JP5263030B2 - 水素生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素含有ガスを生成する改質器と、一酸化炭素の濃度を低減する変成器及び選択酸化器と、それらを加熱するための加熱器とが一体化されて燃料電池システムに備えられる水素生成装置に関するものである。

従来、小規模な高効率発電が可能である燃料電池システムは、発電運転の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。

燃料電池システムでは、発電運転の際、その発電部の本体として配設された燃料電池スタックに（以下、単に「燃料電池」という）、水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸素含有ガスとが各々供給される。

すると、燃料電池では、その供給される水素含有ガスに含まれる水素と酸素含有ガスに含まれる酸素とが用いられて、所定の電気化学反応が進行する。この所定の電気化学反応が進行することにより、燃料電池において、水素及び酸素が有する化学的なエネルギーが電気的なエネルギーに直接変換される。これにより、燃料電池システムは、負荷に向けて電力を出力する。

さて、燃料電池システムの発電運転時に必要となる水素含有ガスの供給手段は、通常のインフラストラクチャーとしての整備はされていない。

そのため、従来の燃料電池システムでは、例えば既存の化石原料のインフラストラクチャーから得られる都市ガスまたはＬＰＧ等の原料ガスと、水蒸発器により生成した水蒸気とを用いて６００℃〜７００℃の温度で水蒸気改質反応を進行させて水素含有ガスを生成する改質器が、燃料電池とともに配設されていることが多い。

一方、水蒸気改質反応により得られる水素含有ガスには、通常、原料ガスに由来する一酸化炭素及び二酸化炭素が大量に含まれている。そこで、従来の燃料電池システムでは、改質器で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するために、一酸化炭素除去部が前記改質器の下流に設けられている。

その内訳は、水素含有ガスの温度を低下させて２００℃〜３５０℃の温度で水性ガスシフト反応を進行させることにより一酸化炭素の濃度を低減する変成器、及び１００℃〜１５０℃の温度で選択酸化反応を進行させることにより一酸化炭素の濃度をさらに低減する選択酸化器が、燃料電池や改質器とともに配設されていることが多い。

ここで、従来の燃料電池システムでは、これらの改質器及び一酸化炭素除去部としての変成器及び選択酸化器とで構成される水素生成装置が備えられている。なお、これらの改質器及び変成器及び選択酸化器の各々には、水蒸気改質反応、水性ガスシフト反応、選択酸化反応の各々を進行させるための各化学反応に適した触媒が各々配設されている。例えば、改質器には、Ｒu触媒やＮi触媒が配設されている。また、変成器には、Ｃu−Ｚn触媒や貴金属系触媒が配設されている。また、選択酸化器には、Ｒu触媒等が配設されている。

ところで、前記構成を有する水素生成装置では、一般的に、各反応器での化学反応を適切に進行させるために、各反応器の温度を最適な温度に維持する必要がある。そこで、改質器、水蒸発器、変成器、及び選択酸化器の各々を加熱器の周りに同心円筒状に配設する水素生成装置が提案されている。このような水素生成装置としては、特許文献１などが提案されており、その一例を図３に示す。

図３の装置は、内筒１と外筒２を備えた筒体３と、内筒１の内周に沿って設けられ燃焼部４で発生した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路５と、内筒１と外筒２の間において内筒１に沿って配置され、原料ガスと水とが供給されるとともに、燃焼ガス流路５からの加熱によって水を蒸発させ、かつ原料ガスを加熱する蒸発器６（第１，第２蒸発部６ａ，６ｂ）と、内筒１と外筒２の間に配置され、改質触媒７を備えて形成されるとともに蒸発器６から供給された原料ガスと水蒸気を水蒸気改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器８と、内筒１と外筒２の間に配置され、一酸化炭素除去触媒９を備えて形成されるとともに改質器８から供給された改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部１０とを具備した水素生成装置である。

