JP2002121004A

JP2002121004A - 水素供給装置

Info

Publication number: JP2002121004A
Application number: JP2000308033A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kondo; 靖男近藤; Seiji Kawaguchi; 清司川口; Masayoshi Terao; 公良寺尾
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2002-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】蒸発器で蒸発・気化させた改質原料を改質し
て水素消費装置に水素を供給する水素供給装置におい
て、蒸発器における堆積物の発生を防止する。【解決手段】水および空気、改質燃料からなる改質原
料の供給源を、少なくとも水を含む第１の改質原料を供
給する第１改質原料供給部１０と、少なくとも水素化合
物を含む第２の改質原料を供給する第２改質原料供給部
３０とに分割する。第２改質原料供給部３０を熱交換部
２０の下流側に配置する。熱交換部２０では、第１改質
原料のみを加熱・気化し、熱交換部２０の下流側で第２
改質原料を第１改質原料に混合して気化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質反応により水
素を生成し、水素消費装置に水素を供給する水素供給装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料電池に水素を供給する装
置として、炭化水素化合物を改質して水素リッチガスを
生成する改質器が知られている。改質器では、高温での
触媒反応（水蒸気改質反応）により炭化水素化合物を含
む改質原料を改質して水素を発生させる。この水蒸気改
質反応のためには、改質器を高温に維持する必要があ
る。改質器を高温に維持する方法として、燃料電池から
排出される未反応の燃料ガス（水素を含有するオフガ
ス）を燃焼させて、この燃焼熱を利用して改質器を加熱
する方法が提案されている。

【０００３】このような改質器として、例えば特開平１
１−３４３１０１号公報に記載の改質器がある。この改
質器は、隔壁で分離された燃焼室と改質室とからなり、
隔壁を介して燃焼室と改質室との間で熱交換が行われる
ように構成されている。そして、燃料（オフガス）を燃
焼室で燃焼させた燃焼熱で改質室を加熱し、改質室内の
改質触媒により改質室を流れる改質原料が水素を含むガ
ス（改質ガス）に改質される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記公報記載の改質器
では、改質室に充填された改質触媒は、燃焼室における
燃焼熱によって隔壁を介して間接的に加熱されるために
熱抵抗が大きく、昇温が遅れて改質反応の始動が遅れ
る。また、燃焼室では、始動時において、燃焼ガス中の
未燃焼成分等の有害成分が未浄化のまま大気中に排出さ
れるという問題がある。さらに、熱交換器で必要伝熱量
を確保するためには、大きな伝熱面および大きな体格が
必要となり、搭載スペースが限られる車両用として用い
る場合には不利となる。

【０００５】また、改質器において水蒸気改質反応（吸
熱反応）と部分酸化改質反応（発熱反応）とを併用する
場合、改質原料として燃料、水、および空気が熱交換器
（蒸発器）を通過して加熱気化された後、改質器に供給
される。このような場合、改質原料中の燃料が空気中の
酸素と反応して炭化物を生じる等して、熱交換器の改質
原料通路における伝熱面に堆積部が付着する。この結
果、熱交換器の改質原料通路を狭め、さらには閉塞する
という不具合が生ずるという問題がある。特に石油系燃
料を用いた場合には、高沸点成分が高温の熱交換器内部
に付着堆積することが考えられる。

【０００６】本発明は、上記問題点に鑑み、蒸発器で蒸
発・気化させた改質原料を改質して水素消費装置に水素
を供給する水素供給装置において、蒸発器における堆積
物の発生を防止することを目的とする。また、改質反応
の始動性を向上させること、大気中に排出される有害成
分を削減すること、装置の小型化を図ることを他の目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素消費装置（５０）
に供給する水素を生成する水素供給装置であって、低温
流体通路（Ａ）と、高温流体通路（Ｂ）と、少なくとも
水を含む第１の改質原料を供給する第１改質原料供給部
（１０）と、第１改質原料供給部（１０）の下流側に配
置され、高温流体通路（Ｂ）を流れる燃焼ガスの燃焼熱
を第１の改質原料に伝える熱交換部（２０）と、熱交換
部（２０）の下流側に配置され、少なくとも水素化合物
を含む第２の改質原料を供給し、第１の改質原料と第２
改質原料とを混合して改質原料を生成する第２改質原料
供給部（３０）と、第２改質原料供給部（３０）の下流
側に配置され、触媒反応により改質原料を水素に改質す
る改質部（４０）とを備えていることを特徴としてい
る。

【０００８】このように、改質原料の供給源を分割し、
水素化合物からなる改質燃料を熱交換部（２０）の下流
側に供給することで、改質燃料が熱交換部（２０）を通
過しないので、熱交換部（２０）における改質燃料に基
づく堆積物の発生を防止することができる。これによ
り、熱交換部（２０）の汚れを回避でき、堆積物による
貫通孔の閉塞を防止できる。

