(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料供給部と前記水供給部とがつながり供給された水を水蒸気として原料ガスと混合する水蒸発部と、燃料ガスを供給する燃料供給部と燃焼用空気を供給する空気供給部が繋がるバーナと、前記水蒸発部の内側に配置され前記バーナからの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記水蒸発部からの混合ガスが供給されて改質触媒の水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、前記水蒸発部の外側に配置され前記改質ガスが供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、を備えた水素発生装置であって、
前記水蒸発部は、前記燃焼排ガス流路の外側に前記原料ガスと前記水が流れる流路を構成する流路部材を有し、
前記水蒸発部の前記流路部材は、二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれた螺旋形状の仕切り部により構成され、前記仕切り部間のピッチが前記水蒸発部の下流部では、前記下流部以外の箇所に比べて小さく、
前記水蒸発部の下流部が、前記下流部以外の箇所に比べて前記燃焼排ガス流路との熱交換量が大きくなる構成である水素発生装置。
【請求項２】
原料ガスを供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料供給部と前記水供給部とがつながり供給された水を水蒸気として原料ガスと混合する水蒸発部と、燃料ガスを供給する燃料供給部と燃焼用空気を供給する空気供給部が繋がるバーナと、前記水蒸発部の内側に配置され前記バーナからの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記水蒸発部からの混合ガスが供給されて改質触媒の水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、前記水蒸発部の外側に配置され前記改質ガスが供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、を備えた水素発生装置であって、
前記水蒸発部は、前記燃焼排ガス流路の外側に前記原料ガスと前記水が流れる流路を構成する流路部材を有し、
前記水蒸発部の前記流路部材は、二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれた螺旋形状の仕切り部により構成され、前記仕切り部間のピッチが前記水蒸発部の下流部では、前記下流部以外の箇所に比べて小さく、
前記一酸化炭素低減部は、前記改質ガスが供給され変成触媒のシフト反応により前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する変成触媒層を有し、前記変成触媒層は前記水蒸発部の外側に隣接し、
前記水蒸発部の下流部が、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部に隣接し、前記水蒸発部の下流部以外の箇所が、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部以外の箇所に隣接し、
前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部が、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部以外の箇所に比べて、前記水蒸発部との熱交換量が大きくなる構成である水素発生装置。
【請求項３】
前記仕切り部のピッチが前記変成触媒層の上流部に隣接する前記水蒸発部の下流部では、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部以外の箇所に隣接する前記水蒸発部の下流部以外の箇所に比べて小さい請求項２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記燃焼排ガス流路は、前記水蒸発部の下流部から前記下流部以外の箇所に向かう方向に、燃焼排ガスが流れる構成である請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項５】
