JP5962579B2

JP5962579B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP5962579B2
Application number: JP2013101531A
Authority: JP
Inventors: 杉原　真一; 真一杉原; 彰松井; 木村　幸雄; 幸雄木村
Original assignee: Denso Corp; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: JP2014222123A

Description

本発明は、燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼装置に関する。

燃焼装置にて生成した燃焼ガスの燃焼熱により、都市ガス等の原料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備える固体酸化物形の燃料電池システムが、従来から知られている。

固体酸化物形の燃料電池システムの起動当初には、冷間から発電可能な温度にまで燃料電池システムが暖機され、その暖機時には、燃焼装置において一酸化炭素の排出を抑える必要がある。特に、固体酸化物形の燃料電池システムでは、燃料電池本体と改質器に設けられた燃料改質触媒との酸化による劣化等を防止するために不活性ガスがアノードラインに暖機中の所定温度範囲において導入される。そして、その不活性ガスが燃焼装置にも流通し燃焼装置内での燃焼を阻害するので、一酸化炭素の排出を抑える必要性が高い。

これに対し、特許文献１のように、触媒を有する浄化装置を燃焼後の排ガスの排気通路に設けてその排ガスを浄化することが知られている。

また、特許文献２のように、燃焼に供される燃料を予熱しそれにより燃焼装置での燃焼を改善することが知られている。

特開２０１２−２８１６５号公報特開２００４−１５６８９８号公報

燃焼装置の燃焼で発生した一酸化炭素の排出を抑えることを目的として、上述したように、排ガスを浄化装置によって後処理することや、燃料を予熱することが考えられる。しかし、燃焼装置の構成上の都合等により、それら以外の方法もしくは装置を用いて一酸化炭素の排出を抑える必要があった。

本発明は上記点に鑑みて、特許文献１、２に開示された方法とは異なる方法により、一酸化炭素の排出を抑えることができる燃焼装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る燃焼装置では、燃料と酸化剤ガスとの混合気を燃焼させる燃焼室（４０１）と、
その燃焼室内に露出しており発熱する発熱部（４８１）と、
燃焼室へ酸化剤ガスを導入する流路であって、燃焼室へ導入される酸化剤ガスが発熱部に当たってから、燃焼室を形成している壁面（４０２）に衝突するように形成された酸化剤ガス流路（４２１）と、
混合気の着火前において、壁面の温度（Ｔｂ）が予め定められた閾値（Ｔｂ０）を超えるまで、その壁面に衝突する酸化剤ガスを発熱部が加熱するようにその発熱部を制御する制御装置（１６）とを備えていることを特徴とする。

上述の発明によれば、制御装置は、混合気の着火前において、壁面の温度（Ｔｂ）が予め定められた閾値（Ｔｂ０）を超えるまで、その壁面に衝突する酸化剤ガスを発熱部が加熱するようにその発熱部を制御するので、このような発熱部の制御がなされない場合と比較して、燃焼室の壁面近傍において不完全燃焼が生じにくくなり、一酸化炭素の排出を抑えることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した括弧内の各符号は、後述する実施形態に記載した各符号に対応したものである。

本発明に係る燃焼装置を含む燃料電池システム８の概略構成図である。図１の燃料電池システム８が有する燃焼器１４の上面図である。図２のIII−III断面図である。図１の燃料電池システム８が有する電子制御装置１６の制御処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る燃焼装置を含む燃料電池システム８の概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システム８は、燃料電池１０と燃料改質器１２と燃焼器１４と電子制御装置１６とを備えている。本実施形態では、燃焼器１４と電子制御装置１６とが本発明における燃焼装置を構成している。

燃料電池１０は、作動温度が８００℃程度の高温となる固体酸化物形燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）で構成されており、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する。具体的には、燃料電池１０では、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応、および反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。なお、本実施形態において、酸化剤ガスは具体的には空気である。
（アノード）２Ｈ_２＋２Ｏ^２− → ２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻…Ｆ１
（カソード）Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｏ^２−…Ｆ２
（アノード）２ＣＯ＋２Ｏ^２− → ２ＣＯ_２＋４ｅ⁻…Ｆ３
（カソード）Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｏ^２−…Ｆ４
燃料電池１０には、酸化剤ガスの供給経路を成す空気供給配管１８と、燃料ガスの供給経路を成す燃料供給配管２０と、酸化剤ガスのオフガスすなわち排出空気の排出経路を成す空気排出配管２２と、燃料ガスのオフガスすなわち排出燃料の排出経路を成す燃料排出配管２４とがそれぞれ接続されている。

