JP4039120B2 - 水素生成装置 - Google Patents
水素生成装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4039120B2 JP4039120B2 JP2002142744A JP2002142744A JP4039120B2 JP 4039120 B2 JP4039120 B2 JP 4039120B2 JP 2002142744 A JP2002142744 A JP 2002142744A JP 2002142744 A JP2002142744 A JP 2002142744A JP 4039120 B2 JP4039120 B2 JP 4039120B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reforming
- heat exchange
- supplied
- combustion
- flow path
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
- Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts
Description
【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。
【０００３】
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。このような改質器として、例えば特開平１１−３４３１０１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、単位面積当たりの伝熱量が大きい回転蓄熱体を備えた回転蓄熱式熱交換器を用いることが考えられるが、回転蓄熱式熱交換器は構造上シール漏れと移送漏れによるガス漏れが発生するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、改質反応により水素を生成する水素生成装置において、改質反応の始動性を向上させることを目的とする。
【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、改質原料を加熱する加熱部（２１、２１′）と、加熱部（２１、２１′）で加熱された改質原料を水素に改質し、水素を含んだ改質ガスを生成する改質部（２２、２２′）とを有し、水素化合物を含む改質原料と、燃焼用燃料および燃焼用空気を含む混合ガスとが交互に供給され、混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の熱交換群（２０、２０′）と、複数の熱交換群（２０、２０′）に改質原料を供給する改質原料供給部（１０）と、複数の熱交換群（２０、２０′）に燃焼用燃料を供給する燃料供給部（４０）と、複数の熱交換群（２０、２０′）に燃焼用空気を供給する空気供給部（５０）と、改質原料が複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つに供給されるように改質原料の流路を切り替える第１の改質原料流路切替手段（６０）と、改質原料供給部（１０）より改質原料が供給された熱交換群（２０、２０′）で生成された改質ガスが水素消費装置（３０）に供給されるように、複数の熱交換群（２０、２０′）で生成された改質ガスの流路を切り替える第２の改質原料流路切替手段（６１）と、改質原料が供給されていない複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つにおける改質部（２２、２２′）に燃焼用燃料が供給されるように、燃焼用燃料の流路を切り替える第１の加熱流体流路切替手段（７０）と、燃焼用燃料が供給される改質部（２２、２２′）に燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気の流路を切り替える第２の加熱流体流路切替手段（７１）と、熱交換群（２０、２０′）より排出される燃焼ガスが外部に排出されるように、熱交換群（２０、２０′）より排出される燃焼ガスの流路を切り替える第３の加熱流体流路切替手段（７２）とを備え、熱交換群（２０、２０′）は、改質ガス中のＣＯを除去するＣＯ除去部（２３、２３′）をさらに有しており、第１の加熱流体流路切替手段（７０）は、熱交換群（２０、２０′）における改質部（２２、２２′）とＣＯ除去部（２３、２３′）との間に燃焼用燃料が供給されるように、燃焼用燃料の流路を切り替えるように構成され、第２の加熱流体流路切替手段（７１）は、燃焼用燃料が供給される熱交換群（２０、２０′）におけるＣＯ除去部（２３、２３′）に燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気の流路を切り替えるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、改質原料を改質する熱交換群（２０、２０′）で燃焼ガスを生成することにより、熱交換群（２０、２０′）を構成する改質部（２２、２２′）および加熱部（２１、２１′）を直接的に加熱することができ、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、水素生成装置における改質反応開始までの始動時間を短縮することができる。
【００１２】
さらに、ＣＯ除去部（２３、２３′）に燃焼用空気を供給することで、ＣＯ除去反応により高温となったＣＯ除去部（２３、２３′）を効率よく冷却することができる。請求項２に記載の発明ではＣＯ除去部（２３、２３′）を蓄熱体から構成している。
また、請求項３に記載の発明では、燃焼用空気は、熱交換群（２０、２０′）における改質部（２２、２２′）とＣＯ除去部（２３、２３′）との間にも供給されることを特徴としている。これにより、ＣＯ除去部（２３、２３′）に供給される燃焼用空気の流量を調整することができ、ＣＯ除去部（２３、２３′）の放熱量を調整することができる。
また、請求項４に記載の発明では、燃焼用燃料は、熱交換群（２０、２０′）における加熱部（２１、２１′）と改質部（２２、２２′）との間にも供給されることを特徴としている。これにより、加熱部（２１、２１′）および改質部（２２、２２′）に供給される燃焼用燃料の流量を調整することができ、加熱部（２１、２１′）および改質部（２２、２２′）の燃焼温度を調整することができる。
また、請求項５に記載の発明では、複数の熱交換群（２０、２０′）は、改質原料と、燃焼用燃料および燃焼用空気とが交互に供給される２個の熱交換群（２０、２０′）からなり、第３の加熱用流体流路切替手段（７２）は、一方の熱交換群（２０）から排出される排気ガスを他方の熱交換群（２０′）に供給するように一方の熱交換群（２０）の排気ガスの流路を切り替えることができるように構成されており、一方の熱交換群（２０）に燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、他方の熱交換群（２０′）に改質原料が供給されている際に、燃焼用燃料および改質原料の供給を停止し、燃焼用空気の供給を継続し、第３の加熱用流体流路切替手段（７２）を、一方の熱交換群（２０）の排気ガスを他方の熱交換群（２０′）に供給するように切り替え、一方の熱交換群（２０）内部に存在していた排気ガスを燃焼用空気で置換するとともに、他方の熱交換群（２０′）の内部に存在していた改質原料および改質ガスを一方の熱交換群（２０）から排出された排気ガスで置換することを特徴としている。
これにより、熱交換群（２０、２０′）の通過流体を切り替える際に、燃焼ガスによる加熱が行われていた熱交換群（２０、２０′）で燃焼ガスが残留し、通過流体の切り替え直後に燃焼ガスが水素消費装置に供給されるのを防止できる。
また、請求項６に記載の発明では、第２の改質原料流路切替手段（６１）は、熱交換群（２０、２０′）から水素消費装置に供給される流体の流路を外部に排出されるように切り替えることができるように構成されており、一方の熱交換群（２０）に燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、他方の熱交換群（２０′）に改質原料が供給されている際に、第２の改質原料流路切替手段（６１）を、他方の熱交換群（２０′）から水素消費装置（３０）に供給される流体の流路を外部に排出されるように切り替え、一方の熱交換群（２０）内部に存在していた排気ガスを燃焼用空気で置換するとともに、他方の熱交換群（２０′）の内部に存在していた改質原料および改質ガスを一方の熱交換群（２０）から排出された排気ガスで置換し、さらに一方の熱交換群（２０）から排出された燃焼用空気で置換することを特徴としている。
これにより、運転停止時に熱交換群（２０、２０′）の内部に改質ガスや燃焼ガスが残留するのを防止し、運転再開に備えることができる。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明では、加熱部（２１、２１′）には酸化触媒が担持されていることを特徴とし、請求項８に記載の発明では、改質部（２２、２２′）には酸化触媒が担持されていることを特徴としている。
【００１４】
これにより、加熱部（２１、２１′）や改質部（２２、２２′）にて燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスを触媒燃焼させ、燃焼ガスを生成することができる。さらに、燃焼ガスを触媒浄化作用によって完全燃焼させることができ、燃焼ガス中に含まれて排出される有害ガスを低減することができる。
【００１５】
また、請求項９に記載の発明では加熱部（２１、２１′）を蓄熱体から構成し、請求項１０に記載の発明では改質部（２２、２２′）を蓄熱体から構成している。
【００１６】
これにより、加熱部（２１、２１′）、改質部（２２、２２′）あるいはＣＯ除去部（２３、２３′）の単位面積当たりの伝熱量を大きくすることができ、熱交換効率をより高めることができる。また、蓄熱体は容易にセラミック化することができ、低コストであるとともに触媒の担持を容易に行うことができる。
【００１７】
また、請求項１１に記載の発明では、改質原料に含まれる水素化合物と、燃料供給部（４０）で供給される燃焼用燃料は、同一の炭化水素化合物を用いることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項１２に記載の発明では、燃料供給部（４０）では、水素消費装置にて利用されずに排出される水素を含んだオフガスが供給され、オフガスは燃焼用燃料の一部または全部として用いられることを特徴としている。これにより、オフガスの燃焼熱を有効に回収することができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２０】
また、請求項１３に記載の発明では、燃焼用空気は、熱交換群（２０、２０′）における加熱部（２１、２１′）と改質部（２２、２２′）との間にも供給されることを特徴としている。これにより、改質部（２２、２２′）に供給される燃焼用空気の流量を調整することができ、改質部（２２、２２′）の燃焼温度を調整することができる。
【００２６】
また、請求項１４に記載の発明では、第１の加熱流体通路切替手段（７０）は、燃焼用燃料を複数の熱交換群（２０、２０′）の２以上に同時に供給可能に構成され、第２の加熱流体通路切替手段（７１）は、燃焼用空気を複数の熱交換群（２０、２０′）の２以上に同時に供給可能に構成されていることを特徴としている。
【００２７】
これにより、複数の熱交換群（２０、２０′）において燃焼ガスによる暖機を同時に行うことができ、水素生成装置の起動性を向上させることができる。
【００２８】
また、請求項１５に記載の発明では、水素消費装置は燃料電池であることを特徴としている。
【００２９】
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。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１参考例）
以下、本発明を適用した第１参考例について図１に基づいて説明する。図１は本第１参考例の水素生成装置の概略構成を示している。
【００３１】
図１に示すように、本第１参考例の水素生成装置は、改質原料供給部１０、加熱部（燃焼部）２１、２１′、改質部２２、ＣＯ除去部２３、燃料供給部４０、空気供給部５０等を備えている。改質原料供給部１０にて生成された改質原料（改質用燃料、水、空気の混合気）は、加熱部２１にて燃焼ガスの熱で加熱・気化（蒸発）される。気化した改質原料は、改質部２２にてＨ2を含む改質ガスに改質され、ＣＯ除去部２３にてＣＯが除去された後、水素リッチガスとして燃料電池（水素消費装置）３０に供給される。燃料電池３０では、水素と酸素との化学反応により発電し、発電に用いられなかった未反応水素を含むオフガスが排出される。燃料電池３０から排出されるオフガスは、燃料供給部４０に供給され、燃焼用燃料とともに加熱部２１に供給される。
【００３２】
以下、水素生成装置の各構成要素について詳細に説明する。
【００３３】
改質原料供給部１０は、改質用燃料と水と空気とからなる改質原料を生成し、加熱部２０に供給する。改質原料供給部１０では、図示しない噴霧ノズルから改質用燃料と水が噴霧されて空気と混合され、気流干渉により微粒化と混合が促進される。改質原料供給部１０は、改質用燃料と改質用空気との混合割合を調整できるように構成されている。なお、本第１参考例では、改質用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。
【００３４】
改質原料供給部１０の下流側には、改質原料を加熱気化するための加熱部２１、２１′が複数（本第１参考例では２個）設けられている。加熱部２１、２１′は、熱エネルギを蓄える蓄熱体からなる蓄熱式熱交換器として構成されており、例えばコージェライト等の耐熱性セラミックを用いることができる。加熱部２１、２１′を構成する蓄熱体は多数の貫通孔（セル）が形成されたハニカム構造となっており、貫通孔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）が添着（担持）されている。
【００３５】
