JP4657351B2 - 改質装置 - Google Patents

Description

本発明は改質装置に関し、特に温度変化によって部材が伸縮しても改質触媒が脱落することを防止する改質装置に関する。

近年普及が期待されている燃料電池は、水素と酸素とを導入してこれらの電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の炭化水素系の原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置を燃料電池に併設した燃料電池システムを構築することが多い。例えば家庭に設置される出力１ｋｗ程度の燃料電池に併設される小型の改質装置には、コンパクト化の要請から、複数の管を同心円状に間隔を空けて配置し、最も内側の管の内部に燃焼室を形成し、燃焼室の外側の管と管との間に原料及び水蒸気を通過させて高温下で触媒に接触させることにより水素リッチな改質ガスを生成する多重円筒式としたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−６３１５９号公報（図１等）

上述の多重円筒式の改質装置において、一般に、触媒は球状あるいは円柱状等のアルミナ担体に担持されて管と管との間の流路に充填され、充填された触媒の落下防止のためにガスが流通可能な多孔板が管の底部に取り付けられる。このとき、多重円筒式改質装置の構造上、同心円状に配置された複数の管は、内側に配置されたものほど温度が高くなるため、同一の材料で形成されている場合は熱膨張により伸びる長さが異なることとなる。このため、触媒の落下防止用の多孔板は、流路を形成する内外筒のいずれか一方に固定するのが好ましい。しかしながら、触媒落下防止用の多孔板を内外筒の一方に固定して他方に固定しない構造としても、熱膨張により一旦伸びた円筒が温度低下に伴い縮む際に、充填された触媒が抵抗となって多孔板を相対的に押し下げようとする力が生じて多孔板が曲げられて、触媒が内外筒間の流路から脱落する場合があった。

本発明は上述の課題に鑑み、温度変化によって部材が伸縮しても改質触媒が脱落することを防止する改質装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る改質装置は、例えば図１乃至図３に示すように、炭化水素系の原料ｒを改質して水素を主成分とする水素含有ガスｇを生成する改質装置１０であって；原料ｒの改質に用いられる熱を発生させる発熱装置１２と；第１の筒状部材１６と、第１の筒状部材１６を内部に収容する第２の筒状部材１７とを有する流路形成部材１５であって、発熱装置１２を第１の筒状部材１６の内部に収容し、第１の筒状部材１６と第２の筒状部材１７との間に原料ｒが流れる原料流路１８が形成された流路形成部材１５と；原料ｒの改質を促進させる改質触媒ＲＣであって、原料流路１８に充填された改質触媒ＲＣと；改質触媒ＲＣの落下を防止しつつ流体ｒ、ｓ、ｊを通過させる受板３１であって、第１の筒状部材１６に固定されて第２の筒状部材１７に固定されずに設けられた受板３１と；流路形成部材１５の軸方向への受板３１の変形を抑制する補強部材３２であって、第１の筒状部材１６と受板３１とに固定された補強部材３２とを備え；補強部材３２が、受板３１に固定された受板固定部３２ｓと、改質触媒ＲＣが充填されている側の第１の筒状部材１６に固定された筒状部材固定部３２ｔと、を有する平板状に形成されている。

このように構成すると、流路形成部材の軸方向への受板の変形を抑制する補強部材であって第１の筒状部材と受板とに固定された補強部材を備えるので、温度変化によって筒状部材が伸縮しても受板が変形することを抑制することができ、流路形成部材と受板とに囲まれた空間内の改質触媒が脱落することを防止することができる。また、補強部材が受板に固定された受板固定部と改質触媒が充填されている側の第１の筒状部材に固定された筒状部材固定部とを有する平板状に形成されているので、発熱装置から受熱して温度が上昇した第１の筒状部材が保有する熱を、補強部材を介して改質触媒に伝達することができ、原料の改質反応を促進させることができる。

また、本発明の第２の態様に係る改質装置は、例えば図７に示すように、上記本発明の第１の態様に係る改質装置１０Ａにおいて、補強部材３２Ａが、第１の筒状部材１６と実質的に同じ線膨張係数の材料で形成され、第１の筒状部材１６の軸方向における長さが改質触媒ＲＣが充填されている部分全体にわたって構成されている。

このように構成すると、第１の筒状部材の軸方向における補強部材の長さが改質触媒が充填されている部分全体にわたって構成されているので、第１の筒状部材から補強部材への伝達熱量を増加させることができ、原料の改質反応をより促進させることができる。

また、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る改質装置と；前記改質装置で生成された水素含有ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える燃料電池システムとしてもよい。

