燃料改質装置及びその診断方法
【課題】リサイクルガス流路の閉塞を検知可能な燃料改質装置及び診断方法を提供する。
【解決手段】脱硫器３と、水素含有ガスを生成する改質器４と、改質器４よりも下流側の水素含有ガス分岐部位１２から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路１４の途中の、脱硫器３よりも上流側の水素含有ガス合流部位１１に合流されて、改質器４での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を脱硫器３に供給するためのリサイクルガス流路１７とを備える燃料改質装置Ｒが、水素含有ガス合流部位１１の圧力を水素含有ガス分岐部位１２の圧力よりも低くした後での、水素含有ガス分岐部位１２からリサイクルガス流路１７を介した水素含有ガス合流部位１１へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位１２の圧力の低下度合いによって、リサイクルガス流路１７のガス通流状態を判定する通流状態判定手段９とを備える。
【解決手段】脱硫器３と、水素含有ガスを生成する改質器４と、改質器４よりも下流側の水素含有ガス分岐部位１２から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路１４の途中の、脱硫器３よりも上流側の水素含有ガス合流部位１１に合流されて、改質器４での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を脱硫器３に供給するためのリサイクルガス流路１７とを備える燃料改質装置Ｒが、水素含有ガス合流部位１１の圧力を水素含有ガス分岐部位１２の圧力よりも低くした後での、水素含有ガス分岐部位１２からリサイクルガス流路１７を介した水素含有ガス合流部位１１へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位１２の圧力の低下度合いによって、リサイクルガス流路１７のガス通流状態を判定する通流状態判定手段９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を改質して水素を主成分とする水素含有ガスを生成する燃料改質装置及びその診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素を含む原燃料ガスに水素を添加した上でその原燃料ガスに含まれる硫黄化合物の脱硫処理（所謂、水添脱硫処理）を行うことで、脱硫剤の長寿命化を図ることのできる脱硫器がある。脱硫器は、下流側に設けられる改質器の改質触媒が、原燃料ガスに含まれる硫黄化合物によって劣化するのを防止するために設けられる。そのため、脱硫器の脱硫剤の長寿命化を達成できると、改質器の改質触媒の長寿命化も併せて達成できる。
【０００３】
特許文献１には、このような脱硫器を有する燃料改質装置が記載されている。具体的には、特許文献１に記載の燃料改質装置は、供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える。
【０００４】
尚、改質器で水蒸気改質が行われている場合、改質器で生成される水素含有ガスには水蒸気が残存している。そのため、その水蒸気がリサイクルガス流路の途中で凝縮した場合には、凝縮水でリサイクルガス流路が閉塞する可能性がある。リサイクルガス流路が閉塞した場合、脱硫器に水素を供給できなくなるので、脱硫器の性能低下が発生し易くなる。それに伴って、脱硫器の下流側に設けられている改質器に、脱硫器で除去しきれなかった硫黄化合物が流入して、改質触媒の劣化が促進されるという問題が生じ得る。
【０００５】
そのため、特許文献１に記載の燃料改質装置では、リサイクルガス流路を流れる水素含有ガスに含まれる水蒸気を予め除去しておく目的で、水蒸気を凝縮して分離させる水蒸気量低減器を設けている。加えて、特許文献１には、水蒸気量低減器での水素含有ガスの冷却を水冷式で行える旨の記載もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３５６３０８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、特許文献１に記載の発明のように水蒸気量低減器を設けたとしても、リサイクルガス流路を流れる水素含有ガス中の水蒸気を完全に除去することは困難である。例えば、特許文献１に記載のように水素含有ガスの冷却を水冷式で行った場合、その冷却水の温度の高低に応じて水素含有ガスから除去可能な水蒸気量も変化してしまう。その結果、特許文献１に記載の発明のように水蒸気量低減器を設けたとしても、リサイクルガス流路が水で閉塞する可能性を完全に無くすことは困難である。
加えて、水素含有ガスに異物が混入していた場合にも、リサイクルガス流路が閉塞する可能性がある。
【０００８】
更に、仮にリサイクルガス流路が水や異物で閉塞したとしても、改質器の下流側にはリサイクルガス流路だけでなく水素含有ガスが燃料電池へと流れる水素含有ガス流路があるため、改質器の下流側で水素含有ガスの流量異常や圧力異常などの異常な挙動は現れない。そのため、リサイクルガス流路が閉塞したことを検知できないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、リサイクルガス流路の閉塞を検知可能な燃料改質装置及びその診断方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料改質装置の特徴構成は、供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、前記脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、前記改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、前記改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える燃料改質装置であって、
前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、前記水素含有ガス分岐部位から前記リサイクルガス流路を介した前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する通流状態判定手段とを備える点にある。
【００１１】
水素含有ガス分岐部位からリサイクルガス流路を介して水素含有ガス合流部位へガスを通流させる状態が作り出された場合、リサイクルガス流路が閉塞されていなければ上流側の水素含有ガス分岐部位の圧力の低下が明確に現れる。逆に、リサイクルガス流路が完全に閉塞されていれば水素含有ガス分岐部位の圧力の低下は全く現れず、リサイクルガス流路が完全ではないにしろ閉塞されていれば水素含有ガス分岐部位の圧力の低下は閉塞されていないときに比べて緩やかとなるため検知可能である。
従って、本特徴構成のように、水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へガスを通流させる状態を作り出し、その水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いを監視することで、リサイクルガス流路のガス通流状態（即ち、閉塞状態）を検知可能となる。
【００１２】
本発明に係る燃料改質装置の別の特徴構成は、
前記原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の可燃性ガス分岐部位から分岐される可燃性ガス流路を備え、
前記原燃料ガス流路の途中の前記水素含有ガス合流部位及び前記可燃性ガス分岐部よりも上流側に第１弁を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記可燃性ガス分岐部位よりも下流側且つ前記脱硫器よりも上流側に第２弁を備え、前記可燃性ガス流路の途中に第３弁を備え、前記リサイクルガス流路の途中に第４弁を備え、及び、前記水素含有ガス流路の途中の前記水素含有ガス分岐部位よりも下流側に流路開閉手段を備え、
前記通流状態判定手段は、前記第１弁と前記第２弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁と前記第４弁とを開放して、前記水素含有ガス合流部位から前記第３弁を通ってガスを排出させることで、前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、前記水素含有ガス分岐部位から前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、第１弁と第２弁と流路開閉手段とが閉止され且つ第３弁と第４弁とが開放される。このとき、第３弁が開放されているので、水素含有ガス合流部位に存在するガスは第３弁を通過して可燃性ガス流路へと流れ出すことができる。従って、第１弁及び第２弁を閉止し且つ第３弁及び第４弁を開放することで、水素含有ガス合流部位の圧力を低下させること、即ち、水素含有ガス合流部位の圧力を水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした状態を作り出すことができる。加えて、第１弁及び第２弁及び流路開閉手段が閉止され且つ第４弁が開放されているので、水素含有ガス分岐部位に存在するガスはリサイクルガス流路を介して水素含有ガス合流部位へと向かう方向へのみ流れることができる。
