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特開2023-65735ＣＯ触媒ユニット

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023065735

(43)【公開日】2023-05-15

(54)【発明の名称】ＣＯ触媒ユニット

(51)【国際特許分類】

C01B 3/38 20060101AFI20230508BHJP

B01J 35/02 20060101ALI20230508BHJP

【ＦＩ】

C01B3/38

B01J35/02 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021176046

(22)【出願日】2021-10-28

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田健児

(72)【発明者】

【氏名】吉田豊

(72)【発明者】

【氏名】武田憲有

(72)【発明者】

【氏名】前西晃

(72)【発明者】

【氏名】西崎柾峻

(72)【発明者】

【氏名】宮脇理

【テーマコード（参考）】

4G140

4G169

【Ｆターム（参考）】

4G140EA03

4G140EA06

4G140EB24

4G140EB33

4G140EB35

4G140EB46

4G169AA11

4G169EA02X

(57)【要約】

【課題】本開示は、水素生成装置用のＣＯ触媒ユニットの組み立てと、ＣＯ触媒ユニットを構成する部材の蒸発器への溶接とを、容易に低コストで行うことができるＣＯ触媒ユニットを提供する。
【解決手段】本開示におけるＣＯ触媒ユニットは、ＣＯ触媒内筒がＣＯ触媒外筒よりも長く構成されているので、蒸発外筒にＣＯ触媒内筒の両端部を溶接で取り付けるときに、溶接トーチがＣＯ触媒外筒に干渉しないので、容易に溶接することができる。さらに、ＣＯ触媒内筒は、両端の間の部分の内径が蒸発外筒の外径よりも大きいので、ＣＯ触媒内筒を蒸発外筒に取り付けたときに、ＣＯ触媒内筒と蒸発外筒との間に、伝熱緩衝空間が形成される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉛直方向に中心軸を有する蒸発内筒と、鉛直方向に中心軸を有し前記蒸発内筒よりも短く前記蒸発内筒を囲むように配置された蒸発外筒との間に、外部から供給される改質水が前記蒸発内筒から伝わる熱で加熱されながら螺旋状に流れる流路が形成され、外部から供給される原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質器に供給するように構成された、蒸発器の外周面に溶接で取り付けられるＣＯ触媒ユニットであって、
鉛直方向に中心軸を有し、前記蒸発外筒よりも短く、上端部と下端部との間の部分の内径が前記蒸発外筒の外径よりも大きく、前記上端部と前記下端部とを前記蒸発外筒の外周面に溶接で取り付け可能に構成されたＣＯ触媒内筒と、
鉛直方向に中心軸を有し、前記ＣＯ触媒内筒よりも短く、前記ＣＯ触媒内筒を囲むように配置されたＣＯ触媒外筒と、
前記改質器において前記混合ガスから改質反応で生成され前記改質器から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間における下側部分に充填されるＣＯ低減触媒と、
前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間に配置され、前記ＣＯ低減触媒を下部から支える前記ＣＯ低減触媒の粒子径より小さい通気口が形成されているドーナツ盤形状のＣＯ低減下棚板と、
前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間に配置され、前記ＣＯ低減触媒の上部を覆う前記ＣＯ低減触媒の粒子径より小さい通気口が形成されているドーナツ盤形状のＣＯ低減上棚板と、
前記ＣＯ低減触媒から排出される前記二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間における上側部分に充填されるＣＯ除去触媒と、
前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間に配置され、前記ＣＯ除去触媒を下部から支える前記ＣＯ除去触媒の粒子径より小さい通気口が形成されているドーナツ盤形状のＣＯ除去下棚板と、
前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間に配置され、前記ＣＯ除去触媒の上部を覆う前記ＣＯ除去触媒の粒子径より小さい通気口が形成されているドーナツ盤形状のＣＯ除去上棚板と、
鉛直方向に中心軸を有し、上下両端部が前記ＣＯ低減上棚板と前記ＣＯ除去下棚板との間で前記ＣＯ触媒内筒の外周面に固定され、前記ＣＯ低減上棚板と前記ＣＯ除去下棚板と前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒とで囲まれた空間を内周側空間である第２流路と外周側空間とに区画するように構成された筒状の空気混合筒と、
前記外周側空間を外周側上部空間であるヘッダー流路と外周側下部空間である第１流路とに区画するように、内周側端部が前記空気混合筒に固定され、外周側端部が前記ＣＯ触媒外筒に固定される、ドーナツ盤形状の区画部材と、
前記ＣＯ低減上棚板と前記区画部材との間で前記ＣＯ触媒外筒を貫通して、前記第１流路に空気を供給するように構成された空気供給管と、
を備え、
前記空気混合筒は、前記ＣＯ触媒内筒を挟んで前記空気供給管の先端と対向する位置で前記第１流路の空気と混合された前記二次水素含有ガスを前記第２流路に流入させる第２流路入口と、前記空気混合筒の上端部に向かうに従って前記空気混合筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部と、前記傾斜部に円周方向に複数設けられ前記第２流路の空気と混合された前記二次水素含有ガスを前記ヘッダー流路に流出させる吹き出し穴と、を有しており、
前記ＣＯ触媒内筒の前記上端部と前記下端部とを前記蒸発外筒の外周面に溶接で取り付けた場合に、前記ＣＯ触媒内筒と前記蒸発外筒との間に伝熱緩衝空間が形成される、
ＣＯ触媒ユニット。

【請求項2】

鉛直方向に中心軸を有する蒸発内筒と、鉛直方向に中心軸を有し前記蒸発内筒よりも短く前記蒸発内筒を囲むように配置された蒸発外筒との間に、外部から供給される改質水が前記蒸発内筒から伝わる熱で加熱されながら螺旋状に流れる流路が形成され、外部から供給される原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質器に供給するように構成された、蒸発器の外周面に溶接で取り付けられるＣＯ触媒ユニットであって、
鉛直方向に中心軸を有し、前記蒸発外筒よりも短く、上端部と下端部とを前記蒸発外筒の外周面に溶接で取り付け可能に構成されたＣＯ触媒内筒と、
鉛直方向に中心軸を有し、前記ＣＯ触媒内筒よりも短く、前記ＣＯ触媒内筒を囲むように配置されたＣＯ触媒外筒と、
前記改質器において前記混合ガスから改質反応で生成され前記改質器から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間における下側部分に充填されるＣＯ低減触媒と、
前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間に配置され、前記ＣＯ低減触媒を下部から支える前記ＣＯ低減触媒の粒子径より小さい通気口が形成されているドーナツ盤形状のＣＯ低減下棚板と、
前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間に配置され、前記ＣＯ低減触媒の上部を覆う前記ＣＯ低減触媒の粒子径より小さい通気口が形成されているドーナツ盤形状のＣＯ低減上棚板と、
前記ＣＯ低減触媒から排出される前記二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間における上側部分に充填されるＣＯ除去触媒と、
前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間に配置され、前記ＣＯ除去触媒を下部から支える前記ＣＯ除去触媒の粒子径より小さい通気口が形成されているドーナツ盤形状のＣＯ除去下棚板と、
前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒との間に配置され、前記ＣＯ除去触媒の上部を覆う前記ＣＯ除去触媒の粒子径より小さい通気口が形成されているドーナツ盤形状のＣＯ除去上棚板と、
前記ＣＯ低減上棚板と前記ＣＯ除去下棚板と前記ＣＯ触媒内筒と前記ＣＯ触媒外筒とで囲まれた空間を、上部空間であるヘッダー流路と下部空間である第１流路とに区画するように、内周側端部が前記ＣＯ触媒内筒に固定され、外周側端部が前記ＣＯ触媒外筒に固定される、ドーナツ盤形状の区画部材と、
前記ＣＯ低減上棚板と前記区画部材との間で前記ＣＯ触媒外筒を貫通して、前記第１流路に空気を供給する空気供給管と、
を備え、
前記ＣＯ触媒内筒は、前記区画部材よりも上方で前記ＣＯ除去下棚板よりも下方に小径部を有し、前記ＣＯ触媒内筒の前記上端部と前記下端部との間の部分は、前記小径部を除いて内径が前記蒸発外筒の外径よりも大きく形成され、
前記ＣＯ触媒内筒の前記上端部と前記下端部とを前記蒸発外筒の外周面に溶接で取り付けた場合に、前記ＣＯ触媒内筒と前記蒸発外筒との間に伝熱緩衝空間が形成され、
前記伝熱緩衝空間は、前記小径部によって上側の前記伝熱緩衝空間と下側の前記伝熱緩衝空間とに分けられ、
下側の前記伝熱緩衝空間は第２流路となり、
前記ＣＯ触媒内筒は、前記蒸発外筒を挟んで前記空気供給管の先端と対向する位置で前記第１流路の空気と混合された前記二次水素含有ガスを前記第２流路に流入させる第２流路入口と、前記小径部の下側に隣接し前記小径部に向かうに従って前記ＣＯ触媒内筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部と、前記傾斜部に円周方向に複数設けられ前記第２流
路の空気と混合された前記二次水素含有ガスを前記ヘッダー流路に流出させる吹き出し穴と、を有している、ＣＯ触媒ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水素生成装置用のＣＯ触媒ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示された水素生成装置は、全体形状が多重円筒形状で、その中心部にバーナを備えた加熱器が配設され、加熱器の上部を覆い、水を蒸発させて原料との混合ガスを供給する蒸発器と、加熱器の周囲に改質触媒を充填した改質器と、ＣＯ触媒ユニット（ＣＯ低減触媒を充填したＣＯ低減器とＣＯ除去触媒を充填したＣＯ除去器）と、ＣＯ低減器から排出された水素含有ガスと空気との混合を促進させる空気混合筒と、が軸心方向に配列されている。

【0003】

特許文献２に開示された水素生成装置は、ＣＯ低減器と蒸発器とが互いに間隔を有して対向してなる伝熱緩衝空間を設けるための隔壁（ＣＯ低減ヨドミ筒）と、ＣＯ除去器と蒸発器とが互いに間隔を有して対向してなる伝熱緩衝空間を設けるための隔壁（ＣＯ除去ヨドミ筒）とを、それぞれ設けている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－１１８８６３号公報

【特許文献2】特表２０１４－５３０１５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、水素生成装置用のＣＯ触媒ユニットの組み立てと、ＣＯ触媒ユニットを構成する部材の蒸発器への溶接とを、容易に低コストで行うことができるＣＯ触媒ユニットを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示におけるＣＯ触媒ユニットは、蒸発器の外周面に溶接で取り付けられるユニットであって、ＣＯ触媒内筒と、ＣＯ触媒外筒と、ＣＯ低減触媒と、ＣＯ低減下棚板と、ＣＯ低減上棚板と、ＣＯ除去触媒と、ＣＯ除去下棚板と、ＣＯ除去上棚板と、空気混合筒と、区画部材と、空気供給管と、を備えている。

