(57)【要約】【課題】燃焼ガスの熱エネルギを有効に利用できると共に、定常運転まで短時間で立ち上げでき、触媒の損傷を防止できる燃料改質装置及び燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】炭化水素を含有する原料４と水５とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガス６を生成させる触媒１２２を容器１２１内に収納した改質装置１２０と、燃料１と空気２とを燃焼させて燃焼ガス３を発生させると共に当該燃焼ガス３を改質装置１２０の容器１２１内に送給する触媒予熱装置１５０と、触媒予熱装置１５０で発生して改質装置１２０の容器１２１内に送給される燃焼ガス６と水８とを熱交換させる熱交換器１５３と、熱交換器１５３で燃焼ガス３と熱交換した前記水８の熱を改質装置１２０の容器１２１に伝達させる流路１２３とを備える燃料改質装置とした。【選択図】図１
2008094671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含有する原料と水とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる触媒を容器内に収納した改質装置を備えた燃料改質装置において、
燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを発生させると共に当該燃焼ガスを前記改質装置の前記容器内に送給する触媒予熱手段と、
前記触媒予熱手段で発生して前記改質装置の前記容器内に送給される前記燃焼ガスと水とを熱交換させる燃焼ガス冷却手段と、
前記燃焼ガス冷却手段で前記燃焼ガスと熱交換した前記水の熱を前記改質装置の前記容器に伝達させる容器予熱手段と
を備えていることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記容器予熱手段で前記改質装置の前記容器に熱を伝達した前記水を前記燃焼ガスと再度熱交換させるように前記燃焼ガス冷却手段に再び供給する予熱水循環手段を備えている
ことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記触媒予熱手段で発生した前記燃焼ガスを前記改質装置の前記容器内に送給することなく系外へ排出する排気手段を備えている
ことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかの燃料改質装置と、
前記原料と前記水とを加熱して前記燃料改質装置の前記改質装置の前記容器内に送給する燃料ガス原料加熱手段と、
前記燃料改質装置の前記改質装置で生成した前記燃料ガスを燃料ガス供給口に供給されると共に、酸素ガスを含有する酸化ガスを酸化ガス供給口に供給される燃料電池本体と
を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項４において、
前記燃料電池本体に温調用の水を流通させて当該燃料電池本体の温調を行う温調手段を備え、
前記燃料改質装置の前記燃焼ガス冷却手段の前記水と前記温調手段の前記水とが共用されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成を図６に示す。
【０００３】
図６に示すように、燃料加熱装置１０の加熱室１１には、燃料１と空気２とを燃焼させて燃焼ガス３を生じさせる燃焼バーナ１２が設けられると共に、炭化水素を含有する原料４及び水５を噴霧する原料供給ノズル１３が設けられている。燃料加熱装置１０の加熱室１１は、気化した上記原料４と水５とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガス６を生成させる触媒２２を収納した改質装置２０の容器２１に連絡している。
【０００４】
前記改質装置２０の容器２１は、燃料電池本体３１の燃料ガス供給口に連絡している。燃料電池本体３１の酸化ガス供給口には、酸素ガスを含有する酸化ガスである空気７が供給されるようになっている。また、燃料電池本体３１には、当該燃料電池本体３１に温調用の水８を流通させる循環ポンプ４１と、当該水８を貯蔵する貯水タンク４２と、当該水８を温調する温調器４３とが接続している。
