JP2007099560A - 水素生成装置及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気の供給を安定して行うことができる小型の蒸発部を有する水素生成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】燃焼部６と、内筒１２及び外筒１３からなる２重筒と、内筒１２の内面に形成された燃焼ガス流路１１と、改質ガスを生成する改質部１６と、内筒１２と外筒１３との間の筒状空間に形成された蒸発部１０と、内筒１２の外面に改質用水を誘導する誘導路１７と吸水部材１５と撥水部３１とが設けられ、誘導路１７は、内筒１２の外面に、周方向に周回又は往復しながら軸方向に延びるように形成され、吸水部材１５と撥水部３１とが、誘導路１７に沿うように設けられ、誘導路１７の上流端部に前記改質用水を供給するよう改質用水供給口９が設けられている水素生成装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素生成装置及びその水素生成装置を備える燃料電池システム、特に水素生成装置の構造に関する。

燃料電池に供給する水素を生成する装置においては、一般に水蒸気改質反応が用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば、蒸発部で蒸発した改質用水と炭素及び水素から構成される化合物を含む原料とをルテニウム触媒を用いて６００℃以上８００℃以下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ものである。

このような水蒸気改質反応により改質ガスを生成する水素生成装置において、水蒸気を発生させる蒸発部の具体的な例としては、図８に示すような多重同心円筒状のものがある（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に開示された従来の水素生成装置の蒸発部の構成の概略を示す断面図である。また、図９は特許文献１に開示された水素生成装置の蒸発部の他の構成の概略を示す断面図である。

図８に示すように、この従来の水素生成装置の蒸発部は、中心軸を共有する内筒４１と中間筒４２と外筒４３とから構成されている。内筒４１と中間筒４２との間に形成された筒状空間にはらせん状に巻回された丸棒４５が配設され、中間筒４２には液体保持手段４４として発泡金属が付設されている。外筒４３には、燃焼排ガスを供給する燃焼排ガス供給口４６と、燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出口４７とが設けられている。また、外筒４３には、改質蒸気用水を供給する改質蒸気用水供給口４８と、原燃料を供給する原燃料供給口４９と、水蒸気を含んだ改質原燃料を取り出す改質原燃料取出し口５０とが配設されている。なお、他の液体保持手段としては、金網積層体が例示されている。また、熱源となる燃焼排ガスを生成するためのバーナは別途設けられている。

かかる構成においては、改質蒸気用水は、改質蒸気用水供給口４８から供給され、液体保持手段４４である発泡金属や金網積層体の毛細管現象によって、液体保持手段４４内に吸収拡散し、保持される。燃焼排ガスは、燃焼排ガス供給口４６より供給され、丸棒４５によって中間筒４２の内面をらせん状に上昇し、燃焼排ガス排出口４７から排出される。この燃焼排ガスの移動に伴って、燃焼排ガスからの伝熱により液体保持手段４４が加熱され、この液体保持手段４４の加熱に伴い、保持された改質蒸気用水が順次蒸発することによって、突沸することなく水蒸気を発生することができる。

図９に示されている水素生成装置の蒸発部では、液体保持手段として中間筒４２の外面に帯状の金属薄板５１が巻回されている。

かかる構成においては、金属薄板５１は中間筒４２からの伝熱を受けて加熱される。改質蒸気用水は、改質蒸気用水供給口４８から供給され、中間筒４２と帯状の金属薄板５１との間に形成される隙間をらせん状に降下しながら、中間筒４２と金属薄板５１からの加熱により順次蒸発する。これにより、突沸することなく水蒸気を発生することができる。
特開２００４−７１２４２号公報

しかし、発泡金属や金網積層体の毛細管現象による周囲への広がりは狭いため、改質用水供給口４８下方に位置する中間筒面から中心軸に対して反対側の中間筒面まで改質用水を広げることはできない。このため、図８に示した発泡金属や金網積層体を中間筒外面の全面に配した上記従来の水素生成装置の蒸発部では、蒸発面積が狭く、安定して水蒸気を供給することができないという問題があった。また、蒸発面積を広げるためには、蒸発部が大きくなるという問題があった。

