(57)【要約】【課題】  簡易な構成で、蒸発性能に優れ、熱効率が高い水素生成器、及びそれを備える燃料電池システムの提供。【解決手段】  燃焼ガスを発生するバーナ３と、バーナ３の周囲に設けられ、バーナ３により生じた燃焼ガスからの伝熱を利用して、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と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器２６と、バーナ３の周囲に設けられた内筒１０、内筒１０の周囲に設けられた外筒９、および内筒１０と外筒９との間に形成された筒状空間の下部を塞ぐ底板１２を有し、前記筒状空間に供給される水を蒸発させることにより水蒸気を生成し、当該水蒸気を改質器２６に供給する蒸発器３２とを備え、前記筒状空間には、吸水性を有する吸水材３３，３４，３５が設けられている。【選択図】  図１
2004149402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスを発生する燃焼部と、
当該燃焼部の周囲に設けられ、前記燃焼部により生じた燃焼ガスからの伝熱を利用して、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と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記燃焼部の周囲に設けられた内筒、当該内筒の周囲に設けられた外筒、および前記内筒と前記外筒との間に形成された筒状空間の下部を塞ぐ底板を有し、前記筒状空間に供給される水を蒸発させることにより水蒸気を生成し、当該水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器とを備え、
前記筒状空間には、吸水性を有する吸水材が設けられている、水素生成器。
【請求項２】
前記筒状空間には、上方から供給される水を下方に通過させる降下流路が形成された第１蒸発室と、当該第１蒸発室の内側に設けられ、前記第１蒸発室内の水が蒸発することにより発生した水蒸気を上方へ通過させる上昇流路が形成された第２蒸発室とが設けられており、
前記吸水材は、前記第１蒸発室内に設けられている、請求項１に記載の水素生成器。
【請求項３】
前記内筒と前記外筒との間には中筒が配置され、前記第１蒸発室は前記外筒と前記中筒との間に形成された筒状空間に、前記第２蒸発室は前記内筒と前記中筒との間に形成された筒状空間にそれぞれ設けられており、
前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面に設けられている、請求項２に記載の水素生成器。
【請求項４】
前記筒状空間には、上方から供給される水を下方に通過させる降下流路が形成された第１蒸発室と、当該第１蒸発室の内側に設けられ、前記第１蒸発室内の水が蒸発することにより発生した水蒸気を上方へ通過させる上昇流路が形成された第２蒸発室とが設けられており、
前記吸水材は、前記第２蒸発室内に設けられている、請求項１に記載の水素生成器。
【請求項５】
前記内筒と前記外筒との間には中筒が配置され、前記第１蒸発室は前記外筒と前記中筒との間に形成された筒状空間に、前記第２蒸発室は前記内筒と前記中筒との間に形成された筒状空間にそれぞれ設けられており、
前記吸水材は、前記内筒の前記第２蒸発室側の面に設けられている、請求項４に記載の水素生成器。
【請求項６】
前記筒状空間には、上方から供給される水を下方に通過させる降下流路が形成された第１蒸発室と、当該第１蒸発室の内側に設けられ、前記第１蒸発室内の水が蒸発することにより発生した水蒸気を上方へ通過させる上昇流路が形成された第２蒸発室とが設けられており、
前記吸水材は、前記第１蒸発室内および前記第２蒸発室内に設けられている、請求項１に記載の水素生成器。
【請求項７】
前記内筒と前記外筒との間には中筒が配置され、前記第１蒸発室は前記外筒と前記中筒との間に形成された筒状空間に、前記第２蒸発室は前記内筒と前記中筒との間に形成された筒状空間にそれぞれ設けられており、
前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面および前記内筒の前記第２蒸発室側の面に設けられている、請求項６に記載の水素生成器。
【請求項８】
前記吸水材は、前記底板の上面に設けられている、請求項１乃至請求項７の何れかに記載の水素生成器。
【請求項９】
前記吸水材は、多孔質材料、網状材料、または繊維状材料である、請求項１乃至請求項８の何れかに記載の水素生成器。
【請求項１０】
前記外筒の前記第１蒸発室側の面に設けられている吸水材は、らせん状に配置されている、請求項２、請求項３、請求項６または請求項７に記載の水素生成器。
【請求項１１】
前記内筒の前記第２蒸発室側の面に設けられている吸水材は、複数の孔を有する材料からなり、前記内筒の前記第２蒸発室側の面と前記吸水材との間には当該吸水材の平均孔径以上の空間が設けられている、請求項４乃至請求項７の何れかに記載の水素生成器。
【請求項１２】
前記内筒の前記第２蒸発室側の面に設けられている吸水材の熱伝導度は、前記内筒の熱伝導度以上である、請求項４乃至請求項７の何れかに記載の水素生成器。
【請求項１３】
前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面に非平滑加工を施すことによって形成されている、請求項３に記載の水素生成器。
【請求項１４】
前記吸水材は、前記内筒の前記第２蒸発室側の面に非平滑加工を施すことによって形成されている、請求項５に記載の水素生成器。
【請求項１５】
前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面および前記内筒の前記第２蒸発室側の面に非平滑加工を施すことによって形成されている、請求項７に記載の水素生成器。
【請求項１６】
前記非平滑加工により形成された凹凸の間隔は、０．０５ｍｍ以上かつ１ｍｍ以下である、請求項１３乃至請求項１５の何れかに記載の水素生成器。
【請求項１７】
前記非平滑加工は、エッチング加工、レーザー加工、またはブラスト加工で行われる、請求項１３乃至請求項１６の何れかに記載の水素生成器。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１７の何れかに記載の水素生成器と、
酸素を含む酸化ガスおよび前記水素生成器から供給される改質ガス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、水素を用いて発電を行なう燃料電池に対して、炭素および水素を含む化合物と水とを反応させることにより生成した改質ガスを供給する水素生成器およびその水素生成器を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に供給する水素を生成する方法としては、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば原料となる都市ガスと水蒸気とをルテニウム触媒を用いて６００℃以上８００℃以下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ものである。
