JP2011116579A - 水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素生成装置の内部圧力が低下している場合においても水素生成装置より下流流路へのガス漏れを検知することが可能な水素生成装置を提供すること。
【解決手段】水素生成器１と、原料ガス供給源からの原料ガスを水素生成器１に供給する原料ガス流路２と、水素生成器１への原料ガスの供給・遮断を行なう原料ガス遮断弁３と、水素生成器１での水蒸気改質により生成した水素リッチな燃料ガスを排出する燃料ガス流路６と、水素生成器１からの燃料ガスの排出・遮断を行なう燃料ガス遮断弁７と、燃料ガス遮断弁７の下流に設けられガス漏れを検知するガス漏れ検知器１２とを備え、ガス漏れ検知に関する一連の運転を制御する制御部１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質触媒を用いて原料および水蒸気から水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成装置に関するものである。

水素生成装置を良好に運転させるためには、流路からのガス漏れを検知することが好ましい。特に、装置の運転停止時において密閉区間を形成する範囲でのガス漏れ部位は、運転停止時において内部温度低下に伴なった圧力低下によって外部から空気を吸入し触媒を劣化させる原因となる。

従来のガス漏れ検知を行なう水素生成装置としては、水素生成装置を含む密閉空間の圧力低下によりガス漏れ検知を行なうものがあった（例えば、特許文献１参照）。また、水素生成装置を配備したパッケージ内にガス検知センサを設け、水素生成装置からパッケージ内部に漏れ出したガス漏れ検知を行なうものもあった（例えば、特許文献２参照）。図５は、前記特許文献１に記載された従来の水素生成装置を用いた燃料電池システムを示すものである。

図５に示す燃料電池システムでは、原料ガスと水蒸気から燃料ガスを生成する水素生成器１０１と、水素生成器を加熱するバーナ１０２と、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池１０３と、原料ガスを水素生成器に供給する原料ガス流路１０４と、燃料電池に生成した燃料ガスを供給する燃料ガス流路１０５と、生成した燃料ガスを燃料電池をバイパスさせる燃料ガスバイパス流路１０６と、燃料電池から排出される燃料ガスをバーナに供給する燃料オフガス流路１０７と、原料ガスの供給・遮断を行なう遮断弁１０８と、燃料ガスバイパス流路への燃料ガスの通流・遮断を行なう遮断弁１０９と、燃料電池への燃料ガスの供給・遮断を行なう遮断弁１１０と、燃料電池からの燃料ガスの排出・遮断を行なう遮断弁１１１と、水素生成器の圧力を検知する圧力センサ１１２とを備えていた。そして、水素生成器のガス漏れ検知を行なうときには、遮断弁１０８を開放し、かつ遮断弁１０９、１１０、１１１は閉止する。原料ガスを図示していないポンプで圧送し、遮断弁１０９、１１０より上流の水素生成器１０１およびガス流路に圧力を印加する。圧力センサ１１２の圧力が所定値よりも高くなったら図示していないポンプを停止させ、遮断弁１０８を閉止し、遮断弁１０８、１０９、１１０で囲まれた水素生成器１０１およびガス流路を含む区間を密閉区間にし、所定時間（例えば５分）における圧力低下を監視することにより、ガス漏れ検知を行なう。

また漏れ検知動作の実行時期としては、燃料電池システムの出荷前、燃料電池システムの起動直前、出荷後の配管や部品の組み替え時、出荷後の配管や部品の交換時、燃料電池システムのメンテナンス時が開示されている。

特開２００８−１０８４４６号公報（第７−１６頁、図１−４） 特開２００３−２２９１４８号公報（第６−９頁、図１−３）

しかしながら、前記従来の構成では圧力低下によりガス漏れ検知を行なうため、水素生成装置が継続的に温度低下をしているときには内部圧力も低下するためガス漏れ検知を行
なうことができない。一般的に水素生成装置が水素生成を継続しているときには水素生成器１０１内部の温度は５００℃〜８００℃と高温であるため、水素生成装置は水素生成を停止すると約３０℃程度の常温まで温度低下することになるが、この間のガス漏れ検知を行なうことができないという課題があった。この間のガス漏れに関しては、水素生成装置からパッケージ内部に漏れ出したガス漏れに関しては特許文献２記載のガス検知センサにより検知することができるが、一方、遮断弁１０９を介して下流の燃料ガス流路に漏れ出すガス漏れは、燃焼を停止しているバーナ１０２を通じてシステムの外部に排出されるため、ガス漏れ検知を行なうことができない。すなわち、水素生成装置が水素生成を停止してから、約３０℃程度の常温まで温度低下するまでの間において、水素生成装置より下流の遮断弁での内部リークによるガス漏れを検知することができない、という課題を有していた。

そこで本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素生成器の内部圧力が低下している場合においても水素生成器より下流流路へのガス漏れを検知することが可能な水素生成装置を提供することを目的とする。

上述した従来の課題を解決するために、第１の本発明は、原料ガスを用いて水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成器と、原料ガスを原料供給源から水素生成器に供給する原料ガス流路と、原料ガス流路に設けられた原料ガス遮断弁と、燃料ガスを水素生成器から排出する燃料ガス流路と、燃料ガス流路に設けられ水素生成器から排出された燃料ガスを通流または遮断する燃料ガス遮断弁と、燃料ガス遮断弁の下流に設けられガス漏れを検知するガス漏れ検知手段と、原料ガス遮断弁と燃料ガス遮断弁との弁の開閉を制御する制御部とを備える水素生成装置である。

