(57)【要約】【課題】  ＣＯおよび水素の排出を防止し、高改質効率でクリーンで安全な水素を生成することができ、起動時の水の蒸発を促進することができ、短時間で起動し得る水素発生装置を提供する。【解決手段】  少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料を供給する原料供給部と、水を供給する水供給部と、前記水供給部からの水を蒸発させる水蒸発部と、前記原料および前記水から水蒸気改質により改質ガスを生成するための改質触媒を有する改質部と、前記改質部を加熱するバーナと、前記バーナに燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに燃焼用の空気を供給する第１の空気供給部とを具備する水素発生装置において、前記バーナから排出される燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路内に、燃焼触媒を設置する。【選択図】図１
2004149407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料を供給する原料供給部と、
水を供給する水供給部と、
前記水供給部からの水を蒸発させる水蒸発部と、
前記原料および前記水から水蒸気改質により改質ガスを生成するための改質触媒を有する改質部と、
前記改質部を加熱するバーナと、
前記バーナに燃料を供給する燃料供給部と、
前記バーナに燃焼用の空気を供給する第１の空気供給部と、
前記バーナから排出される燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路内に設置された燃焼触媒とを具備することを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
前記バーナが前記水蒸発部の近傍に設置されていることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記水素発生装置から送出される生成ガスが、前記燃料供給部からの燃料と混合されて前記バーナに供給されることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記燃焼触媒が、前記水蒸発部に接していることを特徴とする請求項２記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記燃焼触媒が、前記水蒸発部と一体化されていることを特徴とする請求項２記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記燃焼触媒が、前記水蒸発部の表面に塗布されていることを特徴とする請求項２記載の水素発生装置。
【請求項７】
前記燃焼ガス流路における燃焼ガスの温度が、１００℃以上２００℃以下であることを特徴とする請求項２記載の水素発生装置。
【請求項８】
前記燃焼ガス流路が前記改質部の周囲を囲み、前記水蒸発部が前記燃焼ガス流路を囲んでいることを特徴とする請求項２記載の水素発生装置。
【請求項９】
前記バーナと前記燃焼触媒との間において、前記燃焼ガス流路に空気を供給する燃焼触媒用の第２の空気供給部を具備することを特徴とする請求項２記載の水素発生装置。
【請求項１０】
前記第１の空気供給部から供給される空気量の、前記バーナでの燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する比が１以下であり、前記第１の空気供給部から供給される空気量と前記第２の空気供給部から供給される空気量との合計量の、前記バーナでの燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する比が１以上となるように、前記第２の空気供給部から空気を供給することを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
【請求項１１】
前記燃焼触媒が、コルゲート状金属薄板および／または平板状金属薄板により構成された担体に担持されていることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
【請求項１２】
前記燃焼触媒が、ハニカム状および／またはペレット状であることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
【請求項１３】
