JP6101929B2 - 水素生成装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素生成装置および燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池を用いた発電システムである燃料電池システムに対して、幅広い需要が見込まれている。燃料電池は水素と酸素との電気化学的反応により発電する。一般には、燃料電池に空気を供給し、空気中の酸素が発電に用いられる。他方、燃料電池の発電に用いる水素は、一般的に整備されている天然ガスや都市ガスから水素を生成させる改質器を有する水素生成装置を用い、この水素生成装置で生成された水素含有ガスを燃料電池に供給することで賄うことが多い。

燃料電池システムは発電する際に、燃料電池システムの発電部の本体である燃料電池スタック（以下、燃料電池）に、水素含有ガスと空気（酸化剤ガス）とが各々供給される。すると、燃料電池は供給された水素含有ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素とを用いて電気化学反応を起こす。燃料電池システムはこの電気化学反応により発電が行われ、さらに反応により生じた熱を回収して湯水として有効利用するものである。しかしながら、発電時に用いられる水素は一般的にインフラ整備されていないため、通常、一般的に整備されている天然ガスや都市ガスから水素を生成させる改質器を有する水素生成装置が燃料電池システムに備えられている。

改質器では、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば、原料ガスとなる都市ガスと水蒸気とを改質触媒を用いて、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、都市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除去する必要がある。除去方法としては、原料ガスに水素を添加して化学的吸着により硫黄成分を除去する水添脱硫方式がある。原料ガスに添加させる水素は、水素生成装置で生成した水素を戻す方式が一般的である。

従来の水素生成装置としては、改質器下流に水素含有ガスを戻すためのリサイクル経路を有し、原料を供給する経路に水素含有ガスを供給している（例えば、特許文献１）。図６は、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。従来の水素生成装置においてリサイクル経路に水などを原因とした詰まりが発生した場合、改質器に脱硫されていない原料が供給され、耐久性が低下する。そのため、異常をできる構成とした水素生成装置が提案されている。水素含有ガスを原料供給経路６０４に供給するためのリサイクル経路６０９に、温度検知器６０６と放熱フィン６０８を設け、放熱フィン６０８は温度検知器６０６の上流に設置する。このように構成すると、水素含有ガスの保有する熱は放熱フィン６０８を経過することにより放熱される。このときの水素含有ガスの流量に対する温度の変動は水素含有ガスの流量が大きい場合には温度の下降は小さく、水素含有ガスの流量が小さい場合には温度の下降が大きい。よって放熱フィン６０８を経過したリサイクル経路６０９を流れる水素含有ガスの温度を温度検知器で
計測し、そのときの温度が所定の範囲を外れていた場合にリサイクル経路６０９の詰まりを検知する水素生成装置６０１が提案されている。

特開平１０−９２４５２号公報

しかしながら上記特許文献１に開示されている水素生成装置では、水素生成装置の負荷や改質器６０３の温度、リサイクル経路６０９の周辺温度の高低、リサイクル経路６０９を流れる水素含有ガスの流速大小に伴う放熱、改質器６０３から排出経路６０５に供給する水素含有ガスの流量や負荷によっても水素含有ガスの温度が変化するため、燃料電池システムなど水素生成装置を要するシステムでは、家庭の負荷や設置環境などもそれぞれ異なり、リサイクル経路６０９の流路の詰まりを検知するのは困難である。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、脱硫器を備えた水素生成装置において、リサイクル経路の水素含有ガスの流量異常を検知することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器と、脱硫器から排出される原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、脱硫器に原料ガスを供給する原料供給経路と、改質器から水素含有ガスを排出する排出経路と、改質器に改質水を供給する水供給器と、原料供給経路上に配置され、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを改質器に供給する定容積型の原料供給器と、原料供給経路上に配置され、原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、排出経路から分岐し、原料供給経路のうちの原料供給器及び質量流量計測器の間の経路に接続され、改質器から排出される水素含有ガスの一部を脱硫器に供給するリサイクル経路と、制御器と、を備える。

このような構成をとると、制御器は、原料供給器の操作量に基づいて算出される原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との差分が、所定の流量範囲を外れる場合、リサイクル経路に流れる改質器から排出された水素含有ガスの流量にリサイクル経路の詰まりや排出経路の詰まりを起因とした異常があると判断し、異常の検知、異常の発報、運転停止のうちの少なくとも１つの動作を行うことができる。

