(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、
供給された燃焼用燃料を供給された燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部から導出される前記燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路に設けられ、前記燃焼ガス流路中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置と、
前記燃焼部が正常に着火したと判定された時点から燃料電池システムの運転停止するまでにおいては、前記酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度に基づいて前記燃焼部の吹き消えを判定する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃焼部に着火指令を出した後に、前記酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度が第１判定値以下となった場合には、前記燃焼部が着火したと判定することを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記制御装置は、前記燃焼部が着火した後に、前記酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度が第２判定値以上となった場合には、前記燃焼部が吹き消えたと判定することを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記酸素濃度検出装置は、前記燃焼ガス流路の途中に設けられた凝縮器の下流に配置されていることを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記酸素濃度検出装置は、当該酸素濃度検出装置を加熱することなく酸素濃度を検出可能な酸素センサであることを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項において、前記燃焼ガス流路に前記酸素濃度検出装置と併設され、前記燃焼ガス流路の温度を検出する温度検出装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記酸素濃度検出装置によって検出された燃焼ガス流路中の酸素濃度を、前記温度検出装置によって検出された当該燃焼ガス流路の温度に基づいて補正することを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
改質装置の一形式として、特許文献１に示されているように、燃焼が行われる燃焼部７と、燃焼部７からの燃焼排ガスを排出する排ガス流路１０と、排ガス流路１０の流路内に配置された限界電流式酸素センサ素子１１と、を備えたものが知られている。この改質装置においては、酸素濃度５〜１０％の燃焼排ガスに晒された際のセンサ出力（Ａ）を読み取り、所定領域内なら燃焼運転動作は正しい酸素濃度領域で燃焼している正常燃焼動作と判断でき、所定領域外なら燃焼運転動作は異なる酸素濃度領域で燃焼している異常燃焼動作と判断できるため、燃焼状態の検査が簡単にできる。
【０００３】
また、改質装置は、燃焼部７もしくは燃料供給手段９に併設されており燃焼運転動作の有無を判断する燃焼運転判断手段１３を備えており、燃焼運転判断手段１３は、燃焼部７に設置された火炎検出装置などの検出手段（記載せず）の燃焼信号による燃焼動作状態、もしくは燃料供給手段９の燃料供給状態を確認しにゆき、燃焼運転動作の有無の判断を行っている。
【０００４】
なお、火炎検出装置としては、特許文献２に示されているように、改質器用バーナ１００にフレームロッド方式火炎検知手段１０３を備えるとともに火炎検知可能な量の燃料ガスを含む水素ガスを供給するものが知られている。
【０００５】
また、他の火炎検出装置としては、特許文献３に示されているように、燃焼部で炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第１火炎検知手段（フレームロッド３４）と、燃焼部で混合ガス又は炭化水素系ガスの火炎が生じたことを検知する第２火炎検知手段（サーモカップル３６）とを備え、モードに応じて火炎検知手段を切り替えるものが知られている。
【０００６】
また、改質装置の他の一形式として、特許文献４に示されているように、空気供給手段１７で屋外空気を吸入し、燃料供給手段１８で燃料を供給しながら燃料を燃焼させ、燃焼排ガスを排ガス流路５を通して屋外に排気させ、排ガス流路５内に限界電流式酸素センサ６を設け、その限界電流式酸素センサ６に直列に直流電源７と出力検出手段８を接続して閉回路を構成し、出力検出手段８からの信号に基づいて空気供給手段１７による吸入空気量を制御する燃焼装置が知られている。
【特許文献１】特開２００４−１９８０７５号公報
【特許文献２】特開２００３−１８７８４８号公報
【特許文献３】特開２００４−２１０５７６号公報
