JP6387525B2 - 水素生成装置およびそれを備える燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、原料から水素を生成する水素生成装置およびそれを備える燃料電池システムに関するものである。

燃料電池を用いたシステムは、発電の際に発生する熱エネルギを利用することで、高いエネルギ利用効率が実現可能な分散型の発電システムとして使用されている。燃料電池システムでは、外部から水素を含有する還元剤ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池に供給し、この供給された還元剤ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。

このような燃料電池システムにおいて、発電時に用いられる還元剤ガスは、その供給設備が一般的なインフラストラクチャー（以後、インフラと略す）として整備されていない。そのため、例えば都市ガス、ＬＰＧ等の既存のインフラから得られる原料に水蒸気を用いて改質反応を行い、水素を含有する還元剤ガスを生成し利用する。このように原料から水素を生成する水素生成装置を、燃料電池に併設することが一般的である。

ところで、水素生成装置における水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応を実施するためには水蒸気の供給と、水素生成装置を高温に維持することが必要である。そのため、燃料電池システムの起動の際には、まず水素生成装置を昇温させて原料が改質できる温度に保持した後、還元剤ガスの生成を始める。その後、還元剤ガスを燃料電池に供給して発電を実施する。

このため水素生成装置には蒸発部と燃焼部を備え、燃焼部では燃料電池に供給され燃料極（アノード）を通過した後の還元剤排ガスを燃焼するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の燃料電池システムは、原料が原料流量計測部から燃料電池に到達するまでの遅れ時間を考慮し、供給された原料流量と発電電流に応じた燃焼用空気の供給方法について記載されている。

特開平６−３３３５８７号公報

前記従来の水素生成装置において、燃料電池の発電出力の変更などに伴い原料および水蒸気の供給量を変更する時、蒸発部における水の蒸発状態に乱れが生じて、燃焼部に供給される還元剤ガスまたは還元剤排ガス（以後、燃焼用ガスとする）の流量が一時的に増加した結果、燃焼用空気量が不足して燃焼部における燃焼が不安定になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、原料および水蒸気の供給量を変更する場合に、燃焼部における燃焼不安定な状態の発生を抑制する水素生成装置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、本発明の水素生成装置は、水を熱により蒸発させ、
蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、前記蒸発部で混合された前記水蒸気と前記原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、前記水素生成部で生成された還元剤ガス、または前記還元剤ガスが水素消費手段を通過した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し前記水素生成部および／または前記蒸発部を加熱する燃焼部と、前記燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、前記蒸発部における水の蒸発状態を推定する状態推定部とを備え、前記燃焼空気供給部は、前記状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に前記燃焼用空気の供給量を増加させるとしたものである。

これによって、燃焼用ガスによる燃焼時に、蒸発部の蒸発状態の乱れによって生じる一時的な燃焼用ガス流量の増加を検知して燃焼用空気流量を増加させるため、燃焼が不安定な状態の発生を防止することができる。

本発明の水素生成装置およびそれを備える燃料電池システムにおいて、蒸発部における供給水の蒸発状態に乱れが生じた場合でも、燃焼不安定な状態の発生を防止する事が可能な水素生成装置および燃料電池システムを実現できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図 本発明の実施の形態１の変形例１における燃料電池システムのブロック図 本発明の実施の形態１の変形例２における燃料電池システムのブロック図 本発明の実施の形態１の変形例３における燃料電池システムのブロック図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図

第１の発明は、水を熱により蒸発させ、蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、蒸発部で混合された水蒸気と原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、水素生成部で生成された還元剤ガス、または還元剤ガスが水素消費手段を経由した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し水素生成部および／または蒸発部を加熱する燃焼部と、前記燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、還元剤排ガスの圧力または流量の変化を検知することで蒸発部における水の蒸発状態の異常を推定する状態推定部とを備え、燃焼空気供給部は、状態推定部で蒸発状態の異常が検知された場合に燃焼用空気の供給量を増加する水素生成装置である。状態推定部において、圧力または流量計の少なくとも一つを備え、還元剤ガスの圧力または流量の変化を検知することで蒸発状態の異常を推定するものである。これにより、簡素、安価な構成にて蒸発状態の異常による燃焼不良を防止することができる。これにより、燃焼用空気の不足を防止することができ、燃焼部への還元剤排ガス流量の急激な増加による燃焼不良を防止することができる。

