JP2005183216A - Burner for reformer and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a miniaturizable burner for a reformer while inhibiting pressure loss, and a miniaturized fuel cell system having little pressure loss. <P>SOLUTION: This burner for a reformer for providing heat for reforming reaction to a reformer obtaining reformed gas containing hydrogen by reforming material for hydrogen production for the fuel cell system comprises only two gas passages not connected to each other, wherein a gas entrance of a first gas passage is an oxygen-containing gas inlet for introducing oxygen-containing gas and a gas exit of the first gas passage includes a burner mat. The first gas passage includes a liquid fuel nozzle for forcing the liquid fuel to flow downward into the first gas passage, and a heating surface for vaporizing the liquid fuel flown downward. The gas entrance of the second gas passage is a hydrogen pole off gas inlet for introducing hydrogen pole off gas of a fuel cell, and the gas exit of the second gas passage includes a hydrogen off gas nozzle for providing the hydrogen pole off gas toward downstream of the burner mat. The fuel cell system includes this burner for a reformer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池システムに関する。また本発明は、燃料電池システムに用いられる改質器に必要な熱を供給するためのバーナに関する。   The present invention relates to a fuel cell system. The present invention also relates to a burner for supplying heat necessary for a reformer used in a fuel cell system.

燃料電池システムの改質器に用いられるような、液体燃料を燃料とする小型バーナにおいては、燃料を圧力噴霧して拡散燃焼させることが困難であった。このため、このようなバーナにおいては、燃料を気化した後に空気(一次空気)と混合したうえで、複数の炎孔を有するバーナヘッドなどを用いて燃焼を行っていた。   In a small burner that uses liquid fuel as a fuel, such as used in a reformer of a fuel cell system, it is difficult to diffuse and burn the fuel by pressure spraying. For this reason, in such a burner, after vaporizing the fuel, it is mixed with air (primary air) and then burned using a burner head having a plurality of flame holes.

液体燃料を気化するには、一般的に、気化器と呼ばれる、電気ヒータで加熱したカップ様の容器に液体燃料を滴下などして供給し、これを液体燃料が気化するに足る温度に加熱された加熱面(容器内壁)に接触させていた。そして、バーナに供給する空気を一次空気と二次空気に分割し、まず一次空気と気化した液体燃料との混合気を形成して燃焼させ、さらに燃え残りを二次空気により完全燃焼させていた。また、燃料電池システムに用いられるバーナは、水素極オフガスを燃焼させるために、液体燃料を燃焼させるバーナヘッド近傍に水素極オフガスノズルを設け、オフガスも燃焼可能な構造になっている。このような液体燃料用バーナの構造は、例えば、特許文献1(特開平7−237902号公報)に記載される。
特開平7−237902号公報
In order to vaporize the liquid fuel, the liquid fuel is generally supplied dropwise to a cup-like container heated by an electric heater, called a vaporizer, which is heated to a temperature sufficient to vaporize the liquid fuel. In contact with the heated surface (inner wall of the container). Then, the air supplied to the burner was divided into primary air and secondary air, and first, an air-fuel mixture of primary air and vaporized liquid fuel was formed and burned, and the unburned residue was completely burned by the secondary air. . In addition, the burner used in the fuel cell system has a structure in which a hydrogen electrode offgas nozzle is provided in the vicinity of the burner head for burning the liquid fuel to burn off the hydrogen electrode offgas, and the offgas can also be combusted. Such a structure of the burner for liquid fuel is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-237902.
JP 7-237902 A

このような、燃料電池用小型バーナにおいて、燃料電池の水素極オフガスは爆発範囲の広い水素を含むため、逆火防止の観点から空気との予混合は好ましくない。そこで、バーナ内部に空気流路とは別に、オフガスノズルに通じるオフガスが流れる通路が必要となる。従って、特許文献1に代表される構造のバーナでは、バーナ内部を少なくとも3つの空間に分割し、一次空気が流れるガス通路、二次空気が流れるガス通路、オフガスが流れるガス通路を形成する必要があった。このため、構造が複雑になる、小型化しにくい、空間の細分化により流路断面積が小さくなり圧力損失が増大する等の点で改善が望まれているところであった。   In such a small burner for a fuel cell, since the hydrogen electrode off-gas of the fuel cell contains hydrogen having a wide explosion range, premixing with air is not preferable from the viewpoint of preventing flashback. Therefore, a passage through which the off gas communicating with the off gas nozzle flows is required in addition to the air flow path inside the burner. Therefore, in the burner having a structure represented by Patent Document 1, it is necessary to divide the interior of the burner into at least three spaces to form a gas passage through which primary air flows, a gas passage through which secondary air flows, and a gas passage through which off-gas flows. there were. For this reason, improvements have been desired in that the structure is complicated, it is difficult to reduce the size, and the sectional area of the flow path is reduced due to space subdivision and the pressure loss is increased.

本発明の目的は、より簡素な構造を有し、圧力損失を抑えながら小型化することが可能な改質器用バーナを提供することである。また、本発明の別の目的は、圧力損失が小さくコンパクトな燃料電池システムを提供することである。   An object of the present invention is to provide a reformer burner that has a simpler structure and can be miniaturized while suppressing pressure loss. Another object of the present invention is to provide a compact fuel cell system with low pressure loss.

本発明により、燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナにおいて、
互いに連通しないガス流路を二つだけ有し、
第一のガス流路のガス入口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、第一のガス流路のガス出口にはバーナマットを備え、第一のガス流路は第一のガス流路内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと、該流下された液体燃料を気化するための加熱面とを有し、
第二のガス流路のガス入口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、第二のガス流路のガス出口にはバーナマットの下流に該水素極オフガスを供給する水素極オフガスノズルを備える
ことを特徴とする改質器用バーナが提供される。
According to the present invention, in a reformer burner for supplying heat for reforming reaction to a reformer used in a fuel cell system to obtain a reformed gas containing hydrogen by reforming a raw material for hydrogen production. ,
Have only two gas flow paths that do not communicate with each other,
The gas inlet of the first gas channel is an oxygen-containing gas inlet for introducing the oxygen-containing gas, the gas outlet of the first gas channel is provided with a burner mat, and the first gas channel is the first gas channel A liquid fuel nozzle for flowing the liquid fuel into the gas flow path, and a heating surface for vaporizing the flowed liquid fuel,
The gas inlet of the second gas channel is a hydrogen electrode off-gas inlet for introducing the hydrogen electrode off-gas of the fuel cell, and the hydrogen electrode off-gas is supplied downstream of the burner mat to the gas outlet of the second gas channel. A reformer burner comprising a hydrogen electrode off-gas nozzle is provided.

上記バーナにおいて、前記バーナマットが、金属繊維の織布もしくは不織布からなることが好ましい。   In the burner, the burner mat is preferably made of a woven or non-woven metal fiber.

上記バーナにおいて、さらに、液体燃料基準の燃焼空気比を1.5以下に制御する制御手段を有することが好ましい。   The burner preferably further includes a control means for controlling the combustion air ratio based on the liquid fuel to 1.5 or less.

