JP2017105700A - 水素生成システムおよび燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】安価でかつ改質器の性能低下を発生させることなく改質水の供給不足を検知することができる水素生成システムを提供する。
【解決手段】
水素生成システムは、原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガスと空気とを燃焼する燃焼器と、燃焼により生じた排ガスを流通させる排ガス経路と、冷却水経路と、排ガスと冷却水との間での熱交換により凝縮水を生成する凝縮器と、冷却水を貯留する水タンクと、水タンク内に貯留された冷却水を凝縮器に供給させる水供給ポンプと、冷却水経路から分岐し、冷却水の一部を改質水として改質器へ流通させる改質水経路と、制御器と、を備え、水タンクは水供給ポンプより上方に、水供給ポンプは分岐部より上方にそれぞれ配置され、制御器は、水供給ポンプの回転数に基づいて水タンク中の冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する水素生成システムならびに該水素生成システムを用いた燃料電池システムに関する。
天然ガスまたはＬＰＧなどの原料を、改質水を気化させた水蒸気とともに改質反応させ、水素含有ガスを生成する改質器と、改質水を気化させる気化器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、改質水を気化器に供給する改質水供給手段と、改質水を貯めておく水タンクとを備えた水素生成システムが知られている。
このような水素生成システムでは、改質水の供給不足が生じると、改質器では反応平衡が崩れ、それによる原料炭化が生じ、水素含有ガスの生成能力の低下を招来する。そこで、この改質水の供給不足を検知する構成を備えたシステムが提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に係る燃料電池システムでは、気化器内に設けられた温度検出手段の検知温度が所定温度以上となると、制御手段が水供給手段の出力を上げる構成となっている。この構成により、特許文献１に係る燃料電池システムでは気化器における改質水不足を解消することができる。
また、改質水を気化器に供給する供給経路において、改質水の水位を検知し、改質水の気化器への供給を監視するシステムも提案されている（例えば、特許文献２）。
特許文献２に係る燃料電池システムでは、タンク内の改質水（原料水）を気化器（蒸発部）に供給させる供給通路において、気化器（蒸発部）の入口ポートの直前の水位を検知する水センサを備え、水センサの検知信号に基づいて供給通路における改質水（原料水）の水位を監視する構成となっている。
特開２０１１−２１６２０８号公報 特許第５５９８７１７号公報
本発明は、一例として、安価でかつ改質器の性能低下を発生させることなく改質水の供給不足を検知することができる水素生成システムを提供することを課題とする。
本発明の水素生成システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、供給された原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された前記水素含有ガスと、供給された空気とを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器における前記水素含有ガスおよび前記空気の燃焼により生じた排ガスを流通させる排ガス経路と、前記排ガスを冷却させるために冷却水を流通させる冷却水経路と、前記排ガスと前記冷却水との間での熱交換により排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器において生成された前記凝縮水を、前記冷却水として貯留する水タンクと、前記冷却水経路の冷却水の流通方向において、前記水タンクよりも下流側に設けられており、前記水タンク内に貯留された冷却水を、前記凝縮器に供給させる水供給ポンプと、前記冷却水経路における前記水供給ポンプと前記凝縮器との間に設けられた分岐部で分岐し、前記冷却水の一部を前記改質水として前記改質器へ流通させる改質水経路と、制御器と、を備え、前記水タンクは前記水供給ポンプより上方に配置され、前記水供給ポンプは前記分岐部より上方に配置されており、前記水供給ポンプは、前記水供給ポンプの回転数により前記冷却水経路を流通する冷却水の流量を制御しており、前記制御器は、前記水供給ポンプの回転数に基づいて前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する。
本発明の燃料電池システムの一態様は、供給された原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された前記水素含有ガスと、供給された空気とを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器における前記水素含有ガスおよび前記空気の燃焼により生じた排ガスを流通させる排ガス経路と、前記排ガスを冷却させるために冷却水を流通させる冷却水経路と、前記排ガスと前記冷却水との間での熱交換により排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器において生成された前記凝縮水を、前記冷却水として貯留する水タンクと、前記冷却水経路の冷却水の流通方向において、前記水タンクよりも下流側に設けられており、前記水タンク内に貯留された冷却水を、前記凝縮器に供給させる水供給ポンプと、前記冷却水経路における前記水供給ポンプと前記凝縮器との間に設けられた分岐部で分岐し、前記冷却水の一部を前記改質水として前記改質器へ流通させる改質水経路と、制御器と、を有し、前記水タンクは前記水供給ポンプより上方に配置され、前記水供給ポンプは前記分岐部より上方に配置されており、前記水供給ポンプは、前記水供給ポンプの回転数により前記冷却水経路を流通する冷却水の流量を制御しており、前記制御器は、前記水供給ポンプの回転数に基づいて前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する水素生成システムと、前記水素生成システムが有する前記改質器により生成された前記水素含有ガスと供給された空気とを用いて発電する燃料電池と、を備えている。
本発明の一態様によれば、安価でかつ改質器の性能低下を発生させることなく改質水の供給不足を検知することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１に係る水素生成システムの概略構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る水素生成システムが備える水タンク、水供給ポンプ、第１分岐部それぞれの位置関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る水素生成システムにおける異常検知処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の変形例１に係る水素生成システムにおける異常検知処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の変形例２に係る水素生成システムの概略構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る水素生成システムの概略構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る水素生成システムにおける異常検知処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る水素生成システムの概略構成の一例を示す図である。
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは、従来の水素生成システムとして特許文献１、２に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、気化器内に設けられた温度検出手段の検知温度が所定温度以上となると、制御手段が水供給手段の出力を上げる構成である。つまり、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、温度検知部により温度検知される対象（温度判定部位）が気化器内となっており、検知温度が所定温度以上になると改質水の不足により気化器内の温度が上昇していると判断できる構成である。このような構成の場合、温度検知手段により検知された温度が所定温度以上となると判断された時点で、既に改質水の不足が生じており、改質器の性能低下が発生している可能性があることに気が付いた。
