JP4703409B2 - 燃焼装置、改質器、燃料電池発電システム、及び改質器の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は燃焼装置、改質器、燃料電池発電システム、及び改質器の運転方法に関し、特に着火失敗や失火を検知して安全な燃焼を行う燃焼装置、この燃焼装置を備えた改質器、及びその運転方法、並びにこの改質器を備えた燃料電池発電システムに関する。

例えば燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質器等の、加熱が必要な機器では、熱を得る手段としての燃焼装置を備えていることが多い。熱を利用する機器においても、他の一般的な機器と同様に、安全性は考慮される事項である。燃焼装置が備える安全装置として、火炎の有無を監視するフレームロッドが知られている。

フレームロッドは、炎の中に設けられた部材としての１本のフレームロッドと燃焼装置本体とで１組の電極を構成し、これに交流電圧を印加すると、炎の中に存在するイオンの作用により一方向にしか電流を流さないという性質を利用して炎の有無を検知する装置である。すなわち、一般に燃焼中の火炎の内部は自由電子と陽イオンとに電離しており、内炎と外炎が接触する部分は化学反応が激しく多量の陽イオンが存在している反面、自由電子は外炎に集中して存在しているところ、これに交流電圧を印加すると炎の中に存在するイオンの作用により一方向にしか電流を流さなくなるという性質を利用したものである。

しかしながら、フレームロッドは、燃焼時に生成されるイオンの量が多い炭化水素系燃料を燃焼させる場合には有効であるが、燃料電池からのオフガス等の燃焼時に生成されるイオンの量が少ない燃料では、その原理上、用いることができない。

本発明は上述の課題に鑑み、燃焼時にイオンの生成がほとんど起こらない燃料を燃焼させる場合においても着火失敗や失火を検知して安全な燃焼を行う燃焼装置、この燃焼装置を備えた改質器及び改質器の運転方法、並びにこの改質器を備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃焼装置は、例えば図１に示すように、水素を含有する水素含有ガスＧｈを導出する水素含有ガス供給口１１ｈが形成された水素含有ガス供給管１１と；水素含有ガス供給管１１の外周部に炭化水素系燃料Ｇｃを供給する、燃料供給口１２ｈが形成された燃料供給管１２と；水素含有ガス供給口１１ｈから導出された水素含有ガスＧｈが燃焼したときに形成される火炎Ｆｈの温度及び燃料供給口１２ｈから導出された炭化水素系燃料Ｇｃが燃焼したときに形成される火炎Ｆｃの温度を検出する温度検出手段１８とを備える。

このように構成すると、水素含有ガス供給口から導出された水素含有ガスが燃焼したときに形成される火炎の温度及び燃料供給口から導出された炭化水素系燃料が燃焼したときに形成される火炎の温度を検出する温度検出手段を備えるので、イオンの生成がほとんど起こらない水素含有ガスが燃焼したときに形成される火炎の有無を温度検出手段によって検出することができる。

また、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃焼装置１０において、水素含有ガス供給管１１が円筒状に形成され；燃料供給口１２ｈが、水素含有ガス供給管１１の軸直角方向断面の円と同心円の円周上に形成されていてもよい。このように構成すると、燃焼性状の異なる水素含有ガス及び炭化水素系燃料が燃焼したときに形成されるそれぞれの火炎の温度を１つの温度検出手段で検出することができる。

また、請求項１に記載の発明に係る燃焼装置は、例えば図１に示すように、温度検出手段１８が温度検出部１８ａを有し、温度検出部１８ａが、炭化水素系燃料Ｇｃが燃焼したときに形成される火炎Ｆｃの外縁部の近傍に位置し、水素含有ガスＧｈが燃焼したときに形成される火炎Ｆｈと接触しない位置に配設されている。

このように構成すると、温度検出部が、炭化水素系燃料が燃焼したときに形成される火炎の外縁部の近傍に位置するように配設されているので、火炎の有無による温度変化を迅速に検知することができる。また、水素含有ガスが燃焼したときの火炎が形成される時間よりも炭化水素系燃料が燃焼したときの火炎が形成される時間の方が短いときは、温度検出手段の寿命を延ばすことができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃焼装置は、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置１０において、温度検出手段１８で検出した温度に基づいて、水素含有ガスＧｈの水素含有ガス供給口１１ｈからの導出及び炭化水素系燃料Ｇｃの燃料供給口１２ｈからの導出を停止する制御部１９を備える。

このように構成すると、温度検出手段で検出した温度を検出することにより着火失敗及び失火の有無を判断することができ、着火失敗又は失火が発生したときに水素含有ガスの水素含有ガス供給口からの導出及び炭化水素系燃料の燃料供給口からの導出を停止することが可能になる。なお「失火」とは、意図しない炎の消失を意味している。

