(57)【要約】【課題】改質部の劣化に伴って水の量を次第に増加させることなく、一酸化炭素除去部の温度を適切にコントロールすること。【解決手段】上記課題を解決するために、水素ガス供給装置へ水を含む原料ガスを導入する原料ガス導入部と、上記水を蒸気化する水蒸気生成部と、上記水蒸気と上記原料とから、改質触媒により水素と一酸化炭素とを発生させる水素発生部と、空気と可燃ガスを燃焼させて上記改質部を加熱するバーナ部と、上記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、上記水蒸気生成部に設けられ、上記バーナ部からの排ガスを受ける第１燃焼排ガス流路と、を含み、使用開始時の上記原料ガス流量と、運転時間経過時の上記原料ガス流量の差分値に応じて、上記バーナへの上記空気の量を調整する制御部と、を含む水素ガス供給装置を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス供給装置へ水を含む原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記水を水蒸気とする水蒸気生成部と、
前記水蒸気と前記原料ガスとから、水素と一酸化炭素とを発生させる水素発生部と、
前記水素発生部を加熱するバーナ部と、
前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、
前記水蒸気生成部に設けられ、前記バーナ部と連通する第１燃焼排ガス流路と、
使用開始時の前記原料ガスの流量と、一定運転時間経過時の前記原料ガスの流量との差分値に応じて、前記バーナ部への空気の流量を調整する制御部と、を含む水素ガス供給装置。
【請求項２】
水素ガス供給装置へ水を含む原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記水を水蒸気とする水蒸気生成部と、
前記水蒸気と前記原料ガスとから、水素と一酸化炭素とを発生させる水素発生部と、
前記水素発生部を加熱するバーナ部と、
前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、
前記一酸化炭素除去部に設けられ、前記バーナ部と連通する第２燃焼排ガス流路と、
前記水蒸気生成部に設けられ、前記第２燃焼排ガス流路と連通する第３燃焼排ガス流路と、
使用開始時の前記原料ガス流量と、一定運転時間経過時の前記原料ガス流量との差分値に応じて、前記バーナへの空気の量を調整する制御部と、を含む水素ガス供給装置。
【請求項３】
前記水素ガス供給装置使用開始時における前記バーナへの前記空気の投入量Ａ０とし、
前記使用開始時の前記原料ガス流量と一定運転時間経過時の前記原料ガス流量との差分値をΔＱとし、
あらかじめ設定された定数ｋとした場合に、
以下の式
Ａ＝Ａ０−ｋΔＱ
により決定される空気量Ａを前記バーナへと投入する、請求項１または２に記載の水素ガス供給装置。
【請求項４】
水素ガス供給装置へ水と原料ガスを導入する原料ガス導入工程と、
前記水を水蒸気とする水蒸気生成工程と、
前記水蒸気と前記原料ガスとから、水素と一酸化炭素とを発生させる水素発生工程と、
前記一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去工程と、
バーナにより、前記水素発生工程と前記水蒸気生成工程とに熱を供給する熱供給工程と、
使用開始時の前記原料ガス流量と、運転時間経過時の前記原料ガス流量の差分値に応じて、
前記バーナへ投入する空気の量を決定する工程と、を含む水素ガス供給方法。
【請求項５】
前記熱供給工程では、前記バーナにより、前記水素発生工程と前記一酸化炭素除去工程と前記水蒸気生成工程とに熱を供給する請求項４記載の水素ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、水素ガス供給方法に関するものである。特に、燃料電池への水素供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、水素と酸素の化学反応によって発電する燃料電池の活用が拡大しつつある。その発電に必要な水素を発生させる水素ガス供給装置の位置づけもますます重要となっている。現在、世界で最も数多く普及している燃料電池は、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）と呼ばれるものである。
