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JP4486353B2 - 水素生成装置および水素生成装置の作動停止方法並びに燃料電池発電装置 - Google Patents
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水素生成装置および水素生成装置の作動停止方法並びに燃料電池発電装置 Download PDF

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Description

本発明は、水素生成装置およびその作動停止方法並びに燃料電池発電装置に関し、特に改質器の内部をパージしてその外部に放出した可燃ガスを適切に処理できる水素生成装置およびその作動停止方法並びに燃料電池発電装置に関する。
天然ガス、ナフサ等の有機系原料と水蒸気の水蒸気改質反応により水素ガスを主成分とする改質ガスを生成させる改質器（改質装置）が知られている。
この水蒸気改質反応に寄与する改質触媒体としてアルミナ等の担体にＮｉ系あるいはＲｕ系触媒を担持したものがある。ところが、改質触媒体の性能は周囲環境の雰囲気に大いに依存しており、例えば、Ｎｉ系触媒は還元状態において本来の特性を発揮でき、逆に酸化状態ではその触媒活性は劣化する。Ｒｕ系触媒もまた、高温の酸化状態において揮発し易くてその触媒活性を損なう。
とりわけ、改質器の停止期間中には、改質器の内部の高温残留ガスの温度低下に起因した負圧化によって装置外部から空気（酸素）混入の可能性があり、改質触媒体の酸化劣化という懸念は高まる。このため、改質器の停止期間中に触媒酸化を防止する措置が必要であり、改質触媒体を高温の改質温度（例えば、７００℃）に維持させることを停止した後、改質器の内部の高温残留ガスを置換するため、改質器の内部に窒素ガス等の不活性ガスを導きこれを窒素ガスで満たすようにパージ処理を行った後、改質器の上流および下流を封止弁で閉じて改質触媒体の劣化防止を図るという方法が採られている。
また、窒素ガス入手に伴うコストアップや煩雑さを改善する目的で窒素ガスに代えて水素発生器の原料ガスそれ自体でもって水素発生器をパージする方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、窒素ガスを用いることなく、改質器停止後、その内部を適切にパージ処理でき、コスト低減やガス供給系の簡素化を図れる。
特開２０００−９５５０４号公報
改質器をパージ処理して外部に押し出された可燃性のパージ処理ガスの後処理は上記公報に明記されていないが、通常は既存の設備を有効に活用するため、例えば、改質器の改質触媒体を加熱するためのバーナーにパージ処理ガスを還流させてバーナーでこれを燃焼処理するという後処理方法が想定される。
ところが、改質器の内部を原料ガスでパージ処理する場合において、改質触媒体の温度を可能な限り速やかに原料ガスを熱分解させないように降下させて、最小限の時間で改質器のパージ処理動作を終了させることがパージ処理に要するエネルギー節約の観点から重要であると考えられる。そうであるにもかかわらず、上記のようなバーナーにおけるパージ処理ガスの燃焼は、改質触媒体の温度降下速度を抑止するように作用して、これによって改質器のパージ処理が遅延し、水素生成装置のエネルギーロス増加に繋がってしまう。また、改質器のパージ処理時に、発電ガスとして有用なパージ処理ガスをバーナーで燃焼させてしまうと、この燃焼でもたらされる熱量を何ら有効に活用できず、エネルギーの有効利用を図ることにも反する。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、改質器の内部を原料ガスでパージ処理する場合において、原料ガスまたは改質ガス（可燃ガス）を含有するパージ処理ガスを改質器のバーナーにて効率的に後処理し得る水素生成装置を提供し、バーナーの可燃ガス燃焼を停止させてパージ処理ガスをバーナーの内部で効率的に後処理し得る水素生成装置の作動停止方法を提供し、更には、パージ処理ガスを燃料電池にて効率的に活用し得る燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る水素生成装置は、原料ガスと水から改質触媒体を用いた反応によって水素リッチガスを生成しこれを出口ポートから送出する改質器と、前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給手段と、前記改質器に前記水を供給する水供給手段と、燃料ガスを空気と混合し燃焼させて生じた熱を前記改質触媒体に供給するバーナーと、前記バーナーに空気を供給する空気供給手段とを備えており、かつ、前記水素生成装置の停止時において、前記原料ガスのみを用いて前記改質器の内部をパージ処理する前に前記原料ガス及び前記水を用いて前記改質器の内部をパージ処理する際に前記空気の供給量を増加させると共に前記パージ処理によって前記出口ポートから送出される可燃ガスを前記バーナーにおいてその可燃濃度未満にまで前記空気と混合し希釈して外部に排出させる。こうしてパージ処理後の可燃ガスと空気とをバーナーの内部で混合することにより、可燃ガスをその可燃濃度未満にまで効率的に後処理できる。
また、前記バーナーは、前記改質触媒体に熱交換によって熱を与えるため、燃料ガスを空気と混合し燃焼させて生じた燃焼ガスを通過させる燃焼ガス経路を備えており、前記バーナーの内部の前記可燃ガスと前記空気を含む混合ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈させた後、前記混合ガスを前記燃焼ガス経路に通流させることによって、前記バーナーと前記改質触媒体の間の熱交換を活用して改質触媒体を冷却させることもできる。
ここで、前記バーナーの内部の前記可燃ガスと前記空気を含む混合ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈させた後であれば、前記混合ガスを大気中に放出できる。これにより、既存のバーナーを使って可燃ガスの処理を促進できる。
また、前記可燃ガスを前記バーナーに排出させる期間中、前記空気供給手段から絶え間なく前記バーナーに前記空気を供給させる。これにより、可燃ガスの処理を促進できる。
また、前記改質触媒体の温度が所定温度以上である期間中は、前記原料ガスと前記水の両方を用いて前記改質器の内部をパージ処理し、その後、前記所定温度になった後の期間において、前記原料ガスのみを用いて前記改質器の内部をパージ処理してもよい。なお所定温度とは、前記原料ガスが熱分解する下限温度および水蒸気の凝縮結露を発生し始める温度のうちの高い方の温度のことをいう。
こうすることで、所定温度以上において改質触媒体の改質反応によって水素ガスリッチな改質ガスを生成できて改質触媒体の周囲雰囲気を還元状態に保てると共に、所定温度に到達した時点で水の供給を止めるため、改質器の内部の水蒸気結露を未然に防止できる。
