JP5044048B2 - 水素生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに供給する水素を生成する水素生成装置に関し、より具体的には、水素生成装置内の蒸発器に関する。
家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置で生成された燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを有する。
燃料電池システム用の水素生成装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料などの原料ガスと水蒸気とを混合する蒸発器と、混合ガスを６００〜８００℃程度の高温で水蒸気改質反応させ、水素を主成分とする水素含有ガスを生成する改質器と、燃料電池の触媒に対して被毒作用のある一酸化炭素をＣＯ変成反応で一酸化炭素濃度を０．５％程度まで低下させる変成器と、選択酸化反応でさらに一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度まで低下させるＣＯ除去器とを有する（例えば特許文献１参照）。
すでに提案されている水素生成装置（特許文献１を参照）の断面を図１０に示す。図１０に示される水素生成装置１は、蒸発器１０と、改質器２と、変成器３と、ＣＯ除去器４と、燃焼器６とを有する。
蒸発器１０は、内筒１１と、外筒１２と内筒１１と外筒１２との間に設けられた螺旋状の丸棒（流路規定部品）５０によって規定された螺旋状の蒸発流路１８を有する。また、内筒１１および外筒１２は、例えば丸めたステンレス板を縦溶接することで製造されうる。
このような蒸発器１０は、例えば、内周面に予め螺旋状の丸棒５０が溶接された外筒１２の中に内筒１１を挿入し、そして挿入された内筒１１を拡管することで、製造される。外筒１２内に挿入された内筒１１を拡管することで、内筒１１の外周面と丸棒５０とが接触し、内筒１１と外筒１２との間に螺旋状の蒸発流路１８が形成される。
このような構造を有する蒸発器１０の螺旋状の蒸発流路１８には、原料ガスおよび改質水が供給される。原料ガスは原料供給器１５から供給され；水は改質水供給器１６から供給される。蒸発流路１８に供給された水は、燃焼ガス流路１４を流れる燃焼ガスによって加熱されて蒸発し；その結果、蒸発器１０では原料ガスと水蒸気との混合ガスが生成される。
また、蒸発流路１８を螺旋状とすることで、蒸発流路１８の長さを長くすることができ、蒸発流路１８を通る過程で改質水１７に供給される熱量を増加させることができる。その結果、改質水１７を蒸発させやすくできる。これにより改質器における水蒸気改質反応に供される水蒸気量を増大させることができる。
また、螺旋状の丸棒の代わりに、外筒の内周面または内筒の外周面に形成された突起で蒸発流路を規定する方法も提案されている（特許文献１または特許文献２参照）。
さらに、内筒の外周面に螺旋状に巻きつけられた金属管を蒸発流路として利用する技術が知られている（例えば特許文献３参照）。特許文献３の水素生成装置では内筒の外周面に螺旋状に巻きつけられた金属管内を原料ガスおよび改質水が流れる。
特開２００８−６３１９３号公報 特開２００２−２１１９０５号公報 特開２００４−１４１４１号公報
図１０に示されるような水素生成装置１では、改質器２における水蒸気改質反応を安定させ、安定した量の水素含有ガスを生成するために、蒸発器１０で生成される水蒸気の流量および温度を所望の範囲内で安定させることが求められる。水蒸気の流量および温度を安定させるには、蒸発器１０において改質水を一定速度で加熱し、一定速度で蒸発させることが求められる。
一方、外筒１２に挿入された内筒１１を拡管することで製造される蒸発器１０では、丸棒５０と内筒１１および外筒１２との接触状態が不安定になり、蒸発流路１８のシールが不安定という問題があった。例えば、縦溶接によるビード（溶接痕の盛り上がり）が内筒１１の外周面側や外筒１２の内周面に置かれたり、内筒１１および外筒１２が真円でなかった場合などは、丸棒５０と内筒１１および外筒１２との間に隙間が形成され、蒸発流路１８のシールが充分でなくなる。
丸棒５０と内筒１１および外筒１２との間に隙間が形成されると、本来、螺旋状の蒸発流路１８に沿って螺旋状に流れるべき改質水の一部が、隙間を通って螺旋状の蒸発流路１８をショートカットしてしまう。このように、改質水の一部が蒸発流路１８をショートカットしてしまうと、改質水の蒸発位置が不安定になり、蒸発器で生成される水蒸気の流量や、温度がばらつく。
