(57)【要約】      （修正有）【課題】筒状の一酸化炭素低減器の厚さ方向での温度分布を小さくすることができる水素生成装置及びこれを用いた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃焼ガス流路５と、燃焼ガス流路及び一酸化炭素低減器１０から隔壁を介して伝達される熱によって水を蒸発させ且つ原料ガスを加熱する予熱蒸発器６、原料ガスと水蒸気とを改質触媒８と燃焼ガス流路から隔壁を介して伝達される熱とを利用して改質ガスを生成する改質器７と、改質器から供給される改質ガスの中の一酸化炭素を一酸化炭素除去触媒９により除去する一酸化炭素低減器１０と、その内部空間を隔壁１，２，３０，４７で区画して燃焼ガス流路、予熱蒸発器、改質器、及び一酸化炭素低減器が形成された、両端が閉鎖された筒状の筒体３と、を具備し、予熱蒸発器と一酸化炭素低減器との間に、隔壁３０と隔壁４７とが互いに間隔を有して対向してなる伝熱緩衝部１１が形成される。【選択図】図１
2008088049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器で発生した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、
原料ガスと水とが供給され、前記燃焼ガス流路及び一酸化炭素低減器から隔壁を介して伝達される熱によって前記水を蒸発させ且つ前記原料ガスを加熱する予熱蒸発器と、
改質触媒を備え、前記予熱蒸発器から供給される原料ガスと水蒸気とを前記改質触媒と前記燃焼ガス流路から前記隔壁を介して伝達される熱とを利用して水蒸気改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
一酸化炭素除去触媒を備え、前記改質器から供給される改質ガスの中の一酸化炭素を前記一酸化炭素除去触媒の作用により除去する前記一酸化炭素低減器と、
その内部空間を前記隔壁で区画するようにして前記燃焼ガス流路、前記予熱蒸発器、前記改質器、及び前記一酸化炭素低減器がその内部に形成された、両端が閉鎖された筒状の筒体と、を具備し、
前記予熱蒸発器と前記一酸化炭素低減器との間に、前記予熱蒸発器を画定する前記隔壁と前記一酸化炭素低減部を画定する前記隔壁とが互いに間隔を有して対向してなる伝熱緩衝部が形成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記伝熱緩衝部において、前記互いに対向する隔壁間の空間（以下、伝熱緩衝空間）は、前記改質器から前記一酸化炭素低減器に向かう改質ガスの流路又は前記一酸化炭素低減器から流出する改質ガスの流路と連通していることを除いて閉じている空間に形成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記伝熱緩衝部において、前記互いに対向する隔壁間に伝熱性部材が充填されている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記伝熱緩衝部は、前記一酸化炭素低減器から前記予熱蒸発器へ伝達される熱の量が、前記一酸化炭素低減器のその改質ガスの流れの上流側が下流側より大きくなるように形成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記伝熱緩衝部において、前記互いに対向する隔壁の間隔が、前記一酸化炭素低減器のその改質ガスの流れの上流側が下流側より狭くなるように形成されている、請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記筒体を囲むように断熱層が設けられている、請求項１乃至５のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記伝熱緩衝空間は、前記一酸化炭素低減器から流出する改質ガスの流路と連通しており、前記一酸化炭素低減器を画定する隔壁の前記予熱蒸発部を画定する隔壁と対向する部分が金属で構成されかつその延長部分が前記一酸化炭素低減器のその改質ガスの上流側において前記予熱蒸発部を画定する隔壁に接合している、請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記延長部分と前記予熱蒸発部を画定する隔壁との接合部は、前記一酸化炭素低減器のガスの流れ方向において、該一酸化炭素低減器の最上流端と最下流端との間であって、前記一酸化炭素除去触媒の充填量に基づいて設定される部位に位置している、請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記延長部分と前記予熱蒸発部を画定する隔壁との接合部は、前記一酸化炭素低減器のガスの流れ方向において、該一酸化炭素低減器の最上流端と該最上流端から該一酸化低減器の長さの略１／４離れた部位との間に位置している、請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記伝熱緩衝空間に、前記一酸化炭素低減器から流出する改質ガスが前記一酸化炭素低減器を画定する隔壁に沿って該一酸化炭素低減器内の改質ガスの流れと反対方向に流れた後、前記予熱蒸発器を画定する隔壁に沿って該一酸化炭素低減気内の改質ガスの流れと同方向に流れるように伝熱緩衝部隔壁が配設されている、請求項８乃至１０のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記伝熱緩衝空間を流れる改質ガスが該一酸化炭素低減器の改質ガスの流れと反対方向から該一酸化炭素低減器の改質ガスの流れと同方向にその流れの向きを変える位置が、前記一酸化炭素低減器のガスの流れ方向において、該一酸化炭素低減器の最上流端と最下流端の間であって、前記一酸化炭素除去触媒の充填量に基づいて設定される部位に位置している、請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記伝熱緩衝空間を流れる改質ガスが該一酸化炭素低減器の改質ガスの流れと反対方向から該一酸化炭素低減器の改質ガスの流れと同方向にその流れの向きを変える位置が、該一酸化炭素低減器のガスの流れ方向において、該一酸化炭素低減器の最上流端と該最上流端から該一酸化低減器の長さの略１／４離れた部位との間に位置している、請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１３】
前記伝熱緩衝空間において前記改質ガスが前記予熱蒸発器を画定する隔壁に沿って流れる流路に伝熱性部材が設けられている、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１４】
前記伝熱性部材がアルミナ又は金属を主成分とする粒子である、請求項１３に記載の水素生成装置。
【請求項１５】
前記伝熱緩衝空間において前記改質ガスが沿って流れる前記予熱蒸発器を画定する隔壁にフィン状突起が形成されている、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１６】
