(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料の化学反応によって水素リッチなガスを生成する水素生成システムであって、
水蒸気改質反応によって前記原料を改質し、前記ガスを生成する化学反応部と、
該化学反応部の熱容量および容積の少なくとも一方を調整可能な調整機構と、
該システムに要求される運転状態に応じて前記調整機構を制御する制御部とを備え、
前記化学反応部は、少なくとも一部に、前記水蒸気改質反応を行うためのサブ化学反応部を複数並列に備えており、
前記調整機構は、前記サブ化学反応部の稼働数を切り換え可能な機構であり、
前記サブ化学反応部間に、相互の熱の授受を抑制する断熱層を備える水素生成システム。
【請求項２】
請求項１記載の水素生成システムであって、
前記サブ化学反応部間に、前記断熱層として空隙を備える水素生成システム。
【請求項３】
請求項２記載の水素生成システムであって、
さらに前記サブ化学反応部を加熱するための熱を前記空隙に供給する熱供給部を備える水素生成システム。
【請求項４】
請求項３に記載の水素生成システムであって、
さらに、酸素と前記化学反応部によって生成された前記ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池を備え、
前記熱供給部は、前記燃料電池から排出された排気を前記空隙に供給する水素生成システム。
【請求項５】
請求項３に記載の水素生成システムであって、
さらに、前記原料と水とを気化して前記化学反応部に供給する蒸発器を備え、
前記熱供給部は、前記蒸発器によって生じた燃焼ガスを前記空隙に供給する水素生成システム。
【請求項６】
前記運転状態は、該システムの暖機状態である請求項１ないし５のいずれか一項に記載の水素生成システム。
【請求項７】
前記制御部は、水素の要求量に応じて前記制御を行う請求項１ないし６のいずれか一項に記載の水素生成システム。
【請求項８】
請求項７記載の水素生成システムであって、
前記制御部は、前記水素の要求量の増加とともに、前記稼働数を増加させる水素生成システム。
【請求項９】
請求項８記載の水素生成システムであって、
前記制御部は、併せて、水素の要求量に応じて各サブ化学反応部に供給される原料の量を制御する水素生成システム。
【請求項１０】
請求項８記載の水素生成システムであって、
前記制御部は、前記水素の要求量と稼働数との関係を保持しつつ、反応に使用されるサブ化学反応部を所定のタイミングで切り換える水素生成システム。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の水素生成システムであって、
前記サブ化学反応部は、前記水蒸気改質反応に加え、水と前記水蒸気改質反応によって生成された一酸化炭素とから水素を生成するシフト反応を行う水素生成システム。
【請求項１２】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の水素生成システムであって、
前記化学反応部は、異なる化学反応を行う多段のユニットからなり、
該多段ユニットは、
上流側の一部が前記サブ化学反応部として構成され、
下流側の残余の部分が複数のサブ化学反応部に共有される共有反応部として構成されている水素生成システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の水素生成システムであって、
前記化学反応部は、前記水蒸気改質反応を行う改質部と、該改質部で生成された改質ガスを処理する改質ガス処理部とを備え、
少なくとも該改質部が前記サブ化学反応部として構成される水素生成システム。
【請求項１４】
請求項１２記載の水素生成システムであって、
前記共有反応部には、前記サブ化学反応部で生成されたガス中の一酸化炭素と水から水素を生成するシフト反応を行うシフト反応部が含まれる水素生成システム。
【請求項１５】
請求項１２記載の水素生成システムであって、
前記共有反応部には、前記サブ化学反応部で生成されたガス中の一酸化炭素を酸化処理する酸化反応部が含まれる水素生成システム。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の水素生成システムであって、
前記サブ化学反応部は、ガスの流れ方向に直交する断面形状が多角形であり、
該サブ化学反応部同士が、該多角形の辺で近接して配置された水素生成システム。
【請求項１７】
原料の化学反応によって水素リッチなガスを生成する水素生成システムの運転方法であって、
前記水素生成システムは、水蒸気改質反応によって前記原料を改質して前記ガスを生成するサブ化学反応部を複数並列に有する化学反応部であって、前記サブ化学反応部間に、相互の熱の授受を抑制する断熱層を備える化学反応部を備えており、
前記化学反応部の熱容量および容積の少なくとも一方を、該システムに要求される運転状態に応じて前記サブ化学反応部の稼働数を切り換えることにより調整する工程を備える運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料の改質により水素リッチなガスを生成する水素生成システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、アノードに供給された水素と、カソードに供給された酸素との電気化学反応によって発電する。アノードに供給される水素は、例えば、原料の改質によって生成される。この場合の原料としては、一般には、天然ガス、ガソリンその他の炭化水素系化合物、アルコール、エーテル、アルデヒドなどが用いられる。
【０００３】