【0007】

蒸発器は、鉛直方向に中心軸を有する蒸発内筒と、鉛直方向に中心軸を有し蒸発内筒よりも短く蒸発内筒を囲むように配置された蒸発外筒との間に、外部から供給される改質水が蒸発内筒から伝わる熱で加熱されながら螺旋状に流れる流路が形成され、外部から供給される原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質器に供給するように構成されている。

【0008】

ＣＯ触媒内筒は、鉛直方向に中心軸を有し、蒸発外筒よりも短く、上端部と下端部との間の部分の内径が蒸発外筒の外径よりも大きく、上端部と下端部とを蒸発外筒の外周面に溶接で取り付け可能に構成されている。

【0009】

ＣＯ触媒外筒は、鉛直方向に中心軸を有し、ＣＯ触媒内筒よりも短く、ＣＯ触媒内筒を囲むように配置されている。

【0010】

ＣＯ低減触媒は、改質器において混合ガスから改質反応で生成され改質器から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応で低減して二次水素含有ガス
として排出するように構成された触媒であって、ＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒との間における下側部分に充填されている。

【0011】

ＣＯ低減下棚板は、ＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒との間に配置され、ＣＯ低減触媒を下部から支えるドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0012】

ＣＯ低減上棚板は、ＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒との間に配置され、ＣＯ低減触媒の上部を覆うドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0013】

ＣＯ除去触媒は、ＣＯ低減触媒から排出される二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、ＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒との間における上側部分に充填されている。

【0014】

ＣＯ除去下棚板は、ＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒との間に配置され、ＣＯ除去触媒を下部から支えるドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0015】

ＣＯ除去上棚板は、ＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒との間に配置され、ＣＯ除去触媒の上部を覆うドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0016】

空気混合筒は、鉛直方向に中心軸を有し、上下両端部がＣＯ低減上棚板とＣＯ除去下棚板との間でＣＯ触媒内筒の外周面に固定される筒状の部材であって、ＣＯ低減上棚板とＣＯ除去下棚板とＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒とで囲まれた空間を、内周側空間である第２流路と外周側空間とに区画するように構成されている。

【0017】

区画部材は、外周側空間を外周側上部空間であるヘッダー流路と外周側下部空間である第１流路とに区画するように、内周側端部が空気混合筒に固定され、外周側端部がＣＯ触媒外筒に固定されている。

【0018】

空気供給管は、ＣＯ低減上棚板と区画部材との間でＣＯ触媒外筒を貫通して、第１流路に空気を供給するように構成されている。

【0019】

空気混合筒は、ＣＯ触媒内筒を挟んで空気供給管の先端と対向する位置で第１流路の空気と混合された二次水素含有ガスを第２流路に流入させる第２流路入口と、空気混合筒の上端部に向かうに従って空気混合筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部と、傾斜部に円周方向に複数設けられ第２流路の空気と混合された二次水素含有ガスをヘッダー流路に流出させる吹き出し穴と、を有している。

【0020】

そして、ＣＯ触媒ユニットは、ＣＯ触媒内筒の上端部と下端部とを、蒸発外筒の外周面に溶接で取り付けた場合に、ＣＯ触媒内筒と蒸発外筒との間に、伝熱緩衝空間が形成されるように構成されている。

【0021】

また、本開示における他のＣＯ触媒ユニットは、蒸発器の外周面に溶接で取り付けられるユニットであって、ＣＯ触媒内筒と、ＣＯ触媒外筒と、ＣＯ低減触媒と、ＣＯ低減下棚板と、ＣＯ低減上棚板と、ＣＯ除去触媒と、ＣＯ除去下棚板と、ＣＯ除去上棚板と、区画部材と、空気供給管と、を備えている。

【0022】

【0023】

ＣＯ触媒内筒は、鉛直方向に中心軸を有し、蒸発外筒よりも短く、上端部と下端部とを蒸発外筒の外周面に溶接で取り付け可能に構成されている。

【0024】

ＣＯ触媒外筒は、鉛直方向に中心軸を有し、ＣＯ触媒内筒よりも短く、ＣＯ触媒内筒を囲むように配置されている。

【0025】

ＣＯ低減触媒は、改質器において混合ガスから改質反応で生成され改質器から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、ＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒との間における下側部分に充填されている。

【0026】

【0027】

【0028】

【0029】

【0030】

【0031】

区画部材は、内周側端部がＣＯ触媒内筒に固定され、外周側端部がＣＯ触媒外筒に固定される、ドーナツ盤形状の部材であって、ＣＯ低減上棚板とＣＯ除去下棚板とＣＯ触媒内筒とＣＯ触媒外筒とで囲まれた空間を、上部空間であるヘッダー流路と下部空間である第１流路とに区画するように構成されている。

【0032】

空気供給管は、ＣＯ低減上棚板と区画部材との間でＣＯ触媒外筒を貫通して、第１流路に空気を供給するように構成されている。

【0033】

ＣＯ触媒内筒は、区画部材よりも上方でＣＯ除去下棚板よりも下方に小径部を有し、ＣＯ触媒内筒の上端部と下端部との間の部分は、小径部を除いて内径が蒸発外筒の外径よりも大きく形成されている。

【0034】

ＣＯ触媒ユニットは、ＣＯ触媒内筒の上端部と下端部とを蒸発外筒の外周面に溶接で取り付けた場合に、ＣＯ触媒内筒と蒸発外筒との間に伝熱緩衝空間が形成されるように構成
されている。

【0035】

この伝熱緩衝空間は、小径部によって上側の伝熱緩衝空間と下側の伝熱緩衝空間とに分けられ、下側の伝熱緩衝空間は第２流路となるように構成されている。

【0036】

ＣＯ触媒内筒は、蒸発外筒を挟んで空気供給管の先端と対向する位置で第１流路の空気と混合された二次水素含有ガスを第２流路に流入させる第２流路入口と、小径部の下側に隣接し小径部に向かうに従ってＣＯ触媒内筒の径が小さくなるように傾斜する傾斜部と、傾斜部に円周方向に複数設けられ第２流路の空気と混合された二次水素含有ガスをヘッダー流路に流出させる吹き出し穴と、を有している。

【発明の効果】

【0037】

本開示におけるＣＯ触媒ユニットにおいて、ＣＯ触媒内筒は、ＣＯ触媒内筒の上端部と下端部とを蒸発外筒の外周面に溶接で取り付けた場合に、ＣＯ触媒内筒と蒸発外筒との間に伝熱緩衝空間が形成されるように構成されているので、ＣＯ低減ヨドミとＣＯ除去ヨドミを設ける必要がなく、部品削減することを可能とし、予め組み立てを済ませ自立可能なサブユニットを製造することができる。

【0038】

また、蒸発外筒を囲むＣＯ触媒内筒の上端を、蒸発外筒の上端よりも低い位置にし、ＣＯ触媒内筒を囲むＣＯ触媒外筒の上端を、ＣＯ触媒内筒の上端よりも低い位置にし、蒸発外筒を囲むＣＯ触媒内筒の下端を、蒸発外筒の下端よりも高い位置にし、ＣＯ触媒内筒を囲むＣＯ触媒外筒の下端を、ＣＯ触媒内筒の下端よりも高い位置にすることによって、蒸発外筒の外周面にＣＯ触媒内筒を溶接で取り付けるときに、溶接トーチがＣＯ触媒外筒に干渉しないので、容易に溶接することができる。

【0039】

そのため、予め製造し自立可能であり蒸発器に容易に取りつけることで製造ラインでの組み立て性や生産性を向上できる低コストのＣＯ触媒ユニットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】実施の形態１におけるＣＯ触媒ユニットの概略構成を示す縦断面図

【図2】実施の形態１におけるＣＯ触媒ユニットが取り付けられる前の蒸発器の概略構成を示す縦断面図

【図3】実施の形態１におけるＣＯ触媒ユニットを蒸発器に取り付けた状態を示す概略縦断面図

【図4】実施の形態１におけるＣＯ触媒ユニットを取り付けた蒸発器に、加熱器と改質器を取り付け、ＣＯ触媒ユニットのＣＯ触媒外筒の下端に改質ガスリターン流路を構成する部材を取り付けた状態を示す概略縦断面図

【図5】実施の形態１におけるＣＯ触媒ユニットを用いた水素生成装置の概略構成を示す縦断面図

【図6】実施の形態１のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ触媒外筒を取り付ける前の状態を示す縦断面図

【図7】実施の形態１のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ触媒外筒を取り付けた状態を示す縦断面図

【図8】実施の形態１のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ除去触媒を充填してＣＯ除去上棚板を取り付けた状態を示す縦断面図

【図9】実施の形態１のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ低減触媒を充填する前に上下逆にした状態を示す縦断面図

【図10】実施の形態１のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ低減触媒を充填してＣＯ低減下棚板を取り付けた状態を示す縦断面図

【図11】実施の形態２におけるＣＯ触媒ユニットの概略構成を示す縦断面図

【図12】実施の形態２におけるＣＯ触媒ユニットが取り付けられる前の蒸発器の概略構成を示す縦断面図

【図13】実施の形態２におけるＣＯ触媒ユニットを蒸発器に取り付けた状態を示す概略縦断面図

【図14】実施の形態２におけるＣＯ触媒ユニットを取り付けた蒸発器に、加熱器と改質器を取り付け、ＣＯ触媒ユニットのＣＯ触媒外筒の下端に改質ガスリターン流路を構成する部材を取り付けた状態を示す概略縦断面図

【図15】実施の形態２におけるＣＯ触媒ユニットを用いた水素生成装置の概略構成を示す縦断面図

【図16】実施の形態２のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ触媒外筒を取り付ける前の状態を示す縦断面図

【図17】実施の形態２のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ触媒外筒を取り付けた状態を示す縦断面図

【図18】実施の形態２のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ除去触媒を充填してＣＯ除去上棚板を取り付けた状態を示す縦断面図

【図19】実施の形態２のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ低減触媒を充填する前に上下逆にした状態を示す縦断面図

【図20】実施の形態２のＣＯ触媒ユニットにおけるＣＯ低減触媒を充填してＣＯ低減下棚板を取り付けた状態を示す縦断面図

【発明を実施するための形態】

【0041】

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、都市ガスなどの炭化水素系の原料ガスから水蒸気改質反応によって水素を生成し、さらに副生した一酸化炭素（ＣＯ）などの不純物をＣＯ低減器とＣＯ除去器（以下、合わせてＣＯ触媒ユニット）により除去して、水素リッチな水素含有ガスとして燃料電池発電装置へ供給する水素生成装置が知られていたが、水素生成装置の中でＣＯ触媒ユニットは重要な極めて重要な役割を果たしていた。

