(57)【要約】【課題】環境温度が低い場合に加熱器の加熱量を小さくすることで、長寿命化を図ることができる水素生成装置ならびに燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素生成装置４００は、炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器１００を含む反応器と、少なくとも前記反応器の一部を加熱する加熱器２０と、環境温度が相対的に低い場合は、環境温度が相対的に高い場合よりも小さい加熱量で加熱するように前記加熱器２０を制御する制御器３００と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器を含む反応器と、
少なくとも前記反応器の一部を加熱する加熱器と、
環境温度が相対的に低い場合は、環境温度が相対的に高い場合よりも小さい加熱量で加熱するように前記加熱器を制御する制御器と、
を備えた、水素生成装置。
【請求項２】
前記制御器は、前記環境温度が予め設定された第１閾値以上である場合に、第１加熱量で加熱するように前記加熱器を制御し、前記環境温度が前記第１閾値より低い場合に、前記第１加熱量より小さい第２加熱量で加熱するよう前記加熱器を制御する、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記反応器の反応器温度を検知する反応器温度検知器を備え、
前記制御器は、前記環境温度が前記第１閾値以上である場合、又は、前記反応器温度検知器により検知される反応器温度が予め設定される第２閾値以上である場合に、前記第１加熱量で加熱するように前記加熱器を制御し、前記環境温度が前記第１閾値より低く、かつ、前記環境温度が前記第２閾値より低い場合に、前記第２加熱量で加熱するよう前記加熱器を制御する、請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記環境温度は、前記水素生成装置の周囲温度である、請求項１から３のいずれか１つに記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記環境温度は、前記反応器温度検知器が検知する反応器温度である、請求項１から３のいずれか１つに記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記環境温度は、前記加熱器による加熱を停止した場合又は加熱量を一定にした場合の前記反応器温度検知器により検知される反応器温度の低下速度より検知される温度である、請求項１から３のいずれか１つに記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記環境温度は、前記加熱器による加熱量を一定にした場合の前記反応器温度検知器により検知される反応器温度の上昇速度より検知される温度である、請求項１から３のいずれか１つに記載の水素生成装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
【請求項９】
炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器を含む反応器と、前記改質器を加熱する加熱器と、を備える水素生成装置の運転方法であって、環境温度が相対的に低い場合は、環境温度が相対的に高い場合よりも小さい加熱量で加熱するように前記加熱器を作動する、水素生成装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有ガスを生成する水素生成装置及びそれを備える燃料電池システムに関し、特に、起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型装置でも高効率発電ができる燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）は、分散型エネルギー供給源の発電装置として、開発が進められている。
【０００３】
この燃料電池システムは、発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、固体高分子形燃料電池、或いは、固体電解質形燃料電池等が用いられる。
【０００４】
これらの燃料電池の内で、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池（略称、「ＰＥＦＣ」）は、発電運転の際の動作温度が比較的低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池として好適に用いられる。特に、固体高分子形燃料電池は、リン酸形燃料電池と比べて電極触媒の劣化が少なく、かつ電解質の逸散が発生しないため、携帯用電子機器や電気自動車等の用途において特に適に用いられる。
【０００５】
さて、燃料電池の多く、例えば、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池は、発電運転の際に水素を燃料として用いる。しかし、それらの燃料電池において発電運転の際に必要となる水素の供給手段は、通常、インフラストラクチャとして整備されてはいない。
【０００６】
従って、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムにより電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において、燃料としての水素を生成する必要がある。このため、燃料電池システムは、通常、改質器を有する水素生成装置を備える。改質器では、一般的な原料インフラガスである都市ガス、天然ガス或いはＬＰＧから水素含有ガスが、改質反応により生成される。
【０００７】
改質反応としては、例えば、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応では、原料となる都市ガス等と水蒸気とをＮｉ系またはＲｕ系等の貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスが生成される。
【０００８】
水蒸気改質反応を安定かつ効率に行うには、供給原料の組成に適した量の水を供給する必要がある。例えば、メタン（ＣＨ4）やエタン（Ｃ2Ｈ6）が水蒸気改質されて水素と二酸化炭素とが生成される改質反応では、理論的には、１モルのメタンに対して必要な水の量は２モルである。また、１モルのエタンに対しては必要な水の量は４モルである。
【０００９】
通常は、改質器への水の供給量が不足すると、供給原料中の炭素が析出する等の問題が生じることから、このような問題を防止すべく、原料の供給流量から算出された理論水量の１．５倍程度の水が改質器に供給されるように水供給流量が設定されている。そして、原料の供給流量に応じて水の供給流量が、所望の値になるよう、水素生成装置の運転が制御されている。
【００１０】
また、改質器の水蒸気改質反応に必要な熱エネルギーは、改質器に設けた燃焼器の原料燃焼によって改質器に供給されている。起動時は、水素生成装置を通流したガスを直接、
燃焼器に戻して燃焼させ、燃料電池に水素含有ガスを供給している時は、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃焼器で燃焼させる方法が一般的である。
【００１１】
改質器は高温で作動させる必要があるため、改質器を所定の温度まで上昇させるのに時間がかかり、それが燃料電池システムの起動時間の大きな割合を占めている。
【００１２】
燃料電池システムの起動時間を短縮するための手段として、起動時に燃焼器での原料燃焼開始からの時間経過に伴って、原料の流量を増加させ、改質器の温度を短時間に上昇させる方法が提案されている（例えば、特許文献１）。また、環境温度が低いほど、加熱器へのガス操作量を大きく設定し、運転を安定させる方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−６９０２９号公報
