JP2023147445A

JP2023147445A - 水素生成装置

Info

Publication number: JP2023147445A
Application number: JP2022054943A
Authority: JP
Inventors: 理宮脇; Osamu Miyawaki; 憲有武田; Kenyu Takeda; 豊吉田; Yutaka Yoshida; 柾峻西崎; Masatoshi Nishizaki
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-10-13

Abstract

【課題】本開示は、ＣＯ除去部下流の流路内において凝縮により発生する結露水が内壁を伝ってＣＯ除去部に流入することによってＣＯ除去触媒が劣化することを抑制しつつ、部品点数削減により組立工数を削減できる水素生成装置を提供する。【解決手段】本開示における水素生成装置は、伝熱緩衝筒が、ＣＯ低減部と蒸発部との間に伝熱緩衝空間を形成する部材と、ＣＯ除去部と蒸発部との間に伝熱緩衝空間を形成する部材と、空気混合筒と、を兼ねるので、部品点数を削減できる。伝熱緩衝筒は、吹き出し穴の鉛直方向上方かつＣＯ除去部の鉛直方向下方において、第１隔壁に伝熱緩衝筒の一部が密接するように筒を部分的に縮径させた第１絞り部を有し、伝熱緩衝筒における第１絞り部よりも上方の部分は、第１隔壁との間に、第２ヘッダー流路と連通する隙間を空けているので、第１隔壁１３２に発生した結露水がＣＯ除去部に流入するのを抑制できる。【選択図】図１

Description

本開示は、水素生成装置に関する。

特許文献１は、第１のガス流路（以下、蒸発部）と変成部（以下、ＣＯ低減部）との間に、隔壁と隔壁とが互いに間隔を有して対向して形成される伝熱緩衝空間を備える水素生成装置を開示する。

この水素生成装置は、ＣＯ低減部と、蒸発部と、混合部と、ＣＯ除去部と、ＣＯ低減部と蒸発部とを隔てる空間と、を備える。

特許文献２は、空気と変成部（以下、ＣＯ低減部）から流出する水素含有ガスとの混合を促進させる空気混合筒の内部において、空気と水素含有ガスとの混合ガスを径方向に旋回させ、混合の促進と蒸発部との熱交換をさせた後に空気混合筒からヘッダー流路へ流出させる水素生成装置を開示する。

この水素生成装置は、蒸発部と、上下を蒸発部外筒に接して構成され空気と水素含有ガスの混合ガスが流れる空気混合筒と、上部に向かうにしたがって空気混合筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部と、傾斜部に円径方向に複数設けられヘッダー流路に斜め上方に流出させる吹き出し孔と、を備える。

特表２０１４－５３０１５９号公報特開２０１８－１１８８６３号公報

本開示は、ＣＯ除去部から流出した水素含有ガスが、蒸発部との熱交換で冷却されて、水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮して、ＣＯ除去部の下流側の水素含有ガス流路と蒸発部との間の壁に結露水が発生しても、その結露水がＣＯ除去部に流入して触媒を劣化させることを抑制しつつ、部品点数削減により組立工数を削減できる水素生成装置を提供する。

本開示における水素生成装置は、加熱部と、燃焼筒と、加熱部隔壁と、燃焼排ガス流路と、第１隔壁と、第２隔壁と、伝熱緩衝筒と、蒸発部と、改質部と、ＣＯ低減部と、ＣＯ除去部と、リターン流路と、伝熱緩衝空間と、区画部材と、空気供給管と、伝熱緩衝空間入口と、吹き出し穴と、第２ヘッダー流路と、水素含有ガス排出口と、を有する。

加熱部は、可燃ガスを燃焼して、燃焼排ガスを排出するように構成されている。燃焼筒は、鉛直方向に中心軸を有する筒状で、燃焼排ガスが筒の内側を下方に向かって流れるように加熱部の外周を囲むように構成されている。加熱部隔壁は、鉛直方向に中心軸を有する有底筒状で、燃焼筒との間に隙間を空けて燃焼筒を収納するように構成されている。燃焼排ガス流路は、燃焼筒と加熱部隔壁との隙間に形成され、上方に燃焼排ガスを流すように構成されている。

第１隔壁は、鉛直方向に中心軸を有する略筒状で、下部の径が上部の径よりも大きく、加熱部隔壁との間に隙間を空けて加熱部隔壁の外周を囲むように構成されている。第２隔壁は、鉛直方向に中心軸を有する筒状で、第１隔壁との間に隙間を空けて第１隔壁の外周を囲むように構成されている。伝熱緩衝筒は、第２隔壁の内周側で第１隔壁における上部の外周を囲むように構成され、下端部が第１隔壁における上部に固定されている。

蒸発部は、加熱部隔壁と第１隔壁における上部との隙間に形成され、加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水とを加熱して、水を蒸発させるように構成されている。改質部は、加熱部隔壁と第１隔壁における下部との隙間に改質触媒を充填して形成され、蒸発部の下方で加熱部隔壁を介して熱が伝えられ、蒸発部から流出した原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応で一酸化炭素を含む一次水素含有ガスを生成するように構成されている。

ＣＯ低減部は、伝熱緩衝筒と第２隔壁との隙間における下部にＣＯ低減触媒を充填して形成され、改質部から流出した一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変性反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成されている。ＣＯ除去部は、第２隔壁と伝熱緩衝筒との隙間におけるＣＯ低減部の上方となる部分に、ＣＯ除去触媒を充填して形成され、ＣＯ低減部から排出される二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成されている。

リターン流路は、第１隔壁と第２隔壁との隙間におけるＣＯ低減部よりも下方となる部分に形成され、改質部から流出し上方に流れるように折り返した一次水素含有ガスをＣＯ低減部に導くように構成されている。

伝熱緩衝空間は、第１隔壁と伝熱緩衝筒との隙間に、ＣＯ低減部と蒸発部との第１隔壁と伝熱緩衝筒とを介した熱交換と、ＣＯ除去部と蒸発部との第１隔壁と伝熱緩衝筒とを介した熱交換とが抑制されるように設けられている。

区画部材は、ＣＯ低減部とＣＯ除去部と第２隔壁と伝熱緩衝筒とで囲まれた空間を、上部空間である第１ヘッダー流路と、下部空間である第１流路とに区画するドーナツ盤形状の部材であって、内周側端部が伝熱緩衝筒に固定され、外周側端部が第２隔壁に固定されている。空気供給管は、第１流路に空気を供給するように構成されている。

伝熱緩衝空間入口は、燃焼筒を挟んで空気供給管の先端と対向する位置で第１流路の空気と混合された二次水素含有ガスを伝熱緩衝空間に流入させるように伝熱緩衝筒に設けられている。吹き出し穴は、伝熱緩衝空間の空気と混合された二次水素含有ガスを第１ヘッダー流路に流出させるように伝熱緩衝筒の周方向に間隔を空けて複数設けられている。

第２ヘッダー流路は、第１隔壁と第２隔壁との隙間におけるＣＯ除去部よりも上方となる部分に形成され、ＣＯ除去部から三次水素含有ガスが流入するように構成されている。水素含有ガス排出口は、第２ヘッダー流路と連通するように第２隔壁に形成され、三次水素含有ガスを外部へ排出するように構成されている。

伝熱緩衝筒は、吹き出し穴の鉛直方向上方かつＣＯ除去部の鉛直方向下方において、第１隔壁に伝熱緩衝筒の一部が密接するように筒を部分的に縮径させた第１絞り部を有している。

