えた構造の脱硫器においても、同様に触媒層に入るガス温度が不均一となり、脱硫反応にとって好ましくない状態が生じ得る。

本発明は、このような課題に鑑み、二重筒管構造の燃料電池用反応器において、触媒層に分配されるガスの温度を均一化することによって、触媒反応を良好に行うことのできるものを提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る燃料電池用反応器は、二重筒管構造を形成する内管と外管の間の環状空間内に触媒層及び該触媒層に供給するガスを一時的に貯蔵するバッファ槽が管軸方向に層をなすように配設され、バッファ槽を流通したガスが触媒層に分配され該触媒層内を管軸方向に流通する燃料電池用反応器であって、バッファ槽は、管軸方向に複数の分割槽に仕切られており、分割槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に、該分割槽に隣接された分割槽のガス入口が設けられることを特徴とする。

このような構成の燃料電池用反応器においては、バッファ槽内に流入したガスは、分割槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に設けられたガス入口を通って該分割槽に隣接された分割槽内へ流入する。このように、バッファ槽内に流入したガスは、隣接された分割槽のガス入口に向かって環状空間内を略半周旋回し、該ガス入口から隣接された分割槽に流入する。

ここで、バッファ槽は、管軸方向に第１分割槽、第２分割槽、及び第３分割槽を含む複数の分割槽を有し、第１分割槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に、第１分割槽に隣接された第２分割槽のガス入口が設けられ、第２分割槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に、第２分割槽に隣接された第３分割槽のガス入口が設けられていてもよい。

また、複数の分割槽は、熱伝導性部材からなる第１仕切板で仕切られていてもよい。

また、バッファ槽と触媒層との間に複数のガス分配口が開設された第２仕切板が設けられ、バッファ槽を流通したガスは、第２仕切板のガス分配口を介して触媒層に分配されてもよい。この場合、ガス分配口は、触媒層と隣接された分割槽のガス入口から離れた位置になるに従って第２仕切板の単位面積に占めるガス分配口の開口面積が大きくなるように開設されていてもよい。

本発明によれば、二重筒管構造の燃料電池用反応器において、触媒層に分配されるガスの温度を均一化することによって、触媒反応を良好に行うことができる。

実施形態に係る二重円筒管構造のＣＯ変成器を備えた燃料ガス改質システムの概略構成図である。 第１実施形態に係る燃料ガス改質システムの改質器及びＣＯ変成器の断面図である。 図２に示すＣＯ変成器の斜視図である。 図２に示すＣＯ変成器の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。 触媒層の出口側に設けられた整流板の上面図である。 第２実施形態に係るＣＯ変成器の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。 第３実施形態に係るＣＯ変成器の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。 第４実施形態に係るＣＯ変成器の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。 従来例のＣＯ変成器の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図中の寸法比率は必ずしも説明中のものとは一致していない。

（第１実施形態）
（改質システムの全体構成の説明）
図１は、本発明の第１実施形態に係る二重円筒管構造のＣＯ変成器を備えた燃料ガス改質システムの概略構成図である。

この燃料ガス改質システムは、燃料ガス原料（天然ガスや都市ガス等）から硫黄成分を除去する脱硫器１と、燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する円柱形の改質器３と、改質器３の外周に設けられた二重円筒管構造で改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化するＣＯ変成器４と、ＣＯ変成器４を冷却する水配管５と、水蒸気中の水を分離して除く気水分離器６と、改質器３からの改質ガスの熱で水蒸気を加熱する熱交換器７と、燃料ガスに水蒸気を混合するエゼクタ８等から構成されている。

また、エゼクタ８から改質器３に燃料ガスを送る配管Ａ、改質器３から熱交換器７を経由してＣＯ変成器４に改質ガスを送り込む配管Ｂ、気水分離器６から熱交換器７を経由してエゼクタ８に水蒸気を送り込む配管Ｃ等の配管系も配設されている。脱硫器１は、円筒容器の中に脱硫用の触媒が充填されており、その周囲には脱硫器１を運転温度（２００〜３００℃）に保つためのヒ−タ２が配設されている。

