JP2004149403A - 水素発生装置及び燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱効率が向上するとともにＣＯ除去性能が向上した水素発生装置を提供する。
【解決手段】 水素発生装置の本体５０の内部に、改質部１０と、ＣＯ変成部１５と、第１の水蒸発部９を含み改質部１０に改質原料を供給する改質原料流路１と、改質部１０で得られた改質ガスをＣＯ変成部１５に導く改質ガス流路２と、ＣＯ変成部１５で得られた変成後ガスを取り出す変成後ガス流路３と、ＣＯ変成部１５の上流面側に改質ガス流路２と隣接して形成された第２の水蒸気流路３０とを備えている。第２の水蒸気流路３０内には第２の水蒸発部３１が設けられ、ここで改質ガスの保有熱の一部が蒸発潜熱として回収されてＣＯ変成部１５の温度制御が行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、都市ガスやＬＰガス等の炭化水素系原料ガスを、水蒸気を用いて改質（以下、水蒸気改質又は改質反応と呼ぶ）して水素主体の改質ガスを生成する水素発生装置、及び、これを備えた燃料電池発電システムに関する。

都市ガスやＬＰガス等の炭化水素系原料ガスを水蒸気改質して水素主体の改質ガスを発生させる水素発生装置は、例えば、燃料電池で原料ガスとして使用する水素の製造等に用いられる。水素発生装置における改質反応は吸熱反応であることから、改質反応を維持するためには、改質部を５５０〜８００℃程度の温度に保つ必要がある。このため、水素発生装置では、バーナ等の加熱源を設置し、この加熱源から得られる高温の燃焼ガスや、その燃焼ガスの輻射熱を放出する輻射体等を利用して改質部を加熱する。

一方、水素発生装置の改質部で得られた改質ガスは、前述のように水素が主体であるが、改質反応において副成したＣＯを含んでいる。このようにＣＯを含む改質ガスを燃料電池に直接供給すると、ＣＯが、燃料電池内の触媒の活性を低下させてしまう。それゆえ、水素発生装置では、ＣＯを除去するために、前記改質部の下流に、改質ガスに含まれるＣＯを変成反応によりＣＯ_２に転化するＣＯ変成部及びＣＯ浄化部が配設されている。

従来の水素発生装置のＣＯ変成部では、変成反応を効率よく行うために、温度が、変成反応に最適な１８０〜４００℃に設定されている。ＣＯ変成部をこのような温度とするためには、改質部で生成される５５０〜８００℃の改質ガスから熱を回収してこの熱をＣＯ変成部の加熱に利用する一方で、例えば、改質部加熱の熱源として利用した後の燃焼ガス（いわゆる燃焼オフガス）とＣＯ変成部との間で熱交換することによりＣＯ変成部を冷却するか（例えば、特許文献１参照）、あるいは、バーナ等の加熱源で用いる燃焼用燃料ガスや燃焼用空気とＣＯ変成部との間で熱交換することによりＣＯ変成部を冷却する（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２５５９３公報（第４−７頁、第１図） 特開２００２−１８７７０５公報（第５−１０頁、第１図）

上記構成の従来の水素発生装置では、ＣＯ変成部の冷却のために燃焼オフガス、燃焼用燃料ガスまたは燃焼用空気によりＣＯ変成部から回収した熱が、いずれも原料や水蒸気側に伝熱されてはおらず、この回収熱が有効に利用されていない。このため、実質的に全量の熱を改質部に還流することが困難であり、よって、十分に高い熱効率を得ることができない。

また、かかる構成では、改質部での水素の発生量の負荷を変化させると、それに伴って、燃焼オフガスの温度、燃焼用燃料ガスや燃焼用空気の供給流量等が変化する。このように燃焼オフガス、燃焼用燃料ガス、及び、燃焼用空気の状態が変化すると、これらのガスによるＣＯ変成部からの熱の回収量も変化する。このため、ＣＯ変成部からの熱の回収量を制御することが困難となり、よって、ＣＯ変成部の温度を一定に維持することが困難となる。その結果、ＣＯ変成部を最適な温度に維持できず、十分に高いＣＯ除去性能が得られなくなる。そして、水素発生装置で生成されたＣＯが十分に除去されていないガスが、例えば、燃料電池発電システムにおいて燃料電池に供給されると、燃料電池の性能劣化を引き起こす。

そこで、本発明は、これら従来の水素発生装置の課題に鑑み、熱効率が向上するとともにＣＯ除去性能が向上する水素発生装置及びこれを備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る水素発生装置は、水供給部から供給された水を水蒸発部で蒸発させて得た水蒸気を用いて改質原料を改質させて水素主体の改質ガスを生成する改質部と、前記改質部に前記水蒸気と前記改質原料とを供給する改質原料流路と、前記改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により二酸化炭素に転化する一酸化炭素変成部と、前記改質ガスを前記一酸化炭素変成部に供給する改質ガス流路と、前記一酸化炭素変成部から得られた変成後ガスを取り出す変成後ガス流路と、燃焼ガスを用いて前記改質部を加熱する燃焼部と、を備えた水素発生装置において、前記改質ガス流路と前記水蒸発部とが熱交換可能に構成され、該熱交換により前記改質ガス流路を移動する改質ガスの保有熱の一部が前記水蒸発部における前記水蒸気の生成に利用されて前記改質ガスが冷却されるものである。

かかる構成によれば、高温の改質ガスの保有熱の一部を水蒸発部での水蒸気生成に利用することにより、改質ガスの保有熱の一部を回収して改質ガスを冷却することができる。そして、この冷却された改質ガスを一酸化炭素変成部に供給することにより、一酸化炭素変成部の温度を制御することが可能となる。このように水と改質ガスとの間で熱回収を行う構成では、気体同士間、例えば、燃焼用燃料ガスや燃焼用空気や原料ガス等と改質ガスとの間で熱交換を行う場合よりも、熱回収量が大きくなり、よって、熱効率が向上する。

また、かかる構成では、外部から直接供給される水を用いて一酸化炭素変成部の温度制御が行われるので、装置内の他の部分の状態変化の影響に左右されることなく温度制御を行うことができ、よって、制御性が向上する。特に、改質部における水素発生量の負荷が変化しても、高い温度制御性を実現することが可能となる。このことから、例えば、耐熱性の問題から使用可能な温度範囲が狭いＣｕ−Ｚｎ系等の卑金属を、一酸化炭素変成部の触媒として用いることが可能となる。

前記一酸化炭素変成部の輻射熱が、前記改質ガス流路を介して前記水蒸発部に伝達されるとともに、前記伝達された輻射熱が前記水蒸発部における前記水蒸気の生成に利用されてもよい。それにより、さらに熱効率が向上する。

第１の水供給部から供給された水を前記燃焼部で得られる前記燃焼ガス及び／又は前記改質部の輻射熱を利用して蒸発させて第１の水蒸気を生成する第１の水蒸発部と、前記改質ガス流路との間で前記熱交換可能に構成され、第２の水供給部から供給された水を前記熱交換により回収した前記改質ガスの保有熱を利用して蒸発させ第２の水蒸気を生成する第２の水蒸発部とを備え、前記改質原料流路は、前記第１の水蒸気を前記改質原料とともに前記改質部に供給する第１の水蒸気流路と、前記第２の水蒸気を前記改質部に供給する第２の水蒸気流路と、を備えてもよい。

前記第２の水蒸気流路が前記第１の水蒸気流路に前記改質部の上流において接続されてもよい。かかる構成では、例えば、第２の水蒸発部で蒸発しきれない水が、第２の水蒸気流路から第１の水蒸気流路を介して第１の水蒸発部に供給され、第１の水蒸発部において蒸発する。したがって、改質部に水滴が直接供給されるのを防止することが可能となり、安定して改質反応が行われる。

前記第２の水蒸発部は、前記一酸化炭素変成部の上方に配置され、かつ、前記第２の水蒸発部の水蒸発面が略水平であることが好ましい。かかる構成によれば、下方から加熱されるプール沸騰を実現することができ、よって、突沸による圧力変動を抑制することが可能となる。

