JP2007311164A - Combustion burner for reformer of fuel cell - Google Patents

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晴男 中村
Keiji Tsukamoto
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a combustion burner for a reformer of a fuel cell which is structured so as to stably burn heating fuel by preventing a misfire caused if the heating fuel containing moisture is supplied, without changing the direction of the combustion burner. <P>SOLUTION: This combustion burner for the reformer of the fuel cell (combustion burner 100) to heat a reforming catalyst which generates a reforming gas to be supplied to a fuel cell by reacting the reforming fuel with steam is equipped with a heating fuel introducing part 110 for introducing the heating fuel, a heat-resistant three dimensional porous body 116 disposed on the downstream side of the heating fuel introducing part 110 in the stream of the heating fuel to absorb moisture contained in the heating fuel, and an ignition electrode 120 disposed on the downstream side of the heat-resistant three dimensional porous body 116 to burn the heating fuel. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池の改質器用燃焼バーナに関する。   The present invention relates to a combustion burner for a reformer of a fuel cell.

燃料電池の改質器は、改質用燃料(例えば、メタンを主成分とする都市ガスなど)と水蒸気を改質触媒で反応させ、燃料電池に供給されるべき水素を含有した改質ガス(水素混合ガス)を生成する。上記した改質触媒による反応(水蒸気改質反応)は吸熱反応であるため、改質触媒を外部から連続的に加熱する必要がある。そこで、燃料電池の改質器においては一般に、加熱用燃料を燃焼バーナによって燃焼させて改質触媒を加熱している(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−148709号公報(段落0014〜0017,0022,0023、図1,2など)
A reformer of a fuel cell is a reformed gas containing hydrogen to be supplied to a fuel cell by reacting a reforming fuel (for example, city gas containing methane as a main component) and water vapor with a reforming catalyst. Hydrogen mixed gas) is generated. Since the reaction (steam reforming reaction) by the above reforming catalyst is an endothermic reaction, it is necessary to continuously heat the reforming catalyst from the outside. Therefore, in a reformer of a fuel cell, generally, a reforming catalyst is heated by burning a fuel for heating with a combustion burner (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-148709 A (paragraphs 0014 to 0017, 0022, 0023, FIGS. 1 and 2 etc.)

ところで、燃焼バーナで燃焼させられる加熱用燃料は、燃料電池の始動時においては改質用燃料などの乾燥した気体からなるが、通常運転時においては改質器で生成された改質ガスや燃料電池で使用されなかった改質ガス(未反応ガス)などの湿潤な気体からなる。そのため、外気温が低いときなどにあっては、加熱用燃料(具体的には、改質ガス)に含まれる水分が結露し、結露水が発生することがある。   By the way, the heating fuel combusted by the combustion burner consists of a dry gas such as a reforming fuel at the start of the fuel cell, but the reformed gas or fuel generated by the reformer during normal operation. It consists of wet gas such as reformed gas (unreacted gas) that was not used in the battery. For this reason, when the outside air temperature is low, moisture contained in the fuel for heating (specifically, the reformed gas) may be condensed to generate condensed water.

結露水を含んだ加熱用燃料が燃焼バーナに供給させられると、燃焼バーナの点火部、即ち、点火電極が湿ってしまい、それによって失火などが起こり、安定した燃焼を行うことができないという不都合が生じる恐れがあった。そこで、燃焼バーナの向きを変更、あるいは気水分離器を備えるなどして水分を含んだ加熱用燃料が点火部に接触しないようにすることも考えられるが、改質器のレイアウト上、困難な場合が多い。   When heating fuel containing condensed water is supplied to the combustion burner, the ignition part of the combustion burner, i.e., the ignition electrode, becomes wet, thereby causing misfires and the like, which makes it impossible to perform stable combustion. There was a fear. Therefore, it is conceivable to change the direction of the combustion burner or to provide a steam separator to prevent the heating fuel containing moisture from coming into contact with the ignition part. However, this is difficult due to the layout of the reformer. There are many cases.

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、水分を多く含んだ加熱用燃料が供給されることに起因する失火を、燃焼バーナの向きなどを変更することなく防止して安定した燃焼を行うようにした燃料電池の改質器用燃焼バーナを提供することにある。   Accordingly, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and prevent a misfire caused by supplying a heating fuel containing a lot of moisture without changing the direction of the combustion burner and the like, and stable combustion. An object of the present invention is to provide a combustion burner for a reformer of a fuel cell.

