WO2006100908A1 - 燃料改質装置 - Google Patents

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WO2006100908A1
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fuel
reformer
reforming
superheater
fuel reformer
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Takashi Arai
Hikaru Okada
Mitsuru Ikeo
Takeshi Yamagami
Nobuyoshi Yoshida
Noriyuki Mizojiri
Satoshi Hanai
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Honda Motor Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel reformer that generates hydrogen-rich fuel gas by reforming a reforming fuel.
  • a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas) is supplied as a fuel gas.
  • a hydrogen-containing gas generally, a reforming raw material gas obtained from hydrocarbon fuel such as fossil fuel such as methanol and LNG is obtained, and steam reforming, partial oxidation reforming, autothermal, etc. Reformed gas generated by reforming is used.
  • the evaporator 1 is provided with an evaporative heat exchanger 4 having a heat exchanger that evaporates the water passing through the combustion exhaust gas, which is a heat exchange gas, to generate water vapor.
  • the evaporative heat exchanger 4 includes a plurality of pipes 5 arranged in parallel to each other, and an inlet manifold 6 and an outlet manifold 7 in which the upstream end and the downstream end of the pipe 5 are opened.
  • the inlet mould 6 is provided with a fibrous protrusion preventing member 8.
  • the evaporator 1, the heat exchanger 2 and the reformer 3 are arranged in the flow direction of steam (arrow X direction).
  • the heat exchanger 2 and the reformer 3 are connected by piping, although not shown. Therefore, since a plurality of pipes are used, the entire reformer becomes large. In addition, heat dissipation from the piping is likely to occur, resulting in a heat dissipation loss and a decrease in thermal efficiency.
  • the evaporator 1 pure water flows along the plurality of pipes 5 in the arrow X direction, while the combustion exhaust gas is supplied in the arrow Y direction orthogonal to the arrow X direction. At that time, in order to reliably evaporate the pure water passing through the pipe 5 and generate water vapor, the pure water is burned and discharged. The gas power also needs to give a predetermined amount of heat. Therefore, in order to secure a heat exchange time between the pure water and the combustion exhaust gas, the pipe 5 must be considerably elongated in the direction of the arrow X. As a result, the evaporator 1 is considerably increased in size in the direction of arrow X, and the entire reformer cannot be reduced in size.
  • the present invention solves this type of problem, and it is possible to reduce the number of pipes as much as possible, to improve the thermal efficiency, and to make a fuel reforming device simple and compact.
  • the purpose is to provide.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel reformer that can efficiently and efficiently exchange heat between a reforming fuel and a heating fluid and that can be configured simply and compactly.
  • the present invention is a fuel reformer that generates hydrogen-rich fuel gas by reforming a reforming fuel, and the fuel reformer uses the reforming fuel as a heating fluid.
  • An evaporator that evaporates by heat exchange, an overheater that raises the temperature of the evaporated reforming fuel to a temperature required for the reforming reaction, and reforming the reformed fuel that has been raised in temperature
  • a reformer that generates gas.
  • An evaporator is disposed surrounding the superheater, and the superheater and the reformer are connected in series with each other.
  • the superheater, the evaporator, and the reformer do not need to be connected by piping, and the piping can be favorably reduced (or shortened).
  • the heat radiation from the piping is reduced, the thermal efficiency is improved, and the entire fuel reformer can be configured simply and compactly.
  • FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel reformer according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a flow state in the fuel reformer.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of an evaporator constituting the fuel reformer.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional explanatory view of the evaporator.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the evaporator.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of a superheater constituting the fuel reformer.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of a reformer constituting the fuel reformer.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a flow state in the fuel reformer according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a partial cross-sectional explanatory view of an evaporator constituting the fuel reformer.
  • FIG. 11 is a partially omitted perspective view of the evaporator.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of an evaporator that constitutes a fuel reformer according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional explanatory view of an evaporator constituting a fuel reformer according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic explanatory diagram of a conventional reforming apparatus.
  • FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel reformer 10 according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a flow state in the fuel reformer 10. .
  • the fuel reformer 10 generates a hydrogen-rich fuel gas by reforming a reforming fuel containing a hydrocarbon such as methane, alcohol, or the like, for example, and the fuel gas, for example, Supply to a fuel cell (not shown).
  • a reforming fuel containing a hydrocarbon such as methane, alcohol, or the like
  • the fuel gas for example, Supply to a fuel cell (not shown).
  • the fuel reformer 10 includes an evaporator 12 that evaporates the reforming fuel, a superheater 14 that raises the temperature of the evaporated reforming fuel to a temperature required for the reforming reaction, and a temperature rise
  • a reformer 16 for reforming the reforming fuel to generate a reformed gas, and a preheater 18 for preheating a heating fluid for evaporating the reforming fuel in the evaporator 12 are provided.
  • the evaporator 12 surrounds the superheater 14 and is arranged concentrically, and the superheater 14 and the reformer 16 are connected to each other coaxially and in series.
  • the preheater 18 is coaxially and serially connected to the superheater 14 on the side opposite to the reformer 16.
  • the evaporator 12 includes a bending tube member 20 and an inner cylinder member disposed on both sides of the bending tube member 20 and concentrically with the bending tube member 20. (Evaporator inner cylinder) 22 and outer cylinder member 24.
  • the curved tube member 20 is configured as a fixed end that fixes one end (lower end) in the axial direction (arrow A direction) to the first separator 26 and has an open cross section that has the other end (upper end) in the axial direction as a free end.
  • a plurality of arcuate tubes 28a, 28b are provided. [0015] As shown in Figs.
  • a plurality of, for example, four arcuate tubes 28a are provided on the same circumference, spaced apart at equal angular intervals, and the four arcuate shapes in the first row are arranged.
  • a plurality of, for example, four arcuate tubes 28b are provided concentrically and spaced apart at equal angular intervals on the same circumference.
  • the first row of arcuate tubes 28a and the second row of arcuate tubes 28b are provided with phases shifted from each other.
  • a first passage 30 is formed in each arcuate tube 28a, 28b to allow the combustion gas, which is a heated fluid, to flow therethrough, and between the inner cylinder member 22, the outer cylinder member 24, and each arcuate tube 28a, 28b.
  • the second passage 32 through which the raw fuel that is the reforming fuel is circulated is formed.
  • a curved combustion catalyst 34 is disposed in the curved tube member 20.
  • the curved combustion catalyst 34 has a circular arc shape in cross section, one end in the axial direction is a fixed end fixed to the second separator 36, and a plurality and two rows of catalyst outer cylinders in which the other end in the axial direction is a free end. 38a and 38b are provided.
  • the catalyst outer cylinder 38a in the first row is arranged one by one in the arcuate tube 28a in the first row, and the catalyst outer cylinder 38b in the second row is placed in the arcuate tube 28b in the second row. It is continuously arranged.
  • the catalyst outer cylinders 38a are spaced apart at equal angular intervals, and the catalyst outer cylinders 38b are similarly spaced apart at predetermined angular intervals.
  • the catalyst outer cylinders 38a and 38b accommodate flat metal cams 40a and 40b carrying a combustion catalyst.
  • the first separator 26 is fixed to the lower end portion of the outer cylinder member 24, and the second separator 36 is disposed outside the outer cylinder member 24.
  • the first and second separators 26 and 36 are separated by a predetermined distance, and an off-gas fluid path 44 is formed.
  • the off-gas fluid path 44 communicates with the passages 46a and 46b formed between the first separator 26 and the catalyst outer cylinders 38a and 38b, and passes between the casing 42 and the outer cylinder member 24.
  • the exhaust port 48 formed in the upper end edge of the casing 42 communicates with the outside.
  • the upper end portion of the outer cylinder member 24 is fixed to the upper end portion of the casing 42, and the lid member 50 is attached to the upper end portions of the arcuate tubes 28a and 28b.
  • a chamber 52 is formed between the upper ends of the arcuate tubes 28a and 28b and the upper ends of the catalyst outer cylinders 38a and 38b. The heated fluid is folded back in the chamber 52 and sent to the first passage 30.
