(57)【要約】【課題】水素生成装置の温度検知器を水素生成装置に取り付ける場合に、温度検知器が水素生成装置に固着しないようにする。【解決手段】加熱部により加熱される触媒を内部に有する改質器１７と、前記触媒の温度を検知するとともに位置規定部１９を有している温度検知器１８とを有している水素生成装置１であって、温度検知器１８の位置規定部１９が、改質器１７の外周に設けられ弾性を有する付勢部２０によりが弾性的に付勢されることにより、温度検知器１８を改質器１７に容易に取り付け及び取外しすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱部により加熱される触媒を内部に有する改質器と、
前記触媒の温度を検知するとともに位置規定部を有している温度検知器と、
前記改質器の外周に設けられ前記温度検知器を挿入方向に弾性的に付勢させる付勢部と、
を有し、
前記温度検知器は、前記位置規定部が前記付勢部に弾性的に付勢されて、前記改質器に取り付けられる、
水素生成装置。
【請求項２】
前記改質器の外周には凹部が形成され、
前記温度検知器は、前記改質器の前記凹部に挿入された後に回転することで前記位置規定部が前記付勢部に付勢されて、前記改質器に固定される、
請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
前記改質器の外周を覆うとともに、前記温度検知器を前記改質器に取り付けるための穴部を有している第１の断熱部材を有し、
前記位置規定部は、前記温度検知器の挿入方向と略直角方向に形成される被規定部と、前記被規定部の終端部から挿入方向と略同一方向に延出する回転抑制部と、を有し、
前記温度検知器は、前記穴部から前記改質器の前記凹部に挿入され、その後に回転されて前記被規定部が前記付勢部に付勢されるように構成されている、
請求項２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記穴部を埋めるための第２の断熱部材を有し、
前記温度検知器は、前記穴部から前記改質器の前記凹部に挿入され、その後に回転されて前記被規定部が前記付勢部に付勢され、その後に前記穴部に前記第２の断熱部材が埋められるように構成されている、
請求項３に記載の水素生成装置。
【請求項５】
前記改質器の外周に突出して形成され、前記位置規定部と当接する突出部を有している、
請求項２〜４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項６】
前記被規定部は、前記改質器の前記凹部に挿入された状態で前記付勢部と隙間をあけるための傾斜部が形成されている、
請求項２〜５のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項７】
前記付勢部は、前記改質器の外周に複数形成されており、前記温度検知器が前記改質器の前記凹部に挿入された状態で前記位置規定部を複数個所で付勢する、
請求項２〜６のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素生成装置を備えている燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素を含む原料ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置、及び、この水素生成装置を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型装置でエネルギー効率が高い発電及び給湯を可能とする燃料電池は、分散型エネルギー供給源の発電システムとして開発が進められている。しかしながら、発電時の燃料となる水素ガス又は水素含有ガスは、一般的なインフラとして整備されていない。そこで、例えば、炭化水素を含む都市ガス、プロパンガス等の既存の化石燃料インフラなどから供給される原料を利用し、それらの原料と水との改質反応により水素含有ガスを生成させる水素生成装置が併設される。
【０００３】
その水素生成装置は、原料と水蒸気とを改質反応させ、水素含有ガスを生成させる改質部を備える。また、水素生成装置は、一般的に、改質反応後の水素含有ガス中の一酸化炭素を低減させるために、改質反応後の水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを水性ガスシフト反応させる変成部と、水性ガスシフト反応後の水素含有ガス中の一酸化炭素を選択的に二酸化炭素に酸化させる選択酸化部と、を含む一酸化炭素低減部を有している。それらの反応部には、各反応に適した触媒、例えば、改質部にはＲｕ触媒やＮｉ触媒、変成部にはＣｕ−Ｚｎ触媒、選択酸化部にはＲｕ触媒等が用いられる。また、燃料電池システムを家庭用途で使用する場合、家庭の電力負荷に対応して、家庭の電化機器があまり使われない負荷が小さい夜間ではシステムを停止し、朝に起動させるなどの起動停止運転を行うことが、高いエネルギー効率を得るための望ましい運転方法となる。
