JP4390246B2 - 燃料電池用水素製造装置の燃焼装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用水素製造装置の燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料を原燃料として水素に改質する水素製造装置（以下改質器と称することがある）と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、水素によって発電する燃料電池と、燃料電池から排出される水素ガスおよび／または炭化水素系燃料を燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給する燃焼装置を備えた燃料電池システムや、さらに起動時や停止時に各反応器が安定するまで水素を燃焼するプロセスガスバーナを備えた小型電源としての燃料電池システムが提案されている。
【０００３】
図４は、従来の燃料電池システムを示す系統図である。
燃料電池システムＧＳは炭化水素系燃料を水素に改質する水素製造装置１と、水素によって発電する燃料電池本体２と、起動時は炭化水素系燃料を燃焼して前記水素製造装置を改質反応に必要な温度まで加熱し、その後燃料電池本体２から排出される水素ガスを燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給するバーナ３を備えた燃焼装置４を備えている。
燃料電池システムＧＳは、他に図示しない脱硫器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器などからなる燃料ガス供給装置および空気ポンプ、水タンクなどからなる反応空気供給装置ならびに燃料極、空気極などの電極および水タンク、ポンプ、冷却部などからなる燃料電池本体２の冷却装置を備えている。
【０００４】
燃料電池本体２で発電された電力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、図示しない配電系統連携インバータを介して商用電源に接続される、一方、ここから家庭や事務所などの照明や空調機等の他の電気機器用の電力として供給される。
燃料電池本体２を用いた燃料電池システムＧＳでは、発電と同時に、例えば燃料電池本体２による発電時に発生する熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を貯湯タンクに蓄えて、風呂や台所などに供給するなど、燃料電池本体２に使用される燃料がもつエネルギーの有効利用を図っている。
【０００５】
上記の燃料電池システムＧＳでは、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料が脱硫されて硫黄分を除去した後、水素製造装置脱硫器に水蒸気と共に供給され、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、ＣＯ変成器で一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、次いでＣＯ除去器に供給され、未変成の一酸化炭素が低減され、水素濃度の高い水素ガスが加湿されて燃料電池本体２の燃料極に供給される。
一方、反応空気供給装置では、反応空気の加湿が行われ、燃料電池本体２における電極反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池本体２の空気極に供給される。
【０００６】
燃料電池本体２では、燃料極に供給された改質ガス中の水素と、空気極へ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。燃料電池本体２の図示しない冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池本体２が過熱しないようにするため、冷却水を循環させ、この冷却水で燃料電池本体２内の温度が発電に適した温度（例えば７０〜８０℃程度）に保たれるように制御している。
【０００７】
水素製造装置１における化学反応は吸熱反応であるので、必要な熱量を供給するために加熱しながら化学反応を継続させるためのバーナ３を備えた燃焼装置４を有し、この燃焼装置４には開閉弁５を備えたパイプ６を介して炭化水素系燃料が供給され、開閉弁７を備えたパイプ８を介して、燃料電池本体２の燃料極を経た未反応水素が供給される。本燃料電池システムＧＳの始動時には、燃焼装置４に開閉弁５を開けてパイプ６を介して炭化水素系燃料が供給されて燃焼が行われ、起動後に、燃料電池本体２の温度が安定したときに、パイプ６からの炭化水素系燃料の供給を減少させ、開閉弁７を開けてパイプ８を介して燃料極から排出される未反応水素（排水素ガス）を供給して炭化水素系燃料および排水素ガスの混合物の燃焼が行われ、そして燃料電池本体２の温度が更に安定したときに、開閉弁５を閉めてパイプ６からの炭化水素系燃料の供給を停止させ、パイプ８を介して燃料極から排出される未反応水素（排水素ガス）のみが供給されて燃焼が継続される。
【０００８】
本燃料電池システムＧＳには、図示しないプロセスガスバーナ（ＰＧバーナ）が備えられている。燃料電池システムＧＳの起動時には、水素製造装置１、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経た改質ガスの組成が燃料電池本体２の運転に適した安定した規定値に達していないので、それが安定するまでは、このガスを燃料電池本体２に供給することができない。そこで、各反応器が安定するまでは、ガス組成が規定値に達していないガスをこのＰＧバーナに導いて燃焼させる。
そして、各反応器が安定しガス中のＣＯ濃度が規定値に達した後、今度は燃料電池本体２の温度が作動温度（例えば７０〜８０℃）近くの温度域で安定するまで、水素ガスをこのＰＧバーナに導いて燃焼させる。燃料電池本体２の温度が作動温度で安定し、連続して発電が行われるようになった場合、燃料電池本体２に導入して発電を行う。
【０００９】
以上のような燃料電池システムＧＳの水素製造装置１の燃焼装置４のバーナ３や図示しないプロセスガスバーナにおける安定燃焼の監視や制御や失火の検出などのための火炎検知には、従来、火炎中に交流電圧を印加して炭化水素をイオン化し、バーナに向かって流れる微小な電流を測定するフレームロッド方式（ｆｌａｍｅ ｒｏｄ ｓｙｓｔｅｍ）が用いられていた。
フレームロッド方式による火炎検知は、ガス燃焼火炎検知に用いられる比較的簡単な方法であり、火炎中に挿入したフレームロッドに交流電圧を印加し、火炎の整流作用によって整流されて生じた直流電流を取り出して増幅し、リレーを作動させて燃料弁を開く回路を作れば、安全装置として利用できる。しかしながら、火炎の整流作用が発生するのは、燃料中の炭化水素がイオン化されることによるので、燃料中に炭化水素がない場合、または燃料中の炭化水素の濃度が低い場合などには、充分な電流が流れず、したがってそのような場合はこの方式を使用できないという問題がある。
