JP6194480B2 - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、脱硫器を備えた水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池に、水素と酸素との電気化学反応により生じるエネルギーを取り出して発電するシステムである。燃料電池システムは、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、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。

水素生成装置は、例えば、燃料電池へ燃料である水素を供給する装置であり、原料を改質して水素含有ガスを生成するものである。一般的に水素を供給するインフラストラクチャーが整備されていないことが多いため、燃料電池システムには、水と都市ガス、又はＬＰＧ等を原料として改質ガス（水素含有ガス）を生成する改質器を備えた水素生成装置が含まれる。

改質器には原料と改質水が供給され、改質反応により水素を含有した改質ガスが生成される。改質反応により生成された改質ガスには、通常、副生成物として一酸化炭素が含まれる。

燃料電池へ供給される改質ガス中に一酸化炭素が含まれると、電池の性能は著しく劣化するため、改質器により生成された改質ガスは一酸化炭素低減器により一酸化炭素を除去される。一酸化炭素低減器はシフト反応により一酸化炭素を低減させる変成部、さらに一酸化炭素を酸化除去させる選択酸化部を備えることが多い。

これらの各反応部には、各反応に適した温度があり、特に、改質部を高温に加熱するため、改質部にはバーナー等の燃焼部が隣接して設けられることが多い。

改質部の触媒として、ルテニウム系触媒と白金・ロジウム系触媒の二つの触媒を用いる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

改質部に流入する原料に窒素分子、アミン等の窒素含有化合物が含まれると、原料の改質時に、改質触媒による生成水素の他に窒素からアンモニアが生成され、燃料電池本体を被毒させる要因となる。

アンモニア生成を抑制させる手段として、白金やロジウムあるいはその両方を担持させた触媒を用いる方法がある。白金・ロジウム系の改質触媒を用いる場合、原料に重質炭化水素が含まれていると、白金・ロジウム系の改質触媒上に炭素が析出し、触媒活性が低下する。一方、ルテニウム系触媒は低温では窒素をアンモニアへ変換しないが、重質炭化水素を改質反応させることができる。

そこで、第１の改質触媒として、ルテニウム系改質触媒を、原料流入側の低温部に配置し、第２の改質触媒として、白金・ロジウム系改質触媒を、第１の改質触媒の下流の高温部に配置する。

ルテニウム系改質触媒により、重質炭化水素をメタンにまで変換した後、白金・ロジウ
ム系改質触媒層を高温域に配置して改質ガスを生成することによって、アンモニアの発生の抑制と白金・ロジウム系改質触媒層での炭素析出の抑制を両立させることができる。

特開２０１３−１３７８６５号公報

しかしながら、従来の水素生成装置では、以下のような課題があった。

すなわち第１の改質触媒であるルテニウム系改質触媒と、第２の改質触媒である白金・ロジウム系改質触媒の２種類の触媒を用いる場合、従来の構成では、特に第２の改質触媒は、改質反応に最適な温度とすることができず、改質反応の活性が低い触媒領域が存在するため、必要な水素生成量を確保するには改質触媒の量を減らすことができず、高価な改質触媒を削減した低コストで小型の水素生成装置を構成することができないという課題を有していた。

第１の改質触媒として、例えば、ルテニウム系触媒、第２の改質触媒として、例えば、白金・ロジウム系触媒を用いる改質器の構成では、第１の改質触媒によるアンモニア生成を抑制するために、第１の改質触媒は低温とし、所定の水素生成量を得るために、第２の改質触媒は高温とすることが望ましい。

第１の改質触媒に適した温度は、例えば、３５０℃から５５０℃、より望ましくは、３５０℃から４５０℃である。第２の改質触媒に適した温度は、例えば、５５０℃から６５０℃、より望ましくは、６００℃から６５０℃である。

高価な改質触媒、特に白金・ロジウム系の第２の改質触媒、を削減し、水素生成装置を低コスト化、小型化するには、第２の改質触媒全体の温度を、改質反応に適した高温の範囲に保持し、少量の改質触媒で原料から所定の水素生成量を得られるようにすることが望ましい。

従来の構成では、第２の改質触媒内の原料流入流出方向の温度差が大きくなり、第２の改質触媒全体を改質反応に最適な温度にすることが困難であった。特に改質触媒量を削減した場合、原料ガスの改質触媒を通過する時間が短くなるため、所定の水素生成量を得るには、改質触媒下流側は触媒を搭載する構造体や触媒の耐久性が問題となる高温の状態として改質反応を促進させなくてはならなかった。

