JP2006105481A - Burner and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は灯油等の液体燃料を気化して燃焼させるバーナに関する。特には、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に好適なバーナに関する。また、本発明は、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ための改質器を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a burner that vaporizes and burns liquid fuel such as kerosene. In particular, the present invention relates to a burner suitable for supplying heat necessary for a reformer used in a fuel cell system. The present invention also relates to a fuel cell system including a reformer for reforming a raw material for hydrogen production to obtain a reformed gas containing hydrogen.
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)と混合して混合気としたうえで、複数の炎孔を有するバーナヘッドなどを用いてこの混合気を燃焼させていた。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。 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 the fuel is vaporized, it is mixed with air (primary air) to form an air-fuel mixture, and this air-fuel mixture is burned using a burner head having a plurality of flame holes. It was. In order to vaporize 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).
また、燃料電池システムに用いられる改質器に備わるバーナは、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。
このような気化式のバーナにおいては、場合によっては、液体燃料流下開始直後に、気化器温度が不安定なため液体燃料の蒸気発生が安定せず、空気と燃料蒸気との混合気中の燃料濃度が安定しない。燃料濃度が安定しない場合、着火性能(着火遅れなど)は空気比の影響を大きく受ける。着火時の空気比が低い方が早期に燃料濃度が可燃域に達するため着火しやすい傾向にある。しかし、空気比を着火が容易な程度に低く保つと、液体燃料の気化が安定した後は、空気が不足して一酸化炭素やすす等の未燃分が多く排出される傾向がある。 In such a vaporization type burner, in some cases, immediately after the liquid fuel flow starts, the vaporization of the liquid fuel is not stable because the vaporizer temperature is unstable, and the fuel in the mixture of air and fuel vapor is not stable. The concentration is not stable. If the fuel concentration is not stable, the ignition performance (ignition delay, etc.) is greatly affected by the air ratio. The lower the air ratio at the time of ignition, the easier it is to ignite because the fuel concentration reaches the combustible region earlier. However, if the air ratio is kept low enough to facilitate ignition, after vaporization of the liquid fuel has stabilized, there is a tendency for air to run out and a large amount of unburned carbon monoxide, soot, etc. to be discharged.
本発明の目的は、着火時には良好な着火性能が得られ、着火遅れをより短くすることができ、一方、良好に燃焼を継続させ、一酸化炭素やすす等の未燃分の排出を抑制することのできる、気化式のバーナを提供することである。 The object of the present invention is to obtain a good ignition performance at the time of ignition and to shorten the ignition delay, while on the other hand, continue the combustion well and suppress the discharge of unburned carbon monoxide and soot. It is to provide a vaporizing burner that can.
本発明の別の目的は、良好な着火性能を持ち、かつ良好に燃焼を継続できるバーナを有する改質器を備えた、スムーズに起動可能で未燃分の排出が少ない燃料電池システムを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that has a good ignition performance and has a reformer having a burner that can continue to burn smoothly, and that can be started smoothly and has low unburned emissions. That is.
本発明により、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させる燃焼方法において、
該混合気の燃焼にバーナマットを用い、
着火の際に、該混合気の空気比を1.0以下として火花点火し、着火を確認した後に火花点火の火花を発生させたまま該混合気の空気比を1.2以上に増加する着火制御を行う
ことを特徴とする燃焼方法が提供される。
According to the present invention, in a combustion method in which vaporized liquid fuel is mixed with an oxygen-containing gas to form a mixture, and the mixture is burned.
Burner mat is used for combustion of the air-fuel mixture,
At the time of ignition, spark ignition is performed with the air ratio of the air-fuel mixture being 1.0 or less, and after the ignition is confirmed, the air ratio of the air-fuel mixture is increased to 1.2 or more while the spark ignition spark is generated. A combustion method characterized by performing control is provided.
前記空気比を1.2以上に増加するために、酸素含有ガスの供給量を増加することが好ましい。 In order to increase the air ratio to 1.2 or more, it is preferable to increase the supply amount of the oxygen-containing gas.
