JP2002080203A

JP2002080203A - 改質器

Info

Publication number: JP2002080203A
Application number: JP2000290568A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Yoshida; 一彦吉田; Ikuyasu Katou; 育康加藤; Tetsuo Nagami; 哲夫永見
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2002-03-19

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼層と改質層を分離した構造の改質器にお
いて、燃焼熱で構成部材が熱膨張することによる不具合
をなくし、改質効率が高く、耐久性に優れる改質器を得
る。【解決手段】容器体Ｈ内に、複数の偏平チューブ３を
所定間隔で平行配設して、偏平チューブ３内部空間を燃
焼層１、偏平チューブ３間に形成される空間を改質層２
とする。ガス流れの出口側の容器体Ｈの端部に伸縮可能
なベローズ５を設けて、偏平チューブ３の熱膨張による
伸びを吸収させ、応力を緩和して、改質器の耐久性を向
上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に用いら
れる積層型改質器に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素と酸素を燃料として発電を行う燃料
電池では、燃料となる水素を改質器を用いて生成してい
る。改質器は、メタノール、メタン、ガソリン等の炭化
水素系の燃料を改質原料とし、水蒸気と触媒反応させる
ことで水素を取り出している。この改質反応は吸熱反応
であるため、外部から熱を供給する必要があり、反応を
効率よく進めるための触媒や、改質器構造が種々検討さ
れている。一例として、従来より、部分酸化併用型の改
質器が知られており、その原理を図４（ｂ）に示す。図
のように、部分酸化併用型の改質器は、複数に仕切られ
た改質層の各層に、改質原料であるメタノールと水蒸
気、および少量の酸素（空気）を含むガスを導入するよ
うに構成されている。そして、メタノールの一部を触媒
燃焼させることにより熱を発生させ（発熱反応−反応式
）、この反応熱を利用して、メタノールと水蒸気に改
質反応を生起し、水素を生成している（吸熱反応−反応
式）。

【０００３】ところが、この方式では、各改質層で、発
熱反応と吸熱反応を同時に行っているために、改質層の
導入側端部で燃焼反応が終了し、導入した酸素が消費さ
れるため、導出側端部では燃焼反応がほとんど生じず、
熱が供給されないという問題がある。また、導出側端部
まで熱が供給される条件とした場合には、導入側端部の
温度が触媒劣化温度以上に上昇してしまう問題が生じ
る。

【０００４】このため、図４（ａ）に示すように、燃焼
層と改質層とを分離壁で区画し、交互に積層して熱交換
させる積層型の改質器が提案されている（例えば、実開
平５−８５８２８号公報、実開平７−４０７４６号公報
等）。積層型の改質器では、燃焼層に、生成する水素の
一部と酸素（空気）を燃焼用ガスとして導入し、一方、
改質層には、メタノールと水蒸気のみを改質原料ガスと
して導入して、燃焼層で水素が触媒燃焼することにより
発生する熱を（反応式）、分離壁を介して改質層に伝
熱して改質反応を生起する（反応式）。従って、両層
へのガス導入量を調整することで発熱量の調整を行い、
改質層への伝熱熱を効率良く行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】積層型の改質器は、燃
焼層と改質層にそれぞれ異なるガスを導入しているた
め、燃焼層と改質層の間を確実に分離し、シール性を高
めることが望ましい。しかしながら、燃焼層が水素の発
熱反応により高温になること、改質層も改質反応温度以
上に維持されるために、両者を区画する分離壁はかなり
の高温となる。従って、分離壁が固定されていると、そ
の熱膨張により接合部等に熱応力が発生し、熱疲労によ
って耐久性が低下するおそれがある。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
その目的は、燃焼層と改質層を分離した構造の改質器に
おいて、燃焼層で発生する熱で構成部材が熱膨張するこ
とによる不具合をなくすことにより、改質反応を効率良
く行うことができ、しかも耐久性に優れる改質器を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明請求項１の改質器は、容器体内に、改質原料
ガスを導入して改質反応を生起することにより水素を生
成する改質層と、燃焼用ガスを導入して燃焼反応を生起
することにより上記改質層に供給する熱を発生する燃焼
層とを設けてなる。これら改質層と燃焼層は、両層を区
画する分離壁を介して熱交換させるようになしてあり、
その際に、上記分離壁の熱膨張による伸びを吸収して熱
応力を緩和する応力緩和手段を有している。