以上のように、改質触媒、特に高価な第２の改質触媒量を削減するには、第２の改質部全体の温度を、改質反応に適した高温の範囲に保持し、少量の改質触媒で所定の水素生成量を得られるようにさせる必要があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高価な改質触媒を削減した、低コストで小型の水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

そこで、上記課題を解決するために、本発明は、第１の改質触媒層の原料ガスの流れの下流側に第２の改質触媒層、前記第１の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第１燃焼排ガス流路、前記第２の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第２燃焼排ガス流路を備えた水素生成装置において、改質器は、内筒及び外筒の間の空間で構成され、前記第１燃焼排ガス流路は、燃焼筒及び前記内筒の間の空間で構成され、前記燃焼筒の端部は、前記第２の改質触媒層の前記第１の改質触媒層側の端部に対して前記内筒を介して対向するように構成され、前記第１燃焼排ガス流路の前記第１の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱交換量が、前記第２燃焼排ガス流路の前記第２の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱交換量より大きくなるように、または、前記第１燃焼排ガス流路の前記第１の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱伝達率が、前記第２燃焼排ガス流路の前記第２の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱伝達率より大きくなるように、または、前記第２燃焼排ガス流路に流れる前記燃焼排ガスの流速が、前記第１燃焼排ガス流路に流れる前記燃焼排ガスの流速より小さくなるように構成したのである。

これにより、高価な改質触媒の搭載量を削減し、水素生成装置を小型で低コストに構成することができる。また本発明の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する燃料電池を備えた燃料電池システムを、小型で低コストにすることができる。

本発明は、従来の水素生成装置に比べ、改質触媒を改質反応に好適な温度に保つことができる。これにより、高価な改質触媒の搭載量を削減し、水素生成装置を小型で低コストに構成することができる。また本発明の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する燃料電池を備えた燃料電池システムを、小型で低コストにすることができる。

本発明の実施の形態１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１の水素生成装置における燃焼排ガスの流れを示す概略図 第１燃焼排ガス流路の断面を示す図２のＡ１−Ａ２断面図 第２燃焼排ガス流路の断面を示す図２のＢ１−Ｂ２断面図 本発明の実施の形態１の水素生成装置における改質触媒部に流れる原料ガスの温度分布の一例を示す説明図 本発明の実施の形態２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３における燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図

第一の本発明の水素生成装置は、少なくとも可燃ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器よって発生する燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路と隣接し、前記燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、前記燃焼筒の外側に配置される内筒と、前記内筒の外側に配置される外筒と、を備え、前記改質器は、原料ガスを改質する第１の改質触媒層と、前記第１の改質触媒層の原料ガスの流れの下流側に配置された原料ガスを改質する第２の改質触媒層と、を備え、前記燃焼排ガス流路は、前記第１の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第１燃焼排ガス流路と、前記第２の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第２燃焼排ガス流路と、を備え、前記改質器は、前記内筒及び前記外筒の間の空間で構成され、前記第１燃焼排ガス流路は、前記燃焼筒及び前記内筒の間の空間で構成され、前記燃焼筒の端部は、前記第２の改質触媒層の前記第１の改質触媒層側の端部に対して前記内筒を介して対向するように構成され、前記第１燃焼排ガス流路の前記第１の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱交換量が、前記第２燃焼排ガス流路の前記第２の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱交換量より大きくなるよう構成されている。

これにより、第１の改質触媒層へ流入した原料ガスは、燃焼排ガスと第１の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量が多くなるため、第２の改質触媒層への流入部までに第２の改質触媒層での改質反応に適した温度まで大きく昇温する。燃焼排ガスと第２の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量は少ないため、第２の改質触媒層を流通する原料ガスの第２の改質触媒層の流入部から流出部までの温度上昇は小さく、第２の改質触媒層を流れる原料ガスを改質反応に適した高温な状態にすることができる。また、第１燃焼排ガス流路は、燃焼筒及び内筒の間の空間で構成され、燃焼筒の端部は、第２の改質触媒層の第１の改質触媒層側の端部に対して内筒を介して対向するように構成されたことにより、第２燃焼排ガス流路の断面積は第１燃焼排ガス流路より広くなるため、第２燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスの流速は、第１燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスの流速より遅くなる。流体と壁面との熱交換量に比例する熱伝達率は流れが速く乱れるほど大きくなり、さらに熱交換量は熱伝達率に比例するため、第２の改質触媒層を流れる原料ガスを改質反応に適した高温な状態にすることができる。さらに、燃焼器および燃焼排ガス流路、改質器を円筒形状により構成することにより、周方向に均一な温度分布とすることができる。

