JP5879552B2 - 水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、炭化水素化合物原料を原料として発電する燃料電池発電装置に関し、より詳細には原料中に含まれ、水素生成装置に有害なイオウ化合物を水添反応によって除去する水添脱硫器を有する水素生成装置に係るものである。
燃料電池発電装置は、燃料電池と、燃料電池に水素を含んだ燃料ガスを供給する水素生成装置と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力へ変換するインバーター回路、およびそれらを制御する制御装置などによって構成されている。水素生成装置に用いる水素生成器（改質器）にも幾つかの方式があるが、原料となる炭化水素化合物と水蒸気を高温で触媒反応させて水素を得る水蒸気改質方式が主流である。
なお、原料としては天然ガスからなる都市ガス又は、ＬＰガス、灯油、バイオガスなどが使用されるが、これらの中には付臭材として添加されたイオウ化合物、あるいは原料中に元々含まれていたイオウ化合物が混入している。これらのイオウ化合物は水素生成器に使用される触媒を被毒し、その活性を奪ってしまう。そのため、原料中のイオウ化合物は水素生成器へ供給される前に脱硫装置によって除去する必要がある。
脱硫装置としては現在、吸着脱硫方式と水添脱硫方式の２つの方式が用いられている。吸着脱硫方式とは、例えば特許文献１に示されているように、イオウ化合物を吸着する吸着剤を充填した充填層内に原料を通過させて脱硫するもので、取り扱いが非常に簡便であるという長所がある。しかしその反面、吸着容量が小さいため脱硫装置の交換頻度が高く価格が高くなってしまうという短所がある。
一方、水添脱硫方式は、例えば特許文献２に示されているように、原料に水素を加えて水添反応させることによりイオウ化合物を吸着されやすい硫化水素に変化させ、生成した硫化水素を吸着剤に吸着除去するもので、吸着容量が大きいため吸着剤の交換が不要であるという長所がある。しかしその一方、水添反応と吸着のために脱硫装置を２００℃程度以上〜３００℃程度以下の適温に昇温して維持しなければならないという短所がある。
特許文献２に開示されている水添脱硫器一体型円筒式水蒸気改質器では、同心状に間隔を置いて配置した第１筒体、第２筒体、」及び第３筒体からなる複数の円筒体と、第１筒体の径方向中心部分に配置されたバーナと、第１筒体と第２筒体により半径方向に区画された間隙に改質触媒を充填した改質触媒層を備え、第３筒体の外周のうち改質触媒層が位置する外周に断熱材層を配置し、当該断熱材層の外周に水添脱硫器を配置している。
そして、特許文献２に開示されている改質器では、断熱材の種類と、その厚さを適宜選択することにより、水添脱硫器の加熱温度を制御している。
特開２００３−０２０４８９号公報 特開２０１０−０５８９９５号公報
しかしながら、特許文献２に開示されている改質器では、環境温度の変化及び改質触媒等の触媒性能の経時的劣化により、水添脱硫器の温度が適温から外れてしまうおそれがあった。具体的に説明すると、例えば、環境温度が高くなると水添脱硫器から周囲環境への放熱量が減少してしまうため、水添脱硫器の温度が高温化し、適温から外れるおそれがあった。
また、経時的に改質触媒の性能は劣化するため、改質触媒が劣化すると、燃料電池が必要とする水素量を供給するためには、原料供給量を増やす必要がある。原料供給量を増やすと、水添脱硫器を加熱するための改質ガスの流通路を通流するガス（改質ガス及び原料等）の流量が増える。このため、水添脱硫器の温度が高温化し、適温から外れるおそれがあった。
水添脱硫器が高温化して、適温の約３００℃を越えてしまうと、中に充填された水添脱硫触媒が熱劣化してしまい、脱硫性能が著しく低下する。逆に、環境温度が低下し、水添脱硫器の温度が低温化してしまった場合も脱硫性能が著しく低下する。
水添脱硫器は、水素生成装置の内部に組み込まれているため、性能が低下したからといって水添脱硫器のみを交換することが容易にはできない。このため、水添脱硫器の性能が低下すると、水素生成装置全体を交換することが必要な場合があった。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、外乱及び経時的な変化によらず水添脱硫器の温度を適正温度範囲に維持することができる水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、炭化水素を含む原料を改質して改質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、前記原料又は前記改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、前記原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、前記空気供給器から前記燃焼器に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流し、前記水添脱硫器を冷却する冷却流路と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値を超えている場合に、前記第１温度閾値以下の場合に前記冷却流路に供給される空気の流量より、前記冷却流路に供給される空気の流量が大きくなるよう制御する。
これにより、水添脱硫器の適温以上への温度上昇を抑え、水添脱硫器の脱硫性能の低下を抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記水素生成装置と、該水素生成装置で生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える。
また、本発明に係る水素生成装置の運転方法は、炭化水素を含む原料を改質して改質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、前記原料又は前記改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、前記原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、前記空気供給器から前記燃焼器に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流し、前記水添脱硫器を冷却する冷却流路と、前記冷却流路に設けられ、該冷却流路を通流する空気の流量を調整する流量調整器と、を備える、水素生成装置の運転方法であって、前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値を超えているか否かを判定するステップ（ａ）と、前記ステップ（ａ）で前記第１温度閾値を超えていると判定すると、前記流量調整器は、前記冷却流路を通流する空気の流量を前記第１温度閾値以下の場合に前記冷却流路を通流する空気の流量より大きくするステップ（ｂ）と、を備える。
さらに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、炭化水素を含む原料を改質して改質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、前記原料又は前記改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、前記原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、前記空気供給器から前記燃焼器に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流し、前記水添脱硫器を冷却する冷却流路と、前記冷却流路に設けられ、該冷却流路を通流する空気の流量を調整する流量調整器と、を備える、水素生成装置と、前記水素生成装置で生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値を超えているか否かを判定するステップ（ａ）と、前記ステップ（ａ）で前記第１温度閾値を超えていると判定すると、前記流量調整器は、前記冷却流路を通流する空気の流量を前記第１温度閾値以下の場合に前記冷却流路を通流する空気の流量より大きくするステップ（ｂ）と、を備える。
