(57)【要約】  水素生成装置（１）は、原料と水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器（４）と、改質器を加熱後の燃焼ガスの熱を利用して水蒸気を生成する蒸発器（２）と、制御器（２０）とを有し、起動動作において燃焼器（４）の燃焼動作はＯＮ−ＯＦＦを繰り返し、改質器の温度を所定温度以下に維持するよう制御される装置であって、制御器（２０）が、初回燃焼動作での燃焼器（４）による単位時間当たりの加熱量を、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作での単位時間当たりの加熱量よりも大きくなるよう、燃焼動作を制御する装置である。
2007145321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器を加熱後の燃焼ガスの熱を利用して前記水蒸気を生成する蒸発器と、制御器とを有し、
起動動作において前記燃焼器の燃焼動作はＯＮ−ＯＦＦを繰り返し、前記改質器の温度を所定温度以下に維持するよう制御される水素生成装置であって、
前記制御器は、初回燃焼動作での前記燃焼器による単位時間当たりの加熱量が、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作での単位時間当たりの加熱量よりも大きくなるよう、前記燃焼動作を制御することを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記制御器は、前記燃焼器の初回燃焼動作をＯＦＦする際の前記改質器の温度を、前記ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作をＯＦＦする際の前記改質器の温度よりも低くするよう、前記燃焼動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記制御器は、前記燃焼器の燃焼動作がｍ回目にＯＮする際の前記改質器の温度よりも、ｎ回目以降（ｎ＞ｍ＞１）にＯＮする際の前記改質器の温度が低くなるよう、前記燃焼動作を制御することを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記蒸発器に水を供給する水供給器を備え、
前記制御器は、前記蒸発器の温度が所定の閾値以上になると、前記燃焼器の燃焼動作をＯＦＦせず、前記燃焼器の燃焼動作を継続させるとともに、前記水供給器により水の供給を開始させることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記燃焼器の初回燃焼動作における前記所定の閾値が、前記燃焼器のｍ回目以降（ｍ＞１）の燃焼動作における前記所定の閾値よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記燃焼器は、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器と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給器とを備え、前記制御器は、ｍ回目以降（ｍ＞１）の燃焼動作における前記バーナの空気比が、初回燃焼動作における前記バーナの空気比よりも大きくなるよう、前記燃焼動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
燃焼停止中の前記バーナへの空気供給量が、燃焼動作中の前記バーナへの空気供給量よりも多いことを特徴とする請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記バーナの着火時の空気比が、前記バーナの着火後の燃焼動作における空気比よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記バーナの着火時の空気比が、前記バーナの着火後の燃焼動作における空気比よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記改質器から送出されるガスが前記燃焼器に供給されるための燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に設けられ、前記燃料供給器としての弁とを備え、
前記制御器は、前記燃焼器の燃焼停止中に、前記改質器の内圧が所定の閾値以上になると、前記弁を開放することを特徴とする請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記改質器に原料を供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記燃焼器の燃焼を停止中に、前記改質器の内圧が所定の閾値以下になると、前記原料供給器を用いて、前記改質器内に前記原料を供給することを特徴とする請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の水素生成装置と、該水素生成装置から供給される前記水素含有ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備えることを特徴と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、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含有ガスを生成する水素生成装置、及び、これを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素生成装置では、少なくとも炭素と水素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器において水蒸気改質される。この改質反応により、水素含有ガスが生成される。改質反応の際に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器の触媒層内やガス流路を流れる。ここで、原料は炭素と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、改質触媒上やガス流路内に析出する。このため、触媒活性の低下やガス流路の閉塞が引き起こされ、水素生成装置の運転に支障をきたす恐れがある。【０００３】
そこで、水素生成装置の起動時において、改質触媒層に水蒸気を供給する蒸発器の温度が所定の閾値以上に上昇するまで、改質器を加熱する燃焼を断続させることにより、改質触媒層の温度を炭素析出が生じる温度よりも低く保つ事ができることが知られている（例えば、従来例としての特許文献１参照）。そして、蒸発器の温度が所定の閾値を超えた時点で、燃焼を継続し、蒸発器への水供給を開始する。このような起動方法を行うことで、改質触媒の劣化を防止することができる。
【特許文献１】特開２００５−１７０７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来例の水素生成装置において、不適当な改質触媒層の温度範囲や加熱量で燃焼を繰り返すと、蒸発器の温度が所定の閾値まで上昇する時間が長くなる場合がある。この場合、水素生成装置の起動時間は長くなる。また、燃焼の断続回数が多くなる傾向にあり、その結果、燃焼器および着火部に対する負荷が大きくなり、構造体の耐久性能にも影響を及ぼしてしまうという場合もある。【０００５】
そこで、本発明は、起動動作において、燃焼器の燃焼動作のON-OFFの繰り返しにより、改質触媒の温度を原料の炭素析出が起こる温度未満に維持しながら、従来例の水素生成装置よりも短時間で蒸発器を水蒸発可能な温度にまで昇温させることが可能な水素生成装置、および、このような水素生成装置を備えた燃料電池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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料と水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器を加熱後の燃焼ガスの熱を利用して前記水蒸気を生成する蒸発器と、制御器とを有し、起動動作において前記燃焼器の燃焼動作はＯＮ−ＯＦＦを繰り返し、前記改質器の温度を所定温度以下に維持するよう制御される水素生成装置であって、前記制御器は、初回燃焼動作での前記燃焼器による単位時間当たりの加熱量が、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作での単位時間当たりの加熱量よりも大きくなるよう、前記燃焼動作を制御する装置である。【０００７】
また、前記制御器は、前記燃焼器の初回燃焼動作をＯＦＦする際の前記改質器の温度を、前記ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作をＯＦＦする際の前記改質器の温度よりも低くするよう、前記燃焼動作を制御してもよい。【０００８】
また、前記制御器は、前記燃焼器がｍ回目にＯＮする際の前記改質器の温度よりも、ｎ回目以降（ｎ＞ｍ＞１）にＯＮする際の前記改質器の温度が低くなるよう、前記燃焼動作を制御してもよい。【０００９】
また、前記蒸発器に水を供給する水供給器を備えてもよく、前記制御器は、前記蒸発器の温度が所定の閾値以上になると、前記燃焼器の燃焼動作をＯＦＦせず、前記燃焼器の燃焼動作を継続させるとともに、前記水供給器により水の供給を開始させてもよい。【００１０】
この場合、前記燃焼器の初回燃焼動作における前記所定の閾値が、前記燃焼器のｍ回目以降（ｍ＞１）の燃焼動作における前記所定の閾値よりも高くてもよい。【００１１】
また、前記燃焼器は、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器と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給器とを備えてもよく、前記制御器は、ｍ回目以降（ｍ＞１）の燃焼動作における前記バーナの空気比が、初回燃焼動作における前記バーナの空気比よりも大きくなるよう、前記燃焼動作を制御してもよい。【００１２】
また、燃焼停止中の前記バーナへの空気供給量が、燃焼動作中の前記バーナへの空気供給量よりも多くてもよい。【００１３】
以上の燃焼器の各種の制御により、水素生成装置の起動動作において、燃焼器の燃焼動作のON-OFFの繰り返しにより、改質触媒の温度を原料の炭素析出が起こる温度未満に維持しながら、蒸発器を水蒸発可能な温度にまで昇温させる場合に、従来例の水素生成装置よりも蒸発器の温度上昇に要する時間を短縮し、水素生成装置の起動時間を短縮することができる。【００１４】
また、前記バーナの着火時の空気比が、前記バーナの着火後の燃焼動作における空気比よりも小さくてもよい。【００１５】
これにより、燃焼器の着火動作を適切に行える場合がある。【００１６】
前記改質器から送出されるガスが前記燃焼器に供給されるための燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に設けられ、前記燃料供給器としての弁とを備えてもよく、前記制御器は、前記燃焼器の燃焼停止中に、前記改質器の内圧が所定の閾値以上になると、前記弁を開放してもよい。【００１７】
これにより、改質器の圧抜きを適切に行える。【００１８】
また、前記改質器に原料を供給する原料供給器を備えてよく、前記制御器は、前記燃焼器の燃焼を停止中に、前記改質器の内圧が所定の閾値以下になると、前記原料供給器を用いて、前記改質器内に前記原料を供給してもよい。【００１９】
これにより、改質器の圧張りを適切に行える。【００２０】
本発明の燃料電池システムは、上述の水素生成装置と、該水素生成装置から供給される前記水素含有ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える。【００２１】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、起動動作において、燃焼器の燃焼動作のON-OFFの繰り返しにより、改質触媒の温度を原料の炭素析出が起こる温度未満に維持しながら、蒸発器を水蒸発可能な温度にまで昇温させる場合に、従来例の水素生成装置よりも蒸発器の温度上昇に要する時間を短縮し、水素生成装置の起動時間を短縮することができる。また、燃焼器での燃焼動作をON−OFFする回数を低減し、水素生成装置の燃焼器および着火部に対する負荷も減らし、構造体の耐久性の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１による水素生成装置の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の第１の昇温工程における運転条件をまとめた結果を示した図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の他の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の他の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２における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】
【００２４】
１  水素生成装置
２  蒸発器
３  改質触媒層
４  燃焼器
５  輻射筒
６  改質温度検知器
７  蒸発器温度検知器
８  原料供給器
９  水供給器
１０  燃料供給器
１１  空気供給器
２０  制御器
３０  変成器
３１  CO除去器
５０  本体
５１  縦壁
５２  横壁
５３  間隙
１０１  燃料電池
２００  燃料電池システム
