JP2007265946A - Burner for reformer for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガス噴出用の噴出孔をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体と、そのバーナ本体に燃料ガスを供給する燃料供給管とを備え、原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するために改質装置の改質反応部を加熱するように構成されている燃料電池用の改質装置用バーナに関する。 The present invention includes a pipe-like burner body having a large number of fuel gas ejection holes along the longitudinal direction of the pipe, and a fuel supply pipe for supplying fuel gas to the burner body, and the raw fuel gas is used for a fuel cell. The present invention relates to a reformer burner for a fuel cell configured to heat a reforming reaction section of a reformer in order to reform the hydrogen-containing gas.
このような改質装置用バーナとしては、従来、バーナ本体が、その長手方向に沿って燃料ガス噴出用の噴出孔を多数有する1本のパイプ状のバーナ本体により構成され、パイプ状のバーナ本体の長手方向における中央部に燃料供給管が接続された構成のものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 As such a reformer burner, conventionally, the burner body is constituted by a single pipe-like burner body having a number of ejection holes for fuel gas ejection along the longitudinal direction thereof. There is known a configuration in which a fuel supply pipe is connected to a central portion in the longitudinal direction (see, for example, Patent Document 1).
しかし、上記公報に記載の改質装置用バーナでは、改質装置が大型化すると、それに伴ってパイプ状のバーナ本体も長くなり、パイプ状のバーナ本体に設けられた噴出孔からの燃料ガスの噴出量に極端な差が生じ、火炎がパイプ状のバーナ本体の長手方向に不均一になるおそれがある。
すなわち、図6に示すように、パイプ状のバーナ本体24が長くなると、その長手方向の中央部に燃料供給管25が接続されているため、燃料供給管25から各噴出孔23に至るまでの流動抵抗に極端な差が生じ、パイプ状のバーナ本体24の長手方向中央部において比較的大きな火炎が生成され、両端部において比較的小さな火炎が生成されて、火炎がパイプ状のバーナ本体24の長手方向に不均一になる。その結果、改質反応部全体を均一に加熱することができず、原燃料ガスを均一に改質できなくなるおそれがある。
However, in the reformer burner described in the above publication, when the reformer becomes larger, the pipe-shaped burner main body becomes longer accordingly, and the fuel gas from the ejection holes provided in the pipe-shaped burner main body becomes longer. There may be an extreme difference in the amount of ejection, and the flame may become uneven in the longitudinal direction of the pipe-shaped burner body.
That is, as shown in FIG. 6, when the pipe-like burner
このような問題を解決するには、例えば、図7の(a)に示すように、燃料供給管25を2本の分岐燃料供給管25aに分岐し、パイプ状のバーナ本体24の全長をほぼ1/3等分する部分に2本の分岐燃料供給管25aを接続することが考えられる。
しかしながら、改質装置用バーナが配置される加熱室は、通常、600〜750℃程度の高温に維持されるので、パイプ状のバーナ本体24が熱膨張し、図7の(b)に示すように、2本の分岐燃料供給管25aにより熱膨張が拘束される中央部分で変形が生じ、異常燃焼が発生する可能性がある。
In order to solve such a problem, for example, as shown in FIG. 7A, the
However, since the heating chamber in which the reformer burner is disposed is normally maintained at a high temperature of about 600 to 750 ° C., the pipe-
本発明の目的は、たとえ改質装置の大型化に伴ってバーナ本体が長くなっても、バーナ本体の長手方向に沿ってほぼ均一な火炎を生成することができ、かつ、熱膨張による変形に起因する異常燃焼の発生も回避することの可能な燃料電池用の改質装置用バーナを提供することにある。 The object of the present invention is to generate a substantially uniform flame along the longitudinal direction of the burner body, even if the burner body becomes longer as the reformer becomes larger, and to deform due to thermal expansion. An object of the present invention is to provide a reformer burner for a fuel cell that can avoid the occurrence of abnormal combustion caused by the abnormal combustion.
