WO2007148699A1

WO2007148699A1 - 水素生成装置および燃料電池システム並びにこれらの運転方法

Info

Publication number: WO2007148699A1
Application number: PCT/JP2007/062344
Authority: WO
Inventors: Yukimune Kani; Kunihiro Ukai; Seiji Fujihara; Hidenobu Wakita
Original assignee: Panasonic Corporation
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2007-12-27
Also published as: JP4904348B2; CN101472837B; JPWO2007148699A1; US20090269629A1; CN101472837A; US8304124B2

Abstract

　水素生成装置（１００）は、原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器（４）と、原料から水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器（１）と、改質器（１）を加熱する燃焼器（５）と、燃焼器（５）において原料への着火を起こす着火器（１０３）と、を備え、脱硫器（４）を通過した原料を用いて燃焼器（５）の燃焼を開始するよう構成されており、着火器（１０３）による着火確認時間の上限を変更する上限変更器（８）と、当該変更の指示に関連する信号を取得する変更指示取得器（１０１）とを備える。

Description

明細書

水素生成装置および燃料電池システム並びにこれらの運転方法技術分野

[0001] 本発明は、硫黄化合物を吸着除去する脱硫器を有し、脱硫器を通過した原料から改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成装置およびこれを備える燃料電池システム並びにこれらの運転方法に関する。

背景技術

[0002] 小型装置でも高効率発電が可能な燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電装置として開発が進められている。燃料電池の発電時の燃料として用いられる水素ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。このため、例えば、都市ガス、 LP G等の既存化石原料インフラから得られる原料から水素含有ガスを生成させる水素生成装置を、燃料電池に併設する構成がとられる。水素生成装置は、原料と水とを改質反応させる改質器、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減するために一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させる変成器、および一酸ィヒ炭素を主に微量空気等の酸化剤で酸化させる CO除去器を設ける構成がとられることが多い。また、それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質器には Ru触媒や Ni触媒、変成器には Cu— Zn触媒、 CO除去器には Ru触媒等が用いられている。

[0003] ところで、上記既存インフラとしての都市ガスや LPGは、配管等からの原料の漏れを検知する目的で硫黄ィ匕合物系の付臭剤が添加されている。それら硫黄化合物系の付臭剤は、水素生成装置に用いる前記触媒の被毒成分となるため、あらかじめ付臭剤を除去する脱硫器を水素生成装置に設けることが一般的である。

[0004] 例えば、ゼォライト系吸着脱硫剤を用いた吸着型脱硫器で原料中の硫黄ィ匕合物を除去する方法が考案されている (例えば、特許文献 1参照)。

[0005] また、この吸着型脱硫器は、常温状態で硫黄ィ匕合物を吸着除去できるため、水添型脱硫器と比較して水素生成装置の起動性が優れるが、原料中の硫黄ィ匕合物は常に供給され、使用期間が長くなると、脱硫器の吸着脱硫能力は低下する。つまり、脱硫器の吸着脱硫能力（吸着容量）には限界があるので、長期使用時には脱硫器の交換が前提となる。そこで、脱硫器の交換時期を容易に判定可能なインジケータ一機能付きの脱硫器が提案されて！ヽる (例えば、特許文献 2参照)。

[0006] また、水素生成装置は、通常、改質器内の触媒の温度を触媒反応に適したレベルにまで昇温できる燃焼器を備えており、水素生成装置の起動動作において、原料ィンフラ力供給され、脱硫器を通過した原料により改質器内をパージして、当該パージ後の原料を用いて燃焼器の燃焼がなされている (例えば、特許文献 3参照)。特許文献 1：特開 2004— 228016号公報

特許文献 2：特開 2002— 358992号公報

特許文献 3：特開 2005 - 206395号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] さて、上記特許文献 2に記載の水素生成装置のように、吸着型脱硫器の吸着容量に限界があるので、脱硫器の交換が不可欠であるが、脱硫器の交換後に、上記特許文献 3に記載の水素生成装置のように脱硫器を通過した原料を用いて燃焼器の燃焼がなされる場合、脱硫剤での原料吸着が起こり、脱硫器を通過した原料の燃焼器への供給流量が一時的に少なくなり、燃焼器での燃焼状態が不安定になることがある。その結果、例えば、通常の燃焼検知判断基準を適用した場合、脱硫器の原料吸着による燃焼器の不安定燃焼を、燃焼器の他の要因による燃焼不良と誤判定すると V、う不都合が生じることが予測される。

[0008] 本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、吸着型脱硫器を通した原料を用いて燃焼器の燃焼開始がなされる場合に、脱硫器の交換後の起動動作においても燃焼不良と誤判定することなく適切に燃焼動作を開始可能な水素生成装置およびこれを備える燃料電池システム並びにこれらの運転方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 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吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器と、原料から水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器において前記原料への着火を起こす着火器と、を備え、前記脱硫器を通過した前記原料を用いて前記燃焼器の燃焼を開始するよう構成された装置であって、前記着火器の着火確認時間の上限を変更する上限変更器と、前記変更の指示に関連する信号を取得する変更指示取得器とを備えている。

[0010] また、前記変更指示取得器は、前記脱硫器の交換に関連する信号を取得する交換信号取得器であってもよぐ前記交換信号取得器により前記脱硫器の交換に関連する信号が取得された場合、前記上限変更器が前記着火確認時間の上限を上げてちょい。

[0011] これらの構成により、吸着型脱硫器を通した原料を用いて燃焼器の燃焼開始がなされる場合に、脱硫器の交換後の水素生成装置の起動動作においても燃焼不良と誤判定することなく適切に燃焼動作を開始することができる。