本発明の水素生成装置及び水素生成装置を搭載するシステムは、上記のような特徴を備えることにより、リサイクル経路の詰まりや排出経路の詰まりを起因とした、リサイクル経路を流れる水素含有ガスの流量異常を検知できるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図 （ａ）実施の形態１にかかる水素生成装置の概略動作の一例を示す動作図（ｂ）変形例１にかかる水素生成装置の概略動作の一例を示す動作図 実施の形態２にかかる水素生成装置の概略動作の一例を示す動作図 （ａ）実施の形態２における水素生成装置の起動時の概略動作の一例を示す動作図（ｂ）実施の形態２における水素生成装置の運転時の概略動作の一例を示す動作図 実施の形態３の燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図 従来の水素生成装置の概略構成の一例を示すブロック図

第１の発明における水素生成装置は、原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器と、脱硫器から排出される原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、脱硫器に原料ガスを供給する原料供給経路と、改質器から水素含有ガスを排出する排出経路と、改質器に改質水を供給する水供給器と、原料供給経路上に配置され、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを改質器に供給する定容積型の原料供給器と、原料供給経路上に配置され、原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、排出経路から分岐し、原料供給経路のうちの原料供給器及び質量流量計測器の間の経路に接続され、改質器から排出される水素含有ガスの一部を脱硫器に供給するリサイクル経路と、制御器と、を備える。このような構成をとると、制御器は、原料供給器の操作量に基づいて算出される原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との差分が、所定の流量範囲を外れる場合、リサイクル経路に流れる改質器から排出された水素含有ガスの流量にリサイクル経路の詰まりや排出経路の詰まりを起因とした異常があると判断することができる。

第２の発明における水素生成装置は、原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器と、脱硫器から排出される原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と
、脱硫器に原料ガスを供給する原料供給経路と、改質器から水素含有ガスを排出する排出経路と、改質器に改質水を供給する水供給器と、原料供給経路上に配置され、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを改質器に供給する定容積型の原料供給器と、原料供給経路上に配置され、原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、排出経路から分岐し、原料供給経路のうちの原料供給器及び質量流量計測器の間の経路に接続され、改質器から排出される水素含有ガスの一部を脱硫器に供給するリサイクル経路と、制御器と、を備える。このような構成をとると、原料供給器の操作量に基づいて算出される原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との比が、所定の範囲を外れる場合、リサイクル経路に流れる改質器から排出された水素含有ガスの流量にリサイクル経路の詰まりや排出経路の詰まりを起因とした異常があると判断することができる。

第３の発明における水素生成装置は、特に、第１または第２の発明の水素生成装置に加えて、リサイクル経路上に配置された開閉弁を備える。このように構成すると、制御器は、原料ガス供給器から脱硫器に原料ガスを供給し、かつ、開閉弁を開閉するように制御した場合に、原料供給器の操作量に基づいて算出される原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との関係を補正することができ、精度の高い異常検知をすることができる。

第４の発明における水素生成装置は、特に、第３の発明の開閉弁を起動中に、開閉するように制御する。このように制御すると、制御器は、原料供給器の操作量に基づいて算出される原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との関係を補正することができ、精度の高い異常検知をすることができる。

第５の発明における水素生成装置は、特に、第３の発明の開閉弁を運転中に開閉するように制御し、所定の時間おきに閉じるように制御する。このように制御すると、制御器は、原料供給器の操作量に基づいて算出される原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との関係を補正することができ、精度の高い異常検知をすることができる。

第６の発明は、特に第１〜５の発明のいずれか１つに記載の水素生成装置により都市ガスやＬＰＧから脱硫・改質した水素含有ガスを取り出すことができ、燃料電池システムに搭載する水素生成装置として活用しリサイクル経路の流量異常を検知することができる。第１〜５の発明のいずれか１つに記載の水素生成装置を燃料電池システムに搭載することによりリサイクル経路の流量異常を検知することができ、それにより脱硫した水素含有ガスを供給できるため、燃料電池システムの高寿命化や長時間運転が可能となる。

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、実施の形態１にかかる水素生成装置の構成の一例を示すブロック図である。

