JP4122767B2 - 改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を含む原料ガスから、水素を含む改質ガスを生成する改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特開平１１―６７２５６号公報に示されるように、固体高分子型と呼ばれる燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、固体高分子からなる電解質を挟んで配置された水素極（燃料極）と酸素極（空気極）とを持った電池本体を備え、その水素極に水素を含む燃料たる改質ガスを、また酸素極に酸素を含む酸素含有ガスとしての空気をそれぞれ供給して両電極間に起電力を発生させる。そして、この種の燃料電池の水素極に供給する改質ガスは、改質装置によって炭化水素を含む原料ガスから生成される。
【０００３】
一般に、図７に示すように、改質装置は、原料ガスが流通する配管（41）内に充填して設けられた触媒部（42）を有している。触媒部（42）は、例えば白金等の触媒を担持し且つハニカム状に形成することが広く知られている。
【０００４】
そして、原料ガスが触媒部（42）を同図の下側の上流側から、上側の下流側へ向かって通過することによって、炭化水素を酸化して水素及び一酸化炭素を生成する部分酸化反応と、炭化水素を酸化して水蒸気及び二酸化炭素を生成する完全酸化反応と、炭化水素と水蒸気とを反応させて水素及び一酸化炭素を生成する水蒸気改質反応と、一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素及び二酸化炭素を生成する変成反応とがそれぞれ起こる。その結果として、水素リッチな改質ガスを生成し、触媒部（42）の下流側部分から放出するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒部におけるガスの流通方向上流側では、発熱反応である上記部分酸化反応及び完全酸化反応が主に起こる一方、触媒部におけるガスの流通方向下流側では、吸熱反応である上記水蒸気改質反応及び変成反応が主に起こっていると考えられる。そして、触媒部の上流側で発生した反応熱は、下流側の吸熱反応で利用されている。
【０００６】
しかし、上記従来のものでは、触媒部が配管の内壁面に比較的長く接触した状態で配設されているため、触媒部における上流側で発生した熱が下流側へ伝わる前に管壁を介して外部へ逃げやすく、下流側における吸熱反応に有効に利用されていないという問題がある。
【０００７】
また、上記各反応を充分に行わせる目的で、触媒部をガスの流通方向に長くすることが好ましいが、この場合、流通するガスの圧力損失が大きくなるのは避けられない。さらに、このとき、上記問題点は顕著なものとなる。
【０００８】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、改質ガスを生成する改質装置の構造に改良を加えることにより、触媒部で発生する熱の外部への放出と、触媒部を通過するガスの圧力損失との双方を可及的に抑制しようとすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（12）を有する改質装置であって、上記触媒部（12）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（13）を有し、上記触媒部（12）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（13）には原料ガスの導入路（14）が形成される一方、上記触媒部（12）の外側には改質ガスの導出路（15）が形成され、上記触媒部（12）の筒状の一端は、導入路（14）の一端を開口する入口端（16）に形成され、上記触媒部（12）の筒状の他端は、導入路（14）の他端を閉鎖する閉鎖端（17）に形成され、上記触媒部（12）の内壁（18）及び外壁（19）は、網状部材で形成され、上記触媒部（12）の入口端（16）側には、上記導入路（14）に連通する第１通路（21）と、上記導出路（15）に連通する第２通路（22）とが並んで配置され、上記第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）には、該第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）の内部をそれぞれ流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（ 25 ）が配設され、上記導入路（ 14 ）には、原料ガスの触媒部（ 12 ）の通過速度が一様になるように導入路（ 14 ）の断面積を変化させる流速制御手段（ 31 ）が設けられている。
【００１０】
上記の発明によると、導入路（14）を通って触媒部（12）の中空部（13）内に導入された原料ガスは、触媒部（12）の内側の側面から外側の側面に向かって該触媒部（12）内を通過する。このとき、触媒部（12）の内側で発熱反応である部分酸化反応と完全酸化反応とが主に起こる。一方、触媒部（12）の外側で吸熱反応である水蒸気改質反応と変成反応とが主に起こる。
【００１１】
ところで、触媒部（12）を通過するガスが一方向でなく、触媒部（12）の内側の中空部（13）から外側へ向かって放射状に分散されるため、原料ガスから改質ガスへ充分に変化するとともに、触媒部（12）のガス流れ方向の長さが短くされる。したがって、触媒部（12）を通過するガスの圧力損失が有効に低減される。
【００１２】
そして、従来のように触媒部が配管の内壁面に接触した状態で該配管内に充填されるものに比べて、触媒部（12）とガスが流通するケーシング（11）との接触部分が少なくなるため、触媒部（12）の内側部分において上記発熱反応で生じた熱が、改質装置の外部へ放出するのを効果的に抑制される。したがって、その発熱を下流側の触媒部（12）の外側部分へ有効に伝えられて、上記吸熱反応が充分に行われる。
【００１３】
また、筒状の触媒部（12）の入口端（16）から導入された原料ガスは、網状部材で形成された該触媒部（12）の内壁（18）面を通って触媒部（12）の側壁内部へ進入する。そして、原料ガスは、この側壁内の触媒層を通過して改質ガスに変化された後、網状部材で形成された触媒部（12）の外壁（19）面を通って導出路（15）へ導出される。
【００１４】
また、改質ガスは、原料ガスが流通する第１通路（21）に並んで配置された第２通路（22）を流通する。したがって、この第１通路（21）及び第２通路（22）において原料ガスと改質ガスとの間で自己熱交換を容易に行うことが可能になる。また、上記自己熱交換を行うための具体的な構成として自己熱交換器（ 25 ）が得られる。
【００１５】
さらに、上記導入路（14）には、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように導入路（14）の断面積を変化させる流速制御手段（31）が設けられているため、流速制御手段（31）により触媒部（12）内の導入路（14）の断面積が変化されて、触媒部（12）を通過するガスの流速が一様となる。すなわち、原料ガスは、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に亘って一様に流通するため、この触媒部（12）によって効率的に改質ガスへ変化する。
【００１６】
第２の発明は、炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（ 12 ）を有する改質装置であって、上記触媒部（ 12 ）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（ 13 ）を有し、上記触媒部（ 12 ）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（ 13 ）には原料ガスの導入路（ 14 ）が形成される一方、上記触媒部（ 12 ）の外側には改質ガスの導出路（ 15 ）が形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の一端は、導入路（ 14 ）の一端を開口する入口端（ 16 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の他端は、導入路（ 14 ）の他端を閉鎖する閉鎖端（ 17 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の内壁（ 18 ）及び外壁（ 19 ）は、網状部材で形成され、上記触媒部（ 12 ）の入口端（ 16 ）側には、上記導入路（ 14 ）に連通する第１通路（ 21 ）と、上記導出路（ 15 ）に連通する第２通路（ 22 ）とが並んで配置され、上記触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（20）が形成されて網状に形成され、上記多数の貫通孔（20）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって小さくなるように形成されている。
【００１７】