【特許文献４】特開平５−１６４３２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１に記載の改質装置においては、燃焼部７の燃焼運転動作の有無の判断は、酸素センサ素子１１の出力を使用しないで、火炎検出装置からの出力または燃料供給手段９の燃料供給状態に基づいて行われており、一方、酸素センサ素子１１の出力は、燃焼が有ることを前提にしてその燃焼が正常燃焼動作であるか異常燃焼動作であるかの判断に使用されている。すなわち、着火の確認と燃焼状態の監視をそれぞれ行う別々の検出装置（検出センサ）が必要となり、装置の大型化、高コスト化を招いていた。
【０００８】
また、特許文献１に記載の改質装置の火炎検出装置に特許文献２記載のものが適用された場合、特許文献２の火炎検出装置のフレームロッド方式は水素を主体とするガス（水素リッチガス）が燃焼する場合には検出対象であるイオン電流が微弱であるため、着火・吹き消えを検知することができないおそれがあった。
【０００９】
また、特許文献１に記載の改質装置の火炎検出装置に特許文献３記載のものが適用された場合、特許文献３の火炎検出装置は、着火・吹き消えを確実に検知することはできるが、火炎検知手段が複数となるので、改質装置が全体として大型化・高コスト化するという問題があった。
【００１０】
また、特許文献４においては、限界電流式酸素センサ６の出力に基づいて吸入空気量が制御されることは記載されているが、着火、吹き消えの有無が検知されることは記載されていない。
【００１１】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、改質装置において、装置の大型化、高コスト化を招くことなく、燃焼部の着火をより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】
【００１２】
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、供給された改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、供給された燃焼用燃料を供給された燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって改質部を加熱する燃焼部と、燃焼部から導出される燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路と、燃焼ガス流路に設けられ、燃焼ガス流路中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置と、燃焼部が正常に着火したと判定された時点から燃料電池システムの運転停止するまでにおいては、酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度に基づいて燃焼部の吹き消えを判定する制御装置と、を備え、制御装置は、燃焼部に着火指令を出した後に、酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度が第1判定値以下となった場合には、燃焼部が着火したと判定することである。
【００１４】
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、制御装置は、燃焼部が着火した後に、酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度が第２判定値以上となった場合には、燃焼部が吹き消えたと判定することである。
【００１５】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、酸素濃度検出装置は、燃焼ガス流路の途中に設けられた凝縮器の下流に配置されていることである。
【００１６】
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、酸素濃度検出装置は、当該酸素濃度検出装置を加熱することなく酸素濃度を検出可能な酸素センサであることである。
【００１７】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、燃焼ガス流路に酸素濃度検出装置と併設され、燃焼ガス流路の温度を検出する温度検出装置をさらに備え、制御装置は、酸素濃度検出装置によって検出された燃焼ガス流路中の酸素濃度を、温度検出装置によって検出された当該燃焼ガス流路の温度に基づいて補正することである。
【発明の効果】
【００１８】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、制御装置が、酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度に基づいて燃焼部の着火・吹き消えを判定するので、従来のように着火を検出する火炎検出装置を別に設けずに、装置の大型化・高コスト化を招くことなく、着火・吹き消えを判定するとともに燃焼状態を監視することが可能となる。
さらに、制御装置は、燃焼部に着火指令を出した後に、酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度が第1判定値以下となった場合には、燃焼部が着火したと判定するので、確実に着火を判定することができる。
