JP5807173B2 - 水素生成装置及びこれを備える燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとして、水素リッチな水素含有ガスを製造する水素生成装置、及び水素生成装置で製造された水素含有ガスを利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
従来、高効率で小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電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の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。燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとが有する化学エネルギーを所定の電気化学反応により電気エネルギーに変換する燃料電池を備えている。このように燃料電池で生成された電気エネルギーは、燃料電池システムから電力負荷に供給される。
ところで、燃料電池システムで用いられる水素を含有する燃料ガスは一般的なインフラストラクチャーとして整備されていないため、通常、燃料電池システムは燃料ガスを生成するための水素生成装置を備えている。このように燃料電池システムに備えられた水素生成装置は、例えば、改質触媒を備えた改質器と、改質器に隣接若しくは内蔵された燃焼バーナとを備えている。この燃焼バーナには燃焼ファンが付設されており、燃焼バーナでは、燃料電池から排出された余剰の燃料ガス（以下、オフガスという）と、燃焼ファンから供給された燃焼用空気とを用いて燃焼が行われる。そして、水素生成装置では、天然ガス等の原料ガスと水と燃焼バーナにて加熱された改質触媒とにより改質器内で生じる水蒸気改質反応によって、水素を豊富に含む燃料ガスが生成される。
水素生成装置として、小型化、高効率化、運転の安定性向上、低コスト化の観点から種々の装置が従来から提案されている。例えば、小型の円筒縦長型の改質構成や、改質部と一酸化炭素除去部を一体構造とした円筒型構成などが一般的な構成となっている（例えば、特許文献１及び２参照）。
また、熱効率を向上させるために、燃焼バーナを取り囲むように筒状の改質器を備えた水素生成装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に記載の水素生成装置は、水蒸気改質反応を行う改質器と、ガス中の一酸化炭素を低減させるためにシフト反応を行う変成部並びに酸化反応を行う酸化部とを、筒状の容器内に一体的に備えている。そして、筒状の容器には、原料ガス、オフガス、水、及び燃焼用空気の供給用流路や、水素生成装置から排出される水素及び燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの排出用流路を構成する配管が接続されている。
ところで、水素生成装置は、一般に、１０〜２０ｋｇと重量が大きいため、燃料電池システムとして燃料電池とともにパッケージ化する際に、燃料電池システムのフレームに支持及び固定することが提案されている（例えば、特許文献４参照）。特許文献４に記載の水素生成装置においては、改質部とＣＯシフト部を別体で設けた際の改質部とＣＯシフト部との間に設けられた熱交換器と改質器とを接続する連結配管を介した熱放出による効率低下や、上記連結配管と改質器や熱交換器との接続部の熱応力の集中による破損を考慮して、上記特許文献１に記載のように、燃料バーナ、改質器、熱交換器、ＣＯシフト部、及びＣＯ酸化部が一体的に形成している。また、燃料電池システムのパッケージ本体内に挿置される燃料改質装置において、燃料改質装置が、その比較的温度の低い部分又は低温化する必要のある部分をフランジ部を介して、パッケージ本体と連結されており、これにより上記連結部を介した熱放出による効率低下が抑制されている。例えば、上記改質装置中に設けられた燃焼バーナのうち燃料・空気及びアノードオフガスの導入部付近の比較的低温部分であるフランジ部とブラケットが接合され、このブラケットを介して間接的にパッケージ本体に支持されるように構成されている。
日本国特開２００５−３０６６５８号公報 日本国特開２００４−１４９４０２号公報 日本国特開２００８−０６３１７１号公報 日本国特開２００２−２８４５０６号公報
しかしながら、水素生成装置では、運転時に改質触媒層（改質部）が、６００℃〜７００℃のような高温まで温度上昇するため、改質触媒層が反応可能な温度下に配置されている水素生成装置本体としての金属構造体も同様の温度となっている。金属構造体は温度に応じて熱膨張するため、当該熱膨張により金属構造体の上下に大きな応力が発生する場合がある。金属構造体の上下に、ガス、水などの配管や、金属構造体と外部の支持体との接続部分がある場合においてこのような応力が発生すると、配管や接続部分に大きな応力がかかり、変形、亀裂、破壊などのダメージが発生する可能性がある。