図２は、図１に示す燃料ガス改質システムの改質器及びＣＯ変成器の断面図であり、図３はＣＯ変成器の斜視図である。改質器３は、円柱状の外容器１１と、外容器１１の下面１１ｂ側から中央部に挿設された円筒状の燃焼筒１２と、燃焼筒１２の下側に取り付けられたバーナ１３と、外容器１１の上面１１ａ側から挿設された反応槽２０とから構成されている。

バーナ１３は、燃料ガス原料や燃料電池１４からの未反応ガスを、外部のファン（不図示）から供給される空気と混合し、燃焼筒１２内で燃焼させて、高温の燃焼ガスを燃焼筒１２から排出させる。反応槽２０は、円筒状の内周板２１及び外周板２２と，円形の外天板２３及び内天板２４と、円環状の下板２５によって囲まれてなる二重円筒管状の容器の中に円筒状の触媒層２６が設けられて構成されている。内周板２１と外周板２２の間隙は、円筒状の仕切板２７によって内側と外側の間隙に仕切られており、上記の触媒層２６は、内周板管２１と仕切り板２７の間の内側間隙に改質用触媒が充填されて形成されている。

外天板２３の中央部にガス入口２８ａ、外周板２２の上端部にガス出口２８ｂが設けられており、ガス入口２８ａから送り込まれ水蒸気を含む燃料ガスは、仕切り板２７内を下降しながら触媒反応によって水素リッチな改質ガスに改質され、外周板２２と仕切り板２７との外側間隙を上り、ガス出口２８ｂから配管Ｂに流れ込むようになっている。

反応槽２０の下面側には、内管２１及び内天板２４によって囲まれた凹状空間が形成されているが、上記燃焼筒１２は、この凹状空間に挿設されている。燃焼筒１２の上端から排出される高温の燃焼ガスは、図２中実線矢印Ｇで示されるように、燃焼筒１２と内管２１との間隙を下降した後、外周板２２と外容器１１との間隙を上昇して、外容器１１側面の上端近くに取付けられた燃焼ガス排出口２９から排出されるが、この燃焼ガスによって、触媒層２６が反応に適した温度（７００〜８００℃）に加熱されるようになっている。

ＣＯ変成器４は、円筒状の内周板（内管）３１と外周板（外管）３２、及び円環状の上板３３と下板３４からなる二重円筒管状の容器３０の中に、円筒状の触媒層３５が設けられて構成されている。ＣＯ変成器４は、改質器３の外周に、断熱材９を介して周設されて一体となっており、その全体が断熱材１０によって覆われている。このような構造によって、装置がコンパクトになると共に、改質器３から放出される熱が、ＣＯ変成器４の加熱に利用され、外部に放出される熱も低減される。なお、ＣＯ変成器４の詳しい構成については後述する。

（改質システムの運転動作についての説明）
図１を参照しながら、改質システムの運転動作について説明する。ヒ−タ２で加熱された脱硫器１に燃料ガス原料が供給され脱硫される。そして、エゼクタ８で気水分離器６からの水蒸気と混合され、配管Ａを経由し、バーナ１３により７５０℃程度に加熱された改質器３に供給される。

改質器３では、上記化１，化２の反応により燃料ガスが水蒸気改質され、水素リッチな改質ガスが生成されるが、これには一酸化炭素が十数％含まれている。改質器３から配管Ｂに排出される改質ガスは高温（４００℃程度）であるが、熱交換器７を通過するときに、気水分離器６から配管Ｃを通ってエゼクタ８に供給される水蒸気を加熱するため、２００℃程度にまで冷却されてＣＯ変成器４に送り込まれる。