【００２０】
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に係る発明において、制御装置は、燃焼部が着火した後に、酸素濃度検出装置によって検出された酸素濃度が第２判定値以上となった場合には、燃焼部が吹き消えたと判定するので、着火を確実に判定することができることに加えて、装置の大型化・高コスト化を招くことなく、吹き消えも確実に判定することができる。
【００２１】
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または請求項２に係る発明において、酸素濃度検出装置は、燃焼ガス流路の途中に設けられた凝縮器の下流に配置されているので、水蒸気圧または水蒸気の影響をさらに低減した酸素濃度を得ることができ、より正確な判定をすることができる。
【００２２】
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の何れか一項に係る発明において、酸素濃度検出装置は、当該酸素濃度検出装置を加熱することなく酸素濃度を検出可能な酸素センサであるので、加熱が必要な酸素センサ（例えば、ジルコニア型酸素センサ）を使用する場合と比べて、耐久性・信頼性・起動特性（時間）を向上することができる。
【００２３】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４の何れか一項に係る発明において、制御装置は、酸素濃度検出装置によって検出された燃焼ガス流路中の酸素濃度を、酸素濃度検出装置と併設された温度検出装置によって検出された当該燃焼ガス流路の温度に基づいて補正するので、水蒸気圧の影響をさらに低減した酸素濃度を得ることができ、より正確な判定をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１はこの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を生成する改質装置２０を備えている。
【００２５】
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。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。
【００２６】
改質装置２０は、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、蒸発部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４およびバーナ（燃焼部）２５から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。また、燃料のうち改質部２１に供給されるものを改質用燃料と言い、バーナ２５に供給されるものを燃焼用燃料と言っている。
【００２７】
改質部２１は、燃料供給源Ｓｆ（例えば都市ガス管）から供給された改質用燃料に蒸発部２２からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２１に充填された触媒（例えば、Ｒｕ、Ｎｉ系の触媒）により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（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を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。
【００２８】
改質部２１には、燃料供給源Ｓｆからの改質用燃料が改質用燃料供給管３１を介して供給されている。改質用燃料供給管３１には、上流から順番に一対の燃料バルブ３２，３２、燃料ポンプ３３、脱硫器３４、および改質用燃料バルブ３５が設けられている。燃料バルブ３２および改質用燃料バルブ３５は制御装置６０の指令によって改質用燃料供給管３１を開閉する電磁開閉弁である。燃料ポンプ３３は、制御装置６０の指令に応じて燃料供給源Ｓｆからの燃料供給量を調整するものである。脱硫器３４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。
【００２９】
また、改質用燃料供給管３１の改質用燃料バルブ３５と改質部２１との間には水蒸気供給源である蒸発部２２に接続された水蒸気供給管４１が接続されており、蒸発部２２からの水蒸気が改質用燃料に混合されて改質部２１に供給されている。また、水蒸気供給管４１には、改質部２１へ供給される水蒸気の状態である温度を検出する水蒸気状態検出手段である温度センサ４１ａが設けられている。温度センサ４１ａからの信号は制御装置６０に送信されている。
【００３０】
