(57)【要約】【課題】燃料電池システムの燃焼装置において、コスト高を招くことなく、バーナの吹き消えを確実に検知する。【解決手段】燃料電池システムの燃焼装置は、燃料極に供給された燃料と酸化剤極に供給された酸化剤ガスにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに適用される燃焼装置であって、バーナ用燃料を燃焼用酸化剤ガスで燃焼するバーナと、バーナで発生した燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路とを備えた燃焼部と、燃焼部の温度を検出する温度センサと、燃焼用酸化剤ガスをバーナに送出する燃焼用酸化剤ガス送出手段と、を備えている。この燃焼装置においては、バーナに対して燃焼指示を行っており（ステップ４０２）、目標送出量が増大または一定に維持されているときに、燃焼部の温度が低下し、かつバーナの前後における圧力損失が減少したことを検知した場合に（ステップ４０５、４０６）バーナが吹き消えたと判定する（ステップ４０８）。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に供給された燃料と酸化剤極に供給された酸化剤ガスにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに適用される燃焼装置であって、
バーナ用燃料を燃焼用酸化剤ガスで燃焼するバーナと、前記バーナで発生した燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路とを備えた燃焼部と、
前記燃焼部の温度を検出する温度センサと、
前記燃焼用酸化剤ガスを前記バーナに送出する燃焼用酸化剤ガス送出手段と、
前記バーナの前後における圧力損失が減少したことを検知する圧力損失減少検知手段と、
前記燃焼用酸化剤ガス送出手段から送出された前記燃焼用酸化剤ガスの送出量を検出する送出量検出手段と、
前記送出量検出手段によって実際に検出された実測送出量と前記燃焼用酸化剤ガス送出手段の目標送出量に基づいて、前記燃焼用酸化剤ガス送出手段への制御指示値を導出する指示値導出手段と、
前記バーナに対して燃焼指示を行っており、前記目標送出量が増大または一定に維持されているときに、前記燃焼部の温度が低下し、かつ前記バーナの前後における圧力損失が減少したことを検知した場合に前記バーナが吹き消えたと判定する吹き消え検知手段と、
を備えたことを特徴とした燃料電池システムの燃焼装置。
【請求項２】
請求項１において、前記燃料電池システムは、改質用燃料が供給されて改質ガスを生成する改質部をさらに備え、
前記燃料電池の燃料極には、前記燃料として前記改質ガスが供給され、
前記バーナには、前記バーナ用燃料として燃焼用燃料、前記改質ガス、前記アノードオフガスの何れかが供給されることを特徴とした燃料電池システムの燃焼装置。
【請求項３】
請求項１において、前記バーナは、前記燃料電池の燃料極から直接導出される前記アノードオフガスを、前記燃焼用酸化剤ガスとして利用する、前記燃料電池の酸化剤極から直接導出されるカソードオフガスで燃焼するように構成されることを特徴とした燃料電池システムの燃焼装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記指示値導出手段で導出された制御指示値が減少した場合に前記バーナの前後における圧力損失が減少したと判断することを特徴とした燃料電池システムの燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの燃焼装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムの燃焼装置においては、オフガスを燃料として燃焼室９に形成される火炎１１のイオン電流に基づいて検知する火炎検知部１２を設け、水素生成器６に設けた温度センサー２０が所定温度以下となるようにファン１０を制御する。この燃焼装置では、水素生成器６を所定温度以下となるように制御するので、水素生成器６の改質反応による原料燃料の転化率を所定値以下にすることができ、燃焼に供される炭化水素を所定値以上とすることができ、火炎１１のイオン電流は炭化水素の量が多くなると電流値も大きくなるので、火炎検知部１２での検知電圧も高くでき、着火および失火を確実に検知できる。
【０００３】
燃料電池システムの燃焼装置の他の一形式として、特許文献２に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料電池システムの燃焼装置においては、燃焼装置４のバーナ３に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、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（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を設定し、温度計９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により課題を解決できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７５４１２号公報
【特許文献２】特開２００４−２０００２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載の燃焼装置においては、火炎検知部１２によりイオン電流に基づいて燃焼室９の失火（吹き消え）を判定することができるものの、失火判定のための専用の検知部（火炎検知部１２）を設けるためにコスト高となっていた。また、上述した特許文献２に記載の燃焼装置においては、バーナ３に設けられた火炎温度測定用温度計９によりその温度計９で検出した温度に基づいてバーナ３の失火（吹き消え）を判定することができるものの、失火判定のための専用の検知部（火炎温度測定用温度計９）を設けるためにコスト高となっていた。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムの燃焼装置において、コスト高を招くことなく、バーナの吹き消えを確実に検知することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に供給された燃料と酸化剤極に供給された酸化剤ガスにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに適用される燃焼装置であって、バーナ用燃料を燃焼用酸化剤ガスで燃焼するバーナと、バーナで発生した燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路とを備えた燃焼部と、燃焼部の温度を検出する温度センサと、燃焼用酸化剤ガスをバーナに送出する燃焼用酸化剤ガス送出手段と、バーナの前後における圧力損失が減少したことを検知する圧力損失減少検知手段と、燃焼用酸化剤ガス送出手段から送出された燃焼用酸化剤ガスの送出量を検出する送出量検出手段と、送出量検出手段によって実際に検出された実測送出量と燃焼用酸化剤ガス送出手段の目標送出量に基づいて、燃焼用酸化剤ガス送出手段への制御指示値を導出する指示値導出手段と、バーナに対して燃焼指示を行っており、目標送出量が増大または一定に維持されているときに、燃焼部の温度が低下し、かつバーナの前後における圧力損失が減少したことを検知した場合にバーナが吹き消えたと判定する吹き消え検知手段と、を備えたことである。
【０００８】
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、燃料電池システムは、改質用燃料が供給されて改質ガスを生成する改質部をさらに備え、燃料電池の燃料極には、燃料として改質ガスが供給され、バーナには、バーナ用燃料として燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスの何れかが供給されることである。
【０００９】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、バーナは、燃料電池の燃料極から直接導出されるアノードオフガスを、燃焼用酸化剤ガスとして利用する、燃料電池の酸化剤極から直接導出されるカソードオフガスで燃焼するように構成されることである。