前記第２の水蒸気流路と前記変成後ガス流路とが熱交換可能に構成され、前記第２の水蒸気が前記変成後ガスの保有熱の少なくとも一部を回収してもよい。それにより、一酸化炭素変成部で生じる反応熱を回収することができるので、さらに熱効率が向上する。

前記水素生成装置の本体内部では、所定の間隔で同心状に対向配置された複数の軸方向壁と、前記軸方向壁の所定の端部に前記軸方向壁と交差するように配置された複数の径方向壁とで区画されることにより、前記本体内部に、前記改質原料流路、前記改質ガス流路、前記変成後ガス流路、前記燃焼ガスの流路、及び、前記第１及び第２の蒸発部が形成され、本体中心軸に沿って前記改質部が形成されるとともに、前記改質部の軸方向側に前記一酸化炭素変成部が形成され、前記第１の水蒸発部は、前記燃焼ガスの流路と熱交換可能、及び／又は、前記改質部からの輻射熱を利用可能に配置され、前記改質原料流路の前記第１の水蒸気流路は、前記改質部の外側を囲むように配置され、一端が前記第１の水蒸発部に連通するとともに、他端が前記改質部の上流面たる軸方向の一端面に連通し、前記改質ガス流路は、前記改質部の外周を囲むように配置され、一端が前記改質部の下流面たる軸方向の他端面に連通するとともに、他端が前記一酸化炭素変成部の上流面たる軸方向の一端面に沿って配置されて該面に連通し、前記一酸化炭素変成部は、軸方向において、前記改質部の前記上面たる前記一端面と対向するように配置され、前記変成後ガス流路は、一端が前記一酸化炭素変成部の下流面たる他端面に連通し、前記第２の水蒸発部は、前記一酸化炭素変成部の前記上流面に沿って配置された前記改質ガス流路と隣接して配置され、前記第２の水蒸気流路は、一端が前記第２の水蒸発部に連通するとともに、他端が前記改質部の前記上流面たる一端面に連通してもよい。

前記一酸化炭素変成部の温度を検出する温度検出器をさらに備え、前記温度検出器により検出された前記一酸化炭素変成部の温度に基づいて、前記第２の水供給部から前記第２の水蒸発部に供給される水の量が調整されてもよい。それにより、高い温度制御性を実現でき、一酸化炭素変成部を転化反応に最適な温度に保持することが可能となる。

前記第１の水供給部から第１の水蒸発部に供給される水の量が、前記第２の水供給部から前記第２の水蒸発部に供給される水の量より多くてもよい。例えば、第２の水供給部からの水の供給量を第１の水供給部からの供給量の１／５以下とすると、第２の水供給部からの水の供給量を変化させても、改質部に供給される改質原料と水蒸気との圧力比は変動しない。そして、このように改質原料に対する圧力変動の抑制が可能であることにより、改質部において安定して改質反応が行われる。

前記第２の水蒸発部に水を供給する前記第２の水供給部は、水供給装置と、前記水供給装置から供給された水を前記第２の水蒸発部に導く供給管とを有し、前記供給管の水出口と前記第２の水蒸発部の水蒸発面との間の距離が、前記水出口で形成される水滴が滴下する前に前記水蒸発面と接触する距離であってもよい。例えば、前記水出口の孔径が０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。それにより、かかる構成を実現することができ、よって、水蒸発面に連続して水が供給されるので改質原料に対する圧力変動を抑制することが可能となる。

前記水出口の流路断面積が０．７ｍｍ^２以上２０ｍｍ^２以下であってもよく、前記水供給装置からの水の供給量が約０．１ｇ／分以上２ｇ／分以下であってもよい。それにより、少なくとも供給管の先端部において連続した水の流れを形成することが可能となり、よって、水出口から連続して水蒸発面に水を供給することが可能となる。

前記供給管は、前記水出口に向けて流路断面積が小さくなる構成であってもよい。

前記水出口を構成する前記供給管の管壁の縁部が、同一水平面上にない構成であってもよく、例えば、前記水出口を含む前記供給管の先端部が切り欠き形状を有していてもよい。それにより、供給管の先端部と第２の水蒸発部の水蒸発面とが近づきすぎた場合にも、安定して水の連続供給を行うことが可能となる。

前記水出口を含む前記供給管の前記先端部が、前記水蒸発面に対して垂直に配置されてもよく、また、前記水蒸発面と平行に配置されてもよい。

１つの前記水蒸発部を備え、前記水蒸発部は、前記改質ガスの保有熱の他に、前記燃焼部から得られる前記燃焼ガスの保有熱及び／又は前記改質部からの輻射熱をさらに回収可能に構成されてもよい。

前記水素発生装置の本体内部では、同心状に所定の間隔で対向配置された複数の軸方向壁と、前記軸方向壁の所定の端部に前記軸方向壁と交差するように配置された複数の径方向壁とで区画されることにより、前記本体内部に、前記改質原料流路、前記改質ガス流路、前記変成後ガス流路、前記燃焼ガスの流路、及び、前記水蒸発部が形成され、本体中心軸に沿って前記改質部が形成されるとともに、軸方向において前記改質部の外側を囲むように前記一酸化炭素変成部が形成され、前記改質原料流路は、軸方向において前記改質部の外側を囲むように配置され、一端が前記改質部の上流面たる一端面に連通し、前記改質ガス流路は、一端が前記改質部の下流面たる軸方向の他端面に連通するとともに、他端が前記改質部の外側に配置された前記一酸化炭素変成部の上流面たる一端面に沿って配置されて該面に連通し、前記変成後ガス流路は、一端が前記一酸化炭素変成部の下流面たる他端面に連通し、前記水蒸発部は、前記改質原料流路と隣接して配置されてもよい。

前記一酸化炭素変成部の温度を検出する温度検出器をさらに備え、前記温度検出器により検出された前記一酸化炭素変成部の温度に基づいて前記水供給部から前記水蒸発部に供給される水の量が調整されてもよい。それにより、さらに温度制御性の向上を図ることが可能となり、一酸化炭素変成部を転化反応に最適な温度に保持することが可能となる。

本発明に係る燃料電池発電システムは、上記構成を有する水素発生装置と、前記水素発生装置から供給され水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池とを備えものである。

かかる構成によれば、熱効率が向上するとともに、耐久性が高く安定して発電を行うことが可能な燃料電池発電システムが実現可能となる。

本発明によれば、熱効率が向上するとともにＣＯ除去性能が向上した水素発生装置が得られる。また、この水素生成装置を使用した燃料電池発電システムでは、エネルギー効率が向上するとともに、燃料電池の耐久性が高く安定した運転が実現可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図面は、実施の形態に係る水素発生装置及びこの装置を備えた燃料電池発電システムの特徴的な構成を示すものであり、従来から公知である構成については、図示及び詳細な説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素発生装置の構成を示す模式的な断面図である。また、図２及び図３は、図１の水素発生装置の第２の水蒸発部の構成を模式的に示す部分拡大断面図である。また、図５は、図１の水素発生装置を備えた燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。

本実施の形態では、まず、水素発生装置について説明し、次いで、この水素発生装置を備えた燃料電池発電システムについて説明する。

図１に示すように、水素発生装置は、上端及び下端が閉鎖された円筒状の本体５０と、円筒状の輻射筒２１とが取り付けられたバーナ２０と、本体５０の外周を覆う断熱材５３とから主に構成されている。以下に、水素発生装置の詳細な構造について説明する。

輻射筒２１が取り付けられたバーナ２０が、本体５０と同心状に収納配置されている。円筒状の本体５０の内部、具体的には、本体５０の内壁と輻射筒２１との間の空間は、同心円筒形状を有し径方向及び軸方向の長さが各種異なる複数の縦壁１０２と、この縦壁１０２の所定の端部に適宜配設された複数の円板状又は中空円板状の横壁１０３とで区画されている。具体的には、本体５０の内部に、複数の縦壁１０２が同心状に直立して配置されることにより縦壁１０２間に間隙５１が形成され、この間隙５１を利用して所望のガス流路が形成されるように、縦壁１０２の所定端部が横壁１０３によって適宜閉鎖されている。それにより、本体５０内部に、改質部１０と、ＣＯ変成部１５と、後述の各ガス流路とが形成されている。

