JP5483788B1 - 燃料処理装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、燃料処理装置の小型化を図りつつ、改質された水素混合ガスおよび当該水素混合ガスを通す触媒の双方を冷却させる。本発明は、改質水を蒸発させる蒸発部と；処理対象のガスを触媒に通すとともに、前記蒸発部と仕切りを介して隣接して配置されている第１変成部と；ガスを改質部から第１変成部へ送るとともに蒸発部へ放熱可能に近接配置されるガス流路とを具備する。ガス流路は、第１変成部と蒸発部とが対向した箇所の一部の範囲にガスを通す中間流路を有し、中間流路の下流端と第１変成部の上流端とが連結している。

Description

本発明は、原料ガスから水素ガスを生成する燃料処理装置に関する。
以前より、炭化水素化合物を主成分とした原料ガスから水素ガスを生成して発電スタックへ供給する燃料処理装置が知られている。
一般に、燃料処理装置は、蒸発部、改質部、変成部および燃焼部を具備して構成される。蒸発部は、改質水を蒸発させて原料ガスと水蒸気とを混合させる。改質部は、水蒸気と混合した原料ガスを改質触媒に通して水素混合ガスへ改質する。変成部は、水素混合ガスを変成触媒に通して一酸化炭素を除去する。燃焼部は、改質部を反応に適した温度にするために改質部に熱を供給する。蒸発部では、燃焼部の排ガスの熱および変成部の反応熱が供給されて改質水を蒸発させるために利用される。
改質部での反応に適した温度（例えば６００℃）と比較して、変成部での反応に適した温度（例えば３００℃）は低いので、改質部から変成部へ送られる水素混合ガスを冷却する必要がある。従来の燃料処理装置においては、特許文献１、２に示されるように、改質された水素混合ガスを流す流路を、蒸発部と近接させることで、熱交換させて、変成部に供給される水素混合ガスを冷却させる構成が採用されることがある。これにより、変成部に供給される水素混合ガスを変成部での反応に適した温度にすることができる。
さらに、蒸発部と他の部材との配置関係を工夫することで、各構成部材の温度を好適化使用とする技術が提案されている。例えば、蒸発部と、改質ガス流路と、変成部との配置関係を特定の態様とすることで、蒸発部と改質ガス流路とで、変成部の温度制御を行う技術が提案されている（特許文献３および４を参照）。また、変成器と蒸発部とを、壁面を介して表裏に配置することで、変成器の温度を制御する技術が提案されている（特許文献５および６を参照）。さらに、水を蒸発させる予熱層とシフト層との間に、熱回収層を配置することで、予熱層の熱を熱回収層によって吸収する構成が提案されている（特許文献７および８を参照）。
特開２００９−２０９００６号公報 特開２０１１−２０７７２８号公報 特開２００４−１４９４０３号公報 米国特許公開第２００５−００２６０１１号 国際公開第２０１０−０８２５０７号 米国特許公開第２０１１−００１４５２８号 国際公開第２０００−０６３１１４号公報 米国特許公開第２００１−００２９７３５号
ところで、変成部における水素混合ガスの反応は発熱反応である。このため、変成部が適切に機能するには、上記従来の燃料処理装置のような改質部から変成部への水素混合ガスの流路に加え、変成触媒も蒸発部と近接させて冷却させる必要がある。しかしながら、この場合、上記水素混合ガスの流路および変成触媒の長さに応じて、蒸発部における原料ガスおよび水蒸気を流す流路を確保する必要があり、燃料処理装置が大型化してしまう。
本発明の目的は、燃料処理装置の小型化を図りつつ、改質された水素混合ガスおよび当該水素混合ガスを通す触媒の双方を冷却させることができる燃料処理装置を提供することである。
本発明の一態様に係る燃料処理装置は、改質水を蒸発させる蒸発部と、処理対象のガスを触媒に通すとともに、前記蒸発部と対向した箇所の一部を除いて前記蒸発部に接合された触媒反応部と、前記ガスを前段処理部から前記触媒反応部へ送るとともに前記蒸発部へ放熱可能に近接配置されるガス流路と、を具備する。前記ガス流路は、前記触媒反応部と前記蒸発部とが対向した前記箇所の一部の範囲に前記ガスを通す中間流路を有し、前記中間流路の下流端と前記触媒反応部の上流端とが連通している構成を採る。
