(57)【要約】【課題】  軽量でありかつ熱容量が小さい高性能のガス混合器を備えた、水素生成効率及び応答性に優れる水素生成装置を提供する。【解決手段】  水素生成装置が、２以上の成分を含有する混合ガスが流通する混合ガス流路９と、各々の始端が前記混合ガス流路から分岐し各々の終端が互いに合流する第１の流路及び第２の流路と、前記第１の流路に設けられ該第１の流路を流れる混合ガスを第１の方向に旋回させる第１の旋回手段４５ａ〜４５ｄと、前記第２の流路に設けられ該第２の流路を流れる混合ガスを第１の方向と反対の第２の方向に旋回させる第２の旋回手段４６ａ〜４６ｄと、前記合流した第１の流路及び第２の流路の終端から流出する前記混合ガスを化学反応させて水素を生成する水素生成部とを備えている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の成分を含有する混合ガスが流通する混合ガス流路と、
各々の始端が前記混合ガス流路から分岐し各々の終端が互いに合流する第１の流路及び第２の流路と、
前記第１の流路に設けられ該第１の流路を流れる混合ガスを第１の方向に旋回させる第１の旋回手段と、
前記第２の流路に設けられ該第２の流路を流れる混合ガスを第１の方向と反対の第２の方向に旋回させる第２の旋回手段と、
前記合流した第１の流路及び第２の流路の終端から流出する前記混合ガスを化学反応させて水素を生成する水素生成部と、
を備えた、水素生成装置。
【請求項２】
前記第１の流路及び前記第２の流路は、前記混合ガスが、前記第１の流路の終端及び第２の流路の終端からの混合ガスの流出方向に垂直な平面内を流れながら、それぞれ、前記第１の方向の旋回及び前記第２の方向の旋回を行うように形成されている、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記第１の流路及び前記第２の流路が、それぞれ、互いに一致する中心軸を有し、外周面が開放され、かつ中心に円形の開口を有する中空状に形成され、前記外周面が始端たる入口を構成するとともに前記開口が終端たる出口を構成しており、
前記第１の旋回手段が前記第１の流路の内部空間を前記中心軸に沿う方向に仕切りかつ該内部空間の外周から内方へ終端が始端に対して半径方向から前記第１の方向にずれるように延びる複数の隔壁で構成され、
前記第２の旋回手段が前記第２の流路の内部空間を前記中心軸に沿う方向に仕切りかつ該内部空間の外周から内方へ終端が始端に対して半径方向から前記第２の方向にずれるように延びる複数の隔壁で構成されている、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記隔壁の始端に対する終端のずれが、前記中心軸の周りの回転角度において、４５°〜９０°の範囲の回転角度である、請求項３記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記第１の流路及び前記第２の流路と、前記第１の旋回手段及び前記第２の旋回手段とが、前記中心軸に沿って、それぞれ複数形成されている、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記第１の流路及び前記第２の流路は、前記混合ガスが、前記第１の流路の終端及び第２の流路の終端からの混合ガスの流出方向に平行な筒状の面内を流れながら、それぞれ、前記第１の方向の旋回及び前記第２の方向の旋回を行うように形成されている、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記第１の流路及び前記第２の流路が、それぞれ、前記中心軸を中心軸として共有しかつ環状の断面を有する筒状に形成され、一方の側の各々の端面が始端たる入口を構成するとともに他方の側の各々の端面が終端たる出口を構成しており、
前記第１の旋回手段が前記第１の流路の筒状の内部空間を前記第１の方向に旋回するようにして螺旋状に仕切る複数の隔壁で構成され、
前記第２の旋回手段が前記第１の流路の筒状の内部空間を前記第２の方向に旋回するようにして螺旋状に仕切る複数の隔壁で構成されている、請求項６記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記隔壁の始端から終端までの旋回角度が４５°〜９０°の範囲の旋回角度である、請求項７記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記隔壁で区画された旋回流路の出口が一部閉鎖されている、請求項８記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記第１の流路と前記第２の流路とが円筒状の分割隔壁で隔てられるようにして形成され、前記第１の流路及び前記第２の流路のいずれかの前旋回流路の出口が閉鎖され、前記分割隔壁の該閉鎖された出口の近傍部分に開口が形成されている、請求項９記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記第１の流路及び前記第２の流路が、前記中心軸に沿って、それぞれ、複数形成され、前記混合ガスの流れにおいて上流側に位置する前記第１の流路及び前記第２の流路の終端が下流側に位置する前記第１の流路及び前記第２の流路の始端に接続されている、請求項６記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記混合ガスが少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物と水とが混合した混合ガスであり、前記化学反応が前記有機化合物と水とが混合した混合ガスから水素を生成する水蒸気改質反応であり、前記水素生成部が前記水蒸気改質反応により水素を豊富に含有する改質ガスを生成する改質反応部であって、
前記第１の旋回手段及び前記第２の旋回手段が前記改質反応部の上流に配設され、
前記合流した第１の流路及び第２の流路の終端から流出する前記混合ガスが前記改質反応部に供給されて水素を生成する、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項１３】
前記混合ガスが前記改質ガスと酸素とが混合した混合ガスであり、酸素を用いて一酸化炭素を二酸化炭素に変換する選択酸化反応により前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する選択酸化反応部を前記水素生成部に代えて備え、
前記第１の旋回手段及び前記第２の旋回手段が前記選択酸化反応部の上流に配設され、
前記合流した第１の流路及び第２の流路の終端から流出する前記混合ガスが前記選択酸化反応部に供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する、請求項１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、少なくとも炭素及び水素からなる有機化合物を含有する原料と水とを化学反応させて水素を生成し、この水素を燃料電池に供給する水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能な分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムという）が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムには、その発電部の本体として、燃料電池が配設されている。この燃料電池の多く、例えば、既に実用化されているリン酸型燃料電池（略称、ＰＡＦＣ）や、現在開発が進められている固体高分子型燃料電池（略称、ＰＥＦＣ）は、発電のための燃料として水素を用いる。しかしながら、この水素の供給手段は、現在、インフラストラクチャーとして整備されていない。そのため、燃料電池システムには、通常、発電の際に必要となる水素を生成するための水素生成装置が設けられている。この水素生成装置では、メタンガス等の炭化水素系の原料と水とが用いられて、水素を豊富に含む改質ガスが生成される。燃料電池は、この水素生成装置で生成される改質ガスと空気とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。
【０００４】
水素生成装置における水素の生成方法としては、水蒸気改質法が一般的に用いられている。この水蒸気改質法では、水蒸気改質反応により改質ガスが生成される。この水蒸気改質反応は、例えば、水素を生成するための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℃〜８００℃程度の高温条件下で化学反応させることにより水素を主成分とする改質ガスを生成する、種々ある水素生成反応の１つの化学反応である。
【０００５】
従来の水素生成装置の具体的な構成例としては、例えば、多重同心円筒状の構成を有する水素生成装置がある。
【０００６】
図１８は、原料と水蒸気とを均一に混合可能な水素生成装置の一例の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図１８中に示す矢印は、原料や水蒸気等のガスが流れる方向を示している。
【０００７】
図１８に示すように、原料と水蒸気とを均一に混合することが可能な水素生成装置３００は、多重同心円筒状の構成を備えている。即ち、この水素生成装置３００は、水蒸気改質反応を進行させるための高温状態の燃焼ガスを生成する燃焼バーナー１６と、水が供給されると共に燃焼バーナー１６により加熱されて湿り水蒸気又は水蒸気を生成する加熱器１７及び１８とを備えている。又、この水素生成装置３００は、燃焼バーナー１６を中心とした複数の同心円筒１９〜２８により構成される複数の円環状空間に、燃焼バーナー１６によって生成した高温状態の燃焼ガスが通過する燃焼ガス用流路２９と、原料と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応の前に予熱するための予熱層３０と、所定の反応温度に加熱されて水蒸気改質反応を進行させる改質触媒層３１と、この改質触媒層３１において生成した高温状態の改質ガスの温度を低下させるために熱を回収する熱回収層３２と、この熱回収層３２により冷却された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を所定の化学反応により低減するための変成触媒層３３と、この変成触媒層３３により一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスと選択酸化反応用の空気を供給する空気供給部３４から取り入れた空気とを混合するための第１の混合層３５及び第２の混合層３６と、これらの第１の混合層３５及び第２の混合層３６を通過して空気が混合された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を選択酸化反応により更に低減するための第１の選択酸化触媒層３７及び第２の選択酸化触媒層３８とを、燃焼バーナー１６を中心として同心円筒状に備えている。そして、図１８に示すように、この水素生成装置３００では、予熱層３０と熱回収層３２と第１の混合層３５及び第２の混合層３６とが、原料と水蒸気又は空気との混合促進のためのセラミック球が充填された充填体により構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