【０００８】上記構成によれば、上記分離壁を上記容器
体に固定しても、上記応力緩和手段によって上記分離壁
の熱膨張による伸びが吸収されるので、熱応力により上
記分離壁や上記容器体の構成材が疲労する等の不具合を
生じることがない。よって、上記改質層と燃焼層の間の
シール性を高めて、各層内の反応を効率良く進め、しか
も、耐久性の高い改質器が実現できる。

【０００９】請求項２の構成では、上記改質層と上記燃
焼層内のガス流れの方向を同一方向とする。改質原料ガ
スは、通常、改質反応温度以上に加熱されるため、上記
改質層の入口側では反応が進むが、温度が低くなる出口
側では反応が進行しなくなる。この際、改質層と燃焼層
のガス流れが平行流であると、両層に導入されるガス流
量を調整する等により、上記燃焼層から上記改質層への
熱の供給を容易に制御でき、効率良い熱交換が可能にな
る。

【００１０】請求項３の構成では、上記容器体内に、複
数の筒状部材を平行配設して、各筒状部材の両端を上記
容器体端面に固定し、上記筒状部材の内部空間を上記改
質層および上記燃焼層の一方、上記筒状部材の外部空間
を上記改質層および上記燃焼層のもう一方となし、かつ
上記筒状部材の筒壁を上記分離壁とする。

【００１１】具体的には、上記容器体内を複数の筒状部
材を用いて区画すれば、上記改質層と上記燃焼層とを容
易に分離することができる。この時、上記筒状部材の筒
壁が上記分離壁となり、その両端を固定することで上記
容器体との熱伸縮の差による応力の発生が懸念される
が、本発明では、上記応力緩和手段の作用で応力を緩和
することができる。

【００１２】請求項４の構成では、上記容器体と一体に
上記筒状部材の長手方向に伸縮するベローズを設けて上
記応力緩和手段とする。このように、上記容器体の一部
をベローズ状に形成すれば、上記筒状部材の熱伸縮に追
従して上記ベローズが伸縮するので、応力の発生を抑制
することができる。

【００１３】請求項５の構成では、上記ベローズを、上
記燃焼層の出口側に近い上記容器体端部に形成する。上
記燃焼層の入口側では燃焼反応による発熱量が大きいた
め、表面積の大きい上記ベローズを入口側に設けると、
熱の損失が大きくなる。そこで、上記ベローズを設ける
場合には、より温度の低い上記燃焼層の出口側に設ける
のがよく、発生する熱を効率良く利用することができ
る。

【００１４】請求項６の構成では、偏平な断面形状とし
た複数の上記筒状部材を用い、ガス流れと直交する方向
に所定間隔をおいて平行に配置する。また、上記筒状部
材は、その短辺を上記容器体の両側面に当接させて配置
する。これにより、上記容器体内に、上記改質層と上記
燃焼層を交互に積層した積層構造の改質器が得られる。

【００１５】請求項７の構成では、上記改質層および上
記燃焼層内に伝熱用フィンを配設して触媒を担持する。
触媒を担持したフィンを設けることで、伝熱効率が向上
するとともに、反応面積が増大し、改質反応および燃焼
反応を促進することができる。

【００１６】請求項８の構成では、上記燃焼用ガスが燃
料ガスと酸素含有ガスを含み、これら燃料ガスと酸素含
有ガスを上記燃焼層に分離導入する導入口を設ける。燃
料ガスを酸素含有ガスと分離導入することで、各ガスの
導入量の制御が容易になり、発熱量を多くしたい部位に
燃料ガスを吐出して、効果的に触媒燃焼させ、必要な熱
量を得ることができる。

【００１７】請求項９の構成では、分離導入された上記
燃料ガスを上記燃焼層内に吐出する吐出口を、上記燃焼
層内のガス流れ方向の複数箇所に設ける。上記吐出口の
近傍では発熱量が多く、隣接する改質層の温度が上がる
が、下流に行くほど温度が下がるため、ガス流れ方向の
複数箇所に上記吐出口を設けて、温度が低下する部位に
上記燃料ガスを供給することにより、改質層の温度が常
に改質反応開始温度以上となるようにすることができ
る。