前記一酸化炭素低減器に流入する改質ガスの流路に空気を供給する空気供給路が形成されており、かつ前記一酸化炭素除去触媒が選択酸化触媒である、請求項１乃至１５のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される改質ガスと酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する燃料電池とを備える、燃料電池システム。
【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、水素リッチな改質ガスを製造する水素生成装置、及び水素生成装置で製造された水素を利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素リッチな改質ガスを製造する水素生成装置と、水素生成装置で製造さ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】
そして水素生成装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとし、原料ガスと水とを水蒸気改質反応させることによって、水素、メタン、一酸化炭素（１０％程度）、二酸化炭素、水蒸気を成分とする改質ガスを生成する改質器と、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一酸化炭素炭素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は１０ｐｐｍ程度にまで除去する必要があるため、一酸化炭素低減器は、変成触媒によるＣＯ変成反応で一酸化炭素を０．５％程度まで除去する変成器と、選択酸化触媒による選択酸化反応でさらに一酸化炭素を除去してＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する選択酸化器の、２段階に構成されるのが一般的である。
【０００４】
水素生成装置として、小型化、高効率化、起動性向上の観点から種々の装置が従来から提案されており、小型で高効率な水素生成装置では、熱回収効率の向上のために、発熱反応を行なうＣＯ変成反応部や選択酸化反応部の熱を水との間で熱交換することが行なわれている。
【０００５】
図７は特許文献１に開示された水素生成装置の一例を示すものであり、同心状に配置した複数の円形筒体からなり、中心部にバーナ２０が設けてある。また複数の円形筒体の内側に改質触媒を充填した改質器８が、外側に一酸化炭素除去触媒（特許文献１ではＣＯ変成触媒）を充填した一酸化炭素低減器（特許文献１では変成器）１０が配置してある。そして原料ガスは原料ガス供給口２１から供給され、流路２２を通して改質器８に送られるようになっており、水は水供給口２３から供給され、流路２４ａ，２４ｂから流路２２を通して改質器８に送られるようになっている。ここで、流路２２は一酸化炭素低減器１０の外周に接して配置されており、流路２２に送られた原料ガスと水は一酸化炭素低減器１０での反応熱によって加熱され、原料ガスと水蒸気の混合ガスとして、改質器８に導入される。改質器８はバーナ２０によって加熱されており、改質触媒の作用によって原料ガスと水蒸気が水蒸気改質反応して、水素リッチな改質ガスが生成される。改質器８で生成された改質ガスは、流路２５を通して一酸化炭素低減器１０に送られ、ＣＯ変成触媒の作用によるＣＯ変成反応で改質ガス中の一酸化炭素が除去される。一酸化炭素が除去された改質ガスは、取り出し口２６から取り出されるようになっている。
【０００６】
ここで、変成器として形成される一酸化炭素低減器１０では、入り口温度が２８０℃程度、出口温度が２００℃程度になる温度勾配がＣＯ変成反応に適しているとされている。そこで図７のものでは、一酸化炭素低減器１０の内周に断熱材２７を設け、この断熱材２７の厚みを、一酸化炭素低減器１０の入り口側では薄く、出口側では厚くなるように、厚みに傾斜を付けることによって、バーナ２０による加熱が、一酸化炭素低減器１０の入り口側では伝わり易く、出口側では伝わり難くなるようにしている。この結果、一酸化炭素低減器１０の入り口温度と出口温度を上記の温度に設定して改質ガスの流れ方向に温度勾配を適切に設定することができるのである。
【特許文献１】特開２００３−３２１２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし図７の水素生成装置にあって上記のように、一酸化炭素低減器１０の外周には、一酸化炭素低減器１０での発熱反応の熱を回収するために流路２２が設けてあり、この流路２２を通過する水を加熱して蒸発させるようにしている。このため、この熱交換の際に一酸化炭素低減器１０の外周部が水によって冷却されることになり、一酸化炭素低減器１０は外周部の温度が低く、内周部の温度が高くなるというように、厚さ方向（径方向）に温度分布が大きく生じるおそれがある。
【０００８】
そしてこのように一酸化炭素低減器１０の温度分布が改質ガスの流れに垂直な方向で大きいと、例えば変成器においては出口温度は反応速度や反応平衡の点から上記のように２００℃程度が望ましいが、一酸化炭素低減器１０の出口において厚さ方向で２００℃を下回る部分が生じるおそれがあり、この２００℃を下回る部分では一酸化炭素を除去する反応に寄与しない触媒が存在することになって、一酸化炭素低減器１０による一酸化炭素除去が不十分になるおそれがあるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、筒状の一酸化炭素低減器の厚さ方向での温度分布を小さくすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を安定的に低減することができる水素生成装置及びこれを用いた燃料電池システム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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、燃焼器で発生した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、原料ガスと水とが供給され、前記燃焼ガス流路及び一酸化炭素低減器から隔壁を介して伝達される熱によって前記水を蒸発させ且つ前記原料ガスを加熱する予熱蒸発器と、改質触媒を備え、前記予熱蒸発器から供給される原料ガスと水蒸気とを前記改質触媒と前記燃焼ガス流路から前記隔壁を介して伝達される熱とを利用して水蒸気改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器と、一酸化炭素除去触媒を備え、前記改質器から供給される改質ガスの中の一酸化炭素を前記一酸化炭素除去触媒の作用により除去する前記一酸化炭素低減器と、その内部空間を前記隔壁で区画するようにして前記燃焼ガス流路、前記予熱蒸発器、前記改質器、及び前記一酸化炭素低減器がその内部に形成された、両端が閉鎖された筒状の筒体と、を具備し、前記予熱蒸発器と前記一酸化炭素低減器との間に、前記予熱蒸発器を画定する前記隔壁と前記一酸化炭素低減部を画定する前記隔壁とが互いに間隔を有して対向してなる伝熱緩衝部が形成されている。