前記原料ガスと前記水の両方を用いて前記改質器の内部をパージ処理する場合において、前記水から生成される水蒸気に対する前記原料ガス中のカーボン比（スチーム・カーボン比）を２以上にしても良い。スチーム・カーボン比を２以上に維持することで、水蒸気不足に起因する余剰原料ガスの熱分解による炭素析出という不具合を回避できる。更に、前記原料ガスと前記水の両方を用いて前記改質器の内部をパージ処理する場合において、前記原料ガスのモル数基準に基づく供給量を前記水から生成される水蒸気に含まれるモル数基準に基づく溶存酸素量よりも多くしても良い。溶存酸素量よりも多くすれば、溶存酸素は原料ガスによって反応し尽くされて、溶存酸素による改質触媒体の酸化劣化の要因を事前に排除できる。
前記原料ガスのみを用いて前記改質器の内部をパージ処理する際に、前記改質器の内容積の１倍以上でかつ１０倍以下の原料ガス量を前記改質器に供給させても良い。これによって改質器の内部の水蒸気を原料ガスで確実に排除できる。
本発明に係る水素生成装置の作動停止方法は、原料ガスと水から水素リッチガスを生成する改質触媒体を有する改質器と、前記改質触媒体を熱交換可能に加熱するバーナーとを備えた水素生成装置の作動停止方法であって、前記原料ガスのみを用いて前記改質器の内部をパージ処理する前に前記改質器の内部に原料ガス及び前記水を供給してパージ処理する際に前記バーナーの内部に供給する空気量を増加させることによって、前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させる方法である。
こうして可燃ガスを可燃濃度未満まで希釈させバーナーにて効率的に後処理できる。
また、可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈させた後であれば、前記可燃ガスを大気に放出できる。このため、既存のバーナーを活用して可燃ガスを後処理できる。
また、前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させた後、前記バーナーに前記空気を引き続き供給することで、バーナーと改質触媒体の間の熱交換作用を使って前記改質触媒体の温度を速やかに降下させることができる。
本発明に係る燃料電池発電装置は、上記のような水素生成装置と、前記水素生成装置から改質ガス供給路を介して供給される水素リッチガスを用いて発電する燃料電池とを備えるものであって、前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させた後、前記水素リッチガスを前記燃料電池に供給して前記燃料電池のアノードにおいて前記水素リッチガス中の水素ガスを消費させるものである。こうすることで、前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させた後であっても、燃料電池の内部で水素ガスを反応させて発電を継続できて、水素ガスの無駄な廃棄を抑制できる。
前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させた後、前記燃料電池の内部で消費された水素ガス消費総量を、前前改質ガス供給路を通流する水素リッチガス中の水素ガス含有総量で除して得られる水素ガス消費割合を前記改質触媒体の温度に基づいて制御しても良い。具体的には前記改質触媒体の温度降下に応じて前記水素ガス消費割合を増加させる。こうして所望の発電量を維持すると共に、水素ガス消費割合が増すことで、水素ガスの廃棄量は一層抑制できる。
本発明によれば、改質器の内部を原料ガスでパージ処理する場合において原料ガスまたは改質ガス（可燃ガス）を含有するパージ処理ガスを改質器のバーナーにて効率的に後処理し得る水素生成装置が得られ、バーナーの可燃ガス燃焼を停止させてパージ処理ガスをバーナーの内部で効率的に後処理し得る水素生成装置の作動停止方法が得られ、更には、パージ処理ガスを燃料電池にて効率的に活用し得る燃料電池発電装置が得られる。
（実施の形態１）
以下、実施の形態１につき図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態１における水素生成装置の構成配置およびガス供給系統の概略図である。
図１において、水素生成装置１０は主として、制御装置９および水素リッチな改質ガスを供給する改質器２１と、原料ガス流量を調整したうえで改質器２１に原料ガスを供給する原料供給手段２２と、水流量を調整したうえで改質器２１に水を供給する水供給手段２３と、空気流量を調整したうえで空気をバーナー２に供給する空気供給手段２４とで構成される。
改質器２１は、原料ガスおよび水蒸気を、改質触媒体７４（図３参照）によって水蒸気改質させる改質部１、改質触媒体７４に改質反応用の熱を供給するバーナー２、改質部１の改質触媒体７４の温度を検知する改質温度測定部４、改質部１から送出されるガス中のＣＯ濃度を変成触媒体（図示せず）によって低減する変成部６および変成部６から送出されるガス中のＣＯ濃度を一酸化炭素酸化触媒体（図示せず）によってさらに低減する一酸化炭素酸化部７を備える。
なお、改質触媒体７４としてＲｕ系触媒にアルミナを担持して調整したペレット状のものを、変成触媒体として白金をＣｅ酸化物に担持しハニカム基体に調整したものを、一酸化炭素酸化触媒体として白金をアルミナに担持してハニカム基体に調整したものを使用する。また、原料ガスとして天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素系ガス、メタノール等のアルコールまたはナフサ成分等がある。実施の形態１においてはメタンガス主成分の天然ガスを使用するため、原料供給手段２２は、天然ガス中に含まれる硫黄分を除去するゼオライト吸着材を内蔵した脱硫部５を有する。
また、水供給手段２３から供給される水はイオン交換して改質部１に供給される。水を蒸発させる蒸発装置（図示せず）は改質部１の内部に設置しても改質部１の外部に設置しても良い。
ここで、バーナー２は、改質部１の改質反応に必要な反応熱を供給する場合には、原料ガスの一部を、原料ガス分岐経路３５を介してバーナー２に供給して燃焼させることもでき、水素ガスリッチな改質ガスの供給先（燃料電池発電の場合には燃料電池）から排出される改質ガスを、還流ガス通路４１を介してバーナー２に還流させて、この還流された改質ガスを燃焼させることもできる。なお、バーナー２に空気を導入して原料ガスや改質ガスと共に空気を燃焼させるため、バーナー２に空気を供給する空気供給手段２４が接続される。この空気供給手段２４には、例えば、シロッコファン３が備えられている。
また、制御装置９の入力部として、改質温度測定部４および原料ガス流量計１２があり、制御装置９の出力部として、原料供給手段２２の原料ガス流量調整部（図示せず）、脱硫部５を挟むように配置された原料ガス供給用の２つの第一、第二の原料ガス供給弁３１、３４、水供給手段２３の水流量調整部（図示せず）、水供給用の水供給弁３３、空気供給手段２４の空気流量調整部（図示せず）、第一、第二の開閉弁３６、３７等がある。
なお、こうした水素生成装置１０で作られる水素ガスリッチな改質ガスは、例えば水素ガスを燃料として使用する燃料電池発電装置に利用される。
次に、水素生成装置１０の通常運転および作動停止のガス供給動作を説明する。また、水素生成装置１０の作動停止の動作の説明においては、改質器２１の内部の原料ガスによるパージ処理動作と改質器２１の外部に放出されたパージ処理ガスの後処理動作に場合分けして説明する。
最初に、水素生成装置１０の通常運転のガス供給動作を述べる。
