(57)【要約】【課題】改質部の温度を正確に検出し、その温度制御を正確に行うことにより、安全に運転でき、これにより信頼性が高く良好なコージュネレーション運転を安定して行うことができる水素製造装置及び燃料電池発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】内筒４１と外筒４２との間の筒状空間に改質触媒層３を有し、該改質触媒層３から流出する改質ガスの流れと衝突する面を有する底板１２とを備え、内筒４１の改質ガスの流れに対して下流側は閉鎖され、外筒４２の下流側に、該外筒４２の全周に亘って形成された改質ガス流出口３６を有することで底板１２に衝突した改質ガスが改質ガス流出口３６を介して外筒４２の外側に流出するように構成され、かつ、底板１２の前記衝突する面と反対側の外面に改質部３１の温度を検出するための改質温度測定部１７を備える水素製造装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内筒及び外筒と、
前記内筒と前記外筒との間の筒状空間に改質触媒層を有し、該改質触媒層を流れる水蒸気及び原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、
前記改質触媒層から流出する改質ガスの流れと衝突する面を有する底板とを備え、
前記内筒の前記改質ガスの流れに対して下流側は閉鎖され、
前記外筒の下流側に、該外筒の全周に亘って形成された改質ガス流出口を有することで
前記底板に衝突した改質ガスが前記改質ガス流出口を介して前記外筒の外側に流出するように構成され、
かつ、前記底板の前記衝突する面と反対側の外面に前記改質部の温度を検出するための改質温度測定部を備える、水素製造装置。
【請求項２】
前記改質ガス流出口は、前記底板と前記外筒の前記改質ガスの流れに対して下流側の端との間に前記外筒の全周に亘って形成された間隙である請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記改質ガス流出口は、前記改質触媒層の下流端よりも下流側に、前記外筒の全周に亘って形成された開口部である請求項１記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記改質ガス流出口は、前記改質触媒層の下流端よりも下流側に、前記外筒の全周に亘って形成された間隙である請求項１記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記開口部及び前記間隙は、前記底板の近傍に形成された請求項３または４記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記改質温度測定部は断熱部材で覆われている請求項１記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記底板の外面に複数の前記改質温度測定部が配設されている請求項１記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記底板の外面における、前記外筒または内筒の中心軸を中心とする同一円周上に前記改質温度測定部が配設されている請求項１記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記底板の外面に凹部が形成され、該凹部に前記改質温度測定部が配設されている請求項１記載の水素製造装置。
【請求項１０】
前記複数の改質温度測定部で検出される温度の差異が予め設定された値以上に達した場合に、メンテナンス信号を発する制御部を備える請求項７記載の水素製造装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の水素製造装置と、前記水素製造装置から供給される燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置及びその水素製造装置を備える燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に供給する水素を生成する水素製造装置は、一般に水蒸気改質反応が用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば、予熱部で蒸発した改質用水と炭素及び水素から構成される化合物を含む原料とを改質部に充填されたルテニウム触媒を用いて６００℃以上８００℃以下程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした改質ガスを生成するものである。
【０００３】
ところで、燃料電池発電装置が電力負荷に応じた所定量の発電を行うには、水素製造装置の改質部によって生成される水素量を的確に制御する必要がある。生成される水素量は、原料と水蒸気の供給量及び改質部の温度によって決まる。このため、改質部の温度を測定し、その温度を正確に制御する必要がある。
【０００４】
特許文献１には、改質部の温度を測定するために、改質触媒層に熱電対を挿入し、その挿入箇所の温度を測定する水素製造装置が記載されており、このような構成の水素製造装置では、改質部の温度を測定した場合、その測定箇所により温度が異なることが記載されている。
【０００５】
このような問題に対して、特許文献１では、改質触媒層の下流部で改質ガスの流れが集合する出口部を設け、この出口部に設けた温度検知手段により改質部の温度を測定する水素製造装置が提案されている。
【０００６】
図８は、特許文献１に開示された水素製造装置の構成を模式的に示す断面図である。
【０００７】
