(57)【要約】【課題】外部に熱交換器を備えずとも高いエネルギー効率で使用できる水素生成装置を提供する。【解決手段】原料が供給されて改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層３と、原料及び改質ガスのうちの少なくとも一方と燃焼空気とを送出するバーナ６と、バーナ６から送出された燃料と空気が燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼室１１と、燃焼空気をバーナ６に供給する燃焼空気流路と、燃焼室１１から燃焼排ガスを排出し、改質触媒層３を加熱する燃焼排ガス流路と、を備え、燃焼排ガス流路のうち、改質触媒層の入口に対向する部分を含む第１流路１５は、燃焼排ガスと燃焼空気とが熱交換可能な様に、燃焼空気流路に隣接して配置され、改質触媒層３の出口より入口側の位置に配置するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料が供給されて改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、前記原料及び改質ガスのうちの少なくとも一方と燃焼空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出するバーナと、前記燃焼空気を前記バーナに供給する燃焼空気流路と、前記バーナから前記燃焼排ガスを排出し、前記改質触媒層を加熱する燃焼排ガス流路と、を備え、
前記燃焼排ガス流路のうち、前記改質触媒層の入口に対向する部分を含む第１流路は、前記燃焼排ガスと前記燃焼空気とが熱交換可能な様に、前記燃焼空気流路に隣接して配置され、前記改質触媒の出口より前記入口側の位置に配置された、水素生成装置。
【請求項２】
前記第１流路は、前記燃焼排ガスと前記燃焼排ガスに対して逆向きに流れる前記燃焼空気とが熱交換可能な様に、前記燃焼空気流路に隣接して配置され、前記改質触媒の出口より前記入口側の位置に配置された、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記第１流路は、前記燃焼排ガスと前記燃焼排ガスに対して同じ向きに流れる前記燃焼空気とが熱交換可能な様に、前記燃焼空気流路に隣接して配置され、前記改質触媒の出口より前記入口側の位置に配置された、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記第１流路から、前記改質触媒層の長さ方向に沿って延びるように配置された、第１の壁を備えた、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】
前記燃焼空気流路は、前記改質触媒層の入口より出口側で折り返すように構成され、折り返し部分より上流側の部分と下流側の部分とを仕切る第２の壁、及び、前記折り返し部分より下流側の部分と前記燃焼排ガス流路とを仕切る第３の壁を有し、前記第２の壁の熱交換能力が、前記第３の壁の熱交換能力よりも大きい、請求項１から４のいずれか１項に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、都市ガス、ＬＰＧ、灯油等の炭化水素系の原料を改質して、水素が含まれた改質ガスを生成する水素生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の水素生成装置としては、炭化水素系の原料に水蒸気を混合したものを、改質触媒により改質して水素を多く含む改質ガスを生成するために、水素生成装置の内部に熱源となるバーナを配置したものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図９は、従来の水素生成装置の代表的な構成例を示す概略縦断面図である。図９に示すように、径が異なる４個の円筒体を中心軸が重なるように配置して構成された水素生成装置は、中心軸から外側に向かって順に、改質内管１、改質触媒層３、改質中管２、改質外管４、および排ガス外管５が同心状に配されている。また、バーナ６は改質内管１の内側に形成された燃焼室１１の上部に配されている。
【０００４】
改質外管４の上部側面には原料を導入する原料供給口７が備えられ、改質中管２の上部側面には原料を改質して得られた改質ガスを取り出す改質ガス出口８が備えられている。
【０００５】
原料供給口７より導入された原料は、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を下方へと流れ、下端に達した後内側へと移動し、改質内管１と改質中管２との間に形成された改質触媒層３を通流して改質され、得られた改質ガスが前記改質ガス出口８より取り出される。
【０００６】
バーナ６の上部には、原料および改質ガスのうち少なくとも一方を導入する燃料供給部９と、燃焼空気を導入する燃焼空気供給部１０とが設けられており、バーナ６から送出される燃料と空気とが、バーナ６下方の燃焼室１１で燃焼する。
【０００７】
改質外管４と排ガス外管５との間に形成された環状空間は、燃焼室１１で生成した燃焼排ガスを通流させる流路として用いられており、排ガス外管５の上部側面には燃焼排ガス放出用の排気口１２が設けられている。
【０００８】
