(57)【要約】【課題】ＣＯ除去性能を確保した上で、コンパクトな水素生成装置を提供する。【解決手段】加熱器１３によって加熱される改質触媒１４から伝わる熱を、改質触媒１４とＣＯ除去触媒１６の間を流れる空気（ＣＯ除去触媒１６において、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を酸化反応により低減するときの酸化反応に必要な空気）で吸収し、その空気の熱をＣＯ除去触媒１６の上流で蒸発器１９に伝えることによりＣＯ除去触媒１６が高温化することを防ぐ。これによりＣＯ除去性能を確保しつつＣＯ除去触媒１６を改質触媒１４に近い位置に配置できるため、水素生成装置５０をコンパクト化することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱器と、前記加熱器によって加熱され水素含有ガスを生成する改質触媒と、前記加熱器と前記改質触媒の間に配置される第１壁と、前記第１壁に対して前記加熱器とは反対側に配置され、前記第１壁との間に、原料と水蒸気が供給され水素含有ガスを生成する改質触媒が充填される第２壁と、前記第２壁に対して前記第１壁とは反対側に配置され、前記第２壁との間に、前記水素含有ガスが流れる第３壁と、前記第３壁に対して前記第２壁とは反対側に配置され、前記第３壁との間に、前記第３壁を介して加熱される空気が流入する第４壁と、前記第４壁に対して前記第３壁とは反対側に配置され、前記第４壁との間に、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を酸化反応により低減するＣＯ除去触媒が充填され前記ＣＯ除去触媒の上流に前記水素含有ガスに前記空気を混合する空気混合空間を形成する第５壁と、前記第５壁に対して前記第４壁とは反対側に配置され、前記第５壁との間に、水を蒸発させて前記水蒸気を生成する蒸発器を構成する第６壁と、を備え、前記第４壁は、前記第３壁を介して加熱された前記空気を前記空気混合空間に流出させる空気流出口を有し、前記空気混合空間は、前記第５壁を介して前記蒸発器と熱交換可能となるように設置される、水素生成装置。
【請求項２】
前記ＣＯ除去触媒は、前記第５壁を介して前記蒸発器と熱交換可能となるように設置される、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記第５壁を介して前記蒸発器と熱交換可能に、前記空気混合空間の上流に、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度をシフト反応により低減するＣＯ変成触媒が充填される、請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記空気混合空間には伝熱部材が設置され、前記伝熱部材は前記第５壁を介して前記蒸発器と熱交換可能となるように設置される、請求項１から３のいずれか１項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、原料を用いて水素含有ガスを生成させる改質器と、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化反応により低減するＣＯ除去器を有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（例えば、固体高分子形燃料電池）をはじめとする水素利用機器が燃料として用いる水素の供給手段は、通常、インストラクチャーとして整備されていない。
【０００３】
従って、水素利用機器を運転するためには、その水素利用機器の設置場所において、燃料としての水素を生成する必要がある。そのため、従来の水素利用機器では、水素利用機器と共に、水素生成装置が併設されることが多い。
【０００４】
この水素生成装置では、例えば、水蒸気改質法が用いられて、水素が生成される。この水蒸気改質法では、天然ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原料（原料ガス）、又は、メタノール等のアルコール系の原料と水蒸気とが混合される。そして、その混合物が、改質触媒を備える改質器に供給される。
【０００５】
改質器は４００〜７００℃程度の高温に加熱され、原料と水蒸気の混合物が改質触媒に触れることにより水蒸気改質反応が進行し、水素を含有する水素含有ガスが生成される。
