(57)【要約】【課題】従来の水素生成装置及び燃料電池システムよりも、火炎検知性を向上する。【解決手段】  水素生成装置１００は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器１と、改質器１を加熱する燃焼器２とを備え、燃焼器２は、燃焼室７に燃料を供給するためのディストリビュータ３と、ディストリビュータ３の外周を覆うように設けられ、燃焼室７に空気を噴出するための複数の孔が設けられた炎孔体５と、ディストリビュータ３内を挿通され、火炎検知と着火を行うための電極６とを備え、電極６の少なくとも一部が、炎孔体５に設けられた複数の孔のうち燃焼室７に対する電極６の延伸方向において最下流の孔よりも下流に配設されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器とを備え、前記燃焼器は、燃焼室に燃料を供給するためのディストリビュータと、前記ディストリビュータの外周を覆うように設けられ、燃焼室に空気を噴出するための複数の孔が設けられた炎孔体と、前記ディストリビュータ内を挿通され、火炎検知と着火を行うための電極とを備え、前記電極の少なくとも一部が、前記炎孔体に設けられた複数の孔のうち前記燃焼室に対する前記電極の延伸方向において最下流の孔よりも下流に配設されている、水素生成装置。
【請求項２】
前記炎孔体は、前記電極の延伸方向において、その最下流端に径方向に広がる鍔部を備え、前記鍔部は、前記炎孔体の最下流端よりも径方向に内伸している、請求項１記載の水素生成装置。
【請求項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、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、改質器を加熱する燃焼器を備える水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を備える水素生成装置がある。改質器は、改質反応に必要な熱を燃焼器より供給される。
【０００３】
ここで、ディストリビュータに着火用電極および火炎検知用電極の双方の機能を有する棒状の電極が挿通された燃焼器により改質器が加熱され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）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２５４５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１記載の水素生成装置では、燃焼器が燃焼しているにも拘わらず、火炎が検知できない場合があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、従来よりも火炎検知性が向上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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記従来の水素生成装置において、火炎が検知できない原因について、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【０００８】
従来の水素生成装置では、燃焼器は、ディストリビュータの周囲に空気を噴出する空気噴出孔が設けられたテーパ状の炎孔体を備えている。燃焼器で形成される火炎は、その形状は一定でなく変化するが、燃焼室への電極の延伸方向において最下流に位置する空気噴出孔よりも下流において火炎が形成される場合もあり、この場合に、火炎が検知されないことに気付いた。
【０００９】
そこで、本発明者は、電極の少なくとも一部を、燃焼室に対する電極の延伸方向において最下流に位置する空気噴出孔よりも下流に配設することで、従来よりも火炎検知性が向上することに想到した。
【００１０】
すなわち、本発明の水素生成装置は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器とを備え、前記燃焼器は、燃焼室に燃料を供給するためのディストリビュータと、前記ディストリビュータの外周を覆うように設けられ、燃焼室に空気を噴出するための複数の孔が設けられた炎孔体と、前記ディストリビュータ内を挿通され、火炎検知と着火を行うための電極とを備え、前記電極に少なくとも一部が、炎孔体に設けられた複数の孔のうち前記燃焼室に対する前記電極の延伸方向において最下流の孔よりも下流に配設されている。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来よりも火炎検知性が向上する水素生成装置及び燃料電池システムを提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１の水素生成装置の概略構成の一例を示す図
【図２】実施の形態１の水素生成装置の燃焼器の概略構成の一例を示す図
【図３】実施の形態１の水素生成装置における燃焼器の電極長さと火炎電流の関係を示す図
【図４】実施の形態１の水素生成装置の燃焼器の着火動作の一例を示すタイムチャート
【図５】実施の形態１の水素生成装置の燃焼器で形成される火炎形状の一例を示す図
【図６】実施の形態２の水素生成装置の燃焼器で形成される火炎形状の一例を示す図
【図７】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図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
