JP2008266055A

JP2008266055A - 燃料処理装置

Info

Publication number: JP2008266055A
Application number: JP2007108970A
Authority: JP
Inventors: Masaki Nobuoka; 政樹信岡
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-11-06

Abstract

【課題】均一濃度の改質ガスを触媒に供給し、有毒ガスを取り除く触媒を効率的に利用すると共に、クリーンな改質ガスを得る。
【解決手段】２以上の混合ガスが流通する第１のヘッダー１０１と、第１のヘッダー１０１と第２のヘッダー１０２との空間を分ける仕切り板１０３と、触媒を支持する触媒支持板１０４とを備え、触媒支持板１０４の上に有毒ガスを浄化する触媒層１０５を充填する。触媒支持板１０４における網目状もしくはパンチング穴１１３を通して、第２のヘッダー１０２から流れ込む改質ガスを流通させる。仕切り板１０３の開口部１０３ａに、第１のヘッダー１０１から第２のヘッダー１０２へ改質ガスを流入させ、かつ流れを直管方向から円周方向に変える案内羽根１０６を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換体が周囲に設けられた二重筒構造の燃料電池に適用される燃料処理装置に関するものである。

従来から、エネルギーを有効に利用することが可能な分散型の発電装置として、発電効率および総合効率が高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、燃料電池システムと称す）が注目されている。燃料電池システムには、その発電部の本体として、燃料電池が配設されている。この燃料電池における多くのもの、例えば、既に実用化されているリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、あるいは現在開発が進められている固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）には、発電のための燃料として水素が用いられている。

しかしながら、この水素の供給手段は、現在、インフラストラクチャーとして整備されていない。そのため、燃料電池システムには、通常、発電の際に必要となる水素を生成するための燃料処理装置が用いられている。この燃料処理装置では、メタンガスなどの炭化水素系の原料と水とが用いられていて、水素を豊富に含む改質ガスが生成される。燃料電池は、この燃料処理装置で生成される改質ガスと空気とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。

燃料処理装置における水素の生成方法としては、水蒸気改質法が一般的に用いられている。この水蒸気改質法では、水蒸気改質反応により改質ガスが生成される。例えば、水素を生成するための原料となる都市ガスと水蒸気とを、ルテニウム触媒を用いて６００℃から８００℃程度の高温条件下で化学反応させることにより水素を主成分とする改質ガスを生成する。この方法は種々ある水素生成反応の１つである。

ここでの改質反応とは、下記の反応式（１）で一般的に表される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ＋３Ｈ_２
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・・・・（１）
前記改質反応の過程において、一酸化炭素などの有毒ガスが生成されるが、この有毒ガスは、例えばＰＥＦＣの高分子膜を劣化させて耐久性に悪影響を及ぼすため、浄化する必要がある。

その浄化方法の１つとして、例えば白金系の触媒を用いて、１００℃から４００℃程度の温度条件下で一酸化炭素変成反応（ＣＯ変成反応）、または選択酸化反応と呼ばれる化学反応を生じさせることにより無毒化する方法がある。

前記ＣＯ変成反応では、下記の反応式（２）で示される反応が主として生じる。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・・・・（２）
また、前記選択酸化反応では、下記の反応式（３）で示される反応が主として生じる。
ＣＯ＋１／２Ｏ_２ ⇔ ＣＯ_２・・・・・・（３）
一酸化炭素のような有毒ガスを取り除く触媒の性能を確保して効率的に利用するためには、適切な温度と適切な有毒ガス濃度とを有した改質ガスを、例えばＣＯ変成反応や選択酸化反応などの一酸化炭素を浄化する機能を持ち合わせた反応器に供給する必要がある。

改質ガスの温度が適切でない場合、例えば４００℃を超えるような高温の場合では、前記反応式（２）に示す平衡状態において、一酸化炭素濃度は４００℃を下回る低温状態よりも一般的に高濃度となる。また高温の場合は、有毒ガスを取り除く触媒が経年劣化するために、触媒の性能が低下する。逆に、ガス温度が低い場合は、一酸化炭素を浄化する反応速度が低下し、十分な反応を得ることができず、触媒の持つ機能を十分に利用することができない。

