(57)【要約】【課題】  混合室における部分酸化反応の開始を抑制し、混合室の異常温度上昇を抑えること。【解決手段】  炭化水素系燃料と水蒸気と空気とが供給される混合室に連通させて配置された燃焼触媒層及び炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒層を有してなる改質器１と、改質器１で生成された改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池７のアノードに供給するＣＯ処理器と、燃料電池７のアノード排ガスを燃焼して混合室に供給される炭化水素系燃料と水蒸気と空気の少なくとも一つを加熱する補助燃焼器９とを備えてなる水素製造装置において、混合室と燃焼触媒層との間の空間を遮る多孔板と、補助燃焼器９で燃焼する補助燃料量の減少制御と燃料電池７の出力電流の増加制御との少なくとも一方の制御を行って、多孔板の混合室側の温度を設定温度以下に保持する制御装置１１とを設けるようにする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料と水蒸気と空気とが供給される混合室に連通させて配置された燃焼触媒層及び前記炭化水素系燃料と前記水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒層を有してなる改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池のアノードに供給するＣＯ処理器と、前記燃料電池のアノード排ガスを燃焼して前記混合室に供給される前記炭化水素系燃料と前記水蒸気と前記空気の少なくとも一つを加熱する補助燃焼器とを備えてなる水素製造装置において、
前記混合室と前記燃焼触媒層との間の空間を遮る多孔板と、前記補助燃焼器で燃焼する補助燃料量の減少制御と前記燃料電池の出力電流の増加制御との少なくとも一方の制御を行って、前記多孔板の前記混合室側の温度を設定温度以下に保持する制御装置とを設けたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
炭化水素系燃料と水蒸気と空気とが供給される混合室に連通させて配置された燃焼触媒層及び前記炭化水素系燃料と前記水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒層を有してなる改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池のアノードに供給するＣＯ処理器と、前記燃料電池のアノード排ガスを燃焼して前記混合室に供給される前記炭化水素系燃料と前記水蒸気と前記空気の少なくとも前記水蒸気を加熱する補助燃焼器とを備えてなる水素製造装置において、
前記混合室と前記燃焼触媒層との間の空間を遮る多孔板と、前記補助燃焼器で加熱して生成する前記水蒸気量の増加制御を行って、前記多孔板の前記混合室側の温度を設定温度以下に保持する制御装置とを設けたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記多孔板の前記混合室側の温度が７００℃以下、好ましくは６００℃以下になるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
炭化水素系燃料と水蒸気と空気とが供給される混合室に連通させて配置された燃焼触媒層及び前記炭化水素系燃料と前記水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒層を有してなる改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池のアノードに供給するＣＯ処理器と、前記燃料電池のアノード排ガスを燃焼して前記混合室に供給される前記炭化水素系燃料と前記水蒸気と前記空気の少なくとも一つを加熱する補助燃焼器とを備えてなる水素製造装置において、
前記混合室と前記燃焼触媒層との間の空間を遮る多孔板と、前記多孔板の前記混合室側に流路断面積を絞る絞り部を設けたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項５】
前記多孔板と前記燃焼触媒層との間の空間には、ガス通流孔を有し前記燃焼触媒層側から照射される輻射熱を遮蔽する遮蔽板を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記多孔板の前記混合室側の空間には、セラミック製のボールが充填されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項７】