実施の形態１の水素生成装置は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器とを備え、燃焼器は、燃焼室に燃料を供給するためのディストリビュータと、ディストリビュータの外周を覆うように設けられ、燃焼室に空気を噴出するための複数の孔が設けられた炎孔体と、ディストリビュータ内を挿通され、火炎検知と着火を行うための電極とを備え、電極の少なくとも一部が、炎孔体に設けられた複数の孔のうち前記燃焼室に対する前記電極の延伸方向において、最下流の孔よりも下流に配設されている。
【００１５】
かかる構成により、従来の水素生成装置よりも、前記燃焼室に対する前記電極の延伸方向において、炎孔体の最下流の孔よりも下流において形成された火炎の検知が容易になるので、燃焼検知性が向上する。
［構成］
図１は、実施の形態１における水素生成装置１００の概略構成の一例を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置１００は、改質器１と、燃焼器２と、ディストリビュータ３と、炎孔体５と、電極６とを備える。
【００１７】
改質器１は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器１内の改質器（図示せず）において、原料が改質反応して、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。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。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、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。
【００１８】
なお、改質器１の下流に改質器１で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減器を設けても構わない。ＣＯ低減器は、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器と、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させるＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。
【００１９】
燃焼器２は、改質器１を加熱する。燃焼器２の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、改質器１より排出される水素含有ガスが用いられる。
【００２０】
ディストリビュータ３は、燃焼室７に燃料を供給する。
【００２１】
炎孔体５は、燃焼室７に空気を噴出するための複数の孔（空気噴出孔）が設けられている。
【００２２】
電極６は、ディストリビュータ３内を挿通され、火炎検知と着火を行う。電極６の少なくとも一部は、炎孔体５に設けられ、燃焼室７に対する電極６の延伸方向において最下流の孔よりも下流に配設されている。これにより、炎孔体５において最下流に位置する空気噴出孔よりも下流において火炎が形成されても、従来の水素生成装置よりも火炎が検知され易くなり、火炎検知性が向上する。
【００２３】
次に、燃焼器２に設けられた電極６により火炎検知と着火を実現する概略構成の一例について説明する。
図２は、実施の形態１の水素生成装置１００の燃焼器２の概略構成の一例を示す図である。
図２に示すように、電極６は、燃焼室７側の端部とは逆側の端部において、着火回路８と火炎検知回路１０と電気的に接続している。着火回路８は、開閉器８ａと、変圧器８ｂとを備えている。開閉器８ａは、着火工程において短絡される。変圧器８ｂは、電極６に高電圧が印加されるよう、電源回路からの低電圧を高電圧に変換する。
【００２４】
火炎検知回路１０は、開閉器１１が短絡されると、燃焼器２で形成される火炎の有無を検知する。
【００２５】
次に、水素生成装置１００と、燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、種々の運転状態で、電極６と火炎検知回路１０とで得られる火炎電流の大きさと電極６の長さとの関係を調べた結果の一例について説明する。
【００２６】
上記種々の運転状態としては、水添脱硫器の使用を開始した時、燃料電池システムの発電量を最小発電量（例えば、２００Ｗ）まで継続的に低下させている時、燃料電池システムの発電量が最大発電量（例えば、７５０Ｗ）である時、燃料電池システムの発電量が最小発電量（例えば、２００Ｗ）である時、及び燃料電池システムが発電開始直前である時が挙げられる。ここで、水添脱硫器とは、改質器１に原料を供給する前に原料中の硫黄化合物を除去する。また、燃料電池システムの発電開始直前は、燃料電池システムの発電量が最小発電量であるときよりも改質器１への原料の供給量が小さく、従って、燃焼器２に戻ってくるガス中の有機化合物の量（例えば、メタン等の炭化水素の量）も最も低いため、燃焼器２における火炎検知性が最も低くなる。
図３は、実施の形態１の水素生成装置における燃焼器２の電極長さと各運転状態における火炎電流との関係を示す図である。
ここで、図３に示すように、電極６の長さが長いほど火炎電流が多く得られることがわかる。また、電極６の長さが、炎孔体５に設けられた複数の空気噴出孔のうち、燃焼室７に対する電極６の延伸方向において最下流孔を結ぶ面付近に到達すると、電極６及び火炎検知回路１０で得られる火炎電流の増大が、変曲点を迎えることもわかる。
【００２７】
従って、火炎検知性の観点から、電極６の少なくとも一部は、複数の空気噴出孔のうち、電極６の延伸方向における最下流孔を結ぶ面よりも下流に配設させることが好ましい。
【００２８】
次に、燃焼器２の着火動作の概要について説明する。
【００２９】
図４は、実施の形態１の水素生成装置１００の燃焼器２の着火動作の一例を示すタイムチャートである。
【００３０】