【０００９】また、熱交換部（２０）に回転式熱交換器
を用いた場合には、構造上、回転蓄熱体の回転に伴うガ
スの移送漏れが避けられず、改質燃料が未反応のまま外
部に排出されるという問題がある。そこで、請求項１に
記載の発明のように改質燃料を熱交換部（２０）の下流
側に供給することで、改質燃料が熱交換部（２０）を通
過しなくなるので、未反応燃料（有害ガス）が外部に排
出されることを防止できる。

【００１０】また、請求項２に記載の発明では、燃焼ガ
ス供給部（６０）には、水素消費装置（５０）にて消費
されなかった水素を含むオフガスがオフガス供給路（５
１）を介して供給され、オフガスの燃焼により燃焼ガス
が生成されることを特徴としている。

【００１１】このように、水素供給装置（５０）から排
出されるオフガスを燃焼させ、この燃焼熱を、改質原料
の加熱・気化や改質部（４０）における吸熱反応（水蒸
気改質反応）の補熱量として回収することで、装置の高
効率化を図ることができる。

【００１２】また、請求項３に記載の発明では、燃焼ガ
ス供給部（６０）には、燃焼用燃料を供給する燃焼用燃
料供給部（６２）と、燃焼用燃料を燃焼させる着火手段
（６５）とが設けられており、燃焼用燃料の燃焼により
燃焼ガスが生成されることを特徴としている。

【００１３】このような構成により、水素供給装置の始
動時において、燃焼用燃料（始動用燃料）を火炎燃焼さ
せることで、改質システムの各構成要素（熱交換部や改
質部）を加熱し、速やかに改質反応開始温度まで昇温さ
せることができる。これにより、改質反応開始までの始
動時間を短縮することが可能となる。また、オフガスが
供給されるオフガス供給部と始動暖気用の燃焼部とを一
体構成することで、小型化を図ることができる。

【００１４】また、請求項４に記載の発明では、熱交換
部（２０）における燃焼ガスあるいはオフガスとの接触
面には、酸化触媒が坦持されていることを特徴としてい
る。これにより、オフガスが熱交換部（２０）を通過す
る際に触媒燃焼させて燃焼ガスを生成することができ、
この燃焼ガスの燃焼熱を利用することができる。

【００１５】また、始動時等に燃焼ガス供給部（６０）
で発生した燃焼ガス中には不完全燃焼等により有害ガス
が含まれるが、燃焼ガスは熱交換部（２０）を通過する
際に酸化触媒により触媒燃焼する。従って、始動用燃料
と空気との混合割合を適切に調整して火炎燃焼させ、さ
らに熱交換部（２０）にて燃焼ガス中の有害成分を触媒
燃焼させることによって、燃焼ガスを完全酸化反応（完
全燃焼）させることができる。これにより、燃焼ガス中
の有害ガスを十分に清浄化させた上で、外部に排出する
ことができる。

【００１６】また、請求項１に記載の発明のように第２
改質原料（改質燃料）を熱交換部（２０）の下流側に供
給する場合、第２改質原料供給部（３０）から改質部
（４０）までの距離が短いため、第１改質原料と第２改
質原料とを短時間で効率よく混合する必要がある。

【００１７】そこで、請求項５に記載の発明では、第２
改質原料供給部（３０）に、第１改質原料と第２改質原
料とを混合する混合部（３３）を設けている。混合部
（３３）は、第１改質原料に渦流を発生させることがで
きる構成とすることが望ましい。このような混合部（３
３）であれば、混合部内で第１改質原料に渦流を発生さ
せ、第１改質原料と第２改質原料とを短時間で効率よく
混合させることができる。具体的には、混合部（３３）
は下流側が開口した円筒形状であって、その外周面に混
合部内に第１改質原料を導入する流入孔（３３ａ）およ
び第１改質原料に渦流を発生させる案内板（３３ｂ）を
形成したものとすることができる。

【００１８】また、請求項６に記載の発明では、熱交換
部（２０）は、回転軸（２５）を中心に回転駆動される
回転蓄熱体（２１）を有しており、回転蓄熱体（２１）
は回転することにより、低温流体通路（Ａ）と高温流体
通路（Ｂ）とを交互に移動し、燃焼ガスの燃焼熱を第１
改質原料に伝えることを特徴としている。

【００１９】このような回転式熱交換器は、隔壁を介し
て高温流体と低温流体の間の熱交換を行うのではなく、
高温流体で加熱された伝熱面自体で低温流体を加熱する
ため、単位面積当たりの伝熱量が大きい。このため、熱
交換効率を高めることができるとともに、必要伝熱量を
確保するのに大きな伝熱面を必要としない。従って、始
動時における改質反応早期立ち上げや燃料電池（１０）
の負荷変動時における高応答性を実現でき、さらに装置
の小型化を図ることができる。

【００２０】また、回転蓄熱体（２１）は、請求項７に
記載の発明のように、軸方向に多数の貫通孔（２１ａ）
が形成されるともに、その貫通孔（２１ａ）の開放側の
端面が２つの領域に区画されており、一方の領域は低温
流体通路（Ａ）に位置し、他方の領域は高温流体通路
（Ｂ）に位置しており、一方の領域に形成されている貫
通孔（２１ａ）には第１改質原料が通過し、他方の領域
に形成されている貫通孔（２１ａ）には燃焼ガスが通過
するように構成することができる。なお、請求項７でい
う燃焼ガスは触媒燃焼前のオフガスを含む。

