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JP5227706B2 - 改質装置 - Google Patents

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Description

本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質する改質装置に関する。
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
例えば、特許文献１に開示されている改質器は、図２０に示すように、下板１ａと上板２ａとを備えている。下板１ａには、複数の上向き仕切り板３ａが設けられる一方、上板２ａには、複数の下向き仕切り板４ａが設けられている。このため、改質器内には、上下に蛇行しながら改質用燃料入口５ａから改質用燃料出口６ａに連通する流路７ａが形成されている。
また、改質器ではないが、該改質器と同様に構成される燃料電池発電用脱硫器（特許文献２）は、図２１に示すように、燃料ガスが流通するガス流通路ＳＰを備える円筒状の容器１ｂ、前記容器１ｂの前記ガス流通路ＳＰ内に設けられた壁面部材及び仕切部材としての仕切板２ｂ、及び前記ガス流通路ＳＰに充填された脱硫剤３ｂとを備えている。
これにより、容器１ｂのガス流通路ＳＰが複数に仕切られるため、燃料ガスの流れが細分化され、前記燃料ガスの流れの偏りを抑制することができる、としている。
特開２００６−２７３６３５号公報 特開２００８−１１７６５２号公報
しかしながら、上記の特許文献１では、広域な運転範囲において、最低流速を満たすことが困難であり、偏流が抑制されないおそれがある。しかも、原燃料の脈動を吸収することができず、改質された原燃料を安定して供給することが困難になるという問題がある。
また、上記の特許文献２では、改質器として適用した場合に、部分負荷運転から定格運転の全域にわたる広域な運転範囲において、最低流速を満たすことが困難であり、偏流が抑制されないおそれがある。しかも、原燃料の脈動を吸収することができず、改質された原燃料を安定して供給することが困難になるという問題がある。
さらに、良好な改質性能を確保するために、ガス流通路ＳＰを長尺化すると、改質器全体が大型化（長尺化）してしまう。これにより、改質器のコンパクト化を図ることができないという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、構成の簡素化及び小型化を図るとともに、広域な運転範囲において、所望の改質効率及び改質性能を維持し、耐久性の向上を図り且つ改質された原燃料を安定して供給することが可能な改質装置を提供することを目的とする。
本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質する改質装置に関するものである。この改質装置は、前記原燃料を流通させる原燃料通路を有し且つ改質触媒が充填又は担持される改質室と、前記改質室の上流側に設けられ、前記原燃料を前記原燃料通路に均等に供給するための供給室と、前記改質室の下流側に設けられ、前記原燃料を前記原燃料通路から均等に排出するための排出室とを備えている。そして、前記原燃料通路は、前記原燃料の流れ方向を反転させる反転部を有するとともに、前記原燃料通路には、互いに通路断面積の異なる複数の通路領域が、前記原燃料の流れ方向上流側から下流側に向かって順次設けられ、前記複数の通路領域の各々に、前記改質触媒が充填又は担持され、下流側の前記通路領域の通路断面積が上流側の前記通路領域の通路断面積よりも小さく設定されている。
また、原燃料通路は、少なくともいずれかの反転部を挟んで通路断面積が変更されるように構成されることが好ましい。このため、改質装置の全長が有効に短尺化された状態で、原燃料通路を長尺化することができ、原燃料と改質触媒との接触時間が長くなり、改質性能の向上が図られる。しかも、改質装置の構成の簡素化及び小型化が可能になる。
さらに、改質装置は、筒状のケーシングを備え、原燃料通路は、前記ケーシングの軸方向に延在するとともに、複数の反転部は、前記ケーシングの中心と同心円上に配列され且つ前記ケーシングの前記中心周りに周方向に間隔をおいて配列されることが好ましい。従って、改質装置の全長が有効に短尺化された状態で、原燃料通路を長尺化することができ、原燃料と改質触媒との接触時間が長くなり、改質性能の向上が図られる。しかも、改質装置の構成の簡素化及び小型化が可能になる。
さらにまた、改質装置の中央部には、前記改質装置を加熱するための熱媒体を流通させる熱媒体通路が設けられるとともに、反転部は、前記熱媒体通路を中心に同心円上に配列されることが好ましい。これにより、熱媒体通路を流通する熱媒体の熱は、前記熱媒体通路を中心に同心円上に配列される各反転部（各原燃料通路）に均一に伝熱され、各原燃料通路における改質反応の均一化が促進される。その際、改質反応は、吸熱反応であるため、各反転部（各原燃料通路）に均一に伝熱されることにより、改質反応の均一化が図られ、改質装置の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が可能になる。
また、熱媒体通路は、改質装置の中心を通り、且つ原燃料の流れ方向と並行又は対向に設けられることが好ましい。このため、熱媒体通路を流通する熱媒体の熱により、改質室、改質触媒及び改質前の原燃料を良好に加熱することができ、改質効率及び改質性能の向上が図られる。
さらに、熱媒体通路の上流側は、原燃料通路の供給室側に設定されることが好ましい。従って、熱媒体通路を流通する熱媒体の熱は、原燃料通路の供給室側に多く供給されるため、改質前の原燃料を良好に加熱することができ、改質反応が促進される。
さらにまた、熱媒体通路の上流側は、原燃料通路の排出室側に設定されることが好ましい。これにより、熱媒体通路を流通する熱媒体の熱は、原燃料通路の排出室側に多く供給されるため、改質ガスを良好に加熱することができ、改質装置の下流側に送られる前記改質ガスの温度が保持される。
また、改質装置は、排出室に連通する排出口を有し、最下流側の反転部は、前記排出口よりも下方に設定されることが好ましい。このため、原燃料は、原燃料通路を下方から上方に向かって排出口に流れるため、前記原燃料と改質触媒との接触時間が長くなり、改質効率が向上して改質装置の小型化が図られる。
しかも、長時間の使用によって改質触媒が劣化し微細化した際、原燃料が上方に流れるため（アップフロー）、前記微細化した改質触媒が下方に堆積することを阻止することができる。このため、原燃料を有効に流すことが可能になり、改質触媒全域を有効利用するとともに、前記改質触媒を長期間にわたって良好に使用することができる。その上、微細化した改質触媒が、改質装置の下流側に流れることを抑制することが可能になり、下流側の機器（例えば、燃料電池又は配管等）の圧力損失や補機損失が低減され、各機器の効率の向上及び長寿命化が図られる。
さらに、反転部は、偶数に設定されることが好ましい。従って、原燃料の供給室と排出室とは、改質装置の両端に設定されるため、供給配管と排出配管とが集中することがない。これにより、配管の取り回しが容易に図られる。
