JP4696358B2 - 回転蓄熱式熱交換装置および燃料電池システム用改質装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転により高温流体と低温流体との間で熱交換を行う回転蓄熱体を備える回転蓄熱式熱交換器および燃料電池システム用燃料装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者らは特願２０００−２６１０９２号において、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、回転蓄熱体を備えた回転蓄熱式熱交換器によりオフガス燃焼熱を回収する方法を提案している。
【０００３】
この回転蓄熱式熱交換器の構成を図２０に基づいて説明する。図２０は熱交換器Ｊ２０の断面構成を示している。回転蓄熱体Ｊ２１は多数の貫通孔Ｊ２１ａが形成され、加熱したい低温流体が通過する低温流体通路と高温の燃焼ガス（オフガス）が通過する高温流体通路の双方を横切るように配置され、回転することで高温流体通路の熱を低温流体通路に移送するように構成されている。回転蓄熱体Ｊ２１の貫通孔Ｊ２１ａが開口する両側の端面には、低温流体通路と高温流体通路との間の流体漏れを防ぐために一対の静止シール部材Ｊ２２、Ｊ２３が配置されており、回転蓄熱体Ｊ２１はシール部材Ｊ２２、Ｊ２３の間を摺動回転するように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが回転蓄熱式熱交換器Ｊ２０のシール部では、流体漏れを防止するためにシール部材Ｊ２２、Ｊ２３の摺動面を回転蓄熱体Ｊ２１に常時押しつけることとなる。このため、蓄熱体Ｊ２１あるいはシール部材Ｊ２２、Ｊ２３の少なくともいずれかに摩耗が進行することとなり熱交換器Ｊ２０の寿命が短くなる。さらに、回転蓄熱体Ｊ２１が摺動する際の摩擦抵抗により、回転蓄熱体Ｊ２１の駆動動力が増大してシステムの効率性が低下する。
【０００５】
また、図２１に示すように、回転蓄熱体Ｊ２１の高温側（図２１中右側）では、高温の燃焼ガスに曝されることで熱変形して、回転蓄熱体Ｊ２１本体が歪むこととなる。この場合、回転蓄熱体Ｊ２１は、高温側の方が低温側に比較して伸びが大きくなり、高温側に向けて凸状に湾曲する。これにより、高温側では回転蓄熱体Ｊ２１とシール部材Ｊ２２、Ｊ２３との隙間が拡大して流体漏れが増大するため、改質効率の低下をきたすという不具合が生じる。また、低温側では、回転蓄熱体Ｊ２１とシール部材Ｊ２２、Ｊ２３との隙間が狭まるため回転蓄熱体Ｊ２１とシール部材Ｊ２２、Ｊ２３とが接触し、回転抵抗が増大するとともに接触による破損が起こるという不具合が生じる。
【０００６】
ところで、水蒸気改質反応により水素を生成する改質装置では、改質反応を行う改質部の下流側に多量の水素を含む水素リッチガスからＣＯを除去するＣＯ除去部が設けられている。ＣＯ除去部はシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂）および酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂）によりＣＯを除去するように構成されており、ＣＯ除去部ではシフト反応のために水分（水蒸気）を必要とする。このため、例えば改質原料中に含まれる水分を改質部における改質反応に必要な量より過剰にしておくことで、ＣＯ除去部に水分を供給している。
【０００７】
ところが、このような構成では改質反応に必要な水分量より多くの水分を蒸発気化させることとなるため、改質原料を蒸発気化させるための蒸発部の負担が大きくなり設備が大きくなるという問題がある。一方、改質装置から水素が供給される燃料電池では、水分を多量に含んだ排ガスを排出している。
【０００８】
また、改質装置にて生成され燃料電池に供給される水素リッチガス中には水素以外の窒素、二酸化炭素等の不純物が含まれている。このため、水素リッチガス中の水素濃度が低くなり、燃料電池における発電効率が悪くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、高温流体と低温流体との間で熱交換を行う回転蓄熱式熱交換器において、シール効果を維持しつつ回転蓄熱体とシール部材の摩耗を防止することを目的とし、さらに、回転蓄熱体が熱変形した場合にも回転蓄熱体とシール部材の摩耗を防止することを目的とする。
【００１０】
【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、軸方向に多数の貫通孔（２１ａ）が形成され、回転することにより低温流体が通過する低温流体通路（Ａ）と高温流体が通過する高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動して、高温流体の熱を低温流体に移送する回転蓄熱体（２１）と、高温流体通路（Ｂ）において高温流体の流入側に位置する高温側シール部材（２３）および高温流体の流出側に位置する低温側シール部材（２２）とからなる一対のシール部材（２２、２３）とを備えた回転蓄熱式熱交換器であって、一対のシール部材（２２、２３）の間には、各シール部材（２２、２３）と回転蓄熱体（２１）との間に所定の隙間が保持されるように、回転蓄熱体（２１）の軸方向長さより長い軸方向長さを有する隙間保持部材（２７、２８）が配置されていることを特徴としている。
【００１１】
これにより、回転蓄熱体（２１）とシール部材（２２、２３）とを完全に密着させずに微少な固定隙間を確保でき、回転蓄熱体（２１）が回転する際の摺動による摩耗を極めて少なくすることができる。従って、シール効果を発揮させてガス漏れを所定漏れ量に抑制しつつ、回転蓄熱体（２１）およびシール部材（２２、２３）の摩耗を防止ないし極力少なくして装置の長寿命化を図ることができる。
【００１２】
また、隙間保持部材は、請求項２に記載の発明のように、回転蓄熱体（２１）より大きい直径を有する円筒形状であって、一対のシール部材（２２、２３）のフランジ部（２２ａ、２３ａ）の間に配置される円筒状スペーサ（２７）、あるいは回転蓄熱体（２１）の回転中心部を貫通する棒形状であって、一対のシール部材（２２、２３）のクロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）の間に配置される棒状スペーサ（２８）の少なくとも一方とすることができる。
【００１３】
また、隙間保持部材として少なくとも円筒状スペーサ（２７）を備えている場合には、請求項３に記載の発明のように、回転蓄熱体（２１）は円筒状スペーサ（２７）に支持されているように構成することができ、隙間保持部材として少なくとも棒状スペーサ（２８）を備えている場合には、請求項４に記載の発明のように、回転蓄熱体（２１）は棒状スペーサ（２８）に支持されているように構成することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明では、棒状スペーサ（２８）は、一対のシール部材のうち低温側シール部材（２２）のクロスアーム部（２２ｂ）のみで支持されていることを特徴としている。これにより、高温側シール部材（２３）が高温により熱変形した場合であっても、棒状スペーサ（２８）はその影響を回避することができ、軸のずれが起きにくくなる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明では、回転蓄熱体（２１）と前記棒状スペーサ（２８）との間には、弾性部材（３３）が介在していることを特徴としている。これにより、回転蓄熱体（２１）あるいは棒状スペーサ（２８）が熱変形した場合に生ずる応力を吸収できる。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明では、回転蓄熱体（２１）とシール部材（２２、２３）のフランジ部（２２ａ、２３ａ）との間に形成される隙間は、回転蓄熱体（２１）とシール部材（２２、２３）のクロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）との間に形成される隙間より大きくなるように構成されていることを特徴としている。
【００１７】
このように、回転蓄熱体（２１）とシール部材（２２、２３）との隙間を、中心部に比較して外周部の方を大きくすることで、中心部側ではガス漏れ量を最小限に抑えつつ、外周側では回転蓄熱体（２１）の熱変形を考慮した最適設計を行うことができる。
【００１８】
また、請求項８に記載の発明では、一対のシール部材（２２、２３）のクロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）には、所定間隔の間隙（２２ｄ、２３ｄ）が形成されていることを特徴としている。これにより、クロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）の熱膨張による応力を吸収してシール部材（２２、２３）の変形を防ぐことができる。
【００１９】
また、請求項９に記載の発明では、高温側シール部材フランジ部（２３ａ）の回転蓄熱体（２１）側における回転蓄熱体（２１）の外周角部に対応する部位に、突出部（２３ｅ）が形成されており、回転蓄熱体（２１）が熱変形したときに、突出部（２３ｅ）と回転蓄熱体（２１）の外周角部との隙間が減少するように構成されていることを特徴としている。
【００２０】
このような構成により、回転蓄熱体（２１）が熱変形する際に、回転蓄熱体（２１）と高温側ガスシール（２３）との隙間を自動調整でき、回転蓄熱体（２１）の熱変形に伴うガスの漏れ量増加を防止できる。
【００２１】
また、請求項１０に記載の発明では、回転蓄熱体（２１）の外周部と円筒状スペーサ（２７）との間に低温流体が導入されることを特徴としている。これにより、熱交換により高温となる回転蓄熱体（２１）の駆動系を積極的に冷却することができる。従って、これらの部材の過熱を防止し、潤滑性を維持することができ、耐久性及び信頼性を確保することができる。
【００２２】
また、請求項１１に記載の発明では、高温側シール部材（２３）における回転蓄熱体（２１）の反対側に高温ガスシール（２３）と平行に配置され、高温側シール部材（２３）に対応するフランジ部（３５ａ）とクロスアーム部（３５ｂ）とを有するサポート部材（３５）と、高温側シール部材クロスアーム部（２３ｂ）とサポート部材クロスアーム部（３５ｂ）との間に配置される中心部スペーサ（３７）と、中心部スペーサ（３７）と同一の軸方向長さを有し、高温側シール部材フランジ部（２３ａ）とサポート部材フランジ部（３５ａ）との間に配置される外周部スペーサ（３６）とを備え、外周部スペーサ（３６）は、中心部スペーサ（３７）より熱膨張係数が大きいものであることを特徴としている。
【００２３】