このように、触媒反応部の熱は、蒸発部へ放熱可能に近接配置されていることが好ましい。よって、触媒反応部では発熱反応が生じるように構成されていると、その熱が蒸発部に供給されて、改質水の蒸発を促進することができる。発熱反応が生じる触媒反応部とは、変成部の他、選択酸化部などがありうる。
本発明によれば、燃料処理装置の小型化を図りつつ、改質された水素混合ガスおよび当該水素混合ガスを通す触媒の双方を冷却させることができる。
本発明の実施の形態の燃料処理装置の全体を示す縦断面図 実施の形態の燃料処理装置におけるガスの流れを説明する図 燃料処理装置の燃焼ユニットを示す縦断面図 燃料処理装置の改質ユニットを示す縦断面図 燃料処理装置の変成ユニットを示す縦断面図 燃料処理装置の脱硫ユニットを示す縦断面図 変成ユニットの構成部材を示す縦断面図 第１変成部におけるガスの流れを説明する図 変成ユニットの仕切り部材を示す斜視図 改質ユニットの外周部材の凹凸面を示す斜視図 変成ユニットの仕切り部材に形成される溝を説明する概略図 第１変成部周辺の部分断面を示す概略図 実施の形態の燃料処理装置の変形例における第１変成部を示す部分断面図 実施の形態の燃料処理装置の変形例における第１変成部を示す部分断面図
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態の燃料処理装置の全体を示す縦断面図、図２は、実施の形態の燃料処理装置におけるガスの流れを説明する図である。
本実施の形態の燃料処理装置は、例えば燃料電池を用いたコージェネレーションシステムにおいて、原料ガスから水素ガスを生成して発電スタックへ供給する装置である。
本実施の形態の燃料処理装置は、図１に示すように、燃焼部１０、脱硫部２０、蒸発部３０（図４参照）、改質部４０（前段処理部に相当）、第１変成部５０（触媒反応部に相当）、第２変成部６０、アンモニア分解部６５、選択酸化部７０等を備えている。
［各部の機能説明］
先ず、各部の機能について図１および図２を参照して説明する。
燃焼部１０は、装置の中央に配置され、バーナー１１により燃料ガスを燃焼させて改質部４０に熱を供給する。排ガスは、排出路１２を通って排出口ｅ２から排出される。
脱硫部２０は、都市ガスなどの原料ガスを脱硫触媒に通して、例えば水添脱硫方式によって原料ガスから硫黄成分を除去する。原料ガスは、導入口ｄ１から導入されて、脱硫部２０を通過した後、蒸発部３０へ圧送される。
蒸発部３０（図４参照）は、漏斗状の傾斜面に沿って回りながら中央に進む螺旋状の流路３１を有し、加熱された流路３１に原料ガスと改質水とを通して、原料ガスと水蒸気とを混合させる。蒸発部３０は、排ガスの排出路１２と近接しており、流路３１は排ガスの熱によって加熱される。原料ガスは、脱硫部２０から配管ｆ１を通して導入される。改質水は、導入口ｄ２から流入される。
改質部４０は、水蒸気と混合された原料ガスを改質触媒に通して水素混合ガスに改質させる。改質部４０は、例えば６００℃などの高温の状態で機能する。改質部４０の周囲および燃焼部１０の下方は、周囲への排熱を少なくするために、断熱材８０が設けられている。改質された水素混合ガスは、第１変成部５０へ送られる。
第１変成部５０は、水素混合ガスを第１の変成触媒に通して、水素混合ガスに含まれる一酸化炭素を除去する。第１変成部５０は、例えば３００℃など高温の状態で機能する。第１変成部５０における水素混合ガスの反応は発熱反応である。第１変成部５０は蒸発部３０に近接され、第１変成部５０で発生した熱は蒸発部３０に供給されて流路３１を加熱するのに利用される。第１変成部５０を通過した水素混合ガスは第２変成部６０へ送られる。
第２変成部６０は、水素混合ガスを第２の変成触媒に通して、水素混合ガスの一酸化炭素の濃度をさらに低下させる。第２変成部６０は、例えば２００℃など第１変成部５０よりも低い温度で機能する。第２変成部６０における水素混合ガスの反応は発熱反応である。第２変成部６０を通過した水素混合ガスはアンモニア分解部６５へ送られる。
