JP2017048079A - 水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】一酸化炭素低減器の触媒充填長を短くして、触媒量を減らした、低コストで小型な水素生成装置及びこれを用いた燃料電池システムを提供する。【解決手段】予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０との間の伝熱を緩和する伝熱緩衝部１１を構成し、伝熱緩衝部１１において、一酸化炭素低減器１０から予熱蒸発器６へ伝達される熱の量が、一酸化炭素低減器１０の上流側が下流側より小さくなるように、中筒１５と仕切り壁４７との間隔を、一酸化炭素低減器１０の上流側が下流側より広くなるように構成したことにより、一酸化炭素低減器１０の上流側が高温に保たれ、かつ、短い距離で下流側は低温となるので、一酸化炭素低減器１０の触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、一酸化炭素低減器を備えた水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素リッチな改質ガスを製造する水素生成装置と、この水素生成装置で製造された水素を利用して発電する燃料電池を主たる要素として構成されている。

水素生成装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとし、原料ガスと水とを水蒸気改質反応させることによって、水素、メタン、一酸化炭素（１０％程度）、二酸化炭素、水蒸気を成分とする改質ガスを生成する改質器と、燃料電池に対する被毒作用のある一酸化炭素を改質ガス中から除去する一酸化炭素低減器を備えて形成されている。

ここで、燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いる場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度にまで除去する必要があるため、一酸化炭素低減器は、変成触媒による一酸化炭素変成反応で一酸化炭素を０．５％程度まで除去する変成器と、選択酸化触媒による選択酸化反応でさらに一酸化炭素を除去して一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する選択酸化器の、２段階に構成されるのが一般的である。

水素生成装置として、小型化、高効率化、起動性向上の観点から種々の装置が従来から提案されており、小型で高効率な水素生成装置では、熱回収効率の向上のために、発熱反応を行なう一酸化炭素変成反応部や選択酸化反応部の熱を水との間で熱交換することが行なわれている。

図４は従来の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を示す概略構成図であり、特許文献１に開示された水素生成装置の一例を示すものである。

水素生成装置は同心状に配置した複数の円形筒体からなり、中心部に燃焼器４、燃焼器４の周りに燃焼ガス流路５が設けてある。また燃焼ガス流路５の外側の図中上部に予熱蒸発器６、図中下部に改質触媒を充填した改質器８が配置され、予熱蒸発器６の外側に一酸化炭素除去触媒を充填した一酸化炭素低減器１０が配置してある。

燃焼器４は、原料ガス供給部３１から原料ガス供給管３３ｂを介して供給される都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を燃焼して燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは燃焼ガス流路５に流入し、改質器８および予熱蒸発器６と熱交換し、燃焼ガス排気口（図示さず）より外部へ排出される。

原料ガスは原料ガス供給部３１から原料ガス供給管３３ａを介して予熱蒸発器６へ供給され、水は水供給部３２から予熱蒸発器６へ供給される。予熱蒸発器６は燃焼ガス流路５を通流する燃焼ガスと熱交換して加熱され、予熱蒸発器６では水は蒸発し、原料ガスと水蒸気の混合ガスを生成し、原料ガスと水蒸気の混合ガスは改質器８に導入される。

改質器８は、燃焼器４により加熱され、改質触媒の作用によって原料ガスと水蒸気が水蒸気改質反応して、水素リッチな改質ガスが生成される。改質器８で生成された改質ガスは、一酸化炭素低減器１０に送られ、一酸化炭素変成触媒の作用による一酸化炭素変成反応で改質ガス中の一酸化炭素が除去される。

一酸化炭素低減器１０から通じる流路と燃料電池１４は改質ガス供給管３８を介して接続され、燃料電池１４と燃焼器４は改質ガス返送管４１を介して接続される。一酸化炭素が除去された改質ガスは、改質ガス供給管３８から、燃料電池１４に送られる。

燃料電池１４は改質ガス中の水素と、空気など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電し、燃料電池１４により消費されなかった水素を含む改質ガスは、改質ガス返送管４１を通して燃焼器４に供給され、燃焼器４で燃焼される。

