(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ径が異なり中心軸が重なるように配置された多重の円筒状構造体と前記円筒状構造体を加熱するバーナを有し、前記多重の円筒状構造体のうち最も内側に位置する第一の円筒状構造体と前記第一の円筒状構造体の外側に位置する第二の円筒状構造体との間に前記バーナからの燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、前記第二の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の外側に位置する第三の円筒状構造体との間に、水蒸気と原料ガスとの混合ガスの供給により水蒸気改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層を備え、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れ方向と、前記改質触媒層を流れる前記混合ガスと前記改質ガスとの流れる方向とが対向する円筒型の水素発生装置であって、前記燃焼ガス流路の間隔を維持するための突起またはスペーサを、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部と下流部とに、複数、前記第一の円筒状構造体の外周面または前記第二の円筒状構造体の内周面に備え、複数の前記突起またはスペーサの数が、前記上流部は前記下流部より多いことを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
複数の前記突起またはスペーサの数は、前記第一の円筒状構造体や前記第二の円筒状構造体の単位面積あたりの数において、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部は下流部より多いことを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
複数の前記突起またはスペーサの数は、前記第一の円筒状構造体や前記第二の円筒状構造体の周方向の数において、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部は下流部より多いことを特徴とする請求項１または２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
複数の前記突起またはスペーサの数は、前記突起またはスペーサを前記第一の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の中心軸に平行に前記燃焼ガス流路の一端から前記燃焼ガス流路の他端まで見た場合に、見える前記突起またはスペーサの数において、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部は下流部より多いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記突起またはスペーサの周方向の数や、前記突起またはスペーサを前記第一の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の中心軸に平行に前記燃焼ガス流路の一端から前記燃焼ガ
ス流路の他端まで見た場合に見える前記突起またはスペーサの数が、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部では４個から１０個であることを特徴とする請求項３または４に記載の水素発生装置。
【請求項６】
それぞれ径が異なり中心軸が重なるように配置された多重の円筒状構造体と前記円筒状構造体を加熱するバーナを有し、前記多重の円筒状構造体のうち最も内側に位置する第一の円筒状構造体と前記第一の円筒状構造体の外側に位置する第二の円筒状構造体との間に前記バーナからの燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、前記第二の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の外側に位置する第三の円筒状構造体との間に、水蒸気と原料ガスとの混合ガスの供給により水蒸気改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層を備え、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れ方向と、前記改質触媒層を流れる前記混合ガスと前記改質ガスとの流れる方向とが対向する円筒型の水素発生装置であって、前記燃焼ガス流路の間隔を維持するための突起またはスペーサを、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部と下流部とに、複数、前記第一の円筒状構造体の外周面または前記第二の円筒状構造体の内周面に備え、前記燃焼ガス流路の間隔の寸法から複数の前記突起またはスペーサの高さ寸法を引いた値が、前記上流部は前記下流部より小さいことを特徴とする水素発生装置。
【請求項７】
前記突起またはスペーサは、前記第一の円筒状構造体や前記第二の円筒状構造体を片側から押し付けて略円錐状に変形させたものであったり、長さの短い丸棒を前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れ方向に前記丸棒の長さ方向が向くように配置したものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項８】
