(57)【要約】【課題】ＣＯ除去部内のＣＯ除去触媒において、温度分布バラツキを無くす。【解決手段】空気と水素含有ガスの混合ガスが流れる空気混合筒１４において、上端部に向かうにしたがって空気混合筒１４の径が小さくなるように傾斜する傾斜部２２と、傾斜部２２に円周方向に複数設けられヘッダー流路２０に斜め上方に流出させる吹き出し穴１７を設けることで、混合ガスはＣＯ除去部１１の第１隔壁５と第２隔壁８の中心部に向かって流れるようになり、混合ガスの温度上昇が抑制されるとともに、ＣＯ除去部１１の第１隔壁５から第２隔壁８にかけての径方向の温度分布バラツキを小さく抑制することができる。【選択図】図１
2018118863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼排ガスを排出する加熱部と、
前記加熱部の外周を囲む燃焼筒と、
前記燃焼筒の外周を囲む加熱部隔壁と、
前記加熱部隔壁の外周を囲む第１隔壁と、
前記第１隔壁の外周を囲む第２隔壁と、
前記燃焼筒と前記加熱部隔壁との間に形成され上方に前記燃焼排ガスを流す燃焼ガス流路と、
前記加熱部隔壁と前記第１隔壁との間の上部に形成され前記加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水を加熱して前記水を蒸発させる蒸発部と、
前記加熱部隔壁と前記第１隔壁との間の下部に改質触媒を充填して形成され前記加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応でＣＯを含んだ水素含有ガスを生成する改質部と、
前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の下部に形成され前記改質部から流出した前記水素含有ガスを上方に流すリターン流路と、
前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の中部に変成触媒を充填して形成され前記改質部から流出した前記水素含有ガスのＣＯの濃度を変性反応で低減する変成部と、
前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の上部にＣＯ除去触媒を充填して形成され、前記変成部から流出し空気と混合された前記水素含有ガスのＣＯの濃度を選択酸化反応で更に低減するＣＯ除去部と、
前記変成部と前記ＣＯ除去部と前記第１隔壁と前記第２隔壁とで囲まれた空間を内周側空間である第２流路と外周側空間とに区画し上端部が前記第１隔壁に固定される筒状の空気混合筒と、
内周側端部が前記空気混合筒に固定され外周側端部が前記第２隔壁に固定され前記外周側空間を外周側上部空間であるヘッダー流路と外周側下部空間である第１流路とに区画するドーナツ盤形状の区画部材と、
前記第１流路に空気を供給する空気供給管と、
を備え、
前記空気混合筒は、前記燃焼筒を挟んで前記空気供給管の先端と対向する位置で前記第１流路の空気と混合された前記水素含有ガスを前記第２流路に流入させる第２流路への入口と、前記空気混合筒の前記上端部に向かうにしたがって前記空気混合筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部と、前記傾斜部に円周方向に複数設けられ前記第２流路の空気と混合された前記水素含有ガスを前記ヘッダー流路に斜め上方に流出させる吹き出し穴と、を有する、水素生成装置。
【請求項２】
前記空気供給管の先端は、前記空気供給管からの空気が前記第１流路を周回する両方向に分流するように形成された、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記ＣＯ除去部の前記ＣＯ除去触媒と、前記内周側空間の空気と混合された前記水素含有ガスは、前記第１隔壁を介して、前記蒸発部と熱交換する、
請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記第２流路への入口は、前記第２流路への入口を通過して前記内周側空間を流れる前記水素含有ガスの流れの向きが前記第１隔壁の外周面に沿って周回する方向になるように形成された、請求項１から３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記蒸発部は、前記原料ガス及び前記水を前記第１隔壁の内周面に沿って螺旋状に周回させるように構成され、
前記第１隔壁の中心線の延長方向から見て、前記内周側空間を周回する前記水素含有ガスの周回方向が、前記蒸発部を螺旋状に周回する前記原料ガス及び前記水の周回方向と同じ方向である、