原料ガスを供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料供給部と前記水供給部とがつながり供給された水を水蒸気として原料ガスと混合する水蒸発部と、燃料ガスを供給する燃料供給部と燃焼用空気を供給する空気供給部が繋がるバーナと、前記水蒸発部の内側に配置され前記バーナからの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記水蒸発部からの混合ガスが供給されて改質触媒の水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、前記水蒸発部の外側に配置され前記改質ガスが供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、を備えた水素発生装置であって、
前記水蒸発部は、前記燃焼排ガス流路の外側に前記原料ガスと前記水が流れる流路を構成する流路部材を有し、
前記水蒸発部の前記流路部材は、二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれた螺旋形状の仕切り部により構成され、前記仕切り部間のピッチが前記水蒸発部の下流部では、前記下流部以外の箇所に比べて小さく、
前記燃焼排ガス流路は、前記水蒸発部の下流部から前記下流部以外の箇所に向かう方向に、燃焼排ガスが流れる構成である水素発生装置。
【請求項６】
前記螺旋形状の前記仕切り部が金属の丸棒により構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素発生装置を設けた燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとして、高濃度の水素が含まれた生成ガスをつくる水素発生装置、及び水素発生装置でつくられた水素を利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、高濃度の水素を含む生成ガスをつくる水素発生装置と、水素発生装置でつくられた水素を利用して発電する燃料電池とを主たる要素として構成されている。
【０００３】
水素発生装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとし、原料ガスと水蒸気とを改質触媒を用いて水蒸気改質反応させることによって、水素やメタン、一酸化炭素（１０〜１５％程度）、二酸化炭素や水蒸気を成分とする改質ガスを生成する改質部と、燃料電池に対する被毒作用のある一酸化炭素を改質ガス中から除去する一酸化炭素除去部とを備えて形成されている。
【０００４】
ここで、燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いる場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度にまで除去する必要がある。このため、一酸化炭素除去部は、変成触媒を用いたシフト反応により一酸化炭素を０．５％程度まで除去する変成部と、選択酸化触媒を用いて酸素と混合することで選択酸化反応により一酸化炭素を酸化させてＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する選択酸化部との、２段階の構成部で形成されるのが一般的である。
【０００５】
水素発生装置として、小型化、高効率化、起動性向上、運転の安定性向上、そして構造のシンプル化による低コスト化の観点から種々の装置が従来から提案されている。その一例として、小型で高効率な水素発生装置のために、改質部や一酸化炭素除去部を一体構造とするだけでなく、水蒸発部も外部に設置するのではなく触媒層に隣接一体化させた構成としたものがある。この構成により、装置内の熱を最大限利用しながら最適な熱バランス状態と運転の安定化をはかることで構造の小型化を実現し、水素発生装置のコストを低減している。
【０００６】
しかし、水素発生装置の運転状態（例えば燃料電池システム組込の水素発生装置では燃料電池での発電負荷）が変化すると、原料の供給量と水の供給量を変化させ、生成する水素量を増減させる。水の供給量が少ない状態から多い状態に増加させると、水蒸発部には多量の水が供給されることになる。
【０００７】
水蒸発部は周囲を取り囲むバーナからの燃焼排ガスや触媒層などからの熱で蒸発できる温度にバランスしている。ところが、急激に多量の水が共有されると、状況によっては供給された水が完全に蒸発されず、一部未蒸発の液滴の状態で改質触媒に供給される可能性が生じる。
【０００８】
改質触媒に液滴が供給されると、液滴が蒸発する時の潜熱を改質触媒から奪うため、改質触媒の温度が局所的に急激に低下する。温度が低下するとその周囲の触媒温度の低下も誘発するため、改質触媒全体が安定した温度状態が維持できなくなり、水素の発生量の乱れを引き起こす可能性がある。
【０００９】
