(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料及び水蒸気を用いて、水素を含有する改質ガスを生成する水素製造装置であって、
バーナと、
前記バーナの火炎を囲むように設けられた燃焼筒と、
前記燃焼筒を囲むように筒状に設けられ、前記原燃料及び前記水蒸気を改質反応させて前記改質ガスを生成する改質部と、
前記バーナの排ガスが前記燃焼筒の外側と前記改質部の内側との間を流通した後に、前記改質部の外側を流通するように形成されるとともに、前記改質部の外側を流通した前記排ガスが流通する延在部分を有し、筒状に設けられた排ガス流路と、
前記延在部分に囲まれるように筒状に設けられ、前記改質部で生成された前記改質ガスをシフト反応させて前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる低温シフト反応部と、
前記延在部分を囲むように筒状に設けられ、貯留された水を周囲の熱によって加熱して前記水蒸気を生成する蒸発部と、
前記蒸発部を囲むように筒状に設けられ、前記低温シフト反応部でシフト反応させられた前記改質ガスを選択酸化反応させて前記一酸化炭素濃度を更に低下させる選択酸化反応部と、を備えることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記低温シフト反応部の上流側の端部は、前記選択酸化反応部の上流側の端部よりも上流側に位置していることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記蒸発部に貯留された前記水の水面の位置を調整する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記蒸発部の上流側が上側の場合には、前記水面の位置が前記低温シフト反応部の上流側の端部及び前記選択酸化反応部の上流側の端部よりも上流側となるように、前記水面の位置を調整し、前記蒸発部の下流側が上側の場合には、前記水面の位置が前記低温シフト反応部の下流側の端部及び前記選択酸化反応部の下流側の端部よりも下流側となるように、前記水面の位置を調整することを特徴とする請求項１又は２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記蒸発部に導入される前記水を、前記選択酸化反応部から導出された前記改質ガスの熱によって予熱する予熱部を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記改質部を囲み、かつ前記排ガス流路のうち前記改質部の外側を通る部分に囲まれるように筒状に設けられ、前記低温シフト反応部よりも上流側において、かつ前記低温シフト反応部よりも高温で、前記改質部で生成された前記改質ガスをシフト反応させて前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる高温シフト反応部を更に備え、
前記改質ガスのシフト反応が前記高温シフト反応部及び前記低温シフト反応部で行われる場合には、前記蒸発部の上流側の端部は、前記高温シフト反応部の下流側の端部の外側に位置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記改質ガスのシフト反応が前記低温シフト反応部のみで行われる場合には、前記蒸発部の上流側の端部は、前記改質部の上流側の端部の外側に位置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水素製造装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項記載の水素製造装置と、
前記水素製造装置によって生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項記載の水素製造装置の起動方法であって、
前記バーナを着火する工程と、
前記バーナを着火した後に、前記改質部、前記低温シフト反応部、前記選択酸化反応部及び蒸発部の少なくとも一つの温度が第１の温度に達した場合に、前記蒸発部に前記水を導入する工程と、
前記蒸発部に前記水を導入した後に、前記改質部、前記低温シフト反応部及び前記選択酸化反応部の少なくとも一つの温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度に達した場合に、前記蒸発部で生成された前記水蒸気と共に前記原燃料を前記改質部に導入し、前記選択酸化反応部に空気を導入する工程と、を備えることを特徴とする水素製造装置の起動方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか一項記載の水素製造装置の起動方法であって、
前記バーナを着火する工程と、