  • a ring member 54 is attached to the upper end portion of the casing 42.
  • a reforming fuel supply pipe 56 such as methane and an air supply pipe 58 are attached to the ring member 54.
  • a water supply pipe 60 is disposed in the ring member 54, and an end 60a of the water supply pipe 60 penetrates the ring member 54 and is exposed to the outside.
  • the water supply pipe 60 is formed in a ring shape, and water can be supplied in a shower shape by providing a plurality of holes (not shown) on the lower side.
  • a donut-shaped lid 62 is fixed to the upper part of the ring member 54. When methane and air are mixed in advance and supplied from the fuel supply pipe 56, the air supply pipe 58 can be dispensed with.
  • the superheater 14 includes an outer cylinder (superheater outer cylinder) 64, and the outer cylinder 64 is fixed to the inner cylinder member 22 of the evaporator 12.
  • the outer cylinder 64 is configured to be longer in the direction of the arrow A than the inner cylinder member 22, and a plurality of lower end edges that are located below the lower portion of the inner cylinder member 22 and communicate with the second passage 32.
  • Raw fuel inlets 66 are formed at, for example, four locations.
  • the raw fuel inlet 66 has a slit shape or a porous shape extending in the circumferential direction.
  • a third separator 68 is fixed to the lower end portion of the outer cylinder 64.
  • the substantially disc-shaped third separator 68 is formed with a plurality of holes 70, and one end of a pipe 72 is welded or brazed to the holes 70. Fixed.
  • a plurality of partition plates 74 are fixed to the pipe body 72 at predetermined height positions by press-fitting, brazing, or the like.
  • the partition plate 74 is formed with a plurality of holes 76 for inserting the respective pipes 72, and is also formed with notches 78 at different positions.
  • an overheating passage 82 is formed which is meandered by the outer peripheral portions of the plurality of pipe bodies 72 and the cutout portions 78 of the plurality of partition plates 74 (see FIG. 2).
  • a passage 84 is formed for flowing the reformed gas (hydrogen-rich gas) heated after reforming from above to below.
  • a fourth separator 88 is fixed to the upper side of the pipe body 72 via a distribution plate 86.
  • the distribution plate 86 is formed with a hole 90 through which the pipe 72 is inserted, and a distribution opening (reforming fuel outlet) 92 is provided at the center.
  • the fourth separator 88 is formed with a hole 94 through which the tubular body 72 is inserted.
  • the reformer 16 includes an outer cylinder 96 and an inner cylinder 98, and the outer cylinder 96 and the inner cylinder 98 communicate with an opening 92.
  • a raw fuel passage 100 is formed. Outside
  • a closed chamber 102 is formed in the upper part of the cylinder 96, and a plurality of raw fuels introduced into the chamber 102 from the raw fuel passage 100 are disposed in the inner cylinder 98 from the reforming fuel introduction part 105. Is supplied to the rectifier plate 104.
  • a cover member 111 is disposed so as to surround the outer cylinder 96, and a heat insulating layer 11 la is formed in the cover member 111.
  • Each rectifying plate 104 is formed with a plurality of holes 106 and has a rectifying function for raw fuel. Below the rectifying plate 104, a hard cam-shaped catalyst portion 108 carrying a reforming catalyst such as Pd, Pt, Rh or the like is disposed. A fourth separator 88 is fixed to the catalyst portion 108, and a chamber 110 communicating with the passage 84 of each pipe 72 is formed in the fourth separator 88.
  • the preheater 18 is connected to the lower end portion of the evaporator 12 via a connecting member 112.
  • the connecting member 112 forms a substantially ring-shaped chamber 114, and a ring-shaped plate member 116 is disposed on the upper side of the chamber 114, and a plurality of holes 118 are formed in the plate member 116. Is done.
  • the plate member 116 is opposed to the second separator 36 of the evaporator 12 and forms a chamber 120 between the plate member 116 and the second separator 36.
  • the chamber 114 is connected to the catalyst outer cylinder 38a via the hole 118 and the chamber 120. , Communicate with 38b.
  • the connecting member 112 is provided with a passage 122 that communicates with the chamber 114, and the passage 122 communicates with the outer cylinder member 124 that constitutes the preheater 18. Similar to the superheater 14, a plurality of tubes 126 and a plurality of partition plates 128 are disposed in the outer cylinder member 124.
  • the pipe body 126 extends in the direction of the arrow A, and a partition plate 128 provided with alternating cutout portions 130 is fixed to the pipe body 126 at a predetermined height position.
  • a passage 1 32 is provided for allowing the reformed gas that has passed through the superheater 14 to flow vertically downward, while heating is performed via the outer peripheral surface of the pipe body 126 and the partition plates 128.
  • a preheating passage 134 is provided to guide the fluid in a vertically upward direction in a meandering manner.
  • a supply port 136 for supplying a heating fluid is provided at the outer peripheral lower end edge of the outer cylinder member 124.
  • a fin member 142 is inserted as a heat transfer suppression medium (heat transfer suppression structure).
  • a heat insulating space layer may be formed.
  • the heat transfer promoting fin member 140 is inserted.
  • the fin member 140 is formed in a wave shape, but is preferably configured to be shorter than the length of the arcuate tubes 28a and 28b in the direction of arrow A, which may be linear.
  • a CO transformer (not shown) may be interposed.
  • a selective oxidation removal device (PROX) for removing carbon monoxide remaining in the hydrogen-rich gas may be provided downstream of the preheater 18!
  • an off-gas force from which a fuel cell force (not shown) is discharged is supplied to the preheater 18 from the supply port 136 of the preheater 18 as a heated fluid.
  • the heating fluid meanders through a preheating passage 134 formed between the notch 130 of each partition plate 128 and the outer periphery of the plurality of tubes 126. While moving vertically upward.
  • the passage 126 of the pipe 126 passes through the hydrogen-rich reformed gas force superheater 14 generated by reforming as described later, and is supplied after being cooled to about 300 ° C., for example. Yes.
  • the heated fluid is heated by exchanging heat with the reformed gas, and then introduced into the chamber 114 from the passage 122 of the connecting member 112.
  • a plate member 116 is disposed above the chamber 114, and the preheated heated fluid is introduced into the chamber 120 through a plurality of holes 118 formed in the plate member 116,
  • the catalyst outer cylinders 38a and 38b communicating with the chamber 120 move vertically upward along the methalno and the two cams 40a and 40b. Accordingly, the heated fluid is burned through the combustion catalyst carried on the metal hammer cams 40a and 40b, and combustion gas is obtained.
  • the combustion gas is produced by the upper ends of the catalyst outer cylinders 38a, 38b and the arc-shaped pipe 28a,
  • reforming fuel containing methane or the like is supplied to the fuel supply pipe 56, and air is supplied to the air supply pipe 58. Further, water is supplied to the water supply pipe 60 and mixed in the reforming fuel air and the water queuing member 54 to obtain raw fuel.
  • the raw fuel flows vertically downward along the second passage 32 formed between the inner cylinder member 22, the outer cylinder member 24, and the arcuate tubes 28a and 28b, and passes through the first passage 30. With flowing combustion gas Heat exchange takes place between them. As a result, the raw fuel is introduced into the outer cylinder 64 from the raw fuel inlet 66 formed in the lower part of the outer cylinder 64 constituting the superheater 14 after being vaporized.
  • the vaporized raw fuel passes through the notch portions 78 provided in the plurality of partition plates 74 and the overheating passage 82 formed between the plurality of pipe bodies 72. Move vertically up through.
  • the reformed gas at a high temperature around 650 ° C.
  • the vaporized raw fuel that moves in the overheating passage 82 is heated by the reformed gas that moves along the passage 84, and is heated to, for example, around 550 ° C. Supplied from 92 to reformer 16.
  • the vaporized and heated raw fuel is introduced into the chamber 102 through the raw fuel passage 100, and then directed downward from the reforming fuel introduction unit 105. Move.
