(57)【要約】【課題】  バーナにおいて液体燃料を気化させるための電気ヒータの使用を抑制することができる水素製造装置、及びそのような水素製造装置を備える燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素製造装置１では、燃焼筒１１の上端部１１ａにフランジ２４が一体的に設けられている。更に、燃焼筒１１の下端部１１ｂから排出された排ガスが燃焼筒１１の外面１１ｃに接触するように燃焼ガス流路Ｌ１が形成されている。これらにより、バーナ１０の燃焼時には、燃焼筒１１及びフランジ２４を介してバーナ１０の気化部３８に、バーナ１０の火炎Ｆや排ガスの熱が効率良く伝達される。そのため、気化部３８の温度は、確実に気化温度（バーナ燃料が気化する温度）となる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を用いて原燃料を改質し、水素を含有する改質ガスを生成する水素製造装置であって、
前記改質触媒を加熱するバーナと、
前記バーナの火炎を囲む燃焼筒と、
前記燃焼筒の一端部に一体的に設けられ、前記バーナを支持するバーナ支持部と、
前記燃焼筒の他端部から排出された燃焼ガスが前記燃焼筒の外面に接触するように形成された燃焼ガス流路と、を備え、
前記バーナには、燃焼用の液体燃料が供給される液体燃料供給部が設けられており、
前記液体燃料供給部は、前記バーナの燃焼時に前記液体燃料が気化する温度となるように前記バーナ支持部と熱的に接続されていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記燃焼ガス流路は、前記燃焼筒のうち前記一端部側の第１の部分を除く前記他端部側の第２の部分の外面に前記燃焼ガスが接触するように形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３】
前記液体燃料供給部は、空気の導入によって霧状化された前記液体燃料が接触させられる気化部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記液体燃料供給部は、滴下された前記液体燃料が接触させられる気化部、及び前記気化部に対して上側に凸状となるように形成された凸部を有し、
前記凸部には、前記気化部において気化させられた前記液体燃料が空気と共に流通する流路が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記気化部は、前記凸部を囲むように形成されており、
前記凸部の上側には、滴下された前記液体燃料を受ける受け部材が配置されていることを特徴とする請求項４記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記バーナは、カーボン、炭素鋼、鉄合金、アルミニウム及び銅の少なくとも一つを含む材料からなるガスケットを介して、前記バーナ支持部に気密に固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記バーナ支持部の少なくとも一部、前記燃焼筒の少なくとも一部、及び前記燃焼ガス流路の少なくとも一部は、断熱部材によって保温されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の水素製造装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいず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され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、を備える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、改質触媒を用いて原燃料を改質し、水素を含有する改質ガスを生成する水素製造装置、及びそのような水素製造装置を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野の水素製造装置において、アルコール類、ナフサ、バイオ燃料、軽油、灯油等の液体燃料を改質用の原燃料として用いるものでは、水素製造装置に充填されている改質触媒等の触媒をバーナで加熱するに際し、起動運転時には、燃焼用の燃料として前述の液体燃料がバーナに供給されて、燃焼させられる。また、定常運転時には、水素製造装置で生成された改質ガスがセルスタックに供給され、セルスタックでの発電に用いられなかった水素を含有する改質ガスが、燃焼用の燃料としてバーナに供給され、単独で、或いは前述の液体燃料と共に燃焼させられる。