本発明に係る水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法によれば、水添脱硫器の温度を適温に維持することができ、水添脱硫器の性能低下を抑制することができる。
図１は、本実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、本実施の形態１に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。 図３は、本実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成を示すブロック図である。 図４は、本実施の形態２に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。 図５は、本実施の形態２における変形例１の水素生成装置の概略構成を示すブロック図である。 図６は、本実施の形態２における変形例２の水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。 図７は、本実施の形態３に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。 図８（Ａは、本実施の形態４に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。 図８（Ｂ）は、本実施の形態４に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。 図９は、本実施の形態５に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図１０は、本実施の形態５に係る水素生成装置における水添脱硫器の温度の制御動作を実行したときの各種データの一例を示すグラフである。 図１１は、本実施の形態５に係る水素生成装置における水添脱硫器の温度の制御動作を実行したときの各種データの他の例を示すグラフである。 図１２は、本実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
本実施の形態１に係る水素生成装置は、炭化水素を含む原料を改質して改質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、原料又は改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器に空気を供給する空気供給器と、原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、水添脱硫器を加熱する加熱器と、水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、空気供給器から燃焼器に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流し、水添脱硫器を冷却する冷却流路と、制御器と、を備え、制御器は、脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値を超えている場合に、第１温度閾値以下の場合に冷却流路に供給される空気の流量より、冷却流路に供給される空気の流量が大きくなるよう制御する。
以下、本実施の形態１に係る水素生成装置の一例について、図１及び図２を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態１に係る水素生成装置の概略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１に係る水素生成装置１は、原料供給器２、水添脱硫器３、改質器９、燃焼器１０、空気供給器１３、第１温度検知器（脱硫温度検知器）２１、流量調整器２３、冷却流路２４、加熱器３０、及び制御器２９を備えている。また、水素生成装置１は、筐体３５を備えていて、筐体３５の内部には、改質器９、燃焼器１０、及び加熱器３０等が配置されている。また、筐体３５の外部には、水添脱硫器３が配置されている。なお、水素生成装置１の具体的な構成については、実施の形態５において説明する。
水添脱硫器３には、原料供給流路４を介して、原料供給器２が接続されている。原料供給流路４の上流端は、都市ガス（天然ガス）等のガスインフラに接続されていて、その下流端は、蒸発器６に接続されている。また、原料供給流路４の原料供給器２よりも上流側の途中には、水素含有ガス流路３１が接続されていて、改質器９で生成された水素含有ガスの一部が、原料とともに水添脱硫器３に供給される。
原料供給器２は、水添脱硫器３にその流量を調整しながら原料を供給するように構成されている。原料供給器２としては、例えば、流量調整弁単体で構成されていてもよく、また、ブースターポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。
原料としては、原料由来の硫黄分のほかに、漏洩検知の目的でサルファイド類、メルカプタン類等の硫黄化合物が付臭剤として添加されている、メタンを主成分とする都市ガス（天然ガス）又はＬＰガスを用いることができる。
水素含有ガス流路３１の途中には、流量調節器１９が設けられている。流量調節器１９は、水素含有ガス流路３１を通流する水素含有ガスの流量を調節することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、流量調整弁であってもよい。
水添脱硫器３は、原料中に含まれる硫黄化合物を硫化水素に変換する触媒と硫化水素を吸着する触媒を有している。また、水添脱硫器３の下部には、第１温度検知器２１が配置されている。第１温度検知器２１は、水添脱硫器３の温度を検知して、制御器２９に出力するように構成されている。第１温度検知器２１としては、サーミスタ等を用いてもよい。
また、水添脱硫器３近傍には、水添脱硫器３を加熱するための加熱器３０が配設されている。加熱器３０は、水添脱硫器３を加熱することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、ヒーターで構成されていてもよい。また、加熱器３０は、燃焼器１０で燃焼した燃焼排ガスの伝熱により、加熱するように構成されていてもよく、例えば、燃焼排ガス流路８で構成されていてもよく、燃焼排ガス流路８からの伝熱により加熱される、改質器９、改質ガス流路１５、変成器（図９参照）、又は選択酸化器（図９参照）等で構成されていてもよい。
なお、本実施の形態１においては、水添脱硫器３の下部の方が、その上部に比して、高温となるように、加熱器３０は水添脱硫器３を加熱するように構成されている。具体的には、加熱器３０の加熱により、水添脱硫器３の下部が２９０℃、水添脱硫器３の上部が２１０℃となるように、水添脱硫器３近傍には断熱材１７（図９参照）が配置されている。
さらに、水添脱硫器３には、蒸発器６を介して、改質器９が接続されている。また、蒸発器６には、水供給流路５を介して、水供給器３４が接続されている。水供給器３４としては、流量を調整しながら水を供給し、水の供給を遮断することができればどの様な構成であってもよく、例えば、流量調整弁単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。なお、改質器９に供給される水は、燃焼器１０で生成された燃焼排ガスの伝熱により加熱されて水蒸気として供給される。