本発明は水素生成装置本体と接続する各種配管などの部材が、運転時における熱膨張と停止時における冷却収縮に起因して生じる熱応力により、破損する可能性を抑制した水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の水素生成装置は、水素を生成可能な所定の媒体を燃焼する燃焼部を内部に有する本体と、前記本体に接続され、前記所定の媒体を前記本体の内部に流入し、または前記本体の内部から外部へ流出させるための複数の配管と、前記本体の内部に設けられ、前記所定の媒体としての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部と、前記本体の内部に設けられ、ＣＯ変成反応によって前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する変成部と、前記本体の内部に設けられ、前記変成部により一酸化炭素が低減した改質ガスについて、酸素とＣＯ酸化反応させ、一酸化炭素をさらに低減する酸化部と、を備え、前記燃焼部の運転により前記本体に温度勾配が生ずることにより、温度の高い高温領域と温度の低い低温領域が前記本体に生じ、前記複数の配管の総てが前記低温領域に配置されており、前記本体の外側から当該本体を支持する支持体と前記複数の配管の少なくとも一部が接続されるための配管口を有する配管口形成体とが、前記低温領域に設けられ、前記支持体が前記配管口形成体に接続され、前記本体を支持し、前記複数の配管および前記支持体は、前記変成部および前記酸化部よりも前記低温領域における低温側に存在する。
上記構成においては、各種の配管総てが運転時における本体の低温領域に配置されているとともに、本体の支持体も低温領域に配置されている。低温領域においては、運転時における本体の熱膨張と停止時における本体の冷却収縮に起因して生じる熱応力が比較的小さい。したがって、本構成によれば熱応力により配管、本体、支持体が破損するおそれを抑制することが可能となる。
さらに上記構成においては、複数の配管の少なくとも一部と支持体が、低温領域に配置された配管口形成体に接続されるため、熱応力による配管、本体、支持体の破損をより抑制することが可能となる。
さらに各種の配管、本体の支持体が、変成部および酸化部よりも低温領域におけるさらに低温側に配置される。したがって、本構成によれば熱応力により配管、本体、支持体が破損するおそれを抑制することが可能となる。
また、前記複数の配管の総てが前記配管口形成体に接続されているのが好ましい。
上記構成においては、複数の配管の総てが配管口形成体に接続されるため、熱応力による配管、本体、支持体の破損をさらに抑制することが可能となる。また、水素生成装置の組み立て施工やメンテナンスを簡易とすることができる。
ここで、前記改質部と前記変成部と前記酸化部とが、前記温度勾配の方向に沿って重ならないように配置されるのが好ましい。
水素生成装置では、温度勾配方向にサイズが長くなる構成が多く、これらの部材が熱膨張したとき、温度勾配の方向に沿って伸びる長さが長くなる可能性が高い。上記構成によれば、熱膨張により生じる伸びの影響を抑制することが可能となる。
また、前記本体と前記支持体の間には断熱材が配置され、前記断熱材と、前記本体の前記高温領域側における前記断熱材と向かい合う面との間には、空間が設けられているのが好ましい。さらに前記空間は、前記燃焼部の運転時における前記本体の熱膨張による伸びよりも長い距離を有しているのが好ましい。
上記構成においては、運転時において本体が熱膨張により伸びたときであっても、本体と断熱材は干渉しない。したがって、安定した断熱性能が維持される。
また、前記配管口形成体が、前記配管口を間に挟んだ少なくとも２箇所において前記支持体に固定されているのが好ましい。
上記構成によれば、配管口形成体は、配管口を間に挟んで少なくとも２箇所にいて支持体に固定されているため、熱応力による変形が抑制される。従って、配管口の移動も抑制されるため、配管口に接続された配管の破損をさらに効果的に抑制することが可能となる。
前記配管口形成体は、前記本体の軸方向における前記本体の一方の端部に設けられているのが好ましい。
上記構成によれば、本体は、その一方の端部近傍において、配管口形成体を介して支持体に支持されることとなる。よって、支持体に固定されていない本体の他方の端部側の方向には、本体は自由に熱変形することができるため、本体の特定の箇所に熱応力が生じて破損することを抑制することができる。
前記本体と前記配管口形成体の間には断熱部材が配置されているのが好ましい。
上記構成によれば、断熱部材により本体から配管口形成体への熱伝導を抑制することができるので、配管口形成体の温度変化をより小さくすることができる。これにより、水素生成装置が運転時と停止時と間で温度変化した場合に、配管口付近に生じる熱応力を低減することができる。
上記の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを含む燃料電池システムが構成される。
上記燃料電池システムによれば、水素生成装置の配管の破損及び劣化が防止され、燃料電池システムの運転の安定化と、燃料電池システムの高寿命化を図ることができる。
本発明の水素生成装置又は燃料電池システムによれば、運転および停止の繰り返しに伴う熱応力に起因する水素生成装置の各部の劣化、破壊を抑制することが可能となり、装置、システムの安定性を高めるとともに、高寿命化を図ることができる。
実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図 実施の形態１に係る水素生成装置本体の主要部縦断面図 図２の一部を拡大した図 水素生成装置の正面図 （ａ）は水素生成装置の平面図、（ｂ）は締結部材の配置の変形例１を説明する水素生成装置の平面図、（ｃ）は締結部材の配置の変形例２を説明する水素生成装置の平面図 水素生成装置の変形例を示す正面図 固定器の変形例を示す水素生成装置の正面図 実施の形態２に係る水素発生装置（水素生成装置）の概略構成を示す断面図