また、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が適当でない場合、例えば、触媒が浄化できる機能を上回る量の高い一酸化炭素濃度を含有した改質ガスが流入すると、浄化できないだけでなく、反応時に発熱を伴うため触媒が局所的に高温になるという悪影響を引き起こす。

このような改質システムには、図５に示されるような、外観円柱状の改質器のまわりに、内筒５０９と外筒５１０との二重円筒管内に転化用の触媒層５０７が充填された一酸化炭素変成器（ＣＯ変成器）５００を設けたものが開発されており、改質器の熱がＣＯ変成器の加熱に利用することができ、熱ロスが低減される点において優れている（特許文献１参照）。

図５（ａ）は従来例のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、図５（ｂ）は従来例のＣＯ変成器における水平方向の概略断面図であって、二重円筒管構造のＣＯ変成器５００は、触媒層５０７の入口側に沿って環状のヘッダー層５０２が設けられており、改質ガスの流入口５０１からヘッダー層５０２に導入された改質ガスは、２つに分岐されてヘッダー層５０２内を約半周旋回しながら改質ガスを流通させる穴が配置された触媒支持板５０３を介して触媒層５０７に分配され、さらに触媒層５０７内を管軸方向に流通しながら転化され、上部のヘッダー層５０８に至るようになっている。
特開平６−１４００６８号公報

前記従来の技術において、図５に示すようなＣＯ変成器５００では、ヘッダー層５０２内を流通する改質ガスは、内筒５０９で熱交換を行うので、改質ガスの流入口５０１から離隔するほど温度が上昇または下降し、流入口５０１と反対側の流出口５１１部分との温度差は最も大きくなる。すなわち、触媒層５０７に分配される改質ガスの温度が不均一になる。また、流入するガスの濃度が不均一の場合、例えば、一酸化炭素濃度が局所的に異なる分布を持つ場合、十分に混合することなく、流入口５０１近傍で分配されヘッダー層５０２を介して触媒層５０７に流通するため、触媒層５０７に流通する改質ガスの濃度は不均一となる。

改質ガスに含まれる有毒ガスを取り除く触媒を有効に利用するためには、有毒ガスを取り除く触媒において、供給する改質ガスの温度と濃度を適切に制御する必要がある。特に二重筒管構成、例えば前記ＣＯ変成器５００の場合、周方向の温度が局所的に異なる場合があるため、局所的な温度上昇により触媒が劣化する恐れがある。ＣＯ変成器５００の場合は、流入口５０１から温度と有毒ガス濃度が均一でない改質ガスが流れ込んだ場合、流入口５０１近傍で十分に改質ガスが混合されずに分配され、ヘッダー層５０２を介して触媒層５０７に流入される。そして、有毒ガスが十分に混合されない改質ガスは、有毒ガス濃度の濃い部分と薄い部分とが生じることになり、このような改質ガスが有毒ガスを浄化する触媒層５０７に供給されると、反応に局部的な違いが生じ、有毒ガス濃度の低い部分では温度が低くなるなど反応が不均一となる。この結果、高温の部分では触媒が劣化して混合気の未反応が生じ、また低温の部分では有毒ガスが未反応のまま排出されるため、例えば、燃料電池発電部の高分子膜を劣化させ、燃料電池システムの効率を低下させていた。

本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたものであり、均一濃度の改質ガスを触媒に供給することができ、有毒ガスを取り除く触媒を効率的に利用すると共に、クリーンな改質ガスを得ることができる燃料処理装置を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、外壁面に熱交換体が設けられた内筒と、ガス流入口及び流出口を有する外筒との間の空間に、前記ガス流入口が設けられた第１のヘッダーと、該第１のヘッダーに隣接して設けられた第２のヘッダーと、前記第１のヘッダーと前記第２のヘッダーとを区切る仕切り板と、該仕切り板に設けられかつ前記第１のヘッダーから前記第２のヘッダーへ前記ガスを流通させる開口部と、該仕切り板の開口部から前記流出口まで前記ガスが流通する間に触媒層とを備えた燃料処理装置において、前記仕切り板の前記開口部に前記ガスを旋回させる案内羽根を設けたことを特徴とし、この構成によって、第１のヘッダーから第２のヘッダーへ改質ガスを流入させ、かつ、その流れを案内羽根によって直管方向から円周方向に変えることにより、触媒層に分配される改質ガスの温度と濃度とを均一化することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の燃料処理装置において、仕切り板に、開口部と案内羽根とを複数個設けたことを特徴とし、この構成によって、改質ガスの温度と濃度とが、より良好に均一化される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の燃料処理装置において、仕切り板の端部に触媒層からの触媒片を受ける触媒受け部を設けたことを特徴とし、この構成によって、欠損などにて生じた触媒片を受けることができる。