本発明の燃料電池用の改質装置用バーナは、燃料ガス噴出用の噴出孔をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体と、そのバーナ本体に燃料ガスを供給する燃料供給管とを備え、原燃料ガスを燃料電池用の水素含有ガスに改質するために改質装置の改質反応部を加熱するように構成されているものであって、
本発明の第1の特徴構成は、前記バーナ本体が、そのパイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分により構成され、その複数のバーナ本体部分が、前記パイプ長手方向に沿って間隔を置いて並置されて、各バーナ本体部分のパイプ長手方向の中央部に燃料供給管がそれぞれ接続されている点を特徴とする。
A reformer burner for a fuel cell according to the present invention includes a pipe-like burner body having a number of ejection holes for fuel gas ejection along the longitudinal direction of the pipe, and a fuel supply pipe for supplying fuel gas to the burner body. And is configured to heat the reforming reaction section of the reformer to reform the raw fuel gas into a hydrogen-containing gas for a fuel cell,
According to a first characteristic configuration of the present invention, the burner body is constituted by a plurality of burner body parts divided in the pipe longitudinal direction, and the plurality of burner body parts are spaced along the pipe longitudinal direction. The fuel supply pipes are connected to the central portion of each burner body portion in the longitudinal direction of the pipe.
すなわち、バーナ本体が、パイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分により構成されているので、たとえ改質装置の大型化に伴ってバーナ本体を長くする必要が生じても、各バーナ本体部分は比較的短い長さに設定することができ、その比較的短いバーナ本体部分のパイプ長手方向の中央部に燃料供給管がそれぞれ接続されているので、各バーナ本体部分については、その長手方向にほぼ均一な火炎を生成することができる。そして、その複数のバーナ本体部分が、パイプ長手方向に沿って並置されているので、バーナ本体は、全体として実質的に長くなったのと同じことになり、その結果、実質的に長いバーナ本体の長手方向に沿ってほぼ均一な火炎を生成することが可能となる。
さらに、各バーナ本体部分は、パイプ長手方向に沿って間隔を置いて並置されているので、各バーナ本体部分の熱膨張を考慮して、バーナ本体部分間の間隔を適切に設定することによって、例えば、2本の燃料供給管によりバーナ本体部分の熱膨張が拘束されるおそれもなく、熱膨張による変形に起因する異常燃焼の発生も回避することができる。
That is, since the burner body is composed of a plurality of burner body parts divided in the longitudinal direction of the pipe, even if it is necessary to lengthen the burner body as the reformer becomes larger, each burner body part Can be set to a relatively short length, and the fuel supply pipe is connected to the central portion of the relatively short burner body portion in the longitudinal direction of the pipe. An almost uniform flame can be generated. And since the several burner main-body part is juxtaposed along the pipe longitudinal direction, the burner main body will become the same as having become substantially long as a whole, As a result, a substantially long burner main body It is possible to generate a substantially uniform flame along the longitudinal direction of the.
Furthermore, since each burner body part is juxtaposed at intervals along the pipe longitudinal direction, considering the thermal expansion of each burner body part, by appropriately setting the interval between the burner body parts, For example, there is no fear that the thermal expansion of the burner body portion is restricted by two fuel supply pipes, and the occurrence of abnormal combustion due to deformation due to thermal expansion can be avoided.
本発明の第2の特徴構成は、上記第1の特徴構成に加えて、前記バーナ本体部分のそれぞれが、各バーナ本体部分に接続された燃料供給管を介して固定部にそれぞれ支持されている点を特徴とする。 According to a second characteristic configuration of the present invention, in addition to the first characteristic configuration, each of the burner main body portions is supported by a fixed portion via a fuel supply pipe connected to each burner main body portion. Features a point.
