(57)【要約】      （修正有）【課題】水素生成装置の運転方法において、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減する方法の提供。【解決手段】水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器２に供給するための流路をリサイクル流路６とするとき、リサイクル流路６に流入する前の水素含有ガス及びリサイクル流路６に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方を冷却し、水素含有ガス中の水分を凝縮分離するステップと、気液分離８するステップを経た水素含有ガスの温度が低下すると、改質器４への原料供給量に対する改質器４への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップ、及び水素含有ガスのうちリサイクル流路６に流入する水素含有ガスの比率を低下させるステップの少なくともいずれか一つと、を備える、水素生成装置１００の運転方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水添脱硫器により、原料中の硫黄化合物を除去するステップと、
改質器により、水蒸気及び前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、
前記水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器に供給するための流路をリサイクル流路とするとき、前記リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及び前記リサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方が冷却されて、水素含有ガスから生成した凝縮水を気液分離するステップと、
前記気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が低下すると、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップ、及び前記水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させるステップの少なくともいずれか一つと、を備える、水素生成装置の運転方法。
【請求項２】
前記改質器への原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップは、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への水蒸気供給量の比率を増加させるステップである、請求項１に記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項３】
前記改質器への原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップは、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への改質用空気供給量の比率を増加させるステップである、請求項１に記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項４】
さらに、前記気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が上昇すると、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を低下させるステップ、及び前記水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を増加させるステップとの少なくともいずれか一つを備える、請求項１ないし３のいずれかに記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項５】
原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、
水蒸気及び前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器から排出される前記水素含有ガスの一部をリサイクルして前記水添脱硫器に供給するためのリサイクル流路と、
前記リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及び前記リサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方を冷却し、水素含有ガス中の水分を凝縮分離する気液分離器と、
前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率及び水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率の少なくともいずれか一方を調整するガス供給量比調整器と、
前記気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させること及び水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、前記ガス供給量比調整器を制御する制御器と、を備える、水素生成装置。
【請求項６】
前記ガス供給量比調整器は、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器を含み、
前記制御器は、前記改質器への水蒸気供給量を増加させることで、前記改質器への水素含有ガス供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されている、
請求項５に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記ガス供給量比調整器は、前記改質器に空気を供給する空気供給器を含み、
前記制御器は、前記改質器への空気供給量を増加させることで、前記改質器への水素含有ガス供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されている、
請求項５に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記制御器は、前記気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率が低下すること、及び、前記水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を増加させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、前記ガス供給量比調整器を制御するように構成されている、
請求項５ないし７のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項９】
請求項５ないし８のいずれか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。
