JP4687886B2

JP4687886B2 - 燃料電池用水素発生装置

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Publication number: JP4687886B2
Application number: JP2005289020A
Authority: JP
Inventors: 琢也梶田; 昭藤生; 佳展西村; 正天門脇; 康司佐藤; 健佐村; 後藤　　晃
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Eneos Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007099538A

Description

本発明は、燃料電池用水素発生装置に関するものであり、さらに詳しくは、都市ガスなどの原料炭化水素系燃料ガスなどの水素原子を分子中に有する有機化合物を含有する燃料の水蒸気改質により水素リッチガスを生成して燃料電池などに供給する燃料電池用水素発生装置に関するものである。

従来、都市ガスなどの原料炭化水素系燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチガスを生成し、得られた水素リッチガスの化学エネルギーを燃料電池によって直接電気エネルギーに変換するシステムが知られている。
燃料電池は、水素と酸素を燃料とするものであり、この水素の生成には、天然ガスなどの炭化水素成分、メタノールなどのアルコール、あるいはナフサなどの分子中に水素原子を有する有機化合物を原料とし、水蒸気で改質する方法が広く用いられている。このような水蒸気を用いた改質反応は吸熱反応である。このため、水蒸気改質を行う水素発生装置は、原料および水蒸気、改質反応を行う改質触媒を加熱して高温にする必要がある。水素の生成効率を考えた場合、この時消費する熱量をできるだけ少なくすることが望ましい。

ナフサなどの有機化合物を原料とし、これを水蒸気で改質する反応は水素や二酸化炭素の生成の他に一酸化炭素を副生成する。溶融炭酸塩形などの高温タイプの燃料電池は、水蒸気改質時に副生成した一酸化炭素も燃料として利用することができる。しかし、動作温度の低い低りん酸形燃料電池では、電池電極として使用する白金系触媒が一酸化炭素により被毒されるため、十分な発電特性が得られなくなる。そこで動作温度の低い燃料電池に用いる水素発生装置は、改質後の改質ガス中に含まれる一酸化炭素と、水を反応させるためのＣＯ変成器を設ける。また、りん酸形燃料電池よりもさらに動作温度が低い固体高分子形燃料電池では発電特性を落とさないために、さらに、一酸化炭素を選択的に酸化させ一酸化炭素を低減するＣＯ除去器を設ける。

以上のように、動作温度が低い固体高分子形燃料電池用の燃料としてナフサなどを原料として改質して水素を生成する時は、有機化合物の水蒸気改質反応、一酸化炭素の変成反応、一酸化炭素の選択酸化反応が必要とされる。
上記各過程における反応は、反応温度が大きく異なるため、各反応器が適正温度になるよう制御することが重要である。有機化合物の水蒸気改質反応温度を最も高くし、次いで、一酸化炭素の変成反応、一酸化炭素の選択酸化反応と順に反応温度を低くする必要がある。また、水素発生装置としての運転効率を高くするためには各反応器で余剰熱を回収し、温度制御することが望まれる。

図５に従来の燃料電池用水素発生装置を示す（例えば、特許文献１参照）。従来の燃料電池用水素発生装置１Ａは、前記燃料と水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を充填して触媒層２を形成した直立する改質管３（およそ７００℃、吸熱反応）と、前記燃料を前記改質管３に供給する燃料供給部４と、前記水を前記改質管３に供給する水供給部５と、前記改質管３の内側に設置された燃焼管６での燃焼用燃料の燃焼により前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段７と、前記改質管３の外側に改質ガスの通路８を形成するように配置された外管９と、その外周に前記改質管３より放熱される熱を断熱する断熱手段１０と、前記改質管３から流出する改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変成する変成触媒１１を具備したＣＯ変成器１２（およそ２００〜３００℃、発熱反応）と、前記構成材を収納する図示しない容器とからなり、内側から燃焼管６、改質管３、外管９、断熱手段１０、ＣＯ変成器１２および図示しない容器の順に各々を同心円状に配置した燃料電池用水素発生装置１Ａが記載されている。

１３は改質ガス供給管路である。改質管３から流出する改質ガスは改質器３の外側の通路８を通り水供給部５で熱交換した後、改質ガス供給管路１３を経て燃料電池用水素発生装置１Ａの側部からＣＯ変成器１２の上方に供給される。