改質器９は、改質触媒を有している。改質触媒としては、例えば、原料と水蒸気とから水素含有ガスを発生させる水蒸気改質反応を触媒することができれば、どの様な物質を使用してもよく、例えば、アルミナ等の触媒担体にルテニウム（Ｒｕ）を担持させたルテニウム系触媒又は同様の触媒担体にニッケル（Ｎｉ）を担持させたニッケル系触媒等を使用することができる。
そして、改質器９では、水添脱硫器３で脱硫された原料と水供給器３４から供給された水（水蒸気）との改質反応により、水素含有ガス（改質ガス）が生成される。生成された水素含有ガスは、改質ガス流路１５を介して、水素利用機器（例えば、燃料電池又は水素貯蔵タンク等）１２に供給される。
改質ガス流路１５の途中には、第１開閉弁３２が設けられていて、改質ガス流路１５の第１開閉弁３２よりも下流側の部分には、水素含有ガス流路３１の上流端が接続されている。また、改質ガス流路１５の第１開閉弁３２よりも上流側の部分には、バイパス流路１１を介して、燃焼器１０が接続されている。バイパス流路１１の途中には、第２開閉弁３３が設けられている。これにより、燃焼器１０には、改質器９で生成された水素含有ガスの一部が、燃焼用ガスとして、供給される。
燃焼器１０には、空気供給流路１４を介して、空気供給器１３が接続されている。空気供給器１３は、燃焼器１０に空気をその流量を調整しながら供給することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、ファン又はブロワ等のファン類で構成されていてもよい。
また、燃焼器１０には、燃焼排ガス流路８が接続されている。燃焼排ガス流路８は、改質器９に沿うように形成されている。そして、燃焼器１０では、燃焼用ガスと空気が燃焼して、燃焼排ガスが生成される。燃焼器１０で生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路８を通流する間に、改質器９を加熱して、水素生成装置１外に排出される。
空気供給流路１４の途中には、冷却流路２４が接続されている。冷却流路２４は、水添脱硫器３の下部近傍を通過するように構成されている。また、冷却流路２４の途中には、流量調整器２３が配設されている。流量調整器２３は、冷却流路２４を通流する空気の流量を調整するように構成されていて、開閉弁で構成されていてもよく、流量調整弁で構成されていてもよい。これにより、冷却流路２４を通流する空気が、水添脱硫器３の熱を奪うことで、水添脱硫器３を冷却することができる。
制御器２９は、水素生成装置１を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器２９は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部と、時計機能を有する計時部と、を備えている。そして、制御器２９は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む水素生成装置１に関する各種の制御を行う。
なお、制御器２９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水素生成装置１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２９は、マイクロコントロール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。
［水素生成装置の動作］
次に、本実施の形態１に係る水素生成装置１の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、水素生成装置１の水素生成動作は、一般的な水素生成装置の水素生成動作と同様に行われるため、その詳細な説明は省略する。以下においては、水添脱硫器３の温度の制御動作について、説明する。
図２は、本実施の形態１に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。
図２に示すように、制御器２９は、第１温度検知器２１から該第１温度検知器２１が検知した温度Ｔを取得する（ステップＳ１０１）。ついで、制御器２９は、ステップＳ１０１で取得した温度Ｔが、予め設定されている第１温度閾値Ｔ１を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ここで、第１温度閾値Ｔ１は、水添脱硫器３に含まれている水添脱硫触媒によって、任意に設定することができ、水添脱硫器３下部の設定温度である２９０℃であってもよい。
制御器２９は、温度Ｔが第１温度閾値Ｔ１以下である場合（ステップＳ１０２でＮｏ）には、ステップＳ１０１に戻り、温度Ｔが第１温度閾値Ｔ１を超えるまで、ステップＳ１０１とステップＳ１０２を繰り返す。
一方、制御器２９は、温度Ｔが第１温度閾値Ｔ１を超えている場合（ステップＳ１０２でＹｅｓ）には、流量調整器２３に冷却流路２４を通流する空気の流量を増加させ（ステップＳ１０３）、本プログラムを終了する。
［水素生成装置の作用効果］
このように構成された、本実施の形態１に係る水素生成装置１では、例えば、環境温度が高くなり、水添脱硫器３の温度が上昇した場合に、流量調整器２３が、冷却流路２４を通流する空気の流量を増加させることにより、水添脱硫器３を冷却することができる。
このため、水添脱硫器３の設定温度よりも温度が上昇して、水添脱硫器３の触媒劣化が生じることを抑制することができる。また、水添脱硫器３の温度を適温に維持することができ、水添脱硫器３の性能低下を抑制することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態２に係る水素生成装置は、加熱器が、燃焼器で燃焼した燃焼排ガスの伝熱により、水添脱硫器を加熱するように構成され、制御器は、脱硫温度検出器で検出される温度が第１温度閾値を超えている場合に、第１温度閾値以下の場合に燃焼器に供給される燃焼用ガスの流量より、燃焼器に供給される燃焼用ガスの流量が小さくなるよう制御する。
また、本実施の形態２に係る水素生成装置では、制御器は、脱硫温度検出器で検出される温度が第１温度閾値を超えている場合に、第１温度閾値以下の場合に燃焼器に供給される空気の流量より、燃焼器に供給される空気の流量が小さくなるよう制御してもよい。
以下、図３及び図４を参照しながら、本実施の形態２に係る水素生成装置の一例について、説明する。
［水素生成装置の構成］
図３は、本実施の形態２に係る水素生成装置の概略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２に係る水素生成装置１は、実施の形態１に係る水素生成装置１と基本的構成は同じであるが、加熱器３０が改質ガス流路１５で構成されている点が異なる。具体的には、水添脱硫器３と改質器９は、改質ガス流路１５を挟むように配設されている。
より詳しくは、改質ガス流路１５は、改質器９の下端から下方に延びて、そこから、改質器９に沿って上方に延びて、折り返すように形成されている。そして、改質ガス流路１５は、筐体３５を構成する隔壁を介して、水添脱硫器３に隣接している。
このため、燃焼器１０で生成された燃焼排ガスの伝熱により、改質器９が加熱され、改質器９で生成された水素含有ガスが、改質ガス流路１５を通流する間に、改質器９からの伝熱により加熱される。そして、改質ガス流路１５を通流する水素含有ガスからの伝熱により、水添脱硫器３が加熱される。
［水素生成装置の動作］
次に、本実施の形態２に係る水素生成装置１の動作について、図３及び図４を参照しながら説明する。
図４は、本実施の形態２に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。
図４に示すように、本実施の形態２に係る水素生成装置１における水添脱硫器３の温度の制御動作は、実施の形態１に係る水素生成装置１における水添脱硫器３の温度の制御動作のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３まで同じであるが、ステップＳ１０４以降の動作が異なる。