前記バーナを着火した後に、前記改質部、前記低温シフト反応部、前記選択酸化反応部及び蒸発部の少なくとも一つの温度が第１の温度に達した場合に、前記蒸発部に前記水を導入する工程と、
前記蒸発部に前記水を導入した後に、前記改質部、前記低温シフト反応部及び前記選択酸化反応部の少なくとも一つの温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度に達した場合に、前記蒸発部で生成された前記水蒸気と共に前記原燃料を前記改質部に導入し、改質ガスを生成する工程と、
前記改質ガスを生成した後に、前記バーナの燃料を前記原燃料から前記改質ガスに切り替え、前記バーナの火炎温度が所定の温度に達した場合に、前記選択酸化反応部に空気を導入する工程と、を備えることを特徴とする水素製造装置の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料及び水蒸気を用いて、水素を含有する改質ガスを生成する水素製造装置、そのような水素製造装置を備える燃料電池システム、並びにそのような水素製造装置の起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野の水素製造装置には、原燃料及び水蒸気を改質反応させて改質ガスを生成する改質部の後段に、改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるための低温シフト反応部及び選択酸化反応部が設けられたものがある。改質部は、改質反応が高温の吸熱反応であることから、バーナで加熱されることが多い。そのため、改質部の出口からは高温の改質ガスが排出され、改質部の出口近傍にはバーナの排気ガスが流通する。一方、シフト反応及び選択酸化反応は、触媒の反応条件から改質反応よりも低温で行われることから、低温シフト反応部及び選択酸化反応部には、改質部の出口から排出された高温の改質ガスが熱交換器等で冷却された後に導入されることが多い。更に、バーナの排気ガスは、低温シフト反応部及び選択酸化反応部と直接接することなく熱交換器において原料水等で冷却され、水素製造装置の外部へ排気されることが多い。そのため、水素製造装置の起動時には、内部の各触媒を使用可能温度まで加熱する際に、低温シフト反応部及び選択酸化反応部を素早く昇温させ、起動時間の短縮化を図ることを目的に、低温シフト反応部や選択酸化反応部に、起動時の昇温用として電気ヒータが設けられる場合がある（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４８８６４号公報
【特許文献２】特開２００７−３３５２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水素製造装置の起動時に、低温シフト反応部及び選択酸化反応部を素早く昇温させるために電気ヒータが使用されると、多くの起動エネルギを消費するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、起動エネルギの消費を抑制して、低温シフト反応部及び選択酸化反応部を素早く昇温させることができる水素製造装置、そのような水素製造装置を備える燃料電池システム、並びにそのような水素製造装置の起動方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素製造装置は、原燃料及び水蒸気を用いて、水素を含有する改質ガスを生成する水素製造装置であって、バーナと、バーナの火炎を囲むように設けられ、バーナの排ガスを一方の側から排出する燃焼筒と、燃焼筒を囲むように筒状に設けられ、原燃料及び水蒸気を改質反応させて改質ガスを生成する改質部と、燃焼筒と改質部との間を通って改質部の他方の側で折り返され、かつ改質部の外側を通って一方の側に延在するように筒状に設けられ、燃焼筒の一方の側から排出された排ガスを流通させる排ガス流路と、排ガス流路のうち一方の側に延在する延在部分に囲まれるように筒状に設けられ、改質部で生成された改質ガスをシフト反応させて改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる低温シフト反応部と、延在部分を囲むように筒状に設けられ、貯留された水を周囲の熱によって加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、蒸発部を囲むように筒状に設けられ、低温シフト反応部でシフト反応させられた改質ガスを選択酸化反応させて一酸化炭素濃度を更に低下させる選択酸化反応部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この水素製造装置では、低温シフト反応部が排ガス流路の延在部分に囲まれるように筒状に設けられており、選択酸化反応部が蒸発部を介して排ガス流路の延在部分を囲むように筒状に設けられている。そのため、水素製造装置の起動時にバーナの排ガスが排ガス流路を流通させられると、排ガスの熱によって低温シフト反応部、選択酸化反応部及び蒸発部が加熱されて昇温させられる。そして、蒸発部に水が導入され、更に改質部に原燃料及び水蒸気が導入されて、改質部で改質ガスが生成されるようになると、排ガスの熱だけでなく低温シフト反応部の反応熱及び選択酸化反応部の反応熱も蒸発部に移動する。これにより、低温シフト反応部及び選択酸化反応部がそれぞれ適切な反応温度に維持される。このように、この水素製造装置によれば、起動時に低温シフト反応部及び選択酸化反応部での電気ヒータの使用が不要となるので、起動エネルギの消費を抑制して、低温シフト反応部及び選択酸化反応部を素早く昇温させることができる。
