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JPWO2008108069A1 - 水素生成装置およびその運転方法、並びに燃料電池システム、 - Google Patents

水素生成装置およびその運転方法、並びに燃料電池システム、 Download PDF

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Abstract

原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器（１）と、改質器（１）を加熱する燃焼器（２）と、改質器（１）より送出されるガスを燃焼器（２）に供給する第１のガス供給路または燃焼器（２）に原料ガスを供給する第２のガス供給路と、燃焼器（２）において着火動作をする着火器（４）と、改質器（１）または燃焼器（２）に供給される原料ガスを昇圧する昇圧器（１７）と、改質器（１）または燃焼器（２）に供給する原料ガス流量を調整する流量調整弁（１８）と、制御器（２５）と、を備え、制御器（２５）は、着火器（４）の着火動作期間中において、昇圧器（１７）を動作させて燃焼器（２）に原料ガスを供給するとともに、流量調整弁（１８）の開度を着火動作期間での目標原料流量に対応した目標開度Ｕｃよりも小さい初期開度Ｕｓから目標開度Ｕｃに向けて大きくなるように制御する、水素生成装置。

Description

本発明は、水素生成装置およびその運転方法、並びに燃料電池システムに関する。特に、加熱によって原料を水素リッチな水素含有ガスに改質する水素生成装置と、空気を利用して可燃性ガスを燃焼させて前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、を有する燃料電池システムに関する。
従来の燃料電池システムとしては、図６に示すようなシステムが提供されていた。
図６における燃料電池システム１０１は、燃料処理装置１０２と、固体高分子電解質形燃料電池である燃料電池スタック１０３と、制御装置１０４と、炭化水素系燃料としての改質用原料を供給する改質用原料供給部１１１と、燃焼燃料としての、あるいは炭化水素系燃料としての燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給部１１４と、燃焼空気としての燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部１１０と、改質ガスを搬送する第１改質ガス搬送ライン１１６と、アノードオフガスとしてのオフガスを搬送する第１オフガス搬送ライン１１７と、スタック用空気を供給するスタック用空気供給部１１９と、燃焼排ガスを搬送する燃焼排ガス搬送ライン１２９と、を含んで構成される。また、燃料処理装置１０２は、改質触媒を充填する改質触媒部１２１と、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減するための変成触媒を充填する変成触媒部１２２と、変成後に改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減するための選択酸化触媒を充填する選択酸化触媒部１２３と、バーナ部１２５と、燃焼排ガス通路１２８と、燃焼排ガス通路１２８内部に設置され、燃焼触媒が充填された燃焼触媒部１２６と、バーナ部１２５内に設置された点火装置としてのイグナイタ１３６と、を備えている。
また、バーナ部１２５には、起動時、あるいは通常運転中の助燃時に燃焼用原料用のブロワ１４１により搬送された燃焼用原料が燃焼用原料供給部１１４から供給される。燃焼用原料供給部１１４に設置された燃焼用原料用の調節弁１４２は、制御器１０４からの流量制御信号を受け、流量制御信号に対応する流量の燃焼用ガスを流すよう所定の開度に制御される（例えば、特許文献１参照）。
そして、着火時には、イグナイタ１３６によって、電圧をかけて放電することにより、燃焼用原料と燃焼用空気が供給されたバーナ部１２５内に燃焼を起こすことが行われている。
特開２００４−１６８６３０号公報（第６−８頁、図１−図２）
このような燃料電池システム１０１における改質用原料や燃焼用原料としては、特許文献１に記載されているように都市ガス１３Ａが一般的である。都市ガス１３Ａは一般的には供給圧が１．０〜２．５ｋＰａ（ゲージ圧）で供給されているが、改質用原料及びこれを改質した水素含有ガスの流路構成、もしくは燃焼用原料の流路構成によっては流路全体の圧力損失を考慮すると、上記ゲージ圧のみでは足らず、改質用原料や燃焼用原料はブロワ、ポンプ等の昇圧器で昇圧した後、おのおの改質触媒部１２１およびバーナ部１２５に供給する場合がある。当然、着火動作のときにおいても、昇圧器で昇圧させた原料をバーナ部１２５内で着火・燃焼させることになる。
ところで、このような燃料電池システム１０１のバーナ部１２５への着火において、ガス給湯器と同様の着火方法をとると以下のような課題があった。すなわち、ガス給湯器のように燃焼部に供給される原料が着火動作時の目標原料流量に対応して予め設定されている開度に固定制御した状態で着火させた場合、燃料電池システム１０１の昇圧器の昇圧精度の物間バラツキや昇圧器の運転開始時における動作の不安定さにより、供給する流量バラツキが大きくなる。特に、燃料電池システム１０１では、昇圧器は、灯油等のような液体を昇圧するのではなく、都市ガス等のような気体を昇圧するため、供給する流量のバラツキが大きくなる。このため、想定量以上の原料がバーナ部１２５に供給され、バーナ部１２５内部での爆発的な燃焼による大きな燃焼音、原料が濃いことによる不安定燃焼、原料が濃すぎて、その濃度が燃焼上限界以上になり着火失敗というような異常を引き起こす場合がある、いう課題があった。
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、昇圧器で昇圧された原料を用いて燃焼する燃焼器の着火性が向上する水素生成装置および、これを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、第１の本発明の水素生成装置は、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路または前記燃焼器に原料ガスを供給するための第２のガス供給路と、前記燃焼器において着火動作をするための着火器と、前記改質器または前記燃焼器に供給される原料ガスを昇圧する昇圧器と、前記改質器または前記燃焼器に供給する原料ガス流量を調整する流量調整弁と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路または前記第２のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するとともに、前記流量調整弁の開度を前記着火動作期間での目標原料流量に対応した目標開度Ｕｃよりも小さい初期開度Ｕｓから該目標開度Ｕｃに向けて前記流量調整弁の開度を大きくなるように制御するよう構成されていることを特徴とする。
また、第２の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路を備え、前記制御器は、前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するように構成されていることを特徴とする。
また、第３の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記制御器は、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕｓから緩やかに大きくなるように制御することを特徴とする。
また、第４の本発明の水素生成装置は、前記制御器は、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕから段階的に大きくなるように制御することを特徴とする。
また、第５の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記着火動作期間とは、前記着火器が着火動作を継続している期間であることを特徴とする。
また、第６の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記初期開度Ｕｓは、前記着火動作期間中に前記燃焼器に供給される燃焼用空気量に対する前記燃焼器に供給される原料ガス量が該原料ガスの濃度の燃焼下限界未満になるような前記流量調整弁の開度に設定されていることを特徴とする。
また、第７の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記制御器は、前記着火動作期間中の着火動作によって着火しなかったため、次の着火動作を行なう際に、該次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前の着火動作期間中の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅに設定して前記着火器により次の着火動作を開始することを特徴とする。
また、第８の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記制御器は、前の着火動作時の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅが前記目標開度Ｕｃになると、次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前記目標開度Ｕｃに設定して前記着火器により次の着火動作を開始することを特徴とする。
また、第９の本発明の燃料電池システムは、第１の本発明から第８の本発明の水素生成装置と、前記水素生成装置により生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えることを特徴とする。
また、第１０の本発明の水素生成装置の運転方法は、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路または前記燃焼器に原料ガスを供給するための第２のガス供給路と、前記燃焼器において着火動作をするための着火器と、前記改質器または前記燃焼器に供給される原料ガスを昇圧する昇圧器と、前記改質器または前記燃焼器に供給する原料ガス流量を調整する流量調整弁と、を備える水素生成装置の運転方法であって、前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路または前記第２のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するとともに、前記流量調整弁の開度を前記着火動作期間での目標原料流量に対応した目標開度Ｕｃよりも小さい初期開度Ｕｓから該目標開度Ｕｃに向けて前記流量調整弁の開度を大きくすることを特徴とする。
また、第１１の本発明の水素生成装置の運転方法は、第１０の本発明の水素生成装置の運転方法において、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕから段階的に大きくすることを特徴とする。
また、第１２の本発明の水素生成装置の運転方法は、第１０の本発明の水素生成装置の運転方法において、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕｓから緩やかに大きくすることを特徴とする。
また、第１３の本発明の水素生成装置の運転方法は、第９の本発明の水素生成装置の運転方法において、前記初期開度Ｕｓは、前記着火動作期間中に前記燃焼器に供給される燃焼用空気量に対する前記燃焼器に供給される原料ガス量が該原料ガスの濃度の燃焼下限界未満になるような前記流量調整弁の開度に設定されていることを特徴とする。