原料供給手段２２の原料ガス供給路３０の途中に脱硫部５を挟んで配置された第一、第二の原料ガス供給弁３１、３４を、制御装置９は開栓して改質器２１の改質部１に天然ガスを供給する。なおこの際、天然ガス中の付臭成分（硫黄分）は、水素生成装置１０の触媒の被毒成分であるため、改質器２１の上流側の脱硫部５に内蔵されたゼオライト吸着剤によって原料ガス中の硫黄成分の分子を、脱硫前原料ガス分子の総モル数の１億分の１まで低減し除去される。ここで、第一の原料ガス供給弁３１は、原料ガスを供給するか否かの制御をする開閉弁であり、第二の原料ガス供給弁３４は、原料供給手段２２の停止時に脱硫部５の開放放置を防止するための開閉弁である。
一方、原料ガスの供給と同時に、水供給路３２の途中に配置された水供給弁３３を制御装置９は開栓して、イオン交換された水を改質部１に供給する。なお、天然ガスと水の供給量バランスについては、水供給量を天然ガスに含有する炭素元素数の約３倍となるように調整される。
更には、原料ガス分岐通路３５を通って原料ガスの一部をバーナー２に送ってバーナー２の内部で燃焼させることによって、改質反応に必要な発熱量を改質触媒体７４（図３参照）は受け取り、改質触媒体７４の温度を約７００℃に維持した状態で、改質部１の原料ガスと水から水素ガスリッチな改質ガスが改質部１において生成される。
制御装置９は、改質温度測定部４で検知される温度をモニターして改質反応の状況を把握して、この検知温度に基づいて予め設定した量の原料ガスおよび水を供給できるように原料供給手段２２の原料ガス流量調整部および第一原料ガス供給弁３１を制御するとともに、水供給手段２３の水流量調整部および水供給弁３３を制御する。
また、改質部１で生成された改質ガスには一酸化炭素ガスおよび二酸化炭素ガスが約１０％（ドライガスベース）ほど含まれるため、燃料電池に使用する場合には、一酸化炭素ガス濃度を燃料電池の燃料極触媒を被毒させないレベルまで低減させることを要する。このため、この改質ガスを変成部６に流したのち、微量の酸素ガスと共に一酸化炭素酸化部７に送る。変成部６においては、変成触媒体の温度を約２５０℃に保って、水蒸気と一酸化炭素ガスを水素ガスと二酸化炭素ガスにシフト反応させて、これによって変成反応後の改質ガスの一酸化炭素ガス濃度を約０．５％、二酸化炭素ガス濃度は１９．５％（ドライガスベース）まで低減させる。一酸化炭素酸化部７においては、一酸化炭素酸化触媒体の温度を約１２０℃〜１６０℃に保って、この触媒体で改質ガス中の一酸化炭素ガスと酸素ガスとを反応させて一酸化炭素の濃度を１０ｐｐｍまで低減させる。こうして改質器２１の内部の改質ガスを、燃料電池等の使用に耐え得るよう不純物除去された状態にできる。
次に、通常運転から作動停止に移行した後、改質器２１の内部を原料ガスでパージ処理するガス供給系の動作を説明する。なおここで、改質部１の改質触媒体７４において所定温度を境にして、改質器２１に供給するパージ用のガスを変更させるため、この所定温度で場合分けしてガス制御の内容およびそのように制御する理由を述べる。所定温度とは原料ガスを熱分解させて炭素析出の生じる下限温度を指し示すが、この炭素析出温度に関わりなく、所定温度は、水蒸気の凝縮結露の発生し始める温度（１００℃以下）よりも低くなることはない。すなわち、所定温度とは、原料ガスを熱分解させて炭素析出の生じる下限温度および水蒸気の凝縮結露を発生し始める温度のうちの高い方の温度のことをいう。例えば、天然ガスの熱分解による炭素析出の温度範囲は約４００℃以上である一方、水蒸気の凝縮結露の温度範囲は約１００℃以下である。よって、天然ガス使用の場合、この所定温度は約４００℃になる。なお、図１の改質部１に設置した改質温度測定部４によって改質触媒体７４の温度を制御装置９は検知して、この検知温度が所定温度に到達したか否かを逐次モニターしている。
改質触媒体７４の改質温度維持のためのバーナー２による加熱停止直後（バーナーの火炎吹き消しの直後）、改質部１の改質触媒体７４の温度は約７００℃に昇温している。この昇温温度から改質部１の改質触媒体７４を所定温度（天然ガスの場合、熱分解による炭素析出の下限温度の４００℃）にまで後ほど説明する改質触媒体７４とバーナー２の熱交換によって冷却させる期間中（すなわち、前記改質触媒体７４の温度が所定温度以上である期間中）、改質部１に原料ガスと水の両方を送り込む。これによって、改質触媒体７４の改質反応によって水素ガスリッチな改質ガスを生成させて改質部１の内部雰囲気を還元状態に保つことができる。従って、改質部１の内部の酸化雰囲気化を回避して改質触媒体７４の活性維持できると共に原料ガスと水蒸気の改質反応が優先され原料ガスの熱分解によって炭素析出することも未然に防止できて、改質触媒体７４にダメージを与えることなく改質触媒体７４の温度を冷却できる。また、原料ガスと水を含むことで、吸熱反応である水蒸気改質が進行するため、この反応が改質触媒体７４から熱を奪い去って改質触媒体７４の温度をより早く低減できるという副次的効果もある。
また、改質触媒体７４に原料ガスと水蒸気の両方を供給する場合、つまりは改質触媒体７４が上記の所定温度以上である場合、以下の理由によって、モル数基準として原料ガスの供給量を水に含まれる溶存酸素量よりも多くすると共に、水蒸気に対する原料ガス中のカーボン比Ｓ／Ｃ（スチーム・カーボン比）を２以上に維持する必要がある。
水には微量の酸素ガスが溶け込んでおり、改質触媒体７４の酸化容易な温度以上（Ｒｕ系触媒にあっては３００℃以上）では、たとえ微量酸素ガスであっても触媒の酸化劣化を促進させてしまう。ところが、水に含まれる溶存酸素は、改質触媒体７４（Ｒｕ系触媒）よりもむしろ原料ガスと反応し易いという特性があるため、水に含まれる溶存酸素量より多い量（モル数を基準）の原料ガスを供給すれば、溶存酸素は原料ガスによって反応し尽くされるため、改質触媒体７４を酸化劣化させる要因を排除できる。
一方、Ｓ／Ｃは、改質反応に用いる水蒸気（steam）と原料ガス中の炭素成分（carbon）の比率を示しており、Ｓ／Ｃ＝２において反応当量比であるため、Ｓ／Ｃ＜２では、反応に必要な水蒸気不足を呈しる。この状況下で改質触媒体７４の温度が原料ガスの熱分解温度以上において、Ｓ／Ｃ＜２であれば、水蒸気不足に起因する余剰原料ガスの熱分解によって炭素析出が発生し好ましくない。
その後、改質部１の改質触媒体７４の温度低下が進行して、改質温度測定部４の検知温度が上記の所定温度に到達した時点で、制御装置９は水供給弁３３を閉めるように制御して水の供給を停止して、引き続いて原料ガスのみで改質器２１のパージ処理を行う。
こうして水蒸気の凝縮結露温度（約１００℃）よりも充分に高い温度範囲（本実施の形態の場合には４００℃前後）において、改質器２１の内部の水蒸気を原料ガスによって事前に排除することができて、改質器２１の内部の水蒸気結露を根本から無くし得る。かりに原料ガスによって水蒸気を完全に排除できないとすれば、改質器２１を水蒸気の凝縮結露温度以下になった時点で改質器２１の内部に水蒸気結露が発生して、改質器２１の再起動の際、結露した水によって改質器２１の速やかな加熱が妨げられて改質器２１の起動時間を不必要に延ばしてしまうだけでなく、結露水によって改質器２１の内部の改質触媒体７４、変成触媒体および一酸化炭素酸化触媒体の特性も劣化しかねない。