【０００８】
ここで、低温シフト反応部の他方の側の端部は、選択酸化反応部の他方の側の端部よりも他方の側に位置していることが好ましい。この構成によれば、低温シフト反応部の他方の側の端部は、選択酸化反応部の他方の側の端部よりもバーナの火炎に近くなり、しかも、より上流側で、排ガス流路の延在部分を流通する排ガスによって加熱されることになる。従って、改質ガスの導入口とされ得る低温シフト反応部の他方の側の端部を、改質ガスの導出口とされ得る選択酸化反応部の他方の側の端部よりも高温にすることができる。
【０００９】
また、蒸発部に貯留された水の水面の位置を調整する制御部を更に備え、制御部は、一方の側が上側の場合には、水面の位置が低温シフト反応部の一方の側の端部及び選択酸化反応部の一方の側の端部よりも一方の側となるように、水面の位置を調整し、他方の側が上側の場合には、水面の位置が低温シフト反応部の他方の側の端部及び選択酸化反応部の他方の側の端部よりも他方の側となるように、水面の位置を調整することが好ましい。この構成によれば、低温シフト反応部の反応熱及び選択酸化反応部の反応熱が蒸発部内の水に確実に移動するので、低温シフト反応部及び選択酸化反応部をそれぞれ適切な反応温度に安定的に維持することができる。
【００１０】
また、蒸発部に導入される水を、選択酸化反応部から導出された改質ガスの熱によって予熱する予熱部を更に備えることが好ましい。この構成によれば、蒸発部に導入される水が突沸するのを防止して、改質部に導入される水蒸気に蒸発振動の影響が生じるのを抑制することができる。
【００１１】
また、改質部を囲み、かつ排ガス流路のうち改質部の外側を通る部分に囲まれるように筒状に設けられ、低温シフト反応部よりも上流側において、かつ低温シフト反応部よりも高温で、改質部で生成された改質ガスをシフト反応させて改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させる高温シフト反応部を更に備え、改質ガスのシフト反応が高温シフト反応部及び低温シフト反応部で行われる場合には、蒸発部の他方の側の端部は、高温シフト反応部の一方の側の端部の外側に位置していることが好ましい。或いは、改質ガスのシフト反応が低温シフト反応部のみで行われる場合には、蒸発部の他方の側の端部は、改質部の一方の側の端部の外側に位置していることが好ましい。これらの構成によれば、蒸発部の他方の側の端部が加熱されることになるため、蒸発部において蒸発される水量を多くして、水蒸気を改質部に安定的に導入することができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、本発明に係る水素製造装置と、水素製造装置によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池システムは、上述した本発明に係る水素製造装置を備えているので、起動エネルギの消費を抑制して、低温シフト反応部及び選択酸化反応部を素早く昇温させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る水素製造装置の起動方法は、本発明に係る水素製造装置の起動方法であって、バーナを着火する工程と、バーナを着火した後に、改質部、低温シフト反応部、選択酸化反応部及び蒸発部の少なくとも一つの温度が第１の温度に達した場合に、蒸発部に水を導入する工程と、蒸発部に水を導入した後に、改質部、低温シフト反応部及び選択酸化反応部の少なくとも一つの温度が第１の温度よりも高い第２の温度に達した場合に、蒸発部で生成された水蒸気と共に原燃料を改質部に導入し、選択酸化反応部に空気を導入する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