また、液滴が供給された触媒では、瞬間的な温度低下が発生するため触媒が熱衝撃を受け、触媒が割れたり剥がれたりする可能性がある。そこで従来の構成では、水蒸発部の下流部の下部に第２蒸発部を設置し、その第２蒸発部の下部と側面に隔壁を設けることで、蒸発部から仮に液滴が排出されても第２蒸発部の下部にトラップされ、トラップされた後に蒸発した水蒸気のみが第２蒸発部から送出されるようにしている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−６３１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、部品点数の増加や構造構成の複雑化により、部品や製造コストがアップする可能性があった。また、このようなトラップする構成を用いずに、水の蒸発が完了するまで充分長い蒸発部を形成した場合には、水素発生装置全体の大きさが大きくなり、装置の表面積が大きくなって放熱量が多くなり、水素発生装置の効率（熱の有効利用）が悪くなるだけでなく、装置が大きくなることでのコストアップも生じ、水素発生装置としての価値が下がってしまう。
【００１２】
また、蒸発部と触媒層を隣接させた構成で水蒸発部流路を単一に構成する（特許文献１）と、触媒層の流れ方向に対して触媒層と蒸発部は均一に熱交換することになる。触媒層、例えば変成触媒層や選択酸化触媒層では、触媒層に入って直ぐの上流部で変成反応や選択酸化反応が起こるため、触媒層上流部は反応熱で温度上昇する。一方、触媒層中流部や出口近くの下流部では水蒸発部との熱交換により温度が低下する。
【００１３】
従って、触媒層の上流部では温度が高く、下流部では低くなる。触媒特性は温度が高くても低くても特性が悪くなる。また高温になりすぎると触媒が高温劣化するため耐熱温度以下で使用する必要がある。そして、触媒層内で大きな温度分布がついていると触媒特性が十分確保されない可能性があった。
【００１４】
本発明は、改質触媒層、変成触媒層、選択酸化触媒層の少なくとも１つの触媒層の温度を適正に保つことができ、安定した性能を有する水素発生装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素発生装置は、原料ガスを供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料供給部と前記水供給部とがつながり供給された水を水蒸気として原料ガスと混合する水蒸発部と、燃料ガスを供給する燃料供給部と燃焼用空気を供給する空気供給部が繋がるバーナと、前記水蒸発部の内側に配置され前記バーナからの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記水蒸発部からの混合ガスが供給されて改質触媒の水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、前記水蒸発部の外側に配置され前記改質ガスが供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、を備えた水素発生装置であって、前記水蒸発部は、前記燃焼排ガス流路の外側に前記原料ガスと前記水が流れる流路を構成する流路部材を有し、前記水蒸発部の前記流路部材は、二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれた螺旋形状の仕切り部により構成され、前記仕切り部間のピッチが前記水蒸発部の下流部では、前記下流部以外の箇所に比べて小さく、前記水蒸発部の下流部が、前記下流部以外の箇所に比べて前記燃焼排ガス流路との熱交換量が大きくなる構成としたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水素発生装置の性能の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１の水素発生装置を示す概略構成図
【図２】本発明の実施の形態２の水素発生装置を示す概略構成図
【図３】変成触媒の特性図
【図４】選択酸化触媒の特性図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明の水素発生装置は、原料ガスを供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料供給部と前記水供給部とがつながり供給された水を水蒸気として原料ガスと混合する水蒸発部と、燃料ガスを供給する燃料供給部と燃焼用空気を供給する空気供給部が繋がるバーナと、前記水蒸発部の内側に配置され前記バーナからの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記水蒸発部からの混合ガスが供給されて改質触媒の水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、前記水蒸発部の外側に配置され前記改質ガスが供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、を備えた水素発生装置であって、前記水蒸発部は、前記燃焼排ガス流路の外側に前記原料ガスと前記水が流れる流路を構成する流路部材を有し、前記水蒸発部の前記流路部材は、二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれた螺旋形状の仕切り部により構成され、前記仕切り部間のピッチが前記水蒸発部の下流部では、前記下流部以外の箇所に比べて小さく、前記水蒸発部の下流部が、前記下流部以外の箇所に比べて前記燃焼排ガス流路との熱交換量が大きくなる構成である。
