JP2016008147A - 水素生成装置、およびその運転方法、並びに燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行う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。
【解決手段】燃焼器１２から排出される排ガスと熱回収媒体とを熱交換させる熱交換器１３に、燃焼器１２での燃焼が停止中に燃焼空気供給器１４と冷却水ポンプ１６とを駆動させて空気と熱回収媒体とを供給して熱交換させてから空気をＣＯセンサ１５に供給し、その際のＣＯセンサ１５の出力をゼロ点として記憶するゼロ点補正動作を行うことにより、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサ１５に供給される空気の温度を、熱交換器１３に供給される熱回収媒体の温度範囲に制御することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一酸化炭素の濃度を検知するＣＯセンサを備えた水素生成装置、およびその運転方法、並びに燃料電池システムに関する。

天然ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料から、改質反応を利用して水素を含有するガス（水素含有ガス）を生成する水素生成装置は、水素生成器（改質器）の内部の触媒温度を、改質反応が行われるのに適した温度に加熱するための燃焼器が備えられている。このような水素生成装置において、燃焼器から排出される燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を検出するＣＯセンサを備える水素生成装置が知られている。

一般的なＣＯセンサによる燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度の検出方法は、ＣＯセンサに供給されるガスに一酸化炭素が含まれていない場合（すなわち、例えば清浄な空気をＣＯセンサに供給した場合）のＣＯセンサ出力（以下、適宜、ゼロ点と称する）と、ＣＯセンサに供給される燃焼排ガスに一酸化炭素が含まれている場合のＣＯセンサ出力との差により、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検出するものである。

ところで、一般的にＣＯセンサは、その感度が温度依存性を有しており、一酸化炭素濃度が同じであっても、ＣＯセンサに供給されるガス（燃焼排ガス）の温度によってＣＯセンサ出力が異なることが知られている。そこで、燃焼器での燃焼中にＣＯセンサに供給される燃焼排ガスの温度範囲が狭くなるように、潜熱回収用熱交換器の下流側の燃焼排ガス経路にＣＯセンサを備える燃焼装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

更に、ＣＯセンサは、長期の使用などにより、ＣＯセンサに有機物等が付着してゼロ点がずれるため、燃焼器での燃焼が停止している際に、ＣＯセンサに清浄な空気を供給し、その時のＣＯセンサ出力をゼロ点として制御器に記憶し直すゼロ点補正動作を行い、燃焼器での燃焼中に、燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素濃度を、より正確に検出する水素生成装置がある。

このような水素生成装置の中には、水素生成装置の運転が停止して燃焼器での燃焼が停止しても、すぐには水素生成装置の温度が低下しない場合があるため、ＣＯセンサに供給されるガス（空気）の温度範囲が広くならないように、燃焼器での燃焼停止後のポストパージ中またはポストパージ終了後にゼロ点補正動作を行う水素生成装置が知られている（例えば、特許文献２）。

特開平１０−１０３６６１号公報 特開２００６−２１３５６５号公報

しかしながら、特許文献１に例示される燃焼装置では、長期に使用される際などに発生するゼロ点のずれの対策については明記されていないが、燃焼排ガス中の一酸化炭素の濃度を正確に検出するために、特許文献１に例示される燃焼装置でゼロ点補正動作を実施した場合は、以下のような課題があった。

すなわち、燃焼器での燃焼中には、ＣＯセンサに供給されるガス（燃焼排ガス）の温度は潜熱回収用熱交換器に供給される熱回収媒体によって所定の温度範囲に収まるが、ゼロ点補正動作中には、ＣＯセンサに供給されるガス（空気）の温度が、燃焼装置に供給される外気の温度となるため、燃焼装置の設置環境温度の影響を大きく受け、燃焼中に比べて比較的広い温度範囲となり、ＣＯセンサで検出する一酸化炭素の濃度のずれが大きくなるという課題があった。

また、特許文献２に例示される水素生成装置では、ゼロ点補正動作中にＣＯセンサに供給されるガス（空気）の温度については、温度幅が狭くなるように考慮されてはいるが、水素生成装置が運転を停止（もしくは、燃焼器での燃焼が停止）してからゼロ点補正動作が行えるまでに時間が掛かる、という課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水素生成装置の設置環境温度に依存することなく、また燃焼器での燃焼が停止してから比較的短時間で、ゼロ点補正を行うことができ、温度によるＣＯセンサで検出する一酸化炭素濃度のずれを小さくすることが可能な水素生成装置を提供する目的とする。