第２の発明は、水を熱により蒸発させ、蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、蒸発部で混合された水蒸気と原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、水素生成部で生成された還元剤ガス、または還元剤ガスが水素消費手段を経由した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し水素生成部および／または蒸発部を加熱する燃焼部と、燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、還元剤ガスの圧力または流量の変化を検知することで蒸発部における水の蒸発状態の異常を推定する状態推定部とを備え、燃焼空気供給部は、状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に燃焼用空気の供給量を増加する水素生成装置である。状態推定部において、圧力または流量計の少なくとも一つを備え、還元剤排ガスの圧力または流量の変化を検知することで蒸発状態の異常を推定するものである。これにより、燃焼部への蒸発部の蒸発状態の影響を検知し、その影響の大きさに応じて増加させる燃焼用空気の供給量または割合を変化させることができ、蒸発状態の異常による燃焼不良を防止し、燃焼状態をより最適に保つことができる。

第３の発明は、水を熱により蒸発させ、蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、蒸発部で混合された水蒸気と原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、水素生成部で生成された還元剤ガス、または還元剤ガスが水素消費手段を経由した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し水素生成部および／または蒸発部を加熱する燃焼部と、燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、蒸発部に供給される原料の圧力または流量の変化を検知することで蒸発部における水の蒸発状態の異常を推定する状態推定部とを備え、燃焼空気供給部は、状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に燃焼用空気の供給量を増加する水素生成装置である。状態推定部において、圧力または流量計の少なくとも一つを備え、蒸発部に供給される原料の圧力または流量の変化を検知することで蒸発状態の異常を推定するものである。これにより、新たな構成を追加することなく蒸発状態の異常による燃焼不良を防止することができる。

第４の発明は、水を熱により蒸発させ、蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、蒸発部で混合された前記水蒸気と前記原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、水素生成部で生成された還元剤ガス、または還元剤ガスが水素消費手段を経由した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し水素生成部および／または蒸発部を加熱する燃焼部と、燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、蒸発部における水の蒸発状態を推定する状態推定部とを備え、水素生成部は、水蒸気と原料とを用いて改質反応を行なう改質部と、改質部から排出される改質ガス中の一酸化炭素を低減する選択酸化部と、選択酸化部に反応用の空気を供給する反応空気供給部とを備え、状態推定部は、選択酸化部に供給される空気の圧力または流量の変化を検知することで蒸発状態の異常を推定し、燃焼空気供給部は、状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に燃焼用空気の供給量を増加する水素生成装置である。これにより、新たな構成を追加することなく蒸発状態の異常を検知することができ、蒸発状態の異常による燃焼不良を防止することができる。

第５の発明は、第１〜第４の発明の空気供給部において、状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に、一定時間燃焼用空気の供給量を増加し、一定時間経過後に供給量を元に戻すことで、蒸発状態の異常が解消された後にも燃焼状態を最適に保つことができ、効率を向上することができる。

第６の発明は、第１〜第４の発明の空気供給部において、状態検知部で蒸発状態の異常が推定されなくなった場合に、燃焼用空気の供給量を元に戻すことで、燃焼状態を常に最適な状態に保つことができ、効率を最適に保つことができる。

第７の発明は、第１〜第６の発明の水素生成装置と、水素生成装置から供給される還元剤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とすることで、燃焼状態を常に最適な状態に保つことができ、効率を最適に保つことができる。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、同一また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のみ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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る水素生成装置を含む燃料電池システムを示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、都市ガスなどの炭化水素系原料のインフラと原料供給経路１により接続され、商用電源および電力負荷と交流電力経路１９により相互に接続されている。

燃料電池システム１００は、水素生成装置１０１と燃料電池１０２を備え、原料から水素生成装置１０１で還元剤ガスを生成して燃料電池１０２に供給する。燃料電池１０２では還元剤ガスを用いて発電した電力を商用電源と連係して電力負荷に供給している。この電力負荷は、家庭の電化製品などの電力を消費する機器である。

原料供給経路１は、その下流端が水素生成装置１０１に接続され、上流端が原料供給源（図示せず）に接続されている。原料供給源は、都市ガスのインフラ、ＬＰＧのボンベなどである。炭化水素系原料は、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成できるものであればよく、たとえば、メタンを主成分とする天然ガスや都市ガス、プロパンを主成分とするＬＰＧ、灯油、メタノールなどのアルコール、ジメチルエーテルなどが用いられる。

水素生成装置１０１は原料に水蒸気を添加し、水蒸気改質反応させて水素を多く含む還元剤ガスを生成する。水素生成装置１０１は、改質反応を促進する改質触媒を含む水素生成部２と、水素生成部２を加熱する燃焼部３と、改質反応に必要な水蒸気を供給する蒸発部４とにより構成されている。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、燃焼部３からの熱供給により、水素生成部２は反応に適した温度に昇温、維持される。

