(57)【要約】【課題】蒸発器への水の供給流量の変動に合わせて、蒸発器から改質器に、従来よりもタイミング良く適量の水蒸気を供給する水素生成装置を提供する。【解決手段】水素生成装置１は、外筒１０を介して改質器２０から加熱されて貯留した水から水蒸気を発生させる蒸発器２２と、蒸発器２２に水を供給する水供給器と、原料供給器からの都市ガスを蒸発器２２に蒸発器２２の底面から供給する原料供給流路３を備え、都市ガス流量が水の供給量に応じて増減する際に、蒸発器２２の水中の都市ガスの泡が増減することで、蒸発器２２の水面が、都市ガスを蒸発器２２の水中に供給しない場合よりも、素早く移動するので、水の供給量の変動に応じて、改質器２０から水への伝熱面積が素早く変動する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
外部から加熱されて貯留した水から前記水蒸気を発生させる蒸発器と、
前記原料を供給する原料供給器と、
前記蒸発器に前記水を供給する水供給器と、
前記蒸発器の側面を加熱する加熱器と、
を備え、水素生成運転時に、前記水供給器による前記水の供給流量が増加する場合は、前記原料供給器による前記原料の供給流量が増加し、前記水供給器による前記水の供給流量が減少する場合は、前記原料供給器による前記原料の供給流量が減少する水素生成装置であって、
前記原料供給器からの前記原料を前記蒸発器に供給する原料供給流路を備え、
前記原料供給流路が、前記水供給器が供給動作をしているときの前記蒸発器に貯留される前記水の最低水位時の水面より下方となる位置から前記蒸発器内の前記水に前記原料を混合させるように構成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記改質器が、前記加熱器として機能するように構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記加熱器は、前記水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を低減させるＣＯ低減器である、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の水素生成装置と、酸化剤ガス及び前記水素生成装置からの水素含有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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が共に高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。
【０００３】
この燃料電池システムは、発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池の具体例としては、例えば、固体高分子形燃料電池がある。
【０００４】
固体高分子形燃料電池（略称、「ＰＥＦＣ」）は、発電運転の際の動作温度が比較的低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として好適に用いられる。さて、燃料電池の多くは、発電運転の際に、水素と空気中の酸素を反応させて発電を行う。しかし、それらの燃料電池において、発電運転の際に必要となる水素の供給手段は、未だ、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。
【０００５】
そのため、従来の燃料電池システムには、水素含有ガスを生成させる改質器を備えた水素生成装置が配設されている。水素生成装置では、加熱により蒸発させた水と、既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、又はＬＰＧ等の炭化水素を原料とし、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて、６００〜７００℃の温度で改質反応させて、水素含有ガスを生成させる。
【０００６】
改質器を高温に加熱するために、改質器にはバーナー等の燃焼器が設けられている。また、改質反応により得られる水素含有ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと、燃料電池の発電特性を低下させる。
【０００７】
そこで、水素生成装置には、改質器の他に、２００℃〜３５０℃の温度で、一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて、一酸化炭素を低減させる、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を備えるＣＯ低減器、および１００℃〜２００℃の温度で、一酸化炭素を選択的に酸化反応させて、更に一酸化炭素を低減させる選択酸化反応や、一酸化炭素を選択的にメタン化させて低減させるメタン化除反応等用いたＣＯ除去器が設けられることが多い。
【０００８】
また、燃料電池などの水素利用機器においては、利用者の需要によって要求される水素量が変動するため、水素生成装置は、水素利用機器の要求に応じた量の水素を生成する必要がある。
【０００９】
水素を生成するために供給する原料流量と水蒸気量は、原料中の炭素１原子あたりの水分子数の比率であるスチーム・カーボン比（以下、「Ｓ／Ｃ」と記載）に基づいて、設定される。
【００１０】
一般的に、Ｓ／Ｃを一定として運転するため、水蒸気量を増加すれば、原料流量も増加させるよう供給する。このとき、改質反応を起こす改質触媒に供給される水蒸気量が原料流量に対して少なすぎると、触媒上で炭素析出が起こり、触媒が劣化することで、水素生成装置の水素生成性能が低下する。
