JP4556689B2 - 水素生成器 - Google Patents

Description

本発明は、正確な燃焼不良検知を行うようにＣＯセンサを配置した燃料電池の水素生成器に関するものである。

従来この種のＣＯセンサは、ガス給湯器等から連結管を介して排気ガスを流入させる攪拌ボックスの側面に設けたセンサボックスに内蔵され、このセンサボックスに排気ガスを流入させる流入口と排気ガスを流出させる流出口が形成され、流入口には、攪拌ボックスの中心部から排気ガスを導入する導入管が設けられている。これにより、排気ガスの流速を抑えかつ排気筒内部のＣＯ濃度を精度良く検出するものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−０２０１５５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムから戻るオフガス（水素ガスやメタンの混合ガス）を燃料とする場合、オフガス中に含まれる水蒸気が多いので、センサボックスに導入管で排気ガスを導入しようとすると、導入管内で排気ガス中の水蒸気が結露し、導入管が結露水詰まり、センサボックス内に排気ガスが流入しないので、排気ガスのＣＯ濃度検知ができない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、排気ガスの結露水の影響を防止し、ＣＯセンサに均一な排気ガスの流れを供給し、水素生成器の加熱用バーナの燃焼不良検知をＣＯセンサにより精度良く行うようにしたことを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成器は、炭化水素系原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成する水素生成器と、この水素生成器の加熱用バーナと、この加熱用バーナの排気ガス中のＣＯ濃度検知を行うＣＯセンサと、このＣＯセンサを臨ませる排気ダクトと、この排気ダクトにＣＯセンサを臨ませる時にＣＯセンサの周囲に設け、その先端を排気ダクト内に突出したセンサキャップと、このセンサキャップに設ける複数個の透孔とを備えたものである。

これによって、オフガス中に含まれる水蒸気とオフガスが燃焼して生成する水分が排気ガス中に多量に含まれても、センサキャップに設ける複数個の透孔から排気ガスがセンサキャップ内に流入するので、排気ガスの結露水により透孔が詰まることが無く、ＣＯセンサのＣＯ濃度検知不良を防止できる。

また、センサキャップの先端を排気ダクト内に突出させたので、高温の排気ガスの熱を常時受けてセンサキャップの温度も上昇するので、センサキャップ内に挿入したＣＯセンサの周囲も温度が上昇し、排気ガス中の水蒸気の結露を防止することができる。

本発明の水素生成器は、ＣＯセンサの排気ガス中の水蒸気の結露を防止して、排気ガスの流れを均一化し、水素生成器の加熱用バーナの燃焼不良検知を精度良く行うことがで、安全性を確保できる。

第１の発明は、炭化水素系原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成する水素生成器の加熱用バーナと、この加熱用バーナの排気ガス中のＣＯ濃度検知を行うＣＯセンサと、このＣＯセンサを臨ませる排気ダクトと、この排気ダクトにＣＯセンサを臨ませる時にＣＯセンサの周囲に設け、その先端を排気ダクト内に突出したセンサキャップと、このセンサキャップに設ける複数個の透孔とを備えたことにより、オフガス中に含まれる水蒸気とオフガスが燃焼して生成する水分が排気ガス中に多量に含まれてもセンサキャップに設ける複数個の透孔から排気ガスがセンサキャップ内に流入するので、排気ガスの結露水により透孔が詰まることが無く、ＣＯセンサのＣＯ濃度検知不良を防止できる。

また、センサキャップの先端を排気ダクト内に突出させたので、高温の排気ガスの熱を常時受けてセンサキャップの温度も上昇するので、センサキャップ内に挿入したＣＯセンサの周囲も温度が上昇し、排気ガス中の水蒸気の結露を防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の透孔は、排気ガスの上流側に設けた入口と下流側に設けた出口で構成したことにより、入口に排気ガスの流れをセンサキャップ内に効率よく取り込み、出口から排出するので、短時間でセンサキャップ内の排気ガスを置換し、ＣＯセンサの検知速度を速め、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の排気ガスの入口は、排気ガスの流れに対して対向の位置に開口したことにより、排気ガスをセンサキャップ内に効率よく取り込み、ＣＯセンサの検知速度を速め、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明のいずれかの発明の排気ガスの入口と出口は、排気ガスの流線に対して略同軸上に配置したことにより、入口からセンサキャップ内に流入した排気ガスをそのままの流れで出口から排出するので、短時間でセンサキャップ内の排気ガスを置換し、ＣＯセンサの検知速度を速め、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