【０００３】
ＰＥＦＣは、他の形式の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）などに比べると、低温で作動でき、素早く起動できる。しかし、一酸化炭素に対する耐性が弱いという側面も持つ。ＰＥＦＣに一酸化炭素を投入すると、発電部が劣化し、機能が低下してしまう。
【０００４】
したがって、ＰＥＦＣに投入される原料としては、水素を多く含み、かつ不純物である一酸化炭素が十分に除去されたガスが必要である。水素ガス供給装置においては、水素生成と一酸化炭素除去の機能を合わせ持つものが望まれる。
【０００５】
本発明は、炭化水素系の原料ガスから水素を生成し、不純物となる一酸化炭素を除去する、水素ガス供給装置に関するものである。
【０００６】
水素を生成させる方法としては、メタンやプロパンなどの炭化水素系ガスに水蒸気を加えて加熱する方法が広く用いられている。これを水蒸気改質と呼ぶ。水蒸気改質は、式１に示されるような、化学反応である。
【０００７】
ＣｍＨｎ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋（ｍ−１）ＣＨ４＋（０．５ｎ―２ｍ＋３）Ｈ２・・・（式１）
また、この反応は吸熱反応である。
【０００８】
水蒸気改質方式による水素ガス供給装置は、水素を生成する改質部と、改質部に水蒸気を供給する水蒸気生成部と、改質部や水蒸気生成部を加熱するバーナを有する。また、水蒸気改質方式では、水素生成と同時に一酸化炭素が発生するため、これを除去するための一酸化炭素除去部が設けられる。
【０００９】
改質部、一酸化炭素除去部は、ステンレス鋼などの金属の容器で構成され、その内部には触媒が封入されている。触媒によってガスの化学反応が促され、水素の生成、一酸化炭素の除去が効率よく行われる。
【００１０】
水素ガス供給装置は、改質部や、一酸化炭素除去部がその性能を十分に発揮できるよう、それぞれの内部にある触媒を適切な温度に保つ必要がある。しかしながら、ガスの成分や、ガスの流量、水の流量などの条件が変化すると、各構成部の温度は変化する。とくに一酸化炭素除去部は、その温度が変化しやすく、一酸化炭素の除去性能もその条件に大きく左右される。
【００１１】
従来技術においては、これを解決する方法として、水素ガス供給装置に投入する水の量を調整し、一酸化炭素除去部の温度を適切にコントロールする手段を用いている。
【００１２】
図６は、従来の水素ガス供給装置の構成の模式図である。この構成におけるガスの流れと各部の機能について説明する。細い矢印はガスの流れを、太い矢印は熱の流れを示す。まず、原料ガス１と水２が水蒸気生成部３へと投入される。水蒸気生成部３において、水２は、周囲の熱を吸収しながら蒸発し、水蒸気へと変化しながらその温度が上昇していく。同様に原料ガス１も温度上昇する。原料ガス１と水蒸気は温度上昇しながら混合される。その後、ガスは改質部４へと投入される。
【００１３】
一方、水素ガス供給装置にはバーナ５が設けられており、可燃ガス１０と空気１１とを燃焼させて、改質部４を加熱する。改質部４はバーナ５から伝わる熱を吸収し、水蒸気と原料ガスとから、水素と一酸化炭素を発生させる。その後、改質部４から流出したガスは一酸化炭素除去部６へと運搬され、ここで一酸化炭素が除去される。
【００１４】
この一酸化炭素除去部６は、水蒸気生成部３と隣接し、互いに熱交換可能となるように設けられている。また、一酸化炭素除去部６には温度測定器７が設置されている。一酸化炭素除去部６の温度が高くなった場合、温度測定器７がその温度を検知し、その情報を、水２の流量を制御する装置へと伝える。制御装置が水２の投入量を増やすことで、水蒸気生成部３の温度が低下し、その影響で一酸化炭素除去部６の高温化を抑制する。このように水素ガス供給装置への水２の投入量を調整することで、一酸化炭素除去部６の温度を適切にコントロールしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−６０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来技術のような方式で一酸化炭素除去部を長期間制御し続けると、水素ガス供給装置の性能上の問題が発生する。これについて以下に説明する。