空気供給配管１８には、空気流量調整弁１８１が設けられている。空気流量調整弁１８１は、電子制御装置１６からの制御信号に応じて、空気供給配管１８を流れる空気の流量を調節する。また、空気流量調整弁１８１は、空気の流量を零にすることすなわち空気の流れを遮断することもできる。

燃料供給配管２０には、上流側から順に、燃料流量調整弁２０１、燃料改質器１２が設けられている。燃料流量調整弁２０１は、電子制御装置１６からの制御信号に応じて、燃料供給配管２０を流れる燃料ガスの流量を調節する。また、燃料流量調整弁２０１は、燃料ガスの流量を零にすることすなわち燃料ガスの流れを遮断することもできる。

燃料改質器１２には水供給配管２６が接続されており、その水供給配管２６には、水流量調整弁２６１、燃焼器１４からの高温の燃焼ガスで水を加熱して水蒸気を生成する不図示の熱交換器が、上流側から順に設けられている。すなわち、水供給配管２６は、燃料改質器１２へ水蒸気を供給するための配管である。

水流量調整弁２６１は、電子制御装置１６からの制御信号に応じて、水供給配管２６を流れる水もしくは水蒸気の流量を調節する。また、水流量調整弁２６１は、水もしくは水蒸気の流量を零にすることすなわち水もしくは水蒸気の流れを遮断することもできる。

燃料改質器１２は、燃料ガスと水蒸気とを混合した混合ガスを燃焼器１４からの燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。なお、燃料改質器１２に供給される燃料ガスはメタン例えば都市ガスである。また、燃料改質器１２では、水蒸気改質に限らず、例えば、燃料電池１０の起動時等に部分酸化改質を行うようにしてもよい。

また、燃料電池システム８には、可燃ガス用配管２８が設けられている。その可燃ガス用配管２８は、燃料ガスの原料を燃焼器１４での燃焼用の可燃ガスとして、燃料改質器１２および燃料電池１０等を迂回して燃焼器１４へ導入する配管である。可燃ガス用配管２８には可燃ガス流量調整弁２８１が設けられており、その可燃ガス流量調整弁２８１は、電子制御装置１６からの制御信号に応じて、可燃ガス用配管２８を流れる可燃ガスの流量を調節する。また、可燃ガス流量調整弁２８１は、可燃ガスの流量を零にすることすなわち可燃ガスの流れを遮断することもできる。なお、上記可燃ガスは、本発明における燃料に対応する。

空気排出配管２２は、燃料電池１０から排出される酸化剤ガスである排出空気を燃焼器１４に導くように配設されている。具体的には、空気排出配管２２は二手に分かれて燃焼器１４に接続されており、第１配管２２ａと第２配管２２ｂとから構成されている。

燃料排出配管２４は、燃料電池１０から排出され未反応ガスを含む排出燃料を燃焼器１４に導くように配設されている。具体的に、燃料排出配管２４は、可燃ガス用配管２８における可燃ガス流量調整弁２８１の下流側に接続されている。燃焼器１４では、上記未反応ガスすなわち可燃ガスと排出空気とが混合され燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成されるが、燃焼器１４の起動時には、燃料電池１０を経ない可燃ガスが可燃ガス用配管２８及び可燃ガス流量調整弁２８１を通って燃焼器１４に供給され燃焼される。

燃焼器１４には、内部で生成した高温の燃焼ガスを排出する不図示の燃焼ガス排出配管が接続されている。例えば、この高温の燃焼ガスは、燃料電池１０に導入される空気および燃料ガスを加熱することに利用される。従って、上記燃焼ガス排出配管は燃料改質器１２等に接続されている。

以上までが本実施形態の燃料電池システム８の概略構成である。次に、燃焼器１４の構成について図２、３を用いて説明する。図２は燃焼器１４の上面図であり、図３は図２のIII−III断面図である。なお、図２，３では、図を見易くするため、着火装置４８を二点鎖線で表している。

