(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスと水蒸気とが供給されて水蒸気改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去層と、
燃料ガスと燃焼用空気とが供給されて燃焼排ガスを出すバーナと、
前記燃焼用空気の流れ方向とは逆向きに流れる前記燃焼排ガスと前記燃焼用空気とが熱交換可能な様に前記燃焼用空気の流路と前記燃焼排ガスの流路とを仕切る第１の壁と、
前記燃焼排ガスの流れ方向とは逆向きに流れる前記原料ガス及び前記水蒸気と前記燃焼排ガスとが熱交換可能な様に前記燃焼排ガスの流路と前記原料ガス及び前記水蒸気の流路とを仕切る第２の壁と、
前記原料ガス及び前記水蒸気の流れ方向とは逆向きに流れる前記改質ガスと前記原料ガス及び前記水蒸気とが熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路と前記改質ガスの流路とを仕切る第３の壁と、を備え、
前記改質触媒層が、前記燃焼排ガスと熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路の下流側に備えられ、
前記一酸化炭素除去層が、前記原料ガス及び前記水蒸気と熱交換可能な様に前記改質ガスの流路の下流側に備えられた、
水素生成装置であって、
前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分の周辺部に、前記第１の壁と第２の壁とを介した前記燃焼用空気との熱交換性能が、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と、前記第１の壁と第２の壁とを介した前記燃焼用空気との間の熱交換性能よりも、高くなる部分を有するように構成された、
水素生成装置。
【請求項２】
前記第１の壁を介した前記燃焼用空気の流路から前記燃焼排ガスの流路への伝熱を促進する伝熱促進部を、前記第１の壁において、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分を含む領域を避けて設けた、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記伝熱促進部を、前記第１の壁において、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分よりも、前記燃焼用空気の流路の上流側または下流側に設けた、
請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記伝熱促進部は、前記第１の壁における前記燃焼用空気と接触する面に近接して設けられる伝熱促進壁と、前記燃焼用空気を前記第１の壁と前記伝熱促進壁との隙間に誘導する誘導部を含む、
請求項２または３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記伝熱促進壁は、前記誘導部を介して前記バーナに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給管に取り付けられる、
請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記伝熱促進部は、前記第１の壁における前記燃焼用空気と接触する面または前記燃焼排ガスと接触する面の少なくともいずれか一方の表面積を広くするものである、
請求項２または３に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記伝熱促進部を、前記一酸化炭素除去層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた、
請求項２から６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記一酸化炭素除去層は、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成触媒層を含み、
前記伝熱促進部を、前記変成触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた、
請求項２から６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記一酸化炭素除去層は、前記改質ガスに酸素が含まれる酸化剤を混合して一酸化炭素を取り除く選択酸化触媒層を含み、
前記伝熱促進部を、前記選択酸化触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた、
請求項２から６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記伝熱促進部を、前記改質触媒層よりも前記燃焼用空気の上流側に設けた、
請求項７から９のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記一酸化炭素除去層が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成触媒層と、前記変成触媒層からの変成ガスに酸素が含まれる酸化剤を混合して一酸化炭素を取り除く選択酸化触媒層とに分かれており、
前記伝熱促進部を、前記変成触媒層よりも前記燃焼用空気の上流側で前記選択酸化触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた、
請求項２から６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記第１の壁を介した前記燃焼用空気の流路から前記燃焼排ガスの流路への伝熱を抑制する伝熱抑制部を、前記第１の壁において、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分を含む領域に、設けた、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項１３】
前記伝熱抑制部を設ける領域は、前記第１の壁において、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分よりも前記燃焼用空気の流路の上流側の領域を含む、
請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１４】
前記伝熱抑制部を、前記第１の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面側に設けた、
請求項１２または１３に記載の水素生成装置。
【請求項１５】
前記伝熱抑制部は、前記第１の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面に設けた断熱材である、
請求項１４に記載の水素生成装置。
【請求項１６】
前記伝熱抑制部は、前記第１の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面との間に空気の断熱層を形成する遮熱板である、
請求項１４に記載の水素生成装置。
【請求項１７】
最内部に前記バーナを配置し、前記バーナの外側に前記第１の壁を配置し、前記第１の壁の外側に前記第２の壁を配置し、前記第２の壁の外側に前記第３の壁を配置した、
請求項１から１６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１８】
前記第１の壁と、前記第２の壁と、前記第３の壁とを、前記バーナを中心とする同心円状に、配置した、