図８に示すように、この従来の水素製造装置は、円筒状の外筒７３と内筒７４とを備えている。外筒７３の外側には、断熱材７６が外筒７３を覆うように設けられている。また、外筒７３の上部には、原料及び水蒸気を供給するための入口部７９が設けられ、下部には、改質ガスが流出する筒状の出口部８０が設けられている。外筒７３と内筒７４との間隙には、改質触媒が充填されており、この改質触媒によって改質触媒層７１が形成されている。改質触媒層７１の下流端には、開口部を有し、かつ、改質触媒を保持する固定板８４が設けられている。固定板８４の下方には、生成された改質ガスを拡散する空間部８３が設けられている。改質触媒層７１と固定板８４と空間部８３とから、改質部が構成されている。
【０００８】
外筒７３に設けられた出口部８０の外表面には、くぼみ部８１が設けられており、くぼみ部８１に密接するように熱電対７７が配設されている。熱電対７７は、改質ガスからの伝熱により熱せられた出口部８０の周壁を介して、改質部の温度を測定し、測定したデータは、制御部７８に伝達される。制御部７８では、測定された温度データに基づいて燃料調節弁８２を制御して、改質部の温度を制御する。
【０００９】
かかる構成においては、生成された改質ガスが、空間部８３で拡散し均一な流れとなり、下流側の出口部８０で集合した流れとなるため、出口部８０では、改質ガスの流れが一様なものとなり、その温度分布も均一化される。このため、出口部８０の外表面のどの部分で温度を測定しても、均一な温度を測定することができる。
【特許文献１】特許第３４０８５２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１で開示されている水素製造装置では、改質ガスを１つにまとめる出口部８０を設けているため、出口部８０付近の空間の方が、外筒７３の中心軸に対して出口部８０付近の反対側の空間より改質ガスの流れが速いため、これらの部分間で温度差が生じる。このため、出口部８０の周壁の温度を測定しても、改質部の温度分布を反映していないので、改質部の温度を正確に測定することができないという問題があった。
【００１１】
また、特許文献１で開示されている水素製造装置では、出口部に単一の温度検出手段として１つの熱電対が設けられているため、その熱電対の交換時期が、温度測定ができなくなって初めてわかるので、安全に水素製造装置及び燃料電池発電装置を運転できないという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、改質部の温度を正確に測定することができる水素製造装置及びそれを備える燃料電池発電装置を提供することを第一の目的とする。また、本発明は、改質部の温度制御を正確に行うことにより、安全に運転できる水素製造装置及びそれを備える燃料電池発電装置を提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明に係る水素製造装置は、内筒及び外筒と、前記内筒と前記外筒との間の筒状空間に改質触媒層を有し、該改質触媒層を流れる水蒸気及び原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、前記改質触媒層から流出する改質ガスの流れと衝突する面を有する底板とを備え、前記内筒の前記改質ガスの流れに対して下流側は閉鎖され、前記外筒の下流側に、該外筒の全周に亘って形成された改質ガス流出口を有することで前記底板に衝突した改質ガスが前記改質ガス流出口を介して前記外筒の外側に流出するように構成され、かつ、前記底板の前記衝突する面と反対側の外面に前記改質部の温度を検出するための改質温度測定部を備える。
【００１４】
かかる構成とすると、改質部の温度を正確に測定し、その温度制御を正確に行うことにより、安全に運転できる。
【００１５】
前記改質ガス流出口は、前記底板と前記外筒の前記改質ガスの流れに対して下流側の端との間に前記外筒の全周に亘って形成された間隙であることが好ましい。
【００１６】
前記改質ガス流出口は、前記改質触媒層の下流端よりも下流側に、前記外筒の全周に亘って形成された開口部であることが好ましい。
【００１７】
前記改質ガス流出口は、前記改質触媒層の下流端よりも下流側に、前記外筒の全周に亘って形成された間隙であることが好ましい。
【００１８】
前記開口部及び前記間隙は、前記底板の近傍に形成されることが好ましい。
【００１９】
前記改質温度測定部は断熱部材で覆われていることが好ましい。
【００２０】
前記底板の外面に複数の前記改質温度測定部が配設されていることが好ましい。
【００２１】
かかる構成とすると、改質部の温度をより正確に測定することができ、また、改質温度測定部が複数設置されていることから、改質温度測定部の１つが故障しても運転することができ、より安全に装置を運転することができる。
【００２２】
前記底板の外面における、前記外筒または内筒の中心軸を中心とする同一円周上に前記改質温度測定部が配設されていることが好ましい。
【００２３】
前記底板の外面に凹部が形成され、該凹部に前記改質温度測定部が配設されていることが好ましい。
【００２４】
前記複数の改質温度測定部で検出される温度の差異が予め設定された値以上に達した場合に、メンテナンス信号を発する制御部を備えることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の燃料電池発電装置は、前記水素製造装置と、前記水素製造装置から供給される燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えている。
【００２６】
これにより、信頼性が高く良好なコージュネレーション運転を安定して行うことができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の水素製造装置によれば、改質部の温度を正確に検出することが可能となる。また、本発明の水素製造装置によれば、改質部の温度制御を正確に行うことにより、安全に運転することが可能となる。さらに、このような水素製造装置を備えた本発明の燃料電池発電装置によれば、信頼性が高く良好なコージュネレーション運転を安定して行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、図１乃至図５においては、その構成を模式的に示すものであって、個々の構成要素の大きさを示すものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成を示す模式図である。
