JP2008019112A - 水素発生装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 未使用の水素ガスの装置外部への放出を抑制でき、安全且つ簡素な構成で装置全体の小型化が可能な水素発生装置及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 有機物原料を収容する容器１と、有機物原料から水素含有ガスを発生させる水素発生部４と、水素含有ガスの一部を燃焼させる燃焼部８と、燃焼部８から排出される排ガスを更に燃焼させ、燃焼による温度変化による物理的変形により排ガス中の可燃性ガス濃度を検知する検知部３０と、変形に連動して排ガスの排出を遮断する遮断弁２０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素発生装置及びこれを用いた燃料電池システムに関する。

近年、石油等の化石燃料の枯渇及び地球環境への影響を考慮した新エネルギーの開発が進められてきている。中でも、産業上多くの用途を有する水素を利用した水素エネルギー利用技術が注目されてきており、水素を酸素と反応させて電気エネルギーを抽出する燃料電池システムの開発が進んでいる。特に近年は、携帯用電子機器の小型電源に利用可能な燃料電池システムへの期待が高まりつつある。

燃料電池システムを小型電源の燃料として利用する場合、燃料には水素ガス自体を用いるのではなく、ジメチルエーテルやメタノール等のエネルギー密度の高い有機物を用いるのが望ましい。なぜなら、水素ガスを長時間駆動可能な小型電源の燃料として用いる場合には、エネルギー密度を高めるために、水素ガスを数十〜数百気圧にまで圧縮しなければならないため、容器の強度を確保するために重く大きい燃料容器としなければならず、軽薄短小化の要望を満足することが困難なためである。

水素の代わりに、ジメチルエーテルやメタノール等の有機物を利用し、システム内に設置された改質器により水素を発生させ、発生させた水素を用いて燃料電池を駆動する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。燃料電池から排出された未使用の水素ガスは、触媒燃焼器において触媒燃焼させ、システムの外部に排出されないようにする必要がある。

しかしながら、特許文献１のシステムでは、触媒燃焼器内の触媒が劣化した場合に、未使用の水素ガスが十分に燃焼されずに装置外部に放出され続ける場合があるため、必要に応じて別途安全装置を設ける場合が一般的である。

一方、触媒燃焼器内の温度を測定することにより、触媒劣化等の触媒燃焼器の異常を検知するシステムが知られている（例えば、特許文献２参照。）
しかしながら、特許文献２のシステムでは、温度を測定するための測定機構及び測定温度に基づく異常を診断するための電子的機構を別途必要とする。そのため、装置が複雑化、大型化し、装置又はシステム全体としての小型化が困難になる。また、測定機構及び電子的機構を駆動させるための電力が更に必要となるため、エネルギー効率が悪くなる。

特開２００４−３１９４６７号公報 特開２００５−１５８５９７号公報

本発明は、未使用の水素ガスの装置外部への放出を抑制でき、安全且つ簡素な構成で装置全体の小型化が可能な水素発生装置及び燃料電池システムを提供する。

本願発明の態様によれば、有機物原料を収容する容器と、有機物原料から水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスの一部を燃焼させる燃焼部と、燃焼部から排出される排ガスを更に燃焼させ、燃焼による温度変化で生じる物理的変形により排ガス中の可燃性ガス濃度を検知する検知部と、物理的変形に連動して排ガスの排出を遮断する遮断弁とを備える水素発生装置が提供される。

本願発明の他の態様によれば、有機物原料を収容する容器と、有機物原料から水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去手段と、一酸化炭素が除去された水素含有ガスを酸素と反応させて発電する発電部と、発電部から排出された排ガスを燃焼させる燃焼部と、燃焼部から排出される排ガスを更に燃焼させ、燃焼による温度変化による物理的変形により排ガス中の可燃性ガス濃度を検知する検知部と、物理的変形に連動して排ガスの検知部への供給を遮断する遮断弁とを備える燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、未使用の水素ガスの装置外部への放出を抑制でき、安全且つ簡素な構成で装置全体の小型化が可能な水素発生装置及び燃料電池システムが提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

第１及び第２の実施の形態においては、エタノール又はジメチルエーテル等の有機物原料から水素を発生させ、発生させた水素を、発電又はガス分析等の種々の用途に使用した後に、未使用の水素を含むガスの装置外部への排出を抑制する水素発生装置を例示する。そのため、第１及び第２の実施形態に係る水素発生装置は、例えば、図１に示すように、有機物原料を収容する容器１と、有機物原料から水素含有ガスを発生させる水素発生部４と、水素含有ガスの一部を燃焼させる燃焼部８と、燃焼部８から排出される排ガスを更に燃焼させ、燃焼による温度変化による物理的変形により排ガス中の可燃性ガス濃度を検知する検知部３０と、変形に連動して排ガスの排出を遮断する遮断弁２０とを備える。

なお、以下に示す第１の実施の形態においては、水素発生装置を燃料電池システムに利用する場合を例示する。第２の実施の形態においては、水素発生装置を分析システムに利用する場合を例示する。

（第１の実施の形態）
−水素発生装置（燃料電池システム）−
第１の実施の形態に係る燃料電池システム（水素発生装置）は、図１に示すように、有機物原料を含む燃料を収容する容器１と、有機物原料から水素含有ガスを発生させる水素発生部（改質部）４と、水素含有ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去手段（ＣＯシフト部）５と、一酸化炭素が除去された水素含有ガスを酸素と反応させて発電する発電部（燃料電池セル）７と、燃料電池セル７から排出された排ガスを燃焼させる燃焼部８と、燃焼部８から排出される排ガスを更に燃焼させ、燃焼による温度変化による物理的変形により排ガス中の可燃性ガス濃度を検知する検知部３０と、物理的変形に連動して排ガスの検知部３０への供給を遮断する遮断弁２０とを備える。なお、「物理的変形」とは、物体の融解、体積変化、形状変化、長さの変化、等の物理量の変化をいう。

