JP5388820B2 - 水素生成装置及びこれを備える燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を原料ガスとして、水素リッチな水素含有ガスを製造する水素生成装置、及び水素生成装置で製造された水素含有ガスを利用して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

従来、高効率で小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとが有する化学エネルギーを所定の電気化学反応により電気エネルギーに変換する燃料電池を備えている。このように燃料電池で生成された電気エネルギーは、燃料電池システムから電力負荷に供給される。

ところで、燃料電池システムで用いられる水素を含有する燃料ガスは一般的なインフラストラクチャーとして整備されていないため、通常、燃料電池システムは燃料ガスを生成するための水素生成装置を備えている。このように燃料電池システムに備えられた水素生成装置は、例えば、改質触媒を備えた改質器と、改質器に隣接若しくは内蔵された燃焼バーナとを備えている。この燃焼バーナには燃焼ファンが付設されており、燃焼バーナでは、燃料電池から排出された余剰の燃料ガス（以下、オフガスという）と、燃焼ファンから供給された燃焼用空気とを用いて燃焼が行われる。そして、水素生成装置では、天然ガス等の原料ガスと水と燃焼バーナにて加熱された改質触媒とにより改質器内で生じる水蒸気改質反応によって、水素を豊富に含む燃料ガスが生成される。

上記のような水素生成装置において、熱効率を向上させるために、燃焼バーナを取り囲むように筒状の改質器を備えた形態のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の水素生成装置は、水蒸気改質反応を行う改質器と、ガス中の一酸化炭素を低減させるためにシフト反応を行う変成部並びに酸化反応を行う酸化部とを、筒状の容器内に一体的に備えている。そして、筒状の容器には、原料ガス、オフガス、水、及び燃焼用空気の供給用流路や、水素生成装置から排出される水素及び燃焼バーナから排出される燃焼排ガスの排出用流路を構成する配管が接続されている。

ところで、水素生成装置は、一般に、１０〜２０ｋｇと重量が大きいため、燃料電池システムとして燃料電池とともにパッケージ化する際に、燃料電池システムのフレームに支持及び固定することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。上記特許文献２に記載の水素生成装置においては、改質部とＣＯシフト部を別体で設けた際の改質部とＣＯシフト部との間に設けられた熱交換器と改質器とを接続する連結配管を介した熱放出による効率低下や、上記連結配管と改質器や熱交換器との接続部の熱応力の集中による破損を考慮して、上記特許文献１に記載のように、燃料バーナ、改質器、熱交換器、ＣＯシフト部、及びＣＯ酸化部が一体的に形成している。また、燃料電池システムのパッケージ本体内に挿置される燃料改質装置において、燃料改質装置が、その比較的温度の低い部分又は低温化する必要のある部分をフランジ部を介して、パッケージ本体と連結されており、これにより上記連結部を介した熱放出による効率低下が抑制されている。例えば、上記改質装置中に設けられた燃焼バーナのうち燃料・空気及びアノードオフガスの導入部付近の比較的低温部分であるフランジ部とブラケットが接合され、このブラケットを介して間接的にパッケージ本体に支持されるように構成されている。