図２および図３に示すように、燃焼器１４は、燃焼室４０１が形成された燃焼部４０と、第１空気流路４２１が形成された第１空気導入部４２と、第２空気流路４４１が形成された第２空気導入部４４と、可燃ガス流路４６１が形成された可燃ガス導入部４６と、着火装置４８と、燃焼室温度センサ５０（図１参照）とを備えている。

燃焼部４０は、その内部に燃焼室４０１が形成され上下方向に延びる筒状を成している。燃焼室４０１では、可燃ガスと空気とが混合されその混合気が燃焼される。燃焼室４０１は、上下方向に延びる燃焼室軸心ＣＬ１に垂直な断面がその燃焼室軸心ＣＬ１を中心とする円形状をなすように形成されており、上側の上部燃焼室４０１ａと下側の下部燃焼室４０１ｂとから構成されている。

上部燃焼室４０１ａでは、燃焼室軸心ＣＬ１に垂直な断面形状が上下方向の何れの部位でも同じになっている。一方で、下部燃焼室４０１ｂは、燃焼室軸心ＣＬ１に垂直な断面積が下方に向かうほど小さくなるテーパ形状をなしている。

また、燃焼室４０１を形成している壁面４０２すなわち燃焼室内壁面４０２は、耐熱性が高く、熱を拡散させ難い材料すなわち熱伝導率が小さい材料で構成されている。例えば、セラミックなどで構成されている。

着火装置４８は、電子制御装置１６からの制御信号に従って、可燃ガスと空気との混合気に着火する。着火装置４８は、棒状の形状を成したグロープラグである。着火装置４８は、燃焼部４０の側方から下部燃焼室４０１ｂ内に突き出るように挿入されている。着火装置４８は、その先端に発熱部４８１を備えており、その発熱部４８１は細い円柱形状を成し下部燃焼室４０１ｂ内に露出している。

着火装置４８の発熱部４８１は、通電されることにより発熱し、例えば表面が発熱によって赤色変化し１４００℃程度にまで達する。すなわち、着火装置４８による混合気の着火は、火花着火ではなく熱面着火である。要するに、着火装置４８は、混合気の熱面着火を行う熱面着火装置である。図２および図３では、発熱部４８１はハッチングで図示されている。

可燃ガス導入部４６には、可燃ガスを燃焼室４０１内に導入するために、可燃ガス流路４６１が形成されている。可燃ガス流路４６１の一端は可燃ガス用配管２８（図１参照）に接続され、可燃ガス流路４６１の他端は、下部燃焼室４０１ｂを形成している下端面４０３に開口している。すなわち、可燃ガス流路４６１は、可燃ガスを燃焼室４０１の下方からその燃焼室４０１内へ導入する。

第１空気導入部４２には、第１配管２２ａ（図１参照）からの空気を燃焼室４０１内に導入するために、第１空気流路４２１が形成されている。その第１空気流路４２１は、燃焼室軸心ＣＬ１に直交する横方向に延びた貫通孔で構成されている。第１空気流路４２１は、本発明における酸化剤ガス流路に対応する。

また、第１空気流路４２１の一端は第１配管２２ａに接続され、第１空気流路４２１の他端は、下部燃焼室４０１ｂの燃焼室内壁面４０２に開口している。すなわち、第１空気流路４２１は、第１配管２２ａからの空気を燃焼室４０１の側方からその燃焼室４０１内へ導入する。

また、第１空気流路４２１は、その第１空気流路４２１の空気流れ方向に延びる軸心が燃焼室軸心ＣＬ１とは交差しないように、且つ、第１空気流路４２１から燃焼室４０１内に入った空気が燃焼室内壁面４０２に衝突するように配設されている。

更に、着火装置４８の発熱部４８１が、燃焼室４０１内においてその第１空気流路４２１の軸心上に位置するように配設されている。すなわち、第１空気流路４２１を通って燃焼室４０１内へ導入される空気は、その発熱部４８１に当たってから、燃焼室内壁面４０２に衝突する。

第２空気導入部４４には、第２配管２２ｂ（図１参照）からの空気を燃焼室４０１内に導入するために、第２空気流路４４１が形成されている。その第２空気流路４４１は、燃焼室軸心ＣＬ１に平行な方向から見たときに、第１空気流路４２１に対し燃焼室軸心ＣＬ１を中心とした点対称形状を成すように形成されている。すなわち、第２空気流路４４１は、燃焼器１４の上面図である図２において、第１空気流路４２１に対し燃焼室軸心ＣＬ１を中心とした点対称形状を成している。

