WO2005056468A1

WO2005056468A1 - 水素生成装置

Info

Publication number: WO2005056468A1
Application number: PCT/JP2004/018411
Authority: WO
Inventors: Yuji Mukai; Akira Maenishi; Yoshio Tamura; Yutaka Yoshida; Tomonori Asou
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2005-06-23
Also published as: US7465326B2; US20070151152A1

Abstract

【課題】軽量でありかつ熱容量が小さい高性能のガス混合器を備えた、水素生成効率及び応答性に優れる水素生成装置を提供する。【解決手段】水素生成装置が、２以上の成分を含有する混合ガスが流通する混合ガス流路（９）と、各々の始端が前記混合ガス流路から分岐し各々の終端が互いに合流する第１の流路及び第２の流路と、前記第１の流路に設けられ該第１の流路を流れる混合ガスを第１の方向に旋回させる第１の旋回手段（４５ａ）～（４５ｄ）と、前記第２の流路に設けられ該第２の流路を流れる混合ガスを第１の方向と反対の第２の方向に旋回させる第２の旋回手段（４６ａ）～（４６ｄ）と、前記合流した第１の流路及び第２の流路の終端から流出する前記混合ガスを化学反応させて水素を生成する水素生成部とを備えている。

Description

明細書

水素生成装置

技術分野

[0001] 本発明は、少なくとも炭素及び水素力もなる有機化合物を含有する原料と水とをィ匕学反応させて水素を生成し、この水素を燃料電池に供給する水素生成装置に関する。

背景技術

[0002] 従来から、エネルギーを有効に利用することが可能な分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が高、燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムと!/、う）が注目されて、る。

[0003] 燃料電池システムには、その発電部の本体として、燃料電池が配設されて、る。この燃料電池の多ぐ例えば、既に実用化されているリン酸型燃料電池（略称、 PAFC )や、現在開発が進められている固体高分子型燃料電池 (略称、 PEFC)は、発電のための燃料として水素を用いる。し力しながら、この水素の供給手段は、現在、インフラストラクチャ一として整備されていない。そのため、燃料電池システムには、通常、発電の際に必要となる水素を生成するための水素生成装置が設けられて、る。この水素生成装置では、メタンガス等の炭化水素系の原料と水とが用いられて、水素を豊富に含む改質ガスが生成される。燃料電池は、この水素生成装置で生成される改質ガスと空気とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。

[0004] 水素生成装置における水素の生成方法としては、水蒸気改質法が一般的に用いられている。この水蒸気改質法では、水蒸気改質反応により改質ガスが生成される。この水蒸気改質反応は、例えば、水素を生成するための原料となる都市ガスと水蒸気とをルテニウム触媒を用いて 600°C— 800°C程度の高温条件下でィ匕学反応させることにより水素を主成分とする改質ガスを生成する、種々ある水素生成反応の 1つの化学反応である。

[0005] 従来の水素生成装置の具体的な構成例としては、例えば、多重同心円筒状の構成を有する水素生成装置がある。 [0006] 図 18は、原料と水蒸気とを均一に混合可能な水素生成装置の一例の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図 18中に示す矢印は、原料や水蒸気等のガスが流れる方向を示している。

[0007] 図 18に示すように、原料と水蒸気とを均一に混合することが可能な水素生成装置 3 00は、多重同心円筒状の構成を備えている。即ち、この水素生成装置 300は、水蒸気改質反応を進行させるための高温状態の燃焼ガスを生成する燃焼バーナー 16と、水が供給されると共に燃焼バーナー 16により加熱されて湿り水蒸気又は水蒸気を生成する加熱器 17及び 18とを備えている。又、この水素生成装置 300は、燃焼バーナー 16を中心とした複数の同心円筒 19一 28により構成される複数の円環状空間に、燃焼バーナー 16によって生成した高温状態の燃焼ガスが通過する燃焼ガス用流路 29と、原料と水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応の前に予熱するための予熱層 30と、所定の反応温度に加熱されて水蒸気改質反応を進行させる改質触媒層 31 と、この改質触媒層 31において生成した高温状態の改質ガスの温度を低下させるために熱を回収する熱回収層 32と、この熱回収層 32により冷却された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を所定の化学反応により低減するための変成触媒層 33と、この変成触媒層 33により一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスと選択酸化反応用の空気を供給する空気供給部 34から取り入れた空気とを混合するための第 1の混合層 3 5及び第 2の混合層 36と、これらの第 1の混合層 35及び第 2の混合層 36を通過して空気が混合された改質ガス中の一酸化炭素の濃度を選択酸化反応により更に低減するための第 1の選択酸化触媒層 37及び第 2の選択酸化触媒層 38とを、燃焼バーナー 16を中心として同心円筒状に備えている。そして、図 18に示すように、この水素生成装置 300では、予熱層 30と熱回収層 32と第 1の混合層 35及び第 2の混合層 36 とが、原料と水蒸気又は空気との混合促進のためのセラミック球が充填された充填体により構成されている（例えば、特許文献 1参照)。

[0008] このように構成された水素生成装置 300では、水蒸気改質反応において使用される水は、加熱器 17若しくは加熱器 18に供給されて少なくともその一部が気化し、カロ熱器 17又は加熱器 18から排出された水（温水）は、図 18では特に図示しない混合部において原料としての都市ガスと混合された後、同心円筒 25と同心円筒 26との間、及び、同心円筒 24と同心円筒 25との間の各々の空間を移動する間に完全に気化して、都市ガスと混合される。そして、この都市ガスと水蒸気との混合ガスは、予熱層 30を通過する際に十分に混合された後に改質触媒層 31に供給され、この改質触媒層 31が燃焼ガス用流路 29を流れる燃焼ガスによって加熱されて進行する水蒸気改質反応に利用される。この水蒸気改質反応によって生成された改質ガスは、その後、熱回収層 32を通過して所定の温度にまで冷却された後に変成触媒層 33に供給される。そして、この変成触媒層 33において進行する変成反応により、改質ガスに含有される一酸化炭素の多くが除去される。この一酸化炭素の多くが除去された改質ガスは、更にその後、少量含まれる一酸ィ匕炭素の殆どを除去するために、第 1の混合層 3 5において空気供給部 34から供給される空気と十分に混合された後、第 1の選択酸化触媒層 37に供給される。そして、この第 1の選択酸化触媒層 37において進行する選択酸化反応によって、改質ガスに含有される一酸化炭素の殆どが燃焼により除去される。又、第 1の選択酸ィ匕触媒層 37によって除去し得な力た一酸ィ匕炭素を除去するために、第 2の混合層 36により濃度が均一化された改質ガスが第 2の選択酸ィ匕触媒層 38に供給され、この第 2の選択酸ィ匕触媒層 38において一酸ィ匕炭素が更に除去される。一酸化炭素が十分に除去された改質ガスは燃料電池に供給され、この燃料電池における発電のための化学反応に利用される。

この図 18に示す水素生成装置 300によれば、同心円筒 20と同心円筒 21との間にセラミック球により構成される予熱層 30が配設されており、これにより予熱層 30を通過する流体の流れが乱れるので、都市ガス等の原料と水蒸気とが積極的に混合される。換言すれば、原料と水蒸気との混合ガスの流れが予熱層 30を通過する際にセラミック球の影響を受けて三次元的に入り組んだ流れとなるので、原料と水蒸気との混合が好適に促進される。又、この水素生成装置 300によれば、変成触媒層 33に改質ガスが供給される際、熱回収層 32が有する混合作用によって改質ガスの混合状態が向上するので、変成触媒層 33における変成反応が好適に行われる。更に、この水素生成装置 300によれば、第 1の選択酸化触媒層 37及び第 2の選択酸化触媒層 38 に対して改質ガスが各々供給される際、第 1の混合層 35及び第 2の混合層 36が有する混合作用によって改質ガスの混合状態が向上するので、第 1の選択酸化触媒層 37及び第 2の選択酸化触媒層 38における選択酸化反応が好適に進行する。

[0010] し力しながら、この水素生成装置 300では、セラミック球が充填されてなる予熱層 30 、熱回収層 32、第 1の混合層 35、及び第 2の混合層 36では、近隣に存在する流体同士の混合性能は比較的良好である力比較的離れた位置に存在する流体同士の混合性能は劣っている。具体的に説明すると、例えば、改質反応に用いられる原料及び水蒸気は水素生成装置 300の図 18の右上部力も供給されるため、図 18の右側の予熱層 30に供給される流体中の原料及び水蒸気の濃度は、図 18の左側の予熱層 30に供給される流体中の原料及び水蒸気の濃度よりも高い。この場合、予熱層 3 0における流体中の原料及び水蒸気の濃度をその周方向において均一化しようとしても、その流体を予熱層 30の内部で予熱層 30の鉛直方向における長さよりも遙かに長い円周方向に移動させなければならないので、事実上、予熱層 30において流体中の原料及び水蒸気の濃度を均一化することは困難である。そのため、改質触媒層 31に供給される原料及び水蒸気の濃度はその触媒層の円周方向において不均一に分布することになり、改質触媒層 31における原料及び水蒸気の濃度が低い位置では、改質触媒層 31に過剰に加熱される部分が生じて、改質触媒の劣化につながる。又、改質触媒層 31における原料及び水蒸気の濃度が高い位置では、過剰に存在する水蒸気により十分に改質触媒層 31の温度が上昇せず、水素生成への転化率が減少する。

[0011] 又、第 1の混合層 35においても、上述した予熱層 30の場合と同様、図 18に示す P 1及び P2の位置から供給される空気の濃度の違、からその周方向にお、て均一化が困難であるため、第 1の選択酸ィ匕触媒層 37に供給される酸素の濃度はその触媒層の円周方向において不均一に分布する。そのため、第 1の選択酸化触媒層 37における酸素の濃度が低い位置では、改質ガスに含まれる一酸ィ匕炭素を十分に除去するこができない。一方、第 1の選択酸ィ匕触媒層 37における酸素の濃度が高い位置では、改質ガスに含まれる一酸ィ匕炭素を酸ィ匕除去してもなお余剰に存在する酸素によって生成した水素までもが消費されてしまい、水素生成効率を低下させる原因となつていた。

[0012] そこで、上述のように改質触媒層 31に供給される原料及び水蒸気の濃度に大きな違!、が生じることを抑制するために、円周方向にお!、て離れた位置に存在する流体同士の混合性能を高めることが可能な水素生成装置が提案されている。

[0013] 図 19は、円周方向において離れた位置に存在する流体同士の混合性能を高めることが可能な水素生成装置の一例の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図 19中に示す矢印は、原料や水蒸気等のガスが流れる方向を示して!/、る。