水素生成装置において、蒸発器６を、一酸化炭素除去部１０と熱交換可能な位置に配置される第１蒸発部６ａと、第１蒸発部６ａに連続してその下側に配置され、第１蒸発部６ａで未蒸発の水を蒸発させる第２蒸発部６ｂとから形成し、第２蒸発部６ｂの側部と下部を囲む隔壁１１を設けるとともに隔壁１１の上部に開口部１２を形成し、隔壁１１と第２蒸発部６ｂと隔壁１１との間に第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気と第２蒸発部６ｂで蒸発した水蒸気が合流する誘導路１３を形成し、開口部１２と改質器８の間に、蒸発器６から誘導路１３を通して供給され開口部１２を通過した原料ガスと水蒸気を流通させて改質器８に供給する混合ガス流路１４を形成してなる構成である。

その結果、蒸発器６に供給される原料ガスの量や水の量が多く、蒸発器６の第１蒸発部６ａで水が完全に蒸発しない場合、未蒸発の水は第２蒸発部６ｂで蒸発し、第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気と第２蒸発部６ｂで蒸発した水蒸気を誘導路１３で合流させて、開口部１２から混合ガス流路１４を通して水蒸気を改質器８に供給され、第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂに流入した未蒸発の水は隔壁１１の下部内に滞留し、未蒸発の水が改質器８に流入することを防いでいる。

また、蒸発器６に供給される原料ガスの量や水の量が少なく、蒸発器６の第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気が第２蒸発部６ｂでさらに加熱されて高温の過熱蒸気となった場合、第１蒸発部６ａの低温の水蒸気と第２蒸発部６ｂの高温の過熱蒸気は誘導路１３で合流して適温の水蒸気となり、高温の水蒸気が改質器８に流入することを防いでいる。

さらに、蒸発器６から誘導路１３を通して流れる原料ガスと水蒸気が開口部１２を通過する際に、流速が高まることによって原料ガスと水蒸気の混合が促進され、均一に混合された混合ガスとして混合ガス流路１４から改質器８に供給することができる水素生成装置が提案されている。

特開２００８−６３１７１号公報

しかしながら、このような図３に示した水素生成装置は、蒸発器６を、一酸化炭素除去部１０と熱交換可能な位置に配置される第１蒸発部６ａと、第１蒸発部６ａに連続してその下側に配置され、第１蒸発部６ａで未蒸発の水を蒸発させる第２蒸発部６ｂとから形成し、さらに、第２蒸発部６ｂの側部と下部を囲む隔壁１１を設けるとともに隔壁１１の上部に開口部１２と、第２蒸発部６ｂと隔壁１１との間に第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気と第２蒸発部６ｂで蒸発した水蒸気が合流する誘導路１３と、開口部１２と改質器８の間に、蒸発器６から誘導路１３を通して供給され開口部１２を通過した原料ガスと水蒸気を流通させて改質器８に供給する混合ガス流路１４とを形成するため、第２蒸発部６ｂの空間を溶接構造で構成する必要がある。

水素生成装置の運転状態では第２蒸発部６ｂが１３０℃程度の温度に対して隔壁１１は３００℃程度の温度になるため、隔壁１１の熱膨張する寸法が第２蒸発部６ｂの熱膨張量に対して多くなるが、隔壁１１の上下にある溶接固定部分で熱変形が拘束されて、隔壁１１の下の角部や隔壁１１を内筒１に溶接している部分（隔壁溶接部１１ｂ）に熱応力が発生し、繰返運転と停止の熱膨張収縮による破損の懸念を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、水素生成装置に備えた蒸発器と、蒸発器の一部を覆うように配設された隔壁において、繰返運転と停止の熱膨張収縮による熱応力を低減する構造を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る水素生成装置は、燃焼用の燃料と空気の混合気を燃焼して燃焼ガスを生成する加熱器と、前記加熱器が生成する燃焼ガスにより原料及び水を加熱して原料と水蒸気の混合気を生成する環状の蒸発器の第１蒸発部と、前記第１蒸発部に連続して下側に配置され未蒸発の水を蒸発させる隔壁で覆われた蒸発器の第２蒸発部と、前記第２蒸発部を経て供給される前記混合気を前記燃焼ガスにより加熱した改質触媒を通過させることにより水素含有ガスを生成する環状の改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する除去触媒を内蔵する一酸化炭素除去部とを備え、前記隔壁は、下方に前記第２蒸発部に固着した部分を、上方に前記第２蒸発部に対して熱膨張移動する摺動部分を有することを特徴とする。