第二の本発明の水素生成装置は、少なくとも可燃ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器よって発生する燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路と隣接し、前記燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、前記燃焼筒の外側に配置される内筒と、前記内筒の外側に配置される外筒と、を備え、前記改質器は、原料ガスを改質する第１の改質触媒層と、前記第１の改質触媒層の原料ガスの流れの下流側に配置された原料ガスを改質する第２の改質触媒層と、を備え、前記燃焼排ガス流路は、前記第１の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第１燃焼排ガス流路と、前記第２の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第２燃焼排ガス流路と、を備え、前記改質器は、前記内筒及び前記外筒の間の空間で構成され、前記第１燃焼排ガス流路は、前記燃焼筒及び前記内筒の間の空間で構成され、前記燃焼筒の端部は、前記第２の改質触媒層の前記第１の改質触媒層側の端部に対して前記内筒を介して対向するように構成され、前記第１燃焼排ガス流路の前記第１の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱伝達率が、前記第２燃焼排ガス流路の前記第２の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱伝達率より大きくなるよう構成されている。

これにより、燃焼排ガスと第１の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量は、熱交換量は熱伝達率に比例するため、燃焼排ガスと第２の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量より大きくなる。これにより、第二の本発明は、第一の本発明と同様に、第２の改質触媒層を流れる原料ガスを改質反応に適した高温な状態にすることができる。また、第１燃焼排ガス流路は、燃焼筒及び内筒の間の空間で構成され、燃焼筒の端部は、第２の改質触媒層の第１の改質触媒層側の端部に対して内筒を介して対向するように構成されたことにより、第２燃焼排ガス流路の断面積は第１燃焼排ガス流路より広くなるため、第２燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスの流速は、第１燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスの流速
より遅くなる。流体と壁面との熱交換量に比例する熱伝達率は流れが速く乱れるほど大きくなり、さらに熱交換量は熱伝達率に比例するため、第２の改質触媒層を流れる原料ガスを改質反応に適した高温な状態にすることができる。さらに、燃焼器および燃焼排ガス流路、改質器を円筒形状により構成することにより、周方向に均一な温度分布とすることができる。

第三の本発明の水素生成装置は、少なくとも可燃ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器によって発生する燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、前記燃焼排ガス流路と隣接し、前記燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、前記燃焼筒の外側に配置される内筒と、前記内筒の外側に配置される外筒と、を備え、前記改質器は、原料ガスを改質する第１の改質触媒層と、前記第１の改質触媒層の原料ガスの流れの下流側に配置された原料ガスを改質する第２の改質触媒層と、を備え、前記燃焼排ガス流路は、前記第１の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第１燃焼排ガス流路と、前記第２の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第２燃焼排ガス流路と、を備え、前記改質器は、前記内筒及び前記外筒の間の空間で構成され、前記第１燃焼排ガス流路は、前記燃焼筒及び前記内筒の間の空間で構成され、前記燃焼筒の端部は、前記第２の改質触媒層の前記第１の改質触媒層側の端部に対して前記内筒を介して対向するように構成され、前記第２燃焼排ガス流路に流れる前記燃焼排ガスの流速が、前記第１燃焼排ガス流路に流れる前記燃焼排ガスの流速より小さくなるよう構成されている。

これにより、燃焼排ガスと第１の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量は、流体と壁面との熱交換量に比例する熱伝達率は流れが速く乱れるほど大きくなり、さらに熱交換量は熱伝達率に比例するため、燃焼排ガスと第２の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量より大きくなる。これにより、第三の本発明は、第一の本発明と同様に、第２の改質触媒層を流れる原料ガスを改質反応に適した高温な状態にすることができる。また、第１燃焼排ガス流路は、燃焼筒及び内筒の間の空間で構成され、燃焼筒の端部は、第２の改質触媒層の第１の改質触媒層側の端部に対して内筒を介して対向するように構成されたことにより、第２燃焼排ガス流路の断面積は第１燃焼排ガス流路より広くなるため、第２燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスの流速は、第１燃焼排ガス流路を流れる燃焼排ガスの流速より遅くなる。流体と壁面との熱交換量に比例する熱伝達率は流れが速く乱れるほど大きくなり、さらに熱交換量は熱伝達率に比例するため、第２の改質触媒層を流れる原料ガスを改質反応に適した高温な状態にすることができる。さらに、燃焼器および燃焼排ガス流路、改質器を円筒形状により構成することにより、周方向に均一な温度分布とすることができる。