【００１９】
第１の発明によれば、水蒸発部の下流部における仕切り部のピッチを、下流部以外の箇所に比べて小さい構成とすることにより、簡素な構成で水蒸発部の下流部における燃焼排ガス流路との熱交換量を大きくすることができる。このように、水蒸発部の下流部における燃焼排ガス流路との熱交換量を他の部分より大きくすることで、改質触媒層への液滴供給が防止され、改質触媒層や一酸化炭素低減部の温度を適正に保つことができるため、水素発生装置の性能の安定化を図ることができる。
【００２６】
第２の発明の水素発生装置は、原料ガスを供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料供給部と前記水供給部とがつながり供給された水を水蒸気として原料ガスと混合する水蒸発部と、燃料ガスを供給する燃料供給部と燃焼用空気を供給する空気供給部が繋がるバーナと、前記水蒸発部の内側に配置され前記バーナからの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記水蒸発部からの混合ガスが供給されて改質触媒の水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、前記水蒸発部の外側に配置され前記改質ガスが供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、を備えた水素発生装置であって、前記水蒸発部は、前記燃焼排ガス流路の外側に前記原料ガスと前記水が流れる流路を構成する流路部材を有し、前記水蒸発部の前記流路部材は、二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれた螺旋形状の仕切り部により構成され、前記仕切り部間のピッチが前記水蒸発部の下流部では、前記下流部以外の箇所に比べて小さく、前記一酸化炭素低減部は、前記改質ガスが供給され変成触媒のシフト反応により前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する変成触媒層を有し、前記変成触媒層は前記水蒸発部の外側に隣接し、前記水蒸発部の下流部が、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部に隣接し、前記水蒸発部の下流部以外の箇所が、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部以外の箇所に隣接し、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部が、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部以外の箇所に比べて、前記水蒸発部との熱交換量が大きくなる構成としたものである。
【００２７】
第２の発明によれば、変成触媒層の上流部における水蒸発部との熱交換量を他の部分より大きくすることで、変成触媒全体の温度分布を小さくして変成触媒全体を最も特性が出やすい温度状態にして、水素発生装置の安定運転を実現するものである。
【００２８】
第３の発明は、特に、第２の発明の水素発生装置において、前記仕切り部のピッチが前記変成触媒層の上流部に隣接する前記水蒸発部の下流部では、前記変成触媒層の前記改質ガスの流れの上流部以外の箇所に隣接する前記水蒸発部の下流部以外の箇所に比べて小さい構成としたものである。
【００２９】
第３の発明によれば、変成触媒層上流部近傍における仕切り部のピッチを、上流部以外の箇所に比べて小さい構成とすることにより、簡素な構成で変成触媒層上流部における水蒸発部との熱交換量を大きくすることができる。
【００３４】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれかの発明の水素発生装置において、前記燃焼排ガス流路は、前記水蒸発部の下流部から前記下流部以外の箇所に向かう方向に、燃焼排ガスが流れる構成としたものである。
【００３５】
