JP2015137212A

JP2015137212A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2015137212A
Application number: JP2014010364A
Authority: JP
Inventors: 友行鈴木; Tomoyuki Suzuki
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2015-07-30
Also published as: WO2015111516A1

Abstract

【課題】多重管構造の燃料改質装置であって、各筒状体の素材の板厚を必要以上に厚くすることなく、各筒状体間の密閉性を確保するための溶接接合の溶け込み深さを厳しく管理することが不要な燃料改質装置を提供する。
【解決手段】この燃料改質装置１は、燃焼バーナ５と、その外側に配置される第３筒状体３３（第１筒体）及び第２筒状体３２（第２筒体）と、を備え、第３筒状体３３の第１接合部３３ｃと第２筒状体３２の第２接合部３２ｃとが互いに沿うように配置され、当該沿うように配置された接合領域３２３において第１接合部３３ｃと第２接合部３２ｃとが溶接接合されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質装置に関する。

固体高分子形を始めとする燃料電池は、高分子電解質膜といった電解質層を挟んで配置される燃料極と空気極とを有している。燃料極側には燃料ガスとしての水素を供給する一方で、空気極側には酸化剤ガスとしての空気を供給することで、発電反応を起こさせるものである。燃料ガスとして供給する水素は、水素ガスとして供給されることや、炭化水素系の原料ガスである都市ガスを水蒸気改質して供給される場合がある。都市ガスを水蒸気改質する場合、改質触媒を封入した燃料改質装置内に原料ガスである都市ガスを送り込み、改質触媒の作用によって水蒸気改質された燃料ガスを得る。この燃料ガスは水素リッチな改質ガスであり、燃料極側に供給されることで上述した発電反応に寄与するものである。

このような水蒸気改質を行うための燃料改質装置として、下記特許文献１に記載されたような多重管構造の燃料改質装置が知られている。図３に、多重管構造の燃料改質装置の一例を示す。図３に示すように、従来の一例としての燃料改質装置１００は、４つの筒状体１３１〜１３４を備える四重筒構造の多重筒構造体１３０を有している。そして、この多重筒構造体１３０のうち外側の３つの筒状体１３１〜１３３は、軸方向に沿った長さが外側ほど短い形状に形成されている。

このうち、最も外側の筒状体１３１の本体部分１３１ｃの上端側には閉止端部１３１ａが設けられている。また、外側から２番目の筒状体１３２の本体部分１３２ｃの上端側には閉止端部１３２ａが設けられている。閉止端部１３１ａは、本体部分１３１ｃの上端を折り曲げ部１３１ｂにて折り曲げるように形成されてもよく、別部品として構成し折り曲げ部１３１ｂにおいて溶接接合されていてもよい。同様に、閉止端部１３２ａは、本体部分１３２ｃの上端を折り曲げ部１３２ｂにおいて折り曲げるように形成されてもよく、別部品として構成し折り曲げ部１３２ｂにおいて溶接接合されていてもよい。閉止端部１３１ａ、１３２ａの先端は、それぞれの筒状体１３１、１３２の内側に位置する筒状体１３２、１３３の外部表面上の溶接位置１３１ｄ，１３２ｄにおいて溶接接合されている。

特開２０１３−２１２９８８号公報

ところで、燃料改質装置の多重筒構造体は、その周囲の壁面や配管等に固定されており、また、多重筒構造体の内部では、原料ガスを改質するための熱源となる高温の燃焼ガスが流れている。多重筒構造体の内部は高温となり、多重筒構造体の外部は比較的低温となるため、各筒状体の温度は一様にならず、それらの熱膨張量が異なることになる。そのため、溶接位置１３１ｄ，１３２ｄには、各筒状体の熱膨張量が異なることによるせん断応力が発生するとともに、溶接位置１３１ｄ，１３２ｄの拘束によって発生する回転力に起因する曲げ応力も発生する。

したがって、これら溶接位置には高い溶接強度が要求されるため、筒状体の素材の板厚を大きくしたり、溶接部の溶け込み深さを厳しく管理する必要があった。筒状体の板厚を厚くすることは材料費の増大や、燃料改質装置全体の重量増に繋がるため、極力回避したい。また、溶接部の溶け込み深さを厳しく管理することは作業時間の増大や歩留まりの低下に繋がるため、これも極力回避したいものである。