  • the reformer 16 has a plurality of rectifying plates 104 arranged in multiple stages, and the raw fuel rectified by the rectifying plates 104 is reformed by the catalyst unit 108 to obtain a reformed gas.
  • a reformed gas containing carbon and hydrogen is generated, and this reformed gas is supplied from the chamber 110 to the passages 84 of the plurality of pipe bodies 72.
  • the high-temperature (around 650 ° C) reformed gas supplied to the passage 84 heats the raw fuel moving along the superheating passage 82 while moving vertically downward, and then the preheater. 18 is supplied to a passage 132 in a pipe body 126 constituting 18. This reformed gas is supplied to an unillustrated fuel cell or the like after preheating the heated fluid moving along the preheating passage 134 by moving the passage 132 vertically downward.
  • an evaporator 12 that evaporates the raw fuel (reforming fuel), and a superheater 14 that raises the temperature of the evaporated raw fuel to a temperature required for the reforming reaction.
  • the evaporator 12 is disposed concentrically around the superheater 14. Specifically, as shown in FIG. 2, an inner cylinder member 22 constituting the evaporator 12 and an outer cylinder 64 constituting the superheater 14 are fixed, and the lower end edge of the outer cylinder 64 is Second passage of the evaporator 12 A raw fuel inlet 66 is formed to communicate 32 and the superheating passage 82 in the superheater 14.
  • the superheater 14 and the evaporator 12 can favorably reduce the number of pipes that do not need to be connected by pipes. As a result, no heat is radiated from the piping, so that the thermal efficiency can be improved and a simple and compact configuration can be achieved.
  • a heat transfer suppression structure (fin member 142 or heat insulating space layer) is provided between the inner cylinder member 22 of the evaporator 12 and the outer cylinder 64 of the superheater 14. ing. For this reason, heat transfer from the superheater 14 to the evaporator 12 is suppressed, and the heat exchange efficiency can be easily improved.
  • the first and second passages 30 and 32 extending in the axial direction (arrow A direction) are formed in the evaporator 12, and the combustion gas and raw fuel flow in the arrow A direction. Heat exchange is taking place. Therefore, the outer periphery of the superheater 14 is covered with the first and second passages 30 and 32, and heat dissipation from the outer periphery of the superheater 14 to the outside can be satisfactorily prevented, and the heat exchange efficiency is further improved. To do.
  • a superheater 14 that raises the temperature of the raw fuel (reforming fuel) evaporated by the evaporator 12, and a reformer 16 that reforms the heated raw fuel are connected to each other in the same axis and in series (see Fig. 2).
  • the distribution plate 86 constituting the superheater 14 has an opening 92 as an outlet for reforming fuel gas for supplying raw fuel, which is a reformed fuel whose temperature has been raised, to the reformer 16.
  • the opening 92 is directly connected to the raw fuel passage 100 provided in the reformer 16.
  • the raw fuel derived from the superheater 14 is supplied directly from the opening 92 to the raw fuel passage 100 and then supplied from the reforming fuel introduction unit 105 to the rectifying plate 104.
  • piping for connecting the superheater 14 and the reformer 16 is not required, the piping can be reduced favorably, heat is not generated from the piping, and thermal efficiency is improved. It becomes possible to construct a simple and compact.
  • a chamber 110 is formed on the reformed gas outlet side of the reformer 16 via a fourth separator 88, and a plurality of pipe bodies constituting the superheater 14 are formed in the chamber 110. 72 is fixed. Therefore, the reformed gas generated by the reformer 16 passes through the passage 84 in the pipe body 72. As a result, heat is exchanged immediately with the raw fuel flowing in the superheating passage 82. As a result, the high-temperature reformed gas can be used as an overheating source for overheating the raw fuel, and the thermal efficiency can be easily improved.
  • a cover member 111 is disposed so as to cover the outer cylinder 96, and a heat insulating layer 11 la is formed in the cover member 111. For this reason, the raw fuel flowing in the raw fuel passage 100 formed between the outer cylinder 96 and the inner cylinder 98 can effectively prevent the temperature decrease, and the reforming process by the reformer 16 can be prevented. Performed efficiently and reliably.
  • the evaporator 12 includes a plurality of arcuate tubes 28a and 28b each having an arcuate cross section of an opening that is arranged in two rows on concentric circles.
  • the catalyst outer cylinders 38a and 38b each having an arcuate cross-section with an opening cross section that accommodates the metal nozzle-cams 40a and 40b are disposed in the 8a and 28b.
  • a first passage 30 that extends around the catalyst outer cylinders 38a and 38b and extends in the direction of the arrow A is formed in each of the arcuate tubes 28a and 28b, and the inner cylinder member 22 and the outer cylinder member 24
  • a second path 32 extending in the direction of arrow A is formed between the arcuate tubes 28a and 28b.
  • the raw fuel mixed with reforming fuel, air, and water moves vertically downward along the second passage 32, and heat exchange is performed between the combustion gas and the raw fuel! /
  • the combustion gas which is the heating fluid
  • the raw fuel exchange heat while moving in the same direction, so that efficient heat exchange is performed and the dimension in the direction of arrow A is effectively set. It becomes possible to shorten the length.
  • the evaporator 12 has the effect of improving the heat exchange efficiency and enabling a simple and compact configuration.
  • the curved tube member 20 has a plurality of arcuate tubes 28a, 28b arranged in two rows on a concentric circle, and the arcuate tubes 28a, 28b each have a catalyst composing the curved combustion catalyst 34.
  • Outer cylinders 38a and 38b are provided. Therefore, a large number (that is, long) first and second passages 30 and 32 can be provided between the outer cylinder member 24 and the inner cylinder member 22, and the heat of the raw fuel and the combustion gas can be provided. There is an advantage that the exchange efficiency is effectively improved.
  • the curved combustion catalyst 34 includes flat-type metal nozzle-cams 40a and 40b. to this As a result, the in-plane temperature distribution in the metal nozzle-cams 40a and 40b can be made uniform, the performance of the catalyst can be maintained, and the temperature control of the catalyst can be easily performed. Furthermore, a fin member 140 for promoting heat transfer is disposed between the arcuate tubes 28a and 28b, and the heat exchange efficiency between the raw fuel and the combustion gas is further improved.
  • the arcuate tubes 28a and 28b constitute a fixed end fixed to the first separator 26 whose one axial end is open, and the other axial end constitutes a free end.
  • the arcuate tubes 28a and 28b are not restricted from extending or contracting in the axial direction, so that thermal stress in the flow direction (axial direction) due to the temperature difference between the operation and the stop is generated. I can stop. Therefore, the arcuate tubes 28a and 28b are improved in durability and can be easily reduced in thickness, and the entire evaporator 12 can be reduced in weight and size.
  • the superheater 14 and the reformer 16 are coaxially connected to each other in series, and the preheater 18 is connected to the superheater 14 and the reformer 16. Coaxially and in series on the opposite side.
  • the piping connecting the reformer 16, the superheater 14, and the preheater 18 can be reduced at a stroke, and the entire fuel reformer 10 can be reduced in size, and heat dissipation from the piping can be suppressed to reduce thermal efficiency. Can be improved. With less starting energy, the fuel reformer 10 can be started well and energy saving can be ensured.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a flow state of the fuel reformer 150 according to the second embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the fuel reformer 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, detailed descriptions of the third and fourth embodiments described below are omitted.
  • the cylindrical tube member 154 constituting the evaporator 152 includes an outer cylindrical tube 156 and an inner cylindrical tube 158 that have an opening cross-sectional ring shape and are arranged in two rows on a concentric circle.
  • the outer cylindrical tube 156 is configured by fixing the upper ends of the two cylindrical plates 156a and 156b
  • the inner cylindrical tube 158 is configured by fixing the upper ends of the two cylindrical plates 158a and 158b.
  • the outer cylindrical tube 156 and the inner cylindrical tube 158 are each provided with a chamber 52 in the upper part thereof.
