特許 7454764 水素生成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-14

(45)【発行日】2024-03-25

(54)【発明の名称】水素生成装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/38 20060101AFI20240315BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALN20240315BHJP

【ＦＩ】

C01B3/38

H01M8/0612

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021004089

(22)【出願日】2021-01-14

(65)【公開番号】P2022108883

(43)【公開日】2022-07-27

【審査請求日】2023-02-06

(73)【特許権者】

【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】嶋田 康章

(72)【発明者】

【氏名】武田 憲有

(72)【発明者】

【氏名】吉村 光生

(72)【発明者】

【氏名】西崎 柾峻

【審査官】浅野 昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１０２２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１１５０７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－３２０８１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ３／００－６／３４

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する加熱部と、
略鉛直方向に中心軸を有し、前記加熱部を囲むように前記加熱部の外側に配される内筒と、
前記内筒の下側の開口部を塞ぐ、下に凸の底鏡板と、
略鉛直方向に中心軸を有し、前記内筒を囲むように前記内筒の外側に配される中筒と、
前記内筒と前記中筒との間に形成される空間に保持された改質触媒と、
前記底鏡板における前記加熱部と対向する面を覆う断熱材と、を備えた水素生成装置であって、
前記内筒は、前記底鏡板との接合部が外周面側で略面一になるように、下端が縮管加工されており、
前記内筒における前記縮管加工された縮管加工部の内径が、前記断熱材の外径よりも小さく、
前記縮管加工部の端面が、前記断熱材に当接して、前記断熱材を前記底鏡板に固定している水素生成装置。

【請求項2】

前記内筒の板厚が、前記底鏡板の板厚よりも薄い、請求項１に記載の水素生成装置。

【請求項3】

前記内筒と前記底鏡板とは、溶接により接合されている、請求項１または２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、水素生成装置を開示する。この水素生成装置は、燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する加熱部と、加熱部の外側に配される内筒と、内筒の下側の開口部を塞ぐ内筒底板（以下、底鏡板）と、内筒の外側に配される中筒と、内筒と中筒との間で形成される空間に保持された改質触媒と、底鏡板の加熱部と対向する位置に設置された断熱材と、断熱材を固定する固定部と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１１－１０２２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、固定金具を用いなくても断熱材を底鏡板に確実に固定することができる水素生成装置を提供する。

【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、燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する加熱部と、略鉛直方向に中心軸を有し、加熱部を囲むように加熱部の外側に配される内筒と、内筒の下側の開口部を塞ぐ、下に凸の底鏡板と、略鉛直方向に中心軸を有し、内筒を囲むように内筒の外側に配される中筒と、内筒と中筒との間に形成される空間に保持された改質触媒と、底鏡板における加熱部と対向する面を覆う断熱材と、を備えている。

【0006】

そして、内筒は、底鏡板との接合部が外周面側で略面一になるように、下端が縮管加工されており、内筒における縮管加工された縮管加工部の内径が、断熱材の外径よりも小さく、縮管加工部の端面が、断熱材に当接して、断熱材を底鏡板に固定している。

【発明の効果】

【0007】

本開示における水素生成装置は、縮管加工部の端面が断熱材を上から常に押さえる固定部となるので、固定金具を用いなくても断熱材を底鏡板に確実に固定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１における水素生成装置の概略構成図

【図2】着想時に発見した課題を説明する概略構成図

【発明を実施するための形態】

【0009】

（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燃料から、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）などの不純物を除去することで、燃料電池発電装置の燃料ガス等に適用可能な水素リッチな改質ガスを生成するという技術があった。

【0010】

この技術は、全体形状が円筒形状である多重筒で構成された反応管を有し、反応管は、内部に加熱部である燃焼器を配し、燃焼器の外壁を形成する燃焼筒と、燃焼筒の外側に配
された内筒と、内筒の下側の開口部を塞ぐ鏡底板と、内筒の外側に配された中筒と、中筒の外側に配された外筒と 、内筒と中筒との間に形成される環状空間に充填された改質触媒と、中筒と外筒との間に形成される環状空間に充填されたＣＯ低減触媒及びＣＯ除去触媒と、で構成される水素生成装置により得るものであった。

【0011】

また、底鏡板の加熱部と対抗する位置には断熱材が設置され、断熱材を固定する固定部が備えられていた。

【0012】

固定部は、水素生成装置を設置する前の輸送による激しい振動に耐え、水素生成装置の運転時に８００℃以上の燃焼排ガスに晒されても外れないようにするために、一般的に、金具で断熱材を押さえるようにして、金具を溶接などで内筒に確実に取り付ける必要がある。

【0013】

しかしながら、内筒と底鏡板とが一部品で製造されていると、内筒の上部開口部から固定部へ溶接を行うためのアプローチをするには距離が長くなるので、断熱材を確実に金具などで抑えて固定することが困難であった。

