JP5423141B2 - 水素生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させ、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を備える水素生成装置に関するものである。
小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。そこで、例えば都市ガス、プロパンガス等の既存の化石原料インフラから供給される原料を利用し、それらの原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。
その水素生成装置は、原料と水とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部となる、一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成部、および一酸化炭素を酸化させる選択酸化部を設ける構成がとられることが多い。それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはRu触媒やNi触媒、変成部にはCu−Zn触媒、選択酸化部にはRu触媒等が用いられている。また、各反応部には適した温度があり、改質部は650℃程度、変成部は200℃程度、選択酸化部は150℃程度で使用されることが多い。
燃料電池発電システムを家庭用途で使用する場合、家庭の電力負荷に対応して、負荷の小さな夜間、システムを停止する起動停止運転に対応させることが、高いエネルギー効率を得るための望ましい運転方法となる。
水素生成装置も、その運転方法に対応する必要があり、起動時に速やかに水素含有ガスを供給するため、起動時に、改質触媒および一酸化炭素低減触媒を、それぞれ活性化できる温度にまで加熱する必要がある。
そこで、一酸化炭素低減部である変成部の外壁に、変成触媒を加熱するヒーターを設け、そのヒーターに接触するように、変成部全体を覆うように断熱材が設けられる構成が検討されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−225223号公報
特許文献1に記載のような従来の構成では、ヒーターでの発熱が、変成部の外壁を通した熱伝導により、一酸化炭素低減触媒に伝わることになる。すなわち、ヒーターが設置されている外壁面近傍の一酸化炭素低減触媒は、加熱されやすい構成となっている。しかし、ヒーターが設置されていない外壁面近傍の一酸化炭素低減触媒の昇温が遅くなる。従って、一酸化炭素低減触媒全体が、活性化する温度まで加熱されるまで、所定の一酸化炭素低減効果が得られず、さらなる起動時間の短縮化が望まれている。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、一酸化炭素低減部を、速やかに活性温度に加熱する水素生成装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、原料供給経路と、水供給経路と、原料供給経路から供給される原料と水供給経路から供給される水との改質反応により、水素含有ガスを生成させる改質部と、改質反応に必要な熱を改質部に供給する加熱部と、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、改質部の外側に設けられる改質断熱部と、一酸化炭素低減部の外側に設けられる一酸化炭素低減断熱部とを備え、一酸化炭素低減部の外壁と一酸化炭素低減断熱部との間に空間が設けられ、その空間と空間への空気取入口及び空気取出口により重力方向の下から上に空気が流れる空気対流層が構成され、一酸化炭素低減部は、水素含有ガスによって運ばれる熱によって上流となる重力方向の下側から加熱されるが、一酸化炭素低減部の上流の熱が空気対流層の空気の流れによって外壁側からも一酸化炭素低減部の下流に伝えられるのである。
本発明の水素生成装置は、一酸化炭素低減部が、水素含有ガスによって運ばれる熱によって上流となる重力方向の下側から加熱されるが、一酸化炭素低減部の上流の熱が空気対流層の空気の流れによって外壁側からも一酸化炭素低減部の下流に伝えられて、一酸化炭素低減部全体を効果的に加熱することができるので、一酸化炭素低減部に納められる一酸化炭素低減触媒を、活性温度にまで加熱する時間を短縮することができる。その結果、起動時に必要な消費エネルギーを減らすことができる。また、一酸化炭素低減触媒全体を有効利用できるので、その触媒量を低減することができる。
本発明の実施の形態1における水素生成装置100の概略構成図 本発明の実施の形態1における変成ヒーター27の概観図 本発明の実施の形態1における変成ヒーター27の変形例の概観図 本発明の実施の形態2における水素生成装置101の概略構成図 本発明の実施の形態3における水素生成装置102の概略構成図 本発明の実施の形態4における水素生成装置103の概略構成図
