(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質部、並びに、前記水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部を含む反応容器と、
前記改質部及び前記一酸化炭素低減部を加熱する加熱部と、
前記反応容器の外周を覆うように配置された断熱材と、
前記改質部の周囲に位置する前記反応容器の外周面と前記断熱材との第１の隙間と、前記一酸化炭素低減部の周囲に位置する前記反応容器の外周面と前記断熱材との第２の隙間との間で、前記第１の隙間及び前記第２の隙間に存在する空気が対流するのを防止する対流防止部と、
を備えた水素生成装置。
【請求項２】
前記対流防止部は、前記反応容器に設けられた容器凸部、及び、前記断熱材に設けられ、前記容器凸部と対向するように設けられた断熱材凸部を有し、前記容器凸部及び前記断熱材凸部が互いに押圧されるように、前記反応容器部及び前記断熱材を固定する固定具をさらに備える、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記対流防止部は、前記容器凸部及び前記断熱材凸部の間に配置された弾性部材をさらに有し、前記容器凸部及び前記断熱材凸部は、前記弾性部材を介して互いに押圧される、請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記対流防止部は、前記反応容器及び前記断熱材の間で、かつ、前記改質部及び前記一酸化炭素低減部の境界部分に配置されている、請求項１〜３のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記反応容器内部のうち、前記改質部及び前記一酸化炭素低減部の間には、空間部が設けられている、請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記容器凸部は、前記改質部の外径より前記一酸化炭素低減部の外径を大きくすることにより形成された段差部である、請求項１〜４のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記反応容器内部のうち、前記一酸化炭素低減部の前記段差部側には、空間部が設けられている、請求項６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、炭化水素化合物を原料として水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池に燃料ガスを供給する水素生成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、燃料電池と、燃料電池に水素を含む燃料ガスを供給する水素生成装置と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力へ変換するインバーター回路、およびそれらを制御する制御装置などによって構成されている。燃料電池には種々の方式が用いられているが、表面に貴金属触媒を坦持した高分子などの固体電解質の片面に水素ガスを供給し、供給された水素ガスを水素イオンへ変換し、反対面に酸素を供給して固体電解質内を拡散してきた水素イオンを燃焼消費することによって電荷の移動、すなわち電流を得る方式が一般的である。また、水素生成装置にも幾つかの方式があるが、一般的にはルテニウムなどを坦持した触媒を用い、原料となる炭化水素化合物と水蒸気を高温で反応させて水蒸気改質反応によって水素を高濃度に含む改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部とからなる反応容器部と、この反応容器部の外周を覆って断熱する断熱材から構成される。
【０００３】
改質部で生成され得る最大の水素量は、反応平衡によって定まる反応転化率によって決定される。反応転化率は反応温度により強く影響され、反応温度が高いほど反応転化率が高くなり多くの水素を生成することができる。そこで、反応転化率の高い水素生成装置を得るには、改質部の温度を高温に維持することが不可欠であり、そのためには改質部の放熱を極力抑制することが必要である。従って、反応容器部の外周を覆う断熱材の断熱性能は水素生成装置の性能に大きく影響する。
【０００４】
