(57)【要約】【課題】蒸発量の応答性に優れた水素生成装置。【解決手段】水素生成装置１は、蒸発器２２と改質器２０とを仕切る熱伝導性の外筒１０と、改質器２０に原料を供給する原料供給流路３と、原料供給流路３から分岐し水面の高さよりも低い位置で蒸発器２２に原料を供給する原料供給分岐路４と、原料供給分岐路４へ供給する原料流量を調節する分岐流量調節器３０と、蒸発器２２への水の供給量を増加させる場合に原料供給分岐路４へ供給される原料の流量を増加させ、蒸発器２２への水の供給量を減少させる場合に原料供給分岐路４へ供給される原料の流量を減少させるよう、分岐流量調節器３０を制御する制御器を備える。【選択図】図２
2019119648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器の改質反応に用いる前記水を貯留して蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器に前記水を供給する水供給器と、
前記蒸発器を加熱する加熱器と、
前記蒸発器と前記加熱器とを仕切る、熱伝導性の隔壁と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給流路と、
前記原料供給流路から分岐して設けられ、前記蒸発器の水面の高さよりも低い位置で前記蒸発器に前記原料を供給する原料供給分岐路と、
前記原料供給分岐路へ供給する原料流量を調節する分岐流量調節器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記水供給器から前記蒸発器への前記水の供給量を増加させる場合、前記分岐流量調節器により前記原料供給分岐路へ供給される前記原料の流量を増加させ、
前記水供給器から前記蒸発器への水の供給量を減少させる場合、前記分岐流量調節器により前記原料供給分岐路へ供給される前記原料の流量を減少させるよう制御する水素生成装置。
【請求項２】
前記原料供給流路および前記原料供給分岐路より前記改質器に供給される前記原料の合計は、前記改質反応を発生させるのに必要な量よりも多く供給される、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記改質器に供給される前記水は、前記改質反応を発生させるのに必要な量よりも多く供給される、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記加熱器は、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減触媒が充填されたＣＯ低減器である、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記水素生成装置は、前記ＣＯ低減器の温度を検出する温度検出器を備え、
前記制御器は、前記ＣＯ低減器の温度に応じて前記水の流量を変動させる、請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置と、酸化剤ガス及び前記水素生成装置からの水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システム。
【請求項７】
原料と水から改質反応によりした水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器の改質反応に用いる前記水を貯留して蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器に前記水を供給する水供給器と、
前記蒸発器を加熱する加熱器と、
前記蒸発器と前記加熱器とを仕切る、熱伝導性の隔壁と、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給流路と、
前記原料供給流路から分岐して設けられ、前記水面の高さよりも低い位置で前記蒸発器に前記原料を供給する原料供給分岐路と、
前記原料供給分岐路へ供給する原料流量を調節する分岐流量調節器と、
を備えた水素生成装置の運転方法であって、
前記水供給器から前記蒸発器への前記水の供給量を増加させる場合、前記分岐流量調節器により前記原料供給分岐路へ供給される前記原料の流量を増加させ、
前記水供給器から前記蒸発器への水の供給量を減少させる場合、前記分岐流量調節器により前記原料供給分岐路へ供給される前記原料の流量を減少させる水素生成装置の運転方
法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システム並びにその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が共に高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。
【０００３】
この燃料電池システムは、発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、固体高分子形燃料電池などが用いられる。
【０００４】
