(57)【要約】【課題】  起動開始時の水素発生装置の温度状態に応じて起動時間の短縮化を図ることが可能であり、また、改質触媒層の高温化を抑制しながら水蒸発部の温度を上昇させることが可能な、水素生成効率及び信頼性の高い水素発生装置及びその運転方法、ならびにこれを備えた燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  水素発生装置は、原料供給部３からの原料供給及び水供給部２からの水供給を制御する制御部２０を備え、この制御部２０が水蒸発部４の温度および改質触媒層５の温度を監視して、この監視結果に基づき前記水供給部２から前記水蒸発部４に対する水供給を適切に制御するように構成された装置である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させて水素を生成する改質部と、前記改質部に原料を供給する原料供給部と、前記改質部に水を供給する水供給部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記原料供給部からの前記原料供給及び前記水供給部からの前記水供給を制御する制御部と、を備えた水素発生装置であって、
前記改質部は、供給された前記水を蒸発させる水蒸発部と、前記改質触媒を備えた改質触媒層と、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知部と、を備え、
前記制御部は、前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを前記改質温度検知部で検知された前記改質触媒層の温度に基づいて判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて少なくとも前記水供給部からの前記水供給を制御する供給制御手段と、を備え、
前記判定手段は、前記加熱を開始して前記水素発生装置を起動させる起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度を、第１の基準温度と比較するという第１の判定を実行すると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程で検知される前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較するという第２の判定を実行し、
前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度を超えた場合に、又は、前記第２の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第２の基準温度を超えた場合に、前記供給制御手段が前記改質部に対して前記水供給を開始させる水素発生装置。
【請求項２】
前記第２の基準温度は、水蒸気不存在下において前記改質触媒層の触媒活性を劣化させない温度である請求項１記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記第１の基準温度が５０℃以上１５０℃以下であり、前記第２の基準温度が３００℃以上５００℃以下である請求項１記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記改質部は前記水蒸発部の温度を検知する水蒸発部温度検知部を更に備え、
前記制御部は、前記起動開始時に、前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを前記水蒸発部検知部により検出された前記水蒸発部の温度に基づいて判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて少なくとも前記水供給部からの前記水供給を制御する供給制御手段と、を備え、
前記判定手段の判定の結果、前記水蒸発部の温度が水蒸気生成可能な温度である水蒸発部基準温度を超えた場合には、前記供給制御手段が前記水供給を開始させ、前記水蒸発部の温度が水蒸発部基準温度以下である場合には、前記加熱が実行され、前記水蒸発部基準温度を超えた時点で前記供給制御手段が前記水供給を開始させる請求項１記載の水素発生装置。
【請求項５】
少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させて水素を生成する改質部と、前記改質部に原料を供給する原料供給部と、前記改質部に水を供給する水供給部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記原料供給部からの前記原料供給及び前記水供給部からの前記水供給を制御する制御部と、を備えた水素発生装置であって、
前記改質部は、供給された前記水を蒸発させる水蒸発部と、前記改質触媒を備えた改質触媒層と、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知部と、を備え、
前記制御部は、前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを前記改質温度検知部で検知された前記改質触媒層の温度に基づいて判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて少なくとも前記水供給部から供給される前記水供給を制御する供給制御手段と、を備え、
前記判定手段は、前記加熱を開始して前記水素発生装置を起動させる起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度を、第１の基準温度と比較するという第１の判定を実行すると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程で検知される前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較するという第２の判定を実行し、
前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下の場合に、前記第１の判定後の前記改質部に対する前記加熱の過程において検知される前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度より高く前記第２の基準温度より低い第３の基準温度と比較するという第３の判定を実行し、前記第３の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第３の基準温度を超えた時点で前記加熱が停止されると共に、前記加熱停止後の前記改質触媒層の温度を、前記第３の基準温度よりも低く前記第１の基準温度よりも高い第４の基準温度と比較するという第４の判定を実行し、前記第４の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第４の基準温度を下回った時点で前記加熱が再開される水素発生装置。
【請求項６】
前記第３の基準温度が２００℃以上３００℃以下である請求項５記載の水素発生装置。
【請求項７】
前記改質部に対する加熱の停止及び再開を前記起動開始時に１回以上の所定回数行うか、又は、前記停止及び再開を伴う前記改質部に対する加熱を所定時間行った後、前記第３の基準温度を超えて前記加熱が実行され、その後、前記第２の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第２の基準温度を越えた時点で、前記供給制御手段が前記水供給を開始させる請求項６記載の水素発生装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記起動開始時に検知された前記改質触媒層の温度に応じて、前記加熱の停止及び再開の実施回数、あるいは、前記停止及び再開を伴う加熱の実施時間を予め決定する請求項７記載の水素発生装置。
【請求項９】
前記改質部は、前記水蒸発部の温度を検知する水蒸発部温度検知部を更に備え、
前記制御部は、前記起動開始時に、前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを前記水蒸発部検知部により検出された前記水蒸発部の温度に基づいて判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて少なくとも前記水供給部からの前記水供給を制御する供給制御手段と、を備え、
前記判定手段の判定の結果、前記水蒸発部の温度が、水蒸気生成可能な水蒸発部基準温度以下である場合に、前記改質部に対する前記加熱が実行され、前記改質触媒層の温度が前記第３の基準温度に到達した時点で前記加熱が停止され、前記加熱停止後の前記改質触媒層の温度が前記第４の基準温度に到達した時点で前記加熱が再開されつつ、前記水蒸発部温度検知部から出力された信号に基づき前記水蒸発部の温度が前記水蒸発部基準温度を超えた場合に、前記供給制御手段が前記水供給を開始させる請求項８記載の水素発生装置。
【請求項１０】
前記水蒸発部基準温度が５０℃以上１５０℃以下である請求項９記載の水素発生装置。
【請求項１１】
前記改質部の最外周に前記水蒸発部が配設され、前記水蒸発部の内側に前記改質触媒層が配設された請求項１、４、５および９の何れかに記載の水素発生装置。
【請求項１２】
前記加熱部は、燃焼燃料と空気を燃焼するバーナと、前記バーナに前記燃焼燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記改質部では、前記バーナで発生した燃焼排気ガスと前記改質触媒層との間の熱交換が実行された後、前記燃焼排気ガスと前記水蒸発部との間の熱交換が実行される請求項１、４、５および９の何れかに記載の水素発生装置。
【請求項１３】
前記供給制御手段は、前記空気供給部から前記バーナへの空気供給をさらに制御し、
前記水供給部による前記水供給が開始された後は、第１の供給量に相当する前記空気が前記バーナに供給されると共に、
前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、第２の供給量に相当する前記空気が前記空気供給部から前記バーナに供給され、
前記第１の供給量に相当する前記空気が供給された前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼での理論空気量に対する前記第１の供給量の比が、前記第２の供給量に相当する前記空気が供給された前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼での理論空気量に対する前記第２の供給量の比よりも小さい請求項１、４、５および９の何れかに記載の水素発生装置。
【請求項１４】
前記第２の供給量に相当する前記空気が供給された前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼での理論空気量に対する前記第２の供給量の比が２．０以上である請求項１３記載の水素発生装置。
【請求項１５】
前記供給制御手段は、前記第３の判定の結果に従って前記バーナでの燃焼を停止させる加熱停止期間に、前記空気供給部から前記バーナに前記空気を噴出させる請求項５または９記載の水素発生装置。
【請求項１６】
前記供給制御手段は、前記第１の判定結果に従った前記水供給の開始から所定時間経過後、又は、前記第２の判定結果に従った前記水供給の開始から所定時間経過後に、前記原料供給部からの前記原料供給を開始させる請求項１、４、５および９の何れかに記載の水素発生装置。
【請求項１７】
前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度となる前に、予め前記水蒸発部に前記水が貯留される請求項１、４、５および９の何れかに記載の水素発生装置。
【請求項１８】
少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させて水素を生成する改質部と、前記改質部に原料を供給する原料供給部と、前記改質部に水を供給する水供給部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記原料供給部からの前記原料供給及び前記水供給部からの前記水供給を制御する制御部と、を備えた水素発生装置の運転方法であって、
前記改質部は、供給された前記水を蒸発させる水蒸発部と、前記改質触媒を備えた改質触媒層と、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知部と、を備え、
前記制御部によって前記加熱を開始して前記水素発生装置を起動させる起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度を、第１の基準温度と比較するという第１の判定が実行されると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程で検知された前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較するという第２の判定が実行され、
