JP4614515B2

JP4614515B2 - 燃料電池用の改質装置

Info

Publication number: JP4614515B2
Application number: JP2000272675A
Authority: JP
Inventors: 規寿神家
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: JP2002083620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、その燃焼部にて前記排燃料ガスを燃焼させた燃焼熱にて原燃料を改質処理する改質処理部とが設けられ、
前記改質処理部への原燃料供給量が前記燃料電池の電気負荷に応じた量になるように調節されると共に、前記改質処理部における改質処理温度が目標温度になるように、前記燃焼部への燃焼用空気供給量が調節されるように構成された燃料電池用の改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる燃料電池用の改質装置（以下、単に改質装置と記載する場合がある）は、燃料電池から排出された排燃料ガスの全量を受け入れて燃焼させる必要があり、しかも、燃料電池の発電出力は電気負荷変動に応じて調節する必要があるため、燃料電池から排出された排燃料ガスの全量を燃焼部で燃焼させ、且つ、改質処理部への原燃料供給量を燃料電池の電気負荷に応じて調節する状態で、改質処理部における改質処理温度が目標温度になるように、燃焼部への燃焼用空気供給量を調節するようにしている。
【０００３】
従来は、燃焼部を、排燃料ガスを火炎を形成する状態で燃焼させる有炎燃焼器のみにて構成したり、あるいは、排燃料ガスを燃焼触媒にて燃焼させる触媒燃焼器のみにて構成していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電気負荷が減少側に変化したときには、電気負荷の減少に伴って、原燃料供給量は減少調節されるが、燃料電池には、減少前の電気負荷に対応した量の燃料ガスが供給されていることから、燃焼部の排燃料ガス受入量は増加することとなり、改質処理における吸熱量が減少するのに対して、排燃料ガスの燃焼熱量が増加して、改質処理温度が上昇するので、それに伴って、燃焼用空気供給量が増加調節される。
逆に、電気負荷が増加側に変化したときには、原燃料供給量は増加調節されるが、燃料電池には、増加前の電気負荷に対応した量の燃料ガスが供給されていることから、燃焼部の排燃料ガス受入量は減少することとなり、改質処理における吸熱量が増加するのに対して、排燃料ガスの燃焼熱量が減少して、改質処理温度が低下するので、それに伴って、燃焼用空気供給量が減少調節される。
【０００５】
しかしながら、燃焼部を有炎燃焼器のみで構成した従来の改質装置では、電気負荷が減少して改質処理温度が上昇するのに伴う燃焼用空気供給量の増加調節において、電気負荷の減少率（単位時間当たりの減少量）が大きいために、燃焼用空気供給量の増加率（単位時間当たりの増加量）が大きくなって、燃焼用空気供給量が排燃料ガス受入量に対して過多となるように、増加調節されると、有炎燃焼器が吹き消えて失火する虞がある。
又、電気負荷が増加して改質処理温度が低下するのに伴う燃焼用空気供給量の減少調節において、電気負荷の増加率（単位時間当たりの増加量）が大きいために、燃焼用空気供給量の減少率（単位時間当たりの減少量）が大きくなって、燃焼用空気供給量の減少量が大きくなると、有炎燃焼器が不完全燃焼を起こす虞がある。
従って、有炎燃焼器を安定燃焼させるために、燃焼用空気供給量の変動率を大きくすることができず、そのためには、電気負荷の変動率の許容範囲を狭く設定せざるを得なかった。
つまり、燃焼部を有炎燃焼器のみで構成した従来の改質装置では、電気負荷変動に対する応答性が悪いという問題があった。
【０００６】
これに対して、燃焼部を触媒燃焼器のみで構成した従来の改質装置では、電気負荷の変動に伴う燃焼用空気供給量の変動率が大きくても、燃焼触媒によって、排燃料ガスを安定燃焼させることができる。
しかしながら、改質装置の起動時に起動用ガス燃料を燃焼させるときには、燃焼触媒を反応可能温度（例えば４００°Ｃ）にまで電気ヒータ等を用いて加熱する必要があり、起動時間が長くなると共に、燃焼触媒加熱のためのエネルギーが余分に必要となり、燃料電池用の燃料ガスの生成コストが高くなるという問題があった。
ちなみに、有炎燃焼器は、イグナイタ等で迅速に着火して起動用ガス燃料を燃焼させることができるので、起動時間が短く、しかも、着火のための消費エネルギーも微々たるものであるので、燃料ガス生成コストを低減することができる。
【０００７】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、起動時間の短縮、燃料ガス生成コストの低減、及び、電気負荷変動に対する応答性の向上を図り得る燃料電池用の改質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】
〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の特徴構成は、前記燃焼部は、前記排燃料ガスを火炎を形成する状態で燃焼させる有炎燃焼部と、その有炎燃焼部に対して、その有炎燃焼部の火炎形成方向下手側に配置されて、前記有炎燃焼部にて燃焼しなかった前記排燃料ガスを燃焼触媒にて燃焼させる触媒燃焼部を備えて構成れ、前記排燃料ガスと燃焼用空気とを対向状態で流入させて衝突させることにより混合させる混合部が設けられ、その混合部にて混合された混合ガスが前記有炎燃焼部に供給されるように構成されていることにある。