このような水素製造装置のバーナでは、液体燃料を気化して燃焼する必要があり、そのために電気ヒータが用いられる場合がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８１３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したようなバーナにあっては、液体燃料を気化させるために、常時、電気ヒータが使用されることになると、多くの電力が消費されてしまい、燃料電池システムで発電された電気が無駄に消費されてしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、バーナにおいて液体燃料を気化させるための電気ヒータの使用を抑制することができる水素製造装置、及びそのような水素製造装置を備える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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素製造装置は、改質触媒を用いて原燃料を改質し、水素を含有する改質ガスを生成する水素製造装置であって、改質触媒を加熱するバーナと、バーナの火炎を囲む燃焼筒と、燃焼筒の一端部に一体的に設けられ、バーナを支持するバーナ支持部と、燃焼筒の他端部から排出された燃焼ガスが燃焼筒の外面に接触するように形成された燃焼ガス流路と、を備え、バーナには、燃焼用の液体燃料が供給される液体燃料供給部が設けられており、液体燃料供給部は、バーナの燃焼時に液体燃料が気化する温度となるようにバーナ支持部と熱的に接続されていることを特徴とする。
【０００７】
この水素製造装置では、燃焼筒の一端部にバーナ支持部が一体的に設けられている。更に、燃焼筒の他端部から排出された燃焼ガスが燃焼筒の外面に接触するように燃焼ガス流路が形成されている。これらにより、バーナの燃焼時には、燃焼筒及びバーナ支持部を介してバーナの液体燃料供給部に効率良く熱が伝達される。従って、この水素製造装置によれば、バーナにおいて液体燃料を気化させるための電気ヒータの使用を抑制することができる。
【０００８】
ここで、燃焼ガス流路は、燃焼筒のうち一端部側の第１の部分を除く他端部側の第２の部分の外面に燃焼ガスが接触するように形成されていることが好ましい。このように、燃焼筒のうち他端部側の第２の部分の外面に燃焼ガスを接触させることで、液体燃料供給部の温度を、液体燃料が気化する温度に調整し易くなる。更に、熱が効率良く伝達するので、液体燃料供給部の温度を高温とすることが可能となる。
【０００９】
また、液体燃料供給部は、空気の導入によって霧状化された液体燃料が接触させられる気化部を有することが好ましい。上述したように、液体燃料供給部の温度が、確実に液体燃料が気化する温度となるため、気化部において液体燃料を確実に気化させることができる。
【００１０】
或いは、液体燃料供給部は、滴下された液体燃料が接触させられる気化部、及び気化部に対して上側に凸状となるように形成された凸部を有し、凸部には、気化部において気化させられた液体燃料が空気と共に流通する流路が形成されていることが好ましい。この場合にも、液体燃料供給部の温度が、確実に液体燃料が気化する温度となるため、気化部において液体燃料を確実に気化させることができる。
【００１１】
このとき、気化部は、凸部を囲むように形成されており、凸部の上側には、滴下された液体燃料を受ける受け部材が配置されていることが好ましい。この場合、液体燃料が凸部の流路に直接的に流入することを防止し、凸部を囲む気化部に液体燃料を分散されることができる。
【００１２】
また、バーナは、カーボン、炭素鋼、鉄合金、アルミニウム及び銅の少なくとも一つを含む材料からなるガスケットを介して、バーナ支持部に気密に固定されていることが好ましい。この場合、バーナとバーナ支持部との気密性を保持しつつ、燃焼筒及びバーナ支持部を介してバーナの液体燃料供給部に効率良く熱を伝達させることができる。
【００１３】
