JPH06219705A

JPH06219705A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JPH06219705A
Application number: JP5009113A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Kotogami; 佳秀言上; Teruo Sugimoto; 照男椙本; Minoru Sato; 稔佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-01-22
Filing date: 1993-01-22
Publication date: 1994-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】燃焼バーナと改質反応管および改質反応管内
部の改質触媒層の伝熱性能を向上させ、小型軽量で、起
動時間が短い燃料改質装置を提供する。【構成】改質触媒７が装填された改質反応管１０の伝
熱面と燃焼バーナ２６の燃焼面とを互いに対向して配置
したものであり、燃焼バーナを、周囲に空気噴射ノズル
が配置された複数個の燃料噴射ノズルで構成したもので
ある。また、改質反応器と触媒燃焼器とをそれぞれ伝熱
面を接触させて隣接して設けたものである。さらに、一
対の触媒燃焼部と改質反応部から構成される燃料改質ユ
ニットを触媒燃焼部と改質反応部が交互に隣接するよう
に複数ユニット積層して燃料改質スタックを構成し、上
記燃料改質スタックの側端部からそれぞれマニホールド
を介して原料ガスおよび予混合燃料ガスを供給すると共
に、改質ガスおよび燃焼ガスを排出するように構成した
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば一般電源用の
燃料電池、あるいは電気自動車に搭載する燃料電池等に
必要な水素を生成するために用いられ、例えば改質触媒
を充填した改質反応管を燃焼バーナにより加熱し、改質
反応管に供給された炭化水素原料またはアルコール原料
を水素リッチの改質ガスに変換する燃料改質装置に関
し、特にその小型軽量化に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２０は例えば特開平１ー２６６８４３
号公報に示された従来の燃料改質装置を示す断面図であ
り、図において、１は原料ガス、２は改質ガス、３は内
管、４は内管の外周側で同心状に配設された外管、５は
内管と外管との間に同心状に配設された中間管、６は内
管と中間管との間に形成された原料ガスが導入される第
１の環状部、７は第１の環状部に改質触媒が充填されて
形成された触媒層、８は中間管と外管との間に形成され
た改質ガスが流通する第２の環状部、９は内管と外管の
それぞれの他端に配設された環状エンドキャップであ
り、第１の環状部６と第２の環状部８とを連通し、触媒
層７から流出する改質ガスの流れの向きを反転させて第
２の環状部８に流入させ、第２の環状部８内を原料ガス
の流通方向と逆方向に流通させる。１０は環状の改質反
応管、１１は加熱ガスである高温の燃焼ガス、１２は内
管の内側に設けられた燃焼ガスの流通路である。燃焼ガ
スの流通路１２には、図２１の特開平１ー３１５３３３
号公報または特公昭５７ー７５３９号公報に示されるよ
うに例えばセラミック系材料や金属材料から成る伝熱充
填粒子１３が充填される。

【０００３】また、図２２は複数の改質反応管が加熱炉
内に組み込まれた状態を示す断面図であり、１４は加熱
炉、１５は加熱炉に配設された燃焼バーナ、１６は原料
ガスの導入マニホールド、１７は改質ガスの排出マニホ
ールド、１８は燃焼ガスの排出マニホールド、１９は炉
壁断熱材である。

【０００４】次に動作について図２２に基づいて説明す
る。炭化水素とスチームまたはアルコールとスチームか
ら成る原料ガス１は、導入マニホールド１６から第１の
環状部６に導入され、改質触媒７と接触する。ここで、
原料ガス１は改質反応を生じ、Ｈ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、等の
改質ガス２となる。反応の終了した高温（約８００℃）
の改質ガス２は受け皿のガス流通孔（図中図示せず）を
環状エンドキャップ９内に流出し、流れを反転して中間
管５と外管４との間の第２の環状部８内に流入し、その
第２の環状部８内を原料ガス１の流通方向とは逆方向に
流通する。第２の環状部８を流通する過程で、改質ガス
２から中間管５に熱が伝達され、改質ガス２の顕熱が中
間管５を経て触媒層７に回収される。その後改質ガス２
は排出マニホールド１７から排出され、燃料電池に供給
される。改質反応管１０の加熱源である燃焼ガス１１は
加熱炉１４に設置された燃焼バーナ（図中図示せず）か
ら発生し、改質反応管の内管３の内部の流通路１２を流
れる。この内管３には伝熱充填粒子１３が充填されてお
り、燃焼ガスは主に対流熱伝達により伝熱充填粒子を加
熱する。伝熱充填粒子間では主に固体輻射により熱が伝
達され、改質反応管１０が加熱される。このように、伝
熱充填粒子は燃焼ガスの顕熱を改質反応管１０に有効に
伝えるための伝熱媒体として作用する。

【０００５】また、最近では燃料電池用の燃料改質装置
に触媒燃焼器を用いた例が、実公平４ー３５６９０号公
報や石川島播磨重工業技報の第３１巻第６号（平成３年
１１月発行）に公開されている。いずれも従来の火炎を
形成する燃焼バーナに替わって、燃焼用の酸化触媒層に
て構成される触媒燃焼器を従来のバーナと同じ配置で用
いている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料改質装置は
以上のように構成され、燃焼バーナと改質反応管１０は
位置的に別個に設けられているので、燃焼による熱は燃
焼ガスの顕熱により間接的に改質反応管１０に伝えら
れ、燃焼による熱を直接的に改質反応管に伝えるように
構成されていない。このため燃焼バーナの最高温度は断
熱火炎温度に近い温度にまで上昇し、高温に耐える材料
を選定する必要がある。また、燃焼バーナから発生した
高温燃焼ガスは主に対流熱伝達により改質反応管１０を
加熱する。一般に燃焼ガスの強制対流による熱伝達率は
小さく、改質反応に必要な伝熱量を得るためには、伝熱
面積を大きくとる必要があり装置を大型化すると言った
問題がある。

【０００７】そこで、燃焼ガス１１と改質反応管１０と
の熱伝達を向上させるために、燃焼ガス流路１２に伝熱
充填粒子１３を充填すると、装置の重量が重くなり、熱
容量も大きくなる。熱容量が大きい燃料改質装置を室温
から立ち上げる時、所定の動作温度まで加熱するのに長
時間を要し、余分の燃料が消費される。また、充填粒子
１３により燃焼ガス１１の圧力損失は増加し、燃料ガス
や燃焼用空気を昇圧するのに余分の動力が必要になると
いった問題が生じる。

【０００８】改質反応管１０内壁と改質触媒７との熱伝
達についても、改質反応管内の改質触媒層は充填層で形
成されているので、改質反応管１０の壁面に近い改質触
媒粒子は加熱されやすいが、内部の触媒粒子は加熱され
にくい。そして、壁面と触媒粒子間および粒子間の熱抵
抗が大きく、伝熱性能は充分とは言えない。

【０００９】また、触媒燃焼器を用いた燃料改質装置で
は、従来、燃焼用の酸化触媒の耐熱性に問題があった。
酸化触媒の表面では燃料が瞬時に酸化するので、触媒表
面の温度は断熱火炎温度にまで上昇し、熱的な劣化を生
じる。燃料電池用の燃料改質装置は、燃料ガスとして発
熱量の低い電池オフガスを使用するので、通常の燃料に
比べて断熱火炎温度は低く、触媒燃焼にとって好適であ
るが、この問題を完全に免れることはできなかった。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、伝熱性能を向上させることによ
り小型軽量で起動時間が短い燃料改質装置を得ることを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る燃
料改質装置は、改質触媒が装填された改質反応管の伝熱
面と燃焼バーナの燃焼面とを互いに対向して配置したも
のである。

【００１２】また、請求項２の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項１のものにおいて、燃焼バーナを、周囲
に空気噴射ノズルが配置された複数個の燃料噴射ノズル
で構成したものである。

【００１３】また、請求項３の発明に係る燃料改質装置
は、円筒状の燃焼バーナの燃焼面と改質触媒が装填され
た円筒状の改質反応管の伝熱面とを互いに対向して同心
円状に構成するとともに、円筒状の燃焼ガスの排気流路
と円筒状の燃焼用空気の流入流路を隣接して同心円状に
構成したものである。

【００１４】また、請求項４の発明に係る燃料改質装置
は、炭化水素またはアルコール原料から改質反応により
水素を生成する改質触媒を有する改質反応器と、空気と
予混合した燃料ガスの触媒燃焼により上記改質反応器を
加熱する触媒燃焼器とを備え、水素リッチとなった改質
ガスを得る燃料改質装置において、上記改質反応器と触
媒燃焼器とをそれぞれ伝熱面を接触させて隣接して設け
たものである。

【００１５】また、請求項５の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項４のものにおいて、改質反応器および触
媒燃焼器の少なくとも一方に隣接して電気ヒータを設け
たものである。