また、ＣＯセンサには、排気ガスの流れの一部が流入し、均一な流れを保つので、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

第５の発明は、特に、第１〜４の発明のいずれかの発明のセンサキャップは、入口から流入する排気ガスが、そのまま出口から流出しないように入口と出口の間に仕切りを設けたことにより、入口からセンサキャップ内に流入した排気ガスが仕切りに衝突し拡散するので、センサキャップ内に均一な排気ガスが分散し、流速も低下し、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

第６の発明は、特に、第１〜５の発明のいずれかの発明のセンサキャップは、排気ダクトに挿入する時に排気ダクトに設けた挿入管を介して装着したことにより、排気ガスの流れに対してＣＯセンサの位置決めを精度良くおこなうので、組み立て上のばらつきを防止して燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

第７の発明は、特に、第１〜６の発明のいずれかの発明の排気ダクトの挿入管は、排気ダクト内に突出する突き出し部を設けたことにより、排気ダクトの内壁を伝わる結露水を避けるので、センサが結露水で浸水することがなく、ＣＯ濃度検知の制度低下を防止することができる。

第８の発明は、特に、第１〜７の発明のいずれかの発明のセンサキャップは、一方を有底で形成した円筒形状で構成され、他方からＣＯセンサの検知部分を挿入したことにより、排気ダクト内の排気ガスの流れを妨げないので、排気ダクトの抵抗の増加を防止し、送風手段の負荷を軽減することができる。

第９の発明は、特に、第１〜８の発明のいずれかの発明の排気ダクトは、水素生成器の排気ガス出口との接合部の下流に略垂直に立ち上げて設けた垂直通路と、この垂直通路の途中にセンサキャップを臨ませたことにより、排気ダクトの内壁に付着する結露水が排気ダクトの下方に短時間で降下し、センサキャップに滞留しないので、結露水の影響を防止することができる。

第１０の発明は、特に、第１〜９の発明のいずれかの発明の水素生成器を燃料電池システムに搭載するようにしたことにより、オフガス燃焼時の結露水の影響を防止するので、ＣＯセンサのＣＯ濃度検知精度の低下を防止し、燃料電池システムのＣＯ発生を防止して、安全性を確保することができる。

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、本発明の第１の実施の形態における水素生成器の全体構成図である。

図２は、本発明の第１の実施の形態における水素生成器の要部拡大図である。

図１、図２において、１は、都市ガス（またはＬＰＧまたは炭化水素系燃料）を原料として燃料電池発電装置に供給する水素を生成する水素生成器であり、２は、脱硫装置（図示なし）で処理を行った後の都市ガス（または、ＬＰＧまたは炭化水素系燃料）と水蒸気とからなる原料ガス、３は、ニッケルもしくはルテニウムを主成分とする触媒を充填した触媒層で、この触媒層３で原料ガス２を反応させることにより、水素と二酸化炭素および一酸化炭素からなる生成ガス４を生成する。この生成反応は７００℃程度の高温で生じる吸熱反応であるため、加熱用バーナ５により高温の燃焼ガスを供給して原料ガス２と触媒層３を加熱している。

加熱用バーナ５は、都市ガス６（またはＬＰＧ）や燃料電池システムから排出されるオフガス７（未反応水素ガス）、または都市ガス６（またはＬＰＧ）とオフガス７を混合して、燃料ガス８としてディストリビュータ９から噴出し、空気噴出部１０の周囲から空気１１を供給することにより、火炎１２を形成し燃焼を行う。円管状のディストリビュータ９の先端には、燃料ガス８を噴出する複数個のノズル１３がディストリビュータ９の円周方向に設けられ、燃料ガス８を放射状に噴出する構成としている。空気噴出部１０は、複数個の空気噴出孔１４を空気噴出部１０の側面に略直角に設けている。空気噴出部１０は、ディストリビュータ９を中心として、火炎１２の出口方向に徐々に拡大するようにカップ状に燃焼室１５を形成し、燃焼用の空気１１を燃焼室１５内に供給する構成としている。空気噴出孔１４は、上下方向の配列を千鳥状に設けている。ディストリビュータ９のノズル１３は、空気噴出部１０の空気噴出孔１４の最下段に設ける空気噴出孔１６とほぼ対向する位置になるように配置している。また、空気噴出部１０の底部には複数個の下部空気噴出孔１７を設け、ディストリビュータ９の軸方向と平行方向に空気１１の一部を噴出する構成としている。