改質器２１の内部の水蒸気を完全に原料ガスでパージ処理するには、原料ガスの供給量は、少なくとも改質器２１の内容積以上（内容量の１倍以上）必要であり、望ましくは改質器２１の内容積の２倍以上である。例えば、改質器２１の内容量１Ｌであれば、改質器２１の内部の雰囲気を完全にパージ処理できるよう、２Ｌ（内容積の２倍）の原料ガスを改質器２１の内部に流しておく。原料ガスのトータル流量が重要であって、原料ガスの流速を１Ｌ／分、パージ時間を２分で原料ガスを流しても良く、原料ガスの流速を２Ｌ／分、パージ時間を１分で原料ガスを流しても良い。
もっとも原料ガス量は改質器２１の内部の水蒸気雰囲気を完全にパージ処理できる量であれば、その原料ガス量で必要かつ十分であり、むしろ停止動作に要するエネルギー消費量節約の観点からは、水蒸気排出に用いる原料ガス量を極力減らしておく方が望ましく、原料ガスの供給量は多くとも改質器２１の内容積の１０倍以下に抑制される。なお、第一の原料ガス供給弁３１と改質部１の間の原料ガス供給路３０の途中に配置された原料ガス流量計１２を制御装置９はモニターしており、上記の原料ガスのトータル供給量はこの流量計１２の検知信号に基づき所望量に制御されている。
このようにして、改質器２１の内部の触媒が酸化劣化することなく、改質器２１の停止直後から改質器２１の内部を適切にパージ処理できる。
次に、改質器から放出されるパージ処理ガスの後処理動作について説明する。
可燃性パージ処理ガス（水素ガスリッチな改質ガスまたは原料ガス）の放出後の後処理手段として、従来から改質器２１の下流側にパージ処理ガスを燃料処理して排出するバーナーを設けるものがある。しかしこの方法は、既存の改質触媒体７４の加熱用バーナーを使用する場合には改質触媒体７４の温度降下を妨げてエネルギーロスに繋がり、別途バーナーを設ける場合にはコストアップに繋がる。
そこで、実施の形態１においては、改質器２１の出口ポート４０（より具体的には、一酸化炭素酸化部に設けられた出口ポート４０）と既存のバーナー２を連通させて、還流ガス通路４１を介して改質器２１の内部のパージ処理を終えたパージ処理後の原料ガス（改質触媒体７４の温度条件によっては改質反応によって水素ガスリッチな改質ガス。以下、パージ処理ガスの後処理系の説明においては総称して原料ガスという。）をバーナー２に還流させると共に、改質器２１の内部を原料ガスおよび水蒸気でパージ処理を行う時点で空気供給手段２４のシロッコファン３の回転数を通常運転時よりも上げて過剰に空気をバーナー２に送り込む。こうしてパージ処理後の原料ガスと空気はバーナー２の内部で混合されて混合ガス中の可燃ガス濃度が可燃濃度未満に希釈され、これによってバーナー２の火炎が吹き消え、この混合ガスが大気中に排出される。
パージ処理ガスの後処理系において、このような構成を採用することで、次のような効果を奏する。
第一の効果として、バーナー２は本来、改質触媒体７４を加熱するものゆえ、両者は効率良く熱交換できるよう設計されている。よってこの機能を上手く利用して、空気供給手段２４から導入される空気に可燃ガス希釈という作用の他、改質触媒体７４の冷却を促進させるという作用も持たせ得る。即ち、改質触媒体７４と効果的に熱交換するバーナー２に通常運転時よりも過剰に空気を導入することで、改質触媒体７４を加熱させるのではなく、改質触媒体７４の温度を酸化劣化や原料ガスの炭素析出しない温度にまで速やかに冷却できるという効果がある。
図２において、パージ処理後の原料ガスの還流および空気の導入というバーナーのガス供給条件を変化させて、改質触媒体７４の改質温度維持のためのバーナー２による加熱停止後において改質触媒体７４の冷却度合いの経時変化を比較している。図２中のパターンａは、バーナー２１に原料ガスを還流させることも空気供給手段２４の空気を導入させることも行わず、バーナー２に特別な処置を施さずそのまま放置する場合の改質触媒体温度の降下例を示している。また、パターンｂは、改質触媒体７４の温度が４００℃に到達するまでの期間には原料ガスと水蒸気でもって、４００℃に到達した後の期間には原料ガスのみでもって改質器２１をパージ処理して、パージ処理後のガスをバーナー２１に還流ガス通路４１を介して還流させるものの、空気供給手段２４からの空気導入を行わない場合の改質触媒温度の降下例を示している。更には、パターンｃは、改質触媒体７４の温度が４００℃に到達するまでの期間には原料ガスと水蒸気でもって、４００℃に到達した後の期間には原料ガスのみでもって改質器２１をパージ処理して、パージ処理後のガスをバーナー２１に還流ガス通路４１を介して還流させると共に、併せて空気供給手段２４から空気をバーナー２に導入する場合の改質触媒温度の降下例を示している。
図２から明らかなように、パターンｃは、時間の経過と伴にもっとも速やかに改質触媒体７４の温度降下がなされており、バーナー２と改質触媒体７４の熱交換を活用して冷却促進を図れるという実施の形態１の構成に基づく効果を裏付ける結果となっている。なお、パターンａよりもパターンｂの改質触媒体７４の冷却効果が優れているので、改質器２１のパージ処理ガスを還流させるだけでも改質触媒体７４とバーナー２の熱交換による改質触媒体７４の冷却促進は可能である。
第二の効果として、通常運転時においては改質部１の改質触媒体７４を加熱するため、バーナー２の火炎は燃えているものの、可燃性のパージ処理ガスの改質器２１への供給に伴って空気供給手段２４のシロッコファン３の出力（回転数）を上げて、多量の空気を一時に導入して可燃ガス濃度を所定の可燃濃度未満に希釈させて火炎を吹き消すこと（可燃ガスの燃焼を停止させること）ができる。
可燃ガスが水素ガスであれば、その希釈可燃限界濃度は４％であり、その過濃可燃限界濃度は７５％である。よって可燃濃度未満に水素ガスを希釈するには、水素ガス濃度を４％未満にできるようにシロッコファン３の回転数を上げてファンからバーナー２への空気供給量を増加させることを要する。
また一方、メタンガスであれば、その希釈可燃限界濃度は５％であり、その過濃可燃限界濃度は１５％である。よって可燃濃度未満にメタンガスを希釈するには、メタンガス濃度を５％未満にできるようシロッコファン３の回転数を上げてファンからバーナー２への空気供給量を増加させることを要する。
なお、バーナー２に還流される原料ガス供給量およびバーナー２に導入される空気供給量は共に制御装置９によって制御され原料ガス中の可燃ガス濃度が確実に可燃濃度未満に希釈されて、バーナー２の火炎を吹き消すことができる。これによってバーナー２における改質触媒体７４の改質温度維持のための加熱状態から原料ガスの希釈拡散および改質触媒体７４の冷却状態に確実に移行できる。
ここで、図３に示したバーナーおよびバーナーの燃焼筒に近接する改質触媒体の周辺構造の断面図を参照しながら原料ガスの空気希釈による火炎吹き消し効果およびバーナーによる改質触媒体７４の冷却促進を奏させるメカニズムを詳しく説明する。図３には、主として燃焼筒６８および可燃ガス配管６４並びに空気バッファ６９から構成されるバーナー２の断面と、主として改質触媒体７４および改質触媒体７４を収納する収納ケース７７並びに外壁７８から構成される改質触媒体７４の周辺構造６０の断面とが示されている。
まず、原料ガスと燃焼用空気を含む混合ガスをバーナー２によって燃焼させることで、改質触媒体７４を加熱させる仕組みを最初に述べたうえで、バーナー２の火炎の吹き消しと改質触媒体７４の冷却の仕組みを説明する。
