(57)【要約】  改質部１から一酸化炭素低減部２、３へ導入する水素含有ガスの温度を制御する温度調整部８を有する水素生成装置であって、温度調整部８は、冷却用空気を通過させる空気経路１１を有する熱交換部２６と、空気経路１１に冷却用空気を取り入れるための開口を有する空気取り入れ部１０と、空気経路１１から冷却用空気を排出するための開口を有する空気排出部１２とを備え、空気取り入れ部１０および空気排出部１２における開口は同一方向を向いており、同一方向は鉛直上方向または鉛直下方向である。
2008149516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を用いて原料を水蒸気改質し、水素含有ガスを生成させる改質部と、
前記改質反応に必要な熱を前記改質部に供給する加熱部と、
一酸化炭素低減触媒を用いて前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、
前記改質部から前記一酸化炭素低減部へ導入する前記水素含有ガスの温度を制御する温度調整部と
を有する水素生成装置であって、
前記温度調整部は、
冷却用空気を通過させる空気経路を有する熱交換部と、
前記空気経路に前記冷却用空気を取り入れるための開口を有する空気取り入れ部と、
前記空気経路から前記冷却用空気を排出するための開口を有する空気排出部と
を備え、
前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は同一方向を向いており、前記同一方向は鉛直上方向または鉛直下方向である水素生成装置。
【請求項２】
前記同一方向は鉛直下方向である請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記空気経路は、鉛直方向と垂直な方向に沿って延びる部分を含む請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は、同一の高さに設けられている請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記空気取入れ部は冷却ファンを含み、前記空気取入れ部の開口は前記冷却ファンの吸込口である請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記改質部で生成された前記水素含有ガスを通過させる改質ガス経路を有しており、前記改質ガス経路は前記改質部から鉛直方向に延びている請求項５に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記温度制御部は、前記冷却ファンがオフのときには前記空気経路内の空気が対流しにくいように構成されている請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部は断熱部材によって断熱されている請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記一酸化炭素低減部は、
変成触媒を用いて、一酸化炭素と水蒸気との変成反応を行う変成部と、
前記変成部の下流側に配置され、選択酸化触媒を用いて一酸化炭素を酸化させる選択酸化部と
を備え、
前記温度調整部は、前記改質部と前記変成部との間および前記変成部と前記選択酸化部との間のうち少なくとも一方に設けられている請求項８に記載の水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料と水蒸気との改質反応により水素含有ガスを生成する改質部、および、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部を備えた水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は小型でも高効率な発電を行うことができるため、分散型エネルギー供給源の発電装置として注目され、その開発が進められている。【０００３】
燃料電池では、発電時の燃料として水素ガスを利用する。現在、水素ガスを供給するための一般的なインフラが整備されていないので、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される化石原料を用いて水素含有ガスを生成し、燃料として利用している。従って、燃料電池には、上記化石原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する水素生成装置が併設される。【０００４】
しかし、化石原料を利用する場合、生成した水素含有ガス中に原料由来の一酸化炭素（ＣＯ）が含まれてしまうという問題がある。リン酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池では、高濃度の一酸化炭素が水素含有ガスに含まれると、燃料電池の電極に用いるＰｔ触媒が一酸化炭素によって被毒され、燃料電池の出力が大幅に低下するおそれがある。このため、水素生成装置には、生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するための一酸化炭素低減部が設けられる。一酸化炭素低減部は、変成触媒を用いて、水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させる変成部と、選択酸化触媒を用いて、変成部を通過した後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化させる選択酸化部とを有している。【０００５】
一酸化炭素低減部では、触媒反応によって一酸化炭素濃度を低減させており、その性能は触媒温度に依存する。従って、一酸化炭素濃度を効果的に低減するためには、触媒温度を制御することが重要である。【０００６】
そこで、例えば特許文献１には、改質反応後の水素含有ガスを空冷して触媒温度を制御し、一酸化炭素濃度を所望の濃度以下に低減する構成が提案されている。また、特許文献２には、変成触媒を２つに分割して直列に配置し、その間に水素含有ガスを空冷するための冷却部を設ける構成が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−１１９００４号公報
【特許文献２】特開２００２−１２８５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および２の構成では、何れも空冷を利用しているため、触媒温度を正確に調節することが困難である。空冷を利用した冷却の場合、触媒温度が十分に低く、水素含有ガスを冷却する必要のないとき（例えば装置起動時）であっても、ドラフト現象により冷却用空気に流れが発生して水素含有ガスが冷却されてしまうおそれがある。その結果、触媒温度が所定の温度よりも低くなり、一酸化炭素低減部の性能が大幅に低下する可能性がある。また、一酸化炭素低減部の性能を確保しようとすると、触媒温度の変動する範囲を考慮して、一酸化炭素低減部における触媒使用量を必要量よりも増加させておく必要があった。【０００８】
一方、より正確に温度制御を実現するためには水冷を利用することも考えられるが、燃料電池の水素生成装置に水冷を利用することは多くの困難を伴う。例えば、改質反応によって得られる水素含有ガスの温度は例えば７００℃と高く、このような水素含有ガスと冷却水とを熱交換させると、冷却水が冷却水管内で突沸し、装置に悪影響を及ぼす可能性があるからである。また、装置構成が複雑になり、装置のコンパクト化を実現できないという問題もある。【０００９】
このように、従来の水素生成装置では、一酸化炭素低減部に使用される触媒の温度を厳密に制御することが難しいという問題があった。そのため、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を所望の濃度まで確実に低減できない可能性があり、また、一酸化炭素濃度を確実に低減しようとすると、触媒使用量を増大させる必要があった。【００１０】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、改質反応により生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部において、冷却用空気を利用して水素含有ガスの温度をより正確に制御し、一酸化炭素濃度をより効率的に低減させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水素生成装置は、改質触媒を用いて原料を水蒸気改質し、水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を前記改質部に供給する加熱部と、一酸化炭素低減触媒を用いて前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、前記改質部から前記一酸化炭素低減部へ導入する前記水素含有ガスの温度を制御する温度調整部とを有する水素生成装置であって、前記温度調整部は、冷却用空気を通過させる空気経路を有する熱交換部と、前記空気経路に前記冷却用空気を取り入れるための開口を有する空気取り入れ部と、前記空気経路から前記冷却用空気を排出するための開口を有する空気排出部とを備え、前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は同一方向を向いており、前記同一方向は鉛直上方向または鉛直下方向である。【００１２】
ある好ましい実施形態において、前記同一方向は鉛直下方向である。【００１３】
前記空気経路は、鉛直方向と垂直な方向に沿って延びる部分を含むことが好ましい。【００１４】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は、同一の高さに設けられていてもよい。【００１５】
