JP5378170B2 - 火炎検知機構を設けた燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池に用いられる燃料電池用水素供給装置の燃焼装置などの炭化水素系燃料と水素含有ガスとの双方を切り換え燃焼させる燃焼装置であって、正常に着火し火炎が生じたか及び火炎が生じているか失火したかを検知する火炎検知機構を備えた燃焼装置に関するものである。

例えば燃料電池は、水素を空気中の酸素と電気化学的に反応させることによって直接電気を発生させる装置であり、ＮＯ_ｘやＣＯ_２の発生量が少ないことから、環境負荷が非常に小さいエネルギー源として注目されている。

この水素を作る炭化水素等の原燃料（水素原料）、つまり燃料電池の燃料としては天然ガスやガソリン、灯油等種々検討されているが、家庭用分散型電源としては、全国各地に供給インフラが整っている炭化水素系燃料である灯油に期待が集まっている。

図３は燃料電池で使用される水素の原料に灯油を採用した場合のシステムを表した図であって、脱硫部、改質反応を起こして水素主成分の改質ガスを生成する改質部、シフト反応部、ＣＯ選択酸化部により高純度の水素主成分の改質ガスを得、燃料電池の水素極に供給するように構成されている。

改質部は、水素原料を気化させる気化器と、該気化器により気化された水素原料の改質を行う触媒層を有する構成であり、水素原料として灯油を用いた場合、この改質部には概ね８００℃程度の作動温度が必要となる。そのため、燃料電池の起動時及び発電運転時の作動温度維持を目的とした、改質部を加熱するための燃焼部（燃焼装置）が不可欠となる。

この燃焼部（燃焼装置）は、図４に示すように燃料電池の起動時には灯油等の炭化水素系燃料を燃焼させることで改質部を昇温させ、発電運転時には燃料電池の水素極より排出される水素極排出ガス（オフガス）を燃料として燃焼させることで、該改質部を所定の温度に維持する機能を有している。

以上のように、この燃焼部（燃焼装置）には、灯油（炭化水素系燃料）及び水素極排出ガスである水素含有ガス（オフガス）の２種類の燃料が燃焼可能であることが求められ、また同時に、燃料電池起動時間に直接影響する着火時間の短縮や、ＮＯ_ｘ・ＣＯ_２排出量の低減による環境負荷の軽減、さらには小型・安価で安全性・耐久性においても高い水準が要求されている。

このような燃焼装置では、着火ミス、失火、異常燃焼などを検知して安全かつ効率良く燃焼を行うため、バーナ部に火炎検知機構が備えられている。

この火炎検知機構として火炎があればイオン電流が流れることで火炎の有無を検知し着火の有無や失火などの異常を検出する火炎電流検知部（フレームロッド）を用いている。

このフレームロッドによる火炎電流による火炎検知は、熱電対式などの温度検知による火炎検知に比べて応答性が良く、火炎の発生や失火を遅れなく検知できる。

しかしながら、このフレームロッドによる火炎電流検知は、前記燃料電池のオフガスなど水素を主体とする水素含有ガスを燃焼する場合には火炎電流が生じず検知できない。

従って、例えば前述のような燃料電池用水素供給装置の燃焼装置などの炭化水素系燃料と水素含有ガスの双方を燃焼させるような燃焼装置においては、常に十分に応答性良く且つ精度良く火炎の有無を検知することは困難であった。

そこで従来このような問題を解決するために、フレームロッドを用いて火炎検知する構成とするが、水素含有ガスを燃焼させる場合は、このフレームロッドでも火炎が検知できるように炭化水素系燃料ガスを混合させて燃焼させるようにしたものがある。しかし一々燃料が水素含有ガスに切り替わるごとに炭化水素系燃料ガスを混合させることは、それだけ製作が厄介となり、また部品点数も増大してコスト高となってしまう。

特開２００１−２０１０４６号公報

本発明は、このような問題に着眼し、これを解決したもので、炭化水素系燃料と水素含有ガスの双方を燃焼させる燃焼装置において、火炎検知を応答性良く確実に行うことができ、且つ部品コストや組み立て工程の上昇を抑えてコスト高とならず、常に異常を早期に精度良く検知でき、しかもコンパクトあるいは製作が容易で量産性にも優れる画期的な火炎検知機構を設けた燃焼装置を提供することを目的としている。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

