JP2002362903A - 水素発生装置 - Google Patents

水素発生装置

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JP2002362903A
JP2002362903A JP2001176572A JP2001176572A JP2002362903A JP 2002362903 A JP2002362903 A JP 2002362903A JP 2001176572 A JP2001176572 A JP 2001176572A JP 2001176572 A JP2001176572 A JP 2001176572A JP 2002362903 A JP2002362903 A JP 2002362903A
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Japan
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air
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reforming
fuel
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JP2001176572A
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English (en)
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Akira Maenishi
晃 前西
Tomomichi Asou
智倫 麻生
Yuji Mukai
裕二 向井
Masataka Ozeki
正高 尾関
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質部、変成部、CO酸化部からなる水素発
生装置において、窒素などの不活性ガスを用いることな
く、安全な運転停止を実現することを目的とする。 【解決手段】 改質部に冷却空気供給部を設け、運転停
止時には原料供給部からの原料と燃料供給部からの燃料
を停止し、水供給部からの水とCO酸化空気供給部から
の空気を供給し、改質触媒の温度が所定の温度より低下
したときに、水供給部の水を停止して冷却空気供給部か
らの空気を供給する、水素発生装置の停止方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス、LP
G、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素
系物質を主原料とし、燃料電池等の水素利用機器に供給
するための水素リッチガスを発生させる水素発生装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】以下に、従来の水素発生装置を組み込ん
だ燃料電池システムの停止方法について図3を用いて説
明する。
【0003】1は改質反応させる原料を供給する原料供
給部、2は改質反応に必要な水を供給する水供給部であ
り、改質触媒を充填した改質部3に繋がり、改質部3に
は、燃料供給部5から供給された燃料と、空気供給部6
から供給された空気とにより燃焼させ、改質部3を加熱
するバーナ7を設置している。また、改質部3から送出
される改質後ガスは変成触媒を充填した変成部8に送ら
れる。変成部8からの変成後ガスはCO酸化触媒を充填
したCO酸化部9に送られ、CO濃度の低い水素リッチ
な生成ガスとしてCO酸化部9から燃料電池10に送ら
れる。燃料電池10から送出されるオフガスは燃料供給
部5からの燃料と混合され、バーナ7に供給される構成
となっている。さらに、原料供給部1からの原料が改質
部3に供給される途中に窒素を供給する窒素供給部11
が設置されている。
【0004】ここで、運転停止時には、燃料電池10で
の発電を停止すると同時に、原料供給部1からの原料や
燃料供給部5からの燃料の供給を停止し、同時に窒素供
給部11から窒素を供給することで、改質部3、変成部
8、CO酸化部9、燃料電池10内に存在する炭化水素
系物質や水素の可燃性ガスをバーナ7に押し出して燃焼
させる。さらに燃焼し終わった後も窒素を供給し続ける
ことで、温度が高くなっている水素発生装置内部の温度
を低下させ、安全に燃料電池システムを停止することを