本発明により、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、
入り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、出口にはバーナマットを備え、液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと流下された液体燃料を気化するための加熱面とを備えるガス流路;
該バーナマット下流に配された、点火のための火花発生を行う点火電極;
着火を判定可能な着火判定手段;および
着火に際して、該着火判定手段により着火が確認されるまでは該混合気の空気比を1.0以下として該点火電極で火花発生を行い、該着火判定手段により着火が確認されたときに点火電極で火花発生を継続しつつ該空気比を1.2以上に増加させる制御を行う着火制御手段
を備えることを特徴とするバーナが提供される。
In the burner according to the present invention, the vaporized liquid fuel is mixed with an oxygen-containing gas to form an air-fuel mixture, and the air-fuel mixture is burned.
The inlet is an oxygen-containing gas inlet for introducing oxygen-containing gas, and the outlet is provided with a burner mat, and includes a liquid fuel nozzle for flowing down the liquid fuel and a heating surface for vaporizing the liquid fuel that has flowed down. Gas flow path;
An ignition electrode disposed downstream of the burner mat for generating sparks for ignition;
Ignition determination means capable of determining ignition; and, at the time of ignition, until the ignition is confirmed by the ignition determination means, the air ratio of the air-fuel mixture is set to 1.0 or less to generate sparks at the ignition electrode, and the ignition determination means There is provided a burner comprising ignition control means for performing control to increase the air ratio to 1.2 or more while continuing to generate sparks at the ignition electrode when ignition is confirmed by the above.
上記バーナが、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であり、
入り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、出口には前記バーナマットの下流に開口する水素極オフガスノズルを備える水素極オフガス流路をさらに有することができる。
The burner is a reformer burner for supplying heat for reforming reaction to a reformer used in a fuel cell system to reform a hydrogen production raw material to obtain a reformed gas containing hydrogen. Yes,
The inlet is a hydrogen electrode off-gas inlet for introducing the hydrogen electrode off-gas of the fuel cell, and the outlet can further include a hydrogen electrode off-gas flow path having a hydrogen electrode off-gas nozzle that opens downstream of the burner mat.
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、このバーナ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,
A fuel cell system is provided in which the reformer includes the burner.
本発明によれば、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、着火時には良好な着火性能が得られ、着火遅れをより短くすることができ、一方、良好に燃焼を継続させ、一酸化炭素やすす等の未燃分の排出を抑制することができる。 According to the present invention, in a burner in which vaporized liquid fuel is mixed with an oxygen-containing gas to form an air-fuel mixture and the air-fuel mixture is burned, good ignition performance can be obtained at the time of ignition, and the ignition delay can be further shortened. On the other hand, it is possible to continue the combustion satisfactorily and to suppress the discharge of unburned components such as carbon monoxide and soot.
また本発明によれば、良好な着火性能を持ち、かつ良好に燃焼を継続できるバーナを有する改質器を備えた、スムーズに起動可能で未燃分の排出が少ない燃料電池システムが提供される。 In addition, according to the present invention, there is provided a fuel cell system that has a good ignition performance and has a reformer having a burner that can continue to burn well and can be started smoothly and emit less unburned fuel. .
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 inexpensively 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.
なお、図1の形態では、燃焼用空気として一次空気と二次空気を用いており、気化した液体燃料と一次空気とを混合した混合気をバーナマットで燃焼させ、その燃え残りをバーナマット下流に供給する二次空気によって燃焼させて完全燃焼をより確実に行う。しかし、必ずしも二次空気は必要ではなく、一次空気のみによって燃焼を行う形態も可能である。 In the embodiment shown in FIG. 1, primary air and secondary air are used as combustion air, and an air-fuel mixture obtained by mixing vaporized liquid fuel and primary air is burned in the burner mat, and the unburned residue is downstream of the burner mat. Combustion is performed more reliably by the secondary air supplied to the air. However, secondary air is not necessarily required, and a form in which combustion is performed using only primary air is also possible.