前記第一の円筒状構造体の内側に前記バーナを有し、前記第二の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の外側に位置する第三の円筒状構造体との間に、水の供給により前記水蒸気を生成して前記原料ガスとの前記混合ガスを生成する水蒸発部と、前記水蒸発部の下流側に前記水蒸発部から送出された前記混合ガスが流入する前記改質触媒層を備え、前記第三の円筒状構造体と前記第三の円筒状構造体の外側に位置する第四の円筒状構造体との間に前記改質触媒層を通過した前記改質ガスが流れる改質ガス流路を有し、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの下流部で、前記燃焼ガスの流れ方向と、前記水蒸発部を流れる前記原料ガスと前記水と前記水蒸気と前記混合ガスの流れる方向が対向し、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部で、前記燃焼ガスの流れと前記改質触媒層を流れる前記混合ガスと前記改質ガスとの流れる方向とが対向し、前記改質触媒層を流れる前記原料ガスと前記水蒸気と前記改質ガスとの流れる方向と前記改質ガス流路を流れる前記改質ガスの流れる方向とが対向し、前記改質ガス流路を通過した前記改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ除去触媒層を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【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ＣＯ除去部とを備えて形成されている。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を１０ｐｐｍ程度にまで除去する必要があるため、ＣＯ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一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する選択酸化部の、２段階の構成部で形成されるのが一般的である。
【０００４】
水素発生装置として、小型化、高効率化、高耐久性、運転の安定性向上、低コスト化などの観点から種々の装置が従来から提案されているが、小型で高効率な水素発生装置に関しては、改質部やＣＯ除去部を一体化してその内部に加熱用のバーナを配置し、装置内の熱のバランスを最適化することで熱ロスを最低限に抑え、実現している。
【０００５】
小型で高効率な水素発生装置を実現するためには、内部に備えた加熱用のバーナからの熱を如何に有効に触媒に伝え、触媒全体を良好な触媒反応が行える温度状態とするかがポイントとなる。特に、６００℃〜７００℃の高温状態とすることで水蒸気改質反応させる改質部では、高温状態であるため、改質触媒への伝熱に無駄が生じたら水素発生装置外への放熱につながり改質効率の低下を引き起こしてしまう。ここで、改質効率とは、必要な水素量に対してその水素をつくるために必要とする原料ガス量の割合のことであり、必要とする原料ガス量を如何に少なくするか、つまりバーナでの加熱量を如何に少なくして熱バランスさせるかが改質効率の向上につながる。バーナでの加熱量を少なくするためには、バーナで生じた高温の燃焼ガスから改質触媒への伝熱を促進して伝熱部を小さくし、また、触媒にむらがないように熱を伝えて触媒全体を触媒性能が良好になるような温度とすることで触媒量を少なくし、装置の大きさを小さくすることが必要となる。燃焼ガスから触媒への伝熱を促進する一つの手段として、燃焼ガス流路の流路幅を狭くして燃焼ガス流速を速くし、燃焼ガスから改質触媒への熱伝達係数を大きくする方法がある。しかし、流路幅を狭くすると、燃焼ガス流路の内周面や外周面を構成している２つの円筒状構造体の位置関係に径方向のずれが生じた時、少しのずれでも狭い流路幅に対して大きな割合となり、周方向の流路幅のばらつきが大きくなる。流路幅のばらつきが大きいと、燃焼ガスに流速が速いところと遅いところが生じ、燃焼ガスから改質触媒への伝熱量に差が生じてしまう。伝熱量に差が生じると改質触媒が高温化する箇所と、あまり温度が上がらない箇所が生じる。改質触媒の反応性は改質触媒の温度に対して線形ではなく、温度が高くなるほど反応性が向上する割合は小さくなる。つまり、改質触媒に温度むらが生じ高温部ができると、その箇所では伝えた熱量の割には反応性が向上されずに熱が無駄に使用されてしまうことになり、一定の水素量を生成しようとするとバーナでの加熱量が多く必要となり改
質効率が悪くなってしまう。また、触媒は高温化すると触媒上に分散している触媒作用する貴金属などの触媒種がシンタリングにより凝集して分散性が悪くなり、触媒作用の悪化により触媒の反応性が悪くなる。したがって、触媒の耐久性に影響を及ぼす可能性がでてくる。さらに、触媒が高温化して周方向に温度むらがあるということは、燃焼ガスと触媒層の間の隔壁を構成している円筒状構造体も部分的に高温化し、周方向に温度のむらが生じてしまう。円筒状構造体の周方向に温度むらが生じると、その温度差により構造体に応力が生じる。特に高温部では構造体を形成している材料の許容応力値が低くなっているため、応力がかかった場合、構造体の耐久性に影響を与える可能性が生じてしまう。
【０００６】
上記課題に対し従来の構成では、例えば、特許文献１に示される提案がなされていた。
【０００７】