前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度を超えた場合に、又は、前記第２の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第２の基準温度以上を超えた場合に、前記水供給部から前記改質部への前記水供給が開始される水素発生装置の運転方法。
【請求項１９】
前記改質部は、前記水蒸発部の温度を検知する水蒸発部温度検知部を更に備え、
前記水蒸発部温度検知部により検知された水蒸発部の温度が、水蒸気生成可能な温度である水蒸発部基準温度を超えた場合には、前記水供給が開始される一方、
前記水蒸発部の温度が水蒸発部基準温度以下である場合には、前記改質部に対する加熱が実行され、その後、前記水蒸発部の温度が前記水蒸発部基準温度を超えた時点で前記水供給が開始される請求項１８記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項２０】
少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させて水素を生成する改質部と、前記改質部に原料を供給する原料供給部と、前記改質部に水を供給する水供給部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記原料供給部からの前記原料供給及び前記水供給部からの前記水供給を制御する制御部と、を備えた水素発生装置の運転方法であって、
前記改質部は、供給された前記水を蒸発させる水蒸発部と、前記改質触媒を備えた改質触媒層と、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知部と、を備え、
前記制御部によって前記加熱を開始して前記水素発生装置を起動させる起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度を、第１の基準温度と比較するという第１の判定が実行されると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程で検知された前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較するという第２の判定が実行され、
前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下の場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程において検知される前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度より高く前記第２の基準温度より低い第３の基準温度と比較するという第３の判定が実行され、前記第３の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第３の基準温度を越えた時点で前記加熱が停止されると共に、前記加熱停止後の前記改質触媒層の温度を、前記第３の基準温度よりも低く前記第１の基準温度よりも高い第４の基準温度と比較するという第４の判定が実行され、前記第４の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第４の基準温度を下回った時点で前記加熱が再開される水素発生装置の運転方法。
【請求項２１】
前記制御部は、前記起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度に応じて、前記改質部に対する加熱の停止及び再開の実施回数又は前記停止及び再開を伴う前記改質部に対する加熱の実施時間を予め決定し、前記加熱の停止及び再開を、決定された前記実施回数あるいは前記実施時間、実行した後、前記第３の基準温度を超えて前記加熱が実行され、その後、前記第２の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第２の基準温度を超えた時点で、前記水供給部から前記改質部への前記水供給が開始される請求項２０記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項２２】
前記改質部は、前記水蒸発部の温度を検知する水蒸発部温度検知部をさらに備え、
前記水蒸発部検知部により検知された水蒸発部の温度が、水蒸気生成可能な水蒸発部基準温度以下である場合には、前記改質部に対する加熱が実行され、前記改質触媒層の温度が前記第３の基準温度を超えた時点で前記加熱が停止され、前記加熱停止後の前記改質触媒層の温度が前記第４の基準温度を下回った時点で前記加熱が再開されつつ、前記水蒸発部温度検知部から出力された信号に基づき前記水蒸発部の温度が前記水蒸発部基準温度を超えた時点で、前記水供給が開始される請求項２１記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項２３】
前記加熱部は、燃焼燃料と空気とを燃焼させるバーナと、前記バーナに前記燃焼燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記制御部が前記空気供給部を制御し、
前記水供給部による前記水供給が開始された後の前記加熱においては、第１の供給量に相当する前記空気が前記バーナに供給されると共に、前記起動開始時の前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、第２の供給量に相当する前記空気が前記空気供給部から前記バーナに供給され、
前記第１の供給量に相当する前記空気が供給される前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼の理論空気量に対する前記第１の供給量の比が、前記第２の供給量に相当する前記空気が供給される前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼の理論空気量に対する前記第２の供給量の比よりも小さい請求項１８、１９、２０および２２の何れかに記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項２４】
前記加熱部は、燃焼燃料と空気を燃焼させるバーナと、前記バーナに前記燃焼燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記第３の判定の結果に従って前記バーナでの燃焼を停止させた加熱停止期間に、前記空気供給部から前記バーナへ前記空気を噴出させる請求項２０または２２記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項２５】
前記第１の判定後の前記水供給の開始から所定時間経過後、又は、前記第２の判定後の前記水供給の開始から所定時間経過後に、前記制御部が、前記原料供給部から前記改質部への前記原料の供給を開始させる請求項１８、１９、２０および２２の何れかに記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項２６】
請求項１〜１７の何れかに記載の水素発生装置と、空気供給装置と、前記水素発生装置から供給される水素と前記空気供給装置から供給される空気とを反応させて発電を行う燃料電池と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素系物質を主原料として水蒸気改質反応により水素リッチガスを生成する水素発生装置及びその運転方法に関し、特に、燃料電池等の水素利用機器に供給する水素ガスを生成する水素発生装置及びその起動時の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素発生装置では、少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料が、改質触媒層を備えた改質部において水蒸気改質される。この改質反応により、改質ガスとして、水素リッチガス（以下、水素ガスと呼ぶ）が生成される。改質反応の際に改質触媒層に水が直接供給されると、改質触媒層の内部やその下流に形成されたガス流路が、水により閉塞される可能性がある。したがって、改質触媒層には、水蒸気の状態で水が供給される。
【０００３】
例えば、従来の水素発生装置には、起動時の予熱動作の際に改質部の改質触媒の温度を検知し、検知温度が所定値に到達したら水供給部から改質部への水供給が開始されるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、改質部の改質触媒層に連通する水の供給流路が立ち上がり構造を有するとともにこの構造によって形成された流路の底部に水蒸発部が形成されたものがある。かかる構成では、供給された水が水蒸発部で蒸発して改質触媒層に供給され、水蒸発部で蒸発しなかった水がこの底部に溜められる（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−３０２２０７号公報
【特許文献２】特開２００２−２５２６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水素発生装置では、高温に加熱された改質触媒層に供給される水蒸気の量が原料の供給量に対して十分でないと、原料だけが高温となって改質部の触媒層内やガス流路を流れる。例えば、上記のように立ち上がり構造を有する水供給流路の底部に水蒸発部が形成された水素発生装置において、改質触媒層は高温に加熱されているが水蒸発部の温度が低い時には、水を供給したにもかかわらず水が蒸発せず、供給された水が水蒸発部や改質部内流路の低い位置に溜まる。したがって、十分な水蒸気が改質触媒層に供給されず、原料のみが高温の改質触媒層や流路内を流れる。ここで、原料は炭素及び水素から構成される有機化合物が主成分であるため、このような状況下では原料が熱分解し、炭素状態となって改質触媒上や流路内に析出する。このため、触媒活性の低下や流路の閉塞が引き起こされ、水素発生装置の運転に支障をきたすおそれがある。
【０００５】
また、改質触媒層が改質反応温度を超えた高温になると、触媒が凝集して触媒活性が低下する可能性がある。さらに、高温の改質触媒層が空気雰囲気下にあれば、改質触媒が酸化されて触媒活性が低下する可能性がある。
【０００６】
一方、改質触媒の温度に従って水の供給開始を制御する上記の方法では、起動開始時の水素発生装置の温度状態に関係なく、改質触媒が所定温度に達したら水及び原料を供給して改質反応を行う。このため、例えば、運転を停止してからあまり時間が経過していない状態で水素発生装置を再起動させる場合には、水蒸発部が供給された水から直ぐに水蒸気を生成できる温度であるにもかかわらず、改質触媒が前記所定の高温に達するまで水を供給することができない。したがって、起動開始時の水蒸発部の温度が水蒸気生成可能な温度であるか否かにかかわらず、水の供給が開始されるまでの時間（以下、起動時間と呼ぶ）はほぼ一定である。
【０００７】
本発明はこれらの課題を解決するもので、起動開始時の水素発生装置の温度状態に応じて起動時間の短縮化を図ることが可能であり、また、改質触媒層の高温化を抑制しながら水蒸発部の温度を上昇させることが可能な、水素生成効率及び信頼性の高い水素発生装置及びその運転方法、ならびにこれを備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素発生装置は、少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させて水素を生成する改質部と、前記改質部に原料を供給する原料供給部と、前記改質部に水を供給する水供給部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記原料供給部からの前記原料供給及び前記水供給部からの前記水供給を制御する制御部と、を備えた水素発生装置であって、前記改質部は、供給された前記水を蒸発させる水蒸発部と、前記改質触媒を備えた改質触媒層と、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知部と、を備え、前記制御部は、前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを前記改質温度検知部で検知された前記改質触媒層の温度に基づいて判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて少なくとも前記水供給部からの前記水供給を制御する供給制御手段と、を備え、前記判定手段は、前記加熱を開始して前記水素発生装置を起動させる起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度を、第１の基準温度と比較するという第１の判定を実行すると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程で検知される前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較するという第２の判定を実行し、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度を超えた場合に、又は、前記第２の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第２の基準温度を超えた場合に、前記供給制御手段が前記改質部に対して前記水供給を開始させる装置である。