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の取りあい部1aとされる。ケーシングは、必ずしもバーナに付属されるものではなく、バーナが挿入される加熱炉の内壁(例えば図2において示される改質器102の炉の内壁)がバーナに密着可能である場合、加熱炉内壁をバーナケーシングの代用とすることも可能である。
FIG. 1 shows an embodiment of the burner of the present invention. The
燃焼用空気(一次空気)および液体燃料が供給されるガス流路(以下、燃焼用ガス流路という。)10の入り口は、一次空気供給口11である。一次空気供給口から供給された一次空気は、取り合い部1aに接続された配管13を通って気化器2内に供給される。 An inlet of a gas flow path (hereinafter referred to as a combustion gas flow path) 10 to which combustion air (primary air) and liquid fuel are supplied is a primary air supply port 11. The primary air supplied from the primary air supply port is supplied into the vaporizer 2 through the pipe 13 connected to the joint portion 1a.
燃焼用ガス流路には、液体燃料ノズル14が略鉛直下方に向けて設けられ、液体燃料供給口12から液体燃料を燃焼用ガス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2a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。加熱面の加熱のために、必ずしも電気ヒータを用いなければならないわけではなく、電気ヒータに替えて、あるいは電気ヒータとともに、加熱面を所定温度に加熱するに足る温度までバーナ導入以前に加熱された一次空気あるいは二次空気を用いてもよい。 The combustion gas flow path is provided with a liquid fuel nozzle 14 facing substantially vertically downward, so that liquid fuel can flow from the liquid fuel supply port 12 into the combustion gas flow path. The heating surface 2a 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. It is not always necessary to use an electric heater for heating the heating surface. Instead of the electric heater or together with the electric heater, the heating surface was heated to a temperature sufficient to heat the heating surface to a predetermined temperature before the burner was introduced. Primary air or secondary air may be used.
液体燃料ノズルから流下された液体燃料は、加熱面2a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2cm/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25cm/秒以下とすることが好ましい。吐出速度は、所望する燃焼量範囲にあわせて液体燃料ノズルの内径を適宜選定することで調整できる。 The liquid fuel flowing down from the liquid fuel nozzle comes into contact with the heating surface 2a 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 2 cm / second or more. Moreover, it is preferable to set it as 25 cm / sec or less from a viewpoint of the pressure loss of liquid feeding. The discharge speed can be adjusted by appropriately selecting the inner diameter of the liquid fuel nozzle in accordance with a desired combustion amount range.
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が燃焼用ガス流路の中にあり、その部分において、液体燃料ノズルと一次空気の流れ方向とが同じ方向に向いていることが好ましく、液体燃料ノズルと燃焼用ガス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燃焼用ガス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。 It is preferable that at least the tip of the liquid fuel nozzle is in the combustion gas flow path, and the liquid fuel nozzle and the flow direction of the primary air are preferably in the same direction in the portion. More preferably, the path is coaxial. 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 combustion gas flow path facing vertically downward. The central axis of the cylinder and the central axis of the nozzle A configuration in which is consistent 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。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。 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. In addition, the heating surface is preferably circular so that the liquid fuel after dripping diffuses uniformly.
加熱面は気化器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を有することができる。 The heating surface can also be formed integrally with 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.
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.
燃焼用ガス流路に導入された一次空気は、気化器からの伝熱により温められたバーナケーシングの取りあい部や気化器内面と接触して予熱され、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15を通過する。混合気の流れ方向を転換することは、均一混合を促進するために好ましい。気化器内の混合気流路となる空隙15は、混合気流の偏流防止の観点から略対称(ここでは円筒状の気化器側壁の中心軸に対して対称)に配されることが好ましい。 The primary air introduced into the combustion gas passage is preheated in contact with the burner casing joint heated by heat transfer from the vaporizer and the inner surface of the vaporizer, and mixed with the vaporized liquid fuel. Collides with heated surface. 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 15 between the heating surface and the vaporizer sidewall. Changing the flow direction of the air-fuel mixture is preferable in order to promote uniform mixing. It is preferable that the air gap 15 serving as the air-fuel mixture flow path in the carburetor is disposed substantially symmetrically (here, symmetrical with respect to the central axis of the cylindrical carburetor side wall) from the viewpoint of preventing the mixed airflow from drifting.