図７は、特許文献１に記載された従来の水素発生装置を示すものである。図７に示すように、筒状壁部材の表面に凸状の突起部を複数形成し、突起部の先端を外側に位置するもうひとつの筒状壁部材に当接させることで突起部の高さによって均一な燃焼ガス流路幅を形成し、燃焼ガスから触媒への伝熱を均一化していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４０６８１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の構成では、複数の突起部先端をもうひとつの筒状壁部材に当接させるように製造しようとすると部品精度が必要となり、また製造時の組み立て性にも困難が予想され、製造コストが高くなる可能性があった。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、製造性や製造時のコストも考慮した構成において、水素発生装置における燃焼ガスから改質触媒への伝熱の促進と均一化をはかることで、小型で高効率な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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素発生装置は、それぞれ径が異なり中心軸が重なるように配置された多重の円筒状構造体と円筒状構造体を加熱するバーナを有し、多重の円筒状構造体のうち最も内側に位置する第一の円筒状構造体と第一の円筒状構造体の外側に位置する第二の円筒状構造体との間にバーナからの燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、第二の円筒状構造体と第二の円筒状構造体の外側に位置する第三の円筒状構造体との間に、水蒸気と原料ガスとの混合ガスの供給により水蒸気改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層を備え、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスの流れ方向と、
改質触媒層を流れる混合ガスと改質ガスとの流れる方向とが対向する円筒型の水素発生装置であって、燃焼ガス流路の間隔を維持するための突起またはスペーサを、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスの流れの上流部と下流部とに、複数、第一の円筒状構造体の外周面または第二の円筒状構造体の内周面に備え、複数の突起またはスペーサの数が、上流部は下流部より多い水素発生装置である。
【００１２】
具体的には、第一の円筒状構造体や第二の円筒状構造体の単位面積あたりの突起またはスペーサの数や、第一の円筒状構造体や第二の円筒状構造体の周方向の突起またはスペーサの数や、突起またはスペーサを第一の円筒状構造体と第二の円筒状構造体の中心軸に平行に燃焼ガス流路の一端から燃焼ガス流路の他端まで見た場合に見える突起またはスペーサの数が、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスの流れの上流部は下流部より多いものである。
【００１３】
これにより、高温の燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路の上流部では、燃焼ガス流路幅を周方向にできるだけ均一に構成することが可能となり、燃焼ガスから改質触媒層への伝熱の促進と均一化を実現することができる。
【００１４】
また、それぞれ径が異なり中心軸が重なるように配置された多重の円筒状構造体と円筒状構造体を加熱するバーナを有し、多重の円筒状構造体のうち最も内側に位置する第一の円筒状構造体と第一の円筒状構造体の外側に位置する第二の円筒状構造体との間にバーナからの燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、第二の円筒状構造体と第二の円筒状構造体の外側に位置する第三の円筒状構造体との間に、水蒸気と原料ガスとの混合ガスの供給により水蒸気改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層を備え、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスの流れ方向と、改質触媒層を流れる混合ガスと改質ガスとの流れる方向とが対向する円筒型の水素発生装置であって、燃焼ガス流路の間隔を維持するための突起またはスペーサを、燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスの流れの上流部と下流部とに、複数、第一の円筒状構造体の外周面または第二の円筒状構造体の内周面に備え、燃焼ガス流路の間隔の寸法から複数の突起またはスペーサの高さ寸法を引いた値が、上流部は下流部より小さい水素発生装置である。
【００１５】