また、第１２の本発明の水素生成装置の運転方法は、第９の本発明の水素生成装置の運転方法において、前記着火動作期間中の着火動作によって着火しなかったため、次の着火動作を行なう際に、該次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前の着火動作期間中の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅに設定して前記着火器により次の着火動作を開始することを特徴とする。
さらに、第１３の本発明の水素生成装置の運転方法は、第１２の本発明の水素生成装置の運転方法において、前の着火動作時の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅが前記目標開度Ｕｃになると、次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前記目標開度Ｕｃに設定して前記着火器により次の着火動作を開始することを特徴とする。
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。
本発明によれば、着火時において燃焼器内の可燃ガス濃度を低濃度から徐々に上昇させるよう制御されるため昇圧器の昇圧精度のバラツキがあっても爆着、不安定燃焼、着火失敗等の問題を起こすことなく安定した着火を行なうことができ、着火性の向上を実現することが可能な水素生成装置およびこれを用いた燃料電池システムを提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１における着火動作のフローチャートである。 図３は、本発明の実施の形態１における流量調整弁開度と可燃ガス濃度の相関図である。 図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である。 図５は、本発明の実施の形態２における着火動作の制御プログラムを示すフローチャートである。 図６は、従来の燃料電池システムの構成図である。 図７は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図である。 図８は、本発明の実施の形態３における着火動作の制御プログラムを示すフローチャートである。
符号の説明
１ 改質器
２ バーナ
３ 燃焼ファン
４ 着火器
５ 着火検知器
６ 燃料電池
６ａ アノードガス流路
６ｂ カソードガス流路
７ 水素含有ガス供給路
７ａ 第１水素含有ガス供給路
７ｂ 第２水素含有ガス供給路
８ アノードオフガス流路
９ 切替弁
１０ バイパス流路
１１ 逆流防止弁
１２ バーナ前遮断弁
１３ 原料ガス供給路
１４ 原料ガス供給元弁
１５ 脱硫器
１６ 流量計
１７ 昇圧器
１８ 流量調整弁
１９ 原料ガス遮断弁
２０ 燃焼ガス供給路
２１ 燃焼ガス遮断弁
２２ 空気供給路
２３ 空気ブロワ
２４ カソードオフガス流路
２５ 制御器
２６ 弁開度調整手段
２７ Ｕｓ再設定手段
５０ 水素生成装置
５１ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池システム
１０２ 燃料処理装置
１０３ 燃料電池スタック
１０４ 制御装置
１１０ 燃焼用空気供給部
１１１ 改質用原料供給部
１１４ 燃焼用原料供給部
１１６ 第１改質ガス搬送ライン
１１７ 第１オフガス搬送ライン
１１９ スタック用空気供給部
１２９ 燃焼排ガス搬送ライン
１２１ 改質触媒部
１２２ 変成触媒部
１２３ 選択酸化触媒部
１２５ バーナ部
１２６ 燃焼触媒部
１２８ 燃焼排ガス通路
１３６ イグナイタ
１４１ ブロワ
１４２ 調節弁
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置および、これを備える燃料電池システムを示す構成図である。
図１に示すように、本実施の形態１における水素生成装置５０は、炭化水素系の原料ガス（たとえば都市ガスなど）を水蒸気改質することにより水素リッチな水素含有ガスを生成する改質器１と、改質器１の温度維持のために原料ガスまたは生成した水素含有ガスの一部を燃焼させるバーナ（燃焼器）２と、バーナ２に燃焼用空気を供給する燃焼ファン３と、バーナ２において原料ガスまたは生成した水素含有ガスの一部を着火させる着火器４と、バーナ２での着火を検知する着火検知器５と、を備える。なお、ここでは、着火検知器５として、フレームロッドを使用しており、検知信号を後述する制御器２５に出力するように構成されている。
水素生成装置５０の改質器１には、原料ガス供給路１３の下流端が接続されており、その上流端は、都市ガスの配管（図示せず）に接続されている。また、改質器１へ原料ガスを供給する原料ガス供給路１３には、水素生成装置への原料ガスの供給・遮断を行なう原料ガス供給元弁１４と、原料ガスに含有する硫黄成分を除去する脱硫器１５と、水素生成装置に供給される原料ガス流量を検知する流量計１６と、供給される原料ガスを昇圧する昇圧器１７と、昇圧した原料ガス流量を制御する流量調整弁１８と、改質器１への原料ガスの供給・遮断を行なう原料ガス遮断弁１９が、上流から下流に向かってこの順で設けられている。
また、バーナ２へ原料ガスを供給する燃焼ガス供給路２０は流量調整弁１８と原料ガス遮断弁１９の間の原料ガス供給路１３から分岐され、バーナ２へ接続される。また、この燃焼ガス供給路２０上には原料ガスの供給・遮断を行なう燃焼ガス遮断弁２１を備える。
さらに、本発明の実施の形態１における水素生成装置５０は、該水素生成装置５０の一連の着火動作を制御する制御器２５を備える。制御器２５は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している（いずれも図示せず）。また、制御器２５は、流量計１６からの信号により流量調整弁１８の弁開度を調整する弁開度調整手段２６を備える。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、水素生成装置５０に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。そして、記憶部に格納された所定のプログラムによって、弁開度調整手段２６が実現されている。なお、本実施の形態においては、制御器２５が燃料電池システム５１に関する各種制御も行うように構成されている。
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して水素生成装置５０及び燃料電池システム５１の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器２５は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して水素生成装置５０及び燃料電池システム５１を制御するように構成されていてもよい。
なお、上記水素生成装置５０は、通常、改質器１を通過した水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するため、図示されないシフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応により一酸化炭素を低減するＣＯ除去器と、をそれぞれ備える。
また、本実施の形態１における水素生成装置５０を備える燃料電池システム５１は、上記の水素生成装置５０に加え、水素と酸素を用いて発電を行なう燃料電池６と、水素生成装置５０で生成した水素リッチな水素含有ガスを燃料電池６に供給する水素含有ガス供給路７と、燃料電池６から排出されるアノードオフガスをバーナ２へ供給するアノードオフガス流路８と、水素生成装置５０から送出される水素含有ガスを燃料電池６をバイパスしてアノードオフガス流路８へ供給するバイパス流路１０と、水素生成装置５０から送出される水素含有ガスの供給先を燃料電池６もしくはバイパス流路１０との間で切り替える切替弁９と、切替弁９によりバイパス流路１０側に切替えられた際に、バイパス流路１０を経由してアノードオフガス流路８に供給された水素含有ガスの燃料電池６への逆流を防止する逆流防止弁１１と、バーナ２への水素含有ガスまたは都市ガスの供給・遮断を行なうバーナ前遮断弁１２と、を備える。
具体的には、水素含有ガス供給路７は、第１水素含有ガス供給路７ａと第２水素含有ガス供給路７ｂを有しており、第１水素含有ガス供給路７ａの上流端は、水素生成装置５０に接続されていて、その下流端は、三方弁からなる切替弁９の第１ポートに接続されている。切替弁９の第３ポートには、第２水素含有ガス供給路７ｂの上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池６のアノードガス流路６ａの入口に接続されている。また、アノードガス流路６ａの出口には、アノードオフガス流路８の上流端が接続されていて、アノードオフガス流路８の下流端は、燃焼ガス供給路２０の途中に接続されている。一方、切替弁９の第２ポートには、バイパス流路１０の上流端が接続されていて、その下流端は、アノードオフガス流路８の途中に接続されている。そして、アノードオフガス流路８のバイパス流路１０の接続点よりも上流側には、逆流防止弁１１が設けられている。また、燃焼ガス供給路２０のアノードオフガス流路８の接続点よりも下流側には、バーナ前遮断弁１２が設けられている。
また、本実施の形態１における燃料電池システム５１は、燃料電池６に空気を供給する空気供給路２２と、外部から空気供給路２２に空気を取り込む空気ブロワ２３と、燃料電池６から排出される残余空気を排出するカソードオフガス流路２４と、を備える。具体的には、空気ブロワ２３には、空気供給路２２の上流端が接続されていて、その下流端は、カソードガス流路６ｂの入口に接続されている。また、カソードガス流路６ｂの出口には、カソードオフガス流路２４の上流端が接続されていて、その下流端は、大気に開放されている。
次に、本実施の形態１における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１の動作について、図１を参照しながら説明する。
まず、水素生成装置５０の運転開始時には、原料ガス供給元弁１４、燃焼ガス遮断弁２１、バーナ前遮断弁１２を開放し、逆流防止弁１１及び原料ガス遮断弁１９を閉止し、着火器４と昇圧器１７を作動させる。同時に制御器２５により、流量調整弁１８と燃焼ファン３を適正に制御することにより、バーナ２に燃焼用の原料ガスを燃焼ガス供給路２０を通じて供給するとともに、燃焼ファン３から燃焼用の空気をバーナ２に供給する。ついで、制御器２５により、着火器４を作動させ、バーナ２での着火を行なう。なお、バーナ２での着火については、後で詳細に述べる。
次に、制御器２５は、バーナ２での着火が完了すると、原料ガス遮断弁１９を開放し、原料ガスを改質器１に供給する。改質器１に供給された原料ガスは、高温下において水蒸気とともに改質反応され、水素リッチな水素含有ガスを生成する。同時に、改質器１から送出される水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を変成器（図示せず）及びＣＯ除去器（図示せず）を用いて燃料電池６の触媒にダメージを与えない濃度まで除去する。
燃料電池システム５１において、改質器１の起動時などの水素含有ガスに一酸化炭素が多く含まれる場合は、切替弁９の第１ポートと第２ポートを連通し、第３ポートを遮断することにより、第１水素含有ガス供給路７ａとバイパス流路１０が連通する。これにより、水素生成装置５０から第１水素含有ガス供給路７ａに供給されたガスをバイパス流路１０を介して、アノードオフガス流路８に排出する。このとき、逆流防止弁１１は閉止し、水素含有ガスの燃料電池６への逆流を防止する。アノードオフガス流路８に排出された水素含有ガスは、燃焼ガス供給路２０を通流して、改質器１を高温に保持するためのバーナ２に供給され、燃焼用ガスとして使用される。
