(57)【要約】【課題】改質ガス流路を流れる改質ガスと原料流路を流れる水及び原料の熱交換を促進して水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制し、水素生成装置から持ち出される熱量を低減して、高い改質効率を有した水素生成装置を提供する。【解決手段】内筒２２を介して燃焼排ガスと原料流路２５を流れる水及び原料とが熱交換し、中筒２３を介して改質ガス流路２６を流れる改質ガスと原料流路２５を流れる水及び原料とが熱交換する水素生成装置１００であって、蒸発器２００における中筒２３での熱交換性能が、内筒２２での熱交換性能よりも高くなるように構成することにより、改質ガスと水及び原料との熱交換を促進できるため、水素生成装置１００から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制し、水素生成装置１００から持ち出される熱量を低減できるので、高い改質効率を有した水素生成装置１００が可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒体であって燃焼器を中心にして同心軸状に配置された、内筒、中筒、外筒と、蒸発器と、改質ガス流路とを有し、
前記内筒の内周側を燃焼排ガスが流れ、
前記内筒と前記中筒との間に前記蒸発器が配置され、
前記中筒と前記外筒との間に前記改質ガス流路が配置され、
前記蒸発器において水及び原料が前記内筒と前記中筒との間を流れ、
前記内筒を介して前記燃焼排ガスと前記蒸発器を流れる前記水及び原料とが熱交換し、
前記中筒を介して前記改質ガス流路を流れる改質ガスと前記蒸発器を流れる前記水及び原料とが熱交換する水素生成装置であって、
前記蒸発器における前記中筒での熱交換性能が、前記内筒での熱交換性能よりも高くなるように構成された、水素生成装置。
【請求項２】
前記蒸発器における前記中筒の内周面の表面粗さを、前記内筒の外周面の表面粗さよりも大きくすることで、前記蒸発器における前記中筒での熱交換性能が、前記内筒での熱交換性能よりも高くなるようにした請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記蒸発器における前記中筒の板厚を前記内筒よりも薄くすることで、前記蒸発器における前記中筒での熱交換性能が、前記内筒での熱交換性能よりも高くなるようにした請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記内筒は、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、前記凹凸の凸部が前記中筒の内周面に密着している、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】
前記蒸発器は、前記内筒と前記中筒との間に螺旋状の棒材を有する、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６】
改質器と、前記改質ガス流路の少なくとも一部に変成器及び選択酸化器とを有し、
前記内筒の内周側を燃焼排ガスが鉛直方向上向きに流れ、
前記内筒と前記中筒との間で前記改質器の上方に前記蒸発器が配置され、
前記中筒と前記外筒との間で前記変成器の上方に前記選択酸化器が配置され、
前記蒸発器において水及び原料が前記内筒と前記中筒との間を鉛直方向の中心軸を中心にして螺旋状に落下し、
前記内筒を介して前記燃焼排ガスと前記蒸発器を流れる前記水及び原料とが熱交換し、
前記中筒を介して前記変成器、前記選択酸化器、前記変成器から前記選択酸化器に向かう改質ガスと、前記蒸発器を流れる前記水及び原料とが熱交換する水素生成装置であって、前記蒸発器における前記変成器よりも上方で前記選択酸化器よりも下方に位置する部分の前記中筒での熱交換性能が、前記内筒での熱交換性能よりも高くなるようにした請求項１から５いずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される改質ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ガスやＬＰガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとして、水素が含まれた水素含有ガス（改質ガス）を作る水素生成装置に関するものである。また、この水素生成装置で作られた水素を利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関わる技術である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電時の燃料として用いる改質ガスは、一般的なインフラガスとして整備されていない。このため、燃料電池システムは、通常、改質器を有する水素生成装置を備える。
【０００３】