すなわち、バーナ本体部分のそれぞれが、各バーナ本体部分に接続された燃料供給管を介して固定部にそれぞれ支持されているので、各バーナ本体部分は、そのパイプ長手方向に所定の間隔を保持して、パイプ長手方向沿って確実に並置され、その結果、熱膨張による変形に起因する異常燃焼の発生も確実に回避しながら、実質的に長いバーナ本体の長手方向に沿ってほぼ均一な火炎を確実に生成することが可能となる。 That is, since each of the burner main body portions is supported by the fixed portion via the fuel supply pipe connected to each burner main body portion, each burner main body portion maintains a predetermined interval in the pipe longitudinal direction. As a result, the flame is substantially juxtaposed along the longitudinal direction of the substantially long burner body while reliably avoiding abnormal combustion caused by deformation due to thermal expansion. It is possible to generate it reliably.
本発明の第3の特徴構成は、上記第2の特徴構成に加えて、前記バーナ本体部分のそれぞれが、加熱室形成容器内に配置され、前記燃料供給管のそれぞれが、前記加熱室形成容器の壁を貫通してその壁に固定されている点を特徴とする。 According to a third characteristic configuration of the present invention, in addition to the second characteristic configuration, each of the burner main body portions is disposed in a heating chamber forming container, and each of the fuel supply pipes is in the heating chamber forming container. It is characterized in that it penetrates through the wall of and is fixed to the wall.
すなわち、バーナ本体部分のそれぞれが、加熱室形成容器内に配置されているので、加熱室形成容器内での安定した火炎の生成が可能となり、しかも、各バーナ本体部分に接続された燃料供給管のそれぞれが、その加熱室形成容器を貫通して加熱室形成容器の壁に固定されているので、加熱室形成容器の壁がバーナ本体部分の固定部を兼用することになり、部品の兼用化による構造の簡素化とコストダウンを図ることができる。 That is, since each of the burner main body portions is disposed in the heating chamber forming container, it is possible to generate a stable flame in the heating chamber forming container, and the fuel supply pipe connected to each burner main body portion. Since each of them penetrates the heating chamber forming container and is fixed to the wall of the heating chamber forming container, the wall of the heating chamber forming container is also used as a fixing portion of the burner main body part, so that the parts can also be shared. The structure can be simplified and the cost can be reduced.
本発明による燃料電池用の改質装置用バーナの実施の形態を図面に基づいて説明する。
この改質装置用バーナは、炭化水素系の原燃料ガスを改質して、水素リッチな水素含有ガスを生成する改質装置に組み込まれるもので、改質装置自体は、燃料電池に対して発電反応用として供給する高純度水素ガスを生成する流体処理装置に組み込まれる。
その流体処理装置Pは、図1および図2に示すように、天然ガスなどの炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫反応部1と、水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部2と、脱硫反応部1で脱硫処理された原燃料ガスを水蒸気生成部2からの水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む水素リッチな水素含有ガスに改質処理する改質反応部3と、その改質反応部3からの水素含有ガスに含まれる一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する変成反応部4と、その変成反応部4からの水素含有ガス中に残っている一酸化炭素ガスを選択的に酸化処理する選択酸化反応部5などを備え、一酸化炭素ガス含有量の少ない高純度水素ガスを生成するように構成してある。
Embodiments of a reformer burner for a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
This reformer burner is incorporated into a reformer that reforms a hydrocarbon-based raw fuel gas to produce a hydrogen-rich hydrogen-containing gas. It is incorporated in a fluid processing apparatus that generates high-purity hydrogen gas to be supplied for power generation reaction.