【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の運転方法、水素生成装置を備えた燃料電池システムに関する。より詳細には、水添脱硫器を備えた、水素生成装置及びその運転方法、かかる水素生成装置を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、原燃料供給路を通して供給される炭化水素を含む原燃料の脱硫処理を行う脱硫器と、水蒸気の存在下で脱硫処理後の原燃料の改質反応を行って、水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から水素含有ガス供給路を通して供給される水素含有ガスを用いて発電反応を行う燃料電池セル部と、水素含有ガス供給路の途中と原燃料供給路の途中とを接続して改質器で生成された水素含有ガスの一部を原燃料供給路に流入させるリサイクルガス供給路とを備え、さらに、該リサイクルガス供給路を通過する水素含有ガスの一部に含まれる水分を凝縮する凝縮器と、当該凝縮器で凝縮された凝縮水を排出する排出器とをリサイクルガス供給路の途中に備える、固体酸化物形燃料電池システムを開示する（請求項２）。かかる構成では、原燃料に添加される水素含有ガスから水分を有効に除去でき、原燃料供給路への水分の混入及び昇圧手段への水分の混入を防止できる旨の記載がある（段落０００９）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１６３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料に添加される水素含有ガスの温度が変動した場合の影響が十分に評価されていなかった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に対応するもので、水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムにおいて、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の水素生成装置の運転方法の一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、水添脱硫器により、原料中の硫黄化合物を除去するステップと、改質器により、水蒸気及び前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、前記水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器に供給するための流路をリサイクル流路とするとき、前記リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及び前記リサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方が冷却されて、水素含有ガス中から生成した凝縮水を気液分離するステップと、前記気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が低下すると、前記改質器への原料供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップ、及び前記水素含有ガスのうち前記リサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させるステップの少なくともいずれか一つと、を備える。
【０００７】
本発明の水素生成装置の一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水蒸気及び前記水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器から排出される前記水素含有ガスの一部をリサイクルして前記水添脱硫器に供給するためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及び前記リサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方を冷却し、水素含有ガス中の水分を凝縮分離する気液分離器と、前記改質器への水素含有ガス供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率を調整するガス供給量比調整器と、前記気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、前記改質器への水素含有ガス供給量に対する前記改質器への酸素含有ガス供給量の比率が増加するよう、前記ガス供給量比調整器を制御する制御器と、を備える。
【０００８】
本発明の燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、上記水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、水素生成装置及びこれを備える燃料電池システムにおいて、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減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】
【００１０】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、第１実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図３は、気液分離器を通過した後のリサイクルガスの温度と改質器への水供給量との関係の一例を示す図である。
【図４】図４は、第２実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【図５】図５は、第３実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図６は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
従来の水素生成装置では、気液分離器を通過した後の冷却温度が変動すると、気液分離器を通過した後のリサイクルガスに含まれる水蒸気の量が変動し、改質器への水蒸気供給量も変動するが、その影響について検討されていなかった。
【００１２】
例えば、改質器で生成される水素含有ガスの一部を分岐したリサイクルガスを冷媒で冷却して、リサイクルガス中の水分を凝縮分離してから水添脱硫器へ供給する場合、凝縮分離された水は改質器へ戻らない。そのため、例えば外気温の低下に伴い冷媒の温度が低下すると、冷媒で冷却された後のリサイクルガスの温度が低くなり、リサイクルガス中の水蒸気量が低下し、改質器内のガスのＯ／Ｃが低くなってしまう。その結果、改質触媒上での炭素が析出する可能性が高まる、という課題があった。
【００１３】
ここで、Ｏ／ＣとはOxygen/Carbonの略号であり、改質器に供給されるガス全体に含まれる酸素原子数（モル）の、炭素原子数（モル）に対する割合である。Ｏ／Ｃは、炭素が析出する可能性の指標の一つとして一般的に用いられる。
【００１４】
上記のような問題への対処法として、外気温度の変動に伴うリサイクルガス中の水蒸気量の変動を受けない程度に、通常運転時における水供給量を予め過剰にしておくことも考えられる。しかしながら、過剰な水を水蒸気に転換して改質器に供給することから、エネルギー効率が低下するという課題がある。
【００１５】
そこで本発明者らは、気液分離器を通過した後のリサイクルガスの温度に応じて、Ｏ／Ｃの変動が低減されるようにガスの供給量比を調整することに想到した。具体的には、例えば、冷却された後のリサイクルガスの温度が低下すると、改質器への水素含有ガスの供給量に対する改質器への酸素含有ガスの供給量の比を増加させる。すなわち、改質器への原料供給量を基準として、水素含有ガスの供給量および酸素含有ガスの供給量の比を調整することで、Ｏ／Ｃの変動を低減できる。
【００１６】
より具体的には、例えば、改質器への原料供給量を基準として、リサイクルガス（水素含有ガス）の改質器への供給量を減らすこと、水蒸気（酸素含有ガスの一種）の改質器への供給量を増加させること、空気（酸素含有ガスの一種）の改質器への供給量を増加させること等が考えられる。
【００１７】
かかる構成では、水添脱硫器へとリサイクルされるガスの温度が低下して本来であればＯ／Ｃが低下するはずのところ、ガスの供給量比を調整することでＯ／Ｃが低下しにくくなるため、改質触媒上での炭素が析出する可能性を低減できる。
【００１８】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したものである。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
【００２０】
（第１実施形態）
第１実施形態の水素生成装置の運転方法は、水添脱硫器により、原料中の硫黄化合物を除去するステップと、改質器により、水蒸気及び水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成するステップと、水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器に供給するための流路をリサイクル流路とするとき、リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及びリサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方が冷却されて、水素含有ガス中から生成した凝縮水を気液分離するステップと、気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が低下すると、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップ及び水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させるステップの少なくともいずれか一つと、を備える。
