JP2002179407A - 水素供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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、改質反応の始動性を向上
させる。 【解決手段】 改質部４０として、回転軸２５を中心に
回転駆動される回転蓄熱体４１を有する回転式熱交換器
を用いる。改質部４０は、回転蓄熱体４１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、高温流体通路Ｂにて燃焼ガスの燃焼熱を受け取
る。回転蓄熱体４１は、軸方向に多数の貫通孔４１ａが
形成されるともに、回転軸２５を境に２つの領域に区画
されている。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４１ａには改質原料が通過し、
他方の領域に形成されている貫通孔４１ａには燃焼ガス
が通過する。

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】ところが、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、水蒸気改質は高濃度の水素ガスが得
られ有利であるが、吸熱反応であるため外部加熱が必要
となる。しかし、従来の熱交換器構成では、上述のよう
に熱補給が不十分なものとなる。このため、改質原料に
空気を添加し、改質器で水蒸気改質反応と部分酸化反応
（発熱反応）を起こさせて上記吸熱反応に熱補給する、
いわゆる併用改質が知られている。

【０００６】しかし、部分酸化反応は空気中の酸素と燃
料の反応を目的とするものであり、空気中の窒素ガスは
生成された水素ガス濃度を単に希釈することとなる。こ
の低濃度水素ガスは燃料電池の発電効率を低下させる。
また、燃料改質流路のガス流量が増加するとともに流動
損失が増し、酸素供給のための送気動力が増加するとい
う欠点がある。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑み、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、改質反応の始動性を向上させることを目的とす
る。また、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。

【０００８】

【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（６０）
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、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、改質部（４０）は、回転軸（２５）を中心に回転
駆動される改質部回転蓄熱体（４１）を有しており、改
質部回転蓄熱体（４１）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、
高温流体通路（Ｂ）にて燃焼ガスの燃焼熱を受け取るこ
とを特徴としている。

【０００９】このような構成により、改質部（４０）を
高温流体の熱により直接的に加熱することができ、効率
よく昇温させることができ、高応答性を実現できる。こ
れにより、改質触媒を速やかに改質反応開始温度まで昇
温でき、始動時において早期に改質反応を立ち上げるこ
とができる。

【００１０】また、回転式熱交換器では、隔壁を介して
熱交換を行うのではなく、伝熱面自体を直接的に加熱す
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。このた
め、装置の小型化を図ることができる。

【００１１】また、改質部回転蓄熱体（４１）は、請求
項２に記載の発明のように、軸方向に多数の貫通孔（４
１ａ）が形成されるともに、その貫通孔（４１ａ）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（４１ａ）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（４１ａ）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２
でいう燃焼ガスは、触媒燃焼前のオフガスを含む。

【００１２】また、請求項３に記載の発明では、貫通孔
（４１ａ）の表面には、改質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、改質触媒を高温流体通
路（Ｂ）にて直接的に加熱することができる。

【００１３】また、請求項４に記載の発明では、燃焼ガ
ス供給部（７０）には、水素消費装置（６０）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（６
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。

【００１４】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。

【００１５】また、請求項５に記載の発明では、燃焼ガ
ス供給部（７０）には、燃焼用燃料を供給する燃焼用燃
料供給部（７２）と、燃焼用燃料を燃焼させる着火手段
（７５）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。

【００１６】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。

【００１７】また、請求項６に記載の発明では、低温流
体通路（Ａ）における改質部（４０）の上流側に配置さ
れ、改質原料を加熱する蒸発部（２０）を備え、蒸発部
（２０）は、回転軸（２５）を中心に回転駆動される蒸
発部回転蓄熱体（２１）を有しており、蒸発部回転蓄熱
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
焼熱を改質原料に伝えることを特徴としている。

【００１８】このように、蒸発部（２０）にも改質部
（４０）と同様の回転式熱交換器を用いることで、効率
よく高温流体通路（Ｂ）の高温流体の熱を低温流体通路
（Ａ）を流れるガスに伝えることができ、高応答性を実
現できる。これによっても、始動時において早期に改質
反応を立ち上げることができる。

【００１９】また、蒸発部回転蓄熱体（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（２
１ａ）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。

【００２０】また、請求項８に記載の発明では、蒸発部
回転蓄熱体（２１）の貫通孔（２１ａ）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
フガスが蒸発部（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。

【００２１】また、始動時等に燃焼ガス供給部（７０）
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、燃焼ガスは蒸発部（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
に蒸発部（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。

【００２２】また、請求項９に記載の発明では、改質部
回転蓄熱体（４１）および蒸発部回転蓄熱体（２１）
は、必要加熱温度に応じて回転数を調整されることを特
徴としている。これにより、回転蓄熱体（２１、４１）
の温度を適温に調整し、改質原料の加熱温度や改質触媒
の加熱温度を調整することができる。

【００２３】また、請求項１０に記載の発明では、改質
部回転蓄熱体（４１）の回転軸と蒸発部回転蓄熱体（２
１）の回転軸は、同一であることを特徴としている。こ
れにより、２つの回転蓄熱体（２１、４１）を単一の駆
動装置で駆動することが可能となり、装置の小型化、高
効率化を図ることができる。

【００２４】また、蒸発部（２０）は、改質原料気化の
ために例えば３００〜４００℃程度となっている必要が
あり、改質部（４０）は改質反応のために例えば４００
〜７００℃程度と、蒸発部（２０）より高温になってい
る必要がある。