一方、特許文献２に開示された燃料電池システムは、供給通路において、気化器（蒸発部）の入口ポートの直前の水の水位を検知する水センサを備え、水センサの検知信号に基づいて供給通路における改質水（原料水）の水位を監視できる構成である。このため、供給通路における改質水の水位から改質水の不足が生じているか否か判断することができるが、供給通路において水センサを設ける必要があり、コストが高くなるという問題があることに気が付いた。
そこで、本発明者らは、安価でかつ改質器の性能低下を発生させることなく改質水の供給不足を検知することができる水素生成システムについて検討した。そして、水分を含む排ガスから凝縮水を生成する凝縮器に熱媒体として冷却水を供給するとともに、該冷却水の一部を改質水として気化器に供給する構成としたとき、冷却水が流通する冷却水経路の状況から改質水の供給不足を判断することができることに気付いた。また、冷却水経路の状況は、冷却水経路中を流通するように該冷却水を送出する水供給ポンプの動作状況から判断できることに気が付いた。つまり、冷却水経路の状況を判断するために専用の部材を設けることなく、水素生成システムの運転を実施するために必要な構成部材を利用することができることに気が付いた。
以上の知見に基づいて、本発明者は、安価でかつ改質器の性能低下を発生させることなく改質水の供給不足を検知することができる水素生成システムならびに該水素生成システムを用いた燃料電池システムを実現できることを発見し、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
本発明の第１の態様に係る水素生成システムは、上記した課題を解決するために、供給された原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された前記水素含有ガスと、供給された空気とを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器における前記水素含有ガスおよび前記空気の燃焼により生じた排ガスを流通させる排ガス経路と、前記排ガスを冷却させるために冷却水を流通させる冷却水経路と、前記排ガスと前記冷却水との間での熱交換により排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器において生成された前記凝縮水を、前記冷却水として貯留する水タンクと、前記冷却水経路の冷却水の流通方向において、前記水タンクよりも下流側に設けられており、前記水タンク内に貯留された冷却水を、前記凝縮器に供給させる水供給ポンプと、前記冷却水経路における前記水供給ポンプと前記凝縮器との間に設けられた分岐部で分岐し、前記冷却水の一部を前記改質水として前記改質器へ流通させる改質水経路と、制御器と、を備え、前記水タンクは前記水供給ポンプより上方に配置され、前記水供給ポンプは前記分岐部より上方に配置されており、前記水供給ポンプは、前記水供給ポンプの回転数により前記冷却水経路を流通する冷却水の流量を制御しており、前記制御器は、前記水供給ポンプの回転数に基づいて前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する。
上記構成によると、制御器が水供給ポンプの回転数に基づいて水タンク中の冷却水の水量が所定量以下になったことを検知することができる。このため、水タンク中の冷却水の水量を検知するための専用の検知センサを設ける必要がなく、製造コストを抑制することができる。
また、水供給ポンプの回転数に変動が生じるのは、水タンク内の水が枯渇し、水供給ポンプ中の水も枯渇状態、あるいは、ほぼなくなった状態であって、前記水供給ポンプに対する水による負荷が小さくなった場合である。ここで、水タンクは水供給ポンプより上方に配置され、水供給ポンプは分岐部より上方に配置された位置関係にある。このため、水供給ポンプにおいて冷却水がなくなっても、水頭差により分岐部および該分岐部から分岐する改質水経路内は、まだ、水が確保されており、改質器へ改質水として冷却水の一部を供給できる状態にある。したがって、本発明の第１の態様に係る水素生成システムでは、改質器への改質水の供給不足が生じる前に、水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下となり、改質器に対し改質水の供給不足が生じることを検知することができる。
よって本発明の第１の態様に係る水素生成システムは、安価でかつ改質器の性能低下を発生させることなく改質水の供給不足を検知することができるという効果を奏する。
また、本発明の第２の態様に係る水素生成システムは、上記した第１の態様において、前記水供給ポンプは、前記水供給ポンプの回転数を指示する制御信号を受け付け、該制御信号に応じて前記水供給ポンプの回転数を設定しており、前記制御器は、前記水供給ポンプの実際の前記水供給ポンプの回転数の、前記水供給ポンプへ入力された前記制御信号に応じた前記水供給ポンプの所定回転数に対する変化量に基づいて、前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する構成であってもよい。
また、本発明の第３の態様に係る水素生成システムは、上記した第１または第２の態様において、前記改質水経路中において、前記改質水を前記改質器へ流通させるための自給式水供給ポンプを備える構成であってもよい。
上記構成によると改質水経路中に自給式水供給ポンプが備えられているため改質水経路を通じて所定量の改質水を改質器に供給することができる。
また、本発明の第４の態様に係る水素生成システムは、上記した第１から第３の態様のいずれか１つの態様において、前記冷却水経路は、前記冷却水が前記水タンク、前記水供給ポンプ、前記分岐部、および前記凝縮器の順番に流通して循環する循環経路であってもよい。
上記構成によると、水タンクに貯留されていた冷却水を水供給ポンプによって送出させ分岐部および凝縮部を流通させて再度、水タンクに戻すことができる。このため、水タンクに外部から水を供給することなく冷却水および改質水の供給を継続することができる。
また、本発明の第５の態様に係る水素生成システムは、上記した第１から第４の態様のいずれか１つの態様において、前記冷却水経路中に該冷却水経路内の温度を検知する冷却水経路温度検知器を備え、前記制御器は、前記冷却水経路温度検知器で検知された温度に基づいて、前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する構成であってもよい。
上記構成によると冷却水経路温度検知器を備えるため、冷却水経路内の温度を検知することができ、冷却水経路を流通する冷却水の温度を管理することができる。ここで、水タンクが枯渇し、凝縮器への冷却水の供給が停止すると、凝縮器より後段に位置する冷却水経路には排ガスの有する熱がそのまま伝熱し冷却水経路内の温度が上昇することとなる。このため、冷却水経路温度検知器によって検知された検知温度が正常運転時に検知された検知温度よりも大幅に高くなる。
したがって、本発明の第５の態様に係る水素生成システムでは、冷却水検知経路温度検知器で検知された温度に基づいて、凝縮器への冷却水の供給不足が生じているか、すなわち水タンク中の冷却水の水量が所定量以下となったか確度よく検知することができる。
また、本発明の第６の態様に係る水素生成システムは、上記した第１から第５の態様のいずれか１つの態様において、前記凝縮器は、前記水供給ポンプより上方に設置される構成であってもよい。
また、本発明の第７の態様に係る水素生成システムは、上記した第１から第６の態様のいずれか１つの態様において、前記制御器は、前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知した場合、前記水素生成システムの運転動作を停止させるように構成されていてもよい。
また、本発明の第８の態様に係る水素生成システムは、上記した第１から第７の態様のいずれか１つの態様において、前記原料を前記改質器に供給する原料供給器を備える構成であってもよい。
また、本発明の第９の態様に係る水素生成システムは、上記した第１から第８の態様のいずれか１つの態様において、前記燃焼器に前記空気を供給する空気供給器を備える構成であってもよい。