原料の改質は多段階で行われる。第１段階は、原料と水蒸気または酸素との反応によって、水素と一酸化炭素を生成する反応である。前者は水蒸気改質反応、後者は部分酸化反応と呼ばれる。第２段階は、ここで生成された一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生成する反応である。この反応はシフト反応と呼ばれる。これらの反応によって処理されずに残った一酸化炭素を浄化するために、第３段階の反応として、一酸化炭素の燃焼または選択酸化反応を施すこともある。これらの反応は、原料の種類などに応じて、適宜組み合わされて行われる。例えば、アルコールを原料とする場合には、シフト反応が省略されることもある。
【０００４】
図１３は従来技術としての原料の改質ユニットを示す斜視図である。原料は気化されて水蒸気とともに矢印で示す方向でユニットに投入される。投入された原料は混合部１０で水蒸気と混合され、改質部１１で水蒸気改質される。改質部１１は、ハニカム等に改質用の触媒が担持された構造体である。水蒸気改質で生成されたガスは、熱交換器１２でやや冷却され、シフト反応部１３、１５に供給される。シフト反応部１３，１５は、それぞれハニカム等にシフト反応用の触媒が担持された構造体である。シフト反応部１３，１５の間には、熱交換器１４が介設されており、ガスの温度を反応に適した状態に調整する。シフト反応が施されたガスは、最も下流側に位置するＣＯ浄化部１６に供給される。ＣＯ浄化部１６には、一酸化炭素を選択的に酸化する触媒が担持されている。以上のユニットにより原料は水素リッチなガスに改質される。
【０００５】
改質反応の能力は、空間速度ＳＶ（Space Velocity）によって表現される。空間速度ＳＶとは、単位体積の触媒が単位時間に反応可能なガスの体積をいう。空間速度ＳＶが高い程、改質反応の能力が高く、短時間で多量の水素を生成することができることを意味する。空間速度ＳＶは、反応に供される触媒の種類、温度、圧力等の反応条件によって影響を受ける。改質ユニットのサイズは、実現可能な空間速度ＳＶに基づき、要求される水素量に応じて設定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、改質ユニットには、起動性の向上および小型化に対する課題があった。また、広い作動範囲の確保も要求されていた。作動範囲とは、単位時間当たりに生成される水素量の可変範囲を言う。
【０００７】
起動性の向上とは、改質ユニットの運転開始から水素の生成が開始されるまでに要する時間の短縮を言う。起動性は、改質ユニット内の触媒の暖機に要する時間、即ち改質ユニット全体の熱容量に影響される。起動性を向上するためには、熱容量の低減を図ることが好ましい。一方、小型化は空間速度ＳＶの向上によって実現される。近年では、改質ユニットと燃料電池を車両などの移動体に搭載する試みがなされており、かかる場合には、特に、小型化、起動性、作動範囲の確保に対する要請が強かった。
【０００８】
しかし、空間速度ＳＶを高めて、改質ユニットの小型化を図ると、広い作動範囲の確保が困難であることが見出された。一般に実現可能な空間速度ＳＶの最大値を向上させると、空間速度ＳＶが低い状態での反応の安定性が極端に低下することが知られている。広い作動範囲を確保するため、空間速度ＳＶが低い状態での反応効率を維持しようとすれば、空間速度ＳＶの上限値が制限されるのが実状であった。空間速度ＳＶの上限が制限された上で、十分な量の水素を生成するためには、改質ユニットの体積を増大させる必要があった。体積の増大は熱容量の増大にもつながるから、体積増加によって改質ユニットの小型化ばかりか起動性も損なわれる。
【０００９】
このように従来、起動性および装置の小型化と、広い作動範囲の確保は両立が困難であった。本発明は、原料を改質する水素生成システムにおいて、起動性の向上、装置の小型化、および広い作動範囲の確保を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では水素生成システムにおいて、化学反応部、調整機構、制御部を備える構成とした。化学反応部は、原料の化学反応を行うユニットである。原料としては、一般には、天然ガス、ガソリンその他の炭化水素系化合物、アルコール、エーテル、アルデヒドなどが用いられる。化学反応には、これらの水蒸気改質、部分酸化反応、シフト反応、一酸化炭素の選択酸化反応などが含まれる。原料の種類に応じて、これらの反応の一部または全部が選択される。
【００１１】
調整機構は、化学反応部の熱容量および容積の少なくとも一方を調整可能な機構である。制御部は、システムに要求される運転状態に応じて、熱容量および容積の少なくとも一方を変更する。システムの起動性、サイズ、作動範囲などの特性は、いずれも熱容量、容積と密接な関連があるから、本発明は、運転状態に応じてこれらを変更することにより、特性の改善を図ることができる。容積の調整とは、化学反応部として機能する部分の調整を意味し、同時に反応に使用される触媒も容積とともに調整することを意味する。
【００１２】
本発明における熱容量等の制御態様を例示する。例えば、システムが暖機状態であるか否かによって、熱容量等を制御する態様を採ることができる。暖機時に熱容量または容積を小さくすれば、システムを速やかに昇温することができ、暖機に要する時間を短縮することができる。
【００１３】
別の態様として、水素の要求量に応じて容積等を制御するものとしてもよい。化学反応部の容積を変化させることにより、空間速度ＳＶを大きく変化させるまでなく、生成される水素量を制御することができる。また、要求量に応じて熱容量を調整することにより、供給される原料量の変動に起因する化学反応部の温度変動を回避し、反応の安定化を図ることができる。つまり、水素の要求量に応じて容積等を変更することにより、比較的高い空間速度ＳＶで化学反応部を運転しつつ、容易に広い作動範囲を確保することができる。