各ガス流路は、本体５０の径方向のＩ−Ｉ’断面においてリング状に形成され、外側から内側に向かって、二重構造を有する燃焼ガス流路４の下流側流路４Ａ、二重構造を有する改質原料流路１の上流側流路１Ａ及び下流側流路１Ｂ、改質ガス流路２、改質部１０、及び、前記燃焼ガス流路４の上流側流路４Ｂが順に配設されている。燃焼ガス流路４の下流側流路４Ａと上流側流路４Ｂとは、横壁１０３により形成された本体径方向の流路によって底部で連通している。そして、上流側流路４Ｂの端部が、輻射筒２１が取り付けられたバーナ２０に連通するとともに、下流側流路４Ａの端部が排ガス取り出し口８を通じて外部に連通している。また、改質原料流路１の上流側流路１Ａと下流側流路１Ｂとは、横壁１０３により形成された本体径方向の流路によって底部で連通しており、この連通する底部の領域が、第１の水蒸発部９となっている。後述するように、上流側流路１Ａを通じて第１の水蒸発部９に水が供給されて第１の水蒸気が発生し、この第１の水蒸気が下流側流路１Ｂを移動する。そこで、ここでは、上流側流路１Ａ及び下流側流路１Ｂによって形成される第１の水蒸気の経路を、第１の水蒸気流路１Ｄと呼ぶ。

改質部１０は、円筒形状を有し、燃焼ガス流路４の上流側流路４Ｂを介して、輻射筒２１の側部と上部とを囲むように配置されている。改質部１０の本体軸方向の上方には、横壁１０３により、改質部１０の上端面に沿う改質原料流路１の下流側流路１Ｃが形成されている。このようにして形成された本体径方向の下流側流路１Ｃは、前述の改質原料流路１の下流側流路１Ｂに連通している。それにより、改質原料流路１の下流側端部が、改質部１０の上端面に連通した構成となる。改質原料流路１の下流側流路１Ｂは、さらに本体軸方向上方まで延設されており、後述するように、この延設部分によって、第２の水蒸気流路３０が形成されている。したがって、第２の水蒸気流路３０と改質原料流路１とが連通した構成となる。

また、改質部１０の軸方向上方には、改質部１０の上端面と対向するように、ＣＯ変成部１５が配設されている。ＣＯ変成部１５と改質部１０とは、改質ガス流路２によって連通している。この改質ガス流路２は、上流側端部が改質部１０の下端面に連通し、改質部１０の外周を囲むように本体軸方向に延び、かつ、下流側領域がＣＯ変成部１５の上端面に沿って本体径方向に形成されている。また、ＣＯ変成部１５の下端面と横壁１０３とにより、変成後ガス流路３が形成されている。上流側端部がＣＯ変成部１５に連通する変成後ガス流路３の下流側端部は、変成後ガス取り出し口７を通じてＣＯ浄化部４０（図５）に連通している。

改質原料流路１の上流側流路１Ａは、原料供給部５及び第１の水供給部６に接続されている。ここでは図示を省略しているが、原料供給部５は、原料供給装置と、原料の供給管とを備えており、第１の水蒸発部６は、水供給装置と、水の供給管とを備えている。また、第２の水蒸気流路３０は、第２の水供給部３２に接続されている。ここでは図示を省略しているが、第２の水供給部３２は、水供給装置と、水の供給管とを備えている。また、本体５０に取り付けられたバーナ２０には、燃焼用空気供給口２０ａ及び燃焼用燃料ガス供給口２０ｂが形成されており、ここでは図示を省略しているが、空気供給口２０ａは空気供給部に接続され、燃焼用燃料ガス供給口２０ｂは燃焼ガス供給部に接続されている。

改質部１０は、粒状に成型された金属酸化物からなる担体上に改質触媒たる白金族金属が担持されたものが、縦壁１０２の間に形成された間隙５１に充填されて形成されている。改質部１０は、改質原料流路１や改質ガス流路２よりも装置の内側に形成され、上端面が改質原料流路１に連通するとともに、下端面が改質ガス流路２に連通している。

ＣＯ変成部１５は、セラミック製のハニカム基材上に形成された膜状の金属酸化物からなる担体上に、変成触媒たる白金族金属が分散して担持された構成を有する。また、ＣＯ変成部１５には、内部の温度を検出する温度センサ３３が配設されている。温度センサ３３により検出されたＣＯ変成部１５の温度情報は、制御装置３５に伝達される。そして、制御装置３５は、後述するように、この情報に基づいて第２の水供部３２を制御し、第２の水供給部３２から第２の水蒸気流路３０に供給される水の流量を調整する。

本体５０及びバーナ２０は、変成後ガス取り出し口７、排ガス取り出し口８、空気供給口２０ａ及び燃焼用燃料ガス供給口２０ｂ、ならびに、原料供給部、第１の水供給部及び第２の水供給部３２との接続部分を除いて、外周が断熱材５３により覆われている。

改質原料流路１の下流側流路１Ｂは、下流側流路１Ｃとの接続部（以下、この接続部で混合原料ガスの移動方向が変わる（偏向する）ことから、この接続部を偏向部と呼ぶ）を越えて、さらに、ＣＯ変成部１５よりも本体軸方向上方まで延びている。そして、その延設端部領域が、ＣＯ変成部１５の上端面に沿って形成された改質ガス流路２と横壁１０３を介して隣接するように配置されている。ここでは、このように形成された改質原料流路１の下流側流路１Ｂのうち、前記偏向部よりもＣＯ変成部１５側（すなわち上側）に位置する部分を、特に、第２の水蒸気流路３０と呼ぶ。

第２の水蒸気流路３０の内部には、改質ガス流路２と横壁１０３を介して隣接する部分に、第２の水蒸発部３１が形成されている。第２の水蒸発部３１は、第２の水供給部３２から供給された水を貯留可能に構成され、例えば、底面とこの底面外周に配置された側面とからなり所定の深さを有する容器が、第２の水蒸気流路３０内に配置されて第２の水蒸発部３１が構成されている。図２の説明で後述するように、第２の水蒸発部３１では、容器の底面３４が水の蒸発面となり、この底面３４に向けて、第２の水供給部３２の供給管３２ａの水出口３２ｃから水が流れ出る。

図２は、第２の水蒸発部及び第２の水供給部の構成を示す部分拡大図である。図２に示すように、水供給部３２の供給管３２ａの先端部３２ｂは、第２の水蒸発部３１の底面３４に対して垂直に配置されており、底面３４と先端部３２ｂの水出口３２ｃとの間の距離ｈは、水出口３２ｃで形成され底面３４に向けて滴下される水滴の直径よりも小さく設定されている。それにより、第２の水蒸発部３１に供給される水は、先端部３２ｂの下方向に離れて配置された第２の水蒸発部３１に供給される際、滴を形成して第２の水蒸発部３１の底面３４に向け落下するのではなく、底面３４との間の表面張力により、滑らかに底面３４に供給される。したがって、蒸発面たる底面３４に、水滴として間欠的に周期的に水を供給するのではなく、連続して一定量の水を供給することが可能となる。

ここで、水が間欠的に第２の水蒸発部３１の底面３４に供給された場合には、第２の水蒸発部３１における水の蒸発量が周期的に変動することになり、それゆえ、装置内の圧力変動が引き起こされるおそれがある。そして、このような圧力変動に伴って、改質部１０に供給される水蒸気と改質原料ガスとの比率に変動が生じ、その結果、改質部１０で生成する改質ガス中の水素の量や、この時に副成するＣＯの量に変動が生じる。