従って、水素含有ガス分岐部位からリサイクルガス流路及び水素含有ガス合流部位及び第３弁を通って可燃性ガス流路へとガスが通流できる状態を作り出すことで、水素含有ガス合流部位の圧力を水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いを監視できる。
【００１４】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料改質装置の診断方法の特徴構成は、供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、前記脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、前記改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、前記改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える燃料改質装置の診断方法であって、
前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くする圧力差形成工程と、
前記圧力差形成工程により生じ得る前記水素含有ガス分岐部位から前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流による前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する通流状態判定工程とを有する点にある。
【００１５】
上記特徴構成によれば、上記圧力差形成工程を実施することで、水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へ向かってガスを流すことができる状態を作りだせる。加えて、上記通流状態判定工程を実施することで、水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いを監視して、リサイクルガス流路におけるガス通流状態（即ち、閉塞状態）を判定できる。
【００１６】
本発明に係る燃料改質装置の診断方法の別の特徴構成は、前記燃料改質装置が、前記原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の可燃性ガス分岐部位から分岐される可燃性ガス流路を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記水素含有ガス合流部位及び前記可燃性ガス分岐部よりも上流側に第１弁を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記可燃性ガス分岐部位よりも下流側且つ前記脱硫器よりも上流側に第２弁を備え、前記可燃性ガス流路の途中に第３弁を備え、前記リサイクルガス流路の途中に第４弁を備え、及び、前記水素含有ガス流路の途中の前記水素含有ガス分岐部位よりも下流側に流路開閉手段を備え、
前記圧力差形成工程に先立って、前記第１弁と前記第２弁とを開放し且つ前記第３弁と前記第４弁と前記流路開閉手段とを閉止した状態で原燃料ガスを前記原燃料ガス流路に供給する圧力上昇工程を実施し、
前記圧力上昇工程に引き続く前記圧力差形成工程において、前記第１弁と前記第２弁と前記第４弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁を開放して、或いは、前記第１弁と前記第２弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁と前記第４弁とを開放して、前記水素含有ガス合流部位から前記第３弁を通ってガスを排出させることで、前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くさせる点にある。
【００１７】
上記特徴構成によれば、上記圧力上昇工程を実施することで、閉止されている第４弁及び流路開閉手段の間に存在する水素含有ガス分岐部位の圧力を、原燃料ガスによって上昇させることができる。加えて、その圧力上昇工程に引き続いて上記圧力差形成工程を実施することで、水素含有ガス合流部位から第３弁を通ってガスを排出させて、それにより水素含有ガス合流部位の圧力を水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くすることができる。その結果、上記通流状態判定工程において水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いを監視することで、リサイクルガス流路のガス通流状態（即ち、閉塞状態）を検知可能となる。
【００１８】
本発明に係る燃料改質装置の診断方法の更に別の特徴構成は、前記燃料改質装置の運転停止中に前記各工程を実施する点にある。
【００１９】
上記特徴構成によれば、燃料改質装置の運転停止中に上記各工程を実施することで、次に燃料電池及び燃料改質装置を起動する前にリサイクルガス流路の閉塞の有無を事前確認できる。その結果、リサイクルガス流路が閉塞されていない状態、即ち、脱硫器に水素を供給できる状態を確保した上で燃料改質装置の運転を行うことができ、結果として、脱硫器の劣化や改質器の劣化が発生しないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料改質装置の構成を示す図である。
【図２】燃料改質装置の診断方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を参照して本発明に係る燃料改質装置Ｒについて説明する。
図１は、燃料改質装置Ｒの構成を示す図である。図示するように、燃料改質装置Ｒでは、原燃料ガスが原燃料ガス流路１４を通して改質器４に供給され、その原燃料ガスが改質器４で水素を主成分とするガス（水素含有ガス）に改質される。そして、改質器４で生成された水素含有ガスが水素含有ガス流路１６を通して燃料電池に供給される。
【００２２】
〔原燃料ガス流路〕
原燃料ガス流路１４には、第１弁Ｖ１とブロア１と第２弁Ｖ２と脱硫器３とが設けられ、原燃料ガスはそれらを順次通過した後で改質器４に流入する。第１弁Ｖ１は、燃料改質装置Ｒの系内に流入する原燃料ガスの流量を調節する。例えば、制御装置９が、第１弁Ｖ１の開度を制御して、原燃料ガス流路１４を通して燃料改質装置Ｒの系内に流入する原燃料の流量を調節する。
【００２３】
第１弁Ｖ１よりも下流側の原燃料ガス流路１４にはブロア１が設けられている。つまり、第１弁Ｖ１から燃料改質装置Ｒの系内に流入した原燃料ガスはブロア１によって吸引されて昇圧された上でそのブロア１の下流側に送出される。
【００２４】
ブロア１よりも下流側の原燃料ガス流路１４には第２弁Ｖ２が設けられている。第２弁Ｖ２は、例えば制御装置９によって制御される開閉弁であり、原燃料ガス流路１４における原燃料ガスの通流を遮断する際に用いられる。
【００２５】
第２弁Ｖ２よりも下流側の原燃料ガス流路１４には脱硫器３が設けられている。脱硫器３には脱硫剤が充填されており、原燃料ガス流路１４を通して供給される炭化水素等の原燃料ガスの脱硫処理を行う。例えば、原燃料ガスは、メタンやプロパンなどの炭化水素を主成分とするガスである。これら原燃料ガスとして用いられるメタンやプロパンなどは一般に都市ガスやＬＰＧであり、例えばジメチルスルフィド（ＤＭＳ）などの硫黄化合物が付臭剤として含まれている。よって、後段の改質器４に充填されている改質触媒や燃料電池のセルを構成するアノードなどが硫黄化合物によって劣化することを避けるために、脱硫器３によってその硫黄化合物を除去する。また、原燃料ガスに水素を添加した水添脱硫を行うことで、脱硫剤の長寿命化を図ることができる。原燃料ガスに水素を添加するために利用するリサイクルガス流路１７の構成については後述する。
【００２６】
改質器４には改質触媒が充填され、水蒸気の存在下で脱硫処理後の原燃料ガスの水蒸気改質を行って、水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。水蒸気は、例えば原燃料ガス流路１４の脱硫器３の下流側の水蒸気合流部位１８で添加される。そして、改質器４は、原燃料ガスを、水素を主成分とし、副生成物としての一酸化炭素などを含む水素含有ガスに改質する。副生成物としての一酸化炭素は、燃料電池のセルを構成するアノードを劣化させるため、本実施形態では後述するような一酸化炭素変成器５による一酸化炭素変成処理並びに一酸化炭素除去器７による一酸化炭素除去処理を行っている。
【００２７】