この水素製造装置の起動方法では、バーナが着火されると、排ガスによって、改質部、低温シフト反応部、選択酸化反応部及び蒸発部が加熱され、その後、蒸発部に水が導入されると、過熱水蒸気の熱によって、改質部、低温シフト反応部及び選択酸化反応部が更に加熱される。これにより、改質部、低温シフト反応部及び選択酸化反応部がそれぞれ適切な反応温度に昇温させられる。そして、蒸発部で生成された水蒸気と共に原燃料が改質部に導入され、選択酸化反応部に空気が導入されると、一酸化炭素濃度が低下させられた改質ガスが生成され始める。このように、この水素製造装置の起動方法によれば、起動時に低温シフト反応部及び選択酸化反応部での電気ヒータの使用が不要となるので、起動エネルギの消費を抑制して、低温シフト反応部及び選択酸化反応部を素早く昇温させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、起動エネルギの消費を抑制して、低温シフト反応部及び選択酸化反応部を素早く昇温させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
【図２】図１の水素製造装置の端面図である。
【図３】図１の水素製造装置の起動方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図１の水素製造装置の変形例の端面図である。
【図５】本発明の他の実施形態の水素製造装置の端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１に示されるように、水素製造装置（ＦＰＳ：Fuel  Processing  System）１は、例えば家庭用の燃料電池システム１００において水素供給源として利用されるものである。ここでの水素製造装置１は、原燃料として石油系炭化水素が用いられ、水素を含有する改質ガスをセルスタック（燃料電池スタック）２０に供給する。セルスタック２０は、水素製造装置１によって生成された改質ガスを用いて発電を行う。
【００２０】
なお、原燃料としては、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料、天然ガス、都市ガス等を用いてもよい。また、石油系炭化水素としては、灯油、ＬＰガスの他、ナフサ、軽油等を原燃料として使用することができる。また、セルスタック２０としては、固体高分子形の他、種々のものを用いてもよい。
【００２１】
図１及び図２に示されるように、水素製造装置１は、脱硫部２と、中心軸を軸Ｇとする円柱状外形の本体部３と、を備えている。脱硫部２は、外部から導入された原燃料を脱硫触媒によって脱硫して硫黄分を除去し、この原燃料を後述のフィード部５へ供給する。本体部３は、フィード部５、改質部６、シフト反応部７、選択酸化反応部８及び蒸発部９を備え、これらが一体で構成されている。
【００２２】
フィード部５は、脱硫部２で脱硫した原燃料及び水蒸気（スチーム）を合流・混合させて混合ガス（混合流体）を生成すると共に、生成した混合ガスを拡散しつつ改質部６に供給する。改質部（ＳＲ：Steam  Reforming）６は、フィード部５により供給された混合ガスを改質触媒（改質触媒部）６ｘによって水蒸気改質して改質ガスを生成し、この改質ガスをシフト反応部７へ供給する。
【００２３】
この改質部６は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈し、本体部３の上端側に設けられている。また、改質部６は、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、改質部６の改質触媒６ｘを加熱するための熱源としてバーナ１０を利用している。
【００２４】
バーナ１０では、外部から原燃料がバーナ燃料として供給されて燃焼される。このバーナ１０は、本体部３の上端部に設けられ軸Ｇを中心軸とする燃焼筒１１に、バーナ１０による火炎が取り囲まれるよう取り付けられている。バーナ１０の燃焼ガスである排ガスは、排ガス流路Ｌ１を介して外部に排出される。なお、バーナ１０においては、脱硫部２で脱硫した原燃料の一部が、バーナ燃料として供給されて燃焼される場合もある。
【００２５】
シフト反応部７は、改質部６から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるものであり、改質ガス中の一酸化炭素を発熱反応であるシフト反応させて水素及び二酸化炭素に転換する。ここでのシフト反応部７は、シフト反応を２段階に分けて行っており、高温（例えば４００°Ｃ〜６００°Ｃ）でのシフト反応である高温シフト反応を行う高温シフト反応部（ＨＴＳ：High  Temperature  Shift）１２と、高温シフト反応の温度よりも低温（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）でのシフト反応である低温シフト反応を行う低温シフト反応部（ＬＴＳ：Low  Temperature  Shift）１３と、を有している。
【００２６】