このように構成された水素生成装置３００では、水蒸気改質反応において使用される水は、加熱器１７若しくは加熱器１８に供給されて少なくともその一部が気化し、加熱器１７又は加熱器１８から排出された水（温水）は、図１８では特に図示しない混合部において原料としての都市ガスと混合された後、同心円筒２５と同心円筒２６との間、及び、同心円筒２４と同心円筒２５との間の各々の空間を移動する間に完全に気化して、都市ガスと混合される。そして、この都市ガスと水蒸気との混合ガスは、予熱層３０を通過する際に十分に混合された後に改質触媒層３１に供給され、この改質触媒層３１が燃焼ガス用流路２９を流れる燃焼ガスによって加熱されて進行する水蒸気改質反応に利用される。この水蒸気改質反応によって生成された改質ガスは、その後、熱回収層３２を通過して所定の温度にまで冷却された後に変成触媒層３３に供給される。そして、この変成触媒層３３において進行する変成反応により、改質ガスに含有される一酸化炭素の多くが除去される。この一酸化炭素の多くが除去された改質ガスは、更にその後、少量含まれる一酸化炭素の殆どを除去するために、第１の混合層３５において空気供給部３４から供給される空気と十分に混合された後、第１の選択酸化触媒層３７に供給される。そして、この第１の選択酸化触媒層３７において進行する選択酸化反応によって、改質ガスに含有される一酸化炭素の殆どが燃焼により除去される。又、第１の選択酸化触媒層３７によって除去し得なかった一酸化炭素を除去するために、第２の混合層３６により濃度が均一化された改質ガスが第２の選択酸化触媒層３８に供給され、この第２の選択酸化触媒層３８において一酸化炭素が更に除去される。一酸化炭素が十分に除去された改質ガスは燃料電池に供給され、この燃料電池における発電のための化学反応に利用される。
【０００９】
この図１８に示す水素生成装置３００によれば、同心円筒２０と同心円筒２１との間にセラミック球により構成される予熱層３０が配設されており、これにより予熱層３０を通過する流体の流れが乱れるので、都市ガス等の原料と水蒸気とが積極的に混合される。換言すれば、原料と水蒸気との混合ガスの流れが予熱層３０を通過する際にセラミック球の影響を受けて三次元的に入り組んだ流れとなるので、原料と水蒸気との混合が好適に促進される。又、この水素生成装置３００によれば、変成触媒層３３に改質ガスが供給される際、熱回収層３２が有する混合作用によって改質ガスの混合状態が向上するので、変成触媒層３３における変成反応が好適に行われる。更に、この水素生成装置３００によれば、第１の選択酸化触媒層３７及び第２の選択酸化触媒層３８に対して改質ガスが各々供給される際、第１の混合層３５及び第２の混合層３６が有する混合作用によって改質ガスの混合状態が向上するので、第１の選択酸化触媒層３７及び第２の選択酸化触媒層３８における選択酸化反応が好適に進行する。
【００１０】
しかしながら、この水素生成装置３００では、セラミック球が充填されてなる予熱層３０、熱回収層３２、第１の混合層３５、及び第２の混合層３６では、近隣に存在する流体同士の混合性能は比較的良好であるが、比較的離れた位置に存在する流体同士の混合性能は劣っている。具体的に説明すると、例えば、改質反応に用いられる原料及び水蒸気は水素生成装置３００の図１８の右上部から供給されるため、図１８の右側の予熱層３０に供給される流体中の原料及び水蒸気の濃度は、図１８の左側の予熱層３０に供給される流体中の原料及び水蒸気の濃度よりも高い。この場合、予熱層３０における流体中の原料及び水蒸気の濃度をその周方向において均一化しようとしても、その流体を予熱層３０の内部で予熱層３０の鉛直方向における長さよりも遙かに長い円周方向に移動させなければならないので、事実上、予熱層３０において流体中の原料及び水蒸気の濃度を均一化することは困難である。そのため、改質触媒層３１に供給される原料及び水蒸気の濃度はその触媒層の円周方向において不均一に分布することになり、改質触媒層３１における原料及び水蒸気の濃度が低い位置では、改質触媒層３１に過剰に加熱される部分が生じて、改質触媒の劣化につながる。又、改質触媒層３１における原料及び水蒸気の濃度が高い位置では、過剰に存在する水蒸気により十分に改質触媒層３１の温度が上昇せず、水素生成への転化率が減少する。
【００１１】
又、第１の混合層３５においても、上述した予熱層３０の場合と同様、図１８に示すＰ１及びＰ２の位置から供給される空気の濃度の違いからその周方向において均一化が困難であるため、第１の選択酸化触媒層３７に供給される酸素の濃度はその触媒層の円周方向において不均一に分布する。そのため、第１の選択酸化触媒層３７における酸素の濃度が低い位置では、改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に除去するこができない。一方、第１の選択酸化触媒層３７における酸素の濃度が高い位置では、改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化除去してもなお余剰に存在する酸素によって生成した水素までもが消費されてしまい、水素生成効率を低下させる原因となっていた。
【００１２】
そこで、上述のように改質触媒層３１に供給される原料及び水蒸気の濃度に大きな違いが生じることを抑制するために、円周方向において離れた位置に存在する流体同士の混合性能を高めることが可能な水素生成装置が提案されている。
【００１３】
図１９は、円周方向において離れた位置に存在する流体同士の混合性能を高めることが可能な水素生成装置の一例の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図１９中に示す矢印は、原料や水蒸気等のガスが流れる方向を示している。
【００１４】
図１９に示すように、この水素生成装置４００は、都市ガス供給用配管接続部１と、水供給用配管接続部２と、燃焼ガス排気口１３と、出口配管１５とを備えている。又、この水素生成装置４００は、燃焼ガス用流路４〜６と、都市ガス供給用配管接続部１及び水供給用配管接続部２から供給される都市ガス及び水が流下する流下流路８と、この流下流路８を流下する過程において生成した水蒸気と都市ガスとの混合ガスが上昇する上昇流路９と、水蒸気改質反応により生成した改質ガスを水素生成装置４００の内部で流通させる改質ガス用流路１１とを、燃焼バーナー３を中心として同心円筒状に備えている。尚、この水素生成装置４００では、流下流路８と上昇流路９とにより蒸発器１０が構成されていると共に、改質ガス用流路１１の内部の所定領域に水蒸気改質反応を進行させるための改質触媒層１２が設けられている。そして、この図１９に示す水素生成装置４００では、上昇流路９と改質ガス用流路１１とが２つの円盤状の横壁３９及び横壁４０により挟まれて構成される円盤形状の空間４１と触媒配管４２とによって接続されている。そして、図１９に示すように、この水素生成装置４００では、少なくとも円盤形状の空間４１に、その直径が空間４１の高さの１／３程度の球状のアルミナ粒子４３が、原料と水蒸気との混合促進のために多数充填されている。
【００１５】
このように構成された水素生成装置４００では、都市ガス供給用配管接続部１及び水供給用配管接続部２から流下流路８に都市ガス及び水が供給されると、蒸発器１０において都市ガスと水蒸気との混合ガスが生成される。そして、この蒸発器１０の内部で円周方向に広がるようにして存在する都市ガスと水蒸気との混合ガスは、その後、空間４１及び触媒配管４２を通過して、改質触媒が充填された改質触媒層１２に供給される。すると、この改質触媒層１２では、燃焼ガス用流路４を流れる燃焼ガスによって改質触媒が高温に加熱されて水蒸気改質反応が進行して、これにより混合ガスから水素と二酸化炭素と一酸化炭素とを含む改質ガスが生成される。ここで、この水素生成装置４００では、図１８に示す水素生成装置３００の場合と同様、少なくとも空間４１に球状のアルミナ粒子４３が充填されており、これにより円盤形状の空間４１を流れる流体の流れが乱れるので、都市ガス等の原料と水蒸気とが積極的に混合される。換言すれば、原料と水蒸気との混合ガスの流れが円盤形状の空間４１を通過する際にアルミナ粒子４３の影響を受けて三次元的に入り組んだ流れとなるので、これにより原料と水蒸気との混合状態が図１８に示す水素生成装置３００の場合と同様にして改善される。
【００１６】
又、この水素生成装置４００では、上昇流路９と改質ガス用流路１１とが２つの円盤状の横壁３９及び横壁４０により挟まれて構成される円盤形状の空間４１と触媒配管４２とによって接続されているので、蒸発器１０を通過した都市ガスと水蒸気との混合ガスは、蒸発器１０の全周領域から円盤形状の空間４１をアルミナ粒子４３の影響を受けながら乱流状態で通過して触媒配管４２に集約された後に、改質触媒層１２に供給される。そのため、都市ガス供給用配管接続部１から供給される都市ガスが流下流路８と上昇流路９との内部を都市ガス供給用配管接続部１側に片寄って流れ、図１９に示す空間４１の右側において混合ガス中の都市ガスの濃度が高く、逆に、図１９に示す空間４１の左側において混合ガス中の都市ガスの濃度が低くなる、即ち、円周方向において空間的な濃度分布が発生する場合であっても、改質触媒層１２内の円周方向における例えば都市ガスと水蒸気との混合状態は十分に平均化される。つまり、図１９に示す水素生成装置４００によれば、都市ガスと水蒸気との混合ガス等の流体の混合状態を改善することが可能になると共に、円周方向において離れた位置に存在する流体同士の混合状態を改善することが可能になる。
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０００／０６３１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上述した水素生成装置４００では、混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との混合状態を改善するためのアルミナ粒子４３が少なくとも空間４１に数多く充填されているため、水素生成装置４００の重量が増加するという問題があった。そして、この問題に起因して、水素生成装置４００を備える燃料電池システムの軽量化が阻害されるという問題が生じていた。
【００１８】
又、この水素生成装置４００では、アルミナ粒子４３が数多く用いられているため、水素生成装置４００の熱容量が増大している。そのため、負荷の消費電力の増加に応じて燃料電池に供給する改質ガスの供給量を増加させる必要がある場合、水素生成装置４００の内部の温度分布が最適な温度分布に変化するまでに長い時間を要するので、応答性が劣るという問題があった。この問題は、特に、水素生成装置４００を起動する際において重要な問題となった。
【００１９】
具体的に説明すると、水素生成装置４００の起動時、アルミナ粒子４３の温度は室温若しくは室温に近い温度であるが、その後、燃焼バーナー３により生成される高温状態の燃焼ガスによって加熱されることにより、その温度は徐々に上昇する。この場合、全てのアルミナ粒子４３の温度を例えば室温から２００℃にまで上昇させるのに必要な熱量は、アルミナ粒子４３の合計重量を約１ｋｇと仮定し、かつその比熱を約０．８ｋＪ／ｋｇ・℃と仮定すると、約１４０ｋＪとなる。一方、都市ガスを原料とする水素生成装置４００では、起動直後では都市ガスを燃焼することによりアルミナ粒子４３を加熱するため、都市ガスの低位発熱量を約４２ｋＪ／ＮＬＭと仮定すると、上述した約１４０ｋＪの熱量を賄うためには、約３．３ＮＬＭの都市ガスが必要となる。この場合、アルミナ粒子４３の加熱を約１．５ＮＬＭ／分の都市ガスの燃焼によって行うと仮定すると、全てのアルミナ粒子４３の温度を室温から２００℃にまで上昇させるためには、約２分間の時間を要することになる。そして、実際には、水素生成装置４００において放熱損失が生じるため、２分以上の起動時間の遅れが生じる。
【００２０】
この際、アルミナ粒子４３の温度が十分に上昇する前に水素生成装置４００に原料及び水蒸気を供給すると、その供給された水蒸気がアルミナ粒子４３によって冷却されて水として凝縮するので、改質触媒層１２には水蒸気の量が不足した原料が供給されることになる。この場合、水蒸気の量が少ない条件（具体的には、改質触媒層１２に供給される水蒸気のモル量Ｓと原料に含まれる炭素のモル量Ｃとの比であるＳ／Ｃ比が２．７〜３．２程度の範囲を下回る条件）において水蒸気改質反応を進行させると、改質触媒の表面に原料中の炭素が析出して、改質触媒の触媒活性が低下する。そして、このような運転条件を継続させると、次第に改質触媒層全体の触媒性能が劣化するので、水素生成装置４００を長期的に利用することが不可能となる。そのため、実際には、アルミナ粒子４３の温度が十分に上昇した後に、水素生成装置４００に原料及び水蒸気を供給する必要があった。つまり、上述した水素生成装置４００では、起動から電力の出力開始までの待機時間が長いという問題があった。