上述した改質器４で行われる水蒸気改質処理は吸熱反応であるため、改質器４には、燃焼器２で発生された燃焼熱が伝えられる。燃焼器２は、原燃料ガス流路１４の途中の可燃性ガス分岐部位１３から分岐した可燃性ガス流路１５を通して供給される原燃料ガス（水添脱硫が行われている際には水素含有ガスも添加される）を燃焼して、改質器４を加熱するための燃焼熱を放出する。可燃性ガス流路１５の途中には、流路を開閉する第３弁Ｖ３が設けられている。本実施形態において、可燃性ガス分岐部位１３は、ブロア１の下流側且つ第２弁Ｖ２の上流側の原燃料ガス流路１４に設けられている。従って、水添脱硫が行われている際には、可燃性ガス流路１５に水素含有ガスも添加される。
【００２８】
本実施形態では、脱硫器３の下流側且つ改質器４の上流側の原燃料ガス供給路に、原燃料ガス流路１４中のガス圧を検出可能な圧力計Ｐが設けられている。圧力計Ｐの検出結果は、制御装置９に伝達される。
【００２９】
〔水素含有ガス流路〕
改質器４で生成された水素含有ガスは、水素含有ガス流路１６を通して燃料電池へと供給される。上述のように、水素含有ガス流路１６には、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する変成処理を行う一酸化炭素変成器５と、変成処理後の水素含有ガスに含まれている微量の一酸化炭素を酸化及びメタン化等によって除去する一酸化炭素除去器７とを設けている。この一酸化炭素変成器５及び一酸化炭素除去器７の組み合わせにより、燃料電池へと供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を非常に低くできる。
【００３０】
一酸化炭素変成器５と一酸化炭素除去器７との間の水素含有ガス流路１６には、水素含有ガスに含まれる水蒸気量を低減するための水蒸気量低減器６が設けられている。水蒸気量低減器６の詳細については説明を省略するが、水蒸気量低減器６は水素含有ガスを冷却して水蒸気を凝縮させる冷却部と凝縮水を分離して排水する気水分離部等を有する。
【００３１】
一酸化炭素除去器７の下流側の水素含有ガス流路１６には、本発明の流路開閉手段としての第５弁Ｖ５が設けられている。第５弁Ｖ５は、例えば制御装置９によって制御される開閉弁であり、水素含有ガス流路１６における水素含有ガスの通流を遮断する際に用いられる。
【００３２】
〔リサイクルガス流路〕
原燃料ガスに水素を添加するために利用するリサイクルガス流路１７は、改質器４で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路１６の途中の、改質器４よりも下流側の水素含有ガス分岐部位１２から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路１４の途中の、脱硫器３よりも上流側の水素含有ガス合流部位１１に合流される。本実施形態では、水素含有ガス分岐部位１２は、一酸化炭素変成器５と一酸化炭素除去器７との間を接続する水素含有ガス流路１６の途中に設けられる。その結果、改質器４で生成された水素含有ガスの一部が原燃料ガス流路１４に流入して、脱硫器３へは水素が添加された原燃料ガスが供給されることになる。このように、リサイクルガス流路１７を通して脱硫器３に供給される水素含有ガスは、一酸化炭素除去器７を通っていない。従って、一酸化炭素除去器７で処理されるガス量は抑制されるため、一酸化炭素除去器７に充填されている一酸化炭素除去触媒の寿命が必要以上に短くなることが避けられる。
【００３３】
リサイクルガス流路１７の途中には、第４弁Ｖ４とオリフィス８とが設けられている。第４弁Ｖ４は、例えば制御装置９によって制御される開閉弁であり、リサイクルガス流路１７における水素含有ガスの通流を遮断する際に用いられる。オリフィス８は、リサイクルガス流路１７における水素含有ガスの流量を制限するために設けられている。つまり、オリフィス８を設けることで、水素含有ガス分岐部位１２からリサイクルガス流路１７へと流入する水素含有ガスの量が制限され、大部分の水素含有ガスが燃料電池の方へと流れるようになる。
【００３４】
〔燃料改質装置の診断方法〕
次に、燃料改質装置Ｒの診断方法について説明する。図２は、燃料改質装置Ｒの診断方法を示すフロー図である。
この診断方法は、リサイクルガス流路１７の閉塞状態を診断するためのものである。このような診断を行うのは、リサイクルガス流路１７の内部が凝縮水や異物によって完全に又は部分的に閉塞した場合には、脱硫器３に水素を供給できなくなって脱硫器３の性能低下が発生し易くなるからである。制御装置９は、この診断方法を燃料改質装置Ｒの運転停止中に実施する。そのため、上述した各反応器（燃焼器２、改質器４、一酸化炭素変成器５及び一酸化炭素除去器７など）や水蒸気量低減器６は動作状態にない。
【００３５】
図２の工程１０において制御装置９は、圧力上昇工程を実施する。圧力上昇工程は、第２弁Ｖ２と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とで囲まれる流路の圧力を原燃料ガスで高める工程である。制御装置９は、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２とを開放し且つ第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とを閉止した状態で原燃料ガスを原燃料ガス流路１４に供給する。具体的には、制御装置９が、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２とを開放してブロア１を作動させることで、原燃料ガスは第２弁Ｖ２よりも下流側に流入する。このとき、制御装置９は、第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とを閉止している。その結果、供給される原燃料は、燃焼器２へは流入せず、且つ、燃料電池の方へは流出せず、且つ、リサイクルガス流路１７へは流入しない。従って、圧力計Ｐで検出可能な、第２弁Ｖ２と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とで囲まれる流路の圧力（特に、水素含有ガス分岐部位１２の圧力）は上昇する。尚、この圧力上昇工程の段階では第２弁Ｖ２は開放されているので、水素含有ガス分岐部位１２の圧力だけでなく、水素含有ガス合流部位１１の圧力も同等に上昇する。そして、制御装置９は、圧力計Ｐの検出結果が所定の圧力値になると、圧力上昇工程を終了して次の圧力差形成工程へと移行する。尚、制御装置９は、圧力上昇工程の終了時に、全ての弁（第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２、第３弁Ｖ３、第４弁Ｖ４、第５弁Ｖ５）を閉止し、ブロア１の動作を停止させる。
【００３６】
工程２０において制御装置９は、圧力差形成工程を実施する。圧力差形成工程は、水素含有ガス合流部位１１の圧力を水素含有ガス分岐部位１２の圧力よりも低くする工程である。具体的には、制御装置９は、圧力上昇工程の終了時に全ての弁（第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２、第３弁Ｖ３、第４弁Ｖ４、第５弁Ｖ５）を閉止した状態から、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とを閉止し且つ第３弁Ｖ３を開放する状態に各弁の開閉状態を変更する。或いは、制御装置９は、圧力上昇工程の終了時に全ての弁（第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２、第３弁Ｖ３、第４弁Ｖ４、第５弁Ｖ５）を閉止した状態から、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第５弁Ｖ５とを閉止し且つ第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４とを開放する状態に各弁の開閉状態を変更する。それにより、燃料改質装置Ｒの系内からのガス流出は、第３弁Ｖ３及び燃焼器２を介した大気への流出のみが許容される。つまり、ガス流出に伴う圧力低下が発生する第３弁Ｖ３の近傍に存在する水素含有ガス合流部位１１でも、水素含有ガス合流部位１１から第３弁Ｖ３を通ってのガス排出に伴って、圧力低下が発生する。その結果、水素含有ガス合流部位１１の圧力が水素含有ガス分岐部位１２の圧力よりも低くなる。
【００３７】