請求項１記載の水素発生装置と、酸素を含有する酸化剤ガスおよび前記水素発生装置から供給される水素を含有する改質ガスを用いて発電する燃料電池とを具備することを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサ、灯油またはメタノール等の炭化水素系物質を主原料として用い、燃料電池等の水素利用機器に供給するための水素リッチガスを発生させる水素発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素発生装置の構成を図９を用いて説明する。従来の水素発生装置は、少なくとも炭素および水素で構成される炭化水素系の化合物を主成分とする原料を供給する原料供給部５１、改質反応に必要な水を供給する水供給部５２、水供給部５２からの水を蒸発させる水蒸発部５３を具備する。水蒸発部５３は、改質触媒を充填した改質部５４に繋がれている。改質部５４の近傍にはバーナ５７が設置され、バーナ５７には、空気を供給する空気供給部５５と、燃料を供給する燃料供給部５６とが設けられている。
【０００３】
バーナ５７で生じた高温の燃焼ガスは、改質部５４を加熱し、排気ガスとして排気口６１から排出される。また、改質部５４から送出される改質ガスは、変成触媒を充填した変成部５８に送られる。変成部５８から送出される変成ガスは、ＣＯ酸化触媒を充填したＣＯ酸化部５９に送られる。ここで、ＣＯ酸化反応により変成ガスのＣＯ濃度が２０ｐｐｍ以下とされ、水素リッチな生成ガスがＣＯ酸化部５９から燃料電池６０に送られる。
【０００４】
水素発生装置では、供給ガスに対する生成した水素の割合を示す改質効率が高くなると、少ない供給ガスで多くの水素を得ることができる。そのため、経済的なメリットが得られる。したがって、改質効率の向上が水素発生装置の開発では大きなポイントとなっている。改質効率を高くしようとすると、バーナ５７での空気比を１．５〜１．０近くまで小さくしてバーナ５７の火炎の温度を高くすると同時に、排気口６１から持ち出される熱量を少なく抑える方法がある。ここで、「空気比」とは、バーナ５７に供給される空気量の、バーナ５７における燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する比（供給される空気量／理論空気量）のことをいう。
【０００５】
しかし、従来の水素発生装置では、空気比を約１．２にすると、バーナ５７での燃焼に対して空気が局所的に不足気味になり、約１００ｐｐｍの濃度のＣＯが排出されていた。さらに空気比を約１．１まで下げると、さらにＣＯの濃度が増し、約１０００ｐｐｍの濃度のＣＯが排出されていた。そのうえ、空気供給部５５から供給される空気量および燃料供給部５６から供給される燃料量のばらつきなどを考慮すると、空気比は約１．５に設定せざるをえず、この場合、空気比１．２の運転に対して１〜２％改質効率が低いものとなっていた。
【０００６】
また、水素発生装置の起動時には、ＣＯ酸化部５９から送出される生成ガス中に２０ｐｐｍ以上のＣＯが含まれるため、この生成ガスを燃料電池６０に供給することはできない。生成ガス中には、ＣＯ以外にも水素や炭化水素系の可燃性ガスが含まれている。これらの可燃性ガスを有効に利用するため、起動時の生成ガスをバーナ５７に供給して燃焼させ、改質部５４の加熱に用いている。
【０００７】
しかし、起動時には、改質部５４、変成部５８およびＣＯ酸化部５９の温度が安定した状態にはなく、温度状態に応じて各部での反応状態は変化している。つまり、ＣＯ酸化部５９からの生成ガスの流量や成分は変化している。したがって、バーナ５７に供給される可燃性ガスの状態が変化するため、バーナ５７の燃焼状態は乱れやすく、一時的に完全燃焼しないＣＯおよび水素が排出されることがあった。
【０００８】
さらに、水素発生装置の起動時には、バーナ５７からの燃焼熱は、まず、バーナ５７の周辺をはじめ改質部５４全体の加熱に使用される。そのため、前記燃焼熱は水蒸発部５３へは伝わりにくく、水が蒸発し始めるのに時間がかかり、このことが水素発生装置の起動時間が長くなる要因となっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上のような問題を解決するものであり、バーナ５７での空気比を小さくした時および起動時に生じやすかったＣＯおよび水素の排出を防止し、高改質効率でクリーンで安全な水素を発生し得る水素発生装置を提供することを目的とする。また、本発明は、起動時の水の蒸発を促進することができ、短時間で起動し得る水素発生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】
以上のような課題を解決するため、本発明は、
少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料を供給する原料供給部と、
