(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナを用いて原燃料及び水蒸気を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、
筒状に設けられ、前記改質部で生成した改質ガスをシフト反応させて該改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるシフト反応部と、を備え、
前記シフト反応部は、
前記シフト反応部の軸に沿う筒状に設けられた第１シフト触媒部と、
前記シフト反応部の軸に沿い且つ前記第１シフト触媒部に囲繞される筒状に設けられた第２シフト触媒部と、
前記改質部で生成された改質ガスを、前記シフト反応部の外周部にて軸方向の一方側から他方側に流通させる改質ガス流路と、を有し、
前記第１シフト触媒部は、前記改質部で生成された前記改質ガスを、軸方向の他方側端部より導入すると共に軸方向の一方側端部から導出し、
前記第２シフト触媒部は、前記第１シフト触媒部から導出された前記改質ガスを、軸方向の一方側端部より導入すると共に軸方向の他方側端部から導出し、
前記シフト反応部の前記改質ガス流路には、該改質ガス流路を流通する前記改質ガスを冷却する冷却部が近接されていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記第２シフト触媒部の前記他方側端部は、前記第１シフト触媒部の前記他方側端部に対して、軸方向の他方側に位置していることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記冷却部は、
前記シフト反応部を囲繞する筒状に設けられ、前記バーナの排気ガスを流通させる排ガス流路と、
前記排ガス流路を囲繞する筒状に設けられ、前記水蒸気を生成する蒸発部と、を含んで構成されていることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記排ガス流路は、前記排気ガスを軸方向の一方側から他方側に流通させ、
前記蒸発部は、軸方向の他方側より水を導入すると共に、軸方向の一方側から前記水蒸気を導出することを特徴とする請求項３記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記蒸発部は、内部に貯留された水を周囲の熱を利用して加熱することにより水蒸気を生成するものであって、
前記蒸発部に貯留された水の水面の位置を調整する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記蒸発部を囲繞するように設けられ前記蒸発部の径方向外側に隣接配置された選択酸化触媒部の上端よりも前記水面の位置が上側となるように、前記水面の位置を調整することを特徴とする請求項３又は４記載の水素製造装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項記載の水素製造装置と、
前記水素製造装置によって生成した前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素製造装置としては、バーナを用いて原燃料を改質することにより水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成した改質ガスをシフト反応させて該改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるシフト反応部と、シフト反応部でシフト反応させた改質ガスを選択酸化反応させて該改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させる選択酸化反応部と、を備えたものが知られている。このような水素製造装置では、起動時において、ヒータによってシフト反応部及び選択酸化反応部を加熱し昇温することが図られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
また、このような従来の水素製造装置は、周囲の熱を利用して水蒸気を生成する蒸発部をさらに備えており、例えば特許文献３に記載された水素製造装置では、その発熱部分に螺旋状の水管が蒸発部として巻きつけられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３５２２４号公報
【特許文献２】特開２００６−２４８８６４号公報
【特許文献３】特開２００５−１６２５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年の水素製造装置においては、家庭用の燃料電池システムの普及に伴い、その性能向上が特に求められている。
【０００６】
