JP2021014372A - 水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質触媒を支持する棚板を、改質触媒を囲む中筒と中筒底板との接合部よりも上方に配置した水素生成装置の高さを低くする。【解決手段】水素生成装置１は、内筒５４と中筒５５との間の改質触媒収納空間５２に充填される改質触媒５１と、改質触媒５１を下から支持する棚段５８と、内筒底板５６と対向する面に水素含有ガス流路が形成されるように中筒５５の下端面５５Ｂに接合される中筒底板５７と、を有し、中筒底板５７は、棚段５８の周縁の下部と当接して棚段５８の周縁の下部が中筒５５の下端面５５Ｂよりも下がるのを防止する位置決め面５７Ｂを有し、位置決め面５７Ｂと、中筒底板５７における中筒５５の下端面５５Ｂと接合される接合面５７Ｃとが、同一平面上に連続している。【選択図】図１

Description

本発明は、略鉛直方向のガス流路に改質触媒を配置した、多重筒構造の水素生成装置に関するものである。

近年、小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池発電システムは、分散型エネルギー供給源の発電システムとして、開発が進められている。しかしながら、発電時の燃料となる水素含有ガスは、未だ一般的なインフラとして整備されていない。

そこで、例えば、都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される炭化水素系の原料を利用し、それらの原料と水蒸気（水）との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が、燃料電池発電システムに併設される。

一般的に、水素生成装置は、原料と水とを改質反応させて、水素含有ガスを生成させる改質器を備えている。改質器により生成される水素含有ガスには、一酸化炭素が含まれるため、水素生成装置は、改質器の後段に、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるＣＯ低減器、および一酸化炭素を酸化させて除去するＣＯ除去器を設ける構成が採られることが多い。

それらの反応器には、各反応に適した触媒、例えば、改質器にはＲｕやＮｉを含んだ改質触媒、ＣＯ低減器にはＣｕ−Ｚｎを含んだ変成触媒、ＣＯ除去器にはＲｕを含んだ選択酸化触媒等が、それぞれ用いられている。

この各触媒には、それぞれの反応に適した設計温度があり、改質触媒は６５０℃程度、変成触媒は２５０℃程度、選択酸化触媒は１５０℃程度で、使用されることが多い。この各触媒を所定の温度まで昇温させるために、燃料を燃焼させて、その燃焼熱で水素生成装置の各触媒を加熱するバーナなどが、水素生成装置に用いられる。

従来、この種の水素生成装置において、それぞれ径が異なる多重円筒状構造体の筒間に触媒を充填し、内部からバーナにより触媒を加熱する構成の水素生成装置が多く提案されている。改質触媒の下部には改質触媒を保持する棚段が、改質触媒が充填される外側の筒に溶接で固定されている構成が提案されている（特許文献１）。

図５は、特許文献１に開示された従来の水素生成装置の構成を示す縦断面図である。

図５に示す従来の水素生成装置では、内筒３０と、内筒３０に囲まれるように配置され内筒３０の内周面を加熱する加熱器１９と、内筒３０の下端の開口部を塞ぐ内筒底板３３と、内筒３０の外周面の間にガス流路が形成されるように内筒３０の外側に配置される中筒３１と、ガス流路に形成される改質触媒収納空間１２に充填される改質触媒１１と、改質触媒１１が改質触媒収納空間１２から落下しないように改質触媒１１を下から支持する通気構造の環状の棚段４５と、内筒底板３３と対向する面に改質触媒１１で生成された水素含有ガスを通過させるための貫通穴が設けられ内筒底板３３の下面の間に水素含有ガスが貫通穴に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように中筒３１に接合される鏡板形状の中筒底板３４とを有し、棚段４５は中筒３１の内側に溶接で取り付けられ、中筒底板３４は中筒３１の下端部に溶接で取り付けられている。

また、特許文献１では、この水素生成装置の製造手順について、少なくとも内筒３０と
中筒３１が取り付けられた状態で鉛直方向逆向きにして台に固定し、内筒３０と中筒３１との間の部分に、改質触媒１１の上部（鉛直方向逆向き時には下部の位置）に予め上部棚段（図５では省略）を設けるなどして改質触媒１１を充填し、所定容量分の改質触媒１１の充填が終了すると、改質触媒１１の下部（鉛直方向逆向き時には上部）に棚段４５をのせ、棚段４５の周辺の下部と中筒３１の内側面とを、溶接し、棚段４５を取り付けることが開示されている。

中筒底板３４は、中筒３１に棚段４５が取り付けられた後に、中筒３１の下端部に溶接で取り付けられる。また、中筒底板３４の耐圧強度を上げるために、中筒底板３４を鏡板形状にすることの他に、中筒３１に比べて中筒底板３４の板厚を厚くすることが一般的である。