【０００９】
これにより、起動開始時の水素発生装置の温度状態に応じて起動時間の短縮化を図ることが可能であり、また、改質触媒層の高温化を抑制しながら水蒸発部の温度を上昇させることが可能な水素生成効率及び信頼性の高い水素発生装置が得られる。
【００１０】
前記第２の基準温度は、水蒸気不存在下において前記改質触媒層の触媒活性が劣化しない温度であることが好ましい。
【００１１】
前記第１の基準温度が５０℃以上１５０℃以下であり、前記第２の基準温度が３００℃以上５００℃以下であってもよい。
【００１２】
また、前記水素発生装置の前記改質部は前記水蒸発部の温度を検知する水蒸発部温度検知部を更に備え、前記制御部は、前記起動開始時に、前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを前記水蒸発部検知部により検出された前記水蒸発部の温度に基づいて判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて少なくとも前記水供給部からの前記水供給を制御する供給制御手段と、を備え、前記判定手段の判定の結果、前記水蒸発部の温度が水蒸気生成可能な温度である水蒸発部基準温度を超えた場合には、前記供給制御手段が前記水供給を開始させ、前記水蒸発部の温度が水蒸発部基準温度以下である場合には、前記加熱が実行され、前記水蒸発部基準温度を超えた時点で前記供給制御手段が前記水供給を開始させてもよい。
【００１３】
ここで、本発明に係る水素発生装置は、少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させて水素を生成する改質部と、前記改質部に原料を供給する原料供給部と、前記改質部に水を供給する水供給部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記原料供給部からの前記原料供給及び前記水供給部からの前記水供給を制御する制御部と、を備えた水素発生装置であって、前記改質部は、供給された前記水を蒸発させる水蒸発部と、前記改質触媒を備えた改質触媒層と、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知部と、を備え、前記制御部は、前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを前記改質温度検知部で検知された前記改質触媒層の温度に基づいて判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて少なくとも前記水供給部から供給される前記水供給を制御する供給制御手段と、を備え、前記判定手段は、前記加熱を開始して前記水素発生装置を起動させる起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度を、第１の基準温度と比較するという第１の判定を実行すると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程で検知される前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較するという第２の判定を実行し、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下の場合に、前記第１の判定後の前記改質部に対する前記加熱の過程において検知される前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度より高く前記第２の基準温度より低い第３の基準温度と比較するという第３の判定を実行し前記第３の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第３の基準温度を超えた時点で前記加熱が停止されると共に、前記加熱停止後の前記改質触媒層の温度を、前記第３の基準温度よりも低く前記第１の基準温度よりも高い第４の基準温度と比較するという第４の判定を実行し、前記第４の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第４の基準温度を下回った時点で前記加熱が再開される装置である。
【００１４】
こうした加熱部での加熱の停止と再開を繰り返し行うことにより、改質触媒層の高温化を抑制しつつ水蒸発部の加熱を促進することが可能となる。
【００１５】
前記第３の基準温度が２００℃以上３００℃以下であってもよい。
【００１６】
前記改質部に対する加熱の停止及び再開を前記起動開始時に１回以上の所定回数行うか、又は、前記停止及び再開を伴う前記改質部に対する加熱を所定時間行った後、前記第３の基準温度を超えて前記加熱が実行され、その後、前記第２の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第２の基準温度を越えた時点で、前記供給制御手段が前記水供給を開始させてもよい。
【００１７】
前記制御部は、前記起動開始時に検知された前記改質触媒層の温度に応じて、前記加熱の停止及び再開の実施回数、あるいは、前記停止及び再開を伴う加熱の実施時間を予め決定してもよい。
【００１８】
また、前記改質部は、前記水蒸発部の温度を検知する水蒸発部温度検知部を更に備え、
前記制御部は、前記起動開始時に、前記水蒸発部が水蒸気生成可能な温度であるか否かを前記水蒸発部検知部により検出された前記水蒸発部の温度に基づいて判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて少なくとも前記水供給部からの前記水供給を制御する供給制御手段と、を備え、前記判定手段の判定の結果、前記水蒸発部の温度が、水蒸気生成可能な水蒸発部基準温度以下である場合に、前記改質部に対する前記加熱が実行され、前記改質触媒層の温度が前記第３の基準温度に到達した時点で前記加熱が停止され、前記加熱停止後の前記改質触媒層の温度が前記第４の基準温度に到達した時点で前記加熱が再開されつつ、前記水蒸発部温度検知部から出力された信号に基づき前記水蒸発部の温度が前記水蒸発部基準温度を超えた場合に、前記供給制御手段が前記水供給を開始させてもよい。
【００１９】
前記水蒸発部基準温度が５０℃以上１５０℃以下であってもよい。
【００２０】
前記改質部の最外周に前記水蒸発部が配設され、前記水蒸発部の内側に前記改質触媒層が配設されてもよい。
【００２１】
前記加熱部は、燃焼燃料と空気を燃焼するバーナと、前記バーナに前記燃焼燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給部と、を備え、前記改質部では、前記バーナで発生した燃焼排気ガスと前記改質触媒層との間の熱交換が実行された後、前記燃焼排気ガスと前記水蒸発部との間の熱交換が実行されてもよい。
【００２２】
前記供給制御手段は、前記空気供給部から前記バーナへの空気供給をさらに制御し、
前記水供給部による前記水供給が開始された後は、第１の供給量に相当する前記空気が前記バーナに供給されると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、第２の供給量に相当する前記空気が前記空気供給部から前記バーナに供給され、前記第１の供給量に相当する前記空気が供給された前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼での理論空気量に対する前記第１の供給量の比が、前記第２の供給量に相当する前記空気が供給された前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼での理論空気量に対する前記第２の供給量の比よりも小さくてもよい。
【００２３】
前記第２の供給量に相当する前記空気が供給された前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼での理論空気量に対する前記第２の供給量の比が２．０以上であってもよい。
【００２４】
前記供給制御手段は、前記第３の判定の結果に従って前記燃焼部での燃焼を停止させる加熱停止期間に、前記空気供給部から前記バーナへ前記空気を噴出させてもよい。
【００２５】
前記供給制御手段は、前記第１の判定結果に従った前記水供給の開始から所定時間経過後、又は、前記第２の判定結果に従った前記水供給の開始から所定時間経過後に、前記原料供給部からの前記原料供給を開始させてもよい。
【００２６】
改質部への水供給と原料供給のタイミングを意図的にずらすことにより、水蒸発部で生成された水蒸気を用いて、改質反応が行われる前に水素発生装置内を容易にパージすることが可能となる。
【００２７】
前記水蒸発部が水素生成可能な温度となる前に、予め前記水蒸発部に前記水を貯留しておいてもよい。
【００２８】
本発明に係る水素発生装置の運転方法は、少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させて水素を生成する改質部と、前記改質部に原料を供給する原料供給部と、前記改質部に水を供給する水供給部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記原料供給部からの前記原料供給及び前記水供給部からの前記水供給を制御する制御部と、を備えた水素発生装置の運転方法であって、前記改質部は、供給された前記水を蒸発させる水蒸発部と、前記改質触媒を備えた改質触媒層と、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知部と、を備え、前記制御部によって前記加熱を開始して前記水素発生装置を起動させる起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度を、第１の基準温度と比較するという第１の判定が実行されると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程で検知された前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較するという第２の判定が実行され、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度を超えた場合に、又は、前記第２の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第２の基準温度以上を超えた場合に、前記水供給部から前記改質部への前記水供給が開始される方法である。
【００２９】
これにより、起動開始時の水素発生装置の温度状態に応じて起動時間の短縮化を図ることが可能であり、また、改質触媒層の高温化を抑制しながら水蒸発部の温度を上昇させることが可能な水素生成効率及び信頼性の高い水素発生装置の運転方法が得られる。
【００３０】
前記改質部は、前記水蒸発部の温度を検知する水蒸発部温度検知部を更に備え、前記水蒸発部温度検知部により検知された水蒸発部の温度が、水蒸気生成可能な温度である水蒸発部基準温度を超えた場合には、前記水供給が開始される一方、前記水蒸発部の温度が水蒸発部基準温度以下である場合には、前記改質部に対する加熱が実行され、その後、前記水蒸発部の温度が前記水蒸発部基準温度を超えた時点で前記水供給が開始されてもよい。
【００３１】
