(57)【要約】【課題】水素生成装置の起動時に、変成触媒全体を、速やかに活性化する温度まで加熱して、起動時間の短縮化を図る。【解決手段】水素生成装置１は、燃焼用燃料を燃焼する加熱部を内部に配した加熱筒２と、加熱筒２と同心状に間隔を置いて配置し順次径の大きい内筒４と外筒３と、加熱筒２と内筒４との間で形成される空間に保持され、原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質部７と、内筒４と外筒３との間で形成される空間に保持され、改質部７で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成触媒９を有する変成部８とを備えた水素生成装置１であって、変成部８の外筒３の外表面側で変成触媒９に対応する位置に配され、変成触媒９を加熱するヒーター１１と、ヒーター１１と外筒３との間に配された均熱板１２とで構成され、その結果、変成部８全体が、効率的に加熱され、変成触媒９全体を均一に加熱することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用燃料を燃焼する加熱部を内部に配した加熱筒と、前記加熱筒と同心状に間隔を置いて配置し順次径の大きい内筒と外筒と、前記加熱筒と前記内筒との間で形成される空間に保持され、原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質部と、前記内筒と前記外筒との間で形成される空間に保持され、前記改質部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成触媒を有する変成部とを備えた水素生成装置であって、前記変成部の前記外筒の外表面側で前記変成触媒に対応する位置に配され、前記変成触媒を加熱するヒーターと、前記ヒーターと前記外筒との間に配された均熱板とを備えたことを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記ヒーターが前記均熱板に形成された固定部に固定されたことを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記ヒーターと前記均熱板が前記外筒の軸方向を中心に分割配置されたことを特徴とする請求項１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、炭化水素等の原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を備える水素生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。そこで、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し、それらの原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。
【０００３】
その水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部となる、一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成部を設ける構成がとられることが多い。それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒が用いられている。また、各反応部には適した温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２００℃程度で使用されることが多い。
【０００４】
燃料電池発電システムを家庭用途で使用する場合、家庭の電力負荷に対応して、負荷の小さな夜間、システムを停止する起動停止運転に対応させることが、高いエネルギー効率を得るための望ましい運転方法となる。
【０００５】
水素生成装置も、その運転方法に対応する必要があり、起動時に速やかに水素含有ガスを供給するため、起動時に、改質触媒および変成触媒を、それぞれ活性化できる温度にまで加熱する必要がある。
【０００６】
そこで、一酸化炭素低減部である変成部よりも上流の部分に変成触媒を加熱するヒーターを設けることにより変成触媒の活性化できる温度に加熱する構成が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３５４４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記特許文献１には改質部からのガスと変成触媒を加熱する変成ヒーターを設けることが開示されているのみであり、変成ヒーターの具体的な構成は開示されていない。このような構成では、変成触媒の上流でヒーターからの熱が奪われるため上流部に比べて中流及び下流部では活性温度に到達するまでに時間がかかっていた。従って、変成触媒全体が、活性化する温度まで加熱されるまで、所定の一酸化炭素低減効果が得られず、さらなる起動時間の短縮化が望まれている。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、変成部を、速やかに活性温度に加熱す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】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、燃焼用燃料を燃焼する加熱部を内部に配した加熱筒と、加熱筒と同心状に間隔を置いて配置し順次径の大きい内筒と外筒と、加熱筒と内筒との間で形成される空間に保持され、原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質部と、内筒と外筒との間で形成される空間に保持され、改質部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成触媒を有する変成部とを備えた水素生成装置であって、変成部の外筒の外表面側で変成触媒に対応する位置に配され、変成触媒を加熱するヒーターと、ヒーターと外筒との間に配された均熱板により構成されている。
