(57)【要約】本発明の水素生成装置は、少なくとも炭素原子と水素原子を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、その改質部に原料を供給する原料供給部と、その改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、その水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部と、制御部とからなる。制御部は、原料供給部からの原料供給量と水供給部からの水供給量を制御する一方、水蒸発部用温度検知部からの検出温度に基づいて、水蒸発部内に水が貯まらないように、加熱部への空気量、加熱部への燃料量又は改質部への原料量のいずれか一つを制御する。これにより、水蒸発部に水が貯まらないように水素生成装置を運転することが可能であり、信頼性と経済性の高い水素生成装置の運転方法及びそれに用いる水素生成装置、並びにその水素生成装置を備えた燃料電池発電システムを提供することが可能となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、
該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、
該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、
燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つを制御することを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度が前記第１の閾温度より小さい場合には、前記第１空気供給部により前記燃焼部への空気量を増加させるよう制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記燃料を完全燃焼するための理論空気量に対する供給される空気量の比で規定される空気比が大きくなるように加熱部への空気量を増加させる請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記空気比を１．５以上とするように加熱部への空気量を増加させる請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記加熱部は、さらに、前記燃焼ガスに空気を供給する第２空気供給部を備え、前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、第２空気供給部により空気量を増加させるよう制御する請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とを備え、
前記制御部は、前記検出温度が前記第１の閾温度より小さい場合には、前記燃料供給部により前記燃焼部への燃料量を増加させるよう制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記原料を供給する原料供給部と、前記水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、前記検出温度が前記第１の閾温度より小さい場合には、前記制御部は、前記改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する前記改質部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を減少させるよう制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記検出温度が、前記第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超える場合には、前記いずれか一つの供給量を制御して前記水蒸発部の温度を下降させ、前記水蒸発部の温度を前記第１の閾温度と前記第２の閾温度との間に維持する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度を超える場合には、前記第１空気供給部により前記燃焼部への空気量を減少させるよう制御する請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度を超える場合には、前記燃料供給部により前記燃焼部への燃料量を減少させる請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度より小さい場合には、Ｓ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を増加させるよう制御する請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された前記検出温度の時間変化値が、前記検出温度の時間変化に対して予め設定された第１の閾値より小さい場合には、前記検出温度の時間変化値が上昇するように前記いずれか一つの供給量を制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項１３】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には、前記第１空気供給部により前記燃焼部への空気量を増加させる請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１４】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には前記燃料供給部により前記加熱部への燃料量を増加させるよう制御する請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１５】
前記原料を供給する原料供給部と、
前記水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には、前記改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する前記水蒸発部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を減少させるよう制御する請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１６】
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記検出温度の時間変化値を下降させ、前記水蒸発部の検出温度の時間変化値が前記第１の閾温度と前記第２の閾温との間に維持する請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１７】
前記燃焼部の周囲には前記改質部と前記水蒸発部とがこの順で外周方向に同心的に配設され、かつ燃焼ガスの流路となる燃焼ガス路が改質部から水蒸発部へと熱可能に配設されている請求項１または１２に記載の水素生成装置。
【請求項１８】
少なくとも、請求項１から１７のいずれか一つ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水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池とを有する燃料電池システム。
【請求項１９】
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、該改質部に原料を供給する原料供給部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部とを有する水素生成装置の運転方法であって、
前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、前記検出温度が予め設定された第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つの供給量を制御する水素生成装置の運転方法。
【請求項２０】
前記検出温度が該第１の閾温度より小さいときには、前記加熱部への空気量を増加させる請求項１９記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２１】
前記検出温度が、前記第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記水蒸発部の温度を下降させ、前記水蒸発部の温度を前記第１の閾温度と前記第２の閾温度との間に維持する請求項１９に記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２２】
前記検出温度が第２の閾温度を超えるときには前記加熱部への空気量を減少させ、前記水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持する請求項１９に記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２３】
前記水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された前記検出温度の時間変化値が、前記検出温度の時間変化値に対して予め設定された第１の閾値より小さいときには前記検出温度の時間変化値が上昇するように前記いずれか一つの供給量を制御する請求項１９記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２４】
前記検出温度の時間変化値が第１の閾値より大きい第２の閾値を下回るときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記検出温度の時間変化値を下降させ、前記検出温度の時間変化値を第１の閾値と第２の閾値との間に維持する請求項２３記載の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、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素系物質を主原料として水蒸気改質反応により水素リッチガスを生成する水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池システムに関し、特に、燃料電池等の水素利用機器に供給する水素ガスを生成する水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  水素生成装置は、改質触媒層を備えた改質部において、少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む原料の水蒸気改質を行う。この改質反応により、改質ガスとして、水素リッチガス（以下、水素ガスと呼ぶ）が生成する。改質反応の際に改質触媒層に水が直接供給されると、不均一蒸発による改質特性の低下や、改質触媒上での水蒸発により触媒がダメージを受ける可能性がある。したがって、改質触媒層には、水蒸気の状態で水が供給される。【０００３】  例えば、改質部の改質触媒層に連通する水の供給流路が立ち上がり構造を有するとともにこの構造によって形成された流路の底部に水蒸発部を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。かかる構成では、供給された水が水蒸発部で蒸発して改質触媒層に供給され、水蒸発部で蒸発しなかった水がこの底部に溜められる。
【特許文献１】特開２００３−２５２６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  水素生成装置は、装置内に水蒸発部を設け、ここに水を供給することで水蒸気を生成している。この水蒸発部の蒸発能力が十分でなく、供給された水を１００％蒸発できなければ、蒸発分だけの水蒸気しか改質触媒層には供給されず、改質反応で重要な、供給される原料中の炭素原子のモル数に対する供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃが設定値からずれて小さな値となる。また、反対に蒸発できなかった水は、水蒸発部に液水として貯まることになる。水蒸発部に液水が貯まれば、運転条件の変化により供給した水を蒸発させる能力が十分得られる条件になったときに貯まっている液水が蒸発し、供給している水量以上に水蒸気が供給され、貯まっている液水が蒸発し終わるまでＳ／Ｃが設定値より大きな値となる。Ｓ／Ｃの設定値からのズレは、改質触媒温度に対する改質反応特性に影響を与えるばかりでなく、Ｓ／Ｃが小さくなりすぎると、改質反応後のガスの不均化反応や供給原料の高温化による炭素析出による流路の閉塞、さらには水素生成装置から送出する生成ガスの露点の変化をもたらし、水素生成装置や水素生成装置を利用したシステムへ影響を与える可能性がある。【０００５】  また、液水が貯まっている状態で水素生成装置の運転が停止すれば、周囲温度が低下して０℃を下回るような条件では水が凍結し、水蒸発部の破壊により水素生成装置が機能しなくなる可能性がある。さらに、液水が貯まった状態での停止は、停止時にたとえ水が凍結しなくても、次回起動時に液水が貯まった分だけ水蒸発まで時間がかかったり、貯まった液水の蒸発により想定していない条件での水蒸気供給が起こり、下流側の昇温していない触媒で水蒸気が凝縮して触媒の水濡れ劣化や水による流路閉塞などを引き起こす可能性がある。また、常に液水が貯まらないように過剰に水蒸発部を加熱するような運転とすると、水素をつくるために必要な原料や燃料が増えて水素生成効率が低くなり、経済性の悪い水素生成装置となってしまう。【０００６】  本発明はこれらの課題を解決するもので、水蒸発部に液水が貯まらないように水素生成装置を運転することが可能であり、信頼性と経済性の高い水素生成装置及びその運転方法、並びにその水素生成装置を備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記課題を解決するため、本発明に係る水素生成装置は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部と、制御部とを備え、前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つを制御することを特徴とする。