JP4880086B2 - 水素生成装置とその製造方法およびそれを用いた燃料電池システム - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素化合物と水を反応させて水素含有ガスを生成する水素生成装置とその製造方法およびそれを用いた燃料電池システムに関し、特に、水の蒸発部に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池からなる発電装置は、まず、改質部によって炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスを生成する。つぎに、変成部や選択酸化部などの一酸化炭素低減部によって燃料電池に有害となる一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成する。そして、得られた燃料ガスを用いて燃料電池で発電を行うものである。
【０００３】
そして、水蒸気改質反応に必要な水蒸気は、改質部の上流に設けた蒸発部で、水を蒸発させることにより得られる。このとき、蒸発に要する熱源としては、通常、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを燃焼部で燃焼して得られる燃焼排ガスの熱が用いられる。
【０００４】
従来、さまざまな蒸発部を有する水素生成装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
以下に、特許文献１に示された水素生成装置について、図６を用いて簡単に説明する。図６は、従来の水素生成装置の構成を示す断面図である。
【０００６】
図６に示すように、従来の水素生成装置は、バーナからなる加熱源２（以下、「バーナ」と記す）、改質触媒３、変成触媒４、選択酸化触媒５と蒸発部８およびそれらを断熱する断熱材１４とを、少なくとも備えている。このとき、原料となる炭化水素と水は原料供給口７から供給され、バーナ２の燃焼ガスは排気口６から排気される。また、水素生成装置全体は断熱材１４で断熱される。
【０００７】
そして、水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するバーナ２の燃料としては、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスが用いられる。そして、ルテニウムを主成分とする改質触媒３は、原料と水蒸気の混合ガスを水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスへと反応させる。また、改質ガスに含まれる一酸化炭素は、変成触媒４によって改質ガス中の水蒸気と反応して濃度が１％以下程度にまで低減される。さらに、改質ガスは、空気供給口１２から供給された空気と混合されて、選択酸化触媒５によって一酸化炭素が選択的に燃焼除去されて、燃料ガスが生成される。
【０００８】
上記により、生成された燃料ガスは、燃料ガス出口１３から燃料電池へ供給される。
【０００９】
ここで、改質触媒３に供給される水蒸気は、蒸発部８内でバーナ２で燃焼した燃焼ガスによって水を加熱することにより得られる。そして、蒸発部８は、内筒９と外筒１０と、それらに挟まれたらせん棒１１とから構成される。このとき、原料供給口７から供給された原料と水は、らせん棒１１によって区切られたらせん状の空間８Ｂを流下しながらバーナ２で生じた燃焼ガスにより加熱される。そして、内筒９と外筒１０間にらせん棒１１を配置することにより、水を蒸発させるのに十分な伝熱面積を確保している。これにより、コンパクトで、高い性能を有する水素生成装置が得られるとしている。
【００１０】
また、らせん棒を使用しない蒸発部８の構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。そして、特許文献２には、図７（ａ）から図７（ｃ）の断面図に示すような、３種類の蒸発部の構成が開示されている。
図７（ａ）は、従来の蒸発部の一例を示す断面図である。同図（ｂ）は、従来の蒸発部の別の一例を示す断面図である。同図（ｃ）は、従来の蒸発部の更に別の一例を示す断面図である。
【００１１】
つまり、図７（ａ）に示す蒸発部８は、外筒１０の内側に凹形状のらせん状のリブ１５を設け、それを内筒９と密着して組み合わせたものである。このとき、蒸発させる水は内筒９と外筒１０の間のらせん状の空間を流下する。
【００１２】
また、図７（ｂ）に示す蒸発部８は、内筒９の外側に凸形状のらせん状のリブ１６を設け、それを外筒１０と密着して組み合わせたものである。このとき、蒸発させる水は、上記と同様に内筒９と外筒１０の間のらせん状の空間を流下する。
【００１３】
また、図７（ｃ）に示す蒸発部８は、内筒９にパイプ１７を密着してらせん状に巻いたもので、蒸発させる水はパイプ１７内を流下する。
【先行技術文献】
【００１４】
【特許文献１】
特許第４１４５７８５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２１１９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１に示す蒸発部は、蒸発に必要な伝熱面積を確保するためにらせん状に水を流下させる構成としているため、内筒９とらせん棒１１、および外筒１０とらせん棒１１とを密着させなければならない。なぜなら、これらの間に隙間があると、未蒸発の水が、隙間を介して流下し、一部が未蒸発のまま改質触媒３へ供給される。その結果、改質触媒３に流下した水により、部分的に改質触媒３の温度が低下し、水素生成能力が著しく低下する。さらに、改質触媒３の温度の急激な変化により、改質触媒３の割れや粉化が発生し、水素生成装置の寿命に悪影響を与えるという課題がある。また、蒸発部８は下流側から上流側に向かって高温の燃焼ガスで加熱されるため、上流側に比べて下流側の方が高温状態となる。そのため、らせん棒１１と内筒９、または外筒１０との間の隙間を介して流下する水は、より高温の下流側へ短時間で流下するために、急激に加熱され瞬間的に激しい沸騰を生じる。そして、これにより爆発的な突沸が発生すると、水素生成装置内のガスが燃料ガス出口１３から燃料電池へ瞬時に押し出される。そのため、瞬時に燃料電池へ送り出された改質ガスの、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒によるいずれの反応も不十分となる。その結果、改質ガスは、水素量が少なく、一酸化炭素濃度が高いため、燃料電池は、水素不足あるいは一酸化炭素被毒により発電停止に陥ってしまうという課題があった。
【００１６】
一方、特許文献２に示す蒸発部においては、図７（ａ）と図７（ｂ）の内筒９と外筒１０を、らせん状のリブ１５、１６を少々圧縮するように嵌合して構成すればリブと円筒との隙間をなくし、上記特許文献１の課題を回避することができる。
【００１７】
しかし、図７（ａ）と図７（ｂ）の蒸発部では、リブ１５、１６を押し出して形成するので、その押し出し高さには制限がある。具体的には、肉厚１ｍｍのステンレス製の円筒に、例えば円形の治具で押し出してらせん状のリブ１５、１６を形成する場合、押し出されるリブの高さを２ｍｍ程度以下にしないとリブ先端の肉厚が薄くなるため割れなどを生じる。そのため、蒸発する水が流下する内筒９と外筒１０との間の空間の流路幅は２ｍｍ程度以下になる。その結果、流路幅が狭いために蒸発時の圧力損失が大きくなるので、水と一緒に供給される原料を高圧で押し込むためのエネルギーが増大するという課題がある。
【００１８】
一方、蒸発する水の流路幅や蒸発部の圧力損失などは設計要素であり、任意に設計できることが望ましいが、上記の蒸発部では設計の自由度が制限されるという課題もある。
【００１９】
また、図７（ｃ）の蒸発部では、パイプ１７内で水を蒸発させる構造であるため、内筒９の直径によっては、巻き得るパイプ１７の直径の大きさが必然的に決まる。例えば、内筒９の外形を１０ｃｍとすると、巻き得るパイプ１７の直径はおよそ１０ｍｍ程度以下となる。その結果、パイプ１７の内径は８ｍｍ程度となり、水が蒸発した際に流れる流路としては細いため、圧力損失が大きくなるという課題があった。
【００２０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、蒸発部内で確実にらせん状に水を流下できる水素生成装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、水素含有ガスを生成する改質部と、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられ変形されたらせん体とを有する蒸発部と、加熱源と、を備え、蒸発部は、内筒と、外筒と、らせん体とに囲まれて形成されたらせん流路に水が供給され、加熱源で水を蒸発させる構成を有する。
