JP5991631B2 - 水素生成装置およびその運転方法、ならびに燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、水素生成装置およびその運転方法、ならびに燃料電池システムに関し、特に、炭化水素系原料ガスを水で改質反応させて水素含有ガスを生成する水素生成装置、ならびに、水素生成装置と水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備えた燃料電池システム、およびその運転方法に関する。
従来、水素生成装置は、改質器に供給された炭化水素系原料ガスを改質水で改質反応することにより水素含有ガスを生成している。この水素含有ガスは微量の一酸化炭素を含むことから、一酸化炭素を除去するために変成器および選択酸化器などの一酸化炭素除去器に水素含有ガスを供給している。変成器では一酸化炭素が水と反応し、選択酸化器では一酸化炭素が酸素と反応することにより、水素含有ガスから一酸化炭素が取り除かれる。そして、一酸化炭素が除去された水素含有ガスは、たとえば、燃料電池システムに供給され、燃料電池の発電に利用される。この発電に利用されなかった水素含有ガスと、改質器で改質反応されなかった原料ガスとが可燃性ガスとして燃焼器に供給されて、ここで可燃性ガスが酸素で燃焼することにより、近傍に位置する改質器が適温に加熱されている。
このような水素生成装置において改質器に供給される改質水および原料ガスの量は、改質水と炭化水素系原料ガス中の炭素とのモル比（以下、適宜「Ｓ／Ｃ」と記す）が所定値（たとえば、Ｓ／Ｃ＝３）になるように制御されている。しかし、原料ガスの組成が変化すると、Ｓ／Ｃが所定値からずれるため、水素生成装置および燃料電池の耐久性や効率に問題が生じる。この問題に対して、たとえば、特許文献１に水素製造プラント制御装置では、原料ガスの体積流量と質量流量との比に基づいて原料ガスの平均分子量を演算し、この平均分子量と原料ガスの質量流量とに基づいて水蒸気または原料ガスの流量を制御している。
特開２００４−５９３３７号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術では、原料ガスの組成変化に応じて改質器に供給される水蒸気または原料ガスの流量が制御されているが、選択酸化器や燃焼器に供給される酸素の量は制御されていないため、水素生成装置の性能や燃料電池システムの耐久性や効率における課題が依然残る。
たとえば、原料ガスの炭化水素ガスの成分が変化し、１モルの原料ガスに含まれる炭素原子のモル数が増えると、水素含有ガス中の一酸化炭素の濃度が増える。これに対し、選択酸化器に供給される酸素の量が変化しなければ、選択酸化器における一酸化炭素の量に対して酸素の量が不足し、一酸化炭素が十分に除去されずに水素含有ガス中に残る。これにより、一酸化炭素が残る水素含有ガスが供給された燃料電池では、一酸化炭素により触媒の活性が低下し、燃料電池の耐久性および発電効率が低下する。
また、１モルの原料ガスに含まれる炭素原子のモル数が減ると、燃焼器における燃焼熱が減少し、燃焼器の燃焼熱で加熱される改質器の温度が低くなる。よって、改質器において改質される原料ガスの割合が減り、水素含有ガスの生成量が減少し、水素生成装置および燃料電池の効率が低下する。一方、１モルの原料ガスに含まれる炭素原子のモル数が増えると、可燃性ガスの燃焼に対して酸素の量が足りなくなり、可燃性ガスが完全燃焼せずに、一酸化炭素が発生してしまう。また、可燃性ガスが燃焼されずに排出される量が増え、水素生成装置の効率が低下する。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、効率および耐久性が更に向上した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している。
本発明のある態様に係る水素生成装置は、原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガスを供給する原料供給器と、前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、前記原料ガスの体積流量を計測する体積流量計測器と、前記改質水を供給する水供給器と、前記原料ガスおよび前記水素含有ガスのうちの少なくとも一方の可燃性ガスを空気で燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、前記空気を供給する燃焼空気供給器と、前記水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化剤ガスで酸化する酸化器と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記原料ガスの質量流量と前記原料ガスの体積流量との第２比率に基づいて、前記燃焼空気供給器による前記空気の供給量および前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給量の少なくともいずれか一方を制御するように構成されている。
本発明は、以上に説明した構成を有し、従来技術に比べて効率および耐久性が更に向上した水素生成装置および燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成を示す図である。 図１の水素生成装置における燃焼空気供給器を制御器が制御する一例を示すフローチャートである。 図１の水素生成装置における水供給器を制御器が制御する一例を示すフローチャートである 図１の水素生成装置における酸化剤ガス供給器を制御器が制御する一例を示すフローチャートである 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図５の燃料電池システムにおける原料供給器が制御する一例を示すフローチャートである 図５の燃料電池システムにおける水供給器、燃焼空気供給器および酸化剤ガス供給器が制御する一例を示すフローチャートである
第１の本発明に係る水素生成装置は、原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガスを供給する原料供給器と、前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、前記原料ガスの体積流量を計測する体積流量計測器と、前記改質水を供給する水供給器と、前記原料ガスおよび前記水素含有ガスのうちの少なくとも一方の可燃性ガスを空気で燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、前記空気を供給する燃焼空気供給器と、前記水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化剤ガスで酸化する酸化器と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記原料ガスの質量流量と前記原料ガスの体積流量との第２比率に基づいて、前記燃焼空気供給器による前記空気の供給量および前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給量の少なくともいずれか一方を制御するように構成されている。
第２の本発明に係る水素生成装置は、第１の発明において、前記改質器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、前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、前記第２比率に基づいて前記空気の供給量および前記酸化剤ガスの供給量の少なくともいずれか一方を制御するように構成されていてもよい。
第３の本発明に係る水素生成装置は、第２の発明において、前記制御器は、前記水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、前記第２比率に基づいて前記空気の供給量および前記酸化剤ガスの供給量の少なくともいずれか一方の量を変更するように構成されていてもよい。
