JP4149510B2 - 水素生成装置及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、水素生成装置及びそれ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。
従来の水素生成装置は、改質反応を行う改質器と、変成反応を行う変成器と、酸化反応を行うＣＯ除去器とを備えて構成され、これらの各反応器の働きにより、水素の生成と一酸化炭素（ＣＯ）の低減を行い、水素主成分のガスを発生させている。
改質器では、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、またはＲｈ（ロジウム）等の貴金属からなる改質触媒を充填した改質触媒層を有し、これにより、少なくとも炭素と水素から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気から、改質触媒を用いた水蒸気改質反応により水素主成分の水素含有ガスが生成される。
変成器では、Ｐｔ等の貴金属、銅（Ｃｕ）−亜鉛（Ｚｎ）系材料または鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）系材料を含む変成触媒を充填した変成触媒層を有し、これにより、改質器より送出される水素含有ガス中のＣＯが、変成触媒を用いた変成反応により１％程度の濃度レベルまで除去される。
ＣＯ除去器は、ＲｕまたはＰｔ等の貴金属を含む酸化触媒を充填した酸化触媒層を有し、これにより、変成器から送出された水素含有ガス中のＣＯが、予め空気と混合されたうえで、酸化触媒を用いた酸化反応により所定のＣＯ濃度以下（例えば、２０ｐｐｍ以下）のレベルまで低減される。
上記従来の水素生成装置における改質器周辺の構成として、例えば、図９のようなものが示される。図９に示すように内筒２１及び外筒２２の間の環状空間に設けられた改質触媒層４は、内筒２１内部に設けられた燃焼ガス流路１１を流れる燃焼ガスにより６００℃〜７００℃に加熱されている。この状態で、原料供給器１から供給される原料と、水供給器２より供給され、蒸発器３で生成した水蒸気との混合ガスが改質触媒層４を通流することで水素含有ガスが生成され、改質触媒層４の外周に設けられた水素含有ガス流路２０に流出される（例えば、特許文献１ 図２参照）。
上記特許文献１に記載の水素生成装置において、改質触媒層４は上述のように燃焼ガス流路１１を流れる燃焼ガスにより６００℃〜７００℃に加熱されるが、通常、燃焼器６で形成される火炎の偏りにより、燃焼ガス流路１１内での燃焼ガス流量にも偏りを生じ、改質触媒層４の周方向において温度のばらつきが生じる。さらに、燃焼器６での上記火炎の偏りが大きくなると、火炎が偏った方向に位置する燃焼ガス流路１１を流れる燃焼ガスの流量が大きくなり、この燃焼ガス流路１１の外周に存在する改質触媒層４は、高温化が促進され、シンタリングが起こり、触媒の耐久性が損なわれる可能性がある。
このような問題に対して、燃焼部（燃焼器）の上部を覆い、改質装置の側壁上部に連結している天井部に、内側壁、中間壁、及び、外側壁を有する三重の壁面を形成して、天井部の貫通孔で折り返す、改質ガスの往路、及び改質ガスの復路を形成した改質装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示されている改質装置では、燃焼部での火炎の偏りにより、改質往路を通流する改質ガスが、改質触媒層の周方向において温度のばらつきが生じたとしても、温度のばらつきを有する改質ガスが、天井部に設けられた貫通孔に集められることで、温度差を有する改質ガスが、混合されて、温度のばらつきが低減される。
国際公開第００／６３１１４号パンフレット 特開２００２−３５６３０６号公報
しかしながら、上記特許文献２に開示されている改質装置であっても、内側壁を隔てて筒状の改質触媒層の内側を流れる燃焼ガスの流量の偏り等による改質触媒層における周方向の温度のばらつきに関しては、未だ改善の余地があった。
本発明は、上記従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、筒状の改質触媒層における周方向の温度のばらつきを低減し、改質触媒の耐久性を維持することが可能な水素生成装置及びこ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、本発明に係る水素生成装置は、その一端が第１蓋板で閉鎖された第１筒と、前記第１筒の内部空間に該第１筒の他端側から前記一端側に向かう火炎を形成して燃焼用燃料を燃焼するように構成された燃焼器と、前記燃焼ガスが前記第１筒の内面に沿って流れるように構成された燃焼ガス流路と、その一端が中央部に水素含有ガス通過口を有する第２蓋板で閉鎖され前記第１筒の外側に該第１筒と同軸状に、かつ、前記第２蓋板が前記第１蓋板と対向するように配置された第２筒と、前記第１筒と前記第２筒との間に形成された筒状の第１空間に配置された改質触媒層を備える改質器と、その一端が第３蓋板で閉鎖され前記第２筒の外側に該第２筒と同軸状に、かつ、前記第３蓋板が前記第２蓋板と対向するように配置された第３筒と、を備え、前記第１蓋板と前記第２蓋板との間に形成された第２空間及び前記第２蓋板と前記第３蓋板との間に形成された第３空間のうち少なくともいずれか一方の空間には、前記第１筒の周方向に並ぶように複数の水素含有ガスの旋回流路が形成され、各前記旋回流路は前記第１空間に連通する入口と、前記第２筒と前記第３筒との間に形成された筒状の第４空間に連通する出口と、を有し、前記入口の中心と前記出口の中心とが前記第１筒の中心軸の周りの角度位置において所定の角度ずれており、前記第１空間に前記第２筒の他端側から原料および水が供給され、これらが前記改質触媒層で前記燃焼ガス流路からの伝熱により改質反応して水素含有ガスが生成され、該水素含有ガスが、前記第１空間の前記第１筒の一端側から、前記第２空間と、前記第２蓋板の前記水素含有ガス通過口と、前記第３空間と、前記第４空間と、を通って外部に流出するよう構成されている。
これにより、第２空間及び第３空間のうち、少なくともいずれか一方の空間に設けられた旋回流路が、水素含有ガスを第１筒の中心軸を中心にして、所定の角度旋回させて、改質触媒層の外側に配置された第４空間を通流するように構成されているため、筒状の改質器(改質触媒層)における周方向の温度のばらつきが生じても、改質触媒層の高温部分の外側を低温の水素含有ガスが通流し、逆に、改質触媒層の低温部分の外側を高温の水素含有ガスが通流するので、改質触媒層における周方向の温度のばらつきを低減することができる。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記複数の旋回流路は前記第２空間に形成され、該第２空間に形成された各旋回流路（以下、第１旋回流路）の入口（以下、第１入口）は前記第１空間に連通し、各前記第１旋回流路の出口（以下、第１出口）は前記水素含有ガス通過口を介して前記第４空間に連通してもよい。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記第１旋回流路は、前記第１入口の中心と前記第１出口の中心とが前記第１筒の中心軸の周りの角度位置において１７０〜１９０度ずれていてもよい。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記第１旋回流路は、前記第２空間を前記第１筒の軸方向に延在する隔壁で区画するようにして形成されていてもよい。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記複数の旋回流路は前記第３空間に形成され、該第３空間に形成された各旋回流路（以下、第２旋回流路）の入口（以下、第２入口）は前記水素含有ガス通過口を介して前記第１空間に連通し、各前記第２旋回流路の出口（以下、第２出口）は前記第４空間に連通してもよい。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記第２旋回流路は、前記第２入口の中心と前記第２出口の中心とが前記第１筒の中心軸の周りの角度位置において１７０〜１９０度ずれていてもよい。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記第２旋回流路は、前記第３空間を前記第１筒の軸方向に延在する隔壁で区画するようにして形成されていてもよい。