制御器２９は、ステップＳ１０３で流量調整器２３に冷却流路２４を通流する空気の流量を増加させた後、原料供給器２に原料の供給量を減少させる（ステップＳ１０４）。具体的には、制御器２９は、第１温度閾値Ｔ１以上であるときに、改質器９に供給する原料の供給量よりもその供給量が小さくなるように、原料供給器２を制御する。
これにより、改質器９で生成される水素含有ガス量が減少し、改質ガス流路１５を通流する水素含有ガスの流量が減少する。このため、水添脱硫器３への伝熱が減少して、水添脱硫器３の温度を低下させることができる。また、改質器９に供給する原料の供給量が減少するため、燃焼器１０に供給される燃焼用ガスとしての原料及び水素含有ガスが減少する。
次に、制御器２９は、空気供給器１３に空気の供給量を減少させ（ステップＳ１０５）、本プログラムを終了する。具体的には、制御器２９は、第１温度閾値Ｔ１以上であるときに、燃焼器１０に供給する空気の供給量よりもその供給量が小さくなるように、空気供給器１３を制御する。
これにより、燃焼器１０に供給される燃焼用ガスと空気の流量が減少するので、燃焼器１０で生成される燃焼排ガスの流量も減少する。このため、燃焼排ガスから改質器９及び改質ガス流路１５を介して水添脱硫器３に伝熱される熱量が減少し、水添脱硫器３の温度を低下させることができる。
このように構成された、本実施の形態２に係る水素生成装置１であっても、実施の形態１に係る水素生成装置１と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態２に係る水素生成装置１では、実施の形態１に係る水素生成装置１に比して、水添脱硫器３の温度をより低下することができ、より高温な環境下であっても、水添脱硫器３の温度を設定温度に保つことができる。
なお、本実施の形態２においては、原料供給器２及び空気供給器１３を制御して、原料及び空気の両方を減少させる形態を採用したが、これに限定されず、原料供給器２及び空気供給器１３のいずれか一方のみを制御して、原料及び空気のいずれか一方のみを減少させる形態を採用してもよい。
［変形例１］
次に、本実施の形態２に係る水素生成装置１の変形例について、説明する。
本実施の形態２における変形例１の水素生成装置１は、実施の形態１又は２に係る水素生成装置において、加熱器が、燃焼器で燃焼した燃焼排ガスの伝熱により、水添脱硫器を加熱するように構成され、燃焼器が、原料供給器から改質器を介して燃焼用ガスが供給され、及び／又は原料供給器から原料を燃焼用ガスとして供給されるように構成されている。
以下、図５を参照しながら、本実施の形態２における変形例１の水素生成装置の一例について説明する。
図５は、本実施の形態２における変形例１の水素生成装置の概略構成を示すブロック図である。
図５に示すように、本変形例１の水素生成装置１は、実施の形態２に係る水素生成装置１と基本的構成は同じであるが、燃焼器１０が、原料供給器２から改質器９を介して、原料又は水素含有ガスが燃焼用ガスとして供給されるだけでなく、原料供給器２から原料が第１原料供給流路３６を介して（改質器９を通過せずに）供給される点が異なる。
具体的には、原料供給流路４の途中には、第１原料供給流路３６の上流端が接続されていて、第１原料供給流路３６の下流端は、燃焼器１０に接続されている。そして、第１原料供給流路３６の途中には、第３弁３７が設けられている。第３弁３７は、第１原料供給流路３６を通流する原料の流量を調整するように構成されていて、開閉弁であってもよく、流量調整弁であってもよい。
このように構成された、本変形例１の水素生成装置１であっても、実施の形態２に係る水素生成装置１と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例１の水素生成装置１は、第１原料供給流路３６の下流端を燃焼器１０に接続する形態を採用したが、これに限定されず、第１原料供給流路３６の下流端をバイパス流路１１に接続する形態を採用してもよい。
［変形例２］
本実施の形態２における変形例２の水素生成装置は、実施の形態１及び２（変形例を含む）のいずれかの水素生成装置において、制御器が、脱硫温度検出器で検出される温度が第１温度閾値を超えている場合に、冷却流路に供給される空気の流量を増加させ、予め設定される第１所定時間経過後、脱硫温度検出器で検出される温度が第３温度閾値を超えているときには、燃焼器に供給される燃焼用ガス及び空気の流量が小さくなるよう制御する。
以下、図６を参照しながら、本実施の形態２における変形例２の水素生成装置の一例について説明する。なお、本変形例２の水素生成装置１の構成は、実施の形態２に係る水素生成装置１又は実施の形態２における変形例１の水素生成装置１と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
図６は、本実施の形態２における変形例２の水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。
図６に示すように、本変形例２の水素生成装置１における水添脱硫器３の温度の制御動作は、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３が、実施の形態１に係る水素生成装置１における水添脱硫器３の温度の制御動作のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同じであるが、ステップＳ２０４以降の動作が異なる。
ステップＳ２０４では、制御器２９は、ステップＳ２０３で流量調整器２３に冷却流路２４を通流する空気の流量を増加させた後、第１所定時間が経過したか否かを判定する。ここで、第１所定時間は、冷却流路２４を構成する配管の長さ及び冷却流路２４を通流する空気の流量等から任意に設定することができ、例えば、５分であってもよく、１０分であってもよい。
制御器２９は、第１所定時間が経過した後（ステップＳ２０４でＹｅｓ）、第１温度検知器２１から該第１温度検知器２１が検知した温度Ｔを取得する（ステップＳ２０５）。ついで、制御器２９は、ステップＳ２０５で取得した温度Ｔが、予め設定されている第３温度閾値Ｔ３を超えているか否かを判定する（ステップＳ２０６）。ここで、第３温度閾値Ｔ３は、任意に設定することができ、第１温度閾値Ｔ１と同じであってもよく、第１温度閾値Ｔ１よりも５℃低い温度であってもよく、第１温度閾値Ｔ１よりも１０℃低い温度であってもよい。
制御器２９は、温度Ｔが第３温度閾値Ｔ３以下である場合（ステップＳ２０６でＮｏ）には、ステップＳ２０５に戻り、温度Ｔが第３温度閾値Ｔ３を超えるまで、ステップＳ２０５とステップＳ２０６を繰り返す。
一方、制御器２９は、温度Ｔが第３温度閾値Ｔ３を超えている場合（ステップＳ２０６でＹｅｓ）には、原料供給器２に原料の供給量を減少させ（ステップＳ２０７）、空気供給器１３に空気の供給量を減少させ（ステップＳ２０８）、本プログラムを終了する。
（実施の形態３）
本実施の形態３に係る水素生成装置は、実施の形態１及び実施の形態２（変形例を含む）のいずれかの水素生成装置において、制御器は、脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値より低い第２温度閾値未満である場合に、第２温度閾値以上の場合に冷却流路に供給される空気の流量より、冷却流路に供給される空気の流量が小さくなるよう制御する。
以下、図７を参照しながら、本実施の形態３に係る水素生成装置の一例について、説明する。なお、本実施の形態３に係る水素生成装置１の構成は、実施の形態１又は２（変形例を含む）に係る水素生成装置１と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
図７は、本実施の形態３に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。