また、本発明の第１０の態様に係る水素生成システムは、上記した第１から第９の態様のいずれか１つの態様において、前記水供給ポンプは、非自給式ポンプであってもよい。
また、本発明の第１１の態様に係る水素生成システムは、上記した第１から第１０の態様のいずれか１つの態様において、前記水供給ポンプは、動作中における前記水供給ポンプの回転数を示す信号を前記制御器に出力する構成であってもよい。
上記構成によると、制御器は、動作中における水供給ポンプの回転数を把握することができる。
また、本発明の第１２の態様に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、供給された原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された前記水素含有ガスと、供給された空気とを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器における前記水素含有ガスおよび前記空気の燃焼により生じた排ガスを流通させる排ガス経路と、前記排ガスを冷却させるために冷却水を流通させる冷却水経路と、前記排ガスと前記冷却水との間での熱交換により排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器において生成された前記凝縮水を、前記冷却水として貯留する水タンクと、前記冷却水経路の冷却水の流通方向において、前記水タンクよりも下流側に設けられており、前記水タンク内に貯留された冷却水を、前記凝縮器に供給させる水供給ポンプと、前記冷却水経路における前記水供給ポンプと前記凝縮器との間に設けられた分岐部で分岐し、前記冷却水の一部を前記改質水として前記改質器へ流通させる改質水経路と、制御器と、を有し、前記水タンクは前記水供給ポンプより上方に配置され、前記水供給ポンプは前記分岐部より上方に配置されており、前記水供給ポンプは、前記水供給ポンプの回転数により前記冷却水経路を流通する冷却水の流量を制御しており、前記制御器は、前記水供給ポンプの回転数に基づいて前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する水素生成システムと、前記水素生成システムが有する前記改質器により生成された前記水素含有ガスと供給された空気とを用いて発電する燃料電池と、を備えている。
上記構成によると、本発明の第１２の態様に係る燃料電池システムは、安価でかつ改質器の性能低下を発生させることなく改質水の供給不足を検知することができるという効果を奏する。
また、本発明の第１３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１２の態様において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であってもよい。
以下本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。
[実施の形態１]
（水素生成システムの構成）
本発明の実施の形態１に係る水素生成システム１００の構成について図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る水素生成システム１００の概略構成の一例を示す図である。水素生成システム１００は、外部から供給された原料および改質水（イオン交換水）を利用して水素含有ガスを生成するシステムである。図１に示すように、水素生成システム１００は、原料供給経路８と、空気供給経路９と、改質器１０と、燃焼器１１と、排ガス経路１２と、冷却水経路１３と、凝縮器１４と、凝縮水経路１５と、改質水経路１８と、水供給ポンプ１９と、水タンク２１と、制御器３０と、を備えてなる構成である。水タンク２１は、オーバーフロー経路２２を備えていてもよい。
改質器１０は、供給された原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する反応装置である。具体的には、改質器１０では、改質触媒の存在下で、原料と水蒸気（改質水）とを用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。改質器１０において実施する改質反応としては、例えば、水蒸気改質反応またはオートサーマル反応が挙げられる。
図１では特に示されていないが、水素生成システム１００は、改質反応に必要となる機器が適宜設けられている。例えば、改質器１０で水蒸気改質反応を実施する場合、改質水から水蒸気を生成する蒸発器が設けられる。なお、原料は、不図示の原料供給器によって原料供給経路８を通じて改質器１０に供給されるように構成されていてもよい。原料供給器は、改質器１０へ供給する原料の流量を調整可能とする機器とすることができ、例えば、昇圧器と流量計とにより構成されてもよい。昇圧器は、例えば、ポンプなどを例示できる。ポンプとしては、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプなどが挙げられる。また、流量計として、例えば、熱量式センサなどを例示できる。
改質器１０に供給される原料としては、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスが挙げられる。また、原料供給源としては、例えば、原料ガスボンベまたは原料ガスインフラ等を例示できる。また、原料中には付臭剤として、または原料に由来するものとして、硫黄化合物が含まれる場合がある。この場合、原料供給経路８において改質器１０よりも上流側に、脱硫器（不図示）をさらに設けた構成であってもよい。
燃焼器１１は、改質器１０により生成された水素含有ガスと、外部から供給された空気とを燃焼する機器であり、例えばバーナーを挙げることができる。燃焼器１１における水素含有ガスおよび空気の燃焼により排ガスが生じる。なお、空気は、不図示の空気供給器によって空気供給経路９を通じて燃焼器１１に供給されるように構成されていてもよい。空気供給器は、燃焼器１１へ供給する空気の流量を調整可能とする機器とすることができ、例えば、昇圧器および流量計等により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、ポンプなどを例示できる。ポンプとしては、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプ、電磁駆動式のダイアフラムポンプなどが挙げられる。また、流量計として、例えば、熱量式センサなどを例示できる。
また、改質器１０において水蒸気改質を実施する場合、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応に必要な熱は、燃焼器１１の燃焼熱によって賄うことができる。具体的には、燃焼器１１で生成された排ガスは、例えば改質器１０の外壁と接するように設けられた排ガス経路１２を介して改質器１０と熱交換し、改質器１０を例えば６５０℃まで加熱した後、凝縮器１４へ供給され、その後、外部へ排出されるように構成されていてもよい。
排ガス経路１２は、燃焼器１１における水素含有ガスおよび空気の燃焼により生じた排ガスを流通させる流路である。排ガスの流通方向において、排ガス経路１２の上流側の端部が燃焼器１１に接続され、下流側の端部に設けられた排気口を介して排ガスは大気解放される。排ガス経路１２の途中には、凝縮器１４が設けられている。
凝縮器１４は、排ガスと冷却水との間での熱交換により排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する機器である。すなわち、凝縮器１４には、上記した排ガス経路１２および後述する冷却水経路１３それぞれが接続されており、排ガス経路１２を流通する排ガスと冷却水経路１３を流通する冷却水との間で熱交換する。そして、凝縮器１４は、冷却水との熱交換により排ガスを冷却させて排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成する。なお、凝縮器１４は、排ガス中の水蒸気を凝縮させることができる構成であればよく、例えば、プレート式の熱交換器が例示できる。ただし、改質器１０との熱交換後に凝縮器１４を流通する排ガスの温度は約２００℃程度となるため、凝縮器１４を、例えばＳＵＳなど耐熱性のある材料から構成する。