【００２２】
この構成の内筒と、外筒との間にらせん状に設けられ変形されたらせん体を有することにより、らせん体と内筒と外筒とのそれぞれの接触面積が大きくなり、らせん体と内筒と外筒とが離れる部分がより少なくなることとなり、らせん体と内筒および外筒との間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を実現できる。
【００２３】
また、本発明に水素生成装置の製造方法は、改質部と、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、加熱源と、を備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、内筒を直径方向に拡管して、らせん体を内筒と外筒との間に挟み込んでらせん体を圧縮変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。
【００２４】
この方法により、らせん体を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００２５】
また、本発明に水素生成装置の製造方法は、改質部と、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、加熱源と、を備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、外筒を直径方向に縮管して、らせん体を内筒と外筒との間に挟み込んでらせん体を圧縮変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。
【００２６】
この方法により、らせん体の断面形状を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００２７】
また、本発明に水素生成装置の製造方法は、改質部と、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、加熱源と、を備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、らせん体を拡管して、らせん体を内筒と外筒との軸方向において長円形となるまで変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。
【００２８】
この方法により、らせん体を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００２９】
また、本発明の燃料電池システムは、上記水素生成装置と、燃料電池と、を少なくとも備える。これにより、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を備えた、長期間に亘り安定して動作する燃料電池システムを実現できる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の水素生成装置およびその製造方法によれば、変形されたらせん体を有することにより、内筒および外筒との間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止して信頼性の高い水素生成装置を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の内筒の拡管前の状態を説明する断面図（ｂ）拡管後の状態を説明する断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における水素生成装置の別の例にかかる蒸発部の外筒の縮管前の状態を説明する断面図（ｂ）縮管後の状態を説明する断面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１における水素生成装置のさらに別の例にかかる蒸発部の中空らせん体の拡管前の状態を説明する断面図（ｂ）拡管後の状態を説明する断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＵ型のらせん体を有する蒸発部を説明する概略断面図（ｂ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＸ型のらせん体を有する蒸発部を説明する概略断面図（ｃ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＣ型のらせん体を有する蒸発部を説明する概略断面図（ｄ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状が星型のらせん体を有する蒸発部を説明する概略断面図
【図６】従来の水素生成装置の構成を示す断面図
【図７】（ａ）従来の蒸発部の一例を示す断面図、（ｂ）従来の蒸発部の別の一例を示す断面図、（ｃ）従来の蒸発部の更に別の一例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
第１の発明は、水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられ変形されたらせん体とを有する蒸発部と、水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備え、蒸発部は、内筒と、外筒と、らせん体とに囲まれて形成されたらせん流路に水が供給され、加熱源で水を蒸発させる構成を有する。この内筒と、外筒との間にらせん状に設けられ変形されたらせん体を有することにより、らせん体と内筒と外筒とのそれぞれの接触面積が大きくなり、らせん体と内筒と外筒とが離れる部分がより少なくなることとなり、らせん体と内筒および外筒の間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を実現できる。
【００３３】
第２の発明は、第１の発明において、らせん体は、弾性変形範囲内で変形した状態で内筒と外筒の間に設けられる。この構成により、水素生成装置は起動時と停止時に大きな温度変化を生じ、熱膨張や熱収縮により内筒と外筒の径が変化するが、らせん体が弾性変形範囲内で変形した状態で配置されていることにより、この径変化を吸収することとなり、らせん体と内筒と外筒とが離れる部分がより少なくなることとなり、未蒸発の水が改質触媒へ供給されることが少なくなる。
【００３４】
第３の発明は、第１または第２の発明において、らせん体は、中空の長円形状の断面形状を有し、長円形の長軸方向を内筒および外筒の軸方向として配置する。断面形状が円形のらせん体では内筒および外筒とらせん体の接触部は点接触にすぎない。また、内筒や外筒を完全な円形に形成することはできないので、点接触を確保できず接触できない隙間箇所が多く発生してしまう。しかし本発明のように断面形状が長円形状であれば、内筒および外筒と中空らせん体との接触面積を拡大できるので，それらの接触できない隙間箇所の発生を大幅に減少でき，この隙間からの水の流下を大幅に防止できる。
【００３５】
第４の発明は、第３の発明において、らせん体は、少なくとも一端が封止されている。これにより、らせん体の中空内への水の浸入を防止し、突沸などを未然に防止できる。
【００３６】
第５の発明は、第１または第２の発明において、らせん体は、断面形状の一部に凹部を形成したものである。これにより、凹部を形成したらせん体と内筒および外筒との間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を実現できる。
【００３７】
第６の発明は、水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、内筒を直径方向に拡管して、らせん体を内筒と外筒との間に挟み込んでらせん体を圧縮変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。これにより、らせん体を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００３８】
