JP2005158284A - ガス燃焼装置における開閉弁制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 システムの複雑化及びコストや質量の増加を招くことが無く、着火性及び燃焼性能を向上させることのできるガス燃焼装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池スタックから排出される凝縮水を含んだカソードオフガスを、開閉弁１３を介してガス燃焼装置５の燃焼器８内に導入させる際に、凝縮水のストークス（Stokes）数が１を超えるときには、前記開閉弁１３をカソードオフガスの流れ方向Ａと略平行に傾け（Ｘ１の状態）、凝縮水のストークス（Stokes）数が１近傍部であるときには、前記開閉弁１３をカソードオフガスの流れ方向Ａに対して傾斜（Ｘ２の状態）させ、凝縮水のストークス（Stokes）数が１未満であるときには、前記開閉弁１３をカソードオフガスの流れ方向と略平行に傾ける（Ｘ１の状態）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガス燃焼装置における開閉弁制御方法に関し、詳細には、燃料電池スタックから排出された酸化剤に含まれる凝縮水に影響されることなく該酸化剤と燃料の混合気を効率良く燃焼させるための燃焼性能向上技術に関する。

燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスには凝縮水（水分）が多く含まれることから、このカソードオフガスを触媒燃焼器に流入させる前に、加熱器に導入してオフガス中の水分を気化させる技術が知られている（特許文献１など参照）。
特開２００２−１９８０７６号公報（第３頁〜第５頁、第１図および第２図）

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、間欠的にオフガスが排出される場合、熱交換が不可能となったり、熱交換しても燃焼器に入る前の配管内で冷やされて凝縮し、触媒表面を水分が覆い触媒反応が妨げられ、アノードオフガスが未燃焼のまま排出される恐れがあった。

また、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、加熱器を設置することにより、システムが複雑化し、コストや質量の増加にもつながる。また、この燃料電池システムでは、加熱器によってオフガスの圧損が増加するためシステム効率が低下する恐れがある。

そこで、本発明は、システムの複雑化及びコストや質量の増加を招くことが無く、着火性及び燃焼性能を向上させることのできるガス燃焼装置における開閉弁制御方法を提供することを目的とする。

本発明のガス燃焼装置における開閉弁制御方法では、燃料電池スタックから排出される凝縮水を含んだ酸化剤を、開閉弁を介してガス燃焼装置の燃焼器内に導入させる際に、酸化剤に含まれる凝縮水のストークス（Stokes）数に応じて、燃焼器内へと流入する酸化剤の流れに対する前記開閉弁の弁角度を可変させる。

ここで定義するストークス（Stokes）数は、凝縮水（液水）の空力反応の時定数（aerodynamic response time of droplet）対ガス全体としての流れる時定数（time scale of continuous phase）の比率を表す。具体的には、ストークス（Stokes）数＝（ρｄ^２／１８μ）／（Ｄ／Ｕ）で表される。但し、ρ=水の密度、d=水粒径、μ=水の粘度、D=燃焼器内径、U=平均気体流速とする。

本発明のガス燃焼装置における開閉弁制御方法によれば、酸化剤に含まれる凝縮水のストークス（Stokes）数に応じて、燃焼器内へと流入する酸化剤の流れに対する開閉弁の弁角度を可変させることにより、酸化剤に含まれる水分（液水）と燃料とを分離させることができ、低液水濃度でかつ高燃料濃度の部分を核として着火性および燃焼性能を向上させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［燃料電池システム全体の構成］
先ず、燃料電池システム全体の構成について簡単に説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図である。

この燃料電池システムでは、図１に示すように、例えば従来公知の空気供給システムであるコンプレッサー１によって外部空気が供給され、その供給された外部空気がやはり従来公知の空気加湿技術を用いた加湿器２にて加湿される。

加湿された空気は、燃料電池スタック（ＦＣスタック）３のカソード側に供給され、発電に用いられた後にカソードオフガス（酸化剤）としてＦＣスタック３より排出される。排出されたカソードオフガスは、従来公知の除湿技術を用いた除湿器４にて除湿された後にガス燃焼装置５へと供給され、アノードオフガスと燃焼後に排気配管よりシステム外に排出される。