なお、水素生成装置１０１は、水素を生成するものであれば特にこの構成に限定されない。また、燃焼部３および蒸発部４は、水素生成装置１０１に組み込まれていてもよいし、水素生成装置１０１と別に設けられていてもよい。

水素生成装置１０１の蒸発部４には水供給経路５の下流端が接続されている。水供給経路５の上流端は、純水源（図示せず）に接続されている。さらに、蒸発部４には状態推定部６が備えられ、蒸発部４における水の蒸発状態を監視する。純水としては、たとえば、燃料電池システム１００内の回収水、イオン交換処理がなされてシステム外部から供給されるイオン交換水、蒸留処理がなされた蒸留水などが用いられる。状態推定部６として、湿度センサや、温度センサ、圧力センサなどが用いられる。

燃料電池１０２は、還元剤ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、電力および熱を同時に発生させる装置である。燃料電池１０２としては、固体高分子形、リン酸形、固体電解質形などが用いられるが、ここでは、固体高分子形燃料電池について説明する。燃料電池１０２は複数のセルが積層されたスタック構造を備え、各セルは高分子電解質膜と、高分子電解質膜を間に挟む一対の電極を含んでいる。

高分子電解質膜は、含有する水により水素イオンを選択的に通過させ、一対の電極間を移動させる膜である。一対の電極を構成する燃料極（アノード）および空気極（カソード）は、たとえば、触媒層およびガス拡散層をそれぞれ有している。この触媒層は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とした多孔質層であって、高分子電解質膜上に配されている。ガス拡散層は、通気性および電子導電性を併せ持つ多孔質層であって、触媒層上に配されている。

燃料電池１０２において電気化学反応に必要なガスの供給経路として、還元剤ガス供給経路１５がアノードに接続され、酸化剤ガス供給経路１６がカソードに接続されている。

また、燃料電池１０２において電気化学反応に利用されなかったガスの排出経路として、還元剤ガス排出経路１７がアノードに接続され、酸化剤ガス排出経路１８がカソードに接続されている。さらに、燃料電池１０２で発電した電力の供給経路として直流電力経路２０が燃料電池１０２に接続されている。

還元剤ガス供給経路１５は、その下流端が燃料電池１０２のアノードに接続され、上流端が水素生成装置１０１の水素生成部２に接続されている。還元剤ガス排出経路１７は、その上流端が燃料電池１０２のアノードに接続され、下流端が水素生成装置１０１の燃焼部３に接続されている。燃料電池１０２で電気化学反応に用いられなかった還元剤ガスや、水素生成装置１０１で改質されなかった原料が、燃焼用の燃料として、アノードから燃焼部３へ還元剤ガス排出経路１７を通って供給される。燃焼部３は、これらの燃焼用の燃料を燃焼させて、この熱を水素生成装置１０１の水素生成部２や蒸発部４に供給する。

燃焼部３には、燃焼空気供給経路７の下流端が接続され、燃焼空気供給経路７の上流端には燃焼空気供給部８が設けられている。燃焼空気供給部８は、燃焼部３に燃焼用の空気を供給し、例えばブロワやシロッコファンなどのファン類が用いられる。燃焼部３では、供給された燃料と燃焼用空気を用いて燃焼を行い、生成された燃焼排ガスの伝熱などにより、水素生成部２および／または蒸発部４など各機器を加熱する。なお、燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路２１を通流して燃料電池システム１００外（大気中）に放出される。

酸化剤ガス供給経路１６は、その下流端が燃料電池１０２のカソードに接続され、上流端が空気供給装置１０３に接続されている。空気供給装置１０３としては、たとえば、往復ポンプやスクロールポンプなどが用いられる。この場合、酸化剤ガスとして空気が用い
られるが、この他に酸素なども酸化剤ガスとして用いることができる。空気供給装置１０３からの空気は、酸化剤ガス供給経路１６によって燃料電池１０２のカソードに供給される。

酸化剤ガス排出経路１８は、その上流端が燃料電池１０２のカソードに接続され、下流端が大気に開放されている。この酸化剤ガス排出経路１８により、燃料電池１０２で電気化学反応に用いられなかった空気が大気中に放出される。

