(57)【要約】  水素生成装置（５０）であって、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部（１）と、改質部（１）に原料を供給する原料供給器（２）と、水素含有ガスの生成量を検知する水素生成量検知部とを備えている。そして、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器（２）を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合は、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、原料供給器（２）を運転するように構成された制御器（４）を備えている。
2016067589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、
前記改質部に前記原料を供給する原料供給器と、
前記水素含有ガスの生成量を検知する水素生成量検知部と、
前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、前記原料供給器を運転するように構成された制御器と、
を備えた、水素生成装置。
【請求項２】
前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を、酸素によって選択的に酸化除去する選択酸化部と、
前記選択酸化部に選択酸化空気を供給する選択酸化空気供給器と、
前記選択酸化空気の流量を検知する選択酸化空気流量検知器と、
を備え、
前記水素生成量検知部は、前記選択酸化空気流量検出器であり、
前記制御器は、前記選択酸化空気の流量が増加した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記選択酸化空気の流量が減少した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するように構成された、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を、酸素によって選択的に酸化除去する選択酸化部と、
前記選択酸化部に選択酸化空気を供給する選択酸化空気供給器と、
前記選択酸化空気の流量を検知する選択酸化空気流量検知器と、
を備え、
前記制御器は、前記選択酸化空気の流量が所定の流量となるように前記選択酸化空気供給器を制御し、前記選択酸化空気供給器の出力が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記選択酸化空気供給器の出力が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するように構成された、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記原料供給器より下流の前記改質部を含む経路の圧力を検知する圧力検知器を備え、
前記水素生成量検知部は、前記圧力検知器であり、
前記制御器は、前記圧力検知器の圧力が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記圧力検知器の圧力が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するように構成された、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記原料の流量を検知する原料流量検知器を備え、
前記制御器は、前記原料の流量が所定の流量となるように前記原料供給器を制御し、前記原料供給器の出力が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記原料供給器の出力が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するように構成された、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記低熱量ガスは、前記高熱量ガスよりも不活性ガスが多く含まれる、
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記制御器は、前記水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータが所定の範囲内であるときに、前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するように構成された、
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記制御器は、前記水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータの変化量が所定の範囲内であるときに、前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するように構成された、
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記制御器は、前記水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータに基づき、前記水素生成量検知部が検知する水素含有ガスの生成量を補正するように構成された、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記改質部に水を供給する水供給器を備え、
前記制御器は、前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記水供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、前記水供給器を運転するように構成された、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記改質部から排出された前記水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器とを備え、
前記制御器は、前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記燃焼用空気供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、前記燃焼用空気供給器を運転するように構成された、
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までのいずれか１項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、を備えた、
燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御器は、前記燃料電池の出力が所定の出力範囲内であるときに、前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するように構成された、
請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御器は、前記燃料電池の出力の変化量が所定の出力範囲内であるときに、前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するように構成された、
請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記制御器は、前記燃料電池の出力に基づき、前記水素生成量検知部が検知する水素含有ガスの生成量を補正するように構成された、
請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記改質部に水を供給する水供給器を備え、
前記制御器は、前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記水供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、前記水供給器を運転するように構成された、
請求項１２から請求項１５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池から排出された前記水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器を備え、
前記制御器は、前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、前記相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記燃焼用空気供給器を運転し、前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、前記相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、前記燃焼用空気供給器を運転するように構成された、
請求項１２から請求項１６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、前記改質部に前記原料を供給する原料供給器と、を備えた、水素生成装置の運転方法であって、
前記水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するステップと、
前記水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して前記原料供給器を運転するステップとを備えた、
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、炭化水素を含む原料ガスを改質して水素を生成する水素生成装置およびその運転方法、ならびに、水素生成装置で得られた水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池を備えた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のできる燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電装置である。燃料電池発電時の燃料として用いられる水素ガスは、一般的なインフラとしては整備されていない。このため、燃料電池を分散型装置として利用する場合には、例えば、都市ガス、またはＬＰＧ等の既存化石原料インフラから得られる炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質反応させ、水素含有ガスを生成させる水素生成装置を併設する構成が採られることが多い。【０００３】
ところで、原料として用いられるガスは、インフラ構成上、その組成が変化する場合がある。例えば、一概に都市ガスといっても、ガス供給会社または地域によって、組成が異なることがあるし、経時的に組成が変動することもある。【０００４】