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3aなどを適宜設けることができる。図1の形態では、熱電対3aは熱電対用ウェル3に装着される。 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. If the combustion air is sufficiently preheated separately, it is possible to eliminate the heater for heating the vaporizer, but it is preferable to use an electric heater from the viewpoint of temperature controllability. In order to control the temperature of the heating surface within an appropriate range by operating the output of the electric heater, a thermocouple 3a for measuring the temperature of the vaporizer can be appropriately provided. In the form of FIG. 1, the thermocouple 3 a is attached to the thermocouple well 3.
気化した液体燃料と一次空気との混合気は気化器の下部に設けられた整流器5を経て、バーナマット6が設けられた燃焼用ガス流路の出口に至る。バーナマットの上流側に設けられる整流器は、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に好ましく設けられるものである。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 mixture of the vaporized liquid fuel and primary air passes through the rectifier 5 provided at the lower part of the vaporizer and reaches the outlet of the combustion gas flow path provided with the burner mat 6. The rectifier provided on the upstream side of the burner mat is preferably provided in order to adjust the flow of the air-fuel mixture supplied to the burner mat and to make the combustion uniform. 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.
図1では、気化器下端にバーナマットを設けている。しかし、気化器の下方に離間させてバーナマットを設けることもできる。例えば、気化器とバーナマットとの間に、混合気の流路を形成するための中空筒状の部材である連通管を配置し、気化器を出たガスが、連通管を通って、バーナマットに達するような構成でもよい。このように連通管を設けることで、火炎と気化器(特には加熱面)との距離を容易に調整でき、加熱面の温度制御が容易になる場合もある。 In FIG. 1, a burner mat is provided at the lower end of the vaporizer. However, it is also possible to provide a burner mat spaced below the vaporizer. For example, a communication pipe, which is a hollow cylindrical member for forming a gas mixture flow path, is disposed between the vaporizer and the burner mat, and the gas exiting the vaporizer passes through the communication pipe to be burner. It may be configured to reach the mat. By providing the communication pipe in this manner, the distance between the flame and the vaporizer (particularly the heating surface) can be easily adjusted, and the temperature control of the heating surface may be facilitated.
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。保炎器は通常管状をしており、火炎を形成しているバーナマット下流面にバーナマット面に沿う水平方向から二次空気等の気流があたり、火炎が不安定になることを防止する。 In order to improve combustion stability, a flame holder can be provided on the downstream side of the burner mat. The flame holder is generally tubular and prevents the flame from becoming unstable due to the downstream surface of the burner mat forming the flame being exposed to an air flow such as secondary air from the horizontal direction along the burner mat surface.
バーナマットから導出される可燃性混合ガスは、バーナマットの下流に配された点火電極によって発生した火花により着火されて燃焼する。ここでは、バーナマットの下流側の面に接して配された接地電極7と、高圧電極8とを有する点火電極が用いられ、接地電極と高圧電極との間に発生する火花によって混合気が点火される。
The combustible mixed gas derived from the burner mat is ignited and burned by a spark generated by an ignition electrode arranged downstream of the burner mat. Here, an ignition electrode having a
接地電極および高圧電極の配置の一例について図4を用いて説明する。図4はバーナマット下流側から(図1における紙面下方から)バーナを見た図である。高圧電極は、例えば、碍子管に納めるなど、絶縁材によって絶縁された直径1mm以上から3mm以下の金属棒で、取りあい部1aから絶縁材で取りあい部1aの金属部分と絶縁されて外部に取り出され、高電圧を発生させるイグナイターと接続される。高圧電極の取りあい部1a側とは反対側の先端は、バーナマット下流側に形成される火炎中に位置するよう、接地電極との間隔が例えば3mm以上5mm以下となるよう配置される。接地電極は、例えば、直径2から3mmの金属棒で、バーナマットに接して配置する。接地電極は電気的に接地され、この接地ラインから高圧電極は絶縁される。例えば、接地電極は、バーナマットやバーナケーシングなどを通じて、またこのバーナが用いられる装置本体を通じて、接地することができる。この場合、高圧電極は耐熱性のある絶縁材によりバーナマットやバーナケーシング等から絶縁することができる。 An example of the arrangement of the ground electrode and the high voltage electrode will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a view of the burner as viewed from the downstream side of the burner mat (from the lower side of the drawing in FIG. 1). The high-voltage electrode is, for example, a metal rod having a diameter of 1 mm to 3 mm that is insulated by an insulating material such as being placed in an insulator tube, and is insulated from the metal portion of the coupling portion 1a by the insulating material from the coupling portion 1a to the outside. It is taken out and connected to an igniter that generates a high voltage. The tip of the high-voltage electrode opposite to the side of the connecting portion 1a is disposed so that the distance from the ground electrode is, for example, 3 mm or more and 5 mm or less so as to be positioned in the flame formed on the burner mat downstream side. The ground electrode is a metal rod having a diameter of 2 to 3 mm, for example, and is disposed in contact with the burner mat. The ground electrode is electrically grounded, and the high voltage electrode is insulated from the ground line. For example, the ground electrode can be grounded through a burner mat, a burner casing, and the like, and through a device body in which the burner is used. In this case, the high voltage electrode can be insulated from the burner mat, the burner casing or the like by a heat resistant insulating material.