[0014] 図 19に示すように、この水素生成装置 400は、都市ガス供給用配管接続部 1と、水供給用配管接続部 2と、燃焼ガス排気口 13と、出口配管 15とを備えている。又、この水素生成装置 400は、燃焼ガス用流路 4一 6と、都市ガス供給用配管接続部 1及び水供給用配管接続部 2から供給される都市ガス及び水が流下する流下流路 8と、この流下流路 8を流下する過程において生成した水蒸気と都市ガスとの混合ガスが上昇する上昇流路 9と、水蒸気改質反応により生成した改質ガスを水素生成装置 400 の内部で流通させる改質ガス用流路 11とを、燃焼バーナー 3を中心として同心円筒状に備えている。尚、この水素生成装置 400では、流下流路 8と上昇流路 9とにより蒸発器 10が構成されていると共に、改質ガス用流路 11の内部の所定領域に水蒸気改質反応を進行させるための改質触媒層 12が設けられている。そして、この図 19〖こ示す水素生成装置 400では、上昇流路 9と改質ガス用流路 11とが 2つの円盤状の横壁 39及び横壁 40により挟まれて構成される円盤形状の空間 41と触媒配管 42とによつて接続されている。そして、図 19に示すように、この水素生成装置 400では、少なくとも円盤形状の空間 41に、その直径が空間 41の高さの 1Z3程度の球状のアルミナ粒子 43が、原料と水蒸気との混合促進のために多数充填されている。

[0015] このように構成された水素生成装置 400では、都市ガス供給用配管接続部 1及び水供給用配管接続部 2から流下流路 8に都市ガス及び水が供給されると、蒸発器 10 において都市ガスと水蒸気との混合ガスが生成される。そして、この蒸発器 10の内部で円周方向に広がるようにして存在する都市ガスと水蒸気との混合ガスは、その後、空間 41及び触媒配管 42を通過して、改質触媒が充填された改質触媒層 12に供給される。すると、この改質触媒層 12では、燃焼ガス用流路 4を流れる燃焼ガスによつて改質触媒が高温に加熱されて水蒸気改質反応が進行して、これにより混合ガスから水素と二酸ィ匕炭素と一酸ィ匕炭素とを含む改質ガスが生成される。ここで、この水素生成装置 400では、図 18に示す水素生成装置 300の場合と同様、少なくとも空間 4 1に球状のアルミナ粒子 43が充填されており、これにより円盤形状の空間 41を流れる流体の流れが乱れるので、都市ガス等の原料と水蒸気とが積極的に混合される。換言すれば、原料と水蒸気との混合ガスの流れが円盤形状の空間 41を通過する際にアルミナ粒子 43の影響を受けて三次元的に入り組んだ流れとなるので、これにより原料と水蒸気との混合状態が図 18に示す水素生成装置 300の場合と同様にして改善される。

[0016] 又、この水素生成装置 400では、上昇流路 9と改質ガス用流路 11とが 2つの円盤状の横壁 39及び横壁 40により挟まれて構成される円盤形状の空間 41と触媒配管 4 2とによって接続されているので、蒸発器 10を通過した都市ガスと水蒸気との混合ガスは、蒸発器 10の全周領域力も円盤形状の空間 41をアルミナ粒子 43の影響を受けながら乱流状態で通過して触媒配管 42に集約された後に、改質触媒層 12に供給される。そのため、都市ガス供給用配管接続部 1から供給される都市ガスが流下流路 8 と上昇流路 9との内部を都市ガス供給用配管接続部 1側に片寄って流れ、図 19に示す空間 41の右側において混合ガス中の都市ガスの濃度が高ぐ逆に、図 19に示す空間 41の左側において混合ガス中の都市ガスの濃度が低くなる、即ち、円周方向において空間的な濃度分布が発生する場合であっても、改質触媒層 ₁₂内の円周方向における例えば都市ガスと水蒸気との混合状態は十分に平均化される。つまり、図 1 9に示す水素生成装置 400によれば、都市ガスと水蒸気との混合ガス等の流体の混合状態を改善することが可能になると共に、円周方向において離れた位置に存在する流体同士の混合状態を改善することが可能になる。

特許文献 1：国際公開 WO2000Z063114号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0017] し力しながら、上述した水素生成装置 400では、混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との混合状態を改善するためのアルミナ粒子 43が少なくとも空間 41に数多く充填されているため、水素生成装置 400の重量が増加するという問題があった。そして、この問題に起因して、水素生成装置 400を備える燃料電池システムの軽量ィ匕が阻害されると!、う問題が生じて!/ヽた。

[0018] 又、この水素生成装置 400では、アルミナ粒子 43が数多く用いられているため、水素生成装置 400の熱容量が増大している。そのため、負荷の消費電力の増加に応じて燃料電池に供給する改質ガスの供給量を増加させる必要がある場合、水素生成装置 400の内部の温度分布が最適な温度分布に変化するまでに長い時間を要するので、応答性が劣るという問題があった。この問題は、特に、水素生成装置 400を起動する際において重要な問題となった。

[0019] 具体的に説明すると、水素生成装置 400の起動時、アルミナ粒子 43の温度は室温若しくは室温に近い温度であるが、その後、燃焼バーナー 3により生成される高温状態の燃焼ガスによって加熱されることにより、その温度は徐々に上昇する。この場合、全てのアルミナ粒子 43の温度を例えば室温から 200°Cにまで上昇させるのに必要な熱量は、アルミナ粒子 43の合計重量を約 lkgと仮定し、かつその比熱を約 0. 8kj/ kg'°Cと仮定すると、約 140kJとなる。一方、都市ガスを原料とする水素生成装置 40 0では、起動直後では都市ガスを燃焼することによりアルミナ粒子 43を加熱するため、都市ガスの低位発熱量を約 42kjZNLMと仮定すると、上述した約 140kJの熱量を賄うためには、約 3. 3NLMの都市ガスが必要となる。この場合、アルミナ粒子 43 の加熱を約 1. 5NLMZ分の都市ガスの燃焼によって行うと仮定すると、全てのアルミナ粒子 43の温度を室温から 200°Cにまで上昇させるためには、約 2分間の時間を要することになる。そして、実際には、水素生成装置 400において放熱損失が生じるため、 2分以上の起動時間の遅れが生じる。

[0020] この際、アルミナ粒子 43の温度が十分に上昇する前に水素生成装置 400に原料及び水蒸気を供給すると、その供給された水蒸気がアルミナ粒子 43によって冷却されて水として凝縮するので、改質触媒層 12には水蒸気の量が不足した原料が供給されることになる。この場合、水蒸気の量が少ない条件 (具体的には、改質触媒層 12 に供給される水蒸気のモル量 Sと原料に含まれる炭素のモル量 Cとの比である SZC 比が 2. 7-3. 2程度の範囲を下回る条件）において水蒸気改質反応を進行させると、改質触媒の表面に原料中の炭素が析出して、改質触媒の触媒活性が低下する。そして、このような運転条件を継続させると、次第に改質触媒層全体の触媒性能が劣化するので、水素生成装置 400を長期的に利用することが不可能となる。そのため、実際には、アルミナ粒子 43の温度が十分に上昇した後に、水素生成装置 400に原料及び水蒸気を供給する必要があった。つまり、上述した水素生成装置 400では、起動から電力の出力開始までの待機時間が長いという問題があった。

[0021] 又、図 18に示す水素生成装置 300についても、予熱層 30又は第 1の混合層 35等はセラミック球により構成されており、従って、上記水素生成装置 400と同様の問題を有している。

[0022] 本発明はこのような事情に鑑みてなされてものであり、軽量でありかつ熱容量が小 έ 、高性能のガス混合器を備えた、水素生成効率及び応答性に優れる水素生成装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0023] 上記課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、 2以上の成分を含有する混合ガスが流通する混合ガス流路と、各々の始端が前記混合ガス流路から分岐し各々の終端が互いに合流する第 1の流路及び第 2の流路と、前記第 1の流路に設けられ該第 1の流路を流れる混合ガスを第 1の方向に旋回させる第 1の旋回手段と、前記第 2の流路に設けられ該第 2の流路を流れる混合ガスを第 1の方向と反対の第 2 の方向に旋回させる第 2の旋回手段と、前記合流した第 1の流路及び第 2の流路の終端力流出する前記混合ガスをィ匕学反応させて水素を生成する水素生成部とを備えている。

[0024] かかる構成とすると、改質触媒層又は選択酸化触媒層に供給される混合ガスの混合状態を改善することができると共に、改質触媒層又は選択酸化触媒層に供給される混合ガスにおける都市ガス等の構成成分の濃度を供給位置に関係無く均一にすることができるので、水素生成効率が優れた水素生成装置を提供することが可能になる。

[0025] この場合、前記第 1の流路及び前記第 2の流路は、前記混合ガスが、前記第 1の流路の終端及び第 2の流路の終端力の混合ガスの流出方向に垂直な平面内を流れながら、それぞれ、前記第 1の方向の旋回及び前記第 2の方向の旋回を行うように形成されている。 [0026] カゝかる構成とすると、平板状のガス混合器を構成することができるので、水素生成装置を薄型化することが可能になる。

[0027] この場合、前記第 1の流路及び前記第 2の流路が、それぞれ、互いに一致する中心軸を有し、外周面が開放され、かつ中心に円形の開口を有する中空状に形成され、前記外周面が始端たる入口を構成するとともに前記開口が終端たる出口を構成しており、前記第 1の旋回手段が前記第 1の流路の内部空間を前記中心軸に沿う方向に仕切りかつ該内部空間の外周から内方へ終端が始端に対して半径方向力前記第 1の方向にずれるように延びる複数の隔壁で構成され、前記第 2の旋回手段が前記第 2の流路の内部空間を前記中心軸に沿う方向に仕切りかつ該内部空間の外周力内方へ終端が始端に対して半径方向から前記第 2の方向にずれるように延びる複数の隔壁で構成されてヽる。

[0028] カゝかる構成とすると、ガス混合性能が優れた平板状のガス混合器を好適に構成することが可能になる。

[0029] この場合、前記隔壁の始端に対する終端のずれが、前記中心軸の周りの回転角度において、 45° — 90° の範囲の回転角度である。

[0030] 力かる構成とすると、混合ガスの混合状態を好適に改善することが可能になる。

[0031] この場合、前記第 1の流路及び前記第 2の流路と、前記第 1の旋回手段及び前記第 2の旋回手段とが、前記中心軸に沿って、それぞれ複数形成されている。

[0032] 力かる構成とすると、混合ガスの混合状態を更に好適に改善することが可能になる

[0033] 又、上記の場合、前記第 1の流路及び前記第 2の流路は、前記混合ガスが、前記第 1の流路の終端及び第 2の流路の終端からの混合ガスの流出方向に平行な筒状の面内を流れながら、それぞれ、前記第 1の方向の旋回及び前記第 2の方向の旋回を行うように形成されている。

[0034] 力かる構成とすると、円筒状のガス混合器を構成することができるので、水素生成装置を小型化することが可能になる。

[0035] この場合、前記第 1の流路及び前記第 2の流路が、それぞれ、前記中心軸を中心軸として共有しかつ環状の断面を有する筒状に形成され、一方の側の各々の端面が始端たる入口を構成するとともに他方の側の各々の端面が終端たる出口を構成しており、前記第 1の旋回手段が前記第 1の流路の筒状の内部空間を前記第 1の方向に旋回するようにして螺旋状に仕切る複数の隔壁で構成され、前記第 2の旋回手段が前記第 1の流路の筒状の内部空間を前記第 2の方向に旋回するようにして螺旋状に仕切る複数の隔壁で構成されてヽる。