【００１０】
そこでフレームロッド方式により火炎検知を行う場合は、起動後に、燃料電池本体２の温度が安定したときに、燃焼装置４に排水素ガスを供給するとともに、開閉弁５を開けてパイプ６から炭化水素系燃料を追加供給したり、あるいはフレームロッド方式により火炎検知可能な量の炭化水素が常に排水素ガス中に保持されるような条件下で水素製造装置１を運転し、この火炎検知可能な量の炭化水素を含む排水素ガスを燃焼装置４に供給する提案がある（例えば、特許文献１参照）が、効率が低下する上、システムが複雑化するという問題があった。
また燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ火炎形成位置が異なり火炎温度が異なるため、複数の温度計を用いて火炎検知を行っていたので、システムが複雑になるという問題があった。
【００１１】
【特許文献１】
特願２００１−３８６４０６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃料電池システムＧＳの水素製造装置の燃焼装置のバーナやプロセスガスバーナにおける安定燃焼の監視や制御や失火の検出などのための火炎検知を、バーナに炭化水素系燃料を追加供給せず、１つの温度計を用いて簡単にかつ確実に行うことができ、小型化可能な、燃料電池用水素製造装置の燃焼装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、炭化水素系燃料を水素に改質する水素製造装置と、水素によって発電する燃料電池と、炭化水素系燃料および／または前記燃料電池から排出される水素ガスを燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給する燃焼装置を備えた燃料電池システムの前記燃焼装置のバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ対応する温度閾値を設定するとともに、前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号により前記温度計で検出した温度と対比する温度閾値を決定し、前記温度計で検出した温度と決定した前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とする。
【００１４】
燃焼装置のバーナに熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計を１つ備え、バーナで燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ対応する温度閾値を予め設定しておき、前記１つの温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うようにすれば、バーナに炭化水素系燃料を追加供給せず、複数の温度計を使用することなく、簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができ、小型化が可能となる。
前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号によりどの温度閾値と対比するかを決定するようにしたので、より簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができる。
【００１５】
本発明の請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、前記開閉信号は、炭化水素系燃料ラインの開閉弁と排水素ガスラインの開閉弁からの夫々の開閉の信号であることを特徴とする。
【００１６】
炭化水素系燃料ラインの開閉弁と排水素ガスラインの開閉弁からの夫々の開閉の信号によりどの温度閾値と対比するかを決定するようにすれば、さらにより簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができる。
【００１７】
本発明の請求項３記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、前記開閉弁の開閉の信号に時間差を設定することを特徴とする。
【００１８】
前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉を行ってもバーナで燃焼する燃料が急には替わらないので、燃料が切り替わる時間を予め把握しておきそれに対応して開閉弁の開閉の信号に時間差を設定しておけば、燃料切り替え時においても簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができる。
【００１９】
本発明の請求項４記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、プロセスガスバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を設定し、前記温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とする。
【００２０】
プロセスガスバーナに熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計を１つ備え、バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を予め設定しておき、前記１つの温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うようにすれば、複数の温度計を使用することなく、簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができ、小型化が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置を説明する説明図である。
図１において、図４に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
図１に示した燃料電池システムＧＳは、水素製造装置１の燃焼装置４のバーナ３に熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計９を備え、バーナ３で燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合の温度閾値をＴ１（℃）（例えば、３００℃）に設定し、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合の温度閾値をＴ２（℃）（例えば、５００℃）に設定し、排水素ガスのみの場合の温度閾値をＴ３（℃）（例えば、７００℃）に設定し、温度計９で検出した温度の信号を図示しない制御装置に送って、制御装置に予め記憶させておいたバーナ３で燃焼する燃料の前記種類に対応する温度閾値Ｔ１、Ｔ２あるいはＴ３のいずれかと対比して火炎検知を行うように構成した以外は、図４に示した燃料電池システムＧＳと同様になっている。