【００２１】また、請求項８に記載の発明のように、上
記各請求項に記載の水素供給装置は、燃料電池に水素を
供給するものとして好適に用いることができる。

【００２２】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００２３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
適用した第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明す
る。図１は本第１実施形態の水素供給装置の概略構成を
示すブロック図であり、図２は水素供給装置の各構成要
素の配置関係を示す概念図である。本第１実施形態の水
素供給装置は、水素消費装置としての燃料電池５０に水
素を供給するように構成されている。

【００２４】図１、図２に示すように、本第１実施形態
の水素供給装置は、第１改質原料供給部１０、熱交換部
（蒸発部）２０、第２改質原料供給部３０、改質部４
０、ＣＯ除去部４３、燃焼ガス供給部（オフガス供給
部）６０等を備えている。また、水素供給装置には、ハ
ウジング１によって、改質原料が通過する低温流体通路
（改質原料通路）Ａと、燃焼ガスが通過する高温流体通
路（燃焼ガス通路）Ｂとが並行して形成されている。低
温流体通路Ａと高温流体通路Ｂはそれぞれ独立してお
り、熱交換部２０を介して熱の授受が行われる。

【００２５】低温流体通路Ａでは、第１改質原料供給部
１０で供給された第１の改質原料（水と空気との混合
気）が熱交換部２０で加熱・気化（蒸発）され、第２改
質原料供給部３０にて第２の改質原料（改質燃料）が混
合され、水および空気、改質燃料からなる改質原料が生
成される。改質原料は、改質部４０にてＨ₂およびＣＯ
を含む改質ガスに改質され、ＣＯ除去部４３にてＣＯが
除去された後、水素リッチガスとして燃料電池５０に供
給される。

【００２６】燃料電池５０には、水素とともに空気（酸
素）が供給されるように構成されており、水素と酸素と
の化学反応により発電する。燃料電池５０では、発電に
用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出さ
れる。

【００２７】高温流体通路Ｂでは、オフガスがオフガス
導入経路５１を介して燃焼ガス供給部６０に供給され、
燃焼して燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの燃焼熱は、熱
交換部２０を介して高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａ
を流れる第１改質原料に伝えられる。なお、本実施形態
では、改質燃料としてガソリンや灯油といった液体石油
系燃料を用いている。

【００２８】図２に示すように低温流体通路Ａの最上流
部には、第１改質原料（水および空気）を供給する第１
改質原料供給部１０が配置されている。第１改質原料供
給部１０には、水流量制御弁１１、空気流量制御弁１
２、噴霧ノズル１３、混合室１４が設けられている。水
流量制御弁１１および空気流量制御弁１２にて流量制御
された水および空気は、噴霧ノズル１３から混合室１４
に噴霧され、水と空気との混合気が生成する。

【００２９】低温流体通路Ａにおける第１改質原料供給
部２０の下流側には、熱交換部（蒸発部）２０が配置さ
れている。本第１実施形態の熱交換部２０は回転式熱交
換器である。

【００３０】図３は熱交換部（蒸発部）２０の分解斜視
図である。図３に示すように、熱交換部２０には、熱エ
ネルギを蓄える回転蓄熱体（マトリクス）２１と、マト
リクス２１と密着摺動してガス漏れを防止する一対の静
止ガスシール２２と、マトリクス２１を回転駆動する駆
動用モータ２３が設けられている。

【００３１】マトリクス２１は、コージェライト等の耐
熱性セラミックからなる円盤形状に形成されている。マ
トリクス２１は、軸方向に多数の貫通孔（セル）２１ａ
が形成されたハニカム構造となっている。マトリクス２
１におけるガスシール２２と接触する外周側面部２１ｂ
は、セメントコーティングされるか、あるいはソリッド
状のセラミックリングが固着されることによって、シー
ル面が形成されている。

【００３２】図４は、回転蓄熱体２１を構成するセル形
状の例を示している。図４（ａ）は矩形形状セル、図４
（ｂ）は三角形状セルであり、それぞれの表面には酸化
触媒（白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）２４
が添着（坦持）されている。これにより、高温流体通路
Ｂに供給される燃料電池５０のオフガスを触媒燃焼させ
ることができる。

【００３３】マトリクス２１は、回転軸２５とハウジン
グ１側に設けられた軸受け２６によって支持されてい
る。回転軸２５は、マトリクス２１の中心部に設けられ
たソリッド状のハブ２１ｄに固着されている。マトリク
ス２１は電動モータ２３により回転駆動される。マトリ
クス２１の外周面にはリングギア２１ｃが設けられてい
る。電動モータ２３からの回転力は、電動モータ２３の
回転軸に固定されたピニオン２３ａを介して、リングギ
ア２１ｃに伝えられる。摺動部位である軸受け２６は高
温雰囲気で用いられるため、高温無潤滑材料（硬質カー
ボン材等）によって形成されている。