【００２９】
まず、本実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成について、図１を参照しながら説明する。
【００３０】
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池発電装置は、燃料電池２１と、図示されない酸化剤ガス供給部と、水素製造装置１と、改質温度測定部１７と、制御部２２と、を有している。
【００３１】
水素製造装置１は、原料供給部２４と、水供給部２３と、加熱部２５と、予熱部２６と、改質部３１と変成部４と、浄化部５と、を有している。
【００３２】
原料供給部２４は、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含む原料を余熱部２６に供給する。ここで、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物としては、例えばメタン、エタン、プロパンなどの炭化水素、メタノールなどのアルコール類、灯油やＬＰＧ（液化石油ガス）などが挙げられる。
【００３３】
水供給部２３は、改質用の水を予熱部２６に供給する。予熱部２６では、供給された改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。そして、予熱部２６では、生成された水蒸気が原料供給部２４から供給された原料と混合され、この混合ガスが改質部３１に供給される。
【００３４】
改質部３１では、加熱部２５で生成された燃焼ガスの伝熱を利用して、供給された混合ガス中の原料と水蒸気とを改質反応させることにより水素リッチな改質ガスが生成される。この改質ガスは、変成部４及び浄化部５を順次通過し、その間に一酸化炭素の濃度が低減され、燃料ガスとして燃料電池２１のアノードに供給される。
【００３５】
燃料電池２１では、酸化剤ガス供給部からカソードに酸素を含む酸化剤ガスが供給され、アノードに供給された燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が電気化学的に反応して電気が発生する。
【００３６】
水素製造装置１には、改質部３１の温度を測定する改質温度測定部１７が配設されている。
【００３７】
制御部２２は、燃料電池２１と原料供給部２４と水供給部２３と水素製造装置１を制御し、また、改質温度測定部１７で検出された温度情報を取得して、改質部３１の温度を制御する。
【００３８】
なお、本実施の形態に係る燃料電池発電装置では、制御部２２が、水素製造装置１を制御するとともに燃料電池発電装置全体を制御する構成としているが、水素製造装置１を制御する制御部と燃料電池発電装置を制御する制御部をそれぞれ設ける構成としてもよい。
【００３９】
次に、本実施の形態に係る水素製造装置１の構成について詳しく説明する。
【００４０】
水素製造装置１は、中心軸を共有する容器４３と円筒状の外筒４２及び内筒４１を備えている。容器４３は、上部に大径部が形成され、その下部に大径部より径の小さな小径部が形成された段付き円筒で構成されている。容器４３の外側には、断熱部材１１が容器４３を覆うように設けられている。容器４３の下端は、底板１２により閉鎖されており、その上端は、環状の板部材２７を介して外筒４２と接続されている。なお、ここでは、容器４３は、段差を有する筒であるが、段差を設けない構成としてもよい。
【００４１】
外筒４２及び内筒４１の上端は、蓋部材１０により閉鎖されている。一方、外筒４２の下端は開放されており、内筒４１の下端は、内筒用底板３０により閉鎖されている。
【００４２】
外筒４２の上端部には、筒状の原料供給口７が設けられている。原料供給口７は、適宜な配管によって予熱部２６と接続されており、予熱部２６で混合された混合ガスを改質部３１に供給する。
【００４３】
外筒４２及び内筒４１との筒状空間には、改質触媒が充填された改質触媒層３が形成され、改質触媒収容空間が構成されている。改質触媒収容空間の上方には、混合ガスを予熱する予熱空間が構成されている。この改質触媒収容空間と改質触媒層３とから改質部３１が構成されている。改質部３１は、原料供給口７から供給された原料と水蒸気により、水蒸気改質反応を行う。外筒４２の下端（改質ガスの流れに対して改質触媒層３の下流側の端）と底板１２との間には、外筒４２の全周に亘って間隙３６が設けられている。この改質触媒層３の下流側の端及び内筒用底板３０と底板１２との間に形成される空間が、緩衝空間部１９を成している。そして、この緩衝空間部１９から外筒４２の外側への改質ガス流出部を改質ガス流出口と呼ぶ。ここでは、間隙３６が改質ガス流出口を構成している。改質ガス流出口３６を介して、この緩衝空間部１９と連通する容器４３及び外筒４２との筒状空間の一部が、改質ガス流路５１となる。緩衝空間部１９の高さ（改質触媒層３の下流端と容器４３の底板１２との間の距離）は、改質ガスの流量により適宜設計されるが、高さが低いと、改質部３１の実際の温度と改質温度測定部１７で検出する温度との差が小さくなるからである。なお、改質部３１の実際の温度と改質温度測定部１７で検出する温度との差は、後述する制御部２２において補正するような構成としてもよい。
【００４４】
改質ガス流路５１の上方にある、容器４３の大径部と外筒４２との筒状空間には軸方向に間隔をおいて一対の仕切り板２８、２９が配設されており、これによって上記筒状空間が変成触媒収容空間と空気混合部１８と選択酸化触媒収容空間とに分割されている。変成触媒収容空間には、変成触媒が充填された変成触媒層が形成されている。この変成触媒空間と変成触媒層から変成部４が構成されている。空気混合部１８を形成する容器４３には、一酸化炭素選択酸化反応用の空気を供給する空気供給口８が設けられている。選択酸化触媒収容空間には、選択酸化触媒が充填された選択酸化触媒層が形成されている。この選択酸化触媒収容空間と選択酸化触媒層から浄化部５が構成されている。仕切り板２８には、変成部４と空気混合部１８とを連通する複数の貫通孔が設けられており、一方、仕切り板２９には、空気混合部１８と浄化部５とを連通する複数の貫通孔が設けられている。これにより、仕切り板２８の貫通孔から、変成部４でシフト反応された改質ガスが空気混合部１８に流出し、仕切り板２９の貫通孔から空気混合部１８で空気と混合された改質ガスが、浄化部５に流入する。
