JP5123442B2 - 水素生成装置および燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、水素生成装置および燃料電池発電システムに関するものである。

近年、家庭用の燃料電池発電システムは、その普及拡大と事業確立に向けて研究開発がますます加速されている。

その実現のための課題のひとつに、燃料電池発電システムやその構成要素の信頼性の更なる向上が求められている。例えば、その構成要素には水素生成装置があり、当該水素生成装置の信頼性の更なる向上も求められている。

例えば、下記特許文献１に記載の水素生成装置には、流路圧損に大きな変動が生じず、水供給器からの安定した水供給を可能とすることで安定した水素生成を可能とすることを意図した構成が開示されている。（特許文献1の図１を参照）。

特開２００６−０６３１９３号公報

しかしながら、上記特許文献１をはじめとする従来技術であっても、更なる信頼性の向上（より安定した水素生成、一酸化炭素発生の一層の抑制）を確保するという観点からは、いまだ改善の余地があることを本発明者らは見出した。

そこで、本発明は、より安定して水素を生成し、より確実に一酸化炭素発生を低減することのできる優れた信頼性を有する水素生成装置およびこれを備えた優れた信頼性を有する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記従来技術の課題を鑑みて本発明者らが鋭意検討をした結果、本発明者らは、更なる信頼性の向上の観点から、上記特許文献１をはじめとする従来の水素生成装置には以下の課題があることを見出した。

すなわち、従来の水素生成装置は、典型的には、上記特許文献１に代表されるように、いわゆる改質反応を進行させる領域（改質反応領域）の上流側に、当該改質反応の原料である水を蒸発させるための領域（水蒸発領域）が設けられている。また、改質反応領域の下流側には、いわゆる変成反応を進行させる領域（変成反応領域）と、いわゆる選択酸化反応を進行させる領域（選択酸化反応領域）が設けられている。

図７は、一般的な変成触媒の触媒温度に対する触媒特性を示す特性図である。測定方法としては、一酸化炭素濃度が１０％である改質触媒通過後を想定したガスを用い、変成触媒を通過した後のガス中の一酸化炭素濃度をガスクロマトグラフで測定した。図７からわかるように、温度が低くても高くても特性が悪くなる。触媒特性が最も高くなるようにするには、触媒全体における温度分布ができるだけ均一かつ好適な温度範囲に入る必要がある。図７の例では、触媒温度が１６０℃〜２５０℃の範囲にあれば一酸化炭素濃度は０．５％以下となるが、触媒温度の範囲をさらに絞って、１７０℃〜２３０℃と小さくすると、一酸化炭素濃度が０．３％以下となる。よって、より良好な触媒特性を得ることができ、触媒性能を安定化させることができる。

選択酸化触媒も一般に、低温域では、酸化活性が低いため一酸化炭素を十分に除去することができず、高温域では、選択性の低下や逆シフト反応などの副反応の影響でやはり一酸化炭素を十分に除去できない。

ここで、特許文献１の図１に示されているように、従来の水素生成装置は、例えば、水蒸発領域と、選択酸化反応領域とが熱交換できる構成とされている。このような構成とすると、水蒸発領域での水の蒸発により選択酸化反応領域の熱が奪われる。設計の範囲を超えて選択酸化反応領域から熱が奪われると、選択酸化反応領域の温度を、選択酸化反応を十分に進行させるのに適切な範囲を維持できなくなるおそれがある。

特に、燃料電池発電システムに高い発電出力を要求された場合には、大量の水素を生成するために、大量の水が供給されるため、上述の選択酸化反応領域の温度範囲を維持できなくなる危険性が高くなる。

また、変成反応領域と水蒸発領域とが熱交換できる構成とされている場合もあり、この場合にも選択酸化反応領域の場合と同様に、変成反応領域の温度を、適切な範囲に維持できなくなるおそれがある。

蒸発部のうち、一酸化炭素低減部に対応する部分の熱交換量が、一酸化炭素低減部に対応しない部分の熱交換量よりも少なくなるように構成することで、蒸発部での水の蒸発により一酸化炭素低減部から奪われる熱が低減され、一酸化炭素低減部の温度を適切な範囲に維持しやすくなる。

すなわち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、水素の原料となる原料ガスと水とを含む流体のうちの前記水を蒸発させて水蒸気に変化させる構成を有する蒸発部と、前記蒸発部の下流側に接続されており、前記蒸発部から供給される前記原料ガスと前記水蒸気とを含む流体のうちの前記原料ガスと前記水蒸気との改質反応を進行させる改質反応触媒を含む改質反応部と、前記改質反応部の下流に設けられており、一酸化炭素と水との変成反応を進行させる変成反応触媒を含む変成反応部、及び、一酸化炭素と酸素との選択酸化反応を進行させる選択酸化反応部のうちの少なくとも一つを有する一酸化炭素低減部と、前記改質反応部と前記一酸化炭素低減部との間に配置されており、前記改質反応部を通過したガスを前記一酸化炭素低減部へ導くガス導入部と、を備えており、前記蒸発部と前記一酸化炭素低減部とは、少なくともそれぞれの一部で熱交換が可能なように隣接して互いに配置されており、前記蒸発部のうち、前記一酸化炭素低減部に対応する部分の熱交換量が、前記一酸化炭素低減部に対応しない部分の熱交換量よりも少なくなるように構成されている。

かかる構成では、蒸発部での水の蒸発により一酸化炭素低減部から奪われる熱を低減することができる。よって、より安定して水素を生成し、より確実に一酸化炭素発生を低減する、優れた信頼性を有する水素生成装置を提供することができる。

また本発明の燃料電池発電システムは、上記水素生成装置と、燃料電池とを備える。かかる構成では、優れた信頼性を有する燃料電池発電システムを提供することができる。

本発明の水素生成装置および燃料電池発電システムによれば、より安定して水素を生成し、より確実に一酸化炭素発生を低減する、優れた信頼性を有する水素生成装置および燃料電池発電システムを提供することができる。