【００２１】
又、図１８に示す水素生成装置３００についても、予熱層３０又は第１の混合層３５等はセラミック球により構成されており、従って、上記水素生成装置４００と同様の問題を有している。
【００２２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされてものであり、軽量でありかつ熱容量が小さい高性能のガス混合器を備えた、水素生成効率及び応答性に優れる水素生成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】
【００２３】
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、２以上の成分を含有する混合ガスが流通する混合ガス流路と、各々の始端が前記混合ガス流路から分岐し各々の終端が互いに合流する第１の流路及び第２の流路と、前記第１の流路に設けられ該第１の流路を流れる混合ガスを第１の方向に旋回させる第１の旋回手段と、前記第２の流路に設けられ該第２の流路を流れる混合ガスを第１の方向と反対の第２の方向に旋回させる第２の旋回手段と、前記合流した第１の流路及び第２の流路の終端から流出する前記混合ガスを化学反応させて水素を生成する水素生成部とを備えている。
【００２４】
かかる構成とすると、改質触媒層又は選択酸化触媒層に供給される混合ガスの混合状態を改善することができると共に、改質触媒層又は選択酸化触媒層に供給される混合ガスにおける都市ガス等の構成成分の濃度を供給位置に関係無く均一にすることができるので、水素生成効率が優れた水素生成装置を提供することが可能になる。
【００２５】
この場合、前記第１の流路及び前記第２の流路は、前記混合ガスが、前記第１の流路の終端及び第２の流路の終端からの混合ガスの流出方向に垂直な平面内を流れながら、それぞれ、前記第１の方向の旋回及び前記第２の方向の旋回を行うように形成されている。
【００２６】
かかる構成とすると、平板状のガス混合器を構成することができるので、水素生成装置を薄型化することが可能になる。
【００２７】
この場合、前記第１の流路及び前記第２の流路が、それぞれ、互いに一致する中心軸を有し、外周面が開放され、かつ中心に円形の開口を有する中空状に形成され、前記外周面が始端たる入口を構成するとともに前記開口が終端たる出口を構成しており、前記第１の旋回手段が前記第１の流路の内部空間を前記中心軸に沿う方向に仕切りかつ該内部空間の外周から内方へ終端が始端に対して半径方向から前記第１の方向にずれるように延びる複数の隔壁で構成され、前記第２の旋回手段が前記第２の流路の内部空間を前記中心軸に沿う方向に仕切りかつ該内部空間の外周から内方へ終端が始端に対して半径方向から前記第２の方向にずれるように延びる複数の隔壁で構成されている。
【００２８】
かかる構成とすると、ガス混合性能が優れた平板状のガス混合器を好適に構成することが可能になる。
【００２９】
この場合、前記隔壁の始端に対する終端のずれが、前記中心軸の周りの回転角度において、４５°〜９０°の範囲の回転角度である。
【００３０】
かかる構成とすると、混合ガスの混合状態を好適に改善することが可能になる。
【００３１】
この場合、前記第１の流路及び前記第２の流路と、前記第１の旋回手段及び前記第２の旋回手段とが、前記中心軸に沿って、それぞれ複数形成されている。
【００３２】
かかる構成とすると、混合ガスの混合状態を更に好適に改善することが可能になる。
【００３３】
又、上記の場合、前記第１の流路及び前記第２の流路は、前記混合ガスが、前記第１の流路の終端及び第２の流路の終端からの混合ガスの流出方向に平行な筒状の面内を流れながら、それぞれ、前記第１の方向の旋回及び前記第２の方向の旋回を行うように形成されている。
【００３４】
かかる構成とすると、円筒状のガス混合器を構成することができるので、水素生成装置を小型化することが可能になる。
【００３５】
この場合、前記第１の流路及び前記第２の流路が、それぞれ、前記中心軸を中心軸として共有しかつ環状の断面を有する筒状に形成され、一方の側の各々の端面が始端たる入口を構成するとともに他方の側の各々の端面が終端たる出口を構成しており、前記第１の旋回手段が前記第１の流路の筒状の内部空間を前記第１の方向に旋回するようにして螺旋状に仕切る複数の隔壁で構成され、前記第２の旋回手段が前記第１の流路の筒状の内部空間を前記第２の方向に旋回するようにして螺旋状に仕切る複数の隔壁で構成されている。
【００３６】
かかる構成とすると、ガス混合性能が優れた筒状のガス混合器を好適に構成することが可能になる。
【００３７】
この場合、前記隔壁の始端から終端までの旋回角度が４５°〜９０°の範囲の旋回角度である。
【００３８】
かかる構成とすると、混合ガスの混合状態を好適に改善することが可能になる。
【００３９】
この場合、前記隔壁で区画された旋回流路の出口が一部閉鎖されている。
【００４０】
かかる構成とすると、混合ガスの混合状態を更に好適に改善することが可能になる。
【００４１】
この場合、前記第１の流路と前記第２の流路とが円筒状の分割隔壁で隔てられるようにして形成され、前記第１の流路及び前記第２の流路のいずれかの前旋回流路の出口が閉鎖され、前記分割隔壁の該閉鎖された出口の近傍部分に開口が形成されている。
【００４２】
かかる構成とすると、混合ガスの混合状態を、より一層好適に改善することが可能になる。
【００４３】
この場合、前記第１の流路及び前記第２の流路が、前記中心軸に沿って、それぞれ、複数形成され、前記混合ガスの流れにおいて上流側に位置する前記第１の流路及び前記第２の流路の終端が下流側に位置する前記第１の流路及び前記第２の流路の始端に接続されている。
【００４４】
かかる構成とすると、混合ガスの混合状態を、更により一層好適に改善することが可能になる。
【００４５】
又、上記の場合、前記混合ガスが少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物と水とが混合した混合ガスであり、前記化学反応が前記有機化合物と水とが混合した混合ガスから水素を生成する水蒸気改質反応であり、前記水素生成部が前記水蒸気改質反応により水素を豊富に含有する改質ガスを生成する改質反応部であって、前記第１の旋回手段及び前記第２の旋回手段が前記改質反応部の上流に配設され、前記合流した第１の流路及び第２の流路の終端から流出する前記混合ガスが前記改質反応部に供給されて水素を生成する。
【００４６】
かかる構成とすると、改質反応部に供給される混合ガスの混合状態が改善されるので、改質反応部における改質反応を好適に進行させることが可能になる。
【００４７】
又、上記の場合、前記混合ガスが前記改質ガスと酸素とが混合した混合ガスであり、酸素を用いて一酸化炭素を二酸化炭素に変換する選択酸化反応により前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する選択酸化反応部を前記水素生成部に代えて備え、前記第１の旋回手段及び前記第２の旋回手段が前記選択酸化反応部の上流に配設され、前記合流した第１の流路及び第２の流路の終端から流出する前記混合ガスが前記選択酸化反応部に供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する。
【００４８】
かかる構成とすると、選択酸化反応部に供給される混合ガスの混合状態が改善されるので、選択酸化反応部における選択酸化反応を好適に進行させることが可能になる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明は、以上に説明した解決手段のように実施され、軽量でありかつ熱容量が小さい高性能のガス混合器を備えた、水素生成効率及び応答性に優れる水素生成装置を提供することが可能になる。
【００５０】
本発明によれば、改質触媒層に供給する原料と水蒸気との混合ガス等の流体における時間的及び空間的な濃度の不均一性を解消することが可能である。そして、その結果、改質ガスの濃度の時間的及び空間的な均一性を確保することができるので、改質触媒層やその下流側に配設される変成反応器等の一酸化炭素除去触媒層を有効に使用することが可能となり、各触媒量の低減や水素生成装置の小型化に大きく貢献することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５２】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１では、供給される水を蒸発させかつ原料と混合させて混合ガスを生成する蒸発器と、改質ガスを生成するための水蒸気改質反応を進行させる反応部とを円盤形状の空間によって接続し、この円盤形状の空間にガス混合器を配設することにより混合ガスの混合状態を水平方向において改善する形態について説明する。
【００５３】
先ず、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置１００の基本的な構成及び動作について、図１を参照しながら説明する。
【００５４】
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置１００の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図１では、改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去するための変成反応器や選択酸化反応器、及び燃料電池本体の記載は省略している。又、図１中に示す矢印は、原料や水蒸気等のガスが流れる方向を示している。
【００５５】
図１に示すように、本実施の形態に係る水素生成装置１００は、上端及び下端が閉鎖された円筒状のハウジング７７を有している。このハウジング７７の内部は円筒状の縦壁と円板状の横壁とで区画されて、以下に述べる各種の流路等が形成されている。このようなハウジング７７を備える水素生成装置１００は、外部のインフラストラクチャーから水素生成装置１００に都市ガスを供給するための都市ガス供給用配管接続部１と、水道から水素生成装置１００に水を供給するための水供給用配管接続部２と、水蒸気改質反応を進行させるための高温状態の燃焼ガスを生成する燃焼バーナー３とを備えている。
【００５６】
又、この水素生成装置１００は、燃焼バーナー３によって生成した高温状態の燃焼ガスを水素生成装置１００の内部で流通させる燃焼ガス用流路４〜６と、都市ガス供給用配管接続部１及び水供給用配管接続部２から供給される都市ガス及び水が流下する流下流路８と、この流下流路８を流下する過程において生成した水蒸気と都市ガスとの混合ガスが上昇する上昇流路９と、水蒸気改質反応により生成した改質ガスを水素生成装置１００の内部で流通させる改質ガス用流路１１とを、水素生成装置１００の中心軸Ｃに対して同心円筒状に備えている。ここで、本実施の形態に係る水素生成装置１００では、流下流路８と上昇流路９とにより蒸発器１０が構成されており、この蒸発器１０によって水蒸気の生成と都市ガスとの混合が行われる。又、改質ガス用流路１１の内部の所定領域には、水蒸気改質反応を進行させるための改質触媒層１２が形成されている。又、この水素生成装置１００は、燃焼ガス用流路４〜６を通過した燃焼ガスを水素生成装置１００の外部へ放出するための燃焼ガス排気口１３と、改質ガス用流路１１を通過した改質ガスを水素生成装置１００の外部へ排出するための出口配管１５とを備えている。
【００５７】
そして、図１に示すように、本実施の形態に係る水素生成装置１００では、上昇流路９の端部４４と改質ガス用流路１１に混合ガスを導入する触媒配管４２とが、２つの円盤状の横壁３９及び横壁４０により挟まれて構成される円盤形状の空間４１によって接続されている。ここで、横壁４０の中央部には触媒配管４２が継合可能な直径の貫通孔が形成されており、この貫通孔に触媒配管４２の一端が接続されている。又、図１に示すように、この水素生成装置１００では、上述した円盤形状の空間４１に、上昇流路９を通過した原料と水蒸気との混合ガスの混合状態を改善するための本発明を特徴付けるガス混合器１０１が配設されている。このガス混合器１０１の構成については、後に詳細に説明する。