また、第３の発明は、炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（ 12 ）を有する改質装置であって、上記触媒部（ 12 ）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（ 13 ）を有し、上記触媒部（ 12 ）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（ 13 ）には原料ガスの導入路（ 14 ）が形成される一方、上記触媒部（ 12 ）の外側には改質ガスの導出路（ 15 ）が形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の一端は、導入路（ 14 ）の一端を開口する入口端（ 16 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の他端は、導入路（ 14 ）の他端を閉鎖する閉鎖端（ 17 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の内壁（ 18 ）及び外壁（ 19 ）は、網状部材で形成され、上記触媒部（ 12 ）の入口端（ 16 ）側には、上記導入路（ 14 ）に連通する第１通路（ 21 ）と、上記導出路（ 15 ）に連通する第２通路（ 22 ）とが並んで配置され、上記第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）には、該第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）の内部をそれぞれ流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（ 25 ）が配設され、上記触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（30）が形成されて網状に形成され、上記多数の貫通孔（30）の間隔は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって大きくなるように形成されている。
【００１８】
上記第２及び３の発明によると、入口端（16）側から中空部（13）内に導入される原料ガスは、流れに沿って閉鎖端部側に突き当たってから周方向に拡がる傾向にある。これに対し、原料ガスは、入口端（16）側で触媒部（12）を通過し易くなる一方、閉鎖端（17）側で触媒部（12）を通過し難くなるように、貫通孔（20,30）が形成されているので、その結果として、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様となる。したがって、原料ガスは触媒部（12）を一様に通過するため、効率的に改質ガスに変化する。
【００１９】
第４の発明は、上記第１の発明において、上記流速制御手段は、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって外径が大きくなる円錐状の整流部材（31）である。
【００２０】
この発明によると、簡単な構成により導入路（14）の断面積が変化し、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が効果的に一様とされる。
【００２１】
第５の発明は、上記第１の発明において、上記触媒部（12）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、円錐台状に形成されている。
【００２２】
上記の発明によると、触媒部（12）自体が円錐台状に形成されることで、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が有効に一様とされる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態１に係る改質装置（10）の断面を示している。改質装置（10）は、例えば固体高分子型の燃料電池に供給する改質ガスを生成するためのものである。
【００２４】
図示は省略するが、固体高分子型燃料電池は、固体高分子からなる電解質を挟んで配置された水素極（燃料極）と酸素極（空気極）とを持った電池本体を備え、その水素極に水素を含む燃料たる改質ガスを、また酸素極に酸素を含む酸素含有ガスとしての空気をそれぞれ供給して両電極間に起電力を発生させる。そして、この水素極に供給する改質ガスを、改質装置（10）によって炭化水素を含む天然ガス等の原料ガスから生成するようにしている。
【００２５】
図１に示すように、改質装置（10）は、略円筒状のケーシング（11）を有している。このケーシング（11）の内部に、原料ガスを改質ガスに変化させるための触媒部（12）が配設されている。触媒部（12）は、内部に中空部（13）を有している。そして、触媒部（12）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、中空部（13）には原料ガスの導入路（14）が形成される一方、触媒部（12）の外側には改質ガスの導出路（15）が形成されている。
【００２６】
具体的に、触媒部（12）は、所定の壁面厚さを有する円筒状に形成されていて、ケーシング（11）の底面に該ケーシング（11）と同心状となるように固定配置されている。すなわち、触媒部（12）の筒状の一端は、導入路（14）の一端を開口する入口端（16）に形成されている。一方、触媒部（12）の筒状の他端は、導入路の他端を閉鎖する閉鎖端（17）に形成されている。そして、触媒部（12）の外周壁面（19）とケーシング（11）の内周壁面とによって、導出路（15）が区画形成されている。
【００２７】
触媒部（12）の内周壁（18）及び外周壁（19）は、網状部材でそれぞれ形成されている。この内周壁面（18）と外周壁面（19）との間に触媒が充填されている。特に、図２に示すように、触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（20,20,…）が等間隔に形成されて網状に形成されており、この多数の貫通孔（20,20,…）は、原料ガスの触媒部（12）における通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって小さくなるように形成されている。
【００２８】
これに対して、触媒部（12）の入口端（16）における開口回りの壁面と、閉鎖端（17）側の壁面とは、それぞれ閉塞されている。したがって、触媒部（12）は、入口端（16）から供給される原料ガスが中空部（13）である導入路（14）に導入され、その後、内周壁面（18）から外周壁面へ向かって通過し、導出路（15）へ排出するように構成されている。
【００２９】
図１に示すように、改質装置（10）には、触媒部（12）の入口端（16）側で、触媒部（12）の導入路（14）に連通する第１通路（21）が設けられている。第１通路（21）は、一端が触媒部（12）の入口端（16）に取付固定されており、中間部が断面リング状に形成されている。そして、第１通路（21）の他端には、原料ガス及び空気を第１通路（21）内に供給するための供給口（23）が取り付けられている。
【００３０】
一方、改質装置（10）には、第１通路（21）の外側を覆うように配置され、導出路（15）に連通する第２通路（22）が設けられている。第２通路（22）は、一端がケーシング（11）に取付固定されており、中間部が第１通路（21）と同様に、断面リング状に形成されている。そして、第２通路（22）の他端には、生成した改質ガスを排出するための排出口（24）が取り付けられている。
【００３１】
そして、これら第１通路（21）及び第２通路（22）の中間部には、両通路（21,22）内を流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（25）が配設されている。すなわち、第１通路（21）を流通する原料ガスと第２通路（22）を流通する改質ガスとの間で熱交換を行わせることで、触媒部（12）での反応を連続して行えるようにしている。
【００３２】
次に、本実施形態に係る改質装置（10）の作動について説明する。まず、原料ガス及び空気が、供給口（23）を介して第１通路（21）内へ供給される。原料ガス及び空気は、自己熱交換器（25）によって第２通路（22）を流通する改質ガスとの間で熱交換しながら第１通路（21）内を流通する。
【００３３】
第１通路（21）を通過した原料ガス及び空気は、触媒部（12）の入口端（16）側からその内部の中空部（13）である導入路（14）内へ流入する。導入路（14）内に導入された原料ガス及び空気は、触媒部（12）の内周壁面に形成されている多数の貫通孔を通って、触媒が充填されている触媒部（12）側壁の内部へ進入する。
【００３４】
そして、原料ガスの流通方向上流側である触媒部（12）の内周面側では、原料ガスが通過することによって、主に、炭化水素が酸化して水素及び一酸化炭素が生成する部分酸化反応と、炭化水素が酸化して水蒸気及び二酸化炭素が生成する完全酸化反応とが行われる。
【００３５】
部分酸化反応の反応式は、次の式［１］に示す通りである。そして、この反応は発熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ｎ＝１の場合、ΔＨ＝−４９．０６ｋＪ／ｍｏｌである。
【００３６】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋（ｎ／２）Ｏ２ → ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ２ ・・・［１］
完全酸化反応の反応式は、次の式［２］に示す通りである。そして、この反応も発熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ｎ＝１の場合、ΔＨ＝−８２６．１ｋＪ／ｍｏｌである。
【００３７】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋((３ｎ＋１)／２)Ｏ２ → ｎＣＯ２＋（ｎ＋１）Ｈ２Ｏ・・・［２］