【０００５】
このような従来の燃料電池発電システムでは、燃料加熱装置１０の燃焼バーナ１２に燃料１及び空気２を供給して加熱室１１内に燃焼ガス３を発生させると共に、原料供給ノズル１３から原料４及び水５を加熱室１１内に供給すると、上記燃焼ガス３が、原料４及び水５を気化させると同時に温度を下げられ（約１７００℃から約７００℃）、気化した原料４及び水５を随伴しながら加熱室１１から改質装置２０の容器２１内に供給され、触媒２２を所定温度（約１５０〜７００℃）に加温することにより、気化した上記原料４及び上記水５が反応して水素ガスを含有する燃料ガス６に改質され、当該燃料ガス６が容器２１から燃料電池本体３１の燃料ガス供給口に供給されて、当該燃料電池本体３１の酸化ガス供給口から供給された空気７と共に当該燃料電池本体３１の内部で電気化学的に反応することにより、当該燃料電池本体３１から電力を発生することができるようになっている（例えば、下記特許文献１等参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１６６７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したような従来の燃料電池発電システムにおいては、改質装置２０の触媒２２を所定温度（約１５０〜７００℃）に加熱するために燃焼バーナ１２から燃焼ガス３を発生させているが、非常に高温（約１７００℃）の燃焼ガス３を改質装置２０にそのまま送給すると触媒２２が劣化してしまうことから、上記燃焼ガス３で原料４及び水５の気化を行うことによって、当該燃焼ガス３を所定温度（約７００℃）にまで低下させるようにしている。
【０００８】
このため、改質装置２０の触媒２２の温度が低い起動の際は、燃焼ガス３の流通方向下流側に位置する触媒２２ほど、気化した水５が冷えて凝縮液化して多孔質の触媒２２の内部に浸入してしまい、当該触媒２２に浸入した水５を再度気化させて触媒２２を定常運転可能な所定温度（約１５０〜７００℃）にまで加熱しなければならないので、燃焼ガス３の熱エネルギを無駄に消費してしまうと共に、定常運転にまで時間を要してしまう（約３０〜４０分）だけでなく、多孔質の触媒２２に浸入した水５の気化膨張によって、触媒２２を損傷させてしまうおそれがあった。
【０００９】
このようなことから、本発明は、燃焼ガスの熱エネルギを有効に利用することができると共に、定常運転にまで短時間で立ち上げることができ、さらに、触媒の損傷を防止することができる燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電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】
【００１０】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る燃料改質装置は、炭化水素を含有する原料と水とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる触媒を容器内に収納した改質装置を備えた燃料改質装置において、燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを発生させると共に当該燃焼ガスを前記改質装置の前記容器内に送給する触媒予熱手段と、前記触媒予熱手段で発生して前記改質装置の前記容器内に送給される前記燃焼ガスと水とを熱交換させる燃焼ガス冷却手段と、前記燃焼ガス冷却手段で前記燃焼ガスと熱交換した前記水の熱を前記改質装置の前記容器に伝達させる容器予熱手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
第二番目の発明に係る燃料改質装置は、第一番目の発明において、前記容器予熱手段で前記改質装置の前記容器に熱を伝達した前記水を前記燃焼ガスと再度熱交換させるように前記燃焼ガス冷却手段に再び供給する予熱水循環手段を備えていることを特徴とする。