[0036] カゝかる構成とすると、ガス混合性能が優れた筒状のガス混合器を好適に構成することが可能になる。

[0037] この場合、前記隔壁の始端から終端までの旋回角度力 5° — 90° の範囲の旋回角度である。

[0038] 力かる構成とすると、混合ガスの混合状態を好適に改善することが可能になる。

[0039] この場合、前記隔壁で区画された旋回流路の出口がー部閉鎖されている。

[0040] 力かる構成とすると、混合ガスの混合状態を更に好適に改善することが可能になる

[0041] この場合、前記第 1の流路と前記第 2の流路とが円筒状の分割隔壁で隔てられるようにして形成され、前記第 1の流路及び前記第 2の流路のいずれかの前旋回流路の出口が閉鎖され、前記分割隔壁の該閉鎖された出口の近傍部分に開口が形成されている。

[0042] 力かる構成とすると、混合ガスの混合状態を、より一層好適に改善することが可能になる。

[0043] この場合、前記第 1の流路及び前記第 2の流路が、前記中心軸に沿って、それぞれ、複数形成され、前記混合ガスの流れにおいて上流側に位置する前記第 1の流路及び前記第 2の流路の終端が下流側に位置する前記第 1の流路及び前記第 2の流路の始端に接続されている。

[0044] カゝかる構成とすると、混合ガスの混合状態を、更により一層好適に改善することが可會になる。

[0045] 又、上記の場合、前記混合ガスが少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物と水とが混合した混合ガスであり、前記化学反応が前記有機化合物と水とが混合した混合ガスから水素を生成する水蒸気改質反応であり、前記水素生成部が前記水蒸気改質反応により水素を豊富に含有する改質ガスを生成する改質反応部であって、前記第 1の旋回手段及び前記第 2の旋回手段が前記改質反応部の上流に配設され、前記合流した第 1の流路及び第 2の流路の終端から流出する前記混合ガスが前記改質反応部に供給されて水素を生成する。

[0046] かかる構成とすると、改質反応部に供給される混合ガスの混合状態が改善されるので、改質反応部における改質反応を好適に進行させることが可能になる。

[0047] 又、上記の場合、前記混合ガスが前記改質ガスと酸素とが混合した混合ガスであり、酸素を用いて一酸ィ匕炭素を二酸ィ匕炭素に変換する選択酸ィ匕反応により前記改質ガス中の一酸ィ匕炭素を低減する選択酸ィ匕反応部を前記水素生成部に代えて備え、前記第 1の旋回手段及び前記第 2の旋回手段が前記選択酸化反応部の上流に配設され、前記合流した第 1の流路及び第 2の流路の終端から流出する前記混合ガスが前記選択酸化反応部に供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する。

[0048] かかる構成とすると、選択酸化反応部に供給される混合ガスの混合状態が改善されるので、選択酸化反応部における選択酸化反応を好適に進行させることが可能になる。

発明の効果

[0049] 本発明は、以上に説明した解決手段のように実施され、軽量でありかつ熱容量が小さ!、高性能のガス混合器を備えた、水素生成効率及び応答性に優れる水素生成装置を提供することが可能になる。

[0050] 本発明によれば、改質触媒層に供給する原料と水蒸気との混合ガス等の流体における時間的及び空間的な濃度の不均一性を解消することが可能である。そして、その結果、改質ガスの濃度の時間的及び空間的な均一性を確保することができるので、改質触媒層やその下流側に配設される変成反応器等の一酸化炭素除去触媒層を有効に使用することが可能となり、各触媒量の低減や水素生成装置の小型化に大きく貢献することが可能になる。

図面の簡単な説明

[0051] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1に係る水素生成装置の内部構成を模式的に示す縦断図である。 [図 2]図 2は、本発明の実施の形態 1に係るガス混合器の内部構成を模式的に示す構成図であって、図 2 (a)はガス混合器の平面図であり、図 2 (b)はガス混合器の断面図である。

[図 3]図 3は、分割隔壁によりその上側に分割された混合ガスの流れを模式的に示す解説図である。

[図 4]図 4は、分割隔壁によりその下側に分割された混合ガスの流れを模式的に示す解説図である。

[図 5]図 5は、本発明の実施の形態 1に係る他のガス混合器の内部構成を模式的に示す構成図であって、図 5 (a)はガス混合器の平面図であり、図 5 (b)はガス混合器の断面図である。

圆 6]図 6は、分割隔壁の片面に 8枚の流路規定部材を配設した場合におけるガス混合器の構成を例示する平面図である。

[図 7]図 7は、本発明の実施の形態 2に係る水素生成装置の内部構成を模式的に示す縦断図である。

[図 8]図 8は、本発明の実施の形態 2に係るガス混合器の内部構成を模式的に示す縦断図である。

[図 9]図 9は、ガス混合器における改質ガスの流れを模式的に示す解説図であって、図 9 (a)は混合用同心円筒によりその内側に分割された混合ガスの流れを模式的に示す解説図であり、図 9 (b)は混合用同心円筒によりその外側に分割された混合ガスの流れを模式的に示す解説図である。

[図 10]図 10は、図 9に示す本実施の形態に係るガス混合器の動作を更に分かり易く説明するための解説図である。

[図 11]図 11は、本発明の実施の形態 2に係る他のガス混合器の内部構成を模式的に示す縦断図である。

[図 12]図 12は、本発明の実施の形態 2に係る更に他のガス混合器の内部構成を模式的に示す縦断図である。

[図 13]図 13は、本実施の形態に係るガス混合器における第 1の流体 (例えば、原料）と第 2の流体 (例えば、水蒸気）との混合ガスの旋回角度と、ガス混合器を通過した混合ガスを用いた場合の改質触媒層における改質反応転化率との関係を模式的に示す相関図である。

[図 14]図 14は、本発明の実施の形態 3に係るガス混合器の内部構成を模式的に示す構成図であって、図 14 (a)はガス混合器の上面図であり、図 14 (b)はガス混合器の側面図である。

[図 15]図 15は、本発明の実施の形態 4に係るガス混合器の内部構成を模式的に示す構成図であって、図 15 (a)はガス混合器の上面図であり、図 15 (b)はガス混合器の側面図である。

[図 16]図 16は、本発明の実施の形態 2— 4に係るガス混合器を直列に集合した第 1 のガス混合器集合体の内部構成を模式的に示す構成図である。

[図 17]図 17は、本発明の実施の形態 2— 4に係るガス混合器を直列に集合した第 2 のガス混合器集合体の内部構成を模式的に示す構成図である。

[図 18]図 18は、原料と水蒸気とを均一に混合可能な水素生成装置の一例の内部構成を模式的に示す縦断図である。

[図 19]図 19は、円周方向において離れた位置に存在する流体同士の混合性能を高めることが可能な水素生成装置の一例の内部構成を模式的に示す縦断図である。符号の説明

1 都市ガス供給用配管接続部

2 水供給用配管接続部

3 燃焼バーナー

4一 6 燃焼ガス用流路

8 流下流路

9 上昇流路

10 蒸発器

11 改質ガス用流路

12 改質触媒層

13 燃焼ガス排気口燃焼バーナー, 18 加熱器、一 28 同心円筒燃焼ガス用流路予熱層

改質触媒層熱回収層

変成触媒層第 1の混合層第 2の混合層第 1の選択酸化触媒層第 2の選択酸化触媒層、一 40 横壁

空間

触媒配管

アルミナ粒子端部

a— 45d 流路規定部材a-46d 流路規定部材 — 49 混合ガス分割隔壁

連通孔

端部

a— 53d 流路規定部材a- 54d 流路規定部材, 56 混合ガス仕切り板 58 分割隔壁

59a-59h 流路規定部材

60a— 60h 流路規定部材

61 混合用同心円筒

62a-62d 内側流路規定部材

63a— 63d 外側流路規定部材

64— 66 改質ガス

67a-67h 内側流路規定部材

68a— 68h 外側流路規定部材

69, 70 出口部

71 邪魔板

72, 73 開口部

74 邪魔板

75 開口部

76 混合用同心円筒

77 ハウジング

101 ガス混合器

101，ガス混合器

102, 103 ガス混合器

201, 202 ガス混合器

203—208 ガス混合器

100— 400 水素生成装置

A 第 1の所定位置

B 第 2の所定位置

C 第 3の所定位置

D 第 4の所定位置

E 第 5の所定位置

F 第 6の所定位置 G 第 7の所定位置

H 第 8の所定位置

c 中心軸

発明を実施するための最良の形態

[0053] 以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0054] (実施の形態 1)

本発明の実施の形態 1では、供給される水を蒸発させかつ原料と混合させて混合ガスを生成する蒸発器と、改質ガスを生成するための水蒸気改質反応を進行させる反応部とを円盤形状の空間によって接続し、この円盤形状の空間にガス混合器を配設することにより混合ガスの混合状態を水平方向において改善する形態について説明する。

[0055] 先ず、本発明の実施の形態 1に係る水素生成装置 100の基本的な構成及び動作について、図 1を参照しながら説明する。

[0056] 図 1は、本発明の実施の形態 1に係る水素生成装置 100の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図 1では、改質ガスに含まれる一酸ィ匕炭素を除去するための変成反応器や選択酸化反応器、及び燃料電池本体の記載は省略している。又、図 1中に示す矢印は、原料や水蒸気等のガスが流れる方向を示している。

[0057] 図 1に示すように、本実施の形態に係る水素生成装置 100は、上端及び下端が閉鎖された円筒状のハウジング 77を有している。このハウジング 77の内部は円筒状の縦壁と円板状の横壁とで区画されて、以下に述べる各種の流路等が形成されている。このようなハウジング 77を備える水素生成装置 100は、外部のインフラストラクチャ一から水素生成装置 100に都市ガスを供給するための都市ガス供給用配管接続部 1と、水道力水素生成装置 100に水を供給するための水供給用配管接続部 2と、水蒸気改質反応を進行させるための高温状態の燃焼ガスを生成する燃焼バーナー 3とを備えている。

[0058] 又、この水素生成装置 100は、燃焼バーナー 3によって生成した高温状態の燃焼ガスを水素生成装置 100の内部で流通させる燃焼ガス用流路 4一 6と、都市ガス供給用配管接続部 1及び水供給用配管接続部 2から供給される都市ガス及び水が流下する流下流路 8と、この流下流路 8を流下する過程にお、て生成した水蒸気と都巿ガスとの混合ガスが上昇する上昇流路 9と、水蒸気改質反応により生成した改質ガスを水素生成装置 100の内部で流通させる改質ガス用流路 11とを、水素生成装置 10 0の中心軸 Cに対して同心円筒状に備えている。ここで、本実施の形態に係る水素生成装置 100では、流下流路 8と上昇流路 9とにより蒸発器 10が構成されており、この蒸発器 10によって水蒸気の生成と都市ガスとの混合が行われる。又、改質ガス用流路 11の内部の所定領域には、水蒸気改質反応を進行させるための改質触媒層 12 が形成されている。又、この水素生成装置 100は、燃焼ガス用流路 4一 6を通過した燃焼ガスを水素生成装置 100の外部へ放出するための燃焼ガス排気口 13と、改質ガス用流路 11を通過した改質ガスを水素生成装置 100の外部へ排出するための出口配管 15とを備えている。