【００２２】
水素製造装置１の燃焼装置４のバーナ３で燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁（例えば、電磁弁）５、７が開であるかそれとも閉であるか、あるいは両者とも開であるかなどの信号を図示しない制御装置へ送り、温度計９で検出した温度とどの温度閾値とを対比するかを決定するようにすれば、より簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができる。
【００２３】
図２は、火炎温度測定用温度計で検出した温度（縦軸）と開閉弁の開閉（横軸）と温度閾値（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）との関係を示すグラフである。
図２において、開閉弁５が開で、開閉弁７が閉の信号（Ａ）が図示しない制御装置へ送られると、温度計９で検出した温度（℃）は温度閾値Ｔ１（℃）と対比され、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ１以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ１未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２４】
そして開閉弁５が開で、開閉弁７が開の信号（Ｂ）が図示しない制御装置へ送られると、温度計９で検出した温度（℃）は温度閾値Ｔ２（℃）と対比され、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２５】
また、開閉弁５が閉で、開閉弁７が開の信号（Ｃ）が図示しない制御装置へ送られると、温度計９で検出した温度（℃）は温度閾値Ｔ３（℃）と対比され、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２６】
図３は、火炎温度測定用温度計で検出した温度（縦軸）と開閉弁の開閉（横軸）と温度閾値（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）との他の関係を示すグラフである。
すなわち、バーナ３で燃焼する燃料を切り替えるために開閉弁５、７の開閉を行ってもバーナ３で燃焼する燃料が急には替わらないので、燃料が切り替わる時間を予め把握しておきそれに対応して開閉弁５、７の開閉の信号に時間差（タイムラグなど）（ｔ１）や（ｔ２）を設定した場合の例を示す。
【００２７】
図３において、開閉弁５が開で、開閉弁７が閉の信号（Ａ）が図示しない制御装置へ送られると、温度計９で検出した温度（℃）は温度閾値Ｔ１（℃）と対比され、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ１以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ１未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２８】
そして開閉弁５が開で、開閉弁７が開の信号（Ｂ）が図示しない制御装置へ送られても燃料が急には替わらないので、予め設定した時間差（ｔ１）経過後、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２（℃）と対比されるようにし、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２９】
また、開閉弁５が閉で、開閉弁７が開の信号（Ｃ）が図示しない制御装置へ送られても燃料が急には替わらないので、予め設定した時間差（ｔ２）経過後、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３（℃）と対比されるようにし、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００３０】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、炭化水素系燃料を水素に改質する水素製造装置と、水素によって発電する燃料電池と、炭化水素系燃料および／または前記燃料電池から排出される水素ガスを燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給する燃焼装置を備えた燃料電池システムの前記燃焼装置のバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ対応する温度閾値を設定するとともに、前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号により前記温度計で検出した温度と対比する温度閾値を決定し、前記温度計で検出した温度と決定した前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とするものであり、燃焼装置のバーナに熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計を１つ備え、この１つの温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うようにすれば、バーナに炭化水素系燃料を追加供給せず、複数の温度計を使用することなく、簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができ、小型化が可能となるという顕著な効果を奏する。
前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号によりどの温度閾値と対比するかを決定するようにしたので、より簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができるという顕著な効果を奏する。
【００３２】
本発明の請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、前記開閉信号は、炭化水素系燃料ラインの開閉弁と排水素ガスラインの開閉弁からの夫々の開閉の信号であることを特徴とするものであり、さらにより簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３３】