【００２５】そこで、請求項１１に記載の発明では、蒸
発部（２０）は、高温流体通路（Ｂ）において改質部
（４０）の下流側に配置されていることを特徴としてい
る。これにより、高温流体通路（Ｂ）では、高温流体が
改質部（４０）を通過した後に蒸発部（２０）を通過す
るため、改質部（４０）の方が優先的に加熱され、触媒
反応に必要な温度序列に応じて効率よく急速に加熱でき
る。

【００２６】また、請求項１２に記載の発明では、低温
流体通路（Ａ）における蒸発部（２０）の上流側に配置
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（１０）と、低温流体通路（Ａ）にお
ける熱交換部（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）とを備えることを特徴として
いる。

【００２７】このように、改質原料の供給源を分離し
て、改質燃料を蒸発部（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。また、第２改質原料供給部（３０）にて
生成された改質原料の一部は、改質部（４０）で高温流
体通路（Ｂ）に移送されるが、この改質原料中の有害ガ
スは高温流体通路（Ｂ）において蒸発部（２０）で酸化
反応（触媒燃焼）により十分浄化された後、外部に排出
される。また、この酸化反応に伴う発熱は改質原料の加
熱源として利用できる。

【００２８】また、請求項１３に記載の発明では、水素
消費装置（６０）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（７０）が設
けられた高温流体通路（Ｂ）と、改質原料を加熱する蒸
発部（２０）と、触媒反応により改質原料を水素に改質
する改質部（４０）と、低温流体通路（Ａ）における蒸
発部（２０）の上流側に改質原料を供給する改質原料供
給部（１０）とを備え、蒸発部（２０）および改質部
（４０）は、回転軸（２５）を中心に回転駆動される１
つの回転蓄熱体（２０１）を共有しており、回転蓄熱体
（２０１）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、高温流体通路
（Ｂ）にて燃焼ガスの燃焼熱を受け取ることを特徴とし
ている。

【００２９】このように、蒸発部（２０）の回転蓄熱体
と改質部（４０）の回転蓄熱体を一体構成することによ
り、装置の小型化と低コスト化を図ることができる。

【００３０】また、回転蓄熱体（２０１）は、請求項１
４に記載の発明のように、軸方向に多数の貫通孔（ａ）
が形成されるともに、その貫通孔（ａ）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
（ａ）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（ａ）には燃焼ガスが通過するように構
成することができる。

【００３１】また、請求項１５に記載の発明では、回転
蓄熱体（２０１）の低温流体通路（Ａ）における上流側
部位（Ｌｈ）は蒸発部（２０）に対応し、下流側部位
（Ｌｒ）は改質部（４０）に対応していることを特徴と
している。このような構成により、同一の回転蓄熱体
（２０１）の上流部で改質原料を加熱気化し、下流部で
改質反応により水素リッチガスを生成することができ
る。

【００３２】また、請求項１６に記載の発明では、回転
蓄熱体（２０１）の低温流体通路（Ａ）における下流側
部位（Ｌｒ）には改質触媒が担持されていることを特徴
としている。これにより、回転蓄熱体（２０１）の下流
部において改質原料を水素リッチガスに改質することが
できる。

【００３３】また、請求項１７に記載の発明では、回転
蓄熱体（２０１）の低温流体通路（Ａ）における上流側
部位（Ｌｈ）には酸化触媒が担持されていることを特徴
としている。これにより、回転蓄熱体（２０１）の上流
側において、触媒燃焼による燃焼熱により改質原料を加
熱気化することができる。

【００３４】また、請求項１８に記載の発明では、回転
蓄熱体（２０１）における同一部位が、蒸発部（２０）
および改質部（４０）の双方に対応していることを特徴
としている。このような構成により、回転蓄熱体（２０
１）における同一部位にて、改質原料を加熱気化すると
ともに、水素リッチガスに改質することができる。

【００３５】また、請求項１９に記載の発明では、回転
蓄熱体（２０１）には、酸化触媒および改質触媒とを混
合した混合触媒が担持されていることを特徴としてい
る。これにより、回転蓄熱体（２０１）における同一部
位において、触媒燃焼による改質原料の加熱気化と、改
質反応による水素リッチガスの生成を行うことができ
る。

【００３６】ところで、低温流体通路（Ａ）における蒸
発部（２０）の上流側で改質燃料を供給する場合には、
回転蓄熱式熱交換器の構造上、低温流体通路（Ａ）から
高温流体通路（Ｂ）への改質燃料のガス漏れが発生す
る。そこで、請求項２０に記載の発明では、高温流体通
路（Ｂ）における回転蓄熱体（２０１）の下流側には、
排気浄化手段（８０）が設けられていることを特徴とし
ている。

【００３７】これにより、改質燃料を回転蓄熱式熱交換
器の上流側で供給することで発生する有害ガスの外部排
出を防止することができる。

【００３８】また、請求項２１に記載の発明では、排気
浄化手段（８０）は、多数の貫流孔を有するとともに、
貫流孔に酸化触媒が添着された排気浄化体（８１）を備
えていることを特徴としている。これにより、酸化触媒
によって余剰の酸素と改質原料中の未反応成分（ＨＣ
等）との酸化反応が促進され、有害成分は浄化された上
で排気される。

【００３９】また、請求項２２に記載の発明では、排気
浄化手段（８０）は、排気浄化体（８１）を加熱する加
熱手段（８２）を備えていること特徴としている。これ
により、排気浄化体（８１）に担持された触媒を活性温
度以上に加熱することができ、低温始動時においても有
害成分を浄化して排出することができる。