工程３０において制御装置９は、通流状態判定工程を実施する。通流状態判定工程は、圧力差形成工程により形成された水素含有ガス分岐部位１２と水素含有ガス合流部位１１との間の圧力差により生じ得る水素含有ガス分岐部位１２の圧力の低下度合いによって、リサイクルガス流路１７のガス通流状態を判定する工程である。制御装置９は、圧力差形成工程を実施したときの各弁の開閉状態が、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とを閉止し且つ第３弁Ｖ３を開放する状態である場合には、通流状態判定工程の開始時に第４弁Ｖ４を追加で開放する状態（即ち、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第５弁Ｖ５とを閉止し、且つ、第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４とを開放する状態）に各弁の開閉状態を変更すると共に後述するような水素含有ガス分岐部位１２の圧力の経時的な変化を監視する。或いは、制御装置９は、圧力差形成工程を実施したときの各弁の開閉状態が、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第５弁Ｖ５とを閉止し且つ第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４とを開放する状態である場合には、通流状態判定工程の開始時に各弁の開閉状態をそのまま維持しつつ後述するような水素含有ガス分岐部位１２の圧力の経時的な変化を監視する。
【００３８】
つまり、上述した圧力差形成工程によって水素含有ガス合流部位１１の圧力が水素含有ガス分岐部位１２の圧力よりも低くなる状態が既に作り出されており、更にリサイクルガス流路１７の途中に設けられる第４弁Ｖ４が開放されていると、そのリサイクルガス流路１７を介して水素含有ガス分岐部位１２から水素含有ガス合流部位１１へ向かってガスを流すことができる状態が作り出される。従って、リサイクルガス流路１７が閉塞されていなければ、水素含有ガス分岐部位１２の付近に存在しているガスがリサイクルガス流路１７を通流して水素含有ガス合流部位１１の方へ流れるため、圧力計Ｐで検出される水素含有ガス分岐部位１２の圧力の低下が明確に現れる。逆に、リサイクルガス流路１７が完全に閉塞されていれば、圧力計Ｐで検出される水素含有ガス分岐部位１２の圧力の経時的な低下は全く現れない。或いは、リサイクルガス流路１７が完全ではないにしろ閉塞されていれば、圧力計Ｐで検出される水素含有ガス分岐部位１２の圧力の経時的な低下は閉塞されていないときに比べて緩やかとなるため検知可能である。
【００３９】
従って、制御装置９は、水素含有ガス分岐部位１２から水素含有ガス合流部位１１へガスを通流させる状態を作り出した時点から所定時間経過後に圧力計Ｐで検出される圧力値に基づいて、リサイクルガス流路１７のガス通流状態（基本的には、リサイクルガス流路が閉塞されているか否か）を判定できる。例えば、所定時間経過後に検出される圧力値が、圧力上昇工程の実施により得られた圧力値と同等であれば、リサイクルガス流路１７は完全に閉塞されていると判定できる。また、所定時間経過後に検出される圧力値が、圧力上昇工程の実施により得られた圧力値からの低下度合いが大きいとき、リサイクルガス流路１７は閉塞されていないと判定できる。このように、本発明の通流状態判定手段として機能する制御装置９は、所定時間経過後に圧力計Ｐで検出される圧力値に基づいて、リサイクルガス流路１７のガス通流状態を判定できる。
【００４０】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、燃料改質装置Ｒの構成は適宜変更してもよい。例えば、一酸化炭素除去器７を設けなくてもよい。また、水素含有ガス分岐部位１２の圧力を計測できるのであれば、圧力計Ｐを改質器４の下流側などの他の部位に設けてもよい。
【００４１】
＜２＞
上記実施形態において、圧力差形成工程及び通流状態判定工程で燃焼器２を燃焼作動させてもよい。つまり、圧力差形成工程及び通流状態判定工程では、第３弁Ｖ３及び燃焼器２を介して原燃料ガスが大気へ流出されることとなるが、このときに燃焼器２を燃焼作動させることで、原燃料ガスが大気へ流出しないようにできる。
【００４２】
＜３＞
上記実施形態において、本発明の流路閉止手段を第５弁Ｖ５で実現する例を説明したが、一酸化炭素除去器７の下流側の水素含有ガス流路１６の閉止及び開放を行える手段であれば上記第５弁Ｖ５以外の手段によって本発明の流路閉止手段を実現してもよい。例えば、水素含有ガス流路１６の途中の一酸化炭素除去器７よりも下流側に水（例えば、燃料電池の冷却水など）を流入させることで、一酸化炭素除去器７の下流側の水素含有ガス流路１６の閉止が行われるような流路閉止手段を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、燃料改質装置のリサイクルガス流路の閉塞を検知するために利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
２ 燃焼器
３ 脱硫器
４ 改質器
９ 制御装置（通流状態判定手段）
１１ 水素含有ガス合流部位
１２ 水素含有ガス分岐部位
１３ 可燃性ガス分岐部位
１４ 原燃料ガス流路
１５ 可燃性ガス流路
１６ 水素含有ガス流路
１７ リサイクルガス流路
Ｒ 燃料改質装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を改質して水素を主成分とする水素含有ガスを生成する燃料改質装置及びその診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素を含む原燃料ガスに水素を添加した上でその原燃料ガスに含まれる硫黄化合物の脱硫処理（所謂、水添脱硫処理）を行うことで、脱硫剤の長寿命化を図ることのできる脱硫器がある。脱硫器は、下流側に設けられる改質器の改質触媒が、原燃料ガスに含まれる硫黄化合物によって劣化するのを防止するために設けられる。そのため、脱硫器の脱硫剤の長寿命化を達成できると、改質器の改質触媒の長寿命化も併せて達成できる。
【０００３】
特許文献１には、このような脱硫器を有する燃料改質装置が記載されている。具体的には、特許文献１に記載の燃料改質装置は、供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える。
【０００４】
尚、改質器で水蒸気改質が行われている場合、改質器で生成される水素含有ガスには水蒸気が残存している。そのため、その水蒸気がリサイクルガス流路の途中で凝縮した場合には、凝縮水でリサイクルガス流路が閉塞する可能性がある。リサイクルガス流路が閉塞した場合、脱硫器に水素を供給できなくなるので、脱硫器の性能低下が発生し易くなる。それに伴って、脱硫器の下流側に設けられている改質器に、脱硫器で除去しきれなかった硫黄化合物が流入して、改質触媒の劣化が促進されるという問題が生じ得る。
【０００５】
そのため、特許文献１に記載の燃料改質装置では、リサイクルガス流路を流れる水素含有ガスに含まれる水蒸気を予め除去しておく目的で、水蒸気を凝縮して分離させる水蒸気量低減器を設けている。加えて、特許文献１には、水蒸気量低減器での水素含有ガスの冷却を水冷式で行える旨の記載もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３５６３０８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、特許文献１に記載の発明のように水蒸気量低減器を設けたとしても、リサイクルガス流路を流れる水素含有ガス中の水蒸気を完全に除去することは困難である。例えば、特許文献１に記載のように水素含有ガスの冷却を水冷式で行った場合、その冷却水の温度の高低に応じて水素含有ガスから除去可能な水蒸気量も変化してしまう。その結果、特許文献１に記載の発明のように水蒸気量低減器を設けたとしても、リサイクルガス流路が水で閉塞する可能性を完全に無くすことは困難である。
加えて、水素含有ガスに異物が混入していた場合にも、リサイクルガス流路が閉塞する可能性がある。
【０００８】
更に、仮にリサイクルガス流路が水や異物で閉塞したとしても、改質器の下流側にはリサイクルガス流路だけでなく水素含有ガスが燃料電池へと流れる水素含有ガス流路があるため、改質器の下流側で水素含有ガスの流量異常や圧力異常などの異常な挙動は現れない。そのため、リサイクルガス流路が閉塞したことを検知できないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、リサイクルガス流路の閉塞を検知可能な燃料改質装置及びその診断方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料改質装置の特徴構成は、供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、前記脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、前記改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、前記改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える燃料改質装置であって、
前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、前記水素含有ガス分岐部位から前記リサイクルガス流路を介した前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する通流状態判定手段とを備える点にある。