請求項１に記載の特徴構成によれば、起動時は、起動用ガス燃料を有炎燃焼部に供給して、イグナイタ等にて迅速に着火し、有炎燃焼部にて起動用ガス燃料を燃焼させることにより、改質装置を迅速に起動することができ、そして、起動後は、燃料電池から排出された排燃料ガスの全量を受け入れて、有炎燃焼部にて燃焼させる。そして、その有炎燃焼部にて燃焼する火炎が接触したり燃焼ガスが通過することにより、触媒燃焼部の燃焼触媒が反応可能温度にまで加熱されているので、有炎燃焼部で排燃料ガスを燃焼させながら、有炎燃焼部で排燃料ガスの未燃分が発生したとしても、その未燃分を触媒燃焼部にて燃焼させることができるので、受け入れた排燃料ガスの全量を安定燃焼させることができる。
【０００９】
そして、電気負荷が減少して改質処理温度が上昇するのに伴う燃焼用空気供給量の増加調節において、電気負荷の減少率が大きいために、燃焼用空気供給量の増加率が大きくなって、燃焼用空気供給量が排燃料ガス受入量に対して過多となるように増加調節されて、仮に、有炎燃焼部が吹き消えて失火したとしても、排燃料ガスは、反応可能状態に加熱されている燃焼触媒によって燃焼するので、受け入れた排燃料ガスの安定燃焼を継続することができ、以降、燃焼用空気供給量の増加調節により改質処理温度が低下して、燃焼用空気供給量が減少調節されるのに伴って、触媒燃焼部の燃焼熱によって、有炎燃焼部が着火して、再び、有炎燃焼部で排燃料ガスが燃焼する。
又、電気負荷が増加して改質処理温度が低下するのに伴う燃焼用空気供給量の減少調節において、電気負荷の増加率が大きいために、燃焼用空気供給量の減少率が大きくなって、燃焼用空気供給量の減少量が大きくなることにより、有炎燃焼部が不完全燃焼を起こしたとしても、排燃料ガスの未燃分は、反応可能状態に加熱されている燃焼触媒によって燃焼するので、受け入れた排燃料ガスの全量を安定燃焼させることができ、以降、燃焼用空気供給量の減少調節により改質処理温度が上昇して、燃焼用空気供給量が増加調節されるのに伴って、有炎燃焼部は完全燃焼状態に戻る。
従って、有炎燃焼部にて迅速にしかも余分なエネルギーを使うこと無く、起動することができ、しかも、電気負荷の変動率が大きくて燃焼用空気供給量の変動率が大きくても、触媒燃焼部にて排燃料ガスの燃焼を安定して継続することができるので、起動時間の短縮、燃料ガス生成コストの低減、及び、電気負荷変動に対する応答性の向上を図り得る燃料電池用の改質装置を提供することができるようになった。
また、請求項１に記載の特徴構成によれば、混合部においては、排燃料ガスと燃焼用空気が対向状態で流入して衝突することにより、それらが良好に混合され、そのように良好に混合された排燃料ガスと燃焼用空気が有炎燃焼部に供給されるので、燃焼部における排燃料ガスの燃焼性が一層向上する。
従って、排燃料ガスの燃焼性が一層向上するので、改質処理温度調節のための燃焼用空気供給量の変動率を更に大きくしても、燃焼部での排燃料ガスの燃焼を安定して継続することができるので、電気負荷変動に対する応答性を更に向上することができるようになった。
【００１０】
〔請求項２記載の発明〕
請求項２に記載の特徴構成は、前記燃焼熱にて水を加熱して、前記改質処理部における改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部、及び、前記改質処理部が、前記燃焼部の両側に振分け配置されていることにある。
請求項２に記載の特徴構成によれば、水蒸気生成部においては、燃焼部にて排燃料ガスを燃焼させた燃焼熱にて水が加熱されて水蒸気が生成され、改質処理部においては、水蒸気生成部にて生成された水蒸気を用いて、前記燃焼熱にて原燃料が改質処理される。
そして、水蒸気生成部及び改質処理部が燃焼部の両側に振分け配置されていることから、燃焼部からの放熱を抑制して、加熱効率を向上することができるので、燃料ガス生成コストを更に低減することができる。
しかも、燃焼部は、有炎燃焼部及び触媒燃焼部を上述の請求項１に記載の特徴構成のように備えて、燃焼性能を効果的に向上することができていることから、燃焼部を構成する燃焼室をコンパクトにすることができ、改質装置のコンパクト化を図ることができる。
従って、改質処理用水蒸気の生成機能を備えた燃料電池用の改質装置において、起動時間の短縮及び電気負荷変動に対する応答性の向上に加えて、燃料ガス生成コストの更なる低減及び装置のコンパクト化を図ることができるようになった。
【００１１】
〔請求項３記載の発明〕
請求項３に記載の特徴構成は、前記燃焼部を構成する燃焼室は、前記有炎燃焼部の火炎形成方向に直交する方向に並んで互いに対向する一対の壁部夫々の面積が広くて、その一対の壁部間の間隔が狭い偏平状に形成されていることにある。
請求項３に記載の特徴構成によれば、燃焼部を構成する燃焼室が偏平形状に形成されていて、その偏平形状の燃焼室を、偏平形状にすることによって面積が広くなった壁部を介して、改質処理部に隣接配置することにより、伝熱面積を広くして、改質処理部を効率良く加熱することができる。
しかも、燃焼部は、有炎燃焼部及び触媒燃焼部を上述の請求項１に記載の特徴構成のように備えて、燃焼性能を効果的に向上することができていることから、燃焼室を偏平形状に形成するにしても、その偏平程度を効果的に大きくすることができるので、つまり、有炎燃焼部の火炎形成方向に直交する方向に並んで互いに対向する一対の壁部夫々の面積を一層広くすると共に、その一対の壁部間の間隔を一層狭くすることができるので、伝熱面積が一層広くなって、改質処理部を加熱する加熱効率を一層向上することができる。
従って、燃料ガス生成コストを更に低減することができるようになった。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