また、本発明に係る水素生成装置は、内筒及び外筒と、前記内筒と前記外筒との間の環状空間に改質触媒層を有し、該改質触媒層を流れる原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、前記内筒の内部に前記改質触媒層を加熱する燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、前記内筒の内部に前記燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記外筒の外周に前記改質触媒層から流出する水素含有ガスが流れる水素含有ガス流路と、を備え、前記内筒及び前記外筒は前記改質触媒層における前記水素含有ガスの流れの下流側に第１蓋板及び第２蓋板を備え、前記第２蓋板の中央部に前記第１蓋板と第２蓋板の間の空間を流れる前記水素含有ガスが集合し、前記水素含有ガス流路へ流出するための水素含有ガス通過口を有する。
これにより、筒状の改質触媒層を通流する水素含有ガスが、改質触媒層における周方向の温度のばらつきを有していても、水素含有ガス通過口で集合して、混合されるため、水素含有ガスの温度のばらつきが低減される。また、温度のばらつきを低減された水素含有ガスが水素含有ガス流路を通流することにより、改質触媒層における周方向の温度のばらつきを低減することができる。さらに、改質触媒層における周方向の温度のばらつきを低減することにより、改質触媒の耐久性を維持することができる。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記空間には断熱材が充填されていてもよい。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記断熱材はアルミナを含んでいてもよい。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記改質触媒層が、前記空間に充填されていてもよい。
また、本発明に係る水素生成装置では、前記水素含有ガス通過口の近傍に温度検知器を備えてもよい。
さらに、本発明に係る水素生成装置では、前記燃焼器に燃料を供給する燃焼ガス調整器と、制御器と、をさらに備え、前記制御器は、前記温度検知器で検出された温度に基づき前記燃焼ガス調整器から前記燃焼器に供給される燃料供給量を調整してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記水素生成装置と、前記水素生成装置から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。
なお、本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムによれば、筒状の改質触媒層の内周を流れる燃焼ガス流量の偏りにより生じる改質触媒における周方向の温度のばらつきを低減し、改質触媒の耐久性を維持することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
[水素生成装置の構成]
図４は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。
図４に示すように、本実施の形態１に係る水素生成装置２３は、中心軸５０を共有する円筒状の燃焼筒２７と、内筒（第１筒）２１と、外筒（第２筒）２２と、路壁筒（第３筒）２８と、を有している。路壁筒２８の下端は、第３蓋板１５で閉鎖され、その上端は、外筒２２に接続された環状の板部材２９により閉鎖されている。また、外筒２２の下端は、中央部に厚み方向の貫通孔５が設けられた第２蓋板１４により閉鎖され、その上端は、内筒２１に接続された環状の板部材３０により閉鎖されている。また、内筒２１の下端は、第１蓋板１３により閉鎖され、その上端は、燃焼筒２７に接続された環状の板部材３１により閉鎖されている。さらに、燃焼筒２７の下端は、開放されており、その上端は、板部材３１に接続された蓋板３２により閉鎖されている。
蓋板３２には、バーナ（燃焼器）６が、燃焼筒２７の内部において、下方に延びるように配設されている。バーナ６には、後述するオフガス流路２５の下流端が接続されており、その上流端は、後述する燃料電池２４（図８参照）に接続されている。オフガス流路２５の途中には、燃料供給器７が設けられている。燃料供給器７には、原料ガス供給路４５の下流端が接続されていて、その上流端は、原料供給器１に接続されている。また、バーナ６には、空気供給路３５の下流端が接続されていて、その上流端は、空気供給器８に接続されている。燃料供給器７は、ここでは、三方弁で構成されており、また、空気供給器８は、その流量を調整可能な構成であればよく、例えば、その吐出流量を調整可能なポンプであってもよく、流量調整用バルブであってもよい。
そして、燃焼筒２７の内部空間が、燃焼空間３３を構成する。また、燃焼筒２７と内筒２１の間の空間が、燃焼ガス流路１１を構成する。燃焼ガス流路１１の下流側である内筒２１の上端部には、排気口１２が形成されていて、排気口１２には、適宜な配管が接続されている。この配管が燃焼ガス排出路３４を構成し、燃焼ガス排出路３４の下流端は、大気に開放されている。
これにより、バーナ６には、燃料電池２４で使用されなかった燃料ガス（オフガス）または、原料供給器１から都市ガスが、燃料（燃焼用燃料）として供給され、また、空気供給器８から燃焼用の空気が供給される。そして、バーナ６では、供給された燃焼用燃料と空気が燃焼空間３３で燃焼して燃焼ガスが生成され、生成された燃焼ガスは、燃焼筒２７の下端から流出し、第１蓋板１３の内表面に当たって反転し、燃焼ガス流路１１を通流する。このとき、燃焼ガス流路１１を構成する内筒２１からの伝熱により、改質器２６及び蒸発器３が加熱される。そして、燃焼ガス流路１１を通流した燃焼ガスは、燃焼ガス排出路３４を通流して、水素生成装置２３外に排出される。
内筒２１の上端部には、内筒２１と外筒２２との間に形成された筒状空間（以下、第１空間６１）と連通する原料供給用入口３６が形成されていて、該原料供給用入口３６には、原料供給路３７の下流端が接続されている。原料供給路３７の上流端は、原料供給器１に接続されている。原料供給器１は、脱硫器とその吐出流量を調整可能なポンプを有しており、都市ガスの配管３８と接続されている。また、内筒２１の上端部には、第１空間６１と連通する水供給用入口３９が形成されていて、該水供給用入口３９には、水供給路４０の下流端が接続されている。水供給路４０の上流端は、水供給器２に接続されている。水供給器２は、その吐出流量を調整可能なポンプから構成されており、市水に接続されている。