ここで、本発明に係る水素発生装置の運転方法は、少なくとも炭素原子と水素原子から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを改質触媒を用いて改質反応させて水素を生成する改質部と、前記改質部に原料を供給する原料供給部と、前記改質部に水を供給する水供給部と、前記改質部を加熱する加熱部と、前記原料供給部からの前記原料供給及び前記水供給部からの前記水供給を制御する制御部と、を備えた水素発生装置の運転方法であって、前記改質部は、供給された前記水を蒸発させる水蒸発部と、前記改質触媒を備えた改質触媒層と、前記改質触媒層の温度を検知する改質温度検知部と、を備え、前記制御部によって前記加熱を開始して前記水素発生装置を起動させる起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度を、第１の基準温度と比較するという第１の判定が実行されると共に、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程で検知された前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度よりも高い第２の基準温度と比較するという第２の判定が実行され、前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下の場合には、前記第１の判定後の前記改質部に対する加熱の過程において検知される前記改質触媒層の温度を、前記第１の基準温度より高く前記第２の基準温度より低い第３の基準温度と比較するという第３の判定が実行され、前記第３の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第３の基準温度を越えた時点で前記加熱が停止されると共に、前記加熱停止後の前記改質触媒層の温度を、前記第３の基準温度よりも低く前記第１の基準温度よりも高い第４の基準温度と比較するという第４の判定が実行され、前記第４の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第４の基準温度を下回った時点で前記加熱が再開される方法である。
【００３２】
こうした加熱部での加熱の停止と再開を繰り返し行うことにより、改質触媒層の高温化を抑制しつつ水蒸発部の加熱を促進することが可能となる。
【００３３】
前記制御部は、前記起動開始時に検知される前記改質触媒層の温度に応じて、前記改質部に対する加熱の停止及び再開の実施回数又は前記停止及び再開を伴う前記改質部に対する加熱の実施時間を予め決定し、前記加熱の停止及び再開を、決定された前記実施回数あるいは前記実施時間、実行した後、前記第３の基準温度を超えて前記加熱が実行され、その後、前記第２の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第２の基準温度を超えた時点で、前記水供給部から前記改質部への前記水供給が開始されてもよい。
【００３４】
前記改質部は、前記水蒸発部の温度を検知する水蒸発部温度検知部をさらに備え、前記水蒸発部検知部により検知された水蒸発部の温度が、水蒸気生成可能な水蒸発部基準温度以下である場合には、前記改質部に対する加熱が実行され、前記改質触媒層の温度が前記第３の基準温度を超えた時点で前記加熱が停止され、前記加熱停止後の前記改質触媒層の温度が前記第４の基準温度を下回った時点で前記加熱が再開されつつ、前記水蒸発部温度検知部から出力された信号に基づき前記水蒸発部の温度が前記水蒸発部基準温度を超えた時点で、前記水供給が開始されてもよい。
【００３５】
前記加熱部は、燃焼燃料と空気とを燃焼させるバーナと、前記バーナに前記燃焼燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給部と、を備え、前記制御部が前記空気供給部を制御し、前記水供給部による前記水供給が開始された後の前記加熱においては、第１の供給量に相当する前記空気が前記バーナに供給されると共に、前記起動開始時の前記第１の判定の結果、前記改質触媒層の温度が前記第１の基準温度以下である場合には、第２の供給量に相当する前記空気が前記空気供給部から前記バーナに供給され、前記第１の供給量に相当する前記空気が供給される前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼の理論空気量に対する前記第１の供給量の比が、前記第２の供給量に相当する前記空気が供給される前記燃焼における、前記供給燃焼燃料の完全燃焼の理論空気量に対する前記第２の供給量の比よりも小さくてもよい。
【００３６】
前記加熱部は、燃焼燃料と空気を燃焼させるバーナと、前記バーナに前記燃焼燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給部と、を備え、前記第３の判定の結果に従って前記バーナでの燃焼を停止させた加熱停止期間に、前記空気供給部から前記バーナへ前記空気を噴出させてもよい。
【００３７】
前記第１の判定後の前記水供給の開始から所定時間経過後、又は、前記第２の判定後の前記水供給の開始から所定時間経過後に、前記制御部が、前記原料供給部から前記改質部への前記原料の供給を開始させてもよい。
【００３８】
改質部への水供給と原料供給のタイミングを意図的にずらすことにより、水蒸発部で生成された水蒸気を用いて、改質反応が行われる前に水素発生装置内を容易にパージすることが可能となる。
【００３９】
本発明に係る燃焼電池発電システムは、上記記載の水素発生装置と、空気供給装置と、前記水素発生装置から供給される水素と前記空気供給装置から供給される空気とを反応させることにより発電を行う燃料電池と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る水素発生装置及びその運転方法によれば、水素発生装置の起動開始時の温度状態に応じて水供給開始のタイミングを適切に調整可能なため、水素発生装置の起動時間の短縮化が図れる。また、改質触媒層が高温化する前に水蒸発部で水蒸気を生成してこれを改質触媒層に供給することができるため、改質触媒の触媒性能の劣化や原料からの炭素析出等による流路閉塞を防止することができ、高い信頼性を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００４２】
（実施の形態1）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水素発生装置の構成を示す模式的な断面図であり、特に、水素発生装置の主要構成要素である改質部とその周辺の構成を詳細に示している。
【００４３】
図１に示すように、水素発生装置は、上端及び下端が閉鎖された円筒状の本体５０から構成される改質部３と、炭素及び水素を含む有機化合物から構成される原料を改質部３に供給する原料供給部１と、水を改質部３に供給する水供給部２と、改質部３を加熱する燃焼部１２（加熱部）と、燃焼部１２に燃焼燃料を供給する燃料供給部８と、燃焼部１２に空気を供給する空気供給部７と、制御部２０とを備えている。
【００４４】
改質部３では、円筒状の本体５０の内部に、半径及び軸方向の長さがそれぞれ異なる円筒状の複数の縦壁５１が同心的に配置され、それにより、本体５０の内部が半径方向に区画されている。この縦壁５１の所定の端部に、円板状又は中空円板状の横壁５２が適宜配設されている。詳細には、本体５０の内部に複数の縦壁５１が同心的に直立配置されることにより縦壁５１間に間隙５３が形成され、この間隙５３を利用して所望のガス流路が形成されるように、縦壁５１の所定端部が横壁５２によって適宜閉鎖されている。それにより、本体５０の内部に、改質原料流路ａと、燃焼ガス流路ｂ１と、改質ガス流路ｃと、改質触媒層５と、燃焼ガス流路ｂ２とが形成され、これらの流路が、本体半径方向の外周側から中心に向けてこの順に配置されている。
【００４５】
改質原料流路ａは上流側の端部が、本体５０の外部に設けられた原料供給部１及び水供給部２に接続されており、また、下流側の端部が、改質触媒層５の上端面に接続されている。改質原料流路ａは二重構造を有して、流路内を移動する物質の移動方向が軸方向下向きから軸方向上向き変化するよう立ち上がり構造となっている。そして、改質原料流路ａの底部に、水蒸発部４が形成されている。後述するように、水供給部２から供給された水は、この水蒸発部４に一旦溜められてここで蒸発する。
【００４６】
改質触媒層５は、間隙５３に改質触媒が充填されて形成されており、後述する燃焼部１２の輻射筒１３の上端面及び外周面に沿って配置されている。ここでは、Ｒｕを主成分とする改質触媒が用いられているが、改質反応が可能であれば、改質触媒は特に限定されるものではない。例えば、ＰｔやＲｈのような貴金属やＮｉ等から構成される改質触媒であってもよい。改質触媒層５の上端面は改質原料流路ａに接続されており、下端面は改質ガス流路ｃの上流側端部に接続されている。改質ガス流路ｃの下流側端部は、改質ガスを改質部３の外部に取り出し可能に構成されている。この改質ガス流路ｃの内部には、改質触媒層５を通過して該流路内を流れるガスの温度を検知する改質温度検知手段１５が配設されており、ここでは、改質温度検知手段１５として、熱電対が設けられている。改質温度検知手段１５の設置場所は、改質触媒層５を通過したガスの温度を検知できる場所であれば、特に限定されるものではない。ここでは、改質触媒層５を通過した直後のガスの温度を検知するように改質温度検知手段１５が設けられ、検知されたガスの温度を改質触媒層５の温度としているが、例えば、改質触媒層５内の温度を直接検知する構成であってもよく、また、改質触媒層５を構成する縦壁５１や横壁５２の温度を検知する構成であってもよい。改質温度検知手段１５で検知された改質触媒層５の温度情報は、制御部２０に伝達される。制御部２０の構成及び機能については後述するが、制御部２０は、この温度情報に従って、原料供給部１及び水供給部２に、原料及び水の供給開始信号を出力する。
【００４７】
燃焼部１２は、バーナ９と、バーナ９の外周に形成された空気流路６と、バーナ９の空気流路６から上方に突出した部分を囲むように空気流路６の上に配置された輻射筒１３とを備え、輻射筒１３が、改質部３の本体５０内部に収納され同心的に配置されている。バーナ９は燃料供給部８に接続されており、空気流路６は空気供給部７に接続されている。輻射筒１３の内部にバーナ９から燃焼燃料が供給されるとともに空気が供給され、燃焼が行われて火炎が形成される。このように、輻射筒１３の内部に燃焼空間１４が形成される。燃焼空間１４は、輻射筒１３の上端に形成された開口１３ａを介して改質部３の燃焼ガス流路ｂ２に連通している。燃焼ガス流路ｂ２と燃焼ガス流路ｂ１とは改質部３の底部で連通しており、燃焼ガス流路ｂ１の下流側端部は、燃焼ガスを改質部３の外部に取り出し可能に構成されている。
【００４８】
図２は、水素発生装置の制御部２０の構成を示すブロック図であり、図３は、図２の制御部２０に格納されたプログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。図２に示すように、制御部２０は、マイコン等のコンピュータから構成され、処理制御部２１と、操作入力部２２と、表示部２３と記憶部２４とを備えている。この制御部２０によって、原料供給部１、水供給部２、燃料供給部８、及び、空気供給部７が制御され、原料、水、燃焼燃料、及び空気、の供給量が調整される。図示を省略しているが、原料供給部１、水供給部２、空気供給部７、及び燃料供給部８は、供給対象物の流量を調整可能に構成されている。例えば、これらの供給部１，２，７，８は、ポンプやファン等の駆動手段を備え、この駆動手段が制御部２０によって制御されて各供給流量の調整が行われる構成であってもよく、また、駆動手段の下流側流路にバルブ等の流量調整手段がさらに設けられこの流量調整手段が制御部２０によって制御されて各供給量の調整が行われる構成であってもよい。
【００４９】
次に、水素発生装置の動作について説明する。水素発生装置の動作は、水蒸発部４が水蒸気生成可能な温度となるまで改質部３を加熱する動作（以下、これを起動動作と呼ぶ）と、前記温度まで加熱された水蒸発部４へ水を供給しつつ改質触媒層５が改質反応温度となるまで改質部３を加熱する動作（以下、これを予熱動作と呼ぶ）と、改質触媒層５における改質反応により水素を生成する動作（以下、これを水素生成動作と呼ぶ）とに分けられる。
【００５０】
起動動作では、改質部３への原料及び水の供給は何れも停止しており、水蒸発部４が水蒸気生成可能温度に達すると原料及び水の供給が改質部５に対して開始されて起動動作から予熱動作に切り換わる。この予熱動作によって改質触媒層５が改質反応温度（例えば、５００℃〜７００℃）に達すると、原料と水蒸気から改質触媒を用いた改質反応による水素ガス生成が行われ、それにより、予熱動作から水素生成動作に切り換わる。なおここでは、水素発生装置の起動開始時（起動開始時とは、具体的には、燃焼部１２での燃焼開始時に相当する。）から水蒸発部４に対して水を供給するまでの期間を、水素発生装置の起動動作に要する時間として起動時間と呼ぶ。
【００５１】
このような起動動作、予熱動作、及び、水素生成動作は、図３に示すように、制御部２０に格納されたプログラムに従って実行される。以下、図３に示すプログラムの実行プロセスに沿って、水素発生装置の動作を説明する。
【００５２】
