JP2008063171A - 水素製造装置及び燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予熱蒸発部に供給される原料ガスや水の量が変動しても、改質部や一酸化炭素除去部の温度を適正に保つことができるようにする。
【解決手段】水を蒸発させ且つ原料ガスを加熱する予熱蒸発部６。原料ガスと水蒸気を水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する改質部８。改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部１０。これらを具備した水素製造装置に関する。予熱蒸発部６を、第１蒸発部６ａと、第１蒸発部６ａで未蒸発の水を蒸発させる第２蒸発部６ｂとから形成する。第２蒸発部６ｂを囲む隔壁１１を設けると共に隔壁１１に開口部１２を形成する。隔壁１１と第２蒸発部２ｂの間に第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気と第２蒸発部６ｂで蒸発した水蒸気が合流する誘導路１３を形成する。予熱蒸発部６から誘導路１３を通して供給され開口部１２を通過した原料ガスと水蒸気を改質部８に供給する混合ガス流路１４を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとして、水素リッチで且つ一酸化炭素を除去した改質ガスを製造する水素製造装置、及び水素製造装置で製造された改質ガスを利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池発電装置に関するものである。

燃料電池発電装置は、水素リッチな改質ガスを製造する水素製造装置と、水素製造装置で製造された改質ガスを利用して発電する燃料電池とを主たる要素として構成されている。

そして水素製造装置は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとし、原料ガスと水とを水蒸気改質反応させることによって、水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、燃料電池の触媒に対して被毒作用のある一酸化炭素を改質ガス中から除去する一酸化炭素除去部とを備えて形成されている。ここで、燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いる場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度にまで除去する必要があるため、一酸化炭素除去部は、ＣＯ変成触媒によるＣＯ水生変成反応で一酸化炭素を０．５％程度まで除去する変成部と、ＣＯ選択酸化触媒による選択酸化反応でさらに一酸化炭素を除去してＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する選択酸化部の、２段階構成で形成されるのが一般的である。

このような水素製造装置としては特許文献１などが提案されており、その一例を図４に示す。図４の装置は、内筒１と外筒２を同心円状に配置した筒体３からなるものであり、内筒１内にバーナ等からなる燃焼部４を設け、燃焼ガスを生成させると共に燃焼ガスを内筒１の内周の燃焼ガス流路５に流すようにしてある。内筒１の外周に沿って予熱蒸発部６が形成してあり、この予熱蒸発部６の下側に改質部８が形成してある。また予備蒸発部６と接して外筒２の内周の上部に一酸化炭素除去部１０が設けてあり、この一酸化炭素除去部１０は変成部１０ａと選択酸化部１０ｂとから形成してある。

そして原料ガスは原料供給部２５から、水は水供給部２６から、それぞれ予熱蒸発部６に供給されるものであり、燃焼ガス流路５からの加熱と、一酸化炭素除去部１０との熱交換による加熱によって、原料ガスと水を加熱すると共に水を蒸発させ、原料ガスと水蒸気との混合ガスが予熱蒸発部６で生成される。この混合ガスは改質部８に流入し、改質触媒の作用によって原料ガスと水蒸気が水蒸気改質反応し、水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、改質部８は燃焼ガス流路５からの加熱を受けるようにしてある。次に、改質部８で生成された改質ガスは、熱交換流路２７を通して一酸化炭素除去部１０に送られる。改質ガスが熱交換流路２７を通過する際に、改質部８との間で熱交換がなされる。そして、一酸化炭素除去部１０の変成部１０ａでは、ＣＯ変成触媒の作用によるＣＯ水生変成反応によって、改質ガス中の一酸化炭素が除去され、また選択酸化部１０ｂでは、ＣＯ選択酸化触媒の作用で空気供給部２８から供給される空気中の酸素とＣＯ選択酸化反応して、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去される。このように一酸化炭素除去部１０で一酸化炭素が除去された改質ガスは燃料電池１４などに供給されるようになっている。