本構成によると、制御部は水素生成器の運転停止時において原料ガス遮断弁と燃料ガス遮断弁を遮断した後、原料ガス遮断弁を開放かつ燃料ガス遮断弁を閉止し、ガス漏れ検知手段によりガス漏れを検知することができる。

本発明の水素生成装置によれば、水素生成装置の内部圧力が低下している場合においても水素生成装置より下流流路へのガス漏れを検知することすることができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置のブロック図 本発明の実施の形態２における水素生成装置のブロック図 本発明の実施の形態３における水素生成装置のブロック図 本発明の実施の形態４における水素生成装置のブロック図 従来の水素生成装置を用いた燃料電池システムのブロック図

第１の本発明は、原料ガスを用いて水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成器と、原料ガスを原料供給源から水素生成器に供給する原料ガス流路と、原料ガス流路に設けられた原料ガス遮断弁と、燃料ガスを水素生成器から排出する燃料ガス流路と、燃料ガス流路に設けられ水素生成器から排出された燃料ガスを通流または遮断する燃料ガス遮断弁と、燃料ガス遮断弁の下流に設けられガス漏れを検知するガス漏れ検知手段と、原料ガス遮断弁と燃料ガス遮断弁との弁の開閉を制御する制御部とを備える水素生成装置である。

本構成によると、制御部は水素生成器の運転停止時において原料ガス遮断弁と燃料ガス遮断弁を遮断した後、原料ガス遮断弁を開放かつ燃料ガス遮断弁を閉止し、ガス漏れ検知
手段によりガス漏れを検知することができる。

また第２の本発明は、第１の本発明の水素生成装置において、ガス漏れ検知手段は点火動作を行なう点火器と、点火器近傍での火炎を検知する火炎検知器とを備える水素生成装置である。

本構成によると、制御部は水素生成器の運転停止時において原料ガス遮断弁と燃料ガス遮断弁を遮断した後、原料ガス遮断弁を開放かつ燃料ガス遮断弁を閉止し、点火器に点火動作を行なわせ、火炎検知器での火炎検知の有無によりガス漏れを検知することができる。
なお、燃料ガスの少なくとも一部を燃焼させる燃焼器を備え、点火器および火炎検知器を燃焼器に備えることは、ガス漏れ検知手段としての点火器および火炎検知器を、燃料ガス生成運転中においては、燃焼器での点火用の点火器および、燃焼器での燃焼検知用の火炎検知器として兼用することができる。

また第３の本発明は、第１の本発明または第２の本発明の水素生成装置において、燃料ガス遮断弁を燃料ガス流路に対して直列に複数備え、制御部は原料ガス遮断弁を開放するときに、複数の燃料ガス遮断弁のうち任意の１つのみを遮断することを特徴とする水素生成装置である。

本構成によると、制御部は水素生成器の運転停止時において原料ガス遮断弁と燃料ガス遮断弁を遮断した後、原料ガス遮断弁を開放かつ、燃料ガス流路に対して直列に複数備えた燃料ガス遮断弁のうち任意の１つのみを遮断することにより、遮断した燃料ガス遮断弁に対してガス漏れ検知手段によりガス漏れを検知することができる。

また第４の本発明は、第１の本発明から第３の本発明のいずれか１つの発明の水素生成装置において、燃料ガス遮断弁の下流に設けられた漏洩ガスを希釈する希釈手段を備える水素生成装置である。

本構成によると、制御部がガス漏れを検知したときは、制御部は希釈手段を用いて燃料ガス遮断弁より下流の燃料ガス流路に漏洩したガスを希釈して燃料ガス流路より排出することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この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、本発明の本実施の形態１における水素生成装置の構成を示すブロック図である。

本実施の形態における水素生成装置は、触媒を用いて都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系の原料ガスを水蒸気改質することにより水素リッチは燃料ガスを生成する水素生成器１と、原料ガス供給源からの原料ガスを水素生成器１に供給する原料ガス流路２と、水素生成器１への原料ガスの供給・遮断を行なう原料ガス遮断弁３と、水蒸気供給源からの水蒸気を水素生成器１に供給する水蒸気流路４と、水素生成器１への水蒸気の供給・遮断を行なう水蒸気遮断弁５と、水素生成器１での水蒸気改質により生成した水素リッチな燃料ガスを排出する燃料ガス流路６と、水素生成器１からの燃料ガスの排出・遮断を行なう燃料ガス遮断弁７と、水素生成器１内部の触媒を加熱するバーナ８と、燃焼ガス供給源からの燃焼ガスをバーナ８に供給する燃焼ガス流路９と、バーナ８への燃焼ガスの供給・遮断を行なう燃焼ガス遮断弁１０と、改質触媒の温度を検知する温度センサ１１と、燃料
ガス遮断弁７の下流に設けられガス漏れを検知するガス漏れ検知器１２と、ガス漏れ時に漏洩ガスを希釈する空気を供給する送風機１３と、ガス漏れ検知に関する一連の運転を制御する制御部１４とを備える。

なお、本実施の形態における構成部材としてのガス漏れ検知器１２は、本発明におけるガス漏れ検知手段の具体的な実施の一例である。また、本実施の形態における構成部材としての送風機１３は、本発明における希釈手段の具体的な実施の一例である。また、送風機１３としては、ファン、ブロワ、ポンプ等を用いることができる。