【0042】

【0043】

特許文献２に開示された水素生成装置は、ＣＯ低減器と蒸発器とが互いに間隔を有して対向してなる伝熱緩衝空間を設けるための隔壁（ＣＯ低減ヨドミ筒）と、ＣＯ除去器と蒸発器とが互いに間隔を有して対向してなる伝熱緩衝空間を設けるための隔壁（ＣＯ除去ヨドミ筒）とを、それぞれ設けており、これらのＣＯ低減ヨドミ筒とＣＯ除去ヨドミ筒をそれぞれ設けて製品設計することも一般的であった。

【0044】

従来の水素生成装置用のＣＯ触媒ユニットの製造方法は次の通りである。まず、蒸発器にＣＯ低減ヨドミ筒を溶接し、次にＣＯ低減触媒を支える下部の棚板を溶接して、ＣＯ低減触媒の充填部空間の外壁を形成する外筒を設置した後に、ＣＯ低減触媒を上部から充填する。

【0045】

ＣＯ低減触媒の充填時には、加振機で十分に加振させて所定の充填密度に達したことをＣＯ低減触媒の充填部最上位置が正しいことを目視で確認した後に、ＣＯ低減触媒の上部の棚板を溶接し、空気混合筒の下部及び上部を蒸発器にそれぞれ溶接し、区画部材と空気混合筒とを溶接し、区画部材と変成外筒とを溶接し、ＣＯ除去触媒を支える下部の棚段を
溶接し、ＣＯ除去ヨドミ筒を溶接し、ＣＯ除去触媒の充填部空間の外壁を形成する外筒を区画部材と溶接した後に、ＣＯ除去触媒を上部から充填する。

【0046】

ＣＯ除去触媒の充填時には加振機で十分に加振させて所定の充填密度に達したことをＣＯ除去触媒の充填部最上位置が正しいことを目視で確認した後に、ＣＯ除去触媒の上部の棚段を溶接する。

【0047】

このように、蒸発器にＣＯ触媒ユニットの部品を、一品ずつ取り付けていく作業の途中で、無人化が困難なＣＯ低減触媒の充填作業とＣＯ除去触媒の充填作業があるために、ＣＯ触媒ユニットの構成部品の取付けを水素生成装置の製造ラインで自動化することが困難であり水素生成装置のコストが低下しないという課題があった。

【0048】

そうした状況下において、発明者らは、ＣＯ触媒ユニットを予め組み立てを済ませ自立可能なサブユニットとして製造し、サブユニット化したＣＯ触媒ユニットを蒸発器に取付けることで水素生成装置の製造ラインを自動化できるのではないかと着想した。

【0049】

そして、発明者らは、その着想を実現するにあたって、ＣＯ触媒ユニットを自立させるには、ＣＯ触媒ユニットに内筒を新たに設けて、その内筒にＣＯ変成ヨドミ筒とＣＯ除去ヨドミ筒をそれぞれ蒸発器に固定する必要があり、それではＣＯ触媒ユニットの部品点数と溶接箇所が増えるために製造コストが低下しない、また自立したＣＯ触媒ユニットを蒸発器に取り付けるには内筒を蒸発器に取り付ける必要があるが、溶接のトーチがＣＯ触媒ユニットに干渉して取り付けが困難であるという課題があることを発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

【0050】

そこで、本開示は、ＣＯ触媒ユニットの部品点数を増やさずに予め自立可能なサブユニットとして製造し、蒸発器に容易に取付けて製造ラインを自動化することができる、低コストのＣＯ触媒ユニットを提供する。

【0051】

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0052】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0053】

（実施の形態１）
以下、図１～図１０を用いて、実施の形態１を説明する。

【0054】

［１－１．構成］
図１と図３から図５に示すように、ＣＯ触媒ユニット１００は、蒸発器１０５の外周面に溶接で取り付けられるユニットであって、ＣＯ触媒内筒１０９と、ＣＯ触媒外筒１１０と、ＣＯ低減触媒１１１と、ＣＯ低減下棚板１１２と、ＣＯ低減上棚板１１３と、ＣＯ除去触媒１１４と、ＣＯ除去下棚板１１５と、ＣＯ除去上棚板１１６と、空気混合筒１１８と、区画部材１２１と、空気供給管１２２と、を備えている。

【0055】

図２から図５に示すように、蒸発器１０５は、鉛直方向に中心軸を有する蒸発内筒１０１と、鉛直方向に中心軸を有し蒸発内筒１０１よりも鉛直方向の長さが短く蒸発内筒１０１を囲むように配置された蒸発外筒１０２との間に、外部から供給される改質水が蒸発内
筒１０１から伝わる加熱器１５０の燃焼による熱（燃焼排ガスの熱を含む）で加熱されながら螺旋状に流れる螺旋状流路１０４が形成され、外部から供給される炭化水素系の原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質器１０３に供給するように構成されている。

【0056】

蒸発内筒１０１と蒸発外筒１０２を水平な面で切断した場合の断面は、それぞれ円形である。

【0057】

螺旋状流路１０４を形成するために、蒸発内筒１０１と蒸発外筒１０２との間には、螺旋状の棒材が配置されており、その棒材の外周面は蒸発内筒１０１の外周面と蒸発外筒１０２の内周面とに接触している。

【0058】

蒸発外筒１０２の上端は、蒸発内筒１０１側に曲げられて、蒸発内筒１０１の上端よりも低い位置で、蒸発内筒１０１の外周面に接合されており、蒸発外筒１０２の下端は、蒸発内筒１０１側に曲げられて、蒸発内筒１０１の下端よりも高い位置で、蒸発内筒１０１の外周面に接合されている。

【0059】

蒸発外筒１０２の上端に近い部分には、外部から供給される改質水を蒸発器１０５内に供給する改質水供給管（図示せず）を接続するための孔と、外部から供給される炭化水素系の原料ガスを蒸発器１０５内に供給する原料ガス供給管（図示せず）を接続するための孔とが形成されている。原料ガスには、都市ガスやＬＰガスを用いることができる。

【0060】

蒸発外筒１０２の下端に近い部分には、改質水が螺旋状流路１０４を流れるときに加熱されて気化した水蒸気と原料ガスとの混合ガスを、蒸発器１０５内から排出するための孔が形成されている。

【0061】

ＣＯ触媒内筒１０９は、鉛直方向に中心軸を有し、蒸発外筒１０２よりも鉛直方向の長さが短い。そして、ＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７は、蒸発外筒１０２の上端部よりも低い位置にあり、ＣＯ触媒内筒１０９の下端部１０８は、蒸発外筒１０２の下端部よりも高い位置にある。

【0062】

ＣＯ触媒内筒１０９は、上端部１０７と下端部１０８との間の部分の内径が蒸発外筒１０２の外径よりも大きく、上端部１０７と下端部１０８とを蒸発外筒１０２の外周面に溶接で取り付け可能に構成されている。

【0063】

ＣＯ触媒外筒１１０は、鉛直方向に中心軸を有し、ＣＯ触媒内筒１０９よりも鉛直方向の長さが短く、ＣＯ触媒内筒１０９を囲むように配置されている。ＣＯ触媒外筒１１０の上端部は、ＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７よりも低い位置にあり、ＣＯ触媒外筒１１０の下端部は、ＣＯ触媒内筒１０９の下端部１０８よりも高い位置にある。

【0064】

ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０を水平な面で切断した場合の断面は、それぞれ円形である。

【0065】

ＣＯ低減触媒１１１は、改質器１０３において混合ガスから改質反応で生成され改質器１０３から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成された粒状の触媒である。また、ＣＯ低減触媒１１１は、ＣＯ触媒内筒１０９の外周面とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間における下側部分に充填されている。

【0066】

ＣＯ低減下棚板１１２は、内周の縁が下方に折り曲げられたドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒１１１を下部から支える（ＣＯ低減触媒１１１が落下しない）ように
ＣＯ触媒内筒１０９の外周面とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間に配置されており、ＣＯ触媒内筒１０９の外周面に固定されている。

【0067】

ＣＯ低減下棚板１１２には、ＣＯ低減触媒１１１の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0068】

ＣＯ低減上棚板１１３は、内周の縁が上方に折り曲げられたドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒１１１の上部を覆うようにＣＯ触媒内筒１０９の外周面とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間に配置されており、ＣＯ触媒内筒１０９の外周面に固定されている。

【0069】

ＣＯ低減上棚板１１３には、ＣＯ低減触媒１１１の粒子径より小さい通気口が形成されている。ＣＯ低減上棚板１１３は、ＣＯ低減上棚板１１３の外周の縁とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間の隙間がＣＯ低減触媒１１１の粒子径より小さくなるように構成されている。

【0070】

ＣＯ除去触媒１１４は、ＣＯ低減触媒１１１から排出される二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成された粒状の触媒である。また、ＣＯ除去触媒１１４は、ＣＯ触媒内筒１０９の外周面とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間における上側部分に充填されている。

【0071】

ＣＯ除去下棚板１１５は、内周の縁が下方に折り曲げられたドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒１１４を下部から支える（ＣＯ除去触媒１１４が落下しない）ようにＣＯ触媒内筒１０９の外周面とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間に配置されており、ＣＯ触媒内筒１０９の外周面に固定されている。ＣＯ除去下棚板１１５には、ＣＯ除去触媒１１４の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0072】

ＣＯ除去下棚板１１５は、ＣＯ除去下棚板１１５の外周の縁とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間の隙間がＣＯ除去触媒１１４の粒子径より小さくなるように構成されている。

【0073】

ＣＯ除去上棚板１１６は、内周の縁が上方に折り曲げられたドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒１１４の上部を覆うようにＣＯ触媒内筒１０９の外周面とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間に配置されており、ＣＯ触媒内筒１０９の外周面に固定されている。

【0074】

ＣＯ除去上棚板１１６には、ＣＯ除去触媒１１４の粒子径より小さい通気口が形成されている。ＣＯ除去上棚板１１６は、ＣＯ除去上棚板１１６の外周の縁とＣＯ触媒外筒１１０の内周面との間の隙間がＣＯ除去触媒１１４の粒子径より小さくなるように構成されている。

【0075】

空気混合筒１１８は、鉛直方向に中心軸を有し、上下両端部がＣＯ低減上棚板１１３とＣＯ除去下棚板１１５との間でＣＯ触媒内筒１０９の外周面に固定される略円筒状の部材であって、ＣＯ低減上棚板１１３とＣＯ除去下棚板１１５とＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０とで囲まれた空間を、内周側空間である第２流路１１７と外周側空間とに区画するように構成されている。

【0076】

区画部材１２１は、略ドーナツ盤形状で、外周側空間を外周側上部空間であるヘッダー流路１１９と外周側下部空間である第１流路１２０とに区画するように、内周側端部が空気混合筒１１８の外周面に固定され、外周側端部がＣＯ触媒外筒１１０の内周面に固定されている。