これにより、回転蓄熱体（２１）の熱変形に対応してシール部材（２２、２３）を移動させることができ、回転蓄熱体（２１）が熱変形して回転蓄熱体（２１）とシール部材（２３）との間隔が大きくなることを防止することができるとともにシール部材（２２）との間隔が小さくなり、接触による不具合を回避し、かつ最小間隔を維持することができる。従って、回転蓄熱体（２１）が熱変形してもガスのシール漏れ増加を抑制することできる。
【００２４】
また、請求項１２に記載の発明では、一対のシール部材（２２、２３）と、サポート部材（３５）は同軸上で固定されていることを特徴としている。これにより、シール部材（２２、２３）とサポート部材（３５）は中心部で固定され、シール部材（２２、２３）の外周部のみを、回転蓄熱体（２１）の熱変形に応じて変形させることができる。
【００２５】
また、請求項１３に記載の発明では、外周部スペーサ（３６）の熱膨張により高温側シール部材（２３）とサポート部材（３５）との間が押し広げられることを特徴としている。これにより、シール部材（２２、２３）が回転蓄熱体（２１）の熱変形に応じて移動することとなる。さらに、請求項１４に記載の発明のように、外周部スペーサ（３６）の熱膨張により生じるシール部材（２２、２３）の変形量は、回転蓄熱体（２１）の熱変形による生じる変形量と略同一に設定することで、回転蓄熱体（２１）とシール部材（２２、２３）との間隔を常に最適値に維持することができる。
【００２６】
また、請求項１５に記載の発明では、低温流体通路（Ａ）および高温流体通路（Ｂ）のそれぞれにおいて、高温側シール部材（２３）とサポート部材（３５）の間は伸縮可能な筒状部材（５ａ、６ａ）にて連結されていることを特徴としている。これにより、高温側シール部材（２３）とサポート部材（３５）との間には、高温側と低温側の流体流路が分離して形成され、高温流体と低温流体とが混合されるのを防ぐことができる。
【００２７】
また、請求項１６に記載の発明では、上記請求項１ないし９に記載の発明において、低温側シール部材（２２）は耐熱性金属材料から構成され、高温側シール部材（２３）はより耐熱性の高いセラミック材料から構成されることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項１７に記載の発明では、上記請求項１０ないし１４に記載の発明において、高温側シール部材（２３）および低温側シール部材（２２）は耐熱性金属材料から構成されていることを特徴としている。このように各シール部材（２２、２３）に金属材料を用いることで、外周部スペーサ（３６）の熱膨張により各シール部材（２２、２３）を容易に変形させることが可能となる。
【００２９】
また、請求項１８に記載の発明では、請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器を用い、改質反応により改質原料から水素を生成する燃料電池システム用改質装置であって、低温流体は改質原料であり、高温流体は燃焼ガスであることを特徴としている。
【００４６】
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。
【００４７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本第１実施形態では、回転蓄熱式熱交換器を燃料電池システムの燃料改質装置（水素供給装置）に用いている。図１は改質装置の概略構成を示すブロック図であり、図２は改質装置の各構成要素の配置関係を示す概念図である。本第１実施形態の改質装置は、水素消費装置としての燃料電池５０に水素を供給するように構成されている。
【００４８】
図１、図２に示すように、本第１実施形態の改質装置は、改質原料供給部１０、熱交換部（蒸発部）２０、改質部４０、ＣＯ除去部４３、燃焼ガス供給部（オフガス供給部）６０等を備えている。また、改質装置には、ハウジング１によって、改質原料が通過する低温流体通路（改質原料通路）Ａと、燃焼ガスが通過する高温流体通路（燃焼ガス通路）Ｂとが並行して形成されている。低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂはそれぞれ独立しており、熱交換部２０を介して熱の授受が行われる。
【００４９】
低温流体通路Ａでは、改質原料供給部１０で供給された改質原料（水と空気と改質燃料の混合気）が熱交換部２０で加熱・気化（蒸発）される。気化された改質原料は、改質部４０にてＨ₂およびＣＯを含む改質ガスに改質され、ＣＯ除去部４３にてＣＯが除去された後、燃料電池５０に供給される。
【００５０】
燃料電池５０には、水素とともに空気（酸素）が図示しない空気供給用ポンプにより供給されるように構成されており、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池５０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００５１】
高温流体通路Ｂでは、オフガスがオフガス供給路６１を介して燃焼ガス供給部６０に供給され、燃焼して燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの燃焼熱は、熱交換部２０を介して高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａを流れる改質原料に伝えられる。なお、本実施形態では、改質燃料としてガソリンや灯油といった液体石油系燃料を用いている。
【００５２】
図２に示すように低温流体通路Ａの最上流部には、改質原料（水、空気、改質燃料）を供給する改質原料供給部１０が配置されている。改質原料供給部１０には、水流量制御弁１１、空気流量制御弁１２、燃料流量制御弁１３、噴霧ノズル１４、混合室１５が設けられている。
【００５３】
水流量制御弁１１および燃料流量制御弁１３にて流量制御された改質燃料および水は、噴霧ノズル１４から混合室１５に噴霧され、図示ない空気供給用送風機より供給された空気と混合されて、改質燃料と水と空気の混合気が生成する。
【００５４】
低温流体通路Ａにおける第１改質原料供給部２０の下流側には、熱交換部（蒸発部）２０が配置されている。本第１実施形態の熱交換部２０は回転式熱交換器である。
【００５５】
次に、熱交換部２０について図３〜図６に基づいて説明する。図３は熱交換部２０の拡大断面図であり、図４は熱交換部２０の分解斜視図である。図３、図４に示すように、熱交換部２０には、熱エネルギを蓄える回転蓄熱体（マトリクス）２１と、回転蓄熱体２１と微少隙間を介して密接してガス漏れを防止する一対の静止シール部材２２、２３と、回転蓄熱体２１を回転駆動する駆動用モータ２４が設けられている。
【００５６】
熱交換部２０では、低温流体通路Ａを流れる高圧の改質原料が高温流体通路Ｂに漏れないように、回転蓄熱体２１とハウジング１との間にシール部材２２、２３を介在させることでシールしている。シール部材２２、２３は、シール面２２ｃ、２３ｃで回転蓄熱体２１を軸方向の両側から挟んだ状態でハウジング１に固定されている。
【００５７】
回転蓄熱体２１は、コージェライト等の耐熱性セラミックからなり、円柱形状に形成されている。回転蓄熱体２１は、軸方向に多数の貫通孔（セル）２１ａが形成されたハニカム構造となっている。
【００５８】
図５は、回転蓄熱体２１を構成するセル形状の例を示している。図４（ａ）は矩形形状セル、図４（ｂ）は三角形状セルであり、それぞれの表面には酸化触媒（白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）２１ｂが添着（坦持）されている。これにより、高温流体通路Ｂに供給される燃料電池５０のオフガスを触媒燃焼させることができる。
【００５９】
熱交換部２０には、回転蓄熱体２１を回転駆動させるための電動モータ（駆動手段）２４が設けられている。回転蓄熱体２１の外周面にはリングギア２５が設けられている。図３に示すように回転蓄熱体２１とリングギア２５との間にはエラストマのような弾性部材２６を介在させている。電動モータ２４からの回転力は、電動モータ２４の回転軸２４ａに固定されたピニオン２４ｂを介して、リングギア２５に伝えられる。回転蓄熱体２１とリングギア２５との間に弾性部材２６を介在させることで、回転蓄熱体２１の熱変形よる応力を吸収してモータ２４の駆動力を回転蓄熱体２１に伝えることができる。
【００６０】
シール部材２２、２３は、例えばステンレスのような耐熱性金属やセラミックのような耐熱性材料から形成されている。本第１実施形態では、低温ガスに接触する低温側シール部材２２にはステンレスを用い、高温ガスに接触する高温側シール部材２３にはより耐熱性の高いセラミックを用いている。
【００６１】
図４に示すように、シール部材２２、２３は、円筒状フランジ部２２ａ、２３ａとその中心を径方向に通るクロスアーム部２２ｂ、２３ｂとが一体化してΘ型に構成されている。回転蓄熱体２１は、シール部材２２、２３のクロスアーム部２２ｂ、２３ｂにて２つの領域に区画される。クロスアーム部２２ｂ、２３ｂには、クロスアーム部２２ｂ、２３ｂの熱膨張による伸びを吸収するために所定間隔のスリット（間隙）２２ｄ、２３ｄが形成されている。
【００６２】
図４に示すように回転蓄熱体２１におけるシール部材２２、２３と対向する外周側面部２１ｂには、回転蓄熱体２１が過度に熱変形した場合にシール部材２２、２３と接触して損傷するのを防ぐために、セメントコーティングされるか、あるいはソリッド状のセラミックリングが固着されることによってシール面が形成されていてもよい。
【００６３】
低温側シール部材２２と高温側シール部材２３の間に隙間保持部材２７、２８を介在させ、各シール部材２２、２３と回転蓄熱体２１との間に微少隙間を確保している。本第１実施形態では、隙間保持部材２７、２８として外周部と中心部に回転蓄熱体２１の軸方向長さより若干長いスペーサ２７、２８を介在させ、各シール部材２２、２３と回転蓄熱体２１との間に微少隙間を確保している。
【００６４】
外周部に配置される円筒状スペーサ２７は、回転蓄熱体２１より大径の円筒形状となっている。中心部に配置される棒状スペーサ２８は、両端部にシール部材２２、２３が保持される段差２８ａが設けられた棒状となっている。これらのスペーサ２７、２８には、インバーやセラミックのような低熱膨張材料を用いる。
【００６５】
図６は熱交換部２０の平面図である。図６に示すように円筒状スペーサ２７には、ピニオンギア２４ｂとリングギア２５との接続を確保するともに、スペーサ２７内に加熱前の改質原料を導入して回転蓄熱体２１の駆動系を冷却するために複数のスリット２７ａが形成されている。
【００６６】
ところで、上記発明が解決しようとする課題において図２１に基づいて述べたように、回転蓄熱体２１の高温側では、高温の燃焼ガスに曝されることで熱変形して回転蓄熱体２１本体が歪む。このとき、回転蓄熱体２１は中心部に比較して外周部の方が熱変形量が大きい。このため、回転蓄熱体２１が熱変形してもシール部材２２、２３との間に隙間を確保できるように、スペーサ２７、２８によって形成される回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との隙間は、中心部より外周部の方を大きくすることが望ましい。