【００１１】
また、水蒸気量が原料流量に対して多すぎると、水素含有ガス中の水蒸気量が多くなる
ため、水素生成装置から水素利用機器に水素を供給する経路で結露が発生しやすくなり、これによって流路閉塞が生じる。その結果、水素利用機器に供給すべき水素量が生成できなくなる。そのため、水素生成装置は、水素利用機器からの要求に応じた水素量を生成するため、原料流量の変化に応じた適切な水蒸気量を改質器に供給する必要がある。
【００１２】
従来の水素生成装置としては、貯留した水を水素生成装置内部の熱で加熱して、改質器に供給する水蒸気を発生させる蒸発器を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
図５は、特許文献１に開示された従来の水素生成装置の概略構成を示す概略縦断面図である。
【００１４】
図５に示すように、従来の水素生成装置６０は、燃焼器２と、原料供給流路３と、水供給流路４と、改質器２０と、ＣＯ低減器２１と、蒸発器２２とで構成されている。
【００１５】
水素生成装置６０は、原料及び水蒸気を用いて、水素含有ガスを生成する。また、蒸発器２２は水を貯留しており、蒸発器２２の側面と燃焼排ガス流路とを仕切る壁を介して、燃焼器２からの燃焼排ガスにより加熱されて、水蒸気を発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第５６１０８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献１に開示された従来の水素生成装置６０の構成では、水素利用機器に供給すべき水素量が変動する場合に、水素生成装置６０への水の供給量が変動し、これによって蒸発器２２内の水位が変動する。
【００１８】
このとき、蒸発器２２内の水位の変動によって、蒸発器２２を加熱する燃焼排ガスから蒸発器２２内の水への伝熱面積が変動するが、蒸発器２２内の水位の変動速度が遅く、蒸発器２２内の水への伝熱面積の変動速度が十分でなかった。そのため、蒸発器２２内の水への伝熱量の変動速度が遅く、蒸発量変動の応答性が不足していた。
【００１９】
したがって、改質器２０へ所定の水蒸気量が供給されず、炭素析出による改質器２０の触媒の劣化や、結露による水素供給経路の閉塞によって、水素利用機器に供給すべき水素量を生成できないという課題を有していた。
【００２０】
本発明は、従来の課題を解決するもので、蒸発器への水の供給流量が変動する場合に、蒸発器への水の供給流量の変動に合わせて、蒸発器から改質器に、従来よりもタイミング良く適量の水蒸気を供給することができる水素生成装置およびそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料と水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、外部から加熱されて貯留した水から水蒸気を発生させる蒸発器と、原料を供給する原料供給器と、蒸発器に水を供給する水供給器と、蒸発器の側面を加熱する加熱器と、を備え、水素生成運転時に、水供給器による水の供給流量が増加する場合は、原料供給器による原料の供給流量が増加し、水供給器による水の供給流量が減少する場合は、原料供給器による原料の供給流量が減少する水素生成装置であって、原料供給器からの原料を蒸発器に供給する原料供給流路を備え、この原料供給流
路が、水供給器が供給動作をしているときの蒸発器に貯留される水の最低水位時の水面より下方となる位置から蒸発器内の水に原料を混合させるように構成されているのである。
【００２２】
これにより、蒸発器への水の供給流量が増加した場合に、蒸発器内の水面の下方より導入される原料流量も増加して、蒸発器内の水中に混在する原料の泡が増加する。
【００２３】
この結果、蒸発器内の水中に混在する原料の泡が増加した分だけ、蒸発器内の水面が上方に移動し、加熱器から水への伝熱面積が従来よりも素早く増加し、水の供給流量増加に対して、蒸発量を素早く増加させることができる。
【００２４】
また、蒸発器への水の供給流量が減少した場合は、蒸発器内の水面の下方より導入される原料流量も減少するため、蒸発器内の水中に混在する原料の泡が減少する。
【００２５】
この結果、蒸発器内の水中に混在する原料の泡が減少した分だけ、蒸発器内の水面が下方に移動し、加熱器から水への伝熱面積が従来よりも素早く減少し、水の供給流量減少に対して、蒸発量を素早く減少させることができる。
【００２６】
このように、水の供給流量変化に対する蒸発量変化の応答性が高まるので、水素利用機器に供給すべき水素量を従来よりも確実に生成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の水素生成装置は、蒸発器への水の供給流量の変動が生じても、蒸発量変化の応答性が高いため適切な水蒸気量を改質器に供給できる。これにより、水素利用機器に供給すべき量の水素を従来よりも確実に生成して供給することができ、安定して水素利用機器を運転して稼働率を向上させることができる。また、水素利用機器が燃料電池の場合は、運用による経済効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置を用いた燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成を示す概略縦断面図
【図３】本発明の実施の形態２における水素生成装置を用いた燃料電池システムのブロック図
【図４】本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成を示す概略縦断面図
