JP2014214048A - 水素生成装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】供給される原料ガスの組成が変化した場合においても寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能な水素生成装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】制御器は、燃焼器で燃焼が行われている場合に、燃焼排ガス中の一酸化炭素及び酸素のうちの少なくとも一方のガスを検知するガス検知器の検知結果に基づいて、供給される原料ガスの組成を推定し、原料ガスの組成の推定結果を用いて、改質器に水を供給する水供給器の制御を行うことで、供給される原料ガスの組成に適した水を供給することが可能となり、水素生成装置および燃料電池システムの寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐ。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物原料を水蒸気改質反応して水素含有ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置で得られた水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により、発電を行う燃料電池を備える。

従来、この種の燃料電池システムは、天然ガス等の炭化水素系原料ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質器を含む水素生成装置を備え、この水素生成装置で生成された水素含有ガスが燃料電池に供給される。（例えば、特許文献１参照）
図３は、公報に記載された従来の燃料電池システムの構成図である。

図３に示すように、従来の燃料電池システムは、原料ガスと水蒸気との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器２９と、水蒸気と一酸化炭素ガスを変成反応により水素ガスと二酸化炭素ガスとに変える変成器３０と、一酸化炭素選択酸化反応により一酸化炭素を二酸化炭素に変える選択酸化器３１と、選択酸化器３１で処理された水素を含む燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池３２と、燃料電池３２から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスを燃焼させて改質器２９を加熱する燃焼器３３と、改質器２９に水を供給する水供給器３４と、改質器２９に原料ガスを供給する原料供給器３５と、燃焼器３３に燃焼用空気を供給する空気供給器３６と、制御器３７とを備える。

改質器２９には、天然ガス等の原料と水とがそれぞれ原料供給器３５、水供給器３４により供給され、改質触媒のもとで水蒸気改質されて水素を含む燃料ガスが生成される。改質反応が行われる改質器２９は、改質反応に最適な温度に維持する必要があるため、バーナ等の燃焼器３３で加熱される。燃焼器３３には、燃料電池３２での発電に利用されなかった水素が燃焼ガスとして供給され、空気供給器３６より供給される空気と共に燃焼される。ここで、制御器３７は、改質器２９に供給される原料ガスと水とが所定の比率となる（所定のＳ／Ｃとなる）ように、水供給器３４を制御する。

特開２００４−６０９３号公報

燃料電池システムに供給される原料ガスの組成は、供給地域毎に変わる可能性がある。また、同地域でも経時的に原料ガス組成が変化する可能性がある。一方、従来の燃料電池システムでは、想定の原料ガスの組成に基づいて、改質器に供給される原料ガスと水とが所定のＳ／Ｃとなるように水供給器を制御する。

したがって、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が想定の原料ガスの組成と異なる場合、Ｓ／Ｃは所定の値とは異なる値となる。水が不足する場合は、改質触媒の表面に炭素が析出してその寿命が劣化する、逆に、水が過剰である場合は、水の蒸発に必要な熱が余分に必要になるため、エネルギー効率が低下するという課題があった。また、その水素生成装置を具備する燃料電池システムにおいても、水素生成装置の寿命劣化、エネ
ルギー効率低下により、燃料電池システムの寿命劣化、エネルギー効率の低下を引き起こすという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するもので、供給される原料ガスの組成が変化した場合においても寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能な水素生成装置、および燃料電池システムを提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置では、炭化水素成分を含む原料ガスと水との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器へ水を供給する水供給器と、改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、原料ガス及び燃料ガスのうちの少なくとも一方のガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給器と、燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素及び酸素のうちの少なくとも一方のガスを検知するガス検知器と、制御器と、を備えている。そして、制御器は、燃焼器で燃焼が行われている場合のガス検知器の検知結果に基づいて水供給器の制御を行う。

水素生成装置に供給されている原料ガスの組成が変化した場合、燃焼器に供給されるガスの組成も変化する。したがって、予め定められた設定条件で燃焼させたとしても、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合、燃焼器での燃焼性も変化する。そこで、本発明は、燃焼器で燃焼が行われている場合のガス検知器の検知結果に基づいて、水素生成装置に供給されている原料ガスの組成を推定し、制御器は、その推定された原料ガスの組成に基づいて、改質器に供給される原料ガスと水とが所定のＳ／Ｃとなるように水供給器を制御することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。