本発明の請求項３記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、前記開閉弁の開閉の信号に時間差を設定することを特徴とするものであり、前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉を行ってもバーナで燃焼する燃料が急には替わらないので、燃料が切り替わる時間を予め把握しておきそれに対応して開閉弁の開閉の信号に時間差を設定しておけば、燃料切り替え時においても簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３４】
本発明の請求項４記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、プロセスガスバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を設定し、前記温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とするものであり、プロセスガスバーナに熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計を１つ備え、バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を予め設定しておき、前記１つの温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うようにすれば、複数の温度計を使用することなく、簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができ、さらなる小型化が可能となるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置を説明する説明図である。
【図２】火炎温度測定用温度計で検出した温度と開閉弁の開閉と温度閾値との関係を示すグラフである。
【図３】火炎温度測定用温度計で検出した温度と開閉弁の開閉と温度閾値との他の関係を示すグラフである。
【図４】従来の燃料電池システムを示す系統図である。
【符号の説明】
１ 水素製造装置
２ 燃料電池本体
３ バーナ
４ 燃焼装置
５、７ 開閉弁
６、８ ライン
９ 火炎温度測定用温度計
ＧＳ 燃料電池システム
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 温度閾値
ｔ１、ｔ２ 時間差
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用水素製造装置の燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料を原燃料として水素に改質する水素製造装置（以下改質器と称することがある）と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、水素によって発電する燃料電池と、燃料電池から排出される水素ガスおよび／または炭化水素系燃料を燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給する燃焼装置を備えた燃料電池システムや、さらに起動時や停止時に各反応器が安定するまで水素を燃焼するプロセスガスバーナを備えた小型電源としての燃料電池システムが提案されている。
【０００３】
図４は、従来の燃料電池システムを示す系統図である。
燃料電池システムＧＳは炭化水素系燃料を水素に改質する水素製造装置１と、水素によって発電する燃料電池本体２と、起動時は炭化水素系燃料を燃焼して前記水素製造装置を改質反応に必要な温度まで加熱し、その後燃料電池本体２から排出される水素ガスを燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給するバーナ３を備えた燃焼装置４を備えている。
燃料電池システムＧＳは、他に図示しない脱硫器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器などからなる燃料ガス供給装置および空気ポンプ、水タンクなどからなる反応空気供給装置ならびに燃料極、空気極などの電極および水タンク、ポンプ、冷却部などからなる燃料電池本体２の冷却装置を備えている。
【０００４】
燃料電池本体２で発電された電力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、図示しない配電系統連携インバータを介して商用電源に接続される、一方、ここから家庭や事務所などの照明や空調機等の他の電気機器用の電力として供給される。
燃料電池本体２を用いた燃料電池システムＧＳでは、発電と同時に、例えば燃料電池本体２による発電時に発生する熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を貯湯タンクに蓄えて、風呂や台所などに供給するなど、燃料電池本体２に使用される燃料がもつエネルギーの有効利用を図っている。
【０００５】
上記の燃料電池システムＧＳでは、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料が脱硫されて硫黄分を除去した後、水素製造装置脱硫器に水蒸気と共に供給され、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、ＣＯ変成器で一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、次いでＣＯ除去器に供給され、未変成の一酸化炭素が低減され、水素濃度の高い水素ガスが加湿されて燃料電池本体２の燃料極に供給される。
一方、反応空気供給装置では、反応空気の加湿が行われ、燃料電池本体２における電極反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池本体２の空気極に供給される。
【０００６】
燃料電池本体２では、燃料極に供給された改質ガス中の水素と、空気極へ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。燃料電池本体２の図示しない冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池本体２が過熱しないようにするため、冷却水を循環させ、この冷却水で燃料電池本体２内の温度が発電に適した温度（例えば７０〜８０℃程度）に保たれるように制御している。
【０００７】