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１について図面を参照して説明する。【００２６】
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的な断面図であり、特に、水素生成装置１の主要構成要素である改質器とその周辺の構成を詳細に示している。【００２７】
図１に示すように、水素生成装置１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、炭素及び水素を含む有機化合物から構成される原料を、改質触媒層３を備える改質器に供給する量を調整する原料供給器８と、水を改質器に供給する量を調整する水供給器９と、改質器を加熱する燃焼器４と、燃焼器４への燃焼燃料の供給量を調整するための燃料供給器１０と、燃焼器４への空気供給量を調整する空気供給器１１と、制御器２０とを備えている。なお、上記各供給器は、具体的には、流量調整弁、ポンプ等が挙げられる。【００２８】
水素生成装置１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、燃焼ガス流路b2と、水素含有ガス流路cと、改質触媒層３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。【００２９】
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器８及び水供給器９に接続されており、また、下流側の端部が、改質触媒層３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、蒸発器２が形成されている。後述するように、水供給器９から供給された水は、この蒸発器２で蒸発し、改質触媒層３に供給される。この蒸発器２には、蒸発器を関係する壁の温度を検知する蒸発器温度検知器７が配設されており、ここでは、蒸発器温度検知器７として、熱電対が設けられている。蒸発器温度検知器７の設置場所は、蒸発器２を構成する縦壁５１や横壁５２の壁面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、蒸発器２の外壁面の温度を検知するように蒸発器温度検知器７が設けられ、検知された外壁面の温度から推定される温度を蒸発器２の温度としているが、例えば、蒸発器２の内壁の底面の温度や蒸発器２の底部に溜まった水の温度を直接検知する構成であってもよい。蒸発器温度検知器７で検知された蒸発器２の温度情報は、制御器２０に伝達される。制御器２０は、この温度情報に従って、原料供給器８、水供給器９、燃料供給器１０、空気供給器１１に、供給開始信号、供給停止信号、流量変更信号を出力する。【００３０】
改質触媒層３は、間隙５３に改質触媒が充填されて形成されており、後述する燃焼器４の輻射筒５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３の上端面は改質原料流路aに接続されており、下端面は水素含有ガス流路cの上流側端部に接続されている。この水素含有ガス流路cの内部には、改質触媒層３を通過して流路内を流れるガスの温度を検知する改質温度検知器６が配設されており、ここでは、改質温度検知器６として、熱電対が設けられている。改質温度検知器６の設置場所は、改質器の温度を直接的もしくは間接的に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３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器６が設けられ、検知されたガスの温度を改質器の温度としているが、例えば、改質触媒層３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３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。改質温度検知器６で検知された改質器の温度情報は、制御器２０に伝達される。制御器２０は、この温度情報に従って、原料供給器８、水供給器９、燃料供給器１０、空気供給器１１に、供給開始信号、供給停止信号、流量変更信号を出力する。【００３１】
燃焼器４は、バーナ構成であり、燃料供給器１０から供給される燃焼燃料と、空気供給器１１から供給される空気とを燃焼させ、火炎が形成される。燃焼器４の上部には輻射筒５が配設されており、水素生成装置１の本体５０内部に収納され同心的に配置されている。この輻射筒５の内部に火炎が形成され、その燃焼ガスは水素生成装置１内の燃焼ガス流路b2に流通する。燃焼ガス流路b2と燃焼ガス流路b1とは夫々の底部で連通しており、燃焼ガス流路ｂ１の下流側端部は、燃焼ガスを水素生成装置１の外部に取り出し可能に構成されている。【００３２】
制御器２０は、マイコンなどのコンピュータから構成され、この制御器２０によって、原料供給器８、水供給器９、燃料供給器１０、及び、空気供給器１１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。なお、原料供給器８、水供給器９、燃料供給器１０、及び、空気供給器１１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、これらの供給器８、９、１０、１１は、ポンプやファン等の機械的または電気的な作動装置を備え、この作動装置が制御器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、作動装置の下流側流路にバルブなどの流量調整器がさらに設けられ、この流量調整器が制御器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。【００３３】
次に、水素生成装置１の起動動作の概要について説明する。水素生成装置１の起動動作は、制御器２０より起動指令が出力され、その動作が開始されるが、その動作としては、主に蒸発器２が水蒸気生成可能な温度となるまで加熱する工程（以下、これを第１の昇温工程と呼ぶ）と、前記温度まで加熱された蒸発器２へ水を供給しつつ改質器が改質反応温度となるまで加熱する工程（以下、これを第２の昇温工程と呼ぶ）とに分けられる。この第２の昇温工程が完了し、改質触媒層３における改質反応により十分な水素が生成されると起動動作が完了し、通常の水素生成装置１の運転（以下、これを水素生成工程と呼ぶ）が開始される。【００３４】
第１の昇温工程では、蒸発器温度検知器７により検知される温度が水蒸発可能な温度に達するまで、改質温度検知器６により検知される温度が、第１の所定温度以下に保たれる。ここで、第１の所定温度として、水蒸気不存在下において改質触媒の劣化や供給した原料の炭素析出が生じない温度とする。設定温度としては、３００〜５００℃の範囲が好ましいが、本実施の形態では３８０℃以下とした。なお、改質触媒の劣化や供給した原料の炭素析出が生じない温度であれば、これ以外の値であっても構わない。【００３５】
蒸発器温度検知器７により検知される温度が水蒸発可能な温度を超えた場合に、第１の昇温工程から第２の昇温工程に切り換わる。この第２の昇温工程によって改質触媒層３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含有ガス生成が行われ、それにより、第２の昇温工程から水素生成工程に切り換わる。なお、ここでは、燃焼器４での燃焼開始から蒸発器２に対して水を供給するまでの期間を、水素生成装置１の第１の昇温工程に要する時間として第１昇温時間と呼ぶ。【００３６】
このような第１の昇温工程、第２の昇温工程、及び、水素生成工程の各工程における水素生成装置１の動作の制御は、制御器２０により実行されている。【００３７】
水素生成装置１の起動開始時（第１の昇温工程）において、燃料供給器１０から燃焼燃料が所定流量で燃焼器４に供給されるとともに、空気供給器１１から空気が所定流量で燃焼器４に供給される。燃焼器４では、供給された燃焼燃料と空気との燃焼反応により、輻射筒５内部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器内の改質触媒層３が加熱されるとともに、輻射筒５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器内の改質触媒層３が加熱される。【００３８】
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に接しているため、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、燃焼ガス流路ｂ１の内周側に縦壁５１を介して設けられた蒸発器２が加熱される。このように、改質器（改質触媒層３）と蒸発器２とは共に燃焼器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器（改質触媒層３）が、下流に位置する蒸発器２に先んじて加熱される。【００３９】
ここで、上記の改質器の加熱では、改質触媒層３を通過した水素含有ガスの温度が、改質温度検知器６によって検知され、その検知温度が制御器２０に伝達される。そして、改質温度検知器６により検知された温度が第１の所定温度以上に達した場合に、蒸発器２の温度が蒸発器温度検知器７により検知され、その温度が所定の閾値以上であるならば、蒸発器２での水蒸発が可能であると判断される。この場合、改質器への水の供給が開始され、水素生成装置１は上述の第２の昇温工程に移行する。なお、改質器、蒸発器２のそれぞれに対して設けられる所定温度、所定の閾値については後述する。【００４０】
本実施の形態においては、水素生成装置１の起動動作及び定常運転中において水素含有ガス流路ｃを流通した後の水素含有ガスが燃焼燃料として図示されない経路より燃焼器４へ供給され、燃焼器４への燃焼燃料の供給量は原料供給器８により調整され、原料供給器８が燃焼器４への燃料供給器として機能しているが、水素含有ガス流路ｃから燃焼器４に至る経路とは別に、図１に示すような燃料供給器１０が設けられた経路より、燃焼燃料が供給するよう構成し、原料供給器８及び燃料供給器１０が燃焼燃料供給器として機能するよう構成しても構わない。その場合、例えば、起動動作時において水素含有ガス流路ｃを経由した燃焼燃料が燃焼器４に供給されるまでの間、着火及び燃焼のために上記燃料供給器１０から燃焼燃料を供給し、燃焼器４に水素含有ガス流路ｃを経由した燃焼燃料が供給されると水素含有ガス流路ｃを経由した燃焼燃料のみが燃焼器４に供給されるよう原料供給器８を動作させても構わないし、上記第２の昇温工程が完了するまで燃料供給器１０からのみ燃焼燃料を供給し、水素生成を開始する段階になって初めて原料供給器８より原料を供給するよう構成しても構わない。【００４１】
一方、改質温度検知器６により検知された温度が第１の所定温度以上に達した場合に、蒸発器２の温度が蒸発器温度検知器７により検知され、その温度が所定の閾値未満であるならば、蒸発器２での水蒸発が不可能であると判断される。この場合、燃焼器４での燃焼動作を停止し、空気供給器１１から供給する空気量を増加させることで、改質触媒層３を空冷する。なお、本明細書において、燃焼器４による燃焼動作を行っている間がＯＮ、燃焼動作を停止している間をＯＦＦと定義する。また、本明細書において、燃焼器４の「燃焼動作」とは、改質器の温度を所定温度分、上昇できる燃焼器４の昇温動作のことを、燃焼器４の「燃焼動作」というものとする。よって、この「燃焼動作」には、燃焼器４で着火したものの、不安定燃焼などにより直に失火するような燃焼不良や、改質触媒層３の昇温に殆ど寄与しない燃焼器４の単なる「着火動作」は含まれない。【００４２】
そして、燃焼器４での燃焼動作を停止し、改質温度検知器６で検知される温度が第２の所定温度以下になった場合に、再度燃焼器４での燃焼動作を再開させる。そして、再び改質温度検知器６により検知された温度が第１の所定温度以上に達した場合に、蒸発器２の温度が蒸発器温度検知器７により検知され、その温度が所定の閾値以上であるか否かの判定がなされ、燃焼器４での燃焼動作を停止するか、第２の昇温工程に移行するか判断される。【００４３】
第２の昇温工程では、原料供給器８により供給された原料と、水供給器９により供給された水が蒸発器２で蒸発して生成された水蒸気とが、改質原料流路aを通って改質触媒層３に供給され、改質触媒層３を通流した後に水素含有ガス流路cに供給される。そして、改質触媒層３を通過したガスは、水素含有ガス流路cを介して改質器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３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。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３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、ほぼ完全に反応ずるようになる。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器の加熱が行われる第２の昇温工程では、改質温度検知器６の検出温度の条件が整えば、適宜、改質反応が開始される。そこで、ここでは、改質温度検知器６の検出温度が例えば７００℃程度であって、改質器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工程と呼ぶ。よって、改質触媒層３が改質反応温度となるまで改質器を加熱する動作が第２の昇温工程として定義されているが、この第２の昇温工程期間中であっても、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ていることになる。【００４４】