容器１に収容される有機物原料としては、メタノール、エタノール等のアルコールが使用可能である。有機物原料としてメタノールを使用する場合は、メタノールと水のモル比が、１：１から１：２の間が好ましい。

容器１に収容される有機物原料としては、ジメチルエーテル等の液化ガスを用いることも可能である。ジメチルエーテルは、常温での飽和蒸気圧が絶対圧力で約６気圧と大気圧より高圧である。そのため、ポンプを用いずとも、燃料自身の圧力を利用して後述する気化部３へ送給することができる。ジメチルエーテルと水は、容器１内で混合せずに、気化部３へ通じる配管又は気化部３内において混合させてもよいし、容器１内において予め混合させてもよい。

ジメチルエーテルの水素への改質反応をより効率よく進行させるためには、水の量は化学量論より多くするのがよい。このため、気化部３に供給されるジメチルエーテルと水のモル比は、１：３から１：４の間が好ましい。ジメチルエーテルと水は、常温（２５℃）付近ではモル比で１：７程度しか溶解しないが、メタノールを添加することによりジメチルエーテルと水の相溶性が向上し、容器１内に収容した場合に、液相が均一相になる。したがって、ジメチルエーテルと水の混合物に対し、メタノールを重量比で５〜１０％の割合で添加したものを、利用するのが望ましい。

ジメチルエーテルと水との混合物にメタノールを添加した場合であっても、自身の圧力としては、常温で約３〜５気圧の飽和蒸気圧が得られる。その他、用いられる液化ガスとしてはプロパン、イソブタン、ノルマルブタン等が挙げられるが、これらは何れも常温における飽和蒸気圧が大気圧より高圧である。

容器１は、配管等を介して流量制御部２に接続されている。流量制御部２は、容器１から送給される燃料の流量を制御する。流量制御部２としては、例えば、有機物原料としてメタノールを使用する場合には、ダイヤフラムポンプ、プランジャーポンプ、ギヤポンプ、チューブポンプ等を用いることができる。有機物原料としてジメチルエーテルを使用する場合には、流量制御部２としては、オリフィス、ニードルバルブ、ベローズバルブ、ダイヤフラムバルブ、バタフライバルブ等を用いることができる。流量制御部２としては、他にも、互いに異なる形状の複数のオリフィスを組み合わせたものや、温度調整により流体の粘性を変化させて流量調節する温度可変型オリフィス等を用いることもできる。

流量制御部２を通過した燃料は、配管等を介して気化部３に送給される。気化部３は、容器１から送給された燃料を加熱し、気化する。気化部３で気化された燃料は、配管等を介して改質部４に送給される。改質部４の内部には、気化した燃料が通過するための流路が設けられている。流路の内壁面には、気化した燃料の改質ガスへの改質反応を促進するための改質触媒が設けられており、改質部４に送給された燃料が水素含有ガス（改質ガス）に改質される。

改質部４で生成された改質ガスは、配管等を介してＣＯシフト部５へ送給される。ＣＯシフト部５の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられている。流路の内壁面には、改質ガスに含まれる一酸化炭素のシフト反応を促進するためのシフト触媒が設けられている。ＣＯシフト部５へ送給された改質ガスは、水素の他に、副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素は、燃料電池セルのアノード触媒を劣化させ、燃料電池セル７の発電性能を低下させる。このため、ＣＯシフト部５において、改質ガスに含まれる一酸化炭素を、二酸化炭素と水素へシフト反応させることにより、改質ガス中の一酸化炭素量を低減すると共に水素生成量の増加を図ることができる。

ＣＯシフト部５内において一酸化炭素が低減された改質ガスは、配管等を介してメタネーション部６へ送給される。ＣＯシフト部５から送給された改質ガスの中は、未だ１〜２％程度の一酸化炭素が含まれている。このため、メタネーション部６において、改質ガス中に残存する一酸化炭素をメタン及び水へ転化するためのメタン化反応を進行させ、一酸化炭素を除去する。メタネーション部６の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられており、流路の内壁面には、改質ガスに含まれる一酸化炭素のメタン化反応を促進するためのメタネーション触媒が設けられている。

メタネーション部６内の改質ガスは、配管等を介して燃料電池セル７に送給される。燃料電池セル７においては、改質ガス中の水素と大気中の酸素とが反応し、水が生成されるとともに発電が行われる。

燃料電池セル７から排出された排ガスは、配管を介して燃焼部８へ送給される。燃料電池セル７からの排出ガスには、未反応の水素及びメタン等の可燃性ガスが含まれている。燃焼部８においては、可燃性ガスを、エアポンプ１２を介して注入された大気中の酸素を用いて燃焼させる。燃焼の際に発生する燃焼熱は、主に気化部３と改質部４の加熱に利用される。加熱の効率、温度の均一化及び周囲の電子回路等の耐熱性の低い部品の保護のため、気化部３、改質部４、ＣＯシフト部５、メタネーション部６、燃焼部８は、断熱部１１より周囲を覆われている。