可能としている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】窒素などの不活性ガス
を供給する手段があれば、従来例のように安全な運転停
止ができるが、燃料電池を家庭に設置する場合など、不
活性ガスが供給されていない場所で水素発生装置を使用
するときには、ボンベなどの新たな供給手段を構成する
必要がある。仮に家庭用燃料電池に窒素ボンベを設置す
るためには、設置スペースの確保やボンベが空になった
時の取り替え、そのボンベの費用が必要となるという課
題が生じることになる。
【0006】本発明はこの課題を解決するものであり、
不活性ガスを用いることなく、安全な運転停止を実現す
る水素発生装置を提供することを目的としたものであ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するため、本発明は炭化水素系の原料を供給する原料供
給部と、水を供給する水供給部と、改質触媒を充填した
改質部と、前記改質部を加熱するバーナと、前記バーナ
に可燃性の燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに
燃焼用空気を供給する空気供給部と、前記改質部からの
改質後ガスが流入し、内部に変成触媒を有する変成部
と、前記変成部からの変成後ガスが流入し、内部にCO
酸化触媒を有するCO酸化部と、前記CO酸化部にCO
酸化用空気を供給するCO酸化空気供給部とを備え、運
転停止時に、前記原料供給部からの原料と前記燃料供給
部からの燃料の供給を停止し、前記水供給部からの水と
前記CO酸化空気供給部からの空気は供給することを特
徴とする水素発生装置である。
【0008】また、炭化水素系の原料を供給する原料供
給部と、水を供給する水供給部と、改質触媒を充填した
改質部と、前記改質部を加熱するバーナと、前記バーナ
に可燃性の燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに
燃焼用空気を供給する空気供給部と、前記改質部からの
改質後ガスが流入し、内部に変成触媒を有する変成部
と、前記変成部に空気を供給する変成空気供給部と、前
記変成部からの変成後ガスが流入し、内部にCO酸化触
媒を有するCO酸化部とを備え、運転停止時に、前記原
料供給部からの原料と前記燃料供給部からの燃料の供給
を停止し、前記水供給部からの水と前記変成空気供給部
から空気を供給することを特徴とするものである。
【0009】また、CO酸化部からの生成ガスを供給す
る燃料電池を有し、運転停止時に前記燃料電池に供給し
ている生成ガスを、前記燃料供給部からの燃料に混合し
て前記バーナに供給することを特徴とするものである。
【0010】また、改質部に冷却用空気を供給する冷却
空気供給部と、改質触媒の温度を検知する温度検知部と
を備え、運転停止時に、前記改質触媒の温度が所定値よ
り低くなったときに、前記水供給部からの水の供給を停
止し、前記冷却空気供給部から空気を供給することを特
徴とするものである。
【0011】また、バーナの火炎の存在を検知する火炎
検知部を有し、運転停止後、前記燃焼検知部により失火
したと判断した時、前記空気供給部からの空気量を増や
すことを特徴とするものである。
【0012】また、バーナの火炎の存在を検知する火炎
検知部を有し、運転停止後、前記燃焼検知部により失火
したと判断し、かつ、運転停止から一定時間経過後、前
記CO酸化空気供給部からの空気量を増やすことを特徴
とするものである。
【0013】また、変成部に充填されている変成触媒
は、少なくとも、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジ
ウムの一つを含有することを特徴とするものである。
【0014】
【本発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
いて、図面を用いて説明する。
【0015】(実施の形態1)図1は本発明の実施の形
態1における水素発生装置の構成図であり、同図におい
て、1は改質反応させる原料を供給する原料供給部、2
は改質反応に必要な水を供給する水供給部であり、Ru
を主成分とした改質触媒を充填した改質部3に繋がり、
改質部3には、燃料供給部5から供給された燃料と、空
気供給部6から供給された空気とにより燃焼させ、改質
部3を加熱するバーナ7を設置している。バーナ7は火
炎の存在を検知する火炎検知部16を有している。原料
供給部1と改質部3との間には改質部3の内部に空気を