【００１１】
この構成によれば、一酸化炭素低減器から予熱蒸発器に熱を伝達することによって、一酸化炭素低減器での発熱反応の熱を予熱蒸発器で原料ガスと水を加熱する熱として回収することができるものであり、そして一酸化炭素低減器と予熱蒸発器の間の伝熱緩衝部によって、この熱伝達によって一酸化炭素低減器の予熱蒸発器の側の部分が冷却されることを低減し、一酸化炭素低減器の予熱蒸発器の側の部分と反対側の部分との温度差が大きくならないようにすることができ、一酸化炭素低減器の厚さ方向での温度分布を小さくすることができるものである。
【００１２】
前記伝熱緩衝部において、前記互いに対向する隔壁間の空間（以下、伝熱緩衝空間）は、前記改質器から前記一酸化炭素低減器に向かう改質ガスの流路又は前記一酸化炭素低減器から流出する改質ガスの流路と連通していることを除いて閉じている空間に形成されていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、伝熱緩衝空間を改質ガスが流入可能な空間として形成することによって、伝熱緩衝空間に流入する改質ガスから一酸化炭素低減器への熱伝達が可能となり、水素生成装置の起動時に伝熱緩衝空間に流入する改質ガスで一酸化炭素低減器の予熱蒸発器の側の部分を加熱することができるものであり、水素生成装置の起動時に一酸化炭素低減器を所定の温度に昇温させる時間を短縮することができ、水素生成装置の起動時間を短縮することができるものである。
【００１４】
前記伝熱緩衝部において、前記互いに対向する隔壁間に伝熱性部材が充填されていてもよい。
【００１５】
この構成によれば、伝熱性部材による伝熱効果で、一酸化炭素低減器の予熱蒸発器の側の部分が冷却される程度を促進することができるものである。また、伝熱緩衝部において互いに対向する隔壁間に改質ガスは流入しないので、パージを効率良く行なうことができるものである。
【００１６】
前記伝熱緩衝部は、前記一酸化炭素低減器から前記予熱蒸発器へ伝達される熱の量が、前記一酸化炭素低減器のその改質ガスの流れの上流側が下流側より大きくなるように形成されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、一酸化炭素低減器の上流側の部分では反応熱を予熱蒸発器の水に十分熱回収することができると共に、一酸化炭素低減器の下流側の部分では厚さ方向の温度分布を低減しつつ、所定の温度以下に冷却し過ぎないようにすることができるものである。
【００１８】
前記伝熱緩衝部において、前記互いに対向する隔壁の間隔が、前記一酸化炭素低減器のその改質ガスの流れの上流側が下流側より狭くなるように形成されていてもよい。
【００１９】
前記筒体を囲むように断熱層が設けられていてもよい。
【００２０】
この構成によれば、断熱層による断熱作用で、一酸化炭素低減器の厚さ方向での温度分布をさらに低減することができるものである。
【００２１】
前記伝熱緩衝空間は、前記一酸化炭素低減器から流出する改質ガスの流路と連通しており、前記一酸化炭素低減器を画定する隔壁の前記予熱蒸発部を画定する隔壁と対向する部分が金属で構成されかつその延長部分が前記一酸化炭素低減器のその改質ガスの上流側において前記予熱蒸発部を画定する隔壁に接合していてもよい。
【００２２】
この構成によれば、発熱量の多い一酸化炭素低減器の上流部は予熱蒸発部により多く冷却され、発熱量の少ない一酸化炭素低減器下流部では伝熱緩衝部１１により予熱蒸発部による冷却が制限されるので、一酸化炭素低減器の厚さ方向での温度分布をさらに低減することができるものである。
【００２３】
前記延長部分と前記予熱蒸発部を画定する隔壁との接合部は、前記一酸化炭素低減器のガスの流れ方向において、該一酸化炭素低減器の最上流端と最下流端との間であって、前記一酸化炭素除去触媒の充填量に基づいて設定される部位に位置していてもよい。
【００２４】
この構成によれば、一酸化炭素低減器の上流部の冷却と下流部の厚さ方向での温度分布低減を、一酸化炭素除去触媒の充填量及び種類に応じて効果的に行うことができるものである。
【００２５】
前記延長部分と前記予熱蒸発部を画定する隔壁との接合部は、前記一酸化炭素低減器のガスの流れ方向において、該一酸化炭素低減器の最上流端と該最上流端から該一酸化低減器の長さの略１／４離れた部位との間に位置していてもよい。
【００２６】
この構成によれば、一酸化炭素低減器の上流部の冷却と下流部の厚さ方向での温度分布低減を効果的に行うことができるものである。
【００２７】
前記伝熱緩衝空間に、前記一酸化炭素低減器から流出する改質ガスが前記一酸化炭素低減器を画定する隔壁に沿って該一酸化炭素低減器内の改質ガスの流れと反対方向に流れた後、前記予熱蒸発器を画定する隔壁に沿って該一酸化炭素低減器内の改質ガスの流れと同方向に流れるように伝熱緩衝部隔壁が配設されていてもよい。
【００２８】
この構成によれば、一酸化炭素低減器からの改質ガスが、伝熱緩衝空間を、予熱蒸発器を画定する隔壁に沿って流れることで、一酸化炭素触媒の厚さ方向の温度分布を低減しつつ、予熱蒸発器を流れる水により改質ガスから熱を回収することにより、有効に熱を利用することができるものである。
【００２９】
前記伝熱緩衝空間を流れる改質ガスが該一酸化炭素低減器の改質ガスの流れと反対方向から該一酸化炭素低減器の改質ガスの流れと同方向にその流れの向きを変える位置が、前記一酸化炭素低減器のガスの流れ方向において、該一酸化炭素低減器の最上流端と最下流端の間であって、前記一酸化炭素除去触媒の充填量に基づいて設定される部位に位置していてもよい。
【００３０】
この構成によれば、一酸化炭素低減器の上流部の冷却と下流部の厚さ方向での温度分布低減、さらには熱利用を、一酸化炭素除去触媒の充填量及び種類に応じて効果的に行うことができるものである。
【００３１】
前記伝熱緩衝空間を流れる改質ガスが該一酸化炭素低減器の改質ガスの流れと反対方向から該一酸化炭素低減器の改質ガスの流れと同方向にその流れの向きを変える位置が、該一酸化炭素低減器のガスの流れ方向において、該一酸化炭素低減器の最上流端と該最上流端から該一酸化低減器の長さの略１／４離れた部位との間に位置していてもよい。
【００３２】
この構成によれば、一酸化炭素低減器の上流部の冷却と下流部の厚さ方向での温度分布低減、さらには熱利用を効果的に行うことができるものである。
【００３３】
前記伝熱緩衝空間において前記改質ガスが前記予熱蒸発器を画定する隔壁に沿って流れる流路に伝熱性部材が設けられていてもよい。
【００３４】
この構成によれば、一酸化炭素低減器から流出する改質ガスから熱をより有効に回収して、より熱を有効に利用することができるものである。
【００３５】
前記伝熱性部材がアルミナ又は金属を主成分とする粒子であってもよい。
【００３６】