【特許文献２】特開２０１２−５９５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来の構成では、改質器を所定の温度まで上昇させる時間を一定にする場合は、環境温度が低いほど加熱量を大きくする必要がある。そのため、環境温度が高い場合に比べ低い場合には、水素生成装置を形成する構造体のうち、加熱器によって直接加熱される部位と、外部への放熱量が大きくなる、間接的に加熱される部位との、温度差が大きくなるため、２部位の間にかかる応力が大きくなり、構造体へ大きな負荷がかかることによる破壊が起こるという課題を有していた。
【００１５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、環境温度が低い場合、加熱量を小さくすることで、商品の耐久性を維持可能な、水素生成装置並びに燃料電池システムと、その運転方法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】
【００１６】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器を含む反応器と、少なくとも前記反応器の一部を加熱する加熱器とを備え、前記加熱器が、環境温度が相対的に低い場合は、環境温度が相対的に高い場合よりも小さい加熱量で加熱することを特徴としたものである。
【００１７】
これによって、環境温度が低い場合、水素生成装置の昇温を伴う起動時において、加熱量を小さくすることで、水素生成装置構造体の直接加熱される部分の昇温速度を抑えることができ、間接的に加熱される部分との温度差を小さくすることができるため、応力を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水素生成装置によれば、環境温度が低い場合に水素生成装置の構造体にかかる応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成の一例を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１の実施例１にかかる水素生成装置における起動方法の一例を示すフローチャート
【図３】本発明の実施の形態１の実施例１にかかる水素生成装置の起動時における加熱量と環境温度との関係の一例を示す特性図
【図４】本発明の実施の形態１の実施例２にかかる水素生成装置の起動時における加熱量と環境温度との関係の一例を示す特性図
【図５】本発明の実施の形態１の実施例３にかかる水素生成装置の起動時における加熱量と環境温度との関係の一例を示す特性図
【図６】本発明の実施の形態１の実施例４にかかる水素生成装置における起動方法の一例を示すフローチャート
【図７】本発明の実施の形態１の変形例１にかかる水素生成装置の構成の一例を示すブロック図
【図８】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
第１の発明である水素生成装置は、炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器を含む反応器と、少なくとも前記反応器の一部を加熱する加熱器と、環境温度が相対的に低い場合は、環境温度が相対的に高い場合よりも小さい加熱量で加熱するように前記加熱器を制御する制御器と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
本発明の水素生成装置によれば、環境温度が低い場合は、加熱量を小さくすることにより、水素生成装置構造体の直接加熱される部分の昇温速度を抑えることができ、間接的に加熱される部分との温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことができる。
【００２２】
第２の発明である水素生成装置は、特に、第１の発明の水素生成装置における前記制御器が、前記環境温度が、予め設定された第１閾値以上である場合に、第１加熱量で加熱するように前記加熱器を制御し、前記環境温度が前記第１閾値より低い場合に、前記第１加熱量より小さい第２加熱量で加熱するよう前記加熱器を制御することを特徴とする。
【００２３】
本発明の水素生成装置によれば、環境温度に閾値を設け、環境温度が閾値以上の場合よりも、閾値より低い場合に、加熱量を小さくすることにより、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。さらに起動時間が長くなる頻度を抑制できるため、商品性を損なうことがない。
【００２４】
第３の発明である水素生成装置は、特に、第２の発明の水素生成装置における前記反応器の反応器温度を検知する反応器温度検知器を備え、前記制御器が、前記環境温度が前記第１閾値以上である場合、又は、前記反応器温度検知器により検知される反応器温度が予め設定される第２閾値以上である場合に、前記第１加熱量で加熱するように前記加熱器を制御し、前記環境温度が前記第１閾値より低く、かつ、前記環境温度が前記第２閾値より低い場合に、前記第２加熱量で加熱するよう前記加熱器を制御することを特徴とする。
【００２５】
本発明の水素生成装置によれば、環境温度が低い場合、かつ、反応温度が低い場合以外は、加熱量を小さくしないことにより、加熱量を小さくすることによる起動時間が長期化する頻度を小さくすることができ、水素生成装置の商品性を損なうことを抑制することができる。
【００２６】
第４の発明である水素生成装置は、特に、第１から第３のいずれか１つの発明の水素生成装置における前記環境温度が、前記水素生成装置の周囲温度であることを特徴とする。
【００２７】
本発明の水素生成装置によれば、水素生成装置の周囲温度より環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、環境温度を安価に第１の発明と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
第５の発明である水素生成装置は、特に、第１から第３のいずれか１つの発明の水素生成装置における前記環境温度が、前記反応器温度検知器が検知する反応器温度であることを特徴とする。
【００２９】
本発明の水素生成装置によれば、水素生成装置の温度制御に通常備えられている反応器温度検知器が検知する反応器温度より環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、停止、冷却時に、環境温度が低くなる場合に、水素生成装置の構造体の応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【００３０】
第６の発明である水素生成装置は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の水素生成装置における前記環境温度が、前記加熱器による加熱を停止した場合又は加熱量を一定にした場合の前記反応器温度検知器により検知される温度の低下速度より検知される温度であることを特徴とする。
【００３１】
本発明の水素生成装置によれば、水素生成装置の温度制御のために通常備えられている反応器温度検知器が検知する停止、冷却時の反応器温度より環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、停止、冷却時に、環境温度が低くなる場合に、水素生成装置の構造体の応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【００３２】
第７の発明である水素生成装置は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の水素生成装置における前記環境温度が、前記加熱器による加熱量を一定にした場合の前記反応器温度検知器により検知される温度の上昇速度より検知される温度であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の水素生成装置によれば、水素生成装置の温度制御のために通常備えられている反応器温度検知器が検知する起動、昇温時の反応温度より環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、起動時に環境温度が低くなる場合に、水素生成装置の構造体の応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【００３４】
