(57)【要約】【課題】水素生成装置に無機粉体の断熱材を適用する場合において、低コストでより効率的に漏洩熱量を抑制することができ、実用性の高い水素生成装置を提供すること。【解決手段】円筒状の水素生成化学反応容器２内包する断熱容器３において、下蓋２３の上に圧縮成形されたヒュームドシリカ断熱材板１８を複数積層し、その上部に上蓋２４を配置し、側面を円筒状の収縮フィルム２５で覆って加熱収縮することで一体化された断熱容器３を構成した。これによって、接着剤付き外皮材の貼付工程を廃止でき、水素生成化学反応容器２の断熱性能を低下させることなく、低コストで実用性の高い水素生成装置を提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機粉体を含む材料を加圧成形して成り外形寸法が水素生成化学反応容器の横断面より大きく厚みが前記水素生成化学反応容器の高さ寸法より小さい板状の断熱板を、前記水素生成化学反応容器を内包するように、複数積層し、
前記複数積層された前記断熱板のうちの上端に位置する前記断熱板の上端部を覆う上蓋体と、前記複数積層された前記断熱板のうちの下端に位置する前記断熱板の下端部を覆う下蓋体とで、前記複数積層された前記断熱板の積層体を、上下から挟み、
前記上蓋体と前記下蓋体とによって挟まれた状態の前記積層体の側面を、収縮フィルムで覆って、前記複数積層された前記断熱板と前記上蓋体と前記下蓋体とを一体化させた、水素生成装置。
【請求項２】
前記無機粉体は、ヒュームドシリカである請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記水素生成化学反応容器は、複数の円筒体を同心状に組み合わせた多重円筒構造であり、
それぞれの前記断熱板は、外形が円板形状であり、
少なくとも１つの前記断熱板は、内部が前記水素生成化学反応容器の外形形状に合わせてくり抜かれている、請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記上蓋体と前記下蓋体は、上下端部を除く外周面に大径部を有する請求項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】
炭化水素からなる原料ガスを水蒸気改質する反応により水素を生成する水素生成化学反応容器に、断熱構造体を取り付ける水素生成装置の製造方法であって、
無機粉体を含む材料を加圧成形して成り外形寸法が前記水素生成化学反応容器の横断面より大きく厚みが前記水素生成化学反応容器の高さ寸法より小さい板状の断熱板を、前記水素生成化学反応容器を内包するように、複数積層し、
前記複数積層された前記断熱板のうちの上端に位置する前記断熱板の上端部を覆う上蓋体と、前記複数積層された前記断熱板のうちの下端に位置する前記断熱板の下端部を覆う下蓋体とで、前記複数積層された前記断熱板の積層体を、上下から挟み、
前記上蓋体と前記下蓋体とによって挟まれた状態の前記積層体の側面を、熱収縮フィルムで覆った後に、前記熱収縮フィルムを加熱により収縮させて、前記複数積層された前記断熱板と前記上蓋体と前記下蓋体とを一体化させる、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、燃料電池発電装置に水素を供給する水素生成装置に関し、より詳細には水素生成装置内の断熱構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置用の水素生成装置としては、一般に水蒸気改質反応方式のものが用いられる。この水素生成装置は、気化部で蒸発した改質水と炭化水素からなる原料ガスとを６００〜８００℃程度の高温で反応させることにより水素を主成分とした改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中に含まれる一酸化炭素ガス濃度を変成シフト反応により低減する変成部と、さらに一酸化炭素ガス濃度を選択酸化反応により低減するＣＯ除去部とを備えている。
【０００３】
従来、この種の水素生成装置において、その外周部に断熱性能の高い粉状ヒュームドシリカを圧縮成形したものを適用することで、熱漏洩量を抑えてエネルギ効率を高めることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図４は、特許文献１に開示された従来の水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図である。図４に示すように、従来の水素生成装置１は、水素生成化学反応容器２と、断熱容器３とで構成される。
【０００５】
水素生成化学反応容器２は、燃焼器４と、蒸発器５と、改質器６と、変成器７と、ＣＯ除去器８とからなり、蒸発器５は、内筒９と、外筒１０と、内筒９と外筒１０との間に設けられた丸棒をスパイラル形状に成形したらせん仕切１１とで蒸発流路を構成する。
【０００６】
このような構造を有する蒸発器５には、原料ガスおよび改質水が供給される。原料ガスは原料供給器１２から供給され、水は改質水供給器１３から供給される。蒸発器５に供給された水は、燃焼ガス流路１４を流れる燃焼ガスによって加熱されて蒸発し、その結果、蒸発器５では原料ガスと水蒸気との混合ガスが生成される。
