(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器の加熱方法であり、
炭化水素ガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナに供給して改質器を加熱する工程と、
改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナに供給する工程を有する改質器の加熱方法。
【請求項２】
炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質して燃料電池に供給する改質器の加熱方法であり、
改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナに供給する工程と、
ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、燃料電池を通過したオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する改質器の加熱方法。
【請求項３】
改質器の運転開始からの経過時間及び／または改質器の温度に関する指標に基づいて、第２バーナへの改質ガスの供給を停止する請求項１または２に記載の改質器の加熱方法。
【請求項４】
炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質して燃料電池に供給する改質器の加熱方法であり、
改質ガスを燃料電池に供給開始した時から燃料電池通過後のオフガス成分が安定するまでの間にオフガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナに供給する工程と、
ガス成分が安定した後のオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する改質器の加熱方法。
【請求項５】
燃料電池の運転開始からの経過時間に基づいて、第２バーナへのオフガスの供給を停止する請求項４に記載の改質器の加熱方法。
【請求項６】
炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質して燃料電池に供給する改質器の加熱方法であり、
改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナに供給する工程と、
ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、改質ガスを燃料電池に供給開始した時からガス成分が安定するまでの間に燃料電池を通過したオフガスを前記第２バーナに供給する工程と、
ガス成分が安定した後のオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する改質器の加熱方法。
【請求項７】
オフガスを第２バーナに供給開始した後に第２バーナの点火を再度行う請求項６に記載の改質器の加熱方法。
【請求項８】
炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器の加熱装置であり、
一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナと、
一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナと、
炭化水素ガスを第１バーナに供給する第１配管と、
改質ガスを第２バーナに供給する第２配管を備えた改質器の加熱装置。
【請求項９】
炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質して燃料電池に供給する改質器の加熱装置であり、
一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナと、
一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナと、
改質ガスを第２バーナに供給する第２配管と、
改質ガスを燃料電池に供給する第３配管と、
燃料電池を通過したオフガスを第１バーナに供給する第５配管と、
第２配管と第３配管の一方を開放して他方を遮断する切替え弁を備えた改質器の加熱装置。
【請求項１０】
改質ガス成分が安定した時に切替え弁を切替えて第２配管を遮断して第３配管を開放する請求項９に記載の改質器の加熱装置。
【請求項１１】
炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質して燃料電池に供給する改質器の加熱装置であり、
一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナと、
一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナと、
燃料電池を通過したオフガスを第２バーナに供給する第４配管と、
