JP3898123B2

JP3898123B2 - 燃料電池式発電システムの改質器

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Publication number: JP3898123B2
Application number: JP2002380658A
Authority: JP
Inventors: 尚優杉本; 章夫田中; 芳彦高須; 務祖父江
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004210576A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いた発電システムに配設される改質器に関し、詳しくは、改質器の燃焼部で安定的に燃焼させ続ける技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素を燃料とする燃料電池を用いた発電システムが知られている。この発電システムには、炭化水素系ガスと水蒸気とから、燃料となる高濃度水素ガスを生成する改質器が備えられている。改質器で実行する改質反応は改質触媒を利用する吸熱反応であり、改質反応を持続させるには、改質を行なう改質部を６００℃から８００℃程度の高温に維持する必要がある。このため、改質器は、改質部を高温に加熱するための燃焼部を備えている。
【０００３】
燃焼部には、着火不良や失火、あるいは異常燃焼等を検知するための火炎検知手段が配設される。多くの場合、フレームロッドが用いられる。フレームロッドによる火炎検知手段は、所定の電圧を印加したときに火炎があればイオン電流が流れることから火炎の発生を検知し、火炎がなければイオン電流が流れないことから火炎の消失（失火）を検知する。フレームロッドによる火炎検知は応答性がよく、火炎の発生を遅れなく検知する。しかしながら、フレームロッドは、水素を主体とするガスが燃焼する場合には火炎の発生を検知することができない。
改質器が改質を開始すると、改質開始直後の高濃度水素ガスは燃焼部に送られて燃焼ガスの一部とされる。改質ガスを利用して燃料電池で発電する場合、燃料電池は全部の水素を酸素と反応させることができず、一部の水素ガスは燃料電池を通過する。燃料電池を通過した水素ガスは、燃焼部に送られて燃焼ガスの一部とされる。燃料ガスに占める水素ガスの濃度が高くなると、フレームロッドでは火炎を検知することができなくなる。フレームロッドで、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスの混合ガス又は炭化水素系ガスを燃焼させる燃焼部での着火不良や失火を検知する方式では、燃料ガスに占める水素ガスの濃度が高くなると、失火していないにもかかわらずに失火したものと誤判定してしまう。換言すれば、本当に失火したことを検知することができない。
【０００４】
上記の問題を解決するために、例えば、改質部内の温度を所定温度以下となるように制御し、炭化水素系ガスの水素転化率を所定値以下にすることによって、バーナの燃料ガス中の炭化水素系ガスを所定濃度以上に維持し、フレームロッドによる火炎検知を可能とする技術（特許文献１）が公開されている。
また、別の技術では、バーナの燃料として供給される高濃度水素ガスに、フレームロッドによる火炎検知を可能とするに足りるだけの炭化水素系ガスを混合させる技術（特許文献２）も公開されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−７５４１２号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０１０４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の炭化水素系ガスの水素転化率を所定値以下にする技術では、得られる水素ガス量が抑えられてしまうため、確実に火炎検知を行なうためではあるが、結果としてエネルギー効率を悪化させている。
また、上記の炭化水素系ガスを混合させる技術では、火炎検知を行なうために、本来バーナの燃焼には不要な分の炭化水素系ガスを消費するため、エネルギ−効率を悪化させている。