【００１１】
水素含有ガス分岐部位からリサイクルガス流路を介して水素含有ガス合流部位へガスを通流させる状態が作り出された場合、リサイクルガス流路が閉塞されていなければ上流側の水素含有ガス分岐部位の圧力の低下が明確に現れる。逆に、リサイクルガス流路が完全に閉塞されていれば水素含有ガス分岐部位の圧力の低下は全く現れず、リサイクルガス流路が完全ではないにしろ閉塞されていれば水素含有ガス分岐部位の圧力の低下は閉塞されていないときに比べて緩やかとなるため検知可能である。
従って、本特徴構成のように、水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へガスを通流させる状態を作り出し、その水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いを監視することで、リサイクルガス流路のガス通流状態（即ち、閉塞状態）を検知可能となる。
【００１２】
本発明に係る燃料改質装置の別の特徴構成は、
前記原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の可燃性ガス分岐部位から分岐される可燃性ガス流路を備え、
前記原燃料ガス流路の途中の前記水素含有ガス合流部位及び前記可燃性ガス分岐部よりも上流側に第１弁を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記可燃性ガス分岐部位よりも下流側且つ前記脱硫器よりも上流側に第２弁を備え、前記可燃性ガス流路の途中に第３弁を備え、前記リサイクルガス流路の途中に第４弁を備え、及び、前記水素含有ガス流路の途中の前記水素含有ガス分岐部位よりも下流側に流路開閉手段を備え、
前記通流状態判定手段は、前記第１弁と前記第２弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁と前記第４弁とを開放して、前記水素含有ガス合流部位から前記第３弁を通ってガスを排出させることで、前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、前記水素含有ガス分岐部位から前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、第１弁と第２弁と流路開閉手段とが閉止され且つ第３弁と第４弁とが開放される。このとき、第３弁が開放されているので、水素含有ガス合流部位に存在するガスは第３弁を通過して可燃性ガス流路へと流れ出すことができる。従って、第１弁及び第２弁を閉止し且つ第３弁及び第４弁を開放することで、水素含有ガス合流部位の圧力を低下させること、即ち、水素含有ガス合流部位の圧力を水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした状態を作り出すことができる。加えて、第１弁及び第２弁及び流路開閉手段が閉止され且つ第４弁が開放されているので、水素含有ガス分岐部位に存在するガスはリサイクルガス流路を介して水素含有ガス合流部位へと向かう方向へのみ流れることができる。
従って、水素含有ガス分岐部位からリサイクルガス流路及び水素含有ガス合流部位及び第３弁を通って可燃性ガス流路へとガスが通流できる状態を作り出すことで、水素含有ガス合流部位の圧力を水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いを監視できる。
【００１４】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料改質装置の診断方法の特徴構成は、供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、前記脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、前記改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、前記改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える燃料改質装置の診断方法であって、
前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くする圧力差形成工程と、
前記圧力差形成工程により生じ得る前記水素含有ガス分岐部位から前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流による前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する通流状態判定工程とを有する点にある。
【００１５】
上記特徴構成によれば、上記圧力差形成工程を実施することで、水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へ向かってガスを流すことができる状態を作りだせる。加えて、上記通流状態判定工程を実施することで、水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いを監視して、リサイクルガス流路におけるガス通流状態（即ち、閉塞状態）を判定できる。
【００１６】
本発明に係る燃料改質装置の診断方法の別の特徴構成は、前記燃料改質装置が、前記原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の可燃性ガス分岐部位から分岐される可燃性ガス流路を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記水素含有ガス合流部位及び前記可燃性ガス分岐部よりも上流側に第１弁を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記可燃性ガス分岐部位よりも下流側且つ前記脱硫器よりも上流側に第２弁を備え、前記可燃性ガス流路の途中に第３弁を備え、前記リサイクルガス流路の途中に第４弁を備え、及び、前記水素含有ガス流路の途中の前記水素含有ガス分岐部位よりも下流側に流路開閉手段を備え、
前記圧力差形成工程に先立って、前記第１弁と前記第２弁とを開放し且つ前記第３弁と前記第４弁と前記流路開閉手段とを閉止した状態で原燃料ガスを前記原燃料ガス流路に供給する圧力上昇工程を実施し、
前記圧力上昇工程に引き続く前記圧力差形成工程において、前記第１弁と前記第２弁と前記第４弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁を開放して、或いは、前記第１弁と前記第２弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁と前記第４弁とを開放して、前記水素含有ガス合流部位から前記第３弁を通ってガスを排出させることで、前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くさせる点にある。
【００１７】
上記特徴構成によれば、上記圧力上昇工程を実施することで、閉止されている第４弁及び流路開閉手段の間に存在する水素含有ガス分岐部位の圧力を、原燃料ガスによって上昇させることができる。加えて、その圧力上昇工程に引き続いて上記圧力差形成工程を実施することで、水素含有ガス合流部位から第３弁を通ってガスを排出させて、それにより水素含有ガス合流部位の圧力を水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くすることができる。その結果、上記通流状態判定工程において水素含有ガス分岐部位から水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いを監視することで、リサイクルガス流路のガス通流状態（即ち、閉塞状態）を検知可能となる。
【００１８】
本発明に係る燃料改質装置の診断方法の更に別の特徴構成は、前記燃料改質装置の運転停止中に前記各工程を実施する点にある。
【００１９】
上記特徴構成によれば、燃料改質装置の運転停止中に上記各工程を実施することで、次に燃料電池及び燃料改質装置を起動する前にリサイクルガス流路の閉塞の有無を事前確認できる。その結果、リサイクルガス流路が閉塞されていない状態、即ち、脱硫器に水素を供給できる状態を確保した上で燃料改質装置の運転を行うことができ、結果として、脱硫器の劣化や改質器の劣化が発生しないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料改質装置の構成を示す図である。
【図２】燃料改質装置の診断方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を参照して本発明に係る燃料改質装置Ｒについて説明する。
図１は、燃料改質装置Ｒの構成を示す図である。図示するように、燃料改質装置Ｒでは、原燃料ガスが原燃料ガス流路１４を通して改質器４に供給され、その原燃料ガスが改質器４で水素を主成分とするガス（水素含有ガス）に改質される。そして、改質器４で生成された水素含有ガスが水素含有ガス流路１６を通して燃料電池に供給される。