さらにまた、改質装置は、供給室に連通する供給口を有し、前記供給口は、排出口よりも下方に設定されることが好ましい。従って、原燃料は、原燃料通路を下方の供給口から上方の排出口に向かって流れるため、前記原燃料と改質触媒との接触時間が長くなり、改質性能の向上及び改質装置の小型化が図られる。
しかも、長時間の使用によって改質触媒が劣化し微細化した際、原燃料がアップフローとなるため、前記微細化した改質触媒が下方に堆積することを阻止することができる。従って、原燃料を有効に流すことが可能になり、改質触媒全域を有効利用するとともに、前記改質触媒を長期間にわたって良好に使用することができる。その上、微細化した改質触媒が、改質装置の下流側に流れることを抑制することが可能になり、下流側の機器の圧力損失や補機損失が低減され、各機器の効率の向上及び長寿命化が図られる。
また、反転部は、奇数に設定されることが好ましい。これにより、原燃料の供給室と排出室とは、改質装置の一端側に設定されるため、供給配管と排出配管とを集中させることができ、設置場所の柔軟性が向上する。
さらに、原燃料通路は、通路断面積が上流側から下流側に向かって連続的に減少することが好ましい。このため、圧力損失の増加を可及的に抑制するとともに、簡単な構成で、部分負荷運転時には、原燃料通路の通路断面積の小さな領域で原燃料の最低流速を確保する一方、定格運転時には、前記原燃料通路の全領域で前記原燃料の最低流速を確保することが可能になる。従って、広域な運転範囲において、原燃料の偏流を抑制することができ、改質触媒全域を有効利用するとともに、前記改質触媒を長期間にわたって使用することが可能になる。これにより、改質装置の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が容易に図られる。
その上、改質装置は、調圧室（バッファタンク）としての機能を有することができる。このため、改質ガスを安定して供給することが可能になり、例えば、燃料電池の安定した運転が遂行される。
さらにまた、原燃料通路は、通路断面積が反転部を挟んで上流側から下流側に向かって段階的に減少することが好ましい。従って、簡単な構成で、部分負荷運転時には、原燃料通路の通路断面積の小さな領域で原燃料の最低流速を確保する一方、定格運転時には、前記原燃料通路の全領域で前記原燃料の最低流速を確保することが可能になる。これにより、広域な運転範囲において、原燃料の偏流を抑制することができ、改質触媒全域を有効利用するとともに、改質触媒を長期間にわたって使用することが可能になる。このため、改質装置の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が容易に図られる。
その上、改質装置は、調圧室としての機能を有することができる。従って、改質ガスを安定して供給することが可能になり、例えば、燃料電池の安定した運転が遂行される。
また、原燃料通路は、最大通路断面積部分を流れる原燃料の最大流量時（定格運転時）の流速と、最小通路断面積部分を流れる前記原燃料の最小流量時（部分負荷運転時）の流速とは、同一流速になるように設定されることが好ましい。これにより、部分負荷運転時には、主に原燃料通路の通路断面積の小さな領域で原燃料の最低流速を確保する一方、定格運転時には、前記原燃料通路の全領域で前記原燃料の最低流速を確保することが可能になる。このため、広域な運転範囲において、原燃料の偏流を抑制することができ、改質触媒全域を有効利用するとともに、改質触媒を長期間にわたって使用することが可能になる。従って、改質装置の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が容易に図られる。
さらに、原燃料通路は、それぞれ通路断面積が異なる複数の通路領域を有するとともに、複数の前記通路領域は、互いに同一の容積に設定されることが好ましい。これにより、部分負荷運転時には、主に原燃料通路の通路断面積の小さな領域で原燃料の脱硫が行われる一方、定格運転時には、前記原燃料通路の全領域で前記原燃料の改質が行われる。このため、広域な運転範囲において、安定した改質が良好に遂行され、耐久性の向上が容易に図られる。
さらにまた、改質装置は、少なくとも供給室と改質室とを仕切る第１網目状部材、又は前記改質室と排出室とを仕切る第２網目状部材のいずれかを備えることが好ましい。従って、第１網目状部材は、原燃料に含まれる塵埃等を除去するとともに、微細化した改質触媒が上流側に流れることを阻止する機能を有する。一方、第２網目状部材は、微細化した改質触媒が下流側に流れることを阻止する機能を有する。
また、改質装置は、燃料電池用改質装置であることが好ましい。これにより、特に、広域な運転範囲を有する燃料電池を設ける燃料電池システムにおいて、偏流の抑制及び脈動の吸収が良好に行われるとともに、システム全体の小型化が可能になる。
さらに、改質装置は、固体酸化物形燃料電池用改質装置であることが好ましい。このため、特に、広域な運転範囲を有する燃料電池を設ける燃料電池システムにおいて、偏流の抑制及び脈動の吸収が良好に行われるとともに、システム全体の小型化が可能になる。しかも、温度変化が抑制され、高温型燃料電池システムに最適である。
さらにまた、前記熱媒体は、固体酸化物形燃料電池からの排ガスであることが好ましい。従って、高温型燃料電池である固体酸化物形燃料電池から排出される高温の排ガスの熱を各反転部（各原燃料通路）に良好に伝えることができ、熱効率の向上及び熱自立の促進が確実に図られる。
本発明によれば、改質装置に供給された原燃料は、供給室に一旦貯留されるため、原燃料通路全域にわたって均等に供給される。一方、改質された原燃料（以下、改質ガスともいう）は、改質室から排出室に一旦貯留されるため、改質ガスを原燃料通路全域から均等に排出させることができる。これにより、改質触媒全域を有効利用することが可能になり、改質効率の向上が容易に図られる。
さらに、原燃料通路は、原燃料の流れ方向を反転させる反転部を有するため、改質装置の全長が短尺化された状態で、前記原燃料通路を有効に長尺化することができる。従って、原燃料と改質触媒との接触時間が長くなり、改質性能の向上が図られる。
さらにまた、原燃料通路は、下流側の通路断面積が上流側の通路断面積よりも小さく設定されている。このため、部分負荷運転時には、原燃料通路の通路断面積の小さな領域で原燃料の最低流速を確保する一方、定格運転時には、前記原燃料通路の全領域で前記原燃料の最低流速を確保することが可能になる。これにより、広域な運転範囲において、原燃料の偏流を抑制することができ、改質触媒全域を有効利用するとともに、改質触媒を長期間にわたって使用することが可能になる。従って、改質装置の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が容易に図られる。