これにより、原料供給器１から原料である都市ガスが、脱硫器により都市ガスに付臭剤として含まれる硫黄化合物を吸着除去（脱硫）されて、原料供給路３７を通流して、第１空間６１の上部に供給され、水供給器２から水が、水供給路４０を通流して、第１空間６１の上部に供給される。なお、第１空間６１の上部が蒸発器３を構成する。
第１空間６１の下部には、改質触媒が充填された改質触媒層４が設けられている。この第１空間６１の改質触媒層４が設けられた空間と、改質触媒層４と、から改質器２６が構成される。また、第１空間６１における改質器２６の下流側で、第１蓋板１３と第２蓋板１４との間の空間（以下、第２空間４１という）には、第１旋回流路１８が設けられている。さらに、第２蓋板１４の中央部には、内筒２１の中心軸５０とその中心軸が一致するように、厚み方向に貫通孔５が設けられており、該貫通孔５が、水素含有ガス通過口５を構成する。そして、第２蓋板１４と第３蓋板１５との間の空間から第３空間４２が構成される。なお、第１旋回流路１８の詳細な説明は後述する。
これにより、改質器２６で原料と水蒸気が改質反応して、水素含有ガスが生成され、生成された水素含有ガスは、改質触媒層４の下流端から第２空間４１に流出し、第１旋回流路１８を通流して、水素含有ガス通過口５を通過して、第３空間４２に流出する。
また、外筒２２と路壁筒２８との筒状空間が、水素含有ガス流路（第４空間）２０を構成し、該水素含有ガス流路２０には、変成器及び浄化器（いずれも図示せず）が設けられている。そして、路壁筒２８の上端部には、水素含有ガス流路２０と連通するように、水素含有ガス出口４３が形成されていて、該水素含有ガス出口４３に燃料ガス供給路４４の上流端が接続されている。燃料ガス供給路４４の下流端は、燃料電池２４に接続されている。これにより、第３空間４２に流出された水素含有ガスは、水素含有ガス流路２０を通流する。このとき、図示されない変成器及び浄化器により、水素含有ガス中に含まれるＣＯが所定の濃度（例えば、２０ｐｐｍ）にまで低減される。そして、ＣＯを低減された水素含有ガスが、燃料ガス供給路４４を通流して燃料電池２４に供給される。
また、第３蓋板１５の中央部には、該第３蓋板１５を貫通して、第３空間４２にそのセンサ部が位置するように、温度検知器９が設けられている。温度検知器９は、水素含有ガス通過口５から流出する水素含有ガスの温度を検知し、検知した温度を制御器１０に伝達するように構成されている。温度検知器９には、熱電対やサーミスタ等を用いることができる。なお、温度検知器９は、ここでは、第３蓋板１５を貫通するように設けたが、これに限定されず、第２蓋板１５の外表面にそのセンサ部が位置するように設けてもよい。また、水素含有ガス通過口５から流出する水素含有ガスの正確な温度を検知する観点から、そのセンサ部が、内筒２１の中心軸（水素含有ガス通過口５の中心軸）５０上に位置するように設けられていることが好ましい。
そして、制御器１０は、マイコン等のコンピュータで構成されており、各種の制御を行う。特に、温度検知器９で検知した温度に基づき、原料供給器１から水素生成装置２３に供給される原料の流量等を制御している。
次に、第１旋回流路１８の構成について、図４、図５及び図１０を参照しながら詳細に説明する。
図５は、図４に示す水素生成装置２３の第１旋回流路１８の概略構成を示す模式図であり、図１０は、図４に示すＸ−Ｘ線断面図である。なお、図５においては、その一部を省略している。
図４、図５及び図１０に示すように、第１旋回流路１８は、第２空間４１に設けられており、ここでは、４つの第１旋回流路１８ａ〜１８ｄで構成されており、隔壁１９ａ〜１９ｄで形成されている。隔壁１９ａ〜１９ｄは、それぞれ、水素ガス含有ガス通過口５の開口部から外筒２２の内周面に向かって放射状に（第１筒２１の周方向に並ぶように）、かつ、渦巻き状に延びるように形成されており、水素含有ガス通過口５側端部と、内筒２１の中心軸５０と、外筒２２側端部と、の成す角度が１８０度になるように配置されている。また、隔壁１９ａ〜１９ｄの下端は、それぞれ、第２蓋板１４の第１蓋板１３と対向する側の主面（以下、内面という）と接続されており、その上端は、第１蓋板１３の第２蓋板１４と対向する側の主面（以下、外面という）に近接するように形成されている。換言すると、隔壁１９ａ〜１９ｄの高さ寸法は、第２空間４１の高さ（内筒２１の下端と外筒２２の下端との差）寸法と略同じになるように形成されており、隔壁１９ａ〜１９ｄの下端部は、第２蓋板１４の内面に接続されている。
そして、第２空間４１における隔壁１９ａと隔壁１９ｂの間の空間が、旋回流路１８ａを構成し、同様に、隔壁１９ｂと隔壁１９ｃの間の空間が旋回流路１８ｂを構成し、隔壁１９ｃと隔壁１９ｄの間の空間が旋回流路１８ｃを構成し、隔壁１９ｄと隔壁１９ａの間の空間が旋回流路１８ｄを構成する。旋回流路１８ａ〜１８ｄは、それぞれ、第１空間６１に連通する第１入口５１ａ〜５１ｄと水素含有ガス通過口５に連通する第１出口５３ａ〜５３ｄを有しており、第１入口５１ａ〜５１ｄのそれぞれの中心５２ａ〜５２ｄと第１出口５３ａ〜５３ｄのそれぞれの中心５４ａ〜５４ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置において所定の角度（ここでは、１８０度）ずれるように構成されている。ここで、第１入口５１ａの中心５２ａは、第１入口５１ａにおける隔壁１９ａの外筒２２側端部と隔壁１９ｂの外筒２２側端部とから等距離の位置をいい、同様に、第１出口５３ａの中心５４ａは、第１出口５３ａにおける隔壁１９ａの水素含有ガス通過口５側端部と隔壁１９ｂの水素含有ガス通過口５側端部とから等距離の位置をいう。なお、第１入口５１ｂ〜５１ｄのそれぞれの中心５２ｂ〜５２ｄ及び第１出口５３ｂ〜５３ｄのそれぞれの中心５４ｂ〜５４ｄについても、第１入口５１ａの中心５２ａ及び第１出口５３ａの中心５４ａと同様に構成されている。
これにより、改質器２６の改質触媒層４から流出した水素含有ガスは、旋回流路１８ａ〜１８ｄの入口５１ａ〜５１ｄに流入する。旋回流路１８ａ〜１８ｄのそれぞれの入口５１ａ〜５１ｄに流入した水素含有ガスは、図１０の一点鎖線に示すように、旋回流路１８ａ〜１８ｄを、中心軸５０を中心に１８０度旋回するように通流して、水素含有ガス通過口５に到り、水素含有ガス通過口５を通過する。このとき、水素含有ガスは、旋回流路１８ａ〜１８ｄをほぼ同じ速度で通流しており、また、水素含有ガスは比較的高温で粘性が高いため、図１０に示す水素含有ガス通過口５の点線部分近傍では、混合されるが、それ以外の部分では、混合されずに、下方に押し出されるようにして水素含有ガス通過口５を通過し、第３空間４２に流出される。そして、第３空間４２に流出された水素含有ガスは、混合されずにそのまま内筒２１の径方向に拡散するように第３空間４２を通流し、路壁筒２８の内面近傍に到り、水素含有ガス流路２０における旋回流路１８ａ〜１８ｄのそれぞれの入口５１ａ〜５１ｄに対して反対側の部分を通流する。
このため、以下の理由から、改質触媒層４が周方向に温度のばらつきが生じても、改質触媒層４の周方向の温度のばらつきを低減することができる。
例えば、燃焼器６で形成された火炎に偏りが生じて、火炎に近い側の改質触媒層４（図１０に示す領域Ａ）が高温になり、逆に、領域Ａと中心軸５０を挟んで反対側の改質触媒層４（図１０に示す領域Ｂ）は、燃焼器４で形成された火炎から離れた方向に位置し、低温になると考えられる。このような場合、高温側の改質触媒層４（領域Ａ）から流出した水素含有ガスは、低温側の改質触媒層４（領域Ｂ）から流出した水素含有ガスに比べて高温となる。