ここで、変成器として形成される一酸化炭素低減器１０では、入口温度が２８０℃程度で、出口温度が２００℃程度になる温度勾配が一酸化炭素変成反応に適しているとされている。そこで、燃焼ガス流路５の外側の図中上部に予熱蒸発器６、図中下部に改質触媒を充填した改質器８を配置し、予熱蒸発器６の外周に一酸化炭素除去触媒を充填した一酸化炭素低減器１０を配置してある。

予熱蒸発器６では供給される水を予熱蒸発させるため、燃焼ガス流路５に通流する燃焼ガスと予熱蒸発器６は熱交換し、上流側から下流側（図中の上から下への方向）にかけて予熱蒸発器６の温度は上昇する。

一酸化炭素低減器１０には、改質器から一酸化炭素を含む高温の改質ガスが予熱蒸発器６へ供給される水の通流方向と逆の方向（図中の下から上への方向）から供給され、改質ガスは一酸化炭素低減器１０を通流する間に、内側に配置された改質ガスより低温な予熱蒸発器６と熱交換させている。

この結果、一酸化炭素低減器１０の入り口温度と出口温度を上記の温度に設定して改質ガスの流れ方向に温度勾配を適切に設定することができる。

さらに、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０との間に、予熱蒸発器６を画定する隔壁と一酸化炭素低減器１０を画定する隔壁とが互いに間隔を有して対向してなる伝熱緩衝部１１を形成している。

この構成によれば、一酸化炭素低減器１０と予熱蒸発器６の間の伝熱緩衝部１１によって、一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６の側の部分が過剰に冷却されることを低減し、一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６の側の部分と反対側の部分との温度差、つまり、一酸化炭素低減器１０の径方向での温度差を小さくすることができ、少ない触媒量で、改質ガス中の一酸化炭素を安定的に低減することができる。

特開２００８−８８０４９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、伝熱緩衝部１１により、予熱蒸発器６との熱交換量が少なくなるため、一酸化炭素低減器１０の流入部から流出部方向の温度低下の勾配が少なくなるので、一酸化炭素低減器１０の流入部から流出部の温度を反応に好適な温度とするには、一酸化炭素低減器１０の流入部から流出部方向の長さ、つまり触媒充填長が長くなり、水素生成装置を小型化することが困難となるという課題を有していた。

図５は予熱蒸発器と一酸化炭素低減器との間に一定間隔の伝熱緩衝部を設けた従来の水素生成装置における一酸化炭素低減器の触媒位置と温度の関係を示す特性図である。

図４に示される伝熱緩衝部１１において、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０との間隔が一定の場合の温度分布を示している。図５に示される一酸化炭素低減器内側の温度および一酸化炭素低減器外側の温度は、一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６側である内側およびその反対の外側の一酸化炭素低減器１０の上流から下流にかけての温度分布を示している。

例えば、図５に示される一酸化炭素低減器の内側の温度は流入部では２８０℃程度、流出部では１８０℃程度となり、一酸化炭素低減器外側の温度は流入部では３００℃程度、流出部では２００℃程度となる。

伝熱緩衝部１１を設けることにより、一酸化炭素低減器内側の温度と一酸化炭素低減器外側の温度の差は低減させることができるが、一酸化炭素低減器の上流から下流方向の温度勾配は緩くなるため、触媒充填長を短くすることができず、図４に示される一酸化炭素低減器１０の上流から下流方向の長さも短くすることができない。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、一酸化炭素低減器の一酸化炭素低減能力を保ちながら、触媒充填長を短くして、触媒量を減らした低コストで小型な水素生成装置及びこれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

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、燃焼ガス流路の熱により加熱されて水を蒸発させる蒸発器と、改質器から供給される改質ガスの中の一酸化炭素を一酸化炭素除去反応により除去する一酸化炭素低減器とが、隣接して配置され、一酸化炭素低減器から蒸発器へ伝達される熱の量が、一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの上流側が下流側より小さくなるように形成したものである。

これによって、一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの下流側の温度勾配が上流側より大きくなり、上流側が高温に保たれ、かつ、短い触媒充填長で下流側は低温となる。