また、排ガス経路１２において、凝縮器１４の後段には第２分岐部４１が設けられており、第２分岐部４１で排ガス経路１２から分岐した凝縮水経路１５が水タンク２１に接続されている。すなわち、凝縮水経路１５は、凝縮器１４と水タンク２１とを連結し、凝縮器１４から水タンクに向かって凝縮水を流通させる。このため、凝縮器１４で生成された凝縮水は、第２分岐部４１で排ガスと分離され、凝縮水経路１５を流通し、水タンク２１に供給される。一方、排ガスは排ガス経路１２を流通して系外に排出される。凝縮水は水タンク２１に蓄えられた後、冷却水として利用する。凝縮水経路１５は、凝縮水が流通できるものであればどのような構成でも構わない。例えば、架橋ポリエチレンなどの樹脂チューブやＳＵＳなどの金属配管が例示できる。また、図示していないが水素生成システム１００において、凝縮器１４の設置位置が、水タンク２１の設置位置よりも下方となる場合、凝縮水経路１５中にポンプを設け、このポンプにより凝縮水を水タンク２１へ供給する構成としても構わない。
冷却水経路１３は、排ガスを冷却させるために冷却水を流通させる経路である。換言すると、冷却水経路１３は、凝縮器１４において排ガスを凝縮させるための熱媒体として利用する冷却水を流通させる経路である。冷却水経路１３上には、冷却水の流通方向において上流側から、水タンク２１、水供給ポンプ１９、凝縮器１４がこの順番で配置されている。冷却水経路１３では、水供給ポンプ１９によって水タンク２１に蓄えられた冷却水が送出され該冷却水経路１３内を流通する。そして、冷却水が凝縮器１４を流通する際に、上記したように排ガスと熱交換を行い、排ガスを冷却させる一方、冷却水自体の温度は６０〜８０℃まで上昇する。このため冷却水経路１３、特には凝縮器１４以降の経路部分は、例えば、架橋ポリエチレンなどの樹脂チューブ、あるいはＳＵＳなどの金属配管により構成してもよい。凝縮器１４を流通した冷却水は冷却水経路１３を通じて系外に排出される。
なお、本発明の実施の形態１に係る水素生成システム１００では、冷却水に水道水を使用する構成ではなく、外部から水タンク２１へ供給されたイオン交換水と、凝縮器１４から水タンク２１へ供給された凝縮水とを冷却水として用いる構成である。このため冷却水経路１０５にかかる圧力が数ｋＰａ〜十数ｋＰａと小さく樹脂チューブの使用が可能となる。また、冷却水経路１３において、水供給ポンプ１９よりも後段であり、かつ凝縮器１４よりも前段となる位置に第１分岐部４０が設けられている。この第１分岐部４０と改質器１０との間に改質水経路１８が設けられる。
水タンク２１は、冷却水を蓄えるタンクである。水タンク２１は、冷却水経路１３に加えて、凝縮水経路１５とも接続されており、凝縮器１４で得られた凝縮水を冷却水として貯留する。水タンク２１は凝縮水を蓄えることができる構成であればよく、例えば、樹脂製のタンクであってもよい。水タンク２１における冷却水の流出口および凝縮水経路１５との接続位置よりも高い位置に水タンク２１内において過剰となる凝縮水を排出するためのオーバーフロー経路２２を有する構成としてもよい。
水供給ポンプ１９は、水タンク２１内に貯留された冷却水を、凝縮器１４に供給させるポンプである。水供給ポンプ１９は、水タンク２１内に貯留された冷却水を送出させ、冷却水経路１３内を流通させる。水供給ポンプ１９は、冷却水経路１３内を流通させる冷却水の流量を水供給ポンプ１９の回転数で制御できるように構成されている。特に、水供給ポンプ１９内が冷却水で満たされた正常な場合と、水供給ポンプ１９内に水が存在しない、あるいはほとんど存在しない異常な場合とで水供給ポンプ１９の回転数が異なる機器であればよい。例えば、水供給ポンプ１９としてはポンプ式の軸流ポンプが例示できる。また、水供給ポンプ１９は、ポンプの回転数を指示する制御信号を例えば、制御器３０または不図示の外部入力手段等から受け付け、該制御信号に応じて該ポンプの回転数を設定可能とする構成であってもよい。この場合、該ポンプの回転数により、冷却水経路１３内を流通させる冷却水の流量が決定される。
また、水供給ポンプ１９は、動作中において水供給ポンプ１９の回転数を示すパルス信号を制御器３０に出力することができる構成であってもよい。あるいは、水供給ポンプ１９の回転数をカウントし、該回転数を示す信号を制御器３０に出力するカウンターが水供給ポンプ１９に設けられている構成であってもよい。
改質水経路１８は、冷却水経路１３における水供給ポンプ１９と凝縮器１４との間に設けられた第１分岐部４０で分岐し、冷却水の一部を改質水として改質器１０へ流通させる経路である。改質水経路１８は改質水を改質器１０に供給できる経路であればよく、例えば、架橋ポリエチレンなどの樹脂チューブやＳＵＳなどの金属配管が例示できる。なお、実施の形態１に係る水素生成システム１００では、冷却水経路１３と改質水経路１８との圧損差を利用して第１分岐部４０から改質器１０に向かって所定流量の改質水が改質水経路１８を流通するように構成されている。しかしながら、図１において図示していないが所定流量の改質水を改質器１０に供給するために、改質水経路１８中において、例えば、定容積型シリンダポンプ等の自給式水供給ポンプを設ける構成であってもよい。
制御器３０は、水素生成システム１００が備える各部の各種制御を実施するものであり、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備える。演算処理部としては、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶部としては、例えば、メモリなどを例示できる。制御器３０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもいいし、互いに共働して分散制御を行う、複数の制御器から構成されていてもいい。
次に、上記構成の水素生成システム１００における水の流れについて、図１を参照して説明する。水素生成システム１００において、燃焼器１１で排ガスが生成されると、水分を含む排ガスが排ガス経路１２を流通する。排ガス経路１２中に設けられた凝縮器１４において、排ガス経路１２を流通する排ガスが冷却水経路１３の冷却水により冷却されて、排ガス中の水分が凝縮して、凝縮水が生成される。凝縮水は、排ガス経路１２の第２分岐部４１で排ガス経路１２から分岐された凝縮水経路１５を流通し、冷却水経路１３中に設けられた水タンク２１に流入する。さらにまた、水タンク２１には外部からイオン交換水も供給される。
このように、水タンク２１には、外部から供給されたイオン交換水が冷却水として流入するとともに、凝縮器１４において生成された凝縮水が冷却水として流入する。そして、水タンク２１に貯留された冷却水は冷却水経路１３を流通して凝縮器１４に供給され、その後、系外へと排出される。以上のように水が流通することで排ガス中に含まれる水分を凝縮させ、凝縮水を得ることができる。また、得られた凝縮水は、排ガスを冷却させるための冷却水として利用することができる。
（水タンク、水供給ポンプ、第１分岐部の位置関係）
ところで、上記した構成を有する本発明の実施の形態１に係る水素生成システム１００では、冷却水経路１３において、冷却水の流通方向に上流側から順に、水タンク２１、水供給ポンプ１９、第１分岐部４０、および凝縮器１４が配置されている。さらにこれら各部の位置関係は図２に示すようになっている。図２は、本発明の実施の形態１に係る水素生成システム１００が備える水タンク２１、水供給ポンプ１９、第１分岐部４０それぞれの位置関係の一例を示す図である。すなわち、図２に示すように、水タンク２１は水供給ポンプ１９より上方に配置され、水供給ポンプ１９は、第１分岐部４０よりも上方に配置されている。このため、水タンク２１に冷却水が貯留されている場合は、第１分岐部４０の位置も冷却水により満たされることとなり、常に凝縮器１４および改質器１０に対して水を供給することができるといえる。
（水素生成システムの動作）
水素生成システム１００は、凝縮器１４で排ガスを冷却するために冷却水経路１３を冷却水が流れる構成であった。水素生成システム１００では、水供給ポンプ１９は、冷却水経路１３を流通する冷却水が一定の所定流量となるように回転数が設定されている。この水供給ポンプ１９の回転数は、水供給ポンプ１９が冷却水で満たされた状態時の負荷を考慮した値となる。したがって、水タンク２１から水が凝縮器１４および改質器１０に正常に供給されている状態（正常運転時）では、水供給ポンプ１９は、水供給ポンプ１９が所定の回転数で安定して動作する。一方、イオン交換水供給系の異常等の原因により水タンク２１内への冷却水の供給が停止すると、水タンク２１内の冷却水は徐々に消費され、水タンク２１が空になる。水タンク２１が空になると、図２に示すように冷却水経路１３の水位は、水位Ａから下方に移動していく。そして冷却水経路１３の水位が水位Ｂまで達すると水供給ポンプ１９内を満たしていた冷却水が無くなる。水供給ポンプ１９内に冷却水が無くなると、水供給ポンプ１９が空回りし、その結果、冷却水の供給が不可能となる。空回り状態のとき（異常運転時）、水供給ポンプ１９の回転数は、負荷が急激に低下するため正常運転時に設定されていた所定回転数から、例えば、回転数が増加するなど変化する。そこで、水素生成システム１００では、制御器３０が、正常運転時における水供給ポンプ１９の所定回転数に対する、水供給ポンプ１９の実際の回転数の変化量に基づいて、冷却水の水量が所定量以下となったか否か判断する。