そして、高温側の改質触媒層４（領域Ａ）から流出した水素含有ガスは、旋回流路１８ｄを内筒２１の中心軸５０を中心に１８０度旋回するように通流し、高温の状態を保ったまま、水素含有ガス通過口５を通過し、そこから、第３空間４２を領域Ｂに向かって拡散しながら通流し、水素含有ガス流路２０における低温側の改質触媒層４（領域Ｂ）の外側の部分を通流する。これにより、低温側の改質触媒層４は、外筒２２を介して高温の水素含有ガスからの伝熱により加熱されて、温度が上昇する。
一方、低温側の改質触媒層４（領域Ｂ）から流出した水素含有ガスは、旋回流路１８ｂを内筒２１の中心軸５０を中心に１８０度旋回するように通流し、低温の状態を保ったまま、水素含有ガス通過口５を通過し、そこから、第３空間４２を領域Ａに向かって拡散しながら通流し、水素含有ガス流路２０における高温側の改質触媒層４（領域Ａ）の外側の部分を通流する。これにより、高温側の改質触媒層４は、外筒２２を介して低温の水素含有ガスに熱が奪われて、温度が下がる。
このように、低温側の改質触媒層４は、温度が上昇し、一方、高温側の改質触媒層４は、温度が下がるので、本実施の形態１に係る水素生成装置２３では、改質触媒層４における周方向の温度のばらつきを低減することができる。
なお、本実施の形態では、第１旋回流路１８を隔壁１９ａ〜１９ｄで構成し、第１旋回流路１８ａ〜１８ｄの第１入口５１ａ〜５１ｄのそれぞれの中心５２ａ〜５２ｄと第１出口５３ａ〜５３ｄのそれぞれの中心５４ａ〜５４ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置において１８０度ずらすことにより、第２空間４１に流入した水素含有ガスを内筒２１の中心軸５０を中心にして１８０度旋回させて、改質触媒層４における周方向の温度のばらつきを低減したが、これに限定されず、第１入口５１ａ〜５１ｄのそれぞれの中心５２ａ〜５２ｄと第１出口５３ａ〜５３ｄのそれぞれの中心５４ａ〜５４ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置において１７０〜１９０度程度の範囲でずれていれば、改質触媒層４から流出した水素含有ガスを内筒２１の中心軸５０を中心にして１８０度旋回させたときと同様の作用効果を得ることができる。
また、第１旋回流路１８によって、水素含有ガスが、内筒２１の中心軸５０を中心にして旋回する角度（第１入口５１ａ〜５１ｄのそれぞれの中心５２ａ〜５２ｄと第１出口５３ａ〜５３ｄのそれぞれの中心５４ａ〜５４ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置においての角度）は、内筒２１の中心軸５０を中心に、改質器２６（改質触媒層４）から流出する水素含有ガスの温度に基づき予め設定されるもの（改質触媒層４の高温部分と、内筒２１の中心軸５０と、改質触媒層４の低温部分と、の成す角度）であり、予め改質触媒層から流出する水素含有ガスの温度のばらつきを測定する、あるいは、改質触媒層４における水素含有ガスの温度分布をシミュレーションすることで、最適な角度を決めればよい。
[水素生成装置の動作]
次に、本実施の形態１に係る水素生成装置２３の動作について、図４、図５、及び図１０を参照しながら説明する。なお、以下の諸動作は、制御器１０が制御する。
まず、燃料供給器７は、原料供給器１を原料ガス供給路４５とオフガス流路２５を介して、バーナ６と接続する。ついで、原料供給器１から燃焼ガスが、原料供給路４５及びオフガス流路２５を通流してバーナ６に供給される。同時に、空気供給器８から燃焼用の空気が、空気供給路３５を通流してバーナ６に供給される。バーナ６では、供給された燃焼ガスと空気が燃焼して、燃焼ガスが生成する。生成した燃焼ガスは、燃焼筒２７の下端から流出し、第１蓋板１３の内表面に当たって反転し、燃焼ガス流路１１を通流し、燃焼ガス排出路３４を通流して、水素生成装置２３外に排出される。
また、原料供給器１から原料が、原料供給路３７を通流して水素生成装置２３の蒸発器３に供給され、また、水供給器２から水が、水供給路４０を通流して水素生成装置２３の蒸発器３に供給される。蒸発器３に供給された原料及び水は、蒸発器３を通流する間に加熱され、水は水蒸気になる。そして、この加熱された原料と水蒸気が、改質器２６に供給される。
改質器２６では、改質触媒層４で原料と水蒸気が改質反応して、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（水素含有ガス）が生成される。生成された改質ガスは、改質器２６の下端から流出し、第２空間４１に流入する。第２空間４１に流入した改質ガスは、旋回流路１８ａ〜１８ｄを、内筒２１の中心軸５０を中心に１８０度旋回するように通流して、ついで、水素含有ガス通過口５を通過し、第３空間４２に流出する。第３空間４２に流出した改質ガスは、混合されずにそのまま径方向に拡散するように、第３空間４２を通流し、水素含有ガス流路２０に供給される。
水素含有ガス流路２０に供給された改質ガスは、該水素含有ガス流路２０を通流する間に、図示されない変成器及び浄化器により、改質ガス中の一酸化炭素が所定の濃度（例えば、２０ｐｐｍ）にまで低減されて、燃料ガスが生成される。そして、生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路４４を通流して燃料電池２４に供給される。
このように、本実施の形態１に係る水素生成装置２３では、第２空間４１に設けられた第１旋回流路１８が、水素含有ガスを内筒２１の中心軸を中心にして、所定の角度（ここでは、１８０度）旋回させて、改質触媒層４の外側に配置された水素含有ガス流路２０を通流するように構成されているため、筒状の改質器２６(改質触媒層４)における周方向の温度のばらつきが生じても、改質触媒層４の高温部分の外側を低温の水素含有ガスが通流し、逆に、改質触媒層４の低温部分の外側を高温の水素含有ガスが通流するので、改質触媒層４における周方向の温度のばらつきを低減することができる。
（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図であり、図１２は、図１１に示す水素生成装置の第１旋回流路を示す模式図である。
図１１及び図１２に示すように、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置２３は、実施の形態１に係る水素生成装置２３と基本的構成は同じであるが、第１旋回流路１８が、隔壁１９ａ〜１９ｄと混合抑制壁４６ａ、４６ｂとで形成されている点で異なる。
具体的には、混合抑制壁４６ａは、隔壁１９ｂと隔壁１９ｄの水素含有ガス通過口５側端を水素含有ガス通過口５の上において接続するように設けられ、混合抑制壁４６ｂは、隔壁１９ａと隔壁１９ｃの水素含有ガス通過口５側端を水素含有ガス通過口５の上において接続し、かつ、水素含有ガス通過口５の中心上において混合抑制壁４６ａと交差（ここでは、直交）するように設けられている。そして、混合抑制壁４６ａ、４６ｂの高さ寸法は、隔壁１９ａ〜１９ｄと略同じになるように形成されている。
これにより、旋回流路１８ａ〜１８ｄを通流した水素含有ガスが、水素含有ガス通過口で混合されるのを抑制することができる。
このような本実施の形態２に係る水素生成装置２３についても、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図であり、図７は、図６に示す水素生成装置の第２旋回流路を示す模式図である。