【００２１】
かかる構成では、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することができる。
【００２２】
上記運転方法において、改質器への原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップは、改質器への原料供給量に対する改質器への水蒸気供給量の比率を増加させるステップであってもよい。
【００２３】
上記運転方法において、改質器への原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップは、改質器への原料供給量に対する改質器への改質用空気供給量を増加させるステップであってもよい。
【００２４】
上記運転方法において、改質器への原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させるステップは、改質器への原料供給量に対するリサイクル流路を介した改質器への水素含有ガス供給量を低下させるステップであってもよい。
【００２５】
第１実施形態の水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水蒸気及び水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から排出される水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器に供給するためのリサイクル流路と、リサイクル流路に流入する前の水素含有ガス及びリサイクル流路に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方を冷却し、水素含有ガス中の水分を凝縮分離する気液分離器と、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率及び水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率の少なくともいずれか一方を調整するガス供給量比調整器と、気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させること及び水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、ガス供給量比調整器を制御する制御器と、を備える。
【００２６】
かかる構成では、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することができる。
【００２７】
上記水素生成装置において、ガス供給量比調整器は、改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器を含み、制御器は、改質器への水蒸気供給量を増加させることで、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されていてもよい。
【００２８】
上記水素生成装置において、ガス供給量比調整器は、改質器に空気を供給する空気供給器を含み、制御器は、改質器への空気供給量を増加させることで、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されていてもよい。
【００２９】
上記水素生成装置において、ガス供給量比調整器は、リサイクル流路を介した改質器への水素含有ガス供給量を調整する流量調整器を含み、制御器は、リサイクル流路を介した改質器への水素含有ガス供給量を低下させることで、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を増加させるように構成されていてもよい。
【００３０】
図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１を参照しつつ、第１実施形態の水素生成装置１００について説明する。
【００３１】
図１に示す例において、水素生成装置１００は、水添脱硫器２と、改質器４と、リサイクル流路６と、気液分離器８と、ガス供給量比調整器１０と、制御器１２とを備えている。
【００３２】
水添脱硫器２は、原料中の硫黄化合物を除去する。より具体的には、水添脱硫器２は、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する。水素は、例えば、改質器４から排出される水素含有ガスに含まれる水素を利用しうる。具体的には、例えば、改質器４から排出された水素含有ガスが、改質器４に接続された水素含有ガス流路から分岐するリサイクル流路６を経由して、原料供給路へと供給されてもよい。原料供給路は、水添脱硫器２に原料を供給する流路である。
【００３３】
原料は、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むガス、灯油、及びメタノール、エタノール等のアルコールとすることができる。都市ガスとは、ガス会社からガスインフラを通じて各家庭などに供給されるガスをいう。
【００３４】
硫黄化合物は、付臭成分として人為的に原料へ添加されるものであってもよいし、原料自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。具体的には、ターシャリブチルメルカプタン（ＴＢＭ：tertiary-butylmercaptan）、ジメチルスルフィド（ＤＭＳ：dimethyl sulfide）、テトラヒドロチオフェン（ＴＨＴ：tetrahydrothiophene）、硫化カルボニル（ＣＯＳ：carbonyl sulfide）、硫化水素（hydrogen sulfide）等が例示される。
【００３５】
水添脱硫器２には、水添脱硫剤が充填されている。水添脱硫剤としては、例えば、水添反応により硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ系触媒、及び、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｆｅ系触媒等）を用いることができる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒及びＣｕＺｎ系触媒の少なくともいずれか一方とで構成してもよい。
【００３６】
水添脱硫剤は、常温よりも高い所定の温度まで加熱されて用いられてもよい。上記所定の温度は、水添脱硫に必要な温度として定義され、例えば、摂氏２００〜３００度であってもよい。なお、水添脱硫器２の加熱方法としては、水添脱硫器２へ流入するガスを加熱することにより、流入ガス温度を調整する構成としてもよい。
【００３７】
水添脱硫器２を加熱して、水添脱硫器２の内部の反応温度を調整する構成としてもよい。
【００３８】
改質器４は、水蒸気及び水添脱硫器から供給される原料を用いて水素含有ガスを生成する。改質器４で進行する改質反応は、例えば、水蒸気改質反応（ＳＲ）、酸化的水蒸気改質反応（ＯＳＲ）等が挙げられる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられてもよい。
【００３９】
改質器４には、内部に改質触媒が配設されている。この改質触媒によって、改質反応が進行し、原料及び水から水素含有ガスを生成することができる。改質反応に要する熱は例えば燃焼器（図示せず）から供給されてもよい。改質触媒には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等の貴金属系触媒及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。本実施の形態の水素生成装置では、Ｒｕを含む改質触媒が用いられる。白金及びルテニウムの少なくともいずれか一方を含浸したアルミナ担体を用いてもよい。改質器４が水蒸気供給器の蒸発器を内蔵する構成であってもよい。
【００４０】
