(57)【要約】【課題】水素生成装置の蒸発器の流路の密着部においてショートカットが生じにくく、かつ、破壊が生じにくくする。【解決手段】水素生成装置の蒸発器用の螺旋波形筒１において、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凸部２の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部４を備え、螺旋波形筒を外筒の内周面に密着させた時に、第２凸部４の少なくとも一部が押し潰されることで、密着部の面圧を高くし、かつ螺旋波形筒１にかかる応力を分散させることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、前記凹凸の凸部を外筒の内周面に密着させて、前記外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒であって、
前記凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部を備え、
前記螺旋波形筒を前記外筒の内周面に密着させた時に、前記第２凸部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする、水素生成装置の蒸発器用の螺旋波形筒。
【請求項２】
側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、前記凹凸の凹部を内筒の外周面に密着させて、前記内筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒であって、
前記凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を備え、
前記螺旋波形筒を前記内筒の外周面に密着させた時に、前記第２凹部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする、水素生成装置の蒸発器用の螺旋波形筒。
【請求項３】
外筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、前記凹凸の凸部を前記外筒の内周面に密着させて、前記外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、
前記螺旋波形筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと前記水から改質反応により水素を生成する水素生成装置であって、
前記凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部を備え、
前記螺旋波形筒を前記外筒の内周面に密着させた時に、前記第２凸部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする水素生成装置。
【請求項４】
内筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、前記凹凸の凹部を前記内筒の外周面に密着させて、前記内筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、
前記内筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと前記水から改質反応により水素を生成する水素生成装置であって、
前記凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を備え、
前記螺旋波形筒を前記内筒の外周面に密着させた時に、前記第２凹部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする水素生成装置。
【請求項５】
外筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、前記凹凸の凸部を前記外筒の内周面に密着させて、前記外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、
前記螺旋波形筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと前記水から改質反応により水素を生成する水素生成装置の製造方法であって、
筒体の側壁を変形させて、軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成すると共に前記凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部を設ける筒作成工程と、
前記筒作成工程で得られた前記螺旋波形筒を前記外筒の内周面に密着させて、前記第２凸部の少なくとも一部を押し潰す密着工程と、
を有する水素生成装置の製造方法。
【請求項６】
内筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、前記凹凸の凹部を前記内筒の外周面に密着させて、前記内筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、
前記内筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと前記水から改質反応により水素を生成する水素生成装置の製造方法であって、
筒体の側壁を変形させて、軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成すると共に前記凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を設ける筒作成工程と、
前記筒作成工程で得られた前記螺旋波形筒を前記内筒の外周面に密着させて、前記第２凹部の少なくとも一部を押し潰す密着工程と、
を有する水素生成装置の製造方法。