図６及び図７に示すように、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置２３は、実施の形態１に係る水素生成装置２３と基本的構成は同じであるが、第２空間４１に第１旋回流路１８を設けずに、第３空間４２に第２旋回流路４８が設けられている点で異なる。
第２旋回流路４８は、第２旋回流路４８ａ〜４８で構成されており、隔壁４７ａ〜４７ｄで形成されている。隔壁４７ａ〜４７ｄは、それぞれ、その下端が第３蓋板１５の第２蓋板１４と対向する側の主面と接続されており、その上端が第２蓋板の裏面に近接するように形成されている点以外は、実施の形態１の隔壁１９ａ〜１９ｄと同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
また、第３空間４２における隔壁４７ａと隔壁４７ｂの間の空間が、旋回流路４８ａを構成し、同様に、隔壁４７ｂと隔壁４７ｃの間の空間が旋回流路４８ｂを構成し、隔壁４７ｃと隔壁４７ｄの間の空間が旋回流路４８ｃを構成し、隔壁４７ｄと隔壁４７ａの間の空間が旋回流路４８ｄを構成する。旋回流路４８ａ〜４８ｄは、それぞれ、水素含有ガス通過口５に連通する第２入口５５ａ〜５５ｄと、水素含有ガス流路２０に連通する第２出口５７ａ〜５７ｄと、を有しており、第２入口５５ａ〜５５ｄのそれぞれの中心５６ａ〜５６ｄと第２出口５７ａ〜５７ｄのそれぞれの中心５８ａ〜５８ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置において所定の角度（ここでは、１８０度）ずれるように構成されている。ここで、第２入口５５ａの中心５６ａは、第２入口５５ａにおける隔壁４７ａの水素含有ガス通過口５側端部と隔壁４７ｂの水素含有ガス通過口５側端部とから等距離の位置をいい、同様に、第２出口５７ａの中心５８ａは、第２出口５７ａにおける隔壁４７ａの外筒２２側端部と隔壁４７ｂの外筒２２側端部とから等距離の位置をいう。なお、第２入口５５ｂ〜５５ｄのそれぞれの中心５６ｂ〜５６ｄ及び第２出口５７ｂ〜５７ｄのそれぞれの中心５８ｂ〜５８ｄについても、第２入口５５ａの中心５６ａ及び第２出口５７ａの中心５８ａと同様に構成されている。
そして、水素含有ガス通過口５の開口部を適宜な大きさで設計することで、改質器２６の改質触媒層４から第２空間４１に流出された水素含有ガスを、混合されることなく、内筒２１の中心軸５０（水素含有ガス通過口５）に向かって内筒２１の径方向に通流させて、水素含有ガス通過口５に到り、そこから、下方に押し出されるようにして水素ガス含有ガス通過口５を通過させることができる。
これにより、改質触媒層４における周方向の温度のばらつきが生じた場合、改質触媒層４を通流する水素含有ガスにも温度のばらつきが生じ、水素含有ガスを、その温度のばらつきを維持した状態で水素含有ガス通過口５を通過させることができる。そして、水素含有ガス通過口５を通過した水素含有ガスを、旋回流路４８ａ〜４８ｄを内筒２１の中心軸５０を中心にして予め設定される所定の角度（ここでは、１８０度）旋回するように通流させることにより、高温の水素含有ガスを低温側の改質触媒層４の外側に位置する水素含有ガス流路２０に供給することができ、また、低温の水素含有ガスを高温側の改質触媒層４の外側に位置する水素含有ガス流路２０に供給することができる。
このようにして、本実施の形態３に係る水素生成装置においても、改質触媒層４の周方向における温度のばらつきを低減することができる。
なお、本実施の形態では、第２旋回流路４８を４つの隔壁４７ａ〜４７ｄで形成し、第２旋回流路４８の第２入口５５ａ〜５５ｄのそれぞれの中心５６ａ〜５６ｄと第２出口５７ａ〜５７ｄのそれぞれの中心５８ａ〜５８ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置において１８０度ずらすことにより、第３空間４２に流入した水素含有ガスを内筒２１の中心軸５０を中心にして１８０度旋回させて、改質触媒層４における周方向の温度のばらつきを低減したが、これに限定されず、第２入口５５ａ〜５５ｄのそれぞれの中心５６ａ〜５６ｄと第２出口５７ａ〜５７ｄのそれぞれの中心５８ａ〜５８ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置において１７０〜１９０度程度の範囲でずれていれば、改質触媒層４から流出した水素含有ガスを内筒２１の中心軸５０を中心にして１８０度旋回させたときと同様の作用効果を得ることができる。
また、第２旋回流路４８によって、水素含有ガスが、内筒２１の中心軸５０を中心にして旋回する角度（第２入口５５ａ〜５５ｄのそれぞれの中心５６ａ〜５６ｄと第２出口５７ａ〜５７ｄのそれぞれの中心５８ａ〜５８ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置においての角度）は、内筒２１の中心軸５０を中心に、改質器２６（改質触媒層４）から流出する水素含有ガスの温度に基づき予め設定されるもの（改質触媒層４の高温部分と、内筒２１の中心軸５０と、改質触媒層４の低温部分と、の成す角度）であり、予め改質触媒層から流出する水素含有ガスの温度のばらつきを測定する、あるいは、改質触媒層４における水素含有ガスの温度分布をシミュレーションすることで、最適な角度を決めればよい。
（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図であり、図１４は、図１３に示すＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図であり、図１５は、図１３に示すＸＶ−ＸＶ線断面図である。
図１３乃至図１５に示すように、本発明の実施の形態４に係る水素生成装置２３は、実施の形態１の水素生成装置と基本的構成は同じであるが、第２空間４１に第１旋回流路１８を設け、かつ、第３空間４２に第２旋回流４８を設け、第１及び第２旋回流路１８、４８の２つの旋回流路により、改質触媒層４から流出された水素含有ガスを予め設定される角度（例えば、１８０度）旋回させる点が異なる。
具体的には、第１旋回流路１８は、実施の形態１に係る水素生成装置２３の第１旋回流路１８と基本的構成は同じであるが、第１旋回流路１８を構成する第１旋回流路１８ａ〜１８ｄが、第１入口５１ａ〜５１ｄのそれぞれの中心５２ａ〜５２ｄと第１出口５３ａ〜５３ｄのそれぞれの中心５４ａ〜５４ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置においての角度が９０度になるように形成されている。また、第２旋回流路４８は、実施の形態３に係る水素生成装置２３における第２旋回流路４８と基本的構成は同じであるが、第２旋回流路４８を構成する第２旋回流路４８ａ〜４８ｄが、第２入口５５ａ〜５５ｄのそれぞれの中心５６ａ〜５６ｄと第２出口５７ａ〜５７ｄのそれぞれの中心５８ａ〜５８ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置においての角度が９０度になるように形成されている。さらに、隔壁１９ａ〜１９ｄの水素含有ガス通過口５側端に混合抑制壁４６ａ、４６ｂが設けられ、同様に、隔壁４７ａ〜４７ｄの水素含有ガス通過口５側端にも混合抑制壁４６ａ、４６ｂが設けられている。
