JP2019099431A

JP2019099431A - 水素生成装置及びその運転方法

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Publication number: JP2019099431A
Application number: JP2017233992A
Authority: JP
Inventors: 吉宏豊島; Yoshihiro Toyoshima; 憲有武田; Kenyu Takeda; 尾関　正高; Masataka Ozeki; 正高尾関
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: JP6883733B2

Abstract

【課題】省電力でかつ短時間で起動可能な水素生成装置およびその運転方法。【解決手段】原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器２０と、この水素含有ガスに含まれるＣＯを低減するＣＯ低減器３０と、改質器２０を加熱する加熱器４０と、熱媒体が改質器２０とＣＯ低減器３０の順に熱交換するように構成された熱交換部を含む熱媒体流路６１と、制御器８０と、を備えた水素生成装置１００であって、制御器８０は、水素生成装置１００の起動時に、熱媒体を熱媒体流路６１に通流させる。【選択図】図１

Description

本発明は、水素生成装置に関するものである。

水素生成装置は、例えば燃料電池へ燃料である水素を供給する装置であり、原料を改質して水素含有ガスを生成するものである。

水素生成装置として、小型化、高効率化、起動性向上の観点から、種々の装置が従来から提案され、加熱器と、改質器と、ＣＯ低減器とから構成される装置が示されている。

改質器では、一般的な都市ガス、天然ガス或いは液化石油ガスから、水蒸気改質反応により水素含有ガスが生成される。この水蒸気改質反応では、ニッケル（Ｎｉ）系またはルテニウム（Ｒｕ）系等の貴金属系の改質触媒を用いて、原料と水蒸気とを、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させる。

改質器での水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応を進め、維持するには改質器へ熱を供給し、６００℃〜７００℃程度の高温に保つ必要がある。そのため、改質器には、改質器へ熱を供給する加熱器が組み合わされることが多い。加熱器として、可燃ガスを燃焼し熱を供給するバーナ等が用いられる。

改質器から生成される水素含有ガスには、水素と同時に生成される一酸化炭素（ＣＯ）が含まれるために、改質器の後段に設けられたＣＯ低減器によってＣＯ濃度を低減する。

ＣＯ低減器では、例えばＣｕ−Ｚｎ等を含有するＣＯ低減触媒を用いて、改質後の水素含有ガスに含まれるＣＯをＣＯ変成反応により低減する。ＣＯ変成反応は、発熱反応であり、反応器からの放熱と発熱反応による加熱がバランスし、ＣＯ低減触媒に適した温度、例えば２００〜３００℃の範囲、となるように、加熱器から離れて配置する必要がある。

このような水素生成装置の起動時では、加熱器から離れて設けられているＣＯ低減器を昇温するために、ＣＯ低減器を加熱する電気ヒータを用いて、起動時間の短縮が図られている。

また、従来の燃料電池システムとして、通常の起動時にはバーナによる加熱に加え、ＣＯ低減器の周囲へ配置した電気ヒータを用いた加熱で昇温してシステムを起動し、停電時など自立起動用電源から電力供給を受けて起動する場合には、電気ヒータを作動させずにバーナのみを作動させて昇温し、少ない電力でシステムを起動する構成が示されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来の水素生成装置の構成を示すブロック図である。図４において、水素生成装置１０４は、改質器２４と、ＣＯ低減器３４と、バーナ４４と、電気ヒータ９４と、を備える。

ここで、改質器２４は、水蒸気改質反応により水蒸気と炭化水素を反応させ水素含有ガスを生成する反応器である。ＣＯ低減器３４は、改質器２４により生成された水素含有ガス中に含まれるＣＯを低減する反応器である。バーナ４４は、可燃ガスを燃焼させるバーナである。

改質器２４における水蒸気改質反応に適した温度は、例えば６００℃〜７００℃の範囲である。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気改質反応を継続し、改質器２４を高温に保つには、改質器２４を加熱する必要がある。そのため、改質器２４とバーナ４４とは熱交換可能なように隣接して配置される。

また、ＣＯ低減器３４は、水素生成時においてＣＯ変成反応に適した温度、例えば２００℃〜３００℃の範囲を保てるように、ＣＯ低減器３４は改質器２４から流出する水素含有ガスの流れの下流に、バーナ４４とは直接熱交換しないように配置される。電気ヒータ９４は、起動時に改質器２４とＣＯ低減器３４とを昇温させるように、改質器２４とＣＯ低減器３４の周囲に配置される。

