(57)【要約】【課題】改質ガス中の水素濃度を高く維持するとともに、装置のコンパクト化を実現すること。【解決手段】中空筒状の改質容器１の内側に外筒３、内筒５、燃焼筒７が所定の間隔をもって順次同心状に配置され、燃焼筒を流れた燃焼ガスは、改質容器の一端側に向かって燃焼筒と内筒の隙間を流れ、内筒と外筒の隙間を封止する封止板を半径方向外側に流れた後、改質容器の他端側に向かって外筒と改質容器の隙間を流れる。この燃焼ガスの流れにより、外筒と内筒と封止板に挟まれた空間部２３に充填された改質触媒層２１は加熱される。改質触媒層には、炭化水素系燃料と水蒸気が供給されて水蒸気改質反応が進行し、水素を発生させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料と水蒸気とを加熱して改質ガスを生成する水素製造装置であって、
両端が封止された中空筒状の改質容器と、該改質容器の内側に同心状に配置される外筒と、該外筒の内側に同心状に配置される内筒と、前記改質容器の一端面を貫通して前記内筒の内側に同心状に延在して設けられる中空の燃焼筒と、該燃焼筒の基端に接続されて前記燃焼筒内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを有し、前記改質容器と前記外筒と前記内筒と前記燃焼筒とは互いに設定間隔をあけて設けられてなり、
前記内筒は、前記燃焼管が挿通される側の一端が開放され、該一端と前記外筒の一端との隙間がリング状の第１の封止板により封止される一方、他端は前記燃焼筒の先端開口と間隔をあけて配置される第２の封止板により封止され、前記外筒の他端は、前記第２の封止板と間隔をあけて配置される第３の封止板により封止されてなり、
前記内筒と前記外筒との隙間には、前記改質触媒が充填される空間部が形成されており、前記第１の封止板には前記改質触媒が充填される連絡管の一端が接続され、該連絡管の他端には前記炭化水素系燃料と前記水蒸気を供給する原料供給手段が接続されてなり、
前記第３の封止板には、前記空間部で生成された前記改質ガスを前記改質容器の外へ排出する改質ガス出口管が接続され、前記改質容器の他端面には、前記燃焼ガスを排出する燃焼ガス出口管が接続されてなる水素製造装置。
【請求項２】
前記連絡管は、前記第１の封止板に周方向で複数接続されていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記燃焼ガス出口管は、前記改質容器の他端面に周方向で複数接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記空間部の上方に配置されて前記改質ガスの温度を計測する温度センサと、前記燃焼筒内に配置されて該筒内を流れる燃焼ガスを加熱する加熱手段と、前記温度センサの検出結果に基づいて前記加熱手段を起動させる起動手段とを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記原料供給手段は炭化水素系燃料と水蒸気と空気を供給するものであり、
前記空間部の上方に配置されて前記改質ガスの温度を計測する温度センサと、前記連絡管に供給する炭化水素系燃料と水蒸気と空気の供給量をそれぞれ調節する調節手段と、前記温度センサの検出結果に基づいて前記調節手段により前記炭化水素系燃料と水蒸気と空気の供給量をそれぞれ制御する制御手段とを備えてなる請求項１乃至３のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記外筒の外周面と前記改質容器の内周面との間の隙間には、前記原料供給手段の供給管内を流れる前記炭化水素系燃料と前記水蒸気を予熱する予熱手段が介装されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項７】