本第１参考例の加熱部２１、２１′は、燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスを燃焼させる燃焼部を構成している。加熱部２１、２１′には、改質原料と交互に、燃料供給部４０から燃焼用燃料が供給され、空気供給部５０から燃焼用空気が供給される。加熱部２１、２１′に供給された燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスは、酸化触媒上で触媒燃焼し、高温の燃焼ガスを生ずる。触媒燃焼によって発生した熱は蓄熱体に貯えられ、次に加熱部２１、２１′に改質原料が通過する際に、燃焼熱で改質原料が加熱される。このように、加熱部２１、２１′では、通過流体が切り替えられることにより、改質原料を加熱する加熱部としての機能と、燃焼ガスを発生する燃焼部としての機能が交互に切り替わる。
【００３６】
加熱部２１、２１′の下流側には、改質部２２が設けられている。加熱部２１、２１′で加熱気化された改質原料は改質部２２に供給される。改質部２２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２２は、加熱部２１、２１′で気化した改質原料を部分酸化（発熱反応）し、この発熱により水蒸気改質（吸熱反応）を行う部分酸化改質器である。改質部２２では、改質反応の結果、Ｈ2とＣＯを含んだ改質ガスを生成する。なお、本第１参考例のように改質用炭化水素化合物として液体石油系燃料を用いた場合、安定した改質反応を維持するためには改質部２２は７００℃程度になっている必要がある。
【００３７】
改質部２２の下流側には、改質ガスからＣＯを除去するためのＣＯ除去部２３が設けられている。ＣＯ除去部２３は、ＣＯシフト部とＣＯ浄化部とから構成される。ＣＯシフト部にはＣＯシフト反応（Ｈ2Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ2＋Ｈ2＋ＣＯ）のためのシフト触媒が設けられ、ＣＯ浄化部にはＣＯ浄化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2）のための浄化触媒が設けられている。
【００３８】
ＣＯ除去部２３の下流側は、水素消費装置としての燃料電池３０に接続されており、水素を含んだ改質ガスが供給される。燃料電池には、水素とともに空気（酸素）が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池３０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、発電に用いられなかった未反応酸素を含んだオフエアが排出される。
【００３９】
燃料電池３０から排出されたオフガスは、オフガス通路４１を介して燃料供給部４０に供給される。燃料供給部４０は、燃焼用燃料を加熱部２１に供給するように構成されており、燃焼用燃料とともにオフガスを加熱部２１に供給する。これにより、燃焼用燃料とともにオフガスも加熱部２１にて燃焼する。なお、本第１参考例では、燃料供給部４０で用いられる燃焼用燃料として、改質原料供給部１０で供給される改質用燃料と同一の炭化水素化合物（液体石油系燃料）を用いている。
【００４０】
空気供給部５０は、例えばブロワにより燃焼用燃料の燃焼に必要となる燃焼用空気を加熱部２１に供給する。燃焼用空気は燃焼用燃料と混合された混合ガスとして加熱部２１、２１′に供給される。
【００４１】
本第１参考例の水素生成装置には、改質原料と燃焼用燃料・燃焼用空気を交互に加熱部２１に供給するための通過流体切替手段として、改質原料流路切替弁（第１の改質原料流路切替手段）６０、改質ガス流路切替弁（第２の改質原料流路切替手段）６１、燃焼用燃料流路切替弁（第１の加熱流体流路切替手段）７０、燃焼用空気流路切替弁（第２の加熱流体流路切替手段）７１、排気ガス流路切替弁（第３の加熱流体流路切替手段）７２が設けられている。
【００４２】
改質原料流路切替弁６０は、改質原料供給部１０から供給される改質原料がいずれかの加熱部２１、２１′に供給されるように改質原料の流路を切り替える。改質ガス流路切替弁６１は、改質原料流路切替弁６０に連動して作動し、加熱部２１、２１′で加熱された改質原料が改質部２２に供給されるように、加熱部２１、２１′で加熱された改質原料の流路を切り替える。
【００４３】
燃料流路切替弁７０は、改質原料が供給されていない加熱部２１、２１′に燃焼用燃料が供給されるように、燃料供給部４０から供給される燃焼用燃料の流路を切り替える。空気流路切替弁７１は、燃料流路切替弁７０に連動して作動し、燃焼用燃料が供給される加熱部２１、２１′に燃焼用空気が供給されるように、空気供給部５０から供給される燃焼用空気の流路を切り替える。
【００４４】
排気ガス流路切替弁７２は、燃焼用燃料流路切替弁７０および空気流路切替弁７１に連動して作動し、燃焼用燃料・燃焼用空気が燃焼した後、加熱部２１、２１′から排出される燃焼ガスが外部に排出されるように、加熱部２１、２１′より排出される燃焼ガスの流路を切り替える。
【００４５】
以下、上記構成の水素供給装置の作動について説明する。改質部２２において改質反応が開始するためには、改質部２２に供給される改質原料が蒸発・気化しており、かつ改質部２２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。
【００４６】
そこで、まず燃料供給部４０および空気供給部５０から燃焼用燃料および燃焼用空気を第１の加熱部２１に供給する。燃焼用燃料および燃焼用空気は混合ガスとなり、第１の加熱部２１にて触媒燃焼し燃焼ガスとなり、外部に排出される。燃焼ガスの熱は第１の加熱部２１を構成する蓄熱体に貯えられ、第１の加熱部２１が昇温する。これにより、第１の加熱部２１の暖機が速やかに行われる。
【００４７】
次に、燃焼熱により高温となっている第１の加熱部２１に改質原料を供給するように、改質原料流路切替弁６０を切り替え、改質ガス流路切替弁６１も連動して切り替える。同時に、第２の加熱部２１′に燃焼用燃料および燃焼用空気を供給するように、燃焼用燃料流路切替弁７０と燃焼用空気流路切替弁７１とを切り替え、これらに連動して排気ガス流路切替弁７２も切り替える。
【００４８】
高温となっている第１の加熱部２１では、改質原料が加熱気化され、改質部２２に供給される。改質部２２は高温の改質原料で加熱され昇温し、改質反応により水素とＣＯを含んだ改質ガスが生成される。改質ガスはＣＯ除去部２３にてＣＯが除去され、水素リッチガスとして燃料電池３０に供給される。燃料電池３０では、水素と酸素との化学反応により発電を開始する。燃料電池１０では、発電に用いられなかった未反応水素を含むオフガスが排出される。燃料電池３０から排出されるオフガスは、燃料供給部４０に供給され、燃焼用燃料とともに第２の加熱部２１′に供給される。
【００４９】
燃焼用燃料および燃焼用空気とが供給された第２の加熱部２１′でも触媒燃焼が開始され、第２の加熱部２１′を構成する蓄熱体に燃焼熱が貯えられる。これにより、第２の加熱部２１′の暖機が行われる。
【００５０】
以降、改質原料流路切替弁６０、改質ガス流路切替弁６１、燃焼用燃料流路切替弁７０、燃焼用空気流路切替弁７１、排気ガス流路切替弁７２を切り替えることにより、第１の加熱部２１と第２の加熱部２１′の通過流体を交互に切り替えることで、これらの加熱部２１、２１′では燃焼ガスの燃焼による昇温（蓄熱）と改質原料の加熱気化とを交互に繰り返し行うこととなる。
【００５１】
以上、本第１参考例のように、改質原料を加熱気化する加熱部２１、２１′で燃焼ガスを生成することにより、加熱部２１、２１′を直接的に加熱することができ、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、水素生成装置における改質反応開始までの始動時間を短縮することができる。
【００５２】
また、複数の加熱部２１、２１′の一方で燃焼ガスの燃焼による昇温（蓄熱）を行い、他方で改質原料の加熱気化を行うことで、改質部２２に気化された改質原料を連続して供給することができる。
【００５３】
また、本第１参考例のような通過流体を交互に切り替えるバッチ式の蓄熱体であれば、回転蓄熱体を用いた場合に発生するシール漏れや移送漏れによるガス漏れを防ぐことができる。
【００５４】
（第２参考例）
次に、本発明の第２参考例について図２に基づいて説明する。本第２参考例は、上記第１参考例に比較して、改質部２２の構成が異なるものである。上記第１参考例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。
【００５５】
図２は本第２参考例の水素生成装置の概略構成を示している。図２に示すように、本第２参考例では、加熱部２１、２１′と改質部２２、２２′は同数設けられており、加熱部２１、２１′と改質部２２、２２′とからなる熱交換群２０、２０′が複数（本第２参考例では２個）構成されている。
【００５６】
本第２参考例の改質部２２、２２′は、加熱部２１、２１′と同様な構成の蓄熱体からなる蓄熱式熱交換器として構成されている。改質部２２、２２′を構成する蓄熱体は、加熱部２１、２１′と同様の多数の貫通孔（セル）が形成されたハニカム構造となっており、貫通孔の表面には改質触媒に加えて、酸化触媒が添着（坦持）されている。
【００５７】
本第２参考例の改質ガス流路切替弁（第２の改質原料流路切替手段）６１は、改質原料供給部１０より改質原料が供給された熱交換群２０、２０′で生成された改質ガスが、ＣＯ除去部２３を通過した後に燃料電池３０に供給されるように、複数の熱交換群２０、２０′で生成された改質ガスの流路を切り替える。なお、改質ガス流路切替弁６１は改質原料流路切替弁６０に連動して作動する。
【００５８】
また、燃焼用燃料流路切替弁（第１の加熱流体流路切替手段）７０は、改質原料が供給されていない熱交換群２０、２０′における改質部２２、２２′に燃焼用燃料が供給されるように、燃焼用燃料の流路を切り替える。さらに、燃焼用空気流路切替弁（第２の加熱流体流路切替手段）７１は、燃焼用燃料流路切替弁７０に連動して、燃焼用燃料が供給される熱交換群２０、２０′における改質部２２、２２′に燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気の流路を切り替える。
【００５９】
これらの改質原料流路切替弁６０、改質ガス流路切替弁６１、燃焼用燃料流路切替弁７０、燃焼用空気流路切替弁７１、排気ガス流路切替弁７２を切り替えることにより、それぞれの熱交換群２０、２０′では改質原料と燃焼用燃料・燃焼用空気とが交互に供給される。
【００６０】
熱交換群２０、２０′に燃焼用燃料と燃焼用空気とが供給された場合には、改質部２２、２２′において燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスが触媒燃焼し、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、改質部２２、２２′と加熱部２１、２１′を昇温するとともに、加熱部２１、２１′における触媒燃焼で燃焼ガス中の未燃成分が完全燃焼され浄化される。このように、改質部２２、２２′は燃焼ガスを生成する燃焼部をも構成し、加熱部２１、２１′は燃焼ガスを浄化する浄化部をも構成する。
【００６１】
改質部２２、２２′では、通過流体が切り替えられることにより、改質原料を改質する改質部としての機能と、燃焼ガスを生成する燃焼部としての機能が交互に切り替わる。また、加熱部２１、２１′では、通過流体が切り替えられることにより、改質原料を加熱する加熱部としての機能と、燃焼ガスを浄化する浄化部としての機能が交互に切り替わる。
【００６２】
以下、本第２参考例の水素生成装置の作動について説明する。
【００６３】
まず、第１の熱交換群２０に燃焼用燃料および燃焼用空気が供給されることにより、第１の改質部２２にて燃焼ガスが生成し、この燃焼ガスにより第１の改質部２２および第１の加熱部２１が加熱され、燃焼熱は第１の改質部２２および第１の加熱部２１をそれぞれ構成している蓄熱体に貯えられる。これにより、第１の加熱部２２および第１の加熱部２１の暖機が速やかに行われる。
【００６４】
このとき、加熱部２１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２２は改質反応のために例えば４００〜７００℃程度と、加熱部２１より高温になっている必要がある。本第２参考例では、燃焼ガスは改質部２２で生成された後に加熱部２１を通過するため、改質部２２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。
【００６５】
次に、燃焼ガスにより高温となった第１の熱交換部２０に改質原料を供給するように、改質原料流路切替弁６０を切り替え、改質ガス流路切替弁６１も連動して切り替える。同時に、第２の熱交換部２０′に燃焼用燃料および燃焼用空気を供給するように、燃焼用燃料流路切替弁７０と燃焼用空気流路切替弁７１とを切り替え、これらに連動して排気ガス流路切替弁７２も切り替える。
【００６６】
高温となっている第１の加熱部２１では、改質原料が加熱気化され、第１の改質部２２に供給される。同様に高温となっている改質部２２では、改質反応により水素とＣＯを含んだ改質ガスが生成される。改質ガスはＣＯ除去部２３にてＣＯが除去され、水素リッチガスとして燃料電池３０に供給される。燃料電池３０では、水素と酸素との化学反応により発電を開始する。燃料電池１０では、発電に用いられなかった未反応水素を含むオフガスが排出される。燃料電池３０から排出されるオフガスは、燃料供給部４０に供給され、燃焼用燃料とともに第２の熱交換部２０′における第２の改質部２２′に供給される。
【００６７】
燃焼用燃料および燃焼用空気とが供給された第２の熱交換群２０′における第２の改質部２２′でも触媒燃焼が開始され、第２の改質部２２′および第２の加熱部２１′を構成する蓄熱体に燃焼熱が貯えられる。これにより、第２の熱交換群２０′の暖機が行われる。
【００６８】
以降、改質原料流路切替弁６０、改質ガス流路切替弁６１、燃焼用燃料流路切替弁７０、燃焼用空気流路切替弁７１、排気ガス流路切替弁７２を切り替えることにより、第１の熱交換群２０と第２の熱交換群２０′の通過流体を交互に切り替えることで、これらの熱交換群２０、２０′では燃焼ガスの燃焼による昇温（蓄熱）と改質原料の改質とを交互に繰り返し行うこととなる。
【００６９】
以上、本第２参考例のように、改質原料を改質する熱交換群２０、２０′で燃焼ガスを生成することにより、熱交換群２０、２０′を構成する改質部２２、２２′および加熱部２１、２１′を直接的に加熱することができ、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、水素生成装置における改質反応開始までの始動時間を短縮することができる。
【００７０】
また、改質部２２、２２′で生成した燃焼ガスは、加熱部２１、２１′における触媒燃焼で燃焼ガス中の未燃成分が完全燃焼される。これにより、熱交換群２０、２０′から排出される排気ガス中の有害成分を低減することができる。
