(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質反応により生成した水素を水素消費装置（６０）に供給する水素供給装置であって、
前記改質反応に用いられる改質原料が通過する低温流体通路（Ａ）と、
燃焼ガスを発生させる燃焼ガス供給部（７０）が設けられた高温流体通路（Ｂ）と、
回転軸（２６）を中心に回転駆動されることにより前記低温流体通路（Ａ）と前記高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動する回転蓄熱体（２１）を有し、前記燃焼ガスの燃焼熱を前記改質原料に伝える熱交換部（２０）と、
前記高温流体通路（Ｂ）内を加圧する加圧手段（５１）とを備えていることを特徴とする水素供給装置。
【請求項２】
前記低温流体通路（Ａ）と前記高温流体通路（Ｂ）は連通しており、前記加圧手段（５１）は、前記低温流体通路（Ａ）における前記熱交換部（２０）と前記高温流体通路（Ｂ）における前記熱交換部（２０）との間に設けられたガス圧縮機であることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
【請求項３】
水素を含む改質ガスが改質ガス供給路（５０）を介して水素消費装置（６０）に供給され、前記水素消費装置（６０）にて消費されなかった水素を含むオフガスがオフガス供給路（６１）を介して前記燃焼ガス供給部（７０）に供給され、前記オフガスの燃焼により前記燃焼ガスが生成されるように構成されており、
前記ガス圧縮機（５１）は前記改質ガス供給路（５０）に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の水素供給装置。
【請求項４】
前記高温流体通路（Ｂ）における前記熱交換部（２０）の下流側あるいは前記低温流体通路（Ａ）における前記熱交換部（２０）の上流側の少なくとも一方に圧力調整手段（１４、８３）を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれ１つに記載の水素供給装置。
【請求項５】
前記圧力調整手段は、流体通路の通路面積を変更可能な圧力制御弁（１４、８３）であることを特徴とする請求項４に記載の水素供給装置。
【請求項６】
前記低温流体通路（Ａ）における前記回転蓄熱体（２１）が設けられた部位の圧力（Ｐａ）を検出する第１の圧力検出手段（８０）と、
前記高温流体通路（Ｂ）における前記回転蓄熱体（２１）が設けられた部位の圧力（Ｐｂ）を検出する第２の圧力検出手段（８１）と、
前記第１、第２圧力検出手段（８０、８１）により検出した低温流体通路圧力（Ｐａ）と高温流体通路圧力（Ｐｂ）に基づいて、前記圧力制御弁（１４、８３）の開度制御を行う制御手段（９０）とを備えていることを特徴とする請求項５に記載の水素供給装置。
【請求項７】
前記制御手段（９０）は、前記高温流体通路圧力（Ｐｂ）と前記低温流体通路圧力（Ｐａ）とが略等圧、あるいは前記高温流体通路圧力（Ｐｂ）が前記低温流体通路圧力（Ｐａ）より高くなるように、前記圧力制御弁（１４、８３）の開度制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の水素供給装置。
【請求項８】
前記水素消費装置（６０）は燃料電池であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の水素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質反応により水素を生成し、水素消費装置に水素を供給する水素供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平１１−３４３１０１号公報に記載された水素供給装置がある。これは、燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼部の熱を改質原料に伝達させるために、改質原料が通過する予熱部および気化部を、上記燃焼部の下流側から離れた位置に配置した構成である。かかる構成により、燃焼部の熱を予熱部および気化部を介してここを通過する改質原料に伝達させて改質原料を気化させ、改質器に導いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術では、予熱部および気化部を介して燃焼部の熱が間接的に改質原料に伝達されるので、改質原料に対しての熱伝達が充分でないし、予熱部および気化部が燃焼部から距離的に離れているので、燃焼部の熱が改質原料に対して効果的に伝達されないという課題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑み、燃焼ガスの熱を直接的に改質原料に伝達し、また燃焼ガスから改質原料への熱の伝達距離を低減することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、改質反応により生成した水素を水素消費装置（６０）に供給する水素供給装置であって、改質反応に用いられる改質原料が通過する低温流体通路（Ａ）と、燃焼ガスを発生させる燃焼ガス供給部（７０）が設けられた高温流体通路（Ｂ）と、回転軸（２６）を中心に回転駆動されることにより低温流体通路（Ａ）と高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動する回転蓄熱体（２１）を有し、燃焼ガスの燃焼熱を改質原料に伝える熱交換部（２０）とを備えていることを特徴としている。
【０００６】
これにより、回転式蓄熱体を介して燃焼ガスの熱が改質原料に直接伝達されるため、改質原料の気化が促進される。しかも、回転式蓄熱体を採用したことで、高温流体通路から低温流体通路への熱伝達距離が低減されるため、燃焼ガスから改質原料への熱伝達を格段に向上することができる。