水素製造装置１における化学反応は吸熱反応であるので、必要な熱量を供給するために加熱しながら化学反応を継続させるためのバーナ３を備えた燃焼装置４を有し、この燃焼装置４には開閉弁５を備えたパイプ６を介して炭化水素系燃料が供給され、開閉弁７を備えたパイプ８を介して、燃料電池本体２の燃料極を経た未反応水素が供給される。本燃料電池システムＧＳの始動時には、燃焼装置４に開閉弁５を開けてパイプ６を介して炭化水素系燃料が供給されて燃焼が行われ、起動後に、燃料電池本体２の温度が安定したときに、パイプ６からの炭化水素系燃料の供給を減少させ、開閉弁７を開けてパイプ８を介して燃料極から排出される未反応水素（排水素ガス）を供給して炭化水素系燃料および排水素ガスの混合物の燃焼が行われ、そして燃料電池本体２の温度が更に安定したときに、開閉弁５を閉めてパイプ６からの炭化水素系燃料の供給を停止させ、パイプ８を介して燃料極から排出される未反応水素（排水素ガス）のみが供給されて燃焼が継続される。
【０００８】
本燃料電池システムＧＳには、図示しないプロセスガスバーナ（ＰＧバーナ）が備えられている。燃料電池システムＧＳの起動時には、水素製造装置１、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経た改質ガスの組成が燃料電池本体２の運転に適した安定した規定値に達していないので、それが安定するまでは、このガスを燃料電池本体２に供給することができない。そこで、各反応器が安定するまでは、ガス組成が規定値に達していないガスをこのＰＧバーナに導いて燃焼させる。
そして、各反応器が安定しガス中のＣＯ濃度が規定値に達した後、今度は燃料電池本体２の温度が作動温度（例えば７０〜８０℃）近くの温度域で安定するまで、水素ガスをこのＰＧバーナに導いて燃焼させる。燃料電池本体２の温度が作動温度で安定し、連続して発電が行われるようになった場合、燃料電池本体２に導入して発電を行う。
【０００９】
以上のような燃料電池システムＧＳの水素製造装置１の燃焼装置４のバーナ３や図示しないプロセスガスバーナにおける安定燃焼の監視や制御や失火の検出などのための火炎検知には、従来、火炎中に交流電圧を印加して炭化水素をイオン化し、バーナに向かって流れる微小な電流を測定するフレームロッド方式（ｆｌａｍｅ ｒｏｄ ｓｙｓｔｅｍ）が用いられていた。
フレームロッド方式による火炎検知は、ガス燃焼火炎検知に用いられる比較的簡単な方法であり、火炎中に挿入したフレームロッドに交流電圧を印加し、火炎の整流作用によって整流されて生じた直流電流を取り出して増幅し、リレーを作動させて燃料弁を開く回路を作れば、安全装置として利用できる。しかしながら、火炎の整流作用が発生するのは、燃料中の炭化水素がイオン化されることによるので、燃料中に炭化水素がない場合、または燃料中の炭化水素の濃度が低い場合などには、充分な電流が流れず、したがってそのような場合はこの方式を使用できないという問題がある。
【００１０】
そこでフレームロッド方式により火炎検知を行う場合は、起動後に、燃料電池本体２の温度が安定したときに、燃焼装置４に排水素ガスを供給するとともに、開閉弁５を開けてパイプ６から炭化水素系燃料を追加供給したり、あるいはフレームロッド方式により火炎検知可能な量の炭化水素が常に排水素ガス中に保持されるような条件下で水素製造装置１を運転し、この火炎検知可能な量の炭化水素を含む排水素ガスを燃焼装置４に供給する提案がある（例えば、特許文献１参照）が、効率が低下する上、システムが複雑化するという問題があった。
また燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ火炎形成位置が異なり火炎温度が異なるため、複数の温度計を用いて火炎検知を行っていたので、システムが複雑になるという問題があった。
【００１１】
【特許文献１】
特願２００１−３８６４０６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃料電池システムＧＳの水素製造装置の燃焼装置のバーナやプロセスガスバーナにおける安定燃焼の監視や制御や失火の検出などのための火炎検知を、バーナに炭化水素系燃料を追加供給せず、１つの温度計を用いて簡単にかつ確実に行うことができ、小型化可能な、燃料電池用水素製造装置の燃焼装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、炭化水素系燃料を水素に改質する水素製造装置と、水素によって発電する燃料電池と、炭化水素系燃料および／または前記燃料電池から排出される水素ガスを燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給する燃焼装置を備えた燃料電池システムの前記燃焼装置のバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ対応する温度閾値を設定するとともに、前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号により前記温度計で検出した温度と対比する温度閾値を決定し、前記温度計で検出した温度と決定した前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とする。
【００１４】
燃焼装置のバーナに熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計を１つ備え、バーナで燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ対応する温度閾値を予め設定しておき、前記１つの温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うようにすれば、バーナに炭化水素系燃料を追加供給せず、複数の温度計を使用することなく、簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができ、小型化が可能となる。
前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号によりどの温度閾値と対比するかを決定するようにしたので、より簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができる。
【００１５】
本発明の請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、前記開閉信号は、炭化水素系燃料ラインの開閉弁と排水素ガスラインの開閉弁からの夫々の開閉の信号であることを特徴とする。
【００１６】
炭化水素系燃料ラインの開閉弁と排水素ガスラインの開閉弁からの夫々の開閉の信号によりどの温度閾値と対比するかを決定するようにすれば、さらにより簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができる。
【００１７】
本発明の請求項３記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、前記開閉弁の開閉の信号に時間差を設定することを特徴とする。
【００１８】