【請求項７】
前記密着工程で２つの筒を密着させる時に、同軸状に配置された２つの筒のうち外側に位置する筒を焼き嵌めする、
請求項５または６に記載の水素生成装置の製造方法。
【請求項８】
前記密着工程で２つの筒を密着させる時に、同軸状に配置された２つの筒のうち内側に位置する筒を冷やし嵌めする、
請求項５または６に記載の水素生成装置の製造方法。
【請求項９】
前記密着工程で２つの筒を密着させる時に、同軸状に配置された２つの筒のうち内側に位置する筒の内側に内圧を付与する、
請求項５または６に記載の水素生成装置の製造方法。
【請求項１０】
前記密着工程で２つの筒を密着させる時に、同軸状に配置された２つの筒のうち外側に位置する筒の外側から外圧を付与する、
請求項５または６に記載の水素生成装置の製造方法。
【請求項１１】
前記密着工程で２つの筒を密着させる時に、外側になる筒に内側になる筒を圧入する、請求項５または６に記載の水素生成装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原料ガスを改質し、水素リッチな改質ガスを製造し、燃料電池発電装置用等の燃料ガスの製造に用いられる水素生成装置と、その水素生成装置の蒸発部に用いられる螺旋波形筒、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、都市ガスやＬＰＧ等の原料ガスと水蒸気から水蒸気改質反応により水素を生成し、発電スタックに供給する改質ガスとする水素生成装置が知られている。水蒸気改質反応に用いる水蒸気は、蒸発器によって改質水を蒸発させることで生成される。
【０００３】
この蒸発器として、円筒状の筒を組み合わせて螺旋形状の流路を構成することで、効率的に改質水を蒸発させることができる蒸発器が知られている。図１０は従来の蒸発器の要部構成を示す縦断面図である。
【０００４】
図１０に示すように、従来の蒸発器１２０は、内側螺旋波形管１２１とその外周を覆うように円筒体１２２が配設される。内側螺旋波形管１２１は、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸が形成されている。その結果、内側螺旋波形管１２１と円筒体１２２の間隙には流通路１２０ａが形成される。また、内側螺旋波形管１２１の内周側に間隙を空けて案内筒１１３が配設される。
【０００５】
流通路１２０ａには原料ガス１０１と改質水１０２が供給される。また、内側螺旋波形管１２１と案内筒１１３との間隙には、バーナから燃焼排ガス１０６が供給される。
【０００６】
改質水１０２は、らせん状の流通路１２０ａを周回しながら燃焼排ガス１０６と熱交換して加熱され、水蒸気１０２ａとなる。また原料ガス１０１も同様に加熱され、水蒸気１０２ａと混合される。その結果、高温に加熱された原料ガス１０１と水蒸気１０２ａの混合ガスが蒸発器１２０から排出される。
【０００７】
その後、混合ガスは改質部に送られ、改質触媒の働きにより、水蒸気改質反応により水素を生成する。このとき、混合ガスがより混合され、より加熱されていることで反応の効率が高くなる。
【０００８】
このように、従来の蒸発器１２０は、内側螺旋波形管１２１を介して加熱ガスと液体とが面接触するようになるので、簡単な構造でありながらも、効率よく加熱することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１３９４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の技術では、内側螺旋波形管１２１と円筒体１２２の密着部に隙間が生じて、螺旋状の流通路１２０ａを改質水１０２がショートカットしてしまう恐れがあった。
【００１１】
内側螺旋波形管１２１と円筒体１２２を密着させる方法として、予め加熱して熱膨張させた円筒体１２２に内側螺旋波形管１２１を挿入し、円筒体１２２が熱収縮することで密着させる、焼き嵌めの手段等が用いられる。
【００１２】
この場合、内側螺旋波形管１２１の螺旋状をなす凹凸における、凸部１２３の頂点に対し、熱収縮した円筒体１２２の内周面が密着し、密着部に面圧を発生させている。
【００１３】
密着部の面圧が低い場合には、改質水１０２のショートカットが発生する恐れがある。例えば、起動時や運転停止時に内側螺旋波形管１２１と円筒体１２２に温度差が生じ、円筒体１２２の方が大きく熱膨張して面圧が低下することがある。
【００１４】
このような場合、初期の面圧が低い場合には隙間が生じる恐れがある。また、高圧で原料ガス１０１を流入させ、改質水１０２が急速に蒸発した場合、流通路１２０ａにおける気体の内圧が高くなり、密着が崩れて隙間が生じる恐れがある。改質水１０２がショートカットすると、蒸発が完了しないまま改質部に送られ、改質触媒を濡らして劣化させ、性能を低下させる。
【００１５】
また、蒸発部に発熱触媒（例えば変成触媒、ＣＯ除去触媒）を隣接して配置して、熱交換により冷却をさせている場合、改質水１０２のショートカットにより冷却が不十分になり、発熱触媒の温度が上昇し続ける熱暴走が発生する恐れがある。このように、改質水１０２のショートカットは水素生成装置の性能を低下させる。
【００１６】
特許文献１における、焼き嵌め以外の密着方法においても、同様の課題が生じる。一方で、密着部の面圧を高める場合には、別の課題が生じる。図１１は従来の蒸発器の変形例における要部構成を示す縦断面図である。
【００１７】
蒸発器１３０は内側螺旋波形管１３１と円筒体１２２で構成されている。密着部の面圧を高める手段として、内側螺旋波形管１３１において、凸部１３３のＲ（曲率半径）を小さくし、凸部１３３の剛性を高めている。
【００１８】
しかしながら、凸部１３３の剛性を高めた結果、荷重が分散されずに凸部の根元１３５に高い応力が発生する。凸部１３３の剛性が高いため、円筒体１２２を密着させたときに内側螺旋波形管１３１にかかる荷重によっても、凸部１３３はほとんど変形しない。
【００１９】