固体高分子形燃料電池（略称、「ＰＥＦＣ」）は、発電運転の際の動作温度が比較的低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として好適に用いられる。さて、燃料電池の多くは、発電運転の際に水素と空気中の酸素を反応させて発電を行う。しかし、それらの燃料電池において発電運転の際に必要となる水素の供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。
【０００５】
従来の燃料電池システムには、改質ガス（水素含有ガス）を生成させる改質器を備えた水素生成装置が配設されている。水素生成装置では、加熱により蒸発させた水と、既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする都市ガス、又はＬＰＧ等を原料とし、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で改質反応させ改質ガスを生成させる。
【０００６】
改質器を高温に加熱するために、改質器にはバーナー等の燃焼器が設けられている。また、改質反応により得られる改質ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと、燃料電池の発電特性を低下させる。
【０００７】
そこで、水素生成装置には、改質器の他に、２００℃〜３５０℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて一酸化炭素を低減させる、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を備えるＣＯ低減器、および１００℃〜２００℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させて更に一酸化炭素を低減させる選択酸化反応や、一酸化炭素を選択的にメタン化させて低減させるメタン化除反応等用いたＣＯ除去器が設けられることが多い。
【０００８】
また、燃料電池システムにおいては利用者の需要によって要求される電力量が変動するため、水素生成装置は、要求される燃料電池の負荷に応じた量の水素を生成する必要がある。
【０００９】
このとき、改質反応を起こす改質触媒に供給される水蒸気量が原料流量に対して少なすぎると、触媒上で炭素析出が起こり、触媒が劣化することで、水素生成装置の水素生成性能が低下する。また、水蒸気量が原料流量に対して多すぎると改質ガス中の水蒸気量が多くなるため、水素生成装置から水素利用機器に水素を供給する経路で結露が発生しやすくなり、これによって流路閉塞が生じる。
【００１０】
この結果、燃料電池の負荷に応じた量の水素が供給できなくなり、燃料電池システムの運転が継続できなくなる。そのため、負荷に対応する原料流量に応じた適切な量の水蒸気を改質器に供給する必要がある。
【００１１】
従来、この種の水素生成装置は、改質器に供給する水蒸気を、水を加熱して発生させる蒸発器を内部に一体で構成している（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
図８は、特許文献１に開示された従来の水素生成装置の構成を示す縦断面図である。
図８に示すように、従来の水素生成装置１は、燃焼器２と、原料供給流路３と、水供給流路５と、改質器２０と、ＣＯ低減器２１と、蒸発器２２とで構成されている。蒸発器２２は水を貯留しており、燃焼器２の燃焼排気ガスにより加熱されて水を蒸発させ、水蒸気を発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第５６１０８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の水素生成装置１では、燃料電池システムで要求される電力が変動する場合、水素生成装置１への水の供給量が変動し、これによって蒸発器２２内の水位が変動する。このとき、水位の変動によって蒸発器２２を加熱する燃焼器２の燃焼排気ガスから水への伝熱面積が変動するが、水位の変動速度が十分でないため、水への伝熱量の変動速度が十分でなく、蒸発量変動の応答性が十分でなかった。
【００１５】
そのため、改質器２０へ所定の水蒸気量が供給されず、炭素析出による触媒の劣化や、結露による水素供給経路の閉塞によって、燃料電池の負荷に応じた量の水素を燃料電池に供給できず、燃料電池システムの運転停止が生じるという課題を有していた。
【００１６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、蒸発量の応答性が高く、燃料電池の負荷に応じた量の水素を確実に供給し、安定した燃料電池システムの運転を可能とする水素生成装置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】