この水素生成装置１０４は、通常起動時は、バーナ４４および電気ヒータ９４を用いて改質器２４とＣＯ低減器３４とを昇温させる。一方で、自立起動時など少ない電力で起動する場合は、電気ヒータ９４を作動させずに、バーナ４４のみを作動させて改質器２４とＣＯ低減器３４とを昇温させることにより、起動時の電力削減が図られている。

特許第５４２１８７５号公報

しかしながら、前記従来の水素生成装置では、自立起動時など少ない電力で起動するには、電気ヒータを用いず、バーナのみで改質器およびＣＯ低減器の昇温を行うため、バーナの近くに配置された改質器に比べ、バーナから離れて配置されたＣＯ低減器の昇温が遅くなり、水素生成装置の起動時間が長くなるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、自立起動時など少ない電力で起動する時に電力消費を少なく抑えながら、短時間で起動可能な水素生成装置およびその運転方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、改質器で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減器と、改質器を加熱する加熱器と、改質器と熱交換する部分とＣＯ低減器と熱交換する部分とが直列に接続された熱媒体流路と、制御器と、を備えた水素生成装置であって、制御器は、水素生成装置の起動時に、熱媒体流路に熱媒体を通流させる、ことを特徴とする。

これにより、起動時において、熱媒体流路を通流する熱媒体が改質器と熱交換して改質器を冷却し、改質器との熱交換で高温となった熱媒体がＣＯ低減器と熱交換してＣＯ低減器を加熱することで、ＣＯ低減器の温度上昇が早くなる。以上により、自立起動時など少ない電力で起動する時にも、改質器からＣＯ低減器へ熱を移動させ、ＣＯ低減器の昇温に利用することで、ＣＯ低減器の温度上昇が早くなり水素生成装置の昇温時間が短くなるため、短時間で水素生成装置を起動することができる。

本発明の水素生成装置は、自立起動時など少ない電力で起動する時に、短時間で水素生成装置を起動することができる。また、自立起動時など少ない電力で起動する時に、水素を生成しない起動時間が短くなるため、効率よく水素生成装置を運用することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成を示すブロック図本発明の実施の形態２における水素生成装置の構成を示すブロック図本発明の実施の形態３における水素生成装置の構成を示すブロック図従来の水素生成装置の構成を示すブロック図

第１の発明は、原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、改質器で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減器と、改質器を加熱する加熱器と、改質器と熱交換する部分とＣＯ低減器と熱交換する部分とが直列に接続された熱媒体流路と、制御器と、を備えた水素生成装置であって、制御器は、水素生成装置の起動時に、熱媒体流路に熱媒体を通流させることを特徴とするものである。

これにより、起動時において、熱媒体流路を通流する熱媒体が改質器と熱交換して改質器を冷却し、改質器との熱交換で高温となった熱媒体が、ＣＯ低減器と熱交換してＣＯ低減器を加熱することで、ＣＯ低減器の温度上昇が早くなる。

以上により、自立起動時など少ない電力で起動する時にも、改質器からＣＯ低減器へ熱を移動させ、ＣＯ低減器の昇温に利用することで、ＣＯ低減器の温度上昇が早くなり水素生成装置の昇温時間が短くなるため、短時間で水素生成装置を起動することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明に加えて、加熱器に燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス流路と、燃焼用ガスを燃焼用ガス流路と熱媒体流路のどちらか一方に選択的に流す燃焼用ガス流路切替器と、を備え、熱媒体流路は、ＣＯ低減器と熱交換する部分の下流で加熱器に接続するように構成され、制御器は、水素生成装置の起動時に、燃焼用ガスが熱媒体流路を通流するように燃焼用ガス流路切替器を制御し、ＣＯ低減器の昇温が完了すると、燃焼用ガスが燃焼用ガス流路を通流するように燃焼用ガス流路切替器を制御することを特徴とする。

これにより、起動時において、加熱器での燃焼に用いられる燃焼用ガスが、熱媒体流路を通流し改質器と熱交換して改質器を冷却し、熱媒体流路を通流する燃焼用ガスが改質器との熱交換で高温となった後、ＣＯ低減器と熱交換してＣＯ低減器を加熱することで、ＣＯ低減器の温度上昇が早くなる。