第四の本発明の水素生成装置は、第一から第三のいずれかの本発明の水素生成装置の構成において、前記第１燃焼排ガス流路の第１の改質触媒層と隣接する部分の長さは、前記第２燃焼排ガス流路の第２の改質触媒層と隣接する部分の長さより長くなるよう構成されている。

これにより、第１燃焼排ガス流路の第１の改質触媒層と隣接する部分の長さが長い程、伝熱面積が大きくなるため、燃焼排ガスと第１の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量を多くすることができ、燃焼排ガスと第１の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量は、燃焼排ガスと第２の改質触媒層を流れる原料ガスとの熱交換量より大きくすることができる。これにより、第四の本発明は、第一の本発明と同様に、第２の改質触媒層を流れる原料ガスを改質反応に適した高温な状態にすることができる。

第五の本発明の燃料電池システムは、第一から第四のいずれかの本発明の水素生成装置と、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する燃料電池とを備える燃料電池システムである。

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。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じ参照符号を付し、その説明を省略する。

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、本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図である。

図１に示すように、水素生成装置１００は、第１の底板７を備えた内筒６と、内筒６の外側に第２の底板９を備えた中筒８と、外筒底板１６を備えた外筒１５が配置されており、内筒６と中筒８と外筒１５とが略同心円状に配置されている。

内筒６と中筒８との間で形成される空間に、第１の改質触媒層１、第２の改質触媒層２（これらを以下、改質触媒部２０という）が、原料の流れる順に配置される。中筒８と外筒１５との間で形成される空間に、変成部２５および選択酸化部２６が配置される。

中心に配置されたバーナー５の外側には燃焼筒３０が配置され、燃焼筒端部３０ａの上下位置は、第１の改質触媒層１と第２の改質触媒層２の間と略一致するように配置される。バーナー５と対向する位置にある第１の底板７には、断熱材４０を配置している。

次に、水素生成装置１００の基本的な構成とガスの流れについて説明する。

水素生成装置１００は、水供給経路１１から供給される水を蒸発させるとともに、原料と混合、予熱する予熱部２３を備える。

また、原料供給経路１０から供給される原料と、水蒸気との改質反応を進行させる改質触媒部２０と、改質触媒部２０で生成した改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、改質ガスの一酸化炭素濃度を低減させる変成部２５を有している。

また、変成部２５を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部１９から変成部２５を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部２６を有している。

水素生成装置１００によって生成された水素含有ガスは、導出部１２を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。

原料供給経路１０には、原料供給部が接続されている。原料供給経路から供給される原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどである。

また、予熱部２３は、導出部１２及び変成部２５、選択酸化部２６と片側壁面を同一にして、導出部１２、変成部２５、選択酸化部２６を流れる水素含有ガス、変成部２５、選択酸化部２６に設けられる触媒と熱交換可能なように構成されている。

また、水素生成装置１００は、改質触媒部２０における改質反応に必要な反応熱を供給するためのバーナー５を内筒６の内側に備えている。改質触媒部２０と予熱部２３は、バーナー５で発生された燃焼排ガスから、内筒６の壁面を介して熱が供給される構成となっている。

燃焼排ガス流路５０は、燃焼筒３０の下部の燃焼筒端部３０ａと断熱材４０と内筒６の間の空間に第２の改質触媒層２と接する第２燃焼排ガス流路５０ｂと、燃焼筒３０と内筒６との空間に、第１の改質触媒層１に隣接する第１燃焼排ガス流路５０ａとから形成される。

燃焼排ガスはバーナー５から燃焼筒３０の内部を通り、第２燃焼排ガス流路５０ｂへ流入し、高温状態で内筒６の下部と第１の底板７にあたり、内筒６を介して第２の改質触媒層２と熱交換した後、第１燃焼排ガス流路５０ａへ流入し、内筒６を介して第１の改質触媒層１および予熱部２３と熱交換した後、燃焼排ガス排気口５１から水素生成装置１００の外部へ排気される。

