JP5164601B2

JP5164601B2 - 改質装置

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Publication number: JP5164601B2
Application number: JP2008042236A
Authority: JP
Inventors: 孝一桑葉; 重徳尾沼; 聡遠藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: JP2009196866A

Description

本発明は、改質装置に関する。

従来の燃料電池用燃料ガス改質装置内の改質水通路の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。改質水は改質用燃料と混合されて燃料を改質する為に、まず蒸発されなければならない。効率的に蒸発され、かつ小型軽量化を実現するためには、熱交換効率を上げることが必要であり、特許文献１の図１に示されているように、改質水通路は幅の狭い２重管構造となっており、効果的に周りと熱交換ができるようになっている。また特許文献２についても、同様な理由により、改質水の通路で蒸発すると思われる部位は、単管状となっている。

上記システムにおいて使用される改質水は、ほとんどはそのシステム内で回収された水、いわゆる自立水であるが、数％〜数１０％は水道から補給された水が使用されている。そしてその水道水が自立水に混合され、イオン交換等の処理がされた後、水ポンプで改質装置に供給されている。しかしながら、水道水中にイオン状態で存在する微量のシリカ成分（Ｓｉを含む化合物）は、イオン交換樹脂を通す際、イオン吸着力が弱いため、自立水に含まれるイオン吸着力の強い多量の炭酸陰イオンに押し流され水にシリカ成分が残留され、そのまま改質装置に供給される。シリカ成分は水蒸気中には存在できないため、水が沸騰し蒸発される場合には、析出され水中に残留し、長時間運転で濃縮されて、やがて固化する。
特開２００３−３２１２０６号公報特開２００２−３７２３９５号公報