蒸発部２２には改質水供給源である水タンクＳｗに接続された給水管４２が接続されている。給水管４２には、上流から順番に改質水ポンプ４３、改質水バルブ４４が設けられている。改質水ポンプ４３は水タンクＳｗからの改質水を蒸発部２２に供給し、制御装置６０の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ４４は制御装置６０の指令によって給水管４２を開閉する電磁開閉弁である。蒸発部２２は、燃焼ガス流路５６を流通する燃焼ガス（または、改質部２１、ＣＯシフト部２３などの排熱）によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。蒸発部２２には、蒸発部２２の温度を検出する温度センサ２２ａが設けられている。温度センサ２２ａからの信号は制御装置６０に送信されている。
【００３１】
ＣＯシフト部２３は、改質部２１からの改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。また、ＣＯシフト部２３には、触媒の温度を検出する温度センサ２３ａが設けられている。温度センサ２３ａからの信号は制御装置６０に送信されている。
【００３２】
ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素とＣＯ酸化用空気供給管３８から供給されたＣＯ酸化用の空気（エア）とをその内部に充填された触媒（例えば、Ｒｕ系またはＰｔ系の触媒）により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。
【００３３】
ＣＯ酸化用空気供給管３８上には、上流から順番に酸化用空気ポンプ３８ａおよび酸化用空気バルブ３８ｂが設けられている。酸化用空気ポンプ３８ａは、空気供給源である大気からのＣＯ酸化用空気をＣＯ選択酸化部２４に供給し、制御装置６０の指令に応じてＣＯ酸化用空気供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ３８ｂは制御装置６０の指令によってＣＯ酸化用空気供給管３８を開閉する電磁開閉弁である。
【００３４】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管５１を介してＣＯ選択酸化部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５２を介してバーナ２５が接続されている。バイパス管５３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管５１およびオフガス供給管５２を直結するものである。改質ガス供給管５１にはバイパス管５３との分岐点と燃料極１１の導入口との間に第１改質ガスバルブ５１ａが設けられている。オフガス供給管５２にはバイパス管５３との合流点と燃料極１１の導出口との間にオフガスバルブ５２ａが設けられている。バイパス管５３には第２改質ガスバルブ５３ａが設けられている。
【００３５】
起動運転時には、ＣＯ選択酸化部２４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５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを閉じ第２改質ガスバルブ５３ａを開いている。定常運転時には、ＣＯ選択酸化部２４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５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを開き第２改質ガスバルブ５３ａを閉じている。
【００３６】
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５４が接続されており、空気極１２内に空気（カソードエア）が供給されるようになっている。さらに、燃料電池１０の空気極１２の導出口には、排気管５５が接続されており、空気極１２からの空気（カソードオフガス）が外部に排出されるようになっている。
【００３７】
また、上述した改質用燃料供給管３１、改質ガス供給管５１およびオフガス供給管５２から第１ラインＬ１が構成されている。第１ラインＬ１は、燃料供給源Ｓｆを改質部２１を経由してバーナ２５に連通するラインである。すなわち、燃料電池１０を経由しない、改質用燃料供給管３１、改質ガス供給管５１、バイパス管５３およびオフガス供給管５２の経路も第１ラインＬ１であり、燃料電池１０を経由する、改質用燃料供給管３１、改質ガス供給管５１およびオフガス供給管５２の経路も第１ラインＬ１である。
【００３８】
この第１ラインＬ１に並設されて改質部２１をバイパスして燃料電池１０の燃料極１１を経由してバーナ２５に連通する第２ラインＬ２である燃焼用燃料供給管３７が設けられている。燃焼用燃料供給管３７は、改質用燃料供給管３１の脱硫器３４と改質用燃料バルブ３５との間から分岐し、改質ガス供給管５１の第１改質ガスバルブ５１ａと燃料電池１０との間に接続されている。燃焼用燃料供給管３７上には、第１燃焼用燃料バルブ３７ａが設けられている。第１燃焼用燃料バルブ３７ａは制御装置６０の指令によって燃焼用燃料供給管３７を開閉する電磁開閉弁である。これにより、燃料供給源Ｓｆからの燃料（燃焼用燃料）が脱硫器３４によって硫黄分が除去されて第２ラインＬ２、燃料電池１０を通ってバーナ２５に供給可能である。
【００３９】