これにより、突起またはスペーサの数を変える構成以外で、高温の燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路の上流部で燃焼ガス流路幅を周方向にできるだけ均一に構成することが可能となり、燃焼ガスから改質触媒層への伝熱の促進と均一化を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃焼ガス流路を構成する円筒状の構造体に突起やスペーサを設けて燃焼ガス流路幅を規定する構成において、製造性を損なうことなく、高温の燃焼ガスが流れ、改質触媒層の高温部への伝熱性能を支配する箇所において、燃焼ガス流路幅を周方向に均一に構成することが可能となり、燃焼ガスから改質触媒層への伝熱促進と、周方向に対して均一な伝熱を可能とするものである。よって、改質触媒温度の周方向の均一化により触媒全体の有効使用による小型化を実現し、同時に改質触媒や構造体の部分的な高温化を防止することで、触媒と構造体の耐久性を向上させることができ、小型で高効率、高耐久な水素発生装置を実現できることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における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１における水素発生装置を示す概略構成図（ａ）突起の一例を示す外観図（ｂ）別の突起の例を示す外観図
【図３】本発明の実施の形態１における燃焼ガス流路幅と転化率の関係を示す数値解析結果の特性図
【図４】本発明の実施の形態１における水素発生装置を示す概略構成図（ａ１）突起が３個でずれがない時の燃焼ガス流路を示す概略構成図（ａ２）突起が３個でずれがある時の燃焼ガス流路を示す概略構成図（ｂ１）突起が８個でずれがない時の燃焼ガス流路を示す概略構成図（ｂ２）突起が８個でずれがある時の燃焼ガス流路を示す概略構成図
【図５】本発明の実施の形態１における水素発生装置を示す概略構成図（ａ）燃焼ガスの流れ方向に見た時の突起の数が８個の時の燃焼ガス流路を示す図（ｂ１）燃焼ガスの流れ方向に見た時の突起の数が８個の時の突起の状態の一例を示す外観図（ｂ２）燃焼ガスの流れ方向に見た時の突起の数が８個の時の突起の状態の別の例を示す外観図（ｂ３）燃焼ガスの流れ方向に見た時の突起の数が８個の時の突起の状態の別の例を示す外観図（ｂ４）燃焼ガスの流れ方向に見た時の突起の数が８個の時の突起の状態の別の例を示す外観図
【図６】本発明の実施の形態２における水素発生装置を示す概略構成図
【図７】従来の水素発生装置を示す概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、それぞれ径が異なり中心軸が重なるように配置された多重の円筒状構造体と前記円筒状構造体を加熱するバーナを有し、前記多重の円筒状構造体のうち最も内側に位置する第一の円筒状構造体と前記第一の円筒状構造体の外側に位置する第二の円筒状構造体との間に前記バーナからの燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、前記第二の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の外側に位置する第三の円筒状構造体との間に、水蒸気と原料ガスとの混合ガスの供給により水蒸気改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層を備え、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れ方向と、前記改質触媒層を流れる前記混合ガスと前記改質ガスとの流れる方向とが対向する円筒型の水素発生装置であって、前記燃焼ガス流路の間隔を維持するための突起またはスペーサを、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部と下流部とに、複数、前記第一の円筒状構造体の外周面または前記第二の円筒状構造体の内周面に備え、複数の前記突起またはスペーサの数が、前記上流部は前記下流部より多いことを特徴とする水素発生装置である。
【００１９】
第２の発明は、特に、第１の発明において、複数の前記突起またはスペーサの数は、前記第一の円筒状構造体や前記第二の円筒状構造体の単位面積あたりの数において、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部は下流部より多いことを特徴とするものである。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、複数の前記突起またはスペーサの数は、前記第一の円筒状構造体や前記第二の円筒状構造体の周方向の数において、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部は下流部より多いことを特徴とするものである。
【００２１】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明において、複数の前記突起またはスペーサの数は、前記突起またはスペーサを前記第一の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の中心軸に平行に前記燃焼ガス流路の一端から前記燃焼ガス流路の他端まで見た場合に、見える前記突起またはスペーサの数において、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部は下流部より多いことを特徴とするものである。
【００２２】
第５の発明は、特に、第３または第４の発明において、前記突起またはスペーサの周方向の数や、前記突起またはスペーサを前記第一の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体
の中心軸に平行に前記燃焼ガス流路の一端から前記燃焼ガス流路の他端まで見た場合に見える前記突起またはスペーサの数が、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部では４個から１０個であることを特徴とするものである。