供給する冷却空気供給部13を有し、改質部3には改質
触媒の温度を検知する温度検知部14が設けられてい
る。
【0016】改質部3から送出される改質後ガスは白金
族系の変成触媒を充填した変成部8に送られる。変成部
8からの変成後ガスはCO酸化触媒を充填したCO酸化
部9に送られ、CO濃度10ppm以下の水素リッチな
生成ガスとしてCO酸化部9から燃料電池10に送られ
る。CO酸化部9にはCO酸化に必要な空気を供給する
CO酸化空気供給部12が設置されている。CO酸化部
9から燃料電池10への経路の途中には切替バルブ15
が設置されており、切替バルブ15によりCO酸化部9
からの生成ガスは、燃料供給部5からの燃料と混合され
バーナ7にも供給できる構成となっている。
【0017】ここで、原料供給部1および燃料供給部5
から供給される原料および燃料は、天然ガス(都市ガ
ス)、LPG等の気体状炭化水素燃料、あるいはガソリ
ン、灯油、メタノール等の液体状炭化水素系燃料であ
る。ただし、液体状燃料を用いるときには燃料の気化部
が必要となるが、改質部3やバーナ7周囲からの伝導熱
や燃焼排気ガス中の顕熱などを利用した気化部を構成す
ることが可能である。
【0018】また、原料供給部1、水供給部2、燃料供
給部5、空気供給部6、CO酸化空気供給部12および
冷却空気供給部13の流量調整は、ポンプやファン等を
利用して、その動作を制御する方法や、ポンプやファン
などの下流側にバルブ等の流量調整器を設置する方法な
どがあるが、本説明ではそれらを含めてそれぞれの供給
部として示している。
【0019】また、温度検知部14は、熱電対や高温形
サーミスタ等を用いることができ、温度検知部14で検
出した温度に応じて空気供給部6により空気供給量を制
御できる構成となっている。
【0020】さらに、火炎検知部16は火炎内部に電極
を設置して電圧をかけ、生じるイオン電流を検知する方
法や、熱電対を火炎中に設置すし火炎温度を検知する方
法、火炎からの赤外線や可視光線、紫外線を検知する方
法などを用いることができる。なお、図中の矢印は原料
物質や反応物質、燃料物質等の流れの方向を示してい
る。
【0021】上記構成において、水素発生装置の運転状
態から停止にいたる動作を以下に示す。
【0022】運転時には、原料供給部1からの原料と水
供給部2からの水を改質部3に供給している。改質部3
は、隣接したバーナ7による加熱により、高温化してお
り改質触媒上では改質反応が起こり、改質部3からの改
質後ガスは変成部8に供給される。変成部8の変成触媒
は改質後ガスで昇温しているため変成反応が起こり、変
成部8から変成後ガスとしてCO酸化部9に供給され
る。CO酸化部8では、CO酸化空気供給部12からの
空気と変成後ガスが混合されCO酸化触媒に供給され、
CO酸化反応によりCO濃度は10ppm以下に低減さ
れ、水素リッチな生成ガスとなる。そして生成ガスは燃
料電池10に送られて発電する。
【0023】運転停止時には、切替バルブ15により、
CO酸化部9から送出されるガスをバーナ7側に送るよ
うにすると同時に、原料供給部1と燃料供給部5により
原料と燃料の供給を停止する。この時、水供給部2から
の水とCO酸化空気供給部12からの空気は運転時と同
様に供給し続ける。
【0024】運転停止直後には、改質部3、変成部8、
CO酸化部9や途中の配管部、つまり水素発生装置内に
は、可燃性ガスである水素や炭化水素系物質が存在して
いる。水供給部2から供給された水は、高温化している
改質部3で蒸発し、この水蒸気により内部に滞在してい
る可燃性ガスはバーナ7側に押し出され、バーナ7で燃
焼する。また、CO酸化空気供給部12からの空気を供
給し続けることにより、水蒸気により押し出されCO酸
化部12を通過する可燃性ガスのCOや水素はCO酸化
触媒により酸化反応する。つまり、CO酸化空気供給部
12からの空気により水素発生装置内の水素は多少なり
とも消費され、水素発生装置内の可燃性ガス消費にかか
る時間を短縮できる。さらに、CO酸化空気供給部12
からの空気に含まれる窒素により、ガス中の露点を下
げ、水素発生装置内の温度の低いところに生じる結露に
よる流路閉塞や配管腐食などの発生、またCO酸化触媒
の水暴露を抑えることができる。さらに、仮に結露によ
り水蒸気の体積が減少して可燃性ガスが押し出せなくな
ったとしても、窒素により可燃性ガスを押し出すことが
できる。ここで、CO酸化触媒が水に長時間暴露される
と触媒のはがれや、ガス中に含まれるCO2とから生じ