第４の本発明に係る水素生成装置は、第１〜第３のいずれかの発明において、前記制御器は、前記第２比率が変化したときに、前記原料供給器による前記原料ガスの供給量および前記水供給器による前記改質水の供給量のいずれか一方の量に基づいて他方の量を変更するように構成されていてもよい。
第５の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第４の発明のうちのいずれかの水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えていてもよい。
第６の本発明に係る燃料電池システムは、第５の発明において、前記改質器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、前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、前記燃料電池が所定電力を発電する前の起動工程で、前記水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、前記第２比率に基づいて前記空気の供給量および前記酸化剤ガスの供給量の少なくともいずれか一方を制御するように構成されていてもよい。
第７の本発明に係る燃料電池システムは、第５または第６の発明において、前記改質器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、前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、前記燃料電池が所定電力を発電している発電工程で、第２所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、前記第２比率に基づいて前記空気の供給量および前記酸化剤ガスの供給量の少なくともいずれか一方を制御するように構成されていてもよい。
第８の本発明に係る燃料電池システムは、第７の発明において、前記制御器は、前記第２比率が第３所定量以上変化したときに、前記発電電力を前記所定電力にし、前記発電電力が前記所定電力になってから前記第２所定時間経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、前記第２比率に基づいて空気の供給量および酸化剤ガスの供給量の少なくともいずれか一方を制御するように構成されていてもよい。
第９の本発明に係る燃料電池システムは、第５〜第８のいずれかの発明において、前記改質器の温度を検知する温度検知器と、前記燃料電池で消費される水素の量を算出する消費水素量算出器と、をさらに備え、前記制御器は、前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、前記水素の量および前記第２比率に基づいて前記第１所定量を変更するように構成されていてもよい。
第１０の本発明に係る水素生成装置の運転方法は、改質器にて、原料ガスおよび水の改質反応により水素含有ガスを生成し、燃焼器にて、前記原料ガスおよび前記水素含有ガスのうち少なくとも一方を空気で燃焼させて前記改質器を加熱し、酸化器にて、前記水素含油ガス中の一酸化炭素を酸化剤ガスで反応させて除去し、前記原料ガスの質量流量と前記原料ガスの体積流量との第２比率に基づいて、前記燃焼器への前記空気の供給量および前記酸化器への前記酸化剤ガスの供給量のうち少なくともいずれか一方を制御する。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
（水素生成装置の構成）
図１は、水素生成装置１の構成を示すブロック図である。水素生成装置１は、水素含有ガスを生成する装置であって、図１に示すように、改質器７を含む。改質器７は、改質触媒（図示せず）を含み、改質触媒下において原料ガスを水（以下、「改質水」と言う。）で改質反応させることにより水素含有ガスを生成する反応器である。改質器７には温度検知器７ａが設けられており、温度検知器７ａは改質器７の温度を検知し、この温度を制御器１７に出力する。この改質器７の温度として、たとえば、改質触媒の温度、改質器７に供給される原料ガスの温度、または、改質器７で生成される水素含有ガスの温度が検知される。また、改質器７には、原料ガス供給経路１８により原料供給器１２が接続され、水供給経路１９により水供給器１３に接続されている。
原料供給器１２は、原料ガス供給経路１８を介して改質器７に原料ガスを供給する装置であって、この原料ガスの供給量を調整する機能を有する。原料供給器１２には、たとえば、原料ガスが充填されたボンベ、原料ガスの供給インフラストラクチャに接続される、ブースタおよび流量調整弁などで構成される。原料ガスは、少なくとも炭素および水素から構成される炭化水素：ＣｎＨｍを含む有機化合物を主成分とする。なお、原料ガス供給経路１８に、原料ガス中の硫黄成分を低減する脱硫器が接続されてもよい。
質量流量計測器１０および体積流量計測器１１が原料ガス供給経路１８にそれぞれ接続されている。質量流量計測器１０は原料供給器１２から改質器７に供給される原料ガスの質量流量：Ｍｆを計測し、計測値を制御器１７に出力する。体積流量計測器１１は原料供給器１２から改質器７に供給される原料ガスの体積流量：Ｖｆを計測し、計測値を制御器１７に出力する。ここで、この原料ガスの計測流量には移動平均値が用いられるが、瞬時値が用いられてもよい。なお、体積流量計測器１１は、温度変化および圧力変化の影響を排除するため、計測した原料ガスの体積流量を、一定温度および一定圧力下における体積流量に変換してもよい。ただし、たとえば、温度または圧力の変化による影響が小さく、この影響が誤差として許容できる場合、計測した原料ガスの体積流量は一定温度および一定圧力下における体積流量に変換されなくてもよい。なお、体積流量計測器１１は原料供給器１２と一体的に形成されていてもよい。この場合、たとえば、所定の操作量により所定の一定量の体積流量の原料ガスを改質器７に供給する定容積形原料供給器が用いられる。定容積形原料供給器は、原料ガスを改質器７に供給するため、原料供給器１２として機能する。また、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ため、定容積形原料供給器は体積流量計測器１１としても機能する。この操作量としては、たとえば、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比などが挙げられる。
水供給器１３は、改質水を液体または気体（水蒸気）の状態で水供給経路１９を介して改質器７に供給する装置であって、改質水の供給量を調整する機能を有している。水供給器１３は、たとえば、水道などの水源に接続される、定量吐出が可能なプランジャーポンプなどで構成される。
水素含有ガス供給経路１２１は、その上流端が改質器７に接続され、下流端が、たとえば、燃料電池などの水素利用装置に接続される。改質器７で生成された水素含有ガスは一酸化炭素を含むため、水素含有ガス供給経路１２１には、変成器８や選択酸化器９などの一酸化炭素除去器が接続される。ただし、水素含有ガス中の一酸化炭素を除去する必要がない場合、これらの一酸化炭素除去器が設けられなくてもよい。
変成器８は、水素含有ガス供給経路１２１により改質器７に接続されている。改質器７において生成された水素含有ガスと改質反応で用いられなかった水蒸気とが水素含有ガス供給経路１２１を介して変成器８に供給される。変成器８は、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を水蒸気で変成反応することにより水素および二酸化炭素に変えて、水素含有ガスから一酸化炭素を除去している。なお、水供給器１３および水供給経路１９が改質器７および変成器８の両方の水供給に用いられているが、改質器７に対する水供給器１３および水供給経路１９とは別に、変成器８に対する水供給器および水供給経路が設けられてもよい。たとえば、水供給経路１９の分岐経路が設けられ、この分岐経路を介して水供給器１３から変成器８に水蒸気が直接供給されてもよい。また、水供給器１３とは別の水供給器が設けられ、この水供給器から水蒸気が変成器８に供給されてもよい。