【0077】

空気供給管１２２は、ＣＯ低減上棚板１１３と区画部材１２１との間でＣＯ触媒外筒１１０を貫通して、第１流路１２０に空気を供給するように構成されている。

【0078】

空気混合筒１１８は、ＣＯ触媒内筒１０９を挟んで空気供給管１２２の先端（空気の出口）と対向する位置で第１流路１２０の空気と混合された二次水素含有ガスを第２流路１１７に流入させる第２流路入口１２３と、空気混合筒１１８の上端部に向かうに従って空気混合筒１１８の径が小さくなるように傾斜する傾斜部１２４と、傾斜部１２４に円周方向に複数設けられ第２流路１１７の空気と混合された二次水素含有ガスをヘッダー流路１１９に流出させる吹き出し穴１２５と、を有している。

【0079】

第２流路入口１２３は、第２流路１１７内に流入したガスを周方向に回転させる方向に切り起こし穴形状で形成されている。

【0080】

ＣＯ触媒ユニット１００は、ＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７と下端部１０８とを、蒸発外筒１０２の外周面に溶接で取り付けた場合に、ＣＯ触媒内筒１０９と蒸発外筒１０２との間に、伝熱緩衝空間１２６が形成されるように構成されている。

【0081】

本実施の形態の水素生成装置１９９は、ＣＯ触媒ユニット１００と、蒸発器１０５と、改質器１０３と、加熱器１５０と、改質ガスリターン流路１５１を構成する部材と、改質ガス出口部１５２を構成する部材と、を組み合わせて構成されている。

【0082】

改質器１０３は、蒸発器１０５の下側に接合されるものであって、改質触媒内筒と、改質触媒外筒と、改質触媒と、改質触媒下棚板と、改質触媒上棚板と、を備えている。

【0083】

改質触媒内筒は、鉛直方向に中心軸を有し下端開口部が塞がれた有底円筒形状で、内径が蒸発内筒１０１の内径と同じ寸法で、外径が蒸発内筒１０１の外径と同じ寸法で、蒸発内筒１０１を下方に延長するような形で蒸発内筒１０１の下端に接合されている。

【0084】

改質触媒外筒は、鉛直方向に中心軸を有し、径が蒸発外筒１０２よりも大きくてＣＯ触媒外筒１１０よりも小さい略円筒形状で、蒸発外筒１０２の下端部と改質触媒内筒とを囲むように配置されている。改質触媒外筒の上端は、蒸発外筒１０２側に曲げられて、蒸発器１０５から混合ガスを排出するための孔よりも高い位置で、蒸発外筒１０２の外周面に接合されている。

【0085】

改質触媒は、蒸発器１０５から排出された混合ガスから改質反応で一次水素含有ガスを生成するように構成された粒状の触媒である。また、改質触媒は、改質触媒内筒の外周面と改質触媒外筒の内周面との間に充填されている。

【0086】

改質触媒下棚板は、ドーナツ盤形状の棚板であって、改質触媒を下部から支える（改質触媒が落下しない）ように改質触媒内筒の外周面と改質触媒外筒の内周面との間に配置されており、改質触媒内筒の外周面と改質触媒外筒の内周面のうちの少なくとも一方に固定されている。なお、改質触媒下棚板には、改質触媒の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0087】

改質触媒上棚板は、ドーナツ盤形状の棚板であって、改質触媒の上部を覆うように改質触媒内筒の外周面と改質触媒外筒の内周面との間に配置されており、改質触媒内筒の外周面と改質触媒外筒の内周面のうちの少なくとも一方に固定されている。

【0088】

改質ガスリターン流路１５１は、改質触媒から下方に排出された一次水素含有ガスの流
れを上向きに変えてＣＯ低減触媒１１１に導く流路である。

【0089】

改質ガスリターン流路１５１を構成する部材は、鉛直方向に中心軸を有し下端開口部が塞がれた有底円筒形状である。改質ガスリターン流路１５１を構成する部材におけるＣＯ触媒内筒１０９をＣＯ触媒外筒１１０よりも下方で囲む部分は、蒸発器１０５（蒸発外筒１０２）におけるＣＯ触媒内筒１０９の下端部１０８よりも低い部分と改質器１０３（改質触媒外筒）を囲む部分よりも径（内径）が大きく構成されている。

【0090】

改質ガスリターン流路１５１を構成する部材における大径部（ＣＯ触媒内筒１０９をＣＯ触媒外筒１１０よりも下方で囲む部分）は、内径がＣＯ触媒外筒１１０の内径と同じ寸法で、外径がＣＯ触媒外筒１１０の外径と同じ寸法で、ＣＯ触媒外筒１１０を下方に延長するような形でＣＯ触媒外筒１１０の下端に接合されている。

【0091】

改質ガスリターン流路１５１を構成する部材における小径部（蒸発器１０５におけるＣＯ触媒内筒１０９よりも低い部分と改質器１０３を囲む部分）は、径が改質触媒外筒よりも大きくてＣＯ触媒外筒１１０よりも小さく、改質触媒外筒と小径部（蒸発器１０５におけるＣＯ触媒内筒１０９よりも低い部分と改質器１０３を囲む部分）との間を、改質触媒から下方に排出されて改質ガスリターン流路１５１を構成する部材の底部と改質触媒外筒の下端との隙間を通って上方に折り返した一次水素含有ガスが、通流するように構成されている。

【0092】

改質ガスリターン流路１５１を構成する部材の底部は、改質触媒内筒の底部よりも大きく、改質ガスリターン流路１５１を構成する部材の底部は、改質触媒内筒の底部よりも下方に位置するように構成されている。

【0093】

加熱器１５０は、蒸発器１０５（蒸発内筒１０１）の内周側に配置され、燃焼用空気が混合された可燃性ガスを燃焼して燃焼排ガスを排出するバーナと、バーナに可燃性ガスを供給するガス供給管と、バーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管と、を備えている。

【0094】

可燃性ガスには、原料ガス（都市ガスやＬＰガス）を用いることができ、水素生成装置１９９が燃料電池に水素含有ガスを燃料ガスとして供給する場合は、燃料電池で利用されずに燃料電池から排出される燃料ガス（アノードオフガス）を用いることができる。

【0095】

加熱器１５０のバーナは、下向きの炎を形成するように構成されている。加熱器１５０は、加熱器１５０の外周面と蒸発内筒１０１の内周面との隙間を、燃焼排ガスが上方に流れるように構成されている。

【0096】

加熱器１５０の下側には、燃焼排ガスが上方に流れる流路を、加熱器１５０よりも下側に延長するように、外径が加熱器１５０の外周面の径と同じ寸法の燃焼筒が継ぎ足されている。燃焼筒の下端は、改質触媒内筒の底部よりも高い位置で、改質触媒内筒の底部に近接している。

【0097】

蒸発器１０５と加熱器１５０と改質器１０３と燃焼筒は、加熱器１５０のバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスが、燃焼筒の内周面に沿って燃焼筒の内周側を下方に流れた後に、改質触媒内筒の底部と燃焼筒の下端との隙間を通って上方に折り返して、燃焼筒の外周面と改質触媒内筒の内周面との隙間、燃焼筒の外周面と蒸発内筒１０１の内周面との隙間、加熱器１５０の外周面と蒸発内筒１０１の内周面との隙間を、この順に通流して、蒸発内筒１０１における上部に設けられた燃焼排ガス出口から水素生成装置１９９の外部に排出されるように構成されている。

【0098】

改質ガス出口部１５２を構成する部材は、鉛直方向に中心軸を有し、ＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７を囲み、上端が、改質水供給管（図示せず）を接続するための孔と原料ガス供給管（図示せず）を接続するための孔よりも低い位置で、蒸発外筒１０２の外周面に接合され、下端が、ＣＯ触媒外筒１１０の上端に接合されている。また、改質ガス出口部１５２を構成する部材は、ＣＯ除去触媒１１４から上方に排出された三次水素含有ガスを水素生成装置１９９の外部に排出（供給）する出口管を備えている。

【0099】

水素生成装置１９９は、加熱器１５０のバーナの燃焼で発生した熱（燃焼排ガスの熱を含む）が、改質触媒内筒を介して改質触媒に伝わって改質触媒を改質反応に適した温度に加熱すると共に、蒸発内筒１０１を介して蒸発器１０５内を螺旋状に流れる改質水に伝わって改質水を蒸発させるように構成されている。

【0100】

また、水素生成装置１９９は、改質触媒から排出されＣＯ低減触媒１１１に流入する一次水素含有ガスの熱と、蒸発器１０５から伝熱緩衝空間１２６とＣＯ触媒内筒１０９とを介してＣＯ低減触媒１１１に伝わる熱とが、ＣＯ低減触媒１１１を変成反応に適した温度に加熱するように構成されている。

【0101】

また、水素生成装置１９９は、ＣＯ低減触媒１１１から排出されＣＯ除去触媒１１４に流入する二次水素含有ガスの熱と、蒸発器１０５から伝熱緩衝空間１２６とＣＯ触媒内筒１０９とを介してＣＯ除去触媒１１４に伝わる熱とが、ＣＯ除去触媒１１４を選択酸化反応に適した温度に加熱するように構成されている。

【0102】

［１－２．動作］
以上のように構成されたＣＯ触媒ユニット１００及び水素生成装置１９９について、以下その動作、作用を説明する。

【0103】

水素生成装置１９９において、必要な水素量を得るために、原料ガスと改質水が、適正な比率で改質水供給管（図示せず）と原料ガス供給管（図示せず）から蒸発器１０５に供給される。供給された改質水は、蒸発器１０５の螺旋状流路１０４に沿って流れながら蒸発内筒１０１を介して伝わる加熱器１５０の熱（燃焼排ガスの熱を含む）によって水蒸気となり、原料ガスと混合される。

【0104】

原料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質器１０３へ供給され、改質触媒内筒を介して伝わる加熱器１５０の熱（燃焼排ガスの熱を含む）によって改質反応に適した温度に加熱された改質触媒により水蒸気改質反応が行われて一次水素含有ガスとなる。

【0105】

改質器１０３から排出された一次水素含有ガスは、改質ガスリターン流路１５１を通流して、ＣＯ触媒ユニット１００のＣＯ低減触媒１１１に下方から供給され、ＣＯ低減触媒１１１の変成反応により、一次水素含有ガス中のＣＯ濃度が０．１～０．２％程度まで低減されて二次水素含有ガスとなる。

【0106】

このとき、ＣＯ低減触媒１１１は、改質器１０３（改質触媒）から排出されＣＯ低減触媒１１１に流入する一次水素含有ガスの熱と、蒸発器１０５から伝熱緩衝空間１２６とＣＯ触媒内筒１０９とを介してＣＯ低減触媒１１１に伝わる熱とによって、変成反応に適した温度に加熱されている。