１８は、空気１１を供給する空気室で、空気噴出部１０の周囲を囲む形で通路を構成している。 空気室１８の上流には、送風ダクト１９を介して送風手段２０が設けられている。送風手段２０は、空気１１を供給する送風機で構成され、羽根車には高圧を出せるターボファンやラジアルファン等を用い、それをモータで回転させるようにしている。制御部２１により送風手段２０のコントロールを行うようにしている。

２２は、加熱用バーナ５によって生じる火炎１２が触媒容器２３に直接触れることを避け、さらに燃焼ガス２４の流路を規定するための燃焼筒である。燃焼ガス２４は、触媒容器２３の周囲に沿って流れ、水素生成器１の外部に排出される。

２５は、ディストリビュータ９の中央に、ディストリビュータ９を貫通するように設ける挿入通路で、挿入通路２５は、ディストリビュータ９とは、隔離して構成され、燃料ガス８が進入することはない。２６は、挿入通路２５内に挿入する着火用の電極で、耐熱性のカンタル線やエスイット線で構成している。電極２６の周囲は、絶縁用の絶縁碍子２７で被覆されている。絶縁碍子２７は、耐熱性のアルミナ、シリカ等のセラミック材で形成し、その表面は、ガラス成分からなる釉薬が塗布されている。電極２６の先端は、燃焼室１５に臨み、ディストリビュータ９の天板２８に火花放電が飛ぶように、位置決めを行っている。

２９は、炎検知手段で、耐熱性のカンタル線やエスイット線でフレームロッドを構成し、火炎１２の有無を検知している。炎検知手段２９の周囲は、絶縁用の絶縁碍子３０で被覆されている。絶縁碍子３０は、耐熱性のアルミナ、シリカ等のセラミック材で形成し、その表面は、ガラス成分からなる釉薬が塗布されている。炎検知手段２９の先端は、燃焼室１５に臨み、曲率をもって屈曲し、空気噴出部１０の内壁に沿って、所定の間隙を有しながら、火炎１２中に臨むように位置を決められている。炎検知手段２９の装着は、空気噴出部１０の上部に設ける燃焼筒２２の下部の一部を拡管して設ける空間３１から炎検知手段２９の先端を延長して、空気噴出部１０の内壁に沿って臨ませている。制御部２１の指示により、炎検知手段２９に交流もしくは直流の電圧を印加して、火炎１２中のイオン電流を検知している。炎検知手段２９のデータは、電圧値または電流値として判定を行っている。

３２は、触媒容器２３の周囲に設けられた排ガス通路で、燃焼ガス２４が触媒容器２３に沿って流れるように水素生成器１の上方に出口３３を設け、燃焼ガス２４を水素生成器１の外部に排気ガス３４として排出している。出口３３には、筒状の排気ダクト３５が連接されている。この排気ダクト３５の他方は、熱交換器（図示無し）に連結し、排気ガス３４の熱を回収し、熱効率の低下を防止している。排気ダクト３５は、排気ガス３４が排気ダクト３５の下から上に移動するように配置されている。

３６は、排気ダクト３５の途中に設けたＣＯセンサで、排気ダクト３５には、有底筒状のセンサキャップ３７を介して装着されている。ＣＯセンサ３６は、検知部分に排気ガス３４の一部を取り込んで、成分を直接測定している。ＣＯセンサ３６は、接触燃焼式のＣＯセンサで構成し、高温の排気ガス３４中のＣＯ濃度を測定して、その信号を制御器２１に送る。制御器２１では、信号の大きさにより火炎１２から発生するＣＯ量を換算して燃焼状態を評価し、ＣＯ量が所定の閾値超えて燃焼状態が不良と判定できた時に燃料ガス８の供給を停止し、加熱用バーナ５を停止させる指示を行うようにしている。また、ＣＯセンサ３６の信号線や電源線の接続部分は、外部に露出し放熱を促進して温度上昇を防止している。また、接触燃焼式では、排気ガス３４中のＣＯを検知部分で触媒燃焼させその温度上昇を電気抵抗に変換して電圧出力として取り出すようにしている。

センサキャップ３７は、その開放部分からＣＯセンサ３６の検知部分を収納し、その先端を排気ダクト３５に挿入するように構成している。センサキャップ３７は、有底側を排気ダクト３５内に挿入し、その部分に複数個の透孔３８設けている。複数個の透孔３８は、排気ガス３４をセンサキャップ３７内に流入させるものと、センサキャップ３７外に放出させるもので構成している。ＣＯセンサ３６のセンサキャップ３７への装着は、耐熱性のパッキン３９を介して行われ、排気ガス３４の漏れを防止するようにしている。また、センサキャップ３７の排気ダクト３５への装着は、同じようにパッキン３９介して行われている。パッキン３９は、繊維状のセラミックやテフロン（登録商標）等の耐熱樹脂で構成されている。