オフガスを第１バーナに供給する第５配管と、
第４配管と第５配管の一方を開放して他方を遮断する切替え弁を備えた改質器の加熱装置。
【請求項１２】
オフガス成分が安定した時に切替え弁を切替えて第４配管を遮断して第５配管を開放する請求項１１に記載の改質器の加熱装置。
【請求項１３】
炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質して燃料電池に供給する改質器の加熱装置であり、
一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナと、
一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナと、
改質ガスを第２バーナに供給する第２配管と、
改質ガスを燃料電池に供給する第３配管と、
燃料電池を通過したオフガスを第２バーナに供給する第４配管と、
オフガスを第１バーナに供給する第５配管と、
第２配管と第３配管の一方を開放して他方を遮断する第１切替え弁と、
第４配管と第５配管の一方を開放して他方を遮断する第２切替え弁を備えた改質器の加熱装置。
【請求項１４】
改質ガス成分が安定した時に第１切替え弁を切替えて第２配管を遮断して第３配管を開放し、オフガス成分が安定した時に第２切替え弁を切替えて第４配管を遮断して第５配管を開放する請求項１３に記載の改質器の加熱装置。
【請求項１５】
第１切替え弁を切替えた時から所定時間の間、点火動作を行なう点火装置を備えた請求項１４に記載の改質器の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器の加熱方法と加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
改質器で炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質するためには、改質器を高温に加熱する必要がある。従来の改質器の加熱装置の一例を図３を参照して説明する。図３は改質器によって改質された改質ガスを燃料電池に供給して発電するシステムの一部を示している。
図３に示す燃料電池発電システムは、改質器４２と、燃料電池３６と、バーナ４６で主に構成されている。改質器４２は、原燃料ガス（炭化水素ガス）を加熱して水素リッチな改質ガスを生成する。燃料電池３６は、改質器４２で生成された水素リッチな改質ガスを使って発電する。バーナ４６は、ガスと、燃焼ファン４６ｃによって供給された一次空気を混合室４６ｂで混合して予混合ガスとし、バーナ部４６ａで全一次燃焼させ、その燃焼熱で改質器４２を加熱して改質反応を促進する。
【０００３】
ここで、バーナ４６に供給されるガスには３種類ある。
１つ目は、改質器４２で生成された改質ガスであって、燃料電池３６を通過しない改質ガスである。改質器４２の運転開始から一定時間の間は、改質器４２の温度が上昇しないため、改質ガスの成分が安定しない。改質ガスの成分が安定せず、改質ガス中の水素の量が安定しない状態の改質ガスを燃料電池３６に供給しても効率的な発電を行えない。このため、改質器４２の運転開始から一定時間の間に生成された改質ガスは、燃料電池３６を通さずにバーナ４６に戻し、改質器４２を加熱するための燃料として利用する。なお、改質ガスをバーナ４６に供給する場合は、安全弁ＳＶ１を開放し、安全弁ＳＶ２とＳＶ３を遮断する。
２つ目は、燃料電池３６を通過したオフガスである。燃料電池３６で発電に利用できる水素は最大でも改質ガス中の水素の約７５〜８０％程度であり、残りの約２０〜２５％の水素は利用されないまま燃料電池３６を通過する。このため、オフガスを改質器４２を加熱するための燃料として用いることで、オフガスの有効利用を図る。なお、このオフガスも、燃料電池３６の発電開始から一定時間の間は、ガス成分が安定しないという特性を持っている。オフガスをバーナ４６に供給する場合は、安全弁ＳＶ１を遮断し、安全弁ＳＶ２とＳＶ３を開放する。
３つ目は、都市ガスやプロパンガス等の炭化水素を含む原燃料ガスである。この原燃料ガスは、バーナ４６に上記したオフガスが供給されるまでは主たる燃料として供給され、オフガスが供給され始めた後は補助の燃料として供給される。なお、原燃料ガスの供給量は比例弁ＲＶで調整される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
改質器４２を加熱するバーナ４６に、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式のバーナを用いると、空気過剰率を低く設定することができるために燃焼温度を高くすることができる。このために、効率よく改質器４２を加熱できる。
しかしながら、バーナ４６に供給されるガスのうち、燃料電池３６に供給できないガス成分が不安定でかつ水素濃度の高い改質ガスを全一次燃焼方式のバーナ４６で燃焼させると、逆火（燃焼速度が混合気の流速を上回って火炎がバーナ部４６ａ内に侵入する現象）が生じやすいという問題があった。全一次燃焼方式は燃焼に必要な空気全てを燃焼前にガスと混合させることから燃焼速度が速く、そのうえ成分が安定していないとはいえ水素を多量に含んだ改質ガスやオフガスを燃焼させるので、燃焼速度が非常に速くなってしまうからである。
