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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】P2024122089
(43)【公開日】2024-09-09
(54)【発明の名称】水素生成装置
(51)【国際特許分類】
C01B 3/38 20060101AFI20240902BHJP
【ＦＩ】
C01B3/38
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023029424
(22)【出願日】2023-02-28
(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】110004314
【氏名又は名称】弁理士法人青藍国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100107641
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 耕一
(74)【代理人】
【識別番号】100168273
【弁理士】
【氏名又は名称】古田 昌稔
(72)【発明者】
【氏名】西崎 柾峻
(72)【発明者】
【氏名】武田 憲有
(72)【発明者】
【氏名】宮脇 理
【テーマコード（参考）】
4G140
【Ｆターム（参考）】
4G140EA03
4G140EA06
4G140EB03
4G140EB12
(57)【要約】
【課題】製造容易性及びＣＯ低減触媒の温度検出の精度を向上させることに適した水素生成装置を提供する。
【解決手段】本開示の水素生成装置１００は、加熱器１２０と、改質触媒１２２ｃを含む改質器１２２と、ＣＯ低減触媒１２３ｃを含むＣＯ低減器１２３と、ＣＯ低減器１２３の内部の温度を検出するように上外筒１３３に取り付けられた温度センサ１５０と、ＣＯ低減触媒１２３ｃを下方から支持するように内筒１３２と上外筒１３３との間の空間に温度センサ１５０から離間して配置された棚板１５１と、を備える。下外筒１３４は、上外筒１３３の下端部１３３ｅに接合されるとともに上外筒１３３の内側に位置する上端部１３５を有する。棚板１５１が下外筒１３４の上端部１３５によって支持されている。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】本開示の水素生成装置１００は、加熱器１２０と、改質触媒１２２ｃを含む改質器１２２と、ＣＯ低減触媒１２３ｃを含むＣＯ低減器１２３と、ＣＯ低減器１２３の内部の温度を検出するように上外筒１３３に取り付けられた温度センサ１５０と、ＣＯ低減触媒１２３ｃを下方から支持するように内筒１３２と上外筒１３３との間の空間に温度センサ１５０から離間して配置された棚板１５１と、を備える。下外筒１３４は、上外筒１３３の下端部１３３ｅに接合されるとともに上外筒１３３の内側に位置する上端部１３５を有する。棚板１５１が下外筒１３４の上端部１３５によって支持されている。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
加熱器と、
前記加熱器を周方向に包囲する有底筒状の隔壁と、
前記隔壁を周方向に包囲する内筒と、
前記内筒の上部を周方向に包囲する上外筒と、
前記上外筒の下端部に接合されるとともに前記上外筒の内側に位置する上端部を有し、前記内筒の下部を周方向に包囲する有底の下外筒と、
前記隔壁と前記内筒との間の空間に充填された改質触媒を含む改質器と、
前記内筒と前記上外筒との間の空間に充填されたＣＯ低減触媒を含むＣＯ低減器と、
前記ＣＯ低減器の内部の温度を検出するように前記上外筒に取り付けられた温度センサと、
前記ＣＯ低減触媒を下方から支持するように前記内筒と前記上外筒との間の前記空間に前記温度センサから離間して配置され、前記下外筒の前記上端部によって支持された棚板と、
を備えた、水素生成装置。
前記加熱器を周方向に包囲する有底筒状の隔壁と、
前記隔壁を周方向に包囲する内筒と、
前記内筒の上部を周方向に包囲する上外筒と、
前記上外筒の下端部に接合されるとともに前記上外筒の内側に位置する上端部を有し、前記内筒の下部を周方向に包囲する有底の下外筒と、
前記隔壁と前記内筒との間の空間に充填された改質触媒を含む改質器と、
前記内筒と前記上外筒との間の空間に充填されたＣＯ低減触媒を含むＣＯ低減器と、
前記ＣＯ低減器の内部の温度を検出するように前記上外筒に取り付けられた温度センサと、
前記ＣＯ低減触媒を下方から支持するように前記内筒と前記上外筒との間の前記空間に前記温度センサから離間して配置され、前記下外筒の前記上端部によって支持された棚板と、
を備えた、水素生成装置。
【請求項2】
前記棚板は、前記内筒、前記上外筒、及び前記下外筒のいずれにも固定されていない、
請求項１に記載の水素生成装置。
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項3】
上端に向かうに従って前記下外筒の一部が連続的又は段階的に縮径することによって前記下外筒の前記上端部が形成されている、
請求項１に記載の水素生成装置。
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項4】
前記下外筒の前記上端部の外周面が前記上外筒の前記下端部の内周面に接するように前記上外筒と前記下外筒とが固定されている、
請求項１に記載の水素生成装置。
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項5】