ＣＯ変成器４は、改質器３からの熱で加熱されながら水配管５で冷却されて、１８０〜３００℃程度に保たれる。ＣＯ変成器４では、改質器３からの改質ガス中に含まれている一酸化炭素が上記化２の反応により二酸化炭素に転化され、燃料電池には一酸化炭素濃度の低い改質ガスが供給される。水配管５はＣＯ変成器４からの熱で水蒸気を生成する。気水分離器６は、外部のボイラ（不図示）及び水配管５から供給される水蒸気の気水分離を行う。

（ＣＯ変成器４の構成及び効果についての説明）
図２，３を参照しながらＣＯ変成器４の詳しい構成について説明する。容器３０内の下部には、円環状の整流板（第２仕切板）３６が取り付けられており、容器３０内の空間は、整流板３６によって上下に仕切られている。上述した触媒層３５は、整流板３６上に載置された触媒支持網板３７の上に一酸化炭素転化反応用の触媒が充填されて形成されている。

また、整流板３６の下側の円環状の空間は、円環状の仕切板２０５，２０６により管軸方向に層をなすように複数の空間（分割槽３９ａ（第１分割槽）〜３９ｃ（第３分割槽），以下まとめてバッファ槽３９という。）に仕切られており、さらに、円筒状の仕切板（第1仕切板）３８によって内側空間（分割槽３９ａ）及び外側空間（予熱槽４０）に仕切られている。

仕切板２０５，２０６には、分割槽３９ｂ（第２分割槽），３９ｃへガスが流入するためのガス流入口２０５ａ，２０６ａ（図２，３では不図示、図４参照）が、互いに１８０°間隔を隔てた位置（略半周離隔した位置）に開設されている。また、整流板３６には、バッファ槽３９から触媒層３５に改質ガスを送り込む複数の分配口（ガス分配口）５１（図２，３では不図示、図４参照）が、分割槽３９ｃのガス流入口２０６ａから離れた位置になるに従って整流板３６の単位面積に占める分配口５１の開口面積が大きくなるように、円周状に開設されている。例えば、整流板３６の主面を３等分した領域に分けて、分割槽３９ｃのガス流入口２０６ａから離れた領域になるに従って整流板３６の単位面積に占める分配口５１の開口面積が大きくなるように、各領域に分配口５１が開設されている。仕切板２０５，２０６は、金属等の熱伝導性の材質で形成され、各分割槽３９ａ〜３９ｃ間で熱交換がなされるようになっている。また、仕切板３８は、金属等の熱伝導性の材質で形成され、予熱槽４０とバッファ槽３９との間で熱交換がなされるようになっている。

容器３０内において、触媒層３５の上側には円環状の空間４１が形成され、触媒層３５上には円環状の分流板２０１が配置されている。分流板２０１には、触媒層３５から空間４１に改質ガスを送り込む複数の孔２０１（ガス排出口）ａ（図２，３では不図示、図５参照）が、ほぼ等間隔で円周状に開設されている。この複数の孔２０１ａの総開口面積は、複数の分配口５１の総開口面積よりも小さくなるように開設される。例えば、分配口５１の総開口面積（入口側総面積）を孔２０１ａの総開口面積（出口側総面積）で割った面積比が０．２より大きく、０．９より小さくなるように開設される。分流板２０１で分流された転化反応後の改質ガスは、空間４１で集合するようになっている。外周板３２には、予熱槽４０に改質ガスを導入するガス入口４２と、空間４１から改質ガスを排出するガス出口４３が設けられている。また仕切板３８には、ガス入口４２と１８０°反対側の位置に窓３８ａ（ガス連絡口）が開設され、予熱槽４０からバッファ槽３９にはこの窓３８ａを通って改質ガスが送り込まれるようになっている。

上述した水配管５は、ＣＯ変成器４の外周板３２に沿って螺旋状に巻き付けられている。なお、水配管５は、触媒層３５の下部は比較的高温（３００℃程度）に、触媒層３５の上部は比較的低温（２００℃程度）にコントロールできるように配設されている。これは、改質ガスが触媒層３５内を流れるとき、まず化２の反応を平衡状態まで進め、次に一酸化炭素を低下させる方向に平衡を移動させるよう反応をコントロールするためである。

