(57)【要約】【課題】  燃料電池の発電量の増減に対応して一酸化炭素が十分に低減されかつ水素を豊富に含む良質の改質ガスを効率よく生成することが可能な水素生成装置、及びこれを備える燃料電池システムを提供する。【解決手段】  少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水とが供給されて水素を含む改質ガスを生成する改質部１と、該改質部を前記改質ガスの生成に必要な温度に加熱する加熱部５と、前記改質部で生成した前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減触媒を有する一酸化炭素低減部７，１１と、前記一酸化炭素低減触媒又は該一酸化炭素低減部内の前記改質ガスの温度の少なくとも一方を検出する温度検出部１０，１４とを備える水素生成装置１００ａであって、前記改質部に供給される前記原料の供給量の増加が、前記温度検出部によって検出される検出温度と、前記原料の供給量に応じて設定された基準温度との比較に基づいて制御される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水とが供給されて水素を含む改質ガスを生成する改質部と、該改質部を前記改質ガスの生成に必要な温度に加熱する加熱部と、前記改質部で生成した前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減触媒を有する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減触媒又は該一酸化炭素低減部内の前記改質ガスの温度の少なくとも一方を検出する温度検出部とを備える水素生成装置であって、
前記改質部に供給される前記原料の供給量の増加が、前記温度検出部によって検出される検出温度と、前記原料の供給量に応じて設定された基準温度との比較に基づいて制御される、水素生成装置。
【請求項２】
前記比較の結果、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記改質部に供給される前記原料の供給量が増加されず、前記検出温度が前記基準温度以上の場合には増加される、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御し、前記基準温度以上に到達したときに、前記原料の供給量を増加させる、請求項２記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記加熱部における加熱量が増大され、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御される、請求項３記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記改質部に供給される前記水が減量され、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御される、請求項３記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記一酸化炭素低減部の内部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部を更に有し、
前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記一酸化炭素低減部に前記酸化剤ガス供給部から酸化剤ガスが供給され、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御される、請求項３記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記一酸化炭素低減触媒が一酸化炭素と水とから水素と二酸化炭素とが生成する水性ガスシフト反応を進行させる変成触媒であり、前記一酸化炭素低減部が前記変成触媒を備える変成部である、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記変成触媒における触媒体が、少なくとも貴金属と、セリウム、ジルコニウム又はアルミニウムの内の少なくとも１元素の金属酸化物とから構成されている、請求項７記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記一酸化炭素低減触媒が一酸化炭素を選択酸化反応させるための一酸化炭素選択酸化触媒であり、前記一酸化炭素低減部が前記一酸化炭素選択酸化触媒を備える選択酸化部である、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の水素生成装置と、該水素生成装置によって生成される水素と酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池とを備え、
前記燃料電池が、前記温度検出部によって検出される前記検出温度が前記基準温度以上に到達したときに前記改質部への前記原料の供給量が増量されてその発電量を増量する、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、メタン、都市ガス、プロパン、ガソリン、アルコール等の有機化合物を用いて水素を生成する水素生成装置、及び、水素を燃料として発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エネルギーを有効に利用して発電する分散型発電装置として、発電効率及び総合効率の高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、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では、様々な種類の燃料電池が用いられている。例えば、現在既に実用化されている燃料電池としては、リン酸型燃料電池がある。又、実用化に向けて開発が進められている燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。
【０００４】
ところで、これらの燃料電池システムで用いられる燃料電池の多くは、水素を燃料として発電する。しかしながら、この水素の供給手段は、現在、インフラストラクチャーとして整備されていない。そのため、燃料電池システムを稼働させて所定の電力を得るためには、例えばその燃料電池システムの設置場所に水素生成装置を併設して、この併設した水素生成装置によって燃料電池に供給するための水素を生成する必要がある。そのため、燃料電池システムの殆どは、その燃料電池システム内に水素生成装置を有している。
【０００５】
水素生成装置では、通常、燃料電池に供給するための水素を、水素生成方法の１つである水蒸気改質法を用いて生成する。この水蒸気改質法は、炭化水素系原料又はアルコール系原料（以下、原料という）と水とを混合した後、その混合した原料と水とを所定の反応触媒を用いて高温下で化学反応させることによって水素を生成する方法である。この水素を生成するための水蒸気改質法で用いられる化学反応を、水蒸気改質反応という。又、この水蒸気改質反応で用いられる反応触媒を、改質触媒という。ここで、改質触媒は水素生成装置が有する改質部の内部に配設されており、その改質部において水蒸気改質反応が行われる。そして、水蒸気改質反応が行われた改質部からは、生成した水素を含む高温状態のガス（以下、改質ガスという）が排出される。尚、水蒸気改質法で用いられる炭化水素系原料としては、通常、天然ガス、液化プロパンガス（ＬＰＧ）、ナフサ、ガソリン、灯油等が好適に用いられる。又、アルコール系原料としては、例えば、メタノール等が好適に用いられる。
【０００６】
水素生成装置の改質部から排出される改質ガスには、通常、一酸化炭素が副成分として含まれている。具体的には、改質ガスは、水素を主成分として含有する一方で、一酸化炭素を副成分として約１０〜１５％含有している。そのため、一般的には、水素生成装置に前述した改質部に加えて所定の反応触媒を有する変成部を設け、この変成部において副成分である一酸化炭素と水とを所定の温度条件下で化学反応させることによって水素を生成させ、これにより改質ガスの水素濃度を上昇させるようにしている。この変成部における一酸化炭素と水とから水素を生成する化学反応を、水性ガスシフト反応という。又、この水性ガスシフト反応で用いられる反応触媒を、変成触媒という。この変成部における一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応により、改質ガス中の一酸化炭素濃度は約０．５％にまで低減される。
【０００７】
しかしながら、上述の如く改質ガスに含まれる一酸化炭素が変成部において約０．５％にまで低減されても、燃料電池の内部に配設されている電極触媒は、その少量残存する一酸化炭素によって被毒される。これは、燃料電池として例えば固体高分子型燃料電池を用いる場合には、特に顕著な問題となる。そのため、固体高分子型燃料電池等の被毒され易い燃料電池に改質ガスを供給する場合には、その固体高分子型燃料電池等に供給する改質ガスの一酸化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下にまで低減させる必要がある。そこで、一般的には、水素生成装置に前述した改質部及び変成部に加えて所定の反応触媒を有する浄化部を更に設け、この浄化部において残存する一酸化炭素と空気中の酸素とを化学反応させることによって二酸化炭素を生成させ、これにより改質ガス中に残存する一酸化炭素を低減するようにしている。この浄化部における一酸化炭素と酸素とから二酸化炭素を生成する化学反応を、選択酸化反応という。又、この選択酸化反応で用いられる反応触媒を、浄化触媒という。この浄化部における一酸化炭素と酸素との選択酸化反応によって、改質ガス中の一酸化炭素濃度は１００ｐｐｍ以下にまで低減される。