また、請求項３に記載の燃焼装置は、制御部１９（例えば図１参照）が、温度検出手段１８（例えば図１参照）で検出した温度の単位時間当たりの変化を算出し、燃焼装置１０（例えば図１参照）の着火時においては温度検出手段１８（例えば図１参照）で検出した温度の上昇率が所定の上昇率未満のときに、燃焼装置１０（例えば図１参照）の起動時においては温度検出手段１８（例えば図１参照）で検出した温度が第１の所定の温度以下及び検出した温度の低下率が第１の所定の低下率以上の少なくとも一方の条件を満たすときに、燃焼装置１０（例えば図１参照）の定常運転時においては温度検出手段１８（例えば図１参照）で検出した温度が第２の所定の温度以下及び検出した温度の低下率が第２の所定の低下率以上の少なくとも一方の条件を満たすときに、燃焼装置１０（例えば図１参照）の燃焼を停止するように構成されている。このように構成すると、燃焼装置１０の着火時においては温度検出手段１８で検出した温度の上昇率が所定の上昇率未満のときに着火失敗があったと判断し、燃焼装置の起動時においては温度検出手段で検出した温度が第１の所定の温度以下及び検出した温度の低下率が第１の所定の低下率以上の少なくとも一方の条件を満たすときに失火があったと判断し、燃焼装置の定常運転時においては温度検出手段で検出した温度が第２の所定の温度以下及び検出した温度の低下率が第２の所定の低下率以上の少なくとも一方の条件を満たすときに失火があったと判断して、着火失敗又は失火が発生したときに水素含有ガスの水素含有ガス供給口からの導出及び炭化水素系燃料の燃料供給口からの導出を停止することができる。ここで、燃焼装置の着火時とは典型的には火炎がない燃焼装置に火が着くまで、燃焼装置の起動時とは典型的には着火後必要な温度に至るまで、燃焼装置の定常運転時とは典型的には必要な温度に至った後をいう。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明に係る改質器は、例えば図２に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼装置１０（例えば図１参照）と；原料燃料ｍを導入する原料燃料導入管２５ｆとを備え；原料燃料ｍを、燃焼装置１０（例えば図１参照）で発生した熱を用いて改質し、水素に富む改質ガスｇを生成するように構成されている。

このように構成すると、生成した水素に富む改質ガスの余剰分を燃焼装置に供給して燃焼させ改質熱を得る改質器とした場合に、安全性の高い改質器となる。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図２に示すように、請求項４に記載の改質器２０と；改質ガスｇと、酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入し、電気化学的反応により発電する燃料電池３０とを備える。

このように構成すると、燃料電池で消費されなかった余剰分の改質ガスを燃焼させて改質熱を得ることができ、燃焼装置の安全性を備えつつ１次エネルギー消費量を削減した燃料電池発電システムを構築することができる。

また、改質器の運転方法として、例えば図３に示すように、改質器の運転状況を把握する工程（ＳＴ２）と；前記改質器における燃焼温度を検出する工程（ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ６、ＳＴ８、ＳＴ９）と；前記改質器の運転が着火時の場合、前記検出した燃焼温度の上昇率が所定の上昇率未満のときに前記改質器を停止する工程（ＳＴ３、ＳＴ１１）と；前記改質器の運転が起動時の場合、前記検出した燃焼温度が第１の所定の温度以下及び前記検出した燃焼温度の低下率が第１の所定の低下率以上の少なくとも一方の条件を満たすときに前記改質器を停止する工程（ＳＴ４、ＳＴ６、ＳＴ１１）と；前記改質器の運転が定常運転時の場合、前記検出した燃焼温度が第２の所定の温度以下及び前記検出した燃焼温度の低下率が第２の所定の低下率以上の少なくとも一方の条件を満たすときに前記改質器を停止する工程（ＳＴ８、ＳＴ９、ＳＴ１１）とを備えていてもよい。ここで、改質器の運転が着火時とは典型的には火炎がない燃焼装置に火が着くまで、改質器の運転が起動時とは典型的には着火後改質ガスの生成が開始されるまで、改質器の運転が定常運転時とは典型的には改質ガスが生成されているときをいう。なお、典型的には、燃焼装置の着火時と改質器の運転が着火時、燃焼装置の起動時と改質器の運転が起動時、燃焼装置の定常運転時と改質器の運転が定常運転時とは対応している。

このように構成すると、燃焼温度を検出し、検出した温度の変化率に基づいて改質器の運転を停止するので、イオンの生成がほとんど起こらない水素含有ガスを燃焼させた場合であっても着火失敗及び失火の有無を判断することができ、着火失敗又は失火が発生したときに改質器を停止して安全性を確保することができる。

本発明によれば、水素含有ガス供給口から導出された水素含有ガスが燃焼したときに形成される火炎の温度及び燃料供給口から導出された炭化水素系燃料が燃焼したときに形成される火炎の温度を検出する温度検出手段を備えるので、イオンの生成がほとんど起こらない水素含有ガスが燃焼したときに形成される火炎の有無を温度検出手段によって検出することができる。

また、温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記燃焼燃料の燃料導管からの導出を停止する制御部を備える場合は、温度検出手段で検出した温度から着火失敗及び失火の有無を判断することができ、着火失敗又は失火が発生したときに燃焼燃料の燃料導管からの導出を停止することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃焼装置１０の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃焼装置１０を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は炭化水素系燃料を燃焼させた場合の火炎Ｆｃを示した状態の部分縦断面図、（ｄ）は水素含有ガスを燃焼させた場合の火炎Ｆｈを示した状態の部分縦断面図である。

燃焼装置１０は、燃料導管としての水素含有ガス供給管１１及び燃料供給管１２が外套管１３に覆われ、外套管１３の外側に温度検出手段としての熱電対１８が配設されると共に、制御部１９を備えている。水素含有ガス供給管１１は可燃性の燃焼燃料である水素含有ガスＧｈを内部に流し、燃料供給管１２は燃焼に用いる空気Ｇａ及び可燃性の燃焼燃料である炭化水素系燃料Ｇｃを内部に流すように構成されている。ここで、水素含有ガスＧｈは、水素分子（水素ガス）を含むガスであり、典型的には、後述する、燃料電池の燃料極に供給するための改質ガスや燃料電池の燃料極から排出された燃料極オフガスがこれに該当する。他方、炭化水素系燃料Ｇｃは、メタン、エタン等の天然ガスやメタノール等の鎖式炭化水素はもとより、ガソリン、ナフサ、灯油に代表される石油製品やＬＰＧ等の炭化水素を主成分とする混合物等の、加熱用の燃焼に適するものも含まれる。