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、燃焼器から排出される排ガスと熱回収媒体とを熱交換させる熱交換器に、燃焼器での燃焼が停止中に空気供給器とポンプとを駆動させて空気と熱回収媒体とを供給して熱交換させてから空気をＣＯセンサに供給し、その際のＣＯセンサの出力をゼロ点として記憶するゼロ点補正動作を行うものである。

これにより、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサに供給される空気の温度を、熱交換器に供給される熱回収媒体の温度範囲に制御することが可能となる。

本発明の水素生成装置よれば、燃焼器での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行うことが可能となり、ＣＯセンサで検出する一酸化炭素濃度のずれを小さくすることが可能な水素生成装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図 本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図

第１の発明は、水素生成器と、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器から排出される排ガスと熱回収媒体とを熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器に空気を供給する空気供給器と、前記熱交換器から排出される前記排ガスを外部へ排出する排ガス経路と、前記排ガス経路内に配置されるＣＯセンサと、前記熱交換器に前記熱回収媒体を供給するポンプと、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃焼器での燃焼が停止中に、前記空気供給器と前記ポンプとを駆動させ、その際の前記ＣＯセンサの出力をゼロ点として記憶するゼロ点補正動作を行う、水素生成装置である。

これにより、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサに供給される空気の温度を、熱交換器に供給される熱回収媒体の温度範囲に制御することが可能となるため、燃焼器での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行うことが可能となり、ＣＯセンサで検出する一酸化炭素濃度のずれを小さくすることが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明の水素生成装置の前記制御器が、前記ゼロ点補正動作を行う際に、前記ＣＯセンサに供給される前記排ガスの温度が所定の温度範囲となるように、少なくとも前記空気供給器と前記ポンプとのいずれか一方を制御するものである。

これにより、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサに供給される空気の温度を、所定の温度範囲に収めることが可能となるため、燃焼器での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行うことが可能となり、ＣＯセンサで検出する一酸化炭素濃度のずれを小さくすることが可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の水素生成装置の前記制御器が、前記排ガスの湿度と前記ＣＯセンサの出力との関係を記憶しており、前記ゼロ点補正動作時の排ガスの湿度と、前記燃焼器で燃焼が行われている際の排ガスの湿度と、に基づいて、前記燃焼器で燃焼が行われている時の前記ＣＯセンサにより検知するＣＯ濃度を補正するものである。

これにより、第１の発明または第２の発明の効果に加え、ＣＯセンサの感度が湿度依存性を持っていて、ゼロ点補正動作時と燃焼器で燃焼が行われている時とで湿度が異なっている場合でも、精度よくＣＯ濃度を検出することが可能となる。

第４の発明は、特に第３の発明の水素生成装置が、前記ＣＯセンサに供給される排ガスの温度を計測する温度計測器を更に備え、前記制御器は、前記排ガスの温度と湿度との関係を記憶しており、前記温度計測器で計測された温度に基づいて前記排ガスの湿度を決定するものである。

これにより、ＣＯセンサに供給されるガスの温度から、そのガスの湿度を推測することで、比較的簡単な構成で湿度によるＣＯセンサで検出する一酸化炭素濃度のずれが発生することを抑制することができる。

第５の発明は、特に第３の発明の水素生成装置が、前記ＣＯセンサに供給される排ガスの湿度を計測する湿度計測器を更に備えたものである。

これにより、ＣＯセンサに供給されるガスの湿度を正確に計測することができるため、ＣＯセンサの感度が湿度依存性を持っていても、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を精度よく検出することが可能となる。

第６の発明は、特に、第１から第５のいずれか１つの発明の水素生成装置の前記空気供給器が、前記燃焼器に空気を供給する燃焼空気供給器であることで、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサに清浄な空気を供給するための空気供給器や経路を新たに設ける必要がないため、水素生成装置の構成が複雑になることを抑制できる。

第７の発明は、特に、第１から第６のいずれか１つの発明の水素生成装置と、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、を備えた燃料電池システムである。

これにより、燃焼器での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行うことが可能な燃料電池システムを提供することが可能である。

第８の発明は、特に第７の発明の燃料電池システムの前記空気供給器が、前記燃料電池のカソードに空気を供給するカソード空気供給器であり、ＣＯセンサのゼロ点補正動作時に、燃焼空気供給器から燃焼器を介して清浄な空気を供給する際に必要となる、燃焼器に残留する未燃ガスなどに対する配慮が不要となる。