上記の２つの技術では、水素リッチなガスの火炎を検知することが不得意なフレームロッドを、水素リッチなガスの火炎検知手段として利用しようとしたために、結果としてエネルギー効率の悪化を招いている。
【０００７】
別の火炎検知手段として、サーモカップルが知られている。サーモカップルによる火炎検知手段は、火炎の内外の温度差により発生する起電力を利用して温度の計測を行なうものである。このサーモカップルによる火炎検知は、炭化水素系ガスの火炎だけではなく、フレームロッドでは火炎検知することができなかった高濃度水素ガスの火炎も検知することが可能である。しかし、このサーモカップルは、これ自身が熱容量を持ち、また、周囲の温度の影響を受けて温度を変えるために、バーナが燃焼を開始したのよりも遅れて昇温する。即ち、サーモカップルによる火炎検知手段では、着火したことの検出が遅れてしまう。
【０００８】
着火の検出が遅れると、以下の問題が発生する。バーナへの点火動作が行なわれるとガスが供給される。サーモカップルによって検知を行なうと、着火を検出するまでに数秒掛るため、この間は、火が点いていても、点いていなくてもガスが供給され続けることとなる。着火検知が行なわれたときに着火が検出されれば何の問題もない。しかし、点火ミスが発生していると、着火検知が行われるまでの間、ガスが放出され続けることとなる。点火ミスを受けて再度点火動作を行なうと、このとき既に燃焼部内にガスが充満しているため、爆発着火が起こる。この爆発着火が起こると、燃焼部内に内圧が掛って器具に負担が掛ってしまう。また、爆発着火時の着火音が通常の着火音よりも大きくなってしまう。
火炎検知手段としてサーモカップルを配設する場合、火炎検知に遅れが生じて爆発着火に伴う問題が発生する。一方、フレームロッドを利用すれば、火炎検知に遅れが生じるという問題は生じないが、高濃度水素ガスを中心に燃焼しているときには失火しても失火を検知することができない。
本発明は、火炎の発生を応答性良く検知してシステム開始時の爆発着火を防止し、しかも高濃度水素ガスを中心に燃焼しているときの失火を見過ごすことなく検知する技術を提案する。
【０００９】
本発明では、燃料電池式発電システムの改質器の燃焼部において、火炎の発生を応答性良く検知してシステム開始時の爆発着火とこれに伴う不具合を防止し、しかも、高濃度水素ガスを中心に燃焼しているときに失火が生じれば、それを見過ごすことなく検知することができる技術を提案する。
【００１０】
【課題を解決するための手段と作用と効果】
本発明の燃料電池式発電システムの改質器は、炭化水素系ガスと水蒸気から高濃度水素ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスの混合ガス又は炭化水素系ガスを燃料として改質部を加熱する燃焼部とを備えている。さらに、燃焼部で炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第１火炎検知手段と、燃焼部で混合ガス又は炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第２火炎検知手段をも備えている。
【００１１】
改質器に配設されている燃焼部のバーナが失火すると、ＣＯが大量発生し、燃料電池を劣化させる恐れがあるため、確実に検知する必要がある。この燃焼部のバーナは、炭化水素系ガスを燃料とするときと、主に高濃度水素ガスからなる混合ガスを燃料とするときがある。炭化水素系ガスと水素ガスでは火炎の種類が違うため、それぞれの火炎を検知するために適した２種類の検知手段をバーナに併設することによって、何れの火炎も確実に検知を行なうことができる。バーナの失火を速やかに検出することができる。
【００１２】
この燃料電池式発電システムの改質器の燃焼部は、炭化水素系ガスを燃料とするときと、主に改質部で生成された高濃度水素ガスを燃料とするときと、主に燃料電池通過後のオフガスを燃料とするときがあり、燃焼部が炭化水素系ガスを燃料とするときは第１火炎検知手段を用いて火炎検知を行い、燃焼部が主に改質部で生成された高濃度水素ガスを燃料とするときと、主に燃料電池通過後のオフガスを燃料とするときは第２火炎検知手段を用いて火炎検知を行なう。