【００５８】
このように構成された本実施の形態に係る水素生成装置１００では、都市ガス供給用配管接続部１及び水供給用配管接続部２から流下流路８に都市ガス等の原料及び水が供給されると、その流下流路８において水が加熱されて水蒸気が生成し、その水蒸気と原料とが徐々に混合しながら上昇流路９を通過し、その後、上昇流路９の端部４４から混合ガスとして排出される。つまり、蒸発器１０において、原料と水蒸気との混合ガスが生成される。そして、蒸発器１０において生成された混合ガスは、その後、ガス混合器１０１が配設されている空間４１に供給される。そして、このガス混合器１０１において、混合ガス中の原料と水蒸気とが十分に混合されると共に、上昇流路９においてその円周方向に濃度分布を有して広がっている混合ガスが集約されて均一に混合される。このガス混合器１０１による混合ガスの混合状態の改善作用については、後に詳細に説明する。
【００５９】
ガス混合器１０１を通過した混合ガスは、その後、触媒配管４２を通過して、改質触媒が充填された改質触媒層１２を備える改質ガス用流路１１に供給される。すると、この改質触媒層１２では、燃焼ガス用流路４を流れる燃焼ガスによって改質触媒層１２が高温に加熱されて水蒸気改質反応が進行して、これにより混合ガスから水素と二酸化炭素と一酸化炭素とを含む改質ガスが生成される。その後、この改質ガスは、改質ガス用流路１１を更に通過して、出口配管１５から改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための変成反応器へと供給される。尚、燃焼ガス用流路４を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス用流路５〜６を通過した後、燃焼ガス排気口１３を通過して水素生成装置１００の外部に放出される。
【００６０】
次に、本発明の実施の形態１に係るガス混合器１０１の構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６１】
図２は、本発明の実施の形態１に係るガス混合器１０１の内部構成を模式的に示す構成図であって、図２（ａ）はガス混合器１０１の平面図であり、図２（ｂ）はガス混合器１０１の断面図である。尚、図２（ａ）では、ガス混合器１０１における後述する上側の流路規定部材４５ａ〜４５ｄを実線により示しており、下側の流路規定部材４６ａ〜４６ｄを破線により示している。
【００６２】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るガス混合器１０１は、図１に示す上昇流路９から上昇する混合ガス４７を混合ガス４８及び混合ガス４９の如く上下に２分割する円盤状の分割隔壁５０を有している。この分割隔壁５０の中央部には、触媒配管４２の直径と略同一径の直径を有する連通孔５１が設けられている。そして、この分割隔壁５０の両面における連通孔５１の外周部と分割隔壁５０の外周部との間に渡るようにして、平面視において渦巻き形状を示しかつ側面視において帯形状を示す流路規定部材４５ａ〜４５ｄ及び４６ａ〜４６ｄが配設されている。
【００６３】
具体的に説明すると、図２（ａ）に示すように、分割隔壁５０の上側には、各々が所定の渦巻き形状を有する４枚の流路規定部材４５ａ〜４５ｄが等間隔で配設されている。これらの流路規定部材４５ａ〜４５ｄは、混合ガス４８が流れる方向を左回りに旋回させることが可能な渦巻き形状を有している。又、図２（ａ）に示すように、分割隔壁５０の下側には、各々が所定の渦巻き形状を有する４枚の流路規定部材４６ａ〜４６ｄが等間隔で配設されている。これらの流路規定部材４６ａ〜４６ｄは、混合ガス４９が流れる方向を右回りに旋回させることが可能な渦巻き形状を有している。ここで、図２（ａ）に示すように、流路規定部材４５ａ〜４５ｄの各々は、その長手方向における分割隔壁５０の外周部側の端部が４５°毎の間隔で位置決めされる第１の所定位置Ａ〜第４の所定位置Ｄに配置され、その長手方向における分割隔壁５０の内周部側（連通孔５１の外周部側）の端部が第１の所定位置Ａ〜第４の所定位置Ｄに対して左回りに４５°移動した第５の所定位置Ｅ〜第８の所定位置Ｈに配置されるようにして、分割隔壁５０の表面に配設されている。一方、図２（ａ）に示すように、流路規定部材４６ａ〜４６ｄの各々は、その長手方向における分割隔壁５０の外周部側の端部が上述した第１の所定位置Ａ〜第４の所定位置Ｄに配置され、その長手方向における分割隔壁５０の内周部側（連通孔５１の外周部側）の端部が第１の所定位置Ａ〜第４の所定位置Ｄに対して右回りに４５°移動した第７の所定位置Ｇ、第６の所定位置Ｆ、第５の所定位置Ｅ、第８の所定位置Ｈに配置されるようにして、分割隔壁５０の表面に配設されている。つまり、本実施の形態に係るガス混合器１０１では、流路規定部材４５ａ〜４５ｄと流路規定部材４６ａ〜４６ｄとは、図２（ａ）に示す平面図においては混合ガス４８と混合ガス４９とを互いに逆方向に旋回させるように、又、分割隔壁５０の各々の面から見た場合には混合ガス４８と混合ガス４９とを同方向に旋回させるように、各々渦巻き状に配設されている。そして、このように分割隔壁５０及び流路規定部材４５ａ〜４５ｄ及び流路規定部材４６ａ〜４６ｄから構成されるガス混合器１０１が、上昇流路９と触媒配管４２とを接続する円盤形状の空間４１に、ガス混合器１０１の連通孔５１と触媒配管２３とが中心軸Ｃの方向において略一致するようにして、所定の固定手段により配設及び固定されている。尚、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ガス混合器１０１における所定の位置には、改質触媒層１２において生成された改質ガスを水素生成装置１００の外部に排出するための出口配管１５が貫通している。又、上述した流路規定部材４５ａ〜４５ｄ及び流路規定部材４６ａ〜４６ｄの形状は、各流路に流れる混合ガスの流量を等しくするために、各々同一の形状を有していることが好ましい。
【００６４】
次に、本発明の実施の形態１に係るガス混合器１０１による混合ガスの混合状態の改善作用について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６５】
図３は、分割隔壁５０によりその上側に分割された混合ガス４８の流れを模式的に示す解説図である。尚、図３は、図２（ａ）に示す平面図と同一方向から見た場合の平面図を示している。又、図３では、分割隔壁５０の上側に４方向から流入する混合ガス４８の流れを各々異なった種類のハッチングを有する矢印により便宜的に示している。
【００６６】
又、図４は、分割隔壁５０によりその下側に分割された混合ガス４９の流れを模式的に示す解説図である。尚、図４も、図２（ａ）に示す平面図と同一方向から一部を透視して見た場合の平面図を示している。又、図４でも、分割隔壁５０の下側に４方向から流入する混合ガス４９の流れを各々異なった種類のハッチングを有する矢印により便宜的に示している。
【００６７】
図３に示すように、例えば白矢印で示した図３における右側から流入した混合ガス４８ａは、流路規定部材４５ａ及び流路規定部材４５ｄによってその流路が左旋回するように変更され、図３における上側から連通孔５１へと流れ込む。又、他の矢印で示した図３における上側から流入した混合ガス４８ｂは、流路規定部材４５ｂ及び流路規定部材４５ａによってその流路が左旋回するように変更され、図３における左側から連通孔５１に流れ込む。又、他の矢印で示した図３における左側から流入した混合ガス４８ｃは、流路規定部材４５ｃ及び流路規定部材４５ｂによってその流路が左旋回するように変更され、図３における下側から連通孔５１に流れ込む。又、他の矢印で示した図３における下側から流入した混合ガス４８ｄは、流路規定部材４５ｄ及び流路規定部材４５ｃによってその流路が左旋回するように変更され、図３における右側から連通孔５１へと流れ込む。このように、流路規定部材４５ａ〜４５ｄは、分割隔壁５０の上側に流入した混合ガス４８ａ〜混合ガス４８ｄの流れの向きを、左へ９０°回転させて連通孔５１へ送り込む作用を有する。
【００６８】
一方、図４に示すように、例えば白矢印で示した図４における右側から流入した混合ガス４９ａは、流路規定部材４６ａ及び流路規定部材４６ｄによってその流路が右旋回するように変更され、図４における下側から連通孔５１へと流れ込む。又、他の矢印で示した図４における上側から流入した混合ガス４９ｂは、流路規定部材４６ｂ及び流路規定部材４６ａによってその流路が右旋回するように変更され、図４における右側から連通孔５１に流れ込む。又、他の矢印で示した図４における左側から流入した混合ガス４９ｃは、流路規定部材４６ｃ及び流路規定部材４６ｂによってその流路が右旋回するように変更され、図４における上側から連通孔５１に流れ込む。又、他の矢印で示した図４における下側から流入した混合ガス４９ｄは、流路規定部材４６ｄ及び流路規定部材４６ｃによってその流路が右旋回するように変更され、図４における左側から連通孔５１へと流れ込む。このように、流路規定部材４６ａ〜４６ｄは、分割隔壁５０の下側に流入した混合ガス４９ａ〜混合ガス４９ｄの流れの向きを、右へ９０°回転させて連通孔５１へ送り込む作用を有する。
【００６９】
以上の結果、本実施の形態に係るガス混合器１０１によれば、連通孔５１の上側からは分割隔壁５０の右側から流入した混合ガス４８の半量の混合ガス４８ａと左側から流入した混合ガス４９の半量の混合ガス４９ｃとが流入し、同様にして、連通孔５１の下側からは分割隔壁５０の右側から流入した混合ガス４９の半量の混合ガス４９ａと左側から流入した混合ガス４８の半量の混合ガス４８ｃとが流入する。又、連通孔５１の右側からは分割隔壁５０の下側から流入した混合ガス４８の半量の混合ガス４８ｄと上側から流入した混合ガス４９の半量の混合ガス４９ｂとが流入し、同様にして、連通孔５１の左側からは分割隔壁５０の上側から流入した混合ガス４８の半量の混合ガス４８ｂと下側から流入した混合ガス４９の半量の混合ガス４９ｄとが流入する。そのため、例えば、分割隔壁５０に対して右側から都市ガスの濃度の高い混合ガスが供給され、又、左側から水蒸気の濃度の高い混合ガスが供給された場合のように、混合ガスを構成する成分の濃度が空間的に著しく偏って分布している場合であっても、連通孔５１の上下からは各々が半分ずつの量で供給されるので、空間的な濃度分布の偏りを均一化することができる。換言すれば、都市ガスの濃度の高い混合ガスと水蒸気の濃度の高い混合ガスとの接触する接触場が多くなるので、空間的な濃度分布の偏りを均一化することが可能になる。その結果、触媒配管４２を通過して改質触媒層１２の端部５２（図１参照）に供給される混合ガスの濃度の偏りを解消することが可能となり、これにより、改質ガスの濃度を空間的に均一化することが可能になる。又、上述したガス混合器１０１による混合ガスの混合状態の改善作用により、混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との混合状態を改善することが可能になる。更に、上述した分割隔壁５０及び流路規定部材４５ａ〜４５ｄ及び流路規定部材４６ａ〜４６ｄからなる構成を採用することにより、ガス混合器１０１の熱容量を低減することが可能になるので、応答性に優れた水素生成装置１００を提供することが可能になる。
【００７０】
ここで、上述した実施の形態では、円盤形状の空間４１に１つの混合器１０１を配設した場合の形態について説明したが、この形態に限定されることはなく、複数の混合器を配設する形態としてもよい。
【００７１】