【０００４】
従来のこの種の水素生成装置は、各反応部には適した温度があり各触媒の温度を検出する温度検出器を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図７は、特許文献１に記載された従来の内燃機関の燃焼状態を測定するガスセンサを示す概略図である。図７に示すようにガスセンサ１０１、ねじ部１０２、ナット部１０３、外筒１０４から構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２２８１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の構成では、ガスセンサ１０１の固定には、ねじ部１０２を介して固定されることが多い。この構成を用いて水素生成装置の温度センサを固定した場合、水素生成装置の触媒反応に適した温度が高温（１５０〜６５０℃）であるため、ねじ部１０２がナット部１０３に固着してしまい温度検出器１０１をサービスメンテ時に取り外したいときに、温度検出器１０１が取り外せず交換ができなくなる場合があった。その結果、温度検出器１０１が取り外せないという理由で水素生成装置全体を交換しなければならない場合がある、という課題を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温度検出器を容易に取り付け及び取外しできる水素生成装置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】
上記従来の課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、加熱部により加熱される触媒を内部に有する改質器と、触媒の温度を検知するとともに位置規定部を有している温度検知器と、改質器の外周に設けられ温度検知器を挿入方向に弾性的に付勢させる付勢部と、を有し、温度検知器は、位置規定部が付勢部に弾性的に付勢されて、改質器に取り付けられているものである。これにより高温下にて使用される温度検知部を容易に取付け及び取外しすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水素生成装置は、高温下にて使用さる温度検知部を容易に取り付け及び取外しすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１における温度検知器の取付状態の側面断面図
【図３】（ａ）同温度検知器の取付状態の側面断面図、（ｂ）同温度検知器を９０度回転させて固定させた状態の正面図、（ｃ）同温度検知器の取付状態の正面図
【図４】同温度検知器の取付状態図
【図５】同温度検知器の取付状態の詳細図
【図６】本発明の実施の形態１における燃料電池の概略図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態２における温度検知器の取付状態の側面断面図、（ｂ）同温度検知器を正面図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態２の温度検知器を９０度回転させて固定させた状態の断面図、（ｂ）同温度検知器を９０度回転させて固定させた状態の正面図
【図９】本発明の実施の形態３における温度検知器の取付状態図
【図１０】従来の温度検知部の取付詳細図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、加熱部により加熱される触媒を内部に有する改質器と、触媒の温度を検知するとともに位置規定部を有している温度検知器と、改質器の外周に設けられ温度検知器を挿入方向に弾性的に付勢させる付勢部と、を有し、温度検知器は、位置規定部が付勢部に弾性的に付勢されて、改質器に取り付けられる、水素生成装置である。これにより、温度検知器を容易に取付することができる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、特に、温度検知器は、改質器の凹部に挿入された後に回転することで位置規定部が前記付勢部に付勢されて、改質器に固定されるので、取付の確実性を向上することができる。
【００１４】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、特に、改質器の外周を覆うとともに、温度検知器を改質器に取り付けるための穴部を有している第１の断熱部材を有し、位置規定部は、温度検知器の挿入方向と略直角方向に形成される被規定部と、被規定部の終端部から挿入方向と略同一方向に延出する回転抑制部と、を有し、温度検知器は、穴部から改質器の凹部に挿入され、その後に回転されて被規定部が付勢部に付勢される。これにより、取付の確実性を向上することができる。
【００１５】