燃料を燃焼させる燃焼部１に、この燃焼により生じる火炎を検知する火炎検知機構を設けた燃焼装置において、火炎発生部の温度を検知して火炎を検知する熱電対式の火炎温度検知部２を設けると共に、この火炎温度検知部２の金属製外筒部３に電圧を印加して火炎があれば火炎電流が検知されることで火炎を検知する火炎電流検知部４を、前記金属製外筒部３を用いて前記火炎温度検知部２に一体に設け、この一体化した双方の検知部２，４が火炎検知作動しないとき火炎が失火していると判断し、且ついずれか一方の検知部２，４が火炎検知作動したとき着火して火炎が発生した若しくは正常に火炎が発生していると判断する検知判断部を設けて前記火炎検知機構を構成したことを特徴とする火炎検知機構を設けた燃焼装置に係るものである。

また、前記火炎温度検知部２の熱電対の温度検知用リード線５を被嵌する金属製保護管又はシース型熱電対の場合の金属製保護管である金属製外筒部３に、火炎電流検知用リード線６を設けて、前記金属製外筒部３を用いて前記火炎電流検知部４を前記火炎温度検知部２に一体に設けた構成としたことを特徴とする請求項１記載の火炎検知機構を設けた燃焼装置に係るものである。

また、炭化水素系燃料及び水素含有ガスのいずれを燃焼する場合も、前記火炎温度検知部２及び前記火炎電流検知部４により火炎検知を行い、このいずれか一方が検知作動した時点で正常に着火したと判断するように前記検知判断部を構成したことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の火炎検知機構を設けた燃焼装置に係るものである。

また、炭化水素系燃料を燃焼する場合に、前記火炎温度検知部２及び前記火炎電流検知部４の双方の検知作動の有無に基づいてこれら検知部２，４の異常を検知する異常検知手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の火炎検知機構を設けた燃焼装置に係るものである。

また、炭化水素系燃料を加熱して水素主成分の改質ガスを生成する改質部と、この改質部を加熱する燃焼装置とから成り、前記改質部において生成された水素主成分の改質ガスは水素極と空気極とを有する燃料電池に供給されるように構成した燃料電池用水素供給装置の前記燃焼装置であって、前記燃料電池の運転初期若しくは出力低下時は、炭化水素系燃料を燃焼しその後は燃料電池から排出される水素含有ガスを燃焼するように構成し、前記炭化水素系燃料及び前記水素含有ガスのいずれを燃焼する場合においても、前記火炎検知機構の前記双方の検知部２，４の検知作動の有無に基づいて火炎の異常を検知するように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の火炎検知機構を設けた燃焼装置に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、炭化水素系燃料と水素含有ガスの双方を燃焼させる燃焼装置において、火炎検知を応答性良く確実に行うことができ、且つ部品コストや組み立て工程の上昇を抑えてコスト高とならず、常に異常を早期に精度良く検知でき、しかもコンパクトあるいは製作が容易で量産性にも優れる画期的な火炎検知機構を設けた燃焼装置となる。

また、請求項２，３記載の発明においては、一層簡易な構成で容易に実現でき、一層実用性に優れた火炎検知機構を設けた燃焼装置となる。

また、請求項４記載の発明においては、双方の火炎温度検知部，火炎電流検知部の検知作動の有無に基づいてこれら検知部の異常を早期に発見できる異常検出手段も備えた一層優れた火炎検知機構を設けた燃焼装置となる。

また、請求項５記載の発明においては、運転初期時には炭化水素系燃料，発電運転時には水素含有ガスであるオフガスを燃焼させる燃料電池用水素供給装置において前記作用・効果を発揮する極めて有効な燃焼装置となる。

本実施例の説明断面図である。 本実施例の異なる位置での説明断面図である。 燃料電池システムの概略構成説明図である。 燃料電池システムにおける燃料電池供給装置の概略構成説明図である。

好適と考える本発明の実施形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

燃料を燃焼させるバーナ部７に火炎検知機構を設けて火炎の有無を検知して着火ミスや失火など異常を検知する。

この火炎検知機構は、火炎発生部の温度を検知して火炎を検知する熱電対式の火炎温度検知部２の金属製外筒部３に電圧を印加して火炎があれば火炎電流が検知されることで火炎を検知する火炎電流検知部４を、このように金属製外筒部３を用いて火炎温度検知部２に一体に設けて、この一体化した双方の検知部２，４が火炎検知作動しないとき火炎が失火していると判断し、且ついずれか一方の検知部２，４が火炎検知作動したとき着火して火炎が発生した若しくは正常に火炎が発生していると判断する検知判断部を設けた構成としている。