【図５】従来の水素生成装置の概略構成を示す概略縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
第１の発明は、原料と水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、外部から加熱されて貯留した水から水蒸気を発生させる蒸発器と、原料を供給する原料供給器と、蒸発器に水を供給する水供給器と、蒸発器の側面を加熱する加熱器と、を備え、水素生成運転時に、水供給器による水の供給流量が増加する場合は、原料供給器による原料の供給流量が増加し、水供給器による水の供給流量が減少する場合は、原料供給器による原料の供給流量が減少する水素生成装置であって、原料供給器からの原料を蒸発器に供給する原料供給流路を備え、原料供給流路が、水供給器が供給動作をしているときの蒸発器に貯留される水の最低水位時の水面より下方となる位置から蒸発器内の水に原料を混合させるように構成されている、水素生成装置である。
【００３０】
これにより、蒸発器への水の供給流量が増加した場合に、蒸発器内の水面の下方より導入される原料流量も増加して、蒸発器内の水中に混在する原料の泡が増加する。
【００３１】
この結果、蒸発器内の水中に混在する原料の泡が増加した分だけ、蒸発器内の水面が上方に移動し、加熱器から水への伝熱面積が従来よりも素早く増加し、水の供給流量増加に対して、蒸発量を素早く増加させることができる。
【００３２】
また、蒸発器への水の供給流量が減少した場合は、蒸発器内の水面の下方より導入される原料流量も減少するため、蒸発器内の水中に混在する原料の泡が減少する。
【００３３】
この結果、蒸発器内の水中に混在する原料の泡が減少した分だけ、蒸発器内の水面が下方に移動し、加熱器から水への伝熱面積が従来よりも素早く減少し、水の供給流量減少に対して、蒸発量を素早く減少させることができる。
【００３４】
このように、水の供給流量変化に対する蒸発量変化の応答性が高まるので、水素利用機器に供給すべき水素量を従来よりも確実に生成することができる。
【００３５】
第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置において、改質器が、加熱器として機能するように構成されているものであり、改質器の放熱を効率的に蒸発器で利用することができるので、水素生成装置の熱効率を向上させることができる。
【００３６】
第３の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置において、加熱器を、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を低減させるＣＯ低減器で構成したものあり、ＣＯ低減器の放熱を効率的に蒸発器で利用することができるので、水素生成装置の熱効率を向上させることができる。
【００３７】
第４の発明は、特に、第１から第３のいずれかの発明の水素生成装置と、酸化剤ガス及び水素生成装置からの水素含有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である。
【００３８】
これにより、水素生成装置に要求される水素量を従来よりも確実に供給し、発電量応答性の高い燃料電池システムを提供することができる。
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置を用いた燃料電池システムのブロック図である。図２は、同実施の形態における水素生成装置の概略構成を示す概略縦断面図である。
【００４１】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置を用いた燃料電池システム１０１は、水素生成装置１と、燃料電池１００と、水素生成装置１で生成された水素含有ガスを燃料電池１００に供給する水素含有ガス供給流路２４と、制御器５４とを備えている。
【００４２】
図１と図２に示すように、水素生成装置１は、燃焼器２と、改質器２０と、蒸発器２２と、原料供給器５１と、水供給器５２と、燃料供給器５３と、燃焼空気供給器２６と、原料供給流路３と、水供給流路４と、水素含有ガス供給流路２４の一部と、燃料供給流路２５とを備える。
【００４３】
原料供給器５１は、原料供給流路３上に配置され原料を蒸発器２２を介して改質器２０に供給するためのポンプである。原料は、本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを用いた。
【００４４】
水供給器５２は水供給流路４上に配置され水を蒸発器２２に供給するためのポンプである。
【００４５】
燃料供給器５３は、燃料供給流路２５上に配置され燃料としてメタンを主成分とする都市ガスを燃焼器２に供給するためのポンプである。
【００４６】
水素含有ガス供給流路２４は、水素生成装置１（改質器２０）から排出される水素含有ガスを燃料電池１００に供給するための流路である。
【００４７】
燃料電池１００は、水素生成装置１から供給される水素と、空気中の酸素とから、電気化学反応によって電力を発生させる。
【００４８】
制御器５４は、燃料電池システム１０１の運転を制御する。制御器５４は、信号入出力部（図示せず）と、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。
【００４９】
燃焼器２の下方には、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の燃焼筒６が配置されている。燃焼筒６の外側には、燃焼筒６を囲むように、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の内筒７が配置されている。燃焼器２は、燃焼器２の下方に火炎を形成する。
