(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスを発生する燃焼部と、
該燃焼部により生じた燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガスからの伝熱を利用して、少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
外部から供給された水を前記燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスからの伝熱を利用して蒸発させることにより水蒸気を生成し、該水蒸気を前記改質器に供給する蒸発室とを備え、
前記燃焼ガス流路は前記改質器の外側の少なくとも一部を覆うように設けられており、前記蒸発室は、前記燃焼ガス流路の外側の少なくとも一部を覆うように設けられ、水または水蒸気の入り口を有する第１蒸発室と、該第１蒸発室の内側であって、しかも前記燃焼ガス流路の外側に設けられ、水蒸気の出口を有する第２蒸発室とを備え、前記第１蒸発室と前記第２蒸発室とは壁を隔てて設けられており、該壁には少なくとも１つの開口部が形成されている水素生成装置。
【請求項２】
前記蒸発室は外筒と内筒とに囲まれた筒状空間を有しており、該筒状空間に筒状の前記壁を配置することによって前記第１蒸発室および前記第２蒸発室を設けている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記第１蒸発室には、周方向に流路抵抗部が形成されており、該流路抵抗部により水または水蒸気の流路が規定される請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記流路抵抗部によって前記水または水蒸気の流路がらせん状に規定されている請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記第１蒸発室が、前記原料の入り口を有する請求項１乃至請求項４の何れかに記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記蒸発室の下端近傍には温度検知部が設けられている請求項１乃至請求項５の何れかに記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記第２蒸発室が有する前記水蒸気の出口から前記改質器までの経路において、水蒸気と燃焼ガスとが熱交換可能となるように構成されている請求項１乃至請求項６の何れかに記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記第１蒸発室の外側には燃焼ガス流路が配設されている請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記第１蒸発室に供給される水または水蒸気を燃焼ガスで加熱するための水予熱部を更に備える請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れかに記載の水素生成装置と、
酸素を含む酸化ガスおよび前記水素生成装置から供給される改質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】
【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改質ガスを得るための水素生成装置、およびその水素生成装置を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池において発電を行うためには、燃料電池に対して水素リッチなガスを供給する必要がある。このようなガスを生成する水素生成装置の従来例としては、改質反応に供される水蒸気を発生させる蒸発室が、下り勾配に巻かれたコイル状パイプで構成されているものがある（例えば、特許文献１参照。）。図５は、この従来の水素生成装置の構成を模式的に示す断面図である。図５に示すように、従来の水素生成装置は、粒状または円柱状の触媒が充填されている筒形の改質器１と、この改質器１を加熱する燃焼部であるバーナ２Ａとを備えている。このバーナ２Ａの上方であって改質器１の内側に設けられた燃焼筒２Ｂ内には前述したコイル状パイプ３が配置されており、このコイル状パイプ３の出口は蒸気供給パイプ４に接続されている。蒸気供給パイプ４は原料供給パイプ７に接続されて混合ガス導入パイプ８となり、この混合ガス導入パイプ８は燃焼筒２Ｂの上方に設けられた混合ガス室９と接続されている。また、改質器１の外周側には改質ガスが流れる改質ガス流路５が配設され、更にその改質ガス流路５の外周側には燃焼ガス流路６が配設されている。
【０００３】