第３の発明は、特に、第１の発明に加えて、改質器に原料を供給する原料流路と、原料を原料流路と熱媒体流路のどちらか一方に選択的に流す原料流路切替器と、を備え、熱媒体流路は、ＣＯ低減器と熱交換する部分の下流で改質器に接続するように構成され、制御器は、水素生成装置の起動時に、原料が熱媒体流路を通流するように原料流路切替器を制御し、ＣＯ低減器の昇温が完了すると、原料が原料流路を通流するように原料流路切替器を制御することを特徴とする。

これにより、起動時において、原料が、熱媒体流路を通流し改質器と熱交換して改質器を冷却し、熱媒体流路を通流する原料が改質器との熱交換で高温となり、ＣＯ低減器と熱交換してＣＯ低減器を加熱することで、ＣＯ低減器の温度上昇が早くなる。

第４の発明は、原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、改質器で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減器と、改質器を加熱する加熱器と、改質器と熱交換する部分とＣＯ低減器と熱交換する部分とが直列に接続された熱媒体流路と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、水素生成装置の起動時に、熱媒体流路に熱媒体を通流させる、ことを特徴とする水素生成装置の運転方法である。

以上により、自立起動時など少ない電力で起動する時にも、改質器からＣＯ低減器へ熱を移動させ、ＣＯ低減器の昇温に利用することで、ＣＯ低減器の温度上昇が早くなり水素生成装置の昇温時間が短くなるため、短時間で水素生成装置を起動する運転方法を得ることができる。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では全ての図を通じて同じ構成要素には同一符号を付し、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置１００は、改質器２０と、ＣＯ低減器３０と、加熱器４０と、制御器８０と、を備える。

改質器２０へは原料供給器１０と水供給器１２とが接続され、改質器２０の流出部とＣＯ低減器３０の流入部は接続されている。

熱媒体流路６１は、熱媒体供給器６０と接続され、直列に配置された改質器２０と熱交換する改質器熱交換部６２とＣＯ低減器３０と熱交換するＣＯ低減器熱交換部６３を備える。

ここで、改質器２０は、水蒸気改質反応により水蒸気と炭化水素を反応させ水素含有ガスを生成するＲｕを含有する改質触媒が充填された反応器である。

ＣＯ低減器３０は、改質器２０により生成された水素含有ガス中に含まれるＣＯをＣＯ変成反応により低減する、銅を含有するＣＯ低減触媒が充填された反応器である。

加熱器４０は、可燃ガスを燃焼させるバーナである。

改質器２０における水蒸気改質反応に適した温度は、例えば６００℃〜７００℃の範囲であり、また、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２０を高温に保つには加熱する必要がある。そのため、改質器２０と加熱器４０とは熱交換可能なように隣接して配置される。

また、ＣＯ低減器３０は、水素生成時においてＣＯ変成反応に適した温度、例えば２０
０℃〜３００℃の範囲、を保てるように、ＣＯ低減器３０は改質器２０から流出する水素含有ガスの流れの下流に、加熱器４０とは直接熱交換しないように配置される。

原料供給器１０は、原料としてインフラを通じて供給される都市ガスを供給するものであり、原料の量を調整して、改質器２０へ供給するブロアである。

水供給器１２は、改質器２０での水蒸気改質反応に用いる水を供給するもので、ここではポンプである。熱媒体供給器６０は、熱媒体として空気の供給を行うブロアである。

熱媒体流路６１は、熱媒体供給器６０から供給される空気が通流し、空気が改質器２０と熱交換した後、ＣＯ低減器３０と熱交換するように構成された配管および改質器熱交換部６２とＣＯ低減器熱交換部６３とから構成される。

制御器８０は、ＭＰＵおよびメモリから構成され、演算機能および記憶機能を有し、制御プログラムを記憶し、実行することにより、水素生成装置１００の各種の動作を制御する。制御器８０は、水素生成装置１００に備わる、原料供給器１０と、水供給器１２と、熱媒体供給器６０と、加熱器４０と、その動作を制御するため、電気信号により接続される。

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１００について、以下その動作、作用を説明する。以下の動作は、制御器８０が水素生成装置１００に備わる、原料供給器１０と、水供給器１２と、熱媒体供給器６０と、加熱器４０と、を制御することによって行われる。

先ず、水素生成装置１００に備わる改質器２０およびＣＯ低減器３０を水素生成に適した触媒反応温度とするための、起動時の動作について記載する。

起動時において、熱媒体である空気が熱媒体流路６１を通流するように熱媒体供給器６０を作動させる。この状態において、加熱器４０にて可燃ガスである都市ガスを燃焼させ改質器２０を加熱し、昇温を開始する。