【００５０】
内筒７の外側には、内筒７を囲むように、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の外筒１０が配置され、外筒１０の外側には、外筒１０を囲むように、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の最外筒１１が配置されている。最外筒１１の外側には、最外筒１１を囲むように、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の排気筒１５が配置されている。
【００５１】
内筒７の下端の開口部と外筒１０の下端の開口部は、円形の底板１４によって、一体に塞がれている（内筒７の下端と外筒１０の下端は、円形の底板１４によって接続されている）。燃焼筒６の底板１４に対向する下端は、底板１４に達しておらず、燃焼筒６の下端と底板１４との間に隙間を設けている。
【００５２】
そして、燃焼筒６の内側を下方に流れた燃焼排ガスが、燃焼筒６の下端と底板１４との間の隙間を通って燃焼筒６の外側に出た後に、燃焼筒６と内筒７との間を上方に流れるようになっている。
【００５３】
排気筒１５の上端は燃焼筒６の外周面と環状の排気板１６で接続され、排気筒１５の下端は最外筒１１の下端よりも上方に位置しており、排気筒１５の下端は最外筒１１の外周面と接続されている。最外筒１１の下端は外筒１０の下端よりも上方に位置しており、最外筒１１の下端は外筒１０の外周面と接続されている。
【００５４】
内筒７の上端と最外筒１１の上端は、それぞれ、排気板１６に達しておらず、内筒７の上端と排気板１６との間と、最外筒１１の上端と排気板１６との間に、それぞれ隙間を設けている。内筒７の上端と最外筒１１の上端とは環状の上外板１３で接続されている。
【００５５】
そして、燃焼筒６と内筒７との間を上方に流れた燃焼排ガスが、排気板１６と上外板１３との間の隙間を排気筒１５に向かって外周側に流れた後に、排気筒１５と最外筒１１のとの間を下方に流れて、排気筒１５における下部を貫通する燃焼排ガス排出用の流路から水素生成装置１の外部に排出されるようになっている。
【００５６】
外筒１０の上端は、上外板１３に達しておらず、外筒１０の上外板１３に対向する上端
と上外板１３との間に隙間を設けている。水供給流路４は、最外筒１１における（排気筒１５の下端よりも下方となる）下部を貫通して、外筒１０と最外筒１１との間に構成された蒸発器２２に、水供給器５２からの水を供給するように構成されている。原料供給流路３は蒸発器２２の底部に連通している。
【００５７】
そして、蒸発器２２で加熱されて発生した水蒸気は、原料と混合されて、混合ガスとなり、その混合ガスは、外筒１０と最外筒１１との間を上方に流れた後に、外筒１０の上端と上外板１３との間の隙間を通って外筒１０の内側に入った後に、内筒７と外筒１０との間を下方に流れ、内筒７と外筒１０との間に構成された改質器２０で改質されて水素含有ガスとなり、外筒１０における（最外筒１１の下端よりも下方となる）下部を貫通する水素含有ガス供給流路２４から水素生成装置１の外部に排出されるようになっている。
【００５８】
また、燃焼器２から排出される燃焼排ガスは、内筒７の内周面に沿って上昇する時に、内筒７を介して、改質器２０から流出する水素含有ガスと、改質器２０と、改質器２０に流入する混合ガスを加熱し、最外筒１１の外周面に沿って下降する時に、最外筒１１を介して、蒸発器２２で蒸発した水蒸気と、蒸発器２２（蒸発器２２内の水）を加熱するように構成されている。
【００５９】
また、蒸発器２２は、外筒１０を介して、改質器２０と、改質器２０に流入する混合ガスと、改質器２０から流出する水素含有ガスによって加熱されるように構成されている。
【００６０】
燃焼器２は、燃焼筒６の内側の上部に備えられ、燃料として都市ガスを供給する燃料供給流路２５が接続されている。燃焼器２は、供給される都市ガスを、燃焼空気供給器２６から供給される空気を用いて燃焼させて、燃焼排ガスを発生させる。
【００６１】
改質器２０は、内筒７と外筒１０との間の空間に設けられ、Ｒｕ系の改質触媒が充填されている。
【００６２】
蒸発器２２は、外筒１０と最外筒１１の間に水を貯留させるように構成され、燃焼器２から排出される燃焼排ガスにより、最外筒１１を介して、貯留した水を加熱し、水蒸気を発生させる。また、改質器２０からの熱によっても、外筒１０を介して、貯留した水を加熱し、水蒸気を発生させる。
【００６３】
燃焼空気供給器２６は、燃焼器２に燃焼用空気を供給する燃焼ファンである。
【００６４】
原料供給流路３は、蒸発器２２の底部で蒸発器２２に連通するように、最外筒１１の下端と外筒１０の外周面とを接続する環状の板部材に接続され、水供給流路４は、蒸発器２２の底部よりも上方で、水素生成動作時の蒸発器２２内の水面よりも下方で、排気筒１５の下端よりも下方で、蒸発器２２に連通するように、最外筒１１における下部に接続されている。
【００６５】
また、水素含有ガス供給流路２４は、最外筒１１の下端よりも下方で、外筒１０と内筒７との間における改質器２０よりも下方（改質器２０よりも下流側）の空間に連通するように、外筒１０おける下部と燃料電池１００に接続されている。
【００６６】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１について、以下その動作、作用を説明する。
【００６７】
制御器５４の制御によって、水供給器５２が水を蒸発器２２に供給する。蒸発器２２に貯留された水は、最外筒１１を介して、最外筒１１と排気筒１５との間を下方に流れる燃