これに対して、第２の水蒸発部３１の底面３４と水供給部３２の供給管３２ａの水出口３２ｃとの間の距離ｈを上記のように設定すると、水が、前述のように表面張力により連続して一定量で底面３４に供給されるため、第２の水蒸発部３１における水の蒸発量を安定させることができる。よって、上述のような圧力変動を防止することが可能となり、その結果、改質部１０で生成する改質ガス中の水素の量やＣＯの量を安定させることが可能となる。また、このように連続して水を供給することにより、底面３４は、水滴が重力により加速されて底面３４に落下して供給される場合のような水滴落下の衝撃を受けることがない。それゆえ、装置を長期間運転しても、第２の水蒸発部３１の底面３４に局所的に傷や変形が発生するのを防止することができる。したがって、改質部において、安定して改質反応を行うことが可能となる。

水出口３２ｃから滴下する水滴の直径は１〜５ｍｍであることが実験から確かめられたことから、水出口３２ｃと第２の水蒸発部３１の底面３４との距離ｈはこの値よりも小さくする。それにより、水の連続供給が可能となる。かかる構成は、例えば、水供給部３２の供給管３２ａの流路断面（特に水出口３２ｃの断面）をこのような水滴の直径よりも小さく設定することにより実現され、ここでは、水出口３２ｃの孔径を０．５〜５ｍｍとしている。このような流路断面の設定は、供給管３２ａの全体にわたって行ってもよく、また、供給管３２ａの先端部３２ｂをそれ以外の部分よりも細くし、先端部３２ｂについてのみ行ってもよい。

また、例えば、第２の水供給部３２から第２の水蒸発部３１に供給される水の流量は約０．１〜２ｇ／分程度であるが、このような少量の水をポンプ等の供給装置（図示せず）により連続的に供給するのは非常に困難である。このため、この場合には、ある周期に従って間欠的に第２の水供給部３２の供給装置を動作させて供給管３２ａに水を導入する。ここで、間欠的に供給装置から供給管３２ａに導入された水を、第２の水蒸発部３１に前記導入周期に従って間欠的に供給すると、第２の水蒸発部３１では、周期的に脈動的に水蒸気の発生量が変化する。そして、それに伴って装置内に圧力変動が生じ、前述のように、改質部１０において生成する水素やＣＯの量に変動を引き起こすおそれがある。

そこで、第２の水蒸発部３１における水蒸気発生量の脈動的な変化を抑制するため、第２の水供給部３２の供給装置から間欠的に供給管３２ａに導入された水に、供給管３２ａ内において連続した流れを形成させて第２の水蒸発部３１に連続的に供給する必要がある。ここでは、かかる構成を実現するために、第２の水供給部３２の供給管３２ａの内径を１〜５ｍｍとしており、この内径に相当するように供給管３２ａの流路断面積を０．７〜２０ｍｍ^２としている。このような内径及び流路断面積の設定は、供給管３２ａ全体にわたって行ってもよく、また、供給管３２ａの先端部３２ｂをそれ以外の部分よりも細くして先端部３２ｂのみについて行ってもよい。このような設定により、間欠的に供給管３２ａに導入された水は、管内を徐々に流れていき、例えば、少なくとも先端部３２ｂにおいて、間欠的ではなく連続した水の流れを形成する。

なお、供給管３２ａの内径が１ｍｍ未満の場合、水に含まれる不純物により管内で目詰まりが生じやすくなる。また、第２の水供給部３２やその周辺部が加熱されると、供給管３２ａに熱応力による歪みが生じ変形による目詰まりが生じるおそれがある。また、管内で不純物等の熱膨張が生じるために目詰まりが生じやすくなる。したがって、この場合には、第２の水蒸発部３１への水の供給が停止したり、また、水の供給圧を増加させる必要が生じて供給装置に与える負担が大きくなる。一方、供給管３２ａの内径を５ｍｍより大きくすると、約０．１〜２ｇ／分程度の流量で供給された水は管内全体に広がって流れず、管内の一部を伝って流れ落ちるので、水の流れが間欠的なものとなる。

さらに、第２の水供給部３２の供給管３２ａの先端部３２ｂが第２の水蒸発部３１の底面３４に対して垂直に配置された構成では、例えば、装置の変形等によって先端部３２ｂの水出口３２ｃと底面３４との間の距離ｈが短くなり過ぎると、水出口３２ｃから底面３４に向かう水の流れが悪くなるおそれがある。そこで、図３（ａ），（ｂ）に示すように、供給管３２ａの先端部３２ｂに、切り欠き３６を設けることが好ましい。図３（ａ），（ｂ）では、供給管３２ａの先端部３２ｂの管壁の一部を、三角形状及び放物状に切り欠いて切り欠き３６を形成する。このように先端部３２ｂに切り欠き３６を設けることにより、万が一、先端部３２ｂと第２の水蒸発部３１の底面３４とが接触した場合でも、先端部３２ｂの切り欠き３６から水が流れて水の流路が確保できる。なお、先端部３２ｂに形成される切り欠き３６の形状は、図３（ａ），（ｂ）に示す形状に限定されるものではない。また、先端部３２ｂの管壁の一部を除去する以外に、例えば、図３（ｃ），（ｄ）に示すように、先端部３２ｂの管壁の所定領域を周方向にわたって除去し、それにより、全体的に先端部３２ｂを尖らせた構成としてもよい。

次に、上記水素生成装置の動作について説明する。

燃焼用燃料ガス供給口２０ｂを通じてバーナ２０に燃料ガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給口２０ａを通じてバーナ２０に空気が供給される。ここでは、図５において後述するように、燃焼用燃料ガスとして、燃料電池発電システムの燃料電池１５１において利用されなかった余剰燃料（いわゆる燃料オフガス）を使用している。そして、供給された燃料オフガスと空気とを用いて拡散燃焼が行われる。ここでは、バーナ２０が輻射筒２１で囲まれているため、輻射筒２１内において燃焼が行われ、それにより、高温の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスの熱は、輻射筒２１を介して、本体５０の径方向外側へ輻射により伝達される。このような輻射熱によって改質部１０の改質触媒が加熱されるとともに、燃焼ガスが輻射筒２１内を軸方向上方に移動して直接的に改質触媒を加熱する。それにより、改質部１０が５５０〜８００℃程度の温度に維持される。上昇した燃焼ガスは、燃焼ガス流路４の上流側流路４Ｂ内を縦壁１０２に沿って軸方向下向きに移動し、さらに、下流側流路４Ａ内を軸方向上向きに移動して最終的に排ガス取り出し口８から外部に排出される（図中の矢印ｉ）。ここで、後述するように、燃焼ガスが燃焼ガス流路４を移動する過程で、燃焼ガスの保有する熱と、改質原料流路１内を移動する水との間で熱交換が行われ、燃焼ガスの熱が、第１の水蒸発部９で蒸発潜熱として利用される。

原料供給部５から供給された、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ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガス等の炭化水素ガスや、メタノール等のアルコール）と、第１の水供給部６から供給された水とは、改質反応原料として、改質原料流路１を通じて改質部１０に送られる。ここでは、まず、各供給部５，６から供給された原料ガスと水とが、異なる物質状態（すなわち気体と液体）のまま、改質原料流路１の上流側流路１Ａ内を縦壁１０２に沿って軸方向下向きに移動する（図中の矢印ａ）。そして、上流側流路１Ａの底部、すなわち第１の水蒸発部９において、水が、前述の燃焼ガスの保有熱及び輻射熱ならびに後述の改質部１０からの熱を利用して蒸発し、水蒸気となる。この第１水蒸発部９において発生した水蒸気を、第１の水蒸気と呼ぶ。第１の水蒸気は、原料ガスと混合され、この混合原料ガスが、下流側流路１Ｂ内を縦壁１０２に沿って軸方向上向きに移動する（図中の矢印ｂ）。そして、この混合原料ガスは、改質部１０の上端面に沿って形成された改質原料流路１の下流側流路１Ｃに入り、この流路１Ｃ内を横壁１０３に沿って内側に向かって移動した後、改質部１０に供給される（図中の矢印ｃ）。