第８の発明である燃料電池システムは、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。
【００３５】
本発明の燃料電池システムによれば、水素生成装置への応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができるため、燃料電池システムの寿命を延ばすことができる。
【００３６】
第９の発明である水素生成装置の運転方法は、炭化水素を含む原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器を含む反応器と、前記改質器を加熱する加熱器と、を備える水素生成装置の運転方法であって、環境温度が相対的に低い場合は、環境温度が相対的に高い場合よりも小さい加熱量で加熱するように前記加熱器を作動することを特徴とする。
【００３７】
本発明の水素生成装置の運転方法によれば、環境温度が低い場合、加熱量を小さくすることにより、水素生成装置構造体の直接加熱される部分の昇温速度を抑えることができ、間接的に加熱される部分との温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、水素生成装置の寿命を延ばすことが
できる。
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる水素生成装置４００の構成の一例を示すブロック図である。
【００４０】
図１に示す本実施の形態の水素生成装置４００は、水素含有ガスを生成する反応器の一つである改質器１００と、改質器１００に原料を供給する原料供給器３１と、原料の供給量を検出する原料供給量検出器３０と、原料に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器１０と、改質器１００に水を供給する水供給器５１と、水の供給量を検出する水供給量検出器５０と、改質器１００を加熱する加熱器２０と、加熱器２０に空気を供給する空気供給器７１と、空気の供給量を検出する空気供給量検出器７０と、反応気温度検知器の一つである、改質器１００の温度を検知する改質器温度検知器８０と、改質器１００が生成する水素含有ガス中のＣＯを低減する反応器の一つであるＣＯ低減器１５０と、ＣＯ低減器１５０の温度を検知する反応器温度検知器９０と、水素生成装置４００を制御する制御器３００と、を備える。
【００４１】
改質器温度検知器８０とＣＯ低減器温度検知器９０は、例えば熱電対によって構成される。なお、加熱器２０は、例えば、燃焼器、ヒータ及び触媒燃焼器であっても良い。本実施の形態では、加熱器２０を燃焼器とした場合の説明をする。また、反応器は、改質器１００が少なくとも含まれていればよく、本実施の形態では、改質器１００とＣＯ低減器１５０からなる構成を採っているが、例えば改質器１００のみからなる構成でも良い。
【００４２】
改質器１００は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成するものであり、ステンレス構造体で構成され、改質反応を進行させる改質触媒が充填される。本実施の形態では、改質触媒は、アルミナビーズを担体としてＲｕを担持させたものを用いた。
【００４３】
改質触媒は、改質反応を進行させることが可能であれば、いずれの触媒であっても構わず、一般的に、Ｒｕの他に、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｅ及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が触媒金属に好適に用いられる。また、担体としてハニカムを用いることもできる。
【００４４】
原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含み、具体的には、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素、及びメタノール、エタノール等のアルコールが例示される。ここで、都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。
【００４５】
これら原料には、漏洩を検知するために、主に硫黄化合物からなる付臭剤が少なくとも一種類以上含有され、付臭が行われている。これら硫黄化合物からなる付臭剤は、改質触媒を被毒し、劣化させてしまうため、予め脱硫器１０にて、取り除かれた後、改質器１００に供給される。
【００４６】
改質反応は、原料及び水蒸気から水素含有ガスが生成される反応であれば、いずれの改質反応でも良い。具体的には、水蒸気改質反応、及びオートサーマル反応、部分酸化反応が例示され、その組み合わせでも良い。改質器１００で生成された水素含有ガスは、水素供給経路４１を介して水素利用機器２０１に供給される。
【００４７】
改質器温度検知器８０は、改質器１００の温度を検知する。なお、改質器１００の内部の触媒温度を直接測定することが望ましいが、検知された値から触媒温度を推定できるのであれば、改質器１００の外部、あるいは近傍に温度検知部を設置しても構わない。改質器温度検知器８０として熱電対を用いたが、他にサーミスタなどが例示される。
【００４８】
原料供給器３１は、原料を改質器１００に供給する。原料供給器３１は、例えば、昇圧器及び流量調整弁の少なくともいずれか一方により構成される。
【００４９】
水供給器５１は、水を改質器１００に供給する。水供給器５１は、水の供給量を調整できるものであり、例えば、ポンプ及び流量調整弁の少なくともいずれか一方により構成される。本実施の形態では、水供給量検出器５０によって水の供給量の調整を行ったが、操作量に基づいて行っても良い。
【００５０】
加熱器２０は、改質器１００を加熱する。加熱器２０の燃料には、原料供給器３１から供給される原料と、改質器１００より排出される水素含有ガスの一部もしくは全部が用いられる。加熱器２０に供給される水素含有ガスは、改質器１００から加熱器２０に直接供給されても良いし、水素利用機器２０１を経由し、水素利用機器２０１から排出されて加熱器２０に供給されても良い。加熱器２０において、燃料供給器（図示せず）から水素含有ガスに燃料を追加して燃焼されても良い。
【００５１】
空気供給器７１は、加熱器２０に燃焼空気を供給する。空気供給器７１は、例えば、ファン及びポンプの少なくともいずれか一方により構成される。
【００５２】
ＣＯ低減器１５０は、改質器１００から出た水素含有ガス中のＣＯをシフト反応、選択酸化反応、メタン化反応のうち、少なくとも一つの反応を用いて、低減させる。ＣＯ低減器１５０でのＣＯ低減反応には、１００℃から３００℃の反応熱が必要であり、本実施の形態では、相対的に高温である改質器１００と隣接させ、伝熱により加熱する方法を用いた。加熱器２０により直接加熱する方法を用いても良く、併用しても良い。加熱器２０には燃焼器を用いたが、ヒータを用いても良く、併用しても良い。
【００５３】
ＣＯ低減器温度検知器９０は、ＣＯ低減器１５０の温度を検知する。なお、ＣＯ低減器１５０の内部の触媒温度を直接測定することが望ましいが、検知された値から触媒温度を推定できるのであれば、ＣＯ低減器１５０の外部、あるいは近傍に温度検知部を設置しても構わない。ＣＯ低減器温度検知器９０として熱電対を用いたが、他にサーミスタなどが例示される。
【００５４】
なお、水素利用機器２０１が水素含有ガスのＣＯ濃度の上限を設けない場合ば、水素生成装置４００にＣＯ低減器１５０およびＣＯ低減器温度検知器９０を設ける必要はない。
【００５５】
脱硫器１０には、ステンレス構造体を有する脱硫容器に、常温用吸着脱硫剤である銀をイオン交換したゼオライトを充填した吸着脱硫器を用いた。脱硫方式には吸着脱硫方式と水添脱硫方式があり、吸着脱硫方式であれば、ゼオライト系脱硫剤等、１種類以上の脱硫剤を充填し、常温もしくは加温して、脱硫機能を発揮する。
【００５６】
水添脱硫方式であれば、改質器１００で生成された水素含有ガスの一部を脱硫器１０に供給するためのリサイクルガス経路（図示せず）を備え、脱硫器１０に充填される水添脱硫触媒としては、ＣｕＺｎ系触媒（ＣｏＭｏ系触媒などとの組み合わせも含む）などが挙げられる。また、脱硫方式として、水添脱硫方式と吸着脱硫方式とを組み合わせて用いる構成も取ることができる。