そこで、本発明は、性能向上が可能な水素製造装置及び燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素製造装置は、バーナを用いて原燃料及び水蒸気を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、筒状に設けられ、改質部で生成した改質ガスをシフト反応させて該改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるシフト反応部と、を備え、シフト反応部は、シフト反応部の軸に沿う筒状に設けられた第１シフト触媒部と、シフト反応部の軸に沿い且つ第１シフト触媒部に囲繞される筒状に設けられた第２シフト触媒部と、改質部で生成された改質ガスを、シフト反応部の外周部にて軸方向の一方側から他方側に流通させる改質ガス流路と、を有し、第１シフト触媒部は、改質部で生成された改質ガスを、軸方向の他方側端部より導入すると共に軸方向の一方側端部から導出し、第２シフト触媒部は、第１シフト触媒部から導出された改質ガスを、軸方向の一方側端部より導入すると共に軸方向の他方側端部から導出し、シフト反応部の改質ガス流路には、該改質ガス流路を流通する改質ガスを冷却する冷却部が近接されていることを特徴とする。
【０００８】
この本発明に係る水素製造装置では、シフト反応部（シフト触媒及びシフト触媒に供給される改質ガス）を冷却部で好適に冷却することができ、シフト反応部の温度を精度よく制御することができる。また、シフト反応部での発熱を、改質ガス流路を流通する改質ガスと、冷却部とによって回収することができ、効率を向上させることができる。従って、本発明によれば、水素製造装置の性能向上を実現することが可能となる。
【０００９】
また、第２シフト触媒部の他方側端部は、第１シフト触媒部の他方側端部に対して、軸方向の他方側に位置していることが好ましい。この場合、第２シフト触媒部の出口側である他方側端部が、第１シフト触媒部において高温になり易い入口側である他方側端部と離間される。よって、第２シフト触媒部の他方側端部を低温化させることが可能となる。
【００１０】
また、冷却部は、シフト反応部を囲繞する筒状に設けられ、バーナの排気ガスを流通させる排ガス流路と、排ガス流路を囲繞する筒状に設けられ、水蒸気を生成する蒸発部と、を含んで構成されていることが好ましい。この場合、起動時において、バーナを燃焼させて排気ガスを排ガス流路に流通させることで、シフト反応部を加熱し昇温させることができる。よって、起動時に用いるヒータが不要となり、部品点数を低減することが可能となる。加えて、排気ガスを蒸発部で冷却（排気ガスの熱を蒸発部へ移動）することができ、排気ガスを低温化して効率を向上させることができる。一方、蒸発部は、排気ガス及びシフト反応部からの熱を利用することができ、水蒸気の気化状態を安定化させることができる。よって、水素製造装置のさらなる性能向上を実現することが可能となる。
【００１１】
また、排ガス流路は、排気ガスを軸方向の一方側から他方側に流通させ、蒸発部は、軸方向の他方側より水を導入すると共に、軸方向の一方側から水蒸気を導出することが好ましい。この場合、蒸発部においては、排ガス流路の出口側（下流側）から水が導入されることから、排気ガスを出口側において特に低温化できるため、効率を一層向上させることが可能となる。
【００１２】
また、蒸発部は、内部に貯留された水を周囲の熱を利用して加熱することにより水蒸気を生成するものであって、蒸発部に貯留された水の水面の位置を調整する制御部をさらに備え、制御部は、水面の位置が選択酸化触媒部の上端よりも上側となるように、水面の位置を調整することが好ましい。この場合、蒸発部内の水面の位置が選択酸化触媒部の上端よりも高くなることから、選択酸化触媒部の上端付近の冷却が不十分となるのを抑制でき、選択酸化触媒部の温度の急上昇を確実に防止することができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素製造装置と、水素製造装置によって生成した改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この燃料電池システムにおいても、上記水素製造装置を備えているため、部品点数を低減でき且つ性能向上が可能となるという上記効果が奏される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水素製造装置及び燃料電池システムにおける性能向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。
【図２】図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。
【図３】図１の水素製造装置の起動時を示すフローチャートである。
【図４】図１の水素製造装置における変形例の一部を拡大して示す概略正面端面図である。
【図５】図１の水素製造装置における他の変形例を示す概略正面端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、図面の上下方向に対応するものであり便宜的なものである。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの一部を示すブロック図である。図１に示すように、水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）１は、例えば家庭用の燃料電池システム１００において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置１は、原燃料として石油系炭化水素が用いられ、水素を含有する改質ガスをセルスタック（燃料電池スタック）２０に供給する。