以上のように構成された従来の水素生成装置において、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てパイプ内を移動しながら燃焼ガスによって加熱される。これにより気液２相流の状態を経た後、水蒸気となって蒸気供給パイプ４に供給される。このようにして蒸気供給パイプ４に供給された水蒸気は、原料供給パイプ７を流れる原料Ｘとともに、混合ガス導入パイプ８を通じて混合ガス室９に供給される。混合ガス室９に供給された水蒸気および原料Ｘは改質器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を経て外部へ排出される。また、バーナ２Ａで発生した燃焼ガスは、コイル状パイプ３および改質器１を加熱した後、燃焼ガス流路６を通過して外部に排出される。
【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、前述した従来の水素生成装置では、燃焼ガス流路６が装置の最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熱効率が低下するという問題があった。
また、コイル状パイプ３で発生した水蒸気は、装置内を引き回された蒸気供給パイプ４を経て改質器１に供給されることになるので、蒸気供給パイプ４からの放熱量が大きくなり、より一層熱効率が低下するという問題があった。
【０００６】
更に、コイル状パイプ３は高温の燃焼ガスで加熱されるため、コイル状パイプ３の管内面に水が存在しないいわゆるドライアウト状態が生じ、その結果間歇的に蒸発する突沸状態が生じやすくなる。この突沸状態により生じた水蒸気は液相から気相に変化することで急激に体積膨張する。そのため、パイプ内の流路抵抗が急激に大きくなる。したがって、突沸状態が繰り返されると水Ｙの供給圧力の脈動が大きくなり、水Ｙの供給量、ひいては水蒸気の供給量が脈動する。このように、改質器１で触媒反応に供される水蒸気量が脈動すると、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度が変動しやすくなるという問題があった。しかも、蒸気供給パイプ４を流れる水蒸気は原料Ｘと混合されて改質器１へ供給されるので、水蒸気の流量が脈動することによって原料Ｘの供給圧力が脈動する。その結果原料Ｘの流量が脈動することになるため、燃料電池に供給される改質ガスの流量も脈動し、燃料電池における発電量が不安定になるという問題があった。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱効率の向上、改質ガス中のＣＯ濃度の安定化、および改質ガスの供給量の安定化を図ることができる水素生成装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、燃焼ガスを発生する燃焼部と、該燃焼部により生じた燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、前記燃焼ガスからの伝熱を利用して、少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料と水蒸気とから水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器と、外部から供給された水を前記燃焼ガス流路を流れる燃焼ガスからの伝熱を利用して蒸発させることにより水蒸気を生成し、該水蒸気を前記改質器に供給する蒸発室とを備え、前記燃焼ガス流路は前記改質器の外側の少なくとも一部を覆うように設けられており、前記蒸発室は、前記燃焼ガス流路の外側の少なくとも一部を覆うように設けられ、水または水蒸気の入り口を有する第１蒸発室と、該第１蒸発室の内側であって、しかも前記燃焼ガス流路の外側に設けられ、水蒸気の出口を有する第２蒸発室とを備え、前記第１蒸発室と前記第２蒸発室とは壁を隔てて設けられており、該壁には少なくとも１つの開口部が形成されている
【０００９】
このように、最も高温となる改質器が内側に配置され、最も低温となる蒸発室が外側に配置されるため、従来と比べて熱効率を向上させることができる。また、過熱蒸気が発生する第２蒸発室の外側に第１蒸発室を配置することによって、その内部には液体の水と飽和水蒸気とが通過するので、第１蒸発室の外側はおよそ１００℃以下に低温下することができる。よって、周囲への放熱量を少なくすることができ熱効率をより一層向上させることができる。
【００１２】
また、第１蒸発室で発生した水蒸気は開口部を通過して速やかに第２蒸発室に移動するため、第１蒸発室で水蒸気が発生する際の体積膨張による圧力上昇を低減できる。これにより、水の供給圧力の変動を小さくすることができるので、改質器に供給される水蒸気量が安定化できる。よって、触媒反応が安定化でき、改質ガス中のＣＯ濃度および水素量を安定化することができる。
【００１３】
また、前記発明に係る水素生成装置において、前記蒸発室は外筒と内筒とに囲まれた筒状空間を有しており、該筒状空間に筒状の前記壁を配置することによって前記第１蒸発室および前記第２蒸発室を設けていることが好ましい。
【００１４】
また、前記発明に係る水素生成装置において、前記第１蒸発室には、周方向に流路抵抗部が形成されており、該流路抵抗部により水または水蒸気の流路が規定されることが好ましい。この場合、前記流路抵抗部によって前記水または水蒸気の流路がらせん状に規定されていることが好ましい。