従来技術においては、改質水が蒸発する部位では流路が狭いため、シリカ成分などの濃縮または蓄積した成分が流路をふさぎやすく改質用燃料供給の圧損が上昇して、所定流量が得られないため、所定出力が低下することがある。また、水道水がそのまま改質装置に供給される場合にも、濃縮または蓄積した成分が析出され濃縮される。また、水道水は気化しにくい成分を含む。気化しにくい成分は改質装置に供給され濃縮される、もしくは改質装置内に蓄積される。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、気化しにくい成分を含む水を改質水に用いても、濃縮または蓄積した成分が流路をふさがず所定流量が確保され、所定出力が低下することのない信頼性の高い改質装置を提供す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、改質水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、該蒸発部で蒸発された水蒸気に改質用燃料が投入されて供給され改質ガスを生成する改質部と、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、前記改質部と前記一酸化炭素低減部との間に配置され、前記改質部で生成された改質ガスを冷却するとともに、前記蒸発部で生成された水蒸気を加熱する冷却部と、を備え、前記改質水が前記蒸発部を経て、前記冷却部で加熱され前記改質部に送出される改質装置において、前記一酸化炭素低減部を前記冷却部の下方に設け、前記一酸化炭素低減部と前記冷却部との間に前記蒸発部で生成された水蒸気が導入され前記冷却部に導出されるマニホールドを設け、前記改質水より濃縮または蓄積される成分を溜める溜り部を、前記改質水が蒸発される界面より下方で、前記マニホールドの下方かつ前記一酸化炭素低減部の上面に接して設けたことである。
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、改質水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、該蒸発部で蒸発された水蒸気に改質用燃料が投入されて供給され改質ガスを生成する改質部と、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、前記改質部と前記一酸化炭素低減部との間に配置され、前記改質部で生成された改質ガスを冷却するとともに、前記蒸発部で生成された水蒸気を加熱する冷却部と、を備え、前記改質水が前記蒸発部を経て、前記冷却部で加熱され前記改質部に送出される改質装置において、前記一酸化炭素低減部を前記冷却部の下方に設け、前記一酸化炭素低減部と前記冷却部との間に前記蒸発部で生成された水蒸気が導入され前記冷却部に導出されるマニホールドを設け、前記改質水より析出され、固化されるシリカ成分に対し所定の容積を持つ溜り部を、前記改質水が蒸発される界面より下方で、前記マニホールドの下方かつ前記一酸化炭素低減部の上面に接して設けたことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、改質水が蒸発される界面より下方に、改質水より濃縮または蓄積される成分を溜める溜り部が設けられる。これにより、水が蒸発する条件下では気化しにくく、水が蒸発されるにつれて濃縮される成分である、例えば塩分、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンを含む海水、硬水等、水が蒸発する条件下では気化しにくい成分であり、かつイオン化しにくい、すなわち電子が着脱しやすく析出されやすいシリカのような、水が蒸発されるにつれて濃縮される成分を含む１００％水道水、井戸水等、または粒子状固形物である砂などの、水が蒸発されるにつれて蓄積される成分を含む水道水、海水、井戸水等が、改質水として使用されたとき、改質水より濃縮または蓄積される成分は、改質水が蒸発される界面より下方に設けられた溜り部に溜められる。よって濃縮または蓄積された成分により流路がふさがれ流路の圧損が上昇して所定流量が得られず、所定出力が低下することはない。また、改質水が溜まる、大きな面積を持つ溜り部は、一酸化炭素低減部の上面に接して設けられるため、一酸化炭素低減部の温度制御を、適切に高い熱交換効率で行うことができる。即ち、一酸化炭素低減部の温度は、Ｓ（スチーム）／Ｃ（カーボン）比の増減により制御されるが、その温度調整を、一酸化炭素低減部との接触面積が大きい溜り部に溜る改質水および溜り部を通過する水蒸気によって行うことにより、熱交換効率が向上するため、改質装置のエネルギー変換効率、すなわち、かかる改質装置を用いた燃料電池システムの発電効率も向上する。さらに、溜り部にシリカが蓄積された場合は、溜り部の水量が減少して、シリカ固形分よりも水の界面が下方になってしまった時にも、シリカは親水性が高く、水を多く含むことができるため、水が十分溜まっている時と同様、一酸化炭素低減部の温度制御効果を保持することができ、改質装置の機能を低下させることがない。
上記のように構成した請求項２に係る発明によれば、改質水が蒸発される界面より下方に、改質水より析出され、固化されるシリカ成分に対し所定の容積をもつ溜り部が設けられる。これにより、析出され固化されたシリカ成分は、改質水中を沈殿し、溜り部に蓄積される。ここで所定の容積とは、例えば、求められる改質装置の耐用年数に対して、１００％の水道水を使用したときを想定し、水のシリカ含有量、使用量等の最悪条件を考慮に入れ、かつ安全率も含めて、溜まるシリカ量が推定され決定される容積である。よって、耐用年数経過時も、蓄積されたシリカ固形分により流路がふさがれ、流路の圧損が上昇して、所定流量が得られず所定出力が低下することはない。また、溜り部は、改質水の流路の底部から下方に突設されているので、シリカ固形分が流出して下流の補機類に悪影響を及ぼし、性能低下に至ることもない。また、改質水が溜まる、大きな面積を持つ溜り部は、一酸化炭素低減部の上面に接して設けられるため、一酸化炭素低減部の温度制御を、適切に高い熱交換効率で行うことができる。即ち、一酸化炭素低減部の温度は、Ｓ（スチーム）／Ｃ（カーボン）比の増減により制御されるが、その温度調整を、一酸化炭素低減部との接触面積が大きい溜り部に溜る改質水および溜り部を通過する水蒸気によって行うことにより、熱交換効率が向上するため、改質装置のエネルギー変換効率、すなわち、かかる改質装置を用いた燃料電池システムの発電効率も向上する。さらに、溜り部にシリカが蓄積された状態で、溜り部の水量が減少し、シリカ固形分よりも水の界面が下方になってしまった時にも、シリカは親水性が高く水を多く含むことができるため、水が十分溜まっている時と同様、一酸化炭素低減部の温度制御効果を保持することができ、改質装置の機能を低下させることがない。