請求項１乃至６に記載の水素製造装置と、燃料電池と、該燃料電池により発電された電力を変換するインバータと、該燃料電池のアノード排ガスを含む燃料を燃焼させて熱回収する熱回収手段とを含んでなる燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系燃料と水蒸気を反応させて水素を発生させる水素製造装置と、これを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、触媒の存在下で炭化水素系燃料に水蒸気を作用させて改質し、水素を製造する水素製造装置と、水素と空気とを反応させて発電を行う燃料電池とを有して構成される。このような燃料電池システムの燃料として、例えば都市ガス、天然ガス、ＬＰガス、ガソリン、灯油などが使用されるが、都市ガスの主成分であるメタン(ＣＨ４)を例にとると、改質反応は式１によって示される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  ⇔  ＣＯ＋３Ｈ２・・(式１：水蒸気改質反応)
式１の反応により発生したＣＯは、同時に、式２に示すＨ２Ｏとの反応によって、さらにＨ２とＣＯ２とに変換される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  ⇔  ＣＯ２＋Ｈ２・・(式２：ＣＯ転化反応)
ところで、式１に示す改質反応は比較的大きな吸熱を伴う反応であるから、反応を継続させるためには、熱を連続的に供給する必要がある。例えば、改質触媒層の温度は６００℃ないし８００℃程度の高温に維持することが要求される。そこで、改質器の外側に電気ヒータやバーナ等を設け、外部から改質触媒層を加熱する外熱方式によるスチームリフォーミング（ＳＲ）水素製造装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、中空の改質容器内に同心状に配置される外筒と、この外筒の内側に同心状に配置される内筒と、内筒の内側に配置される輻射筒とを備え、外筒と内筒とこれらの一端を封止して形成される空間に改質触媒層を形成し、この改質触媒層に燃料供給管と改質ガス排出管とを二重管構造で連通させた改質器が開示されている。
【０００４】
この技術によれば、輻射筒内に設けられたバーナにより加熱された排ガスは、輻射筒内を流れた後、流れ方向を反転して内筒と外筒の周囲を一方向に流れ、その過程で改質触媒層を加熱することができる。一方、燃焼供給管と改質ガス排出管は二重管構造となっているため、低温の改質ガス燃料と高温の改質ガスとの間で熱交換を行うことができ、改質器のエネルギー効率を向上させることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１のようなＳＲ水素製造装置に対し、例えば、改質触媒の入り側に燃焼触媒を設け、改質反応器内に空気を導入して燃料の一部を触媒燃焼させ、この燃焼熱によって反応温度を維持する内熱方式によるオートサーマル（ＡＴＲ）水素製造装置が提案されている。
【０００７】
ここで、両水素製造装置を比較してみると、まず、ＳＲ水素製造装置は、ＡＴＲ水素製造装置と比べて改質ガス中に窒素などの希釈ガスの混入が発生せず水素濃度を高く維持できるため、燃料電池と連携させてシステムを構成した場合、発電効率を高く維持することができるが、その反面、外筒や内筒を介して改質触媒に熱を供給しなければならないため、低負荷時における安定運転や装置のコンパクト化が難しくなるという問題がある。
【０００８】
一方、ＡＴＲ水素製造装置は、原燃料の一部を燃焼し、この燃焼熱により改質反応に必要な熱を得る方式のため、低負荷時の安定運転及び装置のコンパクト化を実現できるが、原燃料の一部を最初に燃焼させて消費すること、及び燃焼用空気中の窒素を改質ガス中に含み水素濃度が低くなることにより、ＳＲ水素製造装置を用いた燃料電池システムと比較して発電効率が低くなるという問題がある。
【０００９】
本発明の第１の課題は、改質ガス中の水素濃度を高く維持するとともに、装置のコンパクト化を実現することにある。
【００１０】
本発明の第２の課題は、改質ガス中の水素濃度を高く維持するとともに、装置のコンパクト化を図り、かつ、低負荷時の安定運転を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水素製造装置は、上記課題を解決するため、炭化水素系燃料と水蒸気とを加熱して改質ガスを生成する水素製造装置であって、両端が封止された中空筒状の改質容器と、この改質容器の内側に同心状に配置される外筒と、この外筒の内側に同心状に配置される内筒と、改質容器の一端面を貫通して内筒の内側に同心状に延在して設けられる中空の燃焼筒と、この燃焼筒の基端に接続されて燃焼筒内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを有し、改質容器と外筒と内筒と燃焼筒とは互いに設定間隔をあけて設けられるようにする。