欧州などにおいて、国を跨いだパイプラインでガスが供給される場合には、供給されるガス組成は単一とはならず、変動し得る。また、ＬＰＧなどの液化ガスの場合は、成分ごとの蒸気圧に差があることから、ボンベ内の使用率に応じて組成が変化する。そして、これらの原料ガス組成の変化は、水素生成装置または燃料電池システムの運転中にも起こり得る。【０００５】
このように、供給される原料ガスの組成が装置の運転中に変化した場合、とりわけ、熱量の低いガスが供給された場合には、水素生成装置で生成される水素量が低下する。また、水素生成装置と燃料電池とを組み合わせた場合には、水素量が不足して発電が維持できなくなる。また、未反応のオフガスを改質器に戻し、燃焼させて改質反応に必要な熱とする場合には、水素不足で熱量が低下するので、改質器の温度が低下して反応が維持できなくなる。【０００６】
逆に、熱量が高いガスが供給された場合には、改質器から燃料電池に過剰な水素が供給され、効率が低下する。また、過剰な水素が改質器に戻されて燃焼されることで、高温となり、改質反応を適温に維持できなくなる。【０００７】
この問題を解決する手段として、原燃料の組成変動、または、メタンガス濃度の希薄化があっても、原燃料の随時組成分析を行なうことなく、原燃料供給、燃焼用空気供給、および、スチームの供給等の適正な制御を行うことが可能な燃料電池発電装置の運転制御方法が提案されている。ここでは、改質器温度調節器指令値の変動に基づいて、原燃料流量を算出する構成が提案されている（例えば特許文献１を参照）。【０００８】
また、燃料電池システムに供給される原料ガスの単位体積当たりのガス熱量が小さい場合でも、発電に必要な水素量が燃料電池に供給され、発電を安定的に継続することの可能な燃料電池システムが提案されている。ここでは、改質温度検知器の検知温度が予め定められる目標温度となるように、原料供給器が制御されて原料供給量が調整されている。改質温度検知器の検知温度が、目標温度よりも第１温度以上低くなった場合に、燃料電池の発電量を低下させる構成が提案されている（例えば特許文献２を参照）。【０００９】
しかしながら、改質器の温度変化から原料ガス組成を推定しようとした場合、改質器は触媒および構造体からなり、大きな熱容量を有しているため、改質器の温度が変化するまでに時間を要する。よって、瞬時に想定以上の組成変化があった場合には、制御が追い付かないなど、原料ガスの組成が変化したことをより早く検知するためには、未だ改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−０４７４３８号公報
【特許文献２】特開２０１４−１２０３１３号公報
【発明の概要】
【００１１】
上述した課題に鑑みて、本発明は、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置およびその運転方法、ならびに燃料電池システムを提供するものである。
【００１２】
本発明の水素生成装置は、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に原料を供給する原料供給器と、水素含有ガスの生成量を検知する水素生成量検知部とを備えている。そして、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合は、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、原料供給器を運転するように構成された制御器、を備えている。
【００１３】
このような構成により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が原料ガスの組成の変化に伴って変化するので、水素含有ガスの生成量が変化したことを検知することにより、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置および燃料電池システムを実現することができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは、上述の水素発生装置と、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、を備えている。
【００１５】
本発明の水素生成装置と燃料電池とを組み合わせることにより、水素量の維持により安定運転が可能な燃料電池システムを実現することができる。
【００１６】
また、本発明の水素生成装置の運転方法は、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に原料を供給する原料供給器と、を備えた、水素生成装置の運転方法である。そして、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するステップと、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するステップとを備えている。
【００１７】
このような方法により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が原料ガスの組成の変化に伴って変化するので、水素含有ガスの生成量が変化したことを検知することにより、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することにより、生成水素量を適正に保ち、安定運転の可能な水素生成装置の運転方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態における、ガス組成が切り替わった際の生成水素量の変化例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態における、外的要因が所定範囲内のときの制御パラメータの変更イメージを説明するための図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態における、水素含有ガスの生成量補正イメージを示す図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態における制御パラメータの設定例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態における、燃焼空気比と一酸化炭素排出濃度との関係例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置の変形例１の、３種以上の制御パラメータの設定例を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置の概略構成を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施の形態の変形例における、ガス種が切り替わった際（ここでは高熱量ガスから低熱量ガスへ）の、選択酸化空気流量および選択酸化空気供給器の出力の変化、ならびに改質部の温度の変化の比較を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３の実施の形態における水素生成装置の概略構成を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第５の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第５の実施の形態における、燃料電池の出力の変化に応じた水素含有ガスの生成量補正イメージを示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第５の実施の形態における変形例１における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第５の実施の形態における変形例２における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第５の実施の形態における変形例２における、メタン１００％のガスが供給されたときと、窒素２０％／メタン８０％のガスが供給されたときで、燃料電池の発電出力、すなわち電流値および消費水素量が同一だった場合の、オフガス流量の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、以下の現象を見出した。
【００２０】
水素生成装置の運転中に原料ガスの熱量が低下した場合は、水素含有ガスの生成量が低下する。
【００２１】
したがって、この水素含有ガスの生成量の低下を検知することで、原料ガスの組成の変化、すなわち熱量の低下を検知することができる。また、水素含有ガスの生成量を直接検知しない場合でも、水素含有ガスの生成量に起因する経路の圧力（以下、圧損）の変化を検出することで、例えば、改質部の温度変化に依らず、瞬時に組成の変化を検出することが可能となる。
【００２２】
この圧損の変化は、例えば圧力計で直接測定してもよいし、例えば経路の圧損の変化に基づく流量の変化にもとづいて、間接的に測定することもできる。
【００２３】
また、例えば燃料電池と組み合わせた場合には、燃料電池での発電量が同一であれば、燃料電池で消費される水素量が同一であるため、燃料電池オフガスの流量が低下する。
【００２４】
そのため、水素含有ガスの生成量および燃料電池オフガス量の低下を検出することで、組成の変化を検出が可能となる。同様に、原料ガスの熱量が増加した場合は、水素含有ガスの生成量の増加、および、燃料電池オフガスの生成量の増加を検知することで、原料ガスの組成の変化、すなわち熱量の増加を検知することができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２６】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。
【００２７】
図１は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置５０の概略構成を示す図である。
【００２８】
本実施の形態における水素生成装置５０は、炭化水素を含む原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質部１と、改質部１に原料を供給する原料供給器２と、水素含有ガスの生成量を検知する水素生成量検知部としての水素含有ガス流量計３ａと、制御器４とを備えている。
【００２９】
本実施の形態における制御器４は、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定し、水素含有ガスの生成量が増加した場合には、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、水素生成装置５０の、少なくとも原料供給器２を含む各構成要素を運転するように構成されている。
【００３０】
本実施の形態では、水素を生成する方法として、炭化水素と水蒸気とを改質させる水蒸気改質反応を用い、改質部１に充填される改質触媒としては、Ｒｕ系の触媒を用いている。水蒸気改質反応を用いる場合には、水供給器５によって改質部１に水を供給してもよい。また、本実施の形態では、改質反応として水蒸気改質反応を挙げたが、他にも、例えばオートサーマル反応、または部分酸化改質反応でも同様の効果が得られる。
【００３１】