なお、水供給ポンプ１９による冷却水の供給が不可能となった時点、すなわち、冷却水経路１３における冷却水の水位が水位Ｂにある時点では、第１分岐部４０は、この水位Ｂよりも下方となる水位Ｃに位置する。このため、水頭差により第１分岐部４０までは冷却水は確実に存在しており、それにより改質水経路１８も改質水で満たされた状態とすることができる。このように、水素生成システム１００では、改質器１０へ改質水が供給されなくなる前に、改質水（冷却水）の供給に異常が生じたことを事前に検知することができる。
実施の形態１に係る水素生成システム１００では、この改質水供給の異常検知処理を、図３に示すフローによって実施する。図３は、本発明の実施の形態１に係る水素生成システム１００における異常検知処理の一例を示すフローチャートである。なお、図３のフローチャートに示す各処理ステップは、例えば、制御器３０がメモリ等から制御プログラムを読み出し実行することにより実施される。
まず、制御器３０は、水供給ポンプ１９の回転数（Ｒ１）を取得する（ステップＳ１１）。続いて、制御器３０は、正常運転時に設定されている所定回転数（Ｒ０）と、ステップＳ１１で取得した回転数Ｒ１とに基づき、Ｒ１とＲ０との差分（ΔＲ＝Ｒ１−Ｒ０）を求め、所定の変化量ａと比較する（ステップＳ１２）。つまり、Ｒ１とＲ０との差分をＲ０からＲ１への変化量とみなすことができ、この変化量の、所定の変化量ａに対する大小関係を判定する。なお、所定の変化量ａは、正常運転時の所定回転数（Ｒ０）の測定誤差の範囲を示す値であり、Ｒ１とＲ０との差が所定の変化量ａを超える場合は、改質水（冷却水）の供給に異常が生じていると判定できる。
したがって、ΔＲ≦ａの場合（ステップＳ１２において「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ１１へもどる。ΔＲ＞ａの場合（ステップＳ１２において「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ１３へ移行する。そして、ステップＳ１３において、制御器３０は水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下と判断する。そして、改質水供給の異常検知処理を終了する（エンド）。
以上のように実施の形態１に係る水素生成システム１００は、冷却水経路１３から分岐した改質水経路１８を流通させて、冷却水の一部を改質水として改質器１０に供給する構成とする。これにより、実施の形態１に係る水素生成システム１００は、改質水の改質器１０への供給不足を、冷却水経路１３の状況から判断することができる。つまり、冷却水経路１３において、上方から順に水タンク２１、水供給ポンプ１９、冷却水経路１３から改質水経路１８が分岐する部分である第１分岐部４０がそれぞれ配置されている。このため、水タンク２１の水不足は、水供給ポンプ１９の水不足につながり、結果として水供給ポンプ１９の送水機能が失われる。水供給ポンプ１９の送水機能が失われた状態は、水供給ポンプ１９の回転数の変化として現れており、水素生成システム１００では、この回転数の変化に基づき冷却水経路１３の状態を判断することができる。
かかる構成により、水素生成システム１００は、冷却水経路１３の状態を判断する専用の検知器を備えることなく、改質器１０への改質水の供給不足を検知することができる。
また、第１分岐部４０が水供給ポンプ１９よりも下方に位置するため、水供給ポンプ１９内が水不足の状況にいたっても水頭差により改質水経路１８内は水が確保されるため改質水の供給不足となる前に改質器への改質水の供給不足を検知することができる。このため、改質器１０の性能低下を発生せずに、改質水の供給不足を検知することができる。
（実施の形態１の変形例１）
次に、実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００について説明する。実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００は、実施の形態１に係る水素生成システム１００と以下の点で異なる。
すなわち、改質器１０で生成する水素含有ガスの流量によって燃焼器１１で生成される排ガスの流量も変化する。そこで、実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００は、凝縮器１４に供給される排ガスが有する熱量の変化に応じて水供給ポンプ１９によって供給する冷却水の流量を変化させる構成となっている点で実施の形態１に係る水素生成システム１００と相違する。なお、それ以外の点については実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００は実施の形態１に係る水素生成システム１００と同様であるため同じ部材には同じ符号を付し、各部の説明については省略する。
ここで、水供給ポンプ１９は、水供給ポンプ１９の回転数により凝縮器１４および改質器１０に供給する冷却水の流量を制御することができる構成であった。また、実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００では、水供給ポンプ１９の回転数は制御器３０から水供給ポンプ１９へ入力される、水供給ポンプ１９の回転数を指示する制御信号によって調整ができるように構成されている。例えば、制御器３０は、水供給ポンプ１９に印加する入力電圧の大きさを変化させることにより水供給ポンプ１９の回転数を制御することができる。
実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００では、正常運転時における水供給ポンプ１９の回転数は、排ガスが有する熱量変化に基づき水供給ポンプ１９に入力された制御信号に応じた所定回転数となる。一方、イオン交換水供給系の異常等の原因により水タンク２１内への冷却水の供給が停止すると、水タンク２１内の冷却水は徐々に消費され、水タンク２１が空になる。そして冷却水経路１３の水位が水位Ｂまで達し、水供給ポンプ１９内を満たしていた冷却水が無くなると、水供給ポンプ１９が空回りし、その結果、冷却水の供給が不可能となる。空回り状態のとき（異常運転時）、水供給ポンプ１９の回転数は、負荷が急激に低下するため、正常運転時に入力された制御信号に基づき設定された回転数から、例えば、回転数が増加するなど変化する。そこで、水素生成システム１００では、制御器３０が水供給ポンプ１９の回転数に基づいて、水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下となったと判断する。
（実施の形態１の変形例１に係る水素生成システムの動作）
実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００では、この改質水供給の異常検知処理を、図４に示すフローによって実施する。図４は、本発明の実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００における異常検知処理の一例を示すフローチャートである。なお、図４のフローチャートに示す各処理ステップは、例えば、制御器３０がメモリ等から制御プログラムを読み出し実行することにより実施される。
まず、制御器３０は水供給ポンプ１９へ入力された制御信号（Ｕ１）を取得する（ステップＳ２１）。続いて、制御器３０は、取得した制御信号Ｕ１に基づき動作する水供給ポンプ１９の実際の回転数（Ｒ１）を取得する（ステップＳ２２）。続いて、あらかじめメモリ等に記憶しておいた、制御信号Ｕ１が入力されたときの水供給ポンプ１９の設定回転数（Ｒ０）を読み込む（ステップＳ２３）。続いて、制御器３０は、回転数Ｒ１とＲ０との差分（ΔＲ＝Ｒ１−Ｒ０）を求め、所定の変化量ａと比較する（ステップＳ２４）。ΔＲ≦ａの場合（ステップＳ２４において「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ２１へもどる。一方、ΔＲ＞ａの場合（ステップＳ２４において「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ２５へ移行する。そして、ステップＳ２５において、制御器３０は水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下と判断する。そして、改質水供給の異常検知処理を終了する（エンド）。