第７の発明は、水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、外筒を直径方向に縮管して、らせん体を内筒と外筒との間に挟み込んでらせん体を圧縮変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。これにより、らせん体の凹部を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００３９】
第８の発明は、水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、らせん体を拡管して、らせん体を内筒と外筒の軸方向において長円形となるまで変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。これにより、らせん体を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００４０】
第９の発明は、第６から第８のいずれかの発明において、らせん体を弾性変形範囲内で変形させる。これにより、内筒や外筒の径が熱変形しても、らせん体が追従して、隙間の発生を確実に防止できる。その結果、長期間、安定して動作する水素生成装置を実現できる。
【００４１】
第１０の発明は、上記第１から第５のうちいずれかの発明の水素生成装置と、燃料電池と、を少なくとも備えた燃料電池システムである。これにより、信頼性に優れた水素生成装置を備えた、長期間に亘り安定して動作する燃料電池システムを実現できる。
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した従来技術と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００４３】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置について、詳細に説明する。
【００４４】
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置１の概略構成図である。なお、図１において、図６に示した従来の水素生成装置と同等の構成要素には同じ符号を付して説明する。
【００４５】
図１に示すように、本発明の実施の形態１の水素生成装置１は、バーナからなる加熱源２（以下、「バーナ」と記す）、改質触媒３、変成触媒４、選択酸化触媒５と蒸発部８およびそれらを断熱する断熱材１４とを、少なくとも備えている。このとき、原料となる炭化水素と水は原料供給口７から供給され、バーナ２で燃焼した燃焼ガスは排気口６から排気される。また、水素生成装置全体は断熱材１４で断熱される。なお、燃料ガスを生成する動作については、図６に示した従来の水素生成装置と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００４６】
つまり、本実施の形態の水素生成装置１は、蒸発部８の構成が従来の水素生成装置と異なる。そこで、以下では、本実施の形態の水素生成装置１の蒸発部８について詳細に説明する。
【００４７】
図１に示すように、本実施の形態の蒸発部８は、内筒９と、外筒１０と、その間に、例えば長円形に変形してらせん状に挟まれた中空らせん体１８とで構成されている。そして、中空らせん体１８と内筒９および外筒１０とにより、水などが流下するらせん流路８Ａが形成されている。このとき、長円形の中空らせん体１８の長軸方向は、内筒９および外筒１０の軸方向として設けられている。なお、中空らせん体１８は、弾性変形可能な材質で構成され、例えば外径３ｍｍ、肉厚０．３ｍｍのステンレス製の肉薄管をらせん状に成形して用いられ、上端側などの少なくとも一端がつぶされて封止されている。なお、中空らせん体が配置される上端側と下端側の両方を封止してもよい。これにより、中空らせん体１８の中空部分に水が侵入することを防止できる。
【００４８】
本実施の形態によれば、蒸発部８は、中空らせん体１８を内筒９および外筒１０の半径方向に若干押しつぶした長円形の中空らせん体１８により、接触面積を増やして密着させることができる。具体的には、密着する前の、例えば円形の断面形状を有する中空らせん体１８を、弾性変形範囲内で長円形となるまで圧縮変形させて内筒９および外筒１０と隙間なく密着させる。これにより、内筒９または外筒１０と中空らせん体１８の隙間を介する水の流下を防止している。一方，水素生成装置内の内筒９や外筒１０などは起動時や停止時には各々大きな温度変化を生じる。そのため熱膨張や熱収縮により，内筒９や外筒１０の径が変化する。その際，内筒９と外筒１０の間隔が変化してしまうが，この間隔の変化を中空らせん体１８の弾性変形により吸収して隙間の発生を防止できる。すなわち，圧縮して形成された中空らせん体１８の変形を弾性変形範囲としているので，内筒９や外筒１０の径が変化してもそれに応じて中空らせん体１８の断面形状がその半径方向に変形し，中空らせん体１８と内筒９および外筒１０との密着を維持することができる。また，この効果は中空らせん体１８が弾性を維持している限り有するので，中空らせん体１８と内筒９および外筒１０との間の隙間の発生を長期間に亘り防止できる。
【００４９】
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の製造方法について、図２を用いて説明する。
【００５０】
図２（ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の内筒９の拡管前の状態を説明する断面図で、図２（ｂ）は、拡管後の状態を説明する断面図である。
【００５１】
まず、図２（ａ）に示すように、外筒１０の内周面に、例えば断面形状が円形の中空らせん体１８を配置し、その中に内筒９を設置する。そして、内筒９の底に底板１９を、内筒９の上端に上板２０を押し付けて密着させる。このとき、上板２０に、高圧水ポンプ（図示せず）に接続される配管２１が設けられている。
【００５２】
つぎに、図２（ｂ）に示すように、内筒９の内側に高圧水ポンプを介して水２２を圧入する。そして、水の圧入により内筒９が直径方向に拡管し、中空らせん体１８が内筒９の直径方向に圧縮される。これにより、内筒９と外筒１０との間に、圧縮変形により長円形に変形した中空らせん体１８が挟まれて密着する。
【００５３】
上記方法により、隙間がなく水漏れのない蒸発部８が作製される。
【００５４】
なお、内筒９の拡管率、すなわち拡管前と拡管後の外径の比率は、内筒９と中空らせん体１８と外筒１０の寸法精度にもよるが、内筒９の外径のおよそ１〜５％程度が好ましい。つまり、各部材の寸法精度が高く、図２（ａ）に示すように設置する精度が高い場合、１％未満の小さな拡管率でも良いが、これらの精度を上げることは一般に製造上困難である。逆に、これらの精度が低い場合、内筒９の拡管率を大きくする必要があるが、拡管率が５％を超える場合、内筒９に割れが生じやすくなる。
【００５５】
また、上記では、水圧によって内筒９を拡管する方法を例に説明したが、これに限られない、例えば、水圧以外の、ガス圧や油圧などで内筒９を拡管してもよい。
【００５６】
また、上記では、中空らせん体の外形（Ｒ）と肉厚（ｔ）との比率（ｔ／Ｒ）を、１／１０を例に説明したが、これに限られない。例えば、１／２０から１／３の比率であればよい。
【００５７】
また、上記では、中空らせん体の外形が３ｍｍとしてらせん流路を形成する例で説明したが、これに限られない。つまり、中空らせん体の外形は任意に設定してもよい。これにより、水が流下する内筒と外筒の間隔でらせん流路を、中空らせん体の外形によって任意に調節することができる。その結果、水の蒸発によって生じる圧力損失を適切な範囲に設定して、原料を供給する動力（エネルギー）を低く抑えることができる。
【００５８】
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の他の製造方法について、図３を用いて説明する。
【００５９】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の別の例にかかる蒸発部の外筒１０の縮管前の状態を説明する断面図で、図３（ｂ）は、縮管後の状態を説明する断面図である。
【００６０】
まず、図３（ａ）に示すように、内筒９の外周面に、例えば断面形状が円形の中空らせん体１８を巻き付け、それを外筒１０の内側へ設置する。そして、外筒１０の底に底板２３を、外筒１０の上端に上板２４を押し付けて密着させる。このとき、底板２３、上板２４と円筒形の筒体２５により密閉空間２５Ａが形成される。さらに、上板２４の密閉空間２５Ａと対向する位置に、高圧水ポンプ（図示せず）に接続された配管２１を設ける。
