改質器
【課題】改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における応力変形による歪みの蓄積を低減し、疲労破壊に至るまでの疲労寿命を長くすることが可能な改質器を提供する。
【解決手段】正面視長方形状の第１、第２扁平皿形容器の周縁の鍔部の全周を、正面視長方形状で平板状の仕切り板を介して重ね合わせて固着し、改質材を第１扁平皿形容器と仕切り板との間の第１空間に収納し、第２扁平皿形容器と仕切り板との間の第２空間の特定辺Ｆｔ側に、当該特定辺Ｆｔに沿ってバーナを延設して備えた改質器Ｆにおいて、特定辺Ｆｂ３と、その端部から直交して延出される直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との交差部に関し、正面視にて、特定辺Ｆｂ３と直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２とを、角部の交差角が鈍角を成す複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４で接続する。
【解決手段】正面視長方形状の第１、第２扁平皿形容器の周縁の鍔部の全周を、正面視長方形状で平板状の仕切り板を介して重ね合わせて固着し、改質材を第１扁平皿形容器と仕切り板との間の第１空間に収納し、第２扁平皿形容器と仕切り板との間の第２空間の特定辺Ｆｔ側に、当該特定辺Ｆｔに沿ってバーナを延設して備えた改質器Ｆにおいて、特定辺Ｆｂ３と、その端部から直交して延出される直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との交差部に関し、正面視にて、特定辺Ｆｂ３と直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２とを、角部の交差角が鈍角を成す複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４で接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で、平板状の仕切り板とから構成され、前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周が、前記仕切り板を介して重ね合わされて固着された構成で、改質材が、前記第１扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第１空間に、改質材が収納されるとともに、前記第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の特定辺側に、当該特定辺に沿ってバーナを延設して備えた改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の燃料となる水素を主成分とする改質ガスは、天然ガス等の炭化水素を含む原燃料を水蒸気改質して得るのが一般的である。原燃料の水蒸気改質によって水素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質装置において、その水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気改質反応に必要な熱を何らかの形で供給する必要がある。
【０００３】
このために、従来、原料を改質材で改質する改質器を、正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で且つ平板状の仕切り板とを、第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周を仕切り板を介して重ね合わせて固着し、第１扁平皿形容器と仕切り板との間に形成される第１空間に改質材を収納し、第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の特定辺側に沿って備えられるバーナの燃焼により、第１空間を加熱するように構成されたものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、他の例として、改質器として、正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で且つ平板状の仕切り板とを、第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周を仕切り板を介して重ね合わせて固着し、第１扁平皿形容器と仕切り板との間に形成される第１空間、及び、第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の双方に改質材を収納するとともに、そのように形成される改質器が複数並置して設けられて、互いに隣り合う改質器の間に改質材加熱用のヒータを備えて前記第１空間及び第２空間を加熱するように構成されたものがあった（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３５４２６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４０７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような改質器は、通常運転時の温度と停止時の温度の差が大きいとともに、比較的頻繁に起動と停止とを繰返すため、当該温度差に起因する部材の熱膨張・収縮が頻繁に起こり、熱疲労を受ける。具体的には、改質器は、扁平皿形容器形状の第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器と、両者間に介挿される平板状の仕切り板とに関して、周縁部を固着した構造とされるため、温度変化に伴って発生する両扁平皿形容器と仕切り板との変形形態が異なることに起因して、熱ひずみが扁平皿形容器の各端辺に沿った方向（図４（ａ）におけるＸ方向及びＹ方向）において顕著に起こり、長方形状の各角部（特に特定辺であるバーナ配設側の角部）にひずみが集中し、仕切り板から扁平皿形容器が当該角部で外れてしまう等の問題が発生する場合あった。
このような破壊は、起動開始、起動停止を繰返すことによる、熱ひずみ起因の疲労破壊と考えられる。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における熱ひずみ起因の疲労の蓄積を低減し、疲労破壊が発生するまでの寿命（疲労寿命）を長くすることが可能な改質器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る改質器は、それぞれ正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で、平板状の仕切り板とから構成され、前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周が、前記仕切り板を介して重ね合わされて固着された構成で、前記第１扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第１空間に、改質材が収納されるとともに、前記第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の特定辺側に、当該特定辺に沿ってバーナを延設して備えるものであって、その第１特徴構成は、前記特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、正面視にて、前記特定辺と前記直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続した点にある。
【０００９】
すなわち、特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、正面視にて、前記特定辺と前記直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続することによって、特定辺に沿って延設して備えられるバーナの燃焼熱による第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板の変形に伴う熱ひずみを、複数の鈍角角部にて分散させることが可能となる。
【００１０】
説明を加えると、本願に係る改質器は、第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器と、仕切り板とで構成され、当該仕切り板が、第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器に介挿された構造を取る。さらに、第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器の裏底部は、その内部に第１空間及び第２空間を形成されるように構成される。そして、先にも示したように、熱の影響による第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器の変形形態と仕切り板の変形形態とが異なり、さらに、両者間はその周縁部がその全周に亘って固着・拘束されているため、変形形態の差に起因する両者間で熱ひずみが発生しやすい構造となっている。
しかしながら、本願発明によれば、特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、正面視にて、特定辺と直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続することによって、バーナによる加熱に伴う変形を分散するものであるから、仕切り板と第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器との固着部分に発生する熱応力を低減させることができる。