触媒層３５の厚みＷは、燃料ガスの処理量に応じて必要な触媒量に基づいて設定されるが、厚みＷが大きくなるに伴って触媒層３５の内側と外側との温度差が大きくなるので、あまり大きくならないよう設定することが望ましい。図４（ａ），（ｂ）は、ＣＯ変成器４の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。図４を参照しながら、ＣＯ変成器４の機能及び効果について説明する。

改質ガスの流れは図中に太線矢印で示されている。ガス入口４２から送り込まれた改質ガスは、予熱槽４０内で分岐して窓３８ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流して窓３８ａを通ってバッファ槽３９の分割槽３９ａに送り込まれる。そして、分割槽３９ａへ窓３８ａから送り込まれた改質ガスは、分割槽３９ａ内で分岐してガス流入口２０５ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流してガス流入口２０５ａを通ってバッファ槽３９の分割槽３９ｂに送り込まれる。そして、分割槽３９ｂへガス流入口２０５ａから送り込まれた改質ガスは、分割槽３９ｂ内で分岐してガス流入口２０６ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流してガス流入口２０６ａを通ってバッファ槽３９の分割槽３９ｃに送り込まれる。そして、分割槽３９ｃ内で分岐して、ガス入口４２方向に向かって約１８０℃旋回しながら分配口５１を通って触媒層３５に分配される。分配された改質ガスは、触媒層３５内を上昇しながら転化反応が施され、孔２０１ａを通り、空間４１で集合してガス出口４３から燃料電池に送り込まれる。

改質ガスに対する熱の流れは図中に白抜矢印で示されている。予熱槽４０を流通する改質ガスは、バッファ槽３９の分割槽３９ａを流通する改質ガスから仕切板３８を介して熱を受ける。一方、分割槽３９ａを流通する改質ガスは、改質器３及び分割槽３９ｂから熱を受けるが、予熱槽４０を流通する改質ガスに仕切板３８を介して熱が吸収される。従って、改質ガスが予熱槽４０を流通するときに温度を上昇させ、分割槽３９ａを流通するときには、熱の授受のバランスをとって温度の変化を小さくすることができる。また、分割槽３９ａを流通する改質ガスは、改質器３及び分割槽３９ｂを流通する改質ガスから仕切板３８を介して熱を受ける。一方、分割槽３９ｂを流通する改質ガスは、改質器３及び分割槽３９ｃから熱を受けるが、分割槽３９ａを流通する改質ガスに仕切板２０５を介して熱が吸収される。従って、改質ガスが分割槽３９ａを流通するときに温度を上昇させ、分割槽３９ｂを流通するときには、熱の授受のバランスをとって温度の変化を小さくすることができる。さらに、分割槽３９ｂを流通する改質ガスは、改質器３及び分割槽３９ｃを流通する改質ガスから仕切板３８を介して熱を受ける。一方、分割槽３９ｃを流通する改質ガスは、改質器３から熱を受けるが、分割槽３９ｂを流通する改質ガスに仕切板２０６を介して熱が吸収される。従って、改質ガスが分割槽３９ｂを流通するときに温度を上昇させ、分割槽３９ｃを流通するときには、熱の授受のバランスをとって温度の変化を小さくすることができる。

以上、第１実施形態における燃料電池用反応器においては、分割槽３９ａ〜３９ｃ，予熱槽４０に渡って隣り合う槽間で熱伝導を行うことによって、改質ガスの加熱効果の向上と温度分布の均一化を図ることができる。そして、分配口５１を通って触媒層３５に分配される改質ガスの温度は均一化されるので、燃料電池に送り込む改質ガスの一酸化炭素の濃度を低くするのに適した環境を形成することができる。