【０００３】
前述したように水蒸気改質反応により改質ガスを生成する従来の水素生成器の具体的な例としては、図１２に示すような多重同心円筒状のものがある（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
図１２は、特許文献１に開示された従来の水素生成器の構成の概略を示す断面図である。図１２に示すように、この従来の水素生成器は、中心軸を同一にして設けられた複数の筒体と、そのうち最も内側に設けられた筒体９３の中心に設けられ、原料を加熱して水蒸気改質反応を生じさせるための熱源となる燃焼ガス７４を生成するためのバーナ７３と、各筒体によって形成された空間内に設けられた改質触媒層８８、シフト触媒層８７、選択酸化触媒層８６等から構成されている。
【０００５】
このような従来の水素生成器において、改質用水７２はまず加熱器７５に供給され、当該加熱器７５の下を流れる燃焼ガス７４によって加熱される。そして、改質用水７２は、一部が蒸発した状態で連結管７６を下って、都市ガス７１の供給路７７へ送られる。
【０００６】
なお、このようにして加熱器７５の下を流れる燃焼ガス７４は、低カロリーの排ガス９２として水素生成器の外部へ排出される
連結管７６と供給路７７との接続部分では、連結管７６を通過した一部が蒸発した改質用水７２と供給路７７を通過した都市ガス７１とが混合される。このようにして混合された都市ガス７１および改質用水７２は、蒸発器７８へ供給される。
【０００７】
蒸発器７８は、外筒７９、内筒８０、およびそれらの間に配置された中筒８１と、底板８２とから構成されている。中筒８１と外筒７９との間にはらせん状に巻回された丸棒８３が設けられており、この丸棒８３によりらせん状の降下流路８４が形成されている。また、内筒８０と中筒８１との間には上昇流路８５が形成されている。
【０００８】
降下流路８４は、その外側に接して配置されている選択酸化触媒層８６内を流れる生成ガスによって１００℃以上１５０℃以下に加熱される。一方、上昇流路８５は、その内側に接して配置されているシフト触媒層８７内を流れる生成ガスによって２５０℃以上３５０℃以下に加熱される。そのため、一部が蒸発した改質用水７２と都市ガス７１との混合物のうち、大部分の改質用水７２は降下流路８４内を流下する間に蒸発し、ここで蒸発しなかった改質用水７２も上昇流路８５内を上昇する間に完全に蒸発する。そして、水蒸気と都市ガス７１とが混合された原料ガスは上昇流路８５内で２００℃以上３００℃以下に加熱されて改質触媒層８８へ供給される。
【０００９】
原料ガスは改質触媒層８８内を通過する間に、筒体を隔てて対向流で流れる高温の燃焼ガス７４によって６００℃以上８００℃以下に加熱され、水蒸気改質反応が起きる。その結果、原料ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水蒸気からなる生成ガスに変化する。
【００１０】
この生成ガスは折り返し流路８９内を上昇する際に改質触媒層８８内を流下する原料ガスと熱交換を行い、３５０℃程度に冷却された後にシフト触媒層８７に流入する。シフト触媒層８７内で生成ガス中の一酸化炭素は水蒸気と反応して二酸化炭素および水素に変化するシフト反応を行い、生成ガス中の一酸化炭素濃度が低減される。この反応は発熱反応であり、その反応熱および生成ガスの保有する顕熱は上昇流路８５内を上昇する改質用水７２の蒸発並びに発生した水蒸気および都市ガス７１の加熱によって除去される。シフト触媒層８７の出口では生成ガスは１５０℃程度にまで冷却される。この生成ガスは水素生成器の外部から供給された一酸化炭素酸化用空気９０と混合される。その後、選択酸化触媒層８６内に残留する一酸化炭素、外部から供給された空気中の酸素、および生成ガスによる選択酸化反応が行われる。その結果、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下の生成ガス９１として燃料電池へ送られる。
【００１１】
前述した選択酸化反応も発熱反応であり、その反応熱および生成ガスの保有する顕熱は蒸発器７８の降下流路８４内を流下する改質用水７２の蒸発によって除去される。選択酸化触媒層８６の出口において生成ガス９１の温度は１００℃程度にまで冷却される。
【００１２】
このように、蒸発器７８では、内筒８０側から２５０℃以上３５０℃以下に加熱されるとともに外筒７９側から１００℃以上１５０℃以下に加熱されて改質用水７２が蒸発し、その結果得られた水蒸気と都市ガス７１とが混合される。そして、そのように混合された水蒸気および都市ガス７１は２００℃以上３００℃以下に加熱される。
【００１３】
降下流路８４内のらせん状に巻回された丸棒８３は、降下流路８４に供給された改質用水７２を外筒７９の内面の周囲を沿って流下させることにより、十分な伝熱面積を確保するためのものである。
【００１４】
このように、改質触媒層８８、シフト触媒層８７、選択酸化触媒層８６および蒸発器７８を一体化して構成することにより水素生成器の小型化が図られている。しかも高温部分から低温部分を装置の中央部から周辺部に向けて配置することにより放熱損失が抑制され、その結果水素生成器の熱効率が向上されている。
【００１５】
一方、燃料電池用の水素生成器が備える蒸発器の性能向上を図る技術として、図１３に示すような毛管力を有する吸水材を備えたものが提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。この蒸発器は単段の蒸発器を多段に積層したプレート型のものであり、メタノール等の液体燃料を蒸発させて改質器に供給するものである。
【００１６】
図１３は、特許文献２に開示されている従来の水素生成器が備える蒸発器の構成の概略を示す断面図である。図１３に示すように、この蒸発器は、蒸発液の蒸発が行われる円柱状の蒸発室１１５を有しており、その蒸発室１１５の外周側には、蒸発室１１５と同軸上に設けられた円筒状加熱室１１６が設けられている。蒸発室１１５と加熱室１１６とは隔壁１１８により隔てられている。
【００１７】
隔壁１１８の蒸発室１１５側の面には繊維および多孔質焼結体からなる毛管力を有する吸水材１１９が設けられている。また、蒸発室１１５の上部には液滴捕集材１１１が、同じく下部には供給路１１４を介して外部から供給される液体燃料１１３を吸水材１１９へ供給するための液分配材１２０が設けられている。
【００１８】
なお、蒸発室１１５にて発生した蒸気１０は、蒸発室１１５の開放されている上部から外部へ排出される。
【００１９】
以上のように構成された従来の蒸発器において、供給路１１４を通過した液体燃料１１３は、液分配材１２０を介して吸水材１１９へ供給される。その結果、液体燃料１１３は吸水材１１９の毛管力により当該吸水材１１９全体に広がる。これにより、液体燃料１１３の蒸発面積の増大を図ることができるので、蒸発室１１５が比較的小さくても足りる。したがって、以上のように構成すれば、蒸発器全体を小型にすることができる。
【特許文献１】特開２００２−１８７７０５号公報（図１）