改質ガスに含まれる一酸化炭素は、高温に保たれ化学反応速度が速いが平衡状態での一酸化炭素濃度が高い上流側で十分に一酸化炭素変成反応により一酸化炭素濃度を低減した後、下流側の平衡状態での一酸化炭素濃度が低い低温部で一酸化炭素濃度を十分に低減することができるため、一酸化炭素低減器の一酸化炭素低減能力を保ちながら、触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができる。

本発明の水素生成装置は、一酸化炭素低減器の触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができ、低コストで小型な水素生成装置を実現することができる。

本発明の実施の形態１による水素生成装置及び燃料電池システムの構成を示す概略構成図 本発明の実施の形態１による水素生成装置における一酸化炭素低減器の触媒位置と温度の関係を示す特性図 本発明の実施の形態２による水素生成装置及び燃料電池システムの構成を示す概略構成図 従来の水素生成装置及び燃料電池システムの構成を示す概略構成図 予熱蒸発器と一酸化炭素低減器との間に一定間隔の伝熱緩衝部を設けた従来の水素生成装置における一酸化炭素低減器の触媒位置と温度の関係を示す特性図

第１の発明は、少なくとも可燃ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器によって発生する燃焼ガスを流す燃焼ガス流路と、水が供給され、燃焼ガス流路と隣接し、燃焼ガス流路の熱により加熱され、水を蒸発させる蒸発器と、燃焼ガス流路と隣接し、燃焼ガス流路の熱により加熱され、蒸発器を通過した水蒸気と原料ガスとの混合ガスから改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質器から供給される改質ガスの中の一酸化炭素を一酸化炭素除去反応により除去する一酸化炭素低減器とを備え、蒸発器と一酸化炭素低減器は隣接して配置され、一酸化炭素低減器から蒸発器へ伝達される熱の量が、一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの上流側が下流側より小さくなるように形成されている水素生成装置である。

これにより、一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れ方向の温度勾配が上流側より下流側が大きくなり、一酸化炭素低減器の上流側が高温に保たれ、かつ、短い触媒充填長で下流側は低温とすることができる。

そのため、改質ガスに含まれる一酸化炭素は、高温に保たれ化学反応速度が速いが平衡状態での一酸化炭素濃度が高い上流側で十分に一酸化炭素変成反応により一酸化炭素濃度を低減した後、一酸化炭素低減器の下流側の平衡状態での一酸化炭素濃度が低い低温部で一酸化炭素濃度を十分に低減することとなる。

その結果、一酸化炭素低減器は一酸化炭素低減能力を保ちながら、触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができるので、水素生成装置は、一酸化炭素低減器の触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができ、低コストで小型な水素生成装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明における蒸発器と一酸化炭素低減器との間に、蒸発器を画定する第１の隔壁と一酸化炭素低減器を画定する第２の隔壁とが間隔を有して対向してなる伝熱緩衝部が形成され、伝熱緩衝部において、互いに対向する蒸発器を画定する第１の隔壁と一酸化炭素低減器を画定する第２の隔壁との間隔が、一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの上流側が下流側より広くなるように形成するものである。

これにより、一酸化炭素低減器に含まれる触媒の改質ガスの流れと垂直方向の温度差は低減され、一酸化炭素低減器から蒸発器へ伝達される熱の量が、一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの上流側が下流側より小さくなり、一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れ方向の温度勾配が上流側より下流側が大きくなり、一酸化炭素低減器の上流側が高温に保たれ、短い触媒充填長で下流側は低温とすることができる。

改質ガスに含まれる一酸化炭素は、高温に保たれ化学反応速度が速いが平衡状態での一酸化炭素濃度が高い上流側で十分に一酸化炭素変成反応により一酸化炭素濃度を低減した後、下流側の平衡状態での一酸化炭素濃度が低い低温部で一酸化炭素濃度を十分に低減することとなり、一酸化炭素低減器は一酸化炭素低減能力を保ちながら、触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができる。

これにより、水素生成装置は、一酸化炭素低減器の触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができ、低コストで小型な水素生成装置を実現することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明における蒸発器と一酸化炭素低減器との間に、蒸発器を画定する第１の隔壁と一酸化炭素低減器を画定する第２の隔壁とが間隔を有して対向し
てなる伝熱緩衝部が形成され、伝熱緩衝部を一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの上流側に形成するものである。