特開２００８−６３１７１号公報 特開２００２−２８４５０６号公報

しかしながら、特許文献２に記載の水素生成装置は、運転時における温度勾配に基づく改質部や熱交換器と連結配管との接続部における熱応力に関しては配慮されているが、水素生成装置の運転時と停止時の温度差から生じる熱変形による応力による配管の接続部の破損等については考慮されていない。例えば、上記特許文献２に記載の図５に示されるように、燃料・空気及びアノードオフガスが導入される導入部付近のフランジ部でブラケットと接合され、パッケージ本体に支持、固定されており、上記熱変形に対して燃料・空気及びアノードオフガスが導入される配管への応力が抑制されるように見える。しかしながら、改質装置の横方向（ブラケットが伸びる方向）についての熱変形については、上記支持構造により抑制されるが、改質装置の軸方向への変形は抑制困難である。例えば、仮に、特許文献２の図５に示す燃焼バーナ１の上端基部１１の側壁より燃料、空気、及びアノードオフガスが導入されるよう配管が構成された場合、上端基部１１の側壁の軸方向の熱変形により配管の導入方向と垂直な方向に応力がかかり、接続部における破損が生じやすくなる。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、水素生成装置本体と接続する各種配管が、運転時における熱膨張と停止時における冷却収縮に起因して生じる熱応力により、破損する可能性を抑制した水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の水素生成装置は、原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器及び前記改質器に熱を供給する燃焼器を有する水素生成装置本体と、前記原料ガスを前記改質器へ供給する配管、前記燃料ガスを前記燃焼器へ供給する配管、前記燃焼空気を前記燃焼器へ供給する配管、前記燃焼器から燃焼排ガスを排出する配管、及び前記水素生成装置本体から前記水素含有ガスを排出する配管を含む配管群と、前記燃焼器の火炎放出方向から見て前記水素生成装置の下端側に設けられ、前記配管群のうちの少なくとも一部の配管用の配管口が形成された配管口形成体と、前記水素生成装置本体を支持する支持体と、前記配管口形成体を前記支持体に固定する固定器とを備えるものである。

上記構成によれば、水素生成装置本体の運転時と停止時との間に相当の温度変化が生じても、配管口形成体は、配管口を間に挟んで少なくとも２箇所が固定器により支持体に固定されているため、熱変形が抑制される。従って、上記温度変化に伴う配管口の移動も抑制されるため、上記配管口形成体を介して水素生成装置本体に接続された配管は、水素生成装置の起動停止の繰り返しにより破損する可能性が抑制される。

また、前記水素生成装置は、前記改質器及び前記燃焼器が内装されて前記水素生成装置本体の外表面を形成する筒状の筐体を備え、前記配管口形成体は、前記筐体の軸方向からみて前記筐体の一方の端部に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、水素生成装置は水素生成装置本体（筐体）の一方の端部近傍において、配管口形成体及び固定器を介して支持体に支持されることとなる。よって、固定器を介して支持体に固定されていない他方の端部側の方向には、水素生成装置本体は自由に熱変形することができるため、水素生成装置の特定の箇所に熱応力が生じて破損することを抑制することができる。

さらに、上記の場合に、前記筐体と前記配管口形成体との間に断熱部材が介装されていることが望ましい。

この構成によれば、断熱部材により筐体から配管口形成体への熱伝導を抑制することができるので、水素生成装置が温度変化したときの配管口形成体の温度変化をより小さくすることができる。これにより、水素生成装置が運転時と停止時と間で温度変化した場合に、配管口付近に生じる応力を低減することができる。
さらに、本発明に係る水素生成装置は、前記改質器に供給される水蒸気を生成する予熱蒸発器と、前記予熱蒸発器に水を供給する水供給路とを更に備え、前記水供給路が、樹脂性配管により構成され、前記水素生成装置本体と接続されていてもよい。

また、本発明の燃料電池システムは、前記水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを、備えているものである。

この燃料電池システムによれば、水素生成装置の配管の破損及び劣化が防止され、燃料電池システムの運転の安定化と、燃料電池システムの高寿命化を図ることができる。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明の水素生成装置又は燃料電池システムによれば、水素生成装置の熱変形に起因する水素生成装置や周辺配管の劣化や破壊を防止することができる。

本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る水素生成装置本体の主要部縦断面図である。 図２の一部を拡大した図である。 水素生成装置の正面図である。 （ａ）は水素生成装置の平面図、（ｂ）は締結部材の配置の変形例１を説明する水素生成装置の平面図、（ｃ）は締結部材の配置の変形例２を説明する水素生成装置の平面図である。 水素生成装置の変形例を示す正面図である。 固定器の変形例を示す水素生成装置の正面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