[0059] そして、図 1に示すように、本実施の形態に係る水素生成装置 100では、上昇流路 9の端部 44と改質ガス用流路 11に混合ガスを導入する触媒配管 42とが、 2つの円盤状の横壁 39及び横壁 40により挟まれて構成される円盤形状の空間 41によって接続されている。ここで、横壁 40の中央部には触媒配管 42が継合可能な直径の貫通孔が形成されており、この貫通孔に触媒配管 42の一端が接続されている。又、図 1 に示すように、この水素生成装置 100では、上述した円盤形状の空間 41に、上昇流路 9を通過した原料と水蒸気との混合ガスの混合状態を改善するための本発明を特徴付けるガス混合器 101が配設されて、る。このガス混合器 101の構成については、後に詳細に説明する。

[0060] このように構成された本実施の形態に係る水素生成装置 100では、都市ガス供給用配管接続部 1及び水供給用配管接続部 2から流下流路 8に都市ガス等の原料及び水が供給されると、その流下流路 8において水が加熱されて水蒸気が生成し、その水蒸気と原料とが徐々に混合しながら上昇流路 9を通過し、その後、上昇流路 9の端部 44から混合ガスとして排出される。つまり、蒸発器 10において、原料と水蒸気との混合ガスが生成される。そして、蒸発器 10において生成された混合ガスは、その後、ガス混合器 101が配設されている空間 41に供給される。そして、このガス混合器 101において、混合ガス中の原料と水蒸気とが十分に混合されると共に、上昇流路 9 にお、てその円周方向に濃度分布を有して広がって、る混合ガスが集約されて均一に混合される。このガス混合器 101による混合ガスの混合状態の改善作用につ、ては、後に詳細に説明する。

[0061] ガス混合器 101を通過した混合ガスは、その後、触媒配管 42を通過して、改質触媒が充填された改質触媒層 12を備える改質ガス用流路 11に供給される。すると、この改質触媒層 12では、燃焼ガス用流路 4を流れる燃焼ガスによって改質触媒層 12 が高温に加熱されて水蒸気改質反応が進行して、これにより混合ガスから水素と二酸化炭素と一酸化炭素とを含む改質ガスが生成される。その後、この改質ガスは、改質ガス用流路 11を更に通過して、出口配管 15から改質ガス中の一酸ィ匕炭素濃度を低減するための変成反応器へと供給される。尚、燃焼ガス用流路 4を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス用流路 5— 6を通過した後、燃焼ガス排気口 13を通過して水素生成装置 100の外部に放出される。

[0062] 次に、本発明の実施の形態 1に係るガス混合器 101の構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0063] 図 2は、本発明の実施の形態 1に係るガス混合器 101の内部構成を模式的に示す構成図であって、図 2 (a)はガス混合器 101の平面図であり、図 2 (b)はガス混合器 1 01の断面図である。尚、図 2 (a)では、ガス混合器 101における後述する上側の流路規定部材 45a— 45dを実線により示しており、下側の流路規定部材 46a— 46dを破線により示している。

[0064] 図 2 (a)及び図 2 (b)に示すように、本実施の形態に係るガス混合器 101は、図 1に示す上昇流路 9から上昇する混合ガス 47を混合ガス 48及び混合ガス 49の如く上下に 2分割する円盤状の分割隔壁 50を有している。この分割隔壁 50の中央部には、触媒配管 42の直径と略同一径の直径を有する連通孔 51が設けられている。そして、この分割隔壁 50の両面における連通孔 51の外周部と分割隔壁 50の外周部との間に渡るようにして、平面視にお!、て渦巻き形状を示しかつ側面視にお、て帯形状を示す流路規定部材 45a— 45d及び 46a— 46dが配設されている。

[0065] 具体的に説明すると、図 2 (a)に示すように、分割隔壁 50の上側には、各々が所定の渦巻き形状を有する 4枚の流路規定部材 45a— 45dが等間隔で配設されている。これらの流路規定部材 45a— 45dは、混合ガス 48が流れる方向を左回りに旋回させることが可能な渦巻き形状を有している。又、図 2 (a)に示すように、分割隔壁 50の下側には、各々が所定の渦巻き形状を有する 4枚の流路規定部材 46a— 46dが等間隔で配設されている。これらの流路規定部材 46a— 46dは、混合ガス 49が流れる方向を右回りに旋回させることが可能な渦巻き形状を有している。ここで、図 2 (a)に示すように、流路規定部材 45a— 45dの各々は、その長手方向における分割隔壁 50の外周部側の端部が 45° 毎の間隔で位置決めされる第 1の所定位置 A—第 4の所定位置 Dに配置され、その長手方向における分割隔壁 50の内周部側 (連通孔 51の外周部側）の端部が第 1の所定位置 A—第 4の所定位置 Dに対して左回りに 45° 移動した第 5の所定位置 E—第 8の所定位置 Hに配置されるようにして、分割隔壁 50の表面に配設されている。一方、図 2 (a)に示すように、流路規定部材 46a— 46dの各々は、その長手方向における分割隔壁 50の外周部側の端部が上述した第 1の所定位置 A—第 4の所定位置 Dに配置され、その長手方向における分割隔壁 50の内周部側 (連通孔 51の外周部側）の端部が第 1の所定位置 A—第 4の所定位置 Dに対して右回りに 45° 移動した第 7の所定位置 G、第 6の所定位置 F、第 5の所定位置 E、第 8の所定位置 Hに配置されるようにして、分割隔壁 50の表面に配設されている。つまり、本実施の形態に係るガス混合器 101では、流路規定部材 45a— 45dと流路規定部材 46a— 46dとは、図 2 (a)に示す平面図においては混合ガス 48と混合ガス 49とを互いに逆方向に旋回させるように、又、分割隔壁 50の各々の面から見た場合には混合ガス 48と混合ガス 49とを同方向に旋回させるように、各々渦巻き状に配設されている。そして、このように分割隔壁 50及び流路規定部材 45a— 45d及び流路規定部材 46a— 46dから構成されるガス混合器 101が、上昇流路 9と触媒配管 42とを接続する円盤形状の空間 41に、ガス混合器 101の連通孔 51と触媒配管 23とが中心軸 Cの方向にぉ、て略一致するようにして、所定の固定手段により配設及び固定されている。尚、図 2 (a)及び図 2 (b)に示すように、ガス混合器 101における所定の位置には、改質触媒層 12において生成された改質ガスを水素生成装置 100の外部に排出するための出口配管 15が貫通している。又、上述した流路規定部材 45a— 45d 及び流路規定部材 46a— 46dの形状は、各流路に流れる混合ガスの流量を等しくするために、各々同一の形状を有していることが好ましい。

[0066] 次に、本発明の実施の形態 1に係るガス混合器 101による混合ガスの混合状態の改善作用について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0067] 図 3は、分割隔壁 50によりその上側に分割された混合ガス 48の流れを模式的に示す解説図である。尚、図 3は、図 2 (a)に示す平面図と同一方向力も見た場合の平面図を示している。又、図 3では、分割隔壁 50の上側に 4方向から流入する混合ガス 4 8の流れを各々異なった種類のノ、ツチングを有する矢印により便宜的に示している。

[0068] 又、図 4は、分割隔壁 50によりその下側に分割された混合ガス 49の流れを模式的に示す解説図である。尚、図 4も、図 2 (a)に示す平面図と同一方向力も一部を透視して見た場合の平面図を示している。又、図 4でも、分割隔壁 50の下側に 4方向から流入する混合ガス 49の流れを各々異なった種類のノ、ツチングを有する矢印により便宜的に示している。

[0069] 図 3に示すように、例えば白矢印で示した図 3における右側力も流入した混合ガス 4 8aは、流路規定部材 45a及び流路規定部材 45dによってその流路が左旋回するように変更され、図 3における上側力も連通孔 51へと流れ込む。又、他の矢印で示した図 3における上側から流入した混合ガス 48bは、流路規定部材 45b及び流路規定部材 45aによってその流路が左旋回するように変更され、図 3における左側力も連通孔 51に流れ込む。又、他の矢印で示した図 3における左側力流入した混合ガス 48c は、流路規定部材 45c及び流路規定部材 45bによってその流路が左旋回するように変更され、図 3における下側から連通孔 51に流れ込む。又、他の矢印で示した図 3 における下側から流入した混合ガス 48dは、流路規定部材 45d及び流路規定部材 4 5cによってその流路が左旋回するように変更され、図 3における右側力連通孔 51 へと流れ込む。このように、流路規定部材 45a— 45dは、分割隔壁 50の上側に流入した混合ガス 48a—混合ガス 48dの流れの向きを、左へ 90° 回転させて連通孔 51 へ送り込む作用を有する。

[0070] 一方、図 4に示すように、例えば白矢印で示した図 4における右側力流入した混合ガス 49aは、流路規定部材 46a及び流路規定部材 46dによってその流路が右旋回するように変更され、図 4における下側力も連通孔 51へと流れ込む。又、他の矢印で示した図 4における上側力も流入した混合ガス 49bは、流路規定部材 46b及び流路規定部材 46aによってその流路が右旋回するように変更され、図 4における右側から連通孔 51に流れ込む。又、他の矢印で示した図 4における左側から流入した混合ガス 49cは、流路規定部材 46c及び流路規定部材 46bによってその流路が右旋回するように変更され、図 4における上側力も連通孔 51に流れ込む。又、他の矢印で示した図 4における下側から流入した混合ガス 49dは、流路規定部材 46d及び流路規定部材 46cによってその流路が右旋回するように変更され、図 4における左側力も連通孔 51へと流れ込む。このように、流路規定部材 46a— 46dは、分割隔壁 50の下側に流入した混合ガス 49a—混合ガス 49dの流れの向きを、右へ 90° 回転させて連通孔 51へ送り込む作用を有する。

以上の結果、本実施の形態に係るガス混合器 101によれば、連通孔 51の上側からは分割隔壁 50の右側から流入した混合ガス 48の半量の混合ガス 48aと左側力も流入した混合ガス 49の半量の混合ガス 49cとが流入し、同様にして、連通孔 51の下側力もは分割隔壁 50の右側力も流入した混合ガス 49の半量の混合ガス 49aと左側から流入した混合ガス 48の半量の混合ガス 48cとが流入する。又、連通孔 51の右側からは分割隔壁 50の下側力も流入した混合ガス 48の半量の混合ガス 48dと上側から流入した混合ガス 49の半量の混合ガス 49bとが流入し、同様にして、連通孔 51の左側からは分割隔壁 50の上側カゝら流入した混合ガス 48の半量の混合ガス 48bと下側力も流入した混合ガス 49の半量の混合ガス 49dとが流入する。そのため、例えば、分割隔壁 50に対して右側力都市ガスの濃度の高い混合ガスが供給され、又、左側から水蒸気の濃度の高ヽ混合ガスが供給された場合のように、混合ガスを構成する成分の濃度が空間的に著しく偏って分布している場合であっても、連通孔 51の上下からは各々が半分ずつの量で供給されるので、空間的な濃度分布の偏りを均一化することができる。換言すれば、都市ガスの濃度の高い混合ガスと水蒸気の濃度の高い混合ガスとの接触する接触場が多くなるので、空間的な濃度分布の偏りを均一化することが可能になる。その結果、触媒配管 42を通過して改質触媒層 12の端部 52 (図 1参照）に供給される混合ガスの濃度の偏りを解消することが可能となり、これにより、改質ガスの濃度を空間的に均一化することが可能になる。又、上述したガス混合器 1 01による混合ガスの混合状態の改善作用により、混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との混合状態を改善することが可能になる。更に、上述した分割隔壁 50及び流路規定部材 45a— 45d及び流路規定部材 46a— 46dからなる構成を採用することにより、ガス混合器 101の熱容量を低減することが可能になるので、応答性に優れた水素生成装置 100を提供することが可能になる。