  • the lower end portion of the cylindrical plate 156a constituting the outer cylindrical tube 156 is fixed to the outer cylinder member 24, and constitutes the cylindrical plate 156b constituting the outer cylindrical tube 156 and the inner cylindrical tube 158.
  • the lower end portions of the cylindrical plate 158a are fixed.
  • a lower end portion of the cylindrical plate 158b constituting the inner cylindrical tube 158 is fixed to a lower end portion of the outer cylinder 64 constituting the superheater 14 so as to be located below the raw fuel inlet 66.
  • water mainly consists of the outer cylindrical tube 156 and the inner side. It falls vertically downward along the second passage 32 formed between the cylindrical tube 158 and the outer cylindrical member 24 (see FIGS. 10 and 11). At that time, in the curved combustion catalyst 34, the heated fluid is burned to generate combustion gas, and this fuel gas moves vertically downward along the first passage 30.
  • the raw fuel and the combustion gas can flow along the axial direction of the cylindrical tube member 154, and the raw fuel flows back and forth in the passage 32.
  • the heat exchange can be performed dramatically more efficiently, and the effect than the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of an evaporator 170 constituting the fuel reformer according to the third embodiment of the present invention.
  • the evaporator 170 includes a curved tube member 172, and the curved tube member 172 includes a plurality of circular tubes 174a, 174b, and 174c each having an arcuate cross section.
  • the arcuate tubes 174a to 174c are arranged out of phase with each other, whereby a second passage 32 is formed in each arcuate tube 174a to 174c so as to meander.
  • catalyst outer cylinders 178a to 178c constituting the curved combustion catalyst 176 are accommodated. Catalyst outer cylinder 1 to 78a to 178c.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a schematic configuration of an evaporator 190 that constitutes the fuel reformer according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the curved combustion catalyst 192 constituting the evaporator 190 accommodates the first combustion catalyst layer 194a and the second combustion catalyst layer 194b in the catalyst outer cylinders 38a, 38b along the flow direction of the heating fluid.
  • a hard cam carrying a Pt-based catalyst having excellent low temperature ignitability is disposed, while on the upper parts of the catalyst outer cylinders 38a and 38b, In particular, a nozzle-cam carrying a PdZPt alloy with excellent methane purification performance is installed.
  • the low-temperature ignitability is improved by the first combustion catalyst layer 194a provided on the upstream side of the curved combustion catalyst 192. Even if the CH in the heated fluid flows without being burned by the second combustion catalyst layer 194b arranged on the downstream side,
  • CH is purified by the second combustion catalyst layer 194b. As a result, CH is mixed in the combustion gas.
  • the evaporators 152, 170, and 190 are disposed concentrically with the superheater 14 so as to surround the superheater 14. For this reason, the effects similar to those of the first embodiment described above, such as reducing the number of pipes favorably, preventing heat radiation from the pipes, improving the heat exchange efficiency, and being simple and compact, can be achieved. Is obtained.

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Abstract

　燃料改質装置（１０）は、改質用燃料である原燃料を蒸発させる蒸発器（１２）と、蒸発した前記原燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器（１４）と、昇温した前記原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器（１６）と、前記蒸発器（１２）で前記原燃料を蒸発させるための加熱流体を予熱する予熱器（１８）とを備える。蒸発器（１２）は、過熱器（１４）を囲繞して同心円上に配設される。

Description

明 細 書
燃料改質装置
技術分野
[0001] 本発明は、改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃 料改質装置に関する。
背景技術
[0002] 例えば、燃料電池では、燃料ガスとして主に水素を含有するガス（以下、水素含有 ガスともいう）が供給されている。この水素含有ガスとしては、一般的に、メタノールや LNG等の化石燃料等の炭化水素燃料力ゝら改質原料ガスを得、この改質原料ガスに 水蒸気改質ゃ部分酸化改質、オートサーマル改質等を施して生成される改質ガスが 用いられている。