尚、以下の実施形態においては、本発明による改質装置を備えた水素含有ガス生成装置Ｐについて説明するが、改質装置は、原燃料を改質処理する改質部Ｒ及び改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部Ｓを備えて構成し、水素含有ガス生成装置Ｐは、改質装置に加えて、改質部Ｒにて改質処理された改質処理ガスに含まれる一酸化炭素ガスを低減するように処理する変成処理部５及び選択酸化処理部６とを備えて、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな燃料ガスを生成するように構成してある。
【００１４】
図１に示すように、水素含有ガス生成装置Ｐは、天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部１と、改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部Ｓと、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスの燃焼熱により、脱硫処理部１で脱硫処理された原燃料ガスを水蒸気生成部Ｓで生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスに改質処理する改質部Ｒと、その改質部Ｒから排出された改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部５と、その変成処理部５から排出された変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスを選択的に酸化する選択酸化処理部６とを備えて構成してある。
【００１５】
燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、水素含有ガス生成装置Ｐから燃料ガス路２３を通じて供給される燃料ガス中の水素と、反応用ブロア１４から反応用空気路３２を通じて供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
【００１６】
改質部Ｒは、改質触媒が通気自在に充填されると共に、被改質ガス（脱硫原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを改質処理する改質処理部３と、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスを燃焼させて改質処理部３を加熱する燃焼部４とを備えて構成してある。
【００１７】
水蒸気生成部Ｓは、改質部Ｒの燃焼部３から排出された燃焼ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通流部１１と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流部１１による加熱にて蒸発させる蒸発処理部２とから構成してある。
【００１８】
更に、水素含有ガス生成装置Ｐには、改質処理部３から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、改質処理部３を保温する保温用通流部７と、高温の改質処理ガスにより改質処理部３に供給される被改質ガスを加熱する被改質ガス用熱交換器Ｅｐと、高温の改質処理ガスにより脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを加熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａと、変成処理部５を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部８と、同じく、変成処理部６を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部９と、変成処理部５及び選択酸化処理部６を冷却する冷却用ファン１０とを設けてある。
又、変成処理部５から排出された変成処理ガスと、水蒸気生成部Ｓへ供給する原料水とを熱交換させて、原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器１７を設けてある。
【００１９】
被改質ガス用熱交換器Ｅｐは、保温用通流部７から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部１２と、改質処理部３に供給する被改質ガスを通流させる被改質ガス通流部１３とを熱交換自在に設けて構成し、原燃料ガス用熱交換器Ｅａは、上流側改質処理ガス通流部１２から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部１５と、脱硫処理部１に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部１６とを熱交換自在に設けて構成してある。
【００２０】
本発明においては、燃焼部４は、排燃料ガスを火炎を形成する状態で燃焼させる有炎燃焼部４Ｆと、その有炎燃焼部４Ｆに対して、その有炎燃焼部４Ｆの火炎形成方向下手側に配置されて、有炎燃焼部４Ｆにて燃焼しなかった排燃料ガスを燃焼触媒４ｃにて燃焼させる触媒燃焼部４Ｃを備えて構成してある。
【００２１】
図２に示すように、水素含有ガス生成装置Ｐは、矩形板状の偏平な容器Ｂの複数を板状形状の厚さ方向に並べて設けて、各容器Ｂを用いて、各処理部、各通流部、燃焼部４等を夫々構成してある。
【００２２】
複数の容器Ｂのうちの一部は、一つの室を備えるように形成した単室具備容器Ｂｍにて構成し、残りは、区画された二つの室を備えるように形成した双室具備容器Ｂｄにて構成してある。
【００２３】
図２ないし図５に示すように、双室具備容器Ｂｄは、基本的には、一対の皿形容器形成部材４１の間に平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの偏平な室を区画形成してある。
改質部Ｒは、１個の双室具備容器Ｂｄを用いて構成し、水蒸気生成部Ｓも、１個の双室具備容器Ｂｄを用いて構成してある。