【００１６】また、請求項６の発明に係る燃料改質装置
は、炭化水素またはアルコール原料から改質反応により
水素を生成する改質触媒を有する改質反応部と、空気と
予混合した燃料ガスの燃焼により上記改質反応部を加熱
する触媒燃焼部とを備え、一対の上記触媒燃焼部と改質
反応部から構成される燃料改質ユニットを触媒燃焼部と
改質反応部が交互に隣接するように複数ユニット積層し
て燃料改質スタックを構成し、上記燃料改質スタックの
側端部からそれぞれマニホールドを介して原料ガスおよ
び予混合燃料ガスを供給すると共に、改質ガスおよび燃
焼ガスを排出するように構成したものである。

【００１７】また、請求項７の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項６のものにおいて、原料ガス流路および
燃料ガス流路の少なくとも一方を複数個の部分ガス流路
に分割し、上記部分ガス流路間にガス混合部を設けたも
のである。

【００１８】また、請求項８の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項６または７のものにおいて、燃料供給マ
ニホールドの内部に、燃料改質スタックの側面に向けて
燃焼火炎を形成する燃焼バーナを配置したものである。

【００１９】また、請求項９の発明に係る燃料改質装置
は、上記請求項１ないし８のものにおいて、改質反応
管、改質反応器、改質反応部、触媒燃焼器、または触媒
燃焼部の内壁面に触媒への伝熱を促進する伝熱フィンを
設けたものである。

【００２０】また、請求項１０の発明に係る燃料改質装
置は、上記請求項１ないし９のものにおいて、改質反応
管、改質反応器、改質反応部、触媒燃焼器、または触媒
燃焼部の内壁面、または上記請求項９の伝熱フィンの表
面に触媒膜を形成したものである。

【００２１】

【作用】請求項１の発明では、改質反応管の伝熱面と燃
焼バーナの燃焼面とを対向して配置したので、主に燃焼
バーナの固体面からの輻射熱により直接改質反応管を加
熱する。したがって、燃焼バーナ近傍の燃焼ガス温度を
均一にすれば、改質反応管を均一に加熱することができ
る。また、燃焼バーナには改質反応管への輻射熱伝達が
作用するので、燃焼バーナの最高温度を低下させる。

【００２２】また、請求項２の発明では、燃焼バーナ
を、周囲に空気噴射ノズルが配置された複数個の燃料噴
射ノズルで構成したので、火炎形成面の面積を大きく
し、輻射熱伝達を促進させることができる。

【００２３】また、請求項３の発明では、円筒状の燃焼
バーナの燃焼面と改質触媒が装填された円筒状の改質反
応管の伝熱面とを互いに対向して同心円状に構成したの
で、燃焼バーナから発生する燃焼熱を有効に改質反応管
の加熱に利用することができる。また、円筒状の燃焼ガ
スの排気流路と円筒状の燃焼用空気の流入流路を隣接し
て同心円状に構成したので、燃焼ガスと燃焼用空気の熱
交換が図れる。

【００２４】また、請求項４の発明では、改質反応器と
触媒燃焼器とをそれぞれ伝熱面を接触させて隣接して設
けたので、触媒燃焼器で発生した熱が直接改質反応器に
伝えられる。さらに、燃焼用触媒は改質反応の吸熱によ
り冷却されるので、燃焼用触媒の温度が耐熱温度以上に
上昇するのを防止できる。

【００２５】また、請求項５の発明では、上記請求項４
のものにおいて、改質反応器および触媒燃焼器の少なく
とも一方に隣接して電気ヒータを設けたので、主に触媒
燃焼器や改質反応器の起動に際して、改質触媒や燃焼用
触媒を触媒の動作温度まで均一に加熱し、迅速に燃料改
質装置を起動することができる。

【００２６】また、請求項６の発明では、炭化水素また
はアルコール原料から改質反応により水素を生成する改
質触媒を有する改質反応部と、空気と予混合した燃料ガ
スの燃焼により上記改質反応部を加熱する触媒燃焼部と
を備え、一対の上記触媒燃焼部と改質反応部から構成さ
れる燃料改質ユニットを触媒燃焼部と改質反応部が交互
に隣接するように複数ユニット積層して燃料改質スタッ
クを構成し、上記燃料改質スタックの側端部からそれぞ
れマニホールドを介して原料ガスおよび予混合燃料ガス
を供給すると共に、改質ガスおよび燃焼ガスを排出する
ように構成したので、比較的小さな容積で多量の水素を
効率よく製造することができる。

【００２７】また、請求項７の発明では、上記請求項６
のものにおいて、原料ガス流路および燃料ガス流路の少
なくとも一方を複数個の部分ガス流路に分割し、上記部
分ガス流路間にガス混合部を設けたので、原料・改質ガ
スまたは燃料・燃焼ガスの流れに部分的な不均一が生じ
ても、ガス混合部で均一に混合されるので、流れの不均
一が改質反応や燃焼反応に影響するのを抑制する。

【００２８】また、請求項８の発明では、上記請求項６
または７のものにおいて、燃料供給マニホールドの内部
に、燃料改質スタックの側面に向けて燃焼火炎を形成す
る燃焼バーナを配置したので、燃料改質スタックの起動
に際して、触媒燃焼部入口の燃焼用触媒や改質反応部入
口の改質触媒を動作温度まで効率良く予熱することがで
き、燃料改質スタックの起動を迅速に行うことができ
る。

【００２９】また、請求項９の発明では、上記請求項１
ないし８のものにおいて、改質反応管、改質反応器、改
質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面に触
媒への伝熱を促進する伝熱フィンを設けたので、例えば
燃焼ガスからの熱や改質ガスからの熱は改質反応管を介
して伝熱フィンに伝えられ、伝熱フィンに伝えられた熱
は輻射熱伝達、対流熱伝達により改質触媒に有効に伝達
されるので、改質反応管内壁と改質触媒との伝熱性能を
向上させることができる。

【００３０】また、請求項１０の発明では、上記請求項
１ないし９のものにおいて、改質反応管、改質反応器、
改質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面、
または上記請求項９の伝熱フィンの表面に触媒膜を形成
したので、例えば改質反応管の壁面に伝えられた熱は、
伝熱フィンを介して直接的に熱伝導により改質触媒に伝
達されるので、改質反応管の壁面と触媒との熱抵抗を大
幅に低減することができる。

【００３１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。実施例１．請求項１の発明に係る燃料改質装置の基本的
構成と作用を図１により説明する。図１は燃料改質装置
の燃焼バーナと改質反応管周りの構成を模式的に示す図
である。図において図２０、図２１および図２２に示し
た従来の燃料改質装置と同一または相当部分には同一符
号を付し、その説明を省略する。

【００３２】図において、２０は燃料電池から排出され
た電池オフガス（燃料ガス）、２１は燃料ガスをバーナ
に供給する燃料マニホールド、２２は燃料ガスをバーナ
から噴射させる燃料噴射ノズル、２３は燃焼に必要な空
気、２４は空気をバーナに供給する空気マニホールド、
２５は空気をバーナから噴射させる空気噴射ノズル、２
６は平面上に多数の隣合った燃料噴射ノズルと空気噴射
ノズルを持った燃焼バーナ、２７は燃焼により形成され
る火炎面、１１は燃焼ガスである。一方、原料ガス１と
改質ガス２の流路構成は従来の燃料改質装置と同様であ
る。

【００３３】つぎにこの燃料改質装置の動作について説
明する。まず、燃料改質装置を起動する手順を述べる。
起動時の燃料ガスとして都市ガス（１３Ａ：メタンを主
成分とし、エタン、プロパン、ブタンを含む混合ガス）
を使用する場合について説明する。都市ガスの着火を確
実にするために、燃料マニホールド２１に１次空気と予
混合した都市ガスを燃料ガス２０として供給する。同時
に空気マニホールド２４に２次空気を供給する。燃料ガ
ス２０は燃料噴射ノズル２２を経て燃焼バーナ２６から
燃焼空間へ噴射され、空気２３は空気噴射ノズル２５を
経て燃焼バーナ２６から燃焼空間へ噴射される。ノズル
より噴射された燃料ガス２０と空気２３は、相互に拡散
・混合し、燃焼により火炎面２７を形成する。火炎をむ
らなく均一に形成するためには、各ノズルからの燃料ガ
ス・空気の噴射量を均一にする必要がある。これより噴
射した燃料ガスと空気は充分に拡散・混合し、均一な燃
焼が行われる。このように表面燃焼バーナ２６により燃
焼が火炎面２７の全面で起こり、主に輻射熱により改質
反応管１０が均一に加熱される。高温の燃焼ガス１１は
改質反応管１０に沿って下方に流れ、この間、対流熱伝
達により改質反応管１０を加熱する。さらに、燃焼ガス
１１は改質反応管１０の下端で流れを反転させ、今度は
改質反応管１０と空気管に沿って上方に流れ、改質反応
管１０を再び加熱するとともに燃焼用空気２３を予熱す
る。