上記の目的を解決するために、請求項1にあっては、改質用燃料と水蒸気を反応させて燃料電池に供給されるべき改質ガスを生成する改質触媒を加熱する、燃料電池の改質器用燃焼バーナにおいて、加熱用燃料を導入する導入部と、前記加熱用燃料の流れにおいて前記導入部の下流側に配置されて前記加熱用燃料に含まれる水分を吸収する吸水部と、前記吸水部の下流側に配置され、点火されるとき前記加熱用燃料を燃焼させる点火部とを備えるように構成した。   In order to solve the above-mentioned object, according to claim 1, a reforming catalyst that heats a reforming catalyst that generates reformed gas to be supplied to the fuel cell by reacting the reforming fuel and water vapor. In the reformer combustion burner, an introduction part for introducing a heating fuel, a water absorption part that is disposed downstream of the introduction part in the flow of the heating fuel and absorbs moisture contained in the heating fuel, and And an ignition unit that is disposed downstream of the water absorption unit and burns the heating fuel when ignited.

請求項2にあっては、前記吸水部は、耐熱性三次元多孔体からなるように構成した。   In Claim 2, the said water absorption part was comprised so that it might consist of a heat-resistant three-dimensional porous body.

請求項3にあっては、前記耐熱性三次元多孔体は、発泡金属とセラミックス多孔体の内のいずれかからなるように構成した。   According to a third aspect of the present invention, the heat-resistant three-dimensional porous body is configured to be made of any one of a foam metal and a ceramic porous body.

請求項1に係る燃料電池の改質器用燃焼バーナにあっては、加熱用燃料を導入する導入部と、加熱用燃料の流れにおいて導入部の下流側に配置されて加熱用燃料(具体的には、改質ガスや未反応ガス)に含まれる水分を吸収する吸水部と、吸水部の下流側に配置され、点火されるとき加熱用燃料を燃焼させる点火部とを備えるように構成したので、加熱用燃料に含まれる水分の多くは吸水部によって吸収され、点火部に接触することがない。それにより、水分を多く含んだ加熱用燃料が燃焼バーナに供給されることに起因する失火を、燃焼バーナの向きなどを変更することなく防止でき、よって安定した燃焼を行うことができる。   In the combustion burner for the reformer of the fuel cell according to claim 1, the introduction portion for introducing the heating fuel, and the heating fuel (specifically, disposed downstream of the introduction portion in the flow of the heating fuel) Is provided with a water absorption part that absorbs moisture contained in the reformed gas and unreacted gas, and an ignition part that is disposed downstream of the water absorption part and burns the fuel for heating when ignited. Most of the water contained in the heating fuel is absorbed by the water absorption part and does not contact the ignition part. Thereby, misfire caused by supplying a fuel containing a lot of moisture to the combustion burner can be prevented without changing the direction of the combustion burner, and thus stable combustion can be performed.

請求項2に係る燃料電池の改質器用燃焼バーナにあっては、吸水部は、耐熱性三次元多孔体からなるように構成したので、簡易な構成でありながら、上記した効果を得ることができる。   In the combustion burner for the reformer of the fuel cell according to claim 2, since the water absorption part is configured to be made of a heat-resistant three-dimensional porous body, the above-described effects can be obtained while having a simple configuration. it can.

請求項3に係る燃料電池の改質器用燃焼バーナにあっては、耐熱性三次元多孔体は、発泡金属とセラミックス多孔体の内のいずれかからなるように構成したので、請求項2で述べた効果をより一層得ることができる。   In the combustion burner for the reformer of the fuel cell according to claim 3, the heat-resistant three-dimensional porous body is constituted by any one of the foam metal and the ceramic porous body. Effects can be further obtained.