【００１２】
第三番目の発明に係る燃料改質装置は、第一番目又は第二番目の発明において、前記触媒予熱手段で発生した前記燃焼ガスを前記改質装置の前記容器内に送給することなく系外へ排出する排気手段を備えていることを特徴とする。
【００１３】
また、前述した課題を解決するための、第四番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかの燃料改質装置と、前記原料と前記水とを加熱して前記燃料改質装置の前記改質装置の前記容器内に送給する燃料ガス原料加熱手段と、前記燃料改質装置の前記改質装置で生成した前記燃料ガスを燃料ガス供給口に供給されると共に、酸素ガスを含有する酸化ガスを酸化ガス供給口に供給される燃料電池本体とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
第五番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第四番目の発明において、前記燃料電池本体に温調用の水を流通させて当該燃料電池本体の温調を行う温調手段を備え、前記燃料改質装置の前記燃焼ガス冷却手段の前記水と前記温調手段の前記水とが共用されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムによれば、改質装置の触媒を加熱するのに、触媒予熱手段の燃焼ガスと水とを燃焼ガス冷却手段で熱交換させて当該燃焼ガスを低下させて改質装置の触媒に送給すると同時に、当該燃焼ガスと熱交換した上記水を触媒に供給せずに容器予熱手段で容器に伝熱させることにより、容器を介して当該触媒を加熱することができることから、改質装置の触媒の温度が低い起動の際でも、当該触媒に凝縮水が付着するようなことはなく、多孔質の触媒の内部に水が浸入してしまうようなことはないので、燃焼ガスの熱エネルギを無駄に消費することなく、触媒を定常運転可能な所定温度にまで短時間で加熱することができると共に、多孔質の触媒に浸入した水の気化膨張による触媒の損傷を未然に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、以下の実施形態に記載した形態の場合のみに限定されるものではない。
【００１７】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図である。
【００１８】
本実施形態に係る燃料電池発電システムは、図１に示すように、炭化水素を含有する原料４と水５とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガス６を生成させる触媒１２２を容器１２１内に収納した改質装置１２０と、燃料１と空気２とを燃焼させて燃焼ガス３を発生させると共に当該燃焼ガス３を改質装置１２０の容器１２１内に送給する触媒予熱手段である触媒予熱装置１５０と、触媒予熱装置１５０で発生して改質装置１２０の容器１２１内に送給される燃焼ガス３と水８とを熱交換させる燃焼ガス冷却手段である熱交換器１５３と、熱交換器１５３で燃焼ガス３と熱交換した前記水８の熱を改質装置１２０の容器１２１に伝達させる容器予熱手段である流路１２３と、流路１２３で改質装置１２０の容器１２１に熱を伝達した前記水８を燃焼ガス３と再度熱交換させるように熱交換器１５３に再び供給する予熱水循環手段である循環ポンプ１６１，貯水タンク１４２と、触媒予熱装置１５０で発生した燃焼ガス３を改質装置１２０の容器１２１内に送給することなく系外へ排出する排気手段である排気ライン１７１とを備えている燃料改質装置と、原料４と水５とを加熱して改質装置１２０の容器１２１内に送給する燃料ガス原料加熱手段である燃料ガス原料加熱装置１１０と、改質装置１２０で生成した燃料ガス６を燃料ガス供給口に供給されると共に、酸素ガスを含有する酸化ガスである空気７を酸化ガス供給口に供給される燃料電池本体１３１と、燃料電池本体１３１に温調用の水８を流通させて燃料電池本体１３１の温調を行う温調手段である循環ポンプ１４１，貯水タンク１４２，温調器１４３とを備え、前記燃料改質装置の熱交換器１５３を流通する水８と燃料電池本体１３１内を流通する温調用の水８とが貯水タンク１４２内で共用されたものである。