【００５７】
例えば、リサイクルガス経路から水素含有ガスを水添脱硫方式の脱硫器１０に供給できない起動時や停止時のステップにおいて、吸着脱硫方式の脱硫器１０に原料ガスを流通させ硫黄化合物を吸着脱硫する方法などである。
【００５８】
制御器３００は、制御機能を有するものであれば、水素生成装置４００全体あるいは一部を制御可能などのような制御装置でも良い。制御器３００は、演算部３０１と、制御プログラムを記憶する記憶部３０２とを備える。演算部３０１としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部３０２としては、メモリが例示される。制御器３００は、記憶部３０２に起動時の運転パラメータ群を記憶している。
【００５９】
制御器３００は、単独の制御器でも複数の制御器でも良い。つまり、制御器３００のそれぞれが、集中制御を行う単独の制御器で構成されていても良いし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていても良い。この点は、後述の他の実施の形態の制御器においても同様である。
【００６０】
原料供給器３１から改質器１００に至る原料の供給路の途中には、原料の供給量を検出する原料供給量検出器３０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。また、水供給器５１から改質器１００に至る水の供給路の途中には、水の供給量を検出する水供給量検出器５０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。原料供給量検出器３０及び水供給量検出器５０は、ここでは、それぞれ、マスフローメータ等の流量計で構成されている。
【００６１】
空気供給器７１から加熱器２０に至る空気の供給経路の途中に空気の供給量を検出する空気供給量検出器７０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。本実施の形態１では、空気供給量検出器７０によって空気の供給量の調整を行ったが、操作量に基づいて行っても良い。空気供給量検出器７０は、ここでは、それぞれ、マスフローメータ等の流量計で構成されている。
【００６２】
制御器３００に備えられる記憶部３０２には、水素生成装置４００の各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算部３０１は、記憶部３０２から必要なプログラムを読み出してこれを実行することによって、水素生成装置４００の各種の動作を制御する。
【００６３】
以下、実施の形態１の水素生成装置４００の動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器３００が水素生成装置４００を制御することによって行われる。
【００６４】
水素生成装置４００が起動すると、加熱器２０における燃焼を開始する。このとき、封止器４０を閉止しているが、水素供給経路４１から分岐して伸び、加熱器２０に至る燃焼用の燃料供給経路４２がガス通気状態となっている。よって、原料供給器３１の動作開始により原料が改質器１００に供給されると、改質器１００を通過した原料は、上記燃焼用の燃料供給経路４２を用いて加熱器２０に供給される。
【００６５】
同時に、空気供給器７１の動作開始により、燃焼用の空気が加熱器２０に供給される。加熱器２０において、点火電極（図示せず）により着火動作がおこなわれ、燃焼用の空気を用いて、燃料の燃焼が起こる。このようにして、加熱器２０から供給される燃焼熱により、改質器１００が加熱される。
【００６６】
次いで、水供給器５１の動作開始により、改質器１００に水が供給される。水の供給開始後、改質器１００で生成された水素含有ガスの組成が水素利用機器２０１への供給に適
した組成になった段階で、水素利用機器２０１に水素含有ガスが供給される。水素生成装置４００を停止させる場合、原料供給器３１と水供給器５１を停止させる。
【００６７】
本実施の形態では、制御器３００は、環境温度３０℃の際に水素生成装置４００の起動時における加熱量を４０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、改質器１００の昇温を行った。
【００６８】
改質器１００の構造体のうち、加熱器２０と隣接し、加熱器２０により直接加熱される部位Ａと、加熱器２０と接触せず、伝熱により間接的に加熱される部位Ｂについて、起動開始より１０分後の温度を測定計測したところ、部位Ａは４００℃、部位Ｂは２８０℃であった。
【００６９】
環境温度−３０℃の際に、水素生成装置４００の起動時における加熱量を４０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、改質器１００の昇温を行った場合、起動開始より１２分後に部位Ａは４００℃、部位Ｂは２００℃となり、部位Ａと部位Ｂとにかかる熱応力は、環境温度３０℃の際の熱応力に比べ大きくなり、水素生成装置４００の構造体へのダメージが大きくなる。
【００７０】
本実施の形態では、環境温度−３０℃の際に、水素生成装置４００の起動時における加熱量を環境温度３０℃の際より小さい２０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、改質器１００の昇温を行った。その結果、起動開始より１５分後の温度を測定計測したところ、部位Ａは４００℃、部位Ｂは２８５℃であった。
【００７１】
本実施の形態では、水素生成装置４００の構造体のうち、環境温度の影響をあまり受けない直接加熱される部位Ａの昇温速度を抑え、環境温度の影響を受けやすい間接的に加熱される部分Ｂは部位Ａからの伝熱で時間をかけて昇温させることで、部位Ａと部位Ｂ間の温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、水素生成装置４００の寿命を延ばすことができる。
【００７２】
（実施例１）
図２は、本発明の実施の形態１の実施例１にかかる水素生成装置４００における起動方法の一例を示すフローチャートであり、図３は、実施の形態１の実施例１にかかる水素生成装置４００の起動時における加熱量と環境温度との関係の一例を示す特性図である。
【００７３】
実施例１の水素生成装置４００の構成は、実施の形態１の水素生成装置４００と同様のため、重複する説明を省略する。
【００７４】
実施例１の水素生成装置４００の起動方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００７５】
まず、制御器３００に起動開始指令が入力される（ステップＳ１００）。次に、環境温度Ｔｅと第１閾値Ａの大小を比較し（ステップＳ１０１）、Ｔｅ≧Ａの場合は、ステップＳ１０４へ移行し、Ｔｅ＜Ａの場合は、ステップＳ１０２へ移行する。
【００７６】
なお、本実施例では、第１閾値Ａを０℃とした（図３参照）。水素生成装置４００の構造体及び触媒の耐久性の観点からみて、起動時に発生する応力が許容できる環境温度であり、起動時間が長くなる頻度を抑制でき、商品性が損なわれない環境温度である。
【００７７】
ステップＳ１０１で環境温度が、Ｔｅ≧Ａである場合は、第１加熱量による加熱を開始する（ステップＳ１０４）。この場合は、加熱器２０において、図示されない点火装置により点火された原料ガスは燃焼用空気と共に燃焼する。
【００７８】
原料ガスは加熱器２０による加熱量が第１加熱量となるように供給され、燃焼により発生した熱は、改質器１００およびＣＯ低減器１５０に伝わり、改質器１００およびＣＯ低減器１５０を昇温する。なお、同時にヒータによる加熱を併用しても良い。第１加熱量は本実施例では４０ｋＪ／ｍｉｎとした（図３参照）。
【００７９】
次に、水供給器５１から水が供給され、改質反応が開始する（ステップＳ１０５）。なお、水供給開始タイミングは所定の温度条件を改質器温度検知器８０で検知される改質温度が所定の温度条件を満たしたときでも良いし、加熱開始から所定時間経過後でも良く、ＣＯ低減器温度検知器９０が存在する場合は、ＣＯ低減器温度検知器９０によって測定された温度に対して、あらかじめ設定した閾値に基づいて決定しても良い。
【００８０】