すなわち、バーナ６に原料および改質ガスのうち少なくとも一方と、燃焼空気を取り込んで燃焼室１１で燃焼させて得られた燃焼排ガスは、改質内管１を介して改質触媒層３を加熱し、改質反応の促進に寄与する。
【０００９】
燃焼室１１を通過した燃焼排ガスは、下端より改質外管４と排ガス外管５との間に形成された環状空間へと流れ、本空間の内側の改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を流れる原料の加熱に有効に用いられる。
【００１０】
図１０は、水素生成装置における、原料、改質ガス、燃焼空気、および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図である。
【００１１】
図１０において、横軸は水素生成装置における縦方向の位置を示しており、それぞれ図９中のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面およびＣ−Ｃ’断面を表している。図１０中の実線で示した特性は、原料および改質ガスの温度特性であり、併記した矢印は流体の流れ方向を表している。また、破線で示した特性は燃焼排ガスの温度特性である。
【００１２】
Ａ−Ａ’断面は、改質触媒層３出口、原料入口、燃焼排ガス流路のバーナ６直近部分、および燃焼排ガス出口の温度をそれぞれ示す。Ｂ−Ｂ’断面は、改質触媒層３中間部、原料加熱部、燃焼室１１中間部、および燃焼排ガス流路中間部の温度をそれぞれ示す。Ｃ−Ｃ’断面は、改質触媒層３入口と燃焼排ガス下端折り返し部の温度をそれぞれ示す。
【００１３】
図１０に見られるように、バーナ６から送出される燃料と燃焼空気が燃焼室１１で燃焼して約１，０００℃の温度になる。原料は約４００℃で加熱部に供給される。原料は燃焼排ガスとの熱交換によって、約６００℃まで加熱されて改質触媒層３入口に到達し、改質触媒層３を通流しながら、燃焼排ガスによって、さらに約７００℃まで加熱される。燃焼排ガスは改質触媒層３に熱を与えながら温度を下げ、約６００℃で排気口１２より排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平３−９７６０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来の水素生成装置では、燃焼排ガスの出口から排出される燃焼排ガスの温度は約６００℃で改質触媒の入口温度に近いため、燃焼排ガスの熱エネルギーは回収されず、系外に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。
【００１６】
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には、燃焼排ガスの熱を回収するために必要な熱交換器を水素生成装置外部に構成する必要があり、結果として装置が大きく、高コストとなる課題があった。
【００１７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、燃焼空気と燃焼排ガスの熱交換によって、水素生成装置から系外に排出される燃焼排ガスの熱を燃焼空気側に回収し、水素生成装置の外部に熱交換器を備えずとも高いエネルギー効率で使用できる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】
【００１８】
上記従来の課題を解決する為に、本発明の水素生成装置は、原料が供給されて改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、前記原料及び改質ガスのうちの少なくとも一方と燃焼空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出するバーナと、前記燃焼空気を前記バーナに供給する燃焼空気流路と、前記バーナから前記燃焼排ガスを排出し、前記改質触媒層を加熱する燃焼排ガス流路と、を備え、前記燃焼排ガス流路のうち、前記改質触媒層の入口に対向する部分を含む第１流路は、前記燃焼排ガスと前記燃焼空気とが熱交換可能な様に、前記燃焼空気流路に隣接して配置され、前記改質触媒の出口より前記入口側の位置に配置される。
【００１９】
かかる構成により、燃焼排ガスの熱を燃焼空気の加熱に利用できるので、燃焼排ガスによる改質触媒層上流部分への過度な熱の流入を低減することができる。さらに改質触媒層上流部分と改質ガス出口部分の間で熱交換を行うことで、改質ガス出口のガス温度を従来よりも低下させることができるので、外部に改質ガスの熱エネルギーを回収するための熱交換器を配せずともエネルギー効率の高い水素生成装置を構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃焼排ガスの熱エネルギーを燃焼空気の加熱に利用できるので、水素
生成装置の外部に熱交換器を設置せずとも、エネルギー効率の高い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】
【００２１】
【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縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１における原料、改質ガス、燃焼空気、および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図
