JP2007269538A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質装置において、コストアップを招くことなく改質水を低流量でも安定供給でき、また、定常運転中の圧力変動を抑制して安定運転できる。
【解決手段】改質装置２０は、改質ガスを生成する改質部２１と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部２１に供給する蒸発部２６と、改質水を貯水するとともに蒸発部２６に供給する改質水タンク９０と、を備えている。改質水タンク９０の改質水出口９０ｂが蒸発部２６の改質水入口２６ａより上方に位置している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、改質装置に関する。

改質装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１に示されているように、燃料処理装置（改質装置）のプロセス水量調節装置５は、炭化水素系原料流量とあらかじめ設定されたＳ／Ｃ範囲とから算出される流量範囲内で改質用プロセス水４１の供給量を増減する。このプロセス水量調節装置５は、燃料処理装置の運転中、変成触媒部１４の温度を検出する温度検出器１７で検出される温度に基づいて改質用プロセス水４１の供給量を調節する。プロセス水量調節装置５による改質用プロセス水４１の流量制御は改質用プロセス水ポンプ３の回転数を調節することにより行われている。
特開２００４−６０９３号公報

上述した特許文献１に記載の改質装置においては、必要とされる改質ガス量が少ない場合（改質ガスの供給先である燃料電池が最低出力である場合など）に、改質用プロセス水４１の供給量が数ｃｍ^３／ｍｉｎと微量となる。このような微量流量を制御するためには、改質用プロセス水ポンプ３を微量供給できるものにする必要があるが、ポンプの能力が上がるためポンプのコストアップに繋がる。また、運転中においては改質用プロセス水４１の供給量を可変とするため、圧力変動などが生じやすく、改質装置の安定性低下を招くという問題もあった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、改質装置において、コストアップを招くことなく改質水を低流量でも安定供給でき、また、定常運転中の圧力変動を抑制して安定運転できることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、改質ガスを生成する改質部と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質水を貯水するとともに蒸発部に供給する改質水タンクと、を備えてなり、改質水タンクの改質水出口が蒸発部の改質水入口より上方に位置することである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、改質水タンクに改質水を供給する改質水供給装置と、改質水タンク内の改質水量を検出する改質水量検出装置と、をさらに備え、改質水量検出装置によって検出された改質水量に基づいて改質水供給装置を制御して、改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整することである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガスにより燃焼した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、改質部から改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、をさらに備え、蒸発部は、燃焼ガス流路と一酸化炭素低減部との間にそれぞれ互いに熱交換可能に配設されていることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、改質ガスを生成する改質部と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質水を貯水する改質水タンクと、改質水を改質水タンクから蒸発部に供給する第１給水管と、改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整する改質水量調整手段とが、設けられていることである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、所定範囲は、改質ガスの生成量が相対的に多い第１運転状態の場合には改質水量が相対的に多い第１所定範囲に設定され、改質ガスの生成量が第１運転状態より少ない第２運転状態の場合には改質水量が第１所定範囲より少ない第２所定範囲に設定されていることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、改質水タンクの改質水出口が蒸発部の改質水入口より上方に位置しているので、改質水タンク内の改質水が自重で蒸発部に供給される。また、改質装置の運転中においては、改質装置内の圧力と改質水タンク内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れているので、蒸発部から改質部に供給されて減少した分は、自動的に改質水タンクから供給される。したがって、改質水タンクの配置を変更するだけでコストアップを招くことなく、低流量の改質水でも安定して供給できる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、改質装置の運転中においては、改質装置内の圧力と改質水タンク内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れており、改質水タンク内の水位（水量）と蒸発部内の水位（水量）は所定差圧でバランスが取れているので、改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整することにより、蒸発部内の改質水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、運転中の圧力変動がほとんどなくなり安定運転が可能となる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、蒸発部は、燃焼ガス流路と一酸化炭素低減部との間にそれぞれ互いに熱交換可能に配設されているので、蒸発部内の改質水量が所定範囲内に維持された場合、一酸化炭素低減部から効率良く熱を回収して一酸化炭素低減部の温度を適正範囲に安定して維持することができ、また、燃焼ガスから効率良く熱を回収して熱回収効率を向上させることができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、改質ガスを生成する改質部と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、改質水を貯水する改質水タンクと、改質水を改質水タンクから蒸発部に供給する第１給水管と、改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整する改質水量調整手段とが、設けられている。これにより、改質水量調整手段によって改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整することができるので、改質水タンクの水位が蒸発部の水位より高くなるように調整することができる。したがって、両水位の高低差分の改質水による圧力によって改質水タンク内の改質水が蒸発部に供給される。また、改質装置の運転中においては、改質装置内の圧力と改質水タンク内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れているので、蒸発部から改質部に供給されて減少した分は、自動的に改質水タンクから供給される。したがって、改質水タンクの配置を変更するだけでコストアップを招くことなく、低流量の改質水でも安定して供給できる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４に係る発明において、所定範囲は、改質ガスの生成量が相対的に多い第１運転状態の場合には改質水量が相対的に多い第１所定範囲に設定され、改質ガスの生成量が第１運転状態より少ない第２運転状態の場合には改質水量が第１所定範囲より少ない第２所定範囲に設定されている。これにより、燃料電池の発電出力が変動し改質装置に投入される改質用燃料の供給量がそれに応じて変動して改質装置内の圧力が変動しても、それら変動に応じて適切な改質水量を供給することができる。