【００２２】
〔原燃料ガス流路〕
原燃料ガス流路１４には、第１弁Ｖ１とブロア１と第２弁Ｖ２と脱硫器３とが設けられ、原燃料ガスはそれらを順次通過した後で改質器４に流入する。第１弁Ｖ１は、燃料改質装置Ｒの系内に流入する原燃料ガスの流量を調節する。例えば、制御装置９が、第１弁Ｖ１の開度を制御して、原燃料ガス流路１４を通して燃料改質装置Ｒの系内に流入する原燃料の流量を調節する。
【００２３】
第１弁Ｖ１よりも下流側の原燃料ガス流路１４にはブロア１が設けられている。つまり、第１弁Ｖ１から燃料改質装置Ｒの系内に流入した原燃料ガスはブロア１によって吸引されて昇圧された上でそのブロア１の下流側に送出される。
【００２４】
ブロア１よりも下流側の原燃料ガス流路１４には第２弁Ｖ２が設けられている。第２弁Ｖ２は、例えば制御装置９によって制御される開閉弁であり、原燃料ガス流路１４における原燃料ガスの通流を遮断する際に用いられる。
【００２５】
第２弁Ｖ２よりも下流側の原燃料ガス流路１４には脱硫器３が設けられている。脱硫器３には脱硫剤が充填されており、原燃料ガス流路１４を通して供給される炭化水素等の原燃料ガスの脱硫処理を行う。例えば、原燃料ガスは、メタンやプロパンなどの炭化水素を主成分とするガスである。これら原燃料ガスとして用いられるメタンやプロパンなどは一般に都市ガスやＬＰＧであり、例えばジメチルスルフィド（ＤＭＳ）などの硫黄化合物が付臭剤として含まれている。よって、後段の改質器４に充填されている改質触媒や燃料電池のセルを構成するアノードなどが硫黄化合物によって劣化することを避けるために、脱硫器３によってその硫黄化合物を除去する。また、原燃料ガスに水素を添加した水添脱硫を行うことで、脱硫剤の長寿命化を図ることができる。原燃料ガスに水素を添加するために利用するリサイクルガス流路１７の構成については後述する。
【００２６】
改質器４には改質触媒が充填され、水蒸気の存在下で脱硫処理後の原燃料ガスの水蒸気改質を行って、水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。水蒸気は、例えば原燃料ガス流路１４の脱硫器３の下流側の水蒸気合流部位１８で添加される。そして、改質器４は、原燃料ガスを、水素を主成分とし、副生成物としての一酸化炭素などを含む水素含有ガスに改質する。副生成物としての一酸化炭素は、燃料電池のセルを構成するアノードを劣化させるため、本実施形態では後述するような一酸化炭素変成器５による一酸化炭素変成処理並びに一酸化炭素除去器７による一酸化炭素除去処理を行っている。
【００２７】
上述した改質器４で行われる水蒸気改質処理は吸熱反応であるため、改質器４には、燃焼器２で発生された燃焼熱が伝えられる。燃焼器２は、原燃料ガス流路１４の途中の可燃性ガス分岐部位１３から分岐した可燃性ガス流路１５を通して供給される原燃料ガス（水添脱硫が行われている際には水素含有ガスも添加される）を燃焼して、改質器４を加熱するための燃焼熱を放出する。可燃性ガス流路１５の途中には、流路を開閉する第３弁Ｖ３が設けられている。本実施形態において、可燃性ガス分岐部位１３は、ブロア１の下流側且つ第２弁Ｖ２の上流側の原燃料ガス流路１４に設けられている。従って、水添脱硫が行われている際には、可燃性ガス流路１５に水素含有ガスも添加される。
【００２８】
本実施形態では、脱硫器３の下流側且つ改質器４の上流側の原燃料ガス供給路に、原燃料ガス流路１４中のガス圧を検出可能な圧力計Ｐが設けられている。圧力計Ｐの検出結果は、制御装置９に伝達される。
【００２９】
〔水素含有ガス流路〕
改質器４で生成された水素含有ガスは、水素含有ガス流路１６を通して燃料電池へと供給される。上述のように、水素含有ガス流路１６には、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する変成処理を行う一酸化炭素変成器５と、変成処理後の水素含有ガスに含まれている微量の一酸化炭素を酸化及びメタン化等によって除去する一酸化炭素除去器７とを設けている。この一酸化炭素変成器５及び一酸化炭素除去器７の組み合わせにより、燃料電池へと供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を非常に低くできる。
【００３０】
一酸化炭素変成器５と一酸化炭素除去器７との間の水素含有ガス流路１６には、水素含有ガスに含まれる水蒸気量を低減するための水蒸気量低減器６が設けられている。水蒸気量低減器６の詳細については説明を省略するが、水蒸気量低減器６は水素含有ガスを冷却して水蒸気を凝縮させる冷却部と凝縮水を分離して排水する気水分離部等を有する。
【００３１】
一酸化炭素除去器７の下流側の水素含有ガス流路１６には、本発明の流路開閉手段としての第５弁Ｖ５が設けられている。第５弁Ｖ５は、例えば制御装置９によって制御される開閉弁であり、水素含有ガス流路１６における水素含有ガスの通流を遮断する際に用いられる。
【００３２】
〔リサイクルガス流路〕
原燃料ガスに水素を添加するために利用するリサイクルガス流路１７は、改質器４で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路１６の途中の、改質器４よりも下流側の水素含有ガス分岐部位１２から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路１４の途中の、脱硫器３よりも上流側の水素含有ガス合流部位１１に合流される。本実施形態では、水素含有ガス分岐部位１２は、一酸化炭素変成器５と一酸化炭素除去器７との間を接続する水素含有ガス流路１６の途中に設けられる。その結果、改質器４で生成された水素含有ガスの一部が原燃料ガス流路１４に流入して、脱硫器３へは水素が添加された原燃料ガスが供給されることになる。このように、リサイクルガス流路１７を通して脱硫器３に供給される水素含有ガスは、一酸化炭素除去器７を通っていない。従って、一酸化炭素除去器７で処理されるガス量は抑制されるため、一酸化炭素除去器７に充填されている一酸化炭素除去触媒の寿命が必要以上に短くなることが避けられる。
【００３３】
リサイクルガス流路１７の途中には、第４弁Ｖ４とオリフィス８とが設けられている。第４弁Ｖ４は、例えば制御装置９によって制御される開閉弁であり、リサイクルガス流路１７における水素含有ガスの通流を遮断する際に用いられる。オリフィス８は、リサイクルガス流路１７における水素含有ガスの流量を制限するために設けられている。つまり、オリフィス８を設けることで、水素含有ガス分岐部位１２からリサイクルガス流路１７へと流入する水素含有ガスの量が制限され、大部分の水素含有ガスが燃料電池の方へと流れるようになる。
【００３４】
〔燃料改質装置の診断方法〕
次に、燃料改質装置Ｒの診断方法について説明する。図２は、燃料改質装置Ｒの診断方法を示すフロー図である。
この診断方法は、リサイクルガス流路１７の閉塞状態を診断するためのものである。このような診断を行うのは、リサイクルガス流路１７の内部が凝縮水や異物によって完全に又は部分的に閉塞した場合には、脱硫器３に水素を供給できなくなって脱硫器３の性能低下が発生し易くなるからである。制御装置９は、この診断方法を燃料改質装置Ｒの運転停止中に実施する。そのため、上述した各反応器（燃焼器２、改質器４、一酸化炭素変成器５及び一酸化炭素除去器７など）や水蒸気量低減器６は動作状態にない。
【００３５】
図２の工程１０において制御装置９は、圧力上昇工程を実施する。圧力上昇工程は、第２弁Ｖ２と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とで囲まれる流路の圧力を原燃料ガスで高める工程である。制御装置９は、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２とを開放し且つ第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とを閉止した状態で原燃料ガスを原燃料ガス流路１４に供給する。具体的には、制御装置９が、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２とを開放してブロア１を作動させることで、原燃料ガスは第２弁Ｖ２よりも下流側に流入する。このとき、制御装置９は、第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とを閉止している。その結果、供給される原燃料は、燃焼器２へは流入せず、且つ、燃料電池の方へは流出せず、且つ、リサイクルガス流路１７へは流入しない。従って、圧力計Ｐで検出可能な、第２弁Ｖ２と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とで囲まれる流路の圧力（特に、水素含有ガス分岐部位１２の圧力）は上昇する。尚、この圧力上昇工程の段階では第２弁Ｖ２は開放されているので、水素含有ガス分岐部位１２の圧力だけでなく、水素含有ガス合流部位１１の圧力も同等に上昇する。そして、制御装置９は、圧力計Ｐの検出結果が所定の圧力値になると、圧力上昇工程を終了して次の圧力差形成工程へと移行する。尚、制御装置９は、圧力上昇工程の終了時に、全ての弁（第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２、第３弁Ｖ３、第４弁Ｖ４、第５弁Ｖ５）を閉止し、ブロア１の動作を停止させる。