図１に示す例では、本実施の形態の水素生成装置１は、原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器２と、脱硫器２から排出される原料ガスと、改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器３と、脱硫器２に原料ガスを供給する原料供給経路４と、改質器３から水素含有ガスを排出する排出経路５と、改質器３に改質水を供給する改質水供給ポンプ６と、を備える。また、原料供給経路４上に配置され、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを前記改質器３に供給する定容積型のブースタポンプ７と、原料供給経路４上に配置され、原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器８と、排出経路５から分岐し、原料供給経路４のうちのブースタポンプ７及び質量流量計測器８の間の経路に接続され、改質器３から排出される水素含有ガスの一部を脱硫に使用するために原料供給経路４に供給するリサイクル経路９と、制御器１０で構成している。

脱硫器２は、改質器３に供給される原料ガス中の硫黄化合物を除去する。脱硫器２は、容器に脱硫用の脱硫剤が充填され構成される。水添脱流用の脱硫剤は、例えば、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系触媒とで構成される。脱硫用の脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、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を共に有するＣｕＺｎ系触媒のみで構成されても構わない。

ブースタポンプ７は、改質器３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もよい。
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。

リサイクル経路９は、改質器３より送出される水素含有ガスを脱硫器２よりも上流のブースタポンプ７内の原料に供給するための流路である。リサイクル経路９の上流端は、改質器３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３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、リサイクル経路９の上流端は、改質器３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、リサイクル経路９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、リサイクル経路９の下流端を、水素含有ガスを利用する水素利用機器の下流の流路に接続しても構わない。

制御器１０は、水素生成装置１の運転（起動、水素生成、停止、待機）の制御と、リサイクル経路９に流れる改質器３から排出された水素含有ガスの流量が所定の流量範囲を外れる場合、異常の検知し、異常の発報、運転停止のうち少なくとも１つの動作を行う。

本実施の形態における改質水供給ポンプ６やブースタポンプ７は、各々具体的な実施の一例である。

以上のように構成された水素生成装置１について、以下具体的動作の一例を説明する。

まず、水素生成装置１は改質器３で水素含有ガスを生成する際、原料ガスと改質水を改
質器３に供給して水素含有ガスを生成する。原料ガスの供給は質量流量計測器８の示す原料ガス流量が所定の流量となるようブースタポンプ７の操作量を制御し、改質水の供給は改質水供給ポンプ６から所定の量の改質水を供給するよう制御する。改質器３から排出される水素含有ガスは排出経路を通じて燃料電池等、本水素生成装置を搭載するシステムに供給されるが、一部はリサイクル経路９を通じ原料供給経路４のうちブースタポンプ７及び質量流量計測器８の間に供給しブースタポンプ７の動作により原料ガスと共に脱硫器２に供給される。脱硫器２に供給された水素含有ガスは脱硫器２へ共に供給される原料ガス中の硫黄分を脱硫するために使用され脱硫器２で脱硫された原料ガスが改質器３に供給される。

図２（ａ）は、実施の形態１にかかる水素生成装置１の具体的な動作の一例を示す動作図である。

制御器１０は、原料ガスの供給量を質量流量計測器８で計測された流量によって把握し（Ｓ００１）、それを基に所定の指令流量となるようブースタポンプ７の操作量の指令を出す（Ｓ００２）。質量流量計測器８で計測される原料ガスの流量が所定の流量に到達（Ｓ００３）後、原料ガスのみの流量を把握すると共に、リサイクル経路９を通じ原料供給経路４に合流した水素含有ガスと原料ガスとが合わさった流量を把握（Ｓ００４）。リサイクル経路９を通じ原料供給経路４に合流した水素含有ガスと原料ガスとが合わさった流量と原料のみの流量との差分よりリサイクル経路９を流れる水素含有ガスの流量を把握（Ｓ００５）。計算により導かれたリサイクル経路９を流れる水素含有ガスの流量と、所定の流量範囲とを比較（Ｓ００６）し、所定の流量範囲を外れていた場合、リサイクル経路９の詰まりや排出経路５の詰まりを起因とした水素含有ガスの流量異常として異常を検知（Ｓ００７）。