【００４０】また、請求項２３に記載の発明では、排気
浄化手段（８０）は、排気浄化体（８１）の上流側に設
けられた吸着体（８６）を備えていることを特徴として
いる。これにより、排気触媒体（８１）に担持された触
媒が活性温度に達する前であっても、吸着体により有害
成分を保持することができ、有害成分が外部に排出され
ることを防ぐことができる。また、高温時には有害成分
が吸着体から脱離し、吸着体を再生できる。

【００４１】また、請求項２４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。

【００４２】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。

【００４３】

【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６０に水
素を供給するように構成されている。

【００４４】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、蒸発部
（熱交換蒸発部）２０、第２改質原料供給部３０、改質
部（熱交換改質部）４０、ＣＯ除去部５２、燃焼ガス供
給部（オフガス供給部）７０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、蒸発部２０および改質部４０を介
して熱の授受が行われる。

【００４５】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）が蒸発部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５２にてＣＯが除
去された後、水素リッチガスとして燃料電池６０に供給
される。

【００４６】燃料電池６０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６０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。

【００４７】高温流体通路Ｂでは、オフガスがオフガス
導入経路６１を介して燃焼ガス供給部７０に供給され、
燃焼する。改質部４０では、オフガスの燃焼熱により改
質触媒が加熱される。蒸発部２０では、オフガスの燃焼
熱が低温流体通路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。

【００４８】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。

【００４９】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実施形態の蒸発部２０は回転式熱交換
器である。

【００５０】図３は蒸発部（熱交換部）２０の分解斜視
図である。図３に示すように、蒸発部２０には、熱エネ
ルギを蓄える蒸発部回転蓄熱体（マトリクス）２１と、
マトリクス２１と密着してガス漏れを防止する一対のガ
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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。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。

【００５５】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。

【００５６】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
ように配置されている。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２
２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。

【００５７】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。

【００５８】蒸発部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、混合部３３
が設けられている。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改質原料が蒸発部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。

【００５９】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。改質部４０では、蒸発部２０
による加熱で気化した改質原料を改質し、Ｈ2とＣＯを
含んだ改質ガスを生成する。本第１実施形態の改質部４
０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。

【００６０】図５は改質部４０の分解斜視図である。図
５に示すように、改質部４０は蒸発部２０と同様な構成
を持つ回転式熱交換器である。改質部４９では、図３で
示した蒸発部２０に比較して、電動モータ２３、リング
ギア２１ｃ等の回転駆動用の機構が省略されている点で
異なる。また、改質部４０では、改質部回転蓄熱体４１
の貫通孔４１ａに、改質反応のための改質触媒（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（坦持）されている。

【００６１】上述のように、改質部４０は独自の駆動機
構を備えていないが、改質部４０の回転軸が蒸発部２０
の回転軸２５と同軸となるように構成されている。この
ような構成により、蒸発部２０に設けられた電動モータ
２３によって、蒸発部２０の回転蓄熱体２０とともに改
質部４０の回転蓄熱体４１が回転駆動される。改質部４
０の回転蓄熱体４１も回転速度を制御することで、蒸発
部２０と同様に高温流体通路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。

【００６２】図２に示すように、改質部４０のマトリク
ス４１も蒸発部２０と同様に、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てい
る。このとき、低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂにおけ
るガスの流れは逆方向になっているため、低温流体通路
Ａでは蒸発部２０が上流側となって、蒸発部２０→改質
部４０の順にガスが流れる。高温流体通路Ｂでは改質部
４０が上流側となって、改質部４０→蒸発部２０の順に
ガスが流れる。

【００６３】改質部４０の下流側には、改質部４０を通
過したガスの温度を検出することで、改質部４０の改質
触媒温度を間接的に検出する温度センサ（温度検出手
段）５０が設けられている。温度センサ５０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５１と、冷却部５１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５２が設けられている。

【００６４】高温流体通路Ｂにおける蒸発部２０の上流
側には、蒸発部２０を加熱するための燃焼ガス供給部
（オフガス供給部）７０が設けられている。燃焼ガス供
給部７０には、オフガス流量制御弁７１、燃料流量制御
弁（燃焼用燃料供給部）７２、オフエア流量制御弁７
３、噴霧ノズル７４、点火プラグ（着火手段）７５、混
合・燃焼室７６が設けられている。燃焼ガス供給部７０
には、燃料電池６０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７１を介して供給される。さ
らに燃焼ガス供給部７０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５
２を介して供給される。

【００６５】オフガスおよびオフエアは噴霧ノズル７４
から混合・燃焼室７６に噴霧され、オフガス混合気とな
る。オフガス混合気は、改質部４０→蒸発部２０の順に
供給され、改質部４０および蒸発部２０にて触媒燃焼を
生ずる。この燃焼ガスの燃焼熱で回転蓄熱体４１、２１
が加熱される。

【００６６】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７６に噴霧し、点火プラグ７５
にて着火して火炎燃焼を生じさせ、燃焼ガスを生成する
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じ液体石油系燃料を用いて
いる。

【００６７】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）８０が設けられ
ている。制御部８０には、温度センサ５０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、７１、７２、７３、点火プラグ７５
に制御信号を出力するように構成されている。