本発明によれば、流路形成部材の軸方向への受板の変形を抑制する補強部材であって第１の筒状部材と受板とに固定された補強部材を備えるので、温度変化によって筒状部材が伸縮しても受板が変形することを抑制することができ、流路形成部材と受板とに囲まれた空間内の改質触媒が脱落することを防止することができる。また、補強部材が受板に固定された受板固定部と改質触媒が充填されている側の第１の筒状部材に固定された筒状部材固定部とを有する平板状に形成されているので、発熱装置から受熱して温度が上昇した第１の筒状部材が保有する熱を、補強部材を介して改質触媒に伝達することができ、原料の改質反応を促進させることができる。

本発明の実施の形態に係る改質装置の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る改質装置の流路形成部材まわりの部分縦断面図である。 図２におけるIII−III矢視図である。 応力解析のモデルの構成を示す模式的断面図である。（ａ）は実施例モデルを示す図、（ｂ）は比較例モデルを示す図である。 実施例モデルの解析結果を示す応力分布図である。 比較例モデルの解析結果を示す応力分布図である。 本発明の実施の形態に係る改質装置の変形例の流路形成部材まわりの部分縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る改質装置１０を説明する。図１は、改質装置１０の縦断面図である。改質装置１０は、コンパクト化を図る観点から、複数の管を同心円状に間隔を空けて配置して、各管の間に流体が通過する流路が形成された多重円筒式の改質装置である。改質装置１０は、炭化水素系原料としての原料ガスｒの水蒸気改質に用いる改質熱を発生させる発熱装置としてのバーナー１２と、原料ガスｒが改質熱を受けながら通過する原料流路１８を形成する流路形成部材１５と、原料流路１８に充填された改質触媒ＲＣと、改質触媒ＲＣの原料流路１８からの落下を防ぐ受板３１（図２及び図３参照）と、補強部材３２（図２及び図３参照）とを備えている。

改質触媒ＲＣが充填された原料流路１８は、典型的には改質部２１を構成している。改質部２１は、原料ガスｒを水蒸気改質して水素を主成分とするが一酸化炭素を１０体積％程度含んでいる準改質ガスｊを生成する部分である。改質部２１の下流には、準改質ガスｊから一酸化炭素濃度を低減した水素含有ガスとしての改質ガスｇを生成する一酸化炭素低減部２２が設けられている。一酸化炭素低減部２２は、準改質ガスｊ中の一酸化炭素を変成して準改質ガスｊから一酸化炭素が低減した変成ガスｈとする変成部２３と、変成ガスｈ中の一酸化炭素を選択酸化して変成ガスｈからさらに一酸化炭素が低減した改質ガスｇを生成する選択酸化部２４とを有している。改質部２１と一酸化炭素低減部２２とで改質ガス生成部２０を構成している。

上記の炭化水素系原料（本実施の形態では原料ガスｒとして説明している）は、炭化水素あるいは炭化水素を主成分とする混合物の総称であり、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする炭化水素系の原料である。また、準改質ガスｊは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んでいる。準改質ガスｊの水素濃度は８０体積％以上でもよく、例えば燃料電池（不図示）に供給したときに酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。準改質ガスｊには、典型的には、一酸化炭素が１０体積％程度含まれている。

バーナー１２は、燃焼用燃料としての燃焼燃料ｆを燃焼させることで改質熱を発生するように構成されている。バーナー１２は、ステンレス鋼製の筒状部材である燃焼室区画筒１４の内部に収容され、バーナー１２の先端の空間が燃焼室区画筒１４に囲まれることによって燃焼室１３が形成されている。バーナー１２及び燃焼室１３で燃焼部１１を構成している。本実施の形態では、燃焼室区画筒１４は、その軸が略鉛直になるように配設されている。バーナー１２は、火炎が下向きに形成されるように燃焼室区画筒１４内に配設されている。燃焼室区画筒１４は、上端１４ａが閉塞されて筐体に固定されており、下端が開口になっていると共に温度変化による収縮が妨げられないように自由端となっている。バーナー１２の、火炎が形成されるのと反対側は、燃焼室区画筒１４の上端１４ａを貫通して空気燃料導入管２９に接続されている。空気燃料導入管２９は、燃焼空気ａ及び燃焼燃料ｆを流す流路を形成している。燃焼室区画筒１４は、側面周囲を流路形成部材１５に囲まれている。

