(57)【要約】【課題】水素生成器の改質性能の向上と触媒劣化の抑制と改質器の筒の耐久性を向上すること。【解決手段】燃焼器１と、該燃焼器からの燃焼ガスが放出される第１の筒２と、該第１の筒の外側に設けられた第２の筒３とを備え、第１の筒２は、第２の筒３よりも熱膨張率の低い金属することにより、第１の筒２の熱膨張による寸法変形が外側に設けられた第２の筒３より大きくなることを防ぐので改質触媒層の温度を均一にでき、さらに第１の筒２と第２の筒３に応力がかからないようにできる。【選択図】図１
2009280408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスが放出される第１の筒と、該第１の筒の外側に設けられた第２の筒と、該第１の筒と第２の筒との間の環状空間に前記燃焼器より送出される燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、該燃焼ガス流路の外側に改質触媒層を有し、該改質触媒層を流れる原料の改質反応により水素含有ガスを生成する改質器とを備え、前記第１の筒は、前記第２の筒よりも熱膨張率の低い金属により構成されることを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記第１の筒を構成する金属と前記第２の筒を構成する金属の熱膨張率が８×１０-6／Ｋ以上１９×１０-6／Ｋ以下であって前記第１の筒を構成する金属と前記第２の筒を構成する金属の熱膨張率の差が４×１０-6／Ｋ以上１１×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする請求項第１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記第１の筒を構成する金属と熱膨張率が８×１０-6／Ｋ以上１２×１０-6／Ｋ以下であり、前記第２の筒を構成する金属の熱膨張率が１４×１０-6／Ｋ以上１９×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする請求項第１記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記第１の筒を構成する金属が、フェライト系ステンレスであり、前記第２の筒を構成する金属が、オーステナイト系ステンレスであることを特徴とする請求項第１記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記第１の筒を構成する金属は、Ｃ：０〜０．０２質量%、Ｓｉ：０〜２．５質量%、Ｍｎ：０〜２．０質量%、Ｐ：０〜０．０４質量%、Ｓ：０〜０．０２質量%、Ｎｉ：０〜０．６質量%、Ｃｒ：１５〜２５質量%、残部が実質的にＦｅの組成もち、前記第２の筒を構成する金属は、Ｃ：０．０２〜０．１０質量%、Ｓｉ：０〜２．５質量%、Ｍｎ：０〜２．０質量%、Ｐ：０〜０．０４質量%、Ｓ：０〜０．０２質量%、Ｎｉ：７〜１２重量%、Ｃｒ：１５〜２５質量%、残部が実質的にＦｅの組成であることを特徴とする請求項第１記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有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、燃焼器から送出される燃焼ガスの熱を利用して炭化水素等の原料を水蒸気と水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成すると共に、上記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させることを特徴とする水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池発電システム等において、炭化水素等を原料として使用し、この原料を水蒸気改質反応させることによって、水素を主成分とする改質ガスを生成する水素生成装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
前記従来構成の水素生成装置の実施例を図２に示す。
【０００４】
この水素生成装置は、改質触媒１２が充填された改質触媒層１３と、変成触媒１４が充填された変成触媒層１５と、選択酸化触媒１６が充填された酸化触媒層１７が同心円状に一体となった構造を特徴とする。水蒸気改質反応に必要な原料は原料供給器１８から供給し、水蒸気は水供給器１９より液体の状態で、原料と共に、蒸発器２０を通過し、この原料と水蒸気の混合ガスが改質触媒層１３に供給されると、水蒸気改質反応により、水素リッチな改質ガスとなって改質触媒層１３を通過する。