【００６１】
つぎに、図３（ｂ）に示すように、外筒１０の外側に高圧水ポンプを使って水２２を圧入する。そして、水の圧入により外筒１０が直径方向に縮管し、中空らせん体１８が外筒１０の直径方向に圧縮される。これにより、内筒９と外筒１０の間に、圧縮変形により長円形に変形した中空らせん体１８が挟まれて密着する。
【００６２】
上記方法により、隙間がなく水漏れのない蒸発部８が作製される。
【００６３】
なお、外筒１０の縮管率、すなわち縮管前と縮管後の外径の比率は、前述と同じくおよそ１〜５％程度が好ましい。
【００６４】
また、上記では、水圧によって外筒１０を縮管する方法を例に説明したが、これに限られない、例えば水圧以外の、ガス圧や油圧などで外筒１０を縮管してもよい。
【００６５】
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の製造方法のさらに別の例について、図４を用いて説明する。
【００６６】
図４（ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置のさらに別の例にかかる蒸発部の中空らせん体１８の拡管前の状態を説明する断面図で、図４（ｂ）は、中空らせん体１８の拡管後の状態を説明する断面図である。
【００６７】
まず、図４（ａ）に示すように、内筒９の外周面に、例えば断面形状が円形の中空らせん体１８を巻き付ける。このとき、中空らせん体１８の上端はつぶして封止されるとともに、下端２６は高圧水ポンプ（図示せず）に接続されている。そして、外筒１０の内側に中空らせん体１８が設置される。
【００６８】
つぎに、図４（ｂ）に示すように、中空らせん体１８内に高圧水ポンプを使って水を圧入する。そして、水の圧入により中空らせん体１８が拡管し、内筒９と外筒１０に挟まれて長円形に変形し密着する。その後、中空らせん体１８の下端２６を切断して高圧水ポンプと切り離す。
【００６９】
上記方法により、隙間がなく水漏れのない蒸発部８が作製される。
【００７０】
本実施の形態の製造方法によれば、中空らせん体１８を内筒９および外筒１０の半径方向に若干押しつぶした長円形の中空らせん体１８により、接触面積を増やして密着させた蒸発部を容易に作製できる。その結果、内筒９または外筒１０と中空らせん体１８の隙間を介する水の流下を防止する信頼性に優れた水素生成装置が作製できる。また、中空らせん体１８を、弾性領域内で変形させて密着させることにより、内筒９や外筒１０の熱変形を中空らせん体１８の変形で吸収し、隙間などの発生を長期間に亘り防止できる水素生成装置を容易に作製できる。
【００７１】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態２における水素生成装置は、実施の形態１の水素生成装置の蒸発部のらせん体の構造が異なり、それ以外の構成要素や製造方法などは同じであるので、説明を省略する。
【００７２】
つまり、本実施の形態では、らせん体が、その断面形状の一部に凹部を有する点で、実施の形態１の中空らせん体とは異なる。
【００７３】
そこで、以下では、本発明の実施の形態２の水素生成装置の主要部である蒸発部のらせん体について、図５を用いて詳細に説明する。
【００７４】
図５（ａ）は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＵ型のらせん体２７を有する蒸発部を説明する概略断面図である。図５（ｂ）は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＸ型のらせん体２８を有する蒸発部を説明する概略断面図である。図５（ｃ）は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＣ型のらせん体２９を有する蒸発部を説明する概略断面図である。図５（ｄ）は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状が星型のらせん体３０を有する蒸発部を説明する概略断面図である。
【００７５】
そして、図５（ａ）から図５（ｄ）に示す蒸発部８は、実施の形態１と同様の方法により、内筒９と外筒１０との間に配置されたらせん体を弾性領域内で変形させて、内筒９と外筒１０とに密着させて構成されている。具体的には、らせん体２７、２８、２９、３０は、その断面形状の一部に凹部を有するため、内筒９と外筒１０に挟んで圧縮すると、容易に弾性変形を生じて内筒９と外筒１０とに隙間なく密着する。その結果、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制して水の漏れによる流下を防止できる。
【００７６】
なお、上記実施の形態では、図５に示す４種類のらせん体の断面形状を例に説明したが、これに限られない。例えば、断面形状の一部が弾性変形して内筒と外筒とに密着しやすい形状であれば任意である。例えば、図５の（ａ）と（ｃ）の中空らせん体１８の断面形状は上に凹としているが、下に凹としても良い。これにより、水の漏れ防止など同様の効果が得られる。
【００７７】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における燃料電池システムについて、説明する。
【００７８】
本発明の実施の形態３における燃料電池システムは、実施の形態１または実施の形態２の水素生成装置と、燃料電池とで少なくとも構成されている。そして、燃料電池は、水素生成装置から供給される水素含有の燃料ガスと、空気との化学反応により発電する。
【００７９】
本実施の形態によれば、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を備えた、長期間に亘り安定して発電動作する燃料電池システムを実現できる。
【００８０】
本出願は、２００９年３月９日出願の日本特許出願（特願２００９−５４５５７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の蒸発部を有する水素生成装置は、改質反応に必要な水蒸気を安定して供給することができる燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 水素生成装置
２ 加熱源（バーナ）
３ 改質触媒
４ 変成触媒
５ 選択酸化触媒
６ 排気口
７ 原料供給口
８ 蒸発部
８Ａ らせん流路
８Ｂ 空間
９ 内筒
１０ 外筒
１１ らせん棒
１２ 空気供給口
１３ 燃料ガス出口
１４ 断熱材
１５，１６ リブ
１７ パイプ
１８ 中空らせん体
１９，２３ 底板
２０，２４ 上板
２１ 配管
２２ 水
２５ 筒体
２５Ａ 密閉空間
２６ 下端
２７，２８，２９，３０ らせん体
【０００１】
本発明は、炭化水素化合物と水を反応させて水素含有ガスを生成する水素生成装置とその製造方法およびそれを用いた燃料電池システムに関し、特に、水の蒸発部に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池からなる発電装置は、まず、改質部によって炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスを生成する。つぎに、変成部や選択酸化部などの一酸化炭素低減部によって燃料電池に有害となる一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成する。そして、得られた燃料ガスを用いて燃料電池で発電を行うものである。
【０００３】
そして、水蒸気改質反応に必要な水蒸気は、改質部の上流に設けた蒸発部で、水を蒸発させることにより得られる。このとき、蒸発に要する熱源としては、通常、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを燃焼部で燃焼して得られる燃焼排ガスの熱が用いられる。
【０００４】
従来、さまざまな蒸発部を有する水素生成装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
以下に、特許文献１に示された水素生成装置について、図６を用いて簡単に説明する。図６は、従来の水素生成装置の構成を示す断面図である。
【０００６】
図６に示すように、従来の水素生成装置は、バーナからなる加熱源２（以下、「バーナ」と記す）、改質触媒３、変成触媒４、選択酸化触媒５と蒸発部８およびそれらを断熱する断熱材１４とを、少なくとも備えている。このとき、原料となる炭化水素と水は原料供給口７から供給され、バーナ２の燃焼ガスは排気口６から排気される。また、水素生成装置全体は断熱材１４で断熱される。
