JP3986419B2 - 水素含有ガス生成装置及びその水素含有ガス生成量調整方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置、及びその水素含有ガス生成量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような水素含有ガス生成装置は、燃焼器等の改質処理部加熱手段により加熱され、原燃料ガスに高温で水蒸気を加えて反応させる所謂水蒸気改質処理を行なって、水素と一酸化炭素等を含む水素含有ガスを生成する改質処理部を備える。さらに、水素含有ガス生成装置は、その改質処理部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成させることにより変成処理する変成処理部や、その変成処理された水素含有ガス中の一酸化炭素を選択酸化処理する一酸化炭素選択酸化処理部等を備え、一酸化炭素濃度の極めて低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成され、このように生成された水素含有ガスは、例えば、燃料電池における発電反応用の燃料ガスとして用いられる。
また、改質処理部に供給する水蒸気は水蒸気生成部において生成されたものであり、水蒸気生成部は、改質処理部に設けられた燃焼器から排出される燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱して水蒸気を生成する熱交換器等により構成される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような水素含有ガス生成装置は、燃料電池の電力出力を電力負荷に追従させるために、燃料電池の水素含有ガスの生成量を電力負荷に追従したものに調整する水素含有ガス生成量調整手段を備える場合がある。そして、このような水素含有ガス生成量調整手段は、改質処理部に水蒸気として供給される水分子のモル数と原燃料ガスとして供給される炭素のモル数との比、所謂スチーム／カーボン比を所定の値に維持しながら、調整弁等で構成された上記原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を調整すると共に、水蒸気生成量調整手段により水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整するなどして、改質処理部への水蒸気供給量とを調整し、結果、改質処理部における水素含有ガス生成量を調整するように構成される。ちなみに、水蒸気生成量調整手段は、水蒸気生成部への水供給量を調整可能な水供給量調整手段や、入熱量を調整可能なように構成された水蒸気生成部加熱手段にて構成され、水供給量調整手段は具体的には調整弁等で構成される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような水素含有ガス生成装置において、改質処理部で消費される水蒸気量をできるだけ小さくして効率を向上するために、上記スチーム／カーボン比をできるだけ小さくすることが求められるが、スチーム／カーボン比が極端に低下した場合には、充分な量の水素が生成されなくなったり、燃料電池の燃料極に使用されている白金を被毒させる一酸化炭素の生成量が増加してしまうという問題が生じる。
【０００６】
特に、水素含有ガス生成量調整手段により、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、水素含有ガス生成量を増加させる場合には、水蒸気生成部における水の蒸発の遅れや、水蒸気生成部の入熱量増加の遅れや、水蒸気生成部への水供給量増加による水蒸気生成部加熱手段の温度低下等により、一時的に改質処理部への水蒸気供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して小さくなってしまうことがあり、例えば燃料電池へ供給する水素含有ガスを上記電力負荷の増加に追従したものとすることができなかったり、燃料電池へ供給する水素含有ガス中の一酸化炭素が増加して燃料極の寿命を縮めてしまうことがある。
【０００７】
改質処理部への水蒸気供給量が原燃料ガスの供給量に対して減少すると、水素含有ガス生成装置にて生成される水素含有ガス中の一酸化炭素が増加する点について説明を加える。
改質処理部では、原燃料ガスが例えばメタンガスの場合、下記の〔化１〕にて示される反応式にて改質反応して、メタンガスが水素と一酸化炭素を含む水素含有ガスに改質処理されるが、改質処理部における改質反応は平衡反応であることから、同じ反応温度、同じ反応圧力であれば、改質反応用の水蒸気の比率が高いほど、生成される水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が低く、逆に、改質反応用の水蒸気の比率が低いほど、生成される水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が高くなる。従って、改質反応用の水蒸気の比率が一時的に低下した場合には、改質処理部にて生成される水素含有ガス中の一酸化炭素の比率も一時的に高くなることになる。
【０００８】
【化１】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
【０００９】
変成処理部では、下記の〔化２〕にて示される反応式にて変成反応して、改質処理部にて生成された水素含有ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理されるが、変成処理部における変成反応は平衡反応であることから、同じ反応温度であれば、水素含有ガス中の水蒸気の比率が高いほど、二酸化炭素への変成比率が高くなり、逆に、水素含有ガス中の水蒸気の比率が低いほど、二酸化炭素への変成比率が低くなる。又、同様に、同じ反応温度であれば、水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が低いほど、二酸化炭素への変成比率が高くなり、逆に、水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が高いほど、二酸化炭素への変成比率が低くなる。従って、改質反応用の水蒸気の比率が一時的に低下した場合には、前述のように、改質処理部にて生成された水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が一時的に増加すると共に、改質処理部にて生成された水素含有ガス中の水蒸気の比率が一時的に低下することから、変成処理部における一酸化炭素の二酸化炭素への変成比率が一時的に低くなることになる。
【００１０】
【化２】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００１１】
選択酸化処理部では、下記の〔化３〕にて示される反応式にて選択酸化反応して、変成処理部にて変成処理された水素含有ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に選択酸化されるが、選択酸化反応に必要な酸素は水素含有ガス中の一酸化炭素が多いほど多くの量を必要とする。従って、改質反応用の水蒸気の比率が一時的に低下した場合には、前述のように、変成処理部にて変成処理された水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が一時的に増加するため、選択酸化反応に必要な酸素量が不足することにより、選択酸化処理部における一酸化炭素の選択酸化比率が一時的に低くなることになる。
【００１２】
【化３】
ＣＯ＋（１／２）Ｏ2→ＣＯ2
【００１３】
上述のように、改質反応用の水蒸気の比率が一時的に低下すると、改質処理部にて生成される水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が一時的に高くなると共に、変成処理部における変成比率及び選択酸化処理部における選択酸化比率が一時的に低くなることから、水素含有ガス生成装置にて生成される水素含有ガス中の一酸化炭素が一時的に増加することになる。
【００１４】
従って、本発明は、上記のような事情に鑑みて、水素含有ガス生成装置において、良好に水素含有ガス生成量を増加させることができる水素含有ガス生成量調整技術を確立することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る水素含有ガス生成量調整方法は、請求項１に記載したごとく、水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行うことを特徴とする。
【００１６】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成量調整方法によれば、例えば、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させる場合において、水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行った後に、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるので、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に改質処理部への水蒸気供給量を増加させることができる状態となる。よって、改質処理部への原燃料ガスの供給量が増加される時点では、改質処理部への水蒸気の供給量も増加されることになるので、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するのを防止する、又は、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するにしてもその不足量を極力小さくすることが可能となり、改質処理部において一時的にスチーム／カーボン比が極端に低下することを抑制して、水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
【００１７】
〔構成２〕
本発明に係る水素含有ガス生成量調整方法は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の水素含有ガス生成量調整方法の構成に加えて、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように行うことを特徴とする。
【００１８】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成量調整方法によれば、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように行うので、改質処理部への原燃料ガスの供給量が増加されると、その増加量に見合う量の水蒸気が改質処理部に供給されることになり、一時的に改質処理部への水蒸気供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足することを防止することが可能となる。よって、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を一層抑止することができる。
【００１９】
〔構成３〕
本発明に係る水素含有ガス生成量調整方法は、請求項３に記載したごとく、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部とを備えた水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、前記水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うことを特徴とする。
【００２０】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成量調整方法によれば、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うので、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に改質処理部への水蒸気供給量を増加させることができる状態となり、上記の構成１によるのと同様の作用効果が得られて、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
ちなみに、水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の両方を行うと、つまり、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より所定の時間前に、水蒸気生成部への水供給量を増加させると共に、その水供給量を増加させる時点より所定の時間前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させるようにすると、水供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に水供給量を増加させても充分な水蒸気を生成することができる状態となっており、さらに、原燃料ガスを増加させる時点において、水蒸気生成部は、その増加する原燃料ガス供給量に対して充分な量の水蒸気を供給することができる状態となる。よって、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を一層抑止することができる。
【００２１】
〔構成４〕
本発明に係る水素含有ガス生成量調整方法は、請求項４に記載したごとく、水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行うことを特徴とする。
【００２２】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成量調整方法によれば、例えば、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させる場合において、改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行うので、改質処理部への原燃料ガス供給量の増加に対して、不足することなく、あるいは、不足量を極力小さくしながら、改質処理部へ水蒸気を供給することが可能となる。