上記バーナにおいて、前記バーナマットの単位面積あたりの液体燃料の燃焼量が200kW/m2以上4500kW/m2以下であることが好ましい。 In the burner, it is preferable that the combustion amount of the liquid fuel per unit area of the burner mat is 200 kW / m 2 or more and 4500 kW / m 2 or less.

上記バーナにおいて、液体燃料基準の燃焼量が8.1kW以下であることが好ましい。   In the burner, it is preferable that the combustion amount based on the liquid fuel is 8.1 kW or less.

本発明により、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナを備え、
該改質器用バーナは互いに連通しないガス流路を二つだけ有し、
第一のガス流路のガス入口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、第一のガス流路のガス出口にはバーナマットを備え、第一のガス流路は第一のガス流路内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと、該流下された液体燃料を気化するための加熱面とを有し、
第二のガス流路のガス入口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、第二のガス流路のガス出口にはバーナマットの下流に該水素極オフガスを供給する水素極オフガスノズルを備える
ことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
According to the present invention, in a fuel cell system comprising a reformer for reforming a raw material for hydrogen production to obtain a reformed gas containing hydrogen, and a fuel cell using the reformed gas as fuel,
The reformer comprises a reformer burner for supplying heat for the reforming reaction;
The reformer burner has only two gas flow paths that do not communicate with each other,
The gas inlet of the first gas channel is an oxygen-containing gas inlet for introducing the oxygen-containing gas, the gas outlet of the first gas channel is provided with a burner mat, and the first gas channel is the first gas channel A liquid fuel nozzle for flowing the liquid fuel into the gas flow path, and a heating surface for vaporizing the flowed liquid fuel,
The gas inlet of the second gas channel is a hydrogen electrode off-gas inlet for introducing the hydrogen electrode off-gas of the fuel cell, and the hydrogen electrode off-gas is supplied downstream of the burner mat to the gas outlet of the second gas channel. A fuel cell system comprising a hydrogen electrode off-gas nozzle is provided.

本発明のバーナにおいては、供給された酸素含有ガス(例えば空気)は全て第一の流路内の気化器内に導かれ、気化器と接触して予熱され、また気化した液体燃料と混合されて可燃性混合気となる。この混合気は気化器下流に設置されたバーナマットに導かれ、バーナマット表面および/または下方で火炎を形成し燃焼する。二次空気が不要であるため、ケーシングで覆われたバーナ内部の空間は、酸素含有ガスあるいは可燃性混合気の通路と水素極オフガスの通路に2分割されるのみとなる。従って、構造が簡略化される、小型化が容易になる、流路断面積を比較的大きくとれ、圧力損失を抑制できるなどの効果がある。   In the burner of the present invention, all supplied oxygen-containing gas (for example, air) is led into the vaporizer in the first flow path, preheated in contact with the vaporizer, and mixed with the vaporized liquid fuel. And become a flammable mixture. The air-fuel mixture is guided to a burner mat installed downstream of the vaporizer, and forms a flame on the burner mat surface and / or below to burn. Since secondary air is unnecessary, the space inside the burner covered with the casing is only divided into two passages, one for oxygen-containing gas or combustible gas mixture and the other for hydrogen electrode off-gas. Therefore, the structure is simplified, the size can be easily reduced, the channel cross-sectional area can be relatively large, and the pressure loss can be suppressed.

本発明の燃料電池システムは、このようなバーナを備えるため、全体として、コンパクトにすることが可能であり、圧力損失も抑制することができる。   Since the fuel cell system of the present invention includes such a burner, it can be made compact as a whole, and pressure loss can also be suppressed.

液体燃料としては、常温常圧(25℃、0.101MPa)で液体である可燃性物質を適宜使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ガソリン、灯油、軽油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。   As the liquid fuel, a combustible substance that is liquid at normal temperature and normal pressure (25 ° C., 0.101 MPa) can be used as appropriate. For example, compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons and alcohols can be used. Preferable examples that can be obtained at low cost for industrial use or consumer use include methanol, ethanol, gasoline, kerosene, and light oil. Of these, kerosene is preferable because it is easily available for industrial use and consumer use, and is easy to handle.

バーナにて燃焼に用いる酸素含有ガスとしては、入手容易性から空気(大気)が好ましいが、酸素濃度が高められた酸素富化空気を用いることもでき、燃料電池システムにおいては燃料電池の空気極(カソード)から排出される空気極オフガスを利用することもできる。   Air (atmosphere) is preferable as the oxygen-containing gas used for combustion in the burner, but oxygen-enriched air with an increased oxygen concentration can also be used, and in the fuel cell system, the air electrode of the fuel cell is used. The cathode off-gas discharged from the (cathode) can also be used.

以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素含有ガスとして空気を例に説明する。   Hereinafter, although the form of this invention is demonstrated using drawing, this invention is not limited to these. Further, air will be described as an example of the oxygen-containing gas.

図1に本発明のバーナの一形態を示す。バーナケーシング1は、基本的には、鉛直方向の中心軸を有する筒状であり、上部はガスや液体燃料を供給するため、また電気ヒータ9を装着するための取りあい部1aとされる。   FIG. 1 shows an embodiment of the burner of the present invention. The burner casing 1 basically has a cylindrical shape having a central axis in the vertical direction, and an upper portion serves as a connecting portion 1a for supplying gas or liquid fuel and for mounting an electric heater 9.

バーナに設けられるガス流路は第一のガス流路10と第二のガス流路20の二つだけである。第一のガス流路のガス入口は空気導入口11だけである。つまり第一のガス流路に供給されるガスは空気のみである。空気導入口の数は適宜選ぶことができるが、より簡素な構造とするためには1つが好ましい。   There are only two gas flow paths provided in the burner, the first gas flow path 10 and the second gas flow path 20. The gas inlet of the first gas channel is only the air inlet 11. That is, the only gas supplied to the first gas flow path is air. The number of air inlets can be selected as appropriate, but one is preferable for a simpler structure.

第一の流路には、液体燃料ノズル12が略鉛直下方に向けて設けられ、外部から液体燃料を第一の流路内に流下させることが可能となっている。液体燃料ノズルの下方に、加熱面13が略水平に設けられる。加熱面は、気化器2に一体的に形成され、気化器に埋め込まれた電気ヒータ9からの熱伝導により液体燃料が気化するに適した温度に加熱可能となっている。   In the first flow path, the liquid fuel nozzle 12 is provided substantially vertically downward so that liquid fuel can flow into the first flow path from the outside. A heating surface 13 is provided substantially horizontally below the liquid fuel nozzle. The heating surface is formed integrally with the vaporizer 2 and can be heated to a temperature suitable for vaporizing the liquid fuel by heat conduction from the electric heater 9 embedded in the vaporizer.