センサキャップ３７は、開放部分にフランジを構成しており、ＣＯセンサ３６に設けられている取り付けフランジをとも締めする形でパッキン３９を挟み込んで装着されている。

排気ダクト３５側には、これらのフランジを受けるフランジ部を溶接するか、またはフランジ部分を有する金属のバンドを設けている。

水素生成器１と排気ダクト３５に周囲は、グラスウールや繊維状のセラミック等の断熱部４０で覆われ、水素生成器１の放熱を防止するようにしている。また、断熱部４０により、排気ダクト３５の温度低下も防止され、結露水の発生を軽減するようにしている。排気ダクト３５の周囲の断熱部４０の中で、ＣＯセンサ３６の装着部分は、ＣＯセンサ３６の電源線や信号線が通る部分に開放部分４１を設け、放熱することで、ＣＯセンサ３６の温度が過剰に上昇しないようにしている。

以上のように構成された水素生成器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、起動時は、制御部２１により送風手段２０を作動し、燃焼用の空気１１を送風する。空気１１は、送風ダクト１９を通り空気室１８に流入し、空気噴出部１０の空気噴出孔１４から燃焼室１５に供給される。ここで、ディストリビュータ９のノズル１３から燃焼速度や流量の異なる都市ガス６（またはＬＰＧまたは炭化水素系燃料）の燃料ガス８を噴出すると、このディストリビュータ９から放射状に噴出された燃料ガス８と略対向する最下段の空気噴出孔１６から供給された空気１１とが衝突し混合する。この時、ディストリビュータ９の中央に、ディストリビュータ９を貫通するように設ける挿入通路２５から燃焼室１５に臨ませた電極２６により、火花放電が行なわれ、燃料ガス８に着火が行なわれる。燃料ガス８は空気噴出部１０の開口部方向へ流れて行くが、空気噴出部１０の形状を図示したようにカップ状としているため、燃料ガス８の流路断面積が連続的に拡大し、それによって燃料ガス８の流速が減少し、その流速が都市ガス６の燃焼速度と同等またはそれ以下となった場所で、部分的な予混合の火炎１２を生じて燃焼する。この燃焼により水素生成器１の触媒層３を加熱し、改質反応を促進し水素ガスを発生させる。

また、発電時は、水素生成器１から燃料電池（図示なし）に供給された水素ガスの残りとして排出されるオフガス７（未反応水素ガス）を燃料ガス８として使用し、水素生成器１の触媒層３を加熱し、改質反応を促進していく。

これらの排気ガス３４は、水素生成器１の排ガス通路３２から出口３３を介して排気ダクト３５に導かれ、排熱回収及び凝縮水回収のための熱交換器（図示なし）を通過して燃料電池システムの外部に排出される。排気ガス３４の一部は、排気ダクト３５に挿入されたセンサキャップ３７の透孔３８の一部からセンサキャップ３７内に流入し、ＣＯセンサ３６に供給される。排気ガス３４は、センサキャップ３７内に流入することで、流速が低下し、均一な流れになり、ＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知の精度を向上している。

このとき、ＣＯセンサ３６で排気ガス３４中のＣＯ濃度を連続測定し、火炎１２の状態を評価する。例えば、送風手段２０が排気閉塞や給気閉塞により火炎１２が空気不足になりＣＯを発生すると、ＣＯセンサ３６で検知してその信号を制御器２１に送る。制御器２１では、その信号が所定の値（例えばＪＩＳ等で規定されるＣＯの最大排出量に相当する信号による閾値）を超える時は、加熱用バーナ５の燃焼状態を不良と判定し、加熱用バーナ５を停止させる指示を行う。また、制御器２１は、水素生成器１や燃料電池システムに対しても停止動作の指示を行うようにしている。また、気温の低下や燃料ガス８の供給不良による供給量の減少により、火炎１２が空気過剰になりＣＯを発生しても、同じようにＣＯセンサ３６の信号の評価を行い、燃焼状態の判定を行うようにしている。