この構成によれば、一酸化炭素低減器からの改質ガスとの熱交換をより有効に行うことができるものである。
【００３７】
前記伝熱緩衝空間において前記改質ガスが沿って流れる前記予熱蒸発器を画定する隔壁にフィン状突起が形成されていておよい。
【００３８】
この構成によれば、一酸化炭素低減器からの改質ガスとの熱交換をより有効に行うことができるものである。
【００３９】
前記一酸化炭素低減器に流入する改質ガスの流路に空気を供給する空気供給路が形成されており、かつ前記一酸化炭素除去触媒が選択酸化触媒であってもよい。
【００４０】
この構成によれば、選択酸化触媒の上流部の温度上昇の抑制と、選択酸化触媒の下流部の厚さ方向の温度分布を小さくし、流出する改質ガスからの熱回収をより有効に行うことができるものである。
【００４１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至１５のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される改質ガスと酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する燃料電池とを備える。
【００４２】
この構成によれば、水素生成装置から供給される改質ガスは上記のように一酸化炭素が安定して除去されているので、被毒による劣化のおそれなく、燃料電池で発電を行なうことができるものである。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、一酸化炭素低減器と予熱蒸発器の間の伝熱緩衝部によって、一酸化炭素低減器の予熱蒸発器の側の部分が冷却されることを低減し、一酸化炭素低減器の予熱蒸発器の側の部分と反対側の部分との温度差が大きくならないようにすることができ、一酸化炭素低減器の厚さ方向での温度分布を小さくすることができるものであり、改質ガス中の一酸化炭素を安定的に低減することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図を通じて同一又は相当する要素には同じ参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００４５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態では、装置の筐体となる筒体３は円筒形の内筒（隔壁）１と外筒（隔壁）２とを軸方向を縦にした同心２重筒状に配置して形成してある。この筒体３の上下端は閉塞してある。内筒１の内周の中央部にバーナからなる燃焼器４が設けてあり、燃焼器４と内筒１の間に、内筒１の内周に沿って燃焼ガス流路５が形成してある。この燃焼ガス流路５は図示されない出口と通じて外部（大気）と連通している。
【００４６】
内筒１と外筒２との間において、内筒１の外周を同心状に囲むように円筒状の仕切り筒（隔壁）３０が設けてあり、仕切り筒３０は上部が径の小さい小径部３０ａ、下部が径の大きい大径部３０ｂとして形成してある。仕切り筒３０の小径部３０ａと内筒１の間に形成された円筒形状の空間が予熱蒸発器６を構成しており、予熱蒸発器６の上端に原料ガス供給部３１と水供給器３２が接続してある。ここで、原料ガス供給部３１は原料ガス供給管３３ａで予熱蒸発器６に接続してあるが、原料ガス供給管３３ｂで燃焼器４にも接続してある。
【００４７】
また仕切り筒３０の大径部３０ｂと内筒１の間に形成された円筒形状の空間とこの空間に充填された改質触媒７とが改質器８を構成しており、改質器８の下端部の外周を画定する仕切り筒３０の大径部３０ｂに流出口３４が開口して設けてある。
【００４８】
また、予熱蒸発器６を囲むように、外筒２の上部の内周に一酸化炭素低減器１０が円筒形状に形成してある。具体的には、筒体３の内部に、該筒体３の上壁から外筒２の上部に沿って下方に延びる円筒状の縦壁４７ａとこの縦壁４７ａの下端から外筒２に至るように水平に延びる円環状の横壁４７ｂとからなる仕切り壁（隔壁）４７が形成されており、この仕切り壁４７と筒体３の上壁と外筒２の上部とで区画された空間と、この空間に充填された一酸化炭素除去触媒９とで一酸化炭素低減器１０が構成されている。一酸化炭素低減器１０の下端を画定する仕切り壁４７の横壁４７ｂに流入口３６を開口して設けると共に、上端を画定する筒体３の上壁に流出口３７が設けてある。この流出口３７は改質ガス供給管３８によって燃料電池１４に接続してある。ここでは、一酸化炭素低減器１０は、一酸化炭素除去触媒９としてＣＯ変成触媒を用いてＣＯ変成反応により一酸化炭素を除去する変成器として構成されているが、この変成器の後段に、一酸化炭素除去触媒９としてＣＯ選択酸化触媒を用いてＣＯ選択酸化反応により一酸化炭素を除去する選択酸化器を付加した構成であってもよい。
【００４９】
一酸化炭素低減部１０を画定する仕切り壁４７の縦壁４７ａは、予熱蒸発器６を画定する仕切り筒３０の小径部３０ａとの間に一定の小さな間隔を有して対向するように形成されていて、この仕切り筒３０の小径部３０ａと、仕切り壁４７の縦壁４７ａと、これらの間の空間（以下、伝熱緩衝空間という）４８とが、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減部１０との間の伝熱緩衝部１１を構成している。図１の実施の形態では、伝熱緩衝空間４８の下端は、改質器８と外筒２の間の空間である円筒形状の改質ガス流通路４０に連通されている。
【００５０】
そして、筒体３の外筒２は外周や下面を断熱層１３で覆うようにしてある。また、内筒１、外筒２、筒体３、仕切り筒３０、仕切り壁４７は、金属、セラミックス等の耐熱性及び強度を有する材料で構成されている。本実施の形態では、これらは金属（例えばステンレス）で構成されている。
【００５１】
上記のように形成される水素生成装置にあって、燃焼器４は原料ガス供給部３１から原料ガス供給管３３ｂを通して供給される都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を燃焼して燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは燃焼ガス流路５によって内筒１の内周を流れた後に排出されるようになっている。
【００５２】
そして、水供給器３２から供給される水と原料ガス供給部３１から原料ガス供給管３３ａを通して供給される都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原料ガスは、まず予熱蒸発器６に入る。予熱蒸発器６は燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスで内筒１を介して加熱されており、また一酸化炭素低減器１０におけるＣＯ変成反応やＣＯ選択酸化反応の反応熱が伝熱緩衝部１１を介して伝わり、一酸化炭素低減器１０からの伝熱によっても加熱されている。従って、原料ガスと水は予熱蒸発器６を通過する際に加熱され、原料ガスと水が蒸発した水蒸気とが混合した混合ガスとなる。この混合ガスは改質器８に流入し、改質触媒７の触媒作用で原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスで加熱することによって、改質器８は改質反応温度である６００〜７００℃の温度に維持されている。