図７に示すように、本実施の形態３に係る水素生成装置１における水添脱硫器３の温度の制御動作は、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０３が、実施の形態１に係る水素生成装置１における水添脱硫器３の温度の制御動作のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同じであるが、ステップＳ３０４以降の動作が異なる。
ステップＳ３０４では、制御器２９は、第１温度検知器２１から該第１温度検知器２１が検知した温度Ｔを取得する。ついで、制御器２９は、ステップＳ３０４で取得した温度Ｔが、予め設定されている第２温度閾値Ｔ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ３０５）。ここで、第２温度閾値Ｔ２は、第１温度閾値Ｔ１より低い温度で、水添脱硫器３の設定温度の範囲内あれば、任意に設定することができ、例えば、２７０℃であってもよく、２１０℃であってもよい。
制御器２９は、温度Ｔが第２温度閾値Ｔ２以上である場合（ステップＳ３０５でＮｏ）には、ステップＳ３０４に戻り、温度Ｔが第２温度閾値Ｔ２未満になるまで、ステップＳ３０４とステップＳ３０５を繰り返す。
一方、制御器２９は、温度Ｔが第２温度閾値Ｔ２未満である場合（ステップＳ３０５でＹｅｓ）には、流量調整器２３に冷却流路２４を通流する空気の流量を減少させ（ステップＳ３０６）、ステップＳ３０１に戻る。
具体的には、ステップＳ３０６では、制御器２９は、第２温度閾値Ｔ２以上であるときに、冷却流路２４を通流する空気の流量よりもその流量が小さくなるように、流量調整器２３を制御する。例えば、制御器２９は、冷却流路２４を通流する空気の流量をステップＳ３０３で増加させる前の流量となるように、流量調整器２３を制御してもよい。
これにより、水添脱硫器３の温度が低くなり、水添脱硫器３の設定温度より低い温度になりかけても、流量調整器２３が、冷却流路２４を通流する空気の流量を減少させることにより、水添脱硫器３の冷却が抑制され、水添脱硫器３の温度を上昇させることができる。このため、本実施の形態３に係る水素生成装置１は、実施の形態１に係る水素生成装置１に比して、水添脱硫器３の温度を適温により維持することができる。
このように構成された、本実施の形態３に係る水素生成装置１であっても、実施の形態１に係る水素生成装置１と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態３に係る水素生成装置１では、流量調整器２３により、冷却流路２４を通流する空気の流量を増減することで、実施の形態１に係る水素生成装置１に比して、水添脱硫器３の温度を適温により維持することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態４に係る水素生成装置は、実施の形態１〜３（変形例を含む）のいずれかの水素生成装置において、制御器が、脱硫温度検出器で検出される温度が第２温度閾値未満である場合に、第２温度閾値以上の場合に燃焼器に供給される燃焼用ガスの流量より、燃焼器に供給される燃焼用ガスの流量が大きくなるよう制御する。
また、本実施の形態４に係る水素生成装置では、制御器が、脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値より低い第２温度閾値未満である場合に、第２温度閾値以上の場合に燃焼器に供給される空気の流量より、燃焼器に供給される空気の流量が大きくなるよう制御してもよい。
以下、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照しながら、本実施の形態４に係る水素生成装置の一例について、説明する。なお、本実施の形態４に係る水素生成装置１の構成は、実施の形態１又は２（変形例を含む）に係る水素生成装置１と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、本実施の形態４に係る水素生成装置の概略動作を示すフローチャートである。
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、本実施の形態４に係る水素生成装置１における水添脱硫器３の温度の制御動作は、ステップＳ４０１〜ステップＳ４０５が、実施の形態２に係る水素生成装置１における水添脱硫器３の温度の制御動作のステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同じであるが、ステップＳ４０６以降の動作が異なる。
ステップＳ４０６では、制御器２９は、第１温度検知器２１から該第１温度検知器２１が検知した温度Ｔを取得する。ついで、制御器２９は、ステップＳ４０６で取得した温度Ｔが、予め設定されている第２温度閾値Ｔ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ４０７）。
制御器２９は、温度Ｔが第２温度閾値Ｔ２以上である場合（ステップＳ４０７でＮｏ）には、ステップＳ４０６に戻り、温度Ｔが第２温度閾値Ｔ２未満になるまで、ステップＳ４０６とステップＳ４０７を繰り返す。
一方、制御器２９は、温度Ｔが第２温度閾値Ｔ２未満である場合（ステップＳ４０７でＹｅｓ）には、流量調整器２３に冷却流路２４を通流する空気の流量を減少させ（ステップＳ４０８）、原料供給器２に原料の供給量を増加させ（ステップＳ４０９）、空気供給器１３に空気の供給量を増加させ（ステップＳ４１０）、ステップＳ４０１に戻る。
具体的には、制御器２９は、ステップＳ４０８では、第２温度閾値Ｔ２以上であるときに、冷却流路２４を通流する空気の流量よりもその流量が小さくなるように、流量調整器２３を制御する。例えば、制御器２９は、冷却流路２４を通流する空気の流量をステップＳ４０３で増加させる前の流量となるように、流量調整器２３を制御してもよい。
また、制御器２９は、ステップＳ４０９では、第２温度閾値Ｔ２以上であるときに、改質器９を介して、及び／又は第１原料供給流路３６を介して、燃焼器１０に供給される燃焼用ガスの流量より大きくなるように、原料供給器２を制御する。例えば、制御器２９は、原料の供給量をステップＳ４０４で減少させる前の供給量となるように、原料供給器２を制御してもよい。
さらに、制御器２９は、ステップＳ４１０では、第２温度閾値Ｔ２以上であるときに、燃焼器１０に供給される空気の供給量より大きくなるように、空気供給器１３を制御する。例えば、制御器２９は、空気の供給量をステップＳ４０５で減少させる前の供給量となるように、空気供給器１３を制御してもよい。
これにより、水添脱硫器３の温度が低くなり、第２温度閾値Ｔ２未満となって、水添脱硫器３の設定温度より低い温度になりかけても、流量調整器２３が、冷却流路２４を通流する空気の流量を減少させることにより、水添脱硫器３の冷却が抑制され、水添脱硫器３の温度を上昇させることができる。
また、水添脱硫器３の温度が第２温度閾値Ｔ２未満となったときに、改質器９に供給する原料の供給量を増加させることにより、改質器９で生成される水素含有ガス量が増加し、改質ガス流路１５を通流する水素含有ガスの流量が増加する。このため、水添脱硫器３への伝熱が増加して、水添脱硫器３の温度を上昇させることができる。また、改質器９に供給する原料の供給量が増加するため、燃焼器１０に供給される燃焼用ガスとしての原料及び水素含有ガスが増加する。
さらに、水添脱硫器３の温度が第２温度閾値Ｔ２未満となったときに、燃焼器１０に供給される空気の供給量を増加させることにより、燃焼器１０に供給される燃焼用ガスと空気の流量が増加するので、燃焼器１０で生成される燃焼排ガスの流量も増加する。このため、燃焼排ガスから改質器９及び改質ガス流路１５を介して水添脱硫器３に伝熱される熱量が増加し、水添脱硫器３の温度を上昇させることができる。
このため、本実施の形態４に係る水素生成装置１は、実施の形態２に係る水素生成装置１に比して、水添脱硫器３の温度を適温により維持することができる。
このように構成された、本実施の形態４に係る水素生成装置１であっても、実施の形態１に係る水素生成装置２と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態４に係る水素生成装置１では、実施の形態２に係る水素生成装置１に比して、水添脱硫器３の温度を適温により維持することができる。