一方、原料ガスの流通方向下流側である触媒部（12）の外周面側では、原料ガスが通過することによって、主に、炭化水素と水蒸気とが反応して水素及び一酸化炭素が生成する水蒸気改質反応と、一酸化炭素と水蒸気とが反応して水素及び二酸化炭素が生成する変成反応とが行われる。
【００３８】
水蒸気改質反応の反応式は、次の式［３］に示す通りである。そして、この反応は吸熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ｎ＝１の場合、ΔＨ＝１８８．４ｋＪ／ｍｏｌである。
【００３９】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ → ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ２ ・・・［３］
変成反応は、次の式［４］に示す通りである。そして、この反応は発熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ΔＨ＝−５５．７０ｋＪ／ｍｏｌである。
【００４０】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ ・・・［４］
すなわち、上流側の触媒部（12）の内周面側で上記式［１］及び式［２］の各反応が起こって、炭化水素及び酸素から、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気がそれぞれ生成されるとともに、所定の熱量が発生する。そして、これら生成物と発生した熱とは、触媒部（12）内のガスの流通に伴って、下流側の触媒部（12）の外周面側へそれぞれ流れる。その後、この触媒部（12）の外周面側において、上記発生した熱を吸収して式［３］の反応が起こるとともに、式［４］の反応が起こる。この反応により、炭化水素、一酸化炭素及び水蒸気から、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素がそれぞれ生成され、水素リッチな改質ガスとして触媒部（12）の外周壁（19）面の貫通孔を介して導出路（15）へ排出される。
【００４１】
尚、上記各式［１］〜［４］は、左辺から右辺へ向かう正方向の反応だけでなく、反対に右辺から左辺へ向かう逆方向の反応も同時に起こっていると考えられるが、正方向の反応が多いため、結果として正方向の反応が起こっているとみなすことができる。
【００４２】
このようにして、触媒部（12）の内側の導入路（14）から外側の導出路（15）へ向かってガスが流通する。そして、その流通に伴って原料ガスが改質ガスに変化する。
【００４３】
そして、導出路（15）を流通した改質ガスは、第２通路（22）を流れる。この第２通路（22）において、改質ガスは、自己熱交換器（25）により上記第１通路（21）を流通する原料ガスとの間で熱交換をする。その後、改質ガスは、排出口（24）を介して排出され、上記図示省略の燃料電池の水素極へ供給される。一方、図示省略の燃料電池の酸素極には、別ルートで空気が供給されることにより、両電極間に起電力が発生する。
【００４４】
以上説明したように、この実施形態１によると、触媒部（12）を通過するガスが一方向でなく、触媒部（12）の内側の中空部（13）から外側へ向かって放射状に分散されるため、原料ガスから改質ガスへ充分に変化させるとともに、触媒部（12）のガス流れ方向の長さを短くすることができる。したがって、触媒部（12）を通過するガスの圧力損失を有効に低減させることができる。
【００４５】
また、図７に示す従来のように、触媒部（42）へのガス流入部が配管（41）の内壁面に接触した状態で該配管（41）内に充填されるものに比べて、触媒部（12）へのガス流入部がケーシング（11）の中心に設置されているため、上記式［１］及び式［２］による発熱反応で生じた熱が、改質装置（10）の外部へ放出されるのを効果的に抑制することができる。したがって、上流側の触媒部（12）の内周面側で発生した熱を、下流側の触媒部（12）の外周面側へ有効に伝えることが可能となり、上記式［３］及び式［４］の反応を充分に行うことができる。
【００４６】
ところで、内周壁（18）に貫通孔が均等に形成されている場合には、入口端（16）側から中空部（13）内に導入される原料ガスは、その流れに沿って閉鎖端部に突き当たってから周方向に拡がる傾向にある。これに対し、この実施形態では、内周壁（18）に形成されている貫通孔（20,20,…）は、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって小さくなるように形成されているため、原料ガスは、入口端（16）側で触媒部（12）を通過し易くなる一方、閉鎖端（17）側で触媒部（12）を通過し難くなる。その結果として、触媒部（12）の各部分において、原料ガスの通過速度を一様にすることが可能となる。
【００４７】
すなわち、上記図７に示す従来のものでは、配管の半径方向に温度差が生じやすくなって、配管の中央部分で反応が促進される一方、外側部分で反応が効率よく行われないという問題があるのに対し、この実施形態に係る改質装置では、原料ガスを触媒部（12）に一様に通過させることができ、この原料ガスを効率的に改質ガスに変化させることができる。
【００４８】
尚、この実施形態１では、触媒部（12）を円筒状のものとしたが、その他の断面形状を有する筒状のものとしてもよい。さらに、内部に中空部を有する例えば球状のものとしてもよい。
【００４９】
そして、この実施形態１では、触媒部（12）の内周壁（18）に、触媒部（12）の入口端（16）側から閉鎖端（17）側へ向かって小さくなる貫通孔を形成するようにしたが、内周壁（18）に、一定の大きさの貫通孔を等間隔で形成するようにしてもよい。しかしながら、原料ガスの触媒部（12）通過速度を一様にする観点から、上記実施形態のように貫通孔の大きさを変えることが望ましい。
【００５０】
また、原料ガスの通過速度が一様になるような他の構成としてもよい。例えば、図３に示すように、触媒部（12）の内壁（18）に、多数の貫通孔（30,30,…）を形成して網状に形成するとともに、その多数の貫通孔（30,30,…）の間隔が、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって大きくなるように形成するようにしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様に、触媒部（12）の各部分において、原料ガスの通過速度を一様にすることが可能となる。
【００５１】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２を示し（尚、以降の各実施形態において、図１及び図２と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する）、上記実施形態１における触媒部（12）内の導入路（14）に、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、この導入路（14）の断面積を変化させる流速制御手段を設けるようにしたものである。
【００５２】
すなわち、触媒部（12）の導入路（14）内に流速制御手段としての円錐状の整流部材（31）が配設されている。整流部材（31）の底部は、触媒部（12）の閉鎖端（17）側のケーシング（11）内壁面に固着して設けられており、その先端が入口端（16）側へ向かって延びている。言い換えれば、整流部材（31）は、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって外径が大きくなるような状態で配設されている。
【００５３】
また、この実施形態２では、触媒部（12）の内周壁（18）に、一定の大きさの貫通孔（図示省略）が等間隔で形成されている。すなわち、この実施形態２では、整流部材（31）によって、原料ガスの触媒部（12）の通過速度を制御するようにしている。
【００５４】
したがって、この実施形態２によると、整流部材（31）によって、原料ガスが入口端（16）側の触媒部（12）の内周壁（18）を通過しやすくなるように整流されるため、その結果として、触媒部（12）を通過するガスの流速を一様とすることが可能となる。すなわち、この円錐状の整流部材（31）という簡単な構成によって、原料ガスを、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に亘って一様に流通させることができ、触媒部（12）によって効率的に改質ガスへ変化させることができる。
【００５５】
尚、この実施形態２では、触媒部（12）の内周壁（18）に形成する貫通孔を、それぞれ同じ大きさであり且つ等間隔となるように設けたが、図２に示す上記実施形態１と同様に、等間隔に配列された貫通孔（20,20,…）の大きさを触媒部（12）の軸方向に変化させるようにして、この各貫通孔（20,20,…）と上記整流部材（31）との双方によって、原料ガスの触媒部（12）の通過速度を一様にするようにしてもよい。若しくは、図３に示すように、同じ大きさの貫通孔（30,30,…）の間隔を触媒部（12）の軸方向に変化させるようにしてもよい。
【００５６】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３を示し、上記実施形態１における触媒部（12）の形状を変更するようにしたものである。すなわち、同図に示すように、この実施形態３における触媒部（12）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、円錐台状に形成されている。
【００５７】
具体的に、触媒部（12）の底部は、触媒部（12）の閉鎖端（17）側のケーシング（11）内壁面に固着して設けられており、その先端が入口端（16）側へ向かって延びている。そして、触媒部（12）は、その外径及び内径が閉鎖端（17）から入口端（16）に向かってそれぞれ同様に、テーパ状に大きくなるように形成されている。