【００１９】
前記燃料ガス原料加熱装置１１０は、加熱室１１１と、燃料１と空気２とを燃焼させて加熱室１１１内に燃焼ガス３を生じさせる燃焼バーナ１１２と、炭化水素を含有する原料４及び水５と燃焼ガス３とを熱交換させて原料４及び水５を気化させる熱交換器１１３とを備えており、原料４及び水５を加熱気化した燃焼ガス３を系外へ排出すると共に、加熱気化した原料４及び水５を前記改質装置１２０の容器１２１内の触媒１２２へ送給することができるようになっている。
【００２０】
前記触媒予熱装置１５０は、加熱室１５１と、燃料１と空気２とを燃焼させて加熱室１５１内に燃焼ガス３を生じさせる燃焼バーナ１５２と、水８と燃焼ガス３とを熱交換させて燃焼ガス３を所定温度（約７００℃）にまで低下させる熱交換器１５３とを備えており、上記熱交換器１５３で水８と熱交換されて所定温度にまで低下された燃焼ガス３を前記改質装置１２０の容器１２１内の触媒１２２へ送給すると共に、上記熱交換器１５３で燃焼ガス３と熱交換した水８を前記改質装置１２０の容器１２１の前記流路１２３に送給することができるようになっている。
【００２１】
前記改質装置１２０は、金属製の容器１２１と、容器１２１内に収納されて燃料ガス原料加熱装置１１０の熱交換器１１３からの原料４と水５とを反応させて水素ガスを含有する燃料ガス６を生成させる触媒１２２と、容器１２１に形成されて触媒予熱装置１５０の熱交換器１５３からの前記水８を流通させる流路１２３とを備えており、生成した燃料ガス６を燃料電池本体１３１の燃料ガス供給口に送給することができると共に、前記流路１２３を流通した上記水８を貯水タンク１４２に戻すようになっている。
【００２２】
前記循環ポンプ１６１は、貯水タンク１４２内の水８を触媒予熱装置１５０の熱交換器１５３に供給するようになっている。
【００２３】
前記排気ライン１７１は、前記触媒予熱装置１５０の加熱室１５１と前記改質装置１２０の容器１２１との間と系外とを連絡し、排気バルブ１７２を備えており、当該排気バルブ１７２を開放することにより、前記触媒予熱装置１５０の加熱室１５１からの燃焼ガス３を系外へ排出し、当該排気バルブ１７２を閉鎖することにより、前記触媒予熱装置１５０の加熱室１５１からの燃焼ガス３を前記改質装置１２０の容器１２１内へ送給することができるようになっている。
【００２４】
このような本実施形態に係る燃料電池発電システムの作動を次に説明する。
【００２５】
起動運転として、まず、前記排気バルブ１７２を開放した後、前記触媒予熱装置１５０の燃焼バーナ１５２に燃料１及び空気２を供給して燃焼ガス３を発生させると共に、前記循環ポンプ１６１を作動して貯水タンク１４２内の水８を触媒予熱装置１５０の熱交換器１５３に送給する一方、前記循環ポンプ１４１及び前記温調器１４３を作動して貯水タンク１４２内の水８を当該温調器１４３で温調しながら燃料電池本体１３１に供給すると、上記触媒予熱装置１５０の燃焼バーナ１５２から生じた燃焼ガス３が、熱交換器１５３内を流通する前記水８を加熱した後、改質装置１２０の容器１２１内に流入することなく排気ライン１７１から系外に排出され（容器１２１内に充填されている触媒１２２の抵抗のため）、上記熱交換器１５３で加熱された上記水８が、改質装置１２０の容器１２１の流路１２３内を流通して当該容器１２３及び触媒１２２を加熱して、前記貯水タンク１４２に回収される。
【００２６】
そして、触媒予熱装置１５０の燃焼バーナ１５２からの燃焼ガス３を所定時間（１０〜２０秒程度）系外へ排出したら、前記排気バルブ１７２を閉鎖して、触媒予熱装置１５０の燃焼バーナ１５２からの燃焼ガス３（約１７００℃）を改質装置１２０の容器１２１内へ送給する。
【００２７】
これにより、改質装置１２０の触媒１２２は、前記触媒予熱装置１５０の熱交換器１５３内を流通する水８と熱交換して所定温度（約７００℃）にまで低下した燃焼ガス３により加熱されると同時に、上記燃焼ガス３と熱交換して加熱された上記水８により容器１２１を介して加熱される。改質装置１２０の触媒１２２を加熱した上記燃焼ガス３は、燃料電池本体１３１の燃料ガス供給口から燃料ガス排出口を介して系外へ排出される。