ＣＯ変成器１２は内管１４と変成器外管１５と断熱手段側外管１０−１からなる３重管構造を有し、変成器外管１５に変成触媒１１を備えている。ＣＯ変成器１２へ供給された改質ガスは断熱手段１０側の内管１４に導入し、次いで変成器外管１５へ導入して変成触媒１１に接触させて、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて水素と二酸化炭素とに変成し、変成された変成ガスは変成ガス出口管路１６から図示しないＣＯ除去器へ送られ、選択酸化触媒と接触して（およそ１００〜２００℃、発熱反応）変成ガス中に含まれる一酸化炭素を空気または酸素と反応させて二酸化炭素にされて、ＣＯが除去され、得られた水素リッチガスは、図示しない燃料電池の水素極に連続的に供給されて、空気極に供給される空気との間で電池反応を起こして発電する。

この従来の燃料電池用水素発生装置１Ａは、改質管３中の改質用触媒の燃焼排ガスによる加熱を効率よく行えるようになり、また反応温度が大きく異なる改質器３、ＣＯ変成器１２を一体化して、各反応器での余剰熱を回収して有効に使用して各反応器を最適温度に精度よくコントロールでき、熱効率が高く、構造が簡単で、小型化可能であるという特徴を有している。
特開２００２−３３５４７４号公報

しかし、従来の燃料電池用水素発生装置１Ａは、ＣＯ変成器１２へ供給された改質ガスの流れが周方向において不均一になり、図６に模式的に示したように改質ガスの流量が変成ガス出口管路１６側近傍で多いが、離れるに従って段々少なくなり、改質ガス供給管路１３側では非常に少なくなり、このように改質ガスが変成触媒１１に不均一に供給されるため、変成触媒１１が有効に使われる箇所とそうでない箇所が発生する。その結果、ＣＯ変成器１２における反応効率が悪くなり、変成触媒１１の触媒量を増やす必要が生じるなど、装置の小型化や低コスト化を阻害する問題があった。

本発明の目的は、従来の燃料電池用水素発生装置の問題を解決し、ＣＯ変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向において均一にして、改質ガスが変成触媒に均一に供給されるようにして、変成触媒が有効に使われない箇所をなくして、反応効率の向上を図り、触媒量の低減を可能にするとともに、熱効率が高く、構造が簡単で、小型化や低コスト化可能な燃料電池用水素発生装置を提供することである。

前記の課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池用水素発生装置は、水素原子を分子中に有する有機化合物を含有する燃料と水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を充填して触媒層を形成した直立する改質管と、前記燃料を前記改質管に供給する燃料供給部と、前記水を前記改質管に供給する水供給部と、前記改質管の内側に設置された燃焼管での燃焼用燃料の燃焼により前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段と、前記改質管の外側に改質ガスの通路を形成するように配置された外管と、その外周に前記改質管より放熱される熱を断熱する断熱手段と、前記改質管から流出する改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変成する変成触媒を具備したＣＯ変成器と、前記構成材を収納する容器とからなり、
内側から燃焼管、改質管、外管、断熱手段、ＣＯ変成器、および容器の順に各々を同心円状に配置した燃料電池用水素発生装置であって、
前記ＣＯ変成器へ供給された前記改質ガスを周方向に均一に分散させて前記変成触媒に供給する分散供給手段を備え、
前記ＣＯ変成器は少なくとも内管と前記変成触媒を具備した変成器外管とからなる２重管構造を有し、前記ＣＯ変成器へ装置上方から貫通して連結された改質ガス供給管を経て供給された前記改質ガスを前記断熱手段側の前記内管に導入し、次いで前記変成器外管に導入する構成としたＣＯ変成器を用い、
前記分散供給手段として、前記改質ガスを前記改質ガス供給管から前記内管に導入する改質ガス通路に前記内管の管壁を上方に延在させて邪魔板を形成し、前記邪魔板の前記改質ガス供給管側の圧力をＰ１、前記邪魔板の前記内管側の圧力をＰ２とした時、Ｐ１とＰ２が次式（１）の関係となるように構成したことを特徴とする。
Ｐ１＞Ｐ２式（１）