【００１９】
なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市ガスを用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスのほか、ナフサ、軽油などを原燃料として使用することができる。また、セルスタック２０としては、固体高分子形、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等の種々のものを用いてもよい。
【００２０】
図２は、図１の水素製造装置を示す概略正面端面図である。図２に示すように、水素製造装置１は、脱硫部２（図１参照）と、中心軸を軸Ｇとする円柱状外形の本体部３と、を備えている。脱硫部２は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部５へ供給する。本体部３は、フィード部５、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８及び蒸発部９を備え、これらが一体で構成されている。
【００２１】
フィード部５は、脱硫部２で脱硫した原燃料及び水蒸気（スチーム）を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成すると共に、生成した混合ガスを拡散しつつ改質部６に供給する。改質部（ＳＲ：Steam Reforming）６は、フィード部５により供給された混合ガスを改質触媒６ｘによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部７へ供給する。
【００２２】
この改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、本体部３の上端側に設けられている。また、改質部６は、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、改質部６の改質触媒６ｘを加熱するための熱源としてバーナ１０を利用している。
【００２３】
バーナ１０では、外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ１０は、本体部３の上端部に設けられ軸Ｇを中心軸とする燃焼筒１１に、バーナ１０による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。なお、バーナ１０においては、脱硫部２（図１参照）で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。
【００２４】
シフト反応部７は、改質部６から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるものであり、改質ガス中の一酸化炭素を発熱反応であるシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部７は、シフト反応を２段階に分けて行っており、高温（例えば４００°Ｃ〜６００°Ｃ）でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部（ＨＴＳ：High Temperature Shift）１２と、高温シフト反応の温度よりも低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部（ＬＴＳ：LowTemperature Shift）１３と、を有している。
【００２５】
高温シフト反応部１２は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を高温シフト触媒１２ｘによって高温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。高温シフト反応部１２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部を囲繞するよう改質部６の径方向外側に隣接配置されている。この高温シフト反応部１２は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを低温シフト反応部１３へ供給する。
【００２６】
低温シフト反応部１３は、高温シフト反応部１２で高温シフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒１３ｘによって低温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端側に配設されている。この低温シフト反応部１３は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを選択酸化反応部８へ供給する。
【００２７】
