JP2007015873A - 水素供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 改質部を加熱するための加熱部において可燃ガスの自己着火が生じることを防止することができる水素供給装置を得る。
【解決手段】 水素燃料供給装置１０は、それぞれ原料を改質して水素含有の燃料ガスを生成する改質部４６と、可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて生じさせた触媒燃焼による熱を改質部４６に付与して改質反応を維持させる加熱部４８と、可燃ガスと支燃ガスとを加熱部４８に導入する前に混合する混合器６０とを備える。また、この水素供給装置１０は、温度センサ９０の出力信号に基づいて混合器６０又は加熱部４８で可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したと判断した場合に、バルブ８４を開放して加熱部４８の燃焼排ガスを支燃ガス流路４４に導入させる制御装置８８を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃料電池等の水素消費装置に水素を供給するための水素供給装置に関する。

例えば、燃料電池に供給する水素を得るための水素供給装置として、水蒸気改質を含む改質反応によって炭化水素原料を水素含有ガスに改質する、改質式の水素供給装置が考えられている（例えば、特許文献１参照）。このような水素供給装置では、吸熱反応である改質反応を維持するため、改質反応を行う改質部と該改質部に熱を付与する燃焼部とを隣接して設け、改質反応を連続して行い得るように構成されている。そして、この燃焼部の燃料として、燃料電池のアノードオフガスを用いることが考えられている。アノードオフガスは、燃料電池の運転温度に近い比較的高温で燃焼部に供給されるので、燃焼ガスの温度上昇に伴う顕熱ロスが少ないメリットがある。
特開２００１−２８３８９０号公報

ところで、改質部を加熱するための燃焼部においてアノードオフガスを触媒燃焼させる構成を採る場合、上記の如く比較的高温で供給されるアノードオフガスが燃焼用空気（支燃ガス）との接触によって自己着火し、燃焼部で気相燃焼が生じてしまうことが懸念される。この気相燃焼は、アノードオフガスの供給側に伝播する（いわゆる逆火を生じる）ので、燃焼に伴う発熱が改質部で消費されなくなり、触媒燃焼を行う場合と比較して燃焼温度が高温になる。このため、気相燃焼を生じさせるアノードオフガスの自己着火は、燃焼部等の構成部品に損傷を与えたり、構成材料の劣化を促進したりする原因となる。

本発明は、上記事実を考慮して、改質部を加熱するための加熱部において可燃ガスの自己着火が生じることを防止することができる水素供給装置を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る水素供給装置は、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼に伴って生じた熱を前記改質工程を行うための熱として前記改質部に供給する加熱部と、前記可燃ガスと支燃ガスとを前記加熱部に供給される前に混合する混合器と、前記混合器又は加熱部で前記可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したことを検出して検出信号を出力する検出器と、前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記自己着火を抑制するように作動する自己着火抑制手段と、を備えている。

請求項１記載の水素供給装置では、改質部は加熱部から熱の供給を受けて改質工程を維持し、水素を含有する燃料ガスを生成する。可燃ガス及び支燃ガスは、混合器にて混合されて混合ガスとして加熱部に供給される。このため、可燃ガス及び支燃ガスは、混合器を備えない構成と比較して、混合時間すなわち触媒への接触前の混合のために気相で接触する気相滞在時間を短縮することができる。これにより、本水素供給装置では、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が防止又は効果的に抑制される。

また、検出器が可燃ガスの自己着火を生じ易い条件が成立したことに対応する検出信号を出力した場合には、自己着火抑制手段が作動し、水素供給装置を可燃ガスの自己着火が生じ難い状態にする。可燃ガスの自己着火が生じ難い状態としては、例えば、混合ガス温度が可燃ガスの自己着火温度以下である状態、混合ガス中の可燃ガス（可燃成分）又は酸素の分圧が低い状態等を挙げることができる。

このように、請求項１記載の水素供給装置では、改質部を加熱するための加熱部において可燃ガスの自己着火が生じることを防止することができる。このため、本水素供給装置では、可燃ガス及び支燃ガスの少なくとも一方を該可燃ガスの自己着火を生じ得る温度で加熱部（混合器）に導入して、加熱部での顕熱ロスが少ない熱効率の高い構成を実現することが可能である。

請求項２記載の発明に係る水素供給装置は、所定作動温度で作動する水素消費装置に水素含有の燃料ガスを供給するための水素供給装置であって、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼によって生じた熱を前記改質部に前記改質工程を行うための熱として供給する加熱部と、前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記可燃ガスとして前記加熱部に導入する可燃ガス導入路と、前記可燃ガス導入路に設けられ、前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合器と、前記混合器又は加熱部で前記可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したことを検出して検出信号を出力する検出器と、前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記自己着火を抑制するように作動する自己着火抑制手段と、を備えている。

請求項２記載の水素供給装置では、改質部は加熱部から熱の供給を受けて改質工程を維持し、水素を含有する燃料ガスを生成する。この燃料ガスは水素消費装置に供給されて主に水素が消費され、この燃料ガスの可燃性ガスを含む残余の成分は、ほぼ水素消費装置の作動温度で可燃ガスとして混合器に導入される。可燃ガスは、混合器で支燃ガスと混合され、混合ガスとして加熱部に供給される。このため、可燃ガス及び支燃ガスは、混合器を備えない構成と比較して、混合時間すなわち触媒への接触前の混合のために気相で接触する気相滞在時間を短縮することができる。これにより、本水素供給装置では、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が防止又は効果的に抑制される。

また、検出器が可燃ガスの自己着火を生じ易い条件が成立したことに対応する検出信号を出力した場合には、自己着火抑制手段が作動し、水素供給装置を可燃ガスの自己着火が生じ難い状態にする。可燃ガスの自己着火が生じ難い状態としては、例えば、混合ガス温度が可燃ガスの自己着火温度以下である状態、混合ガス中の可燃ガス（可燃成分）又は酸素の分圧が低い状態等を挙げることができる。

このように、請求項２記載の水素供給装置では、改質部を加熱するための加熱部において可燃ガスの自己着火が生じることを防止することができる。このため、本水素供給装置では、可燃ガスを水素消費装置の作動温度で加熱部（混合器）に導入して、加熱部での顕熱ロスが少ない熱効率の高い構成を実現することが可能である。また、改質部で生成される燃料ガスの温度域が、水素消費装置の作動温度域と略同域にあるように構成して、水素消費装置とを含んで構成されるシステムの熱効率が高い構成を実現することも可能である。

請求項３記載の発明に係る水素供給装置は、所定作動温度で作動する水素消費装置に水素含有の燃料ガスを供給するための水素供給装置であって、供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼によって生じた熱を前記改質部に前記改質工程を行うための熱として供給する加熱部と、水素消費装置を前記所定の作動温度で作動させるために該水素消費装置を冷却した後の酸素含有の冷媒を、前記支燃ガスとして前記加熱部に導入する支燃ガス導入路と、前記支燃ガス導入路に設けられ、前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合器と、前記混合器又は加熱部で前記可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したことを検出して検出信号を出力する検出器と、前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記自己着火を抑制するように作動する自己着火抑制手段と、を備えている。

請求項３記載の水素供給装置では、改質部は加熱部から熱の供給を受けて改質工程を維持し、水素を含有する燃料ガスを生成する。この燃料ガスは水素消費装置に供給されて主に水素が消費される。このとき、水素消費装置は、酸素を含有する冷媒（例えば空気）によって冷却されて作動温度が所定温度（一定範囲）に維持されている。水素消費装置を冷却した後の冷媒（オフガス）は、ほぼ水素消費装置の作動温度で支燃ガスとして混合器に導入される。

この支燃ガスは、混合器で可燃ガスと混合され、混合ガスとして加熱部に供給される。このため、可燃ガス及び支燃ガスは、混合器を備えない構成と比較して、混合時間すなわち触媒への接触前の混合のために気相で接触する気相滞在時間を短縮することができる。これにより、本水素供給装置では、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が防止又は効果的に抑制される。また、検出器が可燃ガスの自己着火を生じ易い条件が成立したことに対応する検出信号を出力した場合には、自己着火抑制手段が作動し、水素供給装置を可燃ガスの自己着火が生じ難い状態にする。可燃ガスの自己着火が生じ難い状態としては、例えば、混合ガス温度が可燃ガスの自己着火温度以下である状態、混合ガス中の可燃ガス（可燃成分）又は酸素の分圧が低い状態等を挙げることができる。

このように、請求項３記載の水素供給装置では、改質部を加熱するための加熱部において可燃ガスの自己着火が生じることを防止することができる。このため、本水素供給装置では、支燃ガスを水素消費装置の作動温度で加熱部（混合器）に導入して、加熱部での顕熱ロスが少ない熱効率の高い構成を実現することが可能である。また、改質部で生成される燃料ガスの温度域が、水素消費装置の作動温度域と略同域にあるように構成して、水素消費装置とを含んで構成されるシステムの熱効率が高い構成を実現することも可能である。