【図３】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
【図４】本発明の実施の形態２における原料、改質ガス、燃焼空気、および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図
【図５】本発明の実施の形態３における水素生成装置の概略縦断面図
【図６】本発明の実施の形態３における原料、改質ガス、燃焼空気、および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図
【図７】本発明の実施の形態４における水素生成装置の概略縦断面図
【図８】本発明の実施の形態４における原料、改質ガス、燃焼空気、および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図
【図９】従来例における水素生成装置の概略縦断面図
【図１０】従来例における原料、改質ガス、燃焼空気、および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
第１の発明の水素生成装置は、原料が供給されて改質反応により改質ガスを生成する改質触媒層と、前記原料及び改質ガスのうちの少なくとも一方と燃焼空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出するバーナと、前記燃焼空気を前記バーナに供給する燃焼空気流路と、前記バーナから前記燃焼排ガスを排出し、前記改質触媒層を加熱する燃焼排ガス流路と、を備える。そして、前記燃焼排ガス流路のうち、前記改質触媒層の入口に対向する部分を含む第１流路は、前記燃焼排ガスと前記燃焼空気とが熱交換可能な様に、前記燃焼空気流路に隣接して配置され、前記改質触媒の出口より前記入口側の位置に配置された構成とする。
【００２３】
かかる構成により、燃焼排ガスの熱を燃焼空気の加熱に利用できるので、燃焼排ガスによる改質触媒層上流部分への過度な熱の流入を低減することができる。
【００２４】
さらに改質触媒層上流部分と改質ガス出口部分の間で熱交換を行うことで、改質ガス出口のガス温度を従来よりも低下させることができるので、外部に改質ガスの熱エネルギーを回収するための熱交換器を配せずともエネルギー効率の高い水素生成装置を構成することが可能となる。
【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流路は、前記燃焼排ガスと前記燃焼排ガスに対して逆向きに流れる前記燃焼空気とが熱交換可能な様に、前記燃焼空気流路に隣接して配置され、前記改質触媒の出口より前記入口側の位置に配置された構成とする。
【００２６】
かかる構成により、水素生成装置の内部で最も温度の低い燃焼空気と、改質触媒を加熱する部分の燃焼排ガスとが熱交換するため、燃焼排ガスの熱を燃焼空気の加熱に有効に利用できる。そのため、燃焼排ガスによる改質触媒層上流部分への過度な熱の流入を低減することができる。
【００２７】
さらに、改質触媒層上流部分と改質ガス出口部分の間で熱交換を行うことで、改質ガス出口のガス温度を従来よりも低下させることができるので、外部に改質ガスの熱エネルギーを回収するための熱交換器を配せずともエネルギー効率の高い水素生成装置を構成する
ことが可能となる。
【００２８】
第３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流路は、前記燃焼排ガスと前記燃焼排ガスに対して同じ向きに流れる前記燃焼空気とが熱交換可能な様に、前記燃焼空気流路に隣接して配置され、前記改質触媒の出口より前記入口側の位置に配置された構成とする。
【００２９】
かかる構成により、水素生成装置の内部で最も温度の低い燃焼空気と、バーナ直近の最も温度の高い燃焼排ガスとが熱交換するため、燃焼排ガスにより高温に加熱される燃焼筒構造体を有効に冷却することができるので、構造体材料の耐久性を高めることができる。また、燃焼排ガスの熱を燃焼空気の加熱に利用できるので、燃焼排ガスによる改質触媒層上流部分への過度な熱の流入を低減することができる。
【００３０】
さらに、改質触媒層上流部分と改質ガス出口部分の間で熱交換を行うことで、改質ガス出口のガス温度を従来よりも低下させることができるので、外部に改質ガスの熱エネルギーを回収するための熱交換器を配せずともエネルギー効率の高い水素生成装置を構成することが可能となる。
【００３１】
第４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において、前記第１流路から、前記改質触媒層の長さ方向に沿って延びるように配置された、第１の壁を備えた構成とする。
【００３２】
かかる構成により、高温の燃焼排ガスが改質触媒層の出口側に誘導され、改質触媒層の出口側を有効に加熱するので、改質ガスの転化率を高くすることができる。また、燃焼排ガスの熱を燃焼空気の加熱に利用できるので、燃焼排ガスによる改質触媒層上流部分への過度な熱の流入を低減することができる。
【００３３】