また、バーナ支持部の少なくとも一部、燃焼筒の少なくとも一部、及び燃焼ガス流路の少なくとも一部は、断熱部材によって保温されていることが好ましい。この場合、燃焼筒及びバーナ支持部を介してバーナの液体燃料供給部に伝達する熱が外部に逃げるのを抑制し、液体燃料供給部の温度を、確実に液体燃料が気化する温度とすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムは、本発明に係る水素製造装置と、水素製造装置によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えることを特徴とする。この燃料電池システムは、上述した本発明に係る水素製造装置を備えているので、バーナにおいて液体燃料を気化させるための電気ヒータの使用を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、バーナにおいて液体燃料を気化させるための電気ヒータの使用を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
【図２】図１の水素製造装置の端面図である。
【図３】図１の水素製造装置のバーナ周辺部の断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の水素製造装置のバーナ周辺部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
【００１８】
図１に示されるように、燃料電池システム１００は、原燃料として、アルコール類、ナフサ、バイオ燃料、軽油、灯油等の液体燃料を使用する水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel  Processing  System）１と、固体高分子形のセルスタック（燃料電池スタック）２０と、を備えている。水素製造装置１は、原燃料として石油系炭化水素を改質触媒で改質し、水素を含有する改質ガスを生成する。セルスタック２０は、水素製造装置１によって生成された改質ガスを用いて発電を行う。
【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、都市ガス等を用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスの他、ナフサ、軽油等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は、固体高分子形に限定されず、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であってもよい。
【００２０】
図１及び図２に示されるように、水素製造装置１は、中心軸を軸Ｇとする円筒状の外形を有する脱硫部２と、中心軸を軸Ｇとする円柱状の外形を有する本体部３と、を備えている。脱硫部２及び本体部３は、筐体４内に収容されている。なお、筐体４内において脱硫部２及び本体部３の周囲には、粉状の断熱材が充填されている。
【００２１】
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、原燃料から硫黄分を除去する。脱硫部２は、所定の隙間を隔てて本体部３の上部を囲んだ状態で、筐体４の側板４ｘにパイプ２１によって固定されている。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を有している。本体部３は、一体的に構成されており、筐体４の床板４ｙにステー２２によって固定されている。
【００２２】
フィード部５は、脱硫部２で硫黄分が除去された原燃料及び水蒸気を混合し、これらを改質部６に供給する。フィード部５は、原燃料の気化ガスと水蒸気とを混合して混合ガスを生成する混合部５ｘ、及び混合ガスを改質部６へ流通させる混合ガス流通管５ｙと、を含んでいる。
【００２３】
改質部（ＳＲ：Steam  Reforming）６は、フィード部５によって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する。改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状の外形を有しており、脱硫部２の筒内に位置するように本体部３の上端側に設けられている。改質部６においては、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が利用されている。バーナ１０は、バーナ１０の火炎を囲む燃焼筒１１の上端部に設置されている。燃焼筒１１は、中心軸を軸Ｇとし、改質部６の筒内に位置するように本体部３の上端側に設けられている。
【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）を低下させるためのものである。具体的には、シフト反応部７は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。シフト反応部７は、シフト反応を２段階に分けて行うために、高温シフト反応部（ＨＴＳ：High  Temperature  Shift）１２及び低温シフト反応部（ＬＴＳ：Low  Temperature  Shift）１３を有している。なお、シフト反応部７は、シフト反応を高温シフト反応と低温シフト反応との２段階に分けて行うものに限定されず、例えば、低温シフト反応のみを行うものであってもよい。