【００１４】
熱容量および容積の調整は、例えば、同じ化学反応を行うためのサブ化学反応部を複数並列に備え、反応に使用されるサブ化学反応部の稼働数を切り換えることによって実現可能である。この場合、調整機構は、稼働数を切り換え可能な機構となる。例えば、各サブ化学反応部への原料の供給を個別に調整するための配管およびバルブ等によって構成することができる。この他、化学反応部自体を容積可変としたり、化学反応部を熱媒体で覆うとともに、その量を変えることによって熱容量を可変としてもよい。
【００１５】
稼働数の切り換えは、例えば、水素の要求量の増加とともに、稼働数を増加させる態様を採ることができる。稼働数の増加は、サブ化学反応部の総体積の増加を意味するから、これによって空間速度ＳＶが一定でも水素の生成量を増加させることができる。水素の要求量に応じて稼働数を減少させることにより、空間速度ＳＶが高いままで水素の生成量を抑制することもできる。稼働数の増加は、同時にサブ化学反応部全体の熱容量の増加を意味するから、反応時の温度変化を抑制し、反応の安定化を図ることもできる。従って、稼働数の切り換えにより、高い空間速度ＳＶによる小型化を図りつつ、広い作動範囲の確保を行うことができる。
【００１６】
稼働数は、各サブ化学反応部をオン・オフで切り換えてもよいが、水素の要求量に応じて各サブ化学反応部に供給される原料の量、換言すれば各サブ化学反応部の出力を制御しながら稼働数を切り換えてもよい。例えば、次の２段階の制御を行うことができる。第１段階では、各サブ化学反応部に比較的少量の原料を供給しつつ、稼働数を増やすことで、生成される水素量を増大する。全てのサブ化学反応部が稼働状態になった後、第２段階の制御に入り、各サブ化学反応部への原料の供給量を最大値にまで増大する。このように、サブ化学反応部に供給される原料量と稼働数とを組み合わせて制御することによって、生成される水素の量を小刻みに切り換えることができる。出力と稼働数は、ここに例示した以外にも種々の組み合わせが可能である。
【００１７】
サブ化学反応部の一部を稼働する場合、最も単純な制御では、一定のサブ化学反応部が継続的に稼働される。この場合、稼働されないサブ化学反応部の暖機状態を維持するための構成を別途備えることが望ましい。
【００１８】
これに対し、反応に使用されるサブ化学反応部を所定のタイミングで切り換えるものとしてもよい。切り換える場合には、水素の要求量と稼働数との関係を保持することが好ましい。こうすれば、各サブ化学反応部の暖機状態を比較的容易に維持することができる。切り換えのタイミングは、暖機状態の維持を考慮して、サブ化学反応部の熱容量等に基づいて予め設定すればよい。一定のタイミングであってもよいし、水素の要求量などに応じてタイミングを変化させてもよい。
【００１９】
サブ化学反応部は、種々の構成が可能であるが、特に、ガスの流れ方向に直交する断面形状が多角形となるよう構成し、サブ化学反応部同士が多角形の辺で近接して配置することが望ましい。こうすれば、比較的小さい容積にサブ化学反応部を集積することができ、装置の小型化を図ることができる。
【００２０】
多角形断面のサブ化学反応部は、一酸化炭素と水から水素を生成するシフト反応を行うユニットに適用することが好ましい。一般にシフト反応は、水蒸気改質等に比較して反応速度が低いことが知られており、要求水素量を生成するためには、比較的大きな容積を要する。このように容積を要する部分に多角形断面形状を適用すれば、全体の小型化を図りつつ、容積を確保することができる。
【００２１】
サブ化学反応部は、化学反応部の一部のみに適用してもよい。例えば、化学反応部は、異なる化学反応を行う多段のユニットからなる場合、上流側の一部をサブ化学反応部として構成し、下流側の残余の部分は複数のサブ化学反応部に共有される共有反応部として構成することができる。
【００２２】
上流側のサブ化学反応部には、少なくとも原料の水蒸気改質または部分酸化反応を行う改質部を含めることが望ましい。サブ化学反応部による利点は、高い空間速度ＳＶを実現可能な反応に適しているため、改質部にとって有用性が高いからである。
【００２３】
また、共有反応部には、サブ化学反応部で生成されたガス中の一酸化炭素と水から水素を生成するシフト反応を行うシフト反応部を含めることが望ましい。先に説明した通り、シフト反応部は比較的大きな容積を要する。従って、シフト反応部を共有にしておけば、上流側のサブ化学反応部が部分的に稼働している場合も含め、シフト反応部に十分な容積を確保しやすくなる。また、同様の理由から、共有反応部には、サブ化学反応部で生成されたガス中の一酸化炭素を酸化処理する酸化反応部を含めることも望ましい。
【００２４】
サブ化学反応部を用いる場合、各サブ化学反応部における熱を無駄に放出するのを避けるため、サブ化学反応部間に、相互の熱の授受を抑制する断熱層を備えることが望ましい。
【００２５】
断熱層は、セラミックス等の断熱性の材料を介在させるものとしてもよいし、サブ化学反応部間に空隙を設けるものとしてもよい。空隙を設ける場合には、空気の対流を抑制するため、化学反応部全体を密閉することが更に望ましい。
【００２６】
空隙を設ける場合には、さらにサブ化学反応部を加熱するための熱を該空隙に供給する熱供給部を備えることが望ましい。熱の供給は、ヒータなどによって行うものとしてもよいし、空隙にサブ化学反応部を暖機するための流体を供給するものとしてもよい。流体は、気体、液体いずれでもよい。例えば、原料を気化する蒸発器の排気、生成された水素を消費する燃料電池からの排気などを利用することができる。
