(57)【要約】  水素生成装置(100)は、改質器(1)と、ＣＯ除去器(2)と、第１脱硫器(3a)と、第１ヒータ(4)と、第２ヒータ(5)と、制御装置(6)と、を備え、前記制御装置は、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータのうちの一方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、他方のヒータの動作を開始させるよう構成されている。
2013054496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、
前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させて除去する第１脱硫器と、
前記ＣＯ除去器を加熱する第１ヒータと、
前記第１脱硫器を加熱する第２ヒータと、
前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータのうちの一方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、他方のヒータの動作を開始させるよう構成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記一方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記他方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記一方のヒータの動作を再度開始させるよう構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記一方のヒータは、前記第１ヒータであり、
前記他方のヒータは、前記第２ヒータである、請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記ＣＯ除去器の温度を検出するＣＯ除去温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させ、その後、前記ＣＯ除去温度検出器の検出温度が予め設定された第１温度以上となった場合、前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されている、請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記改質器、前記ＣＯ除去器および前記第１脱硫器のうちの少なくとも１つを加熱する燃焼器と、
前記改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、
前記改質器に水を供給する水供給器と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１ヒータと前記原料供給器と前記燃焼器との動作を開始させ、その後、前記水供給器の動作を開始させ、かつ、前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されている、請求項３または４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記ＣＯ除去器は、変成反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ変成器と、ＣＯ選択酸化反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ選択酸化器と、を含み、
前記第１ヒータは、前記ＣＯ変成器および前記ＣＯ選択酸化器のうちの少なくとも一方を加熱する、請求項３〜５のいずれかに１項に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記ＣＯ変成器の温度を検出するＣＯ変成温度検出器と、
前記ＣＯ選択酸化器の温度を検出するＣＯ選択酸化温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させ、その後、前記ＣＯ変成温度検出器の検出温度が予め設定された第２温度以上となり、かつ、前記ＣＯ選択酸化温度検出器の検出温度が予め設定された第３温度以上となった場合に前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されている、請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記原料ガス中の硫黄を水素と反応させずに吸着して硫黄を除去する第２脱硫器と、
前記原料ガスの供給先を前記第１脱硫器と前記第２脱硫器とに切り替える原料ガス切り替え器と、をさらに備える、請求項３〜７のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記第１脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させ、前記脱硫温度検出器の検出温度が予め設定された第４温度以上になった場合に前記原料ガスの供給先を前記第２脱硫器から前記第１脱硫器へ前記原料ガス切り替え器により切り替わるよう構成されている、請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記第１脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記脱硫温度検出器により検出された温度が予め設定された第５温度以上になった場合に前記第２ヒータの動作を停止させる、請求項３〜９のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記ＣＯ除去器は、変成反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ変成器と、ＣＯ選択酸化反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ選択酸化器と、を含み、
前記ＣＯ変成器の温度を検出するＣＯ変成温度検出器と、
前記ＣＯ選択酸化器の温度を検出するＣＯ選択酸化温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記第２ヒータを動作させ、その後、前記ＣＯ変成温度検出器の検出温度が予め設定された第６温度未満であった場合、および、前記ＣＯ選択酸化温度検出器の検出温度が予め設定された第７温度未満であった場合、のうちの少なくとも一方の場合に、前記第２ヒータを停止させ、前記第１ヒータを動作させる、請求項３〜１０のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記請求項３〜１１のいずれか１つに記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される水素含有ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池により発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記改質器、前記ＣＯ除去器および前記第１脱硫器のうちの少なくとも１つを加熱する燃焼器と、
前記水素生成装置に原料ガスを供給する原料供給器と、を備える燃料電池システムであって、
前記水素生成装置が備える制御装置は、
前記燃料電池の発電前に行う起動工程では前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複しないように実行させ、
前記燃料電池の発電を開始させる発電工程では前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を停止させ、かつ、前記起動工程より多い原料ガスを前記原料供給器により前記水素生成装置に供給するよう構成されている、燃料電池システム。
【請求項１３】
商用電源に繋がる遮断器に前記インバータが接続され、前記起動工程において前記商用電源から前記遮断器を介して電力が供給される燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記遮断器が前記商用電源からの電力供給を遮断するように予め設定された遮断電力に基づいて前記第１ヒータおよび前記第２ヒータに供給される電力を設定する、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記商用電源に繋がる前記遮断器に前記インバータと共に接続される電力負荷を含む需要家に設けられる燃料電池システムであって、
前記商用電源と前記遮断器とを繋ぐ配電線に設けられ、前記商用電源から前記需要家に供給されている電力を検出する電力計をさらに備え、
前記制御装置は、前記遮断電力から前記電力計により検出された前記供給電力を引いた電力差が所定値未満である場合に前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複しないように実行させ、前記電力差が前記所定値以上である場合に前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複して実行させるよう構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させて除去する第１脱硫器と、前記ＣＯ除去器を加熱する第１ヒータと、前記第１脱硫器を加熱する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を制御する制御装置と、を備えた水素生成装置の制御方法であって、
前記制御装置は、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータのうちの一方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、他方のヒータの動作を開始させるように、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータを制御する、水素生成装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置およびその制御方法、ならびに燃料電池システムに関し、特に、改質器で炭化水素を含む原料ガスと水とを改質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の制御方法、ならびに燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型装置でも高効率発電ができる燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電装置として開発されている。燃料電池の発電に利用される燃料として水素ガスが用いられているが、水素ガスは一般的なインフラとして整備されていない。そこで、燃料電池が需要家で利用される場合、たとえば、都市ガス、ＬＰＧ等の既存化石原料インフラから得られる原料から水蒸気改質反応で水素含有ガスを水素生成装置で生成させ、水素含油ガスを燃料電池に供給する構成がとられることが多い。なお、改質器の反応部には、反応に適した触媒、たとえば、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒が備えられている。【０００３】
この水素含有ガス中には一酸化炭素が含まれるが、一酸化炭素は燃料電池の性能を低下させるため、一酸化炭素濃度を低減するＣＯ除去器が設けられる。ＣＯ除去器として、一般的に、一酸化炭素および水蒸気を水性ガスシフト反応（変成反応）させるＣＯ変成器と、一酸化炭素を主に微量空気等の酸化剤で酸化させるＣＯ選択酸化器とが用いられる。ＣＯ変成器およびＣＯ選択酸化器のそれぞれの反応部には、各反応に適した触媒、たとえば、ＣＯ変成器にはＣｕ−Ｚｎ触媒、ＣＯ選択酸化器にはＲｕ触媒等が備えられている。【０００４】