そして、内筒は、燃焼管が挿通される側の一端が開放され、この一端と外筒の一端との隙間がリング状の第１の封止板により封止される一方、他端は燃焼筒の先端開口と間隔をあけて配置される第２の封止板により封止され、外筒の他端は、第２の封止板と間隔をあけて配置される第３の封止板により封止されてなり、内筒と外筒との隙間には、改質触媒が充填される空間部が形成されており、第１の封止板には改質触媒が充填される連絡管の一端が接続され、連絡管の他端には炭化水素系燃料と水蒸気を供給する原料供給手段が接続されてなり、第３の封止板には、空間部で生成された改質ガスを改質容器の外へ排出する改質ガス出口管が接続され、改質容器の他端面には、燃焼ガスを排出する燃焼ガス出口管が接続されてなることを特徴とする。
【００１２】
すなわち、本発明は、炭化水素系燃料と水蒸気を改質触媒層に供給し、内筒と外筒と第１の封止板を介して改質触媒層に熱を供給することにより水蒸気改質反応を生じさせ、この反応により改質ガスを生成させるようにしている。これにより、改質ガス中には窒素などの希釈ガスが混入することがなく、改質ガス中の水素濃度を高く維持することができるため、燃料電池と連携したシステムにおいて発電効率を高く維持することができる。
【００１３】
ここで、改質触媒層に熱を供給する燃焼ガスは、燃焼筒と内筒との間の隙間を流れた後に第１の封止板に沿って半径方向の外側に流れ、その後は外筒と改質容器との間の隙間を流れて燃焼ガス出口管より排出される。このように燃焼ガスの流路を形成し、改質触媒層を取り囲むように加熱することにより、熱放散により改質触媒層の温度が低下するのを抑制することができる。また、空間部に連通する連絡管内に改質触媒が充填されている場合、燃焼ガスを第１の封止板に沿って流すことにより連絡管内の改質触媒を効果的に加熱することができる。このような多重円筒構造の採用により、コンパクトな装置構成となり、しかも、改質触媒の加熱効率を向上させることができる。
【００１４】
この場合において、連絡管は、第１の封止板に周方向で複数接続されているものとする。このようにすれば、改質触媒層には、炭化水素系原料と水蒸気とが連絡管を通じて周方向から供給されるため、改質触媒を有効利用できるとともに、改質効率を向上させることができる。
【００１５】
また、燃焼ガス出口管は、改質容器の他端面に周方向で複数接続されているものとする。このようにすれば、燃焼ガスの偏流を抑制することができるため、改質触媒層の加熱効率を向上させることができる。
【００１６】
また、空間部の上方に配置されて改質ガスの温度を計測する温度センサと、燃焼筒内に配置されて筒内を流れる燃焼ガスを加熱する加熱手段と、温度センサの検出結果に基づいて加熱手段を起動させる起動手段とを備えるものとする。このようにすれば、例えば、温度センサの検出温度が低いときは加熱手段を起動させ、燃焼ガスの温度を上昇させることにより、改質効率の低下を抑制することができ、燃料電池の低負荷運転中や水素製造装置の起動時などにおいても改質温度の低下を抑制できるため、水素製造装置の安定運転を実現することができる。ここで、加熱手段としては、例えば、燃焼ノズルや燃焼触媒を用いることができる。燃焼ノズルとは、炭化水素系燃料やアノード排ガスなどを噴出させるノズルをいう。
【００１７】
また、原料供給手段は炭化水素系燃料と水蒸気と空気を供給するものであり、空間部の上方に配置されて改質ガスの温度を計測する温度センサと、連絡管に供給する炭化水素系燃料と水蒸気と空気の供給量をそれぞれ調節する調節手段と、温度センサの検出結果に基づいて調節手段により炭化水素系燃料と水蒸気と空気の供給量をそれぞれ制御する制御手段とを備えるものとする。
【００１８】
これによれば、例えば、温度センサの検出温度が設定温度よりも高い通常運転のときは、炭化水素系燃料と水蒸気を改質触媒層に供給し、外熱によって改質反応の熱を賄うＳＲ水素製造装置として機能させ、温度センサの検出温度が設定温度よりも低いときは、炭化水素系燃料、水蒸気とともに空気を空間部に供給し、炭化水素系燃料の一部を触媒燃焼させることにより改質反応の熱を補うＡＴＲ水素製造装置として機能させることができる。