液体燃料ノズルから流下された液体燃料は、加熱面13に接触し、気化する。液体燃料はノズルから断続的に滴下されてもよいが、混合気中の燃料の濃度をより一定にする観点からは連続的に流下されることが好ましい。液体燃料を安定して連続的に流下させる観点から、ノズルからの液体燃料の吐出速度を5cm/秒以上とすることが好ましい。また送液の圧力損失の観点から60cm/秒以下とすることが好ましい。このように吐出速度を調節するためには、流量調節バルブや定量ポンプなどの流量調節手段により液体燃料の流量を調節した上で液体燃料ノズルに供給すればよい。   The liquid fuel flowing down from the liquid fuel nozzle comes into contact with the heating surface 13 and vaporizes. The liquid fuel may be dropped intermittently from the nozzle, but it is preferable that the liquid fuel is continuously flowed from the viewpoint of making the concentration of the fuel in the air-fuel mixture more constant. From the viewpoint of stably and continuously flowing down the liquid fuel, it is preferable that the discharge speed of the liquid fuel from the nozzle is 5 cm / second or more. Moreover, it is preferable to set it as 60 cm / sec or less from a viewpoint of the pressure loss of liquid feeding. In order to adjust the discharge speed in this way, the flow rate of the liquid fuel may be adjusted by a flow rate adjusting means such as a flow rate adjusting valve or a metering pump and then supplied to the liquid fuel nozzle.

液体燃料ノズルを略鉛直下方以外の方向、例えば水平に設けることもできるが、比較的大きな液滴の形成を抑制し、混合気中の燃料濃度をより一定にする観点から、ノズル自体が略鉛直下方に向いていることが好ましい。略鉛直下方とは、ノズルの延在方向が必ずしも厳密に鉛直下方でなくてもよいことを意味し、鉛直下方からのずれが10°以内であることが好ましく、5°以内であることがより好ましく、3°以内であることがさらに好ましくい。   Although the liquid fuel nozzle can be provided in a direction other than substantially vertically downward, for example, horizontally, the nozzle itself is substantially vertical from the viewpoint of suppressing the formation of relatively large droplets and making the fuel concentration in the mixture more constant. It is preferable to face downward. “Substantially vertically downward” means that the extending direction of the nozzle does not necessarily have to be strictly vertically downward, and the deviation from the vertically downward is preferably within 10 °, more preferably within 5 °. Preferably, it is more preferably within 3 °.

液体燃料ノズルの少なくとも先端において、液体燃料ノズルが空気流路の中にあり、液体燃料ノズルと空気流れ方向とが同じ方向に向いていることが好ましく、液体燃料ノズルと空気流路が同軸であることがさらに好ましい。例えば、図1に示されるように液体燃料ノズルの先端が鉛直下方を向き、鉛直下方を向く円柱状の空気流路内にノズル先端が配置され、この円柱の中心軸とノズルの中心軸が一致する構成が好ましい。このような構成によって、空気の流れが液体燃料をノズル先端から取り去る効果が生じ、ノズル先端において液滴が大きく成長することを抑制し、混合気中の液体燃料濃度がより一定になるからである。   At least at the tip of the liquid fuel nozzle, the liquid fuel nozzle is in the air flow path, and the liquid fuel nozzle and the air flow direction are preferably in the same direction, and the liquid fuel nozzle and the air flow path are coaxial. More preferably. For example, as shown in FIG. 1, the tip of the liquid fuel nozzle faces vertically downward, and the nozzle tip is disposed in a cylindrical air flow path facing vertically downward, and the center axis of this cylinder coincides with the center axis of the nozzle. The structure which does is preferable. This is because the air flow has the effect of removing the liquid fuel from the nozzle tip, suppresses the large growth of droplets at the nozzle tip, and the liquid fuel concentration in the mixture becomes more constant. .

加熱面は滴下された液体燃料が均一に拡散するために、略水平であることが好ましい。略水平とは加熱面が必ずしも厳密に水平でなくてもよいことを意味し、水平からのずれが10°以内であることが好ましく、5°以内であることがより好ましく、3°以内であることがさらに好ましい。   The heating surface is preferably substantially horizontal in order for the dropped liquid fuel to diffuse uniformly. “Substantially horizontal” means that the heating surface does not necessarily have to be exactly horizontal, and the deviation from the horizontal is preferably within 10 °, more preferably within 5 °, and more preferably within 3 °. More preferably.

また、加熱面の形状は滴下後の液体燃料が均一に拡散するように円形が望ましい。   In addition, the heating surface is preferably circular so that the liquid fuel after dripping diffuses uniformly.

加熱面は気化器内に一体的に形成することもでき、例えば気化器の外壁を形成する中空円筒状部分と、加熱面を形成する板状部分とを一体的に形成することができる。あるいは例えば、加熱面となる面を有する板状部材を中空円筒状部材などに溶接などにより接合することもできる。気化器は、ヒータを埋め込むための部分や、凸部などを有することができる。   The heating surface can also be formed integrally in the vaporizer. For example, a hollow cylindrical portion that forms the outer wall of the vaporizer and a plate-like portion that forms the heating surface can be formed integrally. Alternatively, for example, a plate member having a surface to be a heating surface can be joined to a hollow cylindrical member or the like by welding or the like. The vaporizer can have a portion for embedding the heater, a convex portion, or the like.

気化器の材料は、熱伝導率の観点から、金属が好ましい。例えばアルミニウムや真鍮が好適である。   The material of the vaporizer is preferably a metal from the viewpoint of thermal conductivity. For example, aluminum or brass is suitable.

加熱面の温度は、供給される液体燃料の種類に応じて適宜設定できる。例えば、液体燃料が灯油の場合、好ましくは180℃以上250℃以下、より好ましくは190℃以上220℃以下である。これは、180℃未満では灯油の初留温度付近になるため、高沸点成分の気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、また、250℃を超えると滴下された液滴が気化した燃料蒸気で覆われる、いわゆる膜沸騰状態になるため気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、このような状況を回避するためである。   The temperature of the heating surface can be appropriately set according to the type of liquid fuel to be supplied. For example, when the liquid fuel is kerosene, it is preferably 180 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, more preferably 190 ° C. or higher and 220 ° C. or lower. This is disadvantageous in that it is near the initial distillation temperature of kerosene below 180 ° C., so the vaporization rate of the high boiling point component is slow, the fuel concentration in the mixture tends to be unstable, and the flame tends to become unstable. In addition, when the temperature exceeds 250 ° C., the dropped liquid droplet is covered with vaporized fuel vapor, so that a so-called film boiling state occurs, the vaporization speed becomes slow, the fuel concentration in the mixture becomes unstable, and the flame becomes unstable. This is disadvantageous in that it tends to be, and this is to avoid such a situation.

