JP5659550B2 - 水素生成装置及びその製造方法並びにこの水素生成装置を有する燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、成分として少なくとも炭化水素を含む原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させ、改質された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を備える水素生成装置、及び、この水素生成装置から供給される水素含有ガスと酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池システムに関するものである。

小型装置でエネルギー効率が高い発電及び給湯を可能とする燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。しかしながら、発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。そこで、例えば、炭化水素を含む都市ガス、プロパンガス等の既存の化石燃料インフラなどから供給される原料を利用し、それらの原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。

その水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素生成装置は、一般的に、改質反応後の水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させるために、改質反応後の水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを水性ガスシフト反応させる変成部と、水性ガスシフト反応後の水素含有ガス中の一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に酸化させる選択酸化部と、を含む一酸化炭素低減部を有している。それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒、選択酸化部にはＲｕ触媒等が用いられる。また、各反応部には適した温度があり、改質部は６５０℃程度、変成部は２００℃程度、選択酸化部は１５０℃程度で動作することが多い。

また、燃料電池システムを家庭用途で使用する場合、家庭の電力負荷に対応して、家庭の電化機器があまり使われない負荷が小さい夜間ではシステムを停止し、朝に起動させるなどの起動停止運転を行うことが、高いエネルギー効率を得るための望ましい運転方法となる。

従来のこの種の水素生成装置は、一酸化炭素低減部である変成部および選択酸化部を加熱するヒータを設けることにより、変成部の変成触媒および選択酸化部の選択酸化触媒を活性化できる温度に加熱する構成が検討されている（例えば、特許文献１参照）。

図４及び図５は、特許文献１に記載された従来の水素生成装置を示す概略図である。図４、図５に示すように変成部１０１、選択酸化部１０２、原料ガス供給部１０３、螺旋状ヒータ１０４から構成されている。

特開２００５−１５２９２号公報

しかしながら、従来の構成では、原料ガス供給部１０３の配管は外筒１０５の側面から延出して設けられることが多い。この構成では、外筒１０５の図４の上方Ｂ方向から螺旋状ヒータ１０４を挿入するには、原料ガス供給部１０３の配管に衝突させないように螺旋状ヒータ１０４を回転させながら組み立てるため、非効率な組立をしなければならないという課題を有していた。また、選択酸化部１０２が配置されている部分の外筒１０５の外径は、変成部１０１が配置されている部分の外筒１０５の外径より小さい。そのために、外筒１０５の図５の下方Ｃ方向から螺旋状ヒータ１０４を挿入する場合、螺旋状ヒータ１０４は硬質の材料で構成されているため、外筒１０５の外径がより小さい選択酸化部１０２では外筒１０５の外周と螺旋状ヒータ１０４との間に隙間ができてしまう。その結果、ヒータ１０４の熱が選択酸化触媒１０６に伝わり難いという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、変成部および選択酸化部を、効率的に加熱することができるヒータを有する水素生成装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、
燃焼部を内部に配している加熱筒と、
加熱筒より外側で加熱筒と同心状に配置される外筒と、
加熱筒と外筒との間に、加熱筒との空間と外筒との空間とにおいて下方で上下方向反対向きに折り返すガスの流路が形成されるように配置される内筒と、
外筒の上部の外側面から延出した配管から原料ガスを加熱筒と内筒との間のガスの流路に供給する原料ガス供給部と、
加熱筒と内筒との間に保持され、原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質部と、
内筒と外筒との間で改質部より下流に保持され、改質ガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する変成触媒を有する変成部と、
変成部より上方で変成部が配置されている外筒部分よりも外径が小さい外筒部分における内筒と外筒との間で変成部より下流に配され、水性ガスシフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒を有する選択酸化部と、
外筒の外表面に配置されて、変成触媒と選択酸化触媒とを加熱するヒータと、を有し、
ヒータは、内側に外筒を挿入可能な空間ができるように螺旋状に形成されて変成部が配置される外筒の外表面に螺旋状に配置される第一のヒータと、２次元の連続した波型に形成されて選択酸化部が配置されている外筒近傍の外表面に巻き付けられる第二のヒータと、第一のヒータと第二のヒータとの間に設けられる屈曲部とが、同じ１本のヒータで連続して一体となって形成されており、
第一のヒータの位置が変成部の下方向から変成触媒に対応する位置まで移動するように、外筒が第一のヒータの螺旋の内側の空間に挿入された後に、屈曲部を折り曲げて、第二のヒータを選択酸化部が配置されている外筒部分の外表面に接触させ、第二のヒータが選択酸化部の配置されている外筒の外周表面に、外筒外周に接触させられながら略一回りで巻き付けられたのである。