【００１０】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、指示値導出手段で導出された制御指示値が減少した場合にバーナの前後における圧力損失が減少したと判断することである。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、圧力損失減少検知手段が、バーナ用燃料を燃焼用酸化剤ガスで燃焼する、バーナの前後における圧力損失が減少したことを検知する。送出量検出手段が、燃焼用酸化剤ガス送出手段から送出された燃焼用酸化剤ガスの送出量を検出する。指示値導出手段が、送出量検出手段によって実際に検出された実測送出量と燃焼用酸化剤ガス送出手段の目標送出量に基づいて、燃焼用酸化剤ガス送出手段への制御指示値を導出する。吹き消え検知手段が、バーナに対して燃焼指示を行っており、目標送出量が増大または一定に維持されているときに、燃焼部の温度が低下し、かつバーナの前後における圧力損失が減少したことを検知した場合にバーナが吹き消えたと判定する。ところで、バーナが燃焼中であれば、バーナにはバーナ用燃料（少なくともアノードオフガス）が供給されるとともに燃焼用酸化剤ガスが燃焼用酸化剤ガス送出手段によって送出され、バーナで燃焼（火炎）による圧力が生じているため、バーナの前後において大きい圧力損失が発生している。一方、バーナが吹き消えると、バーナでは燃焼による圧力が生じなくなるため、圧力損失は減少する。この現象を利用することにより、バーナの前後における圧力損失が減少したことを検知した場合にバーナが吹き消えたと判定することができる。したがって、本発明によれば、従来のように専用の吹き消え検知部を設けることなく、すなわちコスト高を招くことなく、バーナの吹き消えを確実に検知することができる。
【００１２】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、燃料電池システムは、改質用燃料が供給されて改質ガスを生成する改質部をさらに備え、燃料電池の燃料極には、燃料として改質ガスが供給され、バーナには、バーナ用燃料として燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスの何れかが供給される。これにより、いわゆる高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、そのシステムに適合し、かつ、コスト高を招くことなく、バーナの吹き消えを確実に検知することができる。
【００１３】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１において、バーナは、燃料電池の燃料極から直接導出されるアノードオフガスを、燃焼用酸化剤ガスとして利用する、燃料電池の酸化剤極から直接導出されるカソードオフガスで燃焼するように構成される。これにより、いわゆる固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、そのシステムに適合し、かつ、コスト高を招くことなく、バーナの吹き消えを確実に検知することができる。
【００１４】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、指示値導出手段で導出された制御指示値が減少した場合にバーナの前後における圧力損失が減少したと判断する。これにより、燃料電池システムの起動運転中において、燃焼用酸化剤ガス送出手段への制御指示値に基づいて、簡単な構成で、バーナの吹き消えを容易かつ確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による燃焼装置を適用した燃料電池システムの第１の実施形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示すバーナを示す断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図４】図３に示す制御装置で実行される制御プログラムの概要を示すフローチャートである。
【図５】図３に示す制御装置で実行される制御プログラム（目標送出量設定のためのプログラム）の概要を示すフローチャートである。
【図６】図３に示す制御装置で実行される制御プログラム（燃焼用空気の送出量をフィードバック制御するためのプログラム）の概要を示すフローチャートである。
【図７】図３に示す制御装置で実行される制御プログラム（起動運転中のバーナ吹き消え判定のプログラム）の概要を示すフローチャートである。
【図８】図３に示す制御装置で実行される制御プログラム（発電運転中のバーナ吹き消え判定のプログラム）の概要を示すフローチャートである。
【図９】本発明による燃焼装置を適用した燃料電池システムの第２の実施形態の概要を示す概要図である。
【図１０】図９に示す燃料電池（セルおよびセル接続体）の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１）第１の実施形態
以下、本発明による燃焼装置を適用した燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。図１は高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質装置２０を備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。電解質１３は高分子電解質であり、燃料電池１０は高分子電解質型燃料電池である。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
【００１８】
改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という）２４、燃焼部２７、および蒸発部２８から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
【００１９】
改質部２１は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。
【００２０】
改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００２１】
温度センサ２１ｃは改質部２１内の壁面付近（燃焼ガス流路２６に接する壁の面付近）に設けられており、改質部２１の壁面温度を検出している。温度センサ２１ｃは改質部２１の温度を検出するものであるが、バーナ２５からの燃焼ガスがあたる場所に設置されているので、温度センサ２１ｃが検出する温度は燃焼ガス（燃焼部）の温度をよく反映している。なお、温度センサ２１ｃの検出結果は、制御装置３０に送信されるようになっている。
【００２２】
冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。
【００２３】
具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番に燃料ポンプ４２、脱硫器４６および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は改質用燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器４６は燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を低減するものである。燃料供給源から供給される燃料のうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、バーナ２５に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。
【００２４】
また、改質用燃料供給管４１の脱硫器４６と改質用燃料バルブ４３との間にはバーナ２５に接続された燃焼用空気供給管６４に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されている。燃焼用燃料供給管４４には燃焼用燃料バルブ４５が設けられている。燃焼用燃料バルブ４５は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれている場合、バーナ２５に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられている場合、改質部２１に改質用燃料が供給される。
【００２５】