このとき、発電時のオフガス７の燃焼では、排気ガス３４中に水蒸気が多く含まれ、排気ダクト３５の内壁で結露し、その結露水が排気ダクト３５の内壁を伝わりセンサキャップ３７の周囲に到達するが、ＣＯセンサ３６をセンサキャップ３７で覆い、ＣＯセンサ３６に直接結露水が浸入するのを防止している。また、センサキャップ３７内に水蒸気が進入しても透孔３８を介して排気ガス３４の入出を行い、短時間に排気ガス３４をセンサキャップ３７内から排出して、ＣＯセンサ３６に水蒸気が付着しないようにしている。

また、排気ガス３４は、排気ダクト３５の内部を上昇する形で移動し、排気ダクト３５を伝わる結露水を下から押し上げるようにして分散し、センサキャップ３７近傍に局部的に結露水が集中して落下しないようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、排気ダクト３５にＣＯセンサ３６を臨ませる時にＣＯセンサ３６の周囲にその先端を排気ダクト３５内に突出したセンサキャップ３７設け、このセンサキャップ３７に複数個の透孔３８を設けたので、オフガス７中に含まれる水蒸気とオフガス７が燃焼して生成する水分が排気ガス３４中に多量に含まれても、センサキャップ３７に設ける複数個の透孔３８から排気ガス３４がセンサキャップ内に流入し、排気ガス３４の結露水により透孔３８が詰まることが無く、ＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知不良を防止できる。

また、センサキャップ３７の先端を排気ダクト３５内に突出させたので、高温の排気ガス３４の熱を常時受けてセンサキャップ３７の温度も上昇するので、センサキャップ３７内に挿入したＣＯセンサ３６の周囲も温度が上昇し、排気ガス３４中の水蒸気の結露を防止することができる。

また、排気ガス３４の一部をセンサキャップ３７の透孔３８を介してセンサキャップ３７内に流入させるので、排気ガス３４の流れの流速を低下させ、均一化でき、ＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知の精度を向上することができる。

ＣＯセンサ３６をセンサキャップ３７で覆っているので、排気ダクト３５の内壁を伝わる結露水が直接ＣＯセンサ３６に浸入することを防止し、ＣＯセンサ３６の検知性能の低下を防止することができる。

センサキャップ３７に設ける透孔３８により、排気ガス３４の流入と排出を行うので、
排気ガス３４を短時間で通過させ、検知の速度を速めてＣＯ濃度検知と判定を向上することができる。

また、ＣＯセンサ３６は、接触燃焼式を採用しているので、高温の排ガス３４中のＣＯ濃度を測定できるので、加熱用バーナ５がどのような燃料ガス８で燃焼しても、また燃料ガス８の流量が変化して排気ガス３４の温度が高低しても燃焼状態の評価を行うことができる。

また、ＣＯセンサ３６は、作動温度が３８０〜４００℃と高く、連続作動しているので、水蒸気量の多いオフガス７の排気ガス３４中でも水蒸気の影響を受けないでＣＯ濃度の測定を行うことができる。

また、火炎１２の有無を炎検知手段２９で判定しているので、急激な燃焼状態の変化による失火を評価でき、ＣＯセンサ３６の測定の時間遅れを補完して燃焼状態の急変にも対応することができる。

また、ＣＯセンサ３６は、接触燃焼式を採用しているので、排気ガス３４中の水素成分にも感度があるので、オフガス７の燃焼状態が変化して、燃料ガス８中の水素が多量にスリップしても加熱用バーナ５の燃焼不良として判定し、安全性を確保することができる。

また、加熱用バーナ５を停止し、水素生成器１の運転を停止するときにポストパージ動作を行うが、そのときに触媒層３の冷却を行うために水素生成器１の出口３３から高温の空気１１が排出される。ＣＯセンサ３６は、センサキャップ３７で覆われているので、空気１１の温度よりも低い温度に雰囲気が維持され、長期の多数の停止動作が行われてもＣＯセンサ３６の熱的劣化を防止することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における水素生成器１を示す断面図である。

図３において、透孔３８は、排気ガス３４の上流側に設けた入口４３と下流側に設けた出口４４で構成している。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。

排気ガス３４の流れの中で、上流側に入口４３を設けてセンサキャップ３７に衝突する排気ガス３４を取り込みやすくしている。また、下流側に出口４４を設けて排気ガス３４の流れによる負圧を利用してセンサキャップ３７内の排気ガス３４を排出するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、透孔３８は、排気ガス３４の上流側に設けた入口４３と下流側に設けた出口４４で構成したことにより、入口４３に排気ガス３５の流れをセンサキャップ３７内に効率よく取り込み、出口４４から排出するので、短時間でセンサキャップ３７内の排気ガス３４を置換し、ＣＯセンサ３６の検知速度を速め、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

