JP2005255458A - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】第２水蒸発部６に供給される水流量の頻繁な変化に拘わらず、改質部に供給される水蒸気及び原料のＳ／Ｃを所定値に安定的に維持し、燃料電池に発電の安定化及び燃料電池の寿命が向上する水素生成装置及びこれを備えた燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】第１水蒸発部５および第２水蒸発部に水を供給する水供給部１と、水供給部１から出力された水が流通する水経路上に、第１水蒸発部５および第２水蒸発部６のそれぞれに水を供給するための分岐部とを備え、分岐部と前記水供給部との間の水経路に水の流量を計測する流量計２と、分岐部と第２水蒸発部６との間の水経路に水の流量を調節する流量調節部３とが設けられ、流量調節部３は、熱交換により変成部８の温度検知器１２で検知された温度が所定温度になるように水の流量を調節することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガス、ＬＰガス、メタノール等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を、水蒸気を用いて改質（以下、水蒸気改質又は改質反応と呼ぶ）して水素を含む改質ガスを生成する水素生成装置、及び、これを備えた燃料電池システムに関する。

従来の水素生成装置及び燃料電池システムを図２を用いて説明する。

未公開自社出願の特願２００３−２１８４７号明細書によると、都市ガスやＬＰガス等の原料を水蒸気改質して水素主体の改質ガスを発生させる改質部７は、例えば、燃料電池１０の発電原料として使用する水素の製造等に用いられる。改質部７における改質反応は吸熱反応であることから、改質反応を維持するためには、改質部７を５５０〜８００℃程度の温度に保つ必要がある。このため、改質部７には、バーナ等の加熱部２０を設置し、この加熱部２０から得られる高温の燃焼ガスや、その燃焼ガスの輻射熱を放出する輻射体等を利用して改質部７を加熱する。なお、ここで、上記水蒸気改質に用いられる水蒸気は、それぞれ別設の第１水蒸発部５および第２水蒸発部６で生成される。ここで、これらの蒸発部に対してそれぞれ第１水供給部２３及び第２水供給部２５から水が供給され、これらの水の流量を第１流量計２４及び第２流量計２６でそれぞれ計測している。

一方、水素生成装置の改質部で得られた改質ガスは、前述のように水素が主体であるが、改質反応において副成した一酸化炭素（以下、ＣＯと称する）を含んでいる。このようにＣＯを含む改質ガスを燃料電池４に直接供給すると、ＣＯが、燃料電池４内の触媒の活性を低下させてしまう。それゆえ、水素生成装置では、ＣＯを除去するために、前記改質部の下流に、改質ガスに含まれるＣＯを変成反応によりＣＯ２に転化する変成部８が配設されている。

このＣＯ変成部では、変成反応を効率よく行うために、温度が、変成反応に最適な１８０〜４００℃に設定されている。変成部８を経た改質ガスは、さらに浄化部（図示せず）で選択酸化反応によりＣＯ濃度が１００ｐｐｍ程度まで十分に低減された後、燃料電池に供給される。この燃料電池は、上述のようにして十分にＣＯを低減した改質ガス中の水素と酸素を含む酸化剤（例えば、空気）とを用いて発電する。燃料電池の発電反応で消費されなかった水素は、燃料電池から排出された後、上述のバーナーに供給され燃焼される。

上述の水素生成装置において、第１水蒸発部５及び第２水蒸発部６で水蒸気を生成するために、第１水蒸発部５は、加熱部２０の燃焼排ガスを熱源として利用し、第２水蒸発部６は、変成部８との間で熱交換を行い、この変成部８の熱を熱源として利用している。この時、特に、第２供給部より第２水蒸発部に供給される水の流量は、変成反応の温度が上述の最適な温度範囲を維持するために予め設定された温度（例えば、２００℃）になるように変成部に設けられた温度検知部１２の検知温度の基づき制御される。

ところで、従来の水素生成装置では、上述のように温度検知部１２の検知温度が所定の温度（例えば、２００℃）になるよう第２水供給部は、水の流量を制御するため、変成部
の温度によって供給される水の流量が頻繁に変化し、改質部７に供給される水蒸気中の水分子数と原料中に含まれる炭素原子数との比（以下、Ｓ／Ｃと称する）を一定（例えば、Ｓ／Ｃ目標値＝３）にすることができないという課題があった。より具体的には、上記Ｓ／Ｃが、目標値に対して小さいほうにずれると改質触媒に炭素が析出して、触媒劣化を招く危険性があがり、また、目標値に対して大きほうにずれると水蒸気にするための熱量が大きくなるため改質部の効率が低下する。