このような分散型エネルギー供給源の長所は、必要な時に必要なエネルギーを得ることができる点である。このため、エネルギー需要のない時は燃料電池の発電が停止することが望ましい。ただし、これにより、燃料電池は頻繁に起動停止することが必要となり、燃料電池の起動に伴って水素生成装置は短時間で起動できることが求められる。水素生成装置が起動するためには、ヒータあるいは燃焼器等の加熱器を用いて水素の生成およびＣＯの除去のための各種触媒を速やかに適温に昇温する必要がある。【０００５】
この水素生成装置の起動方法として、まず加熱器により加熱した原料をＣＯ変成器に供給した後、改質器に原料を供給する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。【０００６】
また別の水素生成装置の起動方法として、変成触媒層および脱硫触媒層をヒータで同時に昇温する方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３２６７２５号公報
【特許文献２】特開平５−１４７９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献２のように水素生成装置の起動方法として、ＣＯ変成器を優先的に昇温する方法が提案されている。しかしながら、水素生成装置を迅速に起動するためには、各反応器に備えられる改質触媒、ＣＯ変成触媒、ＣＯ選択酸化触媒、脱硫触媒等の触媒が各反応に適した温度に速やかに昇温されなければならない。このため、水素含有ガス中の一酸化炭素を除去する触媒を備える反応器だけでなく、他の触媒またはその反応器もヒータあるいは燃焼器等の加熱器により加熱する必要がある。【０００９】
そこで、上述の特許文献１のように水素生成装置の起動時に各反応器などを同時にヒータで加熱することによって、昇温時間が短縮される。この場合、大容量または多くのヒータが必要になり、これに付随して大電力用の高価な電気制御機器や大きな電源容量が必要になるという課題があった。また、水素生成装置などの起動に必要な電力が一時的に非常に大きくなる。このため、水素生成装置などの起動に商用電源からの電力が用いられる場合、水素生成装置などの起動に必要な電力と家庭内の消費電力との合計電力が遮断器の設定容量以上になると、水素生成装置などが起動できないという課題があった。【００１０】
これに対し、既存の電気制御機器および電源容量に合わせてヒータの電気容量を小さく抑えると、触媒が適温に昇温されるまで長時間を要する。これにより、水素生成装置の起動が長時間化するとともに、起動時の消費エネルギーが増大するという課題があった。【００１１】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、水素生成装置の起動ができない状況を抑制し、水素生成装置のコンパクト化および起動時間の短縮化を図った水素生成装置およびその制御方法、ならびに燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のある態様に係る水素生成装置は、炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させて除去する第１脱硫器と、前記ＣＯ除去器を加熱する第１ヒータと、前記第１脱硫器を加熱する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータのうちの一方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、他方のヒータの動作を開始させるよう構成されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、上記構成を有し、水素生成装置の起動ができない状況を抑制し、水素生成装置のコンパクト化および起動時間の短縮化を図った水素生成装置およびその制御方法、ならびに燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態４に係る水素生成装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の本発明に係る水素生成装置は、炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させて除去する第１脱硫器と、前記ＣＯ除去器を加熱する第１ヒータと、前記第１脱硫器を加熱する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータのうちの一方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、他方のヒータの動作を開始させるよう構成されている。
【００１６】
第２の本発明に係る水素生成装置は、第１の発明において、前記制御装置は、前記一方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記他方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記一方のヒータの動作を再度開始させるよう構成されていてもよい。
【００１７】
第３の本発明に係る水素生成装置は、第１または第２の発明において、前記一方のヒータは、前記第１ヒータであり、前記他方のヒータは、前記第２ヒータであってもよい。
【００１８】
第４の本発明に係る水素生成装置は、第３の発明において、前記ＣＯ除去器の温度を検出するＣＯ除去温度検出器をさらに備え、前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させ、その後、前記ＣＯ除去器温度検出器の検出温度が予め設定された第１温度以上となった場合、前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されていてもよい。
【００１９】
第５の本発明に係る水素生成装置は、第３または第４の発明において、前記改質器、前記ＣＯ除去器および前記第１脱硫器のうちの少なくとも１つを加熱する燃焼器と、と、前記改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、前記改質器に水を供給する水供給器と、をさらに備え、前記制御装置は、前記第１ヒータと前記原料供給器と前記燃焼器との動作を開始させ、その後、前記水供給器の動作を開始させ、かつ、前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されていてもよい。
【００２０】
第６の本発明に係る水素生成装置は、第３〜第５のいずれかに１つの発明において、前記ＣＯ除去器は、変成反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ変成器と、ＣＯ選択酸化反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ選択酸化器と、を含み、前記第１ヒータは、前記ＣＯ変成器および前記ＣＯ選択酸化器のうちの少なくとも一方を加熱してもよい。
【００２１】
第７の本発明に係る水素生成装置は、第６の発明において、前記ＣＯ変成器の温度を検出するＣＯ変成温度検出器と、前記ＣＯ選択酸化器の温度を検出するＣＯ選択酸化温度検出器をさらに備え、前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させ、その後、前記ＣＯ変成温度検出器の検出温度が予め設定された第２温度以上となり、かつ、前記ＣＯ選択酸化温度検出器の検出温度が予め設定された第３温度以上となった場合に前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されていてもよい。
【００２２】
第８の本発明に係る水素生成装置は、第３〜第７のいずれか１つの発明において、前記原料ガス中の硫黄を水素と反応させずに吸着して硫黄を除去する第２脱硫器と、前記原料ガスの供給先を前記第１脱硫器と前記第２脱硫器とに切り替える原料ガス切り替え器と、をさらに備えていてもよい。
【００２３】
第９の本発明に係る水素生成装置は、第８の発明において、前記第１脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器をさらに備え、前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させ、前記脱硫温度検出器の検出温度が予め設定された第４温度以上になった場合に前記原料ガスの供給先を前記第２脱硫器から前記第１脱硫器へ前記原料ガス切り替え器により切り替わるよう構成されていてもよい。
【００２４】
第１０の本発明に係る水素生成装置は、第３〜第９のいずれか１つの発明において、前記第１脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器をさらに備え、前記制御装置は、前記脱硫温度検出器により検出された温度が予め設定された第５温度以上になった場合に前記第２ヒータの動作を停止させてもよい。
【００２５】
第１１の本発明に係る水素生成装置は、第３〜第１０のいずれか１つの発明において、前記ＣＯ除去器は、変成反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ変成器と、ＣＯ選択酸化反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ選択酸化器と、を含み、前記ＣＯ変成器の温度を検出するＣＯ変成温度検出器と、前記ＣＯ選択酸化器の温度を検出するＣＯ選択酸化温度検出器をさらに備え、前記制御装置は、前記第２ヒータを動作させ、その後、前記ＣＯ変成温度検出器の検出温度が予め設定された第６温度未満であった場合、および、前記ＣＯ選択酸化温度検出器の検出温度が予め設定された第７温度未満であった場合、のうちの少なくとも一方の場合に、前記第２ヒータを停止させ、前記第１ヒータを動作させてもよい。
【００２６】
第１２の本発明に係る燃料電池システムは、第３〜第１１のいずれか１つの発明の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池により発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記改質器、前記ＣＯ除去器および前記第１脱硫器のうちの少なくとも１つを加熱する燃焼器と、前記水素生成装置に原料ガスを供給する原料供給器と、を備える燃料電池システムであって、前記水素生成装置が備える制御装置は、前記燃料電池の発電前に行う起動工程では前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複しないように実行させ、前記燃料電池の発電を開始させる発電工程では前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を停止させ、かつ、前記起動工程より多い原料ガスを前記原料供給器により前記水素生成装置に供給するよう構成されていてもよい。
【００２７】
第１３の本発明に係る燃料電池システムは、第１２の発明において、商用電源に繋がる遮断器に前記インバータが接続され、前記起動工程において前記商用電源から前記遮断器を介して電力が供給される燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記遮断器が前記商用電源からの電力供給を遮断するように予め設定された遮断電力に基づいて前記第１ヒータおよび前記第２ヒータに供給される電力を設定してもよい。
【００２８】
第１４の本発明に係る燃料電池システムは、第１３の発明において、前記商用電源に繋がる前記遮断器に前記インバータと共に接続される電力負荷を含む需要家に設けられる燃料電池システムであって、前記商用電源と前記遮断器とを繋ぐ配電線に設けられ、前記商用電源から前記需要家に供給されている電力を検出する電力計をさらに備え、前記制御装置は、前記遮断電力から前記電力計により検出された前記供給電力を引いた電力差が所定値未満である場合に前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複しないように実行させ、前記電力差が前記所定値以上である場合に前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複して実行させるよう構成されていてもよい。