【００２８】
このようにして改質装置１２０の触媒１２２を所定温度（約１５０〜７００℃）にまで加熱、すなわち、所定時間（約１０分程度）加熱したら、定常運転として、前記触媒予熱装置１５０の燃焼バーナ１５２への燃料１及び空気２の供給を停止して燃焼ガス３の発生を停止させると共に、前記循環ポンプ１６１の作動を停止して改質装置１２０の容器１２１の流路１２３への前記水８の供給を停止する一方、前記燃料ガス原料加熱装置１１０の燃焼バーナ１１２に燃料１及び空気２を供給して燃焼ガス３を発生させると共に、当該燃料ガス原料加熱装置１１０の熱交換器１１３に原料４及び水５を送給する。
【００２９】
これにより、上記原料４及び水５が、所定温度（約７００℃）にまで加熱されて気化して、改質装置１２０の容器１２１内に送給され、触媒１２２によって反応して、水素ガスを含む燃料ガス６となって燃料電池本体１３１の燃料ガス供給口に供給され、当該燃料電池本体１３１の酸化ガス供給口から供給された空気７と電気化学的に反応して、燃料電池本体１３１から電力が得られる。
【００３０】
つまり、前記特許文献１等の従来技術では、図６に示したように、改質装置２０の触媒２２を加熱するのに、燃料加熱装置１０の燃焼ガス３に原料４及び水５を噴き込むことにより、当該燃焼ガス３を所定温度（約７００℃）にまで低下させて、気化させた当該原料４及び水５と共に改質装置２０の触媒２０に送給するようにしていたが、本実施形態では、図１に示したように、改質装置１２０の触媒１２２を加熱するのに、触媒予熱装置１５０の燃焼ガス３と水８とを熱交換器１５３で熱交換させて当該燃焼ガス３を所定温度（約７００℃）にまで低下させて改質装置１２０の触媒１２２に送給すると同時に、当該燃焼ガス３と熱交換した上記水８を触媒１２２に供給せずに改質装置１２０の容器１２１の前記流路１２３に流通させることにより、金属製の容器１２１を介して当該触媒１２２を加熱するようにしたのである。
【００３１】
このため、前記特許文献１等の従来技術においては、前述したように、改質装置２０の触媒２２の温度が低い起動の際に、燃焼ガス３の流通方向下流側に位置する触媒２２ほど、気化した水５が冷えて凝縮液化して多孔質性の触媒２２の内部に浸入してしまい、当該触媒２２に浸入した水５を再度気化させて触媒２２を定常運転可能な所定温度（約１５０〜７００℃）にまで加熱しなければならなくなり、燃焼ガス３の熱エネルギを無駄に消費してしまうと共に、定常運転にまで時間を要してしまう（約３０〜４０分）だけでなく、多孔質の触媒２２に浸入した水５の気化膨張によって、触媒２２を損傷させてしまうおそれがあったものの、本実施形態においては、改質装置１２０の触媒１２２の温度が低い起動の際でも、当該触媒１２２に凝縮水が付着するようなことはなく、多孔質の触媒１２２の内部に水が浸入してしまうようなことはないので、燃焼ガス３の熱エネルギを無駄に消費することなく、触媒１２２を定常運転可能な所定温度（約１５０〜７００℃）にまで短時間（約１０分程度）で加熱することができると共に、多孔質の触媒１２２に浸入した水の気化膨張による触媒１２２の損傷を未然に防止することができる。
【００３２】
したがって、本実施形態によれば、燃焼ガス３の熱エネルギを有効に利用することができると共に、定常運転にまで短時間で立ち上げることができ、さらに、触媒１２２の損傷を防止することができる。
【００３３】
また、前記排気バルブ１７２を有する排気ライン１７１を備えたことから、起動運転の際に、触媒予熱装置１５０の燃焼バーナ１５２から生じる酸素濃度の高い当初の燃焼ガス３を改質装置１２０の容器１２１内に送給することなく系外へ排出することができるので、改質装置１２０の前記触媒１２２及び燃料電池本体１３１の燃料極触媒の酸素による劣化を防止することができる。
【００３４】
また、触媒予熱装置１５０の熱交換器１５３を流通する水８と燃料電池本体１３１内を流通する温調用の水８とを共用していることから、起動運転の際に、燃料電池本体１３１を温調する水８を迅速に加熱することができるので、燃料電池本体１３１を定常運転温度にまで迅速に昇温することができ、定常運転にまでさらに迅速に立ち上げることができる。