【００１１】
つまり、上記のように特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、正面視にて、特定辺と直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続することによって、仕切り板と第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器との固着部分に発生する熱応力が小さいものとなるから、改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における疲労の蓄積を低減させることができるものとなり、改質器における第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器が疲労破壊に至るまでの疲労寿命を長くすることが可能となる。
【００１２】
要するに、本発明に係る改質器の第１特徴構成によれば、改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における疲労の蓄積を低減し、疲労破壊に至るまでの寿命（疲労寿命）を長くすることが可能な改質器を提供できる。
【００１３】
本発明に係る改質器の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記特定辺と前記直交側辺との間に傾斜辺を備え、前記複数の鈍角角部として、前記特定辺と傾斜辺との間の特定辺側角部と、前記傾斜辺と前記直交側辺との間の側辺側角部とを備え、前記特定辺側角部の交差角と、前記側辺側角部の交差角が等しい点にある。
【００１４】
すなわち、特定辺と直交側辺との間に傾斜辺を備え、複数の鈍角角部として、特定辺と傾斜辺との間の特定辺側角部と、傾斜辺と前記直交側辺との間の側辺側角部とを備え、特定辺側角部の交差角と、側辺側角部の交差角とが等しくなるように構成することによって、第１扁平皿形容器、仕切り板、第２扁平皿形容器の変形を、角部周辺において、各部材の端縁に沿う方向において略均等に分散することができるものとなり、第１扁平皿形容器、又は、第２扁平皿形容器の疲労の蓄積を適切に低減させることができるものとなる。
【００１５】
要するに、本発明に係る改質器の第２特徴構成によれば、上記第１特徴構成による作用効果に加えて、第１扁平皿形容器、又は、第２扁平皿形容器の熱ひずみ起因の疲労の蓄積を適切に低減させることが可能な改質器を提供できる。
【００１６】
本発明に係る改質器の第３特徴構成は、上記第２特徴構成に加えて、前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板が、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用され、前記縦姿勢における下側に前記特定辺が位置されるとともに、前記特定辺の両端部位に、前記傾斜辺部を設けた点にある。
【００１７】
すなわち、第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板が、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用され、縦姿勢における下側に特定辺が位置されるとともに、特定辺の両端部位に、傾斜辺部を設けられるものであるから、第２空間においてバーナに燃焼に伴って発生する燃焼ガスを鉛直情報に導いて、改質材が収納された第１空間を良好に加熱することができる。また、燃料改質装置をコンパクトな構造とできる。
【００１８】
説明を加えると、バーナは、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用される第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板における下側に位置する特定辺の近傍に備えられ、上昇する燃焼排ガスによって、その大部分がバーナよりも上方に位置することになる第１空間及び第２空間を加熱することになる。したがって、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用される第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板は、その下方に位置するバーナに近接する特定辺の近傍が最も高温になる。そこで、この特定辺の両端部位に、傾斜辺部を設けることにより、第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器の熱膨張が最も大きい部分の膨張変形を分散することができるものとなり、第１扁平皿形容器、又は、第２扁平皿形容器の応力変形による歪みの蓄積を適切に低減させることができるものとなる。
【００１９】
要するに、本発明に係る改質器の第３特徴構成によれば、上記第２特徴構成による作用効果に加えて、第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器の疲労の蓄積を適切に低減させることができるものとなる。
【００２０】
本発明に係る改質器の第４特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、前記バーナを、前記傾斜辺より上で、前記直交側辺の前記傾斜辺側下部領域に設けた点にある。
【００２１】
すなわち、傾斜辺より上で、直交側辺の前記傾斜辺側下部領域にバーナを設けるものであるから、一対の傾斜辺を設けることにより、特定辺に沿った方向の長さが減少し、空間容積が減少する、傾斜辺より下の第２空間内ではなく、傾斜辺より上で、直交側辺の傾斜辺側下部領域にバーナを位置させることで、バーナの特定辺に沿った長さを充分確保できる。結果、第２空間、仕切り板、第１空間に対して、特定辺に沿った方向で、均等且つ安定した加熱を適切に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る燃料改質装置の構成を説明する図
【図２】本発明に係る燃料改質装置における改質器の分解斜視図並びに全体斜視図
【図３】本発明に係る燃料改質装置における改質器の平面図
【図４】平面視において２つ以上の角部が鈍角となる多角形状に形成されていない場合と形成されている場合とにおける歪蓄積量の解析結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
〔第１実施形態〕
以下に、図面を参照して、炭化水素系の原燃料を改質して、水素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質装置の構成について説明する。
以下の実施形態では、発電出力７００Ｗ級の家庭用燃料電池システムにおいて、燃料改質装置で生成した水素を燃料電池の燃料として供給する例を説明するが、生成した水素を別の用途に供給してもよい。
図１は、燃料改質装置の構成を説明する図である。図１に示すように、燃料改質装置Ｒが備える装置本体Ａは、改質ガスを生成するための複数の反応器（脱硫処理部１、水蒸気生成部２、燃焼部４、水蒸気改質部３、変成処理部５、選択酸化部６）を有する。図１において、装置本体Ａは断面図で示す。
【００２４】
まず、脱硫処理部１から選択酸化部６に至るガスの流路について説明する。
図１に示すように、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの原燃料ガス通流部１６に原燃料ガス供給路２１を接続して、そこから原燃料ガスを供給する。そして、原燃料ガス通流部１６、脱硫処理部１、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの被改質ガス通流部１３、水蒸気改質部３、保温用通流部７、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの上流側改質処理ガス通流部１２、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの下流側改質処理ガス通流部１５、変成処理部５、選択酸化部６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２で接続している。
【００２５】
脱硫処理部１は、供給される都市ガスなどの炭化水素系の原燃料ガス（炭化水素系の原燃料）を脱硫処理する。水蒸気生成部２は、燃焼部４から排出された燃焼ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通流部１１と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流部１１による加熱にて蒸発させる蒸発部Ｖとを有する。燃焼部４は、燃焼用ガスを燃焼して燃焼熱を発生させる。燃焼用ガスとしては、燃料電池（図示せず）から排出された排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）を用いることができ、原燃料ガスを燃焼用ガスとして用いることもできる。水蒸気改質部３は、燃焼部４で発生された燃焼熱を利用して原燃料ガスを水蒸気改質して上記改質ガスを生成する。具体的には、水蒸気改質部３には、ルテニウム、ニッケル、白金などの改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填される。水蒸気改質部３には、改質処理温度（即ち、反応器の温度）を検出する温度センサ３８が設けられている。また、別の反応器の温度を検出する温度センサを設けてもよい。そして、水蒸気改質部３に被改質ガス（後述する脱硫原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスに改質する。原燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガスである場合、水蒸気改質部３では、燃焼部４によって例えば６５０℃〜７５０℃程度の加熱下でメタンと水蒸気とが下記の反応式にて改質反応して、水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含むガスに改質処理される。