原料ガス分岐通路３５（図１参照）に繋がるバーナー２の原料ガス入口ポート６２から供給される原料ガスまたは／および還流ガス通路４１（図１参照）に繋がるバーナー２の還流ガス入口ポート６１から供給される改質ガスは、筒状の可燃ガス配管６４に導かれる。
そして、原料ガスまたは改質ガス（以下、図３の説明において総称して原料ガス）は、筒状の可燃ガス配管６４の内部で約９０°向きを変えて燃焼筒６８方向に上昇させられる。続いて原料ガスは、可燃ガス配管６４の下流側端を封止するガス配管蓋６５によってその流れは一旦遮られ、ガス配管蓋６５の近傍であって可燃ガス配管６４の側面に設けられた原料ガス噴出孔６６で原料ガスは複数に分流されて燃焼筒６８の内部方向に放出される。
また、空気供給手段２４のシロッコファン３（図１参照）に繋がる空気入口ポート６３から供給される燃焼用空気は、筒状の可燃ガス配管６４の周りに環状に設けられた空気バッファ６９に導かれる。空気バッファ６９の空気は、逆円錐状の窪み部の傾斜面に形成された空気噴出孔７０によって流れを複数に分散されて燃焼筒６８の内部方向に放出される。
こうして燃焼筒６８の内部方向に導かれた原料ガスと空気を含む混合ガスは、窪み部に生成されたバーナー２の火炎領域６７において原料ガス中の可燃ガスの可燃濃度範囲内（例えば、水素ガスであれば、その範囲は４％〜７５％の範囲に維持）になるように互いの供給量を制御装置９によって制御されて燃焼される。燃焼によって生成した高温の燃焼ガスは図３中の点線で付したようにしてバーナー２の内部を通流させられる。
すなわち燃焼ガスは、燃焼筒６８の内部を上昇していき、燃焼筒６８の上端に設けられた燃焼筒蓋７１においてその上昇が遮られて、燃焼筒６８の側壁７２に形成された燃焼筒蓋７１の近傍の燃焼ガス噴出孔７３から燃焼ガスの流れは複数に分散されて燃焼筒６８の外部に放出される。
燃焼筒６８の外部に放出された燃焼ガスは、改質触媒体７４を収納する改質触媒体７４の収納ケース７７の第一の壁７５および燃焼筒６８の側壁７２の間を通って先程の燃焼ガス上昇方向と逆方向に下降させられた後、火炎領域６７の近傍において流れの向きを略１８０°変更させられて、燃焼ガスは収納ケースの第二の壁７６と外壁７８の間を通って上昇させて排気ガスとして大気中に放出される。このように高温の燃焼ガスは、略垂直方向に上下移動する間ずっと、収納ケース７７の第一、第二の壁７５、７６を介して改質触媒体７４と接触しており、これによって燃焼ガスの熱量を改質触媒体７４は効率的に受け取ることができて触媒反応温度（約７００℃）までスムーズ昇温できる。
すなわち改質触媒体７４の周辺構造６０は、改質触媒体７４とそれの収納ケース７７に接触して流れる高温ガスの間で熱交換させ易いように設計されている。
一方、バーナー２によって高温の改質触媒体７４を冷却させる場合には、原料ガスと空気を含む混合ガスによって以下のようにして改質触媒体７４に蓄えられた熱を改質触媒体７４から奪い去る。なお、バーナー２に対する原料ガスおよび空気の導入法は、バーナー２を加熱器として使用したものと同じ方法のため、これに関連する説明は省略する。
火炎領域６７において可燃ガス濃度を可燃濃度未満（例えば、水素ガスでは、ガス濃度を４％未満）になるように、原料ガスおよび空気の供給量は制御装置９によって制御される。この場合、例えば、バーナー２の内部で可燃ガスを燃焼させる場合に比べてシロッコファン３の出力を高めて過剰に空気をバーナー２に導入しておき、バーナー２の火炎領域６７に供給する空気量を増加させることでバーナー２の火炎領域６７において可燃ガス濃度を希釈させてこれを吹き消す（可燃ガスの燃焼を停止する）ことができる。
以上のようにして火炎領域６７における空気と原料ガスを含む混合ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈でき、過剰の空気供給によって火炎を吹き消すことができて、可燃ガスの燃焼状態から可燃ガスの燃焼停止状態にバーナー２をスムーズに移行させることができる。
火炎を吹き消した後、燃焼筒６８に導入される原料ガスおよび空気の含む混合ガスは、燃焼ガスの同様にして、図３に点線で付したようにバーナー２の内部を流れる。即ち、混合ガスは燃焼筒６８の内部で燃焼されることなく、燃焼筒６８の内部を上昇していき、燃焼筒６８の上端に設けられた燃焼筒蓋７１においてその上昇が遮られて、燃焼筒６８の側壁７２に形成された燃焼筒蓋７１の近傍の燃焼ガス噴出孔７３において混合ガスの流れは複数に分散されて燃焼筒６８の外部に放出される。
燃焼筒６８の外部に放出された混合ガスを、改質触媒体７４を収納する改質触媒体７４の収納ケース７７の第一の壁７５および燃焼筒６８の側壁７２の間を通って先程のガス上昇方向と逆方向に下降させる。その後、混合ガスを燃焼筒６８の下端近傍において流れの向きを略１８０°変更させ収納ケースの第二の壁７６と外壁７８の間を通って上昇されて、燃焼ガスの放出経路（図中に点線を付して示した燃焼ガス経路）と同様の経路を通って大気に放出させる。
こうして混合ガスは、略垂直方向に上下移動する間、収納ケースの第一、第二の壁７５、７６を介して改質温度維持のために約７００℃まで昇温された改質触媒体７４と接触して熱交換を行い、これによって混合ガスは改質触媒体７４からその熱を効率的に奪い去ってスムーズに改質触媒体７４の温度を降下させ得る。
第三の効果として、図３で説明したように既存のバーナー２および既存の空気供給手段を有効活用してバーナー２の火炎領域６７において、パージ処理ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈できてこれを大気に放出できるため、設備増強等による製造コストの増加を抑制できる。
このように既存のバーナー２において、原料供給手段２２から改質器２１に供給される原料ガスの供給量および空気供給手段２４（シロッコファン３）からバーナー２に供給される空気の供給量を適切に制御装置９によって制御することによって、パージ処理ガス（原料ガスまたは改質ガス）および空気を含む混合ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度未満にバーナー２の内部で希釈して大気中に放出できると共に、可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈することで火炎を吹き消したうえで、混合ガスによって改質触媒体７４の温度を酸化劣化や原料ガスの炭素析出しない温度にまで速やかに冷却させ得る。
ここで、図４のフローチャートを参照して以上に述べた水素生成装置の作動停止動作における一連の処理動作例を時系列的に説明する。
図４のステップＳ４０１〜Ｓ４１４は、改質触媒体７４の改質温度維持のためのバーナー２による加熱停止（バーナー２の火炎吹き消し）から水素生成装置１０の密閉までの処理動作の一例を示したフローチャートであり、水素生成装置１０の停止の際に、制御装置９によってなされる処理内容が示されている。
改質触媒体７４の加熱を停止させるため、制御装置９は、シロッコファン３の出力を上昇させてバーナー２に供給する空気供給量を増加させる。併せて原料供給手段２２から改質器２１の内部に脱硫器５を介して原料ガスを供給すると共に、水供給手段２３から水蒸気を改質器２１の内部に供給して、これらのガスによって改質器２１の内部をパージ処理する（ステップＳ４０１）。パージ処理後のパージ処理ガス（主成分として水素ガスおよび水蒸気含有の改質ガス）を改質器２１の出口ポート４０から放出させてバーナー２に還流させる（ステップＳ４０２）。そして、バーナー２に還流したパージ処理ガスと過剰に供給された空気を混合させて可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈させる（ステップＳ４０３）。