まず、本実施の形態における水素生成装置の燃料ガス生成に関して、具体的動作を説明する。

図１に示す水素生成装置では、原料ガス遮断弁３を開とすることにより、原料供給源から供給された都市ガスまたはプロパンは含有する付臭成分を図示していない脱硫器で除去された後、原料ガスとして原料ガス流路２を通じて水素生成器１に供給される。また水素生成器１での改質反応に必要な水蒸気は、水蒸気遮断弁５を開とすることにより、水蒸気供給源から水蒸気流路４を通じて水素生成器１に供給される。水素生成器１では供給された原料ガスと水蒸気を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス遮断弁７を開とすることにより、燃料ガス流路６を通じて水素生成装置の系外に排出される。なお排出される燃料ガスは、図示していない水素を用いて発電を行なう燃料電池などの水素利用デバイスに供給することができる。また水素生成器１での燃料ガス生成に必要な熱は、燃焼ガス遮断弁１０を開とすることにより、燃焼ガス供給源から燃焼ガス流路９を通じて燃焼ガスをバーナ８に供給し燃焼させることにより、燃焼熱を水素生成器１に供給し、水素生成器１の昇温・温度維持を温度センサ１１から温度検出値を用いて実施する。

次に、本実施の形態における水素生成装置のガス漏れ検知に関して、具合的動作を説明する。

制御部１４は、水素生成器１での水素生成運転停止において、原料ガス遮断弁３、水蒸気遮断弁５、燃焼ガス遮断弁１０を遮断し、各々原料ガス、水蒸気、燃焼ガスの供給を遮断するとともに、燃料ガス遮断弁７を遮断し、水素生成器１を密閉することにより燃料ガス流路６下流等からの空気流入を防止する。また燃料ガス流路６の下流は水素利用デバイスと切り離し、大気に対して開放状態にする。制御部１４は、水素生成運転時においては水素生成器１の昇温・温度維持を検知する温度センサ１１から温度検出値を流用することにより、水素生成器１の温度が原料ガスによる触媒への炭素析出が発生しない所定温度（たとえば５００℃）以下になると、燃料ガス遮断弁７を遮断した状態で原料ガス遮断弁３を開放し、原料ガス流路２、水素生成器１および、燃料ガス遮断弁７より上流の燃料ガス流路６を含む区間の圧力を原料ガス供給源と同等の圧力にする。一方、制御部１４はガス漏れ検知器１２からの検知信号を監視し、検知信号が「ガス漏れ」と判断できる値を検知したときは、燃料ガス遮断弁７からの内部リークによるガス漏れを検知する。さらに制御部１４は、ガス漏れを検知すると、原料ガス遮断弁３を閉止し、送風機１３を作動させ、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈して水素生成装置の系外に排出する。また、検知信号が「ガス漏れなし」と判断できる値を検知したときは、原料ガス遮断弁３を閉止し、ガス漏れ検知動作を終了する。

本実施の形態における水素生成装置の構成をとると、水素生成運転停止後の水素生成器１が温度低下することによる内部圧力低下が発生する期間においても、制御部１４はガス漏れ検知器１２からの検知信号を監視することにより、原料ガス遮断弁３を開放することにより水素生成器１を含む密閉区間を原料ガス供給源と同等の圧力（正圧）にし、大気圧
と同等である燃料ガス遮断弁７下流の間に圧力差を与えることができるため、差圧によって燃料ガス遮断弁７からの内部リークによるガス漏れを検知することができる。

また本実施の形態における水素生成装置の構成では、ガス漏れ時に漏洩ガスを希釈する空気を供給する送風機１３からの送風空気を燃料ガス遮断弁７より下流の燃料ガス流路６に供給するように構成したことにより、制御部１４がガス漏れを検知したときにおいて、送風機１３を作動させることにより送風空気を燃料ガス遮断弁７より下流の燃料ガス流路６に供給し、漏洩ガスを空気で希釈することができるため、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈して水素生成装置の系外に排出することができる。

なお本実施の形態におけるガス漏れ検知では、制御部は温度センサ１１からの温度検出値を基にガス漏れ検知の一連の動作を実施したが、この限りではなく、予め実験的に得られる停止からの時間経過と温度低下の関係を基に、所定時間の経過に応じて一連の動作を実施してもよい。またなお上述したガス漏れ検知の動作は、水素生成装置が水素生成を停止してから約３０℃程度の常温まで温度低下するまでの間において、複数回実施してもよい。

また本実施の形態においては、希釈手段として送風機１３を用いたがこれの限りではなく、希釈手段として窒素やアルゴンなどの不活性ガスボンベを用い、不活性ガスでの希釈を行なってもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の本実施の形態２における水素生成装置の構成を示すブロック図である。

図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また、本実施の形態における水素生成装置の燃料ガス生成に関する具体的動作に関しても、実施の形態１と同じであり、説明を省略する。

本実施の形態における水素生成装置は、実施の形態１における水素生成装置と比して、ガス漏れ検知手段の具体的な実施の一例であるガス漏れ検知器１２の代わりに、高圧放電により点火動作を行なうイグナイタ２１と、イグナイタ２１近傍での火炎をイオン電流により検知するフレームロッド２２とを備える点で異なる。