特開２０１３−２１２９６８号公報

しかしながら、従来の水素生成装置では、中筒３１の下端部付近の内周面に棚段４５を溶接で固定してから、中筒３１の下端面に中筒底板３４を溶接で接合する必要があり、溶接不良を回避するためには、棚段４５の高さ位置を中筒３１の下端よりも十分に上方に離す必要があるために、水素生成装置の高さを低くするのが難しいという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、改質触媒を支持する棚板を、改質触媒を囲む中筒と中筒底板との接合部よりも上方に配置した水素生成装置の高さを低くすることを目的とする。

前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、軸方向が略鉛直方向になるように配置される内筒と、内筒に囲まれるように配置され内筒の内周面を加熱する加熱器と、内筒の下端の開口部を塞ぐ内筒底板と、内筒の外周面との間にガス流路が形成されるように内筒の外側に配置される中筒と、ガス流路に形成される改質触媒収納空間と、改質触媒収納空間に充填される改質触媒と、ガス流路を上側と下側とに仕切って改質触媒が改質触媒収納空間から落下しないように改質触媒を下から支持する通気構造の環状の棚段と、内筒底板と対向する面に改質触媒で生成された水素含有ガスを通過させるための貫通穴が設けられ内筒底板の下面との間に水素含有ガスが貫通穴に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように中筒の下端面に接合される中筒底板と、を有する水素生成装置であって、棚段は、内径が内筒の外径よりも大きく、外径が中筒の内径よりも小さく、中筒底板は、棚段の周縁の下部と当接して棚段の周縁の下部が中筒の下端面よりも下がるのを防止する位置決め面を有し、位置決め面と、中筒底板における中筒の下端面と接合される接合面とが、同一平面上に連続していることを特徴とするものである。

これによって、棚段を固定しなくても、中筒底板を中筒の下端面に接合すれば、重力によって、棚段は、棚段の周縁の下部が内筒底板の位置決め面に当接する位置に保持されるので、棚段の周縁の下部と中筒の下端との間に所定の間隔をあける必要がある従来の水素生成装置よりも水素生成装置の高さを低くすることができる。

本発明の水素生成装置は、中筒底板を中筒の下端面に接合すれば、棚段の位置は、棚段の周縁の下部が内筒底板の位置決め面に当接する位置になるので、棚段の周縁の下部と中
筒の下端との間に所定の間隔をあける必要がある従来の水素生成装置よりも水素生成装置の高さを低くすることができる。

また、中筒底板を中筒の下端面に接合する作業をすれば、その作業とは別に、棚段を溶接などで中筒の所定位置に固定する作業が不要なので、製造工程を簡略化でき、従来よりも安価に水素生成装置を製造できる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成を示す縦断面図 本発明の実施の形態１における水素生成装置の途中の組立工程を示す模式図 本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成を示す縦断面図 本発明の実施の形態２における水素生成装置の途中の組立工程を示す模式図 従来の水素生成装置の概略構成図

第１の発明は、軸方向が略鉛直方向になるように配置される内筒と、内筒に囲まれるように配置され内筒の内周面を加熱する加熱器と、内筒の下端の開口部を塞ぐ内筒底板と、内筒の外周面との間にガス流路が形成されるように内筒の外側に配置される中筒と、ガス流路に形成される改質触媒収納空間と、改質触媒収納空間に充填される改質触媒と、ガス流路を上側と下側とに仕切って改質触媒が改質触媒収納空間から落下しないように改質触媒を下から支持する通気構造の環状の棚段と、内筒底板と対向する面に改質触媒で生成された水素含有ガスを通過させるための貫通穴が設けられ内筒底板の下面との間に水素含有ガスが貫通穴に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように中筒の下端面に接合される中筒底板と、を有する水素生成装置であって、棚段は、内径が内筒の外径よりも大きく、外径が中筒の内径よりも小さく、中筒底板は、棚段の周縁の下部と当接して棚段の周縁の下部が中筒の下端面よりも下がるのを防止する位置決め面を有し、位置決め面と、中筒底板における中筒の下端面と接合される接合面とが、同一平面上に連続していることを特徴とする。

これによって、棚段を固定しなくても、中筒底板を中筒の下端面に接合すれば、重力によって、棚段は、棚段の周縁の下部が内筒底板の位置決め面に当接する位置に保持されるので、棚段の周縁の下部と中筒の下端との間に所定の間隔をあける必要がある従来の水素生成装置よりも水素生成装置の高さを低くすることができる。

また、中筒底板を中筒の下端面に接合する作業をすれば、その作業とは別に、棚段を溶接などで中筒の所定位置に固定する作業が不要なので、製造工程を簡略化でき、従来よりも安価に水素生成装置を製造できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、中筒底板と中筒の下端面との接合によって棚段が固定されていることを特徴とする。

これによって、中筒底板と中筒の下端面との接合によって棚段が固定されているので、水素生成装置に輸送時の振動が加わっても、棚段の周縁部が中筒底板の位置決め面から離れて傾くことで生じる隙間によって、改質触媒が棚段から落下するのを抑止することができる。