【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とする円筒状の外形を有しており、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部を囲むように改質部６の径方向外側に配置されている。
【００２６】
低温シフト反応部１３は、高温シフト反応部１２から供給され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濃度を更に低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状の外形を有しており、本体部３の下端側に配置されている。
【００２７】
選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential  Oxidation）８は、低温シフト反応部１３から改質ガス流通管１４ｘを介して供給された改質ガス中のＣＯ濃度を更に低下させる。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。選択酸化反応部８は、具体的には、空気流通管１５を介して導入された空気を用いて改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒８ｘで選択的に酸化し、二酸化炭素に転換する。選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状の外形を有しており、選択酸化触媒８ｘが低温シフト触媒１３ｘの上端部を囲むように低温シフト反応部１３の径方向外側に配置されている。
【００２８】
選択酸化反応部８でＣＯ濃度が更に低下させられた改質ガスは、熱交換部１６が設けられた改質ガス流通管１４ｙを介してセルスタック２０に導出される。熱交換部１６は、改質ガス流通管１４ｙ内を流通する改質ガスから、水流通管１７ｘを介して外部から導入された水へ、熱を移動させる。熱交換部１６で加熱された水は、水流通管１７ｙを介して蒸発部９に供給される。
【００２９】
蒸発部９は、熱交換部１６から供給された水を内部に貯留し、シフト反応部７及び選択酸化反応部８を冷却する。蒸発部９は、ジャケット型のものであり、中心軸を軸Ｇとする円筒状の外径を有しており、高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３の径方向外側且つ選択酸化反応部８の径方向内側（つまり、シフト反応部７と選択酸化反応部８との間）に位置するように配置されている。蒸発部９内に貯留された水は、シフト反応部７及び選択酸化反応部８からの熱の移動によって加熱されて徐々に気化する。蒸発部９内で発生した水蒸気は、水流通管１７ｚを介してフィード部５の混合部５ｘに供給される。
【００３０】
以上のように構成された水素製造装置１及び燃料電池システム１００では、まず、外部から導入された原燃料がバーナ燃料としてバーナ１０に供給され、バーナ燃料の気化ガスと空気との混合ガスが燃焼させられる。この燃焼により、改質触媒６ｘが加熱される。ここで、バーナ１０の排ガス（燃焼ガス）は、燃焼ガス流路Ｌ１及びガス配管１８を介して外部へ排気される。なお、外部から導入された原燃料を脱硫部２で脱硫した後に、バーナ燃料としてバーナ１０に供給するようにしてもよい。
【００３１】
その一方で、外部から導入された原燃料が脱硫部２によって脱硫され、混合部５ｘに供給される。混合部５ｘでは、脱硫された原燃料の気化ガスと、蒸発部９から導入された水蒸気とが混合され、この混合ガスが混合ガス流通管５ｙを介して改質部６に供給される。改質部６では、供給された混合ガスが改質触媒６ｘで水蒸気改質されて改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスの一酸化炭素濃度がシフト反応部７及び選択酸化反応部８で低下させられる。その後、改質ガスは、熱交換部１６で冷却されて、セルスタック２０に導出される。
【００３２】
セルスタック２０では、水素製造装置１から導入された改質ガスが用いられて、発電が行われる。ここで、セルスタック２０のオフガス(セルスタック２０で発電反応に使用されなかった残ガス)は、バーナ１０に供給され、バーナ燃料と共に或いは単独で燃焼用の燃料として使用される。具体的には、水素製造装置１の起動時には、バーナ燃料が燃焼用の燃料として使用され、水素製造装置１の定常運転時には、オフガス及びバーナ燃料の両方、或いはオフガスのみが、燃焼用の燃料として使用される。