【００２９】
第１５の本発明に係る水素生成装置の制御方法は、炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させて除去する第１脱硫器と、前記ＣＯ除去器を加熱する第１ヒータと、前記第１脱硫器を加熱する第２ヒータと、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を制御する制御装置と、を備えた水素生成装置の制御方法であって、前記制御装置は、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータのうちの一方のヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、他方のヒータの動作を開始させるように、前記第１ヒータおよび前記第２ヒータを制御する。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００３１】
なお、以下では全ての図面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、その重複する説明を省略する。
【００３２】
（実施の形態１）
（水素生成装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置１００の構成を概略的に示すブロック図である。
【００３３】
水素生成装置１００は、改質器１、ＣＯ除去器２および第１脱硫器３の各反応部、第１ヒータ４、第２ヒータ５ならびに制御装置６を備える。水素生成装置１００は、ＣＯ除去温度検出器１０、脱硫温度検出器１１、燃焼器７、原料供給器８および水供給器９をさらに備えていてもよい。
【００３４】
改質器１は、炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する反応器である。改質器１は、Ｒｕ触媒などの改質触媒を筐体内に収容し、該筐体には、原料ガス流路を介して原料供給器８に接続され、改質水流路を介して水供給器９に接続される。原料供給器８によって供給される原料ガスとしては、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素成分、メタノール等のアルコール、あるいはナフサ成分等が挙げられる。水供給器９により供給される水は、液体状態だけでなく、気体状態（水蒸気）も採り得る。改質器１の適所には改質温度検出器２０が設けられ、該改質温度検出器２０は、改質器１の温度（たとえば、改質触媒の温度）を検出する。
【００３５】
ＣＯ除去器２は、水素含有ガス流路を介して改質器１に接続され、改質器１で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素を除去する反応器である。この一酸化炭素を除去する触媒には、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒などのＣＯ除去触媒を用いることができる。ＣＯ除去器２には、第１ヒータ４およびＣＯ除去温度検出器１０が設けられている。第１ヒータ４は、ＣＯ除去器２を加熱するためのヒータであって、たとえば、シーズ型のヒータが用いられる。また、ＣＯ除去温度検出器１０は、ＣＯ除去器２の温度、特に、ＣＯ除去器２内のＣＯ除去触媒の温度を検出する。
【００３６】
第１脱硫器３は、原料ガス流路において原料供給器８と改質器１との間に設けられ、改質器１に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させて除去する反応器である。この反応には、金属酸化物系脱硫触媒が用いられる。第１脱硫器３には、第２ヒータ５および脱硫温度検出器１１が設けられる。第２ヒータ５は第１脱硫器３を加熱するためのヒータであり、たとえば、シーズ型のヒータが用いられる。また、脱硫温度検出器１１は、第１脱硫器３の温度、特に、第１脱硫器３内の脱硫触媒の温度を検出する。
【００３７】
燃焼器７は、たとえば、原料ガスの一部あるいは水素生成装置１００の水素ガス供給先（たとえば、燃料電池）から戻された残余水素含有ガス（燃料排ガス）を燃焼させる火炎バーナーと、この残余水素含有ガスと共に燃焼させる空気を供給するためのファンとで構成される。燃焼器７は、改質器１の近傍に設置され、改質器１を加熱する。なお、燃焼器７は、ＣＯ除去器２および第１脱硫器３をさらに加熱することもできる。たとえば、ＣＯ除去器２又は第１脱硫器３を燃焼器７又は改質器１の近傍に適宜配設することにより、燃焼器７によってこれらＣＯ除去器２又は第１脱硫器３を加熱することができる。あるいは、改質器１が加熱されることに伴って改質器1内の高温になった原料ガスがＣＯ除去器２へ導入されることにより、該ＣＯ除去器２を加熱することができる。
【００３８】
制御装置６としては、マイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、論理回路、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)等が例示される。制御装置６は、ＣＯ除去温度検出器１０および脱硫温度検出器１１により検出された温度に基づき、少なくとも第１ヒータ４、第２ヒータ５の動作（たとえば、オン／オフ動作）を制御する。具体的に説明すると、制御装置６は、水素生成装置１００の起動時に、第１ヒータ４および第２ヒータ５のうちの一方のヒータの動作を開始させた後に所定のタイミングで停止させ、その後、他方のヒータの動作を開始させる。さらに、制御装置６は、他方のヒータの動作を開始させた後に所定のタイミングで停止させ、その後、一方のヒータの動作を再度開始させる。このように、制御装置６は、水素生成装置１００の起動時においては、第１ヒータ４と第２ヒータ５とを重複しないように動作させる。なお、上記「一方のヒータ」を第１ヒータ４とし、「他方のヒータ」を第２ヒータ５としてもよいし、その逆に、上記「一方のヒータ」を第２ヒータ５」とし、「他方のヒータ」を第１ヒータ４としてもよい。
【００３９】
制御装置６は、改質温度検出器２０により検出された温度などに基づき、燃焼器７、原料供給器８、水供給器９の動作も制御する。たとえば制御装置６は、原料供給器８を制御して、改質器１へ供給される原料ガスの流量を調整する。また、制御装置６は、水供給器９を制御して、改質器１に供給される水の流量を調整する。
【００４０】
なお、ＣＯ除去器２に設けられるＣＯ除去温度検出器１０は、ＣＯ除去器２内に収容される触媒層の中に配置され、触媒層の温度を直接的に測定してもよい。さらに、ＣＯ除去温度検出器１０は、触媒層の温度と相関がある物の温度、たとえば、触媒層を収容するＣＯ除去温度検出器１０の壁などの温度、ＣＯ除去温度検出器１０の近傍の温度、あるいは、ＣＯ除去温度検出器１０に流入または流出するガスの温度を測定することによって触媒層の温度を間接的に測定してもよい。同様に、改質器１に設けられる改質温度検出器２０も、改質器１内に収容される触媒層の温度を直接的または間接的に測定できればよい。第１脱硫器３に設けられる脱硫温度検出器１１も、第１脱硫器３内に収容される触媒層の温度を直接的または間接的に測定できればよい。
【００４１】
（水素生成装置の起動時の制御方法）
水素生成装置１００の起動において、第１ヒータ４によるＣＯ除去器２の加熱と、第２ヒータ５による第１脱硫器３の加熱とを、互いに重複しないタイミングで行うと共に、これらの加熱の間に燃焼器７によって改質器１を加熱する。また、ＣＯ除去器２の加熱から第１脱硫器３の加熱への切り替えは、ＣＯ除去温度検出器１０の検出温度が所定の第１温度以上であることを条件としている。
【００４２】
具体的には、水素生成装置１００の起動動作において、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を開始させる。これにより、ＣＯ除去器２が加熱される。制御装置６は、ＣＯ除去温度検出器１０により検出されたＣＯ除去触媒の温度が予め設定された第１温度以上になるように、第１ヒータ４をオン（通電）したりオフ（非通電）したりと制御する。ここで、第１温度は、ＣＯ除去触媒が一酸化炭素を除去する機能を好適に発揮することができる温度、たとえば、１８０℃〜３００℃、好ましくは２００℃に設定される。
【００４３】
第１ヒータ４の動作開始と同時、または、所定の条件Ａが実現すると、制御装置６は、原料供給器８および燃焼器７を動作させる。これにより、原料供給器８から図示しないバイパス流路を通じて又は燃料電池等を通じて供給された原料ガスが燃焼器７で燃焼され、改質器１および改質器１内の原料ガスが加熱される。昇温した原料ガスは改質器１からＣＯ除去器２へ流入する。この際、ＣＯ除去触媒の温度が低いと、原料ガスに含まれる水蒸気がＣＯ除去器２で凝縮してしまう。この水の凝縮を防止するため、たとえば、起動時にＣＯ除去触媒の温度が２５℃程度の常温である場合を想定し、上記「所定の条件Ａ」を「ＣＯ除去温度検出器１０の検出温度が１２０℃以上」と定めることができる。
【００４４】
次に、ＣＯ除去温度検出器１０の検出温度が第１温度以上となり、かつ、所定の条件Ｂが実現したら、制御装置６は、水供給器９を制御して改質器１に水（改質水）を供給する。ここで、「所定の条件Ｂ」とは、燃焼器７の燃焼状態が安定していること、かつ、改質器１の温度が予め定められた所定の温度、たとえば、１５０℃程度に達していることである。
【００４５】
改質水の供給開始と同時またはその後に、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を停止させ、その後、第２ヒータ５の動作を開始させる。第２ヒータ５が動作することによって、第１脱硫器３が加熱され昇温する。制御装置６は、脱硫温度検出器１１により検出された第１脱硫器３の触媒（第１脱硫触媒）の温度が予め設定された第５温度以上となるように、第２ヒータ５を制御する。この第５温度は、脱硫触媒が好適に機能する温度、たとえば、２００℃〜３００℃、好ましく、２００℃に設定される。
【００４６】
第２ヒータ５の動作開始後、所定の条件Ｃが実現し、且つ、ＣＯ除去温度検出器１０の検出温度がＣＯ除去触媒の機能する第１温度未満になった場合には、制御装置６は、第２ヒータ５の動作を停止させてから、第１ヒータ４の動作を再度開始させる。これにより、ＣＯ除去器２が第１ヒータ４により加熱し直され、ＣＯ除去器２内のＣＯ除去触媒の温度はＣＯ除去触媒の機能に適した温度に維持される。ここで、「所定の条件Ｃ」とは、改質器１の温度が、改質反応が好適に進行する温度、たとえば、４５０℃以上に達していることとすることができる。
【００４７】
第１ヒータ４の動作再開によってＣＯ除去温度検出器１０の検出温度が所定の温度（たとえば第１温度）以上になったら、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を停止させてから、第２ヒータ５の動作を再開する。そして、制御装置６は、脱硫温度検出器１１の検出温度が第５温度以上となるように第２ヒータ５を制御する。これにより、第１脱硫器３が第２ヒータ５により加熱し直され、第１脱硫器３内の第１脱硫触媒の温度は脱硫触媒の機能に適した温度に維持される。
【００４８】
脱硫温度検出器１１の検出温度が第５温度に達したら、制御装置６は、第２ヒータ５の動作を停止させる。そして、所定の条件Ｄが実現すれば、水素生成装置１００の起動を完了とする。この「所定の条件Ｄ」は、改質器１およびＣＯ除去器２の反応器が安定して機能していること、たとえば、改質触媒の温度が、６００〜６５０℃、特に、５５０℃以上であり、ＣＯ除去触媒の温度が２００℃以上であること、と設定することができる。
【００４９】
なお、第１ヒータ４の動作中であっても、ＣＯ除去温度検出器１０の検出温度が所定の温度以上になれば、制御装置６は第１ヒータ４をオフにする制御を行う。同様に、第２ヒータ５の動作中であっても、脱硫温度検出器１１の検出温度が所定の温度以上になれば、制御装置６は第２ヒータ５をオフにする制御を行う。この各ヒータ４、５がオフにされた状態もヒータ４、５の動作に含まれる。即ち、通電されているか否かにかかわらず、所定温度以上となるように制御装置６が制御対象としているヒータが「動作中のヒータ」である。なお、この所定の温度は、たとえば、第１脱硫器３またはＣＯ除去器２に収容される触媒の使用温度である。