【０００７】
ところで、請求項１のように熱交換器に回転蓄熱体を採用した場合には、２つの流体通路の圧力差により回転蓄熱体に当接し摺動するシール部から流体漏れが不可逆的に発生する。
【０００８】
この回転式熱交換器に発生する流体漏れを図８に基づいて説明する。図８は回転式熱交換器Ｊ２０の構成を示しており、図８（ｂ）は熱交換器Ｊ２０の拡大断面図であり、図８（ａ）（ｃ）は流体の流れ方向からみたガスシールＪ２２、Ｊ２３を示している。図８（ｂ）に示すように、回転蓄熱体Ｊ２１は多数の貫通孔Ｊ２１ａが形成され、改質原料が通過する低温流体通路Ａと燃焼ガスが通過する高温流体通路Ｂの双方を横切るように配置されている。また、回転蓄熱体Ｊ２１の貫通孔Ｊ２１ａが開口する両側の端面にはケーシングＪ１に固定されたガスシールＪ２２、Ｊ２３が配置されており、回転蓄熱体Ｊ２１は図８（ａ）（ｃ）の矢印Ｌ方向にガスシールＪ２２、Ｊ２３の間を摺動回転するように構成されている。
【０００９】
回転式熱交換器Ｊ２０で発生するガス漏れには、回転蓄熱体Ｊ２１とガスシールＪ２２、Ｊ２３との間からの直接的なシール漏れＭと、回転蓄熱体Ｊ２１にトラップされ移送されることに起因する移送漏れＮとがある。このうちシール漏れＭは、低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂとの圧力差と回転蓄熱体Ｊ２１とガスシールＪ２２、Ｊ２３との当接面における隙間に起因して発生する。
【００１０】
なお、移送漏れＮの漏れ量は、回転蓄熱体Ｊ２１の回転速度とともに増減するものであり、通常は低速回転域（例えば毎分５０回転以下）で使用するので、シール漏れＭに比べ、無視できるほど少ない。
【００１１】
低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂは燃料電池を介して連通しており、圧力損失により、通常、上流側の低温流体通路Ａに比較して下流側の高温流体通路Ｂの方が低圧になっている。このため、熱交換部Ｊ２０におけるシール漏れは低温流体通路Ａ→高温流体通路Ｂの方向で発生する。
【００１２】
このようなシール漏れＭには、低温流体通路ＡからガスシールＪ２２、Ｊ２３のクロスアームＪ２２ｂ、Ｊ２３ｂを介して高温流体通路Ｂに侵入するガス漏れと、低温流体通路Ａにおいて回転蓄熱体Ｊ２１とケーシングＪ１との間に形成された空間Ｊ２８に入り込んだ流体が高温流体通路Ｂ側に回り込んで、ガスシールＪ２２、Ｊ２３のフランジＪ２２ａ、Ｊ２３ａを介して高温流体通路Ｂに侵入するガス漏れとが存在している。
【００１３】
以上のようなガス漏れにより、低温流体通路Ａより未反応の燃料ガスや反応過程にある有害ガスが、シール部を介して高温流体通路Ｂに漏洩し、燃焼ガスと混合され外部に放出される。このため、有害ガスが外部に排出されてしまうとともに改質原料の損失が発生するという問題がある。
【００１４】
これに対して、請求項１に記載の発明では、高温流体通路（Ｂ）内を加圧する加圧手段（５１）をさらに備えていることを特徴としている。
【００１５】
これにより、高温流体通路圧力（Ｐｂ）を高くして熱交換部（２０）における低温流体通路側圧力（Ｐａ）と高温流体通路側圧力（Ｐｂ）を適切な圧力差にすることができる。このため、熱交換部（２０）のシール部において低温流体通路（Ａ）と高温流体通路（Ｂ）の圧力差に基づいて発生するガス漏れを防止することができる。
【００１６】
また、回転蓄熱体（２１）は、軸方向に多数の貫通孔（２１ａ）が形成されるともに、その貫通孔（２１ａ）の開放側の端面が２つの領域に区画されており、一方の領域は低温流体通路（Ａ）に位置し、他方の領域は高温流体通路（Ｂ）に位置しており、一方の領域に形成されている貫通孔（２１ａ）には第１改質原料が通過し、他方の領域に形成されている貫通孔（２１ａ）には燃焼ガスが通過するように構成されている。
【００１７】
また、加圧手段（５１）は、請求項２に記載の発明のように、低温流体通路（Ａ）と高温流体通路（Ｂ）は連通しており、低温流体通路（Ａ）における熱交換部（２０）と高温流体通路（Ｂ）における熱交換部（２０）との間に設けられたガス圧縮機とすることができる。
【００１８】
ガス圧縮機は吸入側より吐出側の圧力が高くなる。従って、低温流体通路（Ａ）における熱交換部（２０）と高温流体通路（Ｂ）における熱交換部（２０）との間に設けることにより、ガス圧縮機に生ずる吸排気圧力差を利用して高温流体通路圧力（Ｐｂ）を高くして熱交換部（２０）における低温流体通路側圧力（Ｐａ）と高温流体通路側圧力（Ｐｂ）を適切な圧力差にすることができる。
【００１９】
また、請求項３に記載発明では、水素を含む改質ガスが改質ガス供給路（５０）を介して水素消費装置（６０）に供給され、水素消費装置（６０）にて消費されなかった水素を含むオフガスがオフガス供給路（６１）を介して燃焼ガス供給部（７０）に供給され、オフガスの燃焼により燃焼ガスが生成されるように構成されており、ガス圧縮機（５１）は改質ガス供給路（５０）に設けられていることを特徴としている。
【００２０】
通常、ガス圧縮機は吸込式より押し込み式の方が高効率であるため、圧力損失が大きい水素消費装置の上流側に押し込み式のガス圧縮機を設けることで、水素供給装置全体の効率を向上させることができる。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明では、高温流体通路（Ｂ）における熱交換部（２０）の下流側あるいは低温流体通路（Ａ）における熱交換部（２０）の上流側の少なくとも一方に圧力調整手段（１４、８３）を設けたことを特徴としている。これにより、高温流体通路圧力（Ｐｂ）あるいは低温流体通路圧力（Ｐａ）を容易に調整することが可能となる。