【００２７】
本発明は、水素生成システムとしての構成の他、該システムの運転方法など、種々の態様で構成可能である。本発明は、生成された水素の消費系は限定しないが、一例として、上述した水素生成システムと燃料電池とを組み合わせた燃料電池システムとして本発明を構成してもよい。こうして構成された燃料電池システムは、小型、高い起動性、広い作動範囲という特徴を有するため、車両その他の移動体に搭載用として有用性が高い。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の項目に分けて説明する。
Ａ．システム構成：
Ｂ．改質ユニットの構成：
Ｂ１．改質ユニットの変形例（１）：
Ｂ２．改質ユニットの変形例（２）：
Ｃ．改質制御：
Ｃ１．改質制御の変形例（１）：
Ｃ２．改質制御の変形例（２）：
【００２９】
Ａ．システム構成：
図１は実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムは、定置型のシステム、車両等の移動体への搭載型のシステムのいずれのタイプで構成してもよい。後述する通り、本実施例のシステムは、小型、高い起動性、広い作動範囲という特性を有しているため、搭載型のシステムとして特に有用性が高い。
【００３０】
燃料電池２０は、水素および酸素の供給を受けて発電する。燃料電池２０には、種々の型を適用可能であるが、本実施例では、固体高分子型を採用した。発電に供される酸素は、空気から賄われる。水素は、水素生成システムによって、原料を改質して生成される。空気および水素は、燃料電池２０で発電に供された後、後述する改質ユニット１００内に供給される。
【００３１】
水素生成システムの構成は、次の通りである。改質に使用される原料および水は、それぞれ原料タンク１１、水タンク１２に貯蔵されている。原料としては、一般には、天然ガス、ガソリンその他の炭化水素系化合物、アルコール、エーテル、アルデヒドなどが利用可能である。原料および水は、それぞれ蒸発器１５で気化されて、改質ユニット１００に供給される。原料および水の供給量は、配管に設けられたバルブ１３，１４によって調整可能である。これらのバルブ１３，１４は、後述する通り、制御ユニット１０によって制御される。
【００３２】
改質ユニット１００は、ケース１０２で被覆されており、その内部には、同じ構成の９組のサブ改質ユニット１１０〜１９０と、各ユニットへの原料および水の供給量を調整するためのバルブ１１１〜１９１が並列的に設けられている。各サブ改質ユニットの構成については、後述する。
【００３３】
燃料電池システム全体の運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ，ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット１０は、上述した各バルブ１３，１４，１１１〜１９１の開度をそれぞれ電子的に制御する。制御ユニット１０は、その他、蒸発器１５の運転、燃料電池２０の発電等も併せて制御する。これらの制御を実現するため、制御ユニット１０には、各種の信号が入力されるが、本実施例では図示を省略した。
【００３４】
Ｂ．改質ユニットの構成：
図２は改質ユニット１００の斜視図である。ケース１０２およびバルブ１１１〜１９１の図示は省略した。サブ改質ユニット１１０〜１９０は、正方形の断面形状をなし、上下左右方向にそれぞれ３つずつ配列されている。それぞれのサブ改質ユニット間には、間隔ｄの空隙が設けられている。サブ改質ユニット１１０を代表にとって、それぞれの構成を説明する。
【００３５】
サブ改質ユニット１１０では、気化された原料および水蒸気が混合部１１２に投入される。両者は、ここでほぼ均一の分布となるように混合された後、改質部１１３に流入する。改質部１１３は、原料の水蒸気改質および部分酸化反応を並行して行うユニットであり、この反応に適した触媒をハニカム等に担持した構造体である。原料は、改質部１１３を通過する間に、触媒の作用によって改質され、水素および一酸化炭素を生成する。
【００３６】
改質部１１３で生成されたガスは、熱交換器１１４を通り、高温シフト反応部１１５に流入する。高温シフト反応部１１５は、一酸化炭素と水とから水素と二酸化炭素を生成するシフト反応を行うユニットであり、この反応に適した触媒をハニカム等に担持した構造体である。一般にシフト反応の温度は、改質反応の温度よりも低いため、改質部１１３から流出したガスは、熱交換器１１４でシフト反応に適した温度まで冷却される。高温シフト反応部１１５には、シフト反応用の水が外部から供給されるが、図の煩雑化を避けるため、図示を省略した。
【００３７】
高温シフト反応部１１５で処理されたガスは、更に熱交換器１１６を介して低温シフト反応部１１７に供される。低温シフト反応部１１７も高温シフト反応部１１５と同じくシフト反応を行うためのユニットであるが、反応に適した温度が高温シフト反応部１１５よりもやや低い。従って、高温シフト反応部１１５で処理されたガスは、熱交換器１１６で低温シフト反応部１１７での反応に適した温度まで冷却される。
【００３８】
低温シフト反応部１１７で処理されたガスは、ＣＯ酸化部１１８に流入する。ＣＯ酸化部１１８は、一酸化炭素のみを選択的に酸化するユニットであり、この反応に適した触媒が担持された構造体である。以上の各ユニットでの反応によって、原料から、水素リッチな燃料ガスが生成される。ここでは、サブ改質ユニット１１０について構造を例示したが、他のサブ改質ユニット１２０〜１９０も同じ構成である。
【００３９】
実施例では、改質部１１３、高温シフト反応部１１５、低温シフト反応部１１７、ＣＯ酸化部１１８を備える場合を例示したが、改質に用いる原料の種類等に応じてこれらの一部を省略してもよいし、追加のユニットを設けても良い。
