WO2014162676A1 - 水素生成装置 - Google Patents

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combustor
gas
raw material
air flow
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藥丸　雄一
鵜飼　邦弘
小林　晋
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen generator.
  • a fuel cell system supplies a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to a fuel cell, which is the main body of a power generation unit, and proceeds with an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It is a system that takes out as a natural energy. Along with high-efficiency power generation, the thermal energy generated during power generation operation can be easily used, so development and commercialization are being promoted as a distributed power generation system that can achieve high energy use efficiency.
  • the infrastructure of hydrogen-containing gas is not established, and the fuel cell system is provided with a hydrogen generator equipped with a reformer that generates hydrogen-containing gas.
  • the reformer uses city gas or LPG supplied from the existing infrastructure as combustion fuel and is heated by a combustor such as a burner. This makes it possible to reform a raw material such as city gas or LPG by using a reformer Ru catalyst or Ni catalyst at a temperature suitable for the reforming reaction (for example, about 600 ° C. to 700 ° C.), and thereby a hydrogen-containing gas. Is generated.
  • a reformer Ru catalyst or Ni catalyst at a temperature suitable for the reforming reaction (for example, about 600 ° C. to 700 ° C.), and thereby a hydrogen-containing gas. Is generated.
  • combustion is continued using a part of city gas, LPG, etc. or unreacted hydrogen-containing gas (so-called off gas) discharged from the fuel cell.
  • the combustor ignites stably at start-up, and a stable flame holding state after ignition. It is necessary to continue.
  • ignition of a combustor at the time of start-up is performed by a method in which a predetermined amount of raw material gas and combustion air are diffused into the combustor and a spark is generated by an igniter provided in the combustor.
  • the specific gravity of propane is about 2.76 times that of city gas, and the specific gravity of butane is 3.63 times. Therefore, when compared at the same mass flow rate, the flow rate of propane is 0.36 times that of city gas, and the flow rate of butane is 0.28 times that of city gas.
  • propane and butane are used as the combustion fuel in the combustor, the flow rate is low, so the combustion fuel is difficult to diffuse into the combustor, and combustion is performed stably by mixing the combustion air with an appropriate amount of combustion fuel. It may be difficult for the device to ignite.
  • Patent Document 1 when the combustor is difficult to ignite, the concentration of the raw material gas supplied to the combustor is increased by increasing the supply amount of the raw material gas to the combustor, so that the combustor can be easily ignited. A method has been proposed.
  • Patent Document 1 does not sufficiently study the influence on the combustor when the concentration of the raw material gas supplied to the combustor increases.
  • One aspect of the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a hydrogen generator capable of stably igniting a combustor as compared with the related art.
  • a hydrogen generator includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction of a source gas, and the reformer that performs diffusion combustion of the source gas and combustion air.
  • the auxiliary air flow regulator for adjusting the flow rate of the auxiliary air added to the raw material gas, and the auxiliary flow rate so that the volume flow rate of the mixed gas of the raw material gas and the auxiliary air becomes a predetermined value.
  • a controller for controlling the air flow regulator.
  • the hydrogen generator of one embodiment of the present invention can stably ignite the combustor compared to the conventional case.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a fuel cell system according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the relationship between the amount of LPG cylinder used and the composition of the source gas.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of the relationship between the composition change of the raw material gas and the reformer temperature.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the fuel cell system of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the operation of the fuel cell system of the second embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of the operation of the fuel cell system according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an example of the operation of the fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an example of the raw material gas flow rate, the combustion air flow rate, and the auxiliary air flow rate during startup and operation of the fuel cell system.
  • the inventors of the present invention diligently studied the influence on the combustor when the concentration of the raw material gas supplied to the combustor becomes high, and obtained the following knowledge.
  • the hydrogen generator of the first aspect of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction of a source gas, and a combustor that heats the reformer by diffusion combustion of the source gas and combustion air. And an auxiliary air flow rate regulator that adjusts the flow rate of the auxiliary air added to the raw material gas, and a controller that controls the auxiliary air flow rate regulator so that the flow rate of the mixed gas of the raw material gas and the auxiliary air becomes a predetermined value; .
  • the combustor can be ignited more stably than in the past. That is, since an appropriate amount of auxiliary air is added to the source gas, the apparent flow rate of the source gas supplied to the combustor can be increased without increasing the concentration of the source gas supplied to the combustor. Therefore, the diffusibility of the raw material gas to the combustor is improved, and the combustor can be stably ignited.
  • the hydrogen generator of the 2nd aspect of this invention is equipped with the 1st detector used for the composition detection of source gas in the hydrogen generator of the 1st aspect, and a controller is based on the composition of source gas. Control the auxiliary air flow regulator.
  • the air flow rate to the combustor can be controlled to an optimum value corresponding to the composition of the raw material gas, the combustor can be stably ignited.
  • the hydrogen generator of the third aspect of the present invention is the hydrogen generator of the first aspect or the second aspect.
  • the flow rate of the auxiliary air is controlled so as to increase the air pressure stepwise.
  • the diffusibility of the raw material gas to the combustor is further improved, so that the combustor can be stably ignited.
  • the hydrogen generator of the 4th aspect of this invention WHEREIN: The 1st detector used for the composition detection of raw material gas in the hydrogen generator of a 1st aspect, and the 2nd detector which detects the temperature in a combustor And the controller derives an ignition determination temperature based on the composition of the raw material gas, and whether or not the combustor has ignited based on a comparison between the detection temperature at the second detector and the ignition determination temperature. Determine.
  • the combustion is performed even when the composition of the raw material gas changes. Can maintain the reliability of the ignition determination of the instrument.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a fuel cell system according to Embodiment 1.
  • the fuel cell system 200 includes a hydrogen generator 100, a cathode air supplier 26, and a fuel cell 22.
  • the hydrogen generator 100 includes a reformer 6, a combustor 14, a combustion air flow rate adjuster 15, an auxiliary air flow rate adjuster 16, an igniter 17, a first detector 18, and a second detector.
  • a detector 19 a first switch 20 a, a second switch 20 b, an air supplier 24, a source gas supplier 25, and a controller 30 are provided.
  • the reformer 6 generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction of the raw material gas.
  • Any form may be sufficient as reforming reaction, for example, steam reforming reaction, autothermal reaction, and partial oxidation reaction are illustrated.
  • equipment required for each reforming reaction is provided as appropriate.
  • the reforming reaction is a steam reforming reaction
  • an evaporator that generates steam and a water supplier that supplies water to the evaporator are provided.
  • the hydrogen generator 100 is further provided with an air supply device that supplies air to the reformer.
  • the source gas is a gas containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen, such as LPG.
  • the reformer 6 uses, for example, a spherical reforming catalyst in which metal ruthenium is supported on an alumina carrier, but is not limited thereto.
  • a spherical reforming catalyst in which metal ruthenium is supported on an alumina carrier, but is not limited thereto.
  • nickel catalyst, platinum catalyst, platinum group catalyst such as rhodium, etc. can be used in addition to the above.
  • a cylindrical catalyst or the like can be used as the shape of the reforming catalyst.
  • the raw material gas supply unit 25 supplies the raw material gas to the reformer 6.
  • the source gas supply unit 25 is configured by, for example, a booster and a flow rate adjustment valve, but may be configured by any one of these.