図４の装置は、改質部８や一酸化炭素除去部１０から発生する放熱を熱変換効率高く有効利用するために、改質部８、一酸化炭素除去部１０、予熱蒸発部５を同心円上に配置した一体構造になるようにしてあり、また改質部８や一酸化炭素除去部１０の温度を反応に適した温度にするために、燃焼ガス流路５を内筒１の内側に、熱交換流路２７を改質部８の外側に配置するようにしてある。
特開２００１−１８０９１１号公報

しかし、燃料電池の反応負荷に伴って、原料供給部２５や水供給部２６から予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が変動する場合、予熱蒸発部６内での原料ガスと水蒸気との混合状態や温度が変動し、この原料ガスと水蒸気が流入する改質部８の触媒温度が不安定になり、また予熱蒸発部６と一酸化炭素除去部１０との間の伝熱過多あるいは伝熱不足によって、一酸化炭素除去部１０の触媒温度が不安定になり、この結果、改質部８での改質反応のメタン転化率低下し、また一酸化炭素除去部１０での改質ガス中の一酸化炭素除去能力が低下するおそれがある。

特に、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が最大量の場合には、予熱蒸発部６内で水が完全に水蒸気に蒸発せず、水のまま改質部８に流入することになる。従ってこの場合には、水によって改質部８が冷却されて触媒温度が低くなり、また改質部８から出る改質ガスの温度も低くなって、この改質ガスが流入する一酸化炭素除去部１０の温度がＣＯ変成反応に適した温度よりも低くなり、この結果、改質部８での改質反応の能力や、一酸化炭素除去部１０での一酸化炭素の除去能力が低下することになるという問題があった。

また逆に、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が最小量の場合には、水は予熱蒸発部６内で過熱されて高温の過熱蒸気となり、この高温の蒸気が流入する改質部８の触媒温度が高くなり過ぎ、また予熱蒸発部６と熱交換される一酸化炭素除去部１０の入口温度が３００℃を超えてＣＯ変成反応に適さない触媒温度になり、この場合も改質部８での改質反応の能力や、一酸化炭素除去部１０での一酸化炭素の除去能力が低下することになるという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、予熱蒸発部に供給される原料ガスや水の量が変動しても、改質部に流入する前の原料ガスと水蒸気の状態を安定させることができると共に、改質部や一酸化炭素除去部の温度を適正に保つことができ、水素リッチで且つ一酸化炭素を除去した改質ガスを安定して製造することができる水素製造装置を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係る水素製造装置は、内筒１と外筒２を備えた筒体３と、内筒１の内周に沿って設けられ燃焼部４で発生した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路５と、内筒１と外筒２の間において内筒１に沿って配置され、原料ガスと水とが供給されると共に、燃焼ガス流路５からの加熱によって水を蒸発させ且つ原料ガスを加熱する予熱蒸発部６と、内筒１と外筒２の間に配置され、改質触媒７を備えて形成されると共に予熱蒸発部６から供給された原料ガスと水蒸気を水蒸気改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質部８と、内筒１と外筒２の間に配置され、一酸化炭素除去触媒９を備えて形成されると共に改質部８から供給された改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部１０とを具備した水素製造装置であって、予熱蒸発部６を、一酸化炭素除去部１０と熱交換可能な位置に配置される第１蒸発部６ａと、第１蒸発部６ａに連続してその下側に配置され、第１蒸発部６ａで未蒸発の水を蒸発させる第２蒸発部６ｂとから形成し、第２蒸発部６ｂの側部と下部を囲む隔壁１１を設けると共に隔壁１１の上部に開口部１２を形成し、隔壁１１と第２蒸発部６ｂの外筒１側との間に第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気と第２蒸発部６ｂで蒸発した水蒸気が合流する誘導路１３を形成し、開口部１２と改質部８の間に、予熱蒸発部６から誘導路１３を通して供給され開口部１２を通過した原料ガスと水蒸気を流通させて改質部８に供給する混合ガス流路１４を形成して成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が多く、予熱蒸発部６の第１蒸発部６ａで水が完全に蒸発しない場合、未蒸発の水は第２蒸発部６ｂで蒸発し、第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気と第２蒸発部６ｂで蒸発した水蒸気を誘導路１３で合流させて、開口部１２から混合ガス流路１４を通して水蒸気を改質部８に供給することができると共に、第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂに流入した未蒸発の水は隔壁１１の下部内に滞留し、未蒸発の水が改質部８に流入することを防ぐことができる。また予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が少なく、予熱蒸発部６の第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気が第２蒸発部６ｂでさらに加熱されて高温の過熱蒸気となった場合、第１蒸発部６ａの低温の水蒸気と第２蒸発部６ｂの高温の過熱蒸気は誘導路１３で合流して適温の水蒸気となり、高温の水蒸気が改質部８に流入することを防ぐことができる。さらに、予熱蒸発部６から誘導路１３を通して流れる原料ガスと水蒸気が開口部１２を通過する際に、流速が高まることによって原料ガスと水蒸気の混合が促進され、均一に混合された混合ガスとして混合ガス流路１４から改質部８に供給することができる。