なお、この水素生成装置１の水素生成工程は、既存の水素生成装置１の通常運転動作と同様である。すなわち、改質原料流路aを通じて改質触媒層３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３で、水素を主成分とする水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガスは、水素含有ガス流路cを通じて改質器の外部へ取り出され、適宜の用途（例えば、後述の燃料電池システムの発電燃料の用途）に利用される。【００４５】
次に、第１の昇温工程の動作の詳細について図面を参照しながら説明する。【００４６】
図２は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程（但し、途中まで）における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。図２では、横軸に水素生成装置１の起動開始時からの経過時間（時：分）が取られ、水素生成装置１の運転条件の代表例として、改質温度検知器６により検知される温度（℃）、蒸発器温度検知器７により検知される蒸発器２の温度（℃）、原料供給器８や燃料供給器１０により調整される燃焼器４の燃料の流量（必要に応じて、以下の説明や図中では、「原料流量」と略す）（数値×１０−２ＮＬＭ；リットル（Ｌ）/分（ｍｉｎ）〔ノーマル〕）、および、空気供給器１１としての燃焼ファンにより調製される燃焼ファン回転数（数値×１０ｒｐｍ）が示されている。【００４７】
まず、水素生成装置１の起動動作を開始する際、制御器２０は、改質温度検知器６により検知される温度を見て、改質触媒層３に原料を供給しても触媒劣化および原料の炭素析出が生じない温度であるか確認する。もし、触媒劣化および原料の炭素析出が生じる温度であれば、空気供給器１１より空気を供給することで、改質触媒層３を冷却してから起動する。改質触媒層３の温度が原料を供給しても触媒劣化および原料の炭素析出が生じない温度以下になった場合に、原料供給器８から原料が改質器に供給され、これにより、改質器内のガスが原料で置換される。このような動作を行うことにより、蒸発器２の温度が、水蒸発可能な温度に達してなく、かつ、改質触媒層３の温度が原料の炭素析出を起こさせる程度の高温になっている場合にも、改質器内を適切に原料置換できる。【００４８】
本実施の形態では、この置換に用いた原料が燃焼燃料として水素含有ガス流路ｃを経由した燃焼器４に供給され、燃焼器４での燃焼に使用される。なお、置換に用いたガスは燃焼器４での燃焼に用いなくとも構わない。例えば、置換に用いたガスを空気供給器より供給される空気で可燃範囲以下に希釈した後、大気に放出するなどの方法もある。なお、本実施の形態で、起動動作において、原料を水素生成装置１（改質器）に流通させる理由は、水素生成装置１全体を加熱する熱交換媒体として原料を利用することで、水素生成装置１全体の昇温を早めるためである。よって、水素生成装置１への原料供給は、置換動作のみでなく、起動中も行う方が好ましい。【００４９】
次に、燃焼器４にて、水素含有ガス流路ｃ及び燃料供給器１０が設けられた経路から供給される燃焼燃料と、空気供給器１１から供給される空気とを燃焼させることで、改質器が加熱される。燃焼器４での燃焼方法としては、本実施の形態では拡散燃焼方式としたが、燃焼することが出来れば予混合燃焼方式でも構わない。燃焼器４での燃焼により改質触媒層３は加熱され、改質温度検知器６により検知される温度も上昇する。【００５０】
ここで、制御器２０は、一回目の燃焼動作の場合に限り、燃焼器４に供給される燃焼燃料流量（図２に示した運転条件としては「原料流量」に対応する）を多くし、これにより、単位時間当たりの加熱量が多くなるよう、燃焼器４の燃焼動作（具体的には、原料供給器８の動作）を制御している。本実施の形態では、制御器２０により、図２に示すように、一回目の燃焼動作の燃焼燃料流量（原料流量）は、２．０ＮＬＭに調整され、二回目以降の燃焼動作の燃焼燃料流量は、１．５ＮＬＭに調整されている。一回目の燃焼動作では改質器内の温度が十分に温まっていないため、改質器全体を温めるために多くの熱量を要する。燃焼器４から供給する単位時間当たり熱量を多くしなければ改質触媒層３を第１の所定温度に加熱するまでに要する時間が長くなり、第１の昇温工程の時間が長くなってしまうからである。なお、二回目以降の燃焼動作では、改質器全体の温度が温まっているため、一回目の燃焼動作での燃焼燃料に比べて少ない流量で動かす方が好ましい。なお、燃焼器４での着火時の燃焼燃料については、一回目の燃焼動作と二回目以降の燃焼動作とで同流量とした。つまり、図２に示すように、燃焼器４の着火時に対応する原料燃料の立ち上がり時の流量は、一回目の燃焼動作および二回目以降の燃焼動作とも、１．５ＮＬＭに調整されている。このような流量調整の目的は、燃焼器４の着火の安定性を保つことにある。よって、安定した着火を行う事が出来さえすれば、着火時の燃焼燃料の流量も一回目の燃焼動作の方が二回目以降の燃焼動作よりも多くしても構わない。【００５１】
また、燃焼器４の着火時の空気比を、着火後の燃焼器４の燃焼動作における燃焼器４の空気比よりも小さくしてもよい。これにより、燃焼器４の着火時の空気比を「１」に近づけ、燃焼器４の着火の容易化を図れると期待される。【００５２】
また、制御器２０は、燃焼器４の燃焼動作における空気比を、一回目の燃焼動作よりも二回目以降の燃焼動作の方が高くなるように、原料供給器８や空気供給器１１の動作を制御している。つまり、燃焼燃料に対する空気の割合は、一回目の燃焼動作よりも二回目以下の燃焼動作の方が高くなっている。【００５３】
なお、以上に述べた空気比とは、実際に供給した空気量Ａと理論空気量（燃焼燃料を完全に燃焼させるために必要な最低の空気量）Ａ０の比（Ａ／Ａ０）を指し、この値が「１」未満であれば、燃焼燃料の不完全燃焼を招く。  【００５４】
上述の空気比が高い程、燃焼燃料に対する空気の割合が増え、燃焼ガスの流速が異なってくる。そのため、空気比が高い程、燃焼ガス流路b1及び燃焼ガス流路b2と熱交換する蒸発器２の方に熱が伝わり易くなり、逆に改質触媒層３には熱が伝わり難くなる。よって、一回目の燃焼動作では、燃焼ガスの上流側に位置する改質触媒層３を加熱し易いように、空気比は低めに（例えば、燃焼器４の通常の燃焼動作で用いる標準の空気比に）調整され、二回目以降の燃焼動作では、蒸発器２を加熱し易いように空気比は高めに（例えば、上述の標準の空気比を超える空気比に）調整されている。【００５５】
なお、図２では、燃焼器４に供給される空気流量に対応する運転条件として、燃料ファン回転数が示され、この燃焼ファン回転数が、燃焼器４の燃焼動作において、ほぼ単調に増加するような傾向が図示されている。このような燃焼ファン回転数の増加により、改質器の温度上昇に適切に対応して、燃焼器４に供給される燃焼燃料流量（原料流量）が一定であれば、燃焼器４に供給される空気流量も一定になるように、空気供給器１１の出力が調整されていると理解される。改質器の温度が上昇すると、改質器から排出されて燃焼器４に至る燃焼燃料の体積膨張や、水素生成装置１の高温化に伴う燃焼ガス体積収縮率の低下が、空気供給器１１により燃焼器に空気を供給する際の通気抵抗の増加になるので、図２に示すように燃焼ファン回転数を上げないと、空気流量を一定に保つことができないと考えられている。  【００５６】
このような燃焼動作において、制御器２０は、改質器を燃焼器４により加熱し、改質温度検知器６の検出温度が第１の所定温度以上に達した場合に、蒸発器２の温度を蒸発器温度検知器７により検知する。ここで、改質触媒層３の第１の所定温度としては、改質触媒が劣化せず、かつ、水がない状態で原料の炭素析出が生じない温度である。つまり、この第１の所定温度は、蒸発器２に対し水蒸発可能か否かを判定する際の契機となる温度として設定されているとともに、上述のとおり、改質触媒層３において原料の炭素が析出する温度未満に設定されている。【００５７】
上述の改質触媒層３の材料の場合、具体的な設定温度としては、３００〜５００℃の範囲が好ましいが、本実施の形態では、３８０℃以下となるように設定されている。例えば、一回目の燃焼動作では、第１の所定温度の値を３６０℃とし、二回目以降の燃焼動作では、第１の所定温度の値を、上記値よりも高い３７０℃とした。一回目と二回目以降で第１の所定温度の値を変更する理由は、それぞれ燃焼燃料の流量が異なるためである。本実施の形態では、上述のとおり、一回目の燃焼動作の方が二回目以降の燃焼動作よりも燃焼燃料流量を多くするため、燃焼動作を停止した場合に改質触媒温度３の温度が、一回目の燃焼動作ではオーバーシュートし易くなる。よって、改質温度検知器６の検出温度を３８０℃以下に保つためには、一回目の燃焼動作においては第１の所定温度の値として３６０℃に、二回目以降の燃焼動作においては、第１の所定温度の値として３７０℃にする必要がある。なお、水素生成装置１の構成や使用する触媒、温度検知方法などにより、設定すべき温度は異なるため、３８０℃以下と限定されるものではない。また、第１の所定温度の値についても、水素生成装置１の構成や使用する触媒、温度検知方法などにより、燃焼停止時の改質触媒層３の温度のオーバーシュートの起こり易さが異なるため、それぞれの装置に適した値に設定すべきである。【００５８】
このような理由から決まる第１の所定温度以上に改質温度検知器６の検出温度が達した場合に、制御器２０は、蒸発器２の温度を蒸発器温度検知器７により検知して、蒸発器２の温度が水蒸発可能な温度であるか否かを判定する。ここで、水蒸発可能な温度として、１００℃以上と設定すべきであるが、本実施の形態の構成では、上述のとおり、蒸発器温度検知器７が蒸発器２を構成する縦壁５１や横壁５２の外壁面に設置されているので、蒸発器温度検知器７により検知される温度は実際の蒸発器２の内部温度よりも低めになる。そのため、水蒸発可能な温度として判定される蒸発器温度検知器７により検知される水蒸発可能な温度を、一回目の燃焼動作においては１００℃より低めの９０℃、二回目以降の燃焼動作においては８５℃とした。なお、一回目の燃焼動作と二回目以降の燃焼動作とで、上述の水蒸発可能な温度の設定値を変更した理由は、水素生成装置１の運転を停止した後、まだ水素生成装置１の温度が温かい状態から起動を行った場合（以下、ホットスタートと呼ぶ）に対応するためである。水素生成装置１をホットスタートすると、蒸発器２の温度が起動開始時に高い値となっているが、第１の昇温工程中の一回目の燃焼動作において蒸発器２の温度が下降傾向になることがある。つまり、本実施の形態では、上述のとおり、燃焼器４の燃焼における空気比が、一回目の燃焼動作では低くめになっているので、一回目の燃焼動作における蒸発器２は、二回目以降の燃焼動作に比べて加熱され難い状態にある。このため、一回目の燃焼動作での水蒸発可能な温度を、二回目以降の燃焼動作での水蒸発可能な温度と同じ設定値（ここでは８５℃）とすると、蒸発器２での水蒸発可能と判断したにも関わらず、その後、蒸発器２に充分な熱量を供給できないことから、蒸発器２の温度が下降し続け、水供給器９より水を供給した際、水が蒸発しないという問題が発生し得る場合がある。よって、一回目の燃焼動作での水蒸発可能な温度の設定値を二回目以降の燃焼動作での水蒸発可能な温度の設定値よりも高くしている。【００５９】
制御器２０は、上記水蒸発可能な温度の設定値を用いて、蒸発器２の温度が水蒸発可能な温度であるか否かを判定する。そして、水蒸発可能な温度である場合は（蒸発器温度検知器７により検知される温度が上記水蒸発可能な温度の設定値以上の場合）、燃焼器４での燃焼動作を継続したまま、水供給器９から水が供給され、第２の昇温工程に移行する。移行後の動作は前述した通りであるので省略する。一方、水蒸発可能な温度でない場合は（蒸発器温度検知器７により検知される温度が上記水蒸発可能な温度の設定値未満の場合）、改質温度検知器６の検出温度を３８０℃以下に保つために、燃焼器４での燃焼動作が、燃料供給器１０からの燃焼燃料の供給を止めることで停止される。例えば、制御器２０が、原料供給器８の流量調整弁を閉めることにより、燃焼器４の燃焼動作が停止される。また、改質触媒層３を空冷するために、空気供給器１１から燃焼器４に供給する空気量を燃焼動作の際の空気量よりも多くする。このとき、改質触媒層３の温度は蒸発器２の温度に比べて高いため、改質触媒層３の空冷に用いた空気により改質触媒層３から蒸発器２へ熱が伝わり、燃焼停止中も蒸発器２への加熱は行われる。【００６０】
なお、改質触媒層３の空冷中は改質器及び水素生成装置１全体の温度分布が変化するために、改質器及び水素生成装置１内に充満している原料の温度が変化し体積も変化してしまう。温度変化は空冷の上流下流により異なり、温度が上昇したならば体積は膨張し内圧も上昇するし、温度が低下したならば体積は収縮し内圧も低下する。装置内の圧力が高く、もしくは、低くなり過ぎると、改質器に設けられている弁や供給ポンプなどの機器類や改質器の構造体に圧力がかかり、耐久性能を低下させてしまい、破損させてしまう可能性がある。そこで、改質器の内圧が所定の値を超える場合、制御器２０により、水素含有ガス経路ｃから燃焼器４に至る経路上に設けられた開閉弁（図示せず）が一時的に開くように制御されることで、改質器の内部のガス（原料などの可燃ガス）を燃焼器４に放出するようにして圧抜きが行われる。これにより、改質器の内圧を低下できる。なお、燃焼器４に放出された可燃ガスは、燃焼器４の内部において空気供給器１１により供給される空気により希釈され、外部に排出される。本実施の形態では、水素生成装置１内の改質器より下流の経路の内圧を３ｋPa以下に保つように圧抜きを行った。この値は、装置の構成により異なってくるため、必ずしもこの値である必要はなく、それぞれの装置に適した値に設定するべきである。【００６１】