【００４５】
内筒４１の内部には、内筒４１と同軸状に円筒状の輻射筒４４が設けられている。輻射筒４４の上端は、蓋部材１０により閉鎖されており、輻射筒４４の下端は、開放されている。輻射筒４４と内筒４１との間に形成された筒状の空間は、燃焼ガス流路５２を構成している。輻射筒４４の内部には、蓋部材１０を貫通して下方に伸びるようにバーナ２が配設されている。このバーナ２と燃焼ガス流路５２とから、加熱部２５が構成されている。バーナ２では、燃料電池２１からオフガスが供給され、また、図示されない燃焼用空気が外部から供給され、これらが燃焼して燃焼ガスが生成される。生成された燃焼ガスは、輻射筒４４の先端（下端）から流出し、内筒４１の底壁に当たって反転し、そこから上方へ燃焼ガス流路５２を流れる。また、燃焼ガス流路５２の上端部を形成する内筒４１には、燃焼ガス排出口６が設けられており、燃焼ガス流路５２を流れてきた燃焼ガスは、燃焼ガス排出口６を介して外部に排気ガスとして排出される。なお、輻射筒４４の断面は、ここでは円形であるが、これに限定されるものではなく、多角形等であってもよい。
【００４６】
次に、本実施の形態に係る水素製造装置１の特徴的構成である改質温度測定部１７の構成について詳しく説明する。
【００４７】
図１に示すように、容器４３の底板１２の外面には、板状部材で形成されたポケット状の収容部１６が１箇所に設けられている。収容部１６は、底板１２の改質触媒層３から流出する改質ガスの流れと衝突する面の反対側の外面部分に設置されることが好ましい。底板１２のこの部分には、改質部３１で生成される改質ガスの流れが絶えず衝突する（当たる）ため、改質部３１の実際の温度に近い温度が検出することができるからである。なお、収容部１６の設置位置が上記好ましい位置以外の場所に設置された場合は、改質温度測定部１７が検出した温度と改質部３１の実際の温度との差を実験等により予め求めておいて、その差を制御部２２で補正するように構成すればよい。
改質温度測定部１７は、温度センサが、収容部１６に収容されて構成されている。この温度センサは、一端が開放された端が閉鎖された円筒状のシース管３４と熱電対３５を有している。シース管３４は、底部３４ｂを先にして（横に向けて）、収容部１６に嵌挿されている。シース管３４の底部３４ｂの先端部は、収容部１６の側面に接触している。シース管３４の開放された一端（以下、開放端という）には、フランジ３４ａが形成されている。シース管３４の内部には、熱電対３５の先端３５ａが該シース管３４の底部３４ｂに接触するようにして挿入されている。また、シース管３４の内部には、熱電対３５と間隙の間を埋めるように、粉状の充填材３２が充填されている。この充填材３２は、熱電対の移動を防止するためのもので、熱伝導性及び電気絶縁性の材料、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ２）で構成されている。そして、フランジ３４ａに合わさる蓋板３３によってシース管３４の開放端が封止されている。蓋板３３は溶接等の適宜な手段によってシース管３４のフランジ３４ａに接合されている。また、蓋板３３には貫通孔が形成されていて、熱電対３５はこの貫通孔を通ってシース管３４の外部に導出されている。シース管３４は、フランジ３４ａを収容部１６にねじ等の適宜な固定具で固定することによって、収容部１６に固定されている。熱電対３５は、適宜な配線により処理制御部６１と電気的に接続されている。収容部１６とこの配線は、断熱部材１１に覆われるように配設されている。また、収容部１６が設けられている容器４３の底板１２及び収容部１６の内部には、熱伝導を促進するための伝熱セメントを塗布していることが好ましい。
【００４８】
このような構成とすることにより、改質温度測定部１７は、改質部３１の温度を容器４３の底板１２を介して検出することができる。
【００４９】
なお、改質温度測定部１７は、収容部１６を省略して断熱部材１１と容器４３の底部とで挟むことによって固定するような構成としてもよい。また、温度センサに、熱電対を使用したが、白金測音抵抗体やサーミスタを用いてもよい。さらに、改質温度測定部１７を赤外線温度センサで構成してもよい。この場合、赤外線温度センサにより容器４３の底板１２の改質触媒層３の下流端の対向する部分の外表面から放射される赤外線を検出するように構成すればよい。
【００５０】
改質温度測定部１７で検出した温度は、制御部２２に伝達される。制御部２２は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、処理制御部６１（ＣＰＵ）と、半導体メモリから構成された記憶部６３（内部メモリ）と、操作入力部６２と、表示部６４とを有している。処理制御部６１は、記憶部６３に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池発電装置に関する各種の制御を行う。また、処理制御部６１は、記憶部６３に記憶されたデータや操作入力部６２から入力されたデータを処理する。特に、ここでは、処理制御部６１は、改質温度測定部１７で検出した改質部３１の温度に基づいて水素製造装置１の所要の制御を行う。改質温度測定部１７からの温度が、処理制御部６１に伝達されない場合には、処理制御部６１が、表示部６４に改質温度測定部１７の故障を知らせる表示を行わせる。
【００５１】