【００４０】
図３は改質ユニット１００を混合部１１２の側からみた平面図である。先に説明した通り、サブ改質ユニット１１０〜１９０は、正方形の断面形状をなし、方眼状に配置される。正方形の辺同士で近接するようにサブ改質ユニット１１０〜１９０を配置することにより、円形断面等の場合に比較してスペースの無駄なく各ユニットを配置することができる。図２では、図示を省略したが、これらのサブ改質ユニット１１０〜１９０は、全体がケース１０２で覆われている。サブ改質ユニット１１０〜１９０は、ケース１０２との間にも空隙が設けられている。
【００４１】
これらの空隙は、サブ改質ユニット同士の熱の授受を抑制する断熱機構として作用する。これらの空隙には、断熱材を充填してもよいが、本実施例では、サブ改質ユニット間の熱伝導を抑制するため、空気層とした。ケース１０２は、これらの空気が外部に漏れることを抑制するよう密閉されている。実施例では、９つのサブ改質ユニットを独立した構成としたが、サブ改質ユニット全体を一体的に構成し、内部を断熱性素材の隔壁で９つのユニットに仕切ってもよい。
【００４２】
先に説明した通り、ケース１０２とサブ改質ユニット１１０〜１９０との空隙には、燃料電池２０の排気が供給可能となっている。排気は、燃料電池２０で加熱されているため、この排気をケース１０２内に導入することによって、各サブ改質ユニットの暖機および温度維持を容易化することができる。供給される気体は、燃料電池２０の排気の他、暖機等に有用な種々の気体を適用可能である。例えば、改質ユニット１００で生成されたガス、蒸発器１５の燃焼ガス、別途用意されたヒータ等で加熱されたガス等を利用できる。空隙にヒータ等を設置し、その熱で各サブ改質ユニットを暖機する方法を採ってもよい。
【００４３】
実施例において、改質部１１３、高温シフト反応部１１５、低温シフト反応部１１７、およびＣＯ酸化部１１８（以下、これらを化学反応部と総称する）の容積、触媒の量、反応時の温度、圧力条件およびサブ改質ユニットの数などは、次の方法で設定される。
【００４４】
まず、燃料電池２０での最大要求出力に基づいて要求水素量の最大値を設定する。次に、実現可能な空間速度ＳＶの目標値を設定する。一般に化学反応部でのガスの処理能力は、空間速度ＳＶと容積とで決定される。高い空間速度ＳＶが実現されるように触媒の種類および反応条件を選択することにより、ユニットの小型化を図ることができる。実現可能な空間速度ＳＶは、改質反応、シフト反応、ＣＯの選択酸化反応でそれぞれ異なるため、三者のバランスを考慮して目標値を設定する。
【００４５】
改質ユニット１００は、先に設定された最大値を賄うことができるよう設定される。要求水素量の最大値と、空間速度ＳＶとを考慮すれば、改質ユニット１００の総容積を設定することができる。
【００４６】
一方、空間速度ＳＶを高めると、作動範囲が狭くなるという問題がある。本実施例では、サブ改質ユニットの稼働数を切り換えることによって、広い作動範囲を実現する。かかる観点から、作動範囲と設定された空間速度ＳＶを考慮して、サブ改質ユニットの数および容積を設定することができる。サブ改質ユニットの数を小さくすれば、稼働数の切り換えによる生成量変化の刻みが大きくなるため、要求水素量が少ない場合に、原料の無駄が生じたり、反応の不安定化を招いたりする可能性がある。サブ改質ユニットの数を大きくすれば、作動範囲内で生成される水素量を小刻みに切り換えることができる。但し、この場合は、各サブ改質ユニットの反応の制御が複雑化する恐れがある。本実施例では、これらを総合的に勘案して、９つのサブ改質ユニットを設けた。
【００４７】
このように構成された本実施例の改質ユニットによれば、サブ改質ユニットの稼働数を切り換えることによって、水素の要求量が比較的少ない状態から最大値まで、幅広い範囲で効率的に水素を生成することが可能となる。また、サブ改質ユニットの稼働数を切り換えることによって、改質ユニット１００の熱容量を調整することもできる。例えば、暖機中には、サブ改質ユニットの稼働数を少なくすることにより、改質ユニット１００の熱容量を低減させることができ、システムの暖機を促進することができる。
【００４８】
Ｂ１．改質ユニットの変形例（１）：
実施例では、サブ改質ユニットが正方形断面をなしている場合を例示した（図３参照）。断面は、種々の形状を採りうる。図４は第１変形例としての改質ユニット１００Ａの断面形状を示す説明図である。変形例では、サブ改質ユニット１１０Ａの断面が正六角形である場合の例を示した。８つのサブ改質ユニットが、図示する通り、正六角形の各辺同士で近接するように配置される。各サブ改質ユニット間には、それぞれ空隙が設けられている。このように正六角形断面を用いても、比較的スペースの無駄なく、各ユニットを配置することができる。また、正六角形断面は、正方形に比較して各サブ改質ユニット内の流れを円滑化することができる利点がある。各サブ改質ユニットの頂点付近（例えば、図中の領域Ａ）の角度が鈍角になることにより、この領域での流れの淀みを抑制することができるからである。
【００４９】
図５は第２変形例としての改質ユニット１００Ｂの断面形状を示す説明図である。ここでは、サブ改質ユニット１１０Ｂの断面形状が正三角形である場合を例示した。各サブ改質ユニットは、正三角形の辺同士で近接するように配置される。各サブ改質ユニット間には、それぞれ空隙が設けられている。正三角形の断面形状は、各サブ改質ユニット内の流れの円滑化という点では劣るものの、高い密度でユニットを配置することができる利点がある。つまり、単位体積辺りのサブ改質ユニット数を非常に大きくすることができる利点がある。