前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉を行ってもバーナで燃焼する燃料が急には替わらないので、燃料が切り替わる時間を予め把握しておきそれに対応して開閉弁の開閉の信号に時間差を設定しておけば、燃料切り替え時においても簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができる。
【００１９】
本発明の請求項４記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、プロセスガスバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を設定し、前記温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とする。
【００２０】
プロセスガスバーナに熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計を１つ備え、バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を予め設定しておき、前記１つの温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うようにすれば、複数の温度計を使用することなく、簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができ、小型化が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置を説明する説明図である。
図１において、図４に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
図１に示した燃料電池システムＧＳは、水素製造装置１の燃焼装置４のバーナ３に熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計９を備え、バーナ３で燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合の温度閾値をＴ１（℃）（例えば、３００℃）に設定し、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合の温度閾値をＴ２（℃）（例えば、５００℃）に設定し、排水素ガスのみの場合の温度閾値をＴ３（℃）（例えば、７００℃）に設定し、温度計９で検出した温度の信号を図示しない制御装置に送って、制御装置に予め記憶させておいたバーナ３で燃焼する燃料の前記種類に対応する温度閾値Ｔ１、Ｔ２あるいはＴ３のいずれかと対比して火炎検知を行うように構成した以外は、図４に示した燃料電池システムＧＳと同様になっている。
【００２２】
水素製造装置１の燃焼装置４のバーナ３で燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁（例えば、電磁弁）５、７が開であるかそれとも閉であるか、あるいは両者とも開であるかなどの信号を図示しない制御装置へ送り、温度計９で検出した温度とどの温度閾値とを対比するかを決定するようにすれば、より簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができる。
【００２３】
図２は、火炎温度測定用温度計で検出した温度（縦軸）と開閉弁の開閉（横軸）と温度閾値（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）との関係を示すグラフである。
図２において、開閉弁５が開で、開閉弁７が閉の信号（Ａ）が図示しない制御装置へ送られると、温度計９で検出した温度（℃）は温度閾値Ｔ１（℃）と対比され、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ１以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ１未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２４】
そして開閉弁５が開で、開閉弁７が開の信号（Ｂ）が図示しない制御装置へ送られると、温度計９で検出した温度（℃）は温度閾値Ｔ２（℃）と対比され、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２５】
また、開閉弁５が閉で、開閉弁７が開の信号（Ｃ）が図示しない制御装置へ送られると、温度計９で検出した温度（℃）は温度閾値Ｔ３（℃）と対比され、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２６】
図３は、火炎温度測定用温度計で検出した温度（縦軸）と開閉弁の開閉（横軸）と温度閾値（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）との他の関係を示すグラフである。
すなわち、バーナ３で燃焼する燃料を切り替えるために開閉弁５、７の開閉を行ってもバーナ３で燃焼する燃料が急には替わらないので、燃料が切り替わる時間を予め把握しておきそれに対応して開閉弁５、７の開閉の信号に時間差（タイムラグなど）（ｔ１）や（ｔ２）を設定した場合の例を示す。
【００２７】
図３において、開閉弁５が開で、開閉弁７が閉の信号（Ａ）が図示しない制御装置へ送られると、温度計９で検出した温度（℃）は温度閾値Ｔ１（℃）と対比され、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ１以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ１未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２８】
そして開閉弁５が開で、開閉弁７が開の信号（Ｂ）が図示しない制御装置へ送られても燃料が急には替わらないので、予め設定した時間差（ｔ１）経過後、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２（℃）と対比されるようにし、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ２未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００２９】
また、開閉弁５が閉で、開閉弁７が開の信号（Ｃ）が図示しない制御装置へ送られても燃料が急には替わらないので、予め設定した時間差（ｔ２）経過後、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３（℃）と対比されるようにし、温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３以上であれば失火しておらず安定燃焼が行われていると判断する。温度計９で検出した温度（℃）が温度閾値Ｔ３未満であれば失火などのトラブルが発生していると判断する。