高圧電極および接地電極ともに耐熱性の高い金属からなることが好ましい。耐熱性金属の代表例として、アルミニウムを添加したフェライト系ステンレス等があげられる。 Both the high-voltage electrode and the ground electrode are preferably made of a metal having high heat resistance. A typical example of a heat-resistant metal is ferritic stainless steel to which aluminum is added.
接地電極および高圧電極を上記のような配置にして、イグナイターから高圧電極とバーナケーシング(接地電極がバーナケーシングに電気的に導通している場合)間に高電圧を印加すると、高圧電極先端と接地電極間に火花が断続的に発生し、混合気に着火することができる。 When the ground electrode and high voltage electrode are arranged as described above and a high voltage is applied between the igniter and the high voltage electrode and the burner casing (when the ground electrode is electrically connected to the burner casing), the tip of the high voltage electrode and the ground Sparks are generated intermittently between the electrodes, and the air-fuel mixture can be ignited.
バーナマットがセラミックなど非導電材料の繊維で形成されている場合でも、上記の電極構成によってバーナマットの火炎側面に極めて近い位置に点火火花を形成でき、良好な着火性能を得ることができる。また、バーナマットが金属繊維で形成されている場合でも、上記電極構成によって、金属繊維自体が溶融損傷することを防止することができ、長期信頼性を向上することができる。 Even when the burner mat is formed of fibers of a non-conductive material such as ceramic, an ignition spark can be formed at a position very close to the flame side surface of the burner mat by the above electrode configuration, and good ignition performance can be obtained. Even when the burner mat is formed of metal fibers, the electrode structure can prevent the metal fibers themselves from being melted and damaged, and can improve long-term reliability.
バーナマットからの混合ガスの導出方向は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。このために、バーナマットは火炎が下方を向いて形成できるように略水平に設け、バーナマット上面から混合気が供給されるようにすることが好ましい。 The direction in which the mixed gas is derived from the burner mat is preferably 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. For this purpose, it is preferable that the burner mat is provided substantially horizontally so that the flame can be formed facing downward, and the air-fuel mixture is supplied from the upper surface of the burner mat.
一方、二次空気が二次空気供給口21から二次空気流路20に供給され、次いで二次空気ノズル22からバーナマット下流に供給される。二次空気流路は気化器の外周に環状に設けられている。二次空気ノズルは混合気の火炎形成領域に二次空気を供給可能な位置に設けられる。この二次空気の供給によって、混合気の完全燃焼が促進される。 On the other hand, secondary air is supplied from the secondary air supply port 21 to the secondary air flow path 20, and then supplied from the secondary air nozzle 22 to the burner mat downstream. The secondary air flow path is annularly provided on the outer periphery of the vaporizer. The secondary air nozzle is provided at a position where the secondary air can be supplied to the flame formation region of the air-fuel mixture. This supply of secondary air promotes complete combustion of the air-fuel mixture.
混合気の燃焼にバーナマットを利用することにより、燃焼量が小さくても燃焼安定性が優れる。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。 By using a burner mat for the combustion of the air-fuel mixture, the combustion stability is excellent even if the combustion amount is small. 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、所望の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ることができる。 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, it is possible to provide a burner mat having an area suitable for realizing such a range with respect to a desired combustion amount range.
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.