【００１３】
改質部で改質を行なうまでのバーナの燃料は炭化水素系ガスである。そして、改質中のバーナの主な燃料は、改質部で生成された高濃度水素ガスである。さらに発電中のバーナの主な燃料は、燃料電池に供給された高濃度水素ガスのうち、利用されずに燃料電池を通過した、いわゆるオフガスといわれる高濃度水素ガスである。炭化水素系ガスの火炎を検知するために適した第１火炎検知手段と、水素ガスの火炎を検知するために適した第２火炎検知手段をバーナに併設することによって、何れの火炎も確実に検知を行なうことができる。バーナの失火を速やかに検出することができる。
【００１４】
この燃料電池式発電システムの改質器の燃焼部は、バーナに点火する点火手段を備え、燃焼部が燃料とするガスを切換えてから所定時間が経過するまでは、第１火炎検知手段と第２火炎検知手段による火炎検知を解除し、点火手段による点火動作を継続することが好ましい。
改質器の運転を開始させ、燃焼部のバーナが燃料とするガスを切換えると、改質部で生成される高濃度水素ガスの組成や流量が不安定となるため、リフトや失火等の燃焼不良が発生しやすくなる。
この燃料電池式発電システムの改質器では、燃焼部のバーナが燃料とするガスを切換えてからしばらくは、点火動作が行なわれる。これによれば、バーナの燃料となるガスの組成や流量が不安定になり、万一失火したとしても、点火動作が行なわれて再点火される。失火しても即座に点火されるため、何ら支障は生じない。従って、このとき、たとえ失火が検出されても、エラー処理が行なわれないようにする必要があるため、２種類の火炎検知手段による火炎検知を解除する。あるいは、このとき火炎検知は継続し、失火が検出されてもエラー処理は行なわれないように制御してもよい。
【００１５】
この燃料電池式発電システムの改質器の燃焼部に配設される第１火炎検知手段はフレームロッドを有しており、第２火炎検知手段はサーモカップルを有していることが好ましい。
フレームロッドは、燃焼時にイオン化する炭化水素系ガスの火炎を検知するのには適しているが、主に高濃度水素ガスからなる水素リッチな混合ガスの火炎を検知することは困難である。また、サーモカップルは、それ自身の熱容量を持ち、火炎検知に対して応答遅れが発生し、万一点火ミスが起こると爆発着火とこれに伴う不具合が発生するため、システム開始時の着火検知には適さないが、燃料となるガスの種類を選ばないため、水素リッチなガスの火炎も検知することができる。従って、この燃料電池式発電システムの改質器では、システム開始時の炭化水素系ガスの火炎はフレームロッドを用いた火炎検知手段によって検知させ、水素リッチなガスの火炎はサーモカップルを用いた火炎検知手段によって検知させる。これによって、それぞれの火炎に適した検知手段で確実に火炎検知を行なうことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）燃焼部において、点火動作を継続する所定の時間とは、燃焼部に供給される高濃度水素ガスの組成や流量が安定化するのに要する時間である。
【００１７】
【実施例】
本発明を具現化した一実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は本実施例に係る燃料電池式発電システムの構成を模式的に示した図であり、図２は同システムの改質器の燃焼部における火炎検知の処理を示すフローチャートである。
図１に示すように、本実施例の燃料電池式発電システム１は、主に改質器１０と燃料電池１２から構成されている。燃料電池１２は水素と空気中の酸素を原料として発電を行なう。原料となる水素は改質器１０において生成されて供給される。改質器１０は、改質部１４と燃焼部１６を有している。改質部１４は、図示しない触媒層を有している。燃焼部１６は、バーナ１６ａとファンモータ１６ｂを有している。改質部１４に原燃料ガスが供給され、燃焼部１６のバーナ１６ａによって加熱されると、触媒を介して化学反応が起こり、高濃度水素ガスである改質ガスが生成される。このガスが燃料電池１２の発電に利用される。
【００１８】