第1の発明は、原料供給経路と、水供給経路と、原料供給経路から供給される原料と水供給経路から供給される水との改質反応により、水素含有ガスを生成させる改質部と、改質反応に必要な熱を改質部に供給する加熱部と、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、改質部の外側に設けられる改質断熱部と、一酸化炭素低減部の外側に設けられる一酸化炭素低減断熱部とを備え、一酸化炭素低減部の外壁と一酸化炭素低減断熱部との間に空間が設けられ、その空間と空間への空気取入口及び空気取出口により重力方向の下から上に空気が流れる空気対流層が構成され、一酸化炭素低減部は、水素含有ガスによって運ばれる熱によって上流となる重力方向の下側から加熱されるが、一酸化炭素低減部の上流の熱が空気対流層の空気の流れによって外壁側からも一酸化炭素低減部の下流に伝えられる水素生成装置である。これにより、一酸化炭素低減部が、水素含有ガスによって運ばれる熱によって上流となる重力方向の下側から加熱されるが、一酸化炭素低減部の上流の熱が空気対流層空気の流れによって外壁側からも一酸化炭素低減部の下流に伝えられて、一酸化炭素低減部全体を効果的に加熱することができるので、一酸化炭素低減部に納められる一酸化炭素低減触媒を、活性温度にまで加熱する時間を短縮することができる。その結果、起動時に必要な消費エネルギーを減らすことができる。また、一酸化炭素低減触媒全体を有効利用できるので、その触媒量を低減することができる。
第2の発明では、特に、第1の発明において、空気取入口及び空気取出口が、一酸化炭素低減断熱部に設けられているので、空気対流層で積極的に空気の流れを発生させることができ、その空気の流れによって、一酸化炭素低減部を加熱することが可能となる。
第3の発明では、特に、第1または2の発明において、一酸化炭素低減部を加熱するヒーターが、一酸化炭素低減部の外に近接させて、空気対流層に設けられ、空気対流層を流れる空気の流れによって、ヒーターの熱が、一酸化炭素低減部全体に伝えられるので、空気対流層を流れる空気の流れによって、ヒーターの熱が、一酸化炭素低減部全体に伝えることが可能となる。
第4の発明では、特に、第の発明において、空気取入口を、ヒーターの設置位置よりも、重力方向下側に設けることで、空気対流層で積極的に空気の流れ(自然対流)を発生させることができ、ヒーターの熱を、一酸化炭素低減部全体に伝えることが可能となる。
第5の発明では、特に、第1から4のいずれか1つの発明において、外壁を同一にして、一酸化炭素低減部が、改質部の重力方向上側に設けられ、外壁の外側に、改質断熱部と一酸化炭素低減断熱部となる、断熱部が設けられていることで、一酸化炭素低減部と比較して高温状態となる改質部の熱を、一酸化炭素低減部の加熱に有効利用できる。
第6の発明では、特に、第5の発明において、原料供給経路、または水供給経路が、空気取出口に設けられているので、空気対流層から排出される空気が持ち出す熱を、改質器に供給される原料または水と熱交換できるので、放熱ロスを小さくすることができる。
第7の発明では、特に、第1から6のいずれか1つの発明において、一酸化炭素低減部と一酸化炭素低減断熱部との間に、空間を確保するためのスペーサーが設けられているので、空気の流れを発生させる空気対流層を確実に構成することができる。
以下、本発明を実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施に形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における水素生成装置100の要部断面を示す図である。
図1において、水素生成装置100は、水供給経路3から供給される水を蒸発させるとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する水蒸気発生部23を備える。また、原料供給経路4から供給される原料と、水蒸気との改質反応を進行させる水蒸気改質部20と、水蒸気改質部20で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる変成部25を有している。また、変成部25を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部19から変成部25を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部26を有している。なお、変成部25、選択酸化部26により、一酸化炭素低減部が構成されている。
水蒸気改質部20にはRu系の改質触媒、変成部25にはCu−Zn系の変成触媒、選択酸化部26にはRu系の選択酸化触媒が設けられている。また、水蒸気改質部20における改質触媒(あるいは水素含有ガス)の温度(反応温度)を検出する改質温度検出部21、変成部25における変成触媒(あるいは原料と水蒸気の混合ガス)の温度を検出する変成温度部24を備えている。