そして、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が充分に低下すると、切替弁９の第１ポートと第３ポートを連通して、第２ポートを遮断することにより、第１水素含有ガス供給路７ａと第２水素含有ガス供給路７ｂが連通するとともに、逆流防止弁１１を開放する。これにより、水素生成装置５０で生成された水素含有ガスが、水素含有ガス供給路７を通じて燃料電池６（正確には、アノードガス流路６ａ）に供給され、また、空気ブロワ２３から空気が空気供給路２２を通じて燃料電池６（正確には、カソードガス流路６ｂ）に供給される。そして、燃料電池６に供給された水素含有ガスおよび空気は、それぞれ、アノードガス流路６ａおよびカソードガス流路６ｂを通流して、アノードおよびカソードに供給され、電気化学反応により、電気が生成する。そして、燃料電池６からは発電に用いられなかった水素と水蒸気と二酸化炭素と一酸化炭素の混合ガスが、燃料電池６のアノードガス流路６ａ出口からアノードオフガス流路８に排出される。アノードオフガス流路８に排出された水素含有ガスは、改質器１を高温に保持するためのバーナ２に供給され、燃焼用燃料として使用される。また、同様に、燃料電池６からは、発電に用いられなかった空気と発電で生成された水蒸気の混合ガスが、燃料電池６のカソードガス流路６ｂの出口からカソードオフガス流路２４に排出される。カソードオフガス流路２４に排出された混合ガスは、大気中に放出される。なお、水素生成装置５０の運転過程において、燃焼ガス供給路２０を通じての燃焼用の原料ガス供給は、改質器１から排出される水素含有ガスがバーナ２に供給された後に停止しても構わない。
次に、図２に示す着火動作の制御プログラムのフローチャートを用いて、本実施の形態１における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の着火動作について説明する。
着火動作のための制御が開始すると、制御器２５は、まず、燃焼ファン３を最大能力で３０sec間作動（ステップＳ１００）させることにより、バーナ２およびバーナ２下流の燃焼ガス流路（図示せず）内を空気でプリパージし、バーナ２内の状態を常に一定にして、着火及び燃焼に適した状態を確保する。次いで、制御器２５は、燃焼ファン３を着火させるのに最適な所定回転数に調整（ステップＳ１０１）し、着火器４を作動（ステップＳ１０２）させる。流量調整弁１８の開度Ｕは制御器２５の内部にある弁開度調整手段２６によって初期開度Ｕｓに調整（ステップＳ１０３）される。そして、制御器２５は、バーナ前遮断弁１２、原料ガス供給元弁１４、燃焼ガス遮断弁２１を開放し、逆流防止弁１１及び原料ガス遮断弁１９を閉止して、昇圧器１７を作動（ステップＳ１０４）させて着火動作を行なう。
次に、制御器２５は、着火したかどうかを着火検知器５を用いて検知（ステップＳ１０５）し、着火を検知すると着火器４を停止（ステップＳ１０６）させて、着火動作を完了する。なお、流量調整弁１８の弁の初期開度Ｕｓは、弁開度調整手段２６により調整される開度をいい、開度０％の状態から、ステップＳ１０３で、最初に弁開度調整手段２６により調整される開度をいう。また、初期開度Ｕｓは、爆発的な燃焼による大きな燃焼音を発生させないという観点から、原料ガスの濃度（原料ガスと燃焼用空気との混合ガスに対する原料ガスの濃度をいう。以下、単に「原料ガス濃度」という場合がある。）が、その燃焼下限界より小さくなる値であることが好ましい。例えば、爆発的な燃焼による大きな燃焼音を発生させない観点から、昇圧器の昇圧精度のばらつきがあってもＵＬ／２以下であることが好ましい。（ただし、ＵＬは着火動作時に燃焼ファン３からバーナ２に供給される空気量に対して燃焼下限界に相当する原料ガスが流れるときの流量調整弁１８の開度）
一方、ステップＳ１０５において着火を検知できないときは、制御器２５は、着火判定を行なう検知時間を超えたかどうかを判定する（ステップＳ１０７）。制御器２５は、検知時間を超えているときは、着火失敗と判断して着火器４の動作を停止し、着火動作を終了（ステップＳ１１０）する。
また、ステップＳ１０７において検知時間を超えていないときは、流量調整弁１８の開度Ｕは、着火動作期間における目標原料流量に対応する目標開度Ｕｃに向けて、弁開度調整手段２６によって、初期開度Ｕｓから徐々に開度を大きくしていく。つまり、制御器２５の弁開度調整手段２６は、流量調整弁１８の弁の開度Ｕが目標開度Ｕｃより小さいかどうかを判定（ステップＳ１０８）し、小さい時はΔＵだけ開度を増加（ステップＳ１０９）させる。また、大きいときは開度の増加をさせない。
具体的には、制御器２５の弁開度調整手段２６は、流量計１６から原料ガス供給路１３及び燃焼ガス供給路２０を通流して、バーナ２に供給される原料ガスの流量を取得し、着火動作期間における目標原料流量になるように、流量調整弁１８の弁の開度ＵをΔＵずつ大きくする。ここで、弁の開度Ｕの増加量ΔＵは、初期開度Ｕｓの大きさにもよるが、爆発的な燃焼による大きな燃焼音を発生させない等の観点から、小さい方が好ましく、例えば、着火までの時間を着火動作期間内にすることができるという観点から１ステップ当たり（ＵＬ−ＵＳ／Ｔ）×ΔＴより大きいことが好ましく、爆発的な燃焼による大きな燃焼音を発生させないという観点から、１ステップ当たり（Ｕｍ−ＵＳ／Ｔ）×ΔＴより小さいであることが好ましい（ただし、Ｕｍは、着火動作時に燃焼ファン３からバーナ２に供給される空気量に対して燃焼下限界に相当する原料ガスが流れるときの流量調整弁１８の開度であり、Ｔは、着火動作時間、ΔＴは１ステップ毎の時間間隔である）。また、弁の開度Ｕの増加量ΔＵは、一定であってもよく、制御器２５の弁開度調整手段２６から流量調整弁１８に制御信号が出力されるごとに異なっていてもよい。なお、ここでは、初期開度ＵｓからΔＵずつ段階的に流量調整弁１８の弁の開度を大きくしたが、これに限定されず、弁開度を初期開度Ｕｓから目標開度Ｕｃに向けて緩やかに増加させるのであれば、連続的に増加させてもよい。
そして、ステップＳ１０８及びステップＳ１０９により、流量調整弁１８の開度Ｕの判定及び調整をした後、ステップＳ１０５に戻り、着火検知器５を用いて検知を繰り返す。なお、上記着火動作期間における目標原料流量とは、バーナ２での原料ガス濃度が燃焼範囲に入り確実に着火すると想定される原料流量に相当し、本実施の形態では、１．５Ｌとする。また、上述の本実施の形態１においては、燃焼ガス供給路２０及びアノードオフガス流路８が本発明の第２のガス供給路に相当するが、あくまで一例であり、本例に限定されるものではない。さらに、上記着火動作でバーナ２内で、原料ガスが着火した後、流量調整弁１８の弁の開度Ｕが、目標開度Ｕｃにまで達していない場合には、弁開度調整手段２６は、流量調整弁１８の弁の開度Ｕを目標開度Ｕｃになるように調整する。
次に、本実施の形態における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１の作用効果について説明する。
従来のガス給湯器のように着火動作期間中、目標原料流量に対応した開度に固定した状態で原料を供給させ、着火させた場合、昇圧器１７の昇圧精度の個体差により、バーナ２に供給される原料ガス流量のバラツキが大きくなる。結果、特に想定以上の原料ガスを供給することにより、爆発的な燃焼による大きな燃焼音、原料が濃いことによる不安定燃焼や原料が濃すぎて燃焼上限界以上になり着火失敗というような異常を引き起こすことがあるが、上記本実施の形態１における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の着火動作を行なうとこの問題を解決することができる。
すなわち、着火器４を作動させた状態で流量調整弁１８の開度Ｕを、原料ガスの流量を小流量に実現する初期開度Ｕｓから、着火動作期間における目標原料流量に対応し、初期開度Ｕｓより大きい開度である目標開度Ｕｃに向けて徐々に開度を大きく制御することにより、原料ガス流量を徐々に増加させ、それにより、バーナ２での可燃ガス濃度を低濃度から徐々に上昇させることができる。そのため、昇圧器１７の昇圧精度の個体差ばらつきによる原料流量のバラツキが発生しても、空気リッチな低濃度側からの着火を行なうことができるため、爆発的な燃焼による大きな燃焼音、不安定燃焼、着火失敗等を引き起こすことなく、安全にかつ安定した着火動作を実現することができる。
なお、図３に示すように、初期開度Ｕｓをバーナ２内での燃焼空気量に対する原料ガス量が原料ガス濃度の燃焼下限界未満になるような開度に設定すると、着火動作初期に原料ガス濃度が低い「爆発的な燃焼をしない安全な状態」を形成することが可能であり、その状態から徐々に原料ガス濃度を上昇させて燃焼範囲内に到達させて着火させることが可能となる。その結果、より安全な着火動作を実現するができるため有用である。
また、本実施の形態では、着火時における燃焼用の原料ガス供給は「燃焼ガス供給路２０を通じて行なう」としたが、以下のように原料ガスを供給してもよい。すなわち、着火動作期間での各弁の制御について、原料ガス供給元弁１４、バーナ前遮断弁１２、原料ガス遮断弁１９を開放し、逆流防止弁１１、燃焼ガス遮断弁２１を閉止し、切替弁９の第１ポートと第２ポートを連通し、かつ、第３ポートを遮断して、第１水素含有ガス流路７ａとバイパス流路１０を連通する。そして、着火器４と昇圧器１７を作動させる。同時に制御器２５により流量調整弁１８と燃焼ファン３を適正に制御することにより、バーナ２に、改質器１から水素含有ガス供給路７、切替弁９、バイパス流路１０、アノードオフガス排出路８、および燃焼ガス供給路２０を通じて原料ガスを供給するとともに、燃焼用の空気を供給し、バーナ２での着火を行なってもよい。この場合、改質器１の出口からバーナ２に至る水素含有ガス供給路７（正確には、第１水素含有ガス供給路７ａ）、バイパス流路１０、アノードオフガス流路８、および燃焼ガス供給路２０の経路が本発明の第１のガス供給路に相当するが、あくまで一例であり、改質器１の出口から燃料電池６を経て燃焼器２に至る水素含有ガス供給路７、燃料電池内のアノードガス流路６ａ、アノードオフガス流路８、および燃焼ガス供給路２０という経路であっても構わず、本例に限定されるものではない。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における水素生成装置および、これを備える燃料電池システムを示す構成図である。図４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図４に示すように、本実施の形態２における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１は、実施の形態１で説明した水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１に加えてさらに、着火動作期間中に不着火だった場合の次の着火動作時の初期開度Ｕｓを、前回着火動作期間中の最終の開度Ｕｅに設定するＵｓ再設定手段２７を備える。なお、Ｕｓ再設定手段２７は、制御器２５の記憶部に格納された所定のプログラムによって実現されている。
次に、図５に示す着火動作のフローチャートを用いて、本実施の形態２における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の着火動作について説明する。
着火動作が開始すると制御器２５はまず、燃焼ファン３を最大能力で３０sec間作動（ステップＳ１００）させることにより、バーナ２およびバーナ２下流の燃焼ガス流路（図示せず）内を空気でプリパージする。次いで、制御器２５は、燃焼ファン３を着火させるのに最適な所定回転数に調整（ステップＳ１０１）し、着火器４を作動（ステップＳ１０２）させる。流量調整弁１８の開度Ｕは、制御器２５の内部にある弁開度調整手段２６によって、初期開度Ｕｓに調整（ステップＳ１０３）される。そして、制御器２５は、バーナ前遮断弁１２、原料ガス供給元弁１４、燃焼ガス遮断弁２１を開放し、逆流防止弁１１及び原料ガス遮断弁１９を閉止して昇圧器１７を作動（ステップＳ１０４）させて着火動作を行なう。次に、制御器２５は、着火したかどうかを着火検知器５を用いて検知（ステップＳ１０５）し、着火を検知すると着火器４を停止（ステップＳ１０６）させて、着火動作を完了する。