また、第１実施形態における燃料電池用反応器においては、触媒層３５とバッファ槽３９との間に、複数の分配口５１が開設された整流板３６が挿設されるため、触媒層３５に分配されるガスは、整流板３６によって整流され、より均一的にガスが触媒層３５に分配される。また、分配口５１は、触媒層３５と隣接する分割槽３９ｃのガス流入口２０６ａから離れた位置になるに従って整流板３６の単位面積に占める分配口５１の開口面積が大きくなるように開設されるので、触媒層へ流入するガスの温度分布及び流入量を均一化することができる。

さらに、第１実施形態における燃料電池用反応器においては、触媒層３５の出口側には、複数の孔２０１ａが開設された分流板２０１が配置され、複数の孔２０１ａの総開口面積が、複数の分配口５１の総開口面積よりも小さくなるように開設されるので、触媒層３５の出口側の圧損により、触媒層３５の入口側での整流、すなわち、整流板３６による整流を一層適切に行うことができる。このため、触媒層３５へ流入するガスの温度分布及び流入量を一層均一化することができる。また、仕切板を用いることによって、比較的簡単に構成することができる。特に燃料電池用のＣＯ変成器に適用することによって、触媒反応を良好に行い改質ガス中の一酸化炭素を低減するのに寄与できる点で実用的効果が大きい。

（第２実施形態）
第２実施形態の改質システムは、第１実施形態と同様であるが、ＣＯ変成器４の代わりに、ＣＯ変成器７０が用いられている。

図６（ａ），（ｂ）は、ＣＯ変成器７０の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。ＣＯ変成器７０は、第１実施形態のＣＯ変成器４と同様の構成であるが、ＣＯ変成器４では整流板３６の下の円環状の空間が、円環状の仕切板２０５，２０６及び円筒状の仕切板３８で仕切られていたのに対して、ＣＯ変成器７０では、この空間が円環状の仕切板２０５，２０６及び平板状の円環形の仕切板７１で管軸方向に層をなすように複数の空間に仕切られている点が異なっている。また、仕切板７１の板面が管軸方向と垂直とされ、バッファ槽７２（分割槽７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）と予熱槽７３とが形成されている点が相違する。

なお、仕切板７１は、第１実施形態の仕切板３８と同様、熱伝導性の材料が用いられ、ガス入口４２と１８０°反対側の位置に窓７１ａが開設されている。図６を参照しながら、ＣＯ変成器７０の機能及び効果について説明する。改質ガスの流れは、図中に太線矢印で示される。ガス入口４２から送り込まれた改質ガスは、第１実施形態と同様、予熱槽７３内で分岐して窓７１ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流して窓７１ａを通ってバッファ槽７２に送り込まれる。そして、第１実施形態と同様に、分割槽７２ａ内で分岐してガス流入口２０５ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流してガス流入口２０５ａを通って分割槽７２ｂに送り込まれる。そして、分割槽７２ｂ内で分岐してガス流入口２０６ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流してガス流入口２０６ａを通って分割槽７２ｃに送り込まれる。そして、分割槽７２ｃで分岐して、ガス入口４２側に向かって約１８０℃旋回しながら分配口５１を通って触媒層３５に分配される。

改質ガスに対する熱の流れは、図中白抜矢印で示される。予熱槽７３を流通する改質ガスは、分割槽７２ａを流通する改質ガスから仕切板７１を介して熱を受ける点は第１実施形態と同様であり、それと共に改質器３からも内周板３１を介して熱を受ける。一方、分割槽７２ａを流通する改質ガスは、第１実施形態と同様、改質器３から熱を受けるが予熱槽７３を流通する改質ガスに仕切板７１を介して熱が吸収される。分割槽３９ｂ，３９ｃ内を流れる改質ガスに対する熱の流れは第１実施形態と同様である。

従って、第１実施形態と同様、改質ガスが予熱槽７３を流通するときに温度を上昇させ、分割槽７２ａを流通するときには、熱の授受のバランスをとって温度の変化を小さくすることができる。また、第１実施形態と比べて、予熱槽７３を流通する改質ガスを昇温する作用が大きい。