【００１７】
図６における改質部４は、５〜１０年程度使用し続けると、その性能が劣化し、吸熱反応が低下するため、改質部４や、その後流に位置する一酸化炭素除去部６の温度が上昇しやすくなる。水素量を確保するため、改質部４の温度は高く設定必要があり、温度を下げることはできない。したがって一酸化炭素除去部６の温度上昇を抑制するために、水素ガス供給装置には多くの水２が投入されることになる。
【００１８】
水２の投入量は、改質部４が年々劣化していくにつれて次第に多くなる。水素ガス供給装置に多くの水が投入されると、水素ガス供給装置内部が結露しやすくなり、水素ガス供給装置内部の触媒が濡れて一酸化炭素除去性能が劣化する。
【００１９】
また、多くの水２を投入すると、その水２を蒸発させるための余分なエネルギーが必要となるため、水素生成効率（水素ガス供給装置に投入するエネルギーに対する生成水素量の割合）が低下してしまう。
【００２０】
本発明の課題は、改質部４の劣化による水２の量の増加をさせなくとも、水素生成効率が低下しない水素ガス供給装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、水素ガス供給装置へ水を含む原料ガスを導入する原料ガス導入部と、水を水蒸気とする水蒸気生成部と、水蒸気と原料ガスとから、水素と一酸化炭素とを発生させる水素発生部と、水素発生部を加熱するバーナ部と、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部と、水蒸気生成部に設けられ、バーナ部と連通する第１燃焼排ガス流路と、使用開始時の原料ガスの流量と、一定運転時間経過時の原料ガスの流量との差分値に応じて、バーナ部への空気の流量を調整する制御部と、を含む水素ガス供給装置を用いる。
【００２２】
また、水素ガス供給装置へ水を含む原料ガスを導入する原料ガス導入工程と、水を水蒸気とする水蒸気生成工程と、水蒸気と原料ガスとから、水素と一酸化炭素とを発生させる水素発生工程と、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去工程と、バーナにより、水素発生工程と水蒸気生成工程とに熱を供給する熱供給工程と、使用開始時の原料ガス流量と、運転時間経過時の原料ガス流量の差分値に応じて、バーナへ投入する空気の量を決定する工程と、を含む水素ガス供給方法を用いる。
【発明の効果】
【００２３】
上記のような運転方法を用いることにより、投入する水の量が次第に増加することなく、一酸化炭素除去部の温度を適切にコントロールすることが可能になる。これにより、水素ガス供給装置の内部の結露や、水素生成効率の低下を、抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１における構成図
【図２】本発明の実施の形態１の改質部の拡大図
【図３】本発明の実施の形態１の燃焼排ガス流路の斜視図
【図４】本発明の実施の形態１の燃焼排ガス流路の斜視図
【図５】本発明の実施の形態２における構成図
【図６】従来技術における水素ガス供給装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の水素ガス供給装置は、炭化水素系燃料を含む原料ガスと水蒸気とを水蒸気改質反応させ、水素を生成し、不純物となる一酸化炭素を除去する機能を有するものである。以下ではその具体的な実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１における水素ガス供給装置の全体構成、各構成要素、ガスの流れ方、および、制御方法について、図１を参照しながら説明する。
【００２６】
＜全体構成＞
実施の形態１における水素ガス供給装置は、水蒸気の改質によって水素を生成する改質部４と、改質部に水蒸気や原料ガスを供給する水蒸気生成部３と、改質部４や水蒸気生成部３を加熱するバーナ５を有する。また、この水蒸気改質方式では、水素と同時に一酸化炭素が発生するため、これを除去する一酸化炭素除去部６を有する。一酸化炭素除去部６には温度測定器７が設けられており、一酸化炭素除去部６の温度が検知可能となっている。
