(57)【要約】【課題】熱利用効率の高い水素発生装置およびこれを利用した燃料電池発電システムを提供すること。【解決手段】燃焼用空気供給部１３の空気吸込部１４が水平平板状に構成され、これが改質器１及びバーナ２の上部を覆うように配置されている。これにより改質器及びバーナ外郭部から放出され対流上昇する熱エネルギーを燃焼用空気供給部の空気吸込部から燃焼用空気のエネルギーとして回収利用することができ熱利用効率を高くすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気と原料を用いて、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱するバーナと、前記バーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部とを備え、前記燃焼用空気供給部の空気吸込部が、前記改質部及び前記バーナの上部に配置されている水素発生装置。
【請求項２】
前記燃焼用空気供給部が、燃焼空気用送風機と、前記空気吸込部から前記燃焼空気送風機までを繋ぐ空気搬送ダクトとを備えることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記燃焼空気用送風機は、前記改質器及び前記バーナからの放熱を受けにくい位置に配置され、前記空気搬送ダクトは前記改質器及び前記バーナからの放熱を受ける位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記空気吸込部の吸込口は複数の子穴から構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記空気吸込部の平板内部に少なくとも１箇所以上の堰を備えた請求項１〜４のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記空気搬送ダクト部に少なくとも１箇所以上の堰を備えた請求項１〜５のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の水素発生装置と、前記水素生成装置から供給される水素を用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池が、前記空気吸込部の上部に配置されたことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素系物質を主原料とし、燃料電池等の水素利用機器に供給するための水素リッチガスを発生させる水素発生装置およびこれを利用した燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下に、従来の水素発生装置およびこれを利用した燃料電池発電システムについて図６を用いて説明する。
【０００３】
１は水と原料との供給を受けて、少なくとも一酸化炭素及び水素を含有する改質ガスを供給する改質器、２は改質器を加熱するバーナ、３はバーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部であり、空気吸込口４より外気温に近い温度の空気を機外から取り入れている。改質器１から送出される改質ガスは、燃料電池のスタック９に送られ発電に利用される。また、バーナ２で燃焼した燃焼ガスは、改質器排気口５から排出される。ここで、燃料電池システムパッケージ１０内の可燃性ガスを外部に排気するための換気ファン６を設けている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３２９５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、燃焼用空気は常に機外から取り入れている。一方、換気ファン６を運転することで、水素発生装置の外郭部より放出される熱は積極的に機外へ放出されている。このため特に、改質器１及びバーナ２の外郭部の温度は高温であるが、そこから放出される熱は機外に排出されてしまい、熱が有効に利用されていないことになり低い熱利用効率の機器となってしまう。すなわち、従来の燃料電池システムでは、熱が有効に利用されておらず、熱効率が低いという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を考慮し、熱利用効率の高い燃料電池発電システムを提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、第１の本発明の水素生成装置は、水蒸気と原料を用いて、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱するバーナと、前記バーナに燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部とを備え、前記燃焼用空気供給部の空気吸込部が、前記改質部及び前記バーナの上部に配置されていることを特徴とする。これにより、改質器及びバーナ外郭部から放出され対流上昇する熱エネルギーを燃焼用空気供給部の空気吸込部から燃焼用空気のエネルギーとして回収利用することができ熱利用効率を高くすることができる。