リサイクル流路６は、改質器４から排出される水素含有ガスの一部をリサイクルして水添脱硫器２に供給するための流路である。水素生成装置１００が外部に水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路と、リサイクル流路６との間の分流比は、例えば、両流路の配管径で調整してもよいし、少なくともいずれか一方の流路に流量調整弁を設置して調整してもよい。
【００４１】
気液分離器８では、リサイクル流路６に流入する前の水素含有ガス及びリサイクル流路６に流入した後の水素含有ガスの少なくともいずれか一方が冷却され、水素含有ガスから生じた凝縮水と水素含有ガスとが分離される。なお、水素含有ガスを冷却する構成としては、リサイクル流路６が自然冷却される構成であってもよい。また、冷媒によりリサイクル流路６内の水素含有ガスを冷却する冷却器を用いる構成であってよい。冷媒としては、例えば、筐体内の空気、外部から取り込んだ空気、貯湯タンク内の水等を用いることができる。気液分離器８で生成された液体の水は、水素生成装置１００の外部へと排出されてもよい。図では、気液分離器８がリサイクル流路６に設けられているが、気液分離器８は、リサイクル流路６が分岐する分岐部よりも上流側の水素含有ガス流路に設けられていてもよい。
【００４２】
気液分離器８から排出された水素含有ガスは、リサイクル流路６と原料供給路との合流部において、原料と合流して、水添脱硫器２へと供給される。
【００４３】
ガス供給量比調整器１０は、改質器４への原料供給量に対する改質器４への酸素含有ガス供給量の比率及び水素含有ガスのうちリサイクル流路６に流入する水素含有ガスの比率の少なくともいずれか一方を調整する。改質器４への水素含有ガス供給量は、水添脱硫器２への供給される水素含有ガスの量である。水素含有ガスは、水添脱硫器２を介して改質器４へと供給される。
【００４４】
ここでいう水素含有ガスは、リサイクルガス（リサイクル流路６を経由して改質器４へ供給される水素含有ガス、以下「リサイクルガス」という）である。リサイクルガスには、改質器４での改質反応に由来する一酸化炭素、二酸化炭素、及び未改質の原料などが含まれており、これに炭素原子が含まれている。
【００４５】
「水素含有ガスのうちリサイクル流路６に流入する水素含有ガスの比率」とは、いわゆる分流比をいい、例えば、改質器４により生成される水素含有ガスの全量に対する、リサイクル流路６に流入する水素含有ガスの割合とすることができる。
【００４６】
酸素含有ガスは、改質器に供給される水蒸気及び空気の少なくともいずれか一方のガスである。酸素含有ガスには、酸素原子が含まれているものの、炭素原子は実質的には含まれていない。
【００４７】
水素含有ガスと酸素含有ガスとではＯ／Ｃが大きく異なる。原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を調整することで、あるいは、水素含有ガスのうちリサイクル流路６に流入する水素含有ガスの比率を調整することで、改質器４に供給されるガスのＯ／Ｃを制御することができる。酸素含有ガスが純粋な水蒸気である場合、酸素含有ガスのＯ／Ｃは計算不能（無限大）となるが、水蒸気を増減することは改質器に供給される酸素を増減することになるから、水蒸気供給量の比率を調整することで、改質器でのＯ／Ｃを制御することができる。
【００４８】
ガス供給量比調整器１０としては、具体的には例えば、水蒸気供給量を調整可能な水蒸気供給器、改質用空気供給量を調整可能な改質用空気供給器、及び、リサイクルガス供給量を調整可能な流量調整器等が挙げられる。
【００４９】
制御器１２は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器４への原料供給量に対する改質器４への酸素含有ガス供給量の比率を増加させること及び水素含有ガスのうちリサイクル流路６に流入する水素含有ガスの比率を低下させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、ガス供給量比調整器１０を制御する。
【００５０】
制御器１２は、制御機能を有するものであればよく、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。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００５１】
気液分離器８を通過した水素含有ガスの温度が低下すると、水素含有ガスの露点が下がり、水素含有ガスに含まれる水分量が低下する。その結果、水蒸気に対してＣＯ、ＣＯ２及び未改質の原料の濃度が上昇し、水素含有ガスのＯ／Ｃは低下する。Ｏ／Ｃの低下を放置すると、改質器４に供給されるガス全体のＯ／Ｃが低下し、炭素が析出する可能性が高まる。Ｏ／Ｃが低下するということは、Ｃ原子の量がＯ原子の量に対して増加して、炭素が過剰になりやすくなるからと考えられる。
【００５２】
気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度は、これを検知する検知器（図示せず）により検知される。この検知器は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度を直接検知する検知器であってもよいし、間接的に検知する検知器であってもよい。気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度を間接的に検知する検知器は、水素含有ガスの冷却にリサイクル流路６を自然冷却する構成を採用している場合、筐体内または筐体外の空気温度を検知する検知器であってもよい。また、水素含有ガスの冷却に冷媒によりリサイクル流路６内の水素含有ガスを冷却する冷却器を採用している場合、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度を間接的に検知する検知器は、冷媒の温度を検知する検知器であってもよい。また、上記空気温度または冷媒温度と相関する時間を計測する検知器であってもよい。例えば、空気または水の温度は、日時に相関して変動するので、これを計測する検知器を、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度を間接的に検知する検知器として用いてもよい。なお、温度または時間を検知する検知器の具体的な構成は特に限定されない。
【００５３】
本実施形態の構成によれば、冷却後の水素含有ガスの温度が低下した場合に、原料供給量に対する酸素含有ガス供給量の比率を増加させることにより、あるいは、水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を低下させることにより、改質器４でのＯ／Ｃの低下を緩和し、炭素が析出する可能性を低減することができる。
【００５４】
（第１実施例）
図２は、第１実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図２を参照しつつ、第１実施例の水素生成装置１１０について説明する。
【００５５】
図２に示す例において、水素生成装置１１０は、水添脱硫器２２と、改質器２４と、リサイクルガス流路２６と、気液分離器２８と、温度検知器３０と、原料供給路３４と、水蒸気供給器３６と、制御器３８と、水蒸気供給路４０と水素含有ガス流路４２とを備えている。
【００５６】
水添脱硫器２２と、改質器２４とは、それぞれ、第１実施形態の水素生成装置１００が備える水添脱硫器２と、改質器４と同様の構成とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００５７】
リサイクルガス流路２６は、水素含有ガス流路４２から分岐し、気液分離器８の代わりに気液分離器２８が設けられ、その下流に温度検知器３０が設けられ、さらにその下流から凝縮水流路３２が分岐している点を除けば、リサイクル流路６と同様の構成とすることができる。
【００５８】
気液分離器２８は、生成された液体の水を、リサイクルガス流路２６から分岐する凝縮水流路３２を介して排出する点を除けば、気液分離器８と同様の構成とすることができる。
【００５９】
温度検知器３０は、気液分離器２８を通過した後の水素含有ガスの温度を検知する。温度検知器３０の具体的な構成は特に限定されない。温度検知器３０は、例えば、気液分離器２８を通過した後の水素含有ガスの温度を直接検知してもよいし、気液分離器２８が冷却に用いる冷媒の温度を検知することで、気液分離器２８を通過した後の水素含有ガスの温度を間接的に検知してもよい。