【００３６】
工程２０において制御装置９は、圧力差形成工程を実施する。圧力差形成工程は、水素含有ガス合流部位１１の圧力を水素含有ガス分岐部位１２の圧力よりも低くする工程である。具体的には、制御装置９は、圧力上昇工程の終了時に全ての弁（第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２、第３弁Ｖ３、第４弁Ｖ４、第５弁Ｖ５）を閉止した状態から、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とを閉止し且つ第３弁Ｖ３を開放する状態に各弁の開閉状態を変更する。或いは、制御装置９は、圧力上昇工程の終了時に全ての弁（第１弁Ｖ１、第２弁Ｖ２、第３弁Ｖ３、第４弁Ｖ４、第５弁Ｖ５）を閉止した状態から、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第５弁Ｖ５とを閉止し且つ第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４とを開放する状態に各弁の開閉状態を変更する。それにより、燃料改質装置Ｒの系内からのガス流出は、第３弁Ｖ３及び燃焼器２を介した大気への流出のみが許容される。つまり、ガス流出に伴う圧力低下が発生する第３弁Ｖ３の近傍に存在する水素含有ガス合流部位１１でも、水素含有ガス合流部位１１から第３弁Ｖ３を通ってのガス排出に伴って、圧力低下が発生する。その結果、水素含有ガス合流部位１１の圧力が水素含有ガス分岐部位１２の圧力よりも低くなる。
【００３７】
工程３０において制御装置９は、通流状態判定工程を実施する。通流状態判定工程は、圧力差形成工程により形成された水素含有ガス分岐部位１２と水素含有ガス合流部位１１との間の圧力差により生じ得る水素含有ガス分岐部位１２の圧力の低下度合いによって、リサイクルガス流路１７のガス通流状態を判定する工程である。制御装置９は、圧力差形成工程を実施したときの各弁の開閉状態が、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第４弁Ｖ４と第５弁Ｖ５とを閉止し且つ第３弁Ｖ３を開放する状態である場合には、通流状態判定工程の開始時に第４弁Ｖ４を追加で開放する状態（即ち、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第５弁Ｖ５とを閉止し、且つ、第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４とを開放する状態）に各弁の開閉状態を変更すると共に後述するような水素含有ガス分岐部位１２の圧力の経時的な変化を監視する。或いは、制御装置９は、圧力差形成工程を実施したときの各弁の開閉状態が、第１弁Ｖ１と第２弁Ｖ２と第５弁Ｖ５とを閉止し且つ第３弁Ｖ３と第４弁Ｖ４とを開放する状態である場合には、通流状態判定工程の開始時に各弁の開閉状態をそのまま維持しつつ後述するような水素含有ガス分岐部位１２の圧力の経時的な変化を監視する。
【００３８】
つまり、上述した圧力差形成工程によって水素含有ガス合流部位１１の圧力が水素含有ガス分岐部位１２の圧力よりも低くなる状態が既に作り出されており、更にリサイクルガス流路１７の途中に設けられる第４弁Ｖ４が開放されていると、そのリサイクルガス流路１７を介して水素含有ガス分岐部位１２から水素含有ガス合流部位１１へ向かってガスを流すことができる状態が作り出される。従って、リサイクルガス流路１７が閉塞されていなければ、水素含有ガス分岐部位１２の付近に存在しているガスがリサイクルガス流路１７を通流して水素含有ガス合流部位１１の方へ流れるため、圧力計Ｐで検出される水素含有ガス分岐部位１２の圧力の低下が明確に現れる。逆に、リサイクルガス流路１７が完全に閉塞されていれば、圧力計Ｐで検出される水素含有ガス分岐部位１２の圧力の経時的な低下は全く現れない。或いは、リサイクルガス流路１７が完全ではないにしろ閉塞されていれば、圧力計Ｐで検出される水素含有ガス分岐部位１２の圧力の経時的な低下は閉塞されていないときに比べて緩やかとなるため検知可能である。
【００３９】
従って、制御装置９は、水素含有ガス分岐部位１２から水素含有ガス合流部位１１へガスを通流させる状態を作り出した時点から所定時間経過後に圧力計Ｐで検出される圧力値に基づいて、リサイクルガス流路１７のガス通流状態（基本的には、リサイクルガス流路が閉塞されているか否か）を判定できる。例えば、所定時間経過後に検出される圧力値が、圧力上昇工程の実施により得られた圧力値と同等であれば、リサイクルガス流路１７は完全に閉塞されていると判定できる。また、所定時間経過後に検出される圧力値が、圧力上昇工程の実施により得られた圧力値からの低下度合いが大きいとき、リサイクルガス流路１７は閉塞されていないと判定できる。このように、本発明の通流状態判定手段として機能する制御装置９は、所定時間経過後に圧力計Ｐで検出される圧力値に基づいて、リサイクルガス流路１７のガス通流状態を判定できる。
【００４０】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、燃料改質装置Ｒの構成は適宜変更してもよい。例えば、一酸化炭素除去器７を設けなくてもよい。また、水素含有ガス分岐部位１２の圧力を計測できるのであれば、圧力計Ｐを改質器４の下流側などの他の部位に設けてもよい。
【００４１】
＜２＞
上記実施形態において、圧力差形成工程及び通流状態判定工程で燃焼器２を燃焼作動させてもよい。つまり、圧力差形成工程及び通流状態判定工程では、第３弁Ｖ３及び燃焼器２を介して原燃料ガスが大気へ流出されることとなるが、このときに燃焼器２を燃焼作動させることで、原燃料ガスが大気へ流出しないようにできる。
【００４２】
＜３＞
上記実施形態において、本発明の流路閉止手段を第５弁Ｖ５で実現する例を説明したが、一酸化炭素除去器７の下流側の水素含有ガス流路１６の閉止及び開放を行える手段であれば上記第５弁Ｖ５以外の手段によって本発明の流路閉止手段を実現してもよい。例えば、水素含有ガス流路１６の途中の一酸化炭素除去器７よりも下流側に水（例えば、燃料電池の冷却水など）を流入させることで、一酸化炭素除去器７の下流側の水素含有ガス流路１６の閉止が行われるような流路閉止手段を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、燃料改質装置のリサイクルガス流路の閉塞を検知するために利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
２ 燃焼器
３ 脱硫器
４ 改質器
９ 制御装置（通流状態判定手段）
１１ 水素含有ガス合流部位
１２ 水素含有ガス分岐部位
１３ 可燃性ガス分岐部位
１４ 原燃料ガス流路
１５ 可燃性ガス流路
１６ 水素含有ガス流路
１７ リサイクルガス流路
Ｒ 燃料改質装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、
前記脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、前記改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、前記改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える燃料改質装置であって、
前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、前記水素含有ガス分岐部位から前記リサイクルガス流路を介した前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する通流状態判定手段とを備える燃料改質装置。
【請求項２】
前記原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の可燃性ガス分岐部位から分岐される可燃性ガス流路を備え、
前記原燃料ガス流路の途中の前記水素含有ガス合流部位及び前記可燃性ガス分岐部よりも上流側に第１弁を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記可燃性ガス分岐部位よりも下流側且つ前記脱硫器よりも上流側に第２弁を備え、前記可燃性ガス流路の途中に第３弁を備え、前記リサイクルガス流路の途中に第４弁を備え、及び、前記水素含有ガス流路の途中の前記水素含有ガス分岐部位よりも下流側に流路開閉手段を備え、