双室具備容器Ｂｄのうち、改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄは、図２ないし図４に示すように、底部が平坦状の平底状の皿形容器形成部材４１と、底部の片方側が深くなった２段状の皿形容器形成部材４１との間に、平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの室を区画形成してある。
又、双室具備容器Ｂｄのうち、水蒸気生成部Ｓを構成する双室具備容器Ｂｄは、図２に示すように、平底状の皿形容器形成部材４１と、底部の内方部が盛り上がった凸状の皿形容器形成部材４１との間に、平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの室を区画形成してある。
双室具備容器Ｂｄのうち、改質部Ｒや水蒸気生成部Ｓを構成するもの以外のものは、図５に示すように、一対の平底状の皿形容器形成部材４１の間に平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの偏平な室を区画形成してある。
【００２４】
図６に示すように、単室具備容器Ｂｍは、皿形状容器形成部材４１と平板状容器形成部材４２とを周辺部を溶接接続して、一つの偏平な室を区画形成してある。
各単室具備容器Ｂｍや、各双室具備容器Ｂｄには、必要に応じて、流体供給用や流体排出用の接続ノズル４４を内部の室と連通する状態で取り付けてある。
又、図示を省略するが、必要に応じて、容器Ｂの室内を蛇行状流路になるように構成して、流体の通流経路を長くしている。
【００２５】
図２ないし図４に示すように、改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄを、２段状の皿形容器形成部材４１の深さが深い部分が下方側に位置するように立設して、２段状の皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３にて形成される偏平な室を備えた部分を用いて燃焼部４を構成し、平底状の皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３にて形成される偏平な室を備えた部分を用いて改質処理部３を構成してある。
【００２６】
２段状の皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３とにより形成される、下方側の奥行きが広い偏平状の室を燃焼室４ｒとし、その燃焼室４ｒの下端に、排燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを燃焼室４ｒ内にその略全幅にわたる状態で上方に向けて噴出するように、細長状のバーナ４ｂを下縁に沿わせて配置して、有炎燃焼部４Ｆを構成し、燃焼室４ｒの上方の奥行きが狭い部分に、燃焼触媒４ｃを配置して、触媒燃焼部４Ｃを構成してある。
図中の４ｉは、バーナ４ｂに点火するためのイグナイタである。
【００２７】
つまり、燃焼室４ｒは、有炎燃焼部４Ｆの火炎形成方向（即ち、燃焼ガス通流方向）に直交する方向に並んで互いに対向する一対の壁部夫々の面積が広くて、その一対の壁部間の間隔が狭い偏平状に形成し、その偏平状の燃焼室４ｒを縦向きに配置すると共に、その燃焼室４ｒの下方側に、有炎燃焼部４Ｆを、上方向きに混合ガスを噴出するように（即ち、火炎形成方向が上向きになるように）配置し、燃焼室４ｒ内における有炎燃焼部４Ｆの上方側、即ち、有炎燃焼部４Ｆに対してその火炎形成方向下手側の位置に、触媒燃焼部４Ｃを配置してある。
燃焼触媒４ｃは、白金、パラジウム等から成る。
【００２８】
供給される排燃料ガスと燃焼用空気とを混合させる混合部４Ｍを、排燃料ガス供給用の排燃料ガス路２４と燃焼用空気供給用の燃焼用空気路２９とを、互いにガス流れ方向が逆向きになる状態で、一直線状に連通接続し、それらの接続部に、バーナ４ｂの長手方向の中央部に接続される混合ガス路４ｍを直交状に接続して構成し、混合部４Ｍを、排燃料ガスと燃焼用空気とを対向状態で流入させて衝突させることにより混合させるように構成し、その混合部４Ｍにて混合された混合ガスが有炎燃焼部４Ｆに供給されるように構成してある。
【００２９】
更に、混合ガス路４ｍの径を、そこを流れる混合ガスの流速がその混合ガスの燃焼速度よりも速くなるように設定して、排燃料ガスと燃焼用空気とが良好に混合された混合ガスをバーナ４ｂから噴出して燃焼させるようにしながらも、逆火を防止するようにしてある。
【００３０】
改質処理部３を構成する偏平な室には、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で充填してある。
【００３１】
図２に示すように、水蒸気生成部Ｓを構成する双室具備容器Ｂｄを立設し、凸状の皿形容器形成部材４１と平板状の仕切り部材４にて形成される偏平な室を備えた部分を用いて、蒸発処理室２を構成し、平底状の皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３にて形成される偏平な室を備えた部分を用いて、水蒸気生成用加熱通流部１１を構成し、両室内にステンレスウール等からなる伝熱促進材を通気可能な状態で充填してある。
【００３２】
図２に示すように、本実施形態においては、８個の双室具備容器Ｂｄと、１個の単室具備容器Ｂｍを、側面視において左端から３個目に単室具備容器Ｂｍを位置させた状態で、横方向に厚さ方向に並べて設けて、コンパクトに形成してある。
８個の双室具備容器Ｂｄの区別が明確になるように、便宜上、双室具備容器を示す符号Ｂｄの後に、左からの並び順を示す符号１，２，３……………８を付す。
【００３３】
左端の双室具備容器Ｂｄ１にて水蒸気生成部Ｓを構成し、左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２にて改質部Ｒを構成してある。
