JPWO2015115071A1 - 水素生成装置 - Google Patents

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Abstract

水素生成装置（１）であって、加熱部（２）と、改質触媒部（２０）が配置され、原料ガスが改質触媒部（２０）に流入し改質触媒部（２０）から改質ガスが流出する第１のガス流路と、加熱部（２）によって加熱された加熱ガスが流れる第２のガス流路と、第１のガス流路と第２のガス流路とを仕切る壁とを備えている。また、壁を介して伝わる加熱ガスの熱を利用して、改質触媒部（２０）が加熱される。さらに、改質触媒部（２０）のうち、改質ガスの流れの下流側の端部を含む改質触媒下流部（２０ａ）への加熱ガスからの伝熱を抑制する伝熱抑制部を備えている。

Description

本発明は、改質触媒を用いて、原料ガスと水蒸気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に関する。
小型でエネルギー効率が高く、発電および給湯が可能な燃料電池システムは、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および水素を主成分として含む水素含有ガスは、一般的なインフラとしては整備されていない。
そこで、例えば、炭化水素を含む都市ガスおよびプロパンガス等の、既存の化石燃料インフラ等から供給される原料ガスを利用して、それらの原料ガス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燃料電池システムに併設されている（例えば、特許文献１を参照）。
図７は、特許文献１に記載された、従来の水素生成装置１０１の概略構成を示す断面図である。
図７に示されるように、特許文献１に記載された従来の水素生成装置１０１は、燃料を燃焼させる加熱部１０２の下方に、円筒状の燃焼筒１３０が設けられている。燃焼筒１３０の外側には、内筒底板１０６を備えた有底円筒状の内筒１０５が配置されている。内筒１０５の外側には、中筒底板１０８を備えた有底円筒状の中筒１０７が配置されている。中筒１０７の外側には、外筒底板１１６を備えた有底円筒状の外筒１１５が配置されている。
燃焼筒１３０、内筒１０５、中筒１０７、および外筒１１５は、平面視（上面視）したときに、実質的に同心円形状（同心円形状を含む）になるように配置されている。内筒１０５、中筒１０７、および外筒１１５それぞれの上方部分が適切に接続されて、実質的に円筒形状（円筒形状を含む）の反応器が構成されている。
中筒底板１０８の中央部分には、貫通孔１０９が形成されている。中筒１０７は、内筒１０５との空間、および、外筒１１５との空間を用いて、途中（中筒底板１０８の貫通孔１０９）で反対方向（図７では下方から上方）に折り返すガスの流路（第１のガス流路）を形成している。
また、水素生成装置１０１における、ガスの折り返し部側（図７では下方）の反対側（図７では上方）の、水素生成装置１０１の外壁面には、外部のガス配管に接続されると共に、水素生成装置１０１（具体的には内筒１０５と中筒１０７との間の空間）に原料ガスを供給する原料供給部１０４が設けられている。また、図７の上方の、水素生成装置１０１の外壁面には、外部の水配管に接続されると共に、水素生成装置１０１（具体的には内筒１０５と中筒１０７との間の空間）に水を供給する水供給部１０３が設けられている。
原料供給部１０４から供給された原料ガス、および、水供給部１０３から供給された水は、内筒１０５と中筒１０７との間を、中筒底板１０８の貫通孔１０９に向かって流れ、予熱部１２３で加熱され、改質触媒部１２０で改質されて改質ガスとなる。改質ガスは、貫通孔１０９において流れる方向が反転し、中筒１０７と外筒１１５との間を、導出部１１２に向かって流れ、変成部１２５と選択酸化部１２６とを通過することにより、改質ガス中の一酸化炭素が低減される。
内筒１０５と中筒１０７との間の空間に、予熱部１２３が設けられている。予熱部１２３では、燃焼筒１３０と内筒１０５との間を通る加熱部１０２の燃焼排ガスから内筒１０５を介して伝わる熱を利用して、水供給部１０３から供給される水が蒸発すると共に、原料ガスと水蒸気との混合ガスが予熱される。
また、内筒１０５と中筒１０７との間の空間における、予熱部２３の下流側（下方）に設けられた改質触媒部１２０では、燃焼筒１３０と内筒１０５との間を通る加熱部１０２の燃焼排ガスから内筒１０５を介して伝わる熱を利用して、改質触媒により、原料ガスと水蒸気とを改質反応させて改質ガスが生成される。
中筒１０７と外筒１１５との間の空間に設けられた変成部１２５では、ＣＯ変成触媒によって、改質触媒部１２０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、低減させる。
中筒１０７と外筒１１５との間の空間における、変成部１２５の下流側（上方）に設けられた選択酸化部１２６は、変成部１２５での水性ガスシフト反応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１１９から、変成部１２５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、選択酸化触媒によって、二酸化炭素に変える。
改質触媒部１２０には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の改質触媒が設けられている。具体的には、内筒１０５および中筒１０７それぞれの側面で構成される空間において、中筒１０７の側面部分には、改質触媒の大きさよりも小さな直径約２ｍｍの孔径を有するパンチングメタルで構成される棚段上に、改質触媒が設置されている。