水素生成装置４００の改質器１００、ＣＯ低減器１５０の温度がそれぞれ所定の温度に到達し、水素生成装置４００から水素利用機器２０１に水素が供給される（ステップＳ１０６）。ここで所定の温度とは、例えば、改質温度は５００℃、ＣＯ低減器温度が２００℃とした。
【００８１】
ステップＳ１０１で環境温度が、Ｔｅ＜Ａである場合は、第１加熱量より小さい第２加熱量による加熱を開始する（ステップＳ１０２）。第１加熱量は本実施例では２０ｋＪ／ｍｉｎとした（図３参照）。次に水供給器５１から水が供給され、改質反応が開始する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０２，Ｓ１０３においては、加熱量以外は、ステップＳ１０４，Ｓ１０５と同様のため、説明を省略する。
【００８２】
以上のように、本実施例においては、環境温度に閾値を設け、環境温度が閾値以上の場合よりも、閾値より低い場合に、加熱量を小さくすることにより、水素生成装置４００の構造体のうち、環境温度の影響をあまり受けない直接加熱される部位Ａの昇温速度を抑えることができ、環境温度の影響を受けやすい間接的に加熱される部分Ｂの昇温速度を抑えないことで、部位Ａと部位Ｂ間の温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。さらに起動時間が長くなる頻度を抑制できるため、商品性を損なうことがない。
【００８３】
ここでは、環境温度の閾値を０℃と設定しているが、この温度に限るものではない。また、加熱量に関しても各加熱量に限るものではない。
【００８４】
（実施例２）
図４は、実施の形態１の実施例２にかかる水素生成装置４００の起動時における加熱量と環境温度との関係の一例を示す特性図である。
【００８５】
実施例２の水素生成装置４００の構成、起動方法は、実施例１の水素生成装置４００と同様のため、重複する説明を省略する。
【００８６】
本実施例では、図４に示すように、環境温度に複数の閾値を設定し、環境温度が低いほど加熱量を小さくするようにステップ状に設定した。
【００８７】
具体的には、環境温度が−１２℃未満である場合に、水素生成装置４００の起動時における加熱量を２０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、環境温度が−１２℃以上６℃未満である場合に加熱量２５ｋＪ／ｍｉｎに設定し、以降、２４℃、４２℃に閾値を設け、４２℃以上の場合に、加熱量を４０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、改質器１００の昇温を行った。
【００８８】
以上のように、本実施例においては、環境温度に複数の閾値を設け、環境温度が閾値以上の場合よりも、閾値より低い場合に、加熱量を小さくすることにより、水素生成装置４
００の構造体のうち、環境温度の影響をあまり受けない直接加熱される部位Ａの昇温速度を抑えることができ、環境温度の影響を受けやすい間接的に加熱される部分Ｂの昇温速度を抑えないことで、部位Ａと部位Ｂ間の温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【００８９】
さらに、環境温度が高い場合に比べ環境温度が低い場合に増加する構造体へのダメージを、環境温度に対しステップ毎に抑制できるため、水素生成装置４００の寿命を長くすることができる。
【００９０】
ただし、環境温度の閾値の設定数は本実施例で設定した数の限りではなく、閾値を等間隔に設定しなくとも良い。また、加熱量に関しても各加熱量に限るものではない。
【００９１】
（実施例３）
図５は、実施の形態１の実施例３にかかる水素生成装置４００の起動時における加熱量と環境温度との関係の一例を示す特性図である。
【００９２】
実施例３の水素生成装置４００の構成、起動方法は、実施例１の水素生成装置４００と同様のため、重複する説明を省略する。
【００９３】
本実施例では、図５に示すように、環境温度が低いほど加熱量を小さくするように、環境温度と加熱量を関数の関係に設定して、環境温度と加熱量を連続的に設定するようにした。
【００９４】
具体的には、環境温度Ｔｅと加熱量Ｗが、
Ｗ＝０．２２×Ｔｅ＋２６．７
で示される一次関数となるよう、加熱量を設定し、その結果、環境温度が−３０℃の際、水素生成装置４００の起動時における加熱量を２０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、６０℃の場合に、加熱量を４０ｋＪ／ｍｉｎに設定するよう、改質器１００の昇温を行った。
【００９５】
以上のように、本実施例においては、環境温度が低い場合に加熱量が小さくなるよう、環境温度により連続的に加熱量を設定することにより、水素生成装置４００の構造体のうちで、環境温度の影響をあまり受けない直接加熱される部位Ａの昇温速度を抑えることができ、環境温度の影響を受けやすい間接的に加熱される部分Ｂの昇温速度を抑えないことで、部位Ａと部位Ｂ間の温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【００９６】
さらに、環境温度が高い場合に比べ環境温度が低い場合に増加する構造体へのダメージを環境温度に対し連続的に設定し抑制できるため、水素生成装置４００の寿命を長くすることができる。
【００９７】
ここでは、環境温度と加熱量の関係を一次関数で設定しているがこの限りではなく、他の関数でも良いし、閾値を設けて、それぞれ異なる関数を設定しても良い。また、加熱量に関しても各加熱量に限るものではない。
【００９８】
（実施例４）
図６は、実施の形態１の実施例４にかかる水素生成装置４００における起動方法の一例を示すフローチャートである。また、実施の形態１の実施例４にかかる水素生成装置４００の起動時における加熱量と環境温度および改質器温度検知器８０の検知温度との関係の一例を（表１）に示す。
【００９９】
【表１】
2016132585.tif 000003
実施例４の水素生成装置４００の構成については、実施例１の水素生成装置４００と同様のため、重複する説明を省略する。
【０１００】
実施例４の水素生成装置４００の起動方法について、図６のフローチャートを用いて説明する。
【０１０１】
まず、制御器３００に起動開始指令が入力される（ステップＳ１００）。次に、環境温度Ｔｅと第１閾値Ａの大小、改質器温度検知器８０の検知温度Ｔｅと第２閾値Ｂの大小を比較し（ステップＳ１０７）、Ｔｅ≧ＡまたはＴｒ≧Ｂの場合は、ステップＳ１０５へ移行し、Ｔｅ＜ＡかつＴｒ＜Ｂの場合は、ステップＳ１０２へ移行する。
【０１０２】
なお、本実施例では、（表１）に示すように、第１閾値Ａを０℃、第２閾値Ｂを３０℃とした。水素生成装置４００の構造体及び触媒の耐久性の観点からみて、起動時に発生する応力が許容できる環境温度であり、起動時間が長くなる頻度を抑制でき、商品性が損なわれない環境温度である。
【０１０３】
これにより環境温度が相対的に高い場合よりも、環境温度が相対的に低い場合に、大きくなる負荷を抑制することができるため水素生成装置４００の耐久性を維持することができ、さらに起動時間が長くなる頻度を抑制できるため、商品性を損なうことがない。
【０１０４】
ステップＳ１０７で環境温度がＴｅ≧Ａ、または、改質器温度検知器８０の検知温度がＴｒ≧Ｂである場合は、第１加熱量による加熱を開始する（ステップＳ１０４）。この場合、加熱器２０において、点火装置（図示せず）により点火された原料ガスは燃焼用空気と共に燃焼する。
【０１０５】
原料ガスは加熱器２０による加熱量が第１加熱量となるように供給され、燃焼により発生した熱は、改質器１００およびＣＯ低減器１５０に伝わり、改質器１００およびＣＯ低減器１５０を昇温する。なお、同時にヒータによる加熱を併用しても良い。（表１）に示すように、第１加熱量は本実施例では４０ｋＪ／ｍｉｎとした。
【０１０６】
ステップＳ１０７で環境温度がＴｅ≧Ａ、かつ、改質器温度検知器８０の検知温度がＴｒ≧Ｂである場合は、第１加熱量より小さい第２加熱量による加熱を開始する（ステップＳ１０２）。（表１）に示すように、第１加熱量は本実施例では、２０ｋＪ／ｍｉｎとした。
【０１０７】