また、第２空気流路４４１の一端は第２配管２２ｂに接続され、第２空気流路４４１の他端は、下部燃焼室４０１ｂの燃焼室内壁面４０２に開口している。すなわち、第２空気流路４４１は、第２配管２２ｂからの空気を燃焼室４０１内へその燃焼室４０１の側方から導入する。

このように配設された第１空気流路４２１と第２空気流路４４１との関係から、燃焼室４０１内では、第１空気流路４２１と第２空気流路４４１とのそれぞれから導入された空気が、図２、３の矢印ＡＲｒｖのように燃焼室内壁面４０２に沿って旋回流を生じる。すなわち、燃焼室４０１は、その空気の旋回流が生じるように形成されている。また、第１空気流路４２１から導入される空気に着目すれば、その空気は、着火装置４８の発熱部４８１に当たってから燃焼室内壁面４０２に衝突し、そのように衝突してから旋回流を生じる。

燃焼室温度センサ５０は、例えば図１に示すように燃焼室内壁面４０２に設けられており、その燃焼室内壁面４０２の温度Ｔｂすなわち燃焼室壁面温度Ｔｂを検出する温度検出装置である。そして、その燃焼室壁面温度Ｔｂを表す検出信号を電子制御装置１６へ出力する。

また、図３において燃焼器１４は、燃焼部４０の蓋として機能する不図示の天板を、燃焼部４０の上端に備えている。その天板には、燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出口が形成されており、その燃焼ガス排出口には前述した燃焼ガス排出配管が接続されている。

次に、電子制御装置１６の構成および電子制御装置１６が実行する制御処理等を説明する。電子制御装置１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路とから構成されており、ＲＯＭ等に予め記憶されたコンピュータプログラムに従って種々の制御処理を実行する。例えば、燃料電池１０の制御、燃焼器１４の燃焼制御等を実行する。また、電子制御装置１６は、燃焼器１４を着火する際に、図４に示す制御処理を行う。

図４は、電子制御装置１６の制御処理を示すフローチャートである。電子制御装置１６は、図４のフローチャートに示す制御処理を周期的に繰り返し実行する。この図４のフローチャートは、燃焼器１４を冷間時に起動するための制御処理を表している。なお、図４の制御処理の開始時点では、空気流量調整弁１８１、燃料流量調整弁２０１、水流量調整弁２６１、可燃ガス流量調整弁２８１（図１参照）は何れも閉じられており、着火装置４８はオフにされている。

先ず、図４のＳ１１０において、電子制御装置１６は、燃焼器１４すなわちバーナ１４の起動を指示するバーナ起動信号がオンになったか否かを判定する。このバーナ起動信号は、オンにされることで燃焼器１４の起動を指示するものである。例えば、燃料電池システム８を操作する操作者に対して入出力を行う入出力装置５８（図１参照）が設けられており、入出力装置５８は、その入出力装置５８が有するバーナ起動スイッチが操作者によりオンにされると、バーナ起動信号をオンにする。そして、オンのバーナ起動信号を電子制御装置１６に出力する。

Ｓ１１０において、電子制御装置１６は、バーナ起動信号がオンになったと判定すると、Ｓ１２０以降のステップを実行する。

Ｓ１２０においては、燃料供給配管２０から燃料電池１０へ送り込まれる不活性ガスの投入量を決定する。その不活性ガスは、後述のＳ２１０において、燃焼器１４の燃焼開始直後に燃料電池１０へ送り込まれるものである。不活性ガスは例えば水蒸気で構成されており、燃料電池１０と燃料改質器１２に設けられた燃料改質触媒との酸化による劣化等を防止するために導入される。例えば燃料電池１０および燃料改質器１２が暖機中の所定温度範囲内にあるときには、不活性ガスが導入される。従って、その不活性ガスの投入量は、例えば、燃料電池１０および燃料改質器１２の劣化等を防止できるように予め実験的に設定されたマップを用いて決定される。

続くＳ１３０においては、燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０を決定する。この燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０は、燃焼器１４内での着火前に燃焼室壁面温度Ｔｂを到達させる目標値である。要するに、燃焼室壁面温度Ｔｂに対する予め定められた閾値である。