このとき、加熱器４０に供給する都市ガスは、加熱器４０の加熱能力の最大値に相当する量を供給する。また、改質器を冷却する熱媒体供給器６０から供給される空気の供給量は、ＣＯ低減器３０が２００℃まで昇温する時間と改質器２０が６００℃まで昇温する時間とを同程度になるように調節する。

加熱開始後、改質器２０およびＣＯ低減器３０は昇温し、水素生成に適した触媒反応温度、改質器２０は６００℃、ＣＯ低減器３０は２００℃となって、昇温を完了する。

以上のように、熱媒体供給器６０から供給された空気を熱媒体流路６１に通流させることで、改質器熱交換部６２を介して改質器２０は冷却されるため、改質器２０の過昇温を回避しつつ、加熱器４０の燃焼量を低減することなく維持することができる。

また、高温となった空気によりＣＯ低減器熱交換部６３を介してＣＯ低減器３０を加熱するため、短時間で改質器２０およびＣＯ低減器３０の昇温を完了することができる。

次に、改質器２０およびＣＯ低減器３０の昇温が完了した後の水素生成時の動作について記載する。

改質器２０およびＣＯ低減器３０の昇温が完了すると、熱媒体供給器６０での空気の供
給を停止し、加熱器４０での燃焼量を改質器２０での改質反応に適した量へと変更する。

引き続き、原料供給器１０および水供給器１２から原料と水の供給を開始し、原料と水が供給された改質器２０は、改質触媒の触媒作用である水蒸気改質反応により、水素とＣＯを含む水素含有ガスを生成する。改質器２０で生成された水素含有ガスは、ＣＯ低減器３０へ供給される。

ＣＯ低減器３０では、水素含有ガス中のＣＯと水蒸気とがＣＯ低減触媒の作用で反応して、水素含有ガス中のＣＯ濃度が０．１〜０．２％程度まで低減される。

このとき、熱媒体である空気は熱媒体流路６１を通流せず、空気による改質器熱交換部６２での改質器２０の冷却は行われず、ＣＯ低減器３０は高温の空気により加熱されないため、効率的に水素生成に適した温度を維持することができる。

以上のように、本実施の形態の水素生成装置１００は、原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器２０と、改質器２０で生成された水素含有ガスに含まれるＣＯの濃度を低減するＣＯ低減器３０と、改質器２０を加熱する加熱器４０と、改質器２０と熱交換する部分とＣＯ低減器３０と熱交換する部分とが直列に接続された熱媒体流路６１と、制御器８０と、を備えている。

そして、制御器８０は、水素生成装置１００の起動時に、熱媒体である空気が熱媒体流路６１を通流させる。

これにより、起動時において、熱媒体流路６１を通流する熱媒体である空気が改質器２０と熱交換して改質器２０を冷却し、改質器２０との熱交換で高温となった空気が、ＣＯ低減器３０と熱交換してＣＯ低減器３０を加熱することで、ＣＯ低減器３０の温度上昇が早くなる。

以上により、自立起動時など少ない電力で起動する時にも、改質器２０からＣＯ低減器３０へ熱を移動させ、ＣＯ低減器３０の昇温に利用することで、ＣＯ低減器３０の温度上昇が早くなり水素生成装置１００の昇温時間が短くなるため、短時間で水素生成装置１００を起動することができる。

なお、本実施の形態では、改質器２０と熱交換して改質器２０を冷却する熱媒体として空気を用いたが、熱媒体は、熱媒体流路６１を通流して、改質器２０およびＣＯ低減器３０と熱交換可能なものであればよく、空気のほかに都市ガス等の可燃ガス等を用いてもよい。

なお、本実施の形態では、起動時において、加熱器４０の燃焼量を低減することなく維持する場合について記載したが、改質器２０の過昇温を抑制するために加熱器４０の燃焼量を低減する場合に適用してもよい。

なお、本実施の形態では、起動時において、改質器２０との熱交換により高温となった空気によりＣＯ低減器３０の加熱を行ったが、空気による加熱に加え、加熱器４０から排出される燃焼排ガスを用いてＣＯ低減器３０の加熱を行ってもよい。

