JP3845813B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池の改質器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池の改質器に配置した燃焼触媒の燃焼監視に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の溶融炭酸塩型燃料電池の改質器に関するフローチャートである。
図４は従来の溶融炭酸塩型燃料電池の改質器上部の縦断面である。
溶融炭酸塩型燃料電池（以下ＭＣＦＣと記載）の改質器の反応管１３には、原料の燃料ガスと改質用の水蒸気が供給され、反応管１３内の改質触媒を通過する間に燃焼室１２から反応熱を受け水蒸気改質反応により水素リッチの改質ガスとなり、ＭＣＦＣアノードへ供給される。改質ガスはＭＣＦＣアノードで発電反応を行うと同時に約８０％の水素を消費しアノード排ガスとなる。アノード排ガスは更にカソードから溶融炭酸塩電解質を通過してアノードへ到達した炭酸イオンと水素が反応して生成した炭酸ガスと水蒸気により希釈され、低位発熱量４００〜６００ｋｃａｌ／Ｎｍ³の低カロリガスとなる。このようにアノード排ガスは低カロリのため通常のバーナでは、自燃せずハニカム燃焼触媒を充填した燃焼触媒層６で燃焼させる。ＭＣＦＣで発生するアノード排ガスを全量燃焼させると燃焼ガスの温度は１２００℃になる。然しながらハニカム燃焼触媒の耐熱温度は９００℃であり、アノード排ガスの全量燃焼はできない。そこでＭＣＦＣからのアノード排ガスの一部をハニカム燃焼触媒の耐熱限界に配慮しながら燃焼触媒層６で燃焼させ、この燃焼ガスに残りのアノード排ガスを供給して燃焼室１２で気相燃焼バーナ８により燃焼させ温度１０００℃以上の高温燃焼ガスを発生させる。気相燃焼バーナ８の燃焼監視は燃焼室１２の側面に配置した紫外線検知器１０により気相燃焼バーナ８の火炎から放射される紫外線の検知により行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の燃焼監視はＭＣＦＣの低負荷時において次のような問題がある。即ち、定格の３０％の最底負荷近傍では、
１）燃料となるアノード排ガスの絶対量が不足する上、反応管１３における伝熱過剰を抑制するため気相燃焼バーナ８へのアノード排ガス供給を減らし、燃焼触媒層６に優先的に配分して燃焼の安定を図る。即ち、気相燃焼バーナ８におけるアノード排ガスの燃焼量が極めて少なくなる。
２）アノード排ガスの主要成分である水素は他の炭化水素系の燃料と比較して火炎が赤色で紫外線の発生量が少ない。
従って低負荷時には、気相燃焼バーナ８からの紫外線が紫外線検知器１０の検知限界迄低下し、制御回路における燃焼の条件が成立しにくくなり、制御回路は気相燃焼バーナ８が失火したと判断し改質器の運転を停止させるように制御しやすい。
本発明の目的は、溶融炭酸塩型燃料電池改質器の低負荷時における改質器燃焼監視の信頼性を向上させることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、溶融炭酸塩型燃料電池アノード排ガスのうちのほぼ一定量を燃焼させる燃焼触媒と、燃焼触媒の排ガスに残りの溶融炭酸塩型燃料電池アノード排ガスを加えて燃焼させ水蒸気改質反応の熱源とすると共に溶融炭酸塩型燃料電池のカソードへ炭酸ガスを供給するバーナと、バーナからの紫外線を検知してバーナの燃焼を監視する紫外線検知手段とを備えた溶融炭酸塩型燃料電池の改質器において、燃焼触媒からの赤外線を検知して燃焼触媒の燃焼を監視する赤外線検知手段を設けたことにより達成される。
紫外線検知手段からの燃焼信号と赤外線検知手段からの燃焼信号の両入力が無い時に失火と判断し改質器の運転を停止させる制御手段を設けることが望ましい。 赤外線検知手段が出力する燃焼信号が燃焼触媒の表面温度に比例する信号であり、信号が燃焼触媒の表面温度５５０℃以下に相当する値になった時に失火信号を出力する手段を設けることが望ましい。
上記構成によれば、赤外線検知手段が監視する燃焼触媒には、その温度が耐熱温度と燃焼可能温度範囲内に保持されるように燃料電池の負荷に拘らずほぼ一定量のアノード排ガスが供給され、燃焼触媒の温度は８００〜９００℃となりこの温度レベルでは紫外線発生量が少なく紫外線検知は困難かもしれないが、紫外線が発生しない低い温度レベルでも波長の大きい赤外線は発生するから赤外線検知手段で確実に検知できる。従って燃焼触媒から発生する赤外線を検知することにより、少アノード排ガスを燃焼させるバーナからの紫外線発生量が少ない低負荷時における改質器燃焼監視の信頼性を向上させることができる。
また、燃焼触媒の温度が５５０℃近傍で燃焼触媒は赤熱状態となり、赤外線検知手段で検知可能な赤外線発生量が得られ、それにより自燃限界に接近した燃焼触媒の温度を認識し失火の警告をする失火信号を出力することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図により説明する。
図１は本発明の実施の形態の改質器上部の縦断面である。
本実施の形態の基本的な構成は図４に示すものと同じであり、本実施の形態の特徴は本図に示すように改質器上部の燃焼室１２側面に赤外線検知器１１を約４５℃の角度で燃焼触媒層６を視野に入れて設置したことにある。一方、紫外線検知器１０を気相燃焼バーナ８とパイロットバーナ９の双方の火炎を視野に入れて設置する。
赤外線検知器１１は燃焼触媒層６の表面温度に比例する燃焼信号を出力するもので、例えば、表面温度に比例して変化する赤外線波長（ｎｍ）または赤外線量を電流値に換算して出力する。
本実施の形態の改質器の運転を制御する制御装置は、紫外線検知器１０からの燃焼信号と、赤外線検知器１１からの燃焼信号とを入力し、燃焼信号の両入力が無い時に失火と判断し改質器の運転を停止させるトリップ信号を出力するロジック回路を有する。また、赤外線検知器１１からの燃焼信号が燃焼触媒層６の表面温度５５０℃以下に相当する電流値になった時に、それにより燃焼触媒の温度を認識し失火の警告をする失火信号を出力する警報回路を有する。
【０００６】
図２は本発明の実施の形態の動作を示す図表である。
気相燃焼バーナ８へ供給されるアノード排ガスは改質器の負荷が減少するにつれて減少し、気相燃焼バーナ８が発生する紫外線発生量も減少し紫外線検知器１０はフレーム電流低下により動作が不安定となる。一方、燃焼触媒層６には定格負荷の３０〜１００％にわたりほぼ一定量のアノード排ガスが供給され、燃焼触媒層６の温度は８００〜９００℃となる。従って赤外線検知器１１の失火判断の設定温度である５５０℃以上が常に保持され、安定燃焼と判断する状態の継続が可能となる。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷に拘らずほぼ一定量のアノード排ガスが供給され、低い温度レベルの燃焼触媒の燃焼を監視する赤外線検知手段を設けることにより、改質器の低負荷時における燃焼監視の信頼性を向上させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の改質器上部の縦断面である。
【図２】本発明の実施の形態の動作を示す図表である。
【図３】従来の溶融炭酸塩型燃料電池の改質器に関するフローチャートである。
【図４】従来の溶融炭酸塩型燃料電池の改質器上部の縦断面である。
【符号の説明】
１ 起動バーナ空気ノズル
２ 起動バーナ燃料ノズル
３ 気相燃焼燃料ノズル
４ 触媒燃焼燃料ノズル
５ 燃焼空気ノズル
６ 触媒燃焼層
７ 予混合部
８ 気相燃焼バーナ
９ パイロットバーナ
１０ 紫外線検知器
１１ 赤外線検知器
１２ 燃焼室
１３ 反応管