【００５０】
（作用、効果）
上記水素生成装置１００によれば、第１ヒータ４および第２ヒータ５を同時に動作させないことにより、水素生成装置１００の起動時における消費電力を抑制することができる。このため、水素生成装置１００などの起動に商用電源からの電力が用いられる場合であっても、水素生成装置１００の起動に必要な電力と家庭内の消費電力との合計電力が遮断器の設定容量以上になって、水素生成装置１００が起動できない事態を回避することができる。
【００５１】
また、第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を切り替えることにより、ヒータの容量および数を増加させずに、各反応器に備えられる触媒を各反応に適した温度に速やかに順次昇温することができる。さらに、電気制御機器の高価格化や電源容量の増加が抑えられる。
【００５２】
（実施の形態２）
実施の形態２では、ＣＯ除去器２は、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂを含み、第１ヒータ４は、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂのうちの少なくとも一方を加熱する。図２は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置１００の構成を概略的に示すブロック図である。
【００５３】
（水素生成装置の構成）
ＣＯ変成器２ａは、水素含有ガス流路により改質器１に接続され、水蒸気シフト反応（変成反応）によって水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器である。ＣＯ変成器２ａはＣｕ−Ｚｎ系変成触媒などのＣＯ変成触媒を収容し、ＣＯ変成器２ａには第１ヒータ４およびＣＯ変成温度検出器１０ａが設けられる。
【００５４】
ＣＯ選択酸化器２ｂは、水素含有ガス流路によりＣＯ変成器２ａに接続され、水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器である。ＣＯ選択酸化器２ｂでは、導入された空気中の酸素により一酸化炭素がＣＯ選択酸化反応することによって、一酸化炭素が低減する。ＣＯ選択酸化器２ｂはＲｕ系選択酸化触媒などのＣＯ選択酸化触媒を収容し、ＣＯ選択酸化器２ｂには第１ヒータ４およびＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂが設けられる。
【００５５】
第１ヒータ４は、たとえば、シーズ型のヒータであって、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂを加熱する。ただし、第１ヒータ４は、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂのいずれか一方だけを加熱してもよい。また、第１ヒータ４は、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂのそれぞれに設けられたが、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの近傍に設置されてもよい。これにより、第１ヒータ４はＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの両方を同時に加熱することができる。
【００５６】
ＣＯ変成温度検出器１０ａは、ＣＯ変成器２ａの温度、特に、ＣＯ変成器２ａの内のＣＯ変成触媒の温度を検出する。ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂは、ＣＯ選択酸化器２ｂの温度、特に、ＣＯ選択酸化器２ｂ内のＣＯ選択酸化触媒の温度を検出する。なお、ＣＯ変成温度検出器１０ａおよびＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂは、実施の形態１で説明したＣＯ除去温度検出器１０と同様に、ＣＯ変成器２ａやＣＯ選択酸化器２ｂの中に収容される触媒層の温度を直接的または間接的に測定する。
【００５７】
制御装置６は、ＣＯ変成温度検出器１０ａ、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂおよび脱硫温度検出器１１により検出された温度に基づき、第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を制御する。
【００５８】
（水素生成装置の起動時の制御方法）
本実施の形態に係る水素生成装置１００の起動においても、第１ヒータ４によるＣＯ除去器２（ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂ）の加熱と、第２ヒータ５による第１脱硫器３の加熱とを、互いに重複しないタイミングで行うと共に、これらの加熱の間に燃焼器７によって改質器１を加熱する。但し、本実施の形態の制御装置６は、第１ヒータ４の動作を開始させ、その後、ＣＯ変成温度検出器１０ａの温度が予め設定された第２温度以上となり、かつ、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの温度が予め設定された第３温度以上となった場合、第１ヒータ４の動作を停止させ、その後、第２ヒータ５の動作を開始させる。
【００５９】
具体的には、水素生成装置１００の起動動作において、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を開始させる。これにより、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂが加熱される。制御装置６は、ＣＯ変成温度検出器１０ａで検出されたＣＯ変成触媒の温度が予め設定された第２温度以上となり、かつ、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂで検出されたＣＯ選択酸化触媒の温度が予め設定された第３温度以上となるように、第１ヒータ４を制御する。この第２温度は、ＣＯ変成触媒が機能する温度、たとえば、１８０〜３００度、好ましくは２００℃に設定される。また、第３温度は、ＣＯ選択酸化触媒が機能する温度、たとえば、１００〜１８０度、好ましくは１４０℃に設定される。
【００６０】
ここで、第１ヒータ４の動作中において、ＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が第２温度未満であっても、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が第３温度以上である場合がある。この場合、制御装置６は、ＣＯ変成器２ａを加熱する第１ヒータ４をオンにしながら、ＣＯ選択酸化器２ｂを加熱している第１ヒータ４をオフにするように第１ヒータ４を制御する。これにより、２つの第１ヒータ４のうち一方は一時的にオフになるが、第１ヒータ４は加熱するための制御が行われているため、第１ヒータ４は動作しているとみなす。なお、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂによるＣＯ選択酸化器２ｂの検出温度が第３温度未満であり、ＣＯ変成温度検出器１０ａによるＣＯ変成器２ａの検出温度が第２温度以上である場合についても、上記の場合と同様に制御すればよい。また、第１ヒータ４が、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂを個別に加熱できない構成の場合は、両方が適温になるまで第１ヒータ４を動作させる。
【００６１】
第１ヒータ４の動作開始と同時、または、所定の条件Ｅが実現したら、制御装置６は、原料供給器８および燃焼器７を動作させる。これにより、原料供給器８から供給された原料ガスが燃焼器７にて燃焼され、改質器１および改質器１内の原料ガスが加熱される。昇温した原料ガスは改質器１からＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂへ流入する。この際、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの温度が低いと、原料ガスに含まれる水蒸気がＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂで凝縮してしまう。この水の凝縮を防止するため、「所定の条件Ｅ」は、所定の条件Ａと同様に、たとえば、起動時にＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの温度が２５℃程度の常温である場合を想定し、「ＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が１２０℃以上であって、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が１００℃以上であること」と定めることができる。
【００６２】
次に、ＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が第２温度以上となり、かつ、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が第３温度以上となって、さらに、所定の条件Ｂ（実施の形態１参照）が実現したら、制御装置６は、水供給器９を制御して改質器１に水を供給する。
【００６３】
改質水の供給開始と同時またはその後に、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を停止させ、その後、第２ヒータ５の動作を開始させる。第２ヒータ５が動作することによって、第１脱硫器３が加熱され昇温する。制御装置６は、脱硫温度検出器１１により検出された第１脱硫器３の温度が第５温度以上となるように、第２ヒータ５を制御する。
【００６４】
第２ヒータ５の動作開始後、所定の条件Ｆが実現し、ＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が第６温度未満になり、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が第７温度未満であった場合には、制御装置６は、第２ヒータ５の動作を停止させてから、第１ヒータ４の動作を再度開始させる。これにより、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂが第１ヒータ４により加熱し直され、ＣＯ変成触媒およびＣＯ選択酸化触媒の温度は各触媒の機能に適した温度に維持される。ここで、第６温度は、第２温度と同様にＣＯ変成触媒が好適に機能する温度、たとえば、１８０〜３００℃、好ましくは、２００℃と予め設定されている。第７温度は、第３温度と同様にＣＯ選択酸化触媒が好適に機能する温度、たとえば、１００〜１８０℃、好ましくは、１７０℃と予め設定されている。また、「所定の条件Ｆ」とは、改質器１の温度が、改質反応が進行する温度、たとえば、４５０℃以上に達し、かつ、ＣＯ選択酸化触媒の温度は、当該触媒が好適に機能する温度、たとえば、１７０℃以上、と設定することができる。
【００６５】
第１ヒータ４の動作再開によってＣＯ変成温度検出器１０ａおよびＣＯ選択酸化温度検出器１０Ｂの検出温度が所定の温度（たとえば、それぞれ第２温度および第３温度）以上になったら、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を停止させてから、第２ヒータ５の動作を再開する。そして、制御装置６は、脱硫温度検出器１１の検出温度が第５温度以上となるように第２ヒータ５を制御する。その後、脱硫温度検出器１１の検出温度が第５温度に達したら、制御装置６は、第２ヒータ５の動作を停止させる。そして、所定の条件Ｇが実現すると、水素生成装置１００の起動を完了とする。この「所定の条件Ｇ」は、改質器１、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの各反応器が安定して機能していること、たとえば、改質触媒温度が５５０℃以上であって、ＣＯ変成触媒の温度が２００℃以上であり、かつ、ＣＯ選択酸化触媒の温度が１７０℃以上であること、と設定することができる。
