JP5914863B2 - 水素生成装置、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システム - Google Patents

水素生成装置、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システム Download PDF

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Description

本発明は、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料としての水素含有ガスと酸化剤ガスとしての空気を用いて発電する。水素を供給するためのインフラは整備されていないため、通常、改質器を有する水素生成装置が、天然ガスまたはＬＰＧ等を原料にして改質反応により水素含有ガスを生成する。
改質反応には、部分酸化、オートサーマル、水蒸気改質等の種々の方法がある。例えば、水蒸気改質反応は、原料となる天然ガスと水蒸気とをＮｉ系、またはＲｕ系といった貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃〜７００℃程度の高温で反応させることにより、水素を主成分とした水素含有ガスを生成するものである。
ところで、天然ガス等の原料ガスには硫黄化合物が含まれており、この硫黄化合物は、特に、改質触媒の被毒物質であるので何らかの方法で除去する必要がある。除去方法としては、リサイクルされた水素含有ガスを用いて、水添脱硫により除去する方法がある。
ここで、水素含有ガスをリサイクルするためのリサイクル流路に設けられた温度検知器で、リサイクル流路の詰まりを検知する水素生成装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−９２４５２号公報
上記特許文献１に開示されている水素生成装置では、流量の変動に伴う温度の変動が表れにくく、流路の詰まりを検出するのが困難となる場合があった。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、従来よりもリサイクル流路の閉塞異常の検知を容易にする水素生成装置、及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明者らは、水添脱硫器を備えた水素生成装置において、リサイクル流路の閉塞異常を圧力検知器で検出できることを発見し、その検出装置及び方法を鋭意検討した。その結果、以下の知見を得た。
上記特許文献１に開示されている水素生成装置では、水素生成装置の雰囲気温度が高温であると、リサイクル流路からの放熱が少なくなり、リサイクル流路を流れるガスの流量変動に伴う温度変動も低下する。このため、リサイクル流路に設けられた温度検知器で、リサイクル流路の温度変動により、リサイクル流路の詰まりを検知しようとしても、その温度変動が小さいため、リサイクル流路の詰まりを検知できない場合がある。
そこで、上記課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器を通過した原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器より排出された水素含有ガスの一部を前記水添脱硫器に流入する前の前記原料に供給するためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路に設けられた開閉弁と、前記開閉弁よりも上流のリサイクル流路に設けられた圧力検知器と、前記開閉弁を閉じた状態で、前記原料供給器により前記改質器に原料を供給しているときの前記圧力検知器により検知された圧力に基づき前記リサイクル流路の閉塞異常を検知する異常検知器と、を備える。
また、本発明の燃料電池システムは、上記水素生成装置と、前記水素生成装置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と、を備える。
本発明により、従来に比べ、リサイクル流路の閉塞異常を容易に検知し得る。
図１は、第１実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。 図２は、第１実施形態に係る水素生成装置の概略動作の一例を示すフローチャートである。 図３は、第１実施形態に係る水素生成装置の概略動作の他の例を示すフローチャートである。 図４は、第１実施形態の第１変形例における水素生成装置の概略動作の一例を示すフローチャートである。 図５は、第１実施形態における第２変形例の水素生成装置の概略動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、第２実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。 図７は、第３実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。 図８は、第４実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。 図９は、第４実施形態における第１変形例の水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。 図１０は、第５実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。 図１１は、第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。