この改質部１は、燃焼器６からの伝熱により加熱される構造としてもよく、改質部１の外側は、断熱材によって覆われていてもよい。燃焼器６では、原料ガスまたは水素含有ガスが燃焼されてもよい。また、燃焼用の空気が、燃焼用空気供給器７によって燃焼器６に供給されるように構成してもよい。
【００３２】
本実施の形態では、水素生成量検知部として、水素含有ガスの経路に水素含有ガス用の水素含有ガス流量計３ａが設置されている。水素含有ガス流量計３ａは、水素含有ガスの所定の組成を想定して設計されており、流量の信号を出力し、その出力信号から水素含有ガスの生成量を検出することができる。
【００３３】
次に、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置５０の動作を説明する。なお、以下の諸動作は、制御器４が水素生成装置５０の各機器を制御することにより行われる。本実施の形態では、原料ガスとして、メタン１００％のガスに対応した制御パラメータが用いられている。
【００３４】
水素生成装置の制御器４は、原料供給器２を制御して、改質部１に原料ガスを供給する。ここで、原料供給器２としては、原料ガスを昇圧するブースターポンプを用い、原料流量検知器８としては、原料ガス用の流量計を用いている。そして、原料ガス流量が所定の流量となるように、制御器４が原料供給器２を制御するように構成されている。
【００３５】
なお、原料ガスは、脱硫器を通すことによって、原料ガス中の硫黄成分が脱硫された状態で供給されてもよい。また、原料ガスの流量は、生成されるべき水素含有ガスあるいは水素ガスの流量をもとに、原料ガスの組成を考慮して設定することがよく、ここでは３．０ＮＬ／ｍｉｎとする。
【００３６】
また、制御器４は、水供給器５を制御して、改質部１に、水蒸気改質反応に必要な水蒸気（以下、改質水とする）を供給する。本実施の形態においては、改質水の流量を、改質部１に供給される原料ガス中の炭素数に対する水の比率を示すＳ／Ｃが２．９となるように調整して、改質水を供給する。
【００３７】
ここで、原料ガスとして、メタン１００％のガスに対応したパラメータを用いているため、原料ガス１モル中の炭素数の割合は１．０であり、水は、供給量が、２．９×１．０×１８×３．０÷２２．４＝７．０ｃｃ／ｍｉｎとなるように供給される。改質部１に供給された原料ガスおよび改質水は、改質部１内部の改質触媒存在下で、水蒸気改質反応によって水素含有ガスに改質される。
【００３８】
また、制御器４は、燃焼用空気供給器７を制御して、燃焼器６に供給された原料ガスまたは水素含有ガスを燃焼させるのに必要な燃焼空気を供給する。ここで、制御器４は、燃焼空気の流量を、原料ガスの組成がメタン１００％としたときの理論燃焼空気流量に対する供給空気流量を表す空気比が１．７となるように制御する。
【００３９】
以上のように、適正な水素を効率よく安定的に生成するためには、例えば、原料ガス流量、水供給量、および燃焼空気流量など、原料ガスの組成を考慮した制御パラメータを設定することがよい。この場合、制御器４は、適宜、これら、水供給器５および燃焼用空気供給器７の少なくともいずれかの制御パラメータを設定するように構成されている。
【００４０】
具体的には、制御器３は、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して水供給器５を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータ  を設定して、水供給器５を運転するように構成されていてもよい。
【００４１】
また、制御器４は、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して燃焼用空気供給器７を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、燃焼用空気供給器７を運転するように構成されていてもよい。
【００４２】
次に、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置５０の特徴的な動作について説明する。
【００４３】
（水素生成量検知方法）
まず、本実施の形態における水素含有ガスの生成量の検知方法について説明する。
【００４４】
供給される原料ガスとして、メタン１００％のガスに対応した制御パラメータを用いて、実際に、メタン１００％のガスが供給されているとし、水素生成装置５０は安定した運転が可能であるとする。ここで、水素生成量検知部である水素含有ガス流量計３ａが検知した水素含有ガスの生成量が減少した場合には、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータが設定されて運転がなされる。
【００４５】
原料ガスの組成が、メタン１００％から、例えば窒素２０％／メタン８０％のガスに切り替わるとする。メタン１００％の場合に比べ、窒素２０％を含むメタンガスは、相対的に低熱量のガスである。
【００４６】
ガス組成が切り替わった際は、改質部１の温度は、その熱容量のため、急激に変化はしないので、ガス種の切り替わり前後で、炭化水素の転化率は同等とみなせる。すなわち、原料ガスの流量および転化率が同等であれば、生成水素量が減少する。
【００４７】
図２は、本発明の第１の実施の形態における、ガス組成が切り替わった際の生成水素量の変化例を示す図である。
【００４８】
低熱量ガスに切り替わった際、水素含有ガスの流量は、８５％程度に減少する。
【００４９】
相対的な低熱量ガスである窒素２０％／メタン８０％のガスは、相対的な高熱量ガスであるメタン１００％のガスに対して、不活性ガスを多く含んでいる。不活性ガスを原料に含む場合、原料ガスの流量に対して、水素生成に寄与しない原料流量が増えるので、より顕著に、水素含有ガスの生成量の変化を検知することができる。
【００５０】
なお、水素生成量検知部として、本実施の形態では、水素含有ガス流量計３ａが用いられているが、生成量が減少したか否かを判定する方法として、例えば、所定の時間内に、水素含有ガスの生成量が所定の値、減少した場合であったり、所定の流量閾値に減少した場合であったり、通常の運転条件での変化量およびガス組成が変わったりした時の挙動を考慮して、より確実に、組成の変化を検知できるような方法を適宜選択することがよい。
【００５１】
逆に、生成量が増加したか否かを判定する方法としては、例えば、所定の時間内に水素含有ガスの生成量が所定の値増加した場合、または、所定の流量閾値に増加した場合に、生成量が増加したと判定することができる。また、これらは、所定の時間毎の平均値をとって、比較してもよい。ここでは、水素含有ガスの生成量の１０秒間の平均値が、１分前の平均値と比して５％以上変化した場合に、生成量が増加したと判定することとした。
【００５２】
また、水素含有ガスの生成量は、原料ガスの組成のみならず、例えば、周囲の環境温度、原料ガスの圧力、または、運転時間の経過に伴う変化等の種々の外的要因でも変化し得る。そこで、水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータが所定の範囲内であれば、設定を変更するように構成してもよい。または、水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータの、所定の時間当たりの変化量が所定の範囲内であれば、設定を変更するようにしてもよい。
【００５３】
図３は、本発明の第１の実施の形態における、外的要因が所定範囲内のときの制御パラメータの変更イメージを説明するための図である。
【００５４】
例えば、水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータとして、環境温度を挙げた場合を想定する。このとき、温度が所定の温度範囲内の場合、あるいは、温度の変化量が所定の範囲内である場合において、水素生成量検知部で検知される水素含有ガスの生成量が減少して閾値に達した場合に、制御器４は、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転する。また、このとき、水素含有ガスの生成量が増加した場合は、制御器４は、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転する。
【００５５】
図４は、本発明の第１の実施の形態における、水素含有ガスの生成量補正イメージを示す図である。
【００５６】
前述の外的要因は、変化をし続ける可能性もある。例えば、環境温度が、所定の条件で上昇し続けた場合には、改質部１での転化率が上がるなどして、生成水素量が増え得る。よって、この外的要因によって変化した生成水素量を補正した上で、水素生成量検知部で検知される水素含有ガスの生成量が変化したかどうかを判定すればよい。また、制御パラメータを変更するための閾値を補正しても、同様の効果を得ることができる。
【００５７】
かかる構成により、供給する原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化したとしても、水素含有ガスの生成量が変化したことを検出することにより、例えば改質温度などの変化を待たなくても、原料ガスの組成の変化を瞬時に検出できる。
【００５８】
（制御パラメータ設定方法）
次に、本実施の形態における水素生成装置５０の制御パラメータの設定方法について説明する。
【００５９】
制御器４は、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転する。
【００６０】
制御パラメータとしては、例えば、原料ガス供給量、水供給量（あるいはＳ／Ｃ）、および燃焼空気流量（あるいは燃焼空気比）など、原料ガス組成に起因する制御パラメータを設定するのがよい。
【００６１】
図５は、本発明の第１の実施の形態における制御パラメータの設定例を示す図である。
【００６２】
ここでは、相対的な高熱量ガスに対応した制御パラメータの原料組成として、メタン１００％の場合を、相対的な低熱量ガスに対応した制御パラメータの原料組成として、窒素２０％／メタン８０％の場合を、それぞれ想定している。
【００６３】
ここで、制御パラメータの例である原料ガス供給量について説明する。
【００６４】
原料ガス供給量は、生成される水素量に直結している。ここで、供給される原料ガスの熱量が低いほど、原料ガス中の水素の割合が低下するので、生成可能な水素ガス量は少なくなる。
【００６５】
すなわち、供給される原料ガスの熱量が小さいほど、原料ガス供給量を増やすように設定することがよい。より具体的には、水素生成量検知部で検知される水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的に原料ガス流量を増加させて運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的に原料ガス流量を低下させて運転することがよい。
【００６６】
次に、制御パラメータの例である水供給量について説明する。
【００６７】
Ｓ／Ｃの値が過少となると、炭素が析出したり、Ｓ／Ｃが過剰となると、水蒸気の発生および反応に過大なエネルギーを要するなど、効率が低下したりする。そのため、Ｓ／Ｃの値を適正に保つことが重要である。
【００６８】