[0003] 例えば、特開 2003— 192304号公報に開示されている改質装置では、図 14に示 すように、蒸発器 1に供給された純水が燃焼排気ガスを介して蒸発された後、水蒸気 が熱交翻2を通って改質器 3に供給されるように構成されている。蒸発器 1は、熱交 換用ガスである燃焼排気ガスにより通過する水を蒸発させて水蒸気を生成する熱交 換部を備えた蒸発熱交翻 4を設けている。蒸発熱交翻 4は、互いに平行に配設 される複数の配管 5と、前記配管 5の上流端及び下流端が開口する入口マ二ホール ド 6及び出口マ-ホールド 7とを備えている。この入口マ-ホールド 6には、繊維状の 突出防止部材 8が配設されている。
[0004] ところで、上記の改質装置では、蒸発器 1、熱交換器 2及び改質器 3が水蒸気の流 れ方向 (矢印 X方向）に配列されており、実際上、前記蒸発器 1と前記熱交翻 2と前 記改質器 3とは、図示していないが、配管により繋がっている。従って、複数の配管が 使用されるため、改質装置全体が大型化する。しかも、配管からの放熱が発生し易く 、放熱ロスが惹起して熱効率が低下する。
[0005] また、上記の蒸発器 1では、純水が複数の配管 5に沿って矢印 X方向に流れる一方 、燃焼排気ガスは、矢印 X方向に直交する矢印 Y方向に供給されている。その際、配 管 5を通る純水を確実に蒸発させて水蒸気を生成するためには、前記純水に燃焼排 気ガス力も所定の熱量を与える必要がある。従って、純水と燃焼排気ガスとの熱交換 時間を確保するために、前記配管 5を矢印 X方向に相当に長尺化しなければならな い。これにより、蒸発器 1は、矢印 X方向に相当に大型化し、改質装置全体の小型化 が図ることができない。
発明の開示
[0006] 本発明はこの種の問題を解決するものであり、配管を可及的に削減することができ 、熱効率の向上を図るとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能な燃料改 質装置を提供することを目的とする。
[0007] また、本発明は、改質用燃料と加熱流体との効率的な熱交換を行うとともに、簡単 且つコンパクトに構成することが可能な燃料改質装置を提供することを目的とする。
[0008] 本発明は、改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃 料改質装置であり、この燃料改質装置は、前記改質用燃料を加熱流体との熱交換に より蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記改質用燃料を、改質反応に必要な温度まで 昇温させる過熱器と、昇温した前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質 器とを備える。過熱器を囲繞して蒸発器が配設されるとともに、前記過熱器と改質器 とは、互いに直列に連結される。
[0009] 本発明によれば、過熱器、蒸発器及び改質器は、配管により連結する必要がなぐ 前記配管を良好に削減 (又は短尺化)することができる。これにより、配管からの放熱 が低減され、熱効率の向上を図るとともに、燃料改質装置全体を簡単且つコンパクト に構成することが可能になる。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1]本発明の第 1の実施形態に係る燃料改質装置の概略斜視説明図である。
[図 2]前記燃料改質装置内の流れ状態を示す断面図である。
[図 3]前記燃料改質装置を構成する蒸発器の分解斜視説明図である。
圆 4]前記蒸発器の一部省略斜視説明図である。
[図 5]前記蒸発器の一部断面説明図である。
[図 6]前記蒸発器の横断面図である。
[図 7]前記燃料改質装置を構成する過熱器の分解斜視図である。 [図 8]前記燃料改質装置を構成する改質器の分解斜視図である。
[図 9]本発明の第 2の実施形態に係る燃料改質装置内の流れ状態を示す断面図で ある。
[図 10]前記燃料改質装置を構成する蒸発器の一部断面説明図である。
[図 11]前記蒸発器の一部省略斜視図である。
[図 12]本発明の第 3の実施形態に係る燃料改質装置を構成する蒸発器の横断面図 である。
[図 13]本発明の第 4の実施形態に係る燃料改質装置を構成する蒸発器の断面説明 図である。
[図 14]従来技術の改質装置の概略説明図である。
発明を実施するための最良の形態
[0011] 図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る燃料改質装置 10の概略斜視説明図であり 、図 2は、前記燃料改質装置 10内の流れ状態を示す断面図である。
[0012] 燃料改質装置 10は、例えば、メタン等の炭化水素やアルコール等を含む改質用燃 料を改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成して、前記燃料ガスを、例えば、 燃料電池 (図示せず)に供給する。
[0013] 燃料改質装置 10は、改質用燃料を蒸発させる蒸発器 12と、蒸発した前記改質用 燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器 14と、昇温した前記改質用 燃料を改質して改質ガスを生成する改質器 16と、前記蒸発器 12で前記改質用燃料 を蒸発させるための加熱流体を予熱する予熱器 18とを備える。蒸発器 12は、過熱器 14を囲繞して同心円上に配設されるとともに、前記過熱器 14と改質器 16とは、互い に同軸且つ直列に連結される。予熱器 18は、過熱器 14に改質器 16とは反対側に 同軸且つ直列に連結される。
[0014] 図 3〜図 5に示すように、蒸発器 12は、湾曲管部材 20と、前記湾曲管部材 20の両 側に且つ前記湾曲管部材 20と同心円状に配設される内筒部材 (蒸発器内筒） 22及 び外筒部材 24とを有する。湾曲管部材 20は、軸方向（矢印 A方向）一端 (下端)を第 1セパレータ 26に固定する固定端として構成されるとともに、軸方向他端 (上端)を自 由端として構成される開口断面円弧状の複数の円弧状管 28a、 28bを備える。 [0015] 図 3及び図 6に示すように、複数、例えば、 4つの円弧状管 28aが同一円周上に等 角度間隔ずつ離間して併設されるとともに、この 1列目の 4つの円弧状管 28aの外周 には、同心円状に複数、例えば、 4つの円弧状管 28bが同一円周上に等角度間隔 ずつ離間して設けられる。 1列目の円弧状管 28aと 2列目の円弧状管 28bとは、互い に位相をずらして設けられる。各円弧状管 28a、 28b内には、加熱流体である燃焼ガ スを流通させる第 1通路 30が形成されるとともに、内筒部材 22、外筒部材 24及び各 円弧状管 28a、 28bの間には、改質用燃料である原燃料を流通させる第 2通路 32が 形成される。
[0016] 湾曲管部材 20内には、湾曲燃焼触媒 34が配設される。湾曲燃焼触媒 34は、断面 円弧状を有し、軸方向一端が第 2セパレータ 36に固定された固定端とするとともに、 軸方向他端が自由端に構成される複数且つ 2列の触媒外筒 38a、 38bを設ける。 1 列目の触媒外筒 38aは、 1列目の円弧状管 28a内に 1つずっ配設されるとともに、 2 列目の触媒外筒 38bは、 2列目の円弧状管 28b内に 2つずっ配設される。
[0017] 各触媒外筒 38a同士は、等角度間隔ずつ離間して配設されるとともに、各触媒外 筒 38b同士は、同様に所定角度間隔ずつ離間して配設される。触媒外筒 38a、 38b には、燃焼触媒を担持した偏平型メタルノヽ-カム 40a、 40bが収容される。
[0018] 図 2及び図 5に示すように、第 1セパレータ 26は、外筒部材 24の下端部に固着され るとともに、第 2セパレータ 36は、前記外筒部材 24の外方に配置される略円筒状の ケーシング 42の下端に固着される。第 1及び第 2セパレータ 26、 36は、所定距離離 間しており、オフガス流体経路 44が形成される。このオフガス流体経路 44は、第 1セ パレータ 26と触媒外筒 38a、 38bとの間に形成される通路 46a、 46bに連通するとと もに、ケーシング 42と外筒部材 24との間を通って前記ケーシング 42の上端縁部に 形成される排気口 48から外部に連通する。
[0019] 図 5に示すように、外筒部材 24の上端部は、ケーシング 42の上端部に固着される とともに、円弧状管 28a、 28bの上端部に蓋部材 50が装着される。円弧状管 28a、 2 8bの上端と触媒外筒 38a、 38bの上端との間には、室 52が形成され、後述するよう に、メタルノヽ-カム 40a、 40bを上方に向力つて流動した加熱流体が前記室 52で折り 返して第 1通路 30に送られる。 [0020] 図 2及び図 3に示すように、ケーシング 42の上端部には、リング部材 54が取り付け られる。このリング部材 54には、メタン等の改質用燃料供給管 56と空気供給管 58と が取り付けられる。このリング部材 54内に給水管 60が配設されており、この給水管 6 0の端部 60aは、前記リング部材 54を貫通して外部に露呈する。給水管 60は、リング 状に成形されており、下部側に複数の孔部（図示せず)を設けてシャワー状に給水す ることができる。リング部材 54の上部には、ドーナツ状の蓋体 62が固定される。なお、 メタンと空気とを予め混合して燃料供給管 56から供給する場合には、空気供給管 58 を不要にすることができる。