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、供給される原料ガスの組成が変化した場合においても寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成図 従来の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、炭化水素成分を含む原料ガスと水との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、改質器へ水を供給する水供給器と、改質器に原料ガスを供給する原料供給器と、原料ガス及び燃料ガスのうちの少なくとも一方のガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給器と、燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素及び酸素のうちの少なくとも一方のガスを検知するガス検知器と、制御器と、を備えている。そして、制御器は、燃焼器で燃焼が行われている場合のガス検知器の検知結果に基づいて水供給器の制御を行う水素生成装置である。

水素生成装置に供給されている原料ガスの組成が変化した場合、燃焼器に供給されるガスの組成も変化する。したがって、予め定められた設定条件で燃焼させたとしても、水素生成装置に供給される原料ガスの組成が変化した場合、燃焼器での燃焼性も変化する。そこで、本発明は、燃焼器で燃焼が行われている場合のガス検知器の検知結果に基づいて、水素生成装置に供給されている原料ガスの組成を推定し、制御器は、その推定された原料ガスの組成に基づいて、改質器に供給される原料ガスと水とが所定のＳ／Ｃとなるように
水供給器を制御することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。

第２の発明は、燃焼器及び改質器のうちの少なくとも一方の温度を検知する温度検知器をさらに備え、制御器は、温度検知器の検知温度が所定温度範囲以内である場合のガス検知器の検知結果に基づいて水供給器の制御を行う水素生成装置である。

燃焼器の温度によって、燃焼性は変化する為、ガス検知器の検知濃度も変化する。しかしながら、本発明では、温度検知器の検知温度が所定温度範囲以内である場合のガス検知器の検知濃度に基づいて原料ガスの組成を推定する。これによって、燃焼器の温度の差異による燃焼性の差異を考慮する必要が無くなり、より簡便に正確にガス検知器の検知結果に基づいて供給されている原料ガスの組成を推定することが可能となる。また、ガス検知器として一酸化炭素検知器を用い、その一酸化炭素検知器が水素に曝されることで一酸化炭素の検知濃度と実際の一酸化炭素濃度とに差異が生じるような場合には、所定温度範囲を、改質反応により水素が生成されない温度範囲に設定することで、一酸化炭素検知器が燃焼器から排出される燃焼排ガス中に含まれる未燃の水素に曝されることを防ぐ。そして、一酸化炭素検知器の検知濃度と実際の一酸化炭素濃度とに差異が生じることを防ぐことが可能となる。その結果、供給されている原料ガスの組成をより正確に推定することができ、供給されている原料ガス組成に適した水を供給することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。

第３の発明は、燃焼器に接続され、燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、
燃焼排ガス経路から分岐して設けられるバイパス経路と、バイパス経路に配置されるガス検知器より上流に配置される開閉器と、をさらに備え、ガス検知器は、一酸化炭素を検知する一酸化炭素検知器であり、制御器は、温度検知器の検知温度が所定温度範囲以内である場合に、開閉器を開けて一酸化炭素検知器の検知結果に基づいて水供給器の制御を行う水素生成装置である。

これによって、バイパス経路と開閉器とを備え、開閉器の制御によって、一酸化炭素検知器が水素に曝されることを防ぐ水素生成装置にて、温度検知器の検知温度が改質反応により水素が生成されない所定温度範囲以内である場合には、開閉器を開けて、一酸化炭素検知器が燃焼器から排出される燃焼排ガス中に含まれる未燃の水素に曝されることなく、一酸化炭素濃度を検知する。これにより、供給されている原料ガスの組成をより正確に推定することができ、供給されている原料ガス組成に適した水を供給することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となり、さらには一酸化炭素検知器の寿命劣化を防止することが可能となる。

第４の発明は、制御器は、原料供給量が第１原料供給量となるように原料供給器が制御され、かつ空気供給量が第１空気供給量となるように空気供給器が制御されている場合のガス検知器が検知するガス濃度に基づいて、水供給器の制御を行う水素生成装置である。