図５は、本発明の実施の形態１に係る他のガス混合器１０２の内部構成を模式的に示す構成図であって、図５（ａ）はガス混合器１０２の平面図であり、図５（ｂ）はガス混合器１０２の断面図である。尚、図５（ａ）では、ガス混合器１０２における後述する上側の流路規定部材４５ａ〜４５ｄを太い実線により示しており、下側に配置される流路規定部材４６ａ〜４６ｄを太い破線により示しており、下側に配置される流路規定部材５３ａ〜５３ｄ及び５４ａ〜５４ｄを細い実線及び破線により示している。又、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す構成要素と同一の構成要素に対しては、同一の符号を付している。
【００７２】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態１に係る他のガス混合器１０２では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すガス混合器１０１を中心軸Ｃの方向に２段重ねた構成に相当する構成を備えている。つまり、このガス混合器１０２では、分割隔壁５０と流路規定部材４５ａ〜４５ｄ及び流路規定部材４６ａ〜４６ｄとからなる第１のガス混合器１０１と、分割隔壁５８と流路規定部材５３ａ〜５３ｄ及び流路規定部材５４ａ〜５４ｄとからなる第２のガス混合器１０１’とを、その中央部に連通孔５１の直径と略同一径の直径の孔を有する円盤状の仕切り板５７を介して２段積層した構成が採られている。そして、図５（ａ）に示すように、このガス混合器１０２では、ガス混合器１０１と第２のガス混合器１０１’との位置関係が４５°の回転角度を有するようにして、中心軸Ｃの方向にガス混合器１０１と第２のガス混合器１０１’とを２段積層した構成が採られている。尚、その他の点については、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すガス混合器１０１の場合と同様である。
【００７３】
このように構成されたガス混合器１０２によれば、分割隔壁５０と仕切り板５７と分割隔壁５８とによって上昇流路９を通過した混合ガス４７が中心軸Ｃの方向に混合ガス４８及び混合ガス４９及び混合ガス５５及び混合ガス５６の４つの混合ガスに分割されると共に、これらの混合ガス４８及び混合ガス４９及び混合ガス５５及び混合ガス５６の各々が流路規定部材４５ａ〜４５ｄ及び流路規定部材４６ａ〜４６ｄ及び流路規定部材５３ａ〜５３ｄ及び流路規定部材５４ａ〜５４ｄによって各々所定の角度に旋回されるので、触媒配管４２に供給される混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との空間的な濃度の偏りをより一層均一化することが可能になる。
【００７４】
又、上述した本実施の形態では、分割隔壁５０（分割隔壁５０及び分割隔壁５８）の片面に４枚の流路規定部材を９０°毎に隔てて配設した場合の形態について説明したが、この形態に限定されることはなく、流路規定部材を任意の隔離角度で多数配設する形態としてもよい。この場合、流路規定部材の隔離角度を小さくする、つまり、流路規定部材の配設数を増加させるに従って、触媒配管４２に供給される混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との空間的な濃度の偏りをより一層均一化することが可能になる。
【００７５】
図６は、分割隔壁５０の片面に８枚の流路規定部材を配設した場合におけるガス混合器１０３の構成を例示する平面図である。尚、図６では、ガス混合器１０３における後述する上側の流路規定部材５９ａ〜５９ｈを実線により示しており、下側の流路規定部材６０ａ〜６０ｈを破線により示している。又、図６では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す構成要素と同一の構成要素に対しては、同一の符号を付している。
【００７６】
図６に示すように、本発明の実施の形態１に係る他のガス混合器１０３では、分割隔壁５０の上側に、８枚の流路規定部材５９ａ〜流路規定部材５９ｈが配設されている。これらの流路規定部材５９ａ〜流路規定部材５９ｈは、隣接する流路規定部材同士の隔離角度が４５°となるようにして、分割隔壁５０の片面に配設されている。又、図６に示すように、このガス混合器１０３では、分割隔壁５０の下側に、流路規定部材６０ａ〜流路規定部材６０ｈが配設されている。尚、これらの流路規定部材６０ａ〜流路規定部材６０ｈも、流路規定部材５９ａ〜流路規定部材５９ｈの配設形態と同様、隣接する流路規定部材同士の隔離角度が４５°となるようにして、分割隔壁５０の片面に配設されている。尚、その他の点については、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すガス混合器１０１の場合と同様である。このように、流路規定部材の枚数を増やすことによっても、触媒配管４２に供給される混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との空間的な濃度の偏りをより一層均一化することが可能になる。
【００７７】
尚、本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、流路規定部材の形状を緩やかに湾曲する形状としているが、流路規定部材の形状はこのような湾曲状の形状に限定されることはなく、供給する混合ガスの流量や流れ易さ等に応じて、より簡単な形状やより複雑な形状としてもよい。
【００７８】
又、本実施の形態では、少なくとも炭素と水素とから構成される有機化合物を含む原料として都市ガスを用いる形態について説明したが、本発明は使用する原料の種類を限定することはなく、アルコールやＬＰＧや灯油等を原料とする場合に対しても有効である。特に、アルコールや灯油等の液体燃料を使用してこれを水と一緒に混合して蒸発させる場合には、これらの原料と水蒸気との空間的な濃度分布が生じ易いため、本発明は極めて有効な技術となる。
【００７９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、例えば、供給される混合ガスを流通させる改質ガス供給用流路と、改質ガスを生成するための水蒸気改質反応を進行させる反応部との間の流路にガス混合器を配設して、このガス混合器により混合ガスの混合状態を垂直方向において改善する形態について説明する。
【００８０】
先ず、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置２００の基本的な構成及び動作について、図７を参照しながら説明する。
【００８１】
図７は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置２００の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図７中に記載している矢印は、原料や水蒸気等のガスが流れる方向を示している。
【００８２】
図７に示すように、本実施の形態に係る水素生成装置２００は、実施の形態１で示した水素生成装置１００の構成と同様、多重同心円筒状の構成を備えている。即ち、この水素生成装置２００は、水蒸気改質反応を進行させるための高温状態の燃焼ガスを生成する燃焼バーナー１６と、水が供給されると共に燃焼バーナー１６により加熱されて湿り水蒸気又は水蒸気を生成する加熱器１７及び１８とを備えている。又、この水素生成装置２００は、燃焼バーナー１６を中心とした複数の同心円筒１９〜２８により構成される複数の円環状空間に、燃焼バーナー１６によって生成した高温状態の燃焼ガスが通過する燃焼ガス用流路２９と、原料と水蒸気との混合ガスが水蒸気改質反応に利用される前に均一な混合状態となるよう混合するガス混合器２０１と、所定の反応温度に加熱されて水蒸気改質反応を進行させる改質触媒層３１と、この改質触媒層３１において生成した高温状態の改質ガスの温度を低下させるために熱を回収する熱回収層３２と、この熱回収層３２により冷却された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を所定の化学反応により低減するための変成触媒層３３と、この変成触媒層３３により一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスと選択酸化反応用の空気を供給する空気供給部３４から取り入れた空気とを十分に混合するためのガス混合器２０１と同様の構成を有するガス混合器２０２と、このガス混合器２０２を通過して空気が十分に混合された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を選択酸化反応により更に低減するための選択酸化触媒層３７とを、図１に示す実施の形態１に係る水素生成装置１００の場合と同様にして、燃焼バーナー１６を中心として同心円筒状に備えている。尚、本実施の形態では、複数の同心円筒１９〜２８により複数の円環状空間が構成されている形態を示しているが、円環状空間に相当する空間は同心筒であればよく、同心円筒により円環状空間が構成される形態に限定されることはない。
【００８３】
上述したように、本実施の形態に係る水素生成装置２００では、同心円筒２０及び２１により構成される円環状空間の改質触媒層３１の上方に、供給される原料と水蒸気とを十分に混合するための本発明を特徴付けるガス混合器２０１が配設されている。このガス混合器２０１は、同心円筒２０及び２１により構成される円環状空間に勘合可能なリング状の形状を有しており、同心円筒２０及び２１により構成される円環状空間における改質触媒層３１の上方の所定位置に、所定の固定手段によって固定されている。又、本実施の形態に係る水素生成装置２００では、同心円筒２６及び２７により構成される円環状空間の選択酸化触媒層３７の下方に、供給される改質ガスと空気とを十分に混合するための本発明を特徴付けるガス混合器２０２が配設されている。このガス混合器２０２は、同心円筒２６及び２７により構成される円環状空間に勘合可能なリング状の形状を有しており、同心円筒２６及び２７により構成される円環状空間における選択酸化触媒層３７の下方の所定位置に、所定の固定手段によって固定されている。これらのガス混合器２０１及びガス混合器２０２の構成については、ガス混合器２０２を代表として後に詳細に説明する。
【００８４】
このように構成された本実施の形態に係る水素生成装置２００では、水蒸気改質反応において使用される水は、加熱器１７若しくは加熱器１８に供給されて少なくともその一部が気化し、加熱器１７又は加熱器１８から排出された水（温水）は、図７では特に図示しない混合部において原料としての都市ガスと一次的に混合された後、同心円筒２５と同心円筒２６との間、及び、同心円筒２４と同心円筒２５との間の各々の空間を移動する間に完全に気化して、都市ガスと混合される。そして、この都市ガスと水蒸気との混合ガスは、ガス混合器２０１に供給され、このガス混合器２０１を通過する際に十分に混合された後、改質触媒層３１に供給される。尚、このガス混合器２０１による混合ガスの混合状態の改善作用については、ガス混合器２０２を代表として後に詳細に説明する。
【００８５】
ガス混合器２０１から都市ガスと水蒸気とが十分に混合された混合ガスは、その後、改質触媒層３１に供給される。そして、この改質触媒層３１が燃焼ガス用流路２９を流れる燃焼ガスによって加熱されて進行する水蒸気改質反応に利用されて、混合ガスから水素を豊富に含有する改質ガスが生成される。そして、この水蒸気改質反応によって生成された改質ガスは、その後、熱回収層３２を通過して所定の温度にまで冷却された後、変成触媒層３３に供給される。そして、この変成触媒層３３において進行する変成反応によって、改質ガスに含有される一酸化炭素の多くが除去される。
【００８６】
変成触媒層３３によって一酸化炭素の多くが除去された改質ガスは、その後、空気供給部３４から取り入れた空気と変成触媒層３３を通過した改質ガスとを十分に混合するためのガス混合器２０２に供給される。そして、改質ガスは、ガス混合器２０２を通過する際に空気供給部３４から供給される空気と十分に混合され、その後、選択酸化触媒層３７に供給される。尚、このガス混合器２０２による改質ガスと空気との混合状態の改善作用については、上述したガス混合器２０１の場合と合わせて後に詳細に説明する。
【００８７】
