(57)【要約】【課題】水素生成装置の熱効率の向上および、改質ガス中のＣＯ濃度の安定化、水素量の安定化を図ることを目的とする。【解決手段】改質器１０の外周部に配置された燃焼ガス流路１２の外周の少なくとも一部を覆う蒸発部２８を設け、蒸発部２８の下方部であって実質的に水が溜まるあるいは湿潤状態である位置に温度検知部３３を設け、この温度を所定温度以下に維持する。これにより、水または水蒸気が供給される蒸発室２８は、液体の水と飽和水蒸気が通過するので、外周面は低温化して、周囲への放熱量が小さくなり、さらに蒸発部２８と燃焼ガス流路１１とが熱交換可能なので燃焼ガスの温度を低下でき、効率が向上できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素化合物を含有する原料から水蒸気改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、前記改質部の外側の少なくとも一部を覆うように設けられた燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路に燃焼ガスを供給する燃焼部と、前記燃焼部に燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記燃焼部に燃焼用の空気を供給する空気供給部と、前記燃焼ガス流路の外側の少なくとも一部を覆い前記燃焼ガス流路と熱交換可能であるように設けられた蒸発部と、前記蒸発部の下方部であって実質的に水が溜まるあるいは湿潤状態である位置に配置された温度検知部とを備えた水素生成装置。
【請求項２】
前記蒸発部は、水または水蒸気の入り口を有する第１蒸発室と、前記第１蒸発室の内側に設けられ、水蒸気の出口を有し、前記第１蒸発室と熱交換可能な第２蒸発室と、前記第１蒸発室と前記第２蒸発室とを連通する少なくとも１つ以上の連通部とを有する請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記温度検知部からの検知信号を入力し、その温度が所定温度以上に変化した場合には、前記燃焼部への燃料ガス供給量を減少させる制御手段を備えた請求項１記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記温度検知部からの検知信号を入力し、その温度が所定温度以上に変化した場合には、前記燃焼部への空気の供給量を減少させる制御手段を備えた請求項１記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記温度検知部からの検知信号を入力し、その温度が所定温度以上に変化した場合には、前記第１蒸発室への水または水蒸気の供給量を増加させる制御手段を備えた請求項１記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記蒸発部の下方部であって、実質的に水が溜まるあるいは湿潤状態である部分以外の外表面の一部に、前記燃焼ガスと熱交換する伝熱フィンを備えた請求項１記載の水素生成装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかの水素生成装置と、酸素を含有する酸化剤ガスおよび前記水素生成装置から供給される水素を含有する燃料ガスを用いて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システム。
【請求項８】
炭化水素化合物を含有する原料から水蒸気改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、前記改質部の外側の少なくとも一部を覆うように設けられた燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路に燃焼ガスを供給する燃焼部と、前記燃焼部に燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記燃焼部に燃焼用の空気を供給する空気供給部と、前記燃焼ガス流路の外側の少なくとも一部を覆い前記燃焼ガス流路と熱交換可能であるように設けられた蒸発部と、前記蒸発部の下方部であって実質的に水が溜まるあるいは湿潤状態である位置に配置された温度検知部とを備えた水素生成装置を使用して