この燃料電池式発電システム１について、改質器１０を中心にさらに詳しく説明する。原燃料ガスは、プロパンガス等の炭化水素系ガスから構成され、原燃料ガス供給ユニット１８から供給される。原燃料ガスは、燃料電池１２の発電に利用される改質ガスの原料となるとともに、バーナ１６ａの燃料ともなる。開閉弁２４を通じて改質部１４へ供給された原燃料ガスは、水素濃度の高い改質ガスに改質される。比例弁２０と開閉弁２２を通じて改質器１０の燃焼部１６へ供給された原燃料ガスはバーナ１６ａの燃料となる。比例弁２０の開閉量や開閉弁２２，２４の開閉は図示しない制御部によって制御され、詳しくは後述する。
【００１９】
改質部１４には、原燃料ガスとともに改質ガスの材料となる水が供給される。水は水蒸気の形で供給される。供給された原燃料ガスと水は燃焼部１６のバーナ１６ａによって加熱され、改質反応する。改質反応は改質触媒を介した吸熱反応であり、改質触媒の活性温度は６００〜８００℃という高温であるため、バーナ１６ａによる加熱は継続的に行なう。
【００２０】
改質反応により、副生成物としてＣＯが発生する。ＣＯは燃料電池１２の電極を劣化させるため、燃料電池１２に供給されないように除去する必要がある。このため、改質部１４内には改質触媒のほかに、２種類の触媒を有している。１つは副生成物であり有害なＣＯを酸化して無害なＣＯ_２に変えるシフト触媒である。このシフト触媒によって、生成される改質ガス中のＣＯ濃度が約１％程度に抑えられる。もう１つはＣＯだけを酸化する触媒である選択酸化触媒である。この選択酸化触媒によって、ＣＯ濃度を約１％から１０ｐｐｍ以下に低下させる。
【００２１】
改質部１４で生成された改質ガスは、燃料電池１２に供給される。しかし、改質開始直後は改質部１４内の各触媒の温度が不安定であるため、ガス組成やガス量が不安定であり、ＣＯを多く含んでいる。従って、改質ガスは、各触媒の温度が安定するまでは、燃料電池１２をバイパスする第１経路２６を経て燃焼部１６に供給される。即ち、改質開始後しばらくの間、改質ガスは燃料電池１２へは供給されず、燃焼部１６に供給されて燃やされる。
改質触媒の温度が安定すると、改質ガスは第２経路３０の経路３０ａを経て燃料電池１２に供給される。燃料電池１２では、この水素リッチな改質ガスと空気中の酸素を元に発電が行なわれる。燃料電池１２に供給されたが発電に用いられずに燃料電池１２を通過したオフガスは、第２経路３０の経路３０ｂを経て燃焼部１６に供給されて燃やされる。
なお、第１経路２６には開閉弁２８が配設されており、第２経路３０には開閉弁３２が配設されている。これらの開閉弁２８，３２は図示しない制御部によって開閉制御され、詳しくは後述する。
【００２２】
燃焼部１６は、バーナ１６ａとファンモータ１６ｂを有している。バーナ１６ａは、燃料となるガスと、ファンモータ１６ｂによって供給された空気とを混合して燃焼させる。バーナ１６ａの熱量は、ファンモータ１６ｂの回転数および原燃料ガスの供給量（比例弁２０の開閉度）によって調整される。この燃焼によって得られる熱によって改質部１４を加熱し、改質反応を促進する。
バーナ１６ａには、火炎の検知を行なうために、フレームロッド３４と、サーモカップル３６が配設されている。フレームロッド３４は炭化水素系ガスの火炎を検知するときに用いられ、サーモカップル３６は高濃度水素ガスを検知するときに用いられる。また、点火装置として火花放電を行なう点火電極３８が配設されている。
なお、ファンモータ１６ｂと、フレームロッド３４と、サーモカップル３６と、点火電極３８は図示しない制御部によって制御され、詳しくは後述する。
【００２３】
燃料電池式発電システム１の動作は、以下に説明する３つのモードに分けることができる。
システムが運転を開始すると、燃焼部１６にバーナ１６ａの燃料となる原燃料ガスを供給し、改質部１４を加熱する。改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達していないときに改質反応を行なおうとすると、副生成物であるＣＯやＣＯ_２等の副生成物を大量に含む水素ガスを生成してしまう。従って、改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達するまでは改質部１４を加熱するのみに留め、改質部１４に原燃料ガスを供給しない。このシステムの運転開始から、改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達するまでを「モード１」とする。