（実施の形態）
先ず、本実施の形態に係る水素生成装置を備えた燃料電池システムの概略構成を説明する。図１は本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて電気と熱とを発生させる燃料電池６０と、水素を多く含有する燃料ガスを生成して燃料電池６０に供給する水素生成装置７６と、燃料電池６０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置７７とを備えている。本実施の形態において、酸化剤ガスは空気であり、酸化剤ガス供給装置７７は、例えば、ブロワなどの送風機と、送風機で圧送されてくる空気を加湿する加湿器とで構成されている。

水素生成装置７６には、原料ガス供給器８１から原料ガスが供給され、水供給器８２から水が供給される。原料ガス供給器８１は、例えば、原料ガス源としての都市ガス又はプロパンガス等の原料ガスの供給量を制御する流量調整器である。具体的には、流量調整弁、ポンプ、開閉弁等から構成される。また、水供給器８２は、例えば、水供給源としての市水インフラ等からの水の供給量を制御する流量調整器であり、具体的には、流量調整弁、ポンプ、及び開閉弁で構成されている。水素生成装置７６では、このようにして供給された原料ガスと水と燃焼器４からの熱とを利用して、燃料電池６０で還元剤ガスとして利用される燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。水素生成装置７６の構成については、後ほど詳述する。

燃料電池６０は、例えば、含水状態においてプロトンを選択的に輸送するプロトン伝導性を有する高分子電解質膜とアノード及びカソードの一対の電極とから成るＭＥＡを備えた高分子電解質形燃料電池で構成することができる。燃料電池６０では、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された酸化剤ガスとが、電気化学的に反応して、電気と熱と水とが生成される。

燃料電池６０の出力端子は、燃料電池６０で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを備えた出力制御装置７５に接続され、この出力制御装置７５は電力負荷に接続されている。燃料電池６０の発電量は、出力制御装置７５により制御されている。

燃料電池６０からは、反応に使われなかった余剰の燃料ガスが排出される。この余剰の燃料ガスを含むオフガス（アノードオフガス）は、燃焼器４に供給されて燃料として利用される。また、燃料電池６０からは、余剰の酸化剤ガスが排出される。この余剰の酸化剤ガスを含むオフガス（カソードオフガス）は、大気へ排出される。

ここで、水素生成装置７６について詳細に説明する。図２は本実施の形態に係る水素生成装置本体の主要部縦断面図、図３は図２の一部を拡大した図である。

図１〜図３に示すように、水素生成装置７６は、改質器８と、変成部１０ａと、酸化部１０ｂと、燃焼器４とを、筐体３に内装した水素生成装置本体７８を備えている。このように改質器８や燃焼器４が内装された筐体３により、水素生成装置本体７８の外表面（外郭）が形成されている。筐体３は上端が開放され、且つ、下端が閉塞された筒体であって、開放された上端にはフランジ部３ｂを有している。このフランジ部３ｂは、後述する支持体７０に水素生成装置本体７８を固定するための固定器６５の一構成要素となる。

本発明の配管口形成体６２は、水素生成装置本体７８の中でも比較的温度の低い、燃焼器４の火炎放出方向から見て水素生成装置本体７８の下端側に配設されている方が好ましい。より具体的には、筐体３の上端の開口を閉塞するように板状の配管口形成体６２が配置されている。このようにして水素生成装置本体７８に設けられた配管口形成体６２と、筐体３のフランジ部３ｂとの間には、シート状の断熱部材６１が介装されて、配管口形成体６２と筐体３のフランジ部３ｂとが、ボルト及びナット等の締結部材６７により締結されている。

