(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原料を供給する原料供給部と水を供給する水供給部を有し改質触媒を充填した改質部と、炭化水素系の燃料を供給する燃料供給部と空気を供給する空気供給部を有し前記改質部を加熱するバーナを備えた水素発生装置において、前記水素発生装置から送出される生成ガスを前記バーナに導く流路と、前記改質部の温度を測定する改質温度検知部とを設け、前記原料供給部からの信号と前記改質温度検知部からの信号により生成ガス中の可燃性ガス流量の予測を行い、前記空気供給部からの供給空気量を制御することを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
前記改質部の下流に設置した変成触媒を充填した変成部と、前記変成部の温度を測定する変成温度検知部とを設け、前記原料供給部からの信号と前記改質温度検知部からの信号と前記変成温度検知部からの信号とにより生成ガス中の可燃性ガス流量の予測を行い、前記空気供給部からの供給空気量を制御することを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記変成部の下流に設置した浄化触媒を充填した浄化部と、前記浄化部の温度を測定する浄化温度検知部とを設け、前記原料供給部からの信号と前記改質温度検知部からの信号と前記変成温度検知部からの信号と前記浄化温度検知部からの信号とにより生成ガス中の可燃性ガス流量の予測を行い、前記空気供給部からの供給空気量を制御することを特徴とする請求項２記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記生成ガス中の可燃性ガスの予測流量と、前記燃料供給部からの信号による燃料流量から、前記バーナでの可燃性ガスの総流量を予測し、前記空気供給部からの供給空気量を制御することを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の水素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素系物質を主原料とし、燃料電池等の水素利用機器に供給するための水素リッチガスを発生させる水素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の燃料電池用水素発生装置の起動方法について図６を用いて説明する。
【０００３】
１は原料供給部、２は水供給部であり、内部に改質触媒を充填した改質部３に接続している。原料供給部１により供給された原料は改質部３から流出して変成触媒を充填した変成部４に流入し、さらに変成部４から流出するガスはＣＯ除去触媒を充填した浄化部５に流入する。そして浄化部５から流出するガスは、生成ガスとして三方バルブ６を通り、一方は水素発生装置から燃料電池７へ、また一方は改質部３近傍に設置したバーナ８に導くように流路構成している。バーナ８には９の燃料供給部と燃焼用空気を供給する空気供給部１０を設置している。バーナ８での燃焼ガスは改質部３に設けられた排気口１１から排気される。
【０００４】
上記構成において起動時には、三方バルブ６により浄化部５から送出する生成ガスをバーナ８に供給する構成とし、空気供給部１０から燃焼用空気を供給した状態で、点火装置（図中省略）で点火動作を行いながら、燃料供給部９より燃料を供給しバーナ８に火炎を形成する。火炎の安定状態を確認した後、原料供給部１より原料を供給することで、バーナ８では燃料供給部９から供給された燃料と、原料供給部１から供給された原料が改質部３、変成部４、浄化部５と通過してきた生成ガスとが燃焼して改質部３を加熱する。その後、燃料供給部９からの燃料を減少させて停止することで、原料供給部１からの原料供給だけで火炎を形成し、改質部３、変成部４、浄化部５を温度上昇させて最適な温度状態とすることで水素生成器を起動する。
【０００５】
この時、空気の供給量は原料供給部１からの原料供給量に応じて供給している。しかし、この空気量の制御方法では、空気量は原料供給量に対応しているので、実際に燃焼させる生成ガス中の可燃性ガス流量に充分対応していないので空気量の過不足が生じ、燃焼排気ガスの特性の悪化や不安定な燃焼状態を引き起こすことがあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題点について、さらに説明する。
【０００７】
生成ガス中のガス成分とガス流量は、各部触媒の反応状態、つまり各部触媒の温度によって決定される。例えば、メタンを原料ガスとした場合、改質部での改質反応は主に（式１）および（式２）で示される。
【０００８】
（式１）    CH4＋2H2O→4H2＋CO2
（式２）    CH4＋H2O→3H2＋CO