また請求項２の発明は、請求項１において、予熱蒸発部６は、内筒１に沿って周回する螺旋状の流路として形成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、予熱蒸発部６を螺旋状の長い流路として形成することができ、燃料ガスと水を蒸発させた水蒸気との混合効率を高めることができる。

また請求項３の発明は、請求項１又は２において、第２蒸発部６ｂに良熱伝導体１５を充填したことを特徴とするものである。

この発明によれば、第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂに流入した未蒸発の水の加熱を、良熱伝導体１５によって効率よく行なうことができ、第２蒸発部６ｂでの未蒸発の水の蒸発効率を高めることができる。

また請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、改質部８で生成された改質ガスを流通させて一酸化炭素除去部１０に供給する改質ガス流路１６と、上記混合ガス流路１４とを、熱交換可能な隣接位置に配置したことを特徴とするものである。

この発明によれば、改質ガス流路１６と混合ガス流路１４との間の熱交換で、改質部８から一酸化炭素除去部１０に供給される改質ガスを適正な温度に調整することができる。

また請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、上記開口部１２に温度検出器１７を設け、開口部１２の温度を所定の一定温度に保持しながら燃焼部４の燃焼を制御して、上記第２蒸発部６ｂに滞留する未蒸発の水を蒸発させるようにしたことを特徴とするものである。

この発明によれば、開口部１２を通過する水蒸気の温度が所定温度を超えない範囲で燃焼部４の燃焼量を高めて、第２蒸発部６ｂに滞留する未蒸発の水の蒸発を促進することができるものである。

また請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、予熱蒸発部６で水を加熱して蒸発させるにあたって、第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへ、水は水相と気相の二相の流れで送られるようにしたことを特徴とするものである。

この発明によれば、予熱蒸発部６に供給された水は、第１蒸発部６ａで一部の水が蒸発し、第２蒸発部６ｂで残りの水が蒸発するものであり、第２蒸発部６ｂで高温の過熱蒸気となることを抑制することができ、第１蒸発部６ａからの水蒸気と第２蒸発部６ｂからの水蒸気を誘導路１３で合流させて適温の水蒸気として開口部１２から改質部８に供給することができる。

本発明に係る請求項７の燃料電池発電装置は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水素製造装置と、この水素製造装置から供給される改質ガスと酸素を含む酸化ガスを用いて発電する燃料電池１８とを備えて成ることを特徴とするものである。

水素製造装置で製造される改質ガスは、一酸化炭素が安定して除去されているものであり、一酸化炭素による被毒によって劣化されるおそれなく、燃料電池１８で発電を行なうことができるものである。