特許文献１には、改質部と、一酸化炭素低減部である変成部と一酸化炭素選択酸化部の外径が同じ反応容器部を覆う断熱材構成が示されている。また、特許文献２の図４には、外径の異なる改質部と変成部からなる反応容器部を覆う断熱材構成が示されている。なお、代表的な温度を示すと、改質部の最高温度は６００〜７００℃と比較的高温であり、それに比べて変成部の最高温度は２１０〜３００℃と比較的低温である。一方、水素生成装置は熱応力による破壊や劣化を防止するため、特許文献３に記載されているように低温部で吊り下げられるように保持するのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４７２４１号公報
【特許文献２】国際公開第０２／０９８７９０号
【特許文献３】特開２００２−２８４５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの特許文献では反応容器部と断熱材とが隙間なく組み立てられているように図示されているが、実際には両者の間には必ず隙間が生じている。断熱材の加工精度を反応容器部と同等に高くすることは困難であるため、反応容器部と断熱材の間には、片側で１ｍｍから３ｍｍ程度の隙間が生じている。この隙間に存在する空気は、より高温の改質部とより低温の一酸化炭素低減部とによって加熱されるが、温度差があるため隙間を通じて空気の対流が起こる。空気の対流によって、改質部では熱が奪われ改質部の温度が想定よりも低下し、一酸化炭素低減部では、過剰に加熱され変成部の温度が想定よりも上昇してし
まうという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、改質部周囲の隙間に存在する空気の対流による放熱を抑制し、また、一酸化炭素低減部の過剰な温度上昇を抑制することができる水素生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
特許文献１の技術では、改質部周囲と断熱材との隙間と一酸化炭素低減部である変成部周囲と断熱材との隙間が上下に連なってしまう。各々の隙間部に存在する空気は、それぞれ改質部と一酸化炭素低減部部により加熱されるが、前述のように改質部の温度が高温のため、改質部周囲の隙間に存在する空気は対流し、より温度の低い一酸化炭素低減部部周囲の隙間に流入する。この対流により改質部の熱が奪われ改質温度が低下し反応転化率が低下してしまう。すなわち、この対流により放熱損失が発生し、高性能の断熱材を使用していてもその効果を十分に発揮することができない恐れがあった。また、一酸化炭素低減部においても、一酸化炭素低減部の周囲の隙間に流入した高温空気により一酸化炭素低減部が加熱され、一酸化炭素低減部が適温から外れてしまい、一酸化炭素低減性能が低下したり、一酸化炭素低減部の触媒が高温によって劣化してしまう恐れがあった。
【０００９】
また、特許文献２のように、改質部外径よりも一酸化炭素低減部外径の方が大きい場合であっても、改質部周囲と一酸化炭素低減部周囲の各々と断熱材との隙間が存在する。ここで、特許文献３のように低温の一酸化炭素低減部で吊り下げて保持する場合には、改質部外径と一酸化炭素低減部外径の段差部にも断熱材との隙間が生じるため、改質部周囲の隙間に存在する空気が対流して一酸化炭素低減部周囲の隙間に流入してしまう恐れがあった。
【００１０】
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、上記従来の課題を解決するために、改質部の周囲に位置する反応容器の外周面と断熱材との第１の隙間と、一酸化炭素低減部の周囲に位置する反応容器の外周面と断熱材との第２の隙間との間で、第１の隙間及び第２の隙間に存在する空気が対流するのを防止する対流防止部を備えることによって、改質部周囲の隙間に存在する空気の対流による放熱を抑制し、一酸化炭素低減部の過剰な温度上昇を抑制することができることを見出した。
【００１１】
即ち、本発明の水素生成装置は、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質部、並びに、前記水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部を含む反応容器と、前記改質部及び前記一酸化炭素低減部を加熱する加熱部と、前記反応容器
の外周を覆うように配置された断熱材と、前記改質部の周囲に位置する前記反応容器の外周面と前記断熱材との第１の隙間と、前記一酸化炭素低減部の周囲に位置する前記反応容器の外周面と前記断熱材との第２の隙間との間で、前記第１の隙間及び前記第２の隙間に存在する空気が対流するのを防止する対流防止部を備える。この構成により、反応容器とその周囲の断熱材との隙間に存在する空気の対流などによる移動を抑制することができる。従って、改質部周囲の隙間に存在する空気の対流による放熱損失を抑制し、改質部の反応転化率の低下を抑制できる。また、一酸化炭素低減部の一酸化炭素低減性能の低下や一酸化炭素低減部の触媒が高温で劣化することを抑制できる。