【0107】

ＣＯ低減触媒１１１から第１流路１２０に排出された二次水素含有ガスは、空気供給管１２２から供給された空気と共に、空気混合筒１１８の第２流路入口１２３から第２流路１１７に流入した後に、空気混合筒１１８の吹き出し穴１２５からヘッダー流路１１９に
流出する。

【0108】

二次水素含有ガスと空気は、十分に混合された状態で、ヘッダー流路１１９からＣＯ除去触媒１１４に供給され、ＣＯ除去触媒１１４の選択酸化反応により、ＣＯ濃度が数ｐｐｍ程度にまで低減されて三次水素含有ガスとなる。

【0109】

このとき、ＣＯ除去触媒１１４は、ＣＯ低減触媒１１１から排出されＣＯ除去触媒１１４に流入する二次水素含有ガスの熱と、蒸発器１０５から伝熱緩衝空間１２６とＣＯ触媒内筒１０９とを介してＣＯ除去触媒１１４に伝わる熱とによって、選択酸化反応に適した温度に加熱されている。

【0110】

ＣＯ除去触媒１１４から改質ガス出口部１５２に排出された三次水素含有ガスは、改質ガス出口部１５２の出口管から水素生成装置１９９の外に出ていき、燃料電池などの水素利用機器に供給される。

【0111】

加熱器１５０のバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスは、燃焼筒の内周面に沿って燃焼筒の内周側を下方に流れた後に、改質触媒内筒の底部と燃焼筒の下端との隙間を通って上方に折り返して、燃焼筒の外周面と改質触媒内筒の内周面との隙間、燃焼筒の外周面と蒸発内筒１０１の内周面との隙間、加熱器１５０の外周面と蒸発内筒１０１の内周面との隙間を、この順に放熱しながら通流して、蒸発内筒１０１における上部に設けられた燃焼排ガス出口から水素生成装置１９９の外部に排出される。

【0112】

（ＣＯ触媒ユニットの組立手順）
次に、予め組み立てて自立可能なサブユニットとしてのＣＯ触媒ユニット２００の組立手順について説明する。

【0113】

図６に示すように、ＣＯ触媒内筒１０９の外周面の所定の高さ位置に、ＣＯ除去下棚板１１５と、空気混合筒１１８の上端部と、空気混合筒１１８の下端部と、ＣＯ低減上棚板１１３とを、それぞれ溶接で固定してから、空気混合筒１１８の外周面の所定の高さ位置に、区画部材１２１の内周部を溶接で固定する。

【0114】

次に、図７に示すように、ＣＯ触媒外筒１１０の所定の高さ位置に区画部材１２１の外周部を溶接で固定する。

【0115】

この状態で、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との高さ方向の相対位置関係が定まるとともに、ＣＯ除去触媒１１４とＣＯ低減触媒１１１がそれぞれ収納される空間の内筒と外筒が構成される。

【0116】

次に、図８に示すように、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間でＣＯ除去下棚板１１５の上にＣＯ除去触媒１１４を所定量充填して、ＣＯ除去上棚板１１６を、ＣＯ除去触媒１１４の上部を覆うようにＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間に配置して、ＣＯ除去上棚板１１６の内周部をＣＯ触媒内筒１０９の外周面に固定する。

【0117】

これにより、ＣＯ除去触媒１１４が、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０とＣＯ除去下棚板１１５とＣＯ除去上棚板１１６とに囲まれた部分に保持されるようになる。

【0118】

次に、図９に示すように、この組立途中のＣＯ触媒ユニット１００を上下逆（上端部１０７が下で下端部１０８が上になる状態）にする。

【0119】

次に、図１０に示すように、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間でＣＯ低
減上棚板１１３の上にＣＯ低減触媒１１１を所定量充填して、ＣＯ低減下棚板１１２を、ＣＯ低減触媒１１１の上部を覆うようにＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間に配置して、ＣＯ低減下棚板１１２の内周部をＣＯ触媒内筒１０９の外周面に固定する。

【0120】

これにより、ＣＯ低減触媒１１１が、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０とＣＯ低減上棚板１１３とＣＯ低減下棚板１１２とに囲まれた部分に保持されるようになる。

【0121】

次に、この組立途中のＣＯ触媒ユニット１００を上下正常状態（上端部１０７が上で下端部１０８が下になる状態）に戻して、ＣＯ触媒外筒１１０を貫通して、第１流路１２０に空気を供給できるように、空気供給管１２２をＣＯ触媒外筒１１０に取付けて、ＣＯ触媒ユニットの組立が完了する。

【0122】

（ＣＯ触媒ユニットの水素生成装置への取り付け）
図３に示すように、ＣＯ触媒ユニット１００のＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７と下端部１０８を、それぞれ蒸発外筒１０２の外周面に溶接で取り付ける。

【0123】

蒸発外筒１０２はＣＯ触媒内筒１０９よりも長く、ＣＯ触媒内筒１０９はＣＯ触媒外筒１１０よりも長く構成されており、蒸発外筒１０２を囲むＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７は、蒸発外筒１０２の上端部よりも低い位置にあり、ＣＯ触媒内筒１０９を囲むＣＯ触媒外筒１１０の上端部は、ＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７よりも低い位置にあり、蒸発外筒１０２を囲むＣＯ触媒内筒１０９の下端部１０８は、蒸発外筒１０２の下端部よりも高い位置にあり、ＣＯ触媒内筒１０９を囲むＣＯ触媒外筒１１０の下端部は、ＣＯ触媒内筒１０９の下端部１０８よりも高い位置にある。

【0124】

そのため、蒸発外筒１０２の外周面にＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７と下端部１０８を溶接で取り付けるときに、溶接トーチがＣＯ触媒外筒１１０に干渉しないので、容易に溶接することができる。

【0125】

【0126】

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ＣＯ触媒ユニット１００は、蒸発器１０５の外周面に溶接で取り付けられるユニットであって、ＣＯ触媒内筒１０９と、ＣＯ触媒外筒１１０と、ＣＯ低減触媒１１１と、ＣＯ低減下棚板１１２と、ＣＯ低減上棚板１１３と、ＣＯ除去触媒１１４と、ＣＯ除去下棚板１１５と、ＣＯ除去上棚板１１６と、空気混合筒１１８と、区画部材１２１と、空気供給管１２２と、を備えている。

【0127】

蒸発器１０５は、鉛直方向に中心軸を有する蒸発内筒１０１と、鉛直方向に中心軸を有し蒸発内筒１０１よりも短く蒸発内筒１０１を囲むように配置された蒸発外筒１０２との間に、外部から供給される改質水が蒸発内筒１０１から伝わる熱で加熱されながら螺旋状に流れる螺旋状流路１０４が形成され、外部から供給される原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質器１０３に供給するように構成されている。

【0128】

ＣＯ触媒内筒１０９は、鉛直方向に中心軸を有し、蒸発外筒１０２よりも短く、上端部１０７と下端部１０８との間の部分の内径が蒸発外筒１０２の外径よりも大きく、上端部１０７と下端部１０８とを蒸発外筒１０２の外周面に溶接で取り付け可能に構成されてい
る。

【0129】

ＣＯ触媒外筒１１０は、鉛直方向に中心軸を有し、ＣＯ触媒内筒１０９よりも短く、ＣＯ触媒内筒１０９を囲むように配置されている。

【0130】

ＣＯ低減触媒１１１は、改質器１０３において混合ガスから改質反応で生成され改質器１０３から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間における下側部分に充填されている。

【0131】

ＣＯ低減下棚板１１２は、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間に配置されＣＯ低減触媒１１１を下部から支えるドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒１１１の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0132】

ＣＯ低減上棚板１１３は、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間に配置されＣＯ低減触媒１１１の上部を覆うドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒１１１の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0133】

ＣＯ除去触媒１１４は、ＣＯ低減触媒１１１から排出される二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間における上側部分に充填されている。

【0134】

ＣＯ除去下棚板１１５は、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間に配置されＣＯ除去触媒１１４を下部から支えるドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒１１４の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0135】

ＣＯ除去上棚板１１６は、ＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０との間に配置されＣＯ除去触媒１１４の上部を覆うドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒１１４の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0136】

空気混合筒１１８は、鉛直方向に中心軸を有し、上下両端部がＣＯ低減上棚板１１３とＣＯ除去下棚板１１５との間でＣＯ触媒内筒１０９の外周面に固定される筒状の部材であって、ＣＯ低減上棚板１１３とＣＯ除去下棚板１１５とＣＯ触媒内筒１０９とＣＯ触媒外筒１１０とで囲まれた空間を、内周側空間である第２流路１１７と外周側空間とに区画するように構成されている。

【0137】

区画部材１２１は、略ドーナツ盤形状で、外周側空間を外周側上部空間であるヘッダー流路１１９と外周側下部空間である第１流路１２０とに区画するように、内周側端部が空気混合筒１１８に固定され、外周側端部がＣＯ触媒外筒１１０に固定されている。

【0138】

【0139】

空気混合筒１１８は、ＣＯ触媒内筒１０９を挟んで空気供給管１２２の先端と対向する位置で第１流路１２０の空気と混合された二次水素含有ガスを第２流路１１７に流入させる第２流路入口１２３と、空気混合筒１１８の上端部に向かうに従って空気混合筒１１８の径が小さくなるように傾斜する傾斜部１２４と、傾斜部１２４に円周方向に複数設けられ第２流路１１７の空気と混合された二次水素含有ガスをヘッダー流路１１９に流出させる吹き出し穴１２５と、を有している。

【0140】

そして、ＣＯ触媒ユニット１００は、ＣＯ触媒内筒１０９の上端部１０７と下端部１０８とを、蒸発外筒１０２の外周面に溶接で取り付けた場合に、ＣＯ触媒内筒１０９と蒸発外筒１０２との間に、伝熱緩衝空間１２６が形成されるように構成されている。

【0141】

上記構成のＣＯ触媒内筒１０９を設けることで、自立可能なサブユニットとして予めＣＯ触媒ユニット１００を構成することができる。

【0142】

【0143】

【0144】

また、ＣＯ触媒内筒１０９は、上端部１０７と下端部１０８との間の部分の内径が蒸発外筒１０２の外径よりも大きく、上端部１０７と下端部１０８とを蒸発外筒１０２の外周面に溶接で取り付け可能に構成されているので、ＣＯ触媒内筒１０９を蒸発外筒１０２に取り付けた時に、ＣＯ触媒内筒１０９と蒸発外筒１０２との間に伝熱緩衝空間１２６が形成されるので、従来必要であったＣＯ低減触媒１１１部の区画部材（ＣＯ低減ヨドミ）とＣＯ除去触媒１１４部の区画部材（ＣＯ除去ヨドミ）を設ける必要がなく、差し引き１部品を削減することが可能となる。