改質器では、一般的なインフラである都市ガス、天然ガス、あるいはＬＰガスから、改質ガスが改質反応により生成され、例えば、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応では、原料となる都市ガス等と蒸発器で発生させた水蒸気とをＮｉ系またはＲｕ系等の貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃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が生成される。
【０００４】
また、改質器を水蒸気改質反応に必要な温度にするため、燃焼器で改質器を加熱している。起動時は、水素生成装置を通流した原料ガスを燃焼器に戻して燃焼させ、燃料電池に改質ガスを供給している時は、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼器で燃焼させる方法が一般的である。
【０００５】
また、改質器では副反応として一酸化炭素（ＣＯ）を生成するため、ＣＯが燃料電池を被毒して電圧を低下させる場合は（固体高分子形燃料電池の場合）、ＣＯと水蒸気を反応させＣＯを低減する変成触媒を備えた変成器と、ＣＯと微量に加えた酸素を反応させてＣＯを酸化除去する選択酸化触媒を備えた選択酸化器を備える。
【０００６】
従来、蒸発器において、水及び原料が流れる原料流路の一方の壁面に燃焼排ガス流路、他方の壁面に改質ガス流路を配置し、水及び原料が流れる原料流路の両面で熱交換を行って水を蒸発させる水素生成装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５０４４０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１で提案されたものは、原料流路の両面で熱交換を行うため、燃焼排ガス流路を流れる高温の燃焼排ガスと原料流路を流れる水及び原料との熱交換が大きくなり、改質ガス流路を流れる改質ガスと原料流路を流れる水及び原料との熱交換が不足して、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度が高くなってしまう。
【０００９】
この結果、水素生成装置から持ち出される熱量が大きくなる分、水素生成装置を余分に加熱する必要があり、改質効率が低下するという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させ、高い改質効率を有した
水素生成装置および燃料電池システム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】
【００１１】
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、略円筒体であって燃焼器を中心にして同心軸状に配置された、内筒、中筒、外筒と、蒸発器と、改質ガス流路とを有し、内筒の内周側を燃焼排ガスが流れ、内筒と中筒との間に蒸発器が配置され、中筒と外筒との間に改質ガス流路が配置され、蒸発器において水及び原料が内筒と中筒との間を流れ、内筒を介して燃焼排ガスと蒸発器を流れる水及び原料とが熱交換し、中筒を介して改質ガス流路を流れる改質ガスと蒸発器を流れる水及び原料とが熱交換する水素生成装置であって、蒸発器における中筒での熱交換性能が、内筒での熱交換性能よりも高くなるように構成したものである。
【００１２】
これによって、水素生成装置の蒸発器において、改質ガス流路を流れる改質ガスと蒸発器を流れる水及び原料との熱交換が大きくなるため、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置および高い発電効率を有した燃料電池システムが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素生成装置およびそれを用いた燃料電池システムによれば、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置および高い発電効率を有した燃料電池システムが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図
【図３】本発明の実施の形態１における蒸発器の詳細の構成を示す要部拡大縦断面図
【図４】本発明の実施の形態１の実施例１における蒸発器の詳細の構成を示す要部拡大縦断面図
【図５】本発明の実施の形態１の実施例２における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図
【図６】本発明の実施の形態１の実施例２における蒸発器の詳細の構成を示す要部拡大縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、略円筒体であって燃焼器を中心にして同心軸状に配置された、内筒、中筒、外筒と、蒸発器と、改質ガス流路とを有し、内筒の内周側を燃焼排ガスが流れ、内筒と中筒との間に蒸発器が配置され、中筒と外筒との間に改質ガス流路が配置され、蒸発器において水及び原料が内筒と中筒との間を流れ、内筒を介して燃焼排ガスと蒸発器を流れる水及び原料とが熱交換し、中筒を介して改質ガス流路を流れる改質ガスと蒸発器を流れる水及び原料とが熱交換する水素生成装置であって、蒸発器における中筒での熱交換性能が、内筒での熱交換性能よりも高くなるように構成したものである。