【０００６】
一方、水蒸気改質法により水素生成装置の改質器で生成された水素含有ガスは、副生成物として生成される一酸化炭素（ＣＯ）を含有している。例えば、水素生成装置の改質器で生成された水素含有ガスは、約１０〜１５％の濃度で一酸化炭素を含有している。
【０００７】
ここで、水素含有ガスが含有する一酸化炭素は、水素利用機器が固体高分子形燃料電池である場合、固体高分子形燃料電池の電極触媒を著しく被毒し、固体高分子形燃料電池の発電性能を著しく低下させる。
【０００８】
そのため、従来の水素生成装置では、水素含有ガスを生成する改質器に加え、その水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減するために、ＣＯ除去器が併設されることが多い。このＣＯ除去器により、改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を、１００ｐｐｍ以下、好ましくは、１０ｐｐｍ以下にまで低減させる。
【０００９】
ＣＯ除去器にはＣＯ除去触媒が充填され、一酸化炭素を含むガスと空気を混合させたガスが供給される。この触媒が１００〜１８０℃程度に保たれることにより、ガス中の一酸化炭素と空気中の酸素の酸化反応によって、一酸化炭素濃度が低下する。この一酸化炭素が十分に除去された水素含有ガスが固体高分子形燃料電池に供給されることにより、電極触媒の被毒が防止される。
【００１０】
従来の水素生成装置において、水蒸気改質法を用いた円筒状の改質器を取り囲むようにＣＯ除去器が設置される構成の水素生成装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
図４は、特許文献１に開示された従来の水素生成装置の断面図である。なお、図４において、矢印はガスの流れを示している。
【００１２】
図４に示すように、従来の水素生成装置１００は、円筒形状の容器によって構成されている。水素生成装置１００は、改質触媒１０１と、改質触媒１０１を加熱する加熱器１０４と、改質器１０１を取り囲むように設置されたＣＯ変成触媒１０２、ＣＯ除去触媒１０３を備えている。
【００１３】
改質触媒１０１には原料ガスと水蒸気が供給され、ＣＯ変成触媒１０２とＣＯ除去触媒１０３の間の領域には空気が供給されている。改質触媒１０１においては、少なくとも４００℃以上の高温状態で水蒸気改質反応が進行し、水素と一酸化炭素を含む改質ガスが発生する。
【００１４】
ＣＯ変成触媒１０２においては、２００〜３５０℃程度の温度でガス中の一酸化炭素濃度を１％程度まで低減するシフト反応が発生し、ＣＯ除去触媒１０３においては酸化反応によって、ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以下程度まで低減される。ＣＯ除去触媒１０３を通り抜けた改質ガスは水素生成装置１００の外部へと排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第３４０３４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、前記従来の水素生成装置では、ＣＯ除去触媒を１００℃〜１８０℃程度の温度に保つことによってＣＯ除去性能を確保するため、４００℃以上の高温の改質触媒から離れた位置にＣＯ除去触媒を配置する必要があり、装置が大型化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、ＣＯ除去性能を確保した上で、コンパクトな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、加熱器と、加熱器によって加熱され水素含有ガスを生成する改質触媒と、加熱器と改質触媒の間に配置される第１壁と、第１壁に対して加熱器とは反対側に配置され、第１壁との間に、原料と水蒸気が供給され水素含有ガスを生成する改質触媒が充填される第２壁と、第２壁に対して第１壁とは反対側に配置され、第２壁との間に、水素含有ガスが流れる第３壁と、第３壁に対して第２壁とは反対側に配置され、第３壁との間に、第３壁を介して加熱される空気が流入する第４壁と、第４壁に対して第３壁とは反対側に配置され、第４壁との間に、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を酸化反応により低減するＣＯ除去触媒が充填されＣＯ除去触媒の上流に水素含有ガスに空気を混合する空気混合空間を形成する第５壁と、第５壁に対して第４壁とは反対側に配置され、第５壁との間に、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器を構成する第６壁と、を備え、第４壁は、第３壁を介して加熱された空気を空気混合空間に流出させる空気流出口を有し、空気混合空間は、第５壁を介して蒸発器と熱交換可能となるように設置したものである。