【００２３】
第６の発明は、それぞれ径が異なり中心軸が重なるように配置された多重の円筒状構造体と前記円筒状構造体を加熱するバーナを有し、前記多重の円筒状構造体のうち最も内側に位置する第一の円筒状構造体と前記第一の円筒状構造体の外側に位置する第二の円筒状構造体との間に前記バーナからの燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路を形成し、前記第二の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の外側に位置する第三の円筒状構造体との間に、水蒸気と原料ガスとの混合ガスの供給により水蒸気改質反応を行い水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層を備え、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れ方向と、前記改質触媒層を流れる前記混合ガスと前記改質ガスとの流れる方向とが対向する円筒型の水素発生装置であって、前記燃焼ガス流路の間隔を維持するための突起またはスペーサを、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部と下流部とに、複数、前記第一の円筒状構造体の外周面または前記第二の円筒状構造体の内周面に備え、前記燃焼ガス流路の間隔の寸法から複数の前記突起またはスペーサの高さ寸法を引いた値が、前記上流部は前記下流部より小さいことを特徴とする水素発生装置である。
【００２４】
第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明において、前記突起またはスペーサは、前記第一の円筒状構造体や前記第二の円筒状構造体を片側から押し付けて略円錐状に変形させたものであったり、長さの短い丸棒を前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れ方向に前記丸棒の長さ方向が向くように配置したものであることを特徴とするものである。
【００２５】
第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明において、前記第一の円筒状構造体の内側に前記バーナを有し、前記第二の円筒状構造体と前記第二の円筒状構造体の外側に位置する第三の円筒状構造体との間に、水の供給により前記水蒸気を生成して前記原料ガスとの前記混合ガスを生成する水蒸発部と、前記水蒸発部の下流側に前記水蒸発部から送出された前記混合ガスが流入する前記改質触媒層を備え、前記第三の円筒状構造体と前記第三の円筒状構造体の外側に位置する第四の円筒状構造体との間に前記改質触媒層を通過した前記改質ガスが流れる改質ガス流路を有し、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの下流部で、前記燃焼ガスの流れ方向と、前記水蒸発部を流れる前記原料ガスと前記水と前記水蒸気と前記混合ガスの流れる方向が対向し、前記燃焼ガス流路を流れる前記燃焼ガスの流れの上流部で、前記燃焼ガスの流れと前記改質触媒層を流れる前記混合ガスと前記改質ガスとの流れる方向とが対向し、前記改質触媒層を流れる前記原料ガスと前記水蒸気と前記改質ガスとの流れる方向と前記改質ガス流路を流れる前記改質ガスの流れる方向とが対向し、前記改質ガス流路を通過した前記改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ除去触媒層を備えたことを特徴とするものである。
【００２６】
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する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態を示すものである。図１において、燃料ガス供給部１
より供給された燃料ガスと空気供給部２から供給された空気とを混合して火炎を形成するバーナ３を有しており、バーナ３で生じた燃焼ガスは、バーナ３を内側に配置する第一の円筒状構造体１００と、第一の円筒状構造体１００の外側に隣接する第二の円筒状構造体１０１の間に形成される燃焼ガス流路４を流れ、排気口５より水素発生装置外に排気される。燃焼ガス流路４の外側、つまり第二の円筒状構造体１０１の外側には、原料ガス供給部６からの原料ガスと水供給部７からの水が供給される水蒸発部８が設けられている。水蒸発部８から送出される原料ガスと水蒸気の混合ガスは、第二の円筒状構造体１０１と第二の円筒状構造体１０１の外側に位置する第三の円筒状構造体１０２との間に改質触媒を充填してなる改質触媒層９に供給される。ここで、改質触媒層９内を流れる混合ガスや改質ガスの流れ方向は、燃焼ガス流路４を流れる燃焼ガスの流れの上流部で燃焼ガスの流れ方向と対向するように構成されている。また、水蒸発部８内を流れる原料ガスや水や水蒸気や混合ガスの流れ方向は、燃焼ガス流路４を流れる燃焼ガスの流れの下流部で燃焼ガスの流れ方向と対向するように構成されている。改質触媒層９から送出される改質ガスは、第三の円筒状構造体１０２と第三の円筒状構造体１０２の外側に位置する第四の円筒状構造体１０３との間の改質ガス流路１５を改質触媒層９内を流れる混合ガスや改質ガスの流れ方向と対向する方向に流れた後、水蒸発部８の外側に位置し、ＣＯ除去触媒が充填されたＣＯ除去触媒層１０に供給される。ＣＯ除去触媒層１０から送出されたガスは、生成ガス出口１１より高濃度の水素を含有する生成ガスとして水素発生装置から送出される。