ここで図２及び図３を図１と共に参照して、流路形成部材１５まわりの詳細を説明する。図２は、流路形成部材１５の部分縦断面図である。図３は、図２におけるIII−III矢視図である。流路形成部材１５は、第１の筒状部材としての内筒１６と、第２の筒状部材としての外筒１７とを有している。内筒１６及び外筒１７は、共にステンレス鋼で形成されている。内筒１６は、燃焼室区画筒１４より一回り大きい筒状部材で形成されており、その軸が燃焼室区画筒１４の軸と略一致するように配設されている。これにより、燃焼室区画筒１４の外側と内筒１６の内側との間に、バーナー１２で燃焼燃料ｆを燃焼させた後の排ガスｅを流す排ガス流路１１ｒが形成される。内筒１６は、上端が軸直角断面外側に伸びて他の部材（本実施の形態では後述するＣＯ低減触媒保持筒１９ｃ（図１参照））に固定されており、下端１６ｂが燃焼室区画筒１４よりも下方で閉塞されていると共に温度変化による収縮が妨げられないように自由端となっている。

外筒１７は、内筒１６より一回り大きい筒状部材で形成されており、その軸が内筒１６の軸と略一致するように配設されている。外筒１７は、上端が軸直角方向中心に向かって伸びて内筒１６の外側面に固定されており（図１参照）、下端が内筒１６の下端と略同じ位置で開口していると共に温度変化による収縮が妨げられないように自由端となっている。外筒１７の上端が内筒１６の外側面に固定される位置は、バーナー１２の火炎の位置よりも上方になっている（図１参照）。外筒１７が内筒１６の周囲を囲むように配設されていることにより、内筒１６の外側面と外筒１７の内側面との間に原料流路１８が形成されている。本実施の形態では、原料流路１８の幅（軸直角方向における内筒１６の外側面と外筒１７の内側面との距離）が、約５〜８ｍｍに形成されている。

原料流路１８には、原料ガスｒの水蒸気改質反応を促進させるための改質触媒ＲＣが充填されている。本実施の形態の改質触媒ＲＣは、直径約３ｍｍの球状に形成されたアルミナ担体に、ニッケルあるいはルテニウムが担持されたものが、複数充填されて構成されている。このように構成されていることで、原料流路１８内における改質触媒ＲＣの各球状担体同士の間に隙間が形成され、この隙間を通って原料ガスｒが原料流路１８を流れるようになっている。なお、担体は、球状以外の、円柱状等に形成されていてもよい。改質触媒ＲＣは、典型的には、外筒１７の軸方向の長さ略全体にわたって充填されている（図１参照）。この改質触媒ＲＣが充填されている部分が、改質部２１を構成している。改質部２１における水蒸気改質反応は吸熱反応であるために、燃焼部１１において燃焼燃料ｆを燃焼させて改質熱を発生させるように構成されている。改質部２１とバーナー１２との位置関係は、改質部２１の鉛直方向の略中央にバーナー１２の火炎が位置するように構成されている。このような位置関係とすると、改質部２１全体を加熱することができる。

受板３１は、上述のように構成された改質触媒ＲＣが原料流路１８から落下しないようにするために、内筒１６の下部に取り付けられている。受板３１は、円形平板の中心部分が円形にくり貫かれてドーナツ状に形成されている。受板３１は、中心部分開口の直径が内筒１６の外径と略等しく、外周の直径が、外周と外筒１７との間に隙間が形成されるように、外筒１７の内径よりも小さく形成されている。受板３１は、典型的には中心部開口の周囲が内筒１６の下部外側面に固定されているが、内筒１６の下端に固定されていてもよい。受板３１の面には、原料ガスｒ等の流体は通過できるが改質触媒ＲＣは通過できない大きさの通過孔３１ｈが複数形成されている。

補強部材３２は、受板３１が内筒１６から剥がれ落ちるのを防ぐために設けられた部材である。補強部材３２を設けることとしたのは、以下の理由による。改質装置１０は、停止時に常温（周囲環境温度）となっている部材が、運転時には原料ガスｒが改質ガスｇに改質される工程に適した温度に上昇する。特に、改質部２１は、一般に８００℃程度に上昇する。このとき、より燃焼部１１に近い内筒１６の温度が、原料流路１８（吸熱反応を行う原料ガスｒが流れる）を介して外側に配設された外筒１７の温度よりも高くなり、内筒１６と外筒１７とに温度差が生じる。そのため、熱膨張及び内筒１６と外筒１７との温度差を考慮して、流路形成部材１５は下端が自由端に構成されると共に、受板３１は内筒１６に固定されるが外筒１７には固定されないようになっている。しかし、このような熱膨張の対策を取っても、受板３１が内筒１６から剥がれて改質触媒ＲＣが脱落する場合があった。この原因を明確に特定することは困難であるが、本発明者らが鋭意研究したところ、改質装置１０が運転されることにより運転温度に上昇すると、内筒１６及び外筒１７が熱膨張により伸び、これに伴って受板３１の位置が下がると共に改質触媒ＲＣも重力で下がり、この状態から改質装置１０が停止されて温度が低下すると、内筒１６及び外筒１７が収縮し、これに伴って受板３１の位置が上がり、受板３１に支持されている改質触媒ＲＣの位置も上がるのであるが、充填された改質触媒ＲＣの各球状担体間に上昇を妨げる方向の摩擦力が生じ、上昇する受板３１を相対的に押し下げようとする応力（受板３１が内筒１６に固定されている部分を破損に至らせる応力）が、片持梁のように内筒１６に固定された部分に生じることが原因の１つに考えられるという知見を得た。

