(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料と水蒸気を反応させて水素を取り出す改質部を備えた水蒸気改質装置において、
改質部バーナから排出された排気ガスを導入して、導入した水に熱交換して前記改質部に供給する水蒸気を生成した後の排気ガスを排出する蒸発器の出口部付近に配設した温度検出手段によって前記出口部付近の温度を検出して、該検出した温度が設定温度を超える場合は水蒸気改質装置を停止させる
ことを特徴とする水蒸気改質装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記温度検出手段が、熱電対、サーミスタ、温度スイッチの一つによって構成されている
ことを特徴とする水蒸気改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料と水蒸気を反応させて水素を取り出す水蒸気改質装置において、蒸発器の出口部の温度が設定温度を超える場合はシステムを停止させる水蒸気改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素と水蒸気を反応させて水素を取り出す水蒸気改質装置において炭化水素と水蒸気の割合をコントロールする事は重要である。例えばメタンを改質する場合、下記の化１、化２の反応で改質が行われる。
【化１】
0004169315.tif 000002
【化２】
0004169315.tif 000003
【０００３】
当量的にはメタン１に対して水蒸気２が必要となる。しかしながら実反応においては触媒上でのカーボン（Ｃ分）析出を防ぐ為に水蒸気を２．５以上の割合で供給する事が一般的である。カーボンが析出、成長すると、触媒を破壊劣化させる為、水蒸気量の管理は重要である。
【０００４】
近年、家庭向発電装置に用いる改質装置においては、特開２０００−１５９５０２、特開２００１−１５５７５６に見られる様に、改質部を過熱した後の燃焼排ガスを利用して水蒸気を発生させる事が試みられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の家庭向発電装置に用いる上記従来の改質装置においては、蒸発部への供給水量をコントロールする事が考えられるが、供給水コントローラの不具合や、配管からの水漏れなどが発生した時に、これら不具合を検知する事が困難であり、触媒劣化を引き起こすという問題点があった
【０００６】
そこで本発明者は、原燃料と水蒸気を反応させて水素を取り出す水蒸気改質装置において、蒸発器の出口部付近の温度が設定温度を超える場合はシステムを停止させるという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、触媒の劣化を防止するとともに、蒸発器の空焚きを防止するという目的を達成する本発明に到達した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の水蒸気改質装置は、
原燃料と水蒸気を反応させて水素を取り出す改質部を備えた水蒸気改質装置において、
改質部バーナから排出された排気ガスを導入して、導入した水に熱交換して前記改質部に供給する水蒸気を生成した後の排気ガスを排出する蒸発器の出口部付近に配設した温度検出手段によって前記出口部付近の温度を検出して、該検出した温度が設定温度を超える場合は水蒸気改質装置を停止させる
ものである。
【０００８】
本発明の水蒸気改質装置は、
前記第１発明において、
前記蒸発器の出口部付近の温度を検出し、検出した温度が設定温度を超えた場合は水蒸気改質装置を停止させる
ものである。
【０００９】
本発明の水蒸気改質装置は、
前記第１発明において、
前記蒸発器内の部位における温度を検出する
ものである。
【００１０】
本発明の水蒸気改質装置は、
前記第１発明において、
前記蒸発器の出口部における温度を検出する
ものである。
【００１１】
本発明の水蒸気改質装置は、
前記第１発明において、
前記蒸発器の出口部に配設された温度検出手段によって、前記出口部の温度を検出する
ものである。
【００１２】
本発明の水蒸気改質装置は、
前記第１発明において、
前記蒸発器は、水が導入される入口部と、水蒸気を供給する出口部と、前記改質部バーナから排出された排気ガスが通過する排気通路と導入された水が通過する水通路を備え排気ガスの熱によって通過する水を蒸発させる熱交換部とから成る
ものである。
【００１３】
本発明の水蒸気改質装置は、
前記第１発明において、