水素含有ガス供給管１１は、円筒状の部材であり、一端が閉塞されて閉塞端１１ａが形成されている。閉塞端１１ａ近傍の円筒状の側部には、内部を流れる水素含有ガスＧｈを導出して燃焼場所に供給する水素含有ガス供給口１１ｈが形成されている。水素含有ガス供給口１１ｈは、円筒状の円周方向に沿ってほぼ等間隔に４つ形成されている。水素含有ガス供給口１１ｈの数及び径は、燃焼によって得ることが必要な熱量を考慮して適宜決定するとよい。

燃料供給管１２は、水素含有ガス供給管１１よりも大きな径を有する円筒状の部材である。燃料供給管１２は、水素含有ガス供給管１１とほぼ同軸に配設されている。燃料供給管１２は、水素含有ガス供給口１１ｈから燃料供給管１２の径の約０．５〜０．７倍分閉塞端１１ａと離れる方向の位置で閉塞されて、閉塞端１２ａが形成されている。水素含有ガス供給口１１ｈと閉塞端１２ａとの距離は、炭化水素系燃料Ｇｃの種類に応じた形成される火炎の大きさによって適宜決定するとよい。閉塞端１２ａには、水素含有ガス供給管１１の軸直角方向断面の円と同心円の円周上に、炭化水素系燃料Ｇｃ及び燃焼用の空気Ｇａを燃焼場所に供給する燃料供給口１２ｈが形成されている。燃料供給口１２ｈは、水素含有ガス供給管１１よりも外側の同心円の円周上でほぼ等間隔に４つ形成されている。燃料供給口１２ｈの数及び径は、炭化水素系燃料Ｇｃの燃焼状態や水素含有ガスＧｈの燃焼に必要な空気量を考慮して適宜決定するとよい。また、燃料供給管１２には、燃焼用の空気を供給する空気供給管１６が接続されている。なお、炭化水素系燃料Ｇｃとして灯油やガソリン等の液体燃料が用いられる場合は、燃料供給管１２の内部に気化器（不図示）が設けられる。

外套管１３は、燃料供給管１２と同径で、水素含有ガス供給管１１を囲むように、閉塞端１２ａから軸方向に延びて形成されている。閉塞端１２ａと反対側の外套管１３の端部には、開口端１３ａが形成されている。外套管１３の長さは、閉塞端１２ａから閉塞端１１ａまでの長さよりも長く、およそ燃料供給管１２の直径の０．７〜１．５倍、好ましくは０．８〜１．２倍に形成されている。外套管１３の内部には、水素含有ガス供給口１１ｈから水素含有ガスＧｈが、あるいは燃料供給口１２ｈから炭化水素系燃料Ｇｃが、また、燃料供給口１２ｈから燃焼用空気Ｇａが供給され、これらの燃料が点火装置（不図示）によって点火され、外套管１３の内部で燃焼させることができるように構成されている。なお、水素含有ガス供給口１１ｈ及び燃料供給口１２ｈの配置構成、並びに水素含有ガスＧｈと炭化水素系燃料Ｇｃとの燃焼性状の相違から、炭化水素系燃料Ｇｃを燃焼させた場合は図１（ｃ）に示すような長く大きな１つの火炎Ｆｃが形成され、水素含有ガスＧｃを燃焼させた場合は図１（ｄ）に示すような水素含有ガス供給口１１ｈの数に応じた小さな火炎Ｆｈが形成される傾向を示す。