[0012] また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素生成装置と、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てもよい。

[0013] また、本発明の水素生成装置の運転方法は、原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器と、前記脱硫器を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器において前記原料への着火を起こす着火器と、を備え、前記脱硫器を通過した前記原料を用いて前記燃焼器の燃焼を開始するよう構成された水素生成装置の運転方法であつて、前記脱硫器の交換後に、前記着火器の着火確認時間の上限を上げるとともに、前記上げられた着火確認時間の上限に基づき前記着火器の着火動作を行うことを特徴とする。

[0014] また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器と、前記脱硫器を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器において前記原料への着火を起こす着火器と、を備え、前記脱硫器を通過した前記原料を用いて前記燃焼器の燃焼を開始するよう構成された水素生成装置と、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を行う燃料電池と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記脱硫器の交換後に、前記着火器の着火確認時間の上限を上げるとともに、前記上げられた着火確認時間の上限に基づき前記着火器の着火動作を行うことを特徴とする。

[0015] これらの運転方法により、吸着型脱硫器を通した原料を用いて燃焼器の燃焼開始力される場合に、脱硫器の交換後の水素生成装置および燃料電池システムの起動動作においても、燃焼不良と誤判定することなく適切に燃焼動作を開始することができる。

[0016] 本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

発明の効果

[0017] 本発明によれば、吸着型脱硫器を通過した原料を用いて燃焼器の燃焼開始がなされる場合に、脱硫器の交換後の起動動作においても燃焼不良と誤判定することなく適切に燃焼動作を開始可能な水素生成装置およびこれを備える燃料電池システム並びにこれらの運転方法が得られる。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成例を示したプロック図である。

[図 2]図 2は、図 1の燃焼器の構成例を説明するための模式図である。

[図 3]図 3は、脱硫器交換を想定しな、場合の燃焼器の着火シーケンスの一例を示したフローチャートである。

[図 4]図 4は、脱硫器交換を想定しな、場合の燃焼器の着火シーケンスの他の例を示したフローチャートである。

[図 5]図 5は、着火器による着火動作の際のフレームロッド出力の経時変化の一測定例を示した図である。

[図 6]図 6は、脱硫器交換を想定した場合の燃焼器の着火シーケンスの一例を示したフローチャートである。

[図 7]図 7は、図 6の着火シーケンスにおける変更指示取得器の操作画面の一例である交換信号取得器を示した図である。

[図 8]図 8は、脱硫器交換を想定した場合の燃焼器の着火シーケンスの他の例を示したフローチャートである。

[図 9]図 9は、図 8の着火シーケンスにおける変更指示取得器の操作画面の一例を示した図である。

[図 10]図 10は、燃焼器の着火シーケンスの変形例を示したフローチャートである。

[図 11]図 11は、燃焼器の着火シーケンスの他の変形例を示したフローチャートである。

符号の説明

1 改質器

2 水供給器

3 原料供給器

4 脱硫器

4a 閉止弁

5 燃焼器

6 燃焼ファン

7 燃料電池

8 制御器

9 ガスインフラライン

10 水素ガス供給経路

11 オフガス経路

12 流路変更弁

50 ディストリビュータ

51 空気室

52 燃焼空間

53 壁部

101 変更指示取得器

102 燃焼検知器 (フレームロッド; FR)

103 着火器

100 水素生成装置 200 燃料電池システム

発明を実施するための最良の形態

[0020] 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。

[0021] 図 1は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成例を示したブロック図である。図 1に示すように、燃料電池システム 200の主要な構成要素として、水素生成装置 100および燃料電池 7がある。

[0022] 水素生成装置 100は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、 LPG等の炭化水素、メタノール等のアルコール、あるいはナフサ成分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原料と、水蒸気との改質反応を主に進行させ、水素含有ガスを生成できる装置である。この水素生成装置 100は、 Ru系の改質触媒を充填した改質器 1の他、改質器 1で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素を水蒸気変成反応させる Cu— Zn系変成触媒を設けた変成器、および、変成器通過後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、主に酸化により低減する Ru系触媒を設けた CO 除去器を備えてもよい（但し、変成器および CO除去器の図示およびこれらの詳細説明は省略する)。

[0023] また、水素生成装置 100は、図 1に示すように、上述の改質器 1の他に、水供給器 2 と、原料供給器 3と、脱硫器 4と、燃焼器 5と、制御器 8と、変更指示取得器 101と、を備えている。

[0024] 水供給器 2は、改質器 1に供給する水の流量調整機能を有する機器である。この水は、改質反応に必要な水蒸気を生成するのに用いられる。水供給器 2として、巿水、水タンク等に例示される水供給源（図示せず)からの水の供給量を調節する弁、流量調節器、ポンプ等が用いられている。本実施の形態では、巿水を活性炭及びイオン交換榭脂 (何れも図示せず)を通して浄化させた浄ィ匕水が、水供給器 2により改質器 1に供給されている。

[0025] 原料供給器 3は、改質器 1へ原料を供給する流量調整機能を有する機器 (例えば、弁や流量調整器)である。なお、図 1に示すように、原料供給器 3と改質器 1との間の経路と、迂回経路 4dとの間の接続部に配された流路変更弁 4c (例えば三方弁）を用いて、原料供給器 3から排出された原料を、改質器 1を経ることなぐ迂回経路 4d〖こ流して、後述の燃焼器 5に直接送ることもできる。