上記の事情に鑑みて、補強部材３２は、受板３１に固定される受板固定部としての受板固定辺３２ｓと、内筒１６の外側面に固定される筒状部材固定部としての筒状部材固定辺３２ｔとを有する平板状に形成されている。受板固定辺３２ｓ及び筒状部材固定辺３２ｔは、厳密な直線状の辺だけでなく、途中に突起などがあっても全体として直線状の辺と見ることができるもの（大部分が直線状の辺であるもの）も含まれる。本実施の形態では、補強部材３２が矩形平板状に形成されている。これは、本実施の形態では受板３１の上面と内筒１６の外側面とが直交していると共に、矩形平板状とすると加工が容易だからである。しかしながら、補強部材３２は、受板固定辺３２ｓと筒状部材固定辺３２ｔとを有していれば、矩形以外の例えば三角形やその他の多角形の平板に形成されていてもよい。平板に形成されていることで、原料流路１８への改質触媒ＲＣの充填及び原料ガスｒの流通の妨げとなることを軽減することができる。

また、補強部材３２は、平面視（図３参照）において、原料流路１８を周方向に等分するようにして、８個が設けられている。補強部材３２を周方向に等分して取り付けることで、内筒１６の収縮時に受板３１に生ずる応力を均等に分散させることができる。なお、設置される補強部材３２の数は、８個に限らず、原料流路１８の大きさや、熱応力により内筒１６が伸びる長さを勘案して適宜決定するとよい。

流路形成部材１５まわりの典型的な構築手順は、次のようになる。まず、内筒１６の下部外側面に補強部材３２の筒状部材固定辺３２ｔを固定する。次に、外筒１７を内筒１６に被せて外筒１７の上部を内筒１６の外側面に固定する。その後、外筒１７が取り付けられた内筒１６を天地逆にして、形成された原料流路１８に改質触媒ＲＣを充填する。そして、受板３１を、補強部材３２の受板固定辺３２ｓ上に載置して、内筒１６外側面及び受板固定辺３２ｓに固定する。受板３１の補強部材３２への固定は、受板３１の通過孔３１ｈを利用して溶接するとよい。例えば、補強部材３２の受板固定辺３２ｓに、通過孔３１ｈを通過できる突起を形成しておき、受板３１を補強部材３２上に載置する際にその突起を通過孔３１ｈから飛び出させ、この飛び出させた突起を溶かすように溶接すると、補強部材３２と受板３１との固定が強固になって好ましい。また、受板３１の内筒１６への固定は、典型的には、隣り合う補強部材３２間の中点を点溶接することにより行われる（これにより本実施の形態では８箇所で点溶接することとなる）。点溶接とすることにより、溶接の手間を軽減することができる。あるいは、内筒１６との接続部の受板３１への発生応力をさらに低減する観点から、点溶接の数を増やしてもよく、全周溶接としてもよい。

再び図１を主に参照して改質装置１０の構成を説明する。外筒１７の下端は開口になっている。この開口により改質部２１は変成部２３と連通している。他方、外筒１７の上端は閉塞しており、この上端の一部に原料ガスｒを改質部２１に導入する原料ガス導入管２６が接続されている。改質部２１の上部には、原料ガス導入管２６を介して導入した原料ガスｒが外筒１７の上部全体に行き渡るように改質触媒が充填されていない空間が形成されている。原料ガス導入管２６は、燃焼部１１と反対方向に（すなわち外側に）向かって延びている。原料ガス導入管２６には、後に詳説する改質用水管２５が接続されている。