【００３５】
なお、本実施形態では、排気ライン１７１のみに排気バルブ１７２を設けることにより、当該排気バルブ１７２を開放したときに、容器１２１内に充填されている触媒１２２の抵抗を利用して、燃焼ガス３を改質装置１２０の容器１２１内に流入させることなく排気ライン１７１から系外に排出させるようにしたが、容器１２１内の触媒１２２の充填状態や燃焼ガス３の流速等の各種条件によっては、改質装置１２０の容器１２１と燃料電池本体１３１の燃料ガス供給口との間に補助バルブを設け、燃焼ガス３を改質装置１２０の容器１２１内に流入させることなく排気ライン１７１から系外に排出させるときに、上記排気バルブ１７２を開放すると共に、上記補助バルブを閉鎖し、燃焼ガス３を排気ライン１７１から系外に排出させずに改質装置１２０の容器１２１内に流入させるときに、上記補助バルブを開放すると共に、上記排気バルブ１７２を閉鎖するようにすることも可能である。
【００３６】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図２，３に基づいて説明する。図２は、燃料改質装置の触媒予熱装置の概略構成図、図３は、図２の要部の抽出拡大図である。なお、前述した第一番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００３７】
本実施形態に係る触媒予熱装置２５０は、図２に示すように、支持板２５１に、燃焼バーナ２５２の基端側が支持されている。燃焼バーナ２５２の先端側には、円筒状のガイドフード２５３の基端側が当該燃焼バーナ２５２からの火炎を包囲するように当該燃焼バーナ２５２と同軸をなして取り付けられている。
【００３８】
前記支持板２５１には、周面に噴射口２５４ａを複数形成した円筒状をなす噴射板２５４の基端側が前記燃焼バーナ２５２及び前記ガイドフード２５３を包囲するように当該燃焼バーナ２５２及び当該ガイドフード２５３と同軸をなして取り付けられている。噴射板２５４の先端側は、セラミックスファイバ等からなる断熱性を有する蓋板２５５で閉塞されている。
【００３９】
前記噴射板２５４の外周面には、水８を内部に流通させる加熱管２５６が当該噴射板２５４に隣接するように周方向に沿って螺旋状に曲折して巻き付けられており、当該加熱管２５６は、軸方向及び径方向に沿って変位できるように、隣り合う外周面の間に隙間を有しながら当該噴射板２５４に対して固着されることなく、その一端側と他端側とが前記支持板２５１に対して固定保持されている。
【００４０】
前記支持板２５１には、先端側を閉塞された円筒状のカバー２５７の基端側が前記部材２５２〜２５６を包囲するように前記部材２５２〜２５４と同軸をなして取り付けられている。カバー２５７には、燃焼ガス３の送出口２５７ａが設けられている。
【００４１】
つまり、本実施形態においては、燃焼バーナ２５２が、前述した第一番目の実施形態に係る燃焼バーナ１５２に相当すると共に、支持板２５１，カバー２５７により、前述した第一番目の実施形態に係る加熱室１５１を構成し、ガイドフード２５３，噴射板２５４，蓋板２５５，加熱管２５６等により、前述した第一番目の実施形態に係る熱交換器１５３を構成したのである。
【００４２】
このような本実施形態では、燃焼バーナ２５２等により燃焼ガス発生手段を構成し、当該燃焼ガス発生手段、ガイドフード２５３、噴射板２５４、蓋板２５５等により燃焼ガス噴射手段を構成している。
【００４３】
このような本実施形態に係る触媒予熱装置２５０の作用を次に説明する。
【００４４】
加熱管２５６の一端側に前記循環ポンプ１６１から水８を供給すると共に、燃焼バーナ１２から燃焼ガス３を発生させると、ガイドフード２５３が、燃焼ガス３を内側で基端側から先端側に向かって流すように案内した後に、先端側で外周面と噴射板２５４との間に流入させるように切り返して、当該間を基端側へ向かって流すように当該燃焼ガス３を案内する。
【００４５】