以下、本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。ＣＯシフト部２３が一番下に配置され、その上に順番に冷却部２２、改質部２１が設置されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、改質用燃料に水蒸気が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。

具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されている。燃料供給管４１には、上流から順番に改質用燃料ポンプ４２および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は燃料供給管４１を開閉するものである。改質用燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給しその供給量を調整するものである。また、燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと酸化用空気供給管６１を介して大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に空気ポンプ６２および空気バルブ６３が設けられている。空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。

燃焼部２５には、図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口に一端が接続されているオフガス供給管７２の他端が接続されている。燃料電池１０の起動当初、燃焼用燃料が燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の起動運転中、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を経由しないで燃焼部２５に供給され、燃料電池１０の定常運転中、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素を含んだ改質ガス）が燃焼部２５に供給されるようになっている。また、改質ガスやオフガスの不足分を燃焼用燃料で補っている。

また、燃焼部２５には、燃焼用空気供給管６４が接続されており、燃焼用燃料、アノードオフガス、改質ガスなどの可燃ガス、および可燃ガスを燃焼（酸化）させるための燃焼用空気が供給されるようになっている。

なお、燃焼用燃料供給管４４には上流から順番に燃焼用燃料ポンプ４５および燃焼用燃料バルブ４６が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４５は燃焼用燃料を供給しその供給量を調整するものである。燃焼用燃料バルブ４６は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。また、燃焼用空気供給管６４には上流から順番に燃焼用空気ポンプ６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は燃焼用空気を供給しその供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ６６は燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。

このように構成された燃焼部２５は着火されると、供給されている燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスが燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部２１および蒸発部２６を加熱する。燃焼ガス流路２７は、改質部２１の内周壁に沿って当接して配設され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２８との間に当接して配設され、折り返されて断熱部２８と蒸発部２６の間に当接して配設された流路である。

蒸発部２６は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状（筒状）に形成されて燃焼ガス流路２７の最も外側の流路の外周壁を覆って当接して設けられている。すなわち、蒸発部２６は、燃焼ガス流路２７とＣＯ選択酸化部２４との間にそれぞれ互いに熱交換可能に当接して配設されている。

この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水入口２６ａが形成されており、改質水入口２６ａには改質水タンク９０に接続された第１給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気出口２６ｂが形成されており、水蒸気出口２６ｂには水蒸気供給管５１が接続されている。改質水入口２６ａから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気出口２６ｂから導出するようになっている。

改質水タンク９０は改質水を貯水するとともにその改質水を蒸発部２６に供給するものである。改質水タンク９０は改質水入口９０ａと改質水出口９０ｂを備えている。改質水入口９０ａは、改質水タンク９０の上部（例えば側壁面上部）に形成されている。改質水入口９０ａには、第２給水管５４の一端が接続されている。

第２給水管５４の他端は、燃料電池システムに備えられている凝縮器（図示省略）からの凝縮水を回収して精製する回収水精製装置（図示省略）に接続されている。また、第２給水管５４の他端は、回収水精製装置から導出された精製水を一旦貯水するタンクに接続するようにしてもよい。第２給水管５４には、上流から順番に改質水ポンプ５５および第２改質水バルブ５６が設けられている。改質水ポンプ５５は、改質水量調整手段である改質水供給装置であり、改質水タンク９０に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。第２改質水バルブ５６は第２給水管５４を開閉するものである。なお、第２改質水バルブ５６は省略してもよい。

改質水タンク９０には、改質水タンク９０内の改質水量を検出する改質水量検出装置９１が設けられている。改質水量検出装置９１は、例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。改質水ポンプ５５は、改質水量検出装置９１によって検出された改質水量に基づいて制御されており、改質水タンク９０内の改質水量を所定範囲内に調整するようになっている。