また、改質装置は、調圧室（バッファタンク）としての機能を有することができる。このため、原燃料の脈動を吸収して改質ガスを安定して供給することが可能になり、例えば、燃料電池の安定した運転が遂行される。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る改質装置を組み込む燃料電池システム１０の機械系回路を示す概略構成説明図である。
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置２０とを備える。
図２に示すように、燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２８とセパレータ３０とが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設け、複数の前記燃料電池３２が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３４を備える。
燃料電池スタック３４の積層方向上端側（又は積層方向下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に加熱する熱交換器３６と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する第１の実施形態に係る改質装置４０とが配設される。
熱交換器３６は、燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）を流すための第１排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。第１排ガス通路４４は、蒸発器３８に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第２排ガス通路４８に連通する。第１排ガス通路４４は、改質装置４０を加熱するための加熱通路４９を介して排気管５０に連通する。空気通路４６の上流側は、空気供給管５２に連通するとともに、前記空気通路４６の下流側は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に連通する。
蒸発器３８は、互いに同軸上に配設される外管部材５４ａと内管部材５４ｂとを備える２重管構造を採用し、この２重管は、第２排ガス通路４８内に配置される。外管部材５４ａと内管部材５４ｂとの間には、原燃料通路５６が形成されるとともに、前記内管部材５４ｂ内には、水通路５８が形成される。蒸発器３８の第２排ガス通路４８は、主排気管６０に連通する。
図１に示すように、空気供給管５２は、酸化剤ガス供給装置１８に接続され、原燃料通路５６は、原燃料供給装置１６に接続され、水通路５８は、水供給装置２０に接続される。
図２に示すように、外管部材５４ａには、改質装置４０を構成するケーシング４０ａの入口部に連結される混合燃料供給管６２が接続される。ケーシング４０ａの出口側には、改質ガス供給路６４の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路６４の他端は、燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に連通する。なお、蒸発器３８は、上記の二重管構成に代えて、加熱部と混合部（例えば、エジェクタ型混合部）とを備える構成を採用してもよい。
図３及び図４に示すように、改質装置４０は、上下に延在して配置される円筒状の筒体（筒状のケーシング）７０を備える。筒体７０の下端部には、原燃料（混合燃料）が供給される供給口７２ａが設けられるとともに、前記筒体７０の上端部には、改質ガスが排出される排出口７２ｂが設けられる。供給口７２ａは、蒸発器３８の出口側（下流側）に接続される一方、排出口７２ｂは、燃料電池スタック３４の入口側（上流側）に接続される（図１及び図２参照）。
筒体７０の内部には、図３及び図４に示すように、原燃料を流通させる原燃料通路７４を有し且つ前記原燃料を改質して改質ガスを生成するペレット状の改質触媒７５が充填される改質室７６と、前記改質室７６の上流側と供給口７２ａとの間に設けられ、前記原燃料を前記改質室７６に均等に供給するための供給室７８と、前記改質室７６の下流側と排出口７２ｂとの間に設けられ、改質ガスを前記改質室７６から均等に排出するための排出室８０とが形成される。原燃料通路７４は、後述するように、原燃料の流れ方向を反転させる第１反転部７４ａ及び第２反転部７４ｂを有する。
改質装置４０は、供給室７８と改質室７６とを仕切る第１網目状部材８２ａと、前記改質室７６と排出室８０とを仕切る第２網目状部材８２ｂとを備える。なお、第１網目状部材８２ａ又は第２網目状部材８２ｂのいずれか一方を備えていてもよい。
図４及び図５に示すように、筒体７０の内周面には、この筒体７０の中心から放射状に延在する仕切り板８４ａ、８４ｂ及び８４ｃが設けられることにより、前記筒体７０内には、第１通路領域８６ａ、第２通路領域８６ｂ及び第３通路領域８６ｃが形成される。
第１通路領域８６ａの通路断面積Ｓ１、第２通路領域８６ｂの通路断面積Ｓ２及び第３通路領域８６ｃの通路断面積Ｓ３は、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３の関係に設定される。
第１通路領域８６ａの下端部側（上流側）は、供給室７８に連通するとともに、前記第１通路領域８６ａの上端部側（下流側）は、仕切り板８４ａの上部に形成される凹部８８ａを介して第２通路領域８６ｂの上端部側（上流側）に連通する。第２通路領域８６ｂの下端部側（下流側）は、仕切り板８４ｂの下部に形成される凹部８８ｂを介して第３通路領域８６ｃの下端部側（上流側）に連通する。この第３通路領域８６ｃの上端部側（下流側）は、排出室８０に連通する。
図４に示すように、筒体７０内の原燃料通路７４は、供給室７８に連通する第１通路領域８６ａ、前記第１通路領域８６ａの上端部側に凹部８８ａを介して形成される第１反転部７４ａ、前記第１反転部７４ａを挟んで流路断面積が変更される第２通路領域８６ｂ、前記第２通路領域８６ｂの下端部側に凹部８８ｂを介して形成される第２反転部７４ｂ、及び前記第２反転部７４ｂを挟んで流路断面積が変更される第３通路領域８６ｃを有する。第１反転部７４ａ及び第２反転部７４ｂは、筒体７０の中心と同心円上に配列される（図５参照）。
原燃料通路７４は、最大通路断面積部分である第１通路領域８６ａを流れる原燃料の最大流量時（定格運転時）の流速と、最小流量断面積部分である第３通路領域８６ｃを流れる前記原燃料の最小流量時（部分負荷運転時）の流速とは、同一流速になるように設定される。
改質装置４０は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ 8 ）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。ここで、原燃料は、都市ガスに限定されるものではなく、ＬＮＧ、ＬＰＧ、エタノール、メタノール、ガソリン、灯油、バイオ燃料等も使用できる。
燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２８では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯがアノード電極に供給される。