水素を生成する方法であって、前記温度検知部の温度が所定温度以上に変化した場合には、（１）前記燃焼部への燃料ガス供給量を減少させる、（２）前記燃焼部への空気の供給量を減少させる、あるいは、（３）前記蒸発部への水または水蒸気の供給量を増加させる、水素を生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給する水素リッチな生成ガスを得るための、水素生成装置等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の水素生成装置について、図２を用いて説明する（特許文献１参照。）。改質部１は筒形であり、粒状や円柱状の触媒が充填されている。改質部１を加熱する燃焼部であるバーナ２が設けられ、バーナ２の燃焼室には改質反応に供される水蒸気を発生させる蒸発部として、下り勾配に巻かれたコイル状パイプ３が配置されている。コイル状パイプ３の出口は蒸気パイプ４に繋がり、水蒸気と改質反応に供される原料Ｘとは、混合されて改質部１に供給される。
【０００３】
改質部１の外周側には改質ガス流路５が、さらにその外周側には燃焼ガス流路６が設けられている。改質反応に供される水Ｙは、コイル状パイプ３の上部から供給されパイプ流路３内を移動しながら燃焼ガスで加熱され、気液２相流の状態を経て、水蒸気となって蒸気パイプ４に供給される。水蒸気と原料Ｘは、改質部１に供給され水蒸気改質反応によって改質ガスとなり、改質ガス流路５を経て外部に排出される。バーナ２で発生した燃焼ガスは、コイル状パイプ３、改質部１を加熱し、燃焼ガス流路６を通過し外部に排出される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８１３１１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の水素生成装置では、燃焼ガス流路６が最も外周側に配置されているので、周囲への放熱量が大きくなり装置の熱効率が低くなるという問題点があった。さらにコイル状パイプ３で発生した水蒸気は、引き回された蒸気パイプ４を経て改質部１に供給されるので、蒸気パイプ４からの放熱量が大きくなり装置の熱効率が低くなるという問題点があった。
【０００６】
さらにコイル状パイプ３は高温の燃焼ガスで加熱されるので、コイル状パイプ３の管内面に水が存在しないドライアウト状態が生じ、間歇的に蒸発する突沸状態が生じやすくなる。突沸状態で生じた水蒸気はパイプ３内を移動するが、液相から気相に変化することで急激に体積膨張するために流路抵抗が急激に大きくなり、突沸状態の繰り返しによって水Ｙの供給圧力の脈動が大きくなり、水Ｙの供給量が脈動し、水蒸気量も脈動するために、改質部１で触媒反応に供される水蒸気量が脈動し、改質ガス中のＣＯ濃度が変動しやすくなるという問題点があった。
【０００７】
さらに蒸気パイプ４に原料Ｘが混合されるので、蒸気流量の脈動によって原料Ｘの供給圧力が脈動し、原料Ｘの流量が脈動するので、改質ガスの流量も脈動し燃料電池に供される水素量が脈動し、発電量が不安定になるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の有する課題を考慮し、熱効率の向上を可能とし、あるいは改質ガス中のＣＯ濃度の安定化、水素量の安定化を図ることができる水素生成装置などを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、炭化水素化合物を含有する原料から水蒸気改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、前記改質部の外側の少なくとも一部を覆うように設けられた燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路に燃焼ガスを供給する燃焼部と、前記燃焼部に燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記燃焼部に燃焼用の空気を供給する空気供給部と、前記燃焼ガス流路の外側の少なくとも一部を覆い前記燃焼ガス流路と熱交換可能であるように設けられた蒸発部と、前記蒸発部の下方部であって実質的に水が溜まるあるいは湿潤状態である位置に配置された温度検知部とを備えた水素生成装置である。