これにより、伝熱緩衝部は一酸化炭素低減器の下流側には形成されないので、一酸化炭素低減器の下流側の一酸化炭素低減器から予熱蒸発器へ伝達される熱の量が増え、下流側の一酸化炭素低減器の上流から下流方向の温度勾配は、伝熱緩衝部を下流側に形成される構成よりも大きくなるため、一酸化炭素低減器の触媒充填長は、伝熱緩衝部を下流側に形成する構成より短くしても、一酸化炭素低減器の下流側を低温とすることができる。

改質ガスに含まれる一酸化炭素は、高温に保たれ化学反応速度が速いが平衡状態での一酸化炭素濃度が高い上流側で十分に一酸化炭素変成反応により一酸化炭素濃度を低減した後、下流側の平衡状態での一酸化炭素濃度が低い低温部で一酸化炭素濃度を十分に低減することとなり、一酸化炭素低減器は一酸化炭素低減能力を保ちながら、伝熱緩衝部を下流側に形成する構成より触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができる。

これにより、水素生成装置は、一酸化炭素低減器の触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができ、低コストで小型な水素生成装置を実現することができる。

第４の発明は、特に、第１から第３のいずれか１つの発明の水素生成装置と、この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り、水素生成装置を低コスト、小型化することとなり、低コストで小型な燃料電池システムを実現することができる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による水素生成装置及び燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。図１において、前述の図４に示される従来の水素生成装置及び燃料電池システムの構成と同じ構成要素には同一符号を付与している。

図１に示される水素生成装置４０は、内筒１と、内筒１の外側に中筒１５と、外筒２が略同心円状に配置されている。内筒１の内側には燃焼筒１６が配置され、燃焼筒１６の内側の中心部に燃焼器４が配置され、内筒１と燃焼筒１６との間の空間は燃焼ガス流路５を形成している。内筒１と中筒１５との間で形成される円筒状の空間が蒸発器である予熱蒸発器６を構成している。

予熱蒸発器６の図中下部の内筒１と中筒１５との間で形成される円筒状の空間には、改質触媒を充填した改質器８が配置される。また、中筒１５と外筒２との間で形成される空間には、中筒１５の外側に中筒１５に接続された仕切り壁４７が配置され、外筒２と仕切り壁４７の間で形成される空間には一酸化炭素低減触媒が充填され、一酸化炭素低減器１０を構成している。

蒸発器を画定する第１の隔壁である予熱蒸発器６の外側を画定する中筒１５と、一酸化炭素低減器を画定する第２の隔壁である一酸化炭素低減触媒の内側を画定する仕切り壁４７との間の空間は、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０との間の伝熱を低減する伝熱緩衝部１１を構成している。

伝熱緩衝部１１において、互いに対向する予熱蒸発器６を画定する中筒１５と一酸化炭素低減器１０を画定する仕切り壁４７との間隔が、一酸化炭素低減器１０の内部を通流す
る改質ガスの流れの上流側が下流側より広くなるように形成している。

燃料電池システム１００は、水素生成装置４０と、燃料電池１４と、原料ガス供給管３３ａ，３３ｂと、水供給管６０と、改質ガス供給管３８とから構成される。

水素生成装置４０の予熱蒸発器６へと通流する流路は、原料ガス供給部３１と原料ガス供給管３３ａを介して接続され、水供給部３２と水供給管６０を介して接続される。燃焼器４へは原料ガス供給部３１と原料ガス供給管３３ｂを介して接続される。

水素生成装置４０の一酸化炭素低減器１０から通じる流路と燃料電池１４は改質ガス供給管３８を介して接続され、燃料電池１４と燃焼器４は改質ガス返送管４１を介して接続される。燃焼ガス流路５のから通じる流路には外部（大気）と連通する燃焼ガス排気口６１が配置される。

また、内筒１、中筒１５、外筒２、燃焼筒１６、仕切り壁４７は、金属、セラミックス等の耐熱性及び強度を有する材料で構成され、本実施の形態では、これらはステンレスで構成されている。

改質触媒は、水蒸気改質反応により水蒸気と炭化水素を反応させ水素を生成するＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの貴金属などを含有する触媒であり、一酸化炭素低減触媒は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減するＰｔやＣｕ−Ｚｎなどを含有する一酸化炭素変成触媒である。