配管口形成体６２には、水素生成装置本体７８へ各種ガス及び水を供給する配管及び水素生成装置本体７８から排出された各種ガスが流れる配管から成る配管群のうち少なくとも一部の配管と連通する配管口が形成されており、この配管口と連通する配管には配管接続部６３が設けられ、この配管接続部６３を介して水素生成装置本体７８内の流路と接続されている。具体的には、配管口形成体６２には、原料ガス供給器８１から原料ガスを改質器に供給するための原料ガス供給路５２、水供給器８２から予熱蒸発部６へ水を供給するための水供給路５３、酸化用空気供給器８４からＣＯ酸化触媒９ｂへ酸化用空気を供給するための酸化用空気供給路５８、燃焼用空気供給器８３から燃焼器４へ燃焼用空気を供給するための燃焼用空気供給路５４、燃焼器４で生じた燃焼排ガスを水素生成装置７６外部に排出する燃焼ガス排出路５６、及び、燃料電池６０へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路５７を、水素生成装置本体７８の外部においてそれぞれの流路の一部を構成する配管と連通するための配管口が形成されている。このように、配管口形成体６２は配管が集中して接続される集中配管部となっている。上述の通り水素生成装置本体７８に接続される配管が、配管口形成体６２に集中して接続されることにより、水素生成装置７６の組み立て施工やメンテナンスを簡易とすることができる。なお、原料ガス供給路５２、酸化用空気供給路５８、燃焼用空気供給路５４、燃焼ガス排出路５６、及び燃料ガス供給路５７はステンレス鋼管等の金属製配管で構成され、水供給路５３は樹脂製配管で構成されている。

また、配管接続部６３は、例えば、継手で構成されている。このような継手として、例えば、クリップ状のクイックファスナを用いるクイックファスナ継手を採用して、作業者の配管工数の削減と作業の均一化を図ることができる。

筐体３は、円筒形の内筒１と外筒２とを軸方向を縦にした同心状に配置して構成されている。内筒１の内周の中央部には燃焼器４が設けてあり、燃焼器４へは、燃料電池からオフガス流路５１を通じて燃焼用燃料ガスが供給されると共に、燃焼用空気供給器８３から燃焼用空気供給路５４を通じて燃焼用空気が送風される。燃焼用空気供給器８３は、例えば、送風ファンで構成されている。燃焼器４と内筒１の間には、内筒１と同心状に配置された燃焼筒２１で区画されることによって内筒１の内周に沿って燃焼ガス流路５が設けられ、この燃焼ガス流路５は燃焼ガス排出路５６と連通されている。かかる構成により、燃焼器４で燃焼用燃料ガスを燃焼して生じた高温の燃焼ガスは、燃焼ガス流路５に沿って上昇し、燃焼ガス排出路５６を通じて燃焼排ガスとして外部へ排出される。

内筒１と外筒２の間の筒状空間の上部には、内筒１と同心状に配置された円筒状の仕切り板３５で区画されることによって、内筒１側に予熱蒸発部６が、外筒２側に一酸化炭素低減部１０が、それぞれ同心状に設けられている。予熱蒸発部６は、内筒１の外周面に沿った円筒状空間として形成されており、この予熱蒸発部６において内筒１の外周面には所定間隔をおいて螺旋状にガイド体３３が巻回されることによって、予熱蒸発部６には螺旋状の流路が形成されている。

予熱蒸発部６の上端部には、原料ガス供給路５２と水供給路５３とが接続されている。また、予熱蒸発部６の下方には改質器８が設けられている。改質器８は内筒１の外周面に接した円筒状に形成されており、改質器８には改質触媒７が充填されている。

予熱蒸発部６の上部の外周側には、予熱蒸発部６を囲む円筒状に一酸化炭素低減部１０が形成されている。これにより、予熱蒸発部６の上部を通過するガスと一酸化炭素低減部１０とは相互に熱交換できる。そして、予熱蒸発部６の下部の外周側に位置する仕切り板３５には、上下複数個所において連通口３６が設けられ、この仕切り板３５の外周側には、開口部１２を有する円筒状の隔壁１１が設けられ、隔壁１１の外周側には円筒状の熱交換板３８が設けられている。仕切り板３５と隔壁１１との間には誘導路１３が形成され、隔壁１１と熱交換板３８との間には混合ガス流路１４が形成されている。そして、予熱蒸発部６と誘導路１３とは連通口３６で連通され、誘導路１３と混合ガス流路１４とは開口部１２で連通され、混合ガス流路１４と改質器８は流入口３９で連通されている。かかる構成により、予熱蒸発部６を通過するうちに加熱された原料ガスと水蒸気との混合ガスは、誘導路１３、及び混合ガス流路１４を通じて改質器８へ流入する。