  • As the booster for example, a constant displacement pump is used, but is not limited thereto.
  • the source gas is supplied from a source gas supply source.
  • the source gas supply source has a predetermined supply pressure, for example, an LPG cylinder.
  • a desulfurizer for removing sulfur components in the raw material gas may be provided on the raw material gas path between the raw material gas supply device 25 and the reformer 6. Examples of the desulfurizer include a hydrodesulfurizer and a room temperature adsorption desulfurizer.
  • the air supplier 24 supplies air to the combustor 14.
  • an air fan is used as the air supply device 24, but is not limited thereto.
  • the combustor 14 heats the reformer 6 by diffusion combustion of raw material gas and combustion air. Specifically, in the burner portion of the combustor 14, the reforming catalyst in the reformer 6 is heated to a temperature suitable for the reforming reaction (for example, about 600 ° C. to 700 ° C.) by this diffusion combustion. .
  • the combustion fuel of the combustor 14 may be any fuel, but in the present embodiment, the raw material gas from the raw material gas supply unit 25 is used at the time of start-up, and during operation, the fuel gas from the fuel cell 22 is used. Off-gas is used.
  • the combustion air flow rate regulator 15 is disposed on the air path between the air supply unit 24 and the combustor 14. Thereby, the flow volume of the combustion air from the air supply device 24 to the combustor 14 is adjusted.
  • the combustion air flow rate adjuster 15 may have any configuration as long as the flow rate of the combustion air flowing through the air path can be adjusted.
  • a flow rate adjustment valve is exemplified as the combustion air flow rate regulator 15, for example.
  • the first switch 20 a is arranged on a raw material gas branch path that branches from the raw material gas path between the raw material gas supply unit 25 and the reformer 6 and reaches the combustor 14. By the opening and closing of the first switch 20a, the supply of the source gas from the source gas supply unit 25 to the combustor 14 and the supply cutoff are performed.
  • the first switch 20a may have any configuration as long as the source gas branch path can be opened and closed.
  • An example of the first switch 20a is an on-off valve.
  • the auxiliary air flow rate regulator 16 is arranged on an air branch path that branches from the air path between the air supply unit 24 and the combustor 14 and reaches the above-described raw material gas branch path. Thereby, the flow volume of the auxiliary air from the air supply device 24 to the source gas branch path is adjusted.
  • the auxiliary air flow rate regulator 16 may have any configuration as long as it can adjust the flow rate of auxiliary air flowing through the air branch path.
  • An example of the auxiliary air flow rate regulator 16 is a flow rate adjustment valve.
  • the second switch 20b is arranged on an off-gas path between the anode of the fuel cell 22 and the source gas branch path on the downstream side of the first switch 20a. By the opening and closing of the second switch 20b, the off gas is supplied and shut off from the anode of the fuel cell 22 to the combustor 14.
  • the second switch 20b may have any configuration as long as the off-gas path can be opened and closed.
  • An example of the second switch 20b is an on-off valve.
  • the igniter 17 ignites the combustor 14. Specifically, the igniter 17 is used in the combustor 14 as an ignition source for igniting a mixed gas of combustion fuel and combustion air.
  • the igniter 17 may have any configuration as long as the combustor 14 can be ignited. Examples of the igniter 17 include an igniter (ignition plug).
  • the first detector 18 is used for estimating the composition of the source gas.
  • a temperature detector 18 that directly or indirectly detects the temperature of the reformer 6 is exemplified. Details will be described later.
  • the temperature detector 18 may have any configuration as long as the temperature of the reformer 6 can be detected.
  • An example of the temperature detector 18 is a thermocouple.
  • the temperature detector 18 may be directly attached to the reformer 6 as shown in FIG. 1, and the temperature of the reformer 6 becomes high (for example, 600 ° C. or higher). It may be attached away from the mass 6. That is, the temperature detector 18 may detect the temperature of the reformer 6 directly or indirectly.
  • the second detector 19 detects the combustion state of the combustor 14. Specifically, the second detector 19 is used to detect whether the combustor 14 has ignited, whether the combustor 14 is in a flame holding state, or the like.
  • the second detector 19 may have any configuration as long as the combustion state of the combustor 14 can be detected. Examples of the second detector 19 include a frame rod and a thermocouple.
  • the controller 30 controls the auxiliary air flow rate regulator 16 so that the flow rate of the mixed gas of the raw material gas and the auxiliary air becomes a predetermined value. Further, the controller 30 estimates the composition of the source gas based on the temperature detected by the temperature detector 18. Then, the controller 30 controls the auxiliary air flow rate regulator 16 based on the composition of the raw material gas.
  • the controller 30 may have any configuration as long as it has a control function.
  • the controller 30 may include, for example, an arithmetic processing unit and a storage unit that stores a control program. Examples of the controller 30 include a microcontroller and a PLC (Programmable Logic Controller). Examples of the arithmetic processing unit include an MPU and a CPU. A memory is exemplified as the storage unit.
  • the controller 30 may be composed of a single controller or a plurality of controllers.
  • the fuel cell 22 generates power using the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator 100. Specifically, in the fuel cell 22, oxygen in the air from the cathode air supplier 26 such as a blower chemically reacts with hydrogen in the hydrogen-containing gas to generate power and generate heat. The off-gas from the fuel cell 22 is combusted in the combustor 14 as described above, and the combustion exhaust gas from the combustor 14 passes through the combustion exhaust gas passage and is released to the outside of the fuel cell system 200.
  • the fuel cell 22 may be of any type, and examples thereof include a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell. In addition, when the fuel cell 22 is a solid oxide fuel cell, the reformer 6 and the fuel cell 22 are configured to be built in one casing.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the relationship between the amount of LPG cylinder used and the composition of the source gas.
  • a mixed gas composed of propane, isobutane and normal butane is sealed in an LPG cylinder is shown.
  • the horizontal axis of FIG. 2 represents the LPG cylinder usage (%), and the vertical axis of FIG. 2 represents the component ratio (%) of the mixed gas composed of propane, isobutane and normal butane.
  • a gas with a low boiling point is easier to vaporize than a gas with a high boiling point. Therefore, as shown in FIG. 2, the component ratio of propane having a low boiling point is high at the stage immediately after the start of use where the amount of LPG cylinder used is small, and the component ratio of propane in the mixed gas rapidly increases as the amount of LPG cylinder used increases. descend. In contrast, isobutane and normal butane having a boiling point higher than that of propane have a higher component ratio in the mixed gas as the amount of LPG cylinder used increases.
  • the component ratio of the combustible gas contained in the mixed gas changes according to the amount of LPG cylinder used (that is, the remaining amount of the mixed gas in the LPG cylinder). Therefore, when the raw material gas from the LPG cylinder is used as the combustion fuel of the combustor 14 at the time of starting the fuel cell system 200, the composition of the raw material gas is appropriately estimated, and the air flow rate to the combustor 14 is set to the composition of the raw material gas. It can be said that controlling to a corresponding value is important for the ignition stability of the combustor 14.
  • the component ratio in each mixed gas of propane, isobutane and normal butane can be known from the combustion amount of the combustor 14.