【００１７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料と水から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器の改質反応に用いる水を貯留して蒸発させる蒸発器と、蒸発器に水を供給する水供給器と、蒸発器を加熱する加熱器と、蒸発器と加熱器とを仕切る、熱伝導性の隔壁と、改質器に原料を供給する原料供給流路と、原料供給流路から分岐して設けられ、蒸発器の水面の高さよりも低い位置で蒸発器に原料を供給する原料供給分岐路と、原料供給分岐路へ供給する原料流量を調節する分岐流量調節器と、制御器と、を備え、制御器は、水供給器から蒸発器への水の供給量を増加させる場合、分岐流量調節器により原料供給分岐路へ供給される原料の流量を増加させ、水供給器から蒸発器への水の供給量を減少させる場合、分岐流量調節器により原料供給分岐路へ供給される原料の流量を減少させるよう制御する水素生成装置としたものである。
【００１８】
これにより、水の供給量が増加した場合、水面の下方より導入される原料流量を増加させることで水が押し上げられ、水と加熱器との接触面積が増加するため、加熱器から水への伝熱面積の増加を素早く行える。
【００１９】
また、水の供給量が減少した場合、水面の下方より導入される原料流量を減少させることで水が押し上げられる高さが低くなり、水と加熱器との接触面積が減少するため、加熱器から水への伝熱面積の減少を素早く行える。
【００２０】
そのため、蒸発量の応答性が高まり、負荷に対応する原料流量に応じた適切な量の水蒸気を、改質器へ安定して供給することができ、水素生成装置に要求される量の水素を確実に供給することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の水素生成装置は、水の供給量の変動が生じても、蒸発量の応答性が高いため、原料流量に応じた適切な量の水蒸気量を改質触媒に安定して供給できる。これにより、水素生成装置に要求される量の水素を確実に供給することができ、安定して燃料電池システムを運転し稼働率を向上させることで、燃料電池システムの運用による経済効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成を示す縦断面図
【図３】本発明の実施の形態１における分岐流量調節器の流量設定を説明するための全原料流量と分岐流量割合との関係を示す特性図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図
【図５】本発明の実施の形態２における水素生成装置の構成を示す縦断面図
【図６】本発明の実施の形態２における分岐流量調節器の流量設定を説明するための全原料流量と分岐流量割合との関係を示す特性図
【図７】本発明の実施の形態２におけるＣＯ低減器の温度調節方法を示すフローチャート
【図８】従来の水素生成装置の構成を示す縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
第１の発明は、原料と水から改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器の改質反応に用いる水を貯留して蒸発させる蒸発器と、蒸発器に水を供給する水供給器と、蒸発器を加熱する加熱器と、蒸発器と加熱器とを仕切る、熱伝導性の隔壁と、改質器に原料を供給する原料供給流路と、原料供給流路から分岐して設けられ、水面の高さよりも低い位置で蒸発器に原料を供給する原料供給分岐路と、原料供給分岐路へ供給する原料流量を調節する分岐流量調節器と、制御器と、を備える水素生成装置であって、制御器は、水供給器から蒸発器への水の供給量を増加させる場合、分岐流量調節器により原料供給分岐路へ供給される原料の流量を増加させ、水供給器から蒸発器への水の供給量を減少させる場合、分岐流量調節器により原料供給分岐路へ供給される原料の流量を減少させるよう制御する水素生成装置である。
【００２４】
これにより、水の供給量が増加した場合、水面の下方より導入される原料流量を増加させることによって水が押し上げられ、水と加熱器との接触面積が増加するため、加熱器から水への伝熱面積の増加を素早く行える。
【００２５】
また、水の供給量が減少した場合、水面の下方より導入される原料流量を減少させることで水が押し上げられる高さが低くなり、水と加熱器との接触面積が減少するため、加熱器から水への伝熱面積の減少を素早く行える。
【００２６】
そのため、蒸発量の応答性が高まり、負荷に対応する原料流量に応じた適切な量の水蒸気を、改質器へ安定して供給することができ、水素生成装置に要求される量の水素を確実に供給することができる。
【００２７】
第２の発明は、特に、第１の発明において、原料供給流路および原料供給分岐路より改質器に供給される原料の合計は、改質反応を発生させるのに必要な量よりも多く供給され
るものである。
【００２８】
これにより、改質反応を確実に発生させることができるので、水素生成装置に要求される量の水素を確実に生成することができる。
【００２９】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、改質器に供給される水は、改質反応を発生させるのに必要な量よりも多く供給されるものである。
【００３０】
これにより、より確実に炭素析出による改質触媒の劣化を抑制し、水素生成装置の性能低下を抑制し、水素生成装置に要求される量の水素を確実に供給することができる。
【００３１】
第４の発明は、特に、第１から第３の発明における加熱器に、ＣＯ低減触媒が充填されたＣＯ低減器を用いたものである。
【００３２】