燃焼器に供給されるガス量と空気供給量とが予め定められた一定の流量が供給されていても、水素生成装置に供給されている原料ガスの組成が変化した場合には、空燃比の変化により燃焼器での燃焼性が変化し、ガス検知器の検知結果が変化する。そこで、本発明では、このガス検知器の検知結果に基づいて、供給されている原料ガスの組成を推定し、供給されている原料ガス組成に適した水を供給することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。

第５の発明は、制御器は、原料供給量に対する空気供給量の比が変化するように原料供給器、及び空気供給器のうちの少なくとも一方の機器が制御されている場合のガス検知器
が検知する検知結果に基づいて、水供給器の制御を行う水素生成装置である。

ある一定の燃焼条件では、原料ガス組成が変化してもガス検知器の検知濃度の変化量が小さく、原料ガス組成の推定が容易ではない場合が考えられる。そこで、原料供給量に対する空気供給量の比が変化するように原料供給器、及び空気供給器のうちの少なくとも一方の機器を制御することにより、原料ガス組成の変化によるガス検知器の検知濃度の変化がより顕著である燃焼条件で原料ガス組成を推定することでより容易に正確に原料ガス組成を推定することが可能となる。そして、推定された原料ガス組成に適した水を供給することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。

第６の発明は、制御器は、ガス検知器が検知する濃度が予め定めらえる第１濃度であるときの原料供給器、及び空気供給器のうちの少なくとも一方の機器の操作量に基づいて、水供給器の制御を行う水素生成装置である。

水素生成装置に供給されている原料ガスの組成が変化した場合、原料供給量と空気供給量とがある定められた条件で燃焼器に供給されている場合でも、燃焼器での燃焼性も変化し、ガス検知器の検知結果も変化する。逆に、ガス検知器の検知濃度が第１濃度である場合の原料供給量、空気供給量は、水素生成装置に供給される原料ガスの組成によって変化する。そこで、本発明では、ガス検知器の検知濃度が予め定められる第１濃度である時の原料供給器及び空気供給器のうちの少なくとも一方の機器の操作量の差異に基づいて、供給されている原料ガスの組成を推定し、供給されている原料ガス組成に適した水を供給することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。

第７の発明は、請求項１〜６に記載の水素生成装置と、水素生成装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池とを備えている燃料電池システムである。

これにより、水素生成装置を備える燃料電池システムにおいても、寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。

図１に示すように、燃料電池システムは、炭化水素成分を含む原料ガスと水との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器１と、水蒸気と一酸化炭素ガスを変成反応により水素ガスと二酸化炭素ガスとに変える変成器２と、一酸化炭素選択酸化反応により一酸化炭素を二酸化炭素に変える選択酸化器３と、選択酸化器３から供給される燃料ガスと発電用酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池４と、改質器１に原料ガスを供給する原料供給器５と、原料供給量計測器６と、改質器１に水を供給する水供給器７と、選択酸化器３に一酸化炭素選択酸化反応に用いる酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器８と、燃料電池４に発電用酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給器９と、燃料電池４から排出される排出燃料ガス及び排出発電用酸化剤ガスを冷却し、水を凝縮させる水凝縮器１０と、水凝縮器１０で凝縮させた水を回収する水回収器１１と、燃料電池４の内部で消費されなかった未反応の燃料ガスを燃焼させて改質器１を加熱する燃焼器１２と、燃焼器１２に燃焼用空気を供給する空気供給器１３と、燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素検知器１４と、改質器１の温度を検知する改質温度検知器１５と、制御器１６とを備える。

そして、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、改質器１、変成器２、選択酸化器３と燃焼器１２とを合わせて水素生成装置と呼ぶこととする。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料電池４として、固体高分子型燃料電池を用い、固体高分子型燃料電池にとって被毒物質である一酸化炭素の濃度を低減する為に、変成器２と選択酸化器３とを備える構成とした。しかしながら、一酸化炭素に対して耐性のある燃料電池４を用いる場合は、必ずしも変成器２と選択酸化器３とを備える必要はなく、また、変成器２と選択酸化器３とのうち少なくとも一方の機器を備える構成としても良い。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、原料供給器５の操作量に基づき原料供給量を算出することとした。例えば、予め定められた操作量において、所定の体積流量の原料ガスを改質器１に供給することが可能な定容積形原料供給を備える構成としても良い。定容積形原料供給器とは、定容積形原料供給器の作動領域内では、負荷（背圧）の変化がある場合でも、所定の操作量では所定の一定量の体積流量を供給することが出来る原料供給器を指し、定容積形原料供給器の操作量に基づいて、原料ガスの体積流量を算出することができる。