【０００７】
また、第２の本発明は、前記燃焼用空気供給部が、燃焼空気用送風機と、前記空気吸込部から前記燃焼空気送風機までを繋ぐ空気搬送ダクトとを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の本発明は、燃焼空気用送風機は放熱を受けにくい位置に配置されることにより電動機部の温度上昇に配慮しつつ、一方空気搬送ダクトは改質器及びバーナから放出された熱エネルギーを受ける位置に配置されることにより、より有効に燃焼用空気のエネルギーとして回収利用することができ熱利用効率を一層高くすることができる。
【０００９】
また、第４の本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素発生装置で生成した水素で発電する燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックが前記空気吸込部上部に構成され、燃料電池スタック外郭部から放出される熱エネルギーも空気吸込部より併せて燃焼用空気のエネルギーとして回収利用することができるのでより一層熱利用効率を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、熱利用効率の高い水素発生装置およびこれを利用した燃料電池発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、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。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第1の実施形態における燃料電池発電システムの構成図である。同図において、２１は、改質器１に、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含む原料を供給する原料供給部、２２は、改質器１に改質反応に必要な水蒸気分の水を供給する水供給部であり、それぞれ改質触媒を充填した改質部１に繋がっている。改質器１は、燃料供給部２３から供給された燃料と、燃焼用空気供給部１３内の空気吸込部１４より供給された空気とにより燃焼するバーナ２により加熱された改質触媒により、原料と水蒸気とから改質反応が行われ、水素を含有する改質ガスを生成する。改質器1から送出される改質ガスは変成触媒を充填した変成器７に送られ変成反応が行われる。変成器７において変成反応を経た改質ガスはＣＯ選択酸化触媒を充填した浄化器８に送られ、浄化器８でＣＯ選択酸化反応によりＣＯ濃度が数１０ｐｐｍ以下になった改質ガスは燃料電池のスタック９に送られ発電に利用される。
【００１３】
原料供給部２１および燃料供給部２３から供給される原料および燃料は、天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ等の気体状炭化水素、あるいはガソリン、灯油、メタノール等の液体状炭化水素化合物である。ただし、液体状炭化水素化合物を用いるときには燃料の気化部が必要となるが、改質器１やバーナ２周囲からの伝導熱や燃焼排気ガス中の顕熱などを利用した気化部を構成することが可能である。また、原料供給部２１、水供給部２２、燃料供給部２３、燃焼用空気供給部１３の流量調整は、ポンプやファン等を利用して、その動作を制御する方法や、ポンプやファンなどの下流側にバルブ等の流量調整器を設置する方法などがあるが、本実施の形態ではそれらを含めてそれぞれの供給部として示している。
【００１４】
ここで、改質器1及びその改質部１の上部に設けられたバーナ２の夫々の表面は高温となりその外側に断熱材を使用するが、それでもその外郭部から相当の熱エネルギーが放出され対流上昇する。本構成において燃焼用空気供給部１３の空気吸込部１４は、改質器１及びバーナ２の上部に平板状に構成され、その側面に空気吸込口１５が設けられている。図３は、図１における空気吸込部１４の部分を立体的に抜き出した図である。改質器1及びバーナ２の外郭部より放出された熱エネルギーは対流空気となって上昇し、上部の空気吸込部１４の平板下面を加熱した後、空気吸込口１５より燃焼用空気として空気吸込部１４に入っていく。バーナで燃焼する際に、ここで得られた熱エネルギーの分だけ燃料のエネルギーを減らすことが可能となる。その結果、消費燃料を減らすことができるので熱効率を上げることができる。
【００１５】
また、燃料電池スタック９は燃焼用空気供給部１３内の平板状に構成された空気吸込部１４の上部に設けられている。この構成により燃料電池のスタック９の外郭部から放出される熱エネルギーも空気吸込部１４から燃焼用空気のエネルギーとして回収利用することができるのでより一層熱利用効率を高くすることができる。