る炭酸塩などの影響で、触媒活性が低下する可能性があ
る。
【0025】水供給部2から水を供給し続けると、水蒸
気により水素発生装置内の可燃性ガスは全てバーナ7に
供給され、火炎は消える。火炎がなくなることで、改質
部3は加熱されなくなり、水が供給されているので改質
部3の温度は低下していく。
【0026】ここで、運転停止時の燃料供給部5からの
燃料の停止を、燃料の供給量を徐々に低下させて停止さ
せるようにすると、水供給部2から水を供給した直後、
バーナ7に押し出されてきた可燃性ガスを含むガス流量
が多少ふれても、燃料供給部5からの燃料により小さい
ながらも火炎が形成されているため、失火しにくくな
る。また、運転停止時の原料供給部1からの原料の停止
を、原料の供給量を徐々に低下させて停止させるように
すると、改質部3では原料の量に応じて吸熱反応である
改質反応が起こるため、改質部3の温度低下を早めるこ
とができる。
【0027】さらに、火炎が消えたことを火炎検知部1
6で検知し、空気供給部6からの空気量を多くすれば、
改質部3の温度の低下を早めることが出来る。また、仮
に水素発生装置内の可燃性ガスがバーナ7に送出されて
いる途中に、何らかの要因で火炎が失火した場合でも、
空気供給量を増やすことで失火後バーナ7に供給される
可燃性ガスを希釈して可燃範囲外のガスとして安全に排
出することができる。
【0028】そして、改質部3の温度、つまり改質触媒
に含まれるRuが、空気との接触によりRuO4となっ
て揮発しない温度まで下がったことを温度検知部14に
より検知したら、水供給部2からの水の供給を停止し、
冷却空気供給部13から空気を供給し、水素発生装置内
部を空気により冷却する。仮に、RuO4となって揮発
すると改質触媒はその分Ru量が少なくなり、触媒活性
が低下する。水蒸気による冷却を空気による冷却にする
ことにより、水蒸気供給を続けることで生じやすくなる
低温部での結露を最小限に抑え、配管の結露水による閉
塞や腐食、触媒の水濡れによる特性低下、さらには再起
動時の触媒温度上昇の長時間化などを防止する。
【0029】また、運転停止後一定時間経過した後で、
火炎検知部16で失火を検知した時には、CO酸化空気
供給部からの空気量を増やす。そうすることで、CO酸
化部9からバーナ7へ流れるガス流量を増やして露点を
下げることが出来、結露による配管の閉塞や腐食などの
悪影響をより起こりにくくすることができる。ここで、
運転停止後一定時間とは、水素発生装置内の可燃性ガス
が充分にバーナ7に送出される時間のことである。
【0030】水素発生装置内部に可燃性ガスが残ってい
る時にCO酸化部9に空気を供給すると、触媒の存在下
で可燃性ガスと酸素とが反応するが、CO酸化空気供給
部12からの空気が水素発生装置運転時のように少量の
場合は問題ないは生じない。しかし、多量に増やした場
合には、酸化反応が瞬間的に多量に生じるため、条件に
よれば爆発する可能性も考えられる。さらに、運転停止
後一定時間経過した後でも十分可燃性ガスがバーナ7に
送出されておらず、小さいながらも火炎が存在している
場合には火炎検知部16で検知される。この場合には水
素発生装置に多少可燃性ガスが残っている可能性がある
ので、安全側として、失火を検知した後で、かつ、運転
停止後一定時間経過した後にCO酸化空気供給部12か
らの空気を増やすようにしている。
【0031】なお、一般に変成部8の変成触媒としては
Cu−Znを主成分としたものなどの金属系触媒が使用
されるが、空気暴露による酸化により触媒表面の比表面
積が大きくなり触媒活性が低下しやすい特徴がある。そ
のため、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムの空
気暴露に強い貴金属を少なくとも一つ含有する触媒を使
用すれば、水蒸気により可燃性ガスを押し出した後、空
気により冷却を行ったとしても、触媒活性を低下させる
ことなく本発明の効果を十分発揮させることができる。
【0032】(実施の形態2)図2は本発明の実施の形
態2における水素発生装置の構成図である。実施の形態
1における12のCO酸化空気供給部がなく、変成部8
に空気を供給する変成空気供給部17が設置されてい
る。
【0033】運転停止時には、実施の形態1と同様に、
切替バルブ15により、CO酸化部9から送出されるガ
スをバーナ7側に送るようにすると同時に、原料供給部
1と燃料供給部5により原料と燃料の供給を停止する。
この時、水供給部2からの水と変成空気供給部17から