説明を加えると、水蒸気生成量増加用処理により水蒸気生成部における水蒸気生成量を増加させるに際しては、水蒸気生成量は漸増することになるので、改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させることにより、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するのを防止する、又は、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するにしてもその不足量を極力小さくすることが可能となる。
従って、改質処理部において一時的にスチーム／カーボン比が極端に低下することを抑制して、水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
【００２３】
〔構成５〕
本発明の水素含有ガス生成装置は、請求項５に記載したごとく、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく前記水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成されていることを特徴とする。
【００２４】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成装置によれば、水素含有ガス生成量調整手段により、例えば、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させる場合において、水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行った後に、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるので、少なくとも改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点においては、水蒸気生成部は既に改質処理部への水蒸気供給量を増加させることができる状態となる。よって、改質処理部への原燃料ガスの供給量が増加される時点では，改質処理部への水蒸気の供給量も増加されることになるので、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するのを防止する、又は、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するにしてもその不足量を極力小さくすることが可能となり、改質処理部において一時的にスチーム／カーボン比が極端に低下することを抑制して、水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
【００２５】
〔構成６〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項６に記載したごとく、上記構成５の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、前記水蒸気生成量調整手段を作動させるべく行うように構成されていることを特徴とする。
【００２６】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成装置によれば、水素含有ガス生成量調整手段により、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、水蒸気生成量調整手段を作動させるべく行うので、改質処理部への原燃料ガスの供給量が増加されると、その増加量に見合う量の水蒸気が改質処理部に供給されることになり、一時的に改質処理部への水蒸気供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足することを防止することが可能となる。よって、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を一層抑止することができる。
【００２７】
〔構成７〕
本発明の水素含有ガス生成装置は、請求項７に記載したごとく、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水蒸気生成量調整手段が、前記水蒸気生成部への水供給量を調整可能な水供給量調整手段と、入熱量を調整可能なように構成された前記水蒸気生成部加熱手段にて構成され、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、前記水供給量調整手段により前記水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うように構成されていることを特徴とする。
【００２８】
〔作用効果〕
本発明の水素含有ガス生成装置によれば、水素含有ガス生成量調整手段により、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、水供給量調整手段により水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うので、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に改質処理部への水蒸気供給量を増加させることができる状態となり、上記の構成５によるのと同様の作用効果が得られて、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
ちなみに、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の両方を行うと、つまり、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より所定の時間前に、水蒸気生成部への水供給量を増加させると共に、その水供給量を増加させる時点より所定の時間前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させるようにすると、水供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に水供給量を増加させても充分な水蒸気を生成することができる状態となっており、さらに、原燃料ガスを増加させる時点において、水蒸気生成部は、その増加する原燃料ガス供給量に対して充分な量の水蒸気を供給することができる状態となる。よって、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を一層抑止することができる。
【００２９】
〔構成８〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項８に記載したごとく、上記構成７の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記改質処理部加熱手段が、燃焼熱により前記改質処理部を加熱する燃焼器で構成され、
前記水蒸気生成部加熱手段が、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱する熱交換器と電気ヒータとで構成され、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記電気ヒータの出力を増加させて前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させるように構成されていることを特徴とする。
【００３０】
〔作用効果〕
水蒸気生成部加熱手段において、改質処理部加熱手段としての燃焼器から排出される燃焼排ガスと水とを熱交換器に供給して、水を燃焼排ガスとの熱交換により加熱する場合に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を調整可能な入熱量調整手段を、燃焼器から排出される燃焼排ガスの熱量を調整可能なものとして構成すると、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させるべく原燃料ガス供給量を増加させる時点に対して所定の時間前に行われる前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量の増加に伴って、改質処理部加熱手段としての燃焼器の燃焼量を増加させる必要があり、改質処理部の温度が異常に上昇することがある。
【００３１】
そこで、本構成の水素含有ガス生成装置によれば、水蒸気生成部加熱手段を、改質処理部加熱手段としての燃焼器から排出され改質処理部の温度を所定の温度に設定した後の燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱する熱交換器と電気ヒータにより構成すると共に、前記入熱量調整手段を上記電気ヒータの出力を調整することで、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を調整可能に構成することができ、水素含有ガス生成量増加のために、水蒸気生成部への水供給量を増加させる時点に対して所定の時間前に、改質処理部加熱手段への入熱量を増加させることなく、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させることができ、改質処理部の異常昇温を防止することができる。
【００３２】
〔構成９〕
本発明の水素含有ガス生成装置は、請求項９に記載したごとく、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく前記水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成されていることを特徴とする。
【００３３】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成装置によれば、水素含有ガス生成量調整手段により、例えば、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させる場合において、水素含有ガス生成量調整手段により、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うので、改質処理部への原燃料ガス供給量の増加に対して、不足することなく、あるいは、不足量を極力小さくしながら、改質処理部へ水蒸気を供給することが可能となる。
説明を加えると、水蒸気生成量調整手段による水蒸気生成量増加用処理により水蒸気生成部における水蒸気生成量を増加させるに際しては、水蒸気生成量は漸増することになるので、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させることにより、一時的に改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して改質処理部への水蒸気の供給量が不足するのを防止する、又は、一時的に改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して改質処理部への水蒸気の供給量が不足するにしても、その不足量を極力少なくすることが可能となる。
従って、改質処理部において一時的にスチーム／カーボン比が極端に低下することを抑制して、水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る水素含有ガス生成装置（以下、本生成装置と呼ぶ。）の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本生成装置Ｐは、調整弁１１（原燃料ガス供給量調整手段の一例）による供給量調整を伴って供給される天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部１と、供給される原料水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部Ｓと、燃焼式の改質処理部加熱手段としての燃焼器４にて加熱されて、脱硫処理部１から供給される脱硫原燃料ガスを水蒸気生成部Ｓで生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質処理部３と、改質処理部３から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成処理部５と、その変成処理部５から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化処理部６と、本生成装置Ｐの運転を制御する制御部２０を備えて構成して、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成してある。
【００３５】
脱硫処理部１においては、例えば１５０〜３００°Ｃの範囲の脱硫処理温度で、脱硫触媒にて原燃料ガス中の硫黄化合物が水素化され、その水素化物が酸化亜鉛に吸着されて脱硫される。ちなみに、脱硫処理部１における脱硫反応は発熱反応である。脱硫処理部１には、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系などの水素化脱硫触媒の粒状成型体の多数が充填されている。
また、上記の脱硫処理温度は、制御部２０により、脱硫処理温度センサＴ１により脱硫処理温度を検出しながら、脱硫処理部１を加熱する脱硫処理部用ヒータ３２の出力を調整することで、維持されている。
【００３６】
改質処理部３においては、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質触媒の触媒作用により、例えば６００〜７００°Ｃの範囲の改質処理温度の下で、メタンガスと水蒸気とが下記の反応式［化４］にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。ちなみに、改質処理部３における改質反応は吸熱反応である。また、上記改質用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、改質処理部３には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
【００３７】
【化４】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
【００３８】
また、改質処理部３に設けられた燃焼器４は、燃料電池Ｇから排出されたオフガスと原燃料ガスと同じ天然ガスとの燃料が調整弁１３による供給量調整を伴って供給されると共に、その燃料を燃焼させるための燃焼用空気が調整弁１４による供給量調整を伴って供給される。
そして、上記の改質処理温度は、制御部２０により、改質処理温度センサＴ３により改質処理温度を検出しながら、調整弁１３及び調整弁１４の開度を調整して燃焼器４の燃焼量を調整することで、維持される。
【００３９】