一方、ステップＳ１０５において着火を検知できないときは、制御器２５は、着火判定を行なう着火検知時間を超えたかどうかを判定（ステップＳ１０７）する。着火検知時間を超えていないときは、流量調整弁１８の開度Ｕは、着火動作期間における目標原料流量に対応する目標開度Ｕｃに向けて、弁開度調整手段２６によって、初期開度Ｕｓから徐々に開度を大きくしていく。つまり、制御器２５の弁開度調整手段２６は、流量調整弁１８の弁の開度Ｕが目標開度Ｕｃより小さいかどうかを判定（ステップＳ１０８）し、小さい時はΔＵだけ開度を増加（ステップＳ１０９）させる。また大きいときは開度の増加をさせない。
そして、ステップＳ１０８及びステップＳ１０９により、流量調整弁１８の開度Ｕの判定及び調整をした後、ステップＳ１０５に戻り、着火検知器５を用いて検知を繰り返す。
一方、ステップＳ１０７において、着火検知時間を超えたときは、着火失敗回数が所定回数以下（たとえば４回以下）かどうかを判定（ステップＳ１１１）する。所定回数以下のときは、Ｕｓ再設定手段２７により、初期開度Ｕｓをその前の回数における着火動作期間中の最終の流量調整弁１８の開度Ｕｅに設定（ステップＳ１１２）する。例えば、着火動作を３回行った場合（着火失敗回数が、３回であった場合）、４回目の着火動作における初期開度Ｕｓを、３回目の着火動作期間終了時における流量調整弁１８の開度Ｕｅに設定する。
次に、制御器２５は、バーナ前遮断弁１２、原料ガス供給元弁１４、原料ガス遮断弁１９を閉として、着火器４および昇圧器１７を停止（ステップＳ１１３）させて、ステップＳ１００に戻り、ステップＳ１１１での判定において着火失敗が所定回数（たとえば４回）に達するまで着火動作を繰り返し行なう。また、ステップＳ１１１において着火失敗回数が所定回数（たとえば４回）に達したときは着火失敗として、また、ステップＳ１０５で着火が検知されときは、着火器４の動作を停止し、着火動作を終了する。
なお、本実施の形態においては、実施の形態１のように１回目の着火動作期間内に流量調整弁１８の開度Ｕを目標開度Ｕｃにするように、初期開度Ｕｓおよび弁の開度Ｕの増加量ΔＵを調整してもよく、また、複数回目の着火動作期間内で流量調整弁１８の開度Ｕを目標開度Ｕｃにするように、初期開度Ｕｓおよび弁の開度Ｕの増加量ΔＵを調整してもよい。
また、流量調整弁１８の開度Ｕが、目標開度Ｕｃになった場合であっても、着火が失敗で、かつ、着火失敗回数が所定回数に達していないとき（所定回数以下のとき）には、制御器２５のＵｓ再設定手段２７は、次回の着火動作期間における初期開度Ｕｓを目標開度Ｕｃに設定してもよい。
次に、本実施の形態２における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の作用効果について説明する。
上記本実施の形態２における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の構成をとると、前述した実施の形態１において説明した「爆発的な着火に伴う大きな着火音・不安定燃焼、着火失敗等を引き起こすことなく、安全にかつ安定した着火動作を実現」とともに、不着火時の再着火動作において、図５に示すフローチャートを実現する着火動作を行なうことで、より確実に着火することが可能になる。
すなわち、ステップＳ１０７において、着火検知時間を超えていないときは、実施の形態１において説明した動作を行なうことにより、バーナ２での可燃ガス（原料ガス）濃度を低濃度から徐々に上昇させることにより安全にかつ安定した着火動作を実現できる。さらに、ステップＳ１０７において未着火の状態で着火検知時間を超えるとともに、着火失敗回数が所定回数以下の場合は、着火動作期間中における流量調整弁１８の最終の開度Ｕｅ（目標開度Ｕｓに達している場合には、目標開度Ｕｓ）を、再着火動作時の着火動作の期間における流量調整弁の初期開度Ｕｓに再設定して再着火動作を行なっている。
これは、上述したように、本実施の形態２においては、バーナ２での可燃ガス濃度を低濃度から徐々に上昇させているため、流量調整弁１８の開度を最終開度Ｕｅにしても着火しないのは、開度Ｕｅ時の原料ガスの流量では、バーナ２での可燃ガス濃度が燃焼上限界濃度を超えているために、着火しないのではなく、可燃ガス濃度が燃焼下限界濃度よりも低いために着火しないと予測される。このため、本実施の形態２では、バーナ２における前回着火動作時の初期可燃ガス濃度よりも高濃度状態から徐々に可燃ガス濃度を上昇させることにより、前回のときよりもバーナ２での着火性が向上し、再着火動作においてより確実な着火動作を実現することができる。
なお、上記実施の形態１および２では、燃焼ガス供給路２０の下流端をアノードオフガス流路８の途中に接続する構成としたが、これに限定されず、例えば、水素含有ガス供給路７の第２水素含有ガス供給路７ｂの途中に接続する構成としてもよい。この場合、切替弁９の第３ポートと第２ポートを連通し、第１ポートを遮断することにより、原料ガスを燃焼ガス供給路２０からバイパス流路１０を経由して、バーナ２に供給することができる。
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における水素生成装置、およびこれを備える燃料電池システムを示す構成図である。また、図８は、本発明の実施の形態３における水素生成装置、およびこれを備える燃料電池システムの着火動作のフローチャートである。
図７に示すように、本発明の実施の形態３における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１は、実施の形態１における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１と基本的構成は同じであるが、燃焼ガス供給路２０および燃焼ガス遮断弁２１が設けられていない点が異なる。また、アノードオフガス流路８の下流端がバーナ２に接続され、アノードオフガス流路８のバイパス流路１０の接続点よりも下流側には、バーナ前遮断弁１２が設けられている点が異なる。
また、図８に示すように、ステップＳ１０４での制御器２５による弁の制御が異なる。具体的には、制御器２５は、バーナ前遮断弁１２、原料ガス供給元弁１４、原料ガス遮断弁１９を開放し、切替弁９の第１ポートと第２ポートを連通し、かつ、第３ポートを遮断して、昇圧器１７を作動させて、着火動作を行なう。
これにより、本実施の形態３における燃料電池システム５１では、原料ガスが、原料ガス供給路１３、水素生成装置５０、第１水素含有ガス供給路７ａ、バイパス流路１０、およびアノードオフガス流路８を通流して、バーナ２に供給される。
このように構成された本実施の形態３における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１では、実施の形態１と同様の作用効果を奏するとともに、以下の作用効果を奏する。
すなわち、本実施の形態３における燃料電池システム５１のように、水素生成装置５０を通流させた後にバーナ２に原料ガスを供給する構成とすると、バーナ２で最初の着火がなされてから、着火検知器５により安定な着火燃焼状態であることが確認されるまでの着火動作期間においては、バーナ２で燃焼された燃焼ガスが、水素生成装置２の改質器１（図示されない変成器およびＣＯ除去器を含む）を通流する原料ガス等のガスを昇温するため、水素生成装置５０から下流側の第１水素含有ガス供給路７ａ、バイパス流路１０、およびアノードオフガス流路８を通流する原料ガスの体積流量が増加する。
一方、一般的に開示されているガス給湯器の着火方法と同様に、バーナ２に供給される原料を目標原料流量になるように、流量調整弁１８の開度が調整されているとすると、第１水素含有ガス供給路７ａ、バイパス流路１０、およびアノードオフガス流路８を通流する原料ガスの体積流量が増加している分だけ、バーナ２には、目標流量以上の原料ガスが供給されることとなる。このようなバーナ２に目標流量以上の、特に、想定以上の原料ガスが供給された状態で、着火動作を継続させると、バーナ２内部での爆発的な燃焼による大きな燃焼音や、原料ガス濃度が高いことによる不安定燃焼、または、原料ガス濃度が燃焼上限界以上になり着火失敗というような異常を引き起こす場合がある。
しかしながら、本実施の形態３における燃料電池システム５１では、バーナ２に原料ガス濃度が低濃度から徐々に大きくなるように流量調整弁１８の弁の開度Ｕを制御しているため、バーナ２に原料ガスが想定以上に供給されることを抑制し、バーナ２内部での爆発的な燃焼による大きな燃焼音や、原料ガス濃度が高いことによる不安定燃焼、または、原料ガス濃度が燃焼上限界以上になり着火失敗というような異常を引き起こされることを抑制することができる。
なお、ここでは、実施の形態１と同様の構成としたが、これに限定されず、実施の形態２に示したように、制御器２５にＵｓ再設定手段２７を設けて、着火失敗回数を設定して、着火動作を複数回行う構成としてもよい。
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。
本発明は、昇圧器で昇圧された原料を用いて燃焼する燃焼器の着火性を向上することが可能になるという効果を有し、昇圧された原料ガスを用いて燃焼をおこなう燃焼器を有する水素生成装置およびこれを備える家庭用の燃料電池システム等に有用である。
本発明は、水素生成装置およびその運転方法、並びに燃料電池システムに関する。特に、加熱によって原料を水素リッチな水素含有ガスに改質する水素生成装置と、空気を利用して可燃性ガスを燃焼させて前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、を有する燃料電池システムに関する。
従来の燃料電池システムとしては、図６に示すようなシステムが提供されていた。
図６における燃料電池システム１０１は、燃料処理装置１０２と、固体高分子電解質形燃料電池である燃料電池スタック１０３と、制御装置１０４と、炭化水素系燃料としての改質用原料を供給する改質用原料供給部１１１と、燃焼燃料としての、あるいは炭化水素系燃料としての燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給部１１４と、燃焼空気としての燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給部１１０と、改質ガスを搬送する第１改質ガス搬送ライン１１６と、アノードオフガスとしてのオフガスを搬送する第１オフガス搬送ライン１１７と、スタック用空気を供給するスタック用空気供給部１１９と、燃焼排ガスを搬送する燃焼排ガス搬送ライン１２９と、を含んで構成される。また、燃料処理装置１０２は、改質触媒を充填する改質触媒部１２１と、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減するための変成触媒を充填する変成触媒部１２２と、変成後に改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減するための選択酸化触媒を充填する選択酸化触媒部１２３と、バーナ部１２５と、燃焼排ガス通路１２８と、燃焼排ガス通路１２８内部に設置され、燃焼触媒が充填された燃焼触媒部１２６と、バーナ部１２５内に設置された点火装置としてのイグナイタ１３６と、を備えている。