また、上述のように改質部に供給される水蒸気量が頻繁に変動すると改質部で生成される改質ガス中の水分つまり露点も変化するので燃料電池の発電が不安定になり、燃料電池の寿命低下に繋がる。

また、上記燃料電池が固体高分子型燃料電池である場合には、改質ガス中の水分が変動し、固体高分子膜が乾きすぎると高分子電解質膜のイオン伝導性が十分に発揮されず電力の低下を招く、また、濡れすぎると燃料電池のセパレータに設けられたガス流路に水が詰まるフラッディング等の問題が起きやすくなってしてしまうという課題があった。

そこで、本発明は、これら従来の水素生成装置の課題に鑑み、上述の第２水蒸発部に供給される水流量の頻繁な変化に拘わらず、改質部に供給される水蒸気及び原料のＳ／Ｃを所定値に安定的に維持し、燃料電池に発電の安定化及び燃料電池の寿命が向上する水素生成装置及びこれを備えた燃料電池発電システム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、本発明に係る水素生成装置は、水蒸気及び原料を用いて改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記加熱部の燃焼排ガスを用いて前記水蒸気を発生させるための第１水蒸発部と、前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により二酸化炭素に転化する変成部と、前記変成部と熱交換可能に構成され前記変成部の熱を利用した水蒸気を生成する第２水蒸発部と、前記変成部の温度を検知する温度検知部と、前記第１水蒸発部および第２水蒸発部に水を供給する水供給部と、前記水供給部から出力された水が流通する水経路上に、前記第１水蒸発部および第２水蒸発部のそれぞれに水を供給するための分岐部とを備え、前記分岐部と前記水供給部との間の水経路に水の流量を計測する流量計と、前記分岐部と前記第２水蒸発部との間の水経路に水の流量を調節する流量調節部とが設けられ、前記流量調節部は、前記熱交換により前記温度検知器で検知された温度が所定温度になるように水の流量を調節することを特徴とする。

また、本発明の水素生成装置は、第１水蒸発部に供給される水量Ｘと、第２水蒸発部に供給される水量Ｙとの総和を所定値に維持するように、前記水流量計の値に基づいて、前記水供給部を制御することを特徴とする。

また、本発明の水素生成装置は、水供給部及び流量計に代えてポンプを用い、かつ、流量調節部がポンプであることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、改質部でのＳ／Ｃが安定し、改質ガスの露点が安定する水素生成装置が得られる。また、この水素生成装置を使用した燃料電池発電システムでは、上記露点の安定により、燃料電池の発電の安定性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図面は、実施の形態に係る水素生成装置及びこの装置を備えた燃料電池発電システムの特徴的な構成を示すものであり、従来から公知である構成については、図示及び詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置及びこれを備えた燃料電池システムの構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置および燃料電池システムは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを用いて改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部７と、吸熱反応である改質反応を継続的に進行するため改質部７の温度を最適な温度（例えば、５５０℃〜８００℃程度）に維持できるよう加熱する加熱部２０と、上記改質部に原料を供給する原料供給部（図示せず）と、上記改質部７に水蒸気を供給するための第１水蒸発部５及び第２水蒸発部６と、前記蒸発部に水を供給するための水供給部１と、前記水供給部１から出力された水が流通する水経路上に、前記第１水蒸発部５および第２水蒸発部６のそれぞれに水を供給するための分岐部と、前記分岐部と前記水供給部１との間の水経路に水の流量を計測する流量計２と、前記分岐部と前記第２水蒸発部との間の水経路に水の流量を調節する流量調節部３と、上記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気シフト反応により二酸化炭素にして低減する変成部８と、前記変成部８の温度を検知するための温度検知器１２と、前記変成部８で排出される水素リッチガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池１０と、前記燃料電池１に酸化剤ガスとして空気を供給するため酸化剤ガス供給部９とを備える。

次に、本実施の水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムの動作について説明する。まず、原料の一つとして挙げられる都市ガスを原料供給部（図示せず）により供給し、同時に水供給部１から出力される水は、水経路の途中で分岐して第１水蒸発部５及び第２水蒸発部６にそれぞれ供給される。第１水蒸発部５に供給された水は、加熱部２０の燃焼排ガスで加熱され水蒸気となる。また、第２水蒸発部６に供給された水は、第２水蒸発部６が、変成部８と熱交換可能に構成されているため、変成部８の熱を受け水蒸気となる。