（実施の形態３）
図４本発明の第３の実施の形態における水素生成器１を示す断面図である。

図４において、排気ガス３４の入口４３は、排気ガス３４の流れに対して対向の位置に開口した構成にしている。

以上のように構成された水素生成器１について、以下その動作、作用について説明する。

排気ガス３４の入口４３を排気ガス３４の流れに対して対向の位置に開口して、均一な排気ガス３４の流れの中からポイントを決めて排気ガス３４をセンサキャップ３７内に取り込むようにしている。排気ガス３４に対向する位置なので、センサキャップ３７に衝突する排気ガス３４の勢いも強く、入口４３の開口によりセンサキャップ３７内部と排気ガス３４の速度差を大きく取り、排気ガス３４の流速を低下させ均一な流れを形成するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、排気ガス３４の入口４３は、排気ガス３４の流れに対して対向の位置に開口したことにより、排気ガス３４をセンサキャップ３７内に効率よく取り込み、ＣＯセンサ３６の検知速度を速め、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

また、排ガス３４の流速を低下するので、均一な流れを形成しＣＯ濃度検知の精度を向上できる。

また、排気ガス３４は、排気ダクト３５の内部を上昇するように構成されているので、入口４３は、センサキャップ３７の側壁の下部に設けられ、センサキャップ３７に結露水が流入しても入口４３から排気ダクト３５内に落下して排出されるので、ＣＯセンサ３６が、結露水に浸入されることを防止できる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施の形態における水素生成器１を示す断面図である。

図５において、排気ガス３４の入口４３と出口４４は、排気ガス３４の流線に対して略同軸上に配置した構成にしている。

以上のように構成された水素生成器１について、以下その動作、作用について説明する。

排気ガス３４は、センサキャップ３７の透孔３８の入口４３から流入すると、排気ガス３４の流線を乱さないように入口４３と同軸上に設けられた出口４４から排出される。排気ガス３４の一部は、センサキャップ３７に流入したときに周囲に拡散し、膨張してＣＯセンサ３６に供給され、ＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知を行うようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、透孔３８の中で排気ガス３４の入口３４と出口４４は、排気ガス３４の流線に対して略同軸上に配置したことにより、入口４３からセンサキャップ３７内に流入した排気ガス３４をそのままの流れで出口４４から排出するので、短時間でセンサキャップ３７内の排気ガスを置換し、ＣＯセンサ３６の検知速度を速め、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

また、ＣＯセンサ３６には、排気ガス３４の流れの一部が流入し、流速を低下させられ均一な流れを保つので、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の第５の実施の形態における水素生成器１を示す断面図である。

図６において、センサキャップ３７は、透孔３８の入口４３から流入する排気ガス３４が、そのまま出口４４から流出しないように入口４３と出口４４の間に仕切り４５を設けた構成にしている。仕切り４５は、ほぼ同軸上に設けられている入口４３と出口４４の開口よりも大きな面積で流れを遮断するようにセンサキャップ３７の有低部分より平板状に突出させている。

以上のように構成された水素生成器１について、以下その動作、作用について説明する。

センサキャップ３７の入口４３から流入する排気ガス３４が、仕切り４５に衝突し、センサキャップ３７内に拡散する。排気ガス３４は、仕切り４５とセンサキャップ３７に挿入されているＣＯセンサ３６検知部分の間を抜けて出口４４から排出される。このとき、排気ガス３４の一部は、ＣＯセンサ３６に供給され、ＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知を行うようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、センサキャップ３７は、入口４３から流入する排気ガス３４が、そのまま出口４４から流出しないように入口４３と出口４４の間に仕切り４５を設けたことにより、入口４３からセンサキャップ３７内に流入した排気ガス３４が仕切り４５に衝突し拡散するので、センサキャップ３７内に均一な排気ガス３４が分散し、流速も低下し、燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

（実施の形態６）
図７は、本発明の第６の実施の形態における水素生成器１を示す断面図である。

図７において、センサキャップ３７は、排気ダクト３５に挿入する時に排気ダクト３５に設けた挿入管４６を介して装着した構成にしている。挿入管４６のセンサキャップ３７を挿入する部分にフランジを設け、センサキャップ３７とＣＯセンサ３６の取り付けフランジととも締めを行って装着するようにしている。