【００１８】請求項１０では、上記容器体内に上記改質
層と上記燃焼層を交互に積層した構造において、上記改
質層を挟んで隣り合う複数の上記燃焼層に上記燃料ガス
を吐出する吐出口を、ガス流れ方向の異なる部位で開口
させる。１つの燃料層で発生する熱量は上段、下段の２
つの改質層に供給される。従って多段化された燃焼層
の全てに同位置で上記吐出口を設けず、一段おきに異な
る部位、例えば、上流部と中間部に開口させることで、
燃料ガス導入配管の数を減らして、上記請求項９と同等
の効果を得ることができる。

【００１９】請求項１１では、請求項９または１０記載
の構成において、上記吐出口から吐出される上記燃料ガ
スの吐出量をデューティ制御する制御手段を設ける。上
記制御手段は、個々の上記吐出口からの上記燃料ガス導
入を間欠的に行い、その導入量をデューティ比の調整に
よって行う。間欠的な導入により、燃焼層（改質層）に
おける急激な温度上昇が防止され、かつ改質層の温度が
常に改質反応開始温度以上となるようにデューティ比を
調整することによって、過渡期等、非定常時においても
安定した燃焼が可能である。

【００２０】請求項１２の構成では、上記燃焼層の上流
に上記容器体外部への火炎伝播を防止する火炎伝播防止
手段を設ける。これにより、仮に燃焼層内で火炎が発生
しても、その上流側への伝播を防止することができる。

【００２１】具体的には、請求項１３のように、上記火
炎伝播防止手段は、二重金属メッシュ、発泡金属、また
は焼結金属よりなり、上記燃焼層の上流に設けた燃焼用
ガス導入口を横切って配設される。これら材料を層状に
配設することで、火炎の熱を奪って、上流の配管内への
逆火を防止し、安全性を高めることができる。また、こ
れら材料は、圧損が低く、整流性を有するので、多段化
された各燃焼層内へ均一に燃焼用ガスを導入する効果も
得られる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の改質器
の第１の実施の形態を説明する。改質器は、燃料電池シ
ステムにおいて燃料電池の燃料ガスとなる水素を生成す
るために用いられる。図１（ｂ）は本発明の改質器の概
略構造を示す図で、容器体Ｈ内に燃焼層１と改質層２を
図の上下方向に交互に積層した積層型構造を有してい
る。燃焼層１には燃焼用ガス導入口１１から燃焼用ガス
が、改質層２には改質原料ガス導入口２１から改質原料
ガスが、それぞれ導入され、各層を通過した後、燃焼排
ガス導出口１２、改質ガス導出口２２から導出されるよ
うになっている。

【００２３】図１（ａ）は改質器の詳細構造を示す分解
斜視図で、容器体Ｈは両端閉鎖の角筒形状であり、筒壁
を構成するプレートＨ１、Ｈ２と端面となる隔板Ｈ３、
Ｈ４とから構成される。容器体Ｈ内には、上下方向に所
定の間隔をおいて、複数の筒状部材としての偏平チュー
ブ３が平行配設されている。偏平チューブ３は短辺とな
る両側部が容器体の側壁内表面に当接するように配置さ
れて、その上下の空間を区画している。燃焼層１は、こ
れら複数の偏平チューブ３の内部に形成され、複数の偏
平チューブ３の間に形成される空間が改質層２となる。
そして、偏平チューブ３の上面または下面を分離壁とし
て、隣り合う燃焼層１と改質層２とを分離している。

【００２４】偏平チューブ３の左端は、隔板Ｈ３に設け
た偏平穴に挿通固定される。隔板Ｈ３は、容器体Ｈの左
端開口に固定されてこれを閉鎖し、その外周縁には、燃
焼用ガス導入口１１を構成する筒状部材が接合される。
これにより、燃焼用ガス導入口１１と改質層２との間が
遮断され、燃焼用ガスは燃焼層１にのみ流入する。各偏
平チューブ３内には、伝熱用フィンとして波板状のプレ
ートフィン４１が配設されて、燃焼層１内をさらに複数
の流路に区画している。プレートフィン４１表面には、
燃焼触媒（酸化触媒）が担持されて、導入される燃焼用
ガスを触媒燃焼させるようになしてあり、その燃焼熱は
プレートフィン４１および偏平チューブ３壁を介して改
質層２に伝達される。燃焼用ガスとしては、水素等の燃
料ガスと酸素含有ガス（通常、空気）の混合ガスが好適
に用いられる。