また、配管Ａ、Ｂをオフガスが流れて全一次燃焼方式のバーナ４６へ供給されるまでには時間差がある。配管Ａ、Ｂ内にはエアが入っている場合もあり、オフガスとしての発熱量が予測できない。このため、全一次燃焼方式のバーナ４６での発生熱量が極端に落ち込み、リフトや失火等の燃焼不良が生じやすいという問題もあった。
このように従来の改質器加熱技術では、燃焼効率の高いにもかかわらず、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式のバーナを利用しにくいという問題があった。
上記した問題のうち、改質器の運転開始直後に発生する改質ガスを燃焼させるのに燃焼効率の高いバーナを利用しにくいという問題は、燃料電池に水素リッチな改質ガスを供給する改質器に限られず、炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器に共通する問題である。例えば、得られた水素を燃料電池以外で用いるために使用される改質器にも同じ問題が存在する。
【０００５】
本発明は、上記の問題を解決し、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式のバーナを用いて効率的に改質器を加熱することができ、しかも、ガス成分が安定しない間の改質ガスやオフガスを安全に燃焼させて改質器を加熱する技術を実現する。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
本発明の一つの加熱方法は、炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器の加熱方法であり、炭化水素ガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナに供給して改質器を加熱する工程と、改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナに供給する工程を有する（請求項１）。
ここで、「一次空気比が高いブンゼン燃焼方式」とは、一次空気比が約０．７〜１．０の場合をいい、「一次空気比が低いブンゼン燃焼方式」とは、一次空気比が約０〜０．５の場合をいう。
第１バーナは、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式であるため、燃焼効率が高いというメリットがある。反面、逆火しやすいというデメリットもある。一方、第２バーナは、一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式であるため、逆火等の燃焼不良が生じる可能性は小さいというメリットがある。
本加熱方法によると、炭化水素ガスを第１バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。炭化水素ガスの場合、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式で燃焼させても、燃焼不良は生じない。また、第２バーナに供給する改質ガスの成分が不安定でも、一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式で燃焼させるために、燃焼不良は生じない。
【０００７】
本発明の他の一つの加熱方法は、改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナに供給する工程と、ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、燃料電池を通過したオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する（請求項２）。
本加熱方法によると、改質器の運転開始時から改質ガス成分が安定するまでの間の改質ガスを第２バーナに供給することで、逆火を生じにくくすることができる。また、改質ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、燃料電池から通過したオフガスを第１バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【０００８】
上記の加熱方法では、改質器の運転開始からの経過時間及び／または改質器の温度に関する指標に基づいて、第２バーナへの改質ガスの供給を停止することが好ましい（請求項３）。
この加熱方法によると、簡単な方法で改質ガスの成分が安定するまでの間は第２バーナを用い、安定した後には燃焼効率の高い第１バーナを用いることができる。
【０００９】