【００１０】
第２の本発明は、前記蒸発部は、水または水蒸気の入り口を有する第１蒸発室と、前記第１蒸発室の内側に設けられ、水蒸気の出口を有し、前記第１蒸発室と熱交換可能な第２蒸発室と、前記第１蒸発室と前記第２蒸発室とを連通する少なくとも１つ以上の連通部とを有する第１の本発明の水素生成装置である。
【００１１】
第３の本発明は、前記温度検知部からの検知信号を入力し、その温度が所定温度以上に変化した場合には、前記燃焼部への燃料ガス供給量を減少させる制御手段を備えた第１の本発明の水素生成装置である。
【００１２】
第４の本発明は、前記温度検知部からの検知信号を入力し、その温度が所定温度以上に変化した場合には、前記燃焼部への空気の供給量を減少させる制御手段を備えた第１の本発明の水素生成装置である。
【００１３】
第５の本発明は、前記温度検知部からの検知信号を入力し、その温度が所定温度以上に変化した場合には、前記第１蒸発室への水または水蒸気の供給量を増加させる制御手段を備えた第１の本発明の水素生成装置である。
【００１４】
第６の本発明は、前記蒸発部の下方部であって、実質的に水が溜まるあるいは湿潤状態である部分以外の外表面の一部に、前記燃焼ガスと熱交換する伝熱フィンを備えた第１の本発明の水素生成装置である。
【００１５】
第７の本発明は、第１〜６のいずれかの本発明にかかる水素生成装置と、酸素を含有する酸化剤ガスおよび前記水素生成装置から供給される水素を含有する燃料ガスを用いて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システムである。
【００１６】
第８の本発明は、炭化水素化合物を含有する原料から水蒸気改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、前記改質部の外側の少なくとも一部を覆うように設けられた燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路に燃焼ガスを供給する燃焼部と、前記燃焼部に燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記燃焼部に燃焼用の空気を供給する空気供給部と、前記燃焼ガス流路の外側の少なくとも一部を覆い前記燃焼ガス流路と熱交換可能であるように設けられた蒸発部と、前記蒸発部の下方部であって実質的に水が溜まるあるいは湿潤状態である位置に配置された温度検知部とを備えた水素生成装置を使用して水素を生成する方法であって、前記温度検知部の温度が所定温度以上に変化した場合には、（１）前記燃焼部への燃料ガス供給量を減少させる、（２）前記燃焼部への空気の供給量を減少させる、あるいは、（３）前記蒸発部への水または水蒸気の供給量を増加させる、水素を生成する方法である。
【００１７】
これにより、水または水蒸気が供給される蒸発部は、液体の水と飽和水蒸気が通過するので、外周面は低温化して、周囲への放熱量が小さくなり、さらに蒸発部と燃焼ガス流路とが熱交換可能なので燃焼ガスの温度を低下でき、燃焼ガスが周囲へ排出される際の放熱量が小さくなり、熱効率が向上できる。
【００１８】
すなわち、本発明によれば、連通部の近傍に設けた温度検知部の温度によって、連通部の近傍が湿潤状態であるか、乾燥した状態（以下ドライアウト状態とする）であるかの判断が可能となり、連通部を湿潤状態とすることで、第１蒸発室内には液相の水と飽和水蒸気が流れているので、周囲への放熱量が小さくできるので、装置の熱効率が向上できる。
【００１９】
また、温度検知部の温度が所定温度以上に変化した場合には、燃料供給部からバーナに供給される燃料ガス量を減少させることで、燃焼ガス流路を通過する燃焼ガスの温度を低くできるので、連通部の温度を低下させ連通部の近傍を湿潤状態とすることができ、連通部がドライアウトすることによる効率低下を抑止できる。
【００２０】
また、温度検知部の温度が所定温度１００℃以上に変化した場合には、バーナに空気を供給する空気供給部からの空気量を減らすことで、燃焼ガスの速度が小さくできるので熱伝達率が小さくなり、第２蒸発室への伝熱量が小さくでき、連通部の温度を低下させ連通部の近傍を湿潤状態とすることができ、連通部がドライアウトすることによる効率低下を抑止できる。
【００２１】