前記空気取入れ部は冷却ファンを含み、前記空気取入れ部の開口は前記冷却ファンの吸込口であってもよい。【００１６】
前記改質部で生成された前記水素含有ガスを通過させる改質ガス経路を有しており、前記改質ガス経路は前記改質部から鉛直方向に延びていてもよい。【００１７】
前記温度調整部は、前記冷却ファンがオフのときには前記空気経路内の空気が対流しにくいように構成されていることが好ましい。【００１８】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部は断熱部材によって断熱されていることが好ましい。【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記一酸化炭素低減部は、変成触媒を用いて、一酸化炭素と水蒸気との変成反応を行う変成部と、前記変成部の下流側に配置され、選択酸化触媒を用いて一酸化炭素を酸化させる選択酸化部とを備え、前記温度調整部は、前記改質部と前記変成部との間および前記変成部と前記選択酸化部との間のうち少なくとも一方に設けられている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の水素生成装置によると、温度調整部の空気取り入れ部および空気排出部の間で発生するドラフト現象による空気の流れを抑制することができるので、温度調整部によって一酸化炭素低減部に導入される水素含有ガスの温度をより厳密に制御できる。従って、一酸化炭素低減部で使用する触媒の温度を、反応（変成反応、選択酸化反応など）に適する温度に正確に制御できるので、一酸化炭素濃度をより効率的に低減することが可能になる。また、一酸化炭素低減部での触媒使用量を最適化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態の水素生成装置の鉛直方向に沿った模式的な断面図および水平方向に沿った模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図４】本発明の第１実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図５】本発明の第１実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図６】本発明の第２実施形態の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図７】本発明の第２実施形態の他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図８】本発明の第２実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１        改質部
２        変成部
３        選択酸化部
４        加熱部
５        改質温度検出部
６        変成温度検出部
７        選択酸化温度検出部
８、８’  温度調整部
９、９’  空冷ファン
１０、１０’    空気取り入れ部
１１、１１’    空気ダクト
１２、１２’    空気排出部
１３      原料・水導入部
１４      選択酸化空気導入部
１５      水素含有ガス導出部
１６      燃料・燃焼空気導入部
１７      空冷ファンガイド
１８      出口ガイド
２０      断熱材
２３      燃焼ガス流路
２４      原料流路
２５      改質ガス流路
２６      熱交換部
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による水素生成装置の第１の実施形態を説明する。本実施形態は、改質部、変成部および選択酸化部が円筒状の筒体に一体的に構成された一体型の水素生成装置である。【００２４】
＜水素生成装置１０１の構成＞
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本実施形態の水素生成装置を模式的に示す鉛直方向および水平方向の断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ’線に沿った断面を示している。また、図２は、水素生成装置１０１の模式的な側面図である。【００２５】
水素生成装置１０１は、Ｒｕ系改質触媒を有する改質部１と、Ｃｕ−Ｚｎ系変成触媒を有する変成部２と、Ｒｕ系選択酸化触媒を有する選択酸化部３と、加熱部４と、改質部１と変成部２との間に配置された温度調整部８とを備える。【００２６】
ここでは、加熱部４は改質部１を加熱するためのバーナーである。加熱部４は、筒体の中央部に配置され、加熱部４の下方に火炎を形成するように燃料を燃焼させる。水素生成装置１０１は多重筒構成となっており、加熱部４を中心として、その外側に改質部１、変成部２、選択酸化部３が下からこの順で配置されている。また、筒体の上方に設けられ、加熱部４で使用する燃料を供給する燃料・燃焼空気導入部１６と、加熱部４で燃料を燃焼させて得られた燃焼ガスを鉛直上向きに流す燃焼ガス流路２３と、筒体の上方に設けられ、改質反応に必要な水と原料（都市ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の原料）を供給する原料・水導入部１３と、原料および水を改質部１まで送る原料・水流路２４と、改質部１において改質反応によって得られた水素含有ガス（改質ガス）を、変成部２および選択酸化部３にこの順で送る改質ガス流路２５と、変成部２および選択酸化部３で一酸化炭素が低減された水素含有ガスを外部の装置（例えば燃焼電池）に供給する水素含有ガス導出部１５とが設けられている。さらに、変成部２と選択酸化部３との間には、選択酸化反応に必要な空気を供給するための選択酸化空気導入部１４が設けられている。【００２７】
改質部１、変成部２、および選択酸化部３には、各々に設置した触媒の温度あるいは各々の触媒を通過するガス温度を検出するための改質触媒温度検出部５、変成触媒温度検出部６、および選択酸化触媒温度検出部７が設けられている。本実施形態におけるこれらの検出部５、６および７は熱電対である。【００２８】
温度調整部８は、水素生成装置１０１の外壁面であり、かつ、変成部２の下側（上流側）に配置されており、冷却用の空気を取り入れるための開口を有する空気取り入れ部１０と、冷却空気と改質ガス流路２５を流れる水素含有ガスとの間で熱交換を行う熱交換部２６と、熱交換を行った後の空気を排出する開口を有する空気排出部１２と、冷却用の空気を空気取り入れ部１０から空気排出部１２まで強制的に流すための冷却ファン（空冷ファン）９とを有している。【００２９】
熱交換部２６は、空気取り入れ部１０から空気排出部１２に向かって、水素生成装置１０１の外壁面に沿って冷却空気を水平方向に流す空気ダクト（空気経路）１１を有している。図２に示すように、空気ダクト１１は、水素生成装置１０１の筒体の外壁面一部を覆うように全周に設けられている。【００３０】
本実施形態における温度調整部８は、空冷ファン９としてシロッコファンが用いられている。空冷ファン９の吸込口は空気取入れ部１０の開口として機能している。また、空冷ファン９の吐出口は空気ダクト１１に接続されている。また、空気取り入れ部１０の開口（すなわち空冷ファン０の吸込口）および空気排出部１２の開口は、略同じ高さに設けられ、かつ、何れも鉛直上向きである。また、空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口のサイズは特に限定しないが、空冷ファン９の圧損を考慮すると、空気排出部１２の開口の面積は、空気取り入れ部１０の開口の面積以上であることが好ましい。【００３１】
なお、図１および図２に図示していないが、水素生成装置１０１の外壁面からの放熱を防止するため、筒体の外壁面を覆うように断熱材が設けられていることが好ましい。断熱材としては、断熱材中の空気対流を極力制限する真空断熱材等の断熱性能が優れたものを用いることが望ましい。【００３２】
＜水素生成装置１０１の動作＞
次いで、図１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本実施形態における水素生成装置１０１の動作を説明する。【００３３】
燃料・燃焼空気導入部１６から燃料および空気を供給し、加熱部４で着火して燃焼させる。着火の詳細な動作の説明は省略する。加熱部４で燃焼させる燃料として、水素生成装置１０１の動作初期では、改質させる原料、例えば都市ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の原料を用い、加熱の進行に伴い、水素生成装置１０１で生成した水素含有ガスを用いることができる。水素生成装置１０１で生成した水素含有ガスを燃料電池に供給する場合には、水素含有ガスを燃料電池に供給した後、燃料電池のオフガスを燃料として用いてもよい。【００３４】
燃焼後の燃焼排ガスは、矢印２３ａで示すように、燃焼ガス流路２３を鉛直上方向に流れる。このとき、改質部１を加熱し、続いて、原料・水流路２４内を流れて改質部１に供給される原料および水を加熱する。この後、水素生成装置１０１から排気される。【００３５】
一方、原料・水導入部１３からは、改質反応に必要な原料および水を供給する。本実施形態では、原料として、脱硫部（図示せず）で付臭成分を除去した天然ガスを主成分とする都市ガスを用いる。原料と同時に供給する水として、イオン交換樹脂により不純物が除去された水を用いる。原料の平均分子式中の炭素原子数１モルに対して３モル程度の水蒸気を存在させる量の水を供給することが好ましい（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。【００３６】