第５の発明は、原料ガスを供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記原料供給部と前記水供給部とがつながり供給された水を水蒸気として原料ガスと混合する水蒸発部と、燃料ガスを供給する燃料供給部と燃焼用空気を供給する空気供給部が繋がるバーナと、前記水蒸発部の内側に配置され前記バーナからの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、前記水蒸発部からの混合ガスが供給されて改質触媒の水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層と、前記水蒸発部の外側に配置され前記改質ガスが供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、を備えた水素発生装置であって、前記水蒸発部は、前記燃焼排ガス流路の外側に前記原料ガスと前記水が流れる流路を構成する流路部材を有し、前記水蒸発部の前記流路部材は、二重の円筒と前記二重の円筒にはさまれた螺旋形状の仕切り部により構成され、前記仕切り部間のピッチが前記水蒸発部の下流部では、前記下流部以外の箇所に比べて小さく、前記燃焼排ガス流路は、前記水蒸発部の下流部から前記下流部以外の箇所に向かう方向に、燃焼排ガスが流れる構成としたものである。
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれかの発明の水素発生装置において、前記螺旋形状の前記仕切り部が金属の丸棒により構成されたものである。
第７の発明は、上記水素発生装置を設けた燃料電池発電装置である。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を図面とともに説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における水素発生装置を示すものである。水素発生装置は、燃料ガス供給部１より供給された燃料ガスと、空気ファン３から供給されて空気流路２を介して送られてきた空気とを混合して火炎を形成するバーナ４を有している。バーナ４で生じた燃焼排ガスは、円筒１００の内側の燃焼排ガス流路１６を流れ、排気口１３より装置外に排気される。
【００３７】
燃焼排ガス流路１６の外側には、原料ガス供給部５からの原料ガスと水供給部６からの水が供給され、供給された水を水蒸気として原料ガスと混合する水蒸発部７が設けられている。水蒸発部７は、螺旋形状の仕切り部である金属の丸棒８を円筒１００と円筒１０１と挟み込むことで丸棒間に空間を形成し、その空間に丸棒８に沿って原料ガスと水を流通する構成となっている。従って、水蒸発部７の空間は螺旋形状の丸棒８で仕切られ、円筒１００の外周に沿って周囲する螺旋状流路として形成されている。換言すれば、水蒸発部７は燃焼排ガス流路１６の外側に原料ガスと水が流れる流路部材である金属の丸棒８を有している。
【００３８】
なお、バーナ４の燃焼熱を有効に利用するため、機器全体が断熱材１７で覆われている。
【００３９】
また、丸棒８の螺旋ピッチの間隔は、水蒸発部７の下流部で中流部や上流部に比べて小さくなるように構成している。水蒸発部７から送出される原料と水蒸気の混合ガスは、燃焼排ガス流路１６の外側で水蒸発部７の下部に位置する改質触媒層９に供給される。
【００４０】
改質触媒層９から送出される改質ガスは、水蒸発部７の外側に配置した変成触媒層１０に供給される。さらに変成触媒層１０から送出される変成ガスは、水蒸発部７の外側で変成触媒層１０の上部に位置する選択酸化触媒層１１に選択酸化空気供給部１４からの空気と混合された後、供給される。選択酸化触媒層１１を出た生成ガスは生成ガス出口１２より水素発生装置から一酸化炭素１０ｐｐｍ以下の高濃度の水素を含有する生成ガスとして送出される。変成触媒層１０は、改質ガスが供給され変成触媒のシフト反応により改質ガス中の一酸化炭素を低減するものである。選択酸化触媒層１１は、変成触媒層１０からの変成ガスが流入し酸化剤の供給により選択酸化触媒によって変成ガス中の一酸化炭素を低減するものである。この変成触媒層１０と選択酸化触媒層１１とを有して一酸化炭素低減部と称するが、少なくとも変成触媒層１０を有していれば良い。
【００４１】
ここで、バーナ４に供給する燃料ガスや空気、水蒸発部７に供給する原料ガスや水、変成触媒層１０からの変成ガスに供給する選択酸化空気は、燃料ガス供給部１や空気ファン３、原料ガス供給部５、水供給部６や選択酸化空気供給部１４において制御部１５からの信号によりコントロールすることができるようになっている。
【００４２】
なお、燃料ガス供給部１や空気ファン３、原料ガス供給部５、水供給部６や選択酸化空気供給部１４は、各々の供給物（燃料ガス、原料ガス、水、オフガスなどの可燃性ガスや空気）の流量が調整可能に構成されている。流量調整のための構成としては、供給物の吐出流量を変更可能な供給ポンプ（駆動手段）であっても良く、また供給物の供給源と下流側の流路に設けられた供給物の流量調整用バルブとを組み合わせた流体制御機構であっても良い。
