(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に中心軸を有する多重円筒構造の水素生成化学反応容器と、無機粉体を含む材料を加圧成形して成り前記水素生成化学反応容器の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体を備えた断熱容器と、を有し、
前記断熱容器は、前記断熱体の開口した上面を、内周面と外周面のそれぞれの上端部を含めて覆う金属製の上蓋体と、
前記断熱体の底面を外周面の下端部を含めて覆う金属製の下蓋体と、前記無機粉体の飛散を防止可能に構成され前記断熱体の外周面と前記上蓋体の外周面と前記下蓋体の外周面を覆う繊維シートと、を有する水素生成装置。
【請求項２】
前記下蓋体は、前記断熱体の底面の一部を露出させる開口部を有し、
前記繊維シートは、前記下蓋体の前記開口部から前記無機粉体が飛散しないように、前記断熱体の底面も覆う、
請求項１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、燃料電池発電装置に水素を供給する水素生成装置に関し、より詳細には水素生成装置内の断熱構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置用の水素生成装置としては、一般に水蒸気改質反応方式のものが用いられる。この水素生成装置は、気化部で蒸発した改質水と炭化水素からなる原料ガスとを６００〜８００℃程度の高温で反応させることにより水素を主成分とした改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中に含まれる一酸化炭素ガス濃度を変成シフト反応により低減する変成部とを備える。さらに、この水素生成装置は、一酸化炭素ガス濃度を選択酸化反応により低減するＣＯ除去部を備えている。【０００３】
従来、この種の水素生成装置において、その外周部に断熱性能の高い粉状ヒュームドシリカを圧縮成形したものを適用することで、熱漏洩量を抑えてエネルギー効率を高めることが知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
図３は、特許文献１に開示された従来の水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図である。図３に示すように、従来の水素生成装置１０１は、鉛直方向に中心軸を有する多重円筒構造の水素生成化学反応容器１０２と、水素生成化学反応容器１０２の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱容器１０３とで構成される。【０００５】
水素生成化学反応容器１０２は、燃焼器１０４と、蒸発器１０５と、改質器１０６と、変成器１０７と、ＣＯ除去器１０８とからなる。蒸発器１０５は、内筒１０９と、外筒１１０と、内筒１０９と外筒１１０との間に設けられた丸棒をスパイラル形状に成形したらせん仕切１１１とで蒸発流路を構成する。【０００６】
このような構造を有する蒸発器１０５には、原料ガスおよび改質水が供給される。原料ガスは原料供給器１１２から供給され、水は改質水供給器１１３から供給される。蒸発器１０５に供給された水は、燃焼ガス流路１１４を流れる燃焼ガスによって加熱されて蒸発し、その結果、蒸発器１０５では原料ガスと水蒸気との混合ガスが生成される。【０００７】
蒸発器１０５を通過した混合ガスは、改質反応によって改質する改質器１０６と、改質反応で生成された一酸化炭素の濃度を変成シフト反応により低減させる変成器１０７と、一酸化炭素の濃度を選択酸化反応によりさらに低減させるＣＯ除去器１０８を経て、水素排出口１１５から排出される。【０００８】
また燃焼器１０４で発生した燃焼ガスは、燃焼筒１１６と内筒１０９との間の燃焼ガス流路１１４を通過し、燃焼ガス排出口１１７より排出される。【０００９】
水素生成化学反応容器１０２は、断熱容器１０３に内包される形で断熱されている。【００１０】
断熱容器１０３は、ヒュームドシリカ断熱材板１１８を複数枚積層したものに、下部ガラスクロス１２０と、胴部ガラスクロス１２１と、上部ガラスクロス１２２を、接着剤１１９を用いて貼付けることで一体化固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１６１０４７号公報
【発明の概要】
【００１２】
