多重円筒型水蒸気改質器
【課題】固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料処理装置として好適な多重円筒型水蒸気改質器を提供する。
【解決手段】原料ガス及び水は、予熱層９上部で混合しつつ伝熱促進体９ａに沿って螺旋状に流下していく。その際、燃焼排ガスからの熱（Ｑ１）、及び、シフト反応により生じる熱（Ｑ２）を回収する。予熱層９を通過した混合ガスは、第一熱交換室８ａに導入され、さらにシフト触媒層７側から熱回収（Ｑ３）して、混合ガス中の水の蒸発がさらに進行する。未蒸発の液水は下端の水トラップ部８ｃに貯留するが、ここでシフト触媒層７流入前の改質ガスから熱回収（Ｑ４）し、蒸発が促進される。これにより、液水が連通孔１０ｄを通過することを防止することができる。連通孔１０ｄを通過した混合ガスは、第二熱交換室８ｂにおいて燃焼排ガスから熱回収（Ｑ５）し、さらに改質触媒層出ガスからも熱回収（Ｑ６）して、約４００℃に昇温して改質触媒層６に流入する。
【解決手段】原料ガス及び水は、予熱層９上部で混合しつつ伝熱促進体９ａに沿って螺旋状に流下していく。その際、燃焼排ガスからの熱（Ｑ１）、及び、シフト反応により生じる熱（Ｑ２）を回収する。予熱層９を通過した混合ガスは、第一熱交換室８ａに導入され、さらにシフト触媒層７側から熱回収（Ｑ３）して、混合ガス中の水の蒸発がさらに進行する。未蒸発の液水は下端の水トラップ部８ｃに貯留するが、ここでシフト触媒層７流入前の改質ガスから熱回収（Ｑ４）し、蒸発が促進される。これにより、液水が連通孔１０ｄを通過することを防止することができる。連通孔１０ｄを通過した混合ガスは、第二熱交換室８ｂにおいて燃焼排ガスから熱回収（Ｑ５）し、さらに改質触媒層出ガスからも熱回収（Ｑ６）して、約４００℃に昇温して改質触媒層６に流入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料から水素を主成分とするガスを生成する多重円筒型水蒸気改質器に関し、特に、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料処理装置として好適な多重円筒型水蒸気改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス等の炭化水素系燃料から燃料電池の発電に必要な水素を作り出す燃料処理装置として、図９に示す多重円筒型水蒸気改質器１００がある。改質器１００は、多重円筒体の各隔壁１０１乃至１０４間に形成される空間に配置される、燃焼室１０５、予熱層１０６、改質触媒層１０７、ＣＯ変成触媒層（以下、シフト触媒層という）１０８、選択酸化触媒層（以下、ＰＲＯＸ触媒層という）１０９、改質ガス流路１１３、燃焼排気流路１１２等を主要構成としている。装置内において、原料ガス供給管１１０，水供給管１１１を介して供給される原料ガス及び水は、各触媒層における触媒化学反応を経て、最終的にＨ２約７５％、ＣＯ＜１０ｐｐｍの改質ガスとなり、燃料電池セルスタック（図示せず）に送られ発電に供される。
【０００３】
改質器設計に際しては、各触媒層につき触媒の耐熱性、作動温度を考慮して、改質触媒層：３８０−６７０℃、シフト触媒層：３００−２００℃、ＰＲＯＸ触媒層：２００−１２０℃の温度範囲となるように配置することが求められる。また、燃焼排熱及び発熱反応であるシフト触媒層やＰＲＯＸ触媒層で生じる反応熱を、水の蒸発、原料ガス及び水蒸気加熱用、また吸熱反応である改質触媒層における反応維持のために回収し、装置全体の熱バランスを保つことが必要である。さらに、上記各条件を満たして上で、機器の小型化、コストダウンが要求されている。
【０００４】
このうち、予熱層１０６と改質触媒層１０７の境界部（同図Ａ部分）について見ると、予熱層１０６出口において水が完全に蒸発し、約４００℃程度の混合ガスとなって改質触媒層１０７に導入され、一方、改質触媒層１０７を出てシフト触媒層１０８に導入される改質ガスは、約３００℃に冷却される必要がある。このような境界部Ａにおける各部温度条件を維持するため、図１０に示すように、（ａ）改質触媒層１０７とシフト触媒層１０８間の長さ（Ｄ）を長くする、（ｂ）両触媒層間の流路幅（ｄ）を細くする、又は、（ｃ）シフト触媒層１０８入口近傍に水管１１３を巻いて改質ガス冷却する、等により熱交換を促進する技術が提案されている。
【０００５】
さらに文献１には、シフト触媒層に導入する改質ガスの温度管理に関して、改質ガス流路部の外側に空冷装置を取り付けて制御する技術が提案されている。
なお、同文献には、予熱層と改質触媒層の境界部に水トラップ部を備えた技術についても開示されている。同様の提案は、文献２においても開示されている。この技術は、未蒸発の液水が改質触媒に流入することによる改質反応の阻害や触媒破壊の防止、又は、トラップした液水と改質触媒層出ガスとの熱交換促進を目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１０７８７６号公報
【特許文献２】特開２００８−１９１５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記いずれの先行技術によっても、機器の大型化、コストアップの課題については解消されていないのが現状である。
また、狭スペースの中に境界部が設けられているため、原料ガスと水との混合が不十分となりがちとなり、特にシフト触媒層において周方向の温度差が顕著となるという問題もある。
また、シフト触媒層が予熱層と接しているため、シフト触媒層における内周側の温度低下を招き、反応を阻害するという問題もある。なお、文献１、２の水トラップ部の設置に関しては、上述のようにシフト触媒層の適正化に寄与するものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、予熱層と改質触媒層の境界部構造について鋭意研究を進め、熱交換性能に優れ、かつ、装置の小型化に有効な技術を考案し、試験により確認して完成した。
本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、
（１）炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質器において、同一中心軸の多重円筒体を構成する複数の隔壁により区画される間隙に、以下の構成要素を配置するものであって、円筒体内側中心部に、燃料ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼室と、第一隔壁の内側に沿って形成される燃焼排ガスの排気流路と、第一隔壁と第二隔壁上段部の間隙に形成され、供給される原料ガス又は水のいずれか一方又は両方を、第一隔壁を介して燃焼排ガスと熱交換させる予熱層と、原料ガス供給手段及び水供給手段と、第一隔壁と第二隔壁下段部の間隙に形成され、予熱層を通過した混合ガスを、水素含有ガスに改質する改質触媒層と、第二隔壁上段部と第三隔壁中段部の間隙に形成され、改質触媒層を出た改質ガスを変成するシフト触媒層と、予熱層と改質触媒層との境界部に形成される熱交換促進部と、を備えて成り、該熱交換促進部は、連通孔を備えた仕切板により区画される第一熱交換室と、第二熱交換室と、を含んで構成され、第一熱交換室は、該仕切板と第二隔壁との間隙に形成され、かつ、予熱層から流入する混合ガスが、第二隔壁を介してシフト触媒層と熱交換可能に構成し、第二熱交換室は、第一隔壁と該仕切板との間隙に形成され、かつ、第一熱交換室から連通孔を介して流入する混合ガスが、第一隔壁を介して燃焼排ガスと熱交換可能に構成し、たことを特徴とする。
