(57)【要約】【課題】蒸発器を備えた水素生成装置において、圧力変動を抑制し、水素を安定に生成する。【解決手段】内筒２２と中筒２３との間に蒸発器２００が設けられ、蒸発器２００において、内筒２２と中筒２３との間を重力方向に流れる改質用の水が、内筒２２からの熱で蒸発する水素生成装置１００であって、蒸発器２００における中筒２３の水との親和性を内筒２２よりも高くするように構成することにより、発生した蒸気が上部に逃げやすくなり、圧力変動を抑制して、安定に水素を生成することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１壁面と第２壁面との間に蒸発器が設けられ、前記蒸発器において、前記第１壁面と前記第２壁面との間を重力方向に流れる改質用の水が、前記第１壁面と前記第２壁面のうちの少なくとも一方からの熱で蒸発する水素生成装置であって、
前記蒸発器における前記第１壁面と前記第２壁面のうちのどちらか一方の水との親和性をどちらか他方よりも高くした水素生成装置。
【請求項２】
前記蒸発器における前記第１壁面と前記第２壁面のうち、高温側の壁面の親和性をどちらか他方よりも高くした請求項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第１壁面と前記第２壁面のうちのどちらか一方の表面粗さをどちらか他方よりも粗くすることにより、前記蒸発器における前記第１壁面と前記第２壁面のうちのどちらか一方の水との親和性をどちらか他方よりも高くした請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記蒸発器における前記第１壁面と前記第２壁面のうちのどちらか一方に親水性の金属酸化物を多く形成することにより、前記蒸発器における前記第１壁面と前記第２壁面のうちのどちらか一方の水との親和性をどちらか他方よりも高くした請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記第１壁面と前記第２壁面は、ともに同心軸上に配置された略円筒状であり、前記蒸発器における前記第１壁面は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、前記凹凸の凸部または凹部が前記第２壁面に密着している請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１から５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ＬＰＧ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水素含有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。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ＬＰＧから、水素含有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。
【０００３】
この水蒸気改質反応では、原料となる都市ガス等と水蒸気とを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水素含有ガスが生成される。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。
【０００４】
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、燃料電池に水素含有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除去器を改質器の下流側に備える。ＣＯ除去器では、ＣＯと水蒸気を反応させＣＯを低減するＣＯ変成触媒と、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る。
【０００６】
従来、蒸発器の内側に燃焼排ガス流路、外側に改質ガス流路を備え、蒸発器の内外の両面で熱交換をおこなって水を蒸発させ、蒸発器の下流側にある改質器へ供給す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で提案されたものでは、水が流れる流路の底部で発生した蒸気が上部の液体の水に塞がれ、蒸気が上部に逃げにくい。この蒸気により、液体の水と流路の壁との熱交換が一時的に減少し、蒸気が逃げた際に熱交換が減少していた壁面に接触した水が一度に蒸発して圧力変動が発生する。圧力変動が発生することにより、水素生成装置から排出される水素の流量が不安定になるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、第１壁面と第２壁面との間に蒸発器が設けられ、蒸発器において、第１壁面と第２壁面との間を重力方向に流れる改質用の水が、第１壁面と第２壁面のうちの少なくとも一方からの熱で蒸発し、蒸発器における第１壁面と第２壁面のうちのどちらか一方の水との親和性をどちらか他方よりも高くし
てあるものである。
【００１０】
これにより、蒸発器において、水が流れる流路の底部で発生した蒸気が上部の液体の水に塞がれることなく、上部に逃げやすくなるため、圧力変動を抑制して、安定に水素を生成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、蒸発器において、水が流れる流路の底部で発生した蒸気が上部の液体の水に塞がれることなく、上部に逃げやすくなるため、圧力変動を抑制して、安定に水素を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】
【００１３】
第１の発明は、第１壁面と第２壁面との間に蒸発器が設けられ、蒸発器において、第１壁面と第２壁面との間を重力方向に流れる改質用の水が、第１壁面と第２壁面のうちの少なくとも一方からの熱で蒸発する水素生成装置であって、蒸発器における第１壁面と第２壁面のうちのどちらか一方の水との親和性をどちらか他方よりも高くするように構成としたものである。
【００１４】
これにより、未蒸発の水が親和性の高い壁面に付着して、他方の壁面から蒸気が上部に逃げやすくなり、圧力変動が抑制される。
【００１５】
第２の発明は、特に第１の発明の水素生成装置において、蒸発器における第１壁面と第２壁面のうち、高温側の壁面の親和性をどちらか他方よりも高くしたものである。
【００１６】
これにより、より多く蒸気が発生する壁面に水が付着し易くなっているため、安定に蒸気が発生し、圧力変動が抑制される。
【００１７】
第３の発明は、特に第１〜第２のいずれかひとつの発明の水素生成装置において、蒸発器における第１壁面と第２壁面のうちのどちらか一方の表面粗さをどちらか他方よりも粗くすることにより、蒸発器における第１壁面と第２壁面のうちのどちらか一方の水との親和性をどちらか他方よりも高くしたものである。
【００１８】
これにより、簡便な構成で壁面の親和性をあげることができ、未蒸発の水が親和性の高い壁面に付着して、他方の壁面から蒸気が上部に逃げ易くなり、圧力変動が抑制される。
【００１９】
第４の発明は、特に第１〜第２のいずれかひとつの発明の水素生成装置において、蒸発器における第１壁面と第２壁面のうちのどちらか一方に親水性の金属酸化物を多く形成することにより、蒸発器における第１壁面と第２壁面のうちのどちらか一方の水との親和性をどちらか他方よりも高くしたものである。
【００２０】
これにより、より大きく壁面の親和性をあげることができ、未蒸発の水が親和性の高い
壁面に付着し、他方の壁面から蒸気が上部に逃げやすくなり、圧力変動が抑制される。
【００２１】
第５の発明は、特に第１〜第４のいずれかひとつの発明の水素生成装置において、第１壁面と第２壁面は、ともに同心軸上に配置された略円筒状であり、蒸発器における第１壁面は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、凹凸の凸部または凹部が第２壁面に密着したものである。
【００２２】
これにより、簡便な構成で、蒸発器を構成することができるとともに、未蒸発の水が親和性の高い壁面に付着し、他方の壁面から蒸気が上部に逃げやすくなり、圧力変動が抑制される。
【００２３】
第６の発明は、前述のいずれか１つに記載の水素生成装置と、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としたものである。これにより、圧力変動を抑制して、安定に水素を燃料電池に供給することができ発電状態を安定に保つことができる。