アンモニア分解部６５は、水素混合ガスをＮＨ３分解触媒に通して、水素混合ガスに含まれるアンモニアを除去する。アンモニアが除去された水素混合ガスは、選択酸化部７０へ送られる。アンモニア分解部６５では、導入口ｄ３から空気が僅かに導入されて、触媒反応が行われる。
選択酸化部７０は、水素混合ガスを選択酸化触媒に通して水素混合ガスに含まれる一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ程度まで低下させる。このガスが発電スタックへ供給される水素ガスとなる。選択酸化部７０における水素混合ガスの反応は発熱反応である。選択酸化部７０は蒸発部３０に近接され、選択酸化部７０で発生した熱は蒸発部３０に供給されて流路３１を加熱するのに利用される。水素ガスは、送出口ｅ１から発電スタック側へ供給される。
［構造の概要］
次に、各部の構造の概要を説明する。
図３は、燃料処理装置の燃焼ユニットを示す縦断面図、図４は、燃料処理装置の改質ユニットを示す縦断面図、図５は、燃料処理装置の変成ユニットを示す縦断面図、図６は、燃料処理装置の脱硫ユニットを示す縦断面図である。
本実施の形態の燃料処理装置は、図３〜図６に示すように、製造過程において、複数のユニットに分けられ、各ユニットが溶接等により接合されて構成される。各ユニットには、燃料ユニット１０Ａ（図３）と、改質ユニット４０Ａ（図４）と、変成ユニット５０Ａ（図５）と、脱硫ユニット２０Ａ（図６）とが含まれる。
［燃焼ユニット］
図３に示すように、燃焼ユニット１０Ａは、バーナー１１と、バーナー１１による燃焼が行われる燃焼部１０と、排ガスの排出路１２の片側を仕切る壁体１３と、排出口ｅ２と排出路１２とを結ぶ配管ｆ２とを有する。
壁体１３は、バーナー１１および燃焼部１０を中心に、これらの周りを囲うように環状に形成されている。壁体１３は、燃焼部１０の周囲が円筒状に形成され、蒸発部３０と近接する部位が円錐台の傾斜面状に形成されている。
燃焼ユニット１０Ａは、例えば、外周部ｙ１が改質ユニット４０Ａの対応する箇所に溶接等により接合される。
［改質ユニット］
図４に示すように、改質ユニット４０Ａは、蒸発部３０および改質部４０を有するユニットである。改質ユニット４０Ａは、流路３１および改質部４０の空間を間隙により形成する内周部材３１０および外周部材３２０と、原料ガスおよび改質水を導入する配管ｆ３、ｆ４とが設けられている。
内周部材３１０は、燃焼ユニット１０Ａの四方を環状に囲い、且つ、燃焼ユニット１０Ａの下側（炎が当る側）が覆われた容器状に形成されている。外周部材３２０は、内周部材３１０と同心状かつ外側に配置され、内周部材３１０の四方を囲って上方と下方とが開口された環状に形成されている。
［変成ユニット］
図５に示すように、変成ユニット５０Ａは、第１変成部５０、第２変成部６０、アンモニア分解部６５、および、選択酸化部７０を有するユニットである。
変成ユニット５０Ａは、改質部４０から第１変成部５０へのガス流路の片側を覆う仕切り５２（仕切り部材）と、第１変成部５０の触媒容器およびこの周辺のガス流路を形成する第１構成部材５１とを備えている。
変成ユニット５０Ａの第１構成部材５１の詳細は後述する。
また、変成ユニット５０Ａは、第２変成部６０およびアンモニア分解部６５の触媒容器およびこの周辺のガス流路を形成する第２構成部材６１と、選択酸化部７０の触媒容器を形成する第３構成部材７１とを備えている。
仕切り５２は、改質部４０の四方を環状に囲うとともに、上方が開口され、下側が覆われた容器状に形成されている。仕切り５２には、詳細は後述するが、仕切り５２の内側（中央側）を伝って流れるガスを、仕切り５２の外側に配置された第１変成部５０の上流側へ送る複数の溝５３および複数の開口５３ａが形成されている。
第１〜第３構成部材５１、６１、７１は、各々が環状の構造であり、図５に示す断面がほぼ周方向に連なって形成され、且つ、各々が燃焼部１０を中心に同心状に配置されている。第２構成部材６１には、周方向の一部に空気を導入する配管ｆ６が接続され、第３構成部材７１には、周方向の一部に水素ガスを送出する配管ｆ５が接続されている。