これにより、原料ガスを供給する原料ガス供給部の配管が外筒の上部の外側面から延出し、変成部より上方で変成部が配置されている外筒部分よりも外径が小さい外筒部分における内筒と外筒との間に選択酸化部が配置されている水素生成装置であっても、変成部が配置される外筒の外表面に配置されるヒータと一体に同じ１本のヒータで連続して形成されたヒータを、選択酸化部が配置されている外筒部分の外表面に、容易に近接して配置することができ、変成触媒と選択酸化触媒とを効率的に速やかに活性温度に加熱することができる。さらに、ヒータは、内側に外筒を挿入可能な空間ができるように螺旋状に形成されて変成部が配置される外筒の外表面に螺旋状に配置される第一のヒータと、２次元の連続した波型に形成されて選択酸化部が配置されている外筒近傍の外表面に巻き付けられる第二のヒータと、第一のヒータと第二のヒータとの間に設けられる屈曲部とが、同じ１本のヒータで連続して一体となって形成されており、第一のヒータの位置が変成部の下方向から変成触媒に対応する位置まで移動するように、外筒が第一のヒータの螺旋の内側の空間に挿入された後に、屈曲部を折り曲げて、第二のヒータを選択酸化部が配置されている外筒部分の外表面に接触させ、第二のヒータが選択酸化部の配置されている外筒の外周表面に、外筒外周に接触させられながら略一回りで巻き付けられて製造することができるので、組立て性も著しく向上させることができる。また、第一のヒータと第二のヒータとの大部分が、外筒に近接し、変成部又は選択酸化部の加熱に用いられるので、第一及び第二のヒータを無駄なく効率的に用いることができる。

本発明の水素生成装置は、原料ガスを供給する原料ガス供給部の配管が外筒の上部の外側面から延出し、変成部より上方で変成部が配置されている外筒部分よりも外径が小さい外筒部分における内筒と外筒との間に選択酸化部が配置されている水素生成装置であっても、変成部が配置される外筒の外表面に配置されるヒータと一体に同じ１本のヒータで連続して形成されたヒータを、選択酸化部が配置されている外筒部分の外表面に、容易に近接して配置することができ、変成触媒と選択酸化触媒とを効率的に速やかに活性温度に加熱することができる。さらに、ヒータは、内側に外筒を挿入可能な空間ができるように螺旋状に形成されて変成部が配置される外筒の外表面に螺旋状に配置される第一のヒータと、２次元の連続した波型に形成されて選択酸化部が配置されている外筒近傍の外表面に巻き付けられる第二のヒータと、第一のヒータと第二のヒータとの間に設けられる屈曲部と
が、同じ１本のヒータで連続して一体となって形成されており、第一のヒータの位置が変成部の下方向から変成触媒に対応する位置まで移動するように、外筒が第一のヒータの螺旋の内側の空間に挿入された後に、屈曲部を折り曲げて、第二のヒータを選択酸化部が配置されている外筒部分の外表面に接触させ、第二のヒータが選択酸化部の配置されている外筒の外周表面に、外筒外周に接触させられながら略一回りで巻き付けられて製造することができるので、組立て性も著しく向上させることができる。また、第一のヒータと第二のヒータとの大部分が、外筒に近接し、変成部又は選択酸化部の加熱に用いられるので、第一及び第二のヒータを無駄なく効率的に用いることができる。

本発明の実施の形態における水素生成装置の概略構成図 本発明の実施の形態におけるヒータの取付前図 本発明の実施の形態におけるヒータの取付状態図 従来の水素生成装置の概略構成図 従来の水素生成装置の概略構成図