本発明によれば、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が多く、予熱蒸発部６の第１蒸発部６ａで水が完全に蒸発しない場合、未蒸発の水は第２蒸発部６ｂで蒸発し、第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気と第２蒸発部６ｂで蒸発した水蒸気を誘導路１３で合流させて、開口部１２から混合ガス流路１４を通して水蒸気を改質部８に供給することができると共に、第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂに流入した未蒸発の水は隔壁１１の下部（底部）１１ａ内に滞留し、未蒸発の水が改質部８に流入することを防ぐことができるものであり、また予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が少なく、予熱蒸発部６の第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気が第２蒸発部６ｂでさらに加熱されて高温の過熱蒸気となった場合、第１蒸発部６ａの低温の水蒸気と第２蒸発部６ｂの高温の過熱蒸気は誘導路１３で合流して適温の水蒸気となり、高温の水蒸気が改質部８に流入することを防ぐことができるものである。さらに、予熱蒸発部６から誘導路１３を通して流れる原料ガスと水蒸気が開口部１２を通過する際に、流速が高まることによって原料ガスと水蒸気の混合が促進され、均一に混合された混合ガスとして混合ガス流路１４から改質部８に供給することができるものである。この結果、予熱蒸発部６に供給される原料ガスや水の量が変動しても、改質部８に流入する前の原料ガスと水蒸気の状態を安定させることができると共に、改質部８や一酸化炭素除去部１０の温度を適正に保つことができ、水素リッチで且つ一酸化炭素を除去した改質ガスを安定して製造することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、装置の筐体となる筒体３は円筒形の内筒１と外筒２とを軸方向を縦にした同心円状に配置して形成してある。この筒体３において内筒１と外筒２の間の筒状空間の上下端は閉塞してある。内筒１の内周の中央部にはバーナからなる燃焼部４が設けてあり、燃焼用ファン３１から燃焼用空気を送風するようにしてある。燃焼部４と内筒１の間には、内筒１の内周に沿って燃焼ガス流路５が形成してあり、燃焼部４で燃焼した燃焼ガスが燃焼ガス流路５に沿って流れるようにしてある。

内筒１と外筒２の間の筒状空間の上部には、内筒１側に予熱蒸発部６が、外筒２側に一酸化炭素除去部１０がそれぞれ同心状に設けてある。予熱蒸発部６は内筒１の外面に沿って円筒状空間として形成されるものであり、一酸化炭素除去部１０は予熱蒸発部６の外面に接した円筒状に形成されるものである。予熱蒸発部６の上端部には原料ガス供給部２５と水供給部２６が接続してある。また予熱蒸発部６の下端より下側には改質部８が設けてある。改質部８は内筒１の内面に接した円筒状に形成されるものである。

予熱蒸発部６は上部の第１蒸発部６ａと下部の第２蒸発部６ｂから形成されるものである。上部の第１蒸発部６ａは一酸化炭素除去部１０と接していて、第１蒸発部６ａと一酸化炭素除去部１０とは相互に熱交換できるようにしてあり、下部の第２蒸発部６ｂは一酸化炭素除去部１０の下端よりも下側に位置するようにしてある。この予熱蒸発部６の筒状空間内には、第１蒸発部６ａの上端部から第２蒸発部６ｂの下端部に至る上下全長に、螺旋状のガイド体３３が取り付けてある。ガイド体３３は直径が予熱蒸発部６の空間厚みと等しく形成してあり、従って予熱蒸発部６の筒状空間は螺旋状のガイド体３３で仕切られ、内筒１の外周に沿って周回するスパイラル状流路として形成されるものである。

第１蒸発部６ａは内筒１と一酸化炭素除去部１０の間に囲まれているが、第２蒸発部６ｂは内筒１と隔壁１１とで囲むようにしてある。隔壁１１は図２に示すように、第２蒸発部６ｂの外筒３側の側面から下面にかけて断面Ｌ字形に形成されるものであり、隔壁１１の側部の上端は一酸化炭素除去部１０の下端に、隔壁１１の下部の内周端は内筒１の外周面にそれぞれ連接してある。隔壁１１の側部の上端部には開口部１２が開口して設けてある。この開口部１２には温度センサーなどの温度検出器１７が設けてある。また第１蒸発部６ａの外面（一酸化炭素除去部１０の内面でもある）と面一に延長するように、隔壁１１の内側に仕切り板３５を設け、隔壁１１と内筒１との間の隔壁１１内の空間を内側の第２蒸発部６ｂと外側の誘導路１３とに仕切るようにしてある。誘導路１３は第２蒸発部６ｂを囲む円筒状空間として形成されるものであり、仕切り板３５には上下複数個所において連通口３６が開口してある。