伝熱緩衝筒における第１絞り部よりも上方の部分は、第１隔壁との間に、第２ヘッダー流路と連通する隙間を空けている。

本開示における水素生成装置は、伝熱緩衝筒が、ＣＯ低減部と蒸発部との間に伝熱緩衝空間を形成する部材と、ＣＯ除去部と蒸発部との間に伝熱緩衝空間を形成する部材と、特許文献２における空気混合筒に相当する部材と、を兼ねるので、部品点数を少なくすることができる。

また、伝熱緩衝筒は、吹き出し穴の鉛直方向上方かつＣＯ除去部の鉛直方向下方において、第１隔壁に伝熱緩衝筒の一部が密接するように筒を部分的に縮径させた第１絞り部を有し、伝熱緩衝筒における第１絞り部よりも上方の部分は、第１隔壁との間に、第２ヘッダー流路と連通する隙間を空けている。

そのため、ＣＯ除去部から流出した三次水素含有ガスが、蒸発部との熱交換で冷却されて、水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮して、ＣＯ除去部の下流側の第２ヘッダー流路と蒸発部との間の第１隔壁の外周面に結露水が発生しても、その結露水が、第１隔壁の外周面から伝熱緩衝筒の外周面に移動できないので、蒸発部との熱交換で三次水素含有ガスから発生した結露水が、ＣＯ除去部に流入することを抑制することができる。

これにより、蒸発部との熱交換で三次水素含有ガスから発生した結露水が、ＣＯ除去部に流入することによってＣＯ除去触媒が劣化することを抑制しつつ、部品点数削減により組立工数を削減できる。

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

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示を想定するに至った当時、燃焼排ガスを排出する加熱部と、加熱部の外周を囲む燃焼筒と、燃焼筒の外周を囲む加熱部隔壁と、加熱部隔壁の外周を囲む第１隔壁と、前記第１隔壁の外周を囲む第２隔壁と、燃焼筒と加熱部隔壁との間に形成され上方に燃焼排ガスを流す燃焼ガス流路と、加熱部隔壁と第１隔壁との間の上部に形成され加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水を加熱して水を蒸発させる蒸発部と、加熱部隔壁と前記第１隔壁との間の下部に改質触媒を充填して形成され加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応で一酸化炭素（ＣＯ）を含んだ水素含有ガスを生成する改質部と、第１隔壁と第２隔壁との間の下部に形成され改質部から流出した水素含有ガスを上方に流すリターン流路と、第１隔壁と第２隔壁との間の中部に変成触媒（ＣＯ低減触媒）を充填して形成され改質部から流出した水素含有ガスのＣＯの濃度を変性反応で低減する変成部（ＣＯ低減部）と、変成部から流出した水素含有ガスと外部から取り入れた空気とを混合させる混合部と、第１隔壁と第２隔壁との間の上部に選択酸化触媒（ＣＯ除去触媒）を充填して形成され混合部から流出した水素含有ガスのＣＯの濃度を選択酸化反応で低減する選択酸化部（ＣＯ除去部）とを、全体形状を円筒形状で構成する技術があった。

しかしながら、従来の水素生成装置においては、ＣＯ低減部と蒸発部との間に伝熱緩衝空間を形成する部材と、ＣＯ除去部と蒸発部との間に伝熱緩衝空間を形成する部材と、変成部から流出した水素含有ガスと外部から取り入れた空気とを混合させる部材と、をそれぞれ別々に構成するため、部品点数が多くなり組立工数が多いという課題があった。

そうした状況下において、発明者らは、ＣＯ低減部と蒸発部との間に伝熱緩衝空間を形成する部材と、ＣＯ除去部と蒸発部との間に伝熱緩衝空間を形成する部材と、変成部から
流出した水素含有ガスと外部から取り入れた空気とを混合させる部材と、を一体化した伝熱緩衝筒で形成するという着想を得た。

そして、発明者らは、その着想を実現するには、ＣＯ除去部から流出した水素含有ガスが、蒸発部との熱交換で冷却されて、水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮して、ＣＯ除去部の下流側の水素含有ガスの流路と蒸発部との間の壁の外周面に結露水が発生して、その結露水が、壁の外周面から伝熱緩衝筒の外周面に移動して、ＣＯ除去部に流入し、ＣＯ除去触媒の劣化を促進させるという課題があることを発見し、その課題を解決するために本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、ＣＯ除去部から流出した水素含有ガスが、蒸発部との熱交換で冷却されて、水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮して、ＣＯ除去部の下流側の水素含有ガス流路と蒸発部との間の壁に結露水が発生しても、その結露水がＣＯ除去部に流入して触媒を劣化させることを抑制しつつ、部品点数削減により組立工数を削減できる水素生成装置を提供する。

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置１００は、加熱部１２０と、蒸発部１２１と、改質部１２２と、ＣＯ低減部１２３と、ＣＯ除去部１２４と、伝熱緩衝空間１２５と、燃焼筒１３０と、加熱部隔壁１３１と、第１隔壁１３２と、第２隔壁１３３と、伝熱緩衝筒１３４と、区画部材１３５と、空気供給管１３６と、混合部１３７と、燃焼排ガス流路１４０と、リターン流路１４１とを、第１流路１４２と、第１ヘッダー流路１４３と、第２ヘッダー流路１４４と、水素含有ガス排出口１４５と、伝熱緩衝空間入口１５０と、吹き出し穴１５１と、第１絞り部１５２と、を有している。

加熱部１２０は、鉛直方向に中心軸を有する燃焼筒１３０の内周側に配置され、燃焼用空気が混合された可燃性ガスを燃焼して燃焼排ガスを排出するバーナと、バーナに可燃性ガスを供給するガス供給管と、バーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管と、を備えている。加熱部１２０のバーナは、下向きの炎を形成するように構成されている。

可燃性ガスには、原料ガス（都市ガスやＬＰガス）を用いることができ、その他にも、水素生成装置１００が燃料電池に水素含有ガスを燃料ガスとして供給する場合は、燃料電池で利用されずに燃料電池から排出される燃料ガス（アノードオフガス）を用いることができる。

燃焼筒１３０は、鉛直方向に中心軸を有し、加熱部１２０の外周を囲む円筒状で、加熱部１２０と同軸になるように配置されている。燃焼筒１３０は、燃焼筒１３０の内周側では、燃焼排ガスを下方（鉛直方向の下向き）に流し、燃焼筒１３０の外周側（燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との間に形成された燃焼排ガス流路１４０）では、燃焼排ガスを上
方（鉛直方向の上向き）に流すための部材である。

燃焼筒１３０の下端は、改質部１２２の下端よりも鉛直方向の下に位置し、燃焼筒１３０と同軸になるように配置され燃焼筒１３０を囲む有底円筒形の加熱部隔壁１３１の底部よりも鉛直方向の上方に位置する。

水素生成装置１００は、加熱部１２０のバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスが、燃焼筒１３０の内周面に沿って燃焼筒１３０の内周側を下方に流れた後に、加熱部隔壁１３１の底部と燃焼筒１３０の下端との隙間を通って燃焼筒１３０の外周側に出て上方に折り返して流れ、燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との間に形成された燃焼排ガス流路１４０を通って、改質部１２２と熱交換した後に、蒸発部１２１と熱交換して、加熱部隔壁１３１における上部に設けられた燃焼排ガス出口管から水素生成装置１００の外部に排出されるように構成されている。

燃焼排ガス流路１４０は、燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との隙間に形成された、鉛直方向の上方に燃焼排ガスを流す流路である。