ガス混合器２０２によって空気と十分に混合された改質ガスは、少量含まれる一酸化炭素の殆どを除去するために、選択酸化触媒層３７に供給される。そして、この選択酸化触媒層３７において進行する選択酸化反応によって、改質ガスに含有される一酸化炭素の殆どが、空気が用いられる燃焼によって除去される。尚、一酸化炭素が十分に除去された改質ガスは燃料電池に供給され、この燃料電池における発電のための化学反応に利用される。又、燃料電池での発電に用いられなかった余剰の改質ガスは燃焼バーナー１６に供給され、この燃焼バーナー１６における燃焼ガスの生成のために再利用される。
【００８８】
次に、本発明の実施の形態２に係るガス混合器２０２の構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００８９】
図８は、本発明の実施の形態２に係るガス混合器２０２の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図８では、ガス混合器２０２における紙面手前側に位置する後述する内側流路規定部材６２ｃ〜６２ｄ及び外側流路規定部材６３ｃ〜６３ｄの記載は省略している。又、図８では、内側流路規定部材６２ａ〜６２ｂ及び外側流路規定部材６３ａ〜６３ｂの視認可能な部分を実線により示しており、それらの視認不可能な部分を破線により示している。
【００９０】
以下、ガス混合器２０２を例に挙げて、その構成を詳細に説明する。
【００９１】
図８に示すように、本実施の形態に係るガス混合器２０２は、図７に示す同心円筒２６と同心円筒２７との間に形成される円環状空間を上昇する空気が供給された改質ガス６４を改質ガス６５及び改質ガス６６の如く左右方向（半径方向）に２分割する円筒状の混合用同心円筒６１を有している。そして、この混合用同心円筒６１と図７に示す同心円筒２６との間に、改質ガス６４の上昇方向に向かって左回りとされた螺旋形状の４つの内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄ（紙面手前側にある内側流路規定部材６２ｃ及び６２ｄは図示せず）が、改質ガス６５が流れる方向を改質ガス６４の上昇方向に向かって左周りに旋回させることが可能となるように、各々配設されている。又、図８に示すように、混合用同心円筒６１と図７に示す同心円筒２７との間に、改質ガス６４の上昇方向に向かって右回りとされた螺旋形状の４つの外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄ（紙面手前側にある外側流路規定部材６３ｃ及び６３ｄは図示せず）が、改質ガス６６が流れる方向を改質ガス６４の上昇方向に向かって右周りに旋回させることが可能となるように、各々配設されている。これらの混合用同心円筒６１及び内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄ及び外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄにより、改質ガス６４の流れを改質ガス６５及び６６に分割すると共に、その分割した改質ガス６５及び６６の流れを中心軸Ｃに対して互いに逆方向に旋回させる規定流路を有するガス混合器２０２が構成されている。
【００９２】
本実施の形態に係るガス混合器２０２では、内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄ及び外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄは各々所定の横壁によって構成されている。そして、これらの内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄ及び外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄは、混合用同心円筒６１及び同心円筒２６の間の空間と混合用同心円筒６１及び同心円筒２７の間の空間とを各々円周方向に４分割し、この４分割した各々の空間において改質ガス６４の上昇方向に向かって円周方向の対向する方向（右回り、又は、左周り）に９０℃旋回する螺旋形状となるように、各々配設されている。例えば、内側流路規定部材６２ａと外側流路規定部材６３ａとが配設されている上記４分割した内の１部分に着目した場合、内側流路規定部材６２ａの下端と対向する位置に外側流路規定部材６３ａの上端が配置されており、又、内側流路規定部材６２ａの上端と対向する位置に外側流路規定部材６３ａの下端が配置されている。そして、内側流路規定部材６２ａの上端と下端との隔離角度は９０°とされており、同様にして、外側流路規定部材６３ａの上端と下端との隔離角度も９０°とされている。このように、本実施の形態に係るガス混合器２０２は、混合用同心円筒６１によって分割された改質ガス６５及び６６の流れを中心軸Ｃに対して互いに逆方向に９０°旋回させることができるように構成されている。尚、上述した内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄ及び外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄの形状は、各流路に流れる改質ガスの流量を等しくするために、各々同一の形状を有していることが好ましい。
【００９３】
次に、本発明の実施の形態２に係るガス混合器２０２による改質ガスの混合状態の改善作用について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００９４】
図９は、ガス混合器２０２における改質ガスの流れを模式的に示す解説図であって、図９（ａ）は混合用同心円筒６１によりその内側に分割された改質ガス６５の流れを模式的に示す解説図であり、図９（ｂ）は混合用同心円筒６１によりその外側に分割された改質ガス６６の流れを模式的に示す解説図である。尚、図９（ａ）及び図９（ｂ）は、図８に示す縦断図と同一方向から見た場合の縦断図を示している。又、図９（ａ）及び図９（ｂ）では、混合用同心円筒６１の下側から流入する改質ガス６５及び改質ガス６６の流れを各々矢印により便宜的に示している。
【００９５】
図９（ａ）に示すように、本実施の形態に係るガス混合器２０２では、同心円筒２６及び２７の間の空間を上昇して混合用同心円筒６１によってその内側に分割された改質ガス６５は、内側流路規定部材６２ａ及び６２ｂによって中心軸Ｃの周りを左周りに９０°旋回された後、ガス混合器２０２の上方から排出される。一方、図９（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るガス混合器２０２では、同心円筒２６及び２７の間の空間を上昇して混合用同心円筒６１によってその外側に分割された改質ガス６６は、外側流路規定部材６３ａ及び６３ｂによって中心軸Ｃの周りを右周りに９０°旋回された後、ガス混合器２０２の上方から排出される。このように、ガス混合器２０２に導入された改質ガス６４は、混合用同心円筒６１、内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄ、及び外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄによって、２つの改質ガス６５及び６６に示す流れに分割されると共に、各々円周方向に左右逆方向に９０°旋回され、その後、その分割された２つの改質ガス６５及び６６が１つの流れに再び合流されて混合される。
【００９６】
図１０は、図９に示す本実施の形態に係るガス混合器２０２の動作を更に分かり易く説明するための解説図である。尚、図１０は、図９に示すガス混合器２０２の中心軸Ｃ上に視点を置いて３６０°回転視した場合に観察される状態を模式的に示す解説図である。又、図１０では、ガス混合器２０２の中心軸Ｃ上の視点から直接的に視認可能な内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄを実線により示しており、又、ガス混合器２０２の中心軸Ｃ上の視点から直接的に視認不可能な外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄを破線により示している。又、ガス混合器２０２の円周を９０°毎に４分割した位置を、０°〜２７０°として示す破線により図示している。
【００９７】
図１０に示すように、本実施の形態に係るガス混合器２０２では、混合用同心円筒６１の内側を流れる改質ガス６５はガス混合器２０２の内部を左方向に９０°旋回され、混合用同心円筒６１の外側を流れる改質ガス６６はガス混合器２０２の内部を右方向に９０°旋回されて各々ガス混合器２０２の上方から排出され、その後、ガス混合器２０２の出口部において混合する。この場合、例えば、図１０に示す９０°の出口位置Ｉから排出される改質ガスは、図１０に示す０°の位置と１８０°の位置とから流入する改質ガスの半量が混合した改質ガスであることは明白である。又、その他の出口位置Ｊ〜Ｌから排出される流体についても、出口位置Ｉから排出される流体の場合と同様にして、１８０°離れた位置から流入する各々の改質ガスの半量が混合した改質ガスであることは、図１０から明らかである。即ち、本実施の形態に係るガス混合器２０２によれば、内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄ及び外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄによって１８０°離れた位置から流入する各々の混合ガスの半量を混合することができるので、同心円筒２６及び２７で構成される円環状流路の１８０°対向する反対位置を流れる混合ガス同士を効果的に混合することが可能になる。換言すれば、実施の形態１の場合と同様、互いに離れた位置に存在する２種類の混合ガスの接触する接触場が多くなるので、空間的な濃度分布の偏りを均一化することが可能になる。
【００９８】
又、本実施の形態に係るガス混合器２０２によれば、ガス混合器２０２における内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄ及び外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄが横壁で構成されているので、熱容量が小さく、起動や負荷変動に対応するために要する待機時間を短縮化することが可能になる。又、本実施の形態に係るガス混合器２０２は優れた混合性能を有しているので、従来の水素生成装置４００で必要であった２段の混合層３５，３６及び選択酸化触媒層３７，３８を、１段のガス混合層２０２及び選択酸化触媒層３７に簡略化することができる。そのため、水素生成装置２００の熱容量を更に低下させることが可能となり、しかも、選択酸化反応用の空気の供給量を必要最小限に抑えることができるため、生成した水素の選択酸化用の空気による無駄な消費を抑制することができ、高効率な水素生成装置２００を得ることが可能になる。
【００９９】
ここで、本実施の形態では、ガス混合器２０２が混合用同心円筒６１の両側に４枚の内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄと４枚の外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄとを備える形態について説明しているが、このような形態に限定されることはなく、例えば、図１１に示すように、混合用同心円筒６１の両側に４５°の等間隔で配設された８枚の内側流路規定部材６７ａ〜６７ｈと、４５°の等間隔で配設された８枚の外側流路規定部材６８ａ〜６８ｈとを備える形態としてもよい。この場合、内側流路規定部材６７ａ〜６７ｈ及び外側流路規定部材６８ａ〜６８ｈの各々は、図８に示す改質ガス６５及び６６の各々の流れを互いに逆方向に４５°旋回させることができる。従って、かかる構成とすることにより、図１１において２つの矢印で改質ガスの流れを示すように、ガス混合器２０３の入口において円周方向に９０°離れた位置に存在する改質ガス同士を効果的に混合することが可能になる。