さらに改質触媒層上流部分と改質ガス出口部分の間で熱交換を行うことで、改質ガス出口のガス温度を従来よりも低下させることができるので、外部に改質ガスの熱エネルギーを回収するための熱交換器を配せずともエネルギー効率の高い水素生成装置を構成することが可能となる。
【００３４】
第５の発明は、特に第１〜第４のいずれか１つの発明の水素生成装置において、前記燃焼空気流路は、前記改質触媒層の入口より出口側で折り返すように構成され、折り返し部分より上流側の部分と下流側の部分とを仕切る第２の壁、及び、前記折り返し部分より下流側の部分と前記燃焼排ガス流路とを仕切る第３の壁を有し、前記第２の壁の熱交換能力が、前記第３の壁の熱交換能力よりも大きい構成とする。
【００３５】
かかる構成により、水素生成装置の内部で最も温度の低い燃焼空気と、改質触媒を加熱する部分の燃焼排ガスとが熱交換するため、燃焼排ガスの熱を燃焼空気の加熱に有効に利用できる。そのため、燃焼排ガスによる改質触媒層上流部分への過度な熱の流入を低減することができる。
【００３６】
さらに、バーナ直近の最も温度の高い燃焼排ガスと燃焼空気との熱交換が抑制される構成となっており、燃焼排ガスは改質触媒層出口に高温のまま到達するため、改質触媒層の出口側を有効に加熱でき、改質ガスの転化率を高くすることができる。
【００３７】
さらに改質触媒層上流部分と改質ガス出口部分の間で熱交換を行うことで、改質ガス出口のガス温度を従来よりも低下させることができるので、外部に改質ガスの熱エネルギーを回収するための熱交換器を配せずともエネルギー効率の高い水素生成装置を構成するこ
とが可能となる。
【００３８】
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。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図である。
【００４０】
図１に示すように、実施の形態１の水素生成装置は、径が異なる５個の円筒体を中心軸が重なるように配置して構成されており、中心軸から外側に向かって順に、バーナ内管１３、バーナ外管１４、改質内管１、改質触媒層３、改質中管２、および改質外管４が同心状に配されている。また、バーナ６は改質内管１の内側に形成された燃焼室１１の上部に配されている。
【００４１】
また、改質中管２の上部側面には原料を導入する原料供給口７が備えられ、改質外管４の上部側面には原料を改質して得られた改質ガスを取り出す改質ガス出口８が備えられている。
【００４２】
原料供給口７より導入された原料は、改質内管１と改質中管２との間に形成された改質触媒層３を通流して改質され、得られた改質ガスが、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を上方へと流れ、改質ガス出口８より取り出される。
【００４３】
バーナ６の上部には、原料および改質ガスのうち少なくとも一方を導入する燃料供給部９と、燃焼空気を導入する燃焼空気供給部１０とが設けられている。燃焼空気は燃焼空気供給部１０からバーナ内管１３とバーナ外管１４との間に形成された環状空間を流下し、バーナ６へと供給される。また、バーナ６から送出される燃料と空気とが、バーナ６下方の燃焼室１１で燃焼する。
【００４４】
バーナ外管１４と改質内管１との間に形成された環状空間は、燃焼室１１で生成した燃焼排ガスを通流させる流路として用いられており、改質内管１の上部側面には燃焼排ガス放出用の排気口１２が設けられている。
【００４５】
すなわち、バーナ６に原料および改質ガスのうち少なくとも一方と、燃焼空気を取り込んで、燃焼室１１で燃焼させて得られた燃焼排ガスは、改質内管１を介して改質触媒層下流部３ｂを加熱し、改質反応の促進に寄与する。
【００４６】
さらに、燃焼室１１を通過した燃焼排ガスは、バーナ外管１４と改質内管１との間に形成された第１流路１５へと流れ、改質内管１を介して改質触媒層上流部３ａを加熱し、改質反応の促進に寄与すると共に、バーナ外管１４を介して燃焼空気を加熱し、燃焼反応の促進に寄与する。
【００４７】
ここで第１流路１５を流れる燃焼排ガスと熱交換する燃焼空気の流れの方向は、図１に示すように単純に対向するように流れる場合、それぞれの流体の温度差を大きいため効率がよく、熱交換部を小型化できる利点がある。
【００４８】
また、燃焼排ガスと燃焼空気のうち、どちらか一方がらせん状の流路形状を持ち、それぞれの流体が直交する形で熱交換する構成とすることもできる。らせん流路では流体に遠心力による旋回流が発生し伝熱面近傍の流速が増大するため、単純に対向した流れの場合よりもさらに高い熱交換能力が得られ、熱交換部をよりいっそう小型化できるという利点がある。
【００４９】
図２は、実施の形態１の水素生成装置における、原料、改質ガス、燃焼空気および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図である。
【００５０】
図２において、横軸は水素生成装置における縦方向の位置を示しており、それぞれ図１中のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面およびＣ−Ｃ’断面を表している。図２中の実線で示した特性は、原料および改質ガスの温度特性であり、併記した矢印は流体の流れ方向を表している。また、破線で示した特性は、燃焼空気および燃焼排ガスの温度特性である。