第９の発明は、水素生成器と、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器から排出される排ガスと熱回収媒体とを熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器に空気を供給する空気供給器と、前記熱交換器から排出される前記排ガスを外部へ排出する排ガス経路と、前記排ガス経路内に配置されるＣＯセンサと、前記熱交換器に前記熱回収媒体を供給するポンプと、を備えた水素生成装置の運転方法において、前記燃焼器での燃焼が停止中に、前記空気供給器と前記ポンプとを駆動させる駆動ステップと、前記駆動ステップの際の前記ＣＯセンサの計測値をゼロ点として記憶するゼロ点補正ステップと、を実行する水素生成装置の運転方法である。

これにより、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサに供給される空気の温度を、熱交換器に供給される熱回収媒体の温度範囲に制御することが可能となるため、燃焼器での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行うことが可能となり、ＣＯセンサで検出する一酸化炭素濃度のずれを小さくすることが可能となる。

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。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）
まず、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の構成について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態１に係る水素生成装置１００は、水素生成器である改質器１１、燃焼器１２、熱交換器１３、燃焼空気供給器１４、ＣＯセンサ１５、および冷却水ポンプ１６を有し、さらに制御器１０１を備えている。

改質器１１は、水素生成装置１００の外部から供給される炭化水素系の原料（例えば天然ガスやＬＰＧ）から水素含有ガスを生成するように構成されている。具体的には、改質器１１内の改質触媒（図示せず）において、原料が改質反応して水素含有ガスが生成される。

改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。改質器１１で生成された水素含有ガスは、適宜な流路を介して、水素利用機器（図示せず）に供給される。水素利用機器としては、例えば、水素タンク、又は燃料電池等が挙げられる。

なお、図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は、適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、水素生成装置１００には、水蒸気を生成し、生成した水蒸気を原料と共に改質器１１に供給する水蒸気供給器（図示せず）が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、さらに、改質器１１に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられる。

改質器１１には、水素生成装置１００の外部より、図示しない原料供給装置から原料が供給される。原料供給器（図示せず）は、改質器１１へ供給する原料の流量を調整する機器であり、例えば、ブースタポンプなどの昇圧器と流量調整弁とにより構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型昇圧ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。

燃焼器１２は、燃焼器１２に供給された燃料と空気を燃焼して、改質器１１を加熱するように構成されている。燃焼器１２としては、例えば、バーナを用いることができる。燃焼器１２には、空気供給経路１７を介して燃焼空気供給器１４が接続されている。

燃焼空気供給器１４は、燃焼器１２に空気を供給することができれば、どのような構成であってもよい。燃焼空気供給器１４としては、例えば、ファン又はブロワ等を用いることができる。

また、燃焼器１２には、燃料供給経路１８を介して燃料供給器１９が接続されている。燃料供給器１９は、燃焼器１２へ供給する燃料の流量を調整する機器であり、燃焼器１２に燃料を供給することができれば、どのような構成であっても良い。例えば、図示されていない昇圧器と流量調整弁により構成されている。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。

なお、燃料は、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等を用いることができる。また、燃料は、図示しない燃料供給源より供給される。燃料供給源としては、例えば、燃料ガスボンベ、燃料ガスインフラ、燃料タンク等が挙げられる。また、燃料供給器１９は、図示しない昇圧器と流量調整弁のいずれか一方により構成されていてもよい。

また、後述するように、燃焼器１２に改質器１１で生成された水素含有ガスが供給される形態を採用した場合、原料供給器、水蒸気供給器（水供給器と蒸発器）、及び改質器１１が燃料供給器１９を構成する。

さらに、水素利用機器が燃料電池であり、燃料電池の発電運転時に燃料電池で使用されなかった水素含有ガスが燃焼器１２に供給される形態を採用した場合、原料供給器、水蒸気供給器、改質器１１、及び燃料電池が燃料供給器１９を構成する。

燃焼器１２には、燃焼により生成された燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路２０が接続されており、燃焼器１２から排出される燃焼排ガスが燃焼排ガス経路２０を介して水素生成装置１００の外部に排出されるように構成されている。

また、燃焼排ガス経路２０の途中には、燃焼排ガスと後述する熱回収媒体である冷却水とを熱交換可能させるための熱交換器１３が備えられている。さらに燃焼排ガス経路２０の熱交換器１３の下流には、燃焼排ガス経路２０内を通流するガスの一酸化炭素濃度を検出するためのＣＯセンサ１５が設置されている。