請求項４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、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスを改質して、燃料電池発電装置の燃料ガス等に適用可能な水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素生成装置としては、全体形状が円筒形状で、その中心部にバーナを備えた加熱部が配設され、加熱部の周囲に改質触媒を充填した改質部と、一酸化炭素（ＣＯ）変成触媒を充填した変成部と、一酸化炭素（ＣＯ）除去触媒を充填したＣＯ除去部を軸心方向に配列されている水素生成装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
この水素生成装置において、都市ガスやＬＰＧなどの原料ガスと水を、加熱部の周囲に設けた蒸発部に導入する。水は加熱部からの熱などにより蒸発して水蒸気となり、原料ガスと水蒸気が改質部に供給される。改質部において、改質触媒の働きで水蒸気改質反応によって、原料ガスと水蒸気からＣＯを含んだ水素含有ガスを生成する。この反応は吸熱反応であり、加熱部からの熱によって反応が促進される。
【０００４】
改質部より送出された水素含有ガスは、変成部に流入する。変成部において、ＣＯ変成触媒の働きで、水素含有ガス中のＣＯが低減される。その後、水素含有ガスは空気混合流路に送出され、酸素を含んだ空気が混合される。空気を混合された水素含有ガスは、ＣＯ除去部に送出される。ＣＯ除去部において、ＣＯ除去触媒の働きで、ＣＯが更に低減される。
【０００５】
ＣＯ除去部においては、以下に示す化学反応により一酸化炭素ＣＯが除去される。
【０００６】
２ＣＯ＋Ｏ２  →  ２ＣＯ２
このとき、空気中の酸素と水素含有ガスに含まれるＣＯがほぼ均一に混合されている必要がある。そのため空気混合流路において、流路を長くとったり、絞り穴を設けたりして混合を促進する手法がとられる。
【０００７】
また、空気混合流路では更に、変成部から流入した水素含有ガスの温度（例えば２００℃）をＣＯ除去触媒の反応に適した温度（例えば１５０℃）に冷却する必要がある。冷却の方法として、例えば、蒸発部との熱交換により水素含有ガスを冷却する。
【０００８】
図４は、特許文献１に記載の水素生成装置の要部構成の縦断面図である。また図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図４と図５において、白抜きの矢印は変成後の水素含有ガスの流れ、黒塗りの矢印は空気の流れ、破線ハッチングの矢印は混合ガスの流れを、それぞれ示している。
【０００９】
図４において、変成部１０１とＣＯ除去部１０２とを接続する空間が空気混合空間１０３である。空気混合空間１０３は仕切り板１０４により外周流路１０５および内周流路１０６に分割されている。
【００１０】
側面壁に接続された空気導入口１０７から流入する、酸素を含む空気が、空気混合空間１０３に流入する。また、変成部１０１でＣＯを低減されて低濃度のＣＯを含む水素含有ガスは、ガス流入穴１０８から空気混合空間１０３に流入する。空気と水素含有ガスは外周流路１０５に流入すると、互いに垂直方向に衝突し、拡散され、混合を開始する。
【００１１】
その後、外周流路１０５を半周した混合ガスは、仕切り板１０４の側面に空けられた側面穴１０９を通過して内周流路１０６に流入する。混合ガスは内周流路１０６に入り、更に半周し、ガス流出穴１１０を通り、冷却流路１１１に流入する。外周流路１０５と内周流路１０６を通る間にガスは混合され、冷却流路１１１に流入する時点ではほぼ均一になっている。
【００１２】
その後、蒸発部１１２を流れる、水を含んだ原料ガスとの間で混合ガスは熱交換により冷却され、冷却流路出口１１１ａから、第２隔壁１１８方向に向かって水平方向に吹き出される。水平方向に吹き出された混合ガスは、ヘッダー流路１１９内で加熱され、第２隔壁１１８に衝突した後、第２隔壁１１８に沿って上方に流れることで、ＣＯ除去部１０２に流入し、ＣＯをほぼ完全に除去（例えば、ＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下）される。
【００１３】
仕切り板１０４は、プレス加工により一体加工が可能な形状をしている。組立時において、下面接触部１１３と上面接触部１１４、および、内側接触部１１５は溶接などを行わない当て止め構成となっている。そのため、低コストかつ製造工数の少ない構成であり、圧力損失を高めることなく十分な距離の混合流路を確保し、高い混合性能を発揮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第５９５８７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来の構成では、空気混合空間１０３、内周流路１０６を経て混合された空気と水素含有ガスは、冷却流路出口１１１ａから第２隔壁１１８方向に向かって水平方向に吹き出される為、混合ガスがヘッダー流路１１９内に留まる時間が長くなり、周囲との熱交換により温度が上昇する。