【００５１】
Ａ−Ａ’断面は、改質触媒層３入口、改質ガス出口８、燃焼空気入口、および燃焼排ガス出口の温度をそれぞれ示す。Ｂ−Ｂ’断面は、改質触媒層３中間部、改質ガス流路中間部、バーナ６直近の燃焼空気、およびバーナ６直近の燃焼排ガスの温度をそれぞれ示す。そして、Ｃ−Ｃ’断面は、改質触媒層３出口と燃焼室１１下端の燃焼排ガスの温度をそれぞれ示す。
【００５２】
図２に見られるように、燃焼空気は常温で水素生成装置に供給され、バーナ外管１４を介して第１流路１５を通流する燃焼排ガスと熱交換しながら加熱され、Ｂ−Ｂ’断面に到達した時点で約２００℃に加熱される。加熱された燃焼空気は、バーナ６で燃料と混合され燃焼室１１で燃焼し約９５０℃の燃焼排ガスとなる。
【００５３】
原料は約３５０℃で改質触媒層３入口に供給される。原料は改質触媒層３を通流し改質反応を進めながら、燃焼排ガスとの熱交換によって、約６５０℃まで加熱されて改質触媒層３出口に到達する。改質触媒層３を通過した改質ガスは、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を上昇しながら、改質中管２を介し、改質触媒層３に熱を与えながら温度を下げ、約４５０℃で排気口１２より排出される。
【００５４】
実施の形態１における水素生成装置では、第１流路１５において、燃焼排ガス、原料および改質ガスよりも温度が低い燃焼空気と燃焼排ガスとが熱交換を行う構成となり、第１流路１５における燃焼排ガス温度を効果的に低下させることができる。そのため、水素生成装置から排出される燃焼排ガスの熱エネルギーを燃焼空気へ回収することができ、エネルギー効率の高い水素生成装置を構成することが可能となる。
【００５５】
また、第１流路１５において、燃焼排ガスと改質内管１を介して隣接する改質触媒層上流部３ａについても、燃焼排ガスからの熱の移動量が減少するため、過度の温度上昇を抑制できる。
【００５６】
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図である。
【００５７】
図３に示すように、実施の形態２の水素生成装置は、径が異なる６個の円筒体を中心軸が重なるように配置して構成されており、中心軸から外側に向かって順に、バーナ内管１３、バーナ中管１６、バーナ外管１４、改質内管１、改質触媒層３、改質中管２、および改質外管４が同心状に配されている。また、バーナ６は改質内管１の内側に形成された燃焼室１１の上部に配されている。
【００５８】
また、改質中管２の上部側面には原料を導入する原料供給口７が備えられ、改質外管４の上部側面には原料を改質して得られた改質ガスを取り出す改質ガス出口８が備えられている。
【００５９】
原料供給口７より導入された原料は、改質内管１と改質中管２との間に形成された改質
触媒層３を通流して改質され、得られた改質ガスが、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を上方へと流れ、改質ガス出口８より取り出される。
【００６０】
バーナ６の上部には、原料および改質ガスのうち少なくとも一方を導入する燃料供給部９と、燃焼空気を導入する燃焼空気供給部１０とが設けられている。燃焼空気は燃焼空気供給部１０からバーナ内管１３とバーナ中管１６との間に形成された環状空間を流下し、第１流路１５の下端で折り返し、バーナ中管１６とバーナ外管１４との間に形成された環状空間を上昇し、バーナ６へと供給される。
【００６１】
バーナ６から送出される燃料と空気とが、バーナ６下方の燃焼室１１で燃焼する。バーナ外管１４と改質内管１との間に形成された環状空間は、燃焼室１１で生成した燃焼排ガスを通流させる流路として用いられており、改質内管１の上部側面には燃焼排ガス放出用の排気口１２が設けられている。
【００６２】
すなわち、バーナ６に原料および改質ガスのうち少なくとも一方と、燃焼空気を取り込んで、燃焼室１１で燃焼させて得られた燃焼排ガスは、バーナ内管１３を介して燃焼空気を加熱すると共に、改質内管１を介して改質触媒層下流部３ｂを加熱し、改質反応の促進に寄与する。
【００６３】
さらに、燃焼室１１を通過した燃焼排ガスは、バーナ外管１４と改質内管１との間に形成された第１流路１５へと流れ、改質内管１を介して改質触媒層上流部３ａを加熱し、改質反応の促進に寄与すると共に、バーナ外管１４を介して燃焼空気を加熱し、燃焼反応の促進に寄与する。
【００６４】
ここで第１流路１５を流れる燃焼排ガスと熱交換する燃焼空気の流れの方向は、図３に示すように単純に並行するように流れる場合、高温の燃焼排ガスに対して低温の燃焼空気が接する構成となるため、構造体の最高温度を低下させることができ、構造体材料の熱による劣化を緩和できる利点がある。
【００６５】
また、燃焼排ガスと燃焼空気のうち、どちらか一方がらせん状の流路形状を持ち、それぞれの流体が直交する形で熱交換する構成とすることもできる。らせん流路では流体に遠心力による旋回流が発生し伝熱面近傍の流速が増大するため、単純に並行した流れの場合よりもさらに高い熱交換能力が得られ、熱交換部をより小型化できるという利点がある。
【００６６】
図４は、実施の形態２の水素生成装置における、原料、改質ガス、燃焼空気および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図である。