【００６０】
凝縮水流路３２は、リサイクルガス流路２６から分岐し、気液分離器２８で生成された液体の水を水素生成装置１１０の外部へと排出する流路である。
【００６１】
原料供給路３４は、原料を改質器２４に供給する流路である。原料供給路３４は水添脱硫器２２の上流側において、リサイクルガス流路２６の下流端が接続されている。かかる構成により、リサイクルガスは原料と混合されて水添脱硫器２２へと供給される。
【００６２】
図示していないが、原料供給路３４に、原料流量調整器が設けられていてもよい。原料流量調整器としては、ダイアフラムポンプなどの流体搬送装置を用いてもよいし、ニードル弁等の流量調整弁を用いてもよい。
【００６３】
水蒸気供給器３６は、液体の水から水蒸気を生成し、水蒸気供給路４０を介して改質器２４へと水蒸気を供給する。水蒸気供給器３６に供給される液体の水は、水素生成装置１１０の外部から供給されてもよいし、例えば気液分離器２８から凝縮水流路３２を通じて排出される液体の水であってもよい。
【００６４】
水蒸気供給器３６は、水蒸気を生成する蒸発器と蒸発器に水を供給する水供給器とを備える。水供給器としては、例えば、ギアポンプおよびプランジャポンプ等の容量式ポンプを用いてもよい。蒸発器は、例えば、電気ヒータ、燃焼器からの燃焼ガス等で加熱される構成であってもよい。
【００６５】
水蒸気供給器３６は、改質器２４への水蒸気供給量を調整できるように構成されている。具体的には、蒸発器に供給される熱量及び液体の水の少なくともいずれか一方を制御してもよいし、流量調整弁等により、蒸発器で発生した水蒸気を改質器２４へ送る量を制御してもよい。
【００６６】
制御器３８は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器４への原料供給量に対する改質器４への酸素含有ガス供給量の比率が増加するよう、水蒸気供給器３６を制御する。すなわち第１実施例において、水蒸気供給器３６は、第１実施形態のガス供給量比調整器１０に相当する。第１実施例における酸素含有ガスは水蒸気を含む。
【００６７】
制御器３８は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器２４への原料供給量に対する改質器２４への水蒸気供給量が増加するように、水蒸気供給器３６を制御する。このとき、改質器２４への原料供給量は一定でもよい。
【００６８】
例えば、水素生成装置１１０が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が増加して、改質器２４への原料供給量が増加する場合には、改質器２４への原料供給量が増加する程度以上に、改質器２４への水蒸気供給量を増加させてもよい。
【００６９】
例えば、水素生成装置１１０が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が減少して、改質器２４への原料供給量が減少する場合には、改質器２４への原料供給量が減少する分だけ、改質器２４への水蒸気供給量を増加させる程度が小さくなってもよい。
【００７０】
すなわち、「改質器２４への原料供給量に対する改質器２４への水蒸気供給量が増加する」とは、改質器２４への原料供給量に対して相対的に水蒸気供給量を増加させることをいう。したがって、改質器２４への原料供給量が少なくなる場合には、改質器２４への原料供給量に対して相対的に水蒸気供給量が増加するなら、水蒸気供給量を増加させなくてもよいし、減少させてもよい。
【００７１】
以上の点を除けば、制御器３８は、第１実施形態の制御器１２と同様の構成とすることができる。
【００７２】
図３は、気液分離器２８を通過した後のリサイクルガスの温度と改質水流量との関係の一例を示す図である。改質水流量とは、蒸発器に供給される水の量であり、水蒸気供給器３６から改質器２４へ供給される水蒸気の供給量に比例する。
【００７３】
図に示すように、気液分離器２８を通過した後のリサイクルガスの温度が低くなるにつれて、改質器２４でのＯ／Ｃの低下を抑制するために改質水流量は増加する。逆に言えば、気液分離器２８を通過した後のリサイクルガスの温度が低くなっても、改質水流量を増加させることで、すなわち水蒸気供給器３６から改質器２４へ供給される水蒸気の量を増やすことで、改質器２４の内部のＯ／Ｃの低下を抑制することができる。
【００７４】
本実施例においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００７５】
（第１実施例におけるシミュレーション例）
［実施例］
図２の構成において、第１実施例に基づいて運転を行った場合のシミュレーション結果、すなわちシステム各部および全体の物質とエネルギーバランス計算から求まる各流体の温度および流量について説明する。
【００７６】
本実施例においては、温度検知器３０で検知された、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、制御器３８からの指示により、改質水供給流量を制御する。
【００７７】
改質水流量は、図３に示すような、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度と改質水流量の相関式を用いて、水蒸気供給器３６により制御される。
【００７８】
なお、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度とＯ／Ｃの設定値との相関式を用いて制御してもよい。本実施例においては、予め設定した改質器２４でのＯ／Ｃを２．５０としている。
【００７９】
気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏４０度から摂氏５度に変化すると、改質器２４でのＯ／Ｃを、予め設定したＯ／Ｃである２．５０に維持するために、制御器３８からの指示によって、改質器２４への水蒸気供給量が６．３６ＳＬＭとなるよう蒸発器への改質水供給量を変更する。
【００８０】
この場合、水蒸気供給路４０へ供給される改質水流量と原料供給路３４へ供給される原料の組成および流量から計算されるＯ／Ｃの設定値は２．６９となる。
【００８１】
ここで、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏５度の場合、冷却により、水素含有ガス中の水蒸気０．４５ＳＬＭが凝縮分離され、凝縮水流路１５へと排出される。
【００８２】
凝縮水が分離された水素含有ガス０．６４ＳＬＭは、原料供給路３４へと供給され、燃料と合流して水添脱硫器２２へと供給される。
【００８３】
ここで、リサイクルガス組成は、ＣＨ４：Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２が２４．１：５８．４：０．９：２．３：１４．３の比率（モル比）で構成される。
【００８４】
原料供給路３４から供給された２．０３ＳＬＭの都市ガスは、リサイクルガス流路２６から供給されるリサイクルガス０．６４ＳＬＭと合流して、水添脱硫器２２へと供給される。
【００８５】
ここで、リサイクルガス流路２６から原料供給路３４へ合流するリサイクルガスのＯ／Ｃは０．７８であるため、改質器２において合流後ガスのＯ／Ｃは２．５０となる。
【００８６】
上述のように、温度検知器３０で検知された、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、改質水供給流量を制御することにより、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏５度に変化した場合においても、改質器２におけるＯ／Ｃを、予め設定した２．５０のまま一定に保持することができる。そのため、外気温度や冷却水温度が低下した場合においても、改質器２４で炭素が析出する可能性を低減できる。
【００８７】
なお、本実施例においては、改質水流量は、予め用意した、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度と改質水流量の相関式または相関テーブルを用いて制御しているが、例えば、複数の相関式または相関テーブルを作成し、制御に用いる相関式または相関テーブルを月別に変更する、という制御方法であってもよい。
【００８８】
［比較例］