【００２７】
さらに、実施の形態１における水素ガス供給装置は、バーナ５の後流に、連通して設けられた燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）を有する。これらの構成物は高温に耐えられるように、ステンレスなどの金属容器によって形成される。
【００２８】
＜プロセス＞
水素ガス供給装置内部のガスの流れと、各構成部のはたらきについて図１を用いて、説明する。
【００２９】
（１）原料ガス導入工程
水素ガス供給装置の外部から、水蒸気生成部３に、原料ガス１と水２が供給される。原料ガス１の成分としては、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系のガスが使用される。
【００３０】
（２）水蒸気生成工程
水２と原料ガス１は混合されながら、周囲の熱を吸収し、高温化する。また、水蒸気生成部３では水が蒸発し、水蒸気となる。
【００３１】
水蒸気と原料ガスの混合によって生成される混合ガスは、水蒸気生成部３で高温化したのち、改質部４へと供給される。
【００３２】
（３）水素発生工程
＜改質部４＞
図２は、改質部４の内部構造を示すものである。改質部４には改質触媒９が封入されており、この改質触媒９が水素を生成する効果を促進させる。改質触媒９はアルミナの粉を固めた球状の粒の表面に、金属を付着させたものが用いられる。粒子の直径は１〜５ｍｍ程度のものである。金属は、ニッケル、白金、ルテニウム、ロジウム、などが用いられる。数千〜数万粒の改質触媒９を改質部４に封入し、その改質触媒９の粒の間をすり抜けるようにガスが通過する。
【００３３】
水蒸気と原料ガスを含む混合ガスは、改質触媒９に触れることで化学反応が促され水素を生成する。例えば、原料ガスにメタン（ＣＨ４）を含む場合は下記のような反応式であらわされる。
【００３４】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（式２）
また、エタン（Ｃ２Ｈ６）やプロパン（Ｃ３Ｈ８）などの高次の炭化水素を含む場合は下記のような反応が同時に発生し、水素が生成される。
【００３５】
ＣｍＨｎ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋（ｍ−１）ＣＨ４＋（０．５ｎ―２ｍ＋３）Ｈ２・・・（式３）
これらの反応を発生させるためには改質部４を４００℃〜７００℃程度の高温に保つ必要がある。また、これらの反応は吸熱反応であるため、改質部４の外部から熱を加える必要がある。
【００３６】
＜バーナ５＞
再び、図１の説明に戻る。バーナ５は、改質部４を加熱できる位置に配置されている。バーナ５には可燃ガス１０と、空気１１を投入し、これらを混合させて燃焼させる。可燃ガス１０は炭化水素系のガスや水素などが用いられる。バーナ５から排出されたガスは改質部４を加熱したのち、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）へと流入し、水蒸気生成部３と熱交換する。改質部４で吸収しきれない熱を、水蒸気生成部３で回収する構成となっている。水蒸気生成部３で回収した熱は、水蒸気生成部３内部のガスの流れにそって運搬され、改質部４での水素生成に利用される。
【００３７】
＜燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）＞
燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）を、図３、図４の斜視図を用いて説明する。燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）は、水蒸気生成部３と隣接し、両者が熱交換可能となるように配置する。水蒸気生成部３との熱交換性を保つために、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）は水蒸気生成部３の形状に沿うように構成することが望ましい。
【００３８】