【００２６】
〔化１〕
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
〔化２〕
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ2
【００２７】
選択酸化部６は、変成処理部５から排出される変成処理ガス中に残留している一酸化炭素を除去する。具体的には、選択酸化部６においては、ルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒作用によって、１００℃〜２００℃程度の反応温度で変成処理ガス中に残っている一酸化炭素が、添加された空気中の酸素によって酸化される。その結果、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）、水素リッチな燃料ガスが生成される。
生成された燃料ガスは、燃料ガス路２３を通じて燃料電池に供給される。本実施形態では、選択酸化部６から排出された選択酸化処理ガス（燃料電池に供給される燃料ガス）の温度は１００℃〜２００℃程度であり、例えば固体高分子型の燃料電池の動作温度は７０℃〜８０℃程度であるので、燃料ガス路２３には、選択酸化部６から排出された選択酸化処理ガスを、燃料電池の動作温度付近にまで冷却する燃料ガス冷却用熱交換器（図示せず）が設けられている。
また、上述したように、燃料電池から排出される排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）は、排燃料ガス路２４を通じて一対のパイプバーナ４４に燃焼用ガスとして供給される。
【００２８】
（水蒸気生成部への原料水の供給経路）
次に、水蒸気生成部２の蒸発部Ｖへの原料水の供給経路について説明する。
変成処理部５と選択酸化部６とを接続するガス処理用流路２２には、原料水供給路２５を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器１７と、更に、もう１つの水冷熱交換器（図示せず）と、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ３４とが順に設けられている。
更に、原料水供給路２５における原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所には、原料水を蛇行状に流す蛇行状通流部１８が設けられている。蛇行状通流部１８は、装置本体Ｍの外壁部のうちの、燃焼部４を覆う箇所に熱伝導可能に当て付けて設けられる。その結果、装置本体Ａの外壁部からの伝導熱および輻射熱により、蛇行状通流部１８を通流する原料水が予熱される。
以上のようにして、水蒸気生成部２の蒸発部Ｖに供給する原料水を、原料水予熱用熱交換器１７及び蛇行状通流部１８を用いて予熱する。
【００２９】
（改質器の装置構成）
燃焼部４は、燃焼用ガス（排燃料ガス）を火炎を形成する状態で燃焼させる有炎燃焼部４Ｆと、その有炎燃焼部４Ｆに対して、その有炎燃焼部４Ｆの火炎形成方向下流側に配置されて、有炎燃焼部４Ｆにて燃焼しなかった燃焼用ガスを燃焼触媒４ｃにて燃焼させる触媒燃焼部４Ｃを備える。有炎燃焼部４Ｆには、改質装置用の加熱バーナとしての一対のパイプバーナ４４が設けられる。パイプバーナ４４にはイグナイタ４ｉを用いて点火される。燃焼部４の外表面の最高温度は例えば６００℃〜７００℃である。
【００３０】
図１において一点鎖線矢印にて示すように、燃焼用空気が、燃焼用ブロア２８から燃焼用空気路２９を通って一対のパイプバーナ４４に供給される。
更に、燃焼用ブロア２８に接続した酸化用空気供給路３１が、変成処理部５と選択酸化部６とを接続するガス処理用流路２２に接続される。それにより、燃焼用ブロア２８からの空気は酸化用空気として選択酸化部６に供給される。但し、酸化用空気供給路３１には開閉弁３５が設けられており、開閉弁３５を閉止作動させることで選択酸化部６への空気の供給を遮断可能である。
【００３１】
（装置本体Ａを通流するガスの熱交換）
次に、装置本体Ａを通流するガスの熱交換について説明する。
燃料改質装置の装置本体Ａには、水蒸気改質部３から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、水蒸気改質部３を保温する保温用通流部７と、高温の改質処理ガスにより水蒸気改質部３に供給される被改質ガスを加熱する被改質ガス用熱交換器Ｅｐと、高温の改質処理ガスにより脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを加熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａと、変成処理部５を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部８と、変成処理部５および選択酸化部６を冷却する冷却用ファン１０とが設けられている。
【００３２】
被改質ガス用熱交換器Ｅｐでは、保温用通流部７から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部１２と、水蒸気改質部３に供給する被改質ガスを通流させる被改質ガス通流部１３との熱交換が行われる。
原燃料ガス用熱交換器Ｅａでは、上流側改質処理ガス通流部１２から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部１５と、脱硫処理部１に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部１６との熱交換が行われる。
【００３３】
（水蒸気と原燃料ガスとの混合）
原燃料ガス供給路２１から供給される原燃料ガスを脱硫処理部１で脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスと水蒸気路２６からの水蒸気とを混合する。具体的には、図１に示すように、装置本体Ａにおいて、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路２５を水蒸気生成部Ｓの蒸発部Ｖに接続し、蒸発部Ｖにて生成された水蒸気を送出する水蒸気路２６を、脱硫処理部１と被改質ガス通流部１３とを接続するガス処理用流路２２に接続する。その結果、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気が混合される。
【００３４】
（燃焼部から排出される燃焼ガスの利用形態）
図１において、破線矢印にて示すように、燃焼部４から排出された燃焼ガスを、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８の順に流すように、それら燃焼部４、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８が燃焼ガス路２７により接続されている。そして、水蒸気生成用加熱通流部１１においては、燃焼ガスによって蒸発部Ｖを加熱し、変成部冷却用通流部８においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成処理部５を冷却する。
【００３５】
（燃料改質装置の装置本体の構成）
燃料改質装置Ｒが備える複数の反応器（脱硫処理部１、水蒸気生成部２、改質器Ｆを構成する燃焼部４、改質器Ｆを構成する水蒸気改質部３、変成処理部５、選択酸化部６）は、上記改質ガスの生成処理工程で用いられる処理空間を内部に備えた平板型モジュールとしての容器Ｂを用いて形成される。それら複数の容器Ｂ（複数の反応器：平板型モジュール）は、並列に密着して並べられた状態で装置本体Ａを構成する。複数の容器Ｂを並べるに当たっては、上述したような伝熱させる必要のあるもの同士は互いに密着させた状態で並べ、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間に伝熱量調節用の断熱材１９ａ、１９ｂ、１９ｄ、１９ｅを介在させた状態で並べてある。また、容器Ｂは、皿形状の容器形成用部材を、それらの間に板状の仕切り部材を位置させた状態で溶接接続して、二つの処理空間を備えるように構成されている。尚、図１に示すように、燃焼部４を直接覆うように設けられている断熱材１９は、後述する皿形状の容器形成用部材としての第２扁平皿形容器Ｎで覆われる状態で収納されている。
更に、変成処理部５と選択酸化部６との間や、変成処理部５を構成する複数の容器Ｂの間には容器Ｂ（反応器）を加熱するための板状のヒータＨが設けられている。
【００３６】
（改質器の構成）
改質器Ｆは、図２に示すように、それぞれ正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器Ｋ、第２扁平皿形容器Ｎと、正面視にて長方形状で、平板状の仕切り板Ｄとから構成され、第１扁平皿形容器Ｋ、第２扁平皿形容器Ｎの周縁に設けられた鍔部ＫＥ、鍔部ＮＥの全周が、仕切り板Ｄを介して重ね合わされて固着されている。
【００３７】
そして第１扁平皿形容器Ｋと仕切り板Ｄとの間に形成される第１空間ＫＲに、改質材（図示なし）が収納されるとともに、第２扁平皿形容器Ｎと仕切り板Ｄとの間に形成される第２空間ＮＲの特定辺Ｆｔ側に、当該特定辺Ｆｔに沿ってバーナ４４を延設して備えている。