以上のように構成された水素生成器１について、以下その動作、作用について説明する。

センサキャップ３７は、挿入管４６をガイドにして排気ダクト３５内の位置決めを容易に行えるようにしている。また、挿入管４６でセンサキャップ３７を支え、センサキャップ３７とＣＯセンサ３６の検知部分を保護するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、センサキャップ３７は、排気ダクト３５に挿入する時に排気ダクト３５に設けた挿入管４６を介して装着したことにより、排気ガス３４の流れに対してＣＯセンサ３６の位置決めを精度良くおこなうので、組み立て上のばらつきを防止して燃焼不良検知を精度良く行うことができる。

また、挿入管４６により、センサキャップ３７とＣＯセンサ３６を保護できるので、外的な作用を受けてもＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知の性能を保つことができる。

（実施の形態７）
図８は、本発明の第７の実施の形態における水素生成器１を示す断面図である。

図８において、排気ダクト３５の挿入管４６は、排気ダクト３５内に突出する突き出し部４７を設けた構成にしている。突き出し部４７は、センサキャップ３７の透孔３８の入口４３と出口４４を塞がないような位置に設けている。

以上のように構成された水素生成器１について、以下その動作、作用について説明する。

排気ダクト３５の内壁を伝わる結露水を突き出し部４７で避け、センサキャップ３７内に結露水が流入しないようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、排気ダクト３５の挿入管４７は、排気ダクト３５内に突出する突き出し部４７を設けたことにより、排気ダクト３５の内壁を伝わる結露水を避けるので、ＣＯセンサ３６が結露水で浸水することがなく、ＣＯ濃度検知の制度低下を防止することができる。

なお、突き出し部４７は、排気ダクト３５に大きく突出させて排気ダクト３５内の排気抵抗を増加させないようにするために、センサキャップ３７の透孔３８の入口４３と出口４４を塞がないように、突き出し部４７の端部に開口を避ける切り欠きを設けることも可能である。

（実施の形態８）
図９は、本発明の第８の実施の形態における水素生成器１を示す断面図である。

図９において、センサキャップ３７は、一方を有底で形成した円筒形状で構成され、他方からＣＯセンサ３６の検知部分を挿入した構成にしている。排気ガス３４の入口４３と出口４４は、円筒の側面の曲面側に設けられ手いる。

以上のように構成された水素生成器１について、以下その動作、作用について説明する。

排気ダクト３５内の排気ガス３５の流れ（ほぼ垂直に上昇する流れ）の中で、円筒形状の曲面の側壁により、流線を大きく乱さないようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、センサキャップ３７は、一方を有底で形成した円筒形状で構成され、他方からＣＯセンサ３６の検知部分を挿入したことにより、排気ダクト３５内の排気ガス３４の流れを妨げないので、排気ダクト３５の抵抗の増加を防止し、送風手段２０の負荷を軽減することができる。

また、排気ガス３４の流れを乱さないので、排気ガス３４の片寄りによるＣＯ濃度検知のばらつきを防止して、正確な検知を維持できる。

なお、センサキャップ３７の有低部分も半球状の面を排気ダクト３５内に突出させて構成させ、排気ガス３４の流線を乱さないようにすることも可能である。

（実施の形態９）
図１０は、本発明の第９の実施の形態における水素生成器１の要部を示す断面図である。

図１０において、排気ダクト３５は、水素生成器１の排気ガス３４の出口３３との接合部の下流に略垂直に立ち上げて設けた垂直通路４８と、この垂直通路４８の途中にセンサキャップ３７を臨ませて構成している。排気ガス３４は、排気ダクト３５の内部を下方から上方に移動するように構成している。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。

排気ダクト３５の内壁に水蒸気が結露し、結露水として内壁を伝わって、降下しても垂直通路４８にセンサキャップ３７を臨ませているので、垂直の内壁を結露水が短時間で下方に移動し、センサキャップ３７に付着し、滞留することが無く、センサキャップ３７の内部に結露水が流入してＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知の性能を低下させないようにしている。

また、排気ガス３４は、垂直通路４８の下部から流入し、上昇しながら移動し、結露水の降下を押さえ込みながら分散させ、結露水が排気ダクト３５の局部に集中しないようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、排気ダクト３５の内壁に付着する結露水が排気ダクト３５の下方に短時間で降下し、センサキャップ３７に流入しないので、結露水の影響を防止することができ、ＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知の性能を正常に維持することができる。