図２の構成において、比較例に基づいて運転を行った場合のシミュレーション結果、すなわちシステム各部および全体の物質とエネルギーバランス計算から求まる各流体の温度および流量について説明する。
【００８９】
原料供給路３４から供給された２．０３ＳＬＭの都市ガスは、リサイクルガス流路２６から供給されるリサイクルガス０．６３ＳＬＭと合流して、水添脱硫器２２へと供給される。
【００９０】
ここで、都市ガス組成は、ＣＨ４：Ｃ２Ｈ６：Ｃ３Ｈ８：Ｃ４Ｈ１０が８８．９：６．８：３．１：１．２の比率（モル比）で構成される。リサイクルガス組成は、ＣＨ４：Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２が２５．５：５７．２：０．９：２．４：１４．０の比率（モル比）で構成される。
【００９１】
本比較例において、水添脱硫器２２における合流ガス中のＨ２濃度は１３．５％であり、十分に水添脱硫反応を進行させることができる。なお、合流ガス中のＨ２濃度は、水添脱硫器２２で原料ガスから硫黄が除去できる濃度であればよい。
【００９２】
一方、水蒸気供給路４０から供給された改質水は、水蒸気供給器３６で蒸発され、５．９ＳＬＭの水蒸気が改質器２４へと供給される。
【００９３】
この場合、水蒸気供給路４０へ供給される改質水流量と原料供給路３４へ供給される原料の組成および流量から計算されるＯ／Ｃの設定値は２．５０となる。
【００９４】
ここで、気液分離器８を通過してから原料供給路３４へ合流するまでの間のリサイクルガスのＯ／Ｃは、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏５度である場合、０．７５であるため、改質器２４において合流後ガスのＯ／Ｃは２．３２となる。
【００９５】
改質器２４において、前述のＯ／Ｃ＝２．３２の条件で、合流ガス中の炭化水素が水蒸気改質反応により、水素含有ガスへと改質される。
【００９６】
なお、本比較例においては、改質温度が摂氏５００度であるが、改質温度はこれに限られたものではなく、例えば摂氏４００〜７００度の範囲のいずれかの温度であってもよい。
【００９７】
改質器２４で生成した水素含有ガスは、ＣＨ４：Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２が１５．４：３４．５：４０．３：１．４：８．４の比率（モル比）で構成され、Ｏ／Ｃは２．３２である。
【００９８】
改質器２４で生成した水素含有ガス１０．４ＳＬＭは、水素含有ガス流路４２とリサイクルガス流路２６に、９０：１０の比で分流される。なお、分流比はこれに限られた値である必要はなく、水添脱硫器１での硫黄除去が可能となる分流比であればよい。
【００９９】
リサイクルガス流路２６に供給された水素含有ガス１．０４ＳＬＭは、気液分離器２８において、大気放熱により、摂氏５度に冷却される。冷却により、水素含有ガス中の水蒸気０．４１ＳＬＭが凝縮分離され、凝縮水流路３２へと排出される。凝縮水が分離された水素含有ガス０．６３ＳＬＭは、原料供給路３４へと供給され、前述のように燃料と合流して水添脱硫器２２へと供給され、前述のように改質器２４で水素含有ガスの生成が行われる。
【０１００】
上述のように、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏５度の場合、設定Ｏ／Ｃである２．５０に対して、改質器２４におけるＯ／Ｃは、２．３２となる。そのため、改質器２４での炭素析出のリスクが増大するという課題が生じる。
【０１０１】
外気温度の低下を見越して、予めＯ／Ｃの設定値を過剰に大きくすることもできるが、その場合は、水蒸気を用いる改質反応の場合は、水蒸気生成に必要な熱量が増加し、効率が低下する。部分酸化法の場合は、原料の一部が改質器で酸化されることにより効率が低下するという課題があった。
【０１０２】
また、水素含有ガスを燃料電池に供給する場合においては、改質器２４でのＯ／Ｃの増加によって、以下の課題が生じる。すなわち、酸素含有ガスが水蒸気の場合には、ネルンスト電圧が低下して、スタック電圧が低下して、発電効率が低下する。酸素含有ガスが空気の場合には、改質器で燃料の一部が空気中の酸素で酸化されてしまい、スタックで利用できなくなるため、発電効率が低下する。
【０１０３】
（第２実施例）
図４は、第２実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図４を参照しつつ、第２実施例の水素生成装置１２０について説明する。
【０１０４】
図４に示す例において、水素生成装置１２０は、流量調整器４４を備えている。
【０１０５】
流量調整器４４は、リサイクルガス流路２６を介した改質器２４への水素含有ガス供給量を調整する。流量調整器４４は、例えば、ポンプ及びニードルバルブ等で構成されうる。図４では流量調整器４４が気液分離器２８の下流側に設けられているが、流量調整器４４が気液分離器２８の上流側に設けられていてもよい。
【０１０６】
制御器３８は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、水素含有ガスのうちリサイクルガス流路２６に流入する水素含有ガスの比率が低下するよう、流量調整器４４を制御する。すなわち第２実施例において、流量調整器４４は、第１実施形態のガス供給量比調整器１０に相当する。
【０１０７】
制御器３８は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、水素含有ガスのうちリサイクルガス流路２６に流入する水素含有ガスの比率が低下するように流量調整器４４を制御する。水素含有ガスのうちリサイクルガス流路２６に流入する水素含有ガスの比率は、水添脱硫器２２への水素含有ガスの供給量に関係する。このとき、改質器２４への原料供給量は一定でもよい。
【０１０８】
例えば、水素生成装置１１０が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が増加して、改質器２４への原料供給量が増加する場合には、改質器２４への原料供給量が増加する分だけ、改質器２４への水素含有ガス供給量を減少させる程度が小さくなってもよい。
【０１０９】
例えば、水素生成装置１１０が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が減少して、改質器２４への原料供給量が減少する場合には、改質器２４への原料供給量が減少する分だけ、改質器２４への水素含有ガス供給量を増加させてもよい。
【０１１０】
すなわち、「水素含有ガスのうちリサイクルガス流路２６に流入する水素含有ガスの比率が低下する」とは、改質器２４が生成する水素含有ガスの量に対してリサイクルガス流路２６に流入する水素含有ガスの量の比率を相対的に低下させることをいう。
【０１１１】
以上の点を除けば、制御器３８は、第１実施形態の制御器１２と同様の構成とすることができる。
【０１１２】
また、以上の点を除けば、水素生成装置１２０は、第１実施例の水素生成装置１１０と同様の構成とすることができる。よって、図４と図２とで共通する構成要素については同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１１３】
気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が低くなっても、改質器２４への水素含有ガス供給量を低下させることで、すなわち水蒸気供給器３６から改質器２４へ供給される水素含有ガスを減少させることで、改質器２４の内部のＯ／Ｃの低下を抑制することができる。
【０１１４】
本実施例においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。第１実施例と第２実施例とを組み合わせてもよい。
【０１１５】
（第２実施例におけるシミュレーション例）
図４の構成において、第２実施例に基づいて運転を行った場合のシミュレーション結果、すなわちシステム各部および全体の物質とエネルギーバランス計算から求まる各流体の温度および流量について説明する。気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度は摂氏５度としている。
【０１１６】
温度検知器３０で検知された、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、制御器３８からの指示により、リサイクルガス流量を制御する。
【０１１７】