前記温度検出手段によって検出された前記出口部の温度が設定温度を超える場合は水蒸気改質装置を停止させる停止指令を出力するコントローラを備えているものである。
【００１５】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の水蒸気改質装置は、
前記第１発明において、
前記温度検出手段が、熱電対、サーミスタ、温度スイッチの一つによって構成されている
ものである。
【００１６】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の水蒸気改質装置は、原燃料と水蒸気を反応させて水素を取り出す改質部を備えた水蒸気改質装置において、改質部バーナから排出された排気ガスを導入して、導入した水に熱交換して前記改質部に供給する水蒸気を生成した後の排気ガスを排出する蒸発器の出口部付近に配設した温度検出手段によって前記出口部付近の温度を検出して、該検出した温度が設定温度を超える場合は水蒸気改質装置を停止させるので、触媒の劣化および蒸発器の空焚きの防止を可能にするという効果を奏する。
【００１７】
上記構成より成る本発明の水蒸気改質装置は、前記第１発明において、前記蒸発器の出口部付近の温度を検出し、検出した温度が設定温度を超えた場合は水蒸気改質装置を停止させるので、触媒の劣化を防止するとともに、蒸発器の空焚きを確実に防止するという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成る本発明の水蒸気改質装置は、前記第１発明において、前記蒸発器内の部位における温度を検出するので、前記蒸発器内の部位における検出した温度に基づき水蒸気改質装置を停止させるため、触媒の劣化を防止するとともに、蒸発器の空焚きを確実に防止するという効果を奏する。
【００１９】
上記構成より成る本発明の水蒸気改質装置は、前記第１発明において、前記蒸発器の出口部における温度を検出するので、前記蒸発器内の前記出口部における検出した温度に基づき水蒸気改質装置を停止させるため、触媒の劣化を確実に防止するとともに、蒸発器の空焚きを確実に防止するという効果を奏する。
【００２０】
上記構成より成る本発明の水蒸気改質装置は、前記第１発明において、前記蒸発器の出口部に配設された温度検出手段によって、前記出口部の温度を検出するので、前記温度検出手段によって検出された前記出口部の温度に基づき水蒸気改質装置を停止させるため、触媒の劣化を確実に防止するとともに、蒸発器の空焚きを確実に防止するという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る本発明の水蒸気改質装置は、前記第１発明において、前記蒸発器は、前記入口部と導入される水が、前記熱交換部において前記改質部から排出された排気通路を通過する排気ガスの熱によって前記入口部から供給され前記水通路を通過する水を蒸発させ、かかる水蒸気を出口部から前記改質部に供給するものであるので、前記温度検出手段によって検出された前記改質部に水蒸気を供給する前記出口部の温度に基づき水蒸気改質装置を停止させるため、触媒の劣化を確実に防止するとともに、蒸発器の空焚きを確実に防止するという効果を奏する。
【００２２】
上記構成より成る本発明の水蒸気改質装置は、前記第１発明において、前記コントローラが、前記温度検出手段によって検出された前記出口部の温度が設定温度を超える場合は水蒸気改質装置を停止させる停止指令を出力するので、触媒の劣化を確実に防止するとともに、蒸発器の空焚きを確実に防止するという効果を奏する。
【００２４】
上記構成より成る第２発明の水蒸気改質装置は、前記第１発明において、前記温度検出手段を構成する前記熱電対、前記サーミスタ、前記温度スイッチの一つによって検出された前記改質部に水蒸気を供給する前記出口部の温度に基づき水蒸気改質装置を停止させるため、触媒の劣化を確実に防止するとともに、蒸発器の空焚きを確実に防止するという効果を奏する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本第１実施形態の水蒸気改質装置は、図１ないし図４に示されるように炭化水素と水蒸気を反応させて水素を取り出す水蒸気改質装置において、天然ガスを利用して改質ガスを供給する改質部２に水蒸気を供給する蒸発器３の出口部３３に配設された温度検出手段８によって前記出口部３３の温度を検出して、検出した前記蒸発器３の前記出口部３３の温度が設定温度を超える場合はシステムを停止させるものである。
【００２７】