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場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る水素生成装置は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器を通過した原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、改質器より排出された水素含有ガスの一部を水添脱硫器に流入する前の原料に供給するためのリサイクル流路と、リサイクル流路に設けられた開閉弁と、開閉弁よりも上流のリサイクル流路に設けられた圧力検知器と、開閉弁を閉じた状態で、原料供給器により改質器に原料を供給しているときの圧力検知器により検知された圧力に基づきリサイクル流路の閉塞異常を検知する異常検知器と、を備える。
かかる構成により、従来の水素生成装置に比べ、リサイクル流路内での水素含有ガスの流れの有無を検知し易くなる。
上記水素生成装置において、異常検知器は、改質器で水素含有ガスの生成を行っているときに、開放している開閉弁を閉じるとともに、開閉弁を閉止後の圧力検知器により検出された圧力に基づき閉塞異常を検知してもよい。
かかる構成により、開閉弁を閉じない場合に比べ、リサイクル流路内でのリサイクルガスの流れの有無を検知し易くなる。
［水素生成装置の構成］
図１は、第１実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。
図１に示す例では、本実施形態の水素生成装置１００は、水添脱硫器１と、改質器２と、原料供給器３と、リサイクル流路４と、開閉弁５と、圧力検知器６と、異常検知器７と、を備えている。
水添脱硫器１は、改質器２に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去するように構成されている。水添脱硫器１は、容器に水添脱硫用の脱硫剤が充填されている。水添脱流用の脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能とを共に備えるＣｕＺｎ系触媒を用いることができる。なお、水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成してもよい。
改質器２は、原料ガスを用いて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２内の改質触媒（図示せず）において、原料ガスが改質反応して、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２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１０１に供給される。水素利用機器１０１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、改質器を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。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、改質器に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられる。また、原料ガスは、メタンを主成分とする天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスを用いることができる。
原料供給器３は、改質器２へ供給する原料の流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器と流量調整弁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いてもよい。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。原料は、原料供給源より供給される。原料ガス源は、所定の供給圧を有しており、例えば、原料ガスボンベ、原料ガスインフラ等が挙げられる。
リサイクル流路４は、改質器２より送出される水素含有ガスを水添脱硫器１よりも上流の原料供給器３内の原料に供給するための流路である。リサイクル流路４の上流端は、改質器２より送出された水素含有ガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。
例えば、改質器２の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設けた場合、リサイクル流路４の上流端は、改質器２とＣＯ低減器との間の流路に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器に接続されていてもよいし、ＣＯ低減器の下流に接続されていてもよい。なお、ＣＯ低減器が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減するＣＯ除去器とを備える場合、リサイクル流路４の上流端を変成器とＣＯ除去器との間の流路に接続するよう構成しても構わない。また、リサイクル流路４の上流端を、水素含有ガスを利用する水素利用機器の下流の流路（図示せず）に接続しても構わない。
開閉弁５はリサイクル流路４に設けられていて、開閉弁５を閉止することでリサイクル流路４内の水素含有ガスの流れを止めたり、開閉弁５を開放することでリサイクル流路４内の水素含有ガスの流れを開始させたりする。開閉弁５は、電磁弁のように電力により駆動するものでもよいし、ガス圧により駆動するようなものでもよい。リサイクル流路４内のガス経路を閉止したり開放したりできるのであれば、開閉弁５は、いかなる構成でも構わない。