また、請求項２に記載した発明は、請求項１の水素生成装置において、隔壁をフェライト系ステンレス材料で構成し、隔壁と接触する蒸発器をオーステナイト系ステンレス材料で構成したことを特徴とする。

前記構成によれば、装置において繰返運転と停止の熱膨張収縮が生じても、隔壁と圧入された第２蒸発部との間で相対的な熱に伴う移動が可能となって、第２蒸発部を隔壁に固定する部分に発生する熱応力が低減され、構造体が破損するおそれがなくなり、水素生成装置の長寿命化が図れ、かつ隔壁の溶接箇所を減らせることから第２蒸発部の組立が容易となるなど、実用性の高い水素生成装置が提供できる。

本発明によれば、水素生成装置に備えた蒸発器と、蒸発器の一部を覆うように配設された隔壁において、繰返運転と停止の熱膨張収縮による熱応力を低減する構造とし、装置の長寿命化を図るとともに、蒸発器と隔壁との溶接箇所を減らせることから組立が容易となるなど、実用性の高い水素生成装置が提供できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る水素生成装置の概略を示す断面図 本実施の形態に係る隔壁近傍を拡大した部分断面図 従来の水素生成装置の概略を示す断面図

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る水素生成装置の概略を示す断面図、図２は隔壁近傍を拡大した部分断面図である。以下、本発明の実施の形態について説明するが、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。また、前記従来例を示す図３にて説明した構成部材に対応し同等機能のものには同一の符号を付して示す。

図１は本実施の形態の一例を示す図であり、装置の筐体となる筒体３は円筒形の内筒１と外筒２を軸方向を縦にした同心円筒状に配置して形成してある。この筒体３において内筒１と外筒２の間の筒状空間の上下端は閉塞してある。加熱器として内筒１の内周の中央部にはバーナからなる燃焼部４が設けてあり、燃焼用ファン３１から燃焼用空気を送風するようにしてある。燃焼部４と内筒１の間には、内筒１の内周に沿って燃焼ガス流路５が形成してあり、燃焼部４で燃焼した燃焼ガスが燃焼ガス流路５に沿って流れるようにしてある。

筒体３の筒状空間の上部で内筒１と外筒２の間には、内筒１側に蒸発器６が、外筒２側に一酸化炭素除去部１０がそれぞれ同心円筒状に設けてある。蒸発器６は内筒１の外面に沿って円筒状空間として形成されるものであり、一酸化炭素除去部１０は蒸発器６の外面に接した円筒状に形成されるものである。蒸発器６の上端部には原料ガス供給部２５と水供給部２６が接続してある。また蒸発器６の下端より下側には改質器８が設けてある。改質器８は内筒１の内面に接した円筒状に形成されるものである。

蒸発器６は上部の第１蒸発部６ａと下部の第２蒸発部６ｂから形成されるものである。上部の第１蒸発部６ａは一酸化炭素除去部１０と接していて、第１蒸発部６ａと一酸化炭素除去部１０とは相互に熱交換できるようにしてあり、下部の第２蒸発部６ｂは一酸化炭素除去部１０の下端よりも下側に位置するようにしてある。この蒸発器６の筒状空間内には、第１蒸発部６ａの上端部から第２蒸発部６ｂの下端部に至る上下全長に、螺旋状のガイド体３３が取り付けてある。ガイド体３３は直径が蒸発器６の空間厚みと等しく形成してあり、従って蒸発器６の筒状空間は螺旋状のガイド体３３で仕切られ、内筒１の外周に沿って周回するスパイラル状流路として形成されるものである。

第１蒸発部６ａは内筒１と一酸化炭素除去部１０の間に囲まれているが、第２蒸発部６ｂは内筒１と隔壁１１とで囲むようにしてある。隔壁１１は図２に示すように、第２蒸発部６ｂの側面から下面にかけて形成されるものであり、口広げ加工された隔壁１１の上端は第２蒸発部６ｂの側面に圧入され、隔壁１１の下部の内周端は内筒１の外周面にそれぞれ連接してある。隔壁１１の側部の上端部には切り欠き部である開口部１２が開口して設けてある。