バーナ（燃焼部）２５は、供給された燃焼用燃料を供給された燃焼用酸化剤ガスにより燃焼してその燃焼ガスによって改質部２１を加熱するものであり、すなわち水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ２５は、燃料供給源Ｓｆ、改質部２１および燃料電池１０の燃料極１１からの各可燃ガスが供給可能であり、これら可燃ガスのうち何れか少なくとも一つを燃焼用酸化剤ガスである燃焼用空気で燃焼するものである。
【００４０】
また、バーナ２５には、燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管５７が接続されている。燃焼用空気供給管５７上には、上流から順番に燃焼用空気ポンプ５７ａおよび燃焼用空気バルブ５７ｂが設けられている。燃焼用空気ポンプ５７ａは空気供給源である大気から供給される燃焼用空気をバーナ２５に供給し、制御装置６０の指令に応じて燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ５７ｂは制御装置６０の指令によって燃焼用空気供給管５７を開閉する電磁開閉弁である。
【００４１】
これにより、システム起動開始した時点から改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、バーナ２５には燃料供給源Ｓｆからの燃焼用燃料が第２ラインＬ２を介して改質部２１を通らないで燃料電池１０の燃料極１１を通って供給され、改質部２１への改質用燃料の供給開始以降から定常運転（発電）開始までの間は、バーナ２５にはＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を通らないで直接供給され、そして、定常運転（発電）中においてはバーナ２５には燃料電池１０の燃料極１１からのアノードオフガス（燃料電池１０の燃料極１１に供給され使用されずに排出された水素を含んだ改質ガスや未改質の改質用燃料）が供給される。
【００４２】
バーナ２５から導出される燃焼ガスは、燃焼ガス流路５６を流通して外部に排出される。燃焼ガス流路５６は改質部２１や蒸発部２２を加熱するように配設され、燃焼ガスは改質部２１の触媒の活性温度域となるように加熱し、蒸発部２２を水蒸気生成するために加熱する。
【００４３】
燃焼ガス流路５６の途中には、凝縮器５６ａが設けられている。凝縮器５６ａは、図示しない貯湯槽の低温液体またはラジエータおよび冷却ファンによって冷却された凝縮冷媒が供給される冷媒管が貫設されており、この液体との熱交換によって燃焼ガス中の水蒸気を凝縮している。したがって、凝縮器５６ａを通過した後の燃焼ガスは、降温され、その温度で水蒸気飽和状態となっている。
【００４４】
燃焼ガス流路５６の凝縮器５６ａの下流には、酸素濃度検出装置である酸素センサ５６ｂが設けられている。酸素センサ５６ｂは、燃焼ガス流路５６中の酸素濃度を検出するものである。酸素センサ５６ｂの検出結果は、制御装置６０に送信されるようになっている。酸素センサ５６ｂは、当該酸素濃度検出装置を加熱することなく酸素濃度を検出可能な酸素センサであることが好ましい。例えば、ガルバニ電池式酸素センサ、光学式溶存酸素センサなどである。
【００４５】
燃焼ガス流路５６の凝縮器５６ａの下流には、燃焼ガス流路５６の温度を検出する温度検出装置である温度センサ５６ｃが設けられている。温度センサ５６ｃの検出結果は、制御装置６０に送信されるようになっている。温度センサ５６ｃは酸素センサ５６ｂと併設されるのが好ましい。酸素センサ５６ｂが検出する燃焼ガスの温度を検出して、その温度に基づいて酸素センサ５６ｂの検出した酸素濃度を補正することができるからである。
【００４６】
また、上述した各温度センサ２２ａ，２３ａ，４１ａ，５６ｃ、酸素センサ５６ｂ、各バルブ３２，３５，３７ａ，３８ｂ、４４，５１ａ，５２ａ，５３ａ，５７ｂ、各ポンプ３３，４３，３８ａ，５７ａ、およびバーナ２５は制御装置６０に接続されている（図２参照）。制御装置６０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、図３のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムを起動し、発電するように制御している。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。
【００４７】
次に、上述した燃料電池システムの作動について図３および図４に示すフローチャートを参照して説明する。図示しない起動スイッチがオンされると、制御装置３０は、改質装置２０の運転開始指示ありと判定し（ステップ１０２にて「ＹＥＳ」）、起動運転を開始する。
【００４８】
制御装置６０は、燃焼用空気バルブ６６を開き燃焼用空気ポンプ６５を駆動して、バーナ２５へ燃焼用空気を規定流量Ａ１だけ供給してパージする（ステップ１０４）。
【００４９】
制御装置６０は、酸素センサ５６ｂによって燃焼ガス流路５６を流通する燃焼用空気の酸素濃度Ｎｏを検出し、その酸素濃度Ｎｏに基づいて酸素センサ５６ｂが正常であるか否かを判定する（ステップ１０６）。酸素濃度Ｎｏの検出は、燃焼用空気によってバーナ２５までパージされている頃に実施するのが好ましい。
【００５０】