【００２８】
ここで、第一の円筒状構造体１００の外周面には突起１２を複数個備え、突起１２の第一の円筒状構造体１００に対する周方向の数は、燃焼ガス流路４内の燃焼ガスの流れが改質触媒層９内の流れに対向して流れる上流部では８個、水蒸発部８内の流れに対向して流
れる下流部では４個と、改質触媒層９への伝熱を行う上流部の方が多くなっている。突起１２の形状としては、第一の円筒状構造体１００を内側から外側に向けて局所的に圧力を加えて変形させた先端が丸みを持った略円錐状のものなど（一般的にエンボス加工やダボ加工と呼ばれるもの）となっている。詳細には、図２（ａ）に示すような外観となっている。他には図２の（ｂ）に示すような、長さの短い丸棒をスペーサとして第一の円筒状構造体１００の外周面に燃焼ガスの流れ方向に丸棒の長さ方向が向くように溶接やロウ付けして用いる構成とすることもできる。（以下、この図２（ｂ）も含めて「突起」と表現する）また、突起１２の周方向の設置位置は、一周を略等角度で分割して設置しても、ランダムに設置しても、以下に示す効果が得られる配置であればどのような位置でも良い。さらには、第一の円筒状構造体１００の外周面側ではなく、第二の円筒状構造体１０１の内周面側に、第二の円筒状構造体１０１を外側から内側に向けて局所的に圧力を加えて変形させた先端が丸みを持った略円錐状のものを形成したり、長さの短い丸棒を溶接やロウ付けして構成しても良い。
【００２９】
また、第一の円筒状構造体１００、第二の円筒状構造体１０１、第三の円筒状構造体１０２そして第四の円筒状構造体１０３は、それぞれの中心軸をほぼ重なるように配置することで各流路や触媒層を構成している。
【００３０】
なお、ＣＯ除去触媒層１０は、変成触媒を用いたシフト反応させるものや、酸素を供給して混合し選択酸化触媒を用いて選択酸化反応させるものや、それらの反応を組み合わせたものとして構成することができる。
【００３１】
また、改質触媒層９に充填した改質触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄなどの貴金属やＮｉなどが用いられる。ＣＯ除去触媒層１０に充填する変成触媒としては、Ｐｔなどの貴金属やＦｅ−ＣｒやＣｕ−Ｚｎなど、選択酸化触媒としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどが用いられる。
【００３２】
また、水蒸発部８内の原料ガスや水や混合ガスの流れ方向や、改質触媒層９内の混合ガスや改質ガスの流れ方向や、改質ガス流路１５内の改質ガスの流れ方向は、実際には各部内に螺旋棒や螺旋パイプ、整流板などの配置により流れが周回していたり蛇行していたりしても良いが、本明細書での流れの方向とは、水蒸発部８や改質触媒層９や改質ガス流路１５を入ってから出るまでの大きな流れの方向を示しており、図１における水蒸発部８では上から下、改質触媒層９でも上から下、改質ガス流路１５では下から上を示している。
【００３３】
また、燃料ガス供給部１や空気供給部２、原料ガス供給部６、水供給部７は各々の供給物（燃料ガス、空気、原料ガス、水）の流量を調整可能に構成されており、供給物の吐出流量が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調整機構であっても良い。
【００３４】
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。
【００３５】
バーナ３において、燃料ガス供給部１からの燃料ガスと空気供給部２からの空気とを混合させ、高電圧による放電やヒータによる局所高温化（図示せず）などを行うことで火炎を形成する。火炎によりつくられた高温の燃焼ガスは、第一の円筒状構造体１００の先端から、第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１の間に形成された燃焼ガス流路４を流れ、燃焼排ガスとして排気口５から水素発生装置外に排出される。高温の燃焼ガスの熱は第二の円筒状構造体１０１の外側に配置した水蒸発部８や改質触媒層９に伝熱する。燃焼ガスからの熱で高温化した水蒸発部８では水供給部７からの水を蒸発させて水蒸気とし、また原料ガス供給部６からの原料と水蒸気とを混合した後、混合ガスとして改質触媒層９に供給する。改質触媒層９は燃焼ガスにより６００℃〜７００℃に高温化しており、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給されることにより、改質触媒による水蒸気改質反応が起こり、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。改質触媒層９から送出される改質ガスは、第三の円筒状構造体１０２の先端で第三の円筒状構造体１０２と第四の円筒状構造体１０３との間に形成された流路を改質触媒層９内の流れ方向と対向する方向に流れる。その後、改質ガスはＣＯ除去触媒層１０に供給される。ＣＯ除去触媒層１０では、変成触媒によるシフト反応や、酸素との混合後の選択酸化触媒による選択酸化反応によりＣＯの除去が行われ、高濃度の水素を含有する生成ガスとして生成ガス出口１１から水素発生装置外へ送出される。
【００３６】