【0145】

また、ＣＯ触媒ユニット１００は、予めサブユニットとして組み立てが終了して自立しているので、水素生成装置１９９の製造時には、ＣＯ低減触媒１１１及びＣＯ除去触媒１１４の充填作業が製造ラインでは発生しないので製造ラインの自動化が可能となる。

【0146】

（実施の形態２）
以下、図１１～図２０を用いて、実施の形態２を説明する。

【0147】

［２－１．構成］
図１１と図１３から図１５に示すように、ＣＯ触媒ユニット２００は、蒸発器２０５の外周面に溶接で取り付けられるユニットであって、ＣＯ触媒内筒２０９と、ＣＯ触媒外筒２１０と、ＣＯ低減触媒２１１と、ＣＯ低減下棚板２１２と、ＣＯ低減上棚板２１３と、ＣＯ除去触媒２１４と、ＣＯ除去下棚板２１５と、ＣＯ除去上棚板２１６と、区画部材２２１と、空気供給管２２２と、を備えている。

【0148】

図１２から図１５に示すように、蒸発器２０５は、鉛直方向に中心軸を有する蒸発内筒２０１と、鉛直方向に中心軸を有し蒸発内筒２０１よりも鉛直方向の長さが短く蒸発内筒２０１を囲むように配置された蒸発外筒２０２との間に、外部から供給される改質水が蒸発内筒２０１から伝わる加熱器２５０の燃焼による熱（燃焼排ガスの熱を含む）で加熱されながら螺旋状に流れる螺旋状流路２０４が形成され、外部から供給される炭化水素系の原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質器２０３に供給するように構成されている。

【0149】

蒸発内筒２０１と蒸発外筒２０２を水平な面で切断した場合の断面は、それぞれ円形で
ある。

【0150】

螺旋状流路２０４を形成するために、蒸発内筒２０１と蒸発外筒２０２との間には、螺旋状の棒材が配置されており、その棒材の外周面は蒸発内筒２０１の外周面と蒸発外筒２０２の内周面とに接触している。

【0151】

蒸発外筒２０２の上端は、蒸発内筒２０１側に曲げられて、蒸発内筒２０１の上端よりも低い位置で、蒸発内筒２０１の外周面に接合されており、蒸発外筒２０２の下端は、蒸発内筒２０１側に曲げられて、蒸発内筒２０１の下端よりも高い位置で、蒸発内筒２０１の外周面に接合されている。

【0152】

蒸発外筒２０２の上端に近い部分には、外部から供給される改質水を蒸発器２０５内に供給する改質水供給管（図示せず）を接続するための孔と、外部から供給される炭化水素系の原料ガスを蒸発器２０５内に供給する原料ガス供給管（図示せず）を接続するための孔とが形成されている。原料ガスには、都市ガスやＬＰガスを用いることができる。

【0153】

蒸発外筒２０２の下端に近い部分には、改質水が螺旋状流路２０４を流れるときに加熱されて気化した水蒸気と原料ガスとの混合ガスを、蒸発器２０５内から排出するための孔が形成されている。

【0154】

ＣＯ触媒内筒２０９は、鉛直方向に中心軸を有し、蒸発外筒２０２よりも鉛直方向の長さが短い。そして、ＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７は、蒸発外筒２０２の上端部よりも低い位置にあり、ＣＯ触媒内筒２０９の下端部２０８は、蒸発外筒２０２の下端部よりも高い位置にある。ＣＯ触媒内筒２０９は、上端部２０７と下端部２０８とを蒸発外筒２０２の外周面に溶接で取り付け可能に構成されている。

【0155】

ＣＯ触媒外筒２１０は、鉛直方向に中心軸を有し、ＣＯ触媒内筒２０９よりも鉛直方向の長さが短く、ＣＯ触媒内筒２０９を囲むように配置されている。ＣＯ触媒外筒２１０の上端部は、ＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７よりも低い位置にあり、ＣＯ触媒外筒２１０の下端部は、ＣＯ触媒内筒２０９の下端部２０８よりも高い位置にある。

【0156】

ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０を水平な面で切断した場合の断面は、それぞれ円形である。

【0157】

ＣＯ低減触媒２１１は、改質器２０３において混合ガスから改質反応で生成され改質器２０３から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成された粒状の触媒である。また、ＣＯ低減触媒２１１は、ＣＯ触媒内筒２０９の外周面とＣＯ触媒外筒２１０の内周面との間における下側部分に充填されている。

【0158】

ＣＯ低減下棚板２１２は、内周の縁が下方に折り曲げられたドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒２１１を下部から支える（ＣＯ低減触媒２１１が落下しない）ようにＣＯ触媒内筒２０９の外周面とＣＯ触媒外筒２１０の内周面との間に配置されており、ＣＯ触媒内筒２０９の外周面に固定されている。

【0159】

ＣＯ低減下棚板２１２には、ＣＯ低減触媒２１１の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0160】

ＣＯ低減上棚板２１３は、内周の縁が上方に折り曲げられたドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒２１１の上部を覆うようにＣＯ触媒内筒２０９の外周面とＣＯ触媒外
筒２１０の内周面との間に配置されており、ＣＯ触媒内筒２０９の外周面に固定されている。

【0161】

ＣＯ低減上棚板２１３には、ＣＯ低減触媒２１１の粒子径より小さい通気口が形成されている。ＣＯ低減上棚板２１３は、ＣＯ低減上棚板２１３の外周の縁とＣＯ触媒外筒２１０の内周面との間の隙間がＣＯ低減触媒２１１の粒子径より小さくなるように構成されている。

【0162】

ＣＯ除去触媒２１４は、ＣＯ低減触媒２１１から排出される二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成された粒状の触媒である。また、ＣＯ除去触媒２１４は、ＣＯ触媒内筒２０９の外周面とＣＯ触媒外筒２１０の内周面との間における上側部分に充填されている。

【0163】

ＣＯ除去下棚板２１５は、内周の縁が下方に折り曲げられたドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒２１４を下部から支える（ＣＯ除去触媒２１４が落下しない）ようにＣＯ触媒内筒２０９の外周面とＣＯ触媒外筒２１０の内周面との間に配置されており、ＣＯ触媒内筒２０９の外周面に固定されている。ＣＯ除去下棚板２１５には、ＣＯ除去触媒２１４の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0164】

ＣＯ除去下棚板２１５は、ＣＯ除去下棚板２１５の外周の縁とＣＯ触媒外筒２１０の内周面との間の隙間がＣＯ除去触媒２１４の粒子径より小さくなるように構成されている。

【0165】

ＣＯ除去上棚板２１６は、内周の縁が上方に折り曲げられたドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒２１４の上部を覆うようにＣＯ触媒内筒２０９の外周面とＣＯ触媒外筒２１０の内周面との間に配置されており、ＣＯ触媒内筒２０９の外周面に固定されている。

【0166】

ＣＯ除去上棚板２１６には、ＣＯ除去触媒２１４の粒子径より小さい通気口が形成されている。ＣＯ除去上棚板２１６は、ＣＯ除去上棚板２１６の外周の縁とＣＯ触媒外筒２１０の内周面との間の隙間がＣＯ除去触媒２１４の粒子径より小さくなるように構成されている。

【0167】

区画部材２２１は、略ドーナツ盤形状で、ＣＯ低減上棚板２１３とＣＯ除去下棚板２１５とＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０とで囲まれた空間を、上部空間であるヘッダー流路２１９と下部空間である第１流路２２０とに区画するように、内周側端部がＣＯ触媒内筒２０９に固定され、外周側端部がＣＯ触媒外筒２１０に固定されている。

【0168】

空気供給管２２２は、ＣＯ低減上棚板２１３と区画部材２２１との間でＣＯ触媒外筒２１０を貫通して、第１流路２２０に空気を供給するように構成されている。

【0169】

ＣＯ触媒内筒２０９は、区画部材２２１よりも上方でＣＯ除去下棚板２１５よりも下方に小径部２３０を有し、ＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７と下端部２０８との間の部分は、小径部２３０を除いて内径が蒸発外筒２０２の外径よりも大きく形成されている。

【0170】

ＣＯ触媒ユニット２００は、ＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７と下端部２０８とを蒸発外筒２０２の外周面に溶接で取り付けた場合に、ＣＯ触媒内筒２０９と蒸発外筒２０２との間に伝熱緩衝空間２２６が形成されるように構成されている。

【0171】

この伝熱緩衝空間２２６は、小径部２３０によって上側の伝熱緩衝空間２２６と下側の伝熱緩衝空間２２６とに分けられ、下側の伝熱緩衝空間２２６は第２流路２１７となるよ
うに構成されている。

【0172】

ＣＯ触媒内筒２０９は、蒸発外筒２０２を挟んで空気供給管２２２の先端（空気の出口）と対向する位置で第１流路２２０の空気と混合された二次水素含有ガスを第２流路２１７に流入させる第２流路入口２２３と、小径部２３０の下側に隣接し小径部２３０に向かうに従ってＣＯ触媒内筒２０９の径が小さくなるように傾斜する傾斜部２２４と、傾斜部２２４に円周方向に複数設けられ第２流路２１７の空気と混合された二次水素含有ガスをヘッダー流路２１９に流出させる吹き出し穴２２５と、を有している。

【0173】

第２流路入口２２３は、第２流路２１７内に流入したガスを周方向に回転させる方向に切り起こし穴形状で形成されている。

【0174】

本実施の形態の水素生成装置２９９は、ＣＯ触媒ユニット２００と、蒸発器２０５と、改質器２０３と、加熱器２５０と、改質ガスリターン流路２５１を構成する部材と、改質ガス出口部２５２を構成する部材と、を組み合わせて構成されている。

【0175】

改質器２０３は、蒸発器２０５の下側に接合されるものであって、改質触媒内筒と、改質触媒外筒と、改質触媒と、改質触媒下棚板と、改質触媒上棚板と、を備えている。

【0176】

改質触媒内筒は、鉛直方向に中心軸を有し下端開口部が塞がれた有底円筒形状で、内径が蒸発内筒２０１の内径と同じ寸法で、外径が蒸発内筒２０１の外径と同じ寸法で、蒸発内筒２０１を下方に延長するような形で蒸発内筒２０１の下端に接合されている。

【0177】

改質触媒外筒は、鉛直方向に中心軸を有し、径が蒸発外筒２０２よりも大きくてＣＯ触媒外筒２１０よりも小さい略円筒形状で、蒸発外筒２０２の下端部と改質触媒内筒とを囲むように配置されている。改質触媒外筒の上端は、蒸発外筒２０２側に曲げられて、蒸発器２０５から混合ガスを排出するための孔よりも高い位置で、蒸発外筒２０２の外周面に接合されている。