加熱部隔壁１３１は、内径が燃焼筒１３０の外径よりも大きく、燃焼筒１３０の外周面を囲み燃焼筒１３０と同軸になるように配置され、燃焼筒１３０との間に燃焼排ガス流路１４０を形成する有底円筒形の金属部材であり、加熱部隔壁１３１の底部と燃焼筒１３０の下端との間に燃焼排ガスが通流する隙間がある。加熱部隔壁１３１は、燃焼筒１３０との間に隙間を空けて燃焼筒１３０を収納するように構成されている。

第１隔壁１３２は、鉛直方向に中心軸を有する略円筒状で、内径が加熱部隔壁１３１の外径よりも大きく、下部の径が上部の径よりも大きく構成されている。また、第１隔壁１３２は、加熱部隔壁１３１との間に隙間を空けて加熱部隔壁１３１の外周面を囲み、加熱部隔壁１３１と同軸になるように配置された金属部材である。

第１隔壁１３２における上部と加熱部隔壁１３１との間には、炭化水素を含む原料ガスと水とを螺旋状に流すための螺旋状に曲げられた棒材が配置されており、第１隔壁１３２における下部と加熱部隔壁１３１との間には、原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応で一次水素含有ガス（一酸化炭素を含む水素含有ガス）を生成する改質触媒が充填されている。

第１隔壁１３２における上部と加熱部隔壁１３１との間で螺旋状の棒材が配置された箇所は、炭化水素を含む原料ガスと水とが加熱部隔壁１３１から伝わる熱で加熱されながら通過する蒸発部１２１となっており、第１隔壁１３２における下部と加熱部隔壁１３１との間で改質触媒が充填された箇所は、改質部１２２となっている。

第１隔壁１３２における螺旋状の棒材が配置された箇所よりも上部には、蒸発部１２１に原料ガスと水を供給する供給管が接続されている。

蒸発部１２１は、加熱部隔壁１３１と第１隔壁１３２における上部との隙間に螺旋状に曲げられた棒材を配置して形成（構成）され、加熱部隔壁１３１を介して伝わる熱（加熱部１２０の熱と燃焼排ガスの熱）で、炭化水素を含む原料ガスと水とを加熱して、水を蒸発させるように構成されている。

改質部１２２は、加熱部隔壁１３１と第１隔壁１３２における下部との隙間に改質触媒を充填して形成され、蒸発部１２１の下方で加熱部隔壁１３１を介して熱（加熱部１２０の熱と燃焼排ガスの熱）が伝えられ、蒸発部１２１から流出した原料ガスと水蒸気との混
合ガスから改質反応で一酸化炭素を含む一次水素含有ガスを生成するように構成されている。

改質部１２２は、第１隔壁１３２の下部と加熱部隔壁１３１との間に充填される改質触媒の他に、改質部下棚板（図示せず）と、改質部上棚板（図示せず）と、を備えている。

改質部下棚板は、改質触媒を下から支えるように第１隔壁１３２における下部と加熱部隔壁１３１との間に配置される棚板であり、改質部上棚板は、改質触媒を上から覆うように第１隔壁１３２における下部と加熱部隔壁１３１との間に配置される棚板である。改質部下棚板と改質部上棚板は、通気構造で、ドーナツ盤形状で、改質触媒の粒子径より小さい通気孔が形成されている。

伝熱緩衝筒１３４は、鉛直方向に中心軸を有する略円筒状で、外周面の外径が第１隔壁１３２における下部の外周面の外径よりも大きい。伝熱緩衝筒１３４は、第１隔壁１３２における上部との間に伝熱緩衝用の空間が形成されるように、第１隔壁１３２における上部の外周面に固定されている。

伝熱緩衝筒１３４は、蒸発部１２１とＣＯ低減部１２３との間と、蒸発部１２１とＣＯ除去部１２４との間とに、それぞれ伝熱緩衝用の空間を形成するように、第１隔壁１３２における蒸発部１２１が構成されている部分の外周面に固定される筒状部材である。伝熱緩衝筒１３４は、第１隔壁１３２における蒸発部１２１が構成された部分の外周面を囲み第１隔壁１３２と同軸になるように配置されている。

改質部１２２から流出した一次水素含有ガスのうち、ＣＯ低減部１２３を通流せずに、伝熱緩衝筒１３４と第１隔壁１３２との間を通流して、水素生成装置１００の外に出てしまう一次水素含有ガスの量が許容量を超えないように、伝熱緩衝筒１３４下端部が、第１隔壁１３２に気密に接合される。

伝熱緩衝筒１３４は、第１絞り部１５２と下端部との間の部分の内径と伝熱緩衝筒における第１絞り部１５２よりも上方の部分の内径とが、第１隔壁１３２における蒸発部１２１が構成されている部分の外径よりも大きく、伝熱緩衝筒１３４の内周面と第１隔壁１３２における蒸発部１２１が構成された部分の内周面との間に空間を形成する。

また、伝熱緩衝筒１３４における第１絞り部１５２と下端部との間の部分の外径と伝熱緩衝筒における第１絞り部１５２よりも上方の部分の外径とは、第１隔壁１３２における改質部１２２が構成されている部分の外径よりも大きい。

伝熱緩衝筒１３４は、伝熱緩衝筒１３４の外周側に隣接するＣＯ低減部１２３のＣＯ低減触媒およびＣＯ除去部１２４のＣＯ除去触媒または伝熱緩衝筒１３４の外周面と第２隔壁１３３の内周面との間を流れるガスが、蒸発部１２１との熱交換によって局所的に冷却されることを抑制する伝熱緩衝空間と、ＣＯ低減部１２３から流出した二次水素含有ガスと空気供給管１３６から供給された空気との混合性を高めるための空間とを形成するための部材である。

伝熱緩衝筒１３４は、伝熱緩衝筒１３４の外周面と第２隔壁１３３の内周面との間に充填されるＣＯ低減触媒およびＣＯ除去触媒が、蒸発部１２１との熱交換によって局所的に冷却される（ＣＯ低減触媒およびＣＯ除去触媒において温度ムラが発生する）ことを抑制する伝熱緩衝空間を形成する。

第２隔壁１３３は、第１隔壁１３２における上部の外周面を囲む部分の径が第１隔壁１
３２における下部の外周面を囲む部分の径よりも大きい側面部と、外周端が側面部の上端部に接続され内周端が外筒２３２の外周面に接合されるドーナツ盤形状の上面部と、外周端が側面部の下端部に接続された円盤形状の底部と、を有する有底略円筒形の金属部材である。

第２隔壁１３３の側面部は、内径が第１隔壁１３２の外径よりも大きく、第１隔壁１３２の外周面を囲み第１隔壁１３２と同軸になるように配置され、第１隔壁１３２との間におけるＣＯ低減部１２３よりも下方となる部分にリターン流路１４１を形成する。

第２隔壁１３３の底部と第１隔壁１３２の下端との間には、第１隔壁１３２の内周面に沿って改質部１２２から下方に流出した一次水素含有ガスをリターン流路１４１に導くための、一次水素含有ガスが通流する隙間がある。

第２隔壁１３３の底部は、加熱部隔壁１３１の底部よりも大きく、第２隔壁１３３の底部は、加熱部隔壁１３１の底部よりも下方に位置するように構成されている。

第２隔壁１３３の側面部における上部（第１隔壁１３２における上部の外周面を囲む部分）は、内径が伝熱緩衝筒１３４の外径よりも大きく、第１隔壁１３２における蒸発部１２１が構成されている部分と伝熱緩衝筒１３４の外周面を囲み第１隔壁１３２（伝熱緩衝筒１３５）と同軸になるように配置されている。