熱電対１８は、火炎Ｆｃ、Ｆｈの温度を検出する部材であり、シース熱電対が好適に用いられる。シース熱電対は、一般に、応答速度が速く、耐熱性及び耐食性に優れている。熱電対としては、ＪＩＳＣ１６０２−１９９５に定められている所定の種類の他、「ロジウム５０％を含むイリジウム合金−イリジウム」、「レニウム５％を含むタングステン合金−レニウム２６％を含むタングステン合金」等を用いるとよい。また、シース材料としては、ＪＩＳ規格材料の他、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ８００等が用いられるが、測定温度での使用に耐え得る材料であればよい。熱電対１８は、外套管１３の外側に、水素含有ガス供給管１１及び外套管１３の軸方向に沿って取り付けられている。熱電対１８は、外套管１３の開口端１３ａよりも突き出たところで外套管１３の内側に向けて曲げられている。熱電対１８の内側への曲がりの程度は、炭化水素系燃料Ｇｃが燃焼したときに（図１（ｃ）参照）、熱電対１８の先端（温度検出部１８ａ）が火炎Ｆｃの外縁部の近傍に位置する程度である。炭化水素系燃料Ｇｃが燃焼したときに形成される火炎Ｆｃの外縁部の近傍とは、およそ火炎Ｆｃの外縁から２０ｍｍの範囲内であって温度検出部１８ａが火炎Ｆｃの外縁と接触してもよいが、好ましくは温度検出部１８ａが火炎Ｆｃの外縁から３〜１０ｍｍ程度離れ、より好ましくは５ｍｍ程度離れた位置である。温度検出部１８ａの好ましい位置は上記の通りであり、本実施の形態では温度検出部１８ａが炭化水素系燃料Ｇｃが燃焼したときに形成される火炎Ｆｃの中に入ってもよいが、水素含有ガスＧｈが燃焼したときに形成される火炎Ｆｈの中に入らず、火炎Ｆｈと接触しないことが好ましい。本実施の形態では、後述する改質器及び燃料電池の運転事情から、炭化水素系燃料Ｇｃが燃焼したときの火炎Ｆｃが形成される時間は短いが、水素含有ガスＧｈが燃焼したときの火炎Ｆｈが形成される時間が長いため、温度検出部１８ａが火炎Ｆｈと接触あるいは中に入ると熱電対１８の寿命が短くなるおそれがあるからである。ところで、上述のように、火炎Ｆｈは火炎Ｆｃよりも小さいので、火炎Ｆｈが形成されている場合は、熱電対１８は、熱輻射及び周囲の気体を介した伝熱により温度を検出して、火炎Ｆｈの有無を検出するように構成されている。火炎Ｆｈが形成されているときの熱電対１８の温度検出部１８ａと火炎Ｆｈ外縁との距離は、５０ｍｍ以下、好適には２０ｍｍ程度となっているとよい。このように、温度検出端が火炎の中に入らないように設置されると、熱電対１８の長寿命化を図ることができる。また、本実施の形態では、１つの熱電対１８が断線等により故障した場合であっても温度の検出を継続することができるように、２つの熱電対１８が設けられている。同様の趣旨から熱電対１８を３個以上設けてもよい。反対に、熱電対１８の信頼性が高い場合は、少なくとも１個あればよい。各熱電対１８は、制御部１９と信号ケーブル１８ｃを介して接続されており、温度信号を制御部１９に送信することができるように構成されている。

制御部１９は、信号ケーブル１８ｃを介して熱電対１８と接続されており、熱電対１８が検出した温度信号を受信することができるように構成されている。制御部１９は、熱電対１８から受信した温度信号に基づいて、燃焼装置１０に火炎Ｆｃ、Ｆｈが形成されているか否かを検出することができるように構成されている。また、制御部１９は、後述する燃料電池発電システム１００（図２参照）を制御する制御装置３６（図２参照）に接続されており、燃料電池発電システム１００の状態に応じた燃焼装置１０の燃焼を制御することができるようになっている。

次に図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る改質器２０、及び本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００の構成について説明する。図２は、改質器２０を含む燃料電池発電システム１００を示す系統図である。まず、改質器２０について説明する。

改質器２０は、原料燃料ｍと水蒸気ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、吸熱反応である水蒸気改質反応に必要な熱を生成する燃焼部２３と、プロセス水ｗを導入して改質部２５に供給する水蒸気ｓを生成する水蒸気発生部２４とがケーシングに収容されて構成されている。原料燃料ｍは、典型的には、燃焼装置１０（図１参照）の燃料供給管１２に供給される燃料Ｇｃと同じ炭化水素系燃料が用いられる。すなわち、原料燃料ｍは、燃料Ｆｕから分かれて改質部２５に入るものを呼んだものであり、同じく燃料Ｆｕから分かれて燃焼部２３に入る炭化水素系燃料Ｇｃと同じものである。原料燃料ｍと炭化水素系燃料Ｇｃとは別のものであってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、後述する燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料燃料ｍが改質されて生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された一酸化炭素低減部（不図示）を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する一酸化炭素低減部における反応は発熱反応となる。

改質部２５には、原料燃料ｍを導入するための原料導入管２５ｆと、水蒸気ｓを導入するための水蒸気導入管２５ｓが接続されている。水蒸気導入管２５ｓは、改質部２５直近の原料導入管２５ｆに接続されていると、原料燃料ｍと水蒸気ｓとが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、水蒸気導入管２５ｓが改質部２５に直接接続されていてもよい。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス導出管２５ｇが接続されている。

燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されている。燃焼部２３には、改質熱を発生するための装置として、上述の燃焼装置１０（図１参照）が設けられている。燃焼装置１０は、燃焼部２３内に、外套管１３の開口端１３ａ（図１参照）が鉛直下向きになるように配設されている。燃焼部２３には、水素含有ガスＧｈである燃料極オフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能な燃料オフガス管２１と、炭化水素系燃料Ｇｃを導入する燃料導入管２２と、燃焼用空気Ｇａを導入する空気導入管２６とが接続されている。燃料オフガス管２１、燃料導入管２２、空気導入管２６は、燃焼装置１０（図１参照）の水素含有ガス供給管１１、燃料供給管１２、空気供給管１６にそれぞれ接続されている。また、燃焼部２３には、燃焼装置１０で燃焼した後の燃焼排ガスｅを排出する燃焼ガス排出管２３ｅが接続されている。

水蒸気発生部２４は、プロセス水ｗを導入し、これを熱によって蒸発させて水蒸気ｓを生成するように構成されている。プロセス水ｗを蒸発させるための熱には、変成部における変成反応の際に発生する熱や、選択酸化部における選択酸化反応の際に発生する熱を用いるのが好ましいが、別途バーナーや電気ヒータ等の加熱手段を設けてこれらから発生する熱を用いてもよい。水蒸気発生部２４には、プロセス水ｗを導入するための水導入管２４ｗが接続されている。また、水蒸気発生部２４には、水蒸気発生部２４で生成された水蒸気ｓを改質部２５に送るための水蒸気導入管２５ｓが接続されている。なお、改質器２０に水蒸気が直接供給される場合は、水蒸気発生部２４を設けなくてもよい。この場合は改質器２０をコンパクトにできる。