ここで、操作量とは定容積形原料供給器に供給する電圧値、電流値、周波数、またはｄｕｔｙ比等を指す。しかしながら、原料供給量を計測する原料供給量計測器を備える構成としてもよい。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、改質器１に供給する水は液体の状態で改質器１に供給するようにしたが、水蒸気を改質器１に供給する構成としても良い。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃焼器１２から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素検知器１４を備える構成としたが、一酸化炭素検知器１４の代わりに、燃焼器１２から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度を検知する酸素検知器を備える構成としても良いし、また、一酸化炭素検知器と酸素検知器との両方とを備える構成としても良い。一酸化炭素検知器、ないし酸素検知器の検知結果に基づく制御器による制御方法は後述する。なお、燃焼用空気量を計測する空気量計測器を備える構成としても良い。なお、制御器１６は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して、燃料電池システムの制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器１６は、マイクロコントローラで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、論理回路等によって構成されていてもよい。

次に、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの動作を説明する。なお、以下の諸動作は、制御器１６が燃料電池システムの各機器を制御することにより行われる。
燃料電池システムは、制御器１６からの運転開始の制御信号により起動する。原料供給器５を制御し、原料ガス供給経路１７を介して改質器１に原料ガスを供給する。その際、制御器１６は、改質温度検知器１５の検知する温度が予め定められる目標温度となるように、原料供給器５が供給する原料ガス流量をフィードバック制御する。また、制御器１６は、水供給器７を制御し、水供給経路１８を介して改質器１に水蒸気改質反応に必要な水（以下、改質水とする）を供給する。改質器１に供給された原料ガスと改質水は、改質器１内部の改質触媒（図示せず）存在下で水蒸気改質反応によって水素含有ガスに改質される。水蒸気改質反応後の水素含有ガスには１０％程度の一酸化炭素が含まれているが、この一酸化炭素は燃料電池４にとって被毒物質であり、燃料電池４の発電性能を著しく損なうため、一酸化炭素濃度を低減させる必要がある。そこで、改質器１の下流の変成器２で、水蒸気と一酸化炭素ガスを水素ガスと二酸化炭素ガスに変成反応させ、一酸化炭素濃度を低減する。変成器２を経た水素含有ガスは、更に、選択酸化器３に供給される。制御器１６は、酸化剤ガス供給器８を制御し、酸化剤ガス供給経路１９を介して、一酸化炭素選択酸化反応に必要な酸化剤ガスを選択酸化器３に供給する。選択酸化器３では、酸化剤ガスを利用して一酸化炭素を二酸化炭素に変える一酸化炭素選択酸化反応を行う。これにより、一酸化炭素濃度１０ｐｐｍ以下の水素含有ガスが生成される。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、改質器１に供給した改質水のうち、改質反応に使用
されなかった分を変成器２に供給するようにした（図示せず）が、改質器１へ供給する水供給経路１８を途中で分岐する、または、別経路にするなどして、別々に供給する構成としてもよい。なお、原料ガス供給経路１７上に、原料ガス中の硫黄成分を低減する脱硫器を備える構成としてもよい。

制御器１６は、水素含有ガスを燃料電池４の燃料ガスとして、燃料ガス供給経路２０を介して、燃料電池４のアノード（図示せず）に供給する。ここで、燃料ガスには、改質反応に供された水蒸気が一定量含まれているが、さらに一定量の水蒸気を加湿するような構成としてもよい。

また、制御器１６は、発電用酸化剤ガス供給器９を制御し、発電用酸化剤ガス供給経路２１を介して、発電用酸化剤ガスを燃料電池４のカソード（図示せず）に供給する。ここで、発電用酸化剤ガス供給器９は、吸入口が大気開放されているブロワを用いたが、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。また、発電用酸化剤ガス供給経路２１上に、発電用酸化剤ガスを一定量の水蒸気で加湿する加湿器を備える構成としてもよい。