【００６６】
（作用、効果）
上記構成によれば、水素生成装置１００の起動動作において、所定の温度に達した改質器１に原料および水が供給され、改質器１において水蒸気改質反応により水素含有ガスの生成が開始される。この開始時には、第１ヒータ４により、ＣＯ変成器２ａ内のＣＯ変成触媒およびＣＯ選択酸化器２ｂ内のＣＯ選択酸化触媒は、各触媒の機能に適した所定の温度に達している。このため、改質器１での水素含有ガスの生成開始後は、ＣＯ変成触媒およびＣＯ選択酸化触媒の各温度が所定の温度に達することを待つことなく、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を各触媒の働きによって所定の値以下（概ね１０ｐｐｍ以下）に速やかに低減できる。これにより、本実施の形態に係る水素生成装置１００は、一酸化炭素が低減された水素含有ガスを短時間で生成することができる。
【００６７】
また、第１ヒータ４は、ＣＯ変成器２ａとＣＯ選択酸化器２ｂを同時に加熱することができる構成となっているため、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの温度を同時に上昇することができる。このため、部品点数が少なく、低コスト化が図れると共に、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの昇温時間の短縮化が図られる。
【００６８】
さらに、実施の形態１と同様に、第１ヒータ４および第２ヒータ５を同時に動作させないことにより、水素生成装置１００の起動時における消費電力が抑制され、水素生成装置１００が起動できない事態を回避することができる。また、第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を切り替えることにより、電気制御機器の高価格化や電源容量の増加が抑えられながら、各反応器を適切な温度に速やかに順次昇温することができる。
【００６９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置１００の構成を概略的に示すブロック図である。この図３に示すように、実施の形態３に係る水素生成装置１００は、第２脱硫器３ｂ、原料ガス切り替え器１３および水素含有ガス供給器１２を備える。
【００７０】
（水素生成装置の構成）
第２脱硫器３ｂは、原料ガス流路により原料供給器８に接続され、原料ガス中の硫黄を水素と反応させずに吸着して硫黄を除去する吸着脱硫器である。
【００７１】
第１脱硫器３ａは、原料ガス流路において原料供給器８と改質器１との間に設けられ、原料ガス中の硫黄を水素と反応させた後に吸着することにより原料ガス中の硫黄を除去する水添脱硫器である。この反応には、常温でも吸着能力を有すＣｕ−Ｚｎ系の水添脱硫触媒が用いられる。第１脱硫器３ａには、第２ヒータ５および脱硫温度検出器１１ａが設けられる。なお、第１脱硫器３ａに設けられる脱硫温度検出器１１ａは、ＣＯ除去温度検出器１０と同様に、第１脱硫器３ａ内に収容される触媒層の温度を直接的または間接的に測定する。
【００７２】
原料ガス切り替え器１３は、原料ガスの供給先を第１脱硫器３ａと第２脱硫器３ｂとの間で切り替える装置である。たとえば、原料ガス切り替え器１３は、第２脱硫器３ｂの上流側および下流側にそれぞれ配設された三方弁から成る第１弁１３ａおよび第２弁１３ｂと、第２脱硫器３ｂを迂回して第１弁１３ａおよび第２弁１３ｂを接続する原料ガス分岐流路とを有する。即ち、原料ガス分岐流路は、第１弁１３ａおよび第２弁１３ｂを介して原料ガス流路に接続される。従って、第１弁１３ａおよび第２弁１３ｂの連通方向を適宜選択することにより、原料ガスが、原料ガス流路に沿って第２脱硫器３ｂおよび第１脱硫器３ａを通過する状態と、原料ガス流路から途中で原料ガス分岐流路を通り、再び原料ガス流路へ戻って第１脱硫器３ａを通過する状態とを、切り替えることができる。このうち後者の状態の場合、原料ガスは第２脱硫器３ｂを通らない。
【００７３】
燃焼器７は、改質器１、ＣＯ変成器２ａ、ＣＯ選択酸化器２ｂおよび第１脱硫器３ａのうち少なくとも１つの反応器の近傍に設置され、この反応器を加熱する。
【００７４】
水素生成装置１００は、ＣＯ変成器２ａを経た水素含有ガスの一部を第１脱硫器３ａへ供給するための水素含有ガス分岐流路を有している。この水素含有ガス分岐流路は、その一端がＣＯ変成器２ａとＣＯ選択酸化器２ｂとの間の水素含有ガス流路に接続され、他端が原料ガス切り替え器１３と原料供給器８との間の原料ガス流路に接続される。そして、この水素含有ガス分岐流路上に、ポンプや流量調整弁等から構成される水素含有ガス供給器１２が設けられている。水素含有ガス供給器１２が水素含有ガス分岐流路における水素含有ガスの圧力および流量を調節することにより、ＣＯ変成器２ａの出口から排出された水素含有ガスの一部が、第１脱硫器３ａに供給される。なお、水素含有ガス分岐流路の一端は、ＣＯ変成器２ａとＣＯ選択酸化器２ｂとの間の水素含有ガス流路でなく、ＣＯ選択酸化器２ｂの出口側の水素含有ガス流路に接続されてもよい。この場合、ＣＯ選択酸化器２ｂの出口から排出された水素含有ガスの一部が、第１脱硫器３ａに供給される。
【００７５】
制御装置６は、ＣＯ変成温度検出器１０ａ、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂ、脱硫温度検出器１１ａで検出される温度に基づき、第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を制御する。また、制御装置６は、燃焼器７、原料供給器８、水供給器９、水素含有ガス供給器１２および原料ガス切り替え器１３の動作を制御する。
【００７６】
（水素生成装置の起動時の制御方法）
水素生成装置１００の起動においては、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を開始させた後に停止させ、その後、第２ヒータ５の動作を開始させ、脱硫温度検出器１１ａにより検出された温度が予め設定された第４温度以上になった場合に原料ガスの供給先を第２脱硫器３ｂから第１脱硫器３ａへ原料ガス切り替え器１３により切り替える。また、制御装置６は、脱硫温度検出器１１ａにより検出された温度が予め設定された第５温度以上になった場合に第２ヒータ５の動作を停止させる。さらに、制御装置６は、第２ヒータ５を動作させ、その後、変成温度検出器の温度が予め設定された第６温度未満であった場合、および、選択酸化温度検出器の温度が予め設定された第７温度未満であった場合、のうちの少なくとも一方の場合に、第２ヒータ５を停止させ、第１ヒータ４を動作させる。図４は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置１００の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【００７７】
具体的には、水素生成装置１００の起動動作において、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を開始させ(ステップＳ１０)、ＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が第２温度以上であって、かつ、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が第３温度以上であるように、第１ヒータ４を制御する。
【００７８】
第１ヒータ４の動作開始と同時、または、所定の条件Ｅが実現したら(ステップＳ１１：Ｙ)、制御装置６は、原料供給器８および燃焼器７を動作させる(ステップＳ１２)。このとき、制御装置６は、原料ガス切り替え器１３を制御し、原料ガスが、原料ガス流路に沿って第２脱硫器３ｂを通った後に、第１脱硫器３ａ、燃焼器７および改質器１へ供給されるようにする。ここでは、第２脱硫器３ｂは加熱されていないが、第２脱硫器３ｂは常温でも原料ガスに含まれる硫黄を吸着して除去することができる。このため、原料ガスは、含有されている硫黄が第２脱硫器３ｂにより除去されてから、第１脱硫器３ａに流入する。また、第１脱硫器３ａもこの時点では第２ヒータ５により加熱されていないが、上述したように第１脱硫器３ａ内のＣｕ−Ｚｎ系水添脱硫触媒は常温でも吸着能力を有すため、原料ガス中に残る硫黄が第１脱硫器３ａによりさらに除去される。そして、第１脱硫器３ａおよび第２脱硫器３ｂにより硫黄が除去された原料ガスは、燃焼器７および改質器１に供給される。そして、改質器１は燃焼器７により加熱される。
【００７９】
ＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が第２温度以上となり、かつ、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が第３温度以上となって(ステップＳ１３：Ｙ)、さらに、所定の条件Ｂが実現したら(ステップＳ１４：Ｙ)、制御装置６は、水供給器９を制御して改質器１に水（改質水）を供給する(ステップＳ１５)。
【００８０】
改質水の供給と同時またはその後に、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を停止させ(ステップＳ１６)、その後、第２ヒータ５の動作を開始させる(ステップＳ１７)。
【００８１】
所定の条件Ｆが実現し(ステップＳ１８：Ｙ)、ＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が第６温度未満になり、または、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が第７温度未満であったら(ステップＳ１９：Ｙ)、制御装置６は、第２ヒータ５の動作を停止させてから(ステップＳ２０)、第１ヒータ４の動作を再度開始させる(ステップＳ２１)。これにより、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂが第１ヒータ４により加熱し直され、ＣＯ変成触媒およびＣＯ選択酸化触媒の温度は各触媒の機能に適した温度に維持される。
【００８２】
第１ヒータ４の動作再開によってＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が第６温度以上であって、かつＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が第７温度以上になったら(ステップＳ２２：Ｙ)、制御装置６は、第１ヒータ４の動作を停止させてから(ステップＳ２３)、第２ヒータ５の動作を再開する(ステップＳ２４)。
【００８３】
そして、制御装置６は、脱硫温度検出器１１ａの検出による脱硫触媒の温度が第５温度に達したら(ステップＳ２５：Ｙ)、制御装置６は、原料ガス中の水素濃度が１〜１０％程度になるように、水素含有ガス供給器１２を制御する。これにより、ＣＯ変成器２ａから排出された水素含有ガスの一部は、水素含有ガス流路から水素含有ガス分岐流路へ引き抜かれて、水素ガス含有分岐流路から原料ガス流路へ流入する。
【００８４】
また、脱硫温度検出器１１ａの検出による脱硫触媒の温度が第５温度に達したら(ステップＳ２５：Ｙ)、制御装置６は、原料ガス切り替え器１３を制御する。これにより、原料ガスは、第２脱硫器３ｂを通過せずに原料ガス分岐流路を流れて、原料ガス流路に流入し、第５温度以上になった第１脱硫器３ａ、燃焼器７および改質器１へ供給される(ステップＳ２６)。この場合、第１脱硫器３ａは第２ヒータ５により加熱され、第１脱硫器３ａ内の水添脱硫触媒が機能するのに最適な温度に温められているため、第１脱硫器３ａの硫黄を除去する能力が高まっている。よって、第２脱硫器３ｂによる脱硫は省かれるが、第１脱硫器３ａだけでも原料ガス内の硫黄を十分に除去することができる。そして、第１脱硫器３ａにより硫黄が除去された原料ガスは燃焼器７および改質器１に供給され、改質器１は燃焼器７により加熱される。