さらに、改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部２８に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２８から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。
【００２６】
ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００２７】
また、ＣＯシフト部２３内には、ＣＯシフト部２３内の温度を測定する温度センサ２３ｃが設けられている。温度センサ２３ｃの検出結果は制御装置３０に送信されている。
【００２８】
ＣＯ浄化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ浄化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２８の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ浄化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。
【００２９】
また、ＣＯ浄化部２４内には、ＣＯ浄化部２４内の温度を測定する温度センサ２４ｂが設けられている。温度センサ２４ｂの検出結果は制御装置３０に送信されている。
【００３０】
このＣＯ浄化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ浄化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。
【００３１】
したがって、ＣＯ浄化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。
【００３２】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ浄化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介してバーナ２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。
【００３３】
起動運転中には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）中には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。
【００３４】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。
【００３５】
燃焼部２７は、燃料極１１からのアノードオフガスが少なくとも供給されアノードオフガスを燃焼用空気（燃焼用酸化剤ガス）で燃焼するバーナ２５と、バーナ２５で発生した燃焼ガスが改質部２１および蒸発部２６を加熱しながら流通する燃焼ガス流路２６とを備えている。本実施形態では、バーナ２５には、燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスの何れかが供給される。
【００３６】
バーナ２５は、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。このバーナ２５は、図２に示すように、基部２５ａと、基部２５ａに設けられて基部２５ａと連通する筒状の燃焼筒２５ｂと、オフガスノズル２５ｃと、温度センサ２５ｅと、点火用電極（イグナイタ）２５ｇと、を備えている。
【００３７】
基部２５ａの側面部には、燃焼用空気供給管６４が連結され、燃焼用空気が基部２５ａ内の空間２５ａ１に導入される。燃焼筒２５ｂは、上端（一端）が基部２５ａの下板部と接続され連通し下方（他端）が開放されている。燃焼筒２５ｂの長手方向の途中（例えば中間より下端側）に円盤状の仕切り板２５ｂ１が設けられており、燃焼筒２５ｂを長手方向に仕切っている。
【００３８】
オフガスノズル２５ｃの基端部は、基部２５ａの上板部内壁面に接続され接続路２５ａ２と連通している。接続路２５ａ２はオフガス供給管７２と連通している。オフガスノズル２５ｃの先端部分は、仕切り板２５ｂ１の中央を貫通し、燃焼空間２５ｄまで延びている。オフガスノズル２５ｃの先端部分は閉じられており、先端から少し離れた側面部分に第１噴射口２５ｃ１が設けられている。第１噴射口２５ｃ１は断面略円形であり、複数（本実施形態では４個）設けられている。
【００３９】
温度センサ２５ｅは、バーナ２５の燃焼空間２５ｄ内で生じる火炎２５ｆの輻射温度を検出して、その検出結果を制御装置３０に送信するもの（例えば輻射温度計）である。温度センサ２５ｅは、シース熱電対であり、基部２５ａの上板部を貫通し仕切り板２５ｂ１を貫通して燃焼空間２５ｄ内に挿入されている。その先端部分（先端２５ｅ１からやや後方）が温度計測部である。温度センサ２５ｅの先端２５ｅ１は、第１噴射口２５ｃ１の仕切り板２５ｂ１側の端２５ｃ２より仕切り板２５ｂ１側となるように設けられているが、これに限定されない。温度センサ２５ｅの温度計測部が火炎２５ｆの輻射温度を計測できる位置であればよい。具体的には、燃焼空間２５ｄの内部で火炎２５ｆの火炎面２５ｆ１の外部であればよい。ここで火炎面とは、バーナ用燃料としてのバーナ用燃料ガス（例えばアノードオフガス）の燃焼反応（酸化反応）が起こっている部分とそれ以外の部分の境界面をいう。また、燃焼空間２５ｄは、バーナ用燃料ガスを燃焼させるために設けた部分であり、燃焼筒２５ｂ内で仕切り板２５ｂ１のオフガスノズル２５ｃの先端が突出した側の空間のことである。なお、本実施形態では、温度センサ２５ｅとして熱電対を用いているが、サーミスタを用いてもよい。
【００４０】
仕切り板２５ｂ１のオフガスノズル２５ｃの周りには複数の第２噴射口２５ｂ２（実施形態では２０個）が設けられている。アノードオフガスおよび改質ガスはオフガス供給管７２から接続路２５ａ２を通ってオフガスノズル２５ｃに供給され、第１噴射口２５ｃ１から燃焼空間２５ｄに投入される。燃焼用空気は、燃焼用空気供給管６４から基部２５ａ内の空間２５ａ１に供給され、燃焼筒２５ｂとオフガスノズル２５ｃとの間を通って、第２噴射口２５ｂ２から燃焼空間２５ｄに投入される。燃焼空間２５ｄに投入されたアノードオフガス（または改質ガス）は燃焼用空気によって燃焼し火炎２５ｆを形成する。なお、オフガスノズル２５ｃはオフガス用とともに燃料電池１０をバイパスした改質ガス用としても使用される。一方、燃焼用燃料は空気と予混合されて燃焼用空気供給管６４から供給される。
【００４１】
このような構成のバーナ２５によれば、第１噴射口２５ａ１から投入されたアノードオフガスまたは改質ガスを、第２噴射口２５ａ２から投入された燃焼用空気で燃焼させる拡散燃焼を行うことができる。さらに、燃焼用燃料を燃焼用空気と予め混合して第２噴射口２５ａ２から投入させて燃焼させる予混合燃焼を行うことができる。
【００４２】
点火用電極２５ｇは、基部２５ａの上板部を貫通し仕切り板２５ｂ１を貫通している。点火用電極２５ｇの先端部分は燃焼空間２５ｄまで延びており、オフガスノズル２５ｃの先端部分に火花が飛ぶ距離をおいて配置されている。点火用電力２５ｇは基部２５ａの上板部および仕切り板２５ｂ１の貫通部分にて絶縁して固定されており、点火用電極２５ｇの先端部分からオフガスノズル２５ｃに火花が飛ぶようになっている。点火用電極２５ｇは制御装置３０の指令によって火花が飛ぶように制御されている。バーナ２５は、制御装置３０の指令に応じて点火用電極２５ｇにより着火されるものである。
【００４３】
バーナ２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス（これらは可燃ガスであり、バーナ用燃料ガスである。）は、バーナ２５に供給された燃焼用空気によって燃焼されて、高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、図１に示すように、バーナ２５と改質部２１との間、改質部２１と断熱部２９との間および断熱部２９と蒸発部２８との間に形成されて改質部２１や蒸発部２８を加熱するように配設された燃焼ガス流路２６を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガス流路２６は折り返し流路である。燃焼ガスは改質部２１の改質触媒２１ａを活性温度域となるように加熱し、蒸発部２８を水蒸気生成するために加熱する。
【００４４】