【００１６】
そして、温度が上昇した混合ガスが第２隔壁１１８に衝突した後に、第２隔壁１１８に沿って上方に流れることで、ＣＯ除去部１０２内のＣＯ除去触媒は、第２隔壁１１８側の温度が高く、第１隔壁１１７側の温度が低いという温度分布バラツキが発生するという課題を有していた。
【００１７】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ＣＯ除去触媒が最適な温度で働くように、ＣＯ除去部内のＣＯ除去触媒の温度分布バラツキを小さく抑制した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】
【００１８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、燃焼排ガスを排出する加熱部と、前記加熱部の外周を囲む燃焼筒と、前記燃焼筒の外周を囲む加熱部隔壁と、前記加熱部隔壁の外周を囲む第１隔壁と、前記第１隔壁の外周を囲む第２隔壁と、前記燃焼筒と前記加熱部隔壁との間に形成され上方に前記燃焼排ガスを流す燃焼ガス流路と、前記加熱部隔壁と前記第１隔壁との間の上部に形成され前記加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水を加熱して前記水を蒸発させる蒸発部と、前記加熱部隔壁と前記第１隔壁との間の下部に改質触媒を充填して形成され前記加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応でＣＯを含んだ水素含有ガスを生成する改質部と、前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の下部に形成され前記改質部から流出した前記水素含有ガスを上方に流すリターン流路と、前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の中部に変成触媒を充填して形成され前記改質部から流出した前記水素含有ガスのＣＯの濃度を変性反応で低減す
る変成部と、前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の上部にＣＯ除去触媒を充填して形成され、前記変成部から流出し空気と混合された前記水素含有ガスのＣＯの濃度を選択酸化反応で更に低減するＣＯ除去部と、前記変成部と前記ＣＯ除去部と前記第１隔壁と前記第２隔壁とで囲まれた空間を内周側空間である第２流路と外周側空間とに区画し上端部が前記第１隔壁に固定される筒状の空気混合筒と、内周側端部が前記空気混合筒に固定され外周側端部が前記第２隔壁に固定され前記外周側空間を外周側上部空間であるヘッダー流路と外周側下部空間である第１流路とに区画するドーナツ盤形状の区画部材と、前記第１流路に空気を供給する空気供給管と、を備え、前記空気混合筒は、前記燃焼筒を挟んで前記空気供給管の先端と対向する位置で前記第１流路の空気と混合された前記水素含有ガスを前記第２流路に流入させる第２流路への入口と、前記空気混合筒の前記上端部に向かうにしたがって前記空気混合筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部と、前記傾斜部に円周方向に複数設けられ前記第２流路の空気と混合された前記水素含有ガスを前記ヘッダー流路に斜め上方に流出させる吹き出し穴と、を有したものである。
【００１９】
これによって、第２流路の空気と混合された水素含有ガスが斜め上方に向かって流出されることにより、ＣＯ除去部の第１隔壁と第２隔壁の中心部に水素含有ガスを導くことができる。従って、ヘッダー流路内に留まる時間が短くなることで、周囲との熱交換の時間が短くなり、水素含有ガスの温度上昇が抑制されるとともに、ＣＯ除去部の第１隔壁から第２隔壁にかけての径方向の温度分布バラツキを小さく抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の水素生成装置によれば、ＣＯ除去部内のＣＯ除去触媒の温度分布バラツキを小さく抑制でき、ＣＯ除去触媒が最適な温度で働き、効率よくＣＯ濃度が低減された水素含有ガスを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を示す縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の空気供給管の出口の形状を示す斜視図