ＣＯセンサ１５は、図１に示すように、燃焼排ガス経路２０上に配設されても良いし、
燃焼排ガス経路２０の一部を分流した配管上に配設しても良い。

熱交換器１３は、燃焼排ガスが導入され、排出される燃焼排ガス経路２０の他に、熱回収媒体である冷却水が導入され、排出される冷却水経路２１が接続されており、熱交換器１３内で燃焼排ガスと冷却水とが熱交換を行うように構成されている。

また、冷却水経路２１の途中には冷却水ポンプ１６が設置されており、水素生成装置１００の外部から冷却水を導入し、熱交換器１３で燃焼排ガスと熱交換を行った後に水素生成装置１００の外部に排出されるように構成されている。なお、本実施の形態１の水素生成装置１００では、熱交換器１３の上流側に冷却水ポンプ１６を設置したが、これに限定されるものではなく、熱交換器１３の下流側に冷却水ポンプ１６を設置しても良い。

本実施の形態１の水素生成装置１００では、熱回収媒体として水を使用し、冷却水ポンプ１６によって冷却水を熱交換器１３に導入する構成としたが、これに限定するものではない。

例えば、熱回収媒体としては、不凍液を用いることも可能である。また、ポンプを使用せずに、冷却水経路２１を市水配管に接続して、市水の給水圧で冷却水を熱交換器１３に通水させる構成とし、冷却水経路２１上に設ける電磁弁や流量調整弁などを用いる構成としてもよい。

また、熱交換器１３で燃焼排ガスから冷却水に回収した熱は、図示しない貯湯タンクにお湯として蓄え、利用できるようにしても良い。

燃焼器１２から排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素の濃度を検出するＣＯセンサ１５には、例えば、接触燃焼式を採用することができる。接触燃焼式のＣＯセンサ１５は、二つのヒータコイルを内部に有しており、それぞれのヒータコイルに触媒添加された検知素子と触媒添加されていない補償素子とが付けられている。

ヒータコイルは、検知素子が一酸化炭素を触媒反応させるのに適当な温度に検知素子と補償素子とを昇温するためのものである。一酸化炭素を含んだガスがＣＯセンサ１５の検知素子に触れると、触媒燃焼が起こり、燃焼熱が発生する。一方、触媒添加されていない補償素子は、一酸化炭素を含んだガスと接触しても燃焼は生じないため、検知素子と補償素子との間に温度差が生じることになる。

ＣＯセンサ１５は、検知素子と補償素子の温度差（抵抗値の差）を電気信号として後述する制御器１０１に出力する。検知素子は一酸化炭素の濃度に応じて温度上昇するため、一酸化炭素濃度が高いほど、出力値が増加する比例関係を有することになる。

制御器１０１は、水素生成装置１００を構成する燃焼器１２，燃焼空気供給器１４や冷却水ポンプ１６などの機器を適宜制御する機能を有し、またＣＯセンサ１５のセンサ出力を信号として受け取り、一酸化炭素濃度として認識する機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。

演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器１０１は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１００について、以下、その動作について図１を参照しながら説明する。なお、以下では、水素生成装置１００の起動動作
および水素生成動作は、公知の水素生成装置と同様に行われるため、その詳細な説明は省略し、ＣＯセンサ１５のゼロ点補正動作と一酸化炭素濃度の検出について説明する。

まず、水素生成装置１００の動作中で、燃焼器１２において燃焼が行われる際には、制御器１０１は、燃焼器１２で燃焼が行われるのに適切な流量の燃料と燃焼空気とが燃焼器１２に供給されるように、燃料供給器１９と燃焼空気供給器１４とを制御する。

燃焼器１２での燃焼で生じる燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路２０を介して熱交換器１３に導入されたのち、熱交換器１３で、別途、制御器１０１により動作を制御されている冷却水ポンプ１６から供給される冷却水と熱交換し、熱交換器１３に供給される冷却水の温度付近まで冷却されて熱交換器１３の下流の燃焼排ガス経路２０を介して水素生成装置１００の外部に排出される。

この際、ＣＯセンサ１５は、熱交換器１３で冷却された燃焼排ガスに曝露され、燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素濃度に応じたセンサ出力を制御器１０１に出力する。

制御器１０１では、随時、ＣＯセンサ１５から出力されてくるセンサ出力と、後述する方法で予め記憶しておいたゼロ点補正動作時の出力であるゼロ点との差から、燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を算出する。なお、ゼロ点との差から一酸化炭素濃度を算出するための算出式は、使用するＣＯセンサによって異なるが、予め制御器１０１に記憶させておけば良い。