なお、カソードオフガスは、除湿器４にて完全に除湿しきれないため、配管内で水分が凝縮して燃焼に悪影響を及ぼすことから、後述するガス燃焼装置５に本発明の技術を用いることによってこの問題を解決する。

一方、燃料を水素とした場合、水素は、図示を省略する水素供給源よりＦＣスタック３のアノードイン側に供給される。この他、炭化水素を燃料とした場合、改質器等水素リッチな改質ガスを供給するシステムより、同様にこの改質ガスがＦＣスタック３のアノードイン側に供給される。

そして、ＦＣスタック３より発電に使用されなかったガスは、水素循環システムに供給され、再度アノードインガスとしてＦＣスタック３へ供給される。または、このＦＣスタック３で発電に使用されなかったガスは、アノードオフガスとしてガス燃焼装置５に供給され、燃焼処理後システムより排出される。

［ガス燃焼装置の構成］
次に、本実施の形態のガス燃焼装置５について図面を参照しながら詳細に説明する。ガス燃焼装置５は、図１および図２に示すように、円筒形状をなす燃焼器８に、酸化剤（酸素）を内部に流入させる酸化剤流入部９と、燃料（水素）を内部に噴出させる燃料噴出部１０と、流入された酸化剤と噴出された燃料とを混合させる混合部１１と、混合部１１で混合された酸化剤及び燃料を燃焼させる燃焼部１２とを形成してなる。

そして、このガス燃焼装置５においては、除湿器４よりガス燃焼装置５へと流入させるカソードオフガスの流量制御及び燃焼器８に流入したカソードオフガスとアノードオフガスの混合状態を制御するための可変角度弁である開閉弁１３を、酸化剤流入部９の前方に設けている。

燃焼器８は、燃焼温度・圧力に耐えられる材質、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などから形成され、所定の大きさとされた円筒形状として形成されている。また、この燃焼器８は、燃焼システムとして要求されるガス流量・発熱量などの要求を満足できる設計になれば、その他の形状、材質などとしてもよい。

酸化剤流入部９は、円錐の先端側の一部を切断してなる円筒形として形成されている。この酸化剤流入部９は、開閉弁１３と接続される開口端から後端側に亘ってその開口径を次第に大きくする円筒体とされている。具体的には、酸化剤流入部９は、酸化剤流入部９の開口部９ａにおける開口径を直径５ｃｍとし、後端部９ｂにおける開口径を直径７ｃｍとしたときに、それら直径５ｃｍの円と直径７ｃｍの円を直線で繋いだ形状としている。

なお、酸化剤流入部９を除いた部分の燃焼器８の形状は、酸化剤流入部９の後端部９ｂでの開口径と同じ直径とされた円筒形状とされている。この燃焼器８は、酸化剤流入部９の後端部９ｂから排気管と接続される燃焼器後端部８ａまでの間は、同一の直径とされた円筒体とされている。

燃料噴出部１０は、アノードオフガスを燃焼器８内に噴出する部分であり、アノードオフガス配管に接続された燃料噴出パイプ１４などから構成されている。そして、この燃料噴出部１０は、その燃料噴出パイプ１４の先端側部を燃焼器８内に突出させ、その先端側部に形成した燃料噴出孔からアノードオフガスを噴出させる。この燃料噴出部１０は、例えば先端に穴の空いている１／４インチのステンレスパイプからなる配管とされ、そのパイプ周面にアノードオフガスを噴出する燃料噴出孔を有している。この燃料噴出孔は、パイプ周面の中心に一箇所でもよく、または、円周方向に複数箇所設けてもよい。

アノードオフガスを燃焼器８内に噴出させる燃料供給経路としては、ガス燃焼装置５の上流から導入したり、燃料供給部の流れに対して直角に導入したり、燃料供給部の下流側から導入しても良い。ただし、下流側から導入する場合、導入管による混合気形成への影響および燃焼部１２から発生する熱による導入管および燃料への影響を考慮した設計を行なう必要がある。

