(57)【要約】【課題】燃料電池のフラッディング現象を抑制し、一酸化炭素濃度を充分に低減できる水素生成装置を実現することを目的とする。【解決手段】改質反応により炭化水素を主成分とする原料と水蒸気とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部５と、変成反応により改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する変成部６と、改質部５と変成部６の温度を維持する加熱手段３と、変成部６の周囲温度を測定する周囲温度測定手段１５と、周囲温度測定手段１５が測定した周囲温度に基づいて加熱手段３による変成部６への加熱量を調節する変成部温度制御手段と、を有する水素生成装置１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質反応により炭化水素を主成分とする原料と水蒸気とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、変成反応により前記改質部で生成された前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する変成部と、前記改質部と前記変成部の温度を維持する加熱手段と、前記変成部の周囲温度を測定する周囲温度測定手段と、前記周囲温度測定手段が測定した前記周囲温度に基づいて前記加熱手段による前記変成部への加熱量を調節する変成部温度制御手段と、を有する水素生成装置。
【請求項２】
改質反応により炭化水素を主成分とする原料と水蒸気とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、変成反応により前記改質部で生成された前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する変成部と、前記改質部と前記変成部の温度を維持する加熱手段と、前記変成部の温度を測定する変成部温度測定手段と、前記変成部温度測定手段が測定した前記温度に基づいて前記加熱手段による前記変成部への加熱量を調節する変成部温度制御手段と、を有する水素生成装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の水素生成装置と、燃料電池を、少なくとも備え、加熱手段は、前記水素生成装置から流出する改質ガスまたは原料と、前記燃料電池で消費されなかった前記改質ガスおよび前記原料の少なくとも１つを燃焼させて、前記水素生成装置の改質部が変成部より高温になるように、前記改質部と前記変成部の両方を加熱するバーナからなり、前記変成部の前記周囲温度または前記温度が低いほど前記バーナで燃焼する前記改質ガスの量または前記バーナに直接供給する前記原料の量を増やす燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素化合物原料と水を反応させて水素含有ガスを生成する水素生成装置およびそれを用いた燃料電池発電装置に関し、特に一酸化炭素濃度を減少する水素生成装置の変成部の温度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池からなる発電装置は、まず、水素生成装置の改質部によって炭化水素化合物と水蒸気を原料として水蒸気改質反応により水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスを生成する。つぎに、変成部や選択酸化部などの一酸化炭素低減部によって燃料電池に有害となる一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成する。そして、得られた燃料ガスを用いて燃料電池で発電を行うものである。
【０００３】
このとき、一酸化炭素の除去が不十分な場合、燃料電池が被毒し、発電が停止するため、一酸化炭素低減部の役割は重大である。中でも、１０％以上の高濃度の一酸化炭素を１％程度以下にまで低減させる変成部は、その動作や性能に支障が生じるとその影響が大きい。ここで、変成部の性能に大きな影響を与える要因は、その動作温度である。そして、変成部の温度は、改質部から送られる改質ガスの保有熱量と、改質部を加熱した燃焼ガスによる加熱量と、変成部から周囲への放熱量などによって決まる。そのため、変成部の温度は、燃料電池の発電電力量などの運転条件や、水素生成装置の配置された周囲温度により変動する。つまり、燃料電池の発電電力量が小さいと変成部の温度が低下する。また、水素生成装置の周囲温度が低いと変成部の温度が低下する。
【０００４】
一方、変成部の最適な動作温度は、使用する触媒に依存するが、一般に使用される銅−亜鉛触媒の場合、およそ２５０℃から３００℃程度である。そのため、最適な動作温度より低いと、触媒の反応速度が遅くなり、一酸化炭素の低減性能が低下する。一方、最適な動作温度より高いと、反応平衡により一酸化炭素の低減性能が低下する。
【０００５】
したがって、変成部の温度を最適な動作温度に維持することが、燃料電池を被毒させることなく安定に運転するために重要となる。