【００３４】ガスシール２２は、例えばステンレスのよ
うな耐熱性金属やセラミックから形成されている。ガス
シール２２は、円筒状フランジ２２ａと、その中心を径
方向に通るクロスアーム２２ｂとが一体化して構成され
ている。前記クロスアーム２２ｂの摺動面と、マトリク
ス２１の外周側面部２１ｂと接触するガスシール２２の
シール面２２ｃには、マトリクス２１およびガスシール
２２の摩耗を少なくするため、摩擦係数の低い高温無潤
滑材料層（図示せず）がコーティング等によって形成さ
れている。

【００３５】低温流体通路Ａを流れる高圧の改質原料が
高温流体通路Ｂに漏れないように、マトリクス２１とハ
ウジング１との間にガスシール２２を介在させることで
シールしている。ガスシール２２は、シール面２２ｃで
マトリクス２１を軸方向の両側から挟んだ状態でハウジ
ング１に固定されている。マトリクス２１は、ガスシー
ル２２のクロスアーム２２ｂにて２つの領域に区画され
る。

【００３６】図２に示すようにマトリクス２１は、並行
する低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂの双方を横断する
ように配置される。このとき、ガスシール２２のクロス
アーム２２ｂで区画された一方の領域は低温流体通路Ａ
に位置し、他方の領域は高温流体通路Ｂに位置する。マ
トリクス２１は回転軸２５を中心にガスシール２２の間
を摺動回転し、第１改質原料が通過する低温流体通路Ａ
とオフガス（燃焼ガス）が通過する高温流体通路Ｂとを
交互に移動する。

【００３７】マトリクス２１は、高温流体通路Ｂにおい
て貫通孔２１ａを通過する燃焼ガスから熱を受け取った
後、低温流体通路Ａに移動して貫通孔２１ａを通過する
第１改質原料に熱を伝えて加熱・気化させる。このと
き、マトリクス２１の回転速度を制御することで、高温
流体通路Ｂから低温流体通路Ａへの伝熱速度を調整する
ことができる。すなわち、マトリクス２１の回転速度を
上げることで伝熱速度を上げることができ、回転速度を
下げることで伝熱速度を下げることができる。

【００３８】熱交換部２０の下流側には、第２改質原料
供給部３０が設けられている。第２改質原料供給部３０
には、燃料流量制御弁３１、噴霧ノズル３２、混合室
（混合部）３３が設けられている。

【００３９】図５（ａ）は第２改質原料供給部３０にお
ける混合室３３の拡大断面を示しており、図５（ｂ）は
（ａ）のＸ−Ｘ断面を示している。図５（ａ）（ｂ）に
示すように混合室３３は下流側が開口した円筒形状とな
っている。混合室３３には、外周面の複数箇所（本実施
形態では３箇所）を内側に切り欠くことで、混合室内に
第１改質原料（水と空気の混合気）を導入する流入孔３
３ａと、第１改質原料に渦流を発生させる案内板３３ｂ
が形成されている。

【００４０】第２改質原料供給部３０では、燃料流量制
御弁３１にて流量制御された第２の改質原料である改質
燃料が噴霧ノズル３２より混合室３３内に噴射される。
これにより、第２改質原料が熱交換部２０を通過して気
化・蒸発した第１改質原料と混合・気化する。このと
き、第１改質原料は混合部３３の側面接線方向から混合
部３３内に流入し、混合室３３内で渦流を形成するの
で、第２改質原料の拡散を促進し、第１改質原料と第２
改質原料とを短時間で効率よく混合することができる。

【００４１】第２改質原料供給部３０の下流側には改質
部４０が設けられている。本第１実施形態の改質部４０
では、部分酸化改質（発熱反応）と水蒸気改質（吸熱反
応）とが併用される。改質部４０には、改質触媒（酸化
ニッケル、酸化銅、白金、パラジウム等の単体あるいは
混合物）が添着されている。改質部４０では、熱交換部
２０による加熱で気化した改質原料を改質し、Ｈ₂とＣ
Ｏを含んだ改質ガスを生成する。また、改質部４０に
は、改質触媒の温度を検出する温度センサ（温度検出手
段）４１が設けられている。

【００４２】改質部４０の下流側には、改質ガスの温度
をＣＯの除去に必要な温度に冷却するための冷却部４２
と、冷却部４２にて冷却された改質ガスからＣＯを除去
して水素リッチガスを生成するＣＯ除去部４３が設けら
れている。

【００４３】高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０の上
流側には、熱交換部２０を加熱するための燃焼ガス供給
部（オフガス供給部）６０が設けられている。燃焼ガス
供給部６０には、オフガス流量制御弁６１、燃料流量制
御弁（燃焼用燃料供給部）６２、オフエア流量制御弁６
３、噴霧ノズル６４、点火プラグ（着火手段）６５、混
合・燃焼室６６が設けられている。

【００４４】燃焼ガス供給部６０には、燃料電池５０か
ら排出される未反応の水素を含むオフガスがオフガス供
給路６１を介して供給される。さらに燃焼ガス供給部６
０には、燃料電池５０から排出される未反応の酸素を含
むオフエアが、オフエア供給路５２を介して供給され
る。