また温度検知部の温度が所定温度以上に変化した場合には、第１蒸発室への水または水蒸気の供給量を増加でせることで、第１蒸発室を通過する水分量が増加し、連通部がドライアウトすることによる効率低下を抑止でき、さらに水蒸気出口から改質部に供給される水蒸気量が増加するので、改質触媒での水蒸気改質反応を安定させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態における水素生成装置の構成図である。図１において、筒形の改質部１０には水蒸気改質触媒が充填され、改質部１０の外側は改質部１０と同心状に構成された改質ガス流路１１であり、改質ガス流路１１の外側は改質ガス流路１１と同心状に構成された燃焼ガス流路１２である。
【００２４】
燃焼ガス流路１２は、筒状の断熱材１３、筒体１４によって区画された流路Ｓに繋がっており、燃焼ガスは排気口１５から排出される。燃焼部であるバーナ１６は、改質部１０の内周面に臨むように配置されており、燃焼室１７に燃焼ガスを噴出する。
【００２５】
また、バーナ１６には燃焼用の空気を供給する空気供給部３１、および燃料に必要な燃料ガスを供給する燃料供給部３２が設けられている。装置全体の最外周部には筒状の第１蒸発室１８が構成され、第１蒸発室１８の上方部には原料入り口１９および、水入り口２０が設けられている。
【００２６】
第１蒸発室１８の内側には筒状の隔壁２１によって区画された筒状の第２蒸発室２２が構成され、第１蒸発室１８と第２蒸発室２２で蒸発室２８が構成されている。第１蒸発室１８にはらせん状細線３０が設けられている。隔壁２１には連通部である複数の連通孔２３が設けられており、隔壁２１の下端部には全周にわたり連通部２６が設けられており、連通部２６の近傍には温度検知部３３が設けられている。なお、３４は伝熱フィンである。
【００２７】
第２蒸発室２２の上方部に設けられた水蒸気出口２４は、パイプ状の供給部２５を経て改質部１０に繋がっている。なお、前記原料入り口１９には、炭化水素化合物を含有する原料が供給される。ここで言う炭化水素化合物は、一例としてメタン、エタン、プロパンなどの炭化水素、都市ガス、天然ガス、メタノールなどのアルコール類、灯油、ＬＰＧなどが挙げられる。
【００２８】
また、１００は温度検知部３３で検知した温度に従って、その温度が所定温度以上に変化した場合には、バーナ１６への燃料ガス供給量を減少させる制御手段である。なお、この制御手段１００は、これに限らず、温度検知部３３からの検知信号を入力し、その温度が所定温度以上に変化した場合には、バーナ１６への空気の供給量を減少させる制御手段であってもよいし、あるいは、温度検知部３３からの検知信号を入力し、その温度が所定温度以上に変化した場合には、第１蒸発室１８への水または水蒸気の供給量を増加させる制御手段であってもよい。
【００２９】
次に本実施の形態の動作について説明する。バーナ１６で生じた燃焼ガスは上流側から順次、改質部１０、改質ガス流路１１、第２蒸発室２２を加熱しながら燃焼ガス流路１２を通過し、排気口１５から排出される。水蒸気改質反応に供される水Ｙは、水入り口２０から供給され第１蒸発室１８内のらせん状細線３０に沿って下方へ移動するが、燃焼ガス流路１２を通過する燃焼ガスからの伝熱によって、水Ｙの一部は水蒸気となる。
【００３０】
水入り口２０を設ける位置は第１蒸発室１８の望ましくは上方（連通部２６から遠い方）に設けるほうが、下端（連通部２６）までの移動時間が長くできるので、伝熱量が増加できるのでよい。第１蒸発室１８で生じた水蒸気は隔壁２１に設けられた複数の連通孔２３を通過して第２蒸発室２２に移動する。第１蒸発室１８で蒸発しなかった水Ｙは、第１蒸発室１８の下端部に溜まり、連通部２６を通過して第２蒸発室２２の下端部にも溜まる。
【００３１】
燃焼ガスの流れ方向は、第２蒸発室２２の下方から上方に流れるので、第１蒸発室１８および第２蒸発室２２の下端部に溜まる水Ｙへの伝熱が促進される。第１蒸発室１８および第２蒸発室２２の下端部には温度検知部３３が設けられており、連通部２６近傍に水が溜まる場合あるいは湿潤状態にある場合には、温度検知部２６の温度がおよそ１００℃程度となる。逆に水Ｙが連通部２６に達するまでに蒸発してしまう場合には、連通部２６の近傍の温度は１００℃よりも数１０℃以上上昇し２００℃程度になる。つまり温度検知部３３の温度によって、連通部２６近傍が湿潤状態であるか、乾燥した状態（以下ドライアウト状態とする）であるかの判断が可能となる。連通部２６を湿潤状態とすることで、第１蒸発室１８内には液相の水と飽和水蒸気が流れているので、外周面温度はおよそ１００℃以下に低温化でき、周囲への放熱量が小さくできるので、装置の熱効率が向上できる。
