(57)【要約】【課題】燃焼排ガスの結露水の影響により、一酸化炭素低減部の局所的な温度低下を防止する。【解決手段】燃焼排ガスと一酸化炭素低減部１３とが第１壁３１を介して直接的又は間接的に熱交換するように配置され、第１壁３１における、燃焼排ガス排出口２３よりも下方で且つ一酸化炭素低減部１３よりも上方となる部分に、燃焼排ガス排出口２３から燃焼排ガス流路２２に流入する結露水が、第１壁３１を鉛直方向下向きに滴り落ちるのを抑制する滴り抑制部を設けた構成により、燃焼排ガス排出口２３から燃焼排ガス流路２２に流入する結露水は、第１壁３１を鉛直方向下向きに滴り落ちることはなくなり、第１壁３１のうち結露水が滴り落ちた部分だけが局所的に冷却されることが抑制され、第１壁３１と熱交換する一酸化炭素低減部１３の局所的な温度低下を防止することができる。【選択図】図１
2016160141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼部と、
上向きに前記燃焼部の燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路と、
原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、
前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、
前記燃焼排ガス流路の外壁を構成する第１壁と、
前記一酸化炭素低減部よりも上方となる位置から前記燃焼排ガス流路内の前記燃焼排ガスを前記燃焼排ガス流路の外に排出するように前記第１壁の上部に形成された燃焼排ガス排出口と、
を有する水素生成装置であって、
前記燃焼排ガスと前記一酸化炭素低減部とが前記第１壁を介して直接的又は間接的に熱交換するように配置されており、
前記第１壁における、前記燃焼排ガス排出口よりも下方で且つ前記一酸化炭素低減部よりも上方となる部分に、前記燃焼排ガス排出口から前記燃焼排ガス流路に流入する結露水が、前記第１壁を鉛直方向下向きに滴り落ちるのを抑制する滴り抑制部を設けた、水素生成装置。
【請求項２】
前記滴り抑制部は、前記第１壁と前記結露水との接触面積を大きくする、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記滴り抑制部は、前記結露水が前記燃焼排ガス排出口から前記燃焼排ガス流路に流入してから前記一酸化炭素低減部の上端の高さ位置に到達するまでの経路を長くする、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記滴り抑制部は、前記第１壁に凹凸形状を設けることよって構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、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、炭化水素化合物を原料として水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池に燃料ガスを供給する水素生成装置およびそれ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】
近年、小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池システムは、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。しかしながら、発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。
【０００３】
そこで、燃料電池システムは、例えば、都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し、それらの原料と水蒸気（水）との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置を備えている。
【０００４】
一般的に水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。そして、さらに、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部として、一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成部、および一酸化炭素を酸化させる選択酸化部を備えることが多い。
【０００５】
それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒、選択酸化部にはＲｕ触媒等が用いられている。また、各触媒には反応に適した設計温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２５０℃程度、選択酸化部は１５０℃程度で、使用されることが多い。
【０００６】
特に、選択酸化部の触媒では、設計温度より高すぎると劣化が早まり、所定の耐久時間の確保ができない、設計温度より低すぎると一酸化炭素を十分に低減させることができなくなる。