高温シフト反応部１２は、改質部６から供給された改質ガス中の一酸化炭素を高温シフト触媒１２ｘによって高温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。高温シフト反応部１２は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、高温シフト触媒１２ｘが改質触媒６ｘの下端部を囲繞するよう改質部６の径方向外側に隣接配置されている。この高温シフト反応部１２は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを低温シフト反応部１３へ供給する。
【００２７】
低温シフト反応部１３は、高温シフト反応部１２で高温シフト反応させた改質ガス中の一酸化炭素を低温シフト触媒１３ｘによって低温シフト反応させ、改質ガスのＣＯ濃度を低下させる。低温シフト反応部１３は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端側に配設されている。この低温シフト反応部１３は、ＣＯ濃度を低下させた改質ガスを選択酸化反応部８へ供給する。
【００２８】
選択酸化反応部（ＰＲＯＸ：Preferential  Oxidation）８は、低温シフト反応部１３で低温シフト反応させた改質ガス中のＣＯ濃度を更に低下させる。これは、セルスタック２０に高濃度の一酸化炭素を供給すると、セルスタック２０の触媒が被毒して大きく性能低下するためである。この選択酸化反応部８は、具体的には、改質ガス中の一酸化炭素と外部から導入される空気とを、選択酸化触媒８ｘによって発熱反応である選択酸化反応させることで、選択的に酸化して二酸化炭素に転換する。
【００２９】
この選択酸化反応部８は、中心軸を軸Ｇとする円筒状外形を呈しており、本体部３の下端から所定長上端側にて該本体部３の最外周側を構成するよう配設されている。この選択酸化反応部８は、ＣＯ濃度を更に低下させた改質ガスを外部へ導出する。
【００３０】
蒸発部９は、周囲の熱、すなわち、低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８及び排ガス流路Ｌ１から移動させた熱（低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８及び排ガスを冷却して得た熱）で、内部に貯留された水を気化させて水蒸気を生成する。蒸発部９は、ジャケット型のものであり、中心軸を軸Ｇとする円筒状を呈している。この蒸発部９は、生成した水蒸気をフィード部５に供給する。
【００３１】
なお、本実施形態においては、例えば各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにて触媒反応を好適に行うため、次のように各部位の温度が設定されている。すなわち、改質部６に流入する混合ガスの温度が約３００〜５５０℃とされ、改質部６から流出する改質ガスの温度が５５０℃〜８００℃とされ、高温シフト反応部１２に流入する改質ガスの温度が４００℃〜６００℃とされ、高温シフト反応部１２から流出する改質ガスの温度が３００℃〜５００℃とされている。また、低温シフト反応部１３に流入する改質ガスの温度が１５０℃〜３５０℃とされ、低温シフト反応部１３から流出する改質ガスの温度が１５０℃〜２５０℃とされ、選択酸化反応部８に流入する改質ガスの温度が９０℃〜２１０℃（１２０℃〜１９０℃）とされている。
【００３２】
次に、上述したバーナ１０、燃焼筒１１、排ガス流路Ｌ１、改質部６、高温シフト反応部１２、低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８、蒸発部９の配置関係について、より詳細に説明する。
【００３３】
図２に示されるように、燃焼筒１１は、バーナ１０の火炎を囲むようにバーナ１０の下端部に設けられている。燃焼筒１１は、バーナ１０の燃焼ガスである排ガスを下側（一方の側）から排出する。改質部６は、燃焼筒１１を囲むように筒状（ここでは、上述したように中心軸を軸Ｇとする円筒状外形）に設けられている。排ガス流路Ｌ１は、燃焼筒１１の下側から燃焼筒１１と改質部６との間を通って改質部６の上側（他方の側）で折り返され、かつ改質部６の外側を通って下側に延在するように筒状に設けられている。高温シフト反応部１２は、改質部６を囲み、かつ排ガス流路Ｌ１のうち改質部の外側を通る部分Ｌ１ａに囲まれるように筒状に設けられている。
【００３４】
低温シフト反応部１３は、排ガス流路Ｌ１のうち下側に延在する部分（延在部分）Ｌ１ｂに囲まれるように筒状に設けられている。換言すれば、低温シフト反応部１３は、排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂの内側（ここでは、径方向内側）において部分Ｌ１ｂに沿うように筒状に設けられている。蒸発部９は、排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂを囲むように筒状に設けられている。選択酸化反応部８は、蒸発部９を囲むように筒状に設けられている。換言すれば、選択酸化反応部８は、排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂの外側（ここでは、径方向外側）において部分Ｌ１ｂに沿うように筒状に設けられている。