[0021] 図 2及び図 7に示すように、過熱器 14は、外筒 (過熱器外筒） 64を備え、この外筒 6 4は、蒸発器 12の内筒部材 22に固定される。外筒 64は、内筒部材 22よりも矢印 A方 向に長尺に構成され、下端縁部には、前記内筒部材 22の下部から下方に位置して 第 2通路 32に連通する複数の原燃料入口 66が、例えば、 4箇所に形成される。この 原燃料入口 66は、周方向に延在するスリット状又は多孔状を有している。外筒 64の 下端部に第 3セパレータ 68が固定される。
[0022] 図 7に示すように、略円板状の第 3セパレータ 68には、複数の孔部 70が形成され、 前記孔部 70には、管体 72の一端が溶接やろう付け等により固定される。管体 72に は、複数の仕切り板 74が圧入やろう付け等によりそれぞれ所定の高さ位置に固定さ れる。仕切り板 74には、各管体 72を挿入するための複数の孔部 76が形成されるとと もに、それぞれ交互に異なる位置に切り欠き部 78が形成される。
[0023] 外筒 64内には、複数の管体 72の外周部と複数の仕切り板 74の切り欠き部 78とに よって蛇行する過熱用通路 82が形成される（図 2参照)。各管体 72内には、改質後 に加熱された改質ガス (水素リッチガス）を上方から下方に向力つて流すための通路 84が形成される。管体 72の上部側には、分配板 86を介して第 4セパレータ 88が固 着される。分配板 86には、管体 72を挿通するための孔部 90が形成されるとともに、 中央部に分配用の開口部（改質用燃料の出口） 92が設けられる。第 4セパレータ 88 には、管体 72を挿通するための孔部 94が形成される。
[0024] 図 2及び図 8に示すように、改質器 16は、外筒 96と内筒 98とを備え、前記外筒 96 と前記内筒 98との間には、開口部 92に連通する原燃料通路 100が形成される。外 筒 96の上部には、閉塞された室 102が形成され、原燃料通路 100からこの室 102に 導入された原燃料は、改質用燃料導入部 105から内筒 98内に配設される複数の整 流板 104に供給される。外筒 96を囲ってカバー部材 111が配設され、このカバー部 材 111内に断熱層 11 laが形成される。
[0025] 各整流板 104には、複数の孔部 106が形成され、原燃料の整流機能を有する。整 流板 104の下方には、 Pd、 Pt、 Rh等の改質用触媒を担持したハ-カム状の触媒部 108が配設される。この触媒部 108に第 4セパレータ 88が固定されるとともに、前記 第 4セパレータ 88内には、各管体 72の通路 84に連通する室 110が形成される。
[0026] 図 2及び図 5に示すように、予熱器 18は、連結部材 112を介して蒸発器 12の下端 部に連結される。連結部材 112は、略リング状の室 114を形成しており、この室 114 の上部側には、リング状の板部材 116が配設され、前記板部材 116に複数の孔部 1 18が形成される。板部材 116は、蒸発器 12の第 2セパレータ 36に対向してこの第 2 セパレータ 36との間に室 120を形成し、室 114は、孔部 118及び前記室 120を介し て触媒外筒 38a、 38b内に連通する。
[0027] 図 2に示すように、連結部材 112には、室 114に連通する通路 122が設けられ、こ の通路 122は、予熱器 18を構成する外筒部材 124内に連通する。外筒部材 124内 には、過熱器 14と同様に、複数の管体 126と複数の仕切り板 128とが配設される。管 体 126は、矢印 A方向に延在するとともに、前記管体 126の所定の高さ位置には、交 互に切り欠き部 130が設けられる仕切り板 128が固着される。
[0028] 管体 126内には、過熱器 14を通過した改質ガスを鉛直下方向に流すための通路 1 32が設けられる一方、前記管体 126の外周面及び各仕切り板 128を介し加熱流体 を蛇行するようにして鉛直上方向に導く予熱用通路 134が設けられる。外筒部材 12 4の外周下端縁部には、加熱流体を供給するための供給口 136が設けられる。
[0029] 図 2に示すように、蒸発器 12を構成する内筒部材 22と過熱器 14を構成する外筒 6 4との間には、この蒸発器 12への伝熱を抑制するために伝熱抑制媒体 (伝熱抑制構 造）として、例えば、フィン部材 142が挿入される。なお、フィン部材 142に代えて、例 えば、断熱空間層を形成してもよい。
[0030] なお、燃料改質装置 10では、蒸発器 12を構成する円弧状管 28a、 28b間には、例 えば、図 6に示すように、伝熱促進用フィン部材 140が挿入される。このフィン部材 14 0は、波状に形成しているが、直線状であってもよぐ円弧状管 28a、 28bの矢印 A方 向の長さよりも短尺に構成されることが好ましい。
[0031] また、過熱器 14と予熱器 18とは直結されている力 この過熱器 14とこの予熱器 18 との間には、水素リッチガス中の二酸ィ匕炭素を水素に転ィ匕する CO変成器（図示せず )を介装してもよい。さらに、予熱器 18の下流側に水素リッチガス中に残存する一酸 化炭素を除去する選択酸化除去装置 (PROX)を設けてもよ!ヽ。
[0032] このように構成される燃料改質装置 10の動作について、以下に説明する。
[0033] 例えば、図示しない燃料電池力も排出されるオフガス力 加熱流体として予熱器 18 の供給口 136からこの予熱器 18に供給される。予熱器 18では、図 2に示すように、 加熱流体は、各仕切り板 128の切り欠き部 130と複数の管体 126の外周との間に形 成される予熱用通路 134を通って蛇行しながら鉛直上方向に移動する。一方、管体 126の通路 132には、後述するように改質によって生成された水素リッチな改質ガス 力 過熱器 14を通過して、例えば、 300°C前後に冷却された後に供給されている。
[0034] このため、加熱流体は、改質ガスとの間で熱交換を行って昇温された後、連結部材 112の通路 122から室 114に導入される。この室 114の上部には、板部材 116が配 設されており、予熱された加熱流体は、前記板部材 116に形成される複数の孔部 11 8からー且室 120に導入された後、前記室 120に連通する触媒外筒 38a、 38b内のメ タルノ、二カム 40a、 40bに沿って鉛直上方向に移動する。従って、加熱流体は、メタ ルハ-カム 40a、 40bに担持された燃焼触媒を介して燃焼し、燃焼ガスが得られる。
[0035] この燃焼ガスは、図 5に示すように、触媒外筒 38a、 38bの上端部と円弧状管 28a、
28bの閉塞された上端部との間に形成された室 52に導入された後、鉛直下方向に 折り返して第 1通路 30を鉛直下方向に移動する。一方、燃料供給管 56には、例えば 、メタン等を含む改質用燃料が供給されるとともに、空気供給管 58には、空気が供給 される。さらに、給水管 60に水が供給され、改質用燃料空気及び水カ^ング部材 54 内で混在して原燃料が得られる。
[0036] この原燃料は、内筒部材 22、外筒部材 24及び円弧状管 28a、 28bの間に形成さ れた第 2通路 32に沿って鉛直下方向に流動し、第 1通路 30を流動する燃焼ガスとの 間で熱交換が行われる。これにより、原燃料は、気化した後に過熱器 14を構成する 外筒 64の下部に形成された原燃料入口 66からこの外筒 64の内部に導入される。
[0037] このため、図 2に示すように、気化した原燃料は、複数の仕切り板 74に設けられて いる切り欠き部 78及び複数の管体 72の間を形成される過熱用通路 82を通って鉛直 上方向に移動する。一方、後述する改質後の高温 (650°C前後）の改質ガスは、管 体 72内の通路 84に沿って鉛直下方向に向力つて移動する。従って、過熱用通路 82 を移動する気化状態の原燃料は、通路 84に沿って移動する改質ガスによって昇温さ れ、例えば、 550°C前後まで加熱された後、分配板 86の開口部 92から改質器 16に 供給される。
[0038] この改質器 16では、気化及び加熱された原燃料は、原燃料通路 100を通ってー且 室 102に導入された後、改質用燃料導入部 105から鉛直下方向に向力つて移動す る。改質器 16には、複数の整流板 104が多段に配設されており、前記整流板 104に よって整流された原燃料は、触媒部 108によって改質されて改質ガスが得られる。
[0039] 具体的には、改質器 16では、改質用燃料中のメタン、空気中の酸素及び水蒸気に よって、酸化反応である CH + 20→CO + 2H O (発熱反応）と、燃料改質反応で
4 2 2 2
ある CH + 2H 0→CO +4H (吸熱反応）とが同時に行われる。このため、二酸ィ匕
4 2 2 2
炭素と水素とを含む改質ガスが生成され、この改質ガスは、室 110から複数の管体 7 2の通路 84に供給される。
[0040] さらに、通路 84に供給された高温 (650°C前後）の改質ガスは、鉛直下方向に移動 しながら、過熱用通路 82に沿って移動する原燃料を加熱した後、予熱器 18を構成 する管体 126内の通路 132に供給される。この改質ガスは、通路 132を鉛直下方向 に移動することにより予熱用通路 134に沿って移動する加熱流体を予熱した後、図 示しな!/ヽ燃料電池等に供給される。