変成部２３は、内筒１６の上部を残して、改質部２１より上方の内筒１６の外周に変成触媒が設けられることにより構成されている。変成触媒は、外筒１７の上部をも覆っている。この変成触媒が外筒１７を覆っている部分は、外筒１７で区画されているため改質部２１とは接触していない。上述のように、変成部２３は外筒１７の下端の開口により改質部２１と連通している。変成触媒は、改質部２１における水蒸気改質反応によって生成された準改質ガスｊに含まれる一酸化炭素を水と反応させる変成反応を促進させる触媒であり、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。また、変成触媒の形状は、変成反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。変成反応は、一酸化炭素を二酸化炭素にシフトする。変成反応は発熱反応である。

選択酸化部２４は、変成部２３より上方の内筒１６の外周に選択酸化触媒が設けられることにより構成されている。選択酸化部２４と変成部２３との境界は、パンチングメタル等で区画されていてもよいが、選択酸化部２４と変成部２３とは連通するように構成される。選択酸化触媒は、変成部２３における変成反応によって生成された変成ガスｈに含まれる一酸化炭素を酸素と反応させる選択酸化反応を促進させる触媒であり、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。また、選択酸化触媒の形状は、選択酸化反応を効率的に行うため、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。選択酸化反応は発熱反応である。

変成触媒及び選択酸化触媒は、燃焼室区画筒１４等と同軸の筒状部材であるＣＯ低減触媒保持筒１９ｃによって保持されている。言い換えると、内筒１６及び外筒１７の一部とＣＯ低減触媒保持筒１９ｃとの間に変成触媒が充填されており、内筒１６の上部とＣＯ低減触媒保持筒１９ｃとの間に選択酸化触媒が充填されている。ＣＯ低減触媒保持筒１９ｃは、変成部２３の下方にも延びており、改質部２１の下部を覆っている。変成部２３より下方のＣＯ低減触媒保持筒１９ｃは、外筒１７より一回り大きく形成されている。ＣＯ低減触媒保持筒１９ｃの下端１９ｂは閉塞されている。外筒１７の下端はＣＯ低減触媒保持筒１９ｃの下端１９ｂに接触しないように配設される。これにより改質部２１と変成部２３とが連通する。変成部２３より下方の、外筒１７の外側とＣＯ低減触媒保持筒１９ｃの内側との間には、準改質ガスｊを流す準改質ガス流路１９が形成されている。準改質ガス流路１９は、変成触媒の直下で、変成触媒の下面全体に準改質ガスｊが行き渡るように、外側に向けて放射状に広がっている。外筒１７よりも一回り大きいＣＯ低減触媒保持筒１９ｃのサイズは、準改質ガス流路１９を流れる準改質ガスｊの流量を勘案して適宜決定すればよい。

ＣＯ低減触媒保持筒１９ｃには、変成部２３直近の選択酸化部２４で、選択酸化空気ｃを選択酸化部２４に導入する選択酸化空気導入管２７が接続されている。選択酸化空気導入管２７は、外側に向かって延びている。また、ＣＯ低減触媒保持筒１９ｃには、変成部２３に隣接する側とは反対側の選択酸化部２４で、改質ガスｇを導出する改質ガス管２８が接続されている。改質ガス管２８は、外側に向かって延びている。

改質用水管２５は、以下のように配設されている。選択酸化部２４の上方からＣＯ低減触媒保持筒１９ｃの外側に接触し、選択酸化部２４の上部からＣＯ低減触媒保持筒１９ｃの外側を螺旋状に下方に巻いていく。螺旋状に下方に巻いていって変成部２３の上から２／３程度の位置に至ったところでＣＯ低減触媒保持筒１９ｃから外側に離れ、さらに上方に向きを変えて原料ガス導入管２６に接続する。改質用水管２５が原料ガス導入管２６に接続されることで改質用水管２５は改質部２１に連通している。このように、改質用水管２５は、選択酸化部２４及び変成部２３に隣接する位置に、改質ガス生成部２０の一酸化炭素低減部２２から受熱するように配設されている。改質用水管２５をこのように配設すると、改質用水ｓは選択酸化部２４の傍らから変成部２３の傍らを流れ、原料ガス導入管２６に流入するまでに選択酸化部２４及び変成部２３から受熱して液体から気体となる。なお、図１に示すように、改質用水管２５の一部が選択酸化部２４及び／又は変成部２３の内部を通り、内筒１６に接触するように配設されることとすると、受熱量が増加するので好ましい。

改質用水管２５の最下部（本実施の形態では変成部２３の上から２／３程度の位置）より下方の変成部２３及び改質部２１の外周は、断熱材４６で覆われている。断熱材４６よりも上方の変成部２３及び選択酸化部２４の外周は、断熱材４７で覆われている。各部２１、２３、２４が断熱材４６、４７で覆われていることにより、各部２１、２３、２４を運転時における反応に適した温度に維持することができると共に、改質装置１０外周の温度を各部２１、２３、２４の温度よりも低くすることができて火傷防止等に寄与する。断熱材４６、４７は、表面材４８で覆われており、改質装置１０の外観は概ね円筒状に形成されている。