例えば、燃焼器１４内での燃焼開始当初から一酸化炭素の発生量を所定の許容値以下にできるように予め実験的に設定された要求温度マップが電子制御装置１６に記憶されている。そして、燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０は、その要求温度マップから、Ｓ１２０にて決定された不活性ガスの投入量と空気供給配管１８に導入される空気の温度とに基づいて決定される。燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０は、例えば１００℃程度に決定される。

続くＳ１４０においては、暖機ループ回数Ｎｘを初期値である１に設定する。この暖機ループ回数Ｎｘは、燃焼室壁面温度Ｔｂを着火前に上昇させる制御が実行された回数を数えるためパラメータである。

続くＳ１５０においては、燃焼室温度センサ５０により燃焼室壁面温度Ｔｂを検出する。

続くＳ１６０においては、Ｓ１５０にて検出した燃焼室壁面温度Ｔｂが燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０よりも高くなっているか否かを判定する。燃焼室壁面温度Ｔｂが燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０よりも高くなっていると判定した場合には、Ｓ１７０に進む。その一方で、燃焼室壁面温度Ｔｂが燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０以下であると判定した場合には、Ｓ２３０に進む。

Ｓ１７０においては、燃焼室４０１内で混合気に着火し燃焼させるために、空気流量調整弁１８１へ制御信号を出力し、空気流量調整弁１８１を開く。これによって、第１空気流路４２１および第２空気流路４４１から燃焼用空気を燃焼室４０１内に導入する。この燃焼用空気は、空気供給配管１８、燃料電池１０、空気排出配管２２を順次経て燃焼室４０１内に導入される空気であり、成分としては単なる空気であるが、用途を明確に表現するために、単に空気とは呼ばずに燃焼用空気と呼ぶものである。

なお、後述のＳ２３０またはＳ２８０において暖機用空気を燃焼室４０１内に導入するので、例えば、Ｓ１７０の実行前から既に暖機用空気を燃焼室４０１内に導入している場合には、その空気流量を増加させ、暖機用空気を燃焼用空気に切り替える。暖機用空気の説明については後述する。

続くＳ１８０においては、燃焼用空気の導入開始後に、着火装置４８に通電し着火装置４８の発熱部４８１を発熱させる。要するに、着火装置４８をオンにする。具体的には、熱面着火を行う熱面着火部である発熱部４８１の表面すなわち着火熱面の温度を、着火可能となる着火可能温度たとえば１４００℃程度にまで上昇させる。発熱部４８１の表面温度が着火可能温度にまで上昇すると、Ｓ１９０に進む。

なお、後述のＳ２３０においても着火装置４８をオンにするので、例えば、Ｓ１８０の実行前から既に着火装置４８をオンにしている場合には、その着火装置４８のオンを継続する。

Ｓ１９０においては、燃焼室４０１内で可燃ガスを空気に混合しその混合気に着火し燃焼させるために、可燃ガス流量調整弁２８１へ制御信号を出力し、可燃ガス流量調整弁２８１を開く。これによって、燃焼器１４用の燃料である可燃ガスを可燃ガス流路４６１から燃焼室４０１内に導入する。可燃ガスは燃焼室４０１内に導入されると、燃焼用空気と共に混合気を構成し、その混合気が、既に発熱している着火装置４８の発熱部４８１により着火させられる。なお、可燃ガスは例えばメタンである。

続くＳ２００においては、燃焼室４０１内における燃焼用空気と可燃ガスとの混合気への着火が完了したか否かを判定する。混合気への着火が完了した場合には、Ｓ２１０に進む。その一方で、混合気への着火ができなかった場合すなわちその着火に失敗した場合には、Ｓ２８０に進む。

例えば、Ｓ２００では、可燃ガスを燃焼室４０１内に導入し始めてから数秒間にわたって燃焼室壁面温度Ｔｂを燃焼室温度センサ５０により測定する。そして、その測定において、混合気が燃焼していると判定できる所定の燃焼判定温度以上に燃焼室壁面温度Ｔｂが維持されていれば、混合気への着火が完了したと判定する。

なお、着火完了後は着火装置４８をオンにしておく必要はないので、例えば、着火するために発熱部４８１を発熱させる発熱継続時間が予め設定されており、電子制御装置１６は、可燃ガスを燃焼室４０１内に導入し始めてからその発熱継続時間が経過した時に、着火装置４８をオンからオフに切り替える。