以下、本発明の水素生成装置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の水素生成装置の概略構成を示す縦断面図である。

図１に示すように本実施の形態の水素生成装置１は、軸方向が略鉛直方向になるように配置される略円筒形の内筒５４、内筒５４に囲まれるように内筒５４の中心軸上に配置され内筒５４の内周面を加熱する加熱器５３、下に凸（上に凹）で縁が略円筒の丸盆（平鏡板）の形を有し内筒５４の下端の開口部を塞ぐ内筒底板５６、内筒５４の外周面との間にガス流路が形成されるように内筒５４の外側に配置される中筒５５、内筒５４と中筒５５との間のガス流路における上部に水を供給するように構成された水供給部２８、内筒５４と中筒５５との間のガス流路における上部に炭化水素系の原料（都市ガス）を供給するように構成された原料供給部２９、内筒５４と中筒５５との間のガス流路に構成され水供給部２８から供給された水を内筒５４からの熱により蒸発させる蒸発器５、蒸発器５の下方で内筒５４と中筒５５との間のガス流路に形成される改質触媒収納空間５２、改質触媒収納空間５２に充填され原料と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって水素リッチな水素含有ガスに変える改質触媒５１、内筒５４と中筒５５との間のガス流路を上側と下側とに仕切って改質触媒５１が改質触媒収納空間５２から落下しないように改質触媒５１を下から支持する通気構造の環状の棚段５８、内筒５４と中筒５５との間のガス流路を上側と下側とに仕切って改質触媒５１の層の高さが周方向で不均一にならないように改質触媒５１を上から抑える通気構造の環状の上部棚段５９、下に凸（上に凹）で縁が略円筒の丸盆（平鏡板）の形を有し内筒底板５６と対向する面に改質触媒５１で生成された水素含有ガスを通過させるための貫通穴３８が設けられ内筒底板５６の下面との間に水素含有ガスが貫通穴３８に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように中筒５５の下端面５５Ｂに接合される中筒底板５７、中筒５５の外周面との間にガス流路が形成されるように中筒５５の外側に配置される略円筒形の外筒３２、下に凸（上に凹）で縁が略円筒の丸盆（平鏡板）の形を有し中筒底板５７の下面との間に貫通穴３８から流出した水素含有ガスが中筒５５と外筒３２との間のガス流路に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように外筒３２の下端面に接合される外筒底板３９、中筒５５と外筒３２との間のガス流路に構成されるＣＯ低減器１３、ＣＯ低減器１３に充填されシフト反応により貫通穴３８から流出した水素含有ガスに含まれるＣＯの濃度を低減する変成触媒１４、ＣＯ低減器１３の上方で中筒５５と外筒３２との間のガス流路に構成されるＣＯ除去器１５、ＣＯ除去器１５に充填され選択酸化反応によりＣＯ低減器１３から流出した水素含有ガスからＣＯを除去する選択酸化触媒１６、ＣＯ除去器１５から流出した水素含有ガスを中筒５５と外筒３２との間のガス流路におけるＣＯ除去器１５よりも上部から排出するための出口配管１７で構成されている。

中筒５５は、改質触媒収納空間５２に対応する部分の径が、蒸発器５に対応する部分の径よりも大きくなるように形成されている。また、中筒５５は、蒸発器５とＣＯ低減器１３とを熱交換させるとともに、蒸発器５とＣＯ除去器１５とを熱交換させるように構成されている。

棚段５８は、内筒５４と棚段５８との隙間から粒状の改質触媒５１が落下しない程度に棚段５８の内径が改質触媒収納空間５２に対応する部分の内筒５４の外径よりも大きく、中筒５５と棚段５８との隙間に粒状の改質触媒５１が入り込まない程度に棚段５８の外径が改質触媒収納空間５２に対応する部分の中筒５５の内径よりも小さくなるように形成されている。

上部棚段５９は、内筒５４と上部棚段５９との隙間を粒状の改質触媒５１が通過できない程度に上部棚段５９の内径が改質触媒収納空間５２に対応する部分の内筒５４の外径よりも大きく、中筒５５と上部棚段５９との隙間を粒状の改質触媒５１が通過できない程度に上部棚段５９の外径が改質触媒収納空間５２に対応する部分の中筒５５の内径よりも小さく、上部棚段５９の外径がＣＯ低減器１３に対応する部分の中筒５５の内径よりも大き
くなるように形成されている。

中筒底板５７の縁の外径は、改質触媒収納空間５２に対応する部分の中筒５５の外径と略同じであり、中筒底板５７の略円筒の縁の内径は、棚段５８の外径よりも小さい。

また、中筒底板５７の縁の上面に、棚段５８の周縁の下部と当接して棚段５８の周縁の下部が中筒５５の下端面よりも下がるのを防止する位置決め面５７Ｂと、中筒５５の下端面と接合される接合面５７Ｃとを有し、位置決め面５７Ｂと接合面５７Ｃとは、同一平面上に連続している。