【０００６】
そこで、変成部の温度を最適な動作温度に制御するための技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に示された水素生成装置は、変成部の温度制御を、変成部の下流に位置する選択酸化部へ供給する選択酸化空気の供給量によって行う構成である。
【０００７】
以下に、特許文献１に示された水素生成装置の動作について簡単に説明する。まず、変成部の温度を上昇させる場合、選択酸化空気の供給量を増加させる。そして、選択酸化部では、供給された選択酸化空気により一酸化炭素および水素が燃焼して発熱する。そのため、選択酸化空気の供給量を増加すると、選択酸化部での発熱量が増加し、選択酸化部と熱交換可能に配置している改質用水の蒸発用熱交換器の温度が上昇する。このとき、蒸発用熱交換器は、変成部にも熱交換可能に配置されているため、変成部の温度も上昇する。
【０００８】
逆に、変成部の温度を下げる場合、選択酸化空気の供給量を減少すればよい。上記で示すように、選択酸化空気の供給量を増減させることにより、変成部の温度を最適な動作温度に制御できるとしている。
【特許文献１】特開２００８−７４６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１の水素生成装置では、変成部の温度制御のために選択酸化空気の供給量を増減するため、以下に示す課題があった。
【００１０】
第１に、選択酸化空気の供給量を増加すると、選択酸化部で水素が燃焼消費されるため、水素生成装置によって生成される水素量が減少するという課題があった。一方、燃料電池で消費される水素量を供給量の７０％から９０％程度以下に抑える必要がある。その理由は、水素生成装置によって生成される水素量が減少すると燃料電池内で凝縮生成した水を押し出せなくなる、いわゆるフラッディング現象が発生し燃料電池を安定に動作できなくなるためである。
【００１１】
第２に、変成温度を下げる場合、選択酸化空気の供給量を減少しなければならない。その場合、選択酸化空気の供給量の不足により、選択酸化部で一酸化炭素を十分に低減できなくなるという課題もあった。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、一酸化炭素濃度を充分に低減できる水素生成装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、改質反応により炭化水素を主成分とする原料と水蒸気とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、変成反応により改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する変成部と、改質部と変成部の温度を維持する加熱手段と、変成部の周囲温度を測定する周囲温度測定手段と、周囲温度測定手段が測定した周囲温度に基づいて加熱手段による変成部への加熱量を調節する変成部温度制御手段と、を有する。
【００１４】
この構成により、変成部の周囲温度に応じて変成部の温度を最適な動作温度に制御することができる。
【００１５】
また、本発明の水素生成装置は、改質反応により炭化水素を主成分とする原料と水蒸気とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、変成反応により改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する変成部と、改質部と変成部の温度を維持する加熱手段と、変成部の温度を測定する変成部温度測定手段と、変成部温度測定手段が測定した温度に基づいて加熱手段による変成部への加熱量を調節する変成部温度制御手段と、を有する。
【００１６】
この構成により、変成部の温度を最適な動作温度で制御することができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池発電装置は、上記の水素生成装置と、燃料電池を、少なくとも備え、加熱手段は、水素生成装置から流出する改質ガスまたは原料と、燃料電池で消費されなかった改質ガスおよび原料の少なくとも１つを燃焼させて、水素生成装置の改質部が変成部より高温になるように、改質部と変成部の両方を加熱するバーナからなり、変成部の周囲温度または温度が低いほどバーナで燃焼する改質ガスの量またはバーナに直接供給する原料の量を増やす。これにより、変成部の温度または周囲温度が低いほど、バーナによる燃焼量を増加して変成部の温度を上昇させて、一酸化炭素濃度を効率的に低減できる燃料電池発電装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水素生成装置およびそれを用いた燃料電池発電装置によれば、変動する変成部
の温度を、常時最適な動作温度に制御して、効果的に一酸化炭素濃度を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