なお、本実施の形態における構成部材としてのイグナイタ２１および、フレームロッド２２は、各々、本発明における、点火器および、火炎検知器の具体的な実施の一例である。

次に、本実施の形態における水素生成装置のガス漏れ検知に関して、具合的動作を説明する。

図２に示す水素生成装置では、制御部１４は、水素生成器１での水素生成運転停止において、原料ガス遮断弁３、水蒸気遮断弁５、燃焼ガス遮断弁１０を遮断し、各々原料ガス、水蒸気、燃焼ガスの供給を遮断するとともに、燃料ガス遮断弁７を遮断し、水素生成器１を密閉することにより燃料ガス流路６下流等からの空気流入を防止する。また燃料ガス流路６の下流は水素利用デバイスと切り離し、大気に対して開放状態にする。制御部１４は、水素生成運転時においては水素生成器１の昇温・温度維持を検知する温度センサ１１から温度検出値を流用することにより、水素生成器１の温度が原料ガスによる触媒への炭素析出が発生しない所定温度（たとえば５００℃）以下になると、燃料ガス遮断弁７を遮断した状態で原料ガス遮断弁３を開放し、原料ガス流路２、水素生成器１および、燃料ガ
ス遮断弁７より上流の燃料ガス流路６を含む区間の圧力を原料ガス供給源と同等の圧力にする。

一方、制御部１４はイグナイタ２１を高圧放電させ点火動作を行ない、フレームロッド２２の検知信号を監視し、検知信号が「火炎あり」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れあり」と判断し、燃料ガス遮断弁７からの内部リークによるガス漏れを検知する。さらに制御部１４は、ガス漏れを検知すると、原料ガス遮断弁３を閉止し、送風機１３を作動させ、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈して水素生成装置の系外に排出する。また、検知信号が「火炎なし」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れなし」と判断し、原料ガス遮断弁３を閉止し、ガス漏れ検知動作を終了する。

本実施の形態における水素生成装置の構成をとると、水素生成運転停止後の水素生成器１が温度低下することによる内部圧力低下が発生する期間においても、制御部１４はイグナイタ２１への高圧放電による点火動作と、フレームロッド２２からの検知信号による火炎有無を監視することにより、原料ガス遮断弁３を開放することにより水素生成器１を含む密閉区間を原料ガス供給源と同等の圧力（正圧）にし、大気圧と同等である燃料ガス遮断弁７下流の間に圧力差を与えることができるため、差圧によって燃料ガス遮断弁７からの内部リークによるガス漏れを検知することができる。

また本実施の形態における水素生成装置の構成では、ガス漏れ時に漏洩ガスを希釈する空気を供給する送風機１３からの送風空気を燃料ガス遮断弁７より下流の燃料ガス流路６に供給するように構成したことにより、制御部１４がガス漏れを検知したときにおいて、送風機１３を作動させることにより送風空気を燃料ガス遮断弁７より下流の燃料ガス流路６に供給し、漏洩ガスを空気で希釈することができるため、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈して水素生成装置の系外に排出することができる。

なお本実施の形態におけるガス漏れ検知では、制御部は温度センサ１１からの温度検出値を基にガス漏れ検知の一連の動作を実施したが、この限りではなく、予め実験的に得られる停止からの時間経過と温度低下の関係を基に、所定時間の経過に応じて一連の動作を実施してもよい。またなお上述したガス漏れ検知の動作は、水素生成装置が水素生成を停止してから約３０℃程度の常温まで温度低下するまでの間において、複数回実施してもよい。

また本実施の形態においては、希釈手段の具体的な実施の一例として送風機１３を用いたがこれの限りではなく、希釈手段として窒素やアルゴンなどの不活性ガスボンベを用い、不活性ガスでの希釈を行なってもよい。

また本実施の形態においては点火器の具体的な実施の一例として、高圧放電により点火動作を行なうイグナイタ２１を用いたがこれの限りではなく、通電加熱により高温点火動作を行なう点火ヒータを用いてもよい。また、火炎検知器の具体的な実施の一例として、火炎をイオン電流により検知するフレームロッド２２を用いたがこれの限りではなく、火炎による温度上昇を検知する火炎温度センサを用いてもよい。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態２における水素生成装置の変形としての、本発明の本実施の形態３における水素生成装置の構成を示すブロック図である。図３において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

本実施の形態における水素生成装置は、実施の形態２における水素生成装置と比して、燃料ガス遮断弁７より上流の燃料ガス流路６から分岐しバーナ８へ燃料ガスを供給する第
２燃料ガス流路３１と、第２燃料ガス流路３１を通流する燃料ガスの供給・遮断を行なう第２燃料ガス遮断弁３２と、バーナ８に空気を供給するファン３３とを備え、イグナイタ２１およびフレームロッド２２をバーナ８に設けている点で異なる。

まず、本実施の形態における水素生成装置の燃料ガス生成に関して、具体的動作を説明する。

図３に示す水素生成装置では、原料ガス遮断弁３および第２燃料ガス遮断弁３２を開放し、燃料ガス遮断弁７を閉止することにより、原料供給源から供給された都市ガスまたはプロパンは含有する付臭成分を図示していない脱硫器で除去された後、原料ガスとして原料ガス流路２を通じて水素生成器１に供給される。水素生成器１に供給された原料ガスは、水素生成器１内部を通流し原料ガスの状態で燃料ガス流路６に排出される。排出された原料ガスは、燃料ガス流路６および第２燃料ガス流路３１を通じて原料ガスをバーナ８に供給される。同時にバーナ８では、バーナ８での点火動作としてイグナイタ２１を作動させ、ファン３３により燃焼用空気を供給する。点火動作によりバーナ８に形成された火炎をフレームロッド２２により検知することにより、バーナ８での安定燃焼を監視する。なお、点火動作が完了すると、イグナイタ２１は停止する。バーナ８での原料ガスの燃焼により温度センサ１１で検知する温度が、改質反応可能な温度（たとえば３５０℃）まで昇温されると、水蒸気遮断弁５を開とすることにより、水蒸気供給源から水蒸気流路４を通じて水素生成器１に供給される。水素生成器１では供給された原料ガスと水蒸気を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス流路６および第２燃料ガス流路３１を通じて燃料ガスをバーナ８に供給し燃焼することで、図示していない水素を用いて発電を行なう燃料電池などの水素利用デバイスに十分な燃料ガスを供給することができる温度まで昇温する。温度センサ１１で検知する温度が、水素利用デバイスに十分な燃料ガスを供給することができる温度まで昇温したことを検知すると、燃料ガス遮断弁７を開放し、第２燃料ガス遮断弁３２を閉止することにより、水素利用デバイスに燃料ガスを供給する。同時に燃焼ガス遮断弁１０を開放し、燃焼ガス供給源からの燃焼ガスを燃焼ガス流路９を通じてバーナ８に供給し燃焼させ、水素生成器１の温度維持を温度センサ１１から温度検出値を用いて実施する。