【特許文献２】特開２００１−６４６５８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
図１２を参照して説明した従来の水素生成器の場合、降下流路８４の伝熱面積を確保するためにらせん状の流路を形成すべく丸棒８３が設けられているが、この丸棒８３と外筒７９および内筒８１との間に隙間が生じるとその隙間から改質用水７２が流れ落ちてしまうため、充分な伝熱面積を確保することができない。そのため、丸棒８３と外筒７９および内筒８１との間に隙間が生じないように丸棒８３を配置する必要があり、場合によっては一方の筒面と丸棒８３とを溶接またはロウ付けによって隙間なく固定し、他方の筒を丸棒８３側に圧しながら配設する等の手間が必要であった。そのために、製造工程が複雑であるばかりではなく、各部品の作製精度にも厳密さが要求され、その結果製造コストが高くならざるを得ないという課題があった。
【００２１】
また、水素生成器が定常状態で運転されている場合、蒸発器７８はその内側および外側の両側から前述した範囲の温度に加熱されるが、その起動時は水素生成器全体が大気温度にまで冷えているため、都市ガス７１が供給される前に先ずバーナ７３を点火し燃焼ガス７４によって水素生成器全体の温度を上昇する動作が行われる。その際、改質用水７２は蒸発潜熱が大きいため蒸発し難く、また都市ガス７１が供給されるときに水素生成器内に十分な水蒸気が存在しないと都市ガス７１が熱分解して改質触媒層８８内で炭素が析出し触媒を劣化させてしまうため、都市ガス７１よりも先に改質用水７２を供給して水素生成器内を水蒸気で満たしておく必要がある。そこでバーナ７３の点火後短時間の後に改質用水７２の供給が開始される。しかし、図１２に示したように蒸発器７８は燃焼ガス７４によって直接加熱できる構造ではなく、水素生成器の中央部からの伝導および加熱器７５によって加熱された改質用水７２によって間接的に加熱される構造であるため、起動後しばらくの間、蒸発器７８は水蒸気を発生させることができない。その結果、蒸発器７８には改質用水５２が溜まり続ける。このようにして蒸発器７８に溜まった改質用水５２の蒸発には長時間を要する。そのため、このような従来の水素生成器の場合、起動時間が長くなるという課題があった。
【００２２】
一方、図１３を参照して説明した従来の蒸発器の場合、水素生成器とは別に当該蒸発器を設置する必要があるため、蒸発器から水素生成器までの間の蒸気配管および高温流体を蒸発器まで接続するための配管にて放熱損失が発生する。そのため、水素生成器の熱効率が低下するという課題があった。
【００２３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、蒸発性能に優れ、しかも熱効率が高い水素生成器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素生成器は、燃焼ガスを発生する燃焼部と、当該燃焼部の周囲に設けられ、前記燃焼部により生じた燃焼ガスからの伝熱を利用して、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と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記燃焼部の周囲に設けられた内筒、当該内筒の周囲に設けられた外筒、および前記内筒と前記外筒との間に形成された筒状空間の下部を塞ぐ底板を有し、前記筒状空間に供給される水を蒸発させることにより水蒸気を生成し、当該水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器とを備え、前記筒状空間には、吸水性を有する吸水材が設けられている。
【００２５】
このように構成すると、筒状空間に設けられた吸水材によって蒸発性能の向上が図られる。したがって、水素生成器の起動時において蒸発器に水が溜まったとしても、その水を迅速に蒸発させることができるため、従来と比べて水素生成器の起動時間を短縮させることができる。
【００２６】
また、改質器に対して安定して水蒸気を供給することができるため、例えば負荷変動等に対して容易に対応することができる。
【００２７】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記筒状空間には、上方から供給される水を下方に通過させる降下流路が形成された第１蒸発室と、当該第１蒸発室の内側に設けられ、前記第１蒸発室内の水が蒸発することにより発生した水蒸気を上方へ通過させる上昇流路が形成された第２蒸発室とが設けられており、前記吸水材は、前記第１蒸発室内に設けられていることが好ましい。
【００２８】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記内筒と前記外筒との間には中筒が配置され、前記第１蒸発室は前記外筒と前記中筒との間に形成された筒状空間に、前記第２蒸発室は前記内筒と前記中筒との間に形成された筒状空間にそれぞれ設けられており、前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面に設けられていることが好ましい。
【００２９】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記筒状空間には、上方から供給される水を下方に通過させる降下流路が形成された第１蒸発室と、当該第１蒸発室の内側に設けられ、前記第１蒸発室内の水が蒸発することにより発生した水蒸気を上方へ通過させる上昇流路が形成された第２蒸発室とが設けられており、前記吸水材は、前記第２蒸発室内に設けられていることが好ましい。
【００３０】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記内筒と前記外筒との間には中筒が配置され、前記第１蒸発室は前記外筒と前記中筒との間に形成された筒状空間に、前記第２蒸発室は前記内筒と前記中筒との間に形成された筒状空間にそれぞれ設けられており、前記吸水材は、前記内筒の前記第２蒸発室側の面に設けられていることが好ましい。
【００３１】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記筒状空間には、上方から供給される水を下方に通過させる降下流路が形成された第１蒸発室と、当該第１蒸発室の内側に設けられ、前記第１蒸発室内の水が蒸発することにより発生した水蒸気を上方へ通過させる上昇流路が形成された第２蒸発室とが設けられており、前記吸水材は、前記第１蒸発室内および前記第２蒸発室内に設けられていることが好ましい。
【００３２】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記内筒と前記外筒との間には中筒が配置され、前記第１蒸発室は前記外筒と前記中筒との間に形成された筒状空間に、前記第２蒸発室は前記内筒と前記中筒との間に形成された筒状空間にそれぞれ設けられており、前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面および前記内筒の前記第２蒸発室側の面に設けられていることが好ましい。