具体的には、図３に示すように、改質水タンク９０に対して例えば３つの水位範囲（所定範囲）Ｌ１〜Ｌ３を設定し、各水位範囲Ｌ１〜Ｌ３は燃料電池１０の発電出力範囲に対応するものとする。燃料電池１０の発電出力が変動すると、改質装置２０に投入される改質用燃料の供給量がそれに応じて変動し、ひいては、改質装置２０内の圧力が変動するためである。Ｌ１は水位がｘａ〜ｘｂの範囲であり、２５０Ｗ〜５００Ｗの出力範囲に対応している。Ｌ２は水位がｘｂ〜ｘｃの範囲であり、５００Ｗ〜７５０Ｗの出力範囲に対応している。Ｌ３は水位がｘｃ〜ｘｄの範囲であり、７５０Ｗ〜１０００Ｗの出力範囲に対応している。したがって、燃料電池１０の発電出力が６００Ｗのとき、水位が範囲Ｌ２より下であれば、改質水ポンプ５５を駆動して水位が範囲Ｌ２内に収まるようにする。

また、改質水タンク９０内の改質水量の上下限値を設定し、燃料電池１０の発電出力に関係なく、上下限値内に改質水の水位が収まるように改質水ポンプ５５を駆動するようにしてもよい。上限値と下限値で所定範囲が規定される。すなわち、水位が下限値（例えば図３に示すｘａ）になった場合、改質水ポンプ５５の駆動を開始し、水位が上限値（例えば図３に示すｘｄ）に到達すると、改質水ポンプ５５の駆動を停止すればよい。なお、改質水タンク９０内の改質水量の下限値のみを設定し、改質水の水位が下限値以上に収まるように改質水ポンプ５５を駆動するようにしてもよい。すなわち、水位が下限値になった場合、改質水ポンプ５５の駆動を開始し、開始した時点から所定時間経過した時点に改質水ポンプ５５の駆動を停止すればよい。

燃料電池１０の出力が大きいほど、改質装置２０の改質ガス生成量を多くする必要がある。上記で示したように、燃料電池１０の出力範囲が相対的に大きい場合すなわち改質ガスの生成量が相対的に多い（例えば７５０Ｗ〜１０００Ｗの場合）第１運転状態の場合には改質水タンク９０の改質水量が相対的に多い（改質水タンク９０の水位が相対的に高い）第１所定範囲Ｌ３になっている。それに対して、燃料電池１０の出力範囲が相対的に小さい場合すなわち改質ガスの生成量が第１運転状態より少ない（例えば２５０Ｗ〜５００Ｗ、５００Ｗ〜７５０Ｗの場合）第２運転状態の場合には改質水タンク９０の改質水量が第１所定範囲Ｌ３より少ない（改質水タンク９０の水位が相対的に低い）第２所定範囲Ｌ１，Ｌ２に設定されている。

なお、この実施形態では、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の各水位範囲はオーバラップしていないが、オーバラップしていてもよい。その場合、改質水量の所定範囲の大小は、所定範囲の最小値同士を比較して行う。

また、改質水タンク９０の改質水出口９０ｂは、蒸発部２６の改質水入口２６ａより上方に位置するように設けられている。本実施形態においては、改質水出口９０ｂは改質水タンク９０の下部（例えば底面、または側壁面の下部）に形成されている。改質水出口９０ｂには、第１給水管５２が接続されている。第１給水管５２には、第１給水管５２を開閉する第１改質水バルブ５３が設けられている。第１改質水バルブ５３が開けられると、改質水タンク９０内に貯水されている改質水が自重で蒸発部２６に流入する。一方、改質装置２０の運転中は、改質装置２０（改質部２１）内の圧力が高まっているので、改質装置２０内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスすることにより、改質水タンク９０からの改質水の流入が自動的に調整されるようになっている。改質水タンク９０は、その底が蒸発部２６の底より上方に配設されるのが好ましい。改質水出口９０ｂが蒸発部２６の改質水入口２６ａより確実に上方に配置することができる。

改質水タンク９０は、その底が蒸発部２６の水蒸気出口２６ｂより低いことが好ましい。あるいは改質水タンク９０の改質水出口９０ｂは蒸発部２６の水蒸気出口２６ｂより低いことが好ましい。蒸発部２６の水蒸気出口２６ｂから改質水が水状態（水蒸気でない状態）のままの排出を抑制できる。水蒸気出口２６ｂから改質水が水状態（水蒸気でない状態）のままの排出を防止するためには、燃料電池１０が最大発電出力の場合の改質水タンク９０の最上位水位ｘｄが、蒸発部２６の水蒸気出口２６ｂに所定の高さを加えた高さより低くすればよい。所定高さは、改質装置２０内の圧力によって決められる値である。水蒸気出口２６ｂから水状態での排出をより確実に防止するためには、改質水タンク９０の最上位水位ｘｄが、蒸発部２６の水蒸気出口２６ｂより低くすればよい。なお、水蒸気出口２６ｂから改質水が水状態で多少排出されても、冷却部２２などによって蒸発するので必ずしも問題ではない。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。