請求項４記載の発明に係る水素供給装置は、請求項３記載の水素供給装置において、前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記可燃ガスとして前記加熱部に導入する可燃ガス導入路をさらに備え、該可燃ガス導入路と前記支燃ガス導入路との合流部に前記混合器を配置した。

請求項４記載の水素供給装置では、改質部で生成され水素消費装置にて主に水素が消費された燃料ガス（可燃性ガスを含む残余の成分）は、ほぼ所定の作動温度で可燃ガスとして混合器に導入される。可燃ガスは、混合器で支燃ガスと混合され、混合ガスとして加熱部に供給される。このため、混合器では、ほぼ同温（水素消費装置の作動温度）の可燃ガスと支燃ガスとが混合される。すなわち、この構成では、混合ガスの温度が水素消費装置の作動温度と同域となり、該作動温度と同域の温度の燃料ガスを改質部にて生成するように設定することで、熱効率が一層高い構成を実現することができる。一方、可燃ガスが支燃ガスによって冷却されることがないので、該可燃ガスの自己着火を生じ易いが、上記の通り混合器によって混合ガスの気相滞在時間を短縮する構成とすることで、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生を効果的に防止又は抑制することができる。

請求項５記載の発明に係る水素供給装置は、請求項４記載の水素供給装置において、前記水素消費装置の作動温度が３００℃から６００℃の範囲内である。

請求項５記載の水素供給装置では、水素消費装置の作動温度域が３００℃乃至６００℃の温度域にあるので、改質部は、３００℃乃至６００℃の中温域の燃料ガスを生成して水素消費装置に供給すれば効率が良い。このように燃料ガス温度が水素消費装置の作動温度と同域になるように構成すれば、水素供給装置と水素消費装置とを含んで構成されるシステムの熱効率が高くなる。そして、このような構成では、混合器に導入される混合ガスの温度が３００℃乃至６００℃となり、可燃ガスの組成によっては自己着火を生じ得る温度域であるが、上記の通り混合器によって混合ガスの気相滞在時間が短縮される構成とすると共に自己着火抑制手段を設けることで、可燃ガスの自己着火による気相燃焼の発生が防止又は効果的に抑制される。なお、３００℃乃至６００℃の中温域で作動する水素消費装置としては、例えば、中温域で作動するタイプの燃料電池等を挙げることができる。また、水素消費装置の作動温度域を、より安定した範囲である４００℃乃至５００℃程度の範囲とすることができる。

請求項６記載の発明に係る水素供給装置は、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の水素供給装置において、前記自己着火抑制手段は、前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記混合器に導入される前の前記可燃ガスの可燃成分の分圧又は前記支燃ガスの酸素分圧が減少するように、該可燃ガス又は支燃ガスを希釈ガスにて希釈するガス希釈装置である。

請求項６記載の水素供給装置では、可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立した場合に、この可燃ガス又は支燃ガスが希釈ガスにて希釈されることで、混合器に導入される前の可燃ガス中の可燃成分の分圧又は支燃ガス中の酸素分圧が低くなる。これにより、混合器又は加熱部での可燃ガスの自己着火の発生が効果的に抑制また防止される。また、混合ガス中の可燃成分分圧又は酸素分圧が低減されるので、仮に自己着火による気相燃焼が生じた場合でも、発熱量の低下及び熱容量（燃焼ガスの顕熱）の増大によって燃焼温度が比較的低く抑えられる。

請求項７記載の発明に係る水素供給装置は、請求項６記載の水素供給装置において、前記ガス希釈装置は、前記加熱部の燃焼排ガスを前記混合器に導入される前の前記支燃ガスに合流させる希釈ガス流路と、前記希釈ガス流路を開閉可能な希釈ガス流路開閉装置と、前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記希釈ガス流路が開放されるように前記希釈ガス流路開閉装置を作動する制御装置と、を含んで構成されている。

請求項７記載の水素供給装置では、検出器の検出信号に基づいて可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したと判断した制御装置は、希釈ガス流路開閉装置を作動して希釈ガス流路を開放させる。これにより、加熱部燃焼排ガスの少なくとも一部が支燃ガスと合流して混合器に導入され、希釈ガス流路開閉装置の作動前と比較して支燃ガスの酸素分圧が低下する。これにより、混合器による混合の際に、混合ガス中に局所的に酸素濃度が高い部分が生じることが抑制されるので、可燃ガスの自己着火の発生が効果的に抑制また防止される。

請求項８記載の発明に係る水素供給装置は、請求項７記載の水素供給装置において、前記希釈ガス流路開閉装置は、前記希釈ガス流路の開度を調節可能であり、前記検出器は、前記混合器での前記可燃ガスの自己着火の生じ易さに応じて出力信号を変化させるようになっており、前記制御装置は、前記検出器の出力信号に応じて前記希釈ガス流路の開度が変化するように前記希釈ガス流路開閉装置を制御する。

請求項８記載の水素供給装置では、検出器は自己着火の生じ易さ（例えば、ガス温度）に応じて出力信号を変化させるセンサであり、この出力信号のうち所定の閾値を超えるもの又は下回るものが上記検出信号とされている。制御装置は、検出器の出力信号が所定の閾値を超えた（自己着火を生じ易い条件が成立した）場合に、自己着火の生じ易さに応じて希釈ガス流路の開度を調節する。これにより、支燃ガスに合流する燃焼排ガス量が調節され、加熱部での適正状態に近い燃焼（改質部への供給熱量）を維持しつつ可燃ガスの自己着火を抑制することができる。

請求項９記載の発明に係る水素供給装置は、請求項６記載の水素供給装置において、前記ガス希釈装置は、前記加熱部の燃焼排ガスを前記混合器に導入される前の前記可燃ガスに合流させる希釈ガス流路と、前記希釈ガス流路を開閉可能な希釈ガス流路開閉装置と、前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記希釈ガス流路が開放されるように前記希釈ガス流路開閉装置を作動する制御装置と、を含んで構成されている。

請求項９記載の水素供給装置では、検出器の検出信号に基づいて可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したと判断した制御装置は、希釈ガス流路開閉装置を作動して希釈ガス流路を開放させる。これにより、加熱部燃焼排ガスの少なくとも一部が可燃ガスと合流して混合器に導入され、希釈ガス流路開閉装置の作動前と比較して可燃ガスの可燃成分分圧が低下する。これにより、混合器による混合の際に、混合ガス中に局所的に可燃成分濃度が高い部分が生じることが抑制されるので、可燃ガスの自己着火の発生が効果的に抑制また防止される。

請求項１０記載の発明に係る水素供給装置は、請求項９記載の水素供給装置において、前記希釈ガス流路開閉装置は、前記希釈ガス流路の開度を調節可能であり、前記検出器は、前記混合器での前記可燃ガスの自己着火の生じ易さに応じて出力信号を変化させるようになっており、前記制御装置は、前記検出器の出力信号に応じて前記希釈ガス流路の開度が変化するように前記希釈ガス流路開閉装置を制御する。

請求項１０記載の水素供給装置では、検出器は自己着火の生じ易さ（例えば、ガス温度）に応じて出力信号を変化させるセンサであり、この出力信号のうち所定の閾値を超えるもの又は下回るものが上記検出信号とされている。制御装置は、検出器の出力信号が所定の閾値を超えた（自己着火を生じ易い条件が成立した）場合に、自己着火の生じ易さに応じて希釈ガス流路の開度を調節する。これにより、可燃ガスに合流する燃焼排ガス量が調節され、加熱部での適正状態に近い燃焼（改質部への供給熱量）を維持しつつ可燃ガスの自己着火を抑制することができる。

請求項１１記載の発明に係る水素供給装置は、請求項７乃至請求項１０の何れか１項記載の水素供給装置において、前記ガス希釈装置は、前記燃焼排ガスを前記混合器に導入される前の前記支燃ガス又は前記可燃ガスの流路に導入する希釈ガス駆動装置をさらに備える。

請求項１１記載の水素供給装置では、希釈ガスである燃焼排ガスは、希釈ガス駆動装置の作用（機械的な作動や流体力学的作用等）によって、混合器に対する上流で支燃ガス又は可燃ガスに合流する。これにより、支燃ガス又は可燃ガスは確実に希釈され、可燃ガスの自己着火が抑制される。

以上説明したように本発明に係る水素供給装置は、改質部を加熱するための加熱部において可燃ガスの自己着火が生じることを防止することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置１０について、図１乃至図１１に基づいて説明する。

図１には、水素供給装置１０が適用された燃料電池システム１２のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。この図に示される如く、水素供給装置１０は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池１４に供給するようになっている。