【０００７】
そして、水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するバーナ２の燃料としては、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスが用いられる。そして、ルテニウムを主成分とする改質触媒３は、原料と水蒸気の混合ガスを水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスへと反応させる。また、改質ガスに含まれる一酸化炭素は、変成触媒４によって改質ガス中の水蒸気と反応して濃度が１％以下程度にまで低減される。さらに、改質ガスは、空気供給口１２から供給された空気と混合されて、選択酸化触媒５によって一酸化炭素が選択的に燃焼除去されて、燃料ガスが生成される。
【０００８】
上記により、生成された燃料ガスは、燃料ガス出口１３から燃料電池へ供給される。
【０００９】
ここで、改質触媒３に供給される水蒸気は、蒸発部８内でバーナ２で燃焼した燃焼ガスによって水を加熱することにより得られる。そして、蒸発部８は、内筒９と外筒１０と、それらに挟まれたらせん棒１１とから構成される。このとき、原料供給口７から供給された原料と水は、らせん棒１１によって区切られたらせん状の空間８Ｂを流下しながらバーナ２で生じた燃焼ガスにより加熱される。そして、内筒９と外筒１０間にらせん棒１１を配置することにより、水を蒸発させるのに十分な伝熱面積を確保している。これにより、コンパクトで、高い性能を有する水素生成装置が得られるとしている。
【００１０】
また、らせん棒を使用しない蒸発部８の構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。そして、特許文献２には、図７（ａ）から図７（ｃ）の断面図に示すような、３種類の蒸発部の構成が開示されている。
図７（ａ）は、従来の蒸発部の一例を示す断面図である。同図（ｂ）は、従来の蒸発部の別の一例を示す断面図である。同図（ｃ）は、従来の蒸発部の更に別の一例を示す断面図である。
【００１１】
つまり、図７（ａ）に示す蒸発部８は、外筒１０の内側に凹形状のらせん状のリブ１５を設け、それを内筒９と密着して組み合わせたものである。このとき、蒸発させる水は内筒９と外筒１０の間のらせん状の空間を流下する。
【００１２】
また、図７（ｂ）に示す蒸発部８は、内筒９の外側に凸形状のらせん状のリブ１６を設け、それを外筒１０と密着して組み合わせたものである。このとき、蒸発させる水は、上記と同様に内筒９と外筒１０の間のらせん状の空間を流下する。
【００１３】
また、図７（ｃ）に示す蒸発部８は、内筒９にパイプ１７を密着してらせん状に巻いたもので、蒸発させる水はパイプ１７内を流下する。
【先行技術文献】
【００１４】
【特許文献１】
特許第４１４５７８５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２１１９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１に示す蒸発部は、蒸発に必要な伝熱面積を確保するためにらせん状に水を流下させる構成としているため、内筒９とらせん棒１１、および外筒１０とらせん棒１１とを密着させなければならない。なぜなら、これらの間に隙間があると、未蒸発の水が、隙間を介して流下し、一部が未蒸発のまま改質触媒３へ供給される。その結果、改質触媒３に流下した水により、部分的に改質触媒３の温度が低下し、水素生成能力が著しく低下する。さらに、改質触媒３の温度の急激な変化により、改質触媒３の割れや粉化が発生し、水素生成装置の寿命に悪影響を与えるという課題がある。また、蒸発部８は下流側から上流側に向かって高温の燃焼ガスで加熱されるため、上流側に比べて下流側の方が高温状態となる。そのため、らせん棒１１と内筒９、または外筒１０との間の隙間を介して流下する水は、より高温の下流側へ短時間で流下するために、急激に加熱され瞬間的に激しい沸騰を生じる。そして、これにより爆発的な突沸が発生すると、水素生成装置内のガスが燃料ガス出口１３から燃料電池へ瞬時に押し出される。そのため、瞬時に燃料電池へ送り出された改質ガスの、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒によるいずれの反応も不十分となる。その結果、改質ガスは、水素量が少なく、一酸化炭素濃度が高いため、燃料電池は、水素不足あるいは一酸化炭素被毒により発電停止に陥ってしまうという課題があった。
【００１６】
一方、特許文献２に示す蒸発部においては、図７（ａ）と図７（ｂ）の内筒９と外筒１０を、らせん状のリブ１５、１６を少々圧縮するように嵌合して構成すればリブと円筒との隙間をなくし、上記特許文献１の課題を回避することができる。
【００１７】
しかし、図７（ａ）と図７（ｂ）の蒸発部では、リブ１５、１６を押し出して形成するので、その押し出し高さには制限がある。具体的には、肉厚１ｍｍのステンレス製の円筒に、例えば円形の治具で押し出してらせん状のリブ１５、１６を形成する場合、押し出されるリブの高さを２ｍｍ程度以下にしないとリブ先端の肉厚が薄くなるため割れなどを生じる。そのため、蒸発する水が流下する内筒９と外筒１０との間の空間の流路幅は２ｍｍ程度以下になる。その結果、流路幅が狭いために蒸発時の圧力損失が大きくなるので、水と一緒に供給される原料を高圧で押し込むためのエネルギーが増大するという課題がある。
【００１８】
一方、蒸発する水の流路幅や蒸発部の圧力損失などは設計要素であり、任意に設計できることが望ましいが、上記の蒸発部では設計の自由度が制限されるという課題もある。
【００１９】
また、図７（ｃ）の蒸発部では、パイプ１７内で水を蒸発させる構造であるため、内筒９の直径によっては、巻き得るパイプ１７の直径の大きさが必然的に決まる。例えば、内筒９の外形を１０ｃｍとすると、巻き得るパイプ１７の直径はおよそ１０ｍｍ程度以下となる。その結果、パイプ１７の内径は８ｍｍ程度となり、水が蒸発した際に流れる流路としては細いため、圧力損失が大きくなるという課題があった。
【００２０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、蒸発部内で確実にらせん状に水を流下できる水素生成装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、水素含有ガスを生成する改質部と、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられ変形されたらせん体とを有する蒸発部と、加熱源と、を備え、蒸発部は、内筒と、外筒と、らせん体とに囲まれて形成されたらせん流路に水が供給され、加熱源で水を蒸発させる構成を有する。
【００２２】
この構成の内筒と、外筒との間にらせん状に設けられ変形されたらせん体を有することにより、らせん体と内筒と外筒とのそれぞれの接触面積が大きくなり、らせん体と内筒と外筒とが離れる部分がより少なくなることとなり、らせん体と内筒および外筒との間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を実現できる。
【００２３】
また、本発明に水素生成装置の製造方法は、改質部と、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、加熱源と、を備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、内筒を直径方向に拡管して、らせん体を内筒と外筒との間に挟み込んでらせん体を圧縮変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。
【００２４】
この方法により、らせん体を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００２５】
また、本発明に水素生成装置の製造方法は、改質部と、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、加熱源と、を備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、外筒を直径方向に縮管して、らせん体を内筒と外筒との間に挟み込んでらせん体を圧縮変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。
【００２６】