[0072] ここで、上述した実施の形態では、円盤形状の空間 41に 1つの混合器 101を配設した場合の形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐ複数の混合器を配設する形態としてもょ、。

[0073] 図 5は、本発明の実施の形態 1に係る他のガス混合器 102の内部構成を模式的に示す構成図であって、図 5 (a)はガス混合器 102の平面図であり、図 5 (b)はガス混合器 102の断面図である。尚、図 5 (a)では、ガス混合器 102における後述する上側の流路規定部材 45a— 45dを太い実線により示しており、下側に配置される流路規定部材 46a— 46dを太い破線により示しており、下側に配置される流路規定部材 53a 一 53d及び 54a— 54dを細い実線及び破線により示している。又、図 5 (a)及び図 5 ( b)では、図 2 (a)及び図 2 (b)に示す構成要素と同一の構成要素に対しては、同一の符号を付している。

[0074] 図 5 (a)及び図 5 (b)に示すように、本発明の実施の形態 1に係る他のガス混合器 1 02では、図 2 (a)及び図 2 (b)に示すガス混合器 101を中心軸 Cの方向に 2段重ねた構成に相当する構成を備えている。つまり、このガス混合器 102では、分割隔壁 50と流路規定部材 45a— 45d及び流路規定部材 46a— 46dとからなる第 1のガス混合器 101と、分割隔壁 58と流路規定部材 53a— 53d及び流路規定部材 54a— 54dとからなる第 2のガス混合器 101 'とを、その中央部に連通孔 51の直径と略同一径の直径の孔を有する円盤状の仕切り板 57を介して 2段積層した構成が採られている。そして、図 5 (a)に示すように、このガス混合器 102では、ガス混合器 101と第 2のガス混合器 101 'との位置関係が 45° の回転角度を有するようにして、中心軸 Cの方向にガス混合器 101と第 2のガス混合器 101 'とを 2段積層した構成が採られている。尚、その他の点については、図 2 (a)及び図 2 (b)に示すガス混合器 101の場合と同様である [0075] このように構成されたガス混合器 102によれば、分割隔壁 50と仕切り板 57と分割隔壁 58とによって上昇流路 9を通過した混合ガス 47が中心軸 Cの方向に混合ガス 48 及び混合ガス 49及び混合ガス 55及び混合ガス 56の 4つの混合ガスに分割されると共に、これらの混合ガス 48及び混合ガス 49及び混合ガス 55及び混合ガス 56の各々が流路規定部材 45a— 45d及び流路規定部材 46a— 46d及び流路規定部材 53a 一 53d及び流路規定部材 54a— 54dによって各々所定の角度に旋回されるので、触媒配管 42に供給される混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との空間的な濃度の偏りをより一層均一化することが可能になる。

[0076] 又、上述した本実施の形態では、分割隔壁 50 (分割隔壁 50及び分割隔壁 58)の片面に 4枚の流路規定部材を 90° 毎に隔てて配設した場合の形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐ流路規定部材を任意の隔離角度で多数配設する形態としてもよい。この場合、流路規定部材の隔離角度を小さくする、つまり、流路規定部材の配設数を増加させるに従って、触媒配管 42に供給される混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との空間的な濃度の偏りをより一層均一化することが可能になる。

[0077] 図 6は、分割隔壁 50の片面に 8枚の流路規定部材を配設した場合におけるガス混合器 103の構成を例示する平面図である。尚、図 6では、ガス混合器 103における後述する上側の流路規定部材 59a— 59hを実線により示しており、下側の流路規定部材 60a— 60hを破線により示している。又、図 6では、図 2 (a)及び図 2 (b)に示す構成要素と同一の構成要素に対しては、同一の符号を付している。

[0078] 図 6に示すように、本発明の実施の形態 1に係る他のガス混合器 103では、分割隔壁 50の上側に、 8枚の流路規定部材 59a—流路規定部材 59hが配設されている。これらの流路規定部材 59a—流路規定部材 59hは、隣接する流路規定部材同士の隔離角度が 45° となるようにして、分割隔壁 50の片面に配設されている。又、図 6に示すように、このガス混合器 103では、分割隔壁 50の下側に、流路規定部材 60a—流路規定部材 60hが配設されている。尚、これらの流路規定部材 60a—流路規定部材 60hも、流路規定部材 59a—流路規定部材 59hの配設形態と同様、隣接する流路規定部材同士の隔離角度が 45° となるようにして、分割隔壁 50の片面に配設されている。尚、その他の点については、図 2 (a)及び図 2 (b)に示すガス混合器 101の場合と同様である。このように、流路規定部材の枚数を増やすことによつても、触媒配管 42に供給される混合ガスにおける都市ガスと水蒸気との空間的な濃度の偏りをより一層均一化することが可能になる。

[0079] 尚、本実施の形態では、図 2 (a)に示すように、流路規定部材の形状を緩やかに湾曲する形状としているが、流路規定部材の形状はこのような湾曲状の形状に限定されることはなぐ供給する混合ガスの流量や流れ易さ等に応じて、より簡単な形状やより複雑な形状としてもよい。

[0080] 又、本実施の形態では、少なくとも炭素と水素とから構成される有機化合物を含む原料として都市ガスを用いる形態について説明したが、本発明は使用する原料の種類を限定することはなぐアルコールや LPGや灯油等を原料とする場合に対しても有効である。特に、アルコールや灯油等の液体燃料を使用してこれを水と一緒に混合して蒸発させる場合には、これらの原料と水蒸気との空間的な濃度分布が生じ易いため、本発明は極めて有効な技術となる。

[0081] (実施の形態 2)

本発明の実施の形態 2では、例えば、供給される混合ガスを流通させる改質ガス供給用流路と、改質ガスを生成するための水蒸気改質反応を進行させる反応部との間の流路にガス混合器を配設して、このガス混合器により混合ガスの混合状態を垂直方向にお、て改善する形態にっ、て説明する。

[0082] 先ず、本発明の実施の形態 2に係る水素生成装置 200の基本的な構成及び動作について、図 7を参照しながら説明する。

[0083] 図 7は、本発明の実施の形態 2に係る水素生成装置 200の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図 7中に記載している矢印は、原料や水蒸気等のガスが流れる方向を示している。

[0084] 図 7に示すように、本実施の形態に係る水素生成装置 200は、実施の形態 1で示した水素生成装置 100の構成と同様、多重同心円筒状の構成を備えている。即ち、この水素生成装置 200は、水蒸気改質反応を進行させるための高温状態の燃焼ガスを生成する燃焼バーナー 16と、水が供給されると共に燃焼バーナー 16により加熱されて湿り水蒸気又は水蒸気を生成する加熱器 17及び 18とを備えている。又、この水素生成装置 200は、燃焼バーナー 16を中心とした複数の同心円筒 19一 28により構成される複数の円環状空間に、燃焼バーナー 16によって生成した高温状態の燃焼ガスが通過する燃焼ガス用流路 29と、原料と水蒸気との混合ガスが水蒸気改質反応に利用される前に均一な混合状態となるよう混合するガス混合器 201と、所定の反応温度に加熱されて水蒸気改質反応を進行させる改質触媒層 31と、この改質触媒層 3 1にお、て生成した高温状態の改質ガスの温度を低下させるために熱を回収する熱回収層 32と、この熱回収層 32により冷却された改質ガス中の一酸ィ匕炭素の濃度を所定の化学反応により低減するための変成触媒層 33と、この変成触媒層 33により一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスと選択酸化反応用の空気を供給する空気供給部 34から取り入れた空気とを十分に混合するためのガス混合器 201と同様の構成を有するガス混合器 202と、このガス混合器 202を通過して空気が十分に混合された改質ガス中の一酸ィ匕炭素の濃度を選択酸ィ匕反応により更に低減するための選択酸化触媒層 37とを、図 1に示す実施の形態 1に係る水素生成装置 100の場合と同様にして、燃焼バーナー 16を中心として同心円筒状に備えている。尚、本実施の形態では、複数の同心円筒 19一 28により複数の円環状空間が構成されている形態を示しているが、円環状空間に相当する空間は同心筒であればよぐ同心円筒により円環状空間が構成される形態に限定されることはない。

上述したように、本実施の形態に係る水素生成装置 200では、同心円筒 20及び 2 1により構成される円環状空間の改質触媒層 31の上方に、供給される原料と水蒸気とを十分に混合するための本発明を特徴付けるガス混合器 201が配設されている。このガス混合器 201は、同心円筒 20及び 21により構成される円環状空間に勘合可能なリング状の形状を有しており、同心円筒 20及び 21により構成される円環状空間における改質触媒層 31の上方の所定位置に、所定の固定手段によって固定されている。又、本実施の形態に係る水素生成装置 200では、同心円筒 26及び 27により構成される円環状空間の選択酸化触媒層 37の下方に、供給される改質ガスと空気とを十分に混合するための本発明を特徴付けるガス混合器 202が配設されている。このガス混合器 202は、同心円筒 26及び 27により構成される円環状空間に勘合可能なリング状の形状を有しており、同心円筒 26及び 27により構成される円環状空間における選択酸ィ匕触媒層 37の下方の所定位置に、所定の固定手段によって固定されている。これらのガス混合器 201及びガス混合器 202の構成については、ガス混合器 202を代表として後に詳細に説明する。

[0086] このように構成された本実施の形態に係る水素生成装置 200では、水蒸気改質反応にお、て使用される水は、加熱器 17若しくは加熱器 18に供給されて少なくともその一部が気化し、加熱器 17又は加熱器 18から排出された水（温水）は、図 7では特に図示しない混合部において原料としての都市ガスと一次的に混合された後、同心円筒 25と同心円筒 26との間、及び、同心円筒 24と同心円筒 25との間の各々の空間を移動する間に完全に気化して、都市ガスと混合される。そして、この都市ガスと水蒸気との混合ガスは、ガス混合器 201に供給され、このガス混合器 201を通過する際に十分に混合された後、改質触媒層 31に供給される。尚、このガス混合器 201による混合ガスの混合状態の改善作用につヽては、ガス混合器 202を代表として後に詳細に説明する。