熱交換板３８の外周側には、外筒２の内周が位置している。熱交換板３８と外筒２との間には、改質ガス流路１６が形成されている。この改質ガス流路１６は、熱交換板３８が有する流出口４０により改質器８と連通し、さらに、改質ガス流路１６の上部に開口した流入口４１により一酸化炭素低減部１０と連通している。かかる構成により、改質器８において、原料ガスと水蒸気との水蒸気改質反応により生成した多量の水素を含むガス（以下、「改質ガス」という）は、改質器８から改質ガス流路１６に流入し、改質ガス流路１６を通過するうちに熱交換板３８を介して混合ガス流路１４を通過するガスと熱交換して低温となり、一酸化炭素低減部１０に流入する。

一酸化炭素低減部１０は、一酸化炭素低減触媒としてＣＯ変成触媒９ａを充填した変成部１０ａと、一酸化炭素低減触媒としてＣＯ酸化触媒９ｂを充填した酸化部１０ｂとの２段に構成されている。改質ガスの流れ方向で変成部１０ａが前段、酸化部１０ｂが後段となるように、変成部１０ａが下側に、酸化部１０ｂが上側に配置されている。この変成部１０ａと酸化部１０ｂの間には、酸化用空気供給器８４から酸化用空気供給路５８を介して酸化用空気が供給される酸化用空気流路１９が設けられている。そして、一酸化炭素低減部１０の上端部には、燃料電池６０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路５７が接続されている。かかる構成により、一酸化炭素低減部１０に流入した改質ガスは、変成部１０ａ及び酸化部１０ｂを通過するうちに一酸化炭素が低減された燃料ガスとなり、燃料ガス供給路５７を通じて燃料電池６０に供給される。

次に、上記構成の水素生成装置７６における燃料ガス生成の過程について説明する。

水素生成装置７６において、原料ガス供給路５２を通じて原料ガスが、水供給路５３を通じて水が、それぞれ予熱蒸発部６に供給されると、原料ガスと水が予熱蒸発部６を通過するうちに加熱され、水は蒸発して水蒸気となる。なお、予熱蒸発部６は、燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスにより加熱され、さらに、一酸化炭素低減部１０におけるＣＯ変成反応やＣＯ酸化反応の反応熱が伝熱して加熱されている。予熱蒸発部６で加熱された原料ガスと水蒸気の混合ガスは、誘導路１３、及び混合ガス流路１４を順に介して十分に混合された状態で、改質器８に流入する。改質器８では、改質触媒７の触媒作用で原料ガスと水蒸気とが水蒸気改質反応して、水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、燃焼ガス流路５を流れる燃焼ガスにより改質器８が加熱されて、反応が進行する。

改質器８で生成された改質ガスは、改質ガス流路１６に流入し、改質ガス流路１６内を上昇するうちに、改質器８及び混合ガス流路１４を流れる混合ガスと熱交換され、一酸化炭素低減部１０での反応に適した温度に冷却される。このようにして２００〜２５０℃程度に冷却された改質ガスは、一酸化炭素低減部１０の変成部１０ａに流入し、ＣＯ変成反応によって改質ガス中の一酸化炭素が除去される。変成部１０ａで一酸化炭素が除去された改質ガスは酸化部１０ｂに流入し、ＣＯ酸化触媒の作用で酸化用空気供給路５８を通じて供給される酸化用空気中の酸素とＣＯ酸化反応して、改質ガス中の一酸化炭素がさらに除去される。一酸化炭素低減部１０で一酸化炭素が除去された改質ガスは、燃料ガスとして、一酸化炭素低減部１０から燃料ガス供給路５７を通じて燃料電池６０のアノードに供給される。