ここで、第２水蒸発部６に供給される水の流量は、変成部８に設けられた温度検知部１２で検知された温度が所定の温度（例えば、２００℃）になるように温度検知部１２の検知温度に基づいて流量調節器３により調節される。変成部での温度を変成反応に適した所定温度で一定とできるので、改質ガス中のＣＯ濃度を所定値以下に低減できる。変成反応熱を改質反応に必要な水蒸気に熱回収できるので効率が向上できる。

ところで、上述の従来の水素生成装置においては、この第２水蒸発部６に供給される水の流量が、変成部８の温度を制御するために頻繁に変動するため改質器７に供給される水蒸気中の水分子数と原料中に含まれる炭素原子数とのモル比（以下、Ｓ／Ｃと称する）を一定にすることが困難になるという課題があった。しかし、本実施の形態では、第１水蒸発部５及び第２水蒸発部６に対してそれぞれ設けられた水経路が、分岐部で一つの水経路になり、この１本の経路から水を供給し、その水流量を流量計２により計測しているため、その計測値、つまり第１水蒸発部に供給される水量Ｘと、第２水蒸発部に供給される推量Ｙとの和が所定の値になるように水供給部からの水流量を制御することで変成部８の温度変動に拘わらず、改質部７でのＳ／Ｃを所定の値に維持することが可能になる。つまり、変成部８の温度変動に対応するために第２水蒸発部６に供給される水量を変化させながら、Ｓ／Ｃを所定の値に維持するよう水供給部からの水流量を制御することが可能になる
。

さらに、Ｓ/Ｃを所定値に制御できるので改質ガス中の水分つまり露点が安定し、燃料電池が安定に発電、長寿命化できる。

なお、前記所定の温度は、変成部８の温度が変成反応に最適な温度範囲（５５０℃〜８００℃程度）内に収まるよう制御するために予め設定された温度である。

そして、上述の動作により第１水蒸発部５及び第２水蒸発部６で生成した水蒸気と原料供給部（図示せず）より供給された原料を用いて、改質部７で水蒸気改質反応により水素主体の改質ガスが生成される。前記改質ガスは、変成部８に供給され、改質ガス中に含まれる一酸化炭素が水蒸気シフトに反応により二酸化炭素になり、一酸化炭素濃度が低減される。その後、変成部８から排出された改質ガスは、燃料電池１０の燃料極に供給され、燃料電池１０の酸化剤極に供給された酸化剤としての空気と、改質ガス中の水素が反応し発電する。発電反応に利用されなかった改質ガス中の水素は燃料電池１０の燃料極から排出され、加熱部２０での燃焼反応に利用される。

上記の本実施の形態においては、加熱部２０に供給される燃焼用燃料ガスとして、燃料電池１０における燃料オフガスを使用しているが、例えば、この燃焼用燃料ガスとして、都市ガス、メタン、ＬＰガス、灯油等のその他の炭化水素化合物系燃料等を用いてもよい。

また、本実施の形態における、水供給部１及び流量計２の代わりにポンプを用い、かつ流量調節器３の代わりにポンプを用いるのが好ましい。これは、水供給部１としてのポンプで加圧されるため、流量調節器３としてのポンプから出力される水の吐出圧力を、高くできるので、第２水蒸発部６での圧力損失が大きい場合にも、安定して水供給ができるためである。また、流量計２をなくすことができため、低コスト化を図ることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図面は、本実施の形態に係る水素発生装置及びこの装置を備えた燃料電池発電システムの特徴的な構成を示すものであり、従来から公知である構成については、図示及び詳細な説明を省略する。

図２は、本発明の実施の形態２に係る水素発生装置の構成を示す模式的な断面図である。

本実施の形態では、まず、水素発生装置について説明し、次いで、この水素発生装置を備えた燃料電池発電システムについて説明する。

図２に示すように、水素発生装置は、上端及び下端が閉鎖された円筒状の本体５０と、円筒状の輻射筒２１とが取り付けられたバーナ２０と、本体５０の外周を覆う断熱材５３とから主に構成されている。以下に、水素発生装置の詳細な構造について説明する。

輻射筒２１が取り付けられたバーナ２０が、本体５０と同心状に収納配置されている。円筒状の本体５０の内部、具体的には、本体５０の内壁と輻射筒２１との間の空間は、同心円筒形状を有し径方向及び軸方向の長さが各種異なる複数の縦壁１０２と、この縦壁１０２の所定の端部に適宜配設された複数の円板状又は中空円板状の横壁１０３とで区画されている。具体的には、本体５０の内部に、複数の縦壁１０２が同心状に直立して配置されることにより縦壁１０２間に間隙５１が形成され、この間隙５１を利用して所望のガス流路が形成されるように、縦壁１０２の所定端部が横壁１０３によって適宜閉鎖されてい
る。それにより、本体５０内部に、改質部７と、変成部８と、後述の各ガス流路とが形成されている。