その結果、荷重は、ほぼそのまま凹部１３４に伝わり、凹部１３４がたわむことで荷重が分散される。特に凸部の根元１３５には分散されない荷重によって、高いせん断応力が発生する。せん断応力が繰り返し付加されると、その部分は破壊しやすくなる。
【００２０】
この状態で起動と運転停止を繰り返すと、内側螺旋波形管１３１に破壊が生じる恐れがある。内側螺旋波形管１３１に破壊が生じると水素生成装置の運転が継続できなくなる。
【００２１】
図１０の凸部１２３においては、比較的Ｒ（曲率半径）が大きいため、凸部１２３全体がたわむことができ、荷重が分散される。その結果、凸部１２３の根元に応力が集中しにくい。一方で、図１１の凸部１３３においては、比較的Ｒ（曲率半径）が小さいため、荷重が分散されず、凸部の根元１３５に応力が集中してしまう。
【００２２】
このように、従来の技術では、密着部の面圧を高くしてショートカットを防止する構成をとった場合、水素生成装置の蒸発器に破壊が生じる恐れがあるという問題があった。
【００２３】
そこで、本発明は、上記従来の課題を解決するもので、流路の密着部において面圧を高
く保ち、ショートカットを発生させず、かつ、破壊が生じにくい蒸発器を提供することの出来る螺旋波形筒と、それを備える水素生成装置、及びその製造方法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】
【００２４】
上記従来の課題を解決するために、第１の発明の水素生成装置の蒸発器用の螺旋波形筒は、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を持ち、凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部を備えることを特徴とする。
【００２５】
この螺旋波形筒を用いることで、螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ破壊が生じにくい蒸発器を提供することができる。
【００２６】
また、上記従来の課題を解決するために、第２の発明の水素生成装置の蒸発器用の螺旋波形筒は、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を持ち、凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を備えることを特徴とする。
【００２７】
この螺旋波形筒を用いることで、螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ破壊が生じにくい蒸発器を提供することができる。
【００２８】
また、上記従来の課題を解決するために、第３の発明の水素生成装置は、外筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凸部を外筒の内周面に密着させて、外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、螺旋波形筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置であって、凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部を備え、螺旋波形筒を外筒の内周面に密着させた時に、第２凸部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする。
【００２９】
これによって、蒸発器において密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい。また、螺旋状の流路とその内周に配置された加熱部との熱交換効率を高くすることができる水素生成装置を提供することができる。
【００３０】
また、上記従来の課題を解決するために、第４の発明の水素生成装置は、内筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凹部を内筒の外周面に密着させて、内筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、内筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置であって、凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を備え、螺旋波形筒を内筒の外周面に密着させた時に、第２凹部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする。
【００３１】
これによって、蒸発器において密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい水素生成装置を提供することができる。
【００３２】
また、上記従来の課題を解決するために、第５の発明の水素生成装置の製造方法は、外筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凸部を外筒の内周面に密着させて、外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、螺旋波形筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置の製造方法であって、筒体の側壁を変形させて、軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成すると共に凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変
形させた第２凸部を設ける筒作成工程と、筒作成工程で得られた螺旋波形筒を外筒の内周面に密着させて、第２凸部の少なくとも一部を押し潰す密着工程と、を有する。
【００３３】