（第３実施形態）
第３実施形態の改質システムは、第１実施形態と同様であるが、ＣＯ変成器４の代わりに、ＣＯ変成器８０が用いられている。

図７（ａ），（ｂ）は、ＣＯ変成器８０の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。本実施形態のＣＯ変成器８０は、第１実施形態のＣＯ変成器４と同様の構成であるが、ＣＯ変成器４では仕切板３８の内側がバッファ槽３９の分割槽３９ａ、外側が予熱槽４０であったのに対して、ＣＯ変成器８０では、整流板３６の下の円環状の空間を円筒状の仕切板８１で仕切った外側空間が分割槽３９ａ、外側空間が予熱槽８３となっている。

なお、第１実施形態の仕切板３８は熱伝導性の材料であったが、仕切板８１の材料は熱伝導性でなくてもよい。また、第１実施形態の仕切板３８と同様、仕切板８１には、ガス入口４２と１８０°反対側の位置に、窓８１ａが開設されている。ガス入口４２は、外周板３２からバッファ槽８２を貫通して予熱槽８３に連結されている。

図７を参照しながら、ＣＯ変成器８０の機能及び効果について説明する。改質ガスの流れは図中太線矢印で示されている。ガス入口４２から送り込まれた改質ガスは、第１実施形態と同様、予熱槽８３内で分岐して窓８１ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流して窓８１ａを通ってバッファ槽８２の分割槽８２ａに送り込まれる。そして、第１実施形態と同様に、分割槽８２ａ内で分岐してガス流入口２０５ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流してガス流入口２０５ａを通って分割槽８２ｂに送り込まれる。そして、分割槽８２ｂ内で分岐してガス流入口２０６ａに向かって各々約１８０℃旋回した後、合流してガス流入口２０６ａを通って分割槽８２ｃに送り込まれる。そして、分割槽８２ｃで分岐して、ガス入口４２側に向かって約１８０℃旋回しながら分配口５１を通って触媒層３５に分配される。

改質ガスに対する熱の流れは、図中白抜矢印で示されている。予熱槽８３を流通する改質ガスは、改質器３から内周板３１を介して熱を受ける。一方、改質器３と分割槽８２ａとの間に予熱槽８３が介挿されているので、分割槽８２ａを流通する改質ガスは、改質器３から熱をあまり受けない。従って、改質ガスが予熱槽８３を流通するときに温度を上昇させ、分割槽８２ａを流通するときには、温度の変化を小さくすることができる。また、分割槽３９ｂ，３９ｃ内を流れる改質ガスに対する熱の流れは第１実施形態と同様である。

（第４実施形態）
第４実施形態の改質システムは、第１実施形態と同様であるが、ＣＯ変成器４の代わりに、ＣＯ変成器９０が用いられている。図８（ａ），（ｂ）は、ＣＯ変成器９０の垂直方向及び水平方向の概略断面図である。

ＣＯ変成器９０は、第１実施形態のＣＯ変成器４と同様の構成であるが、整流板３６の下の円環状の空間内に、熱伝導性の管を円形に巻いてなるリング管９１が設置され、リング管９１の外側空間がバッファ槽９２の分割槽９２ａ，内側空間が予熱槽９３となっている。なお、第１実施形態の仕切板３８と同様、リング管９１には、ガス入口４２と１８０°反対側の位置に窓９１ａが開設されている。

ガス入口４２は、外周板３２から分割槽９２ａを貫通して予熱槽９３に連結されている。図中に改質ガスの流れは太線矢印，改質ガスに対する熱の流れは白抜矢印で示されている。改質ガスの流れ及び改質ガスに対する熱の流れは、第１実施形態と同様であって、従って、バッファ槽９２から分配口５１を通って触媒層３５に分配されるガスの温度は均一化される。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、上記各実施形態は本発明に係る燃料電池用反応器の一例を示すものであり、本発明に係る燃料電池用反応器は、上記各実施形態に係る燃料電池用反応器に限られるものではない。