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置を備えた燃料電池システムの概略構成を説明する。図１は本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて電気と熱とを発生させる燃料電池６０と、水素を多く含有する燃料ガスを生成して燃料電池６０に供給する水素生成装置（燃料ガス生成装置）７６と、燃料電池６０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置７７とを備えている。本実施の形態において、酸化剤ガスは空気であり、酸化剤ガス供給装置７７は、例えば、ブロワなどの送風機と、送風機で圧送されてくる空気を加湿する加湿器とで構成されている。
水素生成装置７６には、原料ガス供給器（原料ガス源）８１から原料ガスが供給され、水供給器（水供給源）８２から水が供給される。原料ガス供給器８１は、例えば、原料ガス源としての都市ガス又はプロパンガス等の原料ガスの供給量を制御する流量調整器である。具体的には、流量調整弁、ポンプ、開閉弁等から構成される。また、水供給器８２は、例えば、水供給源としての市水インフラ等からの水の供給量を制御する流量調整器であり、具体的には、流量調整弁、ポンプ、及び開閉弁で構成されている。水素生成装置７６では、このようにして供給された原料ガスと水と燃焼器（燃焼部）４からの熱とを利用して、燃料電池６０で還元剤ガスとして利用される燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。水素生成装置７６の構成については、後ほど詳述する。
燃料電池６０は、例えば、含水状態においてプロトンを選択的に輸送するプロトン伝導性を有する高分子電解質膜とアノード及びカソードの一対の電極とから成るＭＥＡを備えた高分子電解質形燃料電池で構成することができる。燃料電池６０では、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された酸化剤ガスとが、電気化学的に反応して、電気と熱と水とが生成される。
燃料電池６０の出力端子は、燃料電池６０で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを備えた出力制御装置７５に接続され、この出力制御装置７５は電力負荷に接続されている。燃料電池６０の発電量は、出力制御装置７５により制御されている。
燃料電池６０からは、反応に使われなかった余剰の燃料ガスが排出される。この余剰の燃料ガスを含むオフガス（アノードオフガス）は、燃焼器４に供給されて燃料として利用される。また、燃料電池６０からは、余剰の酸化剤ガスが排出される。この余剰の酸化剤ガスを含むオフガス（カソードオフガス）は、大気へ排出される。
ここで、水素生成装置７６について詳細に説明する。図２は本実施の形態に係る水素生成装置本体の主要部縦断面図、図３は図２の一部を拡大した図である。
図１〜図３に示すように、水素生成装置７６は、改質器（改質部）８と、変成部１０ａと、酸化部１０ｂと、燃焼器４とを、筐体３に内装した水素生成装置本体（本体）７８を備えている。このように改質器８や燃焼器４が内装された筐体３により、水素生成装置本体７８の外表面（外郭）が形成されている。筐体３は上端が開放され、且つ、下端が閉塞された筒体を構成する胴部３ａを含み、胴部３ａの開放された上端にはフランジ部３ｂを有している。このフランジ部３ｂは、後述する支持体７０に水素生成装置本体７８を固定するための固定器６５の一構成要素となる。
本発明の配管口形成体６２は、水素生成装置本体７８の中でも比較的温度の低い、燃焼器４の火炎放出方向から見て水素生成装置本体７８の下端側に配設されている方が好ましい。すなわち、燃焼器４の運転により水素生成装置本体７８の長手方向（本実施形態では高さ方向）には温度勾配が生じ、温度の高い高温領域と温度の低い低温領域が水素生成装置本体７８に発生する。図２において、水素生成装置本体７８の下側は高温領域となり、上側は低温領域となる。より具体的には、筐体３の上端の開口を閉塞するように板状の配管口形成体６２が配置されている。このようにして水素生成装置本体７８に設けられた配管口形成体６２と、筐体３のフランジ部３ｂとの間には、シート状の断熱部材６１が介装されて、配管口形成体６２と筐体３のフランジ部３ｂとが、ボルト及びナット等の締結部材６７により締結されている。
配管口形成体６２には、水素生成装置本体７８へ各種ガス及び水（水素を生成可能な所定の媒体）を供給する配管及び水素生成装置本体７８から排出された各種ガスが流れる配管から成る配管群のうち少なくとも一部の配管と連通する配管口が形成されており、この配管口と連通する配管には配管接続部６３が設けられ、この配管接続部６３を介して水素生成装置本体７８内の流路と接続されている。具体的には、配管口形成体６２には、原料ガス供給器８１から原料ガスを改質器に供給するための原料ガス供給路５２、水供給器８２から予熱蒸発部６へ水を供給するための水供給路５３、酸化用空気供給器８４からＣＯ酸化触媒９ｂへ酸化用空気を供給するための酸化用空気供給路５８、燃焼用空気供給器８３から燃焼器４へ燃焼用空気を供給するための燃焼用空気供給路５４、燃焼器４で生じた燃焼排ガスを水素生成装置７６外部に排出する燃焼ガス排出路５６、及び、燃料電池６０へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路５７を、水素生成装置本体７８の外部においてそれぞれの流路の一部を構成する配管と連通するための配管口が形成されている。このように、配管口形成体６２は配管が集中して接続される集中配管部となっている。上述の通り水素生成装置本体７８に接続される配管が、配管口形成体６２に集中して接続されることにより、水素生成装置７６の組み立て施工やメンテナンスを簡易とすることができる。なお、原料ガス供給路５２、酸化用空気供給路５８、燃焼用空気供給路５４、燃焼ガス排出路５６、及び燃料ガス供給路５７はステンレス鋼管等の金属製配管で構成され、水供給路５３は樹脂製配管で構成されている。