【００１６】
これにより、改質ガス流路を流れる改質ガスと原料流路を流れる水及び原料の熱交換を促進できるため、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置が可能となる。
【００１７】
第２の発明は、特に第１の発明の水素生成装置において、蒸発器における中筒の内周面
の表面粗さを、内筒の外周面の表面粗さよりも大きくすることで、蒸発器における中筒での熱交換性能が、内筒での熱交換性能よりも高くなるようにしたものである。
【００１８】
これにより、中筒の壁面の水への親和性が上がって水が中筒表面に付着しやすくなって中筒表面で水が蒸発しやすくなるため、改質ガス流路を流れる改質ガスと原料流路を流れる水及び原料の熱交換を促進でき、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置が可能となる。
【００１９】
第３の発明は、特に第１または第２の発明の水素生成装置において、蒸発器における中筒の板厚を内筒よりも薄くすることで、蒸発器における中筒での熱交換性能が、内筒での熱交換性能よりも高くなるようにしたものである。
【００２０】
これにより、中筒の熱伝導が大きくなるため、改質ガス流路を流れる改質ガスと原料流路を流れる水及び原料の熱交換を促進でき、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置が可能となる。
【００２１】
第４の発明は、特に第１から第３のいずれか一つの発明の水素生成装置において、内筒は、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、凹凸の凸部が中筒の内周面に密着しているものである。
【００２２】
これにより、コンパクトに構成された蒸発器において改質ガス流路を流れる改質ガスと原料流路を流れる水及び原料の熱交換を促進でき、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置が可能となる。
【００２３】
第５の発明は、特に第１から第３のいずれか一つの発明の水素生成装置において、蒸発器は、内筒と中筒との間に螺旋状の棒材を有するものである。
【００２４】
これにより、コンパクトに構成された蒸発器において改質ガス流路を流れる改質ガスと原料流路を流れる水及び原料の熱交換を促進でき、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置が可能となる。
【００２５】
第６の発明は、特に第１から第５のいずれか一つの発明の水素生成装置において、改質器と、改質ガス流路の少なくとも一部に変成器及び選択酸化器とを有し、内筒の内周側を燃焼排ガスが鉛直方向上向きに流れ、内筒と中筒との間で改質器の上方に蒸発器が配置され、中筒と外筒との間で変成器の上方に選択酸化器が配置され、蒸発器において水及び原料が内筒と中筒との間を鉛直方向の中心軸を中心にして螺旋状に落下し、内筒を介して燃焼排ガスと蒸発器を流れる水及び原料とが熱交換し中筒を介して変成器、選択酸化器、変成器から選択酸化器に向かう改質ガスと、蒸発器を流れる水及び原料とが熱交換する水素生成装置であって、蒸発器における変成器よりも上方で選択酸化器よりも下方に位置する部分の中筒での熱交換性能が、内筒での熱交換性能よりも高くなるように構成したものである。
【００２６】
これにより、改質ガス流路を流れる改質ガスと原料流路を流れる水及び原料の熱交換を促進でき、改質ガスの温度の上昇を抑制することができるため、改質ガス流路に設置された変成器と選択酸化器の温度上昇を抑制することができるので、変成器や選択酸化器からの放熱量を低減できるので、高い改質効率を有した水素生成装置が可能となる。
【００２７】
第７の発明は、第１から第６のいずれか一つの発明の水素生成装置と、水素生成装置から供給される改質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。
【００２８】
これにより、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して、水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置を備え、高い発電効率を有した燃料電池システムが可能となる。
【００２９】
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。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００３１】
実施の形態１の燃料電池システム３００は、図１に示すように、水素生成装置１００、燃料電池２５０、原料供給器１、水供給器２を備える。
【００３２】