ここで、原料組成としてメタン１００％を想定した場合、原料ガス１モル中の炭素数のモル数は１．０である。一方、窒素２０％／メタン８０％の場合、原料ガス１モル中の炭素数のモル数は０．８となる。すなわち、同等の原料ガス流量および同等の水供給量の場合、Ｓ／Ｃの値としては１．２５倍となる。
【００６９】
そこで、Ｓ／Ｃを所定の値に保つために、供給される原料ガスの熱量が低いほど、水の供給量を減らすように設定するとよい。あるいは、Ｓ／Ｃを一定に保つように、原料ガスの組成および流量を考慮して設定するとよい。
【００７０】
次に、制御パラメータの例である燃焼空気供給量について説明する。
【００７１】
図６は、本発明の第１の実施の形態における、燃焼空気比と一酸化炭素排出濃度との関係例を示す図である。
【００７２】
燃焼空気比が過少となると、不完全燃焼により排ガス中の一酸化炭素濃度が増大する。また、燃焼空気比が過剰になっても、適正な燃焼を維持できずに、一酸化炭素濃度が増大する。そのため、燃焼空気比を適正な値に保つ必要がある。
【００７３】
原料組成として、相対的な高熱量ガスであるメタン１００％の場合は、相対的な低熱量ガスである窒素２０％／メタン８０％の場合と比べて、被燃焼ガス流量は多い。組成が変わった際に、原料供給量および供給する燃焼空気の量を同一とすると、完全燃焼に必要な燃焼空気流量に対する、供給空気流量である燃焼空気比は相対的に大きくなり、一酸化炭素の発生等のため、適正な燃焼を維持できなくなる。
【００７４】
そこで、燃焼空気比を所定の値に保つために、供給される原料ガスの熱量が低いほど、燃焼空気流量を減らすよう設定するとよい。あるいは、燃焼空気比を一定に保つように、原料ガスの組成および流量を考慮して設定するとよい。
【００７５】
なお、原料流量、水供給量、および燃焼空気流量に限らず、水素生成装置を効率よく、安定して運転するために、原料ガス組成に起因する制御パラメータを適宜設定することがよい。これらパラメータのうちの少なくともいずれか１つを含む制御パラメータを設定してもよいし、これら制御パラメータを複合的に変更することにより、より安定した運転が可能となり、より顕著な効果が得られる。
【００７６】
かかる構成により、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転することができる。原料ガスの熱量、すなわち組成に対応した制御パラメータを設定することにより、生成水素量を適正に保ち、効率よく安定運転することが可能な水素生成装置を実現することができる。
【００７７】
（変形例１）
次に、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置５０の変形例１について説明する。
【００７８】
本変形例１における特徴的な動作について説明するが、主に第１の実施の形態との相違点について説明し、それ以外は第１の実施の形態と同様とする。
【００７９】
本変形例では、原料ガスとして、対応する熱量が異なる３種の制御パラメータを有している。相対的に高熱量の原料ガスの組成として、プロパン２０％／メタン８０％のガス、相対的に中間の熱量のガスとして、メタン１００％、相対的に低熱量のガスとして窒素２０％／メタン８０％の場合を設定している。
【００８０】
次に、本変形例１における水素生成装置５０の特徴的な動作について説明する。
【００８１】
図７は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置５０の変形例１の、３種以上の制御パラメータの設定例を示す図である。
【００８２】
ここでは、供給される原料ガスとして、相対的に中間の熱量ガスであるメタン１００％のガスに対応した制御パラメータを用い、実際にメタン１００％のガスが供給されているとし、水素生成装置５０が安定した運転が可能であるとする。ここで、水素生成量検知部である水素含有ガス流量計３ａが検知した水素含有ガスの生成量が減少した場合には、制御器４は、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転する。
【００８３】
ここで、原料ガスの組成が、メタン１００％から、例えば窒素２０％／メタン８０％のガスに切り替わるとする。メタン１００％の場合に比べて、窒素２０％を含むメタンガスは、相対的に低熱量のガスである。ガス組成が切り替わった際、改質部１の温度は、その熱容量のため、急激に変化はしないので、ガス種の切り替わり前後で炭化水素の転化率は同等とみなせる。すなわち、原料ガスの流量および転化率が同等であれば、生成水素量が減少する。
【００８４】
逆に、原料ガスの組成が、メタン１００％から、例えばプロパン２０％／メタン８０％のガスに切り替わるとする。メタン１００％の場合に比べて、プロパン２０％を含むメタンガスは、相対的に高熱量のガスである。プロパンは、１分子中の水素原子の数が多いため、原料流量が同等で、転化率が同等の場合、生成水素量は増加する。
【００８５】
生成水素量の検知手段として、ここでは第１の実施の形態と同様に水素含有ガス流量計３ａを用いて、同様の方法で検知する。
【００８６】
（制御パラメータ設定方法）
次に、本変形例１における水素生成装置５０の制御パラメータの設定方法について説明する。
【００８７】
原料ガスとして、メタン１００％のガスに対応した制御パラメータで運転している場合、水素含有ガスの生成量が減少した場合は、制御器４は、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータ（ここでは窒素２０％／メタン８０％）を設定して運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合は、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータ（ここではプロパン２０％／メタン８０％）を設定して運転する。
【００８８】
なお、選択する制御パラメータは、水素生成量検知部で検知される水素含有ガスの流量の変化の程度によって選択されるのがよい。
【００８９】
例えばプロパン２０％／メタン８０％のガスに対応した制御パラメータで運転している場合に、水素含有ガスの生成量が所定量減少した場合（ここでは、水素含有ガスの生成量が５％以上低下した場合）、制御器４は、相対的に低熱量で、３つのうち中間の熱量に相当する制御パラメータ（ここではメタン１００％）を設定して運転する。
【００９０】
また、プロパン２０％／メタン８０％のガスに対応した制御パラメータで運転している場合に、水素含有ガスの生成量が前述の所定量よりも多い所定量減少した場合（ここでは、水素含有ガスの生成量が１０％以上減少した場合）、制御器４は、３つのうちで相対的に一番低熱量に相当する制御パラメータ（ここでは窒素２０％／メタン８０％）を設定して運転する。
【００９１】
なお、本変形例１では、３種の制御パラメータを有するものとしたが、３種以上の複数の制御パラメータを有し、それらを適宜選択するよう設定してもよい。
【００９２】
かかる構成により、生成水素量の変化を検知し、複数の制御パラメータから適切な制御パラメータを選択して運転することで、生成水素量を適正に保ち、効率よく安定運転の可能な水素生成装置を実現することができる。
【００９３】
（変形例２）
次に、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置５０の変形例２について説明する。
【００９４】
本変形例２における特徴的な動作について説明するが、主に、第１の実施の形態との相違点について説明し、それ以外は第１の実施の形態と同様とする。
【００９５】
本変形例では、制御パラメータの設定方法として、原料ガスの組成すなわち熱量に対する関数によって、制御パラメータを与える構成としている。前述のように、相対的に低熱量な原料ガスほど、例えば、原料ガス流量は多く、水供給量は少なく、燃焼空気流量は少なく設定するのがよい。
【００９６】
水素生成量検知部で検知される水素含有ガスの流量から算出される原料ガスの熱量に対して、制御パラメータが関数で与えられる。
【００９７】
図２で示したように、メタン１００％のガスから窒素２０％／メタン８０％のガスに切り替わった場合、原料流量が３．０ＮＬＭで同等の場合には、水素含有ガス流量が１５％減少し、そのうちの生成水素量は、１０．２から８．１６ＮＬＭに２０％減少する（８０％に減少する）。
【００９８】
そこで、水素含有ガス流量が１５％減少したと検知したときに、生成水素量をガス組成変化前と同等に保つため、原料ガスを２５％（（１００÷８０−１）×１００）増量するとよい。
【００９９】
本変形例２では、水素含有ガスの減少割合をＸとし、組成変化前の原料流量をＹ０とし、組成変化後の新たに設定する原料流量をＹとすると、Ｙ＝（１＋１．６７Ｘ）×Ｙ０とおくことができる。１．６７の数値は、増量する２５％と、減少した１５％から、２５÷１５で算出した。
【０１００】
すなわち水素含有ガスの流量が１５％減少したとき、新たな原料ガスＹの設定として、（１＋１．６７×０．１５）＝１．２５×Ｙ０とすることができる。減少割合は、所定の時間に減少した水素含有ガスの流量とすることができ、ここでは１分間に減少した割合と定義する。また水素含有ガスの流量が増大したときも同様に考えることができる。
【０１０１】
また、例えば水供給量または燃焼空気流量など、その他の原料ガス組成に起因する制御パラメータを、適宜関数によって設定してもよい。
【０１０２】
かかる構成により、水素含有ガスの生成量が変化した場合は、最適な原料ガスの熱量すなわち組成に、連続的に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、効率よく安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０１０３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置６０について説明する。
【０１０４】
図８は、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置６０の概略構成を示す図である。
【０１０５】
図１に示される第１の実施の形態と、同一部または相当部には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１０６】
本実施の形態は、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を、酸素によって選択的に酸化除去する選択酸化部１１と、選択酸化部１１に選択酸化空気を供給する選択酸化空気供給器１２と、選択酸化空気の流量を検知する選択酸化空気流量検知器１３とを備える構成である。
【０１０７】
選択酸化部１１は、Ｒｕ系の触媒を用いて所定の温度（ここでは約１６０℃）に保ち、選択酸化空気供給器１２から酸素を含む空気が供給されることにより、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を選択除去する構成を有している。
【０１０８】
なお、改質部１で得られた一酸化炭素を含む水素含有ガスを、変成触媒を通して段階的に一酸化炭素を低減させた後に、選択酸化部１１に供給する構成としてもよい。また、選択酸化空気供給器１２として空気ポンプを用いて、空気を圧送し、選択酸化空気流量検知器１３として流量計を用いて、供給量を計測する構成としている。また、本実施の形態では、選択酸化空気流量が０．７ＮＬＭとなるように空気が供給される。