各ガス流路は、本体５０の径方向のＩ−Ｉ’断面においてリング状に形成され、外側から内側に向かって、二重構造を有する燃焼ガス流路１４の下流側流路１４Ａ、二重構造を有する改質原料流路１１の上流側流路１１Ａ及び下流側流路１１Ｂ、改質ガス流路３２、改質部７、及び、前記燃焼ガス流路１４の上流側流路１４Ｂが順に配設されている。燃焼ガス流路１４の下流側流路１４Ａと上流側流路１４Ｂとは、横壁１０３により形成された本体径方向の流路によって底部で連通している。そして、上流側流路４Ｂの端部が、輻射筒２１が取り付けられたバーナ２０に連通するとともに、下流側流路４Ａの端部が排ガス取り出し口１８を通じて外部に連通している。また、改質原料流路１１の上流側流路１１Ａと下流側流路１１Ｂとは、横壁１０３により形成された本体径方向の流路によって底部で連通しており、この連通する底部の領域が、第１水蒸発部５となっている。後述するように、上流側流路１１Ａを通じて第１水蒸発部５に水が供給されて第１の水蒸気が発生し、この第１の水蒸気が下流側流路１１Ｂを移動する。そこで、ここでは、上流側流路１１Ａ及び下流側流路１１Ｂによって形成される第１の水蒸気の経路を、第１の水蒸気流路１１Ｄと呼ぶ。

改質部７は、円筒形状を有し、燃焼ガス流路１４の上流側流路１４Ｂを介して、輻射筒２１の側部と上部とを囲むように配置されている。改質部７の本体軸方向の上方には、横壁１０３により、改質部７の上端面に沿う改質原料流路１１の下流側流路１１Ｃが形成されている。このようにして形成された本体径方向の下流側流路１１Ｃは、前述の改質原料流路１１の下流側流路１１Ｂに連通している。それにより、改質原料流路１１の下流側端部が、改質部７の上端面に連通した構成となる。改質原料流路１１の下流側流路１１Ｂは、さらに本体軸方向上方まで延設されており、後述するように、この延設部分によって、第２の水蒸気流路３０が形成されている。したがって、第２の水蒸気流路３０と改質原料流路１１とが連通した構成となる。

また、改質部７の軸方向上方には、改質部７の上端面と対向するように、変成部８が配設されている。変成部８と改質部７とは、改質ガス流路３２によって連通している。この改質ガス流路３２は、上流側端部が改質部７の下端面に連通し、改質部７の外周を囲むように本体軸方向に延び、かつ、下流側領域が変成部８の上端面に沿って本体径方向に形成されている。また、変成部８の下端面と横壁１０３とにより、変成後ガス流路１３が形成されている。上流側端部が変成部８に連通する変成後ガス流路１３の下流側端部は、変成後ガス取り出し口１７を通じて浄化部（図示せず）に連通している。

改質原料流路１１の上流側流路１１Ａは、原料供給部及び水供給部１に接続されている。水供給部１から出力された水の流量値は、流量計２で検出される。また、ここでは図示を省略しているが、原料供給部は、原料供給装置と、原料の供給管とを備えている。また、第２の水蒸気流路３０は、流量調節器３に接続されている。また、本体５０に取り付けられたバーナ２０には、燃焼用空気供給口２０ａ及び燃焼用燃料ガス供給口２０ｂが形成されており、ここでは図示を省略しているが、空気供給口２０ａは空気供給部に接続され、燃焼用燃料ガス供給口２０ｂは燃焼ガス供給部に接続されている。

改質部７は、粒状に成型された金属酸化物からなる担体上に改質触媒たる白金族金属が担持されたものが、縦壁１０２の間に形成された間隙５１に充填されて形成されている。改質部７は、改質原料流路１１や改質ガス流路３２よりも装置の内側に形成され、上端面が改質原料流路１１に連通するとともに、下端面が改質ガス流路３２に連通している。

変成部８は、セラミック製のハニカム基材上に形成された膜状の金属酸化物からなる担
体上に、変成触媒たる白金族金属が分散して担持された構成を有する。また、変成部８には、内部の温度を検出する温度検知器としての温度センサ１２が配設されている。温度センサ１２により検出された変成部８の温度情報は、制御装置３５に伝達される。そして、制御装置３５は、後述するように、この情報に基づいて流量調節部３を制御し、流量調節器３から第２の水蒸気流路３０に供給される水の流量を調整する。