【００１２】
また、本発明の前記対流防止部は、前記反応容器に設けられた容器凸部、及び、前記断熱材に設けられ、前記容器凸部と対向するように設けられた断熱材凸部を有し、前記容器凸部及び前記断熱材凸部が互いに押圧されるように、前記反応容器部及び前記断熱材を固定する固定具をさらに備える。これにより、反応容器とその周囲の断熱材との隙間に存在する空気の対流などによる移動の抑制をより確実なものにすることができる。
【００１３】
更に本発明の前記対流防止部は、前記容器凸部及び前記断熱材凸部の間に配置された弾性部材をさらに有し、前記容器凸部及び前記断熱材凸部は、前記弾性部材を介して互いに押圧されている。これにより、前記容器凸部の下面と前記断熱材凸部の上面の間の隙間をより一層防止することができる。
【００１４】
なお、前記対流防止部は、前記反応容器及び前記断熱材の間で、かつ、前記改質部及び前記一酸化炭素低減部の境界部分に配置されている。これにより、改質部周囲の断熱材との隙間に存在する空気と一酸化炭素低減部周囲の断熱材との隙間に存在する空気との対流を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明では、前記反応容器内部のうち、前記改質部及び前記一酸化炭素低減部の間には、空間部が設けている。これにより、改質部周囲の隙間に存在する空気により一酸化炭素低減部内の触媒が直接加熱されることを防止できる。
【００１６】
また、本発明の前記容器凸部は、前記改質部の外径より前記一酸化炭素低減部の外径を大きくすることにより形成する。これにより新たな部材を追加することなく、改質部周囲の断熱材との隙間に存在する空気と一酸化炭素低減部周囲の断熱材との隙間に存在する空気との対流を抑制できる。
【００１７】
また、本発明では、前記容器凸部は、前記改質部の外径より前記一酸化炭素低減部の外径を大きくすることにより形成するとともに、前記反応容器内部のうち、前記一酸化炭素低減部の前記段差部側には、空間部が設けている。これにより、改質部周囲の隙間に存在する空気により一酸化炭素低減部内の触媒が直接加熱されることを防止できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水素生成装置によれば、改質部の周囲に位置する反応容器の外周面と断熱材との第１の隙間と、一酸化炭素低減部の周囲に位置する反応容器の外周面と断熱材との第２の隙間との間で、第１の隙間及び第２の隙間に存在する空気が対流するのを、対流防止部によって防止するので、改質部周囲の隙間に存在する空気の対流による放熱を抑制し、一酸化炭素低減部の過剰な温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成図
【図３】本発明の実施の形態３における水素生成装置の概略構成図
【図４】本発明の実施の形態４における水素生成装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施の形態１）
以下、本発明に係る水素生成装置の実施の形態について、図１を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態における水素生成装置１の概略構成図である。水素生成装置１の動作は、先ず、改質部Ａで、炭化水素化合物及び水蒸気を原料として水蒸気改質反応を行い、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応のメタン及び水蒸気を含む改質ガスを生成する。次に、一酸化炭素低減部Ｂによって燃料電池３に有害となる一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成する。この燃料ガスを用いて燃料電池３が発電を行う。一酸化炭素低減部Ｂは、一酸化炭素を水蒸気と反応させて低減する変成反応部と、なおも残留する一酸化炭素に空気を供給して燃焼除去させる選択酸化反応部とを有するものが一般的である。また、簡単な構造で高効率の水素生成装置を実現するには、水素生成装置１のように、改質部Ａと一酸化炭素低減部Ｂからなる反応容器３０を一体化して上下に並べて配置する構成が提案されている。
【００２２】