【００６７】
本第１実施形態では、外周部における隙間、すなわち回転蓄熱体２１とシール部材フランジ部２２ａ、２３ａとの隙間を２０〜３０μｍ程度とし、中心部における隙間、すなわち回転蓄熱体２１とシール部材クロスアーム部２２ｂ、２３ｂとの隙間を１０μｍ程度としている。
【００６８】
なお、回転蓄熱体２１が熱変形する際には高温側の伸びが大きいため、回転蓄熱体２１の外周部は図３中左側の低温側シール部材２２方向に変形する。従って、外周部における隙間は、回転蓄熱体２１と低温側シール部材２２との隙間のみを大きくするように構成してもよい。
【００６９】
図３、図６に示すように、シール部材２２、２３の外周部には複数のスプリング（弾性部材）３１を設けている。シール部材２２、２３は外周部側面をスプリング３１の収縮弾性力により押圧され、円筒状スペーサ２７を挟み込むように固定されている。シール部材２２、２３の外周部には、スプリング３１固定用の孔２２ｄ、２３ｄが複数形成されている。
【００７０】
また、図３に示すように、シール部材２２、２３は、クロスアーム部２２ｂ、２３ｂを弾性ナット３２によって棒状スペーサ２８を挟み込むように押圧固定されている。弾性ナット３２はバネ部３２ａからなる弾性構造を有しており、バネ部３２ａで低温側シール部材２２を押さえつけている。これにより、棒状スペーサ２８は低温側シール部材２２および高温側シール部材２３のクロスアーム部２２ｂ、２３ｂで支持される。
【００７１】
このように本第１実施形態では、シール部材２２、２３を溶接等によりスペーサ２７、２８に完全に固定するのではなく、スプリング３１や弾性ナット３２により押さえつけて固定することで、シール部材２２、２３やスペーサ２７、２８の熱変形を吸収することが可能となる。
【００７２】
回転蓄熱体２１は、回転式軸受け２９、３０を介して円筒状スペーサ２７に回転可能に支持されている。軸受け２９、３０は半径の異なる外輪と内輪と転動体（球）とから構成されている。外輪は円筒状スペーサ２７に固定され、内輪はリングギア２５に固定され回転蓄熱体２１とともに回転する。本第１実施形態の回転蓄熱体２１と棒状スペーサ２８との間は接触しておらず、隙間が形成されている。これにより、回転蓄熱体２１は円筒状スペーサ２７を介してシール部材２２、２３に固定される。
【００７３】
シール部材２２、２３は、低温流体通路Ａの高温側と高温流体通路Ｂの高温側及び低温側において、ベローズ２ａ〜４ａを介してケーシング１のフランジ部２〜４に固定されている。これにより熱交換部２０全体がベローズ２ａ〜４ａを介してケーシング１に固定されることとなる。ベローズ２ａ〜４ａはステンレス薄板のような耐熱性金属から構成されており弾性を有している。
【００７４】
また、低温流体通路Ａの低温側では、ケーシング１と低温側シール部材２２は固定されていない。このため、加熱前の低温の改質原料がケーシング１と熱交換部２０との間に形成された空間に入り込むこととなり、高温となる回転蓄熱体２１のリングギア２５や電動モータ２４のピニオン２４ｂ等を冷却することができる。
【００７５】
図３に示すように回転蓄熱体２１は、並行する低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂの双方を横断するように配置される。このとき、シール部材２２、２３のクロスアーム部２２ｂ、２３ｂで区画された一方の領域は低温流体通路Ａに位置し、他方の領域は高温流体通路Ｂに位置する。回転蓄熱体２１はシール部材２２、２３の間を摺動回転し、改質原料が通過する低温流体通路Ａとオフガス（燃焼ガス）が通過する高温流体通路Ｂとを交互に移動する。回転蓄熱体２１は、高温流体通路Ｂにおいて貫通孔２１ａを通過する燃焼ガスから熱を受け取った後、低温流体通路Ａに移動して貫通孔２１ａを通過する改質原料に熱を伝えて加熱・気化させる。
【００７６】
熱交換部２０の下流側には改質部４０が設けられている。本第１実施形態の改質部４０では、部分酸化改質（発熱反応）と水蒸気改質（吸熱反応）とが併用される。改質部４０には、改質触媒（酸化ニッケル、酸化銅、白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が添着されている。改質部４０では、熱交換部２０による加熱で気化した改質原料を改質し、Ｈ₂とＣＯを含んだ改質ガスを生成する。また、改質部４０には、改質触媒の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）４１が設けられている。
【００７７】
改質部４０の下流側には、改質ガスをＣＯ除去に必要な温度まで冷却するための冷却部４２が設けられ、冷却部４２の下流側には改質ガスからＣＯを除去するＣＯ除去部４３が設けられている。ＣＯ除去部４３にてＣＯを除去された改質ガス（水素リッチガス）は、水素消費装置としての燃料電池５０に供給される。燃料電池５０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５０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００７８】
高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０の上流側には、熱交換部２０を加熱するための燃焼ガス供給部（オフガス供給部）６０が設けられている。燃焼ガス供給部６０には、オフガス流量制御弁６１、燃料流量制御弁（燃焼用燃料供給部）６２、オフエア流量制御弁６３、噴霧ノズル６４、点火プラグ（着火手段）６５、混合・燃焼室６６が設けられている。
【００７９】
燃焼ガス供給部６０には、燃料電池５０から排出される未反応の水素を含むオフガスがオフガス供給路５１を介して供給される。これにより低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂは改質ガス供給路５０およびオフガス供給路５１を介して連通している。さらに燃焼ガス供給部６０には、燃料電池５０から排出される未反応の酸素を含むオフエアが、オフエア供給路５２を介して供給される。
【００８０】
オフガスおよびオフエアは噴霧ノズル６４から混合・燃焼室６６に噴霧され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、熱交換部２０に設けられた酸化触媒にて触媒燃焼して燃焼ガスを生ずる。この燃焼ガスの燃焼熱で回転蓄熱体２１が加熱される。回転蓄熱体２１は高温流体通路Ｂで熱を受け取り、回転して低温流体通路Ａにて改質原料を加熱する。
【００８１】
改質装置の始動時には、オフガスに代えて、燃料流量制御弁にて流量制御された始動用燃料（燃焼用燃料）を燃焼室６６に噴霧し、点火プラグ６５にて着火して、火炎燃焼により燃焼ガスを生じさせるように構成されている。なお、本第１実施形態では、始動用燃料として改質燃料と同様の液体石油系燃料を用いている。
【００８２】
図７は、本実施形態の改質装置の制御系を示している。図７に示すように、本第１実施形態の改質装置には、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）７０が設けられている。制御部７０には、温度センサ４１にて検出した温度信号等が入力され、各流量制御弁１１〜１３、６１〜６３、回転蓄熱体駆動用モータ２４、点火プラグ６５等に制御信号を出力するように構成されている。
【００８３】
以下、上記構成の改質装置の作動について説明する。まず、改質装置の始動時について説明する。改質部４０において改質反応が開始するためには、改質部４０に供給される改質原料が蒸発・気化しており、かつ改質部４０の改質触媒が改質反応を開始可能な所定温度まで昇温している必要がある。
【００８４】
そこで、まず燃焼ガス供給部６０の燃焼室６６にて始動用燃料と空気との混合気を生成し、点火プラグ６５にて着火して火炎燃焼させる。この火炎燃焼により生成した燃焼ガスは、高温流体通路Ｂを流れて熱交換部２０を貫流する。これにより、回転蓄熱体２１のうち高温流体通路Ｂに位置する部位は燃焼ガスにより加熱される。回転蓄熱体２１が回転することで、燃焼ガスにて加熱された部位が低温流体通路Ａに移動し、低温流体通路Ａを流れる空気が加熱される。この加熱空気が低温流体通路Ａを流れることにより、熱交換部２０の下流側の各構成要素が急速に暖気される。
【００８５】
燃焼ガスの燃焼熱により、熱交換部２０、改質部４０、ＣＯ除去部（シフト部、浄化部）４３といった改質システムの各構成要素が急速に暖気（予熱）される。そして、温度センサ４１にて検出した改質部４０の温度が所定改質反応開始温度に到達した場合に、改質触媒を含めた改質システムの構成要素が改質反応を開始することができる温度に到達したと判断して、燃焼ガス供給部６０での始動用燃料の供給を中断して火炎燃焼を停止する。
【００８６】
各構成要素の暖気が完了すると、改質原料供給部１０にて改質原料（水、空気、改質燃料の混合気）の供給が開始される。改質原料は熱交換部２０にて加熱・気化される。気化された改質原料は、改質部４０にてＨ₂とＣＯを含む改質ガスに改質される。改質ガスは、ＣＯ除去部４３にてＣＯが除去され、燃料電池５０に供給される。
【００８７】
燃料電池５０では、水素と酸素との化学反応により発電するとともに、未反応水素を含むオフガスと未反応の酸素を含むオフエアが排出される。オフガスはオフガス導入経路５１を介して、オフエアはオフエア供給路５２を介して高温流体通路Ｂの燃焼ガス供給部６０に導入され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、回転蓄熱体２１を通過する際に触媒燃焼を開始する。このオフガスの触媒燃焼によって発生した熱は回転蓄熱体２１に蓄えられ、回転蓄熱体２１が回転移動することにより、低温流体通路Ａを通過する改質原料を加熱・気化する。
【００８８】
このように、オフガスの触媒燃焼による熱により、改質原料を加熱して気化するとともに、加熱された改質原料を介して下流側の改質部４０をも加熱することができる。これにより、熱交換部２０、改質部４０の加熱は、始動用燃料の火炎燃焼による加熱からオフガス燃焼による加熱に切り替わり、改質装置は自立運転を開始することができる。
【００８９】
本第１実施形態の熱交換部２０では、スペーサ２７、２８により回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３とを完全に密着させずに微少な固定隙間を確保しているので、回転蓄熱体２１が回転する際の摺動による摩耗は極めて少ない。このため、シール効果を発揮させてガス漏れを所定漏れ量に抑制しつつ、回転蓄熱体２１やシール部材２２、２３の摩耗を防止ないし極力少なくして装置の長寿命化を図ることができる。
【００９０】