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の改質器用燃焼バーナの最良の実施の形態について説明する。   DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a fuel cell reformer combustion burner according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1は、この発明の実施例に係る燃料電池の改質器用燃焼バーナを有する改質装置を説明するための概略図である。   FIG. 1 is a schematic view for explaining a reformer having a combustion burner for a reformer of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

図1において、符号10は燃料電池(スタック)を示す。燃料電池10は、電解質膜(固体高分子膜)と、それを挟持するカソード極(空気極)とアノード極(燃料極)と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池である。   In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a fuel cell (stack). The fuel cell 10 is a single cell comprising an electrolyte membrane (solid polymer membrane), a cathode electrode (air electrode) and an anode electrode (fuel electrode) that sandwich the membrane, and a separator disposed outside each electrode. This is a known polymer electrolyte fuel cell formed by laminating a plurality of layers.

燃料電池10には、カソード極にカソードガス(反応空気)を供給するカソードガス供給系12と、アノード極にアノードガス(改質ガス。水素混合ガス)を供給するアノードガス供給系14とが接続される。   The fuel cell 10 is connected to a cathode gas supply system 12 that supplies a cathode gas (reaction air) to the cathode electrode, and an anode gas supply system 14 that supplies an anode gas (reformed gas, hydrogen mixed gas) to the anode electrode. Is done.

カソードガス供給系12は、大気(空気)の粉塵を除去するエアクリーナ16と、エアクリーナ16を通過した空気をカソードガスとして燃料電池10に圧送するカソードガスポンプ20と、カソードガスポンプ20を燃料電池10のカソード極の入口(図示せず)に接続するカソードガス流路22とを備える。   The cathode gas supply system 12 includes an air cleaner 16 that removes atmospheric (air) dust, a cathode gas pump 20 that pumps air that has passed through the air cleaner 16 to the fuel cell 10 as a cathode gas, and a cathode gas pump 20 that serves as the cathode of the fuel cell 10. A cathode gas flow path 22 connected to a pole inlet (not shown).

アノードガス供給系14は、改質用燃料(例えば、脱硫された都市ガス)と水蒸気を改質触媒(図1で図示せず)で反応させ、燃料電池10のアノード極に供給されるべき水素を含有した改質ガス(アノードガス)を生成する改質装置24と、改質装置24を燃料電池10のアノード極の入口(図示せず)に接続するアノードガス流路26とを備える。この改質装置24については、後に詳説する。   The anode gas supply system 14 reacts reforming fuel (for example, desulfurized city gas) and steam with a reforming catalyst (not shown in FIG. 1), and supplies hydrogen to be supplied to the anode electrode of the fuel cell 10. And a reformer 24 for generating reformed gas (anode gas) containing anode and an anode gas flow path 26 for connecting the reformer 24 to the inlet (not shown) of the anode electrode of the fuel cell 10. The reformer 24 will be described in detail later.

燃料電池10は、燃料電池10で発生した電力を出力する出力端子28を備えると共に、出力端子28には電力制御系30が接続される。電力制御系30は、マイクロコンピュータなどからなる電子制御ユニット(Electronic Control Unit。以下「ECU」という)32、直流電流を所定の周波数の交流電流に変換するインバータ34などを備える。尚、ECU32は、カソードガスポンプ20やインバータ34、後述する燃焼バーナの点火電極などの補機類の動作を制御する。   The fuel cell 10 includes an output terminal 28 that outputs electric power generated in the fuel cell 10, and a power control system 30 is connected to the output terminal 28. The power control system 30 includes an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 32 composed of a microcomputer and the like, an inverter 34 that converts a direct current into an alternating current of a predetermined frequency, and the like. The ECU 32 controls the operation of auxiliary equipment such as the cathode gas pump 20, the inverter 34, and an ignition electrode of a combustion burner described later.

また、燃料電池10には、燃料電池10から排出されたカソードガス(以下「カソードオフガス」という)を排気する排気系36と、燃料電池10で使用されなかったアノードガス(未反応ガス。以下「アノードオフガス」という)などを燃料電池10や改質装置24に還流させる還流系40が接続される。   Further, the fuel cell 10 includes an exhaust system 36 that exhausts the cathode gas (hereinafter referred to as “cathode off-gas”) discharged from the fuel cell 10 and an anode gas (unreacted gas, which is not used in the fuel cell 10 hereinafter). A reflux system 40 is connected to reflux the fuel cell 10 and the reformer 24.