リサイクル経路９を流通している水素含有ガスの流量はブースタポンプ７で脱硫器２および改質器３に供給している流量と質量流量計測器８で計測される原料ガス流量との差分から算出することが可能である。リサイクル経路９の詰まりがある場合はリサイクル経路９を水素含有ガスが流れにくい状態となるとともに水素含有ガスの流量が減り、ブースタポンプ７から脱硫器２、改質器３に供給されるガス流量と質量流量計測器８で計測される原料ガスの流量の差分が小さくなる。また、改質器３から水素含有ガスを排出する排出経路５に詰まりがある場合は排出経路５を水素含有ガスが流れにくい状態になるとともに排
出経路５を流れる水素含有ガス流量が減る。排出経路５の減った水素含有ガス流量はリサイクル経路９に流れ、ブースタポンプ７から脱硫器２、改質器３に供給されるガス流量と質量流量計測器８で計測される原料ガスの流量の差分が大きくなる。よって、ブースタポンプ７の流量と質量流量計測器８の流量との差分によりリサイクル経路９を流れる水素含有ガス流量の異常を検知することが可能である。

（変形例１）
図２（ｂ）は、実施の形態１の変形例１にかかる水素生成装置１の具体的な動作の一例を示す動作図である。

制御器１０は、原料ガスの供給量を質量流量計測器８で計測された流量によって把握し（Ｓ０１１）、それを基に所定の指令流量となるようブースタポンプ７の操作量の指令を出す（Ｓ０１２）。質量流量計測器８で計測される原料ガスの流量が所定の流量に到達（Ｓ０１３）後、原料ガスのみの流量を把握すると共に、リサイクル経路９を通じ原料供給経路４に合流した水素含有ガスと原料ガスとが合わさった流量を把握（Ｓ０１４）。リサイクル経路９を通じ原料供給経路４に合流した水素含有ガスと原料ガスとが合わさった流量と原料のみの流量との比率を把握（Ｓ０１５）。把握した比率と、比率についての所定範囲を比較（Ｓ０１６）し、把握した比率が所定範囲を外れていた場合、リサイクル経路９の詰まりや排出経路５の詰まりを起因とした水素含有ガスの流量異常として異常を検知（Ｓ０１７）。

リサイクル経路９を流通している水素含有ガスの流量はブースタポンプ７で脱硫器２および改質器３に供給している流量と質量流量計測器８で計測される原料ガス流量との差分から算出することが可能である。リサイクル経路９の詰まりがある場合はリサイクル経路９を水素含有ガスが流れにくい状態となるとともに水素含有ガスの流量が減り、ブースタポンプ７から脱硫器２、改質器３に供給されるガス流量と質量流量計測器８で計測される原料ガスの流量の比率が小さくなる。また、改質器３から水素含有ガスを排出する排出経路５に詰まりがある場合は排出経路５を水素含有ガスが流れにくい状態になるとともに排出経路５を流れる水素含有ガス流量が減る。排出経路５の減った水素含有ガス流量はリサイクル経路９に流れ、ブースタポンプ７から脱硫器２、改質器３に供給されるガス流量と質量流量計測器８で計測される原料ガスの流量の比率が大きくなる。よって、ブースタポンプ７の流量と質量流量計測器８の流量との比率によりリサイクル経路９を流れる水素含有ガス流量の異常を検知することが可能である。
なお比率による異常の検知では、水素生成装置１を用いたシステムの水素要求および負荷状況や負荷変動の安定しない状況においても原料流量とリサイクル経路９を流れる水素含有ガス流量の関係から異常の有無を検知することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２にかかる水素生成装置１の概略構成の一例を示すブロック図である。

図３の水素生成装置１はリサイクル経路９に制御器１０からの指令により動作する開閉弁１１を備える実施の形態１の水素生成装置１である。リサイクル経路９に開閉弁１１を備えることによりリサイクル経路９を通じて原料供給経路４に供給される水素含有ガスを遮断することができる。リサイクル経路９を通じて原料供給経路４に供給される水素含有ガスを遮断することにより原料供給経路４を流れるガスは原料ガスのみとなり、質量流量計測器８の示す流量とブースタポンプ７の認識する流量は等しくなる。質量流量計測器８の示す流量とブースタポンプ７の認識する流量がずれている場合、ブースタポンプの認識する流量を質量流量計測器８の示す流量に補正し、双方の流量差異をなくす。
開閉弁１１は電磁弁のような弁の開と閉のみの物でも良いし、閉のときに遮断できればニードル弁のような開度を調整できるものでも良い。

