(57)【要約】【課題】改質触媒の上流部と下流部との温度勾配を小さくして改質触媒の量を減らす。【解決手段】排出流路３４内において、改質部１０と隣接する部分（図１の「Ａ」部分）に、外断熱材４１を設置している。外断熱材４１を設置することにより断熱材を通過する伝導熱及び輻射熱は抑制されるので、「Ａ」部分における排出流路３４内の改質ガスと改質部１０との間の熱交換性能は、図１の「Ｂ」部分における排出流路３４内の改質ガスと供給流路３０内の原料と水蒸気との混合ガスとの間の熱交換性能（「Ｂ」部分）に比べて悪くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の内筒と、
前記内筒の外周を囲む筒状の中筒と、
前記中筒の外周を囲む筒状の外筒と、
前記内筒及び前記中筒の間に設けられ、原料及び水蒸気を改質反応させ水素含有ガスを生成する改質部と、
前記内筒の内側に配置され、少なくとも前記改質部を加熱する加熱部と、
前記内筒及び前記中筒の間を通って原料及び水蒸気を混合させた混合ガスを前記改質部に供給する供給流路と、
前記改質部及び前記供給流路に前記中筒を介して隣接しており、前記中筒及び前記外筒の間を通って前記改質部から水素含有ガスを排出する排出流路と、
前記中筒及び前記外筒の間に設けられ、前記排出流路を通って供給される前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を低減するＣＯ低減部と、
を備え、
前記排出流路と前記改質部との間の熱交換性能が、前記排出流路と前記供給流路との間の熱交換性能に比べて悪くなるように構成された水素生成装置。
【請求項２】
前記排出流路のうち前記供給流路に隣接する部分は、前記改質部と隣接する部分に比べて、水素含有ガスの流れ方向における断面積が小さくなるよう構成された、
水素生成装置。
【請求項３】
請求項１または２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発電システムは、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。ところが、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。そこで、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が併設される。
【０００３】
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。また、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なる、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設ける構成がとられることが多い。
【０００４】
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、各反応部には適した温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２００℃程度、選択酸化部は１５０℃程度で使用されることが多い。
【０００５】
さて、燃料電池発電システムを家庭用機器として本格普及させるためには、設置スペースとコスト面から小型化させることが必要であり、水素生成装置を極限まで小型化する開発がすすめられている。
【０００６】
水素生成装置を小型化するためには各触媒の搭載量を最小にすることが必要であり、特に高温で反応する改質触媒量を最小にすることが重要となる。そのためには改質触媒層内の温度勾配は最小に抑えて温度を均一化する方向に設計することが必要となる。
【０００７】
特許文献１には、改質部、水蒸発部、一酸化炭素低減部の各々を加熱部の周りに同心円筒状に配設する水素生成装置において、水蒸発部に水トラップ部を設けて、水が改質部へ浸入することによる改質触媒の劣化防止を図ると共に、改質部から排出された水素含有ガスの温度を水トラップでトラップされた水と熱交換して温度を下げる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１９１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来の構成では、改質部から排出された改質ガスは、改質部の外周部に沿って流れながら改質触媒と熱交換する。すなわち改質部から排出された改質ガスは、改質触媒の下流部（高温部）側へは放熱し、改質触媒の上流部（低温部）側からは受熱する。従って、改質部から排出された改質ガスに由来して改質触媒の上流部と下流部との温度勾配が大きくなる。