これにより、ＣＯ低減器の温度も水の供給量に応じて素早く調節することができ、ＣＯ低減器のＣＯ低減性能の低下を抑制することができる。
【００３３】
第５の発明は、特に、第４の発明にお加えて、ＣＯ低減器の温度を検出する温度検出器を備え、制御器は、ＣＯ低減器の温度に応じて水の流量を変動させるものである。
【００３４】
これにより、温度検出器の温度に基づいて、水の供給量によりＣＯ低減器の温度を制御するため、確実にＣＯ低減器のＣＯ低減性能の低下を抑制でき、信頼性の高い水素生成装置を提供することができる。
【００３５】
第６の発明は、特に、第１から第５のいずれかの発明の水素生成装置と、酸化剤ガス及び水素生成装置からの水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムである。
【００３６】
これにより、水素生成装置に要求される量の水素を確実に供給し、安定して発電できる燃料電池システムを提供することができる。
【００３７】
第７の発明は、原料と水から改質反応によりした水素含有ガスを生成する改質器と、改質器の改質反応に用いる水を貯留して蒸発させる蒸発器と、蒸発器に水を供給する水供給器と、蒸発器を加熱する加熱器と、蒸発器と加熱器とを仕切る、熱伝導性の隔壁と、改質器に原料を供給する原料供給流路と、原料供給流路から分岐して設けられ、水面の高さよりも低い位置で蒸発器に原料を供給する原料供給分岐路と、原料供給分岐路へ供給する原料流量を調節する分岐流量調節器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、水供給器から蒸発器への水の供給量を増加させる場合、分岐流量調節器により原料供給分岐路へ供給される原料の流量を増加させ、水供給器から蒸発器への水の供給量を減少させる場合、分岐流量調節器により原料供給分岐路へ供給される原料の流量を減少させるよう制御する水素生成装置の運転方法である。
【００３８】
これにより、水の供給量が増加した場合、水面の下方より導入される原料流量を増加させると水が押し上げられ、水と加熱器との接触面積が増加するため、加熱器から水への伝熱面積の増加を素早く行える。
【００３９】
また、水の供給量が減少した場合、水面の下方より導入される原料流量を減少させることで水が押し上げられる高さが低くなり、水と加熱器との接触面積が減少するため、加熱器から水への伝熱面積の減少を素早く行える。
【００４０】
そのため、蒸発量の応答性が高まり、負荷に対応する原料流量に応じた適切な量の水蒸気を、改質器へ安定して供給することができ、水素生成装置に要求される量の水素を確実に供給することができる。
【００４１】
以下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。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１０１は、水素生成装置１と、原料供給器５１と、原料供給流路３と、水供給器５２と、水供給流路５と、燃料供給器５３と、燃料供給流路２５と、水素含有ガス供給流路２４と、燃料電池１００と、制御器５４とを備えている。
【００４３】
原料供給器５１は、原料供給流路３上に配置され原料を水素生成装置１に供給するためのポンプである。原料は、本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを用いた。水供給器５２は、水供給流路５上に配置され水を水素生成装置１に供給するためのポンプである。
【００４４】
燃料供給器５３は、燃料供給流路２５上に配置され燃料としてメタンを主成分とする都市ガスを水素生成装置１に供給するためのポンプである。燃料として供給される都市ガスは、燃焼器２での燃焼反応に使用される。
【００４５】
水素含有ガス供給流路２４は、水素生成装置１から排出される水素含有ガスを燃料電池１００に供給するための流路である。燃料電池１００は、水素生成装置１から供給される水素と、空気中の酸素とから、電気化学反応によって電力を得る。
【００４６】
制御器５４は、燃料電池システム１０１の運転を制御する。制御器５４は、信号入出力部（図示せず）と、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。
【００４７】
図２は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成を示す縦断面図である。図２に示すように、本実施の形態の水素生成装置１は、都市ガスを燃焼する燃焼器２の下方に円筒状の燃焼筒６が配置されている。
【００４８】
燃焼筒６の外側には、円筒状の内筒７が配置されている。燃焼筒６の底板１４に対向する端部は、底板１４との間にガスが流れる隙間を設けて設置される。内筒７の外側には、円筒状の外筒１０が配置されている。外筒１０の外側には、円筒状の最外筒１１が配置されている。最外筒１１の外側には円筒状の排気筒１５が配置されている。
【００４９】
外筒１０の上外板１３に対向する端部は、上外板１３との間にガスが流れる流路を設けて設置される。また、内筒７と最外筒１１とは、燃焼器２を設置している端側で中空円盤状の形状を有する上外板１３で接続されている。また、内筒７と外筒１０とは円盤形状の底板１４で接続されている。