【００７１】
（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について図３、図４に基づいて説明する。本第１実施形態は、上記第２参考例に比較して、ＣＯ除去部２３の構成が異なるものである。上記各参考例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。
【００７２】
図３は本第１実施形態の水素生成装置の概略構成を示している。図３に示すように、本第１実施形態では、加熱部２１、２１′と改質部２２、２２′とＣＯ除去部２３、２３′は同数設けられており、加熱部２１、２１′と改質部２２、２２′とＣＯ除去部２３、２３′とからなる熱交換群２０、２０′が複数（本第１実施形態では２個）構成されている。本第１実施形態のＣＯ除去部２３、２３′は、加熱部２１、２１′および改質部２２、２２′と同様な構成の蓄熱体からなる蓄熱式熱交換器として構成されている。
【００７３】
図４は本第１実施形態の熱交換群２０、２０′の構成を示している。図４に示すように、ケーシング２００、２００′により流体通路が構成され、ケーシング２００、２００′内部に熱交換群２０、２０′を構成する加熱部２１、２１′、改質部２２、２２′、ＣＯ除去部２３、２３′が順に形成されている。また、改質部２２、２２′とＣＯ除去部２３、２３′との間には、燃料供給部４０より供給される燃焼用燃料を均一に改質部２２、２２′に供給するための拡散部２４、２４′が設けられている。
【００７４】
本第１実施形態の改質ガス流路切替弁（第２の改質原料流路切替手段）６１は、改質原料流路切替弁６０に連動して作動する。改質ガス流路切替弁６１は、改質原料供給部１０より改質原料が供給された熱交換群２０、２０′で生成された改質ガスが燃料電池３０に供給されるように、複数の熱交換群２０、２０′で生成された改質ガスの流路を切り替える。
【００７５】
また、燃焼用燃料流路切替弁（第１の加熱流体流路切替手段）７０は、改質原料が供給されていない熱交換群２０、２０′における改質部２２、２２′とＣＯ除去部２３、２３′との間に燃焼用燃料が供給されるように、燃焼用燃料の流路を切り替える。さらに、燃焼用空気流路切替弁（第２の加熱流体流路切替手段）７１は、燃焼用燃料流路切替弁７０に連動して、燃焼用燃料が供給される熱交換群２０、２０′におけるＣＯ除去部２３、２３′に燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気の流路を切り替える。
【００７６】
これにより、燃焼用燃料は、ＣＯ除去部２３、２３′の下流側であって改質部２２、２２′の上流側に供給され、改質部２２、２２′に流入する。燃焼用空気は、ＣＯ除去部２３、２３′を通過した後で、燃焼用燃料とともに下流側の改質部２２、２２′に流入する。
【００７７】
これらの改質原料流路切替弁６０、改質ガス流路切替弁６１、燃焼用燃料流路切替弁７０、燃焼用空気流路切替弁７１、排気ガス流路切替弁７２を切り替えることにより、それぞれの熱交換群２０、２０′では改質原料と燃焼用燃料・燃焼用空気とが交互に供給される。
【００７８】
熱交換群２０、２０′に燃焼用燃料と燃焼用空気とが供給された場合には、ＣＯ除去部２３、２３′には燃焼用空気のみが供給される。ＣＯ除去部２３、２３′におけるＣＯ除去反応は発熱反応であるため、ＣＯ除去反応後はＣＯ除去部２３、２３′を構成する蓄熱体は高温となっている。従って、ＣＯ除去部２３、２３′に燃焼用空気が供給されることで、ＣＯ除去部２３、２３′を構成する蓄熱体は空冷され、燃焼用空気は昇温される。ＣＯ除去部２３、２３′を通過した燃焼用空気は、燃焼用燃料とともに改質部２２、２２′に供給されて燃焼ガスとなる。燃焼ガスは、改質部２２、２２′と加熱部２１、２１′を昇温するとともに加熱部２１、２１′にて浄化される。
【００７９】
このようにＣＯ除去部２３、２３′は、通過流体が切り替えられることにより、改質ガスからＣＯを除去するＣＯ除去部としての機能と、燃焼用空気により空冷される放熱部としての機能が交互に切り替わる。
【００８０】
このような本第１実施形態の構成によれば、上記第２参考例と同様に、燃焼ガスにより改質部２２、２２′と加熱部２１、２１′を直接的に加熱して速やかに改質反応開始温度まで昇温させることができ、水素生成装置における改質反応開始までの始動時間を短縮することができる。さらに、本第１実施形態の構成によれば、熱交換群２０、２０′の通過流体を切り替えることで、ＣＯ除去反応により高温となったＣＯ除去部２３、２３′を効率よく冷却することができる。
【００８１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、空気供給装置５０から供給される燃焼用空気の供給部位が異なるものである。上記各参考例及び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。
【００８２】
図５は本第２実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図５に示すように、空気供給装置５０から供給される燃焼用空気の供給経路は、ＣＯ除去部２３、２３′の上流側と、ＣＯ除去部２３、２３′および改質部２２、２２′の間とに分岐している。
【００８３】
燃焼用空気供給経路における燃焼用空気の分岐点には、ＣＯ除去部２３、２３′に供給される燃焼用空気の流量を制御する空気流量制御弁（空気流量制御手段）５１、５１′が設けられている。空気流量制御弁５１、５１′は、ＣＯ除去部２３、２３′の上流側に供給される空気流量と、改質部２２、２２′の上流側に供給される空気流量とを制御することができるように構成されている。
【００８４】
改質部２２、２２′の上流側に供給される燃焼用空気は、ＣＯ除去部２３、２３′をバイパスすることとなる。従って、空気流量制御弁５１、５１′によりＣＯ除去部２３、２３′に供給される燃焼用空気の流量を制御することで、ＣＯ除去部２３、２３′における放熱量を任意に調整することができる。
【００８５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態に比較して、空気供給装置５０から供給される燃焼用空気の供給部位が異なるものである。上記各参考例及び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。
【００８６】
図６は本第３実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図６に示すように、空気供給装置５０から供給される燃焼用空気の供給経路は、ＣＯ除去部２３、２３′の上流側と、ＣＯ除去部２３、２３′および改質部２２、２２′の間と、改質部２２、２２′および加熱部２１、２１′の間とに分岐している。
【００８７】
燃焼用空気経路における燃焼用空気の分岐点には、ＣＯ除去部２３、２３′に供給される燃焼用空気の流量を制御する第１の空気流量制御弁（第１の空気流量制御手段）５１、５１′と、改質部２２、２２′に供給される燃焼用空気の流量を制御する第２の空気流量制御弁（第２の空気流量制御手段）５２、５２′とが設けられている。
【００８８】
第１の空気流量制御弁５１、５１′は、ＣＯ除去部２３、２３′の上流側に供給される空気流量と、改質部２２、２２′の上流側および加熱部２１、２１′の上流側に供給される空気流量とを制御する。第２の空気流量制御弁５２、５２′は、改質部２２、２２′の上流側に供給される空気流量と、加熱部２１、２１′の上流側に供給される空気流量とを制御する。
【００８９】
加熱部２１、２１′の上流側に供給される燃焼用空気は、改質部２２、２２′をバイパスすることとなる。従って、第２の空気流量制御弁５２、５２′により改質部２２、２２′に供給される燃焼用空気の流量を制御することで、改質部２２、２２′における燃焼量を任意に調整することができ、燃焼温度を任意に調整することができる。
【００９０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図７に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第３実施形態に比較して、燃料供給装置４０から供給される燃焼用燃料の供給部位が異なるものである。上記各参考例及び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。
【００９１】
図７は本第４実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図７に示すように、燃料供給装置４０から供給される燃焼用燃料の供給経路は、ＣＯ除去部２３、２３′および改質部２２、２２′の間と、改質部２２、２２′および加熱部２１、２１′の間とに分岐している。燃焼用燃料供給経路における燃焼用燃料の分岐点には、ＣＯ除去部２３、２３′および加熱部２１、２１′に供給される燃焼用燃料の流量を制御する燃料流量制御弁（燃料流量制御手段）４１、４１′が設けられている。
【００９２】
また、燃焼用燃料供給経路には、燃焼用燃料を第１の熱交換群２０における加熱部２１の上流側に供給するか、あるいは第２の熱交換群２０′における加熱部２１′の上流側に供給するかを切り替える燃焼用燃料流路切替弁（第４の加熱流体流路切替手段）７３が設けられている。燃焼用燃料流路切替弁７３は、燃焼用燃料流路切替弁７０や燃焼用空気流路切替弁７１と連動して作動する。
【００９３】
以上、本第４実施形態の構成によれば、燃料流量制御弁４１、４１′により、改質部２２、２２′に供給される燃焼用燃料の流量と、加熱部２１、２１′に供給される燃焼用燃料の流量とを制御することで、改質部２２、２２′と加熱部２１、２１′における燃焼量を任意に調整することができ、それぞれの燃焼温度を任意に調整することができる。
【００９４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図８に基づいて説明する。上記各参考例及び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。
【００９５】
図８は本第５実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図８に示すように、本第５実施形態の排気ガス流路切替弁（第３の加熱流体切替手段）７２は、一方の熱交換群２０から排出された排気ガスを他方の熱交換群２０′に供給するように、排気ガスの流路を切り替えることができるように構成されている。
【００９６】
以下、本第５実施形態の水素生成装置における通過流体を切り替える際の作動について説明する。なお、第１の熱交換群２０で燃焼ガスによる加熱が行われ、第２の熱交換群２０′で改質ガスの生成が行われているものとする。
【００９７】
第１の熱交換群２０および第２の熱交換群２０′の通過流体を切り替える際に、改質原料供給部１０からの改質原料の供給を停止し、燃料供給部４０からの燃焼用燃料の供給を停止する。同時に、排気ガス流路制御弁７２により、第１の熱交換群２０の排気ガスが第２の熱交換群２０′に供給されるように、排気ガスの流路を切り替える。
【００９８】
第１の熱交換群２０には空気供給部５０より空気のみが供給される。第１の熱交換群２０の内部に存在していた燃焼ガスは、空気に押し出され、第２の熱交換群２０′に流入する。これにより、第１の熱交換群２０の内部は、燃焼ガスから空気に置換される。第２の熱交換群２０′の内部に存在していた改質ガスは、燃焼ガスに押し出され、燃焼電池３０に供給される。これにより、第２の熱交換群２０′の内部は、改質ガスから燃焼ガスに置換される。このとき燃焼ガスの熱は、第２の熱交換群２０′の構成要素である各蓄熱体で回収される。
【００９９】
各流路切替弁６０、６１、７０、７１、７２は、第２の熱交換部２０′に流入した燃焼ガスが燃料電池３０に供給される前に、各流体の流路を切り替える。これにより、第１の熱交換群２０には改質原料が供給され、第２の熱交換群２０′には燃焼用燃料および燃焼用空気が供給される。
【０１００】
このとき、第１の熱交換群２０の内部は空気に置換されているので、通過流体の切り替え直後に燃料電池３０に燃焼ガスが供給されるのを防止できる。また、通過流体の切り替え直後に第２の熱交換群２０′の内部に存在している燃焼ガスは、燃焼用空気に押し出され、排気ガスとして排出される。
【０１０１】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図９に基づいて説明する。上記各参考例及び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。
【０１０２】
図９は本第６実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図９に示すように、本第６実施形態の改質ガス流路切替弁（第１の改質原料流路切替手段）６１は、熱交換群２０、２０′におけるＣＯ除去部２３、２３′から排出される流体を燃料電池３０ではなく大気に排出するように、流体の流路を切り替えることができるように構成されている。
【０１０３】
以下、本第６実施形態の水素生成装置における運転終了時の作動について説明する。なお、第１の熱交換群２０で燃焼ガスによる加熱が行われ、第２の熱交換群２０′で改質ガスの生成が行われているものとする。
【０１０４】
第１の熱交換群２０および第２の熱交換群２０′の通過流体を切り替える際に、改質原料供給部１０からの改質原料の供給を停止し、燃料供給部４０からの燃焼用燃料の供給を停止する。同時に、改質ガス流路切替弁６１により、第２の熱交換群２０′のＣＯ除去部２３′から排出される流体を大気に排出するよう流体の流路を切り替え、排気ガス流路制御弁７２により、第１の熱交換群２０の排気ガスが第２の熱交換群２０′に供給されるように、排気ガスの流路を切り替える。
【０１０５】
第１の熱交換群２０には空気供給部５０より空気のみが供給される。第１の熱交換群２０の内部に存在していた燃焼ガスは、空気により押し出され、第２の熱交換群２０′に流入する。これにより、第１の熱交換群２０の内部は、燃焼ガスから空気に置換される。第２の熱交換群２０′の内部に存在していた改質ガスは燃焼ガスに押し出され、燃焼ガスは空気に押し出され、外部に排出される。これにより、第２の熱交換群２０′の内部は、改質ガスから燃焼ガスを介して空気に置換される。
【０１０６】
その後、空気供給装置５０による空気供給を停止し、水素生成装置の運転を停止する。このとき、熱交換群２０、２０′の内部は空気に置換されているので、熱交換群２０、２０′の内部に燃焼ガスあるいは改質原料、改質ガスが残留したまま運転を終了することを防止できる。これにより、次回の運転再開に備えることができる。