また、丸棒５０と内筒１１および外筒１２との接触は、線接触であるので、丸棒５０と内筒１１および外筒１２との接触状態が不安定になると、内筒１１の内周面を通る燃焼ガスから丸棒５０に伝わる熱量や、丸棒５０から外筒１２に伝わる熱量が局所的にばらつき、蒸発流路１８内で急激な温度変化が生じる。蒸発流路１８内で温度が急激に変動すると、改質水が蒸発すべき位置で蒸発しなかったり、改質水が突沸したりして、蒸発器で生成される水蒸気の流量や、温度がばらつく。
このような蒸発器１０で生成される水蒸気の流量および温度がばらつくという問題は、蒸発流路１８を長くすることで解決することもできる。しかし蒸発流路１８を長くすること、蒸発器１０も長くなり、その結果、水素生成装置１が大型化してしまう。
さらに、丸棒５０を所望の螺旋状に加工することは困難であるため、丸棒５０で所望の螺旋状の蒸発流路１８を規定することが困難であった。
本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、改質水のショートカットと、蒸発流路内における急激な温度変化の発生とを抑制できる蒸発器を有する水素生成装置を提供することを目的とする。
本発明者は、弾性と伸縮性を有する筒体で、螺旋状の蒸発流路を規定することで、改質水のショートカットと、蒸発流路内における急激な温度変化の発生を防止できることを見出しさらに検討を加え、発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下に示す水素生成装置に関する。
［１］ メタンを含む原料ガスと水蒸気とを混合して混合ガスを生成する蒸発器と、混合ガスを水蒸気改質反応によって水素含有ガスへと変化させる改質器と、蒸発器と改質器とに熱を供給する燃焼器と、を有する水素生成装置であって、蒸発器は、内筒と、内筒を囲む外筒と、内筒と外筒との間に挿入され、かつ内筒と外筒との間に外部から供給される水が流れる螺旋状の流路を規定する中筒と、を有し、中筒の内周面および外周面には、螺旋状の凸部と凹部とが表裏一体に形成され、中筒の内周面の凸部の上面が内筒の外周面と面接触し、中筒の外周面の凸部の上面が外筒の内周面と面接触し、外筒の内周面に接触する中筒の外周面の凸部の幅Ｗ１が、１〜３０ｍｍであり、内筒の外周面に接触する中筒の内周面の凸部の幅Ｗ２が、２〜５０ｍｍであり、水が流れる螺旋状の流路の重力方向上部の流路ピッチＰ１が、重力方向下部の流路ピッチＰ２よりも小さい、水素生成装置。
［２］ 中筒を構成する板の厚さは、０．２〜０．６ｍｍである、［１］に記載の水素生成装置。
［３］ 中筒は、内筒および外筒に溶接されない、［１］または［２］に記載の水素生成装置。
［４］ 内筒の外周面と接触する中筒の内周面の凸部の上面の面積と、外筒の内周面と接触する中筒の外周面の凸部の上面の面積とは異なる、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の水素生成装置。
［５］ 水が流れる螺旋状の流路は、中筒の外周面の凹部によって構成される、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の水素生成装置。
［６］ 中筒の外周面の凹部は、重力方向上方の領域と、重力方向下方の領域と、を有し、重力方向下方の領域は、重力方向上方の領域よりも浅く、水は、重力方向下方の領域と外筒の内周面との間を流れる、［５］に記載の水素生成装置。
［７］ 水が流れる螺旋状の流路は、中筒の内周面の凹部によって構成される、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の水素生成装置。
［８］ 中筒の内周面の凹部は、重力方向上方の領域と、重力方向下方の領域と、を有し、重力方向下方の領域は、重力方向上方の領域よりも浅く、水は、重力方向下方の領域と内筒の外周面との間を流れる、［７］に記載の水素生成装置。
［９］ 水が流れる螺旋状の流路は、水の流れの抵抗となる突起を有する、［１］〜［８］のいずれか一つに記載の水素生成装置。
［１０］ 中筒は、弾性および伸縮性を有する材料で構成されている、［１］〜［９］のいずれか一つに記載の水素生成装置。
本発明の水素生成装置における蒸発器では、改質水がショートカットせず、かつ蒸発流路内の温度が安定する。このため本発明の水素生成装置における蒸発器では、改質水を一定速度で加熱し、一定速度で蒸発させることができるので、蒸発器を大型化せずとも生成される水蒸気の流量および温度を安定させることができる。その結果、本発明の水素生成装置は、安定して水素の供給を行うことができる。