還流系40は、燃料電池10のアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出口(図示せず)と前記したアノードガス流路26とを接続する第1のアノードオフガス流路42と、第1のアノードオフガス流路42から分岐され、第1のアノードオフガス流路42と後述する改質装置24の改質器(正確には、燃焼バーナの加熱用燃料導入部(図1で図示せず))とを接続する第2のアノードオフガス流路44とを備える。さらに、還流系40は、アノードガス流路26から分岐され、アノードガス流路26と第2のアノードオフガス流路44とを接続するアノードガス還流路46を備える。   The recirculation system 40 includes a first anode offgas passage 42 that connects an anode offgas discharge port (not shown) that discharges the anode offgas of the fuel cell 10 and the anode gas passage 26 described above, and a first anode offgas. A first anode off-gas flow path 42 branched from the flow path 42 and a reformer of the reformer 24 (to be precise, a fuel introduction part for heating the combustion burner (not shown in FIG. 1)) are described below. And a second anode off-gas flow path 44 to be connected. Further, the reflux system 40 includes an anode gas reflux path 46 that is branched from the anode gas path 26 and connects the anode gas path 26 and the second anode off-gas path 44.

尚、燃料電池10には、上記した各構成要素の他に、燃料電池10を冷却する冷却系やカソードガスを加湿する加湿器なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、いずれも図示および説明を省略する。   In addition to the above-described components, the fuel cell 10 is connected to a cooling system for cooling the fuel cell 10 and a humidifier for humidifying the cathode gas. These have a direct relationship with the gist of the present application. Since it does not have any, illustration and description are omitted.

次いで、燃料電池10の動作について説明する。   Next, the operation of the fuel cell 10 will be described.

燃料電池10のカソード極に供給されたカソードガスは、アノード極に供給されたアノードガスと電気化学反応を生じる。カソード極およびアノード極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
アノード極:H→2H+2e
カソード極:1/2O+2H+2e→H
従って、全体の反応は下記となる。
全体:H+1/2O→H
The cathode gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10 causes an electrochemical reaction with the anode gas supplied to the anode electrode. The electrode reaction occurring at the cathode and anode is specifically as follows.
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e
Cathode electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O
Therefore, the overall reaction is:
Overall: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

上記の反応によって燃料電池10が発生した電力(直流電流)は、出力端子28から取り出され、その一部がECU32やカソードガスポンプ20などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ34を介して電気負荷(交流電源機器)50に供給される。   The electric power (DC current) generated by the fuel cell 10 by the above reaction is taken out from the output terminal 28, a part of which is used as a power source for auxiliary equipment such as the ECU 32 and the cathode gas pump 20, and the remainder is the inverter 34. Is supplied to an electric load (AC power supply device) 50 via the.

燃料電池10から排出されたカソードオフガスは、排気系36を介して大気中に排出される。また、燃料電池10で使用されずに排出されたアノードオフガスは、第1のアノードオフガス流路42を介してアノードガス流路26に還流され、再度燃料電池10に供給される。アノードオフガスはさらに、第1および第2のアノードオフガス流路42,44を介して改質装置24の燃焼バーナ(後述)に供給される。尚、改質装置24において生成されたアノードガスの一部も、アノードガス流路26、アノードガス還流路46および第2のアノードオフガス流路44を介して改質装置24の燃焼バーナに供給される。   The cathode off gas discharged from the fuel cell 10 is discharged into the atmosphere through the exhaust system 36. Further, the anode off gas discharged without being used in the fuel cell 10 is recirculated to the anode gas channel 26 via the first anode off gas channel 42 and is supplied to the fuel cell 10 again. The anode off gas is further supplied to a combustion burner (described later) of the reformer 24 via the first and second anode off gas passages 42 and 44. A part of the anode gas generated in the reformer 24 is also supplied to the combustion burner of the reformer 24 via the anode gas passage 26, the anode gas recirculation passage 46, and the second anode off-gas passage 44. The

次いで、燃料電池10の改質装置24について詳説する。   Next, the reforming device 24 of the fuel cell 10 will be described in detail.