【０００７】
蒸発器５を通過した混合ガスは、改質反応によって改質する改質器６と、改質反応で生成された一酸化炭素を酸化させる変成器７と、一酸化炭素を酸化させるＣＯ除去器８を経て、水素排出口１５から排出される。
【０００８】
また燃焼器４で発生した燃焼ガスは、燃焼筒１６と内筒９との間の燃焼ガス流路１４を通過し、燃焼ガス排出口１７より排出される。
【０００９】
水素生成化学反応容器２は、断熱容器３に内包される形で断熱されている。
【００１０】
断熱容器３は、ヒュームドシリカ断熱材板１８を複数枚積層し、接着剤１９を用いて、下部ガラスクロス２０と、胴部ガラスクロス２１と、上部ガラスクロス２２で貼付けることで一体化固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１６１０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記従来の構成は、ヒュームドシリカ粉末を６０ｍｍ程度にプレス成形したヒュームドシリカ断熱材板１８を縦方向に複数枚積層してから全体に圧縮荷重を加えることで、各積層すきまを無くて積層された断熱材高さを所定の厚みに変化させ、その外周部に接着剤を塗布したガラスクロスシートを貼付けすることで一体化構造とすることで、積層界面からの熱漏洩を防いでいる。
【００１３】
所定の熱伝導率を確保するためには、圧縮荷重を保持した状態で外皮材のガラスクロスシートに塗布された接着剤の硬化を待つ必要がある。また、接着剤を塗布したガラスクロスシートを積層された粉末プレス成形板の外部に貼付けする作業時間が多大で、またその貼付けの際に接着剤付きガラスクロスシートを粉末プレス成形板の外周へ押付する工程が必要で、ヒュームドシリカ粉末プレス成形板を破損させる懸念があった。
【００１４】
また断熱容器を運搬する時や、水素生成化学反応容器に断熱容器を挿入する作業の際に、断熱容器の側面を把持する必要があり、それらの工程では断熱容器の側面に把持力を加える必要があり、ヒュームドシリカ粉末プレス成形板を破損させる懸念があった。
【００１５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水素生成装置にヒュームドシリカ粉末をプレス成形した断熱板を積層適用する場合において、低コストでより効率的に漏洩熱量を抑制することができ、実用性の高い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】
【００１６】
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、無機粉体を含む材料を加圧成形して成り外形寸法が水素生成化学反応容器の横断面より大きく厚みが前記水素生成化学反応容器の高さ寸法より小さい板状の断熱板を、前記水素生成化学反応容器を内包するように、複数積層し、前記複数積層された前記断熱板のうちの上端に位置する前記断熱板の上端部を覆う上蓋体と、前記複数積層された前記断熱板のうちの下端に位置する前記断熱板の下端部を覆う下蓋体とで、前記複数積層された前記断熱板の積層体を、上下から挟み、前記上蓋体と前記下蓋体とによって挟まれた状態の前記積層体の側面を、収縮フィルムで覆って、前記複数積層された前記断熱板と前記上蓋体と前記下蓋体とを一体化させたのである。
【００１７】
上蓋体と下蓋体に使用する材料としては、金属または樹脂を使用でき、断熱板に使用する材料は、気相比率９０％前後の多孔体を板状に加工したものであり、工業的に利用できるものとして、粉体、発泡体、および繊維体等がある。これらは、その使用用途や必要特性に応じて公知の材料を使用することができる。
【００１８】
収縮フィルムは、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリオレフィン、ＰＥＴ、テフロン（登録商標）等の単一材料又は多層ラミネート材料で、熱で収縮する材料で、円筒に成形されたものが望ましい。
【００１９】
上蓋体と下蓋体とによって挟まれた状態の断熱板の積層体の側面を収縮フィルムで覆って、複数積層された断熱板と上蓋体と下蓋体とを一体化させることにより、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ強度に優れた断熱容器を構成出来るなど、実用性の高い水素生成装置となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の水素生成装置によれば、外部から圧縮荷重を加えなくても各積層断熱材の隙間を無くすことが出来、積層隙間からの漏洩熱量低減が図れる。
【００２１】
またヒュームドシリカ粉末をプレス成形した断熱板を積層した外側にフィルムを熱収縮被覆固定させることで、接着剤付き外皮材を貼付けする工程を廃止でき、大幅な作業工数の削減が図れる。
【００２２】
さらに上下に設けた蓋部品と積層断熱板とを強力に固定することが出来、強度に優れ、かつ可搬性に優れた断熱容器を構成できる。
【００２３】