【０００８】
一酸化炭素が十分に低減され水素を豊富に含む固体高分子型燃料電池等に供給可能な良質の改質ガスは、水素生成装置の浄化部から排出された後、所定の改質ガス用配管によって燃料電池に供給される。燃料電池では、水素生成装置から供給された改質ガスに含まれる水素が燃料として用いられて、発電が行われる。
【０００９】
ところで、燃料電池システムでは、水素生成装置から燃料電池への改質ガスの供給量の調整は、水素生成装置の改質部への原料の供給量の調整によって行われるのが一般的である。具体的には、改質部への原料の供給量が多い場合には、水素生成装置から燃料電池への改質ガスの供給量は多い。反対に、改質部への原料の供給量が少ない場合には、水素生成装置から燃料電池への改質ガスの供給量は少ない。従って、例えば燃料電池の発電量が少ない場合、即ち、水素生成装置から燃料電池への改質ガスの供給量が少ない場合には、水素生成装置の改質部への原料の供給量は低量とされている。この時、改質部への原料の供給量が低量とされているので、改質部から変成部への改質ガスの供給量も低量とされている。そして、変成部への改質ガスの供給量が低量とされている場合には、改質ガスによる変成触媒の加熱量が少なく、又、変成触媒における水性ガスシフト反応による発熱量も少なく、更に水素生成装置からの放熱割合が多くなるので、変成触媒の温度は低下している。
【００１０】
変成部における変成触媒の温度が低下している場合、その変成部において改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に低減できない場合がある。これは、変成触媒の温度が低下しているため、変成部における水性ガスシフト反応が収率よく進行しない場合があるからである。この場合、その後の浄化部においては改質ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができないため、燃料電池に供給される改質ガスの品質は悪化する。従って、水素生成装置から燃料電池に対して一酸化炭素濃度が十分に低減された良質の改質ガスを安定して供給するためには、その水素生成装置における最初の一酸化炭素低減部である変成部において、改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に低減させる必要がある。そして、そのためには、変成部内に配設されている変成触媒の温度が、前述した水性ガスシフト反応を収率よく進行させるための所定の温度に維持されている必要がある。
【００１１】
そこで、変成触媒として貴金属触媒を用い、かつ水素生成装置における変成部の上流に空気供給部を設け、その空気供給部から空気を供給して発生する改質ガス中の一酸化炭素又は水素と空気中の酸素との反応熱を利用して変成触媒の温度を所定の温度に維持する水素生成装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。以下、第１の従来例という。）。又、水素生成装置における変成部に所定の温度調整手段を設け、この温度調整手段によって変成部の温度を調整し、これによって変成触媒の温度を所定の温度に維持する水素生成装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。以下、第２の従来例という。）。
【特許文献１】特開２０００−１７８００７号公報
【特許文献２】特開２０００−１８５９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した第１、第２の従来例によれば、変成部内に配設されている変成触媒の温度は、水性ガスシフト反応を進行させるための所定の温度に常に維持される。従って、水素生成装置の変成部においては、改質部への原料の供給量が少ない場合であっても、改質ガス中の一酸化炭素濃度が十分に低減される。
【００１３】
しかしながら、上述した空気供給部から変成部に空気を供給して変成触媒の温度を所定の温度に維持する第１の従来例では、変成触媒の温度を所定の温度に維持するために空気供給部から変成部へ空気が常時供給され、改質部から供給される改質ガスに含まれる水素と空気供給部から供給される空気に含まれる酸素とが反応して水素が無駄に消費されるので、水素生成装置の水素生成効率が低下する。
【００１４】
又、変成部に温度調整手段を設け、この温度調整手段によって変成触媒の温度を所定の温度に維持する第２の従来例では、その温度調整手段を構成するための部品等が更に必要となるため、水素生成装置の製造コストが上昇する。又、この従来例では、温度調整のための制御に煩雑性が伴う。
【００１５】
更に、水性ガスシフト反応を収率よく進行させるための変成触媒の最適な温度は、変成部に導入される改質ガスの導入量、即ち、改質部に供給される原料の供給量によって大きく変化する。具体的には、変成部への改質ガスの供給量の変化が小さい場合には、変成触媒の最適な温度は略一定である。しかし、変成部への改質ガスの供給量の変化が大きい場合には、変成触媒の最適な温度は大きく変化する。従って、燃料電池の発電量の増量に伴って改質部への原料の供給量が大幅に増量された場合、変成触媒の温度が所定の温度に維持される上記第１、第２の従来例では、変成部において改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に、又は殆ど低減できない場合がある。
【００１６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電量の増減に対応して一酸化炭素が十分に低減されかつ水素を豊富に含む良質の改質ガスを効率よく生成することが可能な安価な水素生成装置、及びこれを備える燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水とが供給されて水素を含む改質ガスを生成する改質部と、該改質部を前記改質ガスの生成に必要な温度に加熱する加熱部と、前記改質部で生成した前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減触媒を有する一酸化炭素低減部と、前記一酸化炭素低減触媒又は該一酸化炭素低減部内の前記改質ガスの温度の少なくとも一方を検出する温度検出部とを備える水素生成装置であって、前記改質部に供給される前記原料の供給量の増加が、前記温度検出部によって検出される検出温度と、前記原料の供給量に応じて設定された基準温度との比較に基づいて制御される（請求項１）。かかる構成とすると、一酸化炭素濃度が十分に低減された良質の改質ガスを得ることができる。
【００１８】
上記の場合、前記比較の結果、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記改質部に供給される前記原料の供給量が増加されず、前記検出温度が前記基準温度以上の場合には増加される（請求項２）。かかる構成とすると、燃料電池の発電量の増量時、その燃料電池に対して一酸化炭素濃度が十分に低減された良質の改質ガスを発電量の増量に応じた量で供給することができる。
【００１９】
この場合、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御し、前記基準温度以上に到達したときに、前記原料の供給量を増加させる（請求項３）。かかる構成とすると、必要に応じて検出温度が基準温度以上になるように制御されるので、燃料電池に対する改質ガスの供給がより安定化される。
【００２０】
この場合、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記加熱部における加熱量が増大され、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御される（請求項４）。かかる構成とすると、燃料電池の発電量の増量時、加熱部に供給する例えばメタンガス等の燃料の供給量を制御することによって、検出温度を容易に制御することができる。
【００２１】
又、この場合、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記改質部に供給される前記水が減量され、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御される（請求項５）。かかる構成とすると、燃料電池の発電量の増量時、改質部に供給する水の供給量を制御することによって、検出温度を容易に制御することができる。
【００２２】
又、この場合、前記一酸化炭素低減部の内部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部を更に有し、前記検出温度が前記基準温度未満の場合には、前記一酸化炭素低減部に前記酸化剤ガス供給部から酸化剤ガスが供給され、前記検出温度が前記基準温度以上になるよう制御される（請求項６）。かかる構成とすると、燃料電池の発電量の増量時、一酸化炭素低減部に供給する空気等の酸化剤ガスの供給量を制御することによって、検出温度を容易に制御することができる。
【００２３】
又、上記の場合、前記一酸化炭素低減触媒が一酸化炭素と水とから水素と二酸化炭素とが生成する水性ガスシフト反応を進行させる変成触媒であり、前記一酸化炭素低減部が前記変成触媒を備える変成部である（請求項７）。かかる構成とすると、改質ガス中の一酸化炭素濃度を、水素生成装置の従来構成を変更することなく低減することが可能になる。
【００２４】
この場合、前記変成触媒における触媒体が、少なくとも貴金属と、セリウム、ジルコニウム又はアルミニウムの内の少なくとも１元素の金属酸化物とから構成されている（請求項８）。かかる構成とすると、改質ガス中の一酸化炭素濃度を効率よく低減することが可能になる。
【００２５】