この方法により、らせん体の断面形状を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００２７】
また、本発明に水素生成装置の製造方法は、改質部と、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、加熱源と、を備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、らせん体を拡管して、らせん体を内筒と外筒との軸方向において長円形となるまで変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。
【００２８】
この方法により、らせん体を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００２９】
また、本発明の燃料電池システムは、上記水素生成装置と、燃料電池と、を少なくとも備える。これにより、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を備えた、長期間に亘り安定して動作する燃料電池システムを実現できる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の水素生成装置およびその製造方法によれば、変形されたらせん体を有することにより、内筒および外筒との間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止して信頼性の高い水素生成装置を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の内筒の拡管前の状態を説明する断面図（ｂ）拡管後の状態を説明する断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における水素生成装置の別の例にかかる蒸発部の外筒の縮管前の状態を説明する断面図（ｂ）縮管後の状態を説明する断面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１における水素生成装置のさらに別の例にかかる蒸発部の中空らせん体の拡管前の状態を説明する断面図（ｂ）拡管後の状態を説明する断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＵ型のらせん体を有する蒸発部を説明する概略断面図（ｂ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＸ型のらせん体を有する蒸発部を説明する概略断面図（ｃ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＣ型のらせん体を有する蒸発部を説明する概略断面図（ｄ）本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状が星型のらせん体を有する蒸発部を説明する概略断面図
【図６】従来の水素生成装置の構成を示す断面図
【図７】（ａ）従来の蒸発部の一例を示す断面図、（ｂ）従来の蒸発部の別の一例を示す断面図、（ｃ）従来の蒸発部の更に別の一例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
第１の発明は、水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられ変形されたらせん体とを有する蒸発部と、水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備え、蒸発部は、内筒と、外筒と、らせん体とに囲まれて形成されたらせん流路に水が供給され、加熱源で水を蒸発させる構成を有する。この内筒と、外筒との間にらせん状に設けられ変形されたらせん体を有することにより、らせん体と内筒と外筒とのそれぞれの接触面積が大きくなり、らせん体と内筒と外筒とが離れる部分がより少なくなることとなり、らせん体と内筒および外筒の間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を実現できる。
【００３３】
第２の発明は、第１の発明において、らせん体は、弾性変形範囲内で変形した状態で内筒と外筒の間に設けられる。この構成により、水素生成装置は起動時と停止時に大きな温度変化を生じ、熱膨張や熱収縮により内筒と外筒の径が変化するが、らせん体が弾性変形範囲内で変形した状態で配置されていることにより、この径変化を吸収することとなり、らせん体と内筒と外筒とが離れる部分がより少なくなることとなり、未蒸発の水が改質触媒へ供給されることが少なくなる。
【００３４】
第３の発明は、第１または第２の発明において、らせん体は、中空の長円形状の断面形状を有し、長円形の長軸方向を内筒および外筒の軸方向として配置する。断面形状が円形のらせん体では内筒および外筒とらせん体の接触部は点接触にすぎない。また、内筒や外筒を完全な円形に形成することはできないので、点接触を確保できず接触できない隙間箇所が多く発生してしまう。しかし本発明のように断面形状が長円形状であれば、内筒および外筒と中空らせん体との接触面積を拡大できるので，それらの接触できない隙間箇所の発生を大幅に減少でき，この隙間からの水の流下を大幅に防止できる。
【００３５】
第４の発明は、第３の発明において、らせん体は、少なくとも一端が封止されている。これにより、らせん体の中空内への水の浸入を防止し、突沸などを未然に防止できる。
【００３６】
第５の発明は、第１または第２の発明において、らせん体は、断面形状の一部に凹部を形成したものである。これにより、凹部を形成したらせん体と内筒および外筒との間の隙間の発生を抑制することができる。その結果、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を実現できる。
【００３７】
第６の発明は、水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、内筒を直径方向に拡管して、らせん体を内筒と外筒との間に挟み込んでらせん体を圧縮変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。これにより、らせん体を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００３８】
第７の発明は、水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、外筒を直径方向に縮管して、らせん体を内筒と外筒との間に挟み込んでらせん体を圧縮変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。これにより、らせん体の凹部を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００３９】
第８の発明は、水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、内筒と外筒との間に、らせん体をらせん状に配置する工程と、らせん体を拡管して、らせん体を内筒と外筒の軸方向において長円形となるまで変形させることにより蒸発部を形成する工程と、を含む。これにより、らせん体を変形させて、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制できる水素生成装置を作製できる。
【００４０】
第９の発明は、第６から第８のいずれかの発明において、らせん体を弾性変形範囲内で変形させる。これにより、内筒や外筒の径が熱変形しても、らせん体が追従して、隙間の発生を確実に防止できる。その結果、長期間、安定して動作する水素生成装置を実現できる。
【００４１】
第１０の発明は、上記第１から第５のうちいずれかの発明の水素生成装置と、燃料電池と、を少なくとも備えた燃料電池システムである。これにより、信頼性に優れた水素生成装置を備えた、長期間に亘り安定して動作する燃料電池システムを実現できる。
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した従来技術と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００４３】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置について、詳細に説明する。
【００４４】