直流電力経路２０は、その一端が燃料電池１０２に接続され、他端が電力変換装置１０４に接続されている。

電力変換装置１０４は、燃料電池１０２から出力された直流電力を、商用電源の交流電力の周波数と同じ周波数を持つ交流電力に変換する。この電力変換装置１０４に交流電力経路１９の一端が接続され、他端が電力負荷に接続される。

制御装置１０５は、水素生成装置１０１などの各機器や状態推定部６などの各種センサと信号線で接続され、これらと信号を送受信することにより燃料電池システム１００における各機器を制御する。

たとえば、制御装置１０５は、電力負荷の需要量に基づいて燃料電池１０２が発電する目標電力を決定し、かつ燃料電池１０２が目標電力を発電するよう電力変換装置１０４、水素生成装置１０１や空気供給装置１０３などの各機器を制御する。

制御装置１０５は、単独の制御器で集中制御を行うように構成されていてもよく、複数の制御器で分散制御を行うように構成されていてもよい。制御装置１０５は、制御機能を有すればよく、たとえば、マイクロコンピュータ、プロセッサ、論理回路等で構成される。

以上のように構成された燃料電池システム１００の燃焼時の動作を、図１を参照しながら説明する。この制御は、制御装置１０５によって遂行される。

まず、発電準備を行う燃料電池システムの起動時の燃焼動作について説明する。

前述のように、水素生成装置１０１で原料から水素を生成し、燃料電池１０２で発電を行うためには、水素生成装置１０１を各種反応が可能な所定の温度まで昇温し、維持する必要がある。この発電準備動作を、燃料電池システムの起動動作と言う。

起動時には、燃焼部３による加熱により水素生成装置１０１を所定の温度まで昇温する。この時、原料を原料供給経路１から燃焼部３に供給し燃焼を行う。

この際、制御装置１０５は、各種流量計（図示せず）などを用いて、原料の供給量をあらかじめ設定された量に制御して水素生成装置１０１の昇温を制御し、同時に原料の供給量に応じて安定した燃焼状態が維持できる所定の空燃比になるようにあらかじめ設定された量の燃焼用空気を燃焼空気供給部８により供給する。

また、水素生成装置１０１が各種反応に適切な温度になるまでは、水素生成装置１０１で生成された還元剤ガスは、水素濃度が低く、一酸化炭素などの副反応物濃度が高いため、燃料電池１０２に供給するには不適切であるが、還元剤ガス供給経路１５と還元剤ガス排出経路１７を接続し、スタックを経由しない還元剤ガスバイパス経路（図示せず）を備えた燃料電池システムにおいては、起動時において原料を原料供給経路１から燃焼部３に
供給するのではなく、水素生成装置１０１に供給し、生成された不適切な還元剤ガスを還元剤ガスバイパス経路によって燃料電池１０２に供給することなく燃焼部３に供給することで起動時の昇温を行っても良い。

制御装置１０５は、原料の供給量をあらかじめ設定された量に制御し、同時に原料の供給量に応じて所定の空燃比になるように、あらかじめ設定された量の燃焼用空気を燃焼空気供給部８により供給することで燃焼動作を実施する。

さらに、これら２つの経路による原料供給を、並列的に実施したり、同時に実施したりする場合もあるが、いずれの場合においても、供給する燃焼用空気流量は、供給する原料流量のみに依存し、安定した燃焼制御が可能である。

次に、発電時の燃焼動作について発電出力の安定状態と発電出力を変更する過渡状態に分けて説明する。

所定の発電出力で安定した状態においては、制御装置１０５は、燃料電池１０２における現在の電流を維持・継続するために必要な水素供給量を満足するように、水素生成装置１０１へ供給する原料および水（または水蒸気）の流量を制御する。

燃料電池１０２の電気化学反応により必要な水素量は、発電する電流に比例し、供給する原料の流量は、燃料電池１０２で必要な水素量を、設定された水素の利用率（燃料電池１０２では、供給した水素のすべてを発電に利用することはなく、供給した水素のうち利用した水素の割合を水素利用率と言う。燃料電池１０２の出力に応じて安定的に発電が実施できる水素利用率はあらかじめ定められている。）、および、水素生成装置１０１における転化率（原料から還元剤ガスに改質された割合）で除算して求められる必要総水素量が得られるように原料の組成にあわせて決定される。また、供給する水の流量は、供給する原料の組成と流量に応じて設定された割合に基づいて決定される。