また、変成部１２５には、直径約３ｍｍで高さ３ｍｍの円筒形状を有するＣｕ−Ｚｎ系のＣＯ変成触媒が設けられている。さらに、選択酸化部１２６には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。
ここで、改質触媒部１２０に原料ガスが流れ込む側を上流、改質ガスが流れ出る側を下流とし、改質触媒部１２０の下流部を改質触媒下流部１２０ａとする。
水素生成装置１０１は、改質触媒部１２０における改質反応に必要な反応熱を供給するための加熱部１０２を、内筒１０５の内側に備えている。加熱部１０２は、加熱源となる、燃焼ガスを燃焼させるバーナーと、加熱部１０２の燃焼状態を検知するフレームロッドを備えた燃焼検出部１２２と、加熱部１０２に燃料用空気を供給する燃焼空気供給部としての燃焼ファン１１８とを備えている。なお、フレームロッドは、火炎が形成される時に発生するイオンに電圧を印加し、その時に流れるイオン電流値を測定するデバイスである。
加熱部１０２で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路を介して加熱部１０２に供給される。また、水素生成装置１０１によって生成された水素含有ガスは、導出部１１２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、改質触媒部１２０および予熱部１２３は、加熱部１０２で発生させた燃焼排ガスから、加熱部１０２の燃焼筒１３０と対向する内筒１０５の壁面を介して、熱を供給される構成となっている。燃焼排ガスは、加熱部１０２から燃焼筒１３０の内部（内側）を通り、燃焼筒１３０を出た後、高温状態で内筒１０５の下部と内筒底板１０６に当たる。そして、燃焼排ガスは、燃焼筒１３０の外周面と内筒１０５の内周面とで形成される通路を通り、図面右上の排出口から、水素生成装置１０１の外部へと排気される。
このように、燃焼排ガスが、高温状態（８５０℃〜９５０℃）で、内筒１０５および内筒底板１０６にあたるので、内筒１０５および内筒底板１０６は、燃焼排ガスの熱によって高温化し、長時間使用すると熱変形する可能性がある。特に、改質触媒が充填されていない部分は、改質触媒の吸熱反応により熱を奪われることがないので、より熱変形の傾向が顕著となる。
内筒１０５および内筒底板１０６の少なくとも一方が熱変形すると、内筒１０５および内筒底板１０６のうち、熱変形した方を構成する金属が破壊される。そして、内筒１０５および内筒底板１０６のうち、熱変形した方を境にして、圧力の高い側の改質ガスが燃焼排ガス経路側に漏出することとなる。この場合、燃料電池へ供給する水素含有ガスの流量不足により、燃料電池システムが停止に至る可能性がある。
このような課題に鑑みて、特許文献１に記載された従来の水素生成装置１０１においては、内筒底板１０６の、加熱部１０２と対向する位置に、断熱材１４０が配置されている。これにより、内筒底板１０６および内筒１０５のうち、特に改質触媒が入っていない部分の高温化を防ぐことができる。なお、安全のため、内筒底板１０６および内筒１０５には、ニッケルの割合が多く、高温熱変形に強いＳＵＳ３１０Ｓ材が使用されている。
また、水素生成装置１０１を運転制御するために、水素生成装置１０１には、改質触媒部１２０における改質触媒の温度を検出するための改質温度検出部１２１と、変成部１２５におけるＣＯ変成触媒の温度を検出するための変成温度検出部１２４とが設けられている。
このように、特許文献１に記載された従来の水素生成装置１０１の構成では、改質触媒部１２０の下流部分で、改質触媒が充填されていない部分に対して断熱材１４０が配されている。つまり、改質触媒部１２０の下流部分への伝熱を抑制する様には断熱材１４０が配されていない。よって、改質触媒自体が高温化する事を防ぐことはできない。
なお、従来の水素生成装置１０１における、触媒反応に必要な温度、および、内筒１０５を構成する金属の耐久性を維持する限界の温度は、いずれも６００〜７００℃と同等の温度である。
ここで、小型化、および低コスト化等の要請から、改質触媒の量を減らす必要が生じた場合を想定する。この場合には、十分な量の水素含有ガスを得るために、従来の触媒温度から、さらに触媒温度を上昇させる必要がある。この場合には、構造体の温度が従来よりも上昇してしまい、耐久性を維持できることのできる限界の温度を超え、内筒１０５が熱変形および高温酸化等してしまい、水素生成装置１０１の寿命時間が短くなる虞がある。従来の技術においては、このような課題に対する対策は何ら考えられていない。
特開２０１１−１０２２２３号公報
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、改質触媒の量を減らしても、耐久性に優れた水素生成装置を提供するものである。
本発明の水素生成装置は、加熱部と、改質触媒部が配置され、原料ガスが改質触媒部に流入し改質触媒部から改質ガスが流出する第１のガス流路と、加熱部によって加熱された加熱ガスが流れる第２のガス流路と、第１のガス流路と第２のガス流路とを仕切る壁とを備えている。また、壁を介して伝わる加熱ガスの熱を利用して、改質触媒部が加熱される水素生成装置である。そして、改質触媒部のうちの改質ガスの流れの下流側の端部を含む部分である改質触媒下流部への加熱ガスからの伝熱を抑制する伝熱抑制部を備えている。