【００３３】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記吸水材は、前記底板の上面に設けられていることが好ましい。
【００３４】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記吸水材は、多孔質材料、網状材料、または繊維状材料であることが好ましい。
【００３５】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記外筒の前記第１蒸発室側の面に設けられている吸水材は、らせん状に配置されていることが好ましい。
【００３６】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記内筒の前記第２蒸発室側の面に設けられている吸水材は、複数の孔を有する材料からなり、前記内筒の前記第２蒸発室側の面と前記吸水材との間には当該吸水材の平均孔径以上の空間が設けられていることが好ましい。
【００３７】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記内筒の前記第２蒸発室側の面に設けられている吸水材の熱伝導度は、前記内筒の熱伝導度以上であることが好ましい。
【００３８】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面に非平滑加工を施すことによって形成されていることが好ましい。
【００３９】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記吸水材は、前記内筒の前記第２蒸発室側の面に非平滑加工を施すことによって形成されていることが好ましい。
【００４０】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記吸水材は、前記外筒の前記第１蒸発室側の面および前記内筒の前記第２蒸発室側の面に非平滑加工を施すことによって形成されていることが好ましい。
【００４１】
また、前記発明に係る水素生成器において、前記非平滑加工により形成された凹凸の間隔は、０．０５ｍｍ以上かつ１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４２】
更に、前記発明に係る水素生成器において、前記非平滑加工は、エッチング加工、レーザー加工、またはブラスト加工で行われることが好ましい。
【００４３】
また、本発明の燃料電池システムは、請求項１乃至請求項１７の何れかに記載の水素生成器と、酸素を含む酸化ガスおよび前記水素生成器から供給される改質ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の水素生成器によれば、簡易な構成であるにもかかわらず、蒸発性能を向上させることができ、しかも放熱損失を少なくすることができる等、本発明は優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
【００４６】
図１は、本発明の水素生成器の構成の概略を示す断面図である。図１に示すように、本発明の水素生成器１００は、燃焼ガス４を発生するためのバーナ３と、このバーナ３の下方に設けられた円筒状の燃焼室２３とを備えている。この燃焼室２３の外周側には、バーナ３において発生した燃焼ガス４を下方から上方へ流すための筒状の燃焼ガス流路２４が燃焼室２３と同軸上に設けられている。燃焼ガス流路２４は、水素生成器１００の側面の上部に形成されている排ガス排出口２５と接続されている。燃焼ガス流路２４を流れる燃焼ガス４は、排ガス排出口２５から排ガス２２として排出される。
【００４７】
なお、本発明の水素生成器１００の側面の上部には、排ガス排出口２５の他に、改質用水２を水素生成器１００に供給するための水供給口３８、都市ガス１を水素生成器１００に供給するための原料ガス供給口３７、および生成ガス２１を燃料電池１０１に供給すべく外部へ排出するための生成ガス排出口３１が形成されている。また、水素生成器１００の側面の下部には、一酸化炭素酸化用空気２０を水素生成器１００に供給するための空気供給口３９が形成されている。
【００４８】
前述したバーナ３は、燃焼室２３の内側に取付台３６を介して取り付けられている。この取付台３６と燃焼ガス流路２４との間には、水供給口３８から供給される改質用水２を加熱するための流路である加熱器５が形成されている。
【００４９】
加熱器５は、水供給口３８に対向した位置に設けられた連結管６により、原料ガス供給口３７と接続されている都市ガス１の供給路７と連結されている。連結管６と供給路７との接続部分では、加熱器５による加熱によって一部が蒸発した改質用水２と都市ガス１とが混合される。このようにして混合された改質用水２および都市ガス１は後述する蒸発器３２へ供給される。
【００５０】
燃焼ガス流路２４の外周側には、筒状の改質器２６が燃焼室２３と同軸上に設けられている。この改質器２６は、改質触媒が充填されている改質触媒層１８を収容しており、その改質触媒層１８内で都市ガス１を水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する。
【００５１】
改質器２６の外周側には当該改質器２６において生成された改質ガスの流路となる筒状の改質ガス流路２７が、当該改質ガス流路２７の外周側には断熱材２８を隔てて筒状の一酸化炭素（ＣＯ）変成器２９が、それぞれ燃焼室２３と同軸上に設けられている。ＣＯ変成器２９は、シフト触媒が充填されているシフト触媒層１７を収容しており、そのシフト触媒層１７内で改質ガス流路２７から流れてくる改質ガスをシフト反応させて当該改質ガスのＣＯ濃度を低減させる。
【００５２】
ＣＯ変成器２９の外周側には、後述するように構成された筒状の蒸発器３２が燃焼室２３と同軸上に設けられている。前述したように、この蒸発器３２には、連結管６と供給路７との接続部分において混合された改質用水２および都市ガス１が供給される。
【００５３】
蒸発器３２の外周側には、空気供給口３９と接続された筒状のＣＯ除去器３０が燃焼室２３と同軸上に設けられている。ＣＯ除去器３０は、選択酸化触媒が充填されている選択酸化触媒層１６を収容しており、その選択酸化触媒層１６内でＣＯ変成器２９から排出された改質ガスと空気供給口３９から供給される一酸化炭素酸化用空気２０とを反応させて当該改質ガスのＣＯ濃度を低減させる。
【００５４】
ＣＯ除去器３０は、生成ガス排出口３１と接続されている。改質器２６において生成され、ＣＯ変成器２９およびＣＯ除去器３０内を通過した改質ガスは、生成ガス排出口３１から生成ガス２１として排出される。
【００５５】
水素生成器１００の外側には、燃料電池１０１が設けられており、生成ガス排出口３１から排出された生成ガス２１は当該燃料電池１０１に供給される。燃料電池１０１は、水素生成器１００から供給された生成ガス２１と酸化ガスである空気とを用いて公知の手法により発電を行う。これら水素生成器１００および燃料電池１０１により本発明の燃料電池システムが構成されている。
【００５６】