図３に示すように、制御部２０の処理制御部２１から運転開始信号が出力されて起動動作が開始される。具体的には、燃料供給部８から燃焼燃料が所定流量で燃焼部１２に供給されるとともに、空気供給部７から空気が所定流量で燃焼部１２に供給される。ここでは、燃焼部１２に供給される燃焼燃料の完全燃焼における理論空気量の１．５倍の空気が燃焼部１２に供給される。燃焼部１２において安定した燃焼を実現するために、水素発生装置の運転時における燃焼部１２への燃焼燃料及び空気の供給量は一定に保持されている。
【００５３】
燃焼部１２では、供給された燃焼燃料と空気との燃焼反応により、燃焼空間１４に火炎が形成される。そして、燃焼で生じた燃焼熱により改質触媒層５が加熱されるとともに、燃焼空間１４から燃焼ガス流路ｂ２に導入されて流路内を流れる燃焼ガスの保有熱によっても改質触媒層５が加熱される。さらに、燃焼ガスは燃焼ガス流路ｂ２から燃焼ガス流路ｂ１に導入されて流路内を流れるが、燃焼ガス流路ｂ１は縦壁５１を介して改質原料流路ａ接しているため、燃焼ガス流路ｂ１を流れる燃焼ガスの熱が改質原料流路ａ側に伝熱される。それにより、改質原料流路ａの底部に形成された水蒸発部４が加熱される。このように、改質触媒層５と水蒸発部４とは共に燃焼部１２での燃焼によって加熱され、伝熱経路の上流側に位置する改質触媒層５が、下流側に位置する水蒸発部４に先んじて加熱される。
【００５４】
ここで、上記の改質部３の加熱では、改質触媒層５の温度が、改質温度検知部１５によって常時検知され、その検知温度が制御部２０に伝達される。そして、図３に示すように、水蒸発部４が水蒸気生成可能な温度であるか否かを改質温度検知部１５で検知された改質触媒層の温度に基づいて判定する判定手段として機能する処理制御部２１が、予め処理制御部２１に設定された第１の基準温度Ｔ１と改質触媒層５の検知温度とを比較し、改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１）。ここでは第１の基準温度Ｔ１は１００℃である。改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１よりも高ければ、水蒸発部４に対し水供給を制御する供給制御手段としても機能する処理制御部２１から原料供給部１及び水供給部２に制御信号が出力され、それにより、改質部３への原料及び水の供給が開始されて予熱動作に移行する（ステップＳ４）。
【００５５】
一方、改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１以下であれば、原料及び水が供給されない状態で引き続き加熱が行われる（ステップＳ２）。そして、この加熱プロセスにおいて、処理制御部２１が、予め処理制御部２１に設定された第２の基準温度Ｔ２と改質触媒層５の検知温度とを比較し、改質触媒層５の温度が第２の基準温度Ｔ２よりも高いか否かを判定する（ステップＳ３）。ここでは第２の基準温度Ｔ２は４００℃である。改質触媒層５の温度が第２の基準温度Ｔ２以下であれば、引き続きこの状態で加熱が行われる。一方、第２の基準温度Ｔ２よりも改質触媒層５の温度が高ければ、処理制御部２１から原料供給部１及び水供給部２に制御信号が出力されて原料及び水の供給が開始されて予熱動作に移行する（ステップＳ４）。
【００５６】
予熱動作では、原料供給部１から供給された原料と、水供給部２から供給された水が水蒸発部４で蒸発して生成された水蒸気とが、改質原料流路ａを通じて改質触媒層５に供給され、改質触媒層５を通流した後に改質ガス流路ｃに供給される。そして、改質ガス流路ｃを介して改質部３の外部に取り出される。このように原料及び水蒸気を通流させた状態で加熱される改質触媒層５では、改質反応温度に達すると、原料と水蒸気とにより改質反応が行われて水素が生成する（ステップＳ５）。ここで、改質反応は、ある温度を閾値として急に反応が開始されるのではなく、改質触媒層５の温度が５００℃程度になると供給された原料及び水蒸気の一部が反応し始め、温度の上昇に伴って反応する原料及び水蒸気の割合が増加し、７００℃程度になるとほぼ完全に反応するようになる。したがって、上記のように原料及び水蒸気が供給された状態で改質部３の加熱が行われる予熱動作では、改質触媒層５の温度条件が整えば、適宜、改質反応が開始される。そこで、ここでは、改質触媒層５の温度が例えば７００℃程度であって、改質部４に供給された原料及び水蒸気がほぼ完全に反応して水素生成が行われる状態のことを水素生成動作と呼ぶ。よって、改質触媒層５が改質反応温度となるまで改質部３を加熱する動作が予熱動作として定義されているが、この予熱動作期間中であっても、原料と水蒸気から改質反応により部分的に水素が生成されることになる。
【００５７】
なお、この水素生成動作は、既存の水素発生装置の動作と同様である。すなわち、改質原料流路ａを通じて改質触媒層５に供給された原料及び水蒸気と改質触媒とにより、改質触媒層５で、水素を主成分とする改質ガスが生成する。生成した改質ガス、すなわち水素ガスは、改質ガス流路ｃを通じて改質部３の外部へ取り出される。
【００５８】
上記起動動作のステップＳ１及びステップＳ３において原料及び水の供給開始時期の判定基準となる第１及び第２の基準温度Ｔ１，Ｔ２は、改質部３の加熱時及び水素発生装置の停止時における改質触媒層５及び水蒸発部４の温度変化と、改質触媒層５と水蒸発部４との温度状態の関係とを考慮して設定されており、この第１及び第２の基準温度Ｔ１，Ｔ２に基づいて原料及び水の供給開始のタイミングを制御することにより、起動時間を短縮できる。
【００５９】
以下、図４を参照してこの効果を詳細に説明する。
【００６０】
図４（ａ）は、水素発生装置の停止動作及び水素発生装置停止後における改質触媒層５及び水蒸発部４の温度の経時変化の一例を示す図である。なお、停止動作とは、制御部２０の処理制御部２１が運転停止信号を出力してから水素発生装置が完全に停止するまでの動作である。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、水素生成動作時の水素発生装置では、改質触媒層５の温度が７００℃程度に保持されており、一方、水蒸発部４の温度は１２０℃程度に保持されている。処理制御部２１から運転停止信号が出力されて停止動作に入ると、原料供給部１及び水供給部２が停止すると共に燃料供給部８が停止し、それに伴って、改質部３での改質反応と燃焼部１２での燃焼とが停止する。
【００６２】
なおこの際、空気供給部７から送風される空気は、改質触媒層５の温度を速やかに奪う一方、加熱された空気に基づき、改質触媒層５よりも空気流れの下流に位置する水蒸発部４を昇温させる目的で、バーナ９に供給され続ける。
【００６３】
燃焼部１２での燃焼が停止して改質部３に対する加熱が停止すると、水素生成動作時に高温に保持されていた改質触媒層５では、急激に温度が低下する。一方、水蒸発部４では、その水素生成動作時の温度が改質触媒層５の温度よりも低いため、改質触媒層５のように加熱停止により急激に温度が低下することはなく、むしろ逆に、吸熱反応である改質反応が行われない分、水蒸発部４は、改質触媒層５からもたらされる放熱や上記空気との熱交換によって引き続き加熱されて昇温する。このように、燃焼停止動作では、改質触媒層５で温度が低下する一方、水蒸発部４で温度が上昇するため、燃焼停止動作開始から所定時間経過後には、改質触媒層５よりも水蒸発部４の温度が高くなる。改質触媒層５と水蒸発部４との間で温度の逆転が起こった後は、水蒸発部４の温度上昇も止まる。そして、改質触媒層５の温度が１５０℃程度、及び、水蒸発部４の温度が１８０℃程度の状態において、空気供給部７の作動も停止して、これにより水素発生装置が完全に停止する。水素発生装置が停止した後は、改質触媒層５及び水蒸発部４を含め、水素発生装置の温度が室温まで徐々に低下していく。
【００６４】
ここで、水素発生装置が停止してから短時間で運転が再開される場合には、水蒸発部４及び改質触媒部５が比較的高温に保持されており、特に、水蒸発部４が１００℃以上であれば直ぐに水を供給して水蒸気を生成することが可能である。
【００６５】
したがって、図４（ａ）から理解されるとおり、改質触媒層５の温度が１００℃以上であれば、水蒸発部４の温度は常に１００℃を超えた状態にあり、このことから改質触媒層５の第１基準温度として１００℃に設定して、起動開始時に改質温度検知部１５により検知される改質触媒層５の温度が、この第１基準温度を超えていれば水供給部２から水蒸発部４に水を供給しても、水蒸発部４において水蒸気を生成することができる。
【００６６】
これに対して、水素発生装置が停止してから長時間経過すると、水蒸発部４及び改質触媒部５の温度は室温レベル近くまで低下して、これにより、この状態から運転を再開する場合には、水蒸発部４を水蒸気生成可能な温度とするのに充分に加熱を行う必要がある。
【００６７】
図４（ｂ）は、水素発生装置が停止してから長時間経過して水蒸発部４及び改質触媒部５の温度が室温まで低下した状態から水素発生装置を再起動させた際の改質触媒層５及び水蒸発部４の温度の経時変化の一例を示す図である。
【００６８】
図４（ｂ）に示すように、燃焼部１２の加熱により、燃焼部１２に近い改質触媒層５が優先的に昇温され始め、その後、改質触媒層５の昇温に遅れて水蒸発部４の温度が上昇する。改質部３の加熱では水蒸発部４よりも改質触媒層５の加熱が優先的であることから、水蒸発部４を水蒸気生成可能温度まで加熱するには時間がかかるが、改質触媒層５の温度が４００℃になれば、水蒸発部４の温度が１００℃を越えていると判断され得る。したがって、改質触媒層５の第２基準温度として４００℃に設定して、改質温度検知部１５により改質触媒層５の温度を検知して改質触媒層５がこの第２基準温度を超えた時点で水供給部２から水蒸発部４に水を供給すれば、水蒸発部４の温度は１００℃を上回っており、確実に水蒸気を生成することができる。
【００６９】
このように、水素発生装置では、運転開始時（いいかえれば起動開始時）における水素発生装置の温度状態により、水蒸気が生成できるタイミングが変わり、起動時間の長さが異なってくる。そこで、本実施の形態では、以下のように、起動開始時の水素発生装置の温度状態（具体的には改質触媒層５の温度状態）に応じて、改質部３への水の供給開始のタイミングを調整し起動時間の短縮化を図る。
【００７０】
具体的に、本実施の形態では、起動開始時の水蒸発部４が直ぐに水を供給可能な状態（すなわち、供給された水から水蒸気を生成可能な状態）であるか否かを判定するために、第１の基準温度Ｔ１が設定されており、また、起動動作で水蒸発部４が水蒸気生成可能な状態まで加熱されたか否かを判定するために、第２の基準温度Ｔ２が設定されている。前述のように、ここでは第１の基準温度Ｔ１が１００℃に設定されており、第２の基準温度Ｔ２が４００℃に設定されている。
【００７１】
例えば、運転停止から短時間で運転が再開された場合、改質触媒層５及び水蒸発部４の温度は高く保持されており、図４に示すように、第１の基準温度Ｔ１である１００℃よりも改質触媒層５の温度が高ければ、水蒸発部４は１００℃以上になっている。したがって、改質温度検知部１５で検知された改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１よりも高ければ、改質部３への水の供給を速やかに開始することができ、起動時間を短くできる。この場合、水蒸気が十分に供給された状態で改質触媒層５の加熱が行われるため、改質触媒層５の高温化に伴う触媒性能の劣化や、水蒸気不足による原料の炭素析出等を防止することが可能となる。
【００７２】
上記においては第１の基準温度Ｔ１が１００℃に設定された場合を説明したが、水蒸発部４が水蒸気生成可能な状態であることを判定できるのであれば、第１の基準温度Ｔ１の設定値はこれ以外であってもよく、例えば改質部３の構成等に応じて適宜設定される。第１の基準温度Ｔ１は５０〜１５０℃の範囲であってもよく、この範囲であれば、水蒸発部４が前回の運転における熱を保有するため、直ぐに水蒸気生成可能であると推定される。なお、第１の基準温度Ｔ１が５０℃程度の低い温度であってもよいのは、例えば、水素発生装置の運転停止動作の際に、燃焼部１２の空気流路６を通じて空気を改質部３に多量に供給して改質部３の冷却を行う等の冷却動作が行われると、改質触媒層５の温度がこのように低くても水蒸発部４は１００℃以上となっている場合があるからである。
【００７３】
一方、停止から長時間経過後に運転が再開された場合、改質触媒層５及び水蒸発部４は室温まで温度が低下しており、起動開始時における改質触媒層５の温度は、第１の基準温度である１００℃よりも低くなっている。したがって、この場合には、水蒸発部４に水を供給しても水蒸気生成を行うことができない。それゆえ、この場合には直ぐに水の供給を開始せず、所定時間、燃焼部１２での燃焼により改質部３を加熱する。そして、加熱された水蒸発部４が水蒸気生成可能な状態であるか否かを、第２の基準温度Ｔ２を用いて判定する。起動動作の加熱では改質触媒層５が水蒸発部４に優先して加熱されるため、改質触媒層５の温度がある程度上昇するまでは、水蒸発部４の温度は水蒸気生成可能な温度まで上昇せず、改質触媒層５の温度が第２の基準温度Ｔ２である４００℃よりも高くなると、水蒸発部４も十分に加熱されて温度が１００℃以上になっている。したがって、改質温度検知部１５で検知される改質触媒層５の温度が第２の基準温度Ｔ２よりも高ければ、水蒸発部４への水供給を開始することができる。このように第２の基準温度Ｔ２との比較判定により水を供給するタイミングを制御することにより、水蒸気が十分に供給された状態で改質触媒層５のさらなる加熱が行われる。したがって、改質触媒層５の高温化に伴う触媒性能の劣化や、水蒸気不足による原料の炭素析出等を防止することが可能となる。