【００６８】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。

【００６９】そこで、まず燃焼ガス供給部７０の燃焼室
７６にて始動用燃料と空気との混合気を生成し、点火プ
ラグ７５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を流れて改質
部４０→蒸発部２０の順に貫流する。これにより、回転
蓄熱体４１、２１のうち高温流体通路Ｂに位置する部位
が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。

【００７０】改質部４０では、回転蓄熱体４１に設けら
れた改質触媒が直接的に加熱される。蒸発部２０では、
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、蒸発部２０の下流側の各構成要
素が急速に暖気される。

【００７１】また、蒸発部２０は、改質原料気化のため
に例えば３００〜４００℃程度となっている必要があ
り、改質部４０は改質反応のために例えば４００〜７０
０℃程度と、蒸発部２０より高温になっている必要があ
る。高温流体通路Ｂでは、高温ガス（高温流体）が改質
部４０を通過した後に蒸発部２０を通過するため、改質
部４０の方が優先的に加熱され、触媒反応に必要な温度
序列に応じて効率よく急速に加熱できる。

【００７２】このとき、燃焼ガス供給部７０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４１、２１を通過する際に、
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
に改質部４０および蒸発部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。

【００７３】燃焼ガスの燃焼熱により、蒸発部２０、改
質部４０、ＣＯ除去部５２（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５０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７０での始動用燃料の供給を中断して火炎燃焼を停
止する。

【００７４】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。

【００７５】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改質原料は蒸発部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。

【００７６】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５１にて冷却された後、ＣＯ除去部５２にてＣＯが
除去され、燃料電池６０に供給される。

【００７７】燃料電池６０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６１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
７０に導入され、オフガス混合気となる。オフガス混合
気は、改質部４０および蒸発部２０に供給され、回転蓄
熱体４１、２１を通過する際に触媒燃焼を開始する。こ
の触媒燃焼によって発生した燃焼ガスの燃焼熱により、
改質部４０では改質触媒が直接的に加熱される。蒸発部
２０では燃焼熱は回転蓄熱体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。

【００７８】このように、オフガスの触媒燃焼による熱
により、改質部４０の改質触媒を加熱するとともに、改
質原料を加熱して気化することができる。これにより、
蒸発部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。

【００７９】次に、燃料電池６０における負荷が変動し
た場合には、燃料電池６０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６０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。

【００８０】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６０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７０にて始動用燃料を噴霧して点火プラ
グ７５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。

【００８１】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。

【００８２】さらに、回転蓄熱体４１、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。

【００８３】なお、燃料電池６０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６０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６０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。

【００８４】水素供給装置から燃料電池６０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、改質原料通路
Ａ内に残存する可燃混合気は、燃料ガス通路Ｂにおいて
蒸発部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。

【００８５】ところで、本第１実施形態の蒸発部２０お
よび改質部４０のように回転式熱交換器を用いた場合、
蒸発部２０や改質部４０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、４１とガスシール２２、４
２との間からの直接的なシール漏れと、回転蓄熱体２
１、４１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、蒸発部２０や改質部４０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、４１とガスシール２２、４２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、４２のクロスアーム２２ｂ、４２ｂと回転蓄
熱体２１、４１の貫通孔２１ａ、４１ａ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。

【００８６】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、４１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。

【００８７】この結果、蒸発部２０では、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。

【００８８】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、改質原料は蒸発部２０の下流
側で供給することで、回転蓄熱式蒸発部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側で蒸発部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
改質原料は蒸発部２０を通過して高温に加熱され、蒸発
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。

【００８９】また、第２改質原料供給部３０にて生成さ
れた改質原料の一部は、改質部４０の回転蓄熱体４１に
トラップされて高温流体通路Ｂに移送されることとな
る。ガス漏れした改質原料は蒸発部２０に流れ、改質原
料中の有害ガス（未燃燃料）は回転蓄熱体２１で酸化反
応（触媒燃焼）により十分浄化された後、外部に排出さ
れる。また、回転蓄熱体２１での酸化反応に伴う発熱は
改質原料の加熱源として利用できる。

【００９０】以上、本第１実施形態の水素供給装置の構
成によれば、改質部４０を回転式熱交換器４０を用いる
ことで、高温流体の熱により改質触媒を直接的に加熱し
て熱補給することができ、改質触媒を効率よく昇温させ
ることができる。これにより、改質触媒を速やかに改質
反応開始温度まで昇温でき、始動時において早期に改質
反応を立ち上げることができる。燃料電池１０の負荷変
動時においても高応答性を実現できる。

【００９１】また、蒸発部２０にも同様の回転式熱交換
器を用いることで、効率よく高温流体通路Ｂの高温ガス
（高温流体）の熱を低温流体通路Ａを流れる低温ガス
（低温流体）に伝えることができる。これによっても、
始動時において早期に改質反応を立ち上げることがで
き、燃料電池６０の負荷変動時においても高応答性を実
現できる。

【００９２】このように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１
０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。

【００９３】また、必要加熱温度に応じて回転蓄熱体２
１、４１の回転速度を制御することで、回転蓄熱体２
１、４１の温度を適温に調整し、改質原料の加熱温度や
改質触媒の加熱温度を調整することができる。

【００９４】また、本第１実施形態のように、蒸発部２
０の回転蓄熱体２１と改質部４０の回転蓄熱体４１を同
軸構成とすることで、２つの回転蓄熱体２１、４１を単
一の駆動装置２３で駆動することが可能となり、装置の
小型化、高効率化を図ることができる。