【００６７】
図４において、横軸は水素生成装置における縦方向の位置を示しており、それぞれ図３中のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面およびＣ−Ｃ’断面を表している。図４中の実線で示した特性は、原料および改質ガスの温度特性であり、併記した矢印は流体の流れ方向を表している。また、破線で示した特性は、燃焼空気および燃焼排ガスの温度特性である。
【００６８】
Ａ−Ａ’断面は、改質触媒層３入口、改質ガス出口８、燃焼空気入口、バーナ６直近の燃焼排ガスおよび燃焼排ガス出口の温度をそれぞれ示す。Ｂ−Ｂ’断面は、改質触媒層３中間部、改質ガス流路中間部、バーナ中管１６下端の燃焼空気、および第１流路１５下端の燃焼排ガスの温度をそれぞれ示す。Ｃ−Ｃ’断面は、改質触媒層３出口と燃焼室１１下端の燃焼排ガスの温度をそれぞれ示す。
【００６９】
図４に見られるように、燃焼空気は常温で水素生成装置に供給され、バーナ内管１３を介して燃焼排ガスと熱交換しながら加熱され、Ｂ−Ｂ’断面に到達した時点で約７５０℃
に加熱される。
【００７０】
加熱された燃焼空気は、バーナ中管１６下端で折り返して、バーナ中管１６とバーナ外管１４との間を上昇しながらバーナ中管１６を介して燃焼空気との熱交換を行って温度を低下させ、約３００℃でバーナ６に供給される。加熱された燃焼空気は、バーナ６で燃料と混合され燃焼室１１で燃焼し約８５０℃の燃焼排ガスとなる。
【００７１】
原料は約３５０℃で改質触媒層３入口に供給される。原料は改質触媒層３を通流し改質反応を進めながら、燃焼排ガスとの熱交換によって、約６５０℃まで加熱されて改質触媒層３出口に到達する。改質触媒層３を通過した改質ガスは、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を上昇しながら、改質中管２を介し、改質触媒層３に熱を与えつつ温度を下げ、約４００℃で排気口１２より排出される。
【００７２】
実施の形態２における水素生成装置では、バーナ内管１３とバーナ中管１６との間を流れる低温の燃焼空気によって、バーナ内管１３が冷却される構成のため、構造体の最高温度を従来よりも低下させることが可能であり、構造体材料の熱による劣化を緩和できる利点がある。
【００７３】
さらに、第１流路１５において、燃焼排ガス、原料および改質ガスよりも温度が低い燃焼空気と燃焼排ガスとが熱交換を行う構成となり、実施の形態１より熱交換が促進される構成となるため、第１流路１５における燃焼排ガス温度を効果的に低下させることができる。そのため、水素生成装置から排出される燃焼排ガスの熱エネルギーを燃焼空気へ回収することができ、エネルギー効率の高い水素生成装置を構成することが可能となる。
【００７４】
また、第１流路１５において、燃焼排ガスと改質内管１を介して隣接する改質触媒層上流部３ａについても、燃焼排ガスからの熱の移動量が減少するため、過度の温度上昇を抑制できる。
【００７５】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図である。
【００７６】
図５に示すように、実施の形態３の水素生成装置は、径が異なる６個の円筒体を中心軸が重なるように配置して構成されており、中心軸から外側に向かって順に、バーナ内管１３、バーナ外管１４、第１の壁１７、改質内管１、改質触媒層３、改質中管２、および改質外管４が同心状に配されている。
【００７７】
ここで、第１の壁１７は、第１流路１５から、改質触媒層３の長さ方向に沿って伸びるており、燃焼室１１を取り囲むように配置されている。また、バーナ６は改質内管１の内側に形成された燃焼室１１の上部に配されている。
【００７８】
また、改質中管２の上部側面には原料を導入する原料供給口７が備えられ、改質外管４の上部側面には原料を改質して得られた改質ガスを取り出す改質ガス出口８が備えられている。
【００７９】
原料供給口７より導入された原料は、改質内管１と改質中管２との間に形成された改質触媒層３を通流して改質され、得られた改質ガスが、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を上方へと流れ、改質ガス出口８より取り出される。
【００８０】
バーナ６の上部には、原料および改質ガスのうち少なくとも一方を導入する燃料供給部９と、燃焼空気を導入する燃焼空気供給部１０とが設けられている。燃焼空気は燃焼空気
供給部１０からバーナ内管１３とバーナ外管１４との間に形成された環状空間を流下し、バーナ６へと供給される。また、バーナ６から送出される燃料と空気とが、バーナ６下方の燃焼室１１で燃焼する。
【００８１】
第１の壁１７またはバーナ外管１４と、改質内管１との間に形成された環状空間は、燃焼室１１で生成した燃焼排ガスを通流させる流路として用いられており、改質内管１の上部側面には燃焼排ガス放出用の排気口１２が設けられている。
【００８２】
すなわち、バーナ６に原料および改質ガスのうち少なくとも一方と、燃焼空気を取り込んで燃焼室１１で燃焼させて得られた燃焼排ガスは、第１の壁１７と改質内管１との間の排ガス流路を流れて改質内管１を介して改質触媒層下流部３ｂを加熱し、改質反応の促進に寄与する。