次に、燃料電池発電システム１００について説明する。燃料電池発電システム１００は、上述の改質器２０と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と、これらを作動するためのブロワやポンプ等の付帯機器と、システムを制御する制御装置３６とを備えている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入する燃料極３１と、酸化剤ガスｔを導入する空気極３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。燃料電池３０は、図２では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、燃料極３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極３２に移動すると共に電子が燃料極３１と空気極３２とを結ぶ導線を通って空気極３２に移動して、空気極３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー３５が接続されている。

燃料極３１は、改質器２０の改質ガス導出管２５ｇと改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガス開閉弁８１が設けられている。また、燃料極３１は、改質器２０の燃料オフガス管２１と燃料極オフガス管５３を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含む燃料極オフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。燃料極オフガス管５３には、燃料極オフガス開閉弁８３が配設されている。また、改質ガス開閉弁８１の上流側の改質ガス管５１と、燃料極オフガス開閉弁８３よりも下流の燃料極オフガス管５３とが、バイパス管５２で接続されている。バイパス管５２にはバイパス開閉弁８２が設けられている。空気極３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含む空気極オフガスｑを排出する空気極オフガス管５５とが接続されている。酸化剤ガス管５４には空気極３２に酸化剤ガスｔを圧送する酸化剤ガスブロワ４５が配設されている。また、冷却部３３には、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却水ｃを流す冷却水管５６が接続されている。

改質器２０は、上述の、燃料電池３０と改質ガス管５１及び燃料極オフガス管５３で接続されている他に、以下の配管が接続されている。原料導入管２５ｆには原料燃料ｍを改質部２５に供給するための原料燃料管６１Ａが接続されており、燃料導入管２２には炭化水素系燃料Ｇｃを燃焼部２３に供給するための燃焼燃料管６１Ｂが接続されている。原料燃料管６１Ａ及び燃焼燃料管６１Ｂは、１つの配管である炭化水素系燃料管６１が分岐したものである。原料燃料管６１Ａにはマスフローコントローラ７１が設けられている。燃焼燃料管６１Ｂにはマスフローコントローラ７２が設けられている。炭化水素系燃料管６１には、炭化水素系燃料Ｇｃを燃焼部２３及び改質部２５に送るための燃料ブロワ４１と燃料Ｆｕの流れを遮断する開閉弁７５とが配設されている。なお、改質部２５に供給される炭化水素系燃料に硫黄化合物が含まれている場合は、脱硫器（不図示）を設けることが好ましい。

改質器２０の空気導入管２６には、燃焼装置１０（図１参照）での燃焼用の空気Ｇａを燃焼部２３に供給する燃焼空気管６３が接続されている。燃焼空気管６３には、燃焼用空気Ｇａを圧送する空気ブロワ４３と、空気ブロワ４３の吐出側にマスフローコントローラ７３とがそれぞれ配設されている。また、燃焼排ガス排出管２３ｅには、燃焼排ガスｅを系外に排出するための排ガス管６２が接続されている。水導入管２４ｗには、プロセス水ｗを水蒸気発生部２４に供給するプロセス水管６４が接続されている。プロセス水管６４には、プロセス水ｗを圧送するプロセス水ポンプ４４と、プロセス水ポンプ４４の吐出側にプロセス水開閉弁７４とがそれぞれ設けられている。

制御装置３６は、燃焼装置１０（図１参照）や改質器２０を含む燃料電池発電システム１００の運転を制御する装置である。制御装置３６は、マスフローコントローラ７１、７２、７３とそれぞれ信号ケーブル（不図示）で接続されており、開度信号を送信して弁の開度を調節することができるように構成されている。また、各開閉弁７４、７５、８１、８２、８３とそれぞれ信号ケーブル（不図示）で接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、各ブロワ４１、４３、４５やプロセス水ポンプ４４とそれぞれ信号ケーブル（不図示）で接続されており、これらの機器の起動や停止及び回転速度を制御できるように構成されている。また、制御装置３６は、燃焼装置１０の制御部１９と信号ケーブル（不図示）で接続されており、改質器２０を含む運転状態に関する信号を送信することができるように構成されている。

続いて図１及び図２を参照して、燃焼装置１０、改質器２０、及び燃料電池発電システム１００の作用を説明する。
燃料電池発電システム１００の起動時は、燃料ブロワ４１及び空気ブロワ４３が起動し、マスフローコントローラ７２、７３及び開閉弁７５が開となって、炭化水素系燃料Ｇｃ及び燃焼用空気Ｇａが燃焼部２３内の燃焼装置１０に供給される。起動直後は原料燃料ｍが改質部２５に供給されないように、マスフローコントローラ７１が閉となっている。燃焼装置１０に供給された炭化水素系燃料Ｇｃ及び燃焼用空気Ｇａは、燃料供給管１２内で混合される。燃料供給管１２内で混合した炭化水素系燃料Ｇｃ及び燃焼用空気Ｇａは、燃料供給口１２ｈから外套管１３内側に導出され、点火装置（不図示）によって点火されて燃焼し、図１（ｃ）に示すような火炎Ｆｃを形成する。燃焼部２３内における燃焼の熱は、起動時には改質器２０を昇温するために用いられ、改質器２０が定常運転時の温度まで昇温した後には改質部２５における改質反応に必要な改質熱として利用される。