【０１０７】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図１０に基づいて説明する。上記各参考例及び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。
【０１０８】
図１０は本第７実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図１０に示すように、燃焼用燃料流路切替弁７０は、第１、第２の熱交換群２０、２０′に同時に燃焼用燃料を供給するように燃焼用燃料の流路を切り替え可能に構成されている。燃焼用空気流路切替弁７１は、第１、第２の熱交換群２０、２０′に同時に燃焼用空気を供給するように燃焼用空気の流路を切り替え可能に構成されている。排気ガス流路切替弁７２は、第１、第２の熱交換群２０、２０′から排出される排気ガスを同時に外部に排出できるように排気ガスの流路を切り替え可能に構成されている。
【０１０９】
このような構成により、水素生成装置の始動時において、第１、第２の熱交換群２０、２０′の双方で燃焼ガスを生成することができ、同時に暖機を行うことができる。これにより、水素生成装置の起動性を向上させることができる。
【０１１０】
（他の実施形態）
なお、上記各参考例及び実施形態では、加熱部２１、２１′や熱交換群２０、２０′を２つ設けたが、これに限らず、熱交換群を３つ以上設けてもよい。
【０１１１】
また、上記第２参考例では、加熱部２１、２１′および改質部２２、２２′の双方に酸化触媒を設けたが、加熱部２１、２１′では酸化触媒を設けずに、熱交換により燃焼ガスの熱を改質原料に伝える加熱部としての機能を有するように構成してもよい。
【０１１２】
また、上記各参考例及び実施形態では、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る。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図２】 第２参考例の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図３】 第１実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図４】 第１実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図５】 第２実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図６】 第３実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図７】 第４実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図８】 第５実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図９】 第６実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図１０】 第７実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１０…改質原料供給部、２０、２０′…熱交換群、２１、２１′…加熱部、２２、２２′…改質部、２３、２３′…ＣＯ除去部、３０…燃料電池（水素消費装置）、４０…燃料供給部、５０…空気供給部、６０…改質原料流路切替弁（第１の改質原料流路切替手段）、６１…改質ガス流路切替弁（第２の改質原料流路切替手段）、７０…燃焼用燃料流路切替弁（第１の加熱用流体流路切替手段）、７１…燃焼用空気流路切替弁（第２の加熱用流体流路切替手段）、７２…排気ガス流路切替弁（第３の加熱用流体流路切替手段）。
【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。
【０００３】
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。このような改質器として、例えば特開平１１−３４３１０１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、単位面積当たりの伝熱量が大きい回転蓄熱体を備えた回転蓄熱式熱交換器を用いることが考えられるが、回転蓄熱式熱交換器は構造上シール漏れと移送漏れによるガス漏れが発生するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、改質反応により水素を生成する水素生成装置において、改質反応の始動性を向上させることを目的とする。
【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、改質原料を加熱する加熱部（２１、２１′）と、加熱部（２１、２１′）で加熱された改質原料を水素に改質し、水素を含んだ改質ガスを生成する改質部（２２、２２′）とを有し、水素化合物を含む改質原料と、燃焼用燃料および燃焼用空気を含む混合ガスとが交互に供給され、混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の熱交換群（２０、２０′）と、複数の熱交換群（２０、２０′）に改質原料を供給する改質原料供給部（１０）と、複数の熱交換群（２０、２０′）に燃焼用燃料を供給する燃料供給部（４０）と、複数の熱交換群（２０、２０′）に燃焼用空気を供給する空気供給部（５０）と、改質原料が複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つに供給されるように改質原料の流路を切り替える第１の改質原料流路切替手段（６０）と、改質原料供給部（１０）より改質原料が供給された熱交換群（２０、２０′）で生成された改質ガスが水素消費装置（３０）に供給されるように、複数の熱交換群（２０、２０′）で生成された改質ガスの流路を切り替える第２の改質原料流路切替手段（６１）と、改質原料が供給されていない複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つにおける改質部（２２、２２′）に燃焼用燃料が供給されるように、燃焼用燃料の流路を切り替える第１の加熱流体流路切替手段（７０）と、燃焼用燃料が供給される改質部（２２、２２′）に燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気の流路を切り替える第２の加熱流体流路切替手段（７１）と、熱交換群（２０、２０′）より排出される燃焼ガスが外部に排出されるように、熱交換群（２０、２０′）より排出される燃焼ガスの流路を切り替える第３の加熱流体流路切替手段（７２）とを備え、熱交換群（２０、２０′）は、改質ガス中のＣＯを除去するＣＯ除去部（２３、２３′）をさらに有しており、第１の加熱流体流路切替手段（７０）は、熱交換群（２０、２０′）における改質部（２２、２２′）とＣＯ除去部（２３、２３′）との間に燃焼用燃料が供給されるように、燃焼用燃料の流路を切り替えるように構成され、第２の加熱流体流路切替手段（７１）は、燃焼用燃料が供給される熱交換群（２０、２０′）におけるＣＯ除去部（２３、２３′）に燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気の流路を切り替えるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
このように、改質原料を改質する熱交換群（２０、２０′）で燃焼ガスを生成することにより、熱交換群（２０、２０′）を構成する改質部（２２、２２′）および加熱部（２１、２１′）を直接的に加熱することができ、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、水素生成装置における改質反応開始までの始動時間を短縮することができる。
【００１２】
さらに、ＣＯ除去部（２３、２３′）に燃焼用空気を供給することで、ＣＯ除去反応により高温となったＣＯ除去部（２３、２３′）を効率よく冷却することができる。請求項２に記載の発明ではＣＯ除去部（２３、２３′）を蓄熱体から構成している。
また、請求項３に記載の発明では、燃焼用空気は、熱交換群（２０、２０′）における改質部（２２、２２′）とＣＯ除去部（２３、２３′）との間にも供給されることを特徴としている。これにより、ＣＯ除去部（２３、２３′）に供給される燃焼用空気の流量を調整することができ、ＣＯ除去部（２３、２３′）の放熱量を調整することができる。
また、請求項４に記載の発明では、燃焼用燃料は、熱交換群（２０、２０′）における加熱部（２１、２１′）と改質部（２２、２２′）との間にも供給されることを特徴としている。これにより、加熱部（２１、２１′）および改質部（２２、２２′）に供給される燃焼用燃料の流量を調整することができ、加熱部（２１、２１′）および改質部（２２、２２′）の燃焼温度を調整することができる。
また、請求項５に記載の発明では、複数の熱交換群（２０、２０′）は、改質原料と、燃焼用燃料および燃焼用空気とが交互に供給される２個の熱交換群（２０、２０′）からなり、第３の加熱用流体流路切替手段（７２）は、一方の熱交換群（２０）から排出される排気ガスを他方の熱交換群（２０′）に供給するように一方の熱交換群（２０）の排気ガスの流路を切り替えることができるように構成されており、一方の熱交換群（２０）に燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、他方の熱交換群（２０′）に改質原料が供給されている際に、燃焼用燃料および改質原料の供給を停止し、燃焼用空気の供給を継続し、第３の加熱用流体流路切替手段（７２）を、一方の熱交換群（２０）の排気ガスを他方の熱交換群（２０′）に供給するように切り替え、一方の熱交換群（２０）内部に存在していた排気ガスを燃焼用空気で置換するとともに、他方の熱交換群（２０′）の内部に存在していた改質原料および改質ガスを一方の熱交換群（２０）から排出された排気ガスで置換することを特徴としている。
これにより、熱交換群（２０、２０′）の通過流体を切り替える際に、燃焼ガスによる加熱が行われていた熱交換群（２０、２０′）で燃焼ガスが残留し、通過流体の切り替え直後に燃焼ガスが水素消費装置に供給されるのを防止できる。
また、請求項６に記載の発明では、第２の改質原料流路切替手段（６１）は、熱交換群（２０、２０′）から水素消費装置に供給される流体の流路を外部に排出されるように切り替えることができるように構成されており、一方の熱交換群（２０）に燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、他方の熱交換群（２０′）に改質原料が供給されている際に、第２の改質原料流路切替手段（６１）を、他方の熱交換群（２０′）から水素消費装置（３０）に供給される流体の流路を外部に排出されるように切り替え、一方の熱交換群（２０）内部に存在していた排気ガスを燃焼用空気で置換するとともに、他方の熱交換群（２０′）の内部に存在していた改質原料および改質ガスを一方の熱交換群（２０）から排出された排気ガスで置換し、さらに一方の熱交換群（２０）から排出された燃焼用空気で置換することを特徴としている。
これにより、運転停止時に熱交換群（２０、２０′）の内部に改質ガスや燃焼ガスが残留するのを防止し、運転再開に備えることができる。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明では、加熱部（２１、２１′）には酸化触媒が担持されていることを特徴とし、請求項８に記載の発明では、改質部（２２、２２′）には酸化触媒が担持されていることを特徴としている。
【００１４】
これにより、加熱部（２１、２１′）や改質部（２２、２２′）にて燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスを触媒燃焼させ、燃焼ガスを生成することができる。さらに、燃焼ガスを触媒浄化作用によって完全燃焼させることができ、燃焼ガス中に含まれて排出される有害ガスを低減することができる。
【００１５】
また、請求項９に記載の発明では加熱部（２１、２１′）を蓄熱体から構成し、請求項１０に記載の発明では改質部（２２、２２′）を蓄熱体から構成している。
【００１６】
これにより、加熱部（２１、２１′）、改質部（２２、２２′）あるいはＣＯ除去部（２３、２３′）の単位面積当たりの伝熱量を大きくすることができ、熱交換効率をより高めることができる。また、蓄熱体は容易にセラミック化することができ、低コストであるとともに触媒の担持を容易に行うことができる。
【００１７】
また、請求項１１に記載の発明では、改質原料に含まれる水素化合物と、燃料供給部（４０）で供給される燃焼用燃料は、同一の炭化水素化合物を用いることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項１２に記載の発明では、燃料供給部（４０）では、水素消費装置にて利用されずに排出される水素を含んだオフガスが供給され、オフガスは燃焼用燃料の一部または全部として用いられることを特徴としている。これにより、オフガスの燃焼熱を有効に回収することができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２０】
また、請求項１３に記載の発明では、燃焼用空気は、熱交換群（２０、２０′）における加熱部（２１、２１′）と改質部（２２、２２′）との間にも供給されることを特徴としている。これにより、改質部（２２、２２′）に供給される燃焼用空気の流量を調整することができ、改質部（２２、２２′）の燃焼温度を調整することができる。
【００２６】
また、請求項１４に記載の発明では、第１の加熱流体通路切替手段（７０）は、燃焼用燃料を複数の熱交換群（２０、２０′）の２以上に同時に供給可能に構成され、第２の加熱流体通路切替手段（７１）は、燃焼用空気を複数の熱交換群（２０、２０′）の２以上に同時に供給可能に構成されていることを特徴としている。
【００２７】
これにより、複数の熱交換群（２０、２０′）において燃焼ガスによる暖機を同時に行うことができ、水素生成装置の起動性を向上させることができる。
【００２８】
また、請求項１５に記載の発明では、水素消費装置は燃料電池であることを特徴としている。
【００２９】