図１において、水素生成装置１は、バーナ２と、改質器Ａと、一酸化炭素低減部Ｂと、成型断熱材１１と、断熱材１２と、固定板１４と、を有している。
【００２３】
バーナ２は、水素生成装置１中心に位置するように反応容器３０の内部に配置されている。バーナ２は、水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するもので、原料又は燃料電池３
から排出されるオフガスを燃焼し、排気口１３を通じて燃焼排ガスを排出するように構成されている。原料供給口４から供給された原料及び水は、らせん状に流路が構成された蒸発器５内でバーナ２の燃焼排ガスによって加熱され、蒸発した水と原料とが混合して改質器Ａ内の改質触媒層６へ送られる。改質触媒層６の改質触媒としては、例えば、ルテニウムを主成分とする触媒、又は、ニッケルを主成分とする触媒を用いることができる。原料及び水蒸気の混合ガスは、改質触媒層６内で燃焼排ガスによって６００から７００℃程度に加熱され、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応のメタン及び水蒸気を含む改質ガスへと反応する。一酸化炭素は、一酸化炭素低減部Ｂ内の変成触媒層７によって改質ガス中の水蒸気と反応して濃度が１％以下にまで低減される。改質ガスは更に空気供給口８から供給された空気と混合されて、一酸化炭素低減部Ｂ内の選択酸化触媒層９によって一酸化炭素が選択的に燃焼除去される。生成された燃料ガスは、燃料ガス出口１０から燃料電池３へ送られる。
【００２４】
また、成型断熱材１１は、一酸化炭素低減部Ｂの側面、改質部Ａの側面及び改質部Ａの一酸化炭素低減部Ｂが配置されている側の反対側の面を覆うように配置されている。この成型断熱材１１は、改質部Ａ側に設けられた底部、円筒形状の側部及び一酸化炭素低減部Ｂ側に開口部を有する。断熱材１２は、成型断熱材１１の開口部側の部分と一酸化炭素低減部Ｂ側との隙間に配置されている。断熱材１２の材料としては、例えば、グラスファイバーを用いることができる。固定板１４は、一酸化炭素低減部Ｂ及びバーナ２のうちの少なくとも一方に一体化されている。
【００２５】
水素生成装置１は、成型断熱材１１の中に反応容器３０を挿入して構成しているため、成型断熱材１１の内径は反応容器３０の外径よりも大きく作られている。しかも成型断熱材１１の加工精度は反応容器３０に比べて劣るため、反応容器３０と成型断熱材１１の間には、片側で１ｍｍから３ｍｍの隙間が生じている。
【００２６】
本実施の形態では、改質部Ａと成型断熱材１１の間の隙間ａと、一酸化炭素低減部Ｂと成型断熱材１１の間の隙間ｂとの間で、隙間ａ及び隙間ｂに存在する空気が対流移動しないように、改質部Ａと一酸化炭素低減部Ｂとの間に凸部となるフランジ１５を設け、成型断熱材１１にはフランジ１５の位置する箇所に段差１６を設けて、この段差１６とフランジ１５とを密着させている。この密着性を確保するため、本実施の形態では、水素生成装置１を乗せた部材１７に接続された板材１８と固定板１４を固定することにより、フランジ１５と成型断熱材１１の段差１６とが互いに押圧するように密着させている。
【００２７】
なお、変成触媒層７の上流側には空間部１９を設けてもよい。この空間部１９は、改質部Ａと成型断熱材１１の間の隙間ａに存在する高温空気が変成触媒層７に触れて、変成触媒層７が加熱されることがないようにするためのものである。
【００２８】
この構成により、改質部Ａによって高温に加熱された隙間ａ内の空気が、一酸化炭素低減部Ｂ周囲の隙間ｂ内へ対流移動することを抑制し、改質部Ａの放熱を抑制することができる。
【００２９】
本実施の形態のように、改質部Ａが重力方向の下側に配置され、一酸化炭素低減部Ｂが上側に配置される構成の場合、改質部Ａ周囲の隙間に存在する高温の空気は、一酸化炭素低減部Ｂ側に上昇して対流が起こりやすくなり、一酸化炭素低減部Ｂ周囲の隙間に流入しやすくなる。従って、本実施の形態を採用することによって、改質部Ａによって高温に加熱された隙間ａ内の空気が、一酸化炭素低減部Ｂ周囲の隙間ｂ内へ対流移動することを抑制し、改質部Ａの放熱を抑制するという効果をより顕著に得ることができる。
【００３０】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、図２を用いて説明する。
【００３１】