したがって、低コストで、より効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ運搬等の外力でも破損しない高強度化が図れ、長寿命化が図れるなど、実用性の高い水素生成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の断熱容器の構成を模式的に示す縦断面図
【図３】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の製造方法を示す模式図
【図４】従来の水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
第１の発明は、無機粉体を含む材料を加圧成形して成り外形寸法が水素生成化学反応容器の横断面より大きく厚みが前記水素生成化学反応容器の高さ寸法より小さい板状の断熱板を、前記水素生成化学反応容器を内包するように、複数積層し、前記複数積層された前記断熱板のうちの上端に位置する前記断熱板の上端部を覆う上蓋体と、前記複数積層された前記断熱板のうちの下端に位置する前記断熱板の下端部を覆う下蓋体とで、前記複数積層された前記断熱板の積層体を、上下から挟み、前記上蓋体と前記下蓋体とによって挟まれた状態の前記積層体の側面を、収縮フィルムで覆って、前記複数積層された前記断熱板と前記上蓋体と前記下蓋体とを一体化させた、水素生成装置である。
【００２６】
これによって、断熱板の積層体を、水平方向と上下方向の両方向に圧縮荷重を保った状態で、収縮フィルムによって、上蓋体と下蓋体と共に一体化することができ、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ強度に優れた水素生成装置の断熱容器を構成できる。
【００２７】
第２の発明は、特に第１の発明における前記無機粉体に、ヒュームドシリカを用いたものである。ヒュームドシリカを用いた断熱板は、くり抜き加工されたものを使用することができるので、その際に発生する粉末は再利用が可能となることから、低コストでのもの作りが可能となる。
【００２８】
第３の発明は、特に第１または第２の発明における前記水素生成化学反応容器が、複数の円筒体を同心状に組み合わせた多重円筒構造であり、それぞれの前記断熱板は、外形が円板形状であり、少なくとも１つの前記断熱板は、内部が前記水素生成化学反応容器の外形形状に合わせてくり抜かれているものである。水素生成化学反応容器が多重円筒構造であるので均熱化が図られ、改質器の温度を均一に保つことが出来るので、改質効率を高めることが出来る。
【００２９】
第４の発明は、特に第１から第３のいずれか１つの発明における前記上蓋体と前記下蓋体が、上下端部を除く外周面に大径部を有するものである。これにより、収縮フィルムを熱収縮させる際に、収縮フィルムが大径部に巻きつくことにより、断熱板の積層体、上蓋体及び下蓋体を強固に一体化することができる。
【００３０】
第５の発明は、炭化水素からなる原料ガスを水蒸気改質する反応により水素を生成する水素生成化学反応容器に、断熱構造体を取り付ける水素生成装置の製造方法であって、無機粉体を含む材料を加圧成形して成り外形寸法が前記水素生成化学反応容器の横断面より大きく厚みが前記水素生成化学反応容器の高さ寸法より小さい板状の断熱板を、前記水素生成化学反応容器を内包するように、複数積層し、前記複数積層された前記断熱板のうちの上端に位置する前記断熱板の上端部を覆う上蓋体と、前記複数積層された前記断熱板のうちの下端に位置する前記断熱板の下端部を覆う下蓋体とで、前記複数積層された前記断熱板の積層体を、上下から挟み、前記上蓋体と前記下蓋体とによって挟まれた状態の前記積層体の側面を、熱収縮フィルムで覆った後に、前記熱収縮フィルムを加熱により収縮させて、前記複数積層された前記断熱板と前記上蓋体と前記下蓋体とを一体化させる、水素生成装置の製造方法である。
【００３１】
これによって、断熱板の積層体を、水平方向と上下方向の両方向に圧縮荷重を保った状態で、熱収縮フィルムによって、上蓋体と下蓋体と共に一体化することができ、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ強度に優れた断熱容器で覆われた水素生成装置を製造することができる。
【００３２】
以下、本発明による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。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を模式的に示す縦断面図を示すものである。
【００３４】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置１は、円筒状の水素生成化学反応容器２と、水素生成化学反応容器２を内包するように配設された筒状の断熱容器３とから成っており、水素生成化学反応容器２は、その下面と側周面全体とが断熱容器３によって断熱されている。
【００３５】
この水素生成化学反応容器２は、原料供給器１２から供給される改質原料と、改質水供給器１３から供給された改質水とを混合気化させる蒸発器５と、気化した改質原料を改質反応によって改質する改質器６と、改質反応で生成された一酸化炭素を変成シフト反応で酸化させる変成器７と、変成器７を未反応で通過した一酸化炭素を酸化させるＣＯ除去器８と、バーナーを備えた燃焼器４とを備えている。