原料ガス及び第１の水蒸気は、改質部１０の上端面からその内部に導入され、改質触媒中を縦壁１０２に沿って軸方向下向きに移動する（図中の矢印ｄ）。この移動の間に、第１の水蒸気及び原料ガスは加熱されて温度が上昇し、改質反応が行われて改質ガスが生成する。改質ガスは、水素を主体とし、副成したＣＯを含むものである。そして、生成した改質ガスは、改質部１０の下端面から改質ガス流路２に放出され、改質ガス流路２内を縦壁１０２に沿って軸方向上向に移動する（図中の矢印ｅ）。そして、改質ガス流路２内を横壁１０３に沿って移動し、ＣＯ変成部１５に達する（図中の矢印ｆ）。

ＣＯ変成部１５に供給された改質ガスは、変成触媒中を軸方向下向きに移動する。この過程において、改質ガス中に含まれるＣＯがＣＯ_２に転化する反応、すなわち変成反応が行われ、変成後ガスが生成する。この変成反応は、発熱反応である。変成後ガスは、ＣＯ変成部１５の下流面から変成後ガス流路３に鉛直下向きに噴出され（図中の矢印ｇ）、その後、この流路内を横壁１０３に沿って移動し、縦壁１０２に沿って該流路内を軸方向上向きに移動して変成後ガス取り出し口７から取り出される（図中の矢印ｈ）。変成後ガス取り出し口７から取り出された変成後ガスは、図５で後述するように、ＣＯ浄化部４０に送られる。

ここで、上記のように改質ガスが改質ガス流路２内を移動する際に、第２の水供給部３２から第２の水蒸気流路３０に水が供給される。詳細には、図２に示すように、第２の水供給部３２の供給装置（図示せず）から水が供給管３２ａに導入され、供給管３２ａを通じて、第２の水蒸気流路３０内の第２の水蒸発部３１に前述のように連続して水が供給される。ここでは、第２の水供給部３２から第２の水蒸気流路３０に供給される水の量は、第１の水供給部６から改質原料流路１に供給される水の量の１／５以下である。このようにして第２の水蒸発部３１に供給された水は、第２の水蒸発部３１で一旦貯留される。

第２の水蒸発部３１は、横壁１０３を介して改質ガス流路２と接しているため、改質ガス流路２を流れる改質ガスの保有する熱の一部が、横壁１０３を介して第２の水蒸発部３１に伝達され、第２の水蒸発部３１における蒸発潜熱として利用される。このように保有する熱の一部が蒸発潜熱として回収されることにより、改質部１０と同程度に高温であった改質ガスが冷却される。また、ＣＯ変成部１５の上流面からの輻射熱も、改質ガス流路２を介して第２の水蒸発部３１に伝達されて蒸発潜熱として利用される。その結果、変成反応によりＣＯ変成部１５内で発熱が起こっても、ＣＯ変成部１５の温度を、変成反応に最適な１８０〜４００℃に維持することが可能となる。したがって、ＣＯ変成部１５において、安定して効率よく変成反応が行われてＣＯの除去が行われる。

ここでは、ＣＯ変成部１５の温度を温度センサ３３によって検出し、その温度情報に基づいて、制御装置３５が、第２の水供給部３２からの水の供給量を制御する。すなわち、ＣＯ変成部１５の温度が変成反応に最適な温度よりも低い場合、制御装置３５は、第２の水供給部３２を制御して第２の水供給部３２からの水の供給量を減少させる。例えば、第２の水供給部３２が供給ポンプ及び供給流路の開閉弁を有する場合には、制御装置３５は、ポンプの出力を減少させるか、又は、開閉弁を閉じることにより、水の供給量を減少させる。それにより、第２の水蒸発部３１に供給される水の量が減少し、よって、第２の水蒸発部３１での蒸発潜熱として回収される改質ガスの熱量が減少する。したがって、保有する熱量の大きい改質ガスがＣＯ変成部１５に供給され、それにより、ＣＯ変成部１５の温度を上昇させることが可能となる。

一方、ＣＯ変成部１５の温度が変成反応に最適な温度よりも高い場合、制御装置３５は、第２の水供給部３２を制御して第２の水供給部３２からの水の供給量を増加させる。例えば、制御装置３５は、ポンプの出力を増加させるか、又は、開閉弁をさらに開くことにより、水の供給量を増加させる。それにより、第２の水蒸発部３１に供給される水の量が増加し、よって、第２の水蒸発部３１で回収される改質ガスの熱量が増加する。したがって、より冷却されて保有する熱量の少ない改質ガスがＣＯ変成部１５に供給され、それにより、ＣＯ変成部１５の温度上昇を抑制することが可能となる。

このような第２の水蒸発部３１における水の蒸発は、下方から加熱されるプール沸騰であるため、突沸を防止することができ、それゆえ、装置内における圧力変動の発生を防止することができる。このため、前述のように、特に、改質部１０において、安定して改質ガスを生成することが可能となる。また、水等に溶存する金属イオンが、突沸に伴って飛散して改質部１０やＣＯ変成部１５等に侵入するのを防止することが可能となる。例えば、突沸に伴って上記の金属イオンが改質部１０やＣＯ変成部１５等に侵入すると、金属イオンがこれらの部分の触媒に吸着して触媒活性を失活させるため、装置の耐久性の劣化を引き起こす。これに対して、本実施の形態では、突沸が防止されていることから、水中に含まれる金属イオンの飛散を防止することができ、耐久性が向上する。

また、前述したように、さらに、第２の水供給部３２から供給される水の量が第１の水供給部６から供給される水の量の１／５以下と少量であることから、第２の水蒸発部３１において生成した第２の水蒸気の圧力は、第１の水蒸発部９において生成した第１の水蒸気の圧力と比較して、僅かなものである。したがって、第２の水蒸気は、改質部１０に供給される原料ガスと水蒸気との圧力比に、ほとんど影響しない。それゆえ、ＣＯ変成部１５の温度制御のために第２の水蒸発部３１への水供給量を調整して第２の水蒸気の発生量を変化させても、改質部１０において安定して改質反応を行うことが可能となる。

このようにして第２の水蒸発部３１において生成された第２の水蒸気は、第２の水蒸気流路３０内を横壁１０３に沿って移動した後、縦壁１０２に沿って軸方向下向きに流れる。そして、改質原料流路１の下流側流路１Ｃに入り、前述の下流側流路１Ｂ内を移動してきた混合原料ガスとともに、横壁１０３に沿って移動して改質部１０に供給される。このように第２の水蒸気流路３０内を第２の水蒸気が流れる過程において、第２の水蒸気流路３０が横壁１０３及び縦壁１０２を介して変成後ガス流路３と隣接していることから、変成後ガスから第２の水蒸気に熱が伝達されて熱回収が行われる。

なお、第２の水供給部３２から供給された水が第２の水蒸発部３１で蒸発しきれなかった場合、水は、第２の水蒸気流路３０内を移動し、さらに、改質原料流路１の下流側流路１Ｂ内を移動してこの流路の底部、すなわち第１の水蒸発部９に達する。このように第１の水蒸発部９に達した水は、前述の第１の水供給部６から供給された水と同様に、第１の水蒸発部９において蒸発する。そして、得られた水蒸気は、下流側流路１Ｂ，１Ｃを通じて改質部１０に供給される。このように、第２の水蒸発部３１において水が蒸発しきれなかった場合でも、改質部１０に水が直接供給されることはなく、したがって、この水により改質部１０における改質ガスの生成効率が低下することはない。また、この場合には、第２の水蒸発部３１で蒸発しきれずに通流する水によっても、改質ガスから熱が回収される。

変成反応によって得られた変成後ガスのＣＯ濃度は、変成反応の温度に応じて、改質ガス中のＣＯ濃度の１／５〜１／５０まで低減されている。しかしながら、燃料電池１５１（図５）で燃料ガスとして利用するには、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下まで低減する必要がある。このため、図５に示すように、燃料電池発電システムで用いられる水素発生装置では、変成後ガスが、ＣＯ変成部１５の下流に配設されたＣＯ浄化部４０にさらに供給されて処理される。そして、燃料電池発電システムにおいては、水素生成装置１５０で得られた水素主体のガスが、燃料ガスとして燃料電池１５１の燃料極に供給される。燃料電池１５１では、燃料極に供給されたこの燃料ガスと、酸素極に供給された酸素ガスとの反応を利用して発電が行われる。