これにより、改質器２６の改質触媒層４の下流端から流出された水素含有ガスは、第１旋回流路１８ａ〜１８ｄを内筒２１の中心軸５０を中心にして９０度旋回するように通流し、水素含有ガス通過口５を通過する。水素含有ガス通過口５を通過した水素含有ガスは、第２旋回流路４８ａ〜４８ｄを内筒２１の中心軸５０を中心にして９０度旋回するように通流し、水素含有ガス流路２０に供給される。すなわち、改質器２６の改質触媒層４の下流端から流出された水素含有ガスは、第１及び第２旋回流路１８、４８を通流することにより、内筒２１の中心軸５０を中心にして１８０度旋回することとなる。
このため、高温の水素含有ガスを低温側の改質触媒層４の外側に位置する水素含有ガス流路２０に供給することができ、また、低温の水素含有ガスを高温側の改質触媒層４の外側に位置する水素含有ガス流路２０に供給することができる。
このようにして、本実施の形態４に係る水素生成装置においても、改質触媒層４の周方向における温度のばらつきを低減することができる。
なお、本実施の形態では、第１及び第２旋回流路１８、４８を４つの隔壁１９ａ〜１９ｄ及び４７ａ〜４７ｄで形成し、第１及び第２旋回流路１８、４８によって、改質器２６から流出された水素含有ガスを内筒２１の中心軸５０を中心にして１８０度旋回して、水素含有ガス流路２０に流入するように構成したが、これに限定されず、第１旋回流路１８の第１入口５１ａ〜５１ｄのそれぞれの中心５２ａ〜５２ｄと、第２旋回流路４８の第２出口５７ａ〜５７ｄのそれぞれの中心５８ａ〜５８ｄと、が内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置において１７０〜１９０度程度の範囲でずれていれば、改質触媒層４から流出した水素含有ガスを内筒２１の中心軸５０を中心にして１８０度旋回させたときと同様の作用効果を得ることができる。
また、第１及び第２旋回流路４８によって、水素含有ガスが、内筒２１の中心軸５０を中心にして旋回する角度（第１入口５１ａ〜５１ｄのそれぞれの中心５２ａ〜５２ｄと第１出口５３ａ〜５３ｄのそれぞれの中心５４ａ〜５４ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置においての角度と第２入口５５ａ〜５５ｄのそれぞれの中心５６ａ〜５６ｄと第２出口５７ａ〜５７ｄのそれぞれの中心５８ａ〜５８ｄとが内筒２１の中心軸５０の周りの角度位置においての角度）は、内筒２１の中心軸５０を中心に、改質器２６（改質触媒層４）から流出する水素含有ガスの温度に基づき予め設定されるもの（改質触媒層４の高温部分と、内筒２１の中心軸５０と、改質触媒層４の低温部分と、の成す角度）であり、予め改質触媒層から流出する水素含有ガスの温度のばらつきを測定する、あるいは、改質触媒層４における水素含有ガスの温度分布をシミュレーションすることで、最適な角度を決めればよい。
さらに、本実施の形態では、第１旋回流路１８による水素含有ガスの旋回させる角度と第２旋回流路４８による水素含有ガスの旋回させる角度を共に９０度としたが、上記予め設定される角度が決定すれば、第１及び第２旋回流路１８、４８による水素含有ガスの旋回させる角度を別々に設定してもよい。
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図８に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム１００は、水素生成装置２３と燃料電池２４を備えている。水素生成装置２３は、上記実施の形態１に係る水素生成装置２３を使用している。
燃料電池２４は、アノードとカソード（いずれも図示せず）を有しており、アノードには、水素生成装置２３から燃料ガス供給路４４を介して燃料ガスが供給され、カソードには、図示されない酸化剤ガス供給器から酸化剤ガスが供給される。そして、燃料電池２４では、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとが、電気化学的に反応して、電力と熱が発生する。また、燃料電池２４で使用されなかった余剰の燃料ガスは、オフガスとしてオフガス流路２５を通流して水素生成装置２３のバーナ６に供給される。
また、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００では、水素生成装置２３の制御器１０が、燃料電池システム１００全体の制御を行うように構成されている。なお、ここでは、制御器１０が、単独の制御器として、料電池システム１００全体の制御を行うように構成されているが、これに限定されず、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００の動作を制御するように構成されていてもよい。
このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る水素生成装置２３を使用することにより、水素生成装置２３内の改質器２６（改質触媒層４）における周方向の温度のばらつきが低減され、水素生成装置２３における改質触媒の耐久性を維持することが可能になる。また、改質器２６（改質触媒層４）における周方向の温度のばらつきが低減されるため、温度検知器９で検知される水素含有ガスの温度のばらつきも低減される。このため、安定した改質器２６の温度制御が可能になり、燃料電池２４に適切な水素供給がなされ、燃料電池システム１００の運転を安定して継続することが可能になる。
なお、上記実施の形態１〜４において、第１旋回流路１８を、第２空間４１を隔壁１９ａ〜１９ｄで区画して形成し、また、第２旋回流路４８を、第３空間４２を隔壁４７ａ〜４７ｄで形成したが、これに限定されず、ノズルのような形状に形成してもよい。また、内筒２１、外筒２２、及び路壁筒２８を、円筒としたが、これに限定されず、内筒２１、外筒２２、及び路壁筒２８は筒状であればよく、例えば、正多角形であってもよい。
（参考例１）
図１は、参考例１に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、水素生成装置２３は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機系化合物を含む原料の流量を調整してこれを水素生成装置２３に供給するための原料供給器１と、水の流量を調整してこれを水素生成装置２３に供給するための水供給器２と、水供給器２からの水を蒸発させ、水蒸気と原料との混合ガスを生成する蒸発器３と、内筒（第１筒）２１及び外筒（第２筒）２２の間の環状空間に設けられ、上記混合ガスが供給される改質触媒層４と、内筒２１及び外筒２２の改質触媒層４における水素含有ガス流れに対して下流側にそれぞれ設けられた第１蓋板１３及び第２蓋板１４と、改質触媒層４より流出した水素含有ガスが拡散混合される第１空間１６と、第２蓋板１４の中央部に設けられ、第１空間１６の水素含有ガスが集合する水素含有ガス通過口５と、蒸発器３や改質触媒層４の内側に配置され、蒸発器３と改質触媒層４を加熱する燃焼ガスを生成するバーナ６と、図示されない変成器と、浄化器と、を備えている。なお、内筒２１及び外筒２２の間の環状空間と改質触媒層４から改質器２６が構成される。本発明の燃焼器であるバーナ６には、可燃性ガスを含んだ燃料（燃焼用燃料:オフガスや原料ガス）を供給するオフガス流路２５と、燃料の燃焼に必要な空気を供給する空気供給路３５が接続されている。オフガス流路２５の途中には、燃料供給器７が設けられ、該燃料供給器７は、原料供給器１と原料ガス供給路４５で接続されている。また、空気供給路３５の下流端には、空気供給器８が設けられている。そして、本参考例１に係る水素生成装置２３では、水素含有ガス通過口５近傍に設置された温度検知器９からの信号に基づき制御器１０が、燃料供給器７（正確には、原料供給器１を介して）からの燃料供給量や、空気供給器８からの空気供給量を制御するように構成されている。バーナ６により生じた燃焼ガスは、改質触媒層４及び蒸発器３の内壁に相当する内筒２１の内部に設けられた燃焼ガス流路１１を通過して排気口１２から排気される。水素含有ガス通過口５から流出する水素含有ガスは外筒２２を介して改質触媒層４の外周に設けられた水素含有ガス流路２０を通過して、水素生成装置２３より送出される。