【００３６】
改質部６、変成器７及びＣＯ除去器８は、化学反応部として機能する。化学反応部で生成された水素ガスは、水素排出口１５から排出される。燃焼器４、蒸発器５、改質器６、変成器７、ＣＯ除去器８は、ステンレス製の円筒形に収納され、これらで水素生成化学反応容器２を構成している。
【００３７】
改質器６には、改質反応を促進する触媒が担持されている。改質触媒としては、白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属、あるいは、これらの合金を用いることができる。改質器６は、改質反応を行うために燃焼器４からの熱エネルギによって７００℃程度に維持されている。
【００３８】
変成器７には、シフト反応を促進する触媒が担持されている。シフト触媒としては、銅系触媒などの低温触媒や、鉄系触媒などの高温触媒が知られており、これらを組み合わせることによって、効果的にシフト反応を促進することができる。シフト反応は３００℃程度で行われる。
【００３９】
ＣＯ除去器８には、一酸化炭素の選択酸化触媒が担持されている。この触媒としては、白金、ルテニウム、パラジウム、金、あるいは、これらを第１元素とした合金を用いることができる。ＣＯ除去器８によって、ガス中の一酸化炭素濃度を数ｐｐｍ程度のまで低減することができる。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置１の断熱容器３の構成を模式的に示す縦断面図である。
【００４１】
図２において、断熱容器３は、無機材断熱材の一種であり、具体的には、耐熱性および断熱性を有するセラミック繊維やシリカの成形断熱材等を用いることができる。例えば１００ｎｍ以下のマイクロポア構造を有すヒュームドシリカ（５〜３０ｎｍ・球状）の成形体で、固体粒子が点接触で伝熱経路が最小であるとともに、マイクロポアで気体の対流・分子衝突を阻止する構造をもつもので、改質部外周の平均温度３００℃における熱伝導率は０．０２５Ｗ／（ｍ・ｋ）のものを厚み６０ｍｍで成形した。
【００４２】
図３は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の製造方法を示す模式図である。
【００４３】
図３において、金属製の下蓋２３の上に、厚み６０ｍｍのヒュームドシリカ断熱材板１８を９枚積層し、その上端部に金属製の穴付き上蓋２４を配設した後、下蓋２３の大径部２６と上蓋２４の大径部２６とを覆う長さの収縮フィルム２５を被せて、加熱収縮装置２７を用いてヒュームドシリカ断熱材板１８の側面と下蓋２３と上蓋２４とを一体化して、断熱容器３を構成する。
【００４４】
この時、ヒュームドシリカ断熱材板１８は、適用される位置により内径をくり抜き加工されたものを使用し、その際に発生する粉末は再利用される。
【００４５】
断熱容器３の上方から水素生成化学反応容器２を断熱容器３の内部に挿入することで、水素生成装置１を完成させることができる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態においては、円筒状の収縮フィルム２５で９枚のヒュームドシリカ断熱材板１８を一体化することで、積層したヒュームドシリカ断熱材板１８の隙間を無くすことができ、漏洩熱量低減が図れる。
【００４７】
またヒュームドシリカ粉末をプレス成形した断熱板を積層した外側に円筒状フィルムを熱収縮被覆固定させることで、接着剤付き外皮材を貼付けする工程を廃止でき、大幅な作業工数の削減が図れる。
【００４８】
さらに、上下に設けた下蓋２３と上蓋２４の蓋部品と積層断熱板とを強力に固定することが出来、強度に優れ、かつ可搬性に優れたた断熱容器を構成できる。
【００４９】
尚、本実施の形態では円筒状の熱収縮フィルムを使用したが、これに限らず加熱なしで樹脂性や金属製のテープ状フィルムをスパイラル状に巻き付けることで、上下に設けた蓋部品と積層断熱板とを一体化させても良い。
【００５０】
以上のように本実施の形態においては、低コストでより効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ運搬等の外力でも破損しない高強度化が図れるなど、実用性の高い水素生成装置の断熱容器が提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、低コストで効率的に漏洩熱量が抑えられ、かつ製造工数削減が図れるなど、
実用性の高く、特に、多重円筒構造の水素生成装置に最適である。
【符号の説明】
【００５２】
１  水素生成装置
２  水素生成化学反応容器
３  断熱容器
１８  ヒュームドシリカ断熱材板
１９  接着剤
２０  下部ガラスクロス
２１  胴部ガラスクロス
２２  上部ガラスクロス
２３  下蓋
２４  上蓋
２５  収縮フィルム
２６  大径部
２７  加熱収縮装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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