燃焼部８の出口側には、遮断部１０が設けられている。遮断部１０は、検知部３０と検知部３０の入口側に配置された遮断弁２０を有する。検知部３０は、燃焼部８から排出される排ガスを触媒により燃焼させ、燃焼による温度変化で生じる物理的変形により排ガス中の可燃性ガス濃度を検知する。遮断弁２０は、燃焼による温度変化で生じる物理的変形に連動して排ガスの検知部３０への排出を遮断する。遮断弁２０としては、電磁弁又は機械式弁が利用可能である。検知部３０及び遮断弁２０の詳細は後述する。

燃焼部８内から排出された排ガスは、燃焼部８の出口側の配管等に接続された遮断弁２０を通過し、遮断弁２０の出口側の配管等に接続された検知部３０に送給される。検知部３０においては、排ガス中に含まれる可燃性ガスが触媒燃焼され、除去される。可燃性ガスが除去された排ガスは、図１の燃料電池システムの外部に排出される。

第１の実施の形態に係る燃料電池システム（水素発生装置）によれば、燃焼部８から排出された排ガス中の可燃性ガスを、検知部３０に配置された触媒により更に燃焼させる。排ガス中の可燃性ガス濃度が低い場合は、検知部３０の温度上昇は小さいが、例えば、燃焼部８の燃焼触媒が劣化する等の異常が発生することにより、燃焼部８中の可燃性ガスが十分に燃焼されなくなると、検知部３０での燃焼反応する排ガスの量が増大し、検知部３０の温度が徐々に上昇する。検知部３０の温度が、熱変形部材の変形温度より高くなると、例えば熱変形が融解により生じる場合は検知部３０に内蔵された熱変形部材の融点より高くなると、検知部３０内の熱変形部材が変形する。熱変形部材の変形が遮断弁２０に伝達されることにより、燃焼部８と検知部３０との間の流路が自動的に遮断される。なお、流路の遮断により、図１に示す燃料電池システムの内部圧力が過度に上昇する場合が考えられるが、内部圧力の調整方法については、後述する。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムによれば、温度変化により生じる物理的変化により、未使用の水素ガスの装置外部への放出を容易に抑制できるため、簡素な構成で装置全体の小型化も実現可能な安全性の高い燃料電池システムを提供できる。

−遮断部１０の詳細（遮断弁２０を電気的に駆動する場合）−
（第１の例）
図１の遮断弁２０として電磁弁を用い、この遮断弁２０を電気的に駆動する場合の例（第１の例）を図２に示す。検知部３０は、燃焼部８の出口側の流路に配置された検知用燃焼部３１と、検知用燃焼部３１の外壁表面に配置され、温度変化により物理的に変形し、遮断弁２０の開閉状態を電気的に制御する自動温度調節制御装置（サーモスタット）３２ａとを備える。

サーモスタット３２ａにおいては、内部に配置されたバイメタル（図示省略）が熱変形部材として作用する。バイメタルの配置により、サーモスタット３２ａが昇温時に切状態となるようにすることもできるし、入状態となるようにすることも可能である。例えば、昇温時に切状態となるサーモスタット３２ａを使用する場合は、サーモスタット３２ａをノーマルクローズタイプの電磁弁（遮断弁２０）と電気回路１３で接続する。サーモスタット３２ａが切状態となって電磁弁に通電しなくなれば、電磁弁が閉状態になる。

昇温時に入状態となるサーモスタット３２ａを使用する場合は、サーモスタット３２ａをノーマルオープンタイプの電磁弁と電気回路１３で接続する。サーモスタット３２ａが入状態となって電磁弁（遮断弁２０）に通電すれば、電磁弁が閉状態になる。可燃性ガスの外部への排出抑制を考慮すると、何れの形式のサーモスタット３２ａにおいても、温度が再び下がった場合に遮断弁２０を開状態に復帰させない構造とするのが望ましい。

検知用燃焼部３１としては、例えば図４（ｃ）に示すように、アルミ製のマイクロチャネルリアクタ３９を用いることができる。マイクロチャネルリアクタ３９としては、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、アルミ等の金属版を機械加工し、パラレルチャネル３１０を形成した後に、チャネル表面に燃焼触媒を担持し、図４（ｃ）に示すように、パラレルチャネル３１０とパラレルチャネル３１１とを対向させる。そして、これをアルミ筐体に封入したものが、検知用燃焼部３１として利用可能である。マイクロチャネルリアクタ３９の材質としては、熱伝導率の高いアルミを使用することにより、発生した燃焼熱を迅速且つ効率的にサーモスタット３２ａに伝えることができる。

図２に示す遮断部１０によれば、検知用燃焼部３１の温度上昇に応じて変形するサーモスタット３２ａのバイメタルに連動し、遮断部１０の開閉状態が電気的に制御される。このため、燃焼部８における温度変化を電子的機構により測定・分析して異常を検知する従来のシステムに比べて、より簡素な構成で未反応の水素ガスの外部への排出を効果的に抑制でき、小型化も実現できる。

（第２の例）
遮断弁２０として電磁弁を用い、この遮断弁２０を電気的に駆動する場合の例（第２の例）を図３に示す。検知部３０は、燃焼部８の出口側の流路に配置された検知用燃焼部３１を備える点では第１の例と同様であるが、第１の例のサーモスタット３２ａの代わりに、検知用燃焼部３１の外壁表面に配置され、温度変化により物理的に変形し、遮断弁２０の開閉状態を電気的に制御する温度ヒューズ３２ｂを備える。