改質部８の外周面の上端と一酸化炭素除去部１０の下面の間には、隔壁１１の外側において、内筒１及び外筒２と平行な円筒状の熱交換板３８が取り付けてあり、熱交換板３８と隔壁１１との間に混合ガス流路１４が、熱交換板３８と外筒２との間に改質ガス流路１６がそれぞれ形成されるようにしてある。混合ガス流路１４は、隔壁１１の開口部１２と改質部８の上端の流入口３９とを繋ぐ流路であり、改質ガス流路１６は改質部８の外周下部に設けた流出口４０と一酸化炭素除去部１０の下端の流入口４１とを繋ぐ流路である。

改質部８は改質触媒７を充填して形成されるものである。また一酸化炭素除去部１０は、一酸化炭素除去触媒９としてＣＯ変成触媒を充填した変成部１０ａと、一酸化炭素除去触媒９としてＣＯ選択酸化触媒を充填した選択酸化部１０ｂとの２段構成で形成してある。改質ガスの流れ方向で変成部１０ａが前段、選択酸化部１０ｂが後段となるように、変成部１０ａを下側に、選択酸化部１０ｂを上側に配置してあり、変成部１０ａと選択酸化部１０ｂの間に空気供給部２８から空気が供給されるようにしてある。一酸化炭素除去部１０の上端部の出口は燃料電池１８に接続してある。

上記のように形成される水素製造装置にあって、予熱蒸発部６は燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスで加熱されており、また水素製造装置を運転開始後は、一酸化炭素除去部１０におけるＣＯ変成反応やＣＯ選択酸化反応の反応熱が伝熱して加熱されている。そして原料ガス供給部２５から都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原料ガスが、水供給部２６から水がそれぞれ予熱蒸発部６に供給されると、原料ガスと水が予熱蒸発部６の第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂを通過する間に加熱され、水は蒸発して水蒸気となる。この加熱された原料ガスと水蒸気の混合ガスは仕切り板３５の連通口３６を通過して誘導路１３に流入し、さらに隔壁１１の開口部１２を通過して混合ガス流路１４に流入する。次に原料ガスと水蒸気の混合ガスは混合ガス流路１４を流れて流入口３９から改質部８に流入し、改質触媒７の触媒作用で原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスで改質部８を加熱するようにしてある。

ここで、改質部８で水蒸気改質反応を適正に行なわせるには、改質部８の改質触媒の温度が適切であることの他に、改質部８に供給される原料ガスと水蒸気の混合が十分であることが必要である。そこで本発明では上記のように、予熱蒸発部６の筒状空間内に第１蒸発部６ａの上端部から第２蒸発部６ｂの下端部に至る螺旋状のガイド体３３を設けて、予熱蒸発部６をスパイラル状流路として形成してあり、原料ガスと水蒸気が通過する流路を長くして、原料ガスと水蒸気の混合が十分に行なわれるようにし、原料ガスと水蒸気が均一に混合された混合ガスとして改質部８に供給されるようにしてある。さらに、第１蒸発部６ａや第２蒸発部６ｂから原料ガスや水蒸気を誘導路１３に流入させた後、開口部１２を通して混合ガス流路１４に流出するようにすることによって、誘導路１３から開口部１２へと原料ガスや水蒸気が通過する際に、流路が絞られて流速が速くなることによる作用で、水蒸気と原料ガスの混合が十分に行なわれるようにし、均一な混合ガスとして混合ガス流路１４から改質部８に供給することができるようにしてある。

改質部８で生成された改質ガスは、改質部８の下端部の流出口４０から改質ガス流路１６に流出し、改質ガス流路１６内を上昇する際に、改質部８と熱交換され、また熱交換板３８を通して混合ガス流路１４を流れる混合ガスと熱交換され、改質ガスは一酸化炭素除去部１０での反応に適した温度に下げられる。

次に改質ガスは一酸化炭素除去部１０の変成部１０ａ内に下端部の流入口４１から流入し、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される。ここで、変成部１０ａにおいてＣＯ変成反応に適した温度は、流入口４１付近の温度が、改質部８から流出した改質ガスの温度よりも低い２００〜２５０℃であるので、上記のように改質ガスが改質ガス流路１６内を流れる際に混合ガス流路１４内の混合ガスと熱交換して、２００〜２５０℃まで温度を低下させるようにしているものである。変成部１０ａで一酸化炭素が除去された改質ガスは、さらに選択酸化部１０ｂに流入し、ＣＯ選択酸化触媒の作用で空気供給部２８から供給される空気中の酸素とＣＯ選択酸化反応して、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去される。