また、水素生成装置１の内圧が所定の値を下回った場合、制御器２０により、改質器の内部に原料を供給するように、原料供給器８の動作が制御される。これにより、水素生成装置１の内圧を上昇できる（なお、この場合、開閉弁は閉まっている）。本実施の形態では、０．５ｋPa以上に保つように圧張りを行った。この値は、装置の構成により異なってくるため、必ずしもこの値である必要はなく、それぞれの装置に適した値に設定するべきである。これらの圧抜きおよび圧張りにより改質器内の圧力を適正な状態に保つことができる。【００６２】
燃焼停止中も空気供給器１１より燃焼器４に供給された空気により、蒸発器２への加熱は行われるが、一回目の燃焼動作後の燃焼停止と二回目以降の燃焼動作後の燃焼停止とで、蒸発器２への加熱量が異なってくる。一回目の燃焼後の燃焼停止では、改質器全体の温度が十分に上昇しておらず、局所的に改質触媒層３が加熱された状態になり易い。そのため、燃焼停止中に、燃焼器４への空気供給動作を行った際、燃焼ガス流路を流れる空気により改質触媒層３から持ち出される熱量はそれほど多くなく蒸発器２を含めた改質器以外の箇所の加熱効果はそれほど見込めない。そこで、一回目の燃焼動作の停止状態から二回目の燃焼動作に移る判定条件に用いる改質温度検知器６の検出温度は、二回目以降の燃焼動作の停止状態から次の（三回目以降）の燃焼動作に移る判定条件に用いる改質温度検知器６の検出温度よりも高く設定し、２回目以降の燃焼動作に速やかに移行し、改質器全体を早く加熱できるようにする。本実施の形態では、二回目の燃焼動作に移行するのに用いる判定条件として、図２に示すように、改質温度検知器６の検知温度に対して第２の所定温度（燃焼器４の着火温度）として３００℃を設定し、三回目以降の燃焼動作に移行するのに用いる判定条件として、図２に示すように、改質温度検知器６により検知温度に対して第２の所定温度（燃焼器４の着火温度）として２５０℃が設定される。このような燃焼動作に移行する判定条件（第２の所定温度）は、これらの値に限定されるものではなく、水素生成装置１の構成、触媒の種類、温度検知器の検知方法などにより異なってくる。但し、この第２の所定温度は、少なくとも、燃焼停止時に燃焼器４に供給され、改質触媒層３より伝熱された空気により、蒸発器２を昇温できなくなる温度より高めに設定されている。【００６３】
なお、上述の本実施の形態の水素生成装置１は、改質器が所定温度以下（例えば、１５０℃以下）になった場合において、一回目の燃焼器４の燃焼動作が開始され、以上に述べた燃焼器４の燃焼動作をＯＮ−ＯＦＦさせるという水素生成装置１の起動動作が行なわれるが、当該所定温度も、水素生成装置１の構成、触媒の種類、温度検知器の検知方法などにより異なってくる。【００６４】
改質温度検知器６により検知温度が第２の所定温度以下になった場合、制御器２０は、空気供給器１１から燃焼器４に給する空気量を燃焼に適した流量に変更するように、空気供給器１１の動作を制御するとともに、燃焼器４に再び燃焼燃料を供給するように、改質器へ原料の供給が開始されるよう原料供給器８を制御する。これにより、燃焼器４内の着火器（図示せず）により再着火が行われ、燃焼器４にて燃焼動作に移ることができる。【００６５】
そして、制御器２０は、改質温度検知器６の検出温度がｎ回目燃焼動作時での第１の所定温度となった場合、蒸発器温度検知器７により、再び蒸発器２の温度が水蒸発可能な温度であるか否かを判定する。以下、上記動作と同様の動作が、蒸発器２の温度が水蒸発可能な温度である所定の閾値以上になるまで繰り返し行われる。【００６６】
なお、燃焼器４の燃焼動作を停止して、改質触媒層３を空冷している間に、蒸発器２の温度が所定の閾値以上に上昇した場合は、改質器（改質触媒層３）の温度を燃焼動作に移る判定条件にまで低下させずとも、燃焼器４の燃焼動作に移行しても構わない。【００６７】
以上で述べた本実施の形態による水素生成装置１の第１の昇温工程における運転条件をまとめた結果を図３に示す。図３に示すように、一回目の燃焼動作、二回目の燃焼動作、三回目以降の燃焼動作に応じて、それぞれ原料流量、消火温度（第１の所定温度）、着火温度（第２の所定温度）、空気比、水蒸発可能な温度が変更されている。これらの操作により、第１の昇温工程に要する時間（すなわち、起動動作に要する時間）を短縮できると期待される。つまり、本実施の形態では、第１の昇温工程に要する時間は、図２に示すように、約２８分であり、この時間は、以下の比較例よりも短くなっている。【００６８】
また、蒸発器２の温度上昇も早くなるため、燃焼器４の燃焼動作を停止（ＯＦＦ）する回数も低減できるようになり、改質器に繰り返し加わる熱負荷も低減できると期待される。つまり、本実施の形態では、燃焼動作のＯＦＦ回数は２回であり、この回数は、以下の比較例よりも少なくなっている。【００６９】
ここで、本実施の形態の水素生成装置１の起動動作に対する比較例として、本実施の形態とは異なる２つの運転条件により水素生成装置の起動動作（第１の昇温工程及び第２の昇温工程）が実行された。【００７０】
図４は、水素生成装置の他の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程（但し、途中まで）における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。【００７１】
図４に示した水素生成装置の運転条件としては、蒸発器２に対し水蒸発可能か否かを判定する際の契機となる第１の所定温度を３７０℃、燃焼動作を再開する温度（第２の所定温度）を３００℃としたものである。また、原料流量は１．５ＮＬＭに固定されている。また、空気比は、標準に固定され、水蒸発可能な温度は、８５℃に固定されている。【００７２】
図４によれば、第１の昇温工程に要する時間が約３３分であり、燃焼動作のＯＦＦ回数が３回であることが分かる。本実施の形態では、第１の昇温工程に要する時間は、約２８分なので、約５分（約１５％）、水素生成装置の起動時間を短縮できると見積もれる。また、本実施の形態では、燃焼動作のＯＦＦ回数は２回なので、燃焼動作のＯＦＦ回数を一回分、削減できると見積もれる。【００７３】
図５は、水素生成装置の更に他の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程（但し、途中まで）における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。【００７４】
図５に示した水素生成装置の運転条件としては、蒸発器２に対し水蒸発可能か否かを判定する際の契機となる第１の所定温度を３２０℃、燃焼動作を再開する温度（第２の所定温度）を３００℃としたものである。また、原料流量は１．５ＮＬＭに固定されている。また、空気比は、標準に固定され、水蒸発可能な温度は、８５℃に固定されている。つまり、この運転条件では、第１の所定温度と第２の所定温度との間の温度差を僅か２０℃としている。【００７５】
図５によれば、第１の昇温工程に要する時間が約３６分であり、燃焼動作のＯＦＦ回数が６回であることが分かる。本実施の形態では、第１の昇温工程に要する時間は、約２８分なので、約８分（約２２％）、水素生成装置の起動時間を短縮できると見積もれる。また、本実施の形態では、燃焼動作のＯＦＦ回数は２回なので、燃焼動作のＯＦＦ回数を４回分、削減できると見積もれる。【００７６】
なお、本実施の形態では、燃焼器４の燃焼動作として、一回目の燃焼動作、二回目の燃焼動作および三回目以降の燃焼動作とに区分けして、水素生成装置１の第１の昇温工程を説明しているが、この回数は飽くまで一例に過ぎない。【００７７】
例えば、制御器２０は、一回目の燃焼動作での燃焼器４による単位時間当たりの加熱量が、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作での単位時間当たりの加熱量よりも大きくなるよう、燃焼器４の燃焼動作を制御すればよい。同様に、制御器２０は、燃焼器４の一回目の燃焼動作をＯＦＦする際の改質器（改質触媒層３）の温度を、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作をＯＦＦする際の改質器（改質触媒層３）の温度よりも低くするよう、燃焼器４の燃焼動作（消火温度）を制御すればよい。つまり、上述の「ｋ回目」とは、本実施の形態で例示された「二回目」に限定されず、二回目以上であればどのような回数であってもよい。【００７８】
また、制御器２０は、燃焼器４の燃焼動作が「ｍ回目」にＯＮする際の改質器（改質触媒層３）の温度よりも、ｎ回目以降（ｎ＞ｍ＞１）にＯＮする際の改質器（改質触媒層３）の温度が低くなるよう、燃焼器４の燃焼動作（着火温度）を制御すればよい。つまり、上述の「ｍ回目」とは、本実施の形態で例示された「二回目」に限らず、二回目以上であればどのような回数であってもよい。また、上述の「ｎ回目以降」とは、本実施の形態で例示された「三回目」に限らず、「ｍ回目」を超える回数であれば、どのような回数であってもよい。
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について図面を参照して説明する。【００７９】
図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。この燃料電池システム２００は、水素生成装置１と、燃料電池１０１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。【００８０】
水素生成装置１は、実施の形態１の水素生成装置１であるが、ここでは、前述した改質器（図６では「改質器１Ａ」として図示）及び燃焼器４の他に、さらに変成器３０とCO除去器３１とを備えている。
具体的には、図１の水素含有ガス流路cが変成器３０に接続されており、変成器３０とCO除去器３１とが水素含有ガス流路ｄによって接続されている。かかる構成の水素生成装置１では、改質触媒層３で生成された水素含有ガスが水素含有ガス流路cを介して変成器３０に供給され、ここで、水素含有ガス中の一酸化炭素のシフト反応によりCO濃度の低減化が行われる。変成器３０から送出される水素含有ガスは、CO除去器３１に供給され、ここでさらに水素含有ガス中の一酸化炭素の酸化反応によりCO濃度の低減化が行われる。このように変成器３０及びCO除去器３１によってCO低減化処理が行われることにより、水素生成装置１では、CO濃度の低い水素含有ガスが得られる。【００８１】
なお、原料供給源より改質器１Ａに供給される経路に図１の原料供給器８が設けられ、上記経路より分岐して燃焼器４へ至る経路に図１の燃料供給器１０が設けられている。【００８２】
燃料電池システム２００では、水素生成装置１が燃料電池１０１に接続され、水素含有ガスが供給される。また、燃料電池１０１には、酸化剤ガスが別途供給される。この水素含有ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが燃料電池１０１で反応する事で電力を生み出す。【００８３】
燃料電池システム２００の運転では、まず、前述のように、水素生成装置１において、第１の昇温工程、第２の昇温工程、及び水素生成工程が行われる。これらの動作については、実施の形態１において記載した通りであり、ここでは説明を省略する。水素生成装置１では、実施の形態１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、耐久性能の高い運転を実現することが可能となる。なお、本実施の形態における水素生成装置１の起動動作は、制御器２０（図１参照）より起動指令が出力されてから、第１の昇温工程、第２の昇温工程を経て、改質器１Ａが水素生成工程に入った後、燃料電池１０１に供給可能なレベルまで変成器３０及びCO除去器３１により一酸化炭素が低減され、水素生成装置１で生成された水素含有ガスを燃料電池に供給開始するまでとなる。【００８４】
上述のように水素含有ガス中の一酸化炭素が十分に低減されると水素生成装置１で製造された水素含有ガスは、発電燃料として、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、酸化剤ガスとして空気が供給される。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、この発電反応により熱が発生する。この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（図示せず）に回収され、種々の用途で利用される。例えば、給湯に利用したりできる。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の燃料極から排出され、水素生成装置１の燃焼器４に燃焼燃料として供給される。【００８５】
本実施の形態の燃料電池システム２００では、前述のように水素生成装置１での起動時間を短縮できるため、燃料電池１０１に短時間で水素ガスの供給を行うことができる。それゆえ、燃料電池システム２００から電力エネルギー及ぶ熱エネルギーを短時間で供給することが可能となり、経済性に優れた燃料電池システム２００を実現する事が可能となる。【００８６】
なお、上記の実施の形態２では、実施の形態１で述べた水素生成装置１を燃料電池システム２００の水素ガス供給装置として利用する例について説明したが、燃料電池システムの水素ガス供給装置以外の用途としても、実施の形態１で述べた水素生成装置１は適用可能である。【００８７】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明に係る水素生成装置は、種々の用途で用いられる水素の製造に利用可能であり、例えば、燃料電池の燃料ガスとして使用される水素ガスの製造に有用である。また、この水素発生装置を備えた燃料電池発電システムは、発電装置として種々の用途で利用可能であり、例えば、家庭用燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。