前記通流状態判定手段は、前記第１弁と前記第２弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁と前記第４弁とを開放して、前記水素含有ガス合流部位から前記第３弁を通ってガスを排出させることで、前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、前記水素含有ガス分岐部位から前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、前記脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、前記改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、前記改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える燃料改質装置の診断方法であって、
前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くする圧力差形成工程と、
前記圧力差形成工程により生じ得る前記水素含有ガス分岐部位から前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流による前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する通流状態判定工程とを有する燃料改質装置の診断方法。
【請求項４】
前記燃料改質装置が、前記原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の可燃性ガス分岐部位から分岐される可燃性ガス流路を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記水素含有ガス合流部位及び前記可燃性ガス分岐部よりも上流側に第１弁を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記可燃性ガス分岐部位よりも下流側且つ前記脱硫器よりも上流側に第２弁を備え、前記可燃性ガス流路の途中に第３弁を備え、前記リサイクルガス流路の途中に第４弁を備え、及び、前記水素含有ガス流路の途中の前記水素含有ガス分岐部位よりも下流側に流路開閉手段を備え、
前記圧力差形成工程に先立って、前記第１弁と前記第２弁とを開放し且つ前記第３弁と前記第４弁と前記流路開閉手段とを閉止した状態で原燃料ガスを前記原燃料ガス流路に供給する圧力上昇工程を実施し、
前記圧力上昇工程に引き続く前記圧力差形成工程において、前記第１弁と前記第２弁と前記第４弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁を開放して、或いは、前記第１弁と前記第２弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁と前記第４弁とを開放して、前記水素含有ガス合流部位から前記第３弁を通ってガスを排出させることで、前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くさせる請求項３に記載の燃料改質装置の診断方法。
【請求項５】
前記燃料改質装置の運転停止中に前記各工程を実施する請求項３又は４に記載の燃料改質装置の診断方法。
【請求項１】
供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、
前記脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、前記改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、前記改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える燃料改質装置であって、
前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、前記水素含有ガス分岐部位から前記リサイクルガス流路を介した前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する通流状態判定手段とを備える燃料改質装置。
【請求項２】
前記原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の可燃性ガス分岐部位から分岐される可燃性ガス流路を備え、
前記原燃料ガス流路の途中の前記水素含有ガス合流部位及び前記可燃性ガス分岐部よりも上流側に第１弁を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記可燃性ガス分岐部位よりも下流側且つ前記脱硫器よりも上流側に第２弁を備え、前記可燃性ガス流路の途中に第３弁を備え、前記リサイクルガス流路の途中に第４弁を備え、及び、前記水素含有ガス流路の途中の前記水素含有ガス分岐部位よりも下流側に流路開閉手段を備え、
前記通流状態判定手段は、前記第１弁と前記第２弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁と前記第４弁とを開放して、前記水素含有ガス合流部位から前記第３弁を通ってガスを排出させることで、前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くした後での、前記水素含有ガス分岐部位から前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流により発生する前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
供給される原燃料ガスに含まれる硫黄化合物を除去する脱硫処理を行う脱硫器と、前記脱硫器で脱硫処理された原燃料ガスに対して改質処理を行って水素を含む水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素含有ガスが通流する水素含有ガス流路の途中の、前記改質器よりも下流側の水素含有ガス分岐部位から分岐し、且つ、原燃料ガスが通流する原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の水素含有ガス合流部位に合流されて、前記改質器での改質処理によって生成された水素含有ガスの一部を前記脱硫器に供給するためのリサイクルガス流路とを備える燃料改質装置の診断方法であって、
前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くする圧力差形成工程と、
前記圧力差形成工程により生じ得る前記水素含有ガス分岐部位から前記水素含有ガス合流部位へのガスの通流による前記水素含有ガス分岐部位の圧力の低下度合いによって、前記リサイクルガス流路のガス通流状態を判定する通流状態判定工程とを有する燃料改質装置の診断方法。
【請求項４】
前記燃料改質装置が、前記原燃料ガス流路の途中の、前記脱硫器よりも上流側の可燃性ガス分岐部位から分岐される可燃性ガス流路を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記水素含有ガス合流部位及び前記可燃性ガス分岐部よりも上流側に第１弁を備え、前記原燃料ガス流路の途中の前記可燃性ガス分岐部位よりも下流側且つ前記脱硫器よりも上流側に第２弁を備え、前記可燃性ガス流路の途中に第３弁を備え、前記リサイクルガス流路の途中に第４弁を備え、及び、前記水素含有ガス流路の途中の前記水素含有ガス分岐部位よりも下流側に流路開閉手段を備え、
前記圧力差形成工程に先立って、前記第１弁と前記第２弁とを開放し且つ前記第３弁と前記第４弁と前記流路開閉手段とを閉止した状態で原燃料ガスを前記原燃料ガス流路に供給する圧力上昇工程を実施し、
前記圧力上昇工程に引き続く前記圧力差形成工程において、前記第１弁と前記第２弁と前記第４弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁を開放して、或いは、前記第１弁と前記第２弁と前記流路開閉手段とを閉止し且つ前記第３弁と前記第４弁とを開放して、前記水素含有ガス合流部位から前記第３弁を通ってガスを排出させることで、前記水素含有ガス合流部位の圧力を前記水素含有ガス分岐部位の圧力よりも低くさせる請求項３に記載の燃料改質装置の診断方法。
【請求項５】
前記燃料改質装置の運転停止中に前記各工程を実施する請求項３又は４に記載の燃料改質装置の診断方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２０１５１４（Ｐ２０１２−２０１５１４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４７５７（Ｐ２０１１−６４７５７）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（００００００２８４）大阪瓦斯株式会社 (2,453)
【Ｆターム（参考）】
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