  • the combustion amount of the combustor 14 can be predicted from the temperature rise of the reformer 6, as shown in FIG. X in FIG. 3 shows an example of the temperature rise profile of the reformer 6 when the gas remaining amount in the LPG cylinder is 100% (that is, when the propane component ratio in the mixed gas is high).
  • Y indicates an example of the temperature rise profile of the reformer 6 when the gas remaining amount in the LPG cylinder is 0% (that is, when the propane component ratio in the mixed gas is low).
  • the temperature raising rate of the reformer 6 is larger in Y than in X. It can be understood that such a difference in temperature rise profile is caused by the difference in the amount of combustion of the combustor 14 in each case as shown in Table 1 above.
  • the change in the component ratio of the mixed gas can be known based on the temperature rise value of the reformer 6.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the fuel cell system of the first embodiment.
  • the operation of the fuel cell system 200 will be described with reference to FIG. The following operation is performed under the control of the controller 30.
  • the first switch 20a When starting up the fuel cell system 200, the first switch 20a is opened and the second switch 20b is closed in step S1. Thereby, the supply of off-gas from the anode of the fuel cell 22 to the combustor 14 is cut off, and the raw material gas is supplied from the raw material gas supply device 25 to the combustor 14.
  • step S2 the composition of the raw material gas is estimated.
  • a predetermined amount of source gas is supplied from the source gas supply unit 25 to the combustor 14 and burned in the combustor 14.
  • the heat of the combustor 14 is transferred to the reformer 6, and the temperature of the reformer 6 rises. Therefore, the temperature rise value ⁇ T of the reformer 6 per unit time can be derived using the temperature detector 18.
  • the combustion amount (combustion amount of the raw material gas per unit volume) of the combustor 14 can be derived based on the temperature increase value ⁇ T.
  • the composition of the raw material gas at the present time is estimated from the data showing the correspondence between the combustion amount of the combustor 14 and the composition of the raw material gas.
  • the data indicating the correspondence relationship for example, a table showing the relationship between the combustion amount of the combustor 14 and the carbon amount in the raw material per unit amount is exemplified.
  • composition estimation method of the source gas in the above step S2 is an exemplification, and the present embodiment is not limited to this example.
  • step S3 the raw material gas flow rate, the combustion air flow rate, and the auxiliary air flow rate corresponding to the composition of the raw material gas in step S2 are derived.
  • the raw material gas flow rate is set to a predetermined amount, it is possible to know the optimum air flow rate at which the theoretical air-fuel ratio is obtained in the combustor 14 with respect to the raw material gas flow rate, based on the raw material gas composition in step S2.
  • the optimum air flow rate is divided into the combustion air flow rate and the auxiliary air flow rate at an appropriate ratio
  • the combustion air flow rate and the auxiliary air flow rate can be specified.
  • the optimum air flow rate is 1.0 liter / minute
  • the flow rates of both may be distributed so that the combustion air flow rate is 0.8 liter / minute and the auxiliary air flow rate is 0.2 liter / minute. it can.
  • the values such as the air flow rate in step S3 are examples, and the present embodiment is not limited to this example.
  • step S4 the raw material gas supply unit 25, the combustion air flow rate regulator 15 and the auxiliary air flow rate regulator are adjusted so that the raw material gas flow rate, the combustion air flow rate, and the auxiliary air flow rate are the values derived in step S3.
  • Each of 16 is used to control the gas flow rate.
  • step S5 the combustor 14 is ignited by the igniter 17, and in step S6, it is determined whether or not the combustor 14 has ignited using the second detector 19.
  • step S5 If the combustor 14 has not ignited, the ignition operation in step S5 is retried a predetermined number of times.
  • step S7 it is determined whether or not the fuel cell system 200 is in an operable state. For example, in step S7, it is determined whether or not the reforming catalyst in the reformer 6 has reached a temperature suitable for the reforming reaction (for example, about 600 ° C. to 700 ° C.).
  • step S8 When the reforming catalyst in the reformer 6 reaches a temperature suitable for the reforming reaction (for example, about 600 ° C.-700 ° C.), in step S8, the first switch 20a is closed, and the second switch 20b open. Thereby, the supply of the off gas from the anode of the fuel cell 22 to the combustor 14 is started, and the supply of the raw material gas from the raw material gas supply unit 25 to the combustor 14 is shut off. And the reformer 6 starts the production
  • a temperature suitable for the reforming reaction for example, about 600 ° C.-700 ° C.
  • the concentration of the raw material gas supplied to the combustor 14 is not increased, and the combustor 14 is supplied.
  • the apparent flow rate of the supplied raw material gas can be increased. Therefore, the diffusibility of the raw material gas to the combustor 14 is improved, and the combustor 14 can be ignited stably.
  • the air flow rate to the combustor 14 can be controlled to an optimum value corresponding to the composition of the raw material gas, so that the combustor 14 can be ignited stably.
  • the fuel cell system 200 of the present embodiment has the same configuration as that of FIG. 1 and includes a hydrogen generator 100, a cathode air supplier 26, and a fuel cell 22.
  • the hydrogen generator 100 has the same configuration as that shown in FIG. 1, and includes a reformer 6, a combustor 14, a combustion air flow rate adjuster 15, an auxiliary air flow rate adjuster 16, an igniter 17,
  • the first detector 18, the second detector 19, the first switch 20 a, the second switch 20 b, the air supplier 24, the source gas supplier 25, and the controller 30 are provided. Therefore, since the configuration is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the operation of the fuel cell system of the second embodiment.
  • the operation of the fuel cell system 200 will be described with reference to FIG. The following operation is performed under the control of the controller 30.
  • the controller 30 When the combustor 14 does not ignite, the diffusion of the raw material gas to the combustor 14 is often insufficient.
  • step S6 the second detector 19 is used to determine the ignition of the combustor 14, and when the combustor 14 has not ignited, before the ignition operation in step S5 is retried.
  • auxiliary air flow rate and the value of Xm in step S9 are examples, and the present embodiment is not limited to this example.
  • the auxiliary air flow rate regulator 16 is controlled so as to increase the auxiliary air flow rate stepwise. Therefore, the apparent flow rate of the raw material gas supplied to the combustor 14 becomes faster than that in the first embodiment, the diffusibility of the raw material gas to the combustor 14 is further improved, and the combustor 14 is ignited. Can be performed stably.
  • the apparent flow rate of the raw material gas supplied to the combustor 14 becomes faster than that in the first embodiment, and the diffusibility of the raw material gas into the combustor 14 is increased. Is further improved, and the combustor 14 can be ignited stably.
  • the fuel cell system 200 of the present embodiment has the same configuration as that of FIG. 1 and includes a hydrogen generator 100, a cathode air supplier 26, and a fuel cell 22.
  • the hydrogen generator 100 has the same configuration as that shown in FIG. 1, and includes a reformer 6, a combustor 14, a combustion air flow rate adjuster 15, an auxiliary air flow rate adjuster 16, an igniter 17,
  • the first detector 18, the second detector 19, the first switch 20 a, the second switch 20 b, the air supplier 24, the source gas supplier 25, and the controller 30 are provided. Therefore, since the configuration is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of the operation of the fuel cell system according to the third embodiment.
  • the operation of the fuel cell system 200 will be described with reference to FIG. The following operation is performed under the control of the controller 30.