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ことができる。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ことが好ましい。水素極オフガスは、水素極オフガス流路30の入口である水素極オフガス供給口31からバーナに供給する。水素極オフガスは、二次空気流路の外周に設けられた環状の流路を通って、水素極オフガス流路の出口に設けられた水素極オフガスノズル32からバーナマットの下流(火炎保持面側すなわち燃焼用ガス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混合気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この火炎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前述の電極7および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、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%以上50モル%以下含むため、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。水素極オフガスを燃焼させるための空気には、一次空気および/または二次空気が利用される。前述の点火電極は、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 can be 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), it is preferable to supply the hydrogen electrode off-gas downstream of the burner mat 6 for combustion. The hydrogen electrode off gas is supplied to the burner from a hydrogen electrode off gas supply port 31 that is an inlet of the hydrogen electrode off gas flow path 30. The hydrogen electrode off-gas passes through an annular channel provided on the outer periphery of the secondary air channel, and flows downstream from the hydrogen electrode off-gas nozzle 32 provided at the outlet of the hydrogen electrode off-gas channel (on the flame holding surface side). That is, it is supplied to the surface side opposite to the combustion gas flow path. It is desirable that the burner has a structure in which the hydrogen electrode off-gas can be ignited by the flame of the liquid fuel mixture formed downstream of the burner mat, but this flame may be blown off by excessive off-gas injection during switching. For this reason, it is desirable to install a hydrogen electrode off-gas nozzle at a position where it can be ignited by the
水素極オフガスを燃焼させる際、燃焼用ガス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、液体燃料を燃焼用ガス流路に供給し、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, liquid fuel supply to the combustion gas flow path may not be performed, but in some cases, the liquid fuel is supplied to the combustion gas flow path and both the liquid fuel and the hydrogen electrode off-gas are supplied. It can also be burned at the same time.
さて、このようなバーナを用いて燃焼を行う方法の例について詳しく述べる。まず、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一次空気供給口11から供給し、加熱面2a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供給口12に供給し、液体燃料ノズル14から液体燃料を流下させるとともに点火電極により、火花を発生させる。このときの空気比(供給した液体燃料量と供給した全空気量から算出される空気比)は、1.0以下にする。また、点火電極による火花発生開始とともに、もしくはその前から着火判定手段を作動させて着火の有無を監視する。ここでは着火判定手段に、熱電対用ウェルに装着されバーナマット下流に設けられた熱電対3bを用いている。着火された場合には熱電対3bで測定した温度が上昇するので、これにより着火の有無を判定できる。着火が確認されたら、上記空気比を1.2以上に増加する。 Now, an example of a method for performing combustion using such a burner will be described in detail. First, the heater 9 is actuated to heat the heating surface, and air is boosted by a gas boosting means such as a blower as necessary and supplied from the primary air supply port 11, and after the heating surface 2a reaches a predetermined temperature. If necessary, the liquid fuel is boosted by a liquid boosting means such as a pump and supplied to the liquid fuel supply port 12, the liquid fuel is caused to flow down from the liquid fuel nozzle 14, and a spark is generated by the ignition electrode. The air ratio at this time (the air ratio calculated from the supplied liquid fuel amount and the supplied total air amount) is set to 1.0 or less. In addition, the ignition determination means is operated at the start of spark generation by the ignition electrode or before that to monitor the presence or absence of ignition. Here, the thermocouple 3b attached to the thermocouple well and provided downstream of the burner mat is used as the ignition determination means. When ignited, the temperature measured by the thermocouple 3b rises, so that the presence or absence of ignition can be determined. When ignition is confirmed, the air ratio is increased to 1.2 or more.
着火前の上記空気比を1.0以下、好ましくは0.9以下とすることにより、バーナマットから導出される混合気の燃料濃度が速やかに可燃域に到達するため、着火遅れが極めて短くなり、良好な着火性能が得られる。一方、煤塵発生防止の観点からこの空気比は好ましくは0.7以上、より好ましくは0.8以上とする。 By setting the air ratio before ignition to 1.0 or less, preferably 0.9 or less, the fuel concentration of the air-fuel mixture derived from the burner mat quickly reaches the combustible region, so that the ignition delay is extremely short. Good ignition performance can be obtained. On the other hand, from the viewpoint of preventing dust generation, the air ratio is preferably 0.7 or more, more preferably 0.8 or more.