【００１５】
このように構成すると、水の蒸発能力を向上させることができ、水蒸気改質反応に供される水蒸気量を増大させることができるので、原料の転化率が向上し、水素量を増大する。
【００１６】
また、前記発明に係る水素生成装置において、前記第１蒸発室が、前記原料の入り口を有することが好ましい。
【００１７】
また、前記発明に係る水素生成装置において、前記蒸発室の下端近傍には温度検知部が設けられていることが好ましい。
【００１８】
また、前記発明に係る水素生成装置において、前記第２蒸発室が有する前記水蒸気の出口から前記改質器までの経路において、水蒸気と燃焼ガスとが熱交換可能となるように構成されていることが好ましい。
【００１９】
また、前記発明に係る水素生成装置において、前記第１蒸発室の外側には燃焼ガス流路が配設されていることが好ましい。
【００２０】
更に、前記発明に係る水素生成装置において、前記第１蒸発室に供給される水または水蒸気を燃焼ガスで加熱するための水予熱部を更に備えることが好ましい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項９の何れかに記載の水素生成装置と、酸素を含む酸化ガスおよび前記水素生成装置から供給される改質ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。これにより、燃料電池における発電量を安定化させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置１００は、燃焼ガスを発生するバーナ１６と、このバーナ１６の上方に設けられた円筒状の燃焼室１７とを備えている。この燃焼室１７の外周側には、筒状の改質器１０が燃焼室１７と同軸上に設けられている。改質器１０は、水蒸気改質触媒が充填されている触媒層を収容しており、その触媒層内で原料ガスを水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する。
【００２４】
なお、水素生成装置１００の外側には、燃料電池１０１が設けられており、これら水素生成装置１００および燃料電池１０１により本発明の燃料電池システムが構成されている。改質器１０において生成された改質ガスは改質ガス排出口２７から排出されて燃料電池１０１に供給される。
【００２５】
また、改質器１０の外周側には該改質器１０において生成された改質ガスを改質ガス排出口２７へ導くための筒状の改質ガス流路１１が、改質ガス流路１１の外周側にはバーナ１６において発生した燃焼ガスが流れる筒状の燃焼ガス流路１２が、それぞれ燃焼室１７と同軸上に設けられている。燃焼ガス流路１２は、筒状の断熱材１３および筒体１４によって区画された流路からなり、燃焼ガス排出口１５に向けて燃焼ガスを導くように構成されている。
【００２６】
更に、燃焼ガス流路１２の外周側であって、水素生成装置１００の最外周には、筒状の蒸発室２８が燃焼室１７と同軸上に設けられている。この蒸発室２８は、筒状の第１蒸発室１８および該第１蒸発室１８と筒状の隔壁２１を隔てて設けられた第２蒸発室２２から構成されている。ここで、第２蒸発室２２は燃焼ガス流路１２側に位置し、第１蒸発室１８は隔壁２１を介して第２蒸発室２２の外周側、すなわち水素生成装置１００の最外周に位置している。第１蒸発室１８の上方部には、少なくとも炭素および水素から構成される化合物を含む原料Ｘを装置内に供給するための原料入り口１９および水Ｙを同じく供給するための水入り口２０が形成されている。なお、少なくとも炭素および水素から構成される化合物としては、例えばメタン、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、灯油、およびＬＰＧ（液化石油ガス）などが挙げられる。また、第２蒸発室２２の上方部には、蒸発室２８において発生した水蒸気の出口である水蒸気出口２４が設けられている。この水蒸気出口２４は水蒸気供給パイプ２５を介して改質器１０と接続されている。したがって、水蒸気出口２４から排出される水蒸気は、水蒸気供給パイプ２５を介して改質器１０へ供給されることになる。
【００２７】
これらの第１蒸発室１８と第２蒸発室２２とは隔壁２１に形成された複数の開口部２３および連絡部２６を介して連通している。以下、この構成について図２を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
図２は、図１に示す水素生成装置１００の左下端部の構成を示す破断断面図である。図２に示すように、隔壁２１は水素生成装置１００の底壁２９まで延在しておらず、隔壁２１の下端と底壁２９との間には所定の幅の隙間が全周に亘って形成されている。この隙間が第１蒸発室１８と第２蒸発室２２とを連絡する連絡部２６となっている。また、隔壁２１の適宜の箇所には複数の開口部２３が形成されている。この開口部２３の形状は特定のものに限定されるわけではなく、例えば円形、長円形、楕円形、矩形など、どのような形状であってもよい。