  • the ignition temperatures of the two differ.
  • step S10 the ignition determination temperature is derived based on the composition of the raw material gas in step S2.
  • step S6A a temperature detector such as a thermocouple is used as the second detector 19, and the combustor 14 is ignited based on a comparison between the detected temperature in the second detector 19 and the ignition determination temperature in step S6. It is determined whether or not.
  • the operation of the fuel cell system 200 of the present embodiment is the same as that of the combustion cell system 200 of the second embodiment except for the above-described operation, and thus the description thereof is omitted.
  • the combustor 14 since it is determined whether or not the combustor 14 has ignited based on the comparison between the temperature detected by the second detector 19 and the ignition determination temperature in step S10, the raw material gas Even when the composition changes, the reliability of the ignition determination of the combustor 14 can be maintained.
  • the fuel cell system 200 of the present embodiment has the same configuration as that of FIG. 1 and includes a hydrogen generator 100, a cathode air supplier 26, and a fuel cell 22.
  • the hydrogen generator 100 has the same configuration as that shown in FIG. 1, and includes a reformer 6, a combustor 14, a combustion air flow rate adjuster 15, an auxiliary air flow rate adjuster 16, an igniter 17,
  • the first detector 18, the second detector 19, the first switch 20 a, the second switch 20 b, the air supplier 24, the source gas supplier 25, and the controller 30 are provided. Therefore, since the configuration is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • Table 2 shows an example of the reforming reaction energy amount of the reformer 6 and the calorific value of the combustor 14 per unit volume of propane and butane.
  • the butane data in Table 2 is an average value of isobutane data and normal butane data.
  • the mixed gas can be determined based on the temperature rise value of the reformer 6 per unit time. Change in component ratio can be known.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an example of the operation of the fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • the operation of the fuel cell system 200 will be described with reference to FIG. The following operation is performed under the control of the controller 30.
  • the composition estimation mode of the raw material gas is selected.
  • the selection of this mode may be performed every elapse of a certain period (for example, 100 hours), or may be performed every time a certain amount (for example, 100 liters) of source gas is used.
  • step S2A When the source gas composition estimation mode is selected, in step S2A, the source gas composition is estimated.
  • the details of the operation in step S2A can be easily understood from the description of the operation in step 2 of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • step S3A a raw material gas flow rate, a combustion air flow rate, and an auxiliary air flow rate corresponding to the composition of the raw material gas in step S2A are derived.
  • the raw material gas flow rate is set to a predetermined amount corresponding to the output of the fuel cell 22.
  • the optimum air flow rate at which the theoretical air-fuel ratio is obtained in the combustor 14 can be known with respect to this raw material gas flow rate.
  • the combustion air flow rate and the auxiliary air flow rate can be specified.
  • step S4A the raw material gas supply unit 25, the combustion air flow rate adjuster 15, and the auxiliary air flow rate adjuster are set so that the raw material gas flow rate, the combustion air flow rate, and the auxiliary air flow rate are the values derived in step S3A.
  • Each of 16 is used to control the gas flow rate.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an example of the raw material gas flow rate, the combustion air flow rate, and the auxiliary air flow rate during startup and operation of the fuel cell system.