【００３５】
なお、低温シフト反応部１３を排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂの内側に配置し、選択酸化反応部８を排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂの外側に配置することで、選択酸化反応部８の放熱を促進させることができる。また、選択酸化反応部８の選択酸化触媒８ｘは、低温シフト反応部１３の低温シフト触媒１３ｘよりも通常少量となるため、前述の配置構成は、水素製造装置１の大型化を抑制する。
【００３６】
低温シフト反応部１３の上端部（他方の側の端部）は、選択酸化反応部８の上端部よりも上側に位置している。蒸発部９の上端部は、高温シフト反応部１２の下端部（一方の側の端部）の外側に位置している。そして、改質部６で改質ガスが生成されているときは、蒸発部９に貯留された水の水面ＷＦは、低温シフト反応部１３の上端部及び選択酸化反応部８の上端部よりも上側に位置するように調整される。
【００３７】
なお、フィード部５は、燃焼筒１１の下側において燃焼筒１１に対向する位置から改質部６の下端部に至っている。改質部６で生成された改質ガスを流通させる改質ガス流路Ｌ２は、改質部６の上端部の外側から、高温シフト反応部１２及び低温シフト反応部１３を上側から下側へと通り、更に選択酸化反応部８を下側から上側へと通ってセルスタック２０に至っている。
【００３８】
また、蒸発部９に導入される水を流通させる水流路Ｌ３は、改質ガス流路Ｌ２のうち選択酸化反応部８の下流側の部分に設けられた予熱部１５を通って、蒸発部９の下端部に至っている。予熱部１５は、蒸発部９に導入される水を、選択酸化反応部８から導出された改質ガスの熱によって予熱する。蒸発部９で生成された水蒸気を流通させる水蒸気流路Ｌ４は、蒸発部９の上端部から、原燃料を流通させる原燃料流路Ｌ５に合流してフィード部５に至っている。
【００３９】
次に、上述した水素製造装置１において実施される起動方法について、図３を参照して説明する。
【００４０】
まず、原燃料がバーナ燃料とされてバーナ１０が着火される（ステップＳ０１）。これにより、バーナ１０の燃焼ガスである排ガスが排ガス流路Ｌ１を流通する。そして、この排ガスの流通によって、改質部６、各シフト反応部１２，１３、選択酸化反応部８及び蒸発部９が加熱される。
【００４１】
このとき、各反応部６，１２，１３，８の温度及び蒸発部９の温度が温度センサによって取得され、当該温度が第１の温度（例えば、各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにおいて水蒸気が結露しない温度や蒸発部９で水が蒸発する温度）に達したか否かが判断される（ステップＳ０２）。なお、この判断は、改質部６、各シフト反応部１２，１３、選択酸化反応部８及び蒸発部９の少なくとも１つを代表させて行われてもよい。
【００４２】
ステップＳ０２の判断の結果、各反応部６，１２，１３，８の温度が第１の温度に達したと判断された場合には、蒸発部９に水が導入される（ステップＳ０３）。これにより、蒸発部９に貯留された水が、排ガス流路Ｌ１を流通する排ガスによって加熱されて、蒸発部９で生成された過熱水蒸気が、水蒸気流路Ｌ４、フィード部５及び改質ガス流路Ｌ２を流通する。そして、この過熱水蒸気の流通によって、改質部６、各シフト反応部１２，１３及び選択酸化反応部８が更に加熱される。
【００４３】
このとき、各反応部６，１２，１３，８の温度が温度センサによって取得され、当該温度が第１の温度よりも高い第２の温度（例えば、各触媒６ｘ，１２ｘ，１３ｘ，８ｘにおいて反応が開始される温度）に達したか否かが判断される（ステップＳ０４）。なお、この判断は、ステップＳ０２の判断と同様に、改質部６、各シフト反応部１２，１３及び選択酸化反応部８の少なくとも１つを代表させて行われてもよい。
【００４４】
ステップＳ０４の判断の結果、各反応部６，１２，１３，８の温度が第２の温度に達したと判断された場合には、蒸発部９で生成された水蒸気と共に原燃料が改質部６に導入される（ステップＳ０５）。これにより、改質部６で改質ガスが生成され、改質ガス流路Ｌ２を流通する。
【００４５】
このとき、選択酸化反応部８に改質ガスが到達したか否かが判断される（ステップＳ０６）。一例として、バーナ１０が一旦消火され、バーナ燃料が原燃料から改質ガスに切り替えられた後に、バーナ１０の火炎温度センサによって、バーナ１０が再度着火されたか否かが判断される。バーナ１０が再度着火されれば、選択酸化反応部８に改質ガスが到達したことになる。同時に、選択酸化反応部８の温度が所定の温度に達したか否かも判断材料とされる。
【００４６】