変成ユニット５０Ａは、上端の外周部ｙ２が改質ユニット４０Ａの対応する箇所に溶接等により接合される。
［脱硫ユニット］
図６に示すように、脱硫ユニット２０Ａは、脱硫部２０と、原料ガスの導入流路２５とを有するユニットである。脱硫ユニット２０Ａにおいて、脱硫部２０の触媒容器２１およびこの周辺のガス流路２２〜２４は、図６の断面がほぼ周方向に連なった環状に形成されている。ガス流路２４の周方向の一部には、脱硫後のガスを送出する配管ｆ１が接続されている。
また、脱硫ユニット２０Ａにおいて、中央の底側には、間隙によって導入流路２５を形成する二枚の底板２５ａ、２５ｂが設けられている。この底板２５ａ、２５ｂは、脱硫部２０の流路２３を構成する部材と一体の部材により構成される。導入流路２５は、二重の底板２５ａ、２５ｂの間で平面状に広がる流路であり、中央に配管ｆ７が接続されている。
脱硫ユニット２０Ａは、断熱材８０を挟んで変成ユニット５０Ａの間隙部に嵌入および固定される。
［変成ユニットの詳細構造］
続いて、変成ユニット５０Ａの第１構成部材５１の詳細を説明する。
図７は、各ユニットが接合されて構成された燃料処理装置における、第１変成部５０周辺の部分拡大図であり、図８は、改質部４０から送られる水素混合ガスの流れを説明する図である。図９は、仕切り５２の一部破断斜視図である。
第１構成部材５１は、ガス流路５０２（中間流路に相当）および触媒の収容空間（収容容器。触媒収容筐体に相当）の片面を仕切る仕切り５２、触媒の収容容器の各面をそれぞれ仕切る壁体５４、壁体５５、上蓋５６および下蓋５７と、第１の変成触媒とを備えている。
仕切り５２は、金属のプレス加工により一体成型されてなる。仕切り５２は、一端側が開口し他端側が塞がれた容器状の部材であり、開口側から、傾斜部５２１、内筒部５２２、および、底部５２３が連なって形成されている（図９参照）。
傾斜部５２１は、開口側から他端側へ進むに従って径が小さくなる円錐台の傾斜面状に形成されている。内筒部５２２は、開口側から底側にかけて径が略一定の円筒形状に形成されている。底部５２３は、内筒部５２２の底側を塞いでいる。傾斜部５２１、内筒部５２２、および、底部５２３は、ほぼ軸対象（軸を中心とした回転対称）の形状であり、互いの中心軸が一直線に重なるように形成されている。
傾斜部５２１は、開口側から、漏斗状に傾斜した第１の傾斜部５２１ａおよび第２の傾斜部５２１ｂが連なって形成されている。第１の傾斜部５２１ａには、他の面よりも放射方向に張り出した管状の溝５３が形成されている。改質部４０から第１変成部５０への水素混合ガスのガス流路５０１，５０２は、改質ユニット４０Ａの外周部材３２０と仕切り５２との間隙により形成される。
ここで、図１０は、改質ユニット４０Ａの外周部材３２０（図４）を示す斜視図である。図１１は、第１の傾斜部５２１ａにおいて、溝５３を含む面を仕切り５２の内側（つまり、外周部材３２０側）から見た部分概略図である。
外周部材３２０は、一方の開口側から他方の開口側にかけて傾斜部３２１および外筒部３２２が連なって形成されている。傾斜部３２１は、漏斗状に傾斜した傾斜面に対して凹凸面が形成された構成である。傾斜部３２１の凹凸面は、凹状溝Ｖ１が螺旋状に連なるように形成されている。凹状溝Ｖ１は、傾斜部３２１の周縁側から中央へ回りながら進む螺旋状の溝であり、螺旋の中心軸と、傾斜部３２１および外筒部３２２の中心軸とがほぼ重なるように設けられている。凹状溝Ｖ１は、傾斜部３２１の開口側から外筒部３２２の手前まで連なるように形成されている。外周部材３２０は、金属のプレス加工により一体成型されてなる。
一方、仕切り５２の第１の傾斜部５２１ａには、放射方向（つまり、外周部材３２０と反対方向）に張り出した管状の溝５３が第１の傾斜部５２１ａの上下方向に形成されている。仕切り５２は、外周部材３２０（改質ユニット４０Ａ）と同心状かつ外側に重ねられる。具体的には、傾斜部３２１の凹凸面と第１の傾斜部５２１ａとを密着させた状態で、例えば凹状溝Ｖ１に沿ってロウ付けすることにより仕切り５２と外周部材３２０とが接合される。つまり、第１変成部５０の収容容器は、ガス流路５０２の部位を除いて、蒸発部３０の流路に沿って蒸発部３０に接合されている。