【０００７】
従来、この種の水素生成装置は、改質部、水蒸発部、一酸化炭素低減部（変成部、選択酸化部）の各々を燃焼部の周りに同心円筒状に配設し、改質部、一酸化炭素低減部それぞれの触媒温度が設計温度になるように、燃焼部の燃焼排ガスで加熱するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２６９９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成では、燃焼排ガス排出口から燃焼排ガス流路に燃焼排ガスの結露水が滴り落ちたときに、燃焼排ガスと一酸化炭素低減部とが壁を介して直接的又は間接的に熱交換するように配置されているので、結露水が壁を滴り落ちたときに一酸化炭素低減部が局所的に冷却される。
【００１０】
このとき一酸化低減触媒の温度が局所的に低下し設計温度を下回り、反応が不十分となって一酸化炭素を十分に低減させることができなくなり、一酸化炭素濃度の高い水素含有ガスが燃料電池に送られて、スタックを被毒して電圧低下が生じ機器の寿命を短くしてしまう。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃焼排ガスの結露水の影響により、一酸化炭素低減部の局所的な温度低下を防止するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、燃焼部と、上向きに前記燃焼部の燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路と、原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、前記燃焼排ガス流路の外壁を構成する第１壁と、前記一酸化炭素低減部よりも上方となる位置から前記燃焼排ガス流路内の前記燃焼排ガスを前記燃焼排ガス流路の外に排出するように前記第１壁の上部に形成された燃焼排ガス排出口と、を有する水素生成装置であって、前記燃焼排ガスと前記一酸化炭素低減部とが前記第１壁を介して直接的又は間接的に熱交換するように配置されており、前記第１壁における、前記燃焼排ガス排出口よりも下方で且つ前記一酸化炭素低減部よりも上方となる部分に、前記燃焼排ガス排出口から前記燃焼排ガス流路に流入する結露水が、前記第１壁を鉛直方向下向きに滴り落ちるのを抑制する滴り抑制部を設けたものである。
【００１３】
上記構成によって、燃焼排ガス排出口から燃焼排ガス流路に流入する結露水は、第１壁を鉛直方向下向きに滴り落ちることはなくなるので、発生する結露水の冷却総量は変わらないが第１壁のうち結露水が滴り落ちた部分だけが局所的に冷却されることが抑制されるので、第１壁と熱交換する一酸化炭素低減部も局所的に冷却されることはなくなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の水素生成装置は、燃焼排ガス結露水が燃焼排ガス経路を構成する壁を伝って滴り落ちても、一酸化低減触媒の温度が局所的に低下することはなくなり、スタックへ運ばれる水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が高くなることはない。排ガス温度を結露するぎりぎりの温度にまで設計的に下げることができるので、高効率な水素生成装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成図
【図３】本発明の実施の形態３における水素生成装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、燃焼部と、上向きに前記燃焼部の燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路と、原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、前記燃焼排ガス流路の外壁を構成する第１壁と、前記一酸化炭素低減部よりも上方となる位置から前記燃焼排ガス流路内の前記燃焼排ガスを前記燃焼排ガス流路の外に排出するように前記第１壁の上部に形成された燃焼排ガス排出口と、を有する水素生成装置であって、前記燃焼排ガスと前記一酸化炭素低減部とが前記第１壁を介して直接的又は間接的に熱交換するように配置されており、前記第１壁における、前記燃焼排ガス排出口よりも下方で且つ前記一酸化炭素低減部よりも上方となる部分に、前記燃焼排ガス排出口から前記燃焼排ガス流路に流入する結露水が、前記第１壁を鉛直方向下向きに滴り落ちるのを抑制する滴り抑制部を設けた、水素生成装置である。
【００１７】
上記構成によって、燃焼排ガス排出口から燃焼排ガス流路に流入する結露水は、第１壁を鉛直方向下向きに滴り落ちることはなくなるので、発生する結露水の冷却総量は変わらないが第１壁のうち結露水が滴り落ちた部分だけが局所的に冷却されることが抑制される
ので、第１壁と熱交換する一酸化炭素低減部も局所的に冷却されることはなくなる。
【００１８】
第２の発明は、特に、第１の発明における前記滴り抑制部が、前記第１壁と前記結露水との接触面積を大きくするものである。