図２は、本発明の水素生成器１００が備える蒸発器３２の構成の概略を示す断面図である。図２に示すように、蒸発器３２は、外筒９、内筒１０、および外筒９と内筒１０との間に配置された中筒１１、並びに外筒９の下端と内筒１０の下端とを連結することによって外筒９と内筒１０との間に形成された筒状空間の下部を塞ぐ底板１２を有している。ここで、中筒１１は底板１２までは延在しておらず、中筒１１の下端と底板１２との間には所定の幅の隙間が全周に亘って形成されている。
【００５７】
外筒９および中筒１１によって形成された筒状空間には第１蒸発室１４が設けられている。また、内筒１０および中筒１１によって形成された筒状空間には第２蒸発室１５が設けられている。これら第１蒸発室１４および第２蒸発室１５は前述した中筒１１と底板１２との間の隙間によって連通されている。
【００５８】
内筒１０の外面（第２蒸発室１５側の面）には内筒面吸水材３３が、外筒９の内面（第１蒸発室１４側の面）には外筒面吸水材３４がそれぞれ設けられている。また、底板１２の上面には底板面吸水材３５が設けられている。これらの内筒面吸水材３３、外筒面吸水材３４および底板面吸水材３５は何れも、ステンレス鋼を素材とする平均孔径が０．２ｍｍの貫通孔を有する厚さが０．５ｍｍの多孔質金属であり、各筒面または板面にスポット溶接することによって固定されている。ここで、内筒面吸水材３３は内筒１０の外面の略全面に配置されており、その下端は底板面吸水材３５に接するように配置されている。また、テープ状の多孔質金属で構成されている外筒面吸水材３４は、外筒９の内面にらせん状に巻回されて配置されている。さらに、底板面吸水材３５は底板１２の上面の略全面を覆うように配置されている。
【００５９】
第１蒸発室１４の上部は供給路７と接続されている。この供給路７から供給された改質用水２と都市ガス１との混合物は第１蒸発室１４内を流下する。すなわち、第１蒸発室１４にはこの混合物の降下流路が形成されている。
【００６０】
このように改質用水２と都市ガス１との混合物が第１蒸発室１４内を流下するとき、外筒９に接するＣＯ除去器３０に収容されている選択酸化触媒層１６内を通過する生成ガスによって、当該混合物は１００℃以上１５０℃以下に加熱される。これにより、第１蒸発室１４内を流下する改質用水２は蒸発する。その結果、水蒸気と都市ガス１との混合物が第２蒸発室１５内を上昇する。すなわち、第２蒸発室１５にはこの混合物の上昇流路が形成されている。このように水蒸気と都市ガス１との混合物が第２蒸発室１５内を上昇するとき、内筒１０に接するＣＯ変成器２９に収容されているシフト触媒層１７内を通過する生成ガスによって２５０℃以上３５０℃以下に加熱される。
【００６１】
第２蒸発室１５の上部は、当該第２蒸発室１５と改質器２６とを連結するための連結管４１と接続されている。第１蒸発室１４および第２蒸発室１５を通過した改質用水２と都市ガス１との混合物は、連結管４１を介して改質器２６に供給される。
【００６２】
なお、一般家庭用の発電出力１ｋＷ程度の燃料電池システムの場合、当該燃料電池システムが備える水素生成器へ供給される都市ガスの量は４Ｌ／分程度であり、同じく改質用水の量は１０ｇ／分程度である。したがって、本発明においても、水素生成器１００へ供給される都市ガス１の量を４Ｌ／分程度とし、同じく改質用水２の量を１０ｇ／分程度とする。
【００６３】
次に、内筒面吸水材３３、底板面吸水材３５および外筒面吸水材３４の作用について説明する。
【００６４】
[内筒面吸水材について]
内筒面吸水材３３の作用について、後述するように構成された実験装置を用いた実験結果を参照しながら説明する。
【００６５】
図３は、実験装置の構成の概略を示す断面図である。図３に示すように、実験装置１０２は、ステンレス製の内筒４６と、ガラス製の外筒４８とを備えている。内筒４６の内側には、コイル状のヒータ４７が配設されている。
【００６６】
内筒４６と外筒４８との間に形成された空間には蒸発室５１が設けられている。この蒸発室５１の側面の上部には実験装置１０２に水を供給するための水供給管４９および当該蒸発室５１にて発生した水蒸気を外部へ排出するための水蒸気排出管５０が設けられている。
【００６７】
内筒４６の外面（蒸発室５１側の面）の略全面には吸水材５３が設けられている。この吸水材５３の材料としては、（１）本発明の水素生成器１００に設けられた吸水材と同様のステンレス製の多孔質金属（厚さ：０．５ｍｍ、平均孔径：０．２ｍｍ）、（２）金網（３００メッシュ、線径：４８μｍ）を３枚重ねたもの、（３）ガラス繊維製の厚さ１ｍｍの織物、以上の３種類を用意する。
【００６８】
以上のように構成されている実験装置１０２において次のような実験を行った。まず、水供給管４９を介して水５２を蒸発室５１に一定量供給することにより、蒸発室５１に水５２を一定量溜めた。その後、ヒータ４７によって内筒４６を加熱することにより蒸発室５１内の水５２を沸騰して蒸発させ、このときの水５２の蒸発速度を経時的に測定した。なお、ここで水５２の蒸発速度は、実験装置１０２の重量変化に基づいて算出した。
【００６９】
また、実験装置１０２の内筒４６の外面に吸水材５３が設けられていない実験装置を用意し、この吸水材５３が設けられていない構成の実験装置においても同様にして水５２の蒸発速度を経時的に測定した。
【００７０】
図４は、吸水材５３が設けられている場合における蒸発室５１内の水５２の蒸発速度の変化および吸水材５３が設けられていない場合における同じく蒸発速度の変化を示すグラフである。図４において、Ａは吸水材５３が設けられていない場合における蒸発速度の変化を、Ｂは吸水材５３が設けられている場合における蒸発速度の変化をそれぞれ示している。ここで、図４に示すグラフは、ヒータ４７による加熱を開始し、蒸発室５１内に溜まった水５２が所定量まで減少した時点からの経過時間と、各経過時間での蒸発速度との関係を図示したものである。
【００７１】
図４に示すように、吸水材５３を設けていない場合では時間の経過とともに水５２の蒸発速度が直線的に減少している。一方、吸水材５３を設けている場合では時間の経過にかかわらず水５２の蒸発速度は一定の値を保持している。
【００７２】
また、ガラス製の外筒４８を通して見た観察によると、吸水材５３が設けられていない場合、水５２の水位より下に位置する内筒４６の外面の数ヶ所で沸騰が激しく起こり気泡が発生していた。一方、吸水材５３が設けられている場合、水５２の水位より下に位置する吸水材５３の表面の略全面から微細な気泡が多数発生していた。これは、吸水材５３表面の多孔部の微細な凹凸が沸騰核として作用し沸騰を促進しているためである。この場合の微細な気泡の発生は穏やかであり、吸水材４３が設けられていない場合の激しい沸騰による気泡の発生とは対照的であった。
【００７３】
また、水５２の水位より上の部分では、吸水材５３が設けられていない場合は内筒４６の外面に何の変化も見られなかった。これに対して、吸水材５３が設けられている場合においては、吸水材５３の毛管力によって水が吸い上げられたために、吸水材５３の表面が濡れているのが観察された。これにより、吸水材５３においては、水５２の水位より上の部分も伝熱面積として有効に作用し、この部分からも水の蒸発が生じていることがうかがえた。
【００７４】