  • the gas flow rates described above are different between when the fuel cell system 200 is started and during operation.
  • the raw material gas flow rate, the combustion air flow rate, and the auxiliary air are set high.
  • each of the raw material gas flow rate, the combustion air flow rate, and the auxiliary air flow rate is set to an appropriate amount lower than the respective values at the time of startup so as to correspond to the output of the fuel cell 22.
  • step S11 it is determined using the second detector 19 whether or not the combustor 14 is in a flame holding state.
  • the starting operation of the fuel cell system 200 is performed.
  • the air flow rate to the combustor 14 can be controlled to an optimum value corresponding to the composition of the raw material gas.
  • the fuel cell system 200 can be operated stably.
  • the hydrogen generator of one embodiment of the present invention can stably ignite the combustor compared to the conventional case.
  • one embodiment of the present invention can be used, for example, in a fuel cell system.

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Abstract

　水素生成装置（１００）は、原料ガスの改質反応によって水素含有ガスを生成する改質器（６）と、原料ガス及び燃焼空気の拡散燃焼によって改質器（６）を加熱する燃焼器（１４）と、原料ガスに添加する補助空気の流量を供給する補助空気流量調整器（１６）と、原料ガス及び前記補助空気の混合ガスの流量が所定値となるように、補助空気流量調整器１６を制御する制御器（３０）と、を備える。

Description

水素生成装置
　本発明は水素生成装置に関する。
　燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給し、水素と酸素との電気化学反応を進行させ、これによって発生した化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出すシステムである。高効率発電とともに、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用できるので、高いエネルギー利用効率を実現できる分散型の発電システムとして開発及び商品化が進められている。
　水素含有ガスのインフラストラクチャーが整備されていないことが多く、燃料電池システムには、水素含有ガスを生成する改質器を備えた水素生成装置が配設されている。改質器は、起動時、既存のインフラストラクチャーから供給される都市ガス又はＬＰＧ等を燃焼燃料とし、バーナ等の燃焼器により加熱される。これにより、改質器のＲｕ触媒やＮｉ触媒を用いて、改質反応に適した温度（例えば、６００℃－７００℃程度）において、都市ガス又はＬＰＧ等の原料を改質させて水素含有ガスが生成される。なお、起動後は、燃焼器では、都市ガスやＬＰＧ等の一部又は燃料電池から排出された未反応の水素含有ガス（いわゆる、オフガス）を用いて燃焼が継続される。
　ところで、既存のインフラストラクチャーから供給される都市ガスやＬＰＧ等を原料ガスとして改質反応を行う水素生成装置では、起動時に安定して燃焼器が着火するとともに、着火後も安定した保炎状態を継続することが必要である。
　一般的に、起動時の燃焼器の着火は、所定量の原料ガス及び燃焼空気が燃焼器に拡散して、燃焼器に設けられた着火器等により火花を発生させる方法が取られている。
　しかし、プロパンの比重は都市ガスの比重に比べて約２．７６倍であり、ブタンの比重は３．６３倍である。よって、同一の質量流量で比較すると、プロパンの流速は都市ガスの０．３６倍であり、ブタンの流速は都市ガスの０．２８倍である。つまり、プロパン及びブタンを燃焼器の燃焼燃料に用いる場合、これらの流速が低速であるため、燃焼燃料が燃焼器に拡散しにくく、燃焼空気と適量の燃焼燃料との混合により、安定にして燃焼器が着火することが困難な場合がある。
　そこで、特許文献１には、燃焼器が着火しにくい場合、燃焼器への原料ガスの供給量を増やすことにより、燃焼器に供給する原料ガス濃度を高くして、燃焼器の着火を容易にする方法が提案されている。
特開２０１０－２７７８４３号公報
　しかし、特許文献１では、燃焼器に供給する原料ガス濃度が高くなる場合の燃焼器への影響について十分に検討されていない。
　本発明の一態様は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、燃焼器の着火を安定して行い得る水素生成装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様の水素生成装置は、原料ガスの改質反応によって水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料ガス及び燃焼空気の拡散燃焼によって前記改質器を加熱する燃焼器と、前記原料ガスに添加する補助空気の流量を調整する補助空気流量調整器と、前記原料ガス及び前記補助空気の混合ガスの体積流量が所定値となるように、前記補助空気流量調整器を制御する制御器と、を備える。
　本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
　本発明の一態様の水素生成装置は、従来に比べ、燃焼器の着火を安定して行い得る。
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。 図２は、ＬＰＧボンベ使用量と原料ガスの組成との関連性の一例を示す図である。 図３は、原料ガスの組成変化と改質器温度との関連性の一例を模式的に示す図である。 図４は、実施の形態１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図５は、実施の形態２の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、実施の形態３の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図７は、実施の形態４の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図８は、燃料電池システムの起動時及び運転中における原料ガス流量、燃焼空気流量及び補助空気流量の一例を模式的に示す図である。
　本件発明者らは、燃焼器に供給する原料ガス濃度が高くなる場合の燃焼器への影響について鋭意検討し、以下の知見を得た。
　特許文献１の如く、原料ガスの供給量を増やすと、原料ガス濃度が高くなるので、原料ガスは、燃焼器で拡散し易くなる。しかし、原料ガス濃度が高くなると、燃焼器において、原料ガスが安定して燃焼空気と混合しない恐れがある。すると、燃焼器の着火性が不安定となる場合がある。また、酸素供給不足のため一酸化炭素が発生し易くなる場合もある。
　よって、本発明の第１の態様の水素生成装置は、原料ガスの改質反応によって水素含有ガスを生成する改質器と、原料ガス及び燃焼空気の拡散燃焼によって改質器を加熱する燃焼器と、原料ガスに添加する補助空気の流量を調整する補助空気流量調整器と、原料ガス及び補助空気の混合ガスの流量が所定値となるように、補助空気流量調整器を制御する制御器と、を備える。
　上記構成によると、従来に比べ、燃焼器の着火を安定して行い得る。つまり、原料ガスに適量の補助空気を添加しているので、燃焼器に供給する原料ガス濃度を高くせずに、燃焼器に供給する原料ガスの見かけ上の流速を速くできる。よって、燃焼器への原料ガスの拡散性が向上し、燃焼器の着火を安定して行い得る。
　また、本発明の第２の態様の水素生成装置は、第１の態様の水素生成装置において、原料ガスの組成検知に用いる第１検知器を備え、制御器は、原料ガスの組成に基づいて補助空気流量調整器を制御する。
　上記構成によると、燃焼器への空気流量を原料ガスの組成に相応する最適な値に制御できるので、燃焼器の着火を安定して行い得る。
　また、本発明の第３の態様の水素生成装置は、第１の態様又は第２の態様の水素生成装置において、制御器は、起動時に、燃焼器が着火しなかった場合、補助空気の流量を段階的に上げるよう、補助空気流量調整器を制御する。