図１は、第１実施形態の水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。 図２は、第２実施形態の水素生成装置の概略構成の一例を示す模式図である。 図３は、第２実施形態の第１変形例における水素生成装置の概略構成の一例を示す模式図である。 図４は、第２実施形態の第２変形例における水素生成装置の概略構成の一例を示す模式図である。 図５は、第２実施形態の変形例の水素生成装置における水流路の概略構成の一例を示す断面図であって、図５（ａ）は第３変形例、図５（ｂ）は第４変形例を示す。 図６は、第３実施形態の燃料電池発電システムの概略構成の一例を示す模式図である。 図７は、一般的な変成触媒の触媒温度に対する触媒特性を示す特性図である。

第１発明の水素生成装置は、水素の原料となる原料ガスと水とを含む流体のうちの水を蒸発させて水蒸気に変化させる構成を有する蒸発部と、蒸発部の下流側に接続されており、蒸発部から供給される原料ガスと水蒸気とを含む流体のうちの原料ガスと水蒸気との改質反応を進行させる改質反応触媒を含む改質反応部と、改質反応部の下流に設けられており、一酸化炭素と水との変成反応を進行させる変成反応触媒を含む変成反応部、及び、一酸化炭素と酸素との選択酸化反応を進行させる選択酸化反応部のうちの少なくとも一つを有する一酸化炭素低減部と、改質反応部と一酸化炭素低減部との間に配置されており、改質反応部を通過したガスを一酸化炭素低減部へ導くガス導入部と、を備えており、蒸発部と一酸化炭素低減部とは、少なくともそれぞれの一部で熱交換が可能なように隣接して互いに配置されており、蒸発部のうち、一酸化炭素低減部に対応する部分の熱交換量が、一酸化炭素低減部に対応しない部分の熱交換量よりも少なくなるように構成されている。

かかる構成では、より安定して水素を生成し、より確実に一酸化炭素発生を低減する、優れた信頼性を有する水素生成装置を提供することができる。

第２発明の水素生成装置は、特に、第１発明の水素生成装置において、第１底面を一端に有している第１筒と、第１筒の外側に形成されている第２筒と、第２筒の外側に形成され第３底面を有している第３筒と、第１筒の側壁と第２筒の側壁との間の空間である第１空間に原料ガスを供給する原料供給部と、第１空間に水を供給する水供給部と、第１筒内に形成され、燃焼ガス及び燃焼用空気が供給されて燃焼を行うバーナと、第１筒の内側に形成され、バーナの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、を備え、蒸発部は、第１空間に形成され、燃焼排ガスの熱を吸収することにより水を水蒸気にするように構成され、改質反応部は、蒸発部より下流の第１空間に配置され、一酸化炭素低減部は、第２筒の側壁と第３筒の側壁との間の第２空間に配置され、ガス導入部は、第１空間から第１底面と第３底面との間で折り返して改質ガスを第２空間に供給するように構成され、蒸発部のうち、一酸化炭素低減部に対応する部分が、一酸化炭素低減部と第１筒との間に形成されている第１蒸発部であり、熱交換量は、蒸発部と水供給部から供給された水との熱交換量である。

第３発明の水素生成装置は、特に、第２発明の水素生成装置において、蒸発部が、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、互いに隣接する流路部材の距離は、第１蒸発部以外の部分よりも第１蒸発部の方が大きい。

第４発明の水素生成装置は、特に、第２発明の水素生成装置において、蒸発部が、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、水流路の流路断面積は、第１蒸発部以外の部分よりも第１蒸発部の方が大きい。

第５発明の水素生成装置は、特に、第２〜４発明のいずれかの水素生成装置において、蒸発部が、第１蒸発部と、第１蒸発部より上流に形成されている第２蒸発部と、第１蒸発部より下流に形成されている第３蒸発部と、を有し、熱交換量が、第２蒸発部、第３蒸発部、第１蒸発部の順に小さくなるように構成されている。

第６発明の水素生成装置は、特に、第５発明の水素生成装置において、蒸発部が、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、互いに隣接する流路部材の距離は、第２蒸発部、第３蒸発部、第１蒸発部の順に大きい。

第７発明の水素生成装置は、特に、第２〜６発明のいずれかの水素生成装置において、一酸化炭素低減部が、上流側に形成されている変成触媒層と下流側に形成されている選択酸化触媒層とを有しており、第１蒸発部が、選択酸化触媒層および第１筒の間に形成されている第４蒸発部と、変成触媒層および第１筒の間に形成されている第６蒸発部と、上流蒸発部と下流蒸発部との間に形成されている第５蒸発部と、を有しており、熱交換量が、第５蒸発部よりも、第４蒸発部及び第６蒸発部の方が小さくなるように構成されている。

第８発明の水素生成装置は、特に、第７発明の水素生成装置において、蒸発部が、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、互いに隣接する流路部材間の距離は、第５蒸発部より第４蒸発部及び第６蒸発部の方が大きい。

第９発明の水素生成装置は、特に、第７発明または第８発明の水素生成装置において、蒸発部が、第１蒸発部と、第１蒸発部より上流に形成されている第２蒸発部と、第１蒸発部より下流に形成されている第３蒸発部と、を有し、熱交換量が、第２蒸発部、第３蒸発部、第５蒸発部、第４蒸発部、及び第６蒸発部の順に小さくなるように構成されている。

第１０発明の水素生成装置は、特に、第２〜７発明のいずれかの水素生成装置において、蒸発部が、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、第１蒸発部には、流路部材が配置されていない。

第１１発明の水素生成装置は、特に、第３、４、６、８、１０発明のいずれかの水素生成装置において、流路部材が、第１筒と第２筒とに挟まれ、かつ、螺旋形状に構成されている棒状部材である。