【００１９】
このため、通常運転時においては、改質ガス中に窒素などの希釈ガスが混入することがなく、水素濃度を高く維持することができるため、トータルの発電効率を高くすることができる。さらに、燃料電池の低負荷運転時などにおいても改質温度を維持することができるため、安定運転を実現することができる。また、炭化水素系燃料、水蒸気、空気の供給量、供給比を適正化することにより、改質反応をより安定化させることができる。
【００２０】
また、外筒の外周面と改質容器の内周面との間の隙間には、原料供給手段の供給管内を流れる炭化水素系燃料と水蒸気を予熱する予熱手段を介装するようにする。このようにすれば、改質容器からの放熱の一部を炭化水素系燃料などの予熱に利用することができるため、水素製造装置の熱効率を向上させることができる。
【００２１】
このような構成の水素製造装置は、燃料電池と、燃料電池により発電された電力を変換するインバータと、燃料電池のアノード排ガスを含む燃料を燃焼させて熱回収する熱回収手段とを含む、燃料電池システムを構成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、改質ガス中の水素濃度を高く維持するとともに、装置のコンパクト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を適用してなる第１の実施の形態について図１を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。
【００２４】
本実施の形態の水素製造装置は、都市ガス、ＬＰＧ、灯油などの炭化水素系の気体・液体燃料を原燃料とし、燃焼ガスにより熱を与えて改質触媒の存在下、原燃料と水蒸気とを反応させることにより、水素を含む改質ガスを生成させるものである。
【００２５】
本実施の形態の水素製造装置は、図１に示すように、ケーシング１、外筒３、内筒５、燃焼管７、燃焼器９、原料連絡管１１、原料ヘッダー１３などで構成されており、両端が封止されたケーシング１の内側には、外筒３が同心状に配置され、外筒３の内側には内筒５が同心状に配置され、内筒５の内側には燃焼管７が同心状に配置された多重円筒構造となっている。ケーシング１、外筒３、内筒５、燃焼管７は、互いに設定間隔をあけて配置されている。外筒３や内筒５などの各部材は耐熱合金により形成されている。
【００２６】
内筒５は、燃焼管が挿通される側（原料供給側）の一端が開放され、その一端と外筒３の一端との隙間がリング状の円盤又は鏡板のプレート１５により封止される一方、他端は燃焼管７の先端開口と設定間隔をあけて配置される円盤又は半球、半楕円の鏡板のプレート１７により封止されている。外筒３の他端は、プレート１７と間隔をあけて配置されるプレート１９により封止されている。プレート１５，１７，１９は耐熱合金で形成されている。
【００２７】
外筒３と内筒５に挟まれる空間には、改質触媒２１が充填される空間部２３が形成されており、例えば、空間部２３の上方、つまりプレート１７，１９及び外筒３により囲まれた空間は、改質触媒２１が充填されない改質ガスの集合部となっている。また、空間部２３の原料供給側に位置するプレート１５には周方向で複数の貫通孔が形成されており、この貫通孔には原料連絡管１１の一端が接続されている。原料連絡管１１の他端には、原料供給管２５より供給された炭化水素系燃料と水蒸気を分散、混合する原料ヘッダー１３が接続されている。原料連絡管１１は、原料ヘッダー１３との接続口付近に、改質触媒の落下防止となるパンチングプレート３１が設けられている。
【００２８】
一方、プレート１９の中央付近には貫通孔が形成されており、この貫通孔には、空間部２３で生成された改質ガスをケーシング１の外へ排出する改質ガス出口ノズル２７が接続されている。また、プレート１９の外側のケーシング１の側面には貫通孔が形成されており、この貫通孔には、燃焼ガスを排出する燃焼ガス出口ノズル２９が接続されている。
【００２９】
原料供給管２５は、炭化水素系燃料、水蒸気の供給管により構成されており、図示しない制御装置により各供給管から原料ヘッダー１３に供給される供給量が制御されるようになっている。
【００３０】