【００８５】
そして、制御装置６は、第２ヒータ５の動作を停止させる(ステップＳ２７)。所定の条件Ｇが実現すると(ステップＳ２８：ＹＥＳ)、水素生成装置１００の起動を完了とする。ここで、ステップＳ２７の処理を終えると、第１ヒータ４および第２ヒータ５の何れもが停止状態となるが、燃焼器７での発熱により、改質器１のみならずＣＯ変成器２ａ，ＣＯ選択酸化器２ｂ，第１脱硫器３ａ，第２脱硫器３ｂなどが加熱され得る。
【００８６】
なお、制御装置６は、第２ヒータ５の動作を停止させた後(ステップＳ２７)、第１ヒータ４又は第２ヒータ５の動作を必要に応じて選択的に再開してもよい。また、図４に示すように、ステップＳ１９においてＣＯ変成温度検出器１０ａの検出温度が第６温度以上であり、且つ、ＣＯ選択酸化温度検出器１０ｂの検出温度が第７温度以上であれば(ステップＳ１９：Ｎ)、ステップＳ２０〜Ｓ２４の処理（第１ヒータ４によるＣＯ除去器の再加熱）は省略し、ステップＳ２５の処理へ移行すればよい。
【００８７】
（作用、効果）
上記構成によれば、水素生成装置１００の起動時、加熱の必要がない第２脱硫器３ｂが硫黄の除去機能を担うため、第２ヒータ５が動作しなくても、原料ガス中の硫黄は除去される。よって、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂさえ各触媒が機能する適切な温度に第１ヒータ４により加熱されれば、第１脱硫器３ａ内の水添脱硫触媒が所定の温度に達するのを待たずに、原料ガスの供給が可能となる。このように、第２脱硫器３ｂを用い、また、第１ヒータ４を優先的に動作することによって、水素生成装置１００は、短時間で起動して、硫黄および一酸化炭素を低減した水素含有ガスを速やかに生成することができる。
【００８８】
また、第１脱硫器３ａ内の水添脱硫触媒が常温でも機能することにより、第２ヒータ５により第１脱硫器３ａが加熱されなくても、第１脱硫器３ａは原料ガス中から硫黄を除去することができる。このため、第２脱硫器３ｂに加えて第１脱硫器３ａによって、原料ガス中の硫黄の濃度を、水素生成装置１００が作動するために十分なほど低く減らすことができるため、水素生成装置１００の起動時間の短縮化をさらに図ることができる。
【００８９】
さらに、第２ヒータ５が動作していないときでも、第１脱硫器３ａが燃焼器７の近傍において燃焼器７から熱を受けると、第１脱硫器３ａ内の水添脱硫触媒の温度が上昇する。これにより、第２ヒータ５の動作後、水添脱硫触媒が第２ヒータ５によって所定の温度に達するまでの時間が短くなる。このため、水素生成装置１００の起動時間の短縮化をさらに図ることができる。
【００９０】
また、実施の形態２と同様に、改質器１の改質反応の開始時には、第１ヒータ４により、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂが所定の温度に達しているため、水素生成装置１００は短時間で起動することができる。さらに、第１ヒータ４は、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂを同時に加熱するため、低コスト化と、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの昇温時間の短縮化とが図られる。
【００９１】
さらに、実施の形態１と同様に、第１ヒータ４および第２ヒータ５を同時に動作させないことにより、水素生成装置１００の起動時における消費電力が抑制され、水素生成装置１００が起動できない事態を回避することができる。また、第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を切り替えることにより、電気制御機器の高価格化や電源容量の増加が抑えられながら、各反応器を適切な温度に速やかに順次昇温することができる。
【００９２】
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係る水素生成装置１００の構成を概略的に示すブロック図である。この図５に示すように、実施の形態４に係る水素生成装置１００は、原料ガスと水を混合して気化させる蒸発混合部１４を備える。
【００９３】
（水素生成装置の構成）
水素生成装置１００は、改質器１、ＣＯ変成器２ａ、ＣＯ選択酸化器２ｂ、燃焼器７、第１脱硫器３ａおよび蒸発混合部１４が一体化された構成を有する。この一体化構成部は、燃焼器７を中心とする内筒とこれを内包する外筒とを有する。一体化構成部の適所において、各種触媒が配設されると共に、各種接続口が形成されている。この接続口としては、原料ガス流路に接続される原料ガス流入口、改質水流路に接続される改質水流入口、燃焼排ガス流路に接続される燃焼排ガス流出口、水素含有ガス流路に接続される水素含有ガス流出口、選択酸化用空気が流入する選択酸化用空気流入口などがある。
【００９４】
一体化構成部において、円筒形状の燃焼器７の下部外周（燃焼器７と内筒の間の下部）には筒状の改質器１が配設され、上部外周（燃焼器７と内筒の間の上部）には下端が改質器１に連通する筒状の蒸発混合部１４が配設されている。また、蒸発混合部１４には、上記原料ガス流入口および改質水流入口が接続される。このため、原料ガス流入口から流入した原料ガスと改質水流入口から流入した水とは蒸発混合部１４において混合し加熱されて、原料ガスと水蒸気との混合ガスが改質器１に流入する。
【００９５】
燃焼器７と改質器１との間には筒状の燃焼排ガス流路が設けられる。燃焼器７により排出された燃焼排ガスは燃焼排ガス流路を通ることにより、燃焼排ガスが改質器１および蒸発混合部１４を加熱する。なお、燃焼排ガス流路は、一体化構成部の上部に形成された上記燃焼排ガス流出口に連通しており、燃焼排ガスはここを介して外部へ排出される。
【００９６】
蒸発混合部１４の外側（内筒と外筒の間の上部）には筒状のＣＯ変成器２ａおよび筒状のＣＯ選択酸化器２ｂが配設されている。ＣＯ変成器２ａの流入口は改質器１に接続され、ＣＯ選択酸化器２ｂの流入口はＣＰ変成器の流出口に接続される。ＣＯ選択酸化器２ｂの流出口は、上記水素含有ガス流出口を介して水素含有ガス流路に接続される。また、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂは、原料ガス流入口および改質水流入口の近傍に配置される。
【００９７】
改質器１の周囲（外筒の下部の外側）には、断熱材（図示せず）を介して筒状の第１脱硫器３ａが同心円上に配置される。第１脱硫器３ａは、原料ガス流路を介して原料ガス流入口に接続される。
【００９８】
（作用、効果）
上記構成によれば、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂは、原料ガス流入口および改質水流入口の近傍に配置されている。このため、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂが第１ヒータ４により加熱されても、第１ヒータ４の動作の停止後に、流入する原料ガスおよび水によってＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの温度が低下する可能性がある。これに対し、第１ヒータ４および第２ヒータ５を交互に動作させることにより、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂを所定の温度またはその近い値に維持することができる。このようなＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂにより水素含有ガス中の一酸化炭素の濃度を水素生成装置１００が作動するために十分なほど低く減らすことができるため、水素生成装置１００の起動時間の短縮化をさらに図ることができる。
【００９９】
また、各反応器が一体的に構成されているため、各反応器の間において熱の授受が行われる。よって、各反応器を加熱するための時間およびエネルギーを低減することができ、水素生成装置１００の起動時間の短縮化と起動時の消費エネルギーの削減が図られる。
【０１００】
さらに、実施の形態３と同様に、第１脱硫器３ａおよび第２脱硫器３ｂを用い、また、第１ヒータ４を優先的に動作することによって、水素生成装置１００の起動時間の短縮化がさらに図られる。
【０１０１】
また、実施の形態２と同様に、改質器１の改質反応の開始時には、第１ヒータ４により、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂが所定の温度に達しているため、水素生成装置１００は短時間で起動することができる。さらに、第１ヒータ４は、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂを同時に加熱するため、低コスト化と、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂの昇温時間の短縮化とが図られる。
【０１０２】
さらに、実施の形態１と同様に、第１ヒータ４および第２ヒータ５を同時に動作させないことにより、水素生成装置１００の起動時における消費電力が抑制され、水素生成装置１００が起動できない事態を回避することができる。また、第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を切り替えることにより、電気制御機器のサイズや電源容量の増加が抑えられながら、各反応器を適切な温度に速やかに順次昇温することができる。
【０１０３】
（実施の形態５）
実施の形態５は、実施の形態１〜４に係る水素生成装置１００を備える燃料電池システム２００に関する。図６は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム２００の構成を概略的に示すブロック図である。
【０１０４】
燃料電池システム２００は、水素生成装置１００と、燃料電池２０１と、酸化剤ガス供給器２０２と、インバータ２０４と、を備えている。燃料電池システム２００は、凝縮器２０５をさらに備えていてもよい。水素生成装置１００は、たとえば、実施の形態１〜４に係る水素生成装置１００であって、一酸化炭素および硫黄を除去した水素含有ガスを燃料ガスとして燃料電池２０１に供給する。図６では、一例として、実施の形態３に係る水素生成装置１００を採用した構成を示している。
【０１０５】
燃料電池２０１は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより発電を行う装置である。酸化剤ガスには、たとえば、空気中の酸素が用いられる。この場合、酸化剤ガス供給器２０２にはブロワなどの空気供給器が利用される。燃料電池２０１は、供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスのうち、電気化学反応に利用されなかった燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを凝縮器２０５へ排出する。凝縮器２０５は、燃料電池２０１から排出された燃料排ガスおよび酸化剤排ガスから熱を回収するとともに、これにより凝縮された水を燃料排ガスから分離する。この熱および凝縮水が回収された後の燃料排ガスは、燃焼器７に供給される。燃焼器７は、原料供給器８からの原料ガスおよび／又は凝縮器２０５からの燃料排ガスを燃焼し、改質器１を加熱する。インバータ２０４は、燃料電池２０１で発生した直流電力を交流電力に変換する。
【０１０６】
制御装置６は、燃料電池２０１の発電前に行う起動工程において、第１ヒータ４の動作および第２ヒータ５の動作を互いに重複しないように実行させる。そして、制御装置６は、燃料電池２０１の発電を行う発電工程の開始時において、第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を停止させ、かつ、起動工程より多い原料ガスを原料供給器８により水素生成装置１００に供給する。ここで、発電工程における原料ガスの供給量は、起動工程における原料ガスの供給量の、たとえば、３倍である。