【００９５】また、本第１実施形態の水素供給装置のよ
うに、改質原料の供給源を分離して、水と空気を蒸発部
２０の上流側に供給し、改質燃料を蒸発部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。

【００９６】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、これによっても装置全体の小型化を図ることがで
きる。

【００９７】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（蒸発部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。

【００９８】また、蒸発部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・気化に利用し、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。

【００９９】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態について図７に基づいて説明する。本第２実施形態
は、上記第１実施形態と比較して第２改質原料供給部３
０の構成が異なるものである。上記第１実施形態と同様
の部分については説明を省略する。

【０１００】上記第１実施形態のように第２改質原料
（改質燃料）を蒸発部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２実施形態の第２
改質原料供給部３０では、第１改質原料と第２改質原料
とを効率よく混合させるための混合部（混合室）３３を
設けている。

【０１０１】図７（ａ）は第２改質原料供給部３０の拡
大断面を示しており、図７（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面
を示している。図７（ａ）（ｂ）に示すように混合室３
３は下流側が開口した円筒形状となっている。混合室３
３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３３ａ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。

【０１０２】このような構成により、第１改質原料は混
合室３３の側面接線方向から混合室３３内に流入する。
ここで、噴霧ノズル３２より混合室３３内に第２の改質
原料である改質燃料が噴射することで、第１改質原料に
第２改質原料が混合される。このとき、第１改質原料は
混合室３３内で渦流を形成しているので、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
間で効率よく速やかに混合することができる。

【０１０３】（第３実施形態）次に、本発明の第３実施
形態を図８に基づいて説明する。図８に示すように、本
第３実施形態は上記第１実施形態に比較して、第１改質
原料供給部１０に燃料流量制御弁１５、点火プラグ１
６、燃焼室１７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。

【０１０４】上記のように、本第３実施形態の水素供給
装置では、第１改質原料供給部１０に、始動用燃料の流
量制御を行う制御弁１５と、始動用燃料に着火して火炎
燃焼させるための点火プラグ１６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。

【０１０５】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７０での火炎燃焼に加えて、第
１改質原料供給部１０でも火炎燃焼を生じさせることが
できる。これにより、高温流体通路Ｂでは燃焼ガス供給
部７０における火炎燃焼の燃焼熱により加熱し、低温流
体通路Ａでは第１改質原料供給部１０における火炎燃焼
の燃料熱により加熱することができる。回転蓄熱体２
１、４１は停止状態で加熱することもできる。これによ
り、蒸発部２０および改質部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。

【０１０６】また、燃料電池６０の負荷変動時にも、一
時的に第１改質原料供給部１０にて火炎燃焼を生じさせ
ることで、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。

【０１０７】（第４実施形態）次に、本発明の第４実施
形態を図９に基づいて説明する。図９に示すように、本
第４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を設けた点が異なるも
のである。

【０１０８】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７０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。これにより、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。

【０１０９】また、燃料電池６０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、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。

【０１１０】（第５実施形態）次に、本発明の第５実施
形態を図１０、図１１に基づいて説明する。本第５実施
形態は、上記第１実施形態に比較して、蒸発部および改
質部の回転蓄熱体を一体的に構成し、さらに、高温流体
通路Ｂの回転蓄熱体下流側に排気浄化部が設けられてい
る点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部
分については、同一の符号を付して説明を省略する。

【０１１１】図１０は、本第５実施形態の水素供給装置
の各構成要素の配置関係を示す概念図である。図１０に
示すように、本第５実施形態では、改質原料を加熱蒸発
させる蒸発部２０と改質反応により水素リッチガスを生
成する改質部４０は、同一の回転蓄熱体２０１を共有し
ている。

【０１１２】また、第１改質原料供給部１０には、改質
原料の流量制御を行う燃料流量制御弁１５が設けられて
いる。本第５実施形態では、上記各実施形態において蒸
発部２０下流側に設けられていた第２改質原料供給部３
０は廃止され、蒸発部２０上流側の第１改質原料供給部
１０にてすべての改質燃料が供給されるように構成され
ている。

【０１１３】図１１は本第５実施形態における蒸発部２
０および改質部４０の分解斜視図である。図１１に示す
ように、本第５実施形態の蒸発部２０および改質部４０
には、熱エネルギを蓄える回転蓄熱体（マトリクス）２
０１と、マトリクス２０１と密着してガス漏れを防止す
る一対のガスシール２２と、マトリクス２０１を回転駆
動する駆動用モータ２３が設けられている。本第５実施
形態の回転蓄熱体２０１は、上記各実施形態では個別に
設けた蒸発部２０および改質部４０の回転蓄熱体を一体
化構成したものである。

【０１１４】本第５実施形態の回転蓄熱体２０１は、低
温流体通路Ａにおける上流側（図１０中のＬｈ）が蒸発
部２０となっており、下流側（図１０中のＬｒ）が改質
部４０となっている。

【０１１５】マトリクス２０１は、軸方向に多数の貫通
孔（セル）２０１ａが形成されたハニカム構造となって
いる。蒸発部２０では、回転蓄熱体２０１の貫通孔２０
１ａ表面に酸化触媒（白金、パラジウム等の単体あるい
は混合物）が添着（坦持）されている。また、改質部４
０では、回転蓄熱体２０１の貫通孔２０１ａ表面に、改
質反応のための改質触媒（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。