また、シール部材２２、２３で回転蓄熱体２１を押圧しないので摩擦抵抗を極めて小さくすることができる。この結果、回転蓄熱体２１の駆動動力を大幅に低減させることができ、駆動機構を簡便にすることができる。
【００９１】
また、スペーサ２７、２８によって形成される回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との隙間を、中心部に比較して外周部の方を大きくすることで、中心部側ではガス漏れ量を最小限に抑えつつ、外周側では回転蓄熱体２１の熱変形を考慮した最適設計を行うことができる。
【００９２】
また、シール部材２２、２３のクロスアーム部２２ｂ、２３ｂに微少間隔のスリット２２ｄ、２３ｄを設けることで、クロスアーム部２２ｂ、２３ｂの熱膨張による応力を吸収してシール部材２２、２３の変形を防ぐことができる。
【００９３】
また、シール部材２２、２３を、スプリング３１や弾性ナット３２によりスペーサ２７、２８に押圧して固定することで、シール部材２２、２３の熱変形を吸収することが可能となる。
【００９４】
このような回転蓄熱式熱交換器であれば、熱交換する流体が高圧力差であるとともに小流量という特徴を有する燃料電池システムの燃料改質用熱交換器にも好適に用いることができ、シール漏れと回転駆動力を低減させてシステム効率の向上および耐久性の向上を図ることができる。
【００９５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図８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回転蓄熱体２１の固定方法が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００９６】
図８は、本第２実施形態の改質装置における熱交換部２０の拡大断面図である。図８に示すように、本第２実施形態では回転蓄熱体２１は、棒状スペーサ２８に固定されている。棒状スペーサ２８の周囲には円筒状のグラファイト部材（軸受け）３４が配置され、回転蓄熱体２１にはエラストマといった弾性部材３３を介して軸受け３４が接続されている。摺動部位である軸受け３４は高温雰囲気で用いられるため、高温無潤滑材料（硬質カーボン材等）によって形成されている。
【００９７】
これにより、回転蓄熱体２１は、棒状スペーサ２８を介してシール部材２２、２３に固定される。このような構成により、回転蓄熱体２１は、棒状スペーサ２８を回転軸として回転することとなる。
【００９８】
以上、本第２実施形態の熱交換部２０の構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９９】
また、回転蓄熱体２１と棒状スペーサ２８との間に弾性部材３３を介在させているので、回転蓄熱体２１や棒状スペーサ２８の軸方向の伸びに対する応力を吸収することができる。
【０１００】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図９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回転蓄熱体２１の固定方法が異なるものである。上記第２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。
【０１０１】
図９は、本第３実施形態の改質装置における熱交換部２０の拡大断面図である。図９に示すように、軸状スペーサ２８は低温側シール部材２２のみで支持されている。なお、本第３実施形態では弾性ナットではなく、弾性構造を有しない通常のナット３２を用いている。
【０１０２】
以上、本第３実施形態の熱交換部２０の構成によれば、棒状スペーサ２８は高温側シール部材２３に固定されていないので、高温側シール部材２３が熱変形しても棒状スペーサ２８はその影響を回避することができ、軸のずれが起きにくくなる。
【０１０３】
また、棒状スペーサ２８が固定されていない高温側シール部材２３では、スリット２３ｄは必ずしもクロスアーム部２３ｂの中心部に設ける必要はない。
【０１０４】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を図１０、図１１に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態に比較して回転蓄熱体２１および高温側シール部材２３に回転蓄熱体２１が熱変形した際のガス漏れ防止機構が設けられている点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０５】
図１０は本第４実施形態の改質装置における熱交換部２０の拡大断面図である。図１０に示すように、回転蓄熱体２１の高温側（図１０中右側）における外周角部には段差部２１ｃが形成されている。また、高温側シール部材２３のフランジ部２３ａには、回転蓄熱体２１の外周角部に対応する位置に突出部２３ｅが形成されている。回転蓄熱体２１の段差２１ｃと高温側シール部材２３の突出部２３ｄは、それぞれ対応する相対ステップ面となっている。
【０１０６】
図１１は図１０中Ｃの部分拡大断面図であり、図１１中の回転蓄熱体２１は熱変形後の状態を示し、図１１中の一点鎖線が熱変形前の回転蓄熱体２１を示している。回転蓄熱体２１は熱変形により高温側の伸びが大きくなるため、図１１に示すように高温側に凸状に湾曲する。この結果、回転蓄熱体２１と高温側シール部材２３との間隔ΔＬｏが大きくなる。しかしながら、回転蓄熱体２１の外周角部と突出部２３ｄとの間隔δが小さくなるため、結果として回転蓄熱体２１と高温側シール部材２３との間隔は増大しない。従って、回転蓄熱体２１と高温側ガスシール２３との隙間を自動調整でき、回転蓄熱体２１の熱変形に伴うガスの漏れ量増加を防止できる。
【０１０７】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態を図１２に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第１実施形態に比較して回転蓄熱体２１の駆動部に低温流体が導入できるように構成されている点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０８】
図１２は本第５実施形態の改質装置における熱交換部２０の拡大断面図である。図１２に示すように、本第５実施形態では、ハウジング１における熱交換部２０近傍に、熱交換部２０に低温流体を導入するための低温流体導入路５が設けられている。シール部材２２、２３には、ピニオンギア２４ｂやリングギア２５等からなる回転蓄熱体２１の駆動部に低温流体を流通させるための貫通孔２２ｆ、２３ｆが形成されている。さらに、リングギア２５にも貫通孔２５ａが形成されている。
【０１０９】
低温流体としては、改質原料供給部１０から供給される改質原料に合流させる必要があるので、改質原料を構成する空気、水、改質燃料のいずれかを用いることができる。本第５実施形態では低温流体として空気を用いている。なお、低温流体が通過する通路を改質原料が通過する低温流体通路Ａと別個に設け、低温流体が改質原料と合流しない構成にした場合には、低温流体として改質原料を構成する空気、水、改質燃料以外の流体を用いることができる。
【０１１０】
低温流体導入路５より導入された低温流体は、一部がケーシング１と熱交換部２０との間の空間を貫流するとともに、高温側シール部材２３の貫通孔２３ｆより回転蓄熱体２１の外周部と円筒状スペーサ２７とシール部材２２、２３とから構成される内部空間に導入される。低温流体は、リングギア２５、弾性部材２６、ピニオンギア２４ｂ、軸受け２９、３０等を冷却した後に、低温側シール部材２２の貫通孔２２ｆより流出し、上流側の改質原料供給部１０から供給される改質原料に合流して、改質原料の一部となる。
【０１１１】
以上、第５実施形態の構成によれば、熱交換により高温となるリングギア２５、弾性部材２６、ピニオンギア２４ｂ、軸受け２９、３０等を積極的に冷却することができる。これにより、これらの部材の過熱を防止し、潤滑性を維持することができ、耐久性及び信頼性を確保することができる。また、リングギア２５等から熱を受け取った低温流体は、加熱すべき改質原料に合流するため、外部への熱損失を防止することができる。
【０１１２】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態を図１３〜図１５に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第５実施形態に比較して回転蓄熱体２１の熱変形に対応させてシール部材２２、２３を変形させるように構成されている点が異なるものである。上記第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１３】
図１３は本第６実施形態の改質装置における熱交換部２０の拡大断面図である。図１３に示すように、本第６実施形態では、高温側シール部材２３とハウジング１の間に、サポート部材３５が高温側シール部材２３と平行に配置されている。サポート部材３５はシール部材２２、２３と同様の形状であり、フランジ部３５ａとクロスアーム部３５ｂを備えている。
【０１１４】
フランジ部３５ａには、低温流体導入路５から流入した低温流体を通過させるために貫通孔３５ｃが形成されている。本第６実施形態では、高温側シール部材２３に代えてサポート部材３５がベローズ２ａ、３ａを介してケーシング１に固定されている。
【０１１５】
なお、高温側シール部材２３とサポート部材３５との間は、略半円断面形の高温側流体通路Ａおよび低温側流体通路Ｂのそれぞれにおいて、伸縮自在な筒状部材であるベローズ（半円断面形）５ａ、６ａにて連結されている。これにより、高温側シール部材２３とサポート部材３５との間には、高温側と低温側の流体流路が分離して形成され、高温流体と低温流体とが混合されるのを防ぐことができる。
【０１１６】
また、本第６実施形態では、外周部における隙間（回転蓄熱体２１とシール部材フランジ部２２ａ、２３ａとの隙間）と、中心部における隙間（回転蓄熱体２１とシール部材クロスアーム部２２ｂ、２３ｂとの隙間）を等しくしている。
【０１１７】
高温側シール部材２３とサポート部材３５との間には、高温側シール部材２３とサポート部材３５との間隔を保持するために、直径の異なる２つの円筒形状のスペーサ（間隔保持部材）３６、３７が介在している。外周部スペーサ３６は高温側シール部材２３のフランジ部２３ａとサポート部材３５のフランジ部３５ａとの間に配置され、中心部スペーサ３７は高温側シール部材２３のクロスアーム部２３ｂとサポート部材３５のクロスアーム部３５ｂとの間に配置される。本第６実施形態では、棒状スペーサ２８は高温側シール部材２３側が長く形成されており、中心部スペーサ３７およびサポート部材３５のクロスアーム部３５ｂは棒状スペーサ２８にはめ込まれて固定される。
【０１１８】