例えば、水蒸気生成部３が矩形形状であれば、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）も矩形にする（図３）。あるいは、水蒸気生成部３が円筒形状であれば、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）も円筒形状にする（図４）、といった具合である。ここで、図３、図４における水蒸気生成部３には原料ガス１と水２が、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）には燃焼排ガス１３（バーナ５から排出されたガス）が流れている。
【００３９】
このように、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）の熱を水蒸気生成部３で回収することにより、水素ガス供給装置の水素生成効率を高めるしくみとなっている。
【００４０】
なお、一酸化炭素除去部６との関係では、図３の場合、水蒸気生成部３を中心に、側面に燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）、一酸化炭素除去部６が位置する構造とできる。
図４の場合も同様に、水蒸気生成部３を中心に、内面に燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）、外面に一酸化炭素除去部６が位置する構造とできる。燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）と一酸化炭素除去部６とは逆でもよい。
【００４１】
改質部４に投入された水蒸気と原料ガスを含む混合ガスは、化学反応によって水素を多く含むガス（改質ガス）となって、改質部４から流出する。
【００４２】
上記の式２、式３に示されるように、改質部４においては水素が発生すると同時に、不純物となる一酸化炭素も発生する。一酸化炭素を除去するため、改質部４よりも後流に一酸化炭素除去部６を設ける。
【００４３】
（４）一酸化炭素除去工程
一酸化炭素を除去する方法としては、一酸化炭素を酸化反応させて、二酸化炭素に変化させる方法が用いられる。一酸化炭素除去部６には変成触媒と呼ばれる触媒が封入されており、この触媒が一酸化炭素の酸化を促進させる働きを有する。変成触媒は、アルミナの粉を固めた粒の表面に、銅や亜鉛などの金属を付着させたものが用いられる。粒の形状は球状、または円柱状のものが用いられる。粒子の直径は１〜５ｍｍ程度である。数千〜数万粒の触媒を一酸化炭素除去部６に封入し、その触媒の粒の間をすり抜けるようにガスが通過する。
【００４４】
改質ガスに含まれる一酸化炭素は、変成触媒に触れることにより、水蒸気と化学反応を起こす。この反応は下記のような反応式によって表される。
【００４５】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・（式４）
このような化学反応によって改質ガス中の一酸化炭素が酸化される。また、式４に示すように、変成触媒は一酸化炭素を除去するだけでなく、水素を生成するはたらきをもつ。これらの反応を発生させるためには一酸化炭素除去部６を１５０℃〜３００℃の温度に保つ必要がある。一酸化炭素除去部６は水蒸気生成部３と隣接しており、互いに伝熱しあうことが可能な状態で配置されている。水蒸気生成部３との熱交換により、一酸化炭素除去部６は、一酸化炭素除去が適切に行われる温度まで冷却される。ガスは、式３に示す反応によって一酸化炭素濃度が低下したのち、一酸化炭素除去部６から排出される。
【００４６】
＜水素ガス供給装置の全体のプロセス＞
以上に記載したように、水素ガス供給装置の内部を流れるガスは、水蒸気生成部３、改質部４、一酸化炭素除去部６を通過し水素ガス供給装置の外部へと排出される。また、バーナ５から噴出されるガスは改質部４と熱交換したのち、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）を通り、水蒸気生成部３と熱交換し、水素ガス供給装置外部へと排出される。
【００４７】
水素ガス供給装置から排出されたガスは水素含むガスとなる。排出された水素流量が必要な量に達していなければ、水素ガス供給装置に投入する原料ガス１の流量を増加させる。また、排出された水素流量が必要な量よりも多ければ、水素ガス供給装置に投入する原料ガス１の流量を減少させる。このような制御手段により、燃料処理器から排出される水素の量をコントロールする。
【００４８】