酸素濃度Ｎｏが所定範囲内すなわち下限値Ｎｏ１ａ以上、上限値Ｎｏ１ｂ以下の範囲内にあれば、酸素センサ５６ｂが正常であると判定し、そうでなければ異常であると判定する。下限値Ｎｏ１ａおよび上限値Ｎｏ１ｂは、大気の酸素濃度（２１％）を基準に所定の幅を持って規定された値である。
【００５１】
酸素濃度Ｎｏが所定範囲外であれば（ステップ１０６で「ＮＯ」）、制御装置６０は、酸素センサ５６ｂが異常であると判定するとともにその旨を表示（またはアナウンス）し（ステップ１０８）、燃料電池システムの起動を停止する（ステップ１１０）。酸素濃度Ｎｏが所定範囲内であれば（ステップ１０６で「ＹＥＳ」）、制御装置６０は、燃料電池システムの起動運転を続行する。なお、このとき、酸素センサ５６ｂの検出値を大気の酸素濃度で校正してもよい。
【００５２】
制御装置６０は、改質用燃料バルブ３５および第１および第２改質ガスバルブ５１ａ，５３ａを閉じたまま、燃料バルブ３２および燃焼用燃料バルブ３７ａならびにオフガスバルブ５２ａを開き、燃料ポンプ３３を駆動して、バーナ２５へ燃焼用燃料を規定流量Ｂ１だけ供給する（ステップ１１２）。そして、制御装置６０は、バーナ２５を着火する。
【００５３】
制御装置６０は、酸素センサ５６ｂによって燃焼ガス流路５６を流通する燃焼用空気の酸素濃度Ｎｏを検出し、その酸素濃度Ｎｏに基づいてバーナ２５が着火したか否かを判定する（ステップ１１６）。酸素濃度Ｎｏの検出・判定は、燃焼用燃料がバーナ２５に到達するのに十分な時間である規定時間Ｔ１が経過するまで実施するのが好ましい。短すぎると燃焼用燃料がバーナ２５に到達していない場合があり、長すぎると燃焼用燃料を無駄に流してしまうこととなる。
【００５４】
バーナ２５で燃焼が開始すれば、供給されている燃焼用空気が燃焼によって消費され燃焼ガス流路５６中の酸素濃度は低下する。したがって、規定時間Ｔ１内に酸素濃度Ｎｏが規定値Ｎｏ２以下になれば、正常に燃焼が開始したと判定し、そうでなければ未着火（着火・燃焼しなかった。）であると判定する。規定値Ｎｏ２は、大気の酸素濃度（２１％）より小さい値（例えば１５％）に設定されている。
【００５５】
酸素濃度Ｎｏがバーナ２５の着火時点から規定時間Ｔ１経過しても規定値Ｎｏ２より大きければ（ステップ１１６，１１８で「ＮＯ」、「ＹＥＳ」）、制御装置６０は、バーナ２５が未着火であると判定するとともにその旨を表示（またはアナウンス）し（ステップ１２０）、燃料電池システムの起動を停止する（ステップ１２２）。なお、その後、ステップ１０４に戻って繰り返し着火動作をしてもよく、その際、所定回数繰り返しても未着火である場合はシステムを停止し、異常表示をするようにすればよい。
【００５６】
酸素濃度Ｎｏがバーナ２５の着火時点から規定時間Ｔ１経過するまでに規定値Ｎｏ２以下となれば（ステップ１１６で「ＹＥＳ」）、制御装置６０は、バーナ２５は着火したと判定し（ステップ１２４）、燃料電池システムの起動運転を続行する。
【００５７】
このように燃焼が開始されると、その燃焼ガスが燃焼ガス流路５６を通る際に、燃焼ガスによって改質部２１、蒸発部２２が加熱されて昇温する。バーナ２５の着火時点から規定時間Ｔ４経過後に、制御装置６０は、改質水バルブ４４を開き改質水ポンプ４３を駆動して、改質水を蒸発部２２に供給する。
【００５８】
蒸発部２２から導出される水蒸気の温度Ｔ２が所定温度Ｔ２ａ（例えば、１００℃）以上となると、制御装置６０は、蒸発部２２から水蒸気が改質部２１に供給され始めたと判定する（ステップ１３０で「ＹＥＳ」）。そして、制御装置６０は、改質用燃料バルブ３５および第２改質ガスバルブ５３ａを開き、燃焼用燃料バルブ３７ａおよびオフガスバルブ５２ａを閉じて、燃料ポンプ３３を駆動して、改質用燃料を予め設定されている流量で改質部２１に供給する（ステップ１３２）。
【００５９】
改質用燃料が投入されると、改質部２１では上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成され、ＣＯ選択酸化部２４から改質ガスが導出されるが、まだ一酸化炭素が多いので、燃料電池１０をバイパスしてバーナ２５に供給される。また、改質用燃料の投入と同時に、空気バルブ６４が開かれて空気ポンプ６３が駆動され予め設定されている酸化用空気がＣＯ選択酸化部２４に供給される。改質ガスはＣＯ選択酸化部２４にて一酸化炭素をさらに低減されてＣＯ選択酸化部２４から導出される。
【００６０】
ＣＯシフト部２３の触媒温度Ｔ３が所定温度Ｔ３ａ（例えば、２００℃）以上となると、制御装置６０は、改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定値より低くなったと判定し、すなわち起動運転が終了したと判定する（ステップ１３４で「ＹＥＳ」）。そして、制御装置６０は、第１改質ガスバルブ５１ａおよびオフガスバルブ５２ａを開き第２改質ガスバルブ５３ａを閉じて、ＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスを燃料電池１０に供給して、燃料電池１０の発電が開始される（ステップ１３６）。
【００６１】