水を供給する水供給部と、
前記水供給部からの水を蒸発させる水蒸発部と、
前記原料および前記水から水蒸気改質により改質ガスを生成するための改質触媒を有する改質部と、
前記改質部を加熱するバーナと、
前記バーナに燃料を供給する燃料供給部と、
前記バーナに燃焼用の空気を供給する第１の空気供給部と、
前記バーナから排出される燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路内に設置された燃焼触媒とを具備することを特徴とする水素発生装置を提供する。
【００１１】
前記バーナが前記水蒸発部の近傍に設置されていることが有効である。
また、前記水素発生装置から送出される生成ガスが、前記燃料供給部からの燃料と混合されて前記バーナに供給されることが有効である。
また、前記燃焼触媒が、前記水蒸発部に接していることが有効である。
また、前記燃料触媒が、前記水蒸発部と一体化されていることが有効である。
前記燃焼触媒が、前記水蒸発部の表面に塗布されていることが有効である。
【００１２】
前記燃焼ガス流路における燃焼ガスの温度が、１００℃以上２００℃以下であることが有効である。すなわち、前記燃焼ガス流路内において、前記燃焼ガスの温度が前記範囲内になるような位置に、前記燃焼触媒を配置するのが好ましい。
また、前記燃焼ガス流路が前記改質部の周囲を囲み、前記水蒸発部が前記燃焼ガス流路を囲んでいることが有効である。
また、前記バーナと前記燃焼触媒との間において、前記燃焼ガス流路に空気を供給する燃焼触媒用の第２の空気供給部を具備することが有効である。
【００１３】
また、前記第１の空気供給部から供給される空気量の、前記バーナでの燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する比が１以下であり、前記第１の空気供給部から供給される空気量と前記第２の空気供給部から供給される空気量との合計量の、前記バーナでの燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する比が１以上となるように、前記第２の空気供給部から空気を供給することが有効である。
【００１４】
また、前記燃焼触媒が、コルゲート状金属薄板および／または平板状金属薄板により構成された担体に担持されていることが有効である。この場合、前記燃焼触媒は、担体と担体に担持された触媒種とで構成される。
また、前記燃焼触媒がハニカム状および／またはペレット状であることが有効である。この場合は、担体がハニカム状であってもよく、触媒種そのものがハニカム状またはペレット状であってもよい。
【００１５】
さらに、本発明は、前記水素発生装置と、酸素を含有する酸化剤ガスおよび前記水素発生装置から供給される水素を含有する改質ガスを用いて発電する燃料電池とを具備することを特徴とする発電装置をも提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水素発生装置において、ＣＯや水素を含まないクリーンな排気ガスを得ることができ、この排気ガスを用いて水の蒸発を促進させ、高い改質効率を実現することができる。
また、水素発生装置の起動時にＣＯや水素を含まない排気ガスを発生させることができ、水の蒸発促進により、起動時間を短くすることができる。
さらに、改質部の周囲を水蒸発部で囲むことによって、改質部からの放熱を水蒸発部で回収し、熱を有効に利用することができる。
【００１７】
さらに本発明において、バーナと燃焼触媒の間に燃焼触媒用空気を供給することで、燃焼触媒における反応を確実に行うことができ、排気口からのＣＯの排出を抑えることができる。
また、起動時には、バーナに供給される空気量の、バーナでの燃焼に必要な理論空気量に対する比を１以下とし、バーナおよび燃焼ガス流路に供給される総空気量の、バーナでの燃焼に必要な理論空気量に対する比を１以上とすることにより、燃焼触媒での燃焼量を増やし、水の蒸発をより促進することができる。
【００１８】
さらに、燃焼触媒をコルゲート形状および／またはプレート形状の金属薄板により構成された担体に担持させることで、熱容量の小さい燃焼ガス流路に最適な形状の燃焼触媒体を内蔵することができる。
また、燃焼触媒を水蒸発部の壁面に塗布し、例えば層状の燃焼触媒部を形成することにより、水の蒸発を促進することができる。
また、改質部の壁面に伝熱フィンを複数枚設け、これらのフィンに燃焼触媒を塗布することにより、改質部への伝熱量を増大させ、熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、図面を参照しながら本発明に係る水素発生装置の実施の形態を説明する。