このような構成により、伝熱抑制部を有するので、改質触媒のうち、ガスの流れの下流側の端部を含む下流部分が、燃焼排ガスからの伝熱によって、必要以上に加熱されることを防止できる。よって、高価な改質触媒の量を減らして低コスト化を図った水素生成装置を、耐久性の問題を生じることなく実現することができる。
図１は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置の要部構成を示す断面図である。 図２Ａは、比較例の水素生成装置において、改質触媒がその上流部から下流部までの全領域にわたって燃焼排ガスからの伝熱によって加熱される改質触媒部の、原料ガス流れ方向の温度の変化特性を示す図である。 図２Ｂは、比較例の水素生成装置において、改質触媒がその上流部から下流部までの全領域にわたって燃焼排ガスからの伝熱によって加熱される改質触媒部を通過中のガスの転化率（原料ガスがどれだけ水素に転化したかを示す値）のガス流れ方向での変化特性を示す図である。 図３Ａは、比較例の水素生成装置において、改質触媒の量を半減させた場合における、改質触媒部の原料ガス流れ方向の温度の変化特性を示す図である。 図３Ｂは、比較例の水素生成装置における、改質触媒の量を半減させた場合の、改質触媒部を通過中のガスの転化率のガス流れ方向での変化特性を示す図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施の形態の水素生成装置における改質触媒部の原料ガス流れ方向の温度の変化特性を示す図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施の形態の水素生成装置における改質触媒部を通過中のガスの転化率のガス流れ方向での変化特性を示す図である。 図５は、本発明の第1の実施の形態における水素生成装置の別の構成を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置の概略構成を示す図である。 図７は、特許文献１に記載された、従来の水素生成装置の概略構成を示す断面図である。
以下、本発明の水素生成装置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、これら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。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置１の要部構成を示す断面図である。
図１に示されるように、本実施の形態の水素生成装置１は、燃料を燃焼する燃焼器である加熱部２の下方に、円筒状の燃焼筒３０が設けられている。円筒状の燃焼筒３０の外側には、内筒底板６を備えた有底円筒状の内筒５が配置されている。内筒５の外側には、中筒底板８を備えた有底円筒状の中筒７が配置されている。中筒７の外側には、外筒底板１６を備えた有底円筒状の外筒１５が配置されている。
燃焼筒３０、内筒５、中筒７、および外筒１５は、平面視したときに実質的に同心円形状（同心円形状を含む）に配置されている。内筒５、中筒７、および外筒１５のそれぞれの上方部分が適切に接続されて、実質的に円筒形状（円筒形状を含む）の反応器が構成されている。
中筒底板８の中央部分には、貫通孔９が形成されている。中筒７は、内筒５との空間、および、外筒１５との空間とを用いて、途中（中筒底板８の貫通孔９）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（第１のガス流路）を形成している。
また、水素生成装置１におけるガスの折り返し部側（図１では下方）の反対側（図１では上方）の水素生成装置１の外壁面には、外部のガス配管に接続されると共に、水素生成装置１（内筒５と中筒７との間の空間）に原料ガスを供給する原料供給部４が設けられている。また、水素生成装置１の外壁面には、外部の水配管に接続されると共に、水素生成装置１（内筒５と中筒７との間の空間）に水を供給する水供給部３が設けられている。
そして、原料供給部４から供給された原料ガス、および、水供給部３から供給された水は、内筒５と中筒７との間を、中筒底板８の貫通孔９に向かって流れ、予熱部２３で加熱され、改質触媒部２０で改質されて改質ガスになる。改質ガスは、貫通孔９において流れる方向が反転し、中筒７と外筒１５との間を、導出部１２に向かって流れ、変成部２５と選択酸化部２６とを通過することによって、改質ガス中の一酸化炭素が低減される。
内筒５と中筒７との間の空間に設けられた予熱部２３では、燃焼筒３０と内筒５との間を通る加熱部２の燃焼排ガス（加熱ガス）から内筒５を介して伝わる熱を利用して、水供給部３から供給される水を蒸発させると共に、原料ガスと水蒸気との混合ガスが予熱される。
内筒５と中筒７との間の空間における、予熱部２３の下流側（下方）には、改質触媒部２０が設けられている。改質触媒部２０では、燃焼筒３０と内筒５との間を通る加熱部２の加熱ガスである燃焼排ガスから内筒５を介して伝わる熱が利用され、改質触媒により、原料ガスと水蒸気とが改質反応することによって改質ガスが生成される。
中筒７と外筒１５との間の空間に設けられた変成部２５では、ＣＯ変成触媒によって、改質触媒部２０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、低減する。
中筒７と外筒１５との間の空間における、変成部２５の下流側（上方）には、選択酸化部２６が設けられている。選択酸化部２６では、変成部２５での水性ガスシフト反応後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素が、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、選択酸化触媒によって、二酸化炭素に変えられる。