なお、制御部２２は、ＬＡＮなどの通信手段と接続されているような構成としてもよい。これにより、制御部２２から送られる信号が、直接サポートセンターに伝達することができ、より安全に水素製造装置及び燃料電池発電装置を運転することができる。
【００５２】
次に、本実施の形態に係る水素製造装置１の動作について図１を参照しながら説明する。
【００５３】
水素製造装置１は、処理制御部６１からの運転開始の制御信号が出力されて起動する。具体的には、原料供給部２３から供給される燃料の一部が燃焼燃料として所定の供給量でバーナ２に供給されるとともに、燃焼用空気が所定の供給量で供給される。そして、この燃焼燃料と燃焼用空気が燃焼して、燃焼ガスが生成し、生成した燃焼ガスは、燃焼ガス流路５２を通過し、燃焼ガス排出口６を介して外部に排出される。このとき、燃焼ガスからの伝熱により、改質部３１が加熱される。改質部３１の温度は、改質温度測定部１７によって常時検出され、検出された温度は、処理制御部６１に伝達される。
【００５４】
一方、原料となる炭化水素が、原料供給部２４から予熱部２６に供給され、また、改質用の水が、水供給部２３から予熱部２６に供給される。予熱部２６では、供給された水が加熱されて水蒸気となり、この水蒸気と加熱された原料とが混合される。この混合された水蒸気と原料が、原料供給口７を介して加熱された改質部３１へ供給される。改質部３１は、水蒸気と原料との水蒸気改質反応により、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、及び未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスを生成する。この生成された改質ガスは、改質触媒層３の下流端から改質ガス流路５１を通過し、変成部４に供給される。この際、緩衝空間部１９で改質ガスの流れが均一化される。変成部４の変成触媒体は、一酸化炭素と水蒸気とを反応させて、二酸化炭素及び水素を生成するシフト反応を行う。その結果、改質ガス中の一酸化炭素が１％程度にまで低減する。シフト反応後の改質ガス（変成後ガス）は、空気混合部１８に供給される。空気混合部１８では、空気供給口８から供給された空気と変成後ガスとが混合される。この混合ガスは、浄化部５に供給される。浄化部５は、改質ガス中に残留する一酸化炭素と空気中の酸素による選択酸化反応を行う。その結果、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下の燃料ガスが生成される。この生成された燃料ガスは、燃料ガス出口９から燃料電池２１に供給される。燃料電池２１は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを用いて発電する。燃料電池２１で使用されなかった余剰の燃料ガスは、水素製造装置１（より正確にはバーナ２）にオフガスとして供給され、バーナ２では、このオフガスが燃焼用燃料として用いられる。
【００５５】
上述の燃料電池２１における発電の際には、発電量に応じて必要とされる水素量は異なる。このため、制御部２２の処理制御部６１は、燃料電池２１が負荷電力に応じた発電を行えるように、改質温度測定部１７により改質部３１の温度を正確に把握するとともに、原料、水及び空気の供給量や加熱部２５における燃料の燃焼量等を制御する。
【００５６】
このように、本実施の形態１に係る水素製造装置では、底板１２の改質触媒層３から流出する改質ガスの流れと衝突する面の反対側の外面位置に改質温度測定部１７が設けられているので、改質部３１から生成される改質ガスが、容器４３の底板１２の改質温度測定部１７が設置されている位置に絶えず触れる。このため、改質温度測定部１７は、改質部３１の改質触媒層３内の実際の温度に近い温度を検出することができる。また、底板１２と外筒４２の改質ガスの流れに対して下流側の端との間に外筒４２の全周に亘って間隙を設けていることにより、改質ガスの流れが均一化されること、及び底板１２の熱伝導により、底板１２全体における温度分布が平均化される（温度分布のばらつきが小さくなる）ことから改質部３１の温度を正確に検出することができる。また、改質部３１の温度制御を正確に行うことができるので、水素製造装置及び燃料電池発電装置を安全に運転することができる。
【００５７】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池発電装置の変形例を説明する。
【００５８】
[変形例１]
図２は、本実施の形態１の変形例１の燃料電池発電装置の構成を示す模式図である。
【００５９】
図２に示すように、変形例１では、収容部１６が、板状部材で形成されたポケットの代わりに、凹部１３で構成されている。凹部１３は、容器４３の底板１２を構成する壁を、改質部３１（正確には、改質触媒層３）の下流端側から見て、円筒状に凹むように屈曲されて形成されている。凹部１３には、温度センサのシース管３４が、底部３４ｂを先にして（上に向けて）嵌挿されている。シース管３４の底部３４ｂ（先端部）は、凹部１３の底部に接触している。シース管３４は、フランジ３４ａを容器４３の底板１２にねじ等の適宜な固定具で固定することによって、該底板１２に固定されている。なお、凹部１３の断面は、ここでは円形であるが、これに限定されるものではなく、多角形等であってもよい。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置の構成を示す模式図である。図３において、実施の形態１の燃料電池発電装置と同等の構成要素には同じ符号を付しており、その基本的構成も実施の形態１と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
本実施の形態では、収容部１６が、容器４３の底板１２の外表面の複数箇所に設けられている（ここでは、２箇所）。複数の収容部１６は、底板１２の改質触媒層３の下流端の対向する部分の外表面の位置に、容器４３の中心軸を中心とする円周上に、等間隔に（互いに等しい中心角だけ離れて位置するように）配設されている。収容部１６には、上述したように、温度センサがそれぞれ配設されている。