次に、本実施の形態における水素生成装置のガス漏れ検知に関して、具合的動作を説明する。

制御部１４は、水素生成器１での水素生成運転停止において、原料ガス遮断弁３、水蒸気遮断弁５、燃焼ガス遮断弁１０を遮断し、各々原料ガス、水蒸気、燃焼ガスの供給を遮断するとともに、燃料ガス遮断弁７および第２燃料ガス遮断弁３２を遮断し、水素生成器１を密閉することにより第２燃料ガス流路３１下流等からの空気流入を防止する。制御部１４は、水素生成運転時においては水素生成器１の昇温・温度維持を検知する温度センサ１１から温度検出値を流用することにより、水素生成器１の温度が原料ガスによる触媒への炭素析出が発生しない所定温度（たとえば５００℃）以下になると、燃料ガス遮断弁７および第２燃料ガス遮断弁３２を遮断した状態で原料ガス遮断弁３を開放し、原料ガス流路２、水素生成器１および、燃料ガス遮断弁７および第２燃料ガス遮断弁３２より上流の燃料ガス流路６および第２燃料ガス流路３１を含む区間の圧力を原料ガス供給源と同等の圧力にする。一方、制御部１４はバーナ８に設けたイグナイタ２１を高圧放電させ点火動作を行ない、同じくバーナ８に設けたフレームロッド２２の検知信号を監視し、検知信号が「火炎あり」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れあり」と判断し、第２燃料ガス遮断弁３２からの内部リークによるガス漏れを検知する。さらに制御部１４は、ガス漏れを検知すると、原料ガス遮断弁３を閉止し、ファン３３を作動させ、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈してバーナ８から水素生成装置の系外に排出する。また、検知信
号が「火炎なし」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れなし」と判断し、原料ガス遮断弁３を閉止し、ガス漏れ検知動作を終了する。

本実施の形態における水素生成装置の構成をとると、水素生成運転停止後の水素生成器１が温度低下することによる内部圧力低下が発生する期間においても、制御部１４はイグナイタ２１への高圧放電による点火動作と、フレームロッド２２からの検知信号による火炎有無を監視することにより、原料ガス遮断弁３を開放することにより水素生成器１を含む密閉区間を原料ガス供給源と同等の圧力（正圧）にし、大気圧と同等である第２燃料ガス遮断弁３２下流の間に圧力差を与えることができるため、差圧によって第２燃料ガス遮断弁３２からの内部リークによるガス漏れを検知することができる。またイグナイタ２１およびフレームロッド２２は、燃料ガス生成運転中においては、バーナ８での点火器および、バーナ８での火炎検知器を兼ねているため、上述した効果に加えて更なる低コスト化を図ることができる。

また本実施の形態における水素生成装置の構成では、ガス漏れ時に漏洩ガスを希釈する空気を供給するファン３３からの送風空気をバーナ８に供給するように構成したことにより、制御部１４がガス漏れを検知したときにおいて、ファン３３を作動させることにより送風空気をバーナ８に供給し、漏洩ガスを空気で希釈することができるため、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈してバーナ８より水素生成装置の系外に排出することができる。またファン３３は、燃料ガス生成運転中においては、バーナ８での燃焼空気を供給する燃焼空気供給手段を兼ねているため、上述した効果に加えて更なる低コスト化を図ることができる。

なお本実施の形態におけるガス漏れ検知では、制御部は温度センサ１１からの温度検出値を基にガス漏れ検知の一連の動作を実施したが、この限りではなく、予め実験的に得られる停止からの時間経過と温度低下の関係を基に、所定時間の経過に応じて一連の動作を実施してもよい。またなお上述したガス漏れ検知の動作は、水素生成装置が水素生成を停止してから約３０℃程度の常温まで温度低下するまでの間において、複数回実施してもよい。

また本実施の形態においては点火器の具体的な実施の一例として、高圧放電により点火動作を行なうイグナイタ２１を用いたがこれの限りではなく、通電加熱により高温点火動作を行なう点火ヒータを用いてもよい。また、火炎検知器の具体的な実施の一例として、火炎をイオン電流により検知するフレームロッド２２を用いたがこれの限りではなく、火炎による温度上昇を検知する火炎温度センサを用いてもよい。

（実施の形態４）
図４は、本発明の本実施の形態４における水素生成装置および水素を用いて発電を行なう燃料電池を一体化させた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図４において、図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

本実施の形態における水素生成装置は、実施の形態３における水素生成装置と比して、燃料ガス遮断弁７より下流の燃料ガス流路６に接続された水素と酸素を用いて発電を行なう燃料電池４１と、燃料電池４１において発電に使用しなかった残余燃料ガスを第２燃料ガス遮断弁３２より下流の第２燃料ガス流路３１に排出する第３燃料ガス流路４２と、第３燃料ガス流路４２からの残余燃料ガスの排出・遮断を行なう第３燃料ガス遮断弁４３と、第３燃料ガス流路４２との合流後の第２燃料ガス流路３１に燃料ガスまたは残余燃料ガスのバーナ８への供給・遮断を行なう第４燃料ガス遮断弁４４とを備える点で異なる。