焼排ガスから伝わる熱で加熱されると共に、外筒１０を介して、改質器２０から伝わる熱と、外筒１０を介して、外筒１０の内周面に沿って下方に流れる水素含有ガスから伝わる熱とで加熱されて、水蒸気を発生させる。
【００６８】
また、制御器５４の制御によって、原料供給器５１が都市ガスを、原料供給流路３を介して、蒸発器２２の底面から、蒸発器２２に供給する。
【００６９】
このとき、都市ガスを蒸発器２２の水面よりも高い位置から、最外筒１１と外筒１０との間の空間に供給した場合よりも、蒸発器２２に供給されて蒸発器２２の水面から出ていない都市ガスの全体の容積分だけ、蒸発器２２の水位が上昇して、蒸発器２２の水が、最外筒１１と外筒１０を介して、加熱される面積が増えている。
【００７０】
蒸発器２２の水面より上方に出た都市ガスと水蒸気との混合ガスは、外筒１０の上端と上外板１３との隙間から外筒１０の内側に入った後に、外筒１０と内筒７との間の空間を下降して、改質器２０に流入する。
【００７１】
改質器２０に供給された混合ガスは、改質反応によって水素含有ガスとなり、水素含有ガス供給流路２４を介して、外部に設置される燃料電池１００に供給される。
【００７２】
燃焼器２で生成された燃焼排ガスは、燃焼筒６の内周面に沿って下降し、底板１４に当たって燃焼筒６の外側に出て折り返し、燃焼筒６と内筒７で構成される流路を上昇するときに、内筒７を介して改質器２０を加熱し、改質反応に必要な熱を供給する。そして、燃焼排ガスは、排気板１６に到達した後に、上外板１３と排気板１６とで構成される流路を排気筒１５に向かって流れ、排気筒１５に到達した後に、最外筒１１と排気筒１５で構成される流路を下降するときに、最外筒１１を介して蒸発器２２を加熱して、図面右下の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。
【００７３】
ここで、水供給器５２から供給される水の供給量は、原料供給器５１から供給される都市ガスの流量と都市ガス中の炭素１原子当りの水蒸気のモル数の比率であるＳ／Ｃに基づいて設定される。したがって、Ｓ／Ｃが一定であれば、制御器５４は、都市ガス流量の増減に応じて、水供給器５２の水の供給量を増減させる。
【００７４】
Ｓ／Ｃは改質反応を起こすのに十分な２以上の値に設定し、水供給器５２からの水の供給量を制御する。ここでは、Ｓ／Ｃの基本設定は３とした。
【００７５】
都市ガス流量は、燃料電池１００の出力に応じて設定される。燃料電池１００の出力が１００Ｗの場合は、都市ガス流量が０．５Ｌ／ｍｉｎに設定され、燃料電池１００の出力が１０００Ｗの場合は、都市ガス流量が５Ｌ／ｍｉｎに設定される。都市ガス流量は燃料電池１００の出力に応じて線形に設定されている。
【００７６】
燃料電池１００の出力が増加した場合、都市ガス流量が増加し、Ｓ／Ｃの設定値を満たすように水の供給量も増加する。
【００７７】
燃料電池１００の出力が３００Ｗの場合の都市ガス流量は、１．５Ｌ／ｍｉｎと設定されている。このとき、Ｓ／Ｃ設定値が３であるため、水の供給量は、４．２１ｇ／ｍｉｎとなる。
【００７８】
燃料電池１００の出力が３００Ｗから４００Ｗに負荷変動したときに、都市ガス流量は１．５Ｌ／ｍｉｎから２．０Ｌ／ｍｉｎに増加する。このとき、水の供給量は、４．２１ｇ／ｍｉｎから５．６３ｇ／ｍｉｎに増加する。
【００７９】
このように、水の供給量の増加と共に、都市ガス流量も増加するため、蒸発器２２に貯留される水と、蒸発器２２の下方より都市ガスが供給されることによって水中に混在する都市ガスの泡とが増加する。
【００８０】
この結果、水中に混在する都市ガスの泡が増加した分、水面が上方に移動する。これにより、改質器２０及び燃焼排ガスから水への伝熱面積の変動速度が大きくなるため、水の供給量増加に対して、蒸発量が素早く増加する。
【００８１】
また、燃料電池１００の出力を４００Ｗから３００Ｗに負荷変動させた場合は、水の供給量が５．６３ｇ／ｍｉｎから４．２１ｇ／ｍｉｎへと減少すると共に、都市ガス流量は２．０Ｌ／ｍｉｎから１．５Ｌ／ｍｉｎへと減少し、水と水中に混在する都市ガスの泡が減少する。
【００８２】
この結果、水中に混在する都市ガスの泡が減少した分、水面が下方に移動する。これにより、改質器２０及び燃焼排ガスから水への伝熱面積の変動速度が大きくなるため、水の供給量減少に対して、蒸発量が素早く減少する。
【００８３】
以上のように本実施の形態の水素生成装置１は、原料と水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器２０と、外部から加熱されて貯留した水から水蒸気を発生させる蒸発器２２と、原料を供給する原料供給器５１と、蒸発器２２に水を供給する水供給器５２と、蒸発器２２の側面を加熱する加熱器（燃焼器２から排出され最外筒１１を介して蒸発器２２の外周面を加熱する燃焼排ガスと、外筒１０を介して蒸発器２２の内周面を加熱する改質器２０）と、を備え、水素生成運転時に、水供給器５２による水の供給流量が増加する場合は、原料供給器５１による原料の供給流量が増加し、水供給器５２による水の供給流量が減少する場合は、原料供給器５１による原料の供給流量が減少する水素生成装置１であって、原料供給器５１からの原料を蒸発器２２に供給する原料供給流路３を備え、原料供給流路３が、水供給器５２が供給動作をしているときの蒸発器２２に貯留される水の最低水位時の水面より下方となる位置から蒸発器２２内の水に原料を混合させるように構成されているのである。
【００８４】
そして、本実施の形態の水素生成装置１においては、蒸発器２２の下方より原料としての都市ガスを供給することにより、蒸発器２２に貯留されている水の水中に都市ガスの泡を混在させる。