選択酸化器９は、水素含有ガス供給経路１２１により変成器８に接続され、変成器８において一酸化炭素が除去された水素含有ガスが選択酸化器９に供給される。また、選択酸化器９は、酸化剤ガス供給経路２０により酸化剤ガス供給器１４が接続されている。酸化剤ガス供給器１４は、酸化剤ガス供給経路２０を介して酸化剤ガスを選択酸化器９に供給する装置であって、この酸化剤ガスの供給量を制御する機能を有する。酸化剤ガスとして空気が利用される場合、酸化剤ガス供給器１４には、たとえば、ブロワやファンなどが用いられる。そして、選択酸化器９は、水素含有ガスに残る一酸化炭素を酸化剤ガスで酸化して二酸化炭素に変えることにより、水素含有ガスから一酸化炭素を除去している。
燃焼器１５は、排出ガス経路１２３により水素利用装置に接続され、排出ガスが排出ガス経路１２３を介して供給される。排出ガスは、水素利用装置で消費されずに残った水素含有ガスと、改質器７で改質反応されずに残った原料ガスとを可燃性ガスとして含む。また、燃焼器１５には燃焼空気供給経路２４により燃焼空気供給器１６が接続され、燃焼用の空気（以下、「燃焼空気」と言う。）が燃焼空気供給器１６から燃焼空気供給経路２４を介して燃焼器１５に供給される。燃焼空気供給器１６には、燃焼空気の供給量を調整可能であって、吸入口が大気開放されているブロワ、シロッコファンなどのファン類が用いられる。そして、燃焼器１５は、可燃性ガスを燃焼空気で燃焼させることにより、燃焼熱を発生し、近傍に存在する改質器７を加熱する。なお、水素含有ガスおよび原料ガスの両方の可燃性ガスでなく、いずれか一方の可燃性ガスが燃焼されていてもよい。
制御器１７は、水素生成装置１の構成部との間で信号線により接続され、構成部と信号を送受信することによりこれらを制御している。たとえば、制御器１７は、温度検知器７ａ、質量流量計測器１０および体積流量計測器１１からの計測値に基づいて、原料供給器１２、水供給器１３、酸化剤ガス供給器１４および燃焼空気供給器１６のそれぞれからの供給量を制御している。制御器１７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。制御器１７は、記憶部（図示せず）を含み、記憶部には、原料ガスの主成分である炭化水素ガスの平均組成や、１モルの原料ガスに含まれる炭素原子のモル数（以下。「炭素数」と言う。）：ｎなど基本的な原料ガスの組成が記憶されている。なお、記憶部は、制御器１７がアクセス可能であれば、制御器１７に含まれていなくてもよい。
（水素生成装置における動作）
上記構成の水素生成装置１における動作は制御器１７による制御に基づいて主に行われる。ここでは、原料ガスは主に飽和炭化水素ガス：ＣｎＨ２ｎ＋２で構成されている場合について説明する。
燃焼器１５に、原料ガスが改質器７を介して原料供給器１２により供給されると共に、燃焼空気が燃焼空気供給器１６により供給される。燃焼器１５では原料ガスが燃焼空気で燃焼されて、この燃焼熱によって改質器７が第１所定温度に加熱され、改質器７に原料ガスおよび改質水が供給される。
改質器７では、ＣｎＨ２ｎ＋２＋２ｎＨ２Ｏ→（３ｎ＋１）Ｈ２＋ｎＣＯ２、および、ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ→（２ｎ＋１）Ｈ２＋ｎＣＯで主に表される改質反応により、原料ガスおよび改質水から水素含有ガスが生成される。この改質反応される原料ガスの割合は改質器７の温度に依存する。ここでは、第２所定量の水素含有ガスを生成するために、たとえば、改質反応する原料ガスの割合が８５〜９５％になるよう、改質器７の温度が第１所定温度：７００℃に設定されている。
改質器７で生成された水素含有ガスには、たとえば、１０％程度の一酸化炭素が含まれる。この水素含有ガス中の一酸化炭素を除去するために、水素含有ガスは変成器８に供給される。この際、改質器７において改質反応に利用されなかった水蒸気も変成器８に供給されて、変成器８において、ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２で主に表される変成反応により、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素が除去される。
さらに、水素含有ガスは微量の一酸化炭素を含むため、水素含有ガスは選択酸化器９に供給される。この選択酸化器９に酸化剤ガスも酸化剤ガス供給器１４により供給されて、選択酸化器９において、ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２で主に表される酸化反応により、水素含有ガス中の一酸化炭素の濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。
この一酸化炭素が除去された水素含有ガスが燃料電池などの水素利用機器に供給され、残った排出ガスが燃焼器１５に供給される。この排出ガスには、水素利用機器で消費されずに残った水素含有ガスと改質反応に利用されなかった原料ガスとが可燃性ガスとして含まれている。また、燃焼器１５には燃焼空気供給器１６により燃焼空気が供給され、Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２ＯおよびＣｎＨ２ｎ＋２＋｛（３ｎ＋１）／２｝Ｏ２→ｎＣＯ２＋（ｎ＋１）Ｈ２Ｏで主に表される燃焼反応が生じる。この燃焼熱で改質器７の温度が第１所定温度に加熱される。
この第１所定温度は燃焼熱に依存し、燃焼熱は原料ガスの供給量および各燃焼反応の熱量により求められる。各燃焼反応の熱量は原料ガスの炭素数：ｎに依存する。たとえば、原料ガスがメタン：ＣＨ４である場合、その燃焼熱は８９０（ｋＪ／ｍｏｌ）であり、原料ガスがプロパン：Ｃ３Ｈ８である場合、その燃焼熱は２２０４（ｋＪ／ｍｏｌ）である。また、原料ガスの炭素数：ｎは、後述するように、第２比率から求められることから、燃焼熱、つまり、第１所定温度は、原料ガスの供給量および第２比率に依存する。よって、改質器７が第１所定温度になるために必要な原料ガスの供給量である第１所定量は第２比率と相関し、この相関関係が記憶部に記憶されている。このため、改質器７の温度が第１所定温度に維持されるように第２比率（原料ガスの組成）に応じて原料ガスの供給量がフィードバック制御されている。
（原料ガスの組成変化の検知）
上記のように、水素生成装置１の動作において、改質反応および変成反応で必要な水の量、および、酸化反応や燃焼反応で必要な酸素の量は、原料ガスの組成に依存する。この基本的な原料ガスの組成は予め求められており、記憶部に記憶されているが、原料ガスの主成分である飽和炭化水素ガス：ＣｎＨ２ｎ＋２が変わることにより、原料ガスの組成が変化することがある。このため、これらの供給量を制御する上で、原料ガスの組成変化および変化した組成を検出する必要がある。以下、このような原料ガスの組成変化およびその組成の検知について説明する。
原料ガスの組成を表す原料ガスの炭素数：ｎ、およびその変化については、質量流量計測器１０により計測された原料ガスの質量流量：Ｍｆと、体積流量計測器１１により計測された原料ガスの体積流量：Ｖｆとの比である第２比率：Ｍｆ／Ｖｆから求められる。つまり、原料ガスの質量流量：Ｍｆは、質量流速（流速×密度ρ）の変化による影響が支配的であり、この質量流速（流速×密度ρ）は原料ガスの組成：ＣｎＨ２ｎ＋２に依存する。このことから、第２比率：Ｍｆ／Ｖｆは原料ガスの組成と相関し、この相関関係が（１４ｎ＋２）／Ｖｍ＝Ｍｆ／Ｖｆと表せる。この関係より、原料ガスの炭素数：ｎは、ｎ＝｛（Ｍｆ／Ｖｆ）Ｖｍ−２｝／１４と表せ、第２比率：Ｍｆ／Ｖｆから求められる。ここで、Ｖｍは、原料ガスの１モルの体積であって、Ｖｍ＝ＲＴ／Ｐの関係に基づき温度：Ｔおよび圧力：Ｐから求められる。