炭化水素系燃料と水蒸気と空気とが供給される混合室に連通させて配置された燃焼触媒層及び前記炭化水素系燃料と前記水蒸気を反応させて水素に改質する改質触媒層を有してなる改質器と、前記改質器で生成された改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池のアノードに供給するＣＯ処理器と、前記燃料電池のアノード排ガスを燃焼して前記混合室に供給される前記炭化水素系燃料と前記水蒸気と前記空気の少なくとも一つを加熱する補助燃焼器とを備えてなる水素製造装置において、
前記混合室と前記燃焼触媒層との間の空間を遮る第１の多孔板と、前記第１の多孔板と前記混合室との間の空間を遮る第２の多孔板とを設け、前記第２の多孔板は、該第２の多孔板を通流するガス流速が火炎伝播速度以上となる孔を有することを特徴とする水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒存在下で炭化水素系燃料に水蒸気を作用させて水素ガスを製造する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池に利用される水素を製造する水素製造装置は、触媒存在下、原料となる炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素に改質する改質器と、この改質器から発生する改質ガス中のＣＯをＣＯシフト反応により酸化させるＣＯ変成器と、さらに残存するＣＯを選択酸化させるＣＯ選択酸化器とを備えて構成される。この改質器においては、まず、炭化水素系燃料と空気を各供給管を通じて混合室に導入し、混合器にて混合されたそれらの混合ガスを燃焼触媒層を通じて部分燃焼させ、その燃焼熱により後流側の改質触媒層に通流する混合ガスを所定温度に加熱すると共に、水蒸気を高温の改質触媒層に導入して、改質反応を行わせるようになっている（特許文献１参照）。
【０００３】
水素製造装置により生成された改質ガスは、燃料電池のアノードに供給され、カソードに供給された酸素と反応して発電が行われる。一般に、アノードから排出されるアノード排ガス中には、発電に使用されない未反応水素が含まれるため、アノード排ガスを補助燃焼器に導いて燃焼させ、改質器に供給する炭化水素系燃料の予熱や水蒸気の発生に利用されている。なお、アノード排ガス中の水素は比較的低濃度であり、かつ変動することから、補助燃焼器には、燃焼用の補助燃料が供給される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５５９７号公報（第３−４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般家庭用の燃料電池発電システムにおいては、炭化水素系燃料の燃料供給量は微小であるため、設備的に流量制御が困難となり、燃料供給量に変動が生じる。例えば、燃料供給量が一時的に増加した場合、水素生成量が増加すると共にアノード排ガス中の水素量が増加するため、補助燃焼器の燃焼温度の上昇に伴い、原料の予熱温度が上昇（例えば、６００〜７００℃）することがある。
【０００６】
このように、過熱された原料が、改質器内の混合室に導かれると、混合室内において部分酸化反応が開始され、混合室の温度が異常に上昇し、例えば９００℃に達する場合がある。部分酸化反応が開始される要因として、燃焼触媒層における部分酸化反応が混合室内の過熱された原料ガスに逆進行して逆火が発生することが考えられる。
【０００７】
このように、混合室において部分酸化反応が開始されると、混合室の異常昇温に伴い熱放散量が増大し、熱損失により水素変換効率が低下するという問題がある。さらに、混合室は、通常、部分酸化反応を想定した温度に対する耐熱構造を有していないため、部分酸化反応が進行して異常高温になると、周辺装置に損傷を与えるおそれがある。
【０００８】
本発明は、混合室における部分酸化反応の開始を抑制して混合室の異常昇温を抑えることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、炭化水素系燃料と水蒸気と空気とが供給される混合室に連通させて配置された燃焼触媒層及び炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒層を有してなる改質器と、改質器で生成された改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池のアノードに供給するＣＯ処理器と、燃料電池のアノード排ガスを燃焼して混合室に供給される炭化水素系燃料と水蒸気と空気の少なくとも一つを加熱する補助燃焼器とを備えてなる水素製造装置において、混合室と燃焼触媒層との間の空間を遮る多孔板と、補助燃焼器で燃焼する補助燃料量の減少制御と燃料電池の出力電流の増加制御との少なくとも一方の制御を行って、多孔板の混合室側の温度を設定温度以下に保持する制御装置とを設けたことを特徴とする。