燃焼部２３での燃焼が開始され改質部２５が予熱されたら、プロセス水ポンプ４４を起動しプロセス水開閉弁７４を開にしてプロセス水ｗを水蒸気発生部２４に供給すると共に、マスフローコントローラ７１を開にして原料燃料ｍを改質部２５に供給する。改質部２５には水蒸気発生部２４で発生した水蒸気ｓも供給され、改質器２５内で原料燃料ｍの水蒸気改質反応が起こり改質ガスｇが生成される。このとき改質器２５は、約６５０〜７５０℃に加熱されている。改質器２０で生成された改質ガスｇは、改質ガス管５１に導出される。改質器２０で改質ガスｇが生成され始めた頃は、改質ガスｇの組成が不安定であり、水素を含むものの燃料電池３０に有害な一酸化炭素を多く含む場合がある。したがって生成され始めの改質ガスｇが燃料電池３０に供給されないように、改質ガス開閉弁８１及び燃料極オフガス開閉弁８３を閉とし、バイパス開閉弁８２を開として、生成され始めの改質ガスｇを、バイパス管５２を介して改質器２０の燃焼部２３へ導く。

燃焼部２３に導かれた生成され始めの改質ガスｇは、水素含有ガス供給管１１に供給される。すると、マスフローコントローラ７２が閉じられ、炭化水素系燃料Ｇｃの燃焼装置１０への供給が停止される。他方、燃焼用空気Ｇａの燃料供給管１２への供給は、継続される。水素含有ガス供給管１１に供給された生成され始めの改質ガスｇは水素含有ガスＧｈとして水素含有ガス供給口１１ｈから、燃料供給管１２に供給された燃焼用空気Ｇａは燃料供給口１２ｈから、それぞれ外套管１３内側に導出され、点火装置（不図示）によって点火されて燃焼し、図１（ｄ）に示すような火炎Ｆｈを形成する。この燃焼の熱が改質部２５における改質反応に必要な改質熱として利用される。

改質器２０で生成される改質ガスｇの組成が安定し、改質ガスｇに含まれる一酸化炭素濃度が所定の濃度（例えば約１０体積ｐｐｍ以下）まで低下したら、改質ガス開閉弁８１及び燃料極オフガス開閉弁８３を開にし、バイパス開閉弁８２を閉にして、燃料電池３０の燃料極３１に改質ガスｇを供給する。また、酸化剤ガスブロワ４５を起動して空気極３２に酸化剤ガスｔを供給する。燃料極３１に改質ガスｇが供給され、空気極３２に酸化剤ガスｔが供給されると、改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により燃料電池３０は発電し発熱する。発電した電力はパワーコンディショナー３５で交流電力に変換されて、電力需要（不図示）に向けて送電される。電気化学的反応に伴い燃料電池３０で発生した熱は冷却水ｃに奪われ、典型的には熱需要（不図示）にて消費される。

燃料極３１に供給される改質ガスｇ中の水素がすべて消費されるような条件で燃料電池３０が運転されると、燃料極３１で水素不足が発生し、燃料極３１自体が損傷を受けるおそれがあるため、改質ガスｇ中の水素の利用率が所定の値（例えば７５％）となるように制御される。この制御は、典型的には、燃料電池３０の発電電流に基づいた消費酸素量に応じて空気極３２に供給される酸化剤ガスｔの流量が調節されることにより行われる。ゆえに、燃料極３１から排出される燃料極オフガスｐには水素が残存している。燃料極オフガスｐは改質器２０の燃焼部２３へ導かれる。燃焼部２３に導かれた燃料極オフガスｐは、生成され始めの改質ガスｇと入れ替わるように水素含有ガス供給管１１に供給される。水素含有ガス供給管１１に供給された燃料極オフガスｐは水素含有ガスＧｈとして水素含有ガス供給口１１ｈから、引き続き燃焼用空気Ｇａが燃料供給口１２ｈから、それぞれ外套管１３内側に導出され、点火装置（不図示）によって点火されて燃焼し、図１（ｄ）に示すような火炎Ｆｈを形成する。この燃焼の熱が改質部２５における改質反応に必要な改質熱として利用される。他方、空気極３２に供給された酸化剤ガスｔのうち電気化学反応に利用されなかった酸素を含む空気極オフガスｑは、空気極オフガス管５５を介して系外へと排出される。

上述のように、改質熱を発生させるために燃焼装置１０で炭化水素系燃料Ｇｃ又は水素含有ガスＧｈを燃焼させる際、着火失敗あるいは失火があったときに、速やかに燃料の供給を停止することが好ましい。燃焼装置１０は、以下に説明するように、着火失敗あるいは失火があったときに速やかに燃料の供給を停止して、安全な運転を可能にしている。