以下、本発明に係る改質装置の実施の形態について説明する。図１はこの改質装置を備えた燃料電池システムの概要を示す図である。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。

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、一酸化炭素低減部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。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、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、改質水が蒸発部２６にて加熱され生成された水蒸気に、改質用燃料が投入され混合された混合ガスが送出されて、改質ガスが生成され導出されるものである。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、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冷却部２２で加熱されて導入され、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り、改質部２１の触媒２１ｂの活性温度域は４００℃から８００℃である。また改質部２１内には、改質部２１内の温度例えば燃焼部２５との間の壁付近の温度を測定する図示しない温度センサが設けられている。

冷却部２２は、改質部２１と一酸化炭素低減部２３の間に配置され、改質部２１で生成され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冷却して一酸化炭素低減部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって加熱して改質部２１に送出するようになっている。

冷却部２２と、一酸化炭素低減部２３との間に、蒸発部２６で生成された水蒸気が導入され冷却部２２に導出されるマニホールド９２が設けられており、溜り部９１がマニホールド９２の下方で一酸化炭素低減部２３の上面に接して設けられている。溜り部９１は、水蒸気となった改質水の流路をなすマニホールド９２の底部から下方に突設されている。図２に示すように、マニホールド９２および溜り部９１は改質部２１で生成された改質ガスが、一酸化炭素低減部２３へ導出されるための上下に貫通する空間を中央部に備えている。また貫通する空間の周囲に環状に形成され、環状空間の上方部分がマニホールド９２を構成し、下方部分が所定の容積を持つ溜り部９１を構成して一酸化炭素低減部２３と当接している。マニホールド９２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。またマニホールド９２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続され、改質用燃料供給管４１には、上流から順番に燃料ポンプ４２、脱硫器４６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は改質用燃料供給管４１を開閉するものであり、燃料ポンプ４２は改質用燃料および燃焼用燃料を供給しその供給量を調整するものである。脱硫器４６は燃料中の付臭成分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。燃料のうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部２５に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。

また、改質用燃料供給管４１の脱硫器４６と改質用燃料バルブ４３との間には燃焼部２５に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されており、燃焼用燃料供給管４４には燃焼用空気供給管６４が接続されている。燃焼用燃料供給管４４には燃焼用燃料バルブ４５が設けられている。燃焼用燃料バルブ４５は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれている場合、燃焼部２５に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられている場合、改質部２１に改質用燃料が供給される。

マニホールド９２への改質用燃料の供給管４１および水蒸気の供給管５１の各接続部は、各供給管４１、５１がマニホールド９２に開口する開口部の下端が溜り部９１の上端（二点鎖線）より上方に位置するよう接続されている。溜り部９１の所定の容積とは、例えば、改質装置に求められる耐用年数に対して、改質水として１００％の水道水が使用されると想定し、水のシリカ含有量、使用量等の最悪条件を考慮に入れ、かつ安全率も含めて、蓄積されるシリカの最大量を推定し、決定される容積のことをいう。

なお、本実施の形態においては、改質用燃料の供給管４１および水蒸気の供給管５１が2方向から別々にマニホールド９２に接続されているが、その形態に限らず、マニホールド９２に接続されるより上流にて改質用燃料の供給管と水蒸気の供給管が接続され、改質用燃料と水蒸気が混合された状態でマニホールド９２に導入される形態についても本発明は適用可能である。この場合も、改質用燃料と水蒸気が混合された状態でマニホールド９２に接続される１本の接続管がマニホールド９２に開口する開口部の下端は所定の容積にて設定される溜り部９１の上端より上方に位置するよう接続される。