また、配管接続部６３は、例えば、継手で構成されている。このような継手として、例えば、クリップ状のクイックファスナを用いるクイックファスナ継手を採用して、作業者の配管工数の削減と作業の均一化を図ることができる。
筐体３は、円筒形の内筒１と外筒２とを軸方向を縦にした同心状に配置して構成されている。内筒１の内周の中央部には燃焼器４が設けてあり、燃焼器４へは、燃料電池からオフガス流路５１を通じて燃焼用燃料ガスが供給されると共に、燃焼用空気供給器８３から燃焼用空気供給路５４を通じて燃焼用空気が送風される。燃焼用空気供給器８３は、例えば、送風ファンで構成されている。燃焼器４と内筒１の間には、内筒１と同心状に配置された燃焼筒２１で区画されることによって内筒１の内周に沿って燃焼ガス流路５が設けられ、この燃焼ガス流路５は燃焼ガス排出路５６と連通されている。かかる構成により、燃焼器４で燃焼用燃料ガスを燃焼して生じた高温の燃焼ガスは、燃焼ガス流路５に沿って上昇し、燃焼ガス排出路５６を通じて燃焼排ガスとして外部へ排出される。
内筒１と外筒２の間の筒状空間の上部には、内筒１と同心状に配置された円筒状の仕切り板３５で区画されることによって、内筒１側に予熱蒸発部６が、外筒２側に一酸化炭素低減部１０が、それぞれ同心状に設けられている。予熱蒸発部６は、内筒１の外周面に沿った円筒状空間として形成されており、この予熱蒸発部６において内筒１の外周面には所定間隔をおいて螺旋状にガイド体３３が巻回されることによって、予熱蒸発部６には螺旋状の流路が形成されている。
予熱蒸発部６の上端部には、原料ガス供給路５２と水供給路５３とが接続されている。また、予熱蒸発部６の下方には改質器８が設けられている。改質器８は内筒１の外周面に接した円筒状に形成されており、改質器８には改質触媒７が充填されている。
予熱蒸発部６の上部の外周側には、予熱蒸発部６を囲む円筒状に一酸化炭素低減部１０が形成されている。これにより、予熱蒸発部６の上部を通過するガスと一酸化炭素低減部１０とは相互に熱交換できる。そして、予熱蒸発部６の下部の外周側に位置する仕切り板３５には、上下複数個所において連通口３６が設けられ、この仕切り板３５の外周側には、開口部１２を有する円筒状の隔壁１１が設けられ、隔壁１１の外周側には円筒状の熱交換板３８が設けられている。仕切り板３５と隔壁１１との間には誘導路１３が形成され、隔壁１１と熱交換板３８との間には混合ガス流路１４が形成されている。そして、予熱蒸発部６と誘導路１３とは連通口３６で連通され、誘導路１３と混合ガス流路１４とは開口部１２で連通され、混合ガス流路１４と改質器８は流入口３９で連通されている。かかる構成により、予熱蒸発部６を通過するうちに加熱された原料ガスと水蒸気との混合ガスは、誘導路１３、及び混合ガス流路１４を通じて改質器８へ流入する。
熱交換板３８の外周側には、外筒２の内周が位置している。熱交換板３８と外筒２との間には、改質ガス流路１６が形成されている。この改質ガス流路１６は、熱交換板３８が有する流出口４０により改質器８と連通し、さらに、改質ガス流路１６の上部に開口した流入口４１により一酸化炭素低減部１０と連通している。かかる構成により、改質器８において、原料ガスと水蒸気との水蒸気改質反応により生成した多量の水素を含むガス（以下、「改質ガス」という）は、改質器８から改質ガス流路１６に流入し、改質ガス流路１６を通過するうちに熱交換板３８を介して混合ガス流路１４を通過するガスと熱交換して低温となり、一酸化炭素低減部１０に流入する。
一酸化炭素低減部１０は、一酸化炭素低減触媒としてＣＯ変成触媒９ａを充填した変成部１０ａと、一酸化炭素低減触媒としてＣＯ酸化触媒９ｂを充填した酸化部１０ｂとの２段に構成されている。改質ガスの流れ方向で変成部１０ａが前段、酸化部１０ｂが後段となるように、変成部１０ａが下側に、酸化部１０ｂが上側に配置されている。この変成部１０ａと酸化部１０ｂの間には、酸化用空気供給器８４から酸化用空気供給路５８を介して酸化用空気が供給される酸化用空気流路１９が設けられている。そして、一酸化炭素低減部１０の上端部には、燃料電池６０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路５７が接続されている。かかる構成により、一酸化炭素低減部１０に流入した改質ガスは、変成部１０ａ及び酸化部１０ｂを通過するうちに一酸化炭素が低減された燃料ガスとなり、燃料ガス供給路５７を通じて燃料電池６０に供給される。
次に、上記構成の水素生成装置７６における燃料ガス生成の過程について説明する。
水素生成装置７６において、原料ガス供給路５２を通じて原料ガスが、水供給路５３を通じて水が、それぞれ予熱蒸発部６に供給されると、原料ガスと水が予熱蒸発部６を通過するうちに加熱され、水は蒸発して水蒸気となる。なお、予熱蒸発部６は、燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスにより加熱され、さらに、一酸化炭素低減部１０におけるＣＯ変成反応やＣＯ酸化反応の反応熱が伝熱して加熱されている。予熱蒸発部６で加熱された原料ガスと水蒸気の混合ガスは、誘導路１３、及び混合ガス流路１４を順に介して十分に混合された状態で、改質器８に流入する。改質器８では、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り、燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスにより改質器８が加熱されて、反応が進行する。