【０００５】
この時、改質触媒層１３で生じる水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、外部より上記水蒸気改質反応に必要な温度まで加熱する必要がある。
【０００６】
そこでこの加熱源として燃焼器２１と該燃焼器２１からの燃焼ガスが放出される第１の筒２２と、該第１の筒２２の外側に設けられた第２の筒２３と、該第１の筒と第２の筒との間の環状空間に前記燃焼器より送出される燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路２４とを設けており、そこで燃焼したガスが燃焼ガス流路２４による顕熱で該燃焼ガス流路２４の外側改質触媒層１３を加熱している。
【０００７】
上記特許文献１には記載されていないが、改質触媒層１３の温度を適正かつ均一な温度にするため燃焼ガス流路１３の幅寸法を均一にするスペーサー２５を設ける場合がある。
【０００８】
上記改質ガスは、変成触媒層１５にて変成反応により、上記改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水素に変成させて、ある特定量まで低減させる。この上記変成反応は発熱反応であるため、燃料電池で発電している時、加熱は不要であるが、起動時に、変成反応に必要な温度になるまで変成ヒータ２６を設けて加熱を行う場合がある。上記一酸化炭素を特定量まで低減させた改質ガスは変成触媒層１５を通過した後、酸化触媒層１７にて選択酸化空気供給部２６より供給された空気との選択酸化反応により、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、ガス中の一酸化炭素濃度をさらに低減させている。この上記選択酸化反応は発熱反応であるため、燃料電池で発電している時、加熱は不要であるが、起動時に、選択酸化反応に必要な温度になるまで選択酸化ヒータ２６を設けて加熱を行う場合がある。
【０００９】
さらに上記水素生成装置の特徴として、各反応部１３、１５、１７から発生する放熱を有効利用し、熱変換効率を向上させるために、各反応部１３、１５、１７及び蒸発器２４が同心円上に多重円筒の一体型構造となっている。
【特許文献１】国際公開第０２／０９８７９０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記従来の水素生成装置では、第１の筒２２の温度の方が該第１の筒２２の外側に設けられた第２の筒２３の温度より高くなるので第１の筒２２の方が熱膨張で寸法変形が大きくなり燃焼ガス流路２４の幅寸法が初期寸法より小さくなり寸法の均一性が保てず、外側改質触媒層１３の温度が不均一となり触媒低温部の改質性能が低下すると共に触媒高温部の耐久劣化が大きくなるという課題を有していた。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、改質性能の向上と触媒劣化の抑制した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】
【００１２】
上記課題を解決するための第１の発明の水素生成装置は、燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスが放出される第１の筒と、第１の筒の外側に設けられた第２の筒と、第１の筒と第２の筒との間の環状空間に前記燃焼器より送出される燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、燃焼ガス流路の外側に改質触媒層を有し、改質触媒層を流れる原料の改質反応により水素含有ガスを生成する改質器とを備え、第１の筒は、第２の筒よりも熱膨張率の低い金属により構成されることを特徴とする。
【００１３】
これによって、第１の筒の熱膨張による寸法変形が外側に設けられた第２の筒の寸法変形より大きくなることを防ぎ、燃焼ガス流路の幅寸法が初期寸法より小さくなることを防止できるので。外側改質触媒層の温度を均一にでき、さらに第１の筒と第２の筒に応力がかからないようにできるので改質性能の向上と触媒の劣化と筒の耐久性を向上することができる。
【００１４】