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。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１参考例）
以下、本発明を適用した第１参考例について図１に基づいて説明する。図１は本第１参考例の水素生成装置の概略構成を示している。
【００３１】
図１に示すように、本第１参考例の水素生成装置は、改質原料供給部１０、加熱部（燃焼部）２１、２１′、改質部２２、ＣＯ除去部２３、燃料供給部４０、空気供給部５０等を備えている。改質原料供給部１０にて生成された改質原料（改質用燃料、水、空気の混合気）は、加熱部２１にて燃焼ガスの熱で加熱・気化（蒸発）される。気化した改質原料は、改質部２２にてＨ2を含む改質ガスに改質され、ＣＯ除去部２３にてＣＯが除去された後、水素リッチガスとして燃料電池（水素消費装置）３０に供給される。燃料電池３０では、水素と酸素との化学反応により発電し、発電に用いられなかった未反応水素を含むオフガスが排出される。燃料電池３０から排出されるオフガスは、燃料供給部４０に供給され、燃焼用燃料とともに加熱部２１に供給される。
【００３２】
以下、水素生成装置の各構成要素について詳細に説明する。
【００３３】
改質原料供給部１０は、改質用燃料と水と空気とからなる改質原料を生成し、加熱部２０に供給する。改質原料供給部１０では、図示しない噴霧ノズルから改質用燃料と水が噴霧されて空気と混合され、気流干渉により微粒化と混合が促進される。改質原料供給部１０は、改質用燃料と改質用空気との混合割合を調整できるように構成されている。なお、本第１参考例では、改質用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。
【００３４】
改質原料供給部１０の下流側には、改質原料を加熱気化するための加熱部２１、２１′が複数（本第１参考例では２個）設けられている。加熱部２１、２１′は、熱エネルギを蓄える蓄熱体からなる蓄熱式熱交換器として構成されており、例えばコージェライト等の耐熱性セラミックを用いることができる。加熱部２１、２１′を構成する蓄熱体は多数の貫通孔（セル）が形成されたハニカム構造となっており、貫通孔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）が添着（担持）されている。
【００３５】
本第１参考例の加熱部２１、２１′は、燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスを燃焼させる燃焼部を構成している。加熱部２１、２１′には、改質原料と交互に、燃料供給部４０から燃焼用燃料が供給され、空気供給部５０から燃焼用空気が供給される。加熱部２１、２１′に供給された燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスは、酸化触媒上で触媒燃焼し、高温の燃焼ガスを生ずる。触媒燃焼によって発生した熱は蓄熱体に貯えられ、次に加熱部２１、２１′に改質原料が通過する際に、燃焼熱で改質原料が加熱される。このように、加熱部２１、２１′では、通過流体が切り替えられることにより、改質原料を加熱する加熱部としての機能と、燃焼ガスを発生する燃焼部としての機能が交互に切り替わる。
【００３６】
加熱部２１、２１′の下流側には、改質部２２が設けられている。加熱部２１、２１′で加熱気化された改質原料は改質部２２に供給される。改質部２２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２２は、加熱部２１、２１′で気化した改質原料を部分酸化（発熱反応）し、この発熱により水蒸気改質（吸熱反応）を行う部分酸化改質器である。改質部２２では、改質反応の結果、Ｈ2とＣＯを含んだ改質ガスを生成する。なお、本第１参考例のように改質用炭化水素化合物として液体石油系燃料を用いた場合、安定した改質反応を維持するためには改質部２２は７００℃程度になっている必要がある。
【００３７】
改質部２２の下流側には、改質ガスからＣＯを除去するためのＣＯ除去部２３が設けられている。ＣＯ除去部２３は、ＣＯシフト部とＣＯ浄化部とから構成される。ＣＯシフト部にはＣＯシフト反応（Ｈ2Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ2＋Ｈ2＋ＣＯ）のためのシフト触媒が設けられ、ＣＯ浄化部にはＣＯ浄化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2）のための浄化触媒が設けられている。
【００３８】
ＣＯ除去部２３の下流側は、水素消費装置としての燃料電池３０に接続されており、水素を含んだ改質ガスが供給される。燃料電池には、水素とともに空気（酸素）が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池３０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、発電に用いられなかった未反応酸素を含んだオフエアが排出される。
【００３９】
燃料電池３０から排出されたオフガスは、オフガス通路４１を介して燃料供給部４０に供給される。燃料供給部４０は、燃焼用燃料を加熱部２１に供給するように構成されており、燃焼用燃料とともにオフガスを加熱部２１に供給する。これにより、燃焼用燃料とともにオフガスも加熱部２１にて燃焼する。なお、本第１参考例では、燃料供給部４０で用いられる燃焼用燃料として、改質原料供給部１０で供給される改質用燃料と同一の炭化水素化合物（液体石油系燃料）を用いている。
【００４０】
空気供給部５０は、例えばブロワにより燃焼用燃料の燃焼に必要となる燃焼用空気を加熱部２１に供給する。燃焼用空気は燃焼用燃料と混合された混合ガスとして加熱部２１、２１′に供給される。
【００４１】
本第１参考例の水素生成装置には、改質原料と燃焼用燃料・燃焼用空気を交互に加熱部２１に供給するための通過流体切替手段として、改質原料流路切替弁（第１の改質原料流路切替手段）６０、改質ガス流路切替弁（第２の改質原料流路切替手段）６１、燃焼用燃料流路切替弁（第１の加熱流体流路切替手段）７０、燃焼用空気流路切替弁（第２の加熱流体流路切替手段）７１、排気ガス流路切替弁（第３の加熱流体流路切替手段）７２が設けられている。
【００４２】
改質原料流路切替弁６０は、改質原料供給部１０から供給される改質原料がいずれかの加熱部２１、２１′に供給されるように改質原料の流路を切り替える。改質ガス流路切替弁６１は、改質原料流路切替弁６０に連動して作動し、加熱部２１、２１′で加熱された改質原料が改質部２２に供給されるように、加熱部２１、２１′で加熱された改質原料の流路を切り替える。
【００４３】
燃料流路切替弁７０は、改質原料が供給されていない加熱部２１、２１′に燃焼用燃料が供給されるように、燃料供給部４０から供給される燃焼用燃料の流路を切り替える。空気流路切替弁７１は、燃料流路切替弁７０に連動して作動し、燃焼用燃料が供給される加熱部２１、２１′に燃焼用空気が供給されるように、空気供給部５０から供給される燃焼用空気の流路を切り替える。
【００４４】
排気ガス流路切替弁７２は、燃焼用燃料流路切替弁７０および空気流路切替弁７１に連動して作動し、燃焼用燃料・燃焼用空気が燃焼した後、加熱部２１、２１′から排出される燃焼ガスが外部に排出されるように、加熱部２１、２１′より排出される燃焼ガスの流路を切り替える。
【００４５】
以下、上記構成の水素供給装置の作動について説明する。改質部２２において改質反応が開始するためには、改質部２２に供給される改質原料が蒸発・気化しており、かつ改質部２２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。
【００４６】
そこで、まず燃料供給部４０および空気供給部５０から燃焼用燃料および燃焼用空気を第１の加熱部２１に供給する。燃焼用燃料および燃焼用空気は混合ガスとなり、第１の加熱部２１にて触媒燃焼し燃焼ガスとなり、外部に排出される。燃焼ガスの熱は第１の加熱部２１を構成する蓄熱体に貯えられ、第１の加熱部２１が昇温する。これにより、第１の加熱部２１の暖機が速やかに行われる。
【００４７】
次に、燃焼熱により高温となっている第１の加熱部２１に改質原料を供給するように、改質原料流路切替弁６０を切り替え、改質ガス流路切替弁６１も連動して切り替える。同時に、第２の加熱部２１′に燃焼用燃料および燃焼用空気を供給するように、燃焼用燃料流路切替弁７０と燃焼用空気流路切替弁７１とを切り替え、これらに連動して排気ガス流路切替弁７２も切り替える。
【００４８】
高温となっている第１の加熱部２１では、改質原料が加熱気化され、改質部２２に供給される。改質部２２は高温の改質原料で加熱され昇温し、改質反応により水素とＣＯを含んだ改質ガスが生成される。改質ガスはＣＯ除去部２３にてＣＯが除去され、水素リッチガスとして燃料電池３０に供給される。燃料電池３０では、水素と酸素との化学反応により発電を開始する。燃料電池１０では、発電に用いられなかった未反応水素を含むオフガスが排出される。燃料電池３０から排出されるオフガスは、燃料供給部４０に供給され、燃焼用燃料とともに第２の加熱部２１′に供給される。
【００４９】
燃焼用燃料および燃焼用空気とが供給された第２の加熱部２１′でも触媒燃焼が開始され、第２の加熱部２１′を構成する蓄熱体に燃焼熱が貯えられる。これにより、第２の加熱部２１′の暖機が行われる。
【００５０】
以降、改質原料流路切替弁６０、改質ガス流路切替弁６１、燃焼用燃料流路切替弁７０、燃焼用空気流路切替弁７１、排気ガス流路切替弁７２を切り替えることにより、第１の加熱部２１と第２の加熱部２１′の通過流体を交互に切り替えることで、これらの加熱部２１、２１′では燃焼ガスの燃焼による昇温（蓄熱）と改質原料の加熱気化とを交互に繰り返し行うこととなる。
【００５１】
以上、本第１参考例のように、改質原料を加熱気化する加熱部２１、２１′で燃焼ガスを生成することにより、加熱部２１、２１′を直接的に加熱することができ、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、水素生成装置における改質反応開始までの始動時間を短縮することができる。
【００５２】
また、複数の加熱部２１、２１′の一方で燃焼ガスの燃焼による昇温（蓄熱）を行い、他方で改質原料の加熱気化を行うことで、改質部２２に気化された改質原料を連続して供給することができる。
【００５３】
また、本第１参考例のような通過流体を交互に切り替えるバッチ式の蓄熱体であれば、回転蓄熱体を用いた場合に発生するシール漏れや移送漏れによるガス漏れを防ぐことができる。
【００５４】
（第２参考例）
次に、本発明の第２参考例について図２に基づいて説明する。本第２参考例は、上記第１参考例に比較して、改質部２２の構成が異なるものである。上記第１参考例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。
【００５５】
図２は本第２参考例の水素生成装置の概略構成を示している。図２に示すように、本第２参考例では、加熱部２１、２１′と改質部２２、２２′は同数設けられており、加熱部２１、２１′と改質部２２、２２′とからなる熱交換群２０、２０′が複数（本第２参考例では２個）構成されている。
【００５６】
本第２参考例の改質部２２、２２′は、加熱部２１、２１′と同様な構成の蓄熱体からなる蓄熱式熱交換器として構成されている。改質部２２、２２′を構成する蓄熱体は、加熱部２１、２１′と同様の多数の貫通孔（セル）が形成されたハニカム構造となっており、貫通孔の表面には改質触媒に加えて、酸化触媒が添着（坦持）されている。
【００５７】
本第２参考例の改質ガス流路切替弁（第２の改質原料流路切替手段）６１は、改質原料供給部１０より改質原料が供給された熱交換群２０、２０′で生成された改質ガスが、ＣＯ除去部２３を通過した後に燃料電池３０に供給されるように、複数の熱交換群２０、２０′で生成された改質ガスの流路を切り替える。なお、改質ガス流路切替弁６１は改質原料流路切替弁６０に連動して作動する。
【００５８】
また、燃焼用燃料流路切替弁（第１の加熱流体流路切替手段）７０は、改質原料が供給されていない熱交換群２０、２０′における改質部２２、２２′に燃焼用燃料が供給されるように、燃焼用燃料の流路を切り替える。さらに、燃焼用空気流路切替弁（第２の加熱流体流路切替手段）７１は、燃焼用燃料流路切替弁７０に連動して、燃焼用燃料が供給される熱交換群２０、２０′における改質部２２、２２′に燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気の流路を切り替える。
【００５９】
これらの改質原料流路切替弁６０、改質ガス流路切替弁６１、燃焼用燃料流路切替弁７０、燃焼用空気流路切替弁７１、排気ガス流路切替弁７２を切り替えることにより、それぞれの熱交換群２０、２０′では改質原料と燃焼用燃料・燃焼用空気とが交互に供給される。
【００６０】
熱交換群２０、２０′に燃焼用燃料と燃焼用空気とが供給された場合には、改質部２２、２２′において燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスが触媒燃焼し、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、改質部２２、２２′と加熱部２１、２１′を昇温するとともに、加熱部２１、２１′における触媒燃焼で燃焼ガス中の未燃成分が完全燃焼され浄化される。このように、改質部２２、２２′は燃焼ガスを生成する燃焼部をも構成し、加熱部２１、２１′は燃焼ガスを浄化する浄化部をも構成する。
【００６１】
改質部２２、２２′では、通過流体が切り替えられることにより、改質原料を改質する改質部としての機能と、燃焼ガスを生成する燃焼部としての機能が交互に切り替わる。また、加熱部２１、２１′では、通過流体が切り替えられることにより、改質原料を加熱する加熱部としての機能と、燃焼ガスを浄化する浄化部としての機能が交互に切り替わる。
【００６２】
以下、本第２参考例の水素生成装置の作動について説明する。
【００６３】
まず、第１の熱交換群２０に燃焼用燃料および燃焼用空気が供給されることにより、第１の改質部２２にて燃焼ガスが生成し、この燃焼ガスにより第１の改質部２２および第１の加熱部２１が加熱され、燃焼熱は第１の改質部２２および第１の加熱部２１をそれぞれ構成している蓄熱体に貯えられる。これにより、第１の加熱部２２および第１の加熱部２１の暖機が速やかに行われる。
【００６４】