ステップＳ０６の判断の結果、選択酸化反応部８に改質ガスが到達したと判断された場合には、選択酸化反応部８に選択酸化反応用の空気が導入される（ステップＳ０７）。これにより、改質部６で生成された改質ガスの一酸化炭素濃度がシフト反応部７で例えば数１０％程度まで低下させられ、選択酸化反応部８で例えば１０ｐｐｍ以下まで低下させられる。そして、一酸化炭素濃度が低下させられた改質ガスがセルスタック２０に導出される（ステップＳ０８）。
【００４７】
以上説明したように、燃料電池システム１００の水素製造装置１では、低温シフト反応部１３が排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂに囲まれるように筒状に設けられており、選択酸化反応部８が蒸発部９を介して排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂを囲むように筒状に設けられている。そのため、水素製造装置１の起動時にバーナ１０の燃焼ガスである排ガスが排ガス流路Ｌ１を流通させられると、排ガスの熱によって、改質部６及び高温シフト反応部１２だけでなく、低温シフト反応部１３、選択酸化反応部８及び蒸発部９も加熱されて昇温させられる。その後、蒸発部９に水が導入されると、過熱水蒸気の熱によって、改質部６、各シフト反応部１２，１３及び選択酸化反応部８が更に加熱されて昇温させられる。これにより、改質部６、各シフト反応部１２，１３及び選択酸化反応部８がそれぞれ適切な反応温度に昇温させられる。そして、蒸発部９で生成された水蒸気と共に原燃料が改質部６に導入され、選択酸化反応部８に空気が導入されると、一酸化炭素濃度が低下させられた改質ガスが生成され始める。このとき、排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂでは、排ガスの熱だけでなく低温シフト反応部１３の反応熱及び選択酸化反応部８の反応熱も蒸発部９に移動する。これにより、低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８がそれぞれ適切な反応温度に維持される。このように、水素製造装置１及びその起動方法によれば、起動時に低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８での電気ヒータの使用が不要となるので、起動エネルギの消費を抑制して、低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８を素早く昇温させることができる。
【００４８】
また、低温シフト反応部１３の上端部が、選択酸化反応部８の上端部よりも上側に位置している。これにより、低温シフト反応部１３の上端部は、選択酸化反応部８の上端部よりもバーナ１０の火炎に近くなり、しかも、より上流側で、排ガス流路Ｌ１の部分Ｌ１ｂを流通する排ガスによって加熱されることになる。従って、低温シフト触媒１３ｘへの改質ガスの導入口となる低温シフト反応部１３の上端部を、選択酸化触媒８ｘからの改質ガスの導出口となる選択酸化反応部８の上端部よりも高温にすることができる。
【００４９】
また、予熱部１５が、蒸発部９に導入される水を、選択酸化反応部８から導出された改質ガスの熱によって予熱する。これにより、蒸発部９に導入される水が突沸するのを防止して、改質部６に導入される水蒸気に蒸発振動の影響が生じるのを抑制することができる。
【００５０】
また、蒸発部９の上端部が、高温シフト反応部１２の下端部の外側に位置している。これにより、蒸発部９の上端部が加熱されることになるため、蒸発部９において蒸発される水量を多くして、水蒸気を改質部６に安定的に導入することができる。
【００５１】
また、改質部６で改質ガスが生成されているときは、蒸発部９に貯留された水の水面ＷＦが、低温シフト反応部１３の上端部及び選択酸化反応部８の上端部よりも上側に位置するように調整される。これにより、低温シフト反応部１３の反応熱及び選択酸化反応部８の反応熱が蒸発部９内の水に確実に移動するので、低温シフト反応部１３及び選択酸化反応部８をそれぞれ適切な反応温度に安定的に維持することができる。
【００５２】
ここで、蒸発部９に貯留された水の水面ＷＦの調整制御の一例について、図４を参照して説明する。図４に示されるように、水素製造装置１Ａは、上述した水素製造装置１に対し、更に、負荷検出センサＣＥ、原燃料供給ポンプ１１０、水供給ポンプ１２０、バーナ燃料供給ポンプ１３０、空気供給ポンプ１４０、温度センサＣ１〜Ｃ５及び制御部１５０を備えている。制御部１５０は、蒸発部９に貯留された水の水面ＷＦの位置を調整する機能を有する。ここでは、制御部１５０は、水面ＷＦの位置が低温シフト反応部１３の上端部及び選択酸化反応部８の上端部よりも上側となるように、水面ＷＦの位置を調整する。
【００５３】