【００７４】
上記においては第２の基準温度Ｔ２が４００℃に設定された場合を説明したが、第２の基準温度Ｔ２はこれに限定されるものではなく、水蒸発部４が水蒸気生成可能な状態にある改質触媒層５の温度でありかつ水蒸気不存在下において改質触媒の劣化や供給原料の炭素析出が生じない温度であれば、第２の基準温度Ｔ２はこれ以外であってもよく、改質部３の構成等に応じて、第２の基準温度Ｔ２は適宜設定される。例えば、改質触媒層５の温度が５００℃を上回ると、改質触媒や改質触媒を充填している容器及びガス流路も５００℃を上回り、この温度状態で水蒸気が不存在であると、改質部３に原料の供給があれば原料の熱分解により改質部３の流路内や改質触媒上で炭素析出が生じ、仮に改質部３に原料の供給が無くとも改質触媒の凝集や酸化が起き、何れにしても、その結果、流路の閉塞や触媒の活性低下といった不具合が誘発される可能性がある。したがって、第２の基準温度Ｔ２は３００〜５００℃の範囲に設定することが好ましい。
【００７５】
以上のように、本実施の形態の水素発生装置では、起動開始時の水蒸発部４の温度状態に応じて水の供給開始のタイミングを調整できるため、起動開始時の水蒸発部４の温度が水蒸気生成可能な温度である場合には、起動動作に要する時間を短縮することができる。また、水蒸気を十分に供給した状態で改質触媒層５の加熱が行われるので、原料の熱分解による改質部３の流路内や改質触媒上での炭素析出や改質触媒の凝集や酸化を防止することが可能となる。また、水蒸気生成可能な状態の水蒸発部４に水が供給されるため、確実に水蒸気の生成を行うことが可能となり、よって、液体の水による流路閉塞等を防止することが可能となる。以上のことから、このような本実施の形態の水素発生装置では、高い信頼性を実現することができる。
【００７６】
また、上記の水素発生装置の構成では、改質部３の最外周に水蒸発部４が配設されているため、高温の改質触媒層５から外周側に放熱される熱が、水蒸発部４における水の蒸発潜熱として利用される。したがって、水蒸発部４では温度の上昇が抑制される。このように、改質部３の最外周に位置する水蒸発部４の温度が低く抑えられると、改質部３の本体５０の表面温度が下がることから、本体表面からの放熱を抑制することが可能となり、よって、水素発生装置の熱エネルギー効率が向上する。
【００７７】
なお、改質部３の構成は上記の構成に限定されるものではなく、本体５０の形状や内部構造、改質部３内の各流路の配置等は上記以外であってもよい。ここで、上記のように表面からの放熱を抑制すべく水蒸発部４が改質部３の最外周に配置された構成では、燃焼部１２での燃焼により発生した熱が水蒸発部４に伝達されにくいため、従来の起動動作における加熱方法では、改質部３の温度が顕著に上昇するのに対して水蒸発部４の温度は上昇しにくく、触媒の劣化や原料の炭素析出等の問題が生じやすい。したがって、かかる構成では、本発明の効果がより有効に奏される。
【００７８】
さらに、上記水素発生装置の構成で改質触媒層４の温度を検知する温度検知部は、改質触媒層５を通過した改質ガス流路内を流れるガスの温度を検知する箇所に設けられ、ここで検知された温度を基に水供給のタイミングを変えているが、改質触媒層５を含む改質部３の構造体表面の適所に設置された温度検知部から得られる温度、改質部３内部の水蒸気および原料並びに改質反応したガスが流れる流路ａの適所に設置された温度検知部から得られる温度、燃焼空間１４の適所に設置された温度検知部から得られる温度、または、燃焼ガス流路ｂ１、ｂ２の適所に設置された温度検知部から得られる温度であっても、改質触媒層４またはその近傍で改質触媒層５の温度と高い相関性を有する温度を検知可能であり、かつ水蒸発部４が水蒸気生成可能な温度である否かを判断可能な範囲であれば、何れの箇所に設置してもよい。
【００７９】
もっともこの場合に、第２の基準温度Ｔ２は、改質触媒層５の最高温度との相関関係により、水蒸気不存在下において改質触媒の劣化や供給原料による炭素析出が生じない温度として設定されなければならない。
【００８０】
なお、水蒸発部４の外表面又は水蒸発部４の内部の適所に、後ほど説明するように、図８に示した水蒸発部４の温度を検知する水蒸発部温度検知部１６を設けて水蒸発部４の蒸発に関与する温度を直接的に測れば、より精度良く水蒸発部４の状態を把握することができ、水蒸気の確実な供給が可能となる。
【００８１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る水発生装置の構成は、実施の形態１の水素発生装置の構成と同様であり、よって、ここでは説明を省略する。かかる本実施の形態の水素発生装置の起動動作では、実施の形態１の場合と同様に第１及び第２の基準温度Ｔ１，Ｔ２を設定して水蒸発部４の温度状態を判定するが、ここではさらに、第３及び第４の基準温度Ｔ３，Ｔ４を設定し、この第３及び第４の基準温度Ｔ３，Ｔ４に基づいて改質触媒層５の加熱状態が制御される。より具体的には、本実施の形態においては、上記実施の形態１に比べて改質部３をより積極的に加熱させることにより、水素発生装置が停止してから長時間経過して水蒸発部４及び改質触媒部５の温度が室温まで低下した状態からこの水素発生装置を再起動させた際であっても、水蒸発部４を水蒸気生成可能温度にまで加熱する時間が短縮されることが期待される。もっとも、改質部３（改質触媒層５）の温度を昇温させ過ぎると、改質触媒が劣化して望ましくなく、こうした改質触媒の劣化を無くすために改質部３の昇温を停止させることにより、改質部３が冷え過ぎても望ましくない。よって改質部３は、以下に説明するように制御部２０により温度制御されている。
【００８２】
以下、本実施の形態の起動動作について、図５及び図６を参照して説明する。
【００８３】
図５は、本実施の形態の水素発生装置の制御部２０（図１）に格納されたプログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。図５に示すように、本実施の形態では、実施の形態１の場合と同様、制御部２０の処理制御部２１から運転開始信号が出力されて水素発生装置の運転が開始され、燃料供給部８及び空気供給部７から燃焼部１２に燃焼燃料及び空気が供給されて燃焼が行われる。それにより、起動動作が開始される。起動開始時の改質触媒層５の温度が改質温度検知部１５で検知され、検知温度情報が処理制御部２１に伝達される。処理制御部２１は、検知された改質触媒層５の温度と第１の基準温度Ｔ１（１００℃）と比較を行う（ステップＳ１）。改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１より高ければ、実施の形態１で前述したように、ステップＳ４のプロセスに進む。一方、改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１以下であると、実施の形態１で前述したように、ステップＳ２のプロセスに進む。そして、ステップＳ３のプロセスに進むべく、改質触媒層５及び水蒸発部４の加熱が行われる。
【００８４】
ここで、本実施の形態の起動動作では、実施の形態１のようにステップＳ２からステップＳ３のプロセスが行われるまでの間に、さらにステップＳ６〜Ｓ１０のプロセスが行われる。それにより、第２の基準温度Ｔ２まで改質触媒層５の温度が上昇するまでの間に、図６に示すように改質触媒層５の温度状態に従って燃焼部１２での燃焼を停止及び再開させて改質触媒層５の加熱量を調節している。
【００８５】
図６は、本実施の形態の水素発生装置の起動動作における改質触媒層５及び水蒸発部４の加熱状態を示す図である。図５に示すように、本実施の形態では、実施の形態１の第１及び第２の基準温度Ｔ１，Ｔ２の間に、第３の基準温度Ｔ３と、第４の基準温度Ｔ４とが設定されている。第３の基準温度Ｔ３は第４の基準温度Ｔ４よりも高く（Ｔ３＞Ｔ４）、ここでは、第３の基準温度Ｔ３が２５０℃に設定されるとともに、第４の基準温度Ｔ４が２００℃に設定されている。
【００８６】
例えば、この場合、水素発生装置の運転開始時の温度は第１の基準温度（１００℃）よりも低く、よって、図５のステップＳ２に示すように、直ぐには水の供給が開始されずに引き続き改質触媒層５及び水蒸発部４の加熱が行われる。そして、この加熱時に、改質触媒層５の検知温度が第３の基準温度Ｔ３以上であるか否かの判定が行われる（ステップＳ６）。この判定で、第３の基準温度Ｔ３よりも低ければ、引き続き加熱が行われる。一方、改質触媒層５の検知温度が第３の基準温度Ｔ３以上であれば、燃焼部１２での燃焼を停止させる（ステップＳ７）。この燃焼停止に伴って改質触媒層５の温度は低下し、一方、水蒸発部４は改質触媒層５からの放熱によって温度が上昇する。続いて、改質触媒層５の温度が第４の基準温度Ｔ４まで低下したら（ステップＳ８）、再び燃焼を開始する（ステップＳ９）。この燃焼の再開に伴って改質触媒層５の温度は再び上昇し、水蒸発部４も引き続き温度が上昇する。燃焼再開により改質触媒層５の温度が再び第３の基準温度Ｔ３以上となったら、再び燃焼を停止させる。ここでは、制御部２０の処理制御部２１が、燃料供給部８から燃焼部１２への燃料の供給を制御することにより、燃焼の停止及び再開を制御している（ステップＳ１０）。
【００８７】
上記のような燃焼の停止及び再開は、予め設定された回数行われる。この設定回数は、１回以上であって、好ましくは、改質触媒層５と水蒸発部４との位置関係や燃焼ガス流路ｂ１，ｂ２の構成による伝熱状態に応じて設定されている。燃焼の停止及び再開が設定回数行われた後、第３の基準温度Ｔ３を超えてさらに加熱が行われ（ステップ１１）、前述のように第２の基準温度Ｔ２との比較が行われる（ステップＳ３）。
【００８８】
このように第３及び第４の基準温度Ｔ３，Ｔ４に基づいて燃焼部１２を制御して改質触媒層５の加熱量を調整することにより、改質触媒層５の温度上昇を５００℃以下に抑制しつつ、水蒸発部４の温度上昇を促進することができる。
【００８９】
上記においては、第３の基準温度Ｔ３を２５０℃に設定するとともに第４の基準温度Ｔ４を２００℃に設定しているが、第３及び第４の基準温度Ｔ３，Ｔ４はこれに限定されるものではなく、第１の基準温度Ｔ１と第２の基準温度Ｔ２との間であって改質触媒層５の温度を５００℃以上に高温化させることなく水蒸発部４の温度上昇を促進させることが可能であれば、これ以外であってもよい。
【００９０】
ここで、燃焼部１２での燃焼を停止した際の改質触媒層５の温度変化では、改質触媒層５の温度が第３基準温度Ｔ３に達した時点Ｐ１で燃焼を停止しても、オーバーシュートにより改質触媒層５が加熱されるので、燃焼停止後も所定期間は継続して改質触媒層５の温度が上昇する。そして、時点Ｐ２において、改質触媒層５の温度がピークに達して第３の基準温度Ｔ３よりも高い温度となる。このことから、第３の基準温度Ｔ３を設定するにあたっては、このようなオーバーシュートによる温度上昇を考慮し、ピーク時Ｐ２の温度が第２の基準温度Ｔ２を超えないようにする必要がある。例えば、第３の基準温度Ｔ３は、２００〜３００℃の範囲で設定する。一方、第４の基準温度Ｔ４は、第３の基準温度Ｔ３が決まれば、第３の基準温度Ｔ３と第１の基準温度Ｔ１との間で設定すればよい。
【００９１】
以上のように、本実施の形態によれば、燃焼部１２における燃焼を制御して改質触媒層５の加熱量を制御することが可能となるため、実施の形態１において前述した効果がより有効に奏され、よって、さらに高い信頼性が実現される。
【００９２】
上記においては、燃焼部１２における燃焼の停止及び再開を行う回数を予め設定し、その回数分実施した後に第２の基準温度Ｔ２に基づく判定が行われる場合について説明したが、本実施の形態の変形例として、燃焼の停止及び再開を行う回数を設定するのではなく、燃焼の停止及び再開を伴う加熱動作が行われる時間を予め設定してもよい。例えば、燃焼の停止及び再開を伴う加熱時間を予め１０分間と設定し、この期間は、第３及び第４の基準温度Ｔ３，Ｔ４に基づいて燃焼の停止と再開が行われ、１０分経過後に第３の基準温度Ｔ３を越える加熱が行われる構成であってもよい。また、もし１０分経過後に燃焼部１２で失火が生じて改質触媒層５の温度が低下した際には、改質触媒層５の温度が第４の基準温度Ｔ４に達した時に燃焼部１２での燃焼が再開されるよう構成されていてもよい。  
【００９３】