そのため本発明は、多重管構造の燃料改質装置であって、各筒状体の素材の板厚を必要以上に厚くすることなく、各筒状体間の密閉性を確保するための溶接接合の溶け込み深さを厳しく管理することが不要な燃料改質装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料改質装置は、多重筒構造体の燃料改質装置であって、熱源と、熱源の外側に配置され、熱源によって加温された原料ガス又は改質後の燃料ガスが通るように互いに離隔配置された第１筒体及び第２筒体と、を備え、第１筒体は、筒状の第１本体部と、第１本体部に繋げて設けられてなる第１接合部と、を有し、第２筒体は、筒状の第２本体部と、第２本体部に繋げて設けられてなる第２接合部と、を有するものであって、第１接合部と第２接合部とが互いに沿うように配置され、当該沿うように配置された接合領域において第１接合部と第２接合部とが溶接接合されてなることを特徴とする。

本発明によれば、第１筒体と第２筒体とを接合する接合領域を形成する第１接合部と第２接合部とが互いに沿うように配置されているので、第１接合部と第２接合部とは面接触状態で接触する。高温の熱源が第１筒体及び第２筒体の内側にあり、第１筒体と第２筒体との間に高温の原料ガス又は改質後の燃料ガスが通ることから、第１筒体の熱膨張量と第２筒体の熱膨張量との間に差が生じる。しかしながら、上述したように第１接合部と第２接合部とは面接触状態で接触しており、そのような状態で第１接合部と第２接合部とを溶接接合すると、第１筒体の熱膨張量と第２筒体の熱膨張量との間に差が生じても、接触面に沿った変形が支配的になるので、当該部分へ働く曲げ応力が大幅に緩和され、主に軸方向に沿った方向へのせん断応力のみが支配的に働くこととなる。また、第１接合部と第２接合部とを面接触状態で接触させ、溶接接合といった接合手法によって接合するため、接合領域を広くとることができ接合強度を高めることができる。従って、一方の筒体の側面に他方の筒体と一体化された部分の端面を線接触状態で接触させて溶接接合する従来技術に比較して、曲げ応力の影響を大きく抑制することができるので、各筒体の素材の板厚を必要以上に厚くすることなく、各筒体間の密閉性を確保するための溶接接合の溶け込み深さを厳しく管理することが不要な燃料改質装置とすることができる。

また本発明に係る燃料改質装置では、第１接合部と第１本体部とは連続した一枚板によって形成され、第２接合部と第２本体部とは連続した一枚板によって形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、第１接合部と第１本体部、第２接合部と第２本体部とがそれぞれ連続した一枚板によって形成されているので、それぞれを溶接接合した場合に比較して境界部分において曲げ応力が発生しても全体の撓みとして吸収することができ、溶接接合時のようなき裂や破断のおそれを大きく低減することができる。尚、この好ましい態様においては、周方向において複数枚の板に分割し、それぞれの板が分割された第１接合部や第１本体部、第２接合部や第２本体部を形成することもまた好ましい態様である。

次に、請求項３に記載したように、請求項２に記載の燃料改質装置において、第１接合部または第２接合部は、第１筒体または第２筒体の第１接合部または第２接合部に隣接する部分を漸次縮径または漸次拡径することによって近づけるようにしてもよい。

本実施形態の燃料改質装置の内部構造を模式図で示した構造図である。本実施形態の燃料改質装置の変形例を示す説明図で、第１筒状体〜第３筒状体の接続部分の構造を示す拡大図である。従来の燃料改質装置の内部構造を模式図で示した構造図である。

以下に本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
尚、以下の説明では、後述する多重筒構造体３は軸方向が重力方向に沿うように配置される場合が多いので、便宜的に軸方向の一端側を上方、他端側を下方と呼んで説明する。

本実施形態の燃料改質装置１は、図１に示すように、四重筒構造に形成された多重筒構造体３を備える。
この多重筒構造体３は、外側から内側に向かって第１筒状体３１、第２筒状体３２、第３筒状体３３、第４筒状体３４の４つの筒状体を備え、これら各筒状体３１〜３４は、同軸状に配置されている。尚、本発明の「第１筒体」「第２筒体」に相当するものは、第１筒状体３１、第２筒状体３２、第３筒状体３３である。