圧力検知器６は、リサイクル流路４を流れる水素含有ガスの流れに対して、開閉弁５よりも上流側のリサイクル流路４の圧力を検知するように構成されている。開閉弁５の上流側に設置することで、開閉弁５の開時にはリサイクル流路４のうち圧力検知器６よりも下流側の閉塞異常を検知することが可能となり、開閉弁５の閉時にはリサイクル流路４のうち圧力検知器６よりも上流側の閉塞異常を検知することが可能となる。これにより、リサイクル流路４の全域での閉塞異常を検知することが可能となる。
異常検知器７は、開閉弁５を閉じた状態で、原料供給器３により改質器２に原料を供給しているときの圧力検知器６により検知された圧力に基づきリサイクル流路４の閉塞異常を検知する。
ここで、閉塞異常とは、リサイクル流路４内の水素含有ガスの流れが完全に塞がれている状態として定義してもよいし、リサイクル流路４の少なくとも一部が塞がれ、水素含有ガスの流量が閉塞していない場合に比べ低下している状態として定義してもよい。つまり、どの程度のリサイクル流路４の閉塞を閉塞異常とするかは、適宜設定される。
ここで、異常検知器７は、リサイクル流路４の閉塞異常を検知する機能を有するものであればよく、例えば、演算処理部（図示せず）と、異常検知プログラムを記憶する記憶部（図示せず）と、を備えている。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。なお、異常検知器７は、単独の異常検知器で構成されていてもよく、互いに協働して異常検知を行う複数の異常検知器で構成されていてもよい。
［水素生成装置の動作］
以下、水素生成装置１００の動作について、図２及び図３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、リサイクル流路４の閉塞異常を検知する動作について説明する。
図２は、第１実施形態に係る水素生成装置の概略動作の一例を示すフローチャートである。
まず、水素生成装置１００は、改質器２で水素含有ガスを生成するとともに、開閉弁５を開いており、リサイクル流路４には水素含有ガスが流れている（スタート）。
図２に示すように、異常検知器７は、開閉弁５を閉止させる（ステップＳ１０１）。ついで、異常検知器７は、圧力検知器６で検知された圧力値を取得し（ステップＳ１０２）、異常検知器７は、取得した圧力値に基づき、リサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する（ステップＳ１０３）。
異常検知器７は、例えば、ステップＳ１０３において、ステップＳ１０２で取得した圧力値が、第１の閾値以上であるか否かでリサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する。具体的には、上記圧力値が、第１の閾値未満であるときは、リサイクル流路４に閉塞異常が生じていると判断し、上記圧力値が、第１の閾値以上であるときは、リサイクル流路４に閉塞異常が生じていないと判断する。
上記動作フローでは、開閉弁５を閉止した状態での圧力検知器６の検知圧力に基づき閉塞異常の有無を判断しているので、リサイクル流路４を流れる水素含有ガスの流量変動に伴う圧力変動の影響を受けずに圧力検知器６よりも上流のリサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断し得る。
ここで、上記第１の閾値は、リサイクル流路４の下流端の圧力値よりも高く、リサイクル流路４の上流端の圧力値以下の値が設定される。例えば、第１の閾値は、リサイクル流路４の上流端の圧力値の最小値以下で、かつ、リサイクル流路４の上流端の圧力値が上記最小値を示すときの下流端の圧力値よりも高い値を設定してもよい。これにより、原料供給器３から改質器２への原料の供給量に依らず、閉塞異常を検知し得る。
なお、上記第１の閾値は、上記に限定されるものではなく、圧力検知器６よりも上流のリサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断可能であれば、如何なる圧力値を設定しても構わない。
上記異常検知は、圧力検知器６で検出された圧力値の絶対値に基づきリサイクル流路４の閉塞異常を検知する方法であったが、圧力値の変化幅により判断する方法について、以下に説明する。
図３は、第１実施形態に係る水素生成装置の概略動作の他の例を示すフローチャートである。
まず、水素生成装置１００は、改質器２で水素含有ガスを生成するとともに、開閉弁５を開いており、リサイクル流路４には水素含有ガスが流れている（スタート）。
図３に示すように、異常検知器７は、開閉弁５が開いた状態で、圧力検知器６が検知した第１圧力値を取得する（ステップＳ２０１）。ついで、異常検知器７は、開閉弁５を閉止させ（ステップＳ２０２）、圧力検知器６で検知された第２圧力値を取得する（ステップＳ２０３）。そして、異常検知器７は、ステップＳ２０３で取得した第２圧力値とステップＳ２０１で取得した第１圧力値との圧力差に基づき、リサイクル流路４の閉塞異常の有無を検知する（ステップＳ２０４）。
異常検知器７は、例えば、ステップＳ２０４において、上記圧力差が第２の閾値以上であるか否かでリサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する。具体的には、上記圧力差が、第２の閾値未満であるときは、リサイクル流路４に閉塞異常が生じていると判断し、上記圧力差が、第２の閾値以上であるときは、リサイクル流路４に閉塞異常が生じていないと判断する。