次に、改質触媒部２０の構成について詳細に説明する。

改質触媒部２０は、第１の改質触媒層１および第２の改質触媒層２から構成され、原料を改質して水素含有ガスを生成する第１の改質触媒および第２の改質触媒が充填されている。

第１の改質触媒としては、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒などが例示されるが、これらの触媒は、原料に窒素分子、アミン等の窒素含有化合物が含まれると、原料の改質時に、第１の改質触媒による生成水素と窒素からアンモニアが生成される。

アンモニアの生成は、温度が高い程、増加する傾向を示す。アンモニアは燃料電池性能を低下させる要因となるため、第１の改質触媒層１に充填する第１の改質触媒の使用温度には上限がある。例えば、ルテニウム系触媒の場合、上限は５５０℃程度である。

第２の改質触媒としては、原料に窒素分子、アミン等の窒素含有化合物が含まれていても、アンモニアの生成を抑制することが可能な触媒であること、特に、第１の改質触媒よりも高温、例えば、５５０℃以上、でアンモニア生成を抑制することが可能な触媒であることが望ましい。

第２の改質触媒によるアンモニア生成量は、水素生成装置の下流に設置される燃料電池等がアンモニアにより被毒されるのを抑制できる量以下であることが望ましい。具体的には、白金・ロジウム系触媒などが例示される。これにより、第２の改質触媒層２は、改質性能が高い高温域での使用が可能となる。

なお、第１の改質触媒は、重質炭化水素をメタンにまで変換するとともに改質反応により水素含有ガスを生成する機能を有していることが望ましい。ここで、重質炭化水素は、少なくとも２個の炭素原子を含む炭化水素化合物として定義される。

これにより、高温で使用される第２の改質触媒に重質炭化水素により炭素析出が起こる
ことを抑制でき、かつ、窒素を含む原料であってもアンモニア生成を抑制できる。

第１の改質触媒層１に適した温度は、アンモニア生成を抑制するため、例えば、３５０℃から５５０℃の範囲となる。第２の改質触媒層２に適した温度は、改質反応は上限温度に近い温度領域が多いほど改質反応は進むため、例えば、５５０℃から６５０℃の範囲である。

また、改質反応が進み化学的平衡に達している場合、改質ガスの水素生成量は温度により決まり、高温である程水素生成量は多くなる。このため、改質触媒層出口温度は、例えば、６５０℃程度の高温となることが望ましい。

水素生成装置１００のバーナー５から排出される燃焼排ガスと、改質触媒部２０の作用を以下に説明する。図２は、本発明の実施の形態１における燃焼排ガスの流れを示す概略図である。

図２に例示すように、下向きに火炎を形成するように備えられたバーナー５により放出された高温の燃焼排ガスは、燃焼筒３０の内側を下向きに通過した後、燃焼筒端部３０ａと断熱材４０と第２の改質触媒層２と接する内筒６の間の空間、第２燃焼排ガス流路５０ｂに流入する。

断熱材４０は内筒６および第１の底板７の過度な温度上昇、例えば、７００℃以上による熱変形を抑制するために配置される。第２の改質触媒層２と接する第２燃焼排ガス流路５０ｂ内で、燃焼排ガスは流れの向きを下向きから上向きへと変え、燃焼筒３０及び第１の改質触媒層１と接する内筒６の間の空間で構成され第１燃焼排ガス流路５０ａを通り、外部へ排気される。

図２に例示するように、燃焼筒端部３０ａの上下位置は第１の改質触媒層１と第２の改質触媒層２の間と略一致するように構成されている。

図３は第１燃焼排ガス流路５０ａの断面を示す図２のＡ１−Ａ２断面図、図４は第２燃焼排ガス流路５０ｂの断面を示す図２のＢ１−Ｂ２断面図である。

図３に示すように、第１の改質触媒層１に隣接する第１燃焼排ガス流路５０ａは内筒６と燃焼筒３０の間の空間に構成される。図４に示すように、第２の改質触媒層２に隣接する第２燃焼排ガス流路５０ｂは内筒６の内側の空間に構成される。