また、図９に示した帯状の金属薄板５１を中間筒４２の外面にらせん状に巻回した上記従来の蒸発部では、中間筒４２と金属薄板５１の隙間だけが蒸発に寄与するので、蒸発面積が狭く安定して水蒸気を供給することができないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、水蒸気の供給を安定して行うことができ、ひいては安定して水素の供給を行うことができる小型の蒸発部を有する水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、燃焼ガスを発生する燃焼部と、内筒及び外筒からなる２重筒と、前記内筒の内面に沿って燃焼ガスが流れるように形成された燃焼ガス流路と、前記燃焼ガスからの伝熱を利用して原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記内筒と前記外筒との間の筒状空間に形成され前記燃焼ガスからの伝熱を利用して改質用水を蒸発させて水蒸気を生成し、これを前記改質部に供給する蒸発部と、を備え、前記蒸発部に位置する前記内筒の外面に、前記改質用水を誘導する誘導路と吸水部と撥水部とが設けられ、前記誘導路は、前記内筒の外面に、周方向に周回又は往復しながら軸方向に延びるように形成され、前記吸水部と前記撥水部とが、前記軸方向において隣接する前記誘導路の間においては、下流側の誘導路に近く前記吸水部が位置しこの吸収部と上流側の誘導路との間に前記撥水部が位置するようにして、前記誘導路に沿うように設けられ、前記誘導路の上流端部に前記改質用水を供給するよう改質用水供給部が設けられている。

かかる構成とすると、内筒外面全域を改質用水の蒸発に寄与することができるので、蒸発面積が広くなる。これにより、蒸発部の小型化が図れ、また、改質部に安定した水蒸気の供給が可能となり、安定して水素の供給を行うことが可能となる。

前記誘導路は、前記内筒の外面に該外面との間に凹部を形成するように設けられた誘導体と、前記凹部とで構成されていることが好ましい。

前記誘導路は、前記内筒の外面に、周方向に周回しながら軸方向に延びるように形成されていることが好ましい。

前記誘導路は、前記内筒の外面に、周方向に往復しながら軸方向に延びるように形成されていることが好ましい。

前記撥水部は、前記筒状空間に露出した前記内筒の外面で構成されていることが好ましい。

前記撥水部は、前記内筒の外面に配設された撥水部材で構成されていることが好ましい。

前記吸水部は、前記内筒の外面に配設された吸水部材で構成されていることが好ましい。

前記吸水部材は、多孔質材料、網状材料、又は繊維材料で構成されていることが好ましい。

前記吸水部は、前記筒状空間に露出した、凹凸を有する前記内筒の外面で構成されていることが好ましい。

前記凹凸のピッチは、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。

前記凹凸は、エッチング加工、レーザー加工、又はブラスト加工により形成されたものであることが好ましい。

前記改質部は、前記筒状空間に、前記蒸発部の下方に位置するように設けられ、前記誘導路の下流端に、流れて来た前記改質用水を貯留するための貯留部が設けられていることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素生成装置と酸素を含む酸化ガス及び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。これにより、燃料電池における発電量を安定化させることができる。

本発明の水素生成装置によれば、水蒸気の供給を安定して行うことにより、安定して水素の供給を行うことができ、装置を小型化することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、図面はそれぞれの構成を示すためのもので、個々の構成要素の大きさを示すものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム全体の構成を模式的に示す概略図である。

まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図１を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、水素生成装置１と変成器２と浄化器３と燃料電池５とを有している。水素生成装置１では、外部から原料と水が供給され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気からなる改質ガスが生成される。この改質ガスは変成器２に供給され、変成器２では一酸化炭素と水蒸気とを反応させて、二酸化炭素及び水素を生成するシフト反応が行われる。その結果、改質ガス中の一酸化炭素が１％程度にまで低減する。浄化器３では、シフト反応後の改質ガスが供給され、改質ガスと別途供給された一酸化炭素酸化用空気４とが混合され、改質ガス中に残留する一酸化炭素と一酸化炭素酸化用空気４中の酸素による選択酸化反応が行われる。その結果、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下の生成ガスが生成される。この生成ガスは燃料電池５に供給される。燃料電池５では、生成ガスと酸化ガスである空気とを用いて公知の方法により発電が行われる。燃料電池５から水素生成装置１にオフガスが供給される。

次に、本実施の形態に係る水素生成装置１について説明する。

水素生成装置１は、両端が閉鎖された筒状の外筒１３を備えている。外筒１３と同軸状に円筒状の内筒１２が形成されている。内筒１２の内部空間には、内筒１２と同軸状に円筒状の燃焼部６が設けられている。なお、外筒１３及び内筒１２の断面はここでは円形であるが、これに限定されるものではなく、多角形等であってもよい。

外筒１３の上部には、原料供給口８が設けられている。原料供給口８には、パイプ８ａが接続されている。この原料供給口８から、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含む原料が供給される。ここで、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物としては、例えばメタン、エタン、プロパンなどの炭化水素、メタノールなどのアルコール類、灯油やＬＰＧ（液化石油ガス）などが挙げられる。

また、外筒１３の上部には、改質用水供給口９が設けられている。改質用供給口９には、パイプ９ａが嵌挿されており、その先端部が外筒１３と内筒１２との間に形成された筒状空間にまで突出している。このパイプ９ａの先端部から、改質用水が水素生成装置１内に供給される。

外筒１３と内筒１２との間に形成された筒状空間の下部には、図示されない改質触媒が充填されており、この筒状空間と改質触媒とが改質部１６を構成している。改質部１６の上方には、蒸発部１０が設けられている。改質部１６の下端に位置する外筒１３には、改質ガス排出口１０１が設けられている。改質部１６が設けられている外筒１３の外周には、改質ガス流路１０２が設けられている。改質部１６では、蒸発部１０で蒸発した水蒸気と原料との水蒸気改質反応により改質ガスが生成される。この改質ガスは、改質ガス排出口１０１から排出され、改質ガス流路１０２を通って、変成器２に供給される。

燃焼部６は、外筒１３の上端面（天井壁）に、下方に伸びるように配設された燃焼筒１０３と、燃焼筒１０３の基端部に配設されたバーナ（図中記載を省略している）とから構成されている。筒状の燃焼筒１０３は、外筒１３及び内筒１２と同軸状に配設されている。なお、燃焼筒１０３の断面は、ここでは円形であるが、これに限定されるものではなく、多角形等であってもよい。バーナでは、燃料電池５からオフガスが供給され、また、燃焼空気７が外部から供給され、これらが燃焼して燃焼ガスが生成される。燃焼筒１０３と内筒１２との間に形成された筒状の空間は、燃焼ガス流路１１を構成しており、生成された燃焼ガスが、燃焼筒１０３の先端（下端）から流出し、下方から上方へ燃焼ガス流路１１を流れる。また、燃焼ガス流路１１の上端に位置する外筒１３の天井壁には、排ガス排出口１９が設けられており、排ガス排出口１９にはパイプ１９ａが接続されている。燃焼ガス流路１１を流れる燃焼ガスは、排ガス排出口１９から排ガスとして排出される。

次に、本実施の形態１に係る水素生成装置１の特徴的構成について、図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。図２は、図１に示す水素生成装置１の蒸発部の一部を拡大して図示したものである。