本発明の実施の形態１の水素生成装置の断面の模式図 実施の形態１における中筒の側面図 実施の形態１における中筒の製造方法を示す図 実施の形態１における蒸発器の製造方法を示す図 実施の形態２における蒸発器の断面の模式図 実施の形態３における蒸発器の断面の模式図 実施の形態４における蒸発器の断面の模式図 実施の形態５における蒸発器の断面の模式図 実施の形態６における中筒の側面図 従来の水素生成装置の断面の模式図
本発明の水素生成装置は、蒸発器と、改質器と、変成器と、ＣＯ除去器と、燃焼器とを有する。本発明の水素生成装置は、蒸発器内の蒸発流路を規定する部材の構造を工夫することで、１）改質水が蒸発流路をショートカットすることを防止したり、２）蒸発流路内の温度が急激に変化することを防止したことを特徴とする。
蒸発器には、外部から水（改質水）と、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料などのメタンを含む原料ガスとが供給される。蒸発器は外部から供給される改質水が流れるらせん状の流路（以下「蒸発流路」とも称する）を有する。外部から供給された改質水は蒸発流路を流れる過程で加熱され、蒸発し、水蒸気となる。その結果、蒸発器では水蒸気と原料ガスとが混合され、混合ガスが生成される。蒸発器の詳細な構造については後述する。
改質器は、蒸発器と接続し、蒸発器で生成された混合ガスから水蒸気改質反応によって水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。改質器で生成された水素含有ガスは、一定濃度の一酸化炭素を含む。改質器は、Ｎｉ系触媒やＲｕ系触媒などの金属系の改質触媒を含む。
変成器は、改質器と接続し、改質器で生成された水素含有ガスにおける一酸化炭素濃度をＣＯ変成反応（水生ガスシフト反応）によって、０．５％程度まで低下させる。
ＣＯ除去器は、変成器と接続し、変成器で生成された一酸化炭素濃度が低い水素含有ガスから、酸化反応によって、一酸化炭素をさらに除去する。
燃焼器は蒸発器および改質器に熱を供給する。燃焼器は、バーナなどから構成される。
上述のように本発明の水素生成装置は、蒸発器の構造に特徴を有する。以下蒸発器の構造について詳細に説明する。
蒸発器は、内筒と、内筒を囲む外筒と、内筒と外筒との間に挿入された中筒と、を有する（図１参照）。内筒の内側には、燃焼器が配置される。また、内筒の内周面には、燃焼器によって加熱された燃焼ガスを流すための燃焼ガス流路が形成されていてもよい（図１参照）。
内筒の外径は、例えば６０〜１００ｍｍであり；外筒の内径は、例えば６１〜１０１ｍｍである。また、外筒と内筒との間の隙間は、例えば１〜５ｍｍである。内筒と外筒とは同一の中心軸を有することが好ましい。
内筒および外筒は、特に限定されないが例えば丸めた金属板を縦溶接することで製造される。内筒および外筒を構成する金属板の厚さは、０．８〜１．５ｍｍである。金属板の材料は例えば、ＳＵＳ３１０などのオーステナイト系のステンレスである。
中筒は、内筒と外筒との間の空間に螺旋状の蒸発流路を規定するための部材である。中筒は、内筒および外筒と同一の中心軸を有することが好ましい。このように本発明では、内筒と外筒との間に挿入された筒体（中筒）で螺旋状の蒸発流路を規定することを特徴とする。
中筒の内周面および外周面には、螺旋状の蒸発流路を規定するための螺旋状の凸部および螺旋状の凹部が表裏一体に形成されている。すなわち、中筒の外周面の凸部が中筒の内周面の凹部に対応し、中筒の外周面の凹部が中筒の内周面の凸部に対応する（図１参照）。
中筒の内周面および外周面に形成された凸部は上面を有し、凹部は底面を有する。凸部の形状は、順テーパ状であることが好ましい。中筒の外周面の凸部の上面は、外筒の内周面に接触し、中筒の内周面の凸部の上面は、内筒の外周面に接触する。このように本発明では、中筒と内筒および外筒とが面接触することを特徴とする。中筒と内筒とが面接触すると燃焼器から内筒を介して中筒が受け取る熱量を安定させることができる。
外筒の内周面に接触する中筒の外周面の凸部の上面の面積（以下、「外筒と中筒との接触面積」とも称する）は、内筒の外周面に接触する中筒の内周面の凸部の上面の面積（以下、「内筒と中筒との接触面積」とも称する）と同じであってもよいが、異なってもよい（実施の形態２、図５参照）。このように、内筒または外筒と中筒との接触面積を調節することで、蒸発流路のシール性を向上させたり（実施の形態２参照）、中筒に伝わる熱量を調節したりすることができる。例えば、内筒と中筒との接触面積を大きくすることで、燃焼ガスから内筒を介して中筒に伝わる熱量を増加させることができ；内筒と中筒との接触面積を小さくすることで、燃焼ガスから内筒を介して中筒に伝わる熱量を減少させることができる。また、外筒と中筒との接触面積を大きくすることで、中筒から外筒に逃げる熱量を増加させることができ；外筒と中筒との接触面積を小さくすることで、中筒から外筒に逃げる熱量を減少させることができる。