＜一酸化炭素除去部６の温度制御方法＞
一酸化炭素除去部６は、水蒸気生成部３と隣接しており、互いに伝熱しあうことが可能な状態で配置されている。水蒸気生成部３との熱交換により、一酸化炭素除去部６は、一酸化炭素除去が適切に行われる温度まで冷却されている。ただし、一酸化炭素除去部６の温度は、水素ガス供給装置を流れるガスの流量、温度や、水素ガス供給装置外部の環境温度などによって変化するため、この変化を抑制する制御手段を設けている。
【００４９】
一酸化炭素除去部６には、温度測定器７が設置されており、一酸化炭素除去部６の温度を検知可能である。この温度が高くなった場合には、水蒸気生成部３に投入する水２の量を増加させる。そうすることで水蒸気生成部３の温度が下がり、一酸化炭素除去部６の高温化を抑制する。また、温度測定器７の温度が下がった場合は、水蒸気生成部３に投入する水の量を減少させる。そうすることで水蒸気生成部３の温度が上がり、一酸化炭素除去部６の低温化を抑制する。このように水蒸気生成部３に投入する水の量を調整することで、一酸化炭素除去部６を適切な温度に保つことができる。
【００５０】
＜問題点の確認＞
課題のところで説明したが、上記のプロセスで一酸化炭素除去部６を長期間制御し続けると、水素ガス供給装置の性能上の問題が発生する。これについて以下に説明する。
【００５１】
改質部４における改質触媒は、５〜１０年程度の長期間にわたって使用し続けると、その性能が劣化し、化学反応が発生しにくくなり、吸熱反応が弱まるため、改質部４への伝熱量が低下する。改質部４で吸収しきれずに余った熱を含むガスは、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）へ流れ、その熱が水蒸気生成部３へと伝わる。
【００５２】
そのため、水蒸気生成部３の温度や、それに隣接する一酸化炭素除去部６の温度が上昇しやすくなる。この温度上昇を抑制するために水素ガス供給装置には多くの水２が投入されることになる。水２の投入量は、改質部４が年々劣化していくにつれて次第に多くなる。
【００５３】
水素ガス供給装置に多くの水２が投入されると、水素ガス供給装置内部が結露しやすくなり、燃料処理器内部の触媒が濡れて一酸化炭素除去性能が劣化する。また、多くの水２を投入すると、その水２を蒸発させるための余分なエネルギーが必要となるため、水素生成効率（水素ガス供給装置に投入するエネルギーに対する生成水素量の割合）が低下してしまう。
【００５４】
＜解決プロセス＞
これらの問題を解決する手段を説明する。すなわち、投入する水２の量を次第に増加することなく、一酸化炭素除去部６の温度を適切にコントロールする、制御方法（運転方法）である。
【００５５】
水２の投入量が増加することの原因は、改質部４の改質触媒の劣化である。水２の投入量を調整することなく、改質触媒の劣化度合いに合わせて、一酸化炭素除去部６の高温化を抑制する方法を以下に示す。
【００５６】
以下では、（１）改質触媒の劣化の度合いを示す指標と、（２）劣化度合いの指標にあわせて、どのように一酸化炭素除去部６の高温化を抑制するか、を説明する。
【００５７】
（１）改質触媒の劣化の度合いを示す指標について
まず改質触媒の劣化の度合いを示す指標について説明する。改質触媒の劣化が進むと
改質部４での化学反応が発生しにくくなり、吸熱量が低下すると同時に、水素も生成されにくくなる。そのため、必要な水素量を得るためには、より多くの量の原料ガス１が必要になる。先に説明したように、実施の形態１の水素ガス供給装置では必要な水素量を得るように、原料ガス１の流量を調整する制御をする。したがって改質触媒が劣化すれば必要な水素量を得るために、原料ガス１の流量が増加するしくみとなっている。
【００５８】
水素ガス供給装置使用開始時における原料ガス１の流量Ｑ０、時間経過した際の水素ガス供給装置の原料ガス１の流量Ｑとし、流量差ΔＱは、式４となる。
【００５９】
ΔＱ＝Ｑ−Ｑ０・・・（式４）
流量差ΔＱの値を参照することにより、改質触媒がどれだけ劣化したかを推しはかることができる。この流量差ΔＱを、改質触媒の劣化度合いを示す指標とする。
【００６０】
（２）劣化度合いの指標にあわせて、どのように一酸化炭素除去部６の高温化を抑制するかについて
次に、劣化度合いの指標の流量差ΔＱにあわせて、どのように一酸化炭素除去部６の高温化を抑制するのかということについて以下説明する。