As shown in FIGS. 1 and 2, the fluid processing device P includes a desulfurization reaction unit 1 that desulfurizes a hydrocarbon-based raw fuel gas such as natural gas, and a water vapor generation unit that generates water by heating water. 2 and the reforming reaction of reforming the raw fuel gas desulfurized in the desulfurization reaction section 1 into a hydrogen-rich hydrogen-containing gas containing hydrogen gas and carbon monoxide gas using the steam from the
前記流体処理装置Pは、さらに、燃料ガスを燃焼させて改質反応部3を加熱する燃焼反応部6、改質反応部3から排出される水素含有ガスを通流させて改質反応部3を加熱する改質部加熱用通流部7、燃焼反応部6から排出される燃焼排ガスを通流させてその燃焼排ガスにより水蒸気生成部2を加熱する加熱用排ガス通流部8、その加熱用排ガス通流部8から排出される燃焼排ガスを通流させてその燃焼排ガスにより変成反応部4を冷却する冷却用排ガス通流部9、改質部加熱用通流部7から排出される高温の水素含有ガスにより脱硫反応部1にて脱硫された後の原燃料ガスを加熱する脱硫後原燃料用熱交換器Ea、その脱硫後原燃料用熱交換器Eaによる熱交換後の水素含有ガスにより脱硫反応部1にて脱硫処理する原燃料ガスを加熱する脱硫前原燃料用熱交換器Eb、および、冷却用排ガス通流部9から排出される燃焼排ガスの排熱を燃焼反応部6に供給される燃料ガスと燃焼用空気に回収するエコノマイザEcを備えている。
The fluid processing device P further combusts the fuel gas to heat the
前記エコノマイザEcは、冷却用排ガス通流部9から排出される燃焼排ガスを通流させる排熱源排ガス通流部10の一方側に、燃焼反応部6に供給される燃料ガスを通流させる燃料ガス通流部11を、他方側に、燃焼反応部6に供給される燃焼用空気を通流させる燃焼用空気通流部12を設けて熱交換自在に構成してある。
すなわち、燃焼反応部6は、後に詳しく説明するように、改質装置用バーナ13と燃焼用空気供給管14を備え、燃料ガス通流部11からの燃料ガスを改質装置用バーナ13に供給し、燃焼用空気通流部12からの燃焼用空気を燃焼用空気供給管14に供給して、改質装置用バーナ13により燃料ガスを燃焼させて、隣接する改質反応部3を加熱するように構成してある。
その改質反応部3には、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む水素リッチな水素含有ガスに改質処理するルテニウム、ニッケル、白金などの改質反応用触媒15を充填してあり、例えば、原燃料ガスがメタンガスを主成分とする天然ガスベースの都市ガス(13A)であれば、改質反応用触媒15の触媒作用により、600〜750℃の範囲の改質処理温度の下で水素含有ガスに改質する。
The economizer Ec is a fuel gas that allows the fuel gas supplied to the
That is, as will be described in detail later, the
In the
前記流体処理装置Pを構成する各部、つまり、脱硫反応部1、水蒸気生成部2、改質反応部3、変成反応部4、選択酸化反応部5、燃焼反応部6、改質部加熱用通流部7、加熱用排ガス通流部8、冷却用排ガス通流部9、排熱源排ガス通流部10、燃料ガス通流部11、および、燃焼用空気通流部12などは、周辺部を溶接により接続された扁平状の容器などにより構成され、それら多数の容器などが横方向に積層状に並べられ、その並び方向両端に一対の保持板16を押し付け配置し、それら一対の保持板16を図外のボルトとナットにより締め付けて構成してある。
例えば、改質反応部3、燃焼反応部6、および、改質部加熱用通流部7の場合であれば、燃焼反応部6の加熱室を形成する皿状の容器17と仕切り部材18からなる加熱室形成容器19および改質反応部3と改質部加熱用通流部7を形成する皿状の改質室形成容器20により構成され、改質反応部3と改質部加熱用通流部7とを仕切る仕切り部材21に流体通過部22を設けて構成してある。
Each part constituting the fluid processing apparatus P, that is, the desulfurization reaction unit 1, the
For example, in the case of the
前記加熱室形成容器19内に配置される改質装置用バーナ13は、図3〜図5に示すように、燃料ガス噴出用の燃料噴出孔23をパイプ長手方向に沿って多数有するパイプ状のバーナ本体24とそのバーナ本体24に燃料ガスを供給する燃料供給管25、つまり、燃料ガス通流部11からの燃料ガスをバーナ本体24に供給する燃料供給管25とを備えている。