【００１９】
これによって、改質触媒から第３壁を介して伝わる熱を空気で吸収し、その熱をＣＯ除去触媒の上流で蒸発器に伝えることができるため、ＣＯ除去触媒が高温化することを防ぐことができる。これによりＣＯ除去触媒を、改質触媒に近い位置に配置できるため、水素生成装置をコンパクト化することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の水素生成装置は、装置のサイズをコンパクト化することができる。また、本発明の水素生成装置を搭載した燃料電池システムにおいて、システムのサイズをコンパクト化することができ、設置スペースが限られた場所においても燃料電池システムの設置が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面図
【図３】本発明の実施の形態３における水素生成装置の断面図
【図４】従来の水素生成装置の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
第１の発明は、加熱器と、この加熱器によって加熱され水素含有ガスを生成する改質触媒と、加熱器と改質触媒の間に配置される第１壁と、第１壁に対して加熱器とは反対側に配置され、第１壁との間に、原料と水蒸気が供給され水素含有ガスを生成する改質触媒が充填される第２壁と、第２壁に対して第１壁とは反対側に配置され、第２壁との間に、水素含有ガスが流れる第３壁と、第３壁に対して第２壁とは反対側に配置され、第３壁との間に、第３壁を介して加熱される空気が流入する第４壁と、第４壁に対して第３壁とは反対側に配置され、第４壁との間に、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を酸化反応により低減するＣＯ除去触媒が充填されＣＯ除去触媒の上流に水素含有ガスに空気を混合する空気混合空間を形成する第５壁と、第５壁に対して第４壁とは反対側に配置され、第５壁との間に、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器を構成する第６壁と、を備える水素生成装置において、第４壁は、第３壁を介して加熱された空気を空気混合空間に流出させる空気流出口を有し、空気混合空間は、第５壁を介して蒸発器と熱交換可能となるように設置したものである。
【００２３】
これによって、改質触媒から第３壁を介して伝わる熱を空気で吸収し、その熱をＣＯ除去触媒の上流で蒸発器に伝えることができるため、ＣＯ除去触媒が高温化することを防ぐことができる。これによりＣＯ除去触媒を、改質触媒に近い位置に配置できるため、水素生成装置をコンパクト化することが可能となる。
【００２４】
第２の発明は、特に、第１の発明におけるＣＯ除去触媒を、第５壁を介して蒸発器と熱交換可能となるように設置したものである。
【００２５】
これによって、ＣＯ除去触媒が蒸発器との熱交換によって冷却されるため、ＣＯ除去触媒の高温化防止効果がより高まる。これによりＣＯ除去触媒を、改質触媒に対してよりいっそう近い位置に配置でき、水素生成装置をさらにコンパクト化することが可能となる。
【００２６】
第３の発明は、特に第１〜第２のいずれか１つの発明において、第５壁を介して蒸発器と熱交換可能に、空気混合空間の上流に、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度をシフト反応により低減するＣＯ変成触媒を充填したものである。
【００２７】
これによって、蒸発器との熱交換によって適温に維持されたＣＯ変成触媒がガス中の水素量を増加させるため、水素生成装置における水素生成量を高めることが可能となる。
【００２８】
第４の発明は、特に第１〜第３のいずれか１つの発明の空気混合空間において、第５壁を介して蒸発器と熱交換可能となるように伝熱部材を設置したものである。