よって、制御器１７は、第２比率：Ｍｆ／Ｖｆの変化を検出することにより、原料ガスの炭素数：ｎの変化、つまり、原料ガスの組成変化と判定することができる。また、上記相関関係に基づき第２比率：Ｍｆ／Ｖｆから原料ガスの炭素数：ｎを求めることができる。
ただし、窒素などの混入ガスが原料ガスに混入されることによって、原料ガスの組成が変化することもある。なお、ここでは、主成分がメタンの都市ガスを原料ガスに用いた場合について説明する。
混入ガスは、燃焼器１５において発熱反応しない、または発熱反応してもその燃焼熱が炭化水素ガスに比べて小さい、たとえば、窒素などのガスである。このため、混入ガスが原料ガスに含まれると、燃焼器１５における燃焼熱が低下して、燃焼熱で加熱される改質器７の温度が下がる。よって、改質器７が第１所定温度になるように原料ガスの供給量が制御されている状態では、改質器７の温度低下を補うために原料ガスの供給量は、改質器７が第１所定温度になるために必要な原料ガスの供給量である第１所定量に比べて多くなる。ここで、原料ガスの炭素数：ｎが小さくなることによっても、燃焼器１５における燃焼熱が低下して、燃焼熱で加熱される改質器７の温度が下がることにより、原料ガスの供給量は増える。ただし、原料ガスであるメタンの炭素数：１より小さくなることがないため、制御器１７は、体積流量計測器１１による原料ガスの体積流量が第１所定量より多くなることから、混入ガスの混入による原料ガスの組成変化を検知することができる。
（燃焼空気供給器の制御）
上記のように、水素生成装置１の動作において、燃焼器１５には燃焼空気供給器１６から燃焼空気が供給される。以下、この燃焼空気の供給量の制御態様について説明する。なお、混入ガスが原料ガスに含まれていない状態、つまり、温度検知器７ａによる検知温度（改質器７の温度）が第１所定温度になるように第１所定量の原料ガスが供給されている状態について説明する。
燃焼空気供給器１６による燃焼空気の供給量（体積流量）は、第３比率（空気比）：Ａ／Ａｏが第２設定値となるように、制御器１７により制御されている。第３比率は、燃焼器１５に実際に供給されている燃焼空気の供給量：Ａと可燃性ガスを完全に燃焼させるために最低限必要な空気量（理論空気量）：Ａｏとの比である。また、第２設定値は、燃焼器１５の特性および水蒸気改質反応に必要な熱量等に応じて、燃焼器１５において可燃性ガスが燃焼空気で完全燃焼するように定められ、たとえば、１．０以上である。
燃焼器１５における燃焼反応は、Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２ＯおよびＣｎＨ２ｎ＋２＋｛（３ｎ＋１）／２｝Ｏ２→ｎＣＯ２＋（ｎ＋１）Ｈ２Ｏと主に表されることから、理論空気量：Ａｏは可燃性ガスの量および原料ガスの炭素数：ｎに依存する。この原料ガスの炭素数：ｎは第２比率から求められ、可燃性ガスの量は、燃焼器１５に供給された水素の量と、改質器７で使用されずに残った原料ガスの量との合計量である。この水素の量は、改質器７における水素の生成量から、水素利用装置で消費された水素の量を差し引いた量である。
改質器７における改質反応が、ＣｎＨ２ｎ＋２＋２ｎＨ２Ｏ→（３ｎ＋１）Ｈ２＋ｎＣＯ２、および、ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ→（２ｎ＋１）Ｈ２＋ｎＣＯと主に表されることから、水素の生成量は、原料ガスの供給量、原料ガスの炭素数：ｎおよび改質反応される原料ガスの割合により求められる。また、改質器７で使用されずに残った原料ガスの量は、原料ガスの供給量および改質反応される原料ガスの割合により求められる。ここでは、改質器７の温度が第１所定温度になるように、つまり、改質反応される原料ガスの割合が、たとえば、８５〜９５％になるように、第１所定量の原料ガスが供給されている。この第１所定量は上述の通り第２比率に依存し、また、原料ガスの炭素数：ｎは第２比率から求められる。このため、第２比率から改質器７における水素の生成量および改質器７で使用されずに残った原料ガスの量が求められる。また、水素利用装置で消費された水素の量は、後述する燃料電池システム１００の消費水素量算出器４（図５）の消費水素量などにより求められる。よって、可燃性ガスの量は、第２比率および消費水素量に基づき求められるため、可燃性ガスの量に基づく理論空気量：Ａｏは第２比率および消費水素量と相関し、この相関関係が記憶部に記憶されている。
図２は、燃焼空気供給器１６を制御器１７が制御する一例を示すフローチャートである。図２に示すように、制御器１７は、原料ガスの質量流量および体積流量を取得し（ステップＳ１０）、これらから第２比率を求める（ステップＳ１１）。この求めた第２比率が予め記憶されている第２比率または前回の第２比率から変化すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、予め設定されている組成または前回測定時の組成から原料ガスの組成が変化している。このため、消費水素量を取得した上、理論空気量：Ａｏに関する相関関係に基づいて第２比率および消費水素量から理論空気量：Ａｏを定める。次に、制御器１７は、燃焼空気供給器１６におけるファンなどの回転数などから供給空気量：Ａを求め、供給空気量：Ａと理論空気量：Ａｏとの比である第３比率（空気比）：Ａ/Ａｏを算出する（ステップＳ１１３）。そして、第３比率が第２設定値になるように、燃焼空気供給器１６を制御する(ステップＳ１１４)。
このように、燃焼空気の供給量が第２比率に基づいていることにより、原料ガスの組成が変化しても、可燃性ガスが完全燃焼される理論空気量：Ａｏより多くの燃焼空気が燃焼器１５に供給される。よって、可燃性ガスが燃焼空気により完全に燃焼され、燃焼器１５は改質器７を第１所定温度に維持することができ、水素生成装置１の効率の低下を抑えることができる。また、燃焼されずに排出される可燃性ガスの量の増加を抑えられ、水素生成装置１の効率の低下を防ぐことができる。
（水供給器の制御）
上記のように、水素生成装置１の動作において、改質器７および変成器８での反応には、水供給器１３から供給される改質水が使用される。以下、このような改質水の供給量の制御態様について説明する。なお、混入ガスが原料ガスに含まれていない状態、つまり、温度検知器７ａによる検知温度（改質器７の温度）が第１所定温度になるように第１所定量の原料ガスが供給されている状態について説明する。
水供給器１３による改質水の供給量（体積流量）は、改質器７に供給される改質水と原料ガス中の炭素とのモル比である第１比率：Ｓ／Ｃが第１設定値になるように、制御器１７により制御されている。圧力および温度が一定であれば、モル比は体積比に等しいため、第１比率は、改質水の体積流量：Ｖｗおよび原料ガスの体積流量：Ｖｆから、Ｖｗ／（ｎ・Ｖｆ）と表せる。ここで、第１設定値は、改質器７における改質反応や変成器８における変成反応などで使用される水の量、水素生成装置１の特性、および水素利用装置が求める仕様に応じて、たとえば、３．０に予め設定されている。
よって、第１比率が第１設定値になるように、つまり、Ｖｗ／（ｎ・Ｖｆ）＝３．０になるように、改質水の体積流量：Ｖｗが求められ、この体積流量の改質水が供給されるように水供給器１３は制御される。たとえば、原料ガスとしてメタンが設定されている場合、炭素数：ｎは１であるため、１モルのメタンに対して３モルの改質水が供給される。また、原料ガスとしてプロパンが設定されている場合、炭素数：ｎは３であるため、１モルのプロパンに対して９モルの改質水が供給される。
この関係：Ｖｗ／（ｎ・Ｖｆ）＝３．０において、原料ガスの体積流量：Ｖｆは、第２比率に依存する第１所定量に設定されており、原料ガスの炭素数：ｎは第２比率から求められる。このため、改質水の体積流量：Ｖｗは第２比率と相関し、この相関関係が記憶部に記憶されている。