第１の発明は、改質反応により炭化水素を主成分とする原料と水蒸気とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、変成反応により改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する変成部と、改質部と変成部の温度を維持する加熱手段と、変成部の周囲温度を測定する周囲温度測定手段と、周囲温度測定手段が測定した周囲温度に基づいて加熱手段による変成部への加熱量を調節する変成部温度制御手段と、を有する水素生成装置である。この構成により、変成部の周囲温度に応じて変成部の温度を最適な動作温度に制御することができる。
【００２０】
第２の発明は、改質反応により炭化水素を主成分とする原料と水蒸気とから水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、変成反応により改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する変成部と、改質部と変成部の温度を維持する加熱手段と、変成部の温度を測定する変成部温度測定手段と、変成部温度測定手段が測定した温度に基づいて加熱手段による変成部への加熱量を調節する変成部温度制御手段と、を有する。この構成により、変成部の温度を最適な動作温度で制御することができる。
【００２１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、加熱手段は、水素生成装置から流出する改質ガスまたは原料と、燃料電池で消費されなかった改質ガスまたは原料との少なくとも１つを燃焼させて、改質部が変成部より高温になるように、改質部と変成部の両方を加熱するバーナからなり、測定した周囲温度または温度が低いほどバーナで燃焼する改質ガスの量またはバーナに直接供給される原料の量を増やす。これにより、変成部の温度または周囲温度が低いほど、バーナによる燃焼量を増加して変成部の温度を上昇させて、一酸化炭素濃度を効率的に低減できる燃料電池発電装置を実現できる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における水素生成装置について、詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置１の概略構成図である。なお、図１は、水素生成装置１と、燃料電池２とから少なくとも構成される燃料電池発電装置を例に図示している。
【００２５】
図１に示すように、水素生成装置１は、加熱手段３であるバーナ（以下、「バーナ」と記す）、蒸発部４、改質部５、変成部６、選択酸化部７およびそれらを断熱する断熱材８を備えている。ここで、炭化水素を主成分とする原料と水は原料供給口９から供給され、水はらせん状の蒸発部４を経て蒸発し、水蒸気の状態で改質部５に送られる。そして、生成された水素含有の燃料ガスは生成ガス出口１０から取り出された後、流路切替え弁２０を通って燃料電池２へ供給される。また、バーナ３の燃焼ガスは排気口１１から排気される。このとき、水蒸気改質反応に必要な反応熱を供給するバーナ３には、燃料としては燃料電池から排出される未使用の燃料ガスが供給される。
【００２６】
そして、ルテニウムを主成分とする改質部５の改質触媒は、原料と水蒸気の混合ガスを水素・二酸化炭素・一酸化炭素、および未反応のメタンと水蒸気を含む改質ガスへと反応させる。この改質ガス中に含まれる一酸化炭素濃度は、約１０から１２％と非常に高濃度である。つぎに、改質ガスに含まれる一酸化炭素は、変成部６の変成触媒によって改質ガ
ス中の水蒸気と反応して濃度が１％以下程度にまで低減される。さらに、改質ガスは、空気供給口１２から供給された空気と混合されて、選択酸化部７の選択酸化触媒によって一酸化炭素が選択的に燃焼除去されて、一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減した燃料ガスが生成される。なお、変成部６の周囲に配置された変成部ヒータ１３と、選択酸化部７の周囲に配置された選択酸化部ヒータ１４は、主に起動時に各々の触媒を加熱するために設けられている。
【００２７】
また、本実施の形態の水素生成装置を有する燃料電池発電装置は、その周囲の雰囲気温度を測定するための周囲温度測定手段である温度センサ１５と、測定された温度に基づいて原料の供給量を制御する制御装置１６、および原料の供給量を調節する流量調節弁１７からなる変成部温度制御手段を有している。なお、原料と水の供給量は一定の比率で運転するため、原料供給量に応じて水の供給量を調節するための流量調節弁１８も有している。
【００２８】
以下に、上記構成の水素生成装置を有する燃料電池発電装置の特性について簡単に、図１を参考にしながら図２から図４を用いて説明する。
【００２９】
図２は、本実施の形態の水素生成装置の周囲温度と、水素生成装置の変成部の温度との関係を模式的に示す特性図である。図３は、本実施の形態の水素生成装置のバーナ燃焼量と、水素生成装置の変成部の温度との関係を模式的に示す特性図である。また、図４は、本実施の形態の燃料電池の発電出力と適正な原料供給量との関係を、周囲温度をパラメータとして模式的に示す特性図である。