次に、本実施の形態１の水素生成装置１００の特徴となるゼロ点補正動作について説明する。

制御器１０１は、水素生成装置１００の運転を停止させる際には、燃焼器１２への燃料と燃焼空気の供給を停止し、燃焼器１２での燃焼を停止させる。

本実施の形態１の水素生成装置１００では、その後、制御器１０１は、燃焼空気供給器１４と冷却水ポンプ１６とを駆動させ、熱交換器１３に空気と冷却水とを供給し、熱交換器１３で冷却水と熱交換された空気をＣＯセンサ１５に供給する。

そして、制御器１０１は、この時のＣＯセンサ１５の出力をゼロ点として記憶し、次回の燃焼器１２での燃焼時の一酸化炭素濃度を検出するのに利用する。

ゼロ点補正動作を行う際には、ＣＯセンサ１５に供給される空気は、水素生成装置１００の外部から供給されるが、燃焼器１２では燃焼が行われておらず、また、燃料供給器１９も動作していないため、一酸化炭素が含まれていることない。

なお、燃焼器１２での燃焼が停止した直後は、燃焼器１２内や熱交換器１３を含む燃焼排ガス経路２０内に、燃焼排ガスが残り、ＣＯセンサ１５の出力に影響を与える可能性があるため、制御器１０１にゼロ点を記憶させるのは、所定の時間が経過するか、または所定の流量の空気を通流させるか、配慮する方が良い。

ここで、ＣＯセンサ１５のゼロ点補正動作において熱交換器１３に供給される空気は、水素生成装置１００の外部から導入され、燃焼器１２を通流して燃焼排ガス経路２０を介して熱交換器１３に供給される際に、改質器１１の温度が高い場合には、改質器１１の余熱により加熱されて温度が上昇することが考えられる。

しかしながら、本実施の形態１の水素生成装置１００では、熱交換器１３において冷却
水によって加熱された空気が冷却されるために、熱交換器１３を出てＣＯセンサ１５に供給される際には、燃焼器１２での燃焼中と同様に、熱交換器１３に供給される冷却水の温度付近まで冷却される。

また、水素生成装置１００が停止してから、比較的長い時間が経過し、改質器１１が冷却された後で、外気温が低い場合でも、本実施の形態１の水素生成装置１００では、熱交換器１３において冷却水によって空気が逆に加熱されるため、ＣＯセンサ１５に供給される空気は、燃焼器１２での燃焼中と同様に、熱交換器１３に供給される冷却水の温度に近い温度となる。

以上のように、本実施の形態１の水素生成装置１００によれば、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサ１５に供給される空気の温度を、熱交換器１３に供給される冷却水の温度範囲に制御することが可能となるため、燃焼器１２での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行うことが可能となり、ＣＯセンサ１５で検出する一酸化炭素濃度のずれを小さくすることが可能となる。

なお、本実施の形態１の水素生成装置１００では、ＣＯセンサ１５のゼロ点補正動作時に、燃焼空気供給器１４を動作させることによって空気をＣＯセンサ１５に供給したが、これに限定されることはなく、別途、燃焼排ガス経路２０の、燃焼器１２と熱交換器１３の入口との間に接続された空気経路から、燃焼空気供給器１４とは別の空気供給器により空気を供給しても良い。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る水素生成装置は、ゼロ点補正動作時に、ＣＯセンサに供給されるガスの温度が、所定の温度範囲になるように制御する態様を例示するものである。

図２は、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。

図２に示すように、本発明の実施の形態２に係る水素生成装置１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と基本的な構成は同じであるが、燃焼排ガス経路２０の熱交換器１３とＣＯセンサ１５との間に、温度センサ２２を備えている点で、実施の形態１の水素生成装置１００と異なる。

以上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の動作・作用について、以下、図２を用いて、説明する。

制御器１０１は、ＣＯセンサ１５のゼロ点補正動作時には、燃焼空気供給器１４と冷却水ポンプ１６とを動作させ、熱交換器１３で空気と冷却水とを熱交換させた後にＣＯセンサ１５に供給する点は、実施の形態１の水素生成装置１００と同じであるが、その際、温度センサ２２で検知した熱交換器１３通過後の空気の温度が所定の温度となるように、冷却水ポンプ１６の出力を制御する。