従来の構成は、鉛直方向に中心軸を有する多重円筒構造の水素生成化学反応容器１０２を内包するため、水素生成化学反応容器１０２と断熱容器１０３の隙間から放熱ロスが発生しないよう円筒構造の断熱容器１０３が必要となる。
【００１３】
断熱容器１０３はヒュームドシリカ粉末を６０ｍｍ程度にプレス成形したヒュームドシリカ断熱材板１１８を縦方向（鉛直方向）に複数枚積層してから、積層方向に全体に圧縮荷重を加えることで、各積層間のすきまを無くすとともに断熱材高さを所定の厚みに変化させている。さらに、そのヒュームドシリカ断熱材板１１８の積層体の外周部に接着剤１１９を塗布したガラスクロスシート（下部ガラスクロス１２０、胴部ガラスクロス１２１、上部ガラスクロス１２２）を貼付けて一体化構造とすることで、積層界面からの熱漏洩を防いでいる。
【００１４】
接着剤１１９を塗布した下部ガラスクロス１２０、胴部ガラスクロス１２１、上部ガラスクロス１２２を積層されたヒュームドシリカ断熱材板１１８の外周部に貼付ける際、下部ガラスクロス１２０と上部ガラスクロス１２２はヒュームドシリカ断熱材板１１８の積層体の縁まで覆う必要がある。
【００１５】
そして、ヒュームドシリカ断熱材板１１８の積層体の曲面（外周面）と平面（上面と底面）とを連続して覆うためにガラスクロスシート（下部ガラスクロス１２０、胴部ガラスクロス１２１、上部ガラスクロス１２２）に複数のスリットを設けて積層体の円筒形状に沿うように貼付けを行っている。そのため、ガラスクロスシートの貼付けに掛かる作業時間が多大となる。
【００１６】
また、その貼付けの際に接着剤１１９の付いたガラスクロスシート（下部ガラスクロス１２０、胴部ガラスクロス１２１、上部ガラスクロス１２２）をヒュームドシリカ断熱材板１１８の積層体の外周面へ押付する工程が必要で、ヒュームドシリカ断熱材板１１８を破損させる懸念があった。
【００１７】
また、断熱容器１０３を運搬する時や、水素生成化学反応容器１０２を断熱容器１０３に挿入する作業の際に、断熱容器１０３の側面、特に断熱容器１０３の縁が水素生成化学反応容器１０２や周りの物体に接触して断熱容器１０３あるいはヒュームドシリカ断熱材板１１８を破損させる懸念があった。
【００１８】
断熱容器１０３を構成するヒュームドシリカ断熱材板１１８が破損すると、断熱容器１０３の一定の厚みを確保出来ないことや、積層体の隙間から熱漏洩が発生し、断熱性能が不安定になる課題があった。
【００１９】
本発明は、低コストでより効率的に漏洩熱量を抑制することができ、水素生成化学反応容器の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体の縁が破損しにくい実用性の高い水素生成装置を提供する。
【００２０】
本発明の水素生成装置は、鉛直方向に中心軸を有する多重円筒構造の水素生成化学反応容器と、無機粉体を含む材料を加圧成形して成り水素生成化学反応容器の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体を備えた断熱容器とを有する。また、断熱容器は、断熱体の開口した上面を、内周面と外周面のそれぞれの上端部を含めて覆う金属製の上蓋体と、断熱体の底面を外周面の下端部を含めて覆う金属製の下蓋体とを有する。さらに、断熱容器は、無機粉体の飛散を防止可能に構成され断熱体の外周面を覆う繊維シートを有する。
【００２１】
この構成において、水素生成化学反応容器の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体の端部（縁）を金属製の上蓋体と下蓋体で覆うことにより、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ有底円筒形の断熱体の縁が破損しにくい、実用性の高い水素生成装置を提供することができる。
【００２２】
また、水素生成化学反応容器の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体の端部（縁）を金属製の上蓋体と下蓋体で覆うことにより、有底円筒形の断熱体の曲面（外周面）と平面（上面と底面）とを連続して繊維シートで覆う工程、すなわち繊維シートを貼る工程を廃止できる。そのため、大幅な作業工数の削減が図れ、生産性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る水素生成装置の断熱容器の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図３】図３は、従来の水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明による実施の形態に係る水素生成装置ついて、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。