【００１９】
上記構成によって、結露水の落下速度を遅らせて結露水の第１壁における蒸発を促進することとなり、第１壁のうち結露水が滴り落ちた部分だけが局所的に冷却されることが抑制されるので、第１壁と熱交換する一酸化炭素低減部も局所的に冷却されることはなくなる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１の発明における前記滴り抑制部が、前記結露水が前記燃焼排ガス排出口から前記燃焼排ガス流路に流入してから前記一酸化炭素低減部の上端の高さ位置に到達するまでの経路を長くするものである。
【００２１】
上記構成によって、前記結露水の落下速度を遅らせて前記結露水の前記第１壁における蒸発を促進することとなり、前記第１壁のうち結露水が滴り落ちた部分だけが局所的に冷却されることが抑制されるので、第１壁と熱交換する一酸化炭素低減部も局所的に冷却されることはなくなる。
【００２２】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明における前記滴り抑制部が、前記第１壁に凹凸形状を設けることよって構成されるものである。
【００２３】
上記構成によって、機能を満たすために部品点数を増やすことや別の空間を設けることがなくなり、コンパクトに構成することができる。
【００２４】
第５の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムである。
【００２５】
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、本発明の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２６】
（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構成図を示すものである。
【００２７】
図１において、原料と改質水が、配管８から水素生成装置１へ供給された後、蒸発部９で原料と水蒸気との混合ガスとなって、供給経路３０を通り、筒状の第１壁３１と中筒３２との間に配置された改質部１０に入り、改質部１０内に配置された改質触媒１１で水蒸気改質反応を生じて、水素と炭酸ガスと一酸化炭素を含む改質ガスに変化する。
【００２８】
改質ガスは、改質部１０から排出された後に、中筒３２と外筒３３との間に形成される排出経路３４を通り、一酸化炭素低減部１３へ流入し、一酸化炭素低減部１３内に配置された一酸化炭素低減触媒１４によって、一酸化炭素濃度が低減されて、水素含有ガスとして出口配管１７から取り出され、燃料電池１８へ供給される。
【００２９】
第１壁３１より内側には、燃焼部２０が配置されており、燃焼部２０で発生する燃焼排ガス２５は、燃焼筒２１と第１壁３１の間に構成される燃焼排ガス流路２２中を下から上に向かって流れる。
【００３０】
改質触媒１１及び一酸化炭素低減触媒１４は、運転時にそれぞれの設計温度（改質触媒
１１が約６５０〜５５０℃、一酸化炭素低減触媒１４が約２５０〜１５０℃）となるように、燃焼排ガス２５で加熱されている。
【００３１】
燃焼排ガス２５は、第１壁３１の上部に設置された燃焼排ガス排出口２３から水素生成装置１の外部へ排出される。第１壁３１において、燃焼排ガス排出口２３の下部には滴り抑制部が構成されている。
【００３２】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１について、以下その動作、作用を説明する。
【００３３】
燃焼排ガス２５は、改質部１０と第１壁３１を介して熱交換した後に、蒸発部９及び供給経路３０内の混合ガスとも第１壁３１を介して熱交換する。蒸発部９内の混合ガスと一酸化炭素低減部１３内の一酸化炭素低減触媒１４とは、第２壁４２を介して熱交換しているので、結果として、燃焼排ガス２５と一酸化炭素低減触媒１４とは、第１壁３１を介して熱交換している。
【００３４】
水素生成装置１の効率を上げるためには、燃焼排ガス排出口２３から排出される燃焼ガスの温度は露点近くにまで低温化しておく必要がある。機器が設置される環境温度が低いときや起動時等における運転状態が不安定なときに、燃焼排ガス排出口２３で燃焼排ガス２５が凝縮して結露水２７となり、断続的に燃焼排ガス流路２２に流入し第１壁３１を鉛直方向下向きに滴り落ちることがある。
【００３５】
結露水２７が第１壁３１を鉛直方向下向きに滴り落ちると、第１壁３１のうち結露水２７が鉛直方向下向きに滴り落ちた部分だけ温度が低下する。
【００３６】
一酸化炭素低減部１３内の一酸化炭素低減触媒１４は、第１壁３１介して燃焼排ガス流路２２側と熱交換しているので、第１壁３１のうち結露水２７が鉛直方向下向きに滴り落ちたことによって温度が局所的に低下した部位の第１壁３１を挟んで反対側の一酸化炭素低減触媒１４の温度も局所的に低下する。
【００３７】
一酸化炭素低減触媒１４のうち局所的に温度低下した部位は設計温度（例えば約１５０℃）を下回り、触媒反応が不十分となり一酸化炭素の濃度を十分に低減させることができなくなり、一酸化炭素濃度の高い水素含有ガスが燃料電池に送ることがある。
【００３８】