なお、燃焼用空気供給管６４には、図１に示すように、燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス送出手段）６５、流量計６４ａおよび燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は大気から燃焼用空気を吸い込みバーナ２５に吐出（送出）するものであり、制御装置３０の指令に応じてバーナ２５に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。流量計６４ａは、燃焼用空気供給管６４を流通する燃焼用空気の単位時間当りの体積または質量を測定するためのものであり、その検出結果は制御装置３０に送出されるようになっている。流量計６４ａは、燃焼用空気ポンプ６５の吐出側に設けられているので、燃焼用空気ポンプ６５から送出された燃焼用空気の送出量を検出する送出量検出手段である。燃焼用空気バルブ６６は、制御装置３０の指令に応じて燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。
【００４５】
蒸発部２８は、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２８は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２６（最外側の燃焼ガス流路）の外周壁を覆って当接して設けられている。
【００４６】
この蒸発部２８の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２８の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２８内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ浄化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２８に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉するものである。
【００４７】
また、蒸発部２８には、蒸発部２８内の温度を検出する温度センサ２８ａが設けられている。温度センサ２８ａは蒸発部２８内の下流部（出口側）に設けることが望ましい。温度センサ２８ａは蒸発部２８の液体の水が存在する部分よりも出口側に設ける必要がある。具体的には、温度センサ２８ａは蒸発部２８内の水面より上部の部分に設けられている。温度センサ２８ａは、蒸発部２８内の水面より上部に設けられた蒸発部出口や蒸発部出口に近い水蒸気供給管５１に設けるようにしてもよい。温度センサ２８ａの検出結果は制御装置３０に送信されている。
【００４８】
また、燃料電池システムは制御装置３０を備えており、この制御装置３０には、上述した温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２５ｅ，２８ａ、流量計６４ａ、各ポンプ４２，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、および点火用電極２５ｇが接続されている（図３参照）。制御装置３０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、温度センサ２１ｃ，２３ｃ，２４ｂ，２５ｅ，２８ａからの温度、流量計６４ａからの流量などに基づいて、各ポンプ４２，５３，６２，６５，６８、各バルブ４３，４５，５４，６３，６６，６９，７４，７５，７６、および点火用電極２５ｇを制御することにより、燃料電池システムの運転を制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００４９】
次に、上述した燃料電池システムの作動の概要について一例を挙げて図４にて説明する。制御装置３０は、図示しない主電源が投入されると、ステップ１００にてプログラムを起動しプログラムをステップ１０２に進める。制御装置３０は、ステップ１０２において、システムの運転を開始するか否かを判定する。制御装置３０は、図示しないスタートスイッチが押されて運転が開始される場合や、運転計画にしたがって運転が開始される場合には、システムの起動指示があったとして、ステップ１０２で「ＹＥＳ」と判定し、改質装置２０の暖機（起動シーケンス）を開始する（ステップ１０４）。そうでなければ、ステップ１０２で「ＮＯ」の判定を繰り返し実行する。
【００５０】
起動シーケンスは、燃料電池システム、改質装置２０の運転を開始させて起動運転（暖機運転）を行う起動制御である。起動運転（暖機運転）は、改質装置２０を暖機する運転、すなわち改質部２１、ＣＯシフト部２３およびＣＯ浄化部２４の各触媒２１ｂ，２３ｂ，２４ａを活性温度域まで暖機する運転であり、改質装置２０から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定濃度以下まで低減してその改質ガスを燃料電池１０に供給可能（発電運転）になるまで行う運転である。
【００５１】
起動シーケンスは、バーナ２５の着火から改質装置２０の暖機完了までの処理が行われるようになっている。この起動シーケンスは、i）燃焼用燃料によってバーナ２５を着火し、ii）燃焼部２７が所定温度（３００℃）に達したら改質水を投入し、iii）蒸発部２８で水蒸気が生成開始したら改質用燃料を投入して燃焼用燃料によるバーナ２５の燃焼を改質ガスによる燃焼に切り替え、iv）ＣＯシフト部２３以降を暖機する。
【００５２】
制御装置３０は、起動指示があると、ステップ１０４において、起動シーケンスを開始する。すなわち、制御装置３０は、燃焼用空気バルブ６６を開いて燃焼用空気ポンプ６５を駆動して、燃焼用空気をバーナ２５に供給する。そして、制御装置３０は、バーナ２５の点火用電極２５ｇに通電する。さらに、制御装置３０は、燃焼用燃料バルブ４５を開いて燃料ポンプ４２を駆動して、燃焼用燃料をバーナ２５に供給する。これにより、バーナ２５が着火する。その後、制御装置３０は、上述した起動シーケンスのii）以降の処理を実行する。
【００５３】
制御装置３０は、バーナ２５が着火すると、ステップ１０６において、蒸発部２８で水蒸気の発生の有無を検知（判定）する。制御装置３０は、蒸発部２８の温度を検出しその温度（蒸発部温度Ｔ１）が所定温度Ｔ１−ａ（例えば１００℃）より大きければ水蒸気が発生したことを検知し、そうでなければ検知しない。水蒸気が生成前は、蒸発部温度Ｔ１は所定温度Ｔ１−ａ以下であるため、水蒸気は発生していないので、制御装置３０は、ステップ１０６で「ＹＥＳ」と判定し、起動シーケンスを継続する（ステップ１０８）。
【００５４】
制御装置３０は、ステップ１０８において、燃焼部２７の温度Ｔ３が所定温度（例えば３００℃）に達したら改質水の投入を開始する。このとき、制御装置３０は、改質水バルブ５４を開いて改質水ポンプ５３を駆動させる。さらに制御装置３０は、第２改質ガスバルブ７６も開いて改質装置２０（ＣＯ浄化部２４）をバーナ２５と連通させひいては大気に連通させる。これにより、蒸発部２８から改質部２１に水蒸気が供給され始めると、その水蒸気は、冷却部２２、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４を通って、バイパス管７３を経由してバーナ２５に供給され、燃焼ガス流路２６および排気管８１を通って外部に排出される。
【００５５】
制御装置３０は、改質水の投入開始後、蒸発部２８での水蒸気発生を検知するまで（ステップ１０６で「ＹＥＳ」の判定を繰り返し）、燃焼用燃料によるバーナ２５の燃焼を継続し（断続的に継続する場合もある。）、改質水の投入を継続して、起動シーケンスを継続する（ステップ１０８）。なお、改質水の投入開始はステップ１０８でなくステップ１０４で行うようにしてもよい。ステップ１０８においては、燃焼用燃料によるバーナ２５の燃焼、および改質水の投入を継続する。
【００５６】
バーナ２５が着火されると、その燃焼ガスは燃焼ガス流路２６を通過中に改質部２１、蒸発部２８およびＣＯ浄化部２４を加熱している。したがって、蒸発部温度Ｔ１も上昇する。起動シーケンス継続中において、蒸発部温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ａより大きくなれば、制御装置３０は、水蒸気が発生したことを検知し、プログラムをステップ１１０に進める。すなわち制御装置３０は、改質水の投入開始後、蒸発部２８での水蒸気発生を検知すると（ステップ１０６で「ＮＯ」と判定し）、プログラムをステップ１１０に進める。