モード１では、バーナ１６ａの燃料は炭化水素系ガスである原燃料ガスである。従って、フレームロッド３４を用いて火炎検知を行なう。
【００２４】
なお、バーナ１６aの燃料が炭化水素系ガスであるとき、サーモカップル３６によっても火炎検知は可能である。しかし、本実施例では以下の理由によりモード１においてはサーモカップル３６による火炎検知を行なわない。バーナ１６ａへの点火動作が行なわれると燃料となるガスが供給される。このとき、サーモカップル３６によって検知を行なうと、着火を検出するまでに数秒掛るため、この間は、火が点いていても、点いていなくてもガスが供給され続ける。着火検知が行なわれたときに着火が検出されれば何の問題もない。しかし、万一点火ミスが発生していると、着火検知が行われるまでの間、ガスが放出され続ける。この状態で、点火ミスを受けて再度点火電極３８に火花放電を行なうと、このとき既に燃焼部１６内にガスが充満しているため、爆発着火が起こる。この爆発着火が起こると、燃焼部１６内に内圧が掛って器具に負担が掛ってしまう。また、爆発着火時の着火音が通常の着火音よりも大きくなってしまう。従って、モード１での火炎検知にサーモカップル３６を用いず、フレームロッド３４を用いる。
【００２５】
改質触媒とシフト触媒の温度と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達すると、改質部１４に改質ガスの原料となる原燃料ガスを供給して改質を開始する。改質開始直後に生成される改質ガスは組成が不安定であり、安定時に比べて水素濃度が低く、ＣＯ等の副生成物の濃度が高い。この不安定な改質ガスを燃料電池１２に供給すると、所定の電力が得られないばかりか、ＣＯによって電極が劣化する不具合が生じる。従って、各触媒の温度が安定するまでは、不安定な改質ガスを燃料電池１２へは供給せず、バーナ１６ａの燃料として直接燃焼部１６に供給する。この各触媒の温度が安定するまでを「モード２」とする。
モード２では、バーナ１６ａの燃料は、主に高濃度水素ガスである改質ガスである。燃料中の水素ガスの濃度が高くなると、フレームロッド３４では火炎を検知することができなくなる。補足的に原燃料ガスも供給されるが、フレームロッド３４で火炎検知が可能なほどの量ではない。即ち、モード２での火炎検知にフレームロッド３４を用いると、失火しても失火しなくても、失火として検知してしまうことがある。従って、サーモカップル３６を用いて火炎検知を行なう。
【００２６】
各触媒の温度が安定すると、改質ガスの組成は安定する。この安定した改質ガスを燃料電池１２へ供給して発電を開始する。燃料電池１２に供給された改質ガスのうち、発電に利用されなかった分の改質ガスはオフガスとして燃料電池１２を通過する。このオフガスもバーナ１６ａの燃料として燃焼部１６に供給する。この発電運転を開始してから停止するまでを「モード３」とする。
モード３でも、バーナ１６ａの燃料は、モード２と同様に、主に高濃度水素ガスである改質ガスである。補足的に原燃料ガスも供給されるが、フレームロッド３４で火炎検知が可能なほどの量ではない。即ち、モード３での火炎検知にフレームロッド３４を用いると、失火しても失火しなくても、失火として検知してしまうことがある。従って、サーモカップル３６を用いて火炎検知を行なう。
【００２７】
上記のモード１とモード２とモード３では、バーナ１６ａの燃料となるガスが異なる。従って、モード１からモード２への過渡的なモード（「モード１．５」とする）と、モード２からモード３への過渡的なモード（「モード２．５」とする）では、バーナ１６ａへ燃料となるガスを供給する配管が切換えられる。
モード１．５ではバーナ１６ａの燃料が原燃料ガスから改質ガスへ切換えられる。この改質ガスは第１経路２６を経てバーナ１６ａに供給される。この切換え時に、改質部１４から送られる改質ガスの組成や流量が不安定となる。