【００２５】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図を示すものである。
【００２６】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置１は、鉛直方向に中心軸を有する多重円筒構造の水素生成化学反応容器２と、無機粉体を含む材料を加圧成形して成り水素生成化学反応容器２の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体であるヒュームドシリカ断熱材板１８を備えた断熱容器３とを有する。また、断熱容器３は、断熱体の開口した上面を、内周面と外周面のそれぞれの上端部を含めて覆う金属製の上蓋体２４と、断熱体の底面を外周面の下端部を含めて覆う金属製の下蓋体２３と、断熱体を構成する無機粉体の飛散を防止可能に構成され断熱体の外周面を覆う繊維シート２５とを有する。
【００２７】
なお、下蓋体２３は、断熱容器３の底面の一部（中央部）を露出させる開口部２３ａを有し、繊維シート２５は、下蓋体２３の開口部２３ａから無機粉体が飛散しないように、断熱体の底面の一部（中央部）も覆っている。また、上蓋体２４と下蓋体２３は、上下端部を除く外周面に大径部２６を有する。
【００２８】
断熱容器３は、水素生成化学反応容器２を内包するように配設され、水素生成化学反応容器２は、その底面と外周面全体が断熱容器３によって断熱されている。
【００２９】
この水素生成化学反応容器２は、原料供給器１２から供給される改質原料と、改質水供給器１３から供給された改質水とを混合気化させる蒸発器５と、気化した改質原料を改質反応によって改質する改質器６とを備えている。さらに、改質反応で生成された一酸化炭素の濃度を変成シフト反応により低減させる変成器７と、変成器７を未反応で通過した一酸化炭素の濃度を選択酸化反応によりさらに低減させるＣＯ除去器８と、バーナーを備えた燃焼器４とを備えている。
【００３０】
なお、蒸発器５は、内筒９と、外筒１０と、内筒９と外筒１０との間に設けられた丸棒をスパイラル形状に成形したらせん仕切１１とで蒸発流路を構成され、蒸発器５に供給された水は、燃焼ガス流路１４を流れる燃焼ガスによって加熱されて蒸発し、その結果、蒸発器５では原料ガスと水蒸気との混合ガスが生成される。そして、蒸発器５を通過した混合ガスは、改質反応によって改質する改質器６と、改質反応で生成された一酸化炭素を酸化させる変成器７と、一酸化炭素を酸化させるＣＯ除去器８を経て、水素排出口１５から排出される。
【００３１】
また燃焼器４で発生した燃焼ガスは、燃焼筒１６と内筒９との間の燃焼ガス流路１４を通過し、燃焼ガス排出口１７より排出される。
【００３２】
改質器６、変成器７及びＣＯ除去器８は、化学反応部として機能する。化学反応部で生成された水素ガスは、水素排出口１５から排出される。燃焼器４、蒸発器５、改質器６、変成器７、ＣＯ除去器８は、ステンレス製の円筒形に収納され、これらで水素生成化学反応容器２を構成している。
【００３３】
改質器６には、改質反応を促進する触媒が担持されている。改質触媒としては、白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属、あるいは、これらの合金を用いることができる。改質器６は、改質反応を行うために燃焼器４からの熱エネルギーによって７００℃程度に維持されている。
【００３４】
変成器７には、シフト反応を促進する触媒が担持されている。シフト触媒としては、銅系触媒などの低温触媒や、鉄系触媒などの高温触媒が知られており、これらを組み合わせることによって、効果的にシフト反応を促進することができる。シフト反応は３００℃程度で行われる。
【００３５】
ＣＯ除去器８には、一酸化炭素の選択酸化触媒が担持されている。この触媒としては、白金、ルテニウム、パラジウム、金、あるいは、これらを第１元素とした合金を用いることができる。ＣＯ除去器８によって、ガス中の一酸化炭素濃度を数ｐｐｍ程度のまで低減することができる。