図１に示すように、内筒１２の外面には、吸水部を構成するテープ状の吸水部材１５がらせん状に（周方向に周回しながら軸方向に延びるように）巻回されている。また、内筒１２の外表面上には、誘導部材としての丸棒１４が吸水部材１５に沿うように、らせん状に巻回されている。丸棒１４は吸水部材１５と接するように配設されているが、丸棒１４の下面と吸水部材１５の上面は接することはなく、撥水部３１である隙間が設けられている。誘導路１７は、丸棒１４と吸水部材１５との間に形成された凹部と丸棒１４とから構成される。内筒１２の外面上部では、前述の改質水供給口９に接続されたパイプ９ａが吸水部材１５に接触している。かかる構成とすることにより、パイプ９ａから供給される改質用水は、内筒１２の外表面上に配設された吸水部材１５の毛細管現象により保持されるため、確実に内筒１２の外表面上に供給される。

丸棒１４の材質は、特に限定されるものではないが、改質用水を誘導するために、親水性を有するものが好ましい。また、燃焼ガスからの伝熱により丸棒１４は加熱されることから、耐熱性を有するものが好ましく、約２００℃以上の耐熱性を有するものがより好ましい。このような性質を有するものとして、例えば、表面に酸化皮膜が形成された金属棒
が挙げられる。金属の種類は特に限定するものではないが，伝熱性の面からは銅やアルミニウムが望ましく，化学的安定性の面からはステンレスが望ましい。これらの金属は，空気中で３００〜５００℃に加熱することにより，親水性を有する酸化皮膜を容易に形成することができる。

ここでは、吸水部材として、金網（網状材料）を用いているが、これに限定されるものではなく、毛細管現象により水を吸い上げる作用を有するものであればよく、例えば発泡金属（多孔質材料）や ステンレスなどの金属長繊維からなる撚糸の束や，この長繊維をフェルト状に成形したもの（繊維状材料）等を用いてもよい。吸水部材として金網を用いた場合には、１００メッシュ以上５００メッシュ以下であることが好ましい。１００メッシュよりも小さい場合は、網の目が大きすぎて、水を吸い上げることが困難となり、５００メッシュより大きい場合は、細かくなりすぎて吸い上げる水の量が少なくなるからである。金網１５は１枚の金網を内筒１２に巻回することで充分ではあるが、必要に応じて複数の金網を重ねて巻回するような構成としてもよい。発泡金属を用いた場合には、その平均孔径（空孔径）が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。０．１ｍｍより小さい場合は、吸い上げる水の量が少なくなり、１ｍｍより大きい場合は、水を吸い上げるのが困難となるからである。

また、生肌の金属表面は、撥水性であるため毛細管現象が生じにくい。このため、上記金網、発泡金属や金属長繊維（繊維状材料）を用いる場合には、空気中で３００〜５００℃程度の温度で加熱処理をして表面を酸化させて親水性にするか、あるいは、例えば、希塩酸や希硫酸のような酸を用いて、金属表面を酸洗いして親水性にすることが好ましい。なお、金網、発泡金属及び 金属長繊維（繊維状材料）の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、ステンレスやチタン、あるいは銅などの加工性がよく、親水性に富んだ表面を形成しやすい金属を用いるのが好ましい。

巻回する吸水部材１５の上下方向の幅は、使用する材質や改質用水の流量等によって、適宜調整することができる。

誘導路１７の下流端には、改質用水を一時的に貯留する貯留部１８が配設されている。貯留部１８は、断面がＬ字状でかつ環状の貯留部材１８ａが内筒１２に嵌入されて形成している。水素生成装置１の起動時や負荷変動時等において、蒸発部１０が十分に加熱されていない場合、改質用水が蒸発されずに改質部１６に流下していくことになるが、これを防止するためのものである。なお、貯留部１８に一時的に溜まった改質用水は、蒸発部１０の加熱が十分に行われると徐々に蒸発してなくなり、常に水を溜めるものではない。このため、その容量としては、改質用水の流量によって異なるが、例えば、改質用水の流量が１２ｇ／分程度であるような場合には、２０〜１００ｍｌであることが好ましい。