燃料電池１４は、水素を含有する燃料ガスをアノード電極に導入するためのアノード流路１６と、酸化ガスとしての酸素を含有するカソード用空気をカソード電極に導入するためのカソード流路１８とを備えており、アノード電極に供給された水素とカソード電極に供給された酸素とが電気化学的に反応することで、起電力が生じるようになっている。具体的には、燃料電池１４は、図５に示す単セル２０が積層されたスタックを有して構成されている。単セル２０は、電解質層２２を一対のセパレータ２４、２６にて両側から挟み込んで構成されている。各セパレータ２４、２６は、導電性でかつガス不透過性の材料（例えばカーボン）等で構成されている。一方のセパレータ２４には、電解質層２２側に開口してカソード流路１８が形成されており、他方のセパレータ２４には、電解質層２２側に開口してアノード流路１６が形成されている。

電解質層２２は、固体酸化物である電解質膜２２Ａと、電解質膜２２Ａのセパレータ２４側に配置されたカソード２２Ｂと、電解質膜２２Ａのセパレータ２６側に配置されたアノード２２Ｃとで構成されている。電解質膜２２Ａは、例えばＢａＣｅＯ₃系、ＳｒＣｅＯ₃系等のペロブスカイト系電解質膜とすることができる。また、カソード２２Ｂ（カソード触媒）としては、例えば白金（Ｐｔ）系の拡散層を有するものが用いられる。

アノード２２Ｃは、セパレータ２６側の水素分子解離層２８と、電解質膜２２Ａ側の水素分離膜３０とを積層して構成されている。水素分子解離層２８としては、例えばパラジウム薄膜が用いられ、このパラジウム薄膜がアノード電極の触媒としても機能するようになっている。なお、アノード電極の触媒として、必要に応じて白金系の触媒を採用しても良い。水素分離膜３０は、例えば、バナジウム膜等の水素の選択的透過性を有する金属が用いられる。なお、水素分子解離層２８と水素分離膜３０との積層膜を水素分離膜として把握することも可能である。

以上説明した燃料電池１４（単セル２０）では、アノード流路１６に導入された燃料ガス中の水素がアノード２２Ｃ（水素分子解離層２８）においてプロトン化され、このプロトンが水素分離膜３０を透過して電解質膜２２Ａに至り、さらにカソード２２Ｂに移動する。このカソード２２Ｂにおいて、このプロトンとカソード流路１８に導入された酸素とが反応して水（水蒸気）が生成される。このプロトンの移動に伴って電子がアノード２２Ｃ（セパレータ２６）から外部導体を通じてカソード（セパレータ２４）に向けて流れ、発電が行われる。

これにより、燃料電池１４は、アノード流路１６に水素含有の燃料ガスを供給すると共にカソード流路１８にカソード用空気を供給することで、発電を行う構成が実現されている。すなわち、燃料電池システム１２では、燃料電池１４に供給する前の燃料ガスから水素のみを分離することなく、水素と他のガスとの混合ガスをアノード流路に供給して発電を行うことができる構成とされている。

この水素分離膜３０を備えた燃料電池１４は、水素分離膜３０が高温になると拡散を生じ、また低温の水素分離膜３０が水素と接触すると水素脆化によって劣化する恐れがあるため、運転温度を所定の温度範囲（例えば、２００℃〜７００℃、好ましくは３００℃〜６００℃、より好ましくは４００℃〜５００℃）に保つようになっている。具体的には、燃料電池システム１２では、図１に模式的に示す如く、燃料電池１４内（単セル２０間）に冷媒流路３２が設けられており、この冷媒流路３２を通過する冷媒（この実施形態では、空気）によって燃料電池１４の運転温度を上記した所定の温度範囲内に保つ構成とされている。

燃料電池システム１２は、燃料電池１４のカソード流路１８に酸素含有ガスとしてのカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ３４を備えている。カソード用空気ポンプ３４の吐出部は、下流端がカソード流路１８のカソード用空気入口１８Ａに接続されたカソード用空気供給ライン３６の上流端が接続されている。一方、カソード流路１８のカソードオフガス出口１８Ｂには、カソードオフガスライン３８の上流端が接続されている。この実施形態では、水蒸気及び酸素（空気）を含むカソードオフガスを水素供給装置１０の改質器４５（後述）で改質用ガスとして利用するために、カソードオフガスライン３８の下流端は水素供給装置１０に導入されている。この構成については後述する。

また、燃料電池システム１２は、燃料電池１４の冷媒流路３２に冷媒として冷却用空気を供給するための冷却用空気ポンプ４０を備えている。冷却用空気ポンプ４０の吐出部は、下流端が冷媒流路３２の冷媒入口３２Ａに接続された冷媒ライン４２の上流端が接続されている。一方、冷媒流路３２の冷媒出口３２Ｂには、冷却オフガスライン４４の上流端が接続されている。この実施形態では、酸素を含む冷却オフガスを水素供給装置１０の改質器４５で支燃ガスとして利用するために、冷却オフガスライン４４の下流端は水素供給装置１０に導入されている。この構成については後述する。

水素供給装置１０は、炭化水素原料を改質して水素を含有する燃料ガスを得る改質式の水素供給源とされている。したがって、水素供給装置１０は、改質反応を行うための改質器４５を備えており、改質器４５は、改質反応を行う改質部４６と該改質部４６に改質用の熱を付与する加熱部４８とを備えている。以下、具体的に説明する。

改質部４６は、供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気、酸素）を触媒反応させることで、水素ガスを含む燃料ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。改質反応は、以下の式（１）乃至（４）で表される各反応を含む。したがって、改質工程で得た燃料ガスには、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ₄）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（Ｃ_xＨ_y）等の可燃性ガス、及び二酸化炭素（ＣＯ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。

Ｃ_nＨ_m＋ｎＨ₂Ｏ → ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ₂ … （１）
Ｃ_nＨ_m＋ｎ／２Ｏ₂ → ｎＣＯ ＋ ｍ／２Ｈ₂ … （２）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ ⇔ ＣＯ₂＋Ｈ₂ … （３）
ＣＯ＋３Ｈ₂ ⇔ ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ … （４）
この改質反応は、吸熱反応であり、かつ所定の温度以上（本実施形態では、７００℃〜８００℃程度）で行われることで、燃料電池１４の運転温度と略同域である４００℃〜５００℃の燃料ガスを生成するようになっている。このため、改質器４５は、改質部４６に改質反応を行い得る熱を供給して改質反応を維持させる加熱部４８を有している。加熱部４８は、内部に酸化触媒４９（図４参照）を有して改質部４６に隣接して設けられており、燃料を触媒燃焼させて得た熱を隔壁部５０を介して改質部４６に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒（流体）を介して改質部を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、改質部４６に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。この実施形態では、改質器４５は、図４に示される如く、改質部４６と加熱部４８とが隔壁部５０を介して交互に積層された形式の熱交換器の如く構成されている。この図４に示される如く、酸化触媒４９は、加熱部４８の内面すなわち隔壁部５０に固定的に支持されている。

この水素供給装置１０は、図示しない燃料タンクに貯留している炭化水素原料を改質器４５の改質部４６に供給するための原料ポンプ５２を備えており、原料ポンプ５２の吐出部は原料供給ライン５４を介して改質部４６の原料入口４６Ａに接続されている。また、この原料供給ライン５４には、上記したカソードオフガスライン３８の下流端が合流している。これにより、改質部４６には、原料入口４６Ａから炭化水素原料及び改質用ガスとしてのカソードオフガス（水蒸気及び酸素）が共に供給される構成とされている。なお、原料供給ライン５４とカソードオフガスライン３８との合流部に混合器やインジェクタなどを設けて炭化水素原料と改質用ガスとの混合を促進するように構成しても良い。

さらに、改質部４６の燃料ガス出口４６Ｂは、下流端が燃料電池１４の燃料ガス入口１６Ａに接続された燃料ガス供給ライン５６の上流端に接続されている。これにより、改質部４６において炭化水素原料とカソードオフガスとを反応させて生成された水素含有の燃料ガスが燃料電池１４のアノード流路１６に供給されるようになっている。一方、上記の通り水素分離膜３０を備えた燃料電池１４は、燃料ガスのうち水素のみを消費して発電を行うようになっている。このため、アノードオフガスには、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（Ｃ_xＨ_y）等の可燃性ガスが含まれており、水素供給装置１０（改質器４５）は、燃料電池１４のアノードオフガスを加熱部４８の燃料として利用する構成とされている。すなわち、上流端がアノード流路１６のアノードオフガス出口１６Ｂに接続されたアノードオフガスライン５８は、その下流端が水素供給装置１０に導入されている。