【００５３】
改質器８で生成された改質ガスは、改質器８の下端部の流出口３４から改質ガス流通路４０に流出し、改質ガス流通路４０内を上昇する際に、改質器８と熱交換されて２８０℃程度の温度に下げられる。
【００５４】
次に改質ガスは一酸化炭素低減器１０内に下端部の流入口３６から流入し、一酸化炭素除去触媒９による触媒作用で改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素として除去される。ここで、一酸化炭素低減器１０がＣＯ変成反応で一酸化炭素を除去する変成器からなる場合、流入口３６での温度が２８０℃程度、流出口３７での温度が２００℃程度となるように、改質ガスの流れ方向で一酸化炭素低減器１０に温度勾配が形成されていることが反応速度や反応平衡の点から望ましい。そして一酸化炭素低減器１０は改質ガスの流れ方向に沿って予熱蒸発器６と対向しており、予熱蒸発器６を流れる水と熱交換されるものであるが、一酸化炭素低減器１０はその流出口３７の側ほど、予熱蒸発器６の水の流れの上流側に対向しているので熱交換量が大きくなる。従って、２８０℃程度の温度で一酸化炭素低減器１０に流入口３６から流入した改質ガスのＣＯ変成反応熱が予熱蒸発器６との熱交換で冷却され、流出口３７では２００℃程度まで温度が下がるものであり、一酸化炭素低減器１０の改質ガスの流れ方向での温度勾配をこのよう上流側が高く下流側が低くなるように設定することができるものである。一酸化炭素低減器１０が改質器の後段にＣＯ選択酸化反応で一酸化炭素を除去する選択酸化器が設けられている場合も同様であり、選択酸化器を流れる改質ガスと予熱蒸発器６を流れる水との熱交換によって、ＣＯ選択酸化反応の発熱を抑えて、選択酸化器として望まれる１５０℃程度の温度にすることができるものである。
【００５５】
ここで、一酸化炭素低減器１０と予熱蒸発器６の間には、仕切り筒３０の小径部３０ａと仕切り壁４７の縦壁４７ａという２つの隔壁とこれら２つの隔壁の間の空間４８とからなる伝熱緩衝部１１が設けてあり、一酸化炭素低減器１０と予熱蒸発器６は従来例のように１つの隔壁のみを介して接しているのではない。このため、一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６に面する側の温度が、水との熱交換で冷却され過ぎて、下がり過ぎないようにすることができるものであり、一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６の側の温度と反対側の温度との差が大きくなることを防ぐことができるものであり、一酸化炭素低減器１０の厚さ方向（改質ガスの流れ方向と垂直な方向、筒体３の直径方向）に大きな温度分布が生じることなく、温度分布を低減することができるものである。一方、予熱蒸発器６は燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスで内筒１を介して加熱されているので、このように、一酸化炭素低減器１０からの伝熱量が抑制されても水を蒸発するに十分な熱量を確保することができる。
【００５６】
そしてこのように、一酸化炭素低減器１０の厚さ方向での温度分布を小さくしつつ、一酸化炭素低減器１０の改質ガスの流れ方向での温度勾配を上記のように適切に設定することができるので、改質ガス中の一酸化炭素を安定して効率高く除去することができるものであり、例えば一酸化炭素低減器１０が変成器と選択酸化器で形成されている場合、改質器８で生成された改質ガスに含まれる１０％程度のＣＯ濃度を、変成器で０．５％程度のＣＯ濃度に、選択酸化器で１０ｐｐｍ程度のＣＯ濃度に低減することができるものである。
【００５７】
上記のように一酸化炭素低減器１０で一酸化炭素が除去された水素リッチな改質ガスは、流出口３７から改質ガス供給管３８を通して燃料電池１４に供給され、改質ガス中の水素と、空気など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電されるものである。燃料電池１４と原料ガス供給管３３ｂとの間には改質ガス返送管４１が接続してあり、燃料電池１４で消費されなかった改質ガスは、改質ガス返送管４１から原料ガス供給管３３ｂを通して燃焼器４に供給されるようになっている。
【００５８】
本発明の水素生成装置では、上記のように一酸化炭素を安定して除去した改質ガスを送出することができるので、一酸化炭素で燃料電池１４の触媒が被毒して劣化するようなおそれがなく、燃料電池１４で長期に亘って安定した発電を行なうことができるものである。
【００５９】
ここで、図１の実施の形態では、伝熱緩衝空間４８は下端が改質ガス流通路４０に連通された、筒体３内の空間として形成されている。従って伝熱緩衝部１１内には改質器８で生成された改質ガスが改質ガス流通路４０から流入可能になっている。改質ガス中には水蒸気が含有されているが、この水蒸気が凝縮しても、凝縮水は伝熱緩衝空間４８から改質ガス流通路４０へと流出し、伝熱緩衝空間４８内に凝縮水が滞留することはない。このため、水素生成装置を起動する際に、伝熱緩衝空間４８内に滞留している凝縮水の影響で一酸化炭素低減器１０が昇温し難くなって、起動性が悪くなるということがなくなり、安定して起動させることが可能になるものである。
【００６０】
また、筒体３を囲むように断熱層１３を設けて、一酸化炭素低減器１０の外側を断熱しているので、これにより、一酸化炭素低減器１０の外周部からの放熱を低減することができ、一酸化炭素低減器１０の厚さ方向での温度分布をさらに小さくすることができるものである。また一酸化炭素低減器１０から外部へ放出される熱量を低減することができるので、一酸化炭素低減器１０の反応熱を予熱蒸発器６に回収する熱回収効率も高めることができるものである。
【００６１】
［シミュレーション］
図６（ａ）は、図１の水素生成装置において、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０の間に伝熱緩衝部１１を設けず、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０とを直接接触させるようにしたモデル（比較例）についての、二次元熱流体反応シミュレーションの結果を示すものである。一酸化炭素低減器１０の高さを１００ｍｍ、一酸化炭素低減器１０への流入ガス温度を２５０℃とし、一酸化炭素低減器１０の内側は水蒸気によって冷却されると仮定して、シミュレーションを実施した。一酸化炭素低減器１０の厚さ方向の内側と、中央と、外側の温度を図６（ａ）に示す。図６（ａ）のシミュレーション結果にみられるように、一酸化炭素低減器１０の内側は冷やされ過ぎており、一酸化炭素低減器１０の厚さ方向の温度分布が大きく、厚さ方向の温度分布は最大で６５℃程度と予測されるものであった。