【００２５】偏平チューブ３間に形成される改質層２内
にも、それぞれ、伝熱用フィンとして同様の波板状のプ
レートフィン４２が配設されて、複数の流路を形成して
いる。この時、プレートフィン４１、４２の向きを一致
させて、図２に示すように、燃焼層１内の燃焼用ガスの
流れ方向と改質層２内の改質原料用ガスの流れ方向と
が、平行流となるようにする。改質原料ガス導入口２１
を構成する筒状部材は、燃焼用ガス導入口１１に近い容
器体Ｈの側壁（図１（ａ）のプレートＨ２）に設けた開
口に接続される。従って、改質原料ガスは流れの向きを
変えてから、プレートフィン４２にて形成される複数の
流路に流入する必要があり、これをスムーズに行うため
に、改質層２端部には改質原料ガスを案内する整流板４
３が配設される。

【００２６】反応部となるプレートフィン４２表面に
は、改質触媒が担持されており、導入される改質原料ガ
スに改質反応を生起して水素に改質する。改質原料ガス
は、メタノール、メタン、ガソリン等の炭化水素系の燃
料と、水蒸気を含むガスが好適に用いられる。吸熱反応
である改質反応に必要な熱は、燃焼層１から、偏平チュ
ーブ３壁およびプレートフィン４２を介して改質層２に
供給される。改質反応により生成した水素を含む改質ガ
スは、整流板４４によって再度向きを変え、改質ガス導
出口２２から、燃料電池へ送出される。改質ガス導出口
２２を構成する筒状部材は、燃焼排ガス導入口１２に近
い容器体Ｈの側壁（図１（ａ）のプレートＨ１）に設け
た開口に接続される。

【００２７】なお、改質層２の反応部は、プレートフィ
ン４２があるために圧力損失が大きくなり、整流板４
３、４４での改質原料ガスの流速分布は小さくなる。

【００２８】ところで、燃焼層１内は、触媒燃焼の反応
熱により温度が上昇し、改質層２に導入される改質原料
ガスも、通常、改質反応温度以上に加熱されているた
め、両層を分離する偏平チューブ３の温度が上昇して熱
膨張する。このため、偏平チューブ３の両端を容器体Ｈ
に接合等に固定すると、接合部に熱応力が繰り返し加わ
って耐久性を低下させる懸念がある。

【００２９】そこで、本実施の形態では、偏平チューブ
３が固定される容器体Ｈと一体に、偏平チューブ３の熱
膨張による伸びを吸収する応力緩和手段を設ける。具体
的には、図３（ａ）に示すように、偏平チューブ３の右
端が固定される隔板Ｈ４の外周縁より筒状に延びる蛇腹
形状のベローズ５を応力緩和手段として設け、該ベロー
ズ５をプレートＨ１、Ｈ２に接合することにより容器体
Ｈを構成する。図３（ｂ）のように、偏平チューブ３は
長手方向に伸びるため、同方向に伸縮可能なベローズ５
を設けることにより、この伸びを吸収し、応力を緩和す
ることができる。ベローズ５材としては、例えばステン
レスが好適に用いられる。隔板Ｈ４の外周縁には、図１
のように、燃焼排ガス導出口１２を構成する筒状部材が
固定され、燃焼層１を通過しながら改質層と熱交換を行
った燃焼排ガスを、外部の排気通路に導く。

【００３０】上記構成の改質器の作動を説明する。改質
原料ガスとして、例えば、メタノールと水蒸気の混合ガ
スを用い、約２５０〜４００℃（メタノールの場合）に
加熱して改質原料ガス導入口２１から改質層２に導入す
る。この温度は、改質反応が可能な温度以上で、導入さ
れる燃料によって異なる。改質原料ガスは、整流板４３
に案内されて反応部へ流入し、改質触媒によって改質反
応を起こす。この改質反応は吸熱反応であるため、改質
原料ガス温度が高い入口付近では、反応が進むが、出口
側へ向かうほど、改質原料ガス温度が低下して改質反応
が進行しなくなる。そこで、隣接する燃焼層１に燃焼用
ガスを導入して触媒燃焼させ、その反応熱を偏平チュー
ブ３壁、プレートフィン４２を介して、改質層２に供給
する。