単室具備容器Ｂｍを用いて、保温用通流部７を構成してある。
【００３４】
左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３の左側の室を備えた部分を用いて、上流側改質処理ガス通流部１２を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、被改質ガス通流部１３を構成してある。両室内には、ステンレスウール等からなる伝熱促進材を通気可能な状態で充填してある。
【００３５】
左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４の左側の室を備えた部分を用いて、脱硫処理部１を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部１６を構成してある。脱硫処理部１を構成する左側の室内には、脱硫用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で充填してある。
【００３６】
左から５個目の双室具備容器Ｂｄ５の左側の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部１５を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成処理部５を構成してある。
左から６個目の双室具備容器Ｂｄ６の左側の室を備えた部分を用いて、変成処理部５を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部８を構成してある。
左から７個目の双室具備容器Ｂｄ７を用いて、変成処理部５を構成してある。変成処理部を構成する各室内には、酸化鉄又は銅亜鉛の変成反応用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で充填してある。
【００３７】
左からから８個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ８の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部９を構成し、右側の室を備えた部分を用いて選択酸化処理部６を構成してある。選択酸化処理部６を構成する室内には、ルテニウムの選択酸化用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で充填してある。
【００３８】
８個の双室具備容器Ｂｄと１個の単室具備容器Ｂｍを含む複数の容器Ｂを並べるに当たっては、伝熱させる必要のあるもの同士は互いに密着させた状態で、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間に伝熱量調節用の断熱材１９を介在させた状態で、並べてある。
つまり、水蒸気生成部Ｓを構成する左端の双室具備容器Ｂｄ１と改質部Ｒを構成する左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２との間に断熱材１９を配置し、左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２と単室具備容器Ｂｍとを密接配置し、単室具備容器Ｂｍと左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３との間に断熱材１９を配置し、左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３と左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４との間に断熱材１９を配置し、並びに、左から４個目から８個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ４〜Ｂｄ８を互いに密接配置してある。
【００３９】
つまり、複数の容器Ｂを並設した状態において、最も高温維持が要求される改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄ２を、並設方向の略中間部に配置し、その改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄ２の一方側に断熱材１９を、他方側に保温用通流部７を構成する単室具備容器Ｂｍ及び断熱材１９を配置し、それらの並設方向両側夫々に、処理温度が概ね低くなる順になるように、各処理部等を構成する容器Ｂを並べ、並びに、並設方向端部には冷却が要求される選択酸化処理部６を構成する双室具備容器Ｂｄ８を配置することにより、水素含有ガス生成装置Ｐをコンパクトに構成しながら、放熱損失を可及的に抑制できると共に、各処理部等を適切な温度に制御できるようにしてある。
【００４０】
改質部Ｒ及び水蒸気生成部Ｓを備えた改質装置について、説明を加えると、改質部Ｒの偏平形状の燃焼部４の一方側に、偏平形状の改質処理部３を、伝熱壁として機能させる平板状の仕切り部材４３を介して、横方向に厚さ方向に並べて密接配置し、燃焼部４の他方側に、断熱材１９を介して偏平形状の水蒸気生成部Ｓを横方向に厚さ方向に並べて配置して、改質装置を、コンパクトに構成してある。
又、このような配置構成にすることにより、燃焼部４からの放熱を抑制すると共に、夫々偏平状の燃焼部４及び改質処理部３を、伝熱壁として機能させる平板状の仕切り部材４３を介して、厚さ方向に密接配置することにより、伝熱面積を広くしてあり、燃焼部４からの放熱抑制、及び、広伝熱面積での加熱の相乗効果により、加熱効率を効果的に向上させている。
【００４１】
又、夫々偏平状の水蒸気生成用加熱通流部１１及び蒸発処理室２を、伝熱壁として機能させる平板状の仕切り部材４３を介して、厚さ方向に密接配置することにより、伝熱面積を広くしてあり、加熱効率を効果的に向上させている。