【００２２】
また、圧力調整手段は、請求項５に記載の発明のように、流体通路の通路面積を変更可能な圧力制御弁（１４、８３）により構成することができる。このような圧力調整弁により流体通路面積を変更することで、吸入流体（空気）あるいは排出流体（排気ガス）の通過抵抗を調整して圧力を調整することができる。さらに、圧力調整手段は、流体通路の径を小さくして空気の吸入抵抗あるいは排気ガスの排気抵抗を大きくした絞り管路により構成することもできる。
【００２３】
また、請求項６に記載の発明では、低温流体通路（Ａ）における回転蓄熱体（２１）が設けられた部位の圧力（Ｐａ）を検出する第１の圧力検出手段（８０）と、高温流体通路（Ｂ）における回転蓄熱体（２１）が設けられた部位の圧力（Ｐｂ）を検出する第２の圧力検出手段（８１）と、第１、第２圧力検出手段（８０、８１）により検出した低温流体通路圧力（Ｐａ）と高温流体通路圧力（Ｐｂ）に基づいて、圧力制御弁（１４、８３）の開度制御を行う制御手段（９０）とを備えていることを特徴としている。
【００２４】
これにより、ガス圧縮機による改質ガス供給量の変動に伴い、低温流体通路（Ａ）および高温流体通路（Ｂ）の圧力が変動した場合でも、適切に低温流体通路（Ａ）および高温流体通路（Ｂ）の圧力を調整することができる。
【００２５】
また、請求項７に記載の発明では、制御手段（９０）は、高温流体通路圧力（Ｐｂ）と低温流体通路圧力（Ｐａ）とが略等圧、あるいは高温流体通路圧力（Ｐｂ）が低温流体通路圧力（Ｐａ）より高くなるように、圧力制御弁（１４、８３）の開度制御を行うことを特徴としている。
【００２６】
これにより、高温流体通路圧力（Ｐｂ）と低温流体通路圧力（Ｐａ）とが略等圧の場合には、両通路の間で圧力差に基づく隙間漏れは極小量となる。また、高温流体通路圧力（Ｐｂ）の方が低温流体通路圧力（Ｐａ）より高い場合には、隙間漏れのガス流れは高温流体通路（Ｂ）→低温流体通路（Ａ）となるため、低温流体通路（Ａ）の未反応の改質原料が高温流体通路（Ｂ）に漏れて外部に放出されることを防止することができる。
【００２７】
なお、本明細書でいう等圧には、熱交換部（２０）におけるシール部の隙間を介して、低温流体通路（Ａ）から高温流体通路（Ｂ）への流体漏れが発生しないか、流体漏れが発生しても外部への有害ガス排出が無視しうる範囲であれば、高温流体通路（Ｐｂ）が低温流体通路（Ｐａ）より若干低い場合も含む。
【００２８】
また、請求項８に記載の発明のように、水素供給装置は燃料電池（６０）に水素を供給するものとして好適に用いることができる。
【００２９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は本第１実施形態の水素供給装置の概略構成を示すブロック図であり、図２は水素供給装置の各構成要素の配置関係を示す概念図である。本第１実施形態の水素供給装置は、水素消費装置としての燃料電池６０に水素を供給するように構成されている。
【００３１】
図１、図２に示すように、本第１実施形態の水素供給装置は、改質原料供給部１０、熱交換部（蒸発部）２０、改質部３０、ＣＯ除去部４２、４４、ガス圧縮機（加圧手段）５０、燃焼ガス供給部（オフガス供給部）７０等を備えている。また、水素供給装置には、ハウジング１によって、改質原料が通過する低温流体通路（改質原料通路）Ａと、燃焼ガスが通過する高温流体通路（燃焼ガス通路）Ｂとが並行して形成されている。低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂはそれぞれ独立しており、熱交換部２０を介して熱の授受が行われる。
【００３２】
低温流体通路Ａでは、改質原料供給部１０で供給された改質原料（水と空気と改質燃料の混合気）が熱交換部２０で加熱・気化（蒸発）される。気化された改質原料は、改質部３０にてＨ2およびＣＯを含む改質ガスに改質され、ＣＯ除去部４２、４４にてＣＯが除去された後、水素リッチガスとしてガス圧縮機５１により燃料電池６０に供給される。
【００３３】
燃料電池６０には、水素とともに空気（酸素）が図示しない空気供給用ポンプにより供給されるように構成されており、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池６０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００３４】
高温流体通路Ｂでは、オフガスがオフガス供給路６１を介して燃焼ガス供給部７０に供給され、燃焼して燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの燃焼熱は、熱交換部２０を介して高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａを流れる改質原料に伝えられる。なお、本実施形態では、改質燃料としてガソリンや灯油といった液体石油系燃料を用いている。
【００３５】
図２に示すように低温流体通路Ａの最上流部には、改質原料（水、空気、改質燃料）を供給する改質原料供給部１０が配置されている。改質原料供給部１０には、燃料流量制御弁１１、水流量制御弁１２、空気供給通路１３、噴霧ノズル１５、混合室１６が設けられている。空気供給通路１３には、空気供給通路１３の通路面積を変化させることができる吸気制御弁（圧力調整手段）１４が設けられている。
【００３６】
燃料流量制御弁１１および水流量制御弁１２にて流量制御された改質燃料および水は、噴霧ノズル１５から混合室１６に噴霧され、空気供給通路１３から流入した空気と混合されて、改質燃料と水と空気の混合気が生成する。なお、空気は後述のガス圧縮機５１による吸入によって混合室１６に供給されるように構成されている。
【００３７】