【図３】図１のＡ−Ａ断面図
【図４】従来の水素生成装置の要部構成を示す縦断面図
【図５】図４のＢ−Ｂ断面図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
第１の発明は、燃焼排ガスを排出する加熱部と、前記加熱部の外周を囲む燃焼筒と、前記燃焼筒の外周を囲む加熱部隔壁と、前記加熱部隔壁の外周を囲む第１隔壁と、前記第１隔壁の外周を囲む第２隔壁と、前記燃焼筒と前記加熱部隔壁との間に形成され上方に前記燃焼排ガスを流す燃焼ガス流路と、前記加熱部隔壁と前記第１隔壁との間の上部に形成され前記加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水を加熱して前記水を蒸発させる蒸発部と、前記加熱部隔壁と前記第１隔壁との間の下部に改質触媒を充填して形成され前記加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応でＣＯを含んだ水素含有ガスを生成する改質部と、前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の下部に形成され前記改質部から流出した前記水素含有ガスを上方に流すリターン流路と、前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の中部に変成触媒を充填して形成され前記改質部から流出した前記水素含有ガスのＣＯの濃度を変性反応で低減する変成部と、前記第１隔壁と前記第２隔壁との間の上部にＣＯ除去触媒を充填して形成され、前記変成部から流出し空気と混合された前記水素含有ガスのＣＯの濃度を選択酸化反応で更に低減するＣＯ除去部と、前記変成部と前記ＣＯ除去部と前記第１隔壁と前記第２隔壁とで囲まれた空間を内周側空間である第２流路と外周側空間とに区画し上端部が前記第１隔壁に固定される筒状の空気混合筒と、内周側端部が前記空気混合筒に固定され外周側端部が前記第２隔壁に固定され前記外周側空
間を外周側上部空間であるヘッダー流路と外周側下部空間である第１流路とに区画するドーナツ盤形状の区画部材と、前記第１流路に空気を供給する空気供給管と、を備え、前記空気混合筒は、前記燃焼筒を挟んで前記空気供給管の先端と対向する位置で前記第１流路の空気と混合された前記水素含有ガスを前記第２流路に流入させる第２流路への入口と、前記空気混合筒の前記上端部に向かうにしたがって前記空気混合筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部と、前記傾斜部に円周方向に複数設けられ前記第２流路の空気と混合された前記水素含有ガスを前記ヘッダー流路に斜め上方に流出させる吹き出し穴と、を有する水素生成装置である。
【００２３】
これにより、ＣＯ除去部の第１隔壁と第２隔壁の中心部に水素含有ガスを導くことができる為、ヘッダー流路内に留まる時間が短くなることで、周囲との熱交換の時間が短くなることで、水素含有ガスの温度上昇が抑制されると共に、ＣＯ除去部の第１隔壁から第２隔壁にかけての径方向の温度分布バラツキを小さく抑制することができる。
【００２４】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記空気供給管の先端が、前記空気供給管からの空気が前記第１流路を周回する両方向に分流するように形成されたものである。
【００２５】
これにより、空気供給管から供給される空気を第１流路内の２方向に、ほぼ均等な空気を供給することができる為、第１流路内での空気と水素含有ガスの混合性能を高めることができる。
【００２６】
第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明において、前記ＣＯ除去部の前記ＣＯ除去触媒と、前記内周側空間の空気と混合された前記水素含有ガスは、前記第１隔壁を介して、前記蒸発部と熱交換するものである。
【００２７】
これにより、水素含有ガスと空気の混合ガスと蒸発部との熱交換により、混合ガスの温度を低下させることができる。
【００２８】
第４の発明は、特に、第１の発明から第３の発明のいずれかにおいて、前記第２流路への入口が、前記第２流路への入口を通過して前記内周側空間を流れる前記水素含有ガスの流れの向きが前記第１隔壁の外周面に沿って周回する方向になるように形成されたものである。
【００２９】
これにより、空気と水素含有ガスの混合と、混合ガスの冷却を行う流路が長くなり、更に混合性能と混合ガスの冷却性能を高めることができる。
【００３０】