【００３４】改質反応管１０の温度が改質反応に適した
温度例えば８００℃以上に達した時、スチームを含んだ
都市ガスを原料ガス１として改質触媒層７に導入する。
改質反応管１０を出た改質ガス２は、原料ガス１と熱交
換し、燃料電池の動作温度にまで冷却され、燃料電池に
供給される。燃料電池では水素が消費されるので、水素
リッチの改質ガスは水素リーンの電池オフガスとなる。
この電池オフガスが都市ガスに替わって燃料ガス２０と
して燃料改質装置に供給されると、起動が終了し定常運
転に移行する。

【００３５】定常運転では電池オフガス２０が燃料マニ
ホールド２１に供給され、電池オフガス２０の燃焼によ
って改質反応管１０が加熱され、燃料改質装置の連続運
転が維持される。電池オフガス２０の可燃成分は着火性
の良い水素であるので、これを燃焼するには都市ガスを
燃焼するときのような予混合の空気を必要としない。

【００３６】実施例２．請求項２の発明に係る燃料改質
装置の燃焼バーナの具体的構成に関する実施例を図２
（ａ）から図２（ｄ）に示す。この実施例の燃焼バーナ
は周囲に空気噴射ノズル２５が配置された多数の燃料噴
射ノズル２２で構成され、各ノズル２２、２５はお互い
が隣合うように同一表面上に配置され、広い表面積の火
炎面を形成する。

【００３７】図２（ａ）に示す燃料噴射ノズル２２と空
気噴射ノズル２５の配置を面心配置と呼ぶ。この配置
は、ある決まった火炎形成面の中に最も稠密に燃料・空
気噴射ノズルを配置することができる。１つの燃料噴射
ノズル２２の周囲には４つの空気噴射ノズル２５が配置
され、一方、１つの空気噴射ノズル２５の周囲には４つ
の燃料噴射ノズル２２が配置される。空気流量は燃料流
量に比べて大きいので、圧力損失を等しくするために
は、図に示されるように空気噴射ノズルの直径Ｄ_Aを燃
料噴射ノズルの直径Ｄ_Fよりも大きくする。なお、図に
おいて、Ｐ_Fは燃料噴射ノズルのピッチ、Ｐ_Aは空気噴射
ノズルのピッチである。

【００３８】図２（ｂ）に示す燃料噴射ノズル２２と空
気噴射ノズル２５の配置を正方配置と呼ぶ。この配置
は、面心配置に比べてノズルのピッチＰ_A、Ｐ_Fが同じで
も火炎形成面積当たりのノズル数を少なくすることがで
きる。燃料と空気の拡散を考慮すれば、ノズル間の距離
が広がった分、ノズル直径を大きくする必要がある。

【００３９】図２（ｃ）に示す燃料噴射ノズル２２と空
気噴射ノズル２５の配置を六角配置と呼ぶ。１つの燃料
噴射ノズル２２の周囲には６つの空気噴射ノズル２５が
正六角形に配置されている。空気噴射ノズル２５と燃料
噴射ノズル２２の割合は２：１となり、燃料噴射ノズル
２２の個数を減らすことができる。この例では、六角形
の中心に燃料噴射ノズル２２が位置するが、中心に空気
噴射ノズル２５が位置し、周囲に燃料噴射ノズル２２が
配置される構成も考えられる。ただし、燃料噴射ノズル
２２の六角配置では中心から噴射される空気の拡散の程
度により酸素不足になりやすい。特に、燃料流量当たり
の必要な酸素量が多い炭化水素系燃料の燃焼に際して
は、空気噴射ノズル２５の六角配置が望ましい。

【００４０】図２（ｄ）に示すノズルの配置を同心配置
と呼ぶ。中心に燃料噴射ノズル２２を位置し、同心の環
状部に空気噴射ノズル２５を配置させる。ノズルの先端
にはＡーＡ’線断面を図２（ｅ）に示すように切欠き
（面取り）を設け、空気の流線と燃料の流線を流れの直
角方向に曲げて、燃料と空気の混合を促進する。この切
欠きは、他のノズル配置についても設けることができ
る。燃料と空気の混合を良くすれば、火炎形成面はノズ
ル端面から近くなり、バーナ表面からの輻射熱伝達を促
進することができる。

【００４１】実施例３．請求項３の発明に係る燃料改質
装置の具体的構成に関する実施例を図３および図４を参
照して示す。この実施例の燃料改質装置は、図２２で示
される従来の燃料改質装置が単一の燃焼バーナと複数の
改質反応管１０で構成されているのに対し、一対の燃焼
バーナと改質反応管で構成される。また、図２１で燃焼
ガス流路内に充填されていた伝熱充填粒子１３も除去す
る。

【００４２】図３は燃焼バーナ２６を加熱炉の外周側に
配置し、加熱される環状改質反応管１０をその内側に配
置した例である。最も外側の断熱材１９と表面燃焼バー
ナ２６の間に燃料マニホールド２１を設け、その内側に
空気マニホールド２４を設けている。燃料ガス２０と燃
焼用空気２３はそれぞれ燃料噴射ノズル２２と空気噴射
ノズル２５から中心に向かって噴射され、燃焼が行われ
る。燃焼ガス１１は改質反応管１０に沿って外側から内
側を流れ、最も中心を流れる燃焼用空気２３を予熱す
る。このような外周側に燃焼バーナ２６があり、燃焼ガ
ス１１が外側から内側に流れる外炎内向流型は、燃焼バ
ーナ２６の伝熱面積が大きいので、燃焼バーナ２６から
改質反応管１０への伝熱量を最も大きくすることができ
る。反面、加熱炉の外周部が高温になるので、外部への
放熱が大きくなり、それを抑えるために断熱材１９を厚
くすると、装置が大型化する。そこで、この型の燃料改
質装置では、外部放熱を抑えるため断熱材１９の内壁を
輻射率の低い材料で覆い、外側への輻射伝熱を抑えるこ
とが有効である。

【００４３】実施例４．図４は表面燃焼バーナ２６を加
熱炉の中心軸に配置し、加熱される環状改質反応管１０
をその外側に配置した例である。中心軸に燃料マニホー
ルド２１を設け、その外側に空気マニホールド２４を設
ける。燃料ガス２０と燃焼用空気２３は燃料噴射ノズル
２２、空気噴射ノズル２５から外側に向かって放射状に
噴射され、燃焼が行われる。燃焼後の排ガス１１は改質
反応管１０に沿って内側から外側に流れ、最も外側に流
れる燃焼用空気２３を予熱する。このような中心軸に燃
焼バーナ２６があり、燃焼ガス１１が内側から外側に流
れる内炎外向流型は、前述の外炎内向流型に比べて表面
燃焼バーナ２６の伝熱面積が小さいので、改質反応管１
０への伝熱量は比較的小さくなる。ただし、従来の集中
バーナに比べると、燃焼バーナ２６と改質反応管１０が
対向しているので、輻射熱を有効に利用することができ
る。また、外炎内向流型に比べて環状改質反応管１０の
直径を大きくとれるので、充填可能な改質触媒７量を増
やすことができ、触媒の長寿命化に有利である。なお、
この型の燃料改質装置では、燃焼が加熱炉の内部で行わ
れるので、外部への放熱を小さくすることができる。

【００４４】実施例５．上記実施例１、３、４のものに
請求項９の発明を適用した場合の一実施例を図５を参照
して説明する。図において、２８は改質反応管１０の内
部に設けられた波形伝熱フィンであり、この伝熱フィン
２８は同時に原料ガス流路１ａを形成する。改質反応管
１０の壁面から熱伝導により伝熱フィン２８に伝えられ
た熱は、伝熱フィン２８を介して改質触媒７に伝えられ
る。このように原料ガス流路１ａに伝熱フィン２８を設
けることにより伝熱面積が大きくなり、改質触媒７への
伝熱が促進される。なお、伝熱フィン２８は熱伝導性に
優れ、高温での輻射率が高く、かつ熱膨張・熱収縮に耐
える強度を持った材料から構成される。

【００４５】図５に示す伝熱フィン２８はコルゲート
（波形）の形状が円弧形のストレートフィンであるが、
その他コルゲートの形状により角形、台形、三角形のフ
ィンが考えられる。また、コルゲートが半ピッチずれた
伝熱フィンの形状の一例を図６に示す。この伝熱フィン
は１山のコルゲート（角形）が半ピッチずれた千鳥配置
の形状を有し、改質触媒７はこのコルゲートの内部に充
填される。矢印Ａ、Ｂは二通りの原料ガスの流し方を示
す。流れＡは原料ガスがコルゲートに対して直角に流れ
る場合で、流れＢは原料ガスがコルゲートに対して平行
に流れる場合である。流れＡでは原料ガスと触媒との接
触回数が多くなるが圧力損失も大きくなる。一方、流れ
Ｂでは原料ガスと触媒の接触回数は比較的少なくなるが
圧力損失は小さくなる。例えば、改質反応を促進したい
場所では流れＡを採用し、改質反応を抑制した場所では
流れＢを採用する。また、流れＡ、流れＢに対してある
傾いた角度をもった流れを考えることもできる。なお、
伝熱フィン２８から触媒へ熱輻射により伝わる熱量は、
触媒粒子と伝熱フィン２８との形態係数とそれぞれの輻
射率によって決まるため、２つの流れで差は生じない。
対流熱伝達については、流れがより乱されるＡが大きい
ようである。