このとき、加熱部２１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２２は改質反応のために例えば４００〜７００℃程度と、加熱部２１より高温になっている必要がある。本第２参考例では、燃焼ガスは改質部２２で生成された後に加熱部２１を通過するため、改質部２２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。
【００６５】
次に、燃焼ガスにより高温となった第１の熱交換部２０に改質原料を供給するように、改質原料流路切替弁６０を切り替え、改質ガス流路切替弁６１も連動して切り替える。同時に、第２の熱交換部２０′に燃焼用燃料および燃焼用空気を供給するように、燃焼用燃料流路切替弁７０と燃焼用空気流路切替弁７１とを切り替え、これらに連動して排気ガス流路切替弁７２も切り替える。
【００６６】
高温となっている第１の加熱部２１では、改質原料が加熱気化され、第１の改質部２２に供給される。同様に高温となっている改質部２２では、改質反応により水素とＣＯを含んだ改質ガスが生成される。改質ガスはＣＯ除去部２３にてＣＯが除去され、水素リッチガスとして燃料電池３０に供給される。燃料電池３０では、水素と酸素との化学反応により発電を開始する。燃料電池１０では、発電に用いられなかった未反応水素を含むオフガスが排出される。燃料電池３０から排出されるオフガスは、燃料供給部４０に供給され、燃焼用燃料とともに第２の熱交換部２０′における第２の改質部２２′に供給される。
【００６７】
燃焼用燃料および燃焼用空気とが供給された第２の熱交換群２０′における第２の改質部２２′でも触媒燃焼が開始され、第２の改質部２２′および第２の加熱部２１′を構成する蓄熱体に燃焼熱が貯えられる。これにより、第２の熱交換群２０′の暖機が行われる。
【００６８】
以降、改質原料流路切替弁６０、改質ガス流路切替弁６１、燃焼用燃料流路切替弁７０、燃焼用空気流路切替弁７１、排気ガス流路切替弁７２を切り替えることにより、第１の熱交換群２０と第２の熱交換群２０′の通過流体を交互に切り替えることで、これらの熱交換群２０、２０′では燃焼ガスの燃焼による昇温（蓄熱）と改質原料の改質とを交互に繰り返し行うこととなる。
【００６９】
以上、本第２参考例のように、改質原料を改質する熱交換群２０、２０′で燃焼ガスを生成することにより、熱交換群２０、２０′を構成する改質部２２、２２′および加熱部２１、２１′を直接的に加熱することができ、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、水素生成装置における改質反応開始までの始動時間を短縮することができる。
【００７０】
また、改質部２２、２２′で生成した燃焼ガスは、加熱部２１、２１′における触媒燃焼で燃焼ガス中の未燃成分が完全燃焼される。これにより、熱交換群２０、２０′から排出される排気ガス中の有害成分を低減することができる。
【００７１】
（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について図３、図４に基づいて説明する。本第１実施形態は、上記第２参考例に比較して、ＣＯ除去部２３の構成が異なるものである。上記各参考例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。
【００７２】
図３は本第１実施形態の水素生成装置の概略構成を示している。図３に示すように、本第１実施形態では、加熱部２１、２１′と改質部２２、２２′とＣＯ除去部２３、２３′は同数設けられており、加熱部２１、２１′と改質部２２、２２′とＣＯ除去部２３、２３′とからなる熱交換群２０、２０′が複数（本第１実施形態では２個）構成されている。本第１実施形態のＣＯ除去部２３、２３′は、加熱部２１、２１′および改質部２２、２２′と同様な構成の蓄熱体からなる蓄熱式熱交換器として構成されている。
【００７３】
図４は本第１実施形態の熱交換群２０、２０′の構成を示している。図４に示すように、ケーシング２００、２００′により流体通路が構成され、ケーシング２００、２００′内部に熱交換群２０、２０′を構成する加熱部２１、２１′、改質部２２、２２′、ＣＯ除去部２３、２３′が順に形成されている。また、改質部２２、２２′とＣＯ除去部２３、２３′との間には、燃料供給部４０より供給される燃焼用燃料を均一に改質部２２、２２′に供給するための拡散部２４、２４′が設けられている。
【００７４】
本第１実施形態の改質ガス流路切替弁（第２の改質原料流路切替手段）６１は、改質原料流路切替弁６０に連動して作動する。改質ガス流路切替弁６１は、改質原料供給部１０より改質原料が供給された熱交換群２０、２０′で生成された改質ガスが燃料電池３０に供給されるように、複数の熱交換群２０、２０′で生成された改質ガスの流路を切り替える。
【００７５】
また、燃焼用燃料流路切替弁（第１の加熱流体流路切替手段）７０は、改質原料が供給されていない熱交換群２０、２０′における改質部２２、２２′とＣＯ除去部２３、２３′との間に燃焼用燃料が供給されるように、燃焼用燃料の流路を切り替える。さらに、燃焼用空気流路切替弁（第２の加熱流体流路切替手段）７１は、燃焼用燃料流路切替弁７０に連動して、燃焼用燃料が供給される熱交換群２０、２０′におけるＣＯ除去部２３、２３′に燃焼用空気が供給されるように、燃焼用空気の流路を切り替える。
【００７６】
これにより、燃焼用燃料は、ＣＯ除去部２３、２３′の下流側であって改質部２２、２２′の上流側に供給され、改質部２２、２２′に流入する。燃焼用空気は、ＣＯ除去部２３、２３′を通過した後で、燃焼用燃料とともに下流側の改質部２２、２２′に流入する。
【００７７】
これらの改質原料流路切替弁６０、改質ガス流路切替弁６１、燃焼用燃料流路切替弁７０、燃焼用空気流路切替弁７１、排気ガス流路切替弁７２を切り替えることにより、それぞれの熱交換群２０、２０′では改質原料と燃焼用燃料・燃焼用空気とが交互に供給される。
【００７８】
熱交換群２０、２０′に燃焼用燃料と燃焼用空気とが供給された場合には、ＣＯ除去部２３、２３′には燃焼用空気のみが供給される。ＣＯ除去部２３、２３′におけるＣＯ除去反応は発熱反応であるため、ＣＯ除去反応後はＣＯ除去部２３、２３′を構成する蓄熱体は高温となっている。従って、ＣＯ除去部２３、２３′に燃焼用空気が供給されることで、ＣＯ除去部２３、２３′を構成する蓄熱体は空冷され、燃焼用空気は昇温される。ＣＯ除去部２３、２３′を通過した燃焼用空気は、燃焼用燃料とともに改質部２２、２２′に供給されて燃焼ガスとなる。燃焼ガスは、改質部２２、２２′と加熱部２１、２１′を昇温するとともに加熱部２１、２１′にて浄化される。
【００７９】
このようにＣＯ除去部２３、２３′は、通過流体が切り替えられることにより、改質ガスからＣＯを除去するＣＯ除去部としての機能と、燃焼用空気により空冷される放熱部としての機能が交互に切り替わる。
【００８０】
このような本第１実施形態の構成によれば、上記第２参考例と同様に、燃焼ガスにより改質部２２、２２′と加熱部２１、２１′を直接的に加熱して速やかに改質反応開始温度まで昇温させることができ、水素生成装置における改質反応開始までの始動時間を短縮することができる。さらに、本第１実施形態の構成によれば、熱交換群２０、２０′の通過流体を切り替えることで、ＣＯ除去反応により高温となったＣＯ除去部２３、２３′を効率よく冷却することができる。
【００８１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、空気供給装置５０から供給される燃焼用空気の供給部位が異なるものである。上記各参考例及び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。
【００８２】
図５は本第２実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図５に示すように、空気供給装置５０から供給される燃焼用空気の供給経路は、ＣＯ除去部２３、２３′の上流側と、ＣＯ除去部２３、２３′および改質部２２、２２′の間とに分岐している。
【００８３】
燃焼用空気供給経路における燃焼用空気の分岐点には、ＣＯ除去部２３、２３′に供給される燃焼用空気の流量を制御する空気流量制御弁（空気流量制御手段）５１、５１′が設けられている。空気流量制御弁５１、５１′は、ＣＯ除去部２３、２３′の上流側に供給される空気流量と、改質部２２、２２′の上流側に供給される空気流量とを制御することができるように構成されている。
【００８４】
改質部２２、２２′の上流側に供給される燃焼用空気は、ＣＯ除去部２３、２３′をバイパスすることとなる。従って、空気流量制御弁５１、５１′によりＣＯ除去部２３、２３′に供給される燃焼用空気の流量を制御することで、ＣＯ除去部２３、２３′における放熱量を任意に調整することができる。
【００８５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態に比較して、空気供給装置５０から供給される燃焼用空気の供給部位が異なるものである。上記各参考例及び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。
【００８６】
図６は本第３実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図６に示すように、空気供給装置５０から供給される燃焼用空気の供給経路は、ＣＯ除去部２３、２３′の上流側と、ＣＯ除去部２３、２３′および改質部２２、２２′の間と、改質部２２、２２′および加熱部２１、２１′の間とに分岐している。
【００８７】
燃焼用空気経路における燃焼用空気の分岐点には、ＣＯ除去部２３、２３′に供給される燃焼用空気の流量を制御する第１の空気流量制御弁（第１の空気流量制御手段）５１、５１′と、改質部２２、２２′に供給される燃焼用空気の流量を制御する第２の空気流量制御弁（第２の空気流量制御手段）５２、５２′とが設けられている。
【００８８】
第１の空気流量制御弁５１、５１′は、ＣＯ除去部２３、２３′の上流側に供給される空気流量と、改質部２２、２２′の上流側および加熱部２１、２１′の上流側に供給される空気流量とを制御する。第２の空気流量制御弁５２、５２′は、改質部２２、２２′の上流側に供給される空気流量と、加熱部２１、２１′の上流側に供給される空気流量とを制御する。
【００８９】
加熱部２１、２１′の上流側に供給される燃焼用空気は、改質部２２、２２′をバイパスすることとなる。従って、第２の空気流量制御弁５２、５２′により改質部２２、２２′に供給される燃焼用空気の流量を制御することで、改質部２２、２２′における燃焼量を任意に調整することができ、燃焼温度を任意に調整することができる。
【００９０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図７に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第３実施形態に比較して、燃料供給装置４０から供給される燃焼用燃料の供給部位が異なるものである。上記各参考例及び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。
【００９１】
図７は本第４実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図７に示すように、燃料供給装置４０から供給される燃焼用燃料の供給経路は、ＣＯ除去部２３、２３′および改質部２２、２２′の間と、改質部２２、２２′および加熱部２１、２１′の間とに分岐している。燃焼用燃料供給経路における燃焼用燃料の分岐点には、ＣＯ除去部２３、２３′および加熱部２１、２１′に供給される燃焼用燃料の流量を制御する燃料流量制御弁（燃料流量制御手段）４１、４１′が設けられている。
【００９２】
また、燃焼用燃料供給経路には、燃焼用燃料を第１の熱交換群２０における加熱部２１の上流側に供給するか、あるいは第２の熱交換群２０′における加熱部２１′の上流側に供給するかを切り替える燃焼用燃料流路切替弁（第４の加熱流体流路切替手段）７３が設けられている。燃焼用燃料流路切替弁７３は、燃焼用燃料流路切替弁７０や燃焼用空気流路切替弁７１と連動して作動する。
【００９３】
以上、本第４実施形態の構成によれば、燃料流量制御弁４１、４１′により、改質部２２、２２′に供給される燃焼用燃料の流量と、加熱部２１、２１′に供給される燃焼用燃料の流量とを制御することで、改質部２２、２２′と加熱部２１、２１′における燃焼量を任意に調整することができ、それぞれの燃焼温度を任意に調整することができる。
【００９４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図８に基づいて説明する。上記各参考例及び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。
【００９５】
図８は本第５実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図８に示すように、本第５実施形態の排気ガス流路切替弁（第３の加熱流体切替手段）７２は、一方の熱交換群２０から排出された排気ガスを他方の熱交換群２０′に供給するように、排気ガスの流路を切り替えることができるように構成されている。
【００９６】
以下、本第５実施形態の水素生成装置における通過流体を切り替える際の作動について説明する。なお、第１の熱交換群２０で燃焼ガスによる加熱が行われ、第２の熱交換群２０′で改質ガスの生成が行われているものとする。
【００９７】
第１の熱交換群２０および第２の熱交換群２０′の通過流体を切り替える際に、改質原料供給部１０からの改質原料の供給を停止し、燃料供給部４０からの燃焼用燃料の供給を停止する。同時に、排気ガス流路制御弁７２により、第１の熱交換群２０の排気ガスが第２の熱交換群２０′に供給されるように、排気ガスの流路を切り替える。
【００９８】
第１の熱交換群２０には空気供給部５０より空気のみが供給される。第１の熱交換群２０の内部に存在していた燃焼ガスは、空気に押し出され、第２の熱交換群２０′に流入する。これにより、第１の熱交換群２０の内部は、燃焼ガスから空気に置換される。第２の熱交換群２０′の内部に存在していた改質ガスは、燃焼ガスに押し出され、燃焼電池３０に供給される。これにより、第２の熱交換群２０′の内部は、改質ガスから燃焼ガスに置換される。このとき燃焼ガスの熱は、第２の熱交換群２０′の構成要素である各蓄熱体で回収される。
【００９９】
各流路切替弁６０、６１、７０、７１、７２は、第２の熱交換部２０′に流入した燃焼ガスが燃料電池３０に供給される前に、各流体の流路を切り替える。これにより、第１の熱交換群２０には改質原料が供給され、第２の熱交換群２０′には燃焼用燃料および燃焼用空気が供給される。