したがって、水素供給装置１０すなわち改質器４５では、可燃ガスであるアノードオフガスを、冷却オフガス（中の酸素）を支燃ガスとして加熱部４８にて触媒燃焼させ、改質部４６の改質反応を維持する熱を確保する構成とされている。アノードオフガス及び冷却オフガスは、それぞれ燃料電池１４の運転温度に相当する温度（４００℃〜５００℃程度）で供給され、６００℃〜８００℃程度の温度域での触媒燃焼を生じる構成とされている。この加熱部４８から熱量供給を受けて、改質部４６は、上記の通り燃料電池１４の運転温度域と略同域の温度とされた燃料ガスを生成し、燃料電池１４に供給するようになっている。これにより、燃料電池システム１２では、熱交換器等を備えることなく熱効率の高い構成が実現されている。なお、運転状況に応じて（発熱量を制御するために）、カソードオフガス、冷却オフガスの一部を系外に排出する（改質部４６、加熱部４８への供給量を調節する）ように構成しても良い。

そして、本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置１０は、アノードオフガスと冷却オフガスとを加熱部４８に供給する前に混合するための混合器６０を備えている。すなわち、混合器６０は、その可燃ガス入口６０Ａにアノードオフガスライン５８の下流端が接続されると共に、その支燃ガス入口６０Ｂに冷却オフガスライン４４の下流端が接続されている。また、混合器６０は、その混合ガス出口６０Ｃが加熱部４８の混合ガス入口４８Ａに接続されている。これにより、加熱部４８は、アノードオフガスと冷却オフガスとが略均一に混合された混合ガスが混合器６０から供給されるようになっている。また、加熱部４８の燃焼排ガス出口４８Ｂは、排気ライン６２を介して排気部６４に接続されている。排気部６４は、燃焼排ガスを浄化して系外（大気中）にする構成とされている。

以下、混合器６０について詳細に説明する。図２に示される如く、混合器６０は、可燃ガス入口６０Ａが設けられた可燃ガス導入管部６６と、支燃ガス入口６０Ｂが設けられた支燃ガス導入管部６８と、混合ガス出口６０Ｃが設けられた混合ガス導出管部７０とが三叉状に連通して構成された混合器本体７２を備えている。混合器本体７２は、可燃ガス導入管部６６、支燃ガス導入管部６８、混合ガス導出管部７０の各軸直角断面がそれぞれ矩形枠状（この実施形態では略正方形枠状）に形成されている。

そして、混合器本体７２内には、可燃ガス導入管部６６と支燃ガス導入管部６８との合流部から混合ガス導出管部７０の一部にかけて、ガス流分割部７４が設けられている。ガス流分割部７４は、可燃ガス導入管部６６を経由して導入されたアノードオフガスを多数の微小流に分割すると共に、支燃ガス導入管部６８を経由して導入された冷却オフガスを多数の微小流に分割するようになっている。また、混合ガス導出管部７０内におけるガス流分割部７４の下流側部分は、それぞれ多数の微小流に分割されたアノードオフガスと冷却オフガスとを混合する混合するための混合空間７６とされている。

ガス流分割部７４は、図３に示される如く、それぞれ略五角形の板状に形成された複数の可燃ガス流分割プレート７８及び支燃ガス流分割プレート８０が交互に積層されて構成されている。可燃ガス流分割プレート７８からは、支燃ガス導入管部６８のガス流れ方向に対し交差する方向に長手とされた複数の立壁７８Ａと、混合ガス導出管部７０の管壁に沿う複数の立壁７８Ｂとが立設されている。また、支燃ガス流分割プレート８０からは、可燃ガス導入管部６６のガス流れ方向に対し交差する方向に長手とされた複数の立壁８０Ａと、混合ガス導出管部７０の管壁に沿う複数の立壁８０Ｂとが立設されている。

可燃ガス流分割プレート７８の各立壁７８Ａ、７８Ｂは、支燃ガス流分割プレート８０における立壁８０Ａ、８０Ｂ立設側とは反対側の面に当接してスリット状の可燃ガス分割流路７８Ｃ（図４参照）を形成しており、複数の立壁７８Ａのうち最も支燃ガス導入管部６８側に位置する立壁７８Ａは、可燃ガス分割流路７８Ｃへの冷却オフガスの混入を防止するようになっている。また、各立壁７８Ａ、７８Ｂは、可燃ガス流分割プレート７８と支燃ガス流分割プレート８０との間に形成された可燃ガス分割流路７８Ｃをさらに（積層方向との直角方向にも）分割するようになっている。

同様に、支燃ガス流分割プレート８０の各立壁８０Ａ、８０Ｂは、可燃ガス流分割プレート７８における立壁７８Ａ、７８Ｂ立設側とは反対側の面に当接してスリット状の支燃ガス分割流路８０Ｃ（図４参照）を形成しており、複数の立壁８０Ａのうち最も可燃ガス導入管部６６側に位置する立壁８０Ａは、支燃ガス分割流路８０Ｃへのアノードオフガスの混入を防止するようになっている。また、各立壁８０Ａ、８０Ｂは、支燃ガス流分割プレート８０と可燃ガス流分割プレート７８との間に形成された支燃ガス分割流路８０Ｃをさらに分割するようになっている。

すなわち、各立壁７８Ａ、７８Ｂ、８０Ａ、８０Ｂは、それぞれスペーサとしての機能と、仕切板としての機能とを果たす構成とされている。この実施形態では、各立壁７８Ａ、７８Ｂ、８０Ａ、８０Ｂの突出高すなわち可燃ガス分割流路７８Ｃ、支燃ガス分割流路８０Ｃの短手寸法は略２００〜７００μｍ（例えば、５００μｍ）とされ、各立壁７８Ａ、７８Ｂ、８０Ａ、８０Ｂの立設間隔は略２〜５ｍｍとされている。したがって、ガス流分割部７４は、扁平状の可燃ガス分割流路７８Ｃ、支燃ガス分割流路８０Ｃが短手方向に積層（この実施形態では、ガス種毎に交互に積層）された所謂マイクロチャネル構造とされている。

図４に示される如く、混合ガス導出管部７０すなわち混合空間７６の最下流部である混合ガス出口６０Ｃは、複数の改質部４６と交互に積層された複数の加熱部４８の混合ガス入口４８Ａにそれぞれ直接的に連通している。すなわち、混合空間７６は、各加熱部４８の混合ガス入口ヘッダとしても機能している。これにより、配管等で混合ガス入口４８Ａと混合ガス出口６０Ｃとを接続する構成と比較して、ガス流分割部７４の出口から各加熱部４８の入口までの距離が短い構成としている。

以上説明した混合器６０の性能を図６及び図７を参照して説明する。なお、以下の説明では、混合空間７６側からガス流分割部７４を見て、各可燃ガス流分割プレート７８及び支燃ガス流分割プレート８０の積層方向をＹ方向、Ｙ方向に直角な方向をＸ方向とする。

図６（Ａ）は、ガス流分割部７４のＸ方向中央部におけるＹ方向各部から混合空間７６に噴出したガスの流速分布を示す線図である。ここでは、ガス流分割部７４をＹ方向に略６等分する５箇所を流速測定点とした。また、流速センサは、ガス流分割部７４のＹ方向各部におけるガス流分割部７４の下流端から３ｍｍの位置に配置した。なお、この実験では、水素含有のアノードオフガスに代えて、常温のヘリウムガスを用いた。一方、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の流速測定点のＸ方向及びＹ方向の同じ位置におけるヘリウムと空気（常温）との混合ガス中のヘリウムガス濃度の分布を示す線図である。ガスセンサは、Ｙ方向各部におけるガス流分割部７４の下流端から０．５ｍｍの位置に配置した。

そして、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において、黒塗りの丸プロットは、ヘリウムと空気との混合ガスの平均流速が流速Ｖ１、平均ヘリウム濃度（マクロ的な濃度）が濃度Ｄ１になるように設定した場合の実験結果を示す。また、黒塗りの三角形プロットは、ヘリウムと空気との混合ガスの平均流速が流速Ｖ２、平均ヘリウム濃度が濃度Ｄ２になるように設定した場合の実験結果を示す。さらに、白抜きの丸プロットは、ヘリウムと空気との混合ガスの平均流速が流速Ｖ３、平均ヘリウム濃度が濃度Ｄ１になるように設定した場合の実験結果を示す。さらにまた、白抜きの三角形プロットは、ヘリウムと空気との混合ガスの平均流速が流速Ｖ４、平均ヘリウム濃度が目標濃度Ｄ２になるように設定した場合の実験結果を示す。

混合器６０では、上記した４つの各条件（設定）の何れの場合にも、Ｙ方向の各部において、流速、ヘリウムガス濃度共にほぼ一定となることがわかる。すなわち、混合器６０では、ヘリウムガス（アノードオフガス）及び空気の各流れをＹ方向の各部に略均一に分割すること、またガス流分割部７４の直下流（０．５ｍｍのポイント）でヘリウムガスと空気とがほぼ目標通りに均一に混合されることが確かめられた。