図３は、水供給器１３を制御器１７が制御する一例を示すフローチャートである。図３に示すように、制御器１７は、原料ガスの質量流量および体積流量を取得し（ステップＳ１０）、これらから第２比率を求める（ステップＳ１１）。第２比率が変化すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、原料ガスの組成が変化している。このため、制御器１７は、第２比率と体積流量：Ｖｗとの相関関係に基づいて第２比率から改質水の体積流量：Ｖｗを求め（ステップＳ２１３）、この体積流量になるように水供給器１３を制御する（ステップＳ２１４）。
このように、第２比率に基づいて改質水の体積流量：Ｖｗが定められることにより、原料ガスの組成が変化しても、第１比率が第１設定値になるように改質水が水供給器１３により供給される。このため、改質反応および変成反応に必要な改質水の水蒸気が改質器７および変成器８に供給される。よって、第１比率が第１設定値より低い状態が続いたときに生じる事態、すなわち、水蒸気の不足により余剰な原料ガスが熱分解されて炭素成分が析出し、この炭素成分が改質触媒に付着して水素生成装置１の耐久性が低下するという事態を防止できる。一方、第１比率が第１設定値より高い状態が続いたときに生じる事態、すなわち、改質水を水蒸気にするための熱量が増加し、改質器７の効率が低下する事態を防ぐことができる。また、改質反応に使用されなかった過剰な水蒸気により、改質器７内の改質触媒が水濡れにより劣化し、水素生成装置１の耐久性が低下することも防止することができる。
（酸化剤ガス供給器の制御）
上記のように、水素生成装置１の動作において、選択酸化器９には酸化剤ガス供給器１４から酸化剤ガスが供給される。以下、この酸化剤ガスの供給量の制御態様について説明する。なお、混入ガスが原料ガスに含まれていない状態、つまり、温度検知器７ａによる検知温度（改質器７の温度）が第１所定温度になるように第１所定量の原料ガスが供給されている状態について説明する。。
選択酸化器９における酸化反応が、ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２で主に表される。したがって、酸化剤ガス供給器１４による酸化剤ガスの供給量（体積流量）は、水素含有ガス中の一酸化炭素の量に基づいて決定され、酸化剤ガス供給器１４は、決定された量の酸化剤ガスが供給されるように制御器１７により制御される。この一酸化炭素は、ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ→（２ｎ＋１）Ｈ２＋ｎＣＯと主に表される改質器７における反応により生成される。このため、一酸化炭素の量は原料ガスの供給量および炭素数：ｎに依存する。このうち、原料ガスの供給量は、第２比率に依存する第１所定量に制御されており、また、原料ガスの炭素数：ｎは第２比率から求められる。このため、酸化剤ガスの供給量（体積流量）の目標値は第２比率と相関関係があり、この相関関係が記憶部に記憶されている。
図４は、酸化剤ガス供給器１４を制御器１７が制御する一例を示すフローチャートである。図４に示すように、制御器１７は、原料ガスの質量流量および体積流量を取得し（ステップＳ１０）、これらから第２比率を求める（ステップＳ１１）。そして、第２比率が変化すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、原料ガスの組成が変化しているため、制御器１７は、酸化剤ガスの体積流量と第２比率との相関関係に基づいて第２比率から酸化剤ガスの供給量の目標値を求め（ステップＳ３１３）、この目標値になるように酸化剤ガス供給器１４を制御する（ステップＳ３１４）。
これにより、選択酸化器９に供給される酸化剤ガスの体積流量は第２比率に基づくため、原料ガスが組成変化しても、選択酸化反応に必要な酸素の量が選択酸化器９に供給される。よって、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を十分に除去し、水素生成装置１の性能を維持することができる。
（実施の形態２）
（燃料電池システムの構成）
図５は、燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。図５に示すように、燃料電池システム１００は、水素生成装置１と、水素生成装置１から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池２と、を備える。
燃料電池２はアノード（図示せず）およびカソード（図示せず）を含み、アノードには燃料ガス供給経路２１により水素生成装置１が接続され、カソードには発電用酸化剤ガス供給経路２２により発電用酸化剤ガス供給器３が接続されている。燃料電池２は、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された発電用酸化剤ガスの酸素とを発電反応することにより発電する。この発電に伴い熱および水が生成する。この熱を回収する熱回収部として、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。
水素生成装置１は水素含有ガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路２１を介して燃料電池２のアノードに供給する。このとき、水素含有ガスには、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、水蒸気が加えられてもよい。なお、制御器１７は、水素生成装置１内に配置されていなくてもよく、たとえば、水素生成装置１と分離して配置されていてもよい。また、水素生成装置１の動作を制御する制御器１７とは別に、燃料電池システム１００において水素生成装置１以外の構成の動作を制御する制御器が備えられていてもよい。
発電用酸化剤ガス供給器３は、発電用酸化剤ガス供給経路２２を介して、発電用酸化剤ガスを燃料電池２のカソードに供給する装置であって、発電用酸化剤ガスの供給量を調整する機能を有する。たとえば、発電用酸化剤ガスに空気が用いられる場合、発電用酸化剤ガス供給器３には、吸入口が大気開放されているブロワ、シロッコファンなどのファン類などが用いられる。なお、発電用酸化剤ガス供給経路２２上に加湿器が備えられていてもよい。この場合、発電用酸化剤ガスは一定量の水蒸気で加湿される。
消費水素量算出器４は、マイクロコントローラ等の演算器で構成され、燃料電池２の発電反応により生成される電力に基づいて発電反応で消費される水素の量（以下、「消費水素量」と言う。）を算出し、この消費水素量を制御器１７に出力する。
水凝縮器５は、排出燃料ガス経路２３により燃料電池２のアノードに接続され、排出酸化剤ガス経路２５により燃料電池２のカソードに接続される。燃料電池２から水凝縮器５に排出燃料ガス経路２３および排出酸化剤ガス経路２５を介して排出燃料ガスおよび排出酸化剤ガスが排出される。この排出燃料ガスおよび排出酸化剤ガスには水蒸気が含まれるため、水凝縮器５は、排出燃料ガスおよび排出酸化剤ガスを冷却することにより水を凝縮する。水凝縮器５としては、例えば、熱交換器が用いられる。なお、排出燃料ガスおよび排出酸化剤ガスいずれか一方のガスから水を凝集してもよい。
水回収器６は、凝縮水経路２６により水凝縮器５に接続され、水凝縮器５において凝縮された水が凝縮水経路２６を介して供給されてこの水を回収する。水回収器６は、導電性イオン等の混入ガスを取り除く浄化器やフィルターを備えていてもよい。また、水回収器６は、水供給経路１９により水供給器１３に接続され、水供給源として回収した水を水供給経路１９を介して水供給器１３に供給する。
燃焼器１５は、排出燃料ガス経路２３により水凝縮器５に接続され、水凝縮器５において水が取り除かれた排出燃料ガスが燃焼器１５に供給される。この排出燃料ガスには、燃料電池２において発電反応で消費されなかった水素ガス、および、改質器７における改質反応に利用されなかった原料ガスを可燃性ガスとして含む。燃焼器１５は、これらの可燃性ガスを燃焼し、この燃焼熱により改質器７を加熱する。
（燃料電池システムにおける動作）