《実施の形態１》
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素発生装置の構成を示す概略縦断面図である。図１に示す水素発生装置は、改質反応させる原料を供給する原料供給部１を有し、原料供給部１の下流側には、原料ガスに含まれる硫黄など、触媒を被毒する成分の濃度を低くするための脱硫部１Ａが設けられている。水供給部２は改質反応に必要な水を供給し、供給された水を蒸発する水蒸発部３に繋がっている。水蒸発部３からの水蒸気と原料供給部１からの原料は、Ｒｕを主成分とした改質触媒を充填した改質部４に導かれる。
【００２０】
改質部４近傍には、燃焼用の空気を供給する第１の空気供給部５と燃料を供給する燃料供給部６が繋がるバーナ７が設置されている。バーナ７で生じた燃焼ガスは改質部４の周囲を通り排気口８から排出される。水蒸発部３近傍のバーナ７と排気口８との間の燃焼ガスの通路には、高耐熱性の金属薄板に白金触媒を担持させて構成される燃焼触媒１２が設置されている。改質部４から送出される改質ガスは、変成触媒を充填した変成部９に送られる。変成部９からの変成ガスは、ＣＯ酸化触媒を充填したＣＯ酸化部１０に送られる。そして、ＣＯ酸化部１０からの生成ガスは燃料電池１１に送られる。
【００２１】
ここで、原料供給部１から供給される原料や、燃料供給部６から供給される燃料は、少なくとも炭素および水素から構成される炭化水素系の化合物を主成分とする。例えば、天然ガス（都市ガス）およびＬＰＧなどの気体状炭化水素燃料、ならびにガソリン、灯油およびメタノールなどの液体状炭化水素系燃料などが挙げられる。
【００２２】
また、原料供給部１、水供給部２、第１の空気供給部５および燃料供給部６における流量の調整は、ポンプまたはファンなどを利用して行うことができる。また、ポンプまたはファンなどの下流側にバルブなどの流量調整器を設置する方法もある。特に図示しないが、本発明においては、前記供給部はずべて流量調整機能を有するものとする。
なお、図中の矢印は燃焼ガスの流れを示している。
【００２３】
上記の構成において、原料と燃料にそれぞれ都市ガスを用いた場合の水素発生装置の動作を説明する。原料供給部１からの都市ガスと、水供給部２からの水により水蒸発部３で生じた水蒸気との混合気体を、バーナ７で６００〜７００℃に高温化した改質部４に供給することで、改質反応を行う。改質反応により得られる改質ガスは変成部９に送られ、変成反応により得られた変成ガスがＣＯ酸化部１０に送られる。
【００２４】
ＣＯ酸化部１０では、ＣＯ酸化反応によりＣＯ濃度２０ｐｐｍ以下の水素リッチな生成ガスが得られ、この生成ガスは燃料電池１１に送られる。このとき、第１の空気供給部５からバーナ７への空気量を、燃料の燃焼に必要な理論空気量（空気比１．０）に近づければ、火炎温度が高くなって燃焼ガス温度も高くなり、改質部４への伝熱量を増加させることができる。また、空気量が少なくなった分だけ燃焼ガスの流量が少なくなるため、ガス温度が同じでも排気口８から排出される排気ガス中の熱量が少なくなる。したがって、バーナ７での燃焼熱を有効に利用することが可能となり、改質効率を高くすることができる。
【００２５】
バーナ７は水素を含む改質ガスを燃焼させるので、予混合燃焼バーナを用いるよりも、拡散燃焼バーナを用いるほうが、逆火が生じにくい安全な燃焼という観点から好ましい。また、原料ガスである都市ガスには硫黄分が含まれているが、脱硫部１Ａで硫黄分が低濃度に除去されるため、下流側の触媒が被毒劣化することを抑制することができる。燃焼触媒１２は、金属薄板に白金触媒を担持させることによって構成すればよいが、ハニカム状の担体に白金触媒を担持させたり、ペレット状の担体に白金触媒を担持させたりすることもでき、これらの場合、燃焼ガスと燃焼触媒との接触面積を大きくすることができる。
【００２６】
ここで、図２は、空気比に対する改質効率と、バーナ７からの燃焼ガス中（燃焼触媒より上流部）のＣＯ濃度を示したものである。空気比を１．５から１．１に小さくすると、改質効率は約２％高くなっていることがわかる。しかし、バーナ７から排出されるＣＯ濃度は、空気比１．２で約５０ｐｐｍ、１．１では約１０００ｐｐｍとなっている。これは、バーナ７の特性上、全体では都市ガスに対して燃焼用空気が少し余っているにもかかわらず、局所的に空気不足となっている箇所が存在し、不完全燃焼によるＣＯを排出しているためである。また、条件によっては、ＣＯだけでなく水素も排出することがある。
【００２７】