【0014】

そうした状況下において、発明者らは、水素生成装置を低コストで高耐久性を実現して製品を設計するという視点も考慮して、内筒の底鏡板と筒とをそれぞれ別部品で構成し、底鏡板は高耐久性確保のために筒に比べて厚肉とし、筒は底鏡板に比べて薄肉として設計することを考えた。

【0015】

そうして、底鏡板の材料使用料を小さくするために底鏡板の高さを最低にして、底鏡板の高さを最低にする代わりに筒の長さを長くして溶接で繋ぎ合わせるという着想を得た。

【0016】

図２は着想時に発見した課題を説明する概略構成図である。発明者らは、その着想を実現するには、図２に示す通り、底鏡板と金具とを溶接する工程において、後から溶接する溶接部Ｂの溶接信頼性を確保する（２度焼きになることを防ぐ）ためには、溶接部Ａと溶接部Ｂとの距離を内筒の外周面において１０ｍｍ以上は離す必要があり、底鏡板の高さを最低にすることはできず、１０ｍｍ以上の長さ分が無駄にな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。

【0017】

そこで、本開示は内筒の底鏡板と内筒の筒とを別部品とし、底鏡板の高さをできるだけ低くしたうえで、固定金具を用いなくても断熱材を確実に固定することができる水素生成装置を提供する。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

（実施の形態１）
以下、図１を用いて、実施の形態１を説明する。

【0021】

［１－１．構成］
図１に示すように水素生成装置１００は、加熱部２０と、内筒２１と、底鏡板２２と、
中筒２３と、改質触媒２４と、断熱材２５と、縮管加工部２６と、外筒２７と、水供給部２８と、原料供給部２９と、蒸発器３０と、ＣＯ低減触媒３１と、ＣＯ除去触媒３２と、出口配管３３と、排ガス出口配管３４と、改質触媒温度検出部３５と、を備える。

【0022】

加熱部２０は、燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼器であり、水素生成装置の１００の中心部に配置される。内筒２１は、略鉛直方向に中心軸を有し、加熱部２０を囲むように、加熱部２０の外側に配置される。底鏡板２２は、下に凸形状で、内筒２１の下側の開口部を塞ぐように配置される。中筒２３は、略鉛直方向に中心軸を有し、内筒２１を囲むように、内筒２１の外側に配置される。

【0023】

改質触媒２４は、内筒２１と中筒２３との間に形成される空間に保持されている。断熱材２５は、底鏡板２２における加熱部２０と対向する面を覆っている。外筒２７は、略鉛直方向に中心軸を有し、中筒２３を囲むように、中筒２３の外側に配置される。

【0024】

水供給部２８は、内筒２１と中筒２３との間の上流部に、水を供給するように構成されている。原料供給部２９は、内筒２１と中筒２３との間の上流部に、原料を供給するように構成されている。

【0025】

蒸発器３０は、水と原料とが供給された後に、加熱部２０で加熱された内筒２１からの熱により、水と原料との混合ガスを生成するように、内筒２１と中筒２３との間に構成されている。

【0026】

ＣＯ低減触媒３１は、改質触媒２４で反応した改質後ガス中のＣＯを低減するために、中筒２３と外筒２７との間に形成される空間に保持されている。

【0027】

ＣＯ除去触媒３２は、ＣＯ低減触媒３１で反応した変成後ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させるために、ＣＯ低減触媒３１の下流で、中筒２３と外筒２７との間に形成される空間に保持されている。

【0028】

出口配管３３は、ＣＯ除去触媒３２で反応したＣＯ除去後ガスを外部に排出できるように、外筒２７の上部に、中筒２３と外筒２７との間の空間と連通するように構成されている。

【0029】

排ガス出口配管３４は、加熱部２０で燃料を燃焼して生成された燃焼排ガスを外部に排出できるように、水素生成装置１００の上部に、加熱部２０と内筒２１との間の空間と連通するように構成されている。

【0030】

改質触媒温度検出部３５は、底鏡板２２の下方で、改質触媒２４で反応した改質後ガスが、内筒２１と中筒２３との間の流路から中筒２３と外筒２７との間の流路に移る部分において、改質触媒２４の代表温度を検知するように構成されている。

【0031】

内筒２１は、底鏡板２２との接合部が外周面側で略面一になるように、下端が縮管加工されている。また、内筒２１における縮管加工された縮管加工部２６の内径が、断熱材２５の外径よりも小さくなっている。

【0032】

そして、縮管加工部２６の端面が、断熱材２５に当接して、断熱材２５を底鏡板２２に固定している。

【0033】

［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、以下、その動作、作用を説明す
る。

【0034】

水素生成装置１００で必要な水素量を得るために、原料供給部２９から都市ガスを、水供給部２８から水を、それぞれ、内筒２１と中筒２３との間の蒸発器３０に供給する。

【0035】

このとき、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように、都市ガスと水を蒸発器３０に供給する。供給された水は、蒸発器３０で蒸発し水蒸気となり、都市ガスと混合される。