消費水素量算出器４は、燃料電池２の発電電力に基づいて発電反応における消費水素量を算出して、制御器１７に出力する。制御器１７は、消費水素量以上の水素を含む第２所定量の水素含有ガスを生成するため、温度検知器７ａにより検知された改質器７の温度が第１所定温度になるように、原料供給器１２を制御する。
ここで、原料ガスの組成に応じた第１所定量の原料ガスが原料供給器１２により改質器７に供給される。また、改質器７には改質水が水供給器１３により供給され、第１所定温度の改質器７において第２所定量の水素含有ガスが生成される。そして、この水素含有ガスは変成器８に供給されて、変成器８において一酸化炭素が水蒸気により変成されて低減される。次いで、水素含有ガスは選択酸化器９に供給されて、選択酸化器９において一酸化炭素が酸化剤ガス供給器１４により供給された酸化剤ガスによって酸化されて除去される。
一酸化炭素が除去された水素含有ガスが水素生成装置１から燃料電池２に供給されると共に、発電用酸化剤ガスが発電用酸化剤ガス供給器３により燃料電池２に供給される。そして、水素含有ガス中の水素と発電用酸化剤ガス中の酸素とが燃料電池２で発電反応することにより、所定電力の発電が行われる。この電力は、電力負荷（図示せず）に供給される。
燃料電池２における発電反応に伴い、熱および水が生成され、熱は熱負荷（図示せず）に供給される。水は、水蒸気の形で排出燃料ガスおよび排出酸化剤ガスに含まれて、これらと共に熱量電池２から水凝縮器５に排出される。この水凝縮器５において水が凝縮されて、水回収器６で回収される。この水の一部または全部が改質水として水供給器１３により改質器７に供給される。
また、燃料電池２から排出された排出酸化剤ガスはシステム外へ排出される。そして、排出燃料ガスは、燃焼器１５に供給され、排出燃料ガス中の可燃性ガスが燃焼空気で燃焼されて、この燃焼熱により改質器７は加熱される。
（原料ガスの供給量に関する制御）
上記のように、燃料電池システム１００の動作では、燃料電池２における消費水素量を含む第２所定量の水素含有ガスを生成するように、つまり、改質器７の温度が第１所定温度になるように、原料ガスの供給量が第１所定量に制御されていた。ただし、燃料電池２の発電電力が変動する場合、発電電力に応じて消費水素量が変化するため、これに応じて原料ガスの供給量が制御される必要がある。そこで、原料ガスの供給量（第１所定量）は、原料ガスの組成（第２比率）に加えて、消費水素量に基づいて定められる。以下、この原料ガスの供給量の制御態様について説明する。なお、混入ガスが原料ガスに含まれていない状態、つまり、温度検知器７ａによる検知温度（改質器７の温度）が第１所定温度になるように第１所定量の原料ガスが供給されている状態について説明する。
具体的には、上述の通り、改質器７における水素の生成量は、原料ガスの供給量、原料ガスの炭素数：ｎおよび改質反応される原料ガスの割合により求められる。ここでは、水素の生成量は消費水素量に基づいて定められ、原料ガスの炭素数：ｎは第２比率から求められる。また、改質反応される原料ガスの割合は改質器７の温度に依存し、この改質器７の温度は、ここでは第２所定量の水素含有ガスを生成するための温度として第１所定温度に設定されている。よって、改質器７を第１所定温度にするために必要な原料ガスの供給量である第１所定量は消費水素量および第２比率および相関し、この相関関係が記憶部に記憶されている。
図６は、原料供給器１２を制御器１７が制御する一例を示すフローチャートである。図６に示すように、制御器１７は、原料ガスの質量流量および原料流量を取得し（ステップＳ１０）、第２比率を求める（ステップＳ１１）。そして、第２比率が変化すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、または、消費水素量が変化すると（ステップＳ１２：ＮＯ、Ｓ２０：ＹＥＳ）、第１所定量に関する相関関係に基づいて第２比率および消費水素量から第１所定量を求め（ステップＳ４１３）、この第１所定量の原料ガスを供給するように原料供給器１２を制御する（ステップＳ４１４）。
これにより、原料ガスの供給量が第２比率および消費水素量に基づくため、原料ガスの組成変化が生じたり、燃料電池２の発電電力が変化したりしても、燃料電池２の発電に必要な量の水素を燃料電池２に供給することができる。よって、燃料電池２に供給される水素量が燃料電池２での発電に必要な水素量に対して不足することがなく、燃料電池２における発電性能の低下さらに発電停止に至る事態を防止することができる。
（各供給量に関する制御）
上記のように、燃料電池システム１００の動作では、水供給器１３、酸化剤ガス供給器１４および燃焼空気供給器１６から改質水、酸化剤ガスおよび燃焼空気がそれぞれ供給される。以下、このような各供給量の制御態様について説明する。なお、混入ガスが原料ガスに含まれていない状態、つまり、温度検知器７ａによる検知温度（改質器７の温度）が第１所定温度になるように第１所定量の原料ガスが供給されている状態について説明する。
具体的には、図７は、水供給器１３、燃焼空気供給器１６および酸化剤ガス供給器１４を制御器１７が制御する一例を示すフローチャートである。図７に示すように、改質器７が第１所定温度になるように、第１所定量の原料ガスが改質器７に供給されている場合において、第２所定量の水素含有ガスが生成される。この第２所定量の水素含有ガスが燃料電池２に供給されると、燃料電池２は第２所定量の水素含有ガスに対応した所定電力を発電する（ステップＳ２１：ＹＥＳ）。この発電工程において第２所定時間が経過すると（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、制御器１７は、燃料電池システム１００における発電が安定した判定する。
この安定した発電状態において、制御器１７は、原料ガスの質量流量および体積流量を取得し（ステップＳ１０）、第２比率を求める（ステップＳ１１）。そして、第２比率が変化し（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、それが第３所定未満と小さければ（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、第２比率と理論空気量：Ａｏとの関係に基づいて原料ガスの組成に応じた理論空気量：Ａｏを定め（ステップＳ１１３）、第３比率（空気比）：Ａ/Ａｏが第２設定値以上になるように燃焼空気供給器１６を制御する（ステップＳ１１４）。また、制御器１７は、第２比率と体積流量：Ｖｗとの相関関係に基づいて第２比率から改質水の体積流量：Ｖｗを求め（ステップＳ２１３）、この体積流量になるように水供給器１３を制御する（ステップＳ２１４）。さらに、制御器１７は、第２比率と酸化剤ガスの体積流量との相関関係に基づいて酸化剤ガスの体積流量を求め（ステップＳ３１３）、この体積流量になるように酸化剤ガス供給器１４を制御する（ステップＳ３１４）。
ステップＳ１１２における第２比率の変化が第３所定量以上であれば（ステップＳ１１２：ＮＯ）、制御器１７は原料ガスの組成が大きく変化したと判定する。これにより、改質器７において水素含有ガスの生成量が変わり、燃料電池２への水素の供給量も変化することにより、発電電力が変わる。また、原料ガスの組成変化により燃焼器１５における原料ガスの燃焼熱が変化し、改質器７の温度が変わり、改質器７における水素含有ガスの生成量も変化している。よって、一旦発電反応を安定するため、制御器１７は、第１所定温度に改質器７を加熱するように、第１所定量の原料ガスを供給して、ステップＳ２０の処理に戻る。これにより、水素含有ガスの生成量が第２設定量と一定になって、燃料電池２の発電電力が所定電力に安定になれば(ステップＳ２１：ＹＥＳ)、制御器１７は、ステップＳ２２以降の処理を行う。