また、第１蒸発部６ａの外面（一酸化炭素除去部１０の内面でもある）と面一に延長するように、隔壁１１の内側に仕切り板３５を設け、隔壁１１と内筒１との間の隔壁１１内の空間を内側の第２蒸発部６ｂと外側の誘導路１３とに仕切るようにしてある。誘導路１３は第２蒸発部６ｂを囲む円筒状空間として形成されるものであり、仕切り板３５には上下複数箇所において連通口３６が開口してある。

改質器８の外周面の上端と一酸化炭素除去部１０の下面の間には、隔壁１１の外側において、内筒１及び外筒２と平行な円筒状の熱交換板３８が取り付けてあり、熱交換板３８と隔壁１１との間に混合ガス流路１４が、熱交換板３８と外筒２との間に改質ガス流路１６がそれぞれ形成されるようにしてある。混合ガス流路１４は、隔壁１１の切り欠き部である開口部１２と改質器８の上端の流入口３９とを繋ぐ流路であり、改質ガス流路１６は改質器８の外周下部に設けた流出口４０と一酸化炭素除去部１０の下端の流入口４１とを繋ぐ流路である。

改質器８は改質触媒７を充填して形成されるものである。また一酸化炭素除去部１０は、一酸化炭素除去触媒９としてＣＯ変成触媒９ａを充填した変成器１０ａと、一酸化炭素除去触媒９としてＣＯ選択酸化触媒９ｂを充填した選択酸化器１０ｂとの２段構成で形成してある（図１参照）。改質ガスの流れ方向で変成器１０ａが前段、選択酸化器１０ｂが後段となるように、変成器１０ａを下側に、選択酸化器１０ｂを上側に配置してあり、変成器１０ａと選択酸化器１０ｂの間に空気供給部２８から空気が供給されるようにしてある。一酸化炭素除去部１０の上端部の出口は燃料電池１８に接続してある。

以上のように形成される水素生成装置にあって、蒸発器６は燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスで加熱されており、また水素生成装置を運転開始後は、一酸化炭素除去部１０におけるＣＯ変成反応やＣＯ選択酸化反応の反応熱が伝熱して加熱されている。そして、原料ガス供給部２５からは、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原料ガスが、水供給部２６からは、水がそれぞれ蒸発器６に供給されると、原料ガスと水が蒸発器６の第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂを通過する間に加熱され、水は蒸発して水蒸気となる。この加熱された原料ガスと水蒸気の混合ガスは仕切り板３５の連通口３６を通過して誘導路１３に流入し、さらに隔壁１１の切り欠き部である開口部１２を通過して混合ガス流路１４に流入する。

次に、原料ガスと水蒸気の混合ガスは混合ガス流路１４を流れて流入口３９から改質器８に流入し、改質触媒７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、水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスで改質器８を加熱するようにしてある。

ここで、改質器８で水蒸気改質反応を適正に行わせるには、改質器８の改質触媒の温度が適切であることの他に、改質器８に供給される原料ガスと水蒸気の混合が十分であることが必要である。そこで本実施の形態では前記のように、蒸発器６の筒状空間内に第１蒸発部６ａの上端部から第２蒸発部６ｂの下端部に至る螺旋状のガイド体３３を設けて、蒸発器６をスパイラル状流路として形成してあり、原料ガスと水蒸気が通過する流路を長くして、原料ガスと水蒸気の混合が十分に行われるようにし、原料ガスと水蒸気が均一に混合された混合ガスとして改質器８に供給されるようにしてある。

さらに、第１蒸発部６ａや第２蒸発部６ｂから原料ガスや水蒸気を誘導路１３に流入させた後、切り欠き部である開口部１２を通して混合ガス流路１４に流出するようにすることによって、誘導路１３から切り欠き部である開口部１２へと原料ガスや水蒸気が通過する際に、流路が絞られて流速が速くなることによる作用で、水蒸気と原料ガスの混合が十分に行われるようにし、均一な混合ガスとして混合ガス流路１４から改質器８に供給することができるようにしてある。