モード２．５でも同様の現象が発生する。モード２．５では、バーナ１６ａへ燃料を供給する経路が第１経路２６から第２経路３０へ切換えられる。これによって、安定化した改質ガスが第２経路３０の経路３０ａを経て燃料電池１２に供給される。そして燃料電池１２を通過したオフガスが経路３０ｂを経てバーナ１６ａに供給される。この切換え時に、改質部１４から送られる改質ガスの組成や流量が不安定となる。
【００２８】
上記のように、過渡的なモード（モード１．５、モード２．５）では、改質部１４から送られる改質ガスの組成や流量が不安定となるため、特にリフトや失火等が発生しやすい。バーナ１６ａが失火すると、改質部１４において改質触媒の最適な反応温度が得られなくなり、改質ガス中の水素濃度が低くなるだけでなく、ＣＯが発生して燃料電池１２の電極を劣化させる恐れがある。従って、この過渡的なモードでは、点火電極３８に火花放電を継続的に行なう。これによって、バーナ１６ａが万が一失火しても、速やかに点火し、改質部１４の加熱を継続することができる。
【００２９】
次に、本実施例の燃料電池式発電システム１の改質器１０の燃焼部１６における火炎検知の処理を図２を用いて説明する。
図２のステップＳ１０では、開閉弁２２と、比例弁２０が開かれ、バーナ１６ａが点火される。これらの弁２２，２０が開かれることによって原燃料ガス供給ユニット１８から燃焼部１６に原燃料ガスが供給される。バーナ１６ａへの点火は、点火電極３８によって行なわれる。このステップＳ１０によってバーナ１６ａが燃焼を開始する。
ステップＳ１０に続いてステップＳ１２に進み、フレームロッド３４による火炎検知を行なう。バーナ１６ａの燃料が炭化水素系ガスであるため、火炎検知手段としてフレームロッド３４を用いる。
バーナ１６ａの燃焼によって改質部１４内の温度が上昇を開始する（ステップＳ１４）。改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達するまで（ステップＳ１６でＹＥＳとなるまで）がモード１である。
【００３０】
ステップＳ１６で、改質触媒とシフト触媒と選択酸化触媒のそれぞれの温度が所定の温度範囲内に達すると（ＹＥＳとなると）、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、開閉弁２４，２８が開かれ、このときタイマＴ１が計測を開始する。なお、このとき、開閉弁３２は閉じたままである。開閉弁２４が開かれることによって、改質部１４に原燃料ガスが供給され、改質反応が開始する（ステップＳ２０）。改質反応が開始してしばらくは、生成される改質ガスの組成も不安定となり、ＣＯを多く含んでいるため、開閉弁２８を開いて、このときの改質ガスを、燃料電池１２をバイパスさせてバーナ１６ａへ供給するようにする。
【００３１】
第１経路２６に改質ガスが送られ始めたとき、ガス組成やガス流量は不安定であるため、失火しやすい。従って、ステップＳ２２に進んでフレームロッド３４での火炎検知を解除し、点火電極３８に火花放電を継続的に行なう。この点火操作を行なうことによって、たとえ失火しても、すぐに点火してバーナ１６ａの燃焼を復帰することができる。この動作はタイマＴ１が所定時間計測するまで（ステップＳ２４でＹＥＳとなるまで）行なわれる。なお、タイマＴ１が計測する所定時間は、改質が開始されてからガス組成やガス流量が安定化した改質ガスがバーナ１６ａに供給されるまでの時間である。第１経路２６内の改質ガスが安定化するまでがモード１．５である。なお、タイマＴ１が計測する所定時間は、第１経路２６の配管内の容積等によって予め決定されている。
【００３２】
第１経路２６内の改質ガスが安定化すると（ステップＳ２４でＹＥＳとなると）、バーナ１６ａの燃焼温度が安定し、改質部１４内の温度も安定する。従って、ステップＳ２６に進み、点火電極３８に継続的に行なっていた火花放電を停止し、サーモカップル３６による火炎検知を行なう。バーナ１６ａの燃料となるガスの組成や流量が安定化し、失火する可能性が低くなったため、火花放電を停止する。このとき、バーナ１６ａの燃料は高濃度水素ガスである改質ガスであるため、火炎検知手段としてサーモカップル３６を用いる。改質部１４の加熱が安定化し、各触媒の温度が安定するまで（ステップＳ２８でＹＥＳとなるまで）がモード２である。