【００５０】
図６は第３変形例としての改質ユニット１００ａの断面形状を示す説明図である。各サブ改質ユニット１１０ａは、第１変形例による改質ユニット１００Ａ（図４参照）の六角形断面の角を丸めた形状をなしている。こうすることで、集積度を損ねることなく、角部（例えば、図中の領域Ａ）でのガスの流れの円滑化を図ることができる利点がある。ここでは、六角形断面から角を丸めた場合を例示したが、正三角形断面など種々の断面について同様に適用可能である。
【００５１】
図７は第４変形例としての改質ユニット１００Ｃの断面形状を示す説明図である。ここでは、大きさの異なる２種類のサブ改質ユニット１１０Ｃ、１１１Ｃを用いた場合を例示した。サブ改質ユニット１１０、１１１Ｃの断面がそれぞれ正三角形である場合を例示したが、形状はこれに限定されるものではない。また、大きいサイズのサブ改質ユニット１１１Ｃと小さいサイズのサブ改質ユニット１１０Ｃの断面形状を異なるものとしてもよい。サブ改質ユニット１１０Ｃ，１１１Ｃのサイズは、種々の設定が可能であるが、最も要求頻度の高い要求水素量に適合したサイズをサブ改質ユニット１１１Ｃとして適用することが望ましい。第３変形例では、例えば、中央のサブ改質ユニット１１１Ｃを数段階で使用しつつ、高速走行時や坂道走行時など特に水素要求量が高い時に、周辺のサブ改質ユニット１１０Ｃの稼働状況を柔軟に制御して水素要求量に水素量を追随させるなどの方法を採ることができる。
【００５２】
サブ改質ユニットに用意された各化学反応部で異なる断面形状を用いてもよい。例えば、実施例で示したように（図２参照）、改質部１１３を円形断面とし、熱交換器１１４よりも下流側の各ユニットを多角形断面としてもよい。実施例（図２）では、これらのユニットの断面形状は正方形に統一されているが、異なる断面形状としてもよい。この場合、実現される空間速度ＳＶが低いユニットほど、断面積が大きくなるよう各ユニットの形状を選択することが好ましい。例えば、一般に改質反応よりもシフト反応の方が、実現可能な空間速度ＳＶが低くなるから、改質部を円形断面とし、高温シフト反応部１１５等を正方形断面とすることが望ましい。こうすることにより、空間速度ＳＶの差を、ユニットの容積である程度補償することができ、改質ユニット１００の小型化を図りつつ、反応を安定化させることができる。
【００５３】
Ｂ２．改質ユニットの変形例（２）：
図８は第５変形例としてのサブ改質ユニットの構成を示す説明図である。２つのサブ改質ユニット１１０Ｄ、１２０Ｄについての構成を例示した。各サブ改質ユニットはＣＯ酸化部１１８Ｄを除いて、実施例と同じ構成のユニットをそれぞれ備えている（図２参照）。上流側から、混合部１１２Ｄ、１２２Ｄ、改質部１１３Ｄ、１２３Ｄ、熱交換器１１４Ｄ、１２４Ｄ、高温シフト部１１５Ｄ、１２５Ｄ、熱交換器１１６Ｄ、１２６Ｄ、低温シフト部１１７Ｄ、１２７Ｄがサブ改質ユニット１１０Ｄ、１２０Ｄのそれぞれに備えられている。ＣＯ酸化部１１８Ｄは、サブ改質ユニット１１０Ｄ、１２０Ｄに共通のユニットとして構成されている。従って、サブ改質ユニット１１０Ｄ、１２０Ｄのそれぞれに投入された原料は、個別に改質反応、シフト反応を施された後、ＣＯ酸化部１１８Ｄにおいて、混合され、単一の排出口から排出される。ここでは、ＣＯ酸化部１１８Ｄを、２つのサブ改質ユニットで共有する場合を例示したが、３つ以上で共有しても構わない。
【００５４】
ＣＯ酸化部１１８Ｄは、実施例と同様、一酸化炭素を選択的に酸化する触媒が担持された構造体である。担持された触媒を均一に活用することができるよう、ＣＯ酸化部１１８Ｄには、拡散室１１９Ｄが設けられている。拡散室１１９Ｄは、オリフィスＯＲ１，ＯＲ２を備える隔壁で仕切られており、サブ改質ユニット１１０Ｄ、１２０Ｄから流入してきたガスを一旦蓄え、触媒中に均一に流す作用を奏する。オリフィスＯＲ１，ＯＲ２の径は、サブ改質ユニット１１０Ｄ、１２０Ｄの双方で反応が行われている場合と、いずれか一方のみで反応が行われている場合のいずれにおいても、ＣＯ酸化部１１８Ｄでほぼ均一に反応が進行するよう、設定されている。
【００５５】
このようにＣＯ酸化部１１８Ｄをサブ改質ユニット１１０Ｄ，１２０Ｄで共有にすることにより、一酸化炭素の選択酸化処理の制御を簡素化することができる。一般に一酸化炭素の選択酸化処理は、反応部の温度制御により、非常に広い範囲の空間速度ＳＶで反応を行うことができる特性がある。第５変形例では、ＣＯ酸化部１１８Ｄを２つのサブ改質ユニット１１０Ｄ，１２０Ｄで共有することにより、ＣＯ酸化部１１８Ｄの温度制御および処理に必要な酸素の供給をまとめて行うことができ、反応時の制御を簡素化することができる。
【００５６】
第５変形例では、ＣＯ酸化部のみを共有とする場合を例示したが、共有は種々の態様で可能である。例えば、ＣＯ酸化部に加えて、低温シフト反応部も共有化してもよい。低温シフト反応部の共有化には、反応の安定化を図る利点がある。一般に低温シフト反応は、実現可能な空間速度ＳＶが比較的低く、生成された一酸化炭素を安定して処理するためには、反応部の容積を十分に確保する必要がある。低温シフト反応部を複数のサブ改質ユニットで共有すれば、低温シフト反応部の容積を十分に確保することが可能となる。特に、いずれか一方のサブ改質ユニットのみで反応が行われている場合には、サブ改質ユニットごとに低温シフト反応部が設けられている場合に比較して２倍以上の容積を容易に確保することが可能となる。双方で反応が行われている場合においても、クリアランスや、サブ改質反応部の配置に起因するスペースロス（図４参照）等を考慮すると、比較的大きな容積を容易に確保することが可能となる。従って、改質ユニット全体の小型化を図りつつ、反応の安定化を図ることができる。高温シフト部は低温シフト部に比較して、反応速度が高いから、サブ改質ユニットごとに個別に設けてもよい。もちろん、低温シフト部と同様、共有にしてもよい。