【００４５】オフガスおよびオフエアは噴霧ノズル６４
から混合・燃焼室６６に噴霧され、オフガス混合気とな
る。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、熱交
換部２０に設けられた酸化触媒にて触媒燃焼して燃焼ガ
スを生ずる。この燃焼ガスの燃焼熱で回転蓄熱体２１が
加熱される。回転蓄熱体２１は高温流体通路Ｂで熱を受
け取り、回転して低温流体通路Ａにて第１改質原料を加
熱する。

【００４６】水素供給装置の始動時には、オフガスに代
えて、燃料流量制御弁にて流量制御された始動用燃料
（燃焼用燃料）を燃焼室６６に噴霧し、点火プラグ６５
にて着火して、火炎燃焼により燃焼ガスを生じさせるよ
うに構成されている。なお、本第１実施形態では、始動
用燃料として改質燃料と同様の液体石油系燃料を用いて
いる。

【００４７】図６は、水素供給装置の制御系を示してい
る。図６に示すように、本第１実施形態の水素供給装置
には、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）７０が設けられ
ている。制御部７０には、温度センサ４１にて検出した
温度信号が入力され、駆動用モータ２３や各流量制御弁
１１、１２、３１、６１、６２、６３、点火プラグ６５
に制御信号を出力するように構成されている。

【００４８】以下、上記構成の水素供給装置の作動につ
いて説明する。まず、水素供給装置の始動時について説
明する。改質部４０において改質反応が開始するために
は、改質部４０に供給される改質原料が蒸発・気化して
おり、かつ改質部４０の改質触媒が改質反応を開始可能
な所定温度まで昇温している必要がある。

【００４９】そこで、まず燃焼ガス供給部６０の燃焼室
６６にて始動用燃料と空気との混合気を生成し、点火プ
ラグ６５にて着火して火炎燃焼させる。この火炎燃焼に
より生成した燃焼ガスは、高温流体通路Ｂを流れて熱交
換部２０を貫流する。これにより、回転蓄熱体２１のう
ち高温流体通路Ｂに位置する部位は燃焼ガスにより加熱
される。第１改質原料供給部１０では空気を供給してお
く。

【００５０】回転蓄熱体２１が回転することで、燃焼ガ
スにて加熱された部位が低温流体通路Ａに移動し、低温
流体通路Ａを流れる空気が加熱される。この加熱空気が
低温流体通路Ａを流れることにより、熱交換部２０の下
流側の各構成要素が急速に暖気される。

【００５１】このとき、燃焼ガス供給部６０で発生した
燃焼ガスには不完全燃焼等により有害ガスが含まれる
が、燃焼ガスは回転蓄熱体２１を通過する際に、貫通孔
２１ａの表面に添着された酸化触媒２１ｂにより触媒燃
焼（触媒酸化反応）する。従って、始動用燃料と空気と
の混合割合を適切に調整して火炎燃焼させ、さらに熱交
換部２０にて燃焼ガス中の有害成分を触媒燃焼させるこ
とによって、燃焼ガスを完全酸化反応（完全燃焼）させ
ることができる。これにより、燃焼ガス中の有害ガスを
十分に清浄化させた上で、外部に排出することができ
る。

【００５２】燃焼ガスの燃焼熱により、熱交換部２０、
改質部４０、ＣＯ除去部４３（シフト部、浄化部）とい
った改質システムの各構成要素が急速に暖気（予熱）さ
れる。そして、温度センサ４１にて検出した改質部４０
の温度が所定改質反応開始温度に到達した場合に、改質
触媒を含めた改質システムの構成要素が改質反応を開始
することができる温度に到達したと判断して、燃焼ガス
供給部６０での始動用燃料の供給を中断して火炎燃焼を
停止する。

【００５３】なお、所定改質反応開始温度は改質燃料の
種類等に応じて任意に設定できるが、本第１実施形態の
ように改質燃料として石油系燃料を用いる場合には３０
０℃〜４００℃と設定することができる。

【００５４】各構成要素の暖気が完了すると、第１改質
原料供給部１０にて第１改質原料（水および空気の混合
気）の供給が開始される。第１改質原料は熱交換部２０
にて加熱・気化され、第２改質原料供給部３０にて第２
改質原料（改質燃料）が混合・気化され、水および空
気、改質燃料とからなる改質原料が生成される。

【００５５】気化された改質原料は、改質部４０にてＨ
₂とＣＯを含む改質ガスに改質される。改質ガスは、冷
却部４２にて冷却された後、ＣＯ除去部４３にてＣＯが
除去され、燃料電池５０に供給される。

【００５６】燃料電池５０では、水素と酸素との化学反
応により発電するとともに、未反応水素を含むオフガス
と未反応の酸素を含むオフエアが排出される。オフガス
はオフガス導入経路５１を介して、オフエアはオフエア
導入経路５２を介して高温流体通路Ｂの燃焼ガス供給部
６０に導入され、オフガス混合気となる。オフガス混合
気は、熱交換部２０に供給され、回転蓄熱体２１を通過
する際に触媒燃焼を開始する。このオフガスの触媒燃焼
によって発生した熱は回転蓄熱体２１に蓄えられ、回転
蓄熱体２１が回転移動することにより、低温流体通路Ａ
を通過する第１改質原料を加熱・気化する。