燃焼器９には、燃焼用燃料と燃焼用空気の供給管路が接続されており、ここで燃焼用燃料を燃焼させて生成された燃焼ガスは、燃焼管７を通じてケーシング１内に供給されるようになっている。さらに、本実施の形態では、例えば、燃料電池システムにおいて燃料電池のアノードから排出されるアノード排ガスが燃焼器９に供給されるようになっている。
【００３１】
空間部２３に充填される改質触媒は、ニッケルや貴金属などの触媒成分をアルミナなどのセラミック材に直接担持、又は表面にコーティングし、所定の大きさに形成したものが使用され、このようにして形成された改質触媒が空間部２３に複数充填されることにより改質触媒層が形成される。
【００３２】
次に、本実施の形態の水素製造装置の動作について説明する。燃焼器９から排出された燃焼ガスは、燃焼管７内を通過した後、プレート１７に衝突して流れ方向が反転し、燃焼管７と内筒５との間の隙間を空間部２３のガス流れ方向と逆向きに流れ、輻射、対流伝熱により内筒５の内周側から改質触媒層を加熱する。内筒５の開口を出た燃焼ガスは、プレート１５と原料ヘッダー１３とケーシング１に囲まれた空間（バッファ）に導かれる。
【００３３】
この空間は、熱容量が比較的大きく、例えば、背圧が１ｋＰａ以下に設定されている。燃焼ガスはこの空間内をプレート１５に沿って半径方向外向きに放射状に流れ、その途中で原料連絡管１１に充填される改質触媒、プレート１５の内側に充填される改質触媒をそれぞれ加熱する。
【００３４】
そして、燃焼ガスは、外筒３とケーシング１との間の隙間を空間部２３のガス流れ方向と同じ向きに流れ、外筒３を外周側から包み込み、改質触媒層を加熱することにより、熱放散による改質触媒層の温度低下を抑制する。外筒３とケーシング１との間の隙間を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス出口ノズル２９より排出される。
【００３５】
一方、原料供給管２５を通じて原料ヘッダー１３に供給された炭化水素系燃料と水蒸気は、ここにおいて分散、混合された後、原料連絡管１１を通って空間部２３の改質触媒層に導かれる。燃焼ガスの熱により周囲から加熱された改質触媒層に炭化水素系燃料と水蒸気が供給されると、水蒸気改質反応が進行し、改質ガスが生成される。ここで生成された改質ガスは、改質触媒層を通過した後、集合部を経て改質ガス出口ノズル２７からケーシング１の外側へ排出される。
【００３６】
このように本実施の形態では、水素製造装置を多重円筒構造としているため、装置のコンパクト化を実現することができる。また、外筒３、内筒５、プレート１５の外側に燃焼ガスを流し、改質触媒層を包み込むように熱を供給する構成としているから、熱放散による改質触媒層の温度の低下を抑制することができ、改質効率を高く維持することができる。
【００３７】
ここで、燃焼ガスが熱を内筒５側から供給する場合と外筒３側から供給する場合とでは、後者の方が、燃焼ガス温度が低いことから、改質触媒層の断面方向の温度は内筒５から外筒３へ向かって低下することが考えられる。このため、内筒５と外筒３との間隙、つまり改質触媒層の幅を所定の幅（例えば、２０ｍｍ以下）に設定することにより、温度分布を抑制することができる。
【００３８】
次に、本発明を適用してなる第２の実施の形態について図２を参照して説明する。図２は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。なお、以下に説明する実施の形態において、図１と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
本実施の形態は、燃焼ガス出口ノズル２９を複数設置している点で、第１の実施の形態と相違する。ここで、好ましくは、燃焼ガス出口ノズル２９をケーシングの一端面に周方向で等間隔に複数設置するようにする。このようにすれば、燃焼ガスの偏流を抑制できるため、改質触媒層の加熱効率を向上させることができる。
【００４０】
次に、本発明を適用してなる第３の実施の形態について図３を参照して説明する。図３は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。
【００４１】