混合部１１は、アノードオフガスとカソードオフガスを混合させて混合気を形成する部分であり、燃料噴出部１０の排気方向下流側に位置して設けられている。この混合部１１は、例えば空間を設ける、スワラー、複数枚の多孔板などの従来公知のガス混合技術を用いて作製することが可能である。

燃焼部１２は、混合部１１で混合されたアノードオフガスとカソードオフガスによる混合気を燃焼させる部分であり、混合部１１の後方（下流）に位置して設けられている。燃焼部１２は、例えばグロープラグ、スパークプラグなどの従来公知の着火源と、フレームホルダー、フレームスタビライザーなどの従来公知の炎安定化技術を有する気層燃焼の場を設計することが可能である。また、この燃焼部１２には、触媒を用いて触媒燃焼を行なうことも可能である。触媒には、メタルハニカムやセラミックハニカム等の担体に白金等の貴金属を丹治した、従来公知の触媒技術を用いることができる。

開閉弁１３は、主として除湿器４よりガス燃焼装置５へと流入させるカソードオフガスの流量を制御すると共に、燃焼器８に流入したカソードオフガスとアノードオフガスの混合状態を制御するために使用される。そして特に、本実施の形態では、カソードオフガスに含まれる凝縮水のストークス（Stokes）数に応じて開閉弁１３の開閉角度を制御することにより、凝縮水に影響されることなく効率良くカソードオフガス及びアノードオフガスの混合気を燃焼させるようにする。

前記開閉弁１３は、その弁の角度が任意の角度となるように回動自在とされており、その弁角度を調整することでカソードオフガスの流量制御と混合気の混合状態を制御すると共に、混合気を効率良く燃焼させる。なお、この開閉弁１３には、例えばバタフライバルブ、ボールバルブなどのバルブの角度を制御可能な従来公知の技術が採用される。

なお、本実施の形態のガス燃焼装置５においては、図２（ｂ）に示すように、混合部１１及び燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１が一致しており、且つ、これら混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１に対して前記酸化剤流入部９の開口部９ａにおける断面中心位置Ｃ２をずらしている。図２（ｂ）は、カソードオフガスの流れ方向である上流側に設けられた開閉弁１３から下流側を見たときの酸化剤流入部９の開口部９ａにおける開口断面と、混合部１１および燃焼部１２の開口断面をそれぞれ重ね合わせた図である。

［ストークス（Stokes）数に応じた開閉弁の制御］
以上のように構成されたガス燃焼装置５の開閉弁１３の制御について以下に説明する。先ず、開閉弁１３の制御方法を説明する前に、カソードオフガスに含まれる凝縮水のストークス（Stokes）数とガス流との関係と、ガス燃焼装置５内における凝縮水および燃料の濃度分布と、ガス燃焼装置５内の凝縮水に作用する力及び凝縮水の挙動について説明する。

図３は、凝縮水流動に対する大規模乱流渦の影響のストークス（Stokes）数比較イメージを示す図である。この図から判るように、ストークス（Stokes）数が１を超える（ストークス（Stokes）数＞＞１）程度の充分大きな凝縮水は、ガス流に影響されないが、ストークス（Stokes）数が１近傍（ストークス（Stokes）数〜１前後）の凝縮水になると、ガス流に発生する大規模乱流渦に乗り渦の外側へと弾かれる。また、ストークス（Stokes）数が１未満程度（ストークス（Stokes）数＜＜１）の充分に小さな凝縮水は、ガス流に乗り気体と同様な動きをする。