ここで、リサイクルガス流量は、予め用意した、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度とリサイクルガス流量の相関式または相関テーブルを用いて、制御器３８からの指示により、流量調整器４４により制御される。
【０１１８】
なお、本実施例においては、予め設定した改質器２４でのＯ／Ｃを２．４０としている。
【０１１９】
気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏５度に変化すると、リサイクルガス流量は０．３６ＳＬＭへと変更される。
【０１２０】
ここで、気液分離器２８における冷却により、水素含有ガス中の水蒸気０．２５ＳＬＭが凝縮分離され、凝縮水流路３２へと排出される。
【０１２１】
ここで、リサイクルガス組成は、ＣＨ４：Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２が２４．９：５７．７：０．９：２．３：１４．２の比率（モル比）で構成される。
【０１２２】
原料供給路３４から供給された２．０３ＳＬＭの都市ガスは、リサイクルガス流路から供給されるリサイクルガス０．３６ＳＬＭと合流して、水添脱硫器２２へと供給される。
【０１２３】
ここで、リサイクルガス流路２６から原料供給路３４へ合流するリサイクルガスのＯ／Ｃは０．７６であるため、改質器２４において合流後ガスのＯ／Ｃは２．４０となる。
【０１２４】
上述のように、温度検知器３０で検知された、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、リサイクルガスの供給量を制御することにより、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏５度に変化した場合においても、改質器２４におけるＯ／Ｃを２．４０のまま一定に保持することができる。そのため、外気温度や冷却水温度が低下した場合においても、改質器２４で炭素が析出する可能性を低減できる。
【０１２５】
なお、本実施例においては、リサイクルガス流量は、予め用意した、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度とリサイクルガス流量の相関式または相関テーブルを用いて制御しているが、例えば、複数の相関式または相関テーブルを作成し、制御に用いる相関式または相関テーブルを月別に変更する、という制御方法であってもよい。
【０１２６】
（第３実施例）
図５は、第３実施例にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図５を参照しつつ、第３実施例の水素生成装置１３０について説明する。
【０１２７】
図５に示す例において、水素生成装置１３０は、空気供給器４６を備えている。
【０１２８】
空気供給器４６は、改質器２４に空気を供給する。第３実施例において、改質器２４は酸化的水蒸気改質（ＯＳＲ）を進行させる改質器でありうる。空気供給器４６は、例えば、ポンプ及びニードルバルブ等で構成されていてもよい。空気供給器４６は、改質器２４への空気供給量を調整できるように構成されている。
【０１２９】
制御器３８は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器４への水素含有ガス供給量に対する改質器４への酸素含有ガス供給量の比率が増加するよう、空気供給器４６を制御する。すなわち第３実施例において、空気供給器４６は、第１実施形態のガス供給量比調整器１０に相当する。第３実施例における酸素含有ガスは空気を含む。
【０１３０】
制御器３８は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が低下すると、改質器２４への原料供給量に対する改質器２４への空気供給量が増加するように、空気供給器４６を制御する。このとき、改質器２４への原料供給量は一定でもよい。
【０１３１】
例えば、水素生成装置１１０が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が増加して、改質器２４への原料供給量が増加する場合には、改質器２４への原料供給量が増加する程度以上に、改質器２４への空気供給量を増加させてもよい。
【０１３２】
例えば、水素生成装置１１０が水素含有ガスを供給する水素利用機器において水素の必要量が減少して、改質器２４への原料供給量が減少する場合には、改質器２４への原料供給量が減少する分だけ、改質器２４への空気供給量を増加させる程度が小さくなってもよい。
【０１３３】
すなわち、「改質器への原料供給量に対する改質器への空気供給量が増加する」とは、改質器２４への原料供給量に対して相対的に空気供給量を増加させることをいう。したがって、改質器への原料供給量が少なくなる場合には、改質器２４への原料供給量に対して相対的に空気供給量が増加するなら、空気供給量を増加させなくてもよいし、減少させてもよい。
【０１３４】
以上の点を除けば、制御器３８は、第１実施形態の制御器１２と同様の構成とすることができる。
【０１３５】
また、以上の点を除けば、水素生成装置１３０は、第１実施例の水素生成装置１１０と同様の構成とすることができる。よって、図５と図２とで共通する構成要素については同一の符号及び名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１３６】
気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が低くなっても、改質器２４への空気供給量を増加させることで、すなわち空気供給器４６から改質器２４へ供給される空気を増加させることで、改質器２４の内部のＯ／Ｃの低下を抑制することができる。
【０１３７】
本実施例においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。第１実施例と第３実施例とを組み合わせてもよい。第２実施例と第３実施例とを組み合わせてもよい。第１実施例と第２実施例と第３実施例とを組み合わせてもよい。
【０１３８】
（第３実施例におけるシミュレーション例）
図５の構成において、第３実施例に基づいて運転を行った場合のシミュレーション結果、すなわちシステム各部および全体の物質とエネルギーバランス計算から求まる各流体の温度および流量について説明する。気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度は摂氏５度としている。
【０１３９】
温度検知器３０で検知された、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、制御器３８からの指示により、改質器２４への空気流量（以下、改質空気流量）を制御する。
【０１４０】
ここで、改質空気流量は、予め用意した、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度と改質空気流量の相関式または相関テーブルを用いて、制御器３８からの指示により、空気供給器４６により制御される。
【０１４１】
なお、本実施例においては、改質器２４でのＯ／Ｃが２．５０となるように制御している。
【０１４２】
気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏５度に変化すると、リサイクルガス流量は０．７３ＳＬＭへと変更される。
【０１４３】
ここで、気液分離器２８における冷却により、水素含有ガス中の水蒸気０．４３ＳＬＭが凝縮分離され、凝縮水流路３２へと排出される。
【０１４４】
ここで、リサイクルガス組成は、ＣＨ４：Ｈ２：Ｈ２Ｏ：ＣＯ：ＣＯ２：Ｎ２が２０．０：５０．４：０．９：２．３：１３．９：１２．６の比率で構成される。
【０１４５】
原料供給路３４から供給された２．０３ＳＬＭの都市ガスは、リサイクルガス流路から供給されるリサイクルガス０．７３ＳＬＭと合流して、水添脱硫器２２へと供給される。
【０１４６】
ここで、リサイクルガス流路２６から原料供給路３４へ合流するリサイクルガスのＯ／Ｃは０．８５であること、および改質空気流量が１．０４ＳＬＭであるため、改質器２４において合流後ガスのＯ／Ｃは２．５０となる。
【０１４７】