【００５０】
また、燃焼筒６と排気筒１５は、中空円盤状の形状を有する排気板１６で接続されている。最外筒１１の排気板１６に対向する端部は、排気板１６との間にガスが流れる隙間を設けて設置される。内筒７と外筒１０との間の空間に、改質器２０が設けられている。改質器２０には、Ｒｕ系の改質触媒が設けられている。
【００５１】
外筒１０と最外筒１１の間に水を貯留して蒸発させる蒸発器２２が構成されている。蒸
発器２２は燃焼器２から排出される燃焼排気ガスにより最外筒１１を介して加熱される。また、改質器２０からの熱により外筒１０を介して加熱される。
【００５２】
蒸発器２２で生成した水蒸気と混合させるため最外筒１１に原料供給流路３が接続されている。原料供給流路３の途中から原料供給分岐路４が分岐しており、蒸発器２２で形成される水面位置よりも下方の位置で最外筒１１に接続される。
【００５３】
原料供給分岐路４上に分岐流量調節器３０が配置される。分岐流量調節器３０は流量調整弁で構成される。
【００５４】
さらに、最外筒１１に原料供給分岐路４が接続される位置よりも下方の位置に、最外筒１１に水供給流路５が接続されている。
【００５５】
改質器２０における改質反応に必要な反応熱を供給するための燃焼器２を、燃焼筒６の内側に備えている。燃焼器２には、都市ガスを供給する燃料供給流路２５が接続されている。燃焼器２は、燃焼器２に燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器２６を備えている。燃焼空気供給器２６は、燃焼ファンで構成される。外筒１０に水素含有ガス供給流路２４が設けられ、燃料電池１００に接続されている。
【００５６】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１において、以下その動作・作用を説明する。
【００５７】
水素生成装置１は、水供給流路５から供給される水を蒸発器２２に貯留して、燃焼排気ガス及び水素含有ガスの熱を受けて蒸発させるとともに、原料供給流路３と分岐流量調節器３０で流量調節された原料供給分岐路４から供給される都市ガスと水蒸気との混合ガスを都市ガスと水蒸気との改質反応を進行させる改質器２０へと導入する。
【００５８】
水供給流路５から供給される水の供給量は、原料流量と原料中の炭素１原子当りの水蒸気のモル数の比率であるスチーム・カーボン比（以下Ｓ／Ｃと記載）に基づいて設定される。
【００５９】
したがって、Ｓ／Ｃが一定であれば原料流量の増減に応じて水の供給量は増減させる。Ｓ／Ｃは改質反応を起こすのに十分な値である、２以上となるように水供給流路５からの水の供給量を制御する。ここでは、Ｓ／Ｃの基本設定は３とした。
【００６０】
原料流量は、燃料電池１００の出力に応じて設定される。燃料電池１００の出力が１００Ｗの場合、原料流量は１Ｌ／ｍｉｎ、１０００Ｗの場合１０Ｌ／ｍｉｎと設定され、原料流量は燃料電池１００の出力に応じて線形的に設定されている。
【００６１】
改質器２０を通過した改質ガスは、水素含有ガス供給流路２４を介して、外部に設置される燃料電池１００に供給される。
【００６２】
燃焼器２で生成された燃焼排気ガスは、燃焼筒６の内部を通り、底板１４にあたって折り返し、燃焼筒６と内筒７で構成される流路を通って、改質器２０を加熱する。その後、上外板１３と排気板１６で構成される流路を通り、最外筒１１と排気筒１５で構成される流路を通って蒸発器２２を加熱して、図面右下の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。
【００６３】
燃料電池１００の出力が増加した場合、原料流量が増加し、Ｓ／Ｃの設定値を満たすように水の供給量も増加する。原料流量が増加した際の、分岐流量調節器３０の流量調節方
法について下記に説明する。
【００６４】
分岐流量調節器３０に流れる原料流量は、全原料流量に基づいて設定される。全原料流量に対する分岐流量の割合を全原料流量に基づいて算出し、その割合を全原料流量と積算することで分岐流量調節器３０の流量を決定する。分岐流量割合をＲは（数１）に示す、全原料流量をＧ（Ｌ／ｍｉｎ）の関数で設定される。
【００６５】
【数１】
2019119648.tif 000003
【００６６】
（数１）の式の係数０．１５の値は、蒸発器２２へ供給される水が蒸発するよう実験的に求められた値である。
【００６７】
図３は、本発明の実施の形態１における分岐流量調節器の流量設定を説明するための全原料流量と分岐流量割合との関係を示す特性図である。
【００６８】
図３に示すように、全原料流量が多くなるほど、水の供給量が多くなり、伝熱量が必要となるため分岐流量調節器から供給される原料流量の割合は大きくなる。
【００６９】
燃料電池の出力が３００Ｗの場合、全原料流量は、３Ｌ／ｍｉｎと設定されている。このとき、分岐流量割合は０．４５となる。したがって、分岐流量調節器３０から供給される原料流量は、１．３５Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００７０】