【図１】
2007145321.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年11月25日(2008.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器を加熱後の燃焼ガスの熱を利用して前記水蒸気を生成する蒸発器と、制御器とを有し、
起動動作において前記燃焼器の燃焼動作はＯＮ−ＯＦＦを繰り返し、前記改質器の温度を所定温度以下に維持するよう制御される水素生成装置であって、
前記制御器は、初回燃焼動作での前記燃焼器による単位時間当たりの加熱量が、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作での単位時間当たりの加熱量よりも大きくなるよう、前記燃焼動作を制御することを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記制御器は、前記燃焼器の初回燃焼動作をＯＦＦする際の前記改質器の温度を、前記ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作をＯＦＦする際の前記改質器の温度よりも低くするよう、前記燃焼動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記制御器は、前記燃焼器の燃焼動作がｍ回目にＯＮする際の前記改質器の温度よりも、ｎ回目以降（ｎ＞ｍ＞１）にＯＮする際の前記改質器の温度が低くなるよう、前記燃焼動作を制御することを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記蒸発器に水を供給する水供給器を備え、
前記制御器は、前記蒸発器の温度が所定の閾値以上になると、前記燃焼器の燃焼動作をＯＦＦせず、前記燃焼器の燃焼動作を継続させるとともに、前記水供給器により水の供給を開始させることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記燃焼器の初回燃焼動作における前記所定の閾値が、前記燃焼器のｍ回目以降（ｍ＞１）の燃焼動作における前記所定の閾値よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記燃焼器は、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器と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給器とを備え、前記制御器は、ｍ回目以降（ｍ＞１）の燃焼動作における前記バーナの空気比が、初回燃焼動作における前記バーナの空気比よりも大きくなるよう、前記燃焼動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
燃焼停止中の前記バーナへの空気供給量が、燃焼動作中の前記バーナへの空気供給量よりも多いことを特徴とする請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記バーナの着火時の空気比が、前記バーナの着火後の燃焼動作における空気比よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記バーナの着火時の空気比が、前記バーナの着火後の燃焼動作における空気比よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記改質器から送出されるガスが前記燃焼器に供給されるための燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に設けられ、前記燃料供給器としての弁とを備え、
前記制御器は、前記燃焼器の燃焼停止中に、前記改質器の内圧が所定の閾値以上になると、前記弁を開放することを特徴とする請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記改質器に原料を供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記燃焼器の燃焼を停止中に、前記改質器の内圧が所定の閾値以下になると、前記原料供給器を用いて、前記改質器内に前記原料を供給することを特徴とする請求項７に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の水素生成装置と、該水素生成装置から供給される前記水素含有ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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含有ガスを生成する水素生成装置、及び、これを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素生成装置では、少なくとも炭素と水素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器において水蒸気改質される。この改質反応により、水素含有ガスが生成される。改質反応の際に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器の触媒層内やガス流路を流れる。ここで、原料は炭素と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、改質触媒上やガス流路内に析出する。このため、触媒活性の低下やガス流路の閉塞が引き起こされ、水素生成装置の運転に支障をきたす恐れがある。
【０００３】
そこで、水素生成装置の起動時において、改質触媒層に水蒸気を供給する蒸発器の温度が所定の閾値以上に上昇するまで、改質器を加熱する燃焼を断続させることにより、改質触媒層の温度を炭素析出が生じる温度よりも低く保つ事ができることが知られている（例えば、従来例としての特許文献１参照）。そして、蒸発器の温度が所定の閾値を超えた時点で、燃焼を継続し、蒸発器への水供給を開始する。このような起動方法を行うことで、改質触媒の劣化を防止することができる。
【特許文献１】特開２００５−１７０７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来例の水素生成装置において、不適当な改質触媒層の温度範囲や加熱量で燃焼を繰り返すと、蒸発器の温度が所定の閾値まで上昇する時間が長くなる場合がある。この場合、水素生成装置の起動時間は長くなる。また、燃焼の断続回数が多くなる傾向にあり、その結果、燃焼器および着火部に対する負荷が大きくなり、構造体の耐久性能にも影響を及ぼしてしまうという場合もある。
【０００５】
そこで、本発明は、起動動作において、燃焼器の燃焼動作のON-OFFの繰り返しにより、改質触媒の温度を原料の炭素析出が起こる温度未満に維持しながら、従来例の水素生成装置よりも短時間で蒸発器を水蒸発可能な温度にまで昇温させることが可能な水素生成装置、および、このような水素生成装置を備えた燃料電池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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料と水蒸気から水素含有ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器を加熱後の燃焼ガスの熱を利用して前記水蒸気を生成する蒸発器と、制御器とを有し、起動動作において前記燃焼器の燃焼動作はＯＮ−ＯＦＦを繰り返し、前記改質器の温度を所定温度以下に維持するよう制御される水素生成装置であって、前記制御器は、初回燃焼動作での前記燃焼器による単位時間当たりの加熱量が、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作での単位時間当たりの加熱量よりも大きくなるよう、前記燃焼動作を制御する装置である。
【０００７】
また、前記制御器は、前記燃焼器の初回燃焼動作をＯＦＦする際の前記改質器の温度を、前記ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作をＯＦＦする際の前記改質器の温度よりも低くするよう、前記燃焼動作を制御してもよい。
【０００８】
また、前記制御器は、前記燃焼器がｍ回目にＯＮする際の前記改質器の温度よりも、ｎ回目以降（ｎ＞ｍ＞１）にＯＮする際の前記改質器の温度が低くなるよう、前記燃焼動作を制御してもよい。
【０００９】
また、前記蒸発器に水を供給する水供給器を備えてもよく、前記制御器は、前記蒸発器の温度が所定の閾値以上になると、前記燃焼器の燃焼動作をＯＦＦせず、前記燃焼器の燃焼動作を継続させるとともに、前記水供給器により水の供給を開始させてもよい。
【００１０】
この場合、前記燃焼器の初回燃焼動作における前記所定の閾値が、前記燃焼器のｍ回目以降（ｍ＞１）の燃焼動作における前記所定の閾値よりも高くてもよい。
【００１１】
また、前記燃焼器は、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器と、前記バーナに前記空気を供給する空気供給器とを備えてもよく、前記制御器は、ｍ回目以降（ｍ＞１）の燃焼動作における前記バーナの空気比が、初回燃焼動作における前記バーナの空気比よりも大きくなるよう、前記燃焼動作を制御してもよい。
【００１２】
また、燃焼停止中の前記バーナへの空気供給量が、燃焼動作中の前記バーナへの空気供給量よりも多くてもよい。
【００１３】
以上の燃焼器の各種の制御により、水素生成装置の起動動作において、燃焼器の燃焼動作のON-OFFの繰り返しにより、改質触媒の温度を原料の炭素析出が起こる温度未満に維持しながら、蒸発器を水蒸発可能な温度にまで昇温させる場合に、従来例の水素生成装置よりも蒸発器の温度上昇に要する時間を短縮し、水素生成装置の起動時間を短縮することができる。
【００１４】
また、前記バーナの着火時の空気比が、前記バーナの着火後の燃焼動作における空気比よりも小さくてもよい。
【００１５】
これにより、燃焼器の着火動作を適切に行える場合がある。
【００１６】
前記改質器から送出されるガスが前記燃焼器に供給されるための燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路に設けられ、前記燃料供給器としての弁とを備えてもよく、前記制御器は、前記燃焼器の燃焼停止中に、前記改質器の内圧が所定の閾値以上になると、前記弁を開放してもよい。
【００１７】
これにより、改質器の圧抜きを適切に行える。
【００１８】
また、前記改質器に原料を供給する原料供給器を備えてよく、前記制御器は、前記燃焼器の燃焼を停止中に、前記改質器の内圧が所定の閾値以下になると、前記原料供給器を用いて、前記改質器内に前記原料を供給してもよい。
【００１９】
これにより、改質器の圧張りを適切に行える。
【００２０】
本発明の燃料電池システムは、上述の水素生成装置と、該水素生成装置から供給される前記水素含有ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える。
【００２１】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、起動動作において、燃焼器の燃焼動作のON-OFFの繰り返しにより、改質触媒の温度を原料の炭素析出が起こる温度未満に維持しながら、蒸発器を水蒸発可能な温度にまで昇温させる場合に、従来例の水素生成装置よりも蒸発器の温度上昇に要する時間を短縮し、水素生成装置の起動時間を短縮することができる。また、燃焼器での燃焼動作をON−OFFする回数を低減し、水素生成装置の燃焼器および着火部に対する負荷も減らし、構造体の耐久性の向上を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１について図面を参照して説明する。
【００２４】
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的な断面図であり、特に、水素生成装置１の主要構成要素である改質器とその周辺の構成を詳細に示している。
【００２５】
図１に示すように、水素生成装置１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、炭素及び水素を含む有機化合物から構成される原料を、改質触媒層３を備える改質器に供給する量を調整する原料供給器８と、水を改質器に供給する量を調整する水供給器９と、改質器を加熱する燃焼器４と、燃焼器４への燃焼燃料の供給量を調整するための燃料供給器１０と、燃焼器４への空気供給量を調整する空気供給器１１と、制御器２０とを備えている。なお、上記各供給器は、具体的には、流量調整弁、ポンプ等が挙げられる。
【００２６】
水素生成装置１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、燃焼ガス流路b2と、水素含有ガス流路cと、改質触媒層３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。
【００２７】