【００４６】実施例６．図７に改質反応管１０の内部に
伝熱フィン２８を設けた他の実施例を示す。この実施例
では原料ガス１の流れが螺旋状に旋回するように伝熱フ
ィン２８を設けたので、伝熱面積が増大するだけでなく
原料ガスの流速が増大し、反応が促進される。この形の
伝熱フィン２８では、図に示した螺旋角度θが大きいほ
ど原料ガスの流速と伝熱面積が増えるので、螺旋角度θ
を流れ方向に変えることによって改質反応管１０の内壁
面と改質触媒７の間の熱抵抗を原料ガスの流れ方向に変
えることができる。

【００４７】実施例７．上記実施例１、３〜６のものに
請求項１０の発明を適用した場合の一実施例を図８を参
照して説明する。図において、２８は改質反応管１０の
内部に設けられた波形伝熱フィンであり、２９は伝熱フ
ィン２８の表面にコーティングされ、管壁に固着し一体
化した改質触媒膜である。この実施例では、熱は壁面か
ら直接的に固体内の熱伝導によりコーティングされた触
媒膜２９に伝わるので、充填層の触媒への対流熱伝達、
輻射熱伝達に比べて極めて速く熱が伝達される。これよ
り、改質反応管の壁面と改質触媒との熱抵抗を著しく小
さくすることができる。なお、改質反応管１０の内壁面
に改質触媒膜２９をコーティングしてもよい。

【００４８】つぎに、伝熱フィン２８の表面や改質反応
管１０壁面に触媒をコーティングする方法について述べ
る。通常、改質触媒は、アルミナ、マグネシアなどのセ
ラミック多孔質体に、ニッケル、ルテニウムのような触
媒活性物質を担持させたもので構成される。一方、伝熱
フィン２８や改質反応管１０の材質には、鋼とニッケ
ル、クロムの合金であるステンレス鋼が使用される。伝
熱フィン２８の表面に触媒膜２９を形成させるために
は、例えば、触媒の担体になるアルミナ、マグネシアな
どの物質をプラズマ溶射等の溶射法により0.5〜1.0mm程
度の厚さになるように伝熱フィン２８の表面に固定す
る。触媒の担体物質を固定した伝熱フィン２８を触媒活
性のあるニッケルなどの金属塩の水溶液中に浸漬させ、
活性金属を例えば担体の２〜３０重量％付着させた後、
乾燥、熱分解の工程をとるという方法を用いることがで
きる。また、伝熱フィン２８表面に通常の改質触媒の粉
末を溶射した後、活性化することもできる。また、電気
泳動法により多孔質性担体層を形成した後、活性金属を
含む溶液に浸漬し、活性金属を付着させた後、活性化を
行った触媒や、改質触媒として一般に用いられるラネー
触媒（例えばニッケル含有量30〜50％のNi-Al合金層を
伝熱フィン２８表面に設け、しかる後にAlを展開するこ
とにより得られる表面積の大きなラネーニッケル触媒）
など、伝熱フィン２８の表面に形成される適当な活性を
持った触媒であれば、上記実施例と同等の効果をあげる
触媒として使用することができる。

【００４９】実施例８．請求項９の発明に係る燃料改質
装置の他の実施例を図９を参照して説明する。この実施
例に係る燃料改質装置は環状の改質反応管１０の構成や
原料ガス１および改質ガス２の流れについては図５に示
した実施例５の場合と同一であるが、原料ガス流路を異
なった改質触媒７の充填パターンで２分割している点で
上記実施例５（図５）と異なっている。図において、２
８は伝熱フィン、３０ａは伝熱フィンのコルゲートの片
側にのみ改質触媒７を充填した入口側原料ガス流路、３
０ｂはコルゲートの全部に改質触媒７を充填した出口側
原料ガス流路である。

【００５０】原料ガス１は入口側流路３０ａに導入さ
れ、改質触媒７により改質反応を起こす。ただし、改質
触媒７が充填されていないコルゲートに流れた原料ガス
は改質反応を起こさないので、過度の改質反応を抑制す
ることができる。出口側流路３０ｂでは、コルゲートの
全部に改質触媒７が充填されているので、入口側流路３
０ａの触媒が充填されていないコルゲートに流れた原料
ガスもここで改質される。このように原料ガスの流れ方
向で改質触媒７の充填パターンを変えることにより改質
反応を均一に起こさせ、吸熱分布を均一化することがで
きる。

【００５１】なお、この実施例では、原料ガス流路を２
分割したが、触媒充填パターンを増やし、分割数を増や
すことによってより一層の改質反応の均一化が実現でき
る。また、触媒充填パターンだけでなく、実施例５、実
施例６、実施例７に示したように伝熱フィンの形状や触
媒コーティング量を変化させて原料ガス流路の構成を変
化させることもできる。

【００５２】実施例９．請求項４の発明に係る燃料改質
装置の一実施例を図１０を参照して説明する。図１０は
燃焼バーナに触媒燃焼器を適用した燃料改質装置の構成
を模式的に示した図である。図において、３１は燃料ガ
スと燃焼用空気の予混合ガス、３２は燃焼器の内部に設
けられた伝熱フィン、３３は燃焼用触媒、３４は触媒燃
焼器である。燃焼用触媒３３としてはアルミナの担体に
Pt,Pdを担持させた多孔性触媒を使用する。予混合ガス
３１中の可燃成分と酸素が触媒３３のポア内を拡散し、
金属粒子表面に吸着して、可燃成分の酸化反応が進行す
る。酸化反応により生成した炭酸ガス、スチームは反応
ガスとは逆方向にポア内を拡散し、触媒粒子外へ排出さ
れる。燃焼用触媒３３で発生した熱は、燃焼ガスの対流
と、触媒粒子表面と伝熱フィン３２間の輻射により伝熱
フィン３２に伝えられる。触媒燃焼器３４は改質反応器
１０に隣接し、燃焼により発生した熱を改質反応器１０
に効率的に伝達する。

【００５３】従来、触媒燃焼では触媒表面では燃料が瞬
時に燃焼するので、触媒表面の温度は断熱火炎温度にま
で上昇し、触媒は熱的な劣化を生じる。燃料電池用の燃
料改質装置は、燃料ガスとして低発熱量の電池オフガス
を使用するので、通常の燃料に比べて断熱火炎温度は低
く、触媒燃焼にとって好適である。さらに、本実施例で
は燃焼用触媒３３は改質反応の吸熱により冷却され、燃
焼用触媒３３の温度を耐熱温度以下に引き下げることが
できる。

【００５４】図１１に改質反応器と触媒燃焼器との隔壁
を一つの伝熱フィン２８にて兼用した燃料改質装置を示
す。図で伝熱フィン２８の上面には改質触媒７が充填さ
れ、下面には燃焼用触媒３３が充填される。改質触媒７
と燃焼用触媒３３の隔壁は１枚の伝熱フィン２８で構成
されているので、伝熱フィン２８と隔壁間の接触による
熱抵抗分を減らすことができる。なお、ここでは、上面
に改質触媒７を充填し、下面に燃焼用触媒３３を充填し
たが、上面に燃焼用触媒３３を充填し、下面に改質触媒
７を充填してもよい。

【００５５】実施例１０．図１２に図１１のものに請求
項１０の発明を適用した実施例を示す。この例では、伝
熱フィン２８の片側に燃焼用触媒３３をコーティング
し、その反対側に改質触媒７をコーティングしている。
従来の熱伝達の経路には、燃焼ガスの対流や壁面間の輻
射が介在するので、改質反応の反応速度は伝熱律速とな
る場合が多い。この実施例では、燃焼用触媒３３で発生
した燃焼熱は伝熱フィン２８の内部を熱伝導により通過
し、改質触媒７に伝わるので、熱抵抗は極めて小さくな
る。したがって、改質反応の反応速度は触媒本来の反応
速度を発揮することができる。

【００５６】実施例１１．図１３に請求項４の発明のさ
らに他の実施例を示す。図１３（ａ）は斜視図、（ｂ）
はＢ−Ｂ’線断面図である。円筒形の最外周の環状部に
触媒燃焼器３４を設け、その内側の環状部に改質反応器
１０を設ける。従来の技術で説明したように、改質反応
器１０は触媒充填部と流れが反転する改質ガス流路の二
重管構造になっている。触媒燃焼器３４を出た高温燃焼
ガスについても流れを反転させ、中心方向に流して燃焼
用空気を予熱する。

【００５７】なお、この実施例では、図１３（ｂ）に各
ガスの流れを示すように、最外周部に触媒燃焼器３４を
配置し、各ガスの流れは外周から中心方向に向いている
が、中心部に触媒燃焼器３４を設け、ガスの流れを中心
から外周方向に向けてもよく、上記実施例と同様の効果
がある。また、この例の場合にも伝熱フィン２８を図７
に示したように螺旋状に設けてもよく、図７の場合と同
様の効果が得られる。