第１筒状体３１は、有底円筒状に形成され、軸方向の一端側から他端側まで一定の大きさの径で形成されている。第１筒状体３１は、本体部３１ａと、接合部３１ｃ（本体部３１ａの上端部）とを有する。この第１筒状体３１は、円筒状の本体部３１ａの下端側に設けられてなる底部３１ｄを下方に向けて配置される。

第２筒状体３２は、全体に円筒状に形成され、軸方向に沿った順に下方から、小径部３２ａ（本体部）、小径部３２ａの上方に位置し、小径部３２ａに対して上方に向かうほど漸次拡径する隣接部３２ｂ（本体部）、隣接部３２ｂの上方に位置し、小径部３２ａよりも径が大きい大径部３２ｃ（接合部）、を有する形状に形成されている。隣接部３２ｂは、第１筒状体３１との位置関係でみれば、溶接位置３１３に近づくほど第１筒状体３１に近づくように構成されている。従って、隣接部３２ｂの上方には近接部が構成され、下方には離隔部が構成されている。

この第２筒状体３２は、小径部３２ａ側から第１筒状体３１内に挿入し、小径部３２ａの端部が第１筒状体３１の底部３１ｄの近傍まで挿入されると、大径部３２ｃの一部までが第１筒状体３１に挿入され、大径部３２ｃの他の部分が第１筒状体３１の外に出る大きさに形成されている。

この第２筒状体３２は、第１筒状体３１に対し、第２筒状体３２の大径部３２ｃのうち第１筒状体３１の内部に挿入されている部分と、当該部分に重なっている第１筒状体３１の上端部である接合部３１ｃとを溶接位置３１３において溶接することにより固定される。このとき、接合部３１ｃと大径部３２ｃとは互いに沿うように配置されているので、面接触状態で接触する。

第３筒状体３３は、第２筒状体３２と同様、全体に円筒状に形成され、軸方向に沿った順に下方から、小径部３３ａ（本体部）、小径部３３ａの上方に位置し、小径部３３ａに対して上方に向かうほど漸次拡径する隣接部３３ｂ（本体部）、隣接部３３ｂの上方に位置し、小径部３３ａよりも径が大きい大径部３３ｃ（接合部）、を有する形状に形成されている。隣接部３３ｂは、第２筒状体３２との位置関係でみれば、溶接位置３２３に近づくほど第１筒状体３１に近づくように構成されている。従って、隣接部３２ｂの上方には近接部が構成され、下方には離隔部が構成されている。

この第３筒状体３３は、第２筒状体３２と異なり、軸方向の両端が塞がれており、軸方向の下方側を塞いでいる部分を底部３３ｄ、軸方向の上方側を塞いでいる部分を天井部３３ｅとよぶ。

この第３筒状体３３は、小径部３３ａ側から第２筒状体３２内に挿入し、小径部３３ａの端部が第１筒状体３１の底部３１ｄの近傍まで挿入されると、大径部３３ｃの一部までが第２筒状体３２に挿入され、大径部３３ｃの他の部分が第２筒状体３２の外に出る大きさに形成されている。

この第３筒状体３３は、第２筒状体３２に対し、第３筒状体３３の大径部３３ｃのうち第２筒状体３２の内部に挿入されている部分と、当該部分に重なっている第２筒状体３２の大径部３２ｃの先端部分とを溶接位置３２３において溶接することにより固定される。このとき、大径部３２ｃと大径部３３ｃとは互いに沿うように配置されているので、面接触状態で接触する。

第４筒状体３４は、軸方向の上端側から下端側まで一定径の円筒形状に形成されており、第３筒状体３３内に挿入することができる大きさに形成されている。また、この第４筒状体３４は、軸方向の上方側が塞がれており、この塞いでいる部分を天井部３４ｅとよぶ。

この第４筒状体３４は、第３筒状体３３内に挿入すると、天井部３４ｅが第３筒状体３３の天井部３３ｅと面一になるように第４筒状体３４に固定される。
このように多重筒構造体３が組み立てられると、第４筒状体３４内と、第４筒状体３４と第３筒状体３３との間の空間に、後述する燃焼バーナ５が燃焼用燃料ガスを燃焼することで発生する燃焼ガスが通過する第１ガス通路４１が形成される。