燃料電池１００の出力を３００Ｗから４００Ｗへ負荷変動させたとき、全原料流量は３Ｌ／ｍｉｎから４Ｌ／ｍｉｎとなる。このとき、分岐流量割合は０．６となるため、分岐流量調節器３０から供給される原料流量は、２．４Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００７１】
このとき、原料供給分岐路４から供給される原料流量が増加することで、蒸発器２２に貯留されている水が押し上げられて、蒸発器２２側の外筒１０及び最外筒１１と水との接触面積が増加し、燃焼排気ガスから水への伝熱面積が大きくなるため、蒸発量が素早く増加する。
【００７２】
また、燃料電池１００の出力を４００Ｗから３００Ｗに負荷変動させた場合、分岐流量調節器３０から供給される原料流量は２．４Ｌ／ｍｉｎから１．３５Ｌ／ｍｉｎへと減少し、水面の下方より導入される原料流量による水の押し上げ高さが低くなり、蒸発器２２側の外筒１０及び最外筒１１と水との接触面積が減少し、燃焼排気から水への伝熱面積が小さくなるため、蒸発量が素早く減少する。
【００７３】
以上のように本実施の形態においては、分岐流量調節器３０により蒸発器２２に貯留されている水の水面より下部から供給される原料流量を調節することで、蒸発器２２側の外筒１０及び最外筒１１と水との接触面積が、水供給器５２から供給される水の供給量に応じて、素早くに変動し、水の供給量に応じて燃焼排気ガスや水素含有ガスから水への伝熱面積が素早く変動する。
【００７４】
その結果、蒸発量の応答性を高めることができ、負荷に対応する原料流量に応じた適切な量の水蒸気量が、改質触媒に安定して供給される。これにより、炭素析出による触媒の劣化や、結露による水素供給経路の閉塞を回避し、水素生成装置に要求される量の水素を確実に供給することができる。
【００７５】
なお、原料分岐流量割合を設定する（数１）中の係数０．１５は、原料ガスの種類に応じて変更してもよい。
【００７６】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図である。図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０２は、水素生成装置１２と、原料供給器５１と、原料供給流路３と、水供給器５２と、水供給流路５と、燃料供給器５３と、オフガス供給流路２７と、水素含有ガス供給流路２４と、燃料電池１００と、制御器５５とを備えている。
【００７７】
原料供給器５１は、原料供給流路３上に配置され原料を水素生成装置１２に供給するためのポンプである。本実施の形態では、原料にメタンを主成分とする都市ガスを用いた。
【００７８】
水供給器５２は、水供給流路５上に配置され水を水素生成装置１２に供給するためのポンプである。
【００７９】
燃料供給器５３は、オフガス供給流路２７上に配置され燃料電池１００から排出されたオフガスを燃料として水素生成装置１２に供給するためのポンプである。燃料として供給されるオフガスは燃焼器２での燃焼反応に使用される。
【００８０】
水素含有ガス供給流路２４は、水素生成装置１２から排出される水素含有ガスを燃料電池１００に供給するための流路である。
【００８１】
燃料電池１００は、水素生成装置１２から供給される水素と、空気中の酸素とから、電気化学反応によって電力を得る。
【００８２】
制御器５５は、燃料電池システム１０２の運転を制御する。制御器５５は、信号入出力部（図示せず）と、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。
【００８３】
図５は本発明の実施の形態２における水素生成装置の構成を示す縦断面図である。図５に示すように、本実施の形態の水素生成装置１２は、オフガスを燃焼する燃焼器２の下方に円筒状の燃焼筒６が配置されている。燃焼筒６の外側には、円筒状の内筒７が配置されている。燃焼筒６の内筒７に対向する端部は、底板１４との間にガスが流れる隙間を設けて設置される。
【００８４】
内筒７の外側には、円筒状の外筒１０が配置されている。外筒１０の外側には、円筒状の最外筒１１が配置されている。最外筒１１の外側には円筒状の排気筒１５が配置されている。外筒１０の上外板１３に対向する端部は、上外板１３との間にガスが流れる流路を設けて設置される。
【００８５】
また、内筒７と最外筒１１とは、燃焼器２を設置している端側で中空円盤状の形状を有する上外板１３によって接続されている。また、内筒７と外筒１０とは円盤形状の底板１４で接続されている。
【００８６】
内筒７と外筒１０との間の空間に、改質器２０が設けられている。改質器２０にはＲｕ系の改質触媒が設けられている。内筒７と外筒１０との間の空間の改質器２０の下流部には、ＣＯ低減器２１が設けられている。ＣＯ低減器２１には、Ｃｕ−Ｚｎ系のＣＯ変成触媒が設けられている。
【００８７】
外筒１０と最外筒１１の間に水を貯留して蒸発させる蒸発器２２が構成されている。蒸発器２２はＣＯ低減器２１から外筒１０を介して加熱される。蒸発器２２で生成した水蒸気と混合させるため最外筒１１に原料供給流路３が接続されている。
【００８８】
原料供給流路３の途中から原料供給分岐路４が分岐しており、蒸発器２２で形成される水面位置よりも下方の位置で最外筒１１に接続される。原料供給分岐路４上に分岐流量調節器３０が配置される。分岐流量調節器３０は流量調整弁で構成される。さらに、最外筒１１に原料供給分岐路４が接続される位置よりも下方の位置に、最外筒１１に水供給流路５が接続されている。