原料および水は、矢印２４ａで示すように、原料・水流路２４を鉛直下方向に改質部１まで送られ、改質部１で原料の水蒸気改質が行われる。炭化水素系の原料を用いる場合には、改質反応により、原料から水素、一酸化炭素および二酸化炭素が得られる。この後、改質反応によって得られた水素含有ガスは、矢印２５ａに示すように、改質ガス流路２５を通って、変成部２に送られて変成される（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2）。変成部２を通過した後の水素含有ガスは、選択酸化空気導入部１４から供給される選択酸化に必要な空気とともに選択酸化部３に送られる。選択酸化部３では、水素含有ガス中の一酸化炭素の選択酸化が行われる（ＣＯ＋Ｏ2→ＣＯ2）。これにより、最終的に一酸化炭素濃度を約２０ｐｐｍ以下まで低減させた水素含有ガスが生成され、水素含有ガス導出部１５から外部の装置に供給される。【００３７】
加熱部４での燃焼量は、改質部１の水素含有ガスの出口側に設けられる改質温度検出部５の温度に基づいて制御される。本実施形態では、改質部１でＲｕ系改質触媒を用いるので、改質温度検出部５の温度が６５０℃になるように、燃焼量を制御する。【００３８】
変成部２での変成触媒温度は、変成部２の水素含有ガスの流れ入口側に設けられる変成温度検出部６の温度に基づいて、温度調整部８を動作させて制御する。本実施形態では、変成触媒としてＣｕ−Ｚｎ系変成触媒を用いるので、変成温度検出部６で検出する温度が２２０℃となるように、空冷ファン９の動作を制御する。【００３９】
具体的には、空冷ファン９を動作させて、空気取り入れ部１０から取り入れた空気を空気ダクト１１に沿って送り、素生成装置１０１の外壁面を介して、改質ガス流路２５を通過する水素含有ガスと熱交換させた後、空気排出部１２から排出させる。これにより、水素含有ガスを冷却できる。本実施形態では、改質部１で生成された後、変成部２に導入される前の水素含有ガスを冷却し、変成部２の水素含有ガス入口における水素含有ガスの温度を所定の温度まで低下させる。水素含有ガス入口における水素含有ガスの温度が十分に低いときには、空冷ファン９の動作を停止する。このようにして、空冷ファン９のオンオフを切り替えて、変成部２に導入する前の水素含有ガスの温度を制御することにより、変成部２で使用する変成触媒の温度制御を行う。【００４０】
選択酸化部３で使用する選択酸化触媒の温度は、選択酸化部３の水素含有ガス入口側に設けられた選択酸化温度検出部７の温度に基づいて、選択酸化空気導入部１４から供給する空気量を調整することにより制御される。本実施形態では、用いた触媒の特性を考慮して、選択酸化温度検出部７で検出される温度が１５０℃となるように、空気の供給量を制御する。【００４１】
なお、改質部１、変成部２および選択酸化部３で用いられる触媒の種類は上記に限定されず、他の触媒を用いてもよい。なお、使用する触媒の種類によって好ましい触媒温度が変わるため、好ましい触媒温度に応じた温度制御を行う。【００４２】
＜水素生成装置１０１の特有な構成と効果＞
水素生成装置１０１における温度調整部８では、空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口は何れも鉛直上方向を向いている。なお、これらの開口は何れも鉛直下方向を向いていてもよい。空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口が同一方向を向き、かつ、その同一方向が鉛直上方向または鉛直下方向であれば、空冷ファン９の動作が停止しているときに、空気ダクト１１内であたためられて軽くなった空気が何れの開口から出やすいか優劣がつきにくいため、一定方向の自然対流が生じにくい。従って、空冷ファン９がオフのときに、空気ダクト１１内の自然対流によって変成部２に導入される水素含有ガスが冷却されてしまうことを防止できる。よって、空冷ファン９の動作を制御することにより、変成部２に導入される水素含有ガスの温度をより正確に制御することが可能になる。また、空冷ファン９の動作の切り換えに対する、変成部２に導入される水素含有ガスの温度の追従性を向上できる。【００４３】
さらに、変成触媒を直接冷却せず、変成部２に導入される前の水素含有ガスを冷却するため、変成触媒の一部が過冷却される確率を低減できる。【００４４】
その上、変成触媒温度をより正確に制御できるので、温度制御時の変成触媒温度の変化幅が小さくなり、その結果、変成部２の水素含有ガス出口における一酸化炭素濃度の変化幅も小さくできる。変成部２の改質ガス出口における一酸化炭素濃度の変化幅が小さくなると、選択酸化部３に導入する前の水素含有ガスに供給する選択酸化反応に必要な空気量も少なくできるので、水素生成装置１０１の水素含有ガス導出部１５から導出される水素含有ガスの水素濃度を高くできるという効果も得られる。さらに、常温状態からの装置起動時には、主に改質部１で生成された水素含有ガスの有する熱量で変成部２の変成触媒を加熱できる。このとき、上述したように空気ダクト１１内の空気の対流が抑制されているので、空気の対流によって水素含有ガスが冷却されることによる変成触媒の加熱速度の低下を抑制できる。このように、温度調整部８（空冷ファン９）の非動作時には、変成触媒を速やかに加熱できるので有利である。【００４５】
これに対し、特許文献１に開示された冷却構成では、空気取り入れ部の開口が鉛直上向き、空気排出部の開口が鉛直下向きであり、これらの開口が同一方向を向いていない。また、特許文献２に開示された冷却構成では、空気取り入れ部および空気排出部の開口が同一方向を向いておらず、かつ、それらの開口の向きが鉛直下方向でも鉛直上方向でもない。このような場合には、空冷ファンをオフにしても、空気ダクト内で空気が温度差によって対流し、空気取り入れ部または空気排出部から空気が流出する。この結果、空気ダクト内にドラフト現象による空気の流れが発生するので、変成部が冷却されてしまい、冷却ファンの動作によって変成部の触媒温度を速やかに、かつ、正確に制御できないおそれがある。【００４６】
なお、水素改質装置１０１では、空気取り入れ部１０および空気排出部１２における開口は鉛直上方向を向いているが、後述する実施形態のように、これらの開口は鉛直下方向を向いていてもよい。これらの開口が、重力方向に対して下向きであれば、あたためられた空気が開口から出にくいので、ドラフト現象による空気流れの発生をより効果的に抑制できるので有利である。【００４７】
本実施形態における空気ダクト１１は、空気を水平方向に通過させる部分を含んでいることが好ましい。本明細書では、「水平方向」は、重力の方向（鉛直方向）に垂直な方向を指す。これにより、空気ダクト１１内で、空気の温度差に起因して空気が対流することをより確実に抑えることができる。【００４８】
また、空気取り入れ部１０および空気排出部１２における開口を略同一の高さに設けることが好ましい。空気取り入れ部１０の開口および空気排出部１２の開口に高低差があると、空冷ファン９の動作が停止しているときでも、空冷ダクト１１内での空気の温度差による対流が発生し、これらの開口のうち上方に位置する方から空気が流出する。その結果、下方に位置する開口から上方に位置する開口へ向かう空気の流れが発生し、変成部２が冷却されるおそれがある。これに対し、本実施形態のように、空気取り入れ部１０および空気排出部１２における開口の高さを略同一にすると、特定の開口から空気が流出しにくくなるので、一方の開口から他方の開口に向かって一定方向に空気の流れが発生することを防止できる。【００４９】
本実施形態における温度調整部８は空冷ファン９を備え、空冷ファン９の吸込口を空気取り入れ部１０の開口として利用している。これにより、より単純な構成で、温度調整部８の動作を制御できる。また、空冷ファン９として、シロッコファンも用いることが好ましい。この場合、シロッコファンの吸込口を鉛直上方向、吐出口を水平方向に向けることにより、自然対流を抑えつつ、吐出口からの空気を効率良く空気ダクト１１に送ることができる。【００５０】
本発明における温度調整部８は、上述したような構成に限定されない。温度調整部８が動作していないときに（空冷ファン９を有する場合には、空冷ファン９がオフのとき）空気ダクト１１内の空気の自然対流が生じにくく、かつ、温度調整部８を動作させることにより、空気取り入れ部１０から空気排出部１２に向かって空気が強制的に流れるように構成されていればよい。なお、「自然対流が生じにくい」構成とは、例えば、空気ダクト１１の内部に邪魔板を設ける構成、空気流路を迷路のように複雑にする構成など、空気の流通を妨げる構成を含む。【００５１】
なお、本明細書において、「空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口が同一方向に向いている」とは、ドラフト現象による空気の対流が発生しても、変成触媒がほとんど冷却されないような範囲内であれば、これらの開口方向にズレがある場合も含むものとする。開口方向のズレは、例えば２０°以内である。同様に、開口方向が「鉛直上方向または鉛直下方向である」とは、上記範囲内であれば開口方向が鉛直上方向または鉛直下方向からずれている場合も含む。例えば、「鉛直上方向」は、重力の方向に沿った上方向に対して±１０°以内の角度をなす方向を含み、「鉛直下方向」は、重力の方向に対して±１０°以内の角度をなす方向を含む。さらに、「空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口の高さが略同一である」とは、上記範囲内であれば、これらの開口に高低差が生じている場合も含むものとする。なお、「開口の高さ」とは、その開口の中心の高さをいう。【００５２】