[0026] 脱硫器 4は、硫黄ィ匕合物の吸着剤であるゼォライト (本実施の形態では、東ソ一社製ゼオラム F— 9を用いた)を充填した吸着型の脱硫機能を有し、一対の閉止弁 4aのそれぞれが、脱硫器 4の出入口としての両端のそれぞれに設けられ、その一方が原料の供給源となるガスインフラライン 9と接続され、その他方が原料供給器 3と接続されている。そして、これらの閉止弁 4aを開くことにより、ガスインフラライン 9から供給され、硫黄化合物系の付臭剤が含有された原料は、脱硫器 4において当該硫黄化合物が吸着除去された後、原料供給器 3に送られる。

[0027] 燃焼器 5は、改質器 1の改質触媒に改質反応に必要な熱を、高温の燃焼ガスを介して供給する火炎バーナー構造の機器である。この燃焼器 5には、燃焼検知器 102 と、着火器 103と、燃焼空気供給用の燃焼ファン 6と、が配されている。なお、燃焼器 5の詳細な構成は後述する。

[0028] 制御器 8は、マイクロプロセッサ（CPU)などにより構成され、図 1に示すように、燃料電池システム 200 (水素生成装置 100)の動作を制御できるとともに、半導体メモリー等の内部メモリーを用いて燃料電池システム 200の運転パラメータや制御プログラムを記憶できる。つまり、制御器 8 (CPU)は、変更指示取得器 101および燃焼検知器 102の出力信号、並びに、図示しない温度センサや圧力センサの出力信号を受け取り、これらの信号に基づいて原料供給器 3、水供給器 2、燃焼ファン 6および着火器 1 03、並びに、各種の弁 4a、 4c、 12の動作を適切に制御している。

[0029] 変更指示取得器 101は、燃焼器 5の燃焼開始時の着火確認時間の上限の変更指示に関連する信号を取得するように構成されている。本実施の形態では、この変更指示取得器 101は、タツチパネル式の操作画面を有しており、メンテナンスオペレータもしくはユーザー（以下、「作業者」と略す)の指や専用のペンによる所定の画面タツチ操作により、上述の信号を取得することができる。なお、この変更指示取得器 101 の詳細は、後述する。

[0030] また、固体高分子型の燃料電池 7は、図 1に示すように、アノード 7aおよび力ソード 7cを有し、水素ガス供給経路 10を介して水素生成装置 100からアノード 7aに供給される水素ガスと、適宜の酸化剤ガス供給器（図示せず)から力ソード 7cに供給される酸化剤ガスと、を用いて発電するように構成されている。但し、燃料電池 7の構成は公知であり、その詳細な図示および説明は省略する。なお、燃料電池 7の発電時に余剰になった水素オフガスは、アノード 7aから排出され、オフガス経路 11を通して燃焼器 5に供給する構成となっている。また、図 1に示すように、水素ガス供給経路 10とオフガス経路 11との間を短絡できる短絡経路、および、この短絡経路と水素ガス供給経路 10との間の接続部に配された流路変更弁 12 (例えば三方弁）が設けられている。これにより、水素生成装置 100の起動時などに、水素生成装置 100の内部（ここでは、改質器 1や図示しない変成器および CO除去器の内部）を、原料供給器 3から供給される可燃性の原料ガスを用いてパージ処理する際に、パージ処理後の可燃ガス (原料ガスや水素ガス)を、燃料電池 7を経由させずに、燃焼器 5に直接送り、この燃焼器 5で燃焼処理できる。

[0031] 次に、燃焼器 5の構成を詳細に説明する。

[0032] 図 2は、図 1の燃焼器の構成例を説明するための模式図である。

[0033] 図 2に示すように、燃焼器 5の管状のディストリビュータ 50は、上述の迂回経路 4dやオフガス経路 11に連通しており、可燃成分 (例えば原料)を燃焼空間 52に噴出できる多数の噴出孔 50Aを有している。これにより、ディストリビュータ 50内を流れる可燃成分は、噴出孔 50Aにより分散して燃焼空間 52に噴出される。

[0034] また、燃焼器 5の空気室 51は、壁部 53を介して上述の燃焼ファン 6の内部に連通しており、燃焼ファン 6から圧送される空気を燃焼空間 52に噴出できる多数の噴出孔 51Aを有している。これにより、空気室 51内の空気は、噴出孔 51Aにより分散して燃焼空間 52に噴出される。

[0035] このようにして、燃焼空間 52には、可燃成分および空気が適切な混合比となるように供給される。

[0036] なお、上述の着火器 103は、図 2に示すように、ディストリビュータ 50の先端に配されて、これにより、燃焼空間 52に存在する可燃成分への着火を起こすことができる。本実施の形態では、着火器 103として、圧電放電を利用したイダナイターが用いられている。

[0037] また、燃焼検知器 102は、燃焼空間 52に配されており、これにより、燃焼器 5の火炎燃焼の状態を検知することができる。本実施の形態では、燃焼検知器 102として、燃焼空間 52中の荷電粒子のイオン電流量を測定するフレームロッド (FR)が用いられて、る（以下、「燃焼検知器 102」を「フレームロッド 102」 t 、う）。

[0038] 次に、本実施の形態の水素生成装置 100および燃料電池システム 200 (以下、「水素生成装置 100等」という）の起動動作の一例について説明する。