第１２発明の水素生成装置は、特に、第３、４、６、８、１０、１１発明のいずれかの水素生成装置において、流路部材が、金属で構成され、かつ、断面が円形である。

第１３発明の燃料電池発電システムは、第１〜第１２発明のいずれかの水素生成装置と、燃料電池とを備える。

かかる構成では、より安定して水素を生成し、より確実に一酸化炭素発生を低減する、優れた信頼性を有する燃料電池発電システムを提供することができる。

以下、本発明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。符号は実施形態と発明との対応関係を例示するために付されており、発明の構成が実施形態およびその図面に限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。

図１に示すように、本実施形態の水素生成装置２００は、蒸発部７と、蒸発部７の下流側に接続された改質反応部９Ａと、改質反応部９Ａの下流に設けられた一酸化炭素低減部２０と、改質反応部９Ａと一酸化炭素低減部２０との間に配置されたガス導入部２１と、を備えており、蒸発部７と一酸化炭素低減部２０とは、少なくともそれぞれの一部で熱交換が可能なように隣接して互いに配置されており、蒸発部７のうち、一酸化炭素低減部に対応する部分７Ａの熱交換量が、一酸化炭素低減部に対応しない部分７Ｂの熱交換量よりも少なくなるように構成されている。

蒸発部７は、水素の原料となる原料ガスと水とを含む流体のうちの水を蒸発させて水蒸気に変化させる。

改質反応部９Ａは、蒸発部７から供給される原料ガスと水蒸気とを含む流体のうちの原料ガスと水蒸気との改質反応を進行させる改質反応触媒を含む。改質反応により、水素含有ガスが生成される。この水素含有ガスには、一酸化炭素が含まれる。改質反応のためには改質反応触媒を高温（例えば、摂氏６００〜７００度）に保つ必要がある。この熱は、例えば、水素生成装置２００の上方あるいは下方にあるバーナにより供給されうる。

一酸化炭素低減部２０は、一酸化炭素と水との変成反応を進行させる変成反応触媒を含む変成反応部、及び、一酸化炭素と酸素との選択酸化反応を進行させる選択酸化反応部のうちの少なくとも一つを有する。一酸化炭素低減部２０により、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が低減される。

変成反応は、ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２で表される発熱反応である。変成反応触媒は、例えば、ＣＵ−Ｚｎ系触媒やＦｅ−Ｃｒ系触媒、またはＰｔ系触媒などが利用可能である。変成反応部は１個である必要はなく、複数が設けられていてもよい。

選択酸化反応は、２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２で表される発熱反応である。選択酸化触媒は、ＰｔやＲｕ等の貴金属触媒が利用可能である。選択酸化反応部は１個である必要はなく、複数が設けられていてもよい。

ガス導入部２１は、改質反応部を通過したガスを一酸化炭素低減部へ導く。

蒸発部７と一酸化炭素低減部２０とは隔壁２２によって仕切られている。蒸発部７は、周囲から供給される熱を利用して、水を蒸発させる。該熱は、例えば、水素生成装置２００の上方にあるバーナにより隔壁２３を介して、また、一酸化炭素低減部２０より隔壁２２を介して、供給される。一酸化炭素低減部２０は、改質反応部９Ａから排出されるガスにより加熱される。該ガスは、例えば、水素生成装置２００の上方にあるバーナにより隔壁２３を介して加熱される。この場合、バーナは、隔壁２３を介して直接的に蒸発部７を加熱すると共に、上記ガスを熱媒体とし、一酸化炭素低減部２０と隔壁２２とを介して間接的に蒸発部７を加熱するといえる。

一酸化炭素低減部に対応する部分７Ａは、隔壁２２を介して、一酸化炭素低減部２０に隣接し、一酸化炭素低減部に対応する部分７Ａと一酸化炭素低減部２０とが熱交換可能に構成されている。

本実施形態において、「一酸化炭素低減部に対応する部分７Ａの熱交換量が、一酸化炭素低減部に対応しない部分７Ｂの熱交換量よりも少なくなる」とは、従来の構成と比較して、一酸化炭素低減部２０が蒸発部７によって冷却されにくくなっていることをいう。例えば、蒸発部７の一酸化炭素低減部に対応しない部分７Ｂを通過する水が加熱される量が、蒸発部７の一酸化炭素低減部に対応する部分７Ａを通過する水が加熱される量よりも大きくなっている態様が挙げられる。より具体的には、例えば、図１における水平方向の水の流速が、一酸化炭素低減部に対応する部分７Ａの方が一酸化炭素低減部に対応しない部分７Ｂよりも速くなっている構成や、一酸化炭素低減部に対応する部分７Ａの隔壁２２が一酸化炭素低減部に対応しない部分７Ｂよりも厚くなっており、改質反応部９Ａの下流側の流路から一酸化炭素低減部に対応しない部分７Ｂへの隔壁２２を介した熱の輸送量が一酸化炭素低減部に対応しない部分７Ｂよりも一酸化炭素低減部に対応する部分７Ａの方が少ない構成などが挙げられる。

かかる構成では、例えば、水素生成装置２００における水素生成量が変動し、これに伴って水の流量が変動しても、一酸化炭素低減部２０の熱が水に奪われにくくなり、一酸化炭素低減部２０の温度が安定化される。より安定して水素を生成し、より確実に一酸化炭素発生を低減する、優れた信頼性を有する水素生成装置を提供することができる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の水素生成装置の概略構成の一例を示す模式図である。図２において、上下方向（鉛直方向）をｘ軸、左右方向をｙ軸、紙面に垂直な方向をｚ軸とする。円筒１００の主軸はｘ軸と平行である。以下、「外側」とは、円筒１００の主軸を中心とした外側をいう。また、「下部」とは、鉛直方向に向かって下側をいう。「上部」とは、鉛直方向に向かって上側をいう。