これによって水素生成装置を簡便に製造することができ、その蒸発器において密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい。また、螺旋状の流路とその内周に配置された加熱部との熱交換効率を高くすることができる水素生成装置の製造方法を提供することができる。
【００３４】
また、上記従来の課題を解決するために、第６の発明の水素生成装置の製造方法は、内筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凹部を内筒の外周面に密着させて、内筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、内筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置の製造方法であって、筒体の側壁を変形させて、軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成すると共に凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を設ける筒作成工程と、筒作成工程で得られた螺旋波形筒を内筒の外周面に密着させて、第２凹部の少なくとも一部を押し潰す密着工程と、を有する。
【００３５】
これによって水素生成装置を簡便に製造することができ、その蒸発器において密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい水素生成装置の製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の螺旋波形筒とそれを備える水素生成装置、及びその製造方法によれば、蒸発器の流路の密着部において面圧を高く保ち、ショートカットが生じにくく、かつ、破壊が生じにくい蒸発器と、水素生成装置を提供することができる。
【００３７】
さらに、凹凸の凸部を外筒の内周面に密着させて、外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒を用いた蒸発器において、螺旋状の流路の内周に加熱部が配置された場合に、螺旋状の流路と加熱部との熱交換効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る螺旋波形筒の構成を示す縦断面図
【図２】本発明の実施の形態２に係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に係る蒸発器の焼き嵌めによる組立を示す工程図
【図４】本発明の実施の形態４に係る蒸発器の冷やし嵌めによる組立を示す工程図
【図５】本発明の実施の形態５に係る蒸発器の拡径による組立を示す工程図
【図６】本発明の実施の形態６に係る蒸発器の縮径による組立を示す工程図
【図７】本発明の実施の形態７に係る蒸発器の圧入による組立を示す工程図
【図８】本発明の実施の形態８に係る螺旋波形筒の構成を示す縦断面図
【図９】本発明の実施の形態９に係る水素生成装置の概略構成図
【図１０】従来の蒸発器の要部構成を示す縦断面図
【図１１】従来の蒸発器の変形例における要部構成を示す縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００３９】
第１の発明は、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凸部を外筒の内周面に密着させて、外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒であって、凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部を備え、螺旋波形筒を外筒の内周面に密着させた時に、第２凸部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする、水素生成装置の蒸発器用の螺旋波形筒である。
【００４０】
この螺旋波形筒を用いた蒸発器は、密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい。また、螺旋状の流路の内周に加熱部が配置された場合に、螺旋状の流路と加熱部との熱交換効率を高くすることができる。
【００４１】
第２の発明は、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凹部を内筒の外周面に密着させて、内筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒であって、凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を備え、螺旋波形筒を内筒の外周面に密着させた時に、第２凹部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする、水素生成装置の蒸発器用の螺旋波形筒である。
【００４２】
この螺旋波形筒を用いた蒸発器は、密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい。
【００４３】
第３の発明は、外筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凸部を外筒の内周面に密着させて、外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、螺旋波形筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置であって、凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部を備え、螺旋波形筒を外筒の内周面に密着させた時に、第２凸部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする水素生成装置である。