変成処理部５においては、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、酸化鉄又は銅亜鉛の変成触媒の触媒作用により、例えば１５０〜３００°Ｃの範囲の変成処理温度の下で、下記の反応式［化５］にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。ちなみに、変成処理部５における変成反応は発熱反応である。変成処理部５には、粒状成型体の多数が充填されている。また、上記の変成処理温度は、制御部２０により、変成処理温度センサＴ５により変成処理温度を検出しながら、変成処理部５を加熱する変成処理部用ヒータ３３の出力を調整することで、維持されている。
【００４０】
【化５】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００４１】
選択酸化処理部６においては、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の選択酸化触媒の触媒作用によって、例えば８０〜１２０°Ｃの範囲の選択酸化処理温度の下で、変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化される。ちなみに、選択酸化処理部６における酸化反応は発熱反応である。また、上記選択酸化用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、選択酸化処理部６には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
【００４２】
そして、本生成装置Ｐにて生成された水素含有ガスは燃料ガスとして、燃料電池Ｇに供給される。燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、本生成装置Ｐから供給される燃料ガス中の水素と、ブロア（図示せず）から供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
【００４３】
また、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段Ｖが設けられ、水蒸気生成部Ｓには、燃焼器４から供給された改質処理温度以上の高温の燃焼排ガスと、調整弁１０（水供給量調整手段の一例）による供給量調整を伴って供給された水との熱交換を行ない、水蒸気を生成する熱交換器８が設けられている。また、水蒸気生成部Ｓには、熱交換器８に供給される水を予熱可能な電気ヒータ７が設けられている。そして、上記熱交換器８と電気ヒータ７とを、水蒸気生成部Ｓにおいて水を加熱する水蒸気生成部加熱手段９と呼ぶ。そして、上記電気ヒータ７への電力供給を断続したり、熱交換器８に供給される燃焼排ガスの熱量を調整することにより、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量が調整可能なように構成されている。
また、上記水蒸気生成量調整手段Ｖは、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を調整可能な水供給量調整手段としての調整弁１０と、上述のように入熱量を調整可能に構成された水蒸気生成部加熱手段９にて構成されている。
【００４４】
上記のように構成された本生成装置Ｐは、燃料電池Ｇの電力負荷に追従させて、水素含有ガス生成量を調整可能な水素含有ガス生成量調整手段２１を備えて構成されている。
即ち、制御部２０の水素含有ガス生成量調整手段２１は、燃料電池Ｇ側等から入力された電力負荷情報に基づいて、調整弁１１を働かせて脱硫処理部１への原燃料ガス供給量を調整し、本生成装置Ｐの水蒸気含有ガス生成量を燃料電池Ｇ側の電力負荷に追従するものに調整する。
さらに、水素含有ガス生成量調整手段２１は、このように脱硫処理部１への原燃料ガス供給量を調整するときに、その原燃料ガス供給量に基づいて、調整弁１０を働かせて水蒸気生成部Ｓに供給する水供給量を、その原燃料ガス供給量と水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量の比が所定のスチーム／カーボン比となるように調整する。
【００４５】
詳しくは、燃料電池Ｇ側の電力負荷が増加した場合には、水素含有ガス生成量調整手段２１は、脱硫処理部１への原燃料ガス供給量を増加させると共に、水蒸気生成部Ｓへ供給する水供給量を増加させて水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量を増加させ、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量を増加させて、燃料電池Ｇの出力を増加させる。
逆に、燃料電池Ｇ側の電力負荷が減少した場合には、水素含有ガス生成量調整手段２１は、脱硫処理部１への原燃料ガス供給量を減少させると共に、水蒸気生成部Ｓへ供給する水供給量を減少させて水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量を減少させ、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量を減少させて、燃料電池Ｇの出力を減少させる。
【００４６】
また、水素含有ガス生成量調整手段２１により原燃料ガス供給量を変化させた場合には、改質処理部３に処理負荷が変化するので、改質処理温度センサＴ３の検出結果に基づいて制御部２０により調整される調整弁１３，１４の開度は変化し、燃焼器４の燃料量も変化する。即ち、原燃料ガス供給量を増加させると、燃焼器４の燃焼量も増加し、逆に、原燃料ガス供給量が減少すると、燃焼器４の燃焼量も減少する。さらに、燃焼器４の燃焼量が変化した場合には、燃焼器４から排出される燃焼排ガスの熱量も変化するので、その燃焼排ガスが供給される水蒸気生成部加熱手段９への入熱量も変化する。
【００４７】
これまで説明してきた本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１における水素含有ガス生成量調整方法は、水素含有ガス生成量を増加させるときの制御手順に特徴を有し、その詳細な実施例について以下に説明する。
尚、図２，図３，図４，図５は、水素含有ガス生成量を増加させるときの、原燃料ガス供給量の増加状態（ａ）、水蒸気生成部Ｓへの水供給量の増加状態（ｂ）、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量の増加状態（ｃ）、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量の増加状態（ｄ）とを示す図であり、図中において右方向に向って時間が経過している。
【００４８】
〔実施例１〕
この実施例１においては、水素含有ガス生成量調整手段２１が、本生成装置Ｐが水素含有ガス生成量を増加させるために前記水素含有ガス生成量を増加させるに、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成され、更に、水素含有ガス生成量調整手段２１が、水蒸気生成量増加用処理を、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させるべく行うように構成されている。
【００４９】
上述のように水素含有ガス生成量調整手段２１が構成される場合の一例として、図２に示すように、水素含有ガス生成量調整手段２１が、調整弁１１により原燃料ガス供給量を増加させるに、その原燃料ガス供給量増加時点よりも所定の時間前に調整弁１０により水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させるように構成される場合について説明する。
このような場合には、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させる時点の水蒸気生成部加熱手段９への入熱量、即ち、燃焼器４から熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が、供給される水を加熱して水蒸気とするのに充分な量である場合には、図２（ｄ）に示すように、原燃料ガス供給量を増加させる時点では、既に水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が増加され、増加した原燃料ガスに対して充分な水蒸気を改質処理部３に供給することができる。
また、この場合、水蒸気生成部加熱手段９の入熱量は、燃焼器４の燃料量が増加して熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量を増加させることで増加するので、原燃料ガス供給量の増加した時点で増加することになる。
【００５０】
よって、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１は、水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させてから、所定の時間経過後に、原燃料ガス供給量を増加させることで、改質処理部３への水蒸気供給量不足による一酸化炭素生成量増加を抑制することができる。
一方、図２（ｂ）に破線で示すように、従来のように水供給量の増加を、原燃料ガス供給量を増加させる時点で行なった場合では、図２（ｄ）に破線で示すように、原燃料ガス供給量を増加させる時点から、水蒸気生成量が徐々に増加するので、改質処理部３において、一時的に原燃料ガス供給量増加時点では水蒸気量が不足して、一時的に一酸化炭素生成量が増加する。
そして、このような本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１においては、例えば、図７に示すように、従来のように原燃料ガス供給量増加と水供給量増加とを同時に増加させた場合（図７の比較例）と比較して、原燃料ガス供給量増加時点に対して３０秒前に水供給量を増加させた場合（図７の実施例１ａ）には、一酸化炭素生成量が増加する時間が半減し、さらに、原燃料ガス供給量増加時点に対して１分前に水供給量を増加させた場合（図７の実施例１ｂ）には、殆ど一酸化炭素は生成されないことが実験により確認された。
尚、図７は、定格負荷が４．２Ｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ）（天然ガス系都市ガス１３Ａ）の水素含有ガス生成装置において、負荷を５０％から１００％まで瞬時に増加させた場合に生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を計測した結果である。
【００５１】
〔実施例２〕
この実施例２においても、水素含有ガス生成量調整手段２１が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成され、更に、水素含有ガス生成量調整手段２１が、水蒸気生成量増加用処理を、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させるべく行うように構成されている。
【００５２】
上述のように水素含有ガス生成量調整手段２１が構成される場合の一例として、図３に示すように、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１が、調整弁１１により原燃料ガス供給量を増加させるに、その原燃料ガス供給量増加時点よりも所定の時間前に調整弁１０により水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させると共に、その水供給を増加させる時点よりも所定の時間前に、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させるように構成される場合について説明する。
このような場合には、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させる時点の水蒸気生成部加熱手段９への入熱量、即ち、熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が、供給される水を加熱して水蒸気とするのに充分な量でない場合に、図６（ａ）に示すように、水供給量を増加させる時点よりも所定の時間前から、燃焼器４の燃料量が増加して熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が図６（ｂ）に示すように増加する時点まで、電気ヒータ７をＯＮ状態として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量が、原燃料ガス供給量増加時点の所定の時間前に増加される。
つまり、水素含有ガス生成量調整手段Ｖが、前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させる処理、及び、調整弁１０により水蒸気生成部Ｐへの水供給量を増加させる処理を行うように構成されていることになる。
【００５３】
そして、この場合において、図３（ｄ）に示すように、水供給量を増加させる時点では、水蒸気生成部Ｓは、既に水供給量を増加させても充分な水蒸気を生成することができ、迅速に水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が増加され、さらに、原燃料ガスを増加させる時点では、既に水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が増加されており、増加した原燃料ガスに対して充分な水蒸気を改質処理部３に供給することができる。
【００５４】
よって、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１は、水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量と、水蒸気生成部Ｓへの水供給量と、原燃料ガス供給量とを所定の時間間隔を介して順に増加させることで、改質処理部３への水蒸気供給量不足による一酸化炭素生成量増加を抑制することができる。
【００５５】
また、原燃料ガス供給量を増加させる所定の時間前に、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量と水蒸気生成部Ｓへの水供給量とを同時に増加させても良く、この場合においても、原燃料ガス供給量を増加させる時点において、既に水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が増加されており、増加した原燃料ガスに対して充分な水蒸気を改質処理部３に供給することができる。