本体５０及びバーナ２０は、変成後ガス取り出し口１７、排ガス取り出し口１８、空気供給口２０ａ及び燃焼用燃料ガス供給口２０ｂ、ならびに、原料供給部、水供給部１及び流量調節器３との接続部分を除いて、外周が断熱材５３により覆われている。

改質原料流路１１の下流側流路１１Ｂは、下流側流路１１Ｃとの接続部（以下、この接続部で混合原料ガスの移動方向が変わる（偏向する）ことから、この接続部を偏向部と呼ぶ）を越えて、さらに、変成部８よりも本体軸方向上方まで延びている。そして、その延設端部領域が、変成部８の上端面に沿って形成された改質ガス流路３２と横壁１０３を介して隣接するように配置されている。ここでは、このように形成された改質原料流路１１の下流側流路１１Ｂのうち、前記偏向部よりも変成部８側（すなわち上側）に位置する部分を、特に、第２の水蒸気流路３０と呼ぶ。

第２の水蒸気流路３０の内部には、改質ガス流路３２と横壁１０３を介して隣接する部分に、第２水蒸発部６が形成されている。第２水蒸発部６は、流量調節器３から供給された水を貯留可能に構成され、例えば、底面とこの底面外周に配置された側面とからなり所定の深さを有する容器が、第２の水蒸気流路３０内に配置されて第２水蒸発部６が構成されている。

次に、上記水素生成装置の動作について説明する。

燃焼用燃料ガス供給口２０ｂを通じてバーナ２０に燃料ガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給口２０ａを通じてバーナ２０に空気が供給される。燃焼用燃料ガスとして、燃料電池発電システムの燃料電池１０において利用されなかった余剰燃料（いわゆる燃料オフガス）を使用している。そして、供給された燃料オフガスと空気とを用いて拡散燃焼が行われる。ここでは、バーナ２０が輻射筒２１で囲まれているため、輻射筒２１内において燃焼が行われ、それにより、高温の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスの熱は、輻射筒２１を介して、本体５０の径方向外側へ輻射により伝達される。このような輻射熱によって改質部７の改質触媒が加熱されるとともに、燃焼ガスが輻射筒２１内を軸方向上方に移動して直接的に改質触媒を加熱する。それにより、改質部７が５５０〜８００℃程度の温度に維持される。上昇した燃焼ガスは、燃焼ガス流路４の上流側流路４Ｂ内を縦壁１０２に沿って軸方向下向きに移動し、さらに、下流側流路４Ａ内を軸方向上向きに移動して最終的に排ガス取り出し口１８から外部に排出される（図中の矢印ｉ）。ここで、後述するように、燃焼ガスが燃焼ガス流路４を移動する過程で、燃焼ガスの保有する熱と、改質原料流路１１内を移動する水との間で熱交換が行われ、燃焼ガスの熱が、第１水蒸発部５で蒸発潜熱として利用される。

原料供給部から供給された、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガス等の炭化水素ガスや、メタノール等のアルコール）と、水供給部１から供給された水とは、改質反応原料として、改質原料流路１１を通じて改質部７に送られる。ここでは、まず、各供給部から供給された原料ガスと水とが、異なる物質状態（すなわち気体と液体）のまま、改質原料流路１１の上流側流路１１Ａ内を縦壁１０２に沿って軸方向下向きに移動する（図中の矢印ａ）。そして、上流側流路１１Ａの底部、すなわち第１水蒸発部５において、水が、前述の燃焼ガスの保有熱及び輻射熱ならびに後述の改質部７からの熱を利用して蒸発し、水蒸気となる。この第１水蒸発部５
において発生した水蒸気を、第１の水蒸気と呼ぶ。第１の水蒸気は、原料ガスと混合され、この混合原料ガスが、下流側流路１１Ｂ内を縦壁１０２に沿って軸方向上向きに移動する（図中の矢印ｂ）。そして、この混合原料ガスは、改質部７の上端面に沿って形成された改質原料流路１１の下流側流路１１Ｃに入り、この流路１１Ｃ内を横壁１０３に沿って内側に向かって移動した後、改質部７に供給される（図中の矢印ｃ）。