選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential Oxidation）８は、低温シフト反応部１３で低温シフト反応させた改質ガス中のＣＯ濃度をさらに低下させる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック２０の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。この選択酸化反応部８は、具体的には、改質ガス中の一酸化炭素と外部から導入される空気とを、選択酸化触媒（選択酸化触媒部）８ｘによって発熱反応である選択酸化反応させて選択的に酸化し二酸化炭素に転換する。
【００２８】
この選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端から所定長上端側にて該本体部３の最外周側を構成するよう配設されている。この選択酸化反応部８は、ＣＯ濃度をさらに低下させた改質ガスを外部へ導出する。
【００２９】
蒸発部９は、その周囲の熱を利用して水蒸気を生成するためのものである。蒸発部９は、ジャケット構造とされ、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈している。この蒸発部９は、高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３の径方向外側で且つ選択酸化反応部８の径方向内側に位置するよう配設されている。この蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５に供給する。
【００３０】
この水素製造装置１では、まず、バーナ燃料及びセルスタック２０からのオフガス(セルスタック２０で反応に使用されない残ガス)の少なくとも一方と空気とがバーナ１０に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒６ｘが加熱される。そして、バーナ１０の排ガス（排気ガス）が排ガス流路Ｌ１を流通して外部へ排気される。
【００３１】
これと共に、脱硫部２で脱硫された原燃料と蒸発部９からの水蒸気とがフィード部５で混合され、混合ガスが生成される。この混合ガスは、改質部６に供給されて改質触媒６ｘで水蒸気改質され、これにより、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、シフト反応部７によってその一酸化炭素濃度が例えば１％以下程度まで低下され、外部から導入された空気（以下、「ＰＲＯＸ空気」という）と混合された後、選択酸化反応部８によってその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低下され、後段のセルスタック２０へ導出される。
【００３２】
なお、本実施形態においては、例えば各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部６に流入する混合ガスの温度が約３００〜５５０℃とされ、改質部６から流出する改質ガスの温度が５５０℃〜８００℃とされ、高温シフト反応部１２に流入する改質ガスの温度が４００℃〜６００℃とされ、高温シフト反応部１２から流出する改質ガスの温度が３００℃〜５００℃とされている。また、低温シフト反応部１３に流入する改質ガスの温度が１５０℃〜３５０℃とされ、低温シフト反応部１３から流出する改質ガスの温度が１５０℃〜２５０℃とされ、選択酸化反応部８に流入する改質ガスの温度が９０℃〜２１０℃（１２０℃〜１９０℃）とされている。
【００３３】
次に、本実施形態の低温シフト反応部１３の周辺構成について、より詳細に説明する。
【００３４】
本実施形態の水素製造装置１では、本体部３の軸Ｇ方向中央から下端部に亘る部分において、低温シフト反応部１３、排ガス流路（冷却部）Ｌ１、蒸発部（冷却部）９及び選択酸化反応部８が、径方向内側から外側に向かう方向にこの順で配置されている。
【００３５】
排ガス流路Ｌ１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈している。この排ガス流路Ｌ１は、低温シフト反応部１３を囲繞するように設けられており、低温シフト反応部１３の径方向外側に隣接配置されている。この排ガス流路Ｌ１は、排ガスを上方から下方に向けて（軸Ｇ方向の一方側から他方側）に流通させる。
【００３６】
蒸発部９は、排ガス流路Ｌ１を囲繞するように設けられており、排ガス流路Ｌ１の径方向外側に隣接配置されている。この蒸発部９は、外部から導入された水を内部に貯留させると共に、貯留させた水を周囲の熱を利用して（つまり、周囲から移動させた熱によって）気化させて水蒸気を生成する。そして、蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５へ供給する。
【００３７】
この蒸発部９の下端部には、水を外部より導入（流入）する導入部９ａが設けられていると共に、上端部には、水を内筒蒸発部２２へ導出（流出）する導出部９ｂが設けられている。また、蒸発部９は、高温シフト反応部１２の発熱を回収するため、その上端が高温シフト触媒１２ｘの下端よりも上方に位置しており、蒸発部９が高温シフト触媒１２ｘの下端部を覆うように構成されている。選択酸化反応部８は、蒸発部９を囲繞するように設けられており、蒸発部９の径方向外側に隣接配置されている。