Ｓ２１０においては、Ｓ１２０で決定された投入量で、不活性ガスを燃料電池１０へ送り込む。すなわち、燃焼器１４の燃焼開始初期、詳細には燃焼開始直後に不活性ガスを燃料電池１０へ送り込む。この燃料電池１０へ送り込まれた不活性ガスは、燃焼室４０１内に送り込まれる可燃ガスに燃料排出配管２４から混入する。例えば、本実施形態では水蒸気を不活性ガスとして燃料電池１０へ送り込むので、水流量調整弁２６１へ制御信号を出力し水流量調整弁２６１を開き、これにより、不活性ガスを燃料電池１０へ送り込む。例えば、この不活性ガスの投入は、燃料電池１０の温度が燃料電池１０の暖機が完了する８００℃程度になるまで継続される。

Ｓ２２０においては、燃焼室４０１内において混合気の燃焼が継続しているか否かを判定する。不活性ガスは燃焼を妨げるように作用するので、混合気が不活性ガスの投入により燃焼しなくなっていることがあり得るからである。

例えば、Ｓ２２０では、不活性ガスの投入を開始してから数秒間にわたって燃焼室壁面温度Ｔｂを燃焼室温度センサ５０により測定する。そして、その測定において、燃焼室壁面温度Ｔｂが上記燃焼判定温度以上に維持されていれば、混合気の燃焼が継続していると判定する。

Ｓ２２０において混合気の燃焼が継続していると判定した場合には、図４の制御処理を終了する。すなわち、燃焼器１４の冷間起動シーケンスを終了する。その一方で、混合気の燃焼が継続していないと判定した場合には、Ｓ２８０に進む。例えば、混合気の燃焼が継続していると判定し図４の制御処理を終了した場合には、そのまま混合気の燃焼が継続される。

Ｓ２３０においては、混合気の着火前に燃焼室内壁面４０２を予熱するために、空気流量調整弁１８１へ制御信号を出力し、空気流量調整弁１８１を開く。これによって、第１空気流路４２１および第２空気流路４４１から暖機用空気を燃焼室４０１内に導入する。

この暖機用空気は、成分としては単なる空気であるが、用途を明確にして前述の燃焼用空気と区別するために、単に空気とは呼ばずに暖機用空気と呼ぶものである。具体的に、暖機用空気は、燃焼室内壁面４０２を予熱することを目的とするものであるので、その流量が燃焼用空気よりも少ないという点で燃焼用空気と異なっている。

また、Ｓ２３０においては、暖機用空気の導入と共に、着火装置４８に通電し着火装置４８の発熱部４８１を発熱させる。要するに、着火装置４８をオンにする。例えば、発熱部４８１の温度すなわち発熱部４８１の表面温度を、燃焼室内壁面４０２を予熱するために予め設定された目標温度にまで上昇させる。この目標温度は、前述の着火可能温度と同じであっても、着火可能温度と異なっていても差し支えない。

続くＳ２４０においては、所定時間ｔ０が経過するまで待機する。要するに、所定時間ｔ０にわたって現状維持をする。例えば、その所定時間ｔ０は５分程度に設定されている。

例えば、Ｓ２３０で暖機用空気を導入し着火装置４８をオンしてからＳ２４０に進んだ場合には、Ｓ２４０において、その暖機用空気を導入すると共に着火装置４８をオンしている状態を、所定時間ｔ０にわたって維持する。この場合、Ｓ２４０での所定時間ｔ０にわたる待機中には、第１空気流路４２１を通って燃焼室４０１内へ導入される空気は、着火装置４８の発熱部４８１に当たって加熱され、その加熱された空気が燃焼室内壁面４０２に衝突する。そして、その加熱され燃焼室内壁面４０２に衝突した空気は、第２空気流路４４１からの空気と共に矢印ＡＲｒｖ（図２、３参照）のように燃焼室４０１内で旋回流を生じつつ燃焼室４０１の下方から上方に流れる。そのため、燃焼室壁面温度Ｔｂが上昇する。

続くＳ２５０においては、暖機ループ回数Ｎｘが予め設定された暖機ループ制限値Ｎ１以上であるか否かを判定する。暖機ループ回数Ｎｘが暖機ループ制限値Ｎ１以上であると判定した場合には、Ｓ２７０に進む。その一方で、暖機ループ回数Ｎｘが暖機ループ制限値Ｎ１未満であると判定した場合には、Ｓ２６０に進む。暖機ループ制限値Ｎ１は、上述のＳ２４０にて行われる燃焼器１４の暖機を打ち切るために暖機ループ回数Ｎｘを制限する制限値であり、例えば３回程度に設定されている。