第１の発明は、
燃焼部を内部に配している加熱筒と、
加熱筒より外側で加熱筒と同心状に配置される外筒と、
加熱筒と外筒との間に、加熱筒との空間と外筒との空間とにおいて下方で上下方向反対向きに折り返すガスの流路が形成されるように配置される内筒と、
外筒の上部の外側面から延出した配管から原料ガスを加熱筒と内筒との間のガスの流路に供給する原料ガス供給部と、
加熱筒と内筒との間に保持され、原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質部と、
内筒と外筒との間で改質部より下流に保持され、改質ガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する変成触媒を有する変成部と、
変成部より上方で変成部が配置されている外筒部分よりも外径が小さい外筒部分における内筒と外筒との間で変成部より下流に配され、水性ガスシフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒を有する選択酸化部と、
外筒の外表面に配置されて、変成触媒と選択酸化触媒とを加熱するヒータと、を有し、
ヒータは、内側に外筒を挿入可能な空間ができるように螺旋状に形成されて変成部が配置される外筒の外表面に螺旋状に配置される第一のヒータと、２次元の連続した波型に形成されて選択酸化部が配置されている外筒近傍の外表面に巻き付けられる第二のヒータと、第一のヒータと第二のヒータとの間に設けられる屈曲部とが、同じ１本のヒータで連続して一体となって形成されており、
第一のヒータの位置が変成部の下方向から変成触媒に対応する位置まで移動するように、外筒が第一のヒータの螺旋の内側の空間に挿入された後に、屈曲部を折り曲げて、第二のヒータを選択酸化部が配置されている外筒部分の外表面に接触させ、第二のヒータが選択酸化部の配置されている外筒の外周表面に、外筒外周に接触させられながら略一回りで巻き付けられた、
水素生成装置である。

ここで、原料ガスとは、成分として少なくとも炭化水素を有する気体を意味する。

第１の発明は、原料ガスを供給する原料ガス供給部の配管が外筒の上部の外側面から延出し、変成部より上方で変成部が配置されている外筒部分よりも外径が小さい外筒部分における内筒と外筒との間に選択酸化部が配置されている水素生成装置であっても、変成部が配置される外筒の外表面に配置されるヒータと一体に同じ１本のヒータで連続して形成
されたヒータを、選択酸化部が配置されている外筒部分の外表面に、容易に近接して配置することができ、変成触媒と選択酸化触媒とを効率的に速やかに活性温度に加熱することができる。さらに、ヒータは、内側に外筒を挿入可能な空間ができるように螺旋状に形成されて変成部が配置される外筒の外表面に螺旋状に配置される第一のヒータと、２次元の連続した波型に形成されて選択酸化部が配置されている外筒近傍の外表面に巻き付けられる第二のヒータと、第一のヒータと第二のヒータとの間に設けられる屈曲部とが、同じ１本のヒータで連続して一体となって形成されおり、第一のヒータの位置が変成部の下方向から変成触媒に対応する位置まで移動するように、外筒が第一のヒータの螺旋の内側の空間に挿入された後に、屈曲部を折り曲げて、第二のヒータを選択酸化部が配置されている外筒部分の外表面に接触させ、第二のヒータが選択酸化部の配置されている外筒の外周表面に、外筒外周に接触させられながら略一回りで巻き付けられて製造することができるので、組立て性も著しく向上させることができる。また、第一のヒータと第二のヒータとの大部分が、外筒に近接し、変成部又は選択酸化部の加熱に用いられるので、第一及び第二のヒータを無駄なく効率的に用いることができる。

第２の発明は、第１の発明の水素生成装置を有する燃料電池システムである。

第３の発明は、
燃焼部を内部に配している加熱筒と、
前記加熱筒より外側で前記加熱筒と同心状に配置される外筒と、
前記加熱筒と前記外筒との間に、前記加熱筒との空間と前記外筒との空間とにおいて下方で上下方向反対向きに折り返すガスの流路が形成されるように配置される内筒と、
前記外筒の上部の外側面から延出した配管から原料ガスを前記加熱筒と前記内筒との間の前記ガスの流路に供給する原料ガス供給部と、
前記加熱筒と前記内筒との間に保持され、前記原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質部と、
前記内筒と前記外筒との間で前記改質部より下流に保持され、前記改質ガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する変成触媒を有する変成部と、
前記変成部より上方で前記変成部が配置されている前記外筒部分よりも外径が小さい前記外筒部分における前記内筒と前記外筒との間で前記変成部より下流に配され、前記水性ガスシフト反応させた前記改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒を有する選択酸化部と、
前記外筒の外表面に配置されて、前記変成触媒と前記選択酸化触媒とを加熱するヒータと、を有する水素生成装置の製造方法であって、
前記ヒータは、内側に前記外筒を挿入可能な空間ができるように螺旋状に形成されて前記変成部が配置される前記外筒の外表面に螺旋状に配置される第一のヒータと、２次元の連続した波型に形成されて前記選択酸化部が配置されている前記外筒近傍の外表面に巻き付けられる第二のヒータと、前記第一のヒータと前記第二のヒータとの間に設けられる屈曲部とが、同じ１本のヒータで連続して一体となって形成されており、
前記第一のヒータの位置が前記変成部の下方向から前記変成触媒に対応する位置まで移動するように、前記外筒を前記第一のヒータの螺旋の内側の空間に挿入し、
その後、前記屈曲部を折り曲げて、前記第二のヒータを前記選択酸化部が配置されている前記外筒部分の外表面に接触させ、前記第二のヒータを前記選択酸化部が配置されている前記外筒の外周表面に、前記外筒外周に接触させながら略一回りで巻き付ける、
水素生成装置の製造方法である。