【０１０７】
このように発電工程において起動工程より原料ガスの供給量を増やす理由の一つは、下記の通りである。つまり、起動工程においては原料ガスは改質器１などの加熱のために用いられるのに対し、発電工程においては原料ガスは改質器１などの加熱に加えて、燃料電池２０１における発電反応にも用いられるためである。
【０１０８】
上記構成によれば、水素生成装置１００が起動し、ＣＯ変成器２ａおよびＣＯ選択酸化器２ｂにおいて、一度、各反応が進行すると、それに伴い各反応により発生する熱量が増える。このため、発電工程において、第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を停止させても、各反応器は各触媒が機能する温度を維持することができる。よって、各ヒータ４、５の消費電力が低減された状態で、水素生成装置１００は燃料電池２０１に必要な量の燃料ガスを生成することができる。
【０１０９】
また、発電工程における原料ガスの供給量が起動工程における原料ガスの供給量より多いことにより、発電工程では原料供給器８により燃焼器７に供給される原料ガスの量および凝縮器２０５から燃焼器７に供給される燃料排ガスの量が増える。この燃料排ガスは、可燃成分である水素や改質されていないメタン（都市ガスの主成分）を含んでいるため、燃焼器７は、原料ガスおよび燃料排ガスを燃焼して、その近傍に存在する改質器１、ＣＯ変成器２ａ、ＣＯ選択酸化器２ｂおよび第１脱硫器３ａなどの反応器を各反応が可能な程度に十分に加熱することができる。よって、発電工程において第１ヒータ４および第２ヒータ５の動作を停止しても、各反応器は各触媒が機能する温度を維持することができる。このため、水素生成装置１００の消費エネルギーの低減をさらに図ることができる。
【０１１０】
また、図５に示す実施の形態４に係る水素生成装置１００が採用された構成の場合、改質器１の熱は、その周囲に位置する第１脱硫器３ａへ伝わる。したがって、改質器１の温度が高くなるほど改質器１から第１脱硫器３ａへ伝わる熱量も増える。このため、起動工程において改質器１の温度があまり高くなっていない場合に比べ、発電工程において改質器１が改質反応に必要な温度まで十分に高くなっている場合の方が、改質器１から第１脱硫器３ａへ多くの熱量が与えられる。よって、起動工程においては第２脱硫器３ｂを用いて脱硫を行うことにより、第１ヒータ４は動作させるものの第２ヒータを動作させずに発電の準備を整えられるため、発電工程にできるだけ早く移行させることができる。そして、発電工程に移行させた後に第２ヒータ５を動作させれば、第２ヒータ５の動作時には第１脱硫器３ａが改質器１からも第２ヒータ５からも加熱されるため、第２ヒータ５の消費電力を抑えられると共に、第１脱硫器３ａの起動も迅速に行うことができる。
【０１１１】
（実施の形態６）
実施の形態６は、燃料電池システム２００の起動工程において商用電源３００から遮断器４０１を介して電力が供給される燃料電池システム２００に関する。図７は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システム２００の構成を概略的に示すブロック図である。
【０１１２】
燃料電池システム２００は、起動工程では商用電源３００から電力の供給を受け、この電力で各ヒータ４、５などを動作させる。発電工程では、インバータ２０４が、燃料電池２０１で発生した直流電力を、商用電源３００の交流電力の周波数と同じ周波数を持つ交流電力に変換し、燃料電池システム２００は商用電源３００と連系して需要家４００に電力を供給する。
【０１１３】
需要家４００には、燃料電池システム２００、商用電源３００又は燃料電池システム２００から供給される交流電力を消費する電力負荷４０２、および遮断器４０１が設けられている。なお、燃料電池システム２００は、起動工程において商用電源３００からの電力を消費するために電力負荷の１つであるが、発電工程では電力を供給するため、電力を消費するだけの一般的な他の電力負荷４０２と区別される。
【０１１４】
遮断器４０１には、電力負荷４０２に繋がる配線と、燃料電池システム２００のインバータ２０４に繋がる配線と、商用電源３００に繋がる配線とが接続されている。これにより、燃料電池システム２００からの電力は、遮断器４０１を介して電力負荷４０２に供給される。逆潮流が可能な場合、燃料電池システム２００からの電力は、遮断器４０１を介して商用電源３００にも供給される。商用電源３００からの電力は、遮断器４０１を介して燃料電池システム２００や電力負荷４０２に供給される。また、遮断器４０１には遮断電力が予め設定されており、遮断器４０１は商用電源３００からインバータ２０４および電力負荷４０２への交流電力の供給経路を、遮断電力に基づいて、一括して又は個別に開閉可能に構成されている。このため、商用電源３００から燃料電池システム２００および電力負荷４０２へ電力が供給される際に、電力が遮断電力を超えると、遮断器４０１は各配線の接続を切断して、燃料電池システム２００および電力負荷４０２への電力の供給が一括して又は個別に停止される。
【０１１５】
制御装置６は、遮断器４０１が商用電源３００からの電力供給を遮断するように予め設定された電力（遮断電力）に基づいて第１ヒータ４および第２ヒータに供給される電力を設定する。すなわち、制御装置６は、遮断電力を取得する。たとえば、使用者や作業員などが遮断電力をキー（入力部）などにより入力することにより、遮断電力が制御装置６に入力される。または、制御装置６が遮断電力を遮断器４０１から自動的に取得することができてもよい。この遮断電力は、電力を示す数値（Ｗ）であってもよいし、電力を段階的に分けたレベル、たとえば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄであってもよい。そして、制御装置６は、たとえば、遮断電力と供給電力とが対応付けられた式や表などの関係を用いて、取得した遮断電力に基づいて第１および第２ヒータ４、５への供給電力を設定する。これにより、遮断電力が大きいほど、各ヒータ４、５への最大供給電力が大きく設定され、各ヒータ４、５が消費する電力が大きくなり、各ヒータの４、５の発熱量が増える。
【０１１６】
上記構成によれば、燃料電池システム２００の起動工程、つまり、水素生成装置１００の起動時には、設定された供給電力に基づいて、第１ヒータ４または第２ヒータ５が動作させられる。これにより、各ヒータ４、５が動作したことにより、遮断電力を超える電力が商用電源３００から遮断器４０１を介して燃料電池システム２００に供給され、遮断器４０１が電力供給を遮断することが防止される。これにより、水素生成装置１００、延いては、燃料電池システム２００が起動できない事態が回避される。
【０１１７】
また、各需要家４００で設定されている遮断電力に応じて各ヒータ４、５への供給電力が定められる。このため、遮断電力が大きいほど、各ヒータ４、５への供給電力が大きくなり、水素生成装置１００の起動時間が短くなる。
【０１１８】
なお、上記では遮断器４０１による遮断の要否決定に使用電力を採用する場合を説明した。これに対し、一般的な家庭の配電盤における遮断器のように、使用電流値に基づいて遮断の要否を決定して動作するように構成してもよい。即ち、遮断器４０１に予め遮断電流値が設定されている場合には、制御装置６は、この遮断電流値を取得し、これに基づいて第１および第２ヒータ４，５への供給電力を設定すればよい。
【０１１９】
（実施の形態７）
図８は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システム２００の構成を概略的に示すブロック図である。この図８に示すように、実施の形態７に係る燃料電池システム２００は、遮断器４０１に加え、電力計２０６をさらに備える。
【０１２０】
電力計２０６は、商用電源３００と需要家４００を繋ぐ配電線に設けられ、電流センサおよび電圧センサを含む。電力計２０６は、各センサにより検出された、商用電源３００から需要家４００に供給される電力の電流および電圧に基づいて商用電源３００から需要家４００へ供給されている電力値を求め、この供給電力値を制御装置６に出力する。ここで、需要家４００への供給電力は、需要家４００において燃料電池システム２００および電力負荷４０２が消費している電力である。
【０１２１】
制御装置６は、起動工程において、遮断電力から電力計２０６により検出された供給電力を引いた差分値が所定値未満である場合に第１ヒータ４の動作および第２ヒータ５の動作を重複しないように実行させ、電力差が前記所定値以上である場合に第１ヒータ４の動作および第２ヒータ５の動作を重複して実行させる。ここで、所定値は、第１ヒータ４のみが動作しているときには第２ヒータ５を追加的に動作させるのに必要な供給電力より大きな値であり、第２ヒータ５のみが動作しているときには第１ヒータ４を追加的に動作させるのに必要な供給電力より大きな値であり、両方のヒータ４、５が動作していないときには両方のヒータ４、５を動作させるのに必要な合計供給電力より大きな値である。
【０１２２】
上記構成によれば、燃料電池システム２００の起動工程、つまり、水素生成装置１００の起動の開始の際、両方のヒータ４、５が動作していない状態において、制御装置６は、電力計２０６から供給電力を取得する。制御装置６は、この供給電力と予め取得されている遮断電力との差分値が両方のヒータ４、５の合計供給電力より大きな所定値未満であれば、第１および第２ヒータ４、５は重複して動作しないように、第１ヒータ４の動作のみを開始する。これにより、商用電源３００からの供給電力が遮断電力を超え、燃料電池システム２００が起動できない事態が回避される。一方、電力の差分値が所定値以上であれば、両方のヒータ４、５は重複して動作する。これにより、供給電力は増えるが遮断電力を超えないため、燃料電池システム２００の起動を継続しながら、両方のヒータ４、５で各反応器を所定温度まで昇温することによって、水素生成装置１００の起動の短縮化を図ることができる。
【０１２３】
また、燃料電池システム２００の起動工程、つまり、水素生成装置１００の起動中、第１ヒータ４のみが動作している状態において、制御装置６は、電力計２０６から供給電力を取得する。この供給電力は第１ヒータ４への供給電力も含むため、制御装置６は、供給電力と遮断電力との差分値が第２ヒータ５への供給電力より大きな所定値未満であれば、第１および第２ヒータ４、５は重複して動作しないように、第１ヒータ４を動作させる。これにより、商用電源３００からの供給電力が遮断電力を超え、燃料電池システム２００が起動できない事態が回避される。一方、電力の差分値が所定値以上であれば、第１ヒータ４に加えて第２ヒータ５も重複して動作する。これにより、水素生成装置１００の起動の短縮化を図ることができる。
【０１２４】
さらに、燃料電池システム２００の起動工程で、第２ヒータ５のみが動作している状態においても、上述した第１ヒータ４のみが動作している状態の場合と同様の制御を行うことができる。
【０１２５】
（実施の形態８）
上記全ての実施の形態では、水素生成装置１００の起動の際に第１ヒータ４の動作が開始した後に停止し、その後、第２ヒータ５の動作が開始した。これに対し、水素生成装置１００の起動の際に第２ヒータ５の動作が開始した後に停止し、その後、第１ヒータ４の動作が開始してもよい。この場合、まず第２ヒータ５の動作により、脱硫温度検出器１１ａで検出される脱硫触媒温度が第５温度以上となると、第２ヒータ５の動作が停止され、第１ヒータ４の動作が開始される。そして、第１ヒータ４の動作後、脱硫触媒温度が第５温度未満となった場合、第１ヒータ４が停止し、第２ヒータ５の動作が再開される。
【０１２６】