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置４０について、以下その動作、作用を説明する。

燃焼器４は原料ガス供給部３１から供給される都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を燃焼して燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは燃焼ガス流路５に流入し、内筒１の内周を流れた後に、燃焼ガス排気口６１より外部へ排出される。そして、水供給部３２から供給される水と原料供給部２０から供給される都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原料ガスは、まず予熱蒸発器６に流入する。

予熱蒸発器６は燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスで内筒１を介して加熱されており、また一酸化炭素低減器１０における一酸化炭素のシフト反応による反応熱が伝熱緩衝部１１を介して伝わり、一酸化炭素低減器１０からの伝熱によっても加熱されている。

従って、原料ガスと水は予熱蒸発器６を通過する際に加熱され、原料ガスと水が蒸発した水蒸気とが混合した混合ガスとなる。

この混合ガスは改質器８に流入し、改質触媒の触媒作用で原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、改質器８は燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスと熱交換し、加熱されることによって、改質器８は改質反応温度である５００〜６５０℃の温度に維持される。

改質器８で生成された改質ガスは、改質器８の下端から流出し、流れの向きを下向きから上向きへと変え、中筒１５と外筒２の間に形成される流路内を上昇する際に、改質器８と熱交換して、２８０℃程度の温度となる。

次に改質ガスは一酸化炭素低減器１０へ一酸化炭素低減器１０の下端から流入し、一酸化炭素低減触媒による触媒作用で改質ガス中の一酸化炭素が除去される。

以下、一酸化炭素低減器１０の内部を通流する改質ガスの流れの上流側（図１中の一酸化炭素低減器１０の下側）を一酸化炭素低減器１０の上流側、一酸化炭素低減器１０の内部を通流する改質ガスの流れの下流側（図１中の一酸化炭素低減器１０の上側）を一酸化炭素低減器１０の下流側と記す。

一酸化炭素低減器１０は改質ガスの流れ方向に沿って予熱蒸発器６と対向しており、予熱蒸発器６と熱交換される。

ここで、予熱蒸発器６の外側を画定する中筒１５と一酸化炭素低減触媒の間には、仕切り壁４７が配置され、中筒１５と、仕切り壁４７の間の空間が、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０との間の伝熱を緩和する伝熱緩衝部１１を構成する。

伝熱緩衝部１１において、互いに対向する予熱蒸発器６を画定する中筒１５と一酸化炭素低減器１０を画定する仕切り壁４７との間隔が、一酸化炭素低減器１０の上流側が下流側より広くなるように形成される。

これにより、一酸化炭素低減器１０から予熱蒸発器６へ伝達される熱の量が、一酸化炭素低減器１０の上流側が下流側より小さくなり、一酸化炭素低減器１０の一酸化炭素低減器１０の上流から下流方向の温度勾配は、下流側が上流側より大きくなるため、一酸化炭素低減器１０の上流側が高温に保たれ、かつ、短い距離で下流側は低温となる。

また、一酸化炭素低減器１０と予熱蒸発器６との間に伝熱緩衝部１１を設けることにより、一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６に面する内側の温度が、予熱蒸発器６との熱交換で冷却され過ぎて、下がり過ぎないようにすることができ、一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６側の内側の温度と反対側の外側の温度との差が大きくなることを防ぎ、一酸化炭素低減器１０の径方向の温度差を低減することができる。

特に、伝熱緩衝部１１は一酸化炭素低減器１０の上流側の予熱蒸発器６を画定する中筒１５と一酸化炭素低減器１０を画定する仕切り壁４７との間隔が広くなっているため、一酸化炭素低減器１０の上流側において、一酸化炭素低減器１０の触媒部より低温な予熱蒸発器６との熱交換が下流側より抑制され、一酸化炭素低減器１０の上流側の径方向の温度差を低減することができる。

このため、一酸化炭素を含む改質ガスは、一酸化炭素低減器１０へ２８０℃程度の温度で一酸化炭素低減器１０の上流部から流入し、一酸化炭素低減器１０の上流側の高温領域ではシフト反応により一酸化炭素濃度を十分に低減した後、一酸化炭素低減器１０の下流部に流入する。

