(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を供給する原料供給部と、
水を供給する水供給部と、
前記原料と前記水とを混合して混合物を得るとともに、その混合物を加熱して被加熱混合気を得る混合加熱部と、
前記混合加熱部から供給される前記被加熱混合気を改質して水素リッチなガスを生成する水素ガス生成部とを備え、
前記混合加熱部は、
内筒部と、
前記内筒部の外周を覆うように設けられた外筒部と、
前記内筒部と前記外筒部との間に形成された中空部と前記内筒部および前記外筒部の少なくとも一方の、前記中空部内に面する壁面に設けられた螺旋状突起部とにより形成された螺旋状流路と、
少なくとも前記内筒部を該内筒部の内周面から加熱する加熱手段とを有し、
前記混合物は、前記螺旋状流路を流れながら前記内筒部の壁を介して加熱される、水素生成器。
【請求項２】
前記螺旋状突起部は、前記内筒部の一部である、請求項１に記載の水素生成器。
【請求項３】
前記螺旋状突起部は、前記外筒部の一部である、請求項１に記載の水素生成器。
【請求項４】
前記螺旋状突起部は、前記中空部の外側に面する壁面にも設けられている、請求項２又は３に記載の水素生成器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気改質によって水素リッチの改質ガスを生成する水素生成器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池等へ供給する水素として、炭化水素を原料とし、Ｎｉ系あるいはＲｕ系等の改質触媒で水蒸気改質を行う水素生成器によって生成した水素リッチの改質ガスが一般に用いられる。炭化水素としては天然ガスを主成分とした都市ガス、ＬＰＧ等が用いられる。水素生成器は、水を蒸発部で気化させて水蒸気とし、これを加熱された改質触媒に原料とともに導入し水蒸気改質させることにより、水素リッチの改質ガスを生成する構成からなるものである。
【０００３】
図８は、従来の技術による水素生成器の要部断面図である。従来の水素生成器において、改質部７１は水と炭化水素系原料から水蒸気改質反応により水素リッチの改質ガスを発生させる改質触媒７２と、改質触媒７２を改質温度にまで加熱する加熱部７３から構成される手段である。蒸発部７５は供給された水を気化させて水蒸気を発生させる手段、加熱部７４は蒸発部７５で必要な熱を供給する手段である。原料供給部７６は原料を供給する手段、水供給部７７は水を供給する手段である。
【０００４】
一般に、燃料電池を安定して発電させるためには、供給される水素量が安定している必要がある。そのため、水素生成器から生成した改質ガスを用いて燃料電池を安定発電するためには、改質ガスの組成を安定させる必要がある。水素生成器から安定したガス組成の改質ガスを得るためには、水や原料を水素生成器に安定した流量で供給する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の技術による水素生成器においては、特に小形の水素生成器の場合や発生水素量を絞った場合など、必要な水の量が少ない条件では、水供給部７７より供給される水は連続した一定の流れではなく間欠的に蒸発部７５に供給されやすい。このため水の蒸発速度が一定せず、水が気化する際の急激な体積膨張による圧力の変動が起こる。蒸発部７５や、蒸発部７５に連通する水蒸気供給流路の配管は容積が小さいため、必然的に圧力変動が大きくなる。従来の水素生成器では、この圧力変動が大きく、その影響によって原料の流量が脈動するという現象が起こっていた。
【０００６】
すなわち、上記のように、原料流量の脈動が起こると、原料と水の割合や、原料と水蒸気の総流量が変化するために、生成される水素リッチの改質ガス組成が所定の値で安定せず、燃料電池を安定して発電させることができないという課題があった。特に、原料として都市ガスを用いる場合では、原料の供給圧力が２００ｍｍＡｑ程度、ブースターで昇圧した場合でも数百ｍｍＡｑ程度と低いために、この圧力変動による流量の脈動が大きな問題となっていた。
【０００７】
本発明はこのような水素生成器の課題を考慮してなされたものであり、原料の流量変動をなくし、安定した組成の改質ガスを供給できるような水素生成器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、原料を供給する原料供給部と、
水を供給する水供給部と、
前記原料と前記水とを混合して混合物を得るとともに、その混合物を加熱して被加熱混合気を得る混合加熱部と、
前記混合加熱部から供給される前記被加熱混合気を改質して水素リッチなガスを生成する水素ガス生成部とを備え、
前記混合加熱部は、
内筒部と、
前記内筒部の外周を覆うように設けられた外筒部と、
前記内筒部と前記外筒部との間に形成された中空部と前記内筒部および前記外筒部の少なくとも一方の、前記中空部内に面する壁面に設けられた螺旋状突起部とにより形成された螺旋状流路と、