低温流体通路Ａにおける第１改質原料供給部２０の下流側には、熱交換部（蒸発部）２０が配置されている。本第１実施形態の熱交換部２０は回転式熱交換器である。
【００３８】
図３は熱交換部（蒸発部）２０の分解斜視図である。図３に示すように、熱交換部２０には、熱エネルギを蓄える回転蓄熱体（マトリクス）２１と、マトリクス２１と密着摺動してガス漏れを防止する一対の静止ガスシール２２、２３と、マトリクス２１を回転駆動する駆動用モータ２４が設けられている。
【００３９】
マトリクス２１は、コージェライト等の耐熱性セラミックからなる円盤形状に形成されている。マトリクス２１は、軸方向に多数の貫通孔（セル）２１ａが形成されたハニカム構造となっている。マトリクス２１におけるガスシール２２、２３と接触する外周側面部２１ｂは、セメントコーティングされるか、あるいはソリッド状のセラミックリングが固着されることによって、シール面が形成されている。
【００４０】
図４は、回転蓄熱体２１を構成するセル形状の例を示している。図４（ａ）は矩形形状セル、図４（ｂ）は三角形状セルであり、それぞれの表面には酸化触媒（白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）２５が添着（坦持）されている。これにより、高温流体通路Ｂに供給される燃料電池６０のオフガスを触媒燃焼させることができる。
【００４１】
マトリクス２１は、回転軸２６とハウジング１側に設けられた軸受け２７によって支持されている。回転軸２６は、マトリクス２１の中心部に設けられたソリッド状のハブ２１ｄに固着されている。マトリクス２１は電動モータ２４により回転駆動される。マトリクス２１の外周面にはリングギア２１ｃが設けられている。電動モータ２４からの回転力は、電動モータ２４の回転軸に固定されたピニオン２４ａを介して、リングギア２１ｃに伝えられる。摺動部位である軸受け２７は高温雰囲気で用いられるため、高温無潤滑材料（硬質カーボン材等）によって形成されている。
【００４２】
ガスシール２２、２３は、例えばステンレスのような耐熱性金属やセラミックから形成されている。低温流体通路Ａの上流側であって高温流体通路Ｂの下流側に位置する第１のガスシール２２は、半円筒状フランジ２２ａとその中心を径方向に通るクロスアーム２２ｂとが一体化してＤ型に構成されている。一方、低温流体通路Ａの下流側であって高温流体通路Ｂにおける上流側に位置する第２のガスシール２３は、円筒状フランジ２３ａとその中心を径方向に通るクロスアーム２３ｂとが一体化してΘ型に構成されている。
【００４３】
クロスアーム２２ｂ、２３ｂの摺動面と、マトリクス２１の外周側面部２１ｂと接触するガスシールのシール面２２ｃ、２３ｃには、マトリクス２１およびガスシール２２、２３の摩耗を少なくするため、摩擦係数の低い高温無潤滑材料層（図示せず）がコーティング等によって形成されている。
【００４４】
低温流体通路Ａを流れる高圧の改質原料が高温流体通路Ｂに漏れないように、マトリクス２１とハウジング１との間にガスシール２２、２３を介在させることでシールしている。ガスシール２２、２３は、シール面２２ｃ、２３ｃでマトリクス２１を軸方向の両側から挟んだ状態でハウジング１に固定されている。マトリクス２１は、ガスシール２２、２３のクロスアーム２２ｂ、２３ｂにて２つの領域に区画される。
【００４５】
図２に示すようにマトリクス２１は、並行する低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂの双方を横断するように配置される。このとき、ガスシール２２、２３のクロスアーム２２ｂ、２３ｂで区画された一方の領域は低温流体通路Ａに位置し、他方の領域は高温流体通路Ｂに位置する。マトリクス２１はガスシール２２、２３の間を摺動回転し、改質原料が通過する低温流体通路Ａとオフガス（燃焼ガス）が通過する高温流体通路Ｂとを交互に移動する。マトリクス２１は、高温流体通路Ｂにおいて貫通孔２１ａを通過する燃焼ガスから熱を受け取った後、低温流体通路Ａに移動して貫通孔２１ａを通過する改質原料に熱を伝えて加熱・気化させる。
【００４６】
このとき、マトリクス２１の回転速度を制御することで、高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａへの伝熱速度を調整することができる。すなわち、マトリクス２１の回転速度を上げることで伝熱速度を上げることができ、回転速度を下げることで伝熱速度を下げることができる。
【００４７】
また、第１ガスシール２２はＤ型に構成されているため、回転蓄熱体２１の低温流体通路Ａにおける上流側はシールされていない。このため、低温流体通路Ａにおいて、加熱される前の低温の改質原料が、ケーシング１と回転蓄熱体２１との間に形成された空間２８に入り込むこととなる。これにより、高温となる回転蓄熱体２１のリングギア２１ａや電動モータ２４のピニオン２４ａを冷却することができる。
【００４８】
第２ガスシール２３はΘ型に構成されているため、回転蓄熱体２１の低温流体通路Ａにおける下流側はシールされている。これにより、低温流体通路Ａにてケーシング１と回転蓄熱体２１との間の空間２８に入り込んだ改質ガスが回転蓄熱体２１をショートパスすることを防止して、改質ガスを確実に回転蓄熱体２１を通過させることができる。
【００４９】
熱交換部２０の下流側には改質部３０が設けられている。本第１実施形態の改質部３０では、部分酸化改質（発熱反応）と水蒸気改質（吸熱反応）とが併用される。改質部３０には、改質触媒（酸化ニッケル、酸化銅、白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が添着されている。改質部３０では、熱交換部２０による加熱で気化した改質原料を改質し、Ｈ2とＣＯを含んだ改質ガスを生成する。また、改質部３０には、改質触媒の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）４０が設けられている。