また、貯留部１８の上面は、貯留部吸水部材で覆われていることが好ましい。このような構成とすることにより、貯留部１８の熱伝導面積が増加するので、貯留部１８に溜まった改質用水の蒸発が促進され、安定して水蒸気を供給することができる。なお、貯留部吸水部材としては、上述した金網などの網状材料や発泡金属などの多孔質材料や金属長繊維 などの繊維状材料等が挙げられ、内筒１２の外面に使用している吸水部材と同一のものであっても、異なるものであってもよい。

さらに、貯留部１８の上面と吸水部材１５の下端は接触するように配置していることが好ましい。このように構成することにより、貯留部１８に溜まった改質用水を吸水部材１５に吸い上げさせることができ、速やかに水蒸気を発生させることができる。

図２に示すように、らせん状の丸棒１４及び吸水部材１５の、内筒１２の軸方向（鉛直方向）において隣接する部分では、上側の丸棒１４の下端と吸水部材１５の上端の間には、隙間が設けられており、この隙間が撥水部３１として機能する。誘導路１７は、丸棒１４と吸水部材１５との間に形成された凹部と丸棒１４とから構成される。誘導路１７は、改質用水を、重力に従って内筒１２の周方向に移動させながら上方から下方に誘導する。なお、丸棒１４と吸水部材１５との間の距離、すなわち撥水部３１の占める範囲については、改質用水の流量や吸水部材の材質によっても異なるが、丸棒の下面が改質用水で濡れないように適宜調整することができる。

次に、本実施の形態に係る水素生成装置１の作用について図１及び図２を参照しながら説明する。

バーナで生じた燃焼ガスは、燃焼ガス流路１１内を通過するときに、内筒１２を加熱し、燃焼ガス排出口１９から排出される。改質部１６、吸水部材１５及び丸棒１４は、内筒１２からの伝熱により加熱される。改質部１６にてなされる水蒸気改質反応に供される改質用水は、改質用水供給口９から供給され、丸棒１４と吸水部材１５との間に形成された誘導路に沿ってらせん状に下方に移動する。この移動中に、改質用水は吸水部材１５の毛細管現象により吸い上げられる。吸い上げられた改質用水は、内筒１２からの伝熱により加熱された吸水部材１５により加熱され、蒸発する。このようにして発生した水蒸気は、原料供給口８から供給された原料と混合される。改質部１６では、これらの混合気体を用いて触媒による水蒸気改質反応が起こり、水素を含む改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、変成器２及び浄化器３により一酸化炭素を低減させた後に、燃料電池５に供給される。

ここで、本実施の形態に係る水素生成装置１の特徴的構成である改質用水の移動について、図２を参照にして詳細に説明する。

改質用水は丸棒１４と吸水部材１５とから構成される誘導路１７によって、重力に従ってらせん状に内筒１２の周方向に移動しながら流下する。この移動の間に、吸水部材１５の毛細管現象により改質用水が、順次吸い上げられる。吸い上げられた改質用水は、燃焼ガスからの伝熱により加熱された内筒１２と、内筒１２からの伝熱により加熱された吸水部材１５とにより、加熱され蒸発する。このような作用により、内筒１２の外表面のほとんどの面を蒸発面として使用することができる。このため、蒸発部１０が小さくても充分な蒸発性能を確保することができ、水素生成装置全体を小型化することが可能となる。

また、鉛直方向に隣接する誘導路１７同士において、もし上側の丸棒１４の下端にまで改質用水が吸い上げられると、誘導路１７を流れる改質用水が下側の丸棒１４に流れ落ちる。しかしながら、本実施の形態では、下側の吸水部材１５の上端まで吸い上げられた改質用水は、撥水部３１によって当該吸水部材１５の上端よりも上昇することができないため、上側の丸棒１４の下端にまで改質用水が吸い上げられることはない。このように、吸水部材１５の上端と丸棒１４との下端との間に撥水部３１を設けることにより、改質用水を内筒１２の円周方向へ誘導することができる。このため、内筒１２の外表面のほとんどの面を蒸発面として使用することができる。また、蒸発部１０が小さくても充分な蒸発性能を確保することができ、水素生成装置全体を小型化することが可能となる。