また、図７（Ａ）は、ガス流分割部７４のＹ方向中央部におけるＸ方向各部から混合空間７６に噴出したガスの流速分布を示す線図である。ここでは、ガス流分割部７４をＸ方向に略６等分する５箇所を流速測定点とした。また、流速センサは、Ｘ方向各部におけるガス流分割部７４の下流端から３ｍｍの位置に配置した。なお、この実験では、水素含有のアノードオフガスに代えて、常温のヘリウムガスを用いた。一方、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の流速測定点のＸ方向及びＹ方向の同じ位置におけるヘリウムと空気との混合ガス中のヘリウムガス濃度の分布を示す線図である。ガスセンサは、Ｘ方向各部におけるガス流分割部７４の下流端から０．５ｍｍの位置に配置した。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）における各プロットの実験条件（設定）は、図６の同じプロットの実験条件と同じである。

混合器６０では、上記した上記４つの各条件（設定）の何れの場合にも、Ｘ方向の各部において、流速、ヘリウムガス濃度共にほぼ一定となることがわかる。すなわち、混合器６０では、ヘリウムガス（アノードオフガス）及び空気の各流れをＸ方向の各部に略均一に分割すること、またガス流分割部７４の直下流（０．５ｍｍのポイント）でヘリウムガスと空気とがほぼ目標通りに均一に混合されることが確かめられた。

以上により、混合器６０では、Ｘ方向、Ｙ方向の各部においてほぼ均一なガス流分割効果、及びこれに伴う均一のガス混合効果が得られる構成を実現している。したがって、この混合器６０では、それぞれ４００℃〜５００℃のアノードオフガスと冷却オフガスとをほぼ均一に混合することができる。この実施形態では、加熱部４８は、空気過剰率が略２〜４となる設定とされており、混合器６０には、アノードオフガスよりも多量の冷却オフガスが導入されるようになっている。上記した濃度Ｄ１、Ｄ２は、アノードオフガスが純水素であると仮定した場合における空気過剰率が略２、略４となる濃度として設定されている。

また、図１に示される如く、水素供給装置１０は、排気ライン６２と冷却オフガスライン４４とを連通する排気戻しライン８２を備えている。冷却オフガスライン４４における排気戻しライン８２の合流部分には、希釈ガス駆動装置としてのエジェクタ（ジェットポンプ）９２が配設されている。エジェクタ９２は、冷却オフガスが冷却オフガスライン４４を流れることに伴って生じる負圧によって、排気戻しライン８２から冷却オフガスライン４４に燃焼排ガスを導入するようになっている。

また、排気戻しライン８２には、該排気戻しライン８２を開閉可能なバルブ８４と、バルブ８４の冷却オフガスライン４４側で該冷却オフガスライン４４から排気ライン６２へのガス流通を阻止する逆止弁８６とが設けられている。バルブ８４は、弁開度を変化させ得る調節弁とされており、電気的に接続された制御装置８８からの指令に基づいて弁開度を変化させる（調節される）ようになっている。したがって、水素供給装置１０では、バルブ８４（排気戻しライン８２）が開放されると、加熱部４８での燃焼量及びバルブ８４の弁開度に応じた量の燃焼排ガスがエジェクタ９２の作用によって冷却オフガスライン４４に循環されるようになっている。なお、エジェクタ９２を設ける構成に代えて、例えば、バルブ８４の開放時に作動されるガスポンプ（コンプレッサ）等を排気戻しライン８６に設けた構成としても良い。

制御装置８８には、検出器としての温度センサ９０が電気的に接続されており、該温度センサ９０の出力信号が入力されるようになっている。温度センサ９０は、加熱部４８の混合ガス入口４８Ａ近傍に配置されており、該混合ガス入口４８Ａ近傍における混合ガス温度に応じた信号を出力する構成とされている。制御装置８８は、温度センサ９０の出力信号が所定の閾値を超える場合、すなわち混合ガス入口４８Ａ近傍の混合ガス温度が設定温度を超えることに対応する信号が入力された場合に、後述するようにバルブ８４を制御するようになっている。

ところで、加熱部４８では、混合ガスが酸化触媒４９に接触する直前の温度が可燃ガス（アノードオフガス中の可燃成分）の自己着火温度以上である場合、該可燃ガスの自己着火を生じる恐れがあり、この自己着火温度以上の領域では、温度が高いほど可燃ガスの自己着火が生じ易いことがわかっている。したがって、温度センサ９０の上記した自己着火温度に対応する出力信号よりも大きな信号（上記閾値を超える信号）が本発明における検出信号とされる。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成の水素供給装置１０を備えた燃料電池システム１２では、この水素供給装置１０の改質器４５において改質部４６が加熱部４８からの熱供給を受けつつ行う改質反応によって生成した水素含有の燃料ガスが、燃料ガス供給ライン５６を通じて燃料電池１４のアノード流路１６に供給される。この燃料電池１４のカソード流路１８には、カソード用空気供給ライン３６を通じてカソード用空気ポンプ３４からのカソード用空気が常時供給されている。そして、燃料電池１４では、アノード流路１６に導入された燃料ガス中の水素がアノード２２Ｃ（水素分子解離層２８）においてプロトン化され、このプロトンが水素分離膜３０を透過して電解質膜２２Ａに至り、さらにカソード２２Ｂに移動する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード２２Ｃ（セパレータ２６）から外部導体を通じてカソード（セパレータ２４）に向けて流れ、発電が行われる。また、カソード２２Ｂにおいて、プロトンとカソード流路１８に導入された酸素とが反応して水（水蒸気）が生成される。またこのとき、燃料電池１４は、冷媒ライン４２を通じて供給される冷却用空気ポンプ４０の冷却用空気によって冷却され、発電（発熱反応）に伴う温度上昇が防止され、運転温度が一定の範囲に維持される。

そして、上記の通りカソード２２Ｂで生成した水蒸気を含むカソードオフガスは、カソードオフガスライン３８を経由して原料供給ライン５４に合流し、原料ポンプ５２からの炭化水素原料と共に改質用ガスとして改質部４６に供給される。改質部４６では、炭化水素原料及びカソードオフガス（の水素及び酸素）が改質触媒と接触することで上式（１）乃至（４）の反応を含む改質反応が行われて、水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが生成され、この燃料ガスは上記の通り燃料電池１４に供給される。

また、燃料電池１４のアノードオフガスは、アノードオフガスライン５８を通じて混合器６０の可燃ガス導入管部６６に導入され、燃料電池１４の冷却オフガスは、冷却オフガスライン４４を通じて混合器６０の支燃ガス導入管部６８に導入される。アノードオフガス及び冷却オフガスは、それぞれ独立してガス流分割部７４で微小流に分割され、混合空間７６で混合される。このとき、図４に模式的に示す如く、断面視扁平状の多数の微小流路を通過するアノードオフガスＡ及び冷却オフガスＣには、それぞれせん断力が作用し、またアノードオフガスＡと冷却オフガスＣとには、混合空間７６への突出流速の差に基づく高いせん断力が作用する。このため、混合空間７６に突出したアノードオフガスＡ及び冷却オフガスＣは、それぞれ流れ方向に拡散したり渦を形成して相手方ガスと効率的に混合し、混合ガスＭになる。

そして、混合器６０の混合空間７６で混合された混合ガスＭは、各加熱部４８に導入されて酸化触媒４９に接触して触媒燃焼を生じる。この触媒燃焼に伴う発熱が隔壁部５０を介して隣接する改質部４６に供給され、改質部４６における吸熱反応である改質反応が維持される。すなわち、燃料電池１４への水素供給、燃料電池１４による発電が維持される。加熱部４８で生成された燃焼排ガスは、排気ライン６２を経由して導入された排気部６４にて浄化され、系外に排気される。

ここで、水素供給装置１０では、アノードオフガス及び冷却オフガスを加熱部４８に供給する前に混合する混合器６０を設けたため、このような混合器を備えない構成と比較して、アノードオフガスと冷却オフガスとの混合時間、すなわち酸化触媒４９への接触前の混合のためにアノードオフガスと冷却オフガスとが気相で接触する気相滞在時間が短縮される。

特に、混合器６０は、それぞれ独立して（混合前に）多数の微小流に分割されたアノードオフガスと冷却オフガスとが混合空間７６で混合される構成であるため、均一の混合が促進され易く、局所的に可燃ガス濃度が高い部位が生じることが抑制される。また特に、混合器６０のガス流分割部は、それぞれ扁平状に形成された多数の可燃ガス分割流路と支燃ガス分割流路とが交互に積層されて構成されているため、上記の通りアノードオフガス及び冷却オフガスには高いせん断力が作用し、これらのガスが効率的に混合される。すなわち、混合空間７６の混合ガスは、アノードオフガスと冷却オフガスとのマクロ的に混合比にほぼ一致する混合比をミクロ的にも確保した微小混合ガスの集合のように、局所的な高濃度部分が存在しないきわめて均一に混合される。しかも、それぞれ微小量に分割されたガスを上記の如く高いせん断力の作用によって混合するため、アノードオフガスと冷却オフガスとの上記均一な混合に要する空間的距離及び混合時間、すなわち混合ガスの気相滞在時間が短縮される。