２８０℃程度高温領域では触媒反応の化学反応速度が速く、改質ガス中の一酸化炭素濃度は数％程度までは低減するが、一酸化炭素濃度は平衡状態に近づくため１％以下にはならない。改質ガスは、一酸化炭素低減器１０の下流部では、予熱蒸発器６との熱交換により２００℃程度まで冷却され、平衡状態での一酸化炭素濃度は低温では低くなるため、改質ガス中の一酸化炭素濃度は０．５％程度まで低減される。

図２は、本発明の実施の形態１による水素生成装置における一酸化炭素低減器の触媒位置と温度の関係を示す特性図である。

図２に示す一酸化炭素低減器内側の温度は、図１に示される一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６側である内側の一酸化炭素低減器１０の上流から下流にかけての温度分布を示
している。

図２に示す一酸化炭素低減器外側の温度は、図１に示される一酸化炭素低減器１０の予熱蒸発器６と反対側である内側の一酸化炭素低減器１０の上流から下流にかけての温度分布を示している。

例えば、図２に示すように、改質ガスは一酸化炭素低減器１０の流入口では内側および外側の温度は２８０℃程度で流入し、高温に保たれた上流部で一酸化炭素濃度を低減した後、温度勾配のきつい下流部へ流入し、短い触媒充填長で一酸化炭素低減器１０の流出口の温度は２００℃程度となる。

このように、図１に示す一酸化炭素低減器１０は一酸化炭素低減能力を保ちながら、触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができるので低コストで小型な水素生成装置および燃料電池システムを実現することができる。

また、上記のように一酸化炭素低減器１０で一酸化炭素が除去された水素リッチな改質ガスは、改質ガス供給管３８を通して燃料電池１４へ供給される。燃料電池１４は改質ガス中の水素と、空気など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する。燃料電池１４により消費されなかった改質ガスは、改質ガス返送管４１を通して燃焼器４に供給され、燃焼器４で燃焼される。

本実施の形態の水素生成装置４０及び燃料電池システム１００では、上記のように一酸化炭素を除去した改質ガスを送出することができるので、一酸化炭素で燃料電池１４の触媒が被毒して劣化せず、燃料電池１４は、長期に亘って安定した発電を行なうことができる。

なお、本実施の形態では、一酸化炭素低減器１０は、一酸化炭素低減触媒として一酸化炭素変成触媒を用いてシフト反応により一酸化炭素を除去する変成器として構成されているが、この変成器の後段に、一酸化炭素低減触媒として一酸化炭素選択酸化触媒を用いて一酸化炭素選択酸化反応により一酸化炭素を除去する選択酸化器を付加した構成であってもよい。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２による水素生成装置及び燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。

実施の形態２は、図１に示した実施の形態１と同じ構成の水素生成装置において、実施の形態１と同様に水素を生成するものである。なお、図３において、前述の実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付与し、その重複する説明を省略する。

図３において、実施の形態１と同様に、蒸発器を画定する第１の隔壁である予熱蒸発器６の外側を画定する中筒１５と、一酸化炭素低減器を画定する第２の隔壁である一酸化炭素低減触媒の内側を画定する仕切り壁４７との間の空間は、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０との間の伝熱を低減する伝熱緩衝部１１を構成する。

伝熱緩衝部１１において、互いに対向する予熱蒸発器６を画定する中筒１５と一酸化炭素低減器１０を画定する仕切り壁４７との間隔が、一酸化炭素低減器１０の内部を通流する改質ガスの流れの上流側が下流側より広くなるように形成している。

実施の形態１との違いは、予熱蒸発器６の外側を画定する中筒１５と一酸化炭素低減触
媒の内側を画定する仕切り壁４７との間の空間は、予熱蒸発器６と一酸化炭素低減器１０との間の伝熱緩衝部１１を構成しているが、この伝熱緩衝部１１を一酸化炭素低減器１０の上流側のみに配置していることである。そのほかの構成は実施の形態１と同様である。