このように、本実施の形態１に係る水素生成装置１によれば、内筒１２の外表面全体を蒸発面として使用することができるため、安定した水素の供給を行うことができ、蒸発部１０が小さくても充分な蒸発性能を確保することができるため、水素生成装置全体を小型化することが可能となる。

本実施の形態１に係る水素生成装置１の蒸発部の変形例を、以下に説明する。

[変形例１]
図３は、本実施の形態１の変形例１を拡大して図示したものである。

変形例１は、内筒１２の外表面上に、上面が外周側から内周側に低く傾斜し、側面が平坦になるように形成された誘導部材２０が、らせん状に巻回されている。この誘導部材２０は、テープ状の吸水部材１５の下端と接触し、一方、誘導部材２０の下面は、テープ状の吸水部材１５の上面とは接触しない構成となっている。

このような形状とすることにより、内筒１２の外面と誘導部材２０とが確実に接触することができる。このため、誘導部材２０と吸水部材１５との間に形成される凸部が安定し、改質用水の誘導が容易となる。また、誘導部材２０の上面が外周側から内周側に低く傾斜していることから、改質用水が誘導部材２０の側面を伝わって、垂直方向の下側に流れ落ちるのを防ぐことができる。

[変形例２]
図４は、本実施の形態１の変形例２を拡大して図示したものである。

変形例２は、内筒１２の外表面上に、断面がＬ字状の誘導体が、らせん状に巻回されている。この誘導体は、内筒１２の外表面上に水平方向に突設された水平部材２２と、水平部材２２の先端に上方に伸びるように配設された板状の垂直部材２１と、から構成されている。かかる構成では、水平部材２２の突出する高さｈ１と、垂直部材２１の上方に伸びる部分の高さｈ２を調整することにより、誘導路に流れる改質用水の量を調整することが可能となる。

[変形例３]
図５は、本実施の形態１の変形例３を拡大して図示したものである。図５（Ａ）は蒸発部の構成を示す断面図であり、図５（Ｂ）は蒸発部の構成を示す平面図である。
変形例３は、吸水部材として金網等を配設するのに代えて、内筒１２の外表面上に凸凹構造を形成し、吸水部としたものである。凸凹構造は、内筒１２の外表面に、エッチング加工により複数の孔６１を、ピッチｐで穿設することにより形成したものである。孔６１の直径ｄは、０．１〜１ｍｍであることが好ましい。０．１ｍｍより小さいと、水の吸い上げ量が減少するからであり、１ｍｍより大きいと、水の吸い上げ能が低下するからである。孔６１の深さｅは、０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。０．１ｍｍより浅いと、水の吸い上げ量が減少するからであり、０．５ｍｍより深いと エッチング加工が困難になるためである。ピッチｐは、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。０．０５ｍｍより狭いと水の吸い上げ量が減少するからであり、１ｍｍより広いと水の吸い上げ能が低下するからである。

孔６１は内筒１２の外面全面に穿設してもよいが、丸棒１４の設置部及び丸棒１４の下方に位置する部分を撥水部３１として機能させるために、これらの部分については孔６１を穿設しない方が好ましい。また、孔６１の形状はここでは円形であるが、これに限られるものではなく、凹凸構造を形成するものであればよく、例えば、長円形又は菱形等であってもよい。凹凸構造の形成は、エッチング加工に限られず、ブラスト加工によって凹凸構造を形成してもよく、また、レーザー加工により碁盤目状の溝を付けることにより凹凸構造を形成してもよい。なお、本変形例では、誘導路１７を形成するために、誘導部材として丸棒１４を使用しているが、誘導部材を上記変形例１又は２のような構成としてもよい。