【００８９】
改質器２０における改質反応に必要な反応熱を供給するための燃焼器２を、燃焼筒６の内側に備えている。燃焼器２にオフガスを供給する燃料供給流路２５が接続されている。
【００９０】
燃焼器２は、燃焼器２に燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器２６を備えている。燃焼空気供給器２６は、燃焼ファンで構成される。
【００９１】
また、水素生成装置１２は、ＣＯ低減器２１におけるＣＯ変成触媒の温度を検出するＣＯ低減器温度検出器２３を備えている。ＣＯ低減器温度検出器２３は、熱電対で構成される。
【００９２】
外筒１０のＣＯ低減器２１の下部に水素含有ガス供給流路２４が設けられ、燃料電池１００に接続されている。
【００９３】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１２において、以下その動作・作用を説明する。
【００９４】
水素生成装置１２は、水供給流路５から供給される水を蒸発器２２に貯留して、ＣＯ低減器２１からの熱を受けて蒸発させるとともに、原料供給流路３と分岐流量調節器３０で流量調節された原料供給分岐路４から供給される都市ガスと水蒸気との混合ガスを、都市ガスと水蒸気との改質反応を進行させる改質器２０へと導入する。
【００９５】
水供給流路５から供給される水の供給量は、原料流量と原料中の炭素１原子当りの水蒸気のモル数の比率であるスチーム・カーボン比（以下Ｓ／Ｃと記載）に基づいて設定される。
【００９６】
したがって、Ｓ／Ｃが一定であれば原料流量の増減に応じて水の供給量は増減させる。Ｓ／Ｃは改質反応を起こすのに十分な値である、２以上となるように水供給流路５からの水の供給量を制御する。ここでは、Ｓ／Ｃの基本設定は３とした。
【００９７】
原料流量は、燃料電池１００の出力に応じて設定される。燃料電池の出力が１００Ｗの場合、原料流量は１Ｌ／ｍｉｎ、１０００Ｗの場合１０Ｌ／ｍｉｎと設定され、原料流量は燃料電池１００の出力に応じて線形的に設定されている。
【００９８】
改質器２０を通過した改質ガスは、ＣＯ低減器２１へ導入される。ＣＯ低減器２１は、改質器２０で生成した改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、改質ガスの一酸化炭素濃度を低減させる。ＣＯ低減器２１を通過した水素含有ガスは、水素含有ガス供給流路２４を介して、外部に設置される燃料電池１００に供給される。
【００９９】
燃焼器２で生成された燃焼排気ガスは、燃焼筒６の内部を通り、底板１４にあたって折
り返し、燃焼筒６と内筒７で構成される流路を通り、改質器２０を加熱して、図面右上の排出口から、水素生成装置１２の外部へ排気される。
【０１００】
燃料電池の出力が増加した場合、原料流量が増加し、Ｓ／Ｃの設定値を満たすように水の供給量も増加する。
【０１０１】
分岐流量調節器３０の流量調節方法について説明する。
【０１０２】
分岐流量調節器３０に流れる原料流量は、全原料流量およびＳ／Ｃ設定値に基づいて設定される。全原料流量に対する分岐流量の割合を、全原料流量およびＳ／Ｃ設定値から求めて算出し、その割合を全原料流量と積算することで分岐流量調節器３０の流量を決定する。
【０１０３】
分岐流量割合をＲ（Ｌ／ｍｉｎ）は、（数２）に示す、全原料流量Ｇ（Ｌ／ｍｉｎ）、Ｓ／Ｃ設定値Ｗの関数で設定される。
【０１０４】
【数２】
2019119648.tif 000004
【０１０５】
（数２）の式の係数０．１や０．０３の値は、蒸発器２２へ供給される水が蒸発するよう実験的に求められた値である。
【０１０６】
図６は、本発明の実施の形態２における分岐流量調節器の流量設定を説明するための全原料流量と分岐流量割合との関係を示す特性図である。
【０１０７】
図６に示すように全原料流量が多くなるほど、また、Ｓ／Ｃ設定値が大きくなるほど、水の供給量が多くなり、伝熱量が必要となるため分岐流量調節器から供給される原料流量の割合は大きくなる。
【０１０８】
燃料電池１００の出力が３００Ｗの場合、全原料流量は、３Ｌ／ｍｉｎと設定されている。このとき、Ｓ／Ｃ設定値は３であるため、分岐流量割合は０．３９となる。したがって、分岐流量調節器３０から供給される原料流量は、１．１７Ｌ／ｍｉｎとなる。
【０１０９】
燃料電池の出力が４００Ｗに負荷変動したとき、全原料流量が４Ｌ／ｍｉｎとなる。このとき、分岐流量割合は０．４９となるため、分岐流量調節器から供給される原料流量は１．９６Ｌ／ｍｉｎとなる。
【０１１０】
このとき、分岐流量調節器３０から流れる原料流量を増加させることで、蒸発器２２に貯留されている水が押し上げられて、蒸発器２２側の外筒１０と水との接触面積が増加して、ＣＯ低減器２１から水への伝熱面積が大きくなるため、蒸発量が素早く増加する。
【０１１１】