少なくとも前記内筒部を該内筒部の内周面から加熱する加熱手段とを有し、
前記混合物は、前記螺旋状流路を流れながら前記内筒部の壁を介して加熱される、水素生成器である。
【０００９】
また、第２の本発明は、前記螺旋状突起部は、前記内筒部の一部である、第１の本発明の水素生成器である。
【００１０】
また、第３の本発明は、前記螺旋状突起部は、前記外筒部の一部である、第１の本発明の水素生成器である。
【００１１】
また、第４の本発明は、前記螺旋状突起部は、前記中空部の外側に面する壁面にも設けられている、第２又は第３の本発明の水素生成器である。
【００１７】
以上のような本発明の水素生成装置は、その一例として、原料を水蒸気改質によって水素リッチなガスに改質する改質触媒を備えた改質部と、改質部に連通して設けられ、水を蒸発させる蒸発部と、蒸発部に熱を供給する加熱部を具備し、原料と水を蒸発部に供給し、加熱部から供給される熱によって原料と水を加熱した後、原料と水蒸気の混合気を改質部に供給することを特徴とするものである。
【００１８】
このとき、蒸発部は、その一例として、内筒と外筒によって中空部を形成した二重円筒構造であることが有効である。
【００１９】
このとき、蒸発部は、その一例として、内筒と外筒によって中空部を形成した二重円筒構造であって、内筒あるいは外筒の少なくとも一方の壁面に中空部に向かって螺旋状突起部を設けることで、中空部の内部に螺旋状の流路を形成する構成とすることも有効である。
【００２０】
このとき、蒸発部は、その一例として、内筒と外筒によって中空部を形成した二重円筒構造であって、外筒の壁面に内筒に向かって連続した螺旋状の凸部を形成して、中空部の内部に螺旋状の流路を形成する構成とすることも有効である。
【００２１】
このとき、蒸発部は、その一例として、内筒と外筒によって中空部を形成した二重円筒構造であって、内筒の壁面に外筒に向かって連続した螺旋状の凸部を形成して、中空部の内部に螺旋状の流路を形成する構成とすることも有効である。
【００２２】
このとき、蒸発部は、その一例として、内壁にフィンを有する円筒と、連続状の螺旋状パイプとから構成され、前期螺旋状パイプは前記円筒の外周面に接して巻きつけてあることも有効である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面とともに説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は本発明による実施の形態１に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成器において、改質部１は水と炭化水素系原料から水蒸気改質反応により水素リッチの改質ガスを発生させる改質触媒２と、改質触媒２を改質温度にまで加熱する加熱部３から構成される手段である。蒸発部５は供給された水を気化させて水蒸気を発生させる手段、加熱部４は蒸発部５で必要な熱を供給する手段である。原料供給部６は原料を供給する手段、水供給部７は水を供給する手段である。なお、この構成において、改質部１は本発明の水素ガス生成部の一例であり、加熱部４および蒸発部５は、本発明の混合加熱部に相当するものである。
【００２６】
以上のような構成を有する、本実施の形態の水素生成器の基本的な動作は、次のようなものである。
【００２７】
水は、まず原料供給部６から蒸発部５へ原料を供給する流路に、水供給部７より供給される。供給された水と原料は蒸発部５において加熱部４によって加熱され、水が気化して、被加熱混合気である、原料と水蒸気の混合気となる。ついで、原料と水蒸気の混合気は、改質部１へ供給され、加熱部３によって所定の改質温度にまで加熱された改質触媒２によって水素リッチの改質ガスに改質される。生成した改質ガスは燃料電池等の外部機器へ供給される。
【００２８】
このとき、先に述べたように、従来の技術においては、原料供給部６から供給される原料は、蒸発部５から改質部１に水蒸気を供給する流路に供給されていた。すなわち、水のみを蒸発部５に供給し水蒸気状態にした後、蒸発部５から改質部１に水蒸気を供給する流路の途中で水蒸気と原料を混合し、ここで水蒸気と原料の混合気としてから改質部１に供給されていた。
【００２９】
この場合、小型の水素生成器の場合や発生水素量を絞った場合など、必要な水の量が少ない条件では、供給される水は連続した一定の流れではなく間欠的に蒸発部５に供給されやすい。したがって、従来のような構成では、水が間欠的に蒸発部に供給された場合、水が水供給流路や蒸発部５の内壁に均一に広がらず、均一な蒸発面を形成しない。このため水の蒸発速度が一定せず、水が気化する際の急激な体積膨張による圧力の変動が起こる。蒸発部５や、蒸発部５に連通する水蒸気供給流路の配管は容積が小さいため、必然的に圧力変動が大きくなる。このように、原料流量の脈動が起こると、原料と水の割合や、原料と水蒸気の総流量が変化するために、生成される水素リッチの改質ガス組成が所定の値で安定せず、燃料電池を安定して発電させることができない。特に、原料として都市ガスを用いる場合では、原料の供給圧力が２００ｍｍＡｑ程度、ブースターで昇圧した場合でも数百ｍｍＡｑ程度と低いために、この圧力変動による流量の脈動が大きな問題となっていた。