【００２９】
これによって、空気混合空間中の空気の熱を伝熱部材によって蒸発器に伝え、空気を低温化することが可能となる。これにより、空気混合空間よりも下流にあるＣＯ除去触媒の
高温化防止効果がより高まるため、ＣＯ除去触媒を改質触媒に対してよりいっそう近い位置に配置でき、水素生成装置をさらにコンパクト化することが可能となる。
【００３０】
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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における水素生成装置の断面図である。図１において、細い矢印はガスや水の流れを、太い矢印は熱の流れを、それぞれ示している。
【００３２】
図１に示すように、実施の形態１の水素生成装置５０は、壁１〜７、加熱器１３、改質触媒１４、ＣＯ除去触媒１６、空気混合空間１７、空気流路１８、蒸発器１９、空気供給部２１、改質ガス排出部２２、原料供給部２３、水供給部２４、空気供給器２５、原料供給器２６、水供給器２７によって構成されている。
【００３３】
加熱器１３は、水素や炭化水素などの可燃ガスを燃焼させるバーナーによって構成されている。壁１〜７は、高温に耐えられるようにステンレス製の板材によって構成されている。また、壁１〜７は円筒形状であり、加熱器１３を中心に据えた同心円状に配置されている。
【００３４】
壁１は加熱器１３を囲うように配置されている。また、壁２は壁１を囲うように配置されている。同様に、壁３は壁２を、壁４は壁３を、壁５は壁４を、壁６は壁５を、それぞれ囲うように配置されている。壁７は壁３と壁４の間に配置されている。
【００３５】
改質触媒１４は、アルミナの粉を固めた球状の粒子の表面に、金属を付着させたものが用いられる。金属はルテニウムが用いられる。ＣＯ除去触媒１６は、同じくアルミナの粉を固めた粒子の表面に、ルテニウムを付着させたものが用いられる。
【００３６】
空気混合空間１７の下部はステンレス製の板１１によって仕切られ、板１１には、ガスが通り抜けることが可能となるように、孔１２が設けられている。蒸発器１９は、水とガスが同時に流れることが可能となるように設けられた流路である。
【００３７】
空気供給部２１、改質ガス排出部２２、原料供給部２３、水供給部２４は、パイプによって構成された流路である。空気供給器２５、原料供給器２６は、それぞれ、空気、原料の流量を制御可能なブロアである。また水供給器２７は水の流量を制御可能なポンプである。
【００３８】
壁１の下部は、加熱器１３から排出される燃焼ガスが壁１よりも下側に排出されないように封止されている。壁２の下部は、壁２の内側を流れるガスが壁２の外側に抜けることが可能となるように開口されている。壁２の上部は、壁２の外側を流れるガスが壁２よりも上側に漏れることがないように封止されている。
【００３９】
壁３の下部は、壁３の内側を流れるガスが壁３よりも下側に漏れることがないように封止されている。壁３の上部は、壁３の内側を流れるガスが壁３と壁７の間の空間に漏れることがないように封止されている。
【００４０】
壁４の下部は、壁４の内側を流れるガスが壁４よりも下側に漏れることがないように封止されている。壁４の上部は、壁４の内側を流れるガスが壁４よりも上側に漏れることがないように封止されている。壁４の上部には、ガスが通り抜けることが可能となるように空気流出口１０が設けられている。
【００４１】
壁５の下部は、壁５の内側を流れるガスが壁５よりも下部に漏れることがないように封止されている。また壁５の下部には改質ガス排出部２２が設けられている。また壁６の下部は、壁６の内側を流れるガスが壁６よりも下部に漏れることがないように封止されている。壁６の上部は、壁６の内側を流れるガスが壁６よりも上部に漏れることがないように封止されている。
【００４２】
改質触媒１４は壁１と壁２の間に、空気流路１８は壁４と壁７の間に、ＣＯ除去触媒１６と空気混合空間１７は壁４と壁５の間に、蒸発器１９は壁５と壁６の間に、それぞれ配置されている。空気混合空間１７は、壁５を介して蒸発器１９と熱交換可能となるように配置されている。空気流出口１０はＣＯ除去触媒１６よりも上部に設けられる。板１１は壁４における空気流出口１０よりも下部に設けられる。
【００４３】