改質触媒部２０には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の改質触媒が設けられている。具体的には、内筒５と中筒７の側面で構成される空間であって、中筒７の側面部分に、改質触媒の大きさよりも小さな直径約２ｍｍの孔径を有するパンチングメタルで棚段が構成され、その棚段上に、改質触媒が設置されている。
また、変成部２５には、直径約３ｍｍで高さ３ｍｍの円筒形状を有するＣｕ−Ｚｎ系のＣＯ変成触媒が設けられている。選択酸化部２６には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。
ここで、改質触媒部２０の、改質ガスが流れ込む側を上流とし、流れ出る側を下流とし、改質ガスが流れ出る下流部を改質触媒下流部２０ａとする。
水素生成装置１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加熱部２を、内筒５の内側に備えている。なお、本実施の形態においては、加熱部２の例として燃焼器を用いて説明したが、本発明の加熱部はこれに限定されるものではない。他にも改質触媒部２０における改質反応に必要な反応熱を供給できるものであれば、どのような構成も用いることができる。加熱部２は、例えば、電気ヒータであってもよい。また、改質反応に必要な反応熱を供給する加熱ガスとして、燃焼器から排出される燃焼排ガスを用いて説明を行ったが、本発明はこの例に限定されるものではなく、加熱部２の構成に応じて、様々なガスを加熱ガスとして用いることができる。
加熱部２は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナーと、加熱部２の燃焼状態を検知するフレームロッドを備えた燃焼検出部と、加熱部２に燃料用空気を供給する燃焼空気供給部としての燃焼ファン１８とを備えている。なお、フレームロッドは、火炎が形成される時に発生するイオンに電圧を印加し、その時に流れるイオン電流値を測定するデバイスである。
加熱部２で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路を介して加熱部２に供給される。また、水素生成装置１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。
改質触媒部２０および予熱部２３は、加熱部２で発生させた燃焼排ガスから、加熱部２の燃焼筒３０と対向する内筒５の壁面を介して、熱が供給される構成となっている。燃焼排ガスは、加熱部２から燃焼筒３０の内部（内側）を通り、燃焼筒３０を出た後、高温状態で、内筒５の下部および内筒底板６に当たる。燃焼排ガスは、燃焼筒３０の外周面と内筒５の内周面とで形成される通路を通り、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。
燃焼排ガスは、高温状態（８５０℃〜９５０℃）で内筒５に当たり、内筒５を介して改質触媒部２０を加熱する。しかしながら、燃料電池システムで必要となる所定の水素量を確保するために、改質触媒部２０出口での改質ガスの転化率が所定の第１転化率（例えば８５％）となるように、改質触媒下流部２０ａの温度が第１温度（たとえば６００℃）となるように調整されている。転化率の上限値は触媒の温度によって決まり、温度が高ければ上限値が高くなる特性を持っている。
ここで、改質触媒部２０出口での転化率が、その温度における転化率上限値と同等である場合には、転化率を第１転化率とするための改質触媒下流部２０ａの温度は第１温度に定まるので、内筒５および内筒底板６の材料を適切に選択することで、変形等の問題を避けることができる。
一方で、低コスト化等の要請により、改質触媒部２０を小型化し、触媒量を少なくした場合、改質触媒部２０出口での転化率は、その温度における転化率上限値よりも低い値となる（詳細は後述する）。これにより、改質触媒部２０出口での転化率を第１転化率に維持する場合、改質触媒下流部２０ａの温度は過剰に上昇してしまい、改質触媒下流部２０ａ周辺の内筒５および内筒底板６が、熱変形する傾向を生じてしまう。
内筒５および内筒底板６の少なくともいずれかが熱変形すると、熱変形した部分を構成する金属が破壊され、その部分を境にして、圧力の高い側の改質ガスが燃焼排ガス経路側に漏出することとなる。この場合、燃料電池へ供給する水素含有ガスの流量不足により、燃料電池システムが停止に至る可能性がある。
ここで、改質触媒部２０における温度上昇について、比較例と対比しながら、詳細に説明する。ここで、比較例としては、図７に示した従来の水素生成装置１０１を用いて説明する。
図２Ａは、比較例の水素生成装置１０１において、改質触媒がその上流部から下流部までの全領域にわたって燃焼排ガスからの伝熱によって加熱される改質触媒部１２０の、原料ガス流れ方向の温度の変化特性を示す図である。図２Ｂは、同水素生成装置１０１において、改質触媒がその上流部から下流部までの全領域にわたって燃焼排ガスからの伝熱によって加熱される改質触媒部１２０を通過中のガスの転化率（原料ガスがどれだけ水素に転化したかを示す値）のガス流れ方向での変化特性を示す図である。
比較例において、加熱される改質触媒の温度は、図２Ａに示されているように、原料ガスの流入する入口部から、改質反応により生成した改質ガスが流出する出口部に向かって、温度が徐々に上昇するような温度分布を生じる。