また、第３筒状体３３と第２筒状体３２との間、及び、第２筒状体３２と第１筒状体３１との間に、原料ガスまたは改質された燃料ガスが通過する第２ガス通路４２が形成される。

次に、上記のように構成される多重筒構造体３に取り付けられる各種装置等について説明する。
第４筒状体３４の天井部３４ｅには、着火点が第４筒状体３４内に位置するように燃焼バーナ５が設置される。この燃焼バーナ５は、第４筒状体３４内で着火することにより、高温の燃焼ガス（約900℃）を第４筒状体３４内に供給する。

第３筒状体３３の大径部３３ｃには、第３筒状体３３の内部空間と連通する燃焼ガス排出管７０が設置される。この燃焼ガス排出管７０は、大径部３３ｃが第２筒状体３２の大径部３２ｃと溶接される溶接位置よりも上方であって、大径部３３ｃの外部表面から径方向に突設されるように設置される。もっとも、燃焼ガス排出管７０の取り出し方向は径方向に限定されるものではなく、例えば天井部３４ｅから取り出すように構成することも好ましい態様である。

第２筒状体３２の大径部３２ｃには、第２筒状体３２の内部空間と連通する原料ガス吹入管７１が設置される。この原料ガス吹入管７１は、大径部３２ｃが第１筒状体３１と溶接される溶接位置３１３よりも上方であり、大径部３２ｃが第３筒状体３３と溶接される溶接位置３２３よりも下方であって、大径部３２ｃの外部表面から径方向に突設されるように設置される。

第１筒状体３１の第２筒状体３２との溶接位置３１３の下方であって、この溶接位置３１３の近傍には、第１筒状体３１の内部空間と連通する改質ガス排出管７２が設置される。この改質ガス排出管７２は、第１筒状体３１の外部表面から径方向に突設されるように設置される。

第２ガス通路４２のうち、第２筒状体３２と第３筒状体３３との間の部分には、改質触媒４４が配置される。
上述したように構成された燃料改質装置１では、燃焼バーナ５を着火させると、燃焼ガスが第１ガス通路４１である第４筒状体３４内を通り、第４筒状体３４の下端で転回して、さらに第１ガス通路４１である第３筒状体３３と第４筒状体３４との間の空間を通過し、燃焼ガス排出管７０を介して外部装置に排出される。

このとき改質触媒４４は、第１ガス通路４１を通過する燃焼ガスの熱エネルギーを受けて熱せられる。
また、この燃料改質装置１では、原料ガス吹入管７１から原料ガスを吹き入れると、原料ガスが第２ガス通路４２である第３筒状体３３と第２筒状体３２との間の空間を通り、原料ガスが改質触媒４４を通過する。

このとき改質触媒４４は、燃焼ガスの熱エネルギーを受けて熱せられているので、この改質触媒４４を通過する原料ガスを改質し、燃料電池での発電反応に寄与できる燃料ガスに改質する。

そして、この燃料ガスは、改質触媒４４を通過すると、第２筒状体３２の下端で転回して、さらに、第２ガス通路４２である第２筒状体３２と第１筒状体３１との間の空間を通過し、改質ガス排出管７２を介して外部装置に排出される。

以上説明した燃料改質装置１を構成する多重筒構造体３は、第２筒状体３２及び第３筒状体３３の隣接部３２ｂ及び隣接部３３ｂが漸次拡径して、第１筒状体３１及び第２筒状体３２に近づき、溶接位置ではいずれの筒状体３１〜３３も軸方向に沿った形状に形成されている。

これにより、接合部３１ｃと大径部３２ｃと、または、大径部３２ｃと大径部３３ｃとは互いに沿うように配置されるので、面接触状態で接触する。
そのような状態で接合部３１ｃと大径部３２ｃと、または、大径部３２ｃと大径部３３ｃとを溶接接合すると、各筒状体３１〜３３の熱膨張量の間に差が生じても、接触面に沿った変形が支配的になるので、当該部分へ働く曲げ応力が大幅に緩和され、主に軸方向に沿った方向へのせん断応力のみが支配的に働くこととなる。また、接合部３１ｃと大径部３２ｃと、または、大径部３２ｃと大径部３３ｃとを面接触状態で接触させ、溶接接合といった接合手法によって接合するため、接合領域を広くとることができ接合強度を高めることができる。従って、一方の筒状体の側面に他方の筒状体と一体化された部分の端面を線接触状態で接触させて溶接接合する従来技術に比較して、曲げ応力の影響を大きく抑制することができるので、各筒状体３１〜３３の素材の板厚を必要以上に厚くすることなく、各筒状体３１〜３３間の密閉性を確保するための溶接接合の溶け込み深さを厳しく管理することが不要とすることができる。