【０００９】
本発明において、「混合ガス」とは、（水＋原料ガス）、（水＋水蒸気＋原料ガス）、（水蒸気＋原料ガス）のいずれかの状態を総称する概念である。
本発明において、燃焼排ガスの「排気流路」については、第一隔壁が最内側の隔壁であり、排気流路が第一隔壁の内側開放空間に形成されるタイプと、燃焼隔壁の内側にさらに隔壁（後述する燃焼隔壁２）を備え、排気流路が燃焼隔壁と第一隔壁の隙間空間に形成されるタイプの両方を含む。
本発明において、「第二隔壁上段部」、「同下段部」とは、後述する図１の天地方向を想定した場合の相対位置関係を意味する概念である。改質器設置時の天地方向は、必ずしも図１の向きに限定されるものではなく、天地逆（１８０度回転）、横向き（９０度回転）等、任意に選択することができる。従って、例えば図１と天地逆に設置した場合には、「上段部」が「下段部」の下側に位置する相対関係となる。第三隔壁についても同様である。
（２）上記（１）の発明において、前記原料ガス供給手段及び前記水供給手段を、前記予熱層上流端部に備えたことを特徴とする。
（３）上記（２）の発明において、前記原料ガス供給手段を、前記予熱層上端部に替えて、前記第一熱交換室に備えたことを特徴とする。
（４）上記（２）の発明において、前記第二隔壁上段部の外側に第四隔壁を、さらに備え、前記原料ガス供給手段を、前記予熱層上端部に替えて、第四隔壁と前記第二隔壁の間隙に形成される原料ガス流路の上端部に備え、かつ、予熱層を通過する水と、該原料ガス流路を通過する原料ガスとを、前記第一熱交換室で混合させるように構成したことを特徴とする。
（５）上記各発明において、前記連通孔を、前記仕切板の一箇所に集中させて設けたことを特徴とする。
本発明において、「一箇所に集中」とは、単一の連通孔、又は、複数の連通孔を一箇所に配設の両方を含む。
（６）上記各発明において、前記第一熱交換室の下端部に、残留する液水を捕捉する水トラップ部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、予熱層と改質触媒層との境界部に熱交換促進部を設けたため、シフト触媒層に導入される改質ガスと、熱交換促進部を通過する混合ガスとの熱交換が効率よく行われ、これにより境界部長さの短縮、装置全体の小型化が可能となった。
【００１１】
シフト触媒層の内側に原料ガス流路を設ける発明にあっては、シフト触媒の反応温度低下を抑制することができ、触媒層内の径方向の温度分布均一化が実現できた。
【００１２】
第一熱交換室と第二熱交換室を区画する仕切板に、単一の連通孔を設けた発明にあっては、原料ガスと水との混合が促進され、改質触媒層出口温度の周方向温度差を低減することができた。
【００１３】
また、第一熱交換室の下端部に水トラップ部を設けた発明にあっては、貯留した液水が、蒸発に際して改質触媒層出の改質ガスから蒸発潜熱として熱回収するため、反応適正温度に低下した改質ガスをシフト触媒に導入することが可能になった。
さらに、液水による連通孔閉塞を防止でき、原料ガス及び水の入口圧力変動の抑制が可能となった。これにより、改質ガスの安定供給が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第一の実施形態に係る多重円筒型水蒸気改質器１の断面構成を示す図である。
【図２】水蒸気改質器１の熱交換促進部８近傍の詳細構成を示す図である。
【図３】水蒸気改質器１の熱交換促進部近傍における熱交換の態様を示す図である。
【図４】第二の実施形態に係る多重円筒型水蒸気改質器２０の断面構成を示す図である。
【図５】第三の実施形態に係る多重円筒型水蒸気改質器３０の断面構成を示す図である。
【図６】水蒸気改質器３０の熱交換促進部近傍の詳細構成を示す図である。
【図７】本発明構造（ａ）及び従来構造（ａ）の温度測定箇所を示す図である。
【図８】第一の実施形態において、排気流路に関する他のバリエーションを示す図である。
【図９】従来の多重円筒型水蒸気改質器１００の断面構成を示す図である。
【図１０】従来の多重円筒型水蒸気改質器における境界部バリエーションを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る水蒸気改質器の各実施形態について、さらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
（第一の実施形態）
図１を参照して、本発明の第一の実施形態に係る水蒸気改質器１は、同一中心軸の多重円筒型の金属隔壁２乃至５の各隔壁間隙に、原料ガスを目的組成に改質するために必要な各要素（燃焼室、触媒層、ガス流路等）を配置して構成されている。燃焼隔壁２の内側空間には燃焼室２ａが形成され、上蓋２ｅにバーナ２ｂが下向きに固定されている。燃料ガスは燃料ガス供給管２ｃを介して供給され、バーナ２ｂにおいて燃焼して燃焼排ガスとなる。
燃焼隔壁２と第一隔壁３の間隙には、燃焼排ガスの排気流路３ａが形成されている。燃焼室出口２ｄから排出される燃焼排ガスは、排気流路３ａを上昇して、排気出口管３ｂを介して外部に排出されるように構成されている。
第二隔壁４は、下段部４ｂが上段部４ａより大口径に構成されている。第一隔壁３と第二隔壁上段部４ａ間には、予熱層９が形成されている。予熱層９内には両隔壁間に螺旋状に巻かれた伝熱促進体９ａが配設されており、原料ガス供給管９ｂ、水供給管９ｃからそれぞれ供給される原料ガス及び水が、伝熱促進体９ａに沿って螺旋状に流下可能に構成されている。
【００１６】
図２をも参照して、予熱層９下側の第一隔壁３と第二隔壁下段部４ｂの間隙には、熱交換促進部８及び改質触媒層６が形成されている。
熱交換促進部８は、仕切板１０により区画される２つのリング形状空間（外周側の第一熱交換室８ａ及び内周側の第二熱交換室８ｂ）により構成されている。仕切板１０は、筒状部１０ａ及び上下の折返部１０ｂ、１０ｃにより断面クランク形状構成され、筒状部１０ａには周方向に複数の連通孔１０ｄが設けられている。第一熱交換室８ａ下端部は風刺されており、後述するように未蒸発の水を貯留可能とする水トラップ部８ｃが形成されている。
【００１７】
改質触媒層６には、原料ガスを水蒸気改質する触媒、例えばＲｕ系金属触媒が充填されており、原料ガス＋水蒸気混合ガスを改質反応（１）により、水素を主成分とするガスに改質する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ →ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（１）
【００１８】