[0039] まず、脱硫器 4の交換を想定しな、場合の燃焼器 5の着火シーケンスにつ、て述ベる。

[0040] 図 3は、脱硫器交換を考慮しない場合の燃焼器の着火シーケンスの一例を示したフローチャートである。

[0041] 図 4は、脱硫器交換を考慮しない場合の燃焼器の着火シーケンスの他の例を示したフローチャートである。

[0042] 最初に、図 3の着火シーケンスの内容について説明する。

[0043] 当該着火シーケンスでは、制御器 8の内部メモリーに保存された制御プログラム力制御器 8の CPUに読み込まれる。そして、この制御プログラムにより制御される CPU 1S 水素生成装置 100等の各種機器を制御しながら、以下の処理を実行する。なお、制御器 8の内部メモリーには、着火器 103の「着火確認時間」の上限に相当する上限着火回数「NMAX」、および、燃焼器 5の燃焼判定の閾値 (この一例として、後述の図 5を参照）に相当するフレームロッド 102から出力される「設定値」が、予め記憶されているものとする。

[0044] 燃焼ファン 6の作動が ONされ (ステップ S301)、これにより、燃焼ファン 6から燃焼空間 52への燃焼用空気の供給が開始する。

[0045] 次に、着火トライ回数を表す「N」が「ゼロ（0)」にリセットされ、その後、この「N」に「1

」が加算される（ステップ S302、 S303)。これにより、以下の如ぐ着火器 103による第 1回目の着火動作がなされる。

[0046] 燃焼空間 52への燃焼用空気の供給開始時力所定のタイマー時間（ここでは 8秒

)が経つと、着火器 103の作動が ONされ (ステップ S304、 S305)、燃焼空間 52にスパーク放電が発生する。

[0047] この状態で、所定のタイマー時間（ここでは 2秒)が経つと、原料供給器 3より迂回経路 4dを介して燃焼空間 52への原料供給が開始される (ステップ S306、 S307)。つまり、ディストリビュータ 50を流れる適量の原料力噴出孔 50Aを介して、燃焼空間 5 2に噴出され、これにより、原料と燃焼空気との混合気が燃焼範囲に入り、燃焼空間 5 2において火炎が形成できる状態になる。

[0048] そして、燃焼空間 52への原料の供給開始時力も所定のタイマー時間（ここでは 20 秒）が経つと、着火器 103の作動が OFFされる（ステップ S308、 S309)。

[0049] ここで、フレームロッド 102の出力力燃焼器 5の燃焼判定の閾値に相当する「設定値」を超えて、るか否かが判定される（ステップ S310)。

[0050] このように、フレームロッド 102の出力としての荷電粒子のイオン電流量を用いて、燃焼器 5における適切な火炎形成の有無が判定される。

[0051] フレームロッド 102の出力が当該「設定値」を超えて!/ヽれば (ステップ S310にお!/ヽて「YES」）、着火器 103により原料が着火していると判定される (ステップ S313)。

[0052] なお、上述の出力（イオン電流量）については、所定期間に亘り一定値に維持されることも確認され、これにより、燃焼器 5での燃焼の安定性が適切に確保される。

[0053] そして、この場合、水素生成装置 100等の通常運転に入り、水供給器 2により水が改質器 1に供給されるとともに、流路変更弁 4cが改質器 1側に切替えられ、原料供給器 3により原料が改質器 1に供給される。これにより、改質器 1の内部において、水蒸気改質反応により原料と水蒸気から水素含有ガスが生成される。なお、水供給量は、単位時間当たりに供給される水量中の水分子のモル数が単位時間当たりに供給される原料量中の原料平均組成の炭素原子のモル数の 3倍となるように調整されて、る。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを原料とし、都市ガスの平均組成において 1モルの炭素原子に対して、 3モルの水蒸気が存在するよう、水供給量が設定されている (スチームカーボン比（SZC) = 3)。そして、改質器 1から排出された水素含有ガスに対して、変成器において水性ガスシフト反応、および、 CO除去器において一酸化炭素の選択酸化反応が施され、これにより、一酸化炭素濃度が約 2 Oppm以下となる水素ガスが生成される。この水素ガスは、水素ガス供給経路 10を介して燃料電池 7のアノード 7aに供給され、燃料電池 7の発電用の反応ガスとして使用される。 [0054] 一方、ステップ S310において、フレームロッド 102の出力が当該「設定値」以下であれば、着火器 103により原料が着火していない (着火ミス）と判定される。

[0055] この場合、原料供給器 3を用いた燃焼空間 52への原料供給が停止される (ステップ S311)。そして、着火トライ回数を表す「N」が、上限着火回数「NMAX」を下回るか否かが判定される（ステップ S312)。

[0056] 着火トライ回数を表す「N」力上限着火回数「NMAX」を下回ってヽれば (ステップ S312において「YES」）、ステップ S303に戻り、次回の着火トライ動作が行われる。なお、ステップ S311において原料供給が停止されると、燃焼空間 52に引き続き供給される空気により、燃焼空間 52の内部は空気で満たされる。このため、ステップ 305 において、着火器 103の作動を再び ONしても、燃焼器 5の異常燃焼などのィレギュラーな状況は何等発生しな、。

[0057] 一方、着火トライ回数を表す「N」が、上限着火回数「NMAX」を下回っていなければ (ステップ S312において「NO」）、着火器 103による原料への着火ミス以外に、燃焼器 5に何等かの異常があると判断され、水素生成装置 100等の運転が停止される

[0058] このようにして、図 3の燃焼器 5の着火シーケンスにおいては、上限着火回数「NM AX」を適切に設定することにより、着火器 103による原料への着火ミスを少なくできるとともに、着火ミス以外の燃焼器 5の異常に迅速に対応できる。また、着火器 103の作動が OFFされた後、フレームロッド 102による検知動作がなされているので、フレームロッド 102において着火器 103の作動 (スパーク放電)ノイズを拾うことが無くなり、このようなノイズに弱いフレームロッド 102については有益である。