なお、改質装置４０は、上記の予備改質器としての機能の他、燃料ガス中のメタンを改質して水素、ＣＯを得る機能を有していてもよい。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、第１の実施形態に係る改質装置４０との関連で、以下に説明する。
図１に示すように、原燃料供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５８には、水が供給されるとともに、空気供給管５２には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
図２に示すように、蒸発器３８では、原燃料通路５６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料（原燃料ともいう）が得られる。この原燃料は、図３及び図４に示すように、混合燃料供給管６２を介して改質装置４０の下部側に設けられている供給口７２ａから供給室７８に導入される。
原燃料は、先ず、最大流路断面積を有する第１通路領域８６ａに均等に供給される。このため、原燃料は、第１通路領域８６ａを鉛直上方向に沿って移動しながら、改質触媒７５を介して改質処理が行われる。
第１通路領域８６ａの上端部側に移動した原燃料は、第１反転部７４ａで反転して中間流路断面積に設定された第２通路領域８６ｂに導入される。この第２通路領域８６ｂに沿って鉛直下方向に移動する原燃料は、改質触媒７５によって改質された後、前記第２通路領域８６ｂの下端部側に形成されている第２反転部７４ｂで反転され、最小流路断面積に設定された第３通路領域８６ｃに導入される。この第３通路領域８６ｃでは、原燃料が鉛直上方向に移動しながら改質された後、前記第３通路領域８６ｃに連通する排出室８０に均等に排出される。
これにより、排出口７２ｂから改質ガス供給路６４には、水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが導出される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガス、ＣＯが得られ、この水素ガス、ＣＯを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
一方、図２に示すように、空気供給管５２から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、第１排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に供給され、図示しないカソード電極に供給される。
従って、電解質・電極接合体２８では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２８の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６の第１排ガス通路４４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
この排ガスは、第２排ガス通路４８に沿って移動することにより、水通路５８を通過する水を蒸発させる。蒸発器３８を通過した排ガスは、主排気管６０を介して外部に排出される。また、排ガスの一部は、加熱通路４９を通って改質装置４０を加熱した後、排気管５０を介して外部に排出される。
この場合、第１の実施形態では、改質装置４０に供給された原燃料は、先ず、供給室７８に一旦貯留されるため、第１通路領域８６ａ全域にわたって均等に供給される。一方、改質された原燃料は、改質室７６から排出室８０に一旦貯留されるため、改質ガスを第３通路領域８６ｃ全域から均等に排出させることができる。これにより、改質触媒７５全域を有効利用することが可能になり、改質効率の向上が容易に図られる。
さらに、原燃料通路７４は、原燃料の流れ方向を反転させる第１反転部７４ａ及び第２反転部７４ｂを有している。このため、改質装置４０の全長が短尺化された状態で、原燃料通路７４を有効に長尺化することができ、原燃料と改質触媒７５との接触時間が長くなり、改質性能の向上が図られる。
さらにまた、原燃料通路７４は、下流側の通路断面積が上流側の通路断面積よりも小さく設定されている。すなわち、原燃料通路７４では、最大の流路断面積Ｓ１に設定された第１通路領域８６ａ、中間の流路断面積Ｓ２に設定された第２通路領域８６ｂ、及び最小通路断面積Ｓ３に設定された第３通路領域８６ｃが、原燃料の流れ方向上流側から下流側に向かって、順次、設けられている。
従って、部分負荷運転時には、原燃料通路７４の通路断面積の小さな領域である第３通路領域８６ｃ（及び必要に応じて第２通路領域８６ｂ）で原燃料の最低流速を確保する一方、定格運転時には、前記原燃料通路７４の全領域（第１通路領域８６ａ〜第３通路領域８６ｃ）で前記原燃料の最低流速を確保することが可能になる。
ここで、改質装置４０において、原燃料の流速が最低流速を下回ると、原燃料が偏流して特定部分の改質触媒７５の劣化が早まり、耐久性を損なうおそれがある。一方、偏流を阻止するために、流路断面積の小さい領域のみで構成すると、改質性能を損なわないように、原燃料通路７４を長尺化せざるを得ず、定格運転時に圧力損失が高くなるおそれがある。
そこで、第１の実施形態では、通路断面積の異なる第１通路領域８６ａ、第２通路領域８６ｂ及び第３通路領域８６ｃを設けることにより、広域な運転範囲において、原燃料の偏流及び圧力損失を抑制することができ、改質触媒７５全域を有効利用するとともに、前記改質触媒７５を長期間にわたって使用することが可能になる。これにより、改質装置４０の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が容易に図られるという効果が得られる。
しかも、改質装置４０では、上流側から下流側に向かって通路断面積が小さくなるように、第１通路領域８６ａ、第２通路領域８６ｂ及び第３通路領域８６ｃを設けている。このため、原燃料通路７４に調圧室（バッファタンク）としての機能を有することができ、原燃料供給装置１６に脈動が発生しても、この脈動を改質装置４０により吸収することが可能になる。従って、燃料電池モジュール１２の発電出力が不安定になることを阻止することが可能になる。
また、改質装置４０は、第１反転部７４ａを挟んで第１通路領域８６ａから第２通路領域８６ｂに通路断面積が小さくなるとともに、第２反転部７４ｂを挟んで前記第２通路領域８６ｂから第３通路領域８６ｃに通路断面積が小さくなるように構成されている。その際、改質装置４０は、円筒状の筒体７０を備え、第１反転部７４ａ及び第２反転部７４ｂは、前記筒体７０の中心と同心円上に配列されている。
このため、改質装置４０の全長が短尺化された状態で、原燃料通路７４を有効に長尺化することができ、原燃料と改質触媒７５との接触時間が長くなって、改質性能の向上が図られる。しかも、改質装置４０の構成の簡素化及び小型化が可能になる。