【００５７】このように、オフガスの触媒燃焼による熱
により、改質原料を加熱して気化するとともに、加熱さ
れた改質原料を介して下流側の改質部４０をも加熱する
ことができる。これにより、熱交換部２０、改質部４０
の加熱は、始動用燃料の火炎燃焼による加熱からオフガ
ス燃焼による加熱に切り替わり、水素供給装置は自立運
転を開始することができる。

【００５８】次に、燃料電池５０における負荷が変動し
た場合には、燃料電池５０での負荷変動に応じて改質原
料の供給量を調整して、燃料電池５０への水素供給量を
調整する。水素供給装置において水素供給量を増加させ
た場合には、改質部４０の改質反応に伴う吸熱量増加に
より改質部４０の温度が低下するため、改質部４０の加
熱量を増加させる必要がある。

【００５９】ところが、水素供給装置の水素供給量増加
に伴う燃料電池５０のオフガス排出量増加には、タイム
ラグがある。このため、水素供給装置での水素供給量を
急速に増加させた場合には、オフガス燃焼による燃焼熱
が不足する場合がある。このような場合には、一時的に
燃焼ガス供給部６０にて始動用燃料を噴霧して点火プラ
グ６５で着火することで、火炎燃焼による燃焼熱を利用
して熱補給することができる。これにより、常に適温下
で改質反応を促進することができる。

【００６０】また、改質原料中の空気の混合割合を増加
させることで、改質部４０における部分酸化反応（発熱
反応）の割合を増加させ、改質部４０での発熱量を増加
させることができる。これによっても、オフガス燃焼の
燃焼熱の不足を補うことができる。

【００６１】さらに、回転蓄熱体２１の回転を速めるこ
とによっても、高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａへの
伝熱速度を速くすることができる。これによっても、オ
フガス燃焼の燃焼熱の不足を補うことができる。

【００６２】なお、燃料電池５０における負荷増加の伴
う改質部４０の温度低下は、温度センサ４１にて直接的
に検出することができる。あるいは燃料電池５０が例え
ば車両走行用モータの駆動電源として用いられている場
合には、アクセル開度に基づいて燃料電池５０の負荷変
動を予測し、改質部４０の温度変化を予測するように構
成してもよい。

【００６３】水素供給装置から燃料電池５０への水素の
供給を停止する場合には、改質燃料と水の供給を停止
し、次に空気の供給を停止する。この間、低温流体通路
Ａ内に残存する可燃混合気は、高温流体通路Ｂにおいて
熱交換部２０内またはその表面部での触媒燃焼により燃
焼完結するので、エミッションの排出を抑制することが
できる。

【００６４】ところで、本第１実施形態の熱交換部２０
のように回転式熱交換器を用いた場合、熱交換部２０に
おいて高圧の低温流体通路Ａから低圧の高温流体通路Ｂ
へのガス漏れが発生する。ガス漏れは、回転蓄熱体２１
とガスシール２２との間からの直接的なシール漏れと、
回転蓄熱体２１にトラップされ移送されることに起因す
る移送漏れがある。すなわち、熱交換部２０におけるガ
ス漏れは、低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂとの圧力差
と回転蓄熱体２１とガスシール２２との当接面における
隙間に比例する隙間漏れ量と、ガスシール２２のクロス
アーム２２ｂと回転蓄熱体２１の貫通孔２１ａによって
形成される空間移動容積（回転蓄熱体の回転に伴う移
動）による移送漏れ量（キャリーオーバーロス）との合
計になる。

【００６５】このうちシール面からの隙間漏れは、機構
の改善である程度は抑制できる。しかしながら、回転蓄
熱体２１にトラップされることによる移送漏れは、回転
式熱交換器の構造上、これ以上低減することができな
い。

【００６６】この結果、低温流体通路Ａを流れる改質原
料が高温流体通路Ｂを流れる排気ガス中に混入し、例え
ば未燃焼の改質燃料が有害ガスとなって排出されるとい
う問題が生ずる。

【００６７】そこで、本第１実施形態では、複数種の改
質原料の供給源を分割し、改質原料は熱交換部２０の下
流側で供給することで、回転蓄熱式熱交換部２０を通過
させないように構成している。このような構成により、
低温流体通路Ａ側で熱交換部２０を通過するのは改質燃
料を含まない第１改質原料（水と空気）のみとなるた
め、高温流体通路Ｂへの漏洩ガス中に有害成分を含まな
い。第１改質原料は熱交換部２０を通過して高温に加熱
され、熱交換部２０の下流側にて第２改質原料（液体の
改質燃料）を加熱気化・混合して、水および空気、改質
燃料からなる改質原料を生成する。