ここで図３をさらに参照して、燃焼装置１０の安全動作について説明する。図３は、燃焼装置１０の安全動作を説明するフローチャートである。制御装置３６は、燃料電池発電システム１００が起動すると、上述（段落００４１参照）のように開閉弁７５を開にする（ＳＴ１）。次に制御部１９は、燃料電池発電システム１００の制御装置３６から改質器２０の運転状態についての信号を受信して、改質器２０が起動工程にあるか否かを判断する（ＳＴ２）。ここで、起動工程とは、次の工程（ＳＴ３）である着火による改質器２０の昇温開始から、改質ガスｇの生成が開始されるまでの工程をいうこととする。また、改質ガスｇが生成される工程を「改質ガス生成工程」ということとする。起動工程では、主に燃焼装置１０が炭化水素系燃料Ｇｃを燃焼させている。改質器２０が起動工程にある場合は、熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの上昇が所定の上昇率以上か否かを判断する（ＳＴ３）。この工程は、本発明の着火時に行う工程であり、燃焼装置１０が着火したか否かを判断するものである。所定の上昇率は、例えば炭化水素系燃料Ｇｃの燃焼装置１０への投入開始から１０秒間で１００℃の温度上昇としてもよいが、これに限定されるものではなく、使用する炭化水素系燃料の種類や燃焼装置の具体的構成に応じて適宜決定するとよい。熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの上昇が所定の上昇率以上か否かを判断する工程（ＳＴ３）において所定の上昇率未満の場合（上述の例では、炭化水素系燃料Ｇｃの燃焼装置１０への投入開始から１０秒間で１００℃の温度上昇が見られなかった場合）は、着火に失敗したと判断し（ＳＴ１０）、開閉弁７５を閉にする（ＳＴ１１）。

熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの上昇が所定の上昇率以上か否かを判断する工程（ＳＴ３）において、所定の上昇率以上（この場合着火があったと判断される）のときは、熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの低下が第１の所定の低下率以上か否かを判断する（ＳＴ４）。ここでの判断は燃焼装置１０着火後の失火の有無を検知しているため、第１の所定の低下率は、炭化水素系燃料Ｇｃの燃焼により正常に形成された火炎Ｆｃが失火によって消失したときの温度「低下」の割合をいうこととしている。したがって、温度変化がない場合や第１の所定の低下率に相当する変化率以上の温度「上昇」があった場合は本条件を満たさないこととなる。第１の所定の低下率は、例えば、１０秒当たり４０℃以上の温度低下としてもよいが、これに限定されるものではなく、使用する炭化水素系燃料の種類や燃焼装置の具体的構成に応じて適宜決定するとよい。熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの温度低下が第１の所定の低下率以上あった場合（所定の温度差以上の温度低下があった場合）は、燃焼装置１０の失火があったと判断して（ＳＴ１０）、開閉弁７５を閉にする（ＳＴ１１）。

熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの温度低下が第１の所定の低下率以上でない場合は、燃焼装置１０の着火から所定時間が経過したか否かを判断する（ＳＴ５）。この所定時間は、典型的には改質器２０の温度が定常運転時の温度になるまでに通常要する時間であり、例えば１５０秒と設定してもよいが、これに限定されるのもではなく適宜設定しうる。所定時間が経過していない場合は、熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの低下が第１の所定の低下率以上か否かを判断する工程（ＳＴ４）に戻る。他方、所定時間を経過した場合は、熱電対１８で検出した温度が第１の所定の温度以下か否かを判断する（ＳＴ６）。第１の所定の温度は、典型的には定常運転時の改質器２０の温度よりも低い温度であり、例えば５００℃としてもよいが、これに限定されるものではなく適宜決定してもよい。熱電対１８で検出した温度が第１の所定の温度以下の場合は、燃焼装置１０の失火があったと判断して（ＳＴ１０）、開閉弁７５を閉にする（ＳＴ１１）。他方、第１の所定の温度を超える場合は、起動工程が完了したか否かを判断する（ＳＴ７）。起動工程が完了したか否かは、改質ガスｇの生成が開始されたか否かで判断する。なお、上述（段落００４２参照）のように、改質部２５の予熱がなされた時点（典型的には定常運転時の温度に昇温した時点）でマスフローコントローラ７１が開にされ、原料燃料ｍが改質部２５に供給される。起動工程が完了していない場合は、熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの低下が第１の所定の低下率以上か否かを判断する工程（ＳＴ４）に戻って上記のフローを繰り返し、起動工程が完了している場合は、改質器２０が起動工程にあるか否かを判断する工程（ＳＴ２）に戻る。

改質器２０が起動工程にあるか否かを判断する工程（ＳＴ２）において、起動工程になく定常運転時の場合は、熱電対１８で検出した温度が第２の所定の温度以下か否かを判断する（ＳＴ８）。第２の所定の温度は、火炎Ｆｈが形成されているときに少なくとも達している温度よりも低い温度であって、失火が検知できる温度であり、第１の所定の温度と同じ温度（例えば５００℃）であってもよい。第２の所定の温度以下の場合は燃焼装置１０に失火があったと判断し（ＳＴ１０）、開閉弁７５を閉にして（ＳＴ１１）、改質部２５への原料燃料ｍの供給を停止することにより改質ガスｇの生成を停止して、外套管１３内側への水素含有ガスＧｈの供給を停止する。

第２の所定の温度以下か否かを判断する工程（ＳＴ８）において第２の所定の温度以下でない場合は、熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの低下が第２の所定の低下率以上か否かを判断する（ＳＴ９）。第２の所定の低下率は、水素含有ガスＧｈの燃焼により火炎Ｆｃが形成されている状態が維持している場合に変動しうる温度の範囲を超えた温度低下率であり、第１の所定の低下率（例えば１０秒当たり４０℃以上の温度降下）と同じであってもよい。低下率が第２の所定の低下率以上でない場合、水素含有ガスＧｈが正常に燃焼を続けていることとなり、この場合は、再び改質器２０が起動工程にあるか否かを判断する工程（ＳＴ２）に戻る。他方、低下率が第２の所定の低下率以上の場合は燃焼装置１０に失火があったと判断し（ＳＴ１０）、開閉弁７５を閉にして（ＳＴ１１）、改質部２５への原料燃料ｍの供給を停止することにより改質ガスｇの生成を停止して、外套管１３内側への水素含有ガスＧｈの供給を停止する。なお、熱電対１８で検出した温度が第２の所定の温度以下か否かを判断する工程（ＳＴ８）と、熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの低下が第２の所定の低下率以上か否かを判断する工程（ＳＴ９）とは、順序が逆であってもよい。熱電対１８で検出した温度が第２の所定の温度以下か否かを判断する工程（ＳＴ８）及び熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの低下が第２の所定の低下率以上か否かを判断する工程（ＳＴ９）は、改質ガス生成工程において行われる判断となる。開閉弁７５が閉になったら、次に改質器２０を起動させるまでの間に制御部１９をリセットすることで（ＳＴ１２）、再び燃焼装置１０の起動が可能になる。