前記上外筒と前記下外筒とが溶接されている、
請求項４に記載の水素生成装置。
請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項6】
前記温度センサは、前記ＣＯ低減触媒が最も高い温度となる位置に配置されている、
請求項１に記載の水素生成装置。
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項7】
前記加熱器がバーナであり、
前記バーナの吹き出し口よりも鉛直方向の上側に前記棚板が位置し、
前記温度センサは、前記棚板の上面と前記棚板の上面からの距離が９ｍｍ以上１５ｍｍ以下である高さ位置との間に配置されている、
請求項６に記載の水素生成装置。
前記バーナの吹き出し口よりも鉛直方向の上側に前記棚板が位置し、
前記温度センサは、前記棚板の上面と前記棚板の上面からの距離が９ｍｍ以上１５ｍｍ以下である高さ位置との間に配置されている、
請求項６に記載の水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、水素生成装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、バーナ、原料ガスと水蒸気とを改質して水素を含む燃料ガスを発生させる改質触媒を有する改質器、改質器から供給される燃料ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減触媒を有する一酸化炭素低減器、及び一酸化炭素低減器の温度を検知する温度検知器を備えた水素発生装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１４－１３５１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来技術においては、製造容易性及びＣＯ低減触媒の温度検出の精度を向上させることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示における水素生成装置は、
加熱器と、
前記加熱器を周方向に包囲する有底筒状の隔壁と、
前記隔壁を周方向に包囲する内筒と、
前記内筒の上部を周方向に包囲する上外筒と、
前記上外筒の下端部に接合されるとともに前記上外筒の内側に位置する上端部を有し、前記内筒の下部を周方向に包囲する有底の下外筒と、
前記隔壁と前記内筒との間の空間に充填された改質触媒を含む改質器と、
前記内筒と前記上外筒との間の空間に充填されたＣＯ低減触媒を含むＣＯ低減器と、
前記ＣＯ低減器の内部の温度を検出するように前記上外筒に取り付けられた温度センサと、
前記ＣＯ低減触媒を下方から支持するように前記内筒と前記上外筒との間の前記空間に前記温度センサから離間して配置され、前記下外筒の前記上端部によって支持された棚板と、
を備える。
加熱器と、
前記加熱器を周方向に包囲する有底筒状の隔壁と、
前記隔壁を周方向に包囲する内筒と、
前記内筒の上部を周方向に包囲する上外筒と、
前記上外筒の下端部に接合されるとともに前記上外筒の内側に位置する上端部を有し、前記内筒の下部を周方向に包囲する有底の下外筒と、
前記隔壁と前記内筒との間の空間に充填された改質触媒を含む改質器と、
前記内筒と前記上外筒との間の空間に充填されたＣＯ低減触媒を含むＣＯ低減器と、
前記ＣＯ低減器の内部の温度を検出するように前記上外筒に取り付けられた温度センサと、
前記ＣＯ低減触媒を下方から支持するように前記内筒と前記上外筒との間の前記空間に前記温度センサから離間して配置され、前記下外筒の前記上端部によって支持された棚板と、
を備える。
【発明の効果】
【0006】
本開示によれば、製造容易性及びＣＯ低減触媒の温度検出の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1A】実施の形態１における水素生成装置の概略断面図
【図1C】接合部の拡大図
【図2】ＣＯ低減器の内部の温度分布の一例を示すグラフ
【図3A】他の実施の形態１における水素生成装置の概略断面図
【図4A】他の実施の形態２における水素生成装置の概略断面図
【発明を実施するための形態】
【0008】
（本開示の基礎となった知見等）
改質器及びＣＯ低減器を備えた水素生成装置が知られている。改質器において、都市ガス等の原料ガスから水蒸気の改質反応によって水素ガスが生成される。ＣＯ低減器において、水素ガスの生成時に副生した一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が低減される。これにより、燃料電池の燃料ガス等に適用可能な水素リッチな水素含有ガスが得られる。
改質器及びＣＯ低減器を備えた水素生成装置が知られている。改質器において、都市ガス等の原料ガスから水蒸気の改質反応によって水素ガスが生成される。ＣＯ低減器において、水素ガスの生成時に副生した一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が低減される。これにより、燃料電池の燃料ガス等に適用可能な水素リッチな水素含有ガスが得られる。
【0009】
ＣＯ低減器では、下記の式（１）で表される変成反応によって一酸化炭素が低減される。
【0010】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2 ・・・式（１）
【0011】