また、本発明における温度調整部８は、一酸化炭素低減部で用いられる触媒の温度を制御できればよく、改質部１と変成部２との間に設けられて、変成部２に送られる前の水素含有ガスを冷却してもよいし、変成部２と選択酸化部３との間に設けられて、変成部２を通過した後、選択酸化部３に送られる前の水素含有ガスを冷却してもよい。あるいは、改質部１と変成部２との間、および、変成部２と選択酸化部３との間にそれぞれ温度調整部８が設けられていてもよい。さらに、特許文献２に開示されているように、水素含有ガスの流れに対して、変成触媒を２箇所に分割して配置し、その間を通過する水素含有ガスを冷却するように温度調整部８を配置してもよい。【００５３】
＜温度調整部８の他の構成＞
図３は、本実施形態の他の水素生成装置の模式的な側面図である。簡単のため、水素生成装置１０１と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。【００５４】
図３に示す水素生成装置１０２では、温度調整部８は、空気ダクト１１と空冷ファン９との間に配置された冷却ファンガイド１７と、空気ダクト１１の空気排出部１２側に配置された出口ガイド１８とを備えている。冷却ファンガイド１７および出口ガイド１８は、空気ダクト１１の下方に設けられている。空気取り入れ部１０および空気排気口１２の開口は何れも鉛直上方向を向いており、かつ、同じ高さに設けられている。このような構成では、温度調整部８に高低差が存在しており、空気取り入れ部１０から空気排出部１２に向かって空気が水平方向に流れない。しかしながら、空気取り入れ部１０および空気排気口１２の開口が同一方向（鉛直上方向）を向いており、かつ、同じ高さに設置されているので、空気ダクト１１内においてドラフト現象による空気流れの発生を抑制でき、その結果、正確な温度制御を実現できる。【００５５】
図４は、本実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。簡単のため、図３に示す水素生成装置１０２と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。【００５６】
図４に示す水素生成装置１０３では、冷却ファンガイド１７は空気ダクト１１の下側に設けられ、出口ガイド１８は空気ダクト１１から上方向に延びている。また、図示しないが、出口ガイド１８および冷却ファンガイド１７の断熱性を高めている点で、前述の水素生成装置１０１、１０２と異なっている。この構成では、空気排出部１２の開口と空気取り入れ部１０の開口とは同じ高さに位置していないが、何れの開口も鉛直上方向を向いているので、空気ダクト１１内の空気の対流が抑制されている。さらに、出口ガイド１８および冷却ファンガイド１７が断熱されており、出口ガイド１８および冷却ファンガイド１７の内部に大きな温度差が生じないので、ドラフト現象による空気流れの発生をより効果的に防止できる。【００５７】
図５は、本実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。簡単のため、図１に示す水素生成装置１０１と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。【００５８】
図５に示す水素生成装置１０４は、外壁面の外側に設ける断熱材２０を用いて空気ダクト１１を形成している点で水素生成装置１０１と異なっている。具体的には、水素生成装置１０１の外壁面外側の断熱材２０の内側の一部を削り、水素生成装置１０１の外壁面周囲に空気が流通する部分（空気経路）を構成している。また、断熱材２０の外壁面に空冷ファン９を設置し、空冷ファン９の吸込口を空気取り入れ部１０の開口として機能させている。この構成によると、空気ダクト１１を構成する部材が不要となる。【００５９】
（第２実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による第２実施形態の水素生成装置を説明する。本実施形態では、空気取り入れ部および空気排出部の開口が何れも鉛直下方向を向いている点で、図１〜図５を参照しながら説明した第１実施形態と異なる。【００６０】
図６は、本実施形態の水素生成装置の模式的な側面図である。簡単のため、図１に示す水素生成装置１０１と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。【００６１】
本実施形態では、温度調整部８における空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口は何れも鉛直下方向に向いている。このように、重力方向に対して下向きに開口を設けることにより、ドラフト現象による空気流れの発生を効果的に抑制できる。また、本実施形態では、これらの開口の高さは略等しいので、空気流れの発生をより確実に抑えることができる。【００６２】
図７は、本実施形態の他の水素生成装置の模式的な側面図である。図７に示すように、温度調整部８は、空気ダクト１１と空冷ファン９との間に配置された冷却ファンガイド１７と、空気ダクト１１の空気排出部１２側に配置された出口ガイド１８とを備えていてもよい。例えば図示するように、空気排出部１２の開口が空気取り入れ部１０の開口よりも上に位置していてもよい。空気取り入れ部１０の開口と空気排出部１２の開口との高さが異なっていても、これらの開口が何れも鉛直下方向を向いていると、空気ダクト１１内に空気の対流が生じにくい。よって、空冷ファン９の動作を制御することにより、触媒温度をより正確に調整できる。【００６３】
上述したように、本実施形態の水素生成装置は複数の温度調整部８を備えていてもよい。図８は、複数の温度調整部を備えた水素生成装置を例示する模式的な側面図である。【００６４】
図８に示す水素生成装置１０７は、変成部２に導入される前の水素含有ガスを冷却する温度調整部８と、選択酸化部３に導入される前の水素含有ガスを冷却する温度調整部８’とを備えている。各温度調整部８、８’の構成は特に限定されないが、何れも、空気ダクト１１、１１’内の空気に自然対流が生じにくい構成を有していることが好ましい。なお、本発明の水素生成装置は、３以上の温度調整部を備えていてもよい。【００６５】
上記実施形態１および２の水素生成装置は、改質部１、変成部２および選択酸化部３が１つの筒体内部に一体的に構成された一体型の水素生成装置であるが、改質部１、変成部２および選択酸化部３は別個に構成されていてもよく、その場合にも、変成部２または選択酸化部３へ導入される前の水素含有ガスを冷却するように温度調整部８を配置すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を有する水素生成装置に広く適用可能である。特に、改質反応温度が高く（６００℃以上、例えば６５０℃）、かつ、改質部および一酸化炭素低減部が一体的に構成された水素生成装置に適用すると、触媒温度の制御性を従来よりも大幅に高めることができるので有利である。【００６７】
本発明は、燃料電池発電システムに使用される水素生成装置に好適に使用される
【図１】
2008149516.tif 000003
【図２】
2008149516.tif 000004
【図３】
2008149516.tif 000005
【図４】
2008149516.tif 000006
【図５】
2008149516.tif 000007
【図６】
2008149516.tif 000008
【図７】
2008149516.tif 000009
【図８】
2008149516.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月10日(2008.11.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を用いて原料を水蒸気改質し、水素含有ガスを生成させる改質部と、
前記改質反応に必要な熱を前記改質部に供給する加熱部と、
一酸化炭素低減触媒を用いて前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、
前記改質部から前記一酸化炭素低減部へ導入する前記水素含有ガスの温度を制御する温度調整部と
を有する水素生成装置であって、
前記温度調整部は、
冷却用空気を通過させる空気経路を有する熱交換部と、
前記空気経路に前記冷却用空気を取り入れるための開口を有する空気取り入れ部と、
前記空気経路から前記冷却用空気を排出するための開口を有する空気排出部と
を備え、
前記空気取り入れ部は冷却ファンを含み、前記空気取り入れ部の開口は前記冷却ファンの吸込口であり、
前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は同一方向を向いており、前記同一方向は鉛直上方向または鉛直下方向である水素生成装置。
【請求項２】
前記同一方向は鉛直下方向である請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記空気経路は、鉛直方向と垂直な方向に沿って延びる部分を含む請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は、同一の高さに設けられている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
前記改質部で生成された前記水素含有ガスを通過させる改質ガス経路を有しており、前記改質ガス経路は前記改質部から鉛直方向に延びている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記温度調整部は、前記冷却ファンがオフのときには前記空気経路内の空気が対流しにくいように構成されている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部は断熱部材によって断熱されている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記一酸化炭素低減部は、