さらに、改質装置４０は、排出室８０に連通する排出口７２ｂを有し、最下流側の第２反転部７４ｂは、前記排出口７２ｂよりも下方に設定されている。これにより、原燃料は、原燃料通路７４を下方から上方に向かって排出口７２ｂに流れるため、前記原燃料と改質触媒７５との接触時間が長くなり、改質性能の向上及び改質装置４０の小型化が図られる。
しかも、長時間の使用によって改質触媒７５が劣化し微細化した際、原燃料が上方に流れるため（アップフロー）、前記微細化した改質触媒７５が下方に堆積することを阻止することができる。従って、原燃料を有効に流すことが可能になり、改質触媒７５全域を有効利用するとともに、前記改質触媒７５を長期間にわたって良好に使用することができる。その上、微細化した改質触媒７５が改質装置４０の下流側に流れることを抑制することが可能になり、下流側の機器、例えば、燃料電池スタック３４又は配管等の圧力損失や補機損失が低減され、各機器の効率の向上及び長寿命化が図られる。
ここで、第１の実施形態では、原燃料通路７４が第１反転部７４ａ及び第２反転部７４ｂの偶数（２つ）の反転部を有している。このため、原燃料の供給室７８と排出室８０とは、改質装置４０の両端に設定され、原燃料の供給配管と改質ガスの排出配管とが集中することがなく、配管の取り回しが容易に図られる。
さらにまた、供給室７８に連通する供給口７２ａは、排出室８０に連通する排出口７２ｂよりも下方に設定されている。これにより、原燃料は、原燃料通路７４を下方の供給口７２ａから上方の排出口７２ｂに向かって流れるため、前記原燃料と改質触媒７５との接触時間が長くなり、改質性能の向上及び改質装置４０の小型化が図られる。
しかも、長時間の使用によって改質触媒７５が劣化し微細化した際、原燃料が上方に流れるため（アップフロー）、前記微細化した改質触媒７５が下方に堆積することを阻止することができる。従って、原燃料を有効に流すことが可能になり、改質触媒７５全域を有効利用するとともに、前記改質触媒７５を長期間にわたって良好に使用することができる。その上、微細化した改質触媒７５が改質装置４０の下流側に流れることを抑制することが可能になり、下流側の機器、例えば、燃料電池スタック３４又は配管等の圧力損失や補機損失が低減され、各機器の効率の向上及び長寿命化が図られる。
また、原燃料通路７４は、第１反転部７４ａ及び第２反転部７４ｂを挟んで、流路断面積が上流側から下流側に向かって段階的に減少する第１通路領域８６ａ、第２通路領域８６ｂ及び第３通路領域８６ｃを有している。従って、簡単な構成で、部分負荷運転時には、原燃料通路７４の通路断面積の小さな領域である第３通路領域８６ｃ（及び必要に応じて第２通路領域８６ｂ）で、原燃料の最低流速を確保する一方、定格運転時には、前記原燃料通路７４の全領域である第１通路領域８６ａ〜第３通路領域８６ｃで、前記原燃料の最低流速を確保することが可能になる。
これにより、広域な運転範囲において、原燃料の偏流を抑制することができ、改質触媒７５全域を有効利用するとともに、改質触媒７５を長期間にわたって使用することが可能になる。このため、改質装置４０の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が容易に図られる。
その上、改質装置４０は、調圧室としての機能を有することができる。従って、改質ガスを安定して供給することが可能になり、例えば、燃料電池３２の安定した運転が遂行される。
さらに、原燃料通路７４は、第１通路領域８６ａを流れる原燃料の最大流量時の流速と、第３通路領域８６ｃを流れる前記原燃料の最小流量時の流速とは、同一流速になるように設定されている。これにより、部分負荷運転時には、原燃料通路７４の第３通路領域８６ｃで原燃料の最低流速を確保する一方、定格運転時には、前記原燃料通路７４の全領域で前記原燃料の最低流速を確保することができる。
このため、広域な運転範囲において、原燃料の偏流を抑制することができ、改質触媒７５全域を有効利用するとともに、改質触媒７５を長期間にわたって使用することが可能になる。従って、改質装置４０の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が容易に図られる。
さらにまた、改質装置４０は、供給室７８と改質室７６とを仕切る第１網目状部材８２ａと、前記改質室７６と排出室８０とを仕切る第２網目状部材８２ｂとを備えている。従って、第１網目状部材８２ａは、原燃料に含まれる塵埃等を除去するとともに、微細化した改質触媒７５が上流側（供給口７２ａ側）に流れることを阻止することができる。一方、第２網目状部材８２ｂは、微細化した改質触媒７５が下流側（排出口７２ｂ側）に流れることを阻止することが可能になる。
また、燃料電池モジュール１２では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されている。このため、特に、広域な運転範囲を有する燃料電池３２を設ける燃料電池システム１０において、偏流の抑制及び脈動の吸収が良好に行われるとともに、小型化が可能になる。しかも、温度変化が抑制され、高温型燃料電池システムに最適である。
なお、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の燃料電池モジュールにも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）及び固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等が良好に採用可能である。
また、第１の実施形態では、ペレット状の改質触媒７５が使用されているが、これに限定されるものではなく、ハニカム構造に改質触媒を担持させた触媒部を用いてもよい。以下の各実施形態においても、同様である。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る改質装置９０の斜視説明図である。図７は、前記改質装置９０の断面平面説明図であり、図８は、前記改質装置９０内の原燃料通路を展開した展開図である。
なお、第１の実施形態に係る改質装置４０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〜第７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。
図７に示すように、改質装置９０を構成する筒体７０の内部には、この筒体７０の中心から放射状に延在する仕切り板９２ａ〜９２ｇが設けられることにより、第１通路領域９４ａと、第２通路領域９４ｂ１、９４ｂ２と、第３通路領域９４ｃ１、９４ｃ２、９４ｃ３及び９４ｃ４とが形成される。
仕切り板９２ａ、９２ｇのなす角度α１（１２０°）、仕切り板９２ａ、９２ｂのなす角度α２（６０°）、仕切り板９２ｂ、９２ｃのなす角度α２（６０°）、仕切り板９２ｃ、９２ｄのなす角度α３（３０°）、仕切り板９２ｄ、９２ｅのなす角度α３（３０°）、仕切り板９２ｅ、９２ｆのなす角度α３（３０°）、仕切り板９２ｆ、９２ｇのなす角度α３（３０°）が設定される。