【００３３】
ステップＳ２８で、各触媒の温度が安定すると（ＹＥＳとなると）、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、開閉弁２８が閉じられ、開閉弁３２が開かれ、このときタイマＴ２が計測を開始する。開閉弁３２が開かれることによって、燃料電池１２を通過する第２経路３０に改質ガスが供給される。しかし、まだこの時点では改質ガスを燃料電池１２に供給せずに通過させ、発電を開始させない。
【００３４】
第２経路３０に改質ガスが送られ始めたとき、ガスの組成や流量は不安定であるため、失火しやすい。従って、ステップＳ３２に進んでサーモカップル３６での火炎検知を解除し、失火防止のために点火電極３８に火花放電を継続的に行なう。この動作はタイマＴ２が所定時間計測するまで（ステップＳ３４でＹＥＳとなるまで）行なわれる。なお、タイマＴ２が計測する所定時間は、改質部１４の加熱が安定的に行なわれて生成された、組成や流量の安定した改質ガスが最初にバーナ１６ａに供給されるまでの時間である。第２経路３０内の改質ガスが安定化するまでがモード２．５である。なお、タイマＴ２が計測する所定時間は、第２経路３０の配管内の容積等によって予め決定されている。
【００３５】
第２経路３０内の改質ガスが安定化すると（ステップＳ３４でＹＥＳとなると）、バーナ１６ａの燃焼温度が安定し、改質部１４内の温度も改質触媒の最適な反応温度で安定する。従って、ステップＳ３６に進み、点火電極３８に継続的に行なっていた火花放電を停止し、サーモカップル３６による火炎検知を行なう。バーナ１６ａの燃料となるガスの組成や流量が安定化し、失火する可能性が低くなったため、火花放電を停止する。このとき、バーナ１６ａの燃料は高濃度水素ガスである改質ガスであるため、火炎検知手段としてサーモカップル３６を用いる。安定した改質ガスが燃料電池１２に供給されるようになったら発電を開始する（ステップＳ３８）。発電運転を開始してから停止するまでがモード３である。
【００３６】
本実施例の燃料電池式発電システム１の改質器１０では、燃焼部１６のバーナ１６ａが、炭化水素系ガスを燃料とするときと、主に高濃度水素ガスを燃料とするときがある。即ち、改質部１４で改質を行なうまで（モード１）のバーナ１６ａの燃料は炭化水素系ガスである。そして、改質が開始されてから改質が安定するまで（モード２）のバーナ１６ａの主な燃料は、改質部１４で生成された高濃度水素ガスである。さらに発電中（モード３）のバーナ１６ａの主な燃料は、燃料電池１２に供給された改質ガスのうち、利用されずに燃料電池１２を通過したオフガスである高濃度水素ガスである。
【００３７】
本実施例の改質器１０では、バーナ１６ａへの点火動作が行なわれると、着火検知が行われるまでは、火が点いていても、点いていなくてもガスが供給され続ける。システム開始時の着火検知に遅れがあると、点火ミスが発生したときに、着火検知が行われるまでの間、ガスが放出され続けることとなる。この状態で、点火ミスを受けて再度点火動作を行なうと、燃焼部１６内にガスが充満しているため、爆発着火が起こる。この爆発着火が起こると、燃焼部１６内に内圧が掛って器具に負担が掛ったり、爆発着火時の着火音が通常の着火音よりも大きくなったりする不具合が発生する。
また、燃焼部１６のバーナ１６ａが失火すると、改質反応が不安定となって副生成物であるＣＯが大量発生し、燃料電池１２を劣化させる恐れがあるため、確実に検知する必要がある。
本実施例では、フレームロッド３４と、サーモカップル３６をバーナ１６ａに併設している。フレームロッド３４は、応答性がよく、火炎検知に遅れが生じるという問題は起こらない。また、フレームロッド３４は、水素リッチな混合ガスの火炎を検知することは困難であるが、燃焼時にイオン化する炭化水素系ガスの火炎を検知するのには適している。一方、サーモカップル３６は、火炎検知に対して応答遅れが発生し、システム開始直後のバーナ１６ａの着火時に爆発着火に伴う問題が発生する。しかし、サーモカップル３６は、火炎の種類を選ばないため、フレームロッド３４では火炎検知することができなかった高濃度水素ガスの火炎も検知することができる。従って、この燃料電池式発電システム１の改質器１０は、モード１ではフレームロッド３４を用いて火炎検知を行い、モード２とモード３ではサーモカップル３６を用いて火炎検知を行なう。これによって、それぞれのモードに適した検知手段で確実に火炎検知を行なうことができる。