一方で、図２Ｂに示されるように、改質触媒部１２０を通過中のガスの転化率は、温度が上昇することに伴い、転化率の上限値も上昇していく特性がある。そこで、水素生成装置１０１は、燃料電池システムから要求される水素ガス量を生成するために、改質触媒部１２０から流出する改質ガスの転化率が、必要となる第１転化率（例えば８５％）となるように、改質触媒部１２０の出口での温度を第１温度（例えば６００℃）に調整して、運転がなされる。
このとき、改質触媒部１２０での反応進行の速度は、通過するガスの流速に対して十分に速いため、改質触媒部１２０から流出する改質ガスの転化率は、ほぼ温度に対する上限値とほぼ等しくなっている（図２Ｂに示されるように、上限値からほとんどずれを生じない）。
ここで、水素生成装置１０１の小型化、および低コスト化の要求に応じる方法として、改質触媒の量を少なくすることが考えられる。しかしながら、改質触媒の量を少なくした場合には、燃料電池システムから要求される水素ガス量の生成に応じた改質ガスの転化率に対し、改質触媒部１２０の温度が高い方向にずれる。
図３Ａは、比較例の水素生成装置１０１において、改質触媒の量を半減させた場合における、改質触媒部１２０の原料ガス流れ方向の温度の変化特性を示す図である。また、図３Ｂは、同水素生成装置１０１における、改質触媒の量を半減させた場合の、改質触媒部１２０を通過中のガスの転化率のガス流れ方向での変化特性を示す図である。
ここで、図３Ａ、および図３Ｂ中の、第１転化率、および第１温度は、図２Ａ、および図２Ｂ中の、第１転化率、および第１温度と同じ値を示すものとする。
図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、改質触媒部１２０の改質触媒の量を半減させた場合には、流通させる原料ガスの量に対し、改質触媒の量が少なくなるため、原料ガスが改質触媒を通過するのに要する時間は、相対的に短くなる。このため、図３Ｂに示されるように、通過中ガスの転化率は、各部の温度に対する、転化率の上限値に到達せず、反応が未完了の状態となる（このため、図３Ｂの右端の矢印Ｄに示されるように、流出する改質ガスの転化率を維持するには、転化率上限値をさらに高くする必要がある）。
このような状況において、改質ガスに含まれる水素の量を、燃料電池システムから要求される量に保つためには、流出する改質ガスの転化率を、第１の転化率（図３Ｂ参照）に維持する必要がある。しかしながら、改質ガスの転化率を、第１の転化率とするには、図３Ａに示されるように、改質触媒出口の温度を、第１温度よりもさらに高い、第２温度（例えば７００℃）に設定する必要がある（図３Ａの矢印Ｃに示されるように、転化率上限値を高くするため改質触媒出口部の温度が高くなる）。
次に、本実施の形態における水素生成装置１における改質触媒部２０での伝熱抑制部の作用について説明する。
図４Ａは、本発明の第１の実施の形態の水素生成装置１における改質触媒部２０の原料ガス流れ方向の温度の変化特性を示す図である。図４Ｂは、同水素生成装置１における改質触媒部２０を通過中のガスの転化率のガス流れ方向での変化特性を示す図である。
ここで、図４Ａ、および図４Ｂ中の第１温度および第１転化率は、それぞれ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂ中の第１温度および第１転化率と、同じ値を指すものとする。
本実施の形態の水素生成装置１では、内筒底板６の加熱部２（燃焼筒３０）側の面と、内筒５における改質触媒部２０の下端より下流側（下方）の加熱部２（燃焼筒３０）側の面に加えて、内筒５の加熱部２（燃焼筒３０）側の面における、改質触媒部２０の下端を含む改質触媒下流部２０ａと対向する位置（図１における領域Ｃを参照）にも、伝熱抑制部として断熱材４０が配置されている。断熱材４０は、セラミックファイバーからなり、１０００℃以下の温度に耐えられる。これにより、燃焼排ガスからの伝熱が抑制されることから、改質触媒部２０の出口に向けての温度上昇を低く抑えることができる。
なお、本実施の形態においては、伝熱抑制部によって保護される改質触媒下流部２０ａの長さについて、何ら限定するものではなく、目標とする触媒温度の温度勾配、ならびに、断熱材４０の材料および厚み等に応じて、適宜、設定されるものである。改質触媒部２０と対向する部分に、少しでも断熱材４０を配置することで、伝熱抑制効果を発揮させることができる。
また、従来の水素生成装置１０１においては、改質触媒の量を減らすことは考慮されておらず、このため、加熱ガスから改質触媒部２０の改質触媒に、いかに有効に熱を加えるかが課題になっていた。このため、改質触媒部２０と対向する加熱ガス側の部分に断熱材４０等の伝熱抑制部を配置することはまったく考慮されていなかった。
このように、水素生成装置１によれば、図４Ａに示される様に、改質触媒下流部２０ａの周辺で、ほぼ第１温度で一定の領域Ｂを設けることができる。このとき、図３Ａ中の、温度が第１温度に到達した点Ａでは、通過中ガスの転化率は第１転化率に到達していない（図４Ｂ参照）。しかしながら、原料ガスが図４Ｂ中の領域Ｂ（温度が一定の領域）を通過する間に、改質反応が進行し、改質触媒部２０出口から流出する時点での改質ガスの転化率は、第１転化率に到達する（図４Ｂ参照）。これにより、水素生成装置１から送出される水素含有ガス中の水素ガス量を、従来どおりの量に維持することができる。