ここで、本発明では、バーナ７と排気口８との間の燃焼ガス流路に、燃焼触媒１２を設置している。燃焼ガスの温度は、排気口８で１００℃程度であり、燃焼ガス流路途中ではさらにそれ以上の温度となっている。したがって、燃焼触媒１２は１００℃以上の温度状態となっている。燃焼触媒１２は白金触媒を担持しているため、１００℃の温度で酸素が少しあれば、ＣＯを充分酸化反応させることができる。また、水素はＣＯよりも触媒温度に対する反応性が高いため、ＣＯが反応する温度となっていれば、水素も酸化反応させることができる。
【００２８】
つぎに、図３は、燃焼触媒１２の前と後における燃焼ガス中のＣＯ濃度を示したものである。バーナ７からＣＯが排出されていても燃焼触媒１２により酸化されており、空気比を１．０５まで小さくしても排気口８からＣＯをほとんど排出することはない。したがって、空気比を１．２に設定すれば、都市ガスおよび空気の供給量に多少のズレが生じ、空気比が１０％ほど小さくなったとしても、ＣＯを排出することはなく、高い改質効率をクリーンで安全な排気ガスを実現することができる。
【００２９】
なお、後述する実施の形態も含めて、図示していないが、本発明に係る水素発生装置は制御部を有するのが好ましい。そして、この制御部によって、原料供給部、水供給部、水蒸発部、改質部、バーナ、燃料供給部、第１の空気供給部および第２の空気供給部などを制御させればよい。
【００３０】
《実施の形態２》
図４は、本発明の実施の形態２における水素発生装置の構成図である。実施の形態２に係る水素発生装置は、上記実施の形態１に係る水素発生装置とほぼ同様の構成を有するが、ＣＯ酸化部１０と燃料電池１１との間に三方バルブ１３が設置されている点において異なる。この三方バルブ１３を切り替えることで、ＣＯ酸化部１０からの生成ガスを、燃料電池１１に供給したり、または経路１３ａを経てバーナ７と燃料供給部６との間の部分に供給することができる。そして、水素発生装置の起動時には、三方バルブ１３をバーナ７側に切り替えておく。
【００３１】
上記の構成において、水素発生装置の起動時の動作を説明する。まず、燃料供給部６からの都市ガスと空気供給部５からの空気とによりバーナ７に火炎を形成し、改質部４と水蒸発部３を加熱する。水蒸発部３の温度が上昇して水が蒸発する状態となれば、水供給部２から水を供給して水蒸気を発生させ、原料供給部１から都市ガスを供給することで改質部４に水蒸気と都市ガスとの混合気体を供給する。
【００３２】
改質部４の温度が改質反応の起こらない温度のときには、水蒸気と都市ガスは、そのまま改質部４を通り、変成部９とＣＯ酸化部１０を通って、三方バルブ１３によりバーナ７に送られる。バーナ７には燃料供給部６からの都市ガスが供給されているが、三方バルブ１３によりＣＯ酸化部１０からの都市ガスが供給されると、燃料供給部６からの都市ガスの供給を停止し、ＣＯ酸化部１０からの都市ガスだけでバーナ７での燃焼を行う。
【００３３】
このとき、改質部４の温度が改質触媒の反応温度になると、改質部４では１モルの都市ガスから４．６モルの水素を生成する。したがって、改質部４で４．６倍の体積膨張が生じるため、変成部９やＣＯ酸化部１０内に滞在している都市ガスや水蒸気がバーナ７側に一気に押し出される。それも、改質触媒の温度によって反応割合が変わるため、改質部４から送出されるガスの流量および組成はかなり激しく変化する。したがって、バーナ７での火炎は不安定な状態となりやすい。
【００３４】
また、変成部９やＣＯ酸化部１０でも温度に応じて反応が変化するため、バーナ７に供給されるガスの量および組成は刻一刻変化する。よって、バーナ７での火炎は起動時には特に不安定な状態となりやすく、局所的な不完全燃焼状態が起これば、可燃性ガスであるＣＯや水素を排出することがある。
【００３５】
ここで、燃焼触媒１２を燃焼ガス流路に設置しておけば、ＣＯおよび水素を含む燃焼ガスが排出されたとしても、少しでも空気が存在していればＣＯと水素を酸化反応させることができ、排気口から排出されるＣＯと水素を最小限に抑えることができる。
【００３６】
《実施の形態３》
図５は本発明の実施の形態３における水素発生装置の構成図である。実施の形態３に係る水素発生装置の構成は上記実施の形態１に係る水素発生装置の構成とほぼ同様であるが、水蒸発部３を改質部４の周囲を囲むように設置し、さらに、水が溜まる水蒸発部３の部分と改質部４との間で、燃焼ガス温度が２００℃以下となる燃焼ガス流路の部分に、燃焼触媒１４を設置する点において異なる。
【００３７】
上記の構成において、改質部４の周囲が水蒸発部３で囲まれているため、定常の運転時には高温の改質部４からの周囲への放熱は水蒸発部３に伝熱する。したがって、改質部４からの放熱が水の蒸発に有効に使われるとともに、水が蒸発するときの蒸発潜熱の大きさにより水蒸発部３の表面は比較的低い温度に保たれる。したがって、水蒸発部３からの放熱は低く抑えられ、バーナ７での燃焼熱を有効に使うことができ、改質効率を向上させることができる。