また、図３におけるＺで示した位置、すなわち内筒４６の内面であって、蒸発室５１内に溜まった水５２の水位よりも少し低い位置に熱電対を固定して測定した温度変化を図５に示す。図５において、Ａは吸水材５３が設けられていない場合の位置Ｚの温度変化を、Ｂは吸水材５３が設けられている場合の位置Ｚの温度変化をそれぞれ示している。
【００７５】
図５に示すように、吸水材５３が設けられていない場合では、経過時間がａ点に達するまで緩やかに位置Ｚの温度が上昇し、その後経過時間がａ点に達したときに位置Ｚの温度が急激に上昇した。このように、経過時間がａ点に達したときに位置Ｚの温度が急激に上昇したのは、経過時間がａ点に達したときに水５２の水位が位置Ｚより下がったためである。
【００７６】
一方、吸水材５３が設けられている場合では、経過時間がｂ点（ａ点よりも所定時間後の時点）に達するまで位置Ｚの温度は一定に保たれ、その後経過時間がｂ点に達したときに位置Ｚの温度が急激に上昇した。このように、経過時間がｂ点に達するまで位置Ｚの温度が一定に保たれ、しかも水５２の水位が位置Ｚより下がったとき（経過時間がａ点に達したとき）であっても位置Ｚの温度が上昇しなかったのは、吸水材５３の毛管力によって内筒４６の外面の略全面が蒸発または沸騰面として作用したためである。また、経過時間がｂ点に達したとき位置Ｚの温度が急激に上昇したのは、経過時間がｂ点に達したときに蒸発室５１内の水５２がすべて蒸発したためである。
【００７７】
以上の実験結果から明らかなように、本発明の水素生成器１００において、蒸発器３２の内筒１０の外面に内筒面吸水材３３を設けることによって、水素生成器１００の起動時に蒸発器３２の下部に溜まる改質用水２を内筒面吸水材３３の毛管力によって上昇させ、伝熱面積を増やすことができる。そのため、このような内筒面吸水材３３を設けない場合と比べて、蒸発器３２が小さくても充分な蒸発性能を確保することができるので水素生成器１００の小型化を図ることができる。
【００７８】
また、同じく内筒面吸水材３３を設けることによって、内筒面吸水材３３の表面の微細な凹凸が沸騰核として作用するため、蒸発速度を増大させることができる。そのため、水素生成器１００の起動時において蒸発器３２内に改質用水２が溜まっている場合であっても、速やかに水蒸気を発生させることができるので、水素生成器１００の起動時間の短縮化を図ることができる。
【００７９】
勿論、蒸発速度の増大は、起動時のみではなく、水素生成器１００の定常運転時および負荷変動時においても効果がある。特に上述したように内筒面吸水材３３が設けられている場合、ほぼその全面から沸騰および蒸発が生じるため、安定且つ穏やかな水蒸気の発生が可能となる。これに対して、内筒面吸水材３３が設けられていない場合では、沸騰核の数量が限られてしまうため、部分的な沸騰または限られた沸騰核での激しい沸騰が生じることになる。これらの現象は蒸発量の不安定性および沸騰に伴う大きな圧力変動を引き起こし、改質触媒層１８に供給される水蒸気量の瞬間的な過不足および水素生成器１００の圧力変動を発生させることになる。水蒸気量の過不足は水蒸気改質反応の生成物の組成変化をもたらし、水素生成器１００の圧力変動は当該水素生成器１００において生成される水素量の変化をもたらす。内筒面吸水材３３は、これらの不具合の発生を防止する効果をも有している。
【００８０】
このように、内筒１０の蒸発面に内筒面吸水材３３を設けて蒸発を行うと、水の蒸発速度を増大させることができ、しかも蒸発器３２内に溜まっている水の量によらずその高い蒸発速度を維持することができるという優れた効果がある。更に、水素生成器１００における生成物の組成および量の安定化を図ることができる。
【００８１】
なお、前述した実験において、吸水材５３が前記（１）乃至（３）の何れの場合であっても同様の結果が得られた。したがって、内筒面吸水材３３の材料としては前記（１）乃至（３）の何れを用いてもよい。
【００８２】
内筒面吸水材３３の毛管力による改質用水２の吸い上げは、伝熱面積および蒸発面積を増やすために重要である。ところで、この毛管力による水の吸い上げ高さは、第２蒸発室１５の幅、すなわち水が伝わる流路の幅によって変化する。水量が同じ場合、水の吸い上げ高さは当該流路の幅が狭い方が高くなる。しかし、水の吸い上げ高さだけではなく、吸い上げる水量および速度が蒸発量を上回らなければ、吸い上げる途中で水が蒸発してしまうため、伝熱面積および蒸発面積の拡大が図れない。この点を考慮すると、内筒面吸水材３３として多孔質金属を採用した場合では、その平均孔径はおよそ０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が望ましく、金網を採用した場合は１００メッシュ以上５００メッシュ以下のものが適している。また、水に濡れやすくするために、予め内筒面吸水材３３の表面を酸化処理しておくことが望ましい。
【００８３】
ところで、実験装置１０２を用いて実験を行っている際、吸水材５３単体の場合と比べて、針金を巻き付けることにより吸水材５３を内筒４６に固定した場合の方が水の吸い上げ速度が高くなることが明らかになった。その理由は、吸水材５３と内筒４６との間に形成された隙間を伝わって素早く水が上昇したためであった。水は多孔質金属または金網の細孔内を伝わって上昇するが、細孔内は多孔質金属の骨材または金網の針金によって遮られるため、水の流路は複雑に迂回している。それに比べ、吸水材５３と内筒４６との間の隙間には流路を遮るものがないため、水の吸い上げ速度が速くなるものと考えられる。ここで、水の吸い上げ速度を向上させるためには、吸水材５３と内筒４６との間の隙間は、吸水材５３の平均孔径以上の空間である必要がある。
【００８４】
以上より、本発明の水素生成器１００において、図６に示すように、内筒面吸水材である金網５４と内筒１０との間の適宜の位置に複数のスペーサ５６を設けた上で、針金５５を巻き付けて金網５４を内筒１０の外面に固定することにより、金網５４と内筒１０との間に、金網５４の平均孔径以上の空間である複数の隙間Ｃを形成することが好ましい。このように金網５４と内筒１０との間に複数の隙間Ｃを形成することにより、水の吸い上げ速度を向上させることができる。
【００８５】
また、例えば図７に示すように、内筒面吸水材である多孔質金属５７を内筒１０の外面にスポット溶接して固定する際（図中のＥはスポット溶接箇所を示している）、多孔質金属５７の適宜の位置に突起部５８を設け、この突起部５８を内筒１０の外面に接触させることにより、多孔質金属５７と内筒１０との間に、多孔質金属５７の平均孔径以上の空間である複数の隙間Ｄを形成することが好ましい。このように多孔質金属５７と内筒１０との間に複数の隙間Ｄを形成することにより、水の吸い上げ速度を向上させることができる。
【００８６】
同様に、図８に示すように、内筒面吸水材である多孔質金属５９を、孔径が比較的大きな多孔質金属５９Ａおよび孔径が比較的小さな多孔質金属５９Ｂの二層構造とする構成も有効である。この場合、多孔質金属５９Ａが多孔質金属５９Ｂの内側に位置し、多孔質金属５９Ａと内筒１０の外面とが接するように多孔質金属５９を配置する。多孔質金属５９Ｂと比べて多孔質金属５９Ａの方が水の流路を遮るものが少ないため、このように多孔質金属５９を二層構造とすることによって、水の吸い上げ速度を向上させることができる。