【００８３】
さらに、燃焼排ガスは、バーナ外管１４と改質内管１との間に形成された第１流路１５へと流れ、改質内管１を介して改質触媒層上流部３ａを加熱し、改質反応の促進に寄与すると共に、バーナ外管１４を介して燃焼空気を加熱し、燃焼反応の促進に寄与する。
【００８４】
なお、第１流路１５を流れる燃焼排ガスは、燃焼空気および改質触媒層上流部３ａを流れる原料と熱交換できる構成であれば、それぞれの流れの方向は問わず、対向するように流れても、直交するように流れても、または並行して流れるように構成しても良い。
【００８５】
図６は、実施の形態３の水素生成装置における、原料、改質ガス、燃焼空気および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図である。
【００８６】
図６において、横軸は水素生成装置における縦方向の位置を示しており、それぞれ図６中のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面およびＣ−Ｃ’断面を表している。図６中の実線で示した特性は、原料および改質ガスの温度特性であり、併記した矢印は流体の流れ方向を表している。また、破線で示した特性は、燃焼空気および燃焼排ガスの温度特性である。
【００８７】
Ａ−Ａ’断面は、改質触媒層３入口、改質ガス出口８、燃焼空気入口、および燃焼排ガス出口の温度をそれぞれ示す。Ｂ−Ｂ’断面は、改質触媒層３の中間部、改質ガス流路中間部、バーナ６直近の燃焼空気およびバーナ６直近の燃焼排ガスの温度をそれぞれ示す。Ｃ−Ｃ’断面は、改質触媒層３出口と第１の壁１７下端の燃焼排ガスの温度をそれぞれ示す。
【００８８】
図６に見られるように、燃焼空気は常温で水素生成装置に供給され、バーナ外管１４を介して第１流路１５を通流する燃焼排ガスと熱交換しながら加熱され、Ｂ−Ｂ’断面に到達した時点で約２００℃に加熱される。加熱された燃焼空気は、バーナ６で燃料と混合され燃焼室１１で燃焼し約９５０℃の燃焼排ガスとなる。
【００８９】
原料は約３５０℃で改質触媒層３入口に供給される。原料は改質触媒層３を通流し改質反応を進めながら、燃焼排ガスとの熱交換によって、約７００℃まで加熱されて改質触媒層３出口に到達する。改質触媒層３を通過した改質ガスは、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を上昇しながら、改質中管２を介し、改質触媒層３に熱を与えながら温度を下げ、約４５０℃で排気口１２より排出される。
【００９０】
実施の形態３における水素生成装置では、第１流路１５において、燃焼排ガス、原料および改質ガスよりも温度が低い燃焼空気と燃焼排ガスとが熱交換する構成となり、第１流路１５における燃焼排ガス温度を低下させるため、水素生成装置から排出される燃焼排ガスの熱エネルギーを燃焼空気へ回収することができる。
【００９１】
さらに、第１の壁１７によって燃焼排ガスの折り返し位置を調整することで、特に改質触媒層下流部３ｂと改質触媒層３の中間部の温度勾配を制御できるので、改質触媒層３出口における改質ガス温度を従来よりも高くすることが可能となり、転化率の高い改質ガスが得られる。上記の効果によって、エネルギー効率の高い水素生成装置を構成することが可能となる。
【００９２】
また、第１流路１５において、燃焼排ガスと改質内管１を介して隣接する改質触媒層上流部３ａについても、燃焼排ガスからの熱の移動量が減少するため、過度の温度上昇を抑制できる。
【００９３】
（実施の形態４）
図７は、実施の形態４における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図である。
【００９４】
図７に示すように、実施の形態４の水素生成装置は、径が異なる６個の円筒体を中心軸が重なるように配置して構成されており、中心軸から外側に向かって、順に、第３の壁１９、第２の壁１８、バーナ外管１４、改質内管１、改質触媒層３、改質中管２、および改質外管４が同心状に配されている。また、バーナ６は改質内管１の内側に形成された燃焼室１１の上部に配されている。
【００９５】
改質中管２の上部側面には原料を導入する原料供給口７が備えられ、改質外管４の上部側面には原料を改質して得られた改質ガスを取り出す改質ガス出口８が備えられている。原料供給口７より導入された原料は、改質内管１と改質中管２との間に形成された改質触媒層３を通流して改質され、得られた改質ガスが、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を上方へと流れ、改質ガス出口８より取り出される。
【００９６】
バーナ６の上部には、原料および改質ガスのうち少なくとも一方を導入する燃料供給部９と、燃焼空気を導入する燃焼空気供給部１０とが設けられている。
【００９７】
燃焼空気は燃焼空気供給部１０からバーナ内管１３とバーナ外管１４との間に形成された環状空間を流下し、続いて、バーナ外管１４と第２の壁１８との間に形成された環状空間を流下したのち、折り返して、第３の壁１９と第２の壁１８との間に形成された環状空間を上昇してバーナ６へと供給される。
【００９８】