【００１０】
すなわち、補助燃焼器の補助燃料量を減少させると、燃焼温度が低下して炭化水素系燃料や水蒸気などの予熱温度が低下するため、混合室に供給される混合ガス温度が低くなり、部分酸化反応の開始を抑制できる。同様に、燃料電池の出力電流を増加させると、水素消費量が増加され、アノード排ガス中の水素量が減少するため、補助燃焼器の燃焼温度が低下し、炭化水素系燃料や水蒸気などの予熱温度を低くできる。
【００１１】
この場合において、混合室と燃焼触媒層との間に設けられた多孔板の混合室側の混合ガスの温度を検出し、この検出温度に基づいて、上記の少なくとも一方の制御を行うことにより、混合室内の温度を設定温度以下に維持できる。これにより、混合室における部分酸化反応を抑制して混合室の温度上昇を抑制し、水素変換効率および安全性を向上できる。
【００１２】
また、上記の制御装置に代えて、補助燃焼器で加熱して生成する水蒸気量を増加制御することにより、多孔板の混合室側の温度を設定温度以下に保持する制御装置を設けてもよい。すなわち、補助燃焼器に供給する水量を増加させ、加熱により生成する水蒸気量を増加させることにより、補助燃焼器の燃焼温度が低下するため、炭化水素系燃料や水蒸気などの予熱温度が低くなり、混合室における部分酸化反応の開始を抑制できる。
【００１３】
なお、制御装置は、混合室の温度が７００℃以下、好ましくは６００℃以下になるように制御することが好ましい。
【００１４】
また、混合室と燃焼触媒層との間の空間を遮る多孔板の混合室側に、流路断面積を絞る絞り部を設けることができる。すなわち、流路断面に絞り部を設けることにより、混合ガスの流速が早くなるため、燃焼触媒層の部分酸化が混合室に逆進行することを防止できる。これにより、混合室の高温化を抑制できるから、部分酸化反応の開始を抑制できる。この場合において、流路断面積は、混合ガスの流速が火炎伝播速度以上となるように設定することが望ましい。
【００１５】
また、多孔板と燃焼触媒層との間の空間に、ガス通流孔を有し燃焼触媒層側から照射される輻射熱を遮蔽する遮蔽板を設けることが好ましい。これによれば、輻射熱による混合室内の高温化を抑制できるから、部分酸化反応の開始を抑制できる。
【００１６】
また、多孔板の混合室側の空間に、セラミック製のボールを充填することが好ましい。これによれば、混合室において混合ガスの流速が早くなるため、逆火を抑制できると共に輻射熱の影響を小さくできる。これにより、混合室の高温化が抑制され、部分酸化反応の開始を抑制できる。
【００１７】
さらに、混合室と燃焼触媒層との間の空間を遮る第１の多孔板と、この第１の多孔板と混合室との間の空間を遮る第２の多孔板とを設け、第２の多孔板は、この多孔板を通流するガス流速が火炎伝播速度以上となる孔を有するようにする。これによれば、第２の多孔板を通過する混合ガスの流速を速くできるから、上記の絞り部と同等の効果を有し、加えて、混合器の構成を簡単化できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、混合室における部分酸化反応の開始を抑制し、混合室の異常温度上昇を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる燃料電池システムの第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の水素製造装置を含んでなる燃料電池システムの全体構成図である。図２は、本発明を適用してなる改質器の要部を示す断面図である。
【００２０】
本実施形態の家庭用燃料電池システムは、改質装置と、燃料電池７と、補助燃焼器９と、制御装置１１とを備えており、改質装置は、改質器１、ＣＯ変成器３、ＣＯ選択酸化器５を順次直接に接続して構成される。補助燃焼器９は、例えば、炭化水素系燃料の都市ガスと空気とを予熱すると共に、水を加熱して水蒸気を生成して改質器１に供給するようになっている。改質器１は、補助燃焼器９で熱交換して予熱された都市ガスと空気及び水蒸気とを取り込んで、触媒存在下、部分燃焼および水蒸気改質反応により水素を生成する。ＣＯ変成器３は、改質器１で生成されたＣＯをＣＯシフト反応により酸化させてＣＯ２に転換する一方、ＣＯ選択酸化器５は、ＣＯシフト反応後に残存するＣＯを選択酸化させてＣＯ２に転換するようになっている。