変成触媒を用いて、一酸化炭素と水蒸気との変成反応を行う変成部と、
前記変成部の下流側に配置され、選択酸化触媒を用いて一酸化炭素を酸化させる選択酸化部と
を備え、
前記温度調整部は、前記改質部と前記変成部との間および前記変成部と前記選択酸化部との間のうち少なくとも一方に設けられている請求項１に記載の水素生成装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
ガスは、矢印２５ａに示すように、改質ガス流路２５を通って、変成部２に送られて変成される（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２）。変成部２を通過した後の水素含有ガスは、選択酸化空気導入部１４から供給される選択酸化に必要な空気とともに選択酸化部３に送られる。選択酸化部３では、水素含有ガス中の一酸化炭素の選択酸化が行われる（ＣＯ＋Ｏ２→ＣＯ２）。これにより、最終的に一酸化炭素濃度を約２０ｐｐｍ以下まで低減させた水素含有ガスが生成され、水素含有ガス導出部１５から外部の装置に供給される。
［００３７］
加熱部４での燃焼量は、改質部１の水素含有ガスの出口側に設けられる改質温度検出部５の温度に基づいて制御される。本実施形態では、改質部１でＲｕ系改質触媒を用いるので、改質温度検出部５の温度が６５０℃になるように、燃焼量を制御する。
［００３８］
変成部２での変成触媒温度は、変成部２の水素含有ガスの流れ入口側に設けられる変成温度検出部６の温度に基づいて、温度調整部８を動作させて制御する。本実施形態では、変成触媒としてＣｕ−Ｚｎ系変成触媒を用いるので、変成温度検出部６で検出する温度が２２０℃となるように、空冷ファン９の動作を制御する。
［００３９］
具体的には、空冷ファン９を動作させて、空気取り入れ部１０から取り入れた空気を空気ダクト１１に沿って送り、水素生成装置１０１の外壁面を介して、改質ガス流路２５を通過する水素含有ガスと熱交換させた後、空気排出部１２から排出させる。これにより、水素含有ガスを冷却できる。本実施形態では、改質部１で生成された後、変成部２に導入される前の水素含有ガスを冷却し、変成部２の水素含有ガス入口における水素含有ガスの温度を所定の温度まで低下させる。水素含有ガス入口における水素含有ガスの温度が十分に低いときには、空冷ファン９の動作を停止する。このようにして、空冷ファン９のオンオフを切り替えて、変成部２に導入する前の水素含有ガスの温度を制御することにより、変成部２で使用する変成触媒の温度制御を行う。
［００４０］
選択酸化部３で使用する選択酸化触媒の温度は、選択酸化部３の水素含有
【手続補正書】
【提出日】平成20年12月26日(2008.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を用いて原料を水蒸気改質し、水素含有ガスを生成させる改質部と、
前記改質反応に必要な熱を前記改質部に供給する加熱部と、
一酸化炭素低減触媒を用いて前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、
前記改質部から前記一酸化炭素低減部へ導入する前記水素含有ガスの温度を制御する温度調整部と
を有する水素生成装置であって、
前記温度調整部は、
冷却用空気を通過させる空気経路を有する熱交換部と、
前記空気経路に前記冷却用空気を取り入れるための開口を有する空気取り入れ部と、
前記空気経路から前記冷却用空気を排出するための開口を有する空気排出部と
を備え、
前記空気取り入れ部は冷却ファンを含み、前記空気取り入れ部の開口は前記冷却ファンの吸込口であり、
前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は同一方向を向いており、前記同一方向は鉛直上方向または鉛直下方向である水素生成装置。
【請求項２】
前記同一方向は鉛直下方向である請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記空気経路は、鉛直方向と垂直な方向に沿って延びる部分を含む請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は、同一の高さに設けられている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記改質部で生成された前記水素含有ガスを通過させる改質ガス経路を有しており、前記改質ガス経路は前記改質部から鉛直方向に延びている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記温度調整部は、前記冷却ファンがオフのときには前記空気経路内の空気が対流しにくいように構成されている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部は断熱部材によって断熱されている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記一酸化炭素低減部は、
変成触媒を用いて、一酸化炭素と水蒸気との変成反応を行う変成部と、
前記変成部の下流側に配置され、選択酸化触媒を用いて一酸化炭素を酸化させる選択酸化部と
を備え、
前記温度調整部は、前記改質部と前記変成部との間および前記変成部と前記選択酸化部との間のうち少なくとも一方に設けられている請求項１に記載の水素生成装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料と水蒸気との改質反応により水素含有ガスを生成する改質部、および、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部を備えた水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は小型でも高効率な発電を行うことができるため、分散型エネルギー供給源の発電装置として注目され、その開発が進められている。
【０００３】
燃料電池では、発電時の燃料として水素ガスを利用する。現在、水素ガスを供給するための一般的なインフラが整備されていないので、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される化石原料を用いて水素含有ガスを生成し、燃料として利用している。従って、燃料電池には、上記化石原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する水素生成装置が併設される。
【０００４】
しかし、化石原料を利用する場合、生成した水素含有ガス中に原料由来の一酸化炭素（ＣＯ）が含まれてしまうという問題がある。リン酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池では、高濃度の一酸化炭素が水素含有ガスに含まれると、燃料電池の電極に用いるＰｔ触媒が一酸化炭素によって被毒され、燃料電池の出力が大幅に低下するおそれがある。このため、水素生成装置には、生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するための一酸化炭素低減部が設けられる。一酸化炭素低減部は、変成触媒を用いて、水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させる変成部と、選択酸化触媒を用いて、変成部を通過した後の水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化させる選択酸化部とを有している。
【０００５】
一酸化炭素低減部では、触媒反応によって一酸化炭素濃度を低減させており、その性能は触媒温度に依存する。従って、一酸化炭素濃度を効果的に低減するためには、触媒温度を制御することが重要である。
【０００６】
そこで、例えば特許文献１には、改質反応後の水素含有ガスを空冷して触媒温度を制御し、一酸化炭素濃度を所望の濃度以下に低減する構成が提案されている。また、特許文献２には、変成触媒を２つに分割して直列に配置し、その間に水素含有ガスを空冷するための冷却部を設ける構成が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−１１９００４号公報
【特許文献２】特開２００２−１２８５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および２の構成では、何れも空冷を利用しているため、触媒温度を正確に調節することが困難である。空冷を利用した冷却の場合、触媒温度が十分に低く、水素含有ガスを冷却する必要のないとき（例えば装置起動時）であっても、ドラフト現象により冷却用空気に流れが発生して水素含有ガスが冷却されてしまうおそれがある。その結果、触媒温度が所定の温度よりも低くなり、一酸化炭素低減部の性能が大幅に低下する可能性がある。また、一酸化炭素低減部の性能を確保しようとすると、触媒温度の変動する範囲を考慮して、一酸化炭素低減部における触媒使用量を必要量よりも増加させておく必要があった。
【０００８】
一方、より正確に温度制御を実現するためには水冷を利用することも考えられるが、燃料電池の水素生成装置に水冷を利用することは多くの困難を伴う。例えば、改質反応によって得られる水素含有ガスの温度は例えば７００℃と高く、このような水素含有ガスと冷却水とを熱交換させると、冷却水が冷却水管内で突沸し、装置に悪影響を及ぼす可能性があるからである。また、装置構成が複雑になり、装置のコンパクト化を実現できないという問題もある。
【０００９】