続いて、希釈パージ処理ガスガスおよび空気を含む混合ガスを大気に放出させる（ステップＳ４０４）。なお、還流ガス通路４１を介してパージ処理ガスをバーナー２に還流させる期間中は、空気供給手段２４のシロッコファン３から絶え間なくバーナー２に空気を供給させておく。
ここで、改質器２１に原料ガスおよび水蒸気を供給する期間中、制御装置９は、改質温度測定部４において改質触媒体７４の温度を検知して、この検知温度が所定温度以上であるか否か判定する（ステップＳ４０５）。所定温度とは、前記原料ガスを熱分解させて炭素析出の生じる下限温度および水蒸気の凝縮結露を発生し始める温度のうちの高い方の温度ことをいう。改質温度測定部４の検知温度が所定温度以上であれば（ステップＳ４０５でＹＥＳの場合）、ステップＳ４０１〜ステップＳ４０４の一連のパージ処理動作を継続させる。改質温度測定部４の検知温度が所定温度以下に到達した時点（ステップＳ４０５でＮＯの場合）において次のステップに進み、制御装置９は、水供給手段２３の水供給を停止させる（ステップＳ４０６）。
その後、制御装置９は、原料ガスのみによって改質器２１の内部のパージ処理させる（ステップＳ４０７）。パージ処理後のパージ処理ガス（主成分：原料ガス）をバーナー２に還流させて（ステップＳ４０８）、シロッコファン３からバーナー２に流入させる過剰空気とパージ処理ガスを混合させて、この混合ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度以下に希釈させる（ステップＳ４０９）。そして、希釈パージ処理ガスと空気を含む混合ガスを大気に放出させる（ステップＳ４１０）。なお、還流ガス通路４１を介してパージ処理ガスをバーナー２に還流させる期間中は、空気供給手段２４のシロッコファン３から絶え間なくバーナー２に空気を供給させておく。
ここで、改質器２１の内部に原料ガスのみを供給する期間中、制御装置９は、原料ガスのトータル供給量を原料ガス流量計１２（図１参照）でモニターして、原料ガスを改質器２１に所定量以上供給したか否かを判定する（ステップＳ４１１）。所定量の設定値は、少なくとも改質器２１の内容積以上であり、望ましくはその内容積の２〜３倍以上である。原料ガスの供給が所定量に達するまでは（ステップＳ４１１でＮＯの場合）、ステップＳ４０７〜ステップＳ４１０の一連のパージ処理動作を継続する。原料ガスの供給が所定量に到達した時点（ステップＳ４１１でＹＥＳの場合）において次のステップに進み、制御装置９は原料供給手段２２から改質器２１への原料ガスの供給を停止させる（ステップＳ４１２）。
原料ガス供給の停止の後、制御装置９はシロッコファン３の作動を停止させてバーナー２への空気供給を止めさせる（ステップＳ４１３）。そして、第一、第二の原料ガス供給弁３１、３４および水供給弁３３並びに第一、第二の開閉弁３６、３７を閉じて、水素生成装置１０を密閉して（ステップＳ４０９）、水素生成装置１０の作動停止動作を終了させる。
こうした水素生成装置１０の作動停止動作によれば、改質器２１の内部を原料ガスでパージ処理できると共に、パージ処理後の原料ガスおよび／または改質ガスをバーナー２の内部で希釈してこれを効率的に処理できることに加え、併せてバーナー２の冷却も速やかに行うことができる。
（実施の形態２）
以下、実施の形態２につき図面を参照して説明する。
図５は、実施の形態２における燃料電池発電装置の構成配置およびガス供給系統の概略図である。
実施の形態２の改質器２１および原料供給手段２２および水供給手段２３並びに空気供給手段２４の構成は、実施の形態１のそれと同様のため、これらの構成の詳細説明を省略する。
実施の形態２の主要な構成上の相違点は、改質器２１の一酸化炭素酸化部７に設けられた出口ポート４０を、改質ガス供給路４２を介して固体高分子型燃料電池２のアノード８ａに連通させ、更に燃料電池８のアノード８ａを、改質ガス還流路４３を介してバーナー２に連通させて、水素生成装置１０と燃料電池８でもって燃料電池発電装置５０を構成していることにある。
燃料電池発電装置５０の通常の運転期間中は、水素ガスを主成分とする改質ガスを燃料電池８のアノード８ａに供給し、発電で消費し切れなかった改質ガスは、改質ガス還流路４３およびこの還流路４３に配置された第三の開閉弁３８を介して燃料電池８からバーナー２に戻されて、これをバーナー２の内部で燃焼させて改質触媒体７４の温度を維持するという構成を採用している。なお、燃料電池８のカソード８ｃには酸化剤ガスが供給されるが、酸化剤ガスの供給経路の説明については省略する。同様に、出口ポート４０とバーナー２を通流させる還流ガス経路４１についても、改質器２１の起動時または運転時に原料ガスおよび／または改質ガスを適宜バーナー２に還流させてバーナー２の内部で燃焼させて改質触媒体７４の昇温維持を図っている。なお、第三の開閉弁３８も制御装置９によって制御される。
またパージ処理動作については、改質触媒体７４の改質温度維持のためのバーナー２による加熱停止後であっても、改質触媒体７４の温度が所定温度に降下するまでの期間中は、改質ガス供給路４２を介してパージ処理ガス（主成分：水素ガスリッチな改質ガス）を燃料電池８のアノード８ａに送り込み、アノード８ａにて水素ガスを消費させて燃料電池８の発電を継続させる。所定温度とは、原料ガスを熱分解させて炭素析出の生じる下限温度および水蒸気の凝縮結露の発生する温度（１００℃）のうちの高い方の温度をいい、実施の形態１と同じ意味合いのものである。こうすれば、パージ処理ガス中の水素ガスを可能な限り発電に使って、可燃ガスの無駄な廃棄を抑えて最終的に外部に放出される可燃ガス量を低減できる。なお、燃料電池８のアノード８ａに供給される改質ガスの一酸化炭素ガス濃度を約１０ｐｐｍ以下に保って、アノード８ａの触媒の性能劣化させない配慮が必要なため、燃料電池８にて発電する間は、酸素ガスを変成部６の下流であって一酸化炭素酸化部７の上流側に供給しなければならない。
ここで、改質触媒体７４において原料ガスの水素ガスへの転換割合を示す転化率が通常の発電時と異なる様相を示すため、以下のような措置を講ずる必要である。図６は、Ｓ／Ｃ比（スチーム・カーボン比）をパラメータとして改質触媒体温度と転化率の関係を示している。図６によれば、原料ガスに対する水素ガスの改質触媒体７４の転化率（％）は、改質触媒体７４の温度を降下させるに伴い減少する傾向を示している。
よってＳ／Ｃ比を一定値に固定すれば、改質触媒体７４の改質温度維持のためのバーナー２による加熱停止後、改質触媒体温度は時間の経過に伴い漸減するため（図２参照）、この影響によって転化率も漸減する。このため、改質触媒温度の低下に応じて、燃料電池８の内部の水素ガス反応によって消費された水素ガス消費総量を、改質ガス供給路４２を通流する改質ガス中の水素ガス含有総量で除した割合（水素ガス消費割合）を制御装置９によって適切に制御しておく必要がある。すなわち、改質触媒体７４の温度降下に起因する水素ガス転換率の漸減に応じてパージ処理ガス中の水素ガスの割合が減少するため、所望の発電量を維持するには水素ガス消費割合を増加させることを要する。