[0087] ガス混合器 201から都市ガスと水蒸気とが十分に混合された混合ガスは、その後、改質触媒層 31に供給される。そして、この改質触媒層 31が燃焼ガス用流路 29を流れる燃焼ガスによって加熱されて進行する水蒸気改質反応に利用されて、混合ガス力水素を豊富に含有する改質ガスが生成される。そして、この水蒸気改質反応によつて生成された改質ガスは、その後、熱回収層 32を通過して所定の温度にまで冷却された後、変成触媒層 33に供給される。そして、この変成触媒層 33において進行する変成反応によって、改質ガスに含有される一酸ィ匕炭素の多くが除去される。

[0088] 変成触媒層 33によって一酸ィ匕炭素の多くが除去された改質ガスは、その後、空気供給部 34から取り入れた空気と変成触媒層 33を通過した改質ガスとを十分に混合するためのガス混合器 202に供給される。そして、改質ガスは、ガス混合器 202を通過する際に空気供給部 34から供給される空気と十分に混合され、その後、選択酸化触媒層 37に供給される。尚、このガス混合器 202による改質ガスと空気との混合状態の改善作用については、上述したガス混合器 201の場合と合わせて後に詳細に説明する。

[0089] ガス混合器 202によって空気と十分に混合された改質ガスは、少量含まれる一酸化炭素の殆どを除去するために、選択酸化触媒層 37に供給される。そして、この選択酸化触媒層 37において進行する選択酸化反応によって、改質ガスに含有される一酸化炭素の殆どが、空気が用いられる燃焼によって除去される。尚、一酸化炭素が十分に除去された改質ガスは燃料電池に供給され、この燃料電池における発電のための化学反応に利用される。又、燃料電池での発電に用いられなカゝつた余剰の改質ガスは燃焼バーナー 16に供給され、この燃焼バーナー 16における燃焼ガスの生成のために再利用される。

[0090] 次に、本発明の実施の形態 2に係るガス混合器 202の構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0091] 図 8は、本発明の実施の形態 2に係るガス混合器 202の内部構成を模式的に示す縦断図である。尚、図 8では、ガス混合器 202における紙面手前側に位置する後述する内側流路規定部材 62c— 62d及び外側流路規定部材 63c— 63dの記載は省略している。又、図 8では、内側流路規定部材 62a— 62b及び外側流路規定部材 63a 一 63bの視認可能な部分を実線により示しており、それらの視認不可能な部分を破線により示している。

[0092] 以下、ガス混合器 202を例に挙げて、その構成を詳細に説明する。

[0093] 図 8に示すように、本実施の形態に係るガス混合器 202は、図 7に示す同心円筒 2 6と同心円筒 27との間に形成される円環状空間を上昇する空気が供給された改質ガス 64を改質ガス 65及び改質ガス 66の如く左右方向（半径方向）に 2分割する円筒状の混合用同心円筒 61を有している。そして、この混合用同心円筒 61と図 7に示す同心円筒 26との間に、改質ガス 64の上昇方向に向力つて左回りとされた螺旋形状の 4 つの内側流路規定部材 62a— 62d (紙面手前側にある内側流路規定部材 62c及び 62dは図示せず）力改質ガス 65が流れる方向を改質ガス 64の上昇方向に向かつて左周りに旋回させることが可能となるように、各々配設されている。又、図 8に示すように、混合用同心円筒 61と図 7に示す同心円筒 27との間に、改質ガス 64の上昇方向に向力つて右回りとされた螺旋形状の 4つの外側流路規定部材 63a— 63d (紙面手前側にある外側流路規定部材 63c及び 63dは図示せず）が、改質ガス 66が流れる方向を改質ガス 64の上昇方向に向力つて右周りに旋回させることが可能となるように、各々配設されている。これらの混合用同心円筒 61及び内側流路規定部材 62a 一 62d及び外側流路規定部材 63a— 63dにより、改質ガス 64の流れを改質ガス 65 及び 66に分割すると共に、その分割した改質ガス 65及び 66の流れを中心軸 Cに対して互ヽに逆方向に旋回させる規定流路を有するガス混合器 202が構成されて、る

[0094] 本実施の形態に係るガス混合器 202では、内側流路規定部材 62a— 62d及び外側流路規定部材 63a— 63dは各々所定の横壁によって構成されている。そして、これらの内側流路規定部材 62a— 62d及び外側流路規定部材 63a— 63dは、混合用同心円筒 61及び同心円筒 26の間の空間と混合用同心円筒 61及び同心円筒 27の間の空間とを各々円周方向に 4分割し、この 4分割した各々の空間において改質ガス 64の上昇方向に向かって円周方向の対向する方向（右回り、又は、左周り）に 90 °C旋回する螺旋形状となるように、各々配設されている。例えば、内側流路規定部材 62aと外側流路規定部材 63aとが配設されている上記 4分割した内の 1部分に着目した場合、内側流路規定部材 62aの下端と対向する位置に外側流路規定部材 63aの上端が配置されており、又、内側流路規定部材 62aの上端と対向する位置に外側流路規定部材 63aの下端が配置されている。そして、内側流路規定部材 62aの上端と下端との隔離角度は 90° とされており、同様にして、外側流路規定部材 63aの上端と下端との隔離角度も 90° とされている。このように、本実施の形態に係るガス混合器 202は、混合用同心円筒 61によって分割された改質ガス 65及び 66の流れを中心軸 Cに対して互いに逆方向に 90° 旋回させることができるように構成されている。尚、上述した内側流路規定部材 62a— 62d及び外側流路規定部材 63a— 63dの形状は、各流路に流れる改質ガスの流量を等しくするために、各々同一の形状を有して、ることが好まし!/、。

[0095] 次に、本発明の実施の形態 2に係るガス混合器 202による改質ガスの混合状態の改善作用について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0096] 図 9は、ガス混合器 202における改質ガスの流れを模式的に示す解説図であって、図 9 (a)は混合用同心円筒 61によりその内側に分割された改質ガス 65の流れを模式的に示す解説図であり、図 9 (b)は混合用同心円筒 61によりその外側に分割された改質ガス 66の流れを模式的に示す解説図である。尚、図 9 (a)及び図 9 (b)は、図 8に示す縦断図と同一方向から見た場合の縦断図を示している。又、図 9 (a)及び図 9 (b)では、混合用同心円筒 61の下側から流入する改質ガス 65及び改質ガス 66の流れを各々矢印により便宜的に示している。

[0097] 図 9 (a)に示すように、本実施の形態に係るガス混合器 202では、同心円筒 26及び 2₇の間の空間を上昇して混合用同心円筒 ₆₁によってその内側に分割された改質ガス 65は、内側流路規定部材 62a及び 62bによって中心軸 Cの周りを左周りに 90° 旋回された後、ガス混合器 202の上方力も排出される。一方、図 9 (b)に示すように、本実施の形態に係るガス混合器 202では、同心円筒 26及び 27の間の空間を上昇して混合用同心円筒 61によってその外側に分割された改質ガス 66は、外側流路規定部材 63a及び 63bによって中心軸 Cの周りを右周りに 90° 旋回された後、ガス混合器 2 02の上方力も排出される。このように、ガス混合器 202に導入された改質ガス 64は、混合用同心円筒 61、内側流路規定部材 62a— 62d、及び外側流路規定部材 63a— 63dによって、 2つの改質ガス 65及び 66に示す流れに分割されると共に、各々円周方向に左右逆方向に 90° 旋回され、その後、その分割された 2つの改質ガス 65及び 66が 1つの流れに再び合流されて混合される。

[0098] 図 10は、図 9に示す本実施の形態に係るガス混合器 202の動作を更に分かり易く説明するための解説図である。尚、図 10は、図 9に示すガス混合器 202の中心軸 C 上に視点を置いて 360° 回転視した場合に観察される状態を模式的に示す解説図である。又、図 10では、ガス混合器 202の中心軸 C上の視点から直接的に視認可能な内側流路規定部材 62a— 62dを実線により示しており、又、ガス混合器 202の中心軸 C上の視点から直接的に視認不可能な外側流路規定部材 63a— 63dを破線により示している。又、ガス混合器 202の円周を 90° 毎に 4分割した位置を、 0° 一 270 ° として示す破線により図示している。

[0099] 図 10に示すように、本実施の形態に係るガス混合器 202では、混合用同心円筒 6 1の内側を流れる改質ガス 65はガス混合器 202の内部を左方向に 90° 旋回され、混合用同心円筒 61の外側を流れる改質ガス 66はガス混合器 202の内部を右方向に 90° 旋回されて各々ガス混合器 202の上方カゝら排出され、その後、ガス混合器 2 02の出口部において混合する。この場合、例えば、図 10に示す 90° の出口位置 I 力排出される改質ガスは、図 10に示す 0° の位置と 180° の位置とから流入する改質ガスの半量が混合した改質ガスであることは明白である。又、その他の出口位置 J一 Lから排出される流体についても、出口位置 Iから排出される流体の場合と同様にして、 180° 離れた位置カゝら流入する各々の改質ガスの半量が混合した改質ガスであることは、図 10から明らかである。即ち、本実施の形態に係るガス混合器 202によれば、内側流路規定部材 62a— 62d及び外側流路規定部材 63a— 63dによって 18 0° 離れた位置力流入する各々の混合ガスの半量を混合することができるので、同心円筒 26及び 27で構成される円環状流路の 180° 対向する反対位置を流れる混合ガス同士を効果的に混合することが可能になる。換言すれば、実施の形態 1の場合と同様、互いに離れた位置に存在する 2種類の混合ガスの接触する接触場が多くなるので、空間的な濃度分布の偏りを均一化することが可能になる。

[0100] 又、本実施の形態に係るガス混合器 202によれば、ガス混合器 202における内側流路規定部材 62a— 62d及び外側流路規定部材 63a— 63dが横壁で構成されているので、熱容量が小さぐ起動や負荷変動に対応するために要する待機時間を短縮化することが可能になる。又、本実施の形態に係るガス混合器 202は優れた混合性能を有しているので、従来の水素生成装置 300で必要であった 2段の混合層 35, 36 及び選択酸化触媒層 37, 38を、 1段のガス混合層 202及び選択酸化触媒層 37〖こ簡略ィ匕することができる。そのため、水素生成装置 200の熱容量を更に低下させることが可能となり、しかも、選択酸ィ匕反応用の空気の供給量を必要最小限に抑えることができるため、生成した水素の選択酸ィ匕用の空気による無駄な消費を抑制することができ、高効率な水素生成装置 200を得ることが可能になる。

[0101] ここで、本実施の形態では、ガス混合器 202が混合用同心円筒 61の両側に 4枚の内側流路規定部材 62a— 62dと 4枚の外側流路規定部材 63a— 63dとを備える形態について説明している力このような形態に限定されることはなぐ例えば、図 11に示すように、混合用同心円筒 61の両側に 45° の等間隔で配設された 8枚の内側流路規定部材 67a— 67hと、 45° の等間隔で配設された 8枚の外側流路規定部材 68a 一 68hとを備える形態としてもよい。この場合、内側流路規定部材 67a— 67h及び外側流路規定部材 68a— 68hの各々は、図 8に示す改質ガス 65及び 66の各々の流れを互いに逆方向に 45° 旋回させることができる。従って、力かる構成とすることにより、図 11において 2つの矢印で改質ガスの流れを示すように、ガス混合器 203の入口において円周方向に 90° 離れた位置に存在する改質ガス同士を効果的に混合することが可能になる。