【０１０９】
次に、本実施の形態における特徴的な動作について説明する。ここでは、第１の実施の形態との相違点について説明し、それ以外は第１の実施の形態と同様とする。
【０１１０】
本実施の形態では、選択酸化空気の流量を検知する選択酸化空気流量検知器１３を水素生成量検知部として用いている。制御器４は、水素生成装置６０の運転中に、選択酸化空気の流量が増加した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転し、選択酸化空気の流量が低下した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転するように構成されている。
【０１１１】
具体的には、高熱量ガス用の制御パラメータで水素生成装置６０が運転されている場合に、制御器４は、選択酸化空気の流量が、第１流量（ここでは０．８ＮＬＭ）以上に増加した場合、または、予め定められた所定の時間内に選択酸化空気の流量が第２流量（ここでは０．１ＮＬＭ／１分）以上増加した場合には、低熱量ガス用の制御パラメータに切り替えて、水素生成装置６０を運転する。
【０１１２】
また、低熱量ガス用の制御パラメータで水素生成装置６０が運転されている場合に、選択酸化空気の流量が第３流量（ここでは０．６ＮＬＭ）以下に低下した場合、または、予め定められた所定の時間内に選択酸化空気の流量が第４流量（ここでは０．１ＮＬＭ／１分）以上低下した場合には、高熱量ガス用の制御パラメータに切り替えて水素生成装置６０が運転される構成としている。
【０１１３】
ここで、選択酸化空気は選択酸化部１１に供給され、反応した後、水素含有ガスの経路を通じて供給または排出される。水素含有ガスの生成量が低下すると、同経路を流れる流体の量が低下し、それに伴って経路の圧損が低下する。
【０１１４】
第１の実施の形態と同条件の場合、流量は約８５％に低下するが、配管等を流れる流体の圧損は、一般的に、流速の二乗に比例する。すなわち、流路の断面積が同等であれば、圧損は０．８５×０．８５で約７２％程度に低下する。
【０１１５】
ここで、所定の選択酸化空気流量が供給されるように選択酸化空気供給器１２が制御されている場合、経路の圧損が低下すると、選択酸化流量は増大する。逆に、水素含有ガスの生成量の増加に伴い、経路の圧損が上昇すると、選択酸化流量は低下する。この選択酸化流量の変化を検知することで、水素含有ガスの生成量の変化、すなわち原料ガス組成の変化を検知することができる。
【０１１６】
なお、制御パラメータの設定については、第１の実施の形態と同様の方法を用いることができる。
【０１１７】
かかる構成により、供給する原料ガスの組成が水素生成装置６０の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量の変化に起因する、経路の圧力変化に伴う選択酸化空気流量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、水素生成装置６０において一般的な選択酸化流量を用いて原料ガスの組成を判定できるため、低コストで簡易な装置を実現することができる。
【０１１８】
（変形例）
次に、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置６０の変形例について説明する。
【０１１９】
図８に示される第２の実施の形態と同一部または相当部には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本変形例では、選択酸化部１１に選択酸化空気を供給する選択酸化空気供給器１２を、水素生成量検知部として用いている。本実施の形態では、選択酸化空気流量が０．７ＮＬＭとなるように空気を供給し、このときの選択酸化空気供給器１２の出力は５０％である。
【０１２０】
次に、本変形例における特徴的な動作について説明するが、第２の実施の形態との相違点について説明し、それ以外は第２の実施の形態と同様とする。
【０１２１】
制御器４は、水素生成装置６０を運転し、選択酸化空気の流量が所定の流量となるように選択酸化空気供給器１２を制御している場合に、選択酸化空気供給器１２の出力が減少した場合は、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転し、選択酸化空気供給器１２の出力が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転するよう構成されている。
【０１２２】
具体的には、高熱量ガス用の制御パラメータで水素生成装置６０が運転されている場合に、選択酸化空気供給器１２の出力が第１出力（ここでは４０％）以下に低下した場合、または、予め定められた所定の時間内に、選択酸化空気供給器１２の出力が第２出力（ここでは１０％／１分）以上低下した場合に、制御器４は、低熱量ガス用の制御パラメータに切り替えて水素生成装置６０を運転する。
【０１２３】
また、制御器４は、低熱量ガス用の制御パラメータで水素生成装置６０を運転している場合に、選択酸化空気供給器１２の出力が第３出力（ここでは６０％）以上に増加した場合、または、予め定められた所定の時間内に、選択酸化空気供給器１２の出力が第４出力（ここでは１０％／１分）以上増加した場合に、高熱量ガス用の制御パラメータに切り替えて水素生成装置６０を運転するよう構成されている。
【０１２４】
なお、選択酸化空気流量の変化、および、選択酸化空気供給器１２の出力の変化が同時に検知される構成としてもよい。
【０１２５】
図９は、本発明の第２の実施の形態の変形例における、ガス種が切り替わった際（ここでは高熱量ガスから低熱量ガスへ）の、選択酸化空気流量および選択酸化空気供給器１２の出力の変化、ならびに改質部１の温度の変化の比較を示す図である。
【０１２６】
ガス種の切り替わり時に、熱容量の大きい改質部１の温度変化に比べて、選択酸化空気流量または選択酸化空気供給器１２の出力の変化は瞬時に検知できる。このため、ガス種の切り替わりに応じた制御を加えることにより、安定運転が可能となる。
【０１２７】
かかる構成により、供給する原料ガスの組成が水素生成装置６０の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量の変化に起因する、経路の圧力変化に伴う選択酸化空気供給器１２の出力、すなわち操作量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、水素生成装置６０において一般的な選択酸化流量を用いて原料ガスの組成を判定できるため、低コストで簡易な装置を実現することができる。
【０１２８】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態における水素生成装置７０について説明する。
【０１２９】
図１０は、本発明の第３の実施の形態における水素生成装置７０の概略構成を示す図である。
【０１３０】
図１に示される第１の実施の形態と同一部または相当部には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１３１】
本実施の形態は、水素生成量検知部として、原料供給器２より下流の改質部１を含む経路の圧力を検知する圧力検知器１４を備える構成である。
【０１３２】
本実施の形態の水素生成装置７０では、改質部１の入口に圧力検知器１４が設置されており、運転時の計測圧力は３．０ｋＰａである。なお、圧力検知器１４の設置位置は、水素含有ガスの生成量に起因する圧力が検知できる位置であれば、この例に限定されるものではなく、原料ガスの入口部、または、改質部１の出口の圧力を検知する構成であってもよい。
【０１３３】
次に、本実施の形態における特徴的な動作について説明するが、第１の実施の形態との相違点について説明し、それ以外は第１の実施の形態と同様とする。
【０１３４】
制御器４は、圧力検知器１４の圧力が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転し、圧力検知器１４の圧力が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転するように構成されている。
【０１３５】
具体的には、高熱量ガス用の制御パラメータで水素生成装置７０を運転している場合に、圧力検知器１４の圧力が第１圧力（ここでは２．５ｋＰａ）以下に低下した場合、または、予め定められた所定の時間内に圧力検知器１４の圧力が第２圧力（ここでは０．５ｋＰａ／１分）以上低下した場合、制御器４は、低熱量ガス用の制御パラメータに切り替えて水素生成装置７０を運転する。
【０１３６】
また、制御器４は、低熱量ガス用の制御パラメータで水素生成装置７０を運転している場合に、圧力検知器１４の圧力が第３圧力（ここでは３．５ｋＰａ）以上に増加した場合、または、予め定められた所定の時間内に圧力検知器１４の圧力が第４圧力（ここでは０．５ｋＰａ／１分）以上増加した場合に、高熱量ガス用の制御パラメータに切り替えて水素生成装置７０を運転する。
【０１３７】
制御パラメータの設定については、第１の実施の形態と同様の方法を用いることができる。なお、３種以上のガス種に対応する制御パラメータを有する構成として、適切な制御パラメータを選択するよう構成してもよいし、熱量の関数として連続的なパラメータ設定をするよう構成してもよい。
【０１３８】
かかる構成により、供給する原料ガスの組成が水素生成装置７０の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量の変化に起因する、経路の圧力変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。
【０１３９】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態における水素生成装置について説明する。
【０１４０】
本実施の形態では、図１に示す第１の実施の形態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。
【０１４１】
次に本実施の形態における特徴的な動作について説明するが、第１の実施の形態との相違点について説明し、それ以外は第１の実施の形態と同様とする。
【０１４２】
制御器４は、原料の流量が所定の流量となるように原料供給器２を制御し、原料供給器２の出力が減少した場合には、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転し、原料供給器２の出力が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転するよう構成されている。ここで、原料ガスを３．０ＮＬＭ供給しているときの原料供給器２の出力は、７０％であるとする。
【０１４３】
具体的には、高熱量ガス用の制御パラメータで水素生成装置が運転されている場合に、原料供給器２の出力が第５出力（ここでは６０％）以下に低下した場合、または、予め定められた所定の時間内に原料供給器２の出力が第６出力（ここでは１０％／１分）以上低下した場合、制御器４は、低熱量ガス用の制御パラメータに切り替えて水素生成装置を運転する。