仕切り板９２ａ、９２ｇ間には、最大通路断面積に設定される第１通路領域９４ａが形成され、仕切り板９２ａ、９２ｂ間及び仕切り板９２ｂ、９２ｃ間には、中間の通路断面積に設定される第２通路領域９４ｂ１、９４ｂ２が形成され、仕切り板９２ｃ〜９２ｇ間には、それぞれ最小通路断面積に設定される第３通路領域９４ｃ１、９４ｃ２、９４ｃ３及び９４ｃ４が形成される。
仕切り板９２ａの上部には、切り欠きを介して第１反転部９８ａが設けられ、仕切り板９２ｂの下部には、切り欠きを介して第２反転部９８ｂが形成される。仕切り板９２ｃの上部には、切り欠きを介して第３反転部９８ｃが形成されるとともに、仕切り板９２ｄの下部には、切り欠きを介して第４反転部９８ｄが形成される。仕切り板９２ｅの上部には、切り欠きを介して第５反転部９８ｅが形成されるとともに、仕切り板９２ｆの下部は、切り欠きを介して第６反転部９８ｆが形成される。
改質装置９０内に形成される原燃料通路９８は、図８に概略的に示すように、第１通路領域９４ａと第２通路領域９４ｂ（９４ｂ１＋９４ｂ２）と第３通路領域９４ｃ（９４ｃ１＋９４ｃ２＋９４ｃ３＋９４ｃ４）とを有する。第１通路領域９４ａ、第２通路領域９４ｂ及び第３通路領域９４ｃは、互いに同一の容積に設定される。
このように構成される第２の実施形態では、改質装置９０の下端部に設けられている供給口７２ａから供給室７８に導入された原燃料は、先ず、最大通路断面積に設定された第１通路領域９４ａに供給されて上方向に移動した後、第１反転部９８ａで反転されて中間通路断面積に設定された第２通路領域９４ｂ１に導入される。
この第２通路領域９４ｂ１に沿って下方向に移動した原燃料は、第２反転部９８ｂで反転された後、第２通路領域９４ｂ２に沿って上昇する。第２通路領域９４ｂ２の上方に移動した原燃料は、第３反転部９８ｃで反転された後、最小通路断面積に設定された第３通路領域９４ｃ１に沿って下方向に移動する。
さらに、第４反転部９８ｄで反転された原燃料は、第３通路領域９４ｃ２に沿って上昇した後、第５反転部９８ｅで反転されて第３通路領域９４ｃ３に移動し、下方向に移動する。原燃料は、第６反転部９８ｆで反転され、第３通路領域９４ｃ４に沿って上昇した後、排出室８０から排出口７２ｂに排出される。
これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、この第２の実施形態では、第１通路領域９４ａ、第２通路領域９４ｂ及び第３通路領域９４ｃは、それぞれの通路断面積が異なる一方、互いに同一の容積に設定されている。
従って、部分負荷運転時には、主として原燃料通路９８の通路断面積の小さな領域、例えば、第３通路領域９４ｃで原燃料の改質が行われる一方、定格運転時には、前記原燃料通路９８の全領域（第１通路領域９４ａ〜第３通路領域９４ｃ）で前記原燃料の改質が行われる。このため、広域な運転範囲において、安定した改質処理が良好に遂行され、耐久性の向上が図られるという利点がある。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る改質装置１００の概略斜視説明図であり、図１０は、前記改質装置１００の断面側面図である。
改質装置１００は、箱形状のケーシング１０２を備え、このケーシング１０２の下部一端側には、供給口７２ａに連通する供給室７８が設けられる一方、前記ケーシング１０２の上部他端側には、排出口７２ｂに連通する排出室８０が設けられる。ケーシング１０２内の改質室７６には、原燃料通路１０４が形成されるとともに、この原燃料通路１０４は、原燃料の流れ方向を反転させる第１反転部１０４ａ及び第２反転部１０４ｂを有する。
ケーシング１０２内には、仕切り板１０６ａ、１０６ｂが設けられ、前記仕切り板１０６ａの上部を切り欠いて第１反転部１０４ａが形成される一方、前記仕切り板１０６ｂの下部を切り欠いて第２反転部１０４ｂが形成される。原燃料通路１０４の上流側には、最大通路断面積に設定される第１通路領域１０８ａが形成される。第１通路領域１０８ａの下流側には、中間の流路断面積に設定される第２通路領域１０８ｂが形成されるとともに、前記第２通路領域１０８ｂの下流側には、最小通路断面積に設定される第３通路領域１０８ｃが形成される。
原燃料通路１０４では、第１通路領域１０８ａ、第２通路領域１０８ｂ及び第３通路領域１０８ｃは、第１反転部１０４ａ及び第２反転部１０４ｂを挟んで、上流側から下流側に向かって通路断面積が段階的に減少している。従って、この第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる他、構成が一層簡素化されて経済的であるという利点がある。
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る改質装置１２０の概略斜視説明図であり、図１２は、前記改質装置１２０の断面側面図である。
改質装置１２０は、正面視略台形状のケーシング１２２を備え、このケーシング１２２の下部一端側には、供給口７２ａに連通する供給室７８が設けられるとともに、前記ケーシング１２２の上部他端側には、排出口７２ｂに連通する排出室８０が設けられる。ケーシング１２２内に原燃料通路１２４が形成され、この原燃料通路１２４は、第１反転部１２４ａと第２反転部１２４ｂとを有する。
ケーシング１２２内には、仕切り板１２６ａ、１２６ｂがそれぞれ所定の方向に傾斜して設けられる。仕切り板１２６ａの上部を切り欠いて第１反転部１２４ａが形成されるとともに、仕切り板１２６ｂの下部を切り欠いて第２反転部１２４ｂが形成される。
ケーシング１２２内には、仕切り板１２６ａ、１２６ｂによって最大通路断面積に設定される第１通路領域１２８ａ、中間の通路断面積に設定される第２通路領域１２８ｂ、及び最小通路断面積に設定される第３通路領域１２８ｃが形成される。
第１通路領域１２８ａは、上流側に最大の幅寸法Ｈ１を有し、出口側に最小の幅寸法Ｈ２を有する。第２通路領域１２８ｂは、上流側に最大の幅寸法Ｈ２を有する一方、出口側に最小の幅寸法Ｈ３を有する。第３通路領域１２８ｃは、上流側に最大の幅寸法Ｈ３を有し、出口側に最小の幅寸法Ｈ４を有している。
これにより、原燃料通路１２４は、第１通路領域１２８ａ、第２通路領域１２８ｂ及び第３通路領域１２８ｃの通路断面積が上流側から下流側に向かって連続的に減少している。従って、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる他、原燃料通路１２４の通路断面積が、供給室７８から排出室８０に向かって連続的に減少するため、圧力損失の増加を可及的に抑制することができるという利点がある。
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る改質装置１４０の一部断面正面図である。図１４は、改質装置１４０の斜視説明図であり、図１５は、前記改質装置１４０の断面平面説明図である。
改質装置１４０は、円筒状の筒体１４２を備え、この筒体１４２の上部には、供給口７２ａに連通する供給室７８及び排出口７２ｂに連通する排出室８０が設けられる。筒体１４２内の改質室７６は、供給口７２ａと排出口７２ｂとを連通する原燃料通路１４４を有するとともに、前記原燃料通路１４４は、第１反転部１４４ａ、第２反転部１４４ｂ及び第３反転部１４４ｃを有する。