このように、従来の水素生成装置では、一酸化炭素低減部に使用される触媒の温度を厳密に制御することが難しいという問題があった。そのため、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を所望の濃度まで確実に低減できない可能性があり、また、一酸化炭素濃度を確実に低減しようとすると、触媒使用量を増大させる必要があった。
【００１０】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、改質反応により生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部において、冷却用空気を利用して水素含有ガスの温度をより正確に制御し、一酸化炭素濃度をより効率的に低減させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水素生成装置は、改質触媒を用いて原料を水蒸気改質し、水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を前記改質部に供給する加熱部と、一酸化炭素低減触媒を用いて前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、前記改質部から前記一酸化炭素低減部へ導入する前記水素含有ガスの温度を制御する温度調整部とを有する水素生成装置であって、前記温度調整部は、冷却用空気を通過させる空気経路を有する熱交換部と、前記空気経路に前記冷却用空気を取り入れるための開口を有する空気取り入れ部と、前記空気経路から前記冷却用空気を排出するための開口を有する空気排出部とを備え、前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は同一方向を向いており、前記同一方向は鉛直上方向または鉛直下方向である。
【００１２】
ある好ましい実施形態において、前記同一方向は鉛直下方向である。
【００１３】
前記空気経路は、鉛直方向と垂直な方向に沿って延びる部分を含むことが好ましい。
【００１４】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部における開口は、同一の高さに設けられていてもよい。
【００１５】
前記空気取入れ部は冷却ファンを含み、前記空気取入れ部の開口は前記冷却ファンの吸込口であってもよい。
【００１６】
前記改質部で生成された前記水素含有ガスを通過させる改質ガス経路を有しており、前記改質ガス経路は前記改質部から鉛直方向に延びていてもよい。
【００１７】
前記温度調整部は、前記冷却ファンがオフのときには前記空気経路内の空気が対流しにくいように構成されていることが好ましい。
【００１８】
前記空気取り入れ部および前記空気排出部は断熱部材によって断熱されていることが好ましい。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記一酸化炭素低減部は、変成触媒を用いて、一酸化炭素と水蒸気との変成反応を行う変成部と、前記変成部の下流側に配置され、選択酸化触媒を用いて一酸化炭素を酸化させる選択酸化部とを備え、前記温度調整部は、前記改質部と前記変成部との間および前記変成部と前記選択酸化部との間のうち少なくとも一方に設けられている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の水素生成装置によると、温度調整部の空気取り入れ部および空気排出部の間で発生するドラフト現象による空気の流れを抑制することができるので、温度調整部によって一酸化炭素低減部に導入される水素含有ガスの温度をより厳密に制御できる。従って、一酸化炭素低減部で使用する触媒の温度を、反応（変成反応、選択酸化反応など）に適する温度に正確に制御できるので、一酸化炭素濃度をより効率的に低減することが可能になる。また、一酸化炭素低減部での触媒使用量を最適化することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による水素生成装置の第１の実施形態を説明する。本実施形態は、改質部、変成部および選択酸化部が円筒状の筒体に一体的に構成された一体型の水素生成装置である。
【００２２】
＜水素生成装置１０１の構成＞
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本実施形態の水素生成装置を模式的に示す鉛直方向および水平方向の断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ’線に沿った断面を示している。また、図２は、水素生成装置１０１の模式的な側面図である。
【００２３】
水素生成装置１０１は、Ｒｕ系改質触媒を有する改質部１と、Ｃｕ−Ｚｎ系変成触媒を有する変成部２と、Ｒｕ系選択酸化触媒を有する選択酸化部３と、加熱部４と、改質部１と変成部２との間に配置された温度調整部８とを備える。
【００２４】
ここでは、加熱部４は改質部１を加熱するためのバーナーである。加熱部４は、筒体の中央部に配置され、加熱部４の下方に火炎を形成するように燃料を燃焼させる。水素生成装置１０１は多重筒構成となっており、加熱部４を中心として、その外側に改質部１、変成部２、選択酸化部３が下からこの順で配置されている。また、筒体の上方に設けられ、加熱部４で使用する燃料を供給する燃料・燃焼空気導入部１６と、加熱部４で燃料を燃焼させて得られた燃焼ガスを鉛直上向きに流す燃焼ガス流路２３と、筒体の上方に設けられ、改質反応に必要な水と原料（都市ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の原料）を供給する原料・水導入部１３と、原料および水を改質部１まで送る原料・水流路２４と、改質部１において改質反応によって得られた水素含有ガス（改質ガス）を、変成部２および選択酸化部３にこの順で送る改質ガス流路２５と、変成部２および選択酸化部３で一酸化炭素が低減された水素含有ガスを外部の装置（例えば燃焼電池）に供給する水素含有ガス導出部１５とが設けられている。さらに、変成部２と選択酸化部３との間には、選択酸化反応に必要な空気を供給するための選択酸化空気導入部１４が設けられている。
【００２５】
改質部１、変成部２、および選択酸化部３には、各々に設置した触媒の温度あるいは各々の触媒を通過するガス温度を検出するための改質触媒温度検出部５、変成触媒温度検出部６、および選択酸化触媒温度検出部７が設けられている。本実施形態におけるこれらの検出部５、６および７は熱電対である。
【００２６】
温度調整部８は、水素生成装置１０１の外壁面であり、かつ、変成部２の下側（上流側）に配置されており、冷却用の空気を取り入れるための開口を有する空気取り入れ部１０と、冷却空気と改質ガス流路２５を流れる水素含有ガスとの間で熱交換を行う熱交換部２６と、熱交換を行った後の空気を排出する開口を有する空気排出部１２と、冷却用の空気を空気取り入れ部１０から空気排出部１２まで強制的に流すための冷却ファン（空冷ファン）９とを有している。
【００２７】
熱交換部２６は、空気取り入れ部１０から空気排出部１２に向かって、水素生成装置１０１の外壁面に沿って冷却空気を水平方向に流す空気ダクト（空気経路）１１を有している。図２に示すように、空気ダクト１１は、水素生成装置１０１の筒体の外壁面一部を覆うように全周に設けられている。
【００２８】
本実施形態における温度調整部８は、空冷ファン９としてシロッコファンが用いられている。空冷ファン９の吸込口は空気取入れ部１０の開口として機能している。また、空冷ファン９の吐出口は空気ダクト１１に接続されている。また、空気取り入れ部１０の開口（すなわち空冷ファン９の吸込口）および空気排出部１２の開口は、略同じ高さに設けられ、かつ、何れも鉛直上向きである。また、空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口のサイズは特に限定しないが、空冷ファン９の圧損を考慮すると、空気排出部１２の開口の面積は、空気取り入れ部１０の開口の面積以上であることが好ましい。
【００２９】
なお、図１および図２に図示していないが、水素生成装置１０１の外壁面からの放熱を防止するため、筒体の外壁面を覆うように断熱材が設けられていることが好ましい。断熱材としては、断熱材中の空気対流を極力制限する真空断熱材等の断熱性能が優れたものを用いることが望ましい。
【００３０】
＜水素生成装置１０１の動作＞
次いで、図１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本実施形態における水素生成装置１０１の動作を説明する。
【００３１】
燃料・燃焼空気導入部１６から燃料および空気を供給し、加熱部４で着火して燃焼させる。着火の詳細な動作の説明は省略する。加熱部４で燃焼させる燃料として、水素生成装置１０１の動作初期では、改質させる原料、例えば都市ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の原料を用い、加熱の進行に伴い、水素生成装置１０１で生成した水素含有ガスを用いることができる。水素生成装置１０１で生成した水素含有ガスを燃料電池に供給する場合には、水素含有ガスを燃料電池に供給した後、燃料電池のオフガスを燃料として用いてもよい。
【００３２】
燃焼後の燃焼排ガスは、矢印２３ａで示すように、燃焼ガス流路２３を鉛直上方向に流れる。このとき、改質部１を加熱し、続いて、原料・水流路２４内を流れて改質部１に供給される原料および水を加熱する。この後、水素生成装置１０１から排気される。
【００３３】
一方、原料・水導入部１３からは、改質反応に必要な原料および水を供給する。本実施形態では、原料として、脱硫部（図示せず）で付臭成分を除去した天然ガスを主成分とする都市ガスを用いる。原料と同時に供給する水として、イオン交換樹脂により不純物が除去された水を用いる。原料の平均分子式中の炭素原子数１モルに対して３モル程度の水蒸気を存在させる量の水を供給することが好ましい（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。