【０１４４】
また、低熱量ガス用の制御パラメータで水素生成装置が運転されている場合に、原料供給器２の出力が第７出力（ここでは８０％）以上に増加した場合、または予め定められた所定の時間内に原料供給器２の出力が第８出力（ここでは１０％／１分）以上増加した場合、制御器４は、高熱量ガス用の制御パラメータに切り替えて水素生成装置を運転する。
【０１４５】
制御パラメータの設定については、第１の実施の形態と同様の方法を用いることができる。なお、３種以上のガス種に対応する制御パラメータを有し、適切な制御パラメータを選択するよう構成してもよいし、熱量の関数として連続的なパラメータ設定をするよう構成してもよい。
【０１４６】
かかる構成により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量の変化に起因する、経路の圧力変化に伴う原料供給器２の出力、すなわち操作量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、水素生成装置において一般的な原料供給器２の出力を用いて原料ガスの組成を判定できるため、低コストで簡易な装置を実現することができる。
【０１４７】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態における燃料電池システム８０について説明する。
【０１４８】
図１１は、本発明の第５の実施の形態における燃料電池システム８０の概略構成を示す図である。
【０１４９】
図１に示される、第１の実施の形態と同一部または相当部には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１５０】
本実施の形態は、水素生成装置５０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を備える構成である。また水素生成量検知部として、燃料電池２０のアノード入口の流量を検知するアノード流量計３ｂを備えている。
【０１５１】
燃料電池２０として、ここでは固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いている。燃料電池２０は、一般的に一酸化炭素により電圧が低下するため、選択酸化部１１で、概ね１０ｐｐｍ以下に一酸化炭素を低減させる必要がある。なお、改質部１で得られた一酸化炭素を含む水素含有ガスを、変成触媒を通して段階的に一酸化炭素を低減した後に、選択酸化部１１に供給する構成としてもよい。
【０１５２】
次に、燃料電池システム８０の運転方法について説明する。
【０１５３】
制御器４は、水素含有ガスを、燃料電池２０の燃料ガスとして、燃料電池２０のアノードに供給する。燃料電池２０では、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された発電用空気とが電気化学的に反応して、電気と熱と水とが発生する。
【０１５４】
燃料電池２０で得られた電気は、図示しない電力負荷に供給されて使用される。一方、発電に伴って発生した熱は、図示しない熱回収手段によって回収され、熱負荷に供給されて種々の用途で利用される。また、燃料電池２０の内部で消費されなかった未反応の燃料ガス（以下、オフガスと呼ぶ）は、燃焼器６に供給される。
【０１５５】
制御器４は、燃焼用空気供給器７を制御し、燃焼器６に供給されたオフガスを燃焼させるのに必要な燃焼空気を供給する。燃焼器６では、オフガスと、燃焼用空気供給器７から供給された燃焼空気とを混合して燃焼させ、改質部１での水蒸気改質反応に必要な熱が供給される。ここで、燃焼空気の流量は、理論空気流量に対する供給空気流量をあらわす空気比で１．７となるよう制御される。
【０１５６】
また、制御器４は、原料流量検知器８で検出される原料流量と、図示しない改質温度検出器で検出される温度から算出される炭化水素の転化率とから、生成される生成水素量を算出し、所定の水素利用率範囲内で発電できるように、燃料電池２０での発電量を指示する。
【０１５７】
ここでは、水素利用率が約８０％となるように、発電指示量として７５０Ｗを指示して発電させる。ここで、水素利用率は、安定運転のために、７０％から８５％の間程度となるように設定されることがよい。
【０１５８】
次に、本実施の形態における特徴的な動作について説明する。ここでは、第１の実施の形態との相違点について説明し、それ以外は、第１の実施の形態と同様とする。
【０１５９】
（水素生成量検知方法）
まず、本発明における燃料電池システム８０の水素含有ガスの生成量の検知方法について説明する。
【０１６０】
水素生成量検知部として、ここではアノード経路にアノード流量計３ｂを備える構成としている。そして、生成量が減少したか否かを判定する方法として、例えば、所定の時間内に水素含有ガスの生成量が所定の値減少した場合であったり、所定の流量閾値に減少した場合であったり、通常の運転条件での変化量とガス組成が変わったりした時の挙動を考慮して、より確実に組成の変化を検知できるよう適宜選択されるのがよい。
【０１６１】
逆に、生成量が増加したか否かを判定する方法としては、例えば所定の時間内に水素含有ガスの生成量が所定の値増加した場合、または、所定の流量閾値に増加した場合に、生成量が増加したと判定することができる。これらの値は、所定の時間毎の平均値をとって比較してもよい。
【０１６２】
また、ここでは、アノード流量計３ｂを用いて水素含有ガスの生成量を直接検知する方法を用いたが、例えば圧力検知器を用いて圧損の変化を検知したり、選択酸化流量計の流量および選択酸化空気供給器１２の出力、または、原料供給器２の出力などを用いて、アノード経路の流量の変化に起因する圧力の変化を間接的に検知したりするなどして、原料ガスの組成の変化を検知してもよい。
【０１６３】
また、生成水素量は、所望の燃料電池２０での発電出力に応じて変化する。そこで、燃料電池２０の出力が所定の範囲内であれば設定を変更するように構成してもよい。または、燃料電池２０の出力の所定の時間当たりの変化量が所定の範囲内であれば、設定を変更するよう構成してもよい。一方、発電電力は、例えば負荷に応じて変動させてもよい。
【０１６４】
制御器４は、燃料電池２０の出力に基づき、水素生成量検知部が検知する水素含有ガスの生成量を補正してもよい。また、制御パラメータを変更するための閾値を補正しても、同様の効果が得られる。
【０１６５】
図１２は、本発明の第５の実施の形態における、燃料電池２０の出力の変化に応じた水素含有ガスの生成量補正イメージを示す図である。
【０１６６】
発電量の変化に基づいて、通常、例えば原料流量を増やす制御を加える。原料流量の増加に伴って、生成水素量も増加するが、例えば原料流量の増加に見合った分より、想定以上の生成水素量の変化があった際に、原料ガスの組成が変化したと検知することができる。
【０１６７】
（制御パラメータ設定方法）
次に、本実施の形態における燃料電池システム８０の制御パラメータの設定方法について説明する。
【０１６８】
制御パラメータとして、第１の実施の形態における水素生成装置５０のパラメータに加えて、燃料電池２０の運転に関わるパラメータが設定される。
【０１６９】
一般的に、低熱量ガスの場合、所定の水素量を生成するためには、より多くの原料流量が必要となるが、使用する機器の構成上、過大な流量を供給できないことがある。そのため、所定の水素利用率範囲内で発電をしようとすると、水素量に見合った発電量しか発電できない、すなわち発電量を落とす必要が生じる可能性がある。
【０１７０】
また、相対的な高熱量ガスから低熱量ガスに切り替わった際、発電量が同一であったとすると、水素量の低下に伴い、燃焼器６で燃焼する被燃焼ガスの流量が減少することになる。すなわち、燃焼空気流量が同一の場合、被燃焼ガス流量に対して燃焼空気流量が過剰となる可能性がある。ここで、図６で示したように、燃焼空気比が過剰となると、適切な燃焼が維持できず一酸化炭素が発生する可能性がある。
【０１７１】
逆に、相対的な低熱量ガスから高熱量ガスに切り替わった際、発電量が同一であったとすると、水素量の増加に伴い、燃焼器６で燃焼する被燃焼ガスの流量が増加することになる。すなわち、燃焼空気流量が同一の場合、被燃焼ガス流量に対して燃焼空気流量が過少となる可能性がある。燃焼空気比が過少となると、適切な燃焼が維持できず一酸化炭素が発生する可能性がある。
【０１７２】
そこで、水素生成量検知部であるアノード流量計３ｂで検知される水素含有ガスの生成量が減少した場合は、相対的に低熱量に対応する制御パラメータが設定されて運転され、水素含有ガスの生成量が増加した場合は、相対的に高熱量に対応する制御パラメータが設定されて運転される。
【０１７３】
具体的には、生成量が減少した場合は、例えば燃料電池２０の発電量を落として運転してもよく、逆に生成水素量が増加した場合は、燃料電池２０の発電量を増加させてもよい。ここでは、高熱量に対応したパラメータを用いて７５０Ｗで運転している場合に、生成水素量が減少した場合には、発電量を６００Ｗまで低下させるよう制御する。
【０１７４】
燃料電池２０では、水素利用率を適正な範囲に保って運転する必要があり、原料ガスが低熱量ガスに切り替わって生成水素量が減少した場合には、発電量を低下させることで安定な運転が可能となる。また、燃料電池２０のオフガス量の低下に伴い、燃焼空気が過剰となり燃焼性が悪化する可能性があるが、同様に発電量を低下させることで、燃焼性を維持することができる。
【０１７５】
なお、発電量以外のパラメータ（例えば原料ガス流量）を、低熱量に対応したパラメータに変化させた後、すなわち生成水素量が適正な量になった後に、発電量を元に戻してもよく、かかる構成により、適切な発電量で安定な運転が可能となる。
【０１７６】
また、外部からの入力、例えば燃料電池２０の場合は発電出力の増加指令に基づいて生成水素量が増加される。この外部からの入力（指令）によって変化した生成水素量を補正した上で、水素生成量検知部で検知される水素含有ガスの生成量が変化したか否かを判定し、制御パラメータを設定するように構成してもよい。
【０１７７】
なお、３種以上のガス種に対応する制御パラメータを有し、適切な制御パラメータを選択するよう構成してもよいし、熱量の関数として連続的なパラメータ設定をするよう構成してもよい。
【０１７８】
かかる構成により、供給する原料ガスの組成が燃料電池システム８０の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が変化したことを検知することで、例えば改質温度などの変化を待たなくても、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。
【０１７９】
また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定、とりわけ発電量を、原料ガスの熱量に対応した設定とすることで、安定運転が可能な燃料電池システム８０を実現することができる。また一酸化炭素の発生を抑制した、安定な燃焼の維持が可能となる。
【０１８０】
（変形例１）
次に、本発明の第５の実施の形態における燃料電池システム８０の変形例１について説明する。