以下、本発明を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。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態における水素生成装置の概略構成図である。図２は、実施の形態におけるヒータの取付前図である。図３は、実施の形態におけるヒータの取付状態図である。

図１に示すように、水素生成装置１は略円筒状の多重筒構成で三層構造になっている。燃料を燃焼する加熱部を内部に有している加熱筒２が、水素生成装置１の最も内側に配置されている。内筒４と外筒３とが、加熱筒２を中心として同心状に間隔をおいて配置されており、加熱筒２と外筒３との間に内筒４が配置されている。つまり、加熱筒２の外側に内筒４、さらに内筒４の外側に外筒３が配置されている。内筒４は、加熱筒２との空間と、外筒３との空間と、において、途中で反対方向（図１では下方から上方）に折り返すガスの流路が形成されている。

また、内筒４のガス折り返し部３１（図１では下方）の反対側（図１では上方）の水素生成装置１の外側面に、外部のガス配管に接続するとともに原料ガスを内筒４に供給する原料供給部５と外部の水道管に接続するとともに水素生成装置１に水を供給する水供給部６とが接続している。

このように、原料供給部５から供給された原料ガスは、加熱筒２と内筒４との間を折り返し部３１に向かって流れ、折り返し部３１において流れる方向が反転し、内筒４と外筒３との間を水素ガス供給経路１７に向かって流れる。

また、水素生成装置１は、内筒４と加熱筒２との間の空間で折り返し部３１近傍に保持される改質部７を有している。改質部７は、原料供給部５から供給される原料ガスと水蒸気とを改質反応させて、改質ガスを生成する改質触媒７ａを有している。

さらに、水素生成装置１は、内筒４と外筒３との間の空間に保持され、改質部７より下流に配置される変成部８を有している。変成部８は、改質部７で生成された改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と水性ガスシフト反応させて二酸化炭素にすることにより、一酸化炭素を低減する変成触媒９を有している。

また、水素生成装置１は、内筒４と外筒３との間で変成部８より下流に保持されている選択酸化部１０を有している。選択酸化部１０は、変成部８における水性ガスシフト反応により低減した一酸化炭素をさらに低減させるために、水性ガスシフト反応後の水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的に酸素と反応させて二酸化炭素に変える選択酸化触媒１１を有している。

改質部７と変成部８と選択酸化部１０とは、上述の通り、外周方向に重ならないように位置している。また、図１に示すように、外筒３は、変成部８が配置されている外筒３部分の外径は、選択酸化部１０が配置されている外筒３部分の外径よりも大きくなるように、形成されている。

改質触媒７ａはＲｕ系の触媒で、変成触媒９はＣｕ−Ｚｎ系の触媒で、選択酸化触媒１１はＲｕ系の触媒である。

また、水素生成装置１は、加熱筒２の内部に改質部７における改質反応に必要な反応熱を供給する燃焼部１４を備えている。燃焼部１４は、供給された燃焼ガスを燃焼させて改質部７を加熱するバーナーである。また、燃料部１４は、燃焼部１４の燃焼状態を検知するフレームロッドである燃焼検出部１５を下端に有し、燃焼部１４に燃料用空気を供給する燃焼ファン１６を有している。燃焼部１４で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路（図示せず）を介して燃焼部１４に供給される。