なお、本実施の形態における構成部材としての第２燃料ガス遮断弁３２と第４燃料ガス
遮断弁４４または、燃料ガス遮断弁７と第３燃料ガス遮断弁４３と第４燃料ガス遮断弁４４は、本発明における、「燃料ガス遮断弁を燃料ガス流路に対して直列に複数備え」た構成の具体的な実施の一例である。

まず、本実施の形態における水素生成装置の燃料ガス生成に関して、具体的動作を説明する。

図４に示す水素生成装置では、原料ガス遮断弁３および第２燃料ガス遮断弁３２および第４燃料ガス遮断弁４４を開放し、燃料ガス遮断弁７および第３燃料ガス遮断弁４３を閉止することにより、原料供給源から供給された都市ガスまたはプロパンは含有する付臭成分を図示していない脱硫器で除去された後、原料ガスとして原料ガス流路２を通じて水素生成器１に供給される。水素生成器１に供給された原料ガスは、水素生成器１内部を通流し原料ガスの状態で燃料ガス流路７に排出される。排出された原料ガスは、燃料ガス流路６および第２燃料ガス流路３１を通じて原料ガスをバーナ８に供給される。同時にバーナ８では、バーナ８での点火動作としてイグナイタ２１を作動させ、ファン３３により燃焼用空気を供給する。点火動作によりバーナ８に形成された火炎をフレームロッド２２により検知することにより、バーナ８での安定燃焼を監視する。なお、点火動作が完了すると、イグナイタ２１は停止する。バーナ８での原料ガスの燃焼により温度センサ１１で検知する温度が、改質反応可能な温度（たとえば３５０℃）まで昇温されると、水蒸気遮断弁５を開とすることにより、水蒸気供給源から水蒸気流路４を通じて水素生成器１に供給される。水素生成器１では供給された原料ガスと水蒸気を混合した後、触媒を用いて水蒸気改質することにより水素リッチな燃料ガスを生成する。生成された水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス流路６および第２燃料ガス流路３１を通じて燃料ガスをバーナ８に供給し燃焼することで、燃料電池４１に十分な燃料ガスを供給することができる温度まで昇温する。温度センサ１１で検知する温度が、燃料電池４１に十分な燃料ガスを供給することができる温度まで昇温したことを検知すると、燃料ガス遮断弁７および第３燃料ガス遮断弁４３を開放し、第２燃料ガス遮断弁３２を閉止することにより、燃料電池４１に燃料ガスを供給する。燃料電池４１では、図示していない発電用空気供給源から供給された空気と燃料ガスを用いて電気化学的に発電を行なう。発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料電池４１から第３燃料ガス流路４２に排出され、第３燃料ガス流路４２および第２燃料ガス流路３１を通じてバーナ８に供給、燃焼され、水素生成器１の温度維持を温度センサ１１から温度検出値を用いて実施する。また燃料電池４１での燃料ガス消費により水素生成器１の温度が低下する場合は、供給する原料ガスおよび水蒸気量を増加することにより、燃料電池４１から第３燃料ガス流路４２に排出される燃料ガス量を増加させ、水素生成器１の温度維持を温度センサ１１から温度検出値を用いて実施する。または、燃焼ガス遮断弁１０を開放し、燃焼ガス供給源からの燃焼ガスも燃焼ガス流路９を通じてバーナ８に供給し燃焼させ、水素生成器１の温度維持を温度センサ１１から温度検出値を用いて実施する。

次に、本実施の形態における水素生成装置のガス漏れ検知に関して、具合的動作を説明する。

図４に示す水素生成装置では、制御部１４は、水素生成器１での水素生成運転停止において、原料ガス遮断弁３、水蒸気遮断弁５、燃焼ガス遮断弁１０を遮断し、各々原料ガス、水蒸気、燃焼ガスの供給を遮断するとともに、燃料ガス遮断弁７、第２燃料ガス遮断弁３２、第３燃料ガス遮断弁４３および第４燃料ガス遮断弁４４を遮断し、水素生成器１および燃料電池４１を密閉することにより第２燃料ガス流路３１下流等からの空気流入を防止する。制御部１４は、水素生成運転時においては水素生成器１の昇温・温度維持を検知する温度センサ１１から温度検出値を流用することにより、水素生成器１の温度が原料ガスによる触媒への炭素析出が発生しない所定温度（たとえば５００℃）以下になると、複
数の燃料ガス遮断弁からの内部リークによるガス漏れ検知動作を開始する。

第４燃料ガス遮断弁４４からの内部リークによるガス漏れ検知動作をするときは、燃料ガス遮断弁７、第３燃料ガス遮断弁４３、第４燃料ガス遮断弁４４を遮断した状態で原料ガス遮断弁３および第２燃料ガス遮断弁３２を開放し、原料ガス流路２、水素生成器１および、第４燃料ガス遮断弁４４より上流の原料ガス流路２、水素生成器１、燃料ガス流路６、第２燃料ガス流路３１、第３燃料ガス流路４２を含む区間の圧力を原料ガス供給源と同等の圧力にする。一方、制御部１４はバーナ８に設けたイグナイタ２１を高圧放電させ点火動作を行ない、同じくバーナ８に設けたフレームロッド２２の検知信号を監視し、検知信号が「火炎あり」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れあり」と判断し、第４燃料ガス遮断弁４４からの内部リークによるガス漏れを検知する。さらに制御部１４は、ガス漏れを検知すると、原料ガス遮断弁３および第２燃料ガス遮断弁３２を閉止し、ファン３３を作動させ、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈してバーナ８から水素生成装置の系外に排出する。また、検知信号が「火炎なし」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れなし」と判断し、原料ガス遮断弁３および第２燃料ガス遮断弁３２を閉止し、第４燃料ガス遮断弁４４からの内部リークによるガス漏れ検知動作を終了する。