【００３３】
なお、水素製造装置１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。
【００３４】
次に、水素製造装置１のバーナ１０周辺部の構成について、より詳細に説明する。図３に示されるように、バーナ１０は、中心軸を軸Ｇとする円柱状のバーナボディ３１を有している。バーナボディ３１の下端部には、フランジ３２が一体的に形成されている。バーナボディ３１には、中心軸を軸Ｇとする円筒状のバーナカップ３３が、下方に向かって延在するように固定されている。なお、バーナボディ３１及びフランジ３２は、炭素鋼、銅、鉄合金（ステンレス鋼を含む）、アルミニウム合金の少なくとも一つを含む伝熱性の高い金属材料からなる。また、バーナカップ３３は、ステンレス鋼等の金属材料からなる。
【００３５】
バーナカップ３３は、燃焼筒１１内に配置されている。バーナボディ３１のフランジ３２は、カーボン、炭素鋼、鉄合金、アルミニウム及び銅の少なくとも一つを含む伝熱性の高い材料からなるガスケット２３を介して、フランジ（バーナ支持部）２４にボルト等で気密に固定されている。フランジ２４は、燃焼筒１１の上端部（一端部）１１ａに一体的に設けられ、バーナ１０を支持している。なお、燃焼筒１１及びフランジ２４は、炭素鋼、鉄合金、ニッケル合金等の金属材料からなる。
【００３６】
バーナボディ３１内には、気化室３４、バーナ燃料流路３５及び空気流路３６が形成されている。バーナ燃料流路３５は、上方からバーナボディ３１内に進入し、ノズル３７を介して気化室３４に至っている。空気流路３６は、側方からバーナボディ３１内に進入し、気化室３４を経由する一次空気と、バーナカップ１１内の空気流路４６を流れる二次空気とに分配される。空気流路３６の中心線は、ノズル３７のバーナ燃料噴出口と略一致しており、空気によりバーナ燃料（アルコール類、ナフサ、バイオ燃料、軽油、灯油等の液体燃料液体、この一例では、原燃料）が霧状に噴霧される。
【００３７】
バーナボディ３１において気化室３４を構成する壁部である気化部（液体燃料供給部）３８には、電気ヒータ３９が埋設されている。水素製造装置１の起動時には、電気ヒータ３９が使用されて、バーナ燃料が気化する温度（以下、「気化温度」という）に、気化室３４を構成する気化部３８が加熱される。これにより、気化室３４においては、空気の導入によって霧状化されたバーナ燃料が気化部３８に接触させられて、気化させられる。なお、気化温度は、バーナ燃料が灯油の場合、例えば、１３０℃〜２８０℃である。
【００３８】
バーナカップ３３内には、気化室３４と連通する混合室４１が形成されている。気化室３４から混合室４１に導入されるバーナ燃料の気化ガス及び一次空気は、気化部３８等によって予熱されつつ混合されて混合ガスとなる。その混合ガスは、混合室４１の下端部に取り付けられた炎孔板４２からその下側の燃焼部４３に噴出する。なお、気化室３４と混合室４１とを連通する流路の方向は、気化部３８によって転換させられている。これにより、バーナ燃料の気化ガスと一次空気との混合の均一化が図られる。また、混合室４１の中間部は、その径が絞られてオリフィスを構成している。これにより、炎孔板４２に至る混合ガスの整流化が図られる。
【００３９】
バーナボディ３１及びバーナカップ３３内には、オフガス流路４４が形成されている。オフガス流路４４は、空気流路３６と対向するようにバーナボディ３１の側方から進入し、下方に延在している。オフガス流路４４の下端部は、燃焼部４３を囲むように形成されている。オフガス流路４４によってセルスタック２０からバーナ１０に導入されたオフガスは、燃焼部４３の周囲から燃焼方向（すなわち、軸Ｇの延在方向）に対して略垂直に燃焼部４３に噴出する。
【００４０】
燃焼部４３には、イグナイタ４５の先端部が位置している。炎孔板４２から噴出した混合ガス（場合によっては、オフガス流路４４の下端部から噴出したオフガス）は、イグナイタ４５によって着火され、燃焼筒１１内において燃焼させられる。なお、バーナ１０の火炎Ｆの周囲から燃焼方向に対して略垂直に火炎Ｆにオフガスが供給されるため、火炎Ｆの安定化が図られる。
【００４１】