【００３０】
一般に、水素生成装置を有する燃料電池発電装置は室外に設置されるため、水素生成装置の動作状態は、周囲温度の影響を受ける。つまり、図２に示すように、周囲温度が低下すると水素生成装置１の変成部６の温度が低下する。このとき、周囲温度が低下しすぎると、変成部６の温度が最適な動作温度領域から外れ、一酸化炭素を十分に低減できなくなる。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、温度センサ１５によって水素生成装置１の周囲温度を測定し、周囲温度が低いほどバーナ３で燃焼する燃焼量を増やして制御するものである。このとき、図３に示すように、水素生成装置の変成部６の温度は、バーナ燃焼量を増加すると上昇する特性を有している。これは、バーナ燃焼量の増加により変成部へ送られる改質ガスの温度が上昇すること、およびバーナ燃焼量の増加により蒸発部４内で水蒸気が加熱され、これによって変成部が加熱されることによるものである。そこで、まず、バーナ燃焼量と変成部の温度との特性を利用し、図４に示すように、発電出力と周囲温度に応じた原料供給量を予め制御装置１６に記憶させる。そして、要求される発電電力と温度センサ１５によって測定された周囲温度から原料供給量を決めて調節して供給する。
【００３２】
これにより、周囲温度が低下しても変成部の温度を最適な動作温度範囲に維持して、一酸化炭素を安定に除去できる。また、本発明では選択酸化部に供給する選択酸化空気量を増加させる必要がないため、従来技術の課題であった水素量の減少といった問題も生じない。
【００３３】
なお、バーナ燃焼量を増やすと、改質温度が上昇して、必要以上の水素含有ガスが生成され、水素生成装置の運転効率が多少低下する場合がある。しかし、変成部の温度が最適な動作温度から外れると、一酸化炭素の除去が不十分となり、被毒などにより燃料電池の運転ができなくなる可能性が高くなる。そこで、本実施の形態に示すように、燃料電池を安定に運転するために、運転効率の多少の低下を犠牲にしても、変成部の温度を最適な動作温度に制御することが重要である。
【００３４】
ここで、本実施の形態において、温度センサ１５で測定する周囲温度は、燃料電池発電装置内の水素生成装置の位置する場所の周囲温度が好ましい。これは、例えば外気温度が０℃である場合、運転開始時の水素生成装置の周囲温度は０℃程度であるが、しばらく運転を行うと燃料電池発電装置内の温度は２０℃程度にまで上昇するからである。このとき、変成部温度は２０℃の周囲温度との放熱によって決まるため、原料供給量も周囲温度２０℃として決めれば良い。
【００３５】
以下に、本実施の形態の水素生成装置を有する燃料電池発電装置の起動時の動作について、図１を参照しながら説明する。
【００３６】
まず、起動時には、流路切替え弁２０を切替え、燃料ガスが燃料電池２を通らず、バイパス流路２１を通って直接にバーナ３へ供給する流路を構成しておく。そして、原料を原料供給口９から供給して、水素生成装置１を通過した原料を直接バーナ３に供給して水素生成装置１を加熱する。
【００３７】
その後、改質部５、変成部６、選択酸化部７が所定温度に達した時点で、改質水を供給して水蒸気改質反応を生じさせる。その状態で運転を継続して水素生成装置１内の改質部５、変成部６、選択酸化部７がさらに所定温度に達した時点で流路切替え弁２０を燃料電池２側へ切替える。そして、水素を燃料電池２へ供給して発電を行う。このとき、一酸化炭素を十分に除去するために、変成部６の温度が所定温度に到達した状態で切り替えることが重要である。しかし、周囲温度が低い場合、変成部６の温度上昇が遅くなる。そこで、本実施の形態では、周囲温度が低い場合、起動時に供給する原料の供給量を多くして、バーナ３で燃焼されるバーナ燃焼量を多くする制御を行う。
【００３８】
これにより、変成部６の温度上昇が早くなり、一酸化炭素を充分に除去できる。
【００３９】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における水素生成装置について、図５を用いて説明する。
【００４０】
図５は、本発明の実施の形態２における水素生成装置１の概略構成図である。なお、図５は、実施の形態１と同様に、水素生成装置１と燃料電池２とから少なくとも構成される燃料電池発電装置を例に図示している。
【００４１】
そして、図５に示すように、本発明の実施の形態２における水素生成装置は、実施の形態１の水素生成装置のバーナに原料を直接供給する経路を設け、その流量を制御する流量調節弁１９を設けた点で異なる。他の構成要素や動作は、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。
【００４２】
すなわち、図５に示すように、本実施の形態の水素生成装置は、原料供給口９の原料を供給する経路に、直接バーナ３に原料を供給する経路を設け、各経路に流量調節弁１７、１９を設けた構成を有する。そして、温度センサ１５で測定された周囲温度に基づいて、制御装置１６で流量調節弁１９を制御して、原料をバーナ３に直接供給して、燃焼させてバーナ燃焼量を調整する構成である。