燃焼用空気は、気化された液体燃料と混合しながら、加熱面に衝突する。燃焼用空気と液体燃料との混合気の流路は、加熱面で90°方向転換し加熱面に沿って水平方向となった後、気化器2の側壁によって再び90°方向転換し、混合気は加熱面と気化器側壁との間の空隙14を通過する。混合気の流路は、気化器の凸部3によって90°方向転換し、さらに気化器側壁によって90°転換して下向きとされる。このように混合気の流路が4回方向転換されることによって、空気と気化した液体燃料との混合が促進される。必ずしも4回の方向転換が必要ではなく、方向転換の角度も必ずしも90°でなくてもよいが、混合促進の観点から、混合気の流路は少なくとも1回方向転換されることが好ましく、2回以上方向転換されることがより好ましい。また、混合気の方向転換の回数は、装置の複雑化を抑える観点からは4回以下とすることが好ましい。なお、図1において白抜き矢印は、上記混合気の流れ方向を示す。   Combustion air collides with the heating surface while mixing with the vaporized liquid fuel. The flow path of the air-fuel mixture of combustion air and liquid fuel turns 90 ° on the heating surface and becomes horizontal along the heating surface, and then turns 90 ° again by the side wall of the carburetor 2. Passes through the gap 14 between the heating surface and the vaporizer sidewall. The flow path of the air-fuel mixture is turned 90 ° by the convex portion 3 of the vaporizer and further turned 90 ° by the vaporizer side wall so as to face downward. In this way, the flow of the air-fuel mixture is changed four times, thereby promoting the mixing of the air and the vaporized liquid fuel. The direction change of four times is not necessarily required and the angle of the direction change may not necessarily be 90 °. However, from the viewpoint of promoting the mixing, the flow path of the air-fuel mixture is preferably changed at least once. More preferably, the direction is changed more than once. In addition, the number of times of changing the direction of the air-fuel mixture is preferably 4 times or less from the viewpoint of suppressing the complexity of the apparatus. In FIG. 1, white arrows indicate the flow direction of the air-fuel mixture.

気化器内の混合気流路となる空隙は、混合気流の偏流防止の観点から略対称に配されることが好ましい。   It is preferable that the gaps serving as the air-fuel mixture flow path in the carburetor are arranged approximately symmetrically from the viewpoint of preventing the drift of the mixed air flow.

混合気は気化器の下流側に接続された、第一の流路の一部を内部に形成する中空筒状の部材である延長筒4および整流器5を通過し、バーナマット6が設けられた第一の流路の出口に至る。バーナマットの上流側に設けられる延長筒および整流器は、バーナマットに供給される混合気の流れを整え、燃焼の均一化を図るためのものである。なお、バーナマットの燃焼熱によっても気化器が加熱されるが、延長筒を設けることによってバーナマットと気化器との距離を調節することができ、気化器、特には加熱面の温度制御を容易にすることもできる。整流器においては、下方に向かうに従って水平方向の流路断面積が徐々に大きくなり、下端の開口部はバーナマットの形状と略同一になっている。整流器は全体として漏斗状の形状を有する。   The air-fuel mixture passes through the extension cylinder 4 and the rectifier 5 which are connected to the downstream side of the vaporizer and form a part of the first flow path inside, and a burner mat 6 is provided. It reaches the outlet of the first channel. The extension cylinder and the rectifier provided on the upstream side of the burner mat are for adjusting the flow of the air-fuel mixture supplied to the burner mat and making the combustion uniform. The vaporizer is also heated by the combustion heat of the burner mat, but by providing an extension cylinder, the distance between the burner mat and the vaporizer can be adjusted, and the temperature control of the vaporizer, particularly the heating surface, is easy. It can also be. In the rectifier, the horizontal cross-sectional area gradually increases toward the bottom, and the opening at the lower end is substantially the same as the shape of the burner mat. The rectifier has a funnel shape as a whole.

燃焼安定性向上のために、バーナマットの下流側に保炎器を設けることもできる。   In order to improve combustion stability, a flame holder can be provided on the downstream side of the burner mat.

なお、電気ヒータ9は、液体燃料気化のための熱を供給することに加え、燃焼用空気の予熱のための熱を供給する機能を兼ねている。燃焼用空気は、気化器などとの熱交換によって予熱される。場合によっては、燃料用空気をバーナに供給する前に別途予熱することも可能である。燃焼用空気を別途充分予熱した場合、気化器加熱用の電気ヒータを廃止することも可能であるが、温度の制御性の観点から加熱手段として電気ヒータを用いることが好ましい。電気ヒータの出力を操作して加熱面の温度を適切な範囲に制御するために気化器の温度を測定する熱電対(不図示)などを適宜設けることができる。   The electric heater 9 has a function of supplying heat for preheating the combustion air in addition to supplying heat for vaporizing the liquid fuel. The combustion air is preheated by heat exchange with a vaporizer or the like. In some cases, it is possible to preheat the fuel air separately before supplying it to the burner. When the combustion air is sufficiently preheated separately, it is possible to eliminate the electric heater for heating the vaporizer, but it is preferable to use an electric heater as a heating means from the viewpoint of temperature controllability. A thermocouple (not shown) for measuring the temperature of the vaporizer can be provided as appropriate in order to control the temperature of the heating surface within an appropriate range by operating the output of the electric heater.

バーナマットから導出される可燃性混合ガスは、イグナイター8などにより適宜着火させて燃焼させることができる。混合ガスの導出方向が鉛直下方であることが好ましい。この場合、火炎も鉛直下方に向けて形成されるため、バーナが装着される改質装置などの機器の上部にバーナを配置することができ、バーナが改質器等の下部に配置された場合に比べて、メンテナンス時にバーナへのアクセスが容易になり、改質器全体として良好なメンテナンス性を確保しつつ省スペース化を図ることが可能となるからである。   The combustible mixed gas derived from the burner mat can be appropriately ignited and burned by the igniter 8 or the like. It is preferable that the derived direction of the mixed gas is vertically downward. In this case, since the flame is also formed vertically downward, the burner can be placed on the upper part of the reformer or the like to which the burner is attached, and the burner is placed on the lower part of the reformer or the like This is because access to the burner is facilitated during maintenance, and space can be saved while ensuring good maintainability as a whole reformer.

バーナマットを用いて混合ガスを燃焼させることにより、燃焼量が小さくても燃焼安定性が優れる。このため、空気を二段階に分けて供給せずに、つまり供給する空気は全て気化された液体燃料との混合気にし、この他には空気を供給せずに、燃料を完全燃焼させることができる。   By burning the mixed gas using the burner mat, the combustion stability is excellent even if the combustion amount is small. For this reason, it is possible to completely burn the fuel without supplying the air in two stages, that is, all the supplied air is mixed with the vaporized liquid fuel and no air is supplied to the other. it can.