【００４３】
次に、上記構成において水素発生装置の各部動作を説明する。
バーナ４では、燃料ガスと空気との混合が行われ、その混合ガスに高電圧の放電を行う（構成を図示せず）ことで火炎を形成し、高温の燃焼排ガスをつくり出して燃焼排ガス流路１６に供給している。
【００４４】
水と原料が供給された水蒸発部７は、水蒸発部７の内側を流れる燃焼排ガス流路１６内の燃焼排ガスからの熱交換により水の蒸発が行われ、同時に水蒸発部７の同じ流路内を流れる原料ガスとの混合が行われ、混合ガスとして改質触媒層９に供給される。改質触媒層９は内側を流れる高温の燃焼排ガスにより高温化（一般に６００〜７００℃）されており、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給されることで、水蒸気改質反応により水素や一酸化炭素、二酸化炭素などを含んだ改質ガスを生成する。
【００４５】
変成触媒層１０は内側に隣接する水蒸発部７との熱交換によりシフト反応に最適な温度（１５０〜３００℃）に維持され、改質ガス中の高濃度の一酸化炭素（１０〜１５％）を二酸化炭素に変えることで一酸化炭素の低濃度（０．５％前後）化を行っている。選択酸化触媒層１１も内側に隣接する水蒸発部７との熱交換により選択酸化反応に最適な温度（１５０℃前後）に維持され、変成ガスに選択酸化空気供給部１４からの空気を混合することで変成ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により１０ｐｐｍ以下の極低濃度の状態を実現している。
【００４６】
ここで、水素発生装置の運転負荷（生成する水素量）が変わると、その運転負荷に対応するために制御部１５で供給条件を変化させる。例えば、定格条件の５割の水素量を生成する条件（ＴＤＲ５０）から定格条件の水素量を生成する条件（ＴＤＲ１００）に変化させる指令がくると、制御部１５からの信号により、原料ガス供給部５や水供給部６、選択酸化空気供給部１４を制御し、原料ガス量や水供給量、選択酸化空気量を増加させる。
【００４７】
この時、水蒸発部７では、ＴＤＲ５０に必要な水が供給された条件からＴＤＲ１００に必要な水量に増加する。一般的に、ＴＤＲ１００で必要な水量（例えば１０ｇ／ｍｉｎ）はＴＤＲ５０で必要な水量（例えば５ｇ／ｍｉｎ）の約２倍となるため、水蒸発部７での蒸発完了ポイントが下流側に移動する。
【００４８】
つまり、ＴＤＲ５０の時には、水供給部６から供給された室温（約２０℃）の水は水蒸発部７に入った後に燃焼排ガス流路１６を流れる排ガスや選択酸化触媒層１１の熱、さらには変成触媒層１０の熱を受けて昇温し、変成触媒層１０の中流部近傍では完全に蒸発が完了して１００℃以上の水蒸気となる。
【００４９】
しかし、水量が２倍のＴＤＲ１００となると、変成触媒層１０の中流部近傍では水の蒸発は完了しておらず１００℃の気液二層状態となっており、さらに下流に流れていき変成触媒層１０や燃焼排ガスの熱を受けることで変成触媒層１０出口やさらに下流側で蒸発が完了する。
【００５０】
この時、水蒸発部７の下流には改質触媒層９があるため、蒸発完了ポイントが下流側にずれ水蒸発部７から出ると改質触媒層９内で蒸発が完了することになる。この時改質触媒層９には１００℃の液状態の水が供給され、蒸発時には潜熱が必要であるため周囲の触媒から大きな熱を奪い触媒が１００℃の温度となる可能性がある。
【００５１】
特にＴＤＲ５０時のように変成触媒層１０の中流部に蒸発完了ポイントがあるときには、その下流では水蒸気は顕熱で温度上昇するため、改質触媒層９の上流部では４００℃の高温状態となっている。
【００５２】
この状態からＴＤＲ１００時のような水量が増加して改質触媒層９内で蒸発完了ポイントがあるような状態に急激に変化すると、改質触媒層９上流部は４００℃から１００℃に急激に温度低下する。このような温度低下による熱衝撃が触媒に与えられると触媒が割れを起こす可能性が生じる。
【００５３】
また、温度低下が触媒層全体に起こって全体の温度を低下させたり、局所的な温度低下により局所的に低い温度である温度分布が生じたりする可能性がある。このような温度状態となると改質触媒層９での改質反応が安定して充分行われず水素の生成量が少なくなったり、水素の生成量が安定しなくなったりする。
【００５４】
本発明はこのような不具合事項が起こらないように、水蒸発部７の下流部の伝熱を促進するため、水蒸発部７の下流部の螺旋形状の丸棒８のピッチを水蒸発部７の下流部以外の箇所に比べて小さくしている。小さくすることで、改質触媒層９に至るまでに螺旋形状の丸棒８をつたって流れる水の移動時間をかせぎ、燃焼排ガスや変成触媒層１０や周囲の高温場からの加熱を受ける時間を長くすることにより、改質触媒層９に至る前に水が完全に蒸発するようにしている。