【００３８】
また、バーナ１６ａに供給されるガスが切換えられるとき（モード１．５、モード２．５）、配管内のガスの組成や流量が不安定化するため、バーナ１６ａが失火することがある。このとき、フレームロッド３４による火炎検知手段では、燃料ガス中の炭化水素系ガスの濃度が配管内の充填ガスによって希釈されてしまうため、検知できない可能性がある。また、サーモカップル３６による火炎検知手段では、燃料ガスの組成や流量が大きく変化して火炎の温度が変化するため、応答遅れが発生する可能性がある。即ち、過渡的なモードでは、何れの火炎検知手段においても確実に火炎検知することが困難である。
本実施例の燃料電池式発電システム１の改質器１０では、燃焼部１６のバーナ１６ａが燃料とするガスを切換えてからしばらくは、点火電極３８に火花放電を行なう。これによって、過渡的なモードにおいて万一失火したとしても、火花放電によって即座に再点火される。改質部１４の加熱を維持することができ、支障は生じないため、この一瞬の失火がエラーとして検出されることがないよう、このときの火炎検知を解除する。
【００３９】
以上のように、本発明の燃料電池式発電システムの改質器では、燃焼部において、バーナの火炎を確実に検知することができ、失火しやすい過渡的なモードでは、火炎検知を解除し、失火したとしても即座に再点火を行なうため、常に良好な燃焼を維持することができる。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る燃料電池式発電システムの構成を模式的に示した図。
【図２】同システムの改質器の燃焼部における火炎検知の処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
１：燃料電池式発電システム
１０：改質器
１２：燃料電池
１４：改質部
１６：燃焼部、１６ａ：バーナ、１６ｂ：ファンモータ
１８：原燃料ガス供給ユニット
２０：比例弁
２２：開閉弁
２４：開閉弁
２６：第１経路
２８：開閉弁
３０：第２経路
３２：開閉弁
３４：フレームロッド
３６：サーモカップル
３８：点火電極

Claims

炭化水素系ガスと水蒸気から高濃度水素ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、
炭化水素系ガスと高濃度水素ガスの混合ガス又は炭化水素系ガスを燃料として改質部を加熱する燃焼部と、
燃焼部で炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第１火炎検知手段と、
燃焼部で混合ガス又は炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第２火炎検知手段とを備えており、
前記燃焼部は、炭化水素系ガスを燃料とするときと、主に改質部で生成された高濃度水素ガスを燃料とするときと、主に燃料電池通過後のオフガスを燃料とするときがあり、
燃焼部が炭化水素系ガスを燃料とするときは第１火炎検知手段を用いて火炎検知を行い、
燃焼部が主に改質部で生成された高濃度水素ガスを燃料とするときと、主に燃料電池通過後のオフガスを燃料とするときは第２火炎検知手段を用いて火炎検知を行なうことを特徴とする燃料電池式発電システムの改質器。
バーナに点火する点火手段を備え、燃焼部が燃料とするガスを切換えてから所定時間が経過するまでは、第１火炎検知手段と第２火炎検知手段による火炎検知を解除し、点火手段による点火動作を継続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池式発電システムの改質器。
前記第１火炎検知手段はフレームロッドを有しており、前記第２火炎検知手段はサーモカップルを有していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池式発電システムの改質器。