【００５７】
Ｃ．改質制御：
図９は本実施例における改質制御処理のフローチャートである。制御ユニット１０が、他の制御処理とともに周期的に実行する処理である。この処理が開始されると、制御ユニット１０は、暖機中であるか否かによって処理内容を切り換える（ステップＳ１０）。暖機中とは、改質ユニット１００の触媒が反応に適した温度にまで昇温していない状態を言う。暖機中であるか否かの判断は、改質ユニット１００の温度、システム起動後の経過時間、改質ユニット１００から排出される水素濃度などをパラメータとして行うことができる。
【００５８】
暖機中である場合には、熱容量を抑制する処理を実行する（ステップＳ１１）。本実施例では、サブ改質ユニット１１０〜１９０のうち稼働数を低減することによって、熱容量を抑制するものとした。暖機中は、要求水素量に関わらず９つのサブ改質ユニットの一部のみが稼働される。稼働数は、予め設定された一定数としてもよいし、改質ユニット１００の暖機状態に応じて変動させてもよい。
【００５９】
暖機中でない場合には、要求水素量に応じてサブ改質ユニット１１０〜１９０の稼働数を制御する。このため、制御ユニット１０は、まず、水素の要求量を入力する（ステップＳ１２）。水素の要求量は、燃料電池２０の要求電力に応じて、予め用意されたマップまたは関数に基づき設定される。次に、要求水素量に基づいて稼働すべきサブ改質ユニットおよびその出力を決定し（ステップＳ１３）、バルブ１３，１４，１１１〜１９１を制御して、決定された稼働状態を実現する（ステップＳ１４）。
【００６０】
稼働すべきサブ改質ユニットは、予め用意されたマップに従って、設定される。図１０は要求水素量とサブ改質ユニットの稼働状況との関係を示す説明図である。要求水素量に応じて、順次稼働数を増やす態様に相当する。説明の便宜上、ここでは図の上部に示す三角形断面の４つのサブ改質ユニットが備えられている場合についての稼働状況を例示した。１番ユニットを中心として、その周囲を２番ユニット〜４番ユニットが取り囲むように配置されている。
【００６１】
図の下段に、要求水素量に応じた各サブ改質ユニットの稼働状況を示した。要求水素量がａ１以下の区間では、１番ユニットのみが稼働され、２番〜４番ユニットは停止される。ａ１＜要求水素量≦ａ２の区間では、更に２番ユニットが稼働される。その後、同様にして要求水素量が増えるにつれ、３番ユニット、４番ユニットが順次稼働される。各区間の区切りとなる要求水素量ａ１，ａ２，ａ３，ａ４は、サブ改質ユニットが生成可能な水素量に基づいて設定すればよい。
【００６２】
ここでは、要求水素量に応じて一定のサブ改質ユニットを稼働する場合を例示した。要求水素量と稼働数との関係は維持したまま、稼働するサブ改質ユニットを周期的に切り換える態様を採るものとしてもよい。例えば、図１０の制御例において、ａ１＜要求水素量≦ａ２の区間では、２つのサブ改質ユニットが稼働される。従って、１番ユニットを継続的に稼働しつつ、２番、３番、４番を周期的に順次稼働するものとしてもよい。「１番、２番」、「１番、３番」、「１番、４番」の３通りの稼働状況が周期的に実現される。１番ユニットを継続的に運転するのは、このユニットが中心に位置するため、運転によって２番〜４番ユニットの暖機状態の維持に寄与しやすいからである。１番ユニットも含めて稼働するユニットを周期的に切り換える態様を採っても構わない。
【００６３】
このように稼働するサブ改質ユニットを周期的に切り換えることにより、各サブ改質ユニットの暖機状態を比較的容易に維持することができ、要求水素量の変動に対する応答性を向上することができる。切り換え周期は、サブ改質ユニットの暖機状態を維持する観点から、適宜設定すればよく、一定周期であってもよいし、要求水素量やサブ改質ユニットの温度等に応じて変化させてもよい。
【００６４】
図１０では、要求水素量と稼働状況を一義的に設定した場合を例示したが、要求水素量が増加している場合と、減少している場合とでマップを切り換えるものとしてもよい。例えば、ａ３＜要求水素量で４つのサブ改質ユニットが運転されている場合に、要求水素量がａ３以下に低減した場合を考える。図１０のマップに従えば、要求水素量の変化に応じて４番ユニットが停止されることになる。これに代えて、要求水素量低減時のマップを用意して、１番ユニットを優先的に停止させるものとしてもよい。１番ユニットは中心に位置するため、周囲の２番〜４番ユニットの運転による熱で比較的暖機状態を維持しやすいからである。
【００６５】
Ｃ１．改質制御の変形例（１）：
稼働数の制御は、種々の態様で実現可能である。図１１は第１変形例としての要求水素量とサブ改質ユニットの稼働状況との関係を示す説明図である。図１０と同様のサブ改質ユニットの構造を対象とし、稼働数とともに、各サブ改質ユニットの出力も制御する場合を例示した。
【００６６】
図示する通り、各サブ改質ユニットは、出力０、５０、１００％の３段階で運転が制御される。出力５０％とは、実現可能な空間速度ＳＶの５０％で反応が行われることを意味する。出力は、サブ改質ユニットに供給される原料の量および反応条件によって制御可能である。
【００６７】
変形例では、要求水素量≦ｂ１の区間では、１番ユニットを５０％出力で運転する。２番〜４番ユニットは停止する。ｂ１＜要求水素量≦ｂ２の区間では、２番〜４番ユニットは停止したまま、１番ユニットを１００％に出力アップする。更に要求水素量が増えると、１番ユニットを１００％で運転したまま、２番ユニットを５０％出力で運転する。このように、要求水素量に応じて、５０％出力、１００％出力の２段階で稼働数を増やす。