着火後の上記空気比を1.2以上、好ましくは1.3以上、より好ましくは1.5以上とすることにより、安定な燃焼継続に好適な量の酸素が供給され、一酸化炭素やすす等の未燃分の発生を抑制することができる。 By setting the air ratio after ignition to 1.2 or more, preferably 1.3 or more, more preferably 1.5 or more, an amount of oxygen suitable for stable combustion is supplied, and carbon monoxide and soot The generation of unburned components such as
着火後に空気比を増加させる操作は、未燃分の排出を抑制する観点から、着火判定手段が着火を判定した後、極力迅速に行うことが好ましい。本発明では、空気比を増加させる間も、点火電極により火花を発生させ続けるため、急激に空気比を変化させる場合でも、安定に燃焼を継続することができる。 The operation of increasing the air ratio after ignition is preferably performed as quickly as possible after the ignition determining means determines ignition from the viewpoint of suppressing the discharge of unburned matter. In the present invention, since sparks are continuously generated by the ignition electrode while the air ratio is increased, combustion can be stably continued even when the air ratio is rapidly changed.
着火後に空気比を増加させるために、液体燃料の供給量は変えずに空気供給量を増やすことが好ましい。空気量を増やすことにより、液体燃料の気化が促進されるため、混合期中の燃料濃度が安定するためである。 In order to increase the air ratio after ignition, it is preferable to increase the air supply amount without changing the liquid fuel supply amount. This is because by increasing the amount of air, vaporization of the liquid fuel is promoted, so that the fuel concentration during the mixing period is stabilized.
着火判定手段には、熱電対の他にも、フレームロッド、UV(紫外線)検出器、CdSなどを適宜利用できる。 In addition to the thermocouple, a flame rod, a UV (ultraviolet ray) detector, CdS, or the like can be appropriately used as the ignition determination means.
上記のように着火を行った後は、つまり上記空気比を1.2以上に増加させた後は、バーナを継続燃焼させる。ここで図3を用いて、バーナの液体燃料燃焼時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、燃焼に供される液体燃料量とバーナに導入される一次空気量から算出される空気比を1.8以下にすることが好ましく、1.3以下がより好ましく、1.0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、供給された液体燃料量と供給された全空気量(一次空気と二次空気の合算量)から算出される空気比は1.2以上とすることが好ましく、1.3以上とすることがより好ましく、1.5以上とすることがさらに好ましい。
After ignition is performed as described above, that is, after the air ratio is increased to 1.2 or more, the burner is continuously burned. Here, the combustion air ratio at the time of burning the liquid fuel in the burner will be described with reference to FIG. 3 (FIG. 3 will be described in detail later). In the
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。
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
図3では燃焼用空気は一箇所から供給されているが、概念として示されているだけで、途中で分岐して二箇所以上からバーナに供してもよいし、一箇所から供給してバーナ内部で分岐してもよいし、全く分岐せず一次空気としてのみで供給してもよい。 Although the combustion air is supplied from one place in FIG. 3, it is only shown as a concept, and may be branched in the middle and supplied to the burner from two or more places. May be branched or may be supplied only as primary air without branching.
燃焼に空気以外の酸素含有ガスを用いる場合は、酸素含有ガス量を空気量と扱い空気比を計算する。ただし、ここで使用する酸素含有ガスは、燃焼性の観点から酸素含有量が18%モル以上の酸素含有ガスが好ましい。 When an oxygen-containing gas other than air is used for combustion, the oxygen-containing gas amount is treated as the air amount and the air ratio is calculated. However, the oxygen-containing gas used here is preferably an oxygen-containing gas having an oxygen content of 18% mol or more from the viewpoint of combustibility.