燃料電池４では、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された発電用酸化剤ガスとが電気化学的に反応して、電気と熱と水とが発生する。図１では、図示を省略しているが、燃料電池４で得られた電気は、電力負荷に供給されて使用され、一方、発電反応に伴って発生した熱は、熱回収手段によって回収され、熱負荷に供給されて種々の用途で利用される。熱回収手段としては、例えば、温水回収手段等の従来の構成のものが用いられる。

燃料電池４の内部で消費されなかった未反応の燃料ガス（以下、排出燃料ガスと呼ぶ）中に含まれる水蒸気は、水凝縮器１０で排出燃料ガスと分離されて、水に凝縮される。水蒸気を除去された排出燃料ガスは、排出燃料ガス経路２２を介して燃焼器１２に供給される。

一方、制御器１６は、空気供給器１３を制御し、燃焼空気供給経路２３を介して、燃焼器１２に供給された排出燃料ガスを燃焼させるのに必要な燃焼用空気を供給する。燃焼器１２では、排出燃料ガスと、空気供給器１３から供給された燃焼用空気とを混合し燃焼させ、改質器１での水蒸気改質反応に必要な熱を供給する。

改質器１の温度は、水蒸気改質反応を促進させるために予め定められた目標温度に制御される必要がある。そこで、制御器１６は、改質温度検知器１５の検知温度が予め定められる目標温度となるように、原料供給器５を制御して原料供給量を調整する。原料供給量を調整することで燃焼器１２へ供給される可燃性ガスの供給熱量を調整することが可能となり、燃焼器１２から改質器１への供給熱量を調整することが可能となる。また、燃焼器１２からの燃焼排ガスは燃焼排ガス経路２４を介して燃料電池システム外へ排出される。

また、燃料電池４の内部で消費されなかった未反応の発電用酸化剤ガス（以下、排出酸化剤ガスと呼ぶ）中に含まれる水蒸気も、水凝縮器１０で排出酸化剤ガスと分離されて、水に凝縮される。水蒸気を除去された排出酸化剤ガスは、排出酸化剤ガス経路２５を介してシステム外へ排出される。

水凝縮器１０にて排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスから分離された水は、凝縮水経路２６を介して水回収器１１回収される。水回収器１１に回収された凝縮水の一部又は全部が、水供給経路１８を介して水供給器７に供給される。なお、水回収器１１は、導電性イオン等の不純物を取り除く浄化器やフィルターを備える構成としてもよい。
なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの両方から水を回収する形態を採用したが、これに限定されない。どちらか一方の排出ガスから水を回収する構成としても良い。水凝縮器１０としては、例えば、熱交換器を使用することが出来る。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、水供給器７は、水回収器１１に回収された水を改質器１に供給する構成としたが、インフラ等から供給される水を水供給器７が供給する構成としても良い。
そして、燃料電池システムは、制御器１６からの運転停止の制御信号により停止する。具体的には、制御器１６は、燃料電池システムの各機器に停止指令を出し、停止動作を実施する。停止動作が完了すると、燃料電池システムは停止する。

次に、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおける特徴的な動作である、燃焼器１２で燃焼が行われている場合のガス検知器の検知結果に基づいて水供給器７を制御する方法について説明する。本制御の目的は、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成を推定し、その推定された原料ガスの組成に基づいて、原料ガスと水とが所定のＳ／Ｃとなるように水供給器７を制御することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことである。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃焼器１２での燃焼が行われている場合のガス検知器の検知結果に基づいて、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成を推定する。燃料電池システムに供給されている原料ガスの組成が変化した場合、燃焼器１２に供給されるガスの組成も変化する。したがって、制御器１６が原料供給器５と空気供給器１３とを制御し、予め定められた設定条件で燃焼器１２での燃焼をさせたとしても、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成が変化した場合、燃焼器１２での燃焼性も変化し、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度、酸素濃度も変化する。本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、一酸化炭素濃度値に基づいて、燃料電システムに供給される原料ガスの組成を推定する。

制御器１６は、改質温度検知器１５の検知温度が所定温度範囲以内である場合に、原料供給量が第１原料供給量となるように原料供給器５を制御し、かつ空気供給量が第１空気供給量となるように空気供給器１３を制御して、燃焼器１２で燃焼させているときの一酸化炭素検知器１４の検知濃度に基づいて、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成を推定する。