【００３１】燃焼用ガスは改質原料ガスと同一方向に流
れ、入口側では改質原料ガス温度が高いため、大きく温
度低下することなく下流側に達する。従って、燃焼層１
に導入する燃料ガスおよび酸素（空気）の流量を適宜調
整することにより、下流側の改質層２に必要な熱を供給
して改質反応を促進し、改質効率の悪化や水素生成量の
減少を防止することができる。また、温度が高い改質層
の上流側では、高温による改質触媒の劣化の懸念がある
が、これも、燃焼用ガスの流量を調整することによって
制御することが可能である。

【００３２】そして、この燃焼反応による熱で、偏平チ
ューブ３が高温となり熱膨張するが、本発明では、偏平
チューブ３とともに、容器体Ｈと一体のベローズ５が伸
長するため、熱応力の発生を抑制することができる。よ
って、熱伸縮の繰り返しにより構成部材が疲労する等の
不具合がなく、耐久性を大きく向上させることができ
る。また、ベローズ５をガス流れの出口側に設けたの
で、温度の高い入口側に設けた場合に比べて、熱損失を
小さくできる利点がある。

【００３３】上記第１の実施の形態では、偏平チューブ
３内に燃焼層１を、外部に改質層２を形成したが、偏平
チューブ３内に改質層２を、外部に燃焼層１を形成する
こともできる。また、筒状部材として偏平チューブ３を
用いたが、その形状は特に制限されず、偏平形状でなく
ともよいし、図のような楕円断面の他、矩形断面であっ
てもよい。また、応力緩和手段としてのベローズ５を隔
板Ｈ４と一体に設けたが、容器体Ｈ側に設けて隔板Ｈ４
と接合してももちろんよい。さらに、応力緩和手段は、
ベローズ５に限らず、偏平チューブ３の伸縮が容器体Ｈ
に影響しないような構成であればいずれも同様の効果が
得られる。

【００３４】また、上記第１の実施の形態では、燃焼用
ガス導入口１１に、燃焼用ガスとして、燃料ガス（水
素）と酸素含有ガス（空気）の混合ガスを導入する構成
としたが、予混合したガスを導入した場合には、燃焼触
媒が担持された反応部の入口部分で燃焼反応が進み、多
くの水素が消費される。そのため下流側では水素量が少
なくなって発熱量が少なくなる。そこで、これを避ける
ために、燃料ガスと酸素含有ガスとを予混合せず、燃焼
層１内に分離導入することもできる。

【００３５】例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示す第２の
実施の形態では、燃焼用ガス導入口１１の端部開口を、
酸素含有ガスである空気のみを導入する空気導入口１３
とする一方、燃料ガスである水素を別系統の水素導入配
管１４を用いて、燃焼層１の反応部に直接導入する。一
端側水素導入口１５とする水素導入配管１４は、燃焼用
ガス導入口１１の側壁を貫通して内部に延び、他端側に
形成した水素吐出口１６から水素を吐出する。本実施の
形態の改質器は、上記第１の実施の形態と同様の積層型
であるため、多段化された複数の燃焼層１のそれぞれに
対応する複数の水素導入配管１４を設置する。また、図
５（ａ）のように、水素導入配管１４の他端側を屈曲さ
せて燃焼層１の幅方向に配置し、管壁の複数箇所に水素
吐出口１６を形成すると、燃焼層１内に均等に水素を供
給することができる。

【００３６】図５（ｂ）のように、各燃焼層１に対し複
数の水素導入配管１４を設置することもできる。この場
合には、複数の水素導入配管１４の水素吐出口１６が、
ガス流れ方向の異なる部位に開口するように配置する。
図５（ｂ）では、各燃焼層１に設置した２つの水素導入
配管１４の水素吐出口１６を、反応部の上流部と中間部
にてそれぞれ開口させている。これは、水素吐出口１６
の近傍では発熱量が多く、隣接する改質層２の温度が上
がって改質反応が進行するが、下流にいくほど温度が下
がって、改質反応に必要な熱が各部位に供給されないお
それがあるためで、温度が改質反応開始温度になる直前
に、次の水素吐出口１６を設けて、改質層２全体の温度
が常に改質反応開始温度以上になるようにする。