（実施の形態１の変形例２）
次に、実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００について図５を参照して説明する。図５は、本発明の実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００の概略構成の一例を示す図である。
実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００は、実施の形態１に係る水素生成システム１００と以下の点で異なる。すなわち、実施の形態１に係る水素生成システム１００では、冷却水経路１３が系外と連通し、冷却水経路１３を流通する冷却水が系外に排出される構成であった。また、水タンク２１には冷却水として外部からイオン交換水が供給される構成であった。これに対して実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００では、冷却水経路１３が系外に向かうのではなく水タンク２１へ戻る循環経路となっている点で異なる。このため、水タンク２１に外部からイオン交換水が冷却水として供給される構成とはなっていない。また、実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００では、冷却水経路１３において、水供給ポンプ１９と第１分岐部４０との間において放熱器２０が設けられている点でも実施の形態１に係る水素生成システム１００と異なる。それ以外の点については、実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００は、実施の形態１に係る水素生成システム１００と同様な構成であるため、同様な部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
冷却水経路１３が循環経路として形成される場合、冷却水が水タンク２１、水供給ポンプ１９、第１分岐部４０、および凝縮器１４の順番に流通して循環する。冷却水経路１３は、冷却水の流通方向において上流側の端部が水タンク２１の底部に接続され、下流側の端部が、水タンク２１に設けられているオーバーフロー経路２２よりも下方であり、凝縮水経路１５との接続部分よりも上方となる位置に接続されている。このように冷却水経路１３の上流側の端部および下流側の端部それぞれが水タンク２１に接続された構成となっている。このため、水素生成システム２００の運転停止中において水供給ポンプ１９の動作を停止させた時において冷却水経路１３内を冷却水により満たした状態に維持できる。
放熱器２０は、冷却水経路１３を流通する冷却水が少なくとも凝縮器１４に至る前に、該冷却水の温度を低下させる機器である。すなわち、水素生成システム２００では、冷却水経路１３が循環経路となるように形成されたため、凝縮器１４における排ガスとの熱交換により温水となった冷却水の温度を、少なくとも凝縮器１４に至る前に低下させる必要がある。そのため、放熱器２０は、冷却水経路１３を流通する冷却水を放熱させて冷却できる機器であればよく、空冷によるラジエータまたは水冷によるプレート式熱交換器などが例示できる。放熱器２０がラジエータの場合、熱媒体経路１６を流通する熱媒体としては空気を利用することができる。また、放熱器２０が水冷によるプレート式熱交換器の場合、熱媒体経路１６を流通する熱媒体として水を利用することができる。
かかる構成により、実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００は、外部から冷却水（イオン交換水）を供給および追加供給する必要がなく、冷却水経路１３を流通する冷却水および凝縮器１４で生成された凝縮水を、冷却水および改質水として利用することができる自己完結型のシステムとなる。
また、実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００も、図３に示す実施の形態１に係る水素生成システム１００の異常検知処理、あるいは図４に示す実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００の異常検知処理と同様にして、異常検知処理を実施することができる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る水素生成システム３００について図６を参照して説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る水素生成システム３００の概略構成の一例を示す図である。図６に示すように、実施の形態２に係る水素生成システム３００は、実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００の構成において、さらに冷却水経路１３上に冷却水の温度を検知する冷却水経路温度検知器１７を備えた点で異なる。それ以外の点については、実施の形態２に係る水素生成システム３００は、実施の形態１の変形例２に係る水素生成システム２００と同様な構成であるため、同様な部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
冷却水経路温度検知器１７は、冷却水経路１３中に設けられた該冷却水経路１３内の温度を検知する検知器である。冷却水経路温度検知器１７は、冷却水経路１３において凝縮器１４よりも後段に設けられており、凝縮器１４から排出された排ガスとの熱交換後の冷却水の温度を検知することができる。冷却水経路温度検知器１７は、冷却水経路１３内の温度を検知できる構成であればよく、例えば、サーミスタ等であってもよい。
冷却水経路１３を流通する冷却水は、凝縮器１４で排ガスとの熱交換により温水となる。ここで、冷却水経路温度検知器１７は、温水となった冷却水の温度を検知し、制御器３０がその検知結果を受け付ける。制御器３０は、受け付けた検知結果に基づき、水供給ポンプ１９に対して制御信号を出力し、該水供給ポンプ１９の回転数をフィードバック制御する。水供給ポンプ１９の上記した回転数を制御することで冷却水経路１３を流通する冷却水の流量が変化し、例えば、凝縮器１４に入る前の冷却水の温度または凝縮器１４から排出された冷却水の温度が所定温度となるように調整することができる。さらにまた、冷却水経路温度検知器１７による検知結果に基づき、制御器３０が放熱器２０による冷却能力を大きくする、あるいは小さくするように制御し、凝縮器１４から排出された冷却水あるいは凝縮器１４に入る前の冷却水の温度を調整することができる構成となっていてもよい。
ところで、冷却水経路１３中に異常が生じ、水タンク２１内の冷却水が無くなる場合が想定できる。ここで、水タンク２１内の冷却水が無くなった場合、水供給ポンプ１９内の冷却水も無くなっていき、水供給ポンプ１９が空回りする。水供給ポンプ１９の空回りが生じると、凝縮器１４および改質器１０への冷却水の供給ができなくなるため、凝縮器１４よりも後段に位置する冷却水経路１３部分には排ガスの熱がそのまま伝熱することとなる。このため、冷却水経路温度検知器１７による検知温度は、所定の温度以上に上昇していく。そこで、実施の形態２に係る水素生成システム３００では、制御器３０は、冷却水経路温度検知器１７の検知結果の変化に基づいて、冷却水経路１３における冷却水の水量、特には、水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下となったと判断することができる。具体的には実施の形態２に係る水素生成システム３００は、以下に示すように異常検知処理を実施する。
（実施の形態２に係る水素生成システムの動作）
図７を参照して実施の形態２に係る水素生成システム３００における異常検出処理について説明する。図７は、本発明の実施の形態２に係る水素生成システム３００における異常検知処理の一例を示すフローチャートである。なお、図７のフローチャートに示す各処理ステップは、例えば、制御器３０がメモリ等から制御プログラムを読み出し実行することにより実施される。