制御装置６０は、ステップ１３６において、発電運転（定常運転）を実施する。制御装置６０は、定常運転中において、所望の出力電流（負荷装置で消費される電流・電力）となるように改質用燃料、燃焼用空気、酸化用空気、カソードエアおよび改質水を供給するように制御する。改質用燃料の供給量は、所望の出力電流に応じた供給量と改質部２１に必要な熱量に応じた供給量の合計値に設定されている。燃焼用空気の供給量および改質水の供給量は、改質用燃料の供給量に応じて決定されている。
【００６２】
制御装置６０は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があるまでは、ステップ１３８にて「ＮＯ」と判定し続けて定常運転を継続する。運転停止指示があると、ステップ１３８にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１４０に進めて燃料電池システムの運転を停止すべく規定の停止運転を実施する。
【００６３】
また、上述した酸素センサ５６ｂによって検出された酸素濃度は、酸素濃度と同時に温度センサ５６ｃによって検出される燃料ガス流路５６内の温度により補正される。具体的には、制御装置６０は、温度−飽和水蒸気圧との関係を示す飽和水蒸気圧線とに基づいて、温度センサ５６ｃによって検出された温度の飽和水蒸気圧を算出し、それを濃度換算した値を使って酸素センサ５６ｂにより検出された酸素濃度を補正する。
【００６４】
このように作動する燃料電池システムにおいて、正常に着火したと判定された時点から燃料電池システムの運転停止するまでにおいては、制御装置６０は、図４に示すフローチャートに沿って吹き消え検知も並行して実施している。バーナ２５が吹き消えると、供給されている燃焼用空気および燃焼用燃料が燃焼されないでそのままバーナ２５から導出されるので、燃焼ガス流路５６中の酸素濃度は上昇する。したがって、酸素濃度Ｎｏが規定値Ｎｏ３以上になれば、バーナ２５が吹き消えたと判定し、そうでなければ吹き消えないで燃焼していると判定する。規定値Ｎｏ３は、大気の酸素濃度（２１％）より小さく、かつ規定値Ｎｏ２より大きい値（例えば２０％）に設定されている。規定値Ｎｏ３は、設定値が小さければ吹き消えてから判定するまでの時間を短縮できるが、必要以上に小さくすると誤判定する可能性があるので、応答性・信頼性を両立するように設定されるのが好ましい。
【００６５】
酸素濃度Ｎｏが規定値Ｎｏ３以上であれば（ステップ２０２で「ＹＥＳ」）、制御装置６０は、図３に示す処理の途中で割り込み処理をして、バーナ２５が吹き消えであると判定するとともにその旨を表示（またはアナウンス）し（ステップ２０４）、燃料電池システムの起動を停止する（ステップ２０６）。酸素濃度Ｎｏが規定値Ｎｏ２未満であれば（ステップ２０２で「ＮＯ」）、制御装置６０は、図３に示すフローチャートに沿った処理を続行する。
【００６６】
なお、改質装置暖機完了（ステップ１３４）より前であれば、ステップ２０６の処理後、ステップ１０４に戻って繰り返し着火動作をしてもよく、その際、所定回数繰り返しても未着火である場合はシステムを停止し、異常表示をするようにすればよい。なお、改質装置暖機完了（ステップ１３４）後であれば、システムを停止する。
【００６７】
また、上述したように作動する燃料電池システムにおいて、正常に着火したと判定された時点から燃料電池システムの運転停止するまでにおいては、燃焼用空気の流量を次のように制御するのが好ましい。酸素センサ５６ｂによって検出される酸素濃度Ｎｏが規定値Ｎｏ４となるように、燃焼用空気ポンプ５７ａをフィードバック制御して燃焼用空気の流量を調整すればよい。この規定値Ｎｏ４は、エミッションが目標値を満足するように設定され、また、上述した吹き消え判定に使用する規定値Ｎｏ３も考慮して設定されている。
【００６８】
さらに、改質用燃料の流量を次のように制御するのが好ましい。酸素センサ５６ｂによって検出される酸素濃度Ｎｏが規定値Ｎｏ４となるように、燃料ポンプ３３をフィードバック制御して改質用燃料の流量を調整すればよい。ただし、改質用燃料の流量は、燃料電池で安定発電ができるような生成水素量範囲（水素利用率範囲）に対応した上下限流量が設定されており、その範囲に収まるようになっている。これにより、他に検出装置を設けることなく、酸素濃度検出装置だけで着火（および吹き消え）を確実に検知することができる上に、さらに燃焼状態を適切に制御することができる。
【００６９】
なお、規定値Ｎｏ４は、追い炊きラインを設けないで改質用燃料のみを燃焼する場合や、アノードオフガスのみを燃焼する場合などバーナ２５での可燃ガスの種類によってマップ化されており、そのマップに基づいて最適燃焼となるように制御されるようになっている。また、規定値Ｎｏ４は、燃焼負荷（発電負荷）によってもマップ化されており、そのマップに基づいて最適燃焼となるように制御されるようになっている。
【００７０】
上述の説明から明らかなように、この実施形態においては、制御装置６０が、酸素濃度検出装置である酸素センサ５６ｂによって検出された酸素濃度に基づいて燃焼部２５の着火を判定するので、従来のように着火を検出する火炎検出装置を別に設けずに、装置の大型化・高コスト化を招くことなく、着火を判定するとともに燃焼状態を監視することが可能となる。
【００７１】