外筒底板３９における中筒底板５７の貫通穴３８と対向する部分には、改質温度検出部が取り付けられ、外筒３２におけるＣＯ低減器１３に対応する部分には、変成温度検出部が取り付けられ、外筒３２におけるＣＯ低減器１３に対応する部分とＣＯ除去器１５に対応する部分との間には、ＣＯ除去器１５に流入する水素含有ガスに空気を供給する空気供給配管が取り付けられる。

出口配管１７と水供給部２８は、外筒３２におけるＣＯ除去器１５に対応する部分よりも上側の部分から突出している。

加熱器５３は、都市ガス等の可燃ガスと燃焼用空気との混合ガスを燃焼するバーナである。

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１について、以下、その動作と作用を説明する。

原料の供給流量と水の供給流量の比率が所定の比率になり、かつ、要求される生成量の水素含有ガスが水素生成装置１で生成されるように、原料供給部２９から原料が供給されるとともに、水供給部２８から水が供給される。

水供給部２８から供給された水は、加熱器５３によって加熱された蒸発器５で蒸発して水蒸気となり、原料ガスと水蒸気の混合ガスが生成される。

原料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒５１によって水蒸気改質反応が行われて水素含有ガスとなる。改質触媒５１で改質された水素含有ガスは、内筒底板５６と中筒底板５７との間のガス通路を流れて貫通穴３８を通過し、中筒底板５７と外筒底板３９との間のガス流路に流入する。

そして、水素含有ガスは、ＣＯ低減器１３に充填されている変成触媒１４によりＣＯ濃度が低減され、さらにＣＯ除去器１５に充填されている選択酸化触媒１６によりＣＯが除去されてＣＯ濃度が数ｐｐｍ程度にまで低減されて、外筒３２の上部に設けられた出口配管１７から水素生成装置１の外部に出る。

図２は、本発明の実施の形態１における水素生成装置１の途中の組立工程を示す模式図であり、水素生成装置１の、改質触媒５１の充填、棚段５８の設置、中筒底板５７を中筒５５に接合する部分の組立手順について示している。

まず、水素生成装置１は、少なくとも内筒５４と中筒５５が取り付けられた状態で鉛直方向逆向きにして固定台８に固定され、予め改質触媒５１の上部（鉛直方向逆向き時には下部の位置）に上部棚段５９を内筒５４に取り付けておき、内筒５４と中筒５５との間の部分に改質触媒５１を充填する（製造工程１）。

改質触媒５１の充填が終了すると、改質触媒５１の下部（鉛直方向逆向き時には上部）に棚段５８を載せる（製造工程２）。その後、中筒底板５７を、中筒５５の下端面５５Ｂに載せて（製造工程３）、中筒５５の下端面５５Ｂと中筒底板５７とを溶接して（製造工程４）、鉛直方向正向きに戻す。

中筒底板５７は耐圧強度を上げるために鏡板形状にし、さらに中筒５５に比べて板厚を厚くしている。本実施の形態では、中筒５５の板厚を２ｍｍ、中筒底板５７の板厚を３ｍｍとしている。

中筒底板５７の、中筒５５の板厚に比べて板厚が厚い部分は中筒５５の内周部よりも内側に突き出している。中筒５５の内周部よりも突き出した部分は、棚段５８の周縁の下部が当接する位置決め面５７Ｂとなるので、棚段５８を中筒５５に溶接で固定していなくても、中筒５５の下端面５５Ｂと中筒底板５７とを溶接して（製造工程４）、鉛直方向正向きに戻した後は、棚段５８の周縁の下部が位置決め面５７Ｂより下がることは無い。

中筒５５に棚段５８を溶接しないので、中筒５５には棚段５８を溶接する場合に受ける熱ダメージはなく、中筒底板５７と中筒５５の下端面５５Ｂとを溶接で接合するときに、二度焼きは発生しない。

これにより、中筒底板５７と中筒５５の下端面５５Ｂとを溶接する接合面５７Ｃの位置は、棚段５８の周縁の下部から一定以上離す必要は無く、中筒底板５７と中筒５５の下端面５５Ｂとを溶接する接合面５７Ｃと、位置決め面５７Ｂとが同一平面上に連続していても問題は起こらず、水素生成装置１の小型化が可能となる。

以上のように、本実施の形態においては、中筒底板５７は、棚段５８の周縁の下部と当接して棚段５８の周縁の下部が中筒５５の下端面５５Ｂよりも下がるのを防止する位置決め面５７Ｂを有し、位置決め面５７Ｂと、中筒底板５７における中筒５５の下端面５５Ｂと接合される接合面５７Ｃとが、同一平面上に連続するようにしているので、棚段５８の周縁の下部は中筒底板５７の位置決め面５７Ｂよりも下がることはなく、棚段５８の周縁の下部と中筒５５との溶接を廃止することができる。