本発明の請求項２記載の燃料電池用水素発生装置は、請求項１記載の燃料電池用水素発生装置において、前記改質ガス供給管を２つ以上設けたことを特徴とする。

本発明の請求項３記載の燃料電池用水素発生装置は、請求項１記載の燃料電池用水素発生装置において、前記邪魔板の上部先端までの高さをＨ２、前記邪魔板の上部先端と前記ＣＯ変成器の天面内壁面までの距離をＨ１、前記変成器外管の内壁面と前記邪魔板との間隙をＤ１、前記邪魔板と前記内管の壁面と前記断熱手段側の壁面との間隙をＤ２、前記改質ガス供給管外面と前記邪魔板との間隙をＤ３、前記改質ガス供給管の下部先端と前記外管の天面外壁との間隙をｈ、前記改質ガス供給管の内径をｄとした時、Ｈ１とＤ２が次式（２）の関係となるように構成し、そして必要に応じてＤ２とＤ３が次式（３）の関係となるように構成し、さらに必要に応じてＨ２とｈが次式（４）、Ｄ１とｄが次式（５）の関係となるように構成したことを特徴とする。
Ｄ２＞Ｈ１式（２）
Ｄ２＞Ｄ３式（３）
Ｈ２＞ｈ式（４）
Ｄ１＞ｄ式（５）

本発明の請求項４記載の燃料電池用水素発生装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の記載の燃料電池用水素発生装置において、前記ＣＯ変成器で変成された変成ガスの出口通路に後部邪魔板を形成し、前記後部邪魔板の前記ＣＯ変成器側の圧力をＰ３、前記後部邪魔板の前記ＣＯ変成器と反対側の圧力をＰ４とした時、Ｐ３とＰ４が次式（６）の関係となるように構成したことを特徴とする。
Ｐ３＞Ｐ４式（６）

本発明の請求項１記載の燃料電池用水素発生装置は、水素原子を分子中に有する有機化合物を含有する燃料と水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を充填して触媒層を形成した直立する改質管と、前記燃料を前記改質管に供給する燃料供給部と、前記水を前記改質管に供給する水供給部と、前記改質管の内側に設置された燃焼管での燃焼用燃料の燃焼により前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段と、前記改質管の外側に改質ガスの通路を形成するように配置された外管と、その外周に前記改質管より放熱される熱を断熱する断熱手段と、前記改質管から流出する改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変成する変成触媒を具備したＣＯ変成器と、前記構成材を収納する容器とからなり、
内側から燃焼管、改質管、外管、断熱手段、ＣＯ変成器、および容器の順に各々を同心円状に配置した燃料電池用水素発生装置であって、
前記ＣＯ変成器へ供給された前記改質ガスを周方向に均一に分散させて前記変成触媒に供給する分散供給手段を備え、
前記ＣＯ変成器は少なくとも内管と前記変成触媒を具備した変成器外管とからなる２重管構造を有し、前記ＣＯ変成器へ装置上方から貫通して連結された改質ガス供給管を経て供給された前記改質ガスを前記断熱手段側の前記内管に導入し、次いで前記変成器外管に導入する構成としたＣＯ変成器を用い、
前記分散供給手段として、前記改質ガスを前記改質ガス供給管から前記内管に導入する改質ガス通路に前記内管の管壁を上方に延在させて邪魔板を形成し、前記邪魔板の前記改質ガス供給管側の圧力をＰ１、前記邪魔板の前記内管側の圧力をＰ２とした時、Ｐ１とＰ２が前記式（１）の関係となるように構成したことを特徴とするものであり、
改質管の内管の内側に燃焼管を設置し、この燃焼管での燃焼用燃料の燃焼により改質反応に必要な熱量を触媒層に供給し、改質ガスは前記改質管の外側と外管の間に形成した改質ガスの通路を通過させ、一方、燃焼排ガスを改質管の内管の内側および外管の外周に供給するようにすると、改質管中の改質触媒は内側から排ガスにより加熱されるとともに、外管側からも排ガスにより加熱されるので、改質ガスにより熱を奪われるのを抑制でき、加熱効率が向上する。
そして、燃焼用燃料の燃焼により改質反応に必要な熱量を与える加熱手段の燃焼管を中心に設置し、その周りに改質管、その周りに外管、その外部に断熱手段を配置し、その外部にＣＯ変成器を配置し、１つの容器に各々を同心円状に収納して一体化して、簡素な構成とし、小型化可能になるとともに、各反応器での余剰熱を回収して有効に使用して、各反応器を最適温度に精度よくコントロールでき、熱効率が高い。
そして、ＣＯ変成器へ供給された改質ガスを周方向に均一に分散させて変成触媒に均一に供給する分散供給手段を備えたので、ＣＯ変成器へ供給された改質ガスの流れが周方向において均一になり、改質ガスを変成触媒に均一に供給でき、変成触媒が有効に使われない箇所がなくなり、その結果、反応効率が向上し、触媒量の低減が可能になり、構造が簡単で、小型化や低コスト化可能となるという、顕著な効果を奏する。
そして、Ｐ１とＰ２が前記式（１）の関係となるように構成したので、ＣＯ変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向において確実に均一にすることができるというさらなる顕著な効果を奏する。