【００５５】
従って、水蒸発部７の下流部に形成された螺旋形状の丸棒８のピッチを水蒸発部７の下流部以外の箇所に比べて小さくすることによって、水蒸発部７の下流部における螺旋状流路が長くなり、この螺旋状流路を流れる水の移動時間が長くなり、水蒸発部７の下流部とこの下流部に対応する燃焼排ガス流路１６との熱交換量が大きくなるものである。そして、この熱交換量が大きくなることにより、水が完全に蒸発し改質触媒層９への液滴供給が防止され、水素発生装置の性能の安定化を図ることができる。
【００５６】
本実施の形態では、燃焼排ガス流路１６と水蒸発部７における熱交換量に応じて水蒸発部７の流路部材（丸棒８）間のピッチを変更することにより、また、熱交換量を大きくしたい所の水蒸発部７の流路部材（丸棒８）間のピッチを密に形成することにより、改質触媒層の温度を適正に保つことができ、水素発生装置の性能の安定化を図ることができる。
なお、本実施の形態でいう熱交換量は単位面積当たりの熱交換量の意味である。
【００５７】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における水素発生装置を示すものである。図１に示す実施の形態１とは水蒸発部７の構成が異なっている。
【００５８】
図２において、水蒸発部７は、変成触媒層１０近傍では、変成触媒層１０における改質ガスの流れの上流部に隣接する水蒸発部７の、螺旋形状の仕切り部である金属の丸棒１８のピッチが、変成触媒層１０の他の部分に隣接する螺旋形状の丸棒１８のピッチより小さい構成となっている。
【００５９】
また、選択酸化触媒層１１近傍では、選択酸化触媒層１１における変成ガスの流れの上流部に隣接する水蒸発部７の、螺旋形状の仕切り部である金属の丸棒１８のピッチが、選択酸化触媒層１１の他の部分に隣接する螺旋形状の丸棒１８のピッチより小さい構成となっている。
【００６０】
変成触媒層１０では、改質触媒層９からの改質ガスが供給されることにより、シフト反応により改質ガス中の１０％〜１５％のＣＯを０．５％まで低減している。このシフト反応は発熱反応であり、変成触媒層１０に供給された上流部でほとんど起こる反応である。
【００６１】
ここで、変成触媒の温度に対するＣＯ特性図を図３に示す。図３に示すように高温すぎても低温すぎてもＣＯ濃度が高くなる事がわかる。
【００６２】
一方、改質触媒層９からは高温の改質ガスが変成触媒層１０に供給され、変成触媒層１０では上流部の発熱反応後、水蒸発部７への伝熱や周囲外側への放熱を伴って下流部に流れていくため、上流部から下流部に向けて温度は低下していく。変成触媒層１０からの変成ガスのＣＯ濃度は、変成触媒層１０出口の触媒温度によって図３の特性における濃度となる。従って触媒層出口の温度が低くなりすぎると変成ガス中のＣＯは０．５％以上となってしまう。
【００６３】
そこで、変成触媒層１０出口を、ＣＯが０．５％を越えない温度となるように構成するが、触媒層出口の温度を下げ過ぎないようにある程度高く設定すると、それに応じて上流部の温度も高くなる。触媒は高温化し過ぎると、触媒担体上にある触媒反応を有する触媒（Ｃｕ−ＺｎやＦｅ−Ｃｒなど）が凝集して大きくなり触媒特性が悪化する。従って、過度な高温化を防止して、触媒特性が悪くなる耐熱温度を超えないようにしなければならない。
【００６４】
そのためには、触媒層下流部の温度をある程度高く設定した状態で、触媒層上流部での温度上昇を抑制する必要がある。ここで、図２に示す実施の形態２のように、螺旋形状の丸棒１８のピッチを変成触媒層１０の上流部で変成触媒層１０の上流部以外に比べて小さくし、水蒸発部７における温度の低い水や水蒸気が流れる時間を長くすることで、水蒸発部７と変成触媒層１０上流部との熱交換量を多くしている。
【００６５】
そうすれば、変成触媒層１０の温度を触媒の耐熱温度を超えることなく低く抑える事ができ、同時に変成触媒層１０下流部の温度を高めに維持する事ができるので、水素発生装置の安定した特性を維持することができる。
【００６６】
選択酸化触媒層１１では、変成触媒層１０からの変成ガスと選択酸化空気供給部１４からの空気が供給されることにより、変成ガス中の０．５％のＣＯを選択酸化反応により１０ｐｐｍ以下に低減している。この選択酸化反応も発熱反応であり、選択酸化触媒層１１に供給されると直ぐに起こる反応である。
【００６７】
ここで、選択酸化触媒の温度に対するＣＯ特性図を図４に示す。高温すぎても低温すぎてもＣＯ量は高くなることがわかる。選択酸化触媒層１１でも、変成触媒層１０と同様、選択酸化触媒層１１では上流部の発熱反応後、水蒸発部７への伝熱や周囲外側へ放熱により、上流部から下流部に向けて温度は低下していく。