Ｓ２６０においては、暖機ループ回数Ｎｘが１だけ加算される。そして、Ｓ１５０に進む。

Ｓ２７０においては、暖機ループ回数Ｎｘが暖機ループ制限値Ｎ１以上になったことにより燃焼器１４の起動不良と判断し、エラー信号を例えば入出力装置５８に出力する。入出力装置５８はエラー信号を受け取ると、入出力装置５８が有するディスプレイに、燃焼器１４の起動不良が生じたことを表示する。

また、Ｓ２７０においては、上述のように燃焼器１４の起動不良と判断するので、着火装置４８をオフにする。そして、空気流量調整弁１８１と燃料流量調整弁２０１と水流量調整弁２６１と可燃ガス流量調整弁２８１との全てを閉じる。

Ｓ２８０においては、可燃ガス流量調整弁２８１を閉じ、それにより、燃焼室４０１内への可燃ガスの流入を遮断する。また、着火装置４８をオンからオフに切り替える。また、Ｓ１７０において燃焼室４０１内へ導入し始めた燃焼用空気を、その空気流量を減じて暖機用空気に切り替える。また、Ｓ２１０にて不活性ガスを燃料電池１０へ送り込んでいれば、水流量調整弁２６１を閉じて不活性ガスを遮断する。そして、Ｓ２４０に進む。

以上のようにして、電子制御装置１６は、バーナ起動信号がオンになった場合には、図４のＳ１２０以降のステップから成る燃焼器１４の冷間起動シーケンスを実行し、燃焼器１４を起動する。要するに、燃焼器１４での燃焼を開始する。

特に、上記冷間起動シーケンスでは、電子制御装置１６は、Ｓ１５０、Ｓ１６０、Ｓ２３０、及びＳ２４０から成る一連の処理を実行することで、燃焼室壁面温度Ｔｂが燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０を超えるまで、燃焼室内壁面４０２に衝突する空気を着火装置４８の発熱部４８１が混合気の着火前に加熱するように、その発熱部４８１を制御する。言い換えれば、燃焼室４０１内における混合気の着火に先立って、着火装置４８の発熱部４８１により加熱された空気が燃焼室内壁面４０２に衝突させられ、それによりその燃焼室内壁面４０２が加熱される。

なお、上述した図４の各ステップでの処理は、それぞれの機能を実現する手段を構成している。

上述したように、本実施形態によれば、電子制御装置１６は、混合気の着火前において、燃焼室壁面温度Ｔｂが燃焼室壁面要求温度Ｔｂ０を超えるまで、燃焼室内壁面４０２に衝突する空気を着火装置４８の発熱部４８１が加熱するようにその発熱部４８１を制御するので、このような発熱部４８１の制御がなされない場合と比較して、燃焼室内壁面４０２近傍において不完全燃焼が生じにくくなり、一酸化炭素の排出を抑えることができる。

特に、本実施形態では、燃焼器１４の燃焼開始直後に、燃料電池１０へ送り込まれた不活性ガスが燃焼器１４に流入し、それによって燃焼室４０１内での不完全燃焼が助長され易いところ、上述のように燃焼室内壁面４０２が混合気の燃焼開始に先立って予熱されることは、一酸化炭素の排出抑制に有効である。

また、燃焼室内壁面４０２が混合気の着火に先立って予熱されるので、寒冷地など燃焼器１４の着火性を損なう程の低温環境下であっても、容易に燃焼器１４の起動を行うことができる。

また、本実施形態によれば、着火装置４８の発熱部４８１は、燃焼室４０１内において混合気の熱面着火を行うためのものであり、且つ、図４のＳ２３０およびＳ２４０において暖機用空気を加熱するためのものでもある。要するに、その着火装置４８は、暖機用空気の加熱に兼用されている。従って、暖機用空気を加熱するために専用の装置を設ける必要が無く、燃焼器１４の構成部品数を低減することが可能である。