【００１０】
改質触媒の上流部と下流部との温度勾配が大きいと、改質触媒が有効に反応できる温度帯に存在する改質触媒を必要量確保するために、より多くの改質触媒を搭載せざるを得なくなる。
【００１１】
一方、改質部から排出された改質ガスと改質触媒との間で熱交換性能を悪くすると、改質ガスは高温のままＣＯ低減部に達するので、ＣＯ低減触媒は高温劣化していくこととなり、その結果より多くのＣＯ低減触媒を搭載しなければならなくなる。
【００１２】
そこで、本発明は、改質触媒の上流部と下流部との温度勾配を小さくして改質触媒の量を減らすと共に、ＣＯ低減触媒の高温劣化を抑制できる水素生成装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、筒状の内筒と、前記内筒の外周を囲む筒状の中筒と、前記中筒の外周を囲む筒状の外筒と、前記内筒及び前記中筒の間に設けられ、原料及び水蒸気を改質反応させ水素含有ガスを生成する改質部と、前記内筒の内側に配置され、少なくとも前記改質部を加熱する加熱部と、前記内筒及び前記中筒の間を通って原料及び水蒸気を混合させた混合ガスを前記改質部に供給する供給流路と、前記改質部及び前記供給流路に前記中筒を介して隣接しており、前記中筒及び前記外筒の間を通って前記改質部から水素含有ガスを排出する排出流路と、前記中筒及び前記外筒の間に設けられ、前記排出流路を通って供給される前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を低減するＣＯ低減部と、を備え、前記排出流路と前記改質部との間の熱交換性能が、前記排出流路と前記供給流路との間の熱交換性能に比べて悪くなるように構成したものである。
【００１４】
これによって、排出流路を流れる改質ガス温度は改質部温度より常に高くすることができるので、改質部の上流部から排出流路内の改質ガスへの放熱がなくなり、改質触媒の上流部と下流部との温度勾配はつきにくくなる。さらに、改質部と十分熱交換せずに高温のままである改質ガスは、排出流路と前記供給流路との間で熱交換されるので、ＣＯ低減部に達するまでに所定の温度に下げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水素生成装置は、改質触媒の上流部と下流部との温度勾配が小さくなるので、一定の容積当たりに、改質触媒が有効に反応させるための温度帯により多くの改質触媒を存在させることができる。その結果、改質触媒を必要最小量に抑えることができるので、改質部を小さく構成することができる。そして、高温である改質部を小さく構成することにより、改質部を覆う断熱材も小さくすることができるので、水素生成装置の小型化が図れる。
【００１６】
かつ、ＣＯ低減触媒についても、高温のままの改質ガスが原因である高温劣化を防止することができるので、水素生成器の長寿命化を図ると共にＣＯ低減触媒が劣化することを予め見越した分の余裕量を搭載する必要がなくなるので、水素生成装置をさらに小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置を示す概略縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成装置の断熱材構成を変えた一例を示す概略縦断面図
【図３】本発明の実施の形態１における水素生成装置の材質を変えた一例を示す概略縦断面図
【図４】本発明の実施の形態１における水素生成装置の板厚を変えた一例を示す概略縦断面図
【図５】本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、筒状の内筒と、内筒の外周を囲む筒状の中筒と、中筒の外周を囲む筒状の外筒と、内筒及び前記中筒の間に設けられ、原料及び水蒸気を改質反応させ水素含有ガスを生成する改質部と、内筒の内側に配置され、少なくとも改質部を加熱する加熱部と、内筒及び中筒の間を通って原料及び水蒸気を混合させた混合ガスを改質部に供給する供給流路と、改質部及び供給流路に中筒を介して隣接しており、中筒及び外筒の間を通って改質部から水素含有ガスを排出する排出流路と、中筒及び外筒の間に設けられ、排出流路を通って供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を低減するＣＯ低減部と、を備え、排出流路と改質部との間の熱交換性能が、排出流路と供給流路との間の熱交換性能に比べて悪くなるように構成された水素生成装置である。