上述のように、温度検知器３０で検知された、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度に基づいて、改質空気流量を制御することにより、気液分離器８を通過した後のリサイクルガスの温度が摂氏５度に変化した場合においても、改質器２４におけるＯ／Ｃを２．５０のまま一定に保持することができる。そのため、外気温度や冷却水温度が低下した場合においても、改質器２４で炭素が析出する可能性を低減できる。
【０１４８】
（第２実施形態）
第２実施形態の水素生成装置の運転方法は、第１実施形態の水素生成装置の運転方法であって、さらに、気液分離するステップを経た水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を低下させるステップ、及び水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を増加させるステップとの少なくともいずれか一つを備える。
【０１４９】
第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置であって、制御器は、気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器への原料供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率が低下すること、及び、水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率を増加させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、ガス供給量比調整器を制御するように構成されている。
【０１５０】
かかる構成では、気液分離器を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇しても、改質器への水素含有ガス供給量に対する改質器への酸素含有ガス供給量の比率を低下させない場合に比べ、発電効率をより高く維持することができる。
【０１５１】
本実施形態の水素生成装置のハードウェア構成は、第１実施形態の水素生成装置１００と同様とすることができる。よって、図１と共通する構成要素については同一の符号及び名称を付して、図示を省略する。
【０１５２】
本実施形態において、制御器１２は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器４への原料供給量に対する改質器４への酸素含有ガス供給量の比率が低下すること、及び、水素含有ガスのうちリサイクル流路６に流入する水素含有ガスの比率を増加させることの少なくともいずれか一方を実行するよう、ガス供給量比調整器１０を制御する。
【０１５３】
具体的には、例えば、第１実施例のように、ガス供給量比調整器１０が水蒸気供給器であって、酸素含有ガスが水蒸気である場合には、制御器１２は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器４への原料供給量に対する改質器４への水蒸気供給量が減少するように、水蒸気供給器を制御してもよい。
【０１５４】
なお、「改質器への原料供給量に対する改質器への水蒸気供給量が減少する」とは、改質器への原料供給量に対して相対的に水蒸気供給量を減少させることをいう。したがって、水素含有ガスの生成量が増える場合には、改質器への原料供給量に対して相対的に水蒸気供給量を減少するなら、水蒸気供給量を減少させてもよいし、水蒸気供給量を増加させてもよい。
【０１５５】
あるいは例えば、第２実施例のように、ガス供給量比調整器１０が流量調整器である場合には、制御器１２は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、水素含有ガスのうちリサイクル流路６に流入する水素含有ガスの比率が増加するように、流量調整器を制御してもよい。
【０１５６】
なお、「水素含有ガスのうちリサイクル流路に流入する水素含有ガスの比率が増加する」とは、改質器が生成する水素含有ガスの量に対してリサイクルガス流路に流入する水素含有ガスの量の比率を相対的に増加させることをいう。したがって、改質器が生成する水素含有ガスの生成量が少なくなる場合には、改質器が生成する水素含有ガスの量に対してリサイクルガス流路を流れる水素含有ガス供給量を相対的に増加するなら、リサイクルガス流路を流れる水素含有ガス供給量を増加させなくてもよいし、減少させてもよい。
【０１５７】
あるいは例えば、第３実施例のように、ガス供給量比調整器１０が空気供給器であって、酸素含有ガスが空気である場合には、制御器１２は、気液分離器８を通過した後の水素含有ガスの温度が上昇すると、改質器４への原料供給量に対する改質器４への空気供給量が減少するように、水蒸気供給器を制御してもよい。
【０１５８】
なお、「改質器への原料供給量に対する改質器への空気供給量が減少する」とは、改質器への原料供給量に対して相対的に空気供給量を減少させることをいう。したがって、水素含有ガスの生成量が増える場合には、改質器への原料供給量に対して相対的に空気供給量を減少するなら空気供給量を減少させてなくもよいし、増加させてもよい。
【０１５９】
あるいは上記構成を任意に組み合わせてもよい。
【０１６０】
以上の点を除けば、本実施形態の水素生成装置は第１実施形態の水素生成装置１００と同様の構成とすることができる。
【０１６１】
本実施形態の水素生成装置によれば、冷却後のリサイクルガスの温度に応じて、改質器４でのＯ／Ｃを適切に制御でき、かつ、発電効率をより高く保持することができる。
【０１６２】
（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、第１実施例、第２実施例、第３実施例、第２実施形態及びそれらの変形例のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。
【０１６３】
かかる構成では、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減することができる。
【０１６４】
図６は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図６を参照しつつ、第３実施形態の燃料電池システム２００について説明する。
【０１６５】
図６に示す例において、燃料電池システム２００は、燃料電池２０を備えている。燃料電池２０は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池２０は、アノードとカソードとを備えており、改質器４からアノードへ供給される水素含有ガスと、カソードへ供給される空気とを用いて発電してもよい。
【０１６６】
燃料電池２０としては、いずれの種類であってもよく、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、燐酸形燃料電池、及び溶融炭酸塩形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池２０が固体酸化物形燃料電池の場合は、改質部と燃料電池とが１つの容器内に内蔵されるよう構成される。
【０１６７】
本実施形態においても、第１実施形態、第１実施例、第２実施例、第３実施例、及び第２実施形態と同様の変形が可能である。
【０１６８】
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】
【０１６９】
本発明の一態様は、水添脱硫器へとリサイクルされる水素含有ガスの温度変動がもたらす悪影響を低減できる水素生成装置及びその運転方法、燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１７０】
２  水添脱硫器
４  改質器
６  リサイクル流路
８  気液分離器
１０  ガス供給量比調整器
１２  制御器
２０  燃料電池
２２  水添脱硫器
２４  改質器
２６  リサイクルガス流路
２８  気液分離器
３０  温度検知器
３２  凝縮水流路
３４  原料供給路
３６  水蒸気供給器
３８  制御器
４０  水蒸気供給路
４２  水素含有ガス流路
４４  流量調整器
４６  空気供給器
１００  水素生成装置
１１０  水素生成装置
１２０  水素生成装置
１３０  水素生成装置
２００  燃料電池システム
【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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