このとき、中筒５５の下端面５５Ｂと中筒底板５７との溶接時に、中筒５５と棚段５８との溶接時の、熱の影響を受ける二度焼きが発生せず、いかなる溶接方法であっても、中筒５５の下端面５５Ｂと中筒底板５７との溶接位置は、中筒５５の下端面５５Ｂつまり棚段５８の周縁の下部と同じ高さに設定できる。

この結果、棚段５８の周縁の下部と、中筒５５及び中筒底板５７の取り付け部との距離を一定以上設ける必要がなくなり、水素生成装置１の小型化が可能となる。

本実施の形態の水素生成装置１は、軸方向が略鉛直方向になるように配置される内筒５４と、内筒５４に囲まれるように配置され内筒５４の内周面を加熱する加熱器５３と、内筒５４の下端の開口部を塞ぐ内筒底板５６と、内筒５４の外周面との間にガス流路が形成されるように内筒５４の外側に配置される中筒５５と、ガス流路に形成される改質触媒収納空間５２と、改質触媒収納空間５２に充填される改質触媒５１と、ガス流路を上側と下側とに仕切って改質触媒５１が改質触媒収納空間５２から落下しないように改質触媒５１を下から支持する通気構造の環状の棚段５８と、内筒底板５６と対向する面に改質触媒５１で生成された水素含有ガスを通過させるための貫通穴３８が設けられ内筒底板５６の下面との間に水素含有ガスが貫通穴３８に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように中筒５５の下端面５５Ｂに接合される中筒底板５７と、を有している。

そして、棚段５８の内径は内筒５４の外径よりも大きく、棚段５８の外径は中筒５５の内径よりも小さく、中筒底板５７は、棚段５８の周縁の下部と当接して棚段５８の周縁の下部が中筒５５の下端面５５Ｂよりも下がるのを防止する位置決め面５７Ｂを有し、位置決め面５７Ｂと、中筒底板５７における中筒５５の下端面５５Ｂと接合される接合面５７Ｃとが、同一平面上に連続している。

これによって、水素生成装置１の製造工程で、内筒底板５６が接合された上下逆さま状態の内筒５４と上下逆さま状態の中筒５５との間の改質触媒収納空間５２に棚段５８を挿入して、中筒５５に中筒底板５７を接合（本実施の形態では、溶接で固定）してから、内筒５４と中筒５５とを上下正常状態にすれば、中筒５５に固定されていない棚段５８は、重力によって、棚段５８の周縁の下部が中筒底板５７の位置決め面５７Ｂに当接する位置に保持されるので、棚段５８の周縁の下部と中筒５５の下端との間に所定の間隔をあける必要がある従来の水素生成装置よりも水素生成装置１の高さを低くすることができる。

また、中筒底板５７を中筒５５の下端面５５Ｂに接合する作業をすれば、その作業とは別に、棚段５８を溶接で中筒５５の所定位置に固定する作業が不要になるので、製造工程を簡略化でき、従来よりも安価に水素生成装置１を製造できる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２の水素生成装置の概略構成を示す縦断面図である。

図３に示すように本実施の形態の水素生成装置２は、軸方向が略鉛直方向になるように配置される略円筒形の内筒６４、内筒６４に囲まれるように内筒６４の中心軸上に配置され内筒６４の内周面を加熱する加熱器６３、下に凸（上に凹）で縁が略円筒の丸盆（平鏡板）の形を有し内筒６４の下端の開口部を塞ぐ内筒底板６６、内筒６４の外周面との間にガス流路が形成されるように内筒６４の外側に配置される中筒６５、内筒６４と中筒６５との間のガス流路における上部に水を供給するように構成された水供給部２８、内筒６４と中筒６５との間のガス流路における上部に炭化水素系の原料（都市ガス）を供給するように構成された原料供給部２９、内筒６４と中筒６５との間のガス流路に構成され水供給部２８から供給された水を内筒６４からの熱により蒸発させる蒸発器５、蒸発器５の下方で内筒６４と中筒６５との間のガス流路に形成される改質触媒収納空間６２、改質触媒収納空間６２に充填され原料と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって水素リッチな水素含有ガスに変える改質触媒６１、内筒６４と中筒６５との間のガス流路を上側と下側とに仕切って改質触媒６１が改質触媒収納空間６２から落下しないように改質触媒６１を下から支持する通気構造の環状の棚段６８、内筒６４と中筒６５との間のガス流路を上側と下側とに仕切って改質触媒６１の層の高さが周方向で不均一にならないように改質触媒６１を上から抑える通気構造の環状の上部棚段６９、下に凸（上に凹）で縁が略円筒の丸盆（平鏡板）の形を有し内筒底板６６と対向する面に改質触媒６１で生成された水素含有ガスを通過させるための貫通穴３８が設けられ内筒底板６６の下面との間に水素含有ガスが貫通穴３８に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように中筒６５の下端面６５Ｂに接合される中筒底板６７、中筒６５の外周面との間にガス流路が形成されるように中筒６５の外側に配置される略円筒形の外筒３２、下に凸（上に凹）で縁が略円筒の丸盆（平鏡板）の形を有し中筒底板６７の下面との間に貫通穴３８から流出した水素含有ガスが中筒６５と外筒３２との間のガス流路に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように外筒３２の下端面に接合される外筒底板３９、中筒６５と外筒３２との間のガス流路に構成されるＣＯ低減器１３、ＣＯ低減器１３に充填されシフト反応により貫通穴３８から流出した水素含有ガスに含まれるＣＯの濃度を低減する変成触媒１４、ＣＯ低減器１３の上方で中筒６５と外筒３２との間のガス流路に構成されるＣＯ除去器１５、ＣＯ除去器１５に充填され選択酸化反応によりＣＯ低減器１３から流出した水素含有ガスからＣＯ
を除去する選択酸化触媒１６、ＣＯ除去器１５から流出した水素含有ガスを中筒６５と外筒３２との間のガス流路におけるＣＯ除去器１５よりも上部から排出するための出口配管１７で構成されている。