【００２１】
本実施形態の燃料電池７は、固体高分子型燃料電池を使用している。燃料電池７は、図示しないが、電解質と、この電解質を挟持して配置されるアノード（燃料極）と、カソード（酸素極）とを備え、アノードの入口はＣＯ選択酸化器５の出口と配管１０を介して接続され、出口は配管１３を介して補助燃焼器９の排ガス入口に接続されている。カソードの入口は、空気または酸素の供給源と接続される一方、出口は配管を介して大気に通じている。
【００２２】
補助燃焼器９は、アノードから排出されるアノード排ガスを燃焼する燃焼器１５と、その燃焼熱により原料となる都市ガス、水、空気をそれぞれ加熱する熱交換器１７，１９，２１を備えている。燃焼器１５には、補助燃焼用の燃料を供給する補助燃料量調整器２３が供給管を介して接続されている。熱交換器１７，１９，２１は、それぞれ配管を介して、都市ガス供給源、水供給源、空気供給源と接続されており、熱交換器１７，２１により加熱された都市ガスと空気及び熱交換器１９により生成された水蒸気は、それぞれ配管を通じて、改質器１の混合室内に供給されるようになっている。
【００２３】
ここで、本実施形態の改質器１の構成について図２を用いて説明する。改質器１は、縦型の容器３１の下部側面に、都市ガス、水蒸気および空気の混合ガス（以下、単に混合ガスという。）を供給する供給管３３が接続され、供給管３３は、供給口を介して混合室３５と接続されている。なお、本実施形態では、都市ガス、水蒸気および空気を供給管３３により混合して供給する方式を採用しているが、これに限られるものではなく、例えば、容器３１の下部にそれぞれの供給口を設け、混合室３５の内部で混合するようにしてもよい。
【００２４】
混合室３５は、燃焼触媒層４１の図において下方に設けられ、混合室３５の上方は、燃焼触媒層４１の断面と同一の断面を有する空間３６を介して燃焼触媒層４１に連通されている。また、混合室３５の上部には絞り部３７が設けられている。絞り部３７の上方の空間３６には、セラミック製の多孔板からなる起動バーナ３９が設けられ、起動時には燃焼触媒層４１を昇温するため、一時的にバーナとして使用されるが、定常運転時は混合ガスの分散板として機能する。また、燃焼触媒層４１の後流側には改質触媒層４３が設けられている。
【００２５】
絞り部３７には、ガス温度を検出する温度計測器４５が設けられている。絞り部３７の断面積は、定常運転時において、例えば、ガス流速が水素の燃焼速度の約２倍に相当する流速（例えば、１．２ｍ／ｓ）となるように、設定されている。
【００２６】
燃焼触媒層４１は、容器３１内の流路断面の全体に設けられ、例えば、セラミックスハニカムにＰｄ−Ｌａ系燃焼触媒がコーティングされたものが用いられる。また、改質触媒層４３としては、例えば、Ｎｉ系やＲｕ系等の改質触媒が用いられるが、メルカプタン系の付臭剤等を含む都市ガスの場合、硫黄による触媒被毒を防ぐため、例えば、Ｎｉ系の改質触媒が用いられる。
【００２７】
制御装置１１は、温度計測器４５が検出した温度を信号として受信し、この受信した温度信号に基づいて、補助燃料量調整器２３、燃料電池７の出力電流を調整する電流調整器２５、熱交換器１９への水供給を調整する水流量調節器２７にそれぞれ制御信号を出力するようになっている。
【００２８】
次に、本実施形態の動作を説明する。燃料電池７は、水素と酸素を燃料として発電し、アノードに供給する水素を改質装置により製造する。一般に、固体高分子型の燃料電池７においては、供給した水素の７０〜８０％が発電に使用され、残りの２０〜３０％はアノード排ガスとして排出されるため、このアノード排ガスを補助燃焼器９に導いて、水素の燃焼熱を回収する。
【００２９】
補助燃焼器９において、熱交換器１７，２１を介して加熱（例えば、４００〜６００℃）された都市ガスと空気及び熱交換器１９で生成された水蒸気は、それぞれ改質器１に供給される。まず、都市ガスと空気が燃焼触媒層４１で部分酸化反応により発熱し、これにより、後流側の改質触媒層４３における都市ガスと水蒸気の反応に必要な熱が供給される。改質触媒層４３において、改質反応（式１）が行われ、水素とＣＯが生成される。
【００３０】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  ←→  ＣＯ＋３Ｈ２（式１）
続いて、改質器１で生成された改質ガスは、ＣＯ変成器３に供給され、ＣＯシフト触媒によりＣＯシフト反応（式２）が行われ、ＣＯが酸化される。