触媒には、触媒活性温度が存在する。触媒活性温度は、触媒が活性化して触媒反応を開始し、触媒反応を維持しうる温度である。ＣＯ低減触媒の触媒活性温度は、１５０℃から３００℃周辺である。
【0012】
ＣＯ低減触媒は内筒と外筒との間の空間に充填される。ＣＯ低減触媒を下方から支持するために、ＣＯ低減器の内部に棚板を配置することが考えられる。棚板は、例えば、内筒に溶接される。ここで本発明者らは、棚板に関する１つの課題に気付いた。すなわち、棚板を内筒に溶接し、ＣＯ低減触媒の温度を検出する温度センサを外筒に取り付けると、内筒の熱膨張量と外筒の熱膨張量との差に基づき、棚板と温度センサとの距離が変動する可能性がある。この場合、温度センサが適切な位置（例えば、ＣＯ低減触媒が最も高い温度となる位置）の温度を測定できず、ＣＯ低減触媒を触媒活性温度に維持できない可能性がある。
【0013】
上記の課題を解決するために、例えば、棚板を外筒に固定することが考えられる。しかし、本発明者らの検討によると、棚板を外筒に溶接するための溶接トーチが内筒と干渉するので、そのような方法を採用することは容易ではない。これらの知見に基づき、本発明者らは、製造容易性及びＣＯ低減触媒の温度検出の精度を向上させるべく、本開示の主題を構成するに至った。
【0014】
本開示は、製造容易性及びＣＯ低減触媒の温度検出の精度を向上させることに適した水素生成装置を提供する。
【0015】
以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。ただし、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。
【0016】
添付図面及び以下の説明は、当事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。
【0017】
【0018】
［１－１．構成］
図１Ａは、実施の形態１における水素生成装置１００の概略断面図である。水素生成装置１００は、加熱器１２０、隔壁１３０、隔壁１３１、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４を備える。隔壁１３０は、加熱器１２０を周方向に包囲する筒状の部材である。隔壁１３１は、隔壁１３０を周方向に包囲する有底筒状の部材である。内筒１３２は、隔壁１３１を周方向に包囲する部材である。上外筒１３３は、内筒１３２の上部を周方向に包囲する部材である。下外筒１３４は、内筒１３２の下部を周方向に包囲する有底の部材である。上外筒１３３と下外筒１３４とは鉛直方向に接合されている。上外筒１３３及び下外筒１３４の内部に隔壁１３１が配置されている。隔壁１３１の内部に隔壁１３０が配置されている。隔壁１３０の内部に加熱器１２０が配置されている。すなわち、水素生成装置１００は、四層のシェル構造を有している。
図１Ａは、実施の形態１における水素生成装置１００の概略断面図である。水素生成装置１００は、加熱器１２０、隔壁１３０、隔壁１３１、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４を備える。隔壁１３０は、加熱器１２０を周方向に包囲する筒状の部材である。隔壁１３１は、隔壁１３０を周方向に包囲する有底筒状の部材である。内筒１３２は、隔壁１３１を周方向に包囲する部材である。上外筒１３３は、内筒１３２の上部を周方向に包囲する部材である。下外筒１３４は、内筒１３２の下部を周方向に包囲する有底の部材である。上外筒１３３と下外筒１３４とは鉛直方向に接合されている。上外筒１３３及び下外筒１３４の内部に隔壁１３１が配置されている。隔壁１３１の内部に隔壁１３０が配置されている。隔壁１３０の内部に加熱器１２０が配置されている。すなわち、水素生成装置１００は、四層のシェル構造を有している。
【0019】
水素生成装置１００は、改質器１２２、ＣＯ低減器１２３、温度センサ１５０、及び棚板１５１をさらに備える。改質器１２２は、隔壁１３１と内筒１３２との間の空間に充填された改質触媒１２２ｃを含む。ＣＯ低減器１２３は、内筒１３２と上外筒１３３との間の空間に充填されたＣＯ低減触媒１２３ｃを含む。温度センサ１５０は、上外筒１３３に取り付けられている。温度センサ１５０によってＣＯ低減器１２３の内部の温度が検出される。棚板１５１は、ＣＯ低減触媒１２３ｃを下方から支持するように内筒１３２と上外筒１３３との間の空間に温度センサ１５０から離間して配置されている。
【0020】
改質器１２２は、例えば、下記の式（２）及び式（３）で表される水蒸気改質反応等の改質反応によって水素ガスを生成するためのデバイスである。
【0021】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ2 ・・・式（２）
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋４Ｈ2 ・・・式（３）
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋４Ｈ2 ・・・式（３）
【0022】
改質器１２２では、改質触媒１２２ｃにより改質反応が進行される。改質器１２２は、水及び原料ガスを用いて、水素ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、液化石油ガス等の炭化水素ガスである。
【0023】
ＣＯ低減器１２３は、下記の式（４）で表される変成反応によって一酸化炭素を低減するためのデバイスである。
【0024】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2 ・・・式（４）