次に水供給器５１から水が供給され、改質反応が開始する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０２，Ｓ１０３においては、加熱量以外は、ステップＳ１０４，Ｓ１０５と同様のため、説明を省略する。
【０１０８】
以上のように、本実施例においては、環境温度と改質器温度検知器８０の検知温度にそれぞれ閾値を設け、環境温度が閾値以上の場合よりも閾値より低い場合に、加熱量を小さ
くすることにより、水素生成装置４００の構造体のうち、環境温度の影響をあまり受けない直接加熱される部位Ａの昇温速度を抑えることができ、環境温度の影響を受けやすい間接的に加熱される部分Ｂの昇温速度を抑えないことで、部位Ａと部位Ｂ間の温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【０１０９】
ここで、改質器温度検知器８０の検知温度が閾値以上である場合、つまり、前回の停止動作からの経時時間が比較的短く、反応器の温度が比較的高い場合には、起動時に所定温度まで昇温させるための加熱量の積算量が少なくなる。
【０１１０】
また、停止動作中には、水素生成装置４００の構造体の一部である、直接加熱される部位Ａも間接的に加熱される部分Ｂもほぼ同等であり、起動時に、間接的に加熱される部分Ｂを昇温させる加熱量の積算量が特に少なくなる。
【０１１１】
そのため、環境温度が閾値より低くても、改質器温度検知器８０の検知温度が閾値以上である場合、加熱量を小さくしなくても、直接加熱される部位Ａも間接的に加熱される部分Ｂにかかる応力は、大きくならない。加熱量を小さくしないことで、起動時間が長くなる頻度を抑制できるため、商品性を損なうことを防ぐことができる。
【０１１２】
ここでは、環境温度の閾値を０℃、改質器温度検知器８０の検知温度の閾値を３０℃と設定しているが、この温度に限るものではない。また、改質器温度検知器８０の検知温度は、ＣＯ低減器検知器９０の検知温度や他の反応器検知器温度でも良く、加熱量に関しても各加熱量に限るものではない。
【０１１３】
（実施例５）
実施の形態１の実施例５にかかる水素生成装置４００の起動時における加熱量と環境温度および改質器温度検知器８０の検知温度との関係の一例を（表２）に示す。
【０１１４】
【表２】
2016132585.tif 000004
実施例５の水素生成装置４００の構成については、実施例１の水素生成装置４００と同様であり、起動方法は実施例４と同様のため、重複する説明を省略する。
【０１１５】
本実施例では、（表２）に示すように、環境温度および改質器温度検出器８０の検知温度に複数の閾値を設定し、環境温度が低いほど、また、改質器温度検出器８０の検知温度が低いほど、加熱量を小さくするようステップ状に設定した。
【０１１６】
具体的には、環境温度が−１２℃未満である場合に、水素生成装置４００の起動時における加熱量を２０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、環境温度が−１２℃以上６℃未満である場合に加熱量２５ｋＪ／ｍｉｎに設定し、以降、２４℃、４２℃に閾値を設け、４２℃以上の場合に、加熱量を４０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、改質器１００の昇温を行った。
【０１１７】
以上のように、本実施例においては、環境温度および改質器温度検知器８０の検知温度に複数の閾値を設け、環境温度が閾値以上の場合よりも閾値より低い場合には、加熱量を小さくし、改質器温度検知器８０の検知温度が閾値以上の場合よりも、閾値より低い場合に、加熱量を小さくすることにより、水素生成装置４００の構造体のうち、環境温度の影響をあまり受けない直接加熱される部位Ａの昇温速度を抑えることができ、環境温度の影響を受けやすい間接的に加熱される部分Ｂの昇温速度を抑えないことで、部位Ａと部位Ｂ間の温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【０１１８】
さらに、環境温度が閾値より低くても、改質器温度検知器８０の検知温度が閾値以上である場合、加熱量を小さくしないことで、直接加熱される部位Ａも間接的に加熱される部分Ｂにかかる応力は、大きくならない。そのため、起動時間が長くなる頻度を抑制できるので、商品性を損なうことを防ぐことができる。
【０１１９】
また、構造体へのダメージの抑制と起動時間の長期化抑制をステップ毎に設定できるため、寿命と商品性にバランスの取れた商品を提供できる。
【０１２０】
ただし、環境温度の閾値の設定数および改質器温度検知器８０の検知温度の閾値の設定数は、本実施例で設定した数の限りではなく、閾値を等間隔に設定しなくとも良い。さらに、環境温度および改質器温度検知器８０の検知温度と加熱量に連続的な関係性を設定しても良い。また、改質器温度検知器８０の検知温度は、ＣＯ低減器検知器９０の検知温度や他の反応器検知器温度でも良く、加熱量に関しても本実施例に記載の加熱量に限るものではない。
【０１２１】
（変形例１）
図７は、実施の形態１の変形例１にかかる水素生成装置４００の構成の一例を示すブロック図である。
【０１２２】
変形例１の水素生成装置４００の起動方法は、実施例１から実施例５の水素生成装置４００と同様のため、重複する説明を省略する。
【０１２３】
変形例１では、水素生成装置４００の周囲に周囲温度を検知可能な周囲温度検知器８１を備える。周辺温度検知器８１には、熱電対を用い、水素生成装置４００の構造体を覆った断熱材の外部に設置した。水素生成装置４００の内部温度状態に左右されない周囲温度測定することが望ましいが、検知された値と運転状態を加味して周囲温度を推定できるのであれば、水素生成装置４００の近傍に温度検知部を設置しても構わない。周囲温度検知器８１としては熱電対の他にサーミスタなどが例示される。
【０１２４】
また、水素利用機器２０１や配管、筐体内に温度検知器が設けられているのであれば、それらの検知温度を周囲温度として用いても良い。
【０１２５】
それ以外の構成は図１と同様であるため、重複する説明を省略する。
【０１２６】
以上のように、本変形例においては、水素生成装置４００の周囲温度より環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、環境温度が低くなる場合に、水素生成装置４００の構造体の応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、水素生成装置４００の寿命を延ばすことができる。
【０１２７】
（変形例２）
変形例２の水素生成装置４００の構成は、図１に示す水素生成装置４００の構成と同様
であり、変形例２の水素生成装置４００の起動方法は、実施例１から実施例５の水素生成装置４００の起動方法と同様のため、重複する説明を省略する。
【０１２８】
本変形例では、反応器温度検知器として、改質器１００の温度を検知する改質器温度検知器８０を用いた。通常の水素生成装置４００の運転動作時には、改質器１００の温度は環境温度に比べ高くなっているが、停止動作に入り、十分な時間が経った後には、環境温度と差がなく、環境温度の測定手段として用いることができる。改質器温度検知器８０としては、熱電対やサーミスタなどが例示される。
【０１２９】
以上のように、本変形例においては、水素生成装置４００の温度制御に通常備えられている反応器温度検知器より環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、環境温度が低くなる場合に、水素生成装置４００の構造体の応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、水素生成装置４００の寿命を延ばすことができる。また、新たな温度検知器を用いず、その効果を安価に得ることができる。
【０１３０】
（変形例３）
変形例３の水素生成装置４００の構成は、図１に示す水素生成装置４００の構成と同様であり、変形例３の水素生成装置４００の起動方法は、実施例１から実施例５の水素生成装置４００の起動方法と同様のため、重複する説明を省略する。
【０１３１】
本変形例では、環境温度の測定手段として反応器温度検知器を用い、具体的には、改質器１００の温度を検知する改質器温度検知器８０を用いた。通常の水素生成装置４００の運転動作時には、改質器１００の温度は環境温度に比べ高くなっているが、停止動作に入り、十分な時間が経った後には、環境温度と差がなく、環境温度の測定手段として用いることができる。改質器温度検知器８０としては熱電対やサーミスタなどが例示される。