請求項１７に記載の水素生成装置。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか１項に記載の水素生成装置と、酸素を含む酸化ガスと前記水素生成装置から供給される生成ガスを用いて発電する燃料電池を備えた、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、高濃度の水素が含まれたガスを生成する水素生成装置、及び水素生成装置で生成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、高濃度の水素を含むガスを生成する水素生成装置と、その水素生成装置で生成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、その大きさや給湯器との組み合わせの関係などにより、屋外に設置して使用するのが一般的である。
【０００３】
燃料電池システムを構成する水素生成装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとし、原料ガスと水とを改質触媒を用いて水蒸気改質反応させることによって、水素やメタン、一酸化炭素（１０〜１５％程度）、二酸化炭素や水蒸気を成分とする改質ガスを生成する改質部と、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除去部とを備えている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池を用いる場合は、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、一酸化炭素除去部は、変成触媒を用いたシフト反応により一酸化炭素を０．５％程度まで除去する変成部と、選択酸化触媒を用いて酸素と混合することで選択酸化反応により一酸化炭素を酸化させて一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する選択酸化部とで構成されているのが一般的である。
【０００５】
水素生成装置は、従来から、小型化、高効率化、起動性向上、運転の安定性向上、そして構造のシンプル化による低コスト化の観点から種々な提案がされている。そして、小型で高効率な水素生成装置のために、改質部や一酸化炭素除去部を一体構造とした上で、その内部に加熱用のバーナを設置することで水素生成装置外への放熱を最低限に抑えて、装置内の熱バランスの最適化を図り、同時に構造の簡素化による低コスト化も図っている。
【０００６】
特許文献１に開示された水素生成装置では、図１３に示すように、燃焼空気筒３１の内側に設けたバーナ３２に空気を供給する燃焼空気供給路３３が燃焼排ガス流路３４と隣接し、熱交換する構成となっている。
【０００７】
ここで、燃焼空気は燃焼排ガスと熱交換し、空気の予熱が可能となっている。空気の予熱に用いられた熱量は、燃焼排ガスを経由して改質触媒の加熱に再利用されることとなるため、改質触媒を適正な温度分布に維持しつつも、改質部を加熱した後の燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収し、水素生成装置自体のエネルギー効率を向上させている。
【０００８】
また、燃焼排ガスはその外側に位置する水蒸発部３５や、さらにその外側の一酸化炭素除去部３６と隣接し、熱交換することで、全体の温度状態が最適な状態となるように構成されている。
【０００９】
しかし、バーナ３２に供給される空気は燃料電池システムの外部、つまり装置設置場所の外気を取り入れて使用することが多いが、外気は昼夜や季節によって温度が変わり、また、地域も考慮するとかなり大きく変わる。
【００１０】
例えば、日本国内だけでも夏場には４０℃となる地域もあれば、冬場に−２０℃となる
地域もある。ここで、水素生成装置に供給する空気の温度が外気に応じて高温から低温まで変わると、燃焼空気供給路３３に隣接して取り入れる空気との熱交換が過剰に行われた場合、温度バランスを保つ燃焼排ガスや水蒸発部３５、一酸化炭素除去部３６が最適な温度状態に維持できなくなる可能性が生じる。
【００１１】
温度が最適な状態を保てなくなると、例えば、一酸化炭素除去部３６の温度が低過ぎたり高過ぎたりすると、一酸化炭素除去触媒の反応特性の関係から一酸化炭素を十分に除去できず、水素生成装置からの生成ガス中の一酸化炭素を増加させ、１０ｐｐｍを超えてしまう他、燃焼排ガスの温度が低くなり排ガスの露点より低下によって、燃焼排ガス流路３４において結露が起こり、結露水における燃焼排ガス流路３４の腐食を生じさせる可能性があった。
【００１２】
特許文献２に開示された水素生成装置では、図１４に示すように、可燃性ガスを含む燃料ガスと燃焼用の空気が供給されるバーナ４と、バーナ４からの燃焼排ガス流路１７を内側に有する第２の円筒２０と、第２の円筒２０の外側に配し原料ガスと水蒸気の供給により水素を含む改質ガスを生成する改質触媒層９と、改質触媒層９からの改質ガス中に含まれる一酸化炭素を除去する変成触媒層１０、および選択酸化触媒層１１とを有する。
【００１３】
そして、燃焼用の空気が供給される空気流路２の外側を燃焼排ガスが流れ、空気流路２と燃焼排ガス流路１７との間に伝熱を抑制する断熱材５が設けられている。
【００１４】
これにより、装置の外気温度が変わりバーナ４に供給する空気温度が変化しても、空気流路２の周囲に設置した断熱材５により、断熱材５のさらに周囲に配置されている燃焼排ガスや水蒸発部８、変成触媒層１０や選択酸化触媒層１１への温度影響を最小限に抑えることができ、それぞれの最適な温度を維持することができるので安定した水素生成装置の運転を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−５５８９２号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４９１４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、空気流路と燃焼排ガス流路との間の伝熱を抑制する断熱構成をとる水素生成装置では、燃焼排ガスの熱によって行われる燃焼用空気の予熱が抑制され、燃焼用空気側へ回収される燃焼排ガスの熱量が減少する。結果として燃焼用空気に回収されず、排気口から排出される燃焼排ガスの熱量が増加し、これによって水素生成装置のエネルギー効率が悪化するという課題があった。
【００１７】
また、このとき、水素生成装置のエネルギー効率低下を回避するためは、燃焼排ガスの熱を回収するために必要な伝熱面積を大きくする必要があり、結果として水素生成装置が大きく、高コストとなる課題があった。
【００１８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、装置の外気温度の変化などによりバーナに供給する空気流路内の空気温度が変化しても、隣接する燃焼排ガスや水蒸発部、一酸化炭素除去部の温度に影響を与えず、安定した運転を実現できる構造としつつ、燃焼排ガスの熱を燃焼空気側に回収し、エネルギー効率の高い水素生成装置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】
【００１９】