またここまで、燃焼部１２における燃焼の停止及び再開が反復して実行されることにより、改質触媒層５の加熱量を調整しつつ、水蒸発部４を効率的に加熱する例を述べたが、こうした燃焼部１２の停止及び再開という燃焼動作の変形例として、燃焼部１２を停止させることなく、燃焼部１２を所定回数、高熱量加熱状態と低熱量加熱状態とに切り替えることによっても、同様の効果が得られる（なお、第３および第４の基準温度Ｔ３，Ｔ４は適切に設定し直す必要がある。）。例えば、低熱量に対する高熱量の熱量比率が約１．５倍程度になるように、燃焼部１２への燃焼燃料量が調整されてもよい。
【００９４】
若しくは、燃焼部１２による低熱量の加熱は、例えば、後ほど詳しく述べるように、燃焼燃料量に対する空気量を通常の燃焼時に比べて高めて燃焼火炎の温度を下げることによっても実現させ得る。
【００９５】
（実施の形態３）
本実施の形態の水素発生装置は、実施の形態１の水素発生装置と同様の構成を有しており、よって、ここでは詳細な説明を省略する。また、本実施の形態の水素発生装置では、実施の形態２の場合と同様に燃焼部１２における燃焼が制御されて改質触媒層５の加熱量が調整されるが、以下の点が実施の形態２とは異なっている。
【００９６】
すなわち、実施の形態２では第３及び第４の基準温度Ｔ３，Ｔ４に基づいて燃焼部１２での燃焼の停止及び再開を制御しているが、本実施の形態では、水素発生装置の起動開始時の改質触媒層５の温度に応じて、燃焼の停止及び再開を行う回数及びタイミングが自動で予め設定されるとともに、この設定に従って燃焼の停止及び再開が実施される。燃焼の停止及び再開を行う回数及びタイミングは、実施の形態２の場合と同様、改質触媒層５の温度が５００℃以上の高温になるのを抑制しつつ水蒸発部４の温度上昇を促進するように設定される。例えば、燃焼の停止及び再開を行う回数及びタイミングと改質触媒層５及び水蒸発部４の温度変化との相関関係を示すデータが予め制御部２０の記憶部２４に格納されており、起動開始時に検知されて処理制御部２１に伝達された改質触媒層５の温度情報に従って、記憶部２４のデータから最適な回数及びタイミングが選択されて設定される。この場合、検知された改質触媒層５の温度が低いと、水蒸発部４の温度も低いと推定され、よって、この場合には予熱回数を多くする。一方、検知された改質触媒層５の温度が高いと、水蒸発部４の温度も高いと推定され、よって、この場合には、予熱回数を少なくする。具体的例として、第１の基準温度Ｔ１が１００℃である場合に、起動開始時における改質触媒層５の検知温度が８０〜９９℃であれば、燃焼の停止及び再開の一連の動作の回数を１回とし、６０〜７９℃であれば２回とし、４０〜５９℃であれば３回とし、それよりも低い時には４回と設定する。
【００９７】
以上のように、本実施の形態の起動動作によれば、起動開始時の水素発生装置の状態、具体的には改質触媒層５の温度、に応じて、燃焼部１２での燃焼の停止及び再開の実施回数を適正化することが可能となる。したがって、実施の形態２と同様の効果が奏されるとともに、この場合にはより効率よく加熱を行うことが可能となる。
【００９８】
なお、上記においては、予め燃焼の停止及び再開の回数が設定される場合について説明したが、実施の形態２の変形例の場合と同様、回数ではなく、燃焼の停止及び再開を伴う加熱の実施時間が予め設定されてもよい。
【００９９】
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る水素発生装置の構成を示す模式的な断面図である。
【０１００】
本実施の形態による水素発生装置では、実施の形態１（図１参照）で説明した水素発生装置の改質部に、水蒸発部４の温度を検知する水蒸発部温度検知部１６が追加的に設置され、これにより、水蒸発温度検知部１６から出力された信号（温度情報）が制御部２０に伝達されるように構成されている。
【０１０１】
また、図９は、本実施の形態による水素発生装置の制御部に格納されたプラグラムの内容を概略的に示したフローチャートである。
【０１０２】
図９に示したフローチャートでは、図５に示したフローチャートのステップＳ１の「第１基準温度」とステップＳ３の「第２基準温度」が各々、「水蒸発部基準温度」となっている。
【０１０３】
詰まりは、本実施の形態では、水蒸発部４の温度を改質温度検知部１５から間接的に予測するのではなく、水蒸発部温度検知部１６により測定することによって、図９に示したステップＳ１およびステップＳ３における水蒸発部４の状態をより直接かつ正確に検知して、水を供給して水蒸気を生成することができるか否かを判断している。よって、燃焼の停止及び再開が実行される際に、図９に示したステップＳ６〜Ｓ１０の間の処理の実施を、実施の形態３のようにその処理回数や処理時間に応じて決定するのではなく、水蒸発部４の温度状態により直接的に決定することができる。
【０１０４】
また、燃焼の停止及び再開のタイミングの判断は、実施の形態３と同様、改質触媒温度検知部１５から出力される温度情報に基づき制御部２０により実行され、これにより、改質触媒層５の高温化による触媒の劣化が防止されている。
【０１０５】
なお、水蒸発部温度検知部１６は水蒸発部４の構造体外表面や構造体内部の水が蒸発する蒸発空間等、水蒸発部４において水蒸気が生成可能か否かを精度良く把握できる位置に設置すればよい。ここで、水蒸発部４が水蒸気を生成できる水蒸発部基準温度は、水蒸発部４の構成や水蒸発部温度検知部１６の設置位置等に依存して可変するが、例えば５０℃から１５０℃であれば、水蒸発部４の主に水蒸発が行われる箇所では１００℃になって水の蒸発が適切に促進される。
【０１０６】
なお、以上に説明した本実施の形態による水素発生装置の構成は、水蒸発部温度検知部１６を追加した点を除き、実施の形態１で説明した水素発生装置の構成と同じであり、両者に共通する構成の説明は省略する。
【０１０７】
また、図９に示したステップＳ１およびステップＳ３における処理動作以外の本実施の形態による動作は、実施の形態２（図６）で説明した処理動作と同じであり、両者に共通する動作の説明も省略する。
【０１０８】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る水素発生装置は、実施の形態１の水素発生装置１００と同様の構成を有しており、よって、ここでは詳細な説明を省略する。本実施の形態では、実施の形態１と同様の起動動作が行われるが、起動動作の燃焼における燃焼部１２への空気の供給量が、予熱動作や水素生成動作で実施される通常の燃焼での空気供給量よりも多い点が、実施の形態１とは異なっている。以下、この相違点について説明する。
【０１０９】
通常の燃焼では、燃料供給部８から燃焼部１２に供給される燃焼燃料の完全燃焼における理論空気量と、実際に空気供給部７から燃焼部１２に供給される空気量との比（以下、空気比と呼ぶ）が、約１．５に設定されている。これは、燃焼部１２の構成や燃焼方法にもよるが、通常の燃焼では、燃料特性が最も良好な燃焼における空気比が１．５前後であることによる。したがって、本実施の形態では、予熱動作及び水素発生動作における空気比が、通常の燃焼における空気比、すなわち１．５に設定されている。一方、本実施の形態の起動動作では、燃焼における空気比が、通常の燃焼での空気比（すなわち１．５）よりも大きく設定されている。具体的には、起動動作時の燃焼における空気比は、２．０以上であって燃焼特性が劣化しない範囲、例えば、２．０〜５．０の範囲内に設定される。ここでは２．０である。このような設定とするのは、以下の理由による。
【０１１０】
燃焼部１２に供給される燃焼燃料の供給量が一定であると、燃焼部１２での発熱量は一定となる。このため、この状態では、空気供給部７から燃焼部１２への空気供給量の変化に伴って、燃焼部１２の輻射筒内に形成される火炎の温度が変化する。例えば、空気比を通常の燃焼における空気比（１．５）よりも大きくして空気供給量を通常の燃焼よりも多くすると、燃焼によって生じる燃焼排気ガスの量が多くなるため、この燃焼排気ガスによって火炎の温度が低下する。ここでは、火炎の外炎の温度を火炎の温度としている。このことから、起動動作時の空気比が２．０となるように制御部２０が空気供給部７を制御して空気供給量を調整すると、通常の燃焼よりも多くの空気が燃焼部１２に供給されて燃焼が行われるので、起動動作時に形成される火炎の温度は、予熱動作時及び水素生成動作時に形成される通常の燃焼での火炎の温度よりも低くなる。そして、このような火炎温度の低下により、起動動作時には、燃焼部１２から燃焼ガス流路ｂ２に導入される燃焼排気ガスの温度が、通常の燃焼に比べて低くなる。それゆえ、起動動作時には、加熱対象である改質触媒層５と熱源である燃焼排気ガスとの温度差が小さくなり、よって、予熱動作時及び水素生成動作時に比べて、燃焼排気ガスから改質触媒層５へ伝熱される熱量が減少する。一方、このように改質触媒層５への伝熱量が減少することから、改質触媒層５との間の熱交換を経て燃焼ガス流路ｂ１内を移動する燃焼排気ガスでは、保有する熱量が多くなる。
【０１１１】
ここで、改質触媒層５との熱交換を経た燃焼排気ガスは、燃焼ガス流路ｂ１内を移動して改質部３の外部に取り出されるが、この移動の際に、燃焼排気ガスと水蒸発部４との間で熱交換が行われ、水蒸発部４に熱が伝熱される。ここで、前述のように、空気比を２．０とした起動動作では、空気比を１．５とした場合に比べて、水蒸発部４との間で熱交換を行う燃焼排気ガスの保有する熱量が多くなるので、水蒸発部４と燃焼排気ガスとの間の温度差が大きくなり、それゆえ、水蒸発部４に伝熱される熱量が、空気比を１．５とした場合に比べて多くなる。以上のことから、起動動作における燃焼の空気比を２．０して通常の燃焼の空気比よりも大きくすることにより、改質触媒層５の温度上昇を抑制しつつ水蒸発部４の加熱を促進することが可能となる。その結果、起動動作時間の短縮化が図られた信頼性の高い水素発生装置を実現できる。
【０１１２】
なお、通常の燃焼よりも燃焼部１２に供給する燃焼燃料量を少なくしたうえで、上記の空気比を高めれば、より効果的に改質触媒層５の温度上昇を抑制しつつ水蒸発部４の加熱を促進することができる。
【０１１３】
なお、上記においては、本実施の形態の起動動作が、空気比を通常の燃焼よりも大きくすることを除いて実施の形態１の起動動作と同様である場合について説明したが、実施の形態２及び実施の形態３の起動動作を基本とする構成であってもよい。
【０１１４】
また、実施の形態２及び実施の形態３の構成を基本とする起動動作において、既に述べたように、燃焼部１２での燃焼を停止する際に、空気供給部７から燃焼部１２に改質触媒層５の冷却用に空気を供給している。このように冷却用に空気を供給することにより、改質部３の熱が、供給された空気を介して改質触媒層５よりも空気流れの下流側に位置する水蒸発部４に伝熱されるが、ここでは特に、供給される空気の量が通常よりも多いことから、水蒸発部４への伝熱量が多くなり好適である。したがって、より有効に上記の効果が奏される。
【０１１５】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る水素発生装置は、実施の形態１の水素発生装置と同様の構成を有しており、よって、ここでは詳細な説明を省略する。本実施の形態においては、起動動作から予熱動作への移行の過程が、実施の形態１とは異なっている。以下、この相違点について説明し、それ以外は実施の形態１と同様とする。
【０１１６】
実施の形態１においては、前述のように予熱動作の開始時に水と原料とが揃って改質部３へ供給されるが、本実施の形態では、水の供給が先に開始され、その後に原料の供給が開始される。すなわち、本実施の形態では、起動動作において、改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１以上であるか（図３のステップＳ１）、又は、第２の基準温度Ｔ２以上である（図３のステップＳ３）と、水供給部２から改質部３の改質原料流路ａに水が供給され、起動動作から予熱動作に移行する。この時、原料供給部１から改質部３への原料供給はまだ行われない。供給された水は水蒸発部４で蒸発して水蒸気となり、この水蒸気が、改質触媒層５及び改質ガス流路ｃに供給されてこれらを通流する。ここで、原料供給流路ａ内、改質触媒層５内及び改質ガス流路ｃ内には、前回の運転における生成ガスや運転停止後に流入した空気などの気体等が多少なりとも存在している可能性があり、例えば、これらの気体存在下で予熱動作により改質触媒層５を高温に加熱すると、改質触媒が酸化されて触媒活性が低下し、原料が酸化される可能性がある。したがって、水素発生装置の信頼性を向上させるためには、改質部３の本体５０内部を、不特定物質が存在しない状態とすることが好ましい。
【０１１７】