改質触媒の温度が低く改質反応が起こらないときには、水素発生装置からバーナに送られる生成ガスは、原料として供給したメタンである。しかし、改質反応が充分行われる温度にまで上昇すれば、改質部から送出する改質ガスは主に、（式１）および（式２）から水素と二酸化炭素あるいは一酸化炭素となり、その総流量は供給したメタンの４〜５倍になる。改質触媒の温度が充分上昇するまでは、生成ガス成分と流量はそれらの間の値となり、またこれに、変成部や浄化部での反応が加わるので、生成ガスは各部の温度に応じて様々に変化する。
【０００９】
このように、各部の温度により生成ガスの成分と流量が変化することで生成ガス中の可燃ガス流量が変わるので、原料供給量に応じた空気量では過不足が生じ、バーナで良好な燃焼状態を常に維持することは難しかった。特に、改質触媒温度が400゜C近辺では10degの温度上昇で反応率が数十％上昇するため改質部から送出するガス流量は急増し、変成部や浄化部に存在している可燃性ガスを多量にバーナ部へ押し出すことになる。そのため、原料供給量に対応した空気量ではかなり不足し、火炎が不安定になりやすく、時には失火する可能性があった。
【００１０】
本発明はそれらの課題を解決するものであり、水素発生装置からの生成ガスをバーナで安定に燃焼させるもので、操作性、利便性に優れる水素発生装置を提供することを目的としたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、炭化水素系の原料を供給する原料供給部と水を供給する水供給部を有し改質触媒を充填した改質部と、炭化水素系の燃料を供給する燃料供給部と空気を供給する空気供給部を有し前記改質部を加熱するバーナを備えた水素発生装置において、前記水素発生装置から送出される生成ガスを前記バーナに導く流路と、前記改質部の温度を測定する改質温度検知部とを設け、前記原料供給部からの信号と前記改質温度検知部からの信号により生成ガス中の可燃性ガス流量の予測を行い、前記空気供給部からの供給空気量を制御することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明は、前記改質部の下流に設置した変成触媒を充填した変成部と、前記変成部の温度を測定する変成温度検知部とを設け、前記原料供給部からの信号と前記改質温度検知部からの信号と前記変成温度検知部からの信号とにより生成ガス中の可燃性ガス流量の予測を行い、前記空気供給部からの供給空気量を制御することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、前記変成部の下流に設置した浄化触媒を充填した浄化部と、前記浄化部の温度を測定する浄化温度検知部とを設け、前記原料供給部からの信号と前記改質温度検知部からの信号と前記変成温度検知部からの信号と前記浄化温度検知部からの信号とにより生成ガス中の可燃性ガス流量の予測を行い、前記空気供給部からの供給空気量を制御することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明は、前記生成ガス中の可燃性ガスの予測流量と、前記燃料供給部からの信号による燃料流量から、前記バーナでの可燃性ガスの総流量を予測し、前記空気供給部からの供給空気量を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
【本発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における水素発生装置の構成図である。１は原料供給部、２は水供給部であり、内部に改質触媒を充填した改質部３に接続している。原料供給部１により供給された原料は改質部３から流出して変成触媒を充填した変成部４に流入し、さらに変成部４から流出するガスはＣＯ除去触媒を充填した浄化部５に流入する。そして浄化部５から流出するガスは、生成ガスとして三方バルブ６を通り、一方は水素発生装置から燃料電池７へ、また一方は改質部３近傍に設置したバーナ８に導くように流路を構成している。バーナ８には燃料供給部９と燃焼用空気を供給する空気供給部１０を設置している。バーナ８での燃焼ガスは改質部３に設けられた排気口１１から排気される。
【００１７】
ここで、原料供給部１および燃料供給部９から供給される原料および燃料は、天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ等の気体状炭化水素燃料、あるいはガソリン、灯油、メタノール等の液体状炭化水素系燃料である。ただし、液体状燃料を用いるときには燃料の気化部が必要となるが、改質部３やバーナ８周囲からの伝導熱や燃焼排気ガス中の顕熱などを利用した気化部を構成することが可能である。
【００１８】