【００６１】
バーナ５は、可燃ガス１０と空気１１を投入し、これらを燃焼させることで高温のガスを発生させる。この際、投入する空気１１の流量を大きくすると、改質部４への伝熱量は小さくなり、改質部４へ伝えきれずに余った熱は、水蒸気生成部３へと伝わる。したがって、水蒸気生成部３の温度や、それに隣接する一酸化炭素除去部６の温度が高くなる。
【００６２】
逆に、バーナ５に投入する空気１１の流量が小さくなると、改質部４へ伝わる熱の割合が増え、水蒸気生成部３へ伝わる熱量は、その分減少するため、水蒸気生成部３や一酸化炭素除去部６の温度は低下する。
【００６３】
改質部４への伝熱量と、水蒸気生成部３への伝熱量の合計値に関しては、どちらの空気量の場合もほぼ変わらないが、その伝熱量の内訳は、空気量の影響を受けるという仕組みになっている。このことを利用し、バーナ５に投入する空気量を調整することで、改質触媒の劣化の影響を緩和し、一酸化炭素除去部６の温度を最適に保つ制御を行う。具体的には改質触媒の劣化度合いの指標であるΔＱの値に比例して、空気量を減少させる。
【００６４】
水素ガス供給装置使用開始時においてバーナ５に投入する空気１１の流量Ａ０、上記の水素の流量差ΔＱ、あらかじめ設定された調整定数ｋとすると、投入すべき空気１１の流量Ａは、式５となる。
【００６５】
Ａ＝Ａ０−ｋΔＱ・・・（式５）
改質触媒が劣化していなければ、水素の流量差ΔＱ＝０となり、空気の流量Ａ＝空気の流量Ａ０となるため、使用開始時と同じ空気の流量Ａで運転することになる。また改質触媒が劣化していればその劣化具合に比例して空気の流量Ａを減少させ、一酸化炭素除去部の高温化を抑制する。
【００６６】
＜調整定数ｋの決定方法について＞
調整定数ｋは水素ガス供給装置を実際に運転し、一酸化炭素除去部６の温度が適切に維持されるように決定する。調整定数ｋの値の具体的な設定手順としては以下のようになる。
【００６７】
（１）まず改質触媒が劣化していない状態で水素ガス供給装置を運転し、必要な水素量を得るように、原料ガス１の流量を制御する。このときの原料ガスの流量をＱ０とする。また一酸化炭素除去部６の温度が適切な温度に保たれるように、バーナ５へ投入する空気量を調整する。このときの空気量をＡ０とする。
【００６８】
（２）次に改質触媒が劣化した状態で水素ガス供給装置を運転し、必要な水素量を得るように、原料ガス１の流量を制御する。このときの原料ガスの流量をＱｄとする。また一酸化炭素除去部６の温度が適切な温度に保たれるように、バーナ５へ投入する空気量を調整する。このときの空気量をＡｄとする。
劣化した改質触媒としては、５〜１０年程度使用したものを用いることが望ましいが、
これを入手するためには多くの年月を必要とするため、事実上困難な場合がある。
その場合は、通常よりも原料ガス１の流量を増大させた運転をすることで、通常よりも劣化の速度を速める加速試験を実施したり、数か月の劣化度合いから１０年後の劣化状態を想定したりするなどの措置を取る。
【００６９】
（３）劣化していない状態の原料ガス流量と、劣化状態での原料ガス量の差ΔＱは式６となる。
【００７０】
ΔＱ＝Ｑｄ−Ｑ０・・・（式６）
となり、劣化後の空気量は式７となる。
【００７１】
Ａ＝Ａｄ・・・（式７）
となるため、これらの式６、式７を、式５に代入すると式８となる。
【００７２】
ｋ＝（Ａ０−Ａｄ）／（Ｑｄ−Ｑ０）・・・（式８）
このように、実際に水素ガス供給装置を運転した際の原料ガス１の流量や空気１１の流量から調整定数ｋを求めることができる。
【００７３】
なお、空気量の制御は制御部２０で行う。
【００７４】
（実施の形態２）
実施の形態１では、一酸化炭素除去部６が水蒸気生成部３に隣接し、かつ、水蒸気生成部３に燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）が隣接する構成になっており、このような構成に対して空気流量制御の有効性を説明してきた。
【００７５】
実施の形態１では、燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）が水蒸気生成部３を介して「間接的」に一酸化炭素除去部６に温度影響を与える構成になっている。
【００７６】