本発明の他の一つの加熱方法は、改質ガスを燃料電池に供給開始した時から燃料電池通過後のオフガス成分が安定するまでの間にオフガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナに供給する工程と、ガス成分が安定した後のオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する（請求項４）。
本加熱方法によると、改質ガスを燃料電池に供給開始した時からガス成分が安定するまでの間に燃料電池を通過したガス成分が不安定なオフガスを第２バーナに供給するのでリフトや失火等の燃焼不良を生じにくくすることができる。また、オフガス成分が安定した後のオフガスを第１バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【００１０】
上記の加熱方法では、燃料電池の運転開始からの経過時間に基づいて、第２バーナへのオフガスの供給を停止することが好ましい（請求項５）。
この加熱方法によると、簡単な方法でオフガスのガス成分が安定するまでは第２バーナを利用し、安定した後は燃焼効率の高い第１バーナを利用することができる。
【００１１】
本発明の他の一つの加熱方法は、改質器の運転開始時からガス成分が安定するまでの間の改質ガスを一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナに供給する工程と、ガス成分が安定した後の改質ガスを燃料電池に供給し、改質ガスを燃料電池に供給開始した時からガス成分が安定するまでの間に燃料電池を通過したオフガスを前記第２バーナに供給する工程と、ガス成分が安定した後のオフガスを一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナに供給して改質器を加熱する工程を有する（請求項６）。
本加熱方法によると、成分が安定するまでの間の改質ガスまたはオフガスを第２バーナに供給することで、逆火、あるいはリフトや失火等の燃焼不良の発生を防止することができる。また、オフガス成分が安定した後のオフガスを第１バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【００１２】
上記の加熱方法では、オフガスを第２バーナに供給開始した後に第２バーナの点火を再度行うことが好ましい（請求項７）。
第２バーナに供給するガスを改質ガスからオフガスに切替える場合、第２バーナに供給されるガスは、改質ガスからはオフガスに直接に切替わるのではなく、オフガス流路内に滞留していたエア等がオフガスに先立って供給される。この結果、第２バーナに供給されるガスは、改質ガスからエア、エアからオフガスの順に切替わる。第２バーナにエアが供給される間に、第２バーナが失火する場合も多い。この加熱方法によると、オフガスを第２バーナに供給し始めた後に第２バーナの点火を再度行うことから、エア等によって失火しても、オフガスを燃焼させることができる。
【００１３】
本発明は、また、炭化水素ガスを水素ガスを含む改質ガスに改質する改質器の新たな加熱装置を実現した。この加熱装置は、一次空気比が高いブンゼン燃焼方式または全一次燃焼方式の第１バーナと、一次空気比が低いブンゼン燃焼方式または全二次燃焼方式の第２バーナと、炭化水素ガスを第１バーナに供給する第１配管と、改質ガスを第２バーナに供給する第２配管を備える（請求項８）。
本加熱装置によると、第１配管を通じて炭化水素ガスを第１バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。また、改質器の運転開始時から改質ガス成分が安定するまでの間の改質ガスを第２配管を通じて第２バーナに供給して改質器を加熱することで、逆火を生じにくくすることができる。
【００１４】
本発明の他の一つの加熱装置は、第１バーナと、第２バーナと、改質ガスを第２バーナに供給する第２配管と、改質ガスを燃料電池に供給する第３配管と、燃料電池を通過したオフガスを第１バーナに供給する第５配管と、第２配管と第３配管の一方を開放して他方を遮断する切替え弁を備える（請求項９）。
本加熱装置によると、改質器の運転開始時から改質ガス成分が安定するまでの間の改質ガスを、第２配管を通じて第２バーナに供給することで、逆火を生じにくくすることができる。また、改質ガス成分が安定した後の改質ガスを第３配管を通じて燃料電池に供給し、燃料電池を通過したオフガスを第５配管を通じて第１バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【００１５】
上記の加熱装置では、改質ガス成分が安定した時に切替え弁を切替えて第２配管を遮断して第３配管を開放することが好ましい（請求項１０）。
この加熱装置のように切替え弁を切替えることで、各ガスの各バーナへの供給を適切に行うことができる。
【００１６】
本発明の他の一つの加熱装置は、第１バーナと、第２バーナと、燃料電池を通過したオフガスを第２バーナに供給する第４配管と、オフガスを第１バーナに供給する第５配管と、第４配管と第５配管の一方を開放して他方を遮断する切替え弁を備える（請求項１１）。