まず、制御器３０は、冷却水経路温度検知器１７によって検知された検知温度（Ｔ１）を取得する（ステップＳ３１）。続いて、制御器３０は、正常運転時に、冷却水経路温度検知器１７が設置されている位置において設定されている設定温度（Ｔ０）と、ステップＳ３１で取得した検知温度（Ｔ１）とに基づき、Ｔ１とＴ０との差分（ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ０）を求め、所定の温度変化量ｂと比較する（ステップＳ３２）。つまり、Ｔ１とＴ０との差分を、Ｔ０からＴ１への温度変化量とみなすことができ、この温度変化量の、所定の温度変化量ｂに対する大小関係を判定する。なお、所定の温度変化量ｂは、正常運転時の設定温度（Ｔ０）との測定誤差の範囲を示す値であり、Ｔ１とＴ０との差が所定の温度変化量ｂを超える場合は、改質水（冷却水）の供給に異常が生じていると判定できる。
したがって、ΔＴ≦ｂの場合（ステップＳ３２において「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ３１へもどる。ΔＴ＞ｂの場合（ステップＳ３２において「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ３３へ移行する。ステップＳ３３において、制御器３０は、水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下と判断する。そして、改質水供給の異常検知処理を終了する（エンド）。
なお、実施の形態２では、冷却水経路１３において、冷却水経路温度検知器１７を凝縮器１４の後段に設置したが、冷却水経路温度検知器１７の設置場所は、これに限定されるものではない。制御器３０が冷却水経路温度検知器１７によって検知された検知温度を用いて冷却水経路１３を流通する冷却水の温度制御を実施できる場所に冷却水経路温度検知器１７が設けられていればよい。
（実施の形態２の変形例１）
実施の形態２の変形例１に係る水素生成システム３００は、実施の形態２に係る水素生成システム３００と同様の部材から構成されるが、凝縮器１４と水供給ポンプ１９との位置関係が限定されている。すなわち、実施の形態２に係る水素生成システム３００では、特に、凝縮器１４と水供給ポンプ１９との位置関係については規定していなかったが、実施の形態２の変形例１に係る水素生成システム３００では、凝縮器１４が水供給ポンプ１９よりも物理的に高い配置されている。このように凝縮器１４が水供給ポンプ１９よりも高い位置に配置されることで、例えば、冷却水経路１３等の異常により水供給ポンプ１９内に冷却水がなくなる場合、水頭差により凝縮器１４内部の方が水供給ポンプ１９内よりも先に冷却水がなくなり、凝縮器１４の後段以降の冷却水経路１３部分には排ガスの熱がそのまま伝熱することとなる。このため、冷却水経路温度検知器１７で検知した検知温度が急激に変化し、制御器３０は異常を検知がしやすくなる。また、凝縮器１４を水タンク２１よりも高い位置に配置することで、改質水供給の異常をより早く検知できる。実施の形態２の変形例１に係る水素生成システム３００における改質水供給の異常検知処理は、実施の形態２に係る水素生成システム３００と同様なため説明は省略する。
なお、実施の形態２および実施の形態２の変形例１に係る水素生成システム３００では、制御器３０が冷却水経路温度検知器１７により検知された検知温度（Ｔ２）と所定の設定温度（Ｔ０）との差が所定の温度変化量ｂを超える場合は、制御器３０は、水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下であると判断する構成であった。しかしながらこの構成に限定されるものではない。
実施の形態２および実施の形態２の変形例１に係る水素生成システム３００は、冷却水経路温度検知器１７により検知された検知温度の変化に加え、水供給ポンプ１９の回転数の変化に基づき、冷却水経路１３における冷却水の水量（水タンク２１中の冷却水の水量が）が所定量以下となったと判断する構成であってもよい。例えば、図７に示す処理ステップに加え、制御器３０は、実施の形態１におけるステップＳ１１からＳ１３の処理も並行して行う。そして、制御器３０は、図７におけるステップＳ３３において水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下と判断し、かつ図３におけるステップＳ１３においても水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下と判断した場合に、改質水（冷却水）の供給に異常が生じていると判定し、改質水供給の異常検知処理を終了する構成であってもよい。あるいは、図７におけるステップＳ３３において水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下と判断した場合、または図３におけるステップＳ１３においても水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下と判断した場合に、改質水（冷却水）の供給に異常が生じていると判定し、改質水供給の異常検知処理を終了する構成であってもよい。
なお、上記した実施の形態１，実施の形態１の変形例１，実施の形態１の変形例２，実施の形態２，および実施の形態２の変形例１に係る水素生成システム１００，２００，３００では、改質水供給の異常検知処理を実施する構成であったが、異常を検知した場合、水素生成システム１００，２００，３００の運転動作を停止するように構成されていてもよい。
水素生成システム１００，２００，３００では、改質水供給の異常検知した後もこの水素生成システム１００，２００，３００の運転を継続すると、冷却水経路１３および改質水経路１８中に存在する冷却水が枯渇していき、最終的には改質器１０に供給する改質水の不足が生じることとなる。そこで、水素生成システム１００，２００，３００は、改質水供給の異常を検知した場合、水素生成システム１００，２００，３００の運転動作を停止させる。
具体的には、水タンク２１中の冷却水の水量が所定量以下と判断した場合（図３におけるステップＳ１３，図４におけるステップＳ２５，図７におけるステップＳ３３）、制御器３０は、水素生成システム１００，２００，３００の運転動作を停止させる。
（実施の形態３）
次に、実施の形態３として水素生成システムの応用例として燃料電池システムを例に挙げて図８を参照して説明する。実施の形態３に係る燃料電池システム４００は、上記した水素生成システム３００においてさらに燃料電池５０を備えた構成となっている。図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム４００の概略構成の一例を示す図である。
図８に示すように、実施の形態３に係る燃料電池システム４００は、外部から供給された原料と改質器１０で生成された水素含有ガスとを用いて発電するシステムである。図８に示すように、燃料電池システム４００は、原料供給経路８と、空気供給経路９と、改質器１０と、燃焼器１１と、排ガス経路１２と、冷却水経路１３と、凝縮器１４と、凝縮水経路１５と、熱媒体経路１６、冷却水経路温度検知器１７と、改質水経路１８と、水供給ポンプ１９と、放熱器２０、水タンク２１と、制御器３０と、燃料電池５０と、を備えてなる構成である。なお、水タンク２１は、オーバーフロー経路２２を備えていてもよい。
すなわち、実施の形態３に係る燃料電池システム４００は、図６に示す水素生成システム３００の構成において、燃料電池５０をさらに備え、空気供給経路９を通じて供給される空気の供給先が燃焼器１１ではなく燃料電池５０となっている。それ以外の点については、燃料電池システム４００は、水素生成システム３００と同様な構成である。このため、同様な構成部材については同様の符号を付し、その説明は省略するものとする。なお、実施の形態３では、水素生成システム３００の構成において、さらに燃料電池５０を備えた構成となっていたが、これに限定されるものではない。例えば、水素生成システム１００または水素生成システム２００の構成において、さらに燃料電池５０を備えた構成としてもよい。
燃料電池５０は、改質器１０で生成された水素含有ガスと、空気供給経路９を通じて供給された空気（酸素含有ガス）とを用いて発電する。例えば、燃料電池５０は、電解質をアノード電極とカソード電極とによって挟み込んだ単セルを備え、改質器１０からの水素含有ガスがアノード側に、空気（酸素含有ガス）がカソード側に、それぞれ供給されることで発電をする。なお、燃料電池５０では、このような単セルを複数、電気的に直列に連結し、数Ｖ−数百Ｖの電圧を発生するスタックを構成する。また、燃料電池５０は、各単セルに空気および水素含有ガスを分配して供給するマニホールド（不図示）と、集電部（不図示）とを備えた構成であってもよい。