しかも、従来と比較し、溶接部の周囲長が大きくなっているため、応力を受ける範囲を広くすることができ、溶接部に作用する応力をさらに緩和することが出来る。
［他の実施形態］
以上、実施形態について説明したが、特許請求の範囲に記載された発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（１）上記実施形態で説明した燃料改質装置１はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。
（２）上記実施形態で説明した多重筒構造体３以外の構造としては、例えば、図２（ａ）に示すように、第２筒状体３２については拡径する部分を設けず、軸方向の上端側から下端側まで一定径の円筒形状としてもよい。この場合、第１筒状体３１は、先端部３１ｃの近傍に軸方向に沿って漸次縮径する隣接部３１ｂを設け、その先端部３１ｃを第２筒状体３２上に溶接するようにしてもよい。

（３）上記実施形態で説明した多重筒構造体３以外の構造としては、例えば、図２（ｂ）に示すように、第２筒状体３２については上記実施形態では拡径する形状としていた隣接部３２ｂを漸次縮径する形状に形成し、大径部３２ｃを小径部３２ａよりも径が小さい円筒形状に形成してもよい。この場合も、第１筒状体３１は、先端部３１ｃの近傍に軸方向に沿って漸次縮径する隣接部３１ｂを設け、その先端部３１ｃを第２筒状体３２の小径部３２ａに相当する部分の外部表面上に溶接するようにしてもよい。

（４）上記実施形態で説明した多重筒構造体３以外の構造としては、例えば、図２（ｃ）に示すように、第１筒状体３１についても第２筒状体３２についても、先端部３１ｃ、３２ｃの近傍に軸方向に沿って漸次縮径する隣接部３１ｂ、３２ｂを設け、その先端部３１ｃ、３２ｃをそれぞれ第２筒状体３２及び第３筒状体３３の小径部３３ａに相当する部分の外部表面上に溶接するようにしてもよい。

（５）上記実施形態では、隣接部３３ｂがテーパ状に形成された例について図１を示して説明したが、漸次縮径しているものであれば曲線状に漸次縮径するように形成されていてもよい。

（６）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１… 燃料改質装置３… 多重筒構造体５… 燃焼バーナ３１… 第１筒状体
３１ｂ… 隣接部３１ｃ… 先端部３１ｄ…底部３２… 第２筒状体
３２ａ… 小径部３２ｂ… 隣接部３２ｃ… 大径部（先端部）
３２ｄ… 底部３２ｅ… 天井部３３… 第３筒状体３３ａ… 小径部
３３ｂ… 隣接部３３ｃ… 大径部（先端部）３３ｅ… 天井部
３４… 第４筒状体３４ｅ… 天井部４１… 第１ガス通路４２… 第２ガス通路
４４… 改質触媒７０… 燃焼ガス排出管７１… 原料ガス吹入管
７２… 改質ガス排出管

Claims

多重筒構造体の燃料改質装置において、
熱源と、
前記熱源の外側に配置され、熱源によって加温された原料ガス又は改質後の燃料ガスが通るように互いに離隔配置された第１筒体及び第２筒体と、を備え、
前記第１筒体は、筒状の第１本体部と、前記第１本体部に繋げて設けられてなる第１接合部と、を有し、
前記第２筒体は、筒状の第２本体部と、前記第２本体部に繋げて設けられてなる第２接合部と、を有するものであって、
前記第１接合部と前記第２接合部とが互いに沿うように配置され、当該沿うように配置された接合領域において前記第１接合と前記第２接合部とが溶接接合されてなることを特徴とする燃料改質装置。
前記第１接合部と前記第１本体部とは連続した一枚板によって形成され、前記第２接合部と前記第２本体部とは連続した一枚板によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
請求項２に記載の燃料改質装置において、
前記第１接合部または前記第２接合部は、前記第１筒体または前記第２筒体の前記第１接合部または前記第２接合部に隣接する部分を漸次縮径または漸次拡径することによって近づけられていることを特徴とする燃料改質装置。