ヒータ１２は、螺旋状に形成されている第一のヒータ１２ａと２次元状の波型部に形成されている第二のヒータ１２ｂとで構成され、表面は金属製である。具体的には、第一のヒータ１２ａと第二のヒータ１２ｂと屈曲部１３ｃは、同じ１本のヒータで、連続し一体となって形成されている。ヒータ１２は、例として、マイクロヒータが挙げられる。

また、第一のヒータ１２ａは、少なくとも変成部８が配置される外筒３の外表面に、配置されている。また、第一のヒータ１２ａは、変成触媒９を加熱し、内側に空間を有する螺旋状に形成され、外筒３がその空間に挿入できるように構成されている。

さらに、第二のヒータ１２ｂは、選択酸化触媒１１を加熱する連続した波型のヒータであり、少なくとも選択酸化部１０が配置されている外筒近傍の外表面に、ほぼ一回りで巻き付けられている。

図２に示すように、最初に、変成部８の図２の下方Ａ方向から第一のヒータ１２ａを変成触媒９に対応する位置まで、外筒３を第一のヒータ１２ａ内の空間に挿入する。次に、第一のヒータ１２ａと第二のヒータ１２ｂとの間に設けられている屈曲部１２ｃを折り曲げて、第二のヒータ１２ｂを選択酸化部１０が配置されている外筒３部分の外表面に接触させる。次に、第二のヒータ１２ｂを選択酸化部１０が配置されている外筒３の外周表面に、外筒３外周に接触させながら巻き付ける。なお、実施の形態１では、第二のヒータ１２ｂの高さは選択酸化触媒１１を効率的に加熱するために選択酸化触媒１１に対応する高さになっている。しかし、第二のヒータ１２ｂは、選択酸化触媒１１より高いものでもよく、少なくとも選択酸化触媒１１を加熱できればよい。第一のヒータ１２ａも同様に、実施の形態１では効率的に変成触媒９を加熱するために変成触媒９の外側に位置しているが、少なくとも変成触媒９を加熱できるように外筒３の外側に位置していれば良い。

そして、図３に示すように、ヒータ１２が外筒３に取り付いた状態になる。

また、水素生成装置１を有する燃料電池システム（図示せず）おいて、空気供給ブロックは、フィルタが内蔵されている空気フィルタと、酸化剤である酸素を含む空気を燃料電池ブロック内の燃料電池スタックに供給する空気供給手段と、空気フィルタと空気供給手段とを接続する配管と、空気フィルタと空気供給手段とを上面に搭載する空気供給ブロック棚板とを有している。さらに、凝縮水タンクブロックは、燃料電池ブロック内の燃料電池スタックより排出された空気及び燃料ガスの両方の気体中に含まれる水蒸気を凝縮して水分を分離する凝縮水タンクとその関連の部品とを有している。燃料電池ブロックは、水素生成装置１により生成された水素リッチなガスと空気供給手段により供給される酸化剤ガスとして空気中の酸素との電気化学的反応により、発電を行う燃料電池スタックとその関連の部品とを有している。冷却水タンクブロックは、燃料電池スタックの発電時に発生する熱を吸収し、燃料電池スタックを所定の温度に維持するための冷却水を供給する冷却水タンクとその関連の部品とを有している。電力変換ブロックは、燃料電池スタックで発生する直流の電力を商用電圧・周波数の交流の電力に変換するインバータとその関連の部品と、を有している。

以上のように構成された水素生成装置１について、図１を用いて、起動動作、通常時の運転動作、及び停止動作をして説明する。

炭化水素を少なくとも成分に含む原料を水蒸気改質する場合、改質部７で改質された改質ガスは水蒸気を含んでいる。図１において、水が凝縮した場合、改質ガスが沸点以上の温度とならないため、特に変成部８は熱容量の大きな変成触媒９があることも関係し、変成触媒９において水蒸気が凝縮して多くの水が発生する。その結果、変成触媒９を最適反
応温度まで加熱するための時間が長くなり、起動時間が長くなる。また、凝縮した水により変成触媒９の触媒活性が低下し、変成触媒９における水性ガスシフト反応後の水素含有ガスの一酸化炭素濃度が増加し、水素生成装置１において生成された水素が供給される燃料電池システムの発電特性が大きく低下する。これは、燃料電池システム内の燃料電池ブロック内の燃料電池のセルの電極に白金が用いられているが、この白金が被毒するからである。