バーナマットには、金属繊維の不織布もしくは織布を焼結したものや、コージェライト、チタニア、ムライト、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ等のセラミックからなる繊維の不織布もしくは織布を用いることができる。均熱性と逆火防止性の観点から、バーナマットとして金属繊維の織布もしくは不織布からなるマットが好ましい。また、バーナマットが織布もしくは不織布であると、開口率がパンチングプレートなどに比べて大きいため、バーナマットを通過する際の混合気の速さが遅くなる。このため、例えば200kW/m2程度の低燃焼域では火炎がバーナマットのより近傍に火炎が形成され、バーナマットが火炎により直ぐに赤熱するので、良好な燃焼安定性が得られる。また、例えば4500kW/m2程度の高燃焼域では、バーナマットを通過する混合気の速さが比較的遅いため、火炎の吹き飛びが抑えられる。 As the burner mat, a non-woven fabric or woven fabric of metal fibers, or a non-woven fabric or woven fabric of fibers made of ceramics such as cordierite, titania, mullite, alumina, silica, and alumina-silica can be used. From the viewpoint of heat uniformity and prevention of backfire, a mat made of woven or non-woven metal fibers is preferable as the burner mat. In addition, when the burner mat is a woven fabric or a non-woven fabric, since the opening ratio is larger than that of a punching plate or the like, the speed of the air-fuel mixture when passing through the burner mat becomes slow. For this reason, for example, in a low combustion region of about 200 kW / m 2 , a flame is formed in the vicinity of the burner mat, and the burner mat is immediately red hot by the flame, so that good combustion stability is obtained. In addition, in a high combustion range of, for example, about 4500 kW / m 2, the speed of the air-fuel mixture passing through the burner mat is relatively slow, so that flame blow-off can be suppressed.

バーナマットの単位面積あたりの気化された液体燃料の燃焼量は、燃焼安定性の観点から200kW/m2以上が好ましく、600kW/m2以上がより好ましく、1000kW/m2以上がさらに好ましい。また、火炎の吹き飛び抑制の観点から、4500kW/m2以下が好ましく、4000kW/m2以下がより好ましく、3500kW/m2以下がさらに好ましい。このために、改質器が必要とする燃焼量範囲に対してこのような範囲を実現するに適した面積のバーナマットを設ければよい。 Combustion amount of vaporized liquid fuel per unit area of the burner mat, preferably 200 kW / m 2 or more in terms of combustion stability, and more preferably from 600 kW / m 2 or more, 1000 kW / m 2 or more is more preferable. Further, from the viewpoint of the flame blown off suppression, preferably 4500kW / m 2 or less, more preferably 4000 kW / m 2 or less, more preferably 3500kW / m 2 or less. Therefore, a burner mat having an area suitable for realizing such a range with respect to the combustion amount range required by the reformer may be provided.

本発明のバーナは、特に小燃焼量のバーナに好適である。液体燃料を加熱面によって気化して燃焼させるタイプのバーナは小燃焼量のバーナに好適であり、特にバーナマットによる燃焼は小燃焼量でも安定して燃焼可能だからである。また、このような小燃焼量バーナにおいては特にコンパクトさに対する要求が強いからでもある。具体的には液体燃料基準の燃焼量の最大値が8.1kW(7000kcal/h)以下であるバーナにおいて、さらには5.8kW(5000kcal/h)以下であるバーナにおいて、本発明の効果が顕著である。   The burner of the present invention is particularly suitable for a burner with a small combustion amount. This is because a burner of a type in which liquid fuel is vaporized by a heating surface and burned is suitable for a burner with a small combustion amount, and particularly combustion with a burner mat can be stably burned even with a small combustion amount. This is also because there is a strong demand for compactness in such a small combustion amount burner. Specifically, the effect of the present invention is remarkable in a burner having a maximum combustion amount based on liquid fuel of 8.1 kW (7000 kcal / h) or less, and further in a burner having 5.8 kW (5000 kcal / h) or less. It is.

ここで図3を用いてバーナの燃焼空気比について説明する(図3については後に詳述する)。バーナ101においては、液体燃料基準の空気比を1.8以下にすることが好ましく、1.5以下がより好ましく、1.3以下がさらに好ましい。バーナマットが良好に赤熱し、バーナマットからの輻射熱により火炎を安定させ、完全燃焼をより確実に行うことができるからである。液体燃料を完全燃焼するために、上記空気比は1.0以上とすることが好ましく、1.1以上とすることがより好ましく、1.2以上とすることがさらに好ましい。空気比を制御する手段自体は、公知の流量制御技術を利用できる。例えば、液体燃料の流量は流量計121、流量調節器122、流量調節弁123で制御されているものとし、流量計121で検知された流量に対応する信号を、コンピュータなどの演算処理装置111に送り、ここで液体燃料の流量と予め設定された空気比から、所要の空気流量を算出し、この空気流量に対応する信号を空気側の流量調節器132に送り、空気流量を流量計131と流量調節バルブ133も用いて制御することができる。   Here, the combustion air ratio of the burner will be described with reference to FIG. 3 (FIG. 3 will be described in detail later). In the burner 101, the air ratio based on the liquid fuel is preferably 1.8 or less, more preferably 1.5 or less, and further preferably 1.3 or less. This is because the burner mat is well red hot, the flame is stabilized by the radiant heat from the burner mat, and complete combustion can be performed more reliably. In order to completely burn the liquid fuel, the air ratio is preferably 1.0 or more, more preferably 1.1 or more, and further preferably 1.2 or more. As the means for controlling the air ratio itself, a known flow rate control technique can be used. For example, it is assumed that the flow rate of the liquid fuel is controlled by the flow meter 121, the flow rate regulator 122, and the flow rate control valve 123, and a signal corresponding to the flow rate detected by the flow meter 121 is sent to the arithmetic processing unit 111 such as a computer. The required air flow rate is calculated from the flow rate of the liquid fuel and a preset air ratio, and a signal corresponding to the air flow rate is sent to the flow controller 132 on the air side. The flow control valve 133 can also be used for control.