具体的には、例えば、温度センサ２２で検知した熱交換器１３通過後の空気の温度が所定の温度よりも高い場合には、制御器１０１は冷却水ポンプ１６で供給する冷却水の流量を増加させ、温度センサ２２で検知する温度が低下して、所定の温度範囲になったら、冷却水の流量を維持する。

また、逆に冷却水の流量を増加させることにより、温度センサ２２で検知する熱交換器１３通過後の空気の温度が上昇したら、冷却水の流量を減少させ、温度センサ２２で検知する熱交換器１３通過後の空気の温度が所定の温度になれば、冷却水の流量を維持する。

これにより、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサ１５に供給される空気の温度を、所定の温度範囲に収めることが可能となるため、燃焼器１２での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行うことが可能となり、ＣＯセンサ１５で検出する一酸化炭素濃度のずれを小さくすることが可能となる。

なお、本実施の形態２の水素生成装置１００では、ＣＯセンサ１５に供給される空気の温度が、所定の温度範囲となるように、冷却水ポンプ１６で熱交換器１３に供給する冷却水の流量を変化させるように制御器１０１で冷却水ポンプ１６の出力を制御したが、燃焼空気供給器１４で供給する空気の流量を変化させてＣＯセンサ１５に供給される空気の温度が所定の温度範囲となるように制御しても良いし、燃焼空気供給器１４と冷却水ポンプ１６との両方を制御しても良い。

また、本実施の形態２の水素生成装置１００では、温度センサ２２を燃焼排ガス経路２０の熱交換器１３とＣＯセンサ１５との間に設置したが、これに限定されず、熱交換器１３の入口側または出口側に設置しても良い。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る水素生成装置は、ＣＯセンサに供給されるガスの湿度を計測する湿度センサを備え、ＣＯセンサで検出する燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を湿度補正する態様を例示するものである。

図３は、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置の概略構成を示す模式図である。

図３に示すように、本発明の実施の形態３に係る水素生成装置１００は、実施の形態１に係る水素生成装置１００と基本的な構成は同じであるが、燃焼排ガス経路２０の熱交換器１３とＣＯセンサ１５との間に、湿度センサ２３を備えている点で、実施の形態１の水素生成装置１００と異なる。

以上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の動作・作用について、以下、図２を用いて、説明する。

ＣＯセンサ１５は、その感度に湿度特性を持つものがある。すなわち、ＣＯセンサ１５で検知するガスの一酸化炭素濃度が同じであっても、ガスの湿度が異なるとＣＯセンサ１５の出力が異なる。

燃焼器１２において、水素ガスや水素原子を含む燃料を燃焼させた際には、水素と酸素とから水（水蒸気）が生成するために、燃焼排ガスの湿度が上昇することになる。燃焼器１２から排出された燃焼排ガスは、その後、熱交換器１３で冷却水との熱交換により冷却され、水蒸気の一部は凝縮するものの、ゼロ点補正動作時に供給される空気よりも湿度が高くなり、ＣＯセンサ１５で検出する一酸化炭素濃度がずれてしまう場合がある。

本実施の形態３の水素生成装置１００では、ゼロ点補正動作時にＣＯセンサ１５に供給される空気の湿度を湿度センサ２３で検出し、制御器１０１に記憶させる。更に、燃焼器１２で燃料を燃焼させる際にも、ＣＯセンサ１５に供給される燃焼排ガスの湿度を湿度センサ２３で検知し、制御器１０１に信号として入力する。

制御器１０１は、ゼロ点補正動作時の湿度と燃焼排ガスの湿度との差から、ＣＯセンサ１５の出力を補正して認識し、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度として検知する。

なお、ゼロ点補正動作時の湿度と燃焼排ガス中の湿度との差によるＣＯセンサ１５の出力のずれは、予め実験等により求め、制御器１０１に記憶させておけばよい。

以上のように、本実施の形態３の水素生成装置１００では、湿度特性を持つＣＯセンサ１５においても、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を正しく検出することが可能である。

（変形例１）
本発明の実施の形態３の変形例１に係る水素生成装置１００は、ゼロ点補正動作時に、ＣＯセンサ１５に供給されるガスの湿度によるセンサ出力のずれを、ガスの温度から湿度を推定することによって補正する態様を例示するものである。

本発明の実施の形態３の変形例１に係る水素生成装置１００は、図３に示す水素生成装置１００の湿度センサ２３が温度センサに置き換わったものであり、図２に示す実施の形態２に係る水素生成装置１００と構成は同じである。