[0102] 又、上述したように、本実施の形態では、ガス混合器 202が混合用同心円筒 61の両側に 4枚の内側流路規定部材 62a— 62dと 4枚の外側流路規定部材 63a— 63dとを備える形態について説明しているが、このような形態に限定されることはなぐ例えば、図 12に示すように、混合用同心円筒 61の両側に 90° の等間隔で配設された 8 枚の内側流路規定部材 67a— 67hと、 90° の等間隔で配設された 8枚の外側流路規定部材 68a— 68hとを備える形態としてもよい。この場合、内側流路規定部材 67a 一 67h及び外側流路規定部材 68a— 68hの各々は、図 8に示す改質ガス 65及び 66 の各々の流れを互いに逆方向に 90° 旋回させることができる。従って、かかる構成とすることにより、図 12において 2つの矢印で流体の流れを示すように、ガス混合器 20 4の入口において円周方向に 180° 離れた位置に存在する改質ガス同士をより一層効果的に混合することが可能になる。

[0103] つまり、本実施の形態では、ガス混合器 202における内側流路規定部材及び外側流路規定部材の個数を、改質ガスの種類や要求される混合状態に応じて増減することにより、より一層優れた効果を得ることが可能である。又、それらの内側流路規定部材及び外側流路規定部材の形状も、図 8— 12に図示したような曲線状の形状に限定されることはなく、圧力損失の低減やより効果的な混合を目的として、直線状の形状や、直線状の形状と曲線状の形状とを組み合わせた形状としてもよい。

[0104] 図 13は、本実施の形態に係るガス混合器 201における第 1の流体 (例えば、原料）と第 2の流体 (例えば、水蒸気）との混合ガスの混合角度と、ガス混合器 201を通過した混合ガスを用いた場合の改質触媒層における改質反応転化率との関係を模式的に示す相関図である。ここで、図 13における曲線 aは、混合ガスの旋回角度と改質反応転化率との相関関係を示している。尚、図 13では、縦軸は改質触媒層における改質反応転化率 (％)を示しており、横軸は第 1の流体と第 2の流体との混合ガスの混合角度 (° )を示している。

[0105] 図 13に示すように、改質触媒層 31の上流の位置にガス混合器 201を設けることにより、水蒸気改質反応における反応転化率を向上させることができ、改質器効率の向上を図ることができることが分かる。特に、図 13に示すように、混合ガスの旋回角度が 90° である場合に、最も高い転ィ匕率を得ることが可能である。しかし、混合ガスの旋回角度が 45° よりも小さい場合では、転ィ匕率の向上は得られるものの、その向上効果は比較的小さい。そこで、本実施の形態に係るガス混合器 201においては、内側流路規定部材及び外側流路規定部材による混合ガスの旋回角度を、 45° 以上 90 ° 以下とすることが効果的である。

[0106] 尚、本実施の形態では、内側流路規定部材及び外側流路規定部材の各々を横壁によって構成する形態を例示している力この場合には横壁の 3次元的な成型が必要になるので、ガス混合器の製造コストが高コストィ匕する可能性がある。そこで、内側流路規定部材及び外側流路規定部材の各々を横壁によって構成する形態に代えて、内側流路規定部材及び外側流路規定部材の各々を丸棒や角棒等の棒材を用いて構成する形態としてもよい。力かる構成とすることにより、丸棒や角棒等の棒材の 3 次元的な成型は比較的容易であるので、ガス混合器の製造コストが高コストィ匕することを回避することが可能になる。

[0107] 又、本実施の形態では、ガス混合器 202の構成及び動作にっ、て詳細に説明した力ガス混合器 201の構成及び動作はガス混合器 202の構成及び動作と同様である。又、本実施の形態では、改質触媒層 31に供給される原料と水蒸気との混合のためにガス混合器 201を配設すると共に、選択酸化触媒層 37に供給される改質ガスと空気との混合のためにガス混合器 202をも配設する形態を例示しているが、このような形態に限定されることはなぐ要求される水素生成装置の性能に応じて、何れか一方にのみガス混合器を配設する形態としてもよヽ。

[0108] (実施の形態 3)

本発明の実施の形態 3では、実施の形態 2において示した水素生成装置 200の構成と比べて、ガス混合器の内部構成のみが異なっている。そのため、本発明の実施の形態 3では、ガス混合器の内部構成についてのみ説明する。

[0109] 図 14は、本発明の実施の形態 3に係るガス混合器 205の内部構成を模式的に示す構成図であって、図 14 (a)はガス混合器 205の上面図であり、図 14 (b)はガス混合器 205の側面図である。尚、図 14 (a)及び図 14 (b)では、リング状の形状を有するガス混合器 205を説明のために平面状に展開した場合の状態を模式的に示して!/ヽる。又、図 14 (a)では、同心円筒 26、同心円筒 27、及び混合用同心円筒 61の目視可能な部分を実線により示しており、同心円筒 26、同心円筒 27、及び混合用同心円筒 61の目視不可能な部分を破線により示している。又、図 14 (b)では、紙面手前側の内側流路規定部材 62a— 62dを実線により示しており、紙面後側の外側流路規定部材 63a— 63dを破線により示している。又、図 14では、図 8に示したガス混合器 20 2と同一の構成要素には、同一の符号を付している。又、図 14を用いる説明では、都巿ガス等の原料と水蒸気との混合ガス、若しくは、改質ガスと空気とが混合した改質ガス等の流体力図 14の下方から上方に向けて流動するものと仮定する。

[0110] 本実施の形態で示すガス混合器 205は、基本的には、図 8に示したガス混合器 20 2の内部構成と概ね同様の内部構成を有している。つまり、本実施の形態に係るガス混合器 205は、図 14 (a)及び図 14 (b)に示すように、分割隔壁 61の両面に、 4枚の内側流路規定部材 62a— 62dと、 4枚の外側流路規定部材 63a— 63dとを備えている。

[0111] し力しながら、本実施の形態に係るガス混合器 205では、図 14 (a)及び図 14 (b)に示すように、内側流路規定部材 62a— 62dによって規定される混合ガス等の流体の各出口部 69と、外側流路規定部材 63a— 63dによって規定される混合ガス等の流体の各出口部 70との各々の略半分力矩形状の形状を有する邪魔板 71によって各々閉鎖されて、る点にぉ、て、実施の形態 2で示したガス混合器 202の構成と異なつている。つまり、本実施の形態に係るガス混合器 205では、ガス混合器 205の上述した各出口部 69, 70に邪魔板 71を設けることにより、各出口部 69, 70の開口面積を狭めて、る点にぉ、て、実施の形態 2で示したガス混合器 202の構成と異なって、る。尚、その他の点については、実施の形態 2で示したガス混合器 202の構成と同様である。

[0112] 本実施の形態で示すガス混合器 205では、上述したように、例えば、図 14 (b)に示す内側流路規定部材 62c及び 62dによって規定される混合ガス等の流体の出口部 6 9が邪魔板 71によって部分的に閉鎖されており、これにより、出口部 69の開口面積が略半分にまで狭められている。このように、出口部 69、及びそれに相当する他の出口部の開口面積を略半分にまで狭める構成とすることにより、ガス混合器 205から排出される流体の流速を速めることが可能になる。そして、力かる構成とすることにより、ガス混合器 205から排出される、混合用同心円筒 61の内側を流れる流体と外側を流れる流体との双方の流速が速まるので、混合ガス等の流体の混合状態をより一層改善することが可能になる。

[0113] 尚、本実施の形態では、邪魔板 71の大きさを、例えば出口部 69の面積の略半分を閉鎖可能な大きさとする形態について説明しているが、このような形態に限定されることはなく、要求される混合ガス等の流体の混合状態に応じて、邪魔板 71の大きさを任意に設定するこが可能である。

[0114] (実施の形態 4)

本発明の実施の形態 4でも、実施の形態 2において示した水素生成装置 200の構成と比べて、ガス混合器の内部構成のみが異なっている。そのため、本発明の実施の形態 4では、実施の形態 3の場合と同様、ガス混合器の内部構成についてのみ説明する。

[0115] 図 15は、本発明の実施の形態 4に係るガス混合器 206の内部構成を模式的に示す構成図であって、図 15 (a)はガス混合器 206の上面図であり、図 15 (b)はガス混合器 206の側面図である。尚、図 15 (a)及び図 15 (b)でも、実施の形態 3の場合と同様、リング状の形状を有するガス混合器を説明のために平面状に展開した場合の状態を模式的に示している。又、図 15 (a)では、同心円筒 26、同心円筒 27、及び混合用同心円筒 61の目視可能な部分を実線により示しており、同心円筒 26、同心円筒 2 7、及び混合用同心円筒 61の目視不可能な部分を破線により示している。又、図 15 (b)では、紙面手前側の内側流路規定部材 62a— 62dを実線により示しており、紙面後側の外側流路規定部材 63a— 63dを破線により示している。又、図 15では、図 8に示したガス混合器 202と同一の構成要素には、同一の符号を付している。

[0116] 本実施の形態で示すガス混合器 206は、基本的に、実施の形態 3で示すガス混合器 205の内部構成と同様の内部構成を有している。つまり、本実施の形態に係るガス混合器 206は、図 15 (a)及び図 15 (b)に示すように、混合用同心円筒 61の両面に、 4枚の内側流路規定部材 62a— 62dと、 4枚の外側流路規定部材 63a— 63dとを備えている。

[0117] し力しながら、本実施の形態に係るガス混合器 206では、図 15 (a)及び図 15 (b)に示すように、ガス混合器 206における混合ガスゃ改質ガス等の流体が排出される出口部に、混合用同心円筒 61の内側（つまり、内側流路規定部材 62a— 62dが配設されてヽる側）の流路若しくは外側（つまり、外側流路規定部材 63a— 63dが配設されている側）の流路のみに開口する開口部 72若しくは開口部 73を有する邪魔板 74が配設されていると共に、混合用同心円筒 61における上述した出口部近傍の所定位置に開口部 75が設けられている点において、実施の形態 3で示したガス混合器 205 の構成と異なっている。ここで、図 15 (a)に示すように、邪魔板 74における開口部 72 及び 73は、同心円筒 26側と同心円筒 27側とにおいて邪魔板 74の長手方向に交互に形成されている。又、開口部 72及び 73の各々の開口面積は、実施の形態 3の場合と同様、例えば内側流路規定部材 62aと 62bとで規定される流路の出口部にける開口面積の約半分の面積とされている。又、図 15 (b)に示すように、開口部 75は、混合用同心円筒 61における上述した出口部側の端部の開口部 72及び 73に対応する位置に、略矩形状に形成されている。つまり、本実施の形態に係るガス混合器 206 では、ガス混合器 206の上述した出口部に邪魔板 74が配設されており、この邪魔板 74に開口部 72及び 73が形成されており、混合用同心円筒 61に開口部 75が形成されて、る点にぉ、て、実施の形態 3で示したガス混合器 205の構成と異なって、る。尚、その他の点については、実施の形態 3で示したガス混合器 205の構成と同様である。