【００４２】
改質処理部３においては、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、例えば７００〜７５０°Ｃ程度の加熱下でメタンガスと水蒸気とが下記の反応式にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。
【００４３】
【化１】
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂
【００４４】
変成処理部５においては、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、例えば２００°Ｃ程度の反応温度にて下記の反応式にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。
【００４５】
【化２】
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂
【００４６】
選択酸化処理部６においては、ルテニウムの触媒作用によって、１００°Ｃ程度の反応温度にて、変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化される。
【００４７】
図１及び図２において、白抜き線矢印にて示すように、原燃料ガス供給路２１を原燃料ガス用熱交換器Ｅａの原燃料ガス通流部１６に接続し、並びに、原燃料ガス通流部１６、脱硫処理部１、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの被改質ガス通流部１３、改質処理部３、保温用通流部７、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの上流側改質処理ガス通流部１２、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの下流側改質処理ガス通流部１５、各変成処理部５、選択酸化処理部６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２にて接続してある。
最後段の変成処理部５と選択酸化処理部６とを接続するガス処理用流路２２には、原料水供給路２５を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器１７を設けると共に、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ３４を、その原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所に設けて、変成処理ガスと原料水とを熱交換させて、原料水を予熱すると共に、変成処理ガスを冷却するようにしてある。
【００４８】
変成処理部５から排出された変成処理ガスの温度は２００°Ｃ程度であり、選択酸化処理部６における反応温度は１００°Ｃ程度であるので、原料水予熱用熱交換器１７においては、変成処理ガスを選択酸化処理部６における反応温度付近の温度にまで冷却し、その冷却によって回収された熱量を原料水の予熱に用いているのである。
【００４９】
そして、原燃料ガス供給路２１から供給される原燃料ガスを脱硫処理部１で脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスと後述する水蒸気路２６からの水蒸気とを混合して、改質処理部３に供給して改質処理し、その改質処理ガスを４段の変成処理部５に順次供給して、一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理し、その変成処理ガスを選択酸化処理部６に供給して一酸化炭素ガスを選択的に酸化処理する。
【００５０】
その選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスを燃料ガスとして、燃料ガス路２３を通じて燃料電池Ｇに供給し、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスを排燃料ガス路２４を通じて、混合部４Ｍを介して改質用バーナ４ｂに供給する。
尚、選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスの温度は１１０°Ｃ程度であり、高分子型の燃料電池Ｇの動作温度は８０°Ｃ程度であるので、燃料ガス路２３には、選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスを、燃料電池Ｇの動作温度付近にまで冷却する燃料ガス冷却用熱交換器３３を設けてある。
【００５１】
図１及び図２において、実線矢印にて示すように、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路２５を水蒸気生成部Ｓの蒸発処理室２に接続し、蒸発処理室２にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路２６を、脱硫処理部１と被改質ガス通流部１３とを接続するガス処理用流路２２に接続して、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気を混合させるように構成してある。
【００５２】
原料水供給路２５の途中に、原料水予熱用熱交換器１７に設け、更に、原料水供給路２５における原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所に、原料水を蛇行状に流す蛇行状通流部１８を設け、その蛇行状通流部１８を、水蒸気生成装置Ｐの外壁部のうちの、改質部Ｒの燃焼部４を覆う箇所に熱伝導可能に当て付けて設けて、水素含有ガス生成装置Ｐの外壁部からの伝導熱及び輻射熱により、蛇行状通流部１８を通流する原料水を予熱するように構成してある。