[0059] 次に、図 4の着火シーケンスの内容について説明する。なお、以下の説明は、図 3 の着火シーケンスと異なる内容に限定する。

[0060] 図 3の着火シーケンスでは、フレームロッド 102の出力力燃焼器 5の燃焼判定の閾値に相当する「設定値」を超えている力否かの判定 (ステップ S310)に先立って、ステップ S309にお!/、て、着火器 103の作動が OFFされて!/ヽる。

[0061] しかし、着火器 103の作動ノイズ耐性に優れたフレームロッド 102を使用する場合には、図 4の着火シーケンスのステップ S409に示すように、着火器 103の作動 ON 中に、フレームロッド 102の検知動作を実行してもよぐその後、ステップ S410において着火器 103の作動を OFFしてもよ!、。

[0062] なお、図 4の着火シーケンスの変形例として、フローチャートを用いた説明は省略する力ステップ S410における着火器 103の作動 OFF動作、及びステップ S411における原料供給停止動作を省き、着火トライの繰り返し期間中、着火器 103の作動 ON 状態及び原料供給器 3による原料供給を継続させ続けてもよい。この場合、 2回目以降の着火トライにおいては、ステップ 405の着火器の作動 ON動作も省略できる。よつて、ここでは、上限着火回数「NMAX」は、正確には、ステップ S403〜ステップ S41

2間の上限反複回数「NMAX」となる。

[0063] 次に、本実施の形態の水素生成装置 100等における特徴的な動作である、脱硫器

4の交換を考慮した場合の燃焼器 5の着火シーケンスについて述べる。

[0064] 脱硫器 4の交換をしない場合には、図 3および図 4の着火シーケンスに何等の支障も発生しないが、脱硫器 4の交換をする場合、事情が異なる。

[0065] まず、脱硫器 4の交換をした場合に、図 3および図 4の着火シーケンスを用いる際の不都合について図面を参照しながら詳しく説明する。

[0066] 図 5は、着火器による着火動作の際のフレームロッド出力の経時変化の一測定例を示した図である。なお、ここでは、着火器 103による着火動作は継続的になされているものと仮定する。

[0067] 図 5の横軸に、着火器 103による着火動作の開始時力も経過時間をとり、縦軸にフレームロッド出力をとつて、両者の関係が、脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作における着火動作の場合 (点線)とそうでな!、通常の燃焼動作における着火動作の場合 ( 破線）とについて示されている。但し、フレームロッド出力には、その上限値「5 (— )」が設定されている。

[0068] 燃焼空間 52において原料の燃焼が検知されると (つまり、原料への着火が検知されると）、フレームロッド出力は「0」よりも大きくなる。また、フレームロッド出力「1 (一）」以上であれば、燃焼空間 52において原料の燃焼が安定的になされていると考えられる。

[0069] 図 5に示すように、脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作における着火動作の場合（点線）とそうでな!、通常の燃焼動作における着火動作の場合 (破線)では、フレームロッド出力が「1 (一）」を超えるタイミングにずれが生じることが分かる。つまり、通常の燃焼動作における着火動作と比較して、脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作における着火動作では、フレームロッド出力が「1 (一）」を超えるタイミングに到達するまでには長い時間を要している。脱硫器 4の交換後の原料に曝されていない脱硫剤は、高い吸着能力を保有しているので、最初の原料通流時には、原料中の硫黄化合物の他、原料自体も一部、吸着される。よって、燃焼空間 52に供給される原料量の低下が招かれ、燃焼空間 52において原料と燃焼空気との混合気が燃焼範囲に入るまでの時間（つまり、フレームロッド出力が「1 (一）」を超えるタイミングに到達するまでの時間）が長くなると考えられる。

[0070] そこで、図 5の横軸の経過時間と縦軸のフレームロッド出力の測定値に基づいて、着火器 103の作動を ON— OFFする場合の上限着火回数「NMAX」を、以下の如く見積ちることができる。

[0071] 図 5の実線で示した通常の燃焼動作のおける着火動作の場合、原料供給器 3から排出された原料が燃焼器 5に到達するには若干の時間ロスがあるので、着火動作の開始と連動して、フレームロッド出力が直ぐに立ち上がらないが、燃焼器 5の原料燃焼は、着火動作の開始力も短時間で安定になっている。よって、この場合、第 1回目の着火トライにより、フレームロッド出力が「1 (一）」を超えると予測される。このため、上限着火回数「NMAX」を、「5回」程度に設定すれば、燃焼器 5の原料燃焼は支障なく安定ィ匕すると期待できる。

[0072] 一方、図 5の破線で示した脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作における着火動作の場合、上述の理由により、燃焼器 5の原料燃焼は、着火動作の開始時から約 5分経過した後に安定になっている。よって、この場合、第 10回目の着火トライにより、フレームロッド出力が「1 (—)」を超えると予測される。このため、上限着火回数「NMA X」を、「15回」程度に設定すれば、燃焼器 5の原料燃焼は支障なく安定ィ匕すると期待できる。

[0073] ここで、図 3および図 4の着火シーケンスにおいて、上限着火回数「NMAX」を「15 回」に設定すれば、通常の燃焼動作における着火動作の場合にも脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作における着火動作の場合にも、燃焼器 5の原料燃焼を支障なく行える。しかし、通常の燃焼動作における着火動作の場合、第 1回目の着火トライで燃焼器 5の原料燃焼を安定ィ匕できるにも拘らず、上限着火回数「NMAX」を「15回」に設定することは、原料着火ミス以外の燃焼器 5の異常の察知を遅らせかねない。そして、このことが、当該異常に対する迅速な対応を妨げ、ひいては、水素生成装置 100 等の適切な復帰を阻害する場合がある。