なお、燃焼器１１には燃料電池５０の発電において未利用の水素含有ガスを含むアノードオフガスと、発電において未利用の空気（酸化剤ガス）を含むカソードオフガスとが供給され、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼している。このため、燃焼器１１には、改質器１０で生成された水素含有ガスと、外部から供給された空気とを燃料電池５０を介して供給しているといえる。また、燃焼器１１に供給される空気の流量が不足する場合は、さらに空気供給経路を設け、燃焼器１１に空気を供給する構成としてもよい。
燃料電池５０は、単セルが有する電解質の種類により、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、あるいはアルカリ形燃料電池などに分類される。燃料電池５０としては、いずれの種類であっても良い。例えば、燃料電池５０が、固体酸化物形燃料電池の場合、電解質に、例えば、イットリウム（Ｙ）酸化物（Ｙ２Ｏ３）を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）であるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、あるいはイッテルビウム（Ｙｂ）やスカンジウム（Ｓｃ）をドープしたジルコニア系の固体電解質が用いられる。ＹＳＺを用いた燃料電池の単セルでは、電解質の厚みにも依存するが、例えば、５００℃−１０００℃程度の温度範囲で発電反応が行われる。アノードの材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）とＹＳＺの混合物、または、ニッケルとセリウム（Ｃｅ）の酸化物（ＣｅＯ２）にガドリニウム（Ｇｄ）を添加した混合物などが用いられる。一方、カソードの材料としては、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガンを含有する酸化物や、ランタン、ストロンチウム、コバルト、鉄を含有する酸化物などが用いられる。
なお、燃料電池システム４００において、改質器１０と燃料電池５０とを一つのユニットとして扱い、燃料電池モジュールと呼ぶ場合がある。また、燃料電池５０を構成する単セルの構造は、いわゆる平板型、円筒型、円筒平板型などのいずれでもよい。
また、燃料電池システム４００は、図７に示す異常検出処理と同様の処理ステップを制御器３０が実施してもよい。あるいは、図７に示す異常検出処理と同様の処理ステップを実施した後に、制御器３０が燃料電池システム４００の運転を停止させる構成であってもよい。
また、燃料電池システム４００が、図１に示す実施の形態１または実施の形態１の変形例１に係る水素生成システム１００において、燃料電池５０をさらに備えた構成の場合、図３または図４に示す異常検出処理と同様の処理ステップを制御器３０が実施してもよい。あるいは、図３または図４に示す異常検出処理と同様の処理ステップを実施した後に、制御器３０が燃料電池システム４００の運転動作を停止させる構成であってもよい。
本発明は、排ガスに含まれる水分を改質水および排ガスの冷却に利用する水素生成システムに広く適用できる。
８ 原料供給経路
９ 空気供給経路
１０ 改質器
１１ 燃焼器
１２ 排ガス経路
１３ 冷却水経路
１４ 凝縮器
１５ 凝縮水経路
１６ 熱媒体経路
１７ 冷却水経路温度検知器
１８ 改質水経路
１９ 水供給ポンプ
２０ 放熱器
２１ 水タンク
２２ オーバーフロー経路
３０ 制御器
４０ 第１分岐部
４１ 第２分岐部
５０ 燃料電池
１００ 水素生成システム
１０５ 冷却水経路
２００ 水素生成システム
３００ 水素生成システム
４００ 燃料電池システム

Claims (13)

  1. 供給された原料および改質水を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記改質器により生成された前記水素含有ガスと、供給された空気とを燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器における前記水素含有ガスおよび前記空気の燃焼により生じた排ガスを流通させる排ガス経路と、
    前記排ガスを冷却させるために冷却水を流通させる冷却水経路と、
    前記排ガスと前記冷却水との間での熱交換により排ガス中の水分を凝縮させて凝縮水を生成する凝縮器と、
    前記凝縮器において生成された前記凝縮水を、前記冷却水として貯留する水タンクと、
    前記冷却水経路の冷却水の流通方向において、前記水タンクよりも下流側に設けられており、前記水タンク内に貯留された冷却水を、前記凝縮器に供給させる水供給ポンプと、
    前記冷却水経路における前記水供給ポンプと前記凝縮器との間に設けられた分岐部で分岐し、前記冷却水の一部を前記改質水として前記改質器へ流通させる改質水経路と、
    制御器と、を備え、
    前記水タンクは前記水供給ポンプより上方に配置され、前記水供給ポンプは前記分岐部より上方に配置されており、
    前記水供給ポンプは、前記水供給ポンプの回転数により前記冷却水経路を流通する冷却水の流量を制御しており、
    前記制御器は、前記水供給ポンプの回転数に基づいて前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する水素生成システム。
  2. 前記水供給ポンプは、前記水供給ポンプの回転数を指示する制御信号を受け付け、該制御信号に応じて前記水供給ポンプの回転数を設定しており、
    前記制御器は、前記水供給ポンプの実際の前記水供給ポンプの回転数の、前記水供給ポンプへ入力された前記制御信号に応じた前記水供給ポンプの所定回転数に対する変化量に基づいて、前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する請求項１記載の水素生成システム。
  3. 前記改質水経路中において、前記改質水を前記改質器へ流通させるための自給式水供給ポンプを備える請求項１または２に記載の水素生成システム。
  4. 前記冷却水経路は、前記冷却水が前記水タンク、前記水供給ポンプ、前記分岐部、および前記凝縮器の順番に流通して循環する循環経路である請求項１から３のいずれか１項に記載の水素生成システム。
  5. 前記冷却水経路中に該冷却水経路内の温度を検知する冷却水経路温度検知器を備え、
    前記制御器は、前記冷却水経路温度検知器で検知された温度に基づいて、前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知する請求項１から４のいずれか１項に記載の水素生成システム。
  6. 前記凝縮器は、前記水供給ポンプより上方に設置される請求項１から５のいずれか１項に記載の水素生成システム。
  7. 前記制御器は、前記水タンク中の前記冷却水の水量が所定量以下になったことを検知した場合、前記水素生成システムの運転動作を停止させる請求項１から６のいずれか１項に記載の水素生成システム。
  8. 前記原料を前記改質器に供給する原料供給器を備える請求項１から７のいずれか１項に記載の水素生成システム。
  9. 前記燃焼器に前記空気を供給する空気供給器を備える請求項１から８のいずれか１項に記載の水素生成システム。
  10. 前記水供給ポンプは、非自給式ポンプである請求項１から９のいずれか１項に記載の水素生成システム。
  11. 前記水供給ポンプは、動作中における前記水供給ポンプの回転数を示す信号を前記制御器に出力する請求項１から１０のいずれか１項に記載の水素生成システム。
  12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の水素生成システムと、
    前記水素生成システムが有する前記改質器により生成された前記水素含有ガスと、供給された空気とを用いて発電する燃料電池と、
    を備えている燃料電池システム。
  13. 前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である請求項１２に記載の燃料電池システム。
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