図２は、本発明の実施の形態２における水素生成装置１の概略構成図である。図２において、実施の形態１と同一の構成要素には同一の番号を記している。実施の形態１の水素生成装置１では、原料と共に供給される水は蒸発器５内を上から下へらせん流路を流下しながら蒸発するように構成されている。しかし、実施の形態１の構成では、水が蒸発器５の下まで流れ終わるまでに蒸発が完了しないと、蒸発していない水が改質触媒層６へ供給されてしまう恐れがある。蒸発していない水が改質触媒層６へ供給されると、改質触媒層６内で急激に沸騰して、水素生成装置１内のガスを急激に押し出してしまい、一酸化炭素が十分に除去できていない改質ガスを燃料電池３へ供給してしまう。その結果、燃料電池３が一酸化炭素により被毒してしまい発電が停止してしまう恐れがある。そこで本実施の形態の水素生成装置１は、図１の発明の実施の形態の水素生成装置の上下を逆にした構成としている。本実施の形態では、原料供給口４から供給された水を蒸発器下部５１に溜めて加熱蒸発させ発器上部５２で高温の水蒸気に過熱する構成としている。
【００３２】
本実施の形態の水素生成装置１では、改質部Ａが重力方向の上側に配置され、一酸化炭素低減部Ｂが下側に配置されている。この場合、改質部Ａ周囲の隙間に存在する高温の空気は、より低温である一酸化炭素低減部Ｂ周囲の隙間に対流して流入する。そこで、本実施の形態では高温の空気が隙間ｂに流入しないように、改質部Ａと一酸化炭素低減部Ｂの間に凸部となるフランジ１５を設け、成型断熱材１１にはフランジ１５の位置する箇所に段差１６を設けている。この段差１６とフランジ１５が密着させることによって、改質部Ａによって高温に加熱された隙間ａ内の空気が、一酸化炭素低減部Ｂ周囲の隙間ｂ内へ対流して移動することを抑制し、改質部Ａの放熱を抑制することができる。
【００３３】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における水素生成装置について、図３を用いて説明する。
【００３４】
図３は、本発明の実施の形態３における水素生成装置１の概略構成図である。図３において、実施の形態１と同じ構成要素には同一の番号を記している。本実施の形態では、改質部Ａの外径に比べて、一酸化炭素低減部Ｂの変成触媒層７の外径を大きく構成している。これにより実施の形態１のフランジ１５に相当する反応容器凸部を、改質部Ａと一酸化炭素低減部Ｂとの段差２０により構成している。この段差２０を成型断熱材１１の段差１６と密着させることにより、改質部Ａによって高温に加熱された隙間ａ内の空気が、一酸化炭素低減部Ｂ周囲の隙間ｂ内へ対流して移動することを抑制し、改質部Ａの放熱を抑制することができる。
【００３５】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４における燃料電池発電装置について、図４を用いて説明する。
【００３６】
図４は、本発明の実施の形態２における水素生成装置１の概略構成図である。図４においても、実施の形態３と同じ構成要素には同じ番号を付与している。本実施の形態が実施の形態３と異なる点は、反応容器３０の段差２０と成型断熱材１１の段差１６との間に、弾性シート２１を挟んでいる点にある。弾性シート２１は、例えば、耐熱性に優れたアルミナ・シリカからなるセラミック繊維をブランケット状に成型して弾性を持たせたものを用いることができる。弾性シート２１を挟むことにより、板材１８と固定板１４を固定した際に、弾性シート２１が圧縮され、改質部Ａと成型断熱材１１の間の隙間ａと、一酸化炭素低減部Ｂと成型断熱材１１の間の隙間ｂの間の隙間をふさいで対流をより確実に防止することができる。
【００３７】
なお、上述の実施の形態では、一酸化炭素低減部Ｂは、変成反応部と選択酸化反応部とを有するとしたが、これに限定されず、例えば、一酸化炭素低減部Ｂとして変成反応部のみを有するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の水素生成装置は、改質部の放熱を抑制できる水素生成装置を実現することができる。更に、一酸化炭素低減部の一酸化炭素低減性能の低下を抑制できる上、一酸化炭素低減の触媒の高温劣化を防止することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  水素生成装置
５  蒸発器
６  改質触媒層
７  変成触媒層
９  選択酸化触媒層
１１  成型断熱材
１４  固定板
１７  部材
１８  板材
【図１】
0005605157.tif 000002
【図２】
0005605157.tif 000003
【図３】
0005605157.tif 000004
【図４】
0005605157.tif 000005