【００３７】なお、水素吐出口１６の設置箇所は、１ま
たは２箇所に限らず、燃焼層１（改質層２）の長さに応
じて適宜増加し、改質層２の各部位に必要な熱量が供給
できるようにするとよい。この時、各水素吐出口１６に
対応させて水素導入配管１４を設けても、共通の水素導
入口１５を有する単一の水素導入配管１４を途中で分岐
させて、複数の水素吐出口１６を開口させてもよい。

【００３８】このように、燃焼層１内の上流部から下流
部にかけて複数箇所に水素吐出口１６から水素を吐出す
る一方、空気導入口１３から燃焼ガス導入口１１内を経
て空気を導入することで、燃焼層１全体で効率よく熱を
発生させることができる。すなわち、上流部の水素吐出
口１６近傍を水素の触媒燃焼により発熱させると、その
熱が改質層２へ供給されて温度が下がるが、下流部には
次の水素吐出口１６があるため、再び温度が上昇し、改
質層２の温度を改質反応開始温度以上に保つことができ
る。そして、各水素吐出口１６からの水素導入量と空気
導入口１３からの空気導入量を調整することにより、局
所的に温度上昇して触媒劣化温度以上となるのを抑え、
また、燃焼層１（改質層２）内のガス流れ方向の温度分
布を小さくして、改質反応の効率化を図ることができ
る。

【００３９】上記第２の実施の形態では、複数の燃焼層
１の全てに対して複数の水素導入配管１４を配置し、反
応部の同部位（上流部および中間部）に水素吐出口１６
を開口させたが、各燃焼層１に配置する水素導入配管１
４を１つとし、改質層２を挟んで隣り合う２つの燃焼層
１の水素吐出口１６を、ガス流れ方向の異なる部位で開
口させるようにしてもよい。これは、燃焼層１と改質層
２を交互に積層した積層型の改質器では、１つの燃焼層
１で発生した熱量が、その上段と下段の改質層２に供給
されるからで、各水素吐出口１６からの水素の吐出量を
調整することで、水素導入配管１４の数を減らしても、
必要な熱量を確保することができる。

【００４０】具体的には、図６に第３の実施の形態とし
て示すように、各燃焼層１に対応してそれぞれ水素導入
配管１４を１つ設け、その水素吐出口１６が、一段おき
に反応部の上流部または中間部で開口するように配置す
ればよい。燃焼層１内には、上記第２の実施の形態と同
様、空気導入口１３から導入される空気が流れているた
め、上流部の水素吐出口１６の近傍に水素が吐出される
と、触媒燃焼が生じて発熱し、上下の改質層２温度を上
げる。改質層２温度が下がる下流部では、中間部に水素
吐出口１６を有するもう一方の燃焼層１から熱が供給さ
れて、再び温度が上昇する。このようにすれば、水素導
入配管１４の数を減らすことができ、簡単な構成で、効
果的に改質層２全体に熱を供給することができるので、
改質反応の効率が向上する。

【００４１】図７（ａ）に本発明の第４の実施の形態を
示す。上記第２および第３の実施の形態のように、水素
と空気を分離供給する構成では、水素吐出口１６をガス
流れ方向の複数箇所に設けることによって、改質層２全
体の温度分布を均一にし、改質率の向上を図っている。
この時、水素吐出口１６の開口位置に応じて吐出される
水素量を変更し、改質層２の温度を調整しているが、立
ち上げ時や過渡変化時等の非定常状態では、安定した性
能が得にくい。このため、図７（ａ）に示すように、水
素導入口１５へ水素を断続的に供給して、水素吐出口１
６からの水素の吐出を間欠的に行い、その吐出量をデュ
ーティ制御する制御手段６を設けることができる。

【００４２】図７（ａ）の基本構成は上記第２の実施の
形態と同じで、各燃焼層１に複数の配管１４を導入し
て、反応部の上流部と中間部に水素吐出口１６を開口さ
せている。制御手段６は、上流部の水素吐出口１６およ
び中間部の水素吐出口１６へ至る水素導入配管１４を開
閉することにより、各水素吐出口１６への水素の供給
を、それぞれ独立して制御することができ、この制御方
法として、図７（ｂ）、（ｃ）に示すデューティ制御を
行う。デューティ制御は、一定時間において、水素導入
配管１４から水素が導入されるＯＮ時間の割合（デュー
ティ比）を変更することにより、水素導入量を調整する
もので、制御性に優れるので、非定常時にも十分対向す
ることができる。よって、触媒劣化温度以上の局所的な
温度上昇を抑え、かつ運転状態に応じた適切な量の水素
を導入することができるので、燃焼層１（改質層２）内
の温度分布を小さくする効果が高く、改質反応の効率を
向上させる。