これにより、原料ガスの組成変化により第２比率が第３所定量以上に変化しても、一度、燃料電池２の発電電力が所定電力にし、所定電力が第２所定時間以上継続させる。この安定した発電状態で、第２比率に基づいて改質水、燃焼空気および酸化剤ガスの供給量を制御することにより、原料ガスの組成に応じた量の改質水、燃料空気および酸化剤ガスを精度よく供給することができる。よって、過剰な水蒸気が燃料電池２に供給される場合の事態、つまり、燃料電池２でのガスの拡散が阻害され、フラッディングなどの問題が生じ、燃料電池２の効率低下、更には発電停止に至る事態を防止することができる。また、一酸化炭素が残る水素含有ガスが燃料電池２に供給されて、一酸化炭素により触媒の活性が低下し、燃料電池２の耐久性および発電効率が低下する事態を防ぐことができる。さらに、水素含有ガスの生成量が減少して、燃料電池２の効率が低下する事態も抑制することができる。
（変形例１）
上記実施の形態１および２では、制御器１７は、第２比率に基づいて燃焼空気供給器１６により供給される燃焼空気の体積流量、および、酸化剤ガス供給器１４により供給される酸化剤ガスの体積流量の両方を制御した。これに対して、制御器１７は、第２比率に基づいて燃焼空気の体積流量、および、酸化剤ガスの体積流量のいずれか一方を制御してもよい。
（変形例２）
上記実施の形態１において、改質器７による水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過した後に、原料ガスの供給量が第１所定量であるときに、制御器１７は、第２比率に基づいて燃焼空気の体積流量および酸化剤ガスの体積流量を制御してもよい。この場合、水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過すると、水素生成装置１が水素含有ガスを安定して生成していると判定することができる。この安定状態では、改質器７の温度が安定しないなど、原料ガスの組成変化以外の要因が除かれるため、原料ガスの組成変化に基づいて燃焼空気や酸化剤ガスの体積流量を精度よく制御することができる。
（変形例３）
上記実施の形態１および２では、第２比率が変化したときに、制御器１７は、第２比率、第１設定値および原料ガスの体積流量に基づいて、改質水の体積流量を制御した。これに対して、第２比率が変化したときに、制御器１７は、第２比率、第１設定値および改質水の体積流量に基づいて、原料ガスの体積流量を制御してもよい。この場合、第１比率が第１設定値になるように、つまり、Ｖｗ／（ｎ・Ｖｆ）＝３．０になるように、原料ガスの体積流量：Ｖｆが改質水の体積流量：Ｖｗから求められる
（変形例４）
上記実施の形態２において、制御器１７は、発電工程に代えてまたは発電工程と共に、燃料電池２が所定電力を発電する前の起動工程において、水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過した後の原料ガスの供給量が第１所定量であるときに、改質水、燃焼空気および酸化剤ガスの各供給量を第２比率に基づいて制御してもよい。
このように、水素含有ガスの生成量が第１所定時間以上第２所定量であれば、改質器７などの温度や各供給量が安定している。また、このときの原料ガスの供給量が第１所定量であれば、混入ガスが原料ガスに含まれていない。このため、第２比率に基づいて原料ガスの組成変化を的確に検知し、この組成変化に応じて改質水、燃焼空気および酸化剤ガスの各供給量を精度よく制御することができる。これにより、起動工程から発電行程へ移行した段階で、第２所定量の水素含有ガスが燃料電池２に安定的に供給されるため、燃料電池２の発電効率の低下および発電停止という事態を防ぐことができる。
（その他の変形例）
上記実施の形態１および２では、制御器１７は、体積流量により、原料供給器１２による原料ガスの供給量、水供給器１３による改質水の供給量、燃焼空気供給器１６による燃焼空気の供給量、酸化剤ガス供給器１４による酸化剤ガスの供給量を制御した。これに対して、制御器１７は、質量流量により、原料供給器１２による原料ガスの供給量、水供給器１３による改質水の供給量、燃焼空気供給器１６による燃焼空気の供給量、酸化剤ガス供給器１４による酸化剤ガスの供給量を制御してもよい。
さらに、上記実施の形態１および２における、図３〜図４、図６および図７に示す各ステップの処理を制御器１７は一定周期毎に実施してもよい。ただし、原料ガスの組成の変動の実態に合わせて、制御器１７は各ステップの処理を適宜行うようにしてもよい。この場合、原料ガスの組成の変動が少ない、またはないと、必ずしも各ステップの処理を一定周期毎に制御器１７は実施する必要がない。たとえば、第２比率が所定値と異なるか否かの判断に関するまでの処理を、運転中のある所定のタイミングまたは一定周期ごとに制御器１７は行う。そして、第２比率が所定値と異なる場合のみ、これより後の処理を制御器１７が行う。
さらに、上記実施の形態２では、水素生成装置１に接続された燃料電池２を含めた燃料電池システムについて説明した。これに対し、水素生成装置１は、燃料電池システム以外にも適用可能である。
本発明の水素生成装置および燃料電池システムは、効率および耐久性が更に向上した水素生成装置および燃料電池システム等として有用である。
１ 水素生成装置
２ 燃料電池
４ 消費水素量算出器
７ 改質器
９ 選択酸化器（酸化器）
１０ 質量流量計測器
１１ 体積流量計測器
１２ 原料供給器
１３ 水供給器
１４ 酸化剤ガス供給器
１５ 燃焼器
１６ 燃焼空気供給器
１７ 制御器
１００ 燃料電池システム

Claims (20)

  1. 原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記原料ガスを供給する原料供給器と、
    前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、
    前記原料ガスの体積流量を計測する体積流量計測器と、
    前記改質水を供給する水供給器と、
    前記原料ガスおよび前記水素含有ガスのうちの少なくとも一方の可燃性ガスを空気で燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、
    前記空気を供給する燃焼空気供給器と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器は、前記原料ガスの質量流量と前記原料ガスの体積流量との第２比率に基づいて、前記燃焼空気供給器による前記空気の供給量を制御するように構成されている、水素生成装置。
  2. 前記改質器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、
    前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、
    前記第２比率に基づいて前記空気の供給量を制御するように構成されている、請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 前記制御器は、
    前記水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、
    前記第２比率に基づいて前記空気の供給量の量を変更するように構成されている、請求項２に記載の水素生成装置。
  4. 前記制御器は、
    前記第２比率が変化したときに、
    前記原料供給器による前記原料ガスの供給量および前記水供給器による前記改質水の供給量のいずれか一方の量に基づいて他方の量を変更するように構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素生成装置。
  5. 原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記原料ガスを供給する原料供給器と、
    前記原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、
    前記原料ガスの体積流量を計測する体積流量計測器と、
    前記改質水を供給する水供給器と、
    前記原料ガスおよび前記水素含有ガスのうちの少なくとも一方の可燃性ガスを空気で燃焼して前記改質器を加熱する燃焼器と、
    前記空気を供給する燃焼空気供給器と、