燃焼器１２の温度が異なることによる燃焼性の差異が原料ガス組成の推定に及ぼす影響を低減する為、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃焼器１２の温度の代用として改質温度検知器１５の検知温度を用い、改質温度が所定温度範囲内である場合に原料ガス組成の推定を実施することとした。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、改質温度検知器１５の検知温度を用いることとしたが、改質温度検知器１５の代わりに燃焼器１２の温度を検知する燃焼器温度検知器を備え、燃焼温度検知器の検知温度を用いる構成としても良いし、改質温度検知器１５及び燃焼器温度検知器を備える構成とし、両温度検知器の検知温度を用いて制御するようにしても良い。

また、一酸化炭素検知器１４が水素に曝されることで一酸化炭素の検知濃度と実際の一酸化炭素濃度とに差異が生じるような場合には、所定温度範囲を、改質反応により水素が生成されない温度範囲に設定することで、一酸化炭素検知器１４が燃焼器１２から排出される燃焼排ガス中に含まれる未燃の水素に曝されることを防ぎ、一酸化炭素検知器１４の検知濃度と実際の一酸化炭素濃度とに差異が生じることを防ぐことが可能となる。その結果、供給されている原料ガスの組成をより正確に推定することができ、供給されている原料ガス組成に適した水を供給することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。また、一酸化炭素検知器の寿命劣化を防ぐことが可能となる
。なお、本発明の実施の形態１の燃料電池システムでは、原料ガスの組成をより正確に検知できるよう、また、一酸化炭素検知器１４の検知濃度と実際の濃度とに差異が生じないよう、改質温度検知器１５の検知温度が所定温度範囲以内であるときに原料ガスの組成を推定することとしたが、温度範囲を規定せずに原料ガスの組成を推定するようにしても良く、また、一酸化炭素検知器１４の検知濃度と実際の濃度との差異が生じない、またはその影響が小さい場合も、温度範囲を規定せずに原料ガスの組成を推定してもよい。

そして、原料供給量が第１原料供給量となるように原料供給器５を制御し、かつ空気供給量が第１空気供給量となるように空気供給器１３を制御するという定められた設定条件で燃焼器１２での燃焼をさせた際の一酸化炭素検知器１４の検知濃度に基づいて、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成を推定する。燃焼器に供給されるガス量と空気供給量とが予め定められた一定の流量が供給されていても、水素生成装置に供給されている原料ガスの組成が変化した場合には、燃焼器に供給されるガスの組成も変化し、空燃比は変化し、燃焼器での燃焼性も変化し、ガス検知器の検知結果も変化する。そこで、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、このガス検知器の検知結果に基づいて、供給されている原料ガスの組成を推定する。制御器１６は、その推定された原料ガスの組成に基づいて、改質器１に供給される原料ガスと水とが所定のＳ／Ｃとなるように水供給器７を制御することで、水素生成装置および燃料電池システムの寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、推定された原料ガスの組成に基づいて、水供給器７を制御するようにしたが、推定された原料ガスの組成に基づいて燃焼器１２に供給される空気量や選択酸化器３に供給する空気量を制御するようにしても良い。燃焼器１２に供給される空気量を制御することで、原料ガス組成に適した燃焼が実現でき、燃焼性の向上が図れる。また、選択酸化器３に供給される空気量を制御することで、原料ガス組成に適した空気量を選択酸化器３に供給でき、原料ガス組成に適した選択酸化反応を実現することが可能となる。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料電池システムが起動し、燃焼器１２での燃焼を始めた直後に上記制御を実施し、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成を推定することとした。これにより、原料ガスの組成をできるだけ早く推定することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐこととした。しかしながら、必ずしも上記タイミングで実施する必要はなく、燃焼器１２での燃焼が行われている任意のタイミングで一酸化炭素検知器１４の検知濃度に基づいて、原料ガスの組成を推定し、水供給器７を制御するようにしても良い。また、定期的に一酸化炭素検知器１４の検知濃度に基づいて原料ガスの組成を推定しても良いし、常時原料ガスの組成を推定するようにしても良い。なお、本発明の実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料電池４から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスを燃焼させて改質器１を加熱する燃焼器１２を備える構成としたが、原料ガス、ないし燃料ガスを直接燃焼させる構成の燃料電池システムでも、本発明の実施の形態１における燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成は、実施の形態１における燃料電池システムの構成と同じなので、その説明は省略する。本発明の実施の形態２の燃料電池システムにおける特徴的な動作である、燃焼器１２で燃焼が行われている場合のガス検知器の検知結果に基づいて水供給器７を制御する方法について説明する。