【００３４】
原料および水は、矢印２４ａで示すように、原料・水流路２４を鉛直下方向に改質部１まで送られ、改質部１で原料の水蒸気改質が行われる。炭化水素系の原料を用いる場合には、改質反応により、原料から水素、一酸化炭素および二酸化炭素が得られる。この後、改質反応によって得られた水素含有ガスは、矢印２５ａに示すように、改質ガス流路２５を通って、変成部２に送られて変成される（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2）。変成部２を通過した後の水素含有ガスは、選択酸化空気導入部１４から供給される選択酸化に必要な空気とともに選択酸化部３に送られる。選択酸化部３では、水素含有ガス中の一酸化炭素の選択酸化が行われる（ＣＯ＋Ｏ2→ＣＯ2）。これにより、最終的に一酸化炭素濃度を約２０ｐｐｍ以下まで低減させた水素含有ガスが生成され、水素含有ガス導出部１５から外部の装置に供給される。
【００３５】
加熱部４での燃焼量は、改質部１の水素含有ガスの出口側に設けられる改質温度検出部５の温度に基づいて制御される。本実施形態では、改質部１でＲｕ系改質触媒を用いるので、改質温度検出部５の温度が６５０℃になるように、燃焼量を制御する。
【００３６】
変成部２での変成触媒温度は、変成部２の水素含有ガスの流れ入口側に設けられる変成温度検出部６の温度に基づいて、温度調整部８を動作させて制御する。本実施形態では、変成触媒としてＣｕ−Ｚｎ系変成触媒を用いるので、変成温度検出部６で検出する温度が２２０℃となるように、空冷ファン９の動作を制御する。
【００３７】
具体的には、空冷ファン９を動作させて、空気取り入れ部１０から取り入れた空気を空気ダクト１１に沿って送り、水素生成装置１０１の外壁面を介して、改質ガス流路２５を通過する水素含有ガスと熱交換させた後、空気排出部１２から排出させる。これにより、水素含有ガスを冷却できる。本実施形態では、改質部１で生成された後、変成部２に導入される前の水素含有ガスを冷却し、変成部２の水素含有ガス入口における水素含有ガスの温度を所定の温度まで低下させる。水素含有ガス入口における水素含有ガスの温度が十分に低いときには、空冷ファン９の動作を停止する。このようにして、空冷ファン９のオンオフを切り替えて、変成部２に導入する前の水素含有ガスの温度を制御することにより、変成部２で使用する変成触媒の温度制御を行う。
【００３８】
選択酸化部３で使用する選択酸化触媒の温度は、選択酸化部３の水素含有ガス入口側に設けられた選択酸化温度検出部７の温度に基づいて、選択酸化空気導入部１４から供給する空気量を調整することにより制御される。本実施形態では、用いた触媒の特性を考慮して、選択酸化温度検出部７で検出される温度が１５０℃となるように、空気の供給量を制御する。
【００３９】
なお、改質部１、変成部２および選択酸化部３で用いられる触媒の種類は上記に限定されず、他の触媒を用いてもよい。なお、使用する触媒の種類によって好ましい触媒温度が変わるため、好ましい触媒温度に応じた温度制御を行う。
【００４０】
＜水素生成装置１０１の特有な構成と効果＞
水素生成装置１０１における温度調整部８では、空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口は何れも鉛直上方向を向いている。なお、これらの開口は何れも鉛直下方向を向いていてもよい。空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口が同一方向を向き、かつ、その同一方向が鉛直上方向または鉛直下方向であれば、空冷ファン９の動作が停止しているときに、空気ダクト１１内であたためられて軽くなった空気が何れの開口から出やすいか優劣がつきにくいため、一定方向の自然対流が生じにくい。従って、空冷ファン９がオフのときに、空気ダクト１１内の自然対流によって変成部２に導入される水素含有ガスが冷却されてしまうことを防止できる。よって、空冷ファン９の動作を制御することにより、変成部２に導入される水素含有ガスの温度をより正確に制御することが可能になる。また、空冷ファン９の動作の切り換えに対する、変成部２に導入される水素含有ガスの温度の追従性を向上できる。
【００４１】
さらに、変成触媒を直接冷却せず、変成部２に導入される前の水素含有ガスを冷却するため、変成触媒の一部が過冷却される確率を低減できる。
【００４２】
その上、変成触媒温度をより正確に制御できるので、温度制御時の変成触媒温度の変化幅が小さくなり、その結果、変成部２の水素含有ガス出口における一酸化炭素濃度の変化幅も小さくできる。変成部２の改質ガス出口における一酸化炭素濃度の変化幅が小さくなると、選択酸化部３に導入する前の水素含有ガスに供給する選択酸化反応に必要な空気量も少なくできるので、水素生成装置１０１の水素含有ガス導出部１５から導出される水素含有ガスの水素濃度を高くできるという効果も得られる。さらに、常温状態からの装置起動時には、主に改質部１で生成された水素含有ガスの有する熱量で変成部２の変成触媒を加熱できる。このとき、上述したように空気ダクト１１内の空気の対流が抑制されているので、空気の対流によって水素含有ガスが冷却されることによる変成触媒の加熱速度の低下を抑制できる。このように、温度調整部８（空冷ファン９）の非動作時には、変成触媒を速やかに加熱できるので有利である。
【００４３】
これに対し、特許文献１に開示された冷却構成では、空気取り入れ部の開口が鉛直上向き、空気排出部の開口が鉛直下向きであり、これらの開口が同一方向を向いていない。また、特許文献２に開示された冷却構成では、空気取り入れ部および空気排出部の開口が同一方向を向いておらず、かつ、それらの開口の向きが鉛直下方向でも鉛直上方向でもない。このような場合には、空冷ファンをオフにしても、空気ダクト内で空気が温度差によって対流し、空気取り入れ部または空気排出部から空気が流出する。この結果、空気ダクト内にドラフト現象による空気の流れが発生するので、変成部が冷却されてしまい、冷却ファンの動作によって変成部の触媒温度を速やかに、かつ、正確に制御できないおそれがある。
【００４４】
なお、水素改質装置１０１では、空気取り入れ部１０および空気排出部１２における開口は鉛直上方向を向いているが、後述する実施形態のように、これらの開口は鉛直下方向を向いていてもよい。これらの開口が、重力方向に対して下向きであれば、あたためられた空気が開口から出にくいので、ドラフト現象による空気流れの発生をより効果的に抑制できるので有利である。
【００４５】
本実施形態における空気ダクト１１は、空気を水平方向に通過させる部分を含んでいることが好ましい。本明細書では、「水平方向」は、重力の方向（鉛直方向）に垂直な方向を指す。これにより、空気ダクト１１内で、空気の温度差に起因して空気が対流することをより確実に抑えることができる。
【００４６】
また、空気取り入れ部１０および空気排出部１２における開口を略同一の高さに設けることが好ましい。空気取り入れ部１０の開口および空気排出部１２の開口に高低差があると、空冷ファン９の動作が停止しているときでも、空冷ダクト１１内での空気の温度差による対流が発生し、これらの開口のうち上方に位置する方から空気が流出する。その結果、下方に位置する開口から上方に位置する開口へ向かう空気の流れが発生し、変成部２が冷却されるおそれがある。これに対し、本実施形態のように、空気取り入れ部１０および空気排出部１２における開口の高さを略同一にすると、特定の開口から空気が流出しにくくなるので、一方の開口から他方の開口に向かって一定方向に空気の流れが発生することを防止できる。
【００４７】
本実施形態における温度調整部８は空冷ファン９を備え、空冷ファン９の吸込口を空気取り入れ部１０の開口として利用している。これにより、より単純な構成で、温度調整部８の動作を制御できる。また、空冷ファン９として、シロッコファンも用いることが好ましい。この場合、シロッコファンの吸込口を鉛直上方向、吐出口を水平方向に向けることにより、自然対流を抑えつつ、吐出口からの空気を効率良く空気ダクト１１に送ることができる。
【００４８】
本発明における温度調整部８は、上述したような構成に限定されない。温度調整部８が動作していないときに（空冷ファン９を有する場合には、空冷ファン９がオフのとき）空気ダクト１１内の空気の自然対流が生じにくく、かつ、温度調整部８を動作させることにより、空気取り入れ部１０から空気排出部１２に向かって空気が強制的に流れるように構成されていればよい。なお、「自然対流が生じにくい」構成とは、例えば、空気ダクト１１の内部に邪魔板を設ける構成、空気流路を迷路のように複雑にする構成など、空気の流通を妨げる構成を含む。
【００４９】
なお、本明細書において、「空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口が同一方向に向いている」とは、ドラフト現象による空気の対流が発生しても、変成触媒がほとんど冷却されないような範囲内であれば、これらの開口方向にズレがある場合も含むものとする。開口方向のズレは、例えば２０°以内である。同様に、開口方向が「鉛直上方向または鉛直下方向である」とは、上記範囲内であれば開口方向が鉛直上方向または鉛直下方向からずれている場合も含む。例えば、「鉛直上方向」は、重力の方向に沿った上方向に対して±１０°以内の角度をなす方向を含み、「鉛直下方向」は、重力の方向に対して±１０°以内の角度をなす方向を含む。さらに、「空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口の高さが略同一である」とは、上記範囲内であれば、これらの開口に高低差が生じている場合も含むものとする。なお、「開口の高さ」とは、その開口の中心の高さをいう。