又、上記の場合、前記一酸化炭素低減触媒が一酸化炭素を選択酸化反応させるための一酸化炭素選択酸化触媒であり、前記一酸化炭素低減部が前記一酸化炭素選択酸化触媒を備える選択酸化部である（請求項９）。かかる構成としても、改質ガス中の一酸化炭素濃度を、水素生成装置の従来構成を変更することなく低減することが可能になる。
【００２６】
又、本発明に係る燃料電池システムは、請求項１〜９のいずれかに記載の水素生成装置と、該水素生成装置によって生成される水素と酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池とを備え、前記燃料電池が、前記温度検出部によって検出される前記検出温度が前記基準温度以上に到達したときに前記改質部への前記原料の供給量が増量されてその発電量を増量する（請求項１０）。かかる構成とすると、燃料電池の出力電圧の低下が効果的に防止され、発電効率のよい燃料電池システムを構築することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、以上に述べた手段によって実施され、燃料電池の発電量の増減に対応して一酸化炭素が十分に低減されかつ水素を豊富に含む良質の改質ガスを効率よく生成することが可能な安価な水素生成装置、及びこれを備える燃料電池システムを提供することが可能になるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を示す模式図である。尚、図１では、後述する燃料電池システムにおける水素生成装置の構成のみを抜粋して示している。
【００３０】
図１に示すように、本実施の形態に係る水素生成装置１００ａは、天然ガス、液化プロパンガス（ＬＰＧ）、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系原料、又は、メタノール等のアルコール系原料等に代表される、少なくとも炭素及び水素から構成される原料と水とから水蒸気改質反応によって水素を生成させる改質部１と、この改質部１から水素と共に排出される一酸化炭素を水との水性ガスシフト反応によって水素に変換する変成部７と、この変成部７から水素と共に更に排出される一酸化炭素を空気中の酸素との選択酸化反応によって二酸化炭素に変換する浄化部１１と、上述した改質部１及び変成部７及び浄化部１１の動作を制御する制御装置１０１とを有している。
【００３１】
改質部１は、その改質部１へ原料を供給する原料供給部３を備えている。この原料供給部３は、上述したメタン、都市ガス、天然ガス、アルコール等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を原料供給部３から改質部１へ送出するための原料供給用配管３ａを介して、改質部１の所定の位置に接続されている。この原料供給部３としては、例えば、ブースター等が用いられる。又、この改質部１は、その改質部１へ水蒸気改質反応に必要な水を供給する水供給部４を備えている。この水供給部４は、水を水供給部４から改質部１へ送出するための水供給用配管４ａを介して、改質部１の所定の位置に接続されている。一方、この改質部１は、原料供給部３から供給された原料と水供給部４から供給された水とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を進行させるための改質触媒２を有している。又、この改質触媒２を水蒸気改質反応が進行するために必要な温度に加熱及び保温するための加熱部５を有している。これらの改質触媒２及び加熱部５は、改質部１における水蒸気改質反応の反応場として好適な位置、及び改質触媒２を加熱及び保温するために好適な位置に、各々配設されている。更に、改質部１は、改質触媒２を経て排出された水素を含む改質ガスの温度を検出する温度検出部６を有している。この温度検出部６は、改質触媒２を経て排出された改質ガスの温度を検出するために好適な位置に配設されている。ここで、本実施の形態では、温度検出部６は改質触媒２の下流の所定位置に配設されている。尚、温度検出部６の設置場所は、改質触媒２の下流位置に限定されることはなく、改質部１中の改質ガス、或いは改質触媒２の温度を検出可能である位置であれば、何れの箇所に設けても構わない。この改質部１からは、その改質部１から排出される改質ガスを変成部７へ導入するための改質ガス用配管１ａが変成部７へと延び出ている。
【００３２】
又、変成部７は、その変成部７へ水性ガスシフト反応に必要な水を供給する水供給部９を備えている。この水供給部９は、水を水供給部９から変成部７へ送出するための水供給用配管９ａを介して、変成部７の所定の位置に接続されている。又、変成部７は、その変成部７へ後述する変成触媒８の温度を制御するために必要な空気（空気中の酸素）を供給する空気供給部１５を備えている。この空気供給部１５は、空気を空気供給部１５から変成部７へ送出するための空気供給用配管１５ａを介して、変成部７の所定の位置に接続されている。一方、この変成部７は、改質部１から改質ガス用配管１ａを通って導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と、水供給部９から供給された水とを用いて水素を生成し、改質ガス中の一酸化炭素を低減する水性ガスシフト反応を進行させるための変成触媒８を有している。この変成触媒８としては、本実施の形態では、Ｐｔを担持したＣｅ酸化物がコーティングされたコージェライトハニカムを用いている。この変成触媒８は、変成部７における水性ガスシフト反応の反応場として好適な位置に配設されている。更に、変成部７は、変成触媒８を経て排出された水素含有率が改善された改質ガスの温度を検出する温度検出部１０を有している。この温度検出手段１０は、変成触媒８を経て排出された改質ガスの温度を検出するために好適な位置に配設されている。ここで、本実施の形態では、温度検出部１０は変成触媒８の下流の所定位置に配設されている。尚、温度検出部１０の設置場所は、変成触媒８の下流位置に限定されることはなく、変成部７中の改質ガス、或いは変成触媒８の温度を検出可能である位置であれば、何れの箇所に設けても構わない。そして、変成部７の所定の位置からは、その変成部７から排出される水素含有率が改善された改質ガスを浄化部１１へ導入するための改質ガス用配管７ａが浄化部１１へと延び出ている。
【００３３】
一方、浄化部１１は、その浄化部１１へ選択酸化反応に必要な空気（空気中の酸素）を供給する空気供給部１３を備えている。この空気供給部１３は、空気を空気供給部１３から浄化部１１へ送出するための空気供給用配管１３ａを介して、浄化部１１の所定の位置に接続されている。又、この浄化部１１は、変成部７から改質ガス用配管７ａを通って導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素を更に低減するために、その改質ガスに含まれる一酸化炭素と空気供給部１３から供給された酸素とから二酸化炭素を生成する選択酸化反応を進行させるための浄化触媒１２を有している。本実施の形態では、浄化触媒１２としては、Ｐｔ及びＲｕを担持したアルミナがコーティングされたコージェライトハニカムを用いている。この浄化触媒１２は、浄化部１１における選択酸化反応の反応場として好適な位置に配設されている。更に、浄化部１１は、浄化触媒１２を経て排出された水素含有率が更に改善された改質ガスの温度を検出する温度検出部１４を有している。この温度検出部１４は、浄化触媒１２を経て排出された改質ガスの温度を検出するために好適な位置に配設されている。ここで、本実施の形態では、温度検出部１４は浄化触媒１２の下流の所定位置に配設されている。尚、この温度検出部１４の設置場所は浄化触媒１２の下流位置に限定されることはなく、浄化部１１中の改質ガス、或いは浄化触媒１２の温度を検出可能である位置であれば、何れの箇所に設けても構わない。この浄化部１１の所定の位置からは、その浄化部１１から排出される選択酸化反応によって水素含有率が更に改善された改質ガスを排出するための改質ガス用配管１１ａが延出している。この改質ガス用配管１１ａは、図１では図示されない燃料電池に接続されている。改質ガスは改質ガス用配管１１ａを通って燃料電池に供給され、その燃料電池において発電に用いられる。尚、改質ガス中の一酸化炭素濃度を例えば１００ｐｐｍ以下にまで低減する必要がない場合は、浄化部１１を設ける必要は無い。
【００３４】
上述した水素生成装置１００ａを構成する改質部１、変成部７及び浄化部１１、ひいてはその改質部１、変成部７及び浄化部１１を構成する各構成要素には、制御装置１０１から延出する制御用配線が接続されている。
【００３５】
次に、本実施の形態に係る水素生成装置の水素を生成する基本的な動作について説明する。尚、ここでは、炭化水素系原料としてメタンガスを用いた場合について説明する。
【００３６】
水素生成装置１００ａを動作させて水素を生成する際には、原料供給部３から改質部１に対して原料であるメタンガスを供給すると共に、水供給部４から水を供給する。又、この時、加熱部５を動作させることにより、改質触媒２の温度を、水蒸気改質反応を進行させるのに必要十分な所定の温度に加熱する。本実施の形態では、加熱部５を動作させることにより、温度検出部６で検出される温度が６５０℃となるように、改質触媒２の温度を制御した。すると、改質部１ではメタンガスと水との水蒸気改質反応が進行し、この水蒸気改質反応によって水素が生成される。しかし、このメタンガスと水との水蒸気改質反応では、主として水素が生成される以外に、約１０〜１５％の一酸化炭素と微量の二酸化炭素とが生成される。つまり、改質部１では、水素を主生成物として含有しかつ一酸化炭素及び二酸化炭素を副生成物として含有する改質ガスが生成される。ここで、一酸化炭素は燃料電池の内部に配設されている電極触媒を被毒するため、所定量以下に低減する必要がある。そのため、改質部１から排出される改質ガスを改質ガス用配管１ａによって変成部７に導入し、この変成部７において改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。