本発明の実施の形態２における燃料電池システムでは、制御器１６は、改質温度検知器１５の検知温度が所定温度範囲以内である場合に、原料供給量に対する空気供給量の比が変化するように原料供給器５および空気供給器１３を制御して、燃焼器１２で燃焼させているときの一酸化炭素検知器１４の検知濃度に基づいて、燃料電池システムに供給される原料ガスの組成を推定する。ある一定の燃焼条件では、原料ガス組成が変化してもガス検
知器の検知濃度の変化量が小さく、原料ガス組成の推定が容易ではない場合が考えられる。しかしながら、本発明の実施の形態２の燃料電池システムのように、原料供給量に対する空気供給量の比が変化するように原料供給器、及び空気供給器のうちの少なくとも一方の機器を制御することにより、原料ガス組成の変化によるガス検知器の検知濃度の変化がより顕著である燃焼条件で原料ガス組成を推定することでより容易に正確に原料ガス組成を推定することが可能となる。そして、推定された原料ガス組成に適した水を供給することで、水素生成装置の寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。
なお、本発明の実施の形態２における燃料電池システムでは、原料供給量に対する空気供給量の比が変化するように原料供給器５および空気供給器１３を制御するようにしたが、原料供給器５、および空気供給器１３のうちの一方を制御して原料供給量に対する空気供給量の比が変化するようにしても良い。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の燃料電池システムの構成は、実施の形態１における燃料電池システムの構成と同じなので、その説明は省略する。

本発明の実施の形態３の燃料電池システムにおける特徴的な動作である、燃焼器１２で燃焼が行われている場合のガス検知器の検知結果に基づいて水供給器７を制御する方法について説明する。

本発明の実施の形態３における燃料電池システムでは、制御器１６は、改質温度検知器１５の検知温度が所定温度範囲以内である場合に、燃焼器１２で燃焼させているときの一酸化炭素検知器１４の検知濃度が予め定めらえる第１濃度であるときの原料供給器５の操作量に基づいて、水供給器７の制御を行う。

水素生成装置に供給されている原料ガスの組成が変化した場合、原料供給量と空気供給量とがある定められた条件で燃焼器に供給されている場合でも、燃焼器での燃焼性も変化し、ガス検知器の検知結果も変化する。逆に、ガス検知器の検知濃度が第１濃度である場合の原料供給量、空気供給量は、水素生成装置に供給される原料ガスの組成によって変化する。そこで、本発明では、ガス検知器の検知濃度が予め定められる第１濃度である時の原料供給器及び空気供給器のうちの少なくとも一方の機器の操作量の差異に基づいて、供給されている原料ガスの組成を推定する。そして、推定された原料ガスの組成に基づいて、水供給器７を制御する。これにより、供給される原料ガスの組成が変化した場合においても寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。なお、本発明の実施の形態３における燃料電池システムでは、燃焼器１２で燃焼させているときの一酸化炭素検知器１４の検知濃度が予め定めらえる第１濃度であるときの原料供給器５の操作量に基づいて原料ガスの組成を推定することとしたが、原料供給器５ではなく、空気供給器１３の操作量に基づいて原料ガスの組成を推定するようにしても良い。また、原料供給量ないし空気供給量を計測する機器を備え、原料供給量、および空気供給量のうちの少なくとも一方の供給量に基づいて、原料ガスの組成を推定するようにしても良い。

（実施の形態４）
図２は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成図を示すものである。図２に示すように、本実施の形態４における燃料電池システムは、実施の形態１における燃料電池システムと同様の構成を有するが、燃焼排ガス経路からから分岐して設けられるバイパス経路２７と、バイパス経路２７に配置される一酸化炭素検知器より上流に配置される開閉器２８と、を備える点が、実施の形態１と異なる。