外周部スペーサ３６および中心部スペーサ３７は、それぞれ熱膨張係数の異なる材質から構成され、外周部スペーサ３６の方が中心部スペーサ３７より熱膨張係数が大きくなるように構成されている。それぞれのスペーサ３６、３７は、熱膨張していない状態では同一の軸方向長さを有している。
【０１１９】
外周部に配置される外周部スペーサ３６には、耐熱鋼である炭素鋼やステンレス鋼といった高熱膨張材料を用いる。一方、中心部に配置される中心部スペーサ３７には、インバーやセラミックといった低熱膨張材料を用いる。外周部スペーサ３６の熱膨張率は温度、長さ、材質等により異なるが、本第６実施形態では、外周部スペーサ３６の熱膨張率は中心部スペーサ３７に比較して十数倍となるように設定されている。この外周部スペーサ３６の熱膨張率の設定は、回転蓄熱体２１の外周部の熱変形量と、外周部スペーサ３６の熱膨張に伴うガスシール２２、２３の移動量がほぼ等しくなるように行われる。
【０１２０】
なお、本第６実施形態では、低温側シール部材２２、高温側シール部材２３、サポート部材３５のいずれも、外周部スペーサ３６の熱膨張により変形させる必要があるので、セラミック材は用いず、ステンレスといった耐熱性金属材料を用いている。また、シール部材２２、２３と、サポート部材３５は同軸上で固定されている。このため、シール部材２２、２３とサポート部材３５は中心部が固定され、シール部材２２、２３およびサポート部材３５の外周部のみが、外周部スペーサ３６の熱膨張により変形する。
【０１２１】
次に、熱変形の前後における熱交換部２０を図１４、図１５に基づいて説明する。図１４は熱変形前の熱交換部２０の概略断面図であり、図１５は熱変形後の熱交換部２０の概略断面図である。
【０１２２】
熱変形前では、図１４に示すように、回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との間には所定の微少隙間が保持されている。これに対し、熱変形後には、図１５に示すように、回転蓄熱体２１は、高温側（図１５中右側）の伸びが低温側（図１５中左側）より大きくなるため、高温側が凸状となるように熱変形する。
【０１２３】
このとき、高熱膨張材である外周部スペーサ３６は高熱により膨張し、高温側シール部材２３とサポート部材３５の外周を押し広げることとなる。これに対し、低熱膨張材である中心部スペーサ３７は、外周部スペーサ３６に比較して熱膨張係数が小さいため、高温側シール部材２３とサポート部材の中心部は固定されたままとなる。
【０１２４】
従って、図１５に示すように高温側シール部材２３とサポート部材３５との間は、中心部が引きつけられたまま外周部のみが押し広げられる。これに伴い、低熱膨張材であるスペーサ２７、２８で間隔を規定されている低温側シール部材２２と高温側シール部材２３は、熱膨張前と同様の間隔を保持したまま図１５中左側に平行に変形することとなる。なお、高温側シール部材２３とサポート部材３５とを連結しているベローズ５ａ、６ａは伸縮可能に構成されているので、高温側ガスシール２３とサポート部材３５の変形に対応して変形する。
【０１２５】
これにより、回転蓄熱体２１の熱変形に対応してシール部材２２、２３が移動し、回転蓄熱体２１が熱変形して回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との間隔が大きくなることを防止することができる。従って、回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との間隔を常に最適値に維持することができ、回転蓄熱体２１が熱変形してもガスのシール漏れ増加を抑制することできる。
【０１２６】
また、本第６実施形態では、回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との間隔を常に最適値に維持することができるので、外周部における隙間（回転蓄熱体２１とシール部材フランジ部２２ａ、２３ａとの隙間）を、中心部における隙間（回転蓄熱体２１とシール部材クロスアーム部２２ｂ、２３ｂとの隙間）より大きくする必要がない。
【０１２７】
（第７実施形態）
次に本発明の第７実施形態を図１６に基づいて説明する。図１６は本第７実施形態の水素供給装置の概略構成を示す概念図である。なお、図１６中の実線矢印は熱の移動方向を示し、破線矢印は水分（水蒸気）の移動方向を示している。
【０１２８】
図１６に示すように、本第７実施形態の水素供給装置は、改質原料供給部１１０、蒸発部１２０、改質部１３０、ＣＯ除去部１４０、ガス圧縮機（加圧手段）１５１、燃焼ガス供給部１７０等を備えている。本第７実施形態では、蒸発部１２０、改質部１３０、ＣＯ除去部１４０が回転蓄熱体として構成されている。
【０１２９】
また、水素供給装置には、ハウジング１００によって、改質原料が通過する低温流体通路（改質原料通路）Ａと、燃焼ガスが通過する高温流体通路（燃焼ガス通路）Ｂとが並行して形成されている。低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂはそれぞれ独立しており、蒸発部１２０および改質部１３０を介して熱の授受が行われる。
【０１３０】
また、本第７実施形態の水素供給装置においては、低温流体通路Ａの下流側には改質部１３０にて生成した改質ガスが通過する改質ガス通路Ｃが形成され、高温流体通路Ｂの上流側には燃料電池１６０より排出される排ガスが通過する排ガス通路Ｄが形成されている。改質ガス通路Ｃと排ガス通路Ｄはそれぞれ独立して並列的に形成されており、ＣＯ除去部１４０を介して熱の授受および排ガス通路Ｄから改質ガス通路Ｃへの水分（水蒸気）の回収が行われる。
【０１３１】
低温流体通路Ａでは、改質原料供給部１０で供給された第１改質原料（水と空気との混合気）が蒸発部１２０で加熱・気化（蒸発）される。蒸発部１２０の下流側で第１改質原料に第２の改質原料（改質燃料）が混合され、改質原料（水と空気と改質燃料との混合気）が生成する。改質原料は改質部１３０にてＨ₂およびＣＯを含む改質ガスに改質され、改質ガス通路ＣにおいてＣＯ除去部１４０によりＣＯが除去された後、水素リッチガスとして燃料電池１６０に供給される。なお、ＣＯ除去部１４０においてＣＯ除去反応に必要な特定物質としての水分（水蒸気）は、排ガス通路Ｄの排ガスから回収した水分が用いられる。
【０１３２】
燃料電池１６０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１６０では、未反応水素を含むオフガスと未反応酸素を含むオフエアとが排ガスとして排出される。燃料電池１６０に供給される水素および空気は加湿されており、さらに燃料電池１６０内の電気化学反応によって水分が生成するので、燃料電池１６０から排出される排ガスは水蒸気を多量に含んだ湿潤状態となっている。
【０１３３】
燃料電池１６０より排出された排ガスは、水素供給装置の排ガス通路Ｄにて水分（水蒸気）を回収された後、高温流体通路Ｂに供給される。高温流体通路Ｂでは、オフガスおよびオフエアが燃焼ガス供給部１７０に供給され、燃焼して燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの燃焼熱は、改質部１３０および蒸発部１２０を介して高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａを流れる改質原料に伝えられる。なお、本実施形態では、改質燃料としてガソリンや灯油といった液体石油系燃料を用いている。
【０１３４】
図１６に示すように低温流体通路Ａの最上流部には、第１の改質原料（水、空気）を供給する改質原料供給部１０が配置されている。改質原料供給部１１０には、水流量制御弁１１１、空気流量制御弁１１２、噴霧ノズル１１４、混合室１１５が設けられている。なお、空気は後述のガス圧縮機１５１による吸入によって混合室１１５に供給されるように構成されている。
【０１３５】
低温流体通路Ａにおける改質原料供給部１１０の下流側には、蒸発部１２０が配置されている。本第７実施形態の蒸発部１２０は回転式熱交換器であり、上記第１実施形態の蒸発部２０と同様の構成を有している。蒸発部１２０は、一対のガスシールに挟まれた回転蓄熱体１２１を備えている。また、蒸発部１２０の下流側には、蒸発部１２０にて蒸発気化された第１の改質原料（水、空気）に、第２の改質原料（改質燃料）を供給・混合するための燃料流量制御弁１１３、噴霧ノズル１１６、混合室１１７が設けられている。
【０１３６】
蒸発部１２０の下流側には改質部１３０が設けられている。本第７実施形態の改質部１３０は、蒸発部１２０と同様の回転蓄熱体１３１を備えており、回転蓄熱体１３１の貫通孔内部の表面には改質触媒が添着されている。このような構成により、本第７実施形態の改質部１３０では高温流体通路Ｂの燃焼ガスの燃焼熱によって改質触媒を加熱できる。また、改質部１３０の下流側には、改質触媒の温度を間接的に検出する温度センサ（温度検出手段）１３２が設けられている。
【０１３７】
改質部３０の下流側には、改質ガスから一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣＯ除去部１４０が設けられている。ＣＯ除去部１４０では、ＣＯシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂＋ＣＯ）と、ＣＯ酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂）により改質ガス中のＣＯを除去するように構成されている。ＣＯシフト反応ではＣＯ除去のために水分が必要とされる。また、ＣＯ除去部１４０の上流側には改質ガス温度をＣＯ除去反応に必要な温度に冷却するための冷却部１４１が設けられている。
【０１３８】
本第７実施形態におけるＣＯ除去部１４０は、蒸発部１２０と同様の構成を有する回転蓄熱体１４２を備えている。ＣＯ除去部１４０の回転蓄熱体１４２は、低温流体通路Ａの下流側に位置する改質ガス通路Ｃと、高温流体通路Ｂの上流側に位置する排ガス通路Ｄとを横切るように配置されており、回転することにより改質ガス通路Ｃと排ガス通路Ｄとを交互に移動する。
【０１３９】
ＣＯ除去部１４０の回転蓄熱体１４２における貫通孔内部の表面（伝熱面）には、水蒸気吸着層が形成されている。水蒸気吸着層は、例えばゼオライトやシリカゲルといった水分を吸着可能な多孔質の吸着剤から構成されている。吸着剤には多数の細孔が形成されており、水分を選択的に吸着できるように細孔の大きさが定められている。ＣＯ除去部１４０では、ＣＯシフト反応のためのシフト触媒（例えばＦｅ−Ｃｒ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒等）と、ＣＯ酸化反応のための酸化触媒（例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等）が設けられており、水蒸気吸着層の表面にこれらのシフト触媒や酸化触媒からなるＣＯ浄化触媒が添着されている。
【０１４０】