[0041] この場合、第 1の実施形態では、原燃料 (改質用燃料)を蒸発させる蒸発器 12と、 蒸発した前記原燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器 14と備えると ともに、前記蒸発器 12は、前記過熱器 14を囲繞して同心円上に配設されている。具 体的には、図 2に示すように、蒸発器 12を構成する内筒部材 22と、過熱器 14を構成 する外筒 64とが固定され、前記外筒 64の下端縁部には、前記蒸発器 12の第 2通路 32と前記過熱器 14内の過熱用通路 82とを連通する原燃料入口 66とが形成されて いる。
[0042] このため、過熱器 14と蒸発器 12とは、配管により連結する必要がなぐ配管を良好 に削減することができる。これにより、配管からの放熱が発生せず、熱効率の向上を 図るとともに、簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。
[0043] さらに、第 1の実施形態では、蒸発器 12の内筒部材 22と過熱器 14の外筒 64との 間には、伝熱抑制構造 (フィン部材 142又は断熱空間層）が設けられている。このた め、過熱器 14から蒸発器 12への伝熱が抑制され、熱交換効率の向上が容易に図ら れる。
[0044] し力も、蒸発器 12では、軸方向（矢印 A方向）に延在する第 1及び第 2通路 30、 32 が形成されており、燃焼ガス及び原燃料は、矢印 A方向に流動して熱交換が行われ ている。従って、過熱器 14の外周は、第 1及び第 2通路 30、 32により覆われており、 この過熱器 14の外周から外部への放熱を良好に阻止することができ、熱交換効率が 一層向上する。
[0045] さらにまた、第 1実施形態では、蒸発器 12によって蒸発した原燃料 (改質用燃料） を昇温させる過熱器 14と、昇温した前記原燃料を改質する改質器 16とが、互いに同 軸且つ直列に連結されている（図 2参照)。具体的には、過熱器 14を構成する分配 板 86には、昇温した改質用燃料である原燃料を改質器 16に供給するための改質用 燃料ガスの出口として開口部 92が設けられるとともに、この開口部 92は、前記改質 器 16に設けられる原燃料通路 100に直接連通している。
[0046] 従って、過熱器 14から導出される原燃料は、開口部 92から原燃料通路 100に直 接供給された後、改質用燃料導入部 105から整流板 104に供給されている。このた め、過熱器 14と改質器 16とを連結するための配管が不要になり、配管を良好に削減 することができ、前記配管からの放熱が発生せず、熱効率の向上を図るとともに、簡 単且つコンパクトに構成することが可能になる。
[0047] さらに、改質器 16の改質ガス出口側には、第 4セパレータ 88を介して室 110が形 成されており、この室 110には、過熱器 14を構成する複数の管体 72が固着されてい る。従って、改質器 16により生成された改質ガスは、管体 72内の通路 84を通ること によって、過熱用通路 82を流動する原燃料との間で即座に熱交換が行われる。これ により、高温の改質ガスを原燃料を過熱するための過熱源として利用することができ 、熱効率の向上が容易に図られる。
[0048] また、改質器 16には、外筒 96を覆ってカバー部材 111が配設され、このカバー部 材 111内に断熱層 11 laが形成されている。このため、外筒 96と内筒 98との間に形 成される原燃料通路 100を流動する原燃料は、温度低下を有効に阻止することがで き、改質器 16による改質処理が効率的且つ確実に遂行される。
[0049] さらにまた、第 1の実施形態では、蒸発器 12がそれぞれ同心円上に 2列に配設さ れる開口断面円弧状の複数の円弧状管 28a、 28bを備えるとともに、前記円弧状管 2 8a、 28b内には、メタルノヽ-カム 40a、 40bを収容した開口断面円弧状の触媒外筒 3 8a、 38bが配設されている。そして、各円弧状管 28a、 28b内には、触媒外筒 38a、 3 8bを周回して矢印 A方向に延在する第 1通路 30が形成されるとともに、内筒部材 22 、外筒部材 24及び前記円弧状管 28a、 28bの間には、矢印 A方向に延在する第 2通 路 32が形成されている。
[0050] このため、加熱流体力メタルハ-カム 40a、 40bを通過して生成された燃焼ガスは、 第 1通路 30に沿って鉛直下方向に流動する。一方、改質用燃料、空気及び水が混 在した原燃料は、第 2通路 32に沿って鉛直下方向に移動し、前記燃焼ガスと前記原 燃料との間で熱交換が行われて!/、る。
[0051] このように、加熱流体である燃焼ガスと原燃料とは、同一方向に移動しながら熱交 換を行うため、効率的な熱交換が行われるとともに、矢印 A方向の寸法を有効に短尺 化することが可能になる。これにより、蒸発器 12は、熱交換効率が向上するとともに、 簡単且つコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。
[0052] さらに、湾曲管部材 20は、それぞれ複数の円弧状管 28a、 28bを同心円上に 2列 に配設するとともに、各円弧状管 28a、 28bには、湾曲燃焼触媒 34を構成する触媒 外筒 38a、 38bが配設されている。従って、外筒部材 24と内筒部材 22との間には、 多数の (すなわち、長尺な)第 1及び第 2通路 30、 32を設けることができ、原燃料と燃 焼ガスとの熱交換効率が有効に向上するという利点がある。
[0053] また、湾曲燃焼触媒 34は、偏平型のメタルノヽ-カム 40a、 40bを備えて 、る。これに より、メタルノヽ-カム 40a、 40b内の面内温度分布を均一化することでき、触媒の性能 を維持し、且つ前記触媒の温度制御が容易に遂行される。さらにまた、円弧状管 28 a、 28b間には、伝熱促進用のフィン部材 140が配設されており、原燃料と燃焼ガスと の熱交換効率が一層向上する。
[0054] さらに、円弧状管 28a、 28bは、軸方向一端が開放された第 1セパレータ 26に固定 された固定端を構成するとともに、軸方向他端が自由端を構成している。このため、 円弧状管 28a、 28bは、軸方向に伸縮が規制されることがないため、運転時と停止時 との温度差に起因する流れ方向（軸方向）の熱応力が発生することを阻止できる。従 つて、円弧状管 28a、 28bは、耐久性が向上するとともに、薄肉化が容易に図られ、 蒸発器 12全体の軽量化及び小型化が遂行可能になる。
[0055] さらにまた、第 1の実施形態では、過熱器 14と改質器 16とは、互いに同軸且つ直 列に連結されるとともに、予熱器 18は、前記過熱器 14に前記改質器 16とは反対側 に同軸且つ直列に連結されている。これにより、改質器 16、過熱器 14及び予熱器 1 8を繋ぐ配管を一挙に削減することができ、燃料改質装置 10全体を小型化するととも に、配管からの放熱を抑制して熱効率の向上を図ることが可能になる。し力も、少な い始動エネルギで、燃料改質装置 10の始動が良好に遂行され、省エネが確実に行 われる。
[0056] 図 9は、本発明の第 2の実施形態に係る燃料改質装置 150の流れ状態を示す断面 図である。なお、第 1の実施形態に係る燃料改質装置 10と同一の構成要素には同 一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第 3及 び第 4の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
[0057] 蒸発器 152を構成する円筒管部材 154は、開口断面リング状を有し且つ同心円上 に 2列に配置される外側円筒管 156及び内側円筒管 158を備える。外側円筒管 156 は、 2枚の円筒板 156a、 156bの上端部を固着するとともに、内側円筒管 158は、 2 枚の円筒板 158a、 158bの上端部を固着して構成される。
[0058] 図 10に示すように、外側円筒管 156及び内側円筒管 158は、それぞれの上部に 室 52を設ける。外側円筒管 156を構成する円筒板 156aの下端部は、外筒部材 24 に固着され、前記外側円筒管 156を構成する円筒板 156bと、内側円筒管 158を構 成する円筒板 158aとは、下端部同士を固着する。内側円筒管 158を構成する円筒 板 158bの下端部は、過熱器 14を構成する外筒 64の下端部に原燃料入口 66の下 方に位置して固着される。
[0059] このように構成される第 2の実施形態では、改質用燃料、空気及び水を含む原燃料 が蒸発器 152に供給されると、主に、水は、外側円筒管 156及び内側円筒管 158と 外筒部材 24との間に形成された第 2通路 32に沿って鉛直下方向に落下する（図 10 及び図 11参照)。その際、湾曲燃焼触媒 34では、加熱流体が燃焼されて燃焼ガス が生成され、この燃料ガスは、第 1通路 30に沿って鉛直下方向に移動する。