負荷検出センサＣＥは、セルスタック２０の負荷（セルスタック２０に要求される電力量（Ｗ））を検出する機能を有しており、検出結果を制御部１５０へ出力する。原燃料供給ポンプ１１０は、改質部６へ原燃料を供給するポンプである。水供給ポンプ１２０は、蒸発部９へ水を供給するポンプである。バーナ燃料供給ポンプ１３０は、バーナ１０にバーナ燃料を供給するポンプである。空気供給ポンプ１４０は、バーナ１０に空気を供給するポンプである。各ポンプ１１０，１２０，１３０，１４０は、制御部１５０と電気的に接続されており、制御部１５０から入力された制御信号に基づいて駆動される。
【００５４】
温度センサＣ１〜Ｃ５は、蒸発部９内の温度を検出することにより水面ＷＦの位置を検出するセンサである。温度センサＣ１は、蒸発部９から導出される水蒸気の温度を検出する。温度センサＣ２〜Ｃ５は、上側から下側へ向かってこの順で蒸発部９内に設けられている。温度センサＣ２，Ｃ３は、低温シフト反応部１３の上端部よりも上側に配置されている。温度センサＣ４は、低温シフト反応部１３の上端部と同程度の高さに配置されており、温度センサＣ５は、選択酸化反応部８の上端部と同程度の高さに配置されている。
【００５５】
制御部１５０は、水素製造装置１Ａ全体の制御を行う機能を有しており、各ポンプ１１０，１２０，１３０，１４０を制御することによって、水面ＷＦの位置が低温シフト反応部１３の上端部及び選択酸化反応部８の上端部よりも上側となるように、水面ＷＦの位置を調整する。
【００５６】
この水素製造装置１Ａでは、制御部１５０において以下の制御を実行することで、低温シフト反応部１３の上端部及び選択酸化反応部８の上端部よりも上側に位置させる。すなわち、セルスタック２０の負荷変動に応じて所定の制御マップを用い、Ｓ／Ｃの設定値を最適値に変更することで、又はバーナ空気比の設定値を最適値に変更することで、低温シフト反応部１３の上端部及び選択酸化反応部８の上端部よりも上側に位置させる。
【００５７】
或いは、温度センサＣ１〜Ｃ５を用いて水面ＷＦの位置を検出し、水面ＷＦが一定位置よりも上昇又は下降した場合、Ｓ／Ｃの設定値を最適値に変更することで、又はバーナ空気比の設定値を最適値に変更することで、水面ＷＦの位置を低温シフト反応部１３の上端部及び選択酸化反応部８の上端部よりも上側に位置させる。
【００５８】
なお、ここでの「水面ＷＦ」は、蒸発部９内の水が水蒸気となる境界部分である。また、「Ｓ／Ｃ」とは、改質部６に供給される原燃料中のカーボンに対する水蒸気の比率である。また、「バーナ空気比」とは、「バーナ１０に供給されるバーナ燃料を全て完全に燃焼できる空気量（理論空気量）」に対する「バーナ１０に供給される空気量」の比率である。
【００５９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００６０】
例えば、水素製造装置は、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させるものとして高温シフト反応部及び低温シフト反応部を備えるものに限定されず、低温シフト反応部のみを備えるものであってもよい。図５に示されるように、改質ガスのシフト反応が低温シフト反応部１３のみで行われる場合には、蒸発部９の上端部は、改質部６の下端部の外側に位置していることが好ましい。この場合、蒸発部９の上端部が加熱されることになるため、蒸発部９において蒸発される水量を多くして、水蒸気を改質部６に安定的に導入することができる。
【００６１】
また、水素製造装置の改質部は、水蒸気改質反応を利用するものに限定されず、原燃料及び水蒸気を用いて改質ガスを生成するものであれば、他の改質反応を利用するものであってもよい。また、水素製造装置の配置構成については、上記水素製造装置１を上下反転したような配置構成（例えば、バーナ１０が下部に設置されて構成された水素製造装置）としてもよい。また、水素製造装置は、脱硫器を備えない場合もある。
【００６２】
ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや、円筒状及び多角筒状の部分を少なくとも含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。また、上記実施形態は、好ましいとして、中心軸を軸Ｇとする同軸構成とされているが、本発明は、略同軸又は軸Ｇに沿った構成とされていてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１…水素製造装置、６…改質部、８…選択酸化反応部、９…蒸発部、１０…バーナ、１１…燃焼筒、１２…高温シフト反応部、１３…低温シフト反応部、１５…予熱部、２０…セルスタック（燃料電池スタック）、１００…燃料電池システム、Ｌ１…排ガス流路、Ｌ１ａ…部分、Ｌ１ｂ…部分（延在部分）。
【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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