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置１の概略構成図である。なお、図１において、図６に示した従来の水素生成装置と同等の構成要素には同じ符号を付して説明する。
【００４５】
図１に示すように、本発明の実施の形態１の水素生成装置１は、バーナからなる加熱源２（以下、「バーナ」と記す）、改質触媒３、変成触媒４、選択酸化触媒５と蒸発部８およびそれらを断熱する断熱材１４とを、少なくとも備えている。このとき、原料となる炭化水素と水は原料供給口７から供給され、バーナ２で燃焼した燃焼ガスは排気口６から排気される。また、水素生成装置全体は断熱材１４で断熱される。なお、燃料ガスを生成する動作については、図６に示した従来の水素生成装置と同じであるため詳細な説明は省略する。
【００４６】
つまり、本実施の形態の水素生成装置１は、蒸発部８の構成が従来の水素生成装置と異なる。そこで、以下では、本実施の形態の水素生成装置１の蒸発部８について詳細に説明する。
【００４７】
図１に示すように、本実施の形態の蒸発部８は、内筒９と、外筒１０と、その間に、例えば長円形に変形してらせん状に挟まれた中空らせん体１８とで構成されている。そして、中空らせん体１８と内筒９および外筒１０とにより、水などが流下するらせん流路８Ａが形成されている。このとき、長円形の中空らせん体１８の長軸方向は、内筒９および外筒１０の軸方向として設けられている。なお、中空らせん体１８は、弾性変形可能な材質で構成され、例えば外径３ｍｍ、肉厚０．３ｍｍのステンレス製の肉薄管をらせん状に成形して用いられ、上端側などの少なくとも一端がつぶされて封止されている。なお、中空らせん体が配置される上端側と下端側の両方を封止してもよい。これにより、中空らせん体１８の中空部分に水が侵入することを防止できる。
【００４８】
本実施の形態によれば、蒸発部８は、中空らせん体１８を内筒９および外筒１０の半径方向に若干押しつぶした長円形の中空らせん体１８により、接触面積を増やして密着させることができる。具体的には、密着する前の、例えば円形の断面形状を有する中空らせん体１８を、弾性変形範囲内で長円形となるまで圧縮変形させて内筒９および外筒１０と隙間なく密着させる。これにより、内筒９または外筒１０と中空らせん体１８の隙間を介する水の流下を防止している。一方，水素生成装置内の内筒９や外筒１０などは起動時や停止時には各々大きな温度変化を生じる。そのため熱膨張や熱収縮により，内筒９や外筒１０の径が変化する。その際，内筒９と外筒１０の間隔が変化してしまうが，この間隔の変化を中空らせん体１８の弾性変形により吸収して隙間の発生を防止できる。すなわち，圧縮して形成された中空らせん体１８の変形を弾性変形範囲としているので，内筒９や外筒１０の径が変化してもそれに応じて中空らせん体１８の断面形状がその半径方向に変形し，中空らせん体１８と内筒９および外筒１０との密着を維持することができる。また，この効果は中空らせん体１８が弾性を維持している限り有するので，中空らせん体１８と内筒９および外筒１０との間の隙間の発生を長期間に亘り防止できる。
【００４９】
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の製造方法について、図２を用いて説明する。
【００５０】
図２（ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の内筒９の拡管前の状態を説明する断面図で、図２（ｂ）は、拡管後の状態を説明する断面図である。
【００５１】
まず、図２（ａ）に示すように、外筒１０の内周面に、例えば断面形状が円形の中空らせん体１８を配置し、その中に内筒９を設置する。そして、内筒９の底に底板１９を、内筒９の上端に上板２０を押し付けて密着させる。このとき、上板２０に、高圧水ポンプ（図示せず）に接続される配管２１が設けられている。
【００５２】
つぎに、図２（ｂ）に示すように、内筒９の内側に高圧水ポンプを介して水２２を圧入する。そして、水の圧入により内筒９が直径方向に拡管し、中空らせん体１８が内筒９の直径方向に圧縮される。これにより、内筒９と外筒１０との間に、圧縮変形により長円形に変形した中空らせん体１８が挟まれて密着する。
【００５３】
上記方法により、隙間がなく水漏れのない蒸発部８が作製される。
【００５４】
なお、内筒９の拡管率、すなわち拡管前と拡管後の外径の比率は、内筒９と中空らせん体１８と外筒１０の寸法精度にもよるが、内筒９の外径のおよそ１〜５％程度が好ましい。つまり、各部材の寸法精度が高く、図２（ａ）に示すように設置する精度が高い場合、１％未満の小さな拡管率でも良いが、これらの精度を上げることは一般に製造上困難である。逆に、これらの精度が低い場合、内筒９の拡管率を大きくする必要があるが、拡管率が５％を超える場合、内筒９に割れが生じやすくなる。
【００５５】
また、上記では、水圧によって内筒９を拡管する方法を例に説明したが、これに限られない、例えば、水圧以外の、ガス圧や油圧などで内筒９を拡管してもよい。
【００５６】
また、上記では、中空らせん体の外形（Ｒ）と肉厚（ｔ）との比率（ｔ／Ｒ）を、１／１０を例に説明したが、これに限られない。例えば、１／２０から１／３の比率であればよい。
【００５７】
また、上記では、中空らせん体の外形が３ｍｍとしてらせん流路を形成する例で説明したが、これに限られない。つまり、中空らせん体の外形は任意に設定してもよい。これにより、水が流下する内筒と外筒の間隔でらせん流路を、中空らせん体の外形によって任意に調節することができる。その結果、水の蒸発によって生じる圧力損失を適切な範囲に設定して、原料を供給する動力（エネルギー）を低く抑えることができる。
【００５８】
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の他の製造方法について、図３を用いて説明する。
【００５９】
図３（ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の別の例にかかる蒸発部の外筒１０の縮管前の状態を説明する断面図で、図３（ｂ）は、縮管後の状態を説明する断面図である。
【００６０】
まず、図３（ａ）に示すように、内筒９の外周面に、例えば断面形状が円形の中空らせん体１８を巻き付け、それを外筒１０の内側へ設置する。そして、外筒１０の底に底板２３を、外筒１０の上端に上板２４を押し付けて密着させる。このとき、底板２３、上板２４と円筒形の筒体２５により密閉空間２５Ａが形成される。さらに、上板２４の密閉空間２５Ａと対向する位置に、高圧水ポンプ（図示せず）に接続された配管２１を設ける。
【００６１】
つぎに、図３（ｂ）に示すように、外筒１０の外側に高圧水ポンプを使って水２２を圧入する。そして、水の圧入により外筒１０が直径方向に縮管し、中空らせん体１８が外筒１０の直径方向に圧縮される。これにより、内筒９と外筒１０の間に、圧縮変形により長円形に変形した中空らせん体１８が挟まれて密着する。
【００６２】
上記方法により、隙間がなく水漏れのない蒸発部８が作製される。
【００６３】
なお、外筒１０の縮管率、すなわち縮管前と縮管後の外径の比率は、前述と同じくおよそ１〜５％程度が好ましい。
【００６４】
また、上記では、水圧によって外筒１０を縮管する方法を例に説明したが、これに限られない、例えば水圧以外の、ガス圧や油圧などで外筒１０を縮管してもよい。
【００６５】
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置の蒸発部の製造方法のさらに別の例について、図４を用いて説明する。
【００６６】
図４（ａ）は、本発明の実施の形態１における水素生成装置のさらに別の例にかかる蒸発部の中空らせん体１８の拡管前の状態を説明する断面図で、図４（ｂ）は、中空らせん体１８の拡管後の状態を説明する断面図である。
【００６７】
まず、図４（ａ）に示すように、内筒９の外周面に、例えば断面形状が円形の中空らせん体１８を巻き付ける。このとき、中空らせん体１８の上端はつぶして封止されるとともに、下端２６は高圧水ポンプ（図示せず）に接続されている。そして、外筒１０の内側に中空らせん体１８が設置される。
【００６８】
つぎに、図４（ｂ）に示すように、中空らせん体１８内に高圧水ポンプを使って水を圧入する。そして、水の圧入により中空らせん体１８が拡管し、内筒９と外筒１０に挟まれて長円形に変形し密着する。その後、中空らせん体１８の下端２６を切断して高圧水ポンプと切り離す。
【００６９】
上記方法により、隙間がなく水漏れのない蒸発部８が作製される。
【００７０】