一酸化炭素低減部２３は、改質部２１から冷却部２２で冷却されてマニホールド９２および溜り部９１の中央部空間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である。一酸化炭素低減部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。一酸化炭素低減部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が、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。一酸化炭素低減部２３内には、一酸化炭素低減部２３の触媒２３ｂの温度を測定する図示しない温度センサが設けられている。

ＣＯ選択酸化部２４は、一酸化炭素低減部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。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、一酸化炭素低減部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が接続されており、このためＣＯ選択酸化部２４には、一酸化炭素低減部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入される。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ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り、酸化用空気バルブ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（酸化）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。

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、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との間にアノードガスバルブ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との間にアノードオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３にはバイパスバルブ７６が設けられている。

燃料電池システムの起動開始から発電開始までは、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、アノードガスバルブ７４およびアノードオフガスバルブ７５を閉じバイパスバルブ７６を開き、発電運転時には、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、アノードガスバルブ７４およびアノードオフガスバルブ７５を開きバイパスバルブ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、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。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。

燃焼用燃料供給管４４には、燃焼部２５と燃焼用燃料バルブ４５との間に、燃焼用燃料管６４が接続され、燃焼用空気供給管６４が接続され、燃焼用燃料、改質部２１から供給される改質ガス、および燃料電池１０からのアノードオフガスの少なくとも何れか一を、燃焼用空気ポンプ６５によって供給される燃焼用空気により燃焼させ、その燃焼ガスによって改質部２１を加熱する。この燃焼部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空間をおいて挿入されている。

燃焼部２５には、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。基本的には、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の起動時のうち一酸化炭素低減部２３の温度が所定温度未満である場合、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、一酸化炭素低減部２３の温度が所定温度以上となり燃料電池１０の発電が開始されると、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素や改質部で未改質な改質用燃料などを含んだ改質ガス）が燃焼部２５に供給されるようになっている。

また、発電運転中に、改質ガスやアノードオフガスによる燃焼熱量では改質部を所定温度に加熱するのに足りない場合には、その不足分の燃焼熱量に相当する量の燃焼用燃料を追加供給して補うようにしている。このように、燃焼部２５においてアノードオフガスだけでなく不足熱量を燃焼用燃料で補うシステムを追い焚きシステムという。なお、燃料電池システムには、この追い焚きシステム以外に、発電運転中に、アノードオフガスのみ燃焼部２５に供給し、追い焚きシステムのように燃焼用燃料などの可燃ガスを追加供給しない、追い焚きレスシステムがある。本発明は追い焚きシステムだけでなく追い焚きレスシステムにも適用可能である。

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を燃焼（酸化）させるための燃焼用空気が大気から供給されるようになっている。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をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路２７は、改質部２１の内周壁に沿って形成され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２８の内周壁との間に形成されて、折り返され断熱部２８の外周壁と蒸発部２６の内周壁との間に形成された流路である。

蒸発部２６は、改質水を沸騰（蒸発）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、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を形成している。

この蒸発部２６の下部には図示しない改質水タンクに接続された給水管５２が接続されている。また給水管５２の下方で蒸発部２６の下端部には所定の容積を持つ溜り部９３が備えられている（図１Ｂ部、図３）。ここでいう所定の容積とは、前述の溜り部９１に対する所定の容積と同様に、例えば、改質装置に求められる耐用年数に対して、改質水として１００％の水道水が使用されると想定し、水のシリカ含有量、使用量等の最悪条件を考慮に入れ、かつ安全率も含めて、蓄積されるシリカの最大量を推定し、決定される容積のことをいう。ここで溜り部９３は隣接する燃焼ガス流路２７の下端より下方に設けられていることが望ましい。また溜り部９３は燃焼ガス流路２７とは反対側となる外径側に突出していることが望ましい。

蒸発部２６の上部には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンク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供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ送出されるようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉し改質水供給量を調整する改質水調整手段である。なお、改質水ポンプ５３で改質水の供給量を調整するようにしてもよい。蒸発部２６には、蒸発部２６内の温度を検出する図示しない温度センサが設けられている。温度センサは蒸発部２６内の下流部（出口側）に設けることが好ましい。