【００３７】
改質ガスが改質ガス用配管１ａ内を流れて変成部７に導入されると、その変成部７では一酸化炭素と水とが反応して水素及び二酸化炭素が生成する水性ガスシフト反応により、改質ガス中の一酸化炭素濃度の低減化が行われる。この時、この水性ガスシフト反応に必要な水は、水供給部９から供給される。又、水性ガスシフト反応を進行させるためには変成触媒８を所定の温度に維持する必要があるが、これは、改質部１から導入される高温状態の改質ガスによって変成触媒８が加熱されること、又、水性ガスシフト反応によって発生する反応熱によって変成触媒８が加熱されること、又、水供給部９から供給される水によって変成触媒８が冷却されること等によって適宜制御される。この変成部７における一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応により、改質ガス中の一酸化炭素濃度は約０．３〜１％にまで低減される。
【００３８】
変成部７で一酸化炭素濃度が約０．３〜１％まで低減された改質ガスは、改質ガス用配管７ａを通って浄化部１１に導入される。この浄化部１１において一酸化炭素濃度を更に低減する際には、空気供給部１３から浄化部１１に対して所定量の空気を供給する。すると、浄化部１１においては、導入された改質ガス中の一酸化炭素と供給された空気中の酸素との選択酸化反応が進行し、この選択酸化反応によって二酸化炭素が生成される。つまり、改質ガスに含まれる一酸化炭素が選択酸化反応によって消費されるので、改質ガス中の一酸化炭素濃度が更に低減する。この浄化部１１における一酸化炭素と酸素との選択酸化反応によって、改質ガス中の一酸化炭素濃度は約１００ｐｐｍ以下にまで低減される。尚、燃料電池システム内に配設される燃料電池の種類によっては、一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ以下にまで低減される。この浄化部１１において一酸化炭素濃度が更に低減された良質の改質ガスは、改質ガス用配管１１ａによって図１では図示されない燃料電池に供給される。そして、燃料電池では、改質ガス用配管１１ａを通って供給された改質ガスが用いられて、発電が行われる。
【００３９】
上述した水素生成装置１００ａを構成する改質部１、変成部７及び浄化部１１の動作、ひいてはその改質部１、変成部７及び浄化部１１を構成する各構成要素の動作は、制御装置１０１によって適宜制御される。
【００４０】
ところで、変成部７において水性ガスシフト反応を収率よく進行させるための変成触媒８の最適な温度は、その変成部７に導入される改質ガスの導入量、即ち、改質部１に供給される原料の供給量によって大きく変化する。例えば、変成部７に導入される改質ガスの導入量が少ない場合には、変成触媒８の水性ガスシフト反応を効率よく進行させるための最適な温度は比較的低温である。しかし、変成部７に導入される改質ガスの導入量が多い場合には、変成触媒８の水性ガスシフト反応を効率よく進行させるための最適な温度は高温でなければならない。従って、図１では図示されない燃料電池システムに接続された電化製品等の負荷の消費電力が上昇し、これに伴って改質部１への原料の供給量が増量されて変成部７に供給される改質ガスの供給量が増量される場合、変成触媒８の温度が所定の温度に維持される水素生成方法では、変成部７において改質ガスに含まれる一酸化炭素を十分に低減できない可能性がある。特に、負荷の消費電力が大幅に上昇し、これに伴って改質部１への原料の供給量が大幅に増量されて変成部７に供給される改質ガスの供給量が大幅に増量される場合には、改質ガスに含まれる一酸化炭素を殆ど低減できなくなる可能性が高い。この場合、変成部７において改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を十分に、又は殆ど低減することができないので、燃料電池に対して良質の改質ガスを供給することはできない。以下、一酸化炭素と水とから水素を生成する水性ガスシフト反応の特徴について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４１】
図２は、原料流量毎の変成触媒温度と変成部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。ここで、図２における縦軸は、変成部通過後の改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度（％）を示しており、横軸は変成部における変成触媒の温度（℃）を示している。又、曲線ａは原料流量が１．０（ＮＬ／分）である場合、曲線ｂは原料流量が２．０（ＮＬ／分）である場合、曲線ｃは原料流量が３．０（ＮＬ／分）である場合、曲線ｄは原料流量が４．０（ＮＬ／分）である場合を、各々示している。
【００４２】
図２に示すように、変成部７における水性ガスシフト反応を経た改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度は、変成触媒８の温度と原料の供給量とによって決定される。例えば、改質部１への原料の供給量が曲線ａに示すように１．０（ＮＬ／分）と少ない場合には、変成触媒８が低温状態（例えば、１５０℃）であっても、一酸化炭素は効果的に低減される。一方、改質部１への原料の供給量が曲線ｄに示すように４．０（ＮＬ／分）と多い場合には、変成触媒８が低温状態（例えば、１７０℃以下）では、一酸化炭素は殆ど低減されない。
【００４３】
つまり、燃料電池の発電量の低下に応じて改質部１への原料の供給量が減量され、その原料の供給量の減量に起因して改質部１から変成部７への改質ガスの供給量が減量されて変成触媒８の温度が低下した場合であっても、改質部１への原料の供給量が例えば曲線ａで示す１．０（ＮＬ／分）であり、かつその時の変成触媒８の温度が１５０℃であれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することは可能である。より具体的には、変成部７における水性ガスシフト反応を経た改質ガスの一酸化炭素濃度を図２の破線で示すように例えば０．５％以下とする場合、改質部１への原料の供給量が曲線ａとして示す１．０（ＮＬ／分）であれば、変成触媒８の温度が約１５０℃〜約１８０℃の範囲内でその要求を達成することができる。又、改質部１への原料の供給量が曲線ｂとして示す２．０（ＮＬ／分）である場合は、変成触媒８の温度は約１６０℃〜約１８０℃の範囲内であればよい。又、改質部１への原料の供給量が曲線ｃとして示す３．０（ＮＬ／分）である場合は、変成触媒８の温度は約１７０℃〜約１８０℃の範囲内であればよい。又、改質部１への原料の供給量が曲線ｄとして示す４．０（ＮＬ／分）である場合は、変成触媒８の温度は範囲Ａとして示す温度範囲内であればよい。しかしながら、燃料電池の発電量の低下に伴って改質部１への原料の供給量が例えば曲線ｃで示す３．０（ＮＬ／分）となり、これに伴って変成触媒８の温度が例えば１８０℃より低くなっている場合、燃料電池の発電量の増量に対応するために改質部１への原料の供給量を例えば曲線ｄで示す４．０（ＮＬ／分）に増量させると、変成触媒８の温度が速やかに範囲Ａとして示す温度範囲内にまで上昇しない限り、改質ガス中の一酸化炭素濃度は目標値である０．５％を超える濃度になる。従って、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置１００ａの改質部１に供給する原料の供給量を増量させる際には、変成触媒８の温度が、その原料の供給量を増量させた後における最適な温度範囲内に予め調整されている必要がある。
【００４４】
そこで、本実施の形態では、燃料電池の発電量の増量に対応する際、水素生成装置１００ａの改質部１に供給する原料の供給量を増量させる前に、その原料の供給量を増量させた後における水性ガスシフト反応が最も収率よく進行する最適な温度（以下、基準温度という）に到達するまで空気供給部１５から変成部７に対して空気を供給することによって変成触媒８を加熱し、この変成触媒８の温度が基準温度に到達した後に改質部１への原料の供給量を増量させるようにした。又、変成触媒８の温度が基準温度に到達した後は、空気供給部１５から変成部７への空気の供給を停止することとした。以下、燃料電池の発電量の増量に対応する際における水素生成装置１００ａの動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
【００４５】
図４は、燃料電池の発電量の増量に対応する際における水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【００４６】
図１，２，４を参照して、例えば、燃料電池に対する負荷が長時間に渡って低負荷であり、従って燃料電池の発電量が長時間に渡って低発電量である場合、水素生成装置１００ａの改質部１への原料の供給量が低量であるため、その改質部１から改質ガスが供給される変成部７の変成触媒８の温度は低下している。この時、変成部７内に配設されている温度検出部１０によって変成触媒８を通過する改質ガスの温度が検出され、その検出された温度（以下、検出温度という）が制御装置１０１の記憶部に記憶される（ステップＳ１）。例えば、変成部７内の変成触媒８の下流位置に配設されている温度検出部１０によって変成触媒８を通過した改質ガスの温度が１７０℃であると検出されると、その検出された検出温度が制御装置１０１の記憶部に記憶される。尚、この温度検出部１０によって検出される改質ガスの温度は変成触媒８の温度と近似しているため、本実施の形態では、その改質ガスの温度を検出することにより変成触媒８の温度を検出することとした。
【００４７】