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器８及び水供給器９に接続されており、また、下流側の端部が、改質触媒層３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、蒸発器２が形成されている。後述するように、水供給器９から供給された水は、この蒸発器２で蒸発し、改質触媒層３に供給される。この蒸発器２には、蒸発器を関係する壁の温度を検知する蒸発器温度検知器７が配設されており、ここでは、蒸発器温度検知器７として、熱電対が設けられている。蒸発器温度検知器７の設置場所は、蒸発器２を構成する縦壁５１や横壁５２の壁面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、蒸発器２の外壁面の温度を検知するように蒸発器温度検知器７が設けられ、検知された外壁面の温度から推定される温度を蒸発器２の温度としているが、例えば、蒸発器２の内壁の底面の温度や蒸発器２の底部に溜まった水の温度を直接検知する構成であってもよい。蒸発器温度検知器７で検知された蒸発器２の温度情報は、制御器２０に伝達される。制御器２０は、この温度情報に従って、原料供給器８、水供給器９、燃料供給器１０、空気供給器１１に、供給開始信号、供給停止信号、流量変更信号を出力する。
【００２８】
改質触媒層３は、間隙５３に改質触媒が充填されて形成されており、後述する燃焼器４の輻射筒５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３の上端面は改質原料流路aに接続されており、下端面は水素含有ガス流路cの上流側端部に接続されている。この水素含有ガス流路cの内部には、改質触媒層３を通過して流路内を流れるガスの温度を検知する改質温度検知器６が配設されており、ここでは、改質温度検知器６として、熱電対が設けられている。改質温度検知器６の設置場所は、改質器の温度を直接的もしくは間接的に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３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器６が設けられ、検知されたガスの温度を改質器の温度としているが、例えば、改質触媒層３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３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。改質温度検知器６で検知された改質器の温度情報は、制御器２０に伝達される。制御器２０は、この温度情報に従って、原料供給器８、水供給器９、燃料供給器１０、空気供給器１１に、供給開始信号、供給停止信号、流量変更信号を出力する。
【００２９】
燃焼器４は、バーナ構成であり、燃料供給器１０から供給される燃焼燃料と、空気供給器１１から供給される空気とを燃焼させ、火炎が形成される。燃焼器４の上部には輻射筒５が配設されており、水素生成装置１の本体５０内部に収納され同心的に配置されている。この輻射筒５の内部に火炎が形成され、その燃焼ガスは水素生成装置１内の燃焼ガス流路b2に流通する。燃焼ガス流路b2と燃焼ガス流路b1とは夫々の底部で連通しており、燃焼ガス流路ｂ１の下流側端部は、燃焼ガスを水素生成装置１の外部に取り出し可能に構成されている。
【００３０】
制御器２０は、マイコンなどのコンピュータから構成され、この制御器２０によって、原料供給器８、水供給器９、燃料供給器１０、及び、空気供給器１１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。なお、原料供給器８、水供給器９、燃料供給器１０、及び、空気供給器１１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、これらの供給器８、９、１０、１１は、ポンプやファン等の機械的または電気的な作動装置を備え、この作動装置が制御器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、作動装置の下流側流路にバルブなどの流量調整器がさらに設けられ、この流量調整器が制御器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。
【００３１】
次に、水素生成装置１の起動動作の概要について説明する。水素生成装置１の起動動作は、制御器２０より起動指令が出力され、その動作が開始されるが、その動作としては、主に蒸発器２が水蒸気生成可能な温度となるまで加熱する工程（以下、これを第１の昇温工程と呼ぶ）と、前記温度まで加熱された蒸発器２へ水を供給しつつ改質器が改質反応温度となるまで加熱する工程（以下、これを第２の昇温工程と呼ぶ）とに分けられる。この第２の昇温工程が完了し、改質触媒層３における改質反応により十分な水素が生成されると起動動作が完了し、通常の水素生成装置１の運転（以下、これを水素生成工程と呼ぶ）が開始される。
【００３２】
第１の昇温工程では、蒸発器温度検知器７により検知される温度が水蒸発可能な温度に達するまで、改質温度検知器６により検知される温度が、第１の所定温度以下に保たれる。ここで、第１の所定温度として、水蒸気不存在下において改質触媒の劣化や供給した原料の炭素析出が生じない温度とする。設定温度としては、３００〜５００℃の範囲が好ましいが、本実施の形態では３８０℃以下とした。なお、改質触媒の劣化や供給した原料の炭素析出が生じない温度であれば、これ以外の値であっても構わない。
【００３３】
蒸発器温度検知器７により検知される温度が水蒸発可能な温度を超えた場合に、第１の昇温工程から第２の昇温工程に切り換わる。この第２の昇温工程によって改質触媒層３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含有ガス生成が行われ、それにより、第２の昇温工程から水素生成工程に切り換わる。なお、ここでは、燃焼器４での燃焼開始から蒸発器２に対して水を供給するまでの期間を、水素生成装置１の第１の昇温工程に要する時間として第１昇温時間と呼ぶ。
【００３４】
このような第１の昇温工程、第２の昇温工程、及び、水素生成工程の各工程における水素生成装置１の動作の制御は、制御器２０により実行されている。
【００３５】
水素生成装置１の起動開始時（第１の昇温工程）において、燃料供給器１０から燃焼燃料が所定流量で燃焼器４に供給されるとともに、空気供給器１１から空気が所定流量で燃焼器４に供給される。燃焼器４では、供給された燃焼燃料と空気との燃焼反応により、輻射筒５内部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器内の改質触媒層３が加熱されるとともに、輻射筒５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器内の改質触媒層３が加熱される。
【００３６】
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に接しているため、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、燃焼ガス流路ｂ１の内周側に縦壁５１を介して設けられた蒸発器２が加熱される。このように、改質器（改質触媒層３）と蒸発器２とは共に燃焼器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器（改質触媒層３）が、下流に位置する蒸発器２に先んじて加熱される。
【００３７】
ここで、上記の改質器の加熱では、改質触媒層３を通過した水素含有ガスの温度が、改質温度検知器６によって検知され、その検知温度が制御器２０に伝達される。そして、改質温度検知器６により検知された温度が第１の所定温度以上に達した場合に、蒸発器２の温度が蒸発器温度検知器７により検知され、その温度が所定の閾値以上であるならば、蒸発器２での水蒸発が可能であると判断される。この場合、改質器への水の供給が開始され、水素生成装置１は上述の第２の昇温工程に移行する。なお、改質器、蒸発器２のそれぞれに対して設けられる所定温度、所定の閾値については後述する。
【００３８】
本実施の形態においては、水素生成装置１の起動動作及び定常運転中において水素含有ガス流路ｃを流通した後の水素含有ガスが燃焼燃料として図示されない経路より燃焼器４へ供給され、燃焼器４への燃焼燃料の供給量は原料供給器８により調整され、原料供給器８が燃焼器４への燃料供給器として機能しているが、水素含有ガス流路ｃから燃焼器４に至る経路とは別に、図１に示すような燃料供給器１０が設けられた経路より、燃焼燃料が供給するよう構成し、原料供給器８及び燃料供給器１０が燃焼燃料供給器として機能するよう構成しても構わない。その場合、例えば、起動動作時において水素含有ガス流路ｃを経由した燃焼燃料が燃焼器４に供給されるまでの間、着火及び燃焼のために上記燃料供給器１０から燃焼燃料を供給し、燃焼器４に水素含有ガス流路ｃを経由した燃焼燃料が供給されると水素含有ガス流路ｃを経由した燃焼燃料のみが燃焼器４に供給されるよう原料供給器８を動作させても構わないし、上記第２の昇温工程が完了するまで燃料供給器１０からのみ燃焼燃料を供給し、水素生成を開始する段階になって初めて原料供給器８より原料を供給するよう構成しても構わない。
【００３９】
一方、改質温度検知器６により検知された温度が第１の所定温度以上に達した場合に、蒸発器２の温度が蒸発器温度検知器７により検知され、その温度が所定の閾値未満であるならば、蒸発器２での水蒸発が不可能であると判断される。この場合、燃焼器４での燃焼動作を停止し、空気供給器１１から供給する空気量を増加させることで、改質触媒層３を空冷する。なお、本明細書において、燃焼器４による燃焼動作を行っている間がＯＮ、燃焼動作を停止している間をＯＦＦと定義する。また、本明細書において、燃焼器４の「燃焼動作」とは、改質器の温度を所定温度分、上昇できる燃焼器４の昇温動作のことを、燃焼器４の「燃焼動作」というものとする。よって、この「燃焼動作」には、燃焼器４で着火したものの、不安定燃焼などにより直に失火するような燃焼不良や、改質触媒層３の昇温に殆ど寄与しない燃焼器４の単なる「着火動作」は含まれない。
【００４０】
そして、燃焼器４での燃焼動作を停止し、改質温度検知器６で検知される温度が第２の所定温度以下になった場合に、再度燃焼器４での燃焼動作を再開させる。そして、再び改質温度検知器６により検知された温度が第１の所定温度以上に達した場合に、蒸発器２の温度が蒸発器温度検知器７により検知され、その温度が所定の閾値以上であるか否かの判定がなされ、燃焼器４での燃焼動作を停止するか、第２の昇温工程に移行するか判断される。
【００４１】
第２の昇温工程では、原料供給器８により供給された原料と、水供給器９により供給された水が蒸発器２で蒸発して生成された水蒸気とが、改質原料流路aを通って改質触媒層３に供給され、改質触媒層３を通流した後に水素含有ガス流路cに供給される。そして、改質触媒層３を通過したガスは、水素含有ガス流路cを介して改質器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３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。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３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、ほぼ完全に反応ずるようになる。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器の加熱が行われる第２の昇温工程では、改質温度検知器６の検出温度の条件が整えば、適宜、改質反応が開始される。そこで、ここでは、改質温度検知器６の検出温度が例えば７００℃程度であって、改質器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工程と呼ぶ。よって、改質触媒層３が改質反応温度となるまで改質器を加熱する動作が第２の昇温工程として定義されているが、この第２の昇温工程期間中であっても、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ていることになる。
【００４２】
なお、この水素生成装置１の水素生成工程は、既存の水素生成装置１の通常運転動作と同様である。すなわち、改質原料流路aを通じて改質触媒層３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３で、水素を主成分とする水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガスは、水素含有ガス流路cを通じて改質器の外部へ取り出され、適宜の用途（例えば、後述の燃料電池システムの発電燃料の用途）に利用される。
【００４３】
次に、第１の昇温工程の動作の詳細について図面を参照しながら説明する。
【００４４】
図２は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程（但し、途中まで）における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。図２では、横軸に水素生成装置１の起動開始時からの経過時間（時：分）が取られ、水素生成装置１の運転条件の代表例として、改質温度検知器６により検知される温度（℃）、蒸発器温度検知器７により検知される蒸発器２の温度（℃）、原料供給器８や燃料供給器１０により調整される燃焼器４の燃料の流量（必要に応じて、以下の説明や図中では、「原料流量」と略す）（数値×１０-2ＮＬＭ；リットル（Ｌ）/分（ｍｉｎ）〔ノーマル〕）、および、空気供給器１１としての燃焼ファンにより調製される燃焼ファン回転数（数値×１０ｒｐｍ）が示されている。
【００４５】