引き続き図１乃至図３を参照して、改質装置１０の作用を説明する。改質装置１０が運転を開始すると、燃焼燃料ｆが改質装置１０内のバーナー１２に供給されると共に、燃焼空気ａもバーナー１２に供給される。燃焼燃料ｆ及び燃焼空気ａがバーナー１２に供給されたらバーナー１２を点火する。これにより、改質部２１が昇温すると共に、燃焼室区画筒１４、内筒１６及び外筒１７も加熱されて温度が上昇するにつれ自由端側が伸びる。このとき、共に同じ材料で形成されている内筒１６及び外筒１７は、同じ温度とならないために熱膨張による伸びの量が異なるが、受板３１は内筒１６に固定されているが外筒１７には固定されていないため、内筒１６及び外筒１７の温度差に起因する受板３１への熱応力は生じない。なお、バーナー１２における燃焼によって生じた排ガスｅは、排ガス流路１１ｒを流れて系外に排出される。改質装置１０の温度が上昇してきたら、改質用水ポンプ（不図示）を起動して改質用水ｓを改質用水管２５に送水する。

改質用水ｓは、改質用水管２５を流れて原料ガス導入管２６に至るまでに改質ガス生成部２０の一酸化炭素低減部２２から受熱して水蒸気（この水蒸気も改質用水であるため、以下、水蒸気となった改質用水ｓを「水蒸気ｓ」ということもある。）となる。水蒸気ｓが改質部２１に供給され、改質部２１内が水蒸気雰囲気になったら、原料ガスｒを原料ガス導入管２６に供給する。原料ガス導入管２６に導入された水蒸気ｓと原料ガスｒとは、原料ガス導入管２６内で混合されて改質部２１に到達する。改質部２１では、原料ガスｒ中の炭化水素と改質用水ｓが気化した水蒸気ｓとが燃焼部１１から改質熱を得ながら改質触媒ＲＣの隙間を流れて反応し（水蒸気改質反応）、水素と一酸化炭素とを含む準改質ガスｊが生成される。生成された準改質ガスｊは、受板３１の通過孔３１ｈを通って、一酸化炭素濃度を低減するために変成部２３に送られる。

変成部２３に送られた準改質ガスｊでは、生成された一酸化炭素と残存していた水蒸気とが反応して（変成反応）、水素と二酸化炭素とになる。つまり、変成部２３で生成される変成ガスｈは、準改質ガスｊに比べて、一酸化炭素が減少し、水素と二酸化炭素が増加している。変成ガスｈは、準改質ガスｊに比べて一酸化炭素濃度が低減しているものの、通常、定常運転時で５０００〜１００００ｐｐｍ程度の一酸化炭素を含んでいるため、変成ガスｈ中の一酸化炭素濃度を低減するために変成部２３で生成された変成ガスｈは選択酸化部２４に送られる。選択酸化部２４に変成ガスｈが送られるとき、選択酸化空気ブロワ（不図示）により、選択酸化空気ｃが選択酸化部２４に供給される。選択酸化部２４に送られた変成ガスｈは、残存している一酸化炭素が、供給された選択酸化空気ｃ中の酸素と反応して（選択酸化反応）二酸化炭素となる。選択酸化反応により生成された改質ガスｇは、含有する一酸化炭素が、定常運転時で１０ｐｐｍ以下程度となる。この程度の一酸化炭素濃度になった改質ガスｇは、改質ガス管２８を介して、典型的には燃料電池（不図示）に供給される。

なお、改質装置１０の定常運転時とは、改質部２１、変成部２３、選択酸化部２４の各部が、それぞれの部における反応に適した温度となっている状態である。定常運転時の各部の温度は、改質部２１が約５５０℃〜８００℃、変成部２３が約１６０℃〜２８０℃、選択酸化部が約１００℃〜２５０℃である。改質装置１０の起動初期で、各部２１、２３、２４が定常運転時の温度に達していないときは、改質ガス管２８に導出される改質ガスｇは組成が安定しておらず、高濃度の一酸化炭素を含んでいる。したがって、組成が安定していない改質ガスｇは、燃焼部１１に導いて、燃焼燃料ｆとして燃焼させるとよい。