【００３０】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、炭化水素系燃料を水素に改質する水素製造装置と、水素によって発電する燃料電池と、炭化水素系燃料および／または前記燃料電池から排出される水素ガスを燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給する燃焼装置を備えた燃料電池システムの前記燃焼装置のバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ対応する温度閾値を設定するとともに、前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号により前記温度計で検出した温度と対比する温度閾値を決定し、前記温度計で検出した温度と決定した前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とするものであり、燃焼装置のバーナに熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計を１つ備え、この１つの温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うようにすれば、バーナに炭化水素系燃料を追加供給せず、複数の温度計を使用することなく、簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができ、小型化が可能となるという顕著な効果を奏する。
前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号によりどの温度閾値と対比するかを決定するようにしたので、より簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができるという顕著な効果を奏する。
【００３２】
本発明の請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、前記開閉信号は、炭化水素系燃料ラインの開閉弁と排水素ガスラインの開閉弁からの夫々の開閉の信号であることを特徴とするものであり、さらにより簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３３】
本発明の請求項３記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、前記開閉弁の開閉の信号に時間差を設定することを特徴とするものであり、前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉を行ってもバーナで燃焼する燃料が急には替わらないので、燃料が切り替わる時間を予め把握しておきそれに対応して開閉弁の開閉の信号に時間差を設定しておけば、燃料切り替え時においても簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００３４】
本発明の請求項４記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置において、プロセスガスバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を設定し、前記温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とするものであり、プロセスガスバーナに熱電対やサーミスタタイプなどの火炎温度測定用温度計を１つ備え、バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を予め設定しておき、前記１つの温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うようにすれば、複数の温度計を使用することなく、簡単にかつ確実に火炎検出を行うことができ、さらなる小型化が可能となるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置を説明する説明図である。
【図２】火炎温度測定用温度計で検出した温度と開閉弁の開閉と温度閾値との関係を示すグラフである。
【図３】火炎温度測定用温度計で検出した温度と開閉弁の開閉と温度閾値との他の関係を示すグラフである。
【図４】従来の燃料電池システムを示す系統図である。
【符号の説明】
１ 水素製造装置
２ 燃料電池本体
３ バーナ
４ 燃焼装置
５、７ 開閉弁
６、８ ライン
９ 火炎温度測定用温度計
ＧＳ 燃料電池システム
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 温度閾値
ｔ１、ｔ２ 時間差
Claims (4)
- 炭化水素系燃料を水素に改質する水素製造装置と、水素によって発電する燃料電池と、炭化水素系燃料および／または前記燃料電池から排出される水素ガスを燃焼して前記水素製造装置の改質反応に必要な熱量を供給する燃焼装置を備えた燃料電池システムの前記燃焼装置のバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料が炭化水素系燃料のみの場合、排水素ガスと炭化水素系燃料の混合物である場合、および排水素ガスのみの場合にそれぞれ対応する温度閾値を設定するとともに、前記バーナで燃焼する燃料を切り替えるための開閉弁の開閉の信号により前記温度計で検出した温度と対比する温度閾値を決定し、前記温度計で検出した温度と決定した前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とする燃料電池用水素製造装置の燃焼装置。
- 前記開閉信号は、炭化水素系燃料ラインの開閉弁と排水素ガスラインの開閉弁からの夫々の開閉の信号であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置。
- 前記開閉弁の開閉の信号に時間差を設定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置。
- プロセスガスバーナに火炎温度測定用温度計を備え、前記バーナで燃焼する燃料に対応する温度閾値を設定し、前記温度計で検出した温度と前記温度閾値を対比して火炎検知を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用水素製造装置の燃焼装置。
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