[0060] このため、高温の燃焼ガスと水との間で熱交換が行われて蒸気が発生する。この蒸 気は、鉛直上方向に移動して改質用燃料及び空気が混在して蒸気化した原燃料が 得られ、この原燃料が過熱器 14を構成する外筒 64の原燃料入口 66からこの外筒 6 4内に導人される。
[0061] これにより、第 2の実施形態では、円筒管部材 154の軸方向に沿って原燃料及び 燃焼ガスを流すことができ、原燃料が通路 32を往復して流れることから、第 1の実施 形態に比べ飛躍的に効率的な熱交換を行うとともに、簡単且つコンパクトに構成する ことができる等、第 1の実施形態以上の効果が得られる。
[0062] 図 12は、本発明の第 3の実施形態に係る燃料改質装置を構成する蒸発器 170の 横断面図である。
[0063] 蒸発器 170は、湾曲管部材 172を備え、この湾曲管部材 172は、開口断面円弧状 の円弧状管 174a、 174b及び 174cがそれぞれ同心円上に複数配設される。円弧状 管 174a〜174cは、互いに位相をずらして配設されることにより、各円弧状管 174a 〜174cには、蛇行するように第 2通路 32が形成される。円弧状管 174a〜174c内に は、湾曲燃焼触媒 176を構成する触媒外筒 178a〜178cが収容される。触媒外筒 1 78a〜 178cに ίま、メタノレノヽニカム 180a〜 180c力 S酉己設される。
[0064] このように構成される第 3の実施形態では、湾曲管部材 172及び湾曲燃焼触媒 17 6が同心円上に 3列に配設されている。従って、第 1及び第 2通路 30、 32が多数設け られることにより、出力のアップ (処理原料ガス量のアップ）に対して、容易に対応する ことができるとともに、より多くの燃焼ガスと原燃料との熱交換が一層可能になる。 [0065] 図 13は、本発明の第 4の実施形態に係る燃料改質装置を構成する蒸発器 190の 概略構成説明図である。
[0066] 蒸発器 190を構成する湾曲燃焼触媒 192は、触媒外筒 38a、 38b内に第 1燃焼触 媒層 194aと第 2燃焼触媒層 194bとを加熱流体の流れ方向に沿って収容する。具体 的には、触媒外筒 38a、 38bの下部側には、低温着火性に優れる Pt系触媒を担持し たハ-カムが配置される一方、前記触媒外筒 38a、 38bの上部には、特にメタンの浄 化性能に優れる PdZPt合金を担持したノヽ-カムが配置される。
[0067] このように構成される第 4の実施形態では、湾曲燃焼触媒 192の上流側に設けられ る第 1燃焼触媒層 194aによって低温着火性が向上する。し力も、下流側に配置され る第 2燃焼触媒層 194bによって加熱流体中の CHが燃焼されずに流動しても、この
4
CHが前記第 2燃焼触媒層 194bで浄化される。これにより、燃焼ガス中に CHが混
4 4 在することを確実に阻止することができる。
[0068] 上記の第 2〜第 4の実施形態では、それぞれ過熱器 14を囲繞して前記過熱器 14と 同心円上に蒸発器 152、 170及び 190が配設されている。このため、配管を良好に 削減して配管からの放熱が発生せず、熱交換効率の向上を図るとともに、簡単且つ コンパクトに構成することができる等、上記の第 1の実施形態と同様の効果が得られ る。

Claims

請求の範囲
[1] 改質用燃料を改質することにより、水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置 であって、
前記改質用燃料を加熱流体との熱交換により蒸発させる蒸発器 (12)と、 蒸発した前記改質用燃料を、改質反応に必要な温度まで昇温させる過熱器（14) と、
昇温した前記改質用燃料を改質して改質ガスを生成する改質器 (16)と、 を備え、
前記過熱器 (14)を囲繞して前記蒸発器 (12)が配設されるとともに、
前記過熱器（14)と前記改質器（16)とは、互いに直列に連結されることを特徴とす る燃料改質装置。
[2] 請求項 1記載の燃料改質装置において、前記過熱器 (14)と前記蒸発器 (12)とは
、互いに同心円上に配設されることを特徴とする燃料改質装置。
[3] 請求項 2記載の燃料改質装置において、前記過熱器 (14)を構成する過熱器外筒
(64)には、前記蒸発器 (12)を通って蒸発した前記改質用燃料を、前記過熱器 (14
)内に流入させる流入口（66)が設けられることを特徴とする燃料改質装置。
[4] 請求項 2又は 3記載の燃料改質装置において、前記過熱器（14)を構成する過熱 器外筒 (64)と、前記蒸発器 (12)を構成する蒸発器内筒（22)との間には、伝熱抑 制構造が設けられることを特徴とする燃料改質装置。
[5] 請求項 4記載の燃料改質装置において、前記伝熱抑制構造は、フィン部材（142) を備えることを特徴とする燃料改質装置。
[6] 請求項 1記載の燃料改質装置において、前記過熱器（14)と前記改質器（16)とは
、互いに同軸に連結されることを特徴とする燃料改質装置。
[7] 請求項 6記載の燃料改質装置において、前記改質器（16)は、内側筒体 (98)及び 外側筒体 (96)を備え、
前記内側筒体 (98)の内方には、改質触媒が充填されるとともに、
前記内側筒体 (98)と前記外側筒体 (96)との間には、前記改質用燃料を流通させ る通路（100)が形成されることを特徴とする燃料改質装置。 [8] 請求項 7記載の燃料改質装置において、前記過熱器（14)は、前記改質器（16)側 の端部に前記通路（100)に連通する改質用燃料の出口（92)を有するとともに、 前記改質器（16)は、前記過熱器（14)とは反対側の端部に、前記通路（100)に連 通して前記内側筒体 (98)内に前記改質用燃料を供給する改質用燃料導入部（105 )が設けられることを特徴とする燃料改質装置。
[9] 請求項 8記載の燃料改質装置において、前記改質器（16)には、前記過熱器（14) 側の端部から前記過熱器（14)内に挿入され、前記改質触媒を通過した改質ガスを 前記改質用燃料の加熱源として通流させる管体 (72)が連結されることを特徴とする 燃料改質装置。
[10] 請求項 6乃至 9のいずれか 1項に記載の燃料改質装置において、前記改質器（16 )を囲繞して断熱用カバー部材（111)が設けられることを特徴とする燃料改質装置。
[11] 請求項 1記載の燃料改質装置において、前記蒸発器 (12)は、湾曲管部材 (20)と 前記湾曲管部材 (20)の両側に且つ該湾曲管部材 (20)と同心円上に配設される 内筒部材 (22)及び外筒部材 (24)と、
を有し、
前記湾曲管部材（20)内には、前記加熱流体又は前記改質用燃料の一方を流通 させる第 1通路（30)が形成されるとともに、
前記内筒部材 (22)、前記外筒部材 (24)及び前記湾曲管部材 (20)の間には、前 記加熱流体又は前記改質用燃料の他方を流通させる第 2通路（32)が形成されるこ とを特徴とする燃料改質装置。
[12] 請求項 11記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材 (20)は、複数の同心 円上に複数列に配設されることを特徴とする燃料改質装置。
[13] 請求項 11又は 12記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材（20)内に配設 される湾曲燃焼触媒 (34)を設け、
前記第 1通路（30)は、前記湾曲燃焼触媒 (34)により燃焼した加熱流体を流通さ せる加熱流体通路である一方、
前記第 2通路 (32)は、前記改質用燃料を流通させて前記加熱流体と熱交換を行う 改質用燃料通路であることを特徴とする燃料改質装置。
[14] 請求項 13記載の燃料改質装置において、前記湾曲燃焼触媒 (34)は、扁平型メタ ルノ、二カム (40a)を備えることを特徴とする燃料改質装置。
[15] 請求項 13記載の燃料改質装置において、前記改質用燃料通路には、伝熱促進用 フィン部材（140)が配設されることを特徴とする燃料改質装置。
[16] 請求項 11記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材 (20)は、軸方向一端 を固定端に構成するとともに、軸方向他端を自由端に構成することを特徴とする燃料 改質装置。
[17] 請求項 11記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材 (20)は、開口断面円 弧状を有し且つ同一円周上に配設される 2以上の円弧状管（28a)を備え、
前記円弧状管 (28a)内には、断面円弧状の前記湾曲燃焼触媒 (34)が少なくとも 1 っ配設されることを特徴とする燃料改質装置。
[18] 請求項 11記載の燃料改質装置において、前記湾曲管部材は、開口断面リング状 を有する円筒管（156)を備え、
前記円筒管（156)内には、断面円弧状の前記湾曲燃焼触媒 (36)が配設されるこ とを特徴とする燃料改質装置。
[19] 請求項 1記載の燃料改質装置において、前記蒸発器 (12)で前記改質用燃料を蒸 発させるための前記加熱流体を予熱する予熱器（18)を備え、
前記予熱器（ 18)は、前記過熱器（14)に前記改質器（ 16)とは反対側に同軸且つ 直列に連結されることを特徴とする燃料改質装置。
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