また、水素生成装置100は、水蒸気改質部20における改質反応に必要な反応熱を供給するための加熱部となる、燃焼部2を備えている。燃焼部2は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナーであり、燃焼部2の燃焼状態を検知するフレームロッドである燃焼検出部22、及び燃焼部2に燃料用空気を供給する、燃焼空気供給部となる燃焼ファン18を有している。燃焼部2で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路(図示せず)を介して燃焼部2に供給される。水素生成装置100によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路12を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。なお、フレームロッドは、火炎が形成される時に発生するイオンに電圧を印加し、その時に流れるイオン電流値を測定するデバイスである。また、水蒸気改質部20と水蒸気発生部23は、燃焼部2で発生させた燃焼排ガスから、燃焼部2との水素生成装置100の壁面を介して供給される構成となっている。また、燃焼排ガスは、図面右上上の排出口から、水素生成装置100の外部へ排気される。
水供給経路3には、水供給部が接続されている。原料供給経路4には、原料供給部が接
続されている。原料供給経路4から供給される原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPG等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフラライン6を用い、そのガスインフラライン6に、原料中の不臭成分である硫黄化合物を除去する脱硫部が接続されている。例えば脱硫部は、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤を用いることができる。なお、水供給部および原料供給部4は、ブースターポンプを用いることができ、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、供給する水の流量、原料の流量を調節する機能を有している(詳細は図示せず)。
水素生成装置100には、水蒸気改質部20の外側の外壁面に密着するように、改質断熱部30が設けられている。また、変成部25、選択酸化部26である一酸化炭素低減部には、外壁面との間に隙間を設け、一酸化炭素除去断熱部31が設けられている。外壁面と一酸化炭素除去断熱部31との間の隙間により構成される空間が、空気対流層29となる。なお、本実施の形態1の改質断熱部30、および一酸化炭素除去断熱部31は、セラミックファイバー原綿と結合材を用いて、モールド化された成型断熱材で構成されている。
また、空気対流層29の変成部25および選択酸化部26の外壁には、変成ヒーター27および選択酸化ヒーター28が、密着させて設けられている。図2に、変成ヒーター27の、概観図を示す。変成ヒーター27は、シーズヒーターであり、水素生成装置100の外壁形状に合わせた形状となっている。また、図3に示すような、ヒーターの形状としても良い。また、選択酸化ヒーター28は、変成ヒーター27と同一の構成となるので、説明は省略する。
また、一酸化炭素除去断熱部31には、空気対流層29へ空気を取り入れるため、変成ヒーター27の下側(重力方向下側)に、空気取入口32が設けられている。また、および空気対流層29から空気を排出するための、空気取出口33が設けられている。また、空気取出口33は、一酸化炭素除去断熱部31と水供給経路3および原料供給経路4との間に隙間を設けることで、構成されている。
〈水素生成装置100の運転動作〉
次に、水素生成装置100の起動動作、通常時の運転動作、及び停止動作を、水素生成装置100の動作を中心にして説明する。
停止状態から水素生成装置100を起動させる場合、運転制御部(図示せず)からの指令により、原料供給部4から水素生成装置バイパス経路(図示せず)を通し、封止部(図示せず)を経て燃料電池バイパス経路(図示せず)を通して、原料を燃焼部2に供給し、燃焼部2で原料に着火して水素生成装置100の加熱を開始する。
この動作ともに、変成ヒーター27および選択酸化ヒーター28に通電して、変成温度検知部24で検出される温度に基いて、変成部25および選択酸化部26の加熱を行う。なお、一酸化炭素除去部の加熱動作を、燃焼部2の着火動作に先立って、実施させてもよい。
燃焼部2での加熱開始後に、原料供給経路4を通して水素生成装置100(水蒸気改質部20)に原料を供給するとともに、水供給経路3から水素生成装置100に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス(13A)を原料とする。水供給部3からの水の供給量は、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制御される(スチームカーボ
ン比(S/C)で3程度)。
水素生成装置100では、水蒸気改質部20で水蒸気改質反応、変成部24で変成反応、選択酸化部26で一酸化炭素の選択酸化反応を進行させる。生成させた水素含有ガスは、一酸化炭素濃度を所定濃度(本実施の形態では、ドライガスベースで20ppm以下)に低減できるまで、封止部9を経て燃料電池バイパス経路13を通して燃焼部2に供給される。この時、改質温度検出部21で検出される温度に基づいて、水蒸気改質部20、変成部24,選択酸化部26が各反応に適した温度になるように、燃焼部2の燃焼を制御する。