【００６１】
改質部３１は、容器４３の中心軸を中心とする同一円周上に設けられているので、底板１２の温度は、容器４３の中心軸を中心とする周方向においては同じであるが、半径方向においては変化する。このため、容器４３の中心軸に対して半径方向に異なる位置に複数の収容部１６（正確には、改質温度測定部１７）を設けると、検出した温度に対し、半径方向の温度分布を補正する必要があるが、このように容器４３の中心軸を中心とする同一円周上に設けるとそのような補正をする必要がなくなる。なお、容器４３の中心軸を中心とする同一円周上に設けられなくてもよく、そのような場合には、測定値の差を予め実験等により求めておいて、制御部２２によりその差を補正するような構成とすればよい。
【００６２】
制御部２２は、複数の改質温度測定部１７から送られてくる温度を用いて、改質部３１の温度を推定する（測定値とする）。例えば、ここでは、容器４３の中心軸を中心とする同一の円周上に設けられているため、その温度情報の平均値を、改質部３１の測定温度とする。
【００６３】
処理制御部６１は、改質温度測定部１７のいずれか一つ、又はすべての改質温度測定部１７からの温度が、伝達されない場合には、表示部６４に改質温度測定部１７の故障を知らせるメッセージを表示させる。また、改質温度測定部１７で測定したそれぞれの温度が、予め設定された所定の範囲よりも大きく異なる場合にも、同様に処理制御部６１が、改質温度測定部１７の異常を示すメッセージを表示部６４に表示させる。上記所定の範囲は、記憶部６３に記憶されており、処理制御部６１が適宜読み出すことができ、また、操作入力部６２により、その範囲を記憶部６３に適宜記憶させることができるような構成となっている。また、その範囲は水素製造装置１の構造や改質温度測定部１７の取付方法などによって異なるが、およそ５０℃以下であることが好ましい。
【００６４】
このような構成とすることにより、改質温度測定部１７のいずれかが故障して温度が伝達されなくても、故障していない改質温度測定部１７により改質部３１の温度を検出することができるので、水素製造装置１及び燃料電池発電装置の運転を続行することができる。また、容器４３の中心軸を中心とする円周上の温度は一定であるため、複数の改質温度測定部１７が検出するそれぞれの検出値が大きく異なると、改質温度測定部１７が故障している可能性があると判断することができるので、改質温度測定部１７のメンテナンス時期を知ることができ、より信頼性が高く良好なコージュネレーション運転を安定して行うことができる。
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の水素製造装置１の緩衝空間部１９と改質ガス流出口３６の構成を示す模式図である。図９において、実施の形態１の燃料電池発電装置と同等の構成要素には同じ符号を付しており、その説明を省略する。
【００６５】
図９に示すように、本実施の形態では、実施の形態１と同様に間隙からなる改質ガス流出口３６が形成されている。ただし、本実施の形態では、この改質ガス流出口３６に接続する改質ガス流路が、実施の形態１で説明した改質ガス流路５１とは異なり、任意の形態を有している。改質温度測定部（図示せず）は、実施の形態１と同様に底板１２の外側に設置されている。
【００６６】
燃料電池発電装置のその他の構成は、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電装置の水素製造装置１の緩衝空間部１９と改質ガス流出口３６の構成を示す模式図である。図１０において、実施の形態１の燃料電池発電装置と同等の構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００６７】
図１０に示すように、本実施の形態では、内筒４１の改質ガスの流れに対して下流側の端が底板１２により閉鎖されている。そして、この内筒４１と改質触媒層３の下流端と底板１２とで区画されて緩衝空間部１９が形成されている。改質温度測定部（図示せず）は、実施の形態１と同様に底板１２の外側に設置されている。改質ガス流出口３６及び改質ガス流路（図示せず）については、上述の実施の形態３と同様の構成であり、燃料電池発電装置のその他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電装置における水素製造装置１の改質ガス流出口の構成を示す模式図である。図１１において、実施の形態１の燃料電池発電装置と同等の構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００６８】
図１１に示すように、本実施の形態では、上部外筒４２ａと下部外筒４２ｂとから構成される外筒４２を有している。上部外筒４２ａの上端は、図示されない蓋部材により実施の形態１と同様に閉鎖されており、下部外筒４２ｂの下端は、底板１２と気密的に接続されている。そして、上部外筒４２ａの下端と下部外筒４２ｂの上端との間に、本発明の外筒４２に形成された間隙としての間隙３６が外筒４２の全周に亘って形成されていて、この間隙３６により改質ガス流出口が構成されている。間隙３６は、図示されない改質触媒層の下流端より下側に設けられれば、鉛直方向の設置位置は任意であるが、高温の改質ガスは粘度が高く流れの緩やかな層流を形成することを考慮すると底板１２に確実に改質触媒から流出した改質ガスを衝突させ、改質部のリアルタイムの温度を改質温度測定部で検出するためにも底板１２の近傍に開口部３７を設けることが好ましい。改質温度測定部（図示せず）は、実施の形態１と同様に底板１２の外側に設置されている。なお、改質ガス流路及び内筒４１の下端の構成は、実施の形態１、実施の形態３又は実施の形態４のいずれの構成を用いてもよく、燃料電池発電装置の他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。