改質装置１０の運転が停止される際は、バーナー１２への燃焼燃料ｆの供給を停止し、バーナー１２の燃焼を停止する。併せて、改質装置１０への改質用水ｓ、原料ガスｒ、選択酸化空気ｃの供給を停止する。バーナー１２の燃焼が停止されることにより、改質部２１の加熱が停止され、時間経過と共に内筒１６及び外筒１７は温度が低下して縮む。このとき、改質触媒ＲＣ担体の摩擦力が、収縮する内筒１６の下部に固定された受板３１を相対的に押し下げる方向に作用すると考えられ、受板３１と内筒１６との接続部分に応力が生ずるが、補強部材３２が設けられていることで、応力による受板３１の変形が抑制される。このように本実施の形態に係る改質装置１０では、運転・停止が繰り返されることで熱応力による伸縮が生じても、補強部材３２により受板３１の破損が防止され、改質触媒ＲＣが原料流路１８から脱落することが防止される。以下に参考として、受板３１に生ずる応力の解析モデルを示す。

図４に、応力解析のモデルとなる構成を示す。図４（ａ）は本実施の形態に係るモデル（以下「実施例モデル」という。）であり、図４（ｂ）は比較例に係るモデル（以下「比較例モデル」という。）である。図４（ａ）に示す実施例モデルでは、補強部材３２の受板固定辺３２ｓ（図４では省略しており、図２参照）に形成された突起を受板３１の通過孔３１ｈから改質触媒ＲＣ（図２参照）が充填されていない側に飛び出させ、この飛び出させた突起を溶かすように溶接して溶接点Ｗ３２（計８箇所）とすると共に、隣り合う補強部材３２間の中点を溶接点Ｗ１６（計８箇所）で点溶接することで受板３１と内筒１６との固定をしている。図４（ａ）に示す実施例モデルでは、便宜上、溶接点Ｗ３２における応力は、受板固定辺３２ｓ（図２参照）と接する受板３１の上面（改質触媒ＲＣが充填されている側）ではなく、受板３１の下面（改質触媒ＲＣが充填されていない側）に生じることとする。他方、図４（ｂ）に示す比較例モデルでは、図４（ａ）に示す実施例モデルには設けられている溶接点Ｗ３２が設けられておらず、受板３１と内筒１６とが溶接点Ｗ１６（計８箇所）で点溶接されているだけであることとしている。

応力を解析する前提として、図４（ｂ）に示す比較例モデルにおける受板３１が破損した際に受板３１に掛かっていた圧力ｐ（受板３１を相対的に押し下げようとする圧力）を推定することとする。なお、各解析モデルは、以下に示す条件において考察するものとする。溶接点Ｗ１６における軸方向の固定部分Ｗ１６ｖは、長さ０．２ｍｍ、幅２．０ｍｍとなっており、半径方向の固定部分Ｗ１６ｈは長さ０．５ｍｍ、幅２．０ｍｍとなっている。また、溶接点Ｗ３２における半径方向の固定部分Ｗ３２ｈは、長さ１．５ｍｍ、幅２．０ｍｍとなっている。さらに、受板３１の通過孔３１ｈは無視することとし、各溶接点Ｗ１６、Ｗ３２の固定部分の形状は直接考慮せず、各溶接点Ｗ１６、Ｗ３２の拘束（固定）は完全固定であるものと仮定する。そして、改質装置１０の運転時は改質部２１の温度が７００℃になり、停止時は常温（周囲環境温度）になる運転及び停止の繰り返しを約１０００回行った際に受板３１が破損した実績（実体験）に、上記の条件を当てはめ、このときの受板３１に作用する応力及びひずみを逆算し、応力ひずみ線図を仮定し、弾塑性解析を実施して、低サイクル疲労破損時の応力及びひずみの値となるように圧力ｐを探索した。その結果、図４（ｂ）に示す比較例モデルにおいて溶接点Ｗ１６に破損応力である２４５ＭＰａが生ずるのは、受板３１に掛かる圧力ｐが０．７ＭＰａのときであるとの結論を得た。この圧力ｐ＝０．７ＭＰａが受板３１に掛かったときの固定部分（溶接点）に生ずる応力の解析結果を以下に示す。

図５には、実施例モデルの溶接点Ｗ１６、Ｗ３２（図４（ａ）参照）に生ずる応力の解析結果を示す。なお、図では、８箇所ある溶接点Ｗ１６のうちの隣接する２箇所の溶接点Ｗ１６の間の受板３１の部分を抜粋して示している。図から把握されるように、実施例モデルでは、最も大きな応力が生ずる溶接点Ｗ１６の固定点の部分の応力が６０ＭＰａとなっている。これは、破損応力（２４５ＭＰａ）の４分の１を下回る。また、溶接点Ｗ３２の部分の応力は約２０ＭＰａであり、破損応力（２４５ＭＰａ）の１０分の１を下回る。この解析結果から分かるように、実施例モデルでは受板３１の破損を抑制する効果が顕著である。