本加熱装置によると、改質ガスを燃料電池に供給開始した時からオフガス成分が安定するまでの間に燃料電池から通過したオフガスを第４配管を通じて第２バーナに供給することで、逆火を生じにくくすることができる。また、オフガス成分が安定した後のオフガスを第５配管を通じて第１バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【００１７】
上記の加熱装置では、オフガス成分が安定した時に切替え弁を切替えて第４配管を遮断して第５配管を開放することが好ましい（請求項１２）。
この加熱装置のように切替え弁を切替えることで、オフガスの各バーナへの供給を適切に行うことができる。
【００１８】
本発明の他の一つの加熱装置は、第１バーナと、第２バーナと、改質ガスを第２バーナに供給する第２配管と、改質ガスを燃料電池に供給する第３配管と、燃料電池を通過したオフガスを第２バーナに供給する第４配管と、オフガスを第１バーナに供給する第５配管と、第２配管と第３配管の一方を開放して他方を遮断する第１切替え弁と、第４配管と第５配管の一方を開放して他方を遮断する第２切替え弁を備える（請求項１３）。
本発明の加熱装置によると、成分が安定するまでの間の改質ガスまたはオフガスを、それぞれ第２配管と第４配管を通じて第２バーナに供給することで、逆火を生じにくくすることができる。また、オフガス成分が安定した後のオフガスを、第５配管を通じて第１バーナに供給して改質器を加熱することで、改質器の加熱効率を高くすることができる。
【００１９】
上記の加熱装置では、改質ガス成分が安定した時に第１切替え弁を切替えて第２配管を遮断して第３配管を開放し、オフガス成分が安定した時に第２切替え弁を切替えて第４配管を遮断して第５配管を開放することが好ましい。（請求項１４）。
本発明の加熱装置のように切替え弁を切替えることで、各ガスの各バーナへの供給を適切に行うことができる。
【００２０】
上記の加熱装置では、第１切替え弁を切替えた時から所定時間の間、点火動作を行なう点火装置を備えることが好ましい（請求項１５）。
本加熱装置によると、点火装置によって第１切替え弁を切替えた時から所定時間点火を行うことから、エア等が流入して失火していても、オフガスを燃焼させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明を具現化した好適な実施例について、図を参照して説明する。まず、本実施例の燃料電池発電システムの構成を図１を参照して説明する。
図１に示すように、原燃料ガス供給ユニット２２は、改質器バーナ４６と改質器４２の両方に向けてプロパンガス等の炭化水素系燃料から構成される原燃料ガスを供給する。改質器バーナ４６には、第１配管２３ａと、この第１配管２３ａに設けられた元弁Ｖ２と、安全弁ＳＶ１と、比例弁ＲＶを通じて原燃料ガス供給される。一方、改質器４２へ向けて供給される原燃料ガスは、元弁Ｖ１を通じてまず脱硫器２４に入る。脱硫器２４は、原燃料ガス中の硫黄成分を除去する部分である。この硫黄成分が元で生成された二酸化硫黄は改質器４２の触媒活性を無くさせるため、硫黄成分を除去する必要がある。脱硫器２４から出た原燃料ガスは水と混合される。
【００２２】
水と混合された原燃料ガスは改質器４２に入り、水は水蒸気となる。改質器４２は、原燃料ガスを加熱して水素リッチな改質ガスを生成する部分である。改質反応は触媒を使用した熱分解反応であり、生成された改質ガスは、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４の成分から構成される。コールドスタートの場合、１０分程度で改質が始まり、水素リッチな改質ガスが徐々に生成される。そして約１時間ほど経過すると、改質器４２は約７００〜８００℃に昇温され、成分の安定した改質ガスが生成される。
【００２３】
改質器４２から出た改質ガスはシフト部３０に入る。シフト部３０は、生成された改質ガス（約１％のＣＯを含む）の温度を約２００〜３００℃にすることで、ＣＯを酸化させＣＯ２にすることによってＣＯ濃度を低下させる部分である。ＣＯは燃料電池３６を被毒し性能を低下させるため、燃料電池３６が固体高分子型の場合、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に抑える必要がある。シフト部３０から出た改質ガスは選択酸化部３２に入る。選択酸化部３２は、改質ガスの温度を約１００〜２００℃に下げるとともに少量の空気を入れることでＣＯだけをさらに酸化させ、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にする部分である。シフト部３０だけではＣＯ濃度が充分に下がらないからである。
【００２４】