起動運転中には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）中には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。図示しない起動スイッチがオンされると、燃焼用空気バルブ６６が開かれ燃焼用空気ポンプ６５が駆動されて、燃焼用空気が予め設定されている流量で燃焼部２５に供給される。燃焼用燃料バルブ４６が開かれ燃焼用燃料ポンプ４５が駆動されて、燃焼用燃料が予め設定されている流量で燃焼部２５に供給される。そして、燃焼部２５が着火されて、燃焼用燃料の燃焼が開始される。この燃焼が開始されると、その燃焼ガスが燃焼ガス用流路２７を通る際に、燃焼ガスによって改質部２１、蒸発部２６が加熱されて昇温する。

蒸発部２６が加熱されて蒸発部２６が所定温度以上となると、第１改質水バルブ５３が開かれて、改質水タンク９０内の改質水が自重で第１給水管５２を通って蒸発部２６に流入する。このとき、改質部２１内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスする位置に、蒸発部２６内の水位が維持される。

蒸発部２６から水蒸気が生成され始めると、蒸発部２６内の改質水は減少するが、その減少分は、改質部２１内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスを取ることにより、改質水タンク９０から自動的に補充されている。また、改質水タンク９０内の改質水は、上述したように改質水ポンプ５５によって供給され所定範囲内に維持されるようになっている。

蒸発部２６から水蒸気が改質部２１に供給され始めたら、改質部２１に予め設定されている流量で改質用燃料が投入される。なお、水蒸気の供給開始は蒸発部２６の出口温度によって判断する。例えば、その温度が１００℃になったときに供給開始と判断する。また、改質用燃料バルブ４３が開かれ改質用燃料ポンプ４２が駆動されて、改質用燃料が予め設定されている流量で冷却部２２を通って改質部２１に供給される。

改質用燃料が投入されると、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成され、ＣＯ選択酸化部２４から改質ガスが導出されるが、まだ一酸化炭素が多いので、燃料電池１０をバイパスして燃焼部２５に供給される。また、改質用燃料の投入と同時に、空気バルブ６４が開かれて空気ポンプ６３が駆動され予め設定されている酸化用空気がＣＯ選択酸化部２４に供給される。改質ガスはＣＯ選択酸化部２４にて一酸化炭素をさらに低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出される。

改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値より低くなると、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０に供給され、発電が開始される。なお、発電開始は改質装置２０の所定部位（例えばＣＯシフト部２３の触媒温度）の温度によって判断する。

このような起動運転中において、改質水タンク９０から蒸発部２６への改質水の供給は、改質部２１内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスを取ることにより、改質水タンク９０から自動的に補充されている。

また、発電運転中においても、改質水タンク９０から蒸発部２６への改質水の供給は、改質部２１内の圧力と改質水の自重による圧力とがバランスを取ることにより、改質水タンク９０から自動的に補充されている。改質水タンク９０への改質水の供給は、上述したように、改質水タンク９０内の改質水量を所定範囲内に調整するように、改質水ポンプ５５が改質水量検出装置９１によって検出された改質水量に基づいて制御されている。

上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、改質水タンク９０の改質水出口９０ｂが蒸発部２６の改質水入口２６ａより上方に位置しているので、改質水タンク９０内の改質水が自重で蒸発部２６に供給される。また、改質装置２０の運転中においては、改質装置２０内の圧力と改質水タンク９０内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れているので、蒸発部２６から改質部２１に供給されて減少した改質水は、自動的に改質水タンク９０から供給される。したがって、改質水タンク９０の配置を変更するだけでコストアップを招くことなく、低流量の改質水でも安定して供給できる。

また、改質装置２０の運転中においては、改質装置２０内の圧力と改質水タンク９０内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れており、改質水タンク９０内の水位（水量）と蒸発部内の水位（水量）は所定差圧でバランスが取れているので、改質水タンク９０内の改質水量を所定範囲内に調整することにより、蒸発部２６内の改質水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、運転中の圧力変動がほとんどなくなり安定運転が可能となる。