以上のように、本発明の燃料処理装置によれば、改質ガスが流入する第１のヘッダーと開口部と案内羽根とが設けられた仕切り板と、第２のヘッダーとにより、触媒層に分配される改質ガスの温度と濃度を均一化することができ、それによって触媒反応を良好に行うことができる。また、開口部と案内羽根が設置された仕切り板を用いることによって、比較的簡便に小さく装置を構成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明を行う。

（実施の形態１）
図１は本発明に係る燃料処理装置の実施の形態１としての一酸化炭素を浄化するＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は実施の形態１のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は実施の形態１のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図、（ｃ）は実施の形態１のＣＯ変成器における仕切り板部分を示す水平方向の概略断面図である。

ＣＯ変成器１００内の空間は、一酸化炭素を含む改質ガスが流入する第１のヘッダー１０１と、第１のヘッダー１０１と第２のヘッダー１０２との空間を分ける仕切り板１０３と、触媒を支持する触媒支持板１０４と、触媒支持板１０４の上に一酸化炭素を浄化する触媒層１０５が充填されて形成されている。触媒支持板１０４は、網目状もしくはパンチング穴１１３を用いることで、第２のヘッダー１０２から流れ込む改質ガスを流通させる。仕切り板１０３の開口部１０３ａには、第１のヘッダー１０１から第２のヘッダー１０２へ改質ガスを流入させ、かつ、ガス流を直管方向から円周方向に変える案内羽根１０６が設置されている。また、容器１００内の空間は、触媒層１０５の上部には一酸化炭素が触媒層１０５で浄化された改質ガスが集合する空間部の第３のヘッダー１０７が形成される。

ＣＯ変成器１００の内筒１０８の壁面には、改質ガスを生成する前記反応式（１）の反応に寄与する水蒸気を生成するための熱交換部１０９が設けられており、熱交換部１０９内に水を流すことによって、触媒層１０５に流れる改質ガスと熱交換を生じさせる。

ここで、触媒層１０５の改質ガス温度を、仕切り板１０３付近の上流では２５０℃から４００℃とすることが好適であり、また、第３のヘッダー１０７付近の下流域では１５０℃から２００℃とすることが好適である。これは流速に応じて、上流側で比較的高温に保ち、一酸化炭素を浄化する反応速度を高く保つことにより、改質ガスに含まれる一酸化炭素の約９０％を浄化し、比較的低温である下流側において、より一酸化炭素を低下させるため、化学平衡状態に近づけるからである。

触媒層１０５の厚みＷは改質ガスの処理量に基づいて設定されるが、厚みＷが大きくなるにつれて触媒層１０５の内筒１０８の壁面近傍と外筒１１０の壁面近傍との温度差が大きくなるため、厚みＷはあまり大きくとらないことが好適である。

改質ガスに含まれる一酸化炭素は、上述した改質システムの運転制御の時間的な変動や、前記反応式（１）に示す反応を行う反応器内部における局所的な反応性能の差異により、必ずしも濃度が均一とはならない。そのため、一酸化炭素の濃度が局所的に不均一である改質ガスがＣＯ変成器１００に流入する場合がある。

この一酸化炭素濃度が不均一である改質ガスの流れを、図１中の太線矢印で示している。第１のヘッダー１０１に設けられた流入口１１１に送り込まれた改質ガスは、第１のヘッダー１０１と第２のヘッダー１０２の空間を分ける仕切り板１０３の開口部１０３ａに設けられた案内羽根１０６を流通し、管方向の流れから円周方向に流れの向きを変え、第２のヘッダー１０２で旋回しながら、触媒支持板１０４を通り触媒層１０５を流通し、第３のヘッダー１０７に集合して流出口１１２から燃料電池発電部に供給される。