本発明のバーナは、燃料電池システム内の改質器に装着して用いる。燃料電池の水素極オフガス(燃料電池の水素極すなわちアノードから排出される可燃性ガス)を有効に利用する観点から、バーナマット6の下流に水素極オフガスを供給して燃焼させる。水素極オフガスは、第二の流路20の入口である水素極オフガス導入口21からバーナに供給する。水素極オフガスは、気化器2とその外側のバーナケーシング1との間の空隙を通って、第二の流路の出口に設けられた水素極オフガスノズル22からバーナマットの下流(火炎保持面側すなわち第一の流路とは反対側の面側)に供給される。バーナが、水素極オフガスがバーナマット下流に形成される液体燃料の火炎により着火できる構造を有することが望ましいが、切換時の過剰なオフガス噴出により液体燃料が吹き消えることも有り得る。このため、水素極オフガスを液体燃料混合気に着火させるためのイグナイター8により着火できる位置に、水素極オフガスノズルが設置されることが望ましい。また、先述のように水素極オフガスは爆発混合気を形成しやすい水素を例えば20モル%から50モル%含むため、空気と予混合しない拡散燃焼が好ましいことから、バーナマット下流に水素極オフガスを直接噴出させる構造が好ましい。なお、図1において、墨付き矢印は水素極オフガスの流れ方向を示すものである。水素極オフガスを燃焼させるための空気は、第一の流路を経由してバーナマット下流に供給される。前述のイグナイター8は、水素極オフガスを着火させるためにも兼用できる。   The burner of the present invention is used by being mounted on a reformer in a fuel cell system. From the viewpoint of effectively using the hydrogen electrode off-gas of the fuel cell (the hydrogen electrode of the fuel cell, ie, the combustible gas discharged from the anode), the hydrogen electrode off-gas is supplied downstream of the burner mat 6 and burned. The hydrogen electrode off gas is supplied to the burner from the hydrogen electrode off gas inlet 21 which is the inlet of the second flow path 20. The hydrogen electrode off-gas passes through the gap between the vaporizer 2 and the outer burner casing 1 and flows downstream from the hydrogen electrode off-gas nozzle 22 provided at the outlet of the second channel (on the flame holding surface side). That is, it is supplied to the surface side opposite to the first flow path. The burner preferably has a structure in which the hydrogen electrode off-gas can be ignited by the flame of the liquid fuel formed downstream of the burner mat, but the liquid fuel may be blown off by excessive off-gas injection at the time of switching. For this reason, it is desirable that the hydrogen electrode off-gas nozzle be installed at a position where the hydrogen electrode off-gas can be ignited by the igniter 8 for igniting the liquid fuel mixture. Further, as described above, since the hydrogen electrode off gas contains, for example, 20 mol% to 50 mol% of hydrogen that tends to form an explosive mixture, diffusion combustion without premixing with air is preferable. A structure for direct ejection is preferred. In FIG. 1, the black arrows indicate the flow direction of the hydrogen electrode off-gas. Air for burning the hydrogen electrode off gas is supplied downstream of the burner mat via the first flow path. The above-mentioned igniter 8 can also be used to ignite the hydrogen electrode off-gas.

水素極オフガスを燃焼させる際、第一の流路への液体燃料供給は行わなくてよいが、場合によっては、液体燃料を第一の流路に供給し、液体燃料と水素極オフガスの両者を同時に燃焼させることもできる。   When burning the hydrogen electrode off-gas, it is not necessary to supply the liquid fuel to the first flow path. However, in some cases, the liquid fuel is supplied to the first flow path, and both the liquid fuel and the hydrogen electrode off-gas are mixed. It can also be burned at the same time.

このようなバーナの使用方法としては、例えば、電気ヒータ9を作動させて加熱面を加熱し、空気を必要に応じてブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して燃焼用空気導入口11から供給し、加熱面13が所定の温度になった後に、必要に応じて液体燃料をポンプなどの液体昇圧手段によって昇圧して液体燃料ノズル12から液体燃料を流下させるとともにイグナイター8などの着火手段を作動させればよい。水素極オフガスを燃焼させる際も必要に応じて水素極オフガスをブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して水素極オフガス入口21に供給することができる。   As a method of using such a burner, for example, the electric heater 9 is operated to heat the heating surface, and the air is boosted by a gas boosting means such as a blower as needed and supplied from the combustion air inlet 11. After the heating surface 13 reaches a predetermined temperature, the liquid fuel is boosted by a liquid boosting means such as a pump as needed to cause the liquid fuel to flow down from the liquid fuel nozzle 12 and the ignition means such as the igniter 8 is operated. Just do it. When burning the hydrogen electrode off-gas, the hydrogen electrode off-gas can be boosted by a gas booster such as a blower and supplied to the hydrogen electrode off-gas inlet 21 as necessary.

〔改質器〕
図2に、このバーナ101を、燃料電池システムにおいて用いられる改質器102に装着した場合の例を示す。バーナは改質器の上部に取り付けられ、上方からアクセス可能とされる。
[Reformer]
FIG. 2 shows an example in which this burner 101 is attached to a reformer 102 used in a fuel cell system. The burner is attached to the top of the reformer and is accessible from above.

改質器は、水素製造用原料と水および/または酸素を反応させ、水素を含有する改質ガスを製造する装置である。この装置で水素製造用原料は主に水素と一酸化炭素に分解される。また、通常、二酸化炭素およびメタンも分解ガス中に含有される。分解反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応を挙げることができる。水蒸気改質反応は大きな吸熱を伴い、このための熱を外部から供給するためにバーナなどが用いられる。自己熱改質反応でも場合によっては外部から熱を供給することもありうる。本発明のバーナは、このように改質反応領域に外部から熱を供給する、いわゆる外熱式改質器に好適に用いることができる。改質器内部には、内部に水蒸気改質反応などの改質反応を促進できる触媒を収容した改質管102aなどが配置され、この改質管がバーナの燃焼熱によって加熱され、改質反応を進行させるための熱が供給される。   The reformer is an apparatus for producing a reformed gas containing hydrogen by reacting a raw material for hydrogen production with water and / or oxygen. In this apparatus, the raw material for hydrogen production is mainly decomposed into hydrogen and carbon monoxide. Usually, carbon dioxide and methane are also contained in the cracked gas. Examples of the decomposition reaction include a steam reforming reaction and an autothermal reforming reaction. The steam reforming reaction involves a large endotherm, and a burner or the like is used to supply heat for this purpose from the outside. Even in the autothermal reforming reaction, heat may be supplied from the outside in some cases. The burner of the present invention can be suitably used for a so-called external heat reformer that supplies heat to the reforming reaction region from the outside. Inside the reformer, a reforming tube 102a containing a catalyst capable of promoting a reforming reaction such as a steam reforming reaction is disposed inside, and this reforming tube is heated by the combustion heat of the burner, and the reforming reaction is performed. Heat is supplied to advance the process.

水素製造用原料としては、水蒸気改質法あるいは自己熱改質法により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質から適宜選択して使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることがでる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、都市ガス、LPG(液化石油ガス)、ガソリン、灯油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。バーナに供給する液体燃料と、水素製造用原料とは、異なっていても良いが、燃料電池システム全体をコンパクトにする観点からは、同じものを用いることが好ましい。これらのためのタンク等の貯蔵手段や、ポンプ等の供給系を兼用することが可能となるからである。   The raw material for hydrogen production can be appropriately selected from substances that can obtain a reformed gas containing hydrogen by a steam reforming method or an autothermal reforming method. For example, compounds having carbon and hydrogen in the molecule such as hydrocarbons, alcohols and ethers can be used. Preferable examples that can be obtained inexpensively for industrial use or consumer use include methanol, ethanol, dimethyl ether, city gas, LPG (liquefied petroleum gas), gasoline, kerosene and the like. Of these, kerosene is preferable because it is easily available for industrial use and consumer use, and is easy to handle. The liquid fuel supplied to the burner may be different from the raw material for hydrogen production, but it is preferable to use the same one from the viewpoint of making the entire fuel cell system compact. This is because a storage means such as a tank for these and a supply system such as a pump can be used together.