【００５０】
改質部３０の下流側には、改質ガスからＣＯを除去するＣＯ除去部４２、４４が設けられている。ＣＯ除去部４２、４４は、ＣＯシフト部４２およびＣＯ浄化部４４とから構成される。ＣＯシフト部４２にはＣＯシフト反応（Ｈ2Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ2＋Ｈ2＋ＣＯ）のためのシフト触媒が設けられ、ＣＯ浄化部４４にはＣＯ浄化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2）のための浄化触媒が設けられている。
【００５１】
ＣＯシフト部４２の上流側には改質ガス温度をＣＯシフト反応に必要な温度に冷却するための第１冷却部４１が設けられ、ＣＯ除去部４４の上流側には改質ガス温度をＣＯ除去反応に必要な温度の冷却するための第２冷却部４３が設けられている。
【００５２】
また、後述のようにＣＯ除去部４２、４４の下流側にはガス圧縮機５１および燃料電池６０が設けられており、ガス圧縮機５１は吸入流体の温度が低温であるほうが吸入効率がよく、燃料電池６０は所定温度（８０℃程度）のときに発電効率が最もよい。そこで、ＣＯ除去部４２、４４の下流側には、ガス圧縮機５１の吸入効率向上および燃料電池６０の発電効率向上のために第３冷却部４５が設けられている。
【００５３】
改質ガスを燃料電池６０に供給するための改質ガス供給路５０には押し込み式のガス圧縮機５１が設けられている。ガス圧縮機５１は電動モータ５２により駆動される。ガス圧縮機５１は、燃料電池６０に対する出力要求の変化に応じて燃料電池６０への改質原料の供給量を変化させる。ガス圧縮機５１による吸入により、改質原料供給部１０に空気が吸引供給される。ガス圧縮機５１は、吸入側より吐出側の圧力が高くなるため、吸入側に位置する低温流体通路Ａの圧力Ｐａより高温流体通路Ｂの圧力Ｐｂの方が高くなるように圧力調整できる。
【００５４】
ガス圧縮機５１の下流側には、ガス圧縮機５１における改質ガスの圧縮に伴って昇温した改質ガスを、燃料電池６０における電気化学反応に適した温度に冷却するための第４冷却部５３が設けられている。
【００５５】
第４冷却部５３の下流側は、水素消費装置としての燃料電池６０に接続されており、水素を含んだ改質ガスが供給される。燃料電池には、水素とともに空気（酸素）が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池６０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００５６】
高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０の上流側には、熱交換部２０を加熱するための燃焼ガス供給部（オフガス供給部）７０が設けられている。燃焼ガス供給部７０には、オフエア流量制御弁７１、燃料流量制御弁（燃焼用燃料供給部）７２、噴霧ノズル７３、点火プラグ（着火手段）７４、混合・燃焼室７５が設けられている。
【００５７】
燃焼ガス供給部７０には、燃料電池６０から排出される未反応の水素を含むオフガスがオフガス供給路６１を介して供給される。これにより低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂは改質ガス供給路５０およびオフガス供給路６１を介して連通している。さらに燃焼ガス供給部７０には、燃料電池６０から排出される未反応の酸素を含むオフエアが、オフエア供給路６２を介して供給される。
【００５８】
オフガスおよびオフエアは噴霧ノズル７３から混合・燃焼室７５に噴霧され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、熱交換部２０に設けられた酸化触媒にて触媒燃焼して燃焼ガスを生ずる。この燃焼ガスの燃焼熱で回転蓄熱体２１が加熱される。回転蓄熱体２１は高温流体通路Ｂで熱を受け取り、回転して低温流体通路Ａにて改質原料を加熱する。
【００５９】
水素供給装置の始動時には、オフガスに代えて、燃料流量制御弁にて流量制御された始動用燃料（燃焼用燃料）を燃焼室７５に噴霧し、点火プラグ７４にて着火して、火炎燃焼により燃焼ガスを生じさせるように構成されている。なお、本第１実施形態では、始動用燃料として改質燃料と同様の液体石油系燃料を用いている。
【００６０】
低温流体通路Ａにおける熱交換部２０近傍（本実施形態では熱交換部２０の上流側）には、低温流体通路Ａにおける回転蓄熱体２１が設けられた部位の圧力Ｐａを検出する第１の圧力センサ（第１の圧力検出手段）８０が設けられている。また、高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０近傍（本実施形態では熱交換部２０の下流側）には、高温流体通路Ｂにおける回転蓄熱体２１が設けられた部位の圧力Ｐｂを検出する第２の圧力センサ（第２の圧力検出手段）８１が設けられている。圧力センサ８０、８１は、回転蓄熱体２１における低温流体通路Ａ側および高温流体通路Ｂ側の貫通孔２１ａを通過する流体の圧力Ｐａ、Ｐｂを検出する。
【００６１】
また、高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０の下流側には絞り管部（燃焼ガス排気通路）８２が設けられ、絞り管部８２には通路面積を変化させることができる排気制御弁（圧力調整手段）８３が設けられている。
【００６２】