上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、原料ガスと水蒸気とが供給されて水蒸気改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去層と、燃料ガスと燃焼用空気とが供給されて燃焼排ガスを出すバーナと、前記燃焼用空気の流れ方向とは逆向きに流れる前記燃焼排ガスと前記燃焼用空気とが熱交換可能な様に前記燃焼用空気の流路と前記燃焼排ガスの流路とを仕切る第１の壁と、前記燃焼排ガスの流れ方向とは逆向きに流れる前記原料ガス及び前記水蒸気と前記燃焼排ガスとが熱交換可能な様に前記燃焼排ガスの流路と前記原料ガス及び前記水蒸気の流路とを仕切る第２の壁と、前記原料ガス及び前記水蒸気の流れ方向とは逆向きに流れる前記改質ガスと前記原料ガス及び前記水蒸気とが熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路と前記改質ガスの流路とを仕切る第３の壁とを備え、前記改質触媒層が、前記燃焼排ガスと熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路の下流側に備えられ、前記一酸化炭素除去層が、前記原料ガス及び前記水蒸気と熱交換可能な様に前記改質ガスの流路の下流側に備えられた水素生成装置であって、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分の周辺部に、前記第１の壁と第２の壁とを介した前記燃焼用空気との熱交換性能が、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と、前記第１の壁と第２の壁とを介した前記燃焼用空気との間の熱交換性能よりも、高くなる部分を有するような構成となっている。
【００２０】
かかる構成により、燃焼排ガスの熱の、燃焼用空気への回収と、一酸化炭層除去層の過度の冷却を防ぎ、温度を安定させることを両立させ、安定して水素を生成でき、かつ、エネルギー効率の高い水素生成装置を構成すること可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、装置の外気温度が変わりバーナに供給する空気温度が変化しても、燃焼排ガスや水蒸発部、変成触媒層や選択酸化触媒層への温度影響を最小限に抑えて、それぞれの最適な温度を維持することができ、かつ燃焼排ガスおよび生成ガスの熱エネルギーを回収、再利用することで、高効率かつ安定した水素生成装置の運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の一例を示す概略断面図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成装置の伝熱促進壁を図１の例よりも空気流路の上流側に延長した例を示す要部概略断面図
【図３】本発明の実施の形態１における水素生成装置の伝熱促進壁の配置を図１の例よりも空気流路の上流側にずらした例を示す要部概略断面図
【図４】本発明の実施の形態１における水素生成装置の伝熱促進壁を空気流路の上流側で燃料ガス供給管に固定した構造の例を示す要部概略断面図
【図５】本発明の実施の形態１における水素生成装置の伝熱促進壁を空気流路の下流側で燃料ガス供給管に固定した構造の例を示す要部概略断面図
【図６】本発明の実施の形態１における水素生成装置の燃焼用空気の流路と燃焼排ガスの流路とを仕切る第１の壁の内周面と外周面の両方に部分的に伝熱促進用の凹凸を設けた例を示す要部概略断面図
【図７】本発明の実施の形態１における水素生成装置の燃焼用空気の流路と燃焼排ガスの流路とを仕切る第１の壁の外周面に部分的に伝熱促進用の凹凸を設けた例を示す要部概略断面図
【図８】本発明の実施の形態１における水素生成装置の燃焼用空気の流路と燃焼排ガスの流路とを仕切る第１の壁の外周面に部分的に伝熱促進用の凹凸を設けた例を示す要部概略断面図
【図９】本発明の実施の形態２における水素生成装置の一例を示す概略断面図
【図１０】本発明の実施の形態２における水素生成装置の変形例を示す要部概略断面図
【図１１】本発明の実施の形態３における水素生成装置の概略断面図
【図１２】本発明の実施の形態４における燃料電池システムの一例を示すブロック図
【図１３】特許文献１に開示された従来の水素生成装置の概略断面図
【図１４】特許文献２に開示された従来の水素生成装置の概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
第１の発明の水素生成装置は、原料ガスと水蒸気とが供給されて水蒸気改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去層と、燃料ガスと燃焼用空気とが供給されて燃焼排ガスを出すバーナと、前記燃焼用空気の流れ方向とは逆向きに流れる前記燃焼排ガスと前記燃焼用空気とが熱交換可能な様に前記燃焼用空気の流路と前記燃焼排ガスの流路とを仕切る第１の壁と、前記燃焼排ガスの流れ方向とは逆向きに流れる前記原料ガス及び前記水蒸気と前記燃焼排ガスとが熱交換可能な様に前記燃焼排ガスの流路と前記原料ガス及び前記水蒸気の流路とを仕切る第２の壁と、前記原料ガス及び前記水蒸気の流れ方向とは逆向きに流れる前記改質ガスと前記原料ガス及び前記水蒸気とが熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路と前記改質ガスの流路とを仕切る第３の壁とを備え、前記改質触媒層が、前記燃焼排ガスと熱交換可能な様に前記原料ガス及び前記水蒸気の流路の下流側に備えられ、前記一酸化炭素除去層が、前記原料ガス及び前記水蒸気と熱交換可能な様に前記改質ガスの流路の下流側に備えられた水素生成装置であって、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分の周辺部に、前記第１の壁と第２の壁とを介した前記燃焼用空気との熱交換性能が、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と、前記第１の壁と第２の壁とを介した前記燃焼用空気との間の熱交換性能よりも、高くなる部分を有するような構成となっている。
【００２４】
かかる構成により、燃焼排ガスの熱の、燃焼用空気への回収と、一酸化炭層除去層の過度の冷却を防ぎ、温度を安定させることを両立させ、安定して水素を生成でき、かつ、エネルギー効率の高い水素生成装置を構成すること可能となる。
【００２５】
第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置において、前記第１の壁を介した前記燃焼用空気の流路から前記燃焼排ガスの流路への伝熱を促進する伝熱促進部を、前記第１の壁において、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分を含む領域を避けて設ける構成とする。
【００２６】
かかる構成により、一酸化炭素除去層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて、一酸化炭素除去層の温度を安定させ、かつ伝熱促進部を介して、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気に回収し、改質触媒の加熱に再利用することで、高効率かつ、安定して水素を生成することが可能となる。
【００２７】
第３の発明は、特に、第２の発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部を、前記第１の壁において、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分よりも、前記燃焼用空気の流路の上流側または下流側に設けた構成とする。
【００２８】
かかる構成により、一酸化炭素除去層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて、一酸化炭素除去層の温度を安定させ、かつ伝熱促進部を介して、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気に回収し、改質触媒の加熱に再利用することで、高効率かつ、安定して水素を生成することが可能となる。
【００２９】
第４の発明は、特に、第２または第３の発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部が、前記第１の壁における前記燃焼用空気と接触する面に近接して設けられる伝熱促進壁と、前記燃焼用空気を前記第１の壁と前記伝熱促進壁との隙間に誘導する誘導部を含む、構成とする。
【００３０】