【００４４】
これによって、蒸発器において密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい。また、螺旋状の流路とその内周に配置された加熱部との熱交換効率を高くすることができる。
【００４５】
第４の発明は、内筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凹部を内筒の外周面に密着させて、内筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、内筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置であって、凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を備え、螺旋波形筒を内筒の外周面に密着させた時に、第２凹部の少なくとも一部が押し潰されることを特徴とする水素生成装置である。
【００４６】
これによって、蒸発器において密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい。
【００４７】
第５の発明は、外筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工され、凹凸の凸部を外筒の内周面に密着させて、外筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、螺旋波形筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置の製造方法であって、筒体の側壁を変形させて、軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成すると共に凸部の頂点部分に、外周方向に突出するように変形させた第２凸部を設ける筒作成工程と、筒作成工程で得られた螺旋波形筒を外筒の内周面に密着させて、第２凸部の少なくとも一部を押し潰す密着工程と、を有する水素生成装置の製造方法である。
【００４８】
これによって水素生成装置を簡便に製造することができ、その蒸発器において密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい。また、螺旋状の流路とその内周に配置された加熱部との熱交換効率を高くすることができる。
【００４９】
第６の発明は、内筒と、側壁が軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成するように加工さ
れ、凹凸の凹部を内筒の外周面に密着させて、内筒との間に水を蒸発させる螺旋状の流路を形成する螺旋波形筒と、を備え、内筒の内周側に加熱部が設けられ、原料ガスと水から改質反応により水素を生成する水素生成装置の製造方法であって、筒体の側壁を変形させて、軸方向に向かって螺旋状の凹凸を形成すると共に凹部の頂点部分に、内周方向に突出するように変形させた第２凹部を設ける筒作成工程と、筒作成工程で得られた螺旋波形筒を内筒の外周面に密着させて、第２凹部の少なくとも一部を押し潰す密着工程と、を有する水素生成装置の製造方法である。
【００５０】
これによって水素生成装置を簡便に製造することができ、その蒸発器において密着部の面圧が高いことで螺旋状の流路にショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい。
【００５１】
第７の発明は、特に、第５または第６の発明の水素生成装置の製造方法において、密着工程で２つの筒を密着させる時に、同軸状に配置された２つの筒のうち外側に位置する筒を焼き嵌めするのである。
【００５２】
これによって、全体で熱収縮するため、密着部全体に渡って均一に密着している水素生成装置を簡便に製造することが出来る。
【００５３】
第８の発明は、特に、第５または第６の発明の水素生成装置の製造方法において、密着工程で２つの筒を密着させる時に、同軸状に配置された２つの筒のうち内側に位置する筒を冷やし嵌めするのである。
【００５４】
これによって、全体で熱膨張するため、密着部全体に渡って均一に密着し、かつ熱劣化を生じさせずに水素生成装置を簡便に製造することが出来る。
【００５５】
第９の発明は、特に、第５または第６の発明の水素生成装置の製造方法において、密着工程で２つの筒を密着させる時に、同軸状に配置された２つの筒のうち内側に位置する筒の内側に内圧を付与するのである。
【００５６】
これによって、短時間で効率的に密着加工を行うことができ、水素生成装置を簡便に製造することが出来る。
【００５７】
第１０の発明は、特に、第５または第６の発明の水素生成装置の製造方法において、密着工程で２つの筒を密着させる時に、同軸状に配置された２つの筒のうち外側に位置する筒の外側から外圧を付与するのである。
【００５８】
これによって、軸方向に長尺であっても短時間で効率的に密着加工を行うことができ、水素生成装置を簡便に製造することが出来る。
【００５９】
第１１の発明は、特に、第５または第６の発明の水素生成装置の製造方法において、密着工程で２つの筒を密着させる時に、外側になる筒に内側になる筒を圧入するのである。
【００６０】
これによって、特殊な装置を用いず、水素生成装置を簡便に製造することが出来る。
【００６１】
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、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。
【００６２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る螺旋波形筒１の構成を示す縦断面図である。
【００６３】