また、第２隔壁１３３の側面部における伝熱緩衝筒１３４の外周面を囲む部分は、伝熱緩衝筒１３４との隙間における下部にＣＯ低減部１２３のＣＯ低減触媒が充填され、伝熱緩衝筒１３４との隙間における上部にＣＯ除去部１２４のＣＯ除去触媒が充填される。

第２隔壁１３３は、第２隔壁１３３におけるＣＯ低減触媒が充填されてＣＯ低減部１２３が構成されている部分とＣＯ除去触媒が充填されてＣＯ除去部１２４が構成されている部分との間に、ＣＯ低減部１２３から流出した二次水素含有ガスに混合させる空気を供給する空気供給管１３６を備えている。

第２隔壁１３３は、第２隔壁１３３におけるＣＯ低減触媒が充填されてＣＯ除去部１２４が構成されている部分よりも上部に、ＣＯ除去部１２４から第２ヘッダー流路１４４に流出した三次水素含有ガスを水素生成装置１００の外部に排出（供給）する水素含有ガス排出口１４５を有し、水素含有ガス排出口１４５に水素含有ガスの出口管が接続されている。

第２隔壁１３３は、伝熱緩衝筒１３４との間もしくは外周面が伝熱緩衝筒１３４で覆われていない第１隔壁１３２との間に、リターン流路１４１と、第１流路１４２と、第１ヘッダー流路１４３と、第２ヘッダー流路１４４も形成している。第２隔壁１３３と伝熱緩衝筒１３４とＣＯ低減部１２３とＣＯ除去部１２４とで囲まれた空間は、区画部材１３５によって、第１流路１４２と第１ヘッダー流路１４３とに区画されている。

ＣＯ低減部１２３は、伝熱緩衝筒１３４と第２隔壁１３３との隙間における下部にＣＯ低減触媒を充填して形成され、改質部１２２から流出した一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変性反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成されている。

ＣＯ低減触媒は、第２隔壁１３３と伝熱緩衝筒１３４との隙間における下部に充填される直径が２～３ｍｍの粒状のＣｕ－Ｚｎ系の触媒である。

ＣＯ除去部１２４は、第２隔壁１３３と伝熱緩衝筒１３４との隙間における上部（ＣＯ低減部１２３の上方）に、ＣＯ除去触媒を充填して形成される。

リターン流路１４１は、第１隔壁１３２と第２隔壁１３３との隙間におけるＣＯ低減部１２３よりも下方となる部分に形成される流路であって、改質部１２２から流出し上方に流れるように折り返した一次水素含有ガスをＣＯ低減部１２３に導くための流路である。

区画部材１３５は、内周側端部が伝熱緩衝筒１３４に固定され、外周側端部が第２隔壁１３３に固定され、ＣＯ低減部１２３とＣＯ除去部１２４と第２隔壁１３３と伝熱緩衝筒１３４とで囲まれた空間を、上部空間である第１ヘッダー流路１４３と、下部空間である第１流路１４２とに区画するドーナツ盤形状の部材である。

伝熱緩衝空間入口１５０は、燃焼筒１３０を挟んで空気供給管１３６の先端と対向する位置で伝熱緩衝筒１３４に設けられる。

吹き出し穴１５１は、伝熱緩衝筒１３４における区画部材１３５よりも上方で第１絞り部１５２よりも下方となる部分の周方向に間隔を空けて複数設けられている。

混合部１３７は、ＣＯ低減部１２３から流出した二次水素含有ガスと空気供給管１３６から供給される空気が、伝熱緩衝空間入口１５０から流入し、第１隔壁１３２の壁面に沿って旋回することで混合されるように、伝熱緩衝筒１３４における第１絞り部１５２と下端部との間の部分と第１隔壁１３２における上部との間に形成される。混合部１３７において混合されたガスは、吹き出し穴１５１から第１ヘッダー流路１４３に排出される。

伝熱緩衝筒１３４は、伝熱緩衝筒１３４における吹き出し穴１５１の鉛直方向上方でＣＯ除去部１２４の鉛直方向下方となる部分の筒の一部において、伝熱緩衝筒１３４の一部が第１隔壁１３２に密接するように筒を部分的に縮径させた第１絞り部１５２を有する。伝熱緩衝筒１３４は、プレス絞り加工によって一体的に作製されたものである。

伝熱緩衝筒１３４の第１絞り部１５２と第１隔壁１３２との接触部分は、貫通溶接によって接合されている。

伝熱緩衝筒１３４の上端部は第１隔壁に固定されず、伝熱緩衝筒１３４と第１隔壁１３２との間の伝熱緩衝空間が第２ヘッダー流路１４４と通ずるように開口状態とする。

伝熱緩衝筒１３４における第１絞り部１５２よりも上方の部分は、第１隔壁１３２との間に、第２ヘッダー流路１４４と連通する隙間を空けている。

［１－２．動作］
以上のように構成された水素生成装置１００において、以下、その動作、作用を説明する。

加熱部１２０のバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスは、燃焼筒１３０の内周面に沿って燃焼筒１３０の内周側を下方に流れた後に、加熱部隔壁１３１の底部と燃焼筒１３０の下端との隙間を通って燃焼筒１３０の外周側に出て上方に折り返して、燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との間に形成された燃焼排ガス流路１４０を、改質部１２２と熱交換した後に、蒸発部１２１と熱交換して、加熱部隔壁１３１における上部に設けられた燃焼排ガス出口管から水素生成装置１００の外部に排出される。

水素生成装置１００において、蒸発部１２１に供給される原料ガスと水の比率が適正な
比率となり、必要な量の水素含有ガスが生成されるように、原料ガスと水が供給管から蒸発部１２１に供給される。

本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを原料ガスとして用いるため、水素生成装置１００の蒸発部１２１で発生する水蒸気のモル数が、水素生成装置１００の蒸発部１２１に供給するメタンのモル数の３倍（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ比）が３）になり、必要な量の水素含有ガスが生成されるように、原料ガスと水が供給管から蒸発部１２１に供給される。

供給管から蒸発部１２１に供給された水は、蒸発部１２１の螺旋状流路に沿って流れながら加熱部隔壁１３１を介して伝わる加熱部１２０の熱（燃焼排ガスの熱を含む）によって水蒸気となり、原料ガスと混合される。

改質部１２２に流入した原料ガスと水蒸気との混合ガスは、加熱部１２０の熱によって６００℃に温められ、かつ改質触媒によって一酸化炭素を含む一次水素含有ガスに改質される。このとき、（化１）に示すようにメタンと水から水素と二酸化炭素を生成する反応と、（化２）に示すようにメタンと水から水素と一酸化炭素を生成する反応が起こっている。

ここで、本実施の形態において６００℃と例示した改質触媒の温度は、典型的な温度であって、改質反応を起こす改質部１２２内の温度は、改質部１２２の構造や材質、大きさにも依存して変わる。改質反応を起こす改質部１２２内の温度は、例えば、４００℃～６５０℃の範囲で変動し得る。

改質部１２２から排出された一次水素含有ガスは、リターン流路１４１を通流して、ＣＯ低減部１２３に下方から供給される。

ＣＯ低減部１２３は、改質部１２２から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を低減して二次水素含有ガスとして排出する。詳細には、ＣＯ低減触媒で起こる（化３）に示す変成反応によって、一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気を反応させて二酸化炭素と水素を生成し、一酸化炭素の濃度が０．１～０．２％程度にまで低減された二次水素含有ガスとなる。

このとき、変成反応によって熱が発生するが、熱の一部は、伝熱緩衝筒１３４と第２隔壁１３３に伝わり、ＣＯ低減部１２３の温度は、変成反応に適した温度である２５０℃に
維持される。