【００５８】実施例１２．請求項５の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図１４を参照して説明する。図１４
は触媒燃焼器３４の加熱に電気ヒータ５４を使用した燃
料改質装置の構成を示す。この実施例では、主に起動時
に触媒燃焼器３４を均一に加熱するため、触媒燃焼器３
４に隣接して電気ヒータ５４を設ける。燃焼用触媒３３
は触媒の動作温度まで電気ヒータ５４により加熱され
る。その後、空気と予混合された燃料ガス３１を触媒燃
焼器３４に供給し、燃焼熱により改質反応器１０を動作
温度に加熱する。このように、電気ヒータ５４の出力は
所定時間に燃焼用触媒３３を動作温度まで加熱する熱量
で決められる。触媒燃焼器３４の熱容量が大きい場合に
は、全体を動作温度まで加熱するのは非効率的なので、
燃焼器入口の触媒を重点的に電気ヒータ５４により加熱
し、入口部触媒の燃焼により下流側の触媒を加熱する方
法を採ることもできる。

【００５９】図１５は触媒燃焼器３４と改質反応器１０
の両方の加熱に電気ヒータ５４を使用した燃料改質装置
の構成を示す。この実施例では、触媒燃焼器３４と改質
反応器１０の間に電気ヒータ５４を設ければ、１つの電
気ヒータ５４で両方を加熱することができる。この方式
は、燃料改質装置の起動、運転、停止を頻繁に行う場合
や触媒燃焼器３４だけでは改質反応器１０を充分均一に
加熱できない場合に有効である。

【００６０】また、図１１や図１２に示したものにおい
て触媒燃焼部や改質反応部に設けた伝熱フィン２８の一
部に電気ヒータ線を内蔵させ、触媒燃焼部や改質反応部
を直接加熱する方法もある。

【００６１】実施例１３．請求項６の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図１６（ａ）、（ｂ）を参照して説
明する。図１６（ａ）は燃料改質スタックの４つの側面
にそれぞれ燃料・空気供給マニホールド３６、原料供給
マニホールド３７、改質ガス排出マニホールド３８、燃
焼ガス排出マニホールド３９を取り付けた斜視図であ
る。ここでは原料ガス・改質ガスの流れと燃料ガス・燃
焼ガスの流れが直交するクロス・フロー形式を採った。
図１６ｂはマニホールドを開放した燃料改質スタックの
部分斜視図である。一対の触媒燃焼部４０と改質反応部
４１から構成される燃料改質ユニット４２を触媒燃焼部
と改質反応部が交互に隣接するように複数ユニット積層
して燃料改質スタック４３を構成している。改質反応部
４１では、改質触媒７の作用により原料ガスが水素リッ
チの改質ガスに変換され、改質反応に必要な熱は上下に
隣接する触媒燃焼部４０から燃焼熱により伝達される。
また、触媒燃焼部４０は上下に隣接する改質反応部４１
により冷却される。このように、燃料改質スタックでは
一対の触媒燃焼部４０と改質反応部４１から成る燃料改
質ユニットが基本要素となり、燃焼と改質反応の機能を
満足させる。従来の燃料改質装置は、単一の燃焼バーナ
と複数個の改質反応管から構成され、燃焼と改質反応は
全く別個に行われていた。本発明の燃料改質スタックで
は燃焼と改質反応は１枚の隔壁を隔てた触媒燃焼部４０
と改質反応部４１で起こり、熱的に密接に関連すること
になる。したがって、触媒燃焼部４０で発生した燃焼熱
は即座に改質反応の吸熱に費やされるので、燃焼ガスの
温度は急激には上昇しない。なぜなら、燃焼用触媒の表
面で発生した燃焼熱が燃焼ガスを加熱する速度よりも、
隔壁を加熱し改質触媒７に伝達する速度の方が速いから
である。

【００６２】なお、本実施例では、燃焼用触媒３３と改
質触媒７は共に充填粒子形状としたが、先に図１２で示
したように伝熱フィンと一体化したコーティング触媒を
用いれば、燃焼用触媒３３と改質触媒７間の熱抵抗は熱
伝導だけとなり、燃焼ガスおよび改質ガス側の熱抵抗に
比べて無視できる程小さく、燃焼熱はそのまま改質反応
の吸熱に使われることになる。また、触媒燃焼部４０と
改質反応部４１の温度差も極めて小さいものになる。

【００６３】このように、燃料改質ユニット４２を積層
した燃料改質スタック４３を採用すれば、従来の燃料改
質装置に比べて装置を小型軽量化でき、大流量の燃料ガ
スの燃焼や原料ガスの改質を行うことができる。また、
燃料改質ユニット４２が基本構成単位となっているの
で、処理できる定格ガス流量を任意に変えたい場合の装
置の設計は燃料改質ユニット４３の積層数を考えればよ
い。さらに、燃料改質ユニット４２毎に製作することが
でき、製作上好都合な点も多い。

【００６４】実施例１４．請求項７の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図１７を参照して説明する。本発明
では原料ガス流路・改質ガス流路を複数個の部分ガス流
路に分割すなわち多段化し、各部分ガス流路間すなわち
多段化した各段の間にガス混合部４４を設け、多段化し
た各段を直列に接続するように原料ガス流路・改質ガス
流路を構成する。図１７は原料ガス流路を２段にした場
合の燃料改質スタックの断面図である。原料ガス１は原
料ガス供給マニホールド３７から燃料改質スタックの原
料ガス側に導かれる。この実施例では、原料ガス供給マ
ニホールド３７は改質ガス排出マニホールド３８と隣合
って配置され、高温の改質ガスと低温の原料ガスで熱交
換が行われる。原料ガス１は供給マニホールド３７から
各燃料改質セルに分配される。１段目の原料ガス流路に
流れた原料ガスは、改質触媒７の作用により水素ガス２
に改質される。その後改質ガス２は、原料供給マニホー
ルドが配置されたスタック側面とは反対側のスタック側
面に配置された改質ガスリターン・マニホールド４５に
導かれ、各燃料改質セルに流れた改質ガスはここで合流
する。改質ガスはガス混合部４４で流れを反転させなが
ら均一に混合される。ガス流れの反転により、無数の流
体渦が形成され、ガスの混合は促進される。したがっ
て、各セル間で流れの分配に差異があっても、リターン
マニホールド４５でのガス混合により、流れの分配の不
均一は一旦解消される。改質ガスはリターンマニホール
ド４５から再び各燃料改質セルに分配される。２段目の
改質ガス流路では改質ガスの中の未改質原料が改質さ
れ、各セルに流れた改質ガス２は排気マニホールド３８
で合流する。

【００６５】原料ガス１は改質触媒７の充填具合や原料
ガス流路の端部の隙間により改質触媒７と接触せずに未
改質のまま排出されることがある。特に、改質反応は体
積の膨張を伴うので、反応により端部の隙間に原料ガス
１がバイパスする割合が高くなる。本発明では、バイパ
スした未改質の原料ガスと１段目の原料ガス流路で改質
されたガスがリターンマニホールド４５にて均一に混合
され、２段目の原料ガス流路に導かれるので、バイパス
した未改質原料の大部分は２段目の改質触媒７にて改質
されることになる。改質ガス２は、改質ガス排出マニホ
ールド３８から排気され、燃料電池に供給されたり、水
素を必要とする別の機器に供給される。

【００６６】なお、上記実施例では原料ガス流路を２段
化したが、同様の構成で多段化することも可能である。
段数を増やすと、ガス混合部が増えるので、原料ガス１
のバイパスやセル間のガス分配の不均一の悪影響をより
少なくすることができるが、反面ガス流速が増加し、ガ
ス流路が長くなるので、圧力損失が増大する。

【００６７】なお、図１７に示す上記実施例では、原料
ガス１・改質ガス２の流路を多段化したが、燃料ガス３
１・燃焼ガス１１の流路を多段化することもできる。例
えば、図１７の原料ガス・改質ガスの流路と燃料ガス・
燃焼ガスの流路とを交換し、改質触媒７と燃焼用触媒３
３を交換すれば、容易に燃料ガス・燃焼ガスの多段化が
実現できる。燃焼により局部的な発熱が生じ、燃焼ガス
１１の体積が急速に膨張して、燃焼ガス１１の流れに不
均一が生じる場合、燃焼ガスの多段化によるガスの混合
は、不均一になった流れやバイパスした未燃の燃料を混
合するのに非常に有効な手段である。