【００１９】
上記構成により、排出流路を流れる改質ガス温度は隣接する改質部温度より常に高くすることができ、改質部の上流部から排出流路内の改質ガスへの放熱がなくなり、改質触媒の上流部と下流部との温度勾配はつきにくくなる。
【００２０】
これにより一定の容積当たりに、改質触媒が有効に反応させるための温度帯の中により多くの改質触媒を存在させて改質触媒を必要最小量に抑えることができるので、改質部を小さく構成することができる。そして、高温である改質部を小さく構成することにより、改質部を覆う断熱材も小さくすることができるので水素生成器の小型化が図れる。
【００２１】
また、改質部と十分に熱交換されなかった高温の改質ガスは、排出流路と供給流路との間で熱交換されてＣＯ低減部に達するまでに所定の温度にまで下がるので、改質ガス温度が高温であることが原因によるＣＯ低減触媒の劣化を防止して、水素生成器の長寿命化を実現できると共に、ＣＯ低減触媒が劣化することを予め見越した分の余裕量を搭載する必要がなくなるので、水素生成装置をさらに小型化することができる。
【００２２】
第２の発明は、特に第１の発明の排出流路のうち供給流路に隣接する部分は、改質部と隣接する部分に比べて、改質ガスの流れ方向における断面積が小さくなるよう構成されている。
【００２３】
上記構成により、供給流路と隣接する排出流路を流れる改質ガスの流速は、改質部と連接する排出流路を流れる改質ガスの流速より速くなり熱交換が促進される。すなわち、排出流路と改質部との間の熱交換性能が、排出流路と供給流路との間の熱交換性能に比べて悪くなるので、排出流路を流れる改質ガス温度は隣接する改質部温度より常に高くすることができ、改質部の上流部から排出流路内の改質ガスへの放熱がなくなり、改質触媒の上流部と下流部との温度勾配はつきにくくなる。
【００２４】
これにより一定の容積当たりに、改質触媒が有効に反応させるための温度帯の中により多くの改質触媒を存在させて改質触媒を必要最小量に抑えることができるので、改質部を小さく構成することができる。そして、高温である改質部を小さく構成することにより、改質部を覆う断熱材も小さくすることができるので水素生成器の小型化が図れる。
【００２５】
また、改質部と十分に熱交換されなかった高温の改質ガスは、排出流路と供給流路との間で熱交換されてＣＯ低減部に達するまでに所定の温度にまで下がるので、改質ガス温度が高温であることが原因によるＣＯ低減触媒の劣化を防止して、水素生成器の長寿命化を
実現できると共に、ＣＯ低減触媒が劣化することを予め見越した分の余裕量を搭載する必要がなくなるので、水素生成装置をさらに小型化することができる。
【００２６】
以下、本発明の水素生成装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明するが、こ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。
【００２７】
（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を示す概略縦断面図である。
【００２８】
図１において、流量調節して供給された原料の都市ガスは、原料供給器２から原料配管３を通じて、水配管７から供給された改質水と混合され，混合配管８を通って蒸発部９へ送られ、原料と水蒸気との混合ガスは供給流路３０を通り、内筒３１と中筒３２との間に配置された高温に加熱された改質触媒１１を配置された改質部１０に送られる。
【００２９】
蒸発部９の下部には水受け部１５が設置されており、蒸発部９で一時的に蒸発し切れずに水が落下しても水受け部１５で蒸発できるので改質触媒１１が水濡れすることによる劣化を防止できる。
【００３０】
改質部１０おいて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。この改質ガスは中筒３２と外筒３３との間に形成される排出流路３４を通って、ＣＯ低減部１３内のＣＯ低減触媒層１４に入り，一酸化炭素濃度が低減されて燃料ガスとして燃料配管１７から取り出されて燃料電池１８へ供給される。