なお、蒸発部１２０、改質部１３０、ＣＯ除去部１４０における回転蓄熱体１２１、１３１、１４２は、それぞれ同一の回転軸１２３上に配置されており、蒸発部１２０の回転モータ１２２により回転駆動されるように構成されている。
【０１４１】
改質ガスを燃料電池１６０に供給するための改質ガス供給路１５０には押し込み式のガス圧縮機１５１が設けられている。ガス圧縮機１５１は電動モータにより駆動される。ガス圧縮機１５１は、燃料電池１６０に対する出力要求の変化に応じて燃料電池１６０への改質原料の供給量を変化させる。ガス圧縮機１５１による吸入により、改質原料供給部１１０に空気が吸引供給される。ガス圧縮機１５１は、吸入側より吐出側の圧力が高くなるため、吸入側に位置する低温流体通路Ａの圧力Ｐａより高温流体通路Ｂの圧力Ｐｂの方が高くなるように圧力調整できる。同様に改質ガス通路Ｃの圧力Ｐｃより排ガス通路Ｄの圧力Ｐｄが高くなるように圧力調整することができる。
【０１４２】
水素供給装置にて生成した水素を含んだ改質ガスは、燃料電池１６０に供給される。燃料電池１６０には、水素とともに空気側ガス圧縮機１５２により空気（酸素）が供給されることで、以下の水素と酸素との電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１６０では、発電時の電気化学反応のために燃料電池１６０内部の電解質膜を水分を含んだ状態にしておく必要がある。このため、通常運転時において燃料電池１６０には加湿された空気および水素が供給される。これにより、燃料電池１６０内部は湿潤状態で作動する。また、酸素極側では上記電気化学反応により水分が生成する。
【０１４３】
燃料電池１６０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と発電に用いられなかった酸素を含むオフエアが排出される。オフガスおよびオフエアからなる排ガスは、多量の水蒸気を含んだ状態（通常は飽和状態）でオフガス供給路１６１、オフエア供給路１６２を介して排ガス通路Ｄに供給される。
【０１４４】
排ガス通路Ｄの下流側であって高温流体通路Ｂにおける改質部１３０の上流側には、改質部１３０および蒸発部１２０を加熱するための燃焼ガス供給部１７０が設けられている。燃焼ガス供給部１７０には、燃料流量制御弁（燃焼用燃料供給部）１７１、噴霧ノズル１７２、点火プラグ（着火手段）１７３、混合・燃焼室１７４が設けられている。
【０１４５】
燃焼ガス供給部１７０には、排ガス通路Ｄを通過したオフガスおよびオフエアからなる排ガスが供給される。排ガスは改質部１３０および蒸発部１２０に供給され、改質部１３０および蒸発部１２０に設けられた酸化触媒にて触媒燃焼して燃焼ガスを生ずる。この燃焼ガスの燃焼熱で回転蓄熱体１３１、１２１が加熱される。これにより改質部１３０の回転蓄熱体１３１は改質触媒を加熱するとともに、蒸発部１２０の回転蓄熱体１２１は低温流体通路Ａにて改質原料を加熱して蒸発させる。
【０１４６】
水素供給装置の始動時には、オフガスに代えて、燃料流量制御弁１７１にて流量制御された始動用燃料（燃焼用燃料）を燃焼室１７４に噴霧し、点火プラグ１７３にて着火して、火炎燃焼により燃焼ガスを生じさせるように構成されている。なお、本第７実施形態では、始動用燃料として改質燃料と同様の液体石油系燃料を用いている。
【０１４７】
また、高温流体通路Ｂにおける蒸発部１２０の下流側には絞り管部（燃焼ガス排気通路）１０１が設けられ、絞り管部１０１には通路面積を変化させることができる排気制御弁（圧力調整手段）１０２が設けられている。上記ガス圧縮機１５１および排気制御弁１０２とで高温流体通路Ｂおよび排ガス通路Ｄを加圧することができる。具体的にはガス圧縮機５１の作動時に、燃焼ガス排気通路８２の通路面積を排気制御弁８３で小さくして排気抵抗を大きくすることで、低温流体通路圧力Ｐａおよび改質ガス通路圧力Ｐｃに比較して、高温流体通路圧力Ｐｂおよび排ガス通路圧力Ｐｄを高くすることができる。
【０１４８】
本第７実施形態の水素供給装置においても、上記第１実施形態と同様の各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）１８０が設けられている。
【０１４９】
以下、上記構成の水素供給装置の作動について説明する。まず、水素供給装置の始動時について説明する。改質部１３０において改質反応が開始するためには、改質部１３０に供給される改質原料が蒸発・気化しており、かつ改質部１３０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。
【０１５０】
そこで、まず燃焼ガス供給部１７０の燃焼室１７４にて始動用燃料と空気との混合気を生成し、点火プラグ１７３にて着火して火炎燃焼させる。この火炎燃焼により生成した燃焼ガスは、高温流体通路Ｂを流れて改質部１３０および蒸発部１２０を貫流する。これにより、回転蓄熱体１２１、１３１のうち高温流体通路Ｂに位置する部位は燃焼ガスにより加熱される。このときガス圧縮機１５１を作動させ、改質原料供給部１１０に空気のみを供給する。
【０１５１】
蒸発部１２０の回転蓄熱体１２１が回転することで、燃焼ガスにて加熱された部位が低温流体通路Ａに移動し、低温流体通路Ａを流れる空気が加熱される。この加熱空気が低温流体通路Ａを流れることにより、熱交換部１２０の下流側の各構成要素が急速に暖気される。また、改質部１３０の回転蓄熱体１３１が回転することで、改質触媒は高温流体通路Ｂで直接的に加熱される。
【０１５２】
燃焼ガスの燃焼熱により、蒸発部１２０、改質部１３０、ＣＯ除去部１４０といった改質システムの各構成要素が急速に暖気（予熱）される。そして、温度センサ１３２にて検出した改質部１３０の温度が所定改質反応開始温度に到達した場合に、改質触媒を含めた改質システムの構成要素が改質反応を開始することができる温度に到達したと判断して、燃焼ガス供給部１７０での始動用燃料の供給を中断して火炎燃焼を停止する。なお、所定改質反応開始温度は改質燃料の種類等に応じて任意に設定できるが、本第７実施形態のように改質燃料として石油系燃料を用いる場合には３００℃〜４００℃と設定することができる。
【０１５３】
各構成要素の暖気が完了すると、改質原料供給部１１０にて第１の改質原料（水、空気の混合気）の供給が開始される。第１の改質原料は蒸発部１２０にて加熱・気化される。蒸発部１２０にて気化された第１の改質原料は、蒸発部１２０の下流側にて第２の改質原料（改質燃料）が混合され、水、空気、改質燃料からなる改質原料となり、改質部３０に供給される。改質原料は、改質部１３０にてＨ₂とＣＯを含む改質ガスに改質される。改質ガスはＣＯ除去部１４０にてＣＯが除去され、ガス圧縮機１５１により燃料電池１６０に供給される。
【０１５４】
燃料電池１６０では、水素と酸素との電気化学反応により発電するとともに、未反応水素を含むオフガスと未反応の酸素を含むオフエアが排出される。電気化学反応の際、燃料電池１６０内部は湿潤状態にあるので、オフガスおよびオフエアは多量の水蒸気を含んだ状態で排出される。オフガスはオフガス供給路１６１を介して、オフエアはオフエア供給路１６２を介して排ガス通路Ｄに導入される。
【０１５５】
このとき、改質ガス通路Ｃより排ガス通路Ｄの方が高圧となっており、さらに、改質ガス（１００〜１２０℃程度）の方が燃料電池１６０の排ガス（８０〜９０℃程度）より高温となっている。
【０１５６】
従って、ＣＯ除去部１４０では、低温高圧の排ガス通路Ｄ側で燃料電池１６０の排ガス中に含まれる水蒸気を回転蓄熱体１４２の水蒸気吸着層に吸着させることができる。そして、回転蓄熱体１４２が回転することにより水蒸気が吸着した部位が改質ガス通路Ｃ側に移動し、高温低圧の改質ガス通路Ｃにおいて水蒸気を脱離させることができる。この水蒸気はＣＯシフト反応に用いられる。
【０１５７】
また、ＣＯ除去部１４０におけるＣＯ除去反応（シフト反応、酸化反応）はいずれも発熱反応を呈する。改質ガス通路Ｃ側で高温となった回転蓄熱体１４２は排ガス通路Ｄ側で冷却されるため、触媒の劣化を防止して最適な反応速度を維持することができる。
【０１５８】
排ガス通路Ｄを通過して水蒸気を回収された排ガスは、高温流体通路Ｂの燃焼ガス供給部７０に導入される。排ガスは、改質部３０および蒸発部２０に供給され、回転蓄熱体１３１、１２１を通過する際に触媒燃焼を開始する。このオフガスの触媒燃焼によって発生した熱は回転蓄熱体１２１、１３１に蓄えられる。これにより、改質部１３０の回転蓄熱体１３１は改質触媒を加熱するとともに、蒸発部１２０の回転蓄熱体１２１は低温流体通路Ａにて改質原料を加熱して蒸発させる。
【０１５９】
このように、オフガスの触媒燃焼による熱により、蒸発部１２０においては改質原料を加熱して気化するとともに、改質部１３０においては改質触媒を加熱することができる。これにより、蒸発部１２０、改質部１３０の加熱は、始動用燃料の火炎燃焼による加熱からオフガス燃焼による加熱に切り替わり、水素供給装置は自立運転を開始することができる。
【０１６０】
このとき、ガス圧縮機１５１の出力調整および排気制御弁１０２の開度調整により、高温流体通路圧力Ｐｂの方が低温流体通路圧力Ｐａより高くなるように圧力調整を行う。
【０１６１】
次に、燃料電池１６０における負荷が変動した場合には、燃料電池１６０での負荷変動に応じてガス圧縮機１５１、１５２により改質原料の供給量を調整して、燃料電池１６０への水素供給量および空気供給量を調整する。このとき、ガス圧縮機１５１による改質ガス供給量が増加した場合には高温流体通路圧力Ｐｂおよび排ガス通路圧力Ｐｄが高くなり、減少した場合には高温流体通路圧力Ｐｂおよび排ガス通路圧力Ｐｄが低くなる。このため、排気制御弁８２の開度を調整することで、各通路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの圧力差が適正になるように圧力調整を行う。
【０１６２】
水素供給装置から燃料電池６０への水素の供給を停止する場合には、改質燃料と水の供給を停止し、次に空気の供給を停止する。この間、低温流体通路Ａ内に残存する可燃混合気は、高温流体通路Ｂにおいて蒸発部１２０および改質部１３０内またはその表面部での触媒燃焼により燃焼完結するので、エミッションの排出を抑制することができる。
【０１６３】
以上、本第７実施形態の水素供給装置のようにＣＯ除去部１４０に吸着剤を備えた回転蓄熱体１４２を設けることで、ＣＯ除去反応に必要とされる水分は燃料電池１６０より排出される排ガスから回収することができる。これにより、ＣＯ除去部１４０に水分を供給するために、改質原料に改質反応に必要とされる以上の水分を含める必要が無くなり、水素供給装置の蒸発気化手段を簡略化することができる。
【０１６４】
このように回転蓄熱体１４２の貫通孔表面に特定物質を選択的に吸着できる吸着剤を設けることで、２つの通路間において熱のみならず物質をも移送させることができるようになる。
【０１６５】