このようにして一酸化炭素除去部１０で一酸化炭素が除去された改質ガスは、一酸化炭素除去部１０から流出し、燃料電池１８に供給される。燃料電池１８では、水素製造装置からこのようにして供給される改質ガス中の水素と、空気など酸素を含む酸化ガスとを用いて発電が行なわれるものである。

ここで、上記のように水素製造装置から供給される改質ガスを用いて燃料電池１８で発電を行なうにあたって、燃料電池１８の反応負荷の変動、つまり改質ガスの消費量の変動に応じて、原料ガス供給部２５や水供給部２６から予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が変動する。そして既述のように、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が最大量になった場合に、予熱蒸発部６内で水が完全に蒸発せず、水のまま改質部８に流入すると、改質部８が水で冷却されて触媒温度が低くなり、改質部８から出る改質ガスの温度も低くなって、一酸化炭素除去部１０の温度がＣＯ変成反応に適した温度よりも低くなるおそれがあり、また逆に、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が最小量となった場合には、水は予熱蒸発部６内で過熱されて高温の過熱蒸気となり、改質部８の触媒温度が高くなり過ぎ、また一酸化炭素除去部１０も変成温度に適さない触媒温度になり、改質部８での改質反応の能力や、一酸化炭素除去部１０での一酸化炭素の除去能力が低下することになる。

そこで本発明は水素製造装置の予熱蒸発部６を上記のような構成に形成したものである。すなわち、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が多い場合、水は予熱蒸発部６の第１蒸発部６ａで未蒸発であるが、第１蒸発部６ａの流路をガイド体３３でスパイラル流路に形成して、燃焼ガス流路５及び一酸化炭素除去部１０からの伝熱面積を確保するようにしてあるので、水は未蒸発の水相と蒸発した水蒸気の気相との二相になり、この二相状態で第１蒸発部６ａのスパイラル流路を流れる。このとき、未蒸発の水はガイド体３３の上面に沿って流下し、水蒸気はガイド体３３間のスパイラル流路の空間部に沿って流れるものであり、二相流の状態で第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへと流入する。このように第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへと二相流で流入するので、第１蒸発部６ａから出る水蒸気の温度は１００℃程度である。

そして第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへと流入した二相流のうち、未蒸発の水は第２蒸発部６ｂにおいて燃焼ガス流路５からの加熱によって蒸発し、水蒸気になる。このとき水の供給量が最大量の場合は、第２蒸発部６ｂでも完全に蒸発しないことがあるが、仮にこのように未蒸発の水があっても、水は隔壁１１の下部（底部）１１ａ内に滞留し、水が改質部８に流入することはない。また第１蒸発部６ａから第２蒸発部６ｂへと流入した二相流のうち、水蒸気は第２蒸発部６ｂで過熱されて１５０℃以上の過熱蒸気になるが、第１蒸発部６ａから直接、連通口３６を通って誘導路１３に流入する水蒸気と、第２蒸発部６ｂで蒸発して連通口３６を通って誘導路１３に流入する水蒸気と、第２蒸発部６ｂで過熱され連通口３６を通って誘導路１３に流入するこの過熱蒸気とが、誘導路１３内で混合され、１５０℃程度の適正な温度の水蒸気となって開口部１２を通過する。

ここで、開口部１２を通過する水蒸気と原料ガスの温度は、改質部８や一酸化炭素除去部１０の温度を適正に保つために、例えば１５０℃程度の所定一定温度に維持されることが必要であるが、予熱蒸発部６に供給される水の量が最大量のように多いときには、第２蒸発部６ｂでも水が完全に蒸発せず、未蒸発の水が滞留して、開口部１２の温度が１５０℃を下回ることがある。そこで開口部１２の温度を温度検出部１７で常時監視し、開口部１２の温度が１５０℃を下回るときには、制御部（図示省略）で燃焼部４での燃焼熱量を制御して、燃焼ガス流路５による第２蒸発部６ｂの加熱温度を高めるように制御し、第２蒸発部６ｂでの水の蒸発を促進するようにしてある。