図４は、凝縮水および燃料の濃度分布を示す図である。凝縮水および燃料の濃度分布を表す図４を参照すると、燃焼部１２では、燃料濃度は全体的に一定となるのに対して、液水濃度は濃度が薄いリーン部と濃度が濃いリッチ部とに分かれている。酸化剤流入部９の入口から流入した凝縮水を含むカソードオフガスは、図４の破線Ｘで示すようにそのまま入口から出口へとほぼ直進する。この液水濃度のリッチ部は、水分を多く含むため着火し難いが、それ以外の部分は水分の量が少ないため着火可能である。このため、一部に着火し難い領域があっても全体として着火し易い領域が多く存在するため、水素と酸素の混合気を効率良く燃焼する。

図５は、ガス燃焼装置内の凝縮水に作用する力及び凝縮水の挙動を示す図である。凝縮水（液水）は、上流からの圧力、下方向への重力加速度、各地点での凝縮水と周辺ガスの速度差による粘性力を受ける（式１）。

Δv x m = -g +ΔPAc + τAs ・・・式１
但し、v=凝縮水速度、g=重力加速度、P=ガス圧力、Ac=凝縮水断面積、τ=粘性応力、As=凝縮水表面積とする。

下記する式２で表されるストークス（Stokes）数が大きな（＞＞１）凝縮水においては、τAの影響を無視できる（液水の自らの慣性によってガス流中を移動する）ことが従来より公知となっている。

ストークス（Stokes）数＝（ρｄ^２／１８μ）／（Ｄ／Ｕ） ・・・式２
但し、ρ=水の密度、d=水粒径、μ=水の粘度、D=燃焼器内径、U=平均気体流速とする。

したがって、凝縮水は、基本的には圧力差ΔPを原動力に上流→下流へと流され、また重力によって下方へ加速され、さらにガス流の乱流成分にはほとんど影響されない。これにより、ガス燃焼装置５内へと流入する凝縮水は、システム圧力および自己の慣性エネルギーによって、酸化剤流入部９からまっすぐに燃焼部１２へと移動する。ただし、重力の影響を受けるため、凝縮水は、酸化剤流入部９より下方に移動することがある。

上記したように、ストークス（Stokes）数が十分に大きな（＞＞１）凝縮水はガス流に影響されないが、ストークス（Stokes）数が１前後の凝縮水になると、凝縮水はガス流に発生する大規模乱流渦に乗り渦の外側へと弾かれ、ストークス（Stokes）数が小さな（＜＜１）凝縮水となるとガス流の流れに乗る。

これを防止するため、酸化剤流入部９の前方に設置した開閉弁１３の弁角度を、以下のように制御することにより、次の効果（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）が得られる。

（Ａ）大粒（Stokes数＞＞１）な凝縮水が多い場合は、図２の破線Ｘ１の状態で示すように、酸化剤流れ方向Ａと略平行に開閉弁１３を傾ければ(開閉弁１３を全開にする)、当該開閉弁１３の影響を流れに与えずに、前記したように高液水濃度部分と燃焼部分とに分けることができ、着火性および燃焼性能を向上させることができる。さらに、開閉弁１３を酸化剤流れ方向Ａに沿って全開にすることで、開閉弁１３により発生する圧力損失を最小限に抑えることができるため、システム全体としての低圧力損失化から効率化が可能となる。

（Ｂ）Stokes数が１程度の凝縮水が多い場合は、図２の破線Ｘ２の状態で示すように、開閉弁１３の弁角度を酸化剤流れ方向Ａに対して角度を持たせて傾斜させることにより、弁下流のガス流に大規模乱流渦を発生させ、その発生した渦により凝縮水を燃焼部１２の内壁面方向へ飛散させることによって、着火性および燃焼効率を改善させることができる。燃焼部１２の内壁面に付着した凝縮水は、蒸発するため、着火性および燃焼効率の妨げにならない。また、渦発生効果として、混合気の燃料濃度分布をより均一することが可能となる。

（Ｃ）小粒（Stokes数＜＜１）な凝縮水が多い場合は、乱流を発生させすぎると、凝縮水も燃焼部１２に均一に分布されてしまう恐れがある。そこで、開閉弁１３の弁角度を酸化剤流れ方向Ａと略平行(開閉弁１３を全開)にすれば、開閉弁１３の影響を流れに与えずに済むため、凝縮水を燃焼中心部より下方の燃焼部壁面に付着させることができ、付着させた水滴を蒸発させて燃焼の妨げを防止できる。