上記第２の閾値は、開閉弁５を開放時のリサイクル流路４の上流端から圧力検知器６までの圧力損失よりも小さく、０よりも大きい値が設定される。例えば、第２の閾値として、上記圧力損失の最小値以下で、かつ、０よりも大きい値を設定してもよい。
また、上記第２の閾値は、どの程度のリサイクル流路４の閉塞で閉塞異常とするかによって、その値は、適宜設定される。例えば、リサイクル流路４を流れる水素含有ガス量が水添脱硫に必要な量以上である軽度のリサイクル流路４の閉塞で閉塞異常とする場合、第２の閾値は、０よりも上記圧力損失により近い値が設定される。また、リサイクル流路４を水素含有ガスが流れない重度のリサイクル流路４の閉塞を閉塞異常とする場合、上記圧力損失よりも０に近い値が設定される。
なお、上記第２の閾値は、上記に限定されるものではなく、圧力検知器６よりも上流のリサイクル流路４の閉塞異常を検知可能であれば如何なる値を設定しても構わない。
このように、第１実施形態の水素生成装置１００では、異常検知器７は、開閉弁５を閉止することで、圧力検知器６よりも上流側のリサイクル流路４の閉塞異常を検知することができる。一方、異常検知器７は、開閉弁５を開放しているときに、圧力検知器６で検知された圧力値が第３の閾値以上となると、圧力検知器６よりも下流側のリサイクル流路４が閉塞していると判断できる。このため、異常検知器７は、リサイクル流路４の全域の閉塞異常を検知することが可能である。
ここで、第３の閾値は、リサイクル流路４の下流端の圧力値よりも高く、リサイクル流路４の上流端の圧力値以下の値が設定される。例えば、リサイクル流路４の上流端の圧力値の最小値以下で、かつ、リサイクル流路４の上流端の圧力値が上記最小値を示すときの下流端の圧力値よりも高い値を設定してもよい。これにより、原料供給器３から改質器２への原料の供給量に依らず、閉塞異常を検知し得る。
なお、上記第３の閾値は、上記に限定されるものではなく、圧力検知器６よりも下流のリサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断可能であれば、如何なる圧力値を設定しても構わない。
なお、図２及び図３に示す動作フローでは説明しなかったが、異常検知器７により閉塞異常が検知されると、水素生成装置１００の運転を停止しても構わない。
また、異常検知器７によりリサイクル流路４の閉塞異常が検知されると、改質器２での水素含有ガスの生成を中断し、閉塞を解消するための回復動作を行った後、改質器２での水素含有ガスの生成を再開しても構わない。
また、異常検知器７によるリサイクル流路４の閉塞異常検知、閉塞異常検知後の回復動作、及び回復動作後の改質器２での水素含有ガスの生成を複数回繰り返すと、水素生成装置１００を異常停止し、起動を禁止するよう構成しても構わない。
また、異常検知動作後は、異常が検知されなければ開閉弁５を開放し、改質器２での水素含有ガスの生成を継続してもよい。この場合、開閉弁５を閉止することでリサイクル流路４での水素含有ガスの流れが強制的に止められるため、開閉弁５を閉止している時間は短い方が好ましい。このため、異常検知器７は、異常検知する際、正常と判断されると（つまり、圧力値が第１の閾値以上であることが確認されると）、異常判定時間が満了する前に開閉弁５を開放してもよい。ここで、異常判定時間とは、リサイクル流路４の閉塞異常の有無を検知するために設定された時間であり、異常検知器７は、この設定時間内において圧力検知器６で継続的に圧力を取得しながら閉塞異常の有無を判断する。
また、異常検知器７は、閉塞異常を検知する際、水素生成装置１００で生成している水素含有ガス量が多いほど、リサイクル流路４の異常を検知し易くなるため、閉塞異常を検知する際に水素含有ガスの生成量を増やす制御をしても構わない。
［第１変形例］
次に、第１実施形態の水素生成装置１００の変形例について説明する。
第１実施形態における第１変形例の水素生成装置では、異常検知器が、改質器で水素含有ガスの生成を開始する前に、開放している開閉弁を閉じるとともに、開閉弁を閉止後の圧力検知器により検出された圧力に基づき、閉塞異常を検知するように構成されている。
ここで、上記閉塞異常検知は、例えば、改質器の昇温動作前に実行してもよいし、改質器の昇温動作時に実行してもよい。昇温動作前の閉塞異常検知は、水素生成装置を構成する機器に異常がないかをチェックするイニシャルチェック時に行ってもよい。なお、上記閉塞異常検知のタイミングは例示であって、改質器で水素含有ガスの生成開始前であれば、いずれのタイミングであっても構わない。
かかる構成において、改質器が水素含有ガスの生成を開始する前に、リサイクル流路の閉塞異常を検知するので、第１実施形態の水素生成装置での閉塞異常検知に比べより早期に異常検知し得る。
なお、第１変形例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置と同様の構成であるため、以下の説明では、異常検知器の異常検知動作について説明する。
図４は、第１実施形態の第１変形例における水素生成装置の概略動作の一例を示すフローチャートである。
図４に示すように、異常検知器７は、改質器２が水素含有ガスを生成開始する前に、原料供給器３を作動させるとともに開閉弁５を閉止する（ステップＳ３０１）。ついで、異常検知器７は、圧力検知器６で検知された圧力値を取得し（ステップＳ３０２）、異常検知器７は、取得した圧力値に基づき、リサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する（ステップＳ３０３）。