【００６８】
変形例の制御態様によれば、生成される水素量を小刻みに変化させることができる利点がある。変形例においても、実施例（図１０）と同様、稼働するサブ改質ユニットを周期的に切り換えてもよい。また、要求水素量が増加している場合と、低減している場合とでマップを切り換えてもよい。
【００６９】
Ｃ２．改質制御の変形例（２）：
図１２は第２変形例としての要求水素量とサブ改質ユニットの稼働状況との関係を示す説明図である。図１０と同様のサブ改質ユニットの構造を対象とし、稼働数とともに、各サブ改質ユニットの出力も制御する場合を例示した。
【００７０】
第１変形例では、運転中のサブ改質ユニットの出力が全て１００％に達した以降に、稼働数を増やす態様を例示した。第２変形例では、５０％出力状態でサブ改質ユニットの稼働数を順次増やした後、各サブ改質ユニットの出力を順次増大させる態様を例示する。
【００７１】
つまり、図示する通り、要求水素量≦ｃ１の区間では、１番ユニットおよび２番ユニットをそれぞれ５０％出力で運転する。１番ユニットのみを運転する状態から開始してもよい。その後、要求水素量の増加に従い、１番ユニット、２番ユニットは５０％出力で維持したまま、３番ユニット、４番ユニットを５０％出力で追加運転する。全ユニットが５０％出力で運転された後、ｃ３＜要求水素量≦ｃ４の区間において、２番ユニット〜４番ユニットを５０％出力に維持したまま、１番ユニットの出力を１００％に増大する。その後、要求水素量の増加に伴い、２番ユニット〜４番ユニットの出力を順次増大させる。
【００７２】
かかる耐用によっても、第１変形例と同様、生成される水素量を小刻みに変化させることができる。また、各サブ改質ユニットが停止されることを抑制することができるから、改質ユニットの暖機状態を維持しやすい利点もある。第２変形例においても、実施例（図１０）と同様、稼働するサブ改質ユニットを周期的に切り換えてもよい。また、要求水素量が増加している場合と、低減している場合とでマップを切り換えてもよい。
【００７３】
以上で説明した実施例の水素生成システムによれば、並列に設けられた複数のサブ改質ユニットの切り換えによって種々の利点を得ることができる。第１に、起動時に稼働するサブ改質ユニット数を低減することにより、改質ユニット全体の熱容量を抑制でき、速やかな暖機を実現することができる。第２に、起動後に要求水素量に応じてサブ改質ユニットを切り換えることにより、サブ改質ユニットの空間速度ＳＶを大きく変動させることなく、水素の生成量を調整することができる。従って、高い空間速度ＳＶによる小型化を図りつつ、幅広い作動範囲を確保することができる。また、稼働されるサブ改質ユニットを周期的に切り換える制御を併用することにより、改質ユニットの暖機状態を比較的容易に維持することができ、要求水素量の変動に対する応答性を確保することも可能である。
【００７４】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフトウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものとしてもよい。また、実施例では、水素生成システムと燃料電池２０との組み合わせを例示したが、本発明を適用する際の水素消費系は燃料電池である必要はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】改質ユニット１００の斜視図である。
【図３】改質ユニット１００を混合部１１２の側からみた平面図である。
【図４】第１変形例としての改質ユニット１００Ａの断面形状を示す説明図である。
【図５】第２変形例としての改質ユニット１００Ｂの断面形状を示す説明図である。
【図６】第３変形例としての改質ユニット１００aの断面形状を示す説明図である。
【図７】第４変形例としての改質ユニット１００Ｃの断面形状を示す説明図である。
【図８】第５変形例としてのサブ改質ユニットの構成を示す説明図である。
【図９】本実施例における改質制御処理のフローチャートである。
【図１０】要求水素量とサブ改質ユニットの稼働状況との関係を示す説明図である。
【図１１】第１変形例としての要求水素量とサブ改質ユニットの稼働状況との関係を示す説明図である。
【図１２】第２変形例としての要求水素量とサブ改質ユニットの稼働状況との関係を示す説明図である。
【図１３】従来技術としての原料の改質ユニットを示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…制御ユニット
１１…原料タンク
１２…水タンク
１３，１４，１１１〜１１９…バルブ
１５…蒸発器
２０…燃料電池
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００ａ、１００Ｃ…改質ユニット
１０２…ケース
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０ａ…サブ改質ユニット
１１０Ｃ，１１１Ｃ…サブ改質ユニット
１１０Ｄ，１２０Ｄ…サブ改質ユニット
１１２、１１２Ｄ、１２２Ｄ…混合部
１１３、１１３Ｄ、１２３Ｄ…改質部
１１４、１１４Ｄ、１２４Ｄ…熱交換器
１１５、１１５Ｄ、１２５Ｄ…高温シフト反応部
１１６、１１６Ｄ、１２６Ｄ…熱交換器
１１７、１１７Ｄ、１２７Ｄ…低温シフト部
１１８、１１８Ｄ、１２８Ｄ…ＣＯ酸化部
１１９Ｄ…拡散室
【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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