【００３０】
これに対し、本実施の形態の水素生成器では、水供給部７より供給される水は、まず原料供給部６から蒸発部５へ原料を供給する流路に合流して、原料と混合される。そのため、原料ガスの流れによって、水は水供給流路や蒸発部５の内壁に均一に広がり、あるいは水が細かく分散し、均一な蒸発面を形成することができる。その結果、水の蒸発速度が一定になり、水が気化する際の体積膨張による圧力の変動がなくなるため、原料流量を安定させることができる。
【００３１】
原料流量が安定することで、改質部１に供給される原料と水の割合や、原料と水蒸気の総流量が一定となり、生成される改質ガスの組成を所定の値で安定させることが可能となる。その結果、組成が安定した改質ガスを用いて、燃料電池システムを安定して発電させることができる。
【００３２】
なお、図１に示す本実施の形態の構成では、水供給部７より供給される水を、まず原料供給部６から蒸発部５へ原料を供給する流路にて混合し、その後水と原料が混合物として蒸発部５に同時に供給される構成とし、この水と原料とが混合される流路を本発明の混合加熱部の流路の一例として説明を行ったが、水と原料を蒸発部５に別々の流路で供給して、水と原料との混合が蒸発部５内で行われるようにしても何ら問題はなく、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。このとき、本発明の混合加熱部は、蒸発部５内で混合と蒸発とを行うものとして設けられたものということになる。しかし、原料に水を供給してから蒸発部５に供給されるまでの間に水が細かく分散し、より均一な蒸発面を形成できるため、図１に示す本実施の形態の構成が好ましい。
【００３３】
（実施の形態２）
図２は本発明による実施の形態２に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。図１に示す実施の形態１と同一部または相当部には、同一の符号を附し、詳細な説明は省略する。
【００３４】
本実施の形態は、実施の形態１の構成において、蒸発部５を、本発明の内筒部に相当する内筒８と本発明の外筒部に相当する外筒９とによって、本発明の中空部に相当する中空部１０を形した二重円筒構造としたものであり、作用効果の大部分は実施の形態１と類似である。従って、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
【００３５】
本実施の形態の蒸発部５は、内筒８と外筒９によって中空部１０を形成した二重円筒構造を有しており、この中空部１０を水の蒸発空間としている。水と原料は、この中空部１０に同時供給される。ここで水は気化され、原料と水蒸気の混合気として改質部１に供給される。本発明の加熱手段に相当する加熱部４は、内管８の内周面から蒸発部５に熱を供給し、中空部１０に供給された水と原料との混合物を加熱する。
【００３６】
このとき、加熱部４によって加熱された高温空間の周囲は、原料と水あるいは水蒸気によって断熱される形となる。そのため周囲への放熱が押さえられ、効率的に加熱部４からの熱を原料と水との混合物に伝えることができる。
（実施の形態３）
図３は本発明による実施の形態３に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。図２に示す実施の形態２と同一部または相当部には、同一の符号を附し、詳細な説明は省略する。
【００３７】
本実施の形態では、実施の形態２の構成に加えて、内筒８あるいは外筒９の少なくとも一方の壁面に中空部１０に向かって螺旋状突起部１１を設けることで、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成する構成としたものであり、作用効果の大部分は実施の形態１および２と類似である。従って、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
【００３８】
蒸発部５は、内筒８と外筒９よって中空部１０を形成した二重円筒構造であって、この中空部１０に水と原料を同時供給する構成であることは実施の形態２と同様である。本実施の形態では、内筒８あるいは外筒９の少なくとも一方の壁面に中空部１０に向かって螺旋状突起部１１を設けることで、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成している。水と原料は、この螺旋状流路１２の中を流れる。ここで水は気化され、原料と水蒸気の混合気として改質部１に供給される。
【００３９】