なお、図４Ａに示した例においては、伝熱抑制部を配置することにより、触媒温度を所定の第１温度まで上昇させた（点Ａ）後に、一定の温度に保つ領域（領域Ｂ）を設けた例を用いて説明した。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではない。例えば、伝熱抑制部を配置することにより、原料ガスの入口側での温度勾配よりも、改質ガスの出口側での温度勾配を小さくする、すなわち、温度勾配を鈍らせる構成も含むものである。
以上述べたように、本実施の形態の水素生成装置１は、加熱部２を備えている。また、水素生成装置１においては、改質触媒部２０に改質触媒が配置され、原料ガスが改質触媒部２０（の改質触媒）に流入している。また、改質触媒部２０（の改質触媒）から改質ガスが流出する第１のガス流路と、加熱部２の加熱によって発生する燃焼排ガス（加熱ガス）が流れる排ガス流路（第２のガス流路）とを仕切る壁として機能する内筒５が設けられている。水素生成装置１は、内筒５を介して伝わる燃焼排ガスの熱を利用して、改質触媒部２０の改質触媒を加熱する。また、改質触媒部２０のうち、改質ガスの流れの下流側の端部を含む下流部分（改質触媒下流部２０ａ）への加熱ガスからの伝熱を抑制する伝熱抑制部（内筒５の、少なくとも改質触媒下流部２０ａの位置に対向する加熱ガス側の面に設けられた断熱材４０）が設けられている。
このような構成により、高価な改質触媒の量を減らした、小型で低コストの水素生成装置１において、改質触媒下流部２０ａの温度上昇を抑えることができる。よって、内筒底板６および内筒５の高温化による、水素生成装置１の短寿命化を回避することができる。さらに、改質触媒下流部２０ａの温度上昇を抑えながらも、改質ガスの転化率低下を回避し、水素含有ガス中の水素ガス量を減少させることなく、水素生成を行うことができる。なお、このとき、改質触媒部２０出口での転化率は、その温度に対する転化率の上限値とほぼ一致するようになる（図４Ｂ参照）。
また、図１に示されるように、水素生成装置１は、改質触媒部２０における改質触媒の温度を検出し、運転制御するための改質温度検出部２１、および、変成部２５におけるＣＯ変成触媒の温度を検出する変成温度検出部２４を備えている。
ここで、水素生成装置１で発生させる改質ガスに含まれる水素ガスの量が、適正な量に達しているか否かの判断は、改質温度検出部２１によって検出される、改質触媒下流部２０ａの触媒温度をもって判断される。このとき、改質触媒下流部２０ａでの転化率は、その温度に対する転化率の上限値とほぼ一致するため、検出温度によって、高精度に水素ガスの量を推定することができ、燃料電池システム全体を、高精度で制御することができるようになる。
なお、改質触媒下流部２０ａの温度上昇、ならびに、内筒５および内筒底板６の温度上昇を防ぐ伝熱抑制部の構成として、図５に示されるように、断熱材４０を配置する代わりに、排ガス流路（第２のガス流路）と改質触媒下流部２０ａのガス流路（第１のガス流路）との間に、空間４１ａを形成する燃焼排ガス遮断部４１を設けてもよい。
図５は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置１の別の構成を示す図である。
図５に示される燃焼排ガス遮断部４１は、内筒５の下端に接続されて内筒５の下方の開口部を塞ぐ内筒底板６の代わりに、改質触媒下流部２０ａよりも上方（上流）において内筒５に接続され、内筒５の下方の開口部を塞ぐ構成を有するものである。なお、本発明の伝熱抑制部はこの例に限定されるものではなく、例えば、内筒底板６に加えて、中空円筒状の燃焼排ガス遮断部４１を設けることにより、空間４１ａを構成してもよい。
このような構成の燃焼排ガス遮断部４１を設けることによっても、燃焼排ガスが、改質触媒下流部２０ａ付近の内筒５に当たらない構成を実現することができる。これにより、改質触媒下流部２０ａが直接、燃焼排ガスによって加熱されなくなるので、燃焼排ガスから改質触媒下流部２０ａへの伝熱を抑制することができる。
図１に戻って、本実施の形態の水素生成装置１において、予熱部２３は、導出部１２、ならびに、一酸化炭素低減部（選択酸化部２６および変成部２５）と片側壁面（中筒８）を共有して設けられている。予熱部２３は、導出部１２および一酸化炭素低減部を流れる水素含有ガス、ならびに、選択酸化部２６および変成部２５に設けられる触媒と熱交換することが可能なように構成されている。
原料供給部４から供給される原料ガスは、炭化水素等の、少なくとも炭素および水素元素を含む有機化合物を有する原料ガスであればよく、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、およびＬＰＧ等を用いることができる。
ここでは、原料ガスの供給源として、都市ガスのガスインフララインを用い、そのガスインフララインに、原料ガス中の付臭成分である硫黄化合物を除去する脱硫部が接続されているものとする。例えば、脱硫部としては、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤を用いることができる。
なお、水供給部３および原料供給部４としては、ブースターポンプを用いることができる。ブースターポンプは、例えば、入力される電流パルス、および入力電力等を制御することにより、供給する水の流量、および原料ガスの流量を調節する機能を有しているものとする。
なお、水素生成装置１には、外筒１５および外筒底板１６に密着するように、マイクロポーラス系断熱材（例えば、商品名ＷＤＳ、およびマイクロサーム（いずれも商標）等の熱伝導率の低い材料の断熱材）が設けられている。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図６は、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置９１の概略構成を示す図である。