かかる構成により、燃焼用空気は、第１の壁の近くに沿って流れるように誘導され、また燃焼用空気の流路面積が小さくなることによって流速が上昇し、燃焼用空気から、第１の壁を介した、第３の壁への伝熱を促進することが可能となり、これによって、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気に回収し、改質触媒の加熱に再利用することで、高効率かつ、安定して水素を生成することが可能となる。
【００３１】
第５の発明は、特に、第４の発明の水素生成装置において、前記伝熱促進壁が、前記誘導部を介して前記バーナに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給管に取り付けられる、構成とする。
【００３２】
かかる構成により、伝熱促壁および、誘導部は、バーナおよび燃料ガス供給管と一体で構成される様になり、簡易かつ組み立て易い水素生成装置を構成することが可能となる。
【００３３】
第６の発明は、特に、第２または第３の発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部が、前記第１の壁における前記燃焼用空気と接触する面または前記燃焼排ガスと接触する面の少なくともいずれか一方の表面積を広くする構成とする。
【００３４】
かかる構成により、燃焼用空気から、第１の壁を介した燃焼排ガスへの伝熱面積が増加し、第１の壁を介した、燃焼排ガスから燃焼用空気への伝熱が促進される。これにより、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気に回収し、改質触媒の加熱に再利用することで、高い効率で水素を生成することが可能となる。
【００３５】
第７の発明は、特に、第２から第６のいずれか１つの発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部を、前記一酸化炭素除去層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた構成とする。
【００３６】
かかる構成により、燃焼排ガス流路下流側の排気口の付近において、燃焼排ガスの温度が過度に低下し、結露によって装置の運転が不安定になることを避け、安定して水素を生成することが可能となる。
【００３７】
第８の発明は、特に、第２から第６のいずれか１つの発明の水素生成装置において、前記一酸化炭素除去層が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成触媒層を含み、前記伝熱促進部を、前記変成触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた構成とする。
【００３８】
かかる構成により、一酸化炭素除去層である変成触媒層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて温度を安定させ、安定して水素を生成することが可能となる。
【００３９】
第９の発明は、特に、第２から第６のいずれか１つの発明の水素生成装置において、前記一酸化炭素除去層が、前記改質ガスに酸素が含まれる酸化剤を混合して一酸化炭素を取り除く選択酸化触媒層を含み、前記伝熱促進部を、前記選択酸化触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた構成とする。
【００４０】
かかる構成により、一酸化炭素除去層である選択酸化触媒層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて温度を安定させることが可能
となり、安定して水素を生成することが可能となる。
【００４１】
第１０の発明は、特に、第７から第９のいずれか１つの発明の水素生成装置において、前記伝熱促進部を、前記改質触媒層よりも前記燃焼用空気の上流側に設けた構成とする。
【００４２】
かかる構成により、改質触媒層付近にて、燃焼用空気の流路と燃焼排ガスの流路との熱交換量を小さくすることができ、これによって改質触媒層付近の燃焼排ガスの温度が低下せず、その結果、改質触媒層の加熱が阻害されることを避け、効率よく水素を生成することが可能となる。
【００４３】
第１１の発明は、特に、第２から第６のいずれか１つの発明の水素生成装置において、前記一酸化炭素除去層が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成触媒層と、前記変成触媒層からの変成ガスに酸素が含まれる酸化剤を混合して一酸化炭素を取り除く選択酸化触媒層とに分かれており、前記伝熱促進部を、前記変成触媒層よりも前記燃焼用空気の上流側で前記選択酸化触媒層よりも前記燃焼用空気の下流側に設けた構成とする。
【００４４】
かかる構成により、一酸化炭素除去層である変成触媒層および、選択酸化触媒層に対向する部分への、伝熱促進部を介した、燃焼用空気温度変化の影響を小さく抑えて温度を安定させることが可能となる。
【００４５】
また、選択酸化触媒層へ流入するガスを冷却することにより、選択酸化反応による局所的な温度上昇を緩和し、高温によって選択酸化触媒が劣化することを避け、安定して水素を生成することが可能となる。
【００４６】
第１２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置において、前記第１の壁を介した前記燃焼用空気の流路から前記燃焼排ガスの流路への伝熱を抑制する伝熱抑制部を、前記第１の壁において、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分を含む領域に、設けた構成とする。
【００４７】
かかる構成により、一酸化炭素除去層に対向する部分からの、燃焼用空気への伝熱が抑制され、一酸化炭素除去層への、燃焼用空気の温度変化の影響を小さく抑えて温度を安定させ、安定して水素を発生することが可能となる。
【００４８】
第１３の発明は、特に、第１２の発明の水素生成装置において、前記伝熱抑制部を設ける領域が、前記第１の壁において、前記第３の壁における前記一酸化炭素除去層に対向する部分と最も熱交換しやすい位置にある部分よりも前記燃焼用空気の流路の上流側の領域を含む構成とする。
【００４９】
かかる構成により、燃焼排ガスが装置より排気される排気口の付近において、燃焼排ガスの温度が過度に低下し、結露によって装置の運転が不安定になることを回避し、安定して水素を生成することが可能となる。
【００５０】
第１４の発明は、特に、第１２または第１３の発明の水素生成装置において、前記伝熱抑制部を、前記第１の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面側に設けた構成とする。
【００５１】
かかる構成により、燃焼排ガスと、燃焼用空気との、第１の壁を介した熱交換が抑制され、これにより、一酸化炭素除去層への、燃焼用空気の温度変化の影響を小さく抑え、一酸化炭素除去層の温度を安定させることで、安定して水素を発生することが可能となる。
【００５２】
第１５の発明は、特に、第１４の発明の水素生成装置において、前記伝熱抑制部を、前記第１の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面に設けた断熱材で構成する。
【００５３】
かかる構成により、燃焼排ガスと、燃焼用空気との、第１の壁を介した熱交換が抑制され、これにより、一酸化炭素除去層への、燃焼用空気の温度変化の影響を小さく抑え、一酸化炭素除去層の温度を安定させることで、安定して水素を発生することが可能となる。
【００５４】
第１６の発明は、特に、第１４発明の水素生成装置において、前記伝熱抑制部を、前記第１の壁における前記燃焼用空気の通路と対向する面との間に空気の断熱層を形成する遮熱板で構成する。
【００５５】
かかる構成により、燃焼排ガスと、燃焼用空気との、第１の壁を介した熱交換が抑制され、これにより、一酸化炭素除去層への、燃焼用空気の温度変化の影響を小さく抑え、一酸化炭素除去層の温度を安定させることで、安定して水素を発生することが可能となる。