ここで、本実施の形態において２５０℃と例示したＣＯ低減触媒の温度は、典型的な温度であって、変成反応を起こすＣＯ低減部１２３内の温度は、ＣＯ低減部１２３の構造や材質、大きさにも依存して変わる。変成反応を起こすＣＯ低減部１２３内の温度は、例えば、２００℃～３００℃の範囲で変動し得る。

ＣＯ低減部１２３から排出された二次水素含有ガスは、第１流路１４２に流入する。第１流路１４２は、ドーナツ状の形状をしており、空気供給管１３６から第１流路１４２に供給された空気とＣＯ低減部１２３から第１流路１４２に排出された二次水素含有ガスとが、伝熱緩衝筒１３４によって二手に分かれて、伝熱緩衝筒１３４の外周面に沿って略半周、周方向に流れながら混合される。

二手に分かれて伝熱緩衝筒１３４の外周面に沿って略半周、周方向に流れながら空気と混合された二次水素含有ガスは、伝熱緩衝空間入口１５０を通って、伝熱緩衝筒１３４における第１絞り部１５２と下端部との間の部分と第１隔壁１３２における上部との間に形成された伝熱緩衝空間１２５（混合部１３７）に流入する。

蒸発部１２１とＣＯ低減部１２３との間には、混合部１３７を兼ねる伝熱緩衝空間１２５が存在し、蒸発部１２１とＣＯ除去部１２４の間には、第２ヘッダー流路１４４と連通する伝熱緩衝空間１２５が存在することにより、蒸発部１２１とＣＯ低減部１２３との第１隔壁１３２と伝熱緩衝筒１３４とを介した熱交換と、蒸発部１２１とＣＯ除去部１２４との第１隔壁１３２と伝熱緩衝筒１３４とを介した熱交換とが抑制されている。

混合部１３７もドーナツ状の形状をしており、伝熱緩衝空間入口１５０を通って混合部１３７に流入した、空気と混合された二次水素含有ガスは、第１隔壁１３２の外周面に沿って伝熱緩衝筒１３４の内周側を流れた後に、伝熱緩衝筒１３４の吹き出し穴１５１を通って第１ヘッダー流路１４３に排出されて、ＣＯ除去部１２４に供給される。

ＣＯ除去部１２４は、ＣＯ低減部１２３から流出した（排出された）二次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を更に低減して三次水素含有ガスとして第２ヘッダー流路１４４に排出する。詳細には、ＣＯ除去触媒で起こる（化４）に示す選択酸化反応によって一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が、（化５）に示すように水素と酸素から水が生成される。

このとき、ＣＯ除去部１２４では選択酸化反応によって熱が発生するが、熱の一部は、伝熱緩衝筒１３４と第２隔壁１３３に伝わり、ＣＯ除去部１２４の温度は、選択酸化反応に適した温度である１５０℃に維持される。

ここで、本実施の形態において１５０℃と例示したＣＯ除去触媒の温度は、典型的な温
度であって、選択酸化反応を起こすＣＯ除去部１２４内の温度は、ＣＯ除去部１２４の構造や材質、大きさにも依存して変わる。選択酸化反応を起こすＣＯ除去部１２４内の温度は、例えば、１００℃～１８０℃の範囲で変動し得る。

ＣＯ除去部１２４によって一酸化炭素の濃度を更に低減された二次水素含有ガスは、三次水素含有ガスとして第２ヘッダー流路１４４に排出される。

ＣＯ除去部１２４から第２ヘッダー流路１４４に排出された三次水素含有ガスは、第２ヘッダー流路１４４と隣接する蒸発部１２１との熱交換で第２ヘッダー流路１４４に露出する第１隔壁１３２の外周面で冷却されて、三次水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮して、第２ヘッダー流路１４４に露出する第１隔壁１３２の外周面に結露水が発生することがある。

本実施の形態の水素生成装置１００においては、伝熱緩衝筒１３４の上端部は第１隔壁に固定されず、伝熱緩衝筒１３４と第１隔壁１３２との間の伝熱緩衝空間が第２ヘッダー流路１４４と通ずるように開口状態になっている（伝熱緩衝筒１３４における第１絞り部１５２よりも上方の部分は、第１隔壁１３２との間に、第２ヘッダー流路１４４と連通する隙間を空けている）。

したがって、第２ヘッダー流路１４４に露出する第１隔壁１３２の外周面に発生した結露水は、重力によって第１隔壁１３２の外周面に沿って第１絞り部１５２が密接する箇所に向かって流れることがあるが、第１隔壁１３２の外周面から伝熱緩衝筒１３４の外周面に移動してＣＯ除去部１２４に流入することはない。

第２ヘッダー流路１４４に露出する第１隔壁１３２の外周面に発生した結露水は、第１隔壁１３２の外周面よりも表面温度が高い伝熱緩衝筒１３４の内周面に接触した後に、伝熱緩衝筒１３４からの伝熱で、蒸発するので、第１絞り部１５２よりも上方の伝熱緩衝空間に溜まった結露水が溢れてＣＯ除去部１２４に流入することはない。

プレス絞り加工によって一体的に作製することができる伝熱緩衝筒１３４が、ＣＯ低減部１２３と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部材と、ＣＯ除去部１２４と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部材と、特許文献２における空気混合筒に相当する部材（第１隔壁１３２との間に混合部１３７を構成する部材）と、を兼ねるので、部品点数を少なくすることができる。

［１－３．効果］
以上のように、本実施の形態において、水素生成装置１００は、加熱部１２０と、燃焼筒１３０と、加熱部隔壁１３１と、燃焼排ガス流路１４０と、第１隔壁１３２と、第２隔壁１３３と、伝熱緩衝筒１３４と、蒸発部１２１と、改質部１２２と、ＣＯ低減部１２３と、ＣＯ除去部１２４と、リターン流路１４１と、伝熱緩衝空間１２５と、区画部材１３５と、空気供給管１３６と、伝熱緩衝空間入口１５０と、吹き出し穴１５１と、第２ヘッダー流路１４４と、水素含有ガス排出口１４５と、を有する。

加熱部１２０は、可燃ガスを燃焼して、燃焼排ガスを排出するように構成されている。燃焼筒１３０は、鉛直方向に中心軸を有する筒状で、燃焼排ガスが筒の内側を下方に向かって流れるように、加熱部１２０の外周を囲むように構成されている。

加熱部隔壁１３１は、鉛直方向に中心軸を有する有底筒状で、燃焼筒１３０との間に隙間を空けて燃焼筒１３０を収納するように構成されている。燃焼排ガス流路１４０は、燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との隙間に形成され、上方に燃焼排ガスを流すように構成
されている。

第１隔壁１３２は、鉛直方向に中心軸を有する略筒状で、下部の径が上部の径よりも大きく、加熱部隔壁１３１との間に隙間を空けて加熱部隔壁１３１の外周を囲むように構成されている。第２隔壁１３３は、鉛直方向に中心軸を有する筒状で、第１隔壁１３２との間に隙間を空けて、第１隔壁１３２の外周を囲むように構成されている。

伝熱緩衝筒１３４は、第２隔壁１３３の内周側で第１隔壁１３２における上部の外周を囲むように構成され、下端部が第１隔壁１３２における上部に固定されている。蒸発部１２１は、加熱部隔壁１３１と第１隔壁１３２における上部との隙間に形成され、加熱部隔壁１３１を介して伝わる熱で原料ガスと水とを加熱して、水を蒸発させるように構成されている。