図２に示すように、第２実施形態の水素生成装置３００は、水素の原料となる原料ガスと水とを含む流体のうちの水を蒸発させて水蒸気に変化させる構成を有する蒸発部７と、蒸発部７の下流側に接続されており、蒸発部７から供給される原料ガスと水蒸気とを含む流体のうちの原料ガスと水蒸気との改質反応を進行させる改質反応触媒を含む改質触媒層９（改質反応部）と、改質触媒層９の下流に設けられており、一酸化炭素と水との変成反応を進行させる変成反応触媒を含む変成触媒層１０（変成反応部）、及び、一酸化炭素と酸素との選択酸化反応を進行させる選択酸化触媒層１１（選択酸化反応部）のうちの少なくとも一つを有する一酸化炭素低減部２０と、改質触媒層９と一酸化炭素低減部２０との間に配置されており、改質触媒層９を通過したガスを一酸化炭素低減部２０へ導くガス導入部２１と、を備えており、蒸発部７と一酸化炭素低減部２０とは、少なくともそれぞれの一部で熱交換が可能なように隣接して互いに配置されており、蒸発部７のうち、一酸化炭素低減部２０に対応する部分の熱交換量が、一酸化炭素低減部２０に対応しない部分の熱交換量よりも少なくなるように構成されている。

第２実施形態の水素生成装置３００は、第１底面５０を一端に有している円筒１００（第１筒）と、円筒１００の外側に形成されている円筒１０１（第２筒）と、円筒１０１の外側に形成され第３底面５１を有している筐体１０２（第３筒）と、円筒１００の側壁と円筒１０１の側壁との間の空間である第１空間に原料ガスを供給する原料ガス供給部５（原料供給部）と、第１空間に水を供給する水供給部６と、円筒１００内に形成され、燃焼ガス及び燃焼用空気が供給されて燃焼を行うバーナ４と、円筒１００の内側に形成され、バーナ４の燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路１６と、を備えている。

蒸発部７は、第１空間に形成され、燃焼排ガスの熱を吸収することにより水を水蒸気にするように構成されている。

改質触媒層９（改質反応部）は、蒸発部７より下流の第１空間に配置されている。

一酸化炭素低減部２０（変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１）は、円筒１０１の側壁と筐体１０２の側壁との間の第２空間に配置されている。

ガス導入部１０３は、第１空間から第１底面５０と第３底面５１との間で折り返して改質ガスを第２空間に供給するように構成されている。

蒸発部７のうち、一酸化炭素低減部２０に対応する部分が、一酸化炭素低減部２０と円筒１００との間に形成されている第１蒸発部７Ａ’である。熱交換量は、蒸発部と水供給部から供給された水との熱交換量である。

円筒１００と円筒１０１と筐体１０２とは、いずれもＹＺ平面に平行に切った断面は同心の円形であるが、該断面は楕円や矩形、多角形など他の形状であってもよい。第１底面５０は円筒１００の一端（下端）を完全に封止しており、円筒１００の内部のガスが第１底面５０と円筒１００との間の隙間を通って漏れることはない。第３底面５１は筐体１０２の一端（下端）を完全に封止しており、筐体１０２の内部のガスが第３底面５１と筐体１０２との間の隙間を通って漏れることはない。第１底面５０と第３底面５１とは平行な平面をなす。円筒１０１において、第３底面５１に対向する一端（下端）は開放されている。

図２において、水素生成装置３００は、燃料ガス供給部１より供給された燃料ガスと、空気ファン３から供給されて空気流路２を介して送られてきた空気とを混合して火炎を形成するバーナ４を有している。バーナ４で生じた燃焼排ガスは、円筒１００の内側の燃焼排ガス流路１６を流れ、排気口１３より装置外に排気される。

燃焼排ガス流路１６の外側には、水供給部６からの供給された水を水蒸気とする蒸発部７が設けられている。蒸発部７は、螺旋形状の棒状部材からなる仕切り部である金属の丸棒８（流路部材）を円筒１００と円筒１０１とで挟み込むことで丸棒間に空間（水流路）を形成し、その空間に丸棒８に沿って水を流通する構成となっている。また蒸発部７には原料ガス供給部５からの原料ガスも供給される。従って、蒸発部７の空間は螺旋形状の丸棒８で仕切られ、円筒１００の外周に沿って周回しながら上から下に向う螺旋状流路として形成されている。つまり、蒸発部７は燃焼排ガス流路１６の外側に原料ガスと水が流れる流路を形成する流路部材の金属の丸棒８を有している。丸棒８は、金属で構成され、かつ、断面が円形であるのが好ましい。

ここで、丸棒８の螺旋ピッチの間隔（隣接する流路部材間の距離）は、蒸発部７の上流部（第２蒸発部７Ｂ’）と下流部（第３蒸発部７Ｃ’）が、一酸化炭素低減部２０に対応する中流部（上流部と下流部以外の箇所：第１蒸発部７Ａ’）に比べて小さくなるように構成している。つまり、蒸発部７の上流部と下流部は丸棒８の螺旋のピッチが密であり、上流部と下流部以外の中流部は疎となるように一本の丸棒、もしくは複数の丸棒を連続的に配置した構成としている。蒸発部７から送出される原料と水蒸気の混合ガスは、燃焼排ガス流路１６の外側かつ蒸発部７の下部に位置する改質触媒層９に供給される。

なお、上流、中流、下流とは、ガスの流れに沿った上流、中流、下流をいう。

また、水流路の断面積（図２において、隣接する丸棒８と円筒１００と円筒１０１とで囲まれた部分の面積）は、第２蒸発部７Ｂ’および第３蒸発部７Ｃ’より第１蒸発部７Ａ’の方が大きくなるように構成されている。

熱交換量は、第２蒸発部７Ｂ’、第３蒸発部７Ｃ’、第１蒸発部７Ａ’の順に小さくなるように構成されているのが好ましい。熱交換量の調整は、例えば、螺旋ピッチ（大きくすれば熱交換量が下がる）や水流路の断面積（大きくすれば熱交換量が下がる）などを用いて実現されうる。

互いに隣接する流路部材の距離（丸棒８の螺旋ピッチ）は、第２蒸発部７Ｂ’、第３蒸発部７Ｃ’、第１蒸発部７Ａ’の順に大きくなっているのが好ましい。

なお、図１ではＹＺ平面方向において、第２蒸発部７Ｂ’および第３蒸発部７Ｃ’が一酸化炭素低減部２０と重ならない構成であったが、第２蒸発部７Ｂ’および第３蒸発部７Ｃ’の一部が一酸化炭素低減部２０と重なる構成であってもよい。