図６に示されるように、本実施の形態の水素生成装置９１は、複数の平板形状の容器で構成されている。水素生成装置９１は、改質部容器５１と、予熱部容器５２と、燃焼容器５３と、変成部２５と、選択酸化部２６とを、少なくとも備えている。
本実施の形態の水素生成装置９１は、水供給部３から供給される水を蒸発させるとともに、原料ガスと水蒸気との混合ガスを予熱する予熱部２３を備えている。また、水素生成装置９１は、原料供給部４から供給される原料ガスと、水蒸気との改質反応を進行させる改質触媒部２０、および、改質触媒部２０で生成された改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応（シフト反応）させて、改質ガス中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、水素生成装置９１は、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、主に酸化により除去する選択酸化部２６を有している。なお、変成部２５および選択酸化部２６により、一酸化炭素低減部が構成されている。
改質触媒部２０には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の改質触媒が設けられている。また、変成部２５には、直径約３ｍｍで高さ３ｍｍの円筒形状を有するＣｕ−Ｚｎ系のＣＯ変成触媒が設けられ、選択酸化部２６には、直径約３ｍｍの球状形状を有するＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。改質触媒部２０への改質ガスが流れ込む側（図６における下方）を上流、流れ出る側（図６における上方）を下流とし、改質触媒部２０の、改質ガスが流れ出る下流部を改質触媒下流部２０ａとする。
また、水素生成装置１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加熱部２を、燃焼容器５３の上部に備えている。加熱部２は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナーを有する燃焼器である。加熱部２には、燃焼空気供給部としての燃焼ファン１８から燃料用空気が供給され、また燃料供給部１７からは、燃料が供給されている。
上記構成を有する水素生成装置９１によって生成された水素含有ガスは、導出部１２から、外部に設置される燃料電池等に供給され、燃料電池における発電に使用される。
水素生成装置９１の改質触媒部２０には、加熱部２で発生した加熱ガスである燃焼排ガスの熱が、改質部容器５１および燃焼容器５３の接する壁面を介して供給される。燃焼排ガスは、加熱部２から高温状態で燃焼容器５３の内面にあたり、燃焼容器５３から流出した後、さらに、予熱部容器５２に導入される。そして、燃焼排ガスは、予熱部伝熱壁２３１を介して、予熱部２３を流れる、水、および、原料ガスと水蒸気との混合ガスに熱を供給する。そして、燃焼排ガスは、予熱部容器５２上部の燃焼排ガス出口２３２から、水素生成装置９１の外部へ排気される。なお、本実施の形態において、断熱材１４０は、燃焼容器５３の改質部容器５１とは反対側に設けられており、伝熱抑制部としては機能しない。
ここで、燃焼排ガスは、高温状態（８５０℃〜９５０℃）で燃焼容器５３の内面にあたり、改質部容器５１および燃焼容器５３の接する壁面を介して改質触媒部２０を加熱する。しかしながら、改質触媒部２０を小型化し、触媒量を少なくした場合に、燃料電池システムで必要となる所定の水素量を確保するためには、第１の実施の形態と同様の理由により、改質触媒下流部２０ａの温度が過剰に上昇する場合がある。そして、改質触媒下流部２０ａ周辺の、改質部容器５１および燃焼容器５３が、熱変形する傾向を生じる。
改質部容器５１が熱変形すると、改質部容器５１を構成する金属が破壊され、改質部容器５１を境にして、大気よりも圧力の高い側の改質ガスが経路外に漏出する可能性がある。また、このとき、燃料電池へ供給される水素含有ガスの流量が不足し、燃料電池システムの停止に至る可能性がある。
このような課題に対して、本実施の形態では、改質触媒下流部２０ａに対向する燃焼容器５３の部分に、溝状の凹み部である燃焼排ガス遮断部４１が設けられている。具体的には、燃焼排ガス遮断部４１と改質部容器５１との間に設けられた燃焼排ガス遮断部４１によって形成される空間４１ａにより、燃焼排ガスから、改質触媒下流部２０ａへの伝熱が抑制され、改質触媒部２０の出口に向けての温度上昇を低く抑えることができる。なお、空間４１ａの位置に、断熱材４０を設けた構成としてもよいし、空間４１ａの代わりに断熱材４０を設けた構成としてもよい。また、空間４１ａは、燃焼排ガスが、改質触媒下流部２０ａ付近の内筒５に当たらない構成を実現できればよく、どのような形状であってもかまわない。
このような構成により、図４Ａに示される様に、改質触媒下流部２０ａ周辺に、ほぼ第１温度で一定の領域Ｂを設けることができる。このとき、図４Ａ中の、温度が第１温度に到達した点Ａでは、通過中ガスの転化率は第１転化率（温度に対する転化率の上限値の例えば８５％）に到達していない(図４Ｂ参照)。しかしながら、図４Ｂに示されるように、原料ガスが領域Ｂを通過する間に改質反応が進行し、改質触媒部２０出口から流出する時点での改質ガスの転化率は、第１転化率に到達している。これにより、水素生成装置９１から送出される水素含有ガス中の水素ガス量を、従来どおりの量に維持することができる。