また、図２は本発明の実施の形態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。図２において、水素生成装置１００は、原料供給器１、水供給器２、改質器３、変成器４、選択酸化器５、選択酸化空気供給器６、生成ガス出口７、燃焼器８、燃料ガス供給器９、燃焼空気供給器１０、燃焼排ガス出口１１、改質温度検知器１２、断熱材１３、蒸発器２００とを備える。
【００３３】
水素生成装置１００は、筒形状であり、内側から順に、燃焼筒２１、第１壁面である内筒２２、第２壁面である中筒２３、外筒２４から構成される。また、内筒２２と中筒２３の間には原料流路２５を備え、中筒２３と外筒２４の間には改質ガス流路２６を備える。また、燃焼筒２１と内筒２２の間には燃焼排ガス流路２７を備える。
【００３４】
蒸発器２００を構成する内筒２２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、中筒２３と圧接して組み合わせることにより、螺旋状の原料流路２５が形成される。
【００３５】
改質器３の内部には、一般的なＲｕをアルミナに担持した改質触媒を備える。変成器４の内部には、変成触媒として、一般的な銅亜鉛触媒を備える。選択酸化器５の内部には、選択酸化触媒として、一般的なＲｕをアルミナに担持した触媒を備える。
【００３６】
原料供給器１は、原料を改質器３に供給する。原料供給器１は昇圧器である。水供給器２は、改質反応に用いる水を改質器３に供給する。水供給器２はポンプである。燃焼器８は、改質器３を加熱する。燃焼空気供給器１０は、燃焼器８に燃焼空気を供給するファンである。燃焼器８の燃料には、通常は改質器３より排出される改質ガスが用いられる。
【００３７】
以上の様に構成された水素生成装置１００について、以下その動作、作用を説明する。以下の動作は、制御器（図示せず）が水素生成装置１００を制御することによって行われる。
【００３８】
水素生成装置１００の運転時には、燃料ガス供給器９から供給される燃料と、燃焼空気供給器１０から供給される燃焼用の空気によって燃焼器８で発生する燃焼熱により、改質器３が加熱される。原料供給器１から供給される原料と、水供給器２から供給される水が蒸発器２００を通じて、改質器３に供給され、改質器３で水素が生成する。
【００３９】
また、改質器３では副反応としてＣＯが生成するため、変成器４でＣＯと水蒸気を反応させてＣＯを低減しさらに、選択酸化器５で、選択酸化空気供給器６から供給された空気中の酸素とＣＯを反応させてＣＯを酸化除去する。こうして、水素生成装置１００で生成された改質ガスは、生成ガス出口７から排出され、燃料電池２５０に供給される。
【００４０】
蒸発器２００において、原料と水が流れる原料流路２５には、内筒２２を介して、燃焼排ガス流路２７があり、燃焼排ガスによって、原料と水が加熱される。また、中筒２３を介して、改質ガス流路２６があり、改質ガスによって、原料と水が加熱される。原料流路２５は前述のとおり、螺旋状に構成されているため、蒸発器２００の上流から下流に向かって螺旋状に流通しながら加熱され、水が蒸発する。
【００４１】
図３は、本発明の実施の形態１における蒸発器の詳細の構成を示す要部拡大縦断面図である。図３において、内筒２２と中筒２３の間に原料流路２５があり、中筒２３の内周面にはブラスト処理面２８を設け、水への親和性を高めている。
【００４２】
ブラスト処理とは、粒子を金属表面にぶつけることにより、表面を荒らす処理のことであり、一般的な加工法である。水への親和性の指標としては、水滴を表面にのせたときの接触角で評価することができ、本実施の形態では、ブラスト処理前の表面において、水との接触角が９０°であったものが、ブラスト処理後には、５０°となっていた。水との接触角は、小さいほど親水性が高いことを示す。
【００４３】
蒸発器２００での熱交換は内筒２２と中筒２３を介して行われるが、原料流路２５での水の蒸発に伴う蒸発潜熱によって大きな熱交換が行われる。本実施の形態では、中筒２３の内周面にはブラスト処理面２８を設けており、中筒２３の表面の親水性を高くしているため、水が中筒２３の表面に付着しやすくなり、中筒２３を介して改質ガスと原料及び水の熱交換がより多く行われる。
【００４４】
このことによって、改質ガスの熱を原料および水で多く回収することができ、水素生成装置１００から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置１００から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置１００が可能となる。改質効率とは、水素生成装置１００から排出される改質ガス中の水素の流量から計算される水素の熱量を、供給した原料の熱量で割ったものである。
【００４５】
具体的には、水素生成装置１００の改質効率を計測すると、中筒２３の壁面の水への親和性を上げない場合と比較して、改質効率が１ポイント上昇した。
【００４６】