また、バーナ部１２５には、起動時、あるいは通常運転中の助燃時に燃焼用原料用のブロワ１４１により搬送された燃焼用原料が燃焼用原料供給部１１４から供給される。燃焼用原料供給部１１４に設置された燃焼用原料用の調節弁１４２は、制御器１０４からの流量制御信号を受け、流量制御信号に対応する流量の燃焼用ガスを流すよう所定の開度に制御される（例えば、特許文献１参照）。
そして、着火時には、イグナイタ１３６によって、電圧をかけて放電することにより、燃焼用原料と燃焼用空気が供給されたバーナ部１２５内に燃焼を起こすことが行われている。
特開２００４−１６８６３０号公報（第６−８頁、図１−図２）
このような燃料電池システム１０１における改質用原料や燃焼用原料としては、特許文献１に記載されているように都市ガス１３Ａが一般的である。都市ガス１３Ａは一般的には供給圧が１．０〜２．５ｋＰａ（ゲージ圧）で供給されているが、改質用原料及びこれを改質した水素含有ガスの流路構成、もしくは燃焼用原料の流路構成によっては流路全体の圧力損失を考慮すると、上記ゲージ圧のみでは足らず、改質用原料や燃焼用原料はブロワ、ポンプ等の昇圧器で昇圧した後、おのおの改質触媒部１２１およびバーナ部１２５に供給する場合がある。当然、着火動作のときにおいても、昇圧器で昇圧させた原料をバーナ部１２５内で着火・燃焼させることになる。
ところで、このような燃料電池システム１０１のバーナ部１２５への着火において、ガス給湯器と同様の着火方法をとると以下のような課題があった。すなわち、ガス給湯器のように燃焼部に供給される原料が着火動作時の目標原料流量に対応して予め設定されている開度に固定制御した状態で着火させた場合、燃料電池システム１０１の昇圧器の昇圧精度の物間バラツキや昇圧器の運転開始時における動作の不安定さにより、供給する流量バラツキが大きくなる。特に、燃料電池システム１０１では、昇圧器は、灯油等のような液体を昇圧するのではなく、都市ガス等のような気体を昇圧するため、供給する流量のバラツキが大きくなる。このため、想定量以上の原料がバーナ部１２５に供給され、バーナ部１２５内部での爆発的な燃焼による大きな燃焼音、原料が濃いことによる不安定燃焼、原料が濃すぎて、その濃度が燃焼上限界以上になり着火失敗というような異常を引き起こす場合がある、いう課題があった。
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、昇圧器で昇圧された原料を用いて燃焼する燃焼器の着火性が向上する水素生成装置および、これを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、第１の本発明の水素生成装置は、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路または前記燃焼器に原料ガスを供給するための第２のガス供給路と、前記燃焼器において着火動作をするための着火器と、前記改質器または前記燃焼器に供給される原料ガスを昇圧する昇圧器と、前記改質器または前記燃焼器に供給する原料ガス流量を調整する流量調整弁と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路または前記第２のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するとともに、前記流量調整弁の開度を前記着火動作期間での目標原料流量に対応した目標開度Ｕｃよりも小さい初期開度Ｕｓから該目標開度Ｕｃに向けて前記流量調整弁の開度を大きくなるように制御するよう構成されていることを特徴とする。
また、第２の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路を備え、前記制御器は、前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するように構成されていることを特徴とする。
また、第３の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記制御器は、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕｓから緩やかに大きくなるように制御することを特徴とする。
また、第４の本発明の水素生成装置は、前記制御器は、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕから段階的に大きくなるように制御することを特徴とする。
また、第５の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記着火動作期間とは、前記着火器が着火動作を継続している期間であることを特徴とする。
また、第６の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記初期開度Ｕｓは、前記着火動作期間中に前記燃焼器に供給される燃焼用空気量に対する前記燃焼器に供給される原料ガス量が該原料ガスの濃度の燃焼下限界未満になるような前記流量調整弁の開度に設定されていることを特徴とする。
また、第７の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記制御器は、前記着火動作期間中の着火動作によって着火しなかったため、次の着火動作を行なう際に、該次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前の着火動作期間中の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅに設定して前記着火器により次の着火動作を開始することを特徴とする。
また、第８の本発明の水素生成装置は、第１の本発明の水素生成装置において、前記制御器は、前の着火動作時の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅが前記目標開度Ｕｃになると、次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前記目標開度Ｕｃに設定して前記着火器により次の着火動作を開始することを特徴とする。
また、第９の本発明の燃料電池システムは、第１の本発明から第８の本発明の水素生成装置と、前記水素生成装置により生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えることを特徴とする。
また、第１０の本発明の水素生成装置の運転方法は、原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路または前記燃焼器に原料ガスを供給するための第２のガス供給路と、前記燃焼器において着火動作をするための着火器と、前記改質器または前記燃焼器に供給される原料ガスを昇圧する昇圧器と、前記改質器または前記燃焼器に供給する原料ガス流量を調整する流量調整弁と、を備える水素生成装置の運転方法であって、前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路または前記第２のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するとともに、前記流量調整弁の開度を前記着火動作期間での目標原料流量に対応した目標開度Ｕｃよりも小さい初期開度Ｕｓから該目標開度Ｕｃに向けて前記流量調整弁の開度を大きくすることを特徴とする。
また、第１１の本発明の水素生成装置の運転方法は、第１０の本発明の水素生成装置の運転方法において、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕから段階的に大きくすることを特徴とする。
また、第１２の本発明の水素生成装置の運転方法は、第１０の本発明の水素生成装置の運転方法において、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕｓから緩やかに大きくすることを特徴とする。
また、第１３の本発明の水素生成装置の運転方法は、第９の本発明の水素生成装置の運転方法において、前記初期開度Ｕｓは、前記着火動作期間中に前記燃焼器に供給される燃焼用空気量に対する前記燃焼器に供給される原料ガス量が該原料ガスの濃度の燃焼下限界未満になるような前記流量調整弁の開度に設定されていることを特徴とする。
また、第１２の本発明の水素生成装置の運転方法は、第９の本発明の水素生成装置の運転方法において、前記着火動作期間中の着火動作によって着火しなかったため、次の着火動作を行なう際に、該次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前の着火動作期間中の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅに設定して前記着火器により次の着火動作を開始することを特徴とする。
さらに、第１３の本発明の水素生成装置の運転方法は、第１２の本発明の水素生成装置の運転方法において、前の着火動作時の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅが前記目標開度Ｕｃになると、次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前記目標開度Ｕｃに設定して前記着火器により次の着火動作を開始することを特徴とする。
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。
本発明によれば、着火時において燃焼器内の可燃ガス濃度を低濃度から徐々に上昇させるよう制御されるため昇圧器の昇圧精度のバラツキがあっても爆着、不安定燃焼、着火失敗等の問題を起こすことなく安定した着火を行なうことができ、着火性の向上を実現することが可能な水素生成装置およびこれを用いた燃料電池システムを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置および、これを備える燃料電池システムを示す構成図である。
図１に示すように、本実施の形態１における水素生成装置５０は、炭化水素系の原料ガス（たとえば都市ガスなど）を水蒸気改質することにより水素リッチな水素含有ガスを生成する改質器１と、改質器１の温度維持のために原料ガスまたは生成した水素含有ガスの一部を燃焼させるバーナ（燃焼器）２と、バーナ２に燃焼用空気を供給する燃焼ファン３と、バーナ２において原料ガスまたは生成した水素含有ガスの一部を着火させる着火器４と、バーナ２での着火を検知する着火検知器５と、を備える。なお、ここでは、着火検知器５として、フレームロッドを使用しており、検知信号を後述する制御器２５に出力するように構成されている。
水素生成装置５０の改質器１には、原料ガス供給路１３の下流端が接続されており、その上流端は、都市ガスの配管（図示せず）に接続されている。また、改質器１へ原料ガスを供給する原料ガス供給路１３には、水素生成装置への原料ガスの供給・遮断を行なう原料ガス供給元弁１４と、原料ガスに含有する硫黄成分を除去する脱硫器１５と、水素生成装置に供給される原料ガス流量を検知する流量計１６と、供給される原料ガスを昇圧する昇圧器１７と、昇圧した原料ガス流量を制御する流量調整弁１８と、改質器１への原料ガスの供給・遮断を行なう原料ガス遮断弁１９が、上流から下流に向かってこの順で設けられている。
また、バーナ２へ原料ガスを供給する燃焼ガス供給路２０は流量調整弁１８と原料ガス遮断弁１９の間の原料ガス供給路１３から分岐され、バーナ２へ接続される。また、この燃焼ガス供給路２０上には原料ガスの供給・遮断を行なう燃焼ガス遮断弁２１を備える。