本実施の形態においてはガスの流量として標準体積（０℃、１気圧）で毎分３０Ｌ以下を想定し、原料供給器２６で要求される動力が過大とならない様、水素生成装置５０の圧力損失を１０ｋＰａ以下とするため、ガスが流れる流路幅を３０ｍｍ程度確保している。また上記の流量を想定した水素生成装置５０の直径は、２５０ｍｍ程度となる。
【００４４】
加熱器１３は改質触媒１４を加熱することが可能な位置に配置されている。空気供給部２１は空気流路１８の下部に設けられ、空気供給器２５に接続されている。原料供給部２３と水供給部２４は蒸発器１９の下部に設けられ、原料供給部２３は原料供給器２６に、水供給部２４は水供給器２７に、それぞれ接続されている。
【００４５】
以上の様に構成された本実施の形態の水素生成装置５０について、以下その動作、作用を説明する。
【００４６】
図１に示すように、蒸発器１９の下部に設けられた原料供給部２３には、炭化水素系の原料ガスと水が供給される。原料ガスはたとえばメタン、エタン、プロパン、ブタンなどであり、ここではメタンを使用する。原料ガスは０〜５０℃程度の常温状態で原料供給器２６から原料供給部２３を介して蒸発器１９に供給される。同様に水も０〜５０℃程度の常温状態で水供給器２７から水供給部２４を介して蒸発器１９に供給される。
【００４７】
原料ガスおよび水は、蒸発器１９を上昇するように流れ、空気混合空間１７から壁５を介して伝わる熱によって加熱される。水は加熱されて水蒸気へと変化し、原料ガスと混ざりあって、混合ガスとなる。
【００４８】
混合ガスは、壁５を介して伝わる熱によって温度が上昇する。混合ガスは蒸発器１９を通り抜けたのち、壁１と壁２によって囲まれた空間を通り、改質触媒１４の上部へと供給される。混合ガスは改質触媒１４の粒子の間をすり抜けるように通過する。混合ガスは、改質触媒１４に触れることで化学反応が促され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を生成する。
【００４９】
これらの化学反応を進行させるためには改質触媒１４を４００℃〜７００℃程度の高温に保つ必要がある。また、これらの反応は吸熱反応であるため、改質触媒１４には熱を加える必要がある。
【００５０】
水素生成装置５０は改質触媒１４を加熱する目的で加熱器１３を備えており、加熱器１３には水素や炭化水素などの可燃性ガスと空気が供給され、これらが燃焼することで壁１が加熱され、壁１の熱が改質触媒１４に伝わることで改質触媒１４が加熱される。
【００５１】
改質触媒１４を通り抜けるガスは、化学反応によって水素を含む改質ガスとなって壁２の下部から壁２の外側へと流れる。改質ガスは改質触媒１４を通りぬけた時点で水素を約５０％程度、一酸化炭素を約１０％程度、二酸化炭素を約１０％程度、水蒸気を約３０％程度含んだガスとなる。改質ガスは壁２と壁３の間の空間を上昇し、空気混合空間１７の上部へと供給される。
【００５２】
改質ガスは、空気混合空間１７を通り、さらにその下部に設けられたＣＯ除去触媒１６へと供給される。ＣＯ除去触媒１６においては、一酸化炭素の酸化反応によってガス中の一酸化炭素濃度をさらに低下させる。この酸化反応を進行させるためには酸素が必要であり、酸素をＣＯ除去触媒１６に供給するために水素生成装置５０には空気を供給する。
【００５３】
空気は０〜５０℃程度の常温状態で、空気供給器２５から空気供給部２１を介して空気流路１８に供給される。空気は空気流路１８を上昇し、壁４、壁７を介して伝わる熱によって温度が１００〜２００℃程度まで上昇し、壁４に設けられた空気流出口１０を通り抜けて空気混合空間１７へと供給される。
【００５４】
空気混合空間１７には水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気を含む改質ガスと酸素を含む空気が供給され、これらが空気混合空間１７にて混合されたのち、板１１に設けられた孔１２を通ってＣＯ除去触媒１６へと供給される。
【００５５】
酸素を含む改質ガスは、ＣＯ除去触媒１６の粒子の間をすり抜けるように通過する。改質ガスに含まれる一酸化炭素と酸素は、ＣＯ除去触媒１６に触れることで酸化反応を起こし、二酸化炭素が発生する。この化学反応により改質ガス中の一酸化炭素濃度は１００ｐｐｍ以下に低減される。
【００５６】
ＣＯ除去触媒１６を通り抜けた改質ガスは、水素を５０〜６０％程度、二酸化炭素を２０％程度、水蒸気を１０〜２０％程度含んだガスとなり、壁５の下部に設けられた改質ガス排出部２２を通りって、水素生成装置５０の外部へと排出される。