本実施の形態の水素生成装置では、ＣＯ変成部１５に供給される改質ガスの熱を第２の水蒸発部３１に供給される水を利用して回収するため、燃料オフガス、燃焼用空気、又は燃焼ガスと改質ガスとの間で熱交換を行う場合や、改質反応の原料ガス又は水蒸気と改質ガスとの間で熱交換を行う場合のような気体同士間での熱交換よりも、液体である水と気体である改質ガスとの間の熱交換率が大きくなり、回収熱量が増加する。したがって、装置全体として、熱効率が向上する。

また、ＣＯ変成部１５の温度調節が、装置の他の部分の影響から独立した要素、すなわち、第２の水供給部３２からの水の供給量、を制御することにより行われるので、従来の場合のように装置の他の部分の状態変化に伴ってＣＯ変成部１５の温度が影響を受けることがない。特に、改質部１０における水素発生量の負荷が変化しても、従来のように水素発生量の負荷の変化に伴って状態変化が生じる要素（具体的には、燃料オフガスや燃焼用空気、燃焼ガス等）を用いてＣＯ変成部１５の温度制御を行う場合に比べて、良好な制御性を実現することが可能となる。

このように熱回収の効率が向上するとともにＣＯ変成部１５の温度制御性の向上が図られた水素生成装置を備えた燃料電池発電システムでは、システム全体における熱効率が向上して高いエネルギー効率を実現することができるとともに、耐久性の高いシステムを実現することが可能となる。

なお、上記においては、改質部１０が、前述のように粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持された構成を有するが、改質部１０の構成はこれ以外であってもよい。例えば、改質部１０の形状に応じて、セラミックや金属等のハニカム基材の上に形成された膜状の金属酸化物を担体とし、該担体上に白金族金属が分散された構成であってもよい。

また、上記においては、ＣＯ変成部１５が、セラミックからなるハニカム基材上に形成された膜状の金属酸化物担体上に白金族金属が分散担持された構成を有するが、ＣＯ変成部１５の構成はこれ以外であってもよい。例えば、基材がステンレス等の金属薄板で構成された構造体でもよく、また、ＣＯ変成部１５の形状に応じて、粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持されたものが充填された構成であってもよい。さらに、ＣＯ変成部１５の変成触媒として、白金族金属以外に、Ｃｕ−Ｚｎ系等の卑金属を用いてもよい。

ここで、上記のように白金族金属をＣＯ変成部１５の変成触媒として用いた場合には、卑金属を触媒として用いた場合よりも触媒が高い耐熱性を有することから、ＣＯ変成部１５の温度をより高くすることが可能となる。このように高い耐熱性を有するＣＯ変成部１５では、第２の水供給部３２からの水の供給量の制御に余裕が生じ、供給量の変動幅に余裕が生じる。一方、卑金属を変成触媒として用いた場合には、これらの金属は耐熱性が白金族金属に比べて低いため、使用可能な温度範囲が狭くなるが、本実施の形態ではＣＯ変成部１５において良好な温度制御性が実現されるので、本実施の形態の効果が有効に奏される。

上記においては、第２の水蒸発部３１で生成した第２の水蒸気が、第１の水蒸発部９で生成された第１の水蒸気と混合され、共通の改質原料流路１Ｃを介して改質部１０に供給されているが、本実施の形態の変形例として、第１の水蒸発部９で生成された第１の水蒸気と、第２の水蒸発部３１で生成された第２の水蒸気とを、別々の流路を通じて改質部１０にそれぞれ供給する構成であってもよい。

また、上記においては、第２の水蒸発部３１の水蒸発面３４に対して供給管３２ａの先端部３２ｂが垂直に配置される場合について説明したが、供給管３２ａの配置はこれに限定されるものではなく、例えば、本実施の形態の変形例として、先端部３２ａが水蒸発面３４と平行に配置された構成であってもよい。
（実施の形態２）
図４は、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。本実施の形態の水素発生装置は、以下の点が、実施の形態１とは異なっている。

すなわち、実施の形態１では、装置の本体軸方向において、改質部１０の上方にＣＯ変成部１５が配置されているが、図４に示すように、本実施の形態では、装置の本体径方向に改質部１０の外周を取り囲むように円筒状のＣＯ変成部１５’が配置されており、かつ、ＣＯ変成部１５’に向かって配置された改質ガス流路２と、改質原料流路１の下流側流路１Ｂ及び水蒸発部９と、が隣接している。そして、実施の形態１では第１及び第２の水蒸発部９，３１が配設されるとともに第１及び第２の水供給部６，３２が配設されているが、本実施の形態では、水蒸発部９及び水供給部６が各１つずつ配設されている。

具体的に、本実施の形態では、上端及び下端が閉鎖された円筒状の本体５０の内部が、実施の形態１と同様に、縦壁１０２及び横壁１０３で区画され、それにより、装置の中心に、輻射筒２１が取り付けられたバーナ２０を取り囲むように円筒状の改質部１０が形成されている。そして、この改質部１０を取り囲むように、装置の径方向のII−II’線断面における形状がリング状である円筒状の各ガス流路、及び、ＣＯ変成部１５’が形成されている。ここでは、装置の径方向の外側から内側に向かって順に、二重構造を有する燃焼ガス流路４の下流側流路４Ａ、三重構造を有する改質原料流路１の上流側流路１Ａ，１Ｂ、二重構造を有する改質ガス流路２の下流側流路２Ａ、ＣＯ変成部１５’、変成後ガス流路３、前記改質原料流路１の下流側流路１Ｃ、前記改質ガス流路２の上流側流路２Ｂ、改質部１０、及び、燃焼ガス流路４の上流側流路４Ｂが形成されている。なお、多重構造を有する流路では、本体軸方向において区画された流路が、横壁１０３により底部に形成された本体径方向の流路によって連通している。

上記各ガス流路において、燃焼ガス流路４では、上流側流路４Ｂの端部が、輻射筒２１が取り付けられたバーナ２０に連通するとともに、下流側流路４Ａの端部が、排ガス取り出し口８を通じて外部に連通している。また、改質原料流路１は、上流側流路１Ａの端部が、原料供給部５及び水供給部６にそれぞれ接続されており、下流側流路１Ｃの端部が、改質部１０の下端面に連通している。そして、上流側流路１Ａと上流側流路１Ｂとが連通する底部に、水蒸発部９が形成される。また、改質ガス流路２は、上流側流路２Ｂの端部が改質部１０の上端面に連通するとともに、下流側流路２Ａの端部がＣＯ変成部１５’の上流面に連通している。また、変成後ガス流路３は、上流側端部がＣＯ変成部１５’の下流面に連通するとともに、下流側端部が変成後ガス取り出し口７を通じてＣＯ浄化部４０（図５）に連通している。

本実施の形態では、ＣＯ変成部１５’が、実施の形態１のＣＯ変成部１５のようにハニカム基材上に形成された膜状の金属酸化物担体上に白金族金属が担持されて構成されるのではなく、粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持されたものが、改質ガス流路２と変成後ガス流路３との間に位置する円筒状の領域に配置されて形成されている。また、ＣＯ変成部１５’には、温度センサ３３が配置されており、この温度センサ３３からの情報に基づいて制御装置３５がＣＯ変成部１５’の温度調節を行う。

本実施の形態においては、原料供給部５及び水供給部６から原料ガス及び水が改質原料流路１の上流側流路１Ａに供給される。これらの原料ガス及び水は、流路内を縦壁１０２に沿って軸方向下向きに流れる（図中の矢印Ａ）。そして、流路底部の水蒸発部９において、この水に、改質部１０からの輻射熱及び燃焼ガス流路４Ａ内の燃焼ガスからの熱が伝達され、また、後述するように、縦壁１０２を介して隣接する改質ガス流路２内の改質ガスの保有熱、及び、ＣＯ変成部１５’の上流面からの輻射熱が伝達される。それにより、これらの熱が蒸発潜熱として利用されて、水蒸発部９において水が蒸発する。このようにして生成された水蒸気は、原料ガスと混合されて混合原料ガスとなり、上流側流路１Ｂ内を縦壁１０２に沿って軸方向上向きに流れる（図中の矢印Ｂ）。その後、下流側流路１Ｃに入り流路内を縦壁１０２に沿って再び軸方向下向きに流れる。そして、混合原料ガスは、改質部１０の下端から改質部１０内部に供給される（図中の矢印Ｃ）。混合原料ガスが改質部１０内を縦壁１０２に沿って軸方向上向きに流れる過程において改質反応が行われ、水素が主体の改質ガスが生成される。