【００２９】
次に、以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１００の動作について説明する。
【００３０】
バーナ１６で生じた燃焼ガスは、改質器１０、改質ガス流路１１、および第２蒸発室２２を順次加熱しながら燃焼ガス流路１２中を通過し、燃焼ガス排出口１５から外部へ排出される。改質器１０にてなされる水蒸気改質反応に供される水Ｙは、水入り口２０を介して外部から供給され、第１蒸発室１８内を下方に向かって移動する。この際、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が蒸発して水蒸気となる。このように、燃焼ガスからの伝熱を利用して水Ｙを蒸発させるので、この蒸発を確実に行うためには、燃焼ガスからの伝熱量を増加させる必要がある。ここで燃焼ガスからの伝熱量を増加させるためには水Ｙが第１蒸発室１８を通過する時間を長くすればよい。そのため、水入り口２０は、第１蒸発室１８のできる限り上方に設けられていることが望ましい。
【００３１】
第１蒸発室１８で生じた水蒸気は、隔壁２１に形成された複数の開口部２３を通過して第２蒸発室２２に移動する。第１蒸発室１８にて蒸発しなかった水Ｙは、第１蒸発室１８の下端部に溜まり、連絡部２６を通過して第２蒸発室２２の下端部にも溜まる。図１に示すように、燃焼ガスは第２蒸発室２２の下方から上方へ流れるため、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内には液相の水と飽和水蒸気とが流れているので、水素生成装置１００の外周面の温度はおよそ１００℃以下に低温化することができる。そのため、周囲への放熱量を小さくすることができるため、水素生成装置１００の熱効率が向上する。また、開口部２３を設けることにより、第１蒸発室１８で生じた水蒸気は速やかに第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る第１蒸発室１８内の圧力増加を抑止することができる。その結果、水Ｙの供給圧力の変動を小さくでき、水蒸気出口２４から改質器１０に供給される水蒸気の量が安定化できるので、改質器１０での触媒反応が定常化し改質ガス中のＣＯ濃度の変動を小さくすることができる。
【００３２】
原料Ｘは原料入り口１９を介して外部から供給され、第１蒸発室１８、第２蒸発室２２を経て、水蒸気供給パイプ２５から改質器１０に流入する。これにより改質器１０において、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が生成される。なお、この水蒸気改質反応は７００℃程度の高温で生じる吸熱反応であり、燃焼ガスからの伝熱を利用して行われる。このようにして生成された改質ガスは改質ガス流路１１を通過して改質ガス排出口２７から排出され燃料電池１０１に供給される。
【００３３】
また、原料Ｘは、第１蒸発室１８および第２蒸発室２２を通過する際に燃焼ガスからの伝熱によって予熱されるので、水素生成装置１００の熱効率を向上させることができる。なお、伝熱面積を大きくするために、第１蒸発室１８、第２蒸発室２２の第１蒸発室１８側、および第２蒸発室２２の燃焼ガス流路１２側のそれぞれにフィンを設けるようにしてもよい。このようにフィンを設けることによって、水Ｙの蒸発量を大きくすることができる。
【００３４】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置１００の構成を模式的に示した断面図である。図３に示すように、筒状の第１蒸発室１８内には流路抵抗部である丸棒がらせん状に巻回されており、これにより第１蒸発室１８内にらせん状流路１８Ａが形成されている。また、第１蒸発室１８および第２蒸発室２２の下方には第１蒸発室１８および第２蒸発室２２の底部の温度を検知するための温度センサから構成される温度検知手段３２が設けられている。更に、水蒸気供給パイプ２５には熱交換部３３が設けられている。
【００３５】
なお、本実施の形態の水素生成装置１００のその他の構成については、実施の形態１の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
【００３６】
次に、以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１００の動作について説明する。
【００３７】
水入り口２０を介して外部から供給された水Ｙは、らせん状流路１８Ａ内で丸棒３１に沿って下方に移動する。このようにらせん状に巻回されている丸棒３１に沿って水Ｙを移動させることによって、水Ｙが第１蒸発室１８内に滞留している時間が長くなり、且つ滞留する水Ｙの周方向の分布が均一化される。これにより燃焼ガスからの伝熱量が増えるため、水蒸気改質反応に供される水蒸気量を増大させることができる。そのため、原料Ｘの転化率を高めることができ、改質ガス中の水素量を増大させることができる。
【００３８】