選択酸化部３２から出た改質ガスは第３配管２３ｃと安全弁ＳＶ５を通じて燃料電池３６に入るか、あるいは第２配管２３ｂと安全弁ＳＶ４を通じて水供給ユニット３８に入る。燃料電池３６では、改質器４２で生成された水素リッチな改質ガスと空気中の酸素を元に発電する。空気は燃料電池３６に接続されたエアーポンプ３４によって供給される。燃料電池３６からはオフガスが出され、このオフガスは第４配管２３ｄ（この部分は第５配管２３ｅと共用している）と安全弁ＳＶ６を通じて水供給ユニット３８に入る。水供給ユニット３８は、改質ガスまたはオフガス中の水分が改質器バーナ４６や後記するパイロットバーナ５４に入らないようにするためのトラップの役割を果たす。また、水供給ユニット３８は、ウォータポンプ２８を介して改質器４２に水を供給する役割も果たす。水供給ユニット３８から出たオフガスは第４配管２３ｄと安全弁ＳＶ３を通じてパイロットバーナ５４に供給されるか、あるいは第５配管２３ｅと安全弁ＳＶ２を通じて改質器バーナ４６に供給される。
【００２５】
改質器バーナ４６は全一次燃焼方式であり、バーナ部（セラミックバーナ）４６ａと、混合室４６ｂと、燃焼ファン４６ｃを備えており、バーナ部４６ａの炎を検知するフレームロッド４４が取り付けられている。改質器バーナ４６は、ガスと、燃焼ファン４６ｃによって供給された一次空気を混合室４６ｂで混合して予混合ガスとし、バーナ部４６ａで全一次燃焼させ、その燃焼熱を改質器４２に加えて改質反応を促進する。一方、パイロットバーナ５４は全二次燃焼方式であり、バーナ部（３本のブンゼンバーナ）５４ａと、混合室５４ｂと、燃焼ファン５４ｃを備えており、バーナ部５４ａの炎を検知するフレームロッド５２が取り付けられている。パイロットバーナ５４は、ノズル（図示省略）から噴出したガスと、その周囲の空気（二次空気）を混合して燃焼させる。なお、改質器バーナ４６とパイロットバーナ５４には、点火装置であるスパーカ５０が接続されている。
【００２６】
上記した安全弁ＳＶ１〜ＳＶ３、比例弁ＲＶ、燃焼ファン４６ｃ、５４ｃ、フレームロッド４４、５２、スパーカ５０等は、電子基板５８に接続されている。この電子基板５８はメイン基板４０に接続されている。
電子基板５８は、メイン基板４０からの運転開始・停止信号に応じて燃料電池発電システムの運転を開始・停止する。また、メイン基板４０からの必要インプット信号に応じて、比例弁ＲＶに供給する電流の量や、改質器バーナ４６の燃焼ファン４６ｃの回転数を調整する。また、メイン基板４０からの燃焼モード切替信号に応じて、各安全弁ＳＶ１〜ＳＶ３の開放・遮断状態を切替える。
【００２７】
次に、本実施例の燃料電池発電システムの動作を図２のタイミングチャートを主に参照して説明する。
図２に示すように、時間Ｔ１に、図１に示すメイン基板４０から電子基板５８に運転開始信号が送られると、改質器バーナ４６は燃焼ファン４６ｃにより、またパイロットバーナ５４は燃焼ファン５４ｃにより、それぞれ混合室４６ｂ、５４ｂ内の未燃ガスを追い出すためにプリパージが行われる。時間Ｔ２には、点火動作が開始され、点火時の爆発的点火を防止するためにまず緩点火での点火動作が行われる。この結果、各燃焼ファン４６ｃ、５４ｃは緩点火における回転数で回転する。時間Ｔ３には、各ガス弁（安全弁ＳＶ１、ＳＶ３、ＳＶ４、比例弁ＲＶ、元弁Ｖ１、Ｖ２）が開放されるとともに、スパーカ５０が作動して改質器バーナ４６とパイロットバーナ５４の点火が行われる。この結果、改質器４２には元弁Ｖ１を通じて原燃料ガスが供給される。一方、改質器バーナ４６には、第１配管２３ａと、元弁Ｖ２、安全弁ＳＶ１、比例弁ＲＶを通じて原燃料ガスが供給されて燃焼が開始される。パイロットバーナ５４には、第２配管２３ｂと、安全弁ＳＶ４、ＳＶ３を通じて改質器４２で生成された改質ガス（燃料電池３６に供給される前のガス）が供給されて燃焼が開始される。
【００２８】
なお、この時点では安全弁ＳＶ５、ＳＶ６は遮断状態となっているため、燃料電池３６に改質ガスは供給されていない。このため、燃料電池３６からはオフガスは出されていない。また、この時点では安全弁ＳＶ２は遮断状態となっているため、改質器４２で生成された改質ガスは改質器バーナ４６には供給されていない。
【００２９】
時間Ｔ４に改質器バーナ４６のフレームロッド（ＦＲ）４４が炎を検知してオンすると、電子基板５８は、改質器バーナ４６が最大の燃焼状態となるように各部を制御する。具体的には、改質器バーナ４６の燃焼ファン４６ｃを最大ガス量の燃焼状態になる回転数とし、比例弁ＲＶに最大電流を流す。同様に、時間Ｔ５にパイロットバーナ５４のフレームロッド５２が炎を検知してオンすると、電子基板５８は、パイロットバーナ５４の燃焼ファン５４ｃを全二次に近い燃焼状態になる回転数とするとともに、スパーカ５０を停止する。時間Ｔ５以後に、改質器４２の温度が上昇してくると、目標に到達するのに必要なガス量がメイン基板４０で演算される。そして、その必要なガス量に応じた必要インプット信号が電子基板５８に適宜送られる。この信号に応じて電子基板５８は、比例弁ＲＶに流す電流の量や改質器バーナ４６の燃焼ファン４６ｃの回転数を適宜制御する。
【００３０】