そして、原料水予熱用熱交換器１７及び蛇行状通流部１８によって、水蒸気生成部Ｓに供給する原料水を予熱するようにしてある。
【００５３】
図１及び図２において、破線矢印にて示すように、改質部Ｒの燃焼部４から排出された燃焼ガスを、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８の順に流すように、それら燃焼部４、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８を燃焼ガス路２７にて接続して、水蒸気生成用加熱通流部１１においては、燃焼ガスによって蒸発処理室２を加熱し、変成部冷却用通流部８においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成処理部５を冷却するように構成してある。
尚、水蒸気生成用加熱通流部１１から排出された燃焼ガスの温度は１２０°Ｃ程度であり、その燃焼ガスが変成部冷却用通流部８を通流して変成処理部５を冷却するので、変成部冷却用通流部８から排出された燃焼ガスの温度は１５０°Ｃ程度に上がっているので、図示しない排熱回収用熱交換器を設けて、燃焼ガスから排熱を回収して、水蒸気や温水を生成する。
【００５４】
図１及び図２において、一点鎖線矢印にて示すように、燃焼用ブロア２８からの空気を燃焼用空気として、変成部冷却用通流部９を通流させてから、混合部４Ｍを介して、改質部Ｒの改質用バーナ４ｂに供給するように、燃焼用ブロア２８、変成部冷却用通流部９、混合部４Ｍを燃焼用空気路２９にて接続すると共に、燃焼用空気を変成部冷却用通流部９を迂回させて通流させるように、燃焼用空気路２９に燃焼用空気バイパス路３０を接続し、燃焼用ブロア２８からの空気を酸化用空気として選択酸化処理部６に供給するように、燃焼用ブロア２８に接続した酸化用空気供給路３１を、最後段の変成処理部５と選択酸化処理部６とを接続するガス処理用流路２２に接続してある。
【００５５】
改質用バーナ４ｂに対して、燃焼用空気を変成部冷却用通流部９を通流させて供給する状態と、変成部冷却用通流部９を迂回させて燃焼用空気バイパス路３０を通じて供給する状態とに切り換えるために、開閉弁３５，３６を設けてある。尚、通常は、開閉弁３５，３６を、燃焼用空気が燃焼用空気バイパス路３０を通流する状態に切り換えるが、変成処理部５の冷却能力が不足するとき、例えば、夏期の高気温時には、開閉弁３５，３６を、燃焼用空気が変成部冷却用通流部９を通流する状態に切り換えて、燃焼用空気にて変成処理部５を冷却する。
【００５６】
次に、水素含有ガス生成装置Ｐの制御構成について説明する。
図１に示すように、原燃料ガス供給路２１に、原燃料ガス供給量を調節する原燃料供給量調節弁３７を設け、改質部Ｒに、改質処理部３における改質処理温度を検出する温度センサ３８を設けるとともに、原燃料供給量調節弁３７、反応用ブロア１４、燃焼用ブロア２８、イグナイタ４ｉ夫々の作動を制御する制御部３９を設けてある。
【００５７】
以下、制御部３９の制御動作を説明する。
制御部３９は、操作部（図示せず）から、運転開始指令があると、燃焼用ブロア２８を作動させると共に、起動用ガス燃料供給路（図示せず）から１３Ａ等の起動用ガス燃料を燃焼部４のバーナ４ｂに供給し、イグナイタ４ｉを作動させて、バーナ４ｂを点火して燃焼させ、温度センサ３８の検出温度が、改質処理可能な所定の温度に予め設定した目標温度以上になると、原燃料供給量調節弁３７を開弁して、改質処理部３での原燃料ガスの改質処理を開始すると共に、反応用ブロア１４を作動させて、燃料電池Ｇの発電を開始する。
【００５８】
燃料電池Ｇから排燃料ガスが排出されて、その排燃料ガスによる燃焼熱により、原燃料ガスの改質処理が可能な状態となると、前記起動用ガス燃料供給路からの起動用ガス燃料供給を停止して、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスの全量をバーナ４ｂに受け入れて燃焼部４にて燃焼させ、その燃焼熱により改質処理部３にて原燃料ガスを改質処理させる。
【００５９】
そして、燃料電池Ｇに対する電気負荷として、燃料電池Ｇからの出力電流を検出する電流計測器４０の検出値に基づいて、改質処理部３への原燃料ガス供給量が燃料電池Ｇの電気負荷に応じた量になるように原燃料供給量調節弁３７を制御すると共に、燃料電池Ｇへの反応用空気供給量が燃料電池Ｇの電気負荷に応じた量になるように反応用ブロア１４を制御し、並びに、温度センサ３８の検出温度が、前記目標温度になるように、燃焼用ブロア２８を制御して、バーナ４ｂ、即ち燃焼部４への燃焼用空気供給量を調節する。
つまり、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度よりも高くなると、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度になるように、燃焼用空気供給量を増加調節し、一方、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度よりも低くなると、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度になるように、燃焼用空気供給量を減少調節する。
【００６０】
燃焼部４を、上述のように、有炎燃焼部４Ｆ及び触媒燃焼部４Ｃを備えて構成してあることから、電気負荷の減少率が大きいために温度センサ３８の検出温度が前記目標温度よりも高くなり、燃焼用空気供給量の増加率が大きくなって、燃焼用空気供給量が排燃料ガス受入量に対して過多となるように増加調節されて、仮に、有炎燃焼部４Ｆが吹き消えて失火したとしても、排燃料ガスは、反応可能状態に加熱されている燃焼触媒４ｃによって燃焼するので、受け入れた排燃料ガスの安定燃焼を継続することができる。