原料ガス及び第１の水蒸気は、改質部７の上端面からその内部に導入され、改質触媒中を縦壁１０２に沿って軸方向下向きに移動する（図中の矢印ｄ）。この移動の間に、第１の水蒸気及び原料ガスは加熱されて温度が上昇し、改質反応が行われて改質ガスが生成する。改質ガスは、水素を主体とし、副成したＣＯを含むものである。そして、生成した改質ガスは、改質部７の下端面から改質ガス流路３２に放出され、改質ガス流路３２内を縦壁１０２に沿って軸方向上向に移動する（図中の矢印ｅ）。そして、改質ガス流路３２内を横壁１０３に沿って移動し、変成部８に達する（図中の矢印ｆ）。

変成部８に供給された改質ガスは、変成触媒中を軸方向下向きに移動する。この過程において、改質ガス中に含まれるＣＯがＣＯ２に転化する反応、すなわち変成反応が行われ、変成後ガスが生成する。この変成反応は、発熱反応である。変成後ガスは、変成部８の下流面から変成後ガス流路１３に鉛直下向きに噴出され（図中の矢印ｇ）、その後、この流路内を横壁１０３に沿って移動し、縦壁１０２に沿って該流路内を軸方向上向きに移動して変成後ガス取り出し口１７から取り出される（図中の矢印ｈ）。変成後ガス取り出し口１７から取り出された変成後ガスは、浄化部（図示せず）に送られる。

ここで、上記のように改質ガスが改質ガス流路３２内を移動する際に、流量調節器３から第２の水蒸気流路３０に水が供給される。ここでは、流量調節器３から第２の水蒸気流路３０に供給される水の量は、水供給部１から改質原料流路１１に供給される水の量の１／５以下である。このようにして第２水蒸発部６に供給された水は、第２水蒸発部６で一旦貯留される。

第２水蒸発部６は、横壁１０３を介して改質ガス流路３２と接しているため、改質ガス流路３２を流れる改質ガスの保有する熱の一部が、横壁１０３を介して第２水蒸発部６に伝達され、第２水蒸発部６における蒸発潜熱として利用される。このように保有する熱の一部が蒸発潜熱として回収されることにより、改質部７と同程度に高温であった改質ガスが冷却される。また、変成部８の上流面からの輻射熱も、改質ガス流路３２を介して第２水蒸発部６に伝達されて蒸発潜熱として利用される。その結果、変成反応により変成部８内で発熱が起こっても、変成部８の温度を、変成反応に最適な１８０〜４００℃に維持することが可能となる。したがって、変成部８において、安定して効率よく変成反応が行われてＣＯの除去が行われる。

ここでは、上述の実施の形態１と同様に変成部８の温度を温度検出器としての温度センサ１２によって検出し、その温度情報に基づいて、変成部８の温度が所定の温度（例えば、２００℃）になるよいうに、制御装置３５が、流量調節器３からの水の供給量を制御する。

すなわち、変成部８の温度が変成反応に最適な前記所定の温度よりも低い場合、制御装置３５は、流量調節器３を制御して流量調節器３からの水の供給量を減少させる。例えば、流量調節器３が供給ポンプ及び供給流路の開閉弁を有する場合には、制御装置３５は、ポンプの出力を減少させるか、又は、開閉弁を閉じることにより、水の供給量を減少させる。それにより、第２水蒸発部６に供給される水の量が減少し、よって、第２水蒸発部６での蒸発潜熱として回収される改質ガスの熱量が減少する。したがって、保有する熱量の大きい改質ガスが変成部８に供給され、それにより、変成部８の温度を上昇させることが
可能となる。

一方、変成部８の温度が変成反応に最適な所定の温度よりも高い場合、制御装置３５は、流量調節器３を制御して流量調節器３からの水の供給量を増加させる。例えば、制御装置３５は、ポンプの出力を増加させるか、又は、開閉弁をさらに開くことにより、水の供給量を増加させる。それにより、第２水蒸発部６に供給される水の量が増加し、よって、第２水蒸発部６で回収される改質ガスの熱量が増加する。したがって、より冷却されて保有する熱量の少ない改質ガスが変成部８に供給され、それにより、変成部８の温度上昇を抑制することが可能となる。

このような第２水蒸発部６における水の蒸発は、下方から加熱されるプール沸騰であるため、突沸を防止することができ、それゆえ、装置内における圧力変動の発生を防止することができる。このため、前述のように、特に、改質部７において、安定して改質ガスを生成することが可能となる。また、水等に溶存する金属イオンが、突沸に伴って飛散して改質部７や変成部８等に侵入するのを防止することが可能となる。例えば、突沸に伴って上記の金属イオンが改質部７や変成部８等に侵入すると、金属イオンがこれらの部分の触媒に吸着して触媒活性を失活させるため、装置の耐久性の劣化を引き起こす。これに対して、本実施の形態では、突沸が防止されていることから、水中に含まれる金属イオンの飛散を防止することができ、耐久性が向上する。