かかる凸凹構造によっても、吸水部材として金網等を配設したときと同様の吸水機能を得られる。

[変形例４]
図６は、本実施の形態１の変形例４を拡大して図示したものである。
変形例４は、内筒１２の外表面上に配設されている丸棒１４とテープ状の吸水部材１５との隙間に、テープ状の撥水部材３２を巻回した構成となっている。撥水部材としては、例えば、酸化処理を施していない金属、高耐熱ポリイミドなどが挙げられる。かかる構成とすることにより、吸水部材１５に吸い上げられた改質用水が、撥水部材３２により吸水部材１５の上端以上に上方向に移動することが出来ない。このため、上側の丸棒１４の下面まで改質用水が上昇することはないので、誘導路１７を流れる改質用水が上側の丸棒１４の側面を伝わって下側の吸水部材１５に流れ落ち、改質用水を内筒１２の円周方向への誘導ができなくなるという現象を確実に防止することができる。

なお、本変形例の撥水部材については、上記変形例１乃至３においても使用することができる。
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の内筒１２の展開図である。

図７に示すように、内筒１２の外表面には、複数段の丸棒２３が全体として蛇行状に（周方向に往復しながら軸方向に延びるように）配設されている。各段の間には、吸水部材２４が、下の段の丸棒２３と接触し、上の段の丸棒２３とは接触せず、隙間を有するように配設されている。この隙間が、撥水部２５として機能する。誘導路は、丸棒２３と吸水部材２４との間に形成される凹部と丸棒２３とから構成される。これらが蒸発部１０を形成している。二段目以降の丸棒２３の始端には、当該丸棒２３が折り曲げられて鉛直方向に延びる溢水防止部２３ａが形成されている。この溢水防止部２３ａは、改質用水が鉛直方向に溢れ落ちるのを防止するために設けられているものである。このため、溢水防止部２３ａの高さは、改質用水が溢れ落ちない程度の高さを保持すればよく、改質用水の流量や蛇行状に配設されている丸棒２３の傾斜等を考慮して適宜調整することができる。

本実施の形態では、誘導部材として丸棒を使用したが、上記実施の形態１で示した変形例のように、部材を用いて誘導路を形成してもよい。また、吸水部材２４についても、金網だけでなく発泡金属や内筒の外表面に凹凸の構造を設ける等により構成することができる。さらに、撥水部２５についても、上記変形例４に示したように撥水性の金属等を配設することによって構成することもできる。

なお、本実施の形態の水素生成装置のその他の構成については、実施の形態１の場合と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態に係る水素生成装置の改質用水の移動について説明する。

改質用水供給口から供給された改質用水は、丸棒２３によって周方向に移動しながら流下し、丸棒２３の末端で下段の丸棒２３へと滴下する。蛇行状に配置されている丸棒２３に沿って改質用水が移動する間に、吸水部材２４に吸い上げられるので、内筒１２の外面のほとんどの面積を蒸発面積として使用することができる。このため、蒸発部１０が小さくても充分な蒸発性能を確保することができ、水素生成装置全体を小型化することが可能となる。

なお、本発明の実施の形態では、内筒１２と外筒１３と燃焼筒１０３の中心軸が同軸状であるとして説明したが、これに限定されるものではなく、内筒１２と外筒１３と燃焼筒１０３の中心軸が異なる構成としてもよい。

本発明に係る水素生成装置は、水蒸気の供給を安定して行うことができる小型の蒸発部を有する水素生成装置として有用である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム全体の構成を模式的に示す概略図である。 図１に示す水素生成装置における蒸発部の構成の一例を模式的に示す断面図である。 図２に示す水素生成装置における蒸発部の構成の変形例を模式的に示す断面図である。 図２に示す水素生成装置における蒸発部の構成の変形例を模式的に示す断面図である。 図２に示す水素生成装置における蒸発部の構成の変形例を模式的に示す断面図である。 図２に示す水素生成装置における蒸発部の構成の変形例を模式的に示す平面図である。 図２に示す水素生成装置における蒸発部の構成の変形例を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る水素生成装置における蒸発部の構成を模式的に示す展開図である。 従来の水素生成装置が備える蒸発部の構成の概略を示す断面図である。 従来の水素生成装置が備える蒸発部の構成の概略を示す断面図である。