このため、水素供給装置１０では、アノードオフガスと冷却オフガスとを短距離の混合空間７６で確実に混合しつつ短時間で通過させることができ、アノードオフガス（中の可燃成分）の自己着火を抑制することができる。これにより、水素供給装置１０では、４００℃〜５００℃で混合器６０（加熱部４８）に導入されるアノードオフガスが、同域の温度の冷却オフガスに接触することによる自己着火に伴う気相燃焼の発生が抑制される。また、仮に気相燃焼が生じた場合でも、混合器６０によってアノードオフガスと冷却オフガスとが均一に混合されることで、可燃成分が局所的に高濃度となる部分が生じることが防止され、加熱部４８での燃焼温度が抑制される。

ところで、例えば燃料電池１４の運転変動時（出力急増時等）において、加熱部４８に供給される混合ガスに局所的に生じた可燃成分の高濃度部分が酸化触媒４９に接触して異常燃焼（局所的に高温な触媒燃焼）を生じた場合などには、加熱部４８内の温度分布は、図８に実線にて示す状態から想像線にて示すように混合ガス入口４８Ａの温度が高い状態に移行することがある。このように混合ガス入口４８Ａの温度が上昇すると、温度センサ９０の出力信号が上記閾値を超える。すると、制御装置８８は、アノードオフガスの自己着火を抑制するために、バルブ８４を制御する。以下この制御について、図９に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

制御装置８８は、ステップＳ１０で温度センサ９０の出力信号を入力し、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、温度センサ９０の出力信号に基づいて、加熱部４８の混合ガス入口４８Ａ近傍における混合ガス温度Ｔが設定温度Ｔｂを超えるか否か（直接的には温度センサ９０の出力信号が閾値を超えるか否か）を判断する。混合ガス温度Ｔが設定温度Ｔｂ以下であると判断した場合には、ステップＳ１４に進み、バルブ８４が全閉であるか否かを判断する。バルブ８４が全閉ではない場合にはステップＳ１６に進んでバルブ８４を全閉してから、バルブ８４が全閉である場合にはステップＳ１４から直接にステップＳ１０に戻る。

一方、混合ガス温度Ｔが設定温度Ｔｂを超えると判断した場合には、制御装置８８は、ステップＳ１６に進んでバルブ８４を開駆動してステップＳ１８に進み、混合ガス温度Ｔに応じた開度にバルブ８４を開放する。例えば、制御装置８８は、予め記憶している混合ガス温度とバルブ８４の開度との関係に基づいて、バルブ８４に開指令を出力して、該バルブを所定開度に開放させる。次いで制御装置８８は、ステップＳ１０に戻る。したがって、ステップＳ１４で混合ガス温度Ｔが設定温度Ｔｂを超えると判断されている期間中、バルブ８４は混合ガス温度Ｔに応じて開度を変化させる。すなわち、混合ガス温度が上昇すれば弁開度を大きくし、混合ガス温度が低下すれば弁開度を小さくし、混合ガス温度が設定温度Ｔｂを下回ればバルブ８４を全閉する。

バルブ８４が開放されると、エジェクタ９２の吸引作用によって、加熱部４８で生じた燃焼排ガスの一部がバルブ８４の開度に応じて排気戻しライン８２を経由して冷却オフガスライン４４に合流する。燃焼排ガスは、加熱部４８に導入した冷却オフガス（及び排気戻しライン８２から戻した燃焼排ガス）の空気過剰率に依存した未使用酸素（支燃ガス）と、二酸化炭素、水蒸気、窒素を含む非支燃ガスを含み、空気（冷却オフガス）と比較して酸素分圧（濃度）が低いガスであるので、支燃ガス導入管部６８から混合器６０に供給されるガスの酸素分圧が低下する。すなわち、混合空間７６に突出する前の冷却オフガス中の酸素が希釈される。これにより、混合器６０の混合空間７６に突出した直後に局所的に酸素リッチの領域が生成されることが回避され、アノードオフガスの自己着火が抑制される。

また、混合ガスの酸素分圧が低下するため、加熱部４８内における燃焼反応の反応速度が遅くなり、換言すれば、混合ガスの燃焼開始位置が混合ガス入口４８Ａから離間した（奥側の）位置となり、加熱部４８の混合ガス入り口４８Ａ近傍での温度が低下する。図１０は、混合ガスの酸素分圧と加熱部４８の入口温度（最高温度）との関係を示す。この図から酸素分圧が低下すると加熱部４８の入口温度も低下することがわかる。以上により、アノードオフガスの自己着火が一層効果的に抑制される。なお、図１０は、混合器６０の可燃ガス導入管部６６に水素と二酸化炭素との混合ガスを供給すると共に、支燃ガス導入管部６８に空気（上記水素に対する空気過剰率１相当）と二酸化炭素との混合ガスを供給し、かつ空気と共に支燃ガス導入管部６８に供給する二酸化炭素量を減じつつ水素と共に可燃ガス導入部６６に供給する二酸化炭素量を増やすことで、加熱部４８に供給される混合ガスの組成が（マクロ的には）一定になるように酸素分圧を変化させた場合の、加熱部４８の入口温度の変化を測定した結果である。

そして、この加熱部４８の温度抑制効果は、混合器６０を備えた構成に燃焼排ガス循環（酸素分圧低下）制御を適用することで効果的に実現される。ここで 図１１は、混合器６０による加熱部４８内の最高温度（入口温度）の低減効果を示す実験結果である。混合器６０を設けた構成では、図１０の場合と同様に、可燃ガス導入管部６６に水素と二酸化炭素との混合ガスを供給すると共に、支燃ガス導入管部６８に空気（上記水素に対する空気過剰率１相当）と二酸化炭素との混合ガスを供給した。四角プロットは、水素と共に可燃ガス導入部６６に導入する二酸化炭素量を熱容量相当で空気過剰率が２の場合に対応する量とし、空気と共に支燃ガス導入部６８に導入する二酸化炭素量を熱容量相当で空気過剰率が１の場合に対応する量とした場合、すなわち燃焼排ガス循環制御を行っていないことに相当する場合の加熱部４８の入口温度を示す。また、丸プロットは、水素と共に可燃ガス導入部６６に導入する二酸化炭素量を熱容量相当で空気過剰率が０．８の場合に対応する量とし、空気と共に支燃ガス導入部６８に導入する二酸化炭素量を熱容量相当で空気過剰率が１．２の場合に対応する量とした場合、すなわち燃焼排ガス循環制御を行ったこと（酸素分圧低下結果）に相当する場合の加熱部４８の入口温度を示す。一方、混合器を備えない構成では、混合ガスの量及び組成が混合器６０を備えた場合と同じになるように、水素、空気（水素に対する空気過剰率１相当）、二酸化炭素（熱容量相当で空気過剰率が３の場合に対応する量）を一括して加熱部４８に供給した。すなわち、図１１に示す各プロットの実験条件は、加熱部４８に供給される混合ガスの組成が一定になるように決められている。このため、混合器６０を備えない構成では、燃焼排ガス循環制御の有無による差異はない。

以上説明した図１１から判るように、混合器６０を備えた構成では、燃焼排ガス循環制御を行うことで、丸プロットと四角プロットとの差として示される如く、加熱部４８内の最高温度が著しく低減（抑制）されることが確かめられた。逆に言えば、燃焼排ガス循環制御を行う構成においては、混合器６０の有無による差として示される如く、混合器６０を備えることで加熱部４８内の最高温度が著しく低減されることが確かめられた。これにより、水素供給装置１０では、加熱部４８、改質部４６を構成する部品、部材（隔壁部５０を有する反応器等）の溶損、構成材料の劣化、酸化触媒４９又は改質触媒の劣化などを防止又は抑止することができる。

他方、燃焼排ガスは、加熱部４８の燃焼温度相当の温度を有するため、合流した冷却オフガスの温度（平均温度）を低下させてしまうことがない。このため、例えば系外から希釈ガスを導入する構成と比較して、水素供給装置１０及び燃料電池システム１２の熱効率を低下させることが防止される。特に、この実施形態では、制御装置８８が混合ガスの温度（加熱部４８内の最後温度）に応じてバルブ８４の弁開度、すなわち支燃ガスである酸素分圧を調節するため、混合器６０又は加熱部４８での自己着火を抑制しつつ加熱部４８から改質部４６への適正量に近い熱流束が確保される。すなわち、燃焼排ガスの過供給によって加熱部４８から改質部４６に供給される熱量（通過熱量）が減少したり、燃焼排ガスの循環量不足のために自己着火抑制効果が低減したりすることが防止される。また、加熱部４８での燃焼排ガスを希釈ガスとして利用することで、燃料電池システム１２の系外への排出熱量が低減される。