改質ガスに対する熱の流れは図中の白抜き矢印で示されている。案内羽根１０６を流通した改質ガスは、ＣＯ変成器１００の内筒１０８の壁面に沿いながら第２のヘッダー１０２の中を旋回し、内筒１０８の壁面と熱交換を行うと共に、旋回流れにより改質ガスが混合される。旋回流れを発生させる案内羽根１０６の設計条件としては、改質ガスの流速が乱流となるようにすることで、改質ガスの混合性を高めることができる。

本実施の形態における仕切り板１０３の開口部１０３ａに設けられる案内羽根１０６の加工法の三例について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図中の太実線は改質ガスの流れを示している。

図２（ａ）に示す加工法では、仕切り板２０３をプレス整形することにより開口部２０３ａと共に案内羽根２０６を形成する。プレス整形による加工は、１枚の仕切り板２０３で案内羽根２０６を形成することが可能であり、軽量化に好適である。

図２（ｂ）に示す加工法では、２枚の開口部２０３ａを有する仕切り板２０３を、開口部２０３ａをずらして重ね合わせることで、破線部に示される案内羽根２０１を形成する。

図２（ｃ）に示す加工法では、１枚の仕切り板２０４をレーザー加工などにより、板厚に対して傾斜をつけた方向に開口部２０３ａを設けることで、案内羽根２０１と同様の効果となる案内羽根２０２を形成することができる。

図２（ｂ）に示す加工法は比較的簡便であり、図２（ｃ）に示す加工法は薄肉化が計れることが特徴である。

このように実施の形態１では、図１に示す触媒仕切り板１０３を介して触媒層１０５に流通する改質ガスの温度と濃度は均一化されるので、燃料電池に供給する改質ガスの一酸化炭素の濃度を低くするのに適した環境を形成することができる。

（実施の形態２）
図３は本発明に係る燃料処理装置の実施の形態２であるＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は実施の形態２のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は実施の形態２のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図、（ｃ）は実施の形態２のＣＯ変成器における仕切り板部分を示す水平方向の概略断面図である。

本実施の形態２におけるＣＯ変成器３００は、実施の形態１のＣＯ変成器１００と基本的に同様の構成である。しかし、実施の形態１では、ＣＯ変成器１００の仕切り板１０３に設けた案内羽根１０６の個数が１個であるに対して、本実施の形態２では、仕切り板３０３に２個以上（図の例では８個）の案内羽根３０６を設けた点が異なる。

図３を参照しながら、ＣＯ変成器３００の機能および効果について説明する。改質ガスの流れは、図中に太線矢印で示されている。流入口３１１から送り込まれた改質ガスは、実施の形態１と同様、第１のヘッダー３０１から仕切り板３０３の複数の開口部３０３ａにそれぞれ設けられた案内羽根３０６により、第２のヘッダー３０２に流れを直管方向から円周方向に変えながら流通し、第２のヘッダー３０２で旋回しながら触媒支持板３０４の網目状もしくはパンチング穴３１３を介して、外筒３１０と内筒３０８間の触媒層３０５を流通して、第３のヘッダー３０７に集合して、流出口３１２より燃料電池発電部に供給される。

改質ガスに対する熱の流れは、図中の白抜き矢印で示される。案内羽根３０６を流通した改質ガスは、ＣＯ変成器３００の内筒３０８の壁面に沿いながら、第２のヘッダー３０２の中を旋回しながら内筒３０８の熱交換部３０９と熱交換を行うと共に、旋回流れにより改質ガスが混合される。

案内羽根３０６を２以上設置することで、図３に示すように、第２のヘッダー３０２内で生じる旋回流れが、案内羽根３０６から出る改質ガスと混合する回数が増えることにより、改質ガスの温度均一性が高まると共に、濃度も均一化することができる。また、改質ガスを１箇所から流通させる場合と比べて、案内羽根３０６を２以上設置することで、１箇所から流通する改質ガス流量が減るために、圧力抵抗を小さく抑えることが可能となる。