【００６８】実施例１５．次に、図１８ａ、図１８ｂに
原料ガス・改質ガス流路を２段化し、燃料ガス・燃焼ガ
ス流路を３段化した場合の燃料改質装置の実施例を示
す。２つのガスの流れを並流に近づけるため、燃料・燃
焼ガスは図１８ｂに示すように中心線に対して左右対称
形のガス流路を構成する。燃料供給マニホールド３６は
第１のガス混合部４６と隣合い、ここから空気と予混合
した燃料ガス３１が第１の燃料ガス流路に導かれる。燃
料ガス流路には、燃焼用触媒３３が充填され、燃料ガス
３１を燃焼させる。燃料・燃焼ガスは第１の燃料ガス流
路の入口から直進し、中心軸に沿った分離帯で直角に方
向を変え、少し直進して、再度直角に方向を変えて第１
のガス混合部４６に流入する。第１のガス混合部４６を
出た燃料・燃焼ガスは、第２の燃料・燃焼ガス流路に導
かれ、未燃の燃料ガスが燃焼される。燃焼ガスは第２の
燃料ガス流路を直進し、第２のガス混合部４７に流入す
る。第３の燃料ガス流路は、第１の流路と相似形を成
し、Ｕ字形の流路を形成する。燃焼が完結した燃焼ガス
１１は、排出マニホールド３９から排気される。

【００６９】実施例１６．さらに、この発明の他の実施
例を図１７、図１８ａ、図１８ｂを参照して説明する。
本実施例は、燃料改質スタック４３の燃料３１・燃焼ガ
ス１１と原料１・改質ガス２の流れの方向に関するもの
である。一般に、触媒反応は反応ガスの分圧が高い、即
ち化学平衡の駆動力が大きい触媒層の入口で起こりやす
く、反応速度や反応量も大きい。したがって、改質反応
部４１ではその入口で改質反応が起こりやすく、吸熱量
が大きい。一方、触媒燃焼部４０でもその入口で燃焼が
活発におこりやすく、発熱量が大きい。したがって、原
料ガス１の入口と燃料ガス３１の入口を一致させれば、
改質反応の熱を多く必要とする部分で、多くの燃焼を起
こさせることができる。これより、燃料改質ユニット４
２面内の熱バランスをとり、温度分布を均一にすること
ができる。このように、原料ガス１の入口と燃料ガス３
１の入口を一致させるためには、燃料・燃焼ガスの流れ
と原料・改質ガスの流れが並流になるようにガス流路を
構成する必要がある。

【００７０】しかしながら、燃料３１・燃焼ガス１１の
流れと原料１・改質ガス２の流れを完全に並流にするの
は、ガス流路やマニホールドの構成を複雑にする。ここ
では、ガス流路の多段化を実現するとともに、並流に近
い流れを実現する実施例を図１７に示した。図１７は先
に述べたように燃料３１・燃焼ガス１１は１段で、原料
１・改質ガス２を２段にした例で、原料ガス１と燃料ガ
ス３１の入口はほぼ一致する。ただし、原料ガス１と燃
焼ガス３１の流れを局部的にみると直交している。な
お、２段目の改質ガス流路は燃焼ガスの出口に一致す
る。燃焼ガスの出口は燃焼熱により温度が高く、改質反
応の化学平衡を考慮すると、より高い改質反応率を得る
ことができ、炭化水素が水素ガスに変換される割合を高
くすることになる。なお、原料１・改質ガス２の２段化
よりも燃料３１・燃焼ガス１１の２段化が要求される場
合は、これらの流路を交換してもよく、熱バランス的に
は同等の効果がある。

【００７１】実施例１７．図１８ａ、図１８ｂを用いて
さらに他の実施例について説明する。原料１・改質ガス
２の流路構成は図１７と全く同じであるが、燃料３１・
燃焼ガス１１の流路を３段で構成している。これより、
流れが並流化される程度が高められ、熱バランスをとれ
る範囲を一層広くとることができる。このように、段数
を増やす程、原料ガス１・改質ガス２の流れと燃料ガス
３１・燃焼ガス１１の流れを理想的な並流に近づけるこ
とができるが、先に述べたように圧力損失も増大する。
したがって、段数の設計は原料１や燃料ガス３１のバイ
パス、ガス分配の程度、温度分布、圧力損失、等を考慮
して決定されねばならない。

【００７２】実施例１８．請求項８の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図１９を参照して説明する。図１９
は燃料ガス供給マニホールド３６の内部に燃料改質スタ
ックの側面に向けて燃焼火炎を形成し、触媒燃焼部を動
作温度まで予熱するための燃焼バーナ４８を設置した例
である。起動時、燃料ガス２０と燃焼用空気２３を燃焼
バーナ４８に導き、燃料噴射ノズル２２と空気噴射ノズ
ル２５から噴射された燃料と空気が充分混合する場所に
点火装置（図中図示せず）を設けて、燃料の着火を行
う。着火された燃料は燃焼ガスとなって、燃料改質スタ
ック４３の燃料ガス流路に導かれ、燃焼用触媒を触媒の
動作温度まで予熱する。また、燃焼バーナ４８の表面か
らの輻射熱により燃料改質スタック４３の燃料ガス入口
側面が加熱され、熱伝導により内部の燃焼用触媒に伝え
られる。燃焼用触媒が触媒の動作温度である例えば３５
０℃程度まで加熱された時、一旦燃料ガス２０の供給を
停止し、火炎を消す。つぎに、点火装置を作動させない
で再度燃料ガス２０を供給すれば、空気２３と燃料２０
は燃料供給マニホールド３６内で充分予混合した後、燃
料改質スタック４３内の触媒燃焼部に導かれ、触媒によ
る燃焼が行われる。

【００７３】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、改質触媒が充
填された改質反応管の伝熱面と燃焼バーナの燃焼面とを
対向して配置したので、主に燃焼バーナの輻射熱により
改質反応管が均一に加熱され、改質反応管の軸方向温度
分布を均一にすることができる。また、輻射伝熱は対流
伝熱に比べて熱伝達率が大きいので、改質反応管の伝熱
面積を小さくしたり、従来の燃料改質装置で使用されて
いた伝熱充填粒子を削除することができ、装置の小型軽
量化につながる。さらに、充填粒子の削除により熱容量
が小さくなると、装置を起動する際、動作温度まで加熱
する時間を短縮でき、起動時の燃料消費も節約すること
ができる。

【００７４】また、請求項２の発明によれば、上記請求
項１のものにおいて、燃焼バーナを、周囲に空気噴射ノ
ズルが配置された複数個の燃料噴射ノズルで構成したの
で、燃焼バーナの火炎形成面の面積を大きくし、輻射熱
伝達を促進させることができる効果がある。

【００７５】また、請求項３の発明によれば、円筒状の
燃焼バーナの燃焼面と改質触媒が装填された円筒状の改
質反応管の伝熱面とを互いに対向して同心円状に構成す
るとともに、円筒状の燃焼ガスの排気流路と円筒状の燃
焼用空気の流入流路を隣接して同心円状に構成したの
で、燃焼バーナから発生する燃焼熱を有効に改質反応管
の加熱に利用することができるとともに、燃焼ガスと燃
焼用空気の熱交換が図れる。

【００７６】また、請求項４の発明によれば、改質反応
器と触媒燃焼器とをそれぞれ伝熱面を接触させて隣接し
て設けたので、触媒燃焼器で発生した熱が直接改質反応
器に伝えられる。さらに、燃焼用触媒は改質反応の吸熱
により冷却されるので、燃焼用触媒の温度が耐熱温度以
上に上昇するのを防止できる。

【００７７】また、請求項５の発明によれば、上記請求
項４のものにおいて、改質反応器および触媒燃焼器の少
なくとも一方に隣接して電気ヒータを設けたので、主に
触媒燃焼器や改質反応器の起動に際して、改質触媒や燃
焼用触媒を触媒の動作温度まで均一に加熱し、迅速に燃
料改質装置を起動することができる。

【００７８】また、請求項６の発明によれば、炭化水素
またはアルコール原料から改質反応により水素を生成す
る改質触媒を有する改質反応部と、空気と予混合した燃
料ガスの燃焼により上記改質反応部を加熱する触媒燃焼
部とを備え、一対の上記触媒燃焼部と改質反応部から構
成される燃料改質ユニットを触媒燃焼部と改質反応部が
交互に隣接するように複数ユニット積層して燃料改質ス
タックを構成し、上記燃料改質スタックの側端部からそ
れぞれマニホールドを介して原料ガスおよび予混合燃料
ガスを供給すると共に、改質ガスおよび燃焼ガスを排出
するように構成したので、改質反応管タイプの燃料改質
装置に比べて高い触媒充填密度を実現することができ、
比較的小さな容積で、多量の水素を効率よく製造するこ
とができる。

【００７９】また、請求項７の発明によれば、上記請求
項６のものにおいて、原料ガス流路および燃料ガス流路
の少なくとも一方を複数個の部分ガス流路に分割し、上
記部分ガス流路間にガス混合部を設けたので、原料・改
質ガスまたは燃料・燃焼ガスの流れに部分的な不均一が
生じても、ガス混合部で均一に混合されるので、流れの
不均一が改質反応や燃焼反応に影響するのを抑制するこ
とができる。