制御装置１０５は、実際に供給されている原料流量と、水素生成装置１０１における転化率から、燃料電池１０２に供給される還元剤ガス中の水素量および未反応の原料量を算出し、燃料電池１０２における実際の電流から算出された消費される水素量を引いて、還元剤排ガス中の水素量と未反応の原料量を決定する。このようにして算出された還元剤排ガスの成分および各成分量にあわせて、安定した燃焼が継続できる所定の空燃比となるように燃焼用空気を燃焼空気供給部８により供給する。

発電開始時や、発電出力を変更する時の過渡状態においては、制御装置１０５は、燃料電池１０２における要求される電流を発生するために必要な水素供給量を満足するように、水素生成装置１０１へ供給する原料および水の流量を制御する。供給する原料および水の流量は、発電出力安定時と同じように決定されるが、過渡状態において制御装置１０５は、目標の発電出力に向かってあらかじめ設定された変化速度に合わせ電力変換装置１０４に指示し、燃料電池１０２において発電する電流を変化させるため、水素生成装置１０１へ供給する原料および水の流量も電流の変化に合わせて変化させる必要がある。

発電出力の安定時と同様に制御装置１０５は、実際に供給されている原料流量と、水素生成装置１０１における転化率、燃料電池１０２における実際の電流から算出された還元剤排ガスの成分および各成分量にあわせて、所定の空燃比となるように燃焼用空気を燃焼空気供給部８により供給する。

過渡時においては、供給する燃焼用空気流量も、原料、水の流量や電流の変化に合わせて変化させる。さらに、原料の供給から水素生成部２、燃料電池１０２、燃焼部３と至る
のに要する時間（おくれ時間とする）を考慮して、おくれ時間が長い場合には、現在の時点からおくれ時間分だけ過去の各状態にあわせて供給するように燃焼用空気流量を決定しても良い。

このような過渡状態においては、水素生成部２に供給する原料流量、蒸発部４に供給する水流量、燃焼部３に供給される還元剤排ガス成分・流量と燃焼用空気流量を断続的に変化させるため、過渡的にそれらの供給バランスが崩れることがあり、蒸発部４における水の蒸発状態に乱れが生じることがある。例えば、一時的に蒸発部４へ供給される熱量の増加が遅れた場合、供給水の増加に反して、熱量が相対的に減少することで水の蒸発量が不足し、その後の熱供給の回復により、水の蒸発量が過多となる。

このような想定以上の水の蒸発による体積膨張により、水素生成装置１０１から供給される還元剤ガスの流量が増加し、燃料電池１０２を経由した後、還元剤排ガスとして燃焼部３へ供給される。

制御装置１０５は、状態推定部６により蒸発部４の蒸発状態を監視する。蒸発部４の湿度、温度、圧力などの所定時間内の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、その差の大小から蒸発状態の正常・異常を判断する。蒸発状態の異常を検知した場合には、燃焼部３への燃焼用ガスが増加し、燃焼用空気の不足が発生すると判断し、燃焼部３に供給する燃焼用空気流量を、実際の原料流量や電流から求められる燃焼用空気の供給量よりも、所定量または所定割合だけ増加させて供給する。

本実施の水素生成装置の構成およびその動作により、制御装置１０５は、蒸発部４の蒸発状態の異常を検知して、燃焼部３に供給する燃焼用空気流量を増加させるため、燃焼部３への還元剤排ガス流量の急激な増加による燃焼不良を防止することができる。

なお、本実施の形態１では、制御装置１０５において、状態推定部６により計測された蒸発部４の湿度、温度、圧力などの変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、蒸発状態の正常・異常を判断するとして説明したが、湿度、温度、圧力などの制御目標値と比較し、蒸発状態を判断するとしても良い。この場合には、予め過渡状態における標準的な変化量を記憶することなく蒸発状態を判断することが可能となる。

（実施の形態１の変形例１）
本実施の形態１の変形例１を図２に示す。変形例１においては、状態推定部６を還元剤ガス供給経路１５に備え、制御装置１０５は、燃料電池１０２に供給される還元剤ガスの所定時間内の圧力または流量の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、その差の大小から蒸発状態の正常・異常を判断する。蒸発状態の異常を検知した場合には、燃焼部３への燃焼用ガスが増加し、燃焼用空気の不足が発生すると判断し、燃焼部３に供給する燃焼用空気流量を、実際の原料流量や電流から求められる燃焼用空気の供給量よりも、所定量または所定割合だけ増加させて供給する。

本実施の水素生成装置の構成およびその動作により、蒸発部４の構造や高温、高圧、高湿度といった過酷な内部環境などの各種条件により、状態推定部６を蒸発部４に設置困難な場合においても、蒸発部４の蒸発状態の異常を検知することができ、より簡素、安価な構成にて蒸発状態の異常による燃焼不良を防止することができる。