（実施の形態５）
本実施の形態５に係る水素生成装置は、実施の形態１〜４（変形例を含む）のいずれかの水素生成装置において、変成器及び選択酸化器をさらに備える。
以下、図９及び図１０を参照しながら、本実施の形態５に係る水素生成装置の一例について説明する。
［水素生成装置の構成］
図９は、本実施の形態５に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。
図９に示すように、本実施の形態５に係る水素生成装置１では、筐体３５は、段付円筒状に形成されていて、断熱材２０で覆われている。
また、筐体３５の内部には、該筐体３５の中心軸を共有する第１筒３８、第２筒３９、及び輻射筒４０が配置されている。輻射筒４０の内部には、燃焼器１０が配置されている。第２筒３９と輻射筒４０との間に形成された筒状の空間が、燃焼排ガス流路８を構成する。
燃焼器１０には、空気供給流路１４を介して、空気供給器１３が接続されている。また、空気供給流路１４の途中には、流路絞り器２７が設けられていて、該流路絞り器２７よりも下流側の空気供給流路１４には、断熱材２６が設けられている。なお、本実施の形態５においては、流路絞り器２７を設ける形態を採用したが、これに限定されず、流路絞り器２７は設けない形態を採用してもよい。
第１筒３８と第２筒３９との間に形成された筒状空間の上部が、蒸発器６を構成する。蒸発器６には、原料供給流路４及び水供給流路５が接続されている。また、蒸発器６には、第２筒３９の外表面にらせん状に巻回されたらせん棒７が設けられている。これにより、蒸発器６に供給された原料及び水がらせん状に通流する。
また、第１筒３８と第２筒３９との間に形成された筒状空間の下部には、改質触媒が充填されていて、改質器９を構成する。改質器９には、該改質器９の温度を検知するための改質温度センサー２８が設けられている。制御器２９は、改質温度センサー２８で検知した温度と、改質器９に供給される原料の供給量から、改質器９で生成される水素量を算出することができる。
また、第１筒３８の下端と筐体３５の底面との間には、間隙が設けられていて、第１筒３８と第２筒３９との間に形成された筒状空間における改質器９の下端と筐体３５の底面との間の空間と、筐体３５と第１筒３８の間の筒状空間が、改質ガス流路１５を構成する。また、筐体３５と第１筒３８の間の筒状空間のうち、筐体３５の段部によって構成される部分には、変成器１６及びＣＯ除去器１８が設けられている。
変成器１６は、水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減するＣｕ−Ｚｎ系触媒を有している。また、ＣＯ除去器１８は、水素含有ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減するＲｕ系触媒を有している。変成器１６とＣＯ除去器１８の間には、空間が設けられていて、当該空間には、選択酸化反応に用いる酸素（空気）を供給するための空気供給器（図示せず）が、空気供給経路４５を介して接続されている。これにより、空気供給器から空気供給経路４５を介して供給された空気が水素含有ガスと混合されて、ＣＯ除去器１８に供給される。そして、ＣＯ除去器１８で一酸化炭素を低減された水素含有ガス（燃料ガス）は、水素利用機器（燃料電池）１２に供給される。
なお、本実施の形態５においては、ＣＯ除去器１８は、選択酸化反応により一酸化炭素を低減したが、これに限定されず、水素含有ガス中の一酸化炭素をメタン化反応により低減してもよい。この場合、酸素は不要となるため、空気供給器及び空気供給経路４５を設けなくてもよい。
筐体３５の段部の下部には、断熱材１７を介して、水添脱硫器３が設けられている。水添脱硫器３の下部には、該水添脱硫器３の下部の温度を検知するための第１温度検知器２１が設けられている。また、水添脱硫器３の上部には、該水添脱硫器３の上部の温度を検知するための第２温度検知器２２が設けられている。
水添脱硫器３の下端部には、該下端部と隣接するように、冷却流路２４が配設されている。冷却流路２４は、その一部が断熱材２０で覆われている。また、冷却流路２４の水添脱硫器３と隣接する部分よりも下流側の部分は、断熱材２６で覆われている。なお、断熱材１７、断熱材２０、及び断熱材２６としては、例えば、シリカ、チタニア、及びアルミナ、もしくはこれらの混合物を含む断熱材又はグラスウールを含む断熱材等が例示される。
［水素生成装置の動作］
次に、本実施の形態５に係る水素生成装置の動作を図８（Ａ）〜図１１を参照しながら、説明する。
図１０は、本実施の形態５に係る水素生成装置における水添脱硫器の温度の制御動作を実行したときの各種データの一例を示すグラフである。なお、図１０は、上記実施の形態４で説明した図８（Ａ）及び図８（Ｂ）のフローで水添脱硫器３の温度を制御した結果を示す。
図１０に示すように、第１温度検知器２１が第１温度閾値Ｔ１（ここでは、２９０℃）を超える温度を検知すると、流量調整器２３が冷却流路２４に空気（燃焼空気）を通流させ、原料供給器２が原料の供給量を減少させ、空気供給器１３が空気の流量を減少させる。
これにより、空気（燃焼空気）が冷却流路２４を通流する間に、水添脱硫器３を冷却する。また、原料の供給量が減少するため、改質器９で生成される水素量が減少する。さらに、燃焼器１０に供給される燃焼用ガス及び空気が減少するので、燃焼器１０での燃焼排ガスの流量も減少し、水添脱硫器３の加熱量が減少する。このため、水添脱硫器３が冷却される。なお、冷却流路２４を通流して水添脱硫器３を冷却した空気（燃焼空気）の温度は上昇する。
そして、第１温度検知器２１が第２温度閾値Ｔ２（ここでは、２７０℃）未満の温度を検知すると、流量調整器２３は冷却流路２４への空気の通流を停止し、原料供給器２は、原料の供給量を元に戻りし、空気供給器１３は、空気の流量を元に戻す。
これにより、冷却流路２４内を空気（燃焼空気）が通流できなくなり、水添脱硫器３の温度が上昇する。また、原料の供給量が増加するため、改質器９で生成される水素量が増加する。さらに、燃焼器１０に供給される燃焼用ガス及び空気が増加するので、燃焼器１０での燃焼排ガスの流量も増加し、水添脱硫器３の加熱量が増加する。このため、水添脱硫器３の温度が上昇する。
このように、流量調整器２３、原料供給器２、及び空気供給器１３が、それぞれ、冷却流路２４を通流する空気、原料、及び燃焼器１０に供給する空気の供給量を増減させることで、水添脱硫器３の温度を適温に維持することができる。
図１１は、本実施の形態５に係る水素生成装置における水添脱硫器の温度の制御動作を実行したときの各種データの他の例を示すグラフである。なお、図１１は、上記実施の形態４で説明した図８（Ａ）及び図８（Ｂ）のフローで水添脱硫器３の温度を制御した結果を示す。
図１１に示す例では、水素生成装置１は定常運転しており、脱硫温度検知器として、第１温度検知器２１及び第２温度検知器２２を用いている。また、図１１に示す例では、改質器９の改質触媒が経時劣化し、原料供給器２が改質触媒の劣化前よりも改質器９へ供給する原料の供給量を増加させるように制御され、流量調整器２３が冷却流路２４に少量の空気が通流するように制御されている。
図１１に示すように、第２温度検知器２２が第２温度閾値Ｔ２（ここでは、２１０℃）未満の温度を検知すると、流量調整器２３は冷却流路２４への空気の通流を停止し、原料供給器２は、原料の供給量を増加させ、空気供給器１３は、空気の流量を増加させる。
これにより、冷却流路２４内を空気（燃焼空気）が通流できなくなり、水添脱硫器３の温度が上昇する。また、原料の供給量が増加するため、改質器９で生成される水素量が増加する。さらに、燃焼器１０に供給される燃焼用ガス及び空気が増加するので、燃焼器１０での燃焼排ガスの流量も増加し、水添脱硫器３の加熱量が増加する。このため、水添脱硫器３の温度が上昇する。