符号の説明

１ 水素生成装置
２ 変成器
３ 浄化器
５ 燃料電池
６ 燃焼部
８ 原料供給口
８ａ パイプ
９ 改質用水供給口
９ａ パイプ
１０ 蒸発部
１１ 燃焼ガス流路
１２ 内筒
１３ 外筒
１４ 丸棒（誘導部材）
１５ 吸収部材
１６ 改質部
１７ 誘導路
１８ａ 貯留部材
１８ 貯留部
１９ 排ガス排出口
１９ａ パイプ
２０ 誘導部材
２１ 垂直部材
２２ 水平部材
２３ 丸棒（誘導部材）
２３ａ 溢水防止部
３１ 撥水部
３２ 撥水部材
４１ 内筒
４２ 中間筒
４３ 外筒
４４ 液体保持手段
４５ 丸棒
４６ 燃焼排ガス供給口
４７ 燃料排ガス排出口４７
４８ 改質蒸気用水供給口
４９ 原燃料供給口
５０ 改質原燃料取出し口
５１ 金属薄板（液体保持手段）
６１ 孔
１０１ 改質ガス排出口
１０２ 改質ガス流路
１０３ 燃焼筒

Claims (13)

1. 燃焼ガスを発生する燃焼部と、
   内筒及び外筒からなる２重筒と、
   前記内筒の内面に沿って燃焼ガスが流れるように形成された燃焼ガス流路と、
   前記燃焼ガスからの伝熱を利用して原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
   前記内筒と前記外筒との間の筒状空間に形成され前記燃焼ガスからの伝熱を利用して改質用水を蒸発させて水蒸気を生成し、これを前記改質部に供給する蒸発部と、を備え、
   前記蒸発部に位置する前記内筒の外面に、前記改質用水を誘導する誘導路と吸水部と撥水部とが設けられ、
   前記誘導路は、前記内筒の外面に、周方向に周回又は往復しながら軸方向に延びるように形成され、
   前記吸水部と前記撥水部とが、前記軸方向において隣接する前記誘導路の間においては、下流側の誘導路に近く前記吸水部が位置しこの吸収部と上流側の誘導路との間に前記撥水部が位置するようにして、前記誘導路に沿うように設けられ、
   前記誘導路の上流端部に前記改質用水を供給するよう改質用水供給部が設けられている、水素生成装置。
2. 前記誘導路は、前記内筒の外面に該外面との間に凹部を形成するように設けられた誘導体と、前記凹部とで構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記誘導路は、前記内筒の外面に、周方向に周回しながら軸方向に延びるように形成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
4. 前記誘導路は、前記内筒の外面に、周方向に往復しながら軸方向に延びるように形成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
5. 前記撥水部は、前記筒状空間に露出した前記内筒の外面で構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
6. 前記撥水部は、前記内筒の外面に配設された撥水部材で構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
7. 前記吸水部は、前記内筒の外面に配設された吸水部材で構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
8. 前記吸水部材は、多孔質材料、網状材料、又は繊維材料で構成されている、請求項７に記載の水素生成装置。
9. 前記吸水部は、前記筒状空間に露出した、凹凸を有する前記内筒の外面で構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
10. 前記凹凸のピッチは、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下である、請求項９に記載の水素生成装置。
11. 前記凹凸は、エッチング加工、レーザー加工、又はブラスト加工により形成されたものである、請求項１０に記載の水素生成装置。
12. 前記改質部は、前記筒状空間に、前記蒸発部の下方に位置するように設けられ、
    前記誘導路の下流端に、流れて来た前記改質用水を貯留するための貯留部が設けられている、請求項１に記載の水素生成装置。
13. 請求項１に記載の水素生成装置と、酸素を含む酸化ガス及び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。

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