また、本実施形態によれば、着火装置４８の発熱部４８１は、第１空気流路４２１からの空気が発熱部４８１に当たってから燃焼室内壁面４０２に沿って旋回流を生じるように配置されているので、燃焼室壁面温度Ｔｂの上昇をその旋回流により促進することができる。また、燃焼室内壁面４０２全体を均一に加熱することができる。

また、本実施形態によれば、着火装置４８は、燃焼室４０１内に突き出るように設けられ、その着火装置４８の先端に設けられた発熱部４８１が燃焼室４０１内に露出しているので、第１空気流路４２１からの空気を発熱部４８１に当てて、その空気と発熱部４８１とを熱交換させ易いという利点がある。

（他の実施形態）
（１）上述の実施形態において、燃焼室内壁面４０２は、例えばセラミックなどで構成されているが、耐熱性が高く且つ熱を拡散させ難ければ、金属等で構成されていても差し支えない。

（２）上述の実施形態において、図４のＳ２１０で水蒸気が不活性ガスとして用いられているが、水蒸気に替えて、燃料ガスから生成される部分酸化ガスが不活性ガスとして用いられても差し支えない。その部分酸化ガスが不活性ガスとして用いられる場合には、Ｓ２１０において、水流量調整弁２６１に替えて燃料流量調整弁２０１が開かれる。

（３）上述の実施形態において、図４のＳ２３０およびＳ２４０において暖機用空気を加熱する発熱部４８１は混合気の着火にも用いられるが、混合気の着火には用いられない別個の専用装置によって暖機用空気を加熱しても差し支えない。

（４）上述の実施形態において、燃焼室４０１内に導入された空気または混合気は燃焼室４０１内で旋回流を生じるが、燃焼室４０１はその旋回流を生じない構成であっても差し支えない。

（５）上述の実施形態において、空気は第１空気流路４２１からだけでなく第２空気流路４４１からも燃焼室４０１内へ導入されるが、その第２空気流路４４１は無くても差し支えない。

（６）上述の実施形態において、着火装置４８の発熱部４８１は、燃焼室４０１内の空気流れにおいて空気が発熱部４８１に当たってから旋回流が始まるように配置されているが、空気が旋回流の途中で発熱部４８１に当たっても差し支えない。

（７）上述の実施形態において、燃焼器１４で燃焼される混合気は、具体的にはメタンと空気との混合気であるが、それら以外の成分で構成された混合気であっても差し支えない。

（８）上述の実施形態において、燃焼器１４は、燃料電池１０の作動温度を８００℃程度の高温に維持するために用いられるが、燃料電池１０用以外の他の用途に用いられるものであっても差し支えない。

（９）上述の実施形態において、可燃ガス流路４６１から燃焼室４０１内へ導入される可燃ガスは気体のメタンであるが、気体ではなく、例えば霧状になった液体燃料であっても差し支えない。

（１０）上述の実施形態において、電子制御装置１６と入出力装置５８とは各々別個の装置として構成されているが、電子制御装置１６と入出力装置５８とが一体として１つの制御装置を構成していても差し支えない。

（１１）上述の実施形態において、図４のフローチャートに示す各ステップの処理はコンピュータプログラムによって実現されるものであるが、ハードロジックで構成されるものであっても差し支えない。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

１４燃焼器（燃焼装置）
１６電子制御装置（制御装置、燃焼装置）
４０１燃焼室
４０２燃焼室内壁面（壁面）
４２１第１空気流路（酸化剤ガス流路）
４８１発熱部

Claims

燃料と酸化剤ガスとの混合気を燃焼させる燃焼室（４０１）と、
該燃焼室内に露出しており発熱する発熱部（４８１）と、
前記燃焼室へ前記酸化剤ガスを導入する流路であって、前記燃焼室へ導入される前記酸化剤ガスが前記発熱部に当たってから、前記燃焼室を形成している壁面（４０２）に衝突するように形成された酸化剤ガス流路（４２１）と、
前記混合気の着火前において、前記壁面の温度（Ｔｂ）が予め定められた閾値（Ｔｂ０）を超えるまで、該壁面に衝突する前記酸化剤ガスを前記発熱部が加熱するように該発熱部を制御する制御装置（１６）とを備えていることを特徴とする燃焼装置。
前記発熱部は、前記混合気に着火するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記燃焼室は、該燃焼室内において前記酸化剤ガスが旋回流を生じるように形成され、
前記発熱部は、前記酸化剤ガスが該発熱部に当たってから前記旋回流を生じるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。