本実施の形態は、空間部２３の上方に改質ガスの温度を計測する熱電対３３を配置し、熱電対３３の計測信号を制御装置３５へ送信可能としていること、及び、改質触媒としてニッケル系改質触媒の代わりに燃焼・改質特性の両方を持ち合わせた改質触媒を充填し、空間部２３へ炭化水素系燃料、水蒸気とともに空気を供給可能としている点で、第１の実施の形態と相違する。ここで、空気の供給量は、炭化水素系燃料や水蒸気と同様、制御装置３５により調整可能となっている。
【００４２】
水素製造装置の起動時はアノード排ガスが燃焼器９に供給されず、また、燃料電池の低負荷時は燃焼排ガスの流速、温度が低いため、燃焼器９からケーシング１内に供給される燃焼ガスの温度が通常運転時よりも低くなり、改質触媒層の反応温度が維持できない場合がある。このような場合、制御装置３５は、熱電対３３の計測信号により改質温度の低下を検知すると、炭化水素系燃料と水蒸気に加えて、空気を所定の流量比で改質触媒層に供給するように制御する。
【００４３】
これによれば、炭化水素系燃料の一部を空気により燃焼させ、その時に発生する熱により改質触媒層を加熱することができるため、水蒸気改質反応を進行させ、水素を含有する改質ガスを生成させることができる。これにより、燃料電池の低負荷運転時などにおいても、改質温度の低下を抑制することができ、安定運転を実現することができる。
【００４４】
すなわち、本実施の形態の水素製造装置は、例えば、温度センサの検出温度が設定温度よりも高い通常運転のときは、外熱によって改質反応の熱を賄うＳＲ水素製造装置として機能し、温度センサの検出温度が設定温度よりも低いときは、炭化水素系燃料の一部を触媒燃焼させることにより改質反応の熱を補うＡＴＲ水素製造装置として機能することから、両方の長所を生かした運転を実現できる。
【００４５】
また、本実施の形態では、制御装置３５により炭化水素系燃料、水蒸気、空気の流量比を制御するようにしている。具体的に、Ｓ／Ｃ（改質蒸気のモル数／原料中の炭素原子のモル数）＝２．０〜３．５、Ｏ２／Ｃ（空気中の酸素のモル数／原料中の炭素原子のモル数）＝０〜０．４の範囲になるように水素製造装置の運転を行う。これによれば、改質触媒層の反応温度の維持とカーボンの析出を防止することができる。
【００４６】
次に、本発明を適用してなる第４の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。
【００４７】
本実施の形態では、燃焼管７の管内の上流側から中間部の間に燃焼触媒３７を設置し、制御装置３５は熱電対３３の計測信号に基づいて燃焼触媒３７の加熱の有無を制御するようにしている点で、第３の実施の形態と相違する。
【００４８】
このようにすれば、改質ガスの温度が低下する燃料電池の低負荷運転時、水素製造装置の起動時において、燃焼触媒を起動させ、改質触媒層を内側から直接的に加熱するとともに、加熱された燃焼ガスを通流させて外側からも間接的に加熱することができるため、改質効率の低下を抑制することができる。なお、燃焼触媒３７に代えて、例えば、燃焼用燃料を噴出する燃焼ノズルなど、他の加熱手段を設置するようにしてもよい。
【００４９】
次に、本発明を適用してなる第５の実施の形態について図５を参照して説明する。図５は、本発明を適用してなる水素製造装置の構成を示す断面図である。
【００５０】
本実施の形態では、外筒３とケーシング１との間の燃焼ガス流路に炭化水素系燃料と水蒸気と空気を加熱する気化器３９が設置されている点で、第４の実施の形態と相違する。
【００５１】
これによれば、ケーシング１からの放熱の一部を炭化水素系燃料や水蒸気などの予熱に利用し、好ましくは気化させることにより、ケーシング１からの放熱を抑制し、熱効率を向上させることができる。ここで、気化器３９は、外筒３の外周面に沿って配置され、燃焼ガスの熱を炭化水素系燃料などの流路に伝達する構成のものであれば、特に限定されない。
【００５２】
次に、本発明を適用してなる第６の実施の形態について図６を参照して説明する。図６は、本発明を適用してなる水素製造装置を用いた燃料電池システムの構成図である。
【００５３】
本実施の形態は、第５の実施の形態の水素製造装置４１に、ＣＯシフト部４３、ＣＯ選択酸化部４５、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）４７、インバータ４９、貯湯槽５１などを加えてＰＥＦＣシステムとしたものである。水素製造装置４１から排出された改質ガスは改質ガス用熱交換器５３、ＣＯシフト部４３、ＣＯ選択酸化部４５の順に導かれ、ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された後、固体高分子形燃料電池４７へ供給される。