の空気を供給する。
【0034】この動作により、実施の形態1と同様に、
水蒸気により水素発生装置内の可燃性ガスの押し出し
と、変成空気供給部17からの空気により可燃性ガスで
あるCOや水素を酸化反応させることで水素発生装置内
の可燃性ガス消費にかかる時間を短縮できる。さらに、
変成空気供給部17からの空気に含まれる窒素により、
ガスの露点を下げ、結露の防止と、仮に結露した場合で
も可燃性ガスを押し出すことができる。ここで、実施の
形態2では、空気の供給を実施の形態1のCO酸化部9
より上流側の変成部8で行っているため、変成部8を通
過するガスの露点を下げることができる。そのため、C
O酸化触媒だけでなく変成触媒への結露を予防すること
ができる。したがって、変成触媒の水暴露による触媒活
性低下を予防できる。なお、変成触媒として、白金、ル
テニウム、ロジウム、パラジウムの空気暴露に強い貴金
属を少なくとも一つ含有する触媒を使用すれば、空気供
給により触媒活性を低下させることなく本発明の効果を
十分発揮させることができる。
【0035】
【発明の効果】以上のように本発明は、水素発生装置の
停止方法において運転停止時に、原料供給部からの原料
と燃料供給部からの燃料の供給を停止し、水供給部から
の水とCO酸化空気供給部からの空気を供給すること
で、供給した水が蒸発した水蒸気により、水素発生装置
内の可燃性ガスを押し出し、また、CO酸化部での空気
により可燃性ガスの消費を早めると同時に、ガスの露点
温度を下げて結露による閉塞や配管の腐食、CO酸化触
媒活性低下を防止し、仮に結露した場合でも空気中の窒
素により可燃性ガスを押し出すものである。
【0036】また、変成空気供給部から変成部に空気を
供給することにより、より流れの上流側からガスの露点
を下げ、変成触媒の活性低下を防止するものである。
【0037】また、水素発生装置(CO酸化部)からの
可燃性ガスをバーナ7に供給することで燃焼させ、可燃
性ガスを安全に処理するものである。
【0038】また、改質部に冷却用空気を供給する冷却
空気供給部と、改質触媒の温度を検知する温度検知部と
を設け、改質触媒の温度が所定値より低くなったとき
に、水供給部からの水の供給を停止して、冷却空気供給
部から空気を供給することで、水の供給量を最低限に抑
え、結露による配管の閉塞や腐食、触媒の水濡れによる
特性低下、さらには再起動時の触媒温度上昇の長時間化
を防止しするものである。
【0039】また、バーナの火炎の存在を検知する火炎
検知部を有し、燃焼検知部により失火したと判断した時
に、空気供給部からの空気量を増やすことで、改質部の
冷却促進と、失火後にバーナに供給された可燃性ガスを
希釈して可燃範囲外のガスとして安全に排出するもので
ある。
【0040】また、燃焼検知部により失火したと判断
し、かつ、運転停止時一定時間経過後にCO酸化空気供
給部からの空気量を増やすことで、CO酸化部からバー
ナへ流れるガスの露点を下げ、結露による配管の閉塞や
腐食などの悪影響をより起こりにくくするものである。
【0041】さらに、変成部に充填されている変成触媒
を白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムのいずれか
一つを含有する触媒とすることで、運転停止時の空気冷
却時の空気暴露でも活性を低下させず、安定した特性を
有する水素発生装置を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における水素発生装置の
構成図
【図2】本発明の実施の形態2における水素発生装置の
構成図
【図3】従来の水素発生装置の構成図
【符号の説明】
1 原料供給部 2 水供給部 3 改質部 5 燃料供給部 6 空気供給部 7 バーナ 8 変成部 9 CO酸化部 10 燃料電池部 11 窒素供給部 12 CO酸化空気供給部 13 冷却空気供給部 14 温度検知部 15 切替バルブ 16 火炎検知部 17 変成空気供給部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/06 H01M 8/06 G (72)発明者 向井 裕二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 尾関 正高 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB31 EB47 5H027 AA02 BA01 BA17 KK21 KK42 MM12