なお、流量の補正はブースタポンプ７に補正しても良い。

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

図４（ａ）は、実施の形態２における水素生成装置の起動時の概略動作の一例を示す動作図である。

まず、起動中の補正制御について説明する。

起動指令により水素生成装置１が起動する（Ｓ１０１）。開閉弁１１（Ｓ１０２）を閉じてリサイクル経路９を通じて原料供給経路４に供給される水素含有ガスを遮断する。原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器８の質量流量と、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを供給するブースタポンプ７の認識する体積流量を把握（Ｓ１０３）し、差を確認する（Ｓ１０４）。差がない場合は開閉弁１１を開し（Ｓ１０５）、補正制御は終了となる。質量流量と体積流量に差が確認された場合は、所定の操作量に対して
所定の体積流量の原料ガスを供給するブースタポンプ７の認識する体積流量を原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器８の質量流量と等しくなるよう補正する（Ｓ１０６）。補正が完了したら開閉弁１１を開状態とし（Ｓ１０５）、補正制御は終了となる。

次に、発電中の補正制御について説明する。

図４（ｂ）は、実施の形態２における水素生成装置の運転時の概略動作の一例を示す動作図である。

運転開始から所定時間経過もしくは前回の流量確認から所定時間経過の場合（Ｓ２０１）補正制御を実施するために開閉弁１１（Ｓ２０２）を閉じてリサイクル経路９を通じて原料供給経路４に供給される水素含有ガスを遮断する。原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器８の質量流量と、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを供給するブースタポンプ７の認識する体積流量を把握（Ｓ２０３）し、差を確認する（Ｓ２０４）。差がない場合は開閉弁１１を開状態とし（Ｓ２０５）、補正制御は終了となる。質量流量と体積流量に差が確認された場合は、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを供給するブースタポンプ７の認識する体積流量を原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器８の質量流量と等しくなるよう補正する（Ｓ２０６）。補正が完了したら開閉弁１１を開し（Ｓ２０５）、補正制御は終了となる。

リサイクル経路９、排出経路５には運転継続に伴い、水や析出物により詰まりが発生し、リサイクル経路９を流れる水素含有ガスの流量に影響を及ぼすことが考えられる。原料供給経路４に供給される水素含有ガスを遮断することにより原料供給経路４を通流するガスは原料ガスのみとなり、原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器８の質量流量と、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを供給するブースタポンプ７の認識する体積流量は等しくなり、双方に差が生じていないかを確認することができる。質量流量と体積流量に差がある場合はブースタポンプ７の体積流量を認識する値を質量流量と同等となるよう制御器１０で補正し、質量流量と体積流量に差をなくす。質量流量と体積流量の差をなくすことによりリサイクル経路９を流れる水素含有ガスの流量の流量異常を高精度に検知することができる。このような開閉弁１１を閉じることによる質量流量と体積流量の確認と、体積流量の認識値の補正は毎起動時に実施しても良いし、運転開始してから所定時間経過したときに実施しても良い。

（実施の形態３）
実施の形態３にかかる燃料電池システム１４は、実施の形態１もしくは実施の形態２のいずれかの水素生成装置１と、前記水素生成装置１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１３とを備える。

かかる構成により、実施の形態１もしくは実施の形態２のいずれかの水素生成装置１により生成した水素含有ガスを燃料電池１３の燃料として使用し、発電することが可能となる。

図５は、実施の形態３にかかる燃料電池システム１４の概略構成の一例を示すブロック図である。

図５に示す例では、本実施形態の燃料電池システム１４は、実施の形態１及び実施の形態２のいずれかの水素生成装置１と、燃料電池１３とを備える。

燃料電池１３は、水素生成装置１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１３は、いずれの種類の燃料電池１３であってもよく、例えば、高分
子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池またはりん酸形燃料電池等を用いることができる。実施の形態１もしくは実施の形態２のいずれかの水素生成装置１を燃料電池システム１４に搭載することによりリサイクル経路９の流量異常を検知することができ、それにより脱硫した水素含有ガスを供給できるため、燃料電池システム１４の高寿命化や長時間運転が可能となる。