一方、燃料電池に対する負荷が低負荷から高負荷へ変動する場合、その負荷の変動に対応するべく燃料電池の発電量を増量させる前に、水素生成装置１００ａの改質部１に供給すべき原料の供給量が制御装置１０１によって予測される（ステップＳ２）。例えば、これまで３．０（ＮＬ／分）であった改質部１への原料の供給量を、燃料電池の発電量の増量に対応するためには４．０（ＮＬ／分）に増量する必要があることが、制御装置１０１によって予測される。ここで、この原料の供給量の予測は、発電の反応式に基づいてなされる。
【００４８】
次に、燃料電池の発電量の増量に対応するための改質部１への原料の適切な供給量が制御装置１０１によって予測されると、その予測された適切な供給量に応じた基準温度が制御装置１０１によって設定される（ステップＳ３）。ここで、例えば、制御装置１０１の記憶部には、図２に示すグラフに相当するデータが記憶されている。そして、この制御装置１０１によって設定される基準温度は、変成部７を通過した後の改質ガス中の一酸化炭素濃度を例えば０．５％以下としたい場合には、図２に示す改質部１への原料の供給量が４．０（ＮＬ／分）である曲線ｄにおいては範囲Ａの温度範囲内とされる。そして、変成部７において進行する水性ガスシフト反応が発熱反応であることを考慮すると、この基準温度は範囲Ａの温度範囲内の低温部の温度として設定されることが望ましい。この図２に示す範囲Ａの温度範囲内の低温部の温度は、図２から明らかなように改質ガス中の一酸化炭素濃度を効果的に低減させるために最適な温度である。例えば、図２から明らかなように、改質部１に供給すべき原料の流量が曲線ｄに示す４．０（ＮＬ／分）と予測された場合には、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために最適な基準温度は１８０℃である。
【００４９】
ステップＳ１によって現在の検出温度が記憶され、かつステップＳ３によって燃料電池の発電量の増量に対応するための基準温度が設定されると、その検出温度と基準温度とが制御装置１０１において比較される（ステップＳ４）。ここで、検出温度が基準温度以上であることが判明した場合（ステップＳ４でＹＥＳ）には、制御装置１０１から原料供給部３に対して改質部１への原料の供給量を増量させる制御信号が出力され、これによって改質部１への原料の供給量が増量される（ステップＳ８）。一方、検出温度が基準温度未満であることが判明した場合（ステップＳ４でＮＯ）には、その比較に基づいて検出温度と基準温度との温度差が制御装置１０１において算出され、これにより変成触媒８の温度上昇量が算出される（ステップＳ５）。例えば、検出温度が１７０℃であり、かつ基準温度が１８０℃である場合には、変成触媒８の温度を＋１０℃上昇させる必要があると算出される。
【００５０】
燃料電池の発電量の増量に対応するための変成触媒８の温度上昇量が算出されると、温度検出部１０で検出される温度がその温度上昇量に対応する温度に上昇するまで、空気供給部１５から変成部７の内部へ空気が供給される（ステップＳ６）。尚、本実施の形態では、空気供給部１５から変成部７の内部への空気供給量を０．５（ＮＬ／分）とした。これにより、変成触媒８においては改質ガス中の水素及び一酸化炭素と供給される空気中の酸素とが反応して、変成触媒８の温度は速やかに上昇する。つまり、温度検出部１０で検出される検出温度が基準温度まで上昇する。
【００５１】
空気供給部１５から変成部７の内部へ空気を供給することによって変成触媒８の温度が上昇し、これにより温度検出部１０によって検出される検出温度が基準温度である例えば１８０℃まで到達した後は、変成部７における酸素との反応による水素の無駄な消費を防止するため、空気供給部１５から変成部７への空気の供給を停止する（ステップＳ７）。この時、変成触媒８の温度は温度検出部１０によって常に監視されており、変成触媒８の温度が基準温度を下回った際には空気供給部１５から変成部７へ空気が適宜供給される。これにより、変成触媒８の温度は、常に基準温度に保持されるようになる。
【００５２】
温度検出部１０によって検出される検出温度が基準温度に到達した後、制御装置１０１から原料供給部３に対して原料の供給量を増量させる制御信号が出力され、これによって改質部１への原料の供給量が燃料電池の発電量の増量に対応するための改質部１に供給すべき供給量に増量される（ステップＳ８）。例えば、改質部１への原料の供給量が３．０（ＮＬ／分）から４．０（ＮＬ／分）へ増量される。これにより、変成部７においては、改質部１への原料の供給量が増量された場合でも、改質ガス中の一酸化炭素が効果的に低減されるようになる。そして、燃料電池に対しては発電量の増量に対応し得る良質かつ十分な量の改質ガスが供給されるようになり、その燃料電池に対する負荷に応じた発電が効率よく行われるようになる。
【００５３】
上述した水素生成装置１００ａ、及びその構成要素の動作は、制御装置１０１によって適宜制御される。
【００５４】
このように、空気供給部１５から変成部７に対して変成触媒８の温度が基準温度となるように必要に応じて空気を供給することによれば、その変成部７内の変成触媒８では改質ガス中の水素及び一酸化炭素と供給された空気中の酸素とが反応し、この反応に伴って発生する反応熱によって変成触媒８の温度は基準温度まで速やかに上昇する。そして、温度検出部１０で検出される検出温度が水性ガスシフト反応を収率よく進行させるために最適な基準温度と等しくなった事が確認された後に改質部１への原料の供給量を増量させるので、変成部７においては改質ガス中の一酸化炭素が効果的に低減される。又、変成部７への空気供給部１５からの空気の供給は原料の供給量を増量させる時のみ行われるので、その変成部７では必要以上の水素が消費されることが防止される。つまり、水素生成装置１００ａにおいては、効率よく水素を生成することが可能になる。
【００５５】
尚、本実施の形態では、変成部７に対して空気を０．５（ＮＬ／分）の割合で供給したが、この供給量に限らず水素生成装置の構成及び触媒種等に応じて相応に設定してもよい。又、変成触媒８の温度変化に応じて供給量を逐次変化させながら空気を供給してもよい。
【００５６】
又、本実施の形態では、一例として１８０℃を基準温度として設定したが、この温度に限定されることはなく、基準温度は増量された後の改質部１への原料の供給量に応じて適宜設定される。ここで、その基準温度は、図２に示す各曲線ａ〜ｄにおける一酸化炭素濃度が最も低減され得る温度とされることが好ましい。例えば、原料の供給量が図２の曲線ｂで示す２．０（ＮＬ／分）である場合には、基準温度は約１６０℃とするのが好ましく、又、原料の流量が３．０（ＮＬ／分）である場合には、基準温度は１７０℃とするのが好ましい。かかる温度設定とすることにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度を最も効率よく低減することが可能になる。
【００５７】
又、本実施の形態では、変成触媒８の温度を上昇させるために用いる酸化ガスとして空気中の酸素を用いたが、これに限らず、改質ガス中の水素及び一酸化炭素を酸化して酸化熱を発生する化学種であればよい。
【００５８】
又、本実施の形態では、変成触媒８における触媒体として白金（Ｐｔ）を使用したが、これに限らず、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）等の他の貴金属、遷移金属等を用いてもよい。
【００５９】
又、本実施の形態では、変成触媒８における貴金属触媒の担体としてＣｅ酸化物を使用したが、これに限らず、Ｃｅ−Ｚｒ複合酸化物、又は、Ａｌ酸化物が混合されていてもよい。
【００６０】
又、本実施の形態では、変成触媒８の温度を検出するために、その変成触媒８の下流位置に温度検出部１０を設けたが、これに限らず、温度検出部１０を変成触媒８の上流位置に配設してもよい。又、変成触媒８内に温度検出部１０を設け、これによって変成触媒８の温度を直接検出する構成としてもよい。尚、このように温度検出部１０の位置を変更する場合には、その変更した位置における最適な基準温度を設定することによって同様の効果が得られる。
【００６１】
又、水素生成装置１００ａの構成、及び変成触媒８の触媒体の種類、触媒量等のパラメータによっては、図２に示した特性曲線が変化する場合がある。そのため、各々のパラメータに相応するように基準温度を設定することが望ましい。これにより、本実施の形態と同様の効果が得られるようになる。
【００６２】
又、空気供給部１５から変成部７への空気の供給は、燃料電池の発電量の増量に応じて改質部１への原料の供給量を増量する場合のみでなく、変成触媒８の温度を所定の温度に保持するために行われてもよい。この動作によって変成部７における水素消費量は増加するが、原料の供給量を増量させる場合の変成触媒８の温度上昇速度をより速くすることが可能になる。
【００６３】
又、本実施の形態では、改質部１への原料の供給量が１．０（ＮＬ／分）、２．０（ＮＬ／分）、３．０（ＮＬ／分）、４．０（ＮＬ／分）としたように１．０（ＮＬ／分）単位の流量増量に対する基準温度を例示したが、０．１（ＮＬ／分）単位の流量増量に対して基準温度を設定してもよい。
【００６４】
（実施の形態２）
本実施の形態２に係る水素生成装置は、制御装置１０１に格納された、発電量増量に対する制御プログラムが、実施の形態１の水素生成装置と異なっており、そのハードウェア上の構成は、実施の形態１で示した水素生成装置のハードウェア上の構成と同一である。又、この水素生成装置の水素を生成するための基本的な動作も、実施の形態１で示した水素生成装置の基本的な動作と同一である。従って、ここでは、本実施の形態に係る水素生成装置のハードウェア上の構成、及びその水素を生成する基本的な動作に関する説明は省略する。
【００６５】