改質器８で生成された改質ガスは、改質器８の下端部の流出口４０から改質ガス流路１６に流出し、改質ガス流路１６内を上昇する際に、改質器８と熱交換され、また熱交換板３８を通して混合ガス流路１４を流れる混合ガスと熱交換され、改質ガスは一酸化炭素除去部１０での反応に適した温度に下げられる。

次に、改質ガスは一酸化炭素除去部１０の変成器１０ａ内に下端部の流入口４１から流入し、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される。ここで、変成器１０ａにおいてＣＯ変成反応に適した温度は、流入口４１付近の温度が、改質器８から流出した改質ガスの温度よりも低い２００〜２５０℃であるので、前記のように改質ガスが改質ガス流路１６内を流れる際に混合ガス流路１４内の混合ガスと熱交換して、２００〜２５０℃まで温度を低下させるようにしているものである。変成器１０ａで一酸化炭素が除去された改質ガスは、さらに選択酸化器１０ｂに流入し、ＣＯ選択酸化触媒９ｂの作用で空気供給部２８から供給される空気中の酸素とＣＯ選択酸化反応して、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去される。

このようにして一酸化炭素除去部１０で一酸化炭素が除去された改質ガスは、一酸化炭素除去部１０から流出し、燃料電池１８に供給される。燃料電池１８では、水素生成装置からこのようにして供給される改質ガス中の水素と、空気など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電が行われるものである。

ここで、前記のように水素生成装置から供給される改質ガスを用いて燃料電池１８で発電を行うに当たって、燃料電池１８の反応負荷の変動、つまり改質ガスの消費量の変動に応じて、原料ガス供給部２５や水供給部２６から蒸発器６に供給される原料ガスの量や水の量が変動する。そして既述のように、蒸発器６に供給される原料ガスの量や水の量が最大量になった場合に、蒸発器６内で水が完全に蒸発せず、水のまま改質器８に流入すると、改質器８が水で冷却されて触媒温度が低くなり、改質器８から出る改質ガスの温度も低くなって、一酸化炭素除去部１０の温度がＣＯ変成反応に適した温度よりも低くなるおそれがある。また逆に、蒸発器６に供給される原料ガスの量や水の量が最小量となった場合には、水は蒸発器６内で過熱されて高温の過熱蒸気となり、改質器８の触媒温度が高くなり過ぎ、また一酸化炭素除去部１０も変成温度に適さない触媒温度になり、改質器８での改質反応の能力や、一酸化炭素除去部１０での一酸化炭素の除去能力が低下することになる。

そこで水素生成装置の蒸発器６を前記のような構成に形成し、蒸発器６に供給される原料ガスの量や水の量が多い場合、水は蒸発器６の第１蒸発部６ａで未蒸発であるが、第１蒸発部６ａの流路をガイド体３３でスパイラル状流路に形成して、燃焼ガス流路５及び一酸化炭素除去部１０からの伝熱面積を確保するようにしてあるので、水は未蒸発の水相と蒸発した水蒸気の気相との二相になり、この二相状態で第１蒸発部６ａのスパイラル状流路を流れる。このとき、未蒸発の水はガイド体３３の上面に沿って流下し、水蒸気はガイド体３３間のスパイラル状流路の空間部に沿って流れるものであり、二相流の状態で第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへと流入する。このように第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへと二相流で流入するので、第１蒸発部６ａから出る水蒸気の温度は１００℃程度である。

そして第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへと流入した二相流のうち、未蒸発の水は第２蒸発部６ｂにおいて燃焼ガス流路５からの加熱によって蒸発し、水蒸気になる。このとき水の蒸発量がばらついて水滴が第２蒸発部６ｂでも完全に蒸発しないことがあるが、仮にこのように未蒸発の水があっても、水は隔壁１１の下部の隔壁底部１１ａ内に滞留し、水が改質器８に流入することはない。