バーナボディ３１及びバーナカップ３３内には、空気流路３６から分岐して下方に延在する空気流路４６が形成されている。空気流路４６は、気化室３４及び混合室４１を囲むように形成され、バーナカップ３３の下端部に至っている。空気流路３６から空気流路４６に流入した空気は、オフガス流路４４の下端部の下側において、燃焼部４３の周囲から燃焼方向に対して略垂直に燃焼部４３に噴出し、二次空気として、バーナ１０の火炎Ｆに供給される。これにより、バーナ１０の火炎Ｆの安定化及びバーナ燃料の完全燃焼化が図られる。
【００４２】
水素製造装置１においては、中心軸を軸Ｇとする円筒２５〜２８が燃焼筒１１を囲むように配置されている。円筒２８の上端部は、燃焼筒１１の側方に位置し、燃焼筒１１の外面１１ｃと円筒２８の上端部との間には、円環板状の上板５１が固定されている。円筒２５の上端部及び円筒２７の上端部は、上板５１の下方に位置し、円筒２５の上端部と円筒２７の上端部との間には、円環板状の上板５２が固定されている。円筒２６の上端部は、円筒２５の側方に位置し、円筒２５の外面と円筒２６の上端部との間には、円環板状の網状部材５３が固定されている。
【００４３】
これにより、燃焼筒１１と円筒２５との間、上板５１と上板５２との間、及び円筒２７と円筒２８との間が、燃焼ガス流路Ｌ１の一部となる。また、円筒２５と円筒２６との間に改質触媒６ｘが配置され、円筒２５と円筒２６との間が改質部６となる。なお、改質触媒６ｘの下端部も、網状部材５３と同様の部材によって保持されている。更に、上板５２と網状部材５３との間、及び円筒２６と円筒２７との間が、改質ガス流路Ｌ２の一部となる。
【００４４】
従って、燃焼ガス流路Ｌ１は、燃焼筒１１の下端部（他端部）１１ｂから排出された排ガスを燃焼筒１１の外面１１ｃに接触させる。具体的には、燃焼ガス流路Ｌ１は、燃焼筒１１において上端部１１ａを含む第１の部分１１１と下端部１１ｂを含む第２の部分１１２との境界位置において外側から下側へと折り返されおり、燃焼筒１１のうち上端部１１ａ側の第１の部分１１１を除く下端部１１ｂ側の第２の部分１１２の外面１１ｃに排ガスを接触させる。
【００４５】
このとき、第１の部分１１１と第２の部分１１２との比率は、バーナ１０において電気ヒータ３９が使用されていない状態で、バーナ１０の燃焼時に気化室３４の温度が気化温度となるように設定されている。換言すれば、気化室３４は、バーナ１０において電気ヒータ３９が使用されていない状態で、バーナ１０の燃焼時に気化室３４の温度が気化温度となるように、バーナボディ３１のフランジ３２及びガスケット２３を介して、燃焼筒１１の上端部１１ａに一体的に設けられたフランジ２４と熱的に接続されている。
【００４６】
以上説明したように、第１の実施形態の燃料電池システム１００の水素製造装置１では、燃焼筒１１の上端部１１ａにフランジ２４が一体的に設けられている。更に、燃焼筒１１の下端部１１ｂから排出された排ガスが燃焼筒１１の外面１１ｃに接触するように燃焼ガス流路Ｌ１が形成されている。これらにより、バーナ１０の燃焼時には、燃焼筒１１及びフランジ２４を介してバーナ１０の気化部３８に、バーナ１０の火炎Ｆや排ガスの熱が効率良く伝達される。そのため、気化部３８の温度は、確実に気化温度（バーナ燃料が気化する温度）となる。従って、第１の実施形態の水素製造装置１によれば、バーナ１０においてバーナ燃料を気化させるための電気ヒータ３９の使用を、特にバーナ１０の燃焼時に抑制することができる。
【００４７】
また、燃焼ガス流路Ｌ１は、燃焼筒１１のうち上端部１１ａ側の第１の部分１１１を除く下端部１１ｂ側の第２の部分１１２の外面１１ｃに排ガスが接触するように形成されている。このように、燃焼筒１１のうち第２の部分１１２の外面１１ｃに排ガスを接触させることで、バーナ１０の気化部３８の温度を気化温度に調整し易くなる。更に、熱が効率良く伝達するので、気化部３８の温度を高温とすることが可能となる。
【００４８】
また、バーナ１０は、カーボン、炭素鋼、鉄合金、アルミニウム及び銅の少なくとも一つを含む材料からなるガスケット２３を介して、フランジ２４に気密に固定されている。これにより、バーナ１０とフランジ２４との気密性を保持しつつ、燃焼筒１１及びフランジ２４を介してバーナ１０の気化部３８に効率良く熱を伝達させることができる。
【００４９】
また、バーナ１０の気化室３４においては、空気の導入によって霧状化されたバーナ燃料が気化部３８に接触させられて、気化させられる。上述したように、気化部３８の温度が確実に気化温度となるため、この構成によれば、気化室３４においてバーナ燃料が確実に気化することになる。
【００５０】
更に、フランジ２４の少なくとも一部、燃焼筒１１の少なくとも一部、及び燃焼ガス流路Ｌ１の少なくとも一部が、断熱部材によって保温されていてれば、燃焼筒１１及びフランジ２４を介してバーナ１０の気化部３８に伝達する熱が外部に逃げるのを抑制し、気化部３８の温度を確実に気化温度とすることができる。