温度ヒューズ３２ｂにおいては、温度ヒューズ３２ｂの内部に配置される低融点金属が、熱変形部材として作用する。低融点金属の種類を選ぶことにより、温度ヒューズ３２ｂの動作温度を変えることができる。低融点金属としては、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ａｇ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ｂｉ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ等が利用可能である。

図３に示すように、温度ヒューズ３２ｂは、ノーマルクローズタイプの電磁弁（遮断弁２０）と電気回路１３により接続される。温度ヒューズ３２ｂが切状態となって電磁弁に通電しなくなれば、電磁弁（遮断弁２０）が閉状態になる。検知用燃焼部３１としては、図４（ｃ）に示すようなアルミ製のマイクロチャネルリアクタ３９を用いることができる。

図３に示す遮断部１０によれば、検知用燃焼部３１の温度上昇より回路が切断される温度ヒューズ３２ｂに連動して、遮断部１０の開閉状態が電気的に制御される。温度ヒューズ３２ｂは、検知用燃焼部３１の温度が再び下がった場合においても遮断弁２０を開状態に復帰させないため、燃焼部８における温度変化を電子的機構により測定・分析して異常を検知する従来のシステムに比べて、より簡素な構成で未反応の水素ガスの外部への排出を抑制でき、小型化も実現できる。

−遮断部１０の詳細（遮断弁２０を機械的に駆動する場合）−
（第１の例）
図１に示す遮断弁２０として機械式弁を用い、この機械式弁を機械的に制御する場合の例（第１の例）を図５〜図７に示す。遮断弁２０としては、例えば、図５の断面図に例示するような遮断弁２０が好適である。

図５に示す遮断弁２０は、本体２１の内部に設けられた内部室２８に、内部室２８を第１室２８ａ及び第２室２８ｂに区画するための隔壁２３が配置されている。第１室２８ａの中には、ばね２２が収容されている。第２室２８ｂの中には、隔壁２３に固定された弁棒２４が配置されている。弁棒２４の先端は、排ガスを送給するための流路２５に対向している。

隔壁２３には、遮断弁駆動棒（制御棒）２７に接続されたストッパー２６が固定されている。遮断弁駆動棒２７が、後述する熱変形部材の変形による機械的動力により、本体２１の外方向に引っ張られると、ストッパー２６が外れ、ばね２２の張力により隔壁２３が流路２５側に移動し、弁棒２４により流路２５が遮断される。

図５に示す遮断弁２０を使用する場合に好適な検知部３０の例を図６に示す。検知部３０は、筒状の内管３７及び内管３７を取り巻く筒状の外管３８からなる二重管構造の検知管４１を備える。内管３７及び外管３８の両端部分は、図示を省略する円板状の部材により密閉されている。外管３８の側面には、排ガス入口部３４及び排ガス出口部３５が開口しており、内管３７と外管３８との間の隙間が、図１の燃焼部８から送給された排ガスを通すための排ガス流路となる。排ガス流路の内部には、検知用燃焼部３１が配置されている。検知用燃焼部３１には、可燃性ガスを燃焼させるための固体状の燃焼触媒が充填されている。

内管３７の内側には、検知用燃焼部３１と隣接する熱変形部材３０４と、熱変形部材３０４に接続された第１のばね３０２と、第１のばね３０２に接続された接続部材３０３と、接続部材３０３に一端が接続され、他端が固定された第２のばね３０１が配置されている。第１及び第２のばね３０２，３０１は、それぞれ伸びた状態で、端部が内管３７の端面に固定されている。

熱変形部材３０４としては、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ａｇ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ｂｉ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ等の低融点金属が利用可能である。低融点金属の種類を選ぶことにより、検知部３０の動作温度を変えることができる。第１及び第２のばね３０２，３０１としては、金属製のコイルばねが採用可能である。

内管３７及び外管３８の側面には、それぞれ内管スリット３７１及び外管スリット３８１が形成されている。内管スリット３７１と外管スリット３８１との間には、図７に示すような筒状のスリット接続部３６が接続されている。図７に示すスリット接続部３６の一端が、図６に示す内管スリット３７１と溶接等により固定される。図７のスリット接続部３６の他の一端が、図６に示す外管スリット３８１と溶接等に固定される。スリット接続部３６の両端が溶接により固定されることで、排ガス入口部３４から流入した排ガスが、内管スリット３７１から内管３７内側を介して、あるいは外管スリット３８１から外部に漏れることなく排ガス出口部３５から流出するようになっている。

遮断弁駆動棒（制御棒）２７は、外管スリット３８１及び内管スリット３７１を通じて接続部材３０３に接続されている。遮断弁駆動棒２７は、熱変形部材３０４の変形により生じる第２のばね３０１の伸縮により機械的に移動し、図５に示す遮断弁２０の開閉状態を制御する。

図６の排ガス入口部３４から流入した排ガスは、内管３７と外管３８の隙間にある排ガス流路を流れ、検知用燃焼部３１を通過し、排ガス出口部３５から排出される。排ガスの可燃性ガスの濃度が高くなると、検知用燃焼部３１において発生する燃焼熱により、熱変形部材３０４が融解する。その結果、第２のばね３０１が縮み、接続部材３０３及び遮断弁駆動棒２７が排ガス入口部３４側に移動する。図６の遮断弁駆動棒２７が移動することにより、図５のストッパー２６が、本体２１の外側に引っ張られるため、弁棒２４により流路２５が遮断される。

図５〜図７に示す遮断部１０によれば、検知用燃焼部３１の温度上昇に応じて熱変形部材３０４が融解することにより、図６に示す第２のばね３０１が縮み、第２のばね３０１に連動する遮断弁駆動棒２７が機械的に移動することにより、図５に示す遮断弁２０が、燃焼部８の出口側の流路を遮断する。これにより、小型化が可能で、簡素な構成で未反応の水素ガスの外部への排出を抑制可能な燃料電池システムを提供できる。