【００３８】
さらに、起動時には、実施の形態２で説明したように、燃料供給部６からの都市ガスと空気供給部５からの空気によりバーナ７に火炎を形成する。まず、バーナ７からの燃焼熱はバーナ７の周囲やその近傍にある改質部４の加熱に使用され、改質部４の周囲に設置されている水蒸発部３は加熱されにくい。したがって、水蒸発部３の温度が、水が蒸発し始める温度となるには、バーナ７の周囲や改質部４がある程度加熱され、バーナ７での燃焼熱が水蒸発部３の加熱に使用され始めてからであることから、起動してからある程度の時間を要している。
【００３９】
ここで、水蒸発部３の内側の下部に位置する燃焼ガス流路に、燃焼触媒１４を設置する。燃焼触媒１４の温度は、水蒸発部３が水が蒸発し始める前に、燃焼ガスにより５０〜６０℃に上昇している。このとき、起動時のバーナ７での火炎の状態が不安定となり、燃焼ガス中にＣＯや水素が含まれると、燃焼触媒１４で酸化反応する。したがって、燃焼触媒１４ではＣＯを燃焼させると同時に、その燃焼熱で水蒸発部３を多少なりとも加熱するので、水の蒸発を促進することができる。よって、水素発生装置の起動時間の短縮も可能となる。
【００４０】
また、燃焼ガスの温度が２００℃以下であるため、ＣＯおよび水素の酸化反応が触媒上で起こっても、水が溜まっている隣接した水蒸発部３への伝熱により、燃焼触媒１４の温度は２００℃を大きく上回ることはない。したがって、高温化による触媒活性の低下を抑え、長期間使用時にも燃焼触媒１４を良好な状態に保つことができ、クリーンで安全な水素発生装置を実現することができる。
【００４１】
《実施の形態４》
図６は本発明の実施の形態４における水素発生装置の構成図である。実施の形態４に係る水素発生装置の構成は上記実施の形態３に係る水素発生装置の構成とほぼ同じであるが、さらにバーナ７と燃焼触媒１４との間に燃焼触媒用の第２の空気供給部１５が設置されている点において異なる。
【００４２】
この構成においては、触媒燃焼用の第２の空気供給部１５より多少なりとも空気を供給すると、バーナ７から排出されたＣＯを、バーナ７からの燃焼ガス中に残っている酸素だけでは燃焼触媒１４で完全に酸化しきれない場合でも、燃焼触媒１４の上流側に充分な量の空気を供給することができるので、ＣＯを完全に酸化反応させることができる。これと同時に、燃焼熱で水蒸発部３を加熱することができる。
【００４３】
特に、起動時に、空気供給部５から供給される空気量の、燃料供給部６から供給される燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する比（空気比）を１．０以下、または１．０より小さくし、前記空気供給部５から供給される空気量と燃焼触媒用の第２の空気供給部１５から供給される空気量との合計量の、バーナ７での燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する比（空気比）を１．０以上とすれば、水の蒸発を促進することができる。
【００４４】
つまり、空気比を１．０より小さくすることで、バーナ７を不完全燃焼の状態にする。そして、未燃焼の可燃性成分を含んだ燃焼ガスを、燃焼触媒用の第２の空気供給部１５から空気比が１．０以上となるような量の空気と混合し、燃焼触媒１４に供給する。これにより、燃焼ガス中の未燃焼成分を燃焼触媒１４で完全燃焼させることができる。燃焼触媒１４は、水蒸発部３の内側下部の水が貯まりやすい位置に設置しているため、燃焼熱により水蒸発部３は加熱され、水の蒸発が促進される。
【００４５】
ここで、バーナ７での空気比を小さくすればするほど、バーナ７から燃焼ガス流路に流れ込む未燃焼成分の量が増えるため、燃焼触媒１４で燃焼すべき未燃焼成分の量が増え、燃焼熱が多くなって水蒸発部３の加熱量が多くなる。したがって、水の蒸発を促進することができ、水素発生装置の起動時間を短縮することが可能となる。
【００４６】
図７は、本発明の実施の形態１〜５に係る水素発生装置に用いる燃焼触媒の担体の構成図を示す概略斜視図である。図７に示す担体は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ製の平板状金属薄板１６（板厚０．０５ｍｍ）と、コルゲート状金属薄板１７とを組み合わせて構成されている。金属板を用いることで、燃焼ガス流路に適合した形状の担体を作製し易く、また、平板状とコルゲート状との組み合わせによって、担体に燃焼ガスが流れる小さなセル（空間）１７ａを形成することができる。これにより、燃焼ガスと燃焼触媒との接触面積を増大させることができ、触媒反応の効率を向上させることができる。さらに、金属薄板の熱容量が小さく、金属薄板の温度は、流れる燃焼ガスの温度にまで直ぐに上昇するため、起動時の早い段階から燃焼触媒での酸化反応が可能となっている。