【００６２】
一方、図６（ｂ）は、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０の間に伝熱緩衝部１１を設けた図１の水素生成装置をモデルとする、二次元熱流体反応シミュレーションの結果を示すものである。一酸化炭素低減器１０の高さを１００ｍｍ、流量調整部１１の高さも同様に１００ｍｍ、一酸化炭素低減器１０への流入ガス温度を２５０℃、流入するガス流量を発電１ｋＷ相当とし、伝熱緩衝部１１の内側は水蒸気によって冷却されると仮定して、シミュレーションを実施した。一酸化炭素低減器１０の厚さ方向の内側と、中央と、外側の温度を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）のシミュレーション結果にみられるように、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０の間に伝熱緩衝部１１を設けることによって、一酸化炭素低減器１０と水蒸気との熱交換が抑制され、一酸化炭素低減器１０の内側の温度がガスの流れ方向の全域で上昇しており、一酸化炭素低減器１０の厚さ方向の温度分布が小さく、厚さ方向の温度分布は最大で４０℃程度に改善される予測となった。
【００６３】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図２に示すように、本実施の形態では、伝熱緩衝空間４８の下端を蓋板４４で塞ぎ、改質ガス流通路４０に連通されないようにすると共に、一酸化炭素低減器１０の内周を画定する仕切り壁４７の縦壁４７ａの上部に連通口４３を設け、伝熱緩衝空間４８と一酸化炭素低減器１０とを連通させるようにしてある。その他の構成は図１のものと同じである。
【００６４】
このものでは、連通口４３で伝熱緩衝空間４８と一酸化炭素低減器１０とが連通しているので、伝熱緩衝空間４８には一酸化炭素低減器１０で一酸化炭素が除去された低ＣＯ濃度の改質ガスが滞留することになる。伝熱緩衝空間４８に滞留する改質ガスは予熱蒸発器６の水と熱交換されて温度が低下されているが、上記の図１の実施の形態では、改質器８から出たＣＯ濃度の高い改質ガスが伝熱緩衝空間４８に滞留しているため、この温度が低下した改質ガスが一酸化炭素低減器１０に流入すると、一酸化炭素低減器１０の反応に悪影響を及ぼすことになる。一方、この図２の実施の形態では、ＣＯ濃度の低い改質ガスが伝熱緩衝空間４８に滞留しているため、この温度が低下した改質ガスが一酸化炭素低減器１０に流入しても一酸化炭素低減器１０の反応に影響を及ぼすことはないものであり、図１の実施の形態のものに比べてより安定的に一酸化炭素の除去を行なうことができるものである。
【００６５】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図３に示すように、本実施の形態では、伝熱緩衝空間４８の下端を蓋板４４で塞いで改質ガス流通路４０に連通されないようにすると共に、伝熱緩衝空間４８の上端を画定する筒体３の上壁を開口させて筒体３の外部に連通させてある。従って伝熱緩衝空間４８は、筒体３内とは隔離されている。そして、伝熱緩衝空間４８に伝熱性部材１２が充填されている。伝熱性部材１２は、例えば、適宜選択した熱伝導率を有する金属で構成される。その他の構成は図１のものと同じである。
【００６６】
本実施の形態では伝熱緩衝空間４８内に筒状の伝熱部材１２を差し込んで、この伝熱性部材１２を脱着自在に取り付けるようにしてあるが、勿論このようなものに限定されるものではない。このように伝熱性部材１２を伝熱緩衝空間４８に充填することによって、伝熱性部材１２による伝熱作用で、一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６の側の部分が冷却される程度を促進することができるものである。また伝熱性部材１２として熱伝導率の異なるものや、伝熱性部材１２の配置を変えることによって、一酸化炭素低減器１０の流入温度や流出温度などを調整して、一酸化炭素低減器１０の改質ガスの流れ方向での温度勾配を適切に設定することが容易になるものである。尚、図１や図２の実施の形態のものにおいて、伝熱緩衝空間４８に伝熱性部材１２を充填するようにしてもよい。
【００６７】
また、本実施の形態では、伝熱緩衝空間４８に伝熱性部材１２が充填されているため、伝熱緩衝空間４８には改質ガスは流入しないので、伝熱緩衝空間４８内に改質ガスが滞留することはない。従って、水素生成装置を起動する前に筒体３の内筒１と外筒２の間のガスをパージガスと置換するパージを行なうにあたって、伝熱緩衝空間４８内に改質ガスが滞留する部分がないために、パージを効率良く行なうことができるものであり、特にパージガスとして都市ガスやＬＰＧなどを用いる場合には、パージガスの使用量を低減してエネルギーロスを少なくすることができるものである。
【００６８】
（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図４に示すように、本実施の形態では、仕切り壁４７の縦壁４７ａの下部を内方へ突出させることによって、一酸化炭素低減器１０の下部の内周に全周に亘って突出部４６を設け、伝熱緩衝空間４８の幅（厚み）が、一酸化炭素低減器１０の下部では小さく、上部では大きくなるようにしてある。換言すれば、伝熱緩衝部１１における仕切り壁４７の縦壁４７ａと仕切り筒３０の小径部３０ａとの間隔が一酸化炭素低減器１０の下部では小さく、上部では大きくなるようにしてある。その他の構成は図１のものと同じである。
【００６９】
このものでは、一酸化炭素低減器１０と予熱蒸発器６との間の熱交換量が、一酸化炭素低減器１０の改質ガスの流れの上流側で大きく、下流側で小さくなるものであり、一酸化炭素低減器１０の上流側の部分では反応熱を予熱蒸発器６の水に十分熱回収し、且つ、一酸化炭素低減器１０の下流側の部分では厚さ方向の温度分布を低減しつつ、所定の温度以下に冷却し過ぎないようにすることができるものである。
【００７０】
（実施の形態５）
図５は本発明の実施の形態５の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図５に示すように、本実施の形態では、実施の形態４において、一酸化炭素低減器１０の内周下部の突出部４６を予熱蒸発器６に仕切り筒３０を挟んで隣接させ、これらの間には伝熱緩衝部１１が形成されないようにしてある。具体的には、仕切り壁４７の縦壁４７ａが、筒体３の上壁から下方に一酸化炭素低減器１０の全高さ（全長）の半分程度の位置まで延びそこから内方へ水平に延びて仕切り筒３０に接合されるように形成されている（この水平に延在する部分（以下、水平延在部分という）が請求項にいう（縦壁４７ａの）延長部分である）。符号５０は、縦壁４７ａの水平延在部分と仕切り筒３０との接合部を示す。このものでは、一酸化炭素低減器１０の上流側の部分は予熱蒸発器６と仕切り筒３０のみを介して熱交換するため、この部分での過熱を防止できると共に予熱蒸発器６の水への熱回収効率を高めることができるものである。一酸化炭素低減器１０の変成触媒として銅・亜鉛系の触媒を用いる場合、３００℃以上に過熱されると触媒の熱劣化が生じて触媒性能に悪影響を及ぼすが、このように一酸化炭素低減器１０の高温部位に相当する上流側の部分が予熱蒸発器６と１つの隔壁（仕切り筒３０）を介して熱交換するようにすることで、このような過熱を防止して変成触媒の耐久性を維持することが可能になるものである。また一酸化炭素低減器１０の下流側の部分では伝熱緩衝部１１で熱交換量を制限することによって、厚さ方向の温度分布を低減しつつ、所定の温度以下に冷却し過ぎないようにすることができるものである。