【００３６】
図２は、本発明の実施の形態に係る水素生成装置１の断熱容器３の構成を模式的に示す縦断面図である。
【００３７】
図２において、断熱容器３を構成する断熱体であるヒュームドシリカ断熱材板１８は、例えば１００ｎｍ以下のマイクロポア構造を有すヒュームドシリカ（５〜３０ｎｍ・球状）の加圧成形体で、固体粒子が点接触で伝熱経路が最小である。加えて、ヒュームドシリカ断熱材板１８は、マイクロポアで気体の対流・分子衝突を阻止する構造をもつもので、改質部外周の平均温度３００℃における熱伝導率は０．０２５Ｗ／（ｍ・ｋ）のものを厚み６０ｍｍで成形した。
【００３８】
次に、本実施の形態に係る水素生成装置１の製造方法を説明する。
【００３９】
まず、金属製の下蓋体２３の開口部を覆うように繊維シート２５を下蓋体２３の上面に貼り付けてから、下蓋体２３の上に、ヒュームドシリカ断熱材板１８を複数枚積層し、その上端部に金属製のドーナツ盤状の上蓋体２４を配設する。
【００４０】
このとき、下蓋体２３は、最下段の円柱状のヒュームドシリカ断熱材板１８の底面の外周部を最下段のヒュームドシリカ断熱材板１８の外周面の下端部を含めて覆っている。
【００４１】
また、上蓋体２４は、最上段の円筒状のヒュームドシリカ断熱材板１８の上面を最上段のヒュームドシリカ断熱材板１８の外周面の上端部を含めて覆っている。
【００４２】
次に、この状態の下蓋体２３の大径部２６と上蓋体２４の大径部２６とを一緒に覆う寸法の繊維シート２５（接着剤を塗布したガラスクロスシート）を、下蓋体２３と上蓋体２４とで挟まれた状態のヒュームドシリカ断熱材板１８の積層体の外周面に貼り付ける。この作業により、繊維シート２５が積層されたヒュームドシリカ断熱材板１８と下蓋体２３と上蓋体２４とを一体化して、断熱容器３を構成する。
【００４３】
そして、断熱容器３の上方から水素生成化学反応容器２を断熱容器３の内部に挿入することで、水素生成装置１を完成させることができる。
【００４４】
以上、説明したように本実施の形態の水素生成装置１は、鉛直方向に中心軸を有する多重円筒構造の水素生成化学反応容器２と、無機粉体を含む材料を加圧成形して成り水素生成化学反応容器２の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体であるヒュームドシリカ断熱材板１８を備えた断熱容器３とを有する。また、断熱容器３は、断熱体の開口した上面を、内周面と外周面のそれぞれの上端部を含めて覆う金属製の上蓋体２４と、断熱体の底面を外周面の下端部を含めて覆う金属製の下蓋体２３と、無機粉体の飛散を防止可能に構成され断熱容器３の外周面を覆う繊維シート２５と、を有する。
【００４５】
上記構成において、水素生成化学反応容器２の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体の端部（縁）を金属製の上蓋体２４と下蓋体２３で覆うことにより、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ有底円筒形の断熱体の縁が破損しにくい水素生成装置１となる。
【００４６】
また、水素生成化学反応容器２の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体の端部（縁）を金属製の上蓋体２４と下蓋体２３で覆うことにより、有底円筒形の断熱体の曲面（外周面）と平面（上面と底面）とを連続して繊維シート２５で覆う（繊維シート２５を貼る）工程を廃止できるので、大幅な作業工数の削減が図れ、生産性を向上できる。
【００４７】
また、本実施の形態の水素生成装置１は、下蓋体２３が、断熱体であるヒュームドシリカ断熱材板１８の底面の一部（中央部）を露出させる開口部２３ａを有し、繊維シート２５は、下蓋体２３の開口部２３ａから無機粉体が外に飛散しないように、断熱体であるヒュームドシリカ断熱材板１８の底面も覆っている。
【００４８】
下蓋体２３が、断熱体であるヒュームドシリカ断熱材板１８の底面の一部を露出させる開口部２３ａを有することにより、下蓋体２３の中央部から外周部に伝わる熱を低減させ、より高い断熱性能を提供することが可能となる。
【００４９】
また、断熱容器３の底面に設けた繊維シート２５により、下蓋体２３の開口部２３ａから無機粉体が外に飛散するのを防止することができる。
【００５０】