【００３２】
また、燃焼ガスは連通部２６と熱交換するので、連通部２６近傍が１００℃程度に低く維持されることにより、燃焼ガスの温度を低くすることができ、外部に排出される熱量を低減できるので、装置の熱効率が向上できる。また連通孔２３を設けることで、第１蒸発室１８で生じた水蒸気はすみやかに第２蒸発室２２に移動するので、発生した水蒸気の体積膨張によって第１蒸発室１８内の圧力増加を抑止できるので、水Ｙの供給圧力の変動を小さくでき、水蒸気出口２４から改質部１０に供給される水蒸気量が安定化できるので、改質部１０での触媒反応が定常化し改質ガス中のＣＯ濃度の変動が小さくできる。
【００３３】
原料Ｘは原料入り口１９から供給され、第１蒸発室１８、第２蒸発室２２を経て、供給部２５から改質部１０に流入し、改質触媒での水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスになり、改質ガス流路１１を通過して改質ガス出口２７から燃料電池（図示せず）に供給される。
【００３４】
また温度検知部３３の温度が所定温度である１００℃以上に変化した場合には、燃料供給部３２からバーナ１６に供給される燃料ガス量を減少させることで、燃焼ガス流路１１を通過する燃焼ガスの温度を低くできるので、連通部２６の温度を低下させ連通部２６の近傍を湿潤状態とすることができ、連通部２６がドライアウトすることによる効率低下を抑止できる。なお、所定温度は装置の構成によって異なるが、水の蒸発が大気圧程度では１００℃であり、所定温度もおよそ１００℃程度である。
【００３５】
あるいは、温度検知部３３の温度が所定温度である１００℃以上に変化した場合には、バーナ１６に空気を供給する空気供給部３１からの空気量を減らすことで、燃焼ガス流路１２を通過する高温の燃焼ガスの体積を小さくでき、燃焼ガスの速度が小さくできるので熱伝達率が小さくなり、第２蒸発室２２への伝熱量が小さくできる。つまり連通部２６への伝熱量を低減できるので、連通部２６の温度を低下させ連通部２６の近傍を湿潤状態とすることができ、連通部２６がドライアウトすることによる効率低下を抑止できる。
【００３６】
あるいはまた温度検知部３３の温度が所定温度である１００℃以上に変化した場合には、第１蒸発室１８への水または水蒸気の供給量を増加させることで、第１蒸発室１８を通過する水分量が増加し、連通部２６に水を溜めるあるいは湿潤状態にすることができ、連通部２６がドライアウトすることによる効率低下を抑止でき、さらに水蒸気出口２４から改質部１０に供給される水蒸気量が増加するので、改質触媒での水蒸気改質反応を安定させることができる。
【００３７】
また、燃焼ガス流路１２に臨むように設けられた伝熱フィン３４は、連通部２６の近傍であって水が溜まるあるいは湿潤状態である部分の以外の面に設けられているので、燃焼ガスから第１蒸発室１８および第２蒸発室２２への伝熱は促進されるが、連通部２６に溜まった水をドライアウトさせるための熱移動は促進されないので、連通部２６がドライアウトすることによる効率低下を抑止できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、熱効率の向上を可能とし、あるいは改質ガス中のＣＯ濃度の安定化、水素量の安定化を図ることができる水素生成装置などを実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における水素生成装置の断面図
【図２】従来の水素生成装置の断面図
【符号の説明】
１０  改質部
１６  燃焼部であるバーナ
１８  第１蒸発室
１８Ａ  らせん状流路
１９  原料入り口
２１  隔壁
２２  第２蒸発室
２３  連通孔
２５  供給部
２６  連通部
２８  蒸発部
３０  らせん状細線
３１  空気供給部
３２  燃料供給部
３３  温度検知部
３４  伝熱フィン
【図１】
2004284901.tif 000003
【図２】
2004284901.tif 000004