【００８７】
また、内筒面吸水材としては前述のもの以外に、図９に示す構造のものも有効である。図９は本発明の水素生成器が備える蒸発器の内筒の外面に取り付けられた薄板を説明するための説明図であって、（ａ）はその内筒および薄板の構成を示す断面図であり、（ｂ）はその薄板の構成を示す平面図である。
【００８８】
図９（ａ）および（ｂ）に示すように、薄板６０は、エッチング加工により直径ｄの複数の孔６１がピッチｐで穿設されてなるものである。ここでは、孔６１の直径ｄを０．１ｍｍとし、ピッチｐを０．３ｍｍとし、薄板６０の厚さｔを０．１ｍｍとしている。
【００８９】
以上のように構成された薄板６０を内筒１０の外面に拡散接合する。これにより、図９（ａ）に示すように内筒１０の外面に凹凸構造が形成される。このような凹凸構造が内筒面吸水材として機能し、更に沸騰を促進する沸騰核としても機能する。なお、孔６１の形状は円形に限られるわけではなく、例えば長円形または菱形など適宜の形状であってもよい。
【００９０】
なお、ここでは予め孔６１が穿設された薄板６０を内筒１０の外面に接合することにより内筒１０の外面に凹凸構造を形成しているが、内筒１０の外面に直接複数の凹部をエッチング加工により設けることによって凹凸構造を形成するようにしてもよい。また、エッチングによる加工に限らず、ブラスト加工によって微細な凹凸を内筒１０の外面に形成するようにしてもよい。更に、内筒１０の外面に、レーザー加工によりピッチ０．１ｍｍ程度の碁盤目状の溝を形成するようにしてもよい。ここで、レーザー加工により内筒１０の外面に凹凸構造を形成する場合は、加工の際に再付着して溶着した金属粒子によって加工後の内筒１０の外面が著しく荒れている方が良好な水の吸い上げ性能および沸騰性能を有しており好ましい。この加工面の荒れを酸洗い処理等によって除去した場合には、これらの性能が著しく低下してしまう点に留意すべきである。なお、以上の孔または溝の間隔、すなわち凹凸の間隔は、あまり大きすぎると性能が低下し、逆に狭すぎても水の吸い上げ量が減少してしまう。そのため、これらの間隔は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下程度が適当である。
【００９１】
なお、内筒面吸水材３３が蒸発器３２に溜まった改質用水２の全てを吸い上げるためには、内筒面吸水材３３の下端が底板１２に接するように配置することが望ましい。蒸発器３２の組み立ての精度を考慮すると、内筒面吸水材３３の下端が底板１２に完全に接するように配置すること困難であるが、内筒面吸水材３３の下端が底板１２から数ｍｍ程度以下になるように組み立てることが望ましい。また、内筒面吸水材３３の上端は中筒１１の略上端まで達していることが望ましいが、予め伝熱および蒸発に必要な面積を確保するために十分な吸い上げ高さがわかっている場合であれば、内筒面吸水材３３の上端はその高さまで延びていればよい。
【００９２】
ところで、内筒面吸水材３３の上端部まで改質用水が吸い上げられるまでに必要量の改質用水２の蒸発がなされており、内筒面吸水材３３が乾いてしまう場合がある。そこで、内筒面吸水材３３の材料の熱伝導度は、内筒１０を構成する材料の熱伝導度と同程度以上とすることが望ましい。内筒面吸水材３３の材料の熱伝導度が内筒１０の熱伝導度より小さい場合、内筒面吸水材３３が伝熱の際の熱抵抗となってしまうからである。内筒１０は一般にステンレス鋼で作成されるので、内筒面吸水材３３の素材としては金属が望ましい。先にガラス繊維の織物の蒸発速度について述べたが、ガラス繊維のように熱伝導度が小さいものは内筒面吸水材３３としてはあまり望ましくはない。
【００９３】
[底板面吸水材について]
次に、本発明の水素生成器１００が備える底板面吸水材３５の作用について説明する。
【００９４】
底板面吸水材３５の材料としては、内筒面吸水材３３と同様のものを採用する。これにより、底板面吸水材３５は改質用水２の沸騰を促進するための多くの沸騰核を有することになる。したがって、底板面吸水材３５を設けることにより、改質用水２の沸騰を促進することができ、その結果水素生成器１００の起動時間の短縮および安定且つ穏やかな水蒸気の発生を実現することができる。
【００９５】
また、底板面吸水材３５と内筒面吸水材３３とが略接している場合、例えば水素生成器１００が傾いて設置されたときであっても、蒸発器３２の下部に溜まった水が底板面吸水材３５を介して内筒面吸水材３３に確実に供給されることになる。
【００９６】
[外筒面吸水材について]
次に、本発明の水素生成器１００が備える外筒面吸水材３４の作用について説明する。
【００９７】
連結管６から供給路７へ送られた改質用水２が第１蒸発室１４へ流れ落ちる場合、改質用水２は外筒９の内面（第１蒸発室１４側の面）に均一に流れ落ちるわけではない。前述したように、改質用水２の流量は通常約１０ｇ／分程度と少量であるため、改質用水２は外筒９の内面に一筋から数筋程度の流れとなって流れ落ちる。そのために図１２を参照して説明した従来の水素生成器の場合では、改質用水７２が外筒７９の内面の多くの面を濡らして沸騰および蒸発に寄与する伝熱面積を大きくし得るようにらせん状の丸棒８３が設けられている。本発明では、この従来の水素生成器が備えるらせん状の丸棒８３の代わりに、外筒面吸水材３４としてテープ状の多孔質金属を外筒９の内面にスポット溶接して固定している。ここで外筒面吸水材３４は内筒面吸水材３３と同一の多孔質金属で構成されている。
【００９８】
本発明で用いている多孔質金属は孔径が０．２ｍｍと小さく、これが水に接すると上述したように多孔質金属の毛管力によって水は速やかに当該多孔質金属の孔内を伝って移動する。その様子を図１０を参照しながら説明する。
【００９９】
図１０は外筒９の構成を示す断面図である。図１０に示すように、本実施の形態では、外筒９の内面にテープ状の外筒面吸水材３４がらせん状に巻回されて固定されている。なお、図１０において、Ｆは改質用水が流れ落ちる位置であり、改質用水はこの位置ＦからＧに示すように筋状に流れ落ちる。
【０１００】
改質用水は外筒面吸水材３４に接すると、外筒面吸水材３４の細孔内を伝って流れ落ちるため、らせん状に配置されている外筒面吸水材３４内を伝ってらせん状に流れ落ちる。そのため外筒９の内面のほとんどの面積を改質用水で覆うことができるので、本発明の水素生成器では従来の水素生成器と比べて伝熱面積を大幅に増大させることができる。しかも、多孔質金属によるこの伝熱面積の増大は、その面積の増大分の改質用水の速やかな蒸発とともに、内筒面吸水材３３および外筒面吸水材３４と同様に沸騰核の増加による一層の蒸発を促すことになる。したがって、改質用水２はらせん状の外筒面吸水材３４の細孔内を伝って流れ落ちる間に、速やかに加熱され蒸発する。この蒸発は内筒面吸水材３３による蒸発と同様に安定で穏やかなものである。そのため、水蒸気改質反応による生成物の組成の安定化および発生する水素量の安定化をもたらすことになる。
【０１０１】