そこで、停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、運転制御部（図示せず）からの指令により、ヒータ１２に通電して、変成触媒９の温度を検知する変成温度検知部（図示せず）と選択酸化触媒１１の温度を検知する選択酸化検知部と（図示せず）で検知される温度に基いて、変成部８、選択酸化部１０の加熱を行う。変成温度検知部（図示せず）および選択酸化検知部（図示せず）が所定の温度になったことを検知した後に、都市ガスやＬＰガスなどの原料を燃焼部１４に供給し、燃焼部１４で原料に着火して水素生成装置１の加熱を開始する。

燃焼部１４での加熱開始後に、原料供給部５を通して水素生成装置１に原料を供給するとともに、水供給部６から水素生成装置１に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給部６からの水の供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。

水素生成装置１では、改質部７で水蒸気改質反応、変成部８で水性ガスシフト反応、選択酸化部１０で一酸化炭素の選択酸化反応が行われる。これら３種類の反応後に生成した水素含有ガスは、一酸化炭素濃度が所定濃度以下（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）に低減されるまで、燃料電池ブロック内の燃料電池スタックには供給されず、封止部（図示せず）を経て燃料電池バイパス経路（図示せず）を通して燃焼部１４に供給される。この時、改質温度検知部（図示せず）で検知される温度に基づいて、改質部７、変成部８、選択酸化部１０が各反応に適した温度になるように、燃焼部１４の燃焼を制御する。

変成部８、選択酸化部１０が反応に適切な温度となり、一酸化炭素濃度が所定濃度以下になるまで低減された後、封止部（図示せず）を動作させて開放する。このとき、水素生成装置１は、通常の運転動作になり、水素ガス供給経路（図示せず）を通して水素含有ガスを、例えば、燃料電池に供給し始める。

通常の運転動作時は、変成触媒９と選択酸化触媒１１との受熱は燃焼部１４のバーナ熱から内筒２からの伝熱にて行われている。具体的には、図１では、燃焼部１４は、燃焼検知部１５近傍で、下方に向かって炎が発生する。触媒の反応温度域は変成触媒９が１７０〜３００度と反応域が広いが、選択酸化触媒１１は１３０〜１７０度と狭い。このため、選択酸化部１０の外筒３の外径が大きくなると外側に位置する選択酸化触媒１１の触媒温度が反応温度以下になるため外径を大きくできない。特に、改質触媒７ａ及び変成触媒９は、バーナの炎によって直接的に加熱されるため温まりやすいが、選択酸化触媒１１は、燃焼排ガスなどの熱が伝わって加熱するもので、バーナの炎で直接的に加熱されるものではない。そのため、選択酸化触媒１１の外径方向の幅が大きくなると、選択酸化触媒１１のうち外側に位置する部分が選択酸化反応を十分に行える温度まで上昇せず、温度分布にムラができ、一酸化炭素を効率よく除去することができない。したがって、選択酸化触媒１１は変成触媒９より幅を小さくする必要があり、その結果、選択酸化触媒１１がある外筒３部分の外径は小さくなる。つまり、変成部８が配置されている外筒３部分の外径は選択酸化部１０が配置されている外筒３部分の外径よりも大きくなる。

装置停止時は、原料と水の供給を停止させ、水素生成装置１内の改質部７、変成部８、選択酸化部１０の各触媒層の温度を低下させる。このとき、燃焼部１４の基本動作は停止させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させ後、原料を水素生成装置１に流通させ、水素生成装置１のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する動作を行い、適宜水素生成装置１を封止する動作を行う。水素生成装置１によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路１７を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。また、燃焼部１４で発生させた燃焼排ガスは、図面右上の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。

以上のように本発明にかかる水素生成装置は、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる変成部を有する水素生成装置について有用である。

１ 水素生成装置
２ 加熱筒
３ 外筒
４ 仕切り筒
５ 原料供給部
６ 水供給部
７ 改質部
８ 変成部
９ 変成触媒
１０ 選択酸化部
１１ 選択酸化触媒
１２ ヒータ
１２ａ 第一のヒータ
１２ｂ 第二のヒータ
１２ｃ 屈曲部
１４ 燃焼部
１５ 燃焼検出部
１６ ファン
１７ 水素ガス供給経路
３１ ガス折り返し部