中筒の螺旋状の凹部は、内筒および外筒に接触しない。このため、蒸発器は、内筒の外周面と中筒の内周面との間に、中筒の内周面の凹部によって構成された螺旋状の空間と；外筒の内周面と中筒の外周面との間に、中筒の外周面の凹部によって構成された螺旋状の空間とを有する。中筒と内筒または外筒との間の螺旋状の空間は、蒸発流路として機能する。
本発明では、水素生成装置の運転状況に応じて、中筒と外筒との間の螺旋状空間を蒸発流路として用いてもよいし、中筒と中筒との間の螺旋状空間を蒸発流路として用いてもよいし、中筒と内筒との間の螺旋状空間および中筒と外筒との間の螺旋状空間の両方を蒸発流路として用いてもよい。蒸発流路の長さは、例えば、約４０００ｍｍである。
中筒と外筒との間の螺旋状空間を蒸発流路として用いる場合、改質水は、燃焼器を内包する内筒に直接接触しないので、改質水を穏やかに加熱することができ、改質水が突沸することを防止することができる。一方、中筒と内筒との間の螺旋状空間を蒸発流路として用いる場合、改質水は燃焼器を内包する内筒に直接接触するので、改質水を効率的に加熱することができる。
また、螺旋状の蒸発流路のピッチは一定であってもよいし、変動していてもよい。例えば、上流側の蒸発流路のピッチを下流側の蒸発流路のピッチよりも小さくすることで、変成器およびＣＯ除去器の温度を最適な範囲に維持することができる（実施の形態３、図６参照）。蒸発流路のピッチを変えるには、蒸発流路を構成する螺旋形の凹部のピッチを変えればよい。
また、蒸発流路は多条であっても一条であってもよいが、多条であることが好ましい。蒸発流路が多条であれば、蒸発流路の周方向の温度分布を低減できるからである。
中筒も内筒および外筒と同様に、丸めた金属板を縦溶接することで製造されてもよい。中筒を構成する金属板の材料は、例えばＳＵＳ３１０などのオーステナイト系のステンレスである。中筒を構成する金属板の材料は、内筒および外筒を構成する金属板の材料と同じであることが好ましい。内筒、外筒および中筒の熱膨張係数を同じにするためである。内筒、外筒および中筒の熱膨張係数が異なると、水素生成装置の運転時に、内筒および外筒と中筒との間に隙間が生じ、蒸発流路のシール性が低下してしまうからである。
一方、中筒を構成する板の厚さは、内筒および外筒を構成する板よりも薄いことが好ましい。具体的には、中筒を構成する板の厚さは、０．２〜０．６ｍｍであることが好ましく、０．２〜０．４ｍｍであることがより好ましい。中筒を構成する板の厚さが０．２〜０．６ｍｍの範囲であると、中筒の内周面および外周面に所望のパターンの凹部および凸部をバルジ成形（ハイドロフォーミング）によって容易に形成することができる。
このように、バルジ成形で形成された凸部および凹部の角は丸く、通常１〜３ｍｍの曲率半径を有する。
このような薄い金属板から構成される中筒の内周面および外周面に螺旋状の凹部および凸部を表裏一体に形成することで、中筒に、軸方向および径方向の弾性および伸縮性を付与することができる。このように、本発明では、中筒が弾性および伸縮性を有することを特徴とする。
蒸発器の作製方法は特に限定されないが、準備した内筒および外筒との間に、螺旋状の凸部および凹部が表裏一体に形成された中筒を挿入すればよい。上述のように、中筒は径方向に弾性および伸縮性を有するので、中筒の凹凸形状が内筒と外筒との間の空間に合わせて変形し、中筒と外筒および内筒とが密着する。
一方、内筒および外筒との間に中筒を挿入した時点で、中筒と外筒および内筒とが密着しない場合は、内筒および外筒との間に中筒を挿入した後、中筒を軸方向に圧縮し、中筒の凸部を高くしたり（図４参照）、内筒を拡管したり、外筒を縮管したりすればよい。
このように、本発明では、中筒が有する弾性および伸縮性を利用して中筒を内筒および外筒に変形密着させるので、仮に内筒の外周面や外筒の内周面に縦溶接によるビードが置かれている場合や内筒または外筒の真円度が不十分な場合でも、中筒が内筒および外筒に強い力で密着することができる。このため、本発明では、中筒を、内筒および外筒に溶接しなくとも、強い力で蒸発流路をシールできる。これにより蒸発流路間を改質水がショートカットすることを防止することができる。
さらに、上述のように中筒と内筒および外筒とは面接触で密着するので、中筒と内筒および外筒との接触面積が安定し、燃焼ガスから内筒を介して中筒に伝わる熱量が安定する。これにより、中筒が規定する蒸発流路の温度が安定し、蒸発流路内の急激な温度変化を防止することができる。