図４に示すように、制御器（図示せず）から着火の指令が発せられると、制御器は開閉器１１を閉じ、所定時間経過後に開閉器８ａを閉じる。開閉器８ａ、１１は、通常機械的な接点を持つリレーが用いられる。リレーは可動接点の状態が安定するまで所定時間要する。そこで、開閉器１１を閉じた後、可動接点の状態が安定するまで所定時間、開閉器８ａの閉動作を待機することで、火炎検知回路１０に過剰な電圧が印可されることなく着火工程が実行され得る。上記所定時間は、リレーの構造により適宜設定されるが、例えば、０．５秒以上５秒未満の所定時間が設定されてもよい。
【００３１】
また、制御器は、着火工程において、燃焼器２に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器（図示せず）を動作させるとともに、改質器１に原料を供給する原料供給器（図示せず）を動作させる。原料供給器より供給された原料は、改質器１を経由して燃焼器２に供給される。
次に、制御器は着火工程を終了し、火炎検知工程を行うよう開閉器の動作を制御する。具体的には、着火時間が経過すると、開閉器８ａを開き、火炎検知回路１０による火炎検知工程を開始する。ここで、上記着火時間は、燃焼器２の構造により適宜設定されるが、例えば、１０秒以上９０秒未満の所定時間を設定してもよい。なお、上記火炎検知工程においては、原料供給器と燃焼空気供給器の動作は継続される。
【００３２】
火炎検知工程においては、制御器により、火炎検知回路により検知される火炎電流が所定の閾値以上であるか否かが確認される。所定の閾値以上であるときは、着火していると判定し、所定の閾値未満であるときは不着火であると判定する。
制御器により、不着火であると判定されると、再度、上記着火工程及び着火工程が実行される。
（実施の形態２）
実施の形態２の水素生成装置は、炎孔体が、電極の延伸方向において、その最下流端に径方向に広がる鍔部を備え、鍔部は、前記炎孔体の最下流端よりも径方向に内伸している。
【００３３】
かかる構成により、実施の形態１の水素生成装置に比べ、鍔部により火炎が整流されるので、火炎検知性が向上する。
以下に、本実施の形態における水素生成装置１００について、図５および図６を用いて詳細に説明する。
【００３４】
図５は、実施の形態１の水素生成装置１００の燃焼器２で形成される火炎形状の一例を示す図である。
【００３５】
図６は、実施の形態２の水素生成装置１００の燃焼器２で形成される火炎形状の一例を示す図である。
【００３６】
図５及び図６に示すように、実施の形態１の水素生成装置１００に比べ、実施の形態２の水素生成装置１００の燃焼器２に形成される火炎は、鍔部１２に整流され、電極６近傍に集中している。
【００３７】
ここで、一般に、火炎電流は電極間の電界強度とキャリア密度に比例することから、全く同じ燃料組成であれば、火炎が電極近傍に集中している方が、拡散しているときよりもキャリア密度が高いため火炎電流が多く得られる。
従って、本実施の形態の水素生成装置１００は、水素含有ガス生成量の変動に伴い水素含有ガス中の有機化合物の量（例えば、メタン等の炭化水素の量）に変動があっても、実施の形態１の水素生成装置に比べ、燃焼器２の火炎検知性が向上する。
また、本実施の形態の水素生成装置１００は、改質器１の経年変化等による改質触媒温度の変動に伴い水素含有ガス中の有機化合物の量（例えば、メタン等の炭化水素の量）に変動があっても、実施の形態１の水素生成装置に比べ、燃焼器２の火炎検知性が向上する。
（実施の形態３）
実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態１および実施の形態２のいずれかの水素生成装置と、水素生成装置で生成された水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
【００３８】
かかる構成により、従来よりも燃焼器の火炎検知性が向上し得る。
【００３９】
図７は、実施の形態３の燃料電池システム２００の概略構成の一例を示す図である。
【００４０】
図７に示す例では、燃料電池システム２００は、水素生成装置１００と、燃料電池２０とを備える。燃料電池２０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２０は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、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。なお、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質器１と燃料電池２０とが内部で一体化された形態が用いられる。
【００４１】
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。なお、燃料電池２０の発電の動作は公知である。よって、詳細な説明は省略する。
【００４２】
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の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。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の水素生成装置及び燃料電池システムによれば、従来よりも火炎検知性が向上し得る。
【符号の説明】
【００４４】
１  改質器
２  燃焼器
３  ディストリビュータ
５  炎孔体
６  電極
７  燃焼室
８  着火回路
８ａ  開閉器
８ｂ  変圧器
１０  火炎検知回路
１１  開閉器
１２  鍔部
２０  燃料電池
１００  水素生成装置
２００  燃料電池システム
【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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