第２燃焼排ガス流路５０ｂの断面積は第１燃焼排ガス流路５０ａの断面積より大きいため、第２燃焼排ガス流路５０ｂを流れる燃焼排ガスの流速は、第１燃焼排ガス流路５０ａを流れる燃焼排ガスの流速より遅くなるため、第１燃焼排ガス流路５０ａ内の燃焼排ガスと内筒６の第２の改質触媒層２と接する部分付近との熱伝達率は、第２燃焼排ガス流路５０ｂ内の燃焼排ガスと内筒６の第１の改質触媒層１と接する部分付近との熱伝達率より小さくなる。

高温の燃焼排ガスから改質触媒層を流れる原料ガスへの熱交換量は、熱伝達率が大きくなると大きくなるので、燃焼排ガスから第１の改質触媒層１を流れる原料ガスへの熱交換量は、燃焼排ガスから第２の改質触媒層２を流れる原料ガスへの熱交換量よりも大きい。

高温の燃焼排ガスから触媒層を流れる原料ガスへの熱交換量が大きいと流通する原料ガスの温度上昇幅が大きくなるので、第１の改質触媒層１を流通する原料ガスの温度上昇幅は、第２の改質触媒層２を流通する原料ガスの温度上昇幅よりも大きくなる。

つまり、第１の改質触媒層１では、原料ガスへの加熱量が大きいため、原料ガスの流れ方向の距離が短くても低温で第１の改質触媒層１に流入した原料ガスは、大きく温度上昇し、改質反応速度が低い低温領域は少なくなるので、第１の改質触媒層１の触媒量を少なくできる。

さらに、第１の改質触媒層１の出口での原料ガスの温度が高くなるため、第２の改質触媒層２へ流入する原料ガスの温度は高くなり、第２の改質触媒層２を流通する原料ガスの温度上昇幅は小さいので、第２の改質触媒層２を流通する原料ガスの入口から出口までの温度を改質反応に適した温度にすることができるので、第２の改質触媒層２の触媒量を少なくできる。

図５は本発明の実施の形態１における改質触媒部に流れる原料ガスの温度分布の一例である。

例えば、３５０℃に予熱された原料ガスは、第１の改質触媒層１に流入し、第１の改質触媒層１を通過する間に燃焼排ガスと熱交換し、第１の改質触媒層１と第２の改質触媒層２との境界で、例えば、５５０℃に昇温する。

第１の改質触媒層１から第２の改質触媒層２へ流入した原料ガスは、第２の改質触媒層２を通過する間の燃焼排ガスとの熱交換量は少ないため、第２の改質触媒層２の流入部から流出部までの原料ガスの温度上昇は小さく、例えば、６５０℃で、第２の改質触媒層２を流出する。第２の改質触媒層２を流れる原料ガスの温度は、改質反応に適した高温な状態、例えば、５５０℃から６５０℃となる。

以上のように、燃焼排ガスと第１の改質触媒層１を流れる原料ガスとの熱交換量を燃焼排ガスと第２の改質触媒層２を流れる原料ガスとの熱交換量より大きくすることにより、第１の改質触媒および第２の改質触媒の温度を改質反応に適した温度となり、少ない改質触媒量で所定の水素生成量を確保することができるため、小型で低コストな水素生成装置を得ることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、図６を用いて説明する。図６は本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成図である。

実施の形態２は、図１に示した実施の形態１と同じ構成の水素生成装置において、実施の形態１と同様に水素を生成するものである。なお、図６において、前述の実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付与している。

実施の形態２と実施の形態１との違いは、第１燃焼排ガス流路５０ａの第１の改質触媒層１と隣接する部分の長さは、前記第２燃焼排ガス流路５０ｂの第２の改質触媒層２と隣接する部分の長さより、長くなるよう構成されている点である。

実施の形態２では、第１の改質触媒層１と第２の改質触媒層２の原料ガスの流通方向に垂直な断面の断面積を変え、第２の改質触媒層２より第１の改質触媒層１の原料ガスの流通方向に垂直な断面の断面積を小さくし、第１の改質触媒層１の原料ガスの流通方向の長さを第２の改質触媒層２の原料ガスの流通方向の長さより長くしている。

これにより、第１燃焼排ガス流路５０ａの第１の改質触媒層１と隣接する部分は、前記第２燃焼排ガス流路５０ｂの第２の改質触媒層２と隣接する部分より、長くなる。

以上により、燃焼排ガスと内筒６の第１の改質触媒層１に接する部分での伝熱面積が広くなり、伝熱面積が広くなるほど熱交換量は多くなるため、燃焼排ガスと第１の改質触媒層１に流れる原料ガスとの熱交換量は、燃焼排ガスと第２の改質触媒層２に流れる原料ガスとの熱交換量より多くすることができる。