以上のように構成された本実施の形態３の変形例１に係る水素生成装置の動作・作用について、以下、図２を用いて、説明する。

ＣＯセンサ１５のゼロ点動作時には、制御器１０１は燃焼空気供給器１４を動作させ、空気供給経路１７、燃焼器１２、燃焼排ガス経路２０を順番に介して熱交換器１３を経由してＣＯセンサ１５に外気を供給する。

この際、制御器１０１は冷却水ポンプ１６も動作させるため、ＣＯセンサ１５に供給される空気は、熱交換器１３に供給される冷却水の温度とほぼ同等の温度となるが、制御器１０１はその時のＣＯセンサ１５の出力をゼロ点として記憶すると同時に、温度センサ２２の検出する温度を記憶する。

次に、燃焼器１２で燃料を燃焼させる際には、制御器１０１は、燃焼排ガスの温度とＣＯセンサ１５の出力を入力信号として受け取り、ゼロ点とＣＯセンサ１５の出力との差から燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検出するが、燃焼排ガスの温度からその湿度を推定して一酸化炭素濃度を補正する。

具体的には、燃焼排ガスの湿度は、燃焼器１２での燃焼によって生成する水蒸気で、燃焼空気である外気の湿度よりも上昇するが、熱交換器１３で冷却水によって冷却されることによって冷却水の温度まで冷却されるため、熱交換器１３から排出される燃焼排ガスの湿度は、熱交換器１３から排出される際の温度で相対湿度が１００％となる。このため、燃焼排ガスの温度によって湿度を推定することが可能となる。

なお、ゼロ点補正動作時の空気の湿度は、予め空気の温度との関係を決めておいて制御器１０１に記憶させておけばよい。すなわち、ゼロ点補正動作時の空気の湿度は、燃焼器１２での燃焼時とは異なり、外気の湿度によって決まる。

しかしながら、燃焼器１２での燃焼中が行われている際の燃焼排ガスの湿度をその温度から推定し、ＣＯセンサ１５の出力を補正することが可能なため、比較的正確に燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検出することが可能となる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムは、実施の形態１、実施の形態２、実施の形態３、および実施の形態３の変形例１のいずれかの水素生成装置と、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、を備える。

かかる構成により、従来の燃料電池システムよりも、燃焼器での燃焼が停止してから比較的短時間で、また、外気の温度の影響を受けることなく、ゼロ点補正を行うことが可能となり、ＣＯセンサで検出する一酸化炭素濃度のずれを小さくすることが可能である。

図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。

図４に示す例では、実施の形態４の燃料電池システム２００は、実施の形態１の水素生成装置１００と、燃料電池３０と、を備える。

燃料電池３０は、水素生成装置１００より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池である。燃料電池３０は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池、又はリン酸形燃料電池等を用いることができる。

発電運転時において、燃料電池システム２００は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。本実施の形態４における水素生成装置１００の動作は、燃料電池３０を実施の形態１における水素利用機器と考えれば、実施の形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

なお、実施の形態４では、実施の形態１の水素生成装置１００を備える形態について説明したが、実施の形態４の燃料電池システム２００が、実施の形態２、実施の形態３、および実施の形態３の変形例１のいずれかの水素生成装置１００を備えてもよいことは言うまでもない。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムは、実施の形態４の燃料電池システムにおいて、ゼロ点補正動作時に、燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器でＣＯセンサに空気を供給する態様を例示するものである。

図５は、本実施の形態５の燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。

図５に示すように、本実施の形態５の燃料電池システム２００では、燃料電池３０に酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス供給器３１を備え、燃料電池３０には、酸化剤ガス供給器３１から空気を供給するための酸化剤ガス供給経路３２が接続されている。

酸化剤ガス供給経路３２は途中で酸化剤ガス分岐経路３３と分岐しており、酸化剤ガス分岐経路３３は、燃焼排ガス経路２０の熱交換器１３の上流側と接続されている。また、酸化剤ガス分岐経路３３の途中には、電磁弁３４が備えられ、制御器１０１によって任意に開閉が制御されることで、酸化剤ガス供給器３１で供給した空気を燃料電池３０に供給するか、熱交換器１３に供給するかを切り替えることが可能に構成されている。

なお、本実施の形態５の燃料電池システム２００では、電磁弁３４によって経路を切り替えるように構成したが、これに限定されるものではなく、電磁弁３４を酸化剤ガス供給経路３２の分岐部よりも燃料電池３０側の下流部にもう一個設けても良いし、分岐部に切替弁を設けても良い。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システムについて、以下、その動作、作用を説明する。