原料ガス供給部５から供給される原料と、水供給部６から供給される水とは、円筒１００と円筒１０１との間を鉛直下向きに流れる。改質触媒層９から排出されたガスは、円筒１０１の下端の開口を通って第３底面５１に衝突し、円筒１０１の主軸から外向きに流れて円筒１０１と筐体１０２との間を鉛直上向きに流れていく。

なお、原料ガス供給部５からの原料ガスは、上記のように蒸発部７に供給して蒸発部７内を水と共に流して混合ガスとするのではなく、蒸発部７から送出した水蒸気に原料ガスを供給して混合ガスとして改質触媒層９に供給する構成などとしてもよい。

また、バーナ４の燃焼熱や触媒での反応熱を機器内で有効に利用するため、機器全体は断熱材１７で覆われていてもよい。

改質触媒層９から送出される改質ガスは、蒸発部７の外側に配置した変成触媒層１０に供給される。さらに変成触媒層１０から送出される変成ガスは、蒸発部７の外側かつ変成触媒層１０の上部に位置する選択酸化触媒層１１に選択酸化空気供給部１４からの空気と混合された後、供給される。選択酸化触媒層１１を出た生成ガスは生成ガス出口１２より水素生成装置３００から一酸化炭素の濃度が１０ｐｐｍ以下であり、かつ水素濃度の高い生成ガスとして送出される。変成触媒層１０は、改質ガスが供給され、変成触媒のシフト反応により改質ガス中の一酸化炭素を低減する。選択酸化触媒層１１は、変成触媒層１０からの変成ガスが流入し、さらに酸化剤である空気の供給を受けて、選択酸化触媒により変成ガス中の一酸化炭素を低減する。この変成触媒層１０と選択酸化触媒層１１とを有して一酸化炭素低減部２０と称するが、一酸化炭素低減部２０は変成触媒層１０および選択酸化触媒層１１のいずれか一方のみを有していてもよい。

ここで、バーナ４に供給する燃料ガスや空気、蒸発部７に供給する原料ガスや水、変成触媒層１０からの変成ガスに供給する選択酸化空気は、燃料ガス供給部１や空気ファン３、原料ガス供給部５、水供給部６や選択酸化空気供給部１４において制御部１５からの信号によりコントロールすることができるようになっている。

なお、燃料ガス供給部１や空気ファン３、原料ガス供給部５、水供給部６や選択酸化空気供給部１４は、各々の供給物（燃料ガス、原料ガス、水、オフガスなどの可燃性ガスや空気）の流量が調整可能に構成されている。流量調整のための構成としては、供給物の吐出流量を変更可能な供給ポンプ（駆動手段）であっても良く、また供給物の供給源と下流側の流路に設けられた供給物の流量調整用バルブとを組み合わせた流体制御機構であってもよい。

次に、上記構成において水素生成装置３００の各部動作を説明する。

バーナ４では、燃料ガスと空気との混合が行われ、その混合ガスに高電圧の放電を行う（構成を図示せず）ことで火炎を形成し、高温の燃焼排ガスをつくり出して燃焼排ガス流路１６に供給している。

水と原料が供給された蒸発部７は、主として蒸発部７の内側を流れる燃焼排ガス流路１６内の燃焼排ガスから直接または間接に供給される燃焼熱および触媒から供給される反応熱により水の蒸発が行われ、同時に蒸発部７の同じ流路内を流れる原料ガスとの混合が行われ、混合ガスとして改質触媒層９に供給される。改質触媒層９は内側を流れる高温の燃焼排ガスにより高温化（一般に６００〜７００℃）されており、原料ガスと水蒸気との混合ガスが供給されることで、水蒸気改質反応により水素や一酸化炭素、二酸化炭素などを含んだ改質ガスを生成する。

変成触媒層１０は円筒１０１の側壁を介して内側に隣接する蒸発部７との熱交換によりシフト反応に最適な温度（１５０〜３００℃）に維持され、改質ガス中の高濃度の一酸化炭素（１０〜１５％）を二酸化炭素に変えることで一酸化炭素の低濃度（０．５％前後）化を行っている。選択酸化触媒層１１も円筒１０１の側壁を介して内側に隣接する蒸発部７との熱交換により選択酸化反応に最適な温度（１５０℃前後）に維持され、変成ガスに選択酸化空気供給部１４からの空気を混合することで、選択酸化反応により、変成ガス中の一酸化炭素を１０ｐｐｍ以下の極低濃度とする。

ここで、水素生成装置３００の運転負荷（生成する水素量）が変わると、その運転負荷に対応するために制御部１５で供給条件を変化させる。例えば、定格条件の５割（出力５０％）の水素量を生成する条件（ＴＤＲ５０）から定格条件（出力１００％）の水素量を生成する条件（ＴＤＲ１００）に変化させる指令がくると、制御部１５からの信号により、原料ガス供給部５や水供給部６、選択酸化空気供給部１４を制御し、原料ガス量や水供給量、選択酸化空気量を増加させる。

この時、蒸発部７では、ＴＤＲ５０に必要な水が供給された条件からＴＤＲ１００に必要な水量に増加する。一般的に、ＴＤＲ１００で必要な水量（例えば１０ｇ／ｍｉｎ）はＴＤＲ５０で必要な水量（例えば５ｇ／ｍｉｎ）の約２倍となるため、蒸発部７での蒸発完了ポイントが下流側に移動する。

つまり、ＴＤＲ５０の時には、水供給部６から供給された室温（約２０℃）の水は蒸発部７に入った後に燃焼排ガス流路１６を流れる排ガスや選択酸化触媒層１１の熱、さらには変成触媒層１０の熱を受けて昇温し、変成触媒層１０に対応する第６蒸発部７Ｆ’の中流部分では完全に蒸発が完了して１００℃以上の水蒸気となる。