【０００８】  本発明の水素生成装置は、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とで構成し、検出温度が第１の閾温度より小さい場合には、制御部により第１空気供給部により燃焼部への空気量を増加させるよう制御することもできる。ここで、制御部は、燃料を完全燃焼するための理論空気量に対する供給される空気量の比で規定される空気比が大きくなるように、加熱部への空気量を増加させることもできる。例えば、制御部は、空気比を１．５以上とするように加熱部への空気量を増加させることができる。さらに、加熱部に燃焼ガスに空気を供給する第２空気供給部を設け、制御部が、水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、第２空気供給部により空気量を増加させるよう制御することもできる。【０００９】  また、本発明の水素生成装置は、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とで構成し、検出温度が第１の閾温度より小さい場合には、制御部により燃料供給部により燃焼部への燃料量を増加させるよう制御することもできる。【００１０】  また、本発明の水素生成装置は、原料を供給する原料供給部と、水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、検出温度が第１の閾温度より小さい場合には、制御部は、改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する改質部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、原料供給部による改質部への原料量及び水供給部による水蒸発部への水量を減少させるよう制御することもできる。【００１１】  また、本発明の水素生成装置は、検出温度が、第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超える場合には、制御部によりいずれか一つの供給量を制御して水蒸発部の温度を下降させ、水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持することもできる。ここで、制御部は、検出温度が第２の閾温度を超える場合には、第１空気供給部により燃焼部への空気量を減少させるよう制御することができる。また、制御部は、検出温度が第２の閾温度を超える場合には、燃料供給部により燃焼部への燃料量を減少させることもできる。また、制御部は、検出温度が第２の閾温度より小さい場合には、Ｓ／Ｃを所定値に維持しながら、原料供給部による改質部への原料量及び水供給部による水蒸発部への水��を増加させるよう制御することもできる。【００１２】  また、本発明の水素生成装置は、水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された検出温度の時間変化値が、検出温度の時間変化に対して予め設定された第１の閾値より小さい場合には、制御部により検出温度の時間変化値が上昇するようにいずれか一つの供給量を制御することもできる。【００１３】  ここで、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とで構成し、検出温度の時間変化値が第１の閾値より小さい場合には、制御部が第１空気供給部により燃焼部への空気量を増加させることができる。【００１４】  また、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とで構成し、検出温度の時間変化値が第１の閾値より小さい場合には、制御部が燃料供給部により加熱部への燃料量を増加させるよう制御することもできる。【００１５】  また、原料を供給する原料供給部と、水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、検出温度の時間変化値が第１の閾値より小さい場合には、制御部により、改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する水蒸発部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、原料供給部による改質部への原料量及び水供給部による水蒸発部への水量を減少させるよう制御することもできる。【００１６】  また、制御部により、検出温度の時間変化値が第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えるときにはいずれか一つの供給量を制御して検出温度の時間変化値を下降させ、水蒸発部の検出温度の時間変化値を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持することもできる。【００１７】  また、本発明の水素生成装置は、燃焼部の周囲には改質部と水蒸発部とがこの順で外周方向に同心的に配設され、かつ燃焼ガスの流路となる燃焼ガス路が改質部から水蒸発部へと伝熱可能に配設されてなるものを用いることもできる。【００１８】  本発明に係る燃料電池システムは、少なくとも、請求項１から１７のいずれか一つ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水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池とを有することを特徴とするものである。【００１９】  本発明に係る水素生成装置の運転方法は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、該改質部に原料を供給する原料供給部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部とを有する水素生成装置の運転方法であって、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、前記検出温度が予め設定された第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つの供給量を制御することを特徴とするものである。【００２０】  本発明の運��方法においては、検出温度が第１の閾温度より小さいときには、加熱部への空気量を増加させることもできる。【００２１】  また、本発明の運転方法においては、検出温度が、第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して水蒸発部の温度を下降させ、水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持することもできる。【００２２】  また、本発明の運転方法においては、検出温度が第２の閾温度を超えるときには加熱部への空気量を減少させ、水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持することもできる。【００２３】  また、本発明の運転方法においては、水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された検出温度の時間変化値が、検出温度の時間変化値に対して予め設定された第１の閾値より小さいときには検出温度の時間変化値が上昇するようにいずれか一つの供給量を制御することもできる。ここで、検出温度の時間変化値が第１の閾値より大きい第２の閾値を下回るときにはいずれか一つの供給量を制御して検出温度の時間変化値を下降させ、検出温度の時間変化値を第１の閾値と第２の閾値との間に維持することもできる。
【発明の効果】
【００２４】  本発明によれば、水蒸発部の温度状態に応じて水蒸発部への伝熱量を制御することで運転時に水蒸発部での水溜まりを防止し、供給した水は全て水蒸気として反応部に供給することができる。それにより、所定のＳ／Ｃの条件で運転することができ、安定した改質反応特性や流路内の炭素析出防止を実現することができる。また、停止時にも水蒸発部内には水が存在しないので、凍結防止対策も不要となるばかりでなく、次回起動時の起動時間や起動特性の安定化を実現することができる。さらに上記内容をできるだけ少ない原料および燃料供給により可能とする。よって、信頼性と経済性の高い水素生成装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の改質部の構成の一例を示す模式的な断面図。
【図２】図１の改質部における空気比と水蒸発部の温度との関係を示す図。
【図３】図１の改質部における空気比と改質触媒層への伝熱量及び水蒸発部への伝熱量との関係を示す図。
【図４】実施の形態１の水素生成装置の運転動作のフローチャートの一例。
【図５】図１の改質部における空気比と水素生成効率との関係を示す図。
【図６】実施の形態１の水素生成装置の運転動作のフローチャートの一例。
【図７】図１の改質部における燃焼量と水蒸発部の温度との関係を示す図。
【図８】図１の改質部における原料流量と水蒸発部の温度との関係を示す図。
【図９】本発明の実施の形態５に係る水素生成装置の改質部の構成の一例を示す模式的な断面図。
【図１０】図９に示す第２空気供給部からの空気量と水蒸発部の温度との関係を示す図。
【図１１】本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図。
【符号の説明】
【００２６】  １  原料供給部
２  水供給部
３  改質部
４  水蒸発部
５  改質触媒層
６  空気流路
７  第１空気供給部
８  燃料供給部
９  燃焼部
１２  加熱部
１５  改質温度検知部
１６  水蒸発部用温度検知部
２０  制御部
３０  第２空気供給部
１００  水素生成装置
１０１  燃料電池
１０２  熱回収装置
１０３  ブロワ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】  以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
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、水素生成装置の主要構成要素である改質部の構成を詳細に示している。図１に示すように、水素生成装置は、上端及び下端が閉鎖された円筒状の本体５０から構成され、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部３と、その改質部３に水蒸気を供給する水蒸発部４と、その水蒸発部４の温度を検知する水蒸発部用温度検知部１６（以下、温度検知部と略す）と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部３と水蒸発部４とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部１２と、制御部２０とを備えている。【００２８】  改質部３では、円筒状の本体５０の内部に、半径及び軸方向の長さがそれぞれ異なる円筒状の複数の縦壁５１が同心的に配置され、それにより、本体５０の内部が半径方向に区画されている。この縦壁５１の所定の端部に、円板状又は中空円板状の横壁５２が適宜配設されている。詳細には、本体５０の内部に複数の縦壁５１が同心的に直立配置されることにより縦壁５１間に間隙５３が形成され、この間隙５３を利用して所望のガス流路が形成されるように、縦壁５１の所定端部が横壁５２によって適宜閉鎖されている。それにより、本体５０の内部に、改質原料流路ａと、燃焼ガス流路ｂ１と、改質ガス流路ｃと、改質触媒層５と、燃焼ガス流路ｂ２とが形成され、これらの流路が、本体半径方向の外周側から中心に向けてこの順に配置されている。【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部１及び水供給部２に接続されており、また、下流側の端部が、改質触媒層５の上端面に接続されている。改質原料流路ａは二重構造を有し、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に変化するように形成された立ち上がり構造となっている。そして、改質原料流路ａの底部に、水蒸発部４が形成されている。後述するように、水供給部２から改質部３に供給された水は、この水蒸発部４に供給されることにより蒸発する。この水蒸発部４には水蒸発部４の温度を検知する温度検知部１６が配設されており、ここでは温度検知手段として熱電対が設置されている。温度検知部１６の設置場所は、水が貯まり始めたときに初めに貯まる水蒸発部４の下部近傍で、水蒸発部４の温度を検知できる場所であれば、特に限定されるものではない。ここでは、水蒸発部４を構成する構造体壁を直接検知する構成としているが、水蒸発部４内に設置し、内部を流れているガスや水蒸気の温度、または貯まり始めた水の温度を直接検知する構成でも良い。また、水蒸発部４に水が貯まり始めることが検知できれば、温度検知部の設置場所や検知方法、検知対象媒体はどのようなものでも良い。温度検知部１６により検知された水蒸発部４の温度は、制御部２０に伝達される。制御部２０の構成及び機能については後述するが、制御部２０は、この検出温度に基づいて、空気供給部７、燃料供給部８、原料供給部１及び水供給部２に信号を出力し、各供給量を制御する。ここで、空気供給部７は加熱部１２に空気を供給し、燃料供給部８は加熱部１２に燃料を供給し、原料供給部１は改質部３に原料を��給する。【００３０】  改質触媒層５は、間隙５３に改質触媒が充填されて形成されており、後述する加熱部１２の輻射筒１３の上端面及び外周面に沿って配置されている。ここでは、Ｒｕを主成分とする改質触媒が用いられているが、改質反応が可能であれば、改質触媒は特に限定されるものではない。例えば、ＰｔやＲｈのような貴金属やＮｉ等から構成される改質触媒であってもよい。改質触媒層５の上端面は改質原料流路ａに接続されており、下端面は改質ガス流路ｃの上流側端部に接続されている。改質ガス流路ｃの下流側端部は、改質ガスを改質部３の外部に取り出し可能に構成されている。この改質ガス流路ｃの内部には、改質触媒層５を通過して該流路内を流れるガスの温度を検知する改質温度検知手段１５が配設されており、ここでは、改質温度検知手段１５として、熱電対が設けられている。【００３１】  加熱部１２は、例えばバーナからなる燃焼部９と、燃焼部９の外周に形成された空気流路６と、燃焼部９の空気流路６から上方に突出した部分を囲むように空気流路６の上に配置された輻射筒１３とを備え、輻射筒１３が、改質部３の本体５０内部に収納され同心的に配置されている。燃焼部９は燃料供給部８に接続されており、空気流路６は第１空気供給部７に接続されている。【００３２】  輻射筒１３の内部に燃焼部９から燃焼燃料が供給されるとともに空気が供給され、燃焼が行われて火炎が形成される。このように、輻射筒１３の内部に燃焼空間１４が形成される。燃焼空間１４は、輻射筒１３の上端に形成された開口１３ａを介して改質部３の燃焼ガス流路ｂ２に連通している。燃焼ガス流路ｂ２と燃焼ガス流路ｂ１とは改質部３の底部で連通しており、燃焼ガス流路ｂ１の下流側端部は、燃焼ガスを改質部３の外部に取り出し可能に構成されている。【００３３】  なお、図示を省略しているが、原料供給部１、水供給部２、第１空気供給部７、及び燃料供給部８は、供給対象物の流量を制御可能に構成されている。例えば、これらの供給部１，２，７，８は、ポンプやファン等の駆動手段を備え、この駆動手段が制御部２０によって制御されて各供給流量の制御が行われる構成であってもよく、また、駆動手段の下流側流路にバルブ等の流量制御手段がさらに設けられこの流量制御手段が制御部２０によって制御されて各供給量の制御が行われる構成であってもよい。【００３４】  次に、水素生成装置の運転時の動作について説明する。