例えば、バーナ部７に貫通突出させその先端を測定部として火炎発生部に配設する前記熱電対式の火炎温度検知部２の熱電対保護管である金属製外筒部３に、火炎電流検知用リード線６を接続して引き出し配設して、この測定部となる先端とバーナ部７との間に電圧を印加して火炎電流を測定するフレームロッド式の火炎電流検知部４を前記火炎温度検知部２に一体に設けた構成とした火炎検知機構をこのようにバーナ部７に点火プラグ８と共に立設している。

従って、炭化水素系燃料が燃焼する場合、例えば炭化水素系燃料を気化した気化ガスと一次空気とを混合した炭化水素系燃料ガスを燃焼させる場合は、このガスを炭化水素系燃料供給管９から導入しつつ一次空気を引き込んでバーナ部７に送り、点火プラグ８で着火し燃焼すると、このバーナ部７に設けた火炎検知機構により火炎の有無が検知され、正常に着火したかどうか（着火ミスの有無）が検知される。

具体的には、火炎が生じるとバーナ部７（金網部）と金属製外筒部３との間に電圧が印加されてこの間にイオン電流が流れてこの金属製外筒部３に接続した火炎電流検知用リード線６を介して火炎電流が検知され、火炎が生じないとこの火炎電流が検知されないことで火炎の有無を検知する火炎電流検知部４と、この火炎発生部の温度を熱電対により温度検知してこの温度により火炎の有無を検知する前記火炎電流検知部４内の火炎温度検知部２とにより火炎の有無が検知される。

この炭化水素系燃料を燃焼させる場合は、火炎が生じれば双方の検知部２，４により検知されるが、この検知部２，４のいずれかが火炎を検知すれば正常に着火され着火ミスはないと判断される。この場合、応答性に優れる火炎電流検知部４の方が早く検知することになるから早期に着火ミスでないと判断されることとなる。

また、この炭化水素系燃料に替えて水素含有ガス供給管10から導入される水素含有ガスを燃焼させる場合にも検知部２，４のいずれか一方が火炎を検知したときは正常に着火していると判断される。

このような水素含有ガスの場合、特に水素含有量が多いと火炎中のイオン量が少なく火炎電流検知部４では火炎電流が検知されにくい。しかしこの場合は応答性が少し劣るが火炎温度検知部２が火炎温度を検知して火炎の有無を検知することで確実に着火を検知できることとなる。

また、検知部２，４のいずれも火炎を検知しないことで火炎が失火するなどの異常も確実に検知する。

従って、いずれの燃料を燃焼させる場合も一体化させた火炎温度検知部２と火炎電流検知部４とから成る火炎検知機構により検知でき、炭化水素系燃料の場合は応答性良く早期に着火検知でき、水素含有ガスの場合も確実に検知でき、しかも一体化させた構成で部品点数も組み立て工数も少なくて済む極めて優れた火炎検知機構を設けた燃焼装置となる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、炭化水素燃料と水素含有ガスの双方の燃料を燃焼させる燃焼部１に、この燃焼により生じる火炎を検知する火炎検知機構をバーナ部７に設けた燃焼装置において、この燃料ガスが噴出するバーナ部７の金網部上の火炎発生部の温度を検知して火炎温度として設定した範囲の温度を検知することで火炎を検知する熱電対式の火炎温度検知部２を設けると共に、この火炎温度検知部２の金属製外筒部３に電圧を印加して火炎があれば火炎電流が検知されることで火炎を検知するフレームロッド式の火炎電流検知部４を、このように前記金属製外筒部３を用いて前記火炎温度検知部２に一体に設け、炭化水素系燃料及び水素含有ガスのいずれを燃焼する場合も、この一体化構成の火炎温度検知部２及び火炎電流検知部４により火炎検知を行い、このいずれか一方が検知作動した時点で正常に着火したと判断し、この一体化した双方の検知部２，４が双方とも火炎検知作動しないとき火炎が失火していると判断するように構成している。

また本実施例では、炭化水素系燃料を加熱して水素主成分の改質ガスを生成する改質部と、この改質部を加熱する燃焼装置とから成り、前記改質部において生成された水素主成分の改質ガスは水素極と空気極とを有する燃料電池に供給されるように構成した燃料電池用水素供給装置の前記燃焼装置として用いるものであって、前記燃料電池の運転初期若しくは出力低下時は、炭化水素系燃料（例えば灯油）を燃焼しその後は燃料電池から排出される水素含有ガス（オフガス）を燃焼するように構成し、前記炭化水素系燃料及び前記水素含有ガスのいずれを燃焼する場合においても、前記火炎検知機構の前記双方の検知部２，４の検知作動の有無に基づいて前述のように火炎の異常を検知するように構成している。