さらに、本発明の実施の形態１における水素生成装置５０は、該水素生成装置５０の一連の着火動作を制御する制御器２５を備える。制御器２５は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している（いずれも図示せず）。また、制御器２５は、流量計１６からの信号により流量調整弁１８の弁開度を調整する弁開度調整手段２６を備える。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、水素生成装置５０に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。そして、記憶部に格納された所定のプログラムによって、弁開度調整手段２６が実現されている。なお、本実施の形態においては、制御器２５が燃料電池システム５１に関する各種制御も行うように構成されている。
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して水素生成装置５０及び燃料電池システム５１の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器２５は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して水素生成装置５０及び燃料電池システム５１を制御するように構成されていてもよい。
なお、上記水素生成装置５０は、通常、改質器１を通過した水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するため、図示されないシフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応により一酸化炭素を低減するＣＯ除去器と、をそれぞれ備える。
また、本実施の形態１における水素生成装置５０を備える燃料電池システム５１は、上記の水素生成装置５０に加え、水素と酸素を用いて発電を行なう燃料電池６と、水素生成装置５０で生成した水素リッチな水素含有ガスを燃料電池６に供給する水素含有ガス供給路７と、燃料電池６から排出されるアノードオフガスをバーナ２へ供給するアノードオフガス流路８と、水素生成装置５０から送出される水素含有ガスを燃料電池６をバイパスしてアノードオフガス流路８へ供給するバイパス流路１０と、水素生成装置５０から送出される水素含有ガスの供給先を燃料電池６もしくはバイパス流路１０との間で切り替える切替弁９と、切替弁９によりバイパス流路１０側に切替えられた際に、バイパス流路１０を経由してアノードオフガス流路８に供給された水素含有ガスの燃料電池６への逆流を防止する逆流防止弁１１と、バーナ２への水素含有ガスまたは都市ガスの供給・遮断を行なうバーナ前遮断弁１２と、を備える。
具体的には、水素含有ガス供給路７は、第１水素含有ガス供給路７ａと第２水素含有ガス供給路７ｂを有しており、第１水素含有ガス供給路７ａの上流端は、水素生成装置５０に接続されていて、その下流端は、三方弁からなる切替弁９の第１ポートに接続されている。切替弁９の第３ポートには、第２水素含有ガス供給路７ｂの上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池６のアノードガス流路６ａの入口に接続されている。また、アノードガス流路６ａの出口には、アノードオフガス流路８の上流端が接続されていて、アノードオフガス流路８の下流端は、燃焼ガス供給路２０の途中に接続されている。一方、切替弁９の第２ポートには、バイパス流路１０の上流端が接続されていて、その下流端は、アノードオフガス流路８の途中に接続されている。そして、アノードオフガス流路８のバイパス流路１０の接続点よりも上流側には、逆流防止弁１１が設けられている。また、燃焼ガス供給路２０のアノードオフガス流路８の接続点よりも下流側には、バーナ前遮断弁１２が設けられている。
また、本実施の形態１における燃料電池システム５１は、燃料電池６に空気を供給する空気供給路２２と、外部から空気供給路２２に空気を取り込む空気ブロワ２３と、燃料電池６から排出される残余空気を排出するカソードオフガス流路２４と、を備える。具体的には、空気ブロワ２３には、空気供給路２２の上流端が接続されていて、その下流端は、カソードガス流路６ｂの入口に接続されている。また、カソードガス流路６ｂの出口には、カソードオフガス流路２４の上流端が接続されていて、その下流端は、大気に開放されている。
次に、本実施の形態１における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１の動作について、図１を参照しながら説明する。
まず、水素生成装置５０の運転開始時には、原料ガス供給元弁１４、燃焼ガス遮断弁２１、バーナ前遮断弁１２を開放し、逆流防止弁１１及び原料ガス遮断弁１９を閉止し、着火器４と昇圧器１７を作動させる。同時に制御器２５により、流量調整弁１８と燃焼ファン３を適正に制御することにより、バーナ２に燃焼用の原料ガスを燃焼ガス供給路２０を通じて供給するとともに、燃焼ファン３から燃焼用の空気をバーナ２に供給する。ついで、制御器２５により、着火器４を作動させ、バーナ２での着火を行なう。なお、バーナ２での着火については、後で詳細に述べる。
次に、制御器２５は、バーナ２での着火が完了すると、原料ガス遮断弁１９を開放し、原料ガスを改質器１に供給する。改質器１に供給された原料ガスは、高温下において水蒸気とともに改質反応され、水素リッチな水素含有ガスを生成する。同時に、改質器１から送出される水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を変成器（図示せず）及びＣＯ除去器（図示せず）を用いて燃料電池６の触媒にダメージを与えない濃度まで除去する。
燃料電池システム５１において、改質器１の起動時などの水素含有ガスに一酸化炭素が多く含まれる場合は、切替弁９の第１ポートと第２ポートを連通し、第３ポートを遮断することにより、第１水素含有ガス供給路７ａとバイパス流路１０が連通する。これにより、水素生成装置５０から第１水素含有ガス供給路７ａに供給されたガスをバイパス流路１０を介して、アノードオフガス流路８に排出する。このとき、逆流防止弁１１は閉止し、水素含有ガスの燃料電池６への逆流を防止する。アノードオフガス流路８に排出された水素含有ガスは、燃焼ガス供給路２０を通流して、改質器１を高温に保持するためのバーナ２に供給され、燃焼用ガスとして使用される。
そして、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が充分に低下すると、切替弁９の第１ポートと第３ポートを連通して、第２ポートを遮断することにより、第１水素含有ガス供給路７ａと第２水素含有ガス供給路７ｂが連通するとともに、逆流防止弁１１を開放する。これにより、水素生成装置５０で生成された水素含有ガスが、水素含有ガス供給路７を通じて燃料電池６（正確には、アノードガス流路６ａ）に供給され、また、空気ブロワ２３から空気が空気供給路２２を通じて燃料電池６（正確には、カソードガス流路６ｂ）に供給される。そして、燃料電池６に供給された水素含有ガスおよび空気は、それぞれ、アノードガス流路６ａおよびカソードガス流路６ｂを通流して、アノードおよびカソードに供給され、電気化学反応により、電気が生成する。そして、燃料電池６からは発電に用いられなかった水素と水蒸気と二酸化炭素と一酸化炭素の混合ガスが、燃料電池６のアノードガス流路６ａ出口からアノードオフガス流路８に排出される。アノードオフガス流路８に排出された水素含有ガスは、改質器１を高温に保持するためのバーナ２に供給され、燃焼用燃料として使用される。また、同様に、燃料電池６からは、発電に用いられなかった空気と発電で生成された水蒸気の混合ガスが、燃料電池６のカソードガス流路６ｂの出口からカソードオフガス流路２４に排出される。カソードオフガス流路２４に排出された混合ガスは、大気中に放出される。なお、水素生成装置５０の運転過程において、燃焼ガス供給路２０を通じての燃焼用の原料ガス供給は、改質器１から排出される水素含有ガスがバーナ２に供給された後に停止しても構わない。
次に、図２に示す着火動作の制御プログラムのフローチャートを用いて、本実施の形態１における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の着火動作について説明する。
着火動作のための制御が開始すると、制御器２５は、まず、燃焼ファン３を最大能力で３０sec間作動（ステップＳ１００）させることにより、バーナ２およびバーナ２下流の燃焼ガス流路（図示せず）内を空気でプリパージし、バーナ２内の状態を常に一定にして、着火及び燃焼に適した状態を確保する。次いで、制御器２５は、燃焼ファン３を着火させるのに最適な所定回転数に調整（ステップＳ１０１）し、着火器４を作動（ステップＳ１０２）させる。流量調整弁１８の開度Ｕは制御器２５の内部にある弁開度調整手段２６によって初期開度Ｕｓに調整（ステップＳ１０３）される。そして、制御器２５は、バーナ前遮断弁１２、原料ガス供給元弁１４、燃焼ガス遮断弁２１を開放し、逆流防止弁１１及び原料ガス遮断弁１９を閉止して、昇圧器１７を作動（ステップＳ１０４）させて着火動作を行なう。
次に、制御器２５は、着火したかどうかを着火検知器５を用いて検知（ステップＳ１０５）し、着火を検知すると着火器４を停止（ステップＳ１０６）させて、着火動作を完了する。なお、流量調整弁１８の弁の初期開度Ｕｓは、弁開度調整手段２６により調整される開度をいい、開度０％の状態から、ステップＳ１０３で、最初に弁開度調整手段２６により調整される開度をいう。また、初期開度Ｕｓは、爆発的な燃焼による大きな燃焼音を発生させないという観点から、原料ガスの濃度（原料ガスと燃焼用空気との混合ガスに対する原料ガスの濃度をいう。以下、単に「原料ガス濃度」という場合がある。）が、その燃焼下限界より小さくなる値であることが好ましい。例えば、爆発的な燃焼による大きな燃焼音を発生させない観点から、昇圧器の昇圧精度のばらつきがあってもＵL／２以下であることが好ましい。（ただし、ＵLは着火動作時に燃焼ファン３からバーナ２に供給される空気量に対して燃焼下限界に相当する原料ガスが流れるときの流量調整弁１８の開度）
一方、ステップＳ１０５において着火を検知できないときは、制御器２５は、着火判定を行なう検知時間を超えたかどうかを判定する（ステップＳ１０７）。制御器２５は、検知時間を超えているときは、着火失敗と判断して着火器４の動作を停止し、着火動作を終了（ステップＳ１１０）する。
また、ステップＳ１０７において検知時間を超えていないときは、流量調整弁１８の開度Ｕは、着火動作期間における目標原料流量に対応する目標開度Ｕｃに向けて、弁開度調整手段２６によって、初期開度Ｕｓから徐々に開度を大きくしていく。つまり、制御器２５の弁開度調整手段２６は、流量調整弁１８の弁の開度Ｕが目標開度Ｕｃより小さいかどうかを判定（ステップＳ１０８）し、小さい時はΔＵだけ開度を増加（ステップＳ１０９）させる。また、大きいときは開度の増加をさせない。
具体的には、制御器２５の弁開度調整手段２６は、流量計１６から原料ガス供給路１３及び燃焼ガス供給路２０を通流して、バーナ２に供給される原料ガスの流量を取得し、着火動作期間における目標原料流量になるように、流量調整弁１８の弁の開度ＵをΔＵずつ大きくする。ここで、弁の開度Ｕの増加量ΔＵは、初期開度Ｕｓの大きさにもよるが、爆発的な燃焼による大きな燃焼音を発生させない等の観点から、小さい方が好ましく、例えば、着火までの時間を着火動作期間内にすることができるという観点から１ステップ当たり（ＵL−ＵS／Ｔ）×ΔＴより大きいことが好ましく、爆発的な燃焼による大きな燃焼音を発生させないという観点から、１ステップ当たり（Ｕm−ＵS／Ｔ）×ΔＴより小さいであることが好ましい（ただし、Ｕmは、着火動作時に燃焼ファン３からバーナ２に供給される空気量に対して燃焼下限界に相当する原料ガスが流れるときの流量調整弁１８の開度であり、Ｔは、着火動作時間、ΔＴは１ステップ毎の時間間隔である）。また、弁の開度Ｕの増加量ΔＵは、一定であってもよく、制御器２５の弁開度調整手段２６から流量調整弁１８に制御信号が出力されるごとに異なっていてもよい。なお、ここでは、初期開度ＵｓからΔＵずつ段階的に流量調整弁１８の弁の開度を大きくしたが、これに限定されず、弁開度を初期開度Ｕｓから目標開度Ｕｃに向けて緩やかに増加させるのであれば、連続的に増加させてもよい。