具体的には、第１実施形態と同様に、ステップＳ３０３において、異常検知器７が、ステップＳ３０２で取得した圧力値が、第１の閾値以上であるか否かでリサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する。なお、ここでは、異常検知器７が、圧力値の絶対値により、リサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態１と同様に、異常検知器７が、圧力値の変化幅により判断する形態を採用してもよい。
なお、閉塞異常が無いことを確認したならば、例えば、改質器２の昇温動作及び改質器２での水素含有ガスの生成動作のような次の動作に移行する。また、閉塞異常があることを確認したならば、例えば、改質器２の昇温動作及び改質器２での水素含有ガスの生成動作のような次の動作に移行せず、水素生成装置１００の運転を停止してもよい。
なお、閉塞異常を検知する際、リサイクル流路４の上流端と下流端との差圧が大きいほど閉塞異常の検知エラーが低減する。そこで、閉塞異常を検知する際、異常検知器７は、リサイクル流路４の上流側に原料を所定圧以上で押し込むように原料供給器３を制御してもよい。これにより、閉塞異常の検知精度を向上し得る。
［第２変形例］
第１実施形態における第２変形例の水素生成装置は、異常検知器が、改質器で水素含有ガスの生成を停止した後に、開放している開閉弁を閉じるとともに、開閉弁を閉止後の圧力検知器により検出された圧力に基づき、閉塞異常を検知するように構成されている。
ここで、改質器が水素含有ガスを生成停止した状態とは、改質器への原料及び水の少なくともいずれか一方の供給が停止した状態をいう。
かかる構成では、改質器での水素含有ガスの生成を停止した後に、リサイクル流路の閉塞異常が検知される。
なお、第２変形例の水素生成装置は、第１実施形態の水素生成装置と同様の構成であるため、以下の説明では、異常検知器の異常検知動作について説明する。
図５は、第１実施形態における第２変形例の水素生成装置の概略動作の一例を示すフローチャートである。
図５に示すように、異常検知器７は、改質器２が水素含有ガスを生成停止した後に、開閉弁５を閉止する（ステップＳ４０１）。ついで、異常検知器７は、圧力検知器６で検知された圧力値を取得し（ステップＳ４０２）、異常検知器７は、取得した圧力値に基づき、リサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する（ステップＳ４０３）。
具体的には、第１実施形態と同様に、ステップＳ４０３において、異常検知器７が、ステップＳ４０２で取得した圧力値が、第１の閾値以上であるか否かでリサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する。なお、ここでは、異常検知器７が、圧力値の絶対値により、リサイクル流路４の閉塞異常の有無を判断する形態を採用したが、これに限定されず、上述したように、異常検知器７が、圧力値の変化幅により判断する形態を採用してもよい。
（第２実施形態）
第２実施形態の水素生成装置は、第１実施形態及びそれらの変形例のいずれかの水素生成装置において、リサイクル流路に設けられた絞り部を備え、圧力検知器は、絞り部の下流に設けられている。
かかる構成により、リサイクル流路で閉塞異常が発生し易い絞り部の閉塞異常を検知し易くなる。第２実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態及び第１実施形態の変形例のいずれかの水素生成装置と同様に構成してもよい。
［水素生成装置の構成］
図６は、第２実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。
図６に示す例では、第２実施形態の水素生成装置１００は、水添脱硫器１と、改質器２と、原料供給器３と、リサイクル流路４と、開閉弁５と、圧力検知器６と、異常検知器７と、絞り部８と、を備える。
絞り部８は、リサイクル流路４に設けられている。絞り部８は、その前後のリサイクル流路４よりも流路断面積を小さくすることで、リサイクル流路４を流れる水素含有ガスの流量を調整するように構成されている。絞り部８は、その前後のリサイクル流路４よりも流路断面積が小さくなるよう構成されていれば、いずれの構成であってもよい。絞り部８は、例えば、リサイクル流路４を構成する配管よりも細い配管で構成されていてもよく、リサイクル流路４を構成する配管よりも細い孔が開いた板部材で構成されていてもよい。
［水素生成装置の動作］
以下、第２水素生成装置１００の動作の一例について説明する。
第２実施形態の水素生成装置の動作は、第１実施形態の水素生成装置と同様の動作であるため、その特徴について、図６を参照しながら説明する。
本実施形態の水素生成装置１００では、改質器２で水素含有ガスを生成中には、絞り部８よりも上流側のリサイクル流路４では、リサイクル流路４の上流端と同等の圧力（以下、絞り部前圧力）がかかっている。それに対して、絞り部８の下流側のリサイクル流路４では、リサイクル流路４の下流端と同等の圧力（以下、絞り部後圧力）がかかっている。このため、絞り部８を流れる水素含有ガス流量は、絞り部前圧力と絞り部後圧力の差圧により決まる。
ここで、絞り部８が閉塞していない場合、異常検知器７が、異常検知のために、開閉弁５を閉止すると、絞り部８後の圧力と絞り部８前の圧力とが同じ圧力で釣り合うようになり、絞り部８での水素含有ガスの流れが止まる。そうなると、圧力検知器６で検知される圧力が、異常検知動作前はリサイクル流路４の下流端の圧力値に近い値であったのに対して、リサイクル流路４の上流端の圧力値に近い値にまで上昇する。この圧力上昇により、異常検知器７により圧力検知器６で検知される圧力が第１の閾値以上であることが確認され、閉塞異常がないと判断される。