【０１００】
又、上述したように、本実施の形態では、ガス混合器２０２が混合用同心円筒６１の両側に４枚の内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄと４枚の外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄとを備える形態について説明しているが、このような形態に限定されることはなく、例えば、図１２に示すように、混合用同心円筒６１の両側に９０°の等間隔で配設された８枚の内側流路規定部材６７ａ〜６７ｈと、９０°の等間隔で配設された８枚の外側流路規定部材６８ａ〜６８ｈとを備える形態としてもよい。この場合、内側流路規定部材６７ａ〜６７ｈ及び外側流路規定部材６８ａ〜６８ｈの各々は、図８に示す改質ガス６５及び６６の各々の流れを互いに逆方向に９０°旋回させることができる。従って、かかる構成とすることにより、図１２において２つの矢印で流体の流れを示すように、ガス混合器２０４の入口において円周方向に１８０°離れた位置に存在する改質ガス同士をより一層効果的に混合することが可能になる。
【０１０１】
つまり、本実施の形態では、ガス混合器２０２における内側流路規定部材及び外側流路規定部材の個数を、改質ガスの種類や要求される混合状態に応じて増減することにより、より一層優れた効果を得ることが可能である。又、それらの内側流路規定部材及び外側流路規定部材の形状も、図８〜１２に図示したような曲線状の形状に限定されることはなく、圧力損失の低減やより効果的な混合を目的として、直線状の形状や、直線状の形状と曲線状の形状とを組み合わせた形状としてもよい。
【０１０２】
図１３は、本実施の形態に係るガス混合器２０１における第１の流体（例えば、原料）と第２の流体（例えば、水蒸気）との混合ガスの混合角度と、ガス混合器２０１を通過した混合ガスを用いた場合の改質触媒層における改質反応転化率との関係を模式的に示す相関図である。ここで、図１３における曲線ａは、混合ガスの旋回角度と改質反応転化率との相関関係を示している。尚、図１３では、縦軸は改質触媒層における改質反応転化率（％）を示しており、横軸は第１の流体と第２の流体との混合ガスの混合角度（°）を示している。
【０１０３】
図１３に示すように、改質触媒層３１の上流の位置にガス混合器２０１を設けることにより、水蒸気改質反応における反応転化率を向上させることができ、改質器効率の向上を図ることができることが分かる。特に、図１３に示すように、混合ガスの旋回角度が９０°である場合に、最も高い転化率を得ることが可能である。しかし、混合ガスの旋回角度が４５°よりも小さい場合では、転化率の向上は得られるものの、その向上効果は比較的小さい。そこで、本実施の形態に係るガス混合器２０１においては、内側流路規定部材及び外側流路規定部材による混合ガスの旋回角度を、４５°以上９０°以下とすることが効果的である。
【０１０４】
尚、本実施の形態では、内側流路規定部材及び外側流路規定部材の各々を横壁によって構成する形態を例示しているが、この場合には横壁の３次元的な成型が必要になるので、ガス混合器の製造コストが高コスト化する可能性がある。そこで、内側流路規定部材及び外側流路規定部材の各々を横壁によって構成する形態に代えて、内側流路規定部材及び外側流路規定部材の各々を丸棒や角棒等の棒材を用いて構成する形態としてもよい。かかる構成とすることにより、丸棒や角棒等の棒材の３次元的な成型は比較的容易であるので、ガス混合器の製造コストが高コスト化することを回避することが可能になる。
【０１０５】
又、本実施の形態では、ガス混合器２０２の構成及び動作について詳細に説明したが、ガス混合器２０１の構成及び動作はガス混合器２０２の構成及び動作と同様である。又、本実施の形態では、改質触媒層３１に供給される原料と水蒸気との混合のためにガス混合器２０１を配設すると共に、選択酸化触媒層３７に供給される改質ガスと空気との混合のためにガス混合器２０２をも配設する形態を例示しているが、このような形態に限定されることはなく、要求される水素生成装置の性能に応じて、何れか一方にのみガス混合器を配設する形態としてもよい。
【０１０６】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、実施の形態２において示した水素生成装置２００の構成と比べて、ガス混合器の内部構成のみが異なっている。そのため、本発明の実施の形態３では、ガス混合器の内部構成についてのみ説明する。
【０１０７】
図１４は、本発明の実施の形態３に係るガス混合器２０５の内部構成を模式的に示す構成図であって、図１４（ａ）はガス混合器２０５の上面図であり、図１４（ｂ）はガス混合器２０５の側面図である。尚、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）では、リング状の形状を有するガス混合器２０５を説明のために平面状に展開した場合の状態を模式的に示している。又、図１４（ａ）では、同心円筒２６、同心円筒２７、及び混合用同心円筒６１の目視可能な部分を実線により示しており、同心円筒２６、同心円筒２７、及び混合用同心円筒６１の目視不可能な部分を破線により示している。又、図１４（ｂ）では、紙面手前側の内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄを実線により示しており、紙面後側の外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄを破線により示している。又、図１４では、図８に示したガス混合器２０２と同一の構成要素には、同一の符号を付している。又、図１４を用いる説明では、都市ガス等の原料と水蒸気との混合ガス、若しくは、改質ガスと空気とが混合した改質ガス等の流体が、図１４の下方から上方に向けて流動するものと仮定する。
【０１０８】
本実施の形態で示すガス混合器２０５は、基本的には、図８に示したガス混合器２０２の内部構成と概ね同様の内部構成を有している。つまり、本実施の形態に係るガス混合器２０５は、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、分割隔壁６１の両面に、４枚の内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄと、４枚の外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄとを備えている。
【０１０９】
しかしながら、本実施の形態に係るガス混合器２０５では、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄによって規定される混合ガス等の流体の各出口部６９と、外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄによって規定される混合ガス等の流体の各出口部７０との各々の略半分が、矩形状の形状を有する邪魔板７１によって各々閉鎖されている点において、実施の形態２で示したガス混合器２０２の構成と異なっている。つまり、本実施の形態に係るガス混合器２０５では、ガス混合器２０５の上述した各出口部６９，７０に邪魔板７１を設けることにより、各出口部６９，７０の開口面積を狭めている点において、実施の形態２で示したガス混合器２０２の構成と異なっている。尚、その他の点については、実施の形態２で示したガス混合器２０２の構成と同様である。
【０１１０】
本実施の形態で示すガス混合器２０５では、上述したように、例えば、図１４（ｂ）に示す内側流路規定部材６２ｃ及び６２ｄによって規定される混合ガス等の流体の出口部６９が邪魔板７１によって部分的に閉鎖されており、これにより、出口部６９の開口面積が略半分にまで狭められている。このように、出口部６９、及びそれに相当する他の出口部の開口面積を略半分にまで狭める構成とすることにより、ガス混合器２０５から排出される流体の流速を速めることが可能になる。そして、かかる構成とすることにより、ガス混合器２０５から排出される、混合用同心円筒６１の内側を流れる流体と外側を流れる流体との双方の流速が速まるので、混合ガス等の流体の混合状態をより一層改善することが可能になる。
【０１１１】
尚、本実施の形態では、邪魔板７１の大きさを、例えば出口部６９の面積の略半分を閉鎖可能な大きさとする形態について説明しているが、このような形態に限定されることはなく、要求される混合ガス等の流体の混合状態に応じて、邪魔板７１の大きさを任意に設定するこが可能である。
【０１１２】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４でも、実施の形態２において示した水素生成装置２００の構成と比べて、ガス混合器の内部構成のみが異なっている。そのため、本発明の実施の形態４では、実施の形態３の場合と同様、ガス混合器の内部構成についてのみ説明する。
【０１１３】
図１５は、本発明の実施の形態４に係るガス混合器２０６の内部構成を模式的に示す構成図であって、図１５（ａ）はガス混合器２０６の上面図であり、図１５（ｂ）はガス混合器２０６の側面図である。尚、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）でも、実施の形態３の場合と同様、リング状の形状を有するガス混合器を説明のために平面状に展開した場合の状態を模式的に示している。又、図１５（ａ）では、同心円筒２６、同心円筒２７、及び混合用同心円筒６１の目視可能な部分を実線により示しており、同心円筒２６、同心円筒２７、及び混合用同心円筒６１の目視不可能な部分を破線により示している。又、図１５（ｂ）では、紙面手前側の内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄを実線により示しており、紙面後側の外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄを破線により示している。又、図１５では、図８に示したガス混合器２０２と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【０１１４】
本実施の形態で示すガス混合器２０６は、基本的に、実施の形態３で示すガス混合器２０５の内部構成と同様の内部構成を有している。つまり、本実施の形態に係るガス混合器２０６は、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、混合用同心円筒６１の両面に、４枚の内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄと、４枚の外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄとを備えている。
【０１１５】
しかしながら、本実施の形態に係るガス混合器２０６では、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、ガス混合器２０６における混合ガスや改質ガス等の流体が排出される出口部に、混合用同心円筒６１の内側（つまり、内側流路規定部材６２ａ〜６２ｄが配設されている側）の流路若しくは外側（つまり、外側流路規定部材６３ａ〜６３ｄが配設されている側）の流路のみに開口する開口部７２若しくは開口部７３を有する邪魔板７４が配設されていると共に、混合用同心円筒６１における上述した出口部近傍の所定位置に開口部７５が設けられている点において、実施の形態３で示したガス混合器２０５の構成と異なっている。ここで、図１５（ａ）に示すように、邪魔板７４における開口部７２及び７３は、同心円筒２６側と同心円筒２７側とにおいて邪魔板７４の長手方向に交互に形成されている。又、開口部７２及び７３の各々の開口面積は、実施の形態３の場合と同様、例えば内側流路規定部材６２ａと６２ｂとで規定される流路の出口部にける開口面積の約半分の面積とされている。又、図１５（ｂ）に示すように、開口部７５は、混合用同心円筒６１における上述した出口部側の端部の開口部７２及び７３に対応する位置に、略矩形状に形成されている。つまり、本実施の形態に係るガス混合器２０６では、ガス混合器２０６の上述した出口部に邪魔板７４が配設されており、この邪魔板７４に開口部７２及び７３が形成されており、混合用同心円筒６１に開口部７５が形成されている点において、実施の形態３で示したガス混合器２０５の構成と異なっている。尚、その他の点については、実施の形態３で示したガス混合器２０５の構成と同様である。