また、図３（ｃ）に示す案内羽根３０６のように、案内羽根の設置角度αを変えることにより、第２のヘッダーと内筒３０８の壁面との熱交換量を制御することができる。旋回を発生させる案内羽根３０６の設計条件として、改質ガスの流速が乱流となるようにすることで、改質ガスの混合性を高めることができる。

これにより、触媒仕切り板３０４を介して触媒層３０５に流通する改質ガスの温度と度が均一化されるので、燃料電池に供給する改質ガスの一酸化炭素の濃度を低くするのに適した環境を形成することができる。

（実施の形態３）
図４は本発明に係る燃料処理装置の実施の形態３であるＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は実施の形態３のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は実施の形態３のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図、（ｃ）は実施の形態３のＣＯ変成器における仕切り板部分を示す水平方向の概略断面図である。

本実施の形態４のＣＯ変成器４００は、実施の形態１のＣＯ変成器１００と同様の構成であるが、本実施の形態４のＣＯ変成器４００では、第１のヘッダー４０１と第２のヘッダー４０２の空間を分ける仕切り板４０３の端に、図４（ａ）に示すように、一酸化炭素を浄化する触媒層４０５における触媒の欠片を受け取る触媒受け溝４１４を設けた点が異なる。

図４を参照しながら、ＣＯ変成器４００の機能および効果について説明する。改質ガスの流れは、図中に太線矢印で示されている。流入口４１１から送り込まれた改質ガスは、実施の形態１と同様、第１のヘッダー４０１から仕切り板４０３の複数の開口部４０３ａにそれぞれ設けられた複数の案内羽根４０６により、第２のヘッダー４０２に流れを直管方向から円周方向に変えながら流通し、第２のヘッダー４０２で旋回しながら触媒支持板４０４を介して、外筒４１０と内筒４０８間の触媒層４０５を流通して、第３のヘッダー４０７に集合して、ガス出口４１２より燃料電池に供給される。

改質ガスに対する熱の流れは、図中の白抜き矢印で示される。案内羽根４０６を流通した改質ガスは、ＣＯ変成器４００の内筒４０８の壁面に沿いながら、第２のヘッダー４０２の中を旋回しながら内筒４０８の熱交換部４０９と熱交換を行うと共に、旋回により改質ガスが混合される。

改質ガスが流通する触媒層４０５に充填された一酸化炭素を浄化する触媒は、改質ガス温度の上昇と下降が繰り返されることにより経時的に劣化し、触媒表面が剥がれることで触媒欠片が生成される。触媒欠片は、触媒支持板４０４のパンチング穴４１３を通って仕切り板４０３に落ちるため、案内羽根４０６の開口部を塞ぐ恐れがある。

本実施の形態４では、図４（ａ）の左図に拡大して示すように、触媒受け溝４１４を設置することにより、図４（ｂ）に示すように、第２のヘッダー４０２内で生じる旋回流れにより、触媒欠片４１５は、遠心力により外筒４１０方向に移動し、触媒受け溝４１４の中に落ち込む。これにより、触媒欠片４１５が案内羽根４０６の開口部に詰まることなく改質ガスが流通するため、触媒仕切り板４０４を介して触媒層４０５に流通する改質ガスの温度と濃度が均一化されるので、燃料電池に供給する改質ガスの一酸化炭素の濃度を低くするのに適した環境を形成することができる。

（実施例）
図６に示す実施例にて、より具体的に構成を説明する。本実施例は上述した実施の形態２の構成に基づくものである。

図６は本発明に係る燃料処理装置の実施例であるＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は実施例のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は実施例のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図、（ｃ）は実施例のＣＯ変成器における仕切り板部分を示す水平方向の概略断面図である。

本実施例で用いるＣＯ変成器６００では、効果を示すために実験用に改良を施した流入口６１１の構成以外は、図３に示す実施の形態２の構成と同様な構成である。

本実施例において、ＣＯ変成器６００の構成は、高さが約２００ｍｍ、内筒６０８の直径が約５０ｍｍ、外筒６１０の直径が約９０ｍｍである。外筒６１０と内筒６０８との間に構成される第１のヘッダー６０１の高さは約４０ｍｍであり、第１のヘッダー６０１の上部に仕切り板６０３を介して設置される第２のヘッダー６０２の高さは２０ｍｍである。