改質器８で生成された改質ガスは、改質ガス流路１６に流入し、改質ガス流路１６内を上昇するうちに、改質器８及び混合ガス流路１４を流れる混合ガスと熱交換され、一酸化炭素低減部１０での反応に適した温度に冷却される。このようにして２００〜２５０℃程度に冷却された改質ガスは、一酸化炭素低減部１０の変成部１０ａに流入し、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。変成部１０ａで一酸化炭素が除去された改質ガスは酸化部１０ｂに流入し、ＣＯ酸化触媒の作用で酸化用空気供給路５８を通じて供給される酸化用空気中の酸素とＣＯ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。一酸化炭素低減部１０で一酸化炭素が除去された改質ガスは、燃料ガスとして、一酸化炭素低減部１０から燃料ガス供給路５７を通じて燃料電池６０のアノードに供給される。
次に、水素生成装置７６の燃料電池システム１００のパッケージへの固定方法について説明する。図４は水素生成装置の正面図、図５（ａ）は水素生成装置の平面図、図５（ｂ）は締結部材の配置の変形例１を説明する水素生成装置の平面図、図５（ｃ）は締結部材の配置の変形例２を説明する水素生成装置の平面図、図６は水素生成装置の変形例を示す正面図、図７は固定器の変形例を示す水素生成装置の正面図である。なお、図５では、配管口形成体６２に接続された配管を省略している。
図４及び図５（ａ）に示すように、水素生成装置７６は、水素生成装置本体７８が支持体７０に支持された状態で、燃料電池６０等とともに燃料電池システム１００のパッケージ内に配置されている。支持体７０は、燃料電池システム１００のパッケージのフレームに着脱可能に構成されていてもよいし、燃料電池システム１００のパッケージのフレーム（基体）に一体的に構成されていてもよい。
支持体７０は、底板７１と、この底板７１に立設された２本の略平行の支持柱７２，７２とで構成されている。各支持柱７２は、頂部が底板７１と略平行となるように頂部の手前で相互に対向する方向へ略直角に折れ曲がっており、この頂部で水素生成装置７６に接している。そして、筐体３のフランジ部３ｂが、２本の支持柱７２，７２の頂部に架け渡され、筐体３のフランジ部３ｂと支持柱７２の頂部とがボルト及びナット等の締結部材６６にて締結されている。
上記において、水素生成装置本体７８に設けられた配管口形成体６２が固定器６５により支持体７０に固定されることによって、水素生成装置本体７８が支持体７０に支持されている。本実施の形態においては、筐体３のフランジ部３ｂと、支持体７０とフランジ部３ｂとを締結する締結部材６６と、フランジ部３ｂと配管口形成体６２とを締結する締結部材６７とで、固定器６５が構成されている。つまり、配管口形成体６２は、フランジ部３ｂを介して間接的に支持体７０に固定されている。但し、固定器６５の構造は上記のように間接的に支持体７０に固定する構成に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、配管口形成体６２の周縁部を支持柱７２の頂部と平面視で重複するまで拡張し、この配管口形成体６２の周縁部と支持柱７２の頂部とをボルト及びナット等から成る締結部材６９で締結することにより、配管口形成体６２を直接的に支持体７０に固定しても構わない。この場合、配管口形成体６２を支持体７０に固定する固定器６５は、配管口形成体６２の周縁部と締結部材６９とにより構成されることとなる。
なお、上記固定器６５において支持体７０と、フランジ部３ｂや配管口形成体６２と締結する締結部材６６は、配管口形成体６２上の配管口６２ａを間に挟んで少なくとも２箇所に設けられる。これにより、配管口形成体６２が水素生成装置７６の運転／停止間の温度変化に伴い熱変形する自由度が減少し、温度変化に伴う配管口６２ａの移動が抑制される。なぜなら、フランジ部３ｂが支持体７０上の少なくとも２箇所において締結部材６６により支持されることにより、フランジ部３ｂの径方向への変形が抑制され、ひいては配管口形成体６２の変形も抑制されるからである。したがって、上記配管口形成体６２を介して水素生成装置本体７８に接続された配管は、水素生成装置７６の起動停止の繰り返しにより破損する可能性が抑制される。なお、上述の「配管口６２ａを間に挟んだ２箇所」とは配管口６２ａ群を図５（ａ）に示すような水素生成装置７６の延伸方向に対して垂直な断面方向から見た場合において、配管口６２ａの重心Ｇを通る中心線Ｇ１に対して互いが反対側になるような箇所を指す。例えば、図５（ｂ）に示すように締結部材６６が中心線Ｇ１に対して反対側かつ中心線Ｇ１の垂直な線Ｇ２に対して片側に偏在した１箇所ずつ設けられていてもいいし、図５（ｃ）に示すように上記重心Ｇを間に挟んで対向する２箇所に締結部材６６が設けられていても構わない。
このように、固定器６５により支持体７０に固定されて移動が拘束されている配管口形成体６２は、水素生成装置７６の中でも水素生成装置７６（水素生成装置本体７８）が熱変形したときの変形が比較的小さい部分となる。すなわち、図２において、水素生成装置本体７８の下側は高温領域となり、上側は低温領域となるが、配管口形成体６２は低温領域の中でも最も温度が低い位置（燃焼器４から最も遠い位置）に配置されている。従って、この変形が小さい配管口形成体６２に接続された配管は、水素生成装置７６の他の部分に接続される場合と比較して水素生成装置本体７８の熱変形により与えられる影響が小さく、生じる応力も小さい。よって、水素生成装置７６やこれに接続された配管の熱応力集中による破損や劣化を防止できる。