【0178】

改質触媒は、蒸発器２０５から排出された混合ガスから改質反応で一次水素含有ガスを生成するように構成された粒状の触媒である。また、改質触媒は、改質触媒内筒の外周面と改質触媒外筒の内周面との間に充填されている。

【0179】

【0180】

【0181】

改質ガスリターン流路２５１は、改質触媒から下方に排出された一次水素含有ガスの流れを上向きに変えてＣＯ低減触媒２１１に導く流路である。

【0182】

改質ガスリターン流路２５１を構成する部材は、鉛直方向に中心軸を有し下端開口部が塞がれた有底円筒形状である。改質ガスリターン流路２５１を構成する部材におけるＣＯ触媒内筒２０９をＣＯ触媒外筒２１０よりも下方で囲む部分は、蒸発器２０５（蒸発外筒２０２）におけるＣＯ触媒内筒２０９の下端部２０８よりも低い部分と改質器２０３（改
質触媒外筒）を囲む部分よりも径（内径）が大きく構成されている。

【0183】

改質ガスリターン流路２５１を構成する部材における大径部（ＣＯ触媒内筒２０９をＣＯ触媒外筒２１０よりも下方で囲む部分）は、内径がＣＯ触媒外筒２１０の内径と同じ寸法で、外径がＣＯ触媒外筒２１０の外径と同じ寸法で、ＣＯ触媒外筒２１０を下方に延長するような形でＣＯ触媒外筒２１０の下端に接合されている。

【0184】

改質ガスリターン流路２５１を構成する部材における小径部（蒸発器２０５におけるＣＯ触媒内筒２０９よりも低い部分と改質器２０３を囲む部分）は、径が改質触媒外筒よりも大きくてＣＯ触媒外筒２１０よりも小さく、改質触媒外筒と小径部（蒸発器２０５におけるＣＯ触媒内筒２０９よりも低い部分と改質器２０３を囲む部分）との間を、改質触媒から下方に排出されて改質ガスリターン流路２５１を構成する部材の底部と改質触媒外筒の下端との隙間を通って上方に折り返した一次水素含有ガスが、通流するように構成されている。

【0185】

改質ガスリターン流路２５１を構成する部材の底部は、改質触媒内筒の底部よりも大きく、改質ガスリターン流路２５１を構成する部材の底部は、改質触媒内筒の底部よりも下方に位置するように構成されている。

【0186】

加熱器２５０は、蒸発器２０５（蒸発内筒２０１）の内周側に配置され、燃焼用空気が混合された可燃性ガスを燃焼して燃焼排ガスを排出するバーナと、バーナに可燃性ガスを供給するガス供給管と、バーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管と、を備えている。

【0187】

可燃性ガスには、原料ガス（都市ガスやＬＰガス）を用いることができ、水素生成装置２９９が燃料電池に水素含有ガスを燃料ガスとして供給する場合は、燃料電池で利用されずに燃料電池から排出される燃料ガス（アノードオフガス）を用いることができる。

【0188】

加熱器２５０のバーナは、下向きの炎を形成するように構成されている。加熱器２５０は、加熱器２５０の外周面と蒸発内筒２０１の内周面との隙間を、燃焼排ガスが上方に流れるように構成されている。

【0189】

加熱器２５０の下側には、燃焼排ガスが上方に流れる流路を、加熱器２５０よりも下側に延長するように、外径が加熱器２５０の外周面の径と同じ寸法の燃焼筒が継ぎ足されている。燃焼筒の下端は、改質触媒内筒の底部よりも高い位置で、改質触媒内筒の底部に近接している。

【0190】

蒸発器２０５と加熱器２５０と改質器２０３と燃焼筒は、加熱器２５０のバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスが、燃焼筒の内周面に沿って燃焼筒の内周側を下方に流れた後に、改質触媒内筒の底部と燃焼筒の下端との隙間を通って上方に折り返して、燃焼筒の外周面と改質触媒内筒の内周面との隙間、燃焼筒の外周面と蒸発内筒２０１の内周面との隙間、加熱器２５０の外周面と蒸発内筒２０１の内周面との隙間を、この順に通流して、蒸発内筒２０１における上部に設けられた燃焼排ガス出口から水素生成装置２９９の外部に排出されるように構成されている。

【0191】

改質ガス出口部２５２を構成する部材は、鉛直方向に中心軸を有し、ＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７を囲み、上端が、改質水供給管（図示せず）を接続するための孔と原料ガス供給管（図示せず）を接続するための孔よりも低い位置で、蒸発外筒２０２の外周面に接合され、下端が、ＣＯ触媒外筒２１０の上端に接合されている。また、改質ガス出口部２５２を構成する部材は、ＣＯ除去触媒２１４から上方に排出された三次水素含有ガス
を水素生成装置２９９の外部に排出（供給）する出口管を備えている。

【0192】

水素生成装置２９９は、加熱器２５０のバーナの燃焼で発生した熱（燃焼排ガスの熱を含む）が、改質触媒内筒を介して改質触媒に伝わって改質触媒を改質反応に適した温度に加熱すると共に、蒸発内筒２０１を介して蒸発器２０５内を螺旋状に流れる改質水に伝わって改質水を蒸発させるように構成されている。

【0193】

また、水素生成装置２９９は、改質触媒から排出されＣＯ低減触媒２１１に流入する一次水素含有ガスの熱と、蒸発器２０５から伝熱緩衝空間２２６とＣＯ触媒内筒２０９とを介してＣＯ低減触媒２１１に伝わる熱とが、ＣＯ低減触媒２１１を変成反応に適した温度に加熱するように構成されている。

【0194】

また、水素生成装置２９９は、ＣＯ低減触媒２１１から排出されＣＯ除去触媒２１４に流入する二次水素含有ガスの熱と、蒸発器２０５から伝熱緩衝空間２２６とＣＯ触媒内筒２０９とを介してＣＯ除去触媒２１４に伝わる熱とが、ＣＯ除去触媒２１４を選択酸化反応に適した温度に加熱するように構成されている。

【0195】

［２－２．動作］
以上のように構成されたＣＯ触媒ユニット２００及び水素生成装置２９９について、以下その動作、作用を説明する。

【0196】

水素生成装置２９９において、必要な水素量を得るために、原料ガスと改質水が、適正な比率で改質水供給管（図示せず）と原料ガス供給管（図示せず）から蒸発器２０５に供給される。供給された改質水は、蒸発器２０５の螺旋状流路２０４に沿って流れながら蒸発内筒２０１を介して伝わる加熱器２５０の熱（燃焼排ガスの熱を含む）によって水蒸気となり、原料ガスと混合される。

【0197】

原料ガスと水蒸気の混合ガスは、改質器２０３へ供給され、改質触媒内筒を介して伝わる加熱器２５０の熱（燃焼排ガスの熱を含む）によって改質反応に適した温度に加熱された改質触媒により水蒸気改質反応が行われて一次水素含有ガスとなる。

【0198】

改質器２０３から排出された一次水素含有ガスは、改質ガスリターン流路２５１を通流して、ＣＯ触媒ユニット２００のＣＯ低減触媒２１１に下方から供給され、ＣＯ低減触媒２１１の変成反応により、一次水素含有ガス中のＣＯ濃度が０．１～０．２％程度まで低減されて二次水素含有ガスとなる。

【0199】

このとき、ＣＯ低減触媒２１１は、改質器２０３（改質触媒）から排出されＣＯ低減触媒２１１に流入する一次水素含有ガスの熱と、蒸発器２０５から伝熱緩衝空間２２６とＣＯ触媒内筒２０９とを介してＣＯ低減触媒２１１に伝わる熱とによって、変成反応に適した温度に加熱されている。

【0200】

ＣＯ低減触媒２１１から第１流路２２０に排出された二次水素含有ガスは、空気供給管２２２から供給された空気と共に、ＣＯ触媒内筒２０９の第２流路入口２２３から第２流路２１７に流入した後に、ＣＯ触媒内筒２０９の吹き出し穴２２５からヘッダー流路２１９に流出する。

【0201】

二次水素含有ガスと空気は、十分に混合された状態で、ヘッダー流路２１９からＣＯ除去触媒２１４に供給され、ＣＯ除去触媒２１４の選択酸化反応により、ＣＯ濃度が数ｐｐｍ程度にまで低減されて三次水素含有ガスとなる。

【0202】

このとき、ＣＯ除去触媒２１４は、ＣＯ低減触媒２１１から排出されＣＯ除去触媒２１４に流入する二次水素含有ガスの熱と、蒸発器２０５から伝熱緩衝空間２２６とＣＯ触媒内筒２０９とを介してＣＯ除去触媒２１４に伝わる熱とによって、選択酸化反応に適した温度に加熱されている。

【0203】

ＣＯ除去触媒２１４から改質ガス出口部２５２に排出された三次水素含有ガスは、改質ガス出口部２５２の出口管から水素生成装置２９９の外に出ていき、燃料電池などの水素利用機器に供給される。

【0204】

加熱器２５０のバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスは、燃焼筒の内周面に沿って燃焼筒の内周側を下方に流れた後に、改質触媒内筒の底部と燃焼筒の下端との隙間を通って上方に折り返して、燃焼筒の外周面と改質触媒内筒の内周面との隙間、燃焼筒の外周面と蒸発内筒２０１の内周面との隙間、加熱器２５０の外周面と蒸発内筒２０１の内周面との隙間を、この順に放熱しながら通流して、蒸発内筒２０１における上部に設けられた燃焼排ガス出口から水素生成装置２９９の外部に排出される。

【0205】

（ＣＯ触媒ユニットの組立手順）
次に、予め組み立てて自立可能なサブユニットとしてのＣＯ触媒ユニット２００の組立手順について説明する。

【0206】

図１６に示すように、ＣＯ触媒内筒２０９の外周面の所定の高さ位置に、ＣＯ除去下棚板２１５と、ＣＯ低減上棚板２１３と、区画部材２２１の内周部とを、それぞれ溶接で固定する。

【0207】

次に、図１７に示すように、ＣＯ触媒外筒２１０の所定の高さ位置に区画部材２２１の外周部を溶接で固定する。

【0208】

この状態で、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との高さ方向の相対位置関係が定まるとともに、ＣＯ除去触媒２１４とＣＯ低減触媒２１１がそれぞれ収納される空間の内筒と外筒が構成される。

【0209】

次に、図１８に示すように、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間でＣＯ除去下棚板２１５の上にＣＯ除去触媒２１４を所定量充填して、ＣＯ除去上棚板２１６を、ＣＯ除去触媒２１４の上部を覆うようにＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間に配置して、ＣＯ除去上棚板２１６の内周部をＣＯ触媒内筒２０９の外周面に固定する。

【0210】

これにより、ＣＯ除去触媒２１４が、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０とＣＯ除去下棚板２１５とＣＯ除去上棚板２１６とに囲まれた部分に保持されるようになる。