仕切り板６０３の開口部６０３ａに設けられた案内羽根６０６は２ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍの直方体形状であり、案内羽根６０６に設けられた出口６１４は２ｍｍ×１ｍｍの大きさである。案内羽根６０６は１枚の板から押し出し成形されている。案内羽根６０６は、仕切り板６０３の外径と内径の中央の円周上に３０°の等ピッチで配置されている。

触媒支持板６０４には、穴径が直径２ｍｍで約３ｍｍの等ピッチのパンチング穴６１３が全面に設けられている。触媒支持板６０４の上部には、触媒層６０５が設置されており、触媒層６０５には、直径約３ｍｍの球状の一酸化炭素を浄化する触媒が充填されている。なお、ＣＯ変成器６００の部材は約１ｍｍのステンレス板が用いられている。

図６において、既に説明した６０７は第３のヘッダー、６０９は熱交換部、６１２は流出口を示す。

また、本実施例では、本発明の効果を示すために、図６（ｃ）に示すように、第１のヘッダー６０１の側面に設けられた改質ガスの流入口６１１を鉛直方向に仕切る流入口仕切り板６１５を設けて、第１の流入口６１６からは、一酸化炭素濃度が５％、温度が３６０℃の改質ガスを流入させ、第２の流入口６１７からは、一酸化炭素濃度が１５％，温度が３００℃の改質ガスを流入させて、改質ガスの混合性と温度均一の効果を評価した。

（比較例）
図７は前記実施例と比較検討するための比較例であるＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は比較例のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は比較例のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図である。

本比較例の構成は、前記実施例の構成と基本的には同様であるが、実施例における図６に示す仕切り板６０３が設けられていない点が異なり、図６の第１のヘッダー６０１と第２のヘッダー６０２が一体となったヘッダー７０２となっている。ヘッダー７０２の側面に設けられた改質ガスの流入口７０１を鉛直方向に仕切る流入口仕切り板７１４を設けて、第１の流入口７１２からは、一酸化炭素濃度が５％、温度が３６０℃の改質ガスを流入させ、第２の流入口７１３からは、一酸化炭素濃度が１５％，温度が３００℃の改質ガスを流入させて、改質ガスの混合性と温度均一の効果を評価した。

図７において、７０３は触媒支持板、７０５は触媒層、７０７は上部のヘッダー、７０８は内筒、７０９は熱交換部、７１０は外筒、７１１は流出口、７１３は通穴を示す。

前記実施例と従来例を用いた燃料処理装置の運転を行い、定常運転時において、両ＣＯ変成器６００，７００の触媒層内における温度分布とＣＯ濃度分布を測定した結果について説明する。

温度とＣＯ濃度の測定は、図６（ａ），図７（ａ）に示すように、第１のヘッダー６０１または７０２の位置Ｓと、触媒層６０５および７０５の入口位置Ｅにおいて、図６（ｂ），図７（ｂ）に示すように、ガス入口の位置からＣＯ変成器６００およびＣＯ変成器７００の円周に沿って、０°（位置α），９０°（位置β），１８０°（位置γ），２７０°（位置δ）に角度を振った水平方向位置について測定した。

図８（ａ），（ｂ）は、実施例のＣＯ変成器６００および比較例のＣＯ変成器７００についての測定結果を示すものであって、いずれも高さ位置ＳおよびＥについて、水平方向位置α，β，γ，δと温度との関係を示す特性図である。

図９（ａ），（ｂ）は、実施例のＣＯ変成器６００および従来例のＣＯ変成器７００についての測定結果を示すものであって、いずれも高さ位置ＳおよびＥについて、水平方向位置α，β，γ，δと一酸化炭素濃度との関係を示す特性図である。

図８（ａ）に示す実施例の温度分布、図８（ｂ）に示す比較例の温度分布について検討すると、それぞれの位置Ｓにおける温度分布は、４点の最大値と最小値との差が約２５℃となる。また本実施例の方が比較例に比べて、約２℃差が大きくなることが分る。