第５の発明は、特に、第４の発明において、前記蒸発部が、前記原料ガス及び前記水を前記第１隔壁の内周面に沿って螺旋状に周回させるように構成され、前記第１隔壁の中心線の延長方向から見て、前記内周側空間を周回する前記水素含有ガスの周回方向が、前記蒸発部を螺旋状に周回する前記原料ガス及び前記水の周回方向と同じ方向としたものである。
【００３１】
これにより、水素含有ガスと空気の混合ガスと蒸発部の熱交換を促進し、より混合ガス冷却性能を高めることができる。
【００３２】
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。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を示す縦断面図である。
【００３４】
図１に示すように、実施の形態１に係る水素生成装置は、円筒状の複数の隔壁が同心円状に配置され、この多重円筒により流路と空間を形成することで構成される。
【００３５】
多重円筒の中心部には加熱部１が配置される。加熱部１は都市ガスなどの原料ガスや、発電スタックから戻ってきた水素を含むオフガスなどを燃焼させるバーナ構造となっている。また、加熱部１の外周を囲む燃焼筒２と、更にその外周を囲む加熱部隔壁３とで、燃焼ガス流路４が形成される。
【００３６】
加熱部隔壁３の外周を囲むように第１隔壁５が配置される。加熱部隔壁３と第１隔壁５の間隙には上部に螺旋状の流路を形成した蒸発部６が形成され、更に、蒸発部６の下部に接続される改質部７が形成される。蒸発部６の螺旋状の流路は、例えば、螺旋形状に形成した丸棒を、加熱部隔壁３と第１隔壁５との間に密着させることで形成される。または、加熱部隔壁３に螺旋状の凹凸を成形することで形成しても良い。
【００３７】
改質部７は、環状の空間に改質触媒を充填して形成される。改質触媒の上面と下面は、気体を通し触媒粒子を通さないような、穴の空いた板などで支えられる。改質触媒としては、白金、ロジウム、ルテニウム、ニッケルなどをアルミナ担体に坦持した触媒粒子などが用いられる。
【００３８】
第１隔壁５の外周を囲むように第２隔壁８が配置される。第１隔壁５との間隙には、下部で改質部７と接続するリターン流路９、リターン流路９の上部に接続する変成部１０、変成部１０の更に上部に配置されるＣＯ除去部１１が形成される。
【００３９】
変成部１０とＣＯ除去部１１の間の流路の一部が空気混合流路１２となる。空気混合流路１２には、空気供給管１３が接続され、空気混合流路１２の内部に空気が供給される。変成部１０には、例えば銅系の変成触媒が充填され、ＣＯ除去部１１には、例えばルテニウムなどを含むＣＯ除去触媒が充填される。
【００４０】
続いて、内部のガスなどの流れについて説明する。
【００４１】
加熱部１には原料ガスやオフガス、および燃焼用の空気が供給され、バーナで燃焼することで高温の燃焼ガスが発生する。発生した燃焼ガスは下部で折り返し、燃焼ガス流路４を通る。このとき、改質部７、蒸発部６の順に熱を与え、燃焼排ガスとして外部に放出される。
【００４２】
一方で、蒸発部６には原料ガスと水が供給される。蒸発部６の螺旋状の流路を通ることにより、水は時間をかけて下部に向かい、確実に水蒸気へと蒸発する。また、螺旋状の流路を通ることで、周方向の温度分布を小さくすることができる。
【００４３】
蒸発部６は、燃焼ガス流路４や、変成部１０、ＣＯ除去部１１、空気混合流路１２などと熱交換し、水を蒸発させると共に、原料ガスと混合され、昇温されて改質部７に流入する。改質部７に流入した原料ガスと水蒸気は、水蒸気改質反応によりＣＯを含んだ水素含有ガスとなる。
【００４４】
改質部７を出た水素含有ガスは、リターン流路９を通り、改質部に熱を与えて温度が下がった状態で変成部１０に入る。変成部１０では、変成反応によりＣＯの濃度を低下（例えば０．５％以下の濃度に低下）させる。
【００４５】
変成部１０を出た水素含有ガスは空気混合流路１２で空気供給管１３から供給される空
気と混合され、ＣＯ除去部１１に流入する。ＣＯ除去部では選択酸化反応により、ＣＯと空気中の酸素が反応し、ＣＯの濃度をほぼ完全に除去（例えば１０ｐｐｍ以下の濃度にまで低下）する。
【００４６】
こうした反応により、水素含有ガスは、ＣＯをほとんど含まない改質ガスとなり、水素生成装置から排出される。その後、改質ガスは、発電スタックに送られ、発電に用いられる。
【００４７】
このように、水素生成装置の内部には複数の触媒が用いられ、それぞれが最適な温度で働くように熱交換を最適化する設計が行われる。最適な温度とは、例えば、改質触媒が４００〜６５０℃、変成触媒が３００〜２００℃、ＣＯ除去触媒が１５０〜１００℃の範囲の温度である。途中の流路構成も、このような温度帯を実現するように機能する必要がある。
【００４８】