例えば、上記各実施形態においては、改質ガスがＣＯ変成器の触媒層内を下から上に流れる構造を示したが、逆に上から下に流れる構造のＣＯ変成器においても同様に実施することができる。また、上記各実施形態においては、ＣＯ変成器の触媒層に下に整流板が用いられている例を示したが、整流板を設けなくても実施することができる。

また、上記各実施形態においては、二重円筒管構造のＣＯ変成器の例を示したが、二重円筒管に限らず、楕円形や多角形の二重筒管構造のＣＯ変成器において同様に実施することができる。また、上記各実施形態においては、改質器の周りにＣＯ変成器を設けた改質システムの例を示したが、本発明は、同様の二重筒管構造の燃料電池用反応器において適用することができる。例えば、高温の流体が流れる管の外周に設けられ脱硫用の触媒を備えた二重筒管構造の脱硫器においても、同様に実施することができ、触媒層に入るガス温度を均一化し、脱硫反応に適した環境を形成することができると考えられる。

さらに、上記実施形態に係る燃料電池用反応器の作用効果について記載する。

上記実施形態に係る燃料電池用反応器は、高温体の周りに設けられた二重筒管構造で、内管と外管の間の環状空間内に触媒層及び該触媒層に供給するガスを一時的に貯蔵するバッファ槽が管軸方向に層をなすように配設され、ガスがバッファ槽を流通しながら触媒層に分配され該触媒層内を管軸方向に流通する燃料電池用反応器であって、バッファ槽は、管軸方向に層をなすように複数の分割槽に仕切られており、分割槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に、該分割槽に隣接された分割槽のガス入口が設けられ、環状空間内には、高温体からバッファ槽に伝わる熱を吸収する予熱槽がバッファ槽に隣接して設けられ、予熱槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に、該予熱槽からバッファ槽へのガス連絡口が設けられることを特徴とする。

このような構成の燃料電池用反応器においては、ガス入口から流入したガスは予熱層内で分岐して、予熱槽内をガス連絡口に向かって約半周旋回し、合流してガス連絡口からバッファ槽に流入する。そして、バッファ槽内に流入したガスは、予熱槽に隣接された分割槽内で分岐して、該分割槽に隣接された分割槽のガス入口に向かって環状空間内を約半周旋回し、合流して、該分割槽に隣接された分割槽のガス入口から該分割槽に隣接された分割槽に流入する。このように、バッファ槽内に流入したガスは、各分割槽を連通するように互い違いに設けられたガス入口を通って、各分割槽内へ流入する。そして、触媒層と隣接された分割槽内に流入したガスは、該分割槽内で分岐し、環状空間内を旋回しながら触媒層に分配される。ガスが予熱槽内を流れるときには、高温体からバッファ槽に伝わる熱を吸収しながら温度上昇する。一方、ガスがバッファ槽の分割槽内を流れるときには、高温体から熱を受け温度上昇しようとするが、予熱槽内のガス又は予熱槽側に隣接された分割槽内のガスによって熱が吸収される。

従って、ガスが予熱槽内を流れるときには温度を上昇させ、ガスがバッファ槽内を流れるときには、高温体及び触媒層側に隣接された分割槽の少なくとも一方から受ける熱と、予熱槽及び予熱槽側に隣接された分割槽の少なくとも一方に吸収される熱とのバランスをとって、温度の上昇を抑制することができるので、触媒層に分配されるガスの温度分布を均一化することができる。