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【０１２７】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明の水素生成装置１００およびその制御方法、ならびに燃料電池システム２００は、水素生成装置１００の起動ができない状況を抑制し、水素生成装置１００のコンパクト化および起動時間の短縮化を図った水素生成装置１００およびその制御方法、ならびに燃料電池システム２００等として有用である。
【符号の説明】
【０１２９】
１      改質器
２      ＣＯ除去器
２ａ    ＣＯ変成器
２ｂ    ＣＯ選択酸化器
３      第１脱硫器
３ａ    第１脱硫器
３ｂ    第２脱硫器
４      第１ヒータ
５      第２ヒータ
６      制御装置
７      燃焼器
８      原料供給器
９      水供給器
１０    ＣＯ除去温度検出器
１０ａ  ＣＯ変成温度検出器
１０ｂ  ＣＯ選択酸化温度検出器
１１    脱硫温度検出器
１１ａ  脱硫温度検出器
１３    原料ガス切り替え器
１００  水素生成装置
２００  燃料電池システム
２０１  燃料電池
２０２  酸化剤ガス供給器
２０４  インバータ
３００  商用電源
４０１  遮断器
【図１】
2013054496.tif 000003
【図２】
2013054496.tif 000004
【図３】
2013054496.tif 000005
【図４】
2013054496.tif 000006
【図５】
2013054496.tif 000007
【図６】
2013054496.tif 000008
【図７】
2013054496.tif 000009
【図８】
2013054496.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月7日(2013.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、
前記ＣＯ除去器の温度を検出するＣＯ除去温度検出と、
前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させて除去する第１脱硫器と、
前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させずに吸着して硫黄を除去する第２脱硫器と、
前記原料ガスの供給先を前記第１脱硫器と前記第２脱硫器とに切り替える原料ガス切り替え器と、
前記ＣＯ除去器を加熱する第１ヒータと、
前記第１脱硫器を加熱する第２ヒータと、
前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記第１脱硫器は前記改質器から熱が与えられ、
前記制御装置は、
前記原料ガスの供給先を前記第２脱硫器へ前記原料ガス切り替え器により切り替え、前記燃焼器および前記第１ヒータを動作させ、
その後、前記ＣＯ除去温度検出器の検出温度が予め設定された第１温度以上となった場合、前記第１ヒータの動作を停止させ、
その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記第１のヒータの動作を再度開始させるよう構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、
前記改質器に水を供給する水供給器と、をさらに備え、
前記燃焼器は、前記改質器に加えて、前記ＣＯ除去器および前記第１脱硫器のいずれか１つを加熱し、
前記制御装置は、前記第１ヒータと前記原料供給器と前記燃焼器との動作を開始させ、その後、前記水供給器の動作を開始させ、かつ、前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されている、請求項１または２に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記ＣＯ除去器は、変成反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ変成器と、ＣＯ選択酸化反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ選択酸化器と、を含み、前記第１ヒータは、前記ＣＯ変成器および前記ＣＯ選択酸化器のうちの少なくとも一方を加熱する、請求項１、２および５のいずれかに１項に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記ＣＯ変成器の温度を検出するＣＯ変成温度検出器と、
前記ＣＯ選択酸化器の温度を検出するＣＯ選択酸化温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させ、その後、前記ＣＯ変成温度検出器の検出温度が予め設定された第２温度以上となり、かつ、前記ＣＯ選択酸化温度検出器の検出温度が予め設定された第３温度以上となった場合に前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させるよう構成されている、請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
前記第１脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１ヒータの動作を開始させた後に停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させ、前記脱硫温度検出器の検出温度が予め設定された第４温度以上になった場合に前記原料ガスの供給先を前記第２脱硫器から前記第１脱硫器へ前記原料ガス切り替え器により切り替わるよう構成されている、請求項１、２および５〜７のいずれか一項に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記第１脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記脱硫温度検出器により検出された温度が予め設定された第５温度以上になった場合に前記第２ヒータの動作を停止させる、請求項１、２および５〜７、９のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記ＣＯ除去器は、変成反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ変成器と、ＣＯ選択酸化反応により前記水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ選択酸化器と、を含み、
前記ＣＯ変成器の温度を検出するＣＯ変成温度検出器と、
前記ＣＯ選択酸化器の温度を検出するＣＯ選択酸化温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記第２ヒータを動作させ、その後、前記ＣＯ変成温度検出器の検出温度が予め設定された第６温度未満であった場合、および、前記ＣＯ選択酸化温度検出器の検出温度が予め設定された第７温度未満であった場合、のうちの少なくとも一方の場合に、前記第２ヒータを停止させ、前記第１ヒータを動作させる、請求項１、２および５〜７、９、１０のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記請求項１、２および５〜７、９〜１１のいずれか１つに記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される水素含有ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池により発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記水素生成装置に原料ガスを供給する原料供給器と、を備え、
前記燃焼器は、前記改質器に加えて、前記ＣＯ除去器および前記第１脱硫器のいずれか１つを加熱する燃料電池システムであって、
前記水素生成装置が備える制御装置は、
前記燃料電池の発電前に行う起動工程では前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複しないように実行させ、
前記燃料電池の発電を開始させる発電工程では前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を停止させ、かつ、前記起動工程より多い原料ガスを前記原料供給器により前記水素生成装置に供給するよう構成されている、燃料電池システム。
【請求項１３】
商用電源に繋がる遮断器に前記インバータが接続され、前記起動工程において前記商用電源から前記遮断器を介して電力が供給される燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記遮断器が前記商用電源からの電力供給を遮断するように予め設定された遮断電力に基づいて前記第１ヒータおよび前記第２ヒータに供給される電力を設定する、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記商用電源に繋がる前記遮断器に前記インバータと共に接続される電力負荷を含む需要家に設けられる燃料電池システムであって、
前記商用電源と前記遮断器とを繋ぐ配電線に設けられ、前記商用電源から前記需要家に供給されている電力を検出する電力計をさらに備え、
前記制御装置は、前記遮断電力から前記電力計により検出された前記供給電力を引いた電力差が所定値未満である場合に前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複しないように実行させ、前記電力差が前記所定値以上である場合に前記第１ヒータの動作および前記第２ヒータの動作を重複して実行させるよう構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、
前記ＣＯ除去器の温度を検出するＣＯ除去温度検出と、
前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させて除去する第１脱硫器と、
前記改質器に供給される原料ガス中の硫黄を水素と反応させずに吸着して硫黄を除去する第２脱硫器と、
前記原料ガスの供給先を前記第１脱硫器と前記第２脱硫器とに切り替える原料ガス切り替え器と、
前記ＣＯ除去器を加熱する第１ヒータと、
前記第１脱硫器を加熱する第２ヒータと、
前記第１ヒータおよび前記第２ヒータの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記第１脱硫器は前記改質器から熱が与えられる、水素生成装置の制御方法であって、
前記制御装置は、
前記原料ガスの供給先を前記第２脱硫器へ前記原料ガス切り替え器により切り替え、前記燃焼器および前記第１ヒータを動作させ、
その後、前記ＣＯ除去温度検出器の検出温度が予め設定された第１温度以上となった場合、前記第１ヒータの動作を停止させ、その後、前記第２ヒータの動作を開始させる、水素生成装置の制御方法。
【請求項１６】
前記請求項１、２および５〜７、９〜１１のいずれか１つに記載の水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される水素含有ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料電池により発電された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記水素生成装置に原料ガスを供給する原料供給器と、を備え、
前記燃焼器は、前記改質器に加えて、前記ＣＯ除去器および前記第１脱硫器のいずれか１つを加熱する燃料電池システムであって、
前記水素生成装置が備える制御装置は、
前記燃料電池の発電前に行う起動工程では、前記第１ヒータのみを動作させ、前記燃料電池の発電を開始させる発電工程に移行させた後に、前記第２ヒータを動作させるよう構成されている、燃料電池システム。
【国際調査報告】
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2013054496.tif 000012
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