その後、改質器４２で生成される改質ガスの成分が安定したと検知された時間Ｔ６において、メイン基板４０から電子基板５８に燃焼モード切替信号が送られる。本実施例では、改質器４２の温度によって改質ガス成分が安定したことを検知する。具体的には、改質器４２の温度が所定温度（約７００〜８００℃が好適である）になったこと検知した時点でメイン基板４０から燃焼モード切替信号が送られる。なお、メイン基板４０で改質器４２の運転開始からの時間が所定時間（約５０〜７０分が好適である）計時された時点で改質ガス成分が安定したと検知して燃焼モード切替信号を送ってもよい。また、所定値内の温度変動幅（例えば基準値を７５０℃とした場合に、基準値に対し約±５０℃以内の変動幅）が所定時間（例えば約５分程度）続いた場合に改質ガス成分が安定したと検知して燃焼モード切替信号を送ってもよい。
【００３１】
このように時間Ｔ６に電子基板５８が燃焼モード切替信号を受信すると、電子基板５８は、他の制御基板（図示省略）に制御信号を送り、その制御基板は安全弁ＳＶ４を遮断し、安全弁ＳＶ５とＳＶ６を開放するように制御する。この結果、燃料電池３６を通過したオフガスが、第３配管２３ｃと第４配管２３ｄを通じてパイロットバーナ５４に供給される。即ち、パイロットバーナ５４に供給されるガスは、燃料電池３６に入る前の改質ガスから、燃料電池３６を通過したオフガスに切替えられる。
【００３２】
パイロットバーナ５４に供給するガスをオフガスに切替えても、パイロットバーナ５４には、オフガスが直ちに流入せずにオフガス流路内に滞留していたエア等がまず流入するのが通常である。このため、時間Ｔ６にパイロットバーナ５４に供給されるガスがオフガスに切替えられた後は、上記エア等によってパイロットバーナ５４は失火する場合がある。このため、本実施例では、時間Ｔ６にパイロットバーナ５４に供給されるガスがオフガスに切替えられた後の所定時間、スパーカ５０によってパイロットバーナ５４の点火を再度行う。これにより、エア等が流入してパイロットバーナ５４が失火していても、オフガスを燃焼させることができる。
そして、パイロットバーナ５４内にオフガスが供給され、時間Ｔ７でパイロットバーナ５４が再度点火して、パイロットバーナ５４のフレームロッド５２が炎を検知してオンすると、スパーカ５０が停止する。
【００３３】
その後、上記した改質ガスの場合と同様に、改質器４２から通過したオフガスの成分が安定したと検知された時間Ｔ８において、メイン基板４０から電子基板５８に燃焼モード切替信号が送られる。本実施例では、メイン基板４０で燃料電池３６の運転開始からの時間が所定時間（約１０〜５０分が好適である）計時された時点でオフガス成分が安定したと推定して燃焼モード切替信号を送る。このように時間Ｔ８に電子基板５８が燃焼モード切替信号を受信すると、電子基板５８は、安全弁ＳＶ２を開放し、安全弁ＳＶ３を遮断するように制御する。この結果、燃料電池３６を通過したオフガスは、第５配管２３ｅを通じて改質器バーナ４６に供給される。即ち、オフガスの供給先がパイロットバーナ５４から改質器バーナ４６に切替えられる。
【００３４】
時間Ｔ８での安全弁ＳＶ２とＳＶ３の切替え動作によって改質器バーナ４６が失火するおそれがあるため、予備動作としてスパーカ５０を作動させる。同時に、燃焼が停止したパイロットバーナ５４は燃焼ファン５４ｃにより混合室５４ｂ内の未燃ガス等を追い出すためにポストパージが行われる。その後、時間Ｔ９にメイン基板４０から電子基板５８に運転停止信号が送られると、この信号に応じて電子基板５８は各弁（安全弁ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ５、ＳＶ６、比例弁ＲＶ）を遮断し、燃料電池発電システムの運転を停止する。ただし、時間Ｔ９からＴ１０にかけて改質器バーナ４６では、燃焼ファン４６ｃによりポストパージを行う。
【００３５】
以上、本発明の実施例の燃料電池発電システムについて説明したが、本発明の適用範囲は上記の実施例になんら限定されるものではない。すなわち、本発明は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の燃料電池発電システムを示した図。
【図２】同システムのタイミングチャートを示した図。
【図３】従来の燃料電池発電システムの一部を示した図。
【符号の説明】
Ｖ１、Ｖ２：元弁
ＳＶ１〜ＳＶ６：安全弁
ＲＶ：比例弁
２２：原燃料ガス供給ユニット
２３ａ〜ｅ：第１〜第５配管
２４：脱硫器
２８：ウォータポンプ
３０：シフト部
３２：選択酸化部
３４：エアーポンプ
３６：燃料電池
３８：水供給ユニット
４０：メイン基板
４２：改質器
４４：フレームロッド（改質器バーナ用）
４６：改質器バーナ（第１バーナの一例）
４６ａ：バーナ部、４６ｂ：混合室、４６ｃ：燃焼ファン
５０：スパーカ
５２：フレームロッド（パイロットバーナ用）
５４：パイロットバーナ（第２バーナの一例）
５４ａ：バーナ部、５４ｂ：混合室、５４ｃ：燃焼ファン
５８：電子基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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