さらに、本実施の形態においては、配管口形成体６２と筐体３のフランジ部３ｂとの間には断熱部材６１が介装されて、フランジ部３ｂから配管口形成体６２への熱伝導が遮断されることから、水素生成装置本体７８が温度変化したときの配管口形成体６２及びこれに接続された配管の温度変化をより小さくすることができ、配管口形成体６２及びこれに接続された配管の熱変形及び熱応力を、よりいっそう小さくする効果が期待できる。
そして、本実施の形態において、配管口形成体６２は、筐体３の軸方向における筐体３（水素生成装置本体７８）の一方の端部に設けられている。つまり、水素生成装置本体７８は、筐体３の一方の端部近傍において、配管口形成体６２及び固定器６５を介して支持体７０に支持されていることとなる。さらに、水素生成装置本体７８（ここでは、固定器６５となる筐体３のフランジ部３ｂを除く）の外表面と、支持体７０との間には、空間が設けられている。具体的には、水素生成装置本体７８の底面と支持体７０の底板７１、及び水素生成装置本体７８の側面と支持体７０の支持柱７２，７２は、それぞれの間に空間が設けられて、水素生成装置本体７８が熱膨張しても支持体７０と接触しないような十分な距離だけ離間されている。
上記構成によれば、水素生成装置本体７８が熱変形（熱膨張と冷却収縮）しても、水素生成装置本体７８は固定器６５に拘束されることなく自由に熱変形することができ、さらに、水素生成装置本体７８は支持体７０にも熱変形が妨げられない。よって、水素生成装置７６の熱応力集中に起因する破損や劣化を防止することができる。
なお、配管口形成体６２は、水素生成装置本体７８において燃焼器４の火炎放出方向から見て下側に設けられていることが望ましい。つまり、水素生成装置本体７８のうち最も高温となる燃焼器４の火炎放出方向とは逆側の位置に、換言すれば、水素生成装置本体７８のうち運転時と停止時の温度変化及び熱変形が比較的小さい位置に、配管口形成体６２が設けられていることが望ましい。ここでは、配管口形成体６２が固定される筐体３のフランジ部３ｂは、筐体３において燃焼器４から最も離れた位置に設けられている。これによれば、支持体７０と固定器６５並びに配管口形成体６２と固定器６５との間に生じる応力をより小さくすることができ、これらの熱疲労を抑えることができる。
本実施形態においては、配管口形成体６２、各種配管、支持体７０は、変成部１０ａ、酸化部１０ｂよりも低温領域における低温側、すなわち燃焼器４から遠い側に存在する構成を採っている。
なお、本実施の形態においては、水素生成装置７６に接続される全ての配管が配管口形成体６２に集中して接続されている。当該構成により、配管の損傷を効果的に抑制することができる。ただし、配管のうち水供給路５３は可撓性を有する樹脂製配管で構成されて熱変形に追従できるため、例えば、図６に示すように、配管口形成体６２とは異なる他の部分（例えば、筐体３の胴部３ａ）に水供給路５３を構成する配管を接続するようにしてもかまわない。
また、必ずしも全ての金属製配管が配管口形成体６２に接続されている必要はない。原料ガス供給器８１から原料ガスが供給される原料ガス供給路５２を構成する配管、水供給器８２から水が供給される水供給路５３を構成する配管、酸化用空気供給器８４から酸化用空気が供給される酸化用空気供給路５８を構成する配管、燃焼用空気供給器８３から燃焼用空気が供給される燃焼用空気供給路５４を構成する配管、燃焼器４で生じた燃焼排ガスを排出する燃焼ガス排出路５６を構成する配管、及び、燃料電池６０へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路５７を構成する配管から成る配管群のうち、少なくとも複数の配管が配管口形成体６２に接続されていれば、多少なりとも上述のような効果を得ることができる。但し、上記配管群のうち全ての金属製配管が配管口形成体６２に接続されていることが望ましい。
また、本実施の形態においては、水素生成装置７６として、改質器８と、変成部１０ａと、酸化部１０ｂとが一つの筐体３内に一体的に設けられた形態のものを説明したが、水素生成装置の形態は本実施の形態に限定されるものではなく、例えば、改質器８と、変成部１０ａと、酸化部１０ｂとをそれぞれ独立した容器に設けた形態のものに、本発明を適用させることができる。
また、本実施の形態においては、水素生成装置本体７８において、筐体３とは別に配管口形成体６２が設けられている。配管口形成体６２が設けられない場合であっても、総ての配管、支持体を低温領域に配置することにより、本発明の効果が得られる。
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２に係る水素発生装置（水素生成装置）を、図８を用いて説明する。図８に示すように、本発明の実施の形態２の水素発生装置は、触媒や水蒸発部やバーナなどを含む反応容器としての金属構造体（水素生成装置本体）２００と、金属構造体２００を覆う断熱材１０１と、金属構造体２００と断熱材１０１とを固定して水素発生装置とするフレーム（支持体）１０２とで構成されている。本実施形態の水素発生装置は、実施の形態１の水素生成装置７６に相当する。また、金属構造体２００は、実施の形態１の水素生成装置本体７８に相当する。
金属構造体２００は保持部１１０でフレーム１０２に固定されている。断熱材１０１は断熱材１０１の外周全体でフレーム１０２に固定されている。フレーム１０２は、実施の形態１の支持体７０に相当する。
金属構造体２００は、燃料ガス配管２０１（実施の形態１のオフガス流路５１に相当）から供給された燃料ガスと、燃焼用空気配管２０２（実施の形態１の燃焼用空気供給路５４に相当）から供給された燃焼用空気とを混合して火炎を形成するバーナ２０３を金属構造体２００の保持部１１０より下部に有している。バーナ２０３で生じた燃焼排ガスは燃焼排ガス出口配管２０４（実施の形態１の燃焼ガス排出路５６に相当）から水素発生装置外へ排出される。