上記ガス圧縮機５１および排気制御弁８３とで高温流体通路Ｂを加圧することができる。また、ガス圧縮機５１および改質原料挙休部１０における空気供給通路１３の吸気制御弁１４とで低温流体通路Ａを減圧することができる。具体的にはガス圧縮機５１の作動時に、燃焼ガス排気通路８２の通路面積を排気制御弁８３で小さくして排気抵抗を大きくすることで高温流体通路圧力Ｐｂを高くすることができる。また、ガス圧縮機５１の作動時に、空気供給通路１３の通路面積を吸気制御弁１４で小さくして吸気抵抗を大きくすることで低温流体通路圧力Ｐａを低くすることができる。
【００６３】
図５は、本実施形態の水素供給装置の制御系を示している。図５に示すように、本第１実施形態の水素供給装置には、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）９０が設けられている。制御部９０には、温度センサ４０にて検出した温度信号、圧力センサ８０、８１にて検出した圧力信号が入力され、各流量制御弁１１、１２、７１、７２、圧力制御弁１４、８３、回転蓄熱体駆動用モータ２４、点火プラグ７４に制御信号を出力するように構成されている。
【００６４】
以下、上記構成の水素供給装置の作動について説明する。まず、水素供給装置の始動時について説明する。改質部３０において改質反応が開始するためには、改質部３０に供給される改質原料が蒸発・気化しており、かつ改質部３０の改質触媒が改質反応を開始可能な所定温度まで昇温している必要がある。
【００６５】
そこで、まず燃焼ガス供給部７０の燃焼室７５にて始動用燃料と空気との混合気を生成し、点火プラグ７４にて着火して火炎燃焼させる。この火炎燃焼により生成した燃焼ガスは、高温流体通路Ｂを流れて熱交換部２０を貫流する。これにより、回転蓄熱体２１のうち高温流体通路Ｂに位置する部位は燃焼ガスにより加熱される。このときガス圧縮機５１を作動させ、改質原料供給部１０に空気を供給する。
【００６６】
回転蓄熱体２１が回転することで、燃焼ガスにて加熱された部位が低温流体通路Ａに移動し、低温流体通路Ａを流れる空気が加熱される。この加熱空気が低温流体通路Ａを流れることにより、熱交換部２０の下流側の各構成要素が急速に暖気される。
【００６７】
このとき、燃焼ガス供給部７０で発生した燃焼ガスには不完全燃焼等により有害ガスが含まれるが、燃焼ガスは回転蓄熱体２１を通過する際に、貫通孔２１ａの表面に添着された酸化触媒２５により触媒燃焼（触媒酸化反応）する。従って、始動用燃料と空気との混合割合を適切に調整して火炎燃焼させ、さらに熱交換部２０にて燃焼ガス中の有害成分を触媒燃焼させることによって、燃焼ガスを完全酸化反応（完全燃焼）させることができる。これにより、燃焼ガス中の有害ガスを十分に清浄化させた上で、外部に排出することができる。
【００６８】
燃焼ガスの燃焼熱により、熱交換部２０、改質部３０、ＣＯ除去部（シフト部、浄化部）４２、４４といった改質システムの各構成要素が急速に暖気（予熱）される。そして、温度センサ４０にて検出した改質部３０の温度が所定改質反応開始温度に到達した場合に、改質触媒を含めた改質システムの構成要素が改質反応を開始することができる温度に到達したと判断して、燃焼ガス供給部７０での始動用燃料の供給を中断して火炎燃焼を停止する。
【００６９】
なお、所定改質反応開始温度は改質燃料の種類等に応じて任意に設定できるが、本第１実施形態のように改質燃料として石油系燃料を用いる場合には３００℃〜４００℃と設定することができる。
【００７０】
各構成要素の暖気が完了すると、改質原料供給部１０にて改質原料（水、空気、改質燃料の混合気）の供給が開始される。改質原料は熱交換部２０にて加熱・気化される。気化された改質原料は、改質部３０にてＨ2とＣＯを含む改質ガスに改質される。改質ガスは、ＣＯ除去部４２、４４にてＣＯが除去され、ガス圧縮機５１により燃料電池６０に供給される。
【００７１】
燃料電池６０では、水素と酸素との化学反応により発電するとともに、未反応水素を含むオフガスと未反応の酸素を含むオフエアが排出される。オフガスはオフガス導入経路６１を介して、オフエアはオフエア供給路６２を介して高温流体通路Ｂの燃焼ガス供給部７０に導入され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、回転蓄熱体２１を通過する際に触媒燃焼を開始する。このオフガスの触媒燃焼によって発生した熱は回転蓄熱体２１に蓄えられ、回転蓄熱体２１が回転移動することにより、低温流体通路Ａを通過する改質原料を加熱・気化する。
【００７２】
このように、オフガスの触媒燃焼による熱により、改質原料を加熱して気化するとともに、加熱された改質原料を介して下流側の改質部３０をも加熱することができる。これにより、熱交換部２０、改質部３０の加熱は、始動用燃料の火炎燃焼による加熱からオフガス燃焼による加熱に切り替わり、水素供給装置は自立運転を開始することができる。
【００７３】
このとき、ガス圧縮機５１の出力調整および吸気制御弁１４、排気制御弁８２の開度調整により、圧力センサ８０、８１にて検出した高温流体通路Ｂの圧力Ｐｂと低温流体通路Ａの圧力Ｐａとが等圧程度になるように、あるいは高温流体通路圧力Ｐｂの方が低温流体通路圧力Ｐａより高くなるように圧力調整を行う。シール漏れによるガス漏れを防止するという点で、低温流体通路圧力Ｐａと高温流体通路圧力Ｐｂは等圧であることがより望ましい。
【００７４】
なお、本明細書でいう等圧には、熱交換部２０における回転蓄熱体２１とガスシール２２、２３とのシール部の隙間を介して、低温流体通路Ａから高温流体通路Ｂへの流体漏れが発生しないか、流体漏れが発生しても外部への有害ガス排出が無視しうる範囲であれば、高温流体通路Ｂの圧力Ｐｂが低温流体通路Ａの圧力Ｐａより若干低い場合も含む。
【００７５】