本発明の請求項２記載の燃料電池用水素発生装置は、請求項１記載の燃料電池用水素発生装置において、前記改質ガス供給管を２つ以上設けたことを特徴とするものであり、
ＣＯ変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向において容易に均一にすることができるという、さらなる顕著な効果を奏する。

本発明の請求項３記載の燃料電池用水素発生装置は、請求項１記載の燃料電池用水素発生装置において、前記邪魔板の上部先端までの高さをＨ２、前記邪魔板の上部先端と前記ＣＯ変成器の天面内壁面までの距離をＨ１、前記変成器外管の内壁面と前記邪魔板との間隙をＤ１、前記邪魔板と前記内管の壁面と前記断熱手段側の壁面との間隙をＤ２、前記改質ガス供給管外面と前記邪魔板との間隙をＤ３、前記改質ガス供給管の下部先端と前記外管の天面外壁との間隙をｈ、前記改質ガス供給管の内径をｄとした時、Ｈ１とＤ２が前記式（２）の関係となるように構成し、そして必要に応じてＤ２とＤ３が前記式（３）の関係となるように構成し、さらに必要に応じてＨ２とｈが前記式（４）、Ｄ１とｄが前記式（５）の関係となるように構成したことを特徴とするものであり、
ＣＯ変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向において容易に確実に均一にすることができるという、さらなる顕著な効果を奏する。

本発明の請求項４記載の燃料電池用水素発生装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用水素発生装置において、前記ＣＯ変成器で変成された変成ガスの出口通路に後部邪魔板を形成し、前記後部邪魔板の前記ＣＯ変成器側の圧力をＰ３、前記後部邪魔板の前記ＣＯ変成器と反対側の圧力をＰ４とした時、Ｐ３とＰ４が前記式（６）の関係となるように構成したことを特徴とするものであり、
ＣＯ変成器へ供給された改質ガスの流れを周方向においてさらに一層容易に確実に均一にすることができるという、さらなる顕著な効果を奏する。

以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（１）第１実施形態：
図１は、本発明の燃料電池用水素発生装置の１実施の形態を示す断面説明図である。
図２は、図１に示した本発明の燃料電池用水素発生装置の分散供給手段を説明する説明図である。
本発明の燃料電池用水素発生装置１は、前記燃料と水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を充填して触媒層２を形成した直立する改質管３（およそ７００℃、吸熱反応）と、前記燃料を改質管３に供給する燃料供給部４と、前記水を改質管３に供給する水供給部５と、改質管３の内側に設置された燃焼管６での燃焼用燃料の燃焼（前記燃料の一部あるいは燃料電池から送られるオフガスと燃焼用空気を用いバーナで燃焼する）により前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段７と、改質管３の外側に改質ガスの通路８を形成するように配置された外管９と、その外周に改質管３より放熱される熱を断熱する断熱手段１０と、改質管３から流出する改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて水素と二酸化炭素とに変成する変成触媒１１を具備したＣＯ変成器１２（およそ２００〜３００℃、発熱反応）と、前記構成材を収納する図示しない容器とからなり、
内側から燃焼管６、改質管３、外管９、断熱手段１０、ＣＯ変成器１２および図示しない容器の順に各々が同心円状に配置されている。