　上記構成によると、補助空気の流量を段階的に上げることにより、燃焼器への原料ガスの拡散性が更に向上するので、燃焼器の着火を安定して行い得る。
　また、本発明の第４の態様の水素生成装置は、第１の態様の水素生成装置において、原料ガスの組成検知に用いる第１検知器と、燃焼器内の温度を検知する第２検知器と、を備え、制御器は、原料ガスの組成に基づいて着火判定温度を導出し、第２検知器での検知温度と着火判定温度との比較に基づいて、燃焼器が着火したか否かを判定する。
　上記構成によると、第２検知器での検知温度と着火判定温度との比較に基づいて、燃焼器が着火したか否かを判定しているので、原料ガスの組成が変化する場合でも、燃焼器の着火判定の信頼性を維持できる。
　以下、実施の形態の具体例について図面を参照して説明する。なお、以下では、全ての図を通じて同一又は対応する構成要素には同一の参照符号を付して、その説明について省略する場合がある。
　（実施の形態１）
［装置構成］
　図１は、実施の形態１の燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
　図１に示すように、燃料電池システム２００は、水素生成装置１００と、カソード空気供給器２６と、燃料電池２２と、を備える。また、この水素生成装置１００は、改質器６と、燃焼器１４と、燃焼空気流量調整器１５と、補助空気流量調整器１６と、着火器１７と、第１検知器１８と、第２検知器１９と、第１開閉器２０ａと、第２開閉器２０ｂと、空気供給器２４と、原料ガス供給器２５と、制御器３０と、を備える。
　改質器６は、原料ガスの改質反応によって水素含有ガスを生成する。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が例示される。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器１４の他、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器が設けられる。なお、原料ガスは、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。
　なお、改質器６には、例えば、アルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の改質触媒が用いられるが、これに限定されるものではない。改質触媒としては、上記以外に、ニッケル触媒、白金系触媒、ロジウムなどの白金族系の触媒などを用いることもできる。また、改質触媒の形状として、球状以外に、円筒状のものなどを用いることもできる。
　原料ガス供給器２５は、改質器６に原料ガスを供給する。原料ガス供給器２５は、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。原料ガスは、原料ガス供給源より供給される。原料ガス供給源は、所定の供給圧を有しており、例えば、ＬＰＧボンベが例示される。なお、原料ガス供給器２５と改質器６との間の原料ガス経路上に原料ガス中の硫黄成分を除去するための脱硫器を設けても構わない。脱硫器は、例えば、水添脱硫器及び常温吸着脱硫器が例示される。
　空気供給器２４は、燃焼器１４に空気を供給する。空気供給器２４として、例えば、空気ファンが用いられるが、これに限定されるものではない。
　燃焼器１４は、原料ガス及び燃焼空気の拡散燃焼によって改質器６を加熱する。具体的には、燃焼器１４のバーナ部において、本拡散燃焼によって改質器６内の改質触媒が、改質反応に適した温度（例えば、６００℃－７００℃程度）にまで加熱される。燃焼器１４の燃焼燃料は、いずれの燃料であってもよいが、本実施の形態では、起動時には、原料ガス供給器２５からの原料ガスが用いられ、運転中には、燃料電池２２からのオフガスが用いられる。
　燃焼空気流量調整器１５は、空気供給器２４と燃焼器１４との間の空気経路上に配されている。これにより、空気供給器２４から燃焼器１４への燃焼空気の流量が調整される。燃焼空気流量調整器１５は、空気経路を流れる燃焼空気の流量を調整できれば、いかなる構成であっても構わない。燃焼空気流量調整器１５として、例えば、流量調整弁が例示される。
　第１開閉器２０ａは、原料ガス供給器２５と改質器６との間の原料ガス経路から分岐し燃焼器１４に至る、原料ガス分岐経路上に配されている。第１開閉器２０ａの開閉により、原料ガス供給器２５から燃焼器１４への原料ガスの供給及び供給遮断が行われる。第１開閉器２０ａは、原料ガス分岐経路を開閉できれば、いかなる構成であっても構わない。第１開閉器２０ａとして、例えば、開閉弁が例示される。
　補助空気流量調整器１６は、空気供給器２４と燃焼器１４との間の空気経路から分岐し上記の原料ガス分岐経路に至る、空気分岐経路上に配されている。これにより、空気供給器２４から原料ガス分岐経路への補助空気の流量が調整される。補助空気流量調整器１６は、空気分岐経路を流れる補助空気の流量を調整できれば、いかなる構成であっても構わない。補助空気流量調整器１６として、例えば、流量調整弁が例示される。
　第２開閉器２０ｂは、燃料電池２２のアノードと第１開閉器２０ａの下流側の原料ガス分岐経路との間のオフガス経路上に配されている。第２開閉器２０ｂの開閉により、燃料電池２２のアノードから燃焼器１４へのオフガスの供給及び供給遮断が行われる。第２開閉器２０ｂは、オフガス経路を開閉できれば、いかなる構成であっても構わない。第２開閉器２０ｂとして、例えば、開閉弁が例示される。
　着火器１７は、燃焼器１４を着火する。具体的には、着火器１７は、燃焼器１４において、燃焼燃料及び燃焼空気の混合ガスを着火させる着火源として用いられる。着火器１７は、燃焼器１４を着火できれば、いかなる構成であっても構わない。着火器１７として、例えば、イグナイタ（点火プラグ）が例示される。
　第１検知器１８は、原料ガスの組成の推定に用いる。本実施の形態では、このような第１検知器１８として、改質器６の温度を直接的又は間接的に検知する温度検知器１８が例示される。詳細は後述する。
　温度検知器１８は、改質器６の温度を検知可能であれば、どのような構成であっても構わない。温度検知器１８として、例えば、熱電対が例示される。また、温度検知器１８を、図１に示す如く、改質器６に直接取り付けてもいいし、改質器６の温度が高温（例えば、６００℃以上）になるので、温度検知器を改質器６から離して取り付けてもいい。つまり、温度検知器１８は、改質器６の温度を直接的に検知してもいいし、間接的に検知してもいい。
　第２検知器１９は、燃焼器１４の燃焼状態を検知する。具体的には、第２検知器１９は、燃焼器１４が着火したか否か、燃焼器１４が保炎状態であるか否か等を検知するのに用いられる。第２検知器１９は、燃焼器１４の燃焼状態を検知できれば、いかなる構成であっても構わない。第２検知器１９として、例えば、フレームロッド及び熱電対が例示される。
　制御器３０は、原料ガス及び補助空気の混合ガスの流量が所定値となるように、補助空気流量調整器１６を制御する。また、制御器３０は、温度検知器１８で検知された温度に基づいて原料ガスの組成を推定する。そして、制御器３０は、この原料ガスの組成に基づいて補助空気流量調整器１６を制御する。
　制御器３０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器３０は、例えば、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備えてもよい。制御器３０として、例えば、マイクロコントローラ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller) が例示される。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部として、メモリが例示される。制御器３０は、単独の制御器で構成されてもいいし、複数の制御器で構成されてもいい。
　燃料電池２２は、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、燃料電池２２では、ブロア等のカソード空気供給器２６からの空気中の酸素と上記水素含有ガス中の水素とが化学反応し、発電及び発熱が行われる。燃料電池２２からのオフガスは、上記のとおり、燃焼器１４にて燃焼され、燃焼器１４からの燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路を通過し、燃料電池システム２００の外部に放出される。燃料電池２２は、いずれの種類であっても良く、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池が例示される。なお、燃料電池２２が、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質器６と燃料電池２２とが１つの筐体内に内蔵されるよう構成される。
　［起動時の改質器温度と原料ガス組成の関係］
　図２は、ＬＰＧボンベ使用量と原料ガスの組成との関連性の一例を示す図である。本例では、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンからなる混合ガスがＬＰＧボンベに密封された場合が示されている。図２の横軸は、ＬＰＧボンベ使用量（％）を表し、図２の縦軸は、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンからなる混合ガスの成分比（％）を表す。