尚、第１扁平皿形容器Ｋには、水蒸気改質部３と保温用通流部７とが、水蒸気改質部３が仕切り板Ｄ側となり、保温用通流部７が裏底部ＫＢ側となる状態で設けられている。そして、この実施形態においては、水蒸気改質部３が第１空間ＫＲに相当する。
【００３８】
図３に示すように、特定辺Ｆｔと、当該特定辺Ｆｔの端部から直交して延出される直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との交差部に関して、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間に傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２を備え、正面視にて、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２とを、角部の交差角が鈍角である角度α、βを成す複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４によって接続するように構成されている。
つまり、鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４は、特定辺Ｆｔ（Ｆｂ３）と傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２との間の特定辺側角部Ｆａ２、Ｆａ３と、傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２と直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間の側辺側角部Ｆａ１、Ｆａ４とを備えている。
そして、図３に示すように、特定辺側角部Ｆａ２とＦａ３とは、等しい交差角βを成すように構成され、側辺側角部Ｆａ１とＦａ４とは、等しい交差角αを成すように構成されている。ここで、図示する例では、α＝βである。
【００３９】
本発明の燃料改質装置Ｒにおいては、第１扁平皿形容器Ｋ、第２扁平皿形容器Ｎ及び仕切り板Ｄが、図１及び図３に示すように、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用され、縦姿勢における下側に特定辺Ｆｔが位置する状態となる。
そして、特定辺Ｆｔの両端部位に、傾斜辺部Ｆｂ１、Ｆｂ２が設けられ、バーナ４４は、図２及び図３に示すように、傾斜辺部Ｆｂ１、Ｆｂ２より上で、直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２の傾斜辺側下部領域に設けられている。
【００４０】
（改質器の使用態様）
燃料改質装置Ｒの使用において、改質器Ｆは、バーナ４４の燃焼により第１空間ＫＲを加熱するとともに、第１空間ＫＲに供給される原料を改質材で改質する。
このとき、第１扁平皿形容器Ｋ及び第２扁平皿形容器Ｎは、バーナによる加熱に伴って、例えば６５０℃〜７５０℃程度にまで温度が上昇するため、その加熱に伴い変形することになる。具体的には、図４（ａ）に示すように、第１扁平皿形容器Ｋの裏底部ＫＢ及び第２扁平皿形容器Ｎの裏底部ＮＢは、変形に伴って特定辺Ｆｔに沿うＸ方向及び特定辺Ｆｔに直交するＹ方向を含むＸ−Ｙ面に沿って膨張する。
本発明は、特定辺Ｆｔと、当該特定辺Ｆｔの端部から直交して延出される直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との交差部に関して、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間に傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２を備え、正面視にて、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２とを、角部の交差角が鈍角である角度α、βを成す複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４によって接続するように構成することにより、バーナ４４による加熱に伴う熱ひずみ変形であって裏底部ＫＢ、ＮＢの面方向の膨張、すなわち、Ｘ−Ｙ平面に沿う変位を分散することにより、改質装置Ｒの起動及び停止を繰り返した場合における疲労の蓄積を低減し、疲労破壊が発生するまでの寿命（疲労寿命）を長くすることが可能な改質器Ｆを提供することができる。
【００４１】
（熱応力解析の結果）
以下に、上記複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けることの効果を確認すべく行った熱応力解析の結果を示す。この解析結果は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けることの効果を示すものであるが、この解析にて得られた数値は、本発明を限定するものではない。
【００４２】
熱応力解析は、改質器Ｆをその設置姿勢において上下に二分割し、さらに、バーナ４４が設けられる特定辺側端部をさらに特定辺に直交する状態で二分割した解析対象部分Ｆｉに対して行った（図４参照）。
すなわち、図４におけるＦｉ１は、改質器Ｆの特定辺Ｆｔにおける一方側の端部であり、同Ｆｉ２は、改質器Ｆの特定辺Ｆｔに沿う方向における中央部を示すものである。
なお、解析は、常温（室温）状態から加熱状態（例えば６５０℃）への加熱、及び、加熱状態から常温状態への自然冷却を１サイクルとして、このサイクルをｎサイクル（ｎは一定数）繰り返し行なった。そして、この場合における、解析終了後の歪蓄積量（無次元量）を求めた。
【００４３】
図４（ａ）は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けていない（すなわち、全ての角の角度が直角である）場合の解析対象部分Ｆｉを示す図であり、図４（ｂ）は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けた場合の解析対象部分Ｆｉを示す図である。
第１扁平皿形容器Ｋの裏底部ＫＢにおいて、その平面視における特定辺側の一端側の角部Ｆｉ１、及び、特定辺の中央部分Ｆｉ２の歪蓄積量を比較した。
その結果、角部Ｆｉ１における歪蓄積量は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けていない場合（図４（ａ））に対して、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けた場合（図４（ｂ））は約８５％（１０８ｋ／１２６ｋ：ｋは定数）に低下していることが分かる。
また、中央部分Ｆｉ２における歪蓄積量は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けていない場合（図４（ａ））に対して、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けた場合（図４（ｂ））は約１１％（１６ｋ／１４６ｋ：ｋは定数）に低下していることが分かる。
【００４４】
このように、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けた場合は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けていない場合と較べて明らかに歪蓄積量が低下していることが判明した。
【００４５】
〔別実施形態〕
次に本発明の別実施形態を説明する。
（１）上記実施形態においては、特定辺側角部Ｆａ２、Ｆａ３の交差角βと、側辺側角部Ｆａ１、Ｆａ４の交差角αとを、等しく構成したが、側辺側角部Ｆａ１、Ｆａ４及び特定辺側角部Ｆａ２、Ｆａ３の全てが、鈍角となっていればよい。
また、Ｆａ１〜Ｆａ４の角度を、夫々全て異ならせるように構成してもよい。
つまり、それらの角度の全てが鈍角である条件において、Ｆａ１〜Ｆａ４の角度は任意に選択可能である。
【００４６】
（２）上記実施形態においては、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間に傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２を備えるように構成したが、傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２と直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間にさらに傾斜辺を備えるように構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によれば、改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における応力変形による歪みの蓄積を低減し、疲労破壊に至るまでの疲労寿命を長くすることが可能な改質器を提供することができる。
【符号の説明】
【００４８】
Ｆ 改質器
Ｆｔ（Ｆｂ３） 特定辺
Ｆｄ 下側
Ｆｓ１、Ｆｓ２ 直交側辺
Ｆａ１、Ｆａ４ 側辺側角部
Ｆａ２、Ｆａ３ 特定辺側角部
Ｆｂ１、Ｆｂ２ 傾斜辺
α、β 交差角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で、平板状の仕切り板とから構成され、前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周が、前記仕切り板を介して重ね合わされて固着された構成で、改質材が、前記第１扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第１空間に、改質材が収納されるとともに、前記第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の特定辺側に、当該特定辺に沿ってバーナを延設して備えた改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の燃料となる水素を主成分とする改質ガスは、天然ガス等の炭化水素を含む原燃料を水蒸気改質して得るのが一般的である。原燃料の水蒸気改質によって水素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質装置において、その水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気改質反応に必要な熱を何らかの形で供給する必要がある。