【０１１６】
本実施の形態で示すガス混合器２０６では、例えば、内側流路規定部材６２ａ及び６２ｂにより規定される流路を通過した流体は開口部７５からのみ排出され、この際、外側流路規定部材６３ｄ及び６３ａにより規定される流路を通過した流体と混合され、そして、開口部７３からガス混合器２０６の外部に排出される。つまり、本実施の形態に係るガス混合器２０６によれば、混合用同心円筒６１の内側及び外側を通過した流体が開口部７２及び開口部７３及び７５を通過する際に強制的に混合されるため、混合ガス等の流体の混合状態をより一層改善することが可能になる。
【０１１７】
尚、本実施の形態では、開口部７２及び７３の開口面積を、例えば、内側流路規定部材６２ｂ及び６２ｃにより規定される流路の出口部の約半分の開口面積とする形態について説明しているが、このような形態に限定されることはなく、要求される混合ガス等の流体の混合状態に応じて、開口部７２及び７３の開口面積を任意に設定するこが可能である。又、開口部７５の開口面積や形状も、要求される混合ガス等の流体の混合状態に応じて、任意に設定することが可能である。
【０１１８】
ところで、実施の形態２〜４において示すガス混合器２０１，２０２〜ガス混合器２０６は、非常にコンパクトであるため、複数のガス混合器を直列に配置してガス混合器集合体を構成しても、水素生成装置２００の内部に配設することが可能である。この場合、ガス混合器が直列に集合されるので、混合ガス等の流体の混合状態を更により一層改善することが可能になる。
【０１１９】
図１６は、本発明の実施の形態２及び４に係るガス混合器２０３及びガス混合器２０６を直列に集合した第１のガス混合器集合体２０７の内部構成を模式的に示す構成図である。尚、図１６でも、実施の形態３の場合と同様、リング状の形状を有する第１のガス混合器集合体を説明のために平面状に展開した場合の状態を模式的に示している。
【０１２０】
図１６に示す第１のガス混合器集合体２０７では、実施の形態４に示すガス混合器２０６が混合ガス等の流体の上流側に配置されていると共に、図１１に示すガス混合器２０３が下流側に配置されている。これらのガス混合器２０３及びガス混合器２０６の各々の構成等については、実施の形態２及び４に記載の通りである。このように、複数のガス混合器２０３及び２０６を直列に配置することにより、個々のガス混合器２０３及び２０６が有する混合性能が加算されるので、混合ガス等の流体の混合状態を更により一層改善することが可能になる。
【０１２１】
又、図１７は、本発明の実施の形態２及び４に係るガス混合器２０３及びガス混合器２０６を直列に集合した第２のガス混合器集合体２０８の内部構成を模式的に示す構成図である。
【０１２２】
図１７に示す第２のガス混合器集合体２０８では、上述した第１のガス混合器集合体２０７ではガス混合器２０３の混合用同心円筒６１とガス混合器２０６の混合用同心円筒６１とが各々独立して配設されているのに対して、ガス混合器２０３とガス混合器２０６とが１枚の混合用同心円筒７６を共有している点で、上述した第１のガス混合器集合体２０７の場合と異なっている。かかる構成とすることにより、ガス混合器集合体２０７の構成を簡素化することが可能になる。
【０１２３】
以上、本発明の実施の形態１〜４によれば、ガス混合器の全体をステンレス等の薄板で構成することができるので、その重量を例えば３００ｇ以下とすることが可能になると共に、その熱容量も例えば０．５ｋＪ／ｋｇ・℃程度とすることが可能になる。そのため、ガス混合器の加熱に要する熱量を例えば２６ｋＪ程度とすることができるので、水素生成装置の起動時間の遅れを例えば１／５以下にまで短縮化することが可能になる。又、ガス混合器の加熱に要する熱量を例えば２６ｋＪ程度とすることができるので、燃料電池システムの運転エネルギーを省電力化することが可能になる。
【０１２４】
又、本発明の実施の形態１〜４によれば、ガス混合器の熱容量をセラミック球等が充填されたガス混合器の熱容量の１／５以下にまで低下することができるので、ガス混合器の表面において水蒸気が冷却により凝縮することを効果的に防止することが可能になる。これにより、水素生成装置の起動時においてＳ／Ｃ比が低下することを効果的に防止することが可能になる。又、改質触媒の触媒性能を長期間に渡って安定して維持することが可能になる。
【０１２５】
更に、本発明の実施の形態１〜４によれば、改質触媒層に供給される都市ガスと水蒸気との混合ガスや選択酸化触媒層に供給される空気が混合された改質ガス等の流体の混合状態がガス混合器によって飛躍的に改善されるので、改質触媒層において効率よく改質ガスが生成されると共に、選択酸化触媒の量も最小限とすることが可能になる。そのため、改質触媒層や選択酸化触媒層を小型化することが可能になる。又、選択酸化触媒層において改質ガス中の水素を無駄に燃焼することを防止できるので、高効率な水素生成装置を提供することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明に係る水素生成装置は、軽量でありかつ熱容量が小さい高性能のガス混合器を備えた、水素生成効率及び応答性に優れる水素生成装置として有用である。
【０１２７】
又、本発明によれば、改質触媒層に供給する原料と水蒸気との混合ガス等の流体における時間的及び空間的な濃度の不均一性を解消することが可能である。そして、その結果、改質ガスの濃度の時間的及び空間的な均一性を確保することができるので、改質触媒層やその下流側に配設される変成反応器等の一酸化炭素除去触媒層を有効に使用することが可能となり、各触媒量の低減や水素生成装置の小型化に大きく貢献することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の内部構成を模式的に示す縦断図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係るガス混合器の内部構成を模式的に示す構成図であって、図２（ａ）はガス混合器の平面図であり、図２（ｂ）はガス混合器の断面図である。
【図３】図３は、分割隔壁によりその上側に分割された混合ガスの流れを模式的に示す解説図である。
【図４】図４は、分割隔壁によりその下側に分割された混合ガスの流れを模式的に示す解説図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る他のガス混合器の内部構成を模式的に示す構成図であって、図５（ａ）はガス混合器の平面図であり、図５（ｂ）はガス混合器の断面図である。
【図６】図６は、分割隔壁の片面に８枚の流路規定部材を配設した場合におけるガス混合器の構成を例示する平面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の内部構成を模式的に示す縦断図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係るガス混合器の内部構成を模式的に示す縦断図である。
【図９】図９は、ガス混合器における改質ガスの流れを模式的に示す解説図であって、図９（ａ）は混合用同心円筒によりその内側に分割された混合ガスの流れを模式的に示す解説図であり、図９（ｂ）は混合用同心円筒によりその外側に分割された混合ガスの流れを模式的に示す解説図である。
【図１０】図１０は、図９に示す本実施の形態に係るガス混合器の動作を更に分かり易く説明するための解説図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態２に係る他のガス混合器の内部構成を模式的に示す縦断図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態２に係る更に他のガス混合器の内部構成を模式的に示す縦断図である。
【図１３】図１３は、本実施の形態に係るガス混合器における第１の流体（例えば、原料）と第２の流体（例えば、水蒸気）との混合ガスの旋回角度と、ガス混合器を通過した混合ガスを用いた場合の改質触媒層における改質反応転化率との関係を模式的に示す相関図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態３に係るガス混合器の内部構成を模式的に示す構成図であって、図１４（ａ）はガス混合器の上面図であり、図１４（ｂ）はガス混合器の側面図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態４に係るガス混合器の内部構成を模式的に示す構成図であって、図１５（ａ）はガス混合器の上面図であり、図１５（ｂ）はガス混合器の側面図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態２〜４に係るガス混合器を直列に集合した第１のガス混合器集合体の内部構成を模式的に示す構成図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態２〜４に係るガス混合器を直列に集合した第２のガス混合器集合体の内部構成を模式的に示す構成図である。
【図１８】図１８は、原料と水蒸気とを均一に混合可能な水素生成装置の一例の内部構成を模式的に示す縦断図である。
【図１９】図１９は、円周方向において離れた位置に存在する流体同士の混合性能を高めることが可能な水素生成装置の一例の内部構成を模式的に示す縦断図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１  都市ガス供給用配管接続部
２  水供給用配管接続部
３  燃焼バーナー
４〜６  燃焼ガス用流路
８  流下流路
９  上昇流路
１０  蒸発器
１１  改質ガス用流路
１２  改質触媒層
１３  燃焼ガス排気口
１５  出口配管
１６  燃焼バーナー
１７，１８  加熱器
１９〜２８  同心円筒
２９  燃焼ガス用流路
３０  予熱層
３１  改質触媒層
３２  熱回収層
３３  変成触媒層
３４  空気供給部
３５  第１の混合層
３６  第２の混合層
３７  第１の選択酸化触媒層
３８  第２の選択酸化触媒層
３９〜４０  横壁
４１  空間
４２  触媒配管
４３  アルミナ粒子
４４  端部
４５ａ〜４５ｄ  流路規定部材
４６ａ〜４６ｄ  流路規定部材
４７〜４９  混合ガス
５０  分割隔壁
５１  連通孔
５２  端部
５３ａ〜５３ｄ  流路規定部材
５４ａ〜５４ｄ  流路規定部材
５５，５６  混合ガス
５７  仕切り板
５８  分割隔壁
５９ａ〜５９ｈ  流路規定部材
６０ａ〜６０ｈ  流路規定部材
６１  混合用同心円筒
６２ａ〜６２ｄ  内側流路規定部材
６３ａ〜６３ｄ  外側流路規定部材
６４〜６６  改質ガス
６７ａ〜６７ｈ  内側流路規定部材
６８ａ〜６８ｈ  外側流路規定部材
６９，７０  出口部
７１  邪魔板
７２，７３  開口部
７４  邪魔板
７５  開口部
７６  混合用同心円筒
７７  ハウジング
１０１  ガス混合器
１０１’  ガス混合器
１０２，１０３  ガス混合器
２０１，２０２  ガス混合器
２０３〜２０８  ガス混合器
１００〜４００  水素生成装置
Ａ  第１の所定位置
Ｂ  第２の所定位置
Ｃ  第３の所定位置
Ｄ  第４の所定位置
Ｅ  第５の所定位置
Ｆ  第６の所定位置
Ｇ  第７の所定位置
Ｈ  第８の所定位置
ｃ  中心軸
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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