筒体１４２内には、この筒体１４２の中心から放射状に延在する仕切り板１４６ａ〜１４６ｄが設けられる。仕切り板１４６ａの下部を切り欠いて第１反転部１４４ａが形成され、仕切り板１４６ｂの上部を切り欠いて第２反転部１４４ｂが形成され、仕切り板１４６ｃの下部を切り欠いて第３反転部１４４ｃが形成される。
仕切り板１４６ａ、１４６ｄのなす角度が最大角度に設定されることにより、これらの間に最大通路断面積に設定される第１通路領域１４８ａが形成される。仕切り板１４６ａ、１４６ｂ間には、中間の通路断面積に設定される第２通路領域１４８ｂが形成されるとともに、仕切り板１４６ｂ、１４６ｃ間と、仕切り板１４６ｃ、１４６ｄ間とには、それぞれ最小流路断面積に設定される第３通路領域１４８ｃ１、１４８ｃ２が形成される。
このように構成される第５の実施形態では、奇数の反転部、すなわち、第１反転部１４４ａ〜第３反転部１４４ｃを有している。このため、原燃料の供給室７８と排出室８０とは、改質装置１４０の一方の端部、例えば、筒体１４２の上端部に設定される。従って、原燃料の供給配管と、改質ガスの排出配管とを集中させることができ、改質装置１４０の設置場所の柔軟性が向上するという効果を有する。
なお、第５の実施形態では、第１及び第２の実施形態と同様に円筒状の筒体１４２を有する改質装置１４０を採用しているが、例えば、第３の実施形態や第４の実施形態と同様の形状を有するケーシングを用いてもよい。
図１６は、本発明の第６の実施形態に係る改質装置１６０の斜視説明図であり、図１７は、前記改質装置１６０の断面平面説明図である。
改質装置１６０を構成する筒体７０の内部中央には、熱媒体通路１６２を形成するための円筒部１６４が設けられる。この円筒部１６４の外周から放射状に延在して仕切り板８４ａ、８４ｂ及び８４ｃが設けられる。第１反転部７４ａ及び第２反転部７４ｂは、熱媒体通路１６２を中心に同心円上に配列される。
熱媒体通路１６２は、改質装置１６０の中心を通り、且つ原燃料の流れ方向と並行又は対向に設けられるとともに、前記熱媒体通路１６２の上流側は、原燃料通路７４の供給室７８側に設定される。熱媒体通路１６２を上方向に向かって流動する熱媒体は、燃料電池スタック３４から排出される排ガスであり、この排ガスが加熱通路４９を介して前記熱媒体通路１６２に供給される（図２参照）。
このように構成される第６の実施形態では、改質装置１６０の中央部には、前記改質装置１６０を加熱するための熱媒体を流通させる熱媒体通路１６２が設けられるとともに、第１反転部７４ａ及び第２反転部７４ｂは、前記熱媒体通路１６２を中心に同心円上に配列されている。
これにより、熱媒体通路１６２を流通する熱媒体の熱は、前記熱媒体通路１６２を中心に同心円上に配列される第１反転部７４ａ（第１通路領域８６ａ及び第２通路領域８６ｂ）及び第２反転部７４ｂ（第２通路領域８６ｂ及び第３通路領域８６ｃ）に均一に伝熱され、前記第１反転部７４ａ（第１通路領域８６ａ及び第２通路領域８６ｂ）及び前記第２反転部７４ｂ（第２通路領域８６ｂ及び第３通路領域８６ｃ）における改質反応の均一化が促進される。その際、改質反応は、吸熱反応であるため、第１反転部７４ａ（第１通路領域８６ａ及び第２通路領域８６ｂ）及び第２反転部７４ｂ（第２通路領域８６ｂ及び第３通路領域８６ｃ）に均一に伝熱されることにより、改質反応の均一化が図られ、改質装置１６０の耐久性の向上及びメンテナンス周期の延長が可能になるという効果が得られる。
また、熱媒体通路１６２は、改質装置１６０の中心を通り、且つ原燃料の流れ方向と並行又は対向に設けられている。このため、熱媒体通路１６２を流通する熱媒体の熱により、改質室７６、改質触媒７５及び改質前の原燃料を良好に加熱することができ、改質効率及び改質性能の向上が図られる。
さらに、熱媒体通路１６２の上流側は、原燃料通路７４の供給室７８側に設定されている。従って、熱媒体通路１６２を流通する熱媒体の熱は、原燃料通路７４の供給室７８側に多く供給されるため、改質前の原燃料を良好に加熱することができ、改質反応が促進されるという利点がある。
図１８は、本発明の第７の実施形態に係る改質装置１７０の斜視説明図である。
改質装置１７０を構成する筒体７０の内部中央には、熱媒体通路１７２が形成される。この熱媒体通路１７２の上流側は、原燃料通路７４の排出口７２ｂ側に設定されており、熱媒体は、前記熱媒体通路１７２を、第６の実施形態とは逆方向、すなわち、下方向に向かって流動する。
このように構成される第７の実施形態では、熱媒体通路１７２の上流側が原燃料通路７４の排出室８０側に設定されている。これにより、熱媒体通路１７２を流通する熱媒体の熱は、原燃料通路７４の排出室８０側に多く供給されるため、改質ガスを良好に加熱することができ、改質装置１７０の下流側に送られる前記改質ガスの温度が保持されるという効果が得られる。
図１９は、本発明の第８の実施形態に係る改質装置１８０の断面平面説明図である。なお、改質装置１８０は、第２の実施形態に係る改質装置９０と同様に構成されており、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。
改質装置１８０を構成する筒体７０の内部中央には、熱媒体通路１８２を形成するための円筒部１８４が設けられる。この円筒部１８４の外周から放射状に延在して仕切り板９２ａ〜９２ｇが設けられる。第１反転部９８ａ〜第６反転部９８ｆは、熱媒体通路１８２を中心に同心円上に配列される。熱媒体通路１８２を流動する熱媒体の流れ方向は、上方向又は下方向のいずれかに設定される。
このように構成される第８の実施形態では、上記の第１〜第７の実施形態と同様の効果が得られる。
本発明の第１の実施形態に係る改質装置を組み込む燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの要部断面説明図である。 前記改質装置の一部切り欠き説明図である。 前記改質装置の斜視説明図である。 前記改質装置の断面平面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る改質装置の斜視説明図である。 前記改質装置の断面平面説明図である。 前記改質装置内の原燃料通路を展開した展開図である。 本発明の第３の実施形態に係る改質装置の概略斜視説明図である。 前記改質装置の断面側面図である。 本発明の第４の実施形態に係る改質装置の概略斜視説明図である。 前記改質装置の断面側面図である。 本発明の第５の実施形態に係る改質装置の一部断面正面図である。 前記改質装置の斜視説明図である。 前記改質装置の断面平面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る改質装置の斜視説明図である。 前記改質装置の断面平面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る改質装置の斜視説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る改質装置の断面平面説明図である。 特許文献１に開示されている改質器の説明図である。 特許文献２に開示されている燃料電池発電用脱硫器の説明図である。