【００５８】
したがって、この実施形態３によると、触媒部（12）自体を円錐台状に形成して、導入路（14）の断面積を変化させることで、整流のための別部材を設けることなく、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるようにすることができる。すなわち、上記実施形態２と同様に、原料ガスを一様に触媒部（12）を通過させて、触媒部（12）により効率的に改質ガスへ変化させることができる。
【００５９】
（実施形態４）
図６は、本発明の実施形態４を示し、上記実施形態３における触媒部（12）の閉鎖端（17）の構成を変更するようにしたものである。
【００６０】
すなわち、同図に示すように、この実施形態４では、ケーシング（11）の底部は、外部へ向かって凸状となるように湾曲している。そして、触媒部（12）は、入口端（16）側で開口する一方、閉鎖端（17）側に球面状に形成された底部（35）を有しており、この底部（35）がケーシング（11）の底部内壁面に当接した状態で固着されることにより閉鎖されている。
【００６１】
この触媒部（12）の底部（35）の内壁（36）及び外壁（37）は、触媒部（12）の内周壁（18）及び外周壁（19）にそれぞれ連続一体に形成されており、その内周壁（18）及び外周壁（19）と同様に、貫通孔（図示省略）が形成されている。このようにしても、上記実施形態３と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、触媒部が、内部に中空部を有し、触媒部をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、中空部には原料ガスの導入路を形成する一方、触媒部の外側には改質ガスの導出路を形成することにより、原料ガスから改質ガスへ充分に変化するとともに、触媒部のガス流れ方向の長さを短くして、触媒部を通過するガスの圧力損失を有効に低減させることができる。また、上流側の発熱反応で生じた熱が外部へ放出するのを抑制して、下流側の吸熱反応を充分に行うことにより、原料ガスから改質ガスを効率よく生成することができる。さらに、原料ガスが流通する第１通路と改質ガスが流通する第２通路とを、触媒部の入口端側に並んで配置したので、原料ガスと改質ガスとの間で自己熱交換を容易に且つ効率よく行うことが可能となる。さらに、導入路に、原料ガスの触媒部の通過速度が一様になるように導入路の断面積を変化させる流速制御手段を設けることにより、原料ガスは、触媒部の入口端から閉鎖端に亘って一様に流通するため、この触媒部によって効率的に改質ガスへ変化させることができる。
【００６３】
第２の発明によると、触媒部の内壁を、多数の貫通孔が形成されて網状に形成し、この多数の貫通孔を、原料ガスの触媒部の通過速度が一様になるように、触媒部の入口端から閉鎖端に向かって小さくなるように形成する。また、第３の発明によると、多数の貫通孔の間隔を、原料ガスの触媒部の通過速度が一様になるように、触媒部の入口端から閉鎖端に向かって大きくなるように形成することにより、入口端から閉鎖端に向かって大きくなる中空部内の原料ガスの圧力に対して、原料ガスを、入口端側で触媒部を通過し易くする一方、閉鎖端側で通過し難くするように、貫通孔を形成したので、その結果として、原料ガスの触媒部の通過速度が一様とすることができる。
【００６４】
第５の発明によると、触媒部を、原料ガスの触媒部の通過速度が一様になるように、円錐台状に形成することにより、整流のための別部材を設けることなく、原料ガスの触媒部の通過速度を有効に一様にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に係る改質装置を示す断面図である。
【図２】 実施形態１の触媒部の内周壁を示す斜視図である。
【図３】 触媒部の内周壁を示す斜視図である。
【図４】 本発明の実施形態２に係る改質装置を示す図１相当図である。
【図５】 本発明の実施形態３に係る改質装置を示す図１相当図である。
【図６】 本発明の実施形態４に係る改質装置を示す図１相当図である。
【図７】 従来の改質装置を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
（10） 改質装置
（12） 触媒部
（13） 中空部
（14） 導入路
（15） 導出路
（16） 入口端
（17） 閉鎖端
（18） 内壁（内周壁）
（19） 外壁（外周壁）
（20） 貫通孔
（30） 貫通孔
（31） 整流部材（流速制御手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を含む原料ガスから、水素を含む改質ガスを生成する改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特開平１１―６７２５６号公報に示されるように、固体高分子型と呼ばれる燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、固体高分子からなる電解質を挟んで配置された水素極（燃料極）と酸素極（空気極）とを持った電池本体を備え、その水素極に水素を含む燃料たる改質ガスを、また酸素極に酸素を含む酸素含有ガスとしての空気をそれぞれ供給して両電極間に起電力を発生させる。そして、この種の燃料電池の水素極に供給する改質ガスは、改質装置によって炭化水素を含む原料ガスから生成される。
【０００３】
一般に、図７に示すように、改質装置は、原料ガスが流通する配管（41）内に充填して設けられた触媒部（42）を有している。触媒部（42）は、例えば白金等の触媒を担持し且つハニカム状に形成することが広く知られている。
【０００４】
そして、原料ガスが触媒部（42）を同図の下側の上流側から、上側の下流側へ向かって通過することによって、炭化水素を酸化して水素及び一酸化炭素を生成する部分酸化反応と、炭化水素を酸化して水蒸気及び二酸化炭素を生成する完全酸化反応と、炭化水素と水蒸気とを反応させて水素及び一酸化炭素を生成する水蒸気改質反応と、一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素及び二酸化炭素を生成する変成反応とがそれぞれ起こる。その結果として、水素リッチな改質ガスを生成し、触媒部（42）の下流側部分から放出するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒部におけるガスの流通方向上流側では、発熱反応である上記部分酸化反応及び完全酸化反応が主に起こる一方、触媒部におけるガスの流通方向下流側では、吸熱反応である上記水蒸気改質反応及び変成反応が主に起こっていると考えられる。そして、触媒部の上流側で発生した反応熱は、下流側の吸熱反応で利用されている。
【０００６】
しかし、上記従来のものでは、触媒部が配管の内壁面に比較的長く接触した状態で配設されているため、触媒部における上流側で発生した熱が下流側へ伝わる前に管壁を介して外部へ逃げやすく、下流側における吸熱反応に有効に利用されていないという問題がある。
【０００７】
また、上記各反応を充分に行わせる目的で、触媒部をガスの流通方向に長くすることが好ましいが、この場合、流通するガスの圧力損失が大きくなるのは避けられない。さらに、このとき、上記問題点は顕著なものとなる。
【０００８】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、改質ガスを生成する改質装置の構造に改良を加えることにより、触媒部で発生する熱の外部への放出と、触媒部を通過するガスの圧力損失との双方を可及的に抑制しようとすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（12）を有する改質装置であって、上記触媒部（12）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（13）を有し、上記触媒部（12）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（13）には原料ガスの導入路（14）が形成される一方、上記触媒部（12）の外側には改質ガスの導出路（15）が形成され、上記触媒部（12）の筒状の一端は、導入路（14）の一端を開口する入口端（16）に形成され、上記触媒部（12）の筒状の他端は、導入路（14）の他端を閉鎖する閉鎖端（17）に形成され、上記触媒部（12）の内壁（18）及び外壁（19）は、網状部材で形成され、上記触媒部（12）の入口端（16）側には、上記導入路（14）に連通する第１通路（21）と、上記導出路（15）に連通する第２通路（22）とが並んで配置され、上記第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）には、該第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）の内部をそれぞれ流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（ 25 ）が配設され、上記導入路（ 14 ）には、原料ガスの触媒部（ 12 ）の通過速度が一様になるように導入路（ 14 ）の断面積を変化させる流速制御手段（ 31 ）が設けられている。
【００１０】
上記の発明によると、導入路（14）を通って触媒部（12）の中空部（13）内に導入された原料ガスは、触媒部（12）の内側の側面から外側の側面に向かって該触媒部（12）内を通過する。このとき、触媒部（12）の内側で発熱反応である部分酸化反応と完全酸化反応とが主に起こる。一方、触媒部（12）の外側で吸熱反応である水蒸気改質反応と変成反応とが主に起こる。