【0025】
ＣＯ低減器１２３では、ＣＯ低減触媒１２３ｃにより変成反応が進行される。一酸化炭素が低減された水素リッチな水素含有ガスは、例えば、燃料電池に供給される。燃料電池は、酸化剤ガスと水素ガスとを用いて電力を生成する。燃料電池は、例えば、固体高分子形燃料電池である。
【0026】
以下、本実施の形態の水素生成装置１００の構造の例を詳細に説明する。
【0027】
図１Ａに示すように、隔壁１３０、隔壁１３１、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４は、鉛直方向に中心軸Ｘを有する円筒状の部材である。加熱器１２０は、中心軸Ｘに沿って配置されている。
【0028】
水素生成装置１００において、隔壁１３１の外周面と内筒１３２の内周面との間には、ドーナツ状の横断面形状を有する流路１２１が形成されている。上外筒１３３及び下外筒１３４の内周面と内筒１３２の外周面との間には、ドーナツ状の横断面形状を有する流路１４１が形成されている。流路１２１は、ガスを上方から下方に導く流路である。流路１２１の最上流部分には、原料入口１６０が接続されている。原料入口１６０を通じて流路１２１に水及び原料ガスが導入される。流路１２１の上流部分には、螺旋状の流路を形成するためのコイル状の部材が配置されている。螺旋状の流路を水が流れる間に水が蒸発する。このように、流路１２１の上流部分は、蒸発器の役割を果たす。ただし、流路１２１の上流部分の構成は上述したものに限られない。例えば、流路１２１の上流部分は、隔壁１３１の外周面に鉛直方向に向かって形成された螺旋状の凸部であって、内筒１３２の内周面に接する凸部を有し、この凸部により形成された螺旋状の流路を水が流れる間に水が蒸発するように構成されていてもよい。流路１２１の下流部分には、改質触媒１２２ｃが配置され、改質器１２２を構成している。流路１２１は、内筒１３２の底部において流路１４１に連通している。流路１４１は、ガスを下方から上方に導く流路であって、リターン流路とも呼ばれる。流路１４１の下流部分には、ＣＯ低減触媒１２３ｃが配置され、ＣＯ低減器１２３を構成している。流路１４１の最下流部分には、水素含有ガス出口１６２が接続されている。
【0029】
流路１４１には、ＣＯ低減器１２３の内部の温度を検出するように温度センサ１５０が配置されている。温度センサ１５０によってＣＯ低減器１２３の内部の温度が検出される。例えば、水素生成装置１００の運転時、温度センサ１５０により検出されたＣＯ低減器１２３の内部の温度が所定の温度を超えた場合、原料ガスに加える水の供給量を増加させる。これにより、ＣＯ低減触媒１２３ｃの温度を触媒活性温度まで低下させることができる。その結果、高温によりＣＯ低減触媒１２３ｃが酸化して劣化することを回避できる。
【0030】
流路１２１には、改質器１２２の内部の温度を検出するように温度センサが配置されていてもよい。温度センサによって改質器１２２の内部の温度が検出されてもよい。
【0031】
隔壁１３０の内部空間には加熱器１２０が配置されている。加熱器１２０には、燃料ガス供給口（不図示）を通じて燃料ガスが供給される。燃料ガスは、例えば、燃料電池から排出される残余の水素ガス及び未反応の原料ガスである。隔壁１３０の外周面と隔壁１３１の内周面との間には、ドーナツ状の横断面形状を有する排ガス経路１４０が形成されている。排ガス経路１４０の最下流部分には、排ガス出口１６１が接続されている。排ガスは、排ガス経路１４０を通じて排ガス出口１６１から水素生成装置１００の外部に排出される。
【0032】
加熱器１２０で燃料ガスを燃やすと、隔壁１３０、隔壁１３１、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４が加熱される。隔壁１３１及び内筒１３２の熱が改質触媒１２２ｃに伝わることにより、改質触媒１２２ｃの温度が上昇する。内筒１３２及び上外筒１３３の熱がＣＯ低減触媒１２３ｃに伝わることにより、ＣＯ低減触媒１２３ｃの温度が上昇する。ＣＯ低減触媒１２３ｃの温度は、改質器１２２から排出した水素ガスを含む改質ガスの熱によっても上昇する。
【0033】
本実施の形態において、下外筒１３４は、上外筒１３３の下端部１３３ｅに接合されるとともに上外筒１３３の内側に位置する上端部１３５を有している。棚板１５１の下面１５１ｂは上端部１３５によって支持されている。棚板１５１の上面１５１ａはＣＯ低減触媒１２３ｃの自重により押圧されている。このような構造によれば、水素生成装置１００の運転時、鉛直方向における棚板１５１の変位量と温度センサ１５０の変位量とが等しくなる。その結果、棚板１５１と温度センサ１５０との間の所定の距離が維持されるので、温度センサ１５０によって、特定の位置にあるＣＯ低減触媒１２３ｃの温度を測定することができる。したがって、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度を精度よく検出することができる。また、棚板１５１は、上端部１３５及びＣＯ低減触媒１２３ｃによって位置決めされているので、棚板１５１を上外筒１３３に溶接することが必須でない。そのため、棚板１５１を上外筒１３３にする際に溶接トーチが内筒１３２と干渉するのを回避するために新たな製造工程を設けることが必須でないので、製造容易性が向上する。
【0034】