また、排気ガス３４の流れを垂直通路４８の下部から上昇させるので、結露水が局部に集中せず、センサキャップ３７への結露水の落下を防止することができる。

（実施の形態１０）
図１１は、本発明の第１０の実施の形態における水素生成器１を示す全体構成図である。

図１１において、排気ダクト３５にセンサキャップ３７を介して、ＣＯセンサ３６を装着した水素生成器１を燃料電池システムに搭載するように構成している。また、制御器２１は、ＣＯセンサ３６の信号から加熱用バーナ５の燃焼状態を不良と判定し、水素生成器１を停止するとともに、この水素生成器１が搭載された燃料電池システム４９を停止するようにしている。燃料電池システム４９は、高分子電解質型燃料電池５０や給湯装置（図示無し）等で構成している。

以上のように構成された水素生成器１について、以下その動作、作用について説明する。

オフガス７中に含まれる水蒸気とオフガス７が燃焼して生成する水分が排気ガス３４中に多量に含まれて、排気ダクト３５内に溜まっても、排気ダクト３５に設けた排水部３９から排気ダクト３５内の結露水を常時排出し、ＣＯセンサが結露水で浸水しないようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、水素生成器１を燃料電池システム４９に搭載するようにしたことにより、オフガス７燃焼時の結露水の影響を防止するので、ＣＯセンサ３６のＣＯ濃度検知精度の低下を防止し、燃料電池システム４９のＣＯ発生を防止して、安全性を確保することができる。

また、排気ガス３４の結露防止に余分な電力を消費しないので、燃料電池システム４９の省電力性を維持することができる。

以上のように、本発明にかかる水素生成器１は、その排気ガス３４中に水蒸気を多く含むオフガス７の燃焼不良検知を行えるので、そのＣＯセンサ３６の取り付け方法は、ガス給湯器等で、燃焼量が小さく結露の多いものにも適用することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成器の断面図 本発明の実施の形態１における水素生成器の要部拡大図 本発明の実施の形態２における水素生成器の要部拡大図 本発明の実施の形態３における水素生成器の要部拡大図 （ａ）本発明の実施の形態４における水素生成器の要部拡大図（ｂ）同器の側断面図 （ａ）本発明の実施の形態５における水素生成器の要部拡大図（ｂ）同器の側断面図 本発明の実施の形態６における水素生成器の要部拡大図 本発明の実施の形態７における水素生成器の要部拡大図 （ａ）本発明の実施の形態８における水素生成器の要部拡大図（ｂ）同器の側断面図 （ａ）本発明の実施の形態９における水素生成器の要部拡大図（ｂ）同器の側断面図 本発明の実施の形態１０における水素生成器の要部拡大図

符号の説明

１ 水素生成器
５ 加熱用バーナ
３５ 排気ダクト
３６ ＣＯセンサ
３７ センサキャップ
３８ 透孔
４３ 入口
４４ 出口
４５ 仕切り
４６ 挿入管
４７ 突き出し部
４８ 垂直通路
４９ 燃料電池システム

Claims (10)

1. 炭化水素系原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成する水素生成器と、この水素生成器の加熱用バーナと、この加熱用バーナの排気ガス中のＣＯ濃度検知を行うＣＯセンサと、このＣＯセンサを臨ませる排気ダクトと、この排気ダクトにＣＯセンサを臨ませる時にＣＯセンサの周囲に設け、その先端を排気ダクト内に突出したセンサキャップと、このセンサキャップに設ける複数個の透孔とを備えた水素生成器。
2. 透孔は、排気ガスの上流側に設けた入口と下流側に設けた出口で構成した請求項１に記載の水素生成器。
3. 排気ガスの入口は、排気ガスの流れに対して対向の位置に開口した請求項１または２に記載の水素生成器。
4. 排気ガスの入口と出口は、排気ガスの流線に対して略同軸上に配置した請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素生成器。
5. センサキャップは、入口から流入する排気ガスが、そのまま出口から流出しないように入口と出口の間に仕切りを設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素生成器。
6. センサキャップは、排気ダクトに挿入する時に排気ダクトに設けた挿入管を介して装着する請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素生成器。
7. 排気ダクトの挿入管は、排気ダクト内に突出する突き出し部を設ける請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素生成器。
8. センサキャップは、一方を有底で形成した円筒形状で構成され、他方からＣＯセンサの検知部分を挿入した請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素生成器。
9. 排気ダクトは、水素生成器の排気ガスの出口との接合部の下流に略垂直に立ち上げて設けた垂直通路と、この垂直通路の途中にセンサキャップを臨ませた請求項１〜８のいずれか１項に記載の水素生成器。
10. 燃料電池システムに搭載するようにした請求項１〜９のいずれか１項に記載の水素生成器。

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