また、蒸発部２６は、燃焼ガス流路２７と一酸化炭素低減部であるＣＯ選択酸化部２４との間にそれぞれ互いに熱交換可能に配設されているので、蒸発部２６内の改質水量が所定範囲内に維持された場合、一酸化炭素低減部２４から効率良く熱を回収して一酸化炭素低減部２４の温度を適正範囲に安定して維持することができ、また、燃焼ガスから効率良く熱を回収して熱回収効率を向上させることができる。

また、改質ガスを生成する改質部２１と、改質水を加熱して生成した水蒸気を改質部２１に供給する蒸発部２６と、改質水を貯水する改質水タンク９０と、改質水を改質水タンク９０から蒸発部２６に供給する第１給水管５２と、改質水タンク９０内の改質水量を所定範囲（上記Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）内に調整する改質水量調整手段である改質水ポンプ５５とが、設けられている。これにより、改質水ポンプ５５によって改質水タンク９０内の改質水量を所定範囲内に調整することができるので、改質水タンク９０の水位が蒸発部２６の水位より高くなるように調整することができる。したがって、両水位の高低差分の改質水による圧力によって改質水タンク９０内の改質水が蒸発部２６に供給される。また、改質装置２０の運転中においては、改質装置２０内の圧力と改質水タンク９０内の改質水の自重による圧力とはバランスが取れているので、蒸発部２６から改質部２１に供給されて減少した分は、自動的に改質水タンク９０から供給される。したがって、改質水タンク９０の配置を変更するだけでコストアップを招くことなく、低流量の改質水でも安定して供給できる。

また、所定範囲（上記Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）は、改質ガスの生成量が相対的に多い第１運転状態の場合には改質水量が相対的に多い第１所定範囲（例えばＬ１）に設定され、改質ガスの生成量が第１運転状態より少ない第２運転状態の場合には改質水量が第１所定範囲より少ない第２所定範囲（例えばＬ２，Ｌ３）に設定されている。これにより、燃料電池１０の発電出力が変動し改質装置２０に投入される改質用燃料の供給量がそれに応じて変動して改質装置２０内の圧力が変動しても、それら変動に応じて適切な改質水量を供給することができる。

また、上述した実施形態において、気体を供給するポンプにおいてはポンプの代わりにブロアを使用するようにしてもよい。

本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す改質水タンクと蒸発部を示す拡大概要図である。 図１に示す改質水タンク内の水位と燃料電池の発電出力の関係を説明するための図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…燃焼部、２６…蒸発部、２６ａ…改質水入口、２６ｂ…水蒸気出口、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、４１…燃料供給管、４２…改質用燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料ポンプ、４６…燃焼用燃料バルブ、５１…水蒸気供給管、５２…第１給水管、５３…第１改質水バルブ、５４…第２給水管、５５…改質水ポンプ（改質水量調整手段）、５６…第１改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…空気ポンプ、６３…空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管、９０…改質水タンク、９０ａ…改質水入口、９０ｂ…改質水出口、９１…改質水量検出装置。

Claims (5)

1. 改質ガスを生成する改質部と、
   改質水を加熱して生成した水蒸気を前記改質部に供給する蒸発部と、
   前記改質水を貯水するとともに前記蒸発部に供給する改質水タンクと、を備えてなり、
   前記改質水タンクの改質水出口が前記蒸発部の改質水入口より上方に位置することを特徴とする改質装置。
2. 請求項１において、前記改質水タンクに改質水を供給する改質水供給装置と、
   前記改質水タンク内の改質水量を検出する改質水量検出装置と、をさらに備え、
   前記改質水量検出装置によって検出された改質水量に基づいて前記改質水供給装置を制御して、前記改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整することを特徴とする改質装置。
3. 請求項１または請求項２において、燃焼用燃料を燃焼用酸化剤ガスにより燃焼した燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路と、
   前記改質部から前記改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部と、をさらに備え、
   前記蒸発部は、前記燃焼ガス流路と前記一酸化炭素低減部との間にそれぞれ互いに熱交換可能に配設されていることを特徴とする改質装置。
4. 改質ガスを生成する改質部と、
   改質水を加熱して生成した水蒸気を前記改質部に供給する蒸発部と、
   前記改質水を貯水する改質水タンクと、
   前記改質水を前記改質水タンクから前記蒸発部に供給する第１給水管と、
   前記改質水タンク内の改質水量を所定範囲内に調整する改質水量調整手段とが、
   設けられていることを特徴とする改質装置。
5. 請求項４において、前記所定範囲は、前記改質ガスの生成量が相対的に多い第１運転状態の場合には前記改質水量が相対的に多い第１所定範囲に設定され、前記改質ガスの生成量が前記第１運転状態より少ない第２運転状態の場合には前記改質水量が前記第１所定範囲より少ない第２所定範囲に設定されていることを特徴とする改質装置。

Images