第４の発明は、第１から第３において、特に、穴部を埋めるための第２の断熱部材を有し、温度検知器は、穴部から改質器の凹部に挿入され、その後に回転されて被規定部が付勢部に付勢され、その後に穴部に第２の断熱部材が埋められるように構成されている。これにより、回転抑制部が回転を規制され、温度検知器の不用意な外れを防止することができる。
【００１６】
第５の発明は、第１から第４において、特に、改質器の外周に突出して形成され、位置規定部と当接する突出部を有していることで、温度検知器の挿入方向の取付位置精度を向上することができる。
【００１７】
第６の発明は、第１から第５において、特に、被規定部は、改質器の凹部に挿入された状態で付勢部と隙間をあけるための傾斜部が形成されている、これにより、取付の確実性を向上することができる。
【００１８】
第７の発明は、第１から第６において、特に、付勢部は、改質器の外周に複数形成されている。これにより、温度検知器を容易に取付することができる。
【００１９】
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のみ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。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における水素生成装置の概略構成図である。図２は、実施の形態１における温度検知器の取付詳細図である。図３から図５は、実施の形態１における温度検知器の取付状態図である。
【００２１】
図１に示すように、水素生成装置１は略円筒状の多重筒構成で三層構造になっている。燃料用ガスを燃焼する加熱部を内部に有している加熱筒２が、水素生成装置１の最も内側に配置されている。加熱筒２より径が大きい内筒４と内筒４より径が大きい外筒３とが、加熱筒２を中心、同心状に間隔をおいて配置されている。つまり、加熱筒２の外側に内筒４、さらに内筒４の外側に外筒３が配置されている。内筒４は、加熱筒２との空間と、外筒３との空間と、において、途中で反対方向（図１では下方から上方）に折り返すガスの流路が形成されている。
【００２２】
また、内筒４のガス折り返し部３７（図１では下方）の反対側（図１では上方）の水素生成装置１の外側面に、外部のガス配管に接続するとともに原料ガスを内筒４に供給する原料供給部５と外部の水道管に接続するとともに水素生成装置１に水を供給する水供給部６とが接続している。
【００２３】
このように、原料供給部５から供給された原料ガスは、加熱筒２と内筒４との間をガス折り返し部３７に向かって流れ、ガス折り返し部３７において流れる方向が反転し、内筒４と外筒３との間を水素ガス供給経路２４に向かって流れる。
【００２４】
また、水素生成装置１は、内筒４と加熱筒２との間の空間でガス折り返し部３７近傍に保持される改質部７を有している。改質部７は、原料供給部５から供給される原料ガスと水蒸気とを改質反応させて、改質ガスを生成する改質部触媒７ａを有している。
【００２５】
さらに、水素生成装置１は、内筒４と外筒３との間の空間に保持され、改質部７より下流に配置される変成部８を有している。変成部８は、改質部７で生成された改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と水性ガスシフト反応させて二酸化炭素にすることにより、一酸化炭素を低減する変成触媒９を有している。また、水素生成装置１は、内筒４と外筒３との間で変成部８より下流に保持されている選択酸化部１０を有している。選択酸化部１０は、変成部８における水性ガスシフト反応により低減した一酸化炭素をさらに低減させるため
に、水性ガスシフト反応後の水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的に酸素と反応させて二酸化炭素に変える。
【００２６】
このように、改質部７と変成部８と選択酸化部１０とは、上述の通り、外周方向に重ならないように位置している。
【００２７】
改質部触媒７ａはＲｕ系の触媒で、変成触媒９はＣｕ−Ｚｎ系の触媒で、選択酸化触媒１１はＲｕ系の触媒である。
【００２８】
また、水素生成装置１は、加熱筒２の内部に改質部７における改質反応に必要な反応熱を供給する燃焼部１４を備えている。燃焼部１４は、供給された燃焼用ガスを供給された空気で燃焼させて改質部７、変成部８、及び選択酸化部１０を加熱するバーナーである。また、燃焼部１４は、燃焼部１４の燃焼状態を検知するフレームロッドである燃焼検出部１５を下端に有し、燃焼部１４に燃料用空気を供給する燃焼ファン１６を有している。燃焼部１４で燃焼させる燃焼ガスは、燃焼ガス供給経路（図示せず）を介して燃焼部１４に供給される。
【００２９】
図２に示すように、温度検知器１８は検知部１８ａと位置規定部１９とを有しており、表面が金属製である。改質器１７の外周には付勢部２０が形成されている。付勢部２０はバネ性を利用した弾性を有している。温度検知器１８を改質器１７の凹部３８に挿入すると位置規定部１９は付勢部２０の弾性を利用して付勢されて改質器１７に取付られる。