生成された改質ガスは、改質ガス流路２の上流側流路２Ｂ内を縦壁１０２に沿って軸方向下向きに流れた後、さらに下流側流路２Ａ内を縦壁１０２に沿って軸方向上向きに流れ（図中の矢印Ｄ及びＥ）、ＣＯ変成部１５’の上流面に達する。ＣＯ変成部１５’に供給された改質ガスは、本体の内側に向かって、筒体状のＣＯ変成部１５’の径方向、すなわち水素発生装置の中心軸（図示せず）と垂直な方向、に向かって流れる（図中の矢印Ｆ）。この過程で、変成反応により変成後ガスが生成する。変成反応は発熱反応であるため、ＣＯ変成部１５’は、供給された改質ガスの保有熱と変成反応の際の発熱で得られた熱とによって加熱される。

ここで、改質ガスがＣＯ変成部１５’に達する過程において、前述のように、改質ガスの保有する熱の一部が、改質ガス流路２と縦壁１０２を介して隣接する水蒸発部９の水の蒸発潜熱として利用される。それにより、改質ガスから熱が回収されて該ガスが冷却される。また、ＣＯ変成部１５’の上流面からの輻射熱も、改質ガス流路２を経て縦壁１０２を介して水蒸発部９に伝達され、水蒸発部９において水の蒸発潜熱として利用され回収される。本実施の形態では、このように改質ガスの保有熱の一部とＣＯ変成部１５’の上流面からの輻射熱とを、水蒸発部９における水の蒸発に利用して回収することにより、実施の形態１の場合と同様、ＣＯ変成部１５’の温度を調節して最適な温度に保持することが可能となる。

ここでは、実施の形態１の場合と同様、ＣＯ変成部１５’の温度を温度センサ３３で検出し、その温度情報に基づいて、制御装置３５が水供給部６からの水の供給量を調節する。それにより、水蒸発部９において回収される改質ガスの保有熱及びＣＯ変成部１５’の輻射熱の量（すなわち熱回収量）が調節され、その結果、ＣＯ変成部１５’の温度制御が行われる。

すなわち、ＣＯ変成部１５’の温度が変成反応に最適な温度よりも低い場合いは、制御装置３５は、水供給部６を制御して水供給部６からの水の供給量を減少させる。例えば、水供給部６が供給ポンプ及び供給流路の開閉弁を有する場合、制御装置３５は、ポンプの出力を減少させるか、又は、開閉弁を閉じることにより、水の供給量を減少させる。それにより、水蒸発部９に供給される水の量が減少し、よって、水蒸発部９で回収される改質ガスの熱量が減少する。したがって、保有する熱量の大きい改質ガスがＣＯ変成部１５’に供給され、よって、ＣＯ変成部１５’の温度を上昇させることが可能となる。

一方、ＣＯ変成部１５’の温度が変成反応に最適な温度よりも高い場合、制御装置３５は、水供給部６を制御して水供給部６からの水の供給量を増加させる。例えば、制御装置３５は、ポンプの出力を増加させるか、又は、開閉弁をさらに開くことにより、水の供給量を増加させる。それにより、水蒸発部９に供給される水の量が増加し、よって、水蒸発部９で回収される改質ガスの熱量が増加する。このように改質ガスからの回収する熱量を増加させることにより、保有熱の少ない改質ガスがＣＯ変成部１５’に供給され、それにより、ＣＯ変成部１５’の温度の上昇を抑制することが可能となる。

ここで、このようなＣＯ変成部１５’の温度制御のために調節される水の量は、改質反応のために改質部１０に供給される水の量全体からみて僅かである。このため、このように水の供給量を調節しても、改質部１０に供給される水蒸気と原料ガスとの比率にはほとんど影響を与えず、よって、装置内における圧力変動は抑制される。

ＣＯ変成部１５’から得られた変成後ガスは、ＣＯ変成部１５’の下流面から、改質原料流路１の下流側流路１Ｃとの共通の縦壁１０２に垂直に衝突するような流れを形成して変成後ガス流路３に入る。そして、変成後ガスは、縦壁１０２に沿って変成後ガス流路３内を軸方向上向きに流れ、変成後ガス取り出し口７から取り出される（図中の矢印Ｇ）。

かかる構成の本実施の形態においても、実施の形態１において前述した効果と同様の効果が得られる。

なお、上記においては、改質部１０が、実施の形態１と同様、粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持された構成を有するが、改質部１０の形状に応じて、セラミックや金属等からなるハニカム基材上に形成された膜状の金属酸化物の担体上に白金族金属が分散担持された構成であってもよい。

また、上記においては、ＣＯ変成部１５’が、粒状に成型された金属酸化物の担体上に白金族金属が担持された構成を有するが、ＣＯ変成部１５’の形状に応じて、セラミックや金属のハニカム等からなる基材上に形成された膜状の金属酸化物の担体上に白金族金属が分散担持された構成であってもよい。さらに、変成触媒として、白金族金属以外に、Ｃｕ−Ｚｎ系等の卑金属を用いてもよい。触媒として白金族金属を用いた場合及び卑金属を用いた場合の効果については、実施の形態１において前述した通りである。

ところで、本実施の形態のように改質部１０の外周に沿ってＣＯ変成部１５’を配置する構成とするか、あるいは、実施の形態１のように改質部１０の軸方向にＣＯ変成部１５を配置する構成とするかは、任意に選択されるものであるが、改質ガス流路と水蒸発部との接触面積が大きいほど熱回収を効率よく行うことが可能であることから、該接触面積が大きくなるような構成を適宜選択することが好ましい。それにより、本発明の効果がより有効に奏される。

上記の実施の形態１，２においては、水蒸気流路中に水蒸発部が設けられる場合について説明したが、独立して水蒸発部が設けられるとともにこの水蒸発部に水蒸気流路が接続された構成であってもよい。

上記の実施の形態１，２においては、バーナ２０に供給する燃焼用燃料ガスとして、燃料電池１５１における燃料オフガスを使用しているが、例えば、この燃焼用燃料ガスとして、都市ガス、メタン、ＬＰガス、灯油等のその他の炭化水素系燃料、あるいは水素等を用いてもよい。

さらに、上記の実施の形態１，２においては、円筒式の水素生成装置について説明したが、本発明は、これ以外の形状を有する水素生成装置にも適用可能である。

本発明に係る水素発生装置は、種々の用途で用いられる水素の製造に利用可能であり、特に、燃料電池の燃料ガスとして使用される水素の製造に有効である。また、この水素発生装置を備えた燃料電池発電システムは、発電装置として種々の用途で利用可能であり、例えば、家庭用燃料電池コージェネレーションシステム等として有効である。

本発明の実施の形態１における水素発生装置の断面構成図である。 図１の第２の水蒸気流路における第２の水蒸発部及び第２の水供給部の構成を示す部分拡大図である。 図１の第２の水蒸気流路における第２の水蒸発部及び第２の水供給部の構成の他の例を示す部分拡大図である。 本発明の実施の形態２における水素発生装置の構成を示す模式的な断面図である。 図１の水素発生装置を備えた燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 改質原料流路
２ 改質ガス流路
３ 変成後ガス流路
４ 燃焼排ガス流路
５ 原料供給部
６ 水供給部
７ 変成後ガス取り出し口
８ 排ガス取り出し口
９ 第１の水蒸発部
１０ 改質部
１５ ＣＯ変成部
２０ バーナ
３０ 第２の水蒸気流路
３１ 第２の水蒸発部
３２ 第２の水供給部
３３ 温度センサ
３５ 制御装置
３５ 切り欠き
５０ 本体
５３ 断熱材

Claims (22)