なお、本実施の形態では、起動時において、熱媒体供給器６０から熱媒体流路６１へ熱媒体である空気の供給を行ったが、熱媒体流路６１の流出部と流入部を接続し、熱媒体を熱媒体流路６１内で循環させるように構成してもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施の形態の水素生成装置１０１は、改質器２０と、ＣＯ低減器３０と、加熱器４０と、制御器８１と、を備える。

改質器２０へは原料供給器１０と水供給器１２とが接続される。改質器２０の流出部とＣＯ低減器３０の流入部は接続されている。

加熱器４０へは可燃ガス供給器７０および燃焼用ガス供給器６６が接続される。燃焼用ガス供給器６６は、燃焼用ガス流路切替器６４にて分岐する燃焼用ガス流路６５および熱媒体流路６１を介して加熱器４０へ接続される。

燃焼用ガスの熱媒体流路６１または燃焼用ガス流路６５の通流は、燃焼用ガス流路切替器６４により切り替えられる。熱媒体流路６１は、直列に配置された、改質器２０と熱交換する改質器熱交換部６２と、ＣＯ低減器３０と熱交換するＣＯ低減器熱交換部６３とを備える。

ここで、原料供給器１０と、水供給器１２と、改質器２０と、ＣＯ低減器３０と、加熱器４０と、熱媒体流路６１と、改質器熱交換部６２と、ＣＯ低減器熱交換部６３とは、実施の形態１と同じ構成要素であり、その重複する説明は省略する。

燃焼用ガス供給器６６は、加熱器４０へ燃焼用ガスとして空気の供給を行うブロアである。

燃焼用ガス流路６５は、燃焼用ガス供給器６６から供給される空気が通流し、空気を加熱器４０に供給する配管から構成される。

燃焼用ガス流路切替器６４は、燃焼用ガスである空気の熱媒体流路６１または燃焼用ガス流路６５のどちらか一方への通流を切り替える三方弁により構成される。

可燃ガス供給器７０は、インフラを通じて供給される都市ガス供給するもので、可燃ガスの量を調整して、加熱器４０へ供給する。

制御器８１は、ＭＰＵおよびメモリから構成され、演算機能および記憶機能を有し、制御プログラムを記憶し、実行することにより、水素生成装置１０１の各種の動作を制御する。制御器８１は、水素生成装置１０１に備わる、原料供給器１０と、水供給器１２と、燃焼用ガス供給器６６と、燃焼用ガス流路切替器６４と、可燃ガス供給器７０と、その動作を制御するため、電気信号により接続される。

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１０１について、以下その動作、作用を説明する。以下の動作は、制御器８１が水素生成装置１０１に備わる、原料供給器１０と、水供給器１２と、加熱器４０と、燃焼用ガス供給器６６と、燃焼用ガス流路切替器６４と、可燃ガス供給器７０と、を制御することによって行われる。

先ず、水素生成装置１０１に備わる改質器２０およびＣＯ低減器３０を水素生成に適した触媒反応温度とするための、起動時の動作について記載する。

起動時において、燃焼用ガスである空気が熱媒体流路６１を通流するように燃焼用ガス流路切替器６４を切り替える。この状態において、燃焼用ガス供給器６６および可燃ガス供給器７０を作動させ、加熱器４０へ空気と都市ガスとを供給して、加熱器４０にて都市
ガスを燃焼させ改質器２０を加熱し昇温を開始する。

加熱器４０に供給する都市ガスは、加熱器４０の加熱能力の最大値に相当する量を供給する。また、改質器を冷却する空気の供給量は、ＣＯ低減器３０が２００℃まで昇温する時間と改質器２０が６００℃まで昇温する時間とを同程度になるように調節する。

以上のように、燃焼用ガス供給器６６から供給された空気を熱媒体流路６１に通流させることで、改質器熱交換部６２を介して改質器２０は冷却されるため、改質器２０の過昇温を回避しつつ、加熱器４０の燃焼量を低減することなく維持することができる。

また、高温となった空気によりＣＯ低減器熱交換部６３を介してＣＯ低減器３０を加熱するので、短時間で改質器２０およびＣＯ低減器３０の昇温を完了することができる。

改質器２０およびＣＯ低減器３０の昇温が完了すると、燃焼用ガス供給器６６での空気および可燃ガス供給器７０での都市ガスの供給量を制御し、加熱器４０での燃焼量を改質器２０での改質反応に適した量へと変更する。さらに、燃焼用ガスである空気が燃焼用ガス流路６５を通流するように燃焼用ガス流路切替器６４を切り替える。