さらに、本第７実施形態のように、回転蓄熱体１４２に水蒸気吸着層とシフト触媒とを設けることで、排ガス通路Ｄにおいて排ガスより回収した水蒸気を液化することなく、水蒸気の状態で改質ガス通路Ｃに移送してＣＯ除去反応に用いることができる。
【０１６６】
また、ＣＯ除去部１４０に回転蓄熱体１４２を設けることで、改質ガス通路ＣにおけるＣＯ除去反応により発熱した触媒を、低温の排ガス通路Ｄにて冷却することができる。これにより、触媒の劣化を防止するとともに最適な反応温度を維持することができる。
【０１６７】
なお、改質部１３０とＣＯ除去部１４０との間に設けられた冷却部１４１は、過剰な温度となった改質ガスを冷却するために、外部に設けられた図示しない冷却装置と熱媒体を介して熱交換できるように構成してもよい。
【０１６８】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態を図１７に基づいて説明する。図１７は、本第８実施形態の水素供給装置の概略構成を示す概念図である。本第８実施形態は、上記第７実施形態と比較して、ＣＯ除去部１４０の構成の点が異なるものである。上記第７実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【０１６９】
図１７に示すように、本第８実施形態の水素供給装置におけるＣＯ除去部１４０には、蒸発部１２０の回転蓄熱体１２１と同様の構成を有する２つの回転蓄熱体１４２、１４４が設けられている。第１の回転蓄熱体１４２は、改質ガス通路Ｃにおいては第２の回転蓄熱体１４４の上流側に位置し、排ガス通路Ｄにおいては第２の回転蓄熱体１４４の下流側に位置する。第１の回転蓄熱体１４２では排ガス通路Ｄを流れる燃料電池排ガスからの水分（水蒸気）回収を行い、第２の回転蓄熱体１４４ではＣＯ除去反応（シフト反応、酸化反応）を行うように構成されている。
【０１７０】
第１の回転蓄熱体１４２には、貫通孔内部の表面（伝熱面）にゼオライト等からなる水蒸気吸着層が形成されている。また、第２の回転蓄熱体１４４には、貫通孔内部の表面（伝熱面）にＣＯ除去反応のためのＣＯ除去触媒（シフト触媒、酸化触媒）が添着されている。また、改質ガス通路Ｃには高温の改質ガスを冷却するために、第１の回転蓄熱体１４２の上流側には第１の冷却部１４１が設けられ、第１の回転蓄熱体１４２と第２の回転蓄熱体１４４と間には第２の冷却部１４３が設けられている。
【０１７１】
このような構成により、本第８実施形態の水素供給装置におけるＣＯ除去部１４０は以下のように作動する。
【０１７２】
まず、第１の回転蓄熱体１４２で低温高圧の排ガス通路Ｄを流れる燃料電池排ガスから水蒸気を吸着回収し、改質ガス通路Ｃに移送する。第１の回転蓄熱体１４２にて吸着された水蒸気は、高温低圧の改質ガス通路Ｃにて脱離する。このとき、第１の回転蓄熱体１４２では、改質ガスの熱を排ガス通路Ｄに放熱することで改質ガス通路Ｃを流れる改質ガスを冷却することができる。
【０１７３】
改質ガス通路Ｃにて第１の回転蓄熱体１４２より脱離した水蒸気は、第２の回転蓄熱体１４４に供給される。第２の回転蓄熱体１４４では、この水蒸気を用いたＣＯ除去反応が起こり、改質ガス中のＣＯを除去することができる。このとき、第２の回転蓄熱体１４４ではＣＯ除去反応に伴い発熱するが、低温の排ガス通路Ｄにて触媒を冷却することができる。
【０１７４】
以上、本第８実施形態の水素供給装置の構成によっても、上記第７実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第８実施形態のように、ＣＯ除去部１４０において、２つの回転蓄熱体１４２、１４４を用いて水分回収とＣＯ除去反応を分離して行うことで、水分（水蒸気）の吸着効率を向上させることができる。
【０１７５】
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態を図１８に基づいて説明する。図１８は、本第９実施形態の水素供給装置の概略構成を示す概念図である。本第９実施形態は、上記第７実施形態と比較して、改質用空気加湿部２００が付加された点が異なるものである。上記第７実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【０１７６】
図１８に示すように、本第９実施形態の水素供給装置では、改質原料に用いられる空気を加湿するための改質用空気加湿部２００が設けられている。改質用空気加湿部２００には、改質用空気が通過する改質用空気通路Ｅと、燃料電池１６０から排出される排ガスが通過する空気加湿用排ガス通路Ｆとが形成されている。改質用空気通路Ｅを通過した空気は改質原料供給部１１０に供給され、改質原料の一部として用いられる。また、空気加湿用排ガス通路Ｆを通過した排ガスは、排ガス通路Ｄに供給される。
【０１７７】
また、改質原料加湿部２００の改質用空気通路Ｅと改質原料供給部１１０の間には、空気圧送のためのガス圧縮機１１８が設けられている。これにより、ガス圧縮機１１８の吸入側に位置する改質原料加湿部２００の改質用空気通路Ｅは低圧となる。
【０１７８】
改質用空気加湿部２００には、蒸発部１２０における回転蓄熱体１２１と同様の構成を有する回転蓄熱体２０１が設けられている。回転蓄熱体２０１には、貫通孔内部の表面（伝熱面）にゼオライト等からなる水蒸気吸着層が形成されている。回転蓄熱体２０１は、回転軸２０２を中心にして図示しない駆動機構により回転駆動される。
【０１７９】
このような構成により、改質用空気加湿部２００では、空気加湿用排ガス通路Ｆにおいて燃料電池１６０から排出される排ガスより水蒸気を吸着回収し、改質用空気通路Ｅにて水蒸気を脱離する。このとき、空気加湿用排ガス通路Ｆと改質用空気通路Ｅとの間の温度差は小さいが、改質用空気通路Ｅの方が空気加湿用排ガス通路Ｆより低圧であるため、空気加湿用排ガス通路Ｆの水蒸気を吸着により改質用空気通路Ｅに移送させることができる。空気加湿用排ガス通路Ｆを通過した排ガスは排ガス通路Ｄに供給され、さらに水分を回収された後に高温流体通路Ｂにて燃焼ガスとして利用される。
【０１８０】
以上のような本第９実施形態の構成によれば、燃料電池１６０の排ガス中の水蒸気を回収して改質原料に用いられる空気を加湿することができるため、改質原料供給部１１０における水供給装置を小型化あるいは不要とすることができる。
【０１８１】
なお、改質用空気加湿部２００にて回収した水蒸気を水蒸気のまま改質原料供給部１１０に移送するために、改質用空気加湿部２００における改質用空気通路Ｅと改質原料供給部１１０との間の経路を断熱構造とすることが望ましい。また、高温流体通路Ｂの下流側で水素供給装置から排出される燃焼ガスによって、改質用空気加湿部２００における改質用空気通路Ｅと改質原料供給部１１０との間の経路を加熱できるように構成してもよい。
【０１８２】
（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態を図１９に基づいて説明する。図１９は、本第８実施形態の水素供給装置の概略構成を示す概念図である。本第１０実施形態は、上記第７実施形態と比較して、改質ガス中に含まれる水素以外の不純物（窒素、二酸化炭素等）を吸着除去する不純物除去部１９０が設けられている点が異なるものである。上記第７実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。なお、図１９中の交差斜線矢印は不純物の移動方向を示している。
【０１８３】
改質部１３０では、改質反応により改質原料（水、空気、改質燃料の混合気）を改質して、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を生成する。また、改質原料に含まれる空気には、窒素等が含まれている。従って、改質ガス中には、水素以外の不純物が含まれており、水素濃度が低いものとなっている。
【０１８４】
そこで、本第１０実施形態における水素供給装置では、図１９に示すように、改質ガス通路ＣにおけるＣＯ除去部１４０の下流側には、改質部１３０にて生成した改質ガス中に含まれる水素以外の不純物（窒素、二酸化炭素等）を吸着除去するための不純物除去部１９０が設けられている。
【０１８５】
不純物除去部１９０は、蒸発部１２０における回転蓄熱体１２１と同様の構成を有する回転蓄熱体１９１を備えている。回転蓄熱体１９１には、貫通孔内部の表面（伝熱面）に不純物吸着層が形成されている。不純物吸着層は、多孔質材料のゼオライト等から構成されており、表面には多数の細孔が形成されている。
【０１８６】
不純物吸着層では、吸着しようとする不純物分子の大きさに応じて細孔の大きさを設定することにより、特定の不純物を選択的に吸着することができる。本第１０実施形態における改質ガス中の主な不純物は窒素および二酸化炭素である。
【０１８７】
本第１０実施形態の水素供給装置では、改質原料供給部１１０における空気流量制御弁１１０の上流側には、図示しない押し込み式のガス圧縮機が設けられている。これにより、改質ガス通路Ｃより下流側に位置する排ガス通路Ｄは、圧力損失のため圧力低下し、排ガス通路圧力Ｐｄは改質ガス通路圧力Ｐｃより低圧となる。
【０１８８】
このような構成により、不純物除去部１９０は以下のように作動する。まず、不純物除去部１９０には、改質ガス通路ＣにおいてＣＯ除去部１４０で一酸化炭素を除去された改質ガスが供給される。不純物除去部１９０では、不純物吸着層により改質ガス中に含まれる窒素、二酸化炭素を選択的に物理吸着する。このとき、改質ガス通路Ｃと排ガス通路Ｄとの間の温度差は小さいが、排ガス通路Ｄの方が改質ガス通路Ｃより低圧であるため、改質ガス通路Ｃの不純物を吸着により排ガス通路Ｄに移送させることができる。
【０１８９】
次に、回転蓄熱体１９１が回転することにより窒素等を吸着した部位が排ガス通路Ｄ側に移動する。ここで、不純物吸着層に吸着された窒素等は脱離して、排ガスとともに水素供給装置の外部に排出される。
【０１９０】
以上の本第１０実施形態の構成によれば、不純物除去部１９０により改質ガス中の窒素、二酸化炭素を選択的に物理吸着して、排ガス通路Ｄ側に脱離、放出することができ、燃料電池１６０に供給される改質ガス中の水素濃度を高めて良質な燃料を燃料電池１６０に供給することができる。これにより燃料電池１６０における発電効率を向上させることができる。
【０１９１】
なお、不純物除去部１９０は改質ガス通路ＣにおけるＣＯ除去部１４０の上流側に設けてもいい。但し、ＣＯ除去部１４０においてもＣＯ除去反応により二酸化炭素が発生するため、不純物除去部１９０は改質ガス通路ＣにおけるＣＯ除去部１４０の下流側に設けることが望ましい。また、ＣＯ除去反応後の低温となった改質ガスから不純物を除去することで、吸着剤の吸着効率を高くすることができる。
【０１９２】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、シール部材２２、２３と回転蓄熱体２１との間に所定の微少隙間を確保するための隙間保持部材２７、２８として、外周部に円筒状スペーサ２７、中心部に棒状スペーサ２８を配置したが、これに限らず、シール部材２２、２３と回転蓄熱体２１との間に所定の微少隙間を確保できれば、円筒状スペーサ２７あるいは棒状スペーサ２８のいずれか一方のみを配置するように構成してもよい。