本実施の形態において、棚板１５１は、溶接又はかしめ等の方法によって、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４のいずれにも固定されていない。言い換えると、棚板１５１は、上端部１３５及びＣＯ低減触媒１２３ｃのみによって位置決めされている。このような構造によれば、水素生成装置１００の運転時に、内筒１３２の熱膨張量と上外筒１３３の熱膨張量とに差に起因する棚板１５１の位置の変動が抑制されるだけでなく、新たな製造工程の発生及び製造コストの増加が抑制される。したがって、水素生成装置１００の製造容易性が向上する。
【0035】
図１Ｂは、図１Ａにおいて破線で囲ったＡ１部分の拡大図である。図１Ｂに示すように、上端に向かうに従って下外筒１３４の一部が連続的に縮径することによって上端部１３５が形成されていてもよい。このような構造によれば、上端部１３５によって棚板１５１の下面１５１ｂを支持しやすい。
【0036】
棚板１５１は、ドーナツ状の板状部材である。棚板１５１は、溶接によって、内筒１３２及び上外筒１３３、及び下外筒１３４のいずれにも固定されていないので、溶接で接合した際に発生する溶接痕、いわゆる溶接ビードを有していない。すなわち、棚板１５１は、完全に平坦な板状部材である。
【0037】
棚板１５１は、流路１４１において、内筒１３２の上部と上外筒１３３との間の空間に相当する位置に配置されている。棚板１５１は、ＣＯ低減触媒１２３ｃを下方から支持している。棚板１５１には、ＣＯ低減触媒１２３ｃの粒子径より小さい通気口１５１ｈが形成されている。通気口１５１ｈの数は特に限定されない。このような構造であることにより、棚板１５１は、ＣＯ低減触媒１２３ｃの落下を防ぎながら改質ガスを通過させることができる。
【0038】
上外筒１３３と下外筒１３４とは、上外筒１３３の下端部１３３ｅと上外筒１３３の内側に位置する上端部１３５とによって、鉛直方向に接合している。以下では、上外筒１３３と下外筒１３４との接合部を接合部１３６と称することがある。図１Ｂに示すように、上外筒１３３の外周面１３３ｓと下外筒１３４の外周面１３４ｓとの間には隙間が存在しない。
【0039】
図１Ｂに示すように、上外筒１３３の外周面１３３ｓと下外筒１３４の外周面１３４ｓとが面一であってもよい。上外筒１３３の外周面１３３ｓと下外筒１３４の外周面１３４ｓとが面一であるとは、外周面１３３ｓと外周面１３４ｓとの段差が、上外筒１３３の厚み又は下外筒１３４の厚みよりも小さいことを意味する。このような構造によれば、例えば、接合部１３６の溶接を容易に行うことができる。
【0040】
本実施の形態では、下外筒１３４の上端部１３５の外周面１３５ｓが上外筒１３３の下端部１３３ｅの内周面１３３ｅｉに接するように上外筒１３３と下外筒１３４とが固定されている。このような構造によれば、上外筒１３３と下外筒１３４との位置関係が固定されるので、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出することができる。上外筒１３３と下外筒１３４とを固定する方法として、例えば、溶接、かしめが挙げられる。
【0041】
下外筒１３４の上端部１３５を除いた部分の外径と上外筒１３３の外径とが等しくてもよい。このような構造によれば、上外筒１３３と下外筒１３４との固定を容易に行うことができる。
【0042】
下外筒１３４の上端部１３５の外周面１３５ｓに上外筒１３３の下端部１３３ｅが接触することで、下外筒１３４と上外筒１３３との位置決めがなされていてもよい。このような構造によれば、上外筒１３３と下外筒１３４との位置関係を容易に固定できる。
【0043】
本実施の形態では、上外筒１３３と下外筒１３４とが溶接されている。図１Ｃは、接合部１３６の拡大図である。接合部１３６には、溶接で接合した際に発生する溶接痕、いわゆる溶接ビード１３６ｗが存在している。図１Ｃに示すように、溶接ビード１３６ｗは、上外筒１３３の外周面１３３ｓ及び下外筒１３４の外周面１３４ｓからわずかに突出していてもよい。
【0044】
本実施の形態において、温度センサ１５０は、上外筒１３３に取り付けられている。上外筒１３３は、内筒１３２よりも加熱器１２０による加熱の影響を受けにくい。そのため、このような構造によれば、温度センサ１５０によってＣＯ低減器１２３の内部の温度、具体的にはＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出できる。
【0045】
温度センサ１５０は、水素生成装置１００の運転時にＣＯ低減触媒１２３ｃが最も高い温度となる位置に配置されていることが望ましい。図２は、ＣＯ低減器１２３の内部の温度分布の一例を示すグラフである。図２において、横軸はＣＯ低減器１２３の鉛直方向の高さを表し、縦軸はＣＯ低減器１２３の内部の温度を表す。図２におけるＢ1及びＢ2は、図１Ａに示す位置Ｂ1及び位置Ｂ2に対応している。棚板１５１の上面１５１ａからＣＯ低減器１２３の上端までの距離を距離Ｈと定義したとき、ＣＯ低減触媒１２３ｃには、水素生成装置１００の運転時に最も高い温度となる距離Ｈｐが存在する。温度センサ１５０が距離Ｈｐの位置に配置されていると、ＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出できる。
【0046】
図１は、加熱器１２０がバーナである場合を例示している。加熱器１２０がバーナである場合、棚板１５１は、バーナの吹き出し口１２０ｐよりも鉛直方向の上側に位置していてもよい。このとき、温度センサ１５０は、棚板１５１の上面１５１ａと棚板１５１の上面１５１ａからの距離が９ｍｍ以上１５ｍｍ以下である高さ位置との間に配置されていてもよい。このような構造によれば、温度センサ１５０によって、ＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出できる。