以降、燃焼用空気供給量の増加調節により改質処理温度が低下して、燃焼用空気供給量が減少調節されるのに伴って、触媒燃焼部４Ｃにて排燃料ガスが燃焼する燃焼熱によって、有炎燃焼部４Ｆが着火して、再び、有炎燃焼部４Ｆで排燃料ガスが燃焼する。
【００６１】
又、電気負荷の増加率が大きいために温度センサ３８の検出温度が前記目標温度よりも低くなり、燃焼用空気供給量の減少率が大きくなって、燃焼用空気供給量の減少量が大きくなることにより、有炎燃焼部４Ｆが不完全燃焼を起こしたとしても、排燃料ガスの未燃分は、反応可能状態に加熱されている燃焼触媒４ｃによって燃焼するので、受け入れた排燃料ガスの全量を安定燃焼させることができる。
以降、燃焼用空気供給量の減少調節により改質処理温度が上昇して、燃焼用空気供給量が増加調節されるのに伴って、有炎燃焼部４Ｆは完全燃焼状態に戻る。
但し、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度になるように、燃焼用空気供給量を減少調節するにしても、受け入れた排燃料ガスの全量を燃焼させるために必要な燃焼用空気量は下回らないように、例えば、電気負荷等に応じて、燃焼用空気供給量の調節範囲を予め設定してある。
【００６２】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ）温度センサ３８の温度検出位置は、改質処理部３における改質処理温度を検出できる位置であればどのような位置でも良く、例えば、上記実施形態において図示するように、改質処理部３内の温度を検出するように設けても良い。
あるいは、燃焼室４ｒ内の温度は、改質処理部３における改質処理温度に応じて変動するので、燃焼室４ｒ内の温度を検出するように設けても良い。
あるいは、改質処理部３の外壁部や燃焼室４ｒの外壁部の温度を検出するように設けても良い。
【００６３】
（ロ）改質処理部３及び燃焼部４の形状や配置形態は、上記の実施形態において例示したような形状や配置形態、即ち、夫々偏平状の改質処理部３及び燃焼部４を、伝熱壁として機能させる平板状の仕切り部材４３を介して、厚さ方向に密接配置する形態に限定されるものではなく、例えば、改質処理部３内に、伝熱壁にて区画された状態で燃焼部４が位置するような配置形態でも良い。
【００６４】
（ハ）上記の実施形態においては、水素含有ガス生成装置Ｐは、それを構成する各部を一体的に組み付けて一体物として構成する場合について例示したが、必要に応じて、分割するようにしても良い。
例えば、改質部Ｒ及び水蒸気生成部Ｓとから成る改質装置を、他の部分から分離して、改質装置を独立した状態に形成しても良い。
又、改質部Ｒ及び水蒸気生成部Ｓを別体に形成して、それらを分離した状態で配置しても良い。
【００６５】
（ニ）本発明による水素含有ガス生成装置Ｐが燃料ガス生成の対象とする燃料電池は、上記の実施形態において例示した固体高分子型に限定されるものではなく、リン酸型、固体電解質型、溶融炭酸塩型等、種々の型式の燃料電池を対象とすることができる。
【００６６】
（ホ）上記の実施形態においては、水素含有ガス生成装置Ｐを、変成処理部５と選択酸化処理部６とを備えて構成する場合について例示したが、リン酸型の燃料電池のように、一酸化炭素ガス濃度を高分子型ほど低くする必要がない場合は、選択酸化処理部６を省略することができ、又、固体電解質型のように一酸化炭素ガスが含有されていても支障がない場合は、変成処理部５と選択酸化処理部６を省略することができる。
【００６７】
（ト）燃料ガス生成用の炭化水素系の原燃料としては、上記の実施形態において例示した天然ガス以外に、プロパンガス、ナフサ、灯油や、メタノール等のアルコール類等、種々の原燃料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかる燃料電池用の改質装置を備えた水素含有ガス生成装置の系統図
【図２】実施形態にかかる燃料電池用の改質装置を備えた水素含有ガス生成装置の縦断側面図
【図３】改質部の斜視図
【図４】改質部の燃焼部の縦断正面図
【図５】水素含有ガス生成装置を構成する双室具備容器の斜視図
【図６】水素含有ガス生成装置を構成する単室具備容器の斜視図
【符号の説明】
３改質処理部
４燃焼部
４ｒ燃焼室
４Ｃ触媒燃焼部
４Ｆ有炎燃焼部
４Ｍ混合部
Ｇ燃料電池
Ｓ水蒸気生成部

Claims

燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、その燃焼部にて前記排燃料ガスを燃焼させた燃焼熱にて原燃料を改質処理する改質処理部とが設けられ、
前記改質処理部への原燃料供給量が前記燃料電池の電気負荷に応じた量になるように調節されると共に、前記改質処理部における改質処理温度が目標温度になるように、前記燃焼部への燃焼用空気供給量が調節されるように構成された燃料電池用の改質装置であって、
前記燃焼部は、前記排燃料ガスを火炎を形成する状態で燃焼させる有炎燃焼部と、その有炎燃焼部に対して、その有炎燃焼部の火炎形成方向下手側に配置されて、前記有炎燃焼部にて燃焼しなかった前記排燃料ガスを燃焼触媒にて燃焼させる触媒燃焼部を備えて構成され、
前記排燃料ガスと燃焼用空気とを対向状態で流入させて衝突させることにより混合させる混合部が設けられ、
その混合部にて混合された混合ガスが前記有炎燃焼部に供給されるように構成されている燃料電池用の改質装置。
前記燃焼熱にて水を加熱して、前記改質処理部における改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部、及び、前記改質処理部が、前記燃焼部の両側に振分け配置されている請求項１記載の燃料電池用の改質装置。
前記燃焼部を構成する燃焼室は、前記有炎燃焼部の火炎形成方向に直交する方向に並んで互いに対向する一対の壁部夫々の面積が広くて、その一対の壁部間の間隔が狭い偏平状に形成されている請求項１又は２記載の燃料電池用の改質装置。