本実施の形態では、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置１００ａにおける水素生成量を増量させる際には、実施の形態１の場合と同様、制御装置１０１によって温度検出部１０が検出する検出温度が基準温度に到達しているか否かの判断が行われる。そして、温度検出部１０が検出する検出温度が基準温度に到達していると判断されたときは、改質部１への原料の供給量が増量される。しかし、検出温度が基準温度に到達していないと判断されたときは、実施の形態１の場合とは異なり、検出温度を基準温度に到達させるための動作は行われず、かつ改質部１への原料の供給量は増量されない。
【００６６】
この本実施の形態に係る水素生成装置１００ａの動作について図面を参照して説明すると、本実施の形態に係る水素生成装置１００ａの動作は、図４に示したフローチャートにおけるステップＳ１〜ステップＳ４までは同一の動作である。そして、このステップＳ４において温度検出部１０によって検出された検出温度が基準温度以上である場合（ステップＳ４でＹＥＳ）には、実施の形態１の場合と同様に動作して改質部１への原料の供給量が増量される。しかし、検出温度が基準温度未満である場合（ステップＳ４でＮＯ）には、図４に示すステップＳ５〜ステップＳ８の動作は行われず、かつ改質部１への原料の供給量は増量されない。
【００６７】
このように、本実施の形態によれば、改質部１への原料の供給量が、温度検出部１０によって検出される検出温度がその後供給しようとする原料の供給量に応じた基準温度以上に到達している場合には増量され、到達していない場合には増量されないので、改質ガス中の一酸化炭素濃度の急激な上昇を未然に防止することができる。
【００６８】
（実施の形態３）
本実施の形態３に係る水素生成装置は、制御装置１０１に格納された、発電量増量に対する制御プログラムが、実施の形態１の水素生成装置と異なっており、そのハードウェア上の構成は、実施の形態１で示した水素生成装置のハードウェア上の構成と同一である。又、この水素生成装置の水素を生成するための基本的な動作も、実施の形態１で示した水素生成装置の基本的な動作と同一である。従って、ここでも、本実施の形態に係る水素生成装置のハードウェア上の構成、及びその水素を生成する基本的な動作に関する説明は省略する。
【００６９】
本実施の形態でも、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置１００ａにおける水素生成量を増量させる際には、実施の形態１の場合と同様、制御装置１０１によって温度検出部１０が検出する検出温度が基準温度に到達しているか否かの判断が行われる。そして、温度検出部１０が検出する検出温度が基準温度に到達していると判断されたときは、改質部１への原料の供給量が増量される。又、実施の形態１の場合と同様、検出温度が基準温度に到達していないと判断されたときは、その検出温度を基準温度に到達させるための動作が行われる。そして、その後、改質部１への原料の供給量が増量される。ここで、本実施の形態では、制御装置１０１によって温度検出部１０で検出される検出温度が基準温度に到達していないと判断された場合には、加熱部５の温度を上昇させることによって改質部１の温度を上昇させ、これによって改質部１から排出される改質ガスの温度を上昇させる。そして、温度が上昇された改質ガスを変成部７に供給することにより、その変成部７の内部に配設されている変成触媒８の温度を上昇させる。変成触媒８の温度が上昇すると、その変成触媒８を通過した改質ガスの温度が上昇するので、温度検出部１０によって検出される検出温度も上昇する。つまり、これによって、温度検出部１０により検出される検出温度が基準温度に到達するように制御される。
【００７０】
より具体的に説明すると、燃料電池の発電量の増量に対応するために改質部１への原料の供給量を例えば１．０（ＮＬ／分）から２．０（ＮＬ／分）へ増量させようとする場合、温度検出部１０によって検出される検出温度が１６０℃未満では、図２から明らかなように変成部７において改質ガス中の一酸化炭素濃度を効果的に低減することは困難である。そこで、本実施の形態では、改質触媒２を通過した改質ガスの温度を検出するための温度検出部６によって検出される検出温度が例えば６５０℃である場合には、その温度検出部６によって検出される検出温度を例えば６６０℃となるように、加熱部５によって改質部１の温度を上昇させる。これは、図１では図示しない燃料供給部から加熱部５に供給する燃料の供給量を増量させることによって行われる。その結果、改質部１から排出され変成部７へ供給される改質ガスの温度が上昇しているため、変成触媒８の温度が上昇すると共に、変成部７内の温度検出部１０によって検出される検出温度も上昇する。そして、このようにして変成部７における変成触媒８の温度が１６０℃未満から１６０℃へと上昇することにより、改質部１への原料の供給量を１．０（ＮＬ／分）から２．０（ＮＬ／分）へ増量することが可能となる。又、同様にして、改質部１への原料の供給量を例えば２．０（ＮＬ／分）から３．０（ＮＬ／分）へ、又は、３．０（ＮＬ／分）から４．０（ＮＬ／分）へ増量させる場合においても、加熱部５への燃料の供給量を増量させて改質部１の温度を上昇させ、これによって改質ガスの温度を上昇させた後に原料の供給量を増量させれば、水素生成装置から排出される改質ガス中の一酸化炭素濃度が急激に上昇することはない。つまり、燃料電池の発電量の増量に応じて、水素生成装置における水素の生成量を増量させることができる。
【００７１】
この本実施の形態に係る水素生成装置１００ａの動作について図面を参照して説明すると、本実施の形態に係る水素生成装置１００ａの動作も、図４に示したフローチャートにおけるステップＳ１〜ステップＳ４までは同一の動作である。そして、このステップＳ４において温度検出部１０によって検出された検出温度が基準温度以上である場合（ステップＳ４でＹＥＳ）には、実施の形態１の場合と同様に動作して改質部１への原料の供給量が増量される。一方、検出温度が基準温度未満である場合（ステップＳ４でＮＯ）には、実施の形態１の場合と同様にしてステップＳ５が実行された後、ステップＳ６として所定の制御信号が制御装置１０１から出力されて加熱部５への燃料の供給量が増量される。このステップＳ６によって加熱部５に供給される燃料の供給量が増量されるので、改質部１の温度は上昇する。次いで、ステップＳ６により改質ガスの温度が上昇して変成部７における温度検出部１０により検出される検出温度が基準温度まで上昇されると、加熱部５に供給する燃料の無駄な消費を防止するために、ステップＳ７として加熱部５に対する燃料の供給量の増量が停止される。この時、改質部１から排出され変成部７へ供給される改質ガスの温度は温度検出部６によって常に監視されており、この改質ガスの温度が所定の温度を下回った際には燃料供給部から加熱部５へ燃料が適宜供給される。これによって、変成部７における変成触媒８の温度は基準温度に保持されるようになる。そして、その後、実施の形態１の場合と同様にして、制御装置１０１から原料供給部３に対して原料の供給量を増量させる制御信号が出力され、この出力される制御信号によって改質部１への原料の供給量が燃料電池の発電量の増量に対応するための改質部１に供給すべき供給量にまで増量される（ステップＳ８）。
【００７２】
このように、本実施の形態によれば、加熱部５によって改質部１の温度が制御されることによって、その改質部１から排出され変成部７に供給される改質ガスの温度が制御される。これにより、変成触媒８の温度が適切な基準温度に制御される。そして、改質部１への原料の供給量が、温度検出部１０によって検出される検出温度がその後供給しようとする原料の供給量に応じた基準温度に到達している場合には増量され、到達していない場合には基準温度に到達するよう制御された後に増量されるので、改質ガス中の一酸化炭素濃度の急激な上昇を未然に防止することができる。
【００７３】
尚、温度検出部６が設置される改質部１の構成、又は改質反応における目標転化率等のパラメータによっては、温度検出部６で検出される検出温度の制御温度は異なる場合がある。この場合、温度検出部６で検出される検出温度の制御温度を、改質部１における各々の構成、又は制御パラメータに相応する最適な温度に設定することで、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００７４】
（実施の形態４）
本実施の形態４に係る水素生成装置は、制御装置１０１に格納された、発電量増量に対する制御プログラムが、実施の形態１の水素生成装置と異なっており、そのハードウェア上の構成は、実施の形態１で示した水素生成装置のハードウェア上の構成と同一である。又、この水素生成装置の水素を生成するための基本的な動作も、実施の形態１で示した水素生成装置の基本的な動作と同一である。従って、ここでも、本実施の形態に係る水素生成装置のハードウェア上の構成、及びその水素を生成する基本的な動作に関する説明は省略する。
【００７５】
本実施の形態でも、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置１００ａにおける水素生成量を増量させる際には、実施の形態１の場合と同様、制御装置１０１によって温度検出部１０が検出する検出温度が基準温度に到達しているか否かの判断が行われる。そして、温度検出部１０が検出する検出温度が基準温度に到達していると判断されたときは、改質部１への原料の供給量が増量される。又、実施の形態１の場合と同様、検出温度が基準温度に到達していないと判断されたときは、その検出温度を基準温度に到達させるための動作が行われる。そして、その後、改質部１への原料の供給量が増量される。ここで、本実施の形態では、制御装置１０１によって温度検出部１０で検出される検出温度が基準温度に到達していないと判断された場合には、水供給部４から改質部１への水の供給量を減量させることによって改質部１の温度を上昇させ、これによって改質部１から排出される改質ガスの温度を上昇させる。そして、温度が上昇された改質ガスを変成部７に供給することにより、その変成部７の内部に配設されている変成触媒８の温度を上昇させる。変成触媒８の温度が上昇すると、その変成触媒８を通過した改質ガスの温度が上昇するので、温度検出部１０によって検出される検出温度も上昇する。つまり、これによって、温度検出部１０により検出される検出温度が基準温度に到達するように制御される。