以上により、水素供給装置１０では、それぞれ燃料電池１４の運転温度相当の温度のアノードオフガス及び冷却オフガスを可燃ガス（燃料）及び支燃ガスとして加熱部４８（混合器６０）に導入して、加熱部４８でのガス温度上昇に伴う顕熱ロスが少ない熱効率の高い構成が実現された。しかも、水素供給装置１０では、改質部４６で生成される燃料ガスの温度域を燃料電池１４の運転温度域と略同域とすることで、該水素消費装置１０を含む燃料電池システム１２の熱効率を向上する構成が実現された。

このように、本実施形態に係る水素供給装置１０では、改質部４６を加熱するための加熱部４８において可燃ガスの自己着火が生じることを防止することができる。

なお、水素供給装置１０は、バルブ８４を開放して燃焼排ガスを冷却オフガスライン４４に循環する際に、冷却オフガスの流量を低減（一部を系外に排出）するように構成（制御）されても良い。特に、燃焼排ガスにも未使用の酸素が含まれるため、冷却オフガス（支燃ガス）の供給量を大きく低減することができる。この構成は、例えば、支燃ガスを系外から導入する構成（燃料電池１４を液冷媒にて冷却する構成など）において、導入支燃ガス量及びこの支燃ガスを加熱する熱を節約することが可能になり、水素供給装置１０の効率向上が図られる。また、上記のように支燃ガス（空気）の供給量を低減することで、空気供給用のポンプの負荷（エネルギ消費）が低減され、装置全体としての効率向上が可能である。また、流量低減に伴う圧力損失の低減も有効に作用する。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については上記第１の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略する。

（第２の実施形態）
図１２には、第２の実施形態に係る水素供給装置１００が適用された燃料電池システム１０２が示されている。この図に示される如く、水素供給装置１００は、排気戻しライン８２に代えて、排気ライン６２とアノードオフガスライン５８とを連通する排気戻しライン１０４を備えている。エジェクタ９２は、アノードオフガスライン５８における排気戻しライン１０４の合流部に配設されている。また、排気戻しライン１０４には、バルブ８４、逆止弁８６が配設されている。また、水素供給装置１００は、冷却オフガスライン４４と排気部６４とを連通するバイパスライン１０６を備えており、バイパスライン１０６には排気部６４から冷却オフガスラインへのガス流を阻止する逆止弁１０８、及びバルブ８４と同様の調節弁であるバルブ１１０が配設されている。バルブ１１０は、温度センサ９０、バルブ８４と共に、制御装置８８に代えて設けられた制御装置１１２に電気的に接続されている。

制御装置１１２は、バルブ１１０の開度を調節することで加熱部４８での空気過剰率を制御するようになっている。また、制御装置１１２は、温度センサ９０の出力信号に基づいて、加熱部４８入口での混合ガス温度Ｔが設定温度Ｔｂを超えると判断した場合には、バルブ８４を開放する（また、バルブ８４の開放によってエジェクタ９２を間接的に作動させる）ようになっている。この制御については、図９に示すフローチャートによる制御と同様である。そして、制御装置１１２は、この制御を行ってバルブ８４を開放しているときに、アノードオフガスライン５８に合流する燃焼排ガス中の酸素が所定濃度以下になるようにバルブ１１０の開放量を増す、すなわち空気過剰率を下げて燃焼排ガス中の未使用酸素を減少するように構成されている。これにより、水素供給装置１００では、燃焼排ガスをアノードオフガスに合流させた場合に、自己着火が生じないようになっている。

以上説明した第２の実施形態に係る水素供給装置１００の第１の実施形態と異なる作用効果を説明する。水素供給装置１００では、温度センサ９０の出力信号に基づいて混合ガス温度Ｔが設定温度Ｔｂを超えていると判断した制御装置１１２は、バルブ８４を混合ガス温度Ｔに応じた開度に開放する。バルブ８４が開放されると、加熱部４８で生じた燃焼排ガスの一部がバルブ８４の開度に応じて排気戻しライン８２を経由してアノードオフガスライン５８に合流する。これにより、可燃ガス導入管部６６から混合器６０に供給されるガスの可燃成分の分圧（以下、水素分圧という）が低下する。すなわち、アノードオフガス中の可燃成分が希釈される。これにより、混合器６０の混合空間７６に突出した直後に局所的に可燃燃料リッチの領域が生成されることが回避され、アノードオフガスの自己着火が抑制される。

また、混合ガスの水素分圧が低下するため、加熱部４８内における燃焼反応の反応速度が遅くなり、換言すれば、混合ガスの燃焼開始位置が混合ガス入口４８Ａから離間した（奥側の）位置となり、加熱部４８の混合ガス入り口４８Ａ近傍での温度が低下する。図１３は、混合ガスの水素分圧と加熱部４８の入口温度（最高温度）との関係を示す。この図から水素分圧が低下すると加熱部４８の入口温度も低下することがわかる。以上により、アノードオフガスの自己着火が一層効果的に抑制される。なお、図１３は、混合器６０の可燃ガス導入管部６６に水素と二酸化炭素との混合ガスを供給すると共に、支燃ガス導入管部６８に空気（上記水素に対する空気過剰率１相当）と二酸化炭素との混合ガスを供給し、かつ水素と共に可燃ガス導入管部６６に供給する二酸化炭素量を減じつつ空気と共に支燃ガス導入部６８に供給する二酸化炭素量を増やすことで、加熱部４８に供給される混合ガスの組成が（マクロ的には）一定になるように酸素分圧を変化させた場合の、加熱部４８の入口温度の変化を測定した結果である。また、図示は省略するが、燃焼排ガス循環（水素分圧低下）制御を行う構成においても、第１の実施形態と同様に、混合器６０を設けることで、燃焼排ガス循環制御による加熱部４８の温度低下効果が得られる。

他方、燃焼排ガスは、加熱部４８の燃焼温度相当の温度を有するため、合流したアノードオフガスの温度（平均温度）を低下させてしまうことがない。このため、例えば系外から希釈ガスを導入する構成と比較して、水素供給装置１００及び燃料電池システム１０２の熱効率を低下させることが防止される。特に、この実施形態では、制御装置１１２が混合ガスの温度（加熱部４８内の最後温度）に応じてバルブ８４の弁開度、すなわち可燃ガス濃度である水素分圧を調節するため、混合器６０又は加熱部４８での自己着火を抑制しつつ加熱部４８から改質部４６への適正量に近い熱流束が確保される。すなわち、燃焼排ガスの過供給によって加熱部４８から改質部４６への通過熱量が減少したり、燃焼排ガスの循環量不足のために自己着火抑制効果が低減したりすることが防止される。また、加熱部４８での燃焼排ガスを希釈ガスとして利用することで、燃料電池システム１２の系外への排出熱量が低減される。

以上により、水素供給装置１００では、それぞれ燃料電池１４の運転温度相当の温度のアノードオフガス及び冷却オフガスを可燃ガス（燃料）及び支燃ガスとして加熱部４８（混合器６０）に導入して、加熱部４８でのガス温度上昇に伴う顕熱ロスが少ない熱効率の高い構成が実現された。しかも、水素供給装置１００では、改質部４６で生成される燃料ガスの温度域を燃料電池１４の運転温度域と略同域とすることで、該水素消費装置１０を含む燃料電池システム１０２の熱効率を向上する構成が実現された。

このように、本実施形態に係る水素供給装置１００では、改質部４６を加熱するための加熱部４８において可燃ガスの自己着火が生じることを防止することができる。なお、図１０と図１３との比較から判るように、混合器６０により混合された混合ガスの組成が一定（同じ）である条件下では、酸素分圧低下制御（第１の実施形態）を行う場合の方が、水素分圧低減制御（第２の実施形態）を行う場合よりも加熱部４８の最高温度低下効果が大きい。

（第３の実施形態）
図１４には、第３の実施形態に係る水素供給装置１２０が適用された燃料電池システム１２２が示されている。この図に示される如く、水素供給装置１２０は、排気戻しライン８２、１０４に代えて、排気ライン６２と冷却オフガスライン４４及びアノードオフガスライン５８とを連通する排気戻しライン１２４を備えている。具体的には、排気戻しライン１２４は、冷却オフガスライン４４に接続された支燃側分岐ライン１２４Ａと、アノードオフガスライン５８に接続された可燃側分岐ライン１２４Ｂとが分岐部１２４Ｃにおいて分岐している。エジェクタ９２は、冷却オフガスライン４４における支燃側分岐ライン１２４Ａの合流部、及びアノードオフガスライン５８における可燃側分岐ライン１２４Ｂの合流部にそれぞれ配設されている。また、この排気戻しライン１２４における分岐部１２４Ｃに対し排気ライン６２側には、バルブ８４、逆止弁８６が配設されている。水素供給装置１２０の他の構成は、水素供給装置１００の対応する構成と同じである。したがって、水素供給装置１２０を構成する制御装置１１２は、上記第２の実施形態と同様の制御を行う構成とされている。