第２の本発明の水素生成装置は、第１の発明の第１の筒を構成する金属と第２の筒を構成する金属の熱膨張率が８×１０-6／Ｋ以上１９×１０-6／Ｋ以下であって第１の筒を構成する金属と第２の筒を構成する金属の熱膨張率の差が４×１０-6／Ｋ以上１１×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、改質器の運転状態が最大から最小の範囲で第１の筒の熱膨張による寸法変形が外側に設けられた第２の筒の寸法変形より大きくなることを防ぎ、燃焼ガス流路の幅寸法が初期寸法より小さくなることを防止できるので。外側改質触媒層の温度を均一にでき、改質性能の向上と触媒の劣化を抑制することができる。
【００１６】
第３の本発明の水素生成装置は、特に、第１の筒を構成する金属と熱膨張率が熱膨張率が８×１０-6／Ｋ以上１２×１０-6／Ｋ以下であり、第２の筒を構成する金属の熱膨張率が１４×１０-6／Ｋ以上１９×１０-6／Ｋ以下であることを特徴とする。
【００１７】
第４の本発明の水素生成装置は、特に、第１の筒を構成する金属が、フェライト系ステンレスであり、第２の筒を構成する金属が、オーステナイト系ステンレスであることを特徴とする。
【００１８】
第５の発明は、特に、前記第１の筒を構成する金属は、Ｃ：０〜０．０２質量%、Ｓｉ：０〜２．５質量%、Ｍｎ：０〜２．０質量%、Ｐ：０〜０．０４質量%、Ｓ：０〜０．０２質量%、Ｎｉ：０〜０．６質量%、Ｃｒ：１５〜２５質量%、残部が実質的にＦｅの組成もち、前記第２の筒を構成する金属は、Ｃ：０．０２〜０．１０質量%、Ｓｉ：０〜２．５質量%、Ｍｎ：０〜２．０質量%、Ｐ：０〜０．０４質量%、Ｓ：０〜０．０２質量%、Ｎｉ：７〜１２重量%、Ｃｒ：１５〜２５質量%、残部が実質的にＦｅの組成であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水素生成装置は、燃焼器からの燃焼ガスが放出される第１の筒は第１の筒の外側に設けられた第２の筒より熱膨張率の低い金属により構成することで改質性能の向上と触媒劣化の抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１から第５の実施の形態における水素生成装置の全体構成を示す断面図を示すものである。
【００２２】
図１において、燃焼器１は、都市ガス（またはＬＰＧ）や燃料電池（図示せず）から排出されるオフガス（未反応水素ガス）や都市ガスとオフガスを混合した燃料ガスを燃焼させ高温の燃焼ガスを放出する。
【００２３】
さらに、燃焼器１からの燃焼ガスが放出される第１の筒２と、第１の筒の外側に設けられた第２の筒３とにより形成される環状空間の燃焼ガス流路４と、燃焼ガス流路４の外側に改質触媒を内包した改質触媒層５を有し、改質触媒層１を流れる原料の改質反応により水素含有ガスを生成する。
【００２４】
ここで第１の筒２は、第２の筒３よりも熱膨張率の低い金属により構成されており、熱膨張率が８×１０-6／Ｋ以上１９×１０-6／Ｋ以下であって前記第１の筒を構成する金属と前記第２の筒を構成する金属の熱膨張率の差が４×１０-6／Ｋ以上１１×１０-6／Ｋ以下とすることが好ましい。これは、改質器の運転状態が最大から最小の範囲で第１の筒の熱膨張による寸法変形が外側に設けられた第２の筒の寸法変形より大きくなることを防ぎ、燃焼ガス流路の幅寸法が初期寸法より小さくなることを十分に防止できるためである。これにより、改質触媒層５の温度を均一にでき、改質性能の向上と触媒の劣化を向上することができる。
【００２５】
具体的には、熱膨張率が８×１０-6／Ｋ以上１９×１０-6／Ｋ以下であって前記第１の筒を構成する金属と前記第２の筒を構成する金属の熱膨張率の差が４×１０-6／Ｋ以上１１×１０-6／Ｋ以下であることが好ましく、本実施の形態は、第１の筒を構成する金属としてフェライト系ステンレスを使用し、第２の筒を構成する金属としてオーステナイト系ステンレスを使用している。
【００２６】
また、水素生成装置外部にこの水素生成装置に、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を供給するための原料供給器６、水を供給するための水供給器７が設けられ、これらの供給器より各々供給された原料及び水が同心円上の二重管形状を有する蒸発器８に送られる。
【００２７】
この時、水は起動時においては蒸発器８で燃焼器１で燃焼されたガスが蒸発器８の内壁面に二重管形状を有する燃焼ガス流路４を通過するときに伝えられる熱により加熱されるとともに、改質触媒層５より送出される水素含有ガスが変成触媒層９を通過し、変成反応によりガス中に含まれる一酸化炭素が水素に変化する時に発生する熱によっても加熱され、さらには変成触媒層９により送出される水素含有ガス中の一酸化炭素が酸化触媒層１０を通過し、酸化反応により一酸化炭素が二酸化炭素に変化する時に発生する熱により加熱される。これらの変成反応及び酸化反応の発熱による蒸発器８内の水への伝熱は蒸発器８の外壁面に二重管形状で変成触媒層９及び酸化触媒層１０を配置してあるので、上記壁面間で行われる。