螺旋波形筒１は円筒状の側壁に、軸方向に向かって螺旋状の凹凸が形成されている。外周に突出している部分が凸部２、両側を凸部２に挟まれ、内周側に突出している部分が凹部３である。凸部２は、外向きのＲ形状を持っている。このＲ形状の頂点部分に、段差を設けることで、第２凸部４が形成されている。
【００６４】
螺旋波形筒１は熱伝導性と高温耐久性が求められるため、例えば、ステンレスの薄板で製作される。まず、ステンレスの薄板をロール加工して、接合部を溶接し、筒状部品を製作する。その後、バルジ加工やスピニング加工により螺旋状の凹凸を形成する。
【００６５】
凸部２と第２凸部４は一回の加工で同時に形成できる。また、予め凸部２を形成したものに、第２凸部４を形成してもよい。二回の加工とすることで工数は増加するが、第２凸部４の寸法精度を高くすることが出来る。
【００６６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置２０の概略構成図である。
【００６７】
水素生成装置２０は、円筒状の複数の隔壁が同心円状に配置されて、多重円筒により流路と空間を形成することで構成される。
【００６８】
多重円筒の中心部には加熱部１３が配置される。加熱部１３はバーナ１４と加熱流路１５を有する。バーナ１４には燃料ガス５５と空気５６が供給されて、高温の燃焼排ガス５７が生成される。燃料ガス５５としては都市ガスやＬＰガス等の原料ガスや、発電スタックから戻ってきた水素を含むオフガス等が適宜用いられる。
【００６９】
生成した燃焼排ガス５７は下端で折り返し、加熱流路１５で熱交換を行った後に水素生成装置２０の外へ排出される。なお、加熱部１３としては、バーナ以外の発熱体、例えばヒータ等を用いても良い。
【００７０】
加熱部１３の外周を囲むように、蒸発器１０と改質部２１が配置される。蒸発器１０は螺旋波形筒１と、その外周を覆う外筒１１とで構成される。螺旋波形筒１の螺旋状の凹凸と外筒１１との間にできる空間が、流路１０ａである。流路１０ａは螺旋状の凹凸に沿って一本の長い流路となっている。
【００７１】
流路１０ａには原料ガス５１と改質水５２が流れ、螺旋波形筒１の内周側に配置された加熱部１３との熱交換により改質水５２を蒸発させ、水蒸気５２ａを生成する。
【００７２】
流路が長いことで、時間をかけて熱交換をすることができ、また、螺旋波形筒１が内周面に面しているため、加熱部１３との熱交換面積が広いことで、高い蒸発性能を得ることができる。特に、重力方向の上から下へと改質水５２を流す場合、流路１０ａが螺旋状であることで、流路の勾配がなだらかになり、改質水５２の流速が遅くなり、より確実に蒸発させることができる。
【００７３】
螺旋波形筒１と外筒１１は密着部１２で密着している。密着部１２は図１の第２凸部４が外筒１１の内周面によって押し潰されていることで形成されている。こうすることで、螺旋波形筒１の変形が密着部１２付近に集中し、密着部１２の面圧を高くすることができる。また、螺旋波形筒１の密着部１２以外にかかる応力は図１の凸部２が大きなＲ形状をしていることで、凸部２全体に分散される。
【００７４】
密着部１２の面圧が高いことで、流路１０ａの内部に高圧の気体が流れた場合、例えば
原料ガス５１や改質水５２を大量に流し、改質水５２が水蒸気５２ａとなって体積がさらに増加した場合に、密着部１２の密着が崩れにくくすることができる。
【００７５】
また、蒸発器１０を用いた水素生成装置２０の起動時や運転停止時に、螺旋波形筒１よりも外筒１１が高温になり、一時的に温度差が大きくなった場合、熱膨張差によって、密着部１２の面圧が低下する恐れがある。
【００７６】
この場合にも、予め高い面圧を付加することで、熱膨張による変形に追従し、密着部１２の密着が崩れにくくすることができる。その結果、常に密着部１２の密着が保たれ、改質水５２のショートカットが生じにくい蒸発器１０を提供することができる。
【００７７】
また、螺旋波形筒１の応力が凸部２全体に分散されることで、長期間の運転と、起動停止の繰り返しを行った後でも、螺旋波形筒１に破壊が生じにくい蒸発器１０を提供することができる。
【００７８】
こうして蒸発器１０で生成した水蒸気５２ａと原料ガス５１が混合されたガスは、改質部２１に流入する。改質部２１においては、環状の空間に改質触媒が充填されている。改質触媒としては、白金、ロジウム、ルテニウム、ニッケル等をアルミナ担体に坦持した触媒粒子等が用いられる。
【００７９】
改質触媒の働きにより、原料ガス５１と水蒸気５２ａから水蒸気改質反応によって水素リッチな水素含有ガス５３が生成される。この水蒸気改質反応は吸熱反応であり、改質部２１が燃焼排ガス５７と熱交換することで反応が促進される。水素含有ガス５３にはＣＯ（一酸化炭素）が含まれている。
【００８０】
改質部２１を出た水素含有ガス５３は変成部２２に流入する。変成部２２には例えば銅系の変成触媒が充填されている。変成部２２では変成反応によりＣＯの濃度を低下（例えば０．５％以下に低下）させる。
【００８１】
変成部２２を出た水素含有ガス５３はＣＯ除去部２３に流入する。このとき水素含有ガス５３には空気５６を混合させる。ＣＯ除去部２３には例えばルテニウム系のＣＯ除去触媒が充填されている。ＣＯ除去部２３では選択酸化反応により、ＣＯと空気中の酸素が反応し、ＣＯを（例えばＣＯの濃度が１０ｐｐｍ以下になるように）ほぼ完全に除去する。
【００８２】
こうした反応により、水素含有ガス５３は、ＣＯをほとんど含まない改質ガス５４となり、水素生成装置２０から排出される。その後改質ガス５４は発電スタックに送られ、発電に用いられる。
【００８３】
なお、変成部２２やＣＯ除去部２３を蒸発器１０の外周を覆うように隣接して配置しても良い。変成部２２とＣＯ除去部２３の反応はどちらも発熱反応であるため、蒸発器１０との熱交換により、改質水５２の蒸発を促進し、変成部２２やＣＯ除去部２３の冷却を行うことができ、水素生成装置２０としての効率を向上させることができる。
【００８４】
このように本発明の水素生成装置２０は、蒸発器１０が効率的に熱交換を行うことにより高い改質性能を発揮することができる。