なお、上蓋体２４と下蓋体２３は、全体を金属で構成させる必要はなく、少なくとも有底円筒形の断熱体あるヒュームドシリカ断熱材板１８の縁を覆う部分が金属で構成されていれば良く、有底円筒形の断熱体の縁を覆う部分が金属で、その他の部分が樹脂で、それらが一体成形成されたものでも構わない。
【００５１】
例えば、上蓋体２４は、有底円筒形の断熱体の外縁を覆う金属製大リングと、有底円筒形の断熱体の内縁を覆う金属製小リングと、それらと一体成形される樹脂製円板で構成されても構わず、その場合は、比較的高温になる金属製小リングから比較的低温の金属製大リングに熱が伝わるのを樹脂製円板によって抑制することができる。
【００５２】
以上のように本実施の形態においては、低コストでより強度に優れた断熱容器を構成することができ、熱漏洩しにくい安定した断熱性能を維持する水素生成装置の断熱容器が提供できる。
【００５３】
以上説明したように、本発明の水素生成装置は、鉛直方向に中心軸を有する多重円筒構造の水素生成化学反応容器と、無機粉体を含む材料を加圧成形して成り水素生成化学反応容器の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体を備えた断熱容器とを有する。また、断熱容器は、断熱体の開口した上面を、内周面と外周面のそれぞれの上端部を含めて覆う金属製の上蓋体と、断熱体の底面を外周面の下端部を含めて覆う金属製の下蓋体とを有する。さらに、断熱容器は、無機粉体の飛散を防止可能に構成され断熱体の外周面を覆う繊維シートを有する。
【００５４】
水素生成化学反応容器の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体の端部（縁）を金属製の上蓋体と下蓋体で覆うことにより、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ有底円筒形の断熱体の縁が破損しにくい、水素生成装置を提供することができる。
【００５５】
また、水素生成化学反応容器の底面と外周面を覆う有底円筒形の断熱体の端部（縁）を金属製の上蓋体と下蓋体で覆うことにより、有底円筒形の断熱体の曲面（外周面）と平面（上面と底面）とを連続して繊維シートで覆う工程、すなわち繊維シートを貼る工程を廃止することができる。そのため、大幅な作業工数の削減が図れ、生産性の向上が図れる。
【００５６】
断熱体としては、無機粉体を含む材料を加圧成形して成る気相比率９０％前後の多孔体を板状に加工したものの積層体を用いてもよい。そして、その使用用途や必要特性に応じて公知の材料を使用することができる。
【００５７】
なお、上蓋体と下蓋体は、少なくとも有底円筒形の断熱体の縁を覆う部分が金属で構成されていれば良い。
【００５８】
また、本発明の水素生成装置は、断熱容器を構成する断熱体の底面の一部を露出させる開口部を有し、繊維シートは、下蓋体の開口部から無機粉体が飛散しないように、断熱体の底面も覆う構成としてもよい。
【００５９】
下蓋体が、断熱体の底面の一部を露出させる開口部を有することにより、下蓋体の中央部から外周部に伝わる熱を低減させ、より高い断熱性能を提供することが可能となる。
【００６０】
また、断熱体の底面に設けた繊維シートにより、下蓋体の開口部から無機粉体が外に飛散するのを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、低コストで高強度化による安定した断熱性能が図れるなど、実用性の高く、特に、多重円筒構造の水素生成装置に最適である。
【符号の説明】
【００６２】
１，１０１  水素生成装置
２，１０２  水素生成化学反応容器
３，１０３  断熱容器
４，１０４  燃焼器
５，１０５  蒸発器
６，１０６  改質器
７，１０７  変成器
８，１０８  ＣＯ除去器
９，１０９  内筒
１０，１１０  外筒
１１，１１１  らせん仕切
１２，１１２  原料供給器
１３，１１３  改質水供給器
１４，１１４  燃焼ガス流路
１５，１１５  水素排出口
１６，１１６  燃焼筒
１７，１１７  燃焼ガス排出口
１８，１１８  ヒュームドシリカ断熱材板（断熱体）
２３  下蓋体
２３ａ  開口部
２４  上蓋体
２５  繊維シート
２６  大径部
１１９  接着剤
１２０  下部ガラスクロス
１２１  胴部ガラスクロス
１２２  上部ガラスクロス
【図１】
0006634614.tif 000002
【図２】
0006634614.tif 000003
【図３】
0006634614.tif 000004