本第１実施形態における燃料改質装置としての水蒸気改質装置は、その概略を示す図１に示されるように天然ガスを利用するもので、火炎が形成されるバーナ燃焼部１と、ルテニウム触媒より成り前記排出口より前記熱交換器３の高温側に直接的に改質ガスを供給する断熱材１２によって包囲された改質器としての改質部２と、燃焼排気ガスによって水を蒸発させ水蒸気を熱交換器４に供給する蒸発器３と、改質原料としての都市ガスを前記熱交換器４を介して改質部２に供給する昇圧ポンプ２１と、前記改質部２からの改質ガスを原料ガスおよび水蒸気と熱交換する前記熱交換器４と、熱交換した前記改質ガスが供給される銅・亜鉛系触媒より成るＣＯシフト部５と、酸化剤が供給される選択酸化部６とから成る。
【００２８】
本実施形態の水蒸気改質装置を適用した燃料電池システムは、上述の構成より成る燃料改質装置と、オフガスを排出するアノード極を備えた燃料電池スタック７と、該燃料電池スタック７のアノード極に連絡した凝縮器（図示せず）とから成る。
【００２９】
前記蒸発器３は、熱交換用ガスにより通過する水を蒸発させ水蒸気を生成する熱交換部を備えた蒸発熱交換器３０より成り、該熱交換部３２の少なくとも上流側の入口部３１に繊維状の突沸防止部材が配設されているものである。
【００３０】
水ポンプ９は、後述するコントローラ９０からの制御信号に基づき、前記蒸発器３の前記入口部３１に純水その他の水を供給するものである。
【００３１】
前記蒸発熱交換器３０は、図１ないし図３に示されるようにそれぞれ平行に配設された熱交換部としての複数の配管３２と、該複数の配管３２の上流端および下流端に前記入口部３１としての入口マニホールドおよび出口部３３としての出口マニホールドが形成され、前記複数の配管３２の両端が入口マニホールドおよび出口マニホールドに開口している。
【００３２】
上記蒸発熱交換器３０は、シェルアンドチューブ型の蒸発熱交換器であり、燃焼バーナー５から排出された排気ガスを導入部３４から導入し、導入した排気ガスの熱によって加熱された熱交換部としての複数の配管３２内において供給された水を蒸発させ、熱交換された排気ガスが出口部としての排出口３５から排出されるように構成されている。
【００３３】
前記温度検出手段８は、前記蒸発器３の前記出口部３３としての出口マニホールドに配設された熱電対８０によって構成され、前記改質部２に水蒸気を供給する前記蒸発器３の前記出口部３３の温度信号を、接続されている前記コントローラ９０に出力する。
【００３４】
前記コントローラ９０は、検出した前記蒸発器３の前記出口部３３の温度に応じて運転指令を出力し、前記出口部３３の温度が設定温度を超える場合は、システムを停止させる停止指令を出力するとともに、水ポンプ９に停止信号を出力するものである。
【００３５】
前記突沸防止部材は、繊維状の部材であって、すなわちステンレス製のウール材（ステンレスウール）３１１によって構成され、複数の配管３２の上流端が開口している前記蒸発器３の前記入口部３１としての前記入口マニホールド内に充填配設されている。
【００３６】
本実施形態においては、図２に示される天然ガスを原料とする改質装置において、水蒸気を生成するための蒸発器３は、燃焼バーナ１から排出される排気ガスの熱により、純水を蒸発させる役割を持つものである。
【００３７】
図１に示される前記蒸発器３内において、純水を沸騰させる場合、純水はその特性上突沸を生じ易い。特に入口マニホールド３１内で突沸が発生すると、蒸発器３の内部にある水が急激に前記改質部２の内部へ入り込み、改質部の温度を低下させると同時に水素濃度を低下させる問題があった。上記突沸は、沸点以上に加熱された水が外乱等をきっかけとして一気に気化する現象を言う。
【００３８】
本第１実施形態の水蒸気改質装置における制御手順について、図４を用いて説明する。
【００３９】
定常状態においては、ステップ１０１において、熱電対８０によって検出された前記蒸発器３の前記出口部３３の温度信号と、設定温度（Ｔｌｉｍｉｔ）が前記コントローラ９０によって比較され、前記出口部３３の温度信号が前記設定温度より低い場合は、ステップ１０２において、水ポンプ９の駆動出力を増加して水の供給流量を増加させる。
【００４０】
ステップ１０３において、タイマーによって一定時間経過させた後、ステップ１０４において、前記出口部３３の温度信号と、設定温度（Ｔｌｉｍｉｔ）が前記コントローラ９０によって比較され、前記出口部３３の温度信号が前記設定温度より高い場合は、ステップ１０５において、システムを停止させる停止指令を出力するとともに、水ポンプ９に停止信号を出力するものである。
【００４１】