以上説明した第３の実施形態に係る水素供給装置１２０では、制御装置１１２がバルブ８４を開放した場合に希釈ガスである燃焼排ガスが冷却オフガスライン４４及びアノードオフガスライン５８の双方に導入される。このため、加熱部４８には、酸素分圧が低下した冷却オフガスと水素分圧が低下したアノードオフガスとが混合器６０にて混合された混合ガスが導入され、この混合ガスに酸素リッチの領域及び可燃燃料リッチの領域が生成されることが効果的に抑制される。これにより、水素供給装置１２０では、アノードオフガスの自己着火が抑制される。水素供給装置１２０の他の作用効果は、水素供給装置１０又は水素供給装置１００と同様である。

なお、上記実施形態では、水素供給装置１０が水素消費装置としての燃料電池１４に燃料ガスを供給する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、排気ガスを浄化（脱硫等）ための水素消費装置としての浄化装置に水素を供給する用途に本実施形態に係る水供給装置を適用しても良い。

また、水素供給装置１０、１００、１２０は、バルブ８４の制御パラメータとして、加熱部４８入口の混合ガス温度に代えて、バルブ８４の弁開度（バルブ駆動装置の駆動量）を用いることができる。この場合、弁開度すなわち混合ガス中の不燃成分量を制御目標とすることで、この不燃成分による自己着火防止、熱容量（顕熱）増加による温度上昇抑制が可能となる。この構成では、制御装置８８又は制御装置８８と電気的に接続された別の制御装置が加熱部４８での空気過剰率制御を行うようになっていることが望ましい。さらに、バルブ８４を開閉弁とし、制御装置８８は混合ガス温度Ｔが設定温度Ｔｂを超えている期間にバルブ８４を開放する制御を行うように構成しても良い。

本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置が適用された燃料電池システムの概略全体構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置を構成する混合器の全体構成を示す平面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置を構成する混合器の流路分割構造を分解して示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置を構成する混合器によるガス混合状態を模式的に示す側断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置〜燃料ガスの供給を受ける燃料電池単セルの模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置を構成する混合器の性能を示す線図であって、（Ａ）は分割流路の積層方向における混合ガス流速分布を示す線図、（Ｂ）は分割流路の積層方向における混合ガス中のヘリウムガス濃度を示す線図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置を構成する混合器の性能を示す線図であって、（Ａ）は分割流路の幅方向における混合ガス流速分布を示す線図、（Ｂ）は分割流路の幅方向における混合ガス中のヘリウムガス濃度を示す線図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置を構成する加熱部内のガス流れ方向に沿う温度分布を示す線図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置を構成する制御装置による制御フローを示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置の加熱部の入口温度と酸素分圧との関係を示す線図である。 本発明の第１の実施形態に係る水素供給装置を構成する混合器の有無による加熱部最高温度を比較した実験結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る水素供給装置が適用された燃料電池システムの概略全体構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る水素供給装置の加熱部の入口温度と水素分圧との関係を示す線図である。 本発明の第３の実施形態に係る水素供給装置が適用された燃料電池システムの概略全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 水素供給装置
１４ 燃料電池（水素供給装置）
４４ 冷却オフガスライン（支燃ガス導入路）
４６ 改質部
４８ 加熱部
５８ アノードオフガスライン（可燃ガス導入路）
６０ 混合器
７６ 混合空間（混合部）
７８Ｃ 可燃ガス分割流路
８０Ｃ 支燃ガス分割流路
８２ 排気戻しライン（自己着火抑制手段、ガス希釈装置、希釈ガス流路）
８４ バルブ（自己着火抑制手段、ガス希釈装置）
８８ 制御装置
９０ 温度センサ（検出器）
９２ エジェクタ（希釈ガス駆動装置）
１００・１２０ 水素供給装置
１０４・１２４ 排気戻しライン（自己着火抑制手段、ガス希釈装置、希釈ガス流路）
１１２ 制御装置

Claims (11)

1. 供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、
   供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼に伴って生じた熱を前記改質工程を行うための熱として前記改質部に供給する加熱部と、
   前記可燃ガスと支燃ガスとを前記加熱部に供給される前に混合する混合器と、
   前記混合器又は加熱部で前記可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したことを検出して検出信号を出力する検出器と、
   前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記可燃ガスの自己着火を抑制するように作動する自己着火抑制手段と、
   を備えた水素供給装置。
2. 所定作動温度で作動する水素消費装置に水素含有の燃料ガスを供給するための水素供給装置であって、
   供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、
   供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼によって生じた熱を前記改質部に前記改質工程を行うための熱として供給する加熱部と、
   前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記可燃ガスとして前記加熱部に導入する可燃ガス導入路と、
   前記可燃ガス導入路に設けられ、前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合器と、
   前記混合器又は加熱部で前記可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したことを検出して検出信号を出力する検出器と、
   前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記自己着火を抑制するように作動する自己着火抑制手段と、
   を備えた水素供給装置。
3. 所定作動温度で作動する水素消費装置に水素含有の燃料ガスを供給するための水素供給装置であって、
   供給された原料から水素を含有する燃料ガスを生成する改質工程を行う改質部と、
   供給された可燃ガスと支燃ガスとを触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせ、該触媒燃焼によって生じた熱を前記改質部に前記改質工程を行うための熱として供給する加熱部と、
   水素消費装置を前記所定の作動温度で作動させるために該水素消費装置を冷却した後の酸素含有の冷媒を、前記支燃ガスとして前記加熱部に導入する支燃ガス導入路と、
   前記支燃ガス導入路に設けられ、前記可燃ガスと支燃ガスとを混合する混合器と、
   前記混合器又は加熱部で前記可燃ガスの自己着火が生じ易い条件が成立したことを検出して検出信号を出力する検出器と、
   前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記自己着火を抑制するように作動する自己着火抑制手段と、
   を備えた水素供給装置。
4. 前記燃料ガスのうち前記水素消費装置で消費されない成分を前記可燃ガスとして前記加熱部に導入する可燃ガス導入路をさらに備え、該可燃ガス導入路と前記支燃ガス導入路との合流部に前記混合器を配置した請求項３記載の水素供給装置。
5. 前記水素消費装置の作動温度が３００℃から６００℃の範囲内である請求項４記載の水素供給装置。
6. 前記自己着火抑制手段は、前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記混合器に導入される前の前記可燃ガスの可燃成分の分圧又は前記支燃ガスの酸素分圧が減少するように、該可燃ガス又は支燃ガスを希釈ガスにて希釈するガス希釈装置である請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の水素供給装置。
7. 前記ガス希釈装置は、
   前記加熱部の燃焼排ガスを前記混合器に導入される前の前記支燃ガスに合流させる希釈ガス流路と、
   前記希釈ガス流路を開閉可能な希釈ガス流路開閉装置と、
   前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記希釈ガス流路が開放されるように前記希釈ガス流路開閉装置を作動する制御装置と、
   を含んで構成されている請求項６記載の水素供給装置。
8. 前記希釈ガス流路開閉装置は、前記希釈ガス流路の開度を調節可能であり、
   前記検出器は、前記混合器での前記可燃ガスの自己着火の生じ易さに応じて出力信号を変化させるようになっており、
   前記制御装置は、前記検出器の出力信号に応じて前記希釈ガス流路の開度が変化するように前記希釈ガス流路開閉装置を制御する請求項７記載の水素供給装置。
9. 前記ガス希釈装置は、
   前記加熱部の燃焼排ガスを前記混合器に導入される前の前記可燃ガスに合流させる希釈ガス流路と、
   前記希釈ガス流路を開閉可能な希釈ガス流路開閉装置と、
   前記検出器が検出信号を出力した場合に、前記希釈ガス流路が開放されるように前記希釈ガス流路開閉装置を作動する制御装置と、
   を含んで構成されている請求項６記載の水素供給装置。
10. 前記希釈ガス流路開閉装置は、前記希釈ガス流路の開度を調節可能であり、
    前記検出器は、前記混合器での前記可燃ガスの自己着火の生じ易さに応じて出力信号を変化させるようになっており、
    前記制御装置は、前記検出器の出力信号に応じて前記希釈ガス流路の開度が変化するように前記希釈ガス流路開閉装置を制御する請求項９記載の水素供給装置。
11. 前記ガス希釈装置は、前記燃焼排ガスを前記混合器に導入される前の前記支燃ガス又は前記可燃ガスの流路に導入する希釈ガス駆動装置をさらに備える請求項７乃至請求項１０の何れか１項記載の水素供給装置。

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