そして、このような本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１においては、例えば、図７に示すように、従来のように原燃料ガス供給量増加と水供給量増加とを同時に増加させた場合（図７の比較例）と比較して、原燃料ガス供給量増加時点に対して１０秒前に水供給量及び入熱量を増加させた場合（図７の実施例２ａ）には、ごく微量の一酸化炭素しか生成せず、さらに、原燃料ガス供給量増加時点に対して３０秒前に水供給量及び入熱量を増加させた場合（図７の実施例２ｂ）には、殆ど一酸化炭素は生成されないことが実験により確認された。
【００５６】
〔実施例３〕
この第３実施例においては、水素含有ガス生成量調整手段２１が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成されている。
【００５７】
上述のように水素含有ガス生成量調整手段２１が構成される場合の一例として、図４に示すように、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１が、調整弁１１により原燃料ガス供給量を増加させるに、調整弁１０により水蒸気生成部Ｓへの水供給量を原燃料ガス供給量増加時点と同時に増加させ、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を、上記実施例２と同様に、その原燃料ガス供給量増加時点よりも所定の時間前に増加させるように構成される場合について説明する。
【００５８】
このような場合には、実施例２と同様に、図６に示すように、その原燃料ガス供給量増加時点よりも所定の時間前の時点から、燃焼器４の燃料量が増加して熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が増加する時点まで、電気ヒータ７をＯＮ状態として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量が、原燃料ガス供給量増加時点の所定の時間前に増加される。
【００５９】
そして、この場合においても、図４（ｄ）に示すように、原燃料ガス供給量及び水供給量を増加させる時点では、水蒸気生成部加熱手段９は既に水供給量を増加させても充分な水蒸気を生成することができる状態となっており、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が従来よりも短時間で増加される。
従って、原燃料ガス供給量の増加に対して、水蒸気生成部Ｓにおける水蒸気生成の増加が多少遅れるにしても、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量を従来よりも短時間で増加させることが可能となって、原燃料ガス供給量の増加に対する水蒸気生成の増加の遅れを極力小さくすることが可能となり、改質処理部３への水蒸気供給量不足による一酸化炭素生成量増加を抑制することができる。
【００６０】
〔実施例４〕
この実施例４においては、水素含有ガス生成量調整手段２１が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理、及び、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行うように構成されている。
【００６１】
上述のように水素含有ガス生成量調整手段２１が構成される場合の一例として、図５に示すように、水素含有ガス生成量調整手段２１が、調整弁１１により原燃料ガス供給量を所定の時間を要して所定の目標原燃料ガス供給量になるように漸増させ、その漸増開始と同時に、調整弁１０により水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させると共に、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させるように構成される場合について説明する。
【００６２】
即ち、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させる時点の水蒸気生成部加熱手段９への入熱量、即ち、熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が、供給される水を加熱して水蒸気とするのに充分な量でない場合には、原燃料ガス供給量の漸増開始時点から、原燃料ガス供給量の増加により、熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が供給される水を加熱して水蒸気とするのに充分な量に増加する時点まで、電気ヒータ７をＯＮ状態として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量が増加されることになる。
【００６３】
そして、図５（ｂ），（ｄ）に示すように、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させても、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量は直ぐに所定の量に増加するのではなく漸増するのであるが、図５（ａ）に示すように、原燃料ガス供給量を漸増させるので、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時に増加させても、原燃料ガスに対する水蒸気の比率が低下しないため、改質処理部３への水蒸気供給量不足による一酸化炭素生成量増加を抑制することができる。
一方、図５（ｂ）に破線で示すように、従来のように水供給量の増加を、原燃料ガス供給量が目標原燃料ガス供給量に達した時点で行なった場合では、図５（ｄ）に破線で示すように、原燃料ガス供給量が目標原燃料ガス供給量に達した時点から、水蒸気生成量が徐々に増加するので、改質処理部３において、一時的に原燃料ガス供給量増加時点では水蒸気量が不足して、一時的に一酸化炭素生成量が増加する。
【００６４】
本生成装置Ｐには、脱硫処理部１からの脱硫原燃料ガスと改質処理部３からの高温の改質処理ガスとを熱交換させて、改質処理部３に供給される脱硫原燃料ガスを予熱する脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐと、改質処理部３からの高温の改質処理ガスと脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを熱交換させて原燃料ガスを予熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａとを設けてある。
又、変成処理部５から排出された変成処理ガスと、水蒸気生成部Ｓへ供給する原料水とを熱交換させて、原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器１７を設けてある。
【００６５】
起動時に、脱硫処理部１を脱硫処理可能なように加熱する脱硫処理部用ヒータ３２、変成処理部を変成処理可能なように加熱する２個の変成処理部用ヒータ３３を設けてあり、それらヒータ３２，３３は電気ヒータから成る。
【００６６】
更に、脱硫処理部１の温度を検出する脱硫処理温度センサＴ１、及び、選択酸化処理部６の温度を検出する選択酸化処理温度センサＴ５を設けてある。
【００６７】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 水素含有ガス生成量調整手段２１を、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成する場合において、水素含有ガス生成量調整手段Ｖを、前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させる処理、及び、調整弁１０により水蒸気生成部Ｐへの水供給量を増加させる処理を行うように構成するに当たっては、それら入熱量を増加させる処理及び水供給量を増加させる処理を行うタイミングは種々に変更可能である。
例えば、上記の実施例２において例示した如く、入熱量を増加させる処理を水供給量を増加させる処理よりも先に行ったり、入熱量を増加させる処理と水供給量を増加させる処理とを同時に行う他に、水供給量を増加させる処理を入熱量を増加させる処理よりも先に行っても良い。
【００６８】
（ロ） 水素含有ガス生成量調整手段２１を、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理、及び、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行うように構成する場合、上記の実施例４においては、水蒸気生成量増加用処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時に行う場合について例示したが、水蒸気生成量増加用処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点よりも前に行っても良い。
【００６９】
又、水蒸気生成量増加用処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時に行う場合、及び、水蒸気生成量増加用処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点よりも前に行う場合のいずれにおいても、前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させる処理、及び、調整弁１０により水蒸気生成部Ｐへの水供給量を増加させる処理の両方を行うように構成しても良いし、いずれか一方を行うように構成しても良い。
【００７０】
（ハ） 水素含有ガス生成量調整手段２１を、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理、及び、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行うように構成する場合に、前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させる処理、及び、調整弁１０により水蒸気生成部Ｐへの水供給量を増加させる処理の両方を行うように構成するに当たっては、それら入熱量を増加させる処理及び水供給量を増加させる処理を行うタイミングは種々に変更可能である。
例えば、水供給量を増加させる処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時に行い、入熱量を増加させる処理を水供給量を増加させる処理よりも前に行うように構成しても良い。
【００７１】
（ニ） 前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させることにより行う場合、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を調整するための具体構成としては、上記の実施形態において例示した如き電気ヒータ７をオンオフさせる構成に限定されるものではない。
例えば、電気ヒータ７への電力供給量を調整するように構成したり、熱交換器８への燃焼排ガスの供給量を調整するように構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素含有ガス生成装置の概略構成図
【図２】水素含有ガス生成量を増加させるときの各種状態を示す図
【図３】水素含有ガス生成量を増加させるときの各種状態を示す図
【図４】水素含有ガス生成量を増加させるときの各種状態を示す図
【図５】水素含有ガス生成量を増加させるときの各種状態を示す図
【図６】水蒸気生成部加熱手段の入熱量増加の状態を示す図
【図７】水素含有ガス生成量増加に伴って生成される一酸化炭素濃度を示すグラフ図
【符号の説明】
１ 脱硫処理部
３ 改質処理部
４ 燃焼器（改質処理部加熱手段）
５ 変成処理部
６ 選択酸化処理部
７ 電気ヒータ
８ 熱交換器
９ 水蒸気生成部加熱手段
１０ 調整弁（水供給量調整手段）
１１ 調整弁（原燃料ガス供給量調整手段）
２０ 制御部
２１ 水素含有ガス生成量調整手段
Ｐ 水素含有ガス生成装置
Ｓ 水蒸気生成部
Ｇ 燃料電池
Ｖ 水蒸気生成量調整手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置、及びその水素含有ガス生成量調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような水素含有ガス生成装置は、燃焼器等の改質処理部加熱手段により加熱され、原燃料ガスに高温で水蒸気を加えて反応させる所謂水蒸気改質処理を行なって、水素と一酸化炭素等を含む水素含有ガスを生成する改質処理部を備える。さらに、水素含有ガス生成装置は、その改質処理部で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成させることにより変成処理する変成処理部や、その変成処理された水素含有ガス中の一酸化炭素を選択酸化処理する一酸化炭素選択酸化処理部等を備え、一酸化炭素濃度の極めて低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成され、このように生成された水素含有ガスは、例えば、燃料電池における発電反応用の燃料ガスとして用いられる。
また、改質処理部に供給する水蒸気は水蒸気生成部において生成されたものであり、水蒸気生成部は、改質処理部に設けられた燃焼器から排出される燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱して水蒸気を生成する熱交換器等により構成される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような水素含有ガス生成装置は、燃料電池の電力出力を電力負荷に追従させるために、燃料電池の水素含有ガスの生成量を電力負荷に追従したものに調整する水素含有ガス生成量調整手段を備える場合がある。そして、このような水素含有ガス生成量調整手段は、改質処理部に水蒸気として供給される水分子のモル数と原燃料ガスとして供給される炭素のモル数との比、所謂スチーム／カーボン比を所定の値に維持しながら、調整弁等で構成された上記原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を調整すると共に、水蒸気生成量調整手段により水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整するなどして、改質処理部への水蒸気供給量とを調整し、結果、改質処理部における水素含有ガス生成量を調整するように構成される。ちなみに、水蒸気生成量調整手段は、水蒸気生成部への水供給量を調整可能な水供給量調整手段や、入熱量を調整可能なように構成された水蒸気生成部加熱手段にて構成され、水供給量調整手段は具体的には調整弁等で構成される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような水素含有ガス生成装置において、改質処理部で消費される水蒸気量をできるだけ小さくして効率を向上するために、上記スチーム／カーボン比をできるだけ小さくすることが求められるが、スチーム／カーボン比が極端に低下した場合には、充分な量の水素が生成されなくなったり、燃料電池の燃料極に使用されている白金を被毒させる一酸化炭素の生成量が増加してしまうという問題が生じる。