また、第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへと流入した二相流のうち、水蒸気は第２蒸発部６ｂで過熱されて１５０℃以上の過熱蒸気になるが、第１蒸発部６ａから直接、連通口３６を通って誘導路１３に流入する水蒸気と、第２蒸発部６ｂで蒸発して連通口３６を通って誘導路１３に流入する水蒸気と、第２蒸発部６ｂで過熱され連通口３６を通って誘導路１３に流入するこの過熱蒸気とが、誘導路１３内で混合され、１５０℃程度の適正な温度の水蒸気となって切り欠き部である開口部１２を通過する。

第１蒸発部６ａや第２蒸発部６ｂから誘導路１３に流入した原料ガスや水蒸気は、切り欠き部である開口部１２を通過する際に混合され、混合ガスとして混合ガス流路１４に送られるが、混合ガス流路１４を流れる混合ガスは、改質ガス流路１６を流れる改質ガスと熱交換されて加熱される。混合ガス流路１４を流れる混合ガスは隔壁１１を通して誘導路１３内のガスとも熱交換されるが、水の供給量が多い場合は誘導路１３内の温度は通常の場合よりも低いので、混合ガスの加熱温度も通常の場合よりやや低くなり、３５０℃程度の温度の混合ガスとして改質器８に供給される。

改質器８に供給される混合ガスの温度がこのように３５０℃程度であると、改質器８で生成されて改質器８の流出口４０から出る改質ガスの温度は４００℃程度であり、この改質ガスは改質ガス流路１６を流れる際に、混合ガス流路１４の混合ガスと熱交換されて温度が下がり、２００℃程度の温度になって一酸化炭素除去部１０に供給される。

一方、蒸発器６に供給される原料ガスの量や水の量が少ない場合、水は第１蒸発部６ａを通過する間に全て蒸発されるが、第１蒸発部６ａでこの水蒸気が過熱されて過熱水蒸気とならないように、第１蒸発部６ａのスパイラル状流路の伝熱面積が設定してある。そして前記のように水の供給量が多いときに未蒸発の水を蒸発させるために、第１蒸発部６ａに続いて第２蒸発部６ｂが設けてあるので、第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気が第２蒸発部６ｂに流入すると、燃焼ガス流路５からの加熱で水蒸気は過熱されて過熱蒸気となり、この過熱蒸気は３００℃程度の高温になる。このように、第２蒸発部６ｂで水蒸気は高温の過熱蒸気となって連通口３６から誘導路１３に流入するが、第１蒸発部６ａから直接、連通口３６を通って誘導路１３に流入する１００℃程度の水蒸気と、この過熱蒸気とが誘導路１３内で混合され、１５０℃程度の適正な温度の水蒸気となって切り欠き部である開口部１２を通過する。

第１蒸発部６ａや第２蒸発部６ｂから誘導路１３に流入した原料ガスや水蒸気は、切り欠き部である開口部１２を通過して混合ガスとして混合ガス流路１４に送られる。そして混合ガス流路１４を流れる混合ガスは、改質ガス流路１６を流れる改質ガスと熱交換されて加熱されるが、隔壁１１を通して誘導路１３内のガスとも熱交換され、水の供給量が少ない場合は誘導路１３内の温度は通常の場合よりも高いので、混合ガスの温度も通常の場合よりもやや高くなり、４００℃程度の温度の混合ガスとして改質器８に供給される。改質器８に供給される混合ガスの温度がこのように４００℃程度であると、改質器８で生成されて改質器８の流出口４０から出る改質ガスの温度は４５０℃程度であり、この改質ガスは改質ガス流路１６を流れる際に、混合ガス流路１４の混合ガスと熱交換されて温度が下がり、２２０℃程度の温度になって一酸化炭素除去部１０に供給される。