なお、本実施の形態１の変形例１では、制御装置１０５において、状態推定部６により計測された還元剤ガス供給経路１５の圧力または流量の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、蒸発状態の正常・異常を判断するとして説明したが、圧力または流量の制御目標値と比較し、蒸発状態を判断するとしても良い。この場合には
、予め過渡状態における標準的な変化量を記憶することなく蒸発状態を判断することが可能となる。

（実施の形態１の変形例２）
本実施の形態１の変形例２を図３に示す。変形例２においては、状態推定部６を還元剤ガス排出経路１７に備え、制御装置１０５は、燃料電池１０２から排出され燃焼部３に供給される還元剤排ガスの所定時間内の圧力または流量の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、その差の大小から蒸発状態の正常・異常を判断する。

蒸発状態の異常を検知した場合には、燃焼部３への燃焼用ガスが増加し、燃焼用空気の不足が発生すると判断し、燃焼部３に供給する燃焼用空気流量を、実際の原料流量や電流から求められる燃焼用空気の供給量よりも、所定量または所定割合だけ増加させて供給する。さらに、状態推定部６により計測された変化量と、標準的な変化量の差の大きさに応じて増加させる燃焼用空気の供給量または割合を変化させると望ましい。

本実施の水素生成装置の構成およびその動作により、燃焼部３への蒸発部４の蒸発状態の影響を検知し、その影響の大きさに応じて増加させる燃焼用空気の供給量または割合を変化させることができ、燃焼不良を防止し、燃焼部３における燃焼状態をより最適に保つことができる。

なお、本実施の形態１の変形例２では、制御装置１０５において、状態推定部６により計測された還元剤ガス排出経路１７の圧力または流量の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、蒸発状態の正常・異常を判断するとして説明したが、圧力または流量の制御目標値と比較し、蒸発状態を判断するとしても良い。この場合には、予め過渡状態における標準的な変化量を記憶することなく蒸発状態を判断することが可能となる。

（実施の形態１の変形例３）
本実施の形態１の変形例３を図４に示す。変形例３においては、原料流量を制御する流量計測装置１０６と圧力計測装置１０７とを原料供給経路１に備え、状態推定部６として流量計測装置１０６または圧力計測装置１０７を利用する。

制御装置１０５は、供給される原料の所定時間内の流量または圧力の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、その差の大小から蒸発状態の正常・異常を判断する。蒸発状態の異常を検知した場合には、燃焼部３への燃焼用ガスが増加し、燃焼用空気の不足が発生すると判断し、燃焼部３に供給する燃焼用空気流量を、実際の原料流量や電流から求められる燃焼用空気の供給量よりも、所定量または所定割合だけ増加させて供給する。

本実施の水素生成装置の構成およびその動作により、従来から燃料電池システム１００に備えている原料流量制御用の流量計測装置１０６または圧力計測装置１０７を状態推定部６として利用することができ、新たな構成を追加することなく蒸発状態の異常による燃焼不良を防止することができる。

なお、本実施の形態１の変形例３では、制御装置１０５において、状態推定部６により計測された原料の流量または圧力の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、蒸発状態の正常・異常を判断するとして説明したが、流量または圧力の制御目標値と比較し、蒸発状態を判断するとしても良い。この場合には、予め過渡状態における標準的な変化量を記憶することなく蒸発状態を判断することが可能となる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２に係る水素生成装置を含む燃料電池システムを示すブロック図である。

図５に示すように、本実施の形態２の水素生成装置は、水素生成部２として改質反応を行う改質部９と、改質反応により生成される副反応物である一酸化炭素を選択的に酸化し除去する選択酸化部１０とを備え、反応空気供給経路１１の下流端には選択酸化部１０が接続され、上流端には選択酸化部１０に反応用の空気を供給する反応空気供給部１２が接続されている。さらに、反応空気供給経路１１には反応空気流量計測部１３と反応空気圧力計測部１４とを備える点が実施の形態１の水素生成装置と相違し、その他の点は実施の形態１の水素生成装置と同じである。

以上のように構成された燃料電池システム１００の発電時の燃焼動作について、図５を参照しながら説明する。この制御は、制御装置１０５によって遂行される。なお、起動時の燃焼動作については、実施の形態１と同様である。