【0047】
図１Ｂに示すように、下外筒１３４の外周面１３４ｓに平行な基準線Ｌ134と上端部１３５の外周面１３５ｓに平行な基準線Ｌ135とのなす角度を上端部１３５の傾き角度αと定義する。このとき、傾き角度αは、２５°以上９０°以下であってもよい。このような構造によれば、上端部１３５によって棚板１５１の下面１５１ｂをより確実に支持することができる。
【0048】
ＣＯ低減器１２３は、ＣＯ低減触媒１２３ｃとして、ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒を含んでいてもよい。この場合、流路１４１の上流側にＣＯ変成触媒が配置され、流路１４１の下流側にＣＯ選択酸化除去触媒が配置される。ＣＯ変成触媒は、下記の式（５）で表される変成反応によって、一酸化炭素を低減する。下記の式（５）で表される変成反応は、ＣＯシフト反応とも呼ばれる。ＣＯ選択酸化除去触媒は、下記の式（６）で表される選択的酸化反応によって、さらに一酸化炭素を低減する。
【0049】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2 ・・・式（５）
２ＣＯ＋Ｏ2 → ２ＣＯ2 ・・・式（６）
２ＣＯ＋Ｏ2 → ２ＣＯ2 ・・・式（６）
【0050】
ＣＯ低減器１２３が、ＣＯ低減触媒１２３ｃとして、ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒を含む場合、ＣＯ変成触媒よりも下流側かつＣＯ選択酸化除去触媒よりも上流側において、流路１４１には、上外筒１３３に設けられた空気入口を通じて空気を供給可能であるように空気供給経路が接続されていてもよい。空気入口から供給された空気は、ＣＯ選択酸化除去触媒よりも上流側において、改質ガスと混合される。
【0051】
【0052】
【0053】
水素生成装置１００を構成する部材の材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス、二相系ステンレスを使用できる。水素生成装置１００を構成する部材は、隔壁１３１、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４を含む。本実施の形態では、上外筒１３３と下外筒１３４とが溶接されている。上記の材料は、高温環境での溶接に対する耐久性及び施工性に優れる。また、上記の材料を用いることにより、経済合理性のあるコストで水素生成装置１００を構成できる。これらの理由から、上記の材料は、水素生成装置１００を構成する部材の材料として好適である。
【0054】
棚板１５１の材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス、二相系ステンレス、フェライト系ステンレスを使用できる。フェライト系ステンレスは、オーステナイト系ステンレス及び二相系ステンレスとの溶接が難しく、施工性の面で劣る一方で、オーステナイト系ステンレス及び二相系ステンレスよりも耐酸化性及び耐応力腐食割れ（ＳＣＣ：Stress Corrosion Cracking）性に優れる。また、フェライト系ステンレスは、Ｎｉを含まないため比較的安価であるという利点もある。本実施の形態において、棚板１５１は、溶接によって、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４のいずれにも固定されていない。そのため、棚板１５１の材料としてフェライト系ステンレスを使用することで、耐酸化性及び耐ＳＣＣ性を向上させることができるとともに、製造コストを抑制することもできる。
【0055】
［１－２．動作］
以上のように構成された水素生成装置１００について、図１Ａを用いて、以下その動作、作用を説明する。
以上のように構成された水素生成装置１００について、図１Ａを用いて、以下その動作、作用を説明する。
【0056】
まず、加熱器１２０で燃料ガスを燃やす。燃料ガスは、例えば、燃料電池から排出された残余の水素ガス及び未反応の原料ガスである。これにより、隔壁１３０、隔壁１３１、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４が加熱される。なお、加熱器１２０の排ガスＧｅは、排ガス経路１４０を通じて排ガス出口１６１から水素生成装置１００の外部に排出される。
【0057】
次に、水素生成装置１００で必要な水素量を得るのに必要な量の原料ガスＧ0及び水Ｗを水及び原料入口１６０から流路１２１に供給する。原料ガスＧ0は、例えば、メタンガスなどの炭化水素ガスである。
【0058】
流路１２１に供給された水Ｗは、螺旋状の流路を水が流れる間に隔壁１３１の外周面及び内筒１３２の内周面を介して伝わる熱により蒸発して水蒸気となり、原料ガスＧ0と混合される。これにより、混合ガスＧ1が得られる。このように、流路１２１の上流部分は、蒸発器の役割を果たす。
【0059】
混合ガスＧ1は、流路１２１の下流部分に位置する改質器１２２に供給される。改質器１２２では、改質触媒１２２ｃにより水蒸気改質反応が進行する。これにより、水素ガスを含む改質ガスＧ2が得られる。
【0060】
流路１４１に流入した改質ガスＧ2は、棚板１５１を通過して、流路１４１の下流部分に位置するＣＯ低減器１２３に供給される。ＣＯ低減器１２３では、ＣＯ低減触媒１２３ｃにより変成反応が進行する。これにより、一酸化炭素濃度が０．１％から０．２％程度にまで低減された水素リッチな水素含有ガスＧ3が得られる。