前記のように、蒸発器６に供給される原料ガスの量や水の量が変動しても、改質器８に供給される混合ガスの温度は、水の供給量が最大量のときで３５０℃程度、最小量のときで４００℃程度と、水蒸気改質触媒に適した温度範囲内に維持されるので、仕切り板３５と隔壁１１とは２５０℃の温度差になるが、隔壁１１の一方の隔壁溶接部１１ｂを第２蒸発部６ｂに固着し、他方の隔壁摺動部１１ｃを第２蒸発部６ｂに対して熱膨張移動する接触部分を設けたことで加熱による膨張変形が拘束されなくなり、繰返運転と停止の熱膨張収縮があっても隔壁摺動部１１ｃと第２蒸発部６ｂとの間で相対的な移動が可能となり、隔壁溶接部１１ｂの溶接部や下角部の熱応力が低減され、構造体が破損するおそれがなくなる。

なお、隔壁溶接部１１ｂと第２蒸発部６ｂとの固着方法をカシメ接合や拡散結合、リベット結合としても良い。

また、隔壁摺動部１１ｃの挿入される側に少なくとも１箇所以上の切り欠きを設けることにより、隔壁摺動部１１ｃを第２蒸発部６ｂに圧入した後の締め付け応力が低減され、隔壁摺動部１１ｃと第２蒸発部６ｂとの間で相対的な移動による磨耗損傷を生ずる可能性もなくなる。これによって、隔壁摺動部１１ｃを圧入することで溶接せずとも混合ガス流路を構成でき、水素生成装置の運転時に加熱による膨張変形が拘束されなくなり、繰返運転と停止の熱膨張収縮があっても隔壁摺動部１１ｃと第２蒸発部６ｂとの間で相対的な移動が可能となり、隔壁溶接部１１ｂや隔壁１１の下角部の熱応力が低減できる。

したがって、水素生成装置の長寿命化が図れ、かつ溶接箇所を減らせることから第２蒸発部６ｂの組立が容易となるなど、実用性の高い水素生成装置が提供できる。

本発明は、水素生成装置に備えた蒸発器と、蒸発器の一部を覆うように配設された隔壁において、繰返運転と停止の熱膨張収縮による熱応力を低減する構造とし、装置の長寿命化を図るとともに、蒸発器と隔壁との溶接箇所を減らせることから組立が容易となるなど、実用性の高い装置が提供でき、燃料電池システムに備える水素生成装置として有用である。

１ 内筒
２ 外筒
３ 筒体
４ 燃焼部
５ 燃焼ガス流路
６ 蒸発器
６ａ 第１蒸発部
６ｂ 第２蒸発部
７ 改質触媒
８ 改質器
９ 一酸化炭素除去触媒
９ａ ＣＯ変成触媒
９ｂ ＣＯ選択酸化触媒
１０ 一酸化炭素除去部
１０ａ 変成器
１０ｂ 選択酸化器
１１ 隔壁
１１ａ 隔壁底部
１１ｂ 隔壁溶接部
１１ｃ 隔壁摺動部
１２ 開口部
１３ 誘導路
１４ 混合ガス流路
１６ 改質ガス流路
１８ 燃料電池
２５ 原料ガス供給部
２６ 水供給部
２８ 空気供給部
３１ 燃焼用ファン
３３ ガイド体
３５ 仕切り板
３６ 連通口
３８ 熱交換板
３９，４１ 流入口
４０ 流出口

Claims (2)

1. 燃焼用の燃料と空気の混合気を燃焼して燃焼ガスを生成する加熱器と、前記加熱器が生成する燃焼ガスにより原料及び水を加熱して原料と水蒸気の混合気を生成する環状の蒸発器の第１蒸発部と、前記第１蒸発部に連続して下側に配置され未蒸発の水を蒸発させる隔壁で覆われた蒸発器の第２蒸発部と、前記第２蒸発部を経て供給される前記混合気を前記燃焼ガスにより加熱した改質触媒を通過させることにより水素含有ガスを生成する環状の改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する除去触媒を内蔵する一酸化炭素除去部とを備え、
   前記隔壁は、下方に前記第２蒸発部に固着した部分を、上方に前記第２蒸発部に対して熱膨張移動する摺動部分を有することを特徴とする水素生成装置。
   
2. 前記隔壁をフェライト系ステンレス材料で構成し、前記隔壁と接触する蒸発器をオーステナイト系ステンレス材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。

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