【００３１】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  ←→  ＣＯ２＋Ｈ２（式２）
さらに、ＣＯ変成器３からＣＯ選択酸化器５に供給された改質ガスは、ＣＯ選択酸化触媒によりＣＯ選択酸化反応（式３）が行われ、ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に低減されて水素リッチな改質ガスが生成する。
【００３２】
ＣＯ＋１／２Ｏ２  ←→  ＣＯ２（式３）
この改質ガスは、配管１０を介してアノードに供給され、カソードに供給される空気中の酸素と反応し発電が行われる。
【００３３】
ところで、本実施形態で対象とする家庭用の燃料電池システムの場合、例えば、１００％負荷時において、都市ガス供給量は５．０Ｌ／ｍｉｎ、空気供給量は１３．０Ｌ／ｍｉｎ、水供給量は１４．０ｇ／ｍｉｎと非常に少量になっている。そして、本システムにおいては、化学プラントなどで使用する高精度の流量制御システムを適用できないため、どうしても数％オーダーで原料供給量の変動が生じる。
【００３４】
図３は、従来の改質器１を有する燃料電池システムの運転において、都市ガスの供給量、混合室温度、原料予熱温度の時間変化の一例を示す図である。図に示すように、都市ガス供給量が時刻Ａで増加しているのは、この変動によるものである。改質器１で発生する水素量が増加すると、補助燃焼器９の燃焼による発生熱量が増加するため、原料が過度に予熱されて原料温度が上昇（例えば、７００℃以上）する。このため、改質器１の混合室３５には、高温の都市ガス、水蒸気および空気が供給され、異常高温になる。
【００３５】
図４は、原料の混合ガスにおいて水蒸気含有量と部分酸化反応の開始温度との関係を示す図であり、横軸は水蒸気含有量、縦軸は温度（℃）を表している。図に示すように、部分酸化反応は、ある温度になると突然開始される訳ではなく、また、炭化水素系燃料の種類、空気比、水蒸気含有量などによって、反応開始温度も異なることから、反応開始温度は所定の温度幅を有し、例えば、６００〜７００℃となる。なお、水蒸気含有量が増加すれば反応開始温度は高くなる。
【００３６】
ところで、原料供給量のばらつきにより予熱温度が一時的に上昇し、例えば７００℃を超えた状態で混合室３５に供給されると、部分酸化反応が開始され、混合室３５の温度が、例えば１０００℃を超える場合がある。ここで、図に示すように、原料予熱温度が７００℃以上から５５０℃に戻っても、混合室３５の温度は反応熱により維持され、しばらくの間、高温状態が継続することになる。
【００３７】
また、原料の予熱温度が上昇する他の要因として、燃料電池７の水素消費量減少（アノード排ガス中の水素量増加）、補助燃焼器９への補助燃料の供給量増加、或いは、熱交換器１９に供給する水量不足等がある。
【００３８】
このように、補助燃焼器９で過熱された原料が混合室３５に供給されると、部分酸化反応が開始され、これによって混合室３５の温度が異常昇温する。この異常昇温の原因としては、燃焼触媒層４１の部分酸化反応が逆進行して逆火が発生し、原料ガスが燃焼することによると考えられる。そして、混合室３５が高温になると、混合室３５における材料劣化および断熱性低下に伴う放熱量の増大が生じ、水素変換効率が低下するおそれがある。また、想定外の箇所が異常高温になり、安全性の低下が問題となる。
【００３９】
そこで、本実施形態の改質器１は、混合室３５と燃焼触媒層４１との間に、流路断面を縮小した絞り部３７を形成し、この絞り部３７を通流する混合ガスの流速が火炎伝播速度以上となるようにする。これによれば、燃焼触媒層４１から混合室３５への部分酸化の逆進行が抑えられるから、混合室３５における異常昇温を抑制できる。
【００４０】
また、混合ガスが所定温度以上（例えば、７００℃以上）になると、混合室３５において部分酸化反応が開始するため、混合室３５を所定温度以下に管理するようにする。具体的には、逆火の障壁となる絞り部３７に温度計測器４５を配設し、検出温度が所定温度以上にならないように、制御装置１１は検出温度に基づいて電流調整器２５、補助燃料量調整器２３、水流量調節器２７に制御信号を出力し、燃料電池７の出力電流、補助燃料の供給量、水供給量をそれぞれ調節している。
【００４１】
すなわち、燃料電池７の出力電流を増加させ、水素消費量を増加させると、アノード排ガス中の水素量は減少し、補助燃焼器９における原料予熱温度が低下するため、混合室３５の温度を低減できる。同様に、補助燃焼器９に供給する補助燃料の供給量を減少させることにより、補助燃焼器９における原料予熱温度を低くでき、また熱交換器１９に供給する水量を増加させることにより、補助燃焼器９における原料予熱温度を低くできるから、混合室３５の温度を低減できる。