これは、第１のヘッダー６０１と、ヘッダー７０２の高さが異なるために、内筒と改質ガスとの熱交換量が実施例の方が大きくなったと考えられる。

一方、位置Ｅにおける温度分布は、図８（ａ）に示す実施例の場合では約１℃以内で均一化されているのに対して、図８（ｂ）に示す比較例の場合では約３６℃と大きくなる。

つまり、比較例のＣＯ変成器７００では、位置Ｓにおける流入口７０１に近い位置αで約３１３℃、位置βでは約３３０℃、位置δ，γでは約３０４℃あって、改質ガスがヘッダー７０２を流れるときに、内筒７０８に設けられた冷却水流路との熱交換が生じて温度差がつき、位置Ｅにおける位置αで約３２１℃、位置βで３３９℃、位置δ，γでは約３０６℃となり、ヘッダー７０２内の改質ガスの流れは、管長手方向に混合されないまま触媒層内に流れ込むため、触媒層７０５内の温度はヘッダー７０２の温度分布と同傾向を示す。

これに対して、実施例のＣＯ変成器６００では、高さ位置Ｅでは、第１のヘッダー７０２内で、流入口６１１に近い位置αで約３０７℃、位置βで約３３０℃、位置γ，δでは約３０５℃あって、比較例と同様に、ガスが第１のヘッダー６０１を流れるときに内筒６０８に設けられた熱交換部６０９である冷却水流路との熱交換が生じて周方向に温度分布がつく。

しかしながら、触媒層６０５内部に設けられた位置Ｂでは、α，β，γ，δのいずれもが約３２８℃を示している。これは、改質ガスの熱交換は第１のヘッダー６０１では比較例と同様に行われているが、第２のヘッダー６０２で案内羽根６０６により改質ガスが旋回流れとなるため、改質ガスが混合されることにより温度が周方向に均一のまま、触媒層６０５に流入する。

図９（ａ）に示す実施例のＣＯ濃度分布、図９（ｂ）に示す比較例のＣＯ濃度分布について検討すると、それぞれの位置ＳにおけるＣＯ濃度分布は、最大値と最小値との差が約５％となる。一方、位置ＥにおけるＣＯ濃度分布は、図９（ａ）に示す実施例の場合では約０．１％以内で均一化されているのに対して、図９（ｂ）に示す比較例では約４．４％となる。

つまり、比較例のＣＯ変成器７００では、位置Ｓにおける流入口７０１に近い位置αで約１５％、位置βで約１１％、位置δ、γでは約１７％あって、位置Ｅにおける位置αで約１６％、位置βで１２％、位置δ、γでは約１６％となり、ヘッダー７０２内の改質ガスの流れは、管長手方向に混合されないまま触媒層７０５内に流れ込むため、触媒層内のＣＯ濃度はヘッダー７０２と同傾向を示す。

これに対して、実施例のＣＯ変成器６００では、高さ位置Ｅでは、第１のヘッダー７０２内で、流入口６１１に近い位置αで約１５％、位置βで約１２％、位置γ，δでは約１６％あって、比較例と同様に、改質ガスが第１のヘッダー６０１を流れるときに内筒７０８に設けられた冷却水流路との熱交換が生じて周方向に温度分布がつく。

しかしながら、触媒層６０５内部に設けられた位置Ｂでは、α，β，γ，δのいずれもが約１５％とほぼ均一な値を示している。これは、改質ガスの熱交換は第１のヘッダー６０１では比較例と同様に行われているが、第２のヘッダー６０２で案内羽根６０６により改質ガスが旋回流れとなり、改質ガスが混合されることによりＣＯ濃度が均一になり、改質ガスのＣＯ濃度が周方向に均一のまま、触媒層６０５に流入するためである。このように、実施例のＣＯ変成器６００では、比較例７００と比べて、触媒層に入る改質ガスの温度とＣＯ濃度が均一化されていることが分る。

なお、前記実施の形態においては、改質ガスがＣＯ変成器の触媒層内を下から上に流れる構造を示したが、逆に上から下に流れる構造でも同様に実施することができる。また、ＣＯ変成器を例に示したが、改質触媒や一酸化炭素選択酸化触媒へも実施することができる。