更には、改質触媒体７４の冷却期間においては、燃料電池８から発電に寄与せずに放出されたパージ処理ガス（改質ガス）は、その後そのままバーナー２の内部に改質ガス還流路４３を介して還流されてバーナー２にて希釈されて廃却されるため、可能な限り燃料電池８にて発電に使用できるように、水素ガスの消費割合を改質触媒体７４の改質温度維持のためのバーナー２による加熱時に比べて増加させることが望ましい。
こうすることで、改質触媒体７４の改質温度維持のためのバーナー２による加熱停止後であっても、燃料電池の発電を継続させてエネルギーを得ることができ、加えて廃却すべきパージ処理ガス量を減らしてこれを希釈する空気量も節約できてエネルギーロスを抑制し得る。なお、改質触媒体７４の温度の他、Ｓ／Ｃ比を意図的に変化させる場合（例えば、図６のようにＳ／Ｃ＝２．０〜４．０）であっても転換率は増減するため、このような動作を行えば所望の発電量に見合った水素ガス消費割合の増減も必要になる。
そして改質触媒体７４の温度が低下して、これが所定温度に到達した時点で、水供給を停止して原料ガスのみで改質器２１の内部をパージ処理すると同時に、原料ガスのみで燃料電池８の内部もパージ処理する。
そして、原料ガスのみのパージを完了した時点で、原料ガス供給路３０に配置された第一、第二の原料ガス供給弁３１、３４、水供給路３２に配置された水供給弁３３、還流ガス通路４１に配置された第一の開閉弁３６、改質ガス供給路４２に配置された第二の開閉弁３７、改質ガス還流路４３に配置された第三の開閉弁３８を閉じて、燃料電池発電装置５０を密閉させて、原料ガスを改質器２１および燃料電池８の内部に閉じ込める。これによって、改質器２１および燃料電池８の内部雰囲気に空気が混入することを防ぎ、これらの内部の可燃性原料ガスが可燃濃度範囲になることを防止できる。
ここで、図７のフローチャートを参照して燃料電池発電装置の作動停止動作における一連の処理動作例を説明する。図７のステップＳ７０１〜Ｓ７１６は、改質触媒体７４の改質温度維持のためのバーナー２による加熱停止（バーナー２の火炎吹き消し）から燃料電池発電装置５０の密閉に至る処理動作の一例を示したフローチャートであり、燃料電池発電装置５０の停止の際に、制御装置９によってなされる処理内容が示されている。
制御装置９は、改質触媒体７４の改質温度維持のため、これの加熱を停止させる目的で、シロッコファン３の出力を上昇させてバーナー２に供給する空気供給量を増加させる。併せて原料供給手段２２から改質器２１の内部に脱硫器５を介して原料ガスを供給すると共に、水供給手段２３から水蒸気を改質器２１の内部に供給して、これによって改質器２１の内部をパージ処理する（ステップＳ７０１）。パージ処理後のパージ処理ガス（主成分として水素ガスおよび水蒸気含有の改質ガス）を改質器２１の出口ポート４０から燃料電池８に供給し、燃料電池８の内部で発電を継続させてパージ処理ガス中の水素ガスを消費させる（ステップＳ７０２）。
続いて、燃料電池８の内部で消費できなかった残余のパージ処理ガスをバーナー２に還流させる（ステップＳ７０３）。そしてバーナー２に還流したパージ処理ガスと過剰空気を混合させて可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈させる（ステップＳ７０４）。またパージ処理ガスの希釈と同時に、混合ガスによって改質触媒体７４の温度を速やかに降下させる動作は、実施の形態１において説明したものと同じである。その後、希釈パージ処理ガスガスおよび空気を含む混合ガスを大気中に放出させる（ステップＳ７０５）。なお、改質ガス還流路４３を介してパージ処理ガスをバーナー２に還流させる期間中は、空気供給手段２４のシロッコファン３から絶え間なくバーナー２に空気を供給させておく。
ここで、改質器２１に原料ガスおよび水蒸気を供給する期間中、制御装置９は、改質温度測定部４において改質触媒体７４の温度を検知して、この検知温度が所定温度以上であるか否か判定する（ステップＳ７０６）。所定温度とは、前記原料ガスを熱分解させて炭素析出の生じる下限温度および水蒸気の凝縮結露を発生し始める温度のうちの高い方の温度ことをいう。
改質温度測定部４の検知温度が所定温度以上であれば（ステップＳ７０６でＹＥＳの場合）、ステップＳ７０１〜ステップＳ７０５の一連のパージ処理動作を継続させる。改質温度測定部４の検知温度が所定温度以下に到達した時点（ステップＳ７０６でＮＯの場合）において次のステップに進み、制御装置９は、水供給手段２３の水供給を停止させる（ステップＳ７０７）。
その後、制御装置９は、原料ガスのみによって改質器２１の内部および燃料電池の内部をパージ処理させる（ステップＳ７０８、Ｓ７０９）。パージ処理後のパージ処理ガス（主成分：原料ガス）をバーナー２に還流させて（ステップＳ７１０）、シロッコファン３からバーナー２に流入させる過剰空気とパージ処理ガスを混合させて、この混合ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度以下に希釈させる（ステップＳ７１１）。そして、希釈パージ処理ガスと空気を含む混合ガスを大気に放出させる（ステップＳ７１２）。なお、改質ガス還流路４３を介してパージ処理ガスをバーナー２に還流させる期間中は、空気供給手段２４のシロッコファン３から絶え間なくバーナー２に空気を供給させておく。
ここで、改質器２１の内部に原料ガスのみを供給する期間中、制御装置９は、原料ガスのトータル供給量を原料ガス流量計１２（図５参照）でモニターし、原料ガスのみを改質器２１に所定量以上供給したか否かを判定する（ステップＳ７１３）。所定量の設定値は、少なくとも改質器２１の内容積以上であり、望ましくはその内容積の２〜３倍以上である。原料ガスの供給が所定量に達するまでは（ステップＳ７１３でＮＯの場合）、ステップＳ７０８〜ステップＳ７１２の一連のパージ処理動作を継続する。原料ガスの供給が所定量に到達した時点（ステップＳ７１３でＹＥＳの場合）において次のステップに進み、制御装置９は原料供給手段２２から改質器２１への原料ガスの供給を停止させる（ステップＳ７１４）。
原料ガス供給の停止の後、制御装置９はシロッコファン３の作動を停止させてバーナー２への空気供給を止めさせる（ステップＳ７１５）。そして、第一、第二の原料ガス供給弁３１、３４および水供給弁３３並びに第一、第二、第三の開閉弁３６、３７、３８を閉じて、燃料電池発電装置５０を密閉して（ステップＳ７１６）、燃料電池発電装置５０の作動停止動作を終了させる。
こうした燃料電池発電装置５０の作動停止動作によれば、改質器２１の内部を原料ガスでパージ処理できパージ処理後の原料ガスおよび／または改質ガスをバーナー２の内部で希釈してこれを効率的に処理できると共に、併せてバーナー２の冷却も速やかに行うことができる。加えて、改質触媒体の改質温度維持のためのバーナー２による加熱停止後であっても燃料電池に改質ガスを供給して燃料電池のアノード８ａで発電を継続させてエネルギーを得ることができ、廃却すべきパージ処理ガス量を極力減らしてこれを希釈する空気量も節約できてエネルギーロスを抑制し得る。
本発明によれば、水素生成装置または燃料電池発電装置の作動停止動作を効率的に行えて、発電装置として有用である。