また、原料供給部１、燃料供給部９および空気供給部１０の流量調整は、ポンプ、ファン等を利用して、その動作を制御する方法や、ポンプ、ファンなどの下流側にバルブ等の流量調整器を設置する方法などがあるが、本説明ではそれらを含めてそれぞれの供給部として示している。
【００１９】
また、図中の矢印は原料物質や反応物質、燃料物質等の流れの方向を示している。さらに改質部３には改質触媒の温度を測定する改質温度検知部１２を設置し、検出した温度に応じて空気供給部１０により空気供給量を制御できる構成となっている。ここで、改質温度検知部１２は、熱電対や高温型サーミスタ等を用いることができる。
【００２０】
上記構成において、水素発生装置の起動を以下に示す。
【００２１】
起動時に浄化部５から送出する生成ガスをバーナ８に供給する構成とするために、三方バルブ６の流路をバーナ側とする。空気供給部１０から空気を供給した状態で、点火装置（図中省略）で点火動作を行いながら、燃料供給部９より燃料を供給しバーナ８に火炎を形成する。
【００２２】
火炎の安定状態を確認した後、原料供給部１より原料を供給することで、バーナ８では燃料供給部９から供給された燃料と、原料供給部１から供給された原料が改質部３、変成部４、浄化部５と通過してきた生成ガスとが燃焼して改質部３を加熱する。
【００２３】
その後、燃料供給部９からの燃料を減少させて停止し、原料供給部１からの原料供給によりバーナ８での火炎を形成することで各部温度を上昇させて最適な温度状態として、水素発生装置の起動を完了する。
【００２４】
改質反応では、主に（式１）および（式２）で示した２つの反応により、１モルのメタンに対して水素と二酸化炭素が計５モル、あるいは水素と一酸化炭素が計４モル生成される。
【００２５】
また、図２はメタンの改質触媒温度に対する反応率であるが、400゜C付近で急激にメタンの反応率が大きくなり改質反応が急激に進むことが分かる。これらのことより、改質触媒の温度によって、改質部３から送出する改質ガスの成分と流量は大きく変化することが分かる。水素発生装置から送出する生成ガスは、改質ガスによりバーナ８に最も近い浄化部５の出口付近のガスが押し出されたものであるが、起動時の改質触媒が600゜Cぐらいまでは、変成部４や浄化部５はあまり昇温していないため変成反応や選択酸化反応が充分行われず、改質ガスは変成部４や浄化部５をほとんど反応せずに通過する。
【００２６】
したがって、原料供給量と改質触媒温度から改質ガスの成分と流量を予測し、その時間変化を把握しておけば、改質ガスにより押し出される浄化部５出口近傍のガス成分の予測により、生成ガス中の可燃性ガス流量を捉えることができる。
【００２７】
例えば、改質触媒温度が400℃の時に原料としてメタンを1NL/min供給すると、図２よりメタンの反応率が50％となり、その中で（式１）と（式２）が10：1の割合で起こる。（触媒温度に対する（式１）と（式２）の起こる比率は図示せず。）  したがって改質ガスは、反応していないメタン0.5NL/min、（式１）と（式２）より水素1.95NL/min、（式１）より二酸化炭素0.45NL/min、（式２）より一酸化炭素0.05NL/minで構成されたガスが400℃の温度状態となっていると見なすことができる。同様にして、改質触媒温度に応じた改質ガスの総流量と各成分流量とを算出し、その時間変化を捉えることができる。ここで、改質部３出口からバーナ８までの流路容積はわかるため、400℃の改質触媒からの改質ガスが、その後に生じた改質ガスによって押されるようにして変成部４や浄化部５を通過し、バーナ８に到達する時間がわかる。よって、この改質ガスがバーナ８に到達する時に、改質ガス中の可燃性ガス流量（メタン0.5NL/min、水素1.95NL/min、一酸化炭素0.05NL/min）がわかるため、各成分に対する理論空気量を計算することができ（理論空気量：4.76NL/min（対メタン）、4.64NL/min（対水素）、0.12NL/min（対一酸化炭素））、最適な空気量を空気供給部１０より供給することができる。
【００２８】
よって、原料供給部１と改質温度検知部１２からの信号により、バーナ８への適量な空気量を決定して空気供給部１０から供給することが可能となり、生成ガスの流量や成分が変化する条件でも安定した燃焼状態と良好な燃焼排気ガス特性を実現することができる。
【００２９】
図３は白金族系の変成触媒に、ＣＯ：１０％、ＣＯ2：１０％、Ｈ2：８０％の標準ガスを供給したときの触媒温度に対する反応性を示したものである。触媒の温度に応じてシフト反応や逆シフト反応、メタン化反応が生じ、ＣＯやＣＨ4の量が決定されるのがわかる。
【００３０】