符号の説明
１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１６…原燃料供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置 ２８…電解質・電極接合体
３０…セパレータ ３２…燃料電池
３４…燃料電池スタック ３６…熱交換器
３８…蒸発器
４０、９０、１００、１２０、１４０、１６０、１７０、１８０…改質装置
４０ａ、１０２、１２２…ケーシング
５６、７４、９８、１０４、１２４、１４４…原燃料通路
７０、１４２…筒体 ７２ａ…供給口
７２ｂ…排出口
７４ａ、７４ｂ、９８ａ〜９８ｆ、１０４ａ、１０４ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１４４ａ〜１４４ｃ…反転部
７５…改質触媒 ７６…改質室
７８…供給室 ８０…排出室
８２ａ、８２ｂ…網目状部材
８４ａ〜８４ｃ、９２ａ〜９２ｇ、１０６ａ、１０６ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、１４６ａ〜１４６ｄ…仕切り板
８６ａ〜８６ｃ、９４ａ、９４ｂ、９４ｂ１、９４ｂ２、９４ｃ、９４ｃ１〜９４ｃ４、１０８ａ〜１０８ｃ、１２８ａ〜１２８ｃ、１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ１、１４８ｃ２…通路領域
１６２、１７２、１８２…熱媒体通路 １６４、１８４…円筒部

Claims (19)

  1. 炭化水素を主体とする原燃料を改質する改質装置であって、
    前記改質装置は、前記原燃料を流通させる原燃料通路を有し且つ改質触媒が充填又は担持される改質室と、
    前記改質室の上流側に設けられ、前記原燃料を前記原燃料通路に均等に供給するための供給室と、
    前記改質室の下流側に設けられ、前記原燃料を前記原燃料通路から均等に排出するための排出室と、
    を備え、
    前記原燃料通路は、前記原燃料の流れ方向を反転させる反転部を有するとともに、
    前記原燃料通路には、互いに通路断面積の異なる複数の通路領域が、前記原燃料の流れ方向上流側から下流側に向かって順次設けられ、
    前記複数の通路領域の各々に、前記改質触媒が充填又は担持され、
    下流側の前記通路領域の通路断面積が上流側の前記通路領域の通路断面積よりも小さく設定されることを特徴とする改質装置。
  2. 請求項１記載の改質装置において、前記原燃料通路は、少なくともいずれかの前記反転部を挟んで前記通路断面積が変更されるように構成されることを特徴とする改質装置。
  3. 請求項１又は２記載の改質装置において、前記改質装置は、筒状のケーシングを備え、
    前記原燃料通路は、前記ケーシングの軸方向に延在するとともに、
    複数の前記反転部は、前記ケーシングの中心と同心円上に配列され且つ前記ケーシングの前記中心周りに周方向に間隔をおいて配列されることを特徴とする改質装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の改質装置において、前記改質装置の中央部には、前記改質装置を加熱するための熱媒体を流通させる熱媒体通路が設けられるとともに、
    前記反転部は、前記熱媒体通路を中心に同心円上に配列されることを特徴とする改質装置。
  5. 請求項４記載の改質装置において、前記熱媒体通路は、前記改質装置の中心を通り、且つ前記原燃料の流れ方向と並行又は対向に設けられることを特徴とする改質装置。
  6. 請求項４又は５記載の改質装置において、前記熱媒体通路の上流側は、前記原燃料通路の供給室側に設定されることを特徴とする改質装置。
  7. 請求項４又は５記載の改質装置において、前記熱媒体通路の上流側は、前記原燃料通路の排出室側に設定されることを特徴とする改質装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の改質装置において、前記改質装置は、前記排出室に連通する排出口を有し、
    最下流側の前記反転部は、前記排出口よりも下方に設定されることを特徴とする改質装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の改質装置において、前記反転部は、偶数に設定されることを特徴とする改質装置。
  10. 請求項９記載の改質装置において、前記改質装置は、前記供給室に連通する供給口を有し、
    前記供給口は、前記排出口よりも下方に設定されることを特徴とする改質装置。
  11. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の改質装置において、前記反転部は、奇数に設定されることを特徴とする改質装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の改質装置において、前記原燃料通路は、前記通路断面積が上流側から下流側に向かって連続的に減少することを特徴とする改質装置。
  13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の改質装置において、前記原燃料通路は、前記通路断面積が前記反転部を挟んで上流側から下流側に向かって段階的に減少することを特徴とする改質装置。
  14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の改質装置において、前記原燃料通路は、最大通路断面積部分を流れる前記原燃料の最大流量時の流速と、最小通路断面積部分を流れる前記原燃料の最小流量時の流速とは、同一流速になるように設定されることを特徴とする改質装置。
  15. 請求項１３又は１４記載の改質装置において、前記原燃料通路は、それぞれ前記通路断面積が異なる複数の通路領域を有するとともに、
    複数の前記通路領域は、互いに同一の容積に設定されることを特徴とする改質装置。
  16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の改質装置において、前記改質装置は、少なくとも前記供給室と前記改質室とを仕切る第１網目状部材、又は前記改質室と前記排出室とを仕切る第２網目状部材のいずれかを備えることを特徴とする改質装置。
  17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の改質装置において、前記改質装置は、燃料電池用改質装置であることを特徴とする改質装置。
  18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の改質装置において、前記改質装置は、固体酸化物形燃料電池用改質装置であることを特徴とする改質装置。
  19. 請求項４〜１８のいずれか１項に記載の改質装置において、前記熱媒体は、固体酸化物形燃料電池からの排ガスであることを特徴とする改質装置。
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