【００１１】
ところで、触媒部（12）を通過するガスが一方向でなく、触媒部（12）の内側の中空部（13）から外側へ向かって放射状に分散されるため、原料ガスから改質ガスへ充分に変化するとともに、触媒部（12）のガス流れ方向の長さが短くされる。したがって、触媒部（12）を通過するガスの圧力損失が有効に低減される。
【００１２】
そして、従来のように触媒部が配管の内壁面に接触した状態で該配管内に充填されるものに比べて、触媒部（12）とガスが流通するケーシング（11）との接触部分が少なくなるため、触媒部（12）の内側部分において上記発熱反応で生じた熱が、改質装置の外部へ放出するのを効果的に抑制される。したがって、その発熱を下流側の触媒部（12）の外側部分へ有効に伝えられて、上記吸熱反応が充分に行われる。
【００１３】
また、筒状の触媒部（12）の入口端（16）から導入された原料ガスは、網状部材で形成された該触媒部（12）の内壁（18）面を通って触媒部（12）の側壁内部へ進入する。そして、原料ガスは、この側壁内の触媒層を通過して改質ガスに変化された後、網状部材で形成された触媒部（12）の外壁（19）面を通って導出路（15）へ導出される。
【００１４】
また、改質ガスは、原料ガスが流通する第１通路（21）に並んで配置された第２通路（22）を流通する。したがって、この第１通路（21）及び第２通路（22）において原料ガスと改質ガスとの間で自己熱交換を容易に行うことが可能になる。また、上記自己熱交換を行うための具体的な構成として自己熱交換器（ 25 ）が得られる。
【００１５】
さらに、上記導入路（14）には、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように導入路（14）の断面積を変化させる流速制御手段（31）が設けられているため、流速制御手段（31）により触媒部（12）内の導入路（14）の断面積が変化されて、触媒部（12）を通過するガスの流速が一様となる。すなわち、原料ガスは、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に亘って一様に流通するため、この触媒部（12）によって効率的に改質ガスへ変化する。
【００１６】
第２の発明は、炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（ 12 ）を有する改質装置であって、上記触媒部（ 12 ）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（ 13 ）を有し、上記触媒部（ 12 ）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（ 13 ）には原料ガスの導入路（ 14 ）が形成される一方、上記触媒部（ 12 ）の外側には改質ガスの導出路（ 15 ）が形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の一端は、導入路（ 14 ）の一端を開口する入口端（ 16 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の他端は、導入路（ 14 ）の他端を閉鎖する閉鎖端（ 17 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の内壁（ 18 ）及び外壁（ 19 ）は、網状部材で形成され、上記触媒部（ 12 ）の入口端（ 16 ）側には、上記導入路（ 14 ）に連通する第１通路（ 21 ）と、上記導出路（ 15 ）に連通する第２通路（ 22 ）とが並んで配置され、上記触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（20）が形成されて網状に形成され、上記多数の貫通孔（20）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって小さくなるように形成されている。
【００１７】
また、第３の発明は、炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（ 12 ）を有する改質装置であって、上記触媒部（ 12 ）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（ 13 ）を有し、上記触媒部（ 12 ）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（ 13 ）には原料ガスの導入路（ 14 ）が形成される一方、上記触媒部（ 12 ）の外側には改質ガスの導出路（ 15 ）が形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の一端は、導入路（ 14 ）の一端を開口する入口端（ 16 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の他端は、導入路（ 14 ）の他端を閉鎖する閉鎖端（ 17 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の内壁（ 18 ）及び外壁（ 19 ）は、網状部材で形成され、上記触媒部（ 12 ）の入口端（ 16 ）側には、上記導入路（ 14 ）に連通する第１通路（ 21 ）と、上記導出路（ 15 ）に連通する第２通路（ 22 ）とが並んで配置され、上記第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）には、該第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）の内部をそれぞれ流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（ 25 ）が配設され、上記触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（30）が形成されて網状に形成され、上記多数の貫通孔（30）の間隔は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって大きくなるように形成されている。
【００１８】
上記第２及び３の発明によると、入口端（16）側から中空部（13）内に導入される原料ガスは、流れに沿って閉鎖端部側に突き当たってから周方向に拡がる傾向にある。これに対し、原料ガスは、入口端（16）側で触媒部（12）を通過し易くなる一方、閉鎖端（17）側で触媒部（12）を通過し難くなるように、貫通孔（20,30）が形成されているので、その結果として、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様となる。したがって、原料ガスは触媒部（12）を一様に通過するため、効率的に改質ガスに変化する。
【００１９】
第４の発明は、上記第１の発明において、上記流速制御手段は、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって外径が大きくなる円錐状の整流部材（31）である。
【００２０】
この発明によると、簡単な構成により導入路（14）の断面積が変化し、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が効果的に一様とされる。
【００２１】
第５の発明は、上記第１の発明において、上記触媒部（12）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、円錐台状に形成されている。
【００２２】
上記の発明によると、触媒部（12）自体が円錐台状に形成されることで、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が有効に一様とされる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態１に係る改質装置（10）の断面を示している。改質装置（10）は、例えば固体高分子型の燃料電池に供給する改質ガスを生成するためのものである。
【００２４】
図示は省略するが、固体高分子型燃料電池は、固体高分子からなる電解質を挟んで配置された水素極（燃料極）と酸素極（空気極）とを持った電池本体を備え、その水素極に水素を含む燃料たる改質ガスを、また酸素極に酸素を含む酸素含有ガスとしての空気をそれぞれ供給して両電極間に起電力を発生させる。そして、この水素極に供給する改質ガスを、改質装置（10）によって炭化水素を含む天然ガス等の原料ガスから生成するようにしている。
【００２５】
図１に示すように、改質装置（10）は、略円筒状のケーシング（11）を有している。このケーシング（11）の内部に、原料ガスを改質ガスに変化させるための触媒部（12）が配設されている。触媒部（12）は、内部に中空部（13）を有している。そして、触媒部（12）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、中空部（13）には原料ガスの導入路（14）が形成される一方、触媒部（12）の外側には改質ガスの導出路（15）が形成されている。
【００２６】
具体的に、触媒部（12）は、所定の壁面厚さを有する円筒状に形成されていて、ケーシング（11）の底面に該ケーシング（11）と同心状となるように固定配置されている。すなわち、触媒部（12）の筒状の一端は、導入路（14）の一端を開口する入口端（16）に形成されている。一方、触媒部（12）の筒状の他端は、導入路の他端を閉鎖する閉鎖端（17）に形成されている。そして、触媒部（12）の外周壁面（19）とケーシング（11）の内周壁面とによって、導出路（15）が区画形成されている。
【００２７】