Claims (3)

1. 溶融炭酸塩型燃料電池アノード排ガスのうちのほぼ一定量を前記燃料電池の負荷に拘らず燃焼させる燃焼触媒と、該燃焼触媒の排ガスに残りの溶融炭酸塩型燃料電池アノード排ガスを加えて燃焼させ水蒸気改質反応の熱源とすると共に前記溶融炭酸塩型燃料電池のカソードへ炭酸ガスを供給するバーナと、該バーナからの紫外線を検知して該バーナの燃焼を監視する紫外線検知手段とを備えた溶融炭酸塩型燃料電池の改質器において、
   前記燃焼触媒からの赤外線を検知して前記燃焼触媒の燃焼を監視する赤外線検知手段を設けたことを特徴とする溶融炭酸塩型燃料電池の改質器。
2. 前記紫外線検知手段からの燃焼信号と前記赤外線検知手段からの燃焼信号の両入力が無い時に失火と判断し前記改質器の運転を停止させる制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池の改質器。
3. 前記赤外線検知手段が出力する燃焼信号が前記燃焼触媒の表面温度に比例する信号であり、該信号が前記燃焼触媒の表面温度５５０℃以下に相当する値になった時に失火信号を出力する手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載の溶融炭酸塩型燃料電池の改質器。

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