これにより、改質触媒部２０の触媒量を大幅に少なくした場合においても、生成される水素ガスの量を維持し、かつ、改質触媒下流部２０ａの温度上昇を抑え、燃焼容器５３および改質部容器５１の高温化を防ぐことができる。
図６に戻って、水供給部３には、水供給経路が接続されている。原料供給部４には、原料供給経路が接続されている。原料供給部４から供給される原料ガスは、炭化水素等の、少なくとも炭素および水素元素を含む有機化合物を有する原料ガスであればよく、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガスおよびＬＰＧ等を用いることができる。
ここでは、原料ガスの供給源として、都市ガスのガスインフララインを用い、そのガスインフララインに、原料ガス中の付臭成分である硫黄化合物を除去する脱硫部が接続されているものとする。例えば、脱硫部としては、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤を用いることができる。
なお、水供給部３および原料供給部４としては、ブースターポンプを用いることができ、例えば、入力される電流パルス、および入力電力等を制御することにより、供給される水の流量、および原料ガスの流量を調節することができる機能を有しているものとする。
以上述べたように、実施の形態の水素生成装置１，９１は、加熱部２と、改質触媒部２０が配置され、原料ガスが改質触媒部２０に流入し改質触媒部２０から改質ガスが流出する第１のガス流路と、加熱部２によって加熱された加熱ガスが流れる第２のガス流路とを備えている。また、第１のガス流路と第２のガス流路とを仕切る壁を備え、壁を介して伝わる加熱ガスの熱を利用して、改質触媒部２０が加熱される構成を有している。また、改質触媒部２０のうち、改質ガスの流れの下流側の端部を含む改質触媒下流部２０ａへの加熱ガスからの伝熱を抑制する伝熱抑制部を備えている。
このような構成により、改質触媒部２０のうち、原料ガスの流れの下流側の端部を含む下流部分が、加熱ガスからの伝熱によって、必要以上に加熱されることを防止できるので、高価な改質触媒の量を減らして低コスト化を図った水素生成装置１を、耐久性の問題を生じることなく実現することができる。
また、このような構成によれば、改質ガスの転化率が、温度に応じて決まる上限値に近い状態で、改質ガスを流出させる事が可能となり、温度制御を行った際に、改質触媒部２０の出口の温度によって、改質ガスに含まれる水素ガスの量を精度高く推定することができ、燃料電池システムの制御精度を向上させることができる。
また、伝熱抑制部は、壁における加熱ガス側の面に設けられた断熱材４０で構成してもよい。
さらに、伝熱抑制部を、第２のガス流路と改質触媒部下流部の第１のガス流路との間に配置された燃焼排ガス遮断部によって形成された空間で構成してもよい。
さらに、加熱部２は燃焼器であり、加熱ガスは、燃焼器で燃焼によって発生する燃焼排ガスである構成であってもよい。
以上述べたように、本発明は、改質触媒の量を減らしても、耐久性に優れる、という格別な効果を奏することができるので、改質触媒を用いて、原料ガスと水蒸気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等として有用である。
１，９１ 水素生成装置
２ 加熱部
３ 水供給部
４ 原料供給部
５ 内筒
６ 内筒底板
７ 中筒
８ 中筒底板
９ 貫通孔
１２ 導出部
１５ 外筒
１６ 外筒底板
１７ 燃料供給部
１８ 燃焼ファン
１９ 空気供給部
２０ 改質触媒部
２０ａ 改質触媒下流部
２１ 改質温度検出部
２３ 予熱部
２４ 変成温度検出部
２５ 変成部
２６ 選択酸化部
３０ 燃焼筒
４０ 断熱材
４１ 燃焼排ガス遮断部
４１ａ 空間
５１ 改質部容器
５２ 予熱部容器
５３ 燃焼容器
１４０ 断熱材
２３１ 予熱部伝熱壁
２３２ 燃焼排ガス出口

Claims (4)

  1. 加熱部と、
    改質触媒部が配置され、原料ガスが前記改質触媒部に流入し前記改質触媒部から改質ガスが流出する第１のガス流路と、
    前記加熱部によって加熱された加熱ガスが流れる第２のガス流路と、
    前記第１のガス流路と前記第２のガス流路とを仕切る壁とを備え、
    前記壁を介して伝わる前記加熱ガスの熱を利用して、前記改質触媒部が加熱される水素生成装置であって、
    前記改質触媒部のうちの前記改質ガスの流れの下流側の端部を含む部分である改質触媒下流部への前記加熱ガスからの伝熱を抑制する伝熱抑制部を備えた
    水素生成装置。
  2. 前記伝熱抑制部は、前記壁における前記加熱ガス側の面に設けられた断熱材である、
    請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 前記伝熱抑制部は、前記第２のガス流路と前記改質触媒下流部の前記第１のガス流路との間に設けられた燃焼排ガス遮断部によって形成された空間である、
    請求項１に記載の水素生成装置。
  4. 前記加熱部は燃焼器であり、前記加熱ガスは、前記燃焼器で燃焼によって発生する燃焼排ガスである、
    請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の水素生成装置。
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