中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成すると、中空部１０における水と原料の流れが螺旋状に規制されることで、蒸発部５に供給された水と原料は中空部１０の内部を偏りなく、すみずみまでくまなく流れる。その結果、加熱部４から供給された熱をより効率的に水と原料に伝えることができる。
【００４０】
また、この螺旋状突起部１１を設けることは、内筒８から水および原料への伝熱面積の向上に繋がるため、加熱部４から供給された熱をより効率的に水と原料に伝えることができる。
【００４１】
なお、螺旋状突起部１１の断面形状は、棒状、パイプ状、板状など螺旋状流路１２を形成できる形状であればどのような形状のものでも構わない。
【００４２】
また、螺旋状突起部１１は、内筒８にだけ設けられていても、外筒９にだけ設けられていても、内筒８および外筒９の両方に設けられていても、あるいは内筒８と外筒９の両方に接続固定される形で設けられていても、螺旋状流路１２を形成できるように設けられていれば何ら問題はなく、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
なお、螺旋状突起部１１は、内筒８および外筒９、あるいはその両方に溶接やろう付けによって固定される別部品として構成してもよいが、内筒８および外筒９、あるいはその両方を構成する部材に対し、削りだし等の加工を行うことによって、内筒８および外筒９、あるいはその両方に一体成形したものとして設けても何ら問題はなく、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
（実施の形態４）
図４は本発明による実施の形態４に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。図２に示す実施の形態２と同一部または相当部には、同一の符号を附し、詳細な説明は省略する。
【００４５】
本実施の形態では、実施の形態１の構成において、蒸発部５が、内筒８と外筒９によって中空部１０を形成した二重円筒構造であって、外筒９の壁面に内筒８に向かって連続した螺旋状凸部１３を形成して、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成する構成としたものであり、作用効果の大部分は実施の形態１、２および３と類似である。従って、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
【００４６】
蒸発部５は、内筒８と外筒９によって中空部１０を形成した二重円筒構造であって、この中空部１０に水と原料を同時供給する構成であることは実施の形態２および３と同様である。本実施の形態では、外筒９の壁面に内筒８に向かって連続した螺旋状凸部１３を形成して、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成している。
【００４７】
蒸発部５は頻繁な起動停止によって熱応力がかかるため、長期間の使用によって亀裂が生じやすいという問題がある。本実施の形態のように、外筒９の壁面に内筒８に向かって連続した螺旋状凸部１３を形成すると、螺旋状凸部１３が熱応力を吸収するため、蒸発部５の耐久性を向上させることができる。
【００４８】
また、本実施の形態のように、外筒９の壁面に内筒８に向かって連続した螺旋状凸部１３を形成して、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成することは、図３に示す本発明による実施の形態３のように、螺旋状突起部１１を溶接やろう付けによって固定した別部品として構成するのに比べ加工性がよく、蒸発部５の組立時の労力やコストを大幅に削減できる。
【００４９】
（実施の形態５）
図５は本発明による実施の形態５に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。図２に示す実施の形態２と同一部または相当部には、同一の符号を附し、詳細な説明は省略する。
【００５０】
本実施の形態では、実施の形態１の構成において、蒸発部５が、内筒８と外筒９によって中空部１０を形成した二重円筒構造であって、内筒８の壁面には外筒９に向かって連続した螺旋状凸部１３を形成して、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成する構成としたものであり、作用効果の大部分は実施の形態１、２、３および４と類似である。従って、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
【００５１】