【００８５】
これにより、都市ガス流量が、水供給器５２から供給される水の供給量に応じて増減する際に、水中に混在する都市ガスの泡が増減することで、蒸発器２２に貯留された水の水面を、都市ガスを蒸発器２２の水中に供給しない場合よりも、素早く移動させることができる。
【００８６】
これにより、水の供給量の変動に応じて、燃焼排ガスや改質器２０から水への伝熱面積を素早く変動させることができるので、水の供給量変化に対する蒸発量変化の応答性を高めて、負荷に対応する都市ガス流量に応じた適切な量の水蒸気量を供給できる。
【００８７】
これにより、炭素析出による触媒の劣化や、結露による水素含有ガス供給流路２４の閉塞を回避し、水素利用機器としての燃料電池１００に供給すべき水素量を確実に生成することができる。
【００８８】
また、蒸発器２２を、改質器２０によって加熱することにより、改質器２０の放熱を効率よく蒸発器２２で利用することができ、水素生成装置１の効率を向上させることができ
る。
【００８９】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における水素生成装置を用いた燃料電池システムのブロック図である。図４は、同実施の形態における水素生成装置の概略構成を示す概略縦断面図である。
【００９０】
図３に示すように、本実施の形態の水素生成装置を用いた燃料電池システム１０２は、水素生成装置１２と、燃料電池１００と、水素生成装置１２で生成された水素含有ガスを燃料電池１００に供給する水素含有ガス供給流路２４と、燃料電池１００から排出される未利用の燃料ガスを含むオフガスを水素生成装置１２（燃料供給器５３）に供給するオフガス供給流路２７と、制御器５５とを備えている。
【００９１】
図３と図４に示すように、水素生成装置１２は、燃焼器２と、改質器２０と、ＣＯ低減器２１と、蒸発器２２と、原料供給器５１と、水供給器５２と、燃料供給器５３と、燃焼空気供給器２６と、原料供給流路３と、水供給流路４と、水素含有ガス供給流路２４の一部と、オフガス供給流路２７の一部とを備える。
【００９２】
原料供給器５１は、原料供給流路３上に配置され原料を蒸発器２２を介して改質器２０に供給するためのポンプである。原料は、本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを用いた。
【００９３】
水供給器５２は水供給流路４上に配置され水を蒸発器２２に供給するためのポンプである。
【００９４】
燃料供給器５３は、オフガス供給流路２７上に配置され、燃料電池１００から排出されたオフガスを燃料として水素生成装置１２の燃焼器２に供給するためのポンプである。
【００９５】
水素含有ガス供給流路２４は、水素生成装置１２（ＣＯ低減器２１）から排出される水素含有ガスを燃料電池１００に供給するための流路である。
【００９６】
燃料電池１００は、水素生成装置１２から供給される水素と、空気中の酸素とから、電気化学反応によって電力を発生させる。
【００９７】
制御器５５は、燃料電池システム１０２の運転を制御する。制御器５５は、信号入出力部（図示せず）と、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。
【００９８】
燃焼器２の下方には、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の燃焼筒６が配置されている。燃焼筒６の外側には、燃焼筒６を囲むように、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の内筒７が配置されている。
【００９９】
内筒７の外側には、内筒７を囲むように、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の外筒１０が配置され、外筒１０の外側には、外筒１０を囲むように、鉛直方向に中心軸を有する円筒状の最外筒１１が配置されている。
【０１００】
内筒７の下端の開口部と外筒１０の下端の開口部は、円形の底板１４によって、一体に塞がれている（内筒７の下端と外筒１０の下端は、円形の底板１４によって接続されている）。燃焼筒６の底板１４に対向する下端は、底板１４に達しておらず、燃焼筒６の下端と底板１４との間に隙間を設けている。
【０１０１】
そして、燃焼筒６の内側を下方に流れた燃焼排ガスが、燃焼筒６の下端と底板１４との間の隙間を通って燃焼筒６の外側に出た後に、燃焼筒６と内筒７との間を上方に流れるようになっている。なお、燃焼筒６と内筒７との間の燃焼排ガスは、内筒７における上部を貫通する燃焼排ガスの排出流路から水素生成装置１２の外部に排出されるようになっている。
【０１０２】
最外筒１１の上端は、内筒７における上部の外周面と、燃焼排ガスの排出流路よりも低い位置で、環状の上外板１３で接続され、最外筒１１の下端は、外筒１０の下端よりも上方に位置しており、最外筒１１の下端は外筒１０の外周面と接続されている。
【０１０３】
外筒１０の上端は、上外板１３に達しておらず、外筒１０の上外板１３に対向する上端と上外板１３との間に隙間を設けている。
【０１０４】
水供給流路４は、最外筒１１における下部を貫通して、外筒１０と最外筒１１との間に構成された蒸発器２２に、水供給器５２からの水を供給するように構成されている。原料供給流路３は蒸発器２２の底部に連通している。
【０１０５】
そして、蒸発器２２で加熱されて発生した水蒸気は、原料と混合されて、混合ガスとなり、その混合ガスは、外筒１０と最外筒１１との間を上方に流れた後に、外筒１０の上端と上外板１３との間の隙間を通って外筒１０の内側に入った後に、内筒７と外筒１０との間を下方に流れ、内筒７と外筒１０との間における上部に構成された改質器２０で改質されて水素含有ガスとなる。