【００３８】
ここで、本実施形態の低温シフト反応部１３では、低温シフト触媒１３ｘが２重筒状を呈する折返し構造とされており、シフト触媒外周層（第１シフト触媒部）３１の下部より導入された改質ガスが上部で折り返されてシフト触媒内周層（第２シフト触媒部）３２の上部より導入され、その後、下部から導出される。具体的には、以下のように構成されている。
【００３９】
すなわち、低温シフト反応部１３は、外周部流路（改質ガス流路）Ｓ１、シフト触媒外周層３１、及びシフト触媒内周層３２を含んで構成されている。外周部流路Ｓ１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、低温シフト反応部１３の外周部に設けられている。この外周部流路Ｓ１は、その上側が高温シフト反応部１２と連通しており、高温シフト反応部１２から供給された改質ガスを上方から下方に向けて流通させる。また、外周部流路Ｓ１には、蒸発部９及び排ガス流路Ｌ１が近接されている。
【００４０】
シフト触媒外周層３１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、外周部流路Ｓ１の径方向内側に隣接配置されている。このシフト触媒外周層３１は、その下端部に改質ガスが導入される導入部（他方側端部）３１ａを有すると共に、その上端部に改質ガスを導出する導出部（一方側端部）３１ｂを有している。シフト触媒外周層３１は、その上下端側のそれぞれに設けられた円環板状のパンチング板（不図示）で閉塞されている。
【００４１】
シフト触媒内周層３２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、シフト触媒外周層３１の径方向内側に隣接配置されている。このシフト触媒内周層３２は、その上端部に改質ガスが導入される導入部（一方側端部）３２ａを有すると共に、その下端部に改質ガスを導出する導出部（他方側端部）３２ｂを有している。シフト触媒内周層３２は、その上下端側のそれぞれに設けられた円環板状のパンチング板（不図示）で閉塞されている。
【００４２】
このような低温シフト反応部１３は、具体的構成として、外周壁を構成する外筒３３と、内周壁を構成する内筒３４と、上端壁を構成する上端板３５と、下端壁を構成する下端板３６と、外筒３３及び内筒３４間の外側仕切筒３７と、内筒３４及び外側仕切筒３７間の内側仕切筒３８と、を有している。また、下端板３６において内側仕切筒３８によりも径方向内側の位置には、低温シフト反応させた改質ガスを低温シフト反応部１３から導出する導出管４０が取り付けられている。そして、外筒３３及び外側仕切筒３７により外周部流路Ｓ１が画設され、外側仕切筒３７及び内側仕切筒２８によりシフト触媒内周層３２が画設されている。
【００４３】
以上のように構成された本実施形態の水素製造装置１では、起動時において、図３に示すように、まずバーナ燃料と空気とがバーナ１０に供給されて該バーナ１０が着火・燃焼され、バーナ１０の排ガスが排ガス流路Ｌ１にて流通される（Ｓ１０１）。これにより、この流通させた排ガス及びバーナ１０の燃焼による燃焼ガス顕熱の伝熱と輻射熱によって、蒸発部９、改質触媒６ｘ、高温シフト触媒１２ｘ、低温シフト触媒１３ｘ及び選択酸化触媒８ｘが加熱されて昇温される。
【００４４】
続いて、水素製造装置１の下部（例えば、バーナ１０から遠い低温シフト反応部１３の下部及び選択酸化反応部８の下部）の温度Ｔが、改質部６下部に凝縮水が溜まらない温度Ｔａに達したとき、蒸発部９内の水位が所定水位（例えば選択酸化触媒８ｘの上端）を下回らないよう該蒸発部９に導入部９ａから水が導入される（Ｓ１０２，Ｓ１０３）。これにより、水蒸気が生成されると共に、過熱水蒸気で水素製造装置１がさらに昇温される。
【００４５】
続いて、水蒸気が必要量以上生成されたとき、原燃料が改質部６に供給されて改質ガスが生成される。そして、選択酸化反応部８に改質ガスが到達したとき、ＰＲＯＸ空気が導入される（Ｓ１０４〜Ｓ１０６）。これにより、セルスタック２０へ導出される改質ガスのＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下とされ発電が開始される（Ｓ１０７）。
【００４６】
以上、本実施形態では、上述したように、起動時に、排ガスによって蒸発部９及び全ての触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘを加熱して昇温することができ、ヒータを用いる必要がなくなる。従って、本実施形態によれば、部品点数を低減させることができ、低コスト化が可能となる。さらに、起動時の消費電力を低減することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、運転時（改質反応中）において以下の作用効果が奏される。すなわち、排ガス流路Ｌ１を流通する排気ガスが蒸発部９によって冷却され、排気ガスが低温化される。よって、水素製造装置１の効率を向上させることができる。