このため本発明の水素生成装置における蒸発器は、改質水を一定速度で加熱し、一定速度で蒸発させることができるので、蒸発器を大型化せずとも生成される水蒸気の流量および温度を安定させることができる。その結果、本発明の水素生成装置は、安定して水素の供給を行うことができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されない。
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の水素生成装置１の断面の模式図である。図１に示されるように水素生成装置１は、蒸発器１０と、改質器２と、変成器３と、水素排出口５に接続したＣＯ除去器４と、燃焼器６とを有する。
蒸発器１０は、内筒１１と、内筒１１を囲む外筒１２と、内筒１１と外筒１２との間に挿入された中筒１３と、を有する。蒸発器１０の重力方向の長さは、３００〜４００ｍｍである。
改質器２は蒸発器１０の重力方向下方に配置され、蒸発器１０から伸びた内筒１１を包囲する。変成器３は蒸発器１０のうち、重力方向下部（蒸発流路１８の下流側）の領域を包囲する。ＣＯ除去器４は、蒸発器１０のうち、重力方向上部（蒸発流路１８の上流側）の領域を包囲する。
燃焼器６は蒸発器１０の内筒１１の内側に配置された燃焼筒９内に配置される。燃焼器は、燃焼器６に燃焼用の燃料および空気を供給する燃料空気供給器７に接続されている。燃焼器６は、例えばバーナである。燃焼器６によって加熱された空気は、燃焼ガス流路１４を通って、燃焼ガス排出口８から排出される。
次に蒸発器１０の構造について詳細に説明する。上述のように、蒸発器１０は、内筒１１と、内筒１１を囲む外筒１２と、内筒１１と外筒１２との間に挿入された中筒１３と、を有する。
図２は、中筒１３の側面図を示す。図１および図２に示されるように中筒１３の内周面および外周面には、螺旋状の凸部２１と、螺旋状の凹部２２とが表裏一体に形成されている。中筒１３の外周面の凸部２１Ａは、中筒１３の内周面の凹部２２Ｂに対応し；中筒１３の外周面の凹部２２Ａは、中筒１３の内周面の凸部２１Ｂに対応する。図２および図１に示されるように、凸部２１の形状は順テーパ状である。
外筒１２の内周面に接触する中筒１３の外周面の凸部２１Ａの幅Ｗ１は１〜３０ｍｍであり、内筒１１の外周面に接触する中筒１３の内周面の凸部２１Ｂの幅Ｗ２は２〜５０ｍｍである。
本実施の形態では、中筒１３の外周面の凹部２２Ａが蒸発流路１８を構成する。このため、本実施の形態では、改質水１７は、外筒１２と中筒１３との間を流れる。
次に、このような中筒１３をバルジ成形によって製造する方法について、図３Ａ〜図３Ｄを参照しながら説明する。
図３Ａ〜図３Ｄに示されるように、バルジ成形による中筒１３の製造方法は、１）薄板から構成された筒体３０を準備する第１ステップ（図３Ａ）と、２）金型３１に筒体３０をセットし、筒体３０の両端をピストン３３で密封するステップ（図３Ｂ）と、３）筒体内に液体３５を注入する第３ステップ（図３Ｃ）と、４）筒体３０内の液体３５の圧力を上昇させて、筒体３０に凹部および凸部を形成する第４ステップ（図３Ｄ）とを有する。
次に、本実施の形態における蒸発器１０を製造する方法について、図４Ａ〜図４Ｄを参照しながら説明する。
図４Ａ〜図４Ｄに示されるように、蒸発器１０の製造方法は、１）内筒１１および外筒１２を準備する第１ステップ（図４Ａ）と、２）内筒１１および外筒１２との間に、中筒１３を挿入する第２ステップ（図４Ｂ）と、３）内筒１１と外筒１２との間に挿入された中筒１３を軸方向に圧縮する第３ステップ（図４Ｃ）と、４）中筒１３を軸方向に圧縮された状態で固定する第４ステップ（図４Ｄ）とを有する。
第２ステップで、内筒１１および外筒１２との間の空間に中筒１３を容易に挿入できるように、中筒１３における凸部の高さｈ（または凹部の深さ）を、内筒１１と外筒１２と間隔ｄよりも小さくしておくことが好ましい。
第３ステップで、中筒１３を軸方向に圧縮する。上述のように、中筒１３は径方向に伸縮性を有するので、中筒１３を軸方向に圧縮することで、中筒１３における凸部の高さｈ（または凹部の深さ）が増加する。また、中筒１３は弾性を有するので、中筒１３の凹凸形状が内筒１１と外筒１２との間の空間の形状に合わせて変形し、中筒１３と内筒１１および外筒１２とが密着する。
このように、本実施の形態では、中筒が有する弾性および伸縮性を用いて中筒を内筒および外筒に変形密着させているので、中筒が内筒および外筒に強固に密着することができる。このため、本実施の形態では、強い力で蒸発流路をシールできる。これにより蒸発流路間を改質水がショートカットすることを防止することができる。