Claims (3)

1. 燃焼部を内部に配している加熱筒と、
   前記加熱筒より外側で前記加熱筒と同心状に配置される外筒と、
   前記加熱筒と前記外筒との間に、前記加熱筒との空間と前記外筒との空間とにおいて下方で上下方向反対向きに折り返すガスの流路が形成されるように配置される内筒と、
   前記外筒の上部の外側面から延出した配管から原料ガスを前記加熱筒と前記内筒との間の前記ガスの流路に供給する原料ガス供給部と、
   前記加熱筒と前記内筒との間に保持され、前記原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質部と、
   前記内筒と前記外筒との間で前記改質部より下流に保持され、前記改質ガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する変成触媒を有する変成部と、
   前記変成部より上方で前記変成部が配置されている前記外筒部分よりも外径が小さい前記外筒部分における前記内筒と前記外筒との間で前記変成部より下流に配され、前記水性ガスシフト反応させた前記改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒を有する選択酸化部と、
   前記外筒の外表面に配置されて、前記変成触媒と前記選択酸化触媒とを加熱するヒータと、を有し、
   前記ヒータは、内側に前記外筒を挿入可能な空間ができるように螺旋状に形成されて前記変成部が配置される前記外筒の外表面に螺旋状に配置される第一のヒータと、２次元の連続した波型に形成されて前記選択酸化部が配置されている前記外筒近傍の外表面に巻き付けられる第二のヒータと、前記第一のヒータと前記第二のヒータとの間に設けられる屈曲部とが、同じ１本のヒータで連続して一体となって形成されており、
   前記第一のヒータの位置が前記変成部の下方向から前記変成触媒に対応する位置まで移動するように、前記外筒が前記第一のヒータの螺旋の内側の空間に挿入された後に、前記屈曲部を折り曲げて、前記第二のヒータを前記選択酸化部が配置されている前記外筒部分の外表面に接触させ、前記第二のヒータが前記選択酸化部の配置されている前記外筒の外周表面に、前記外筒外周に接触させられながら略一回りで巻き付けられた、
   水素生成装置。
2. 請求項１に記載の水素生成装置を有する燃料電池システム。
3. 燃焼部を内部に配している加熱筒と、
   前記加熱筒より外側で前記加熱筒と同心状に配置される外筒と、
   前記加熱筒と前記外筒との間に、前記加熱筒との空間と前記外筒との空間とにおいて下方で上下方向反対向きに折り返すガスの流路が形成されるように配置される内筒と、
   前記外筒の上部の外側面から延出した配管から原料ガスを前記加熱筒と前記内筒との間の前記ガスの流路に供給する原料ガス供給部と、
   前記加熱筒と前記内筒との間に保持され、前記原料ガスと水蒸気とを改質反応させ水素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質部と、
   前記内筒と前記外筒との間で前記改質部より下流に保持され、前記改質ガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応により低減する変成触媒を有する変成部と、
   前記変成部より上方で前記変成部が配置されている前記外筒部分よりも外径が小さい前記外筒部分における前記内筒と前記外筒との間で前記変成部より下流に配され、前記水性ガスシフト反応させた前記改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒を有する選択酸化部と、
   前記外筒の外表面に配置されて、前記変成触媒と前記選択酸化触媒とを加熱するヒータと、を有する水素生成装置の製造方法であって、
   前記ヒータは、内側に前記外筒を挿入可能な空間ができるように螺旋状に形成されて前記変成部が配置される前記外筒の外表面に螺旋状に配置される第一のヒータと、２次元の連続した波型に形成されて前記選択酸化部が配置されている前記外筒近傍の外表面に巻き付けられる第二のヒータと、前記第一のヒータと前記第二のヒータとの間に設けられる屈曲部とが、同じ１本のヒータで連続して一体となって形成されており、
   前記第一のヒータの位置が前記変成部の下方向から前記変成触媒に対応する位置まで移動するように、前記外筒を前記第一のヒータの螺旋の内側の空間に挿入し、
   その後、前記屈曲部を折り曲げて、前記第二のヒータを前記選択酸化部が配置されている前記外筒部分の外表面に接触させ、前記第二のヒータを前記選択酸化部が配置されている前記外筒の外周表面に、前記外筒外周に接触させながら略一回りで巻き付ける、
   水素生成装置の製造方法。

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