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭化水素系の原料を供給する原料供給部
    と、水を供給する水供給部と、改質触媒を充填した改質
    部と、前記改質部を加熱するバーナと、前記バーナに可
    燃性の燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに燃焼
    用空気を供給する空気供給部と、前記改質部からの改質
    後ガスが流入し、内部に変成触媒を有する変成部と、前
    記変成部からの変成後ガスが流入し、内部にCO酸化触
    媒を有するCO酸化部と、前記CO酸化部にCO酸化用
    空気を供給するCO酸化空気供給部とを備え、運転停止
    時に、前記原料供給部からの原料と前記燃料供給部から
    の燃料の供給を停止し、前記水供給部からの水と前記C
    O酸化空気供給部から空気を供給することを特徴とする
    水素発生装置。
  2. 【請求項2】 炭化水素系の原料を供給する原料供給部
    と、水を供給する水供給部と、改質触媒を充填した改質
    部と、前記改質部を加熱するバーナと、前記バーナに可
    燃性の燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナに燃焼
    用空気を供給する空気供給部と、前記改質部からの改質
    後ガスが流入し、内部に変成触媒を有する変成部と、前
    記変成部に空気を供給する変成空気供給部と、前記変成
    部からの変成後ガスが流入し、内部にCO酸化触媒を有
    するCO酸化部とを備え、運転停止時に、前記原料供給
    部からの原料と前記燃料供給部からの燃料の供給を停止
    し、前記水供給部からの水と前記変成空気供給部から空
    気を供給することを特徴とする水素発生装置。
  3. 【請求項3】 運転停止時に、前記燃料供給部からの燃
    料を徐々に減少させて停止させたり、あるいは前記原料
    供給部からの原料を徐々に減少させて停止することを特
    徴とする請求項1または2記載の水素発生装置。
  4. 【請求項4】 前記CO酸化部からの生成ガスを供給す
    る燃料電池を有し、運転停止時に前記燃料電池に供給し
    ている生成ガスを、前記燃料供給部からの燃料に混合し
    て前記バーナに供給することを特徴とする請求項1から
    3のいずれかに記載の水素発生装置。
  5. 【請求項5】 前記改質部に冷却用空気を供給する冷却
    空気供給部と、改質触媒の温度を検知する温度検知部と
    を備え、運転停止時に、前記改質触媒の温度が所定値よ
    り低くなったときに、前記水供給部からの水の供給を停
    止し、前記冷却空気供給部から空気を供給することを特
    徴とする請求項1から4のいずれかに記載の水素発生装
    置。
  6. 【請求項6】 前記バーナの火炎の存在を検知する火炎
    検知部を有し、運転停止後、前記燃焼検知部により失火
    したと判断した時、前記空気供給部からの空気量を増や
    すことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の
    水素発生装置。
  7. 【請求項7】 前記バーナの火炎の存在を検知する火炎
    検知部を有し、運転停止後、前記燃焼検知部により失火
    したと判断し、かつ、運転停止から一定時間経過後、前
    記CO酸化空気供給部からの空気量を増やすことを特徴
    とする請求項1、3〜6のいずれかに記載の水素発生装
    置。
  8. 【請求項8】 前記バーナの火炎の存在を検知する火炎
    検知部を有し、運転停止後、前記燃焼検知部により失火
    したと判断し、かつ、運転停止から一定時間経過後、前
    記変成空気供給部からの空気量を増やすことを特徴とす
    る請求項2〜6のいずれかに記載の水素発生装置。
  9. 【請求項9】 変成部に充填されている変成触媒は、少
    なくとも、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムの
    一つを含有することを特徴とする請求項1〜8のいずれ
    かに記載の水素発生装置。
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