【００８５】
蒸発器１０の流路１０ａがショートカットしてしまうと、蒸発が完了しないままの改質水５２が改質部２１に流入して、改質触媒を濡らしてしまい、改質触媒が劣化して水素生成装置２０の性能が低下する恐れがある。しかし、本発明の水素生成装置２０は、蒸発器１０において流路１０ａのショートカットが起こりにくい構造となっており、高い改質性
能を維持することができる。
【００８６】
また、水素生成装置２０は例えば一日に一回の起動と運転停止を繰り返す。このとき水素生成装置２０はほぼ常温から、高温部は例えば６００℃以上まで急速に昇温される。また、運転停止時は逆に急速に冷却される。
【００８７】
このような熱収縮の繰り返しによっても、本発明の水素生成装置２０は、蒸発器１０において応力が分散されることで破壊が生じにくい。
【００８８】
以下に、実施の形態３〜７として、蒸発器１０の密着部１２を形成する密着工程について、それぞれ異なった実施例を、工程図を用いて説明する。
【００８９】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３に係る蒸発器１０の焼き嵌めによる組立を示す工程図である。
【００９０】
蒸発器１０を構成する螺旋波形筒１と外筒１１について、螺旋波形筒１の外径をＤ１、外筒１１の内径をＤ２としたとき、筒作成工程において、
Ｄ１＞Ｄ２
となるように製作しておく。
【００９１】
外筒１１を、加熱装置６１を用いて昇温させ、熱膨張により、
Ｄ１＜Ｄ２
となるようにする。
【００９２】
次に、外筒１１の内周側に螺旋波形筒１を挿入する。その後、外筒１１の温度が常温に近づくと、熱収縮により外筒１１が螺旋波形筒１に密着することで、蒸発器１０が製作できる。
【００９３】
このように、常温では螺旋波形筒１の外径Ｄ１より小さい外筒１１の内径Ｄ２が、加熱装置６１を用いて昇温させた場合には、螺旋波形筒１の外径Ｄ１より大きくなるように、螺旋波形筒１と外筒１１を製作した上で、焼き嵌めを用いることで、外筒１１が全体で熱収縮するため、密着部全体に渡って均一に密着させることができる。これにより、簡便に水素生成装置を製作することができる。
【００９４】
（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４に係る蒸発器１０の冷やし嵌めによる組立を示す工程図である。
【００９５】
先に説明した実施の形態３と同様に、螺旋波形筒１の外径をＤ１、外筒１１の内径をＤ２としたとき、筒作成工程において、
Ｄ１＞Ｄ２
となるように製作しておく。
【００９６】
螺旋波形筒１を、冷却装置６２を用いて冷却させ、熱収縮により、
Ｄ１＜Ｄ２
となるようにする。
【００９７】
次に、外筒１１の内周側に螺旋波形筒１を挿入する。その後、螺旋波形筒１の温度が常温に近づくと、熱膨張により螺旋波形筒１が外筒１１に密着することで、蒸発器１０が製
作できる。
【００９８】
このように、常温では外筒１１の内径Ｄ２より大きい螺旋波形筒１の外径Ｄ１が、冷却装置６２を用いて冷却させた場合には、外筒１１の内径Ｄ２より小さくなるように、螺旋波形筒１と外筒１１を製作した上で、冷やし嵌めを用いることで、螺旋波形筒１が全体で熱膨張するため、均一に密着させることができる。
【００９９】
これにより、簡便に水素生成装置を製作することができる。また、冷やし嵌めは焼き嵌めに比べ、温度変化量が少なくなるため、筒作成工程においてより精度の高い部品を製作する必要がある。一方で高温による熱劣化を生じさせないので、耐熱性の低い材料でも実施することができる。
【０１００】
（実施の形態５）
図５は本発明の実施の形態５に係る蒸発器１０の拡径による組立を示す工程図である。
【０１０１】
螺旋波形筒１の外径をＤ１、外筒１１の内径をＤ２としたとき、筒作成工程において、
Ｄ１＜Ｄ２
となるように螺旋波形筒１と外筒１１を製作しておく。
【０１０２】
まず、外筒１１の内側に螺旋波形筒１を挿入する。螺旋波形筒１のさらに内側に拡径冶具６３を設置する。拡径冶具６３が径拡大方向に広がり、螺旋波形筒１に内圧を与え、拡径させることで、外筒１１と密着し、蒸発器１０が製作できる。
【０１０３】
拡径冶具６３としては周方向に複数分割された金型を、テーパピンを押し込むことによって全周方向に均一に張り出すもの等が用いられる。また、ウレタンゴム等の弾性体を軸方向に圧縮することで張り出しても良い。
【０１０４】
このように、外筒１１の内径Ｄ２よりも外径Ｄ１を小さく製作した螺旋波形筒１に対して外筒１１と密着するように拡径を行うことで、短時間で効率的に密着加工を行うことができる。これにより、簡便に水素生成装置を製作することができる。
【０１０５】
（実施の形態６）
図６は本発明の実施の形態６に係る蒸発器の縮径による組立を示す工程図である。
【０１０６】
先に説明した実施の形態５と同様に、螺旋波形筒１の外径をＤ１、外筒１１の内径をＤ２としたとき、筒作成工程において、
Ｄ１＜Ｄ２
となるように螺旋波形筒１と外筒１１を製作しておく。
【０１０７】
まず、外筒１１の内側に螺旋波形筒１を挿入する。外筒１１のさらに外側に縮径冶具６４を設置する。縮径冶具６４が径縮小方向に移動し、外筒１１に外圧を与え、縮径させることで、螺旋波形筒１と密着し、蒸発器１０が製作できる。
【０１０８】
縮径冶具６４としては周方向に複数分割された金型を、テーパブロックを用いて全周方向に均一に押し込むもの等が用いられる。金型を用いず、スピニング加工等で順次縮径する方法を用いてもよい。
【０１０９】
このように、螺旋波形筒１の外径Ｄ１よりも内径Ｄ２を大きく製作した外筒１１に対して螺旋波形筒１と密着するように縮径を行うことで、短時間で効率的に密着加工を行うことができる。これにより、簡便に水素生成装置を製作することができる。
【０１１０】
拡径に比べ、縮径を行う場合は縮径冶具６４が比較的大型になるため、設備費が高くなる。一方、内部に冶具を挿入する必要がないため、軸方向に長尺の場合でも、短時間で密着加工を行うことができる。