ここで、予熱槽とバッファ槽とは、熱伝導性部材からなる第１仕切板で仕切られ、予熱槽からバッファ槽へのガス連絡口は、第１仕切板に開設されることが好適である。この場合、ＣＯ変成器の構造を比較的簡単にすることができる。また、予熱槽は、触媒層から最も離れた分割槽と外管との間に介挿されてもよい。この場合、触媒層から最も離れた分割槽は、高温体により内側から加熱されると共に、予熱槽により外側から冷却される。従って、ガスがバッファ槽を流れるときの加熱と冷却のバランスを調整しやすい。また、第１仕切板は、平板状であって、その板面が管軸方向と略垂直に設けられてもよい。この場合、予熱槽は高温体からも熱を受けるので、ガスが予熱槽を流れるときの昇温作用が大きい。また、第一の仕切板は平板状なので製造が簡単であって、空間内における第一の仕切板の位置も容易に調整することができる。また、第１仕切板は、触媒層から最も離れた分割槽の中に設けられた管からなってもよい。この場合、比較的容易に予熱槽及びバッファ槽を設けることができる。また、予熱槽は、内管と触媒層から最も離れた分割槽との間に介挿されてもよい。この場合、高温体からバッファ槽への伝熱は予熱層で遮断され、予熱槽を流れるガスはこの熱を吸収するので、ガスが予熱槽を流れるときの昇温作用は大きい。

また、触媒層とバッファ槽との間に、複数のガス分配口が開設された第２仕切板が挿設されることが好適である。この場合、触媒層に分配されるガスは、第２仕切板によって整流され、より均一的にガスが触媒層に分配される。ここで、ガス分配口は、触媒層と隣接する分割槽のガス入口から離れた位置になるに従って第２仕切板の単位面積に占めるガス分配口の開口面積が大きくなるように開設されてもよい。この場合、触媒層へ流入するガスの温度分布を一層均一化することができる。

さらに、触媒層の出口側には、複数のガス排出口が開設された第３仕切板が配置され、複数のガス排出口の総開口面積が、複数のガス分配口の総開口面積よりも小さくなるように開設されることが好適である。この場合、触媒層の出口側の圧損により、触媒層の入口側での整流、すなわち、第２仕切板による整流を一層適切に行うことができる。このため、触媒層へ流入するガスの温度分布を一層均一化することができる。

３…改質器、１２…燃焼筒、３１…内周板（内管）、３２…外周板（外管）、３５…触媒層、３６…整流板（第２仕切板）、３８…仕切板（第1仕切板）、３８ａ，７１ａ，８１ａ，９１ａ…窓（ガス連絡口）、３９，７２，８２，９２…バッファ槽、３９ａ〜３９ｃ，７２ａ〜７２ｃ，８２ａ〜８２ｃ，９２ａ〜９２ｃ…分割槽、４０，７３，８３，９３…予熱槽、５１…分配口（ガス分配口）、２０１…分流板、２０１ａ…孔（ガス排出口）、２０５ａ，２０６ａ…ガス流入口（分割槽のガス入口）。

Claims (5)

1. 二重筒管構造を形成する内管と外管の間の環状空間内に触媒層及び該触媒層に供給するガスを一時的に貯蔵するバッファ槽が管軸方向に層をなすように配設され、前記バッファ槽を流通したガスが前記触媒層に分配され該触媒層内を管軸方向に流通する燃料電池用反応器であって、
   前記バッファ槽は、管軸方向に複数の分割槽に仕切られており、前記分割槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に、該分割槽に隣接された前記分割槽のガス入口が設けられること、
   を特徴とする燃料電池用反応器。
2. 前記バッファ槽は、管軸方向に第１分割槽、第２分割槽、及び第３分割槽を含む複数の分割槽を有し、
   前記第１分割槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に、前記第１分割槽に隣接された前記第２分割槽のガス入口が設けられ、
   前記第２分割槽のガス入口から環状空間内を略半周離隔した部位に、前記第２分割槽に隣接された前記第３分割槽のガス入口が設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用反応器。
3. 前記複数の分割槽は、熱伝導性部材からなる第１仕切板で仕切られていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用反応器。
4. 前記バッファ槽と前記触媒層との間に複数のガス分配口が開設された第２仕切板が設けられ、
   前記バッファ槽を流通したガスは、前記第２仕切板の前記ガス分配口を介して前記触媒層に分配されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池用反応器。
5. 前記ガス分配口は、前記触媒層と隣接された前記分割槽の前記ガス入口から離れた位置になるに従って前記第２仕切板の単位面積に占める前記ガス分配口の開口面積が大きくなるように開設されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用反応器。

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