具体的には、燃料ガスを噴出して点火プラグ８で着火燃焼するバーナ部７の金網部上に貫通立設し、測定部となる先端部をこの金網部上の火炎発生部に臨ませる熱電対式の火炎温度検知部２を設ける。この熱電対式の棒状の火炎温度検知部２は、シース型などもあるが本実施例では熱電対用リード線５を金属製保護管に内装した構成とし、温度に応じて生じる起電力又はこれによって生じる電流が予め設定範囲となったとき検知信号を出力する検知判断部に接続する構成としている。

そして、この金属製保護管である金属製外筒部３に、火炎電流検知用リード線６を接続し引き出し配設して、前記火炎電流検知部４（フレームロッド）を構成して前記火炎温度検知部２に火炎電流検知部４を一体に設けた構成としている。

即ち、本実施例ではこの火炎電流検知用リード線６を介して前記火炎電流検知部４の測定部となる先端部（金属製外筒部３）とバーナ部７（金網部）との間に電圧を印加することで、電流検知用リード線６を介して火炎電流を検知するように構成し、火炎電流検知部４をフレームロッドとしても機能する構成としている。また、この電流検知用リード線６も前述のように検知判断部に接続し火炎電流を検知すると検知信号が出力されるように構成している。

また本実施例では、この金属製外筒部３を更に絶縁材（碍子）で被嵌した構成とし、この双方の検知部２，４が一本の碍子として構成され、これをバーナ部７に貫通立設する構成としている。また言い換えれば従来のフレームロッドの導通部を管状としこの中に熱電対を内装した構成とも言えるものである。

本実施例ではこのように一体化した双方の検知部２，４が火炎検知作動しないとき火炎が失火していると判断し、且ついずれか一方の検知部２，４が火炎検知作動したとき着火して火炎が発生した若しくは正常に火炎が発生していると判断する検知判断部を構成して前記火炎検知機構を構成している。

従って、燃料電池の運転初期時や出力低下時には炭化水素系燃料が燃焼するが、この場合は例えば炭化水素系燃料（灯油）を気化した気化ガスと一次空気とを混合した炭化水素系燃料ガスを炭化水素系燃料供給管９から導入しつつ一次空気を引き込んでバーナ部７の金網部上に送り、点火プラグ８で着火し燃焼し、このバーナ部７に設けた前記火炎検知機構により火炎の有無が検知され、正常に着火したかどうか（着火ミスの有無）が検知される。

即ち、前述のように火炎が生じれば双方の検知部２，４により検知されるが、この検知部２，４のいずれかが火炎を検知すれば正常に着火され着火ミスはないと判断されその信号が検知判断部から出力される。この場合、応答性に優れる火炎電流検知部４の方が早く検知することになるから早期に着火ミスでないと判断されることとなる。

また、この炭化水素系燃料に替えて水素含有ガス供給管10から導入される水素含有ガスを燃焼させる場合にも検知部２，４のいずれか一方が火炎を検知したときは正常に着火していると判断されるが、このような水素含有ガスの場合、特に水素含有量が多いと火炎中のイオン量が少なく火炎電流検知部４では火炎電流が検知されにくいことになる。しかしこの場合は応答性が少し劣るが火炎温度検知部２が火炎温度を検知して火炎の有無を検知することで確実に着火を検知できることとなる。

また、検知部２，４のいずれも火炎を検知しないことで火炎が失火するなどの異常も確実に検知する。

従って、いずれの燃料を燃焼させる場合も一体化させた火炎温度検知部２と火炎電流検知部４とから成る火炎検知機構により検知でき、炭化水素系燃料の場合は応答性良く早期に着火検知でき、水素含有ガスの場合も確実に検知でき、しかも一体化させた構成で部品点数も組み立て工数も少なくて済む極めて優れた火炎検知機構を設けた画期的な燃料電池用水素供給装置の燃焼装置となる。

また、本実施例では、炭化水素系燃料を燃焼する場合に、前記火炎温度検知部２及び前記火炎電流検知部４の双方検知作動の有無に基づいてこれら検知部２，４の異常を検知する異常検知手段を備えている。