【００１６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施形態における燃料電池発電システムの構成図である。実施の形態１とは、燃焼空気用送風機５と空気搬送ダクト１６とを備えている点が異なる。燃焼空気用送風機５は改質器1及びバーナ２からの放熱を受けにくい位置に配置されている。その理由は、一般的に送風機の電動機部は連続運転時に自己発熱するので電動機部の軸受けや電子部品等が限界温度以下になるように設計的な配慮をする。この、燃焼空気用送風機５をに設けると、改質器1及びバーナ２から放熱し、上昇した熱エネルギーを受け、その限界温度に近づきやすくなるので、なるべく放熱をうけない機器下部側に配置したほうがよい。実施の形態１で空気吸込部１４は機器上部側に構成されるので、燃焼空気送風用に電動機を用いる時には、機器上部側の空気吸込部１４と機器下部側の燃焼空気用送風機５とを繋ぐための空気搬送ダクト１６が必要である。このとき空気搬送ダクト１６は改質器１及びバーナ２の外郭部のからの放熱を受ける位置に配置することにより、空気吸込部１４からだけでなくこの空気搬送ダクト１６からも熱エネルギーを回収することができ、熱利用効率を一層高くすることができる。空気搬送ダクト１６から熱エネルギーを回収する方法としては、改質器1及びバーナ２の近傍に配置し輻射熱として回収する方法、及び改質器1及びバーナ２と接触させて熱伝導で回収する方法等がある。
【００１７】
なお、実施の形態１及び実施の形態２では、改質器１及びバーナ２だけでなく変成器７及び浄化器８の上部空間も含むように空気吸込部１４を設けているため、改質器１及びバーナ２だけでなく変成器７及び浄化器８の外郭部から放熱するエネルギーも回収できる構成になっている。したがって、変成器７及び浄化器８の外郭部の温度が高いときには同じく熱利用効率を高くすることに作用する。
【００１８】
（実施の形態３）
図３において、空気吸込口１５は複数の小穴が形成され、かつ平板の側面にほぼ均一に設けられている。小穴形状で、より多くの吸入口を設けることによりゴミや水分等が空気吸込み部に入り込みにくくすることができるとともに、大きなゴミ等で空気吸込口の一部が塞がったときでも、塞がっていない他の空気吸込口から吸込むことができるので、空気不足による機器の異常を引き起こしにくくすることができる。また、この平板を水平に設置し、吸入口を側面にほぼ均一に設けることにより高温となった対流空気が空気吸込口からほぼ均一に取り入れられやすくなり、平板の下部が均一に加熱され熱回収率の向上が期待できる。
【００１９】
（実施の形態４）
図４は、燃焼用空気供給部１３において、空気吸込部１４の平板内部に堰３１を設けている。これにより、空気吸込口から仮にホコリ、雨水等の水分が入り込んだときでも、この堰３１によりな内部への流入を堰とめることができ、送風機やバーナへそれらのホコリや水分等が達して異常を引き起こすといった事態を回避することができる。
【００２０】
（実施の形態５）
さらに、空気搬送ダクト部１６にも堰を設けることにより、ホコリや水分等送風機やバーナに達して異常を引き起こすといった事態をより確実に回避することができる。図５では、その手段として空気搬送ダクト部にジャバラ管を用いている。ジャバラ管の内面ジャバラ部が堰としての役目を果たしている。ジャバラ管を用いなくても、堰の手段として有効な方法は多く考えられるがそれらの方法でももちろん支障はない。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の水素生成装置は、熱利用効率の高いという効果を有し、水素生成装置だけでなくこれを利用した燃料電池発電システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における水素発生装置およびこれを利用した燃料電池発電システムの構成外略図
【図２】本発明の実施の形態２における水素発生装置およびこれを利用した燃料電池発電システムの構成外略図
【図３】本発明の実施の形態における空気吸込部を立体的にあらわした概略図
【図４】本発明の実施の形態４における空気吸込部を立体的にあらわした概略図
【図５】本発明の実施の形態５における空気搬送ダクトをあらわした概略図
【図６】従来の水素発生装置およびこれを利用した燃料電池発電システムの構成外略図
【符号の説明】
【００２３】
１    改質器
２    バーナ
３    燃焼用空気供給部
４    空気吸込口
５    燃焼空気送風機
６    換気用送風機
７    変成器
８    浄化器
９    スタック
１３    燃焼用空気供給部
１４    空気吸込部
１５    空気吸込口
１６    空気搬送ダクト
２１    原料供給部
２２    水供給部
２３    燃料供給部
３１    堰
【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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