次に、水素生成装置７６の燃料電池システム１００のパッケージへの固定方法について説明する。図４は水素生成装置の正面図、図５（ａ）は水素生成装置の平面図、図５（ｂ）は締結部材の配置の変形例１を説明する水素生成装置の平面図、図５（ｃ）は締結部材の配置の変形例２を説明する水素生成装置の平面図、図６は水素生成装置の変形例を示す正面図、図７は固定器の変形例を示す水素生成装置の正面図である。なお、図５では、配管口形成体６２に接続された配管を省略している。

図４及び図５（ａ）に示すように、水素生成装置７６は、水素生成装置本体７８が支持体７０に支持された状態で、燃料電池６０等とともに燃料電池システム１００のパッケージ内に配置されている。支持体７０は、燃料電池システム１００のパッケージのフレームに着脱可能に構成されていてもよいし、燃料電池システム１００のパッケージのフレーム（基体）に一体的に構成されていてもよい。

支持体７０は、底板７１と、この底板７１に立設された２本の略平行の支持柱７２，７２とで構成されている。各支持柱７２は、頂部が底板７１と略平行となるように頂部の手前で相互に対向する方向へ略直角に折れ曲がっており、この頂部で水素生成装置７６に接している。そして、筐体３のフランジ部３ｂが、２本の支持柱７２，７２の頂部に架け渡され、筐体３のフランジ部３ｂと支持柱７２の頂部とがボルト及びナット等の締結部材６６にて締結されている。

上記において、水素生成装置本体７８に設けられた配管口形成体６２が固定器６５により支持体７０に固定されることによって、水素生成装置本体７８が支持体７０に支持されている。本実施の形態においては、筐体３のフランジ部３ｂと、支持体７０とフランジ部３ｂとを締結する締結部材６６と、フランジ部３ｂと配管口形成体６２とを締結する締結部材６７とで、固定器６５が構成されている。つまり、配管口形成体６２は、フランジ部３ｂを介して間接的に支持体７０に固定されている。但し、固定器６５の構造は上記のように間接的に支持体７０に固定する構成に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、配管口形成体６２の周縁部を支持柱７２の頂部と平面視で重複するまで拡張し、この配管口形成体６２の周縁部と支持柱７２の頂部とをボルト及びナット等から成る締結部材６９で締結することにより、配管口形成体６２を直接的に支持体７０に固定しても構わない。この場合、配管口形成体６２を支持体７０に固定する固定器６５は、配管口形成体６２の周縁部と締結部材６９とにより構成されることとなる。

なお、上記固定器６５において支持体７０とフランジ部３ｂや配管口形成体６２と締結する締結部材６６又は締結部材６９は、配管口形成体６２上の配管口６２ａを間に挟んで少なくとも２箇所に設けられる。これにより、配管口形成体６２が水素生成装置７６の運転／停止間の温度変化に伴い熱変形する自由度が減少し、温度変化に伴う配管口６２ａの移動が抑制され、上記配管口形成体６２を介して水素生成装置本体７８に接続された配管は、水素生成装置７６の起動停止の繰り返しにより破損する可能性が抑制される。なお、上述の「配管口６２ａを間に挟んだ２箇所」とは配管口６２ａ群を図５（ａ）に示すような水素生成装置７６の延伸方向に対して垂直な断面方向から見た場合において、配管口６２ａの重心Ｇを通る中心線Ｇ１に対して互いが反対側になるような箇所を指す。例えば、図５（ｂ）に示すように締結部材６６が中心線Ｇ１に対して反対側かつ中心線Ｇ１の垂直な線Ｇ２に対して片側に偏在した１箇所ずつ設けられていてもいいし、図５（ｃ）に示すように上記重心Ｇを間に挟んで対向する２箇所に締結部材６６が設けられていても構わない。