（第２の例）
図１に示す遮断部１０における流路の遮断を機械的に行う場合の他の例（第２の例）を図５及び図８に示す。遮断弁２０としては、図５の断面図に例示するような遮断弁２０が好適である。

検知部３０は、図８に示すように、内管３７及び外管３８を有し、内管３７及び外管３８の間に排ガスを流通させるための排ガス流路を備える検知管４１と、排ガス流路内に配置された検知用燃焼部３１と、内管３７の内側において検知用燃焼部３１と隣接する第１のばね（第１の熱変形部材）３０６を有する。接続部材３０３は、第１のばね３０６の他端に接続されている。第２のばね（第２の熱変形部材）３０５は、接続部材３０３に一端が接続され、他端が内管３７の端面に固定されている。遮断弁駆動棒２７は、接続部材３０３に接続され、第１のばね３０６の変形により、遮断弁２０の開閉状態を機械的に制御する。

第１及び第２のばね３０６，３０５は、第１及び第２のばね３０６，３０５が伸びた状態で、それぞれの端部が内管３７の端面に固定されている。第１のばね３０６としては、温度上昇時に縮むタイプの形状記憶合金ばねが好適である。形状記憶合金ばねの種類を選ぶことにより、動作温度を変えることができる。

排ガス入口部３４から流入した排ガスは、内管３７と外管３８の隙間の排ガス流路を流れ、検知用燃焼部３１を通過した後、排ガス出口部３５から排出される。排ガスの可燃性ガスの濃度が高くなると、検知用燃焼部３１において発生した燃焼熱により、第１のばね３０６が収縮し、収縮に連動して接続部材３０３が排ガス出口部３５側に移動する。これにより、接続部材３０３に接続された遮断弁駆動棒２７が駆動し、図５に示すストッパー２６が外れ、弁棒２４が流路を遮断して排ガスの流れを自動的に停止させる。熱変形部材としての第１のばね３０６の変形により、遮断弁２０が自動的に流路を遮断するので、燃焼部８の温度変化を電子的機構により計算して異常を検知するシステム等に比べて小型化が可能で、且つ簡素な構成で未反応の水素ガスの外部への排出を抑制できる。

なお、第１のばね３０６と第２のばね３０５の両方にそれぞれ同一の引っ張り張力を有する形状記憶合金ばねを使用することができる。これにより、形状記憶合金ばねの温度差に起因する引っ張り力の差を利用して、遮断弁駆動棒２７を動かすことができるため、図６に示す検知部３０を使用する場合、或いは第１のばね３０６のみに形状記憶合金ばねを使用する場合に比べて、排ガス自体の温度が元々高い場合や周辺の環境温度が高くなった場合でも、誤動作を抑制できるという利点を有する。なお、第１のばね３０６と第２のばね３０５の両方に形状記憶合金ばねを用いる場合は、第１のばね３０６から第２のばね３０５への熱伝導によるばねの等温化を抑制するために、接続部材３０３を熱伝導率が低い材料で構成するのが望ましい。

（第３の例）
図１に示す遮断部１０における流路の遮断を機械的に行う場合の更に他の例（第３の例）を図５及び図９に示す。遮断弁２０としては、図５の断面図に例示するような遮断弁２０が好適である。

検知部３０は、図９に示すように、内管３７の内側において検知用燃焼部３１と隣接する第１のガス充填袋３０８、第１のガス充填袋３０８に接続された接続部材３０３、及び接続部材３０３に接続された第２のガス充填袋３０７が配置されている。第１及び第２のガス充填袋３０８，３０７は、例えばワイヤ３０９ａ，３０９ｂ等を介して接続部材３０３に接続されている。

第１及び第２のガス充填袋３０８，３０７は可撓性を有し、内部に液化ガス又は圧縮ガスが充填されている。液化ガスとしては、ジメチルエーテル、フロン等が好適である。圧縮ガスとしては、二酸化炭素、窒素等が好適である。第１及び第２のガス充填袋３０８，３０７に充填するガスの種類を選ぶことにより、検知部３０の動作温度を変えることができる。

排ガス入口部３４から流入した排ガスは、内管３７と外管３８の隙間の排ガス流路を流れ、検知用燃焼部３１を通過した後、排ガス出口部３５から排出される。排ガス中の可燃性ガスの濃度が高くなると、検知用燃焼部３１において発生した燃焼熱により、第１のガス充填袋３０８が加熱され、内部圧力が高くなることにより第１のガス充填袋３０８が膨らむ。その結果、接続部材３０３及び遮断弁駆動棒２７が排ガス入口部３４側に移動する。図９の遮断弁駆動棒２７が移動することにより、図５のストッパー２６が本体２１の外側に引っ張られるため、弁棒２４が流路２５を遮断して排ガスの流れを停止させるので、燃焼部８の温度変化を電子的機構により計算して異常を検知する従来のシステムに比べて小型化が可能で、且つ簡素な構成で未反応の水素ガスの外部への排出を抑制できる。

更に、図９に示す第３の例においては、熱変形部材である第１及び第２のガス充填袋３０８，３０７の内部圧力の差を利用して、遮断弁駆動棒２７を動かすので、排ガス自体の温度が元々高い場合や周辺の環境温度が高くなった場合でも、誤動作を防止できるという利点を有する。