【０００６】
特に、水素含有ガス生成量調整手段により、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、水素含有ガス生成量を増加させる場合には、水蒸気生成部における水の蒸発の遅れや、水蒸気生成部の入熱量増加の遅れや、水蒸気生成部への水供給量増加による水蒸気生成部加熱手段の温度低下等により、一時的に改質処理部への水蒸気供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して小さくなってしまうことがあり、例えば燃料電池へ供給する水素含有ガスを上記電力負荷の増加に追従したものとすることができなかったり、燃料電池へ供給する水素含有ガス中の一酸化炭素が増加して燃料極の寿命を縮めてしまうことがある。
【０００７】
改質処理部への水蒸気供給量が原燃料ガスの供給量に対して減少すると、水素含有ガス生成装置にて生成される水素含有ガス中の一酸化炭素が増加する点について説明を加える。
改質処理部では、原燃料ガスが例えばメタンガスの場合、下記の〔化１〕にて示される反応式にて改質反応して、メタンガスが水素と一酸化炭素を含む水素含有ガスに改質処理されるが、改質処理部における改質反応は平衡反応であることから、同じ反応温度、同じ反応圧力であれば、改質反応用の水蒸気の比率が高いほど、生成される水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が低く、逆に、改質反応用の水蒸気の比率が低いほど、生成される水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が高くなる。従って、改質反応用の水蒸気の比率が一時的に低下した場合には、改質処理部にて生成される水素含有ガス中の一酸化炭素の比率も一時的に高くなることになる。
【０００８】
【化１】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
【０００９】
変成処理部では、下記の〔化２〕にて示される反応式にて変成反応して、改質処理部にて生成された水素含有ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理されるが、変成処理部における変成反応は平衡反応であることから、同じ反応温度であれば、水素含有ガス中の水蒸気の比率が高いほど、二酸化炭素への変成比率が高くなり、逆に、水素含有ガス中の水蒸気の比率が低いほど、二酸化炭素への変成比率が低くなる。又、同様に、同じ反応温度であれば、水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が低いほど、二酸化炭素への変成比率が高くなり、逆に、水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が高いほど、二酸化炭素への変成比率が低くなる。従って、改質反応用の水蒸気の比率が一時的に低下した場合には、前述のように、改質処理部にて生成された水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が一時的に増加すると共に、改質処理部にて生成された水素含有ガス中の水蒸気の比率が一時的に低下することから、変成処理部における一酸化炭素の二酸化炭素への変成比率が一時的に低くなることになる。
【００１０】
【化２】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００１１】
選択酸化処理部では、下記の〔化３〕にて示される反応式にて選択酸化反応して、変成処理部にて変成処理された水素含有ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に選択酸化されるが、選択酸化反応に必要な酸素は水素含有ガス中の一酸化炭素が多いほど多くの量を必要とする。従って、改質反応用の水蒸気の比率が一時的に低下した場合には、前述のように、変成処理部にて変成処理された水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が一時的に増加するため、選択酸化反応に必要な酸素量が不足することにより、選択酸化処理部における一酸化炭素の選択酸化比率が一時的に低くなることになる。
【００１２】
【化３】
ＣＯ＋（１／２）Ｏ2→ＣＯ2
【００１３】
上述のように、改質反応用の水蒸気の比率が一時的に低下すると、改質処理部にて生成される水素含有ガス中の一酸化炭素の比率が一時的に高くなると共に、変成処理部における変成比率及び選択酸化処理部における選択酸化比率が一時的に低くなることから、水素含有ガス生成装置にて生成される水素含有ガス中の一酸化炭素が一時的に増加することになる。
【００１４】
従って、本発明は、上記のような事情に鑑みて、水素含有ガス生成装置において、良好に水素含有ガス生成量を増加させることができる水素含有ガス生成量調整技術を確立することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る水素含有ガス生成量調整方法は、請求項１に記載したごとく、水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行うことを特徴とする。
【００１６】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成量調整方法によれば、例えば、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させる場合において、水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行った後に、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるので、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に改質処理部への水蒸気供給量を増加させることができる状態となる。よって、改質処理部への原燃料ガスの供給量が増加される時点では、改質処理部への水蒸気の供給量も増加されることになるので、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するのを防止する、又は、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するにしてもその不足量を極力小さくすることが可能となり、改質処理部において一時的にスチーム／カーボン比が極端に低下することを抑制して、水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
【００１７】
〔構成２〕
本発明に係る水素含有ガス生成量調整方法は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の水素含有ガス生成量調整方法の構成に加えて、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように行うことを特徴とする。
【００１８】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成量調整方法によれば、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように行うので、改質処理部への原燃料ガスの供給量が増加されると、その増加量に見合う量の水蒸気が改質処理部に供給されることになり、一時的に改質処理部への水蒸気供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足することを防止することが可能となる。よって、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を一層抑止することができる。
【００１９】
〔構成３〕
本発明に係る水素含有ガス生成量調整方法は、請求項３に記載したごとく、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部とを備えた水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、前記水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うことを特徴とする。
【００２０】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成量調整方法によれば、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うので、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に改質処理部への水蒸気供給量を増加させることができる状態となり、上記の構成１によるのと同様の作用効果が得られて、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
ちなみに、水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の両方を行うと、つまり、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より所定の時間前に、水蒸気生成部への水供給量を増加させると共に、その水供給量を増加させる時点より所定の時間前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させるようにすると、水供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に水供給量を増加させても充分な水蒸気を生成することができる状態となっており、さらに、原燃料ガスを増加させる時点において、水蒸気生成部は、その増加する原燃料ガス供給量に対して充分な量の水蒸気を供給することができる状態となる。よって、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を一層抑止することができる。
【００２１】
〔構成４〕
本発明に係る水素含有ガス生成量調整方法は、請求項４に記載したごとく、水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行うことを特徴とする。
【００２２】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成量調整方法によれば、例えば、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させる場合において、改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行うので、改質処理部への原燃料ガス供給量の増加に対して、不足することなく、あるいは、不足量を極力小さくしながら、改質処理部へ水蒸気を供給することが可能となる。
説明を加えると、水蒸気生成量増加用処理により水蒸気生成部における水蒸気生成量を増加させるに際しては、水蒸気生成量は漸増することになるので、改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させることにより、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するのを防止する、又は、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するにしてもその不足量を極力小さくすることが可能となる。
従って、改質処理部において一時的にスチーム／カーボン比が極端に低下することを抑制して、水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
【００２３】
〔構成５〕
本発明の水素含有ガス生成装置は、請求項５に記載したごとく、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく前記水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成されていることを特徴とする。
【００２４】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成装置によれば、水素含有ガス生成量調整手段により、例えば、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させる場合において、水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行った後に、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるので、少なくとも改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点においては、水蒸気生成部は既に改質処理部への水蒸気供給量を増加させることができる状態となる。よって、改質処理部への原燃料ガスの供給量が増加される時点では，改質処理部への水蒸気の供給量も増加されることになるので、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するのを防止する、又は、一時的に改質処理部への水蒸気の供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足するにしてもその不足量を極力小さくすることが可能となり、改質処理部において一時的にスチーム／カーボン比が極端に低下することを抑制して、水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
【００２５】
〔構成６〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項６に記載したごとく、上記構成５の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、前記水蒸気生成量調整手段を作動させるべく行うように構成されていることを特徴とする。