また、バーナ６から送出される燃料と空気とが、バーナ６の下方の、第３の壁１９の内側に形成された燃焼室１１で燃焼する。バーナ外管１４と改質内管１との間に形成された環状空間は、燃焼室１１で生成した燃焼排ガスを通流させる流路として用いられており、改質内管１の上部側面には燃焼排ガス放出用の排気口１２が設けられている。
【００９９】
すなわち、バーナ６に原料および改質ガスのうち少なくとも一方と、燃焼空気を取り込んで燃焼室１１で燃焼させて得られた燃焼排ガスは、バーナ外管１４と改質内管１との間の排ガス流路を流れて改質内管１を介して改質触媒層３を加熱し、改質反応の促進に寄与すると共に、バーナ外管１４を介して燃焼空気を加熱し、燃焼反応の促進に寄与する。
【０１００】
なお、第１流路１５を流れる燃焼排ガスは、燃焼空気および改質触媒層上流部３ａを流れる原料と熱交換できる構成であれば、それぞれの流れの方向は問わず、対向するように流れても、直交するように流れても、または並行して流れるように構成しても良い。
【０１０１】
図８は、実施の形態４の水素生成装置における、原料、改質ガス、燃焼空気および燃焼排ガスの温度挙動を模式的に示す特性図である。
【０１０２】
図８において、横軸は水素生成装置における縦方向の位置を示しており、それぞれ図７中のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面およびＣ−Ｃ’断面を表している。図８中の実線で示した特性は、原料および改質ガスの温度特性であり、併記した矢印は流体の流れ方向を表している。また、破線で示した特性は、燃焼空気および燃焼排ガスの温度特性である。
【０１０３】
Ａ−Ａ’断面は、改質触媒層３入口、改質ガス出口８、燃焼空気入口、および燃焼排ガス出口の温度をそれぞれ示す。Ｂ−Ｂ’断面は、改質触媒層３の中間部、改質ガス流路中間部、バーナ６直近の燃焼空気およびバーナ６直近の燃焼排ガスの温度をそれぞれ示す。Ｃ−Ｃ’断面は、改質触媒層３出口と第２の壁１８下端の燃焼排ガスの温度をそれぞれ示す。
【０１０４】
図８に見られるように、燃焼空気は常温で水素生成装置に供給され、バーナ外管１４を介して第１流路１５を通流する燃焼排ガスと熱交換しながら加熱され、Ｂ−Ｂ’断面に到達した時点で約２００℃に加熱される。燃焼空気は、バーナ外管１４と第２の壁１８との間をさらに流下しながら、燃焼排ガスとの熱交換を行い、さらに加熱され、Ｃ−Ｃ’断面に到達した時点で約３５０℃まで加熱される。
【０１０５】
加熱された燃焼空気は、第２の壁１８と第３の壁１９との間を上昇し、約４５０℃でバーナ６に供給される。加熱された燃焼空気は、バーナ６で燃料と混合され燃焼室１１で燃焼し約１，０００℃の燃焼排ガスとなる。原料は約３５０℃で改質触媒層３入口に供給される。
【０１０６】
原料は改質触媒層３を通流し改質反応を進めながら、燃焼排ガスとの熱交換によって、約７００℃まで加熱されて改質触媒層３出口に到達する。改質触媒層３を通過した改質ガスは、改質中管２と改質外管４との間に形成された環状空間を上昇しながら、改質中管２を介し、改質触媒層３に熱を与えながら温度を下げ、約４５０℃で排気口１２より排出される。
【０１０７】
実施の形態４における水素生成装置では、第２の壁１８の熱交換能力が第３の壁１９よりも大きくなるように設定されているため、上昇中の燃焼空気は、燃焼室１１を流下する燃焼排ガスから受ける熱が少なく、かつ第２の壁１８を隔てて上下に流れる燃焼空気同士の熱交換が促進される。
【０１０８】
そのため、燃焼室１１下端における燃焼排ガスの温度は、従来よりも高い状態に保持できるので、改質触媒層３出口における改質ガス温度を従来よりも高くすることが可能となり、転化率の高い改質ガスが得られる。上記の効果によって、エネルギー効率の高い水素生成装置を構成することが可能となる。
【０１０９】
また、第１流路１５において、燃焼排ガスと改質内管１を介して隣接する改質触媒層上流部３ａについても、燃焼排ガスからの熱の移動量が減少するため、過度の温度上昇を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明の水素生成装置は、水素生成装置の外部に熱交換器を設けずに効率の高い水素生成装置を構成することが可能であり、例えば、家庭用の燃料電池発電装置の燃料ガス製造用の水素生成装置として有用である。
【符号の説明】
【０１１１】
１  改質内管
２  改質中管
３  改質触媒層
３ａ  改質触媒層上流部
３ｂ  改質触媒層下流部
４  改質外管
５  排ガス外管
６  バーナ
７  原料供給口
８  改質ガス出口
９  燃料供給部
１０  燃焼空気供給部
１１  燃焼室
１２  排気口
１３  バーナ内管
１４  バーナ外管
１５  第１流路
１６  バーナ中管
１７  第１の壁
１８  第２の壁
１９  第３の壁
【図１】
2016130195.tif 000003
【図２】
2016130195.tif 000004
【図３】
2016130195.tif 000005
【図４】
2016130195.tif 000006
【図５】
2016130195.tif 000007
【図６】
2016130195.tif 000008
【図７】
2016130195.tif 000009
【図８】
2016130195.tif 000010
【図９】
2016130195.tif 000011
【図１０】
2016130195.tif 000012