【０１００】
このとき、第１の熱交換群２０の内部は空気に置換されているので、通過流体の切り替え直後に燃料電池３０に燃焼ガスが供給されるのを防止できる。また、通過流体の切り替え直後に第２の熱交換群２０′の内部に存在している燃焼ガスは、燃焼用空気に押し出され、排気ガスとして排出される。
【０１０１】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図９に基づいて説明する。上記各参考例及び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。
【０１０２】
図９は本第６実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図９に示すように、本第６実施形態の改質ガス流路切替弁（第１の改質原料流路切替手段）６１は、熱交換群２０、２０′におけるＣＯ除去部２３、２３′から排出される流体を燃料電池３０ではなく大気に排出するように、流体の流路を切り替えることができるように構成されている。
【０１０３】
以下、本第６実施形態の水素生成装置における運転終了時の作動について説明する。なお、第１の熱交換群２０で燃焼ガスによる加熱が行われ、第２の熱交換群２０′で改質ガスの生成が行われているものとする。
【０１０４】
第１の熱交換群２０および第２の熱交換群２０′の通過流体を切り替える際に、改質原料供給部１０からの改質原料の供給を停止し、燃料供給部４０からの燃焼用燃料の供給を停止する。同時に、改質ガス流路切替弁６１により、第２の熱交換群２０′のＣＯ除去部２３′から排出される流体を大気に排出するよう流体の流路を切り替え、排気ガス流路制御弁７２により、第１の熱交換群２０の排気ガスが第２の熱交換群２０′に供給されるように、排気ガスの流路を切り替える。
【０１０５】
第１の熱交換群２０には空気供給部５０より空気のみが供給される。第１の熱交換群２０の内部に存在していた燃焼ガスは、空気により押し出され、第２の熱交換群２０′に流入する。これにより、第１の熱交換群２０の内部は、燃焼ガスから空気に置換される。第２の熱交換群２０′の内部に存在していた改質ガスは燃焼ガスに押し出され、燃焼ガスは空気に押し出され、外部に排出される。これにより、第２の熱交換群２０′の内部は、改質ガスから燃焼ガスを介して空気に置換される。
【０１０６】
その後、空気供給装置５０による空気供給を停止し、水素生成装置の運転を停止する。このとき、熱交換群２０、２０′の内部は空気に置換されているので、熱交換群２０、２０′の内部に燃焼ガスあるいは改質原料、改質ガスが残留したまま運転を終了することを防止できる。これにより、次回の運転再開に備えることができる。
【０１０７】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図１０に基づいて説明する。上記各参考例及び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。
【０１０８】
図１０は本第７実施形態の水素生成装置の全体構成を示している。図１０に示すように、燃焼用燃料流路切替弁７０は、第１、第２の熱交換群２０、２０′に同時に燃焼用燃料を供給するように燃焼用燃料の流路を切り替え可能に構成されている。燃焼用空気流路切替弁７１は、第１、第２の熱交換群２０、２０′に同時に燃焼用空気を供給するように燃焼用空気の流路を切り替え可能に構成されている。排気ガス流路切替弁７２は、第１、第２の熱交換群２０、２０′から排出される排気ガスを同時に外部に排出できるように排気ガスの流路を切り替え可能に構成されている。
【０１０９】
このような構成により、水素生成装置の始動時において、第１、第２の熱交換群２０、２０′の双方で燃焼ガスを生成することができ、同時に暖機を行うことができる。これにより、水素生成装置の起動性を向上させることができる。
【０１１０】
（他の実施形態）
なお、上記各参考例及び実施形態では、加熱部２１、２１′や熱交換群２０、２０′を２つ設けたが、これに限らず、熱交換群を３つ以上設けてもよい。
【０１１１】
また、上記第２参考例では、加熱部２１、２１′および改質部２２、２２′の双方に酸化触媒を設けたが、加熱部２１、２１′では酸化触媒を設けずに、熱交換により燃焼ガスの熱を改質原料に伝える加熱部としての機能を有するように構成してもよい。
【０１１２】
また、上記各参考例及び実施形態では、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る。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図２】 第２参考例の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図３】 第１実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図４】 第１実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図５】 第２実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図６】 第３実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図７】 第４実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図８】 第５実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図９】 第６実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【図１０】 第７実施形態の水素生成装置の全体構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１０…改質原料供給部、２０、２０′…熱交換群、２１、２１′…加熱部、２２、２２′…改質部、２３、２３′…ＣＯ除去部、３０…燃料電池（水素消費装置）、４０…燃料供給部、５０…空気供給部、６０…改質原料流路切替弁（第１の改質原料流路切替手段）、６１…改質ガス流路切替弁（第２の改質原料流路切替手段）、７０…燃焼用燃料流路切替弁（第１の加熱用流体流路切替手段）、７１…燃焼用空気流路切替弁（第２の加熱用流体流路切替手段）、７２…排気ガス流路切替弁（第３の加熱用流体流路切替手段）。
Claims (15)
- 水素消費装置に供給する水素を生成する水素生成装置であって、
改質原料を加熱する加熱部（２１、２１′）と、前記加熱部（２１、２１′）で加熱された改質原料を水素に改質し、水素を含んだ改質ガスを生成する改質部（２２、２２′）とを有し、水素化合物を含む改質原料と、燃焼用燃料および燃焼用空気を含む混合ガスとが交互に供給され、前記混合ガスが供給された際に前記混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の熱交換群（２０、２０′）と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記改質原料を供給する改質原料供給部（１０）と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記燃焼用燃料を供給する燃料供給部（４０）と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記燃焼用空気を供給する空気供給部（５０）と、
前記改質原料が前記複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つに供給されるように前記改質原料の流路を切り替える第１の改質原料流路切替手段（６０）と、
前記改質原料供給部（１０）より改質原料が供給された熱交換群（２０、２０′）で生成された前記改質ガスが水素消費装置（３０）に供給されるように、前記複数の熱交換群（２０、２０′）で生成された前記改質ガスの流路を切り替える第２の改質原料流路切替手段（６１）と、
前記改質原料が供給されていない前記複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つにおける前記改質部（２２、２２′）に前記燃焼用燃料が供給されるように、前記燃焼用燃料の流路を切り替える第１の加熱流体流路切替手段（７０）と、
前記燃焼用燃料が供給される前記改質部（２２、２２′）に前記燃焼用空気が供給されるように、前記燃焼用空気の流路を切り替える第２の加熱流体流路切替手段（７１）と、
前記熱交換群（２０、２０′）より排出される前記燃焼ガスが外部に排出されるように、前記熱交換群（２０、２０′）より排出される前記燃焼ガスの流路を切り替える第３の加熱流体流路切替手段（７２）とを備え、
前記熱交換群（２０、２０′）は、前記改質ガス中のＣＯを除去するＣＯ除去部（２３、２３′）をさらに有しており、
前記第１の加熱流体流路切替手段（７０）は、前記熱交換群（２０、２０′）における前記改質部（２２、２２′）と前記ＣＯ除去部（２３、２３′）との間に前記燃焼用燃料が供給されるように、前記燃焼用燃料の流路を切り替えるように構成され、
前記第２の加熱流体流路切替手段（７１）は、前記燃焼用燃料が供給される熱交換群（２０、２０′）における前記ＣＯ除去部（２３、２３′）に前記燃焼用空気が供給されるように、前記燃焼用空気の流路を切り替えるように構成されていることを特徴とする水素生成装置。 - 前記ＣＯ除去部（２３、２３′）は蓄熱体から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
- 前記燃焼用空気は、前記熱交換群（２０、２０′）における前記改質部（２２、２２′）と前記ＣＯ除去部（２３、２３′）との間にも供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の水素供給装置。
- 水素消費装置に供給する水素を生成する水素生成装置であって、
改質原料を加熱する加熱部（２１、２１′）と、前記加熱部（２１、２１′）で加熱された改質原料を水素に改質し、水素を含んだ改質ガスを生成する改質部（２２、２２′）とを有し、水素化合物を含む改質原料と、燃焼用燃料および燃焼用空気を含む混合ガスとが交互に供給され、前記混合ガスが供給された際に前記混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の熱交換群（２０、２０′）と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記改質原料を供給する改質原料供給部（１０）と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記燃焼用燃料を供給する燃料供給部（４０） と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記燃焼用空気を供給する空気供給部（５０）と、
前記改質原料が前記複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つに供給されるように前記改質原料の流路を切り替える第１の改質原料流路切替手段（６０）と、
前記改質原料供給部（１０）より改質原料が供給された熱交換群（２０、２０′）で生成された前記改質ガスが水素消費装置（３０）に供給されるように、前記複数の熱交換群（２０、２０′）で生成された前記改質ガスの流路を切り替える第２の改質原料流路切替手段（６１）と、
前記改質原料が供給されていない前記複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つにおける前記改質部（２２、２２′）に前記燃焼用燃料が供給されるように、前記燃焼用燃料の流路を切り替える第１の加熱流体流路切替手段（７０）と、
前記燃焼用燃料が供給される前記改質部（２２、２２′）に前記燃焼用空気が供給されるように、前記燃焼用空気の流路を切り替える第２の加熱流体流路切替手段（７１）と、
前記熱交換群（２０、２０′）より排出される前記燃焼ガスが外部に排出されるように、前記熱交換群（２０、２０′）より排出される前記燃焼ガスの流路を切り替える第３の加熱流体流路切替手段（７２）とを備え、
前記燃焼用燃料は、前記熱交換群（２０、２０′）における前記加熱部（２１、２１′）と前記改質部（２２、２２′）との間にも供給されることを特徴とする水素供給装置。 - 水素消費装置に供給する水素を生成する水素生成装置であって、
改質原料を加熱する加熱部（２１、２１′）と、前記加熱部（２１、２１′）で加熱された改質原料を水素に改質し、水素を含んだ改質ガスを生成する改質部（２２、２２′）とを有し、水素化合物を含む改質原料と、燃焼用燃料および燃焼用空気を含む混合ガスとが交互に供給され、前記混合ガスが供給された際に前記混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の熱交換群（２０、２０′）と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記改質原料を供給する改質原料供給部（１０）と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記燃焼用燃料を供給する燃料供給部（４０）と、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）に前記燃焼用空気を供給する空気供給部（５０）と、
前記改質原料が前記複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つに供給されるように前記改質原料の流路を切り替える第１の改質原料流路切替手段（６０）と、
前記改質原料供給部（１０）より改質原料が供給された熱交換群（２０、２０′）で生成された前記改質ガスが水素消費装置（３０）に供給されるように、前記複数の熱交換群（２０、２０′）で生成された前記改質ガスの流路を切り替える第２の改質原料流路切替手段（６１）と、
前記改質原料が供給されていない前記複数の熱交換群（２０、２０′）の少なくとも１つにおける前記改質部（２２、２２′）に前記燃焼用燃料が供給されるように、前記燃焼用燃料の流路を切り替える第１の加熱流体流路切替手段（７０）と、
前記燃焼用燃料が供給される前記改質部（２２、２２′）に前記燃焼用空気が供給されるように、前記燃焼用空気の流路を切り替える第２の加熱流体流路切替手段（７１）と、