（第１の実施の形態の第１の変形例）
第１の実施の形態の第１の変形例に係る燃料電池システムは、図１０に示すように、検知部３０の入口側に配置され、燃焼に必要な酸素（空気）を排ガスが供給される流路の外部から吸引して検知部３０に供給する酸素供給部４０を更に備える点が、図１に示す燃料電池システムと異なる。酸素供給部４０は、検知部３０と遮断弁２０の間に設置され、両者と配管等で接続されている。酸素供給部４０としては、例えば、エジェクターを用いることができる。他は、図１に示す燃料電池システムと実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

図１０に示す燃料電池システムによれば、酸素供給部４０を設置し、検知部３０に空気中の酸素を常時供給することにより、例えば燃焼部８に空気を供給するエアポンプ１２が故障した場合においても遮断弁２０が適切に作動し、システム内部を密閉することができるため、安全性が向上する。

（第１の実施の形態の第２の変形例）
第１の実施の形態の第２の変形例に係る燃料電池システムは、図１１に示すように、気化部３の入口側に配置された入口側遮断弁５０を更に備える。入口側遮断弁５０は、流量制御部２と気化部３と配管等で接続されている。例えば、燃焼部８の燃焼触媒の劣化や、エアポンプ１２の故障により、遮断弁２０が作動した場合に、エアポンプ１２を用いて酸素を供給し続けると、システム内部の圧力が限界吐出圧にまで高まり得る。また、燃料として液化ガスを使用し、これをオリフィス等の流量制御部２を用いて供給している場合は、燃料の有する飽和蒸気圧までシステム内部の圧力が高まり得る。システム内部の圧力が、通常運転時よりも高くなってしまう。そのため、入口側遮断弁５０を設置し、遮断弁２０が作動した場合には、入口側遮断弁５０も作動させて改質部４への燃料供給を停止させることにより、システム内部の圧力が上昇することを抑制できる。

ここで、図１１に示す検知部３０の熱変形部材の変形発生の伝達が、図２、図３に示すような電気的なものである場合は、入口側遮断弁５０としても、遮断弁２０と同様の構成の電磁弁を使用することができる。この場合、遮断弁２０の作動の原因がエアポンプ１２の故障でない場合は、エアポンプ１２の限界の吐出圧までシステム内部の圧力が高まり得るので、エアポンプ１２の入口側または出口側に電磁弁を更に設置し、遮断弁２０及び入口側遮断弁５０の作動と連動させて動かすのが望ましい。あるいは、エアポンプ１２の構造として、遮断弁２０及び入口側遮断弁５０の電磁弁の作動と共にエアポンプ１２への電力供給を停止してもよい。

また、検知部３０の熱変形部材の変形発生の伝達が、図５〜図９に示すような機械的なものである場合は、例えば図１２の断面図に示すような入口側遮断弁５０が好適である。図１２に示す入口側遮断弁５０は、本体５１の内部に設けられた内部室５９に、内部室５９を第１室５９ａ及び第２室５９ｂに区画するための隔壁５３が配置されている。第２室５９ｂ内には、ばね５２が収容されている。第２室５９ｂ内には、隔壁５３に固定された弁棒５４が配置されている。弁棒５４の先端は、燃料５８を送給するための流路５５に対向している。ばね５２のばね定数は、燃料の圧力が通常運転時より高くなった場合に弁棒５４が流路５５を遮断する程度に設定されている。

流路５５の入口側は、配管を介して流量制御部２及び容器１に接続されている。流路５５の入口側には、第１室５９ａに接続された分岐路５６が配置されている。図１１に示す容器１から送給された燃料は、流量制御部２を通過し、図１２の流路５５を通過する。このとき、燃料の一部は、弁駆動用燃料として分岐路５６を介して第１室５９ａに送給される。

燃料の圧力が通常運転時より高くなると、第１室５９ａ側から隔壁５３に作用する燃料の力が通常運転時より大きくなり、第２室５９ｂ側にあるばね５２を更に圧縮させ、隔壁５３に接続された弁棒５４を下方に移動させて、燃料の流路を遮断する。ばね５２のばね定数や、弁棒５４の長さを変えることにより、流路５５が遮断される場合のシステム内部の圧力を設定できる。ばね５２の種類としては、コイルばね、板ばね、空気ばね等を用いることができる。

なお、遮断弁２０の作動の原因がエアポンプ１２の故障でない場合は、エアポンプ１２が作動し続けることにより、エアポンプ１２の限界の吐出圧までシステム内部の圧力が高まり得るので、図１２に示すような入口側遮断弁５０を、エアポンプ１２の出口側にも設置することが望ましい。一方、遮断弁２０の作動の原因がエアポンプ１２の故障の場合は、エアポンプ１２の構造によっては、燃焼部８から水素含有ガスがエアポンプ１２側に逆流する可能性がある。逆流を防止するために、エアポンプ１２の出口側に逆止弁等を更に設置することが望ましい。

エアポンプ１２の構造が、出口側の圧力がある値まで上昇しないと逆流しない構造のものであれば、図１２に示すような入口側遮断弁５０を、エアポンプ１２の出口側に設置することも可能である。使用するエアポンプ１２が、ガスを容易に逆流させる構造の場合は、図１２に示すような入口側遮断弁５０と逆止弁を両方設置することが望ましく、圧力がある値まで上昇しないと逆流しないような構造であれば、図１２に示すような入口側遮断弁５０のみを設置すればよい。他は、図１０に示す燃料電池システムと実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