即ち、炭化水素系燃料を燃焼している場合の火炎温度検知部２及び火炎電流検知部４の双方の検知結果を比較してこの検知部２，４の異常を早期に発見できるようにしている。

具体的には、まだオフガスが供給されていなく炭化水素系燃料を燃焼させている場合を検知しこの場合にこの異常検知手段が異常か否かの検知判断を行うように構成している。

例えば一方の検知部２，４が火炎を検知作動したにもかかわらず所定時間経っても他方の検知部２，４が検知作動しないとき、及び双方の検知部２，４が火炎を検知していたのに片方だけが火炎を検知しなくなったときは、直ちに検知部２，４自体が異常（故障）であると判断し検知部異常の異常検知信号を出力するように構成する。

更に具体的に説明すると、炭化水素系燃料が燃焼する場合、先ずは前述のように応答性に優れた火炎電流検知部４が火炎を検知しこれにより直ちに正常に着火したと検知判断部から正常着火の信号が出力されるように構成するが、所定時間経っても火炎温度検知部２による火炎検知作動がなければ、前記異常検知手段により火炎温度検知部２に異常があると異常検知信号を出力する。

即ち、着火時に所定時間経っても双方とも火炎を検知しなければ着火ミスと判断するが、火炎電流検知部４が火炎を検知したときに直ちに正常着火と判断することで早期に着火と判断でき点火プラグ８を点火作動を停止でき、この火炎電流検知部４が火炎を検知しながらももし火炎温度検知部２が所定時間経っても火炎を検知しない場合、及び双方とも検知作動していたのに突然この検知部２，４の一方が火炎検知作動しなくなったときは、その検知作動しない又はしなくなった検知部が故障したと判断し異常検知信号を出力するように構成している。

尚、オフガス燃焼時は、火炎電流検知部４がもともと検知作動しにくいのでこの異常検知手段は作動させないこととなる。

尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。

１ 燃焼部
２ 火炎温度検知部
３ 金属製外筒部
４ 火炎電流検知部
５ 温度検知用リード線
６ 火炎電流検知用リード線

Claims (5)

1. 燃料を燃焼させる燃焼部に、この燃焼により生じる火炎を検知する火炎検知機構を設けた燃焼装置において、火炎発生部の温度を検知して火炎を検知する熱電対式の火炎温度検知部を設けると共に、この火炎温度検知部の金属製外筒部に電圧を印加して火炎があれば火炎電流が検知されることで火炎を検知する火炎電流検知部を、前記金属製外筒部を用いて前記火炎温度検知部に一体に設け、この一体化した双方の検知部が火炎検知作動しないとき火炎が失火していると判断し、且ついずれか一方の検知部が火炎検知作動したとき着火して火炎が発生した若しくは正常に火炎が発生していると判断する検知判断部を設けて前記火炎検知機構を構成したことを特徴とする火炎検知機構を設けた燃焼装置。
2. 前記火炎温度検知部の熱電対の温度検知用リード線を被嵌する金属製保護管又はシース型熱電対の場合の金属製保護管である金属製外筒部に、火炎電流検知用リード線を設けて、前記金属製外筒部を用いて前記火炎電流検知部を前記火炎温度検知部に一体に設けた構成としたことを特徴とする請求項１記載の火炎検知機構を設けた燃焼装置。
3. 炭化水素系燃料及び水素含有ガスのいずれを燃焼する場合も、前記火炎温度検知部及び前記火炎電流検知部により火炎検知を行い、このいずれか一方が検知作動した時点で正常に着火したと判断するように前記検知判断部を構成したことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の火炎検知機構を設けた燃焼装置。
4. 炭化水素系燃料を燃焼する場合に、前記火炎温度検知部及び前記火炎電流検知部の双方の検知作動の有無に基づいてこれら検知部の異常を検知する異常検知手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の火炎検知機構を設けた燃焼装置。
5. 炭化水素系燃料を加熱して水素主成分の改質ガスを生成する改質部と、この改質部を加熱する燃焼装置とから成り、前記改質部において生成された水素主成分の改質ガスは水素極と空気極とを有する燃料電池に供給されるように構成した燃料電池用水素供給装置の前記燃焼装置であって、前記燃料電池の運転初期若しくは出力低下時は、炭化水素系燃料を燃焼しその後は燃料電池から排出される水素含有ガスを燃焼するように構成し、前記炭化水素系燃料及び前記水素含有ガスのいずれを燃焼する場合においても、前記火炎検知機構の前記双方の検知部の検知作動の有無に基づいて火炎の異常を検知するように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の火炎検知機構を設けた燃焼装置。

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