発電運転時において、燃料電池システム１４は、水素生成装置１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１の動作は、燃料電池１３を実施の形態１及び実施の形態２のいずれかの水素生成装置１から生成する水素含有ガスを使用する水素利用機器と考えれば、実施の形態１、実施の形態２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や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は、リサイクル経路を流れる水素含有ガスの流量の異常を高精度に検知することができる脱硫器を備えた水素生成装置及び燃料電池システムとして有用である。

１ 水素生成装置
２ 脱硫器
３ 改質器
４ 原料供給経路
５ 排出経路
６ 改質水供給ポンプ
７ ブースタポンプ
８ 質量流量計測器
９ リサイクル経路
１０ 制御器
１１ 開閉弁
１３ 燃料電池
１４ 燃料電池システム
６０１ 水素生成装置
６０２ 脱硫器
６０３ 改質器
６０４ 原料供給経路
６０５ 排出経路
６０６ 温度検知器
６０７ 原料供給器
６０８ 放熱フィン
６０９ リサイクル経路

Claims (6)

1. 原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器と、
   前記脱硫器から排出される原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記脱硫器に原料ガスを供給する原料供給経路と、
   前記改質器から水素含有ガスを排出する排出経路と、
   前記改質器に改質水を供給する水供給器と、
   前記原料供給経路上に配置され、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを前記改質器に供給する定容積型の原料供給器と、
   前記原料供給経路上に配置され、原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、
   前記排出経路から分岐し、前記原料供給経路のうちの前記原料供給器及び前記質量流量計測器の間の経路に接続され、前記改質器から排出される水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するリサイクル経路と、
   制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記原料供給器の操作量に基づいて算出される前記原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、前記質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との差分が、所定の流量範囲を外れる場合、リサイクル経路に流れる改質器から排出された水素含有ガスの流量に前記リサイクル経路の詰まりや前記排出経路の詰まりを起因とした異常があると判断し、異常の検知、異常の発報、運転停止のうちの少なくとも１つの動作を行う、水素生成装置。
2. 原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器と、
   前記脱硫器から排出される原料ガスと改質水との改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記脱硫器に原料ガスを供給する原料供給経路と、
   前記改質器から水素含有ガスを排出する排出経路と、
   前記改質器に改質水を供給する水供給器と、
   前記原料供給経路上に配置され、所定の操作量に対して所定の体積流量の原料ガスを前記改質器に供給する定容積型の原料供給器と、
   前記原料供給経路上に配置され、原料ガスの質量流量を計測する質量流量計測器と、
   前記排出経路から分岐し、前記原料供給経路のうちの前記原料供給器及び前記質量流量計測器の間の経路に接続され、前記改質器から排出される水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するリサイクル経路と、
   制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記原料供給器の操作量に基づいて算出される前記原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、前記質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との比が、所定の範囲を外れる場合、リサイクル経路に流れる改質器から排出された水素含有ガスの流量に前記リサイクル経路の詰まりや前記排出経路の詰まりを起因とした異常があると判断し、異常の検知、異常の発報、運転停止のうちの少なくとも１つの動作を行う、水素生成装置。
3. 前記リサイクル経路上に配置された開閉弁を備え、
   前記制御器は、前記原料ガス供給器から前記脱硫器に原料ガスを供給し、かつ、前記開閉弁を開閉するように制御した場合に、前記原料供給器の操作量に基づいて算出される前記原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、前記質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との関係を補正する、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
4. 前記制御器は、起動中の所定の工程で、前記開閉弁を開閉するように制御し、前記原料供給器の操作量に基づいて算出される前記原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、前記質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との関係を補正する、請求項３に記載の水素生成装置。
5. 前記制御器は、運転中に、所定時間おきに前記開閉弁を開閉するように制御し、前記原料供給器の操作量に基づいて算出される前記原料供給器が供給する原料ガスの体積流量と、前記質量流量計測器で計測される原料ガスの質量流量との関係を補正する、請求項３に記載の水素生成装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素生成装置と、前記排出経路から排出される水素含有ガス及び酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池と、を備える燃料電池システム。

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