【００４２】
次に、本実施形態の制御手順を説明する。図５は、本実施形態の制御方法を示すフローチャートである。図６は、本実施形態の燃料電池システムの運転において、都市ガスの供給量、混合室温度、原料予熱温度および各制御因子の値の一例を示す図である。
【００４３】
図５に示すように、この制御方法は、絞り部３７の温度が設定温度超であるかを判断するステップＳ０１と、補助燃料の供給量を低下させるステップＳ０２と、絞り部３７の温度が設定温度超であるかを判断するステップＳ０３と、補助燃料の供給が停止しているか否かを判断するステップＳ０４と、燃料電池７の出力電流を増加させるステップＳ０５と、絞り部３７の温度が設定温度超であるかを判断するステップＳ０６と、燃料電池７の出力電圧が所定値未満であるか否かを判断するステップＳ０７と、熱交換器１９に供給する水量を増加させるステップＳ０８と、絞り部３７の温度が設定温度超であるかを判断するステップＳ０９と、絞り部３７の温度が所定温度未満であるかを判断するステップＳ１０と、熱交換器１９に供給する水量を元に戻すステップＳ１１と、燃料電池７の出力電流を元に戻すステップＳ１２とを有している。以下、ステップ毎に説明する。
【００４４】
まず、ステップＳ０１において、制御装置１１は、絞り部３７に設置される温度計測器４５の温度測定値が設定温度（例えば、６００℃）超であるか否かを判断する。そして、温度測定値が設定温度（例えば、６００℃）を超えると、ステップＳ０２に進み、補助燃料の供給量を低減もしくは供給を停止する（図６の４段目）。
【００４５】
そして、ステップＳ０３において、依然として温度測定値が設定温度（例えば、６００℃）超である場合は、ステップＳ０４において、補助燃料の供給が停止したことを確認した上で、ステップＳ０５に進み、燃料電池７の出力電流を増加させる（図６の５段目）。そして、ステップＳ０６において、依然として温度測定値が設定温度（例えば、６００℃）超である場合は、必要以上の水素量消費による燃料電池７の効率低下を避けるため、ステップＳ０７において、燃料電池７のセル電圧が所定値未満とならない範囲で、燃料電池７の出力電流の増加を制御する。
【００４６】
次に、温度測定値が依然として６００℃超である場合は、ステップＳ０８において、熱交換器１９に供給する水量を増加させる（図６の６段目）。
【００４７】
そして、ステップＳ１０において、温度検出値が所定値（例えば、５５０℃）以下となった場合、ステップＳ１１において、上記の操作、つまり補助燃料の供給量、燃料電池７の出力電流、熱交換器１９に供給する水量をそれぞれ元の値に戻す。図６によれば、混合室３５の温度が設定温度を超えた時点で上記の操作を行うことにより、原料の予熱温度の上昇が抑制され、混合室３５の温度が設定温度以下に維持されることが判る。
【００４８】
以上述べたように、本実施形態によれば、混合ガス温度を検出し、この温度測定値に基づいて、補助燃料の供給量、燃料電池７の出力電流、熱交換器１９に供給する水量の少なくとも一つを制御しているから、混合室３５の温度は所定温度以下に保持され、混合室３５内における部分酸化反応の開始を抑制できる。また、本実施形態の改質器１は、混合室３５と燃焼触媒層４１との間の空間に絞り部３７を設置し、混合ガスの流速を増加させているから、混合室３５において部分酸化反応の開始の要因となる燃焼触媒層４１からの逆火を抑制できる。これにより、部分酸化反応に伴う混合室３５の異常昇温が抑制されるため、改質器１の水素変換効率および安全性を向上できる。
【００４９】
すなわち、本実施形態によれば、小型で安価な補機を使用せざるを得ない家庭用小型水素製造装置において、原料の供給量が不安定となる場合でも、原料予熱温度を所定温度以下に保つことができ、高効率で安全な設備を提供できる。
【００５０】
なお、本実施形態では、メタンを主成分とする都市ガスを燃料としているが、これに限定されるものではなく、例えば、プロパン、ブタンなどの他の気体燃料、メタノールなどの液体燃料においても、触媒の種類や設定温度を適宜選択することにより、本実施形態と基本的に同様の効果が得られる。
【００５１】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用してなる第２の実施形態について説明する。図７は、本実施形態の改質器の要部を示す断面図である。以下、上述した第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５２】