図６には、比較例モデルの溶接点Ｗ１６（図４（ｂ）参照）に生ずる応力の解析結果を示す。この比較例モデルの場合も実施例モデル（図５参照）の場合と同様に、８箇所ある溶接点Ｗ１６のうちの隣接する２箇所の溶接点Ｗ１６の間の受板３１の部分を抜粋して示している。図から把握されるように、比較例モデルでは、最大応力２４５ＭＰａが生ずる溶接点Ｗ１６の固定点の部分を中心として、応力が生ずる範囲が実施例モデル（図５参照）よりも広範囲に及んでいる。この解析結果から分かるように、比較例モデルでは、改質装置１０の運転及び停止の繰り返しにより受板３１の破損に至る可能性が実施例モデル（図５参照）よりも高くなる。

次に図７を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係る改質装置１０Ａを説明する。図７は、改質装置１０Ａの流路形成部材１５まわりの部分縦断面図である。改質装置１０Ａの、改質装置１０（図２参照）との異なる点は、補強部材３２Ａの軸方向における長さが、流路形成部材１５の軸方向の改質触媒ＲＣが充填されている部分全体にわたっている点である。また、補強部材３２Ａは、内筒１６と実質的に同じ線膨張係数の材料で形成されている。実質的に同じ線膨張係数の材料とは、内筒１６及び補強部材３２Ａが熱膨張しても熱応力により破損することがない関係にある材料である。本実施の形態では、内筒１６と補強部材３２Ａとが同一材料で形成されている。改質装置１０Ａの上記以外の構成は、改質装置１０（図２参照）と同様であるので説明は省略する。改質装置１０Ａは、内筒１６と同一材料で形成された補強部材３２Ａの内筒１６の軸方向における長さ（筒状部材固定辺３２Ａｔの長さ）が、改質触媒ＲＣが充填されている部分全体にわたっているので、熱膨張による伸縮の際に過度の応力が生じることを回避しつつ、補強部材３２Ａを介して内筒１６の熱を効率よく改質触媒ＲＣに伝達することができるので、原料ガスｒの水蒸気改質反応をより促進させることができる。なお、補強部材３２Ａの筒状部材固定辺３２Ａｔの内筒１６外側面との固定箇所は、長手方向全体であってもよく、適切な間隔を空けて固定してもよい。いずれの場合も、内筒１６から補強部材３２Ａへの熱伝達を多くする観点から、筒状部材固定辺３２Ａｔと内筒１６とができるだけ多くの面積で接していることが好ましい。

１０、１０Ａ 改質装置
１２ 発熱装置
１５ 流路形成部材
１６ 内筒（第１の筒状部材）
１７ 外筒（第２の筒状部材）
１８ 原料流路
３１ 受板
３２、３２Ａ 補強部材
３２ｓ 受板固定辺
３２ｔ、３２Ａｔ 筒状部材固定辺
ＲＣ 改質触媒
ｇ 改質ガス
ｒ 原料ガス
ｓ 改質用水

Claims (2)

1. 炭化水素系の原料を改質して水素を主成分とする水素含有ガスを生成する改質装置であって；
   前記原料の改質に用いられる熱を発生させる発熱装置と；
   第１の筒状部材と、前記第１の筒状部材を内部に収容する第２の筒状部材とを有する流路形成部材であって、前記発熱装置を前記第１の筒状部材の内部に収容し、前記第１の筒状部材と前記第２の筒状部材との間に前記原料が流れる原料流路が形成された流路形成部材と；
   前記原料の改質を促進させる改質触媒であって、前記原料流路に充填された改質触媒と；
   前記改質触媒の落下を防止しつつ流体を通過させる受板であって、前記第１の筒状部材に固定されて前記第２の筒状部材に固定されずに設けられた受板と；
   前記流路形成部材の軸方向への前記受板の変形を抑制する補強部材であって、前記第１の筒状部材と前記受板とに固定された補強部材とを備え；
   前記補強部材が、前記受板に固定された受板固定部と、前記改質触媒が充填されている側の前記第１の筒状部材に固定された筒状部材固定部と、を有する平板状に形成された； 改質装置。
2. 前記補強部材が、前記第１の筒状部材と実質的に同じ線膨張係数の材料で形成され、前記第１の筒状部材の軸方向における長さが前記改質触媒が充填されている部分全体にわたって構成された；
   請求項１に記載の改質装置。

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