本実施の形態の製造方法によれば、中空らせん体１８を内筒９および外筒１０の半径方向に若干押しつぶした長円形の中空らせん体１８により、接触面積を増やして密着させた蒸発部を容易に作製できる。その結果、内筒９または外筒１０と中空らせん体１８の隙間を介する水の流下を防止する信頼性に優れた水素生成装置が作製できる。また、中空らせん体１８を、弾性領域内で変形させて密着させることにより、内筒９や外筒１０の熱変形を中空らせん体１８の変形で吸収し、隙間などの発生を長期間に亘り防止できる水素生成装置を容易に作製できる。
【００７１】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態２における水素生成装置は、実施の形態１の水素生成装置の蒸発部のらせん体の構造が異なり、それ以外の構成要素や製造方法などは同じであるので、説明を省略する。
【００７２】
つまり、本実施の形態では、らせん体が、その断面形状の一部に凹部を有する点で、実施の形態１の中空らせん体とは異なる。
【００７３】
そこで、以下では、本発明の実施の形態２の水素生成装置の主要部である蒸発部のらせん体について、図５を用いて詳細に説明する。
【００７４】
図５（ａ）は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＵ型のらせん体２７を有する蒸発部を説明する概略断面図である。図５（ｂ）は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＸ型のらせん体２８を有する蒸発部を説明する概略断面図である。図５（ｃ）は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状がＣ型のらせん体２９を有する蒸発部を説明する概略断面図である。図５（ｄ）は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の断面形状が星型のらせん体３０を有する蒸発部を説明する概略断面図である。
【００７５】
そして、図５（ａ）から図５（ｄ）に示す蒸発部８は、実施の形態１と同様の方法により、内筒９と外筒１０との間に配置されたらせん体を弾性領域内で変形させて、内筒９と外筒１０とに密着させて構成されている。具体的には、らせん体２７、２８、２９、３０は、その断面形状の一部に凹部を有するため、内筒９と外筒１０に挟んで圧縮すると、容易に弾性変形を生じて内筒９と外筒１０とに隙間なく密着する。その結果、内筒および外筒の間の隙間の発生を確実に抑制して水の漏れによる流下を防止できる。
【００７６】
なお、上記実施の形態では、図５に示す４種類のらせん体の断面形状を例に説明したが、これに限られない。例えば、断面形状の一部が弾性変形して内筒と外筒とに密着しやすい形状であれば任意である。例えば、図５の（ａ）と（ｃ）の中空らせん体１８の断面形状は上に凹としているが、下に凹としても良い。これにより、水の漏れ防止など同様の効果が得られる。
【００７７】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における燃料電池システムについて、説明する。
【００７８】
本発明の実施の形態３における燃料電池システムは、実施の形態１または実施の形態２の水素生成装置と、燃料電池とで少なくとも構成されている。そして、燃料電池は、水素生成装置から供給される水素含有の燃料ガスと、空気との化学反応により発電する。
【００７９】
本実施の形態によれば、水素生成能力の低下や触媒の割れ、および突沸による一酸化炭素の発生を防止した信頼性に優れた水素生成装置を備えた、長期間に亘り安定して発電動作する燃料電池システムを実現できる。
【００８０】
本出願は、２００９年３月９日出願の日本特許出願（特願２００９−５４５５７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の蒸発部を有する水素生成装置は、改質反応に必要な水蒸気を安定して供給することができる燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 水素生成装置
２ 加熱源（バーナ）
３ 改質触媒
４ 変成触媒
５ 選択酸化触媒
６ 排気口
７ 原料供給口
８ 蒸発部
８Ａ らせん流路
８Ｂ 空間
９ 内筒
１０ 外筒
１１ らせん棒
１２ 空気供給口
１３ 燃料ガス出口
１４ 断熱材
１５，１６ リブ
１７ パイプ
１８ 中空らせん体
１９，２３ 底板
２０，２４ 上板
２１ 配管
２２ 水
２５ 筒体
２５Ａ 密閉空間
２６ 下端
２７，２８，２９，３０ らせん体
Claims (12)
- 水素含有ガスを生成する改質部と、
前記改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、
前記水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備え、
前記らせん体は、中空の円形状又は一部に凹部を形成した形状の断面形状を有し、
前記蒸発部は、前記内筒と、前記外筒と、前記らせん体とに囲まれて形成されたらせん流路に前記水が供給され、前記加熱源で前記水を蒸発させる水素生成装置。 - 前記らせん体は、弾性変形範囲内で変形した状態で前記内筒と前記外筒との間に設けられた請求項１に記載の水素生成装置。
- 前記らせん体は、中空の長円形状の断面形状を有し、前記長円形の長軸方向を前記内筒および外筒の軸方向として配置する請求項１に記載の水素生成装置。
- 前記らせん体は、少なくとも一端が封止されている請求項３に記載の水素生成装置。
- 水素含有ガスを生成する改質部と、
前記改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、
前記水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、
前記らせん体は、中空の円形状又は一部に凹部を形成した形状の断面形状を有し、
前記内筒と前記外筒との間に、前記らせん体をらせん状に配置する工程と、
前記内筒の内側から水圧又は油圧を加え、前記内筒を直径方向に拡管して、前記らせん体を前記内筒と前記外筒との間に挟み込んで前記らせん体を圧縮変形させることにより前記蒸発部を形成する工程と、
を含む水素生成装置の製造方法。 - 水素含有ガスを生成する改質部と、
前記改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、
前記水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、
前記らせん体は、中空の円形状又は一部に凹部を形成した形状の断面形状を有し、
前記内筒と前記外筒との間に、前記らせん体をらせん状に配置する工程と、
前記外筒の外側から水圧又は油圧を加え、前記外筒を直径方向に縮管して、前記らせん体を前記内筒と前記外筒との間に挟み込んで前記らせん体を圧縮変形させることにより前記蒸発部を形成する工程と、
を含む水素生成装置の製造方法。 - 水素含有ガスを生成する改質部と、
前記改質部に供給する水を蒸発する、内筒と、外筒と、当該内筒および外筒の間にらせん状に設けられたらせん体とを有する蒸発部と、
前記水を蒸発する加熱源と、を少なくとも備えた水素生成装置の製造方法であって、
前記らせん体は、中空の円形状の断面形状を有し、
前記内筒と前記外筒との間に、前記らせん体をらせん状に配置する工程と、
前記らせん体の内側から水圧又は油圧を加え、前記らせん体を拡管して、前記らせん体を前記内筒と前記外筒との軸方向において長円形状の断面形状となるまで変形させることにより前記蒸発部を形成する工程と、
を含む水素生成装置の製造方法。 - 前記らせん体を弾性変形範囲内で変形させる請求項５から７までのうちいずれか１項に記載の水素生成装置の製造方法。
- 請求項１から４のうちいずれか１項に記載の水素生成装置と、燃料電池と、を少なくとも備えた燃料電池システム。
- 前記一部に凹部を形成した形状の前記らせん体の断面形状とは、Ｕ型、Ｘ型、Ｃ型又は星型の断面形状である、請求項１に記載の水素生成装置。
- 前記一部に凹部を形成した形状の前記らせん体の断面形状とは、Ｕ型、Ｘ型、Ｃ型又は星型の断面形状である、請求項５又は６に記載の水素生成装置の製造方法。
- 前記らせん体の一方の端部が封止された状態で、他方の端部から圧力を加える、請求項７に記載の水素生成装置の製造方法。
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