【０００３】
このために、従来、原料を改質材で改質する改質器を、正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で且つ平板状の仕切り板とを、第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周を仕切り板を介して重ね合わせて固着し、第１扁平皿形容器と仕切り板との間に形成される第１空間に改質材を収納し、第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の特定辺側に沿って備えられるバーナの燃焼により、第１空間を加熱するように構成されたものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、他の例として、改質器として、正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で且つ平板状の仕切り板とを、第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周を仕切り板を介して重ね合わせて固着し、第１扁平皿形容器と仕切り板との間に形成される第１空間、及び、第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の双方に改質材を収納するとともに、そのように形成される改質器が複数並置して設けられて、互いに隣り合う改質器の間に改質材加熱用のヒータを備えて前記第１空間及び第２空間を加熱するように構成されたものがあった（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３５４２６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４０７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような改質器は、通常運転時の温度と停止時の温度の差が大きいとともに、比較的頻繁に起動と停止とを繰返すため、当該温度差に起因する部材の熱膨張・収縮が頻繁に起こり、熱疲労を受ける。具体的には、改質器は、扁平皿形容器形状の第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器と、両者間に介挿される平板状の仕切り板とに関して、周縁部を固着した構造とされるため、温度変化に伴って発生する両扁平皿形容器と仕切り板との変形形態が異なることに起因して、熱ひずみが扁平皿形容器の各端辺に沿った方向（図４（ａ）におけるＸ方向及びＹ方向）において顕著に起こり、長方形状の各角部（特に特定辺であるバーナ配設側の角部）にひずみが集中し、仕切り板から扁平皿形容器が当該角部で外れてしまう等の問題が発生する場合あった。
このような破壊は、起動開始、起動停止を繰返すことによる、熱ひずみ起因の疲労破壊と考えられる。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における熱ひずみ起因の疲労の蓄積を低減し、疲労破壊が発生するまでの寿命（疲労寿命）を長くすることが可能な改質器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る改質器は、それぞれ正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で、平板状の仕切り板とから構成され、前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周が、前記仕切り板を介して重ね合わされて固着された構成で、前記第１扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第１空間に、改質材が収納されるとともに、前記第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の特定辺側に、当該特定辺に沿ってバーナを延設して備えるものであって、その第１特徴構成は、前記特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、正面視にて、前記特定辺と前記直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続した点にある。
【０００９】
すなわち、特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、正面視にて、前記特定辺と前記直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続することによって、特定辺に沿って延設して備えられるバーナの燃焼熱による第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板の変形に伴う熱ひずみを、複数の鈍角角部にて分散させることが可能となる。
【００１０】
説明を加えると、本願に係る改質器は、第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器と、仕切り板とで構成され、当該仕切り板が、第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器に介挿された構造を取る。さらに、第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器の裏底部は、その内部に第１空間及び第２空間を形成されるように構成される。そして、先にも示したように、熱の影響による第１扁平皿形容器及び第２扁平皿形容器の変形形態と仕切り板の変形形態とが異なり、さらに、両者間はその周縁部がその全周に亘って固着・拘束されているため、変形形態の差に起因する両者間で熱ひずみが発生しやすい構造となっている。
しかしながら、本願発明によれば、特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、正面視にて、特定辺と直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続することによって、バーナによる加熱に伴う変形を分散するものであるから、仕切り板と第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器との固着部分に発生する熱応力を低減させることができる。
【００１１】
つまり、上記のように特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、正面視にて、特定辺と直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続することによって、仕切り板と第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器との固着部分に発生する熱応力が小さいものとなるから、改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における疲労の蓄積を低減させることができるものとなり、改質器における第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器が疲労破壊に至るまでの疲労寿命を長くすることが可能となる。
【００１２】
要するに、本発明に係る改質器の第１特徴構成によれば、改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における疲労の蓄積を低減し、疲労破壊に至るまでの寿命（疲労寿命）を長くすることが可能な改質器を提供できる。
【００１３】
本発明に係る改質器の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記特定辺と前記直交側辺との間に傾斜辺を備え、前記複数の鈍角角部として、前記特定辺と傾斜辺との間の特定辺側角部と、前記傾斜辺と前記直交側辺との間の側辺側角部とを備え、前記特定辺側角部の交差角と、前記側辺側角部の交差角が等しい点にある。
【００１４】
すなわち、特定辺と直交側辺との間に傾斜辺を備え、複数の鈍角角部として、特定辺と傾斜辺との間の特定辺側角部と、傾斜辺と前記直交側辺との間の側辺側角部とを備え、特定辺側角部の交差角と、側辺側角部の交差角とが等しくなるように構成することによって、第１扁平皿形容器、仕切り板、第２扁平皿形容器の変形を、角部周辺において、各部材の端縁に沿う方向において略均等に分散することができるものとなり、第１扁平皿形容器、又は、第２扁平皿形容器の疲労の蓄積を適切に低減させることができるものとなる。
【００１５】
要するに、本発明に係る改質器の第２特徴構成によれば、上記第１特徴構成による作用効果に加えて、第１扁平皿形容器、又は、第２扁平皿形容器の熱ひずみ起因の疲労の蓄積を適切に低減させることが可能な改質器を提供できる。
【００１６】