変成部24,選択酸化部26が、反応に適切な温度となり、一酸化炭素濃度を所定濃度まで低減させた後、封止部9を動作させ、水素ガス供給経路12を通して水素含有ガスを、例えば、燃料電池等に供給を開始する。
装置停止時は、原料と水の供給を停止させ、燃料改質装置1内の水蒸気改質部20、変成部25、選択酸化部26の各触媒層の温度を低下させる。このとき、燃焼部2の基本動作は停止させる。各触媒層の温度を設定温度まで低下させ後、原料を燃料改質装置1に流通させ、燃料改質装置1のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する動作を行い、適宜燃料改質装置1を封止する動作を行う。
〈水素生成装置100の構成の特徴〉
(1)本実施の形態1の水素生成装置100では、一酸化炭素低減部と一酸化炭素低減断熱部31との間に空気対流層29を構成することで、特に起動時において一酸化炭素低減部全体を速やかに加熱でき、一酸化炭素低減部内に納められる一酸化炭素低減触媒を均一に加熱することを特徴としている。空気対流層29を設けることで、空気対流層29内に空気の流れが発生する。一酸化炭素除去部となる変成部25は、水蒸気改質部20後の水素含有ガスによって運ばれる熱により、上流から加熱されるが、上流の熱が空気の流れによって、外壁側からも下流に伝えられることになる。すなわち、空気の流れによって、一酸化炭素低減部全体を加熱でき、一酸化炭素低減部内に納められる一酸化炭素低減触媒を均一に加熱できるからである。
(2)また、空気対流層29への空気取入口32、及び空気取出口33が、一酸化炭素低減断熱部に設けられているので、空気対流層で積極的に空気の流れを発生させることができ、その空気の流れによって、一酸化炭素低減部を加熱できる構成となっている。
(3)また、一酸化炭素低減部を加熱する変成ヒーター27及び選択酸化ヒーター28が、一酸化炭素低減部の外壁に近接させて、空気対流層29に設けられているので、空気対流層29を流れる空気の流れによって、ヒーターの熱が、一酸化炭素低減部全体に伝えることも可能としている。
(4)また、空気取入口32を、変成ヒーター27の設置位置よりも、重力方向下側に設けることで、空気対流層29で積極的に空気の流れを発生させることができ、変成ヒーター27の熱を、一酸化炭素低減部全体に伝えることも可能としている。
(5)また、外壁を同一にして、一酸化炭素低減部が、水蒸気改質部20の重力方向上側に設けられ、改質断熱部30と一酸化炭素低減断熱部31が、その外壁の外側に設けられていることで、一酸化炭素低減部と比較して高温状態となる水蒸気改質部20の熱を、一酸化炭素低減部の加熱に有効利用できる構成となっている。
(6)また、原料供給経路4、及び水供給経路3が、空気取出口33に設けられている
ので、空気対流層29から排出される空気が持ち出す熱を、水素生成装置100に供給される原料または水と熱交換でき、放熱ロスを小さくできる構成となっている。
以上の(1)〜(6)に示す構成は、すべて備えること好ましい構成であるが、少なくとも空気対流層29を設けて、各構成を個別に組み合わせる構成としても、一酸化炭素低減部を、速やかに活性温度に加熱する水素生成装置100が提供できる。
なお、燃料改質装置100で生成させる水素含有ガス中の一酸化炭素に要求される濃度によっては(高い濃度で許容される場合)、選択酸化部26は必ずしも燃料改質装置1の必須構成とする必要としない。具体例としては、選択酸化部26を持たない燃料改質装置1がCO耐性の高い固体高分子型燃料電池やリン酸型等に接続して使用される場合である。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
図4に、本発明の第2の実施の形態における水素生成装置101の要部断面を示す。
図4において、水素生成装置101は、実施の形態1の水素生成装置100とほぼ同じ構成であり、ほぼ同じ動作を行う。相違点は、一酸化炭素低減部(変成部25及び選択酸化部26)の加熱構成を、選択酸化ヒーター28をなくした点である。従って、起動時には、変成ヒーター27を用いて、一酸化炭素低減部を加熱する構成となる。
空気対流層29に選択酸化ヒーター28も設ける実施の形態1の水素生成装置100と比較すると、装置起動時の一酸化炭素低減部の加熱性は悪くなる。しかし、空気対流層29を流れる空気の流れによって、変成ヒーター27の熱が、一酸化炭素低減部全体に伝えることが可能となっているので、空気対流層29を設けない構成と比較すると、一酸化炭素低減部内に納められる一酸化炭素低減触媒を均一に加熱できる効果を得ることができる。
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3について説明する。
図5に、本発明の第3の実施の形態における水素生成装置102の要部断面を示す。