そして、水添脱硫器３の温度が、所定の温度になると、流量調整器２３は、冷却流路２４に少量の空気を通流させ、原料供給器２は、原料の供給量を元に戻りし、空気供給器１３は、空気の流量を元に戻す。
一方、第１温度検知器２１が第１温度閾値Ｔ１（ここでは、２９０℃）を超える温度を検知すると、流量調整器２３が冷却流路２４に通流する空気（燃焼空気）の流量を増大させ、原料供給器２が原料の供給量を減少させ、空気供給器１３が空気の流量を減少させる。
これにより、空気（燃焼空気）が冷却流路２４を通流する間に、水添脱硫器３を冷却する。また、原料の供給量が減少するため、改質器９で生成される水素量が減少する。さらに、燃焼器１０に供給される燃焼用ガス及び空気が減少するので、燃焼器１０での燃焼排ガスの流量も減少し、水添脱硫器３の加熱量が減少する。このため、水添脱硫器３が冷却される。
以上のように、流量調整器２３、原料供給器２、及び空気供給器１３が、それぞれ、冷却流路２４を通流する空気、原料、及び燃焼器１０に供給する空気の供給量を増減させることで、水添脱硫器３の温度を適温に維持することができる。
このように構成された、本実施の形態５に係る水素生成装置１であっても、実施の形態１〜４（変形例を含む）のいずれかの水素生成装置１と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態６）
本実施の形態６に係る燃料電池システムは、実施の形態１〜５（変形例を含む）のいずれかの水素生成装置と、燃料電池と、を備える。
以下、図１２を参照しながら、本実施の形態６に係る燃料電池システムの一例について説明する。
［燃料電池システムの構成］
図１２は、本実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
図１２に示すように、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１、酸化剤ガス供給器４２、及び燃料電池１２を備えていて、水素生成装置１の制御器２９が、水素生成装置１を構成する各機器だけでなく、燃料電池システム１００を構成する各機器を制御するように構成されている。
燃料電池１２は、アノードとカソードを有している（いずれも図示せず）。なお、燃料電池１２の構成は、一般的な燃料電池と同様であるため、その詳細な説明は、省略する。また、燃料電池１２としては、高分子電解質形燃料電池又はリン酸形燃料電池等の各燃料電池を使用することができる。
燃料電池１２には、改質ガス流路１５を介して、水素生成装置１が接続されている。また、燃料電池１２には、オフ燃料ガス流路４１を介して、燃焼器１０が接続されている。改質ガス流路１５の第１開閉弁３２よりも上流側の部分には、バイパス流路１１の上流端が接続されていて、バイパス流路１１の下流端は、オフ燃料ガス流路４１に接続されている。
これにより、水素生成装置１で生成された水素含有ガス（燃料ガス）が、改質ガス流路１５を介して、燃料電池１２のアノードに供給される。また、アノードで使用されなかった燃料ガスが、オフ燃料ガス流路４１を通流して、燃焼用ガスとして、燃焼器１０に供給される。
また、燃料電池１２には、酸化剤ガス供給流路４３を介して、酸化剤ガス供給器４２が接続されている。酸化剤ガス供給器４２は、燃料電池１２のカソードに酸化剤ガス（空気）の流量を調整して供給することができればどのような形態であってもよく、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類、ダイヤフラム式空気ポンプ等を用いることができる。
そして、燃料電池１２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酸化剤ガスが電気化学的に反応して、電気が発生する。なお、カソードで使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路４４を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
また、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、水素生成装置１の改質器９に改質温度センサー２８が設けられていて、制御器２９は、改質温度センサー２８が検知した改質器９の温度と、改質器９に供給される原料の供給量から、改質器９で生成される水素量を算出する。
そして、制御器２９は、水添脱硫器３の温度制御を実行するときに、原料供給器２からの原料の供給量を減少させる場合に、改質器９で生成される水素量が、燃料電池１２の出力に応じて必要な水素量より低くならないように、原料供給器２及び／又は空気供給器１３を制御する。これにより、燃料電池システム１００の発電運転を停止させることなく、水添脱硫器３の温度制御を実行することができる。
このように構成された本実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る水素生成装置１を備えているため、実施の形態１に係る水素生成装置１と同様の作用効果を奏する。
なお、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１に係る水素生成装置を備える形態としたが、これに限定されず、実施の形態１〜５（変形例を含む）に係る水素生成装置のいずれかの水素生成装置を備える形態としてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明に係る水素生成装置、それを備える燃料電池システム、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムの運転方法は、水添脱硫器の温度を適温に維持することができ、水添脱硫器の性能低下を抑制することができるため、燃料電池の分野で有用である。
１ 水素生成装置
２ 原料供給器
３ 水添脱硫器
４ 原料供給流路
５ 水供給流路
６ 蒸発器
７ らせん棒
８ 燃焼排ガス流路
９ 改質器
１０ 燃焼器
１１ バイパス流路
１２ 燃料電池
１３ 空気供給器
１４ 空気供給流路
１５ 改質ガス流路
１６ 変成器
１７ 断熱材
１８ ＣＯ除去器
１９ 流量調節器
２０ 断熱材
２１ 第１温度検知器
２２ 第２温度検知器
２３ 流量調整器
２４ 冷却流路
２６ 断熱材
２７ 流路絞り器
２８ 改質温度センサー
２９ 制御器
３０ 加熱器
３１ 水素含有ガス流路
３２ 第１開閉弁
３３ 第２開閉弁
３４ 水供給器
３５ 筐体
３６ 第１原料供給流路
３７ 第３弁
３８ 第１筒
３９ 第２筒
４０ 輻射筒
４１ オフ燃料ガス流路
４２ 酸化剤ガス供給器
４３ 酸化剤ガス供給流路
４４ 酸化剤ガス排出流路
４５ 空気供給経路
１００ 燃料電池システム

Claims (14)

  1. 炭化水素を含む原料を改質して改質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、
    前記原料又は前記改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、
    前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
    前記原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、
    前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、
    前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、
    前記空気供給器から前記燃焼器に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流し、前記水添脱硫器を冷却する冷却流路と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器は、前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値を超えている場合に、前記第１温度閾値以下の場合に前記冷却流路に供給される空気の流量より、前記冷却流路に供給される空気の流量が大きくなるよう制御する、水素生成装置。