第１蒸発部６ａや第２蒸発部６ｂから誘導路１３に流入した原料ガスや水蒸気は、開口部１２を通過する際に混合され、混合ガスとして混合ガス流路１４に送られるが、混合ガス流路１４を流れる混合ガスは、改質ガス流路１６を流れる改質ガスと熱交換されて加熱される。混合ガス流路１４を流れる混合ガスは隔壁１１を通して誘導路１３内のガスとも熱交換されるが、水の供給量が多い場合は誘導路１３内の温度は通常の場合よりも低いので、混合ガスの加熱温度も通常の場合よりやや低くなり、３５０℃程度の温度の混合ガスとして改質部８に供給される。

改質部８に供給される混合ガスの温度がこのように３５０℃程度であると、改質部８で生成されて改質部８の流出口４０から出る改質ガスの温度は４００℃程度であり、この改質ガスは改質ガス流路１６を流れる際に、混合ガス流路１４の混合ガスと熱交換されて温度が下がり、２００℃程度の温度になって一酸化炭素除去部１０に供給される。

一方、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が少ない場合、水は第１蒸発部６ａを通過する間に全て蒸発されるが、第１蒸発部６ａでこの水蒸気が過熱されて過熱水蒸気とならないように、第１蒸発部６ａのスパイラル流路の伝熱面積が設定してある。そして上記のように水の供給量が多いときに未蒸発の水を蒸発させるために、第１蒸発部６ａに続いて第２蒸発部６ｂが設けてあるので、第１蒸発部６ａで蒸発した水蒸気が第２蒸発部６ｂに流入すると、燃焼ガス流路５からの加熱で水蒸気は過熱されて過熱蒸気となり、この過熱蒸気は３００℃程度の高温になる。このように、第２蒸発部６ｂで水蒸気は高温の過熱蒸気となって連通口３６から誘導路１３に流入するが、第１蒸発部６ａから直接、連通口３６を通って誘導路１３に流入する１００℃程度の水蒸気と、この過熱蒸気とが誘導路１３内で混合され、１５０℃程度の適正な温度の水蒸気となって開口部１２を通過する。ここで、温度検出部１７で常時監視されている開口部１２の温度が１５０℃を上回るときには、制御部（図示省略）で燃焼部４での燃焼熱量を制御して、燃焼ガス流路５による第２蒸発部６ｂの加熱温度を下げるように制御し、開口部１２を通過して混合ガス流路１４に流入する原料ガスと水蒸気の混合ガスの温度を１５０℃程度に維持するようにしてある。

第１蒸発部６ａや第２蒸発部６ｂから誘導路１３に流入した原料ガスや水蒸気は、開口部１２を通過して混合ガスとして混合ガス流路１４に送られる。そして混合ガス流路１４を流れる混合ガスは、改質ガス流路１６を流れる改質ガスと熱交換されて加熱されるが、隔壁１１を通して誘導路１３内のガスとも熱交換され、水の供給量が少ない場合は誘導路１３内の温度は通常の場合よりも高いので、混合ガスの温度も通常の場合よりもやや高くなり、４００℃程度の温度の混合ガスとして改質部８に供給される。改質部８に供給される混合ガスの温度がこのように４００℃程度であると、改質部８で生成されて改質部８の流出口４０から出る改質ガスの温度は４５０℃程度であり、この改質ガスは改質ガス流路１６を流れる際に、混合ガス流路１４の混合ガスと熱交換されて温度が下がり、２２０℃程度の温度になって一酸化炭素除去部１０に供給される。

上記のように、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が変動しても、改質部８に供給される混合ガスの温度は、水の供給量が最大量のときで３５０℃程度、最小量のときで４００℃程度と、水蒸気改質触媒に適した温度範囲内に維持することができるものであり、また一酸化炭素除去部１０に供給される改質ガスの温度は、水の供給量が最大量のときで２００℃程度、最小量のときで２２０℃程度と、ＣＯ変成触媒に適した温度範囲内に維持することができるものである。従って、予熱蒸発部６に供給される原料ガスの量や水の量が変動しても、改質部８や一酸化炭素除去部１０の温度を適正に保って、水素リッチで且つ一酸化炭素を除去した改質ガスを安定して製造することができるものである。そしてこのように改質ガスから一酸化炭素を安定して除去することができるので、一酸化炭素による被毒によって燃料電池１８が劣化することを防ぐことができるものである。