このように、固定器６５により支持体７０に固定されて移動が拘束されている配管口形成体６２は、水素生成装置７６の中でも水素生成装置７６（水素生成装置本体７８）が熱変形したときの変形が比較的小さい部分となる。従って、この変形が小さい配管口形成体６２に接続された配管は、水素生成装置７６の他の部分に接続される場合と比較して水素生成装置本体７８の熱変形により与えられる影響が小さく、生じる応力も小さい。よって、水素生成装置７６やこれに接続された配管の熱応力集中による破損や劣化を防止できる。

さらに、本実施の形態においては、配管口形成体６２と筐体３のフランジ部３ｂとの間には断熱部材６１が介装されて、フランジ部３ｂから配管口形成体６２への熱伝導が遮断されることから、水素生成装置本体７８が温度変化したときの配管口形成体６２及びこれに接続された配管の温度変化をより小さくすることができ、配管口形成体６２及びこれに接続された配管の熱変形及び熱応力を、よりいっそう小さくする効果が期待できる。

そして、本実施の形態において、配管口形成体６２は、筐体３の軸方向からみて筐体３（水素生成装置本体７８）の一方の端部に設けられている。つまり、水素生成装置本体７８は、筐体３の一方の端部近傍において、配管口形成体６２及び固定器６５を介して支持体７０に支持されていることとなる。さらに、水素生成装置本体７８（ここでは、固定器６５となる筐体３のフランジ部３ｂを除く）の外表面と、支持体７０との間には、空間が設けられている。具体的には、水素生成装置本体７８の底面と支持体７０の底板７１、及び水素生成装置本体７８の側面と支持体７０の支持柱７２，７２は、それぞれの間に空間が設けられて、水素生成装置本体７８が熱膨張しても支持体７０と接触しないような十分な距離だけ離間されている。

上記構成によれば、水素生成装置本体７８が熱変形（熱膨張と冷却収縮）しても、水素生成装置本体７８は固定器６５に拘束されることなく自由に熱変形することができ、さらに、水素生成装置本体７８は支持体７０にも熱変形が妨げられない。よって、水素生成装置７６の熱応力集中に起因する破損や劣化を防止することができる。

なお、配管口形成体６２は、水素生成装置本体７８において燃焼器４の火炎放出方向から見て下側に設けられていることが望ましい。つまり、水素生成装置本体７８のうち最も高温となる燃焼器４の火炎放出方向とは逆側の位置に、換言すれば、水素生成装置本体７８のうち運転時と停止時の温度変化及び熱変形が比較的小さい位置に、配管口形成体６２が設けられていることが望ましい。ここでは、配管口形成体６２が固定される筐体３のフランジ部３ｂは、筐体３において燃焼器４から最も離れた位置に設けられている。これによれば、支持体７０と固定器６５並びに配管口形成体６２と固定器６５との間に生じる応力をより小さくすることができ、これらの熱疲労を抑えることができる。

なお、本実施の形態においては、水素生成装置７６に接続される全ての配管が配管口形成体６２に集中して接続されているが、このうち水供給路５３は可撓性を有する樹脂製配管で構成されて熱変形に追従できるため、例えば、図６に示すように、配管口形成体６２とは異なる他の部分（例えば、筐体３の胴部３ａ）に水供給路５３を構成する配管を接続するようにしてもかまわない。