最外側の第三隔壁５は、口径の異なる２つの円筒体（下段部５ａ、上段部５ｂ）を、上下に接合して構成されている。第二隔壁下段部４ｂと第三隔壁下段部５ａの間隙には、改質触媒層６を出た改質ガスをシフト触媒層７に導く改質ガス流路５ｃが形成されている。上側の第二隔壁上段部４ａと第三隔壁上段部５ｂの間隙には、シフト触媒層７が形成されている。シフト触媒層７には白金触媒が充填されており、改質ガス中に含まれるＣＯガスをシフト反応（２）によりＣＯ２に変成する。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・（２）
【００１９】
図示を省略するが、シフト触媒層７を出たシフト出ガスは、シフト出管７ａを介して別置のＰＲＯＸ触媒に導入され、改質ガス中のＣＯ除去後に、燃料電池セルスタックに供給されるように構成されている。また、第三隔壁５、上蓋２ｅ、下蓋５ｅの外側周囲は断熱材により覆われており、装置全体としては円筒形状に構成されている。
【００２０】
水蒸気改質器１は以上のように構成されており、次に、図１乃至３を参照して、定常運転時における水蒸気改質器１の改質ガス生成フローについて説明する。
燃焼室２ａ内で燃料ガスの燃焼により生成した燃焼排ガスは、下端部の燃焼室出口２ｄから排気流路３ａに導かれ、流路内を上昇して排気出口管３ｂを介して外部に排出される。
一方、原料ガス供給管９ｂ及び水供給管９ｃから予熱層９内に供給される原料ガス（メタンを主成分とする都市ガス）及び水は、予熱層９上部で混合しつつ伝熱促進体９ａに沿って螺旋状に流下していく。その際、排気流路３ａを上昇する燃焼排ガスからの熱（Ｑ１）、及び、シフト反応（２）により生じる熱（Ｑ２）を回収する。これにより、水の蒸発及び混合ガスの昇温が行われる。なお、本実施形態において、「混合ガス」とは、（水＋原料ガス）、（水＋水蒸気＋原料ガス）、（水蒸気＋原料ガス）のいずれかの状態を総称する概念として用いている（以下の実施形態についても同様）。予熱層９を通過した混合ガスは、熱交換促進部８の第一熱交換室８ａに導入される。
【００２１】
第一熱交換室８ａ内では、さらにシフト触媒層７側から熱回収（Ｑ３）して、混合ガス中の水の蒸発がさらに進行する。未蒸発の液水は下端の水トラップ部８ｃに貯留するが、ここで、第二隔壁下段部４ｂを介してシフト触媒層７流入前の改質ガスから熱回収（Ｑ４）し、蒸発が促進される。これにより、液水が連通孔１０ｄを通過することを防止することができる。連通孔１０ｄを通過した混合ガスは、第二熱交換室８ｂにおいて燃焼排ガスから熱回収（Ｑ５）し、さらに改質触媒層出ガスからも熱回収（Ｑ６）して、約４００℃に昇温して改質触媒層６に流入する。
【００２２】
改質触媒層６内において、混合ガスは触媒反応によりＨ２とＣＯを主成分とする改質ガスに改質される。改質ガス反応（１）は吸熱反応であり、第一隔壁３を介して燃焼排ガスから熱供給（Ｑ７）を受けて、許容温度範囲内で反応が進む。改質触媒層６下端部では改質ガスの温度は約６７０℃に上昇して、触媒層出口４ｃを出て改質ガス流路５ｃに導かれる。
改質ガス流路５ｄを上昇する改質ガスは、この間に改質触媒層６側（Ｑ８）及び第二熱交換室８ｂ側（Ｑ６、Ｑ４）に放熱して、シフト触媒層７入口近傍では約４００℃に温度低下して触媒層内に導入される。
このように、熱交換促進部８及び水トラップ部８ｃの設置により、水蒸気のみ含む混合ガスをシフト触媒層７に導入させることができ、さらにシフト触媒層７に流入する改質ガスの温度を適温に低下させることができる。
【００２３】
シフト触媒層７において、改質ガスはＣＯ成分がシフト反応（２）によりＣＯ２に変成され、ＣＯ濃度０．５％程度に低下する。シフト反応は発熱反応であるため、第二隔壁４を介して予熱層９側に放熱（Ｑ２）して反応許容温度を維持し、２００℃程度のシフト出ガスとなって触媒層を出る。
シフト触媒層７を出たシフト出ガスは、別置のＰＲＯＸ触媒（図示せず）に導入され、ここで改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に下げられた後に、水蒸気改質器１を出て燃料電池セルスタック（図示せず）に供給される。
【００２４】
なお、本実施形態ではＰＲＯＸ触媒層を別置とする例を示したが、一体に組み込む構成としてもよい。
また、連通孔１０ｄについて、仕切板１０の周方向に沿って複数設ける例を示したが、単一連通孔、又は複数の連通孔を一箇所に集中させる形態とすることも可能である。
また、本実施形態では第一隔壁３の内側に燃焼隔壁２を備え、燃焼排ガスが燃焼隔壁２に沿って下降し、燃焼隔壁２と第一隔壁３の間隙の排気流路３ａを上昇して、排気出口管３ｂから外部に排出される例を示したが、図８に示すように、燃焼隔壁を備えることなく、燃焼排ガスが燃焼室内を下降し、反転して第一隔壁３に沿って上昇して、上蓋に設けた排気出口管３ｂから外部に排出される態様とすることもできる。
【００２５】
（第二の実施形態）
次に図４を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施に係る水蒸気改質器２０の本体部分の構成が上述の水蒸気改質器１と相違している点は、原料ガスの供給位置である。すなわち、水蒸気改質器１では原料ガス、水ともに予熱層９の上部から供給しているのに対して、水蒸気改質器２０では原料ガス供給管２１は、熱交換促進部８の第一熱交換室８ａ上部に接続されており、ここから原料ガスが供給される。本実施形態は、原料ガスと混合させる前に水単独の状態で蒸発させたい場合（予熱層構造により発生）に、特に有効となる。
その他の構成については水蒸気改質器１と同一であるので重複説明を省略する。
【００２６】
次に、定常運転時における水蒸気改質器２０の改質ガス生成フローについて説明する。
水供給管９ｃから予熱層９内上部に供給される水は、伝熱促進体９ａを伝って流下していき、この間に第一隔壁３を介して燃焼排ガス側から熱回収して一部水蒸気となり、流入口２２を通過して第一熱交換室８ａに流入する。ここで原料ガス供給管２１を介して供給される原料ガスと混合し、シフト触媒層７側及び改質ガス流路５ｃを上昇する改質ガス側から熱回収して、混合ガスの昇温及び水の蒸発が進行する。水トラップ部８ｃに貯留する未蒸発の液水は、シフト触媒層７流入前の改質ガスから熱回収して、蒸発が促進される。水蒸気のみ含む混合ガスは、連通孔１０ｄを通過して第二熱交換室８ｂに流入し、燃焼排ガス側から熱回収し、約６７０℃程度に昇温して改質触媒層６に流入する。
バーナ２ｂ、改質触媒層６、シフト触媒層７等の作動については第一の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。
【００２７】
（第三の実施形態）
さらに、図５、６を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。
本実施に係る水蒸気改質器３０の構成が上述の水蒸気改質器２０と相違する点は、予熱層の外側に原料ガス専用の流路が設けられていることである。すなわち、第二隔壁上段部４ａの外側周囲に第四隔壁３１を備えており、両隔壁の間隙に原料ガス流路（予熱層）３２が形成されている。また、第一熱交換室８ａと第二熱交換室８ｂとが複数の連通孔ではなく、単一の連通孔３６を介して連通していることである。さらに、原料ガス流路３２と第一熱交換室８ａの境界部に、伝熱促進体３４を備えていることである。その他の構成については水蒸気改質器１と同一であるので、重複説明を省略する。