【００２６】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成装置によれば、水素含有ガス生成量調整手段により、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、水蒸気生成量調整手段を作動させるべく行うので、改質処理部への原燃料ガスの供給量が増加されると、その増加量に見合う量の水蒸気が改質処理部に供給されることになり、一時的に改質処理部への水蒸気供給量が改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して不足することを防止することが可能となる。よって、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を一層抑止することができる。
【００２７】
〔構成７〕
本発明の水素含有ガス生成装置は、請求項７に記載したごとく、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水蒸気生成量調整手段が、前記水蒸気生成部への水供給量を調整可能な水供給量調整手段と、入熱量を調整可能なように構成された前記水蒸気生成部加熱手段にて構成され、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、前記水供給量調整手段により前記水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うように構成されていることを特徴とする。
【００２８】
〔作用効果〕
本発明の水素含有ガス生成装置によれば、水素含有ガス生成量調整手段により、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、水供給量調整手段により水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うので、改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に改質処理部への水蒸気供給量を増加させることができる状態となり、上記の構成５によるのと同様の作用効果が得られて、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
ちなみに、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の両方を行うと、つまり、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より所定の時間前に、水蒸気生成部への水供給量を増加させると共に、その水供給量を増加させる時点より所定の時間前に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させるようにすると、水供給量を増加させる時点において、水蒸気生成部は既に水供給量を増加させても充分な水蒸気を生成することができる状態となっており、さらに、原燃料ガスを増加させる時点において、水蒸気生成部は、その増加する原燃料ガス供給量に対して充分な量の水蒸気を供給することができる状態となる。よって、一時的な水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を一層抑止することができる。
【００２９】
〔構成８〕
本発明に係る水素含有ガス生成装置は、請求項８に記載したごとく、上記構成７の水素含有ガス生成装置の構成に加えて、前記改質処理部加熱手段が、燃焼熱により前記改質処理部を加熱する燃焼器で構成され、
前記水蒸気生成部加熱手段が、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱する熱交換器と電気ヒータとで構成され、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記電気ヒータの出力を増加させて前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させるように構成されていることを特徴とする。
【００３０】
〔作用効果〕
水蒸気生成部加熱手段において、改質処理部加熱手段としての燃焼器から排出される燃焼排ガスと水とを熱交換器に供給して、水を燃焼排ガスとの熱交換により加熱する場合に、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を調整可能な入熱量調整手段を、燃焼器から排出される燃焼排ガスの熱量を調整可能なものとして構成すると、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させるべく原燃料ガス供給量を増加させる時点に対して所定の時間前に行われる前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量の増加に伴って、改質処理部加熱手段としての燃焼器の燃焼量を増加させる必要があり、改質処理部の温度が異常に上昇することがある。
【００３１】
そこで、本構成の水素含有ガス生成装置によれば、水蒸気生成部加熱手段を、改質処理部加熱手段としての燃焼器から排出され改質処理部の温度を所定の温度に設定した後の燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱する熱交換器と電気ヒータにより構成すると共に、前記入熱量調整手段を上記電気ヒータの出力を調整することで、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を調整可能に構成することができ、水素含有ガス生成量増加のために、水蒸気生成部への水供給量を増加させる時点に対して所定の時間前に、改質処理部加熱手段への入熱量を増加させることなく、水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させることができ、改質処理部の異常昇温を防止することができる。
【００３２】
〔構成９〕
本発明の水素含有ガス生成装置は、請求項９に記載したごとく、水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく前記水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成されていることを特徴とする。
【００３３】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス生成装置によれば、水素含有ガス生成量調整手段により、例えば、燃料電池の電力負荷の増加等に追従させて、改質処理部の水素含有ガス生成量を増加させる場合において、水素含有ガス生成量調整手段により、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うので、改質処理部への原燃料ガス供給量の増加に対して、不足することなく、あるいは、不足量を極力小さくしながら、改質処理部へ水蒸気を供給することが可能となる。
説明を加えると、水蒸気生成量調整手段による水蒸気生成量増加用処理により水蒸気生成部における水蒸気生成量を増加させるに際しては、水蒸気生成量は漸増することになるので、原燃料ガス供給量調整手段により改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させることにより、一時的に改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して改質処理部への水蒸気の供給量が不足するのを防止する、又は、一時的に改質処理部への原燃料ガスの供給量に対して改質処理部への水蒸気の供給量が不足するにしても、その不足量を極力少なくすることが可能となる。
従って、改質処理部において一時的にスチーム／カーボン比が極端に低下することを抑制して、水素含有ガス中の水素量の低下及び一酸化炭素の増加を抑止することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る水素含有ガス生成装置（以下、本生成装置と呼ぶ。）の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本生成装置Ｐは、調整弁１１（原燃料ガス供給量調整手段の一例）による供給量調整を伴って供給される天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部１と、供給される原料水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部Ｓと、燃焼式の改質処理部加熱手段としての燃焼器４にて加熱されて、脱硫処理部１から供給される脱硫原燃料ガスを水蒸気生成部Ｓで生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質処理部３と、改質処理部３から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成処理部５と、その変成処理部５から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化処理部６と、本生成装置Ｐの運転を制御する制御部２０を備えて構成して、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成してある。
【００３５】
脱硫処理部１においては、例えば１５０〜３００°Ｃの範囲の脱硫処理温度で、脱硫触媒にて原燃料ガス中の硫黄化合物が水素化され、その水素化物が酸化亜鉛に吸着されて脱硫される。ちなみに、脱硫処理部１における脱硫反応は発熱反応である。脱硫処理部１には、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系などの水素化脱硫触媒の粒状成型体の多数が充填されている。
また、上記の脱硫処理温度は、制御部２０により、脱硫処理温度センサＴ１により脱硫処理温度を検出しながら、脱硫処理部１を加熱する脱硫処理部用ヒータ３２の出力を調整することで、維持されている。
【００３６】
改質処理部３においては、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質触媒の触媒作用により、例えば６００〜７００°Ｃの範囲の改質処理温度の下で、メタンガスと水蒸気とが下記の反応式［化４］にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。ちなみに、改質処理部３における改質反応は吸熱反応である。また、上記改質用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、改質処理部３には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
【００３７】
【化４】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
【００３８】
また、改質処理部３に設けられた燃焼器４は、燃料電池Ｇから排出されたオフガスと原燃料ガスと同じ天然ガスとの燃料が調整弁１３による供給量調整を伴って供給されると共に、その燃料を燃焼させるための燃焼用空気が調整弁１４による供給量調整を伴って供給される。
そして、上記の改質処理温度は、制御部２０により、改質処理温度センサＴ３により改質処理温度を検出しながら、調整弁１３及び調整弁１４の開度を調整して燃焼器４の燃焼量を調整することで、維持される。
【００３９】
変成処理部５においては、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、酸化鉄又は銅亜鉛の変成触媒の触媒作用により、例えば１５０〜３００°Ｃの範囲の変成処理温度の下で、下記の反応式［化５］にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。ちなみに、変成処理部５における変成反応は発熱反応である。変成処理部５には、粒状成型体の多数が充填されている。また、上記の変成処理温度は、制御部２０により、変成処理温度センサＴ５により変成処理温度を検出しながら、変成処理部５を加熱する変成処理部用ヒータ３３の出力を調整することで、維持されている。
【００４０】
【化５】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００４１】
選択酸化処理部６においては、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の選択酸化触媒の触媒作用によって、例えば８０〜１２０°Ｃの範囲の選択酸化処理温度の下で、変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化される。ちなみに、選択酸化処理部６における酸化反応は発熱反応である。また、上記選択酸化用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、選択酸化処理部６には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
【００４２】
そして、本生成装置Ｐにて生成された水素含有ガスは燃料ガスとして、燃料電池Ｇに供給される。燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、本生成装置Ｐから供給される燃料ガス中の水素と、ブロア（図示せず）から供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
【００４３】
また、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段Ｖが設けられ、水蒸気生成部Ｓには、燃焼器４から供給された改質処理温度以上の高温の燃焼排ガスと、調整弁１０（水供給量調整手段の一例）による供給量調整を伴って供給された水との熱交換を行ない、水蒸気を生成する熱交換器８が設けられている。また、水蒸気生成部Ｓには、熱交換器８に供給される水を予熱可能な電気ヒータ７が設けられている。そして、上記熱交換器８と電気ヒータ７とを、水蒸気生成部Ｓにおいて水を加熱する水蒸気生成部加熱手段９と呼ぶ。そして、上記電気ヒータ７への電力供給を断続したり、熱交換器８に供給される燃焼排ガスの熱量を調整することにより、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量が調整可能なように構成されている。