また、必ずしも全ての金属製配管が配管口形成体６２に接続されている必要はない。原料ガス供給器８１から原料ガスが供給される原料ガス供給路５２を構成する配管、水供給器８２から水が供給される水供給路５３を構成する配管、酸化用空気供給器８４から酸化用空気が供給される酸化用空気供給路５８を構成する配管、燃焼用空気供給器８３から燃焼用空気が供給される燃焼用空気供給路５４を構成する配管、燃焼器４で生じた燃焼排ガスを排出する燃焼ガス排出路５６を構成する配管、及び、燃料電池６０へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路５７を構成する配管から成る配管群のうち、少なくとも複数の配管が配管口形成体６２に接続されていれば、多少なりとも上述のような効果を得ることができる。但し、上記配管群のうち全ての金属製配管が配管口形成体６２に接続されていることが望ましい。

また、本実施の形態においては、水素生成装置７６として、改質器８と、変成部１０ａと、酸化部１０ｂとが一つの筐体３内に一体的に設けられた形態のものを説明したが、水素生成装置の形態は本実施の形態に限定されるものではなく、例えば、改質器８と、変成部１０ａと、酸化部１０ｂとをそれぞれ独立した容器に設けた形態のものに、本発明を適用させることができる。

本発明に係る水素生成装置は、水素生成装置本体と接続する各種配管が、運転時における熱膨張と停止時における冷却収縮に起因して生じる熱応力により、破損する可能性を抑制することが可能となり、改質器と燃焼器とを備えた水素生成装置に広く適用させることができる。さらに、このような水素生成装置を備えた燃料電池システムは、家庭用の燃料電池システム等に好適である。

１ 内筒
２ 外筒
３ 筒体
３ａ 胴部
３ｂ フランジ部
４ 燃焼器
５ 燃焼ガス流路
６ 予熱蒸発部
７ 改質触媒
８ 改質器
９ａ ＣＯ変成触媒
９ｂ ＣＯ酸化触媒
１０ 一酸化炭素低減部
１０ａ 変成部
１０ｂ 酸化部
５１ オフガス流路
５２ 原料ガス供給路
５３ 水供給路
５４ 燃焼用空気供給路
５６ 燃焼ガス排出路
５７ 燃料ガス供給路
５８ 酸化用空気供給路
６０ 燃料電池
６１ 断熱部材
６２ 配管口形成体
６３ 配管接続部
６５ 固定器
６６ 締結部材
７０ 支持体
７１ 底板
７２ 支持柱
７５ 出力制御装置
７６ 水素生成装置
７７ 酸化剤ガス供給装置
７８ 水素生成装置本体
８１ 原料ガス供給器
８２ 水供給器
８３ 燃焼用空気供給器
８４ 酸化用空気供給器
１００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 原料ガスを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器及び前記改質器に熱を供給する燃焼器を有する水素生成装置本体と、
   前記水素生成装置本体の外部に設けられた、前記原料ガスを前記改質器へ供給するための配管、前記燃料ガスを前記燃焼器へ供給するための配管、前記燃焼空気を前記燃焼器へ供給するための配管、前記燃焼器から燃焼排ガスを排出するための配管、及び前記水素生成装置本体から前記水素含有ガスを排出するための配管を含む配管群と、
   前記燃焼器の火炎放出方向から見て前記水素生成装置本体の下端側に設けられ、前記配管群のうちの少なくとも一部の配管用の配管口が形成された配管口形成体と、
   前記水素生成装置本体を支持する支持体と、
   前記配管口形成体を前記配管口を間に挟んだ少なくとも２箇所において前記支持体に固定する固定器とを備えた、
   水素生成装置。
2. 前記改質器及び前記燃焼器が内装されて前記水素生成装置本体の外表面を形成する筒状の筐体を備え、
   前記配管口形成体は、前記筐体の軸方向からみて前記筐体の一方の端部に設けられている、
   請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記筐体と前記配管口形成体との間に断熱部材が介装されている、
   請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記改質器に供給される水蒸気を生成する予熱蒸発器と、
   前記予熱蒸発器に水を供給する水供給路とを更に備え、
   前記水供給路が、樹脂性配管により構成され、前記水素生成装置本体と接続されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素生成装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを、備えている、
   燃料電池システム。

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