改質部１２２は、加熱部隔壁１３１と第１隔壁１３２における下部との隙間に改質触媒を充填して形成され、蒸発部１２１の下方で加熱部隔壁１３１を介して熱が伝えられ、蒸発部１２１から流出した原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応で一酸化炭素を含む一次水素含有ガスを生成するように構成されている。

ＣＯ除去部１２４は、第２隔壁１３３と伝熱緩衝筒１３４との隙間におけるＣＯ低減部１２３の上方となる部分に、ＣＯ除去触媒を充填して形成され、ＣＯ低減部１２３から排出される二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成されている。

リターン流路１４１は、第１隔壁１３２と第２隔壁１３３との隙間におけるＣＯ低減部１２３よりも下方となる部分に形成され、改質部１２２から流出し上方に流れるように折り返した一次水素含有ガスをＣＯ低減部１２３に導くように構成されている。

伝熱緩衝空間１２５は、第１隔壁１３２と伝熱緩衝筒１３４との隙間に、ＣＯ低減部１２３と蒸発部１２１との第１隔壁１３２と伝熱緩衝筒１３４とを介した熱交換と、ＣＯ除去部１２４と蒸発部１２１との第１隔壁１３２と伝熱緩衝筒１３４とを介した熱交換とが抑制されるように設けられている。

区画部材１３５は、ＣＯ低減部１２３とＣＯ除去部１２４と第２隔壁１３３と伝熱緩衝筒１３４とで囲まれた空間を、上部空間である第１ヘッダー流路１４３と、下部空間である第１流路１４２とに区画するドーナツ盤形状の部材であって、内周側端部が伝熱緩衝筒１３４に固定され外周側端部が第２隔壁１３３に固定されている。空気供給管１３６は、第１流路１４２に空気を供給するように構成されている。

伝熱緩衝空間入口１５０は、燃焼筒１３０を挟んで空気供給管１３６の先端と対向する位置で、第１流路１４２の空気と混合された二次水素含有ガスを伝熱緩衝空間１２５（混合部１３７）に流入させるように伝熱緩衝筒１３４に設けられている。

吹き出し穴１５１は、伝熱緩衝空間１２５（混合部１３７）の空気と混合された二次水素含有ガスを第１ヘッダー流路１４３に流出させるように伝熱緩衝筒１３４の周方向に間隔を空けて複数設けられている。

第２ヘッダー流路１４４は、第１隔壁１３２と第２隔壁１３３との隙間におけるＣＯ除去部１２４よりも上方となる部分に形成され、ＣＯ除去部１２４から三次水素含有ガスが流入するように構成されている。水素含有ガス排出口１４５は、第２ヘッダー流路１４４と連通するように第２隔壁１３３に形成され、三次水素含有ガスを外部へ排出するように構成されている。

伝熱緩衝筒１３４は、吹き出し穴１５１の鉛直方向上方かつＣＯ除去部１２４の鉛直方向下方において、第１隔壁１３２に伝熱緩衝筒１３４の一部が密接するように筒を部分的に縮径させた第１絞り部１５２を有している。

本実施の形態の水素生成装置１００においては、プレス絞り加工等によって一体的に作製することができる伝熱緩衝筒１３４が、ＣＯ低減部１２３と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部材と、ＣＯ除去部１２４と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部材と、特許文献２における空気混合筒に相当する部材（第１隔壁１３２との間に混合部１３７を構成する部材）と、を兼ねるので、部品点数を少なくすることができる。

第２ヘッダー流路１４４に露出する第１隔壁１３２の外周面に発生した結露水は、第１隔壁１３２の外周面よりも表面温度が高い伝熱緩衝筒１３４の内周面に接触した後に、伝熱緩衝筒１３４からの伝熱で、蒸発するので、第１絞り部１５２よりも上方の伝熱緩衝空間に溜まった結露水が溢れてＣＯ除去部１２４に流入することはない。そのため、蒸発部１２１との熱交換で三次水素含有ガスから発生した結露水が、ＣＯ除去部１２４に流入することを抑制することができる。

これにより、蒸発部１２１との熱交換で三次水素含有ガスから発生した結露水が、ＣＯ除去部１２４に流入することによってＣＯ除去触媒が劣化することを抑制しつつ、混合部１３７と、ＣＯ低減部１２３およびＣＯ除去部１２４の伝熱緩衝空間とを一体化した部品で形成することの部品点数削減により組立工数を削減できる。

本実施の形態のように、伝熱緩衝筒１３４の第１絞り部１５２と第１隔壁１３２との接触部分を、貫通溶接によって接合してもよい。溶接方法として、貫通溶接を用いれば、伝熱緩衝筒１３４の第１絞り部１５２と第１隔壁１３２との接触部分を、容易に接合することができる。

本実施の形態のように、伝熱緩衝筒１３４の第１絞り部１５２は、プレス絞り加工によって、ＣＯ低減部１２３と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部分およびＣＯ除去部１２４と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部分と、一体的に作製してもよい。そのようにすれば、別々に作製したものを一体化する場合よりも容易に品質よく、第１絞り部１５２を有する伝熱緩衝筒１３４を作製することができる。

（実施の形態２）
以下、図２を用いて、実施の形態２を説明する。

［２－１．構成］
図２に示すように、本実施の形態の水素生成装置２００は、加熱部１２０と、蒸発部１２１と、改質部１２２と、ＣＯ低減部１２３と、ＣＯ除去部１２４と、伝熱緩衝空間１２５と、燃焼筒１３０と、加熱部隔壁１３１と、第１隔壁１３２と、第２隔壁１３３と、伝熱緩衝筒１３４と、区画部材１３５と、空気供給管１３６と、混合部１３７と、燃焼排ガス流路１４０と、リターン流路１４１とを、第１流路１４２と、第１ヘッダー流路１４３と、第２ヘッダー流路１４４と、水素含有ガス排出口１４５と、伝熱緩衝空間入口１５０と、吹き出し穴１５１と、第１絞り部１５２と、第２絞り部１５３と、を有している。

可燃性ガスには、原料ガス（都市ガスやＬＰガス）を用いることができ、その他にも、水素生成装置２００が燃料電池に水素含有ガスを燃料ガスとして供給する場合は、燃料電池で利用されずに燃料電池から排出される燃料ガス（アノードオフガス）を用いることができる。

燃焼筒１３０は、鉛直方向に中心軸を有し、加熱部１２０の外周を囲む円筒状で、加熱部１２０と同軸になるように配置されている。燃焼筒１３０は、燃焼筒１３０の内周側では、燃焼排ガスを下方（鉛直方向の下向き）に流し、燃焼筒１３０の外周側（燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との間に形成された燃焼排ガス流路１４０）では、燃焼排ガスを上方（鉛直方向の上向き）に流すための部材である。

水素生成装置２００は、加熱部１２０のバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスが、燃焼筒１３０の内周面に沿って燃焼筒１３０の内周側を下方に流れた後に、加熱部隔壁１３１の底部と燃焼筒１３０の下端との隙間を通って燃焼筒１３０の外周側に出て上方に折り返して流れ、燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との間に形成された燃焼排ガス流路１４０を通って、改質部１２２と熱交換した後に、蒸発部１２１と熱交換して、加熱部隔壁１３１における上部に設けられた燃焼排ガス出口管から水素生成装置２００の外部に排出されるように構成されている。

改質部１２２は、加熱部隔壁１３１と第１隔壁１３２における下部との隙間に改質触媒を充填して形成され、蒸発部１２１の下方で加熱部隔壁１３１を介して熱（加熱部１２０の熱と燃焼排ガスの熱）が伝えられ、蒸発部１２１から流出した原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応で一酸化炭素を含む一次水素含有ガスを生成するように構成されている。