1. 水供給部から供給された水を水蒸発部で蒸発させて得た水蒸気を用いて改質原料を改質させて水素主体の改質ガスを生成する改質部と、前記改質部に前記水蒸気と前記改質原料とを供給する改質原料流路と、前記改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により二酸化炭素に転化する一酸化炭素変成部と、前記改質ガスを前記一酸化炭素変成部に供給する改質ガス流路と、前記一酸化炭素変成部から得られた変成後ガスを取り出す変成後ガス流路と、燃焼ガスを用いて前記改質部を加熱する燃焼部と、を備えた水素発生装置において、
   前記改質ガス流路と前記水蒸発部とが熱交換可能に構成され、該熱交換により前記改質ガス流路を移動する改質ガスの保有熱の一部が前記水蒸発部における前記水蒸気の生成に利用されて前記改質ガスの冷却が行われることを特徴とする水素発生装置。
2. 前記一酸化炭素変成部の輻射熱が前記水蒸発部に伝達されるとともに、前記伝達された輻射熱が前記水蒸発部における前記水蒸気の生成に利用される請求項１記載の水素発生装置。
3. 第１の水供給部から供給された水を前記燃焼部から得られる前記燃焼ガス及び／又は前記改質部の輻射熱を利用して蒸発させて第１の水蒸気を生成する第１の水蒸発部と、
   前記改質ガス流路との間で前記熱交換可能に構成され、第２の水供給部から供給された水を前記熱交換により回収した前記改質ガスの保有熱を利用して蒸発させて第２の水蒸気を生成する第２の水蒸発部とを備え、
   前記改質原料流路は、
   前記第１の水蒸気を前記改質原料とともに前記改質部に供給する第１の水蒸気流路と、
   前記第２の水蒸気を前記改質部に供給する第２の水蒸気流路と、を備えた請求項１又は２記載の水素発生装置。
4. 前記第２の水蒸気流路が前記第１の水蒸気流路に前記改質部の上流において接続された請求項３記載の水素発生装置。
5. 前記第２の水蒸発部は、前記一酸化炭素変成部の上方に配置され、かつ、前記第２の水蒸発部の水蒸発面が略水平である請求項３又は４記載の水素発生装置。
6. 前記第２の水蒸気流路と前記変成後ガス流路とが熱交換可能に構成され、前記第２の水蒸気が前記変成後ガスの保有熱の少なくとも一部を回収する請求項３〜５のいずれかに記載の水素発生装置。
7. 前記水素生成装置の本体内部では、所定の間隔で同心状に対向配置された複数の軸方向壁と、前記軸方向壁の所定の端部に前記軸方向壁と交差するように配置された複数の径方向壁とで区画されることにより、前記本体内部に、前記改質原料流路、前記改質ガス流路、前記変成後ガス流路、前記燃焼ガスの流路、及び、前記第１及び第２の蒸発部が形成され、本体中心軸に沿って前記改質部が形成されるとともに、前記改質部の軸方向側に前記一酸化炭素変成部が形成され、
   前記第１の水蒸発部は、前記燃焼ガスの流路と熱交換可能、及び／又は、前記改質部からの輻射熱を利用可能に配置され、
   前記改質原料流路の前記第１の水蒸気流路は、前記改質部の外側を囲むように配置され、一端が前記第１の水蒸発部に連通するとともに、他端が前記改質部の上流面たる軸方向の一端面に連通し、
   前記改質ガス流路は、前記改質部の外周を囲むように配置され、一端が前記改質部の下流面たる軸方向の他端面に連通するとともに、他端が前記一酸化炭素変成部の上流面たる軸方向の一端面に沿って配置されて該面に連通し、
   前記一酸化炭素変成部は、軸方向において、前記改質部の前記上流面たる前記一端面と対向するように配置され、
   前記変成後ガス流路は、一端が前記一酸化炭素変成部の下流面たる他端面に連通し、
   前記第２の水蒸発部は、前記一酸化炭素変成部の前記上流面に沿って配置された前記改質ガス流路と隣接して配置され、
   前記第２の水蒸気流路は、一端が前記第２の水蒸発部に連通するとともに、他端が前記改質部の前記上流面たる前記一端面に連通した請求項４記載の水素発生装置。
8. 前記一酸化炭素変成部の温度を検出する温度検出器をさらに備え、
   前記温度検出器により検出された前記一酸化炭素変成部の温度に基づいて、前記第２の
   水供給部から前記第２の水蒸発部に供給される水の量が調整される請求項３〜７のいずれかに記載の水素発生装置。
9. 前記第１の水供給部から第１の水蒸発部に供給される水の量が、前記第２の水供給部から前記第２の水蒸発部に供給される水の量よりも多い請求項３〜８のいずれかに記載の水素発生装置。
10. 前記第２の水蒸発部に水を供給する前記第２の水供給部は、水供給装置と、前記水供給装置から供給された水を前記第２の水蒸発部に導く供給管とを有し、
    前記供給管の水出口と前記第２の水蒸部の水蒸発面との間の距離が、前記水出口で形成される水滴が滴下する前に前記水蒸発面と接触する距離である請求項３〜９のいずれかに記載の水素発生装置。
11. 前記水出口の孔径が０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である請求項１０記載の水素発生装置。
12. 前記水出口の流路断面積が０．７ｍｍ^２以上２０ｍｍ^２以下である請求項１０又は１１記載の水素発生装置。
13. 前記水供給装置からの水の供給量が約０．１ｇ／分以上２ｇ／分以下である請求項１２記載の水素発生装置。
14. 前記供給管は、前記水出口に向けて流路断面積が小さくなる請求項１０〜１３のいずれかに記載の水素発生装置。
15. 前記水出口を構成する前記供給管の管壁の縁部が、同一水平面上にない請求項１０〜１４のいずれかに記載の水素発生装置。
16. 前記水出口を含む前記供給管の先端部が切り欠き形状を有する請求項１５記載の水素発生装置。
17. 前記水出口を含む前記供給管の前記先端部が、前記水蒸発面に対して垂直に配置された請求項１０〜１６のいずれかに記載の水素発生装置。
18. 前記水出口を含む前記供給管の前記先端部が、前記水蒸発面と平行に配置された請求項１０〜１６のいずれかに記載の水素発生装置。
19. １つの前記水蒸発部を備え、前記水蒸発部は、前記改質ガスの保有熱の他に、前記燃焼部から得られる前記燃焼ガスの保有熱及び／又は前記改質部からの輻射熱をさらに回収可能に構成された請求項１又は２記載の水素発生装置。
20. 前記水素発生装置の本体内部では、同心状に所定の間隔で対向配置された複数の軸方向壁と、前記軸方向壁の所定の端部に前記軸方向壁と交差するように配置された複数の径方向壁とで区画されることにより、前記本体内部に、前記改質原料流路、前記改質ガス流路、前記変成後ガス流路、前記燃焼ガスの流路、及び、前記水蒸発部が形成され、本体中心軸に沿って前記改質部が形成されるとともに、軸方向において前記改質部の外側を囲むように前記一酸化炭素変成部が形成され、
    前記改質原料流路は、軸方向において前記改質部の外側を囲むように配置され、一端が前記改質部の上流面たる一端面に連通し、
    前記改質ガス流路は、一端が前記改質部の下流面たる軸方向の他端面に連通するとともに、他端が前記改質部の外側に配置された前記一酸化炭素変成部の上流面たる一端面に沿って配置されて該面に連通し、
    前記変成後ガス流路は、一端が前記一酸化炭素変成部の下流面たる他端面に連通し、
    前記水蒸発部は、前記燃焼ガスの流路及び前記改質ガス流路と隣接して配置された請求項１９記載の水素発生装置。
21. 前記一酸化炭素変成部の温度を検出する温度検出器をさらに備え、
    前記温度検出器により検出された前記一酸化炭素変成部の温度に基づいて前記水供給部から前記水蒸発部に供給される水の量が調整される請求項１９又は２０記載の水素発生装置。
22. 請求項１〜２１のいずれかに記載の水素発生装置と、
    前記水素発生装置から供給された水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。

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