また、絞り部８が閉塞している場合、異常検知器７が、異常検知のために、開閉弁５を閉止しても、絞り部８後の圧力は上昇せず、リサイクル流路４の下流端の圧力値に近い値が維持される。これにより、異常検知器７により、圧力検知器６で検知される圧力が第１の閾値未満であることが確認され、閉塞異常が生じていると判断される。
（第３実施形態）
第３実施形態の水素生成装置は、第１実施形態、それらの変形例、及び第２実施形態のいずれかの水素生成装置であって、開閉弁の下流のリサイクル流路にバッファ部を備える。
かかる構成により、リサイクル流路の閉塞の異常検知動作を実施した際、開閉弁を閉止することで、リサイクル流路を水素含有ガスが一時的に流れなくなっても、水添脱硫部に供給される原料とリサイクルガスの混合ガス中の水素濃度が所定濃度以下にならないようにすることが可能となる。本実施の形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の変形例、及び第２実施形態のいずれかの水素生成装置と同様に構成してもよい。
［水素生成装置の構成］
図７は、第３実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。
図７に示す例では、第３実施形態の水素生成装置１００は、水添脱硫器１と、改質器２と、原料供給器３と、リサイクル流路４と、開閉弁５と、圧力検知器６と、異常検知器７と、絞り部８と、バッファ部９と、を備える。
バッファ部９はリサイクル流路４に設けられている。バッファ部９は、リサイクル流路４を流れる水素含有ガスの流れに対して、開閉弁５の下流側に設置する。このバッファ部９により、開閉弁５を閉止してリサイクル流路４を水素含有ガスが流れない間、水添脱硫器１に水素含有ガスを供給継続することが可能となる。バッファ部９は開閉弁５が閉止している時間分の水素含有ガスを保持することが出来れば、タンク形状でも、配管を長く伸ばしたものであっても、いかなる構成でも構わない。
［水素生成装置の動作］
以下、第３実施形態の水素生成装置１００の動作の一例について説明する。
第３実施形態の水素生成装置の動作は、第２実施形態の水素生成装置と同様の動作となるため、その特徴について、図７を用いて説明する。
異常検知動作として、開閉弁５を閉止すると、閉止している間、リサイクル流路４での水素含有ガスの流れが止まる。しかしながら、第３実施形態の水素生成装置１００では、バッファ部９に、開閉弁５が開放されている間に水添脱硫器１に供給することができる、水素含有ガスが蓄えられている。この蓄えられた水素含有ガスにより、開閉弁５が閉止しても、水添脱硫器１への水素含有ガスの供給は継続するため、水添脱硫器１が劣化したり、下流の改質器２を劣化したりするのを抑制できる。バッファ部９に蓄えられている水素含有ガスの水添脱硫器１への供給は、拡散により生じるものと考えられる。
なお、バッファ部９の容積は、開閉弁５を閉止させる時間と、水添脱硫器１が必要とする水素量から決まる。また、リサイクル流路４のバッファ部９よりも下流側に、固定オリフィス等の絞り部を設けてもよい。これにより、バッファ部９の圧力とリサイクル流路４の下流端との圧力差が生じ、バッファ部９内に蓄えられている水素含有ガスを水添脱硫器１により供給しやすくすることができる。
（第４実施形態）
第４実施形態の水素生成装置は、第１実施形態、それらの変形例、第２実施形態、及び第３実施形態のいずれかの水素生成装置であって、異常検知器がリサイクル流路の閉塞異常を検知すると、リサイクル流路の閉塞を解消する処理を実行する制御器を備える。
かかる構成により、異常検知器がリサイクル流路の閉塞を検知すると、制御器により、リサイクル流路の閉塞を解消される。本実施の形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の変形例、第２実施形態、及び第３実施形態のいずれかの水素生成装置と同様に構成してもよい。
［水素生成装置の構成］
図８は、第４実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。
図８に示す例では、第４実施形態の水素生成装置１００は、水添脱硫器１と、改質器２と、原料供給器３と、リサイクル流路４と、開閉弁５と、圧力検知器６と、異常検知器７と、制御器１１と、を備える。
制御器１１は、異常検知器７によりリサイクル流路４の閉塞の異常が検知されると、リサイクル流路４の閉塞を解消する処理を実行するものである。制御器１１は、リサイクル流路４の閉塞異常を解消する処理を実行する際に動作が必要な機器（例えば、原料供給器３等）を制御するものであればよく、演算処理部と制御プログラムを記憶している記憶部（いずれも図示せず）を備えている。
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１１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。なお、第４実施形態においては、制御器１１と異常検知器７を別々に構成する形態を採用したが、これに限定されない。制御器１１が異常検知器７を兼ねる形態を採用してもよい。
［水素生成装置の動作］
以下、第４実施形態の水素生成装置１００の動作の一例について説明する。
第４実施形態の水素生成装置の動作は、第１実施形態の水素生成装置と同様の動作となるため、その特徴について、図８を用いて説明する。
異常検知器７が、リサイクル流路４の閉塞異常を検知すると、制御器１１は、リサイクル流路４の閉塞を解消するための処理を実行する。具体的には、制御器１１は、改質器２での出力（水素生成量）を上昇させるように、水素生成装置１００を制御する。より詳細には、制御器１１は、原料供給器３を制御して、改質器２に供給される原料の流量を増加させる。