【００５４】
ガス圧縮機５５により都市ガス５７は都市ガス供給配管５９を経由して、空気ポンプ６１により空気６３は空気供給配管６５を経由して、水ポンプ６７により水６９は水供給配管７１を経由して、それぞれ補助燃焼室７３に供給され、都市ガス５７及び空気６３の予熱、水６９の気化が行われる。
【００５５】
都市ガス供給配管５９には脱硫器７５が設置され、都市ガス中の付臭剤が除去される。ＣＯシフト部４３とＣＯ選択酸化部４５との間の配管には、酸化用空気ポンプ７７を用いて酸化用空気７９が酸化用空気配管８１により供給される。ＣＯシフト部４３では、冷却水８３がＣＯシフト部の触媒用熱交換器８５へ供給されることにより温度調節が行われる。ＣＯ選択酸化部４５では、冷却水８７がＣＯ選択酸化部の触媒用熱交換器８９へ供給されることにより温度調整が行われる。
【００５６】
固体高分子形燃料電池４７では、アノード９１へ供給した改質ガス中に含まれる水素とカソード９３へ供給したカソード用空気９５中に含まれる酸素が電極反応することにより発電し、インバータ４９を介して電力９７として取り出される。電極反応で発電に利用されなかった水素は発熱し、この熱は電池排熱として凝縮水の潜熱とともに電池部冷却水９９が回収される。熱回収した電池部冷却水９９は、貯湯槽５１へ導かれて給湯１０１として利用される。貯湯槽５１には水道水１０３が供給される。電極反応に利用されなかった水素を含むガスはアノード排ガス排出管１０５からアノード排ガスとして抜き出され、水素製造装置４１、補助燃焼室７３へ導かれる。
【００５７】
補助燃焼室７３において、アノード排ガスの燃焼は、アノード排ガス燃焼用空気１０７を用いて行う。アノード排ガスの発熱量が少ない場合、改質部助燃用都市ガス圧縮機１０９を用いて改質部助燃用都市ガス１１１を改質部助燃用都市ガス供給配管１１３から補助燃焼室７３へ供給する。
【００５８】
給湯の追い焚きをする場合、給湯部助燃用都市ガス供給管１１５を通じて給湯部助燃用都市ガス１１７が追焚器１１９へ供給される。アノード排ガスは、補助燃焼室７３において燃焼され、燃焼排ガス１２１となって補助燃焼室７３から排出される。以上の動作を行うため、制御装置１２１により各機器の動作が制御される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明を適用してなる水素製造装置の第１の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図２】本発明を適用してなる水素製造装置の第２の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図３】本発明を適用してなる水素製造装置の第３の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図４】本発明を適用してなる水素製造装置の第４の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図５】本発明を適用してなる水素製造装置の第５の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図６】本発明を適用してなる水素製造装置を用いた燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  ケーシング
３  外筒
５  内筒
７  燃焼管
９  燃焼器
１１  原料連絡管
１３  原料ヘッダー
１５，１７，１９  プレート
２１  改質触媒
２３  空間部
２５  原料供給管
２７  改質ガス出口ノズル
２９  燃焼ガス出口ノズル
３１  パンチングプレート
３５  制御装置
３７  燃焼触媒
３９  気化器
【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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