【０１３２】
以上のように、本変形例においては、水素生成装置４００の温度制御に通常備えられている反応器温度検知器により環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、環境温度が低くなる場合に、水素生成装置４００の構造体の応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、水素生成装置４００の寿命を延ばすことができる。また、新たな温度検知器を用いず、その効果を安価に得ることができる。
【０１３３】
なお、本変形例では、環境温度の測定手段として反応器温度検知器である改質器温度検知器８０を用いたが、ＣＯ低減器温度検知器９０であっても、その他の反応器の温度検知器、あるいはその複数を用いても良い。
【０１３４】
（変形例４）
実施の形態１の変形例４にかかる水素生成装置４００の停止時における改質器温度の低下速度と環境温度の関係の一例を（表３）に示す。
【０１３５】
【表３】
2016132585.tif 000005
変形例４の水素生成装置４００の構成は、図１に示す水素生成装置４００の構成と同様であり、変形例４の水素生成装置４００の起動方法は、実施例１から実施例５の水素生成装置４００の起動方法と同様のため、重複する説明を省略する。
【０１３６】
本変形例では、環境温度の測定手段として加熱器２０による加熱を停止した際の反応器温度検知器によって検知される反応器温度の低下速度を用いた。具体的には、改質器温度検知器８０が検知した改質器１００の改質器温度の低下速度を用いた。
【０１３７】
改質器温度の低下速度を、改質器温度検知器８０から出力される改質器温度とその経過時間から制御器３００に備えられた演算部３０１にて算出し、予め記憶部３０２に格納されている、改質器温度の低下速度と環境温度の関係テーブル（表３）を読み出して環境温度を算出した。
【０１３８】
以上のように、本変形例においては、水素生成装置４００の温度制御に通常備えられている反応器温度検知器により算出される反応器温度の低下速度から環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、環境温度が低くなる場合に、水素生成装置４００の構造体の応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【０１３９】
その結果、水素生成装置４００の寿命を延ばすことができる。また、新たな温度検知器を用いず、その効果を安価に得ることができる。さらに、水素生成装置４００が停止し十分冷却された状態だけでなく、停止動作直後から環境温度の推定が可能となる
なお、本変形例では改質器温度の低下速度と環境温度の関係テーブル（表３）を用いたが、改質器１００の温度の低下速度と環境温度の関係を示す関数を用いても良い。
【０１４０】
また、停止動作に入ってからの経過時間により、異なる関係テーブルや関数を設定しても良い。
【０１４１】
また、環境温度の測定手段として、改質器温度検知器８０により検知した改質器１００の改質器温度の低下速度を用いたが、ＣＯ低減器温度検知器９０により検知したＣＯ低減器１５０のＣＯ低減器温度の低下速度であっても、その他の反応器の温度の低下速度、あるいは、その複数を用いても良い。
【０１４２】
また、本変形例では加熱器２０による加熱を停止した際の改質器温度の低下速度を用いたが、加熱器２０による加熱量を一定にした際の改質器温度の低下速度を用いても良い。
【０１４３】
（変形例５）
実施の形態１の変形例５にかかる水素生成装置４００の起動時における改質器温度の上昇速度と環境温度の関係の一例を（表４）に示す。
【０１４４】
【表４】
2016132585.tif 000006
変形例５の水素生成装置４００の構成は、図１に示す水素生成装置４００の構成と同様であり、変形例５の水素生成装置４００の起動方法は、実施例１から実施例５の水素生成装置４００の起動方法と同様のため、重複する説明を省略する。
【０１４５】
本変形例では、環境温度の測定手段として加熱器２０による加熱量を一定にした際の反応器温度検知器によって検知される反応器温度の上昇速度を用いた。具体的には、改質器温度検知器８０が検知した改質器１００の改質器温度の上昇速度を用いた。
【０１４６】
改質器温度の上昇速度を、改質器温度検知器８０から出力される改質器温度とその経過時間から制御器３００に備えられた演算部３０１にて算出し、予め記憶部３０２に格納されている、改質器温度の低下速度と環境温度の関係テーブル（表４）を読み出して環境温度を算出した。
【０１４７】
以上のように、本変形例においては、水素生成装置４００の温度制御に通常備えられている反応器温度検知器により算出される反応器温度の上昇速度から環境温度を算出することで、環境温度を直接検知する検知器を備えない場合でも、環境温度が低くなる場合に、水素生成装置４００の構造体の応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。
【０１４８】
その結果、水素生成装置４００の寿命を延ばすことができる。また、新たな温度検知器を用いず、その効果を安価に得ることができる。さらに、水素生成装置４００が停止動作以降でなく、起動時に環境温度の推定が可能となる
なお、本変形例では改質器温度の上昇速度と環境温度の関係テーブル（表４）を用いたが、改質器温度の上昇速度と環境温度の関係を示す関数を用いても良い。
【０１４９】
また、起動動作に入ってからの経過時間により、異なる関係テーブルや関数を設定しても良い。
【０１５０】
また、環境温度の測定手段として、改質器温度検知器８０により検知した改質器１００の改質器温度の上昇速度を用いたが、ＣＯ低減器温度検知器９０により検知したＣＯ低減器１５０のＣＯ低減器温度の上昇速度であっても、その他の反応器の温度の上昇速度、あるいはその複数を用いても良い。
【０１５１】
（実施の形態２）
図８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の一例を示すブロック図である。
【０１５２】
図８に示すように、本実施の形態の燃料電池システム５００ａは、水素生成装置４００と、燃料電池２００とを備える。
【０１５３】
この燃料電池２００は、水素生成装置４００より供給される水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池２００は、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。本実施の形態では、燃料電池２００に固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いたが、いずれの種類の燃料電池であっても良く、他には、例えば、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、または溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。
【０１５４】
水素生成装置４００から燃料電池２００に至る水素供給経路４１には封止器４０を設置し、燃料電池２００から加熱器２０に至る燃料供給経路４２と水素供給経路４１にバイパス経路４３を設置し、バイパス経路４３にバイパス封止器４４を設置した。燃料電池システム５００ａは、制御器３００を備える。制御器３００は、演算部３０１の本体としての中央演算処理装置（ＣＰＵ）と記憶部３０２を備えている。
【０１５５】
原料供給器３１から改質器１００に至る原料の供給路の途中には、原料の供給量を検出する原料供給量検出器３０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。また、水供給器５１から改質器１００に至る水の供給路の途中には、水の供給量を検出する水供給量検出器５０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。
【０１５６】