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。起動運転が開始されると、図示しない制御装置は、燃焼用空気バルブ６６を開き、燃焼用空気ポンプ６５を駆動して、燃焼用空気を燃焼部２５に供給する。また、制御装置は、燃焼部２５の点火用電極に通電する。さらに、燃焼用燃料バルブ４５を開いて燃料ポンプ４２を駆動して、燃焼用燃料を燃焼部２５に供給する。これにより、燃焼用燃料が燃焼部２５で燃焼され、その燃焼ガスにより改質部２１および蒸発部２６が加熱される。なお、このとき、改質用燃料バルブ４３、改質水バルブ５４、酸化用空気バルブ６３、アノードガスバルブ７４、バイパスバルブ７６およびアノードオフガスバルブ７５は閉じられている。

そして、まず改質水バルブ５４が開かれ、改質水ポンプ５３が駆動されて蒸発部２６に所定量の水が供給された後、一旦、水の供給が停止される。その後、蒸発部２６の温度が所定値（例えば、１００℃）以上になったら水蒸気が発生したと判断し、改質水バルブ５４が再度開かれ、改質水ポンプ５３が駆動されて蒸発部２６に所定流量の水が供給開始される。蒸発部２６に導入される水は、その９０％以上はシステム内で回収されたものを再利用しているが、残りの分については、水道から補給される。そして蒸発部に供給される水はイオン交換樹脂を通して浄化されるが、シリカ成分が残留することがある。
蒸発部２６に導入された改質水は蒸発部２６の上部に接続されている水蒸気供給管５１との接続部よりも下方に水面上端が位置するように供給され、蒸発部２６の改質水界面で蒸発され水蒸気が発生する。改質水中に含まれるシリカ成分は水と一緒に蒸発されないため析出され、蒸発部２６の改質水中に残留し固化され沈殿し、時間の経過とともに溜り部９３に溜められていく。

蒸発部２６で蒸発された水蒸気が水蒸気供給管５１に案内され、冷却部２２の下方で溜り部９１の上方に設けられたマニホールド９２に導入される。しかし現実には気化した水蒸気のみがマニホールド９２に導入される場合だけではない。沸騰により飛散された水等も同時に導入されるためマニホールド９２にも水が溜まる場合が発生する。その場合にはマニホールド９２が蒸発部としての機能を持つこととなり、マニホールド９２に溜まった水の界面から水が蒸発して冷却部に導出されていく。ここでも改質水に含まれるシリカ成分（水中ではＨＳｉＯ_３ ⁻などの形でイオン化されている）は水と一緒に蒸発されないため析出し、水中に残留し固化され沈殿し（固形分は通常ＳｉＯ_２）、時間の経過とともに溜り部９１に溜められていく。

その後、改質用燃料バルブ４３が開かれ、燃料ポンプ４２が駆動されて改質用燃料がマニホールド９２に供給される。これにより、改質部２１に改質用燃料と水蒸気の混合ガスが供給され、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る。そして、改質部２１から導出された高温の改質ガスは一酸化炭素低減部２３に順次供給され、供給された改質ガスの温度により一酸化炭素低減部２３は上流側から順に昇温され、昇温された上流部分が一酸化炭素低減部２３の活性温度になると触媒反応の発熱による昇温も加わる。この結果、一酸化炭素低減部２３は、起動後、所定温度以上の領域が上流から下流に順に広がっていき、所定温度以上となった触媒領域では、改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定の濃度以下に低減することができる。