また、第２燃料ガス遮断弁３２からの内部リークによるガス漏れ検知動作をするときは、燃料ガス遮断弁７、第３燃料ガス遮断弁４３、第２燃料ガス遮断弁３２を遮断した状態で原料ガス遮断弁３および第４燃料ガス遮断弁４４を開放し、原料ガス流路２、水素生成器１および、第２燃料ガス遮断弁３２より上流の原料ガス流路２、水素生成器１、燃料ガス流路６および第２燃料ガス流路３１を含む区間の圧力を原料ガス供給源と同等の圧力にする。一方、制御部１４はバーナ８に設けたイグナイタ２１を高圧放電させ点火動作を行ない、同じくバーナ８に設けたフレームロッド２２の検知信号を監視し、検知信号が「火炎あり」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れあり」と判断し、第２燃料ガス遮断弁３２からの内部リークによるガス漏れを検知する。さらに制御部１４は、ガス漏れを検知すると、原料ガス遮断弁３および第４燃料ガス遮断弁４４を閉止し、ファン３３を作動させ、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈してバーナ８から水素生成装置の系外に排出する。また、検知信号が「火炎なし」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れなし」と判断し、原料ガス遮断弁３および第４燃料ガス遮断弁４４を閉止し、第２燃料ガス遮断弁４４からの内部リークによるガス漏れ検知動作を終了する。

またさらに、第３燃料ガス遮断弁４３からの内部リークによるガス漏れ検知動作をするときは、第３燃料ガス遮断弁４３および第２燃料ガス遮断弁３２を遮断した状態で原料ガス遮断弁３、燃料ガス遮断弁７および第４燃料ガス遮断弁４４を開放し、原料ガス流路２、水素生成器１および、第３燃料ガス遮断弁４３より上流の原料ガス流路２、水素生成器１、燃料電池４１、燃料ガス流路６および第２燃料ガス流路３１を含む区間の圧力を原料ガス供給源と同等の圧力にする。一方、制御部１４はバーナ８に設けたイグナイタ２１を高圧放電させ点火動作を行ない、同じくバーナ８に設けたフレームロッド２２の検知信号を監視し、検知信号が「火炎あり」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れあり」と判断し、第３燃料ガス遮断弁４３からの内部リークによるガス漏れを検知する。さらに制御部１４は、ガス漏れを検知すると、原料ガス遮断弁３、燃料ガス遮断弁７および第４燃料ガス遮断弁４４を閉止し、ファン３３を作動させ、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈してバーナ８から水素生成装置の系外に排出する。また、検知信号が「火炎なし」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れなし」と判断し、原料ガス遮断弁３、燃料ガス遮断弁７および第４燃料ガス遮断弁４４を閉止し、第３燃料ガス遮断弁４３からの内部リークによるガス漏れ検知動作を終了する。

またさらに、燃料ガス遮断弁７からの内部リークによるガス漏れ検知動作をするときは、燃料ガス遮断弁７および第２燃料ガス遮断弁３２を遮断した状態で原料ガス遮断弁３、
第３燃料ガス遮断弁４３および第４燃料ガス遮断弁４４を開放し、原料ガス流路２、水素生成器１および、燃料ガス遮断弁７より上流の原料ガス流路２、水素生成器１、燃料ガス流路６および第２燃料ガス流路３１を含む区間の圧力を原料ガス供給源と同等の圧力にする。一方、制御部１４はバーナ８に設けたイグナイタ２１を高圧放電させ点火動作を行ない、同じくバーナ８に設けたフレームロッド２２の検知信号を監視し、検知信号が「火炎あり」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れあり」と判断し、燃料ガス遮断弁７からの内部リークによるガス漏れを検知する。さらに制御部１４は、ガス漏れを検知すると、原料ガス遮断弁３、第３燃料ガス遮断弁４３および第４燃料ガス遮断弁４４を閉止し、ファン３３を作動させ、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈してバーナ８から水素生成装置の系外に排出する。また、検知信号が「火炎なし」と判断できる値を検知したときは「ガス漏れなし」と判断し、原料ガス遮断弁３、第３燃料ガス遮断弁４３および第４燃料ガス遮断弁４４を閉止し、燃料ガス遮断弁７からの内部リークによるガス漏れ検知動作を終了する。

なお、燃料ガス遮断弁７および第３燃料ガス遮断弁４３からの内部リークによるガス漏れ検知動作をするときは、まず第２燃料ガス遮断弁３２からの内部リークによるガス漏れ検知動作を実施し、第２燃料ガス遮断弁３２からの「ガス漏れなし」を判断して後に実施すると、燃料ガス遮断弁７または第３燃料ガス遮断弁４３からの内部リークによるガス漏れ検知動作を正確に行なうことができる。