上記の原料供給器１、水供給器２、および空気供給器８はそれぞれ、供給物（原料、水、燃料および空気）の流量を調整可能な構成であればよく、これらの供給部１、２、及び８は、例えば、供給物の吐出流量を調整可能なポンプであっても良く、流量調整用バルブであっても良い。また、燃料供給器７は、三方弁で構成されており、バーナ６の接続先を原料供給器１または後述する燃料電池２４に切り替えるように構成されている。
温度検知器９は、水素含有ガス通過口５から流出する水素含有ガスの温度と関連性の高い温度を検知可能な場所であればいずれの箇所に設置されても構わない。例えば、水素含有ガス通過口５近傍の水素含有ガス流路内に設置してもよく、また、水素含有ガス通過口５より流出したガスが接触する第３蓋板１５の表面温度を検知可能な箇所に設置してもよい。また、温度検知部器９としては、熱電対やサーミスタなどから、検知温度範囲、及び熱耐久性などを考慮して適宜選択すればよい。
ここで、水素含有ガス通過口５は、水素生成装置２４の下部に位置する第２蓋板１４のほぼ中央に設置されている。これにより、燃焼ガス流路１１を流れる燃焼ガス流量の周方向の偏りにより改質触媒層４で周方向に温度のばらつきが生じても、改質触媒層４から流出する水素含有ガスを一箇所に集めることで、温度差が生じている水素含有ガスが混合されてほぼ均一な温度状態となるとともに、第２蓋板１４の中央部に水素含有ガス通過口５が設置されていることで、水素含有ガス通過口５から流出した水素含有ガスが改質触媒層４の外周の水素含有ガス流路２０に流入するまでの距離が略同等になり、改質触媒層４の外周の水素含有ガス流路２０を通過する水素含有ガス温度及び流量を環状の水素含有ガス流路２０の周方向においてほぼ同じにすることができる。従って、改質触媒層４に周方向の温度のばらつきが生じたとしても、改質触媒層４の外周からの加熱状態がほぼ同じなため、改質触媒層４における周方向の温度のばらつきを低減することができる。
一方、図９に示すような上記従来の水素生成装置においては、改質触媒層４から流出した水素含有ガスは改質触媒層の外周の水素含有ガス流路１１に流入するまでに積極的に混合されガス温度の均一化がはかられることがないため、改質触媒層の周方向の温度分布ばらつきが大きい場合、高温の改質触媒層４より流出した高温の水素含有ガスは水素含有ガス流路１１にて高温の改質触媒層４の周囲を通過し、低い温度の水素含有ガスは低い改質触媒層４の周囲を通過するため、改質触媒層４における周方向の温度のばらつきが維持されることになる。
また、温度検知器９を水素含有ガス通過口５の近傍に設置して水素含有ガスの温度を検知することで、たとえ改質触媒層４が周方向に多少の温度のばらつきが生じていたとしても、水素含有ガス通過口５においてほぼ均一化された水素含有ガスの温度を検知することができるため、この温度検知器９の検知温度を、改質触媒層４の温度状態で決まる改質器の代表温度として使用することができる。
一方、図９に示されるような従来の水素生成装置では、改質触媒層４から流出する水素含有ガスの温度を検知し、これを改質器の代表温度として使用すると、燃焼器６により形成された火炎の偏りの変化により改質触媒層４に生じる周方向の温度のばらつきも変化するため、この検知温度を代表温度として制御器１０により制御することは好ましくない。これは、従来の水素生成装置において、改質触媒層４から流出する水素含有ガスの温度を検知した場合、あるタイミングでは高温に偏った水素含有ガスの温度を検知し、別のタイミングでは低温に偏った水素含有ガスの温度が代表温度として検知され、この検知温度に基づき制御器１０が、燃焼ガス調整器７もしくは空気供給器８を制御すると、改質触媒の温度が上昇し過ぎてシンタリングを生じたり、改質触媒層４の温度が低下し過ぎて十分な水素含有ガスが生成されなかったりして水素生成装置２３を安定して運転継続することが困難になる。
以上により、本参考例１の水素生成装置２３は、改質触媒層４における周方向の温度のばらつきを抑えることができ、改質触媒の耐久性を良好に保つことができる。また、水素含有ガス通過口５の近傍に温度検知器９を設けることで改質器の代表温度として偏った温度ではなく、平均化された温度を検出することが可能になるため、温度検出器９の検出温度に基づき安定した水素生成装置２３の運転を行うことが可能になる。
なお、本参考例では、水素含有ガス通過口５は、第２蓋板１４の中央部に一つの開口部を設ける構成としたが、第２蓋板１４の中央部で第１空間１６の水素含有ガスが集合して、混合可能であればどのような構成であっても構わない。例えば、複数の小孔の集まりを中央部に設けるような構成でも良い。
（参考例２）
図２は、参考例２に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。
本参考例２に係る水素生成装置２３は、参考例１に係る水素生成装置２３に付加的な構成を設けたものであるから、参考例１と異なる箇所のみ説明する。
図２に示すように、本参考例２に係る水素生成装置２３は、内筒２１の第１蓋板１３と外筒２２の第２蓋板１４との間の第１空間１６に粒状のアルミナを充填したアルミナ層を１７設置している。
アルミナ層１７がなければ、バーナ６からの燃焼ガスにより高温化した第１蓋板１３からの輻射により第２蓋板１４が高温化され、さらに第２蓋板１４からの輻射により第３蓋板１５が高温化し、水素生成装置２３から放熱してしまう。バーナ６で生成される熱を有効に使用しなければ、改質器２６で水素を生成するために多くの燃料を要し水素生成装置の効率が悪くなる。
そこで、本参考例２のようにアルミナ層１７を設置することで、高温化した第１蓋板１３からの熱をアルミナ層１７が受けることで改質器外への放熱を抑制し、バーナ６の熱を有効に利用することができる。
なお、本参考例では、充填物をアルミナとしたが、断熱性能があり第１空間１６に存在するガスを流通させることができるものであればどのような材料でも良い。
（参考例３）
図３は、本参考例３に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。
図３に示すように、本参考例３に係る水素生成装置２３は、参考例１に係る水素生成装置２３に、内筒２１の第１蓋板１３と外筒２２の第２蓋板１４との間の第１空間１６にも改質触媒を充填したものである。
これにより、バーナ６からの燃焼ガスにより高温化した第１蓋板１３からの熱を第１空間１６の改質触媒が受けることで、改質器２６からの放熱を抑制できるとともに、第１空間１６の改質触媒層においても改質反応を進行させることができる。従って、参考例１の水素生成装置２３と同じ構造体サイズ及びバーナ６からの供給熱量で水素生成量を増加させることができ、水素生成装置２３の効率をより向上させることができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の水素生成装置は、筒状の改質触媒層の内周を流れる燃焼ガス流量の偏りにより生じる改質触媒の周方向の温度のばらつきを低減し、改質触媒の耐久性を維持することが可能になり、例えば、家庭用の燃料電池システム用の水素生成装置として有用である。