【００１１】
上記構成によって、本発明の水素生成装置は、ヒーターと外筒との間に均熱板を設けるので、改質部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成触媒を速やかに均一に活性温度に加熱することができ起動時間の短縮化が得られる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水素生成装置は、ヒーターと外筒との間に均熱板を設けるので、改質部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成触媒を速やかに均一に活性温度に加熱することができ起動時間の短縮化が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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１における水素生成装置の要部概略構成を示す正面図
【図３】本発明の実施の形態１における水素生成装置の要部概略構成を示す上面図
【図４】本発明の実施の形態１における水素生成装置の要部概略構成を示す側面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、燃焼用燃料を燃焼する加熱部を内部に配した加熱筒と、加熱筒と同心状に間隔を置いて配置し順次径の大きい内筒と外筒と、加熱筒と内筒との間で形成される空間に保持され、原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質部と、内筒と外筒との間で形成される空間に保持され、改質部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成触媒を有する変成部とを備えた水素生成装置であって、変成部の外筒の外表面側で変成触媒に対応する位置に配され、変成触媒を加熱するヒーターと、ヒーターと外筒との間に配された均熱板により構成されているので、変成部全体を均一に加熱することができる。
【００１５】
第２の発明では、ヒーターが均熱板に形成された固定部に固定されたことにより、ヒーターと均熱板の固定において別の固定金具を使用する必要がなく部品点数の削減が図れる。
【００１６】
第３の発明では、前記ヒーターが前記外筒の軸方向を中心に分割配置されたことにより、外筒に左右から取り付けできるのでヒーターの取り付けが容易になる。
【００１７】
以下、本発明を実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施に形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における水素生成装置１の要部断面を示す図である。水素生成装置１は略円筒状の多重筒構成になっており、加熱筒２を中心にその外側に内筒４、さらに外側に外筒３が配置されている。内筒４は加熱筒２との空間と外筒３との空間を用いて途中で反対方向（図１では下方から上方）に折り返すガスの流路を形成している。ま
た、内筒４のガス折り返し部（図１では下方）の反対側（図１では上方）に原料ガスを供給する原料供給部５と水を供給する水供給部６を備える。また、改質触媒を用いて原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素生成ガスを生成する改質部７と変成触媒９を用いて改質部７で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成部８を備える。改質部７は加熱筒２と内筒４との間で、変成部８は内筒４と外筒３との間に外周方向に重ならないように位置している。また、外筒３の外側には断熱壁１３を備える。
【００１９】
改質部７にはＲｕ系の改質触媒、変成部８にはＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒９が設けられている。また、改質部７における改質触媒（あるいは水素含有ガス）の温度（反応温度）を検出する改質温度検出部１５、変成部８における変成触媒９（あるいは原料と水蒸気の混合ガス）の温度を検出する変成触媒温度検出部１４を備えている。
【００２０】
また、水素生成装置１は、加熱筒２の内部に改質部７における改質反応に必要な反応熱を供給するための加熱部となる、燃焼部１０を備えている。燃焼部１０は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナーであり、燃焼部１０の燃焼状態を検知するフレームロッドである燃焼検出部１６、及び燃焼部１０に燃料用空気を供給する、燃焼空気供給部となる燃焼ファン１７を有している。燃焼部１０で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路（図示せず）を介して燃焼部１０に供給される。
【００２１】
図２ないし図４は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の要部概略構成を示す正面図、上面図、側面図である。
【００２２】
図中、変成部８の外筒３の外表面側で変成触媒９に対応する位置に配され、変成触媒９を加熱するヒーター１１と、ヒーター１１と外筒３との間に配された均熱板１２とを備えている。均熱板１２には、均熱板１２に切り起しにて形成された固定部１２ａが設けられ、ヒーター１１が均熱板１２に密着するように固定部１２ａで固定されている。
【００２３】
ヒーター１１は軸方向を中心に二分割され、外筒３に左右から取り付けられる。ヒーター１１は棒状の形状をコ字形に折り曲げて均熱板１２の外形に密着する形状に成形したもので、一端に電源接続部（図示せず）を備える。均熱板１２は外筒３の外形に密着する形状にて平板を成形したもので、例えば、真鍮等の熱伝導性に富む材料が選定される。ヒーター１１と均熱板１２は変成触媒９に対応する位置に固定される。
【００２４】