本第１実施形態の水蒸気改質装置は、前記改質部２に水蒸気を供給する前記蒸発器３の前記出口部３３の温度を前記温度検出手段８によって検出し、検出した温度が設定温度を超える場合はシステムを停止させるので、触媒の劣化を確実に防止するとともに、蒸発器の空焚きを確実に防止するという効果を奏する。
【００４２】
すなわち本第１実施形態においては、図１に示されるように天然ガスを用いた水蒸気改質器において、前記蒸発器３の前記出口部３３の温度を検出するために前記温度検出手段８としての前記熱電対を設置して、出口温度は前記バーナ１の燃焼ガスが前記改質部２を過熱した後の排気ガスの温度、流量と前記蒸発器３に導入される水量によって決定される。
【００４３】
実機における水量と熱電対８の指示温度の関係を示す図５から明らかなように、水量が減少すると、ある値を境に、熱電対８の指示値は大きく変化するため、前記蒸発器３の空焚きを検知することが出来るのである。これは、空焚き状態またはそれに近い状態においては蒸気がなくなるため、前記熱電対８０が過熱した前記蒸発器３の壁面からの輻射熱を検出するからである。
【００４４】
また本第１実施形態においては前記蒸発器３として、上述のシエルアンドチューブ型の熱交換器を用いた。図２および図５に示されるように排気ガスと水の直交流で熱交換を行うため、排ガスの入口と出口側のチューブで温度差が生じる。水の蒸発においては、蒸発潜熱の割合が多い為、燃焼排ガスの熱量が余程過多にならない限り出口側のチューブ３２の温度は１００℃強に保たれる。従って図２に示されるように前記蒸発部３の熱電対８０によって検出された出口部３３の温度は、供給水量に対してフラットな挙動を示す。
【００４５】
（第２実施形態）
本第２実施形態の水蒸気改質装置は、図２および図６に示されるように排気ガスを排出する前記蒸発器３の出口部３５の温度が設定温度を超える場合はシステムを停止させる点が、前記第１実施形態との相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００４６】
すなわち改質部バーナ１から排出された排気ガスを前記蒸発器３の導入口３４を介して導入して、導入した水に熱交換して水蒸気を生成した後の排気ガスを排出する前記蒸発器３の出口部３５に配設した温度検出手段８としての熱電対８２によって前記出口部３５の温度を検出して、該検出した温度が設定温度を超える場合はシステムを停止させるものである。
【００４７】
本第２実施形態の水蒸気改質装置は、改質部バーナ１から排出された排気ガスを導入して、導入した水に熱交換して水蒸気を生成した後の排気ガスを排出する前記蒸発器３の出口部３５に配設した温度検出手段８としての前記熱電対８２によって前記出口部３５の温度を検出して、該検出した温度が設定温度を超える場合はシステムを停止させるので、上述の第１実施形態と同様に触媒の劣化を防止するとともに、蒸発器の空焚きを防止するという効果を奏する。
【００４８】
すなわち本第２実施形態の天然ガス用水蒸気改質器において、燃焼排ガス温度を検出する為の熱電対８２を設置して、実機における蒸発器への供給水量と熱電対９の指示値の関係を示す図７から明らかなように、供給水量が減少すると、熱電対８２の指示値は供給水量によって大きく変化するため、蒸発器の空焚きを検知することが出来るものである。
【００４９】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の水蒸気改質装置の全体構成を示す全体図である。
【図２】本第１実施形態および第２実施形態の水蒸気改質装置における蒸発器の内部構成を示す内部構成図である。
【図３】本第１実施形態における蒸発器の構成を示す斜視図である。
【図４】本第１実施形態の水蒸気改質装置における制御手順を示すチャート図である。
【図５】本第１実施形態の水蒸気改質装置における蒸発供給水量と熱電対指示温度の関係を示す線図である。
【図６】本発明の第２実施形態の水蒸気改質装置の全体構成を示す全体図である。
【図７】本第２実施形態の水蒸気改質装置における蒸発供給水量と熱電対指示温度の関係を示す線図である。
【符号の説明】
２  改質部
３  蒸発器
８  温度検出手段
３３  出口部
【図１】
0004169315.tif 000004
【図２】
0004169315.tif 000005
【図３】
0004169315.tif 000006
【図４】
0004169315.tif 000007
【図５】
0004169315.tif 000008
【図６】
0004169315.tif 000009
【図７】
0004169315.tif 000010