[0074] よって、本実施の形態では、図 6および図 8の着火シーケンスに示す如ぐ脱硫器 4 の交換後初めての燃焼動作での着火動作において、上述の脱硫器 4による原料吸着の事態を想定して、上限着火回数「NMAX」が「5回」から「15回」に変更されて!、る。

[0075] 図 6は、脱硫器交換を考慮した場合の燃焼器の着火シーケンスの一例を示したフロ一チャートである。図 7は、図 6の着火シーケンスにおける変更指示取得器の操作画面の一例である交換信号取得器を示した図である。

[0076] 図 8は、脱硫器交換を考慮した場合の燃焼器の着火シーケンスの他の例を示したフローチャートである。図 ₉は、図 8の着火シーケンスにおける変更指示取得器の操作画面の一例を示した図である。

[0077] まず、図 6の着火シーケンスの内容について説明する。但し、図 6のステップ S605

〜ステップ S617の動作は、図 3のステップ S301〜ステップ S313と同じなので、ここでは、これらの動作説明は省略する。

[0078] 当該着火シーケンスでは、制御器 8の内部メモリーに保存された制御プログラム力制御器 8の CPUに読み込まれる。そして、この制御プログラムにより制御される CPU

1S 水素生成装置 100等の各種機器を制御しながら、以下の処理を実行する。

[0079] なお、交換信号取得器は、図 7に示されたタツチパネル式の操作画面であり、作業者による操作画面の画面タツチ操作により入力された信号に基づき、以下の処理が実行できる。

[0080] また、ここでは、通常の燃焼動作における着火動作を標準動作と見做して、上限着火回数「NMAX」の初期値は、「5回」に設定されている。作業者は、脱硫器 4の交換作業に入る場合には、例えば、図 7 (a)の「サブメニュー」のタツチ操作および図 7 (b) の「脱硫器」のタツチ操作を行ヽ、図 7 (c)に示される操作画面の「交換」のタツチ操作を行い、そして、脱硫器 4の交換作業完了の後、図 7 (d)に示される操作画面の「確認」のタツチ操作を行う。すると、脱硫器交換信号が「ON」であることが制御器 8内部のメモリーに記憶される。その後、作業者の操作画面を介した操作により水素生成装置もしくはこれを備える燃料電池システムの起動指令が入力されると、まず、脱硫器交換信号が ONおよび OFFの何れであるかが判定される（ステップ S601)。

ステップ S601において脱硫器交換信号が ONである場合、この ON信号力脱硫器交換後初めての燃焼動作に対応する上限着火回数に変更する変更指示信号として制御器 8の CPUに入力される。

ステップ S601において脱硫器交換信号が ONである場合、制御器 8の CPUは、この脱硫器交換 ON信号に基づヽて、上限着火回数「NMAX」を「5回」から脱硫器交換後初めての燃焼動作に対応する上限着火回数「15回」に上げる (ステップ S602) 。すると、脱硫器交換信号が OFFとなり（ステップ S604)、制御器 8の CPUは、ステツプ S605以降の動作を実行する。

[0081] この操作により、次回以降の起動動作は、ステップ S601において脱硫器交換信号力 SOFFと判断され、制御器 8の CPUは、上限着火回数「NMAX」を通常の燃焼動作に対応する上限着火回数「5回」にして (ステップ S603)、ステップ S605以降の動作を実行する。

[0082] なお、上述のとおり、制御器 8の CPUは、ステップ S601において交換信号取得器より取得された脱硫器交換 ON信号に基づいて、ステップ S602の如ぐ「着火確認時間」の上限に相当する上限着火回数「NMAX」を通常の燃焼動作における上限着火回数よりも多い回数に変更している。よって、本処理では、当該制御器 8の CPUは、着火確認時間の上限を変更する上限変更器として機能するし、当該交換信号取得器は、この変更の指示に関連する信号を取得する変更指示取得器 101として機能する。

[0083] 次に、図 8の着火シーケンスの内容について説明する。但し、図 8のステップ S805 〜ステップ S817の動作は、図 3のステップ S301〜ステップ S313と同じなので、ここでは、これらの動作説明は省略する。 [0084] 当該着火シーケンスでは、制御器 8の内部メモリーに保存された制御プログラム力制御器 8の CPUに読み込まれる。そして、この制御プログラムにより制御される CPU 1S 水素生成装置 100等の各種機器を制御しながら、以下の処理を実行する。

[0085] なお、変更指示取得器 101は、図 9に示されたタツチパネル式の操作画面であり、作業者による操作画面の画面タツチ操作により入力された信号に基づき、以下の処理を実行できる。

[0086] なお、ここでは、通常の燃焼動作における着火動作を標準動作と見做して、上限着火回数「NMAX」の初期値は、「5回」に設定されている。

[0087] 例えば、作業者は、図 9 (a)の「サブメニュー」のタツチ操作および図 9 (b)の「着火回数上限設定」のタツチ操作を行ヽ、図 9 (c)に示される操作画面の「脱硫器交換後運転」のタツチ操作を行い、そして、脱硫器 4の交換作業完了の後、図 9 (d)に示される操作画面の「確認」のタツチ操作を行う。すると、運転シーケンスが「脱硫器交換後運転」であることが制御器 8内のメモリーに記憶される。その後、作業者の操作画面を介した操作により水素生成装置もしくはこれを備える燃料電池システムの起動指令が入力されると、まず、運転シーケンスが脱硫器交換後運転および通常運転の何れであるかが判定される（ステップ S801)。