【００７６】
より具体的に説明すると、燃料電池の発電量の増量に対応するために改質部１への原料の供給量を例えば１．０（ＮＬ／分）から２．０（ＮＬ／分）へ増量させようとする場合、温度検出部１０によって検出される検出温度が１６０℃未満では、図２から明らかなように変成部７において改質ガス中の一酸化炭素濃度を効果的に低減することは困難である。そこで、本実施の形態では、改質触媒２を通過した改質ガスの温度を検出するための温度検出部６によって検出される検出温度が例えば６５０℃である場合には、その温度検出部６によって検出される検出温度を例えば６６０℃となるように、水供給部４から改質部１への水の供給量を減量させることによって改質部１の温度を上昇させる。その結果、改質部１から排出され変成部７へ供給される改質ガスの温度が上昇しているため、変成触媒８の温度が上昇すると共に、変成部７内の温度検出部１０によって検出される検出温度も上昇する。そして、このようにして変成部７における変成触媒８の温度が１６０℃未満から１６０℃へと上昇されることにより、改質部１への原料の供給量を１．０（ＮＬ／分）から２．０（ＮＬ／分）へ増量することが可能となる。尚、改質部１への原料の供給量を例えば２．０（ＮＬ／分）から３．０（ＮＬ／分）へ、又は、３．０（ＮＬ／分）から４．０（ＮＬ／分）へ増量させる場合も同様である。
【００７７】
この本実施の形態に係る水素生成装置１００ａの動作について図面を参照して説明すると、本実施の形態に係る水素生成装置１００ａの動作も、図４に示したフローチャートにおけるステップＳ１〜ステップＳ４までは同一の動作である。そして、このステップＳ４において温度検出部１０によって検出された検出温度が基準温度以上である場合（ステップＳ４でＹＥＳ）には、実施の形態１の場合と同様に動作して改質部１への原料の供給量が増量される。一方、検出温度が基準温度未満である場合（ステップＳ４でＮＯ）には、実施の形態１の場合と同様にしてステップＳ５が実行された後、ステップＳ６として所定の制御信号が制御装置１０１から出力されて水供給部４から改質部１への水の供給量が減量される。このステップＳ６により改質部１に供給される水の供給量が減量されるので、改質部１の温度は上昇する。次いで、ステップＳ６により改質ガスの温度が上昇して変成部７における温度検出部１０により検出される検出温度が基準温度まで上昇すると、改質ガスの過剰な昇温を防止するために、ステップＳ７として水供給部４から改質部１への水の供給量の減量状態が解除される。この時、改質部１から排出され変成部７へ供給される改質ガスの温度は温度検出部６によって常に監視されており、この改質ガスの温度が所定の温度を下回った際には水供給部４から改質部１への水の供給量が適宜減量される。これにより、変成部７における変成触媒８の温度は基準温度に保持されるようになる。その後の水素生成装置１００ａの動作については、実施の形態１，３の場合と同様である。
【００７８】
このように、本実施の形態によれば、水供給部４から改質部１への水の供給量が制御され、これにより改質部１の温度が制御される。そして、改質部１から排出され変成部７に供給される改質ガスの温度が制御されることによって、変成触媒８の温度が適切な基準温度に制御される。その他については、実施の形態１，３と同様である。
【００７９】
（実施の形態５）
本実施の形態５に係る水素生成装置は、制御装置１０１に格納された、発電量増量に対する制御プログラムが、実施の形態１の水素生成装置と異なっており、そのハードウェア上の構成は、実施の形態１で示した水素生成装置のハードウェア上の構成と同一である。又、この水素生成装置の水素を生成するための基本的な動作も、実施の形態１で示した水素生成装置の基本的な動作と同一である。従って、ここでも、本実施の形態に係る水素生成装置のハードウェア上の構成、及びその水素を生成する基本的な動作に関する説明は省略する。
【００８０】
本実施の形態では、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置１００ａにおける水素生成量を増量させる際には、制御装置１０１によって浄化部１１内に配設された温度検出部１４が検出する検出温度が所定の基準温度に到達しているか否かの判断が行われる。そして、温度検出部１４が検出する検出温度が所定の基準温度に到達していると判断されたときは、改質部１への原料の供給量が増量される。しかしながら、浄化部１１内の温度検出部１４が検出する検出温度が所定の基準温度に到達していないと判断されたときは、実施の形態２の場合と同様、その検出温度を所定の基準温度に到達させるための動作は行われず、かつ改質部１への原料の供給量は増量されない。
【００８１】
ここで、浄化部１１における選択酸化反応の特徴について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００８２】
図３は、原料流量毎の浄化触媒温度と浄化部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。ここで、図３における縦軸は、浄化部通過後の改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度（ｐｐｍ）を示しており、横軸は浄化部における浄化触媒の温度（℃）を示している。又、曲線ａは原料流量が１．０（ＮＬ／分）である場合、曲線ｂは原料流量が２．０（ＮＬ／分）である場合、曲線ｃは原料流量が３．０（ＮＬ／分）である場合、曲線ｄは原料流量が４．０（ＮＬ／分）である場合を、各々示している。
【００８３】
図３に示すように、浄化部１１における選択酸化反応を経た改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度は、浄化触媒１２の温度と原料の供給量とによって決定される。例えば、改質部１への原料の供給量が曲線ａに示すように１．０（ＮＬ／分）と少ない場合には、浄化触媒１２が低温状態（例えば、１１０℃）であっても、一酸化炭素は効果的に低減される。一方、改質部１への原料の供給量が曲線ｄに示すように４．０（ＮＬ／分）と多い場合には、浄化触媒１２が低温状態（例えば、１３０℃以下）では、一酸化炭素は殆ど低減されない。
【００８４】
つまり、燃料電池の発電量の低下に応じて改質部１への原料の供給量が減量され、その原料の供給量の減量に起因して変成部７から浄化部１１への改質ガスの流量が減量されて浄化触媒１２の温度が低下した場合であっても、改質部１への原料の供給量が例えば曲線ａで示す１．０（ＮＬ／分）であり、かつその時の浄化触媒１２の温度が１１０℃であれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することは可能である。より具体的には、浄化部１１における選択酸化反応を経た改質ガスの一酸化炭素濃度を図３の破線で示すように例えば１０ｐｐｍ以下とする場合、改質部１への原料の供給量が曲線ａとして示す１．０（ＮＬ／分）であれば、浄化触媒１２の温度が約１１０℃〜約１４０℃の範囲内でその要求を達成することができる。又、改質部１への原料の供給量が曲線ｂとして示す２．０（ＮＬ／分）である場合は、浄化触媒１２の温度は約１２０℃〜約１４０℃の範囲内であればよい。又、改質部１への原料の供給量が曲線ｃとして示す３．０（ＮＬ／分）である場合は、浄化触媒１２の温度は約１３０℃〜約１４０℃の範囲内であればよい。又、改質部１への原料の供給量が曲線ｄとして示す４．０（ＮＬ／分）である場合は、浄化触媒１２の温度は範囲Ｂとして示す温度範囲内であればよい。しかしながら、燃料電池の発電量の低下に伴って改質部１への原料の供給量が例えば曲線ｃで示す３．０（ＮＬ／分）となり、これに伴って浄化触媒１２の温度が例えば１４０℃より低くなっている場合、燃料電池の発電量の増量に対応するために改質部１への原料の供給量を例えば曲線ｄで示す４．０（ＮＬ／分）に増量させると、浄化触媒１２の温度が速やかに範囲Ｂとして示す温度範囲内にまで上昇しない限り、改質ガス中の一酸化炭素濃度は目標値である１０ｐｐｍを超える濃度になる。従って、燃料電池の発電量の増量に対応するために水素生成装置１００ａの改質部１に供給する原料の供給量を増量させる際には、浄化触媒１２の温度が、その原料の供給量を増量させた後における最適な温度範囲内であるか否かの判断が行われる必要がある。
【００８５】
そこで、本実施の形態では、燃料電池の発電量の増量に対応する際、水素生成装置１００ａの改質部１に供給する原料の供給量を増量させる前に、その原料の供給量を増量させた後における選択酸化反応が最も収率よく進行する最適な温度（以下、第２の基準温度という）に浄化部１１内に配設された温度検出部１４が検出する検出温度が到達しているか否かを判断し、その温度検出部１４が検出する検出温度が第２の基準温度に到達していると判断されたときは、改質部１への原料の供給量が増量されることとした。一方、浄化部１１内の温度検出部１４が検出する検出温度が第２の基準温度に到達していないと判断されたときは、実施の形態２の場合と同様、その検出温度を第２の基準温度に到達させるための動作は行われず、かつ改質部１への原料の供給量は増量されないこととした。
【００８６】