引き続き、原料供給器１０および水供給器１２から原料と水の供給を開始し、原料と水が供給された改質器２０は、改質触媒の触媒作用である水蒸気改質反応により、水素とＣＯを含む水素含有ガスを生成する。

改質器２０で生成された水素含有ガスは、ＣＯ低減器３０へ供給される。ＣＯ低減器３０では、水素含有ガス中のＣＯと水蒸気とがＣＯ低減触媒の作用で反応し、水素含有ガス中のＣＯ濃度が０．１〜０．２％程度まで低減される。

このとき、燃焼用ガスである空気は熱媒体流路６１を通流せず、燃焼用ガス流路６５を通流するため、空気による改質器熱交換部６２での改質器２０の冷却は行われず、ＣＯ低減器３０は高温の空気により加熱されないため、効率的に水素生成に適した温度を維持することができる。

以上のように、本実施の形態の水素生成装置１０１は、原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器２０と、改質器２０で生成された水素含有ガスに含まれるＣＯの濃度を低減するＣＯ低減器３０と、改質器２０を加熱する加熱器４０と、改質器２０と熱交換する部分とＣＯ低減器３０と熱交換する部分とが直列に接続された熱媒体流路６１と、改質器２０と熱交換して改質器２０を冷却した熱媒体である空気がＣＯ低減器３０と熱交換してＣＯ低減器３０を加熱するように熱媒体流路６１に空気を供給する燃焼用ガス供給器６６と、加熱器４０に燃焼用ガスである空気を供給する燃焼用ガス流路６５と、燃焼用ガスである空気を燃焼用ガス流路６５と熱媒体流路６１のどちらか一方に選択的に流す燃焼用ガス流路切替器６４と、制御器８１と、を備え、熱媒体流路６１は、ＣＯ低減器３０と熱交換する部分の下流で加熱器４０に接続するように構成される。

そして、制御器８１は、水素生成装置１０１の起動時に、燃焼用ガスである空気が熱媒体流路６１を通流するように燃焼用ガス流路切替器６４を制御し、ＣＯ低減器３０の昇温
が完了すると、燃焼用ガスである空気が燃焼用ガス流路６５を通流するように、燃焼用ガス流路切替器６４を制御する。

これにより、起動時において、熱媒体流路６１を通流する空気が改質器２０と熱交換して改質器２０を冷却し、改質器２０との熱交換で高温となった空気が、ＣＯ低減器３０と熱交換してＣＯ低減器３０を加熱することで、ＣＯ低減器３０の温度上昇が早くなる。以上により、自立起動時など少ない電力で起動する時にも、改質器２０からＣＯ低減器３０へ熱を移動させ、ＣＯ低減器３０の昇温に利用することで、ＣＯ低減器３０の温度上昇が早くなり水素生成装置１０１の昇温時間が短くなるため、短時間で水素生成装置１０１を起動することができる。

なお、本実施の形態では、燃焼用ガスである空気の熱媒体流路６１または燃焼用ガス流路６５のどちらか一方への通流を切り替える燃焼用ガス流路切替器６４を用いたが、燃焼用ガスである空気を分流して熱媒体流路６１と燃焼用ガス流路６５との通流量を調節可能な分流器を用いてもよい。

なお、本実施の形態では、改質器２０と熱交換して改質器２０を冷却する熱媒体として空気を用いたが、改質器２０と熱交換して加熱器４０へ供給可能な燃焼用ガス（熱媒体）であればよく、燃焼空気のほかに都市ガス等の可燃ガス等を用いてもよい。

なお、本実施の形態では、燃焼用ガスである空気の熱媒体流路６１または燃焼用ガス流路６５のどちらか一方への通流を切り替える燃焼用ガス流路切替器６４を用いたが、燃焼用ガス流路切替器６４を備えずに、熱媒体流路６１と燃焼用ガス流路６５へ燃焼用ガスを供給するガス供給器を個別に備えてもよい。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における水素生成装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施の形態の水素生成装置１０２は、改質器２０と、ＣＯ低減器３０と、加熱器４０と、制御器８２と、を備える。

原料供給器１０と改質器２０は、原料流路切替器１４にて分岐する原料流路１５および熱媒体流路６１を介して接続される。

原料の熱媒体流路６１または原料流路１５の通流は、原料流路切替器１４により切り替えられる。熱媒体流路６１は、改質器２０と熱交換する改質器熱交換部６２とＣＯ低減器３０と熱交換するＣＯ低減器熱交換部６３を備える。