水蒸気改質反応は水蒸気と炭化水素を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比(スチーム/カーボン比)として定義され、この値は好ましくは0.5〜10、より好ましくは1〜7、さらに好ましくは2〜5とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は水素製造用原料の液体状態での流速をA(L/h)、触媒層体積をB(L)とした場合A/Bで表すことができ、この値は好ましくは0.05〜20h-1、より好ましくは0.1〜10h-1、さらに好ましくは0.2〜5h-1の範囲で設定される。 The steam reforming reaction is a reaction between steam and hydrocarbons, but usually involves heating from the outside because it involves a large endotherm. Usually, the reaction is carried out in the presence of a metal catalyst typified by a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium and platinum. The reaction temperature can be 450 ° C to 900 ° C, preferably 500 ° C to 850 ° C, more preferably 550 ° C to 800 ° C. The amount of steam introduced into the reaction system is defined as the ratio of the number of moles of water molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (steam / carbon ratio), and this value is preferably 0.5-10. Preferably it is 1-7, More preferably, it is 2-5. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is A / B when the flow rate in the liquid state of the raw material for hydrogen production is A (L / h) and the volume of the catalyst layer is B (L). This value is preferably set in the range of 0.05 to 20 h −1 , more preferably 0.1 to 10 h −1 , and still more preferably 0.2 to 5 h −1 .

自己熱改質反応は、水素製造用原料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。この場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのVIII族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム/カーボン比として好ましくは0.3〜10、より好ましくは0.5〜5、さらに好ましくは1〜3とされる。   Autothermal reforming is a method of reforming while maintaining a balance of reaction heat by advancing the steam reforming reaction with the heat generated at this time while oxidizing part of the raw material for hydrogen production. In recent years, it has attracted attention as a method for producing hydrogen for fuel cells because it has a short start-up time and is easy to control. Also in this case, the reaction is usually carried out in the presence of a metal catalyst, typically a Group VIII metal such as nickel, cobalt, iron, ruthenium, rhodium, iridium and platinum. The amount of steam introduced into the reaction system is preferably 0.3 to 10, more preferably 0.5 to 5, and still more preferably 1 to 3 as a steam / carbon ratio.

自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。通常水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量を発生し得る程度の酸素を添加するが、熱のロスやバーナによる外部加熱量と関係において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比(酸素/カーボン比)として好ましくは0.05〜1、より好ましくは0.1〜0.75、さらに好ましくは0.2〜0.6とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、450℃〜900℃、好ましくは500℃〜850℃、さらに好ましくは550℃〜800℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度(LHSV)は、好ましくは0.1〜30、より好ましくは0.5〜20、さらに好ましくは1〜10の範囲で選ばれる。   In autothermal reforming, oxygen is added to the raw material in addition to steam. The oxygen source may be pure oxygen, but in many cases air is used. Usually, oxygen is added to such an extent that it can generate an amount of heat that can balance the endothermic reaction associated with the steam reforming reaction, but the amount added is appropriately determined in relation to heat loss and the amount of external heating by the burner. The amount is preferably from 0.05 to 1, more preferably from 0.1 to 0.75, even more preferably as the ratio of the number of moles of oxygen molecules to the number of moles of carbon atoms contained in the raw material for hydrogen production (oxygen / carbon ratio). Is set to 0.2 to 0.6. The reaction temperature of the autothermal reforming reaction is set in the range of 450 ° C. to 900 ° C., preferably 500 ° C. to 850 ° C., more preferably 550 ° C. to 800 ° C., as in the case of the steam reforming reaction. When the raw material for hydrogen production is liquid, the space velocity (LHSV) at this time is preferably selected in the range of 0.1 to 30, more preferably 0.5 to 20, and still more preferably 1 to 10.

反応温度を制御するには、例えば、反応領域の温度を熱電対などによって検知し、バーナに補助的に供給している液体燃料量を増減させる、燃焼用空気を増減させる、燃料電池での水素使用量を変化させて水素極オフガス中に含まれる水素量を増減させる等の手段を用いる。   To control the reaction temperature, for example, the temperature of the reaction region is detected by a thermocouple, etc., the amount of liquid fuel supplementarily supplied to the burner is increased, the combustion air is increased, the hydrogen in the fuel cell Means such as increasing or decreasing the amount of hydrogen contained in the hydrogen electrode off-gas by changing the amount used is used.

〔燃料電池システム〕
さらに、上記バーナを備えた改質器を有する燃料電池システムの例につき、概要を図3に示す。燃料電池システムは、バーナ101、バーナ101の燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う改質器102、および改質器によって得られた水素を含む改質ガスが水素極に供給される燃料電池103を有する。
[Fuel cell system]
Further, FIG. 3 shows an outline of an example of a fuel cell system having a reformer equipped with the burner. The fuel cell system includes a burner 101, a reformer 102 that performs a steam reforming reaction using the combustion heat of the burner 101, and a fuel in which a reformed gas containing hydrogen obtained by the reformer is supplied to a hydrogen electrode. A battery 103 is included.

燃料電池103としては、水素極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。   As the fuel cell 103, a fuel cell of a type in which hydrogen is a reactant of electrode reaction at the hydrogen electrode can be appropriately employed. For example, a fuel cell of a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, or a solid oxide type can be employed.

例えば、固体高分子型燃料電池は水素極(アノード)103aおよび空気極(カソード)103cとこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、水素極側には改質ガス(水素含有ガス)が、空気極側には空気等の酸素含有ガスが、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後導入される。水素極から排出される水素極オフガスには可燃性成分が残存するため、水素極オフガスはバーナ101に供給されて燃焼される。   For example, a solid polymer fuel cell is composed of a hydrogen electrode (anode) 103a and an air electrode (cathode) 103c and a solid polymer electrolyte sandwiched between them, and a reformed gas (hydrogen-containing gas) is placed on the hydrogen electrode side. An oxygen-containing gas such as air is introduced to the pole side after appropriate humidification treatment if necessary. Since a combustible component remains in the hydrogen electrode off-gas discharged from the hydrogen electrode, the hydrogen electrode off-gas is supplied to the burner 101 and burned.

燃料電池システム起動時には、液体燃料を気化して燃焼用空気で燃焼させ、この熱を利用して改質器その他の機器を暖機することができる。起動を終えた後は、バーナにて水素極オフガスを燃焼させ、液体燃料は燃焼させなくてよい。場合によっては、水素極オフガスと液体燃料を同時に燃焼させることもできる。   When the fuel cell system is started, the liquid fuel is vaporized and burned with combustion air, and this heat can be used to warm up the reformer and other devices. After the start-up, the hydrogen off-gas is burned in the burner and the liquid fuel does not have to be burned. In some cases, the hydrogen electrode off-gas and the liquid fuel can be combusted simultaneously.