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31に供給することができる。液体燃料の火炎がある場合は、空気量を適宜調整した後、水素極オフガスを導入するだけで着火に至るが、水素極オフガス量が不安定な場合、一旦液体燃料の燃焼を停止し、水素極オフガスの燃焼に適する空気量を供給してから着火手段であるイグナイター8を作動させることにより安定に燃焼させることができる。
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 31 as necessary. If there is a liquid fuel flame, after adjusting the amount of air as appropriate, ignition can be achieved by simply introducing the hydrogen electrode off-gas, but if the hydrogen electrode off-gas amount is unstable, the combustion of the liquid fuel is stopped once, By supplying an air amount suitable for the combustion of the extreme off-gas and then operating the
〔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
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
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 accompanying the steam reforming reaction. 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]
Furthermore, an outline of an example of a fuel cell system having a reformer equipped with the burner is shown in FIG. The fuel cell system includes a
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
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
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
本発明の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 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 a moving body such as an automobile or small-scale power generation.
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。 Since the fuel cell system of the present invention includes such a burner, it can be easily made compact, and can be suitably applied to the fuel cell system as described above.
1 バーナケーシング
1a 取りあい部
2 気化器
2a 加熱面
3 熱電対用ウェル
3a 気化面温度管理用熱電対
3b 着火判定用熱電対
5 整流器
6 バーナマット
7 接地電極
8 高圧電極
9 ヒータ
10 燃焼用ガス流路
11 一次空気供給口
12 液体燃料供給口
13 配管
14 液体燃料ノズル
15 加熱面と気化器側壁との間の空隙
20 二次空気流路
21 二次空気供給口
22 二次空気ノズル
30 水素極オフガス流路
31 水素極オフガス供給口
32 水素極オフガスノズル
101 バーナ
102 改質器
102a 改質管
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
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 (5)
該混合気の燃焼にバーナマットを用い、
着火の際に、該混合気の空気比を1.0以下として火花点火し、着火を確認した後に火花点火の火花を発生させたまま該混合気の空気比を1.2以上に増加する着火制御を行う
ことを特徴とする燃焼方法。 In a combustion method in which vaporized liquid fuel is mixed with an oxygen-containing gas to form a mixture, and the mixture is burned,
Burner mat is used for combustion of the air-fuel mixture,
At the time of ignition, spark ignition is performed with the air ratio of the air-fuel mixture being 1.0 or less, and after the ignition is confirmed, the air ratio of the air-fuel mixture is increased to 1.2 or more while the spark ignition spark is generated. A combustion method characterized by performing control.
入り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、出口にはバーナマットを備え、液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと流下された液体燃料を気化するための加熱面とを備えるガス流路;
該バーナマット下流に配された、点火のための火花発生を行う点火電極;
着火を判定可能な着火判定手段;および
着火に際して、該着火判定手段により着火が確認されるまでは該混合気の空気比を1.0以下として該点火電極で火花発生を行い、該着火判定手段により着火が確認されたときに点火電極で火花発生を継続しつつ該空気比を1.2以上に増加させる制御を行う着火制御手段
を備えることを特徴とするバーナ。 In a burner in which vaporized liquid fuel is mixed with an oxygen-containing gas to form a mixture, and the mixture is burned,
The inlet is an oxygen-containing gas inlet for introducing oxygen-containing gas, and the outlet is provided with a burner mat, and includes a liquid fuel nozzle for flowing down the liquid fuel and a heating surface for vaporizing the liquid fuel that has flowed down. Gas flow path;
An ignition electrode disposed downstream of the burner mat for generating sparks for ignition;
Ignition determination means capable of determining ignition; and, at the time of ignition, until the ignition is confirmed by the ignition determination means, the air ratio of the air-fuel mixture is set to 1.0 or less to generate sparks at the ignition electrode, and the ignition determination means A burner comprising ignition control means for performing control to increase the air ratio to 1.2 or more while continuing to generate sparks at the ignition electrode when ignition is confirmed by the above.
入り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、出口には前記バーナマットの下流に開口する水素極オフガスノズルを備える水素極オフガス流路をさらに有する請求項3記載のバーナ。 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,
4. The burner according to claim 3, wherein the inlet is a hydrogen electrode off-gas inlet for introducing a hydrogen electrode off-gas of the fuel cell, and the outlet further has a hydrogen electrode off-gas flow path provided with a hydrogen electrode off-gas nozzle opened downstream of the burner mat. .
該改質器が、請求項4記載のバーナ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,
A fuel cell system, wherein the reformer comprises the burner according to claim 4.
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