【００２８】
次に、水蒸気改質器３０の定常運転時における改質ガス生成フローについて説明する。
水供給管９ｃから予熱層９内上部に供給される水は、伝熱促進体９ａを伝って流下していき、この間に第一隔壁３を介して燃焼排ガス側から熱回収して昇温し、第一熱交換室８ａの合流部３５に流入する。一方、原料ガスは原料ガス供給管３１を介して供給され、原料ガス流路３２を流下し、この間シフト触媒層７側から回収して昇温し、熱合流部３５に流入する。原料ガスと水とは第一熱交換室８ａ内で混合し、未蒸発の水分は下端の水トラップ部８ｃに貯留するが、シフト触媒層７流入前の改質ガスから熱回収し、蒸発が促進される。これにより、水蒸気のみを含む混合ガスが単一の連通孔３６を通過して第二熱交換室８ｂに流入する。第二熱交換室８ｂにおいて、第一隔壁３を介して燃焼排ガスから吸熱して約６７０℃程度に昇温して、改質触媒層６に流入する。
【００２９】
なお、バーナ２ｂ、改質触媒層６、シフト触媒層７等の作動については第一の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。
以上のように、本実施形態では予熱層９の外側に原料ガス専用の予熱層として機能する原料ガス流路３２を設け、比熱大の水は燃焼排ガス側から、比熱小の原料ガスはシフト触媒層側から、それぞれ熱回収する形態とした。これにより、シフト触媒層側からの放熱量は小となるため、触媒層内周側の温度低下を抑制することができ、発熱反応であるシフト反応を効率的に進行させることができる。
【実施例１】
【００３０】
本発明の効果を確認するために、本発明による水蒸気改質器（第三の実施形態のタイプ）と、従来構造の水蒸気改質器を用いて、熱交換促進部における温度条件の比較を行った。
図７に、本発明構造（ａ）及び従来構造（ｂ）の温度測定ポイントを示す。
Ａ点（改質触媒層入口）温度が３８０−３９０℃、Ｂ点（シフト触媒層入口）温度が２７０−３００℃となるようにバーナの燃焼条件等を設定し、触媒層内各部温度を測定した。表１に具体的試験条件を示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
表２は、測定結果を比較したものである。同表より、本発明構造によれば、シフト触媒層下端と改質触媒層上端の距離（Ｅ）が１０ｍｍ短いにも関わらず、Ｂ点（シフト触媒層入口）温度については同等の良好な結果が得られた。シフト触媒層に入る（下から上昇する）改質ガスと予熱層を通過する（上から流下する）原料ガスと水、さらに水トラップにたまった水との熱交換が効率的に行われるためである。
さらに、シフト触媒層中央部（Ｃ点）については、従来構造では内周側Ｃ１で温度低下が生じているのに対して、本発明構造では温度均一化が達成されている。シフト触媒層の内側に原料ガス流路を設けたことにより、シフト触媒層の反応温度低下を抑制できたためである。
さらに、本発明構造では原料ガス及び水の入口圧力変動を±１ｋＰａ以下に抑えられた。水トラップ部を設けたことにより、圧力脈動が抑制できたためである。
なお、連通孔を周方向に８個配設したタイプでは、改質触媒層出口温度が周方向で最大７０℃の温度差が生じたが、単一タイプでは、最大２０℃の温度差に止めることができた。単一にすることにより、原料ガスと水の混合が促進されたためである。
【００３３】
【表２】
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、ＰＥＦＣ燃料電池用の改質器としてのみならず、炭化水素系燃料から水素を生成する燃料処理装置として汎用的に適用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１、２０，３０・・・・・多重円筒型水蒸気改質器
２・・・・・燃焼隔壁
２ａ・・・・燃焼室
２ｂ・・・・バーナ
３・・・・・第一隔壁
３ａ・・・・排気流路
４・・・・・第二隔壁
４ａ・・・・第二隔壁上段部
４ｂ・・・・第二隔壁下段部
５・・・・・第三隔壁
５ａ・・・・第三隔壁下段部
５ｂ・・・・第三隔壁上段部
５ｃ・・・・改質ガス流路
６・・・・・改質触媒層
７・・・・・シフト触媒層
８・・・・・熱交換促進部
８ａ・・・・第一熱交換室
８ｂ・・・・第二熱交換室
８ｃ・・・・水トラップ部
９・・・・・予熱層
９ａ、３４・・・・伝熱促進体
９ｂ、２１・・・・原料ガス供給管
９ｃ・・・・水供給管
１０・・・・仕切板
１０ｄ、３６・・・・連通孔
３１・・・・第四隔壁
３２・・・・原料ガス流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料から水素を主成分とするガスを生成する多重円筒型水蒸気改質器に関し、特に、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料処理装置として好適な多重円筒型水蒸気改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス等の炭化水素系燃料から燃料電池の発電に必要な水素を作り出す燃料処理装置として、図９に示す多重円筒型水蒸気改質器１００がある。改質器１００は、多重円筒体の各隔壁１０１乃至１０４間に形成される空間に配置される、燃焼室１０５、予熱層１０６、改質触媒層１０７、ＣＯ変成触媒層（以下、シフト触媒層という）１０８、選択酸化触媒層（以下、ＰＲＯＸ触媒層という）１０９、改質ガス流路１１３、燃焼排気流路１１２等を主要構成としている。装置内において、原料ガス供給管１１０，水供給管１１１を介して供給される原料ガス及び水は、各触媒層における触媒化学反応を経て、最終的にＨ２約７５％、ＣＯ＜１０ｐｐｍの改質ガスとなり、燃料電池セルスタック（図示せず）に送られ発電に供される。
【０００３】
改質器設計に際しては、各触媒層につき触媒の耐熱性、作動温度を考慮して、改質触媒層：３８０−６７０℃、シフト触媒層：３００−２００℃、ＰＲＯＸ触媒層：２００−１２０℃の温度範囲となるように配置することが求められる。また、燃焼排熱及び発熱反応であるシフト触媒層やＰＲＯＸ触媒層で生じる反応熱を、水の蒸発、原料ガス及び水蒸気加熱用、また吸熱反応である改質触媒層における反応維持のために回収し、装置全体の熱バランスを保つことが必要である。さらに、上記各条件を満たして上で、機器の小型化、コストダウンが要求されている。
【０００４】
このうち、予熱層１０６と改質触媒層１０７の境界部（同図Ａ部分）について見ると、予熱層１０６出口において水が完全に蒸発し、約４００℃程度の混合ガスとなって改質触媒層１０７に導入され、一方、改質触媒層１０７を出てシフト触媒層１０８に導入される改質ガスは、約３００℃に冷却される必要がある。このような境界部Ａにおける各部温度条件を維持するため、図１０に示すように、（ａ）改質触媒層１０７とシフト触媒層１０８間の長さ（Ｄ）を長くする、（ｂ）両触媒層間の流路幅（ｄ）を細くする、又は、（ｃ）シフト触媒層１０８入口近傍に水管１１３を巻いて改質ガス冷却する、等により熱交換を促進する技術が提案されている。