１３は改質ガス供給管路である。改質ガス供給管路１３は装置上方から貫通してＣＯ変成器１２へ改質ガスを供給するように固定して連結されている。改質管３から流出する改質ガスは改質器３の外側の通路８を通り水供給部５で熱交換した後、改質ガス供給管路１３を経てＣＯ変成器１２の上方に供給される。

ＣＯ変成器１２は内管１４と変成器外管１５と断熱手段側外管１０−１からなる３重管構造を有し、変成器外管１５に変成触媒１１を備えている。

そして、改質ガスを改質ガス供給管１３から内管１４に導入する改質ガス通路１７に内管１４の管壁を上方に延在させて邪魔板１８を形成してある。ＣＯ変成器１２へ供給された改質ガスは断熱手段１０側の内管１４に導入し、次いで変成器外管１５へ導入して変成触媒１１に接触させて、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて水素と二酸化炭素とに変成する。

前記のように邪魔板１８を形成したので、邪魔板１８の改質ガス供給管１３側の圧力をＰ１、邪魔板１８の内管１４側の圧力をＰ２とすると、Ｐ１＞Ｐ２の関係が得られる。
その結果、ＣＯ変成器１２へ供給された改質ガスの流れをＣＯ変成器１２の周方向において均一にすることができる。改質ガスを変成触媒１１に均一に供給できるので、変成触媒１１が有効に使われない箇所がなくなり、反応効率が向上し、触媒量の低減が可能になる。

そして、本発明の燃料電池用水素発生装置１は、改質管３の内側に燃焼管６を設置し、この燃焼管６での燃焼用燃料の燃焼により改質反応に必要な熱量を触媒層２に供給し、改質ガスは改質管３と外管９との間に形成した改質ガスの通路８を通過させ、一方、燃焼排ガスは改質管３と燃焼管６の間を下方に通した後、外管９の外周と断熱手段１０との間に供給するようになっている。外管９の外周と断熱手段１０との間に供給された燃焼排ガスは上方で水供給部５で熱交換した後に管路２０を経て排出される。

原料炭化水素系などの燃料ガスは、水蒸気が添加された後に改質管３に送られる。水蒸気が添加された燃料ガスは改質管３の触媒層２と接触して触媒反応（およそ７００℃、吸熱反応）により水素に富むガス（水素リッチガス）に水蒸気改質する。
燃焼排ガスの熱が外管９側から改質管３に伝わり、改質管３中の改質触媒２は内側から排ガスにより加熱されるとともに、外管９側からも排ガスにより加熱されるので、改質ガスにより熱を奪われるのを抑制でき、加熱効率が向上する。

断熱手段１０は、改質管３より放熱される熱を断熱でき熱効率の向上が図れ、望ましくは隣接するＣＯ変成器１２とほぼ同じ温度（およそ２００〜３００℃）にその表面温度がなるように断熱材の材質や厚みが選定されることが好ましい。断熱材の材質は２００〜３００℃に維持できる材質であればよく、セラミックファイバー、アルミナ、シリカなどのケイ素系材質、ロックウールなどを挙げることができる。これらの中でもセラミックファイバー、アルミナ、シリカなどのケイ素系材質の粉末、粒子、粉末をかためた成形物などは耐熱性が高く、また熱伝導率が適当であるため、断熱材の厚みを薄くでき、断熱材の厚みを薄くしてもその表面温度が２００〜３００℃になる材質であるので、本発明において好ましく使用できる。
断熱材の表面温度を２００〜３００℃に制御することにより、ＣＯ変成器１２における反応温度をおよそ２００〜３００℃の最適温度に精度よくコントロールできる。

（２）第２実施形態：
第２実施形態における本発明の他の燃料電池用水素発生装置１Ｂは、図３に示したように、前記燃料電池用水素発生装置１の前記改質ガス供給管１３を途中で分岐して改質ガス供給管１３−１を設け、本発明の燃料電池用水素発生装置１の改質ガス供給管路１３と同様に、装置上方から貫通してＣＯ変成器１２へ改質ガスを供給するように固定して連結されている以外は、図１に示した本発明の燃料電池用水素発生装置１と同様になっている。
改質管３から流出する改質ガスは改質器３の外側の通路８を通り水供給部５で熱交換した後、改質ガス供給管路１３および改質ガス供給管１３−１を経て２箇所からＣＯ変成器１２の上方に供給される。
改質ガスを２箇所からＣＯ変成器１２の上方に供給すれば、改質ガスを変成触媒１１により均一に供給できるので、変成触媒１１が有効に使われない箇所がなくなり、反応効率が向上し、触媒量の低減が可能になる。
改質ガスの供給箇所は２箇所に限定されず、２箇所以上設けることができる。改質ガスの供給箇所を２箇所以上設けると、ＣＯ変成器１２へ供給された改質ガスの流れを周方向においてさらに均一にすることができる。