また、結露水２７が、第１壁３１に滴らずに燃焼排ガス流路の下部である高温部へ落下すると、急に蒸発するために結露水が断続的に落下する度に、燃焼排ガス流路２２で大きな圧力変動が生じて燃焼部２０での燃焼が不安定になる。
【００３９】
本実施の形態では、結露水２７が第１壁３１を鉛直方向下向きに滴り落ちないようにするために、滴り抑制部を設けている。第１壁３１のうち、燃焼排ガス排出口２３より下であって一酸化炭素低減触媒１４より上に位置する部分に、滴り抑制部として、螺旋状凸部２８を設けている。
【００４０】
螺旋状凸部２８は、凸部が連続して螺旋状に構成されたものであり、結露水２７は、滴り抑制部である螺旋状凸部２８の上部に滴り落ちた後に、螺旋状凸部２８に沿って徐々に下に下がっていく。これにより、第１壁３１と結露水２７との接触面積が大きくなり、結露水２７が一酸化炭素低減部１３の上端の高さに位置に到達するまでの経路も長くなる。
【００４１】
その結果、結露水２７の落下速度を遅らせて結露水２７の第１壁３１における蒸発を促進することとなり、結露水２７が滴り落ちることにより一酸化炭素低減触媒１４の温度が
局所的に低下することはなくなる。
【００４２】
さらに、滴り抑制部は凹凸形状を設けることよって構成されているので、前述した接触面積を大きく、経路を長くするという機能を満たすために部品点数を増やして対応することや或いは新たに別の空間を設けることなくコンパクトに構成することができる。
【００４３】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成図を示すものである。
【００４４】
基本構成と動作について、実施の形態１と同様の部分は、重複する説明を省略する。また。図１に示す実施の形態１と同一構成については同一符号を付与する。
【００４５】
図２において、図１と異なるのは、第１壁３１のうち、燃焼排ガス排出口２３より下であって一酸化炭素低減触媒１４より上に位置する部分に、滴り抑制部として、１段毎に凹凸が切り替わる凹凸多段部２６設けていることである。
【００４６】
結露水２７は、滴り抑制部である凹凸多段部２６の上部に滴り落ちた後に、１段毎に周方向に広がりながら下に下がっていく。
【００４７】
これにより、第１壁３１と結露水２７との接触面積が大きくなることと、結露水２７の落下速度を遅らせることになるので、結露水２７の第１壁３１における蒸発が促進され、結露水２７が、鉛直方向下向きに移動はするが、一酸化炭素低減部１３に達するまでに蒸発するので、一酸化炭素低減触媒１４の温度が局所的に低下することはなくなる。
【００４８】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における水素生成装置の概略構成図を示すものである。
【００４９】
基本構成と動作について、実施の形態１と同様の部分は、重複する説明を省略する。また。図１に示す実施の形態１と同一構成については同一符号を付与する。
【００５０】
図３において、図１と異なるのは、第１壁３１のうち、燃焼排ガス排出口２３より下であって一酸化炭素低減触媒１４より上に位置する部分に、滴り抑制部として、螺旋状凹凸部３５を設けており、凹部が燃焼筒２１に接触しいていることである。
【００５１】
結露水２７は、滴り抑制部である螺旋状凹凸部３５の上部に滴り落ちた後に、螺旋状凹凸部３５に沿って徐々に下に下がっていく。凹部が燃焼筒２１に接触しいているので完全な螺旋状経路となるので、より確実に結露水２７が鉛直方向下向きに垂れ下がることはなく、第１壁３１と結露水２７との接触面積が大きくなり、結露水２７が一酸化炭素低減部１３の上端の高さに位置に到達するまでの経路も長くなる。
【００５２】
その結果、結露水２７の落下速度を遅らせて結露水２７の第１壁３１における蒸発を促進することとなり、結露水２７が滴り落ちることにより、一酸化炭素低減触媒１４の温度が局所的に低下することはなくなる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、円筒形状で構成される水素生成装置１について説明しているが、円筒形状以外の反応器にも当てはまることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、燃焼排ガス結露水の冷却量が一極集中して触媒へ影響することを回避できる構成を実現できるので、家庭用燃料電池システムな
どに適している。
【符号の説明】
【００５５】
１  水素生成装置
８  配管
９  蒸発部
１０  改質部
１１  改質触媒
１３  一酸化炭素低減部
１４  一酸化炭素低減触媒
１７  出口配管
１８  燃料電池
２０  燃焼部
２１  燃焼筒
２２  燃焼排ガス流路
２３  燃焼排ガス排出口
２５  燃焼排ガス
２６  凹凸多段部
２７  結露水
２８  螺旋状凸部
３０  供給経路
３１  第１壁
３２  中筒
３３  外筒
３４  排出経路
３５  螺旋状凹凸部
４２  第２壁
【図１】
2016160141.tif 000003
【図２】
2016160141.tif 000004
【図３】
2016160141.tif 000005