【００３１】
内筒３１の内側には、少なくとも改質部１０を加熱するための加熱部２０が配置されている。加熱部２０は燃焼バーナによって構成され、燃焼した排ガスは，排ガス配管２１を通じて排気される。
【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】
原料と水蒸気との混合ガスは供給流路３０を通って、加熱部２０で加熱された改質部１０に入り、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約６５０℃の改質ガスに変化する。
【００３４】
改質部の上流部分は例えば約５００℃下流部分は約６５０℃である。改質ガスは改質部１０を通過した後に加熱部２０でさらに加熱されて約６７０℃になり、排出流路３４を通り隣接している改質部１０と、供給流路３０とそれぞれ熱交換して、ＣＯ低減部１３へ流れていく。
【００３５】
本実施の形態においては、排出流路３４内において、改質部１０と隣接する部分（図１の「Ａ」部分）に、外断熱材４１を設置している。外断熱材４１を設置することにより断熱材を通過する伝導熱及び輻射熱は抑制されるので、「Ａ」部分における排出流路３４内の改質ガスと改質部１０との間の熱交換性能は、図１の「Ｂ」部分における排出流路３４内の改質ガスと供給流路３０内の原料と水蒸気との混合ガスとの間の熱交換性能（「Ｂ」部分）に比べて悪くなる。
【００３６】
これにより排出流路の「Ａ」部分を流れる改質ガス温度は隣接する改質部温度より常に高くすることができるので、改質部の上流部（「Ａ」部分のうち最も「Ｂ」に近い部分）においても、改質部から排出流路３４内の改質ガスへは放熱しなくなり、つまり排出流路３４内の改質ガスと改質部１０との熱交換に由来する改質触媒１１の温度勾配はつきにく
くなる。
【００３７】
改質触媒１１の温度勾配が小さくなると改質触媒１１が略均等である断面積を有する容器に充填されているときに、一定の容積当たりに、改質触媒１１が有効に反応させるための温度帯の中に、より多くの改質触媒１１を存在させることができるので、改質触媒１１量を必要な最小限にすることができ、水素生成装置の小型化が図れる。
【００３８】
また、「Ａ」部分の排出流路３４を通った例えば約５５０℃である改質ガスは、「Ｂ」部分で排出流路３４を通るときに供給流路３０を通る原料と水蒸気との混合ガスと熱交換される。
【００３９】
水受け部１５は水受け筒１６を有しており、水受け筒１６と中筒３２との間は狭くしているので、排出流路３４を通る改質ガスから供給流路３０を通る原料と水蒸気の混合ガスへの熱交換は促進される。
【００４０】
これにより、改質ガスがＣＯ低減部１３に達するまでには例えば３００℃である所定の温度にまで下げることができ、高温である改質ガス温度が供給されることが原因によるＣＯ低減触媒層１４の劣化を防止することができ水素生成装置の長寿命化を実現できる。
【００４１】
また、供給流路３０を通る原料と水蒸気との混合ガスへの熱交換量（改質ガス部から加熱される量）が多くなるので、改質部１０へ入る混合ガス温度は上がり改質触媒１１の温度勾配をさらに小さくすることができる。
【００４２】
図２は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の断熱材構成を変えた一例を示す概略縦断面図である。図１と異なるのは、外断熱材４１の代わりに、改質部１０内に内断熱材４２を設置していることである。
【００４３】
この構成により、「Ａ」部分における排出流路３４内の改質ガスと改質部１０との熱交換性能が、「Ｂ」部分における排出流路３４内の改質ガスと供給流路３０を通る原料と水蒸気の混合ガスとの熱交換性能より悪くなり、図１で説明したことと同じ作用と効果が得られる。
【００４４】
図３は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の材質を変えた一例を示す概略縦断面図である。図１と異なるのは、外断熱材４１は設置しない代わりに、中筒３２のうち「Ａ」部分と「Ｂ」部分とで異なる材質を用いている。中筒のうち「Ａ」部分で使用しているＡ板材４３は中筒のうち「Ｂ」部分で用いているＢ板材４４より熱伝導率が悪いもので構成している。
【００４５】