伝熱緩衝筒１３４は、鉛直方向に中心軸を有する略円筒状で、外周面の外径が第１隔壁
１３２における下部の外周面の外径よりも大きい。伝熱緩衝筒１３４は、第１隔壁１３２における上部との間に伝熱緩衝用の空間が形成されるように、第１隔壁１３２における上部の外周面に固定されている。

改質部１２２から流出した一次水素含有ガスのうち、ＣＯ低減部１２３を通流せずに、伝熱緩衝筒１３４と第１隔壁１３２との間を通流して、水素生成装置２００の外に出てしまう一次水素含有ガスの量が許容量を超えないように、伝熱緩衝筒１３４下端部が、第１隔壁１３２に気密に接合される。

第２隔壁１３３は、第１隔壁１３２における上部の外周面を囲む部分の径が第１隔壁１３２における下部の外周面を囲む部分の径よりも大きい側面部と、外周端が側面部の上端部に接続され内周端が外筒２３２の外周面に接合されるドーナツ盤形状の上面部と、外周端が側面部の下端部に接続された円盤形状の底部と、を有する有底略円筒形の金属部材である。

第２隔壁１３３は、第２隔壁１３３におけるＣＯ低減触媒が充填されてＣＯ除去部１２４が構成されている部分よりも上部に、ＣＯ除去部１２４から第２ヘッダー流路１４４に流出した三次水素含有ガスを水素生成装置２００の外部に排出（供給）する水素含有ガス排出口１４５を有し、水素含有ガス排出口１４５に水素含有ガスの出口管が接続されている。

伝熱緩衝空間入口１５０は、燃焼筒１３０を挟んで空気供給管１３６の先端と対向する
位置で伝熱緩衝筒１３４に設けられる。

伝熱緩衝筒１３４は、ＣＯ低減部１２３の鉛直方向上方かつ伝熱緩衝空間入口１５０の鉛直方向下方において、筒径が第１隔壁１３２の筒径よりも大きく伝熱緩衝筒１３４における下端部および第１絞り部１５２を除いた部分の筒径よりも小さくなるように筒を部分的に縮径させた第２絞り部１５３を有する。

［２－２．動作］
以上のように構成された水素生成装置２００において、以下、その動作、作用を説明する。

加熱部１２０のバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスは、燃焼筒１３０の内周面に沿って燃焼筒１３０の内周側を下方に流れた後に、加熱部隔壁１３１の底部と燃焼筒１３０の下端との隙間を通って燃焼筒１３０の外周側に出て上方に折り返して、燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との間に形成された燃焼排ガス流路１４０を、改質部１２２と熱交換した後に、蒸発部１２１と熱交換して、加熱部隔壁１３１における上部に設けられた燃焼排ガス出口管から水素生成装置２００の外部に排出される。

水素生成装置２００において、蒸発部１２１に供給される原料ガスと水の比率が適正な比率となり、必要な量の水素含有ガスが生成されるように、原料ガスと水が供給管から蒸発部１２１に供給される。

本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを原料ガスとして用いるため、水素生成装置２００の蒸発部１２１で発生する水蒸気のモル数が、水素生成装置２００の蒸発部１２１に供給するメタンのモル数の３倍（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ比）が３）になり、必要な量の水素含有ガスが生成されるように、原料ガスと水が供給管から蒸発部１２１に供給される。

このとき、変成反応によって熱が発生するが、熱の一部は、伝熱緩衝筒１３４と第２隔壁１３３に伝わり、ＣＯ低減部１２３の温度は、変成反応に適した温度である２５０℃に維持される。

ここで、本実施の形態において１５０℃と例示したＣＯ除去触媒の温度は、典型的な温度であって、選択酸化反応を起こすＣＯ除去部１２４内の温度は、ＣＯ除去部１２４の構造や材質、大きさにも依存して変わる。選択酸化反応を起こすＣＯ除去部１２４内の温度は、例えば、１００℃～１８０℃の範囲で変動し得る。

プレス絞り加工によって一体的に作製することができる伝熱緩衝筒１３４が、ＣＯ低減部１２３と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部材と、ＣＯ除去部１２４と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部材と、特許文献２における空気混合筒に相当する部材（第１隔壁１３２との間に混合部１３７を構成する部材）と、を
兼ねるので、部品点数を少なくすることができる。

これにより、第１絞り部１５２を第１流路１４２と隣接する一部に備えることで、伝熱緩衝空間入口１５０から流入した空気と二次水素含有ガスとの混合ガスの下方向（ＣＯ低減部１２３と蒸発部１２１との間の伝熱緩衝空間１２５）への通流が抑制されるため、混合ガスの周方向への旋回が促進され、空気と二次水素含有ガスとの混合機能を向上することができる。

混合部１３７における空気と二次水素含有ガスとの混合性能が向上することでＣＯ除去部１２４に流入するガスに含まれるＣＯ濃度のバラつきが抑制され、三次水素含有ガスに含まれるＣＯ濃度のバラつきを抑制することができる。

また、第１絞り部１５２と下端部が第１隔壁１３２に固定された伝熱緩衝筒１３４と第１隔壁１３２とに温度差が生じた場合でも、第２絞り部１５３の上下方向の幅が伸縮するように変形することで、伝熱緩衝筒１３４と第１隔壁１３２とにおける熱膨張量差を吸収することができる。これにより、第１絞り部１５２と伝熱緩衝筒１３４の下端部における第１隔壁１３２に固定された箇所に熱応力が集中することを抑制できる。

［２－３．効果］
以上のように、本実施の形態において、水素生成装置２００は、加熱部１２０と、燃焼筒１３０と、加熱部隔壁１３１と、燃焼排ガス流路１４０と、第１隔壁１３２と、第２隔壁１３３と、伝熱緩衝筒１３４と、蒸発部１２１と、改質部１２２と、ＣＯ低減部１２３と、ＣＯ除去部１２４と、リターン流路１４１と、伝熱緩衝空間１２５と、区画部材１３５と、空気供給管１３６と、伝熱緩衝空間入口１５０と、吹き出し穴１５１と、第２ヘッダー流路１４４と、水素含有ガス排出口１４５と、を有する。

加熱部隔壁１３１は、鉛直方向に中心軸を有する有底筒状で、燃焼筒１３０との間に隙間を空けて燃焼筒１３０を収納するように構成されている。燃焼排ガス流路１４０は、燃焼筒１３０と加熱部隔壁１３１との隙間に形成され、上方に燃焼排ガスを流すように構成されている。

伝熱緩衝筒１３４における第１絞り部１５２よりも上方の部分は、第１隔壁１３２との
間に、第２ヘッダー流路１４４と連通する隙間を空けている。

本実施の形態の水素生成装置２００においては、プレス絞り加工等によって一体的に作製することができる伝熱緩衝筒１３４が、ＣＯ低減部１２３と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部材と、ＣＯ除去部１２４と蒸発部１２１との間に伝熱緩衝空間１２５を形成する部材と、特許文献２における空気混合筒に相当する部材（第１隔壁１３２との間に混合部１３７を構成する部材）と、を兼ねるので、部品点数を少なくすることができる。

本実施の形態の水素生成装置２００においては、伝熱緩衝筒１３４の上端部は第１隔壁に固定されず、伝熱緩衝筒１３４と第１隔壁１３２との間の伝熱緩衝空間が第２ヘッダー流路１４４と通ずるように開口状態になっている（伝熱緩衝筒１３４における第１絞り部１５２よりも上方の部分は、第１隔壁１３２との間に、第２ヘッダー流路１４４と連通する隙間を空けている）。