制御器１６は、改質温度検知器１５の検知温度が所定温度範囲以内である場合に、開閉器２８を開けて一酸化炭素検知器１４の検知結果に基づいて水供給器７の制御を行う。

これによって、バイパス経路２７と開閉器２８とを備え、開閉器２８の制御によって、一酸化炭素検知器１４が水素に曝されることを防ぐ燃料電池システムにて、改質温度検知器１５の検知温度が改質反応により水素が生成されない所定温度範囲以内である場合には、開閉器２８を開けて、一酸化炭素検知器１４が燃焼器１２から排出される燃焼排ガス中に含まれる未燃の水素に曝されることなく、一酸化炭素濃度を検知する。これにより、供給されている原料ガスの組成をより正確に推定することができ、供給されている原料ガス組成に適した水を供給することで、供給される原料ガスの組成が変化した場合においても寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となる。また、一酸化炭素検知器１４の寿命劣化を防止することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる水素生成装置及び燃料電池システムは、供給される原料ガスの組成が変化した場合においても、寿命劣化、エネルギー効率の低下を防ぐことが可能となるので、家庭用等で用いられる燃料電池システムに有用である。

１、２９ 改質器
２、３０ 変成器
３、３１ 選択酸化器
４、３２ 燃料電池
５、３５ 原料供給器
６ 原料供給量計測器
７、３４ 水供給器
８ 酸化剤ガス供給器
９ 発電用酸化剤ガス供給器
１０ 水凝縮器
１１ 水回収器
１２、３３ 燃焼器
１３、３６ 空気供給器
１４ 一酸化炭素検知器
１５ 改質温度検知器
１６、３７ 制御器
１７ 原料ガス供給経路
１８ 水供給経路
１９ 酸化剤ガス供給経路
２０ 燃料ガス供給経路
２１ 発電用酸化剤ガス供給経路
２２ 排出燃料ガス経路
２３ 燃焼空気供給経路
２４ 燃焼排ガス経路
２５ 排出酸化剤ガス経路
２６ 凝縮水経路
２７ バイパス経路
２８ 開閉器

Claims (7)

1. 炭化水素成分を含む原料ガスと水との改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器へ水を供給する水供給器と、
   前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給器と、
   前記原料ガス及び前記燃料ガスのうちの少なくとも一方のガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給器と、
   前記燃焼器から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素及び酸素のうちの少なくとも一方のガスを検知するガス検知器と、
   制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記燃焼器で燃焼が行われている場合の前記ガス検知器の検知結果に基づいて前記水供給器の制御を行う、
   水素生成装置。
2. 前記燃焼器及び前記改質器のうちの少なくとも一方の温度を検知する温度検知器をさらに備え、
   前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が所定温度範囲以内である場合の前記ガス検知器の検知結果に基づいて前記水供給器の制御を行う、
   請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記燃焼器に接続され、前記燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、
   前記燃焼排ガス経路から分岐して設けられるバイパス経路と、
   前記バイパス経路に配置されるガス検知器より上流に配置される開閉器と、
   をさらに備え、
   前記ガス検知器は、一酸化炭素を検知する一酸化炭素検知器であり、
   前記制御器は、前記温度検知器の検知温度が前記所定温度範囲以内である場合に、前記開閉器を開けて前記一酸化炭素検知器の検知結果に基づいて前記水供給器の制御を行う、請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記制御器は、原料供給量が第１原料供給量となるように前記原料供給器が制御され、かつ空気供給量が第１空気供給量となるように前記空気供給器が制御されている場合の前記ガス検知器が検知する検知結果に基づいて、前記水供給器の制御を行う、
   請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の水素生成装置。
5. 前記制御器は、原料供給量に対する空気供給量の比が変化するように前記原料供給器、及び前記空気供給器のうちの少なくとも一方の機器が制御されている場合の前記ガス検知器が検知する検知結果に基づいて、前記水供給器の制御を行う、
   請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の水素生成装置。
6. 前記制御器は、前記ガス検知器が検知する濃度が予め定めらえる第１濃度であるときの前記原料供給器、及び前記空気供給器のうちの少なくとも一方の機器の操作量に基づいて、前記水供給器の制御を行う、
   請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の水素生成装置。
7. 請求項１〜６に記載の水素生成装置と、
   前記水素生成装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   を備えている燃料電池システム。

Images