図１は、参考例１の水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、参考例２の水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図３は、参考例３の水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図５は、図４に示す水素生成装置の第１旋回流路の概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図７は、図６に示す水素生成装置の第２旋回流路を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図９は、従来の水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図１０は、図４に示すＸ−Ｘ線断面図である。 図１１は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図１２は、図１１に示す水素生成装置の第１旋回流路を示す模式図である。 図１３は、本発明の実施の形態４に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図１４は、図１３に示すＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。 図１５は、図１３に示すＸＶ−ＸＶ線断面図である。
符号の説明
１ 原料供給器
２ 水供給器
３ 蒸発器
４ 改質触媒層
５ 水素含有ガス通過口
６ バーナ（燃焼器）
７ 燃料供給器
８ 空気供給器
９ 温度検知器
１０ 制御器
１１ 燃焼ガス流路
１２ 排気口
１３ 第１蓋板
１４ 第２蓋板
１５ 第３蓋板
１６ 第１空間
１７ アルミナ層
１８ 第１旋回流路
１８ａ 第１旋回流路
１８ｂ 第１旋回流路
１８ｃ 第１旋回流路
１８ｄ 第１旋回流路
１９ａ 隔壁
１９ｂ 隔壁
１９ｃ 隔壁
１９ｄ 隔壁
２０ 水素含有ガス流路（第４空間）
２１ 内筒（第１筒）
２２ 外筒（第２筒）
２３ 水素生成装置
２４ 燃料電池
２５ オフガス流路
２６ 改質器
２７ 燃焼筒
２８ 路壁筒（第３筒）
２９ 板部材
３０ 板部材
３１ 板部材
３２ 蓋部材
３３ 燃焼空間
３４ 燃焼ガス排出路
３５ 空気供給路
３６ 原料供給用入口
３７ 原料供給路
３８ 配管
３９ 水供給用入口
４０ 水供給路
４１ 第２空間
４２ 第３空間
４３ 水素含有ガス出口
４４ 燃料ガス供給路
４５ 原料ガス供給路
４６ａ 混合抑制壁
４６ｂ 混合抑制壁
４７ａ 隔壁
４７ｂ 隔壁
４７ｃ 隔壁
４７ｄ 隔壁
４８ 第２旋回流路
４８ａ 第２旋回流路
４８ｂ 第２旋回流路
４８ｃ 第２旋回流路
４８ｄ 第２旋回流路
５０ 中心軸
５１ａ 第１入口
５１ｂ 第１入口
５１ｃ 第１入口
５１ｄ 第１入口
５２ａ 中心
５２ｂ 中心
５２ｃ 中心
５２ｄ 中心
５３ａ 第１出口
５３ｂ 第１出口
５３ｃ 第１出口
５３ｄ 第１出口
５４ａ 中心
５４ｂ 中心
５４ｃ 中心
５４ｄ 中心
６１ 第１空間
１００ 燃料電池システム
Ａ 領域
Ｂ 領域

Claims (10)

  1. その一端が第１蓋板で閉鎖された第１筒と、
    前記第１筒の内部空間に該第１筒の他端側から前記一端側に向かう火炎を形成して燃焼用燃料を燃焼するように構成された燃焼器と、
    前記燃焼ガスが前記第１筒の内面に沿って流れるように構成された燃焼ガス流路と、
    その一端が中央部に水素含有ガス通過口を有する第２蓋板で閉鎖され前記第１筒の外側に該第１筒と同軸状に、かつ、前記第２蓋板が前記第１蓋板と対向するように配置された第２筒と、
    前記第１筒と前記第２筒との間に形成された筒状の第１空間に配置された改質触媒層を備える改質器と、
    その一端が第３蓋板で閉鎖され前記第２筒の外側に該第２筒と同軸状に、かつ、前記第３蓋板が前記第２蓋板と対向するように配置された第３筒と、を備え、
    前記第１蓋板と前記第２蓋板との間に形成された第２空間及び前記第２蓋板と前記第３蓋板との間に形成された第３空間のうち少なくともいずれか一方の空間には、前記第１筒の周方向に並ぶように複数の水素含有ガスの旋回流路が形成され、各前記旋回流路は前記第１空間に連通する入口と、前記第２筒と前記第３筒との間に形成された筒状の第４空間に連通する出口と、を有し、前記入口の中心と前記出口の中心とが前記第１筒の中心軸の周りの角度位置において所定の角度ずれており、
    前記第１空間に前記第２筒の他端側から原料および水が供給され、これらが前記改質触媒層で前記燃焼ガス流路からの伝熱により改質反応して水素含有ガスが生成され、該水素含有ガスが、前記第１空間の前記第１筒の一端側から、前記第２空間と、前記第２蓋板の前記水素含有ガス通過口と、前記第３空間と、前記第４空間と、を通って外部に流出するよう構成されている、水素生成装置。
  2. 前記複数の旋回流路は前記第２空間に形成され、該第２空間に形成された各旋回流路（以下、第１旋回流路）の入口（以下、第１入口）は前記第１空間に連通し、各前記第１旋回流路の出口（以下、第１出口）は前記水素含有ガス通過口を介して前記第４空間に連通する、請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 前記第１旋回流路は、前記第１入口の中心と前記第１出口の中心とが前記第１筒の中心軸の周りの角度位置において１７０〜１９０度ずれている、請求項２に記載の水素生成装置。
  4. 前記第１旋回流路は、前記第２空間を前記第１筒の軸方向に延在する隔壁で区画するようにして形成されている、請求項２に記載の水素生成装置。
  5. 前記複数の旋回流路は前記第３空間に形成され、該第３空間に形成された各旋回流路（以下、第２旋回流路）の入口（以下、第２入口）は前記水素含有ガス通過口を介して前記第１空間に連通し、各前記第２旋回流路の出口（以下、第２出口）は前記第４空間に連通する、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
  6. 前記第２旋回流路は、前記第２入口の中心と前記第２出口の中心とが前記第１筒の中心軸の周りの角度位置において１７０〜１９０度ずれている、請求項５に記載の水素生成装置。
  7. 前記第２旋回流路は、前記第３空間を前記第１筒の軸方向に延在する隔壁で区画するようにして形成されている、請求項５に記載の水素生成装置。
  8. 前記水素含有ガス通過口の近傍に温度検知器を備える、請求項１に記載の水素生成装置。
  9. 前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給器と、
    制御器と、をさらに備え、
    前記制御器は、前記温度検知器で検出された温度に基づき前記燃料供給器から前記燃焼器に供給される燃料供給量を調整する、請求項８に記載の水素生成装置。
  10. 請求項１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。
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