本発明による改質装置用バーナ13においては、そのバーナ本体24が、パイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分24a、この実施形態では、2つに分割された2本のバーナ本体部分24aにより構成され、かつ、燃料供給管25の先端側も2本の分岐燃料供給管25aに分岐されて、2本のバーナ本体部分24aが、パイプ長手方向に沿って所定の間隔Sを置いて並置されるとともに、各バーナ本体部分24aのパイプ長手方向の中央部に各分岐燃料供給管25aがそれぞれ接続されている。
そして、各分岐燃料供給管25aが、固定部としての加熱室形成容器19の底壁、より具体的には、加熱室形成容器19を構成する皿状の容器17の底壁を貫通してその底壁にそれぞれ固定され、各バーナ本体部分24aが、各分岐燃料供給管25aを介して加熱室形成容器19にそれぞれ支持されるように構成してある。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
In the
Each branch
前記加熱室形成容器19内には、改質装置用バーナ13に対向して、燃焼用空気供給管14も配置され、その燃焼用空気供給管14も、改質装置用バーナ13のバーナ本体24と同様に、そのパイプ長手方向に2つに分割された2本の燃焼用空気供給管部分14a、つまり、バーナ本体部分24aとほぼ同じ長さの2本の燃焼用空気供給管部分14aにより構成され、各燃焼用空気供給管部分14aには、燃焼用空気を噴出する多数の空気噴出孔26がパイプの長手方向に沿って設けられている。
2本の燃焼用空気供給管部分14aも、そのパイプ長手方向に沿って所定の間隔Sを置いて並置されるとともに、互いに対向するバーナ本体部分24aと燃焼用空気供給管部分14aどうしが、図4に示す側面視において、互いに当接するように配置され、かつ、各バーナ本体部分24aの燃料噴出孔23から噴出される燃料ガスと燃焼用空気供給管部分14aの空気噴出孔26から噴出される燃焼用空気が、互いに所定の角度で衝突して混合するように構成してある。
そして、この燃料ガスと燃焼用空気との混合を促進するため、燃料噴出孔23がバーナ本体部分24aの長手方向に沿ってほぼ等間隔に設けられているのに対し、空気噴出孔26の方は2つを一組として、その2つの空気噴出孔26の中間に燃料噴出孔23が位置するように設けられている。
A combustion
The two combustion air
In order to promote the mixing of the fuel gas and the combustion air, the fuel injection holes 23 are provided at substantially equal intervals along the longitudinal direction of the
前記燃焼用空気供給管14に燃焼用空気流通部12からの燃焼用空気を供給するための空気搬送管27が設けられ、その空気搬送管27の先端側が2本の分岐空気搬送管27aに分岐されて、各分岐空気搬送管27aが、各燃焼用空気供給管部分14aのパイプ長手方向の中央部にそれぞれ接続され、空気搬送管27には、起動用の燃料ガスとしてメタンガスを主成分とする原燃料ガス、つまり、都市ガス(13A)を供給する起動用燃料ガス供給管28を接続してあり、その起動用燃料ガス供給管28にバルブVが設けてある。
そして、この改質装置により改質されて流出した水素含有ガスは、脱硫後原燃料用熱交換器Ea、脱硫前原燃料用熱交換器Eb、変成反応部4、選択酸化反応部5を順に流れて、例えば、電解質層として高分子膜を用いた高分子型の燃料電池Gに供給される。燃料電池Gでは、選択酸化反応部5からの高純度水素ガスが燃料極に供給され、反応用送風機29からの空気が酸素極に供給されて、水素含有ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電される。さらに、燃料電池Gの燃料極から排出されたオフガスが、エコノマイザEcの燃料ガス通流部11、燃料供給管25、分岐燃料供給管25aを通流して改質装置用バーナ13のバーナ本体部分24aに供給されるのである。
なお、図中、30は燃焼用空気を送風する送風機であり、31は脱硫後の原燃料ガスに水蒸気を混合させるためのエジェクタである。
The combustion
The hydrogen-containing gas that has been reformed and flowed out by this reformer flows in sequence through the heat exchanger Ea for raw fuel after desulfurization, the heat exchanger Eb for raw fuel before desulfurization, the shift reaction unit 4, and the selective
In the figure, 30 is a blower for blowing combustion air, and 31 is an ejector for mixing water vapor into the desulfurized raw fuel gas.