【００７１】
（実施の形態６）
図８は本発明の実施の形態６の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図８に示すように、本実施の形態は、実施の形態５（図５）を変形したもので最良の形態である。詳しく説明すると、仕切り壁４７の縦壁４７ａが金属（例えば、ステンレス）で構成されている。また、仕切り壁４７の縦壁４７ａは、鍔付き円筒状に形成されていて、その上端が筒体３の上壁との間に所定の間隔を有するように位置し、その位置から下方に、その位置と仕切り壁４７の横壁４７ｂとの距離の４分の３程度の距離を延び、そこから内方へ水平に延びて仕切り筒３０に接合されるように形成されている（この水平延在部分が請求項にいう（縦壁４７ａの）延長部分である）。そして、この筒体３と仕切り壁４７の縦壁４７ａと、仕切り筒３０と、仕切り壁４７の横壁４７ｂとで区画された空間と、この空間に充填された一酸化炭素触媒９とで一酸化炭素除去器１０が構成されている。一酸化炭素触媒９の上端は仕切り壁４７の上端に一致している。かくして、一酸化炭素低減器１０の内周下部の突出部４６が予熱蒸発器６に仕切り筒３０を挟んで隣接していて、これらの間には伝熱緩衝部１１が形成されていない。そして、一酸化炭素低減器１０と筒体３の上壁との間に一酸化炭素低減器１０から流出する改質ガスの流路４９が形成されていて、この改質ガスの流路４９に伝熱緩衝空間４８が連通している。なお、改質ガスの流路４９は、筒体３の上壁に設けられた流出口３７に連通している。そして、一酸化炭素低減器１０を画定する仕切り壁４７の縦壁４７ｂの上端は、その周囲の水素生成装置の金属構造体（筒体３、外筒２等）には接続されておらず、接触もしてはいない。また、仕切り壁４７の縦壁４７ａの水平延在部分と仕切り筒３０との接合部５０は、一酸化炭素低減器１０の上流部における一酸化炭素除去触媒９の最上流端からこの一酸化炭素触媒９の長さの４分の１の部位に位置している。なお、この接合部５０は、これ限らず、一酸化炭素低減器１０の上流部における一酸化炭素除去触媒９の最上流端からこの一酸化炭素触媒９の長さの４分の１の部位までの間に位置していればよい。
【００７２】
このような構成により、実施の形態５と同様に、一酸化炭素低減器１０の内周下部の突出部４６が予熱蒸発器６に１つの隔壁（仕切り壁４７）を介して隣接しているので、一酸化炭素低減器１０の上流部で生じる反応熱を、伝熱緩衝部１１を介さずに予熱蒸発器６と熱交換することができ、一酸化炭素除去触媒９の過昇温を防止することができる。一方、一酸化炭素低減器１０の下流側では、一酸化炭素除去触媒９を囲む仕切り壁４７の縦壁４７ａが、予熱蒸発器６等のその周囲の金属構造体に接続も接触もしていないため、縦壁４７ａを通じた熱伝導による一酸化炭素除去触媒９からの放熱を抑制することができる。その結果、一酸化炭素除去触媒９の下流部における厚さ方向の温度分布（内周部と外周部との温度差）を小さくすることができる。
【００７３】
また、一酸化炭素低減器１０の上流部で起こる変成反応又は選択酸化反応の約８割以上がその上流端から４分の１以内の部分で起こるが、本実施の形態では、酸化炭素低減器１０の上流部における一酸化炭素除去触媒９の最上流端からこの一酸化炭素触媒９の長さの４分の１の位置までの部分が、予熱蒸発器６に１つの隔壁（仕切り壁４７）を介して隣接しているので、反応熱が多量に発生する部分では熱交換量が多く、反応熱が少量しか発生しない部分では熱交換量が少ない構成となっている。その結果、伝熱緩衝部１１の熱交換抑制機能を効果的に発揮させることができる。
【００７４】
なお、実施の形態５において、仕切り壁４７の縦壁４７ａの水平延在部分と仕切り筒３９との接合部５０を、本実施の形態（下記注記を含む）のように位置させてもよい。
【００７５】
＜注記＞
仕切り壁４７の縦壁４７ａの水平延在部分と仕切り筒３０との接合５０の位置に関して以下の点を注記する。
【００７６】
図８の構成では、特定の一酸化炭素除去触媒９を想定しかつこの想定された一酸化炭素除去触媒９に基づいて、その最適な、仕切り壁４７の縦壁４７ａの水平延在部分と仕切り筒３９との接合部５０の位置を特定した。しかし、この接合部５０は、一酸化炭素低減器１０のガスの流れ方向において、一酸化炭素低減器１０の最上流端と最下流端との間であって、一酸化炭素除去触媒９の充填量に基づいて設定される部位に位置することが好ましい。これは、一般的に、一酸化炭素除去触媒９の充填量は、水素生成装置で生成される改質ガス量や、一酸化炭素除去触媒９の一酸化炭素除去特性（初期特性や寿命特性）に基づき決定される量であるからである。さらに詳しく説明すると、一酸化炭素低減器１０における触媒の充填長さに対する、触媒の反応（例えば、変成触媒では変成反応、選択参加触媒では酸化反応）率は、充填される触媒によりほぼ一義的に決まる。例えば、変成触媒の充填量が少ない場合には、変成触媒の充填量が多い場合と比較すると出口の一酸化炭素濃度は増加する。しかし、同じ触媒の充填長さの部位で改質ガスをサンプリングした場合、そのガス中の一酸化炭素濃度はほぼ一定の値になり、同じ触媒の充填長さの部位では、変成反応や選択酸化反応による発熱量がほぼ一定になる。一方、触媒が相違しその反応性が相違すると、触媒の充填長さに対しての反応率は相違するからである。従って、一酸化炭素除去器１０と予熱蒸発器６とを１つの隔壁（仕切り筒３０）を介して熱交換させる面積を決定することになる、仕切り壁４７の縦壁４７ａの水平延在部分と仕切り筒３０との接合部５０は、一酸化炭素除去触媒９の充填量に基づいて設定される部位に設置することが好ましいことになる。なお、一酸化炭素除去触媒９の充填量により、一酸化炭素低減器１０の最上流端と最下流端との間の長さは相違するので、最上流端と最下流端の間の長さを基準とした場合、この接合部５０を設ける位置の位置関係は相対的に変化する。
【００７７】
（実施の形態７）