　ＬＰＧボンベにおいて、沸点が低いガスの方が、沸点が高いガスよりも気化しやすい。よって、図２に示す如く、ＬＰＧボンベ使用量が少ない使用開始直後の段階では、低沸点のプロパンの成分比が高く、ＬＰＧボンベ使用量の増加に従って、混合ガス中におけるプロパンの成分比は速やかに低下する。これに対し、プロパンよりも沸点の高いイソブタンやノルマルブタンは、ＬＰＧボンベ使用量の増加に従って、混合ガスにおける成分比が高くなる。
　以上により、ＬＰＧボンベ使用量（つまり、ＬＰＧボンベ内の混合ガスの残量）に応じて、混合ガスに含まれる可燃ガスの成分比が変化することが分かる。よって、燃料電池システム２００の起動時に、燃焼器１４の燃焼燃料としてＬＰＧボンベからの原料ガスを用いる場合、原料ガスの組成を適切に推定し、燃焼器１４への空気流量を原料ガスの組成に相応する値に制御することが、燃焼器１４の着火安定性に重要であると云える。
　そこで、以下、原料ガスの組成推定の一例について説明する。
　表１では、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンからなる混合ガスがＬＰＧボンベに密封されている場合において、ＬＰＧボンベ使用量（％）に応じて変化する、これらのガスの成分比（％）及び燃焼器４の燃焼量（単位体積あたりの混合ガスの燃焼量）が示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１に示すように、燃焼器１４の燃焼量から、プロパン、イソブタン及びノルマルブタンのそれぞれの混合ガスにおける成分比を知ることができる。
　また、本燃焼器１４の燃焼量は、図３に示すように、改質器６の温度上昇から予測できる。図３中のＸは、ＬＰＧボンベ内のガス残量が１００％の場合（つまり、混合ガスにおけるプロパン成分比が高い場合）における、改質器６の昇温プロファイルの一例を示し、図３中のＹは、ＬＰＧボンベ内のガス残量が０％の場合（つまり、混合ガスにおけるプロパン成分比が低い場合）における、改質器６の昇温プロファイルの一例を示す。
　図３に示すように、改質器６の昇温速度は、ＸよりもＹの方が大きい。このような昇温プロファイルの違いは、上記表１のとおり、それぞれの場合の燃焼器１４の燃焼量が異なることで生じていると理解できる。
　このようにして、プロパンとブタンの混合ガスの成分比（原料ガスの組成）が変化する場合でも、改質器６の温度上昇値に基づいて混合ガスの成分比の変化を知ることができる。
　なお、上記の原料ガス種は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されない。例えば、ここでは、プロパンとブタンについて説明したが、他の可燃成分（例えば、メタン）を含む混合ガスでも、同様に混合ガスの成分比の変化を知ることがきる。
　［動作］
　図４は、実施の形態１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下、図４を参照しつつ、燃料電池システム２００の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器３０の制御により行われる。
　燃料電池システム２００の起動時、ステップＳ１において、第１開閉器２０ａを開き、第２開閉器２０ｂを閉じる。これにより、燃料電池２２のアノードから燃焼器１４へのオフガスの供給が遮断され、原料ガス供給器２５から燃焼器１４への原料ガス供給が行われる。
　次に、ステップＳ２において、原料ガスの組成が推定される。例えば、原料ガス供給器２５から所定量の原料ガスが、燃焼器１４に供給され、燃焼器１４おいて燃焼される。このとき、燃焼器１４の熱が改質器６に伝熱され、改質器６の温度が上昇する。よって、温度検知器１８を用いて単位時間あたりの改質器６の温度上昇値ΔＴを導くことができる。すると、温度上昇値ΔＴに基づいて燃焼器１４の燃焼量（単位体積当たりの原料ガスの燃焼量）を導くことができる。そして、燃焼器１４の燃焼量と原料ガスの組成との間の対応関係を示すデータから、現時点での原料ガスの組成が推定される。なお、上記対応関係を示すデータとして、例えば、燃焼器１４の燃焼量と単位量当たりの原料中の炭素量との関係を表したテーブルが例示される。
　なお、上記ステップＳ２の原料ガスの組成推定法は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されるものではない。
　次に、ステップＳ３において、ステップＳ２の原料ガスの組成に相応する原料ガス流量、燃焼空気流量及び補助空気流量が導かれる。例えば、原料ガス流量を所定量に定めると、ステップＳ２の原料ガスの組成に基づいて、原料ガス流量に対して、燃焼器１４で理論空燃比となる最適空気流量を知ることができる。そして、この最適空気流量を適当な割合で燃焼空気流量と補助空気流量とに振り分けると、燃焼空気流量及び補助空気流量を特定できる。例えば、最適空気流量が１．０リットル／分であれば、燃焼空気流量を０．８リットル／分とし、補助空気流量を０．２リットル／分とするように、両者の流量を振り分けることができる。
　なお、上記ステップＳ３の空気流量等の値は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されるものではない。
　そして、ステップＳ４において、原料ガス流量、燃焼空気流量及び補助空気流量のそれぞれが、ステップＳ３で導出した値になるように、原料ガス供給器２５、燃焼空気流量調整器１５及び補助空気流量調整器１６のそれぞれを用いて、ガス流量が制御される。
　次に、ステップＳ５において、着火器１７による燃焼器１４の着火動作が行われ、ステップＳ６において、第２検知器１９を用いて燃焼器１４が着火したか否かが判定される。
　燃焼器１４が着火しなかった場合、所定の回数、ステップＳ５での着火動作が再試行される。
　燃焼器１４が着火した場合、次のステップＳ７に進み、燃料電池システム２００が運転可能状態になっているか否かが判定される。例えば、ステップＳ７において、改質器６内の改質触媒が、改質反応に適した温度（例えば、６００℃－７００℃程度）に到達したか否かが判定される。
　改質器６内の改質触媒が、改質反応に適した温度（例えば、６００℃－７００℃程度）に到達した場合、ステップＳ８において、第１開閉器２０ａを閉じ、第２開閉器２０ｂを開く。これにより、燃料電池２２のアノードから燃焼器１４へのオフガスの供給が開始され、原料ガス供給器２５から燃焼器１４への原料ガスの供給が遮断される。そして、改質器６が、原料ガスの改質反応によって水素含有ガスの生成を開始する。また、燃料電池２２が、水素生成装置１００から供給される水素含有ガスを用いて発電を開始する。
　このようにして、燃料電池システム２００の起動動作が終了し、燃料電池システム２００の運転動作に移行する。
　以上により、本実施の形態では、燃料電池システム２００の起動時に、原料ガスに適量の補助空気を添加しているので、燃焼器１４に供給する原料ガス濃度を高くせずに、燃焼器１４に供給する原料ガスの見かけ上の流速を速くできる。よって、燃焼器１４への原料ガスの拡散性が向上し、燃焼器１４の着火を安定して行い得る。
　また、原料ガスの組成を推定することにより、燃焼器１４への空気流量を原料ガスの組成に相応する最適な値に制御できるので、燃焼器１４の着火を安定して行い得る。
　（実施の形態２）
［装置構成］
　本実施の形態の燃料電池システム２００は、図１と同様の構成であり、水素生成装置１００と、カソード空気供給器２６と、燃料電池２２と、を備える。また、この水素生成装置１００も、図１と同様の構成であり、改質器６と、燃焼器１４と、燃焼空気流量調整器１５と、補助空気流量調整器１６と、着火器１７と、第１検知器１８と、第２検知器１９と、第１開閉器２０ａと、第２開閉器２０ｂと、空気供給器２４と、原料ガス供給器２５と、制御器３０と、を備える。よって、構成については実施の形態１と同様であるので詳細な説明を省略する。
　［動作］
　図５は、実施の形態２の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下、図５を参照しつつ、燃料電池システム２００の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器３０の制御により行われる。燃焼器１４が着火しなかった場合、燃焼器１４への原料ガスの拡散が十分でないことが多い。
　そこで、本実施の形態では、ステップＳ６において、第２検知器１９を用いて燃焼器１４の着火判定を行い、燃焼器１４が着火しなかった場合、ステップＳ５での着火動作を再試行する前に、ステップＳ９において、補助空気流量を所定流量Ｘｍ分、上げている。例えば、初期の補助空気流量を０．２リットル／分とし、Ｘｍ＝０．２リットル／分とする場合、補助空気流量は、０．４リットル／分にまで引き上げられる。
　なお、上記ステップＳ９の補助空気流量及びＸｍの値は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されるものではない。
　また、本実施の形態の燃料電池システム２００の動作は、上記の動作以外は、実施の形態１の燃焼電池システム２００と同様の動作であるので説明を省略する。
　以上により、本実施の形態では、燃料電池システム２００の起動時に、燃焼器１４が着火しなかった場合、補助空気流量を段階的に上げるよう、補助空気流量調整器１６が制御される。よって、燃焼器１４に供給する原料ガスの見かけ上の流速が、実施の形態１の場合に比べて更に速くなり、燃焼器１４への原料ガスの拡散性が更に向上し、燃焼器１４の着火を安定して行い得る。