【００５０】
また、本発明における温度調整部８は、一酸化炭素低減部で用いられる触媒の温度を制御できればよく、改質部１と変成部２との間に設けられて、変成部２に送られる前の水素含有ガスを冷却してもよいし、変成部２と選択酸化部３との間に設けられて、変成部２を通過した後、選択酸化部３に送られる前の水素含有ガスを冷却してもよい。あるいは、改質部１と変成部２との間、および、変成部２と選択酸化部３との間にそれぞれ温度調整部８が設けられていてもよい。さらに、特許文献２に開示されているように、水素含有ガスの流れに対して、変成触媒を２箇所に分割して配置し、その間を通過する水素含有ガスを冷却するように温度調整部８を配置してもよい。
【００５１】
＜温度調整部８の他の構成＞
図３は、本実施形態の他の水素生成装置の模式的な側面図である。簡単のため、水素生成装置１０１と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００５２】
図３に示す水素生成装置１０２では、温度調整部８は、空気ダクト１１と空冷ファン９との間に配置された冷却ファンガイド１７と、空気ダクト１１の空気排出部１２側に配置された出口ガイド１８とを備えている。冷却ファンガイド１７および出口ガイド１８は、空気ダクト１１の下方に設けられている。空気取り入れ部１０および空気排気口１２の開口は何れも鉛直上方向を向いており、かつ、同じ高さに設けられている。このような構成では、温度調整部８に高低差が存在しており、空気取り入れ部１０から空気排出部１２に向かって空気が水平方向に流れない。しかしながら、空気取り入れ部１０および空気排気口１２の開口が同一方向（鉛直上方向）を向いており、かつ、同じ高さに設置されているので、空気ダクト１１内においてドラフト現象による空気流れの発生を抑制でき、その結果、正確な温度制御を実現できる。
【００５３】
図４は、本実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。簡単のため、図３に示す水素生成装置１０２と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図４に示す水素生成装置１０３では、冷却ファンガイド１７は空気ダクト１１の下側に設けられ、出口ガイド１８は空気ダクト１１から上方向に延びている。また、図示しないが、出口ガイド１８および冷却ファンガイド１７の断熱性を高めている点で、前述の水素生成装置１０１、１０２と異なっている。この構成では、空気排出部１２の開口と空気取り入れ部１０の開口とは同じ高さに位置していないが、何れの開口も鉛直上方向を向いているので、空気ダクト１１内の空気の対流が抑制されている。さらに、出口ガイド１８および冷却ファンガイド１７が断熱されており、出口ガイド１８および冷却ファンガイド１７の内部に大きな温度差が生じないので、ドラフト現象による空気流れの発生をより効果的に防止できる。
【００５５】
図５は、本実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。簡単のため、図１に示す水素生成装置１０１と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００５６】
図５に示す水素生成装置１０４は、外壁面の外側に設ける断熱材２０を用いて空気ダクト１１を形成している点で水素生成装置１０１と異なっている。具体的には、水素生成装置１０１の外壁面外側の断熱材２０の内側の一部を削り、水素生成装置１０１の外壁面周囲に空気が流通する部分（空気経路）を構成している。また、断熱材２０の外壁面に空冷ファン９を設置し、空冷ファン９の吸込口を空気取り入れ部１０の開口として機能させている。この構成によると、空気ダクト１１を構成する部材が不要となる。
【００５７】
（第２実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による第２実施形態の水素生成装置を説明する。本実施形態では、空気取り入れ部および空気排出部の開口が何れも鉛直下方向を向いている点で、図１〜図５を参照しながら説明した第１実施形態と異なる。
【００５８】
図６は、本実施形態の水素生成装置の模式的な側面図である。簡単のため、図１に示す水素生成装置１０１と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００５９】
本実施形態では、温度調整部８における空気取り入れ部１０および空気排出部１２の開口は何れも鉛直下方向に向いている。このように、重力方向に対して下向きに開口を設けることにより、ドラフト現象による空気流れの発生を効果的に抑制できる。また、本実施形態では、これらの開口の高さは略等しいので、空気流れの発生をより確実に抑えることができる。
【００６０】
図７は、本実施形態の他の水素生成装置の模式的な側面図である。図７に示すように、温度調整部８は、空気ダクト１１と空冷ファン９との間に配置された冷却ファンガイド１７と、空気ダクト１１の空気排出部１２側に配置された出口ガイド１８とを備えていてもよい。例えば図示するように、空気排出部１２の開口が空気取り入れ部１０の開口よりも上に位置していてもよい。空気取り入れ部１０の開口と空気排出部１２の開口との高さが異なっていても、これらの開口が何れも鉛直下方向を向いていると、空気ダクト１１内に空気の対流が生じにくい。よって、空冷ファン９の動作を制御することにより、触媒温度をより正確に調整できる。
【００６１】
上述したように、本実施形態の水素生成装置は複数の温度調整部８を備えていてもよい。図８は、複数の温度調整部を備えた水素生成装置を例示する模式的な側面図である。
【００６２】
図８に示す水素生成装置１０７は、変成部２に導入される前の水素含有ガスを冷却する温度調整部８と、選択酸化部３に導入される前の水素含有ガスを冷却する温度調整部８’とを備えている。各温度調整部８、８’の構成は特に限定されないが、何れも、空気ダクト１１、１１’内の空気に自然対流が生じにくい構成を有していることが好ましい。なお、本発明の水素生成装置は、３以上の温度調整部を備えていてもよい。
【００６３】
上記実施形態１および２の水素生成装置は、改質部１、変成部２および選択酸化部３が１つの筒体内部に一体的に構成された一体型の水素生成装置であるが、改質部１、変成部２および選択酸化部３は別個に構成されていてもよく、その場合にも、変成部２または選択酸化部３へ導入される前の水素含有ガスを冷却するように温度調整部８を配置すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を有する水素生成装置に広く適用可能である。特に、改質反応温度が高く（６００℃以上、例えば６５０℃）、かつ、改質部および一酸化炭素低減部が一体的に構成された水素生成装置に適用すると、触媒温度の制御性を従来よりも大幅に高めることができるので有利である。
【００６５】
本発明は、燃料電池発電システムに使用される水素生成装置に好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態の水素生成装置の鉛直方向に沿った模式的な断面図および水平方向に沿った模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図４】本発明の第１実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図５】本発明の第１実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図６】本発明の第２実施形態の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図７】本発明の第２実施形態の他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【図８】本発明の第２実施形態のさらに他の水素生成装置の模式的な側面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１        改質部
２        変成部
３        選択酸化部
４        加熱部
５        改質温度検出部
６        変成温度検出部
７        選択酸化温度検出部
８、８’  温度調整部
９、９’  空冷ファン
１０、１０’    空気取り入れ部
１１、１１’    空気ダクト
１２、１２’    空気排出部
１３      原料・水導入部
１４      選択酸化空気導入部
１５      水素含有ガス導出部
１６      燃料・燃焼空気導入部
１７      空冷ファンガイド
１８      出口ガイド
２０      断熱材
２３      燃焼ガス流路
２４      原料流路
２５      改質ガス流路
２６      熱交換部
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008149516.tif 000011
【図２】
2008149516.tif 000012
【図３】
2008149516.tif 000013
【図４】
2008149516.tif 000014
【図５】
2008149516.tif 000015
【図６】
2008149516.tif 000016
【図７】
2008149516.tif 000017
【図８】
2008149516.tif 000018
【国際調査報告】
2008149516.tif 000019
2008149516.tif 000020
2008149516.tif 000021
2008149516.tif 000022