まず、水素生成装置１の起動動作を開始する際、制御器２０は、改質温度検知器６により検知される温度を見て、改質触媒層３に原料を供給しても触媒劣化および原料の炭素析出が生じない温度であるか確認する。もし、触媒劣化および原料の炭素析出が生じる温度であれば、空気供給器１１より空気を供給することで、改質触媒層３を冷却してから起動する。改質触媒層３の温度が原料を供給しても触媒劣化および原料の炭素析出が生じない温度以下になった場合に、原料供給器８から原料が改質器に供給され、これにより、改質器内のガスが原料で置換される。このような動作を行うことにより、蒸発器２の温度が、水蒸発可能な温度に達してなく、かつ、改質触媒層３の温度が原料の炭素析出を起こさせる程度の高温になっている場合にも、改質器内を適切に原料置換できる。
【００４６】
本実施の形態では、この置換に用いた原料が燃焼燃料として水素含有ガス流路ｃを経由した燃焼器４に供給され、燃焼器４での燃焼に使用される。なお、置換に用いたガスは燃焼器４での燃焼に用いなくとも構わない。例えば、置換に用いたガスを空気供給器より供給される空気で可燃範囲以下に希釈した後、大気に放出するなどの方法もある。なお、本実施の形態で、起動動作において、原料を水素生成装置１（改質器）に流通させる理由は、水素生成装置１全体を加熱する熱交換媒体として原料を利用することで、水素生成装置１全体の昇温を早めるためである。よって、水素生成装置１への原料供給は、置換動作のみでなく、起動中も行う方が好ましい。
【００４７】
次に、燃焼器４にて、水素含有ガス流路ｃ及び燃料供給器１０が設けられた経路から供給される燃焼燃料と、空気供給器１１から供給される空気とを燃焼させることで、改質器が加熱される。燃焼器４での燃焼方法としては、本実施の形態では拡散燃焼方式としたが、燃焼することが出来れば予混合燃焼方式でも構わない。燃焼器４での燃焼により改質触媒層３は加熱され、改質温度検知器６により検知される温度も上昇する。
【００４８】
ここで、制御器２０は、一回目の燃焼動作の場合に限り、燃焼器４に供給される燃焼燃料流量（図２に示した運転条件としては「原料流量」に対応する）を多くし、これにより、単位時間当たりの加熱量が多くなるよう、燃焼器４の燃焼動作（具体的には、原料供給器８の動作）を制御している。本実施の形態では、制御器２０により、図２に示すように、一回目の燃焼動作の燃焼燃料流量（原料流量）は、２．０ＮＬＭに調整され、二回目以降の燃焼動作の燃焼燃料流量は、１．５ＮＬＭに調整されている。一回目の燃焼動作では改質器内の温度が十分に温まっていないため、改質器全体を温めるために多くの熱量を要する。燃焼器４から供給する単位時間当たり熱量を多くしなければ改質触媒層３を第１の所定温度に加熱するまでに要する時間が長くなり、第１の昇温工程の時間が長くなってしまうからである。なお、二回目以降の燃焼動作では、改質器全体の温度が温まっているため、一回目の燃焼動作での燃焼燃料に比べて少ない流量で動かす方が好ましい。なお、燃焼器４での着火時の燃焼燃料については、一回目の燃焼動作と二回目以降の燃焼動作とで同流量とした。つまり、図２に示すように、燃焼器４の着火時に対応する原料燃料の立ち上がり時の流量は、一回目の燃焼動作および二回目以降の燃焼動作とも、１．５ＮＬＭに調整されている。このような流量調整の目的は、燃焼器４の着火の安定性を保つことにある。よって、安定した着火を行う事が出来さえすれば、着火時の燃焼燃料の流量も一回目の燃焼動作の方が二回目以降の燃焼動作よりも多くしても構わない。
【００４９】
また、燃焼器４の着火時の空気比を、着火後の燃焼器４の燃焼動作における燃焼器４の空気比よりも小さくしてもよい。これにより、燃焼器４の着火時の空気比を「１」に近づけ、燃焼器４の着火の容易化を図れると期待される。
【００５０】
また、制御器２０は、燃焼器４の燃焼動作における空気比を、一回目の燃焼動作よりも二回目以降の燃焼動作の方が高くなるように、原料供給器８や空気供給器１１の動作を制御している。つまり、燃焼燃料に対する空気の割合は、一回目の燃焼動作よりも二回目以下の燃焼動作の方が高くなっている。
【００５１】
なお、以上に述べた空気比とは、実際に供給した空気量Ａと理論空気量（燃焼燃料を完全に燃焼させるために必要な最低の空気量）Ａ0の比（Ａ／Ａ0）を指し、この値が「１」未満であれば、燃焼燃料の不完全燃焼を招く。
【００５２】
上述の空気比が高い程、燃焼燃料に対する空気の割合が増え、燃焼ガスの流速が異なってくる。そのため、空気比が高い程、燃焼ガス流路b1及び燃焼ガス流路b2と熱交換する蒸発器２の方に熱が伝わり易くなり、逆に改質触媒層３には熱が伝わり難くなる。よって、一回目の燃焼動作では、燃焼ガスの上流側に位置する改質触媒層３を加熱し易いように、空気比は低めに（例えば、燃焼器４の通常の燃焼動作で用いる標準の空気比に）調整され、二回目以降の燃焼動作では、蒸発器２を加熱し易いように空気比は高めに（例えば、上述の標準の空気比を超える空気比に）調整されている。
【００５３】
なお、図２では、燃焼器４に供給される空気流量に対応する運転条件として、燃料ファン回転数が示され、この燃焼ファン回転数が、燃焼器４の燃焼動作において、ほぼ単調に増加するような傾向が図示されている。このような燃焼ファン回転数の増加により、改質器の温度上昇に適切に対応して、燃焼器４に供給される燃焼燃料流量（原料流量）が一定であれば、燃焼器４に供給される空気流量も一定になるように、空気供給器１１の出力が調整されていると理解される。改質器の温度が上昇すると、改質器から排出されて燃焼器４に至る燃焼燃料の体積膨張や、水素生成装置１の高温化に伴う燃焼ガス体積収縮率の低下が、空気供給器１１により燃焼器に空気を供給する際の通気抵抗の増加になるので、図２に示すように燃焼ファン回転数を上げないと、空気流量を一定に保つことができないと考えられている。
【００５４】
このような燃焼動作において、制御器２０は、改質器を燃焼器４により加熱し、改質温度検知器６の検出温度が第１の所定温度以上に達した場合に、蒸発器２の温度を蒸発器温度検知器７により検知する。ここで、改質触媒層３の第１の所定温度としては、改質触媒が劣化せず、かつ、水がない状態で原料の炭素析出が生じない温度である。つまり、この第１の所定温度は、蒸発器２に対し水蒸発可能か否かを判定する際の契機となる温度として設定されているとともに、上述のとおり、改質触媒層３において原料の炭素が析出する温度未満に設定されている。
【００５５】
上述の改質触媒層３の材料の場合、具体的な設定温度としては、３００〜５００℃の範囲が好ましいが、本実施の形態では、３８０℃以下となるように設定されている。例えば、一回目の燃焼動作では、第１の所定温度の値を３６０℃とし、二回目以降の燃焼動作では、第１の所定温度の値を、上記値よりも高い３７０℃とした。一回目と二回目以降で第１の所定温度の値を変更する理由は、それぞれ燃焼燃料の流量が異なるためである。本実施の形態では、上述のとおり、一回目の燃焼動作の方が二回目以降の燃焼動作よりも燃焼燃料流量を多くするため、燃焼動作を停止した場合に改質触媒温度３の温度が、一回目の燃焼動作ではオーバーシュートし易くなる。よって、改質温度検知器６の検出温度を３８０℃以下に保つためには、一回目の燃焼動作においては第１の所定温度の値として３６０℃に、二回目以降の燃焼動作においては、第１の所定温度の値として３７０℃にする必要がある。なお、水素生成装置１の構成や使用する触媒、温度検知方法などにより、設定すべき温度は異なるため、３８０℃以下と限定されるものではない。また、第１の所定温度の値についても、水素生成装置１の構成や使用する触媒、温度検知方法などにより、燃焼停止時の改質触媒層３の温度のオーバーシュートの起こり易さが異なるため、それぞれの装置に適した値に設定すべきである。
【００５６】
このような理由から決まる第１の所定温度以上に改質温度検知器６の検出温度が達した場合に、制御器２０は、蒸発器２の温度を蒸発器温度検知器７により検知して、蒸発器２の温度が水蒸発可能な温度であるか否かを判定する。ここで、水蒸発可能な温度として、１００℃以上と設定すべきであるが、本実施の形態の構成では、上述のとおり、蒸発器温度検知器７が蒸発器２を構成する縦壁５１や横壁５２の外壁面に設置されているので、蒸発器温度検知器７により検知される温度は実際の蒸発器２の内部温度よりも低めになる。そのため、水蒸発可能な温度として判定される蒸発器温度検知器７により検知される水蒸発可能な温度を、一回目の燃焼動作においては１００℃より低めの９０℃、二回目以降の燃焼動作においては８５℃とした。なお、一回目の燃焼動作と二回目以降の燃焼動作とで、上述の水蒸発可能な温度の設定値を変更した理由は、水素生成装置１の運転を停止した後、まだ水素生成装置１の温度が温かい状態から起動を行った場合（以下、ホットスタートと呼ぶ）に対応するためである。水素生成装置１をホットスタートすると、蒸発器２の温度が起動開始時に高い値となっているが、第１の昇温工程中の一回目の燃焼動作において蒸発器２の温度が下降傾向になることがある。つまり、本実施の形態では、上述のとおり、燃焼器４の燃焼における空気比が、一回目の燃焼動作では低くめになっているので、一回目の燃焼動作における蒸発器２は、二回目以降の燃焼動作に比べて加熱され難い状態にある。このため、一回目の燃焼動作での水蒸発可能な温度を、二回目以降の燃焼動作での水蒸発可能な温度と同じ設定値（ここでは８５℃）とすると、蒸発器２での水蒸発可能と判断したにも関わらず、その後、蒸発器２に充分な熱量を供給できないことから、蒸発器２の温度が下降し続け、水供給器９より水を供給した際、水が蒸発しないという問題が発生し得る場合がある。よって、一回目の燃焼動作での水蒸発可能な温度の設定値を二回目以降の燃焼動作での水蒸発可能な温度の設定値よりも高くしている。
【００５７】
制御器２０は、上記水蒸発可能な温度の設定値を用いて、蒸発器２の温度が水蒸発可能な温度であるか否かを判定する。そして、水蒸発可能な温度である場合は（蒸発器温度検知器７により検知される温度が上記水蒸発可能な温度の設定値以上の場合）、燃焼器４での燃焼動作を継続したまま、水供給器９から水が供給され、第２の昇温工程に移行する。移行後の動作は前述した通りであるので省略する。一方、水蒸発可能な温度でない場合は（蒸発器温度検知器７により検知される温度が上記水蒸発可能な温度の設定値未満の場合）、改質温度検知器６の検出温度を３８０℃以下に保つために、燃焼器４での燃焼動作が、燃料供給器１０からの燃焼燃料の供給を止めることで停止される。例えば、制御器２０が、原料供給器８の流量調整弁を閉めることにより、燃焼器４の燃焼動作が停止される。また、改質触媒層３を空冷するために、空気供給器１１から燃焼器４に供給する空気量を燃焼動作の際の空気量よりも多くする。このとき、改質触媒層３の温度は蒸発器２の温度に比べて高いため、改質触媒層３の空冷に用いた空気により改質触媒層３から蒸発器２へ熱が伝わり、燃焼停止中も蒸発器２への加熱は行われる。
【００５８】
なお、改質触媒層３の空冷中は改質器及び水素生成装置１全体の温度分布が変化するために、改質器及び水素生成装置１内に充満している原料の温度が変化し体積も変化してしまう。温度変化は空冷の上流下流により異なり、温度が上昇したならば体積は膨張し内圧も上昇するし、温度が低下したならば体積は収縮し内圧も低下する。装置内の圧力が高く、もしくは、低くなり過ぎると、改質器に設けられている弁や供給ポンプなどの機器類や改質器の構造体に圧力がかかり、耐久性能を低下させてしまい、破損させてしまう可能性がある。そこで、改質器の内圧が所定の値を超える場合、制御器２０により、水素含有ガス経路ｃから燃焼器４に至る経路上に設けられた開閉弁（図示せず）が一時的に開くように制御されることで、改質器の内部のガス（原料などの可燃ガス）を燃焼器４に放出するようにして圧抜きが行われる。これにより、改質器の内圧を低下できる。なお、燃焼器４に放出された可燃ガスは、燃焼器４の内部において空気供給器１１により供給される空気により希釈され、外部に排出される。本実施の形態では、水素生成装置１内の改質器より下流の経路の内圧を３ｋPa以下に保つように圧抜きを行った。この値は、装置の構成により異なってくるため、必ずしもこの値である必要はなく、それぞれの装置に適した値に設定するべきである。
【００５９】
また、水素生成装置１の内圧が所定の値を下回った場合、制御器２０により、改質器の内部に原料を供給するように、原料供給器８の動作が制御される。これにより、水素生成装置１の内圧を上昇できる（なお、この場合、開閉弁は閉まっている）。本実施の形態では、０．５ｋPa以上に保つように圧張りを行った。この値は、装置の構成により異なってくるため、必ずしもこの値である必要はなく、それぞれの装置に適した値に設定するべきである。これらの圧抜きおよび圧張りにより改質器内の圧力を適正な状態に保つことができる。
【００６０】
燃焼停止中も空気供給器１１より燃焼器４に供給された空気により、蒸発器２への加熱は行われるが、一回目の燃焼動作後の燃焼停止と二回目以降の燃焼動作後の燃焼停止とで、蒸発器２への加熱量が異なってくる。一回目の燃焼後の燃焼停止では、改質器全体の温度が十分に上昇しておらず、局所的に改質触媒層３が加熱された状態になり易い。そのため、燃焼停止中に、燃焼器４への空気供給動作を行った際、燃焼ガス流路を流れる空気により改質触媒層３から持ち出される熱量はそれほど多くなく蒸発器２を含めた改質器以外の箇所の加熱効果はそれほど見込めない。そこで、一回目の燃焼動作の停止状態から二回目の燃焼動作に移る判定条件に用いる改質温度検知器６の検出温度は、二回目以降の燃焼動作の停止状態から次の（三回目以降）の燃焼動作に移る判定条件に用いる改質温度検知器６の検出温度よりも高く設定し、２回目以降の燃焼動作に速やかに移行し、改質器全体を早く加熱できるようにする。本実施の形態では、二回目の燃焼動作に移行するのに用いる判定条件として、図２に示すように、改質温度検知器６の検知温度に対して第２の所定温度（燃焼器４の着火温度）として３００℃を設定し、三回目以降の燃焼動作に移行するのに用いる判定条件として、図２に示すように、改質温度検知器６により検知温度に対して第２の所定温度（燃焼器４の着火温度）として２５０℃が設定される。このような燃焼動作に移行する判定条件（第２の所定温度）は、これらの値に限定されるものではなく、水素生成装置１の構成、触媒の種類、温度検知器の検知方法などにより異なってくる。但し、この第２の所定温度は、少なくとも、燃焼停止時に燃焼器４に供給され、改質触媒層３より伝熱された空気により、蒸発器２を昇温できなくなる温度より高めに設定されている。