【０１１１】
内周側に螺旋波形筒１を用いているため、縮径冶具６４が単純な形状になる分、実施の形態５の拡径よりも、実施の形態６の縮径を用いる方が望ましい。
【０１１２】
（実施の形態７）
図７は本発明の実施の形態７に係る蒸発器の圧入による組立を示す工程図である。
【０１１３】
螺旋波形筒１の外径をＤ１、外筒１１の内径をＤ２としたとき、筒作成工程において、
Ｄ１＞Ｄ２
となるように螺旋波形筒１と外筒１１を製作しておく。
【０１１４】
外筒１１と螺旋波形筒１を同軸上に並べ、プレス機等で外筒１１の内側に螺旋波形筒１を押し込み、圧入することで、蒸発器１０が製作できる。
【０１１５】
このとき、圧入の抵抗が強いと螺旋波形筒１や外筒１１に座屈が起こり、組立が困難になる。本発明の実施の形態７の螺旋波形筒１は密着時の押しつぶされる箇所を限定することで面圧を高めているため、圧入の抵抗を比較的低く抑えることができる。
【０１１６】
圧入を用いることで、特殊な設備や専用の冶具を用いることなく、密着加工を行うことができる。これにより、水素生成装置を簡便に製作することができる。
【０１１７】
（実施の形態８）
図８は本発明の実施の形態８に係る螺旋波形筒３１の構成を示す縦断面図である。
【０１１８】
螺旋波形筒３１は円筒状の側壁に、軸方向に向かって螺旋状の凹凸が形成されている。外周に突出している部分が凸部３２、両側を凸部３２に挟まれ、内周側に突出している部分が凹部３３である。凹部３３は、内向きのＲ形状を持っている。このＲ形状の頂点部分に、段差を設けることで、第２凹部３４が形成されている。
【０１１９】
螺旋波形筒３１の製作方法は実施の形態１の場合と同様である。
【０１２０】
（実施の形態９）
図９は本発明の実施の形態９に係る水素生成装置５０の概略構成図である。前述した実施の形態２の説明で用いた符号と同様な符号を本実施の形態で用いることで、重複する説明を省略する。
【０１２１】
水素生成装置５０は、円筒状の複数の隔壁が同心円状に配置されて、多重円筒により流路と空間を形成することで構成される。
【０１２２】
多重円筒の中心部には加熱部１３が配置される。加熱部１３はバーナ１４と加熱流路１５を有する。バーナ１４で生成した燃焼排ガス５７は加熱流路１５を通って水素生成装置５０から排出される。なお、加熱部１３としては、バーナ以外の発熱体、例えばヒータ等を用いても良い。
【０１２３】
加熱部１３の外周を囲むように、蒸発器４０と改質部２１が配置される。蒸発器４０は螺旋波形筒３１と、その内周に覆われる内筒４１とで構成される。
【０１２４】
螺旋波形筒３１の螺旋状の凹凸と内筒４１の間にできる空間が、流路４０ａである。流路１０ａは螺旋状の凹凸に沿って一本の長い流路となっている。流路４０ａの働きと効果は実施の形態２の流路１０ａと同様である。
【０１２５】
螺旋波形筒３１と内筒４１は密着部４２で密着している。密着部４２は図８の第２凹部３４が内筒４１の外周面によって押し潰されて形成されている。こうすることで、螺旋波形筒３１の変形が密着部４２付近に集中し、密着部４２の面圧を高く付加することができる。また、螺旋波形筒３１の密着部４２以外にかかる応力は図８の凹部３３が大きなＲ形状をしていることで、凹部３３全体に分散される。
【０１２６】
このように、実施の形態２の場合と同様に、密着部の面圧が高いことで流路４０ａにショートカットが生じにくく、かつ、螺旋波形筒３１の応力が凹部３３全体に分散されることで破壊が生じにくい蒸発器４０を提供することができる。
【０１２７】
実施の形態２では、変成部２２やＣＯ除去部２３を蒸発器１０の外周を覆うように配置することで、水素生成装置２０としての効率を向上させることができたが、本実施の形態でも同様に、蒸発器４０の外周を覆うように変成部２２やＣＯ除去部２３を配置することで、水素生成装置５０としての効率を向上させることができる。
【０１２８】
特に、螺旋波形筒３１が外周面に面していることで、熱交換面積が大きくなり、変成部２２やＣＯ除去部２３を効率的に冷却することができる。
【０１２９】
また、製造方法について、実施の形態３〜７のそれぞれの製造方法が同様に適用可能である。これらの製造方法を用いることで、水素生成装置を簡便に製作することができる。
【０１３０】
ただし、本実施の形態の蒸発器４０においては、拡径冶具６３が単純な形状になる分、実施の形態６の縮径よりも、実施の形態５の拡径を用いる方が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明の水素生成装置は、流路の密着部において面圧が高いことでショートカットが生じにくく、かつ、応力が分散されることで破壊が生じにくい蒸発器を有し、燃料電池発電装置用等の燃料ガスの製造に用いられる。
【符号の説明】
【０１３２】
１  螺旋波形筒
２  凸部
３  凹部
４  第２凸部
１０  蒸発器
１０ａ  流路
１１  外筒
１２  密着部
１３  加熱部
２０  水素生成装置
２１  改質部
２２  変成部
２３  ＣＯ除去部
３１  螺旋波形筒
３２  凸部
３３  凹部
３４  第２凹部
４０  蒸発器
４０ａ  流路
４１  内筒
４２  密着部
５０  水素生成装置
６１  加熱装置
６２  冷却装置
６３  拡径冶具
６４  縮径冶具
【図１】
2016130197.tif 000003
【図２】
2016130197.tif 000004
【図３】
2016130197.tif 000005
【図４】
2016130197.tif 000006
【図５】
2016130197.tif 000007
【図６】
2016130197.tif 000008
【図７】
2016130197.tif 000009
【図８】
2016130197.tif 000010
【図９】
2016130197.tif 000011
【図１０】
2016130197.tif 000012
【図１１】
2016130197.tif 000013