次に、水素生成装置１の起動動作、通常時の運転動作、及び停止動作を、水素生成装置１の動作を中心にして説明する。
【００２５】
炭化水素系燃料を水蒸気改質する場合、改質部７を出たガスは少なからず水蒸気を含む。水が凝縮した場合では、沸点以上の温度とならないため特に変成部８は熱容量の大きな変成触媒９があるため水が多く凝縮する。その結果、変成触媒９を最適反応温度まで加熱するための時間が長くなり、起動時間が長くなる。また、凝縮した水により変成触媒９の触媒活性が低下し変成部後ガスの一酸化炭素濃度が増加し発電特性を大きく低下させる。
【００２６】
そこで、停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、運転制御部（図示せず）からの指令により、ヒーター１１に通電して、変成温度検知部１４で検出される温度に基いて、変成部８の加熱を行う。変成温度検知部１４が所定の温度に加熱されれば、次に、原料を燃焼部１０に供給し、燃焼部１０で原料に着火して水素生成装置１の加熱を開始する。
【００２７】
燃焼部１０での加熱開始後に、原料供給部５を通して水素生成装置１に原料を供給するとともに、水供給部６から水素生成装置１に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供
給部３からの水の供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。
【００２８】
水素生成装置１では、改質部７で水蒸気改質反応、変成部８で変成反応を進行させる。生成させた水素含有ガスは、一酸化炭素濃度を所定濃度（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）に低減できるまで、封止部（図示せず）を経て燃料電池バイパス経路（図示せず）を通して燃焼部１０に供給される。この時、改質温度検出部１５で検出される温度に基づいて、改質部７、変成部８が各反応に適した温度になるように、燃焼部１０の燃焼を制御する。
【００２９】
変成部８が反応に適切な温度となり、一酸化炭素濃度を所定濃度まで低減させた後、封止部（図示せず）を動作させ、水素ガス供給経路（図示せず）を通して水素含有ガスを、例えば、燃料電池等に供給を開始する。
【００３０】
装置停止時は、原料と水の供給を停止させ、水素生成装置１内の改質部７、変成部８の各触媒層の温度を低下させる。このとき、燃焼部１０の基本動作は停止させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させ後、原料を水素生成装置１に流通させ、水素生成装置１のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する動作を行い、適宜水素生成装置１を封止する動作を行う。水素生成装置１によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路１８を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。また、燃焼部１０で発生させた燃焼排ガスは、図面右上の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。
水供給部６には、水供給経路（図示せず）が接続されている。原料供給部５には、原料供給経路（図示せず）が接続されている。原料供給部５から供給される原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフラライン（図示せず）を用い、そのガスインフラライン（図示せず）に、原料中の不臭成分である硫黄化合物を除去する脱硫部（図示せず）が接続されている。
【００３１】
〈水素生成装置１の構成の特徴〉
（１）本実施の形態１の水素生成装置１では、特に起動時において変成部８全体が速やかに加熱され、変成部８に納められる一酸化炭素を低減する変成触媒９を均一に速やかに加熱でき起動時間を短縮化することを特徴としている。
【００３２】
例えば、ヒーター１１をシーズヒーターで構成すれば安価であるが加工（屈曲性）に課題があり、コ字形に折り曲げたピッチが大きくなるという課題がある。ピッチが大きくなるとシーズヒーターが密着されている外筒３近傍の変成触媒９は加熱されやすいが密着されていない外筒３近傍の変成触媒９は昇温が遅くなる。上記のようにヒーター１１と外筒３の間に均熱板１２を配することによりヒーター１１の熱を均熱板１２全体に伝導させ、加熱された均熱板１２の熱を外筒３を介して変成触媒９の全体に伝導させることができる。
【００３３】
すなわち、変成部８全体を加熱でき変成部８内に納められる変成触媒９を均一に速やかに加熱することができる。
【００３４】
（２）また、ヒーター１１が均熱板１２に切り起して形成された固定部１２ａに固定されたことを特徴とする。ヒーター１１と均熱板１２の固定において別の固定金具を使用する必要がなく部品点数の削減が図れる。
【００３５】
（３）また、ヒーター１１が外筒３の軸方向を中心に二分割されたことを特徴とする。
変成触媒検出部１４等の突起部に干渉しない取り付けが出来るのでヒーター１１の取り付けが容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる変成部を有する水素生成装置について有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１  水素生成装置
２  加熱筒
３  外筒
４  仕切り筒
５  原料供給部
６  水供給経部
７  改質部
８  変成部
９  燃焼部
１０  変成ヒーター
１１  ヒーター
１２  均熱板
１３  断熱壁
１４  変成触媒検出部
１５  改質温度検出部
１６  燃焼検出部
１７  ファン
１８  水素ガス供給経路
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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