本実施の形態５の燃料電池システム２００では、ＣＯセンサ１５のゼロ点補正動作時には、制御器１０１は、電磁弁３４を開弁してから酸化剤ガス供給器３１を駆動させ、熱交換器１３を介してＣＯセンサ１５に空気を供給し、その時のＣＯセンサ１５の出力をゼロ点として記憶する。

ここで、ゼロ点補正動作時に冷却水ポンプ１６を駆動させ、ＣＯセンサ１５に供給する空気の温度を熱交換器１３に供給される冷却水の温度に近い温度となるようにするのは、他の実施の形態と同じである。

これにより、ＣＯセンサ１５に供給される空気は、燃焼器１２を経由することがないため、燃焼器１２に残留している可能性のある燃焼排ガスを考慮する必要なく、ゼロ点補正動作を実施することが可能となる。

本発明の水素生成装置では、ＣＯセンサのゼロ点補正動作時に、温度によるセンサ出力のずれを小さくすることが出きるため、ＣＯセンサを用いて燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検出する水素生成装置の分野において有用である。

１１ 改質器
１２ 燃焼器
１３ 熱交換器
１４ 燃焼空気供給器
１５ ＣＯセンサ
１６ 冷却水ポンプ
１７ 空気供給経路
１８ 燃料供給経路
１９ 燃料供給器
２０ 燃焼排ガス経路
２１ 冷却水経路
２２ 温度センサ
２３ 湿度センサ
３０ 燃料電池
３１ 酸化剤ガス供給器
３２ 酸化剤ガス供給経路
３３ 酸化剤ガス分岐経路
３４ 電磁弁
１００ 水素生成装置
１０１ 制御器
２００ 燃料電池システム

Claims (9)

1. 水素生成器と、
   前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器から排出される排ガスと熱回収媒体とを熱交換させる熱交換器と、
   前記熱交換器に空気を供給する空気供給器と、
   前記熱交換器から排出される前記排ガスを外部へ排出する排ガス経路と、
   前記排ガス経路内に配置されるＣＯセンサと、
   前記熱交換器に前記熱回収媒体を供給するポンプと、
   制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記燃焼器での燃焼が停止中に、前記空気供給器と前記ポンプとを駆動させ、その際の前記ＣＯセンサの出力をゼロ点として記憶するゼロ点補正動作を行う、
   水素生成装置。
2. 前記制御器は、前記ゼロ点補正動作を行う際に、前記ＣＯセンサに供給される前記排ガスの温度が所定の温度範囲となるように、少なくとも前記空気供給器と前記ポンプとのいずれか一方を制御する、
   請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記制御器は、前記排ガスの湿度と前記ＣＯセンサの出力との関係を記憶しており、前記ゼロ点補正動作時の排ガスの湿度と、前記燃焼器で燃焼が行われている際の排ガスの湿度と、に基づいて、前記燃焼器で燃焼が行われている時の前記ＣＯセンサにより検知するＣＯ濃度を補正する、
   請求項１または２に記載の水素生成装置。
4. 前記ＣＯセンサに供給される排ガスの温度を計測する温度計測器を更に備え、
   前記制御器は、前記排ガスの温度と湿度との関係を記憶しており、前記温度計測器で計測された温度に基づいて前記排ガスの湿度を決定する、
   請求項３に記載の水素生成装置。
5. 前記ＣＯセンサに供給される排ガスの湿度を計測する湿度計測器を更に備えた、
   請求項３に記載の水素生成装置。
6. 前記空気供給器は、前記燃焼器に空気を供給する燃焼空気供給器である、請求項１〜５に記載の水素生成装置。
7. 請求項１〜６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。
8. 前記空気供給器は、前記燃料電池のカソードに空気を供給するカソード空気供給器である、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 水素生成器と、
   前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器から排出される排ガスと熱回収媒体とを熱交換させる熱交換器と、
   前記熱交換器に空気を供給する空気供給器と、
   前記熱交換器から排出される前記排ガスを外部へ排出する排ガス経路と、
   前記排ガス経路内に配置されるＣＯセンサと、
   前記熱交換器に前記熱回収媒体を供給するポンプと、
   を備えた水素生成装置の運転方法において、
   前記燃焼器での燃焼が停止中に、前記空気供給器と前記ポンプとを駆動させる駆動ステップと、
   前記駆動ステップの際の前記ＣＯセンサの計測値をゼロ点として記憶するゼロ点補正ステップと、
   を実行する水素生成装置の運転方法。

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