図１１及び図１２に示す燃料電池システムによれば、入口側遮断弁５０が配置されることにより、改質部４等の内部圧力の上昇を抑制できるため、安全性が向上する。

（第１の実施の形態の第３の変形例）
第１の実施の形態の第３の変形例に係る燃料電池システムは、図１３に示すように、燃焼部８の出口側に配置され、排ガスの熱エネルギーを、気化部３へ送給される有機物原料の熱エネルギーと交換する熱交換部６０を更に備える。

熱交換部６０は、気化部３の入口側の配管と燃焼部８の出口側の配管との間に配置されている。熱交換部６０の材質としては、アルミ等の熱伝導率が高い材料を用いることが望ましい。熱交換部６０は、気化部３の入口側の配管を通過した燃料に対し、燃焼部８からの排ガスが保有する熱エネルギーを熱交換部６０を通じて与えることにより、燃焼部８の出口側を流れる排ガスを冷却する。他は、図１２に示す燃料電池システムと実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

図１３に示す燃料電池システムによれば、熱交換部６０により、遮断部１０に送給される排ガスの温度を低下させることができるため、燃焼部８における排ガスの過度の昇温による遮断部１０の誤作動を防止できる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る分析システムは、図１４に示すように、改質部４で生成された水素含有ガスから水素を純化する水素純化部９を有する水素発生装置１００と、水素純化部９において純化した水素を用いて被測定対象ガスを分析する分析装置２００とを備える。

水素純化部９は配管を介してメタネーション部６の出口側に接続されている。水素純化部９は、一酸化炭素が除去された改質ガスを、メタン、二酸化炭素、水蒸気等を除去した高濃度水素ガスと、メタン、二酸化炭素、水蒸気等を含む低濃度水素ガスに分離する。水素純化部９としては、例えばパラジウム、バナジウムもしくはタンタルなどの金属膜からなる水素透過膜や、石英系の水素透過半透膜を用いることができる。水素純化部９において生成された低濃度水素ガスは、配管などを介して燃焼部８へ送給される。高濃度水素ガスは、配管等を介して分析装置２００へ送給される。

分析装置２００は、キャリアガス保持部２０１、キャリアガス保持部２０１に配管等を介して接続されたカラム２０３、カラム２０３に配管等を介して接続された水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）２０５、及びＦＩＤ２０５に配管等を介して接続された遮断部２１０を備える。

キャリアガス保持部２０１には、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが保持されている。キャリアガス保持部２０１の出口側の配管には被測定対象ガス供給口２０２が配置されている。被測定対象ガスは、被測定対象ガス供給口２０２から供給され、キャリアガス保持部２０１から送給される不活性ガスの流れとともにカラム２０３に送給される。

カラム２０３は、配管等を介して送給されたガスを、ガス成分毎に分離する。カラム２０３は、周囲に配置された電気ヒータ２０４により、所定の温度に加温される。カラム２０３を加熱する装置としては、電気ヒータ２０４を用いる必要はなく、例えばヒートパイプを用いて、水素発生装置１００で発生する熱の一部を供給するようにしてもよい。カラムとしてはキャピラリーカラム又はパックドカラム等が利用可能である。

カラム２０３において成分分離されたガスは、配管等を介してＦＩＤ２０５に送給される。ＦＩＤ２０５は、カラム２０３から送給されたガスを水素純化部９から供給された高濃度水素ガスとともに燃焼させ、被測定対象ガスをイオン化する。ＦＩＤ２０５は、解析制御部２０６により制御される。

ＦＩＤ２０５、解析制御部２０６、及び電気ヒータ２０４等を駆動するのに必要な電力は、二次電池等から供給することが可能であるが、図１に示すような燃料電池セル７を図１４の水素純化部９の出口側に設置し、水素純化部９からの低濃度水素ガスの供給によって燃料電池セル７を駆動させ、抽出した電気エネルギーを利用してもよい。

ＦＩＤ２０５において、分解されて二酸化炭素と水蒸気となった被測定対象ガスと、高濃度水素ガスの燃焼により生成した水蒸気を含んだ排ガスは、配管等を介して接続された遮断部２１０へ送給される。遮断部２１０は、遮断弁２２０及び検知部２３０を有する。遮断部２１０は、第１の実施の形態において説明した遮断部１０の構成と実質的に同様であるので説明を省略する。

第２の実施の形態に係る分析システムによれば、ＦＩＤ２０５における燃焼の不具合により、検知部２３０に流入する排ガス中の水素の濃度が通常運転時よりも高くなった場合に、検知部２３０に配置された検知用燃焼部において発生した燃焼熱により熱変形部材が変形し、その変形の伝達により遮断弁２２０が作動して流路が遮断される。これにより、外部への水素ガスの放出を抑制可能な安全性の高い分析システムが提供できる。

（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

図１０〜図１３に示す第１の実施の形態の変形例においては、図１に示す燃料電池システムに対し、酸素供給部４０、入口側遮断弁５０、及び熱交換部６０を順次付加する例を示したが、これらを図１の燃料電池システムにそれぞれ単独で付加することも勿論可能であるし、また、任意に組み合わせた燃料電池システムを利用することも可能である。図１０〜図１３に示す酸素供給部４０、入口側遮断弁５０、及び熱交換部６０を、第２の実施の形態に示す水素発生装置１００に組み込んで、携帯用分析機器として利用することも可能であることは勿論である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る水素発生装置（燃料電池システム）を示す全体構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る水素発生装置（燃料電池システム）に用いられる遮断部の第１の例を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る水素発生装置（燃料電池システム）に用いられる遮断部の第２の例を示す模式図である。 図２及び図３に示す検知用燃焼部の一例を表す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る水素発生装置（燃料電池システム）に用いられる遮断弁（機械式弁）の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る水素発生装置（燃料電池システム）に用いられる検知部の第１の例を示す斜視図である。 図６のスリット接続部を表す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る水素発生装置（燃料電池システム）に用いられる検知部の第２の例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る水素発生装置（燃料電池システム）に用いられる検知部の第３の例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る水素発生装置（燃料電池システム）を示す全体構成図である。 本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る水素発生装置（燃料電池システム）を示す全体構成図である。 図１１の入口側遮断弁の詳細を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第３の変形例に係る水素発生装置（燃料電池システム）を示す全体構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る水素発生装置（分析システム）を示す全体構成図である。