発電時の燃焼動作について発電出力の安定状態と発電出力を変更する過渡状態に分けて説明する。

所定の発電出力で安定した状態においては、制御装置１０５は、燃料電池１０２における現在の電流を維持・継続するために必要な水素供給量を満足するように、改質部９へ供給する原料、蒸発部４へ供給する水（または水蒸気）、および選択酸化部１０へ供給する反応用空気の流量を制御する。供給する原料の流量は、燃料電池１０２で必要な総水素量が得られるように原料の組成にあわせて決定される。また、供給する水および反応用空気の流量は、供給する原料の組成と流量に応じて設定された割合に基づいて決定される。

制御装置１０５は、実際に供給されている原料流量と、水素生成装置１０１における転化率から、燃料電池１０２に供給される還元剤ガス中の水素量および未反応の原料量を算出し、燃料電池１０２における実際の電流から算出された消費される水素量を引いて、還元剤排ガス中の水素量と未反応の原料量を決定する。このようにして算出された還元剤排ガスの成分および各成分量にあわせて、安定した燃焼が継続できる所定の空燃比となるように燃焼用空気を燃焼空気供給部８により供給する。

発電開始時や、発電出力を変更する時の過渡状態においては、制御装置１０５は、燃料電池１０２における要求される電流を発生するために必要な水素供給量を満足するように、水素生成装置１０１へ供給する原料および水、反応用空気の流量を制御する。供給する原料および水、反応用空気の流量は、発電出力安定時と同じように決定されるが、過渡状態において制御装置１０５は、目標の発電出力に向かってあらかじめ設定された変化速度に合わせ電力変換装置１０４に指示し、燃料電池１０２において発電する電流を変化させるため、水素生成装置１０１へ供給する原料および水、反応用空気の流量も電流の変化に合わせて変化させる必要がある。

発電出力の安定時と同様に制御装置１０５は、実際に供給されている原料流量と、水素生成装置１０１における転化率、燃料電池１０２における実際の電流から算出された還元剤排ガスの成分および各成分量にあわせて、所定の空燃比となるように燃焼用空気を燃焼空気供給部８により供給する。

過渡時においては、供給する燃焼用空気流量も、原料、水、反応用空気の流量や電流の変化に合わせて変化させる。さらに、現在の時点からおくれ時間分だけ過去の各状態にあわせて供給するように燃焼用空気流量を決定しても良い。

制御装置１０５は、状態推定部６により蒸発部４の蒸発状態を監視する。反応空気流量計測部１３または反応空気圧力計測部１４の所定時間内の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、その差の大小から蒸発状態の正常・異常を判断する。

蒸発状態の異常を検知した場合には、燃焼部３への燃焼用ガスが増加し、燃焼用空気の不足が発生すると判断し、燃焼部３に供給する燃焼用空気流量を、実際の原料流量や電流から求められる燃焼用空気の供給量よりも、所定量または所定割合だけ増加させて供給する。さらに制御装置１０５は、燃焼用空気流量を増加させた状態を一定時間経過したのち、燃焼用空気流量を通常の状態に戻す。

本実施の水素生成装置の構成およびその動作により、従来から燃料電池システム１００に備えている反応空気流量制御用の反応空気流量計測部１３または反応空気圧力計測部１４を状態推定部６として利用することができ、新たな構成を追加することなく蒸発状態の異常を検知することができ、燃焼状態の異常による燃焼不良を防止することができる。

さらに一定時間経過後に燃焼用空気流量を通常の状態に戻すことで、蒸発部４における蒸発状態の異常が解消された後にも燃焼部３における燃焼状態を最適に保つことができ、燃料電池システム１００の効率を向上することができる。

なお、本実施の形態２では、燃焼用空気流量を増加させた状態を一定時間経過した後、燃焼用空気流量を通常の状態に戻す動作について説明したが、制御装置１０５において、状態推定部６からの情報に基づき、蒸発状態の異常の発生および異常の解消を判断し、異常状態の発生で燃焼用空気流量を増加し、異常状態の解消で燃焼用空気流量を通常状態に戻す動作としても良い。この場合には、燃焼部３における燃焼状態を常に最適な状態に保つことができ、燃料電池システム１００の効率を最適に保つことが可能となる。

また、制御装置１０５において、状態推定部６により計測された反応用空気の流量または圧力の変化量を予め記憶された過渡状態における標準的な変化量と比較し、蒸発状態の正常・異常を判断するとして説明したが、流量または圧力の制御目標値と比較し、蒸発状態を判断するとしても良い。この場合には、予め過渡状態における標準的な変化量を記憶することなく蒸発状態を判断することが可能となる。