以上のことから、ガス燃焼装置上流の運転条件によって発生する凝縮水の直径分布（ストークス（Stokes）数分布）を求めれば、凝縮水直径分布毎に応じて上記（Ａ）・（Ｂ）・（Ｃ）の制御を効率的に行なうことが可能となる。また、燃焼部１２で不均一な燃料濃度分布になるガス燃焼装置５を設計した場合、運転条件に応じて開閉弁１３の弁角度を制御することにより、開閉弁１３を流れに沿って（全開）制御すれば燃料濃度分布を不均一とでき、また、このガス燃焼装置上流の運転条件によって発生する凝縮水の開閉弁１３を流れに対して弁角度を付けて制御すれば、燃料濃度分布を均一に制御することが可能となる。

［その他の実施の形態］
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、（Ｄ）ストークス（Stokes）数が大きな（＞＞１）凝縮水の場合には、ガス流れの影響をほとんど受けずに自己の慣性によって凝縮水が流れるため、その他の制御因子によって設定される条件に応じて、開閉弁１３の角度を、凝縮水濃度分布に影響を与えずに制御することが可能である。したがって、凝縮水直径分布に応じて前記（Ｄ）・（Ｂ）・（Ｃ）の制御を行うことも可能である。

燃料電池システムの概略構成図である。 ガス燃焼装置の構成図である。 凝縮水流動に対する大規模乱流渦の影響のストークス（Stokes）数比較イメージを示す図である。 凝縮水および燃料の濃度分布を示す図である。 ガス燃焼装置内の凝縮水に作用する力及び凝縮水の挙動を示す図である。

符号の説明

３…燃料電池スタック（ＦＣスタック）
４…除湿器
５…ガス燃焼装置
８…燃焼器
９…酸化剤流入部
１０…燃料噴出部
１１…混合部
１２…燃焼部
１３…開閉弁

Claims (5)

1. 燃料電池スタックから排出される凝縮水を含んだ酸化剤を、開閉弁を介してガス燃焼装置の燃焼器内に導入させる際に、
   前記酸化剤に含まれる凝縮水のストークス（Stokes）数に応じて、前記燃焼器内へと流入する酸化剤の流れに対する前記開閉弁の弁角度を可変する
   ことを特徴とするガス燃焼装置における開閉弁制御方法。
2. 請求項１に記載のガス燃焼装置における開閉弁制御方法であって、
   前記凝縮水のストークス（Stokes）数が１を超えるときには、前記開閉弁を前記酸化剤の流れ方向と略平行に傾ける
   ことを特徴とするガス燃焼装置における開閉弁制御方法。
3. 請求項１に記載のガス燃焼装置における開閉弁制御方法であって、
   前記凝縮水のストークス（Stokes）数が１近傍部であるときには、前記開閉弁を前記酸化剤の流れ方向に対して傾斜させる
   ことを特徴とするガス燃焼装置における開閉弁制御方法。
4. 請求項１に記載のガス燃焼装置における開閉弁制御方法であって、
   前記凝縮水のストークス（Stokes）数が１未満であるときには、前記開閉弁を前記酸化剤の流れ方向と略平行に傾ける
   ことを特徴とするガス燃焼装置における開閉弁制御方法。
5. 請求項１に記載のガス燃焼装置における開閉弁制御方法であって、
   前記凝縮水のストークス（Stokes）数が１を超えるときには、前記開閉弁を前記酸化剤の流れ方向と略平行に傾け、
   前記凝縮水のストークス（Stokes）数が１近傍部であるときには、前記開閉弁を前記酸化剤の流れ方向に対して傾斜させ、
   前記凝縮水のストークス（Stokes）数が１未満であるときには、前記開閉弁を前記酸化剤の流れ方向と略平行に傾ける
   ことを特徴とするガス燃焼装置における開閉弁制御方法。
   

Images