（３）第３実施形態：
本発明の他の燃料電池用水素発生装置は、図２に示したように内管１４の管壁を上方に延在させて形成された邪魔板１８の上部先端までの高さをＨ２、邪魔板１８の上部先端とＣＯ変成器１２の天面内壁面までの距離をＨ１、変成器外管１５の内壁面と邪魔板１８との間隙をＤ１、邪魔板１８と内管１４の壁面と断熱手段１０側の壁面（断熱手段側外管１０−１の壁面）との間隙をＤ２、改質ガス供給管１３外面と邪魔板１８との間隙をＤ３、改質ガス供給管１３の下部先端と変成器外管１５の天面外壁１９との間隙をｈ、改質ガス供給管１３の内径をｄとした時、Ｈ１とＤ２が前記式（２）の関係となるように構成し、そして必要に応じてＤ２とＤ３が前記式（３）の関係となるように構成し、さらに必要に応じてＨ２とｈが前記式（４）、Ｄ１とｄが前記式（５）の関係となるように構成した以外は、図１に示した本発明の燃料電池用水素発生装置１と同様になっている。
ＣＯ変成器１２へ供給された改質ガスの流れを周方向において容易に確実に均一にすることができる。

（４）第４実施形態：
本発明の他の燃料電池用水素発生装置１Ｃは、図４に示したようにＣＯ変成器１２で変成された変成ガスの出口通路２１にオリフィス、メッシュ、パンチングメタルなどからなる後部邪魔板１８−１を形成し、後部邪魔板１８−１のＣＯ変成器１２側の圧力をＰ３、後部邪魔板１８−１のＣＯ変成器１２と反対側の圧力をＰ４とした時、Ｐ３＞Ｐ４となるように構成した以外は、図１に示した本発明の燃料電池用水素発生装置１と同様になっている。
後部邪魔板１８−１を形成し、Ｐ３＞Ｐ４となるように構成したことにより、ＣＯ変成器１２へ供給された改質ガスの流れを周方向においてさらに一層容易に確実に均一にすることができる。

上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の燃料電池用水素発生装置は、改質管の内管の内側に燃焼管を設置し、この燃焼管での燃焼用燃料の燃焼により、改質反応に必要な熱量を触媒層に供給し、改質ガスは前記改質管の外側と外管の間に形成した改質ガスの通路を通過させ、一方、燃焼排ガスを改質管の内側および外管の外周に供給するようにすると、改質管中の改質触媒は内側から排ガスにより加熱されるとともに、外管側からも排ガスにより加熱されるので、改質ガスにより熱を奪われるのを抑制でき、加熱効率が向上し、そして、燃焼用燃料の燃焼により改質反応に必要な熱量を与える加熱手段の燃焼管を中心に設置し、その周りに改質管、その周りに外管、その外部に断熱手段を配置し、その外部にＣＯ変成器を配置し、１つの容器に各々を同心円状に収納して一体化して、簡素な構成とし、小型化可能になるとともに、各反応器での余剰熱を回収して有効に使用して、各反応器を最適温度に精度よくコントロールでき、熱効率が高い。
本発明の燃料電池用水素発生装置は、ＣＯ変成器へ供給された改質ガスを周方向に均一に分散させて変成触媒に均一に供給する分散供給手段を備えたので、ＣＯ変成器へ供給された改質ガスの流れが周方向において均一になり、改質ガスを変成触媒に均一に供給でき、変成触媒が有効に使われない箇所がなくなり、その結果、反応効率が向上し、触媒量の低減が可能になり、構造が簡単で、小型化や低コスト化可能となるという、顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。