[0118] 本実施の形態で示すガス混合器 206では、例えば、内側流路規定部材 62a及び 6 2bにより規定される流路を通過した流体は開口部 75からのみ排出され、この際、外側流路規定部材 63d及び 63aにより規定される流路を通過した流体と混合され、そして、開口部 73からガス混合器 206の外部に排出される。つまり、本実施の形態に係るガス混合器 206によれば、混合用同心円筒 61の内側及び外側を通過した流体が開口部 72及び開口部 73及び 75を通過する際に強制的に混合されるため、混合ガス等の流体の混合状態をより一層改善することが可能になる。

[0119] 尚、本実施の形態では、開口部 72及び 73の開口面積を、例えば、内側流路規定部材 62b及び 62cにより規定される流路の出口部の約半分の開口面積とする形態について説明しているが、このような形態に限定されることはなぐ要求される混合ガス等の流体の混合状態に応じて、開口部 72及び 73の開口面積を任意に設定するこが可能である。又、開口部 75の開口面積や形状も、要求される混合ガス等の流体の混合状態に応じて、任意に設定することが可能である。

[0120] ところで、実施の形態 2— 4において示すガス混合器 201, 202—ガス混合器 206 は、非常にコンパクトであるため、複数のガス混合器を直列に配置してガス混合器集合体を構成しても、水素生成装置 200の内部に配設することが可能である。この場合、ガス混合器が直列に集合されるので、混合ガス等の流体の混合状態を更により一層改善することが可能になる。

[0121] 図 16は、本発明の実施の形態 2及び 4に係るガス混合器 203及びガス混合器 206 を直列に集合した第 1のガス混合器集合体 207の内部構成を模式的に示す構成図である。尚、図 16でも、実施の形態 3の場合と同様、リング状の形状を有する第 1のガス混合器集合体を説明のために平面状に展開した場合の状態を模式的に示している。

[0122] 図 16に示す第 1のガス混合器集合体 207では、実施の形態 4に示すガス混合器 2 06が混合ガス等の流体の上流側に配置されて、ると共に、図 11に示すガス混合器 203が下流側に配置されてヽる。これらのガス混合器 203及びガス混合器 206の各々の構成等については、実施の形態 2及び 4に記載の通りである。このように、複数のガス混合器 203及び 206を直列に配置することにより、個々のガス混合器 203及び 206が有する混合性能が加算されるので、混合ガス等の流体の混合状態を更により一層改善することが可能になる。

[0123] 又、図 17は、本発明の実施の形態 2及び 4に係るガス混合器 203及びガス混合器 206を直列に集合した第 2のガス混合器集合体 208の内部構成を模式的に示す構成図である。

[0124] 図 17に示す第 2のガス混合器集合体 208では、上述した第 1のガス混合器集合体 207ではガス混合器 203の混合用同心円筒 61とガス混合器 206の混合用同心円筒 61とが各々独立して配設されているのに対して、ガス混合器 203とガス混合器 206と力枚の混合用同心円筒 76を共有している点で、上述した第 1のガス混合器集合体 207の場合と異なっている。カゝかる構成とすることにより、ガス混合器集合体 207の構成を簡素化することが可能になる。

[0125] 以上、本発明の実施の形態 1一 4によれば、ガス混合器の全体をステンレス等の薄板で構成することができるので、その重量を例えば 300g以下とすることが可能になると共に、その熱容量も例えば 0. 5kjZkg'°C程度とすることが可能になる。そのため、ガス混合器の加熱に要する熱量を例えば 26kJ程度とすることができるので、水素生成装置の起動時間の遅れを例えば 1Z5以下にまで短縮ィ匕することが可能になる。又、ガス混合器の加熱に要する熱量を例えば 26kJ程度とすることができるので、燃料電池システムの運転エネルギーを省電力化することが可能になる。

[0126] 又、本発明の実施の形態 1一 4によれば、ガス混合器の熱容量をセラミック球等が充填されたガス混合器の熱容量の 1Z5以下にまで低下することができるので、ガス混合器の表面において水蒸気が冷却により凝縮することを効果的に防止することが可能になる。これにより、水素生成装置の起動時において SZC比が低下することを効果的に防止することが可能になる。又、改質触媒の触媒性能を長期間に渡って安定して維持することが可能になる。

[0127] 更に、本発明の実施の形態 1一 4によれば、改質触媒層に供給される都市ガスと水蒸気との混合ガスや選択酸化触媒層に供給される空気が混合された改質ガス等の流体の混合状態がガス混合器によって飛躍的に改善されるので、改質触媒層において効率よく改質ガスが生成されると共に、選択酸ィ匕触媒の量も最小限とすることが可能になる。そのため、改質触媒層や選択酸化触媒層を小型化することが可能になる。又、選択酸ィ匕触媒層において改質ガス中の水素を無駄に燃焼することを防止できるので、高効率な水素生成装置を提供することが可能になる。産業上の利用可能性

[0128] 本発明に係る水素生成装置は、軽量でありかつ熱容量が小さ!/、高性能のガス混合器を備えた、水素生成効率及び応答性に優れる水素生成装置として有用である。

[0129] 又、本発明によれば、改質触媒層に供給する原料と水蒸気との混合ガス等の流体における時間的及び空間的な濃度の不均一性を解消することが可能である。そして、その結果、改質ガスの濃度の時間的及び空間的な均一性を確保することができるので、改質触媒層やその下流側に配設される変成反応器等の一酸化炭素除去触媒層を有効に使用することが可能となり、各触媒量の低減や水素生成装置の小型化に大きく貢献することが可能になる。

Claims

請求の範囲

[1] 2以上の成分を含有する混合ガスが流通する混合ガス流路と、

各々の始端が前記混合ガス流路から分岐し各々の終端が互いに合流する第 1の流路及び第 2の流路と、

前記第 1の流路に設けられ該第 1の流路を流れる混合ガスを第 1の方向に旋回させる第 1の旋回手段と、

前記第 2の流路に設けられ該第 2の流路を流れる混合ガスを第 1の方向と反対の第 2の方向に旋回させる第 2の旋回手段と、

前記合流した第 1の流路及び第 2の流路の終端から流出する前記混合ガスを化学反応させて水素を生成する水素生成部と、

を備えた、水素生成装置。

[2] 前記第 1の流路及び前記第 2の流路は、前記混合ガスが、前記第 1の流路の終端及び第 2の流路の終端からの混合ガスの流出方向に垂直な平面内を流れながら、それぞれ、前記第 1の方向の旋回及び前記第 2の方向の旋回を行うように形成されている、請求項 1記載の水素生成装置。

[3] 前記第 1の流路及び前記第 2の流路が、それぞれ、互いに一致する中心軸を有し、外周面が開放され、かつ中心に円形の開口を有する中空状に形成され、前記外周面が始端たる入口を構成するとともに前記開口が終端たる出口を構成しており、前記第 1の旋回手段が前記第 1の流路の内部空間を前記中心軸に沿う方向に仕切りかつ該内部空間の外周から内方へ終端が始端に対して半径方向から前記第 1 の方向にずれるように延びる複数の隔壁で構成され、

前記第 2の旋回手段が前記第 2の流路の内部空間を前記中心軸に沿う方向に仕切りかつ該内部空間の外周から内方へ終端が始端に対して半径方向から前記第 2 の方向にずれるように延びる複数の隔壁で構成されて、る、請求項 2記載の水素生成装置。

[4] 前記隔壁の始端に対する終端のずれが、前記中心軸の周りの回転角度において、

45° — 90° の範囲の回転角度である、請求項 3記載の水素生成装置。

[5] 前記第 1の流路及び前記第 2の流路と、前記第 1の旋回手段及び前記第 2の旋回手段とが、前記中心軸に沿って、それぞれ複数形成されている、請求項 2記載の水素生成装置。

[6] 前記第 1の流路及び前記第 2の流路は、前記混合ガスが、前記第 1の流路の終端及び第 2の流路の終端からの混合ガスの流出方向に平行な筒状の面内を流れながら、それぞれ、前記第 1の方向の旋回及び前記第 2の方向の旋回を行うように形成されている、請求項 1記載の水素生成装置。

[7] 前記第 1の流路及び前記第 2の流路が、それぞれ、前記中心軸を中心軸として共有しかつ環状の断面を有する筒状に形成され、一方の側の各々の端面が始端たる入口を構成するとともに他方の側の各々の端面が終端たる出口を構成しており、前記第 1の旋回手段が前記第 1の流路の筒状の内部空間を前記第 1の方向に旋回するようにして螺旋状に仕切る複数の隔壁で構成され、

前記第 2の旋回手段が前記第 1の流路の筒状の内部空間を前記第 2の方向に旋回するようにして螺旋状に仕切る複数の隔壁で構成されてヽる、請求項 6記載の水素生成装置。

[8] 前記隔壁の始端カも終端までの旋回角度が 45° — 90° の範囲の旋回角度である、請求項 7記載の水素生成装置。

[9] 前記隔壁で区画された旋回流路の出口がー部閉鎖されている、請求項 8記載の水素生成装置。

[10] 前記第 1の流路と前記第 2の流路とが円筒状の分割隔壁で隔てられるようにして形成され、前記第 1の流路及び前記第 2の流路のいずれかの前旋回流路の出口が閉鎖され、前記分割隔壁の該閉鎖された出口の近傍部分に開口が形成されている、請求項 9記載の水素生成装置。

[11] 前記第 1の流路及び前記第 2の流路が、前記中心軸に沿って、それぞれ、複数形成され、前記混合ガスの流れにお!、て上流側に位置する前記第 1の流路及び前記第 2の流路の終端が下流側に位置する前記第 1の流路及び前記第 2の流路の始端に接続されている、請求項 6記載の水素生成装置。

[12] 前記混合ガスが少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物と水とが混合した混合ガスであり、前記化学反応が前記有機化合物と水とが混合した混合ガスカゝら水素を生成する水蒸気改質反応であり、前記水素生成部が前記水蒸気改質反応により水素を豊富に含有する改質ガスを生成する改質反応部であって、

前記第 1の旋回手段及び前記第 2の旋回手段が前記改質反応部の上流に配設され、

前記合流した第 1の流路及び第 2の流路の終端から流出する前記混合ガスが前記改質反応部に供給されて水素を生成する、請求項 1記載の水素生成装置。

前記混合ガスが前記改質ガスと酸素とが混合した混合ガスであり、酸素を用いて一酸化炭素を二酸化炭素に変換する選択酸化反応により前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する選択酸化反応部を前記水素生成部に代えて備え、

前記第 1の旋回手段及び前記第 2の旋回手段が前記選択酸化反応部の上流に配設され、

前記合流した第 1の流路及び第 2の流路の終端から流出する前記混合ガスが前記選択酸化反応部に供給されて前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する、請求項 1 記載の水素生成装置。