本実施の形態に係る水素生成装置１００ａの動作について図面を参照して説明すると、本実施の形態に係る水素生成装置１００ａの動作は、図４に示したフローチャートにおけるステップＳ１〜ステップＳ４までは基本的には同一の動作である。但し、ステップＳ１では、浄化部１１の内部に配設された温度検出部１４によって検出される検出温度が記憶される。又、ステップＳ３では、ステップＳ２で予測された原料の供給量に応じた第２の基準温度が設定される。ここで、例えば、制御装置１０１の記憶部には、図３のグラフに相当するデータが記憶されている。そして、この制御装置１０１によって設定される第２の基準温度は、浄化部１１を通過した後の改質ガス中の一酸化炭素濃度を例えば１０ｐｐｍ以下としたい場合には、図３に示す改質部１への原料の供給量が４．０（ＮＬ／分）である曲線ｄにおいては範囲Ｂの温度範囲内とされる。そして、浄化部１１において進行する選択酸化反応が発熱反応であることを考慮すると、この第２の基準温度は範囲Ｂの温度範囲内の低温部の温度として設定されることが望ましい。この図３に示す範囲Ｂの温度範囲内の低温部の温度は、図３から明らかなように改質ガス中の一酸化炭素濃度を効果的に低減させるために最適な温度である。例えば、図３から明らかなように、改質部１に供給すべき原料の流量が曲線ｄに示す４．０（ＮＬ／分）と予測された場合には、改質ガス中の一酸化炭素を低減するために最適な第２の基準温度は１４０℃である。そして、図４に示すステップＳ４においては、温度検出部１４によって検出された検出温度と、ステップＳ３によって設定された第２の基準温度とが比較される。このステップ４における比較により温度検出部１４によって検出された検出温度がステップＳ３によって設定された第２の基準温度に到達していることが確認された場合（ステップＳ４でＹＥＳ）には、実施の形態１の場合と同様に動作して改質部１への原料の供給量が増量される。しかし、温度検出部１４によって検出された検出温度が第２の基準温度に到達していないことが確認された場合（ステップＳ４でＮＯ）には、図４に示すステップＳ５〜ステップＳ８に相当する動作は行われず、かつ改質部１への原料の供給量は増量されない。
【００８７】
このように、本実施の形態によれば、改質部１への原料の供給量が、温度検出部１４によって検出される検出温度がその後供給しようとする原料の供給量に応じた第２の基準温度以上に到達している場合には増量され、到達していない場合には増量されないので、改質ガス中の一酸化炭素濃度の急激な上昇を未然に防止することができる。
【００８８】
尚、本実施の形態でも、改質部１への原料の供給量が１．０（ＮＬ／分）、２．０（ＮＬ／分）、３．０（ＮＬ／分）、４．０（ＮＬ／分）としたように１．０（ＮＬ／分）単位の流量増量に対する第２の基準温度を例示したが、０．１（ＮＬ／分）単位の流量増量に対して第２の基準温度を設定してもよい。
【００８９】
又、本実施の形態では、浄化触媒１２における触媒体としてＰｔ及びＲｕの混合物を使用したが、これに限定されず、Ｐｔ又はＲｕを単独で、又はＰｄ等の他の貴金属等を用いてもよい。
【００９０】
又、本実施の形態では、浄化触媒１２を構成する担体としてアルミナを使用したが、これに限定されず、シリカ、又はアルミナとシリカとの混合物を使用してもよい。
【００９１】
又、水素生成装置１００ａの構成、及び浄化触媒１２の触媒体の種類、触媒量等のパラメータによっては、図３に示した特性曲線が変化する場合がある。そのため、各々のパラメータに相応するように基準温度を設定することが望ましい。これにより、本実施の形態と同様の効果が得られるようになる。
【００９２】
又、本実施の形態では、浄化触媒１２の温度を検出するために、その浄化触媒１２の下流位置に温度検出部１４を設けたが、これに限らず、温度検出部１４を浄化触媒１２の上流位置に配設してもよい。又、浄化触媒１２内に温度検出部１４を設け、これによって浄化触媒１２の温度を直接検出する構成としてもよい。尚、このように温度検出部１４の位置を変更する場合には、その変更した位置における最適な第２の基準温度を設定することによって同様の効果が得られる。
【００９３】
又、本実施の形態を、実施の形態３で示したように、改質ガスの温度を上昇させることにより浄化触媒１２の温度を上昇させて水素生成量の増量に対応する形態としてもよい。又は、実施の形態４で示したように、改質部１への水の供給量を減量させることにより浄化触媒１２の温度を上昇させて水素生成量の増量に対応する形態としてもよい。
【００９４】
又、本実施の形態と、実施の形態１，３，４に示した変成触媒８に基準温度を設定する形態とを組み合わせた形態としてもよい。このような形態によれば、燃料電池の発電量の増量に応じて水素生成量を増量させる際に、更に確実に一酸化炭素の発生を抑制することが可能となる。
【００９５】
（実施の形態６）
図５は、本発明の実施の形態１〜５に係る水素生成装置を備えた燃料電池システムの構成を示す模式図である。尚、図５においては、水素生成装置を構成する各構成要素に付与した符号の記載は省略している。
【００９６】
図５に示すように、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１〜５の何れかに係る水素生成装置で構成される水素生成装置１００ａと、その水素生成装置１００ａから供給される改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池１００ｂと、これら水素生成装置１００ａ及び燃料電池１００ｂの動作を制御する制御装置１０１とを備えている。又、図５では図示しないが、この燃料電池システム１００は、発電に用いるための空気を燃料電池１００ｂに供給する空気供給装置を有している。
【００９７】
又、図５に示すように、水素生成装置１００ａと燃料電池１００ｂとは、改質ガス用配管１１ａによって相互に接続されている。又、空気供給装置と燃料電池１００ｂとは、図５では図示しない所定の配管によって相互に接続されている。又、水素生成装置１００ａを構成する改質部１、変成部７及び浄化部１１、ひいてはその改質部１、変成部７及び浄化部１１を構成する各構成要素と、燃料電池１００ｂとには、制御装置１０１から延出する制御用配線が接続されている。
【００９８】
図５に示す燃料電池システム１００を動作させて発電する際には、水素生成装置１００ａから燃料電池１００ｂに対して水素を豊富に含む改質ガスを供給すると共に、空気供給装置から空気を供給する。すると、燃料電池１００ｂでは、水素生成装置１００ａから供給される改質ガスに含まれる水素と、空気供給装置から供給される空気に含まれる酸素とが用いられて、発電が行われる。尚、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の動作は、制御装置１０１によって適宜制御される。
【００９９】
そして、本実施の形態では、燃料電池システム１００に対する負荷の低負荷から高負荷への変動に対応する際、即ち、その負荷の変動に対応するために燃料電池１００ｂの発電量を増量させる際には、水素生成装置１００ａの動作を本発明の実施の形態１〜５で示したように制御することによって、燃料電池１００ｂへの改質ガスの供給量を増量させる。これにより、燃料電池１００ｂの発電量が増量される。
【０１００】
このように、本実施の形態によれば、燃料電池１００ｂの発電量を増量させるために水素生成装置１００ａにおける水素生成量を増量させるべく図１で示した改質部１への原料の供給量を増量させた際においても、十分かつ確実に一酸化炭素濃度が低減された良質の改質ガスが燃料電池１００ｂに供給される。そのため、燃料電池１００ｂの内部に配設されている電極触媒が一酸化炭素によって被毒されて生じる燃料電池１００ｂの出力電圧の低下が効果的に防止される。又、燃料電池１００ｂは、確実に発電を継続することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明に係る水素生成装置、及びこれを備える燃料電池システムは、燃料電池の発電量の増減に対応して一酸化炭素が十分に低減されかつ水素を豊富に含む良質の改質ガスを効率よく生成することが可能な水素生成装置、及びこれを備える燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を示す模式図である。
【図２】原料流量毎の変成触媒温度と変成部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。
【図３】原料流量毎の浄化触媒温度と浄化部通過後の改質ガス中の一酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。
【図４】燃料電池の発電量の増量に対応する際における水素生成装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１〜５に係る水素生成装置を備えた燃料電池システムの構成を示す模式図である
【符号の説明】
【０１０３】
１  改質部
１ａ  改質ガス用配管
２  改質触媒
３  原料供給部
３ａ  原料供給用配管
４  水供給部
４ａ  水供給用配管
５  加熱部
６  温度検出部
７  変成部
７ａ  改質ガス用配管
８  変成触媒
９  水供給部
９ａ  水供給用配管
１０  温度検出部
１１  浄化部
１１ａ  改質ガス用配管
１２  浄化触媒
１３  空気供給部
１３ａ  空気供給用配管
１４  温度検出部
１５  空気供給部
１５ａ  空気供給用配管
１００  燃料電池システム
１００ａ  水素生成装置
１００ｂ  燃料電池
１０１  制御装置
【図１】
2005047791.tif 000003
【図２】
2005047791.tif 000004
【図３】
2005047791.tif 000005
【図４】
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【図５】
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