以上のように、本発明によれば、水素含有ガスのように燃焼時に生成されるイオンの量が少ない燃料を用いる場合にも、燃焼装置１０における着火の失敗あるいは失火をいち早く検知して、着火失敗又は失火が生じたときに改質器２０の運転を停止することができる。また、以上の説明では、着火失敗又は失火の検知を、熱電対１８で検出した温度の単位時間当たりの変化（温度勾配）に基づく判断（ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ９）と、熱電対１８で検出した温度が第１又は第２の所定温度以下か否かのように温度閾値に基づく判断（ＳＴ６、ＳＴ８）とを同時に行うこととしたが、いずれか一方の判断に基づくこととしてもよい。この場合の着火失敗又は失火の判断において、温度勾配に基づいて判断する場合（ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ９）は、着火失敗又は失火が生じたか否かを短時間（例えば１０秒程度）で検知することができる。他方、温度閾値に基づいて失火が生じたか否かを判断する場合（ＳＴ６、ＳＴ８）は、温度勾配に基づいて判断する場合のようにソフト処理を用いた演算処理を要さず、ハード論理回路のみの構成で判断することができるので燃料電池発電システム１００の安全性を向上させることができる。また、着火失敗又は失火を、温度勾配に基づいて判断する場合の迅速性と温度閾値に基づいて判断する場合の信頼性との利害得失を考慮して、主として温度勾配に基づいて判断することにより迅速性を求めつつ、温度閾値に基づく判断をバックアップとして備えることにより信頼性を確保するように構成してもよい。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃焼装置を説明する図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は炭化水素系燃料を燃焼させた場合の火炎を示した状態の部分縦断面図、（ｄ）は水素含有ガスを燃焼させた場合の火炎を示した状態の部分縦断面図である。 燃料電池発電システムを示す系統図である。 燃焼装置の安全動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃焼装置
１１ 水素含有ガス供給管
１１ｈ 水素含有ガス供給口
１２ 燃料供給管
１２ｈ 燃料供給口
１８ 熱電対（温度検出手段）
１８ａ 温度検出部
１９ 制御部
２０ 改質器
２２ 原料燃料導入管
３０ 燃料電池
１００ 燃料電池発電システム
ｇ 改質ガス
ｔ 酸化剤ガス
Ｆｃ 火炎（炭化水素系燃料燃焼時）
Ｆｈ 火炎（水素含有ガス燃焼時）
Ｇｃ 炭化水素系燃料
Ｇｈ 水素含有ガス

Claims (5)

1. 水素を含有する水素含有ガスを導出する水素含有ガス供給口が形成された水素含有ガス供給管と；
   前記水素含有ガス供給管の外周部に炭化水素系燃料を供給する、燃料供給口が形成された燃料供給管と；
   前記水素含有ガス供給口から導出された水素含有ガスが燃焼したときに形成される火炎の温度、及び前記燃料供給口から導出された炭化水素系燃料が燃焼したときに形成される、前記水素含有ガスが燃焼したときに形成される火炎よりも大きな火炎の温度を検出する温度検出手段とを備え；
   前記温度検出手段が温度検出部を有し、該温度検出部が、前記炭化水素系燃料が燃焼したときに形成される火炎の外縁部の近傍に位置し、前記水素含有ガスが燃焼したときに形成される火炎と接触しない位置に配設された；
   燃焼装置。
2. 前記水素含有ガス供給管及び前記燃料供給口を囲むように設けられ、前記水素含有ガス供給口から導出された水素含有ガス及び前記燃料供給口から導出された炭化水素系燃料を内部で燃焼させる、一端に開口端が形成された外套管を備え；
   前記水素含有ガス供給口が前記燃料供給口よりも前記開口端側に形成された；
   請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記温度検出手段で検出した温度の単位時間当たりの変化を算出し、着火時においては前記温度検出手段で検出した温度の上昇率が所定の上昇率未満のときに、起動時においては前記温度検出手段で検出した温度が第１の所定の温度以下及び検出した温度の低下率が第１の所定の低下率以上の少なくとも一方の条件を満たすときに、定常運転時においては前記温度検出手段で検出した温度が第２の所定の温度以下及び検出した温度の低下率が第２の所定の低下率以上の少なくとも一方の条件を満たすときに、前記水素含有ガスの前記水素含有ガス供給口からの導出及び前記炭化水素系燃料の前記燃料供給口からの導出を停止する制御部を備える；
   請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼装置と；
   原料燃料を導入する原料燃料導入管とを備え；
   前記原料燃料を、前記燃焼装置で発生した熱を用いて改質し、水素に富む改質ガスを生成するように構成された；
   改質器。
5. 請求項４に記載の改質器と；
   前記改質ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスとを導入し、電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える；
   燃料電池発電システム。

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