次に、燃料電池６０における負荷が変動した場合には、燃料電池６０での負荷変動に応じてガス圧縮機５１により改質原料の供給量を調整して、燃料電池６０への水素供給量を調整する。このとき、ガス圧縮機５１による改質ガス供給量が増加した場合には高温流体通路圧力Ｐｂが高くなり、減少した場合には高温流体通路圧力Ｐｂが低くなる。このため吸気制御弁１４および排気制御弁８２の開度を調整し、低温流体通路圧力Ｐａ≦高温流体通路圧力Ｐｂとなるように圧力調整を行う。
【００７６】
水素供給装置において水素供給量を増加させた場合には、改質部３０の改質反応に伴う吸熱量増加により改質部３０の温度が低下するため、改質部３０の加熱量を増加させる必要がある。ところが、水素供給装置の水素供給量増加に伴う燃料電池６０のオフガス排出量増加には、タイムラグがある。このため、水素供給装置での水素供給量を急速に増加させた場合には、オフガス燃焼による燃焼熱が不足する場合がある。このような場合には、一時的に燃焼ガス供給部７０にて始動用燃料を噴霧して点火プラグ７４で着火することで、火炎燃焼による燃焼熱を利用して熱補給することができる。これにより、常に適温下で改質反応を促進することができる。
【００７７】
また、改質原料中の空気の混合割合を増加させることで、改質部３０における部分酸化反応（発熱反応）の割合を増加させ、改質部３０での発熱量を増加させることができる。これによっても、オフガス燃焼の燃焼熱の不足を補うことができる。さらに、回転蓄熱体２１の回転を速めることによっても、高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａへの伝熱速度を速くすることができる。これによっても、オフガス燃焼の燃焼熱の不足を補うことができる。
【００７８】
なお、燃料電池６０における負荷増加の伴う改質部３０の温度低下は、温度センサ４０にて直接的に検出することができる。あるいは燃料電池６０が例えば車両走行用モータの駆動電源として用いられている場合には、アクセル開度に基づいて燃料電池６０の負荷変動を予測し、改質部３０の温度変化を予測するように構成してもよい。
【００７９】
水素供給装置から燃料電池６０への水素の供給を停止する場合には、改質燃料と水の供給を停止し、次に空気の供給を停止する。この間、低温流体通路Ａ内に残存する可燃混合気は、高温流体通路Ｂにおいて熱交換部２０内またはその表面部での触媒燃焼により燃焼完結するので、エミッションの排出を抑制することができる。また、水素供給装置の停止時に吸気制御弁１４、排気制御弁８３を閉じることにより、有害ガスを水素供給装置内に閉じこめることができ、有害ガスが外部に排出されることを有効に防止できる。
【００８０】
ここで、図６に基づいて回転式熱交換器２０にて発生するガス漏れについて説明する。図６は、ガスシール２２、２３による回転蓄熱体２１のシール状態を示す拡大断面図である。図６（ｂ）は回転蓄熱体２１およびガスシール２２、２３の断面構成を示しており、図６（ａ）（ｃ）はそれぞれ流体の流れ方向からみたガスシール２２、２３を示している。回転蓄熱体２１は矢印Ｌ方向に回転する。
【００８１】
ガス漏れは、回転蓄熱体２１とガスシール２２、２３との間からの直接的なシール漏れＭと、回転蓄熱体２１にトラップされ移送されることに起因する移送漏れＮがある。すなわち、熱交換部２０におけるガス漏れは、低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂとの圧力差と回転蓄熱体２１とガスシール２２、２３との当接面における隙間に比例する隙間漏れ量と、ガスシール２２、２３のクロスアーム２２ｂ、２３ｂと回転蓄熱体２１の貫通孔２１ａによって形成される空間移動容積（回転蓄熱体の回転に伴う移動）による移送漏れ量（キャリーオーバーロス）との合計になる。
【００８２】
そこで、本第１実施形態では、ガス圧縮機５１および圧力制御弁１４、８３を設け、高温流体通路Ｂの圧力Ｐｂを低温流体通路Ａの圧力Ｐａと同程度あるいは高温流体通路Ｂの圧力Ｐｂの方を高くなるように圧力調整している。これにより、低温流体通路Ａから高温流体通路Ｂへの隙間漏れＭを防止して、影響の少ない僅かな移送漏れＮのみとすることができる。
【００８３】
すなわち、高温流体通路圧力Ｐｂ＝低温流体通路圧力Ｐａの場合には、両通路の間で圧力差に基づく隙間漏れはなくなる。また、高温流体通路圧力Ｐｂ＞低温流体通路圧力Ｐａの場合には、隙間漏れの流れは高温流体通路Ｂ→低温流体通路Ａとなるため、低温流体通路Ａの未反応の改質原料が高温流体通路Ｂに漏れて外部に放出されることを防止することができる。このとき、高温流体通路Ｂの燃焼ガスが隙間漏れにより低温流体通路Ａに漏れることになるが、水素供給装置内を循環するため、エミッションが外部に排出されるという問題はない。
【００８４】
以上のように、本第１実施形態の水素供給装置によれば、ガス圧縮機５１を、低温流体通路Ａにおける熱交換部２０と高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０との間に配置することで、圧縮機５１に生ずる吸排気圧力差を利用して簡易な構成で回転蓄熱体２１とガスシール２２、２３とのシール部で発生する流体漏れを防止することができる。
【００８５】
また、圧力調整手段として圧力制御弁１４、８２を設けることで、ガス圧縮機５１による改質ガス供給量が変動して低温流体通路圧力Ｐａと高温流体通路圧力Ｐｂが変動しても、これらの圧力を適正に調整することができる。
【００８６】
また、燃料電池６０における圧力損失が大きいため、本第１実施形態のように燃料電池６０の上流側に押し込み式のガス圧縮機５１を設けることで、ガス圧縮機５１の効率を向上させることができる。さらに、ガス圧縮機５１の上流側に冷却部４５を設けることで、冷却された改質ガスをガス圧縮機５１に供給することができ、ガス圧縮機５１の吸入効率を向上させることができる。さらに、ガス圧縮機５１の上流側および下流側に冷却部４５、５３を設けることで、ガス圧縮機５１における圧縮により昇温した改質ガスを冷却し、燃料電池６０に電気化学反応に適した温度にすることができる。