【０１１６】ところで、本第５実施形態のように、低温
流体通路Ａにおける蒸発部２０の上流側で改質燃料を供
給する場合には、回転蓄熱式熱交換器の構造上、低温流
体通路Ａから高温流体通路Ｂへの改質燃料のガス漏れが
発生する。すなわち、回転蓄熱体２０１の回転に伴うガ
スの移送漏れ、各流体通路Ａ、Ｂの圧力差に伴うシール
漏れが発生する。この結果、改質燃料が未反応のまま有
害ガスとして排気ガスとともに外部に排出されるという
問題がある。

【０１１７】そこで、本第５実施形態の水素供給装置で
は、高温流体通路Ｂにおける回転蓄熱体２０１の下流側
に排気浄化部（排気浄化手段）８０が設けられている。
排気浄化部８０には、浄化触媒体８１と、浄化触媒体８
１を加熱する電気式ヒータ（加熱手段）８２が設けられ
ている。

【０１１８】浄化触媒体８１は、多数の貫流孔を有する
ハニカム形状となっている。浄化触媒体８１は、セラミ
ック、金属材料等から構成されている。浄化触媒体８１
の貫流孔（担体）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）が添着（坦持）されてい
る。

【０１１９】電気式ヒータ８２は、正電極８３、負電極
８４を備え、通電により発熱するように構成されてい
る。なお、正電極８３とケーシング１との間は、絶縁体
８５により絶縁されている。排気触媒体８１に担持され
た触媒は、所定の活性温度（例えば２００〜３００℃）
に達しないと触媒作用を発揮しないため、低温始動時に
は、排気触媒体８１はヒータ８２により活性温度以上に
加熱される。また、通常運転時には、排気触媒体８１は
高温流体通路Ｂを流れる高温流体により活性温度以上に
維持される。

【０１２０】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。燃焼ガス供給部７０の燃焼室７６にて始動用燃
料と空気との混合気を火炎燃焼させる。これにより生成
した燃焼ガスは、高温流体通路Ｂを流れて回転蓄熱体２
０１を貫流する。これにより、回転蓄熱体２０１のうち
高温流体通路Ｂに位置する部位が燃焼ガスにより加熱さ
れる。

【０１２１】改質原料供給部１０では空気を供給してお
く。回転蓄熱体２０１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を流れることで、各構成要素が急速に暖気され
る。

【０１２２】排気浄化部８０では、ヒータ８２に通電し
て排気浄化体８１を加熱しておく。これにより、排気浄
化体８１に担持された触媒は急速に活性温度以上に加熱
される。燃焼ガス供給部７０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、有害ガスは浄
化触媒体８１を通過する際に浄化される。これにより、
水素供給装置の始動時には、燃焼ガス供給部７０で発生
した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。

【０１２３】各構成要素の暖気終了後、改質原料供給部
１０にて改質原料（水、改質燃料、空気の混合気）の供
給が開始される。液状の水、改質燃料は、空気流を利用
する噴霧ノズル１３により微細流の混合気流となって回
転蓄熱体２０１に流入する。回転蓄熱体２０１における
上流部の蒸発部２０では、高温流体通路Ｂより受け取っ
た熱により改質原料を加熱気化する。回転蓄熱体２０１
における下流部の改質部４０では、水蒸気改質あるいは
水蒸気改質と部分酸化改質との併用改質（オートサーマ
ル改質）反応により、水素リッチガスが生成する。

【０１２４】このとき、蒸発部２０および改質部４０で
は、回転蓄熱体２０１の回転に伴う移送漏れと各流体通
路Ａ、Ｂの圧力差に伴うシール漏れにより、低温流体通
路Ａから高温流体通路Ｂに未反応の改質燃料が漏れる。
回転蓄熱体２０１の下流側に配置された排気触媒体８１
では、余剰空気中の酸素と改質燃料中の未反応成分（Ｈ
Ｃ等の燃料ガス、ＣＯ、メタン等）との酸化反応が促進
される。これにより、未燃ガス等の有害成分は浄化され
た上で排気される。

【０１２５】改質部４０にて生成された改質ガスは、燃
料電池６０に供給される。燃料電池６０では、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、オフエアは燃焼ガス供給部７０に導
入され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、改
質部４０および蒸発部２０に供給され、回転蓄熱体２０
１を通過する際に触媒燃焼を開始する。この燃焼熱によ
り、改質部４０では改質触媒が直接的に加熱される。蒸
発部２０では燃焼熱は回転蓄熱体２０１に蓄えられ、回
転蓄熱体２０１が回転移動することにより、低温流体通
路Ａを通過する改質原料を加熱・気化する。

【０１２６】これにより、蒸発部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。また、排気触媒体８１に担持さ
れた触媒は、定常運転時には高温流体通路Ｂを貫流する
高温ガスにより活性温度以上に加熱されるので、ヒータ
８２による加熱が不要となる。

【０１２７】以上、本第５実施形態の構成のように、蒸
発部２０および改質部４０の回転蓄熱体を一体構成する
ことで、装置の小型化を図ることができる。また、熱交
換器下流側の改質原料供給部を廃止して、改質燃料を熱
交換器上流側で供給することで、装置の小型化を図るこ
とができるとともに、改質燃料を熱交換器で直接加熱す
ることができ、熱交換効率を向上させることができる。
さらに、高温流体通路Ｂにおける回転蓄熱体２０１下流
側に排気浄化部８０を設けることで、改質燃料を回転蓄
熱式熱交換器の上流側で供給することによって発生する
有害ガスの外部排出を防止することができる。