【００６８】以上、本第１実施形態の水素供給装置の構
成によれば、改質原料のうち、水と空気を熱交換部２０
の上流側に供給し、改質燃料を熱交換部２０の下流側に
供給することで、熱交換部３０における改質燃料に基づ
く堆積物の発生を防止することができる。これにより、
熱交換部２０の汚れを回避でき、堆積物による熱交換部
２０の貫通孔２１ａの閉塞を防止できる。これにより、
熱交換部２０のメンテナンスが不要となり、コスト低減
につながる。

【００６９】また、上述のように、改質燃料を熱交換部
２０の下流側に供給することで、回転式熱交換器に生ず
るガス漏れにおいて、改質燃料が未反応のまま有害ガス
として外部に排出されることを防止できる。

【００７０】また、水素供給装置の始動時には、始動用
燃料を火炎燃焼させ、回転蓄熱体２１を加熱することに
より、改質システムの各構成要素（熱交換部２０や改質
部４０）を加熱し、速やかに改質反応開始温度まで昇温
させることができる。これにより、改質反応開始までの
始動時間を短縮することが可能となる。

【００７１】また、本第１実施形態で用いている回転式
熱交換器では、隔壁を介して高温流体と低温流体の間の
熱交換を行うのではなく、高温流体で加熱された伝熱面
自体で低温流体を加熱するため、単位面積当たりの伝熱
量が大きい。このため、熱交換効率を高めることができ
るとともに、必要伝熱量を確保するのに大きな伝熱面を
必要としない。従って、始動時における改質反応早期立
ち上げや燃料電池５０の負荷変動時における高応答性を
実現でき、装置の小型化を図ることができる。

【００７２】また、本第１実施形態の水素供給装置で
は、オフガス供給部と始動用燃焼部とを一体化している
ため、装置全体の小型化を図ることができる。

【００７３】また、熱交換部２０内のオフガス燃焼処理
に伴う発熱量を、改質原料の加熱・気化と、改質部４０
における吸熱反応（水蒸気改質反応）の補熱量として回
収することで、装置の高効率化を図ることができる。

【００７４】また、本第１実施形態のように第２改質原
料（改質燃料）を熱交換部２０の下流側に供給する場
合、第２改質原料供給部３０から改質部４０までの距離
が短いため、第１改質原料と第２改質原料とを短時間で
効率よく混合する必要がある。そこで、本第１実施形態
の第２改質原料供給部３０では、流入孔３３ａおよび案
内板３３ｂが形成された混合部３３を設けている。これ
により、混合室３３内で第１改質原料に渦流を発生さ
せ、第１改質原料と第２改質原料とを効率よく速やかに
混合させることができる。

【００７５】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態を図７に基づいて説明する。図７に示すように、本
第２実施形態は上記第１実施形態に比較して、第２改質
原料供給部３０に点火プラグ３４および燃焼室３５を設
けた点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の
部分は同一の符号を付して説明を省略する。

【００７６】上記のように、本第２実施形態の水素供給
装置では、第２改質原料供給部３０に、改質燃料に着火
して火炎燃焼させるための点火プラグ３４と、火炎燃焼
を維持するための燃焼室３５が設けられている。

【００７７】このような構成により、水素供給装置の始
動時に、燃焼ガス供給部６０での火炎燃焼に加えて、第
２改質原料供給部３０でも火炎燃焼を生じさせることが
できる。この第２改質原料供給部３０における火炎燃焼
の燃料熱により、直下の改質部４０を急速に加熱するこ
とができ、改質反応の立ち上げをさらに速やかに行うこ
とが可能となる。

【００７８】また、燃料電池５０の負荷変動時にも、一
時的に第２改質原料供給部３０にて火炎燃焼を生じさせ
ることで改質部４０を加熱して、オフガスの燃焼熱の不
足分を速やかに補うことができる。

【００７９】（他の実施形態）なお、上記各実施形態の
水素供給装置では、改質原料中の空気を第１改質原料供
給部１０にて供給するように構成したが、これに限ら
ず、図８、図９に示すように構成してもよい。図８に示
す例では、第１改質原料供給部１０および第２改質原料
供給部３０の双方で空気を供給している。図８に示す構
成によれば、第２改質原料供給部３０において、低圧で
も混合室３３に噴霧される改質燃料の霧化を促進するこ
とができる。さらに、図９に示すように、第２改質原料
供給部３０のみから空気を供給するように構成してもよ
い。

【００８０】また、上記各実施形態の水素供給装置で
は、熱交換部２０として回転式熱交換器を用いたが、こ
れに限らず、本発明は種々の熱交換器に適用できる。例
えば図１０に示すようにフィン・チューブ型のような直
交流型熱交換器を用いることもできる。このように直交
流型熱交換器を用いる場合にも、改質燃料を熱交換部２
０の下流側に供給することで、熱交換部２０において貫
通孔の堆積物の堆積を防止することが可能となる。この
ような直交流型熱交換器においても、例えばフィンやチ
ューブといった伝熱部材間における接合面からのガス漏
れが生ずるが、改質燃料を熱交換部２０の下流側に供給
することで、改質燃料が未反応のまま外部に排出される
ことを防ぐことができる。さらに、例えば対向流型熱交
換器を用いても同様の効果を得ることができる。