ここで、空気混合流路１２について更に詳しく説明する。空気混合流路１２において、円筒状の空気混合筒１４と、穴の空いた円盤形状をした区画部材１５によって流路が区画されている。空気混合筒１４は、第２流路への入口１６、上端部に向かうにしたがって空気混合筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部２２を有し、傾斜部２２上にヘッダー流路２０への吹き出し穴１７が形成されている。
【００４９】
吹き出し穴１７は、例えば、周方向に均等に複数形成され、吹き出し穴１７から出た混合ガスは、ＣＯ除去部１１の第１隔壁５と第２隔壁８の中心部に向かって流れるように構成されている。吹き出し穴１７は、より小さい穴をより多く形成することで、ヘッダー流路２０に流入するガスの周方向ばらつきを小さくすることができる。
【００５０】
区画部材１５の内径側は空気混合筒１４と、外径側は第２隔壁８と、それぞれ固定されている。これらに区画された結果、変成部と接続している環状の流路である第１流路１８が形成され、第１流路１８と第２流路への入口１６で接続する第２流路１９が形成され、第２流路１９と吹き出し穴１７で接続し、更にＣＯ除去部１１と接続するヘッダー流路２０が形成される。
【００５１】
第２流路への入口１６は、第２流路１９内に流入したガスを周方向に回転させる方向に切り起こし穴形状で形成する。なお、切り起こし穴は１つでも良いが、複数形成しても良い。１つとすることで加工費が抑制できる。一方で、切り起こし穴の形状制約により十分な開口面積が確保できない場合は複数形成することで、圧力損失を低下させることができる。
【００５２】
第２隔壁のうち第１流路１８の外周部にあたる部分に、空気供給管１３が取り付けられる。空気供給管１３の先端は、空気混合筒１４にほぼ押し当てられる状態で固定される。空気供給管１３の先端には、周方向に向けて二方向に開口した一対の切り欠き２１が形成される。
【００５３】
空気供給管１３およびその先端の切り欠き２１に対し、第２流路への入口１６は第１隔壁５を挟んで対向する位置に配置されている。つまり、環状の第１流路１８において、空気供給管１３およびその先端の切り欠き２１が配置される場所に対して、ほぼ１８０°回転した位置に第２流路への入口１６が配置される。
【００５４】
図２は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の空気供給管１３の出口の形状を示す斜視図である。
【００５５】
空気供給管１３の先端に形成される一対の切り欠き２１について、一回の切削で同時に加工できる形状とすることで加工工数を低減できる。
【００５６】
図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【００５７】
空気混合流路１２のガスの流れを図１と図３を用いて説明する。ガスの流れについて、水素含有ガスの流れＦ１を白抜きの矢印で、空気の流れＦ２を黒塗りの矢印で、水素含有ガスと空気の混合ガスの流れＦ３をクロスハッチングの矢印で、それぞれ示す。
【００５８】
変成部１０を出た水素含有ガスは、環状の流路である第１流路１８の下面全体から上方向の流れで流入する。上方向の流れは区画部材１５に当たり周方向の流れに変わる。この流れは全て第２流路への入口１６を目指す方向の流れとなる。
【００５９】
よって、図３のように断面方向で見ると、第２流路への入口１６の対向する位置、つまりこの場合は空気供給管１３が配置されている位置を境界として、両方向に周回する２つの流れが形成される。
【００６０】
一方、空気は空気供給管１３から供給され、空気混合筒１４に当たり、切り欠き２１によって２方向に分流される。分流されたそれぞれの流れは、水素含有ガスの流れ方向と一致し、空気と水素含有ガスは混合されながら周方向にほぼ１８０°周回して、第２流路への入口１６へと向かう。
【００６１】
第２流路への入口１６は、切り起こし穴形状をしているため、第２流路１９内を周方向に回転させる流れが与えられる。混合ガスは回転する流れの中で混合を促進してより均一になり、上方の吹き出し穴１７に向かって、螺旋状の流線を描いて流れる。
【００６２】
第２流路１９は第１隔壁５を介して蒸発部６と接しており、混合ガスは蒸発部６と熱交換することで冷却される。
【００６３】
なお、第２流路への入口１６が切り起こし穴形状でない場合であっても、本発明の主要な効果である空気の水素含有ガスの混合の均一性は得ることができる。例えば、空気混合筒１４の側面に単純な穴を空けた場合が考えられる。こうすることで、より簡易な加工で流路を形成できる。
【００６４】