原料供給量検出器３０及び水供給量検出器５０は、ここでは、それぞれ、マスフローメータ等の流量計で構成されている。制御器３００に備えられる記憶部３０２には、燃料電池システム５００ａの各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算部３０１は、記憶部３０２から必要なプログラムを読み出して、これを実行することによって、燃料電池システム５００ａの各種の動作を制御する。
【０１５７】
燃料電池２００から出力制御器６１に至る電流経路には、発電電流検出器６０が設けられ、その検出出力が演算部３０１に入力されている。発電電流検出器６０は、ここでは、電流計で構成されている。また、この演算部３０１は、発電電流検出器６０から得られた発電電流と出力制御器６１から得られた発電電圧および発電時間より、発電量を検出することを可能としている。
【０１５８】
制御器３００に備える演算部３０１は、これらの検出出力を含む各種の検出出力を入力されて上述の各構成要素を制御することにより、燃料電池システム５００ａの全体の動作を制御する。
【０１５９】
また、同じく制御器３００に備えられる記憶部３０２には、燃料電池システム５００ａの各種の動作を制御するためのプログラムが格納されており、演算部３０１は、記憶部３０２から必要なプログラムを読み出して、これを実行することによって、燃料電池システム５００ａの各種の動作を制御する。
【０１６０】
以下に、実施の形態２の燃料電池システム５００ａの動作、作用について説明する。なお、以下の動作、作用は、制御器３００が水素生成装置４００を制御することによって行われる。
【０１６１】
水素生成装置４００が起動すると、加熱器２０における燃焼を開始する。このとき、封止器４０を閉止し、バイパス封止器４４を開放し、水素供給経路４１から分岐して伸び、加熱器２０に至る燃焼用の燃料供給経路４２がガス通気状態となっている。
【０１６２】
よって、原料供給器３１の動作開始により原料が改質器１００に供給されると、改質器１００を通過した原料は、燃焼用の燃料供給経路４２を用いて加熱器２０に供給される。同時に、空気供給器７１の動作開始により、燃焼用の空気が加熱器２０に供給される。加熱器２０において、点火電極（図示せず）により着火動作が行われ、燃焼用の空気を用いて、燃料の燃焼が起こる。このようにして、加熱器２０から供給される燃焼熱により、改質器１００が加熱される。
【０１６３】
次いで、水供給器５１の動作開始により、改質器１００に水が供給される。水の供給開始後、改質器１００で生成された水素含有ガスの組成が燃料電池２００への供給に適した組成になった段階で、封止器４０を開放、バイパス封止器４４を閉止することで、燃料電池２００に水素含有ガスが供給される。
【０１６４】
燃料電池２００は、酸化剤供給経路（図示せず）から供給される酸化剤ガスと水素含有ガスを反応させて発電する。
【０１６５】
燃料電池システム５００ａを停止させる場合、原料供給器３１と水供給器５１を停止させる。
【０１６６】
本実施の形態では、制御器３００は、環境温度３０℃の際に水素生成装置４００の起動時における加熱量を４０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、改質器１００の昇温を行った。
【０１６７】
改質器１００の構造体のうち、加熱器２０と接触し、加熱器２０により直接加熱される部位Ａと、加熱器２０と接触せず、伝熱により間接的に加熱される部位Ｂについて、起動開始より１０分後の温度を測定計測したところ、部位Ａは４００℃、部位Ｂは２８０℃であった。
【０１６８】
環境温度−３０℃の際に、水素生成装置４００の起動時における加熱量を４０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、改質器１００の昇温を行った場合、起動開始より１２分後に部位Ａは４００℃、部位Ｂは２００℃となり、部位Ａと部位Ｂとにかかる熱応力は、環境温度３０℃の際の熱応力に比べ大きくなり、水素生成装置４００の構造体へのダメージが大きくなる。
【０１６９】
本実施の形態では、環境温度−３０℃の際に、水素生成装置４００の起動時における加熱量を環境温度３０℃の際より小さい２０ｋＪ／ｍｉｎに設定し、改質器１００の昇温を行った。その結果、起動開始より１５分後の温度を測定計測したところ、部位Ａは４００℃、部位Ｂは２８５℃であった。
【０１７０】
以上のように本実施の形態においては、環境温度が相対的に高い場合に比べ、環境温度が低い場合に、加熱量を小さくすることにより、燃料電池システム５００ａを構成する水素生成装置４００の構造体のうち、環境温度の影響をあまり受けない直接加熱される部位Ａの昇温速度を抑え、環境温度の影響を受けやすい間接的に加熱される部分Ｂは部位Ａからの伝熱で時間をかけて昇温させることで、部位Ａと部位Ｂ間の温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、水素生成装置４００ならびに燃料電池システム５００ａの寿命を延ばすことができる。
【０１７１】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図
である。
【０１７２】
図９に示すように、実施の形態３の燃料電池システム５００ｂでは、燃料電池２００は改質器１００と熱交換可能に構成されており、改質器１００の加熱器として用いられている。
【０１７３】
固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜を用い、通常８０℃から９０℃で作動する。高温でも２００℃程度が限界とされており、改質器１００の加熱器として用いられない。
【０１７４】
しかし、固体酸化物形燃料電池は、耐熱性セラミックス系の電解質を用い、７００℃から１０００℃で作動し、運転温度が改質器１００の設定温度６００℃から７００℃より高温であるため、改質器１００の加熱器として用いることができる。また、溶融炭酸塩形燃料電池も作動温度は６５０℃から７００℃であり、改質器１００の加熱器として用いることができる。
【０１７５】
燃料電池システム５００ｂは、燃料電池２００を改質器１００の加熱器として用い、環境温度が相対的に高い場合に比べ、環境温度が低い場合に、加熱量を小さくすることにより、燃料電池システム５００ｂを構成する構造体のうち、環境温度の影響をあまり受けない直接加熱される部位Ａの昇温速度を抑え、環境温度の影響を受けやすい間接的に加熱される部分Ｂは部位Ａからの伝熱で時間をかけて昇温させることで、部位Ａと部位Ｂ間の温度差を小さくすることができるため、応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができる。その結果、燃料電池システム５００ｂの寿命を延ばすことができる。
【０１７６】
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の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、機能の両者もしくはいずれかの詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１７７】
以上のように、本発明にかかる水素生成装置およびそれを用いた燃料電池システム並びにその運転方法は、環境温度が低い場合に水素生成装置の構造体にかかる応力を抑制し、構造体へのダメージを抑制することができ、水素生成装置の寿命を延ばすことができるので、高い耐久性を有し、商品性の高い水素生成装置及び燃料電池システムに応用できる。
【符号の説明】
【０１７８】
１０  脱硫器
２０  加熱器
３０  原料供給量検出器
３１  原料供給器
４０  封止器
４１  水素供給経路
５０  水供給量検出器
５１  水供給器
７１  空気供給器
１００  改質器
１５０  ＣＯ低減器
２００  燃料電池
２０１  水素利用機器
３００  制御器
３０１  演算部
３０２  記憶部
４００  水素生成装置
５００ａ  燃料電池システム
５００ｂ  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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