【００４３】
これにより、原料を直接供給するので、簡単な制御で、精度よく変成部６の温度を制御できる。
【００４４】
（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における水素生成装置について、図６と図７を用いて説明する。
【００４５】
図６は、本発明の実施の形態３における水素生成装置１の概略構成図である。なお、図６は、実施の形態１と同様に、水素生成装置１と燃料電池２とから少なくとも構成される燃料電池発電装置を例に図示している。また、図７は、本実施の形態の燃料電池の発電出力と適正な原料供給量との関係を、変成部の温度をパラメータとして模式的に示す特性図である。
【００４６】
そして、図６に示すように、本発明の実施の形態３における水素生成装置は、変成部温度測定手段である温度センサ２２で変成部６の温度を直接測定する点で、実施の形態１とは異なる。他の構成要素や動作は、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。
【００４７】
すなわち、図６に示すように、本実施の形態の水素生成装置は、温度センサ２２で直接測定した変成部６の温度に基づいて、制御装置１６により原料の供給量を流量調節弁１７で調節することにより、変成部６の温度を最適な動作温度で制御する構成である。
【００４８】
具体的に説明すると、図７に示すように、発電出力と変成部の温度に応じた適正な原料供給量を予め制御装置１６に記憶させる。そして、要求される発電電力と温度センサ２２によって測定された変成部の温度から原料供給量を決めて調節して供給する。
【００４９】
これにより、変成部の温度に応じて即座にバーナ燃焼量を調節することができるため、変成部の温度を、短時間で、かつ小さい変動幅で安定に制御できる。
【００５０】
（実施の形態４）
以下に、本発明の実施の形態４における水素生成装置について、図８を用いて説明する。
【００５１】
図８は、本発明の実施の形態４における水素生成装置１の概略構成図である。なお、図８は、実施の形態３と同様に、水素生成装置１と燃料電池２とから少なくとも構成される燃料電池発電装置を例に図示している。
【００５２】
そして、図８に示すように、本発明の実施の形態４における水素生成装置は、実施の形態３の水素生成装置のバーナに原料を直接供給する経路を設け、その流量を制御する流量調節弁１９を設けた点で異なる。他の構成要素や動作は、実施の形態３と同じであるので説明を省略する。
【００５３】
すなわち、図８に示すように、本実施の形態の水素生成装置は、原料供給口９の原料を供給する経路に、直接バーナ３に原料を供給する経路を設け、各経路に流量調節弁１７、１９を設けた構成を有する。そして、温度センサ２２で測定された変成部６の温度の基づいて、制御装置１６で流量調節弁１９を制御して、原料をバーナ３に直接供給して、燃焼させてバーナ燃焼量を調整する構成である。
【００５４】
これにより、原料を直接供給するので、簡単な制御で、精度よく供給量を制御できる。
【００５５】
また、変成部の温度に応じて即座にバーナ燃焼量を調節することができるため、変成部の温度を、短時間で、かつ小さい変動幅で安定に制御できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の水素生成装置は、変成部の温度を制御して、一酸化炭素を効果的に低減できる
ため、ガス発電や燃料電池を用いた発電装置などの技術分野において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成装置の周囲温度と水素生成装置の変成部の温度との関係を模式的に示す特性図
【図３】本発明の実施の形態１における水素生成装置のバーナ燃焼量と水素生成装置の変成部の温度との関係を模式的に示す特性図
【図４】本発明の実施の形態１における燃料電池の発電出力と原料供給量との関係を周囲温度をパラメータとして模式的に示す特性図
【図５】本発明の実施の形態２における水素生成装置の概略構成図
【図６】本発明の実施の形態３における水素生成装置の概略構成図
【図７】本発明の実施の形態３における燃料電池の発電出力と原料供給量との関係を変成部の温度をパラメータとして模式的に示す特性図
【図８】本発明の実施の形態４における水素生成装置の概略構成図
【符号の説明】
【００５８】
１  水素生成装置
２  燃料電池
３  バーナ（加熱手段）
４  蒸発部
５  改質部
６  変成部
７  選択酸化部
８  断熱材
９  原料供給口
１０  生成ガス出口
１１  排気口
１２  空気供給口
１３  変成部ヒータ
１４  選択酸化部ヒータ
１５  温度センサ（周囲温度測定手段）
１６  制御装置
１７，１８，１９  流量調節弁
２０  流路切替え弁
２１  バイパス流路
２２  温度センサ（変成部温度測定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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