図5において、水素生成装置102は、実施の形態1の水素生成装置100とほぼ同じ構成であり、ほぼ同じ動作を行う。相違点は、水蒸気改質部20と改質断熱部30との間に空間が設けられ、その空間にも空気対流層29が構成されている点、空気取入部32を改質断熱部30に設けた点、改質断熱部30の底部に空気対流層29を確保するためのスペーサー、一酸化炭素除去部の空気対流層29を確保するためのスペーサーを設けた点である。なお、一酸化炭素低減部と一酸化炭素低減断熱部31と間に設けられている空気対流層29とは連通している。
空気対流層29を、水蒸気改質部20と一酸化炭素除去部とにわたって構成させ、空気取入部32を改質断熱部30に設けることで、一酸化炭素低減部と比較して高温状態となる水蒸気改質部20の熱を、一酸化炭素低減部の加熱に有効利用できる構成となっている。
なお、改質断熱部30と一酸化炭素低減断熱部31との間に、空間を確保するためのスペーサーが設けることで、空気の流れを発生させる空気対流層29を確実に確保すること
ができる。また、改質断熱部30と一酸化炭素低減断熱部31の断熱部を、例えば、マイクロポーラス系断熱材(例えば商品名WDS、マイウロサーム)等の熱伝導率の低い材料を用いた場合にも、空気対流層29を構成することができる。
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4について説明する。
図6に、本発明の第4の実施の形態における水素生成装置103の要部断面を示す。
図6において、水素生成装置103は、実施の形態1の水素生成装置100とほぼ同じ構成であり、ほぼ同じ動作を行う。相違点は、変成ヒーター27、及び選択酸化ヒーター28をなくした点である。実施の形態3の水素生成装置103と比較すると、装置起動時の一酸化炭素低減部の加熱性は悪くなる。しかし、空気対流層29を流れる空気の流れによって、水蒸気改質部20の熱が、一酸化炭素低減部全体に伝えることが可能となっているので、空気対流層29を設けない構成と比較すると、水蒸気改質部20の熱を有効に利用して、一酸化炭素低減触媒を加熱できる効果を得ることができる。
本発明は、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部を有する水素生成装置について有用である。
2 燃焼部
3 水供給経路
4 原料供給経路
18 燃焼空気供給部
19 空気供給部
20 水蒸気改質部
21 改質温度検出部
22 フレームロッド
23 水蒸気発生部
24 変成温度検出部
25 変成部
26 選択酸化部
27 変成ヒーター
28 選択酸化ヒーター
29 空気対流層
30 改質断熱部
31 一酸化炭素除去断熱部
32 空気取入口
33 空気取出口
34 スペーサー
100、101、102、103 水素生成装置

Claims (7)

  1. 原料供給経路と、水供給経路と、前記原料供給経路から供給される原料と、前記水供給経路から供給される水との改質反応により、水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を前記改質部に供給する加熱部と、前記水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素低減部と、前記改質部の外側に設けられる改質断熱部と、前記一酸化炭素低減部の外側に設けられる一酸化炭素低減断熱部とを備え、前記一酸化炭素低減部の外壁と前記一酸化炭素低減断熱部との間に空間が設けられ、前記空間と前記空間への空気取入口及び空気取出口により重力方向の下から上に空気が流れる空気対流層が構成され、前記一酸化炭素低減部は、前記水素含有ガスによって運ばれる熱によって上流となる重力方向の下側から加熱されるが、前記一酸化炭素低減部の上流の熱が前記空気対流層の前記空気の流れによって前記外壁側からも前記一酸化炭素低減部の下流に伝えられる水素生成装置。
  2. 前記空気取入口及び空気取出口が、前記一酸化炭素低減断熱部に設けられる請求項1に記載の水素生成装置。
  3. 前記一酸化炭素低減部を加熱するヒーターが、前記一酸化炭素低減部の前記外壁に近接させて、前記空気対流層に設けられ、前記空気対流層を流れる前記空気の流れによって、前記ヒーターの熱が、前記一酸化炭素低減部全体に伝えられる請求項1または2に記載の水素生成装置。
  4. 前記空気取入口が、前記ヒーターの設置位置よりも、重力方向下側に設けられる請求項に記載の水素生成装置。
  5. 外壁を同一にして、前記一酸化炭素低減部が、前記改質部の重力方向上側に設けられ、前記外壁の外側に、前記改質断熱部と前記一酸化炭素低減断熱部となる、断熱部が設けられる請求項1から4のいずれか1項に記載の水素生成装置。
  6. 前記原料供給経路、または前記水供給経路が、前記空気取出口に設けられる請求項5に記載の水素生成装置。
  7. 前記一酸化炭素低減部と前記一酸化炭素低減断熱部との間に、前記空間を確保するためのスペーサーが設けられる請求項1から6のいずれか1項に記載の水素生成装置。
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