その場合、第２流路への入口１６に入った混合ガスは、第１隔壁に当たって全方向に拡散される。上方向に向かった混合ガスは、比較的短い距離で吹き出し穴１７からヘッダー流路２０へ流出するが、周方向の両方向に流れたガスは、最大で１８０°周回しながら吹き出し穴１７に向かう。このように、大部分の混合ガスは、周回することで混合が促進されて、均一になる。
【００６５】
更に、図３において、蒸発部６における水の流れＦ４を灰色の破線矢印で示す。このように蒸発部６を形成する螺旋流路によって水の流れも周回している。混合ガスの周回の向きと水の周回の向きが一致するように、第２流路への入口１６の切り起こし穴の向きを設定している。
【００６６】
このことにより、混合ガスの流れと水の流れが同じ方向を向くことになり、より長い時間混合ガスと水が熱交換可能となり、冷却の効率が上がる。というのも、水の流れは、基本的に蒸発部６の螺旋流路の下面に接しており、面状ではなく線状の熱交換面を持っている。そのため、混合ガスと水が対向する方向に周回していた場合には、熱交換面が非常に小さくなり、冷却の効率が低下する。
【００６７】
なお、切り起こし穴の向きを、本実施の形態と逆方向などに設定し、あえて混合ガスと水を対向とすることで、冷却性を低く制御することもできる。例えば、ほぼ同一の水素生成装置構造体を用いて、複数の出力で用いる複数機種を製作する場合に、低出力側の流量が低く、混合ガスが冷却されすぎてＣＯ除去部での反応に適した温度（例えば１５０℃）を下回る恐れがある。
【００６８】
このような場合に、切り起こし穴の向きを逆方向、もしくは下方向や斜め方向などの別方向に設定することで、冷却性を制御することができる。そうすることで、簡易に複数の出力に合わせた複数機種を、ほぼ同一の水素生成装置構造体を用いて製作することができる。
【００６９】
ところで、空気混合流路１２での冷却は、例えば変成部１０を出た水素含有ガス（例えば２００℃）をＣＯ除去部１１での反応に適した温度（例えば１５０℃）まで冷却することが目的である。
【００７０】
空気混合流路１２に流入する水素含有ガスの温度が高く（例えば２５０℃）なる可能性がある。例えば、変成部１０に高温で運転するのに適した変成触媒を採用する場合や、負荷変動時の流量変化があった場合に、変成触媒が高温状態となり、空気混合流路１２に流入する水素含有ガスの温度が高温になる。
【００７１】
高温になった水素含有ガスを冷却する為、空気混合流路１２は、第１隔壁５を介して、蒸発部６と熱交換が行われる形状となっており、特に、第１隔壁５と接する第２流路１９において、蒸発部６との熱交換が積極的に行われる。
【００７２】
更に、傾斜部２２に設けられた吹き出し穴１７から、出た空気と水素含有ガスの混合ガスは、ＣＯ除去部１１の第１隔壁５と第２隔壁８の中心部に向かって流れるように構成されている。
【００７３】
これによって、ヘッダー流路２０内に留まる時間が短くなることで、周囲との熱交換の時間が短くなることで、水素含有ガスの温度上昇が抑制されるとともに、ＣＯ除去部１１の第１隔壁５から第２隔壁８にかけての径方向の温度分布バラツキを小さく抑制することができる。
【００７４】
なお、本実施の形態において、第２流路１９は第１隔壁５を介して蒸発部６と接しているが、蒸発部６が第２流路と接しないような別の位置に形成されても良い。混合ガスの冷却方法として、蒸発部６以外との熱交換に冷却をさせる場合も本発明の効果が得られる。例えば、第２流路１９が第１隔壁５を介して、燃焼空気の流路と接している場合などである。または外部への放熱を促進することで混合ガスを冷却しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の水素生成装置は、ＣＯ除去触媒の温度分布のバラツキを小さく抑制することにより、ＣＯ除去触媒が最適な温度で動作するようにできる為、様々な種類の燃料電池発電装置に適用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１  加熱部
２  燃焼筒
３  加熱部隔壁
４  燃焼ガス流路
５  第１隔壁
６  蒸発部
７  改質部
８  第２隔壁
９  リターン流路
１０  変成部
１１  ＣＯ除去部
１２  空気混合流路
１３  空気供給管
１４  空気混合筒
１５  区画部材
１６  第２流路への入口
１７  吹き出し穴
１８  第１流路
１９  第２流路
２０  ヘッダー流路
２１  切り欠き
２２  傾斜部
Ｆ１  水素含有ガスの流れ
Ｆ２  空気の流れ
Ｆ３  混合ガスの流れ
Ｆ４  水の流れ
【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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