なお、図１０において、Ｈ１は改質用水が伝って流れ落ちている領域を示し、Ｈ２は改質用水に接する位置より上であるため改質用水が伝わらない領域を示している。この領域Ｈ２は、改質用水２が毛細管力により吸い上げられるため伝熱面として有効に寄与する。
【０１０２】
このように、外筒９の内面に外筒面吸水材３４をらせん状に固定することにより、図１２を参照して説明した従来の水素生成器において必要であった丸棒８３が不要となる。そのため、本発明の水素生成器１００が備える蒸発器３２の構成および製造を大幅に簡略化することができる。その結果、水素生成器１００の製造コストの低減を図ることができる。
【０１０３】
外筒面吸水材３４の孔径および厚さ、並びにらせん状の幅および間隔は必要に応じて適宜最適なものを用いればよく、例えばらせんの形状を外筒９の上部と下部とで変化させてもよい。また、外筒面吸水材３４のらせんを外筒９の最下部まで配置する必要はなく、例えば図１１に示すように外筒９の途中までをらせん形状とし、それ以下を３４'のように円筒形状としてもよい。また、ここでは外筒面吸水材３４は多孔質金属であるが、内筒面吸水材３３に適用し得る吸水材を用いることができる。さらに、外筒９の内面に対してらせん状に非平滑加工を施してもよい。
【０１０４】
なお、ここでは外筒面吸水材３４をらせん状に配置した場合について説明したが、外筒面吸水材３４の形状はらせん状に限られるわけではない。らせん状以外の形状で外筒面吸水材３４が設けられたとしても、外筒面吸水材３４が設けられていない場合と比べて伝熱面積を拡大させることができるので、水素生成器１００は優れた蒸発性能を有することになる。
【０１０５】
本発明の水素生成器１００が備える蒸発器３２において、中筒１１は必ずしも必要ではないが、中筒１１には、水蒸気と都市ガス１との混合接触時間を長くし、両者の混合を良好にする作用がある。これらの混合が不十分であると、改質触媒層１８へ供給される水蒸気および都市ガス１の割合が不均一となるため、生成ガスの組成が変動を招くことになる。蒸発器３２が中筒１１を設けることによって、生成ガスの組成の変動を防止することができる。
【０１０６】
また、ここでは内筒１０の外面、外筒９の内面、および底板１２の表面の３箇所に吸水材を用いたが、必ずしもこの３箇所全てに吸水材を配置する必要はなく、何れか一つの面または二つの面のみに吸水材を配置した場合であっても相応の効果が奏される。
【０１０７】
また、ここでは外筒９の上部から改質用水２を第１蒸発室１４へ供給している。その理由は、第２蒸発室１５が内筒１０側から２５０℃以上３５０℃以下に加熱されるとともに、第１蒸発室１４が外筒９側から１００℃以上１５０℃以下に加熱されているためである。改質用水２を内筒１０側から第２蒸発室１５へ供給すると、改質用水２は２５０℃以上３５０℃以下という高温面に直接接することになる。このような高温面に水が触れるとたとえこの面に吸水材が存在しても、水は突沸してしまい吸水材の中を伝って流れることはできない。そのため改質用水２は低温側の外筒９側の面から第１蒸発室１４へ供給することが必要である。
【０１０８】
なお、ここでは被蒸発液体として改質用水を用いた場合について説明したが、被蒸発液体は改質用水に限定されるわけではなく、例えばメタノール等の液体燃料を被蒸発液体として用いた場合であっても本発明の水素生成器は有効であることは言うまでもない。
【０１０９】
本発明の水素生成器１００の場合、蒸発器３２が水素生成器１００と一体的に配置されているため、蒸発器３２で発生した水蒸気および加熱源となる流体の放熱損失を抑制することができる。そのため、従来の水素生成器と比べて、本発明の水素生成器１００は熱効率が高い。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明に係る水素生成器は、高い蒸発性能を必要とする燃料電池システムの水素生成器等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明の水素生成器の構成の概略を示す断面図である。
【図２】本発明の水素生成器が備える蒸発器の構成の概略を示す断面図である。
【図３】実験装置の構成の概略を示す断面図である。
【図４】吸水材が設けられている場合における蒸発室内の水の蒸発速度の変化および吸水材が設けられていない場合における同じく蒸発速度の変化を示すグラフである。
【図５】吸水材が設けられている場合における蒸発室の内筒の所定の位置における温度変化および吸水材が設けられていない場合における同じく温度変化を示すグラフである。
【図６】内筒面吸水材の構成の一例を示す断面図である。
【図７】内筒面吸水材の構成の一例を示す断面図である。
【図８】内筒面吸水材の構成の一例を示す断面図である。
【図９】本発明の水素生成器が備える蒸発器の内筒の外面に取り付けられた薄板を説明するための説明図であって、（ａ）はその内筒および薄板の構成を示す断面図であり、（ｂ）はその薄板の構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の水素生成器が備える蒸発器の外筒の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の水素生成器が備える蒸発器の外筒の構成を示す断面図である。
【図１２】従来の水素生成器の構成の概略を示す断面図である。
【図１３】従来の水素生成器が備える蒸発器の構成の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１    都市ガス
２    改質用水
３    バーナ
４    燃焼ガス
５    加熱器
６    連結管
７    供給路
９    外筒
１０  内筒
１１  中筒
１２  底板
１４  第１蒸発室
１５  第２蒸発室
１６  選択酸化触媒層
１７  シフト触媒層
１８  改質触媒層
２０  一酸化炭素酸化用空気
２１  生成ガス
２２  排ガス
２３  燃焼室
２４  燃焼ガス流路
２５  排ガス排出口
２６  改質器
２７  改質ガス流路
２８  断熱材
２９  ＣＯ変成器
３０  ＣＯ除去器
３１  生成ガス排出口
３２  蒸発器
３３  内筒面吸水材
３４  外筒面吸水材
３５  底板面吸水材
３６  取付台
３７  原料ガス供給口
３８  水供給口
３９  空気供給口
４１  連結管
４３  吸水材
４６  内筒
４７  ヒータ
４８  外筒
４９  水供給管
５０  水蒸気排出管
５１  蒸発室
５２  改質用水
５３  吸水材
５４  金網
５５  針金
５６  スペーサ
５７  多孔質金属
５８  突起部
５９  多孔質金属
６０  薄板
６１  孔
１００  水素生成器
１０１  燃料電池
１０２  実験装置
【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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【図１２】
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【図１３】
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