また、燃料電池１００の出力を４００Ｗから３００Ｗに負荷変動させた場合、分岐流量調節器３０から供給される原料流量は１．９６Ｌ／ｍｉｎから１．１７Ｌ／ｍｉｎへと減少し、水面の下方より導入される原料流量による水の押し上げ高さが低くなり、蒸発器２２側の外筒１０及び最外筒１１と水との接触面積が減少し、蒸発器２２側の外筒１０と水との接触面積が減少し、ＣＯ低減器２１から水への伝熱面積が小さくなるため、蒸発量が素早く減少する。
【０１１２】
また、水素生成装置１２は、ＣＯ低減器温度検出器２３で検知されるＣＯ変成触媒の温度に基づいて、Ｓ／Ｃを変動させＣＯ変成触媒を所定温度範囲に保つ。ＣＯ変成触媒の温度をＴ１とする。所定温度範囲とは、ＣＯ変成触媒のＣＯ低減性能を低下させないために保つ温度範囲であり、ここでは１７０℃以上４２０℃以下とした。
【０１１３】
図７は本発明の実施の形態２におけるＣＯ低減器の温度調節方法を示すフローチャートである。
【０１１４】
まず、Ｔ１が１７０℃以上４２０℃以下かどうかを判定し（ステップＳ１０１）、１７０℃以上４２０℃以下であればステップＳ１０１に戻る。１７０℃以上４２０℃以下でなければ、ステップＳ１０２に移動する。
【０１１５】
ステップＳ１０２でＴ１が４２０℃より大きいかどうか判定し、４２０℃より大きければ、ステップＳ１０３に移動する。４２０℃以下であればステップＳ１０６に移動する。ステップＳ１０３でＳ／Ｃを０．１増加させ、５分間待機する（ステップＳ１０４）。その後、１７０℃以上４２０℃以下であれば終了し、１７０℃以上４２０℃以下でなければ、ステップＳ１０２に移行する。
【０１１６】
ステップＳ１０２で４２０℃以下であった場合は、ステップＳ１０６でＳ／Ｃが２．１以上かどうか判定する。Ｓ／Ｃが２．１以上であれば、ステップＳ１０７でＳ／Ｃを０．１減少させ、ステップＳ１０４で５分間待機し、ステップＳ１０５に移行する。
【０１１７】
ステップＳ１０６でＳ／Ｃが２．１以上でなければ、Ｓ／Ｃをこれ以上低下させると改質反応を起こすのに十分な水蒸気量を供給することができないので、これ以上のＳ／Ｃの変更は行わず、終了する。
【０１１８】
以上のように本実施の形態においては、分岐流量調節器３０により蒸発器２２に貯留されている水の水面より下部から供給される原料流量を調節することで、蒸発器２２側の外筒１０及び最外筒１１と水との接触面積が、水供給器５２から供給される水の供給量に応じて、素早く変動し、水の供給量に応じて燃焼排気ガスや水素含有ガスから水への伝熱面積が素早く変動する。
【０１１９】
その結果、蒸発量の応答性を高めることができ、負荷に対応する原料流量に応じた適切な量の水蒸気量が、改質触媒に安定して供給される。これにより、炭素析出による触媒の劣化や、結露による水素供給経路の閉塞を回避し、水素生成装置に要求される量の水素を確実に供給することができる。
【０１２０】
また、ＣＯ低減器温度検出器２３で検出されるＣＯ低減器２１の温度に応じて、水の供給量を変動させるが、このときも分岐流量調節器３０により蒸発器２２に貯留されている水の水面より下部から供給される原料流量を調節させるため、ＣＯ低減器２１から水へ伝熱の面積を素早く変動させることができるため、ＣＯ低減器２１の温度追従性がよく、ＣＯ低減性能の低下を抑制することができる。
【０１２１】
なお、Ｓ／Ｃの設定値は燃料電池１００の出力に応じて変更してもよい。
【０１２２】
なお、原料分岐流量割合を設定する（数２）に示す式中の係数０．１、および０．０３の値は、原料ガスの種類に応じて変更してもよい。
【０１２３】
なお、分岐流量調節器３０は原料供給分岐路４の分岐点より下流の原料供給流路３上に配置してもよい。上記の説明から、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、その構造及び／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】
【０１２４】
以上のように本発明の水素生成装置は、蒸発量の応答性に優れるので、要求される水素生成量の変動速度が比較的速い用途、例えば、発電量の変動速度が比較的速い燃料電池システムに好適である。
【符号の説明】
【０１２５】
１  水素生成装置
２  燃焼器
３  原料供給流路
４  原料供給分岐路
５  水供給流路
６  燃焼筒
７  内筒
１０  外筒
１１  最外筒
１２  水素生成装置
１３  上外板
１４  底板
１５  排気筒
１６  排気板
２０  改質器
２１  ＣＯ低減器
２２  蒸発器
２３  ＣＯ低減器温度検出器
２４  水素含有ガス供給流路
２５  燃料供給流路
２６  燃焼空気供給器
２７  オフガス供給流路
３０  分岐流量調節器
５１  原料供給器
５２  水供給器
５３  燃料供給器
５４  制御器
５５  制御器
１００  燃料電池
１０１  燃料電池システム
１０２  燃料電池システム
【図１】
2019119648.tif 000005
【図２】
2019119648.tif 000006
【図３】
2019119648.tif 000007
【図４】
2019119648.tif 000008
【図５】
2019119648.tif 000009
【図６】
2019119648.tif 000010
【図７】
2019119648.tif 000011
【図８】
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