【００４８】
また、低温シフト反応部１３（低温シフト触媒１３ｘ及び低温シフト反応部１３に供給される改質ガス）が蒸発部９によって冷却される。また、選択酸化反応部８（選択酸化触媒８ｘ及び選択酸化反応部８に供給される改質ガス）が蒸発部９によって冷却される。特に、低温シフト反応部１３に供給された改質ガスは、外周部流路Ｓ１により下部まで流通された後、シフト触媒外周層３１における下端部の導入部３１ａより導入され、上端部の導出部３１ｂから導出される。そして、折り返されて、シフト触媒内周層３２における上端部の導入部３２ａより導入され、下端部の導出部３２ｂから導出された後、導出管４０を介して外部へ導出される。外周部流路Ｓ１では、排ガス流路Ｌ１と隣接していることから、低温化された排ガスにより改質ガスが好適に冷却される。よって、低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８の温度を、精度よくコントロールすることが可能となる。
【００４９】
また、このように本実施形態では、低温シフト触媒１３ｘがシフト触媒外周層３１及びシフト触媒内周層３２を有する多重折返し構造とされているため、改質ガスの流路を多重折返し構造にする場合に比して、部品点数及びコストを低減することができる。
【００５０】
他方、蒸発部９では、排ガス流路Ｌ１を流通する排ガスの熱と、低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８の発熱とが好適に利用されて水が加熱され、水蒸気が生成される。よって、水を確実に気化させて水蒸気を生成でき、且つ水蒸気の気化状態を安定化させることができる。
【００５１】
従って、本実施形態によれば、水素製造装置１の性能向上、ひいては、燃料電池システム１００の性能向上を実現することが可能となる。
【００５２】
また、本実施形態の蒸発部９では、上述したように、排ガス流路Ｌ１の出口側（下流側）に対応する下方側の導入部２１ａから水が導入されるため、蒸発部９の温度の低い部分が排ガス流路Ｌ１の出口側に位置することとなる。よって、排気ガスを出口側にて特に低温化でき、外部へ排出されるエネルギを一層低減させることが可能となり、その結果、効率を一層向上させることが可能となる。
【００５３】
なお、本実施形態では、上記のように、蒸発部９、低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８を本体部３として一体化でき、水素製造装置１の小型化が可能となっている。また、低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８を冷却する熱交換器としての機能を蒸発部９が有することとなる。さらに、選択酸化反応部８に供給される改質ガスの偏りを軽減することができ、ＰＲＯＸ空気を分散させるための分散板を不要にすることが可能となる。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る水素製造装置及び燃料電池システムは、実施形態に係る上記水素製造装置１及び上記燃料電池システム１００に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００５５】
例えば、水素製造装置の配置構成については、上記水素製造装置１を上下反転したような配置構成（例えば、バーナ１０が下部に設置されて構成された水素製造装置）としてもよく、限定されるものではない。また、上記実施形態の水素製造装置１は、脱硫部２を備えない場合もある。また、改質部６は、原燃料及び水蒸気を改質するものであればよい。
【００５６】
また、上記実施形態は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３を備えているが、低温シフト反応部１３のみ備えていてもよい。
【００５７】
また、本発明では、図４の変形例に示すように、シフト触媒内周層３２の下端部（他方側端部）が、シフト触媒外周層３１の下端部（他方側端部）に対して下方側（軸Ｇ方向の他方側）に位置する場合もある。換言すると、シフト触媒内周層３２の導出部３２ｂが、シフト触媒外周層３１の導入部３１ａに対し下方へずれて配設される場合もある。この場合、温度が高くなり易い導入部３１ａに対し導出部３２ｂを離間させることができ、導出部３２ｂの低温化を図ることが可能となる。なお、この場合において、導出部３２ｂから導出された改質ガスを蒸発部９と熱交換させるよう構成することで、改質ガスの温度を最適化することもできる。
【００５８】
また、図４の変形例では、触媒が流通しない程度の大きさの複数の孔Ｈが外側仕切筒３７及び内側仕切筒３８に形成されて導入部３１ａ及び導出部３２ｂがそれぞれ構成されている。これにより、パンチング板を不要にして部品点数を一層低減することができる。なお、複数の孔Ｈが形成されてなる導入部３１ａ及び導出部３２ｂに関しては、図２に示す上記実施形態においても採用することもできる。また、この孔Ｈに代えて若しくは加えて、外側仕切筒３７及び内側仕切筒３８の端を含む部分に形成された切欠き状の矩形孔を採用することもできる。