そして、一酸化炭素低減部２３の触媒中の所定場所に設置された温度計の温度が、所定温度以上であるか否かが判定される。温度が所定温度未満である場合には暖機が完了されていない、すなわち改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度より高いと判断される。このときの改質ガスは、一酸化炭素低減部２３を通過後、ＣＯ選択酸化部２４にて、改質用燃料バルブ４３が開かれるのと同時に開かれ駆動を開始される酸化用空気バルブ６３および酸化用空気ポンプ６２とによりＣＯ選択酸化部２４に供給される酸化用空気によって、一酸化炭素を低減されて導出され、燃料電池１０を通らずに、バイパス管７３を通って直接燃焼部２５に供給され燃焼される。

温度が所定温度以上となれば、暖機は完了し、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度以下になったと判断して、アノードガスバルブ７４およびアノードオフガスバルブ７５が開かれ、バイパスバルブ７６が閉じられてＣＯ選択酸化部２４が燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続されるとともに燃料極１１の導出口が燃焼部２５に接続され、改質ガスが供給されて、カソード用空気バルブ６９が開かれ、カソード用空気ポンプ６８が駆動されて発電が開始される。

運転終了後、燃料電池システム停止時には、燃料ポンプ４２の駆動および改質用燃料の供給が順次停止され、改質用燃料バルブ４３が閉じられる。その後、改質水ポンプ５３が停止され、改質水バルブ５４が閉じられる。さらに酸化用空気ポンプ６２が停止された後、酸化用空気バルブ６３が閉じられ、その後、燃料ポンプ４２が停止され、燃焼用燃料バルブ４５が閉じられる。最後に、燃焼用空気ポンプ６５、カソード用空気ポンプ６８が停止され、その後、燃焼用空気バルブ６６、アノードガスバルブ７４、アノードオフガスバルブ７５、バイパスバルブ７６、カソード用空気バルブ６９が順次閉じられる。これにより、燃料電池１０の発電が停止され、本プログラムが終了される。

上述の説明から明らかなように、本実施形態においては、マニホールド９２の下部に、所定の容積を備えた溜り部９１が設けられているため、１００％水道水の改質水が使用され、改質装置が最悪条件にて耐用年数分使用された場合でも、接続された改質用燃料供給管４１および水蒸気供給管５１がマニホールド９２と接続され開口する開口部の下端が溜り部９１の上端（２点鎖線）より上方に設定されているので、蓄積されたシリカ固形分は改質用燃料供給管４１および水蒸気供給管５１の流路をふさぐことはなく流路の圧損が上昇して所定流量が得られず、所定出力が低下することはない。

また溜り部９１はマニホールド９２より下方に設けられるため、シリカ固形分が流出して下流の補機類に悪影響を及ぼし、性能低下に至ることもない。

さらに、一酸化炭素低減部２３の温度制御を行なう際は、水蒸気分子量とカーボン分子量の比であるＳ／Ｃ比の増減により制御の調整を行なっているが、その調整は従来より、冷却部２２下方の一酸化炭素低減部２３寄りに溜まる水または水蒸気によりなされている。溜り部９１が下方に配置されたマニホールド部９２が冷却部の下方に、かつ一酸化炭素低減部２３の上面に設けられたことにより、広い面積を持つ水溜り部が確保され、これによって一酸化炭素低減部２３との熱交換効率が向上されるため、Ｓ／Ｃ比の増減の調整がし易くなり、よって一酸化炭素低減部２３の温度制御が容易になる。また熱交換効率が向上されることにより、改質装置のエネルギー変換効率が向上し、延いてはシステムの発電効率が向上する。

また溜り部９１の改質水の量が減少して固化されたシリカよりも改質水の界面が下方になっても、シリカ自体が高い親水性をもち、保水力があるため、シリカに含水された水が蒸発されてＳ／Ｃ比の増減による温度制御の調整を担うことができ、改質装置の機能を損なうことがない。