これにより、リサイクル流路４にかかる圧力を増加させることができ、リサイクル流路４を塞いでいる異物を押し出すことにより、リサイクル流路４の閉塞を解消することができる。
上記処理により、リサイクル流路４の閉塞異常が解消されると、閉塞異常を解除するために、メンテナンス担当者が駆けつけて、リサイクル流路４の閉塞異常の解消を行う必要がなくなる。
［第１変形例］
次に、第４実施形態の水素生成装置の変形例について説明する。
第４実施形態における第１変形例の水素生成装置では、リサイクル流路の閉塞を解消する処理を実行していることを報知する報知器を備える。
［水素生成装置の構成］
図９は、第４実施形態における第１変形例の水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。
図９に示す例では、第４実施形態における第１変形例の水素生成装置１００は、水添脱硫器１と、改質器２と、原料供給器３と、リサイクル流路４と、開閉弁５と、圧力検知器６と、異常検知器７と、制御器１１と、報知器１２と、を備える。
報知器１２は、リサイクル流路４の閉塞を解消する処理を実行していることを外部に知らせることができれば、どのような構成であってもよい。外部に知らせる態様としては、例えば、リモコンの表示部（画面）に、文字データ又は画像データ等を表示させる態様であってもよく、スピーカー等により音声で知らせる態様であってもよく、光又は色で知らせるような態様であってもよい。また、通信ネットワークを介してスマートフォン、携帯電話、又はタブレット型コンピュータ等にメール又はアプリで知らせる態様であってもよい。
［水素生成装置の動作］
以下、第４実施形態における第１変形例の水素生成装置１００の動作の一例について説明する。
第４実施形態における第１変形例の水素生成装置の動作は、第４実施形態の水素生成装置と同様の動作となるため、その特徴について、図９を用いて説明する。
異常検知器７が、リサイクル流路４の閉塞異常を検知すると、制御器１１は、リサイクル流路４の閉塞を解消するための処理を実行する。そして、制御器１１が、リサイクル流路４の閉塞を解消するための処理を実行すると、報知器１２は、リサイクル流路４の閉塞を解消する処理を実行していることを外部に報知する。
これにより、例えば、報知する対象が使用者であるとき、仮に水素生成装置１００の動作が異常であると使用者が感じても、当該処理を実行中であることを知らせることで、なぜ水素生成装置１００の動作が異常であるのかを使用者等に知らせることが可能となり、使用者等の不安を取り除くことが可能となる。
また、メンテナンス会社に上記処理の実行中であることが報知される場合、リサイクル流路４の閉塞異常が解消しない場合には、メンテナンス作業が必要になることを予め認識させることができる。
（第５実施形態）
第５実施形態の水素生成装置は、第１実施形態、それらの変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、及び第４実施形態の変形例のいずれかの水素生成装置であって、リサイクル流路で閉塞異常が発生していることを報知する報知器を備える。
かかる構成により、水素生成装置が異常状態であること（リサイクル流路で閉塞異常が発生していること）を外部に知らせることが可能となる。これにより、異常が解消するまでの間、水素生成装置が動作しなくても、原因を特定することが可能となる。本実施の形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、及び第４実施形態の変形例のいずれかの水素生成装置と同様に構成してもよい。なお、第４実施形態の変形例の水素生成装置の報知器と本実施形態の報知器とは、同一の機器で構成されていてもよく、また、異なる機器で構成されていてもよい。
［水素生成装置の構成］
図１０は、第５実施形態に係る水素生成装置の概略構成の一例を示す概念図である。
図１０に示す例では、第５実施形態の水素生成装置１００は、水添脱硫器１と、改質器２と、原料供給器３と、リサイクル流路４と、開閉弁５と、圧力検知器６と、異常検知器７と、報知器１２と、を備える。
報知器１２は、水素生成装置１００で異常が発生していること（リサイクル流路４で閉塞異常が発生していること）を外部に知らせることができれば、どのような構成であってもよい。外部に知らせる態様としては、例えば、リモコンの表示部（画面）に、文字データ又は画像データ等を表示させる態様であってもよく、スピーカー等により音声で知らせる態様であってもよく、光又は色で知らせるような態様であってもよい。また、通信ネットワークを介してスマートフォン、携帯電話、又はタブレット型コンピュータ等にメール又はアプリで知らせる態様であってもよい。
［水素生成装置の動作］
以下、第５実施形態の水素生成装置１００の動作の一例について説明する。
第５実施形態の水素生成装置の動作は、第１実施形態の水素生成装置と同様の動作となるため、その特徴について、図１０を用いて説明する。
異常検知器７がリサイクル流路４の閉塞異常を検知すると、報知器１２は、水素生成装置１００で異常が発生していること（リサイクル流路４で閉塞異常が発生していること）を外部に報知する。
これにより、例えば、なぜ水素生成装置１００が作動していないのかという使用者等の不安を取り除くことができる。
また、メンテナンス会社に上記異常が報知される場合、メンテナンス作業員が異常発生から早期に駆けつけ、水素生成装置１００を修理するので、水素生成装置１００が早期に動作を再開し得る。
（第６実施形態）