（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電装置の水素製造装置１の改質ガス流出口の構成を示す模式図である。図１２において、実施の形態１の燃料電池発電装置と同等の構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００６９】
図１２に示すように、本実施の形態では、外筒４２の下端が底板１２により閉鎖されており、外筒４２の下端部には、本発明の開口部である開口部３７が複数形成されている。開口部３７は、外筒４２の周方向の全体に亘って均等に分布するように設けられている。開口部３７は、図示されない改質触媒層の下流端より下側に設けられれば、鉛直方向の設置位置は任意であるが、高温の改質ガスは粘度が高く流れの緩やかな層流を形成することを考慮すると底板１２に確実に改質触媒から流出した改質ガスを衝突させ、改質部のリアルタイムの温度を改質温度測定部で検出するためにも底板１２の近傍に開口部３７を設けることが好ましい。また、開口部３７の形状は、ここでは横長の矩形状であるが、これに限定されず、その形状は任意である。この複数の開口部３７が、改質ガス出口を構成する。改質温度測定部（図示せず）は、実施の形態１と同様に底板１２の外側に設置されている。燃料電池発電装置のその他の構成については、実施の形態５と同様であり、その説明は省略する。
【００７０】
次に、本実施の形態６に係る燃料電池発電装置の水素生成装置１の外筒４２の変形例を、以下に説明する。
【００７１】
[変形例２]
図１３は、本実施の形態の変形例２を図示したものである。
【００７２】
図１３に示すように、本変形例では、外筒４２の下端に本発明の開口部としての切片３８が複数設けられている。切片３８は、外筒４２の周方向の全体に亘って均等に分布するように設けられている。切片部３８の形状は、任意である。この複数の切片部３８が、改質ガス流出口を構成する。改質温度測定部（図示せず）は、実施の形態１と同様に底板１２の外側に設置されている。燃料電池発電装置のその他の構成については、実施の形態６と同様であり、その説明は省略する。
【実施例】
【００７３】
以下に、実施例及び比較例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１］
【００７４】
実施例１及び比較例１〜２における水素製造装置の基本的構成は、すべて同じものを使用し（図２、図４及び図５参照）、改質部３１の温度を検出する改質温度測定部１７を以下のように設置した。
【００７５】
実施例１では、実施の形態２に係る水素製造装置を使用した。なお、実施の形態２では、容器４３の底板１２の複数箇所に改質温度測定部１７を設けているが、本実施例では、底板１２の改質触媒層３の下流端の対向する部分の外表面の位置に、容器４３の中心軸を中心とする円周上に９０度間隔で４箇所に設けた。
【００７６】
比較例１では、特許文献１に記載されている従来技術と同様に、改質触媒層３に温度センサを挿入し、その挿入箇所の温度を検出する構成とした。すなわち、図４に示すように、容器４３の底板１２に貫通孔２０を設け、該貫通孔２０に連通するようにスリーブ１５を底板１２に溶接し、スリーブ１５の先端にくい込み継ぎ手１４を固定した。温度センサを、くい込み継ぎ手１４を貫通して、改質触媒層３内に挿入し、改質触媒層３の下流端から１０ｍｍの位置で温度を検出するように固定した。改質温度測定部１７は、実施例１と対応するように、容器４３の中心軸を中心とする円周上に９０度間隔で４箇所に設けた。なお、図４では、改質温度測定部１７を１箇所だけ記載し、他についてはその記載を省略している。
【００７７】
比較例２では、図５に示すように、改質温度測定部１７を容器４３の側面部に、比較例１に対応するように改質触媒層３の下流端から１０ｍｍの位置で温度を検出するように設けた。また、改質温度測定部１７は、実施例１及び比較例１に対応するように、容器４３の中心軸を中心とする９０度間隔で４箇所に設置した。なお、図５では、改質温度測定部１７を１箇所だけ記載し、他についてはその記載を省略している。
【００７８】
図６は、定常状態（発電出力１０００Ｗ、Ｓ／Ｃ（改質部３１に供給される水蒸気と原料の混合ガス中における水分子と炭素原子との比）＝２．７）における実施例１及び比較例１〜２の水素製造装置の改質部３１の温度を検出した結果を示すグラフである。なお、図６において、円周方向角度位置とは、容器４３の底板１２又は側面部に設置した改質温度測定部１７の設置位置を容器４３の中心軸を中心とする円周上の位置を中心角で表したものである。図６より、実施例１では、外筒４３の底部１２に、外筒４３の中心軸を中心とする同一の円周上に改質温度測定部１７を設けると、同一円周上で上記中心角が変わるよう設置位置を変更しても測定温度の差が３５℃と極めて小さな値となり、同一円周上であれば検出する箇所（設置位置）によらず改質部３１の温度を正確に検出することが可能であることがわかる。すなわち、本発明の底板である底部１２において、本発明の内筒または外筒である筒４１または筒４２の中心軸を中心とした同一円周上に改質温度測定部を設ければ、水素製造装置の各個体毎に改質温度として検出される温度に個体差が少なく安定した改質温度制御が可能となる。これに対して、比較例１のように、直接改質触媒層３の温度を検出しようとすると、同一円周上であってもその設置位置によって温度が１２０℃も異なり、正確に改質部３１の温度を検出することが困難であることがわかる。また、比較例２では、外筒４３の側面部を検出しているため、比較例１ほどの温度差は見られないものの、実施例１に比べて、同一円周上であっても設置位置による温度差が９０℃であり、正確に改質部３１の温度を検出することが困難であることがわかる。これは、水素製造装置を製造するときに、実質的に外筒４３と中間筒４２の中心軸を同一にすることは難しいため、改質ガス流路５１の半径方向の幅（外筒４３と中間筒４２との間隔）が円周方向によって異なることに起因するものと考えられる。
【００７９】