ガイドフード２５３と噴射板２５４との間を流通した燃焼ガス３は、噴射板２５４を加熱すると同時に、当該燃焼ガス３を噴射板２５４の前記噴射口２５４ａから当該噴射板２５４の外側へ噴出し、加熱管２５６の隣り合う外周面の間の隙間を通るように当該加熱管２５６に接触して当該加熱管２５６を加熱しながらカバー２５７内を流通して送出口２５７ａから前記改質装置１２０の前記容器１２１内に送給される。
【００４６】
このため、加熱管２５６の内部を流通する水８は、噴射板２５４からの輻射熱及び前記噴射口２５４ａから噴出して前記隙間を流通する燃焼ガス３の対流熱伝達により、加熱管２５６を介して加熱されて気化し、水蒸気８ａとなってそのまま加熱管２５６の内部を流通して他端側から前記改質装置１２０の前記容器１２１の前記流路１２３へ送給される。
【００４７】
このとき、加熱管２５６は、ドライアウト点（水８が過熱されて水蒸気８ａとなる位置）の発生による温度勾配が軸方向に生じるだけなので、亀裂等の損傷を発生させるような応力が集中することはない。
【００４８】
つまり、本実施形態に係る触媒予熱装置２５０は、加熱管２５６の一端側から他端側へ向けて内部に水８を流通させ、当該加熱管２５６の外周面に隣接する噴射板２５４の、当該加熱管２５６の軸方向に沿って複数有する噴射口２５４ａから燃焼ガス３を噴出させることにより、温度勾配に発生に伴う熱応力を集中させることなく水蒸気８ａを得るようにしたのである。
【００４９】
したがって、本実施形態に係る触媒予熱装置２５０によれば、簡単な構造でありながらも、過熱によって発生する応力を抑制することができる。
【００５０】
また、加熱管２５６が、軸方向及び径方向に沿って変位できるように噴射板２５４に対して固着されることなく保持されているので、温度変化に伴う伸び差を緩衝することができ、損傷等の発生をより確実に防止することができる。
【００５１】
また、加熱管２５６が、螺旋状をなすように曲折しているので、温度変化に伴う全体としての変化量を抑えることができ、損傷等の発生をより確実に防止することができる。
【００５２】
また、高温（約１７００℃）の燃焼ガス３をそのまま利用しても損傷することはないので、希釈用の空気を使用する必要がなく、希釈用の空気を送給するための動力源が不要であると共に、燃焼ガス３の送給用の配管径の拡大化を抑制することができ、装置の小型化を図ることができる。
【００５３】
さらに、噴射板２５４は、加熱管２５６の外周面に隣接していることから、加熱管２５６内を流通する水８等との熱交換により結果的に常に冷却されるようになるので、燃焼ガス３が非常に高温（約１７００℃）であっても、上昇温度を大幅に抑えることができ（約７００℃程度）、温度上昇に伴う変形や損傷等を大幅に抑制することができる。
【００５４】
このため、燃焼バーナ２５２から直接的に発生する燃焼ガス３の温度を低くする必要がないので、燃焼バーナ２５２に供給する空気を必要十分な量で済ますことができ、単位熱量当たりの燃焼ガス３の体積量を必要最小限に抑える、すなわち、少量の燃焼ガス３でも損傷等を発生させることなく水８を過熱することができるので、装置の小型化や軽量化をさらに図ることができると共に、熱回収効率（ボイラ効率）を向上させることができる。
【００５５】
また、噴射板２５４が円筒状をなしているので、温度上昇に伴う変形や損傷等をより確実に抑制することができる。
【００５６】
くわえて、燃焼バーナ２５２からの火炎を包囲するように円筒状のガイドフード２５３を設けたことから、燃焼バーナ２５２からの燃焼ガス３が噴射板２５４に直ちに接触することや、噴射板２５４の噴射口２５４ａから直ちに噴出して加熱管２５６に接触することを抑えることができるので、燃焼バーナ２５２からの燃焼ガス３を十分に燃焼させてから熱交換に利用することができ、燃焼ガス３中に燃料やＣＯが高濃度で残存してしまうことを防止することができる。
【００５７】
ここで、図３に示すように、加熱管２５６の内径Ｄに対して噴射板２５４の噴射口２５４ａの開口サイズｄが０．１〜０．５倍（より好ましくは０．３〜０．４倍）であると共に、単位面積における、加熱管２５６の軸方向の軸線部分の断面積Ｓに対する噴射板２５４の噴射口２５４ａの径方向の断面積ｓの合計Σｓの割合（Σｓ／Ｓ：開口面積比率）が５〜５０％（より好ましくは１０〜３０％）であると、上述した効果を非常に効率よく発現できるため、好ましい。