さらに、中筒と内筒および外筒とは面接触で密着するので、中筒と内筒および外筒との接触面積が安定し、燃焼ガスから内筒を介して中筒に伝わる熱量が安定する。これにより、中筒が規定する蒸発流路の温度が安定し、蒸発流路内の急激な温度変化を防止することができる。
次に本実施の形態の水素生成装置１を用いて燃料ガスを生成する手順について、図１を参照しながら説明する。
燃焼器６を駆動し、水素生成装置１全体を加熱する。そして水素生成装置１の各部材が反応に適した温度に達したことを確認した後、蒸発器１０の蒸発流路１８に、原料供給器１５から原料ガスを、改質水供給器１６から改質水１７を供給する。
蒸発器１０の蒸発流路１８では、燃焼ガス流路１４内の燃焼ガスからの伝熱によって、上流から下流に向かって徐々に温度が上昇する。蒸発流路１８の温度は、水素生成装置および燃料電池システムの構成や、後述する変成触媒および選択酸化触媒の活性温度の違い等を考慮しつつ調節される。具体的には、蒸発流路１８の上流側の温度は、常温〜１００℃程度であり、蒸発流路１８の下流側の温度は、１００〜３００℃である。
このため、改質水１７は、蒸発流路１８の上流側では蒸発せず、蒸発流路１８を流れる過程で徐々に加熱され、下流側で蒸発する。その結果、蒸発器１０内で水蒸気と原料ガスとの混合ガスが生成される。混合ガスは、蒸発流路１８を流れる過程でさらに加熱される。
蒸発器１０で生成された混合ガスは、改質器２に流入する。改質器２では、改質器２が有する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、水素含有ガスが生成される。
改質器２で生成された水素含有ガスは変成器３に流入する。変成器３では、変成触媒の作用によるＣＯ変成反応によって水素含有ガス中の一酸化炭素が変成される。
変成触媒は約１５０℃〜４００℃で高い触媒作用を発揮するので、水素生成装置１の運転中、変成器３の温度を比較的高温（１５０℃〜４００℃）に維持することが求められる。変成器３の温度は、蒸発器１０の重力方向下部の領域と熱交換することで維持される。
変成器で一酸化炭素が除去された水素含有ガスは、ＣＯ除去器４に流入する。ＣＯ除去器では、水素含有ガス中の一酸化炭素と酸素とがＣＯ選択酸化触媒の作用で反応し、水素含有ガス中の一酸化炭素が酸化され、水素含有ガス中の一酸化炭素が除去される。
ＣＯ選択酸化触媒は約８０℃〜２００℃で高い触媒作用を発揮するので、水素生成装置１の運転中、ＣＯ除去器４の温度を比較的低温（８０℃〜２００℃）に維持することが求められる。ＣＯ除去器４の温度は、蒸発器１０の重力方向上部の領域と熱交換することで維持される。
ＣＯ除去器で一酸化炭素が除去された水素含有ガス（燃料ガス）は、水素排出口５から流出し、燃料電池に供給される。また、燃料電池で消費しきれなかった水素含有ガスの一部はオフガスとして燃焼器に供給され燃焼器の燃料として使用される。
上述のように、本実施の形態の水素生成装置１における蒸発器１０は、改質水１７を一定速度で加熱し、一定速度で蒸発させることができるので、蒸発器１０を大型化せずとも生成される水蒸気の流量および温度を安定させることができる。その結果、水素生成装置１は、安定して水素の供給を行うことができる。
［実施の形態２］
実施の形態１では、外筒と中筒との接触面積が、内筒と中筒との接触面積と等しい形態について説明した。実施の形態２では、外筒と中筒との接触面積が、内筒と中筒との接触面積よりも大きい形態について説明する。
図５は実施の形態２の蒸発器１０の断面の模式図である。実施の形態１の蒸発器１０と同一の構成要素については説明を省略する。実施の形態１と同様に、実施の形態２でも中筒１３の外周面の凹部２２Ａが、蒸発流路１８を構成する。
図５に示されるように、実施の形態２の蒸発器１０では、中筒１３の外周面の凸部２１Ａの上面の面積が、中筒１３の内周面の凸部２１Ｂの面積よりも大きい。このように、中筒１３の外周面の凸部２１Ａの上面を広くすることで、中筒１３の外周面の凹部２２Ａによって構成された蒸発流路１８のシール性が向上し、改質水１７がショートカットすることをより確実に防止できる。
［実施の形態３］
実施の形態１および２では、蒸発流路のピッチが一定である形態について説明した。実施の形態３では、蒸発流路の上流側と下流側とで流路ピッチが変化する形態について説明する。
図６は実施の形態３の蒸発器１０の断面の模式図である。実施の形態１の蒸発器１０と同一の構成要素については説明を省略する。