しかし、水量が２倍のＴＤＲ１００となると、変成触媒層１０に対応する第６蒸発部７Ｆ’の中流部分では水の蒸発は完了しておらず１００℃の気液二層状態となっており、さらに下流に流れていき、変成触媒層や燃焼排ガスから熱を受けることで第６蒸発部７Ｆ’の下流部分やさらにその下流側で蒸発が完了する。

この時、蒸発部７の下流には改質触媒層９があるため、蒸発完了ポイントが下流側にずれ蒸発部７から出ると改質触媒層９内で蒸発が完了することになる。この時改質触媒層９には１００℃の液状態の水が供給され、蒸発時には潜熱が必要であるため周囲の触媒から大きな熱を奪い触媒が１００℃の温度となる可能性がある。特にＴＤＲ５０時のように第６蒸発部７Ｆ’の中流部分に蒸発完了ポイントがあるときには、水が既に水蒸気になっており、その下流では水蒸気の温度が容易に上昇するため、改質触媒層９の上流部では４００℃の高温状態となっている。この状態からＴＤＲ１００となり触媒が４００℃から１００℃へと局所的に温度が低下したり、その局所的な温度低下により周囲の触媒温度が低下して触媒層全体の温度が下がると、触媒での反応が充分行われずに水素の生成量が少なくなったり、水素の生成量が安定しなくなったりする。また、局所的な温度低下により、改質触媒層が局所的に熱収縮してひび割れを起こす場合もある。

また、水素生成装置の効率は高い方が少ないエネルギーで水素を生成することができるので、機器としての価値が高いものとなる。効率の高い水素生成装置とするためには、装置からの熱ロスをできるだけ少なくする必要がある。熱ロスのひとつには、水素生成装置から送出される生成ガスや燃焼排ガスが熱を持ち出すことによる熱ロスがある。

図７を参照しつつ上述したように、触媒の熱交換量を少なくし、触媒温度の範囲を絞ることで、より良好な触媒特性を得ることができ、触媒性能を安定化させることができる。しかしながら、この熱交換量を抑えた水蒸発部構成で一酸化炭素低減部からの生成ガスや燃焼排ガスと熱交換を行うと、生成ガスや燃焼排ガスから熱交換量があまり得られず熱量の多いガス状態で水素生成装置から送出することになる。つまり、多くの熱量を装置外へ放出することになるため、水素生成装置は送出ガスによる熱ロスの多い、効率の悪い装置となってしまう。一方、熱交換量を多くするために熱交換部を長く設けると水素生成装置自体が大きくなるため、装置表面からの放熱が多くなり効率が低下する可能性が生じるだけでなく、サイズが大きくなることで製造時に使用する材料量が多くなりコストアップにつながり機器としての価値が低下してしまう。

本実施形態では、このような性能の不安定化防止と効率向上実現に向けて蒸発部７の上流部と下流部の伝熱を促進するため、図２に示す例において、蒸発部７の上流部と下流部の螺旋形状の丸棒８のピッチを蒸発部７の上流部と下流部以外の箇所に比べて小さくしている。小さくすることで、蒸発部７の上流部と下流部における螺旋形状の丸棒８をつたって流れる水の移動時間をかせいでいる。

つまり、蒸発部７の上流部と下流部における螺旋状流路が長くなることで、蒸発部７の上流部や下流部を通過する水の移動時間（滞在時間）が長くなる。そして、蒸発部７の上流部では、蒸発部７の内側および外側においてこの上流部に対応（隣接）する部位（一酸化炭素低減部２０の下流側の流路や燃焼排ガス流路１６）との熱交換量が多くなる。また、蒸発部７の下流部では、蒸発部７の内側および外側においてこの下流部に対応する部位（一酸化炭素低減部２０の上流側の流路や燃焼排ガス流路１６）との熱交換量が多くなる。これらの熱交換量が多くなることにより、水素生成装置３００から排出される、生成ガスや燃焼排ガスの熱を回収して、該ガスの温度を低下させた後で排出することができる。同時に、蒸発部７内で水を完全に蒸発させることで改質触媒層９への液滴供給が防止される。

蒸発部７の中流部では、蒸発部７が円筒１０１の側壁を介して外側に隣接する一酸化炭素低減部２０の触媒層の多くの部分と熱交換が行われるが、一酸化炭素低減部２０の触媒層に温度勾配をできるだけつけないように、蒸発部７の螺旋形状の丸棒８のピッチを大きくしている。大きくすることで蒸発部７の中流部を通過する水の時間（滞在時間）が短くなり、一酸化炭素低減部である変成触媒層１０や選択酸化触媒層１１との熱交換量が小さくなり、触媒層をガスが流れる間にガスから奪われる熱量を少なくして温度低下を抑え、触媒層全体をできるだけ均一な温度となるようにして良好な触媒特性が得られるようにしている。

一般に、水は、丸棒８と円筒１００と円筒１０１とで形成される水流路の全部に充填されているのではない。よって、丸棒８のピッチが大きくなると、蒸発部７の内部において液体の水以外の空隙が大きくなり、単位体積当たりに液体の水が占める割合は小さくなる。よって、液体の水が蒸発する際に吸収する熱の量も少なくなる。このことも、丸棒８のピッチが大きくなることで熱交換量が小さくなる理由の一つといえる。

これらにより、簡素な水蒸発部構成において、触媒の温度状態を均一に安定化させた上で、水素生成装置３００内で使用できる熱量が多くなり、装置の効率向上と性能の安定化を図ることができる。

なお、蒸発部７の螺旋形状の丸棒８のピッチが小さい上流部および下流部と、蒸発部７の外側に配置した一酸化炭素低減部との位置関係は、選択酸化触媒層１１（一酸化炭素低減部が変成触媒層１０だけで構成されている場合は変成触媒層１０）が蒸発部７の上流部と下流部の間の中流部に隣接するように配置するのが好適である。この場合、最も触媒層の温度に影響を与えることなく熱交換を行うことができる。