【００２４】
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。
（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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、図２は実施の形態１における水素生成装置の構成を示す縦断面図である。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、排ガス出口１１、改質温度検知器１２、断熱材１３、蒸発器２００、を備える。
【００２７】
また、蒸発器２００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の間には排ガス流路２７を備える。
【００２８】
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。
【００２９】
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、ＣＯ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。
【００３０】
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より排出される水素含有ガスが用いられる。
【００３１】
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おこなわれる。
【００３２】
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。
【００３３】
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で生成された水素含有ガスは、生成ガス出口７から排出され、燃料電池２５０に供給される。
【００３４】
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、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。
【００３５】
図３は、蒸発器２００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。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。
【００３６】
水への親和性の指標は、水滴を表面に載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。
【００３７】
原料流路２５に水が流通するときに、内筒２２と中筒２３から加熱された水は蒸発するが、原料流路２５の底部で発生した蒸気は、上部の液体の水に塞がれて蒸気が上部に逃げにくい。この蒸気により、液体の水と、内筒２２や中筒２３の壁面との熱交換が一時的に減少し、蒸気が逃げた際に熱交換が減少していた面に接触した水が一度に蒸発して圧力変動が発生する。
【００３８】
圧力変動が発生することにより、蒸発器２００と連通して下流側に設けられた改質器３への流量が変動するので、改質器３に供給される原料ガスと水の流量が変動し、改質触媒反応で生成される水素量が変動することによって、水素生成装置１００から排出される水素の流量が不安定になる。水素生成装置１００の圧力変動は、水素生成装置１００の運転時の原料供給器１出口と、生成ガス出口７の差圧を計測することにより評価できる。
【００３９】
本実施の形態では、中筒２３の壁面の水への親和性を上げており、水が中筒２３に付着し易くなるため、他方の内筒２２に沿って蒸気が上部に逃げ易くなる。
【００４０】
このことにより、水が蒸気で熱交換を妨げられていた高温の壁面に一度に接触することが抑制され、急激な蒸発が起こりにくくなるため、圧力変動が抑制される。具体的には、水素生成装置１００の前後の圧力を計測すると、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、４分の１に圧力変動が抑制された。
【００４１】
以上のように、本発明によれば、未蒸発の水が親和性の高い壁面に付着して、他方の壁面から蒸気が上部に逃げやすくなり、圧力変動が抑制される。
【００４２】
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。
【００４３】
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】
【００４４】
以下、実施の形態１における実施例について説明する。
【００４５】
（実施例１）
図４は、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。図４において、内筒２２と中筒２３の間に原料流路２５があり、内筒２２の外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。
【００４６】
また、排ガス流路２７の方が改質ガス流路２６よりも高温であり、排ガス流路２７に接する内筒２２の方が高温となる。このことにより、より多く蒸気が発生する高温側の壁面に水が付着し易くなり、低温側の中筒２３の表面の水への親和性を高くした場合よりも、安定に蒸気が発生する。
【００４７】
さらに、内筒２２の壁面の水への親和性を上げているため、水が内筒２２に付着し易くなるため、他方の中筒２３に沿って蒸気が上部に逃げやすくなる。このことにより、圧力変動が抑制される。具体的には、水素生成装置１００の前後の圧力を計測すると、内筒２２の壁面の水への親和性を上げない場合と比較して、８分の１に圧力変動が抑制された。
【００４８】
（実施例２）
図５は、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５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の内周面は表面の金属酸化物を多くした金属酸化物形成面２９を設け、水への親和性を高めている。
【００４９】
金属酸化物の形成は、中筒２３の表面を焼成することによって行うことができる。本実施例で作製した中筒２３の表面は、水との接触角が焼成前には、９０°であったものが、焼成後には、４０°となっていた。
【００５０】
本実施例では、中筒２３の壁面の水への親和性を金属酸化物を多くすることによって上げており、水が中筒２３に付着し易くなるため、他方の内筒２２に沿って蒸気が上部に逃げ易くなる。
【００５１】
このことにより、水が蒸気で熱交換を妨げられていた高温の壁面に一度に接触することが抑制され、急激な蒸発が起こりにくくなるため、圧力変動が抑制される。具体的には、水素生成装置１００の前後の圧力を計測すると、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、１６分の１に圧力変動が抑制された。
【００５２】
なお、本実施例では、焼成することによって、表面の金属酸化物の量を多くしたが、親
水性の金属酸化物、例えばアルミナやシリカ等を表面に塗布することによっても、水への親和性を高めることができ同様の効果が得られる。
【００５３】
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】
【００５４】
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、圧力変動を抑制し、安定に水素を生成する水素生成装置を提供することができ、燃料電池の安定動作を実現することができるので、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】
【００５５】
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  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  排ガス流路
２８  ブラスト処理面
２９  金属酸化物形成面
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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