本発明の燃料電池用水素発生装置の１実施の形態を示す断面説明図である。図１に示した本発明の燃料電池用水素発生装置の分散供給手段を説明する説明図である。本発明の燃料電池用水素発生装置の他の実施の形態を示す断面説明図である。本発明の燃料電池用水素発生装置の他の実施の形態を示す断面説明図である。従来の燃料電池用水素発生装置の断面説明図である。従来の燃料電池用水素発生装置のＣＯ変成器へ改質ガスを供給した時の改質ガスの分散状況を模式的に説明する説明図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ燃料電池用水素発生装置
２触媒層
３改質管
４燃料供給部
５水供給部
６燃焼管
７加熱手段
８通路
９外管
１０断熱手段
１０−１断熱手段側外管
１１変成触媒
１２ＣＯ変成器
１３、１３−１改質ガス供給管路
１４内管
１５変成器外管
１６変成ガス出口管路
１７改質ガス通路
１８邪魔板
１９天面外壁
２０管路
２１出口通路

Claims

水素原子を分子中に有する有機化合物を含有する燃料と水を反応させて水素リッチなガスに改質する改質用触媒を充填して触媒層を形成した直立する改質管と、前記燃料を前記改質管に供給する燃料供給部と、前記水を前記改質管に供給する水供給部と、前記改質管の内側に設置された燃焼管での燃焼用燃料の燃焼により前記改質反応に必要な熱量を与える加熱手段と、前記改質管の外側に改質ガスの通路を形成するように配置された外管と、その外周に前記改質管より放熱される熱を断熱する断熱手段と、前記改質管から流出する改質ガス中に含まれる一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変成する変成触媒を具備したＣＯ変成器と、前記構成材を収納する容器とからなり、
内側から燃焼管、改質管、外管、断熱手段、ＣＯ変成器、および容器の順に各々を同心円状に配置した燃料電池用水素発生装置であって、
前記ＣＯ変成器へ供給された前記改質ガスを周方向に均一に分散させて前記変成触媒に供給する分散供給手段を備え、
前記ＣＯ変成器は少なくとも内管と前記変成触媒を具備した変成器外管とからなる２重管構造を有し、前記ＣＯ変成器へ装置上方から貫通して連結された改質ガス供給管を経て供給された前記改質ガスを前記断熱手段側の前記内管に導入し、次いで前記変成器外管に導入する構成としたＣＯ変成器を用い、
前記分散供給手段として、前記改質ガスを前記改質ガス供給管から前記内管に導入する改質ガス通路に前記内管の管壁を上方に延在させて邪魔板を形成し、前記邪魔板の前記改質ガス供給管側の圧力をＰ１、前記邪魔板の前記内管側の圧力をＰ２とした時、Ｐ１とＰ２が次式（１）の関係となるように構成したことを特徴とする燃料電池用水素発生装置。
Ｐ１＞Ｐ２式（１）
前記改質ガス供給管を２つ以上設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用水素発生装置。
前記邪魔板の上部先端までの高さをＨ２、前記邪魔板の上部先端と前記ＣＯ変成器の天面内壁面までの距離をＨ１、前記変成器外管の内壁面と前記邪魔板との間隙をＤ１、前記邪魔板と前記内管の壁面と前記断熱手段側の壁面との間隙をＤ２、前記改質ガス供給管外面と前記邪魔板との間隙をＤ３、前記改質ガス供給管の下部先端と前記外管の天面外壁との間隙をｈ、前記改質ガス供給管の内径をｄとした時、Ｈ１とＤ２が次式（２）の関係となるように構成し、そして必要に応じてＤ２とＤ３が次式（３）の関係となるように構成し、さらに必要に応じてＨ２とｈが次式（４）、Ｄ１とｄが次式（５）の関係となるように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用水素発生装置。
Ｄ２＞Ｈ１式（２）
Ｄ２＞Ｄ３式（３）
Ｈ２＞ｈ式（４）
Ｄ１＞ｄ式（５）
前記ＣＯ変成器で変成された変成ガスの出口通路に後部邪魔板を形成し、前記後部邪魔板の前記ＣＯ変成器側の圧力をＰ３、前記後部邪魔板の前記ＣＯ変成器と反対側の圧力をＰ４とした時、Ｐ３とＰ４が次式（６）の関係となるように構成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用水素発生装置。
Ｐ３＞Ｐ４式（６）