中筒６５は、改質触媒収納空間６２に対応する部分の径が、蒸発器５に対応する部分の径よりも大きくなるように形成されている。また、中筒６５は、蒸発器５とＣＯ低減器１３とを熱交換させるとともに、蒸発器５とＣＯ除去器１５とを熱交換させるように構成されている。

棚段６８は、内筒６４と棚段６８との隙間から粒状の改質触媒６１が落下しない程度に棚段６８の内径が改質触媒収納空間６２に対応する部分の内筒６４の外径よりも大きく、中筒６５と棚段６８との隙間に粒状の改質触媒６１が入り込まない程度に棚段６８の外径が改質触媒収納空間６２に対応する部分の中筒６５の内径よりも小さくなるように形成されている。

上部棚段６９は、内筒６４と上部棚段６９との隙間を粒状の改質触媒６１が通過できない程度に上部棚段６９の内径が改質触媒収納空間６２に対応する部分の内筒６４の外径よりも大きく、中筒６５と上部棚段６９との隙間を粒状の改質触媒６１が通過できない程度に上部棚段６９の外径が改質触媒収納空間６２に対応する部分の中筒６５の内径よりも小さく、上部棚段６９の外径がＣＯ低減器１３に対応する部分の中筒６５の内径よりも大きくなるように形成されている。

中筒底板６７の縁の外径は、改質触媒収納空間６２に対応する部分の中筒６５の外径と略同じであり、中筒底板６７の略円筒の縁の内径は、棚段６８の外径よりも小さい。

また、中筒底板６７の縁の上面に、棚段６８の周縁の下部と当接して棚段６８の周縁の下部が中筒６５の下端面よりも下がるのを防止する位置決め面６７Ｂと、中筒６５の下端面と接合される接合面６７Ｃとを有し、位置決め面６７Ｂと接合面６７Ｃとは、同一平面上に連続している。

外筒底板３９における中筒底板６７の貫通穴３８と対向する部分には、改質温度検出部が取り付けられ、外筒３２におけるＣＯ低減器１３に対応する部分には、変成温度検出部が取り付けられ、外筒３２におけるＣＯ低減器１３に対応する部分とＣＯ除去器１５に対応する部分との間には、ＣＯ除去器１５に流入する水素含有ガスに空気を供給する空気供給配管が取り付けられる。

出口配管１７と水供給部２８は、外筒３２におけるＣＯ除去器１５に対応する部分よりも上側の部分から突出している。

加熱器６３は、都市ガス等の可燃ガスと燃焼用空気との混合ガスを燃焼するバーナである。

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置２について、以下、その動作と作用を説明する。

原料の供給流量と水の供給流量の比率が所定の比率になり、かつ、要求される生成量の水素含有ガスが水素生成装置２で生成されるように、原料供給部２９から原料が供給されるとともに、水供給部２８から水が供給される。

水供給部２８から供給された水は、加熱器６３によって加熱された蒸発器５で蒸発して
水蒸気となり、原料ガスと水蒸気の混合ガスが生成される。

原料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒６１によって水蒸気改質反応が行われて水素含有ガスとなる。改質触媒６１で改質された水素含有ガスは、内筒底板６６と中筒底板６７との間のガス通路を流れて貫通穴３８を通過し、中筒底板６７と外筒底板３９との間のガス流路に流入する。

そして、水素含有ガスは、ＣＯ低減器１３に充填されている変成触媒１４によりＣＯ濃度が低減され、さらにＣＯ除去器１５に充填されている選択酸化触媒１６によりＣＯが除去されてＣＯ濃度が数ｐｐｍ程度にまで低減されて、外筒３２の上部に設けられた出口配管１７から水素生成装置２の外部に出る。

図４は、本発明の実施の形態２における水素生成装置２の途中の組立工程を示す模式図であり、水素生成装置２の、改質触媒６１の充填、棚段６８の設置、中筒底板６７を中筒６５に接合する部分の組立手順について示している。