【０００５】
さらに文献１には、シフト触媒層に導入する改質ガスの温度管理に関して、改質ガス流路部の外側に空冷装置を取り付けて制御する技術が提案されている。
なお、同文献には、予熱層と改質触媒層の境界部に水トラップ部を備えた技術についても開示されている。同様の提案は、文献２においても開示されている。この技術は、未蒸発の液水が改質触媒に流入することによる改質反応の阻害や触媒破壊の防止、又は、トラップした液水と改質触媒層出ガスとの熱交換促進を目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１０７８７６号公報
【特許文献２】特開２００８−１９１５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記いずれの先行技術によっても、機器の大型化、コストアップの課題については解消されていないのが現状である。
また、狭スペースの中に境界部が設けられているため、原料ガスと水との混合が不十分となりがちとなり、特にシフト触媒層において周方向の温度差が顕著となるという問題もある。
また、シフト触媒層が予熱層と接しているため、シフト触媒層における内周側の温度低下を招き、反応を阻害するという問題もある。なお、文献１、２の水トラップ部の設置に関しては、上述のようにシフト触媒層の適正化に寄与するものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、予熱層と改質触媒層の境界部構造について鋭意研究を進め、熱交換性能に優れ、かつ、装置の小型化に有効な技術を考案し、試験により確認して完成した。
本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、
（１）炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質器において、同一中心軸の多重円筒体を構成する複数の隔壁により区画される間隙に、以下の構成要素を配置するものであって、円筒体内側中心部に、燃料ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼室と、第一隔壁の内側に沿って形成される燃焼排ガスの排気流路と、第一隔壁と第二隔壁上段部の間隙に形成され、供給される原料ガス又は水のいずれか一方又は両方を、第一隔壁を介して燃焼排ガスと熱交換させる予熱層と、原料ガス供給手段及び水供給手段と、第一隔壁と第二隔壁下段部の間隙に形成され、予熱層を通過した混合ガスを、水素含有ガスに改質する改質触媒層と、第二隔壁上段部と第三隔壁中段部の間隙に形成され、改質触媒層を出た改質ガスを変成するシフト触媒層と、予熱層と改質触媒層との境界部に形成される熱交換促進部と、を備えて成り、該熱交換促進部は、連通孔を備えた仕切板により区画される第一熱交換室と、第二熱交換室と、を含んで構成され、第一熱交換室は、該仕切板と第二隔壁との間隙に形成され、かつ、予熱層から流入する混合ガスが、第二隔壁を介してシフト触媒層と熱交換可能に構成し、第二熱交換室は、第一隔壁と該仕切板との間隙に形成され、かつ、第一熱交換室から連通孔を介して流入する混合ガスが、第一隔壁を介して燃焼排ガスと熱交換可能に構成し、たことを特徴とする。
【０００９】
本発明において、「混合ガス」とは、（水＋原料ガス）、（水＋水蒸気＋原料ガス）、（水蒸気＋原料ガス）のいずれかの状態を総称する概念である。
本発明において、燃焼排ガスの「排気流路」については、第一隔壁が最内側の隔壁であり、排気流路が第一隔壁の内側開放空間に形成されるタイプと、燃焼隔壁の内側にさらに隔壁（後述する燃焼隔壁２）を備え、排気流路が燃焼隔壁と第一隔壁の隙間空間に形成されるタイプの両方を含む。
本発明において、「第二隔壁上段部」、「同下段部」とは、後述する図１の天地方向を想定した場合の相対位置関係を意味する概念である。改質器設置時の天地方向は、必ずしも図１の向きに限定されるものではなく、天地逆（１８０度回転）、横向き（９０度回転）等、任意に選択することができる。従って、例えば図１と天地逆に設置した場合には、「上段部」が「下段部」の下側に位置する相対関係となる。第三隔壁についても同様である。
（２）上記（１）の発明において、前記原料ガス供給手段及び前記水供給手段を、前記予熱層上流端部に備えたことを特徴とする。
（３）上記（２）の発明において、前記原料ガス供給手段を、前記予熱層上端部に替えて、前記第一熱交換室に備えたことを特徴とする。
（４）上記（２）の発明において、前記第二隔壁上段部の外側に第四隔壁を、さらに備え、前記原料ガス供給手段を、前記予熱層上端部に替えて、第四隔壁と前記第二隔壁の間隙に形成される原料ガス流路の上端部に備え、かつ、予熱層を通過する水と、該原料ガス流路を通過する原料ガスとを、前記第一熱交換室で混合させるように構成したことを特徴とする。
（５）上記各発明において、前記連通孔を、前記仕切板の一箇所に集中させて設けたことを特徴とする。
本発明において、「一箇所に集中」とは、単一の連通孔、又は、複数の連通孔を一箇所に配設の両方を含む。
（６）上記各発明において、前記第一熱交換室の下端部に、残留する液水を捕捉する水トラップ部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、予熱層と改質触媒層との境界部に熱交換促進部を設けたため、シフト触媒層に導入される改質ガスと、熱交換促進部を通過する混合ガスとの熱交換が効率よく行われ、これにより境界部長さの短縮、装置全体の小型化が可能となった。
【００１１】
シフト触媒層の内側に原料ガス流路を設ける発明にあっては、シフト触媒の反応温度低下を抑制することができ、触媒層内の径方向の温度分布均一化が実現できた。
【００１２】
第一熱交換室と第二熱交換室を区画する仕切板に、単一の連通孔を設けた発明にあっては、原料ガスと水との混合が促進され、改質触媒層出口温度の周方向温度差を低減することができた。
【００１３】
また、第一熱交換室の下端部に水トラップ部を設けた発明にあっては、貯留した液水が、蒸発に際して改質触媒層出の改質ガスから蒸発潜熱として熱回収するため、反応適正温度に低下した改質ガスをシフト触媒に導入することが可能になった。
さらに、液水による連通孔閉塞を防止でき、原料ガス及び水の入口圧力変動の抑制が可能となった。これにより、改質ガスの安定供給が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第一の実施形態に係る多重円筒型水蒸気改質器１の断面構成を示す図である。
【図２】水蒸気改質器１の熱交換促進部８近傍の詳細構成を示す図である。
【図３】水蒸気改質器１の熱交換促進部近傍における熱交換の態様を示す図である。
【図４】第二の実施形態に係る多重円筒型水蒸気改質器２０の断面構成を示す図である。
【図５】第三の実施形態に係る多重円筒型水蒸気改質器３０の断面構成を示す図である。
【図６】水蒸気改質器３０の熱交換促進部近傍の詳細構成を示す図である。