触媒部（12）の内周壁（18）及び外周壁（19）は、網状部材でそれぞれ形成されている。この内周壁面（18）と外周壁面（19）との間に触媒が充填されている。特に、図２に示すように、触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（20,20,…）が等間隔に形成されて網状に形成されており、この多数の貫通孔（20,20,…）は、原料ガスの触媒部（12）における通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって小さくなるように形成されている。
【００２８】
これに対して、触媒部（12）の入口端（16）における開口回りの壁面と、閉鎖端（17）側の壁面とは、それぞれ閉塞されている。したがって、触媒部（12）は、入口端（16）から供給される原料ガスが中空部（13）である導入路（14）に導入され、その後、内周壁面（18）から外周壁面へ向かって通過し、導出路（15）へ排出するように構成されている。
【００２９】
図１に示すように、改質装置（10）には、触媒部（12）の入口端（16）側で、触媒部（12）の導入路（14）に連通する第１通路（21）が設けられている。第１通路（21）は、一端が触媒部（12）の入口端（16）に取付固定されており、中間部が断面リング状に形成されている。そして、第１通路（21）の他端には、原料ガス及び空気を第１通路（21）内に供給するための供給口（23）が取り付けられている。
【００３０】
一方、改質装置（10）には、第１通路（21）の外側を覆うように配置され、導出路（15）に連通する第２通路（22）が設けられている。第２通路（22）は、一端がケーシング（11）に取付固定されており、中間部が第１通路（21）と同様に、断面リング状に形成されている。そして、第２通路（22）の他端には、生成した改質ガスを排出するための排出口（24）が取り付けられている。
【００３１】
そして、これら第１通路（21）及び第２通路（22）の中間部には、両通路（21,22）内を流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（25）が配設されている。すなわち、第１通路（21）を流通する原料ガスと第２通路（22）を流通する改質ガスとの間で熱交換を行わせることで、触媒部（12）での反応を連続して行えるようにしている。
【００３２】
次に、本実施形態に係る改質装置（10）の作動について説明する。まず、原料ガス及び空気が、供給口（23）を介して第１通路（21）内へ供給される。原料ガス及び空気は、自己熱交換器（25）によって第２通路（22）を流通する改質ガスとの間で熱交換しながら第１通路（21）内を流通する。
【００３３】
第１通路（21）を通過した原料ガス及び空気は、触媒部（12）の入口端（16）側からその内部の中空部（13）である導入路（14）内へ流入する。導入路（14）内に導入された原料ガス及び空気は、触媒部（12）の内周壁面に形成されている多数の貫通孔を通って、触媒が充填されている触媒部（12）側壁の内部へ進入する。
【００３４】
そして、原料ガスの流通方向上流側である触媒部（12）の内周面側では、原料ガスが通過することによって、主に、炭化水素が酸化して水素及び一酸化炭素が生成する部分酸化反応と、炭化水素が酸化して水蒸気及び二酸化炭素が生成する完全酸化反応とが行われる。
【００３５】
部分酸化反応の反応式は、次の式［１］に示す通りである。そして、この反応は発熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ｎ＝１の場合、ΔＨ＝−４９．０６ｋＪ／ｍｏｌである。
【００３６】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋（ｎ／２）Ｏ２ → ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ２ ・・・［１］
完全酸化反応の反応式は、次の式［２］に示す通りである。そして、この反応も発熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ｎ＝１の場合、ΔＨ＝−８２６．１ｋＪ／ｍｏｌである。
【００３７】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋((３ｎ＋１)／２)Ｏ２ → ｎＣＯ２＋（ｎ＋１）Ｈ２Ｏ・・・［２］
一方、原料ガスの流通方向下流側である触媒部（12）の外周面側では、原料ガスが通過することによって、主に、炭化水素と水蒸気とが反応して水素及び一酸化炭素が生成する水蒸気改質反応と、一酸化炭素と水蒸気とが反応して水素及び二酸化炭素が生成する変成反応とが行われる。
【００３８】
水蒸気改質反応の反応式は、次の式［３］に示す通りである。そして、この反応は吸熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ｎ＝１の場合、ΔＨ＝１８８．４ｋＪ／ｍｏｌである。
【００３９】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ → ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ２ ・・・［３］
変成反応は、次の式［４］に示す通りである。そして、この反応は発熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ΔＨ＝−５５．７０ｋＪ／ｍｏｌである。
【００４０】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ ・・・［４］
すなわち、上流側の触媒部（12）の内周面側で上記式［１］及び式［２］の各反応が起こって、炭化水素及び酸素から、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気がそれぞれ生成されるとともに、所定の熱量が発生する。そして、これら生成物と発生した熱とは、触媒部（12）内のガスの流通に伴って、下流側の触媒部（12）の外周面側へそれぞれ流れる。その後、この触媒部（12）の外周面側において、上記発生した熱を吸収して式［３］の反応が起こるとともに、式［４］の反応が起こる。この反応により、炭化水素、一酸化炭素及び水蒸気から、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素がそれぞれ生成され、水素リッチな改質ガスとして触媒部（12）の外周壁（19）面の貫通孔を介して導出路（15）へ排出される。
【００４１】
尚、上記各式［１］〜［４］は、左辺から右辺へ向かう正方向の反応だけでなく、反対に右辺から左辺へ向かう逆方向の反応も同時に起こっていると考えられるが、正方向の反応が多いため、結果として正方向の反応が起こっているとみなすことができる。
【００４２】
このようにして、触媒部（12）の内側の導入路（14）から外側の導出路（15）へ向かってガスが流通する。そして、その流通に伴って原料ガスが改質ガスに変化する。
【００４３】
そして、導出路（15）を流通した改質ガスは、第２通路（22）を流れる。この第２通路（22）において、改質ガスは、自己熱交換器（25）により上記第１通路（21）を流通する原料ガスとの間で熱交換をする。その後、改質ガスは、排出口（24）を介して排出され、上記図示省略の燃料電池の水素極へ供給される。一方、図示省略の燃料電池の酸素極には、別ルートで空気が供給されることにより、両電極間に起電力が発生する。
【００４４】
以上説明したように、この実施形態１によると、触媒部（12）を通過するガスが一方向でなく、触媒部（12）の内側の中空部（13）から外側へ向かって放射状に分散されるため、原料ガスから改質ガスへ充分に変化させるとともに、触媒部（12）のガス流れ方向の長さを短くすることができる。したがって、触媒部（12）を通過するガスの圧力損失を有効に低減させることができる。
【００４５】
また、図７に示す従来のように、触媒部（42）へのガス流入部が配管（41）の内壁面に接触した状態で該配管（41）内に充填されるものに比べて、触媒部（12）へのガス流入部がケーシング（11）の中心に設置されているため、上記式［１］及び式［２］による発熱反応で生じた熱が、改質装置（10）の外部へ放出されるのを効果的に抑制することができる。したがって、上流側の触媒部（12）の内周面側で発生した熱を、下流側の触媒部（12）の外周面側へ有効に伝えることが可能となり、上記式［３］及び式［４］の反応を充分に行うことができる。
【００４６】
ところで、内周壁（18）に貫通孔が均等に形成されている場合には、入口端（16）側から中空部（13）内に導入される原料ガスは、その流れに沿って閉鎖端部に突き当たってから周方向に拡がる傾向にある。これに対し、この実施形態では、内周壁（18）に形成されている貫通孔（20,20,…）は、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって小さくなるように形成されているため、原料ガスは、入口端（16）側で触媒部（12）を通過し易くなる一方、閉鎖端（17）側で触媒部（12）を通過し難くなる。その結果として、触媒部（12）の各部分において、原料ガスの通過速度を一様にすることが可能となる。
【００４７】
すなわち、上記図７に示す従来のものでは、配管の半径方向に温度差が生じやすくなって、配管の中央部分で反応が促進される一方、外側部分で反応が効率よく行われないという問題があるのに対し、この実施形態に係る改質装置では、原料ガスを触媒部（12）に一様に通過させることができ、この原料ガスを効率的に改質ガスに変化させることができる。
【００４８】