【００４７】
ここで、コルゲート状金属薄板の山の高さを低くすれば、プレート状金属薄板との間にできたセルの大きさを小さくすることができ、前記山の高さを高くすれば、セルの大きさを大きくすることができる。このセルの寸法については、担持させる燃焼触媒の量および燃焼ガスの流量などに応じて、適宜設定することができる。
【００４８】
図７には、平板状金属薄板１枚とコルゲート状金属薄板２枚との組合せの一例を示したが、コルゲート形状、山の数、組合せ方法、担体の材質などは、燃焼触媒が機能すればどのような構成であってもよい。
また、コルゲート状金属薄板の代わりに、エンボス状金属薄板、山形状金属薄板またはコの字状金属薄板など、平板状金属薄板と重ね合わせた際に空間（セル）形成し得る形状の金属薄板を用いることができる。もちろん、空間形成し得る形状の金属薄板同士を重ねて用いることも可能である。
【００４９】
上記実施の形態では、燃焼触媒の触媒種として白金を用いているが、白金に限らず、パラジウムおよびルテニウムなどの白金族系金属、銅、鉄および亜鉛などの遷移金属など、ＣＯを酸化反応させるものであれば用いることができる。
【００５０】
《実施の形態５》
図８は本発明の実施の形態５に係る水素発生装置の構成図である。この実施の形態に係る水素発生装置の構成は上記実施の形態１に係る水素発生装置の構成とほぼ同じであるが、以下の点において異なる。すなわち、本実施の形態においては、燃焼触媒の触媒種を担体に担持させるのではなく、燃焼ガス流路において、水蒸発部３に面する壁面に触媒種を塗布し、燃焼触媒部１２Ａを形成している。さらに、燃焼ガス流路において、改質部４の壁面には、燃焼ガスの流れ方向に対して垂直な方向に、プレート状の伝熱フィン複数枚を設け、この伝熱フィンに燃焼触媒種を塗布し、伝熱フィン上に燃焼触媒部１２Ｂを形成している。
【００５１】
本実施の形態においては、燃焼触媒部１２Ｂにおける燃焼反応によって燃焼ガス中のＣＯが低減されるとともに、その燃焼熱が改質部４に伝わるので改質部４の熱効率が向上する。さらに、改質部４の吸熱反応が進行する部分に燃焼触媒部１２Ｂを設けることで、改質反応に必要な熱量を効果的に伝熱できるため、転化率が向上して水素生成量を増加させることができる。燃焼触媒部１２Ａで、燃焼ガス中のＣＯが燃焼反応で低減されるとともに、その燃焼熱が水蒸発部３に伝わるため、水蒸発部３で安定的に水蒸気が発生する。これにより、改質反応が安定化し、得られる水素量が安定化する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係る水素発生装置は、燃料電池を用いた発電装置やコージェネレーションシステムに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１における水素発生装置の構成図である。
【図２】空気比に対する改質効率とＣＯ濃度の特性図である。
【図３】燃焼触媒設置の効果を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態２における水素発生装置の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３における水素発生装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態４における水素発生装置の構成図である。
【図７】本発明の燃焼触媒担体の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態５における水素発生装置の構成図である。
【図９】従来の水素発生装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  原料供給部
２  水供給部
３  水蒸発部
４  改質部
５  第１の空気供給部
６  燃料供給部
７  バーナ
８  排気口
９  変成部
１０  ＣＯ酸化部
１１  燃料電池
１２  燃焼触媒
１３  三方バルブ
１４  燃焼触媒
１５  第２の空気供給部
１６  平板状金属薄板
１７  コルゲート形状金属薄板
【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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