第６実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態、それらの変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第４実施形態の変形例、及び第５実施形態のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置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と、を備える。
かかる構成により、リサイクル流路４の閉塞異常を検知できる。
図１１は、第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。
図１１に示す例では、第６実施形態の燃料電池システム２００は、第１実施形態の水素生成装置１００と、燃料電池１０と、を備える。
燃料電池１０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１０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。本実施形態における水素生成装置１００の動作は、燃料電池１０を第１実施形態における水素利用機器と考えれば、第１実施形態と同様である。よって、詳細な説明を省略する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良及び他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の水素生成装置、水素生成装置の運転方法、及び燃料電池システムは、従来よりもリサイクル流路の閉塞異常を容易に検知し得る。
１ 水添脱硫器
２ 改質器
３ 原料供給器
４ リサイクル流路
５ 開閉弁
６ 圧力検知器
７ 異常検知器
８ 絞り部
９ バッファ部
１０ 燃料電池
１１ 制御器
１２ 報知器
１００ 水素生成装置
２００ 燃料電池システム

Claims (11)

  1. 原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、
    前記水添脱硫器を通過した原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記改質器に原料を供給する原料供給器と、
    前記改質器より排出された水素含有ガスの一部を前記水添脱硫器に流入する前の原料に供給するためのリサイクル流路と、
    前記リサイクル流路に設けられた開閉弁と、
    前記開閉弁よりも上流のリサイクル流路に設けられた圧力検知器と、
    前記開閉弁を閉じた状態で、前記原料供給器により前記改質器に原料を供給しているときの前記圧力検知器により検知された圧力に基づき前記リサイクル流路の閉塞異常を検知する異常検知器と、を備える、水素生成装置。
  2. 前記異常検知器は、前記改質器で水素含有ガスの生成を行っているときに、開放している前記開閉弁を閉じるとともに、前記開閉弁を閉止後の前記圧力検知器により検出された圧力に基づき閉塞異常を検知する、請求項１記載の水素生成装置。
  3. 前記異常検知器は、前記改質器で水素含有ガスの生成を開始する前に、開放している前記開閉弁を閉じるとともに、前記開閉弁を閉止後の前記圧力検知器により検出された圧力に基づき閉塞異常を検知する、請求項１記載の水素生成装置。
  4. 前記異常検知器は、前記改質器で水素含有ガスの生成を停止した後に、開放している前記開閉弁を閉じるとともに、前記開閉弁を閉止後の前記圧力検知器により検出された圧力に基づき閉塞異常を検知する、請求項１記載の水素生成装置。
  5. 前記リサイクル流路に設けられた絞り部を備え、前記圧力検知器は、前記絞り部の下流に設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の水素生成装置。
  6. 前記開閉弁の下流のリサイクル流路にバッファ部を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の水素生成装置。
  7. 前記異常検知器が前記リサイクル流路の閉塞異常を検知すると、前記リサイクル流路の閉塞を解消する処理を実行する制御器を備える、請求項１〜６のいずれかに記載する水素生成装置。
  8. 前記リサイクル流路で閉塞異常が発生していることを報知する報知器を備える、請求項１〜７のいずれかに記載する水素生成装置。
  9. 前記リサイクル流路の閉塞を解消する処理を実行していることを報知する報知器を備える、請求項７又は８に記載の水素生成装置。
  10. 請求項１〜９のいずれかに記載の水素生成装置と、
    前記水素生成装置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と、を備える、燃料電池システム。
  11. 水素生成装置の運転方法であって、
    水添脱硫器で原料中の硫黄化合物を除去するステップと、
    前記水添脱硫器を通過した原料を用いて改質器で水素含有ガスを生成するステップと、
    リサイクル流路を介して前記改質器より排出された水素含有ガスの一部を前記水添脱硫器に流入する前の原料に供給するステップと、
    圧力検知器で前記リサイクル流路に設けられた開閉弁よりも上流のリサイクル流路の圧力を検知するステップと、
    前記開閉弁を閉じた状態で、前記改質器に原料を供給しているときに、前記圧力検知器により検知された圧力に基づき前記リサイクル流路の閉塞異常を検知するステップと、を備える、水素生成装置の運転方法。
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