【図７】本発明構造（ａ）及び従来構造（ａ）の温度測定箇所を示す図である。
【図８】第一の実施形態において、排気流路に関する他のバリエーションを示す図である。
【図９】従来の多重円筒型水蒸気改質器１００の断面構成を示す図である。
【図１０】従来の多重円筒型水蒸気改質器における境界部バリエーションを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る水蒸気改質器の各実施形態について、さらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
（第一の実施形態）
図１を参照して、本発明の第一の実施形態に係る水蒸気改質器１は、同一中心軸の多重円筒型の金属隔壁２乃至５の各隔壁間隙に、原料ガスを目的組成に改質するために必要な各要素（燃焼室、触媒層、ガス流路等）を配置して構成されている。燃焼隔壁２の内側空間には燃焼室２ａが形成され、上蓋２ｅにバーナ２ｂが下向きに固定されている。燃料ガスは燃料ガス供給管２ｃを介して供給され、バーナ２ｂにおいて燃焼して燃焼排ガスとなる。
燃焼隔壁２と第一隔壁３の間隙には、燃焼排ガスの排気流路３ａが形成されている。燃焼室出口２ｄから排出される燃焼排ガスは、排気流路３ａを上昇して、排気出口管３ｂを介して外部に排出されるように構成されている。
第二隔壁４は、下段部４ｂが上段部４ａより大口径に構成されている。第一隔壁３と第二隔壁上段部４ａ間には、予熱層９が形成されている。予熱層９内には両隔壁間に螺旋状に巻かれた伝熱促進体９ａが配設されており、原料ガス供給管９ｂ、水供給管９ｃからそれぞれ供給される原料ガス及び水が、伝熱促進体９ａに沿って螺旋状に流下可能に構成されている。
【００１６】
図２をも参照して、予熱層９下側の第一隔壁３と第二隔壁下段部４ｂの間隙には、熱交換促進部８及び改質触媒層６が形成されている。
熱交換促進部８は、仕切板１０により区画される２つのリング形状空間（外周側の第一熱交換室８ａ及び内周側の第二熱交換室８ｂ）により構成されている。仕切板１０は、筒状部１０ａ及び上下の折返部１０ｂ、１０ｃにより断面クランク形状構成され、筒状部１０ａには周方向に複数の連通孔１０ｄが設けられている。第一熱交換室８ａ下端部は風刺されており、後述するように未蒸発の水を貯留可能とする水トラップ部８ｃが形成されている。
【００１７】
改質触媒層６には、原料ガスを水蒸気改質する触媒、例えばＲｕ系金属触媒が充填されており、原料ガス＋水蒸気混合ガスを改質反応（１）により、水素を主成分とするガスに改質する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ →ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（１）
【００１８】
最外側の第三隔壁５は、口径の異なる２つの円筒体（下段部５ａ、上段部５ｂ）を、上下に接合して構成されている。第二隔壁下段部４ｂと第三隔壁下段部５ａの間隙には、改質触媒層６を出た改質ガスをシフト触媒層７に導く改質ガス流路５ｃが形成されている。上側の第二隔壁上段部４ａと第三隔壁上段部５ｂの間隙には、シフト触媒層７が形成されている。シフト触媒層７には白金触媒が充填されており、改質ガス中に含まれるＣＯガスをシフト反応（２）によりＣＯ２に変成する。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・（２）
【００１９】
図示を省略するが、シフト触媒層７を出たシフト出ガスは、シフト出管７ａを介して別置のＰＲＯＸ触媒に導入され、改質ガス中のＣＯ除去後に、燃料電池セルスタックに供給されるように構成されている。また、第三隔壁５、上蓋２ｅ、下蓋５ｅの外側周囲は断熱材により覆われており、装置全体としては円筒形状に構成されている。
【００２０】
水蒸気改質器１は以上のように構成されており、次に、図１乃至３を参照して、定常運転時における水蒸気改質器１の改質ガス生成フローについて説明する。
燃焼室２ａ内で燃料ガスの燃焼により生成した燃焼排ガスは、下端部の燃焼室出口２ｄから排気流路３ａに導かれ、流路内を上昇して排気出口管３ｂを介して外部に排出される。
一方、原料ガス供給管９ｂ及び水供給管９ｃから予熱層９内に供給される原料ガス（メタンを主成分とする都市ガス）及び水は、予熱層９上部で混合しつつ伝熱促進体９ａに沿って螺旋状に流下していく。その際、排気流路３ａを上昇する燃焼排ガスからの熱（Ｑ１）、及び、シフト反応（２）により生じる熱（Ｑ２）を回収する。これにより、水の蒸発及び混合ガスの昇温が行われる。なお、本実施形態において、「混合ガス」とは、（水＋原料ガス）、（水＋水蒸気＋原料ガス）、（水蒸気＋原料ガス）のいずれかの状態を総称する概念として用いている（以下の実施形態についても同様）。予熱層９を通過した混合ガスは、熱交換促進部８の第一熱交換室８ａに導入される。
【００２１】
第一熱交換室８ａ内では、さらにシフト触媒層７側から熱回収（Ｑ３）して、混合ガス中の水の蒸発がさらに進行する。未蒸発の液水は下端の水トラップ部８ｃに貯留するが、ここで、第二隔壁下段部４ｂを介してシフト触媒層７流入前の改質ガスから熱回収（Ｑ４）し、蒸発が促進される。これにより、液水が連通孔１０ｄを通過することを防止することができる。連通孔１０ｄを通過した混合ガスは、第二熱交換室８ｂにおいて燃焼排ガスから熱回収（Ｑ５）し、さらに改質触媒層出ガスからも熱回収（Ｑ６）して、約４００℃に昇温して改質触媒層６に流入する。
【００２２】
改質触媒層６内において、混合ガスは触媒反応によりＨ２とＣＯを主成分とする改質ガスに改質される。改質ガス反応（１）は吸熱反応であり、第一隔壁３を介して燃焼排ガスから熱供給（Ｑ７）を受けて、許容温度範囲内で反応が進む。改質触媒層６下端部では改質ガスの温度は約６７０℃に上昇して、触媒層出口４ｃを出て改質ガス流路５ｃに導かれる。
改質ガス流路５ｄを上昇する改質ガスは、この間に改質触媒層６側（Ｑ８）及び第二熱交換室８ｂ側（Ｑ６、Ｑ４）に放熱して、シフト触媒層７入口近傍では約４００℃に温度低下して触媒層内に導入される。
このように、熱交換促進部８及び水トラップ部８ｃの設置により、水蒸気のみ含む混合ガスをシフト触媒層７に導入させることができ、さらにシフト触媒層７に流入する改質ガスの温度を適温に低下させることができる。
【００２３】
シフト触媒層７において、改質ガスはＣＯ成分がシフト反応（２）によりＣＯ２に変成され、ＣＯ濃度０．５％程度に低下する。シフト反応は発熱反応であるため、第二隔壁４を介して予熱層９側に放熱（Ｑ２）して反応許容温度を維持し、２００℃程度のシフト出ガスとなって触媒層を出る。
シフト触媒層７を出たシフト出ガスは、別置のＰＲＯＸ触媒（図示せず）に導入され、ここで改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に下げられた後に、水蒸気改質器１を出て燃料電池セルスタック（図示せず）に供給される。
【００２４】
なお、本実施形態ではＰＲＯＸ触媒層を別置とする例を示したが、一体に組み込む構成としてもよい。