【００３０】
また、図３に示すように、温度検知器１８の被規定部１９ａの一辺が付勢部２０に接触しない長さに構成されている。図３（ｃ）に示すように温度検知器１８を被規定部１９ａの一辺が付勢部２０に接触しない方向で挿入し、その後、回転することにより図３（ｂ）に示すように被規定部１９ａが付勢部２０に付勢されて改質器１７に取付られる。
【００３１】
また、図４及び図５に示すように温度検知器１８の位置規定部１９は、温度検知器１８の挿入方向と略直角に形成される被規定部１９ａと、被規定部１９ａの終端部から挿入方向とほぼ同一方向に延出する回転抑制部１９ｂと、を有している。温度検知器１８は第１の断熱部材２１の穴部２１ａから改質器１７の凹部３８へ挿入されて、その後、温度検知器１８は回転されて被規定部１９ａが付勢部２０に付勢される。次に、穴部２１ａに第２の断熱部材２２が埋められる。第２の断熱部材２２は穴部２１ａよりわずかに小さく形成されている。これにより、図５に示すように、回転抑制部１９ｂの一辺が第２の断熱部材２２の一辺と接するようになり回転抑制部１９ｂが回転が規制されて抑制される。これにより、温度検知器１８が不用意に所定の位置から外れてしまうことを防止できる。尚、回転抑制部１９ｂは、長い方が回転を規制するのに好ましいので、長手方向が被規定部１９ａの長手方向より長く形成されていることが好ましい。
【００３２】
また、改質器１７の外周で温度検知器１８が挿入される穴部の周囲に突出部２３を形成する。温度検知器１８を挿入すれば被規定部１９ａが突出部２３に当接して、被規定部１９ａが突出部２３と付勢部２０に挟まれて固定される。これにより、温度検知器１８と改質器１７の穴部の外周との間に隙間を確実に形成することができ、温度検知器１８の挿入方向での取付け精度が向上される。なお、突出部２３は、温度検知器１８の被規定部１９ａに形成することも可能である。
【００３３】
なお、サービスメンテ時には、第２の断熱部材２２を外し、温度検知器１８を回転させ、被規定部１９ａを付勢部２０から解除させる。次に、温度検知器１８を挿入方向と逆方向に引き抜くと改質器１７から取り外すことができる。
【００３４】
また、図６に示すように、燃料電池システム３１において、この温度検知器１８が固定された水素生成装置１を燃料電池システムに用いることができる。空気供給ブロック３５は、フィルタが内蔵されている空気フィルタと、酸化剤である酸素を含む空気を燃料電池ブロック３２内の燃料電池スタックに供給する空気供給手段と、空気フィルタと空気供給手段とを接続する配管と、空気フィルタと空気供給手段とを上面に搭載する空気供給ブロック棚板とを有している。さらに、凝縮水タンクブロック３４は、燃料電池ブロック３２内の燃料電池スタックより排出された空気及び燃料ガスの両方の気体中に含まれる水蒸気を凝縮して水分を分離する凝縮水タンクブロック３４とその関連の部品とを有している。燃料電池ブロック３２は、水素生成装置１により生成された水素リッチなガスと空気供給手段により供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学的反応により、発電を行う燃料電池スタックとその関連の部品とを有している。冷却水タンクブロック３６は、燃料電池スタックの発電時に発生する熱を吸収し、燃料電池スタックを所定の温度に維持するための冷却水を供給する冷却水タンクとその関連の部品とを有している。電力変換ブロック３３は、燃料電池スタックで発生する直流の電力を商用電圧・周波数の交流の電力に変換するインバータとその関連の部品と、を有している。
【００３５】
以上のように構成された水素生成装置１について、図１及び図６を用いて、起動動作、通常時の運転動作、及び停止動作をして説明する。
【００３６】
停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、運転制御部（図示せず）からの指令により、ヒータ１２に通電して、変成触媒９の温度を検知する変成温度検知器２５と選択酸化触媒１１の温度を検知する選択酸化検知器２６とで検知される温度に基づいて、変成部８、選択酸化部１０の加熱を行う。変成温度検知器２５および選択酸化検知器２６が所定の温度になったことを検知した後に、都市ガスやＬＰガスなどの原料を燃焼部１４に供給し、燃焼部１４で原料に着火して水素生成装置１の加熱を開始する。
【００３７】
燃焼部１４での加熱開始後に、原料供給部５を通して水素生成装置１に原料を供給するとともに、水供給部６から水素生成装置１に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給部６からの水の供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）で３程度）。
【００３８】