［第２の実施形態］
【００５１】
第２の実施形態の燃料電池システム及び水素製造装置は、水素製造装置のバーナの構成において、第１の実施形態の燃料電池システム及び水素製造装置と主に相違している。以下、第２の実施形態の水素製造装置のバーナ周辺部の構成について、詳細に説明する。
【００５２】
図４に示されるように、バーナ１０は、中心軸を軸Ｇとする円柱状のバーナボディ３１を有している。バーナボディ３１の下端部には、フランジ３２が一体的に形成されている。バーナボディ３１には、中心軸を軸Ｇとする円筒状のバーナカップ３３が、下方に向かって延在するように固定されている。
【００５３】
バーナカップ３３は、燃焼筒１１内に配置されている。バーナボディ３１のフランジ３２は、カーボン、炭素鋼、鉄合金、アルミニウム及び銅の少なくとも一つを含む伝熱性の高い材料からなるガスケット２３を介して、フランジ（バーナ支持部）２４にボルト等で固定されている。フランジ２４は、燃焼筒１１の上端部（一端部）１１ａに一体的に設けられ、バーナ１０を支持している。
【００５４】
バーナボディ３１内には、気化室３４、バーナ燃料流路３５及び空気流路３６が形成されている。バーナ燃料流路３５は、上方からバーナボディ３１内に進入し、気化室３４に至っている。バーナ燃料流路３５は、中空ノズルとなっており、その先端部は、気化室３４の上壁に形成された開口３４ａを介して、気化室３４内に位置している。空気流路３６は、上方からバーナボディ３１内に進入し、気化室３４を囲んでいる。バーナ燃料流路３５によって気化室３４に導入されたバーナ燃料（アルコール類、ナフサ、バイオ燃料、軽油、灯油等の液体燃料液体、この一例では、原燃料）は、気化室３４内において滴下される。
【００５５】
気化室３４の底部は、滴下されたバーナ燃料が接触させられる気化部（液体燃料供給部）３８となっている。気化部３８では、滴下されるバーナ燃料の量によって、バーナ燃料が溜まって気化する場合や、バーナ燃料が溜まらずに直ちに気化する場合がある。気化部３８の中央部には、気化部３８に対して上側に凸状となるように凸部６１が形成されている。凸部６１には、上下方向に貫通するように流路６１ａが形成されている。凸部６１の上側には、滴下されたバーナ燃料を受ける山型（上側に凸）の皿状部材（受け部材）６２が配置されている。
【００５６】
バーナボディ３１には、気化室３４を囲むように電気ヒータ３９が埋設されている。水素製造装置１の起動時には、電気ヒータ３９が使用されて、バーナ燃料が気化する温度（以下、「気化温度」という）に、気化室３４を構成する気化部３８が加熱される。これにより、皿状部材６２上に滴下されたバーナ燃料は、皿状部材６２の外周部に向かって流れ、その外周部に形成された複数の開口６２ａを介して気化部３８に流れ込んで気化させられる。一方、空気流路３６によって気化室３４に導入された空気は、一次空気として、気化室３４の開口３４ａを介して気化室３４内に流入する。そして、気化部３８において気化させられたバーナ燃料は、空気と混合され、凸部６１に形成された流路６１ａ内に流入する。
【００５７】
バーナカップ３３内には、流路６１ａを介して気化室３４と連通する混合室４１が形成されている。気化室３４から混合室４１に導入されるバーナ燃料の気化ガス及び一次空気は、オリフィスとしても機能する凸部６１の流路６１ａ内において予熱されつつ混合されて混合ガスとなる。その混合ガスは、混合室４１の下端部に取り付けられた炎孔板４２からその下側の燃焼部４３に噴出する。
【００５８】
バーナボディ３１及びバーナカップ３３内には、オフガス流路４４が形成されている。オフガス流路４４は、バーナボディ３１の上方から進入し、下方に延在している。オフガス流路４４の下端部は、混合室４１の下端部を囲むように形成されている。オフガス流路４４によってセルスタック２０からバーナ１０に導入されたオフガスは、燃焼部４３の周囲から燃焼方向（すなわち、軸Ｇの延在方向）に対して略垂直に燃焼部４３に噴出する。
【００５９】
燃焼部４３には、イグナイタ４５の先端部が位置している。炎孔板４２から噴出した混合ガス（場合によっては、オフガス流路４４の下端部から噴出したオフガス）は、イグナイタ４５によって着火され、燃焼筒１１内において燃焼させられる。
【００６０】
バーナカップ３３内には、空気流路３６と連通する空気流路４６が形成されている。空気流路４６は、混合室４１を囲むように形成され、バーナカップ３３の下端部に至っている。空気流路３６から空気流路４６に流入した空気は、燃焼部４３の周囲から燃焼方向に対して略垂直に燃焼部４３に噴出し、二次空気として、バーナ１０の火炎Ｆに供給される。