  2. 前記加熱器は、前記燃焼器で燃焼した燃焼排ガスの伝熱により、前記水添脱硫器を加熱するように構成され、
    前記制御器は、前記脱硫温度検出器で検出される温度が前記第１温度閾値を超えている場合に、前記第１温度閾値以下の場合に前記燃焼器に供給される燃焼用ガスの流量より、前記燃焼器に供給される燃焼用ガスの流量が小さくなるよう制御する、請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 前記制御器は、前記脱硫温度検出器で検出される温度が前記第１温度閾値を超えている場合に、前記第１温度閾値以下の場合に前記燃焼器に供給される空気の流量より、前記燃焼器に供給される空気の流量が小さくなるよう制御する、請求項２に記載の水素生成装置。
  4. 前記制御器は、前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された前記第１温度閾値より低い第２温度閾値未満である場合に、前記第２温度閾値以上の場合に前記冷却流路に供給される空気の流量より、前記冷却流路に供給される空気の流量が小さくなるよう制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
  5. 前記制御器は、前記脱硫温度検出器で検出される温度が前記第２温度閾値未満である場合に、前記第２温度閾値以上の場合に前記燃焼器に供給される燃焼用ガスの流量より、前記燃焼器に供給される燃焼用ガスの流量が大きくなるよう制御する、請求項４に記載の水素生成装置。
  6. 前記制御器は、前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された前記第１温度閾値より低い第２温度閾値未満である場合に、前記第２温度閾値以上の場合に前記燃焼器に供給される空気の流量より、前記燃焼器に供給される空気の流量が大きくなるよう制御する、請求項５に記載の水素生成装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素生成装置と、
    前記水素生成装置で生成された改質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。
  8. 炭化水素を含む原料を改質して改質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、
    前記原料又は前記改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、
    前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、
    前記原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、
    前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、
    前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、
    前記空気供給器から前記燃焼器に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流し、前記水添脱硫器を冷却する冷却流路と、
    前記冷却流路に設けられ、該冷却流路を通流する空気の流量を調整する流量調整器と、を備える、水素生成装置の運転方法であって、
    前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値を超えているか否かを判定するステップ（ａ）と、
    前記ステップ（ａ）で前記第１温度閾値を超えていると判定すると、前記流量調整器は、前記冷却流路を通流する空気の流量を前記第１温度閾値以下の場合に前記冷却流路を通流する空気の流量より大きくするステップ（ｂ）と、を備える、水素生成装置の運転方法。
  9. 前記加熱器は、前記燃焼器で燃焼した燃焼排ガスの伝熱により、前記水添脱硫器を加熱するように構成され、
    前記燃焼器は、前記原料供給器から前記改質器を介して前記燃焼用ガスが供給され、及び／又は前記原料供給器から前記原料を前記燃焼用ガスとして供給されるように構成され、
    前記ステップ（ａ）で前記第１温度閾値を超えていると判定すると、前記原料供給器は、前記原料の供給量を前記第１温度閾値以下の場合に供給する前記原料の供給量よりも小さくするステップ（ｃ）をさらに備える、請求項８に記載の水素生成装置の運転方法。
  10. 前記ステップ（ａ）で前記第１温度閾値を超えていると判定すると、前記空気供給器は、前記燃焼器に供給する前記空気の供給量を前記第１温度閾値以下の場合に前記燃焼器に供給する前記空気の供給量より小さくするステップ（ｄ）をさらに備える、請求項９に記載の水素生成装置の運転方法。
  11. 前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された前記第１温度閾値より低い第２温度閾値未満であるか否かを判定するステップ（ｅ）と、
    前記ステップ（ｅ）で、前記第２温度閾値未満であると判定すると、前記流量調整器は、前記冷却流路に供給される空気の流量を前記第２温度閾値以上の場合に前記冷却流路に供給する空気の流量より小さくするステップ（ｆ）と、をさらに備える、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の水素生成装置の運転方法。
  12. 前記ステップ（ｅ）で、前記第２温度閾値未満であると判定すると、前記原料供給器は、前記原料の供給量を前記第２温度閾値以上の場合に供給する前記原料の供給量より大きくするステップ（ｇ）をさらに備える、請求項１１に記載の水素生成装置の運転方法。
  13. 前記ステップ（ｅ）で、前記第２温度閾値未満であると判定すると、前記空気供給器は、前記燃焼器に供給する前記空気の供給量を前記第２温度閾値以上の場合に前記燃焼器に供給する空気の流量より大きくする、請求項１２に記載の水素生成装置の運転方法。
  14. 炭化水素を含む原料を改質して改質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、前記原料又は前記改質ガスである燃焼用ガスと空気とを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に空気を供給する空気供給器と、前記原料中の硫黄分を水素添加により除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器を加熱する加熱器と、前記水添脱硫器の温度を検出する脱硫温度検出器と、前記空気供給器から前記燃焼器に供給される空気のうちの少なくとも一部が通流し、前記水添脱硫器を冷却する冷却流路と、前記冷却流路に設けられ、該冷却流路を通流する空気の流量を調整する流量調整器と、を備える、水素生成装置と、
    前記水素生成装置で生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
    前記脱硫温度検出器で検出される温度が予め設定された第１温度閾値を超えているか否かを判定するステップ（ａ）と、
    前記ステップ（ａ）で前記第１温度閾値を超えていると判定すると、前記流量調整器は、前記冷却流路を通流する空気の流量を前記第１温度閾値以下の場合に前記冷却流路を通流する空気の流量より大きくするステップ（ｂ）と、を備える、燃料電池システムの運転方法。
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