【０１８１】
図１３は、本発明の第５の実施の形態における変形例１における燃料電池システム８０の概略構成を示す図である。
【０１８２】
図１１に示された第５の実施の形態と同一部または相当部には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１８３】
本変形例は、燃料電池２０のカソードへ空気を送るカソード空気供給器２１を備える構成である。また、燃料電池２０のカソード空気供給経路から分岐して、選択酸化部１１に選択酸化空気が供給され、選択酸化空気流量検知器１３で検知する流量が所定の流量となるようにカソード空気供給器２１が制御されるように構成している。なお、カソード空気供給器２１としては、空気ブロワを用いている。
【０１８４】
また、水素含有ガス中に微量の一酸化炭素が残っていると、燃料電池２０の発電時に一酸化炭素がアノードに吸着することにより、発電性能が低下することがある。そこで、カソード空気供給器２１から供給される空気の一部を水素含有ガスに添加して、燃料電池２０のアノードに供給する構成としてもよい。
【０１８５】
次に、本変形例１における特徴的な動作について説明するが、第５の実施の形態との相違点について説明し、それ以外は第５の実施の形態と同様とする。
【０１８６】
水素生成量検知部は、燃料電池２０のアノード経路の流量の変化に起因する圧力の変化を検知する。具体的には、カソード空気供給器２１の出力、選択酸化空気流量またはアノード空気流量の変化から圧力の変化を検知する。
【０１８７】
制御器４は、カソード空気供給器２１の出力が減少した場合、選択酸化空気流量が増加した場合、または、アノード空気流量が増加した場合には、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転する。逆に、カソード空気供給器２１の出力が増加した場合、選択酸化空気流量が低下した場合、または、アノード空気流量が低下した場合には、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して運転するよう構成されている。
【０１８８】
なお、３種以上のガス種に対応する制御パラメータを有し、適切な制御パラメータを選択するよう構成してもよいし、熱量の関数として連続的なパラメータ設定をするよう構成してもよい。
【０１８９】
かかる構成により、装置を簡略化した装置において、水素含有ガスの生成量の変化を圧力の変化から間接的に検知することができ、コストを低減した簡易な燃料電池システムを実現することができる。
【０１９０】
（変形例２）
次に、本発明の第５の実施の形態における燃料電池システム８０の変形例２について説明する。
【０１９１】
図１４は、本発明の第５の実施の形態における変形例２における燃料電池システム８０の概略構成を示す図である。
【０１９２】
ここで、図１１に示された第５の実施の形態と同一部または相当部には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１９３】
本変形例では、水素生成量検知部として、燃料電池２０のアノード出口のオフガス経路に水素生成量検知部としてオフガス流量計３ｃを備える構成としている。
【０１９４】
図１５は、本発明の第５の実施の形態における変形例２における、メタン１００％のガスが供給されたときと、窒素２０％／メタン８０％のガスが供給されたときで、燃料電池２０の発電出力、すなわち電流値および消費水素量が同一だった場合の、オフガス流量の変化を示す図である。
【０１９５】
低熱量ガスに切り替わった際、オフガスの流量は６１％程度に減少する。この際、流路の圧損は０．６１×０．６１で約３７％に減少する。すなわち、図１５に示されるように、不活性ガスを含み、相対的な低熱量ガスである窒素２０％／メタン８０％のガスが供給された場合、生成水素量が減少するが、発電量が同一の場合、燃料電池２０のオフガスの流量およびそれに起因する経路の圧損が顕著に減少する。
【０１９６】
そのため、オフガス経路の水素含有ガスの生成量を検知することで、より顕著に原料ガス組成の変化を検知でき、確実に判定することで、安定運転が可能な燃料電池システムを実現することができる。
【０１９７】
なお、本変形例では、オフガス流量計３ｃを用いてオフガス流量を直接検知したが、例えば圧力の変化を検知したり、選択酸化流量計の流量および選択酸化空気供給器１２の出力、原料供給器２の出力などを利用して、オフガス経路の流量の変化に起因する圧力の変化を間接的に検知したりするなどすることで、原料ガスの組成の変化を検知してもよい。
【０１９８】
なお、３種以上のガス種に対応する制御パラメータを有し、適切な制御パラメータを選択するよう構成してもよいし、熱量の関数として連続的なパラメータ設定をするよう構成してもよい。
【０１９９】
かかる構成により、オフガス経路の流量の変化または流量の変化に起因する圧力の変化を検知することで、原料ガス組成の変化に起因する水素含有ガスの生成量の変化をより瞬時に、確実に検知することができる。そのため、原料ガスの熱量に見合った発電ができ、より安定運転が可能な燃料電池システムを実現することができる。また一酸化炭素の発生を抑制した安定した燃焼の維持を可能とすることができる。
【０２００】
以上述べたように、実施の形態の第１の態様の水素生成装置は、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に原料を供給する原料供給器と、水素含有ガスの生成量を検知する水素生成量検知部とを備えている。そして、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、原料供給器を運転するように構成された制御器と、を備えている。
【０２０１】
このような構成により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が原料ガスの組成の変化に伴って変化するので、水素含有ガスの生成量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２０２】
第２の態様は、第１の態様の水素生成装置において、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を、酸素によって選択的に酸化除去する選択酸化部と、選択酸化部に選択酸化空気を供給する選択酸化空気供給器と、選択酸化空気の流量を検知する選択酸化空気流量検知器と、を備えている。そして、水素生成量検知部は、選択酸化空気流量検出器であり、制御器は、選択酸化空気の流量が増加した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転し、選択酸化空気の流量が減少した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。
【０２０３】
かかる構成により、供給する原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量の変化に起因する、経路の圧力変化に伴う選択酸化空気流量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置とすることができる。
【０２０４】
第３の態様は、第１の態様の水素生成装置に加えて、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を、酸素によって選択的に酸化除去する選択酸化部と、選択酸化部に選択酸化空気を供給する選択酸化空気供給器と、選択酸化空気の流量を検知する選択酸化空気流量検知器と、を備えている。制御器は、選択酸化空気の流量が所定の流量となるように選択酸化空気供給器を制御し、選択酸化空気供給器の出力が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転する。そして、選択酸化空気供給器の出力が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。
【０２０５】
かかる構成によって、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量の変化に起因する、経路の圧力変化に伴う選択酸化空気供給器の出力、すなわち操作量の変化を検知することで原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２０６】
第４の態様は、第１の態様の水素生成装置において、原料供給器より下流の改質部を含む経路の圧力を検知する圧力検知器を備えている。そして、水素生成量検知部は、圧力検知器であり、制御器は、圧力検知器の圧力が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転し、圧力検知器の圧力が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。
【０２０７】
かかる構成により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量の変化に起因する、経路の圧力変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２０８】
第５の態様は、第１の態様の水素生成装置において、原料の流量を検知する原料流量検知器を備えている。制御器は、原料の流量が所定の流量となるように原料供給器を制御し、原料供給器の出力が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転し、原料供給器の出力が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。
【０２０９】
かかる構成により、供給する原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量の変化に起因する、経路の圧力変化に伴う原料供給器の出力、すなわち操作量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２１０】
第６の態様は、第１の態様から第５の態様までのいずれかの水素生成装置において、低熱量ガスは、高熱量ガスよりも不活性ガスが多く含まれるものである。
【０２１１】
かかる構成により、不活性ガスを原料に含む場合、原料ガスの流量に対して、水素生成に寄与しない原料流量が増えるため、より顕著に水素生成量検知部で水素含有ガスの生成量の変化を検知できる。
【０２１２】
第７の態様は、第１の態様から第６の態様のいずれかの水素生成装置における制御器が、水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータが所定の範囲内であるときに、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。そして、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。
【０２１３】