この構成により、「Ａ」部分における排出流路３４内の改質ガスと改質部１０との熱交換性能が、「Ｂ」部分における排出流路３４内の改質ガスと供給流路３０を通る原料と水蒸気の混合ガスとの熱交換性能より悪くなり、図１で説明したことと同じ作用と効果が得られる。
【００４６】
図４は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の板厚を変えた一例を示す概略縦断面図である。図１と異なるのは、外断熱材４１は設置しない代わりに、中筒３２のうち「Ａ」部分と「Ｂ」部分とで異なる板厚で構成している。中筒のうち「Ａ」部分で使用しているＡ１板材４５は中筒のうち「Ｂ」部分で用いているＢ１板材４６より厚い板厚で構成しているのでＡ１板材４５の方がＢ１板材４６よりも熱伝導特性が悪くなる。
【００４７】
この構成により、「Ａ」部分における排出流路３４内の改質ガスと改質部１０との熱交
換性能が、「Ｂ」部分における排出流路３４内の改質ガスと供給流路３０を通る原料と水蒸気の混合ガスとの熱交換性能より悪くなり、図１で説明したことと同じ作用と効果が得られる。
【００４８】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における水素生成装置を示す概略縦断面図である。
【００４９】
本実施の形態の基本構成と動作について実施の形態１と同様の部分は省略する。また。図１と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
図５において、排出流路３４のうち、供給流路３０に隣接する部分（「Ｂ」部分）の方が、改質部１０と隣接する部分（「Ｂ」部分）に比べて、通過する改質ガスの流速が速くなるように構成されている。具体的には、排出流路３４における改質ガスの流れ方向における断面積が、「Ｂ」部分の方が「Ａ」部分に比べて小さくなるよう構成されている。
【００５１】
これにより、「Ａ」部分における排出流路３４内の改質ガスと改質部１０との熱交換性能が、「Ｂ」部分における排出流路３４内の改質ガスと供給流路３０を通る原料と水蒸気の混合ガスとの熱交換性能より悪くなる。
【００５２】
従って実施の形態１と同様に、排出流路３４の「Ａ」部分を流れる改質ガス温度は隣接する改質部温度より常に高くすることができ、改質部の上流部（「Ａ」部分のうち最も「Ｂ」に近い部分）においても、改質部１０から排出流路３４内の改質ガスへの放熱がなくなるので、排出流路３４内の改質ガスと改質部１０との熱交換に由来する改質触媒１１の上流部と下流部との温度勾配はつきにくくなる。
【００５３】
これにより、一定の容積当たりに、改質触媒１１が有効に反応させるための温度帯の中に、より多くの改質触媒１１を存在させることができるので改質触媒１１量を必要最小限にすることができ水素生装置の小型化が図れる。
【００５４】
かつ、高温の改質ガスは排出流路３４と供給流路３０との間で熱交換されるのでＣＯ低減部に達するまでに所定の温度にまで下がるので、改質ガス温度高温化が原因によるＣＯ低減触媒層１４の高温劣化を防止することができ水素生成装置の長寿命化を実現できる。
【００５５】
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】
【００５６】
以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、改質触媒を必要最小量に抑えることができ水素生成器の小型化が図れるので、家庭用の燃料電池発電システムに好適である。
【符号の説明】
【００５７】
２  原料供給器
３  原料配管
７  水配管
８  混合配管
９  蒸発部
１０  改質部
１１  改質触媒
１３  ＣＯ低減部
１４  ＣＯ低減触媒層
１５  水受け部
１６  水受け筒
１７  燃料配管
１８  燃料電池
２０  加熱部
２１  排ガス配管
３０  供給流路
３１  内筒
３２  中筒
３３  外筒
３４  排出流路
４１  外断熱材
４２  内断熱材
４３  Ａ板材
４４  Ｂ板材
４５  Ａ１板材
４６  Ｂ１板材
【図１】
2016130194.tif 000003
【図２】
2016130194.tif 000004
【図３】
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【図４】
2016130194.tif 000006
【図５】
2016130194.tif 000007