本発明に係る改質器の第３特徴構成は、上記第２特徴構成に加えて、前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板が、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用され、前記縦姿勢における下側に前記特定辺が位置されるとともに、前記特定辺の両端部位に、前記傾斜辺部を設けた点にある。
【００１７】
すなわち、第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板が、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用され、縦姿勢における下側に特定辺が位置されるとともに、特定辺の両端部位に、傾斜辺部を設けられるものであるから、第２空間においてバーナに燃焼に伴って発生する燃焼ガスを鉛直情報に導いて、改質材が収納された第１空間を良好に加熱することができる。また、燃料改質装置をコンパクトな構造とできる。
【００１８】
説明を加えると、バーナは、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用される第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板における下側に位置する特定辺の近傍に備えられ、上昇する燃焼排ガスによって、その大部分がバーナよりも上方に位置することになる第１空間及び第２空間を加熱することになる。したがって、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用される第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板は、その下方に位置するバーナに近接する特定辺の近傍が最も高温になる。そこで、この特定辺の両端部位に、傾斜辺部を設けることにより、第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器の熱膨張が最も大きい部分の膨張変形を分散することができるものとなり、第１扁平皿形容器、又は、第２扁平皿形容器の応力変形による歪みの蓄積を適切に低減させることができるものとなる。
【００１９】
要するに、本発明に係る改質器の第３特徴構成によれば、上記第２特徴構成による作用効果に加えて、第１扁平皿形容器又は第２扁平皿形容器の疲労の蓄積を適切に低減させることができるものとなる。
【００２０】
本発明に係る改質器の第４特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、前記バーナを、前記傾斜辺より上で、前記直交側辺の前記傾斜辺側下部領域に設けた点にある。
【００２１】
すなわち、傾斜辺より上で、直交側辺の前記傾斜辺側下部領域にバーナを設けるものであるから、一対の傾斜辺を設けることにより、特定辺に沿った方向の長さが減少し、空間容積が減少する、傾斜辺より下の第２空間内ではなく、傾斜辺より上で、直交側辺の傾斜辺側下部領域にバーナを位置させることで、バーナの特定辺に沿った長さを充分確保できる。結果、第２空間、仕切り板、第１空間に対して、特定辺に沿った方向で、均等且つ安定した加熱を適切に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る燃料改質装置の構成を説明する図
【図２】本発明に係る燃料改質装置における改質器の分解斜視図並びに全体斜視図
【図３】本発明に係る燃料改質装置における改質器の平面図
【図４】平面視において２つ以上の角部が鈍角となる多角形状に形成されていない場合と形成されている場合とにおける歪蓄積量の解析結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
〔第１実施形態〕
以下に、図面を参照して、炭化水素系の原燃料を改質して、水素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質装置の構成について説明する。
以下の実施形態では、発電出力７００Ｗ級の家庭用燃料電池システムにおいて、燃料改質装置で生成した水素を燃料電池の燃料として供給する例を説明するが、生成した水素を別の用途に供給してもよい。
図１は、燃料改質装置の構成を説明する図である。図１に示すように、燃料改質装置Ｒが備える装置本体Ａは、改質ガスを生成するための複数の反応器（脱硫処理部１、水蒸気生成部２、燃焼部４、水蒸気改質部３、変成処理部５、選択酸化部６）を有する。図１において、装置本体Ａは断面図で示す。
【００２４】
まず、脱硫処理部１から選択酸化部６に至るガスの流路について説明する。
図１に示すように、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの原燃料ガス通流部１６に原燃料ガス供給路２１を接続して、そこから原燃料ガスを供給する。そして、原燃料ガス通流部１６、脱硫処理部１、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの被改質ガス通流部１３、水蒸気改質部３、保温用通流部７、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの上流側改質処理ガス通流部１２、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの下流側改質処理ガス通流部１５、変成処理部５、選択酸化部６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２で接続している。
【００２５】
脱硫処理部１は、供給される都市ガスなどの炭化水素系の原燃料ガス（炭化水素系の原燃料）を脱硫処理する。水蒸気生成部２は、燃焼部４から排出された燃焼ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通流部１１と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流部１１による加熱にて蒸発させる蒸発部Ｖとを有する。燃焼部４は、燃焼用ガスを燃焼して燃焼熱を発生させる。燃焼用ガスとしては、燃料電池（図示せず）から排出された排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）を用いることができ、原燃料ガスを燃焼用ガスとして用いることもできる。水蒸気改質部３は、燃焼部４で発生された燃焼熱を利用して原燃料ガスを水蒸気改質して上記改質ガスを生成する。具体的には、水蒸気改質部３には、ルテニウム、ニッケル、白金などの改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填される。水蒸気改質部３には、改質処理温度（即ち、反応器の温度）を検出する温度センサ３８が設けられている。また、別の反応器の温度を検出する温度センサを設けてもよい。そして、水蒸気改質部３に被改質ガス（後述する脱硫原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含む改質ガスに改質する。原燃料ガスが、メタンを主成分とする天然ガスである場合、水蒸気改質部３では、燃焼部４によって例えば６５０℃〜７５０℃程度の加熱下でメタンと水蒸気とが下記の反応式にて改質反応して、水素と一酸化炭素と二酸化炭素を含むガスに改質処理される。
【００２６】
〔化１〕
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
〔化２〕
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ2
【００２７】
選択酸化部６は、変成処理部５から排出される変成処理ガス中に残留している一酸化炭素を除去する。具体的には、選択酸化部６においては、ルテニウムや白金、パラジウム、ロジウム等の触媒作用によって、１００℃〜２００℃程度の反応温度で変成処理ガス中に残っている一酸化炭素が、添加された空気中の酸素によって酸化される。その結果、一酸化炭素濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）、水素リッチな燃料ガスが生成される。
生成された燃料ガスは、燃料ガス路２３を通じて燃料電池に供給される。本実施形態では、選択酸化部６から排出された選択酸化処理ガス（燃料電池に供給される燃料ガス）の温度は１００℃〜２００℃程度であり、例えば固体高分子型の燃料電池の動作温度は７０℃〜８０℃程度であるので、燃料ガス路２３には、選択酸化部６から排出された選択酸化処理ガスを、燃料電池の動作温度付近にまで冷却する燃料ガス冷却用熱交換器（図示せず）が設けられている。
また、上述したように、燃料電池から排出される排燃料ガス（発電反応に用いられなかった水素を含むガス）は、排燃料ガス路２４を通じて一対のパイプバーナ４４に燃焼用ガスとして供給される。
【００２８】
（水蒸気生成部への原料水の供給経路）
次に、水蒸気生成部２の蒸発部Ｖへの原料水の供給経路について説明する。
変成処理部５と選択酸化部６とを接続するガス処理用流路２２には、原料水供給路２５を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器１７と、更に、もう１つの水冷熱交換器（図示せず）と、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ３４とが順に設けられている。
更に、原料水供給路２５における原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所には、原料水を蛇行状に流す蛇行状通流部１８が設けられている。蛇行状通流部１８は、装置本体Ｍの外壁部のうちの、燃焼部４を覆う箇所に熱伝導可能に当て付けて設けられる。その結果、装置本体Ａの外壁部からの伝導熱および輻射熱により、蛇行状通流部１８を通流する原料水が予熱される。