このように水Ｙを第１蒸発室１８内に長く滞留させ、且つ滞留する水Ｙの周方向の分布を均一化させるためには、外部から供給された水Ｙがすぐに第１蒸発室の底部に流下するのを防止できる構成であればよい。したがって、必ずしも流路１８Ａがらせん状でなくてもよく、少なくとも周方向に水または水蒸気を移動させるための流路抵抗部が設けられていればよい。
【００３９】
熱交換部３３は、水蒸気供給パイプ２５を通過する水蒸気と燃焼ガスとの間での熱交換を行う。これにより、燃焼ガスの熱を回収できるので、水素生成装置１００の熱効率をより一層向上させることができる。
【００４０】
温度検知手段３２は、第１蒸発室１８および第２蒸発室２２の底部の温度を検知する。この検知された温度に基づいて、第１蒸発室１８および第２蒸発室２２の底部には水Ｙが溜まっているのか、それとも蒸発した状態であるのかを推定することができる。例えば、検知された温度が所定の温度よりも低いときは第１蒸発室１８および第２蒸発室２２の底部に水Ｙが溜まっていると推定する。このように推定された場合には、水Ｙの供給量を減少させることにより第１蒸発室１８および第２蒸発室２２での蒸発を確実に行うことができる。
【００４１】
なお、らせん状流路１８Ａと同様にして第２蒸発室２２内にらせん状流路を形成するようにしてもよい。この場合には、第２蒸発室２２内を通過する水蒸気の滞留時間を長くすることができるので、水蒸気の温度を高くすることができる。
【００４２】
また、らせん状流路１８Ａは、隔壁２１にらせん状のリブ部を設けることによって構成することも可能であり、必ずしも丸棒３１を設ける必要はない。
【００４３】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の構成を模式的に示した断面図である。図４に示すように、第１蒸発室１８の外周側には筒状の燃焼ガス流路１２Ａが第１蒸発室１８と同軸上に設けられている。この燃焼ガス流路１２Ａの下部には燃焼ガス排出口１５が形成されている。また、第１蒸発室１８に供給される水Ｙを燃焼ガスで加熱するための水予熱部４１が水素生成装置１００の上部に設けられている。
【００４４】
なお、本実施の形態の水素生成装置１００のその他の構成については、実施の形態２の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
【００４５】
次に、以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１００の動作について説明する。
【００４６】
第２蒸発室２２に沿って流れる燃焼ガスは、下流側に設けられた水予熱部４１の周囲を流れ、第１蒸発室１８の外周側に設けられた燃焼ガス流路１２Ａを通過した後、燃焼ガス排出口１５から排出される。水予熱部４１に供給された水Ｙは、燃焼ガスからの伝熱によって予熱されるので熱効率を向上させることができる。また、燃焼ガス流路１２Ａを燃焼ガスが流れるので、燃焼ガスから第１蒸発室１８への伝熱により、蒸発能力が大きく向上し、燃焼ガス排出口１５から排出される燃焼ガスの温度を低下できるので熱効率をより一層向上させることができる。
【００４７】
なお、本発明の水素生成装置を備える燃料電池システムの用途などに応じて、前述した実施の形態のうちのいくつかを適宜組み合わせることによって種々の水素生成装置を実現することが可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の水素生成装置によれば、熱効率の向上、改質ガス中のＣＯ濃度の安定化、および改質ガスの供給量の安定化を図ることができるなど、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す水素生成装置の左下端部の構成を示す破断断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】従来の水素生成装置の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０    改質器
１１    改質ガス流路
１２    燃焼ガス流路
１２Ａ  燃焼ガス流路
１３    断熱材
１４    筒体
１５    燃焼ガス排出口
１６    バーナ
１７    燃焼室
１８    第１蒸発室
１８Ａ  らせん状流路
１９    原料入り口
２０    水入り口
２１    隔壁
２２    第２蒸発室
２３    開口部
２４    水蒸気出口
２５    水蒸気供給パイプ
２６    連絡部
２７    改質ガス排出口
２８    蒸発室
２９    底壁
３１    丸棒
３２    温度検知手段
３３    熱交換部
４１    水予熱部
１００  水素生成装置
１０１  燃料電池
【図１】
0004189212.tif 000002
【図２】
0004189212.tif 000003
【図３】
0004189212.tif 000004
【図４】
0004189212.tif 000005
【図５】
0004189212.tif 000006