また本実施形態において、所定の容積を持つ溜り部９３が蒸発部２６の下端部に備えられたことにより、改質水が蒸発部で蒸発される際、水に含まれるシリカ成分は水と一緒に蒸発されないため析出し、水中に残留し固化され沈殿し、時間の経過とともに溜り部９３に溜まり固形化される。しかし改質水供給管５２が蒸発部２６と接続され開口する開口部の下端が溜り部９３の上端（二点鎖線）９４より上方に配置されるため、１００％水道水の改質水が使用され、改質装置が最悪条件にて耐用年数分使用された場合でも、蓄積されたシリカ成分は改質水供給管５２および蒸発部２６の流路をふさぐことはない。よって流路の圧損が上昇し所定流量が得られないために所定出力が低下することはない。また溜り部９３は蒸発部２６の下端部に設けられるため、シリカ固形分が流出して下流の補機類に悪影響を及ぼし、性能低下に至ることもない。

上記実施の形態では、改質水とし、主として自立水を使用し、不足した場合、水道水を補充している。しかしながら、改質水として使用される水として、自立水と水道水を混合させたものだけでなく、水が蒸発する条件下では気化しにくく、水が蒸発されるにつれて濃縮される成分、例えば塩分、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンを含む海水、硬水等、水が蒸発する条件下では気化しにくい成分であり、かつイオン化しにくい、すなわち電子が着脱しやすく析出されやすいシリカのような、水が蒸発されるにつれて濃縮される成分を含む水道水、井戸水等、または粒子状固形物である砂などの、水が蒸発されるにつれて蓄積される成分を含む水道水、海水、井戸水等を使用してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは勿論である。

本発明に係る燃料電池システムの実施の形態の概要を示す概要図。本実施形態に係る図１Ａ部の溜り部９１の拡大断面図。本実施形態に係る図１Ｂ部の溜り部９３の拡大断面図。

符号の説明

１０…燃料電池、２０…改質装置、２１…改質部、２２…冷却部、２３…一酸化炭素低減部、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、２７…燃焼ガス流路、４１…改質用燃料供給管、４２…燃料ポンプ、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、９１…溜り部、９２…マニホールド、９３…溜り部、９４…溜り部９３上端。

Claims

改質水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、
該蒸発部で蒸発された水蒸気に改質用燃料が投入されて供給され改質ガスを生成する改質部と、
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、
前記改質部と前記一酸化炭素低減部との間に配置され、前記改質部で生成された改質ガスを冷却するとともに、前記蒸発部で生成された水蒸気を加熱する冷却部と、を備え、
前記改質水が前記蒸発部を経て、前記冷却部で加熱され前記改質部に送出される改質装置において、
前記一酸化炭素低減部を前記冷却部の下方に設け、前記一酸化炭素低減部と前記冷却部との間に前記蒸発部で生成された水蒸気が導入され前記冷却部に導出されるマニホールドを設け、前記改質水より濃縮または蓄積される成分を溜める溜り部を、前記改質水が蒸発される界面より下方で、前記マニホールドの下方かつ前記一酸化炭素低減部の上面に接して設けたことを特徴とする改質装置。
改質水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、
該蒸発部で蒸発された水蒸気に改質用燃料が投入されて供給され改質ガスを生成する改質部と、
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、
前記改質部と前記一酸化炭素低減部との間に配置され、前記改質部で生成された改質ガスを冷却するとともに、前記蒸発部で生成された水蒸気を加熱する冷却部と、を備え、
前記改質水が前記蒸発部を経て、前記冷却部で加熱され前記改質部に送出される改質装置において、
前記一酸化炭素低減部を前記冷却部の下方に設け、前記一酸化炭素低減部と前記冷却部との間に前記蒸発部で生成された水蒸気が導入され前記冷却部に導出されるマニホールドを設け、前記改質水より析出され、固化されるシリカ成分に対し所定の容積を持つ溜り部を、前記改質水が蒸発される界面より下方で、前記マニホールドの下方かつ前記一酸化炭素低減部の上面に接して設けたことを特徴とする改質装置。