〔別実施形態〕
(1)先の実施形態では、改質装置用バーナ13のバーナ本体24を2本のバーナ本体部分24aに分割した例を示したが、バーナ本体24におけるバーナ本体部分24aへの分割数は、改質装置の大きさなどに応じて適宜決定するものであり、バーナ本体24を3本以上のバーナ本体部分24aに分割して実施することもできる。
また、各バーナ本体24aに設ける燃料噴出孔23については、先の実施形態のように、同じ開口面積の噴出孔23を長手方向に沿ってほぼ等間隔に設ける以外、例えば、噴出孔間の間隔をバーナ本体部分24aの中央部側ほど比較的大きく、両端部側ほど比較的小さくしたり、バーナ本体部分24aの中央部側ほど比較的小さな開口面積を有する噴出孔を設け、両端部側ほど比較的大きな開口面積を有する噴出孔を設けるなど、種々の改変が可能である。
[Another embodiment]
(1) In the previous embodiment, the example in which the
In addition, as for the fuel injection holes 23 provided in each
(2)先の実施形態では、燃料供給管25の先端側を分岐燃料供給管25aに分岐し、その分岐燃料供給管25aを介して各バーナ本体部分24aを加熱室形成容器19に支持させた例を示したが、燃料供給管25が加熱室形成容器19の底壁を貫通してその底壁に固定されるように構成し、各バーナ本体部分24aが各分岐燃料供給管25aと燃料供給管25を介して加熱室形成容器19に支持されるように構成することもできる。
また、分岐燃料供給管25aおよび燃料供給管25が加熱室形成容器19の底壁以外、例えば、加熱室形成容器19の側壁を貫通してその側壁に固定されるように構成することもできる。
(2) In the previous embodiment, the front end side of the
Further, the branched
3 改質反応部
13 改質装置用バーナ
19 固定部としての加熱室形成容器
23 燃料ガス噴出用の噴出孔
24 バーナ本体
24a バーナ本体部分
25,25a 燃料供給管
G 燃料電池
S バーナ本体部分間の間隔
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記バーナ本体が、そのパイプ長手方向に分割された複数のバーナ本体部分により構成され、その複数のバーナ本体部分が、前記パイプ長手方向に沿って間隔を置いて並置されて、各バーナ本体部分のパイプ長手方向の中央部に燃料供給管がそれぞれ接続されている燃料電池用の改質装置用バーナ。 A pipe-like burner body having a number of ejection holes for fuel gas ejection along the longitudinal direction of the pipe, and a fuel supply pipe for supplying fuel gas to the burner body, the raw fuel gas being a hydrogen-containing gas for a fuel cell A reformer burner for a fuel cell configured to heat a reforming reaction section of a reformer to reform to
The burner body is composed of a plurality of burner body parts divided in the longitudinal direction of the pipe, and the plurality of burner body parts are juxtaposed at intervals along the longitudinal direction of the pipe. A reformer burner for a fuel cell, wherein a fuel supply pipe is connected to a central portion in the longitudinal direction of the pipe.
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