【００４３】図８に本発明の第５の実施の形態を示す。
本実施の形態では、燃焼層１内における燃焼触媒の担持
範囲を適切に設定し、燃焼層１内が必要以上に高温とな
らないようにする。上記図１に示した第１の実施の形態
の基本構成において、燃焼層１上流部、例えば、改質層
２の整流板４３部分は、改質原料ガスの供給温度で昇温
された状態にある。燃焼層１内全体に燃焼触媒が担持さ
れている場合、この状態で、燃焼用ガス導入口１１に燃
焼用ガス（水素と空気；水素濃度４％以上）を導入する
と、触媒燃焼の反応熱によりさらに燃焼ガス温度が上昇
する。

【００４４】例えば、メタノール改質の場合、約３００
℃のメタノール水蒸気が流れるため、この部分に相当す
る燃焼層１も約３００℃となる。燃焼触媒が担持されて
いれば、さらに高温となり、燃焼用ガス導入口１１内に
おいてわずかな着火エネルギーで気相反応を起こして、
火炎燃焼する。そのため、プレートフィン４１上での触
媒燃焼による熱交換ではなく、高温のガス流体による熱
交換になり、熱交換率が低下するので、改質層２全体の
温度が所望の温度に上昇しない。また、燃焼層１内で局
所的な温度上昇を引き起こし、容器体Ｈ（溶接部等）へ
の影響が懸念される。

【００４５】これを防止するために、本実施の形態で
は、改質層２と熱交換を行うことによって温度上昇が抑
えられる部分以外には、燃焼触媒を担持しないものとす
る。また、熱交換を行う部分においても、導入される改
質原料ガスが高温で導入される場合には、熱交換部（プ
レートフィン設置部）入口での温度が水素の自然発火温
度近くまで上昇し、同様に、わずかな着火エネルギーで
気相反応を起こす。そのため、改質原料ガスが改質反応
を起こして温度が低下し、改質開始温度（通常、２５０
℃）程度に下がる部位までは、対応する燃焼層１に触媒
担持を行わないようにする。具体的には、図８のよう
に、改質層２の整流板４３が位置する最上流部から、プ
レートフィン４２設置部において改質層２の温度が改質
開始温度（通常、２５０℃）程度に低下する部位まで
（図８にａで示す範囲）、対応する燃焼層１の燃焼触媒
を除去または担持しないようにする。

【００４６】これにより、燃焼ガス温度が必要以上に上
昇しないようにして、燃焼ガスの気相反応を防止するこ
とができる。そして、燃焼層１の触媒燃焼で発生した熱
を効率よく改質層２に伝達して、改質層２全体で改質反
応が有効に促進できるような温度を維持することができ
る。

【００４７】また、図９に本発明の第６の実施の形態と
して示すように、燃焼用ガス導入口１１内に、これを横
切って発泡金属等よりなる火炎伝播防止手段たる火炎伝
播防止層７を形成すれば、仮に燃焼層１で気相反応が発
生しても、上流の燃焼用ガス供給用の配管７１内への逆
火を防止し、安全性を確保することができる。伝播防止
層７としては、発泡金属以外に、二重金属メッシュ、焼
結金属等を用いることもでき、図９のように、火炎伝播
防止層７を複数層設置すると、より効果的である。この
場合、火炎伝播防止層７の数や層間の間隔は、必要に応
じて適宜設定すればよい。火炎また、火炎伝播防止層７
は、圧力損失が低く、整流作用が大きいため、これを取
り付けることで、燃焼用ガスを多段化された燃焼層に均
一に供給できる効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）は改
質器の全体構成を示す分解斜視図、（ｂ）は全体概略図
である。

【図２】図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】（ａ）は本発明の第１の実施の形態における改
質器の要部斜視図、（ｂ）は要部概略図である。