また、流入口について、第１のヘッダーに流入する改質ガスは、円筒長手方向に対して垂直方向へ流入するパイプ構成で説明したが、この他に、円筒長手方向の底面から流入する構成でも実施することで効果を得られる。

また、前記実施の形態においては、二重円筒管構造のＣＯ変成器の例を示したが、楕円型や凸多角形の二重管構造の一酸化炭素変成器において同様に実施することができる。

また、前記実施の形態においては、ＣＯ変成器の内筒に熱交換体を用いた燃料電池用の燃料処理装置を示したが、外筒に熱交換体を用いた燃料電池用燃料処理装置でも同様に実施することができ、触媒層に入るガス温度と濃度を均一化し、一酸化炭素を浄化する反応に適した環境を形成することができる。

本発明は、改質器，一酸化炭素変成器や脱硫器などの燃料電池用燃料処理装置に適用され、熱交換体が周囲に設けられた二重筒構造の燃料電池用燃料処理装置に実施して有効であって、特に、燃料電池用の有毒ガスを浄化する反応器に実施することによって、触媒反応を良好に行い改質ガス中の有毒ガスを低減するのに寄与できる点で実用的効果が大きい。

本発明に係る燃料処理装置の実施の形態１としての一酸化炭素を浄化するＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は実施の形態１のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は実施の形態１のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図、（ｃ）は実施の形態１のＣＯ変成器における仕切り板部分を示す水平方向の概略断面図（ａ）〜（ｃ）は本実施の形態における仕切り板の案内羽根についての加工法の三例についての説明図本発明に係る燃料処理装置の実施の形態２であるＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は実施の形態２のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は実施の形態２のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図、（ｃ）は実施の形態２のＣＯ変成器における仕切り板部分を示す水平方向の概略断面図本発明に係る燃料処理装置の実施の形態３であるＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は実施の形態３のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は実施の形態３のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図、（ｃ）は実施の形態３のＣＯ変成器における仕切り板部分を示す水平方向の概略断面図従来のＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は従来例のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は従来例のＣＯ変成器における水平方向の概略断面図本発明に係る燃料処理装置の実施例であるＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は実施例のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は実施例のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図、（ｃ）は実施例のＣＯ変成器における仕切り板部分を示す水平方向の概略断面図実施例と比較検討するための比較例であるＣＯ変成器の概略構成図であり、（ａ）は比較例のＣＯ変成器における垂直方向の概略断面図、（ｂ）は比較例のＣＯ変成器における触媒支持板部分を示す水平方向の概略断面図実施例と比較例のＣＯ変成器についての実験結果を示す温度に関する特性図実施例と従来例のＣＯ変成器についての実験結果を示すＣＯ濃度に関する特性図

符号の説明

１０１，３０１，４０１第１のヘッダー
１０２，３０２，４０２第２のヘッダー
１０３，３０３，４０３仕切り板
１０３ａ，３０３ａ，４０３ａ仕切り板の開口部
１０４，３０４，４０４触媒支持板
１０５，３０５，４０５触媒層
１０６，３０６，４０６案内羽根
１０７，３０７，４０７第３のヘッダー
１０８，３０８，４０８内筒
１１０，３１０，４１０外筒
４１４触媒受け溝

Claims

外壁面に熱交換体が設けられた内筒と、ガス流入口及び流出口を有する外筒との間の空間に、前記ガス流入口が設けられた第１のヘッダーと、該第１のヘッダーに隣接して設けられた第２のヘッダーと、前記第１のヘッダーと前記第２のヘッダーとを区切る仕切り板と、該仕切り板に設けられかつ前記第１のヘッダーから前記第２のヘッダーへ前記ガスを流通させる開口部と、該仕切り板の開口部から前記流出口まで前記ガスが流通する間に触媒層とを備えた燃料処理装置において、
前記仕切り板の前記開口部に前記ガスを旋回させる案内羽根を設けたことを特徴とする燃料処理装置。
前記仕切り板に、前記開口部と前記案内羽根とを複数個設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料処理装置。
前記仕切り板の端部に前記触媒層からの触媒片を受ける触媒受け部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料処理装置。