また、蒸発部７の上流部での熱交換量が多すぎると、生成ガス（改質触媒層９の下流側を流れるガス）や燃焼排ガスの温度が、当該ガスに含まれる水蒸気の露点より低くなることがある。この場合、生成ガスや燃焼排ガス中の水蒸気が流路内で結露することになる。結露するとその結露水が流れ落ちて流路内の高温部に至り再蒸発することになる。その時に熱が周囲より奪われ、水素生成装置３００内の温度状態が乱れ、装置の性能を乱す可能性がある。従って、結露しない範囲でなるべく多くの熱量を熱交換する熱交換構成（螺旋形状の丸棒８のピッチ）とするのが好適である。

なお、本実施形態でいう熱交換量は単位面積当たりの熱交換量の意味である。より詳細には、円筒１０１の側壁の表面を介した、円筒１０１と水（円筒１０１と円筒１００との間を、丸棒８がなす流路に沿って流れる水）との間の、該側壁の単位面積当たりの熱交換量と考えることができる。

［変形例］
図３は、第２実施形態の第１変形例における水素生成装置の概略構成の一例を示す模式図である。本変形例の水素生成装置３００Ａでは、蒸発部の構成を除いては第２実施形態について上述したのと同様の構成であるので、共通する要素については同一の符号および名称を付して説明を省略する。第１変形例において、一酸化炭素低減部２０は、上流側に形成されている変成触媒層１０と下流側に形成されている選択酸化触媒層１１とを有している。第１蒸発部７Ａ’は、選択酸化触媒層１１および円筒１００の間に形成されている第４蒸発部７Ｄ’と、変成触媒層１０および円筒１００の間に形成されている第６蒸発部７Ｆ’と、第４蒸発部７Ｄ’と第６蒸発部７Ｆ’との間に形成されている第５蒸発部７Ｅ’と、を有しており、熱交換量が、第５蒸発部７Ｅ’よりも、第４蒸発部７Ｄ’及び第６蒸発部７Ｆ’の方が小さくなるように構成されている。

第１変形例において、互いに隣接する流路部材間の距離（丸棒８の螺旋ピッチ）は、第５蒸発部７Ｅ’より第４蒸発部７Ｄ’及び第６蒸発部７Ｆ’の方が大きいのが好ましい。

第１変形例において、熱交換量が、第２蒸発部７Ｂ’、第３蒸発部７Ｃ’、第５蒸発部７Ｅ’、第４蒸発部７Ｄ’、及び第６蒸発部７Ｆ’の順に小さくなるように構成されているのが好ましい。熱交換量の調整は、例えば、螺旋ピッチ（大きくすれば熱交換量が下がる）や水流路の断面積（大きくすれば熱交換量が下がる）などを用いて実現されうる。

図４は、第２実施形態の第２変形例における水素生成装置の概略構成の一例を示す模式図である。本変形例の水素生成装置３００Ｂでは、蒸発部の構成を除いては第２実施形態について上述したのと同様の構成であるので、共通する要素については同一の符号および名称を付して説明を省略する。本変形例において、第１蒸発部７Ａ’には、丸棒８（流路部材）が配置されていない。

流路部材は丸棒８である必要は必ずしもなく、例えば、円筒１００の側壁や円筒１０１の側壁を螺旋をなす峰状に突出することで流路部材を構成してもよい。図５は、第２実施形態の変形例の水素生成装置における水流路の概略構成の一例を示す断面図であって、図５（ａ）は第３変形例、図５（ｂ）は第４変形例を示す。

図５（ａ）に示す第３変形例では、円筒１００の側壁が円筒１０１側へ、螺旋をなす峰状に突出することで流路部材８Ａを構成している。図５（ｂ）に示す第４変形例では、円筒１０１の側壁が円筒１００側へ、螺旋をなす峰状に突出することで流路部材８Ｂを構成している。

（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池発電システムは、第１実施形態または第２実施形態およびそれらの変形例にかかる水素生成装置と、該水素生成装置から排出される生成ガス（水素含有ガス）を利用して発電する燃料電池とを備える。

図６は、第３実施形態の燃料電池発電システムの概略構成の一例を示す模式図である。図６に例示する燃料電池発電システム４００は、第２実施形態の水素生成装置３００（図２）に、燃料電池６０を付加したものであり、その他の構成は水素生成装置３００と同様である。よって、図２と図６とで共通する構成要素には同一の符号および名称を付して説明を省略する。

燃料電池６０は、水素生成装置３００から排出される生成ガス（水素含有ガス）を利用して発電する。燃料電池６０としては、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などが例示される。

燃料電池のアノード（燃料極）は、生成ガス出口１２に接続され、生成ガス出口１２から排出された水素含有ガスが燃料電池のアノードに供給される。

本発明の水素生成装置および燃料電池発電システムによれば、より安定して水素を生成し、より確実に一酸化炭素発生を低減する、優れた信頼性を有する水素生成装置および燃料電池発電システムを提供することができる。

１ 燃料ガス供給部
２ 空気流路
３ 空気ファン
４ バーナ
５ 原料ガス供給部
６ 水供給部
７ 蒸発部
７Ａ 一酸化炭素低減部に対応する部分
７Ｂ 一酸化炭素低減部に対応しない部分
７Ａ’ 第１蒸発部
７Ｂ’ 第２蒸発部
７Ｃ’ 第３蒸発部
７Ｄ’ 第４蒸発部
７Ｅ’ 第５蒸発部
７Ｆ’ 第６蒸発部
８ 丸棒
８Ａ 流路部材
８Ｂ 流路部材
９ 改質触媒層
９Ａ 改質反応部
１０ 変成触媒層
１１ 選択酸化触媒層
１２ 生成ガス出口
１３ 排気口
１４ 選択酸化空気供給部
１５ 制御部
１６ 燃焼排ガス流路
１７ 断熱材
２０ 一酸化炭素低減部
２１ ガス導入部
２２ 隔壁
２３ 隔壁
５０ 第１底面
５１ 第３底面
６０ 燃料電池
１００ 円筒
１０１ 円筒
１０２ 筐体
１０３ ガス導入部
２００ 水素生成装置
３００ 水素生成装置
４００ 燃料電池発電システム