高温の燃焼排ガスから改質触媒層を流れる原料ガスへの熱交換量が大きいと流通する原料ガスの温度上昇幅が大きくなるので、第１の改質触媒層１を流通する原料ガスの温度上昇幅は、第２の改質触媒層２を流通する原料ガスの温度上昇幅よりも大きくなる。

つまり、第２の改質触媒層２より第１の改質触媒層１の原料ガスの流通方向に垂直な断面の断面積を小さくして、第１の改質触媒層１の原料ガスの流通方向の長さを第２の改質触媒層２の原料ガスの流通方向の長さより長くして第１の改質触媒層１を流通する原料ガスへの加熱量を大きくする。

第１の改質触媒層１を流通する原料ガスへの加熱量は大きいため、低温で第１の改質触媒層１に流入した原料ガスは大きく温度上昇し、改質反応速度が低い低温領域は少なくなり、また、第２の改質触媒層２より第１の改質触媒層１の原料ガスの流通方向に垂直な断面の断面積を小さくしているので原料ガスの流通方向の長さが長くても、第１の改質触媒層１の触媒量を少なくできる。

さらに、第１の改質触媒層１の出口での原料ガスの温度が高くなるため、第２の改質触媒層２へ流入する原料ガスの温度は高くなり、第２の改質触媒層２を流通する原料ガスの温度上昇幅は小さいので、第２の改質触媒層２を流通する原料ガスの入口から出口までの温度を改質反応に適した温度にすることができるので、第２の改質触媒層２の触媒量を少なくできる。

以上のように、第１の改質触媒層１の原料ガスの流通方向の長さを第２の改質触媒層２の原料ガスの流通方向の長さより長くして、燃焼排ガスと第１の改質触媒層１を流れる原料ガスとの熱交換量を燃焼排ガスと第２の改質触媒層２を流れる原料ガスとの熱交換量より大きくすることにより、第１の改質触媒および第２の改質触媒の温度を改質反応に適した温度となり、少ない改質触媒量で所定の水素生成量を確保することができるため、低コストで水素生成装置を得ることができる。

なお、実施の形態２における、第１の改質触媒層１の原料ガスの流通方向の長さは、第１の改質触媒層１と第２の改質触媒層２の原料ガスの流れ方向に垂直な断面の断面積を変え、第１の改質触媒層１の断面積を第２の改質触媒層２の断面積より小さくして、第１燃焼排ガス流路５０ａの第１の改質触媒層１と隣接する部分は、前記第２燃焼排ガス流路５０ｂの第２の改質触媒層２と隣接する部分より、長くしているが、第１の改質触媒および第２の改質触媒の貴金属担持量による触媒性能の調整や、反応に寄与しないアルミナなどを第１の改質触媒に混合する等により、第１の改質触媒層１の原料ガスの流通方向の長さを長くなるように調整し、第１燃焼排ガス流路５０ａの第１の改質触媒層１と隣接する部分は、前記第２燃焼排ガス流路５０ｂの第２の改質触媒層２と隣接する部分より、長くしてもよい。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における燃料電池システムについて、図７を用いて説明する。図７は実施の形態３における燃料電池システムの一例を示すブロック図である。

図７に示すように、実施の形態３に係る燃料電池システム５００は、水素生成装置１０
０と、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池４００を備える。

水素生成装置１００は、これまでに実施の形態１〜２で述べたいずれかの水素生成装置である。燃料電池４００は、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池であれば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池など、いずれの燃料電池でも構わない。

以上により、小型で低コストな水素生成装置を用いた燃料電池システムを得ることができる。

以上のように、本発明の水素生成装置は、高価な改質触媒の搭載量を最小限に抑えることができるため、家庭用燃料電池コージェネレーションシステム等の小型で低コストが求められる用途の水素生成装置及び燃料電池システムに好適に用いることができる。