【００８１】また、上記各実施形態では、改質燃料とし
てガソリン、軽油等の液状石油系燃料を用いたが、これ
に限らず、改質燃料としてメタノール、天然ガス等の各
種炭化水素化合物を用いることができ、さらに例えばア
ンモニアのような炭素を含まない水素化合物を用いるこ
ともできる。

【００８２】また、上記各実施形態では、温度センサ４
２を改質部４０に設けたが、これに限らず、低温流体通
路Ａにおける熱交換部２０と改質部４０の間、あるいは
改質部４０の下流側に設け、低温流体通路を流れるガス
温度を検出して、改質触媒温度を間接的に検出するよう
に構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の水素供給装置のブロック図であ
る。

【図２】図１の水素供給装置の概念図である。

【図３】図１の水素供給装置の熱交換部の分解斜視図で
ある。

【図４】図３の熱交換部の拡大断面図である。

【図５】第１改質原料と第２改質原料を混合する混合部
の拡大断面図である。

【図６】図１の水素供給装置の制御系の説明図である。

【図７】第２実施形態の水素供給装置の概念図である。

【図８】他の実施形態における改質原料中の空気供給位
置の違いを示す概念図である。

【図９】他の実施形態における改質原料中の空気供給位
置の違いを示す概念図である。

【図１０】他の実施形態の直交流型熱交換器を用いた水
素供給装置の概念図である。

【符号の説明】

１０…第１改質原料供給部、２０…熱交換部（蒸発
器）、３０…第２改質原料供給部、４０…改質部、５０
…燃料電池、６０…燃焼ガス供給部（オフガス供給
部）、Ａ…低温流体通路（改質原料通路）、Ｂ…高温流
体通路（燃焼ガス通路）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者寺尾公良愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 4G040 EA05 EA06 EB03 EB12 EB31 EB42 EB45 4G140 EA05 EA06 EB03 EB12 EB31 EB42 EB45 5H027 AA02 BA09 BA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素消費装置（５０）に供給する水素を
生成する水素供給装置であって、改質原料が通過する低温流体通路（Ａ）と、燃焼ガスを発生させる燃焼ガス供給部（６０）が設けら
れた高温流体通路（Ｂ）と、前記低温流体通路（Ａ）に配置され、少なくとも水を含
む第１の改質原料を供給する第１改質原料供給部（１
０）と、前記低温流体通路（Ａ）における前記第１改質原料供給
部（１０）の下流側に配置され、前記燃焼ガスの燃焼熱
を前記第１の改質原料に伝える熱交換部（２０）と、前記低温流体通路（Ａ）における前記熱交換部（２０）
の下流側に配置され、少なくとも水素化合物を含む第２
の改質原料を供給し、前記第１の改質原料と前記第２改
質原料とを混合して前記改質原料を生成する第２改質原
料供給部（３０）と、前記低温流体通路（Ａ）における前記第２改質原料供給
部（３０）の下流側に配置され、触媒反応により前記改
質原料を水素に改質する改質部（４０）とを備えている
ことを特徴とする水素供給装置。
【請求項２】前記燃焼ガス供給部（６０）には、前記
水素消費装置（５０）にて消費されなかった水素を含む
オフガスがオフガス供給路（５１）を介して供給され、前記オフガスの燃焼により前記燃焼ガスが生成されるこ
とを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
【請求項３】前記燃焼ガス供給部（６０）には、燃焼
用燃料を供給する燃焼用燃料供給部（６２）と、前記燃
焼用燃料を燃焼させる着火手段（６５）とが設けられて
おり、前記燃焼用燃料の燃焼により前記燃焼ガスが生成される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素
供給装置。
【請求項４】前記熱交換部（２０）における前記燃焼
ガスとの接触面には、酸化触媒が坦持されていることを
特徴とする請求項１ないし３に記載の水素供給装置。
【請求項５】前記第２改質原料供給部（３０）には、
第１改質原料と第２改質原料とを混合する混合部（３
３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし
４のいずれか１つに記載の水素供給装置。
【請求項６】前記熱交換部（２０）は、回転軸（２
５）を中心に回転駆動される回転蓄熱体（２１）を有し
ており、前記回転蓄熱体（２１）は回転することにより、前記低
温流体通路（Ａ）と前記高温流体通路（Ｂ）とを交互に
移動し、前記燃焼ガスの燃焼熱を前記第１改質原料に伝
えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つ
に記載の水素供給装置。
【請求項７】前記回転蓄熱体（２１）は、軸方向に多
数の貫通孔（２１ａ）が形成されるともに、その貫通孔
（２１ａ）の開放側の端面が２つの領域に区画されてお
り、一方の領域は前記低温流体通路（Ａ）に位置し、他方の
領域は前記高温流体通路（Ｂ）に位置しており、前記一方の領域に形成されている前記貫通孔（２１ａ）
には前記第１改質原料が通過し、前記他方の領域に形成
されている前記貫通孔（２１ａ）には前記燃焼ガスが通
過するように構成されていることを特徴とする請求項６
に記載の水素供給装置。
【請求項８】前記水素消費装置（５０）は燃料電池で
あることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つ
に記載の水素供給装置。