　［変形例］
　実施の形態２では、ステップＳ９において、補助空気流量をＸｍ分、上げたとき、燃焼空気の流量を固定している。よって、原料ガス流量に対して、燃焼器１４で理論空燃比となる最適空気流量からは、燃焼器１４に供給する空気流量は、Ｘｍ分高くなる。
　そこで、本変形例では、燃焼器１４で理論空燃比となる空気流量を供給できるよう、補助空気流量をＸｍ分、上げた場合、燃焼空気の流量を逆に、Ｘｍ分下げる。
　本変形例でも、実施の形態２と同様、燃焼器１４に供給する原料ガスの見かけ上の流速が、実施の形態１の場合に比べて更に速くなり、燃焼器１４への原料ガスの拡散性が更に向上し、燃焼器１４の着火を安定して行い得る。
　（実施の形態３）
［装置構成］
　本実施の形態の燃料電池システム２００は、図１と同様の構成であり、水素生成装置１００と、カソード空気供給器２６と、燃料電池２２と、を備える。また、この水素生成装置１００も、図１と同様の構成であり、改質器６と、燃焼器１４と、燃焼空気流量調整器１５と、補助空気流量調整器１６と、着火器１７と、第１検知器１８と、第２検知器１９と、第１開閉器２０ａと、第２開閉器２０ｂと、空気供給器２４と、原料ガス供給器２５と、制御器３０と、を備える。よって、構成については実施の形態１と同様であるので詳細な説明を省略する。
　［動作］
　図６は、実施の形態３の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下、図６を参照しつつ、燃料電池システム２００の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器３０の制御により行われる。
　原料ガス供給源に、例えば、プロパンとブタンを密閉したＬＰＧボンベを使用する場合、両者の着火温度は異なる。
　そこで、本実施の形態では、ステップＳ１０において、ステップＳ２の原料ガスの組成に基づいて着火判定温度が導かれている。そして、ステップＳ６Ａにおいて、第２検知器１９に熱電対等の温度検知器を用い、第２検知器１９での検知温度とステップＳ６の着火判定温度との比較に基づいて、燃焼器１４が着火したか否かが判定されている。
　なお、本実施の形態の燃料電池システム２００の動作は、上記の動作以外は、実施の形態２の燃焼電池システム２００と同様の動作であるので説明を省略する。
　以上により、本実施の形態では、第２検知器１９での検知温度とステップＳ１０の着火判定温度との比較に基づいて、燃焼器１４が着火したか否かを判定しているので、原料ガスの組成が変化する場合でも、燃焼器１４の着火判定の信頼性を維持できる。
　（実施の形態４）
［装置構成］
　本実施の形態の燃料電池システム２００は、図１と同様の構成であり、水素生成装置１００と、カソード空気供給器２６と、燃料電池２２と、を備える。また、この水素生成装置１００も、図１と同様の構成であり、改質器６と、燃焼器１４と、燃焼空気流量調整器１５と、補助空気流量調整器１６と、着火器１７と、第１検知器１８と、第２検知器１９と、第１開閉器２０ａと、第２開閉器２０ｂと、空気供給器２４と、原料ガス供給器２５と、制御器３０と、を備える。よって、構成については実施の形態１と同様であるので詳細な説明を省略する。
　［運転中の改質器温度と原料ガス組成の関係］
　燃料電池システム２００の運転中は、改質器６で改質反応（吸熱反応）が起こっているので、改質器６の温度と原料ガス組成の関係を評価するとき、改質器６での改質反応エネルギー量を考慮する必要がある。
　表２では、プロパン及びブタンの単位体積あたりの改質器６の改質反応エネルギー量及び燃焼器１４の発熱量の一例が示されている。なお、表２中のブタンのデータは、イソブタンのデータとノルマルブタンのデータの平均値を取っている。
　表２に示すように、ブタンの方が、プロパンよりも改質反応のエネルギー量が高いが、それ以上に、ブタンの燃焼量が大きいことが分かる。これにより、混合ガス中にブタンの成分比が高い程、改質器６の昇温速度が速いので、表２のデータは、図３の改質器６の昇温プロファイルと同様の傾向が成立することを表している。
　以上により、燃料電池システム２００の運転中、プロパンとブタンの混合ガスの成分比（原料ガスの組成）が変化する場合でも、単位時間当たりの改質器６の温度上昇値に基づいて混合ガスの成分比の変化を知ることができる。
　なお、上記の原料ガス種は、例示であって、本実施の形態は、本例に限定されない。例えば、ここでは、プロパンとブタンについて説明したが、他の可燃成分（例えば、メタン）を含む混合ガスでも、同様に混合ガスの成分比の変化を知ることがきる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 ［動作］
　図７は、実施の形態４の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下、図７を参照しつつ、燃料電池システム２００の動作について説明する。なお、以下の動作は、制御器３０の制御により行われる。
　燃料電池システム２００の運転中、原料ガスの組成推定モードが選択される。本モードの選択は、ある一定期間（例えば、１００時間）経過毎に行っても構わないし、一定量（例えば、１００リットル）の原料ガス使用毎に行っても構わない。
　原料ガスの組成推定モードが選択された場合、ステップＳ２Ａにおいて、原料ガスの組成が推定される。なお、本ステップＳ２Ａの動作の詳細は、実施の形態１のステップ２の動作説明で容易に理解できるので説明を省略する。
　次に、ステップＳ３Ａにおいて、ステップＳ２Ａの原料ガスの組成に相応する原料ガス流量、燃焼空気流量及び補助空気流量が導かれる。例えば、燃料電池システム２００の運転中、原料ガス流量は、燃料電池２２の出力に対応する所定量に定められる。すると、ステップＳ２Ａの原料ガスの組成に基づいて、この原料ガス流量に対して、燃焼器１４で理論空燃比となる最適空気流量を知ることができる。そして、この最適空気流量を適当な割合で燃焼空気流量と補助空気流量とに振り分けると、燃焼空気流量及び補助空気流量を特定できる。
　そして、ステップＳ４Ａにおいて、原料ガス流量、燃焼空気流量及び補助空気流量のそれぞれが、ステップＳ３Ａで導出した値になるように、原料ガス供給器２５、燃焼空気流量調整器１５及び補助空気流量調整器１６のそれぞれを用いて、ガス流量が制御される。例えば、図８は、燃料電池システムの起動時及び運転中における原料ガス流量、燃焼空気流量及び補助空気流量の一例を模式的に示す図である。
　図８に示す如く、燃料電池システム２００の起動時と運転中では、上記の各ガス流量が異なっている。起動時は、燃焼器１４への原料ガスの拡散性を向上すべく、原料ガス流量、燃焼空気流量及び補助空気が高めに設定される。一方、運転中は、燃料電池２２の出力に対応するよう、原料ガス流量、燃焼空気流量及び補助空気流量のそれぞれが、起動時のそれぞれの値よりも低い適量に設定される。
　次に、ステップＳ１１において、第２検知器１９を用いて燃焼器１４が保炎状態であるか否かが判定される。そして、燃焼器１４が保炎状態でない場合、燃料電池システム２００の起動動作が行われる。
　以上により、本実施の形態では、燃料電池システム２００の運転中に、原料ガスの組成を推定することにより、燃焼器１４への空気流量を原料ガスの組成に相応する最適な値に制御できるので、燃料電池システム２００を安定して運転できる。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　本発明の一態様の水素生成装置は、従来に比べ、燃焼器の着火を安定して行い得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。
６　改質器
１４　燃焼器
１５　燃焼空気流量調整器
１６　補助空気流量調整器
１７　着火器
１８　第１検知器
１９　第２検知器
２０ａ　第１開閉器
２０ｂ　第２開閉器
２２　燃料電池
２４　空気供給器
２５　原料ガス供給器
２６　カソード空気供給器
３０　制御器
１００　水素生成装置
２００　燃料電池システム

Claims (4)

  1. 　原料ガスの改質反応によって水素含有ガスを生成する改質器と、
    　前記原料ガス及び燃焼空気の拡散燃焼によって前記改質器を加熱する燃焼器と、
    　前記原料ガスに添加する補助空気の流量を調整する補助空気流量調整器と、
    　前記原料ガス及び前記補助空気の混合ガスの流量が所定値となるように、前記補助空気流量調整器を制御する制御器と、を備える水素生成装置。
  2. 　前記原料ガスの組成検知に用いる第１検知器を備え、
    　前記制御器は、前記原料ガスの組成に基づいて前記補助空気流量調整器を制御する請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 　前記制御器は、起動時に、前記燃焼器が着火しなかった場合、前記補助空気の流量を段階的に上げるよう、前記補助空気流量調整器を制御する請求項１又は２に記載の水素生成装置。
  4. 　前記原料ガスの組成検知に用いる第１検知器と、
    　前記燃焼器内の温度を検知する第２検知器と、を備え、
    　前記制御器は、前記原料ガスの組成に基づいて着火判定温度を導出し、前記第２検知器での検知温度と前記着火判定温度との比較に基づいて、前記燃焼器が着火したか否かを判定する、請求項１に記載の水素生成装置。
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