蒸発部５は、内筒８と外筒９によって中空部１０を形成した二重円筒構造であって、この中空部１０に水と原料を同時供給する構成であることは実施の形態２、３および４と同様である。実施の形態４の水素生成器では、外筒９の壁面に内筒８に向かって連続した螺旋状凸部１３を形成して、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成しているが、本実施の形態では、内筒８の壁面に外筒９に向かって連続した螺旋状凸部１３を形成して、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成する構成としている。
【００５２】
加熱部４は、内筒８の内周面から蒸発部２に熱を供給し、中空部１０に供給された水と原料を加熱する。したがって、外筒９ではなく内筒８に螺旋状凸部１３を設けることで、加熱部４の供給する熱から内筒８の内周面への電熱面積が増大するため、加熱部４から供給された熱をより効率的に水と原料に伝えることができる。なお、上記の説明において、螺旋状凸部１３は、本発明の螺旋状突起部の一例である。
【００５３】
（実施の形態６）
図６は本発明による実施の形態６に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。また図７は、本発明による実施の形態６に係る水素生成器の蒸発部２を上から見た図である。図２に示す実施の形態２と同一部または相当部には、同一の符号を附し、詳細な説明は省略する。
【００５４】
本実施の形態は、実施の形態１の構成において、蒸発部５が、内壁にフィン１４を有する円筒１５と、連続状の螺旋状パイプ１６とから構成され、螺旋状パイプ１６が、円筒１５の外周面に接して巻きつけられた構成としたものであり、作用効果の大部分は実施の形態１と類似である。従って、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
【００５５】
本発明の螺旋状流路の一例である螺旋状パイプ１６には、水と原料とが、混合物として同時供給される。この螺旋状パイプ１６を水の蒸発空間としている。ここで水は気化され、原料と水蒸気との混合気として改質部１に供給される。
【００５６】
実施の形態３、４および５の水素生成器の場合、内筒８と外筒９とによって中空部１０を形成した円筒二重構造の内部に螺旋状突起部１１あるいは螺旋状凸部１３を設けることで、中空部１０の内部に螺旋状流路１２を形成する構成とした場合、螺旋状突起部１１あるいは螺旋状凸部１３と、これらに接する外筒９あるいは内筒８との間に隙間が生じ、水や原料の螺旋状の流れが完全に形成できない為に熱交換性が低下する可能性がある。
【００５７】
これに対し、本実施の形態による構成では、螺旋状パイプ１６に水と原料を供給するため確実な螺旋状流れが形成され、加熱部４から供給される熱を確実に水や原料に伝えることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、原料と水を蒸発部に同時供給し、蒸発部で原料と水を加熱した後、原料と水蒸気の混合気を改質部に供給して、水の蒸発速度を一定にすることで、水が気化する際の体積膨張による圧力の変動をなくし、原料流量を安定させることができるため、安定した組成の改質ガスを供給できるような水素生成器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態１に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明による実施の形態２に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。
【図３】本発明による実施の形態３に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。
【図４】本発明による実施の形態４に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。
【図５】本発明による実施の形態５に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。
【図６】本発明による実施の形態６に係る水素生成器の構成を示す要部断面図である。
【図７】本発明による実施の形態７に係る水素生成器の蒸発部を上から見た図である。
【図８】従来の技術による水素生成器の構成を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１  改質部
２  改質触媒
３、４  加熱部
５  蒸発部
６  原料供給部
７  水供給部
８  内筒
９  外筒
１０  中空部
１１  螺旋状突起部
１２  螺旋状流路
１３  螺旋状凸部
１４  フィン
１５  円筒
１６  螺旋状パイプ
【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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【図８】
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