そこで、本実施の形態では、ステップＳ１及びステップＳ３において改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１及び第２の基準温度Ｔ２に達したら、原料を改質部３に供給する前に、まず、上記のように水を先に改質部３に供給して水蒸気を生成し、この水蒸気を改質原料流路ａ、改質触媒層５及び改質ガス流路ｃに通流させることにより、これらの内部を水蒸気によりパージする。このようにして予熱動作の開始時に、所定時間、水蒸気パージを行った後、原料供給部１から改質部３への原料供給を開始する。このように水蒸気パージに要する時間は、改質部３内に形成された流路、すなわち、改質原料流路ａ、改質触媒層５及び改質ガス流路ｃを含め水素発生装置内に形成された流路全体を水蒸気でパージするのに要する時間である。例えば、水素発生装置内に形成された流路の合計容積が１Ｌの場合、水を１８g／分の供給量で水素発生装置の改質部３に供給すると、水蒸発部４で
発生する水蒸気の量は２２．４L／分であることから、パージに要する時間（すなわち、
予熱動作において水のみを供給する時間）は、１／２２．４分となる。実際には、安全係数を考慮して、この２〜３倍の時間がパージの時間に設定される。
【０１１８】
以上のように、本実施の形態によれば、改質部３に原料を供給する前に水蒸気によりパージするので、より信頼性の高い水素発生装置を実現できる。また、従来のパージでは、別途設けた供給手段から窒素などの不活性ガスを供給して該ガスによるパージを行う必要があるが、本実施の形態では、水蒸発部４で生成した水蒸気を用いてパージを行うことができるので、パージ用ガスの供給手段を別途設ける必要がない。したがって、予熱動作開始時の水と原料との供給のタイミングを調節するだけで、容易にパージを行うことができる。
【０１１９】
なお、上記においては、本実施の形態が、水蒸発部４で生成した水蒸気を用いてパージを行う点を除いて実施の形態１と同様である場合について説明したが、実施の形態２、実施の形態３、実施の形態４及び実施の形態５の動作を基本とする構成であってもよい。
【０１２０】
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７に係る水素発生装置の構成は、実施の形態１の水素発生装置の構成と同様であり、よって、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１２１】
かかる構成の本実施の形態では、実施の形態６の場合と同様、改質部３に原料を供給する前に水のみを供給し、この水から生成された水蒸気を用いて改質部３のパージを行うが、実施の形態６のように水蒸発部４が水蒸気生成可能温度となってから水供給を開始するのではなく、水蒸気生成可能温度まで加熱される前に予め水蒸発部４に水が供給された状態を実現し、この水の飽和水蒸気を用いて水蒸気パージを行う。以下、詳細を説明する。
【０１２２】
ところで、上記の実施の形態１〜６では改質部３への水の供給開始時を起動動作から予熱動作への移行時とするが、本実施の形態では、改質部３への水の供給開始時を該移行時とするのではなく、水蒸発部４における水の蒸発開始時を移行時とする。すなわち、ここでは、予め水が供給された状態の水蒸発部４が水蒸気生成可能温度まで加熱する動作を起動動作と呼び、水蒸発部４での水蒸気生成が開始されてから改質反応が行われるまでの動作を予熱動作と呼ぶ。
【０１２３】
本実施の形態では、水素発生装置の起動開始時の改質触媒層５及び水蒸発部４の温度にかかわらず、水供給部２から改質部３に所定量の水が供給されて水が水蒸発部４に溜められている。水素発生装置の起動開始時の改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１よりも低い場合、起動開始時直後では水蒸発部４に溜められた水は蒸発しないが、燃焼部１２での燃焼による加熱によって水蒸発部４の温度が徐々に上昇し始めると、水蒸発部４では、その温度に応じた飽和水蒸気が発生する。本実施の形態では、この飽和水蒸気を用いて改質部３のパージを行う。一方、起動開始時の改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１よりも高い場合（図３のステップＳ１）、及び、上記のように飽和水蒸気によるパージを行いながら加熱を行って改質触媒層５の温度が第２の基準温度Ｔ２よりも高くなった時には（図３のステップＳ３）、水蒸発部４が水蒸気生成可能な状態であるため、水蒸発部４に溜められていた水が水蒸気となって改質触媒層５に供給されて起動動作から予熱動作に切り換わる。予熱動作が開始されたら、水供給部１から改質部３に水を供給するとともに、水供給開始から所定時間経過後に原料供給部２から改質部３に原料を供給する。それにより、実施の形態６の場合と同様、改質部３が水蒸気によってパージされる。
【０１２４】
以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態６の場合と同様、水蒸気を用いて改質部３をパージすることが可能となるので、実施の形態６において前述した効果と同様の効果が得られる。さらに、ここでは、水素発生装置の起動開始時の改質触媒層５の温度が第１の基準温度Ｔ１よりも低い場合に、改質触媒層５や水蒸発部４や改質部３内の各流路の温度が上昇しない状態においても、水蒸発部４に貯められた水の飽和水蒸気を用いて改質部３を随時パージすることが可能となる。したがって、パージによる物質除去能力が向上し、また、予熱動作の開始時に実施されるパージに要する時間を短縮することが可能となる。
【０１２５】
本発明に係る水素発生装置の構成及び動作方法は、上記の実施の形態１〜６に示す構成及び動作方法に限定されるものではない。例えば、上記の実施の形態１〜６では改質部３の加熱を燃焼部１２における燃焼により行っているが、電気ヒータや高温の不活性ガスを利用する加熱手段等によって改質部３の加熱を行ってもよい。また、上記の実施の形態１〜６では特に水素発生装置の改質部３の構成について説明したが、水素発生装置は、その用途に応じて、改質部以外の処理部を適宜有していてもよい。例えば、実施の形態８において後述するように、燃料電池発電システムに用いられる水素発生装置では、改質部３で生成された改質ガスを処理するＣＯ変成部及びＣＯ選択酸化部が設けられている。
【０１２６】
（実施の形態８）
図７は、本発明の実施の形態８に係る燃焼電池発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。この燃料電池発電システムは、水素発生装置１００と、燃料電池１０１と、熱回収装置１０２と、ブロワ１０３とを主たる構成要素として備えている。この燃料電池１０１は、例えば、固体高分子型燃料電池である。
【０１２７】
水素発生装置１００は、実施の形態１〜７のいずれかの水素発生装置であるが、ここでは、前述した改質部３及び燃焼部１２の他に、さらにＣＯ変成部２０とＣＯ選択酸化部２１とを備えている。具体的には、図１の改質部３の改質ガス流路ｃがＣＯ変成部２０に接続されており、ＣＯ変成部２０とＣＯ選択酸化部２１とが変成後ガス流路ｄによって接続されている。かかる構成の水素発生装置１００では、改質触媒層５で生成された改質ガスが改質ガス流路ｃを介してＣＯ変成部２０に供給され、ここでＣＯ濃度の低減化が行われる。ＣＯ変成部２０で得られた変成後ガスは、変成後ガス流路ｄを介してＣＯ選択酸化部２１に供給され、ここでさらにＣＯ濃度の低減化が行われる。このようにＣＯ変成部２０及びＣＯ選択酸化部２１によってＣＯ低減化処理が行われることにより、水素発生装置１００では、ＣＯ濃度の低い水素リッチガス（水素ガス）が得られる。
【０１２８】
燃料電池発電システムでは、水素発生装置１００が発電燃料配管１０４及び燃料オフガス配管１０５を介して燃料電池１０１に接続されている。また、燃料電池１０１は、空気配管１０６を介してブロワ１０３に接続されている。また、熱回収装置１０２は、燃焼電池１０１の発電時に発生する熱を回収可能に構成されている。ここでは、熱回収装置１０２が、貯留タンクを備えた温水生成装置から構成され、この貯留タンク内の水によって燃料電池１０１の発電時の熱を回収して温水を生成する。なお、ここでは図示を省略しているが、燃料電池発電システムは、発電により得られた電力を電力負荷端末に供給可能に構成されるとともに、熱回収装置１０２で回収した熱を熱負荷端末に供給可能に構成されている。
【０１２９】
燃料電池発電システムのコージェネレーション運転では、まず、前述のように、水素発生装置１００において、起動動作、予熱動作、及び水素生成動作が行われる。これらの動作については、実施の形態１〜７において前述した通りであり、ここでは説明を省略する。水素発生装置１００では、実施の形態１〜７において前述したように、起動動作に要する時間を短縮できるとともに、信頼性の高い運転を実現することが可能となる。
【０１３０】
水素発生装置１００で製造された水素ガスは、発電燃料として、発電燃料配管１０４を通じて燃料電池１０１の燃料極側に供給される。一方、燃料電池１０１の空気極側には、空気配管１０６を介して、ブロワ１０３から空気が供給される。燃料電池１０１では、供給された水素ガスと空気とが反応（以下、発電反応と呼ぶ）して発電が行われるとともに、この発電反応に伴って熱が発生する。発電反応で得られた電力は、電力負荷端末（図示せず）に供給されて使用される。また、発電反応に伴って発生した熱は、熱回収手段１０２に回収され、その後、熱負荷端末（図示せず）に供給されて種々の用途で利用される。また、発電反応に利用されなかった未使用の水素ガス（いわゆる燃料オフガス）は、燃料電池１０１から回収され、燃料オフガス配管１０５を介して水素発生装置１００の燃焼部１２に燃焼燃料として供給される。
【０１３１】
本実施の形態の燃料電池発電システムでは、前述のように水素発生装置１００において信頼性の高い水素ガス製造を行うことが可能であるため、燃料電池１０１に安定して水素ガスの供給を行うことが可能となる。それゆえ、燃料電池１０１において、効率よく安定して電力エネルギー及び熱エネルギーを発生させることが可能となり、省エネルギー性及び経済性に優れたコージェネレーションシステムを実現することが可能となる。
【０１３２】
なお、上記の実施の形態８では、本発明に係る水素発生装置が燃料電池発電システムに利用される場合について説明したが、燃料電池発電システム以外にも本発明の水素発生装置は適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明に係る水素発生装置は、起動動作に要する時間を短縮できかつ信頼性の高い運転を実施することが可能な水素発生装置として有用である。
【０１３４】
特に、この水素発生装置を備えた燃料電池システムでは、経済性及び省エネルギー性に優れたコージェネレーション運転を安定して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素発生装置の改質部の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】図１の水素発生装置の制御部の構成を示す模式図である。
【図３】図２の制御部に格納されたプログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【図４】図１の水素発生装置の運転動作における改質触媒層及び水蒸発部の温度変化を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る水素発生装置の制御部に格納されたプログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【図６】図５のプログラムに沿って加熱された改質触媒層及び水蒸発部の温度変化を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態８に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る水素発生装置の改質部の構成を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４による水素発生装置の制御部に格納されたプラグラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３６】
１  原料供給部
２  水供給部
３  改質部
４  水蒸発部
５  改質触媒層
６  空気流路
７  空気供給部
８  燃料供給部
９  バーナ
１２  燃焼部
１５  改質温度検知部
２０  制御部
１００  水素発生装置
１０１  燃料電池
１０２  熱回収装置
１０３  ブロワ
【図１】
2005170784.tif 000003
【図２】
2005170784.tif 000004
【図３】
2005170784.tif 000005
【図４】
2005170784.tif 000006
【図５】
2005170784.tif 000007
【図６】
2005170784.tif 000008
【図７】
2005170784.tif 000009
【図８】
2005170784.tif 000010
【図９】
2005170784.tif 000011