そして、ステップＳ１０８及びステップＳ１０９により、流量調整弁１８の開度Ｕの判定及び調整をした後、ステップＳ１０５に戻り、着火検知器５を用いて検知を繰り返す。なお、上記着火動作期間における目標原料流量とは、バーナ２での原料ガス濃度が燃焼範囲に入り確実に着火すると想定される原料流量に相当し、本実施の形態では、１．５Ｌとする。また、上述の本実施の形態１においては、燃焼ガス供給路２０及びアノードオフガス流路８が本発明の第２のガス供給路に相当するが、あくまで一例であり、本例に限定されるものではない。さらに、上記着火動作でバーナ２内で、原料ガスが着火した後、流量調整弁１８の弁の開度Ｕが、目標開度Ｕｃにまで達していない場合には、弁開度調整手段２６は、流量調整弁１８の弁の開度Ｕを目標開度Ｕｃになるように調整する。
次に、本実施の形態における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１の作用効果について説明する。
従来のガス給湯器のように着火動作期間中、目標原料流量に対応した開度に固定した状態で原料を供給させ、着火させた場合、昇圧器１７の昇圧精度の個体差により、バーナ２に供給される原料ガス流量のバラツキが大きくなる。結果、特に想定以上の原料ガスを供給することにより、爆発的な燃焼による大きな燃焼音、原料が濃いことによる不安定燃焼や原料が濃すぎて燃焼上限界以上になり着火失敗というような異常を引き起こすことがあるが、上記本実施の形態１における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の着火動作を行なうとこの問題を解決することができる。
すなわち、着火器４を作動させた状態で流量調整弁１８の開度Ｕを、原料ガスの流量を小流量に実現する初期開度Ｕｓから、着火動作期間における目標原料流量に対応し、初期開度Ｕｓより大きい開度である目標開度Ｕｃに向けて徐々に開度を大きく制御することにより、原料ガス流量を徐々に増加させ、それにより、バーナ２での可燃ガス濃度を低濃度から徐々に上昇させることができる。そのため、昇圧器１７の昇圧精度の個体差ばらつきによる原料流量のバラツキが発生しても、空気リッチな低濃度側からの着火を行なうことができるため、爆発的な燃焼による大きな燃焼音、不安定燃焼、着火失敗等を引き起こすことなく、安全にかつ安定した着火動作を実現することができる。
なお、図３に示すように、初期開度Ｕｓをバーナ２内での燃焼空気量に対する原料ガス量が原料ガス濃度の燃焼下限界未満になるような開度に設定すると、着火動作初期に原料ガス濃度が低い「爆発的な燃焼をしない安全な状態」を形成することが可能であり、その状態から徐々に原料ガス濃度を上昇させて燃焼範囲内に到達させて着火させることが可能となる。その結果、より安全な着火動作を実現するができるため有用である。
また、本実施の形態では、着火時における燃焼用の原料ガス供給は「燃焼ガス供給路２０を通じて行なう」としたが、以下のように原料ガスを供給してもよい。すなわち、着火動作期間での各弁の制御について、原料ガス供給元弁１４、バーナ前遮断弁１２、原料ガス遮断弁１９を開放し、逆流防止弁１１、燃焼ガス遮断弁２１を閉止し、切替弁９の第１ポートと第２ポートを連通し、かつ、第３ポートを遮断して、第１水素含有ガス流路７ａとバイパス流路１０を連通する。そして、着火器４と昇圧器１７を作動させる。同時に制御器２５により流量調整弁１８と燃焼ファン３を適正に制御することにより、バーナ２に、改質器１から水素含有ガス供給路７、切替弁９、バイパス流路１０、アノードオフガス排出路８、および燃焼ガス供給路２０を通じて原料ガスを供給するとともに、燃焼用の空気を供給し、バーナ２での着火を行なってもよい。この場合、改質器１の出口からバーナ２に至る水素含有ガス供給路７（正確には、第１水素含有ガス供給路７ａ）、バイパス流路１０、アノードオフガス流路８、および燃焼ガス供給路２０の経路が本発明の第１のガス供給路に相当するが、あくまで一例であり、改質器１の出口から燃料電池６を経て燃焼器２に至る水素含有ガス供給路７、燃料電池内のアノードガス流路６ａ、アノードオフガス流路８、および燃焼ガス供給路２０という経路であっても構わず、本例に限定されるものではない。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における水素生成装置および、これを備える燃料電池システムを示す構成図である。図４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図４に示すように、本実施の形態２における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１は、実施の形態１で説明した水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１に加えてさらに、着火動作期間中に不着火だった場合の次の着火動作時の初期開度Ｕｓを、前回着火動作期間中の最終の開度Ｕｅに設定するＵｓ再設定手段２７を備える。なお、Ｕｓ再設定手段２７は、制御器２５の記憶部に格納された所定のプログラムによって実現されている。
次に、図５に示す着火動作のフローチャートを用いて、本実施の形態２における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の着火動作について説明する。
着火動作が開始すると制御器２５はまず、燃焼ファン３を最大能力で３０sec間作動（
ステップＳ１００）させることにより、バーナ２およびバーナ２下流の燃焼ガス流路（図示せず）内を空気でプリパージする。次いで、制御器２５は、燃焼ファン３を着火させるのに最適な所定回転数に調整（ステップＳ１０１）し、着火器４を作動（ステップＳ１０２）させる。流量調整弁１８の開度Ｕは、制御器２５の内部にある弁開度調整手段２６によって、初期開度Ｕｓに調整（ステップＳ１０３）される。そして、制御器２５は、バーナ前遮断弁１２、原料ガス供給元弁１４、燃焼ガス遮断弁２１を開放し、逆流防止弁１１及び原料ガス遮断弁１９を閉止して昇圧器１７を作動（ステップＳ１０４）させて着火動作を行なう。次に、制御器２５は、着火したかどうかを着火検知器５を用いて検知（ステップＳ１０５）し、着火を検知すると着火器４を停止（ステップＳ１０６）させて、着火動作を完了する。
一方、ステップＳ１０５において着火を検知できないときは、制御器２５は、着火判定を行なう着火検知時間を超えたかどうかを判定（ステップＳ１０７）する。着火検知時間を超えていないときは、流量調整弁１８の開度Ｕは、着火動作期間における目標原料流量に対応する目標開度Ｕｃに向けて、弁開度調整手段２６によって、初期開度Ｕｓから徐々に開度を大きくしていく。つまり、制御器２５の弁開度調整手段２６は、流量調整弁１８の弁の開度Ｕが目標開度Ｕｃより小さいかどうかを判定（ステップＳ１０８）し、小さい時はΔＵだけ開度を増加（ステップＳ１０９）させる。また大きいときは開度の増加をさせない。
そして、ステップＳ１０８及びステップＳ１０９により、流量調整弁１８の開度Ｕの判定及び調整をした後、ステップＳ１０５に戻り、着火検知器５を用いて検知を繰り返す。
一方、ステップＳ１０７において、着火検知時間を超えたときは、着火失敗回数が所定回数以下（たとえば４回以下）かどうかを判定（ステップＳ１１１）する。所定回数以下のときは、Ｕｓ再設定手段２７により、初期開度Ｕｓをその前の回数における着火動作期間中の最終の流量調整弁１８の開度Ｕｅに設定（ステップＳ１１２）する。例えば、着火動作を３回行った場合（着火失敗回数が、３回であった場合）、４回目の着火動作における初期開度Ｕｓを、３回目の着火動作期間終了時における流量調整弁１８の開度Ｕｅに設定する。
次に、制御器２５は、バーナ前遮断弁１２、原料ガス供給元弁１４、原料ガス遮断弁１９を閉として、着火器４および昇圧器１７を停止（ステップＳ１１３）させて、ステップＳ１００に戻り、ステップＳ１１１での判定において着火失敗が所定回数（たとえば４回）に達するまで着火動作を繰り返し行なう。また、ステップＳ１１１において着火失敗回数が所定回数（たとえば４回）に達したときは着火失敗として、また、ステップＳ１０５で着火が検知されときは、着火器４の動作を停止し、着火動作を終了する。
なお、本実施の形態においては、実施の形態１のように１回目の着火動作期間内に流量調整弁１８の開度Ｕを目標開度Ｕｃにするように、初期開度Ｕｓおよび弁の開度Ｕの増加量ΔＵを調整してもよく、また、複数回目の着火動作期間内で流量調整弁１８の開度Ｕを目標開度Ｕｃにするように、初期開度Ｕｓおよび弁の開度Ｕの増加量ΔＵを調整してもよい。
また、流量調整弁１８の開度Ｕが、目標開度Ｕｃになった場合であっても、着火が失敗で、かつ、着火失敗回数が所定回数に達していないとき（所定回数以下のとき）には、制御器２５のＵｓ再設定手段２７は、次回の着火動作期間における初期開度Ｕｓを目標開度Ｕｃに設定してもよい。
次に、本実施の形態２における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の作用効果について説明する。
上記本実施の形態２における水素生成装置５０および、これを備える燃料電池システム５１の構成をとると、前述した実施の形態１において説明した「爆発的な着火に伴う大きな着火音・不安定燃焼、着火失敗等を引き起こすことなく、安全にかつ安定した着火動作を実現」とともに、不着火時の再着火動作において、図５に示すフローチャートを実現する着火動作を行なうことで、より確実に着火することが可能になる。
すなわち、ステップＳ１０７において、着火検知時間を超えていないときは、実施の形態１において説明した動作を行なうことにより、バーナ２での可燃ガス（原料ガス）濃度を低濃度から徐々に上昇させることにより安全にかつ安定した着火動作を実現できる。さらに、ステップＳ１０７において未着火の状態で着火検知時間を超えるとともに、着火失敗回数が所定回数以下の場合は、着火動作期間中における流量調整弁１８の最終の開度Ｕｅ（目標開度Ｕｓに達している場合には、目標開度Ｕｓ）を、再着火動作時の着火動作の期間における流量調整弁の初期開度Ｕｓに再設定して再着火動作を行なっている。
これは、上述したように、本実施の形態２においては、バーナ２での可燃ガス濃度を低濃度から徐々に上昇させているため、流量調整弁１８の開度を最終開度Ｕｅにしても着火しないのは、開度Ｕｅ時の原料ガスの流量では、バーナ２での可燃ガス濃度が燃焼上限界濃度を超えているために、着火しないのではなく、可燃ガス濃度が燃焼下限界濃度よりも低いために着火しないと予測される。このため、本実施の形態２では、バーナ２における前回着火動作時の初期可燃ガス濃度よりも高濃度状態から徐々に可燃ガス濃度を上昇させることにより、前回のときよりもバーナ２での着火性が向上し、再着火動作においてより確実な着火動作を実現することができる。
なお、上記実施の形態１および２では、燃焼ガス供給路２０の下流端をアノードオフガス流路８の途中に接続する構成としたが、これに限定されず、例えば、水素含有ガス供給路７の第２水素含有ガス供給路７ｂの途中に接続する構成としてもよい。この場合、切替弁９の第３ポートと第２ポートを連通し、第１ポートを遮断することにより、原料ガスを燃焼ガス供給路２０からバイパス流路１０を経由して、バーナ２に供給することができる。
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における水素生成装置、およびこれを備える燃料電池システムを示す構成図である。また、図８は、本発明の実施の形態３における水素生成装置、およびこれを備える燃料電池システムの着火動作のフローチャートである。