【０１２８】（第６実施形態）次に、本発明の第６実施
形態について図１２に基づいて説明する。本第６実施形
態は、上記第５実施形態に比較して排気浄化部８０にお
ける排気触媒体８１の上流側に吸着体が設けられている
点で異なるものである。上記第５実施形態と同様の部分
については、同一の符号を付して説明を省略する。

【０１２９】図１２は、本第６実施形態の水素供給装置
の各構成要素の配置関係を示す概念図である。図１２に
示すように、本第６実施形態では、排気浄化部８０にお
ける排気触媒体８１に上流側に吸着体８６が設けられて
いる。吸着体８６は、多数の貫流孔が形成されていると
ともに、細孔（吸着孔）を有している。吸着体８６とし
ては、例えばゼオライトを用いることができる。

【０１３０】このような構成により、水素供給装置は始
動時において以下のように作動する。まず、始動直後の
低温下であって、排気触媒体８１に担持された触媒が活
性温度に達していないときには、高温流体通路Ｂ中の有
害成分は吸着体８６に吸着される。その後、ヒータ８２
により排気触媒体８１が活性温度以上に加熱される。

【０１３１】貫流する燃焼ガスにより吸着体８６が加熱
され所定の脱離温度以上に達すると、吸着体８６に吸着
されていた有害成分が吸着体８６から脱離する。これに
より、吸着体８６は再生される。吸着体８６より脱離し
た有害成分は、活性状態の排気触媒体８１にて酸化反応
し、浄化された上で外部に排出される。

【０１３２】以上、本第６実施形態のように排気浄化部
８０に吸着体８６を設けることで、排気触媒体８１に担
持された触媒が活性温度に達していなくても、吸着体８
６で有害成分を保持でき、有害成分が外部に排出される
ことを防ぐことができる。また、高温時には有害成分が
吸着体８６から脱離し、吸着体８６を再生できる。

【０１３３】また、本第６実施形態の排気浄化部８０で
は、上記第５実施形態と同様に排気触媒体８１を加熱す
るヒータ（加熱手段）８２を設けたが、吸着体８６を設
けることで、触媒が活性温度に到達するまでの間は吸着
体８６で有害成分を保持できるので、第６実施形態の構
成においてヒータ８２を省略することもできる。

【０１３４】（他の実施形態）なお、上記各実施形態で
は、蒸発部２０の回転蓄熱体２１と改質部の回転蓄熱体
４１を同軸上に配置したが、これに限らず、それぞれの
回転蓄熱体２１、４１が固有の回転軸を持つように構成
してもよい。この場合には、蒸発部２０と改質部４０の
それぞれに駆動用モータ等の駆動機構を設ける。このよ
うな構成によれば、蒸発部２０および改質部４０でそれ
ぞれ必要加熱温度に応じて、回転蓄熱体２１、４１を個
別に回転数制御することができる。

【０１３５】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。

【０１３６】また、上記第５、第６実施形態では、回転
蓄熱体２０１の異なる部位に酸化触媒と改質触媒を担持
したが、これに限らず、酸化触媒と改質触媒とを混合し
た混合触媒を、回転蓄熱体２０１の全表面に担持するよ
うに構成することもできる。

【０１３７】また、上記第５、第６実施形態の回転蓄熱
体２０１における低温流体通路Ａ上流部は、触媒を担持
せず、高温流体通路Ｂ→低温流体通路Ａの熱の移動のみ
を行うように構成することもできる。

【０１３８】また、上記第５、第６実施形態の回転蓄熱
体２０１は、実質的に一体構成となっていればよい。従
って、１個の回転蓄熱体から構成してもよく、複数個の
回転蓄熱体を積層して構成してもよい。例えば、酸化触
媒と改質触媒を回転蓄熱体の異なる部位に担持する場合
には、２個の回転蓄熱体を用意し、それぞれ酸化触媒、
改質触媒を担持した後、これらを組み合わせて一体構成
とすることができる。

【０１３９】また、混合室１４内の水噴霧はガス相に限
らず、液滴粒子でもよい。

【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】図１の水素供給装置の改質部の分解斜視図であ
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実施形態の第２改質原料供給部の拡大断面
図である。

【図８】第３実施形態の水素供給装置の概念図である。

【図９】第４実施形態の水素供給装置の概念図である。

【図１０】第５実施形態の水素供給装置の概念図であ
る。

【図１１】図１０の水素供給装置の蒸発部および改質部
の分解斜視図である。

【図１２】第６実施形態の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、７０
…燃料電池、７０…燃焼ガス供給部（オフガス供給
部）、８０…排気浄化部、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 EA03 EA06 EB03 EB14 EB31 EC08 4G140 EA03 EA06 EB03 EB14 EB31 EC08 5H027 AA02 BA01 BA09 BA17 BC12