図３は本発明の他の実施の形態を示すものであり、第２蒸発部６ｂに良熱伝導体１５が充填してある。予熱蒸発部６への水の供給量が最大量で、第２蒸発部６ｂに未蒸発の水が滞留する場合、燃焼ガス流路５からの伝熱で第２蒸発部６ｂに滞留する水を加熱して蒸発させることが必要であるが、このように第２蒸発部６ｂに良熱伝導体１５を充填することによって、良熱伝導体１５を介して第２蒸発部６ｂに滞留する水に効率よく伝熱して加熱することができ、第２蒸発部６ｂでの水の蒸発効率を高めることができるものである。この良熱伝導体１５としては、水蒸気よりも熱伝導率の高いアルミナなどの粒子を用いることができ、図３の実施の形態では、第２蒸発部６ｂの下部内の他、誘導路１３の下部内にも良熱伝導体１５の粒子を充填してある。

本発明の実施の形態の一例を示す概略断面図である。 同上の一部を拡大した概略断面図である。 本発明の他の実施の形態の一例を示す一部拡大概略断面図である。 従来例の概略断面図である。

符号の説明

１ 内筒
２ 外筒
３ 筒体
４ 燃焼部
５ 燃焼ガス流路
６ 予熱蒸発部
６ａ 第１蒸発部
６ｂ 第２蒸発部
７ 改質触媒
８ 改質部
９ 一酸化炭素除去触媒
１０ 一酸化炭素除去部
１１ 隔壁
１２ 開口部
１３ 誘導路
１４ 混合ガス流路
１５ 良熱伝導体
１６ 改質ガス流路
１７ 温度検出器
１８ 燃料電池

Claims (7)

1. 内筒と外筒を備えた筒体と、内筒の内周に沿って設けられ燃焼部で発生した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、内筒と外筒の間において内筒に沿って配置され、原料ガスと水とが供給されると共に、燃焼ガス流路からの加熱によって水を蒸発させ且つ原料ガスを加熱する予熱蒸発部と、内筒と外筒の間に配置され、改質触媒を備えて形成されると共に予熱蒸発部から供給された原料ガスと水蒸気を水蒸気改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質部と、内筒と外筒の間に配置され、一酸化炭素除去触媒を備えて形成されると共に改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部とを具備した水素製造装置であって、予熱蒸発部を、一酸化炭素除去部と熱交換可能な位置に配置される第１蒸発部と、第１蒸発部に連続してその下側に配置され、第１蒸発部で未蒸発の水を蒸発させる第２蒸発部とから形成し、第２蒸発部の側部と下部を囲む隔壁を設けると共に隔壁の上部に開口部を形成し、隔壁と第２蒸発部の外筒側との間に第１蒸発部で蒸発した水蒸気と第２蒸発部で蒸発した水蒸気が合流する誘導路を形成し、開口部と改質部の間に、予熱蒸発部から誘導路を通して供給され開口部を通過した原料ガスと水蒸気を流通させて改質部に供給する混合ガス流路を形成して成ることを特徴とする水素製造装置。
2. 予熱蒸発部は、内筒に沿って周回する螺旋状の流路として形成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。
3. 第２蒸発部に良熱伝導体を充填した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。
4. 改質部で生成された改質ガスを流通させて一酸化炭素除去部に供給する改質ガス流路と、上記混合ガス流路とを、熱交換可能な隣接位置に配置した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。
5. 上記開口部に温度検出器を設け、開口部の温度を所定の一定温度に保持しながら燃焼部の燃焼を制御して、上記第２蒸発部に滞留する未蒸発の水を蒸発させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水素製造装置。
6. 予熱蒸発部で水を加熱して蒸発させるにあたって、第１蒸発部から第２蒸発部へ、水は水相と気相の二相の流れで送られるようにした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。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水素製造装置と、この水素製造装置から供給される改質ガスと酸素を含む酸化ガスとを用いて発電する燃料電池を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電装置。

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