【００６８】
ここで、選択酸化反応は選択酸化触媒層１１に入った上流部で反応が完結するため、上流部の温度によって選択酸化触媒層１１出口のＣＯ状態は決まる。この上流部を図４におけるＣＯ特性が良好な温度状態とすれば良いが、あまり温度を下げすぎると選択酸化触媒層１１出口の温度も下がり、選択酸化触媒層１１を出てからの生成ガスの温度も下がることになる。
【００６９】
生成ガスの温度が下がりすぎて露点以下となると、生成ガス中の水蒸気が結露する可能性が生じる。結露が起こり選択酸化触媒層１１に結露水が供給されると、温度が高かった触媒では結露水の再蒸発により熱が奪われて温度が低下することになる。
【００７０】
そうすると選択酸化触媒層１１の温度バランスが崩れ、触媒層上流部の温度の低下を引き起こし、生成ガス中のＣＯを１０ｐｐｍ以下に抑えられなくなる可能性がある。また、通常とは異なったところで水（結露水）の蒸発が起こるため、蒸発時に生じる水から蒸気への大きな体積変化が生じ、水素発生装置内を流れるガスの乱れ（脈動）により全体の安定した特性を維持することができなくなる。
【００７１】
そこで、選択酸化触媒層１１の下流部の温度低下を抑制しながら触媒層上流部での温度上昇を抑えるために、水蒸発部７と選択酸化触媒層１１の上流部での熱交換量を多くする必要がある。ここで、上記実施の形態のように、選択酸化触媒層１１の上流部では選択酸化触媒層１１の上流部以外に比べて螺旋形状の丸棒１８のピッチを小さくし、選択酸化触媒層１１の他の部分よりは水蒸発部７における温度の低い水や水蒸気が流れる時間を長くすることで水蒸発部７と選択酸化触媒層１１の熱交換量を多くする。これによって、選択酸化触媒層１１の上流部の温度上昇を抑制し、上流部から下流部への温度分布を小さくすることができ、水素発生装置の安定した運転を実現することができる。
【００７２】
本実施の形態では、燃焼排ガス流路１６と一酸化炭素低減部（変成触媒層１０と選択酸化触媒層１１）における熱交換量に応じて水蒸発部７の流路部材（丸棒８）間のピッチを変更することにより、また、熱交換量を大きくしたい所の水蒸発部７の流路部材（丸棒８）間のピッチを密に形成することにより、改質触媒層の温度を適正に保つことができ、水素発生装置の性能の安定化を図ることができる。
なお、本実施の形態でいう熱交換量は単位面積当たりの熱交換量の意味である。
【００７３】
ここで、本実施の形態では、変成触媒層１０上流部と選択酸化触媒層１１上流部での螺旋形状の丸棒１８のピッチを同時に小さくする構成としたが、別々に構成し、変成触媒層１０上流部だけをピッチを小さくしたり、選択酸化触媒層１１上流部だけをピッチを小さくしたり、それぞれの水素発生装置に合わせた構成としても良い。
【００７４】
また、実施の形態２と実施の形態１を組み合わせて同時に実施する構成としても良い。
【００７５】
なお、本実施の形態では水蒸発部７内の流路を螺旋形状の丸棒８や１８を用いて流路を形成したが、螺旋形状の板状のものやパイプ形状のものなど、仕切り機能を有する螺旋形状で水をよどみなく流すことができるものであればどのようなものを使用して流路を形成しても良い。
【００７６】
さらに、実施の形態１または２の水素発生装置を燃料電池発電装置に搭載することにより、燃料電池発電装置の安定運転が可能となる。
【００７７】
なお、本発明は上記の実施形態において示されたものに限定されるものではなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【００７８】
本出願は、２００８年５月１５日出願の日本特許出願（特願２００８−１２８０２４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の水素発生装置は、水素の安定した供給を、小型で高効率、低コストとなる機器として実現するもので、例えば、家庭用の燃料電池システムへの水素含有の生成ガスを供給する装置として有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１    燃料ガス供給部
２    空気流路
３    空気ファン
４    バーナ
５    原料ガス供給部
６    水供給部
７    水蒸発部
８，１８    丸棒
９    改質触媒層
１０    変成触媒層
１１    選択酸化触媒層
１２    生成ガス出口
１３    排気口
１４    選択酸化空気供給部
１５    制御部
１６    燃焼排ガス流路
１７    断熱材
１００    円筒
１０１    円筒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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