【００５６】
第１７の発明は、特に、第１から第１６のいずれか１つの発明の水素生成装置を、最内部に前記バーナを配置し、前記バーナの外側に前記第１の壁を配置し、前記第１の壁の外側に前記第２の壁を配置し、前記第２の壁の外側に前記第３の壁を配置した構成とする。
【００５７】
かかる構成により、高温となるバーナを、構成の中心に置き、周囲を相対的に低温となる流路で囲うことにより、水素生成装置の表面温度上昇を抑え、放熱が少なく高効率の水素生成装置を構成することが可能となる。
【００５８】
第１８の発明は、特に、第１７の発明の水素生成装置を、前記第１の壁と、前記第２の壁と、前記第３の壁とを、前記バーナを中心とする同心円状に、配置した構成とする。
【００５９】
かかる構成により、各流路の、流路の流れに垂直な断面において、流路各部と、中心に配置されたバーナからの距離が均等となり、バーナから流路各部へ、均等に熱を伝え、局所的な高温化による触媒の劣化や、熱応力による構造体の損傷を回避することが可能となる。
【００６０】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、特に、第１から第１８のいずれか１つの発明の水素生成装置と、酸素を含む酸化ガスと前記水素生成装置から供給される生成ガスを用いて発電する燃料電池を備える構成とする。
【００６１】
かかる構成により、水素生成装置に置いて、高効率かつ安定して水素を生成でき、これにより、高効率かつ、安定して発電のできる燃料電池システムを構成することが可能となる。
【００６２】
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。
【００６３】
（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概略断面図である。
【００６４】
本実施の形態の水素生成装置は、図１に示すように、燃料ガス供給部１より供給された燃料ガスと、空気ファン３から第１の壁である第１の円筒２１の内側に形成された空気流路２を通り供給された空気とを混合して火炎を形成するバーナ４を有している。
【００６５】
バーナ４で生じた燃焼排ガスは、第１の円筒２１とその第１の円筒２１の外側に位置す
る第２の壁である第２の円筒２０との間に形成された燃焼排ガス流路１７を流れ、排気口１３より装置外に排気される。
【００６６】
ここで、第１の円筒２１の内側の空気流路２には、円筒状の伝熱促進壁２２および誘導部２３が、一酸化炭素除去層である変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１を避けた位置である、空気流路２の下流側に配置されており、空気ファン３からの空気は、伝熱促進壁２２と第１の円筒２１の間を流れる構成となっている。
【００６７】
伝熱促進壁２２および誘導部２３の設置位置は、空気流路２の、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１付近を避けた位置であればどこでもよく、図１に示す空気流路２の下流側だけでなく、上流側に設置してもよい。
【００６８】
第２の円筒２０の外側には、原料ガス供給部６からの原料ガスと水供給部７からの水が供給される水蒸発部８が設けられている。水蒸発部８は、第２の円筒２０とその外側に配置された第３の壁である第３の円筒２５とで形成されている。水蒸発部８から送出される原料ガスと水蒸気の混合ガスは第２の円筒２０の外側で水蒸発部８の下部に位置する改質触媒層９に供給される。
【００６９】
改質触媒層９から送出される改質ガスは、水蒸発部８の外側に配置した一酸化炭素除去層である変成触媒層１０に供給され、さらに変成触媒層１０から送出される変成ガスは、水蒸発部８の外側で変成触媒層１０の上部に位置する、同じく一酸化炭素除去層である選択酸化触媒層１１に選択酸化空気供給部１５からの空気と混合された後、供給される。
【００７０】
選択酸化触媒層１１を出た生成ガスは、生成ガス出口１２より水素生成装置から一酸化炭素１０ｐｐｍ以下となった高濃度の水素を含有する生成ガスとして送出される。
【００７１】
上記の通り構成された水素生成装置では、高温となるバーナ４を装置の中心に配置し、周囲を相対的に低温となる流路や触媒層で囲うこととなり、水素生成装置の表面温度上昇を抑え、放熱が少なく高効率の水素生成装置を構成することが可能となる。
【００７２】
また、本実施の形態では、装置の容器は円筒で構成されており、流路各部は、中心に配置されたバーナ４から均等に過熱され、局所的な高温化による触媒の劣化や、熱応力による構造体の損傷を回避し、安定して水素を生成することが可能となる。
【００７３】
なお、一酸化炭素除去層は、触媒反応によって改質ガス中の一酸化炭素を除去できるものであれば何でも良く、変成触媒層１０と選択酸化触媒層１１の２層構成に限定するものではない。
【００７４】
ここで、改質触媒層９からの改質ガスの温度を改質ガス温度センサ１４で検知し、バーナ４に供給する燃料ガスと空気量を燃料ガス供給部１と空気ファン３によりコントロールすることができるようになっている。
【００７５】
なお、燃料ガス供給部１や空気ファン３、原料ガス供給部６、水供給部７や選択酸化空気供給部１５は各々の供給物（燃料ガス、原料ガス、水、オフガスなどの可燃性ガスや空気）の流量を調整可能に構成されており、供給物の吐出流量を変更可能な供給ポンプ（駆動手段）であっても良く、また供給物の供給源と下流側の流路に設けられた供給物の流量調整用バルブとを組み合わせた流体機構であっても良い。
【００７６】
また、改質ガス温度センサ１４は、改質触媒層９からの改質ガス温度を代表して測定できる場所（例えば変成触媒層１０出口近傍）に設置したサーミスタや熱電対など温度測定
が可能なものであればよい。
【００７７】
次に、上記構成において水素生成装置の各部動作を説明する。
【００７８】
バーナ４では、燃料ガスと空気との混合が行われ、その混合ガスに高電圧の放電を行う（構成を図示せず）ことで火炎を形成し、高温の燃焼排ガスをつくり出して第２の円筒２０と第１の円筒２１との間の燃焼排ガス流路１７に供給している。
【００７９】
水と原料ガスが供給された水蒸発部８は、第２の円筒２０の内側を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて水の蒸発が行われ、同時に水蒸発部８の同じ流路内を流れる原料ガスとの混合が行われ、混合ガスとして改質触媒層９に供給される。
【００８０】
改質触媒層９は第２の円筒２０の内側を流れる高温の燃焼排ガスにより高温化（一般に６００〜７００℃）されており、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給されることで、水蒸気改質反応により水素や一酸化炭素、二酸化炭素などを含んだ改質ガスを生成する。
【００８１】
変成触媒層１０は、第２の円筒２０の内側を流れる燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部８によりシフト反応に最適な温度（１５０〜３００℃）に加熱維持されて、改質ガス中の高濃度の一酸化炭素（１０〜１５％）を二酸化炭素に変えることで一酸化炭素の低濃度（０．５％前後）化を行っている。
【００８２】
選択酸化触媒層１１も第２の円筒２０の内側を流れる燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部８により選択酸化反応に最適な温度（１５０℃前後）に維持され、変成ガスに選択酸化空気供給部１５からの空気を混合することで変成ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により１０ｐｐｍ以下の極低濃度の状態を実現している。
【００８３】