本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成配置およびガス供給系統の概略図である。 原料ガスのバーナー還流の有無と空気のバーナー導入の有無といったガス供給の条件を変えて、改質触媒体の冷却度合いの経時変化を比較して説明した図である。 バーナーおよびバーナー燃焼筒に近接する改質触媒体周辺の断面図である。 水素生成装置の作動停止動作における一連の処理動作例を説明するフローチャート図である。 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の構成配置およびガス供給系統の概略図である。 Ｓ／Ｃ比をパラメータとして改質触媒体温度と転化率の関係を説明する図である。 燃料電池発電装置の作動停止動作における一連の処理動作例を説明するフローチャート図である。
符号の説明
１ 改質部
２ バーナー
３ シロッコファン
４ 改質温度測定部
５ 脱硫部
６ 変成部
７ 一酸化炭素酸化部
８ 燃料電池
８ａ アノード
８ｃ カソード
９ 制御装置
１２ 原料ガス流量計
１０ 水素生成装置
２１ 改質器
２２ 原料供給手段
２３ 水供給手段
２４ 空気供給手段
３０ 原料ガス供給路
３１ 第一の原料ガス供給弁
３２ 水供給路
３３ 水供給弁
３４ 第二の原料ガス供給弁
３５ 原料ガス分岐通路
３６ 第一の開閉弁
３７ 第二の開閉弁
３８ 第三の開閉弁
４０ 出口ポート
４１ 還流ガス通路
４２ 改質ガス供給路
４３ 改質ガス還流路
５０ 燃料電池発電装置
６０ 改質触媒体の周辺構造
６１ 還流ガス入口ポート
６２ 原料ガス入口ポート
６３ 空気入口ポート
６４ 可燃ガス配管
６５ ガス配管蓋
６６ 原料ガス噴出孔
６７ 火炎領域
６８ 燃焼筒
６９ 空気バッファ
７０ 空気噴出孔
７１ 燃焼筒蓋
７２ 燃焼筒の側壁
７３ 燃焼ガス噴出孔
７４ 改質触媒体
７５ 収納ケースの第一の壁
７６ 収納ケースの第二の壁
７７ 収納ケース
７８ 外壁

Claims (15)

  1. 原料ガスと水から改質触媒体を用いた反応によって水素リッチガスを生成しこれを出口ポートから送出する改質器と、前記改質器に前記原料ガスを供給する原料供給手段と、前記改質器に前記水を供給する水供給手段と、燃料ガスを空気と混合し燃焼させて生じた熱を前記改質触媒体に供給するバーナーと、前記バーナーに空気を供給する空気供給手段とを備えた水素生成装置において、
    前記水素生成装置の停止時において、前記原料ガスのみを用いて前記改質器の内部をパージ処理する前に前記原料ガス及び前記水を用いて前記改質器の内部をパージ処理する際に、前記空気の供給量を増加させると共に前記パージ処理によって前記出口ポートから送出される可燃ガスを前記バーナーにおいてその可燃濃度未満にまで前記空気と混合し希釈して外部に排出させる水素生成装置。
  2. 前記バーナーは、前記改質触媒体に熱交換によって熱を与えるため、燃料ガスを空気と混合し燃焼させて生じた燃焼ガスを通過させる燃焼ガス経路を備えており、前記バーナーの内部の前記可燃ガスと前記空気を含む混合ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈させた後、前記混合ガスを前記燃焼ガス経路に通流させることによって前記改質触媒体を冷却させる請求項１記載の水素生成装置。
  3. 前記バーナーの内部の前記可燃ガスと前記空気を含む混合ガス中の可燃ガス濃度を可燃濃度未満に希釈させた後、前記混合ガスを大気中に放出させる請求項１記載の水素生成装置。
  4. 前記可燃ガスを前記バーナーに排出させる期間中、前記空気供給手段から絶え間なく前記バーナーに前記空気を供給させる請求項１記載の水素生成装置。
  5. 前記改質触媒体の温度が所定温度以上である期間中は、前記原料ガスと前記水の両方を用いて前記改質器の内部をパージ処理し、その後、前記所定温度になった後の期間において、前記原料ガスのみを用いて前記改質器の内部をパージ処理する請求項１記載の水素生成装置。
  6. 前記原料ガスと前記水の両方を用いて前記改質器の内部をパージ処理する場合において、前記水から生成される水蒸気に対する前記原料ガス中のカーボン比を２以上にする請求項５記載の水素生成装置。
  7. 前記原料ガスと前記水の両方を用いて前記改質器の内部をパージ処理する場合において、前記原料ガスのモル数基準に基づく供給量を前記水蒸気に含まれるモル数基準に基づく溶存酸素量よりも多くする請求項６記載の水素生成装置。
  8. 前記原料ガスのみを用いて前記改質器の内部をパージ処理する際に、前記改質器の内容積の１倍以上でかつ内容積の１０倍以下の原料ガス量を前記改質器に供給させる請求項５記載の水素生成装置。
  9. 前記所定温度は、前記原料ガスが熱分解する下限温度および水蒸気の凝縮結露を発生し始める温度のうちの高い方の温度である請求項５乃至８の何れかに記載の水素生成装置。
  10. 原料ガスと水から水素リッチガスを生成する改質触媒体を有する改質器と、前記改質触媒体を熱交換可能に加熱するバーナーとを備えた水素生成装置の作動停止方法であって、
    前記原料ガスのみを用いて前記改質器の内部をパージ処理する前に前記改質器の内部に原料ガス及び前記水を供給してパージ処理する際に前記バーナーの内部に供給する空気量を増加させることによって、前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させる水素生成装置の作動停止方法。
  11. 前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満に希釈させた後、前記可燃ガスを大気に放出させる請求項１０記載の水素生成装置の作動停止方法。
  12. 前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させた後、前記バーナーに前記空気を引き続き供給することで前記改質触媒体の温度を降下させる請求項１０または１１記載の水素生成装置の作動停止方法。
  13. 請求項１乃至９のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置から供給される水素リッチガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池発電装置であって、
    前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させた後、前記水素リッチガスを前記燃料電池に供給して前記燃料電池のアノードにて前記水素リッチガス中の水素ガスを消費させる燃料電池発電装置。
  14. 前記バーナーの内部の可燃ガスと前記空気との混合ガス中の前記可燃ガスの濃度を可燃濃度未満にまで希釈させた後、前記燃料電池の内部で消費された水素ガス消費総量を、前前改質ガス供給路を通流する水素リッチガス中の水素ガス含有総量で除して得られる水素ガス消費割合を前記改質触媒体の温度に基づいて制御する請求項１３記載の燃料電池発電装置。
  15. 前記改質触媒体の温度降下に応じて前記水素ガス消費割合を増加させる請求項１４記載の燃料電池発電装置。
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