図９は本発明の実施の形態７の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図９に示すように、本実施の形態では、実施の形態６の構成（注記を含む）において、伝熱緩衝空間４８に、筒体３の上壁から下方に延びるように円筒状の流路隔壁（以下、伝熱緩衝部隔壁という）５１が形成されている。伝熱緩衝部隔壁５１は、その下端と仕切り壁４７の縦壁４７ａの水平延在部分との間に間隔を有するように形成されている。また、改質ガスの流出口３７は、筒体３の上壁に、仕切り筒３０の上端と伝熱緩衝部隔壁５１の上端との間に位置するように形成されている。これにより、伝熱緩衝空間４８に、一酸化炭素除去触媒９から流出する改質ガスが、仕切り壁４７の縦壁４７ａの内面を一酸化炭素除去触媒９内の流れに対向するように流れた後、反転して予熱蒸発器１０に隣接しながら一酸化炭素除去触媒９内の流れと同方向に流れる改質ガスの流路が形成されている。そして、この伝熱緩衝空間４８内の流路の予熱蒸発器１０に隣接する部分に、高伝熱性部材５７が充填されている。この高伝熱性部材５７は、アルミナ又は金属を主成分とする粒子（例えば、粒径がΦ１．０ｍｍ〜Φ３．０ｍｍである粒子）で構成されている。
【００７８】
この構成によれば、一酸化低減器１０から流出た改質ガスが、仕切り壁４７の縦壁４７ａに沿って流れた後、予熱蒸発器６に隣接しながら流れるので、改質ガスは予熱蒸発器６と熱交換して予熱蒸発器６に熱回収された後、低温化した改質ガスとして水素生成装置外に排出される。従って、改質ガスによる水素生成装置外への持ち出し熱量を極力少なくすることができ、熱利用率の高い水素生成装置を実現することができる。
【００７９】
また、伝熱緩衝空間４８内の流路の予熱蒸発器１０に隣接する部分に、高伝熱性部材５７が充填されているので、改質ガスからの伝熱が促進されて熱交換性能が向上する
なお、伝熱緩衝空間４８内の流路の予熱蒸発器１０に隣接する部分に、高伝熱性部材５７を充填する構成に代えて、伝熱緩衝空間４８内の流路の予熱蒸発器１０に隣接する部分の幅を狭くし、それにより改質ガスの流速を大きくして熱交換性能を向上しても良い。
【００８０】
（実施の形態８）
図１０は本発明の実施の形態８の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図１０に示すように、本実施の形態では、実施の形態７の構成において、伝熱緩衝空間４８内の流路の予熱蒸発器６に隣接する部分に、高伝熱性部材５７に代えて、金属製の伝熱フィン５２が設けられている。伝熱フィン５２は、仕切り筒３０の、伝熱緩衝空間４８の流路と予熱蒸発器６との間に介在する部分の表面に設けられている。この構成によれば、予熱蒸発器６を画定する仕切り筒３０の表面の伝熱面積を広くすることができ、その結果、流路圧損をあまり高めることなく熱交換性能を向上することができる。
【００８１】
（実施の形態９）
図１１は本発明の実施の形態９の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。図１１に示すように、本実施の形態では、実施の形態７（図９）において、一酸化炭素低減器１０に空気を供給する空気供給部５３が設けられ、一酸化炭素低減器１０の一酸化炭素除去触媒５４が選択酸化触媒で構成されている。具体的には、改質ガス流通路４０にその下流端が開口し、筒体３、断熱層１３、及び外壁を貫通して外部に延びるように空気供給路５５が形成され、この空気供給路５５の上流端に空気供給部５３が接続されている。
【００８２】
この構成によれば、選択酸化触媒５４に流入する改質ガスには空気供給部５３から空気が供給され、改質ガスと空気との混合ガスが選択酸化触媒５４に供給される。選択酸化触媒５４上では混合ガス中のＣＯが選択的に空気中の酸素と酸化反応し、ＣＯが低減される。この時、選択酸化触媒５４の上流部は酸化反応による発熱が起こるが、選択酸化触媒５４の上流部は予熱蒸発器６と１つの隔壁（仕切り筒３０）を介して隣接しているので十分熱交換され、選択酸化触媒５４の過昇温を防止することができる。また、選択酸化触媒５４の下流部は、予熱蒸発器６との間に伝熱緩衝部１１が形成されていて、しかも選択酸化触媒を囲む仕切り壁４７の縦壁４７ａの上端部が予熱蒸発器６に接続することも接することもないため、選択酸化触媒５４の下流部の熱を放熱することもなく、選択酸化触媒５４の厚さ方向における温度分布を小さく抑えることができる。さらに、改質ガスが伝熱緩衝部１１の伝熱緩衝部隔壁５１と予熱蒸発器６との間を通過することで、改質ガス中の熱を回収することができる。従って、選択酸化触媒５４を上流から下流まで厚さ方向も含めて適正な温度状態とすることができ、触媒性能を最大限発揮することが可能となる。そして、さらに熱利用効率が高い水素生成装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の水素生成装置及びこれを用いた燃料電池システムは、筒状の一酸化炭素低減器の厚さ方向での温度分布を小さくすることができ、改質ガス中の一酸化炭素を安定的に低減することができる水素生成装置及びこれを用いた燃料電池システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施の形態１の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態５の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【図６】一酸化炭素低減器の厚さ方向の温度分布を予測するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図７】従来例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の実施の形態６の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態７の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態８の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態９の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  内筒
２  外筒
３  筒体
４  燃焼器
５  燃焼ガス流路
６  予熱蒸発器
７  改質触媒
８  改質器
９  一酸化炭素除去触媒
１０  一酸化炭素低減器
１１  伝熱緩衝部
１２  伝熱性部材
１３  断熱層
１４  燃料電池
３０  仕切り筒
３０ａ  小径部
３０ｂ  大径部
３１  原料ガス供給部
３２  水供給部
３３ａ，３３ｂ  原料ガス供給管
３４  流出口
３６  流入口
３７  流出口
３８  改質ガス供給管
４０  改質ガス流通路
４１  改質ガス返送管
４３  連通口
４４  蓋板
４６  突出部
４７  仕切り壁
４７ａ  縦壁
４７ｂ  横壁
４８  伝熱緩衝空間
４９  改質ガス流路
５０  接合部
５１  伝熱緩衝部隔壁
５２  伝熱フィン
５３  空気供給部
５４  選択酸化触媒
５５  空気供給路
５７  高伝熱性部材
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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