１ 第１の改質触媒層
２ 第２の改質触媒層
５ バーナー
６ 内筒
７ 第１の底板
８ 中筒
９ 第２の底板
１０ 原料供給経路
１１ 水供給経路
１２ 導出部
１５ 外筒
１６ 外筒底板
１９ 空気供給部
２０ 改質触媒部
２３ 予熱部
２５ 変成部
２６ 選択酸化部
３０ 燃焼筒
３０ａ 燃焼筒端部
４０ 断熱材
５０ 燃焼排ガス流路
５０ａ 第１燃焼排ガス流路
５０ｂ 第２燃焼排ガス流路
５１ 燃焼排ガス排気口
１００ 水素生成装置
４００ 燃料電池
５００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 少なくとも可燃ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器によって発生する燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、
   前記燃焼排ガス流路と隣接し、前記燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、
   前記燃焼筒の外側に配置される内筒と、
   前記内筒の外側に配置される外筒と、
   を備え、
   前記改質器は、
   原料ガスを改質する第１の改質触媒層と、
   前記第１の改質触媒層の原料ガスの流れの下流側に配置された原料ガスを改質する第２の改質触媒層と、
   を備え、
   前記燃焼排ガス流路は、
   前記第１の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第１燃焼排ガス流路と、
   前記第２の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第２燃焼排ガス流路と、
   を備え、
   前記改質器は、前記内筒及び前記外筒の間の空間で構成され、
   前記第１燃焼排ガス流路は、前記燃焼筒及び前記内筒の間の空間で構成され、
   前記燃焼筒の端部は、前記第２の改質触媒層の前記第１の改質触媒層側の端部に対して前記内筒を介して対向するように構成され、
   前記第１燃焼排ガス流路の前記第１の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱交換量が、前記第２燃焼排ガス流路の前記第２の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱交換量より大きくなるよう構成された、
   水素生成装置。
2. 少なくとも可燃ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器によって発生する燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、
   前記燃焼排ガス流路と隣接し、前記燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから
   改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、
   前記燃焼筒の外側に配置される内筒と、
   前記内筒の外側に配置される外筒と、
   を備え、
   前記改質器は、
   原料ガスを改質する第１の改質触媒層と、
   前記第１の改質触媒層の原料ガスの流れの下流側に配置された原料ガスを改質する第２の改質触媒層と、
   を備え、
   前記燃焼排ガス流路は、
   前記第１の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第１燃焼排ガス流路と、
   前記第２の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第２燃焼排ガス流路と、
   を備え、
   前記改質器は、前記内筒及び前記外筒の間の空間で構成され、
   前記第１燃焼排ガス流路は、前記燃焼筒及び前記内筒の間の空間で構成され、
   前記燃焼筒の端部は、前記第２の改質触媒層の前記第１の改質触媒層側の端部に対して前記内筒を介して対向するように構成され、
   前記第１燃焼排ガス流路の前記第１の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱伝達率が、前記第２燃焼排ガス流路の前記第２の改質触媒層側の壁面と前記燃焼排ガスとの熱伝達率より大きくなるよう構成された、
   水素生成装置。
3. 少なくとも可燃ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器によって発生する燃焼排ガスを流す燃焼排ガス流路と、
   前記燃焼排ガス流路と隣接し、前記燃焼排ガス流路の熱により加熱され、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記燃焼器の外側に配置される燃焼筒と、
   前記燃焼筒の外側に配置される内筒と、
   前記内筒の外側に配置される外筒と、
   を備え、
   前記改質器は、
   原料ガスを改質する第１の改質触媒層と、
   前記第１の改質触媒層の原料ガスの流れの下流側に配置された原料ガスを改質する第２の改質触媒層と、
   を備え、
   前記燃焼排ガス流路は、
   前記第１の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第１燃焼排ガス流路と、
   前記第２の改質触媒層と隣り合う部分に配置された第２燃焼排ガス流路と、
   を備え、
   前記改質器は、前記内筒及び前記外筒の間の空間で構成され、
   前記第１燃焼排ガス流路は、前記燃焼筒及び前記内筒の間の空間で構成され、
   前記燃焼筒の端部は、前記第２の改質触媒層の前記第１の改質触媒層側の端部に対して前記内筒を介して対向するように構成され、
   前記第２燃焼排ガス流路に流れる前記燃焼排ガスの流速が、前記第１燃焼排ガス流路に流れる前記燃焼排ガスの流速より小さくなるよう構成された、
   水素生成装置。
4. 前記第１燃焼排ガス流路の前記第１の改質触媒層との隣接部の長さは、前記第２燃焼排ガス流路の前記第２の改質触媒層との隣接部の長さより長くなるよう構成された、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置と、
   前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
   を備えた燃料電池システム。