以上のように、本実施の形態によれば、改質ガス流路２６を流れる改質ガスと原料流路２５を流れる水及び原料の熱交換を促進できるため、水素生成装置１００から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置１００から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置１００が可能となる。
【００４７】
なお、本実施の形態では、蒸発器２００を構成する内筒２２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、中筒２３と圧接して組み合わせることにより、螺旋状の原料流路２５が形成されることとしたが。平板状の板の組み合わせでも同様の効果が得られる。ただし、平板状の板の場合は両端を塞ぐ必要があるため、円筒状の方が、よりコンパクトに蒸発器２００を構成することができる。
【００４８】
なお、本実施の形態では、水素利用機器として燃料電池２５０を備える構成としたが、水素を利用する機器であれば、同様の効果が得られる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施の形態１における実施例について説明する。
【００５０】
（実施例１）
図４は、本発明の実施の形態１の実施例１における蒸発器の詳細の構成を示す要部拡大縦断面図である。実施例１における水素生成装置１００の構成は、蒸発器２００の構成として、中筒２３の板厚を、内筒２２よりも薄くしたものである。
【００５１】
中筒２３の板厚を、内筒２２よりも薄くすることにより、中筒２３の熱伝導が大きくなるため、改質ガス流路２６を流れる改質ガスと原料流路２５を流れる水及び原料の熱交換を促進でき、水素生成装置１００から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置１００から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置１００が可能となる。
【００５２】
具体的には、水素生成装置１００の改質効率を計測すると、中筒２３の壁面の板厚を薄くしない場合と比較して、改質効率が０．５ポイント上昇した。
【００５３】
（実施例２）
図５は、本発明の実施の形態１の実施例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。図５において、内筒２２と中筒２３の間に金属棒２９が螺旋状に挟み込まれており、原料流路２５を構成している。
【００５４】
図６は、本発明の実施の形態１の実施例２における蒸発器の詳細の構成を示す要部拡大縦断面図である。図６において、内筒２２と中筒２３の間に原料流路２５があり、中筒２３の内周面にはブラスト処理面２８を設け、水への親和性を高めている。
【００５５】
本実施例では、中筒２３の表面の親水性を高くしているため、水が中筒２３の表面に付着しやすくなり、中筒２３を介して改質ガスと原料及び水の熱交換がより多く行われる。
【００５６】
このことによって、改質ガスの熱を原料および水で多く回収することができ、水素生成装置１００から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置１００から持ち出される熱量を低減させることができ、高い改質効率を有した水素生成装置１００が可能となる。
【００５７】
具体的には、水素生成装置１００の改質効率を計測すると、中筒２３の壁面の板厚を薄くしない場合と比較して、改質効率が０．５ポイント上昇した。
【００５８】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上のように、本発明にかかる水素生成装置および燃料電池システムは、改質ガスの熱を原料および水で多く回収することができ、水素生成装置から出て行く改質ガスの温度上昇を抑制して水素生成装置から持ち出される熱量を低減させることができ、水素生成装置の改質効率を向上することができるので、高い効率で発電したい用途、例えば家庭用燃料電池コージェネレーションシステムの用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００６０】
１  原料供給器
２  水供給器
３  改質器
４  変成器
５  選択酸化器
６  選択酸化空気供給器
７  生成ガス出口
８  燃焼器
９  燃料ガス供給器
１０  燃焼空気供給器
１１  燃焼排ガス出口
１２  改質温度検知器
１３  断熱材
２１  燃焼筒
２２  内筒
２３  中筒
２４  外筒
２５  原料流路
２６  改質ガス流路
２７  燃焼排ガス流路
２８  ブラスト処理面
２９  金属棒
１００  水素生成装置
２００  蒸発器
２５０  燃料電池
３００  燃料電池システム
【図１】
2017048060.tif 000003
【図２】
2017048060.tif 000004
【図３】
2017048060.tif 000005
【図４】
2017048060.tif 000006
【図５】
2017048060.tif 000007
【図６】
2017048060.tif 000008