また、実施例１の測定データは、比較例１のデータの平均的な値を示すことがわかる。これにより、直接改質触媒層３の温度を検出しなくても、改質部３１の温度を正確に検出することができることが示された。
【００８０】
図７（ａ）は、実施例１及び比較例１の水素製造装置の起動時からの改質部３１の温度を検出した結果を示すグラフである。また、図７（ｂ）は、比較例１及び比較例２の水素製造装置の起動時からの改質部３１の温度を検出した結果を示すグラフである。なお、比較例１については、図６の円周方向角度位置の０度及び１８０度の角度位置で検出したデータを示した。定常状態で検出したときと同様に、実施例１では、同一円周上であれば設置箇所によらず改質部３１の温度を検出することが可能であることがわかる。一方、比較例１及び２では、測定温度が、同一円周上であっても設置箇所により異なることがわかる。
【００８１】
このように、本実施例によれば、改質温度測定部で検出した温度は、改質触媒層内の実際の温度に近いものとなることが明らかになった。また、本発明の底板である底部１２において、本発明の内筒または外筒である筒４１または筒４２の中心軸を中心とした同一円周上に改質温度測定部を設ければ、設定位置によらず改質部の温度を正確に検出ことが可能となり、結果として水素製造装置の各個体毎に改質温度として検出される温度に個体差が少なく安定した改質温度制御が可能となる。
【００８２】
本発明の水素製造装置は、改質部の温度を正確に検出し、その温度制御を正確に行うことにより、安全に運転できる水素製造装置として有用である。また、このような水素製造装置を備えた本発明の燃料電池発電装置は、信頼性の高く良好なコージュネレーション運転を安定して行うことができる燃料電池発電装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置全体の構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す燃料電池発電装置の変形例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置全体の構成を示す模式図である。
【図４】本発明の比較例１に係る燃料電池発電装置全体の構成を示す模式図である。
【図５】本発明の比較例２に係る燃料電池発電装置全体の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例１及び比較例１〜２に係る水素製造装置の定常状態における改質部の温度を検出した結果を示す図である。
【図７（ａ）】本発明の実施例１及び比較例１に係る水素製造装置の起動時からの改質部の温度を検出した結果を示す図である。
【図７（ｂ）】本発明の比較例１及び比較例２に係る水素製造装置の起動時からの改質部の温度を検出した結果を示す図である。
【図８】従来の水素生成装置の構成を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電装置の水素製造装置の緩衝空間部と改質ガス流出口の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電装置の水素製造装置の緩衝空間部と改質ガス流出口の構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電装置の水素製造装置の改質ガス流出口の構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電装置の水素製造装置の改質ガス流出口の構成を示す模式図である。
【図１３】図１２に示す水素製造装置の改質ガス流出口の変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  水素製造装置
２  バーナ
３  改質触媒体
４  変成部
５  浄化部
６  燃焼ガス排出口
７  原料供給口
８  空気供給口
９  燃料ガス出口
１０  蓋部材
１１  断熱部材
１２  底板
１３  凹部
１４  くい込み継ぎ手
１５  スリーブ
１６  収容部
１７  改質温度測定部
１８  空気混合部
１９  緩衝空間部
２０  貫通孔
２１  燃料電池
２２  制御部
２３  水供給部
２４  原料供給部
２５  加熱部
２６  予熱部
２７  板部材
２８  仕切り板
２９  仕切り板
３０  内筒用底板
３１  改質部
３２  充填材
３３  蓋板
３４  シース管
３４ａ  フランジ
３４ｂ  底部
３５  熱電対
３５ａ  先端
３６  間隙
３７  開口部
３８  切片
４１  内筒
４２  外筒
４２ａ  上部外筒
４２ｂ  下部外筒
４３  容器
４４  輻射筒
５１  改質ガス流路
５２  燃焼ガス流路
６１  処理制御部（ＣＰＵ）
６２  操作入力部
６３  記憶部(内部メモリ)
６４  表示部
７１  改質触媒層
７２  バーナ
７３  外筒
７４  内筒
７５  排気口
７６  断熱材
７７  熱電対
７８  制御部
７９  入口部
８０  出口部
８１  くぼみ部
８２  燃料調節弁
８３  空間部
８４  固定板
【図１】
2006176398.tif 000003
【図２】
2006176398.tif 000004
【図３】
2006176398.tif 000005
【図４】
2006176398.tif 000006
【図５】
2006176398.tif 000007
【図６】
2006176398.tif 000008
【図７（ａ）】
2006176398.tif 000009
【図７（ｂ）】
2006176398.tif 000010
【図８】
2006176398.tif 000011
【図９】
2006176398.tif 000012
【図１０】
2006176398.tif 000013
【図１１】
2006176398.tif 000014
【図１２】
2006176398.tif 000015
【図１３】
2006176398.tif 000016