まず、水素生成装置２は、少なくとも内筒６４と中筒６５が取り付けられた状態で鉛直方向逆向きにして固定台８に固定され、予め改質触媒６１の上部（鉛直方向逆向き時には下部の位置）に上部棚段６９を内筒６４に取り付けておき、内筒６４と中筒６５との間の部分に改質触媒６１を充填する（製造工程２１）。

改質触媒６１の充填が終了すると、改質触媒６１の下部（鉛直方向逆向き時には上部）に棚段６８を載せる（製造工程２２）。その後、中筒底板６７を、中筒６５の下端面６５Ｂに載せる（製造工程２３）。

次に、水素生成装置２を、鉛直方向正向きに戻して、中筒６５の下端面６５Ｂと中筒底板６７と、棚段６８とを同時に溶接する（製造工程２４）。

中筒底板６７は耐圧強度を上げるために鏡板形状にし、さらに中筒６５に比べて板厚を厚くしている。本実施の形態では、中筒６５の板厚を２ｍｍ、中筒底板６７の板厚を３ｍｍとしている。

中筒底板６７の、中筒６５の板厚に比べて板厚が厚い部分は中筒６５の内周部よりも内側に突き出している。中筒６５の内周部よりも突き出した部分は、棚段６８の周縁の下部が当接する位置決め面６７Ｂとなるので、製造工程２４で、水素生成装置２を鉛直方向正向きに戻しても、棚段６８の周縁の下部が位置決め面６７Ｂより下がることは無い。

また、位置決め面６７Ｂと中筒６５の下端面６５Ｂおよび中筒底板６７との接合面６７Ｃとは同一平面状となるため、中筒６５の下端面６５Ｂと中筒底板６７と、棚段６８とを同時に溶接できる。

中筒６５の下端面６５Ｂと中筒底板６７と、棚段６８とは同時に溶接されるため、中筒６５には二度焼きによる熱ダメージはなく、中筒底板６７と中筒６５の下端面６５Ｂとを溶接で接合するときに、中筒底板６７と中筒６５の下端面６５Ｂとの溶接位置は、棚段６８の周縁の下部から一定以上離す必要は無い。

この結果、中筒底板６７と中筒６５の下端面６５Ｂを溶接する接合面６７Ｃと、位置決め面６７Ｂとを同一平面上に連続させても問題は起こらず、水素生成装置２の小型化が可能となる。

さらに、水素生成装置２に輸送時の振動が加わっても、棚段６８の周縁部は中筒底板６７の位置決め面６７Ｂに固定されているので、棚段６８の周縁部が中筒底板６７の位置決め面６７Ｂから離れて傾くことはなく、棚段６８と内筒６４の外側および中筒６５の内側との隙間が拡大することによる、改質触媒６１の棚段６８より下への落下を抑止することができる。

以上のように、本実施の形態においては、中筒底板６７は、棚段６８の周縁の下部と当接して棚段６８の周縁の下部が中筒６５の下端面６５Ｂよりも下がるのを防止する位置決め面６７Ｂを有し、位置決め面６７Ｂと、中筒底板６７における中筒６５の下端面６５Ｂと接合される接合面６７Ｃとが、同一平面上に連続するようにし、かつ中筒底板６７と中筒６５の下端面６５Ｂとの接合時に棚段６８の周縁部も同時に接合されるようにしているので、中筒６５の下端面６５Ｂと中筒底板６７との溶接前に、棚段６８の周縁部を中筒６５に固定する溶接を廃止できる。

このとき、中筒６５の下端面６５Ｂと中筒底板６７との溶接時に、中筒６５と棚段６８との溶接時の、熱の影響を受ける二度焼きが発生せず、いかなる溶接方法であっても、棚段６８の周縁部の下部と中筒６５の下端面６５Ｂとは、中筒６５の下端面６５Ｂおよび中筒底板６７の溶接位置と、同じ高さに溶接で固定できる。

この結果、水素生成装置２の小型化を可能としつつ、水素生成装置２に輸送時の振動が加わっても、棚段６８の周縁部が中筒底板６７の位置決め面６７Ｂから離れて傾くことで生じる、改質触媒６１の棚段６８より下への落下を抑止することができる。

本実施の形態の水素生成装置２は、軸方向が略鉛直方向になるように配置される内筒６４と、内筒６４に囲まれるように配置され内筒６４の内周面を加熱する加熱器６３と、内筒６４の下端の開口部を塞ぐ内筒底板６６と、内筒６４の外周面との間にガス流路が形成されるように内筒６４の外側に配置される中筒６５と、ガス流路に形成される改質触媒収納空間６２と、改質触媒収納空間６２に充填される改質触媒６１と、ガス流路を上側と下側とに仕切って改質触媒６１が改質触媒収納空間６２から落下しないように改質触媒６１を下から支持する通気構造の環状の棚段６８と、内筒底板６６と対向する面に改質触媒６１で生成された水素含有ガスを通過させるための貫通穴３８が設けられ内筒底板６６の下面との間に水素含有ガスが貫通穴３８に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように中筒６５の下端面６５Ｂに接合される中筒底板６７と、を有している。