【００６１】
なお、上述の本実施の形態の水素生成装置１は、改質器が所定温度以下（例えば、１５０℃以下）になった場合において、一回目の燃焼器４の燃焼動作が開始され、以上に述べた燃焼器４の燃焼動作をＯＮ−ＯＦＦさせるという水素生成装置１の起動動作が行なわれるが、当該所定温度も、水素生成装置１の構成、触媒の種類、温度検知器の検知方法などにより異なってくる。
【００６２】
改質温度検知器６により検知温度が第２の所定温度以下になった場合、制御器２０は、空気供給器１１から燃焼器４に給する空気量を燃焼に適した流量に変更するように、空気供給器１１の動作を制御するとともに、燃焼器４に再び燃焼燃料を供給するように、改質器へ原料の供給が開始されるよう原料供給器８を制御する。これにより、燃焼器４内の着火器（図示せず）により再着火が行われ、燃焼器４にて燃焼動作に移ることができる。
【００６３】
そして、制御器２０は、改質温度検知器６の検出温度がｎ回目燃焼動作時での第１の所定温度となった場合、蒸発器温度検知器７により、再び蒸発器２の温度が水蒸発可能な温度であるか否かを判定する。以下、上記動作と同様の動作が、蒸発器２の温度が水蒸発可能な温度である所定の閾値以上になるまで繰り返し行われる。
【００６４】
なお、燃焼器４の燃焼動作を停止して、改質触媒層３を空冷している間に、蒸発器２の温度が所定の閾値以上に上昇した場合は、改質器（改質触媒層３）の温度を燃焼動作に移る判定条件にまで低下させずとも、燃焼器４の燃焼動作に移行しても構わない。
【００６５】
以上で述べた本実施の形態による水素生成装置１の第１の昇温工程における運転条件をまとめた結果を図３に示す。図３に示すように、一回目の燃焼動作、二回目の燃焼動作、三回目以降の燃焼動作に応じて、それぞれ原料流量、消火温度（第１の所定温度）、着火温度（第２の所定温度）、空気比、水蒸発可能な温度が変更されている。これらの操作により、第１の昇温工程に要する時間（すなわち、起動動作に要する時間）を短縮できると期待される。つまり、本実施の形態では、第１の昇温工程に要する時間は、図２に示すように、約２８分であり、この時間は、以下の比較例よりも短くなっている。
【００６６】
また、蒸発器２の温度上昇も早くなるため、燃焼器４の燃焼動作を停止（ＯＦＦ）する回数も低減できるようになり、改質器に繰り返し加わる熱負荷も低減できると期待される。つまり、本実施の形態では、燃焼動作のＯＦＦ回数は２回であり、この回数は、以下の比較例よりも少なくなっている。
【００６７】
ここで、本実施の形態の水素生成装置１の起動動作に対する比較例として、本実施の形態とは異なる２つの運転条件により水素生成装置の起動動作（第１の昇温工程及び第２の昇温工程）が実行された。
【００６８】
図４は、水素生成装置の他の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程（但し、途中まで）における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。
【００６９】
図４に示した水素生成装置の運転条件としては、蒸発器２に対し水蒸発可能か否かを判定する際の契機となる第１の所定温度を３７０℃、燃焼動作を再開する温度（第２の所定温度）を３００℃としたものである。また、原料流量は１．５ＮＬＭに固定されている。また、空気比は、標準に固定され、水蒸発可能な温度は、８５℃に固定されている。
【００７０】
図４によれば、第１の昇温工程に要する時間が約３３分であり、燃焼動作のＯＦＦ回数が３回であることが分かる。本実施の形態では、第１の昇温工程に要する時間は、約２８分なので、約５分（約１５％）、水素生成装置の起動時間を短縮できると見積もれる。また、本実施の形態では、燃焼動作のＯＦＦ回数は２回なので、燃焼動作のＯＦＦ回数を一回分、削減できると見積もれる。
【００７１】
図５は、水素生成装置の更に他の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程（但し、途中まで）における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。
【００７２】
図５に示した水素生成装置の運転条件としては、蒸発器２に対し水蒸発可能か否かを判定する際の契機となる第１の所定温度を３２０℃、燃焼動作を再開する温度（第２の所定温度）を３００℃としたものである。また、原料流量は１．５ＮＬＭに固定されている。また、空気比は、標準に固定され、水蒸発可能な温度は、８５℃に固定されている。つまり、この運転条件では、第１の所定温度と第２の所定温度との間の温度差を僅か２０℃としている。
【００７３】
図５によれば、第１の昇温工程に要する時間が約３６分であり、燃焼動作のＯＦＦ回数が６回であることが分かる。本実施の形態では、第１の昇温工程に要する時間は、約２８分なので、約８分（約２２％）、水素生成装置の起動時間を短縮できると見積もれる。また、本実施の形態では、燃焼動作のＯＦＦ回数は２回なので、燃焼動作のＯＦＦ回数を４回分、削減できると見積もれる。
【００７４】
なお、本実施の形態では、燃焼器４の燃焼動作として、一回目の燃焼動作、二回目の燃焼動作および三回目以降の燃焼動作とに区分けして、水素生成装置１の第１の昇温工程を説明しているが、この回数は飽くまで一例に過ぎない。
【００７５】
例えば、制御器２０は、一回目の燃焼動作での燃焼器４による単位時間当たりの加熱量が、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作での単位時間当たりの加熱量よりも大きくなるよう、燃焼器４の燃焼動作を制御すればよい。同様に、制御器２０は、燃焼器４の一回目の燃焼動作をＯＦＦする際の改質器（改質触媒層３）の温度を、ｋ回目以降（ｋ＞１）の燃焼動作をＯＦＦする際の改質器（改質触媒層３）の温度よりも低くするよう、燃焼器４の燃焼動作（消火温度）を制御すればよい。つまり、上述の「ｋ回目」とは、本実施の形態で例示された「二回目」に限定されず、二回目以上であればどのような回数であってもよい。
【００７６】
また、制御器２０は、燃焼器４の燃焼動作が「ｍ回目」にＯＮする際の改質器（改質触媒層３）の温度よりも、ｎ回目以降（ｎ＞ｍ＞１）にＯＮする際の改質器（改質触媒層３）の温度が低くなるよう、燃焼器４の燃焼動作（着火温度）を制御すればよい。つまり、上述の「ｍ回目」とは、本実施の形態で例示された「二回目」に限らず、二回目以上であればどのような回数であってもよい。また、上述の「ｎ回目以降」とは、本実施の形態で例示された「三回目」に限らず、「ｍ回目」を超える回数であれば、どのような回数であってもよい。
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について図面を参照して説明する。
【００７７】
図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。この燃料電池システム２００は、水素生成装置１と、燃料電池１０１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。
【００７８】
水素生成装置１は、実施の形態１の水素生成装置１であるが、ここでは、前述した改質器（図６では「改質器１Ａ」として図示）及び燃焼器４の他に、さらに変成器３０とCO除去器３１とを備えている。
具体的には、図１の水素含有ガス流路cが変成器３０に接続されており、変成器３０とCO除去器３１とが水素含有ガス流路ｄによって接続されている。かかる構成の水素生成装置１では、改質触媒層３で生成された水素含有ガスが水素含有ガス流路cを介して変成器３０に供給され、ここで、水素含有ガス中の一酸化炭素のシフト反応によりCO濃度の低減化が行われる。変成器３０から送出される水素含有ガスは、CO除去器３１に供給され、ここでさらに水素含有ガス中の一酸化炭素の酸化反応によりCO濃度の低減化が行われる。このように変成器３０及びCO除去器３１によってCO低減化処理が行われることにより、水素生成装置１では、CO濃度の低い水素含有ガスが得られる。
【００７９】
なお、原料供給源より改質器１Ａに供給される経路に図１の原料供給器８が設けられ、上記経路より分岐して燃焼器４へ至る経路に図１の燃料供給器１０が設けられている。
【００８０】
燃料電池システム２００では、水素生成装置１が燃料電池１０１に接続され、水素含有ガスが供給される。また、燃料電池１０１には、酸化剤ガスが別途供給される。この水素含有ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが燃料電池１０１で反応する事で電力を生み出す。
【００８１】
燃料電池システム２００の運転では、まず、前述のように、水素生成装置１において、第１の昇温工程、第２の昇温工程、及び水素生成工程が行われる。これらの動作については、実施の形態１において記載した通りであり、ここでは説明を省略する。水素生成装置１では、実施の形態１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、耐久性能の高い運転を実現することが可能となる。なお、本実施の形態における水素生成装置１の起動動作は、制御器２０（図１参照）より起動指令が出力されてから、第１の昇温工程、第２の昇温工程を経て、改質器１Ａが水素生成工程に入った後、燃料電池１０１に供給可能なレベルまで変成器３０及びCO除去器３１により一酸化炭素が低減され、水素生成装置１で生成された水素含有ガスを燃料電池に供給開始するまでとなる。
【００８２】
上述のように水素含有ガス中の一酸化炭素が十分に低減されると水素生成装置１で製造された水素含有ガスは、発電燃料として、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、酸化剤ガスとして空気が供給される。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、この発電反応により熱が発生する。この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（図示せず）に回収され、種々の用途で利用される。例えば、給湯に利用したりできる。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の燃料極から排出され、水素生成装置１の燃焼器４に燃焼燃料として供給される。
【００８３】
本実施の形態の燃料電池システム２００では、前述のように水素生成装置１での起動時間を短縮できるため、燃料電池１０１に短時間で水素ガスの供給を行うことができる。それゆえ、燃料電池システム２００から電力エネルギー及ぶ熱エネルギーを短時間で供給することが可能となり、経済性に優れた燃料電池システム２００を実現する事が可能となる。
【００８４】
なお、上記の実施の形態２では、実施の形態１で述べた水素生成装置１を燃料電池システム２００の水素ガス供給装置として利用する例について説明したが、燃料電池システムの水素ガス供給装置以外の用途としても、実施の形態１で述べた水素生成装置１は適用可能である。
【００８５】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明に係る水素生成装置は、種々の用途で用いられる水素の製造に利用可能であり、例えば、燃料電池の燃料ガスとして使用される水素ガスの製造に有用である。また、この水素発生装置を備えた燃料電池発電システムは、発電装置として種々の用途で利用可能であり、例えば、家庭用燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１による水素生成装置の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の第１の昇温工程における運転条件をまとめた結果を示した図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の他の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の他の起動動作である第１の昇温工程及び第２の昇温工程における、各種の運転条件の時間的な変化の様子を模式的に表した図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２における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】
【００８８】
１  水素生成装置
２  蒸発器
３  改質触媒層
４  燃焼器
５  輻射筒
６  改質温度検知器
７  蒸発器温度検知器
８  原料供給器
９  水供給器
１０  燃料供給器
１１  空気供給器
２０  制御器
３０  変成器
３１  CO除去器
５０  本体
５１  縦壁
５２  横壁
５３  間隙
１０１  燃料電池
２００  燃料電池システム
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007145321.tif 000009
【図２】
2007145321.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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