このような変成触媒の反応状態を把握するため、変成部４に変成温度検知部１３を設置して変成部４の触媒温度を測定し、原料流量と改質触媒温度による改質ガスの流量と成分から、変成部４出口での変成ガスの流量と成分を予測することができる。この変成ガスを水素発生装置からの生成ガスと見なせば、改質ガスを生成ガスと見なすより、より正確に生成ガス中の可燃性ガス流量を予測することができる。
【００３１】
よって、原料供給部１と改質温度検知部１２からの信号による改質ガスの予測と、変成温度検知部１３からの信号により、バーナ８への適量な空気量をより正確に決定して空気供給部１０から供給することが可能となる。
【００３２】
図４は白金族系のＣＯ除去触媒に、ＣＯ：１％、ＣＯ2：１９％、Ｈ2：８０％の標準ガスを供給したときの触媒温度に対する反応性を示したものである。触媒の温度に応じて、酸化反応や逆シフト反応によりＣＯの量が決定されているのがわかる。
【００３３】
このようなＣＯ除去触媒の反応状態を把握するため、浄化部５に浄化温度検知部１４を設置して浄化部５の触媒温度測定を行い、原料流量と改質触媒温度、さらに変成触媒温度による変成ガスの流量と成分から、浄化部５出口での生成ガスの流量と成分を予測することができる。よって、生成ガス中の可燃性ガス流量を正確に予測することができる。
【００３４】
したがって、原料供給部１と改質温度検知部１２からの信号と変成温度検知部１３からの信号による変成ガスの流量と成分の予測と、浄化温度検知部１４からの信号により、生成ガス中の可燃性ガス流量の把握により、空気供給部１０からバーナ８へ最適な空気量の供給を実現することができる。
【００３５】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における水素発生装置の構成図であり、図１に示した実施の形態１の水素発生装置に燃料供給部９からの信号により燃料流量を把握して生成ガス中の可燃性ガス流量の予測と合わせることで、バーナ８への可燃性ガスの総流量を予測する構成としている。
【００３６】
この構成により、原料供給だけでは改質部３の温度が充分昇温しない時など、燃料供給部９から燃料を供給してバーナ８での燃焼量を増やす場合には、燃料供給部９からの信号により燃料流量を把握して生成ガス中の可燃性ガス流量の予測と合わせることで、バーナ８への可燃性ガスの総流量を予測し、適量な空気を空気供給部１０から供給するようにすれば、バーナ８での燃焼の安定状態と良好な燃焼排気ガス特性を実現することができる。
【００３７】
なお、各部の温度検知部は、一箇所でなくて複数箇所設置して、より触媒の温度状態を細かく把握し、生成ガス状態を予測するようにしても良い。
【００３８】
また、本発明を上記説明では、水素発生装置の起動時に関して説明したが、通常の運転時において、燃料電池の出力を変化させる時などの水素発生量を変化させる場合など、各部触媒温度が変化する時にも適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、起動時の水素発生装置からの送出する生成ガスをバーナに供給する構成において、原料の供給量と改質部温度とにより改質ガス成分と流量の時間変化を把握することで、生成ガス中の可燃性ガス流量を予測し、適量の空気量を供給することで、燃焼の安定状態と良好な燃焼排気ガス特性を実現するものである。
【００４０】
さらに、変成部や浄化部の温度測定により変成部での反応や浄化部での反応をも考慮することで、より精度良く生成ガス中の可燃性ガス流量を予測し、最適な空気量を供給するものである。
【００４１】
また、燃料を供給した場合にも、燃料供給量と生成ガス中の可燃性ガス流量の予測により、バーナでの可燃性ガスの総流量を把握することで空気量を制御し、燃焼の安定状態と良好な燃焼排気ガス特性を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における水素発生装置の構成図
【図２】改質触媒によるメタンの改質反応率を示すグラフ
【図３】変成触媒による反応性を示すグラフ
【図４】ＣＯ浄化触媒による反応性を示すグラフ
【図５】本発明の実施の形態２における水素発生装置の構成図
【図６】従来の水素発生装置の構成図
【符号の説明】
１  原料供給部
２  水供給部
３  改質部
４  変成部
５  浄化部
６  三方バルブ
７  燃料電池
８  バーナ
９  燃料供給部
１０  空気供給部
１１  排気口
１２  改質温度検知部
１３  変成温度検知部
１４  浄化温度検知部
【図１】
0003708428.tif 000002
【図２】
0003708428.tif 000003
【図３】
0003708428.tif 000004
【図４】
0003708428.tif 000005
【図５】
0003708428.tif 000006
【図６】
0003708428.tif 000007