かかる構成により、外的要因で変化する水素含有ガスの生成量のみによらず、水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータが所定の範囲内の場合に、水素含有ガスの生成量の増減を検知することで、安定で確実な水素含有ガスの生成量の判定が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２１４】
第８の態様は、第１の態様から第６の態様のいずれかの水素生成装置における制御器が、水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータの変化量が所定の範囲内であるときに、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。そして、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。
【０２１５】
かかる構成により、水素含有ガスの生成量に寄与する外的な要因の変化があっても、その変化量が所定の範囲内の場合に、水素含有ガスの生成量の増減を検知することで、安定で確実な水素含有ガスの生成量の判定が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２１６】
第９の態様は、第１の態様から第６の態様のいずれかの水素生成装置における制御器が、水素含有ガスの生成量に寄与するパラメータに基づき、水素生成量検知部が検知する水素含有ガスの生成量を補正するように構成されている。
【０２１７】
かかる構成により、水素含有ガスの生成量に寄与する外的な要因の変化があっても、補正をすることで、安定で確実な水素含有ガスの生成量の判定が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２１８】
第１０の態様は、第１の態様から第９の態様のいずれかの水素生成装置において、改質部に水を供給する水供給器を備えた構成である。そして、制御器は、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して水供給器を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、水供給器を運転するように構成されている。
【０２１９】
このような構成により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が原料ガスの組成の変化に伴って変化するので、水素含有ガスの生成量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した水供給器の制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２２０】
第１１の態様は、第１の態様から第１０の態様のいずれかの水素生成装置において、改質部から排出された水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器とを備えている。
【０２２１】
そして、制御器は、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して燃焼用空気供給器を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、燃焼用空気供給器を運転するように構成されている。
【０２２２】
このような構成により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が原料ガスの組成の変化に伴って変化するので、水素含有ガスの生成量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した燃焼用空気供給器の制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２２３】
第１２の態様は、第１の態様から第１１の態様のいずれかの水素生成装置と、この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た、燃料電池システムである。
【０２２４】
かかる構成により、供給する原料ガスの組成が燃料電池システムの運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が変化したことを検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な燃料電池システムを実現することができる。
【０２２５】
第１３の態様は、第１２の態様における燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力が所定の出力範囲内であるときに、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。
【０２２６】
かかる構成により、燃料電池の出力が所定の範囲内の場合に、水素含有ガスの生成量の増減を検知することで、燃料電池出力が所定範囲内の場合に、安定で確実な水素含有ガスの生成量の判定が可能な燃料電池システムを実現することができる。
【０２２７】
第１４の態様は、第１２の態様における燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力の変化量が所定の出力範囲内であるときに、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するように構成されている。
【０２２８】
かかる構成により、燃料電池の出力を変化させていても、出力変化に伴う水素含有ガスの生成量の変化量が所定の範囲内の場合に、水素含有ガスの生成量の増減を検知することで、安定で確実な水素含有ガスの生成量の判定が可能な燃料電池システムを実現することができる。
【０２２９】
第１５の態様は、第１２の態様における燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力に基づき、水素生成量検知部が検知する水素含有ガスの生成量を補正するように構成されている。
【０２３０】
かかる構成により、燃料電池の出力の変化があっても、出力の増減に基づく水素含有ガスの生成量の増減を補正することで、安定で確実な水素含有ガスの生成量の判定が可能な燃料電池システムを実現することができる。
【０２３１】
第１６の態様は、第１２の態様から第１５の態様までのいずれかに記載の燃料電池システムであって、改質部に水を供給する水供給器を備えている。
【０２３２】
そして、制御器は、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して水供給器を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、水供給器を運転するように構成されている。
【０２３３】
このような構成により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が原料ガスの組成の変化に伴って変化するので、水素含有ガスの生成量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した水供給器の制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２３４】
第１７の態様は、第１２の態様から第１６の態様までのいずれかに記載の燃料電池システムであって、燃料電池から排出された前記水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給器を備えている。そして、制御器は、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して燃焼用空気供給器を運転し、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して、燃焼用空気供給器を運転するように構成されている。
【０２３５】
このような構成により、供給される原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が原料ガスの組成の変化に伴って変化するので、水素含有ガスの生成量の変化を検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した燃焼用空気供給器の制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置を実現することができる。
【０２３６】
第１８の態様は、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、改質部に原料を供給する原料供給器と、を備えた、水素生成装置の運転方法である。そして、水素含有ガスの生成量が減少した場合に、相対的な低熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するステップと、水素含有ガスの生成量が増加した場合に、相対的な高熱量ガスに対応する制御パラメータを設定して原料供給器を運転するステップとを備えている。
【０２３７】
この運転方法により、供給する原料ガスの組成が水素生成装置の運転中に変化しても、水素含有ガスの生成量が変化したことを検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知できる。また、その結果をもとに、原料ガスの組成に対応した制御パラメータを設定することで、生成水素量を適正に保ち、安定運転が可能な水素生成装置の運転方法を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２３８】
以上述べたように、本発明によれば、運転中に原料ガスの組成すなわち熱量が変化しても、瞬時に水素含有ガスの生成量が変化したことを検知することで、原料ガスの組成の変化を瞬時に検知し、適正なパラメータを設定することで、安定運転が可能である、という格別な効果を奏することができる。よって、本発明は、原料ガスの組成が経時的に変化し得る場合に特に有用で、分散型の固体高分子形もしくは固体酸化物形などの、炭化水素を含む原料ガスを改質して水素を生成する水素生成装置およびその運転方法、ならびに、水素生成装置で得られた水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システム等として有用である。
【符号の説明】
【０２３９】
１    改質部
２    原料供給器
３ａ    水素含有ガス流量計
３ｂ    アノード流量計
３ｃ    オフガス流量計
４    制御器
５    水供給器
６    燃焼器
７    燃焼用空気供給器
８    原料流量検知器
１１    選択酸化部
１２    選択酸化空気供給器
１３    選択酸化空気流量検知器
１４    圧力検知器
２０    燃料電池
２１    カソード空気供給器
５０，６０，７０    水素生成装置
８０    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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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