水素生成装置１では、改質部７で水蒸気改質反応、変成部８で水性ガスシフト反応、選択酸化部１０で一酸化炭素の選択酸化反応が行われる。これら３種類の反応後に生成した水素含有ガスは、一酸化炭素濃度が所定濃度以下（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）に低減されるまで、燃料電池ブロック３２内の燃料電池スタックには供給されず、封止部（図示せず）を経て燃料電池バイパス経路（図示せず）を通して燃焼部１４に供給される。この時、改質温度検知部（図示せず）で検知される温度に基づいて、改質部７、変成部８、選択酸化部１０が各反応に適した温度になるように、燃焼部１４の燃焼を制御する。
【００３９】
変成部８、選択酸化部１０が反応に適切な温度となり、一酸化炭素濃度が所定濃度以下になるまで低減された後、封止部（図示せず）を動作させて開放する。
【００４０】
水素生成装置１によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路２４を介して、外部に設置される燃料電池等に供給される。また、燃焼部１４で発生させた燃焼排ガスは、図面右上の排出口から、水素生成装置１の外部へ排気される。
【００４１】
装置停止時は、原料と水の供給を停止させ、水素生成装置１内の改質部７、変成部８、選択酸化部１０の各触媒層の温度を低下させる。このとき、燃焼部１４の燃焼を停止させ
る。各触媒層の温度を設定温度まで低下させ後、原料を水素生成装置１に流通させ、水素生成装置１のガス経路内部に滞留する水素含有ガスを原料で置換する動作を行い、適宜水素生成装置１を封止する動作を行う。
【００４２】
（実施の形態２）
図７（ａ）、（ｂ）を用いて、実施の形態２における温度検知器の構成のうち、実施の形態１と異なる構成を説明する。
【００４３】
温度検知器１８の被規定部１９ａの端部に傾斜面１９ｃ（傾斜部）が形成されている。図７（ａ）に示すように、温度検知器１８を水素生成装置１の外周に挿入する。温度検知器１８が水素生成装置１の凹部３８に挿入された状態で回転する時に、被規定部１９ａの傾斜面１９ｃが付勢部２０に接触せずに隙間を有しているため、温度検知器１８が回転しやすくなる。さらに、温度検知器１８の挿入高さが多少変動しても傾斜面１９ｃの一部が付勢部２０に当接すれば回転できて付勢部２０に付勢される。
【００４４】
図８は、図７に示した温度検知器１８を９０度回転させた状態を示している。なお、図８（ａ）、（ｂ）に示す構成により、挿入高さや被規定部１９ａが多少変動しても付勢部２０に付勢されて改質器１７に取付けられる。
【００４５】
（実施の形態３）
また、図９、図４を用いて、実施の形態３における温度検知器の構成について、実施の形態１と異なる構成を説明する。付勢部２０は略くの字２０ａ、凸部２０ｂを有して、凸部２０ｂが中心に向くように２箇所形成されている。温度検知器１８は第１の断熱部材２１の穴部２１ａから改質器１７へ挿入される。温度検知器１８の被規定部１９ａの一辺が付勢部２０の凸部２０ｂに接触する長さに構成される。温度検知器１８を被規定部１９ａの対向辺が凸部２０ｂに接触する方向で挿入することにより被規定部１９ａが凸部２０ｂを押し広げて凸部２０ｂを通過すると被規定部１９ａが凸部２０ｂに両側から挟まれる状態になり改質器１７に取付られる。次に、穴部２１ａに第２の断熱部材２２が埋められる。
【００４６】
なお、サービスメンテ時には、第２の断熱部材２２を外し、温度検知器１８を挿入方向と逆方向に引き抜くと改質器１７から取り外すことができる。
【００４７】
また、付勢部２０は、３箇所以上形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように本発明にかかる水素生成装置は、高温度を検出する温度検出器の取付、取り外しについて有用であるので、家庭用及び業務用の燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１  水素生成装置
２  加熱筒（加熱部）
３  外筒
４  内筒
５  原料供給部
６  水供給部
７  改質部
７ａ  改質部触媒
８  変成部
９  変成触媒
１０  選択酸化部
１１  選択酸化触媒
１２  ヒータ
１４  燃焼部
１５  燃焼検出部
１６  燃焼ファン
１７  改質器
１８  温度検知器
１８ａ  検知部
１９  位置規定部
１９ａ  被規定部
１９ｂ  回転抑制部
２０  付勢部
２１  第１の断熱部材
２１ａ  穴部
２２  第２の断熱部材
２３  突出部
２４  水素ガス供給経路
２５  変成温度検知器
２６  選択酸化検知器
３１  燃料電池システム
３２  燃料電池ブロック
３３  電力変換ブロック
３４  凝縮水タンクブロック
３６  冷却水タンクブロック
３７  ガス折り返し部
３８  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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