【００８７】
また、水素供給装置の停止時に吸気制御弁１４および排気制御弁８３を閉じることにより、有害ガスを水素供給装置内に閉じこめることができ、有害ガスが外部に排出されることを有効に防止できる。
【００８８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態における水素供給装置を図７に基づいて説明する。本第２実施形態は上記第１実施形態に比較して改質原料を蒸発・気化させる蒸発部および改質原料を改質する改質部の構成が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。本第２実施形態では、蒸発部と改質部で熱交換部を構成している。
【００８９】
図７に示すように、本第２実施形態では、回転式熱交換器が回転蓄熱体２１、３１を２個備えた２段構成となっており、蒸発部２０および改質部３０を構成している。２個の回転蓄熱体２１、３１は同軸上に配置されており、１個の駆動用モータ２４にて回転駆動される。これらの回転蓄熱体２１、３１は、上記図３で示した第１実施形態と同様の構成であり、改質部３０では、一対のガスシール３２、３３が両方ともガスシール２３と同様のΘ型に構成されている。また、改質部３０の回転蓄熱体３１には改質触媒が坦持されている。
【００９０】
改質原料供給部１０では、水と空気との混合気が供給され、改質燃料は蒸発部２０と改質部３０の間に設けられた噴霧ノズル１７より低温流体通路Ａに供給される。改質燃料は、蒸発部２０にて蒸発・気化した水・空気混合気と混合されて改質部３０に供給される。
【００９１】
以上、本第２実施形態のような２段式の回転式熱交換器においても、ガス圧縮機５１および圧力制御弁１４、８３によって高温流体通路Ｂの圧力Ｐｂを低温流体通路Ａの圧力Ｐａと等圧程度、あるいは高温流体通路圧力Ｐｂの方を高くすることにより、回転蓄熱体２１、３１とガスシール２２、２３、３２、３３とのシール部で発生する流体漏れを防止することができる。
【００９２】
また、本第２実施形態のような構成であれば、改質部３０の改質触媒が高温流体通路Ｂにて燃焼ガスで直接的に加熱されるので、改質部３０を早期に昇温させることができる。
【００９３】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、ガス圧縮機５１を燃料電池６０の上流側に設けたが、これに限らず、低温流体通路Ａにおける熱交換部２０の下流側であって高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０の上流側であれば任意の場所に設けることができる。例えば、ガス圧縮機５１を燃料電池６０の下流側に設けてもよい。この場合にはガス圧縮機５１における圧縮で発生する熱を考慮する必要がないため、ガス圧縮機５１の下流側の冷却部５３を省略できる。
【００９４】
また、上記各実施形態では、圧力調整手段として吸気制御弁１４および排気制御弁８３を設けたが、これに限らず、これら圧力制御弁１４、８３を省略して加圧手段としてのガス圧縮機５１のみで高温流体通路Ｂの圧力Ｐｂを高くするように構成してもよい。さらに、ガス圧縮機５１に加えて排気制御弁８３あるいは吸気制御弁１４のいずれか一方のみを設ける構成としてもよい。圧力調整手段は、制御弁１４、８３に限らず、流体通路の径を小さくして空気の吸入抵抗あるいは排気ガスの排気抵抗を大きくした絞り管路により構成することもできる。
【００９５】
また、上記各実施形態では、燃料電池６０から排出されるオフエアが燃焼ガス供給部７０での燃焼に利用されるように構成されているが、燃料電池６０で酸素を消費されたオフエアは酸素濃度が低くなっているため、燃焼には不十分な場合が考えられる。そこで、燃料電池６０に供給される空気の一部を燃料電池６０をバイパスさせる通路を設け、燃料電池６０をバイパスした空気を燃焼ガス供給部７０に供給するように構成してもよい。
【００９６】
また、上記各実施形態では、改質燃料としてガソリン、軽油等の液状石油系燃料を用いたが、これに限らず、改質燃料としてメタノール、天然ガス等の各種炭化水素化合物を用いることができ、さらに例えばアンモニアのような炭素を含まない水素化合物を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の水素供給装置のブロック図である。
【図２】図１の水素供給装置の概念図である。
【図３】図１の水素供給装置の熱交換部の分解斜視図である。
【図４】図３の熱交換部の拡大断面図である。
【図５】図１の水素供給装置の制御系の説明図である。
【図６】ガスシールによる回転蓄熱体のシール状態を示す拡大断面図である。
【図７】第２実施形態の水素供給装置の概念図である。
【図８】従来技術における、ガスシールによる回転蓄熱体のシール状態を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１０…改質原料供給部、１４…吸気制御弁、２０…熱交換部（蒸発部）、３０…改質部、５１…ガス制御弁（加圧手段）、６０…燃料電池（水素消費装置）、７０…燃焼ガス供給部、８０、８１…圧力センサ（圧力検出手段）、８３…排気制御弁。
【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】
0004759837.tif 000006
【図６】
0004759837.tif 000007
【図７】
0004759837.tif 000008
【図８】
0004759837.tif 000009