【００８０】また、請求項８の発明によれば、上記請求
項６または７のものにおいて、燃料供給マニホールドの
内部に、燃料改質スタックの側面に向けて燃焼火炎を形
成する燃焼バーナを配置したので、燃料改質スタックの
起動に際して、触媒燃焼部入口の燃焼用触媒や改質反応
部入口の改質触媒を動作温度まで効率良く予熱すること
ができ、燃料改質スタックの起動を迅速に行うことがで
きる。

【００８１】また、請求項９の発明によれば、上記請求
項１ないし８のものにおいて、改質反応管、改質反応
器、改質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁
面に触媒への伝熱を促進する伝熱フィンを設けたので、
例えば燃焼ガスからの熱や改質ガスからの熱は改質反応
管を介して伝熱フィンに伝えられ、伝熱フィンに伝えら
れた熱は輻射熱伝達、対流熱伝達により改質触媒に有効
に伝達されるので、改質反応管内壁と改質触媒との伝熱
性能を向上させることができる。

【００８２】また、請求項１０の発明によれば、上記請
求項１ないし９のものにおいて、改質反応管、改質反応
器、改質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁
面、または上記請求項９の伝熱フィンの表面に触媒膜を
形成したので、例えば改質反応管の壁面に伝えられた熱
は、伝熱フィンを介して直接、熱伝導により改質触媒に
伝達されるので、改質反応管の壁面と触媒との熱抵抗を
大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明に係る燃料改質装置の一実施例
による基本的構成と作用を説明する構成図である。

【図２】請求項２の発明に係る燃焼バーナの燃料噴射ノ
ズルと空気噴射ノズルの配置を示す構成図および断面図
である。

【図３】請求項３の発明に係る燃料改質装置の一実施例
による具体的構成を示す構成図である。

【図４】請求項３の発明に係る燃料改質装置の他の実施
例による具体的構成を示す構成図である。

【図５】実施例１、３、４のものに請求項９の発明を適
用した場合の一実施例の要部の基本的構成を示す構成図
である。

【図６】請求項９の発明に係る伝熱フィンの他の実施例
を示す斜視図である。

【図７】実施例１、３、４のものに請求項９の発明を適
用した場合の他の実施例を示す斜視図である。

【図８】実施例１、３〜６のものに請求項１０の発明を
適用した場合の一実施例の要部を示す断面図である。

【図９】請求項９の発明に係る燃料改質装置の他の実施
例の要部を示す断面構成図である。

【図１０】請求項４の発明に係る燃料改質装置の一実施
例の具体的構成を示す断面構成図である。

【図１１】請求項４の発明に係る燃料改質装置の他の実
施例の要部を示す断面構成図である。

【図１２】図１１のものに請求項１０の発明を適用した
一実施例の要部を示す断面構成図である。

【図１３】請求項４の発明に係る燃料改質装置のさらに
他の実施例を示す斜視図およびＢ−Ｂ’線断面図であ
る。

【図１４】請求項５の発明による燃料改質装置の一実施
例を示す断面構成図である。

【図１５】請求項５の発明による燃料改質装置の他の実
施例を示す断面構成図である。

【図１６】請求項６の発明による燃料改質装置の一実施
例を示し、燃料改質スタックに各マニホールドを取り付
けた状態を示す斜視図および燃料改質スタックの部分斜
視図である。

【図１７】請求項７の発明による燃料改質装置の一実施
例の要部を示す断面図である。

【図１８】請求項７の発明による燃料改質装置の他の実
施例の要部を示す断面図である。

【図１９】請求項８の発明による燃料改質装置の一実施
例の要部を示す断面図である。

【図２０】従来の燃料改質装置の改質反応管を示す断面
図である。

【図２１】従来の別の燃料改質装置の改質反応管を示す
断面図である。

【図２２】従来の燃料改質装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１原料ガス２改質ガス７改質触媒１０改質反応管１１燃焼ガス２０燃料ガス２２燃料噴射ノズル２３空気２５空気噴射ノズル２６燃焼バーナ２８伝熱フィン２９コーティング改質触媒層３１空気予混合燃料ガス３３燃焼用触媒３４触媒燃焼器３６燃料ガス供給マニホールド３７原料ガス供給マニホールド３８改質ガス排出マニホールド３９燃焼ガス排出マニホールド４０触媒燃焼部４１改質反応部４２燃料改質セル４３燃料改質スタック４４ガス混合部４５リターンマニホールド４８起動用燃焼バーナ５４電気ヒータ