ここで、水素発生装置の効率や耐久性を向上させるためには、燃焼ガス流路４を流れる高温の燃焼ガスの熱を改質触媒層９に有効に、かつ均一に伝える必要がある。燃焼ガス流路４からの伝熱量は燃焼ガスの流速により変わる。つまり、燃焼ガス流路４の周方向の幅が不均一で広い箇所と狭い箇所があれば、燃焼ガスの流速に差が出る可能性がある。図３は、燃焼ガス流路４から改質触媒層９周辺部分をモデル化して数値解析した結果で、燃焼ガス流路幅と改質触媒層の特性（転化率）を示したものである。改質触媒層の特性である転化率は、原料ガスから水素を生成する性能を示すもので、転化率が大きい方が改質触媒層への伝熱量が多く、水素をたくさん生成していることを示している。図３より、流路幅が狭いほうが改質触媒層への伝熱量が増え、改質触媒層の転化率が高いことがわかる。逆に流路幅が広ければ伝熱量の低下により転化率が低い結果となり、流路幅がミリ単位で変化しただけで、特性がかなり変わることがわかる。したがって、燃焼ガス流路４の周方向の幅をミリ単位で管理しなければ、改質触媒層９への伝熱量に差が生じ、改質触媒層９の温度が場所により高くなったり低くなったりしてしまう。改質反応の反応性は温度に対して線形ではなく温度が高くなるほど反応性の向上割合は小さくなる。したがって、改質触媒が部分的に高温化すると、その箇所では熱が無駄に使用されてしまうことになり、一定の水素量を生成しようとする場合、バーナでの加熱量が多くなり、改質効率が悪くなってしまう。また、触媒は高温化しすぎるとシンタリングによる触媒活性が低下するため、触媒の耐久性が悪くなる可能性が生じてしまう。さらに、触媒が部分的に高温化するということは、燃焼ガス流路４と改質触媒層９との隔壁を形成する第二の円筒状構造体１０１も周方向に温度むらができ、部分的に高温化することになる。水素発生装置の構造体を形成している材料は高耐熱性のステンレス鋼などであるが、円筒状の軸対称な構成において周方向に温度むらを持つと構造体に生じる応力が大きくなる。特に高温状態ではその材料の許容応力値が小さくなるため、温度むらをもち高温部が生じることは構造体の耐久性悪化につながる可能性がある。
【００３７】
一方、燃焼ガス流路４を流れる燃焼ガスは改質触媒層９近傍を改質触媒層９側に熱を与えて通過するため、水蒸発部８近傍を通過する時には温度が低下している。そのため、燃焼ガスから水蒸発部８への伝熱にむらが生じ、第二の円筒状構造体１０１の温度むらにより第二の円筒状構造体１０１に応力が生じても、第二の円筒状構造体１０１の温度が低くなっているため許容応力値が高く、多少応力が生じても第二の円筒状構造体１０１の耐久性悪化にはつながらない。また、水素発生装置の改質効率は改質触媒層９の特性でほぼ決まるため、水蒸発部８への伝熱むらは改質効率に影響を及ぼさない。
【００３８】
そこで、本構成では、燃焼ガス流路４の幅を規定するために、第一の円筒状構造体１００の外周面に燃焼ガス流路４側に突起１２を形成しているが、その個数を流路幅をより精度良く均一にする必要がある燃焼ガス流路４の燃焼ガスの流れの上流部では多くし、温度が低くあまり流路幅の精度を必要としない燃焼ガスの流れの下流部では少なくしている。
【００３９】
ここで、周方向の突起１２の個数が多い方が、燃焼ガス流路４の周方向の幅をより均一に構成することができる理由を説明する。図４は第一の円筒状構造体１００の外周面に周
方向に突起１２を３個配置している構成（（ａ１）、（ａ２））と、８個配置している構成（（ｂ１）、（ｂ２））との燃焼ガス流路４の構成状態を比較している図である。なお、突起１２としては丸棒を用い、突起１２が設けられている円筒状構造体の断面を示した図である。
【００４０】
まず、突起１２を３個用いた場合に、第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１がずれない時には図４（ａ１）のようになっているが、製造時や水素発生装置の運転時に何らかの影響で第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１の円筒がずれ、燃焼ガス流路４の幅が最小の箇所が生じた状態を想定すると図４の（ａ２）のようになる。つまり、隣り合う２つの突起１２が第二の円筒状構造体１０１に接することで、その接している突起１２間の流路幅が最小（Ｄａ１）となり、逆側の燃焼ガス流路４の幅が最大（Ｄａ２）となる。突起１２が８個の場合には、第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１がずれがない時には図４（ｂ１）のようになっているが、ずれが最も大きく生じた場合には図４（ｂ２）のようになり、最小の流路幅（Ｄｂ１）と、逆側の最大の流路幅（Ｄｂ２）が形成される。ここで、流路幅は明らかに突起１２の数が少ない３個の方が８個に比べて、流路幅が狭いところではより狭く（Ｄａ１＜Ｄｂ１）、流路幅が広いところではより広く（Ｄａ２＞Ｄｂ２）なっている。例えば、第一の円筒状構造体１００の外径を１００ｍｍ、第二の円筒型構造体１０１の内径を１０６ｍｍ、突起１２の高さを２ｍｍとした場合、Ｄａ１＝１．０５ｍｍ、Ｄａ２＝４．９５ｍｍ、Ｄｂ１＝１．９２ｍｍ、Ｄｂ２＝４．０８ｍｍとなる。つまり、突起１２の数が多い方が、流路幅が極端にずれても狭いところと広いところの差が小さく、燃焼ガス流路幅の均一性が高くなっている。したがって、できるだけ多くの突起を燃焼ガス流路内に設ければ流路幅の均一性を高めることができる。しかし、多くの突起を形成することは、より多くの突起形成のための加工を行うことになり製造時のコストが高くなったり、第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１を嵌めあう時に作業性が悪くなり作業時間が必要となり製造コストが高くなったりする可能性があるため、必要な流路幅精度に応じて突起の数を設定する必要がある。