【０１９３】
また、図１７で示した第８実施形態では、第１の回転蓄熱体１４２で水分回収を行い、第２の回転蓄熱体１４４でＣＯ除去（シフト反応、酸化反応）を行うように構成したが、これに限らず、シフト反応と酸化反応を分離し、第１の回転蓄熱体１４２にて水分回収と同時にシフト反応を行い、下流側の第２の回転蓄熱体１４４では酸化反応のみを行うように構成してもよい。この場合には、第１の回転蓄熱体１４２にシフト触媒を設ければよい。
【０１９４】
また、上記各実施形態では、本発明の回転蓄熱式熱交換器を燃料電池システムの改質装置に適用したが、これに限らず、例えばガスタービン等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の改質装置のブロック図である。
【図２】図１の改質装置の概念図である。
【図３】図１の改質装置における熱交換部の断面図である。
【図４】図１の改質装置の熱交換部の分解斜視図である。
【図５】図４の熱交換部の流体流れ方向における断面図である。
【図６】図３の熱交換部の平面図である。
【図７】図１の改質装置の制御系の説明図である。
【図８】第２実施形態の改質装置における熱交換部の断面図である。
【図９】第３実施形態の改質装置における熱交換部の断面図である。
【図１０】第４実施形態の改質装置における熱交換部の断面図である。
【図１１】図１０の熱交換部の部分拡大図である。
【図１２】第５実施形態の改質装置における熱交換部の断面図である。
【図１３】第６実施形態の改質装置における熱交換部の断面図である。
【図１４】図１３の熱交換部の熱変形前の状態を示す断面図である。
【図１５】図１３の熱交換部の熱変形後の状態を示す断面図である。
【図１６】上記第７実施形態の改質装置の概念図である。
【図１７】上記第８実施形態の改質装置の概念図である。
【図１８】上記第９実施形態の改質装置の概念図である。
【図１９】上記第１０実施形態の改質装置の概念図である。
【図２０】従来技術の回転蓄熱式熱交換装置における熱変形前の状態を示す断面図である。
【図２１】従来技術の回転蓄熱式熱交換装置における熱変形後の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…改質原料供給部、２０…熱交換器、２１…回転蓄熱体、２２、２３…シール部材、２５…リングギア、２７…円筒状スペーサ、２８…棒状スペーサ、２９、３０…軸受け、３１…スプリング、３２…弾性ナット、４０…改質部、５０…燃料電池。

Claims (18)

1. 軸方向に多数の貫通孔（２１ａ）が形成され、回転することにより低温流体が通過する低温流体通路（Ａ）と高温流体が通過する高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動して、前記高温流体の熱を前記低温流体に移送する回転蓄熱体（２１）と、
   前記回転蓄熱体（２１）における前記貫通孔（２１ａ）が開口する両端面に対向するように配置され、前記高温流体通路（Ｂ）において前記高温流体の流入側に位置する高温側シール部材（２３）および前記高温流体の流出側に位置する低温側シール部材（２２）とからなる一対のシール部材（２２、２３）とを備え、
   前記各シール部材（２２、２３）は、フランジ部（２２ａ、２３ａ）とその中心を径方向に通るクロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）とを有しており、前記回転蓄熱体（２１）における前記貫通孔（２１ａ）が開口する両端面のそれぞれが前記クロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）により２つの領域に区画されており、一方の領域は前記低温流体通路（Ａ）に位置するとともに、他方の領域は前記高温流体通路（Ｂ）に位置するように構成された回転蓄熱式熱交換器であって、
   前記一対のシール部材（２２、２３）の間には、前記各シール部材（２２、２３）と前記回転蓄熱体（２１）との間に所定の隙間が保持されるように、前記回転蓄熱体（２１）の軸方向長さより長い軸方向長さを有する隙間保持部材（２７、２８）が配置されていることを特徴とする回転蓄熱式熱交換器。
2. 前記隙間保持部材は、前記回転蓄熱体（２１）より大きい直径を有する円筒形状であって、前記一対のシール部材（２２、２３）のフランジ部（２２ａ、２３ａ）の間に配置される円筒状スペーサ（２７）、あるいは前記回転蓄熱体（２１）の回転中心部を貫通する棒形状であって、前記一対のシール部材（２２、２３）のクロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）の間に配置される棒状スペーサ（２８）の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載の回転蓄熱式熱交換器。
3. 前記隙間保持部材として少なくとも前記円筒状スペーサ（２７）を備えている場合には、前記回転蓄熱体（２１）は前記円筒状スペーサ（２７）に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の回転蓄熱式熱交換器。
4. 前記隙間保持部材として少なくとも前記棒状スペーサ（２８）を備えている場合には、前記回転蓄熱体（２１）は前記棒状スペーサ（２８）に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の回転蓄熱式熱交換器。
5. 前記棒状スペーサ（２８）は、前記一対のシール部材のうち前記低温側シール部材（２２）のクロスアーム部（２２ｂ）のみによって支持されていることを特徴とする請求項４に記載の回転蓄熱式熱交換器。
6. 前記回転蓄熱体（２１）と前記棒状スペーサ（２８）との間には、弾性部材（３３）が介在していることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の回転蓄熱式熱交換器。
7. 前記回転蓄熱体（２１）と前記シール部材（２２、２３）のフランジ部（２２ａ、２３ａ）との間に形成される隙間は、前記回転蓄熱体（２１）と前記シール部材（２２、２３）のクロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）との間に形成される隙間より大きくなるように構成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つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
8. 前記一対のシール部材（２２、２３）のクロスアーム部（２２ｂ、２３ｂ）には、所定間隔の間隙（２２ｄ、２３ｄ）が形成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つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
9. 前記高温側シール部材フランジ部（２３ａ）の前記回転蓄熱体（２１）側における前記回転蓄熱体（２１）の外周角部に対応する部位に、突出部（２３ｅ）が形成されており、
   前記回転蓄熱体（２１）が熱変形したときに、前記突出部（２３ｅ）と前記回転蓄熱体（２１）の外周角部との隙間が減少するように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つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
10. 前記回転蓄熱体（２１）の外周部と前記円筒状スペーサ（２７）との間に低温流体が導入されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
11. 前記高温側シール部材（２３）における前記回転蓄熱体（２１）の反対側に前記高温ガスシール（２３）と平行に配置され、前記高温側シール部材（２３）に対応するフランジ部（３５ａ）とクロスアーム部（３５ｂ）とを有するサポート部材（３５）と、
    前記高温側シール部材クロスアーム部（２３ｂ）と前記サポート部材クロスアーム部（３５ｂ）との間に配置される中心部スペーサ（３７）と、
    前記中心部スペーサ（３７）と同一の軸方向長さを有し、前記高温側シール部材フランジ部（２３ａ）と前記サポート部材フランジ部（３５ａ）との間に配置される外周部スペーサ（３６）とを備え、
    前記外周部スペーサ（３６）は、前記中心部スペーサ（３７）より熱膨張係数が大きいものであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
12. 前記一対のシール部材（２２、２３）と、前記サポート部材（３５）は同軸上で固定されていることを特徴とする請求項１１に記載の回転蓄熱式熱交換器。
13. 前記外周部スペーサ（３６）の熱膨張により前記高温側シール部材（２３）と前記サポート部材（３５）との間が押し広げられることを特徴とする請求項１０または請求項１２に記載の回転蓄熱式熱交換器。
14. 前記外周部スペーサ（３６）の熱膨張により生じる前記シール部材（２２、２３）の変形量は、前記回転蓄熱体（２１）の熱変形による生じる変形量と略同一に設定されていることを特徴とする請求項１３に記載の回転蓄熱式熱交換器。
15. 前記低温流体通路（Ａ）および前記高温流体通路（Ｂ）のそれぞれにおいて、前記高温側シール部材（２３）と前記サポート部材（３５）の間は伸縮可能な筒状部材（５ａ、６ａ）にて連結されていることを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
16. 前記低温側シール部材（２２）は耐熱性金属材料から構成され、前記高温側シール部材（２３）はセラミック材料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つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
17. 前記低温側シール部材（２２）および前記高温側シール部材（２３）は耐熱性金属材料から構成されていることを特徴とする請求項１０ないし１５のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
18. 請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器を用い、改質反応により改質原料から水素を生成する燃料電池システム用改質装置であって、前記低温流体は前記改質原料であり、前記高温流体は燃焼ガスであることを特徴とする燃料電池システム用改質装置。

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