ガス流路５０１は、内筒部５２２および第２の傾斜部５２１ｂと、外周部材３２０（改質ユニット４０Ａ）との間隙によって環状に形成される。ガス流路５０２は、第１の傾斜部５２１ａに形成された管状の溝５３と、蒸発部３０の傾斜部３２１の凹凸面とに囲まれた空間により形成される。また、ガス流路５０２は、第１の変成触媒の収容容器に近接し、改質部４０からの水素混合ガスを収容容器の一方側（下側）から他方側（上側）に流す。
なお、図９に示すように、ガス流路５０２は、第１変成部５０の周方向に対してほぼ等間隔に複数設けられてもよい。例えば、ガス流路５０２が円周方向に６０°間隔で等間隔に配置される場合、仕切り５２には溝５３は６個形成される。傾斜部５２１ａに形成される溝５３の個数（つまり、流路５０２の個数）は、６個に限定されない。
壁体５４および壁体５５の各々は、金属のプレス加工により一体成型されてなる。
上蓋５６は、内周部が仕切り５２に嵌合し、外周部が壁体５４の内側に嵌合する大きさの環状の蓋である。上蓋５７は、内周部が壁体５５に嵌合し、外周部が壁体５４の内側に嵌合する大きさの環状の蓋である。上蓋５６および下蓋５７は、触媒を通さず、ガスを貫通させる網目が形成されている。
ガス流路５０３（空気室に相当）は、仕切り５２と壁体５４と上蓋５６とに囲まれた環状の空間によって形成される。ガス流路５０３は、ガス流路５０２の下流口（開口５３ａ）と、第１の変成触媒の収容空間の上流口とを連通している。また、ガス流路５０３は、開口５３ａから送られる水素混合ガスを拡散して、第１変成部５０へ供給することが好ましい。すなわち、ガス流路５０３は、管状のガス流路５０２を通って送られる水素混合ガスを、環状の第１変成部５０の導入口（上蓋５６）全体に拡散して供給する。つまり、ガス流路５０３は、ガス流路５０２と変成部５０の収容容器との間に、ガス流路を広げるために形成されている。
第１の変成触媒の収容空間は、仕切り５２と、壁体５４と、壁体５５とに囲まれた環状の空間によって形成される。第１の変成触媒の収容空間には、ガス流路５０３に送られた水素混合ガスが、上側から下側に向かって供給される。
以上より、図８に示すように、改質部４０から送られる水素混合ガスは、ガス流路５０１に到達すると、まず、ガス流路５０２を通って、開口５３ａからガス流路５０３に送出される。次いで、ガス流路５０３に到達した水素混合ガスは、上蓋５６を介して、第１の変成触媒に通される。つまり、第１変成部５０では、改質部４０からの水素混合ガスは、ガス流路５０２を通って、第１の変成触媒の収容容器の一方側（傾斜部５２１の下側）から他方側（傾斜部５２１の上側）に一旦流され、上記他方側から一方側に向かって第１の変成触媒の収容容器に供給される。つまり、第１変成部５０は、折り返し構造を有する。
よって、改質部４０から第１変成部５０（つまり、ガス流路５０２の上流付近）に到達した時点では水素混合ガスが十分に冷却されていない場合（例えば４５０℃）でも、当該水素混合ガスは、ガス流路５０２を通って第１の変成触媒の収容容器を一旦通過することで、折り返して第１の変成触媒を通過する際には適温（例えば３００℃）まで冷却される。
図１２は、第１変成部５０周辺の溝５３が伸びる方向に垂直な断面の概略図である。
仕切り５２を形成する第１の傾斜部５２１ａと蒸発部３０の傾斜部３２１の凹凸面とが接合される。これにより、ガス流路５０２が形成される。また、第１の傾斜部５２１ａは、第１の変成触媒の収容容器の片側を仕切る面の一部である。よって、図１２に示すように、ガス流路５０２および第１の変成触媒の収容容器の双方とも蒸発部３０に近接して配置されている。