【００６１】
なお、第２の実施形態の水素製造装置１における燃焼ガス流路Ｌ１、改質部６及び改質ガス流路Ｌ２の構成は、上述した第１の実施形態の水素製造装置１における燃焼ガス流路Ｌ１、改質部６及び改質ガス流路Ｌ２の構成と同様である。
【００６２】
以上説明したように、第２の実施形態の燃料電池システム１００の水素製造装置１では、燃焼筒１１の上端部１１ａにフランジ２４が一体的に設けられている。更に、燃焼筒１１の下端部１１ｂから排出された排ガスが燃焼筒１１の外面１１ｃに接触するように燃焼ガス流路Ｌ１が形成されている。これらにより、バーナ１０の燃焼時には、燃焼筒１１及びフランジ２４を介してバーナ１０の気化部３８に、バーナ１０の火炎Ｆや排ガスの熱が効率良く伝達される。そのため、気化部３８の温度は、確実に気化温度（バーナ燃料が気化する温度）となる。従って、第２の実施形態の水素製造装置１によれば、バーナ１０においてバーナ燃料を気化させるための電気ヒータ３９の使用を、特にバーナ１０の燃焼時に抑制することができる。
【００６３】
また、燃焼ガス流路Ｌ１は、燃焼筒１１のうち上端部１１ａ側の第１の部分１１１を除く下端部１１ｂ側の第２の部分１１２の外面１１ｃに排ガスが接触するように形成されている。このように、燃焼筒１１のうち第２の部分１１２の外面１１ｃに排ガスを接触させることで、バーナ１０の気化部３８の温度を気化温度に調整し易くなる。更に、熱が効率良く伝達するので、気化部３８の温度を高温とすることが可能となる。
【００６４】
また、バーナ１０は、カーボン、炭素鋼、鉄合金、アルミニウム及び銅の少なくとも一つを含む材料からなるガスケット２３を介して、フランジ２４に気密に固定されている。これにより、バーナ１０とフランジ２４との気密性を保持しつつ、燃焼筒１１及びフランジ２４を介してバーナ１０の気化部３８に効率良く熱を伝達させることができる。
【００６５】
また、バーナ１０の気化室３４には、滴下されたバーナ燃料が接触させられる気化部３８、及び気化部３８に対して上側に凸状となるように形成された凸部６１が設けられており、凸部６１には、気化部３８において気化させられたバーナ燃料が空気と共に流通する流路６１ａが形成されている。上述したように、気化部３８の温度が確実に気化温度となるため、この構成によれば、気化室３４においてバーナ燃料が確実に気化することになる。
【００６６】
このとき、気化部３８は、凸部６１を囲むように形成されており、凸部６１の上側には、滴下されたバーナ燃料を受ける皿状部材６２が配置されている。これにより、バーナ燃料が凸部６１の流路６１ａに直接的に流入することを防止し、凸部６１を囲む気化部３８にバーナ燃料を分散されることができる。
【００６７】
更に、フランジ２４の少なくとも一部、燃焼筒１１の少なくとも一部、及び燃焼ガス流路Ｌ１の少なくとも一部が、断熱部材によって保温されていてれば、燃焼筒１１及びフランジ２４を介してバーナ１０の気化部３８に伝達する熱が外部に逃げるのを抑制し、気化部３８の温度を確実に気化温度とすることができる。
【００６８】
以上、本発明の第１及び第２の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００６９】
例えば、水素製造装置の改質部は、水蒸気改質するものに限定されず、他の反応で改質するものであってもよい。また、水素製造装置の配置構成については、一例として、第１の実施形態の水素製造装置のバーナの構成であれば、上下反転したような配置構成（例えば、バーナが下部に設置されて構成された水素製造装置）としてもよい。
【００７０】
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、略同軸又は軸Ｇに沿った構成とされていてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１…水素製造装置、６ｘ…改質触媒、１０…バーナ、１１…燃焼筒、１１ａ…上端部（一端部）、１１ｂ…下端部（他端部）、１１ｃ…外面、１１１…第１の部分、１１２…第２の部分、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、２４…フランジ（バーナ支持部材）、３８…気化部（液体燃料供給部）、６１…凸部、６１ａ…流路、６２…皿状部材（受け部材）、１００…燃料電池システム、Ｌ１…燃焼ガス流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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