【0061】
水素含有ガスＧ3は、水素含有ガス出口１６２から排出され、例えば、燃料電池に供給される。
【0062】
［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、水素生成装置１００は、加熱器１２０と、加熱器１２０を周方向に包囲する有底筒状の隔壁１３１と、隔壁１３１を周方向に包囲する内筒１３２と、内筒１３２の上部を周方向に包囲する上外筒１３３と、上外筒１３３の下端部１３３ｅに接合されるとともに上外筒１３３の内側に位置する上端部１３５を有し、内筒１３２の下部を周方向に包囲する有底の下外筒１３４と、隔壁１３１と内筒１３２との間の空間に充填された改質触媒１２２ｃを含む改質器１２２と、内筒１３２と上外筒１３３との間の空間に充填されたＣＯ低減触媒１２３ｃを含むＣＯ低減器１２３と、ＣＯ低減器１２３の内部の温度を検出するように上外筒１３３に取り付けられた温度センサ１５０と、ＣＯ低減触媒１２３ｃを下方から支持するように内筒１３２と上外筒１３３との間の上記空間に温度センサ１５０から離間して配置され、下外筒１３４の上端部１３５によって支持された棚板１５１と、を備える。このような構造によれば、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度を精度よく検出することができるとともに、水素生成装置１００の製造容易性が向上する。
以上のように、本実施の形態において、水素生成装置１００は、加熱器１２０と、加熱器１２０を周方向に包囲する有底筒状の隔壁１３１と、隔壁１３１を周方向に包囲する内筒１３２と、内筒１３２の上部を周方向に包囲する上外筒１３３と、上外筒１３３の下端部１３３ｅに接合されるとともに上外筒１３３の内側に位置する上端部１３５を有し、内筒１３２の下部を周方向に包囲する有底の下外筒１３４と、隔壁１３１と内筒１３２との間の空間に充填された改質触媒１２２ｃを含む改質器１２２と、内筒１３２と上外筒１３３との間の空間に充填されたＣＯ低減触媒１２３ｃを含むＣＯ低減器１２３と、ＣＯ低減器１２３の内部の温度を検出するように上外筒１３３に取り付けられた温度センサ１５０と、ＣＯ低減触媒１２３ｃを下方から支持するように内筒１３２と上外筒１３３との間の上記空間に温度センサ１５０から離間して配置され、下外筒１３４の上端部１３５によって支持された棚板１５１と、を備える。このような構造によれば、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度を精度よく検出することができるとともに、水素生成装置１００の製造容易性が向上する。
【0063】
また、本実施の形態では、棚板１５１は、内筒１３２、上外筒１３３、及び下外筒１３４のいずれにも固定されていない。このような構造によれば、水素生成装置１００の製造容易性が向上する。
【0064】
また、本実施の形態では、上端に向かうに従って下外筒１３４の一部が連続的又は段階的に縮径することによって下外筒１３４の上端部１３５が形成されている。このような構造によれば、上端部１３５によって棚板１５１の下面１５１ｂを支持しやすい。
【0065】
また、本実施の形態では、下外筒１３４の上端部１３５の外周面１３５ｓが上外筒１３３の下端部１３３ｅの内周面１３３ｅｉに接するように上外筒１３３と下外筒１３４とが固定されている。このような構造によれば、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出することができる。
【0066】
また、本実施の形態では、上外筒１３３と下外筒１３４とが溶接されている。このような構造によれば、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出することができる。
【0067】
また、本実施の形態において、温度センサ１５０は、ＣＯ低減触媒１２３ｃが最も高い温度となる位置に配置されていてもよい。このような構造によれば、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出できる。
【0068】
また、本実施の形態において、加熱器１２０がバーナであり、バーナの吹き出し口１２０ｐよりも鉛直方向の上側に棚板１５１が位置していてもよく、温度センサ１５０は、棚板１５１の上面１５１ａと棚板１５１の上面１５１ａからの距離が９ｍｍ以上１５ｍｍ以下である高さ位置との間に配置されていてもよい。このような構造によれば、温度センサ１５０によって、ＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出できる。
【0069】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【0070】
【0071】
図３Ａは、他の実施の形態１における水素生成装置１０１の概略断面図である。図３Ａに示す水素生成装置１０１は、下外筒１３４の上端部１３５の構造が異なることを除いて、実施の形態１で説明した図１に示す水素生成装置１００と同一の構成を有する。そのため、同一の要素については同一の符号を用いて説明を省略する。
【0072】
図３Ｂは、図３Ａにおいて破線で囲ったＡ２部分の拡大図である。図３Ｂに示すように、水素生成装置１０１では、上端に向かうに従って下外筒１３４の一部が連続的に縮径することによって上端部１３５が形成されている。このような構造によれば、上端部１３５によって棚板１５１の下面１５１ｂを支持しやすい。
【0073】