符号の説明

１…容器
３…気化部
４…改質部
４…水素発生部
５…ＣＯシフト部
６…メタネーション部
７…燃料電池セル
８…燃焼部
９…水素純化部
１０…遮断部
１１…断熱部
１２…エアポンプ
１３…電気回路
２０…遮断弁
３１…検知用燃焼部
３２ａ…サーモスタット
３２ｂ…温度ヒューズ
３４…排ガス入口部
３５…排ガス出口部
３６…スリット接続部
３７…内管
３８…外管
５０…入口側遮断弁
５１…本体
５８…燃料
５９…内部室
５９ａ…第１室
５９ｂ…第２室
６０…熱交換部
１００…水素発生装置
２００…分析装置
２０１…キャリアガス保持部
２０２…被測定対象ガス供給口
２０３…カラム
２０４…電気ヒータ
２０５…ＦＩＤ
２０６…解析制御部
２１０…遮断部
２２０…遮断弁
２３０…検知部
３０３…接続部材
３０４…熱変形部材
３０７…第２のガス充填袋
３０８…第１のガス充填袋

Claims (10)

1. 有機物原料を収容する容器と、
   前記有機物原料から水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
   前記水素含有ガスの一部を燃焼させる燃焼部と、
   前記燃焼部から排出される排ガスを更に燃焼させ、燃焼による温度変化で生じる物理的変形により前記排ガス中の可燃性ガス濃度を検知する検知部と、
   前記物理的変形に連動して前記排ガスの排出を遮断する遮断弁
   とを備えることを特徴とする水素発生装置。
2. 前記検知部が、
   前記燃焼部の出口側の流路に配置された検知用燃焼部と、
   前記検知用燃焼部の外壁表面に配置され、前記温度変化により物理的に変形し、前記遮断弁の開閉状態を電気的に制御する自動温度調節制御装置又は温度ヒューズ
   とを備えることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記検知部が、
   内管及び前記内管を取り巻く外管を有し、前記内管及び前記外管の間に前記排ガスを流通させるための排ガス流路を有する検知管と、
   前記排ガス流路内に配置された検知用燃焼部と、
   前記内管の内側において前記検知用燃焼部と隣接する熱変形部材と、
   前記熱変形部材に接続された第１のばねと、
   前記第１のばねに接続された接続部材と、
   前記接続部材に一端が接続され、他端が固定された第２のばねと、
   前記接続部材に接続され、前記熱変形部材の変形により生じる前記第２のばねの伸縮により機械的に移動し、前記遮断弁の開閉状態を制御する制御棒
   とを備えることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
4. 前記検知部が、
   内管及び前記内管を取り巻く外管を有し、前記内管及び前記外管の間に前記排ガスを流通させるための排ガス流路を備える検知管と、
   前記排ガス流路内に配置された検知用燃焼部と、
   前記内管の内側において前記検知用燃焼部と隣接し、一端が固定された第１の熱変形部材と、
   前記第１の熱変形部材の他端に接続された接続部材と、
   前記接続部材に一端が接続され、他端が固定された第２の熱変形部材と
   前記接続部材に接続され、前記第１及び第２の熱変形部材の変形により前記遮断弁の開閉状態を機械的に制御する制御棒
   とを備えることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
5. 前記第１及び第２の熱変形部材が、形状記憶合金ばね又は可撓性を有する袋であることを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。
6. 前記検知部の入口側に配置され、前記排ガスの燃焼に必要な酸素を前記排ガスが供給される流路の外部から前記検知部に供給する酸素供給部を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素発生装置。
7. 前記水素発生部の入口側に配置され、前記温度変化に連動して前記有機物原料の前記水素発生部への供給を遮断する入口遮断弁を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素発生装置。
8. 前記燃焼部の出口側に配置され、前記燃焼部から排出される前記排ガスの熱エネルギーを前記水素発生部の入口側を流れる前記有機物原料の熱エネルギーと交換する熱交換部を更に備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素発生装置。
9. 前記水素発生部の入口側に配置され、前記水素発生部の入口側圧力に連動して前記有機物原料の前記水素発生部への供給を遮断する入口遮断弁を更に備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の水素発生装置。
10. 有機物原料を収容する容器と、
    前記有機物原料から水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
    前記水素含有ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去手段と、
    一酸化炭素が除去された前記水素含有ガスを酸素と反応させて発電する発電部と、
    前記発電部から排出された排ガスを燃焼させる燃焼部と、
    前記燃焼部から排出される排ガスを更に燃焼させ、燃焼による温度変化による物理的変形により前記排ガス中の可燃性ガス濃度を検知する検知部と、
    前記物理的変形に連動して前記排ガスの前記検知部への供給を遮断する遮断弁
    とを備えることを特徴とする燃料電池システム。