以上のように、実施の形態の燃料処理装置によれば、改質水を蒸発させる蒸発部３０と、第１変成部５０は、水素混合ガス（処理対象のガス）を触媒に通すとともに蒸発部３０へ放熱可能に近接配置され、ガス流路５０２は、水素混合ガスを改質部４０から第１変成部５０へ送るとともに蒸発部３０へ放熱可能に近接配置される。つまり、第１変成部５０が具備するガス流路５０２および第１の変成触媒の収容容器の双方とも、蒸発部３０に対して仕切り５２を介して隣接して配置されている。換言すると、ガス流路５０２は、第１の変成触媒の収容容器を形成する面（傾斜部５２１）の一部である溝５３を用いて形成される。よって、ガス流路５０２を通る改質部４０からの水素混合ガスを、蒸発部３０との熱交換により冷却することができるとともに、第１の変成触媒も蒸発部３０との熱交換により冷却することができる。つまり、改質部４０からの水素混合ガスと第１の変成触媒とを同時に冷却することができる。また、水素混合ガスおよび第１の変成触媒は、主に蒸発部３０との熱交換により冷却されるので、放熱による冷却と比較して、燃料処理装置の効率を向上させることができる。
さらに、実施の形態の燃料処理装置によれば、第１変成部５０は、改質部４０からの水素混合ガスを第１の変成触媒の収容容器の一方側から他方側に沿って形成されるガス流路５０２を一旦通し、その後、水素混合ガスを上記他方側から一方側に向かって第１の変成触媒の収容容器へ供給する。つまり、ガス流路５０２は、第１変成部５０における改質部４０から遠い側までガスを送り、第１変成部５０は、改質部４０に対して遠い側より近い側へガスを折り返して流す。このように、第１変成部５０を折り返し構造とすることにより、ガス流路５０２および第１の変成触媒の収容容器の双方を蒸発部３０に接触させるために、蒸発部３０の螺旋状の流路３１の全長が長くなってしまうこと（つまり、蒸発部３０の最外径が大きくなってしまうこと）を防ぐことができる。また、第１の変成触媒の収容容器に近接するガス流路５０２で水素混合ガスを冷却できる分だけ、改質部４０から第１の変成部５０の入り口（ガス流路５０２での水素混合ガスを冷却の上流口）までの長さを短くすることができる。これにより、燃料処理装置の小型化を図ることが可能となる。
以上より、本実施の形態によれば、燃料処理装置の小型化を図りつつ、改質された水素混合ガスおよび当該水素混合ガスを通す触媒の双方を冷却させることができる。
また、第１変成部５０を折り返し構造とすることにより、図８に示すように、ガス流路５０２における水素混合ガスの流れ方向と、第１の変成触媒を通過する水素混合ガスの流れ方向とは反転する。ここで、ガス流路５０２を通る水素混合ガスは、上流（傾斜部５２１の下側）ほど高温であり、下流（傾斜部５２１の上側）ほど冷却により低温となる。一方、第１の変成触媒は、水素混合ガスの導入口である傾斜部５２１の上側ほど発熱反応が激しいため高温となり、水素混合ガスの出口である傾斜部５２１の下側ほど発熱反応が緩やかであるため低温となる。
つまり、傾斜部５２１の下側では、ガス流路５０２を通る水素混合ガスが高温であり、第１の変成触媒が低温であるのに対して、傾斜部５２１の上側では、ガス流路５０２を通る水素混合ガスが低温であり、第１の変成触媒が高温である。よって、第１変成部５０を折り返し構造とすることにより、第１変成部５０の傾斜部５２１の上下方向における温度分布を均一にすることができる。換言すると、第１の変成触媒の一部の温度が極端に高くなってしまうことを防ぐことができる。これにより、例えば、蒸発部３０との熱交換による冷却により第１の変成触媒の温度分布を反応に適した温度（例えば３００℃）に保ち、焼結（sintering）によって第１の変成触媒の一部の活性が低下してしまうことを防止することができる。
また、第１変成部５０を折り返し構造とすることにより、第１変成部５０における水素混合ガスの流れを変更することができる。または、第１変成部５０における水素混合ガスの導入口（例えばガス流路５０２の上流付近）と送出口（例えば下蓋５７付近）とを近くに設けることができる。これにより、燃料処理装置の設計時における各構成部の配置の自由度を向上させることができる。