本発明の水素生成装置およびその動作によれば、蒸発部における水の蒸発状態の乱れによる、不安定な燃焼状態が防止でき、例えば家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。

１ 原料供給経路
２ 水素生成部
３ 燃焼部
４ 蒸発部
５ 水供給経路
６ 状態推定部
７ 燃焼空気供給経路
８ 燃焼空気供給部
９ 改質部
１０ 選択酸化部
１１ 反応空気供給経路
１２ 反応空気供給部
１３ 反応空気流量計測部
１４ 反応空気圧力計測部
１５ 還元剤ガス供給経路
１６ 酸化剤ガス供給経路
１７ 還元剤ガス排出経路
１８ 酸化剤ガス排出経路
１９ 交流電力経路
２０ 直流電力経路
１００ 燃料電池システム
１０１ 水素生成装置
１０２ 燃料電池
１０３ 空気供給装置
１０４ 電力変換装置
１０５ 制御装置
１０６ 流量計測装置
１０７ 圧力計測装置

Claims (7)

1. 水を熱により蒸発させ、蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、
   前記蒸発部で混合された前記水蒸気と前記原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、
   前記水素生成部で生成された還元剤ガス、または前記還元剤ガスが水素消費手段を経由した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し前記水素生成部および／または前記蒸発部を加熱する燃焼部と、
   前記燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、
   前記還元剤排ガスの圧力または流量の変化を検知することで前記蒸発部における水の蒸発状態の異常を推定する状態推定部と、
   を備え、
   前記燃焼空気供給部は、前記状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に前記燃焼用空気の供給量を増加させることを特徴とする水素生成装置。
2. 水を熱により蒸発させ、蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、
   前記蒸発部で混合された前記水蒸気と前記原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、
   前記水素生成部で生成された還元剤ガス、または前記還元剤ガスが水素消費手段を経由した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し前記水素生成部および／または前記蒸発部を加熱する燃焼部と、
   前記燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、
   前記還元剤ガスの圧力または流量の変化を検知することで前記蒸発部における水の蒸発状態の異常を推定する状態推定部と、
   を備え、
   前記燃焼空気供給部は、前記状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に前記燃焼用空気の供給量を増加させることを特徴とする水素生成装置。
3. 水を熱により蒸発させ、蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、
   前記蒸発部で混合された前記水蒸気と前記原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、
   前記水素生成部で生成された還元剤ガス、または前記還元剤ガスが水素消費手段を経由した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し前記水素生成部および／または前記蒸発部を加熱する燃焼部と、
   前記燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、
   前記蒸発部に供給される原料の圧力または流量の変化を検知することで前記蒸発部における水の蒸発状態の異常を推定する状態推定部と、
   を備え、
   前記燃焼空気供給部は、前記状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に前記燃焼用空気の供給量を増加させることを特徴とする水素生成装置。
4. 水を熱により蒸発させ、蒸発した水蒸気を原料と混合する蒸発部と、
   前記蒸発部で混合された前記水蒸気と前記原料とを用いて水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成部と、
   前記水素生成部で生成された還元剤ガス、または前記還元剤ガスが水素消費手段を経由した後のガスである還元剤排ガスを燃焼し前記水素生成部および／または前記蒸発部を加熱する燃焼部と、
   前記燃焼部の燃焼に使用される燃焼用空気を供給する燃焼空気供給部と、
   前記蒸発部における水の蒸発状態を推定する状態推定部と、
   を備え、
   前記水素生成部は、
   前記水蒸気と前記原料とを用いて改質反応を行なう改質部と、
   前記改質部から排出される改質ガス中の一酸化炭素を低減する選択酸化部と、
   前記選択酸化部に反応用の空気を供給する反応空気供給部と、
   を備え、
   前記状態推定部は、前記選択酸化部に供給される空気の圧力または流量の変化を検知することで前記蒸発状態の異常を推定し、
   前記燃焼空気供給部は、前記状態推定部で蒸発状態の異常が推定された場合に前記燃焼用空気の供給量を増加させることを特徴とする水素生成装置。
5. 前記空気供給部は、前記状態推定部で前記蒸発状態の異常が推定された場合に、一定時間前記燃焼用空気の供給量を増加し、前記一定時間経過後に供給量を元に戻すことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
6. 前記空気供給部は、前記状態推定部で前記蒸発状態の異常が推定されなくなった場合に、前記燃焼用空気の供給量を元に戻すことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される前記還元剤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。

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