一方で、一酸化炭素除去部６が燃焼排ガス流路８（第１燃焼排ガス流路）に隣接し、これらが「直接的」に伝熱しあう構成においても、この空気量の制御は有効に作用し、一酸化炭素除去部６の温度を適切に保つことができる。実施の形態２においては、このような構成について説明する。
【００７７】
以下では実施の形態２における水素ガス供給装置の、全体構成、各構成要素、ガスの流れ方、および制御方法などについて、図５を参照しながら説明する。記載しない事項は、実施の形態１と同様である。
【００７８】
＜全体構成＞
実施の形態２における水素ガス供給装置は、改質部４と、水蒸気生成部３と、バーナ５と一酸化炭素除去部６と、温度測定器７が設けられている。これらの構成要素のはたらきは、実施の形態１で説明したものと同様であるため説明を省略する。さらに、実施の形態２における水素ガス供給装置は、バーナ５の後流に連通して設けられた燃焼排ガス流路８（第２燃焼排ガス流路）と、その後流に連通して設けられた水蒸気生成部加熱流路１２を有する。これらの構成物は高温に耐えられるよう、ステンレスなどの金属容器によって形成される。
【００７９】
＜ガスの流れと各構成部のはたらき＞
次に、水素ガス供給装置内部のガスの流れと、各構成部のはたらきについて、実施の形態１と異なる部分を説明する。
【００８０】
一酸化炭素除去部６には燃焼排ガス流路８（第２燃焼排ガス流路）が隣接している。一酸化炭素除去部６は、燃焼排ガス流路８（第２燃焼排ガス流路）を流れるガスによって加熱され、その機能を果たすのに最適な温度（１５０〜３００℃程度）に保たれる。一酸化炭素除去部において一酸化炭素が除去されたのち、ガスは一酸化炭素除去部６から排出される。
【００８１】
一方、燃焼排ガス流路８を通過したガス（排ガス）は、水蒸気生成部加熱流路１２（第３燃焼排ガス流路）へと流れる。水蒸気生成部加熱流路１２（第３燃焼排ガス流路）は水蒸気生成部３と隣接しており、水蒸気生成部３の内部を流れるガスを加熱できるように配置されている。このように、水蒸気生成部加熱流路１２（第３燃焼排ガス流路）の熱を水蒸気生成部３で回収することにより、水素ガス供給装置の水素生成効率を高めるしくみとなっている。
【００８２】
なお、水蒸気生成部加熱流路１２（第３燃焼排ガス流路）は、燃焼排ガス流路８と同様の構造である。
【００８３】
水素ガス供給装置の内部を流れるガスは、水蒸気生成部３、改質部４、一酸化炭素除去部６を通過し水素ガス供給装置外部へと排出される。またバーナ５から噴出されるガスは改質部４と熱交換したのち、燃焼排ガス流路８（第２燃焼排ガス流路）や水蒸気生成部加熱流路１２（第３燃焼排ガス流路）を通り、それぞれの流路と隣接する要素と熱交換したのち、水素ガス供給装置外部へと排出される。
【００８４】
水素ガス供給装置から排出されたガスは水素含むガスとなる。排出された水素流量が必要な量に達していなければ、水素ガス供給装置に投入する原料ガス１の流量を増加させる。また、排出された水素流量が必要な量よりも多ければ、水素ガス供給装置に投入する原料ガス１の流量を減少させる。このような制御手段により、燃料処理器から排出される水素の量をコントロールする。  なお、空気量の制御は制御部２０で行う。
【００８５】
原料ガス１の流量の制御は実施の形態１と同じである。
【００８６】
＜全体を通じて＞
実施の形態１，２とは組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の水素ガス供給装置の運転方法により、長期間にわたって、一酸化除去性能、水素生成効率を確保できる。したがって、ＰＥＦＣを搭載した燃料電池コージェネレーションシステムにたいして有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１  原料ガス
２  水
３  水蒸気生成部
４  改質部
５  バーナ
６  一酸化炭素除去部
７  温度測定器
８  燃焼排ガス流路
９  改質触媒
１０  可燃ガス
１１  空気
１２  水蒸気生成部加熱流路
１３  燃焼排ガス
２０  制御部
ｋ  調整定数
【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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