【００５７】
制御装置３０は、ステップ１１０において、バーナ２５での燃焼を停止するとともに燃焼部２７を燃焼用空気でパージする（燃焼用空気パージモード）。具体的には、制御装置３０は、燃料ポンプ４２の駆動を停止し燃焼用燃料バルブ４５を閉じてバーナ２５への燃焼用燃料の供給を停止するとともに、燃焼用空気バルブ６６を開いたままに維持し燃焼用空気ポンプ６５の駆動を継続してバーナ２５への燃焼用空気の供給を継続する。本実施形態の場合、燃焼用空気の供給量はそれまでの供給量（供給量Ａ−０）より多い値（供給量はＡ−１である）に設定してある。供給量を多くすることで、燃焼部２７を効率的にパージするとともに改質部２１の熱を蒸発部２８に効率よく移動させることができる。なお、このときの改質水の供給量は供給量Ｗ−１に維持されている。また、改質部２１はバーナ２５を通って大気に連通している（開放されている）。
【００５８】
制御装置３０は、水蒸気発生を検知した時点から所定時間ΔＴＭ−ａが経過するまで前述した燃焼用空気パージモードを継続する（ステップ１１２で「ＮＯ」の判定を繰り返す。）。所定時間ΔＴＭ−ａは、蒸発部２８で生成された水蒸気の最初（先端）の部分が、少なくともバーナ２５を通過するまでの時間に相当する値に設定されている。これによれば、水蒸気の発生検知時点から所定時間ΔＴＭ−ａだけ経過すれば、生成された水蒸気が、燃料電池システムの運転停止中に改質装置２０内に存在する気体（本実施形態においては、停止運転で封入されもしくはパージに使用された改質用燃料を主成分とする気体）、すなわち蒸発部２８内からバイパス管７３の第２改質ガスバルブ７６までに残存（残留）する改質用燃料を主成分とする気体を、バーナ２５から燃焼ガス流路２６に排出しひいては外部に排出する。
【００５９】
なお、制御装置３０は、ステップ１１２において、燃焼用空気パージモードが開始された時点すなわち蒸発部２８での水蒸気発生を検知した時点からの経過時間ΔＴＭが所定時間ΔＴＭ−ａ以上であるか否かを判定する。
【００６０】
制御装置３０は、水蒸気発生を検知した時点から所定時間ΔＴＭ−ａが経過すると（ステップ１１２で「ＹＥＳ」と判定する。）、燃焼用空気パージモードを終了し起動シーケンスを再開しバーナ２５の再着火を開始する（ステップ１１４）。具体的には、制御装置３０は、改質水の供給（供給量Ｗ−１）を継続し燃焼用空気の供給量をＡ−１からＡ−０に減少させ、所定時間ΔＴＭ−ａが経過した時点から改質用燃料の投入を開始するとともに点火用電極２５ｇへの通電を開始する。
【００６１】
改質用燃料の改質部２１への投入が開始されると、改質部２１では上述した改質反応により改質ガスの生成が開始され、生成された改質ガスはバイパス管７６経由でバーナ２５に供給される。なお、改質用燃料の投入開始から改質ガスが燃焼空間２５ｄに流入するまでには、改質用燃料が改質部２１に流入するのに必要な時間と、改質部２１で生成された改質ガスがバーナ２５の燃焼空間２５ｄに流入するのに必要な時間との合計時間が少なくともかかる。したがって、バーナ２５で再着火するのは、改質用燃料の投入開始時点から前述した合計時間だけ少なくとも経過した時点である。
【００６２】
このように、改質用燃料の投入によって改質ガスの生成と、その改質ガスによるバーナ２５の再着火による燃焼とによって改質装置２０、すなわち改質部２１、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４の暖機が行われる。
【００６３】
制御装置３０は、起動シーケンスの完了（暖機運転の完了）を、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４の各温度（いずれかの温度でもよい。）に基づいて判断する。制御装置３０は、ＣＯシフト部２３、ＣＯ浄化部２４の各温度（いずれかの温度でもよい。）が所定温度以上となれば、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定の濃度以下となったとして、起動シーケンスが完了したと判定する。
【００６４】
制御装置３０は、起動シーケンスが完了したと判定すると（ステップ１１６で「ＹＥＳ」と判定する）、発電運転を開始する（ステップ１１８）。具体的には、制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じてＣＯ浄化部２４を燃料電池１０の燃料極１１の導入口に接続するとともに燃料極１１の導出口をバーナ２５に接続する。発電運転中には、制御装置３０は、最大出力以下の範囲でユーザー負荷に追従するように発電を行うようになっている。
【００６５】
発電運転中の燃料電池システムにおいて、図示しないストップスイッチが押されて運転が停止される場合や、運転計画にしたがって運転が停止される場合には、システムの停止指示があったとして、制御装置３０は、ステップ１２０で「ＹＥＳ」と判定し、停止運転を行う（ステップ１２２）。制御装置３０は、燃料ポンプ４２の駆動を停止し改質用燃料の供給を停止し、改質用燃料バルブ４３を閉じる。制御装置３０は、改質水ポンプ５３の駆動を停止し改質水の供給を停止し、改質水バルブ５４を閉じる。制御装置３０は、酸化用空気ポンプ６２の駆動を停止し酸化用空気の供給を停止し、酸化用空気バルブ６３を閉じる。制御装置３０は、燃焼用空気パージにて改質部２１等の温度を所定温度に冷却後に燃焼用空気ポンプ６５の駆動を停止し燃焼用空気の供給を停止し、燃焼用空気バルブ６６を閉じる。そして、制御装置３０は、第１改質ガスバルブ７４、オフガスバルブ７５、第２改質ガスバルブ７６を閉じる。これにより、燃料電池１０の発電が停止される。
【００６６】
その後、改質装置２０が降温して内部が負圧になったところで、改質用燃料バルブ４３を開いて燃料ポンプ４２を駆動して、改質用燃料を改質装置２０に供給する。これにより、改質装置２０内は改質用燃料で封入される。また、この封入の代わりに改質装置２０を改質用燃料でパージするようにしてもよい。何れの場合も燃料電池システムの停止中において改質装置２０内は改質用燃料で満たされるので触媒などを酸化雰囲気状態から保護することができる。
【００６７】
さらに、バーナ２５の吹き消え検知（判定）について図５〜図７を参照して詳述する。制御装置３０は、バーナ２５に燃焼用空気を送出する燃焼用空気ポンプ６５の目標送出量を設定（導出）する。制御装置３０は、図示しない主電源が投入されると、図５に示すステップ２００にてプログラムを起動し、所定の短時間毎にステップ２０２の処理を実行する。制御装置３０は、ステップ２０２において、目標送出量を設定する。
【００６８】
起動運転モードにおいては、バーナ２５が燃焼中か、燃焼停止中（吹き消え中）かに基づいて目標送出量が設定される。燃焼停止中（吹き消え中）の目標送出量（例えば上述した供給量Ａ−１）は、燃焼中の目標送出量（例えば上述した供給量Ａ−０）より大きい値に設定されている。いずれの目標送出量も、制御装置３０に予め記憶されている。
発電運転モードにおいては、消費電力すなわち改質用燃料の投入量に基づいて目標送出量が設定される。
【００６９】
次に、制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ６５をフィードバック制御により駆動する。すなわち、燃焼用ポンプ６５の実際の送出量（実測送出量）が目標送出量となるように燃焼用ポンプ６５を駆動させる。制御装置３０は、図示しない主電源が投入されると、図６に示すステップ３００にてプログラムを起動し、所定の短時間毎にステップ３０２以降の処理を実行する。制御装置３０は、ステップ３０２において、設定された目標送出量を読み込み、ステップ３０４において、流量計６４ａが測定した燃焼用空気の実際の流量（実流量）を読み込む。流量計６４ａが測定した実流量は、実測送出量と等しいものとする。流量計６４ａが燃焼用空気６５の吐出口の近くに設置されているからである。
【００７０】
制御装置３０は、実流量が目標送出量と等しい場合には、燃焼用空気ポンプ６５にそのときの送出量を維持する旨の指示を出す（ステップ３０８）。制御装置３０は、実流量が目標送出量より小さい場合には、燃焼用空気ポンプ６５に送出量を増大する旨の指示を出す（ステップ３１０）。増大量は所定値に設定されている。すなわち指示値を所定値だけ増大させる。制御装置３０は、実流量が目標送出量より大きい場合には、燃焼用空気ポンプ６５に送出量を減少する旨の指示を出す（ステップ３１２）。減少量は所定値に設定されている。すなわち指示値を所定値だけ減少させる。
【００７１】