図７に示すように、本発明の実施の形態３における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１は、実施の形態１における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１と基本的構成は同じであるが、燃焼ガス供給路２０および燃焼ガス遮断弁２１が設けられていない点が異なる。また、アノードオフガス流路８の下流端がバーナ２に接続され、アノードオフガス流路８のバイパス流路１０の接続点よりも下流側には、バーナ前遮断弁１２が設けられている点が異なる。
また、図８に示すように、ステップＳ１０４での制御器２５による弁の制御が異なる。具体的には、制御器２５は、バーナ前遮断弁１２、原料ガス供給元弁１４、原料ガス遮断弁１９を開放し、切替弁９の第１ポートと第２ポートを連通し、かつ、第３ポートを遮断して、昇圧器１７を作動させて、着火動作を行なう。
これにより、本実施の形態３における燃料電池システム５１では、原料ガスが、原料ガス供給路１３、水素生成装置５０、第１水素含有ガス供給路７ａ、バイパス流路１０、およびアノードオフガス流路８を通流して、バーナ２に供給される。
このように構成された本実施の形態３における水素生成装置５０、およびこれを備える燃料電池システム５１では、実施の形態１と同様の作用効果を奏するとともに、以下の作用効果を奏する。
すなわち、本実施の形態３における燃料電池システム５１のように、水素生成装置５０を通流させた後にバーナ２に原料ガスを供給する構成とすると、バーナ２で最初の着火がなされてから、着火検知器５により安定な着火燃焼状態であることが確認されるまでの着火動作期間においては、バーナ２で燃焼された燃焼ガスが、水素生成装置２の改質器１（図示されない変成器およびＣＯ除去器を含む）を通流する原料ガス等のガスを昇温するため、水素生成装置５０から下流側の第１水素含有ガス供給路７ａ、バイパス流路１０、およびアノードオフガス流路８を通流する原料ガスの体積流量が増加する。
一方、一般的に開示されているガス給湯器の着火方法と同様に、バーナ２に供給される原料を目標原料流量になるように、流量調整弁１８の開度が調整されているとすると、第１水素含有ガス供給路７ａ、バイパス流路１０、およびアノードオフガス流路８を通流する原料ガスの体積流量が増加している分だけ、バーナ２には、目標流量以上の原料ガスが供給されることとなる。このようなバーナ２に目標流量以上の、特に、想定以上の原料ガスが供給された状態で、着火動作を継続させると、バーナ２内部での爆発的な燃焼による大きな燃焼音や、原料ガス濃度が高いことによる不安定燃焼、または、原料ガス濃度が燃焼上限界以上になり着火失敗というような異常を引き起こす場合がある。
しかしながら、本実施の形態３における燃料電池システム５１では、バーナ２に原料ガス濃度が低濃度から徐々に大きくなるように流量調整弁１８の弁の開度Ｕを制御しているため、バーナ２に原料ガスが想定以上に供給されることを抑制し、バーナ２内部での爆発的な燃焼による大きな燃焼音や、原料ガス濃度が高いことによる不安定燃焼、または、原料ガス濃度が燃焼上限界以上になり着火失敗というような異常を引き起こされることを抑制することができる。
なお、ここでは、実施の形態１と同様の構成としたが、これに限定されず、実施の形態２に示したように、制御器２５にＵｓ再設定手段２７を設けて、着火失敗回数を設定して、着火動作を複数回行う構成としてもよい。
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。
本発明は、昇圧器で昇圧された原料を用いて燃焼する燃焼器の着火性を向上することが可能になるという効果を有し、昇圧された原料ガスを用いて燃焼をおこなう燃焼器を有する水素生成装置およびこれを備える家庭用の燃料電池システム等に有用である。
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１における着火動作のフローチャートである。 図３は、本発明の実施の形態１における流量調整弁開度と可燃ガス濃度の相関図である。 図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である。 図５は、本発明の実施の形態２における着火動作の制御プログラムを示すフローチャートである。 図６は、従来の燃料電池システムの構成図である。 図７は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図である。 図８は、本発明の実施の形態３における着火動作の制御プログラムを示すフローチャートである。
符号の説明
１ 改質器
２ バーナ
３ 燃焼ファン
４ 着火器
５ 着火検知器
６ 燃料電池
６ａ アノードガス流路
６ｂ カソードガス流路
７ 水素含有ガス供給路
７ａ 第１水素含有ガス供給路
７ｂ 第２水素含有ガス供給路
８ アノードオフガス流路
９ 切替弁
１０ バイパス流路
１１ 逆流防止弁
１２ バーナ前遮断弁
１３ 原料ガス供給路
１４ 原料ガス供給元弁
１５ 脱硫器
１６ 流量計
１７ 昇圧器
１８ 流量調整弁
１９ 原料ガス遮断弁
２０ 燃焼ガス供給路
２１ 燃焼ガス遮断弁
２２ 空気供給路
２３ 空気ブロワ
２４ カソードオフガス流路
２５ 制御器
２６ 弁開度調整手段
２７ Ｕｓ再設定手段
５０ 水素生成装置
５１ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池システム
１０２ 燃料処理装置
１０３ 燃料電池スタック
１０４ 制御装置
１１０ 燃焼用空気供給部
１１１ 改質用原料供給部
１１４ 燃焼用原料供給部
１１６ 第１改質ガス搬送ライン
１１７ 第１オフガス搬送ライン
１１９ スタック用空気供給部
１２９ 燃焼排ガス搬送ライン
１２１ 改質触媒部
１２２ 変成触媒部
１２３ 選択酸化触媒部
１２５ バーナ部
１２６ 燃焼触媒部
１２８ 燃焼排ガス通路
１３６ イグナイタ
１４１ ブロワ
１４２ 調節弁

Claims (15)

  1. 原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路または前記燃焼器に原料ガスを供給するための第２のガス供給路と、前記燃焼器において着火動作をするための着火器と、前記改質器または前記燃焼器に供給される原料ガスを昇圧する昇圧器と、前記改質器または前記燃焼器に供給する原料ガス流量を調整する流量調整弁と、制御器と、を備え、
    前記制御器は、前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路または前記第２のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するとともに、前記流量調整弁の開度を前記着火動作期間での目標原料流量に対応した目標開度Ｕｃよりも小さい初期開度Ｕｓから該目標開度Ｕｃに向けて前記流量調整弁の開度を大きくなるように制御するよう構成されている、水素生成装置。
  2. 前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路を備え、
    前記制御器は、前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するように構成されている、請求項１記載の水素生成装置。
  3. 前記制御器は、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕｓから緩やかに大きくなるように制御する、請求項１記載の水素生成装置。
  4. 前記制御器は、前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕｓから段階的に大きくなるように制御する、請求項１記載の水素生成装置。
  5. 前記着火動作期間とは、前記着火器が着火動作を継続している期間である、請求項１記載の水素生成装置。
  6. 前記初期開度Ｕｓは、前記着火動作期間中に前記燃焼器に供給される燃焼用空気量に対する前記燃焼器に供給される原料ガス量が該原料ガスの濃度の燃焼下限界未満になるような前記流量調整弁の開度に設定されている、請求項１記載の水素生成装置。
  7. 前記制御器は、前記着火動作期間中の着火動作によって着火しなかったため、次の着火動作を行なう際に、該次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前の着火動作期間中の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅに設定して前記着火器により次の着火動作を開始する、請求項１記載の水素生成装置。
  8. 前記制御器は、前の着火動作時の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅが前記目標開度Ｕｃになると、次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前記目標開度Ｕｃに設定して前記着火器により次の着火動作を開始する、請求項７記載の水素生成装置。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置により生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、を備える、燃料電池システム。
  10. 原料ガスから改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器より送出されるガスを前記燃焼器に供給するための第１のガス供給路または前記燃焼器に原料ガスを供給するための第２のガス供給路と、前記燃焼器において着火動作をするための着火器と、前記改質器または前記燃焼器に供給される原料ガスを昇圧する昇圧器と、前記改質器または前記燃焼器に供給する原料ガス流量を調整する流量調整弁と、を備える水素生成装置の運転方法であって、
    前記着火器の着火動作期間中において、前記昇圧器を動作させて前記第１のガス供給路または前記第２のガス供給路より前記燃焼器に前記原料ガスを供給するとともに、前記流量調整弁の開度を前記着火動作期間での目標原料流量に対応した目標開度Ｕｃよりも小さい初期開度Ｕｓから該目標開度Ｕｃに向けて前記流量調整弁の開度を大きくする、水素生成装置の運転方法。
  11. 前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕｓから緩やかに大きくする、請求項１０記載の水素生成装置の運転方法。
  12. 前記流量調整器の開度を前記初期開度Ｕから段階的に大きくする、請求項１０記載の水素生成装置の運転方法。
  13. 前記初期開度Ｕｓは、前記着火動作期間中に前記燃焼器に供給される燃焼用空気量に対する前記燃焼器に供給される原料ガス量が該原料ガスの濃度の燃焼下限界未満になるような前記流量調整弁の開度に設定されている、請求項１０記載の水素生成装置の運転方法。
  14. 前記着火動作期間中の着火動作によって着火しなかったため、次の着火動作を行なう際に、該次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前の着火動作期間中の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅに設定して前記着火器により次の着火動作を開始する、請求項１０記載の水素生成装置の運転方法。
  15. 前の着火動作時の最終の前記流量調整弁の開度Ｕｅが前記目標開度Ｕｃになると、次の着火動作時の前記流量調整弁の初期開度Ｕｓを、前記目標開度Ｕｃに設定して前記着火器により次の着火動作を開始する、請求項１４に記載の水素生成装置の運転の方法。
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