【図４】（ａ）は積層型改質器の原理を説明するための
図、（ｂ）は部分酸化型改質器の原理を説明するための
図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示し、（ａ）は改
質器の全体構成を示す分解斜視図、（ｂ）は全体概略図
である。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す改質器の全体
概略図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態を示し、（ａ）は改
質器の全体概略図、（ｂ）は燃焼層上流部への水素導入
量の制御の一例を示す図、（ｃ）は燃焼層下流部への水
素導入量の制御の一例を示す図である。

【図８】本発明の第５の実施の形態を示す改質器の全体
概略図である。

【図９】本発明の第６の実施の形態を示す改質器の全体
概略図である。

【符号の説明】

Ｈ容器体Ｈ３、Ｈ４隔板（端面）１燃焼層１１燃焼用ガス導入口１２燃焼排ガス導出口１３空気導入口（酸素含有ガス導入口）１４水素導入配管１５水素導入口（燃料ガス導入口）１６水素吐出口（燃料ガス吐出口）２改質層２１改質原料ガス導入口２２改質ガス導出口３偏平チューブ（筒状部材）４１、４２プレートフィン４３、４４整流板５ベローズ（応力緩和手段）６制御手段７火炎伝播防止層（火炎伝播防止手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤育康愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者永見哲夫愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3L065 BA02 4G040 EA02 EA06 EB12 EB42 EB46 4G140 EA02 EA06 EB12 EB42 EB46 5H027 BA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器体内に、改質原料ガスを導入して改
質反応を生起することにより水素を生成する改質層と、
燃焼用ガスを導入して燃焼反応を生起することにより上
記改質層に供給する熱を発生する燃焼層とを設け、これ
ら改質層と燃焼層を区画する分離壁を介して熱交換させ
る改質器において、上記分離壁の熱膨張による伸びを吸
収して熱応力を緩和する応力緩和手段を設けたことを特
徴とする改質器。
【請求項２】上記改質層と上記燃焼層内のガス流れの
方向を同一方向とした請求項１記載の改質器。
【請求項３】上記容器体内に、複数の筒状部材を平行
配設して、各筒状部材の両端を上記容器体端面に固定
し、上記筒状部材の内部空間を上記改質層および上記燃
焼層の一方、上記筒状部材の外部空間を上記改質層およ
び上記燃焼層のもう一方となし、かつ上記筒状部材の筒
壁を上記分離壁とした請求項１または２記載の改質器。
【請求項４】上記容器体と一体に上記筒状部材の長手
方向に伸縮するベローズを設けて上記応力緩和手段とし
た請求項３記載の改質器。
【請求項５】上記ベローズを上記燃焼層の出口側に近
い上記容器体端部に形成した請求項４記載の改質器。
【請求項６】偏平な断面形状を有する複数の上記筒状
部材を、ガス流れと直交する方向に所定間隔をおいて、
かつその短辺を上記容器体の両側面に当接させて平行に
配置することにより、上記容器体内に上記改質層と上記
燃焼層を交互に積層した請求項３ないし５記載の改質
器。
【請求項７】上記改質層および上記燃焼層内に伝熱用
フィンを配設して触媒を担持した請求項１ないし６のい
ずれか記載の改質器。
【請求項８】上記燃焼用ガスが燃料ガスと酸素含有ガ
スを含み、これら燃料ガスと酸素含有ガスを上記燃焼層
に分離導入する導入口を設けた請求項１ないし７のいず
れか記載の改質器。
【請求項９】分離導入された上記燃料ガスを上記燃焼
層内に吐出する吐出口を、上記燃焼層内のガス流れ方向
の複数箇所に設けた請求項８記載の改質器。
【請求項１０】上記容器体内に上記改質層と上記燃焼
層を交互に積層し、上記改質層を挟んで隣り合う複数の
上記燃焼層に分離導入された上記燃料ガスを吐出する吐
出口を、ガス流れ方向の異なる部位で開口させた請求項
８記載の改質器。
【請求項１１】上記吐出口から吐出される上記燃料ガ
スの吐出量をデューティ制御する制御手段を設けた請求
項９または１０記載の改質器。
【請求項１２】上記燃焼層の上流に上記容器体外部へ
の火炎伝播を防止する火炎伝播防止手段を設けた請求項
１ないし１１のいずれか記載の改質器。
【請求項１３】上記火炎伝播防止手段が、二重金属メ
ッシュ、発泡金属、または焼結金属よりなり、上記燃焼
層の上流に設けた燃焼用ガス導入口を横切って配設され
る請求項１２記載の改質器。