以上のようにして、水蒸気生成部２の蒸発部Ｖに供給する原料水を、原料水予熱用熱交換器１７及び蛇行状通流部１８を用いて予熱する。
【００２９】
（改質器の装置構成）
燃焼部４は、燃焼用ガス（排燃料ガス）を火炎を形成する状態で燃焼させる有炎燃焼部４Ｆと、その有炎燃焼部４Ｆに対して、その有炎燃焼部４Ｆの火炎形成方向下流側に配置されて、有炎燃焼部４Ｆにて燃焼しなかった燃焼用ガスを燃焼触媒４ｃにて燃焼させる触媒燃焼部４Ｃを備える。有炎燃焼部４Ｆには、改質装置用の加熱バーナとしての一対のパイプバーナ４４が設けられる。パイプバーナ４４にはイグナイタ４ｉを用いて点火される。燃焼部４の外表面の最高温度は例えば６００℃〜７００℃である。
【００３０】
図１において一点鎖線矢印にて示すように、燃焼用空気が、燃焼用ブロア２８から燃焼用空気路２９を通って一対のパイプバーナ４４に供給される。
更に、燃焼用ブロア２８に接続した酸化用空気供給路３１が、変成処理部５と選択酸化部６とを接続するガス処理用流路２２に接続される。それにより、燃焼用ブロア２８からの空気は酸化用空気として選択酸化部６に供給される。但し、酸化用空気供給路３１には開閉弁３５が設けられており、開閉弁３５を閉止作動させることで選択酸化部６への空気の供給を遮断可能である。
【００３１】
（装置本体Ａを通流するガスの熱交換）
次に、装置本体Ａを通流するガスの熱交換について説明する。
燃料改質装置の装置本体Ａには、水蒸気改質部３から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、水蒸気改質部３を保温する保温用通流部７と、高温の改質処理ガスにより水蒸気改質部３に供給される被改質ガスを加熱する被改質ガス用熱交換器Ｅｐと、高温の改質処理ガスにより脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを加熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａと、変成処理部５を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部８と、変成処理部５および選択酸化部６を冷却する冷却用ファン１０とが設けられている。
【００３２】
被改質ガス用熱交換器Ｅｐでは、保温用通流部７から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部１２と、水蒸気改質部３に供給する被改質ガスを通流させる被改質ガス通流部１３との熱交換が行われる。
原燃料ガス用熱交換器Ｅａでは、上流側改質処理ガス通流部１２から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部１５と、脱硫処理部１に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部１６との熱交換が行われる。
【００３３】
（水蒸気と原燃料ガスとの混合）
原燃料ガス供給路２１から供給される原燃料ガスを脱硫処理部１で脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスと水蒸気路２６からの水蒸気とを混合する。具体的には、図１に示すように、装置本体Ａにおいて、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路２５を水蒸気生成部Ｓの蒸発部Ｖに接続し、蒸発部Ｖにて生成された水蒸気を送出する水蒸気路２６を、脱硫処理部１と被改質ガス通流部１３とを接続するガス処理用流路２２に接続する。その結果、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気が混合される。
【００３４】
（燃焼部から排出される燃焼ガスの利用形態）
図１において、破線矢印にて示すように、燃焼部４から排出された燃焼ガスを、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８の順に流すように、それら燃焼部４、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８が燃焼ガス路２７により接続されている。そして、水蒸気生成用加熱通流部１１においては、燃焼ガスによって蒸発部Ｖを加熱し、変成部冷却用通流部８においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成処理部５を冷却する。
【００３５】
（燃料改質装置の装置本体の構成）
燃料改質装置Ｒが備える複数の反応器（脱硫処理部１、水蒸気生成部２、改質器Ｆを構成する燃焼部４、改質器Ｆを構成する水蒸気改質部３、変成処理部５、選択酸化部６）は、上記改質ガスの生成処理工程で用いられる処理空間を内部に備えた平板型モジュールとしての容器Ｂを用いて形成される。それら複数の容器Ｂ（複数の反応器：平板型モジュール）は、並列に密着して並べられた状態で装置本体Ａを構成する。複数の容器Ｂを並べるに当たっては、上述したような伝熱させる必要のあるもの同士は互いに密着させた状態で並べ、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間に伝熱量調節用の断熱材１９ａ、１９ｂ、１９ｄ、１９ｅを介在させた状態で並べてある。また、容器Ｂは、皿形状の容器形成用部材を、それらの間に板状の仕切り部材を位置させた状態で溶接接続して、二つの処理空間を備えるように構成されている。尚、図１に示すように、燃焼部４を直接覆うように設けられている断熱材１９は、後述する皿形状の容器形成用部材としての第２扁平皿形容器Ｎで覆われる状態で収納されている。
更に、変成処理部５と選択酸化部６との間や、変成処理部５を構成する複数の容器Ｂの間には容器Ｂ（反応器）を加熱するための板状のヒータＨが設けられている。
【００３６】
（改質器の構成）
改質器Ｆは、図２に示すように、それぞれ正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器Ｋ、第２扁平皿形容器Ｎと、正面視にて長方形状で、平板状の仕切り板Ｄとから構成され、第１扁平皿形容器Ｋ、第２扁平皿形容器Ｎの周縁に設けられた鍔部ＫＥ、鍔部ＮＥの全周が、仕切り板Ｄを介して重ね合わされて固着されている。
【００３７】
そして第１扁平皿形容器Ｋと仕切り板Ｄとの間に形成される第１空間ＫＲに、改質材（図示なし）が収納されるとともに、第２扁平皿形容器Ｎと仕切り板Ｄとの間に形成される第２空間ＮＲの特定辺Ｆｔ側に、当該特定辺Ｆｔに沿ってバーナ４４を延設して備えている。
尚、第１扁平皿形容器Ｋには、水蒸気改質部３と保温用通流部７とが、水蒸気改質部３が仕切り板Ｄ側となり、保温用通流部７が裏底部ＫＢ側となる状態で設けられている。そして、この実施形態においては、水蒸気改質部３が第１空間ＫＲに相当する。
【００３８】
図３に示すように、特定辺Ｆｔと、当該特定辺Ｆｔの端部から直交して延出される直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との交差部に関して、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間に傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２を備え、正面視にて、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２とを、角部の交差角が鈍角である角度α、βを成す複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４によって接続するように構成されている。
つまり、鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４は、特定辺Ｆｔ（Ｆｂ３）と傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２との間の特定辺側角部Ｆａ２、Ｆａ３と、傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２と直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間の側辺側角部Ｆａ１、Ｆａ４とを備えている。
そして、図３に示すように、特定辺側角部Ｆａ２とＦａ３とは、等しい交差角βを成すように構成され、側辺側角部Ｆａ１とＦａ４とは、等しい交差角αを成すように構成されている。ここで、図示する例では、α＝βである。
【００３９】
本発明の燃料改質装置Ｒにおいては、第１扁平皿形容器Ｋ、第２扁平皿形容器Ｎ及び仕切り板Ｄが、図１及び図３に示すように、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用され、縦姿勢における下側に特定辺Ｆｔが位置する状態となる。
そして、特定辺Ｆｔの両端部位に、傾斜辺部Ｆｂ１、Ｆｂ２が設けられ、バーナ４４は、図２及び図３に示すように、傾斜辺部Ｆｂ１、Ｆｂ２より上で、直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２の傾斜辺側下部領域に設けられている。
【００４０】
（改質器の使用態様）
燃料改質装置Ｒの使用において、改質器Ｆは、バーナ４４の燃焼により第１空間ＫＲを加熱するとともに、第１空間ＫＲに供給される原料を改質材で改質する。
このとき、第１扁平皿形容器Ｋ及び第２扁平皿形容器Ｎは、バーナによる加熱に伴って、例えば６５０℃〜７５０℃程度にまで温度が上昇するため、その加熱に伴い変形することになる。具体的には、図４（ａ）に示すように、第１扁平皿形容器Ｋの裏底部ＫＢ及び第２扁平皿形容器Ｎの裏底部ＮＢは、変形に伴って特定辺Ｆｔに沿うＸ方向及び特定辺Ｆｔに直交するＹ方向を含むＸ−Ｙ面に沿って膨張する。