また、上記水蒸気生成量調整手段Ｖは、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を調整可能な水供給量調整手段としての調整弁１０と、上述のように入熱量を調整可能に構成された水蒸気生成部加熱手段９にて構成されている。
【００４４】
上記のように構成された本生成装置Ｐは、燃料電池Ｇの電力負荷に追従させて、水素含有ガス生成量を調整可能な水素含有ガス生成量調整手段２１を備えて構成されている。
即ち、制御部２０の水素含有ガス生成量調整手段２１は、燃料電池Ｇ側等から入力された電力負荷情報に基づいて、調整弁１１を働かせて脱硫処理部１への原燃料ガス供給量を調整し、本生成装置Ｐの水蒸気含有ガス生成量を燃料電池Ｇ側の電力負荷に追従するものに調整する。
さらに、水素含有ガス生成量調整手段２１は、このように脱硫処理部１への原燃料ガス供給量を調整するときに、その原燃料ガス供給量に基づいて、調整弁１０を働かせて水蒸気生成部Ｓに供給する水供給量を、その原燃料ガス供給量と水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量の比が所定のスチーム／カーボン比となるように調整する。
【００４５】
詳しくは、燃料電池Ｇ側の電力負荷が増加した場合には、水素含有ガス生成量調整手段２１は、脱硫処理部１への原燃料ガス供給量を増加させると共に、水蒸気生成部Ｓへ供給する水供給量を増加させて水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量を増加させ、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量を増加させて、燃料電池Ｇの出力を増加させる。
逆に、燃料電池Ｇ側の電力負荷が減少した場合には、水素含有ガス生成量調整手段２１は、脱硫処理部１への原燃料ガス供給量を減少させると共に、水蒸気生成部Ｓへ供給する水供給量を減少させて水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量を減少させ、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量を減少させて、燃料電池Ｇの出力を減少させる。
【００４６】
また、水素含有ガス生成量調整手段２１により原燃料ガス供給量を変化させた場合には、改質処理部３に処理負荷が変化するので、改質処理温度センサＴ３の検出結果に基づいて制御部２０により調整される調整弁１３，１４の開度は変化し、燃焼器４の燃料量も変化する。即ち、原燃料ガス供給量を増加させると、燃焼器４の燃焼量も増加し、逆に、原燃料ガス供給量が減少すると、燃焼器４の燃焼量も減少する。さらに、燃焼器４の燃焼量が変化した場合には、燃焼器４から排出される燃焼排ガスの熱量も変化するので、その燃焼排ガスが供給される水蒸気生成部加熱手段９への入熱量も変化する。
【００４７】
これまで説明してきた本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１における水素含有ガス生成量調整方法は、水素含有ガス生成量を増加させるときの制御手順に特徴を有し、その詳細な実施例について以下に説明する。
尚、図２，図３，図４，図５は、水素含有ガス生成量を増加させるときの、原燃料ガス供給量の増加状態（ａ）、水蒸気生成部Ｓへの水供給量の増加状態（ｂ）、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量の増加状態（ｃ）、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量の増加状態（ｄ）とを示す図であり、図中において右方向に向って時間が経過している。
【００４８】
〔実施例１〕
この実施例１においては、水素含有ガス生成量調整手段２１が、本生成装置Ｐが水素含有ガス生成量を増加させるために前記水素含有ガス生成量を増加させるに、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成され、更に、水素含有ガス生成量調整手段２１が、水蒸気生成量増加用処理を、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させるべく行うように構成されている。
【００４９】
上述のように水素含有ガス生成量調整手段２１が構成される場合の一例として、図２に示すように、水素含有ガス生成量調整手段２１が、調整弁１１により原燃料ガス供給量を増加させるに、その原燃料ガス供給量増加時点よりも所定の時間前に調整弁１０により水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させるように構成される場合について説明する。
このような場合には、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させる時点の水蒸気生成部加熱手段９への入熱量、即ち、燃焼器４から熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が、供給される水を加熱して水蒸気とするのに充分な量である場合には、図２（ｄ）に示すように、原燃料ガス供給量を増加させる時点では、既に水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が増加され、増加した原燃料ガスに対して充分な水蒸気を改質処理部３に供給することができる。
また、この場合、水蒸気生成部加熱手段９の入熱量は、燃焼器４の燃料量が増加して熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量を増加させることで増加するので、原燃料ガス供給量の増加した時点で増加することになる。
【００５０】
よって、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１は、水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させてから、所定の時間経過後に、原燃料ガス供給量を増加させることで、改質処理部３への水蒸気供給量不足による一酸化炭素生成量増加を抑制することができる。
一方、図２（ｂ）に破線で示すように、従来のように水供給量の増加を、原燃料ガス供給量を増加させる時点で行なった場合では、図２（ｄ）に破線で示すように、原燃料ガス供給量を増加させる時点から、水蒸気生成量が徐々に増加するので、改質処理部３において、一時的に原燃料ガス供給量増加時点では水蒸気量が不足して、一時的に一酸化炭素生成量が増加する。
そして、このような本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１においては、例えば、図７に示すように、従来のように原燃料ガス供給量増加と水供給量増加とを同時に増加させた場合（図７の比較例）と比較して、原燃料ガス供給量増加時点に対して３０秒前に水供給量を増加させた場合（図７の実施例１ａ）には、一酸化炭素生成量が増加する時間が半減し、さらに、原燃料ガス供給量増加時点に対して１分前に水供給量を増加させた場合（図７の実施例１ｂ）には、殆ど一酸化炭素は生成されないことが実験により確認された。
尚、図７は、定格負荷が４．２Ｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ）（天然ガス系都市ガス１３Ａ）の水素含有ガス生成装置において、負荷を５０％から１００％まで瞬時に増加させた場合に生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を計測した結果である。
【００５１】
〔実施例２〕
この実施例２においても、水素含有ガス生成量調整手段２１が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成され、更に、水素含有ガス生成量調整手段２１が、水蒸気生成量増加用処理を、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させるべく行うように構成されている。
【００５２】
上述のように水素含有ガス生成量調整手段２１が構成される場合の一例として、図３に示すように、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１が、調整弁１１により原燃料ガス供給量を増加させるに、その原燃料ガス供給量増加時点よりも所定の時間前に調整弁１０により水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させると共に、その水供給を増加させる時点よりも所定の時間前に、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させるように構成される場合について説明する。
このような場合には、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させる時点の水蒸気生成部加熱手段９への入熱量、即ち、熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が、供給される水を加熱して水蒸気とするのに充分な量でない場合に、図６（ａ）に示すように、水供給量を増加させる時点よりも所定の時間前から、燃焼器４の燃料量が増加して熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が図６（ｂ）に示すように増加する時点まで、電気ヒータ７をＯＮ状態として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量が、原燃料ガス供給量増加時点の所定の時間前に増加される。
つまり、水素含有ガス生成量調整手段Ｖが、前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させる処理、及び、調整弁１０により水蒸気生成部Ｐへの水供給量を増加させる処理を行うように構成されていることになる。
【００５３】
そして、この場合において、図３（ｄ）に示すように、水供給量を増加させる時点では、水蒸気生成部Ｓは、既に水供給量を増加させても充分な水蒸気を生成することができ、迅速に水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が増加され、さらに、原燃料ガスを増加させる時点では、既に水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が増加されており、増加した原燃料ガスに対して充分な水蒸気を改質処理部３に供給することができる。
【００５４】
よって、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１は、水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量と、水蒸気生成部Ｓへの水供給量と、原燃料ガス供給量とを所定の時間間隔を介して順に増加させることで、改質処理部３への水蒸気供給量不足による一酸化炭素生成量増加を抑制することができる。
【００５５】
また、原燃料ガス供給量を増加させる所定の時間前に、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量と水蒸気生成部Ｓへの水供給量とを同時に増加させても良く、この場合においても、原燃料ガス供給量を増加させる時点において、既に水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が増加されており、増加した原燃料ガスに対して充分な水蒸気を改質処理部３に供給することができる。
そして、このような本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１においては、例えば、図７に示すように、従来のように原燃料ガス供給量増加と水供給量増加とを同時に増加させた場合（図７の比較例）と比較して、原燃料ガス供給量増加時点に対して１０秒前に水供給量及び入熱量を増加させた場合（図７の実施例２ａ）には、ごく微量の一酸化炭素しか生成せず、さらに、原燃料ガス供給量増加時点に対して３０秒前に水供給量及び入熱量を増加させた場合（図７の実施例２ｂ）には、殆ど一酸化炭素は生成されないことが実験により確認された。
【００５６】
〔実施例３〕
この第３実施例においては、水素含有ガス生成量調整手段２１が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成されている。
【００５７】
上述のように水素含有ガス生成量調整手段２１が構成される場合の一例として、図４に示すように、本生成装置Ｐの水素含有ガス生成量調整手段２１が、調整弁１１により原燃料ガス供給量を増加させるに、調整弁１０により水蒸気生成部Ｓへの水供給量を原燃料ガス供給量増加時点と同時に増加させ、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を、上記実施例２と同様に、その原燃料ガス供給量増加時点よりも所定の時間前に増加させるように構成される場合について説明する。
【００５８】
このような場合には、実施例２と同様に、図６に示すように、その原燃料ガス供給量増加時点よりも所定の時間前の時点から、燃焼器４の燃料量が増加して熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が増加する時点まで、電気ヒータ７をＯＮ状態として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量が、原燃料ガス供給量増加時点の所定の時間前に増加される。
【００５９】
そして、この場合においても、図４（ｄ）に示すように、原燃料ガス供給量及び水供給量を増加させる時点では、水蒸気生成部加熱手段９は既に水供給量を増加させても充分な水蒸気を生成することができる状態となっており、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量が従来よりも短時間で増加される。
従って、原燃料ガス供給量の増加に対して、水蒸気生成部Ｓにおける水蒸気生成の増加が多少遅れるにしても、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量を従来よりも短時間で増加させることが可能となって、原燃料ガス供給量の増加に対する水蒸気生成の増加の遅れを極力小さくすることが可能となり、改質処理部３への水蒸気供給量不足による一酸化炭素生成量増加を抑制することができる。
【００６０】
〔実施例４〕