加熱部１２では、第１空気供給部７からの空気と燃料供給部８からの燃料により火炎が形成される。ここで、空気量と燃料量は制御部２０により、通常、加熱部１２に供給される燃料の完全燃焼における理論空気量の１．３倍の空気が加熱部１２に供給され、安定した燃焼を実現する。この燃焼により生じた高温の燃焼ガスは輻射筒１３内を通った後、輻射筒１３と改質触媒層５の間の流路ｂ２を通過しながら、改質触媒層５と熱交換を行い、改質触媒層５を良好な改質反応を行うことができる温度に昇温する。改質触媒層５と熱交換を行った後、燃焼ガスは水蒸発部４の内側の流路ｂ１を通過することで水蒸発部４と熱交換を行い、水が蒸発できる熱量を水蒸発部４に与え、水蒸発部４を昇温する。このような状態において、水供給部２から水が供給されることで水蒸発部４で水蒸気がつくられ、原料供給部１から供給された原料と水蒸気とが混合されて改質触媒層５に送られる。改質触媒層５では改質反応に十分な温度状態となっているため改質反応が起こり、水素を含む改質ガスは改質ガス流路Ｃを通って改質部５０から送出される。【００３５】  このように、改質触媒層５と水蒸発部４とは共に加熱部１２からの燃焼ガスにより加熱され、伝熱経路の上流側に位置する改質触媒層５が、下流側に位置する水蒸発部４に先んじて加熱されることにより、加熱部１２の熱を有効に利用しながら、改質触媒層５を改質反応が良好な６００〜７００℃の高温に、水蒸発部４を水が蒸発できる１００℃以上の状態に実現している。【００３６】  図２は、原料流量一定の条件下における運転時の加熱部１２における空気比と水蒸発部４の温度との関係を示した図である。また、図３は空気比に対する燃焼ガスの改質触媒層５への伝熱量と水蒸発部４への伝熱量の関係を示した図である。【００３７】  空気比が大きくなると加熱部１２での火炎温度が低くなり燃焼ガスの温度が低くなるため、改質触媒層５への伝熱量が少なくなり、その結果、改質触媒層５と熱交換した後の燃焼ガスに含まれる熱量が多くなるので、水蒸発部４への伝熱量が多くなる。したがって、空気比が大きい方が、水蒸発部の温度が高くなる。ちなみに、空気比が１．４よりも小さければ水蒸発部の温度が約１００℃とほぼ一定となっているのは、水蒸発部４内に少しでも液水があれば、水の蒸発潜熱が大きいため、水蒸発部４の底部等で液水が貯まっている量にかかわらずほぼ１００℃となるためと考えられる。なお、空気比に対する水蒸発部４が１００℃となる領域は、周囲温度や運転条件、さらに運転条件の時間変化などにより変わる。図２では、その中で水が最も貯まりやすい条件で運転した時の一例を示している。【００３８】  図２において、空気比１．３で運転すると、水蒸発部４の温度が１００℃であるので、水蒸発部４に液水が、例えば水蒸発部４の底部に貯まり始める。そこで、図４に示すフローチャートのように制御することで水蒸発部４への水溜まりを防止することができる。つまり、起動から暖気運転を経て通常運転に移行した状態において、空気比１．３で運転するステップＳ１０に進む。そして、次のステップＳ２０では、制御部２０は、温度検知部１６から送られた水蒸発部４の検出温度を第１の閾温度、例えば１１０℃と対比���る。そこで、検出温度が１１０℃以上であると判定した場合には、水蒸発部４に供給された水は全量蒸発していると判断してステップＳ１０に戻り、制御部２０で空気供給部７を制御して空気比１．３で運転する。一方、制御部２０で水蒸発部４の温度が１１０℃より低いと判定すれば、水蒸発部４に水が貯まり始めていると判断して、ステップＳ３０に進み、空気供給部７を制御して空気比を１．５に変更し、水蒸発部４への伝熱量を増やして蒸発を促進させる。そして、ステップＳ２０に戻り、温度検知部１６により水蒸発部４の温度を測定し、ステップＳ２０以降を繰り返す。【００３９】  このような運転を行うことで、運転条件によって水蒸発部４に液水が貯まりにくくなり、仮に水蒸発部４に液水が、例えば水蒸発部４の底部等に貯まり始めたとしても貯まる量を最小限に抑えることができる。これにより、水が貯まり始めた時と貯まっている水が蒸発する時に生じるＳ／Ｃ（供給される原料中の炭素原子のモル数に対する供給される水蒸気のモル数の比）のずれの大きさとずれの継続時間をできるだけ小さく抑えることが可能となる。【００４０】  図５は空気比に対する水素生成効率の関係を示した図である。ここで、水素生成効率は、供給したガスの熱量に対する生成した水素の熱量で規定され、その値が大きい方がガスを有効に利用して水素を生成したことになる。図５からわかるように、空気比を大きくすると改質効率は低下する傾向となる。これは図３に示したように、空気比が大きくなるほど、改質触媒層５への伝熱量が少なくなり水蒸発部４への伝熱量が多くなる一方、水蒸発部４では、水の蒸発に使用する熱量以上の熱は、最外周部にある水蒸発部４から周囲に放熱されるからである。つまり、空気比が大きいほど周囲からの放熱量（放熱ロス）が大きくなるため水素生成効率が低くなる。よって、空気比を常に大きく設定しておけば、どのような運転状態でも水蒸発部４での水溜まりを防止することができるが水素生成効率が低下する。しかし、本実施の形態に係る運転方法によれば、必要なタイミングでのみ通常運転時よりも大きい空気比で運転することで、水素生成効率が高い状態を維持しつつ水溜まりを予防することができる。【００４１】  なお、実際の制御上、閾温度を１１０℃と一点で行うと、温度検知部１６の温度検知状態の乱れや制御部２０での信号の乱れなどにより、制御部２０で認識する水蒸発部４の温度が瞬間的に１１１℃や１０９℃と変化する可能性がある。その様な状態では、空気比の制御値が１．３と１．５を瞬間的に変わり続けることになり、燃焼空気供給部７の制御も瞬間的に変化し続ける。そうすると、ファンなどを使用している燃焼空気供給部７やその他の関連した機器の制御に不安定さを引き起こす可能性がある。【００４２】  そこで、図６に示すように閾温度を２つ設け、水蒸発部４の温度が上昇している場合と下降している場合とで閾温度を使い分け運転状態の安定性を確保しても良い。つまり、起動から暖気運転を経て通常運転に移行した状態において、空気比１．３で運転するステップＳ１０に進む。次のステップＳ２０では、制御部２０は、温度検知部１６からの検出温度を第１の閾温度、例えば１１０℃と対比する。そこで、検出温度が１１��℃以上であると判定した場合には、水蒸発部４に供給された水は全量蒸発していると判断してステップＳ１０に戻り、制御部２０で空気制御部７を制御して空気比１．３で運転する。一方、制御部２０で水蒸発部４の温度が１１０℃より低いと判定すれば、水蒸発部４に液水が貯まり始めていると判断して、ステップＳ３０に進み、空気供給部７を制御して空気比を１．５に変更する。次のステップＳ４０では、制御部２０は、温度検知部１６からの検出温度を第２の閾温度、例えば１１５℃と対比する。そこで、検出温度が１１５℃以上であると判定した場合にはステップＳ１０に戻り、空気比１．３で運転する。一方、検出温度が１１５℃より低いと判定すればステップＳ３０に戻り、空気比１．５でそのまま運転し、ステップＳ３０以降を繰り返す。
このような動作を用いれば、水蒸発部４の温度が１１０℃と１１５℃を瞬間的に変化することはない。そのため、空気比を制御するタイミングに時間間隔を設けることが可能となり、瞬間的な変化により制御の不安定さを引き起こすことを防止することができる。【００４３】  また別の方法として、ひとつの閾温度に対して、一度空気比の設定値が変わった後に設定後の空気比を維持する時間を設けて、一定時間空気比を変化させないようにすることにより、制御の安定化を図ってもよい。【００４４】  なお、上記説明では閾温度に１１０℃を用いたが、これは一例であり、水蒸発部の構成や温度検知部の設置場所などにより別の値を用いることができる。また、空気比の設定も初期値に１．３、蒸発促進時には１．５を用いたが、これらは一例であり、改質部や燃焼部の特性に応じて水素生成装置に適した別の値を用いることができる。【００４５】  以上のように、本実施の形態に係る水素生成装置では、水蒸発部の検出温度と閾温度とを対比し、水蒸発部に液水が貯まりはじめたと判断した時には空気比を大きくし、水が貯まっていないと判断した時には空気比を小さくすることで、加熱部への空気量を制御し、水素生成効率の低下を最小限に抑えた状態で運転時の水溜まりを防止し、高い信頼性を実現することができる。【００４６】実施の形態２．
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部に液水が貯まり始めたか否かの判断を、閾温度に代えて検出温度の時間変化値からなる閾値に基づいて行う機能を有する以外は、実施の形態１と同様の構成を有している。
例えば、水蒸発部４の検出温度が１３０℃の時、その検出温度の時間変化値ΔＴｗが−１．０ｄｅｇ／ｍｉｎの時は１０分経っても液水が貯まり始めないが、ΔＴｗが−２．０ｄｅｇ／ｍｉｎの時は５分すると水が貯まり始める。また、検出温度が１２０℃の時には、その検出温度の時間変化値ΔＴｗが−０．５ｄｅｇ／ｍｉｎの時は１０分経っても液水が貯まり始めないが、ΔＴｗが−１．０ｄｅｇ／ｍｉｎの時は５分すると水が貯まり始める。【００４７】  そこで、本実施の形態に係る水素生成装置の運転方法は、例えば、水蒸発部４の温度が１３０℃の時には閾値−１．５ｄｅｇ／ｍｉｎ、１２０℃の時には閾値−０．８ｄｅｇ／ｍｉｎというように各温度に対して時間変化値の閾値を設定する。例えば、空気比１．３で通常運転を行っている場合を想定する。制御部２０では、温度検知部１６から送られた検出温度を用いて算出した実際の検出温度（第１の検出温度）の時間変化値と、第１の検出温度について設定された第１の閾値とを対比し、実際の時間変化値がその閾値より小さいと判定すると、暫くすると液水が貯まり始めると判断し、空気供給部７を制御して空気比を当初の１．３から１．５に変える。一方、制御部２０が、実際の時間変化値が閾値より大きいと判定すると、液水は貯まらないと判断し、空気比１．３を維持する。なお、実際の時間変化値は、第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度から算出し、この第１の検出温度の時間変化値と、第１の検出温度について設定された第１の閾値とを対比する。【００４８】  本実施の形態に係る水素生成装置によれば、水蒸発部４で液水が貯まるのを事前に予測することで液水を全く貯めることなく、かつできるだけ空気比を低い状態で運転することが可能となるので、水素生成効率と信頼性の高い水素生成装置及びその運転方法を実現することができる。【００４９】  なお、水素生成装置の運転に際し、一つの閾値のみを設定すると、実際の時間変化値がその一の閾値前後で変化すると、空気比が瞬間的に変化する状態が続く可能性がある。そのため、本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様に閾値を２つ設け、図６のフローチャートに示したと同様な運転方法により瞬間的に空気比が変化する状態が続かないようにしても良い。すなわち、第１の検出温度について第１の閾値に加え、その第１の閾値より大きい第２の閾値を設定し、実際の時間変化値が第２の閾値を超えないように空気比を変化させる。【００５０】  また、一つの閾値のみを用いる場合であっても、変化後の空気比を所定時間維持させることにより、空気比が瞬間的に変化する状態が続くことを防止できる。
さらに、上記のように単にある時点での第１の検出温度における時間変化値だけで判断するのではなく、検出温度とその時間変化を常に把握して水蒸発部温度が第１の閾温度以下になるかどうかを何らかの予測手法を用いて判断し、より精度良く制御を行えば、水蒸発部に液水を貯めることなく、かつ水素生成効率の高い状態で運転することができる。【００５１】実施の形態３．
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部に液水が貯まり始めたと判断した際に、液水を蒸発させ、液水量を増加させないようにするために、加熱部への空気量の制御に代えて加熱部への燃料量の制御を行う機能を有する以外は、実施の形態１と同様の構成を有している。
所定の燃料量、例えば１．５ＮＬＭで通常運転を行っている状態を想定する。水蒸発部４の検出温度が閾温度、例えば１１０℃を下回ったときには、制御部２０は燃料供給部８から供給する燃料量を増加させる。燃料として都市ガス１３Ａを供給している場合、所定値の１．５ＮＬＭを０．２ＮＬＭ増加させ１．７ＮＬＭとする。一方、検出温度が１１０℃を上回ったときには、燃料量を所定の流量１．５ＮＬＭに戻す。【００５２】  図７は燃焼量に対する水蒸発部４の温度を示した図である。この図からわかるように燃焼量が増えると水蒸発部４への伝熱量が増えるため水蒸発部４の温度が上昇する。よって、水蒸発部４に液水が貯まり始めた時、燃料供給部８からの燃料量を増やすことで燃焼量を増やして水蒸発部４での蒸発を促進させる。一方、水蒸発部４に液水が貯まっていないときには、燃料供給量を所定値に戻し、過剰な熱の供給を防止する。これにより、信頼性と水素生成効率の高い水素生成装置及びその運転方法を実現することができる。【００５３】  なお、水蒸発部４に液水が貯まり始めたか否かを判断する基準として、実施の形態２のように検出温度の実際の時間変化値を用いても良い。【００５４】実施の形態４．
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部内の水蒸気量を増加させるために、加熱部への空気量の制御に代えて改質部への原料量の制御を行う機能を有する以外は、実施の形態１と同様の構成を有している。
所定の原料量、例えば４．０ＮＬＭで通常運転を行っている状態を想定する。蒸発部４の検出温度が閾温度、例えば１１０℃を下回ったときには、制御部２０は液水が貯まり始めたと判断し、原料供給部１から供給する原料量を減らす。原料として都市ガス１３Ａを使用している場合、所定値４．０ＮＬＭ供給から０．５ＮＬＭ減らして３．５ＮＬＭとする。一方、検出温度が１１０℃を上回ったときには制御部２０は液水が貯まっていないと判断し、原料供給部１からの原料量を所定値の４．０ＮＬＭに戻す。【００５５】  図８は、空気比一定の条件における原料流量（原料量）と水蒸発部４の温度との関係を示した図である。この図からわかるように原料量が減ると水蒸発部４の温度が上昇する。これは、通常、水素生成装置では、原料量によらずＳ／Ｃが一定の状態で運転するため、原料量が減少すると必要な水蒸気量も減少するからである。水蒸気量が減少すると供給する水量も減るため、蒸発に必要な熱量が少なくなる。そのため、原料量が減少すると図８のように水蒸発部４の温度が上昇する。これにより、信頼性の高い運転方法を実現することができる。【００５６】  なお、水蒸発部４に液水が貯まり始めたか否かを判断する基準として、実施の形態２のように検出温度の実際の時間変化値とその閾値とを対比する方法を用いても良い。【００５７】実施の形態５．
本実施の形態に係る水素生成装置は、燃焼ガスに空気を供給する第２空気供給部を設けた以外は、実施の形態１の水素生成装置と同様の構成を有している。
図９は、本実施の形態に係る水素生成装置の構成を示す模式的な断面図である。輻射筒１３の加熱部１２の燃焼状態を乱さない位置に、第２空気供給部３０からの空気が供給できる構成になっている。第２空気供給部３０は制御部２０からの信号により空気供給量が制御できるようになっている。【００５８】  上記構成において、水蒸発部４に液水が貯まり始めたと判断したときの運転方法を説明する。温度検知部１６から送られた検出温度と閾温度、例えば１１０℃とを対比し、検出温度が１１０℃より低いと判定し、液水が貯まり始めたと判断すると、制御部２０は第２空気供給部３０から空気を、例えば５ＮＬＭ供給する。これに対し、液水が貯まっていないと判断したときには、第２空気供給部３０からの空気の供給を行わない。【００５９】  図１０は第２空気供給部からの空気量と水蒸発部４の温度の関係を示す図である。空気量が増えると水蒸発部４の温度が上昇する。これは、加熱部１２で生じた高温の燃焼ガスに第２空気供給部３０からの空気を混合することで、燃焼ガスの保有熱量を同じ状態に維持しながら燃焼ガスの温度を下げて改質触媒層５への伝熱量を抑え、水蒸発部４への燃焼ガスの保有熱量を増加させて、水蒸発部４への伝熱量を増やしているためである。【００６０】  本実施の形態では、空気を加熱部１２で生成する燃焼ガスに混合することで、実施の形態１とは異なり、燃焼部３での燃焼反応状態に変化を与えることなく水蒸発部４への伝熱量を制御し、水蒸発部４の水溜まりの生成を抑制している。これにより信頼性と水素生成効率の高い水素生成装置を実現することができる。【００６１】  なお、第２空気供給部から空気を供給する場所としては、水蒸発部４に至るまでの燃焼ガス流路で空気の供給により燃焼状態が乱れないところであればよく、輻射筒１３内でも燃焼ガスが輻射筒１３から送出された後の燃焼ガス流路ｂ２であってもよい。ただ、燃焼ガス流路ｂ２に設ける場合、水蒸発部４に近い場所は好ましくない。供給場所が水蒸発部４に近くなると、水蒸発部４に至るまでの改質触媒層５などへの伝熱の抑制量が少なくなる結果、水蒸発部４への伝熱量の増加分が少なくなるからである。【００６２】  なお、水蒸発部４に液水が貯まり始めたか否かを判断する基準として、実施の形態２のように検出温度の実際の時間変化値とその閾値とを対比する方法を用いても良い。【００６３】実施の形態６．
図１１は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。この燃料電池発電システムは、水素生成装置１００と、燃料電池１０１と、熱回収装置１０２と、ブロワ１０３とを主たる構成要素として備えている。この燃料電池１０１は、例えば、固体高分子型燃料電池である。
水素生成装置１００には、実施の形態１から５のいずれか一つの水素生成装置を用いることができ、前述した改質部３及び加熱部１２の他に、さらにＣＯ変成部２０とＣＯ選択酸化部２１とを備えている。具体的には、図１の改質部３の改質ガス流路ｃがＣＯ変成部２０に接続されており、ＣＯ変成部２０とＣＯ選択酸化部２１とが変成ガス流路ｄによって接続されている。かかる構成の水素生成装置１００では、改質触媒層５で生成された改質ガスが改質ガス流路ｃを介してＣＯ変成部２０に供給され、ここでＣＯ濃度の低減化が行われる。ＣＯ変成部２０で得られた変成ガスは、変成ガス流路ｄを介してＣＯ選択酸化部２１に供給され、ここでさらにＣＯ濃度の低減化が行われる。このようにＣＯ変成部２０及びＣＯ選択酸化部２１によってＣＯ低減化処理が行われることにより、水素生成装置１００では、ＣＯ濃度の低い水素リッチガス（水素ガス）が得られる。【００６４】  燃料電池発電システムでは、水素生成装置１００が発電燃料配管１０４及び燃料オフガス配管１０５を介して燃料電池１０１に接続されている。また、燃料電池１０１は、空気配管１０６を介してブロワ１０３に接続されている。また、熱回収装置１０２は、燃焼電池１０１の発電時に発生する熱を回収可能に構成されている。ここでは、熱回収装置１０２が、貯湯タンクを備えた温水生成装置から構成され、この貯湯タンク内の水によって燃料電池１０１の発電時の熱を回収して温水を生成する。なお、ここでは図示を省略しているが、燃料電池発電システムは、発電により得られた電力を電力負荷端末に供給可能に構成されるとともに、熱回収装置１０２で回収した熱を熱負荷端末に供給可能に構成されている。【００６５】  水素生成装置１００で製造された水素ガスは、発電燃料として、発電燃料配管１０４を通じて燃料電池１０１の燃料極側に供給される。一方、燃料電池１０１の空気極側には、空気配管１０６を介して、ブロワ１０３から空気が供給される。燃料電池１０１では、供給された水素ガスと空気とが反応（以下、発電反応と呼ぶ）して発電が行われるとともに、この発電反応に伴って熱が発生する。発電反応で得られた電力は、電力負荷端末（図示せず）に供給されて使用される。また、発電反応に伴って発生した熱は、熱回収手段１０２に回収され、その後、熱負荷端末（図示せず）に供給されて種々の用途で利用される。また、発電反応に利用されなかった未使用の水素ガス（いわゆる燃料オフガス）は、燃料電池１０１から回収され、燃料オフガス配管１０５を介して水素生成装置１００の加熱部１２に燃焼燃料として供給される。【００６６】  本実施の形態の燃料電池発電システムでは、実施の形態１から５において説明したように、水素生成装置１００の水蒸発部４に液水が貯まらないように運転することが可能である。そのため、信頼性の高い水素ガス製造を行うことができ、燃料電池１０１に安定して水素ガスの供給を行うことが可能となる。それゆえ、燃料電池１０１において、効率よく安定して電力エネルギー及び熱エネルギーを発生させることが可能となり、省エネルギー性及び経済性に優れたコージェネレーションシステムを実現することが可能となる。
なお、本実施の形態に用いた水素生成装置は、燃料電池発電システム以外にも用いることができる。【００６７】  なお、本燃料電池発電システムにおいて、発電量を減らすことは原料量を減らすことに対応する。そのため、水蒸発部における水溜まりを防止する運転方法として、発電量を下げる方法を用いることもできる。例えば、１ｋＷの発電状態で動いている燃料電池発電システムにおいて、水蒸発部４の検出温度が閾温度、例えば１１０℃を下回り、水が溜まり始めていると制御部が判断した時、制御部からシステムの制御部（不図示）に信号を送り発電量を９００Ｗと下げるように制御することもできる。一方、水蒸発部４の温度が１１０℃を上回り液水が貯まっていないと判断したときには、発電量を１ｋＷに戻す運転とする。これにより、水蒸発部４での水溜まりを防止することができ、信頼性の高い燃料電池発電システムを実現できる。【００６８】  なお、実施の形態１から５において、燃料の供給は燃料供給部８により供給しているが、実施の形態６のように燃料電池発電システムの燃料電池からのオフガスを用いて行うこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】  本発明に係る水素生成装置は、運転時に水蒸発部に水を貯めることのない信頼性の高い運転を実施することが可能な水素生成装置として有用である。特に、この水素生成装置を備えた燃料電池システムでは、経済性及び省エネルギー性に優れたコージェネレーション運転を安定して行うことが可能となる。
【図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】
2006088018.tif 000010
【図１０】
2006088018.tif 000011
【図１１】
2006088018.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月23日(2007.8.23)
【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】
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、
該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、
該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、
燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つを制御することを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度が前記第１の閾温度より小さい場合には、前記第１空気供給部により前記燃焼部への空気量を増加させるよう制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記燃料を完全燃焼するための理論空気量に対する供給される空気量の比で規定される空気比が大きくなるように加熱部への空気量を増加させる請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記空気比を１．５以上とするように加熱部への空気量を増加させる請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記加熱部は、さらに、前記燃焼ガスに空気を供給する第２空気供給部を備え、前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、第２空気供給部により空気量を増加させるよう制御する請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とを備え、
前記制御部は、前記検出温度が前記第１の閾温度より小さい場合には、前記燃料供給部により前記燃焼部への燃料量を増加させるよう制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記原料を供給する原料供給部と、前記水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、前記検出温度が前記第１の閾温度より小さい場合には、前記制御部は、前記改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する前記改質部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を減少させるよう制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記検出温度が、前記第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超える場合には、前記いずれか一つの供給量を制御して前記水蒸発部の温度を下降させ、前記水蒸発部の温度を前記第１の閾温度と前記第２の閾温度との間に維持する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度を超える場合には、前記第１空気供給部により前記燃焼部への空気量を減少させるよう制御する請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度を超える場合には、前記燃料供給部により前記燃焼部への燃料量を減少させる請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度より小さい場合には、Ｓ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を増加させるよう制御する請求項８に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された前記検出温度の時間変化値が、前記検出温度の時間変化に対して予め設定された第１の閾値より小さい場合には、前記検出温度の時間変化値が上昇するように前記いずれか一つの供給量を制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項１３】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には、前記第１空気供給部により前記燃焼部への空気量を増加させる請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１４】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には前記燃料供給部により前記加熱部への燃料量を増加させるよう制御する請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１５】
前記原料を供給する原料供給部と、
前記水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には、前記改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する前記水蒸発部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を減少させるよう制御する請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１６】
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記検出温度の時間変化値を下降させ、前記水蒸発部の検出温度の時間変化値が前記第１の閾温度と前記第２の閾温との間に維持する請求項１２に記載の水素生成装置。
【請求項１７】
前記燃焼部の周囲には前記改質部と前記水蒸発部とがこの順で外周方向に同心的に配設され、かつ燃焼ガスの流路となる燃焼ガス路が改質部から水蒸発部へと伝熱可能に配設されている請求項１または１２に記載の水素生成装置。
【請求項１８】
少なくとも、請求項１から１７のいずれか一つ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水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池とを有する燃料電池システム。
【請求項１９】
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、該改質部に原料を供給する原料供給部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部とを有する水素生成装置の運転方法であって、
前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、前記検出温度が予め設定された第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つの供給量を制御する水素生成装置の運転方法。
【請求項２０】
前記検出温度が該第１の閾温度より小さいときには、前記加熱部への空気量を増加させる請求項１９記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２１】
前記検出温度が、前記第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記水蒸発部の温度を下降させ、前記水蒸発部の温度を前記第１の閾温度と前記第２の閾温度との間に維持する請求項１９に記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２２】
前記検出温度が第２の閾温度を超えるときには前記加熱部への空気量を減少させ、前記水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持する請求項１９に記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２３】
前記水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された前記検出温度の時間変化値が、前記検出温度の時間変化値に対して予め設定された第１の閾値より小さいときには前記検出温度の時間変化値が上昇するように前記いずれか一つの供給量を制御する請求項１９記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２４】
前記検出温度の時間変化値が第１の閾値より大きい第２の閾値を下回るときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記検出温度の時間変化値を下降させ、前記検出温度の時間変化値を第１の閾値と第２の閾値との間に維持する請求項２３記載の水素生成装置の運転方法。
【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リッチガスを生成する水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池システムに関し、特に、燃料電池等の水素利用機器に供給する水素ガスを生成する水素生成装置及びその運転方法並びに燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素生成装置は、改質触媒層を備えた改質部において、少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む原料の水蒸気改質を行う。この改質反応により、改質ガスとして、水素リッチガス（以下、水素ガスと呼ぶ）が生成する。改質反応の際に改質触媒層に水が直接供給されると、不均一蒸発による改質特性の低下や、改質触媒上での水蒸発により触媒がダメージを受ける可能性がある。したがって、改質触媒層には、水蒸気の状態で水が供給される。
【０００３】
例えば、改質部の改質触媒層に連通する水の供給流路が立ち上がり構造を有するとともにこの構造によって形成された流路の底部に水蒸発部を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。かかる構成では、供給された水が水蒸発部で蒸発して改質触媒層に供給され、水蒸発部で蒸発しなかった水がこの底部に溜められる。
【特許文献１】特開２００３−２５２６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水素生成装置は、装置内に水蒸発部を設け、ここに水を供給することで水蒸気を生成している。この水蒸発部の蒸発能力が十分でなく、供給された水を１００％蒸発できなければ、蒸発分だけの水蒸気しか改質触媒層には供給されず、改質反応で重要な、供給される原料中の炭素原子のモル数に対する供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃが設定値からずれて小さな値となる。また、反対に蒸発できなかった水は、水蒸発部に液水として貯まることになる。水蒸発部に液水が貯まれば、運転条件の変化により供給した水を蒸発させる能力が十分得られる条件になったときに貯まっている液水が蒸発し、供給している水量以上に水蒸気が供給され、貯まっている液水が蒸発し終わるまでＳ／Ｃが設定値より大きな値となる。Ｓ／Ｃの設定値からのズレは、改質触媒温度に対する改質反応特性に影響を与えるばかりでなく、Ｓ／Ｃが小さくなりすぎると、改質反応後のガスの不均化反応や供給原料の高温化による炭素析出による流路の閉塞、さらには水素生成装置から送出する生成ガスの露点の変化をもたらし、水素生成装置や水素生成装置を利用したシステムへ影響を与える可能性がある。
【０００５】
また、液水が貯まっている状態で水素生成装置の運転が停止すれば、周囲温度が低下して０℃を下回るような条件では水が凍結し、水蒸発部の破壊により水素生成装置が機能しなくなる可能性がある。さらに、液水が貯まった状態での停止は、停止時にたとえ水が凍結しなくても、次回起動時に液水が貯まった分だけ水蒸発まで時間がかかったり、貯まった液水の蒸発により想定していない条件での水蒸気供給が起こり、下流側の昇温していない触媒で水蒸気が凝縮して触媒の水濡れ劣化や水による流路閉塞などを引き起こす可能性がある。また、常に液水が貯まらないように過剰に水蒸発部を加熱するような運転とすると、水素をつくるために必要な原料や燃料が増えて水素生成効率が低くなり、経済性の悪い水素生成装置となってしまう。
【０００６】
本発明はこれらの課題を解決するもので、水蒸発部に液水が貯まらないように水素生成装置を運転することが可能であり、信頼性と経済性の高い水素生成装置及びその運転方法、並びにその水素生成装置を備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る水素生成装置は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部と、制御部とを備え、前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つを制御することを特徴とする。
【０００８】
本発明の水素生成装置は、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とで構成し、検出温度が第１の閾温度より小さい場合には、制御部により第１空気供給部により燃焼部への空気量を増加させるよう制御することもできる。ここで、制御部は、燃料を完全燃焼するための理論空気量に対する供給される空気量の比で規定される空気比が大きくなるように、加熱部への空気量を増加させることもできる。例えば、制御部は、空気比を１．５以上とするように加熱部への空気量を増加させることができる。さらに、加熱部に燃焼ガスに空気を供給する第２空気供給部を設け、制御部が、水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、第２空気供給部により空気量を増加させるよう制御することもできる。
【０００９】
また、本発明の水素生成装置は、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とで構成し、検出温度が第１の閾温度より小さい場合には、制御部により燃料供給部により燃焼部への燃料量を増加させるよう制御することもできる。
【００１０】
また、本発明の水素生成装置は、原料を供給する原料供給部と、水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、検出温度が第１の閾温度より小さい場合には、制御部は、改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する改質部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、原料供給部による改質部への原料量及び水供給部による水蒸発部への水量を減少させるよう制御することもできる。
【００１１】
また、本発明の水素生成装置は、検出温度が、第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超える場合には、制御部によりいずれか一つの供給量を制御して水蒸発部の温度を下降させ、水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持することもできる。ここで、制御部は、検出温度が第２の閾温度を超える場合には、第１空気供給部により燃焼部への空気量を減少させるよう制御することができる。また、制御部は、検出温度が第２の閾温度を超える場合には、燃料供給部により燃焼部への燃料量を減少させることもできる。また、制御部は、検出温度が第２の閾温度より小さい場合には、Ｓ／Ｃを所定値に維持しながら、原料供給部による改質部への原料量及び水供給部による水蒸発部への水量を増加させるよう制御することもできる。
【００１２】
また、本発明の水素生成装置は、水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された検出温度の時間変化値が、検出温度の時間変化に対して予め設定された第１の閾値より小さい場合には、制御部により検出温度の時間変化値が上昇するようにいずれか一つの供給量を制御することもできる。
【００１３】
ここで、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とで構成し、検出温度の時間変化値が第１の閾値より小さい場合には、制御部が第１空気供給部により燃焼部への空気量を増加させることができる。
【００１４】
また、加熱部を、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とで構成し、検出温度の時間変化値が第１の閾値より小さい場合には、制御部が燃料供給部により加熱部への燃料量を増加させるよう制御することもできる。
【００１５】
また、原料を供給する原料供給部と、水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、検出温度の時間変化値が第１の閾値より小さい場合には、制御部により、改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する水蒸発部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、原料供給部による改質部への原料量及び水供給部による水蒸発部への水量を減少させるよう制御することもできる。
【００１６】
また、制御部により、検出温度の時間変化値が第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えるときにはいずれか一つの供給量を制御して検出温度の時間変化値を下降させ、水蒸発部の検出温度の時間変化値を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持することもできる。
【００１７】
また、本発明の水素生成装置は、燃焼部の周囲には改質部と水蒸発部とがこの順で外周方向に同心的に配設され、かつ燃焼ガスの流路となる燃焼ガス路が改質部から水蒸発部へと伝熱可能に配設されてなるものを用いることもできる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムは、少なくとも、請求項１から１７のいずれか一つ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水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池とを有することを特徴とするものである。
【００１９】
本発明に係る水素生成装置の運転方法は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、該改質部に原料を供給する原料供給部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部とを有する水素生成装置の運転方法であって、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、前記検出温度が予め設定された第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つの供給量を制御することを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の運転方法においては、検出温度が第１の閾温度より小さいときには、加熱部への空気量を増加させることもできる。
【００２１】
また、本発明の運転方法においては、検出温度が、第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して水蒸発部の温度を下降させ、水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持することもできる。
【００２２】
また、本発明の運転方法においては、検出温度が第２の閾温度を超えるときには加熱部への空気量を減少させ、水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持することもできる。
【００２３】
また、本発明の運転方法においては、水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された検出温度の時間変化値が、検出温度の時間変化値に対して予め設定された第１の閾値より小さいときには検出温度の時間変化値が上昇するようにいずれか一つの供給量を制御することもできる。ここで、検出温度の時間変化値が第１の閾値より大きい第２の閾値を下回るときにはいずれか一つの供給量を制御して検出温度の時間変化値を下降させ、検出温度の時間変化値を第１の閾値と第２の閾値との間に維持することもできる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、水蒸発部の温度状態に応じて水蒸発部への伝熱量を制御することで運転時に水蒸発部での水溜まりを防止し、供給した水は全て水蒸気として反応部に供給することができる。それにより、所定のＳ／Ｃの条件で運転することができ、安定した改質反応特性や流路内の炭素析出防止を実現することができる。また、停止時にも水蒸発部内には水が存在しないので、凍結防止対策も不要となるばかりでなく、次回起動時の起動時間や起動特性の安定化を実現することができる。さらに上記内容をできるだけ少ない原料および燃料供給により可能とする。よって、信頼性と経済性の高い水素生成装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
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、水素生成装置の主要構成要素である改質部の構成を詳細に示している。図１に示すように、水素生成装置は、上端及び下端が閉鎖された円筒状の本体５０から構成され、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部３と、その改質部３に水蒸気を供給する水蒸発部４と、その水蒸発部４の温度を検知する水蒸発部用温度検知部１６（以下、温度検知部と略す）と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部３と水蒸発部４とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部１２と、制御部２０とを備えている。
【００２６】
改質部３では、円筒状の本体５０の内部に、半径及び軸方向の長さがそれぞれ異なる円筒状の複数の縦壁５１が同心的に配置され、それにより、本体５０の内部が半径方向に区画されている。この縦壁５１の所定の端部に、円板状又は中空円板状の横壁５２が適宜配設されている。詳細には、本体５０の内部に複数の縦壁５１が同心的に直立配置されることにより縦壁５１間に間隙５３が形成され、この間隙５３を利用して所望のガス流路が形成されるように、縦壁５１の所定端部が横壁５２によって適宜閉鎖されている。それにより、本体５０の内部に、改質原料流路ａと、燃焼ガス流路ｂ１と、改質ガス流路ｃと、改質触媒層５と、燃焼ガス流路ｂ２とが形成され、これらの流路が、本体半径方向の外周側から中心に向けてこの順に配置されている。
【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部１及び水供給部２に接続されており、また、下流側の端部が、改質触媒層５の上端面に接続されている。改質原料流路ａは二重構造を有し、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に変化するように形成された立ち上がり構造となっている。そして、改質原料流路ａの底部に、水蒸発部４が形成されている。後述するように、水供給部２から改質部３に供給された水は、この水蒸発部４に供給されることにより蒸発する。この水蒸発部４には水蒸発部４の温度を検知する温度検知部１６が配設されており、ここでは温度検知手段として熱電対が設置されている。温度検知部１６の設置場所は、水が貯まり始めたときに初めに貯まる水蒸発部４の下部近傍で、水蒸発部４の温度を検知できる場所であれば、特に限定されるものではない。ここでは、水蒸発部４を構成する構造体壁を直接検知する構成としているが、水蒸発部４内に設置し、内部を流れているガスや水蒸気の温度、または貯まり始めた水の温度を直接検知する構成でも良い。また、水蒸発部４に水が貯まり始めることが検知できれば、温度検知部の設置場所や検知方法、検知対象媒体はどのようなものでも良い。温度検知部１６により検知された水蒸発部４の温度は、制御部２０に伝達される。制御部２０の構成及び機能については後述するが、制御部２０は、この検出温度に基づいて、空気供給部７、燃料供給部８、原料供給部１及び水供給部２に信号を出力し、各供給量を制御する。ここで、空気供給部７は加熱部１２に空気を供給し、燃料供給部８は加熱部１２に燃料を供給し、原料供給部１は改質部３に原料を供給する。
【００２８】
改質触媒層５は、間隙５３に改質触媒が充填されて形成されており、後述する加熱部１２の輻射筒１３の上端面及び外周面に沿って配置されている。ここでは、Ｒｕを主成分とする改質触媒が用いられているが、改質反応が可能であれば、改質触媒は特に限定されるものではない。例えば、ＰｔやＲｈのような貴金属やＮｉ等から構成される改質触媒であってもよい。改質触媒層５の上端面は改質原料流路ａに接続されており、下端面は改質ガス流路ｃの上流側端部に接続されている。改質ガス流路ｃの下流側端部は、改質ガスを改質部３の外部に取り出し可能に構成されている。この改質ガス流路ｃの内部には、改質触媒層５を通過して該流路内を流れるガスの温度を検知する改質温度検知手段１５が配設されており、ここでは、改質温度検知手段１５として、熱電対が設けられている。
【００２９】
加熱部１２は、例えばバーナからなる燃焼部９と、燃焼部９の外周に形成された空気流路６と、燃焼部９の空気流路６から上方に突出した部分を囲むように空気流路６の上に配置された輻射筒１３とを備え、輻射筒１３が、改質部３の本体５０内部に収納され同心的に配置されている。燃焼部９は燃料供給部８に接続されており、空気流路６は第１空気供給部７に接続されている。
【００３０】
輻射筒１３の内部に燃焼部９から燃焼燃料が供給されるとともに空気が供給され、燃焼が行われて火炎が形成される。このように、輻射筒１３の内部に燃焼空間１４が形成される。燃焼空間１４は、輻射筒１３の上端に形成された開口１３ａを介して改質部３の燃焼ガス流路ｂ２に連通している。燃焼ガス流路ｂ２と燃焼ガス流路ｂ１とは改質部３の底部で連通しており、燃焼ガス流路ｂ１の下流側端部は、燃焼ガスを改質部３の外部に取り出し可能に構成されている。
【００３１】
なお、図示を省略しているが、原料供給部１、水供給部２、第１空気供給部７、及び燃料供給部８は、供給対象物の流量を制御可能に構成されている。例えば、これらの供給部１，２，７，８は、ポンプやファン等の駆動手段を備え、この駆動手段が制御部２０によって制御されて各供給流量の制御が行われる構成であってもよく、また、駆動手段の下流側流路にバルブ等の流量制御手段がさらに設けられこの流量制御手段が制御部２０によって制御されて各供給量の制御が行われる構成であってもよい。
【００３２】
次に、水素生成装置の運転時の動作について説明する。
加熱部１２では、第１空気供給部７からの空気と燃料供給部８からの燃料により火炎が形成される。ここで、空気量と燃料量は制御部２０により、通常、加熱部１２に供給される燃料の完全燃焼における理論空気量の１．３倍の空気が加熱部１２に供給され、安定した燃焼を実現する。この燃焼により生じた高温の燃焼ガスは輻射筒１３内を通った後、輻射筒１３と改質触媒層５の間の流路ｂ２を通過しながら、改質触媒層５と熱交換を行い、改質触媒層５を良好な改質反応を行うことができる温度に昇温する。改質触媒層５と熱交換を行った後、燃焼ガスは水蒸発部４の内側の流路ｂ１を通過することで水蒸発部４と熱交換を行い、水が蒸発できる熱量を水蒸発部４に与え、水蒸発部４を昇温する。このような状態において、水供給部２から水が供給されることで水蒸発部４で水蒸気がつくられ、原料供給部１から供給された原料と水蒸気とが混合されて改質触媒層５に送られる。改質触媒層５では改質反応に十分な温度状態となっているため改質反応が起こり、水素を含む改質ガスは改質ガス流路Ｃを通って改質部５０から送出される。
【００３３】
このように、改質触媒層５と水蒸発部４とは共に加熱部１２からの燃焼ガスにより加熱され、伝熱経路の上流側に位置する改質触媒層５が、下流側に位置する水蒸発部４に先んじて加熱されることにより、加熱部１２の熱を有効に利用しながら、改質触媒層５を改質反応が良好な６００〜７００℃の高温に、水蒸発部４を水が蒸発できる１００℃以上の状態に実現している。
【００３４】
図２は、原料流量一定の条件下における運転時の加熱部１２における空気比と水蒸発部４の温度との関係を示した図である。また、図３は空気比に対する燃焼ガスの改質触媒層５への伝熱量と水蒸発部４への伝熱量の関係を示した図である。
【００３５】
空気比が大きくなると加熱部１２での火炎温度が低くなり燃焼ガスの温度が低くなるため、改質触媒層５への伝熱量が少なくなり、その結果、改質触媒層５と熱交換した後の燃焼ガスに含まれる熱量が多くなるので、水蒸発部４への伝熱量が多くなる。したがって、空気比が大きい方が、水蒸発部の温度が高くなる。ちなみに、空気比が１．４よりも小さければ水蒸発部の温度が約１００℃とほぼ一定となっているのは、水蒸発部４内に少しでも液水があれば、水の蒸発潜熱が大きいため、水蒸発部４の底部等で液水が貯まっている量にかかわらずほぼ１００℃となるためと考えられる。なお、空気比に対する水蒸発部４が１００℃となる領域は、周囲温度や運転条件、さらに運転条件の時間変化などにより変わる。図２では、その中で水が最も貯まりやすい条件で運転した時の一例を示している。
【００３６】
図２において、空気比１．３で運転すると、水蒸発部４の温度が１００℃であるので、水蒸発部４に液水が、例えば水蒸発部４の底部に貯まり始める。そこで、図４に示すフローチャートのように制御することで水蒸発部４への水溜まりを防止することができる。つまり、起動から暖気運転を経て通常運転に移行した状態において、空気比１．３で運転するステップＳ１０に進む。そして、次のステップＳ２０では、制御部２０は、温度検知部１６から送られた水蒸発部４の検出温度を第１の閾温度、例えば１１０℃と対比する。そこで、検出温度が１１０℃以上であると判定した場合には、水蒸発部４に供給された水は全量蒸発していると判断してステップＳ１０に戻り、制御部２０で空気供給部７を制御して空気比１．３で運転する。一方、制御部２０で水蒸発部４の温度が１１０℃より低いと判定すれば、水蒸発部４に水が貯まり始めていると判断して、ステップＳ３０に進み、空気供給部７を制御して空気比を１．５に変更し、水蒸発部４への伝熱量を増やして蒸発を促進させる。そして、ステップＳ２０に戻り、温度検知部１６により水蒸発部４の温度を測定し、ステップＳ２０以降を繰り返す。
【００３７】
このような運転を行うことで、運転条件によって水蒸発部４に液水が貯まりにくくなり、仮に水蒸発部４に液水が、例えば水蒸発部４の底部等に貯まり始めたとしても貯まる量を最小限に抑えることができる。これにより、水が貯まり始めた時と貯まっている水が蒸発する時に生じるＳ／Ｃ（供給される原料中の炭素原子のモル数に対する供給される水蒸気のモル数の比）のずれの大きさとずれの継続時間をできるだけ小さく抑えることが可能となる。
【００３８】
図５は空気比に対する水素生成効率の関係を示した図である。ここで、水素生成効率は、供給したガスの熱量に対する生成した水素の熱量で規定され、その値が大きい方がガスを有効に利用して水素を生成したことになる。図５からわかるように、空気比を大きくすると改質効率は低下する傾向となる。これは図３に示したように、空気比が大きくなるほど、改質触媒層５への伝熱量が少なくなり水蒸発部４への伝熱量が多くなる一方、水蒸発部４では、水の蒸発に使用する熱量以上の熱は、最外周部にある水蒸発部４から周囲に放熱されるからである。つまり、空気比が大きいほど周囲からの放熱量（放熱ロス）が大きくなるため水素生成効率が低くなる。よって、空気比を常に大きく設定しておけば、どのような運転状態でも水蒸発部４での水溜まりを防止することができるが水素生成効率が低下する。しかし、本実施の形態に係る運転方法によれば、必要なタイミングでのみ通常運転時よりも大きい空気比で運転することで、水素生成効率が高い状態を維持しつつ水溜まりを予防することができる。
【００３９】
なお、実際の制御上、閾温度を１１０℃と一点で行うと、温度検知部１６の温度検知状態の乱れや制御部２０での信号の乱れなどにより、制御部２０で認識する水蒸発部４の温度が瞬間的に１１１℃や１０９℃と変化する可能性がある。その様な状態では、空気比の制御値が１．３と１．５を瞬間的に変わり続けることになり、燃焼空気供給部７の制御も瞬間的に変化し続ける。そうすると、ファンなどを使用している燃焼空気供給部７やその他の関連した機器の制御に不安定さを引き起こす可能性がある。
【００４０】
そこで、図６に示すように閾温度を２つ設け、水蒸発部４の温度が上昇している場合と下降している場合とで閾温度を使い分け運転状態の安定性を確保しても良い。つまり、起動から暖気運転を経て通常運転に移行した状態において、空気比１．３で運転するステップＳ１０に進む。次のステップＳ２０では、制御部２０は、温度検知部１６からの検出温度を第１の閾温度、例えば１１０℃と対比する。そこで、検出温度が１１０℃以上であると判定した場合には、水蒸発部４に供給された水は全量蒸発していると判断してステップＳ１０に戻り、制御部２０で空気制御部７を制御して空気比１．３で運転する。一方、制御部２０で水蒸発部４の温度が１１０℃より低いと判定すれば、水蒸発部４に液水が貯まり始めていると判断して、ステップＳ３０に進み、空気供給部７を制御して空気比を１．５に変更する。次のステップＳ４０では、制御部２０は、温度検知部１６からの検出温度を第２の閾温度、例えば１１５℃と対比する。そこで、検出温度が１１５℃以上であると判定した場合にはステップＳ１０に戻り、空気比１．３で運転する。一方、検出温度が１１５℃より低いと判定すればステップＳ３０に戻り、空気比１．５でそのまま運転し、ステップＳ３０以降を繰り返す。
このような動作を用いれば、水蒸発部４の温度が１１０℃と１１５℃を瞬間的に変化することはない。そのため、空気比を制御するタイミングに時間間隔を設けることが可能となり、瞬間的な変化により制御の不安定さを引き起こすことを防止することができる。
【００４１】
また別の方法として、ひとつの閾温度に対して、一度空気比の設定値が変わった後に設定後の空気比を維持する時間を設けて、一定時間空気比を変化させないようにすることにより、制御の安定化を図ってもよい。
【００４２】
なお、上記説明では閾温度に１１０℃を用いたが、これは一例であり、水蒸発部の構成や温度検知部の設置場所などにより別の値を用いることができる。また、空気比の設定も初期値に１．３、蒸発促進時には１．５を用いたが、これらは一例であり、改質部や燃焼部の特性に応じて水素生成装置に適した別の値を用いることができる。
【００４３】
以上のように、本実施の形態に係る水素生成装置では、水蒸発部の検出温度と閾温度とを対比し、水蒸発部に液水が貯まりはじめたと判断した時には空気比を大きくし、水が貯まっていないと判断した時には空気比を小さくすることで、加熱部への空気量を制御し、水素生成効率の低下を最小限に抑えた状態で運転時の水溜まりを防止し、高い信頼性を実現することができる。
【００４４】
実施の形態２．
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部に液水が貯まり始めたか否かの判断を、閾温度に代えて検出温度の時間変化値からなる閾値に基づいて行う機能を有する以外は、実施の形態１と同様の構成を有している。
例えば、水蒸発部４の検出温度が１３０℃の時、その検出温度の時間変化値ΔＴwが−1.0deg／minの時は１０分経っても液水が貯まり始めないが、ΔＴwが−2.0deg/minの時は５分すると水が貯まり始める。また、検出温度が１２０℃の時には、その検出温度の時間変化値ΔＴwが−0.5deg／minの時は１０分経っても液水が貯まり始めないが、ΔＴwが−1.0deg/minの時は５分すると水が貯まり始める。
【００４５】
そこで、本実施の形態に係る水素生成装置の運転方法は、例えば、水蒸発部４の温度が１３０℃の時には閾値−1.5deg/min、１２０℃の時には閾値−0.8deg/minというように各温度に対して時間変化値の閾値を設定する。例えば、空気比１．３で通常運転を行っている場合を想定する。制御部２０では、温度検知部１６から送られた検出温度を用いて算出した実際の検出温度（第１の検出温度）の時間変化値と、第１の検出温度について設定された第１の閾値とを対比し、実際の時間変化値がその閾値より小さいと判定すると、暫くすると液水が貯まり始めると判断し、空気供給部７を制御して空気比を当初の１．３から１．５に変える。一方、制御部２０が、実際の時間変化値が閾値より大きいと判定すると、液水は貯まらないと判断し、空気比１．３を維持する。なお、実際の時間変化値は、第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度から算出し、この第１の検出温度の時間変化値と、第１の検出温度について設定された第１の閾値とを対比する。
【００４６】
本実施の形態に係る水素生成装置によれば、水蒸発部４で液水が貯まるのを事前に予測することで液水を全く貯めることなく、かつできるだけ空気比を低い状態で運転することが可能となるので、水素生成効率と信頼性の高い水素生成装置及びその運転方法を実現することができる。
【００４７】
なお、水素生成装置の運転に際し、一つの閾値のみを設定すると、実際の時間変化値がその一の閾値前後で変化すると、空気比が瞬間的に変化する状態が続く可能性がある。そのため、本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様に閾値を２つ設け、図６のフローチャートに示したと同様な運転方法により瞬間的に空気比が変化する状態が続かないようにしても良い。すなわち、第１の検出温度について第１の閾値に加え、その第１の閾値より大きい第２の閾値を設定し、実際の時間変化値が第２の閾値を超えないように空気比を変化させる。
【００４８】
また、一つの閾値のみを用いる場合であっても、変化後の空気比を所定時間維持させることにより、空気比が瞬間的に変化する状態が続くことを防止できる。
さらに、上記のように単にある時点での第１の検出温度における時間変化値だけで判断するのではなく、検出温度とその時間変化を常に把握して水蒸発部温度が第１の閾温度以下になるかどうかを何らかの予測手法を用いて判断し、より精度良く制御を行えば、水蒸発部に液水を貯めることなく、かつ水素生成効率の高い状態で運転することができる。
【００４９】
実施の形態３．
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部に液水が貯まり始めたと判断した際に、液水を蒸発させ、液水量を増加させないようにするために、加熱部への空気量の制御に代えて加熱部への燃料量の制御を行う機能を有する以外は、実施の形態１と同様の構成を有している。
所定の燃料量、例えば1.5NLMで通常運転を行っている状態を想定する。水蒸発部４の検出温度が閾温度、例えば１１０℃を下回ったときには、制御部２０は燃料供給部８から供給する燃料量を増加させる。燃料として都市ガス１３Ａを供給している場合、所定値の1.5NLMを0.2NLM増加させ1.7NLMとする。一方、検出温度が１１０℃を上回ったときには、燃料量を所定の流量1.5NLMに戻す。
【００５０】
図７は燃焼量に対する水蒸発部４の温度を示した図である。この図からわかるように燃焼量が増えると水蒸発部４への伝熱量が増えるため水蒸発部４の温度が上昇する。よって、水蒸発部４に液水が貯まり始めた時、燃料供給部８からの燃料量を増やすことで燃焼量を増やして水蒸発部４での蒸発を促進させる。一方、水蒸発部４に液水が貯まっていないときには、燃料供給量を所定値に戻し、過剰な熱の供給を防止する。これにより、信頼性と水素生成効率の高い水素生成装置及びその運転方法を実現することができる。
【００５１】
なお、水蒸発部４に液水が貯まり始めたか否かを判断する基準として、実施の形態２のように検出温度の実際の時間変化値を用いても良い。
【００５２】
実施の形態４．
本実施の形態に係る水素生成装置は、制御部が、水蒸発部内の水蒸気量を増加させるために、加熱部への空気量の制御に代えて改質部への原料量の制御を行う機能を有する以外は、実施の形態１と同様の構成を有している。
所定の原料量、例えば4.0NLM で通常運転を行っている状態を想定する。蒸発部４の検出温度が閾温度、例えば１１０℃を下回ったときには、制御部２０は液水が貯まり始めたと判断し、原料供給部１から供給する原料量を減らす。原料として都市ガス１３Ａを使用している場合、所定値4.0NLM供給から0.5NLM減らして3.5NLMとする。一方、検出温度が１１０℃を上回ったときには制御部２０は液水が貯まっていないと判断し、原料供給部１からの原料量を所定値の4.0NLMに戻す。
【００５３】
図８は、空気比一定の条件における原料流量（原料量）と水蒸発部４の温度との関係を示した図である。この図からわかるように原料量が減ると水蒸発部４の温度が上昇する。これは、通常、水素生成装置では、原料量によらずＳ／Ｃが一定の状態で運転するため、原料量が減少すると必要な水蒸気量も減少するからである。水蒸気量が減少すると供給する水量も減るため、蒸発に必要な熱量が少なくなる。そのため、原料量が減少すると図８のように水蒸発部４の温度が上昇する。これにより、信頼性の高い運転方法を実現することができる。
【００５４】
なお、水蒸発部４に液水が貯まり始めたか否かを判断する基準として、実施の形態２のように検出温度の実際の時間変化値とその閾値とを対比する方法を用いても良い。
【００５５】
実施の形態５．
本実施の形態に係る水素生成装置は、燃焼ガスに空気を供給する第２空気供給部を設けた以外は、実施の形態１の水素生成装置と同様の構成を有している。
図９は、本実施の形態に係る水素生成装置の構成を示す模式的な断面図である。輻射筒１３の加熱部１２の燃焼状態を乱さない位置に、第２空気供給部３０からの空気が供給できる構成になっている。第２空気供給部３０は制御部２０からの信号により空気供給量が制御できるようになっている。
【００５６】
上記構成において、水蒸発部４に液水が貯まり始めたと判断したときの運転方法を説明する。温度検知部１６から送られた検出温度と閾温度、例えば１１０℃とを対比し、検出温度が１１０℃より低いと判定し、液水が貯まり始めたと判断すると、制御部２０は第２空気供給部３０から空気を、例えば5NLM供給する。これに対し、液水が貯まっていないと判断したときには、第２空気供給部３０からの空気の供給を行わない。
【００５７】
図１０は第２空気供給部からの空気量と水蒸発部４の温度の関係を示す図である。空気量が増えると水蒸発部４の温度が上昇する。これは、加熱部１２で生じた高温の燃焼ガスに第２空気供給部３０からの空気を混合することで、燃焼ガスの保有熱量を同じ状態に維持しながら燃焼ガスの温度を下げて改質触媒層５への伝熱量を抑え、水蒸発部４への燃焼ガスの保有熱量を増加させて、水蒸発部４への伝熱量を増やしているためである。
【００５８】
本実施の形態では、空気を加熱部１２で生成する燃焼ガスに混合することで、実施の形態１とは異なり、燃焼部３での燃焼反応状態に変化を与えることなく水蒸発部４への伝熱量を制御し、水蒸発部４の水溜まりの生成を抑制している。これにより信頼性と水素生成効率の高い水素生成装置を実現することができる。
【００５９】
なお、第２空気供給部から空気を供給する場所としては、水蒸発部４に至るまでの燃焼ガス流路で空気の供給により燃焼状態が乱れないところであればよく、輻射筒１３内でも燃焼ガスが輻射筒１３から送出された後の燃焼ガス流路ｂ２であってもよい。ただ、燃焼ガス流路ｂ２に設ける場合、水蒸発部４に近い場所は好ましくない。供給場所が水蒸発部４に近くなると、水蒸発部４に至るまでの改質触媒層５などへの伝熱の抑制量が少なくなる結果、水蒸発部４への伝熱量の増加分が少なくなるからである。
【００６０】
なお、水蒸発部４に液水が貯まり始めたか否かを判断する基準として、実施の形態２のように検出温度の実際の時間変化値とその閾値とを対比する方法を用いても良い。
【００６１】
実施の形態６．
図１１は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。この燃料電池発電システムは、水素生成装置１００と、燃料電池１０１と、熱回収装置１０２と、ブロワ１０３とを主たる構成要素として備えている。この燃料電池１０１は、例えば、固体高分子型燃料電池である。
水素生成装置１００には、実施の形態１から５のいずれか一つの水素生成装置を用いることができ、前述した改質部３及び加熱部１２の他に、さらにＣＯ変成部２０とＣＯ選択酸化部２１とを備えている。具体的には、図１の改質部３の改質ガス流路ｃがＣＯ変成部２０に接続されており、ＣＯ変成部２０とＣＯ選択酸化部２１とが変成ガス流路ｄによって接続されている。かかる構成の水素生成装置１００では、改質触媒層５で生成された改質ガスが改質ガス流路ｃを介してＣＯ変成部２０に供給され、ここでＣＯ濃度の低減化が行われる。ＣＯ変成部２０で得られた変成ガスは、変成ガス流路ｄを介してＣＯ選択酸化部２１に供給され、ここでさらにＣＯ濃度の低減化が行われる。このようにＣＯ変成部２０及びＣＯ選択酸化部２１によってＣＯ低減化処理が行われることにより、水素生成装置１００では、ＣＯ濃度の低い水素リッチガス（水素ガス）が得られる。
【００６２】
燃料電池発電システムでは、水素生成装置１００が発電燃料配管１０４及び燃料オフガス配管１０５を介して燃料電池１０１に接続されている。また、燃料電池１０１は、空気配管１０６を介してブロワ１０３に接続されている。また、熱回収装置１０２は、燃焼電池１０１の発電時に発生する熱を回収可能に構成されている。ここでは、熱回収装置１０２が、貯湯タンクを備えた温水生成装置から構成され、この貯湯タンク内の水によって燃料電池１０１の発電時の熱を回収して温水を生成する。なお、ここでは図示を省略しているが、燃料電池発電システムは、発電により得られた電力を電力負荷端末に供給可能に構成されるとともに、熱回収装置１０２で回収した熱を熱負荷端末に供給可能に構成されている。
【００６３】
水素生成装置１００で製造された水素ガスは、発電燃料として、発電燃料配管１０４を通じて燃料電池１０１の燃料極側に供給される。一方、燃料電池１０１の空気極側には、空気配管１０６を介して、ブロワ１０３から空気が供給される。燃料電池１０１では、供給された水素ガスと空気とが反応（以下、発電反応と呼ぶ）して発電が行われるとともに、この発電反応に伴って熱が発生する。発電反応で得られた電力は、電力負荷端末（図示せず）に供給されて使用される。また、発電反応に伴って発生した熱は、熱回収手段１０２に回収され、その後、熱負荷端末（図示せず）に供給されて種々の用途で利用される。また、発電反応に利用されなかった未使用の水素ガス（いわゆる燃料オフガス）は、燃料電池１０１から回収され、燃料オフガス配管１０５を介して水素生成装置１００の加熱部１２に燃焼燃料として供給される。
【００６４】
本実施の形態の燃料電池発電システムでは、実施の形態１から５において説明したように、水素生成装置１００の水蒸発部４に液水が貯まらないように運転することが可能である。そのため、信頼性の高い水素ガス製造を行うことができ、燃料電池１０１に安定して水素ガスの供給を行うことが可能となる。それゆえ、燃料電池１０１において、効率よく安定して電力エネルギー及び熱エネルギーを発生させることが可能となり、省エネルギー性及び経済性に優れたコージェネレーションシステムを実現することが可能となる。
なお、本実施の形態に用いた水素生成装置は、燃料電池発電システム以外にも用いることができる。
【００６５】
なお、本燃料電池発電システムにおいて、発電量を減らすことは原料量を減らすことに対応する。そのため、水蒸発部における水溜まりを防止する運転方法として、発電量を下げる方法を用いることもできる。例えば、１ｋＷの発電状態で動いている燃料電池発電システムにおいて、水蒸発部４の検出温度が閾温度、例えば１１０℃を下回り、水が溜まり始めていると制御部が判断した時、制御部からシステムの制御部（不図示）に信号を送り発電量を９００Ｗと下げるように制御することもできる。一方、水蒸発部４の温度が１１０℃を上回り液水が貯まっていないと判断したときには、発電量を１ｋＷに戻す運転とする。これにより、水蒸発部４での水溜まりを防止することができ、信頼性の高い燃料電池発電システムを実現できる。
【００６６】
なお、実施の形態１から５において、燃料の供給は燃料供給部８により供給しているが、実施の形態６のように燃料電池発電システムの燃料電池からのオフガスを用いて行うこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係る水素生成装置は、運転時に水蒸発部に水を貯めることのない信頼性の高い運転を実施することが可能な水素生成装置として有用である。特に、この水素生成装置を備えた燃料電池システムでは、経済性及び省エネルギー性に優れたコージェネレーション運転を安定して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の改質部の構成の一例を示す模式的な断面図。
【図２】図１の改質部における空気比と水蒸発部の温度との関係を示す図。
【図３】図１の改質部における空気比と改質触媒層への伝熱量及び水蒸発部への伝熱量との関係を示す図。
【図４】実施の形態１の水素生成装置の運転動作のフローチャートの一例。
【図５】図１の改質部における空気比と水素生成効率との関係を示す図。
【図６】実施の形態１の水素生成装置の運転動作のフローチャートの一例。
【図７】図１の改質部における燃焼量と水蒸発部の温度との関係を示す図。
【図８】図１の改質部における原料流量と水蒸発部の温度との関係を示す図。
【図９】本発明の実施の形態５に係る水素生成装置の改質部の構成の一例を示す模式的な断面図。
【図１０】図９に示す第２空気供給部からの空気量と水蒸発部の温度との関係を示す図。
【図１１】本発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムの構成の一例を示すブロック図。
【符号の説明】
【００６９】
１  原料供給部
２  水供給部
３  改質部
４  水蒸発部
５  改質触媒層
６  空気流路
７  第１空気供給部
８  燃料供給部
９  燃焼部
１２  加熱部
１５  改質温度検知部
１６  水蒸発部用温度検知部
２０  制御部
３０  第２空気供給部
１００  水素生成装置
１０１  燃料電池
１０２  熱回収装置
１０３  ブロワ
【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】
2006088018.tif 000013
【図２】
2006088018.tif 000014
【図３】
2006088018.tif 000015
【図４】
2006088018.tif 000016
【図５】
2006088018.tif 000017
【図６】
2006088018.tif 000018
【図７】
2006088018.tif 000019
【図８】
2006088018.tif 000020
【図９】
2006088018.tif 000021
【図１０】
2006088018.tif 000022
【図１１】
2006088018.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月11日(2007.12.11)
【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】
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、
該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、
該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、
燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部と、
前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つを制御する制御部とを備えた水素生成装置であって、
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部と、
前記燃焼ガスに空気を供給する第２空気供給部を備え、
前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、予め定められた第１の閾温度より小さい場合には、第２空気供給部により空気量を増加させるよう制御することを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料を完全燃焼するための理論空気量に対する供給される空気量の比で規定される空気比が大きくなるように加熱部への空気量を増加させる請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記空気比を１．５以上とするように加熱部への空気量を増加させる請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部とを備え、
前記制御部は、前記検出温度が前記第１の閾温度より小さい場合には、前記燃料供給部により前記燃焼部への燃料量を増加させるよう制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記原料を供給する原料供給部と、前記水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、前記検出温度が前記第１の閾温度より小さい場合には、前記制御部は、前記改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する前記改質部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を減少させるよう制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記検出温度が、前記第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超える場合には、前記いずれか一つの供給量を制御して前記水蒸発部の温度を下降させ、前記水蒸発部の温度を前記第１の閾温度と前記第２の閾温度との間に維持する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度を超える場合には、前記第１空気供給部により前記燃焼部への空気量を減少させるよう制御する請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度を超える場合には、前記燃料供給部により前記燃焼部への燃料量を減少させる請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記検出温度が前記第２の閾温度より小さい場合には、Ｓ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を増加させるよう制御する請求項６に記載の水素生成装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された前記検出温度の時間変化値が、前記検出温度の時間変化に対して予め設定された第１の閾値より小さい場合には、前記検出温度の時間変化値が上昇するように前記いずれか一つの供給量を制御する請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項１１】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には、前記第１空気供給部により前記燃焼部への空気量を増加させる請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１２】
前記加熱部は、燃料と空気とを燃焼させ燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
該燃焼部に燃料を供給する燃料供給部と、
該燃焼部に空気を供給する第１空気供給部を有し、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には前記燃料供給部により前記加熱部への燃料量を増加させるよう制御する請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１３】
前記原料を供給する原料供給部と、
前記水蒸発部に水を供給する水供給部とを備え、
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が、前記第１の閾値より小さい場合には、前記改質部に供給される原料中の炭素原子のモル数に対する前記水蒸発部に供給される水蒸気のモル数の比であるＳ／Ｃを所定値に維持しながら、前記原料供給部による前記改質部への原料量及び前記水供給部による前記水蒸発部への水量を減少させるよう制御する請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記検出温度の時間変化値が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記検出温度の時間変化値を下降させ、前記水蒸発部の検出温度の時間変化値が前記第１の閾温度と前記第２の閾温との間に維持する請求項１０に記載の水素生成装置。
【請求項１５】
前記燃焼部の周囲には前記改質部と前記水蒸発部とがこの順で外周方向に同心的に配設され、かつ燃焼ガスの流路となる燃焼ガス路が改質部から水蒸発部へと伝熱可能に配設されている請求項１または１０に記載の水素生成装置。
【請求項１６】
少なくとも、請求項１又は２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水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池とを有する燃料電池システム。
【請求項１７】
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質部と、該改質部に原料を供給する原料供給部と、該改質部に水蒸気を供給する水蒸発部と、該水蒸発部の温度を検知する水蒸発部用温度検知部と、燃料と空気とを燃焼させ、改質部と水蒸発部とを伝熱により順次加熱する燃焼ガスを供給する加熱部とを有する水素生成装置の運転方法であって、
前記水蒸発部用温度検知部の検出温度が、前記検出温度が予め設定された第１の閾温度より小さい場合には、前記検出温度が上昇するように、前記加熱部への空気量、前記加熱部への燃料量又は前記水蒸発部への水量のいずれか一つの供給量を制御し、
前記水蒸発部用温度検知部により検出される第１の検出温度と所定時間経過後の第２の検出温度とから算出された前記検出温度の時間変化値が、前記検出温度の時間変化値に対して予め設定された第１の閾値より小さいときには前記検出温度の時間変化値が上昇するように前記いずれか一つの供給量を制御する水素生成装置の運転方法。
【請求項１８】
前記検出温度が該第１の閾温度より小さいときには、前記加熱部への空気量を増加させる請求項１７記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項１９】
前記検出温度が、前記第１の閾温度よりも高い第２の閾温度を超えるときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記水蒸発部の温度を下降させ、前記水蒸発部の温度を前記第１の閾温度と前記第２の閾温度との間に維持する請求項１７に記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２０】
前記検出温度が第２の閾温度を超えるときには前記加熱部への空気量を減少させ、前記水蒸発部の温度を第１の閾温度と第２の閾温度との間に維持する請求項１７に記載の水素生成装置の運転方法。
【請求項２１】
前記検出温度の時間変化値が第１の閾値より大きい第２の閾値を下回るときには前記いずれか一つの供給量を制御して前記検出温度の時間変化値を下降させ、前記検出温度の時間変化値を第１の閾値と第２の閾値との間に維持する請求項１７記載の水素生成装置の運転方法。
【国際調査報告】
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