尚、この実施形態１では、触媒部（12）を円筒状のものとしたが、その他の断面形状を有する筒状のものとしてもよい。さらに、内部に中空部を有する例えば球状のものとしてもよい。
【００４９】
そして、この実施形態１では、触媒部（12）の内周壁（18）に、触媒部（12）の入口端（16）側から閉鎖端（17）側へ向かって小さくなる貫通孔を形成するようにしたが、内周壁（18）に、一定の大きさの貫通孔を等間隔で形成するようにしてもよい。しかしながら、原料ガスの触媒部（12）通過速度を一様にする観点から、上記実施形態のように貫通孔の大きさを変えることが望ましい。
【００５０】
また、原料ガスの通過速度が一様になるような他の構成としてもよい。例えば、図３に示すように、触媒部（12）の内壁（18）に、多数の貫通孔（30,30,…）を形成して網状に形成するとともに、その多数の貫通孔（30,30,…）の間隔が、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって大きくなるように形成するようにしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様に、触媒部（12）の各部分において、原料ガスの通過速度を一様にすることが可能となる。
【００５１】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２を示し（尚、以降の各実施形態において、図１及び図２と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する）、上記実施形態１における触媒部（12）内の導入路（14）に、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、この導入路（14）の断面積を変化させる流速制御手段を設けるようにしたものである。
【００５２】
すなわち、触媒部（12）の導入路（14）内に流速制御手段としての円錐状の整流部材（31）が配設されている。整流部材（31）の底部は、触媒部（12）の閉鎖端（17）側のケーシング（11）内壁面に固着して設けられており、その先端が入口端（16）側へ向かって延びている。言い換えれば、整流部材（31）は、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって外径が大きくなるような状態で配設されている。
【００５３】
また、この実施形態２では、触媒部（12）の内周壁（18）に、一定の大きさの貫通孔（図示省略）が等間隔で形成されている。すなわち、この実施形態２では、整流部材（31）によって、原料ガスの触媒部（12）の通過速度を制御するようにしている。
【００５４】
したがって、この実施形態２によると、整流部材（31）によって、原料ガスが入口端（16）側の触媒部（12）の内周壁（18）を通過しやすくなるように整流されるため、その結果として、触媒部（12）を通過するガスの流速を一様とすることが可能となる。すなわち、この円錐状の整流部材（31）という簡単な構成によって、原料ガスを、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に亘って一様に流通させることができ、触媒部（12）によって効率的に改質ガスへ変化させることができる。
【００５５】
尚、この実施形態２では、触媒部（12）の内周壁（18）に形成する貫通孔を、それぞれ同じ大きさであり且つ等間隔となるように設けたが、図２に示す上記実施形態１と同様に、等間隔に配列された貫通孔（20,20,…）の大きさを触媒部（12）の軸方向に変化させるようにして、この各貫通孔（20,20,…）と上記整流部材（31）との双方によって、原料ガスの触媒部（12）の通過速度を一様にするようにしてもよい。若しくは、図３に示すように、同じ大きさの貫通孔（30,30,…）の間隔を触媒部（12）の軸方向に変化させるようにしてもよい。
【００５６】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３を示し、上記実施形態１における触媒部（12）の形状を変更するようにしたものである。すなわち、同図に示すように、この実施形態３における触媒部（12）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、円錐台状に形成されている。
【００５７】
具体的に、触媒部（12）の底部は、触媒部（12）の閉鎖端（17）側のケーシング（11）内壁面に固着して設けられており、その先端が入口端（16）側へ向かって延びている。そして、触媒部（12）は、その外径及び内径が閉鎖端（17）から入口端（16）に向かってそれぞれ同様に、テーパ状に大きくなるように形成されている。
【００５８】
したがって、この実施形態３によると、触媒部（12）自体を円錐台状に形成して、導入路（14）の断面積を変化させることで、整流のための別部材を設けることなく、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるようにすることができる。すなわち、上記実施形態２と同様に、原料ガスを一様に触媒部（12）を通過させて、触媒部（12）により効率的に改質ガスへ変化させることができる。
【００５９】
（実施形態４）
図６は、本発明の実施形態４を示し、上記実施形態３における触媒部（12）の閉鎖端（17）の構成を変更するようにしたものである。
【００６０】
すなわち、同図に示すように、この実施形態４では、ケーシング（11）の底部は、外部へ向かって凸状となるように湾曲している。そして、触媒部（12）は、入口端（16）側で開口する一方、閉鎖端（17）側に球面状に形成された底部（35）を有しており、この底部（35）がケーシング（11）の底部内壁面に当接した状態で固着されることにより閉鎖されている。
【００６１】
この触媒部（12）の底部（35）の内壁（36）及び外壁（37）は、触媒部（12）の内周壁（18）及び外周壁（19）にそれぞれ連続一体に形成されており、その内周壁（18）及び外周壁（19）と同様に、貫通孔（図示省略）が形成されている。このようにしても、上記実施形態３と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、触媒部が、内部に中空部を有し、触媒部をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、中空部には原料ガスの導入路を形成する一方、触媒部の外側には改質ガスの導出路を形成することにより、原料ガスから改質ガスへ充分に変化するとともに、触媒部のガス流れ方向の長さを短くして、触媒部を通過するガスの圧力損失を有効に低減させることができる。また、上流側の発熱反応で生じた熱が外部へ放出するのを抑制して、下流側の吸熱反応を充分に行うことにより、原料ガスから改質ガスを効率よく生成することができる。さらに、原料ガスが流通する第１通路と改質ガスが流通する第２通路とを、触媒部の入口端側に並んで配置したので、原料ガスと改質ガスとの間で自己熱交換を容易に且つ効率よく行うことが可能となる。さらに、導入路に、原料ガスの触媒部の通過速度が一様になるように導入路の断面積を変化させる流速制御手段を設けることにより、原料ガスは、触媒部の入口端から閉鎖端に亘って一様に流通するため、この触媒部によって効率的に改質ガスへ変化させることができる。
【００６３】
第２の発明によると、触媒部の内壁を、多数の貫通孔が形成されて網状に形成し、この多数の貫通孔を、原料ガスの触媒部の通過速度が一様になるように、触媒部の入口端から閉鎖端に向かって小さくなるように形成する。また、第３の発明によると、多数の貫通孔の間隔を、原料ガスの触媒部の通過速度が一様になるように、触媒部の入口端から閉鎖端に向かって大きくなるように形成することにより、入口端から閉鎖端に向かって大きくなる中空部内の原料ガスの圧力に対して、原料ガスを、入口端側で触媒部を通過し易くする一方、閉鎖端側で通過し難くするように、貫通孔を形成したので、その結果として、原料ガスの触媒部の通過速度が一様とすることができる。
【００６４】
第５の発明によると、触媒部を、原料ガスの触媒部の通過速度が一様になるように、円錐台状に形成することにより、整流のための別部材を設けることなく、原料ガスの触媒部の通過速度を有効に一様にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に係る改質装置を示す断面図である。
【図２】 実施形態１の触媒部の内周壁を示す斜視図である。
【図３】 触媒部の内周壁を示す斜視図である。
【図４】 本発明の実施形態２に係る改質装置を示す図１相当図である。
【図５】 本発明の実施形態３に係る改質装置を示す図１相当図である。
【図６】 本発明の実施形態４に係る改質装置を示す図１相当図である。
【図７】 従来の改質装置を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
（10） 改質装置
（12） 触媒部
（13） 中空部
（14） 導入路
（15） 導出路
（16） 入口端
（17） 閉鎖端
（18） 内壁（内周壁）
（19） 外壁（外周壁）
（20） 貫通孔
（30） 貫通孔
（31） 整流部材（流速制御手段）
Claims (10)
- 炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（ 12 ）を有する改質装置であって、
上記触媒部（ 12 ）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（ 13 ）を有し、
上記触媒部（ 12 ）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（ 13 ）には原料ガスの導入路（ 14 ）が形成される一方、上記触媒部（ 12 ）の外側には改質ガスの導出路（ 15 ）が形成され、