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素消費装置（６０）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（７０）が設けら
   れた高温流体通路（Ｂ）と、 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、 前記改質部（４０）は、回転軸（２５）を中心に回転駆
   動される改質部回転蓄熱体（４１）を有しており、前記
   改質部回転蓄熱体（４１）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、前記高温流体通路（Ｂ）にて前記燃焼ガスの
   燃焼熱を受け取ることを特徴とする水素供給装置。
2. 【請求項２】 前記改質部回転蓄熱体（４１）は、軸方
   向に多数の貫通孔（４１ａ）が形成されるともに、その
   貫通孔（４１ａ）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（４１ａ）
   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（４１ａ）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１
   に記載の水素供給装置。
3. 【請求項３】 前記貫通孔（４１ａ）の表面には、改質
   触媒が坦持されてい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。
4. 【請求項４】 前記燃焼ガス供給部（７０）には、前記
   水素消費装置（６０）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（６１）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ないし３のいずれか１つに記載
   の水素供給装置。
5. 【請求項５】 前記燃焼ガス供給部（７０）には、燃焼
   用燃料を供給する燃焼用燃料供給部（７２）と、前記燃
   焼用燃料を燃焼させる着火手段（７５）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ないし４のいずれか１つに記
   載の水素供給装置。
6. 【請求項６】 低温流体通路（Ａ）における前記改質部
   （４０）の上流側に配置され、前記改質原料を加熱する
   蒸発部（２０）を備え、 前記蒸発部（２０）は、回転軸（２５）を中心に回転駆
   動される蒸発部回転蓄熱体（２１）を有しており、前記
   蒸発部回転蓄熱体（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。
7. 【請求項７】 前記蒸発部回転蓄熱体（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。
8. 【請求項８】 前記蒸発部回転蓄熱体（２１）の貫通孔
   （２１ａ）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７に記載の水素供給装置。
9. 【請求項９】 前記改質部回転蓄熱体（４１）および前
   記蒸発部回転蓄熱体（２１）は、必要加熱温度に応じて
   回転数を調整されることを特徴とする請求項６ないし８
   のいずれか１つに記載の水素供給装置。
10. 【請求項１０】 前記改質部回転蓄熱体（４１）の回転
    軸と前記蒸発部回転蓄熱体（２１）の回転軸は、同一で
    あることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１つ
    に記載の水素供給装置。
11. 【請求項１１】 前記蒸発部（２０）は、前記高温流体
    通路（Ｂ）において前記改質部（４０）の下流側に配置
    されていることを特徴とする請求項６ないし１０のいず
    れか１つに記載の水素供給装置。
12. 【請求項１２】 前記低温流体通路（Ａ）における前記
    蒸発部（２０）の上流側に配置され、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）とを備えることを特徴とする請求項１
    ないし１１のいずれか１つに記載の水素供給装置。
13. 【請求項１３】 水素消費装置（６０）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（７０）が設けら
    れた高温流体通路（Ｂ）と、 前記改質原料を加熱する蒸発部（２０）と、 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、 前記低温流体通路（Ａ）における前記蒸発部（２０）の
    上流側に前記改質原料を供給する改質原料供給部（１
    ０）とを備え、 前記蒸発部（２０）および前記改質部（４０）は、回転
    軸（２５）を中心に回転駆動される１つの回転蓄熱体
    （２０１）を共有しており、前記回転蓄熱体（２０１）
    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、前記高温流体通
    路（Ｂ）にて前記燃焼ガスの燃焼熱を受け取ることを特
    徴とする水素供給装置。
14. 【請求項１４】 前記回転蓄熱体（２０１）は、軸方向
    に多数の貫通孔（ａ）が形成されるともに、その貫通孔
    （ａ）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（ａ）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（ａ）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１３に記載
    の水素供給装置。
15. 【請求項１５】 前記回転蓄熱体（２０１）の前記低温
    流体通路（Ａ）における上流側部位（Ｌｈ）は前記蒸発
    部（２０）に対応し、下流側部位（Ｌｒ）は前記改質部
    （４０）に対応していることを特徴とする請求項１３ま
    たは請求項１４に記載の水素供給装置。
16. 【請求項１６】 前記回転蓄熱体（２０１）の前記低温
    流体通路（Ａ）における下流側部位（Ｌｒ）には改質触
    媒が担持されていることを特徴とする請求項１５に記載
    の水素供給装置。
17. 【請求項１７】 前記回転蓄熱体（２０１）の前記低温
    流体通路（Ａ）における上流側部位（Ｌｈ）には酸化触
    媒が担持されていることを特徴とする請求項１５または
    請求項１６に記載の水素供給装置。
18. 【請求項１８】 前記回転蓄熱体（２０１）における同
    一部位が、前記蒸発部（２０）および前記改質部（４
    ０）の双方に対応していることを特徴とする請求項１３
    または請求項１４に記載の水素供給装置。
19. 【請求項１９】 前記回転蓄熱体（２０１）には、酸化
    触媒および改質触媒とを混合した混合触媒が担持されて
    いることを特徴とする請求項１８に記載の水素供給装
    置。
20. 【請求項２０】 前記高温流体通路（Ｂ）における前記
    回転蓄熱体（２０１）の下流側には、排気浄化手段（８
    ０）が設けられていることを特徴とする請求項１３ない
    し１９のいずれか１つに記載の水素供給装置。
21. 【請求項２１】 前記排気浄化手段（８０）は、多数の
    貫流孔を有するとともに、前記貫流孔に酸化触媒が添着
    された排気浄化体（８１）を備えていることを特徴とす
    る請求項２０に記載の水素供給装置。
22. 【請求項２２】 前記排気浄化手段（８０）は、前記排
    気浄化体（８１）を加熱する加熱手段（８２）を備えて
    いること特徴とする請求項２１に記載の水素供給装置。
23. 【請求項２３】 前記排気浄化手段（８０）は、前記排
    気浄化体（８１）の上流側に設けられた吸着体（８６）
    を備えていることを特徴とする請求項２１なまたは２２
    に記載の水素供給装置。
24. 【請求項２４】 前記水素消費装置（６０）は燃料電池
    であることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれか
    １つに記載の水素供給装置。