本実施形態の改質器５１は、起動バーナ３９の混合室３５側の空間に、例えば、アルミナ製の粒子５３を充填している点で、第１の実施形態と相違する。これによれば、混合室３５や絞り部３７を通流する混合ガスの流速が早くなるため逆火を抑制できると共に燃焼触媒層４１の高温領域からの輻射熱の影響を小さくできる。つまり、混合室３５の異常昇温が抑制される。なお、上記の粒子５３は、耐熱性を有する粒子状のセラミックであれば、これに限定されるものではない。
【００５３】
（第３の実施形態）
次に、本発明を適用してなる第３の実施形態について説明する。図８は、本実施形態の改質器の要部を示す断面図である。以下、上述した第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５４】
本実施形態の改質器６１は、起動バーナ３９と燃焼触媒層４１との間の空間に、ガス通流孔を有し燃焼触媒層４１の高温領域からの輻射熱を遮蔽する輻射熱遮蔽板６３を設けている点で、図１の実施形態と相違する。これによれば、輻射熱による混合室３５内の高温化を抑制できるから、混合室３５での部分酸化反応の開始を抑制できる。
【００５５】
（第４の実施形態）
次に、本発明を適用してなる第４の実施形態について説明する。図９は、本実施形態の改質器の要部を示す断面図である。以下、上述した第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５６】
本実施形態の改質器７１は、都市ガスと水蒸気と空気との混合ガスを導入するガス導入ノズル７３が混合室３５内に側面から延在して設けられ、このガス導入ノズル７３と起動バーナ３９との間の空間に逆火防止部材として絞り部３７に代えて複数の孔を有する多孔板７５を備えている点で、第１の実施形態と相違する。
【００５７】
この多孔板７５は、各孔内を通過するガス流速が通常運転時において所定流速（例えば、１．２ｍ／ｓ）以上となるように設定されるため、絞り部３７と同様の効果が得られる。
【００５８】
また、混合室３５における逆火を防止するため、多孔板７５に設けた複数の孔のうち、一つ（または一部）だけ開口面積を他の孔より例えば２割ほど大きく形成し、この孔の部分に温度計測器４５を設置して、第１の実施形態と同様の制御を行うようにする。ここで、温度計測器４５を設置した孔部分はガス流速が他の孔に比べて遅くなり、逆火し易くなっている。このため、同部分の温度を計測し、補助燃料の供給量、燃料電池７の出力電流、熱交換器１９に供給する水量の少なくとも一つを制御することにより、混合ガスの流路全体の逆火を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明を適用してなる水素製造装置を含んでなる第１の実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の改質器の要部を示す断面図である。
【図３】従来の改質器を有する燃料電池システムの運転において、都市ガスの供給量、混合室温度、原料予熱温度の時間変化の一例を示す図である。
【図４】原料の混合ガスにおいて水蒸気含有量と部分酸化反応の開始温度との関係を示す図である。
【図５】図１の燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図６】図１の燃料電池システムの運転において、都市ガスの供給量、混合室温度、原料予熱温度および制御因子の値の一例を示す図である。
【図７】本発明を適用してなる改質器の第２の実施形態の要部を示す断面図である。
【図８】本発明を適用してなる改質器の第３の実施形態の要部を示す断面図である。
【図９】本発明を適用してなる改質器の第４の実施形態の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１，５１，６１  改質器
７  燃料電池
９  補助燃焼器
１１  制御装置
１５  燃焼器
１７，１９，２１  熱交換器
２３  補助燃料量調整器
２５  電流調整器
２７  水流量調節器
３１  容器
３３  供給管
３５  混合室
３７  絞り部
３９  起動バーナ
４１  燃焼触媒層
４３  改質触媒層
４５  温度計測器
５３  粒子
６３  輻射熱遮蔽板
７３  ガス導入ノズル
７５  多孔板
【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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【図９】
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