バーナ２０３の排気ガスで加熱された水蒸発混合部２０５へは原料ガス配管２０６（実施の形態１の原料ガス供給路５２に相当）からの原料ガスと水配管２０７（実施の形態１の水供給路５３に相当）からの水が供給され、原料ガスと水蒸気との混合気として水蒸発混合部２０５の下部に配置した改質触媒層２０８（実施の形態１の改質触媒７、改質器８に相当）に供給される。
改質触媒層２０８から送出される改質ガスは、変成触媒層２０９（実施の形態１のＣＯ変成触媒９ａ、変成部１０ａに相当）に供給され、さらに変成触媒層２０９から送出される変成ガスは、選択酸化触媒層２１０（実施の形態１のＣＯ酸化触媒９ｂ、酸化部１０ｂに相当）に選択酸化空気配管２１１（実施の形態１の酸化用空気供給路５８に相当）からの選択酸化空気と混合された後に供給される。選択酸化触媒層２１０を出た生成ガスは生成ガス出口配管２１２（実施の形態１の燃料ガス供給路５７に相当）より水素発生装置から送出される。
次に、上記構成において水素発生装置の各部動作を説明する。
バーナ２０３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改質触媒層２０８や水蒸発混合部２０５を加熱し、燃焼排ガス出口配管２０４から水素発生装置外へ排出される。
原料ガス配管２０６と水配管２０７から供給された水と原料は、水蒸発混合部２０５で内側を流れる燃焼排ガスからの熱を受けて水の蒸発が行われ、同時に水蒸発混合部２０５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２０８に供給される。
改質触媒層２０８は内側を流れる高温の燃焼排ガスにより６００℃〜７００℃に高温化されており、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２０９は２００℃〜３００℃でシフト反応により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２１０では変成ガスに選択酸化空気配管２１１からの空気を混合することで１００〜２００℃での選択酸化反応により、変成ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により１０ｐｐｍ以下の極低濃度の状態を実現している。
ここで、改質触媒層２０８は６００〜７００℃になっているため、運転開始前の状態に比べると、金属構造体はその材質と温度に応じて伸びることになる。たとえば、金属構造体がステンレス材であった場合、熱膨張係数が約１５×１０−６［１／Ｋ］であるため、運転前の状態（２０℃）から全体が７００℃となったとすると、約１％膨張することとなる。
金属構造体の長さが仮に７００ｍｍとすると、７ｍｍ伸びることとなる。実際には全体が７００℃であるのではなく、最高の７００℃に向けての温度分布があるため、伸び長さは７ｍｍより短いが、数ミリは伸びることとなる。
このとき数ミリ伸びる上下で水素発生装置外部との配管や固定を行っていると数ミリ伸びようとする力の逃げ場がなくなり、大きな応力となって配管や固定部にかかり変形や亀裂などのダメージを与えてしまう可能性があった。
そこで、本実施の形態では、金属構造体２００をフレーム１０２に対して金属構造体２００上部の保持部１１０で固定している。また同時に、原料ガス配管２０６、水配管２０７、選択酸化空気配管２１１、燃焼排ガス出口配管２０４、生成ガス出口配管２１２も、金属構造体２００の上部に配置し、水素発生装置外部と接続している。
従って、金属的に固定される箇所を金属構造体２００の上部に集めることで、熱膨張で伸びる部分を下部方向にフリーな状態で構造している。
ここで、図８の選択酸化空気配管２１１のように、金属構造体２００の上部より少し低めに配置されていても、金属構造体２００の上部は、水配管２０７や原料ガス配管２０６が配置された最上流部となっているため温度が低い箇所となっている。すなわち、図８において、実施の形態１と同様、高さ方向に温度勾配が生じ、金属構造体２００の下側は高温領域となり、上側は低温領域となる。保持部１１０は低温領域の中でも最も温度が低い位置（バーナ２０３から最も遠い位置）に配置されている。
そのため、金属構造体２００の上部は最も熱膨張が少ない箇所となり、多少下部に下がったところに選択酸化空気配管２１１のような配管を配置しても運転時の温度上昇による膨張長さはほとんどなく大きな応力がかかることはない。
よって、金属構造体２００の上部に保持部とともに配管類を設置すると、装置外との配管接続により金属構造体が拘束されても、熱膨張がほとんどないため配管や保持部に応力がかかることはなく、停止時と運転時に金属構造体の保持、固定状態に差が生じないため、安定した構造体の状態を維持することができる。
なお、配管ではなく、温度センサーなど柔軟性に富んだ線類などで装置外と接続されているものはこの限りにあらず、たとえ金属構造体２００の下部に設置されて外部と接続されていても構造体への影響は生じない。
また、本実施の形態では、金属構造体２００の外側に断熱材１０１を設置し、金属構造体２００の保持部と反対側の金属構造体２００の底部と断熱材１０１との間に、金属構造体２００が運転時に伸びたときに断熱材１０１と干渉しないように第一空間１０３を設けている。
この空間により、停止時でも運転時でも金属構造体２００の状態に関係なく断熱材１０１の位置は安定しており、断熱材が伸びて薄くなったり、隙間が生じたりすることなく、安定した断熱性能を維持することができる。
ここで、空間の長さは、金属構造体２００の底部と保持部１１０の間の長さの１％以上あれば、熱膨張に対して干渉を避けることができる。