【0036】

都市ガスと水蒸気の混合ガスは、改質触媒２４部へ供給され、改質触媒２４の作用により、水蒸気改質反応が行われて改質ガスとなる。改質触媒２４部から排出された改質ガスは、ＣＯ低減触媒３１部に供給され、ＣＯ低減触媒３１の作用により、改質ガス中のＣＯと水蒸気が反応し、改質ガス中のＣＯ濃度が０．１～０．２％程度まで低減される。

【0037】

ＣＯ低減触媒３１でＣＯ濃度を低減された改質ガスは、さらにＣＯ除去触媒３２部に供給され、ＣＯ除去触媒３２の作用により、ＣＯ濃度数ｐｐｍ程度にまでＣＯが除去され、出口配管３３から外部に排出される。

【0038】

燃焼器である加熱部２０から排出される燃焼排ガスは、底鏡板２２に向かって排出された後に、底鏡板２２部近辺で折り返し、内筒２１を介して改質触媒２４を加熱し、蒸発器３０と熱交換された後に排ガス出口配管３４から排出される。

【0039】

底鏡板２２は高温の燃焼排ガスが直接当たるので、高温強度を保つために内筒２１よりも材料板厚を厚くし、さらに断熱材２５を設けて底鏡板２２の温度上昇を抑制している。また断熱材２５の厚みを調整することにより、改質触媒２４の温度と改質触媒温度検出部３５との温度が略同じになるようにして、改質触媒温度検出部３５で改質触媒２４の温度を検出している。

【0040】

縮管加工部２６の内径は、断熱材２５の外径よりも小さく、縮管加工部２６の端面は断熱材２５に当接させることによって、断熱材２５を底鏡板２２に固定している。

【0041】

底鏡板２２と内筒２１とは、それぞれ別部品で構成され、底鏡板２２は高耐久性確保のために高温強度に優れかつ内筒２１に比べて厚肉とし、内筒２１は底鏡板２２に比べれば薄肉として構成している。

【0042】

底鏡板２２と内筒２１とは、溶接で接合されている。

【0043】

［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、加熱部２０と、内筒２１と、底鏡板２２と、中筒２３と、改質触媒２４と、断熱材２５と、を備えている。

【0044】

加熱部２０は、燃料を燃焼して、燃焼排ガスを生成するように構成されている。内筒２１は、略鉛直方向に中心軸を有し、加熱部２０を囲むように加熱部２０の外側に配置されている。底鏡板２２は、下に凸の形状で、内筒２１の下側の開口部を塞ぐように構成されている。中筒２３は、略鉛直方向に中心軸を有し、内筒２１を囲むように内筒２１の外側に配置される。改質触媒２４は、内筒２１と中筒２３との間に形成される空間に保持されている。断熱材２５は、底鏡板２２における加熱部２０と対向する面を覆っている。

【0045】

内筒２１は、底鏡板２２との接合部が外周面側で略面一になるように、下端が縮管加工されている。また、内筒２１における縮管加工された縮管加工部２６の内径が、断熱材２
５の外径よりも小さくなっている。

【0046】

そして、縮管加工部２６の端面が、断熱材２５に当接して、断熱材２５を底鏡板２２に固定している。

【0047】

これにより、縮管加工部２６の端面が断熱材２５を上から常に押さえる固定部を形成することができる。そのため、固定金具を別に用いなくても断熱材２５を底鏡板２２に確実に固定することができる。

【0048】

本実施の形態のように、水素生成装置１００は、内筒２１の板厚を、底鏡板２２の板厚よりも薄くしてもよい。

【0049】

これにより、高温強度が必要な底鏡板２２のみ板厚を厚くして、底鏡板２２よりも高温強度が必要でない内筒２１は、底鏡板２２より薄肉にすることができる。そのため、必要以上に内筒２１に材料費をかけることなく安価な水素生成装置１００を実現することができる。

【0050】

本実施の形態のように、水素生成装置１００は、内筒２１と底鏡板２２とは、溶接により接合してもよい。

【0051】

これにより、水素生成装置１００の輸送中の振動が加わっても、内筒２１と底鏡板２２との当接部分が外れることはなく、また、内筒２１及び底鏡板２２の内側を流れる排気ガスと、内筒２１及び底鏡板２２の外側を流れる改質ガスとが混ざらないように確実にシールすることができる。

【0052】

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】

【0053】

本開示は、鏡板の底面に固定用の金具を用いずに断熱材を固定することが容器に適用可能である。具体的には、水素生成装置や一般的な鏡板を有する耐圧容器などに、本開示は適用可能である。

【符号の説明】

【0054】

２０ 加熱部
２１ 内筒
２２ 底鏡板
２３ 中筒
２４ 改質触媒
２５ 断熱材
２６ 縮管加工部
２７ 外筒
２８ 水供給部
２９ 原料供給部
３０ 蒸発器
３１ ＣＯ低減触媒
３２ ＣＯ除去触媒
３３ 出口配管
３４ 排ガス出口配管
３５ 改質触媒温度検出部
１００ 水素生成装置

【図1】

【図2】