実施の形態１と同様に、伝熱緩衝部１１を一酸化炭素低減器１０の内部を通流する水素を含有する改質ガスの流れの上流側に形成することにより、一酸化炭素低減器１０に充填される触媒の径方向の温度差は低減され、かつ、一酸化炭素低減器１０から予熱蒸発器６へ伝達される熱の量が、一酸化炭素低減器１０の内部を通流する改質ガスの流れの上流側が下流側より小さくなり、一酸化炭素低減器１０の内部を通流する改質ガスの流れ方向の温度勾配が上流側より下流側が大きくなり、一酸化炭素低減器１０の上流側が高温に保たれ、かつ、短い触媒充填長で下流側は低温とすることができる。

改質ガスに含まれる一酸化炭素は、高温に保たれ化学反応速度が速いが平衡状態での一酸化炭素濃度が高い上流側で十分に一酸化炭素変成反応により一酸化炭素濃度を低減した後、下流側の平衡状態での一酸化炭素濃度が低い低温部で一酸化炭素濃度を十分に低減することとなり、一酸化炭素低減器１０の一酸化炭素低減能力を保ちながら、一酸化炭素低減器１０の上流から下流の距離、つまり触媒充填長を短くして、触媒量を少なくできる。

また、伝熱緩衝部１１を一酸化炭素低減器１０の上流側のみに配置したことにより、一酸化炭素低減器１０の下流側の一酸化炭素低減器１０から予熱蒸発器６へ伝達される熱の量が増えて、下流側の一酸化炭素低減器１０の上流から下流方向の温度勾配は、実施の形態１に示された伝熱緩衝部を改質ガスの流れの下流側にも形成される構成よりも大きくなる。

そのため、一酸化炭素低減器１０の触媒充填長は、実施の形態１に示された伝熱緩衝部を改質ガスの流れの下流側にも形成される構成より短くしても、一酸化炭素低減器１０の下流側を低温とすることができる。

以上のように、一酸化炭素低減器１０の触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができるので、低コストで小型な水素生成装置及び燃料電池システムを実現することができる。

本発明の水素生成装置は、一酸化炭素低減器の触媒充填長を短くして、触媒量を少なくすることができ、低コストで小型な水素生成装置を実現することができるので、家庭用燃料電池システムに好適である。

１ 内筒
２ 外筒
４ 燃焼器
５ 燃焼ガス流路
６ 予熱蒸発器
８ 改質器
１０ 一酸化炭素低減器
１１ 伝熱緩衝部
１４ 燃料電池
１５ 中筒
１６ 燃焼筒
３１ 原料ガス供給部
３２ 水供給部
３３ａ，３３ｂ 原料ガス供給管
３８ 改質ガス供給管
４０ 水素生成装置
４１ 改質ガス返送管
４７ 仕切り壁
６０ 水供給管
６１ 燃焼ガス排気口
１００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 少なくとも可燃ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器によって発生する燃焼ガスを流す燃焼ガス流路と、
   水が供給され、前記燃焼ガス流路と隣接し、前記燃焼ガス流路の熱により加熱され、前記水を蒸発させる蒸発器と、
   前記燃焼ガス流路と隣接し、前記燃焼ガス流路の熱により加熱され、前記蒸発器を通過した水蒸気と原料ガスとの混合ガスから改質反応により水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器から供給される前記改質ガスの中の一酸化炭素を一酸化炭素除去反応により除去する一酸化炭素低減器と
   を備え、
   前記蒸発器と前記一酸化炭素低減器は隣接して配置され、
   前記一酸化炭素低減器から前記蒸発器へ伝達される熱の量が、前記一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの上流側が下流側より小さくなるように形成されている、水素生成装置。
2. 前記蒸発器と前記一酸化炭素低減器との間に、前記蒸発器を画定する第１の隔壁と前記一酸化炭素低減器を画定する第２の隔壁とが間隔を有して対向してなる伝熱緩衝部が形成され、
   前記伝熱緩衝部において、互いに対向する前記蒸発器を画定する第１の隔壁と前記一酸化炭素低減器を画定する第２の隔壁との間隔が、前記一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの上流側が下流側より広くな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。
3. 前記伝熱緩衝部が、前記一酸化炭素低減器の内部を通流する改質ガスの流れの上流側に形成されている、請求項２に記載の水素生成装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つ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、
   を備えた燃料電池システム。

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