このように、制御装置３０は、流量計６４ａによって実際に検出された実測送出量と燃焼用空気ポンプ６５の目標送出量に基づいて、燃焼用空気ポンプ６５への制御指示値（単に指示値ともいう。）を導出する（指示値導出手段）。
【００７２】
そして、制御装置３０は、バーナ２５の吹き消えの検知処理を行う。最初に起動運転中における吹き消え検知について図７を参照して説明する。制御装置３０は、図示しない主電源が投入されると、図７に示すステップ４００にてプログラムを起動し、所定の短時間毎にステップ４０２以降の処理を実行する。制御装置３０は、ステップ４０２において、バーナ２５に対する燃焼指示があるか否かを判定する。燃焼指示は、バーナ２５を燃焼させるべく出される指示である。この燃焼指示は、例えば、起動運転モードにおいて、起動指示とともに出されたり、再着火のときに出される。ただし、燃焼用空気パージモードにおいては、燃焼指示は出されない。
【００７３】
燃焼用空気パージモードや停止運転モードにおいては、バーナ２５を燃焼させる必要はないため、燃焼指示は出されないので、制御装置３０は、ステップ４０２で「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップ４１２に進めて、本フローチャートを一旦終了する。一方、起動運転モードでバーナ２５を燃焼させる場合や、発電運転モードにおいては、バーナ２５を燃焼させるべく燃焼指示が出されるので、制御装置３０は、ステップ４０２で「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ４０４に進める。
【００７４】
制御装置３０は、吹き消え検知中には、燃焼用空気ポンプ６５の目標送出量を一定に維持するかまたは所定量増大させることで、燃焼用空気ポンプ６５の送出量を一定に維持させるかまたは増大させる（ステップ４０４）。そして、制御装置３０は、バーナ２５の前後における圧力損失減少の検知、すなわちバーナ２５の吹き消えの検知を行う。なお、燃焼用空気ポンプ６５の送出量は増大させるが、燃焼用燃料などのバーナ用燃料ガスの供給量は変化させないでそれまでの供給量を維持する。また、この吹き消え検知処理は、バーナ２５が着火された後、火炎が安定してから行うことが望ましい。また、一定に維持するとは、吹き消え検知開始直前の目標送出量をそのまま維持することをいう。また、増大させる所定量は、バーナ２５が吹き消えることにより増大する実流量より小さい値に設定されるのが望ましい。大きい値に設定した場合には、フィードバック制御により指示値が増大される恐れがあるからである。
【００７５】
制御装置３０は、起動運転中、目標送出量が一定に維持されているか所定の上昇率以内の増大制御時に燃焼部温度が下降し、かつ燃焼用空気ポンプ６５への指示値が減少していると吹き消えと判定する。
【００７６】
すなわち、制御装置３０は、ステップ４０５では、後述するステップ５０４と同様に、温度センサ２５ｅによって検出された燃焼部２７の温度を読み込み、その読み込んだ温度に基づいて燃焼部２７の温度が一旦下降（低下）したか否かを判定する。制御装置３０は、一旦下降した場合に「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ４０６に進め、そうでなければ「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップ４１０に進める。
【００７７】
制御装置３０は、ステップ４０６において、燃焼用空気ポンプ６５への指示値が減少しているか否かを判定することで、バーナ２５の前後における圧力損失が減少したことを検知（判定）する。例えば、前回読み込んだ指示値と今回読み込んだ指示値を比較し、今回の指示値が小さい場合には指示値が減少したと判定する。燃焼用空気ポンプ６５への指示値が減少している場合、制御装置３０は、ステップ４０６で「ＹＥＳ」と判定し、すなわち、バーナ２５の前後における圧力損失が減少したことを検知（判定）する（圧力損失減少検知手段）。ひいては、制御装置３０は、ステップ４０８において、バーナ２５が吹き消えたと判定する（吹き消え検知手段）。一方、燃焼用空気ポンプ６５への指示値が減少していない場合、制御装置３０は、ステップ４０６で「ＮＯ」と判定し、すなわち、バーナ２５の前後における圧力損失が減少していないことを検知（判定）する。ひいては、制御装置３０は、ステップ４１０において、バーナ２５が吹き消えていないと判定する。
【００７８】
すなわち、制御装置３０は、燃焼用空気の送出量をフィードバック制御している結果、燃焼用空気ポンプ６５の指示値が減少すれば、バーナ２５の火炎が消えることで、バーナ２５の前後における圧力損失が減少していると判定し、バーナ２５が吹き消えた旨を検知する。一方、燃焼用空気ポンプ６５の指示値が減少していなければ、バーナ２５の火炎は維持されており、バーナ２５の前後における圧力損失が減少していないと判定し、バーナ２５が吹き消えていない旨を検知する。
【００７９】
これは以下の理由による。バーナ２５が燃焼中であれば、バーナ２５にはバーナ用燃料ガス（少なくともアノードオフガス）が供給されるとともに燃焼用空気が燃焼用空気ポンプ６５によって送出され、バーナ２５で燃焼（火炎）による圧力が生じているため、バーナ２５の前後において大きい圧力損失が発生している。一方、燃焼中のバーナ２５が吹き消えると、バーナ２５で燃焼（火炎）がなくなるため、バーナ２５の前後における圧力損失はそれまでと比べて急激に減少する。すなわち、燃焼用空気ポンプ６５とバーナ２５の間に存在した比較的圧力の高い燃焼用空気がバーナ２５に向けて勢い良く流れる。したがって、流量計６４ａによって測定される実流量はそれまでより大きい値となる。すると、目標送出量より実流量が大きくなる。また、燃焼用空気ポンプ６５への制御指示値はフィードバック制御されているので、目標送出量より実流量が大きくなれば、指示値は減少される。
【００８０】
次に、発電運転中における吹き消え検知について図８を参照して説明する。基本的には、起動運転中における吹き消え検知と同様の処理であり、同一の処理については同一符号を付してその説明を省略する。なお、発電運転中における吹き消え検知は、発電の変動時に行うのは望ましくなく、発電量を一定に維持して行うことが望ましい。
【００８１】
図８に示すフローチャートにおいては、図７に示すフローチャートのステップ４０４の処理に代えて、ステップ５０２の処理を行っている。
【００８２】
制御装置３０は、発電運転中、目標送出量が一定に維持されているか所定の上昇率以内の増大制御時に燃焼部温度が下降し、かつ燃焼用空気ポンプ６５への指示値が減少していると吹き消えと判定する。
【００８３】
すなわち、制御装置３０は、ステップ５０２では、目標送出量が一定時間（所定時間）固定されているかを判断し、「ＹＥＳ」の場合はステップ５０４にプログラムを進め、「ＮＯ」の場合はプログラムをＥＮＤ（ステップ４１２）に進める。このフローは発電運転中に常時実行されているので、ステップ４００のＳＴＡＲＴから再度実行される。なお、本実施形態では、ステップ５０２で目標送出量固定で判断しているが、所定上昇率以内で増大していても良い。また、発電運転中は、目標送出量の状態を検出して判断する。一方、起動運転中は、目標送出量が一定または増大となるように積極的に制御している。
【００８４】
制御装置３０は、燃焼用空気ポンプ６５の目標送出量が一定時間一定に維持されていた後、燃焼部２７の温度が低下した場合に（ステップ５０２、５０４でそれぞれ「ＹＥＳ」と判定した場合に）、バーナ２５の前後における圧力損失減少の検知、すなわちバーナ２５の吹き消えの検知を行う。なお、燃焼用空気ポンプ６５の送出量を増大させる場合には、燃焼用燃料などのバーナ用燃料ガスの供給量は変化させないでそれまでの供給量を維持する。また、この吹き消え検知処理は、バーナ２５が着火された後、火炎が安定してから行うことが望ましい。また、このときの送出量の増大も、起動運転中の場合と同様に、増大量はバーナ２５が吹き消えることにより増大する実流量より小さい値に設定されるのが望ましい。
【００８５】
制御装置３０は、ステップ５０４において、温度センサ２５ｅによって検出された燃焼部２７の温度を読み込み、その読み込んだ温度に基づいて燃焼部２７の温度が一旦下降（低下）したか否かを判定する。例えば、過去のデータを記憶し、そのデータから一旦下降し再び上昇したか否かを判定する。燃焼部２７の温度は、温度センサ２１ｃによって検出された温度（改質部壁面温度）を利用するようにしてもよい。
【００８６】