【００５７】
ここで、ＣＯ除去触媒１６は上記の酸化反応を効率よく進行させるためその温度を１００〜１８０℃程度に保つ必要がある。一般的に熱は高温部から低温部へ伝わるため、４００〜７００℃の高温の改質触媒１４から、０〜２００℃程度の低温の空気が流れる空気流路１８にむかって、壁２、壁３、および壁７を介して熱が伝わる。
【００５８】
空気流路１８を流れる空気は、改質触媒１４から伝わる熱を吸収し、その流れによって熱を空気混合空間１７に輸送する。空気混合空間１７は、壁５を介して蒸発器１９と熱交換可能となるように配置されているため、空気混合空間１７に輸送された熱の一部が、壁５を介して蒸発器１９に伝わり、改質触媒１４からＣＯ除去触媒１６に伝わる熱量が減少することで、ＣＯ除去触媒１６が所定の温度よりも高温化することを抑制できる。
【００５９】
以上のように、本実施の形態の水素生成装置５０においては、壁３と壁４の間に空気流路１８を設け、蒸発器１９と熱交換可能となるように空気混合空間１７を設置することにより、改質触媒１４から壁２、壁３、および壁７を介して伝わる熱を、空気流路１８を流れる空気で吸収する。空気流路１８を流れる空気で吸収した熱は空気混合空間１７で蒸発器１９に伝わり、ＣＯ除去触媒１６に伝わる熱量を減少させることができる。
【００６０】
これにより、ＣＯ除去触媒１６を改質触媒１４に近い位置に配置した構成であってもＣＯ除去触媒１６の高温化を抑制できるため、水素生成装置５０をコンパクト化することが可能となる。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、加熱器としてバーナーを用いたが、ヒーターなどを用いてもよい。
【００６２】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面図である。図２に示す本実施の形態の水素生成装置５１において、図１に示す実施の形態１の水素生成装置５０と同じ構成要素には同じ符号を付与し説明は適宜省略する。
【００６３】
図２に示す本実施の形態の水素生成装置５１が、図１に示す実施の形態１の水素生成装置５０と異なる点は、空気混合空間２８の上部にＣＯ変成触媒１５が充填されていることと、蒸発器２０が壁５を介してＣＯ変成触媒１５、ＣＯ除去触媒１６と熱交換可能となるように設置されていることである。なお、ＣＯ変成触媒１５は、アルミナの粉を固めた粒子の表面に、銅および亜鉛を付着させたものが用いられる。
【００６４】
以上の様に構成された本実施の形態の水素生成装置５１について、以下その動作、作用を説明する。
【００６５】
本実施の形態の水素生成装置５１における空気流出口１０、板１１、孔１２、加熱器１３、改質触媒１４、空気混合空間２８、空気流路１８、空気供給部２１、改質ガス排出部２２、原料供給部２３、水供給部２４、空気供給器２５、原料供給器２６、水供給器２７の動作および作用については、実施の形態１の水素生成装置５０と同様のため、説明を省略する。
【００６６】
図２に示すように、原料ガスおよび水は、蒸発器２０を上昇するように流れ、ＣＯ変成触媒１５やＣＯ除去触媒１６や空気混合空間２８から壁５を介して伝わる熱によって加熱される。水は加熱されて水蒸気へと変化し、原料ガスと混ざりあって、混合ガスとなる。混合ガスは、壁５を介して伝わる熱によって温度が３００〜４００℃程度まで上昇する。混合ガスは蒸発器２０を通り抜けたのち、壁１と壁２によって囲まれた空間を通り、改質触媒１４の上部へと供給される。
【００６７】
改質触媒１４を通りぬけた改質ガスは、壁２と壁３の間の空間を上昇し、ＣＯ変成触媒１５の上部へと供給される。改質ガスはＣＯ変成触媒１５の粒子の間をすり抜けるように通過する。
【００６８】
改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、ＣＯ変成触媒１５に触れることでシフト反応と呼ばれる化学反応により、水素と二酸化炭素へと変換される。このシフト反応により改質ガス中の水素濃度が増加するとともに、一酸化炭素濃度は１％以下に低減される。
【００６９】
ＣＯ変成触媒１５を通り抜けた改質ガスは、空気混合空間２８を通り、さらにその下部に設けられたＣＯ除去触媒１６へと供給され、ＣＯ除去触媒１６の粒子の間をすり抜けるように通過する。
【００７０】