また、連通孔１０ｄについて、仕切板１０の周方向に沿って複数設ける例を示したが、単一連通孔、又は複数の連通孔を一箇所に集中させる形態とすることも可能である。
また、本実施形態では第一隔壁３の内側に燃焼隔壁２を備え、燃焼排ガスが燃焼隔壁２に沿って下降し、燃焼隔壁２と第一隔壁３の間隙の排気流路３ａを上昇して、排気出口管３ｂから外部に排出される例を示したが、図８に示すように、燃焼隔壁を備えることなく、燃焼排ガスが燃焼室内を下降し、反転して第一隔壁３に沿って上昇して、上蓋に設けた排気出口管３ｂから外部に排出される態様とすることもできる。
【００２５】
（第二の実施形態）
次に図４を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施に係る水蒸気改質器２０の本体部分の構成が上述の水蒸気改質器１と相違している点は、原料ガスの供給位置である。すなわち、水蒸気改質器１では原料ガス、水ともに予熱層９の上部から供給しているのに対して、水蒸気改質器２０では原料ガス供給管２１は、熱交換促進部８の第一熱交換室８ａ上部に接続されており、ここから原料ガスが供給される。本実施形態は、原料ガスと混合させる前に水単独の状態で蒸発させたい場合（予熱層構造により発生）に、特に有効となる。
その他の構成については水蒸気改質器１と同一であるので重複説明を省略する。
【００２６】
次に、定常運転時における水蒸気改質器２０の改質ガス生成フローについて説明する。
水供給管９ｃから予熱層９内上部に供給される水は、伝熱促進体９ａを伝って流下していき、この間に第一隔壁３を介して燃焼排ガス側から熱回収して一部水蒸気となり、流入口２２を通過して第一熱交換室８ａに流入する。ここで原料ガス供給管２１を介して供給される原料ガスと混合し、シフト触媒層７側及び改質ガス流路５ｃを上昇する改質ガス側から熱回収して、混合ガスの昇温及び水の蒸発が進行する。水トラップ部８ｃに貯留する未蒸発の液水は、シフト触媒層７流入前の改質ガスから熱回収して、蒸発が促進される。水蒸気のみ含む混合ガスは、連通孔１０ｄを通過して第二熱交換室８ｂに流入し、燃焼排ガス側から熱回収し、約６７０℃程度に昇温して改質触媒層６に流入する。
バーナ２ｂ、改質触媒層６、シフト触媒層７等の作動については第一の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。
【００２７】
（第三の実施形態）
さらに、図５、６を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。
本実施に係る水蒸気改質器３０の構成が上述の水蒸気改質器２０と相違する点は、予熱層の外側に原料ガス専用の流路が設けられていることである。すなわち、第二隔壁上段部４ａの外側周囲に第四隔壁３１を備えており、両隔壁の間隙に原料ガス流路（予熱層）３２が形成されている。また、第一熱交換室８ａと第二熱交換室８ｂとが複数の連通孔ではなく、単一の連通孔３６を介して連通していることである。さらに、原料ガス流路３２と第一熱交換室８ａの境界部に、伝熱促進体３４を備えていることである。その他の構成については水蒸気改質器１と同一であるので、重複説明を省略する。
【００２８】
次に、水蒸気改質器３０の定常運転時における改質ガス生成フローについて説明する。
水供給管９ｃから予熱層９内上部に供給される水は、伝熱促進体９ａを伝って流下していき、この間に第一隔壁３を介して燃焼排ガス側から熱回収して昇温し、第一熱交換室８ａの合流部３５に流入する。一方、原料ガスは原料ガス供給管３１を介して供給され、原料ガス流路３２を流下し、この間シフト触媒層７側から回収して昇温し、熱合流部３５に流入する。原料ガスと水とは第一熱交換室８ａ内で混合し、未蒸発の水分は下端の水トラップ部８ｃに貯留するが、シフト触媒層７流入前の改質ガスから熱回収し、蒸発が促進される。これにより、水蒸気のみを含む混合ガスが単一の連通孔３６を通過して第二熱交換室８ｂに流入する。第二熱交換室８ｂにおいて、第一隔壁３を介して燃焼排ガスから吸熱して約６７０℃程度に昇温して、改質触媒層６に流入する。
【００２９】
なお、バーナ２ｂ、改質触媒層６、シフト触媒層７等の作動については第一の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。
以上のように、本実施形態では予熱層９の外側に原料ガス専用の予熱層として機能する原料ガス流路３２を設け、比熱大の水は燃焼排ガス側から、比熱小の原料ガスはシフト触媒層側から、それぞれ熱回収する形態とした。これにより、シフト触媒層側からの放熱量は小となるため、触媒層内周側の温度低下を抑制することができ、発熱反応であるシフト反応を効率的に進行させることができる。
【実施例１】
【００３０】
本発明の効果を確認するために、本発明による水蒸気改質器（第三の実施形態のタイプ）と、従来構造の水蒸気改質器を用いて、熱交換促進部における温度条件の比較を行った。
図７に、本発明構造（ａ）及び従来構造（ｂ）の温度測定ポイントを示す。
Ａ点（改質触媒層入口）温度が３８０−３９０℃、Ｂ点（シフト触媒層入口）温度が２７０−３００℃となるようにバーナの燃焼条件等を設定し、触媒層内各部温度を測定した。表１に具体的試験条件を示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
表２は、測定結果を比較したものである。同表より、本発明構造によれば、シフト触媒層下端と改質触媒層上端の距離（Ｅ）が１０ｍｍ短いにも関わらず、Ｂ点（シフト触媒層入口）温度については同等の良好な結果が得られた。シフト触媒層に入る（下から上昇する）改質ガスと予熱層を通過する（上から流下する）原料ガスと水、さらに水トラップにたまった水との熱交換が効率的に行われるためである。
さらに、シフト触媒層中央部（Ｃ点）については、従来構造では内周側Ｃ１で温度低下が生じているのに対して、本発明構造では温度均一化が達成されている。シフト触媒層の内側に原料ガス流路を設けたことにより、シフト触媒層の反応温度低下を抑制できたためである。
さらに、本発明構造では原料ガス及び水の入口圧力変動を±１ｋＰａ以下に抑えられた。水トラップ部を設けたことにより、圧力脈動が抑制できたためである。
なお、連通孔を周方向に８個配設したタイプでは、改質触媒層出口温度が周方向で最大７０℃の温度差が生じたが、単一タイプでは、最大２０℃の温度差に止めることができた。単一にすることにより、原料ガスと水の混合が促進されたためである。
【００３３】
【表２】
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、ＰＥＦＣ燃料電池用の改質器としてのみならず、炭化水素系燃料から水素を生成する燃料処理装置として汎用的に適用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１、２０，３０・・・・・多重円筒型水蒸気改質器
２・・・・・燃焼隔壁
２ａ・・・・燃焼室
２ｂ・・・・バーナ
３・・・・・第一隔壁
３ａ・・・・排気流路
４・・・・・第二隔壁
４ａ・・・・第二隔壁上段部
４ｂ・・・・第二隔壁下段部