【００４１】
図５は、周方向の必要な突起位置に対して、燃焼ガスの流れ方向のどこの位置に突起を設けるかを示した図である。
【００４２】
突起を第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１の中心軸に平行に燃焼ガス流路４の一端から燃焼ガス流路４の他端まで見た場合、（以降、このような見方を「燃焼ガスの流れ方向に見た場合」と表現する）に、図５の（ａ）のような位置に周方向に８個の突起が必要な時、（ｂ１）のように複数段設ける突起の全ての段に対して、必ず８個すべての突起を設けても良いが、それ以外にも（ｂ２）〜（ｂ４）のような構成のように、燃焼ガスの流れ方向に見た時に（ａ）のように８個の突起が構成されていれば、同等の効果が得られる。これは、第一の円筒状構造体１００や第二の円筒状構造体１０１が高い真円度で作られておれば、第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１にゆがみや径の変化がなく、燃焼ガスの流れ方向に一箇所位置決めすれば円筒状構造体全体に対して位置決めでき、燃焼ガスの流れ方向に対して燃焼ガス流路幅は一定に維持される。したがって、燃焼ガスの流れ方向のどこかで流路幅を規制してやれば、円筒状構造体全体の位置を規定することが可能となる。しかし、高い真円度で作られていない場合は、円筒が歪んでいることも想定されるため、燃焼ガスの流れ方向の多くの場所で周方向に多くの突起を設けて流路幅を規制しなければ、燃焼ガス流路幅の精度が必要な箇所の燃焼ガス流路幅を均一にすることができなくなる可能性がある。したがって、円筒状構造体の製造精度に応じて突起の数や配置を決めてやれば、水素発生装置の性能を維持しながら製造コストの低減を実現することができる。
【００４３】
なお、突起１２の周方向の数、あるいは突起１２を燃焼ガスの流れ方向に見た時の数は、水素発生装置の大きさや構成によるが、製造性や効果の状況から燃焼ガス流路４の燃焼ガスの流れの上流部では４個から１０個、燃焼ガスの流れの下流部では８個以下とするこ
とができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図６は、本発明の第２の実施の形態を示すものである。第１の実施の形態において、燃焼ガス流路４の幅の寸法から突起１２の高さを引いた値が、燃焼ガス流路４の燃焼ガスの流れの上流部では、下流部よりも小さくなる構成となっている。つまり、突起１２は、燃焼ガス流路４の燃焼ガスの流れの上流部にある突起の高さがＨａの突起Ａ１３と、燃焼ガスの流れの下流部にある突起の高さがＨｂの突起Ｂ１４から成り立っており、燃焼ガス流路幅Ｄに対して、「Ｄ−Ｈａ」＜「Ｄ−Ｈｂ」が成り立っている。例えば、燃焼ガス流路幅３ｍｍに対して、突起Ａ１３の高さが２．５ｍｍ、突起Ｂ１４の高さが２ｍｍとする寸法である。
【００４５】
本構成を用いれば、燃焼ガスの流路幅をできるだけ均一に構成したい燃焼ガスの流れの上流部では、第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１の位置関係がずれるようなことがあっても高さがＨａである突起Ａ１３の存在により燃焼ガス流路４の幅を規制してずれ量を小さく抑えることができる。ここで、突起Ｂ１４も突起Ａ１３と同等の高さとすれば、燃焼ガス流路４全体において燃焼ガス流路幅をより均一にすることが可能であるが、突起の製造時により高さの高い突起を作るための製造コストアップや、第一の円筒状構造体１００と第二の円筒状構造体１０１を組み合わせる時の作業性の悪化などによる製造コストアップが想定されるので、燃焼ガス流路４の幅の均一性が必要とされる箇所のみ突起の高さを高くする構成とするのが良い。
【００４６】
なお、突起１２の形状としては、第２の実施の形態でも第１の実施の形態と同様に、図２のように第一の円筒状構造体１００を内側から外側に向けて局所的に圧力を加えて変形させた先端が丸みを持った略円錐状のものであったり、長さの短い丸棒をスペーサとして第一の円筒状構造体１００の外周面に燃焼ガスの流れ方向に丸棒の長さ方向が向くように溶接やロウ付けした構成としても良い。さらには、第一の円筒状構造体１００の外周面側ではなく、第二の円筒状構造体１０１の内周面に、第二の円筒状構造体１０１を外側から内側に向けて局所的に圧力を加えて変形させた先端が丸みを持った略円錐状のものを形成したり、長さの短い丸棒を溶接やロウ付けして構成したものであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の水素発生装置は、高効率で高耐久な性能を小型の装置サイズにおいて製造性や製造コストに配慮して実現するものであり、例えば、家庭用の燃料電池発電装置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】
【００４８】
１  燃焼ガス供給部
２  空気供給部
３  バーナ
４  燃焼ガス流路
５  排気口
６  原料ガス供給部
７  水供給部
８  水蒸発部
９  改質触媒層
１０  ＣＯ除去触媒層
１１  生成ガス出口
１２  突起
１３  突起Ａ
１４  突起Ｂ
１５  改質ガス流路
１００  第一の円筒状構造体
１０１  第二の円筒状構造体
１０２  第三の円筒状構造体
１０３  第四の円筒状構造体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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