ここで、原料供給器１０と、水供給器１２と、改質器２０と、ＣＯ低減器３０と、加熱器４０と、熱媒体流路６１と、改質器熱交換部６２と、ＣＯ低減器熱交換部６３とは、実施の形態２と同じ構成要素であり、その重複する説明は省略する。

原料流路切替器１４は、原料である都市ガスの熱媒体流路６１または原料流路１５のどちらか一方への通流を切り替える三方弁により構成される。

原料流路１５は、原料供給器１０から供給される原料が通流し、原料を改質器２０に供給する配管から構成される。

制御器８２は、ＭＰＵおよびメモリから構成され、演算機能および記憶機能を有し、制御プログラムを記憶し、実行することにより、水素生成装置１０２の各種の動作を制御する。制御器８２は、水素生成装置１０２に備わる、原料供給器１０と、水供給器１２と、原料流路切替器１４と、加熱器４０と、その動作を制御するため、電気信号により接続される。

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１０２について、以下その動作、作用を説明する。以下の動作は、制御器８２が、水素生成装置１０２に備わる、原料供給器１０と、水供給器１２と、加熱器４０を制御することによって行われる。

先ず、水素生成装置１０２の改質器２０、ＣＯ低減器３０を水素生成に適した触媒反応温度とするための、起動時の動作について記載する。

起動時において、原料が熱媒体流路６１を通流するように原料流路切替器１４を制御する。また、加熱器４０にて都市ガスを燃焼させ、改質器２０の昇温を開始する。

また、原料供給器１０から供給された原料は熱媒体流路６１を通流し、改質器熱交換部６２を介して、改質器２０と熱交換を行い、改質器２０を冷却した後、高温となった原料はＣＯ低減器熱交換部６３を介してＣＯ低減器３０を加熱し、ＣＯ低減器３０の昇温を開始する。

さらに、熱媒体流路６１を通流した後、改質器２０へ供給された原料は、改質器２０内の改質触媒と熱交換し改質触媒を冷却する。改質触媒と熱交換して高温となった原料は、ＣＯ低減器３０へ通流し、ＣＯ低減器３０内のＣＯ低減触媒と熱交換しＣＯ低減触媒を加熱する。

このとき、改質器２０およびＣＯ低減器３０と熱交換する原料の供給量により、ＣＯ低減器３０が２００℃まで昇温する時間と、改質器２０が６００℃まで昇温する時間とが同程度になるよう調節する。昇温開始後、水素生成に適した触媒反応温度、改質器２０は６００℃、ＣＯ低減器３０は２００℃となるまで加熱し、昇温を完了する。

原料を熱媒体流路６１に通流させ、さらに熱媒体流路６１を通流した原料を改質器２０へ通流させることで、改質器２０が冷却されるため、改質器２０の昇温速度は低下する。また、改質器２０との熱交換により高温となった原料はＣＯ低減器３０を加熱するため、ＣＯ低減器３０の昇温速度は増加し、ＣＯ低減器３０は短時間で昇温することができる。

次に、改質器２０、ＣＯ低減器３０が水素生成に適した触媒反応温度へと昇温し、昇温が完了した後の水素生成時の動作について記載する。

改質器２０およびＣＯ低減器３０の昇温が完了すると、原料が原料流路１５を通流するように原料流路切替器１４を制御する。

続いて、原料供給器１０から供給する原料の量を水素生成に適した量へ変更し、水供給器１２から水の供給を開始し、水素生成を開始する。

改質器２０では、改質触媒の触媒作用である水蒸気改質反応により、原料から水素とＣＯを含む水素含有ガスを生成する。改質器２０で生成された水素含有ガスは、ＣＯ低減器３０へ供給される。ＣＯ低減器３０では、水素含有ガス中のＣＯと水蒸気とがＣＯ低減触媒の作用で反応し、水素含有ガス中のＣＯ濃度が０．１〜０．２％程度まで低減される。