ここで、簡易な構成と制御で各触媒層が最適な温度状態が実現できるように、本水素生成装置は改質触媒層９出口の改質ガス温度を一定に制御している。
【００８４】
つまり、改質触媒層９と変成触媒層１０、選択酸化触媒層１１が一体化したシンプルな構造体構成において、改質ガス温度センサ１４からの出力に応じて燃料ガス供給部１と空気ファン３を制御することで、バーナ４での燃焼量を変化させ、改質ガス温度センサ１４の出力が一定となるようにしている。
【００８５】
改質ガス温度センサ１４の温度が一定であれば、変成触媒層１０に供給される改質ガス温度は一定となり、さらに変成触媒層１０の温度が一定であれば、選択酸化触媒層１１に供給される変成ガス温度も一定となる。
【００８６】
したがって、改質ガス温度センサ１４を一定制御すれば、改質触媒層９から選択酸化触媒層１１まで全体を触媒反応に最適な温度に維持することができるため、安定した水素の生成と一酸化炭素除去を実現している。
【００８７】
ここで、改質触媒層９の温度は、バーナ４からの改質触媒層９の内側、つまり第２の円筒２０の内側を流れる燃焼排ガスの温度と改質触媒層９の周囲を流れる改質触媒層９を出た改質ガスによって決まるが、改質ガス温度センサ１４は改質触媒層９を出た改質ガスの温度を検知しているため改質触媒層９の周囲を流れる改質ガスの温度も制御していることになる。
【００８８】
したがって、この改質ガス温度センサ１４を一定温度に制御すれば改質触媒層９全体の温度を安定な温度に維持することができる。
【００８９】
一方、変成触媒層１０や選択酸化触媒層１１は、周囲が高性能の断熱材１８により覆われ、さらに断熱材１８で覆われている水素生成装置はシステムの筐体内に配置されているため、変成触媒層１０や選択酸化触媒層１１の温度は、燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部８により温度が決まる。
【００９０】
ここで、バーナ４は改質触媒層９の上流部近傍に位置するため、改質触媒層９の上方に位置する水蒸発部８の内側の燃焼排ガス流路１７の内側には、バーナ４に供給する空気流路２が位置している。
【００９１】
ここで、空気流路２を流れる空気は、燃焼排ガス流路１７を流れる燃焼排ガスと熱交換し、空気の予熱が可能となっている。空気の予熱に用いられた熱量は、燃焼排ガスを経由して改質触媒の加熱に再利用されることとなるため、改質触媒を適正な温度分布に維持しつつも、燃焼排ガス流路１７の改質触媒層９付近から排出される燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収し、水素生成装置自体のエネルギー効率を向上させることができる。
【００９２】
ここで、空気は装置外側の外気から取り入れられるが、外気は季節や地域によって低温から高温（例えば、−２０〜４０℃）に変化するが、このとき、燃焼排ガスの温度は、空気ファン３で供給された空気流路２を流れる空気の影響を受け、燃焼排ガスの温度変化が生じる。
【００９３】
また、燃焼排ガスの温度変化は、水蒸発部８の温度変化を引き起こし、変成触媒層１０や選択酸化触媒層１１の温度を変化させる。
【００９４】
このとき、改質触媒層９出口の温度は、一定となるよう制御されているため、改質触媒層９出口から離れており、外気温により温度が変動する空気の入り口近くに位置する選択酸化触媒層１１や、選択酸化触媒層１１後の生成ガスが、より大きく空気の温度変化の影響を受ける。
【００９５】
そして、変成触媒層１０や選択酸化触媒層１１の温度が変化すると、触媒反応のための最適な温度を外れてしまう可能性がある。
【００９６】
最適な温度を離れると、変成ガス中の一酸化炭素濃度が増え、また選択酸化触媒層１１後の生成ガス中の一酸化炭素濃度が増え、水素生成装置の安定した生成ガス状態を維持できなくなる可能性がある。
【００９７】
また、空気との熱交換する燃焼排ガス温度も、温度一定に制御されている改質触媒層９から離れ、温度が室温に近い程度まで低下している燃焼排ガス出口部付近において、空気の温度の影響を受けて温度が低下し、燃焼排ガスの露点温度以下となると、燃焼排ガス中の水蒸気が結露し第２の円筒２０や第１の円筒２１の壁面に水滴となって付着する。
【００９８】
付着した水滴は、ある程度集まると重力にしたがって燃焼排ガス流路１７を下部方向の高温部に流れていく。
【００９９】
このとき、ステンレスのような金属材料で構成されている第２の円筒２０や第１の円筒２１の腐食を発生させる可能性がある他、高温部に流れると温度が上昇して蒸発することによって、蒸発潜熱の大きな熱を周囲より奪うため局所的な温度低下を発生させ、触媒の反応性や水蒸発部８の蒸発性能に影響を与え、水素生成装置が機能しなくなる可能性が考えられる。
【０１００】
このため、空気流路２と燃焼排ガス流路１７は、過度に熱交換が行われないような構成がとられるが、このとき同時に、空気の予熱も阻害され、燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができず、水素生成装置自体のエネルギー効率が低下してしまうという問題がある。
【０１０１】
そこで、本発明では、空気流路２に、外気の温度によって変動する、空気ファン３から供給される空気の温度変化による影響を受けにくい、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１よりも高温側の位置に、伝熱促進壁２２および、誘導部２３を設置している。
【０１０２】
このように構成することで、バーナ４に供給される空気を、燃焼排ガス流路１７と接する第１の円筒２１に沿う流れとなるように導き、また同時に流速を上昇させることで、空気流路２と燃焼排ガス流路１７の熱交換を促進し、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効に回収することができるようになり、その結果、水素生成装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【０１０３】
なお、伝熱促進壁２２および誘導部２３の形状は、空気を第１の円筒２１壁面付近に誘導できる形状であればよい。
【０１０４】
例えば、図１に示す伝熱促進壁２２における空気流路２の上流端部を誘導部２３によって燃料ガス供給管１９に固定すると共に伝熱促進壁２２における空気流路２の下流端部も燃料ガス供給管１９に固定した形状を、図４に示す伝熱促進壁２２における空気流路２の上流端部のみを誘導部２３によって燃料ガス供給管１９に固定した形状にしてもよい。
【０１０５】
また、図５に示す伝熱促進壁２２における空気流路２の下流端部のみを誘導部２３によって燃料ガス供給管１９に固定した形状であってもよい。
【０１０６】
また、伝熱促進壁２２および誘導部２３は、燃料ガス供給管１９に取り付けられてその位置を保持されることが好ましい。なぜならば、燃料ガス供給管１９と一体とすることによって構成が簡易化され、第１の円筒２１に対し、バーナ４と燃料ガス供給管１９と、伝熱促進壁２２および誘導部２３を、一体に構成された部品として差し込んで組み立てることができ、組み立てやすい水素生成装置を構成することができるためである。
【０１０７】
なお、空気流路２と燃焼排ガス流路１７の熱交換を促進する構成としては、図６に示すように、第１の円筒２１を部分的に波状に加工した構成であってもよい。
【０１０８】
なぜならば、波状加工部分において、第１の円筒２１の表面積が周囲より大きくなり、波状の領域において、空気流路２と燃焼排ガス流路１７との熱交換が促進され、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効に回収することができるためである。
【０１０９】
また、空気流路２と燃焼排ガス流路１７の熱交換を促進する構成としては、図７、図８に示すように、第１の円筒２１の外周面または内周面を部分的に削って凸凹にした構成であってもよい。
【０１１０】