【０１０６】
改質器２０から流出した水素含有ガスは、内筒７と外筒１０との間で改質器２０の下方に構成されたＣＯ低減器２１で、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素濃度が低減されてから、外筒１０における（最外筒１１の下端よりも下方となる）下部を貫通する水素含有ガス供給流路２４から水素生成装置１２の外部に排出されるようになっている。
【０１０７】
また、燃焼器２から排出される燃焼排ガスは、内筒７の内周面に沿って上昇する時に、内筒７を介して、ＣＯ低減器２１から流出する水素含有ガスと、ＣＯ低減器２１と、改質器２０から流出しＣＯ低減器２１に流入する水素含有ガスと、改質器２０と、改質器２０に流入する混合ガスを加熱するように構成されている。
【０１０８】
蒸発器２２は、外筒１０を介して、ＣＯ低減器２１から流出する水素含有ガスと、ＣＯ低減器２１と、改質器２０から流出しＣＯ低減器２１に流入する水素含有ガスと、改質器２０によって加熱されるように構成されている。
【０１０９】
燃焼器２は、燃焼筒６の内側の上部に備えられ、燃料として燃料電池１００から排出されるオフガスを供給するオフガス供給流路２７が接続されている。燃焼器２は、オフガス供給流路２７に設けられた燃料供給器５３によって供給される燃料電池１００からのオフガスを、燃焼空気供給器２６から供給される空気を用いて燃焼させ、燃焼排ガスを発生させる。
【０１１０】
改質器２０は、内筒７と外筒１０との間の空間における上部に設けられ、Ｒｕ系の改質触媒が充填されている。
【０１１１】
ＣＯ低減器２１は、内筒７と外筒１０との間の空間の改質器２０の下流側（下方）に設けられ、Ｃｕ−Ｚｎ系のＣＯ変成触媒が充填されている。
【０１１２】
蒸発器２２は、外筒１０と最外筒１１との間に水を貯留させるように構成され、主にＣＯ低減器２１からの熱によって、外筒１０を介して、貯留した水を加熱し、水蒸気を発生させる。
【０１１３】
燃焼空気供給器２６は、燃焼器２に燃焼用空気を供給する燃焼ファンである。
【０１１４】
原料供給流路３は、蒸発器２２の底部で蒸発器２２に連通するように、最外筒１１の下端と外筒１０の外周面とを接続する環状の板部材に接続され、水供給流路４は、蒸発器２２の底部よりも上方で、水素生成動作時の蒸発器２２内の水面よりも下方で、蒸発器２２に連通するように、最外筒１１における下部に接続されている。
【０１１５】
また、水素含有ガス供給流路２４は、最外筒１１の下端よりも下方で、外筒１０と内筒７との間におけるＣＯ低減器２１よりも下方（ＣＯ低減器２１よりも下流側）の空間に連通するように、外筒１０おける下部と燃料電池１００に接続されている。
【０１１６】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１２について、以下その動作、作用を説明する。
【０１１７】
制御器５５の制御によって、水供給器５２が水を蒸発器２２に供給する。蒸発器２２に貯留された水は、主に、外筒１０を介して、ＣＯ低減器２１から伝わる熱で加熱されて、水蒸気を発生させる。
【０１１８】
また、制御器５５の制御によって、原料供給器５１が都市ガスを、原料供給流路３を介して、蒸発器２２の底面から、蒸発器２２に供給する。
【０１１９】
このとき、都市ガスを蒸発器２２の水面よりも高い位置から、最外筒１１と外筒１０との間の空間に供給した場合よりも、蒸発器２２に供給されて蒸発器２２の水面から出ていない都市ガスの全体の容積分だけ、蒸発器２２の水位が上昇して、蒸発器２２の水が、最外筒１１と外筒１０を介して、加熱される面積が増えている。
【０１２０】
蒸発器２２の水面より上方に出た都市ガスと水蒸気との混合ガスは、外筒１０の上端と上外板１３との隙間から外筒１０の内側に入った後に、外筒１０と内筒７との間の空間を下降して、改質器２０に流入する。
【０１２１】
改質器２０に供給された混合ガスは、改質反応によって水素含有ガスとなり、ＣＯ低減器２１に流入する。
【０１２２】
ＣＯ低減器２１は、改質器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、改質器２０で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる。ＣＯ低減器２１を通過した水素含有ガスは、水素含有ガス供給流路２４を介して、外部に設置される燃料電池１００に供給される。
【０１２３】
燃焼器２で生成された燃焼排ガスは、燃焼筒６の内周面に沿って下降し、底板１４に当たって燃焼筒６の外側に出て折り返し、燃焼筒６と内筒７で構成される流路を上昇するときに、内筒７を介してＣＯ低減器２１と改質器２０を加熱して、図面右上の排出口から、水素生成装置１２の外部へ排気される。
【０１２４】
ここで、水供給器５２から供給される水の供給量は、原料供給器５１から供給される都市ガスの流量と都市ガス中の炭素１原子当りの水蒸気のモル数の比率であるＳ／Ｃに基づいて設定される。したがって、Ｓ／Ｃが一定であれば、制御器５５は、都市ガス流量の増
減に応じて、水供給器５２の水の供給量を増減させる。
【０１２５】
Ｓ／Ｃは改質反応を起こすのに十分な２以上の値に設定し、水供給器５２からの水の供給量を制御する。ここでは、Ｓ／Ｃの基本設定は４とした。
【０１２６】
都市ガス流量は、燃料電池１００の出力に応じて設定される。燃料電池１００の出力が１００Ｗの場合は、都市ガス流量が０．５Ｌ／ｍｉｎに設定され、燃料電池１００の出力が１０００Ｗの場合は、都市ガス流量が５．０Ｌ／ｍｉｎに設定される。都市ガス流量は燃料電池１００の出力に応じて線形に設定されている。