このとき、原料は熱媒体流路６１を通流しないため、改質器熱交換部６２での改質器２０の冷却は行われず、効率的に改質反応に適した温度を維持することができる。

以上のように、本実施の形態の水素生成装置１０２は、原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器２０と、改質器２０で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減器３０と、改質器２０を加熱する加熱器４０と、改質器２０と熱交換する部分とＣＯ低減器と熱交換する部分とが直列に接続された熱媒体流路６１と、改質器２０と熱交換して改質器２０を冷却したガスがＣＯ低減器３０と熱交換してＣＯ低減器３０を加熱するように熱媒体流路６１に原料を供給する原料供給器１０と、制御器８２と、改質器２０に原料を供給する流路である原料流路１５と、原料を原料流路１５と熱媒体流路６１のどちらか一方に選択的に流す原料流路切替器１４と、を備え、熱媒体流路６１は、ＣＯ低減器３０と熱交換する部分の下流で改質器２０に接続するように構成される。

そして、制御器８２は、水素生成装置１０２の起動時に、原料が熱媒体流路６１を通流するように原料流路切替器１４を制御し、ＣＯ低減器３０の昇温が完了すると、原料が原料流路１５を通流するように原料流路切替器１４を制御する。

これにより、起動時において、原料が熱媒体流路６１を通流し改質器２０と熱交換して改質器２０を冷却し、熱媒体流路６１を通流する原料が改質器２０との熱交換で高温となり、ＣＯ低減器３０と熱交換してＣＯ低減器３０を加熱することで、ＣＯ低減器３０の温度上昇を早くすることができる。

以上により、自立起動時など少ない電力で起動する時にも、改質器２０からＣＯ低減器３０へ熱を移動させ、ＣＯ低減器３０の昇温に利用することで、ＣＯ低減器３０の温度上昇が早くなり、水素生成装置１０２の昇温時間が短くなるため、短時間で水素生成装置１０２を起動することができる。

なお、本実施の形態では、原料の熱媒体流路６１または原料流路１５のどちらか一方への通流を切り替える原料流路切替器１４を用いたが、ガスを分流して熱媒体流路６１と原料流路１５との通流量を調節可能な分流器を用いてもよい。

以上のように、本発明にかかる水素生成装置およびその運転方法は、低消費電力で短時間での水素生成装置の起動を可能とするため、水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムに応用できる。

１０原料供給器
１２水供給器
１４原料流路切替器
１５原料流路
２０改質器
３０ＣＯ低減器
４０加熱器
６０熱媒体供給器
６１熱媒体流路
６２改質器熱交換部
６３ＣＯ低減器熱交換部
６４燃焼用ガス流路切替器
６５燃焼用ガス流路
６６燃焼用ガス供給器
７０可燃ガス供給器
８０制御器
８１制御器
８２制御器
１００水素生成装置
１０１水素生成装置
１０２水素生成装置

Claims

原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減器と、前記改質器を加熱する加熱器と、前記改質器と熱交換する部分と前記ＣＯ低減器と熱交換する部分とが直列に接続された熱媒体流路と、制御器と、を備えた水素生成装置であって、前記制御器は、前記水素生成装置の起動時に、前記熱媒体流路に熱媒体を通流させる、水素生成装置。
前記加熱器に燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス流路と、前記燃焼用ガスを前記燃焼用ガス流路と前記熱媒体流路のどちらか一方に選択的に流す燃焼用ガス流路切替器と、を備え、前記熱媒体流路は、前記ＣＯ低減器と熱交換する部分の下流で前記加熱器に接続するように構成され、前記制御器は、前記水素生成装置の起動時に、前記燃焼用ガスが前記熱媒体流路を通流するように前記燃焼用ガス流路切替器を制御し、前記ＣＯ低減器の昇温が完了すると、前記燃焼用ガスが前記燃焼用ガス流路を通流するように前記燃焼用ガス流路切替器を制御する、請求項１に記載の水素生成装置。
前記改質器に原料を供給する原料流路と、前記原料を前記原料流路と前記熱媒体流路のどちらか一方に選択的に流す原料流路切替器と、を備え、前記熱媒体流路は、前記ＣＯ低減器と熱交換する部分の下流で前記改質器に接続するように構成され、前記制御器は、前記水素生成装置の起動時に、前記原料が前記熱媒体流路を通流するように前記原料流路切替器を制御し、前記ＣＯ低減器の昇温が完了すると、前記原料が前記原料流路を通流するように前記原料流路切替器を制御する、請求項１に記載の水素生成装置。
原料と水蒸気との混合ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減器と、前記改質器を加熱する加熱器と、前記改質器と熱交換する部分と前記ＣＯ低減器と熱交換する部分とが直列に接続された熱媒体流路と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、前記水素生成装置の起動時に、前記熱媒体流路に熱媒体を通流させる、水素生成装置の運転方法。