また、制御装置６０は、燃焼部２５に着火指令を出した（ステップ１１４）後に、酸素濃度検出装置５６ｂによって検出された酸素濃度Ｎｏが第1判定値である規定値Ｎｏ２以下となった場合には、燃焼部２５が着火したと判定する（ステップ１２４）ので、確実に着火を判定することができる。
【００７２】
また、制御装置６０は、燃焼部２５が着火した（ステップ１２４）後に、酸素濃度検出装置５６ｂによって検出された酸素濃度Ｎｏが第２判定値である規定値Ｎｏ３以上となった場合には、燃焼部２５が吹き消えたと判定するので、着火を確実に判定することができることに加えて、装置の大型化・高コスト化を招くことなく、吹き消えも確実に判定することができる。
【００７３】
また、酸素濃度検出装置５６ｂは、燃焼ガス流路５６の途中に設けられた凝縮器５６ａの下流に配置されているので、水蒸気圧または水蒸気の影響をさらに低減した酸素濃度を得ることができ、より正確な判定をすることができる。
【００７４】
すなわち、バーナ２５に供給される可燃ガスは、燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料であったり、改質部２１から供給される改質ガスであったり、燃料電池１０からのアノードオフガスであったりするので、可燃ガスの成分比が変化する。改質ガスやアノードオフガスは、改質装置２０の運転状態や燃料電池１０の運転状態によっても、その成分比が変化するので、可燃ガスの成分比が変化する。このため燃焼ガス中の水蒸気濃度が大きく変化するため酸素センサ５６ｂで検出される酸素濃度値への影響が大きい。したがって、凝縮器５６ａで水蒸気の飽和状態を作り安定した水蒸気濃度中で酸素濃度を測定することは、正確な判定のために非常に有効な手段である。
【００７５】
また、酸素濃度検出装置５６ｂは、当該酸素濃度検出装置５６ｂを加熱することなく酸素濃度を検出可能な酸素センサであるので、加熱が必要な酸素センサ（例えば、ジルコニア型酸素センサ）を使用する場合と比べて、耐久性・信頼性・起動特性（時間）を向上することができる。
【００７６】
また、制御装置６０は、酸素濃度検出装置５６ｂによって検出された燃焼ガス流路５６中の酸素濃度を、温度検出装置５６ｃによって検出された当該燃焼ガス流路５６の温度に基づいて補正するので、水蒸気圧の影響をさらに低減した酸素濃度を得ることができ、より正確な判定をすることができる。
【００７７】
なお、上述した実施形態においては、追い炊きラインがない場合の燃料電池システムを説明したが、追い炊きラインがある場合にも、本発明を適用することができる。追い炊きラインは、バーナ２５に燃焼用燃料を直接供給する別ラインである。この場合には、起動時には、追い炊きラインのみから燃焼用燃料が供給され、水蒸気が改質部２１に供給され始めて、改質用燃料が上記同様に供給される。そして、改質部２１に熱量が不足する場合に、追い炊きラインから燃焼用燃料が補充される。この場合、酸素センサ５６ｂによって検出される酸素濃度Ｎｏが規定値Ｎｏ４となるように、追い炊きラインからの燃焼用燃料の流量をフィードバック制御すればよい。
【００７８】
また、上述した実施形態において、気体を供給するポンプにおいてはポンプの代わりにブロアを使用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明による改質装置を適用した燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す改質装置を示すブロック図である。
【図３】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図４】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２２…蒸発部、２２ａ…温度センサ、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２３ａ…温度センサ、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…バーナ（燃焼部）、３１…改質用燃料供給管、３２…燃料バルブ、３３…燃料ポンプ、３４…脱硫器、３５…改質用燃料バルブ、３７…燃焼用燃料供給管、３７ａ…燃焼用燃料バルブ、３８…ＣＯ酸化用空気供給管、３８ａ…酸化用空気ポンプ、３８ｂ…酸化用空気バルブ、４１…水蒸気供給管、４１ａ…温度センサ、４２…給水管、４３…改質水ポンプ、４４…改質水バルブ、５１…改質ガス供給管、５１ａ…第１改質ガスバルブ、５２…オフガス供給管、５２ａ…オフガスバルブ、５３…バイパス管、５３ａ…第２改質ガスバルブ、５４…カソード用空気供給管、５５…排気管、５６…燃焼ガス流路、５６ａ…凝縮器、５６ｂ…酸素センサ（酸素濃度検出装置）、５６ｃ…温度センサ（温度検出装置）、５７…燃焼用空気供給管、５７ａ…燃焼用空気ポンプ、５７ｂ…燃焼用空気バルブ、６０…制御装置、Ｌ１…第１ライン、Ｌ２…第２ライン、Ｓｆ…燃料供給源、Ｓｗ…水タンク。
【図１】
0005194373.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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