【００２８】
なお、上記酸化触媒層１０で水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ程度と十分に低減されると酸化触媒総１０より送出される水素含有ガスは、燃料電池（図示せず）のアノードに供給され、この燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスと電気化学的に反応することで発電する。
【００２９】
また、改質触媒層５にて水蒸気改質反応を適正に且つ効率的に行うためには、燃焼ガス流路４内を流れる燃焼ガスから伝熱により改質触媒層５内の改質触媒が適正な温度に維持されることと、燃焼ガス流路４内の燃焼ガスから高い熱伝達性能で燃焼ガスから改質触媒層５へ伝熱される必要がある。
【００３０】
本発明の実施の形態では、第１の筒２の外形をφ１００ｍｍ、改質触媒層５を加熱する燃焼ガス流路４の幅寸法を1.5ｍｍ以上３ｍｍ以下として且つ燃焼ガス流路４の幅寸法を規定するスペーサ１１を設けて寸法の均一化を図っている。
【００３１】
第１の筒２は内面に燃焼ガスが流れるので約８００から９００℃になるのに対して第１の筒の外側に設けられた第２の筒３は改質触媒の温度適正である約６００から７００℃になるが、上述のように第１の筒２は、第２の筒３よりも熱膨張率の低い金属により構成されているため、第１の筒の熱膨張による寸法変形が外側に設けられた第２の筒の寸法変形より大きくなることを防ぎ、燃焼ガス流路の幅寸法が初期寸法より小さくなることを防止でき、燃焼ガスが燃焼ガス流路４を均一に流れ改質触媒層の温度を均一にできるので改質性能の向上と触媒劣化の抑制が図れる。
【００３２】
さらに、燃焼ガス流路４の幅寸法を規定するスペーサ１１を介して第１の筒と第２の筒に応力がかからないようにできるので改質器の筒の耐久性を向上することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、第１の筒を構成する金属及び第２の筒を構成する金属としてフェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレスを例示したが、これに限定されず、材料としては、第１の筒を構成する金属が、Ｃ：０〜０．０２質量%、Ｓｉ：０〜２．５質量%、Ｍｎ：０〜２．０質量%、Ｐ：０〜０．０４質量%、Ｓ：０〜０．０２質量%、Ｎｉ：０〜０．６質量%、Ｃｒ：１５〜２５質量%、残部が実質的にＦｅとなる組成を有するものであり、前記第２の筒を構成する金属が、Ｃ：０．０２〜０．１０質量%、Ｓｉ：０〜２．５質量%以下、Ｍｎ：０〜２．０質量%、Ｐ：０〜０．０４質量%、Ｓ：０〜０．０２質量%、Ｎｉ：７〜１２重量%、Ｃｒ：１５〜２５質量%、残部が実質的にＦｅとなる組成を有するものであっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかる水素生成装置は、燃焼器から送出される燃焼ガスの熱を利用して炭化水素等の原料を水蒸気と水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガス生成する改質性能の向上と触媒の劣化を抑制することができるので家庭用の燃料電池コジェネシステム用の水素生成装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施の形態における水素生成装置の全体構成を示す断面図
【図２】従来の水素生成装置の全体構成を示す断面図
【符号の説明】
【００３６】
１    燃焼器
２    第１の筒
３    第２の筒
４    燃焼ガス流路
５    改質触媒層
６    原料供給器
７    水供給器
８    蒸発器
９    変成触媒層
１０    酸化触媒層
１１    スペーサ
１２    改質触媒
１３    改質触媒層
１４    変成触媒
１５    変成触媒層
１６    選択酸化触媒
１７    酸化触媒層
１８    原料供給器
１９    水供給器
２０    蒸発器
２１    燃焼器
２２    第１の筒
２３    第２の筒
２４    燃焼ガス流路
２５    スペーサー
【図１】
2009280408.tif 000003
【図２】
2009280408.tif 000004