さらに、実施の形態の燃料処理装置では、ガス流路５０２は、第１変成部５０の収容容器の蒸発部３０側の面にプレス加工により形成される。つまり、蒸発部３０の螺旋状の流路３１を形成する凹凸面と接合される傾斜部５２１（第１の傾斜部５２１ａ）には、蒸発部３０と反対方向に張り出された溝５３が形成される。また、傾斜部５２１を有する仕切り５２および凹凸面を有する外周部材３２０の各々は金属のプレス加工により一体成型されてなる。よって、溝５３と凹凸面とに囲まれた空間によって形成されるガス流路５０２の形状および位置は、仕切り５２および外周部材３２０のプレス加工によって高精度に成型できる。
また、第１の変成触媒の収容容器の形状および位置についても、仕切り５２のプレス加工によって高精度に成型できる。これにより、例えば、第１の変成触媒が収容容器に隙間無く充填されることで、水素混合ガスが第１の変成触媒と反応せずに通過（ショートカット）してしまうことを防ぐことができ、高い性能の燃料処理装置を簡易に提供することができる。
さらに、実施の形態の燃料処理装置によれば、第１の傾斜部５２１ａにおいてガス流路５０２は複数個形成される。これにより、各ガス流路５０２での水素混合ガスの流量を制御することにより、水素混合ガスの冷却量を容易に制御することが可能となる。
［燃料処理装置の変形例］
本実施の形態では、蒸発部が漏斗状の傾斜面を有する場合について説明した。これに対して、変形例では、蒸発部が筒状の面を有する場合について説明する。
図１３および図１４は、変形例に係る蒸発部３０’、第１変成部５０’および周辺のガス流路を示す。図１３は、蒸発部３０’および第１変成部５０’の横断面図であり、図１４は、図１３のＡ−Ａ線断面図である。また、図１４に示す破線矢印は、水素混合ガスの流れを示す。
なお、燃料処理装置の他の構成部（燃焼部１０、改質部４０など）の構成については、本実施の形態（図１）または従来の燃料処理装置と同様の構成でもよい（図示せず）。
蒸発部３０’を構成する部材は、内周部材３３０（内筒に相当）、外周部材３４０（外筒に相当）、および、内側が内周部材３３０に接合され、外側が外周部材３４０に接合され、環状の面に沿って周りながら進む螺旋状の部材３５０を含む。蒸発部３０’の流路は、内周部材３３０と外周部材３４０と螺旋状の部材３５０とに囲まれた空間により螺旋状に形成される。
第１変成部５０’を構成する部材は、内周部材５１０、外周部材５２０、上蓋５３０、下蓋５４０、壁体５５０（図１３では図示せず）を含む。内周部材５１０には、放射方向（つまり、外周部材３４０と反対方向）に張り出した管状の溝５１０ａが形成されている。改質部４０から第１変成部５０’への水素混合ガスのガス流路５０２は、外周部材３４０と内周部材５１０との間隙により形成される。
ガス流路５０３は、内周部材５１０と外周部材５２０と上蓋５３０と壁体５５０とに囲まれた環状の空間によって形成される。ガス流路５０３は、ガス流路５０２の下流口と、第１の変成触媒の収容空間とを結び、ガス流路５０２から送られる水素混合ガスを拡散して、収容空間へ供給する。
なお、上蓋５３０および下蓋５４０は、触媒を通さず、ガスを貫通させる網目が形成されている。
この変形例によれば、実施の形態と同様、改質部４０から第１変成部５０’への水素混合ガスのガス流路５０２、および、第１の変成触媒の収容容器の双方は、蒸発部３０’に近接して配置される。よって、ガス流路５０２を通る水素混合ガスおよび第１の変成触媒の双方を同時に冷却することができる。また、実施の形態と同様、第１変成部５０’は、改質部４０からの水素混合ガスを第１の変成触媒の収容容器の一方側から他方側に沿って形成されるガス流路５０２を一旦通し、その後、水素混合ガスを上記他方側から一方側に向かって第１の変成触媒の収容容器へ供給する。このように第１変成部５０’を折り返し構造とすることで、冷却のために蒸発部３０’の螺旋状の流路の全長が長くなってしまうことを防ぐことができ、変形例の燃料処理装置の小型化を図ることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明した。