図６に示されるように、実施の形態３の蒸発器１０では、蒸発流路１８のピッチが上流側と下流側とで変化する。より具体的には、上流側の蒸発流路１８のピッチＰ１が、下流側の蒸発流路１８のピッチＰ２よりも小さい。下流側の蒸発流路１８のピッチＰ２の最大ピッチは、上流側の蒸発流路１８のピッチＰ１のうちの最小ピッチに対して、２倍以上であることが好ましく、４倍以上であってもよい。例えば、重力方向上部の流路ピッチＰ１を平均１２ｍｍとすることができ、重力方向下部の流路ピッチＰ２を平均４８ｍｍとすることができる。
このように、上流側の蒸発流路１８のピッチＰ１を下流側の蒸発流路１８のピッチＰ２よりも小さくすることで、蒸発器１０の重力方向上部の領域が有する蒸発器１０の単位高さあたりの蒸発流路１８の長さが長くなり、蒸発器１０の重力方向下部の領域が有する蒸発器１０の単位高さあたりの蒸発流路１８の長さが短くなる。
このため、本実施の形態では、改質水１７のほとんどが蒸発器１０の重力方向上部の領域が有する長い蒸発流路１８を流れる過程で蒸発温度まで加熱され、蒸発する。これにより、改質水１７は、ほとんど蒸発器１０の重力方向下部が有する蒸発流路１８には流入しなくなる。すなわち、本実施の形態では、改質水１７が蒸発器１０の重力方向上部に偏在する。より具体的には、ＣＯ除去器４に包囲された領域では、流路ピッチを短くして；変成器３に包囲された領域では、流路ピッチを長くする。
このように、改質水１７を蒸発器１０の重力方向上部に偏在させることで、ＣＯ除去器４および変成器３を最適温度に維持することができる。以下、ＣＯ除去器４および変成器３を最適温度に維持するメカニズムについて説明する。
実施の形態１の説明で述べたように、ＣＯ除去器４の最適温度は、比較的低温（８０〜２００℃）である。また、ＣＯ除去器４は、蒸発器１０の重力方向上部の領域を包囲する（図１参照）。本実施の形態では、蒸発器１０の重力方向上部の領域に改質水１７が偏在するので、蒸発器１０の重力方向上部の領域では改質水１７が内筒１１からの熱を吸収する。これにより、内筒１１から蒸発器１０の重力方向上部の領域を包囲するＣＯ除去器４に伝わる熱量を減少させ、ＣＯ除去器４を比較的低温に維持することができる。
一方、変成器３の最適温度は、比較的高温（１５０〜４００℃）である。また、変成器３は、蒸発器１０の重力方向下部の領域を包囲する（図１参照）。上述のように、本実施の形態では、蒸発器１０の重力方向下部が有する蒸発流路１８には、主に水蒸気および原料ガスが流れ、高い熱吸収能を有する改質水１７が存在しない。このため、内筒１１から蒸発器１０の重力方向下部の領域を包囲する変成器３に伝わる熱量は減少されない。さらに蒸発器１０の重力方向下部が有する蒸発流路１８は短いので、蒸発流路１８を流れる水蒸気や原料ガスが変成器３から熱を吸収する時間が短い。この結果、変成器３の温度が低下することが防止され、変成器３を比較的高温に維持することができる。
［実施の形態４］
実施の形態４では、蒸発流路を構成する中筒の凹部が、深さが深い領域と、深さが浅い領域とを有する形態について説明する。
図７は、実施の形態４の蒸発器１０の断面の模式図である。実施の形態１の蒸発器１０と同一の構成要素については説明を省略する。
図７に示されるように、実施の形態４の蒸発器１０では、蒸発流路１８を構成する中筒１３の外周面の凹部は、深さが異なる重力方向上方の領域２３と、重力方向下方の領域２４とを有する。領域２３の深さｄ１は、領域２４の深さｄ２よりも深い。
このような実施の形態４の蒸発器１０では、改質水１７は、領域２４と外筒１２の内周面との間を流れる。このため、本実施の形態では、改質水１７が内筒１１から離れている。これにより、燃焼器６から内筒１１を介して改質水１７に熱が急激に伝達することを防止し、改質水１７の突沸を防止することができる。
［実施の形態５］
実施の形態１〜４では、蒸発流路が中筒の外周面の凹部によって構成される形態について説明した。実施の形態５では、蒸発流路が中筒の内周面の凹部によって構成される形態について説明する。また、実施の形態５では、実施の形態４と同様に蒸発流路を構成する中筒の凹部が、深さが深い領域と、深さが浅い領域とを有する。
図８は実施の形態５の蒸発器１０の断面の模式図である。実施の形態１の蒸発器１０と同一の構成要素については説明を省略する。
図８に示されるように、本実施の形態では、中筒１３の内周面の凹部が蒸発流路１８を構成する。また蒸発流路１８を構成する中筒１３の内周面の凹部は、深さが異なる重力方向上方の領域２３と、重力方向下方の領域２４とを有する。領域２３の深さｄ１は、領域２４の深さｄ２よりも深い。
このような、実施の形態５の蒸発器１０では、改質水１７は、領域２４と内筒１１の外周面との間を流れる。このため、本実施の形態では、改質水１７が内筒１１の外周面に接する面積が多く、改質水１７が内筒１１を介して燃焼器６から受取る熱量を多くすることができる。これにより、蒸発流路１８を短くすることができ、蒸発器１０の小型化が可能となる。