【０１２７】
燃料電池１００の出力が増加した場合、都市ガス流量が増加し、Ｓ／Ｃの設定値を満たすように水の供給量も増加する。
【０１２８】
燃料電池１００の出力が３００Ｗの場合の都市ガス流量は、１．５Ｌ／ｍｉｎと設定されている。このとき、Ｓ／Ｃ設定値は４であるため、水の供給量は、５．６３ｇ／ｍｉｎとなる。
【０１２９】
燃料電池１００の出力が３００Ｗから４００Ｗに負荷変動したときに、都市ガス流量が１．５Ｌ／ｍｉｎから２Ｌ／ｍｉｎに増加する。このとき、水の供給量は５．６３ｇ／ｍｉｎから７．４９ｇ／ｍｉｎに増加する。
【０１３０】
このように、水の供給量の増加と共に、都市ガス流量も増加するため、蒸発器２２に貯留される水と、蒸発器２２の下方より都市ガスが供給されることによって、水中に混在する都市ガスの泡とが増加する。
【０１３１】
この結果、水中に混在する都市ガスの泡が増加した分、水面が上方に移動する。これにより、ＣＯ低減器２１から水への伝熱面積の変動速度が大きくなるため、水の供給量増加に対して、蒸発量を素早く増加させることができる。
【０１３２】
また、燃料電池１００の出力が４００Ｗから３００Ｗに負荷変動した場合に、水の供給量は７．４９ｇ／ｍｉｎから５．６３ｇ／ｍｉｎへと減少する。このとき、都市ガス流量は２．０Ｌ／ｍｉｎから１．５Ｌ／ｍｉｎへと減少し、水と水中に混在する都市ガスの泡が減少する。
【０１３３】
この結果、水中に混在する都市ガスの泡が減少した分、水面が下方に移動する。これにより、ＣＯ低減器２１から水への伝熱面積の減少が素早く行われ、水の供給量減少に対して、蒸発量を素早く減少させることができる。
【０１３４】
以上のように本実施の形態の水素生成装置１２は、原料と水蒸気から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器２０と、外部から加熱されて貯留した水から水蒸気を発生させる蒸発器２２と、原料を供給する原料供給器５１と、蒸発器２２に水を供給する水供給器５２と、改質器２０で生成された水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を低減させると共に外筒１０を介して蒸発器２２の内周面を加熱するＣＯ低減器２１と、を備え、水素生成運転時に、水供給器５２による水の供給流量が増加する場合は、原料供給器５１による原料の供給流量が増加し、水供給器５２による水の供給流量が減少する場合は、原料供給器５１による原料の供給流量が減少する水素生成装置１２であって、原料供給器５１からの原料を蒸発器２２に供給する原料供給流路３を備え、原料供給流路３が、水供給器５２が供給動作をしているときの蒸発器２２に貯留される水の最低水位時の水面より下方となる位置から蒸発器２２内の水に原料を混合させるように構成されているのである。
【０１３５】
そして、本実施の形態の水素生成装置１２においては、蒸発器２２の下方より原料としての都市ガスを供給することにより、蒸発器２２に貯留されている水の水中に都市ガスの泡を混在させる。
【０１３６】
これにより、都市ガス流量が、水供給器５２から供給される水の供給量に応じて増減する際に、水中に混在する都市ガスの泡が増減することで、蒸発器２２に貯留された水の水面を、都市ガスを蒸発器２２の水中に供給しない場合よりも、素早く移動させることができる。
【０１３７】
これにより、水の供給量の変動に応じて、ＣＯ低減器２１から水への伝熱面積を素早く変動させることができるので、水の供給量変化に対する蒸発量変化の応答性を高めて、負荷に対応する都市ガス流量に応じた適切な量の水蒸気量を供給できる。
【０１３８】
これにより、炭素析出による触媒の劣化や、結露による水素含有ガス供給流路２４の閉塞を回避し、水素利用機器としての燃料電池１００に供給すべき水素量を確実に生成することができる。
【０１３９】
また、ＣＯ低減器２１によって蒸発器２２を加熱することにより、ＣＯ低減器２１の放熱を効率的に蒸発器２２で利用することができ、水素生成装置１２の効率を向上させることができる。
【０１４０】
なお、本実施の形態におけるＳ／Ｃの設定値は４で一定としているが、燃料電池１００の出力に応じて、適切な値に変更してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
以上のように本発明にかかる水素生成装置は、蒸発器への水の供給流量の変動に合わせて、蒸発器から改質器に、従来よりもタイミング良く適量の水蒸気を供給することができるので、外部から加熱されて貯留した水から水蒸気を発生させる蒸発器を備え、要求される水素量が時間と共に変動する、家庭用コージェネレーションシステム等の用途に最適である。
【符号の説明】
【０１４２】
１  水素生成装置
２  燃焼器
３  原料供給流路
４  水供給流路
６  燃焼筒
７  内筒
１０  外筒
１１  最外筒
１２  水素生成装置
１３  上外板
１４  底板
１５  排気筒
１６  排気板
２０  改質器
２１  ＣＯ低減器
２２  蒸発器
２４  水素含有ガス供給流路
２５  燃料供給流路
２６  燃焼空気供給器
２７  オフガス供給流路
５１  原料供給器
５２  水供給器
５３  燃料供給器
５４  制御器
５５  制御器
１００  燃料電池
１０１  燃料電池システム
１０２  燃料電池システム
【図１】
2019182695.tif 000003
【図２】
2019182695.tif 000004
【図３】
2019182695.tif 000005
【図４】
2019182695.tif 000006
【図５】
2019182695.tif 000007