Claims (13)

1. 水素の原料となる原料ガスと水とを含む流体のうちの前記水を蒸発させて水蒸気に変化させる構成を有する蒸発部と、
   前記蒸発部の下流側に接続されており、前記蒸発部から供給される前記原料ガスと前記水蒸気とを含む流体のうちの前記原料ガスと前記水蒸気との改質反応を進行させる改質反応触媒を含む改質反応部と、
   前記改質反応部の下流に設けられており、一酸化炭素と水との変成反応を進行させる変成反応触媒を含む変成反応部、及び、一酸化炭素と酸素との選択酸化反応を進行させる選択酸化反応部のうちの少なくとも一つを有する一酸化炭素低減部と、
   燃焼を行うことにより、少なくとも前記改質反応部および前記一酸化炭素低減部を加熱するバーナと、
   前記改質反応部と前記一酸化炭素低減部との間に配置されており、前記改質反応部を通過したガスを折り返して前記一酸化炭素低減部へ導くガス導入部と、
   を備えており、
   前記蒸発部と前記一酸化炭素低減部とは、少なくともそれぞれの一部で熱交換が可能なように隣接して互いに配置されており、
   前記蒸発部は、前記一酸化炭素低減部に対応する部分である第１蒸発部と、前記一酸化炭素低減部に対応しない部分でありかつ前記第１蒸発部より上流に形成されている第２蒸発部と、を有しており、前記第１蒸発部と前記水を供給する水供給部から供給された水との熱交換量が、前記第２蒸発部と前記水供給部から供給された水との熱交換量よりも少なくなるように構成されている、
   水素生成装置。
2. 第１底面を一端に有している第１筒と、
   前記第１筒の外側に形成されている第２筒と、
   前記第２筒の外側に形成され第３底面を有している第３筒と、
   前記第１筒の側壁と前記第２筒の側壁との間の空間である第１空間に前記原料ガスを供給する原料供給部と、
   前記第１筒内に形成され、燃焼ガス及び燃焼用空気が供給されて燃焼を行うバーナと、
   前記第１筒の内側に形成され、前記バーナの燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路と、
   を備え、
   前記水供給部は、前記第１空間に前記水を供給するように構成され、
   前記蒸発部は、前記第１空間に形成され、前記燃焼排ガスの熱を吸収することにより前記水を水蒸気にするように構成され、
   前記改質反応部は、前記蒸発部より下流の前記第１空間に配置され、
   前記一酸化炭素低減部は、前記第２筒の側壁と前記第３筒の側壁との間の第２空間に配置され、
   前記ガス導入部は、前記第１空間から前記第１底面と前記第３底面との間で折り返して前記改質ガスを前記第２空間に供給するように構成され、
   前記第１蒸発部は、前記一酸化炭素低減部と前記第１筒との間に形成されている、
   請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記蒸発部は、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、
   互いに隣接する前記流路部材の距離は、前記第１蒸発部以外の部分よりも前記第１蒸発部の方が大きい、
   請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記蒸発部は、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、
   前記水流路の流路断面積は、前記第１蒸発部以外の部分よりも前記第１蒸発部の方が大きい、
   請求項２に記載の水素生成装置。
5. 前記蒸発部は、前記第１蒸発部と、前記第２蒸発部と、前記一酸化炭素低減部に対応しない部分でありかつ前記第１蒸発部より下流に形成されている第３蒸発部と、を有し、
   前記熱交換量が、前記第２蒸発部、前記第３蒸発部、前記第１蒸発部の順に小さくなるように構成されている、
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
6. 前記蒸発部は、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、
   互いに隣接する前記流路部材の距離は、前記第２蒸発部、前記第３蒸発部、前記第１蒸発部の順に大きい、
   請求項５に記載の水素生成装置。
7. 前記一酸化炭素低減部は、上流側に形成されている変成触媒層と下流側に形成されている選択酸化触媒層とを有しており、
   前記第１蒸発部は、前記選択酸化触媒層および前記第１筒の間に形成されている第４蒸発部と、前記変成触媒層および前記第１筒の間に形成されている第６蒸発部と、前記上流蒸発部と前記下流蒸発部との間に形成されている第５蒸発部と、を有しており、
   前記熱交換量が、前記第５蒸発部よりも、前記第４蒸発部及び前記第６蒸発部の方が小さくなるように構成されている、請求項２〜６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
8. 前記蒸発部は、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、
   互いに隣接する前記流路部材間の距離は、前記第５蒸発部より前記第４蒸発部及び前記第６蒸発部の方が大きい、
   請求項７に記載の水素生成装置。
9. 前記蒸発部は、前記第１蒸発部と、前記第１蒸発部より上流に形成されている第２蒸発部と、前記第１蒸発部より下流に形成されている第３蒸発部と、を有し、
   前記熱交換量が、前記第２蒸発部、前記第３蒸発部、前記第５蒸発部、前記第４蒸発部、及び前記第６蒸発部の順に小さくなるように構成されている、請求項７または８に記載の水素生成装置。
10. 前記蒸発部は、流路部材に仕切られることにより形成される水流路を有しており、
    前記第１蒸発部には、前記流路部材が配置されていない、請求項２〜７のいずれか１項に記載の水素生成装置。
11. 前記流路部材は、前記第１筒と前記第２筒とに挟まれ、かつ、螺旋形状に構成されている棒状部材である、請求項３、４、６、８、１０ のいずれか１項に記載の水素生成装置。
12. 前記流路部材は、金属で構成され、かつ、断面が円形である、請求項３、４、６、８、１０、１１のいずれか１項に記載の水素生成装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の水素生成装置と、燃料電池と、を備える、燃料電池発電システム。

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