バーナ用燃料ガスの供給量は変化させないで燃焼用空気の送出量を増大させ、その結果燃焼部２７の温度は一旦低下することを吹き消え検知の条件とすることで、バーナ２５に導入する水蒸気量の変動に伴う圧力損失の変動による影響を抑制することができる。したがって、発電運転中においても吹き消えを検出することができる。
【００８７】
上述した実施形態から明らかなように、圧力損失減少検知手段（ステップ４０６）が、燃料極１１からのアノードオフガス、改質ガス、燃焼用燃料が供給されそれらバーナ用可燃ガスを燃焼用空気で燃焼するバーナ２５の前後における圧力損失が減少したことを検知する。送出量検出手段（流量計６４ａ）が、燃焼用酸化剤ガス送出手段（燃焼用空気ポンプ６５）から送出された燃焼用酸化剤ガスの送出量を検出する。指示値導出手段（図６のフローチャート）が、送出量検出手段（流量計６４ａ）によって実際に検出された実測送出量と燃焼用酸化剤ガス送出手段燃焼用空気ポンプ６５の目標送出量に基づいて、燃焼用酸化剤ガス送出手段燃焼用空気ポンプ６５への制御指示値を導出する。吹き消え検知手段（ステップ４０８）が、バーナ２５に対して燃焼指示を行っており、目標送出量が増大または一定に維持されているときに、燃焼部２７の温度が低下し、かつバーナ２５の前後における圧力損失が減少したことを検知した場合にバーナ２５が吹き消えたと判定する。ところで、バーナ２５が燃焼中であれば、バーナ２５にはバーナ用燃料（少なくともアノードオフガス）が供給されるとともに燃焼用酸化剤ガスが燃焼用酸化剤ガス送出手段によって送出され、バーナ２５で燃焼（火炎）による圧力が生じているため、バーナ２５の前後において大きい圧力損失が発生している。一方、バーナ２５が吹き消えると、バーナ２５では燃焼による圧力が生じなくなるため、圧力損失は減少する。この現象を利用することにより、バーナ２５の前後における圧力損失が減少したことを検知した場合にバーナ２５が吹き消えたと判定することができる。したがって、本発明によれば、従来のように専用の吹き消え検知部を設けることなく、すなわちコスト高を招くことなく、バーナ２５の吹き消えを確実に検知することができる。
【００８８】
なお、本発明の特徴は、起動運転中でも、発電運転中でも、目標送出量が一定に維持されているか所定上昇率以内の増大制御時に燃焼部温度が下降し、かつポンプの指示値が減少していると吹き消えと判定することである。「燃焼部の温度が低下」とは、所定時間間隔で温度を検知していて温度が下降していると判断できるときである。例えば、時刻ｔｎの温度Ｔｎが、直前の時刻ｔｎ−１の温度Ｔｎ−１よりも低い状態が所定時刻続いていると下降していると判断する。また「燃焼指示」は、燃焼中の制御状態であることである。
【００８９】
また、燃料電池システムは、改質用燃料が供給されて改質ガスを生成する改質部２１をさらに備え、燃料電池１０の燃料極１１には、燃料として改質ガスが供給され、バーナ２５には、バーナ用燃料として燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスの何れかが供給される。これにより、いわゆる高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、そのシステムに適合し、かつ、コスト高を招くことなく、バーナ２５の吹き消えを確実に検知することができる。
【００９０】
また、指示値導出手段（図６のフローチャート）で導出された制御指示値が減少した場合に（ステップ４０６で「ＹＥＳ」と判定）バーナ２５の前後における圧力損失が減少したと判断する。これにより、燃料電池システムの起動運転中において、燃焼用酸化剤ガス送出手段（燃焼用空気ポンプ６５）への制御指示値に基づいて、簡単な構成で、バーナ２５の吹き消えを容易かつ確実に検知することができる。
【００９１】
２）第２の実施形態
次に、本発明による燃焼装置を適用した燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。図９は固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムの概要を示す概要図である。なお、上述した第１の実施形態と同様な構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
【００９２】
この燃料電池システムは、燃料電池モジュール１００を備えている。燃料電池モジュール１００は、ケーシング１０１、蒸発部１２８、改質部１２１および燃料電池１１０を備えている。
【００９３】
ケーシング１０１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング１０１内には、蒸発部１２８、改質部１２１および燃料電池１１０が配設されている。このとき、蒸発部１２８、改質部１２１が燃料電池１１０の上方に位置するように配設されている。
【００９４】
蒸発部１２８は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用燃料を予熱するものである。蒸発部１２８は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用燃料を混合して改質部１２１に供給するものである。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
【００９５】
この蒸発部１２８には、一端（下端）が水タンク（図示省略）に接続された給水管５２の他端が接続されている。給水管５２には、改質水ポンプ５３が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部１２８に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。
【００９６】
また、蒸発部１２８には、燃料供給源（図示省略）からの改質用燃料が改質用燃料供給管４１を介して供給されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番に一対の原料バルブ（図示省略）、燃料ポンプ４２、および脱硫器４６が設けられている。原料バルブは改質用燃料供給管４１を開閉する電磁開閉弁である。燃料ポンプ４２は、燃料供給源からの燃料供給量を調整するものである。脱硫器４６は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。
【００９７】
改質部１２１は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部１２８から供給された混合ガス（改質用燃料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部１２１内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池１１０の燃料極１１１に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００９８】
燃料電池１１０は、燃料極１１１、空気極１１２（酸化剤極）、および両極１１１，１１２の間に介装された電解質１１３からなり断面楕円の柱状に形成された複数のセル１１０ａが並設されて構成されている。
【００９９】
セル１１０ａは、図１０に示すように、断面が扁平状で全体的に見て楕円柱状の導電性支持基板１１４を備えている。導電性支持基板１１４の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路１１４ａが軸長方向に貫通して形成されている。導電性支持基板１１４は、燃料ガス通路１１４ａを流れる燃料ガスを燃料極１１１まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ１１５を介しての集電を行うために導電性であることが要求される。この要求を満たすために、導電性支持基板１１４は、金属（例えば鉄族金属成分）と希土類酸化物とからなる複合体で形成されている。
【０１００】
導電性支持基板１１４は、互いに対向する２つの平坦部と、両平坦部の両端の弧状部とからなっている。一方の平坦部と両側の弧状部を覆うように燃料極１１１が層状に形成されている。さらに、この燃料極１１１を覆うように、電解質１１３が積層されており、この電解質１１３の上には、燃料極１１１と対向するように、空気極１１２が積層されている。また、燃料極１１１及び電解質１１３が積層されていない他方の平坦部には、インターコネクタ１１５が形成されている。燃料極１１１及び電解質１１３は、インターコネクタ１１５の両サイドにまで延びており、導電性支持基板１１４の表面が外部に露出しないように構成されている。