【0211】

次に、図１９に示すように、この組立途中のＣＯ触媒ユニット１００を上下逆（上端部２０７が下で下端部２０８が上になる状態）にする。

【0212】

次に、図２０に示すように、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間でＣＯ低減上棚板２１３の上にＣＯ低減触媒２１１を所定量充填して、ＣＯ低減下棚板２１２を、ＣＯ低減触媒２１１の上部を覆うようにＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間に配置して、ＣＯ低減下棚板２１２の内周部をＣＯ触媒内筒２０９の外周面に固定する。

【0213】

これにより、ＣＯ低減触媒２１１が、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０とＣＯ低減上棚板２１３とＣＯ低減下棚板２１２とに囲まれた部分に保持されるようになる。

【0214】

次に、この組立途中のＣＯ触媒ユニット２００を上下正常状態（上端部２０７が上で下端部２０８が下になる状態）に戻して、ＣＯ触媒外筒２１０を貫通して、第１流路２２０に空気を供給できるように、空気供給管２２２をＣＯ触媒外筒２１０に取付けて、ＣＯ触媒ユニットの組立が完了する。

【0215】

（ＣＯ触媒ユニットの水素生成装置への取り付け）
図１３に示すように、ＣＯ触媒ユニット２００のＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７と下端部２０８を、それぞれ蒸発外筒２０２の外周面に溶接で取り付ける。

【0216】

蒸発外筒２０２はＣＯ触媒内筒２０９よりも長く、ＣＯ触媒内筒２０９はＣＯ触媒外筒２１０よりも長く構成されており、蒸発外筒２０２を囲むＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７は、蒸発外筒２０２の上端部よりも低い位置にあり、ＣＯ触媒内筒２０９を囲むＣＯ触媒外筒２１０の上端部は、ＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７よりも低い位置にあり、蒸発外筒２０２を囲むＣＯ触媒内筒２０９の下端部２０８は、蒸発外筒２０２の下端部よりも高い位置にあり、ＣＯ触媒内筒２０９を囲むＣＯ触媒外筒２１０の下端部は、ＣＯ触媒内筒２０９の下端部２０８よりも高い位置にある。

【0217】

そのため、蒸発外筒２０２の外周面にＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７と下端部２０８を溶接で取り付けるときに、溶接トーチがＣＯ触媒外筒２１０に干渉しないので、容易に溶接することができる。

【0218】

また、ＣＯ触媒内筒２０９は、区画部材２２１よりも上方でＣＯ除去下棚板２１５よりも下方に小径部２３０を有し、ＣＯ触媒内筒２０９の上端部２０７と下端部２０８との間の部分は、小径部２３０を除いて内径が蒸発外筒２０２の外径よりも大きく形成されており、上端部２０７と下端部２０８とを蒸発外筒２０２の外周面に溶接で取り付け可能に構成されているので、ＣＯ触媒内筒２０９を蒸発外筒２０２に取り付けた時に、ＣＯ触媒内筒２０９と蒸発外筒２０２との間に、小径部２３０によって上側と下側に分けられた伝熱緩衝空間２２６が形成され、下側の伝熱緩衝空間は第２流路２１７となる。

【0219】

第２流路入口２２３は、ＣＯ触媒内筒２０９に形成され、蒸発外筒２０２を挟んで空気供給管２２２の先端と対向する位置で、第１流路２２０の空気と混合された二次水素含有ガスを第２流路２１７に流入させる。

【0220】

吹き出し穴２２５は、小径部２３０の下側に隣接し小径部２３０に向かうに従ってＣＯ触媒内筒２０９の径が小さくなるように傾斜する傾斜部２２４にあって、傾斜部２２４に円周方向に複数設けられており、第２流路２１７の空気と混合された二次水素含有ガスをヘッダー流路２１９に流出させる。

【0221】

［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ＣＯ触媒ユニット２００は、蒸発器２０５の外周面に溶接で取り付けられるユニットであって、ＣＯ触媒内筒２０９と、ＣＯ触媒外筒２１０と、ＣＯ低減触媒２１１と、ＣＯ低減下棚板２１２と、ＣＯ低減上棚板２１３と、ＣＯ除去触媒２１４と、ＣＯ除去下棚板２１５と、ＣＯ除去上棚板２１６と、区画部材２２１と、空気供給管２２２と、を備えている。

【0222】

蒸発器２０５は、鉛直方向に中心軸を有する蒸発内筒２０１と、鉛直方向に中心軸を有し蒸発内筒２０１よりも短く蒸発内筒２０１を囲むように配置された蒸発外筒２０２との間に、外部から供給される改質水が蒸発内筒２０１から伝わる熱で加熱されながら螺旋状に流れる螺旋状流路２０４が形成され、外部から供給される原料ガスと水蒸気との混合ガスを改質器２０３に供給するように構成されている。

【0223】

ＣＯ触媒内筒２０９は、鉛直方向に中心軸を有し、蒸発外筒２０２よりも短く、上端部２０７と下端部２０８とを蒸発外筒２０２の外周面に溶接で取り付け可能に構成されている。

【0224】

ＣＯ触媒外筒２１０は、鉛直方向に中心軸を有し、ＣＯ触媒内筒２０９よりも短く、ＣＯ触媒内筒２０９を囲むように配置されている。

【0225】

ＣＯ低減触媒２１１は、改質器２０３において混合ガスから改質反応で生成され改質器２０３から排出された一次水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応で低減して二次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間における下側部分に充填されている。

【0226】

ＣＯ低減下棚板２１２は、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間に配置されＣＯ低減触媒２１１を下部から支えるドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒２１１の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0227】

ＣＯ低減上棚板２１３は、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間に配置されＣＯ低減触媒２１１の上部を覆うドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ低減触媒２１１の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0228】

ＣＯ除去触媒２１４は、ＣＯ低減触媒２１１から排出される二次水素含有ガスの一酸化炭素の濃度を選択酸化反応で更に低減して、三次水素含有ガスとして排出するように構成された触媒であって、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間における上側部分に充填されている。

【0229】

ＣＯ除去下棚板２１５は、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間に配置されＣＯ除去触媒２１４を下部から支えるドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒２１４の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0230】

ＣＯ除去上棚板２１６は、ＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０との間に配置されＣＯ除去触媒２１４の上部を覆うドーナツ盤形状の棚板であって、ＣＯ除去触媒２１４の粒子径より小さい通気口が形成されている。

【0231】

区画部材２２１は、内周側端部がＣＯ触媒内筒２０９に固定され、外周側端部がＣＯ触媒外筒２１０に固定される、ドーナツ盤形状の部材であって、ＣＯ低減上棚板２１３とＣＯ除去下棚板２１５とＣＯ触媒内筒２０９とＣＯ触媒外筒２１０とで囲まれた空間を、上部空間であるヘッダー流路２１９と下部空間である第１流路２２０とに区画するように構成されている。

【0232】

【0233】

【0234】

【0235】

【0236】

ＣＯ触媒内筒２０９は、蒸発外筒２０２を挟んで空気供給管２２２の先端と対向する位置で第１流路２２０の空気と混合された二次水素含有ガスを第２流路２１７に流入させる第２流路入口２２３と、小径部２３０の下側に隣接し小径部２３０に向かうに従ってＣＯ触媒内筒２０９の径が小さくなるように傾斜する傾斜部２２４と、傾斜部２２４に円周方向に複数設けられ第２流路２１７の空気と混合された二次水素含有ガスをヘッダー流路２１９に流出させる吹き出し穴２２５と、を有している。

【0237】

上記構成のＣＯ触媒内筒２０９を設けることで、自立可能なサブユニットとして予めＣＯ触媒ユニット２００を構成することができる。

【0238】

【0239】

【0240】

【0241】

そのため、ＣＯ触媒ユニット２００を蒸発外筒２０２に取付けることで、ＣＯ低減触媒２１１が充填されている部分と蒸発器２０５との間とＣＯ除去触媒２１４が充填されている部分と蒸発器２０５との間との２箇所にそれぞれ伝熱緩衝空間２２６を形成することができるとともに、ＣＯ低減触媒２１１が充填されている部分と蒸発器２０５との間の伝熱緩衝空間２２６を第２流路２１７として利用することもできる。

【0242】

これにより、従来必要であったＣＯ低減触媒２１１部の区画部材（ＣＯ低減ヨドミ）とＣＯ除去触媒２１４部の区画部材（ＣＯ除去ヨドミ）と空気混合筒を設ける必要がなくなるので、差し引き２部品を削減することが可能となる。

【0243】

また、ＣＯ触媒ユニット２００は、予めサブユニットとして組み立てが終了して自立しているので、水素生成装置２９９の製造時には、ＣＯ低減触媒２１１及びＣＯ除去触媒２１４の充填作業が製造ラインでは発生しないので製造ラインの自動化が可能となる。

【0244】

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特
許請求の範囲またはその均等の範囲において様々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0245】

本開示は、多重筒構成で、筒間のスキマ部に触媒を充填する必要がある容器に適用可能である。具体的には、水素生成装置などに、本開示は適用可能である。

【符号の説明】

【0246】

１００ＣＯ触媒ユニット
１０１蒸発内筒
１０２蒸発外筒
１０３改質器
１０４螺旋状流路
１０５蒸発器
１０７上端部
１０８下端部
１０９ＣＯ触媒内筒
１１０ＣＯ触媒外筒
１１１ＣＯ低減触媒
１１２ＣＯ低減下棚板
１１３ＣＯ低減上棚板
１１４ＣＯ除去触媒
１１５ＣＯ除去下棚板
１１６ＣＯ除去上棚板
１１７第２流路
１１８空気混合筒
１１９ヘッダー流路
１２０第１流路
１２１区画部材
１２２空気供給管
１２３第２流路入口
１２４傾斜部
１２５吹き出し穴
１２６伝熱緩衝空間
１５０加熱器
１５１改質ガスリターン流路
１５２改質ガス出口部
１９９水素生成装置
２００ＣＯ触媒ユニット
２０１蒸発内筒
２０２蒸発外筒
２０３改質器
２０４螺旋状流路
２０５蒸発器
２０７上端部
２０８下端部
２０９ＣＯ触媒内筒
２１０ＣＯ触媒外筒
２１１ＣＯ低減触媒
２１２ＣＯ低減下棚板
２１３ＣＯ低減上棚板
２１４ＣＯ除去触媒
２１５ＣＯ除去下棚板
２１６ＣＯ除去上棚板
２１７第２流路
２１９ヘッダー流路
２２０第１流路
２２１区画部材
２２２空気供給管
２２３第２流路入口
２２４傾斜部
２２５吹き出し穴
２２６伝熱緩衝空間
２３０小径部
２５０加熱器
２５１改質ガスリターン流路
２５２改質ガス出口部
２９９水素生成装置

【図1】