そして、棚段６８の内径は内筒６４の外径よりも大きく、棚段６８の外径は中筒６５の内径よりも小さく、中筒底板６７は、棚段６８の周縁の下部と当接して棚段６８の周縁の下部が中筒６５の下端面６５Ｂよりも下がるのを防止する位置決め面６７Ｂを有し、位置決め面６７Ｂと、中筒底板６７における中筒６５の下端面６５Ｂと接合される接合面６７Ｃとが、同一平面上に連続している。

これによって、水素生成装置２の製造工程で、内筒底板６６が接合された上下逆さま状態の内筒６４と上下逆さま状態の中筒６５との間の改質触媒収納空間６２に棚段６８を挿入して、中筒６５に中筒底板６７を接合してから、内筒６４と中筒６５とを上下正常状態にすれば、中筒６５に固定されていない棚段６８は、重力によって、棚段６８の周縁の下部が中筒底板６７の位置決め面６７Ｂに当接する位置に保持されるので、棚段６８の周縁の下部と中筒６５の下端との間に所定の間隔をあける必要がある従来の水素生成装置よりも水素生成装置２の高さを低くすることができる。

また、内筒６４と中筒６５とを上下正常状態にしてから中筒底板６７を中筒６５の下端面６５Ｂに溶接する作業において、棚段６８の周縁の下部が中筒底板６７の位置決め面６
７Ｂに当接している棚段６８を、中筒６５または中筒底板６７の一方または両方に溶接で固定するので、製造工程を簡略化でき、従来よりも安価に水素生成装置２を製造できる。

また、棚段６８が溶接で固定されているので、水素生成装置２に輸送時の振動が加わっても、棚段６８の周縁部が中筒底板６７の位置決め面６７Ｂから離れて傾くことで生じる隙間によって、改質触媒６１が棚段６８から落下するのを抑止することができる。

以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、従来よりも水素生成装置の高さを低くでき、製造工程を簡略化でき、安価に製造できるので、略鉛直方向のガス流路に改質触媒を配置した、多重筒構造の水素生成装置で、小型低コストが求められる家庭用燃料電池発電システム等の用途に好適である。

１ 水素生成装置
２ 水素生成装置
５ 蒸発器
８ 固定台
１３ ＣＯ低減器
１４ 変成触媒
１５ ＣＯ除去器
１６ 選択酸化触媒
１７ 出口配管
２８ 水供給部
２９ 原料供給部
３２ 外筒
３８ 貫通穴
３９ 外筒底板
５１ 改質触媒
５２ 改質触媒収納空間
５３ 加熱器
５４ 内筒
５５ 中筒
５５Ｂ 下端面
５６ 内筒底板
５７ 中筒底板
５７Ｂ 位置決め面
５７Ｃ 接合面
５８ 棚段
５９ 上部棚段
６１ 改質触媒
６２ 改質触媒収納空間
６３ 加熱器
６４ 内筒
６５ 中筒
６５Ｂ 下端面
６６ 内筒底板
６７ 中筒底板
６７Ｂ 位置決め面
６７Ｃ 接合面
６８ 棚段
６９ 上部棚段

Claims (2)

1. 軸方向が略鉛直方向になるように配置される内筒と、前記内筒に囲まれるように配置され前記内筒の内周面を加熱する加熱器と、前記内筒の下端の開口部を塞ぐ内筒底板と、
   前記内筒の外周面との間にガス流路が形成されるように前記内筒の外側に配置される中筒と、前記ガス流路に形成される改質触媒収納空間と、前記改質触媒収納空間に充填される改質触媒と、前記ガス流路を上側と下側とに仕切って前記改質触媒が前記改質触媒収納空間から落下しないように前記改質触媒を下から支持する通気構造の環状の棚段と、前記内筒底板と対向する面に前記改質触媒で生成された水素含有ガスを通過させるための貫通穴が設けられ前記内筒底板の下面との間に前記水素含有ガスが前記貫通穴に向かって流れる水素含有ガス流路が形成されるように前記中筒の下端面に接合される中筒底板と、を有する水素生成装置であって、
   前記棚段は、内径が前記内筒の外径よりも大きく、外径が前記中筒の内径よりも小さく形成され、
   前記中筒底板は、前記棚段の周縁の下部と当接して前記棚段の周縁の下部が前記中筒の前記下端面よりも下がるのを防止する位置決め面を有し、
   前記位置決め面と、前記中筒底板における前記中筒の前記下端面と接合される接合面とが、同一平面上に連続している、水素生成装置。
2. 前記中筒底板と前記中筒の前記下端面との接合によって前記棚段が固定されている、請求項１に記載の水素生成装置。