本実施の形態のように、伝熱緩衝筒１３４は、ＣＯ低減部１２３の鉛直方向上方かつ伝
熱緩衝空間入口１５０の鉛直方向下方において、筒径が第１隔壁１３２の筒径よりも大きく伝熱緩衝筒１３４における下端部および第１絞り部１５２を除いた部分の筒径よりも小さくなるように筒を部分的に縮径させた第２絞り部１５３を有してもよい。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１および実施の形態２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１および実施の形態２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

実施の形態１および実施の形態２における伝熱緩衝筒１３４の第１絞り部１５２と第１隔壁１３２との溶接は、ＴＩＧやレーザーによる貫通溶接が望ましい。これにより、第１絞り部１５２と第１隔壁１３２が径方向に隙間なく接合することができ、ＣＯ除去部１２４を通流せず混合部１３７から第２ヘッダー流路１４４へガスが漏れることを抑制することができる。そのため、水素生成装置１００または水素生成装置２００からＣＯ濃度が高い三次水素含有ガスが排出されることを抑制することができる。

実施の形態１および実施の形態２における伝熱緩衝筒１３４は、液圧プレスにより製造してもよい。これにより、伝熱緩衝筒１３４の真円に近い状態で加工することができ、第１隔壁１３２との径方向の隙間を小さくすることができる。そのため、伝熱緩衝筒１３４と第１隔壁１３２との貫通溶接時の溶接不良を抑制することができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、表面温度が異なる２つの側壁の間に、水に濡れると劣化する触媒等の材料を充填した構造物で、低温側の側壁面に結露水が発生するものに適用可能である。具体的には、一酸化炭素濃度が低い水素含有ガスを生成する水素生成装置や、不純物を除いてから水素ガスを供給する燃料電池発電装置や水素精製システムなどに適用可能である。

１００水素生成装置
１２０加熱部
１２１蒸発部
１２２改質部
１２３ＣＯ低減部
１２４ＣＯ除去部
１２５伝熱緩衝空間
１３０燃焼筒
１３１加熱部隔壁
１３２第１隔壁
１３３第２隔壁
１３４伝熱緩衝筒
１３５区画部材
１３６空気供給管
１３７混合部
１４０燃焼排ガス流路
１４１リターン流路
１４２第１流路
１４３第１ヘッダー流路
１４４第２ヘッダー流路
１４５水素含有ガス排出口
１５０伝熱緩衝空間入口
１５１吹き出し穴
１５２第１絞り部
１５３第２絞り部
２００水素生成装置

Claims

可燃ガスを燃焼して、燃焼排ガスを排出する加熱部と、
鉛直方向に中心軸を有する筒状で、前記燃焼排ガスが筒の内側を下方に向かって流れるように前記加熱部の外周を囲む燃焼筒と、
鉛直方向に中心軸を有する有底筒状で、前記燃焼筒との間に隙間を空けて前記燃焼筒を収納する加熱部隔壁と、
前記燃焼筒と前記加熱部隔壁との隙間に形成され、上方に前記燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、
鉛直方向に中心軸を有する略筒状で、下部の径が上部の径よりも大きく構成され、前記加熱部隔壁との間に隙間を空けて前記加熱部隔壁の外周を囲む第１隔壁と、
鉛直方向に中心軸を有し、前記第１隔壁との間に隙間を空けて前記第１隔壁の外周を囲む筒状の第２隔壁と、
前記第２隔壁の内周側で前記第１隔壁における前記上部の外周を囲み、下端部が前記第１隔壁における前記上部に固定される伝熱緩衝筒と、
前記加熱部隔壁と前記第１隔壁における前記上部との隙間に形成され、前記加熱部隔壁を介して伝わる熱で原料ガスと水とを加熱して、前記水を蒸発させる蒸発部と、
前記加熱部隔壁と前記第１隔壁における前記下部との隙間に改質触媒を充填して形成され、前記蒸発部の下方で前記加熱部隔壁を介して熱が伝えられ、前記蒸発部から流出した前記原料ガスと水蒸気との混合ガスから改質反応で一酸化炭素を含む一次水素含有ガスを生成する改質部と、
前記伝熱緩衝筒と前記第２隔壁との隙間における下部にＣＯ低減触媒を充填して形成され、前記改質部から流出した前記一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変性反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するＣＯ低減部と、
前記第２隔壁と前記伝熱緩衝筒との隙間における前記ＣＯ低減部の上方となる部分に、ＣＯ除去触媒を充填して形成され、前記ＣＯ低減部から排出される前記二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するＣＯ除去部と、
前記第１隔壁と前記第２隔壁との隙間における前記ＣＯ低減部よりも下方となる部分に形成され、前記改質部から流出し上方に流れるように折り返した前記一次水素含有ガスを前記ＣＯ低減部に導くリターン流路と、
前記第１隔壁と前記伝熱緩衝筒との隙間に、前記ＣＯ低減部と前記蒸発部との前記第１隔壁と前記伝熱緩衝筒とを介した熱交換と、前記ＣＯ除去部と前記蒸発部との前記第１隔壁と前記伝熱緩衝筒とを介した熱交換とが抑制されるように設けられた伝熱緩衝空間と、
内周側端部が前記伝熱緩衝筒に固定され、外周側端部が前記第２隔壁に固定され、前記ＣＯ低減部と前記ＣＯ除去部と前記第２隔壁と前記伝熱緩衝筒とで囲まれた空間を、上部空間である第１ヘッダー流路と、下部空間である第１流路とに区画するドーナツ盤形状の区画部材と、
前記第１流路に空気を供給する空気供給管と、
前記燃焼筒を挟んで前記空気供給管の先端と対向する位置で前記第１流路の前記空気と混合された前記二次水素含有ガスを前記伝熱緩衝空間に流入させるように前記伝熱緩衝筒に設けられた伝熱緩衝空間入口と、
前記伝熱緩衝空間の前記空気と混合された前記二次水素含有ガスを前記第１ヘッダー流路に流出させるように前記伝熱緩衝筒の周方向に間隔を空けて複数設けられた吹き出し穴と、
前記第１隔壁と前記第２隔壁との隙間における前記ＣＯ除去部よりも上方となる部分に形成され、前記ＣＯ除去部から前記三次水素含有ガスが流入する第２ヘッダー流路と、
前記第２ヘッダー流路と連通するように前記第２隔壁に形成され、前記三次水素含有ガスを外部へ排出する水素含有ガス排出口と、
を有する水素生成装置であって、
前記伝熱緩衝筒は、前記吹き出し穴の鉛直方向上方かつ前記ＣＯ除去部の鉛直方向下方において、前記第１隔壁に前記伝熱緩衝筒の一部が密接するように筒を部分的に縮径させた第１絞り部を有し、
前記伝熱緩衝筒における前記第１絞り部よりも上方の部分は、前記第１隔壁との間に、前記第２ヘッダー流路と連通する隙間を空けていることを特徴とする、水素生成装置。
前記伝熱緩衝筒は、前記ＣＯ低減部の鉛直方向上方かつ前記伝熱緩衝空間入口の鉛直方向下方において、筒径が前記第１隔壁の筒径よりも大きく前記伝熱緩衝筒における前記下端部および前記第１絞り部を除いた部分の筒径よりも小さくなるように筒を部分的に縮径させた第２絞り部を有することを特徴とする、請求項１に記載の水素生成装置。
前記伝熱緩衝筒の前記第１絞り部と前記第１隔壁との接触部分は、貫通溶接によって接合されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の水素生成装置。
前記伝熱緩衝筒は、プレス絞り加工によって一体的に作製されたものであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の水素生成装置。