ステップ S801におヽて運転シーケンスが脱硫器交換後運転である場合、この「脱硫器交換後運転」であることを示す信号が、脱硫器交換後初めての燃焼動作に対応する上限着火回数に変更する変更指示信号として、制御器 8の CPUに入力される。また、ステップ S801において運転シーケンスが脱硫器交換後運転である場合、制御器 8の CPUは、上記変更指示信号に基づいて、上限着火回数「NMAX」を「5回」力も脱硫器交換後初めての燃焼動作に対応する上限着火回数「15回」に上げる (ステツプ S802)。そして、制御器 8の CPUは、ステップ S805以降の動作を実行する。

[0088] 一方、脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作を含む水素生成装置等の運転が完了すると、作業者は、図 9 (c)に示される操作画面の「通常運転」のタツチ操作を行う。すると、ステップ S801において運転シーケンスが「通常運転」となり、次回以降の起動動作では、ステップ S801において、制御器 8の CPUは、上限着火回数「NMAX」を通常の燃焼動作に対応する上限着火回数「5回」に戻して (ステップ S803)、ステップ S805以降の動作を実行する。

[0089] なお、上述のとおり、制御器 8の CPUは、ステップ S801において変更指示取得器 101より取得された変更指示信号に基づいて、ステップ S802の如ぐ「着火確認時間」の上限に相当する上限着火回数「NMAX」を変更している。よって、本処理では、当該制御器 8の CPUは、着火確認時間の上限を変更する上限変更器として機能する。

[0090] 以上に述べたように、本実施の形態の水素生成装置 100等は、着火器 103の上限着火回数「NMAX」を変更する上限変更器と、この変更の指示に関連する信号を取得する変更指示取得器 101とを備える。具体的には、本実施の形態では、作業者により「脱硫器交換後運転」が選択され、変更指示取得器 101が、脱硫器交換後初めての燃焼動作に対応する上限着火回数に変更する変更指示信号を取得した場合、上限変更器としての制御器 8の CPUが上限着火回数「NMAX」を「5回」から「15回」に上げるように構成されて、る。

[0091] これにより、吸着型脱硫器を通した原料を用いて燃焼器 5の燃焼開始がなされる水素生成装置 100等において、脱硫器 4の交換後の起動動作においても燃焼不良と誤判定することなく適切に燃焼動作を開始することができる。

[0092] つまり、脱硫器 4の交換後の原料に曝されていない脱硫剤は、高い吸着能力を保有しているので、最初の原料通流時には、原料中の硫黄化合物の他、原料自体も一部、吸着される。よって、燃焼空間 52に供給される原料量の低下が招かれ、燃焼空間 52での原料と燃焼空気との混合気が燃焼範囲に入るまでの時間（つまり、フレームロッド出力が「1 (一）」を超えるタイミングに到達するまでの時間）が長くなると考えられる。このため、脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作での着火動作において、上限着火回数「NMAX」を、「15回」程度に充分多めにとれば、燃焼器 5の原料燃焼は支障なく安定ィ匕すると期待できる。一方、通常の燃焼動作での着火動作において、上限着火回数「NMAX」を「5回」程度に抑えて設定すれば、原料着火ミス以外の燃焼器 5の異常の迅速な察知を可能にする。これにより、当該異常に対する復帰動作など適切な対応を迅速に取ることができる。

[0093] なお、脱硫器 4中の脱硫剤の原料吸着量は、脱硫剤の種類や、脱硫器 4に充填する脱硫剤の量により依存する。また、原料供給器 3から燃焼器 5への原料到達時間やフレームロッド出力が「1 (一）」を超えるタイミングも、水素生成装置 100等の装置構成に依存して相違する。このため、上限着火回数「NMAX」の具体的な数値やタイマー時間などを、装置ごとに適宜設定する必要がある。

(変形例 1)

図 10は、燃焼器の着火シーケンスの一変形例を示したフローチャートである。本実施の形態の水素生成装置 100等では、着火器 103の上限着火回数「NMAX 」を変更する例を述べた。これに代えて、図 10に示す如ぐ脱硫器 4を通過し、燃焼器 5へ供給される原料に対して着火器 103が動作している時間 (ステップ S1011からステップ S1013までの時間）である、ステップ S1012のタイマー時間「Y秒」を変更してもよい。なお、ここでは、通常の燃焼動作における着火動作を標準動作と見做して、上限着火回数「ΝΜΑΧ」の値は、「5回」に設定され、タイマー時間「Υ秒」の初期値は、「20秒」に設定されている。

図 10によれば、脱硫器交換時に作業者により図 7 (c)の操作がなされた後、水素生成装置もしくはこれを備える燃料電池システムの起動指令が入力され、ステップ S10 01において脱硫器交換信号が ONとなった場合、制御器 8の CPUは、この脱硫器交換信号に基づ、て、タイマー時間「Y秒」を「20秒」から「60秒」に上げる（ステップ S 1 002)。

[0094] 一方、ステップ S1002でタイマー時間が変更された後、脱硫器交換信号は OFFされるので、次回以降の起動動作では、ステップ S 1001において脱硫器交換信号が OFFと判断され、制御器 8の CPUは、タイマー時間「Y秒」を「20秒」にして (ステップ S1003)、ステップ S 1005以降の動作を実行する。

[0095] これにより、吸着型脱硫器 4を通した原料を用いて燃焼器 5の燃焼開始がなされる水素生成装置 100等において、脱硫器 4の交換後初めての起動動作においても燃焼不良と誤判定することなく適切に燃焼動作を開始することができる。