水素生成装置１０１では、下外筒１３４の外周面１３４ｓに平行な基準線Ｌ134と上端部１３５の外周面１３５ｓに平行な基準線Ｌ135とのなす上端部１３５の傾き角度αが９０°である。このような構造によれば、上端部１３５の外周面１３５ｓと棚板１５１の下面１５１ｂとを面接触させることができるので、上端部１３５によって棚板１５１をより確実に支持することができる。
【0074】
水素生成装置１０１では、上外筒１３３の外周面１３３ｓと下外筒１３４の外周面１３４ｓとが完全に面一である。上外筒１３３の外周面１３３ｓと下外筒１３４の外周面１３４ｓとが完全に面一であるとは、外周面１３３ｓと外周面１３４ｓとの段差がゼロであることを意味する。このような構造によれば、例えば、接合部１３６の溶接をより容易に行うことができる。
【0075】
水素生成装置１０１では、下外筒１３４の上端部１３５の外周面１３５ｓが上外筒１３３の下端部１３３ｅ端面１３３ｅｆに接するように上外筒１３３と下外筒１３４とが固定されている。このような構造によれば、上外筒１３３と下外筒１３４との位置関係が固定されるので、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出することができる。
【0076】
図４Ａは、他の実施の形態２における水素生成装置１０２の概略断面図である。図４Ａに示す水素生成装置１０２は、下外筒１３４の上端部１３５の構造が異なることを除いて、実施の形態１で説明した図１に示す水素生成装置１００と同一の構成を有する。そのため、同一の要素については同一の符号を用いて説明を省略する。
【0077】
図４Ｂは、図４Ａにおいて破線で囲ったＡ３部分の拡大図である。図４Ｂに示すように、水素生成装置１０２では、上端に向かうに従って下外筒１３４の一部が段階的に縮径することによって上端部１３５が形成されている。このような構造によれば、上端部１３５によって棚板１５１の下面１５１ｂを支持しやすい。
【0078】
水素生成装置１０２では、上端部１３５は、内筒１３２に向かう方向に屈曲する屈曲部分１３５ａと、屈曲部分１３５ａに連続し、鉛直方向に延びる先端部分１３５ｂを有する。上端部１３５の先端部分１３５ｂによって棚板１５１の下面１５１ｂが支持されている。このような構造によれば、先端部分１３５ｂの外周面１３５ｂｓと上外筒１３３の下端部１３３ｅの内周面１３３ｅｉとを面接触させることができるので、上外筒１３３と下外筒１３４とをより確実に接合することができる。
【0079】
図示は省略するが、先端部分１３５ｂは水平方向に延びていてもよい。すなわち、上端部１３５は、内筒１３２に向かう方向に屈曲する屈曲部分１３５ａに連続し、水平方向に延びる先端部分１３５ｂを有していてもよい。このような構造によれば、先端部分１３５ｂの外周面１３５ｂｓと棚板１５１の下面１５１ｂとを面接触させることができるので、上端部１３５によって棚板１５１をより確実に支持することができる。
【0080】
水素生成装置１０２では、上端部１３５の先端部分１３５ｂの外周面１３５ｂｓが上外筒１３３の下端部１３３ｅの内周面１３３ｅｉに接するように上外筒１３３と下外筒１３４とが固定されている。このような構造によれば、上外筒１３３と下外筒１３４との位置関係が固定されるので、温度センサ１５０によってＣＯ低減触媒１２３ｃの温度をより精度よく検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【0081】
本開示は、複数の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、一酸化炭素濃度が低い水素含有ガスを生成する水素生成装置、不純物の濃度を低減して水素ガスを供給する必要がある燃料電池発電装置、水素精製システム等に適用可能である。
【符号の説明】
【0082】
１００，１０１，１０２ 水素生成装置
１２０ 加熱器
１２１ 流路
１２２ 改質器
１２２ｃ 改質触媒
１２３ ＣＯ低減器
１２３ｃ ＣＯ低減触媒
１３０ 隔壁
１３１ 隔壁
１３２ 内筒
１３３ 上外筒
１３３ｅ 上外筒の下端部
１３３ｅ 上外筒の下端部
１３３ｅｉ 上外筒の下端部の内周面
１３４ 下外筒
１３４ｓ 下外筒の外周面
１３５ 下外筒の上端部
１３５ｓ 下外筒の上端部の外周面
１３６ 接合部
１３６ｗ 溶接ビード
１４０ 排ガス経路
１４１ 流路
１５０ 温度センサ
１５１ 棚板
１５１ａ 棚板の上面
１５１ｂ 棚板の下面
１５１ｈ 通気口
１６０ 原料入口
１６１ 燃焼排ガス出口
１６２ 水素含有ガス出口
Ｘ 中心軸
Ｗ 水
Ｇ0 原料ガス
Ｇ1 混合ガス
Ｇ2 改質ガス
Ｇ3 水素含有ガス
Ｇe 排ガス
１２０ 加熱器
１２１ 流路
１２２ 改質器
１２２ｃ 改質触媒
１２３ ＣＯ低減器
１２３ｃ ＣＯ低減触媒
１３０ 隔壁
１３１ 隔壁
１３２ 内筒
１３３ 上外筒
１３３ｅ 上外筒の下端部
１３３ｅ 上外筒の下端部
１３３ｅｉ 上外筒の下端部の内周面
１３４ 下外筒
１３４ｓ 下外筒の外周面
１３５ 下外筒の上端部
１３５ｓ 下外筒の上端部の外周面
１３６ 接合部
１３６ｗ 溶接ビード
１４０ 排ガス経路
１４１ 流路
１５０ 温度センサ
１５１ 棚板
１５１ａ 棚板の上面
１５１ｂ 棚板の下面
１５１ｈ 通気口
１６０ 原料入口
１６１ 燃焼排ガス出口
１６２ 水素含有ガス出口
Ｘ 中心軸
Ｗ 水
Ｇ0 原料ガス
Ｇ1 混合ガス
Ｇ2 改質ガス
Ｇ3 水素含有ガス
Ｇe 排ガス
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】