【００５８】
なお、本実施形態では、円筒状をなす噴射板２５４の外周面に加熱管２５６を螺旋状に巻き付けると共に、噴射板２５４の内側に燃焼バーナ２５２を配設するようにしたが、他の実施形態として、例えば、円筒状の噴射板２５４の内周面に螺旋状に巻かれた加熱管２５６を隣接するように内装すると共に、噴射板２５４の外周面側に環状のノズルを有する燃焼バーナを配設することにより、径方向外側から内側へ向けて燃焼ガス３を流通させるようにすることや、平板状をなす噴射板の上面に渦状又は蛇行状に曲折された加熱管の外周面を隣接させるように配設すると共に、当該噴射板の下面側に燃焼バーナ２５２を配設することも可能である。
【００５９】
［他の実施形態］
また、前述した第二番目の実施形態においては、図２，３に示した構造を触媒予熱装置２５０に適用した場合について説明したが、他の実施形態として、前述した第一番目の実施形態に係る燃料ガス原料加熱装置１１０に前述の構造を適用することも可能である。
【００６０】
具体的には、図４，５に示すように、支持板３１１，カバー３１７により、前述した第一番目の実施形態に係る加熱室１１１を構成し、ガイドフード３１３，噴射板３１４，蓋板３１５，加熱管３１６等により、前述した第一番目の実施形態に係る熱交換器１１３を構成し、燃焼バーナ３１２により、前述した第一番目の実施形態に係る燃焼バーナ１１２を構成するのである。
【００６１】
これにより、図４，５に示した燃料ガス原料加熱装置３１０においても、加熱管３１６の一端側に原料４及び水５を供給することで、上述した触媒予熱装置２５０の場合と同様な作用によって、加熱管３１６の他端側から所定温度に加熱気化した原料４及び水５を改質装置１２０の容器１２１内に送給することができ、上述した触媒予熱装置２５０の場合と同様な効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムは、燃焼ガスの熱エネルギを有効に利用することができると共に、定常運転にまで短時間で立ち上げることができ、さらに、触媒の損傷を防止することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の燃料改質装置の触媒予熱装置の概略構成図である。
【図３】図２の要部の抽出拡大図である。
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムの他の実施形態の燃料ガス原料加熱装置の概略構成図である。
【図５】図４の要部の抽出拡大図である。
【図６】従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  燃料
２  空気
３  燃焼ガス
４  原料
５  水
６  燃料ガス
７  空気
８  水
１１０  燃料ガス原料加熱装置
１１１  加熱室
１１２  燃焼バーナ
１１３  熱交換器
１２０  改質装置
１２１  容器
１２２  触媒
１２３  流路
１３１  燃料電池本体
１４１  循環ポンプ
１４２  貯水タンク
１４３  温調器
１５０  触媒予熱装置
１５１  加熱室
１５２  燃焼バーナ
１５３  熱交換器
１６１  循環ポンプ
１７１  排気ライン
１７２  排気バルブ
２５０  触媒予熱装置
２５１  支持板
２５２  燃焼バーナ
２５３  ガイドフード
２５４  噴射板
２５４ａ  噴射口
２５５  蓋板
２５６  加熱管
２５７  カバー
２５７ａ  送出口
３１０  燃料ガス原料加熱装置
３１１  支持板
３１２  燃焼バーナ
３１３  ガイドフード
３１４  噴射板
３１４ａ  噴射口
３１５  蓋板
３１６  加熱管
３１７  カバー
３１７ａ  送出口
【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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【図６】
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