なぜならば、第１の円筒２１の外周面または内周面を部分的に削って凸凹にした部分において、第１の円筒２１の表面積が周囲より大きくなり、空気流路２と燃焼排ガス流路１７との熱交換が促進され、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効に回収することができるためである。
【０１１１】
なお、伝熱促進壁２２および誘導部２３の設置位置は、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１付近より、空気流路２の下流側に配置することが好ましい。なぜならば、燃焼
排ガス流路１７の下流側を避けた配置とすることで、排気口１３付近で、燃焼排ガスの温度が過度に低下し、結露によって装置の運転が不安定になることを避け、安定して水素を生成することができるためである。
【０１１２】
なお、伝熱促進壁２２と誘導部２３の設置位置は、選択酸化触媒層１１の温度分布が反応に最適な範囲に保たれる熱バランスであれば、図２に示すように、選択酸化触媒層１１付近よりも、空気流路２の下流側で、変成触媒層１０付近を含む位置であってもよい。
【０１１３】
なぜならば、空気ファン３から供給された空気の温度変化の影響は、空気の入り口に近い選択酸化触媒層１１において大きいが、伝熱促進壁２２と誘導部２３を、選択酸化触媒層１１付近よりも、空気流路２の下流側に配置することにより、外気温の変動よって空気ファン３から供給される空気の温度が変動した場合にも、選択酸化触媒層１１の温度が最適な温度範囲に保たれ、安定して水素を生成することができるためである。
【０１１４】
なお、伝熱促進壁２２と誘導部２３の設置位置は、改質触媒層９付近よりも、空気流路２の上流側の位置に配置されることが好ましい。
【０１１５】
なぜならば、改質触媒層９付近にて、空気流路２と燃焼排ガス流路１７との熱交換量を小さくすることができ、これによって改質触媒層９付近の燃焼排ガスの温度が低下せず、その結果、改質触媒層９の加熱が阻害されることを避け、効率よく水素生成をすることができるためである。
【０１１６】
なお、伝熱促進壁２２と誘導部２３の設置位置は、選択酸化触媒層１１の温度分布が反応に最適な範囲に保たれる熱バランスであれば、図３に示すように、選択酸化触媒層１１付近よりも、空気流路２の下流側で、変成触媒層１０付近よりも、空気流路２の上流側の位置であってもよい。
【０１１７】
なぜならば、伝熱促進壁２２および誘導部２３が、選択酸化触媒層１１および変成触媒層１０を避けた位置に配置されることで、外気温の変動よって空気ファン３から供給される空気の温度が変動した場合にも、選択酸化触媒層１１および変成触媒層１０の温度が最適な温度範囲に保たれ、安定して水素を生成することができる。
【０１１８】
さらに、選択酸化触媒層１１に流入する変成ガスを、第１の円筒２１、第２の円筒２０および第３の円筒２５を介し、空気ファン３から供給された空気との熱交換によって冷却することができ、選択酸化空気供給部１５から供給される空気と変成ガスとの選択酸化反応による選択酸化触媒層１１の局所的な温度上昇を緩和し、高温によって選択酸化触媒が劣化することを避け、安定して水素を生成することができるためである。
【０１１９】
（実施の形態２）
図９は本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略断面図である。
【０１２０】
実施の形態１の構成と異なる点は、伝熱促進壁２２および誘導部２３が設けられておらず、第１の円筒２１内側の空気流路２の、変成触媒層１０より上部低温度側の位置に、断熱抑制部である円筒状の断熱材５が設置されており、空気ファン３からの空気はこの断熱材５の内側を流れる構成となっている。
【０１２１】
変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１は、燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部８により温度が決まり、燃焼排ガス流路１７を流れる燃焼排ガスの温度は、空気流路２を流れる空気と断熱材５を介して行われる熱交換によって決まる。
【０１２２】
ここで、燃焼排ガスと空気ファン３から供給される空気は、外気温度によって変動し、これによって、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１の温度は、空気の温度変化による影響を受けるため、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１は、燃焼排ガスと空気ファン３から供給される空気と、過度に熱交換が行われないように構成することが好ましいが、このとき、同時に空気の余熱も阻害され、燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができず、水素生成装置自体のエネルギー効率が低下してしまうという問題がある。
【０１２３】
そこで、本実施の形態では、第１の円筒２１内面の一部で、変成触媒層１０および、選択酸化触媒層１１付近を含む領域に、伝熱抑制部である断熱材５を配置している。
【０１２４】
このように構成することで、外気温の変動よって空気ファン３から供給される空気の温度が変動した場合にも、選択酸化触媒層１１および変成触媒層１０の温度が最適な温度範囲に保たれ、安定して水素を生成することができる。
【０１２５】
また同時に、空気流路２の、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１付近から離れた領域では、燃焼排ガス流路１７を流れる燃焼排ガスと、空気流路２を流れる空気との熱交換が効率よく行われるようになり、空気の予熱によって燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができ、その結果、水素生成装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【０１２６】
なお、第１の円筒２１に設置される断熱材５は、燃焼排ガス流路１７と空気流路２との熱交換を抑制するものであれば良く、第１の円筒２１の内面だけでなく、外面に設置しても良い。
【０１２７】
なお、空気流路２に設置される断熱材５は、空気流路２と燃焼排ガス流路１７との伝熱を抑制する構成であれば何でも良く、例えば図１０に示すような遮熱板２４であってもよい。なぜならば、遮熱板２４によって、流れのない、よどみ領域が形成され、よどみ領域によって、空気流路２と燃焼排ガス流路１７との熱交換が抑制されるためでる。
【０１２８】
（実施の形態３）
図１１は本発明の実施の形態３における水素生成装置の概略断面図である。
【０１２９】
本実施の形態の水素生成装置は、図１１に示すように、複数の平板形状の容器で構成され、改質部容器４４と、燃焼容器４３とを少なくとも有し、改質部容器４４は、改質触媒層９、変成触媒層１０および、選択酸化触媒層１１を容器内部に有しており、燃焼容器４３は、バーナ４、断熱材５、燃料ガス供給管１９を容器内部に有している。
【０１３０】
本実施の形態の水素生成装置の基本的な構成とガスの流れについて、更に詳細を説明する。
【０１３１】
本実施の形態の水素生成装置は、水供給部７から供給される水を蒸発させるとともに、原料ガス供給部６より供給される原料ガスと水蒸気の混合ガスを予熱する水蒸発部８を備える。
【０１３２】
また、原料ガスと、水蒸気との改質反応を進行させる改質触媒層９と、改質触媒層９で生成した改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、改質ガスの、一酸化炭素濃度を低減させる変成触媒層１０を有している。
【０１３３】
また、変成触媒層１０を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、選択酸化空気供給部１５から変成触媒層１０を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用