【手続補正書】

【提出日】平成５年４月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２９】また、請求項９の発明では、上記請求項１
ないし８のものにおいて、改質反応管、改質反応器、改
質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面に触
媒への伝熱を促進する伝熱フィンを設けたので、熱は燃
焼用触媒から伝熱フィンを介して改質触媒へと、輻射熱
伝達、対流熱伝達により伝達されるので、伝熱性能を向
上させることができる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】また、請求項１０の発明では、上記請求項
１ないし９のものにおいて、改質反応管、改質反応器、
改質反応部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面、
または上記請求項９の伝熱フィンの表面に触媒膜を形成
したので、熱は直接燃焼用触媒膜から改質触媒膜へ伝熱
フィンの熱伝導だけで伝達されるので、熱抵抗を大幅に
低減することができる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】つぎにこの燃料改質装置の動作について説
明する。まず、燃料改質装置を起動する手順を述べる。
起動時の燃料ガスとして都市ガス（１３Ａ：メタンを主
成分とし、エタン、プロパン、ブタンを含む混合ガス）
を使用する場合について説明する。都市ガスの着火を確
実にするために、燃料マニホールド２１に１次空気と予
混合した都市ガスを燃料ガス２０として供給する。同時
に空気マニホールド２４に２次空気を供給する。燃料ガ
ス２０は燃料噴射ノズル２２を経て燃焼バーナ２６から
燃焼空間へ噴射され、空気２３は空気噴射ノズル２５を
経て燃焼バーナ２６から燃焼空間へ噴射される。ノズル
より噴射された燃料ガス２０と空気２３は、相互に拡散
・混合し、燃焼により火炎面２７を形成する。火炎をむ
らなく均一に形成するためには、各ノズルからの燃料ガ
ス・空気の噴射量を均一にする必要がある。これより噴
射した燃料ガスと空気は充分に拡散・混合し、均一な燃
焼が行われる。このように表面燃焼バーナ２６により燃
焼が火炎面２７の全面で起こり、主に輻射熱により改質
反応管１０が均一に加熱される。高温の燃焼ガス１１は
改質反応管１０に沿って下方に流れ、この間、対流熱伝
達により改質反応管１０を加熱する。さらに、燃焼ガス
１１は改質反応管１０の下端で流れを反転させ、今度は
改質反応管１０と空気管の間を上方に流れ、改質反応管
１０を再び加熱するとともに燃焼用空気２３を予熱す
る。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】実施例４．図４は表面燃焼バーナ２６を加
熱炉の中心軸に配置し、加熱される環状改質反応管１０
をその外側に配置した例である。中心軸に燃料マニホー
ルド２１を設け、その外側に空気マニホールド２４を設
ける。燃料ガス２０と燃焼用空気２３は燃料噴射ノズル
２２、空気噴射ノズル２５から外側に向かって放射状に
噴射され、燃焼が行われる。燃焼後の排ガス１１は改質
反応管１０に沿って内側から外側に流れ、最も外側に流
れる燃焼用空気２３を予熱する。このような中心軸に燃
焼バーナ２６があり、燃焼ガス１１が内側から外側に流
れる内炎外向流型は、前述の外炎内向流型に比べて表面
燃焼バーナ２６の伝熱面積が小さいので、改質反応管１
０への伝熱量は比較的小さくなる。ただし、従来の集中
バーナに比べると、燃焼バーナ２６と改質反応管１０が
対向しているので、輻射熱を有効に利用することができ
る。また、外炎内向流型に比べて環状改質反応管１０の
直径を大きくとれるので、充填可能な改質触媒７の充填
量を増やすことができ、触媒の長寿命化に有利である。
なお、この型の燃料改質装置では、燃焼が加熱炉の内部
で行われるので、外部への放熱を小さくすることができ
る。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】図５に示す伝熱フィン２８はコルゲート
（波形）の形状が円弧形のストレートフィンであるが、
その他コルゲートの形状により角形、台形、三角形のフ
ィンが考えられる。また、コルゲートが半ピッチずれた
伝熱フィンの形状の一例を図６に示す。この伝熱フィン
は１山のコルゲート（角形）が半ピッチずれた千鳥配置
の形状を有し、改質触媒７はこのコルゲートの内部に充
填される。矢印Ａ、Ｂは二通りの原料ガスの流し方を示
す。流れＡは原料ガスがコルゲートに対して直角に流れ
る場合で、流れＢは原料ガスがコルゲートに対して平行
に流れる場合である。流れＡでは原料ガスと触媒との接
触回数が多くなるが圧力損失も大きくなる。一方、流れ
Ｂでは原料ガスと触媒の接触回数は比較的少なくなるが
圧力損失は小さくなる。例えば、改質反応を促進したい
場所では流れＡを採用し、改質反応を抑制した場所では
流れＢを採用する。また、流れＡ、流れＢの他にコルゲ
ートに対してある傾いた角度をもった流れを考えること
もできる。なお、伝熱フィン２８から触媒へ熱輻射によ
り伝わる熱量は、触媒粒子と伝熱フィン２８との形態係
数とそれぞれの輻射率によって決まるため、２つの流れ
で差は生じない。対流熱伝達については、流れがより乱
されるＡが大きいようである。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６１】実施例１３．請求項６の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図１６（ａ）、（ｂ）を参照して説
明する。図１６（ａ）は燃料改質スタックの４つの側面
にそれぞれ燃料・空気供給マニホールド３６、原料供給
マニホールド３７、改質ガス排出マニホールド３８、燃
焼ガス排出マニホールド３９を取り付けた斜視図であ
る。ここでは原料ガス・改質ガスの流れと燃料ガス・燃
焼ガスの流れが直交するクロス・フロー形式を採った。
図１６ｂはマニホールドを開放した燃料改質スタックの
部分斜視図である。一対の触媒燃焼部４０と改質反応部
４１から構成される燃料改質ユニット４２を触媒燃焼部
と改質反応部が交互に隣接するように複数ユニット積層
して燃料改質スタック４３を構成している。改質反応部
４１では、改質触媒７の作用により原料ガスが水素リッ
チの改質ガスに変換され、改質反応に必要な熱は上下に
隣接する触媒燃焼部４０から伝達される燃焼熱により賄
われる。また、触媒燃焼部４０は上下に隣接する改質反
応部４１により冷却される。このように、燃料改質スタ
ックでは一対の触媒燃焼部４０と改質反応部４１から成
る燃料改質ユニットが基本要素となり、燃焼と改質反応
の機能を満足させる。従来の燃料改質装置は、単一の燃
焼バーナと複数個の改質反応管から構成され、燃焼と改
質反応は全く別個に行われていた。本発明の燃料改質ス
タックでは燃焼と改質反応は１枚の隔壁を隔てた触媒燃
焼部４０と改質反応部４１で起こり、熱的に密接に関連
することになる。したがって、触媒燃焼部４０で発生し
た燃焼熱は即座に改質反応の吸熱に費やされるので、燃
焼ガスの温度は急激には上昇しない。なぜなら、燃焼用
触媒の表面で発生した燃焼熱が燃焼ガスを加熱する速度
よりも、隔壁を加熱し改質触媒７に伝達する速度の方が
速いからである。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６４】実施例１４．請求項７の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図１７を参照して説明する。本発明
では原料ガス流路・改質ガス流路を複数個の部分ガス流
路に分割すなわち多段化し、各部分ガス流路間すなわち
多段化した各段の間にガス混合部４４を設け、多段化し
た各段を直列に接続するように原料ガス流路・改質ガス
流路を構成する。図１７は原料ガス流路を２段にした場
合の燃料改質スタックの断面図である。原料ガス１は原
料ガス供給マニホールド３７から燃料改質スタックの原
料ガス側に導かれる。この実施例では、原料ガス供給マ
ニホールド３７は改質ガス排出マニホールド３８と隣合
って配置され、高温の改質ガスと低温の原料ガスで熱交
換が行われる。原料ガス１は供給マニホールド３７から
各燃料改質ユニットに分配される。１段目の原料ガス流
路に流れた原料ガスは、改質触媒７の作用により水素ガ
ス２に改質される。その後改質ガス２は、原料供給マニ
ホールドが配置されたスタック側面とは反対側のスタッ
ク側面に配置された改質ガスリターン・マニホールド４
５に導かれ、各燃料改質ユニットに流れた改質ガスはこ
こで合流する。改質ガスはガス混合部４４で流れを反転
させながら均一に混合される。ガス流れの反転により、
無数の流体渦が形成され、ガスの混合は促進される。し
たがって、各ユニット間で流れの分配に差異があって
も、リターンマニホールド４５でのガス混合により、流
れの分配の不均一は一旦解消される。改質ガスはリター
ンマニホールド４５から再び各燃料改質ユニットに分配
される。２段目の改質ガス流路では改質ガスの中の未改
質原料が改質され、各セルに流れた改質ガス２は排気マ
ニホールド３８で合流する。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６６】なお、上記実施例では原料ガス流路を２段
化したが、同様の構成で多段化することも可能である。
段数を増やすと、ガス混合部が増えるので、原料ガス１
のバイパスやユニット間のガス分配の不均一の悪影響を
より少なくすることができるが、反面ガス流速が増加
し、ガス流路が長くなるので、圧力損失が増大する。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７２】実施例１８．請求項８の発明に係る燃料改
質装置の一実施例を図１９を参照して説明する。図１９
は燃料ガス供給マニホールド３６の内部に燃料改質スタ
ックの側面に向けて燃焼火炎を形成し、触媒燃焼部を動
作温度まで予熱するための燃焼バーナ４８を設置した例
である。起動時、燃料ガス２０と燃焼用空気２３を燃焼
バーナ４８に導き、燃料噴射ノズル２２と空気噴射ノズ
ル２５から噴射された燃料と空気が充分混合する場所に
点火装置（図中図示せず）を設けて、燃料の着火を行
う。着火された燃料は燃焼ガスとなって、燃料改質スタ
ック４３の燃料ガス流路に導かれ、燃焼用触媒を触媒の
動作温度まで予熱する。また、燃焼バーナ４８の表面か
らの輻射熱により燃料改質スタック４３の燃料ガス入口
側面が加熱され、熱伝導により内部の燃焼用触媒に熱が
伝えられる。燃焼用触媒が触媒の動作温度である例えば
３５０℃程度まで加熱された時、一旦燃料ガス２０の供
給を停止し、火炎を消す。つぎに、点火装置を作動させ
ないで再度燃料ガス２０を供給すれば、空気２３と燃料
２０は燃料供給マニホールド３６内で充分予混合した
後、燃料改質スタック４３内の触媒燃焼部に導かれ、触
媒による燃焼が行われる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素またはアルコール原料から改質
反応により水素を生成する改質触媒を有する改質反応管
と、燃料ガスと空気の燃焼により上記改質反応管を加熱
する燃焼バーナとを備え、水素リッチとなった改質ガス
を得る燃料改質装置において、上記改質触媒が装填され
た改質反応管の伝熱面と上記燃焼バーナの燃焼面とを互
いに対向して配置したことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】燃焼バーナは、周囲に空気噴射ノズルが
配置された複数個の燃料噴射ノズルで構成されるもので
ある請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】円筒状の燃焼バーナの燃焼面と改質触媒
が装填された円筒状の改質反応管の伝熱面とを互いに対
向して同心円状に構成するとともに、円筒状の燃焼ガス
の排気流路と円筒状の燃焼用空気の流入流路を隣接して
同心円状に構成した請求項１または２記載の燃料改質装
置。
【請求項４】炭化水素またはアルコール原料から改質
反応により水素を生成する改質触媒を有する改質反応器
と、空気と予混合した燃料ガスの触媒燃焼により上記改
質反応器を加熱する触媒燃焼器とを備え、水素リッチと
なった改質ガスを得る燃料改質装置において、上記改質
反応器と触媒燃焼器とをそれぞれ伝熱面を接触させて隣
接して設けたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項５】改質反応器および触媒燃焼器の少なくと
も一方に隣接して電気ヒータを設けた請求項４記載の燃
料改質装置。
【請求項６】炭化水素またはアルコール原料から改質
反応により水素を生成する改質触媒を有する改質反応部
と、空気と予混合した燃料ガスの燃焼により上記改質反
応部を加熱する触媒燃焼部とを備え、一対の上記触媒燃
焼部と改質反応部から構成される燃料改質ユニットを触
媒燃焼部と改質反応部が交互に隣接するように複数ユニ
ット積層して燃料改質スタックを構成し、上記燃料改質
スタックの側端部からそれぞれマニホールドを介して原
料ガスおよび予混合燃料ガスを供給すると共に、改質ガ
スおよび燃焼ガスを排出するように構成した燃料改質装
置。
【請求項７】原料ガス流路および燃料ガス流路の少な
くとも一方を複数個の部分ガス流路に分割し、上記部分
ガス流路間にガス混合部を設けた請求項６記載の燃料改
質装置。
【請求項８】燃料供給マニホールドの内部に、燃料改
質スタックの側面に向けて燃焼火炎を形成する燃焼バー
ナを配置した請求項６または７記載の燃料改質装置。
【請求項９】改質反応管、改質反応器、改質反応部、
触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面に触媒への伝熱
を促進する伝熱フィンを設けた請求項１ないし８のいず
れかに記載の燃料改質装置。
【請求項１０】改質反応管、改質反応器、改質反応
部、触媒燃焼器、または触媒燃焼部の内壁面、または上
記請求項９の伝熱フィンの表面に触媒膜を形成した請求
項１ないし９のいずれかに記載の燃料改質装置。