改質ガスに含まれる一酸化炭素と酸素は、ＣＯ除去触媒１６に触れることで酸化反応を起こし、二酸化炭素が発生する。この化学反応により改質ガス中の一酸化炭素濃度は１００ｐｐｍ以下に低減される。
【００７１】
ＣＯ除去触媒１６を通り抜けた改質ガスは、水素を５０〜６０％程度、二酸化炭素を２０％程度、水蒸気を１０〜２０％程度含んだガスとなり、壁５の下部に設けられた改質ガス排出部２２を通りって、水素生成装置５１の外部へと排出される。
【００７２】
ここで、ＣＯ除去触媒１６は、上記の酸化反応を効率よく進行させるため、その温度を１００〜１８０℃程度に保つ必要がある。ＣＯ除去触媒１６は壁５を介して蒸発器２０と熱交換可能となるように設置されており、ＣＯ除去触媒１６が蒸発器２０との熱交換によって冷却されるため、ＣＯ除去触媒１６が高温化することを抑制できる。
【００７３】
また、ＣＯ変成触媒１５は壁５を介して蒸発器２０と熱交換可能となるように設置されており、ＣＯ変成触媒１５が蒸発器２０との熱交換によって１５０℃〜３５０℃程度の温度に保たれることにより、シフト反応が効率的に進行する。これにより改質ガス中に含まれる水素の量を増加させることができる。
【００７４】
以上のように、本実施の形態の水素生成装置５１においては、ＣＯ除去触媒１６およびＣＯ変成触媒１５を、壁５を介して蒸発器２０と熱交換可能となるように設置することにより、ＣＯ除去触媒１６およびＣＯ変成触媒１５が蒸発器２０との熱交換によって冷却される。
【００７５】
これにより、ＣＯ除去触媒１６を改質触媒１４に近い位置に配置した構成であっても、ＣＯ除去触媒１６の高温化を抑制できるため、水素生成装置５１をコンパクト化することが可能となる。またＣＯ変成触媒１５を適温に保つことができ、シフト反応が効率的に進行するため、水素生成装置５１における水素生成量を高めることが可能となる。
【００７６】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における水素生成装置の断面図である。図３に示す本実施の形態の水素生成装置５２において、図１に示す実施の形態１の水素生成装置５０と同じ構成要素には同じ符号を付与し説明は適宜省略する。
【００７７】
図３に示す本実施の形態の水素生成装置５２が、図１に示す実施の形態１の水素生成装置５０と異なる点は、空気混合空間３０の上部にＣＯ変成触媒１５が充填されていることと、蒸発器２０が壁５を介してＣＯ変成触媒１５、ＣＯ除去触媒１６と熱交換可能となるように設置されていることと、空気混合空間３０において伝熱部材２９が設置されていることである。
【００７８】
ＣＯ変成触媒１５は、アルミナの粉を固めた粒子の表面に、銅および亜鉛を付着させたものが用いられる。伝熱部材２９は熱伝導性の高い金属でできた通気性のある多孔質性の部材であり、ここではステンレスウールを用いる。伝熱部材２９は壁５を介して蒸発器２０と熱交換可能となるように壁５に隣接した位置に配置されている。
【００７９】
以上の様に構成された本実施の形態の水素生成装置５２について、以下その動作、作用を説明する。
【００８０】
本実施の形態の水素生成装置５２における空気流出口１０、板１１、孔１２、加熱器１３、改質触媒１４、空気供給部２１、改質ガス排出部２２、原料供給部２３、水供給部２４、空気供給器２５、原料供給器２６、水供給器２７の動作および作用については、実施の形態１と同様のため、説明を省略する。
【００８１】
図３に示すように、原料ガスおよび水は、蒸発器２０を上昇するように流れ、ＣＯ変成触媒１５やＣＯ除去触媒１６や空気混合空間３０から壁５を介して伝わる熱によって加熱される。水は加熱されて水蒸気へと変化し、原料ガスと混ざりあって、混合ガスとなる。混合ガスは、壁５を介して伝わる熱によって温度が３００〜４００℃程度まで上昇する。混合ガスは蒸発器２０を通り抜けたのち、壁１と壁２によって囲まれた空間を通り、改質触媒１４の上部へと供給される。
【００８２】
改質触媒１４を通りぬけた改質ガスは、壁２と壁３の間の空間を上昇し、ＣＯ変成触媒１５の上部へと供給される。改質ガスはＣＯ変成触媒１５の粒子の間をすり抜けるように通過する。改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、このＣＯ変成触媒１５に触れることでシフト反応により水素と二酸化炭素へと変換される。このシフト反応により改質ガス中の水素濃度が増加するとともに、一酸化炭素濃度は１％以下に低減される。