また、前述したように、さらに、流量調節器３から供給される水の量が水供給部１から供給される水の量の１／５以下と少量であることから、第２水蒸発部６において生成した第２の水蒸気の圧力は、第１水蒸発部５において生成した第１の水蒸気の圧力と比較して、僅かなものである。したがって、第２の水蒸気は、改質部７に供給される原料ガスと水蒸気との圧力比に、ほとんど影響しない。それゆえ、変成部８の温度制御のために第２水蒸発部６への水供給量を調整して第２の水蒸気の発生量を変化させても、改質部７において安定して改質反応を行うことが可能となる。

このようにして第２水蒸発部６において生成された第２の水蒸気は、第２の水蒸気流路３０内を横壁１０３に沿って移動した後、縦壁１０２に沿って軸方向下向きに流れる。そして、改質原料流路１１の下流側流路１１Ｃに入り、前述の下流側流路１１Ｂ内を移動してきた混合原料ガスとともに、横壁１０３に沿って移動して改質部７に供給される。このように第２の水蒸気流路３０内を第２の水蒸気が流れる過程において、第２の水蒸気流路３０が横壁１０３及び縦壁１０２を介して変成後ガス流路１３と隣接していることから、変成後ガスから第２の水蒸気に熱が伝達されて熱回収が行われる。

上述の内容及び図２から明らかなように本実施の形態においても、実施の形態１と同様に水供給部１から出力された水が、水経路が途中で分岐してそれぞれ、第１水蒸発部５及び第２水蒸発部６に供給されるよう構成されており、改質部７で要求される所定のＳ／Ｃ値になるよう流量を、流量計２で検出される値に基づいて、水供給部１が制御することが可能である。従って、変成部８の温度センサ１２で検出される温度を所定温度に維持するため、流量調節部３により第２水蒸発部６に供給する水の流量が変動しても前記所定のＳ／Ｃ値を維持した状態で第１蒸発部及び第２蒸発部から水蒸気が改質部７に供給することが可能となり上述の実施の形態１と同様の効果を得ることが可能となる。

なお、流量調節器３から供給された水が第２水蒸発部６で蒸発しきれなかった場合、水は、第２の水蒸気流路３０内を移動し、さらに、改質原料流路１１の下流側流路１１Ｂ内を移動してこの流路の底部、すなわち第１水蒸発部５に達する。このように第１水蒸発部５に達した水は、前述の水供給部１から供給された水と同様に、第１水蒸発部５において蒸発する。そして、得られた水蒸気は、下流側流路１１Ｂ，１１Ｃを通じて改質部７に供
給される。このように、第２水蒸発部６において水が蒸発しきれなかった場合でも、改質部７に水が直接供給されることはなく、したがって、この水により改質部７における改質ガスの生成効率が低下することはない。また、この場合には、第２水蒸発部６で蒸発しきれずに通流する水によっても、改質ガスから熱が回収される。

変成反応によって得られた変成後ガスのＣＯ濃度は、変成反応の温度に応じて、改質ガス中のＣＯ濃度の１／５〜１／５０まで低減されている。しかしながら、燃料電池１０で燃料ガスとして利用するには、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下まで低減する必要がある。

このため、燃料電池発電システムで用いられる水素発生装置では、変成後ガスが、変成部８の下流に配設された浄化部（図示せず）にさらに供給されて処理される。そして、燃料電池発電システムにおいては、水素生成装置１５０で得られた水素主体のガスが、燃料ガスとして燃料電池１０の燃料極に供給される。燃料電池１０では、燃料極に供給されたこの燃料ガスと、酸素極に供給された酸素ガスとの反応を利用して発電が行われる。

本実施の形態の水素生成装置では、変成部８に供給される改質ガスの熱を第２水蒸発部６に供給される水を利用して回収するため、燃料オフガス、燃焼用空気、又は燃焼ガスと改質ガスとの間で熱交換を行う場合や、改質反応の原料ガス又は水蒸気と改質ガスとの間で熱交換を行う場合のような気体同士間での熱交換よりも、液体である水と気体である改質ガスとの間の熱交換率が大きくなり、回収熱量が増加する。したがって、装置全体として、熱効率が向上する。

また、変成部８の温度調節が、装置の他の部分の影響から独立した要素、すなわち、流量調節器３からの水の供給量、を制御することにより行われるので、従来の場合のように装置の他の部分の状態変化に伴って変成部８の温度が影響を受けることがない。特に、改質部７における水素発生量の負荷が変化しても、従来のように水素発生量の負荷の変化に伴って状態変化が生じる要素（具体的には、燃料オフガスや燃焼用空気、燃焼ガス等）を用いて変成部８の温度制御を行う場合に比べて、良好な制御性を実現することが可能となる。