上記触媒部（ 12 ）の筒状の一端は、導入路（ 14 ）の一端を開口する入口端（ 16 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の他端は、導入路（ 14 ）の他端を閉鎖する閉鎖端（ 17 ）に形成され、
上記触媒部（ 12 ）の内壁（ 18 ）及び外壁（ 19 ）は、網状部材で形成され、
上記触媒部（ 12 ）の入口端（ 16 ）側には、上記導入路（ 14 ）に連通する第１通路（ 21 ）と、上記導出路（ 15 ）に連通する第２通路（ 22 ）とが並んで配置され、
上記第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）には、該第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）の内部をそれぞれ流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（ 25 ）が配設され、
上記導入路（14）には、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように導入路（14）の断面積を変化させる流速制御手段（31）が設けられていることを特徴とする改質装置。 - 炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（ 12 ）を有する改質装置であって、
上記触媒部（ 12 ）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（ 13 ）を有し、
上記触媒部（ 12 ）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（ 13 ）には原料ガスの導入路（ 14 ）が形成される一方、上記触媒部（ 12 ）の外側には改質ガスの導出路（ 15 ）が形成され、
上記触媒部（ 12 ）の筒状の一端は、導入路（ 14 ）の一端を開口する入口端（ 16 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の他端は、導入路（ 14 ）の他端を閉鎖する閉鎖端（ 17 ）に形成され、
上記触媒部（ 12 ）の内壁（ 18 ）及び外壁（ 19 ）は、網状部材で形成され、
上記触媒部（ 12 ）の入口端（ 16 ）側には、上記導入路（ 14 ）に連通する第１通路（ 21 ）と、上記導出路（ 15 ）に連通する第２通路（ 22 ）とが並んで配置され、
上記第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）には、該第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）の内部をそれぞれ流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（ 25 ）が配設され、
上記触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（20）が形成されて網状に形成され、
上記多数の貫通孔（20）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって小さくなるように形成されていることを特徴とする改質装置。 - 炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（ 12 ）を有する改質装置であって、
上記触媒部（ 12 ）は、筒状に形成されると共に、内部に中空部（ 13 ）を有し、
上記触媒部（ 12 ）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（ 13 ）には原料ガスの導入路（ 14 ）が形成される一方、上記触媒部（ 12 ）の外側には改質ガスの導出路（ 15 ）が形成され、
上記触媒部（ 12 ）の筒状の一端は、導入路（ 14 ）の一端を開口する入口端（ 16 ）に形成され、上記触媒部（ 12 ）の筒状の他端は、導入路（ 14 ）の他端を閉鎖する閉鎖端（ 17 ）に形成され、
上記触媒部（ 12 ）の内壁（ 18 ）及び外壁（ 19 ）は、網状部材で形成され、
上記触媒部（ 12 ）の入口端（ 16 ）側には、上記導入路（ 14 ）に連通する第１通路（ 21 ）と、上記導出路（ 15 ）に連通する第２通路（ 22 ）とが並んで配置され、
上記第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）には、該第１通路（ 21 ）及び第２通路（ 22 ）の内部をそれぞれ流通するガス同士の間で熱交換するための自己熱交換器（ 25 ）が配設され、
上記触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（30）が形成されて網状に形成され、
上記多数の貫通孔（30）の間隔は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって大きくなるように形成されていることを特徴とする改質装置。 - 請求項１において、
上記流速制御手段は、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって外径が大きくなる円錐状の整流部材（31）であることを特徴とする改質装置。 - 請求項１において、
上記触媒部（12）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、円錐台状に形成されていることを特徴とする改質装置。 - 炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（12）を有する改質装置であって、
上記触媒部（12）は、内部に中空部（13）を有し、
上記触媒部（12）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（13）には原料ガスの導入路（14）が形成される一方、上記触媒部（12）の外側には改質ガスの導出路（15）が形成され、
上記触媒部（12）は、筒状に形成されており、
上記触媒部（12）の筒状の一端は、導入路（14）の一端を開口する入口端（16）に形成され、上記触媒部（12）の筒状の他端は、導入路（14）の他端を閉鎖する閉鎖端（17）に形成され、
上記触媒部（12）の内壁（18）及び外壁（19）は、網状部材で形成され、
上記導入路（14）には、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように導入路（14）の断面積を変化させる流速制御手段（31）が設けられていることを特徴とする改質装置。 - 炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（12）を有する改質装置であって、
上記触媒部（12）は、内部に中空部（13）を有し、
上記触媒部（12）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（13）には原料ガスの導入路（14）が形成される一方、上記触媒部（12）の外側には改質ガスの導出路（15）が形成され、
上記触媒部（12）は、筒状に形成されており、
上記触媒部（12）の筒状の一端は、導入路（14）の一端を開口する入口端（16）に形成され、上記触媒部（12）の筒状の他端は、導入路（14）の他端を閉鎖する閉鎖端（17）に形成され、
上記触媒部（12）の内壁（18）及び外壁（19）は、網状部材で形成され、
上記触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（20）が形成されることにより網状に形成され、
上記多数の貫通孔（20）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって小さくなるように形成されていることを特徴とする改質装置。 - 炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む改質ガスに変化させるための触媒部（12）を有する改質装置であって、
上記触媒部（12）は、内部に中空部（13）を有し、
上記触媒部（12）をガスが内側の側面から外側の側面に向かって通過するように、上記中空部（13）には原料ガスの導入路（14）が形成される一方、上記触媒部（12）の外側には改質ガスの導出路（15）が形成され、
上記触媒部（12）は、筒状に形成されており、
上記触媒部（12）の筒状の一端は、導入路（14）の一端を開口する入口端（16）に形成され、上記触媒部（12）の筒状の他端は、導入路（14）の他端を閉鎖する閉鎖端（17）に形成され、
上記触媒部（12）の内壁（18）及び外壁（19）は、網状部材で形成され、
上記触媒部（12）の内壁（18）は、多数の貫通孔（30）が形成されることにより網状に形成され、
上記多数の貫通孔（30）の間隔は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって大きくなるように形成されていることを特徴とする改質装置。 - 請求項６において、
上記流速制御手段は、触媒部（12）の入口端（16）から閉鎖端（17）に向かって外径が大きくなる円錐状の整流部材（31）であることを特徴とする改質装置。 - 請求項６において、
上記触媒部（12）は、原料ガスの触媒部（12）の通過速度が一様になるように、円錐台状に形成されていることを特徴とする改質装置。
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