【００５９】
また、以下に例示するように、蒸発部９に貯留された水の水面の位置を調整する制御部を備え、この制御部は、水面の位置が選択酸化触媒８ｘの上端よりも上側となるように、かかる水面の位置を調整する場合がある。
【００６０】
図５は、図１の水素製造装置における他の変形例を示す概略正面端面図である。図５に示すように、変形例に係る水素製造装置１´は、蒸発部９内に貯留された水の水面ＷＦの位置を選択酸化触媒８ｘの上端８ａよりも上側とする機能を有するものである。水素製造装置１´は、上記実施形態に対し、負荷検出センサＣＥ、原燃料供給ポンプ１１０、水供給ポンプ１２０、バーナ燃料供給ポンプ１３０、空気供給ポンプ１４０、温度センサＣ１〜Ｃ５及び制御部１５０をさらに備えている。
【００６１】
負荷検出センサＣＥは、セルスタック２０の負荷（セルスタック２０に要求される電力量（Ｗ））を検出する機能を有しており、検出結果を制御部１５０へ出力する。原燃料供給ポンプ１１０は、改質部６へ原燃料を供給するポンプである。水供給ポンプ１２０は、蒸発部９へ水を供給するポンプである。バーナ燃料供給ポンプ１３０は、バーナ１０にバーナ燃料を供給するポンプである。空気供給ポンプ１４０は、バーナ１０に空気を供給するポンプである。各ポンプ１１０，１２０，１３０，１４０は、制御部１５０と電気的に接続されており、制御部１５０から入力された制御信号に基づいて駆動される。
【００６２】
温度センサＣ１〜Ｃ５は、蒸発部９内の温度を検出することにより水面ＷＦの位置を検出するセンサである。温度センサＣ１は、蒸発部９から導出される水蒸気の温度を検出する。温度センサＣ２〜Ｃ５は、上側から下側へ向かってこの順で蒸発部９内に設けられている。温度センサＣ２，Ｃ３は、選択酸化触媒８ｘの上端８ａよりも上側に配置され、温度センサＣ４，Ｃ５は、選択酸化触媒８ｘの上端８ａと下端８ｂとの間に配置されている。
【００６３】
制御部１５０は、水素製造装置１全体の制御を行う機能を有しており、各ポンプ１１０，１２０，１３０，１４０を制御することによって、水面ＷＦの位置が選択酸化反応部８の選択酸化触媒８ｘの上端８ａよりも上側となるように、水面ＷＦの位置を調整する。
【００６４】
この水素製造装置１´では、制御部１５０において以下の制御を実行することで、水面ＷＦの位置を選択酸化触媒８ｘの上端８ａよりも上側に位置させる。すなわち、セルスタック２０の負荷変動に応じて所定の制御マップを用い、Ｓ／Ｃの設定値を最適値に変更することで、又はバーナ空気比の設定値を最適値に変更することで、水面ＷＦの位置を選択酸化触媒８ｘの上端８ａよりも上側に位置させる。
【００６５】
或いは、温度センサＣ１、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５を用いて水面ＷＦの位置を検出し、水面ＷＦが一定位置よりも上昇又は下降した場合、Ｓ／Ｃの設定値を最適値に変更することで、又はバーナ空気比の設定値を最適値に変更することで、水面ＷＦの位置を選択酸化触媒８ｘの上端８ａよりも上側に位置させる。
【００６６】
このように、水素製造装置１´によれば、水面ＷＦの位置が選択酸化触媒８ｘの上端８ａよりも高くなることから、かかる上端８ａ付近の冷却が不十分となるのを抑制でき、選択酸化触媒８ｘの温度の急上昇を確実に防止することができる。
【００６７】
ここでの「水面ＷＦ」は、蒸発部９内の水が水蒸気となる境界部分である。また、「Ｓ／Ｃ」とは、改質部６に供給される原燃料中のカーボンに対する水蒸気の比率である。また、「バーナ空気比」とは、バーナ１０に供給されるバーナ燃料を全て完全に燃焼できる空気量（理論空気量）に対する、バーナ１０に供給される空気量の比率である。
【００６８】
ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや、円筒状及び多角筒状の部分を少なくとも含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。また、上記実施形態は、好ましいとして、中心軸を軸Ｇとする同軸構成とされているが、本発明は、略同軸構成又は軸Ｇに沿った構成とされていてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１，１´…水素製造装置、６…改質部、７…シフト反応部、９…蒸発部（冷却部）、１０…バーナ、１３…低温シフト反応部（シフト反応部）、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、３１…シフト触媒外周層（第１シフト触媒部）、３１ａ…導入部（他方側端部）、３１ｂ…導出部（一方側端部）、３２…シフト触媒内周層（第２シフト触媒部）、３２ａ…導入部（一方側端部）、３２ｂ…導出部（他方側端部）、１００…燃料電池システム、１５０…制御部、Ｇ…軸、Ｌ１…排ガス流路（冷却部）、Ｓ１…外周部流路（改質ガス流路）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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