本発明は、特定辺Ｆｔと、当該特定辺Ｆｔの端部から直交して延出される直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との交差部に関して、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間に傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２を備え、正面視にて、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２とを、角部の交差角が鈍角である角度α、βを成す複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４によって接続するように構成することにより、バーナ４４による加熱に伴う熱ひずみ変形であって裏底部ＫＢ、ＮＢの面方向の膨張、すなわち、Ｘ−Ｙ平面に沿う変位を分散することにより、改質装置Ｒの起動及び停止を繰り返した場合における疲労の蓄積を低減し、疲労破壊が発生するまでの寿命（疲労寿命）を長くすることが可能な改質器Ｆを提供することができる。
【００４１】
（熱応力解析の結果）
以下に、上記複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けることの効果を確認すべく行った熱応力解析の結果を示す。この解析結果は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けることの効果を示すものであるが、この解析にて得られた数値は、本発明を限定するものではない。
【００４２】
熱応力解析は、改質器Ｆをその設置姿勢において上下に二分割し、さらに、バーナ４４が設けられる特定辺側端部をさらに特定辺に直交する状態で二分割した解析対象部分Ｆｉに対して行った（図４参照）。
すなわち、図４におけるＦｉ１は、改質器Ｆの特定辺Ｆｔにおける一方側の端部であり、同Ｆｉ２は、改質器Ｆの特定辺Ｆｔに沿う方向における中央部を示すものである。
なお、解析は、常温（室温）状態から加熱状態（例えば６５０℃）への加熱、及び、加熱状態から常温状態への自然冷却を１サイクルとして、このサイクルをｎサイクル（ｎは一定数）繰り返し行なった。そして、この場合における、解析終了後の歪蓄積量（無次元量）を求めた。
【００４３】
図４（ａ）は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けていない（すなわち、全ての角の角度が直角である）場合の解析対象部分Ｆｉを示す図であり、図４（ｂ）は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けた場合の解析対象部分Ｆｉを示す図である。
第１扁平皿形容器Ｋの裏底部ＫＢにおいて、その平面視における特定辺側の一端側の角部Ｆｉ１、及び、特定辺の中央部分Ｆｉ２の歪蓄積量を比較した。
その結果、角部Ｆｉ１における歪蓄積量は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けていない場合（図４（ａ））に対して、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けた場合（図４（ｂ））は約８５％（１０８ｋ／１２６ｋ：ｋは定数）に低下していることが分かる。
また、中央部分Ｆｉ２における歪蓄積量は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けていない場合（図４（ａ））に対して、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けた場合（図４（ｂ））は約１１％（１６ｋ／１４６ｋ：ｋは定数）に低下していることが分かる。
【００４４】
このように、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けた場合は、複数の鈍角角部Ｆａ１〜Ｆａ４を設けていない場合と較べて明らかに歪蓄積量が低下していることが判明した。
【００４５】
〔別実施形態〕
次に本発明の別実施形態を説明する。
（１）上記実施形態においては、特定辺側角部Ｆａ２、Ｆａ３の交差角βと、側辺側角部Ｆａ１、Ｆａ４の交差角αとを、等しく構成したが、側辺側角部Ｆａ１、Ｆａ４及び特定辺側角部Ｆａ２、Ｆａ３の全てが、鈍角となっていればよい。
また、Ｆａ１〜Ｆａ４の角度を、夫々全て異ならせるように構成してもよい。
つまり、それらの角度の全てが鈍角である条件において、Ｆａ１〜Ｆａ４の角度は任意に選択可能である。
【００４６】
（２）上記実施形態においては、特定辺Ｆｔと直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間に傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２を備えるように構成したが、傾斜辺Ｆｂ１、Ｆｂ２と直交側辺Ｆｓ１、Ｆｓ２との間にさらに傾斜辺を備えるように構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によれば、改質装置の起動及び停止を繰り返した場合における応力変形による歪みの蓄積を低減し、疲労破壊に至るまでの疲労寿命を長くすることが可能な改質器を提供することができる。
【符号の説明】
【００４８】
Ｆ 改質器
Ｆｔ（Ｆｂ３） 特定辺
Ｆｄ 下側
Ｆｓ１、Ｆｓ２ 直交側辺
Ｆａ１、Ｆａ４ 側辺側角部
Ｆａ２、Ｆａ３ 特定辺側角部
Ｆｂ１、Ｆｂ２ 傾斜辺
α、β 交差角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で、平板状の仕切り板とから構成され、前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周が、前記仕切り板を介して重ね合わされて固着された構成で、
前記第１扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第１空間に、改質材が収納されるとともに、前記第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の特定辺側に、当該特定辺に沿ってバーナを延設して備えた改質器であって、
前記特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、
正面視にて、前記特定辺と前記直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続した改質器。
【請求項２】
前記特定辺と前記直交側辺との間に傾斜辺を備え、
前記複数の鈍角角部として、前記特定辺と傾斜辺との間の特定辺側角部と、前記傾斜辺と前記直交側辺との間の側辺側角部とを備え、
前記特定辺側角部の交差角と、前記側辺側角部の交差角が等しい請求項１記載の改質器。
【請求項３】
前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板が、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用され、
前記縦姿勢における下側に前記特定辺が位置されるとともに、
前記特定辺の両端部位に、前記傾斜辺を設けた請求項２記載の改質器。
【請求項４】
前記バーナを、前記傾斜辺より上で、前記直交側辺における前記傾斜辺側の下部領域に設けた請求項３記載の改質器。
【請求項１】
それぞれ正面視にて長方形状の第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器と、正面視にて長方形状で、平板状の仕切り板とから構成され、前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器の周縁に設けられた鍔部の全周が、前記仕切り板を介して重ね合わされて固着された構成で、
前記第１扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第１空間に、改質材が収納されるとともに、前記第２扁平皿形容器と前記仕切り板との間に形成される第２空間の特定辺側に、当該特定辺に沿ってバーナを延設して備えた改質器であって、
前記特定辺と、当該特定辺の端部から直交して延出される直交側辺との交差部に関して、
正面視にて、前記特定辺と前記直交側辺とを、角部の交差角が鈍角を成す、複数の鈍角角部で接続した改質器。
【請求項２】
前記特定辺と前記直交側辺との間に傾斜辺を備え、
前記複数の鈍角角部として、前記特定辺と傾斜辺との間の特定辺側角部と、前記傾斜辺と前記直交側辺との間の側辺側角部とを備え、
前記特定辺側角部の交差角と、前記側辺側角部の交差角が等しい請求項１記載の改質器。
【請求項３】
前記第１扁平皿形容器、第２扁平皿形容器及び仕切り板が、鉛直上下方向に広がる縦姿勢で使用され、
前記縦姿勢における下側に前記特定辺が位置されるとともに、
前記特定辺の両端部位に、前記傾斜辺を設けた請求項２記載の改質器。
【請求項４】
前記バーナを、前記傾斜辺より上で、前記直交側辺における前記傾斜辺側の下部領域に設けた請求項３記載の改質器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１４８９１６（Ｐ２０１２−１４８９１６Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１４９（Ｐ２０１１−８１４９）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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