なお、改質触媒層２０８と変成触媒層２０９と選択酸化触媒層２１０が高さ方向に重ならない（温度勾配方向に沿って重ならない）ような水素発生装置構成では特に、高さ方向に長くなる構成となるため熱膨張したときの伸びの長さが長くなる可能性が高いので、本願の構成がより効果的である。
また、金属構造体２００と断熱材１０１との空間を設ける箇所は、金属構造体２００の保持部の反対側の底部だけでなく、金属構造体２００が伸びたときに断熱材１０１と干渉する可能性がある箇所に、金属構造体２００の保持部１１０からの長さと温度に対して設定し、図８で示すような第二空間１０４として設ければ良い。
また、第１の実施形態と第２の実施形態との間において、互いに異なる構成部分についても、本来の効果を妨げない限り、他の実施形態に採用することが可能である。
本出願は、２００８年７月２５日出願の日本特許出願、特願２００８−１９２２００および２００８年９月９日出願の日本特許出願、特願２００８−２３０５３７、に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
本発明に係る水素生成装置は、水素生成装置本体と接続する各種配管が、運転時における熱膨張と停止時における冷却収縮に起因して生じる熱応力により、破損する可能性を抑制することが可能となり、改質器と燃焼器とを備えた水素生成装置に広く適用させることができる。さらに、このような水素生成装置を備えた燃料電池システムは、家庭用の燃料電池システム等に好適である。
１ 内筒
２ 外筒
３ 筐体
３ａ 胴部
３ｂ フランジ部
４ 燃焼器
５ 燃焼ガス流路
６ 予熱蒸発部
７ 改質触媒
８ 改質器
９ａ ＣＯ変成触媒
９ｂ ＣＯ酸化触媒
１０ 一酸化炭素低減部
１０ａ 変成部
１０ｂ 酸化部
５１ オフガス流路
５２ 原料ガス供給路
５３ 水供給路
５４ 燃焼用空気供給路
５６ 燃焼ガス排出路
５７ 燃料ガス供給路
５８ 酸化用空気供給路
６０ 燃料電池
６１ 断熱部材
６２ 配管口形成体
６３ 配管接続部
６５ 固定器
６６ 締結部材
７０ 支持体
７１ 底板
７２ 支持柱
７５ 出力制御装置
７６ 水素生成装置
７７ 酸化剤ガス供給装置
７８ 水素生成装置本体
８１ 原料ガス供給器
８２ 水供給器
８３ 燃焼用空気供給器
８４ 酸化用空気供給器
１００ 燃料電池システム
１０１ 断熱材
１０２ フレーム
１０３ 第一空間
１０４ 第二空間
１１０ 保持部
２００ 金属構造体
２０１ 燃料ガス配管
２０２ 燃焼用空気配管
２０３ バーナ
２０４ 燃焼排ガス出口配管
２０５ 水蒸発混合部
２０６ 原料ガス配管
２０７ 水配管
２０８ 改質触媒層
２０９ 変成触媒層
２１０ 選択酸化触媒層
２１１ 選択酸化空気配管
２１２ 生成ガス出口配管

Claims (9)

  1. 水素を生成可能な所定の媒体を燃焼する燃焼部を内部に有する本体と、
    前記本体に接続され、前記所定の媒体を前記本体の内部に流入し、または前記本体の内部から外部へ流出させるための複数の配管と、
    前記本体の内部に設けられ、前記所定の媒体としての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部と、
    前記本体の内部に設けられ、ＣＯ変成反応によって前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する変成部と、
    前記本体の内部に設けられ、前記変成部により一酸化炭素が低減した改質ガスについて、酸素とＣＯ酸化反応させ、一酸化炭素をさらに低減する酸化部と、を備え、
    前記燃焼部の運転により前記本体に温度勾配が生ずることにより、温度の高い高温領域と温度の低い低温領域が前記本体に生じ、前記複数の配管の総てが前記低温領域に配置されており、
    前記本体の外側から当該本体を支持する支持体と前記複数の配管の少なくとも一部が接続されるための配管口を有する配管口形成体とが、前記低温領域に設けられ、
    前記支持体が前記配管口形成体に接続され、前記本体を支持し、
    前記複数の配管および前記支持体は、前記変成部および前記酸化部よりも前記低温領域における低温側に存在する、
    水素生成装置。
  2. 請求項１記載の水素生成装置であって、
    前記複数の配管の総てが前記配管口形成体に接続されている、水素生成装置。
  3. 請求項１記載の水素生成装置であって、
    前記改質部と前記変成部と前記酸化部とが、前記温度勾配の方向に沿って重ならないように配置される、水素生成装置。
  4. 請求項１記載の水素生成装置であって、
    前記本体と前記支持体の間には断熱材が配置され、
    前記断熱材と、前記本体の前記高温領域側における前記断熱材と向かい合う面との間には、空間が設けられている、水素生成装置。
  5. 請求項４記載の水素生成装置であって、
    前記空間は、前記燃焼部の運転時における前記本体の熱膨張による伸びよりも長い距離を有している、水素生成装置。
  6. 請求項１記載の水素生成装置であって、
    前記配管口形成体が、前記配管口を間に挟んだ少なくとも２箇所において前記支持体に固定されている、水素生成装置。
  7. 請求項１記載の水素生成装置であって、
    前記配管口形成体は、前記本体の軸方向における前記本体の一方の端部に設けられている、水素生成装置。
  8. 請求項１記載の水素生成装置であって、
    前記本体と前記配管口形成体の間には断熱部材が配置されている、
    水素生成装置。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを含む、燃料電池システム。
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