    前記水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化剤ガスで酸化する酸化器と、
    前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器は、前記原料ガスの質量流量と前記原料ガスの体積流量との第２比率に基づいて、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給量を制御するように構成されている、水素生成装置。
  6. 前記改質器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、
    前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、
    前記第２比率に基づいて前記酸化剤ガスの供給量を制御するように構成されている、請求項５に記載の水素生成装置。
  7. 前記制御器は、
    前記水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、
    前記第２比率に基づいて前記酸化剤ガスの供給量の量を変更するように構成されている、請求項６に記載の水素生成装置。
  8. 前記制御器は、
    前記第２比率が変化したときに、
    前記原料供給器による前記原料ガスの供給量および前記水供給器による前記改質水の供給量のいずれか一方の量に基づいて他方の量を変更するように構成されている、請求項５〜７のいずれか一項に記載の水素生成装置。
  9. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素生成装置と、
    前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システム。
  10. 前記改質器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、
    前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、
    前記燃料電池が所定電力を発電する前の起動工程で、前記水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、
    前記第２比率に基づいて前記空気の供給量を制御するように構成されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記改質器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、
    前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、
    前記燃料電池が所定電力を発電している発電工程で、第２所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、
    前記第２比率に基づいて前記空気の供給量を制御するように構成されている、請求項９または１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記制御器は、
    前記第２比率が第３所定量以上変化したときに、前記燃料電池の発電電力を前記所定電力にし、
    前記発電電力が前記所定電力になってから前記第２所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、
    前記第２比率に基づいて前記空気の供給量を制御するように構成されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記改質器の温度を検知する温度検知器と、
    前記燃料電池で消費される水素の量を算出する消費水素量算出器と、をさらに備え、
    前記制御器は、
    前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、
    前記水素の量および前記第２比率に基づいて前記第１所定量を変更するように構成されている、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  14. 請求項５〜８のいずれか一項に記載の水素生成装置と、
    前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システム。
  15. 前記改質器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、
    前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、
    前記燃料電池が所定電力を発電する前の起動工程で、前記水素含有ガスの生成量が第２所定量になってから第１所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、
    前記第２比率に基づいて前記酸化剤ガスの供給量を制御するように構成されている、請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 前記改質器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、
    前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、
    前記燃料電池が所定電力を発電している発電工程で、第２所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、
    前記第２比率に基づいて前記酸化剤ガスの供給量を制御するように構成されている、請求項１４または１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記制御器は、
    前記第２比率が第３所定量以上変化したときに、前記燃料電池の発電電力を前記所定電力にし、
    前記発電電力が前記所定電力になってから前記第２所定時間が経過した後の前記原料ガスの供給量が前記第１所定量であるときに、
    前記第２比率に基づいて前記酸化剤ガスの供給量を制御するように構成されている、請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記改質器の温度を検知する温度検知器と、
    前記燃料電池で消費される水素の量を算出する消費水素量算出器と、をさらに備え、
    前記制御器は、
    前記温度検知器による検知温度が第１所定温度になるように前記原料供給器が制御されている際の前記原料ガスの供給量が第１所定量である場合において、
    前記水素の量および前記第２比率に基づいて前記第１所定量を変更するように構成されている、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  19. 改質器にて、原料ガスおよび水の改質反応により水素含有ガスを生成し、
    燃焼器にて、前記原料ガスおよび前記水素含有ガスのうち少なくとも一方を空気で燃焼させて前記改質器を加熱し、
    前記原料ガスの質量流量と前記原料ガスの体積流量との第２比率に基づいて、前記燃焼器への前記空気の供給量を制御する、水素生成装置の運転方法。
  20. 改質器にて、原料ガスおよび水の改質反応により水素含有ガスを生成し、
    燃焼器にて、前記原料ガスおよび前記水素含有ガスのうち少なくとも一方を空気で燃焼させて前記改質器を加熱し、
    酸化器にて、前記水素含油ガス中の一酸化炭素を酸化剤ガスで反応させて除去し、
    前記原料ガスの質量流量と前記原料ガスの体積流量との第２比率に基づいて、前記酸化器への前記酸化剤ガスの供給量を制御する、水素生成装置の運転方法。
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