前記熱交換群（２０、２０′）より排出される前記燃焼ガスが外部に排出されるように、前記熱交換群（２０、２０′）より排出される前記燃焼ガスの流路を切り替える第３の加熱流体流路切替手段（７２）とを備え、
前記複数の熱交換群（２０、２０′）は、前記改質原料と、前記燃焼用燃料および前記燃焼用空気とが交互に供給される２個の熱交換群（２０、２０′）からなり、
前記第３の加熱用流体流路切替手段（７２）は、一方の前記熱交換群（２０）から排出される前記排気ガスを他方の前記熱交換群（２０′）に供給するように前記一方の熱交換群（２０）の排気ガスの流路を切り替えることができるように構成されており、
前記一方の熱交換群（２０）に前記燃焼用燃料および前記燃焼用空気が供給され、前記他方の熱交換群（２０′）に前記改質原料が供給されている際に、前記燃焼用燃料および前記改質原料の供給を停止し、前記燃焼用空気の供給を継続し、前記第３の加熱用流体流路切替手段（７２）を、前記一方の熱交換群（２０）の前記排気ガスを他方の前記熱交換群（２０′）に供給するように切り替え、
前記一方の熱交換群（２０）内部に存在していた排気ガスを前記燃焼用空気で置換するとともに、前記他方の熱交換群（２０′）の内部に存在していた前記改質原料および前記改質ガスを前記一方の熱交換群（２０）から排出された排気ガスで置換することを特徴とする水素生成装置。 - 前記第２の改質原料流路切替手段（６１）は、前記熱交換群（２０、２０′）から前記水素消費装置に供給される流体の流路を外部に排出されるように切り替えることができるように構成されており、
前記一方の熱交換群（２０）に前記燃焼用燃料および前記燃焼用空気が供給され、前記他方の熱交換群（２０′）に前記改質原料が供給されている際に、前記第２の改質原料流路切替手段（６１）を、前記他方の熱交換群（２０′）から前記水素消費装置（３０）に供給される流体の流路を外部に排出されるように切り替え、
前記一方の熱交換群（２０）内部に存在していた排気ガスを前記燃焼用空気で置換するとともに、前記他方の熱交換群（２０′）の内部に存在していた前記改質原料および前記改質ガスを前記一方の熱交換群（２０）から排出された排気ガスで置換し、さらに前記一方の熱交換群（２０）から排出された前記燃焼用空気で置換することを特徴とする請求項５に記載の水素生成装置。 - 前記加熱部（２１、２１′）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１ないし６のいずれか１つに記載の水素生成装置
- 前記改質部（２２、２２′）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１ないし７のいずれか１つに記載の水素生成装置
- 前記加熱部（２１、２１′）は蓄熱体から構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の水素生成装置。
- 前記改質部（２２、２２′）は蓄熱体から構成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の水素生成装置。
- 前記改質原料に含まれる水素化合物と、前記燃料供給部（４０）で供給される燃焼用燃料は、同一の炭化水素化合物を用いることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の水素生成装置。
- 前記燃料供給部（４０）では、前記水素消費装置にて利用されずに排出される水素を含んだオフガスが供給され、前記オフガスは前記燃焼用燃料の一部または全部として用いられることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の水素生成装置。
- 前記燃焼用空気は、前記熱交換群（２０、２０′）における前記加熱部（２１、２１′）と前記改質部（２２、２２′）との間にも供給されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の水素供給装置。
- 前記第１の加熱流体通路切替手段（７０）は、前記燃焼用燃料を前記複数の熱交換群（２０、２０′）の２以上に同時に供給可能に構成され、前記第２の加熱流体通路切替手段（７１）は、前記燃焼用空気を前記複数の熱交換群（２０、２０′）の２以上に同時に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の水素生成装置。
- 前記水素消費装置は燃料電池であることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の水素生成装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002142744A JP4039120B2 (ja) | 2002-05-17 | 2002-05-17 | 水素生成装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002142744A JP4039120B2 (ja) | 2002-05-17 | 2002-05-17 | 水素生成装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003335503A JP2003335503A (ja) | 2003-11-25 |
| JP4039120B2 true JP4039120B2 (ja) | 2008-01-30 |
Family
ID=29702940
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002142744A Expired - Fee Related JP4039120B2 (ja) | 2002-05-17 | 2002-05-17 | 水素生成装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4039120B2 (ja) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4664709B2 (ja) | 2005-03-08 | 2011-04-06 | トヨタ自動車株式会社 | 水素生成装置および燃料電池システム |
| JP2006248813A (ja) * | 2005-03-08 | 2006-09-21 | Toyota Motor Corp | 水素生成装置及び燃料電池システム |
| JP2006248806A (ja) * | 2005-03-08 | 2006-09-21 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水素燃料供給システム及び燃料電池システム |
| JP2006282452A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水素燃料供給システム |
| JP2006282458A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Motor Corp | 水素生成装置及び燃料電池システム |
| JP4559900B2 (ja) * | 2005-03-31 | 2010-10-13 | 株式会社豊田中央研究所 | 水素燃料供給システム |
| JP4704789B2 (ja) | 2005-03-31 | 2011-06-22 | 株式会社豊田中央研究所 | 水素燃料供給システム及び燃料電池システム |
| JP2006282457A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Toyota Motor Corp | 水素生成装置及び燃料電池システム |
| JP4549216B2 (ja) * | 2005-03-31 | 2010-09-22 | 株式会社豊田中央研究所 | 水素燃料供給システム |
| JP4505367B2 (ja) * | 2005-04-01 | 2010-07-21 | 株式会社豊田中央研究所 | 水素燃料供給システム |
| JP4564392B2 (ja) * | 2005-04-01 | 2010-10-20 | 株式会社豊田中央研究所 | 水素燃料供給システム |
| JP4656985B2 (ja) * | 2005-04-05 | 2011-03-23 | トヨタ自動車株式会社 | 水素生成装置および燃料電池システム |
| JP4507955B2 (ja) * | 2005-04-05 | 2010-07-21 | トヨタ自動車株式会社 | 水素生成装置及び燃料電池システム |
| JP4752348B2 (ja) * | 2005-06-22 | 2011-08-17 | トヨタ自動車株式会社 | 水素燃料供給システム |
| JP4867214B2 (ja) * | 2005-06-22 | 2012-02-01 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP2007045677A (ja) * | 2005-08-11 | 2007-02-22 | Toyota Motor Corp | 水素生成装置および燃料電池システム |
| CN102986074A (zh) | 2010-07-07 | 2013-03-20 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池系统及其运转方法 |
-
2002
- 2002-05-17 JP JP2002142744A patent/JP4039120B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003335503A (ja) | 2003-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4039120B2 (ja) | 水素生成装置 | |
| JP4145785B2 (ja) | 円筒式水蒸気改質器 | |
| JP5292389B2 (ja) | 水素システムおよび水素システムの始動方法 | |
| JP5181155B2 (ja) | 触媒燃焼器及び燃料改質器 | |
| JP3063622B2 (ja) | ごみ発電システム及びごみ処理システム | |
| CN108461781B (zh) | 启动燃料电池设备的方法以及燃料电池设备 | |
| JP2004115013A (ja) | 車両のための暖房システム | |
| JP2001227419A (ja) | 燃料改質装置用燃焼器 | |
| JP4090234B2 (ja) | 水素含有ガス生成装置 | |
| JP2002025591A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2010238416A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2004149407A (ja) | 水素発生装置およびこれを用いた発電装置 | |
| Goebel et al. | Fast starting fuel processor for automotive fuel cell systems | |
| JP2002022160A (ja) | 燃料蒸発器の暖機方法 | |
| JP4531320B2 (ja) | 水素含有ガス生成装置の運転制御方法 | |
| US20090199475A1 (en) | Reformer and Method of Startup | |
| JPH11159741A (ja) | 燃料改質装置 | |
| JP4000588B2 (ja) | 燃料処理装置とその起動方法 | |
| JP4007047B2 (ja) | 水素供給装置の制御方法 | |
| JP4624382B2 (ja) | 水素含有ガス生成装置の運転制御方法 | |
| JP4622066B2 (ja) | 水素生成装置 | |
| JPH03218902A (ja) | 水素原料改質装置の始動方法 | |
| JP2002080204A (ja) | 水素含有ガス生成装置の停止保管方法 | |
| JP2004207149A (ja) | 燃料電池システムとその起動方法および停止方法 | |
| JP5515641B2 (ja) | 水素発生装置および燃料電池システムおよび水素発生装置の運転方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040825 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070412 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070417 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070613 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070703 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070717 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070904 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070913 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071016 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071029 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101116 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111116 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111116 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121116 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131116 Year of fee payment: 6 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |