JP2013053036A

JP2013053036A - 水素生成装置及び燃料電池システム

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Publication number: JP2013053036A
Application number: JP2011191870A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Takeuchi; 友也竹内; Kunihiro Ukai; 邦弘鵜飼
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】原料の組成変化に対して従来例よりも適切に対応できる水素生成装置を提供する。
【解決手段】水素生成装置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改質器６と、改質器６に原料を供給する原料供給器２と、改質器６に水蒸気を供給する水蒸気供給器４と、改質器６より排出される水素含有ガスを燃焼して改質器６を加熱する燃焼器８と、燃焼器８に燃焼空気を供給する空気供給器１０と、改質器６において水素含有ガスを生成しているときの燃焼器８の発熱量を検知する発熱量検知器１２により検知された値に応じて、改質器６への原料の供給量の目標値、改質器６への水蒸気の供給量の目標値、及び燃焼器８への燃焼空気の供給量の目標値を設定する目標値設定器５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は水素生成装置及び燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池の発電時の燃料に用いる水素含有ガスが一般的な原料インフラガスとして整備されていない。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。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。このとき、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（ＣＨ_４）ガスやエタン（Ｃ_２Ｈ_６）ガス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。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。

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。

燃焼器の原料燃焼を安定して行うには、原料の組成に適した量の燃焼空気を供給する必要がある。例えば、メタンガスやエタンガスが酸素ともに燃焼して水と二酸化炭素とが生成される燃焼反応では、理論的には、１モルのメタンに対して必要な酸素の量は２モルである。また、１モルのエタンに対しては必要な酸素の量は３．５モルである。通常は、燃焼器への燃焼空気の供給量が不足すると燃焼不良が生じることから、このような事態を防止すべく、原料の供給流量から算出された理論燃焼空気量の１．５倍程度の燃焼空気が燃焼器に供給されるように燃焼空気の供給量が設定されている。そして、原料の供給流量に応じて燃焼空気の供給量が、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。

ところで、原料インフラの構成上、改質器に供給される原料の組成が変化する場合がある。例えば、既存のインフラから供給される都市ガスは、主たる組成は同様であっても、供給元（具体的にはガス会社）によって組成に違いがあることから、供給元を変更すると、改質器に供給される原料の組成が変化する。また、決められた基準の中で、同一の供給元においても原料の組成が変更される場合がある。

供給原料の組成が変化した場合、組成変化前の原料供給流量に応じて設定された水供給流量のままで改質器に水を供給すると、組成変化後の理論水量と実際の供給水量との間に差が生じ、実際に必要な供給水量が理論水量に対して大幅な過不足を生じる可能性がある。

例えば、供給水量が組成変化後の理論水量よりも多い場合には、改質反応自体は速やかに進行するが、改質反応のための水蒸発に消費するエネルギー量が多くなるため、水素生成のエネルギー効率が低下する。

一方、供給水量が組成変化後の理論水量よりも少ない場合には、供給原料の熱分解による炭化あるいは改質ガスの不均化反応による炭素析出が生じうる。このため、水素生成装置の圧損の増大、さらには改質ガス流路の閉塞が起こり、その結果、水素生成効率の低下あるいは水素生成装置の運転停止を招くおそれがある。

また、供給原料の組成が変化した場合、組成変化前の原料供給流量に応じて設定された燃焼空気量のままで運転を継続すると、組成変化後の理論燃焼空気量と実際の燃焼空気の供給量との間に差が生じ、実際に必要な燃焼空気の供給量が理論燃焼空気量に対して大幅な過不足を生じる可能性がある。この場合、燃焼不良を引き起こすことがある。

以上の問題を解決する手段として、原料の組成を特定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の水素生成装置では、起動時に水素生成装置に水が供給されるまでの間の改質部温度または燃焼器温度の変化から原料の組成を特定することにより、水素生成部への水供給量および燃焼器への燃焼空気供給量が制御されている。

特開２００５−２００２６０号公報

しかし、従来の水素生成装置は、上記特許文献１記載の水素生成装置（従来例）よりも原料の組成変化適切に対応できる方法について検討されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、原料の組成変化に対して従来例よりも適切に対応し得る水素生成装置およびこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来例では、改質器において原料及び水蒸気を用いた改質反応を開始する前の段階において、燃焼器に流入する原料の燃焼時の発熱量に基づいて原料の組成を特定している。

ここで、本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、原料組成の変化に伴う燃焼器での燃焼に伴う発熱量の変化は、改質器で改質反応を開始する前よりも改質反応を開始した後の方がより大きくなることに気付いた。これは、原料を及び水蒸気を用いた改質反応は吸熱反応であり、反応生成物（水素含有ガス）の方が反応物（原料）よりも発熱量が大きく、改質反応が開始された後は、この改質器の反応生成物（水素含有ガス）を用いて燃焼するからである。

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改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、前記改質器より排出される水素含有ガスを燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼空気を供給する空気供給器と、前記改質器において水素含有ガスを生成しているときの前記燃焼器の発熱量を検知する発熱量検知器により検知された値に応じて、前記改質器への原料の供給量の目標値、前記改質器への水蒸気の供給量の目標値、及び前記燃焼器への燃焼空気の供給量の目標値の少なくともいずれか一つを設定する目標値設定器と、を備える。

また、本発明の燃料電池システムは、上記水素生成装置と、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。

本発明の水素生成装置および燃料電池システムによれば、原料の組成変化に対して従来例よりも適切に対応し得る。

図１は、第１実施形態の水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。図２は、原料の組成変化の第１の特定方法の一例を説明するための模式図である。図３は、原料の組成変化の第２の特定方法の一例を説明するための模式図である。図４は、水素生成量の目標値と原料供給量の目標値との対応関係の一例を示す図である。図５は、水素生成量の目標値と水蒸気供給量の目標値との対応関係の一例を示す図である。図６は、第２実施形態の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

（第１実施形態）
第１実施形態にかかる水素生成装置は、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改質器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、原料供給器から供給される原料及び水供給器から供給される水を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器より排出される水素含有ガスを燃焼して改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼空気を供給する空気供給器と、改質器において水素含有ガスを生成しているときの燃焼器の発熱量を検知する発熱量検知器により検知された値に応じて、改質器への原料の供給量の目標値、改質器への水蒸気の供給量の目標値、及び燃焼器への燃焼空気の供給量の目標値の少なくともいずれか一つを設定する目標値設定器と、を備える。

かかる構成により、原料の組成変化に対して従来例よりも適切に対応し得る。

原料を及び水蒸気を用いた改質反応は吸熱反応で、反応生成物（水素含有ガス）の方が反応物（原料）よりも発熱量が大きく、燃焼器は、改質反応が開始されると、この反応生成物（水素含有ガス）を用いて燃焼する。従って、原料組成の変化に伴う燃焼器での燃焼に伴う発熱量の変化は、改質器で改質反応を開始する前よりも改質反応を開始した後の方がより大きくなる。よって、改質反応を開始した後の燃焼器の発熱量に応じて各目標値を設定する方が、従来例よりも原料の組成変化に対して適切に対応し得る。

［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図である。

図１に示す例では、水素生成装置１００は、原料供給器２と、水供給器４と、改質器６と、燃焼器８と、空気供給器１０と、発熱量検知器１２と、目標値設定器５０と、制御器５１とを備える。

改質器６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。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。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。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よい。具体的には、水蒸気改質反応、及びオートサーマル反応が例示される。改質器６で生成された水素含有ガスは、水素供給経路を介して水素利用機器１５０に供給される。

原料供給器２は、原料を改質器６に供給する。原料供給器２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。

水蒸気供給器４は、水蒸気を改質器６に供給する。水蒸気供給器４は、水供給器及び水供給器から供給された水を蒸発する蒸発器を備える。水供給器は、蒸発器に供給する水の流量を調整し、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。

燃焼器８は、改質器６を加熱する。燃焼器８の燃料には、少なくとも改質器６より排出される水素含有ガスが用いられる。燃焼器８に供給される水素含有ガスは、改質器６から燃焼器８に直接供給されてもよいし、水素利用機器１５０を経由し、水素利用機器１５０から排出されて燃焼器８に供給されてもよい。燃焼器８において、水素含有ガスに原料が添加されて燃焼されてもよい。

空気供給器１０は、燃焼器８に燃焼空気を供給する。空気供給器１０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。

発熱量検知器１２は、燃焼器８の発熱量を検知する。本例では、発熱量検知器として改質器６の温度を検知する温度検知器が用いられるが、燃焼器８の発熱量を検知可能であれば、いずれの構成であってもよい。例えば、発熱量検知器１２として、燃焼器８の燃焼室の温度を検知する温度検知器を用いても構わない。温度検知器は、例えば、熱電対により構成される。

目標値設定器５０は、発熱量検知器１２により検知された値に応じて、改質器６への原料の供給量の目標値、改質器６への水蒸気の供給量の目標値、及び燃焼器８への燃焼空気の供給量の目標値の少なくともいずれか一つを設定する。

制御器５１は、目標値設定器５０により設定された目標値に基づいて水素生成装置１００の運転を制御する。

制御器５１は、制御機能を有するものであれば、水素生成装置１００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よい。制御器５１は、例えば、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。

制御器５１は、単独の制御器でも複数の制御器でもよい。つまり、制御器５１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よいし、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よい。この点は、後述の変形例および第２実施形態の制御器においても同様である。

［原料の組成変化の第１の特定方法］
図２は、原料の組成変化の第１の特定方法の一例を説明するための模式図である。図２では、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび原料ガスＣをそれぞれ、改質器６に供給した後、これらを燃焼器８で燃焼させた場合の、温度検知器の検知温度の時間変化が示されている。

なお、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび原料ガスＣでは、それぞれの組成が異なる。本例では、原料ガスＡに２０ｖｏｌ％の窒素を含むメタンガスが用いられ、原料ガスＢに１００ｖｏｌ％のメタンガスが用いられ、原料ガスＣに２０ｖｏｌ％のプロパンガスを含むメタンガスが用いられている。

この場合、原料ガスＡ、原料ガスＢ及び原料ガスＣのそれぞれについて、単位供給量あたりの原料ガス中に含まれる炭素量を比較すると、原料ガスＣの炭素量が最も多く、原料ガスＢ、及び原料ガスＡの順に炭素量が減少する。単位供給量あたりの原料ガス中の炭素量が減少するにつれて、単位供給量あたりの原料ガスから生成する水素量が減少するため、燃焼器８での水素含有ガスの燃焼により生じる発熱量は減少する。

このため、原料ガスＡ、原料ガスＢ、及び原料ガスＣをそれぞれ、改質器６に供給し、改質器６を通過したガスを燃焼器８で燃焼させる場合、改質器６の昇温速度は、改質器８に原料ガスＡを供給する場合が最も遅く、原料ガスＢ、及び原料ガスＣの順に、この昇温速度が速くなる。なお、上記において、各原料ガスを用いたときの、原料の供給量、水蒸気の供給量、及び燃焼空気の供給量はそれぞれ等しく、かつ、燃焼器８での燃焼不良は生じていないとする。

そこで、改質器６に原料ガスＡを供給する場合を例に、燃焼器８の燃焼による改質器６の昇温過程を説明する。改質器６を経由した原料ガスＡを用いて燃焼器８での燃焼が開始されると、温度検知器の検知温度が上昇する。そして、この検知温度は、図２の一点鎖線に示す如く、時間ｔ１Ａにおいて温度Ｔ１に到達する。ここで、水蒸気供給器４による改質器６への水蒸気供給が開始される。なお、温度Ｔ１については、改質反応が進行する温度であればどのような温度に設定してもよい。例えば、温度Ｔ１を１５０℃としてもよい。

また、図２の一点鎖線に示す如く、改質器６を更に加熱することにより、温度検知器の検知温度が、時間ｔ２Ａにおいて温度Ｔ２に到達する。なお、温度Ｔ２については、改質器６への水蒸気供給が開始された後の温度であればどのような温度に設定してもよい。例えば、温度Ｔ２を５５０℃としてもよい。

なお、原料ガスＢおよび原料ガスＣもそれぞれ、上記と同様に、図２の実線および点線で示す如く、温度検知器の検知温度が温度Ｔ１に到達する時間をそれぞれ、時間ｔ１Ｂおよび時間ｔ１Ｃと特定でき、温度検知器の検知温度が温度Ｔ２に到達する時間をそれぞれ、時間ｔ２Ｂおよび時間ｔ２Ｃと特定できる。

上記のとおり、改質器６の昇温速度は、改質器６に原料ガスＡを供給する場合が最も遅く、原料ガスＢ、及び原料ガスＣの順に速くなるので、温度検知器の検知温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２まで到達する時間は、原料ガスＡ、原料ガスＢ、原料ガスＣの順に短くなる。よって、このような時間を知ることにより、原料の組成変化を検出できる。

例えば、単位供給量あたりの原料中の炭素量が減少するにつれて、燃焼器８の原料燃焼により生じる発熱量は減少するので、温度検知器の検知温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２まで到達する時間は、単位供給量あたりの原料中の炭素量と負の相関を示す。なお、発熱量検知器１２の検知温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２まで到達する時間とは、具体的には、原料ガスＡの場合、時間ｔ２Ａと時間ｔ１Ａとの間の時間差（ｔ２Ａ−ｔ１Ａ）に相当する。原料ガスＢの場合、時間差（ｔ２Ａ−ｔ１Ａ）よりも短い、時間ｔ２Ｂと時間ｔ１Ｂとの間の時間差（ｔ２Ｂ−ｔ１Ｂ）に相当する。原料ガスＣの場合、時間差（ｔ２Ｂ−ｔ１Ｂ）よりも短い、時間ｔ２Ｃと時間ｔ１Ｃとの間の時間差（ｔ２Ｃ−ｔ１Ｃ）に相当する。

ここで、上記負の相関を示す上記データに基づき、図示されない記憶部に、温度検知器の検知温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２まで到達する時間と原料の組成情報との対応関係を示すデータが予め記憶されている。なお、上記原料の組成情報は、原料の組成を示す情報であれば、いずれの情報であっても構わない。例えば、原料中に含まれる少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物の組成から換算した平均分子式、単位量当りの原料に含まれる炭素量、原料の種類を示す名称、またはコード番号、原料の供給主体（例えば、ガス会社、ディストリビュータ等）等が挙げられる。

目標値設定器５０は、温度検知器の検知温度から、温度検知器の検知温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２まで到達する時間を特定する。目標値設定器５０は、特定した上記時間及び記憶部に記憶された上記対応関係から原料の組成情報を特定する。つまり、改質器６に供給されている原料の組成を特定する。

ところで、上述のように、改質器６を通過したガスを燃焼器８で燃焼するとき、改質器６への原料の供給量が同じであれば、水素含有ガスを生成していないときよりも水素含有ガスを生成しているときの方が燃焼器８の発熱量は大きい。そして、単位供給量あたりの原料中の炭素量が大きくなるにつれて、両者の発熱量の差は大きくなる。

つまり、改質器６を通過したガスを燃焼器８で燃焼するとき、改質器６への原料の供給量が同じであれば、水素含有ガスを生成しているときの方が、生成していないときに比べて、原料ガスＡ、原料ガスＢ、原料ガスＣの昇温速度の差が顕著に現れる。

よって、本実施形態の水素生成装置１００では、改質器６で水素含有ガスを生成しているときの燃焼器８の発熱量を検知することで、原料の組成を特定している。

これにより、本実施形態の水素生成装置１００では、原料組成の変化に対して、従来例よりも精度よく、原料の組成を特定し得る。

［原料の組成変化の第２の特定方法］
図３は、原料の組成変化の第２の特定方法の一例を説明するための模式図である。

図３では、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび原料ガスＣをそれぞれ、改質器６に供給した後、これらを燃焼器８で燃焼させた場合の、温度検知器の検知温度の時間変化が示されている。なお、原料ガスＡ、原料ガスＢおよび原料ガスＣの組成は、図２の場合と同じである。よって、これらの組成の詳細な説明は省略する。

改質器６に原料ガスＡを供給する場合を例に、燃焼器８の燃焼による改質器６の昇温過程を説明する。改質器６を経由した原料ガスＡを用いて燃焼器８での燃焼が開始されると、温度検知器の検知温度が上昇する。そして、この検知温度は、図３の一点鎖線に示す如く、時間ｔ１Ａにおいて温度Ｔ１に到達する。ここで、水蒸気供給器４による改質器６への水蒸気供給が開始される。なお、温度Ｔ１については、改質反応が進行する温度であればどのような温度に設定してもよい。例えば、温度Ｔ１を１５０℃としてもよい。

また、図３の一点鎖線に示す如く、時間ｔ１Ａから所要時間ｔが経過したときの温度検知器の検知温度を温度Ｔ２Ａとする。なお、所要時間ｔについては、極端に短くなければどのような時間でもよい。例えば、所要時間ｔを１５分としてもよい。

原料ガスＢおよび原料ガスＣもそれぞれ、上記と同様に、図３の実線および点線で示す如く、時間ｔ２Ｂおよび時間ｔ２Ｃのそれぞれから所要時間ｔが経過したときの温度検知器の検知温度をそれぞれ、温度Ｔ２Ｂおよび温度Ｔ２Ｃと特定できる。

上記のとおり、改質器６の昇温速度は、改質器６に原料ガスＡを供給する場合が最も遅く、原料ガスＢ、及び原料ガスＣの順に速くなるので、図３に示すように、改質器６への水蒸気の供給の開始後、所要時間ｔが経過した時の温度検知器の検知温度は、原料ガスＡ、原料ガスＢ、原料ガスＣの順に高くなる。よって、このような検知温度を知ることにより、原料の組成変化を検出できる。

例えば、単位供給量あたりの原料中の炭素量が減少するにつれて、燃焼器８での原料燃焼により生じる発熱量は減少するので、改質器６への水蒸気供給の開始後、所要時間ｔが経過した時の温度検知器の検知温度は、単位供給量あたりの原料中の炭素量と正の相関を示す。なお、改質器６への水蒸気供給の開始後、所要時間ｔが経過した時の温度検知器の検知温度とは、具体的には、原料ガスＡの場合、温度Ｔ２Ａに相当する。原料ガスＢの場合、温度Ｔ２Ａよりも高い温度Ｔ２Ｂに相当する。原料ガスＣの場合、温度Ｔ２Ｂよりも高い温度ＴＣ２に相当する。

ここで、目標値設定器５０は、上記正の相関を示す上記データに基づき、図示されない記憶部に、改質器６への水蒸気供給の開始後、所要時間ｔが経過した時の温度検知器の検知温度と原料の組成情報との対応関係を示すデータが予め記憶されている。なお、上記原料の組成情報は、原料の組成を示す情報であれば、いずれの情報であっても構わない。例えば、原料中に含まれる少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物の組成から換算した平均分子式、単位量当りの原料に含まれる炭素量、原料の供給主体（例えば、ガス会社、ディストリビュータ等）等が挙げられる。

目標値設定器５０は、温度検知器の検知温度から、改質器６への水蒸気供給の開始後、所要時間ｔが経過した時の温度検知器の検知温度を特定する。目標値設定器５０は、特定した上記検知温度及び記憶部に記憶された上記対応関係から改質器６に供給されている原料の組成を特定することができる。

このようにして、本実施形態の水素生成装置１００では、原料の組成の変化に対して、従来例よりも精度よく、原料の組成を特定し得る。

なお、上述の原料の組成の第１及び第２の特定方法は、例示であって、本例に限定されるものではない。発電量検知器１２（温度検知器）で検知された値に基づいて原料の組成を特定可能であれば、いずれの方法であってもよい。

［目標値の設定］
本実施形態の水素生成装置１００では、目標値設定器５０は、上記の方法により、原料の組成を特定する。そして、目標値設定器５０は、特定された原料の組成に基づいて、改質器６への原料の供給量の目標値、改質器６への水蒸気の供給量の目標値、及び燃焼器８への燃焼空気の供給量の目標値の少なくともいずれか一つを設定する。

具体的には、図示されない記憶部が、原料の組成情報と上記各目標値との対応関係を示すデータを保持し、目標値設定器５０は、特定された原料の組成情報と記憶部に記憶された上記対応関係から上記目標値を設定する。

ここで、改質器６への原料の供給量の目標値は、例えば、水素生成量の目標値から導かれてもよい。この場合、例えば、図４に示すように記憶部には、各原料の組成情報毎に、水素生成量の目標値と原料の供給量の目標値との対応関係を示すデータが保持されている。

そして、目標値設定器５０は、特定された原料の組成情報に対して設定されている上記対応関係を参照し、この対応関係から適切な上記目標値を設定する。

改質器６への水蒸気の供給量の目標値は、水素生成量の目標値から直接的に導かれてもよいし、間接的に導かれてもよい。直接的に導く方法としては、例えば、図５に示すように各原料の組成情報毎に、水素生成量の目標値に対して設定される水蒸気供給量の目標値との対応関係を示すデータが、図示されない記憶部に記憶されている。

間接的に導く方法としては、例えば、改質器６への原料の供給量の目標値に対して、所定のスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が満たされるように、水蒸気の供給量の目標値が設定する方法が挙げられる。

また、燃焼器８への燃焼空気の供給量の目標値は、水素生成量の目標値から直接的に導かれてもよいし、間接的に導かれてもよい。

直接的に導く方法としては、例えば、各原料の組成情報毎に、水素生成量の目標値に対して設定される燃焼空気の供給量の目標値との対応関係を示すデータが、図示されない記憶部に記憶されている。そして、目標値設定器５０は、特定された原料の組成情報に対して設定されている上記対応関係に基づき水蒸気供給量の目標値を設定する方法が挙げられる。なお、上記データは、例えば、図４に記載の対応関係を示すデータのうち原料供給量の目標値を燃焼空気供給量の目標値に代えたデータとして記憶されている。

間接的に導く方法としては、例えば、水素生成量の目標値、及び水素利用機器（例えば、燃料電池）での水素消費量から導かれる燃焼器への水素含有ガスの供給量に対して所定の空気比λを満たすように、燃焼空気の供給量の目標値を設定してもよい。

［変形例］
本実施形態の水素生成装置１００では、目標値設定器５０が、原料の組成を特定する例を説明したが、このような原料の組成の特定は、水素生成装置１００に供給される流体の目標値の設定において必須ではない。例えば、本実施形態の変形例の水素生成装置１００では、例えば、図示されない記憶部が、温度検知器の検知温度が温度Ｔ１から温度Ｔ２まで到達する時間と上記目標値との対応関係を記憶している。そして、温度検知器の検知温度と上記対応関係とから、原料の組成の特定を行わずに目標値を設定し得る。

また、他の例では、図示されない記憶部が、改質器６への水供給の開始後、所要時間ｔが経過した時の温度検知器の検知温度と上記目標値との対応関係を記憶している。そして、温度検知器の検知温度と上記対応関係から、原料の組成の特定を行わずに目標値を設定し得る。

なお、水素生成装置１００に供給される流体の目標値は、改質器６への原料の供給量の目標値、改質器６への水蒸気の供給量の目標値、及び燃焼器８への燃焼空気の供給量の目標値の少なくともいずれか一つである。

［水素生成装置の運転制御］
上記のとおり、制御器５１は、目標値設定器５０により設定された目標値に基づいて、水素生成装置１００の運転を制御してもよい。この運転制御は、水素生成装置１００に供給される流体の流量を上記目標値に合わせる制御であってもよい。例えば、原料の改質に必要な流体の流量を目標値に調整するとよい。また、流体は、具体的には、改質器６に供給される原料、改質器６に供給される水蒸気、および燃焼器８に供給される燃焼空気の少なくともいずれか一つであってもよい。

なお、制御器５１は、水素生成装置１００の次の起動時において、目標値設定器５０により設定された目標値に基づいて起動を実行してもよい。次の起動時には、原料の組成が変化していない蓋然性が高いので、目標値をそのまま利用すれば、起動時より原料の組成の変化に対応した水素生成装置１００の運転をし得る。

また、目標値設定器５０は、改質器６の温度検知器により検知された値が、第１の閾値以上である場合、水素生成装置１００の運転を停止してもよい。なお、第１の閾値は、例えば、原料の組成が、水素生成装置１００が安定して運転をし得る組成であるときの、改質器６の上限温度を設定してもよい。

また、目標値設定器５０は、改質器６の温度検知器により検知された値が、第２の閾値以下である場合、水素生成装置１００の運転を停止してもよい。なお、第２の閾値は、原料の組成が、水素生成装置１００が安定して運転をし得る組成であるときの、改質器６の下限温度を設定してもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態およびその変形例のいずれかの水素生成装置と、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。