つまり、脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作での着火動作において、脱硫器 4内を通過し、燃焼器 5に供給される原料に対する着火器 103の着火トライ毎の着火動作時間を多くすれば、上限着火回数「ΝΜΑΧ」の回数を増やす場合と同じ効果が発揮される。なお、この場合、着火器 103の「着火確認時間」の上限として、タイマー時間「Y秒」に、上限着火回数「ΝΜΑΧ」を乗じた数値が採用される。

(変形例 2)

図 11は、燃焼器の着火シーケンスの他の一変形例を示したフローチャートである。本実施の形態の水素生成装置 100等では、着火器 103の上限着火回数「ΝΜΑΧ 」を変更する例を述べた。これに代えて、図 11に示す如ぐ上限着火回数「ΝΜΑΧ」を変更するとともに、脱硫器 4を通過し、燃焼器 5へ供給される原料に対して着火器 1 03が動作して!/、る時間（ステップ SI 113からステップ SI 115までの時間）であるステップ S 1114のタイマー時間「Υ秒」を変更してもよい。なお、ここでは、通常の燃焼動作での着火動作を標準動作と見做して、上限着火回数「ΝΜΑΧ」の初期値は、「5回」に設定され、タイマー時間「Υ秒」の初期値は、「20秒」に設定されて!、る。

図 11によれば、脱硫器交換時に作業者により図 7 (c)の操作がなされた後、水素生成装置もしくはこれを備える燃料電池システムの起動指令が入力され、ステップ S11 01において脱硫器交換信号が ONとなった場合、制御器 8の CPUは、この脱硫器交換信号に基づいて、タイマー時間「Y秒」を「20秒」から「30秒」に上げ、かつ、上限着火回数「ΝΜΑΧ」を「5回」から「10回」に上げる（ステップ S1102、 S1103)。

[0096] 一方、ステップ SI 102でタイマー時間及び上限着火回数が変更された後、脱硫器交換信号は OFFされるので、次回以降の起動動作では、ステップ S1101において脱硫器交換信号が OFFと判断され、制御器 8の CPUは、タイマー時間「Y秒」を「20 秒」、かつ、上限着火回数「ΝΜΑΧ」を「5回」にして（ステップ S1104、 S1105)、ステツプ SI 105以降の動作を実行する。

[0097] これにより、吸着型脱硫器 4を通した原料を用いて燃焼器 5の燃焼開始がなされる水素生成装置 100等において、脱硫器 4の交換後初めての起動動作においても燃焼不良と誤判定することなく適切に燃焼動作を開始することができる。

つまり、脱硫器 4の交換後初めての燃焼動作での着火動作において、脱硫器 4内を通過し、燃焼器 5に供給される原料に対する着火器 103の着火トライ毎の着火動作時間を多くするとともに、上限着火回数「NMAX」の回数を増やすことにより、上述の効果が発揮される。なお、この場合、着火器 103の「着火確認時間」の上限として、タイマー時間「Y秒」に、上限着火回数「ΝΜΑΧ」を乗じた数値が採用される。

(変形例 3)

上述の実施の形態では、交換信号取得器として、タツチパネル式の操作画面を例示した。しかし、このようなタツチパネルによる脱硫器 4の交換信号取得は飽くまで一例に過ぎない。本変形例では、例えば、交換信号取得器として、脱硫器 4の交換を機械的な接点スィッチで検知するセンサであってもよい。また、 ICタグや ICタグリーダ等を用いて脱硫器 4が交換されたことを検出する方式であってもよヽ。

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ぐその構造及び Ζ又は機能の詳細を実質的に変更できる。

産業上の利用可能性

本発明の水素生成装置は、脱硫器の交換後の起動動作においても燃焼不良と誤判定することなく脱硫器を通過した原料を用いた燃焼動作を適切に開始することが可能になる、例えば、この水素生成装置を備えた家庭用燃料電池コージエネシステム等として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器と、

原料から水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、

前記改質器を加熱する燃焼器と、

前記燃焼器にぉヽて前記原料への着火を起こす着火器と、を備え、

前記脱硫器を通過した前記原料を用いて前記燃焼器の燃焼を開始するよう構成された水素生成装置であって、

前記着火器の着火確認時間の上限を変更する上限変更器と、前記変更の指示に関連する信号を取得する変更指示取得器とを備えることを特徴とする水素生成装置

[2] 前記変更指示取得器が、前記脱硫器の交換に関連する信号を取得する交換信号取得器であり、前記交換信号取得器により前記脱硫器の交換に関連する信号が取得された場合、前記上限変更器が前記着火確認時間の上限を上げることを特徴とする請求項 1記載の水素生成装置。

[3] 請求項 1または 2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ことを特徴とする燃料電池システム。

[4] 原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器と、

前記脱硫器を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、

前記改質器を加熱する燃焼器と、

前記脱硫器を通過した前記原料を用いて前記燃焼器の燃焼を開始するよう構成された水素生成装置の運転方法であって、

前記脱硫器の交換後に、前記着火器の着火確認時間の上限を上げるとともに、前記上げられた着火確認時間の上限に基づき前記着火器の着火動作を行うことを特徴とする水素生成装置の運転方法。

[5] 原料中の硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を有する脱硫器と、前記脱硫器を通過した原料から水素含有ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器において前記原料への着火を起こす着火器と、を備え、前記脱硫器を通過した前記原料を用いて前記燃焼器の燃焼を開始するよう構成された水素生成装置と、

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を行う燃料電池と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、

前記脱硫器の交換後に、前記着火器の着火確認時間の上限を上げるとともに、前記上げられた着火確認時間の上限に基づき前記着火器の着火動作を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。