［実施の形態６］
実施の形態６では、蒸発流路が改質水の流れの抵抗となる突起を有する形態について説明する。
図９は実施の形態６の蒸発器における中筒１３の側面図である。実施の形態１の中筒１３と同一の構成要素については説明を省略する。
図９に示されるように、本実施の形態では、蒸発流路１８を構成する中筒１３の外周面の凹部が、改質水の流れの抵抗となる突起１９を有する。
このように、蒸発流路１８が改質水の流れの抵抗となる突起１９を有することで、改質水の流れが速すぎる場合などに、改質水の速度を減速させることができ、改質水１７を安定して蒸発させることができる。
本発明にかかる水素生成装置は安定して水素含有ガスを供給することができることから、家庭用コージェネレーションシステムなどの燃料電池システムに有用である。
１ 水素生成装置
２ 改質器
３ 変成器
４ ＣＯ除去器
５ 水素排出口
６ 燃焼器
７ 燃料空気供給器
８ 燃焼ガス排出口
９ 燃焼筒
１０ 蒸発器
１１ 内筒
１２ 外筒
１３ 中筒
１４ 燃焼ガス流路
１５ 原料供給器
１６ 改質水供給器
１７ 改質水
１８ 蒸発流路
１９ 突起
２１ 凸部
２２ 凹部
２３ 深さが深い領域
２４ 深さが浅い領域
３０ 筒体
３１ 金型
３３ ピストン
３５ 液体
５０ 丸棒

Claims (10)

  1. メタンを含む原料ガスと水蒸気とを混合して混合ガスを生成する蒸発器と、
    前記混合ガスを水蒸気改質反応によって水素含有ガスへと変化させる改質器と、
    前記蒸発器と前記改質器とに熱を供給する燃焼器と、
    を有する水素生成装置であって、
    前記蒸発器は、内筒と、前記内筒を囲む外筒と、前記内筒と前記外筒との間に挿入され、かつ前記内筒と外筒との間に外部から供給される水が流れる螺旋状の流路を規定する中筒と、を有し、
    前記中筒の内周面および外周面には、螺旋状の凸部と凹部とが表裏一体に形成され、
    前記中筒の内周面の凸部の上面が前記内筒の外周面と面接触し、前記中筒の外周面の凸部の上面が前記外筒の内周面と面接触し、
    前記外筒の内周面に接触する前記中筒の外周面の前記凸部の幅Ｗ１が、１〜３０ｍｍであり、前記内筒の外周面に接触する前記中筒の内周面の前記凸部の幅Ｗ２が、２〜５０ｍｍであり、
    前記水が流れる螺旋状の流路の重力方向上部の流路ピッチＰ１が、重力方向下部の流路ピッチＰ２よりも小さい、水素生成装置。
  2. 前記中筒を構成する板の厚さは、０．２〜０．６ｍｍである、請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 前記中筒は、前記内筒および前記外筒に溶接されない、請求項１または２に記載の水素生成装置。
  4. 前記内筒の外周面と接触する前記中筒の内周面の凸部の上面の面積と、前記外筒の内周面と接触する前記中筒の外周面の凸部の上面の面積とは異なる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素生成装置。
  5. 前記水が流れる螺旋状の流路は、前記中筒の外周面の凹部によって構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素生成装置。
  6. 前記中筒の外周面の凹部は、重力方向上方の領域と、重力方向下方の領域と、を有し、
    前記重力方向下方の領域は、前記重力方向上方の領域よりも浅く、前記水は、前記重力方向下方の領域と前記外筒の内周面との間を流れる、請求項５に記載の水素生成装置。
  7. 前記水が流れる螺旋状の流路は、前記中筒の内周面の凹部によって構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素生成装置。
  8. 前記中筒の内周面の凹部は、重力方向上方の領域と、重力方向下方の領域と、を有し、
    前記重力方向下方の領域は、前記重力方向上方の領域よりも浅く、前記水は、前記重力方向下方の領域と前記内筒の外周面との間を流れる、請求項７に記載の水素生成装置。
  9. 前記水が流れる螺旋状の流路は、前記水の流れの抵抗となる突起を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の水素生成装置。
  10. 前記中筒は、弾性および伸縮性を有する材料で構成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の水素生成装置。
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