本実施の形態における水素生成装置の構成をとると、水素生成運転停止後の水素生成器１が温度低下することによる内部圧力低下が発生する期間においても、原料ガス遮断弁３を開放することにより水素生成器１を含む密閉区間を原料ガス供給源と同等の圧力（正圧）にした状態で、制御部１４はイグナイタ２１への高圧放電による点火動作と、フレームロッド２２からの検知信号による火炎有無を監視することにより、第２燃料ガス流路３１に対する第２燃料ガス遮断弁３２と第４燃料ガス遮断弁４４または、燃料ガス流路６、第３燃料ガス流路４２および第２燃料ガス流路３１に対する燃料ガス遮断弁７と第３燃料ガス遮断弁４３と第４燃料ガス遮断弁４４のように、燃料ガス遮断弁を燃料ガス流路に対して直列に複数備えた構成に対して、燃料ガス遮断弁のうち任意の１つのみを遮断することにより、遮断した燃料遮断弁からの内部リークによるガス漏れを検知することができる。またイグナイタ２１およびフレームロッド２２は、燃料ガス生成運転中においては、バーナ８での点火器および、バーナ８での火炎検知器を兼ねているため、上述した効果に加えて更なる低コスト化を図ることができる。

また本実施の形態における水素生成装置の構成では、ガス漏れ時に漏洩ガスを希釈する空気を供給するファン３３からの送風空気をバーナ８に供給するように構成したことにより、制御部１４がガス漏れを検知したときにおいて、ファン３３を作動させることにより送風空気をバーナ８に供給し、漏洩ガスを空気で希釈することができるため、漏洩ガスを着火しない濃度まで十分に希釈してバーナ８より水素生成装置の系外に排出することができる。またファン３３は、燃料ガス生成運転中においては、バーナ８での燃焼空気を供給する燃焼空気供給手段を兼ねているため、上述した効果に加えて更なる低コスト化を図ることができる。

なお本実施の形態におけるガス漏れ検知では、制御部は温度センサ１１からの温度検出値を基にガス漏れ検知の一連の動作を実施したが、この限りではなく、予め実験的に得られる停止からの時間経過と温度低下の関係を基に、所定時間の経過に応じて一連の動作を実施してもよい。またなお上述したガス漏れ検知の動作は、水素生成装置が水素生成を停止してから約３０℃程度の常温まで温度低下するまでの間において、複数回実施してもよい。

また本実施の形態においては点火器の具体的な実施の一例として、高圧放電により点火動作を行なうイグナイタ２１を用いたがこれの限りではなく、通電加熱により高温点火動作を行なう点火ヒータを用いてもよい。また、火炎検知器の具体的な実施の一例として、火炎をイオン電流により検知するフレームロッド２２を用いたがこれの限りではなく、火炎による温度上昇を検知する火炎温度センサを用いてもよい。

本発明にかかる水素生成装置は、水素生成装置の内部圧力が低下している場合においても水素生成装置より下流流路へのガス漏れを検知することができるため、起動・停止を行なう水素生成装置に有用である。また、起動・停止を行なう水素生成装置を用いた燃料電池システム等の用途にも応用できる。

１、１０１ 水素生成器
２、１０４ 原料ガス流路
３ 原料ガス遮断弁
４ 水蒸気流路
５ 水蒸気遮断弁
６、１０５ 燃料ガス流路
７ 燃料ガス遮断弁
８、１０２ バーナ
９ 燃焼ガス流路
１０ 燃焼ガス遮断弁
１１ 温度センサ
１２ ガス漏れ検知器
１３ 送風機
１４ 制御部
２１ イグナイタ
２２ フレームロッド
３１ 第２燃料ガス流路
３２ 第２燃料ガス遮断弁
３３ ファン
４１、１０３ 燃料電池
４２ 第３燃料ガス流路
４３ 第３燃料ガス遮断弁
４４ 第４燃料ガス遮断弁
１０６ 燃料ガスバイパス流路
１０７ 燃料オフガス流路
１０８、１０９、１１０、１１１ 遮断弁
１１２ 圧力センサ

Claims (4)

1. 原料ガスを用いて水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記原料ガスを原料供給源から前記水素生成器に供給する原料ガス流路と、
   前記原料ガス流路に設けられた原料ガス遮断弁と、
   前記燃料ガスを前記水素生成器から排出する燃料ガス流路と、
   前記燃料ガス流路に設けられ前記水素生成器から排出された燃料ガスを通流または遮断する燃料ガス遮断弁と、
   前記燃料ガス遮断弁の下流に設けられガス漏れを検知するガス漏れ検知手段と、
   前記原料ガス遮断弁と前記燃料ガス遮断弁との弁の開閉を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は前記水素生成器の運転停止時において前記原料ガス遮断弁と前記燃料ガス遮断弁を遮断した後、前記原料ガス遮断弁を開放かつ前記燃料ガス遮断弁を閉止し、前記ガス漏れ検知手段によりガス漏れを検知することを特徴とする水素生成装置。
2. 前記ガス漏れ検知手段は、点火動作を行なう点火器と、前記点火器近傍での火炎を検知する火炎検知器とを備え、
   前記制御部は、前記点火器に点火動作を行なわせ、前記火炎検知器での火炎検知の有無を行うことを特徴とする請求項１記載の水素生成装置。
3. 前記燃料ガス遮断弁を前記燃料ガス流路に対して直列に複数備え、
   前記制御部は前記原料ガス遮断弁を開放するときに、前記複数の燃料ガス遮断弁のうち任意の１つのみを遮断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記燃料ガス遮断弁の下流に設けられた漏洩ガスを希釈する希釈手段を備え、
   前記制御部がガス漏れを検知したときは、前記制御部は前記希釈手段を用いて前記燃料ガス遮断弁より下流の前記燃料ガス流路に漏洩したガスを希釈して前記燃料ガス流路より排出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素生成装置。

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