いて、主に酸化させて除去する選択酸化触媒層１１を有している。
【０１３４】
なお、変成触媒層１０、選択酸化触媒層１１により、一酸化炭素低減部が構成されている。
【０１３５】
改質触媒層９には、直径約３ｍｍの球状触媒を有するＲｕ系の改質触媒が設けられている。また、変成触媒層１０には、直径約３ｍｍで高さ３ｍｍの円筒形状を有するＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒が設けられている。また、選択酸化触媒層１１には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。
【０１３６】
また、改質触媒層９における改質反応に必要な反応熱を供給するため、燃焼容器４３には、燃焼ガスを燃焼させ、加熱源となるバーナ４を有し、バーナ４には、空気ファン３より燃料用空気が供給され、また燃料ガス供給部１より、燃料が供給される。
【０１３７】
そして、上記構成を有する水素生成装置によって生成された水素含有ガスは、生成ガス出口１２から、外部に設置される燃料電池（図示せず）などに供給され、燃料電池の発電に使用される。
【０１３８】
また、バーナ４で発生させた燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路１７へ導かれ、改質触媒層９および、水蒸発部８に、燃焼排ガスの熱が、改質部容器４４および燃焼容器４３の接する壁面である、第２の壁４０を介して供給される。そして、燃焼排ガスは、燃焼容器４３下部の排気口から、水素生成装置の外部へ排気される。
【０１３９】
ここで、改質触媒層９の温度は、バーナ４から、燃焼排ガス流路１７を流れる燃焼排ガスの温度と、同じく改質触媒層９に隣接して流れる、改質触媒層９を出た改質ガスの温度によって決まるが、改質ガス温度センサ１４は改質触媒層９を出た改質ガスの温度を検知しており、改質触媒層９から出た改質ガスの温度も制御していることになるため、この改質ガス温度センサ１４を一定温度に制御すれば改質触媒層９全体の温度を安定な温度に維持することができる。
【０１４０】
一方、変成触媒層１０や選択酸化触媒層１１は、周囲が高性能の断熱材１８により覆われ、さらに断熱材１８で覆われている水素生成装置はシステムの筐体内に配置されているため、変成触媒層１０や選択酸化触媒層１１の温度は、燃焼排ガスとの熱交換により熱バランスした水蒸発部８により温度が決まる。
【０１４１】
ここで、バーナ４は改質触媒層９の上流部近傍に位置するため、改質触媒層９の下方に位置する水蒸発部８に隣接する、燃焼排ガス流路１７の、改質部容器４４と反対側の位置には、バーナ４に供給する空気流路２が位置している。
【０１４２】
ここで、空気流路２を流れる空気は、燃焼排ガス流路１７を流れる燃焼排ガスと熱交換し、空気の予熱が可能となっている。
【０１４３】
空気の予熱に用いられた熱量は、燃焼排ガスを経由して改質触媒の加熱に再利用されることとなるため、改質触媒を適正な温度分布に維持しつつも、燃焼排ガス流路１７の改質触媒層９付近から排出される燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収し、水素生成装置自体のエネルギー効率を向上させることができる。
【０１４４】
ここで、燃焼排ガスと空気ファン３から供給される空気は、外気温度によって変動し、これによって、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１の温度は、空気の温度変化による影響を受けるため、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１の温度は、燃焼排ガスと
空気ファン３から供給される空気と、過度に熱交換が行われないように構成することが好ましいが、このとき、同時に空気の余熱も阻害され、燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができず、水素生成装置自体のエネルギー効率が低下してしまうという問題がある。
【０１４５】
そこで、本実施の形態では、第１の壁４１の空気流路２に対向する側の面の一部で、変成触媒層１０および、選択酸化触媒層１１付近を含む領域、伝熱抑制部である断熱材５を配置している。
【０１４６】
このように構成することで、外気温の変動よって空気ファン３から供給される空気の温度が変動した場合にも、選択酸化触媒層１１および変成触媒層１０の温度が最適な温度範囲に保たれ、安定して水素を生成することができる。
【０１４７】
また同時に、空気流路２の、変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１付近から離れた領域では、燃焼排ガス流路１７を流れる燃焼排ガスと、空気流路２を流れる空気との熱交換が効率よく行われるようになり、空気の予熱によって燃焼排ガスのエネルギーを有効に回収することができ、その結果、水素生成装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【０１４８】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４における燃料電池システムについて、図１２を用いて説明する。図１２は実施の形態４における燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【０１４９】
図１２に示すように、実施の形態４に係る燃料電池システム５００は、水素生成装置１００と、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池４００を備える。
【０１５０】
水素生成装置１００は、これまでに実施の形態１から３で述べたいずれかの水素生成装置である。燃料電池４００は、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池であれば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池など、いずれの燃料電池でも構わない。
【０１５１】
以上により、小高効率かつ、安定して発電のできる燃料電池システムを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明の水素生成装置は、装置設置の外気温が大きく変化する条件下でも、水素生成装置のエネルギー効率を低下させること無く、極低濃度まで一酸化炭素を低減した高濃度の水素含有ガスを安定して供給することができ、例えば、家庭用の燃料電池システムへの水素含有の生成ガスを供給する装置として有用である。
【符号の説明】
【０１５３】
１  燃料ガス供給部
２  空気流路
３  空気ファン
４  バーナ
５  断熱材
６  原料ガス供給部
７  水供給部
８  水蒸発部
９  改質触媒層
１０  変成触媒層
１１  選択酸化触媒層
１２  生成ガス出口
１３  排気口
１４  改質ガス温度センサ
１５  選択酸化空気供給部
１７  燃焼排ガス流路
１８  断熱材
１９  燃料ガス供給管
２０  第２の円筒
２１  第１の円筒
２２  伝熱促進壁
２３  誘導部
２４  遮熱板
２５  第３の円筒
４０  第２の壁
４１  第１の壁
４３  燃焼容器
４４  改質部容器
１００  水素生成装置
４００  燃料電池
５００  燃料電池システム
【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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【図１４】
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