なお、上記実施の形態では、第１変成部５０が折り返し構造となる場合について説明した。しかし、折り返し構造を有する触媒部は、第１変成部５０に限らない。例えば、図１に示す燃料処理装置において、第１変成部５０の代わりに、選択酸化部７０（触媒反応部に相当）を折り返し構造としてもよい。この場合、第２変成部６０（前段処理部に相当）から送られる水素混合ガスは、傾斜部５２１の下側から上側に沿う管状のガス流路を一旦通り、傾斜部５２１の上側から下側に向かって選択酸化部７０の選択酸化触媒を通過する。ここで、ガス流路および選択酸化触媒の収容容器は、図Ｄと同様、蒸発部３０と近接して配置される。これにより、第２変成部６０からの水素混合ガスおよび選択酸化触媒の双方を同時に冷却することができる。
また、上記実施の形態では、蒸発部３０は、燃焼部１０の排ガスの排出路１２と、第１変成部５０および選択酸化部７０とが近接されて熱交換する構成を例にとって説明したが、蒸発部３０に熱を加える構成としては、他の構成が採用されてもよい。
また、上記実施の形態では、変成部を二段構成とし、脱硫部２０およびアンモニア分解部６５を備えた構成を例にとって説明したが、変成部は一段構成としてもよく、また、脱硫部２０およびアンモニア分解部６５は省略される場合もある。
本発明は、発電スタックに水素ガスを供給する燃料処理装置に適用できる。
１０ 燃焼部
３０、３０’ 蒸発部
３１、５０１、５０２、５０３ ガス流路
４０ 改質部
５０、５０’ 第１変成部
５２ 仕切り
５３、５１０ａ 溝
６０ 第２変成部
７０ 選択酸化部
３１０、３３０、５１０ 内周部材
３２０、３４０、５２０ 外周部材
３２１、５２１ 傾斜部
Ｖ１ 凹状溝

Claims (8)

  1. 改質水を蒸発させる蒸発部と、
    処理対象のガスを触媒に通すとともに、前記蒸発部と対向した箇所の一部を除いて前記蒸発部に接合された触媒反応部と、
    前記ガスを前段処理部から前記触媒反応部へ送るとともに前記蒸発部へ放熱可能に近接配置されるガス流路と、
    を具備し、
    前記ガス流路は、
    前記触媒反応部と前記蒸発部とが対向した前記箇所の一部の範囲に前記ガスを通す中間流路を有し、
    前記中間流路の下流端と、前記触媒反応部の上流端とが連通している、
    燃料処理装置。
  2. 前記中間流路は、前記触媒反応部における前記前段処理部から遠い側まで前記ガスを送り、
    前記触媒反応部は、前記前段処理部に対して遠い側より近い側へガスを折り返して流す、
    請求項１記載の燃料処理装置。
  3. 前記前段処理部は、前記ガスを改質触媒に通して改質する改質部であり、
    前記触媒反応部は、改質されたガスを変成触媒に通して変成させる変成部である、
    請求項１記載の燃料処理装置。
  4. 前記前段処理部は、前記ガスを変成触媒に通して変成する変成部であり、
    前記触媒反応部は、変成されたガスを選択酸化触媒に通して選択酸化させる選択酸化部である、
    請求項１記載の燃料処理装置。
  5. 前記蒸発部、前記触媒反応部および前記前段処理部は、互いに同心状に配置された環状の構成であり、
    前記ガス流路の前記中間流路は、複数あり、前記触媒反応部の周方向に対してほぼ等間隔に設けられている、
    請求項１記載の燃料処理装置。
  6. 前記蒸発部は、漏斗状の傾斜面に沿って回りながら中央に進む流路を有し、前記流路に前記改質水および原料ガスを流す構成であり、
    前記中間流路は、前記触媒反応部の触媒収容筐体の前記蒸発部側の面にプレス加工により形成され、
    前記触媒反応部の触媒収容筐体は、前記中間流路の部位を除いて、前記蒸発部の前記流路に沿って前記蒸発部に接合されている、
    請求項１記載の燃料処理装置。
  7. 前記蒸発部は、同心状に配置された外筒と内筒との間で螺旋状に進む流路を有し、前記流路に前記改質水および原料ガスを流す構成であり、
    前記触媒反応部は、前記蒸発部の外周面を囲う環状の構成である、
    請求項１記載の燃料処理装置。
  8. 前記中間流路と前記触媒反応部の触媒充填空間との間には、ガス流路を広げるための空気室が形成されている、
    請求項１記載の燃料処理装置。
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