この実施例４においては、水素含有ガス生成量調整手段２１が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理、及び、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行うように構成されている。
【００６１】
上述のように水素含有ガス生成量調整手段２１が構成される場合の一例として、図５に示すように、水素含有ガス生成量調整手段２１が、調整弁１１により原燃料ガス供給量を所定の時間を要して所定の目標原燃料ガス供給量になるように漸増させ、その漸増開始と同時に、調整弁１０により水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させると共に、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させるように構成される場合について説明する。
【００６２】
即ち、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させる時点の水蒸気生成部加熱手段９への入熱量、即ち、熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が、供給される水を加熱して水蒸気とするのに充分な量でない場合には、原燃料ガス供給量の漸増開始時点から、原燃料ガス供給量の増加により、熱交換器８に供給される燃焼排ガス中の熱量が供給される水を加熱して水蒸気とするのに充分な量に増加する時点まで、電気ヒータ７をＯＮ状態として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量が増加されることになる。
【００６３】
そして、図５（ｂ），（ｄ）に示すように、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を増加させても、水蒸気生成部Ｓの水蒸気生成量は直ぐに所定の量に増加するのではなく漸増するのであるが、図５（ａ）に示すように、原燃料ガス供給量を漸増させるので、水蒸気生成部Ｓへの水供給量を原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時に増加させても、原燃料ガスに対する水蒸気の比率が低下しないため、改質処理部３への水蒸気供給量不足による一酸化炭素生成量増加を抑制することができる。
一方、図５（ｂ）に破線で示すように、従来のように水供給量の増加を、原燃料ガス供給量が目標原燃料ガス供給量に達した時点で行なった場合では、図５（ｄ）に破線で示すように、原燃料ガス供給量が目標原燃料ガス供給量に達した時点から、水蒸気生成量が徐々に増加するので、改質処理部３において、一時的に原燃料ガス供給量増加時点では水蒸気量が不足して、一時的に一酸化炭素生成量が増加する。
【００６４】
本生成装置Ｐには、脱硫処理部１からの脱硫原燃料ガスと改質処理部３からの高温の改質処理ガスとを熱交換させて、改質処理部３に供給される脱硫原燃料ガスを予熱する脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐと、改質処理部３からの高温の改質処理ガスと脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを熱交換させて原燃料ガスを予熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａとを設けてある。
又、変成処理部５から排出された変成処理ガスと、水蒸気生成部Ｓへ供給する原料水とを熱交換させて、原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器１７を設けてある。
【００６５】
起動時に、脱硫処理部１を脱硫処理可能なように加熱する脱硫処理部用ヒータ３２、変成処理部を変成処理可能なように加熱する２個の変成処理部用ヒータ３３を設けてあり、それらヒータ３２，３３は電気ヒータから成る。
【００６６】
更に、脱硫処理部１の温度を検出する脱硫処理温度センサＴ１、及び、選択酸化処理部６の温度を検出する選択酸化処理温度センサＴ５を設けてある。
【００６７】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 水素含有ガス生成量調整手段２１を、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成する場合において、水素含有ガス生成量調整手段Ｖを、前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させる処理、及び、調整弁１０により水蒸気生成部Ｐへの水供給量を増加させる処理を行うように構成するに当たっては、それら入熱量を増加させる処理及び水供給量を増加させる処理を行うタイミングは種々に変更可能である。
例えば、上記の実施例２において例示した如く、入熱量を増加させる処理を水供給量を増加させる処理よりも先に行ったり、入熱量を増加させる処理と水供給量を増加させる処理とを同時に行う他に、水供給量を増加させる処理を入熱量を増加させる処理よりも先に行っても良い。
【００６８】
（ロ） 水素含有ガス生成量調整手段２１を、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理、及び、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行うように構成する場合、上記の実施例４においては、水蒸気生成量増加用処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時に行う場合について例示したが、水蒸気生成量増加用処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点よりも前に行っても良い。
【００６９】
又、水蒸気生成量増加用処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時に行う場合、及び、水蒸気生成量増加用処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点よりも前に行う場合のいずれにおいても、前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させる処理、及び、調整弁１０により水蒸気生成部Ｐへの水供給量を増加させる処理の両方を行うように構成しても良いし、いずれか一方を行うように構成しても良い。
【００７０】
（ハ） 水素含有ガス生成量調整手段２１を、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、水蒸気生成部Ｐの水蒸気生成量を増加させるべく水蒸気生成量調整手段Ｖを作動させる水蒸気生成量増加用処理、及び、調整弁１１により改質処理部３への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行うように構成する場合に、前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させる処理、及び、調整弁１０により水蒸気生成部Ｐへの水供給量を増加させる処理の両方を行うように構成するに当たっては、それら入熱量を増加させる処理及び水供給量を増加させる処理を行うタイミングは種々に変更可能である。
例えば、水供給量を増加させる処理を原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時に行い、入熱量を増加させる処理を水供給量を増加させる処理よりも前に行うように構成しても良い。
【００７１】
（ニ） 前記水蒸気生成量増加用処理として、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を増加させることにより行う場合、水蒸気生成部加熱手段９への入熱量を調整するための具体構成としては、上記の実施形態において例示した如き電気ヒータ７をオンオフさせる構成に限定されるものではない。
例えば、電気ヒータ７への電力供給量を調整するように構成したり、熱交換器８への燃焼排ガスの供給量を調整するように構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素含有ガス生成装置の概略構成図
【図２】水素含有ガス生成量を増加させるときの各種状態を示す図
【図３】水素含有ガス生成量を増加させるときの各種状態を示す図
【図４】水素含有ガス生成量を増加させるときの各種状態を示す図
【図５】水素含有ガス生成量を増加させるときの各種状態を示す図
【図６】水蒸気生成部加熱手段の入熱量増加の状態を示す図
【図７】水素含有ガス生成量増加に伴って生成される一酸化炭素濃度を示すグラフ図
【符号の説明】
１ 脱硫処理部
３ 改質処理部
４ 燃焼器（改質処理部加熱手段）
５ 変成処理部
６ 選択酸化処理部
７ 電気ヒータ
８ 熱交換器
９ 水蒸気生成部加熱手段
１０ 調整弁（水供給量調整手段）
１１ 調整弁（原燃料ガス供給量調整手段）
２０ 制御部
２１ 水素含有ガス生成量調整手段
Ｐ 水素含有ガス生成装置
Ｓ 水蒸気生成部
Ｇ 燃料電池
Ｖ 水蒸気生成量調整手段
Claims (9)
- 水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部とを備えた水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行う水素含有ガス生成量調整方法。 - 前記水蒸気生成量増加用処理を、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように行う請求項１記載の水素含有ガス生成量調整方法。
- 水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部とを備えた水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、前記水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行う水素含有ガス生成量調整方法。 - 水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部とを備えた水素含有ガス生成装置において、前記水蒸気生成部での水蒸気生成量と前記改質処理部への原燃料ガス供給量とを調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整方法であって、
前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるための水蒸気生成量増加用処理を行う水素含有ガス生成量調整方法。 - 水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく前記水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成されている水素含有ガス生成装置。 - 前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水蒸気生成量増加用処理を、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させるときに、その増加に見合う量の水蒸気が生成されるように、前記水蒸気生成量調整手段を作動させるべく行うように構成されている請求項５に記載の水素含有ガス生成装置。
- 水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水蒸気生成量調整手段が、前記水蒸気生成部への水供給量を調整可能な水供給量調整手段と、入熱量を調整可能なように構成された前記水蒸気生成部加熱手段にて構成され、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を増加させる時点より前に、前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させる処理、及び、前記水供給量調整手段により前記水蒸気生成部への水供給量を増加させる処理の少なくとも一方を行うように構成されている水素含有ガス生成装置。 - 前記改質処理部加熱手段が、燃焼熱により前記改質処理部を加熱する燃焼器で構成され、
前記水蒸気生成部加熱手段が、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスとの熱交換により水を加熱する熱交換器と電気ヒータとで構成され、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記電気ヒータの出力を増加させて前記水蒸気生成部加熱手段への入熱量を増加させるように構成されている請求項７に記載の水素含有ガス生成装置。 - 水を水蒸気生成部加熱手段で加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部と、改質処理部加熱手段により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを前記水蒸気生成部で生成した水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を調整する水蒸気生成量調整手段と、前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整可能な原燃料ガス供給量調整手段と、前記水蒸気生成量調整手段により前記水蒸気生成部での水蒸気生成量を調整すると共に、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を調整して、前記改質処理部での水素含有ガス生成量を調整する水素含有ガス生成量調整手段とを備えた水素含有ガス生成装置であって、
前記水素含有ガス生成量調整手段が、前記水素含有ガス生成量を増加させるに、前記原燃料ガス供給量調整手段により前記改質処理部への原燃料ガス供給量を漸増させる原燃料ガス供給量漸増処理を行い、その原燃料ガス供給量の漸増開始時点と同時又はその漸増開始時点よりも前に、前記水蒸気生成部の水蒸気生成量を増加させるべく前記水蒸気生成量調整手段を作動させる水蒸気生成量増加用処理を行うように構成されている水素含有ガス生成装置。
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| JP2003212505A (ja) | 2003-07-30 |
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