【００８３】
ＣＯ変成触媒１５を通り抜けた改質ガスは、空気混合空間３０を通り、さらにその下部に設けられたＣＯ除去触媒１６へと供給されて、酸化反応によって一酸化炭素が除去される。
【００８４】
この酸化反応を進行させるためには酸素が必要であり、酸素をＣＯ除去触媒１６に供給するために水素生成装置５２には空気を供給する。空気は０〜５０℃程度の常温状態で、空気供給器２５から空気供給部２１を介して空気流路１８に供給される。空気は空気流路１８を上昇し、壁４、壁７を介して伝わる熱によって温度が１００〜２００℃程度まで上昇し、壁４に設けられた空気流出口１０を通り抜けて空気混合空間３０へと供給される。
【００８５】
空気混合空間３０には水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気を含む改質ガスと酸素を含む空気が供給され、多孔質性の伝熱部材２９の内部を通過しながら混合し、板１１に設けられた孔１２を通ってＣＯ除去触媒１６へと供給される。
【００８６】
ＣＯ除去触媒１６へと供給された改質ガスは、ＣＯ除去触媒１６の粒子の間をすり抜けるように通過する。改質ガスに含まれる一酸化炭素と酸素は、ＣＯ除去触媒１６に触れることで酸化反応を起こし、二酸化炭素が発生する。この化学反応により改質ガス中の一酸化炭素濃度は１００ｐｐｍ以下に低減される。
【００８７】
ＣＯ除去触媒１６を通り抜けた改質ガスは水素を５０〜６０％程度、二酸化炭素を２０％程度、水蒸気を１０〜２０％程度含んだガスとなり、壁５の下部に設けられた改質ガス排出部２２を通りって、水素生成装置５２の外部へと排出される。
【００８８】
ここで、ＣＯ除去触媒１６は、酸化反応を効率よく進行させるためその温度を１００〜１８０℃程度に保つ必要がある。一般的に熱は高温部から低温部へ伝わるため、４００〜７００℃の高温の改質触媒１４から、０〜２００℃程度の低温の空気が流れる空気流路１８にむかって、壁２、壁３、および壁７を介して熱が伝わる。
【００８９】
空気流路１８を流れる空気は、改質触媒１４から伝わる熱を吸収し、その流れによって熱を空気混合空間３０に輸送する。空気混合空間３０には、熱伝導性の高い伝熱部材２９が、壁５を介して蒸発器２０と熱交換可能となるように設置されているため、空気混合空間３０に輸送された熱の一部が、伝熱部材２９を介して蒸発器２０に効率的に伝わることにより、改質触媒１４からＣＯ除去触媒１６に伝わる熱量が減少する。そのため、ＣＯ除去触媒１６が所定の温度よりも高温化することを抑制できる。
【００９０】
以上のように、本実施の形態の水素生成装置５２においては、壁３と壁４の間に空気流路１８を設け、空気混合空間３０において壁５を介して蒸発器２０と熱交換可能となるように伝熱部材２９を設置することにより、改質触媒１４から壁２、壁３、および壁７を介して伝わる熱を、空気流路１８を流れる空気で吸収する。
【００９１】
空気流路１８を流れる空気で吸収した熱は、熱伝導性の高い伝熱部材２９を介して効率的に蒸発器２０に伝えられ、ＣＯ除去触媒１６に伝わる熱量を減少させることができる。これにより、ＣＯ除去触媒１６を改質触媒１４に近い位置に配置した構成であっても、Ｃ
Ｏ除去触媒１６の高温化を防止できるため、水素生成装置５２をコンパクト化することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、装置のサイズをコンパクト化することができる。これにより、本発明の水素生成装置を備える燃料電池システムは設置スペースの限られた場所においても設置可能となる。
【符号の説明】
【００９３】
１，２，３，４，５，６，７  壁
１０  空気流出口
１１  板
１２  孔
１３  加熱器
１４  改質触媒
１５  ＣＯ変成触媒
１６  ＣＯ除去触媒
１７  空気混合空間
１８  空気流路
１９，２０  蒸発器
２１  空気供給部
２２  改質ガス排出部
２３  原料供給部
２４  水供給部
２５  空気供給器
２６  原料供給器
２７  水供給器
２８  空気混合空間
２９  伝熱部材
３０  空気混合空間
５０，５１，５２  水素生成装置
【図１】
2019099443.tif 000003
【図２】
2019099443.tif 000004
【図３】
2019099443.tif 000005
【図４】
2019099443.tif 000006