［装置構成］
図６は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。図６に示す例では、本実施形態の燃料電池システム２００は、図１の水素生成装置１００と、燃料電池１６０とを備える。

本実施形態の燃料電池システム２００において、燃料電池１６０以外の構成は、第１実施形態及びその変形例の水素生成装置と同様に構成できる。よって、図６と図１とで共通する構成要素については、同一の符号及び用語を付して、その説明を省略する。

燃料電池１６０は、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１６０は、どのような方式の燃料電池であってもよい。例えば、燃料電池１６０として、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池、りん酸形燃料電池等を用いることができ、これらの構成はいずれも公知である。よって、燃料電池１６０の構成の詳細な説明を省略する。なお、燃料電池１６０が、固体酸化物形燃料電池であるとき、改質器６と燃料電池１６０が一体化された内部改質型の固体酸化物形燃料電池であってもよい。

［燃料電池システムの運転制御］
燃料電池システム２００は、第１実施形態の水素生成装置と同様に目標値設定器５０が水素生成装置１００に供給される流体の目標値を設定する。また、目標値設定器５０により設定された目標値に基づき制御器５１が、燃料電池システム２００を運転制御する。

なお、第１実施形態では、目標値設定器５０は、水素生成装置１００における水素生成量の目標値から、改質器６への原料の供給量も目標値、改質器６への水蒸気の供給量の目標値、及び燃焼器８への燃焼空気の供給量の目標値の少なくともいずれか一つを導いている。しかしながら、本実施形態では、目標値設定器５０は、水素生成量の目標値に代えて、燃料電池システム２００の発電量の目標値から、改質器６への原料の供給量の目標値、改質器６への水蒸気の供給量の目標値、及び燃焼器８への燃焼空気の供給量の目標値の少なくともいずれか一つを導いてもよい。

本発明は、原料の組成変化に対して従来例よりも適切に対応し得るので、水素生成装置及び燃料電池システムに利用できる。

２原料供給器
４水蒸気供給器
６改質器
８燃焼器
１０空気供給器
１２発熱量検知器
５０目標値設定器
５１制御器
１００水素生成装置
１５０水素利用機器
１６０燃料電池
２００燃料電池システム

Claims

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改質器と、
前記改質器に原料を供給する原料供給器と、
前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器と、
前記改質器より排出される水素含有ガスを燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に燃焼空気を供給する空気供給器と、
前記改質器において水素含有ガスを生成しているときの前記燃焼器の発熱量を検知する発熱量検知器により検知された値に応じて、水素生成量の目標値から導かれる、前記改質器への原料の供給量の目標値、前記改質器への水蒸気の供給量の目標値、及び前記燃焼器への燃焼空気の供給量の目標値の少なくともいずれか一つを設定する目標値設定器と、を備える水素生成装置。
前期発熱量検知器が、前記改質器の温度を検知する発熱量検知器を備える、請求項１に記載の水素生成装置。
前期目標値設定器により設定された目標値に基づき前記水素生成装置の運転を制御する制御器を備える、請求項１または２に記載の水素生成装置。
前記制御器は、次の起動時において前記目標値に基づき起動を実行する、請求項３記載の水素生成装置。
前記目標値設定器は、前記改質器で水素含有ガスの生成が開始されてから水素利用機器での水素含有ガスの利用が開始されるまでの間において前記発熱量検知器で検知された値に応じて前記設定を行う、請求項１−４のいずれかに記載の水素生成装置。
前記目標値設定器は、前記改質器で水素含有ガスの生成が開始されてから水素利用機器での水素含有ガスの利用が開始されるまでの間における前記発熱量検知器で検知された値が第１の閾値以上であるとき、前記水素利用機器での水素含有ガスの利用開始前に前記水素生成装置の運転を停止する、請求項１−４のいずれかに記載の水素生成装置。
前記目標値設定器は、前記改質器で水素含有ガスの生成が開始されてから水素利用機器での水素含有ガスの利用が開始されるまでの間における前記発熱量検知器で検知された値が第２の閾値以下であるとき、前記水素利用機器での水素含有ガスの利用開始前に前記水素生成装置の運転を停止する、請求項１−４のいずれかに記載の水素生成装置。
請求項１−７のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置からの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。