【０１０１】
燃料極１１１は、多孔質の導電性セラミックス（例えば、ニッケル含有安定化ジルコニア）で形成されている。空気極１１２は、多孔質の導電性セラミックス（例えば、ＡＢＯ３型ペロブスカイト酸化物）で形成されている。電解質１１３は、ガス不透過性と絶縁性を有するセラミックス（例えば、希土類元素を固溶したジルコニア）で形成されている。インターコネクタ１１５は、ガス透過性と導電性を有するセラミックス（例えば、ペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物））で形成されている。
【０１０２】
隣り合う２つのセル１１０ａは、空間を隔てて設けられ、セル接続体１１０ｂにより電気的に接続されている。この空間は上下に貫通しており、カソード用空気（酸化剤ガス）流路１１０ｃをとして使用されている。セル接続体１１０ｂは、金属材で形成されている。セル接続体１１０ｂは、セル１１０ａの空気極１１２とセル１１０ａのインターコネクタ１１５とを接続するものである。
【０１０３】
燃料電池１１０は、アノードマニホールド１１７上に設けられている。アノードマニホールド１１７には、改質部１２１からの改質ガスが改質ガス供給管７１を介して供給されるようになっている。セル１１０ａの各燃料ガス通路１１４ａは、その下端（一端）がアノードマニホールド１１７の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出された改質ガスが下端から導入され上端から導出（噴出）されるようになっている。
【０１０４】
また、燃料電池１１０の側部には、カソード用空気導入部１１６が設けられている。カソード用空気導入部１１６には、カソード用空気供給管６７が接続されており、カソード用空気が供給されるようになっている。カソード用空気導入部１１６に供給されたカソード用空気はカソード用空気流路１１０ｃの下端から導入され上端から導出（噴出）されるようになっている。
【０１０５】
なお、燃料電池１１０と蒸発部１２８（または改質部１２１）との間（燃焼空間）には、セル１１０ａから噴出されるアノードオフガスをカソード用空気流路１１０ｃから噴出されるカソードオフガスで着火させるための着火手段１２５ｇ（着火用ヒータ）が配設されている。この着火手段１２５ｇは点火用電極２５ｇと同様に制御装置３０の指示によってオン・オフされる。
【０１０６】
これにより、セル１１０ａから噴出されるアノードオフガスをカソード用空気流路１１０ｃから噴出されるカソードオフガスで燃焼させることができる。すなわち、燃料電池１１０をバーナ１２５として機能させることができる。
【０１０７】
また、燃焼空間には、その空間の燃焼温度を検出する温度センサ１２５ｅが設けられている。温度センサ１２５ｅは、温度センサ２５ｅと同様に燃焼空間の温度を検出するものであり、検出結果は制御装置３０に送出されるようになっている。
【０１０８】
また、カソード用空気供給管６７には、上述した流量計６４ａと同様な流量計６７ａが設けられている。流量計６７ａは、カソード用空気供給管６７を流通する燃焼用空気の単位時間当りの体積または質量を測定するためのものであり、その検出結果は制御装置３０に送出されるようになっている。流量計６７ａは、カソード用空気ポンプ６８の吐出側に設けられているので、カソード用空気ポンプ６８から送出されたカソード用空気の送出量を検出する送出量検出手段である。
【０１０９】
燃料電池１１０においては、燃料極１１１に供給された燃料と空気極１１２に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極１１１では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極１１２では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極１１２で生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が電解質１１３を透過し、燃料極１１１で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料ガス通路１１４ａおよびカソード用空気流路１１０ｂからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気：カソードオフガス）が導出する。
【０１１０】
（化１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【０１１１】
（化２）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
【０１１２】
（化３）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【０１１３】
そして、燃料ガス通路１１４ａおよびカソード用空気流路１１０ｂから導出した、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）は、燃料電池１１０と蒸発部１２８（改質部１２１）の間の燃焼空間にて燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部１２８および改質部１２１が加熱される。さらには、燃料電池モジュール１００内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは、燃料電池１１０とケーシング１０１の間の空間（この空間が燃焼ガス流路１２６である。）を通り、排気管８１を通って燃料電池モジュール１００の外に排気される。
【０１１４】
このように構成した固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムのバーナ１２５の燃焼作動においても、上述した高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池システムのバーナ２５の燃焼と同様な制御が行われるので、同様な作用・効果を得ることができる。なお、制御対象は、燃焼用空気ポンプ６５に代えてカソード用空気ポンプ６８になる。
【０１１５】
また、バーナ１２５は、燃料電池１１０の燃料極１１１から直接導出されるアノードオフガスを、燃料電池１１１の酸化剤極１１２から直接導出されるカソードオフガス（燃焼用酸化剤ガスとして利用する）で燃焼するように構成される。これにより、いわゆる固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、そのシステムに適合し、かつ、コスト高を招くことなく、バーナの吹き消えを確実に検知（判定）することができる。
【符号の説明】
【０１１６】
１０，１１０…燃料電池、１１，１１１…燃料極、１２，１１２…空気極、２０…改質装置、２１，１２１…改質部、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、２５，１２５…バーナ、２５ａ…基部、２５ｂ…燃焼筒、２５ｂ１…仕切り板、２５ｂ２…第２噴出口、２５ｃ…オフガスノズル、２５ｃ１…第１噴出口、２５ｅ，１２５ｅ…温度センサ、２５ｇ，１２５ｇ…点火用電極、２６，１２６…燃焼ガス流路、２７…燃焼部、２８，１２８…蒸発部、２９…断熱部、３０…制御装置、４１…燃料供給管、４２…燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料バルブ、４６…脱硫器、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管。１００…燃料電池モジュール、１０１…ケーシング、１１０ａ…セル、１１０ｂ…セル接続体、１１０ｃ…カソード用空気流路、１１４…導電性支持基板、１１４ａ…燃料ガス通路、１１５…インターコネクタ、１１６…カソード用空気導入部材、１１７…アノードマニホールド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010257823.tif 000009
【図８】
2010257823.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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