燃料電池システムにおいて用いることのできる各種機器は適宜設けることができる。例えば、改質器102と燃料電池103との間の改質ガスラインに、改質ガス中のCO濃度を低減するCO変成反応器、さらにCO濃度を低減する選択酸化反応器を設けることができる。また、改質器より上流に、水素製造用原料中の硫黄分の濃度を低減する脱硫器を設けることもできる。この他にも、燃料電池の空気極に空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などを挙げることができる。   Various devices that can be used in the fuel cell system can be provided as appropriate. For example, a reforming gas line between the reformer 102 and the fuel cell 103 can be provided with a CO shift reactor that reduces the CO concentration in the reformed gas and a selective oxidation reactor that further reduces the CO concentration. . A desulfurizer that reduces the concentration of sulfur in the raw material for hydrogen production can also be provided upstream of the reformer. In addition to this, a means for supplying oxygen-containing gas such as air to the air electrode of the fuel cell, a steam generator for generating steam for humidifying the gas supplied to the fuel cell, and various devices such as the fuel cell are cooled. Cooling system, pressurizing means such as pumps, compressors and blowers for pressurizing various fluids, flow regulating means such as valves for regulating the flow rate of fluids, or shutting off / switching the flow of fluids Channel shut-off / switching means, heat exchanger for heat exchange / recovery, vaporizer for vaporizing liquid, condenser for condensing gas, heating / heat-retaining means for externally heating various devices with steam, etc. Examples include storage means, instrumentation air and electrical systems, control signal systems, control devices, and output and power electrical systems.

本発明の改質器用バーナは小型化が容易であり、例えば、自動車などの移動体用、あるいは小規模発電用の燃料電池システムに備わる改質器において好適に利用できる。   The reformer burner of the present invention can be easily miniaturized, and can be suitably used, for example, in a reformer provided in a fuel cell system for moving bodies such as automobiles or small-scale power generation.

本発明の燃料電池システムは、コンパクト化が容易であり、上記のような燃料電池システムに好適に適用できる。   The fuel cell system of the present invention can be easily made compact, and can be suitably applied to the fuel cell system as described above.

本発明のバーナの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the burner of this invention. 本発明のバーナが装着された改質器の例を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the example of the reformer with which the burner of this invention was mounted | worn. 本発明のバーナを装着した改質器を有する燃料電池システムの概略を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of the fuel cell system which has a reformer equipped with the burner of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 バーナケーシング
1a 取りあい部
2 気化器
4 延長筒
5 整流器
6 バーナマット
8 イグナイター
9 電気ヒータ
10 第一のガス流路
11 空気導入口
12 液体燃料ノズル
13 加熱面
14 加熱面と気化器側壁との間の空隙
20 第二のガス流路
21 水素極オフガス導入口
101 バーナ
102 改質器
103 燃料電池
103a 水素極
103c 空気極
111 演算処理装置
121 流量計(液体燃料用)
122 流量調節器(液体燃料用)
123 流量調節弁(液体燃料用)
131 流量計(空気用)
132 流量調節器(空気用)
133 流量調節バルブ(空気用)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Burner casing 1a Joint part 2 Vaporizer 4 Extension cylinder 5 Rectifier 6 Burner mat 8 Igniter 9 Electric heater 10 First gas flow path 11 Air inlet 12 Liquid fuel nozzle 13 Heating surface 14 Heating surface and vaporizer side wall Air gap 20 Second gas flow path 21 Hydrogen electrode off-gas inlet 101 Burner 102 Reformer 103 Fuel cell 103a Hydrogen electrode 103c Air electrode 111 Processing unit 121 Flow meter (for liquid fuel)
122 Flow controller (for liquid fuel)
123 Flow control valve (for liquid fuel)
131 Flow meter (for air)
132 Flow controller (for air)
133 Flow control valve (for air)

Claims (6)

燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナにおいて、
互いに連通しないガス流路を二つだけ有し、
第一のガス流路のガス入口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、第一のガス流路のガス出口にはバーナマットを備え、第一のガス流路は第一のガス流路内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと、該流下された液体燃料を気化するための加熱面とを有し、
第二のガス流路のガス入口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、第二のガス流路のガス出口にはバーナマットの下流に該水素極オフガスを供給する水素極オフガスノズルを備える
ことを特徴とする改質器用バーナ。
In a reformer burner for supplying heat for reforming reaction to a reformer used in a fuel cell system to reform a raw material for hydrogen production to obtain a reformed gas containing hydrogen,
Have only two gas flow paths that do not communicate with each other,
The gas inlet of the first gas channel is an oxygen-containing gas inlet for introducing the oxygen-containing gas, the gas outlet of the first gas channel is provided with a burner mat, and the first gas channel is the first gas channel A liquid fuel nozzle for flowing the liquid fuel into the gas flow path, and a heating surface for vaporizing the flowed liquid fuel,
The gas inlet of the second gas channel is a hydrogen electrode off-gas inlet for introducing the hydrogen electrode off-gas of the fuel cell, and the hydrogen electrode off-gas is supplied downstream of the burner mat to the gas outlet of the second gas channel. A reformer burner comprising a hydrogen electrode off-gas nozzle.
前記バーナマットが、金属繊維の織布もしくは不織布からなる請求項1記載の改質器用バーナ。   The reformer burner according to claim 1, wherein the burner mat is made of a woven or non-woven fabric of metal fibers. さらに、液体燃料基準の燃焼空気比を1.5以下に制御する制御手段を有する請求項1または2記載の改質器用バーナ。   The reformer burner according to claim 1 or 2, further comprising control means for controlling the combustion air ratio based on liquid fuel to 1.5 or less. 前記バーナマットの単位面積あたりの液体燃料の燃焼量が200kW/m2以上4500kW/m2以下である請求項1〜3のいずれか一項記載のバーナ。 The burner according to any one of claims 1 to 3, wherein a combustion amount of the liquid fuel per unit area of the burner mat is 200 kW / m 2 or more and 4500 kW / m 2 or less. 液体燃料基準の燃焼量が8.1kW以下である請求項1〜4のいずれか一項記載のバーナ。   The burner according to any one of claims 1 to 4, wherein a combustion amount based on a liquid fuel is 8.1 kW or less. 水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナを備え、
該改質器用バーナは互いに連通しないガス流路を二つだけ有し、
第一のガス流路のガス入口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、第一のガス流路のガス出口にはバーナマットを備え、第一のガス流路は第一のガス流路内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと、該流下された液体燃料を気化するための加熱面とを有し、
第二のガス流路のガス入口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、第二のガス流路のガス出口にはバーナマットの下流に該水素極オフガスを供給する水素極オフガスノズルを備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell system comprising a reformer that reforms a raw material for hydrogen production to obtain a reformed gas containing hydrogen, and a fuel cell that uses the reformed gas as fuel,
The reformer comprises a reformer burner for supplying heat for the reforming reaction;
The reformer burner has only two gas flow paths that do not communicate with each other,
The gas inlet of the first gas channel is an oxygen-containing gas inlet for introducing an oxygen-containing gas, the gas outlet of the first gas channel is provided with a burner mat, and the first gas channel is the first gas channel A liquid fuel nozzle for flowing the liquid fuel into the gas flow path, and a heating surface for vaporizing the flowed liquid fuel,
The gas inlet of the second gas channel is a hydrogen electrode off-gas inlet for introducing the hydrogen electrode off-gas of the fuel cell, and the hydrogen electrode off-gas is supplied downstream of the burner mat to the gas outlet of the second gas channel. A fuel cell system comprising a hydrogen electrode off-gas nozzle.
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