このように熱回収の効率が向上するとともに変成部８の温度制御性の向上が図られた水素生成装置を備えた燃料電池発電システムでは、システム全体における熱効率が向上して高いエネルギー効率を実現することができるとともに、耐久性の高いシステムを実現することが可能となる。

なお、上記においては、改質部７が、前述のように粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持された構成を有するが、改質部７の構成はこれ以外であってもよい。例えば、改質部７の形状に応じて、セラミックや金属等のハニカム基材の上に形成された膜状の金属酸化物を担体とし、該担体上に白金族金属が分散された構成であってもよい。

また、上記においては、変成部８が、セラミックからなるハニカム基材上に形成された膜状の金属酸化物担体上に白金族金属が分散担持された構成を有するが、変成部８の構成はこれ以外であってもよい。例えば、基材がステンレス等の金属薄板で構成された構造体でもよく、また、変成部８の形状に応じて、粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持されたものが充填された構成であってもよい。さらに、変成部８の変成触媒として、白金族金属以外に、Ｃｕ−Ｚｎ系等の卑金属を用いてもよい。

ここで、上記のように白金族金属を変成部８の変成触媒として用いた場合には、卑金属を触媒として用いた場合よりも触媒が高い耐熱性を有することから、変成部８の温度をよ
り高くすることが可能となる。このように高い耐熱性を有する変成部８では、流量調節器３からの水の供給量の制御に余裕が生じ、供給量の変動幅に余裕が生じる。一方、卑金属を変成触媒として用いた場合には、これらの金属は耐熱性が白金族金属に比べて低いため、使用可能な温度範囲が狭くなるが、本実施の形態では変成部８において良好な温度制御性が実現されるので、本実施の形態の効果が有効に奏される。

上記においては、第２水蒸発部６で生成した第２の水蒸気が、第１水蒸発部５で生成された第１の水蒸気と混合され、共通の改質原料流路１１Ｃを介して改質部７に供給されているが、本実施の形態の変形例として、第１水蒸発部５で生成された第１の水蒸気と、第２水蒸発部６で生成された第２の水蒸気とを、別々の流路を通じて改質部７にそれぞれ供給する構成であってもよい。

本発明に係る水素生成装置は、改質部でのＳ／Ｃが安定し、改質ガスの露点が安定するという効果が得られ、水素生成装置及びこれを備えた家庭用等の燃料電池発電システムとして有用である。

本発明の実施の形態１における水素生成装置及び燃料電池システムの模式図 本発明の実施の形態２における水素生成装置及び燃料電池システムの模式図 従来技術の水素生成装置及び燃料電池システムの模式図

符号の説明

１ 水供給部
２ 流量計
３ 流量調節器
５ 第１水蒸発部
６ 第２水蒸発部
７ 改質部
８ 変成部
９ 酸化剤供給部
１０ 燃料電池
２０ 加熱部
１２ 温度検知器
２３ 第１水供給部
２４ 第１流量計
２５ 第２水供給部
２６ 第２流量計

Claims (4)

1. 水蒸気及び原料を用いて改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記加熱部の燃焼排ガスを用いて前記水蒸気を発生させるための第１水蒸発部と、前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により二酸化炭素に転化する変成部と、前記変成部と熱交換可能に構成され前記変成部の熱を利用した水蒸気を生成する第２水蒸発部と、前記変成部の温度を検知する温度検知部と、前記第１水蒸発部および第２水蒸発部に水を供給する水供給部と、前記水供給部から出力された水が流通する水経路上に、前記第１水蒸発部および第２水蒸発部のそれぞれに水を供給するための分岐部とを備え、
   前記分岐部と前記水供給部との間の水経路に水の流量を計測する流量計と、前記分岐部と前記第２水蒸発部との間の水経路に水の流量を調節する流量調節部とが設けられ、前記流量調節部は、前記熱交換により前記温度検知器で検知された温度が所定温度になるように水の流量を調節することを特徴とする水素生成装置。
2. 第１水蒸発部に供給される水量Ｘと、第２水蒸発部に供給される水量Ｙとの総和を所定値に維持するように、前記水流量計の値に基づいて、前記水供給部を制御することを特徴とする請求項1記載の水素生成装置。
3. 水供給部及び流量計に代えてポンプを用い、かつ、流量調節部がポンプであることを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
4. 請求項１〜３記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。

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