５・・・・・第三隔壁
５ａ・・・・第三隔壁下段部
５ｂ・・・・第三隔壁上段部
５ｃ・・・・改質ガス流路
６・・・・・改質触媒層
７・・・・・シフト触媒層
８・・・・・熱交換促進部
８ａ・・・・第一熱交換室
８ｂ・・・・第二熱交換室
８ｃ・・・・水トラップ部
９・・・・・予熱層
９ａ、３４・・・・伝熱促進体
９ｂ、２１・・・・原料ガス供給管
９ｃ・・・・水供給管
１０・・・・仕切板
１０ｄ、３６・・・・連通孔
３１・・・・第四隔壁
３２・・・・原料ガス流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質器において、同一中心軸の多重円筒体を構成する複数の隔壁により区画される間隙に、以下の構成要素を配置するものであって、
円筒体内側中心部に、燃料ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼室と、
第一隔壁の内側に沿って形成される燃焼排ガスの排気流路と、
第一隔壁と第二隔壁上段部の間隙に形成され、供給される原料ガス又は水のいずれか一方又は両方を、第一隔壁を介して燃焼排ガスと熱交換させる予熱層と、
原料ガス供給手段及び水供給手段と、
第一隔壁と第二隔壁下段部の間隙に形成され、予熱層を通過した混合ガスを、水素含有ガスに改質する改質触媒層と、
第二隔壁上段部と第三隔壁中段部の間隙に形成され、改質触媒層を出た改質ガスを変成するシフト触媒層と、
予熱層と改質触媒層との境界部に形成される熱交換促進部と、を備えて成り、
該熱交換促進部は、連通孔を備えた仕切板により区画される第一熱交換室と、第二熱交換室と、を含んで構成され、
第一熱交換室は、該仕切板と第二隔壁との間隙に形成され、かつ、予熱層から流入する混合ガスが、第二隔壁を介してシフト触媒層と熱交換可能に構成し、
第二熱交換室は、第一隔壁と該仕切板との間隙に形成され、かつ、第一熱交換室から連通孔を介して流入する混合ガスが、第一隔壁を介して燃焼排ガスと熱交換可能に構成し、
たことを特徴とする多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項２】
前記原料ガス供給手段及び前記水供給手段を、前記予熱層上流端部に備えたことを特徴とする請求項１に記載の多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項３】
請求項２において、前記原料ガス供給手段を、前記予熱層上流端部に替えて、前記第一熱交換室に備えたことを特徴とする記載の多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項４】
請求項２において、前記第二隔壁上段部の外側に第四隔壁を、さらに備え、
前記原料ガス供給手段を、前記予熱層上流端部に替えて、第四隔壁と前記第二隔壁の間隙に形成される原料ガス流路の上流端部に備え、かつ、
予熱層を通過する水と、該原料ガス流路を通過する原料ガスとを、前記第一熱交換室で混合させるように構成したことを特徴とする多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項５】
前記連通孔を、前記仕切板の一箇所に集中させて設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水蒸気改質器。
【請求項６】
前記第一熱交換室の下端部に、残留する液水を捕捉する水トラップ部を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項１】
炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する水蒸気改質器において、同一中心軸の多重円筒体を構成する複数の隔壁により区画される間隙に、以下の構成要素を配置するものであって、
円筒体内側中心部に、燃料ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼室と、
第一隔壁の内側に沿って形成される燃焼排ガスの排気流路と、
第一隔壁と第二隔壁上段部の間隙に形成され、供給される原料ガス又は水のいずれか一方又は両方を、第一隔壁を介して燃焼排ガスと熱交換させる予熱層と、
原料ガス供給手段及び水供給手段と、
第一隔壁と第二隔壁下段部の間隙に形成され、予熱層を通過した混合ガスを、水素含有ガスに改質する改質触媒層と、
第二隔壁上段部と第三隔壁中段部の間隙に形成され、改質触媒層を出た改質ガスを変成するシフト触媒層と、
予熱層と改質触媒層との境界部に形成される熱交換促進部と、を備えて成り、
該熱交換促進部は、連通孔を備えた仕切板により区画される第一熱交換室と、第二熱交換室と、を含んで構成され、
第一熱交換室は、該仕切板と第二隔壁との間隙に形成され、かつ、予熱層から流入する混合ガスが、第二隔壁を介してシフト触媒層と熱交換可能に構成し、
第二熱交換室は、第一隔壁と該仕切板との間隙に形成され、かつ、第一熱交換室から連通孔を介して流入する混合ガスが、第一隔壁を介して燃焼排ガスと熱交換可能に構成し、
たことを特徴とする多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項２】
前記原料ガス供給手段及び前記水供給手段を、前記予熱層上流端部に備えたことを特徴とする請求項１に記載の多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項３】
請求項２において、前記原料ガス供給手段を、前記予熱層上流端部に替えて、前記第一熱交換室に備えたことを特徴とする記載の多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項４】
請求項２において、前記第二隔壁上段部の外側に第四隔壁を、さらに備え、
前記原料ガス供給手段を、前記予熱層上流端部に替えて、第四隔壁と前記第二隔壁の間隙に形成される原料ガス流路の上流端部に備え、かつ、
予熱層を通過する水と、該原料ガス流路を通過する原料ガスとを、前記第一熱交換室で混合させるように構成したことを特徴とする多重円筒型水蒸気改質器。
【請求項５】
前記連通孔を、前記仕切板の一箇所に集中させて設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水蒸気改質器。
【請求項６】
前記第一熱交換室の下端部に、残留する液水を捕捉する水トラップ部を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の多重円筒型水蒸気改質器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１７８６２０（Ｐ２０１１−１７８６２０Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４５２５４（Ｐ２０１０−４５２５４）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
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