改質装置24は、都市ガスの付臭剤(有機硫黄化合物など)を除去する脱硫器54と、脱硫器54を通過した都市ガス(改質用燃料)が流入させられる改質器56と、脱硫器54を改質器56(正確には、後述する改質器56の改質用燃料管および燃焼バーナの燃焼空気・改質用燃料導入部(いずれも図1で図示せず))に接続する改質用燃料流路60と、改質に使用される水(以下「改質用水」という)を改質器56に圧送する送水ポンプ62と、送水ポンプ62を改質器56(正確には、後述する改質器56の改質用水管(図1で図示せず))に接続する改質用水流路64とを備える。   The reformer 24 includes a desulfurizer 54 that removes an odorant (such as an organic sulfur compound) of city gas, a reformer 56 into which city gas (reforming fuel) that has passed through the desulfurizer 54 is flowed, The desulfurizer 54 is used as a reformer 56 (more precisely, a reforming fuel pipe of the reformer 56 and a combustion air / reforming fuel introduction section of a combustion burner (both not shown in FIG. 1)). A reforming fuel flow path 60 to be connected, a water feed pump 62 that pumps water used for reforming (hereinafter referred to as “reforming water”) to the reformer 56, and the water feed pump 62 is connected to the reformer 56 (accurately). Includes a reforming water channel 64 connected to a reforming water pipe (not shown in FIG. 1) of the reformer 56 described later.

改質装置24はさらに、大気の粉塵を除去するエアクリーナ66と、エアクリーナ66を通過した空気を加熱用燃料を燃焼させるための空気(以下「燃焼空気」という)として改質器56に圧送する燃焼空気ポンプ70と、燃焼空気ポンプ70を改質器56(正確には、燃焼バーナの燃焼空気・改質用燃料導入部)に接続する燃焼空気流路72と、改質器56で発生する燃焼排ガスを大気中に排出する燃焼排ガス流路74とを備える。   The reformer 24 further includes an air cleaner 66 that removes atmospheric dust, and combustion that pumps the air that has passed through the air cleaner 66 to the reformer 56 as air for burning fuel for heating (hereinafter referred to as “combustion air”). An air pump 70, a combustion air flow path 72 that connects the combustion air pump 70 to the reformer 56 (more precisely, combustion air of the combustion burner / reforming fuel introduction section), and combustion generated in the reformer 56 And a combustion exhaust gas channel 74 for exhausting the exhaust gas into the atmosphere.

図2は、改質器56の断面を示す説明断面図である。   FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view showing a cross section of the reformer 56.

図示の如く、改質器56は、改質用燃料と改質用水を改質触媒によって反応させる改質部76と、改質部76の改質触媒を加熱する加熱部80と、略円筒状を呈すると共に、改質部76および加熱部80を収容するケース部82とを備える。   As shown in the figure, the reformer 56 includes a reforming unit 76 that causes reforming fuel and reforming water to react with the reforming catalyst, a heating unit 80 that heats the reforming catalyst of the reforming unit 76, and a substantially cylindrical shape. And a case portion 82 that accommodates the reforming portion 76 and the heating portion 80.

改質部76は、前記した改質用燃料流路60に接続される改質用燃料管84と、改質用水流路64に接続される改質用水管86と、改質触媒90が充填される改質管92と、改質管92に接続される改質ガス管94と、改質ガス管94の途中に介挿されると共に、改質ガスに残存する一酸化炭素(CO)を除去するCO除去部96とを備える。   The reforming unit 76 is filled with the reforming fuel pipe 84 connected to the reforming fuel flow path 60, the reforming water pipe 86 connected to the reforming water flow path 64, and the reforming catalyst 90. Reformed pipe 92, reformed gas pipe 94 connected to the reformed pipe 92, and inserted in the middle of the reformed gas pipe 94, and carbon monoxide (CO) remaining in the reformed gas is removed. And a CO removing unit 96.

加熱部80は、ケース部82の上端82aに配置される燃焼バーナ(改質器用燃焼バーナ)100と、燃焼バーナ100の紙面において下方に接続される燃焼室102と、燃焼室102における燃焼バーナ100の燃焼によって発生した燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス管104とを備える。   The heating unit 80 includes a combustion burner (reformer combustion burner) 100 disposed at the upper end 82 a of the case unit 82, a combustion chamber 102 connected downward on the paper surface of the combustion burner 100, and a combustion burner 100 in the combustion chamber 102. And a flue gas pipe 104 that discharges the flue gas generated by the combustion.

図3は、加熱部80の燃焼バーナ100付近の断面を拡大して示す拡大説明断面図である。   FIG. 3 is an enlarged explanatory cross-sectional view showing an enlarged cross section near the combustion burner 100 of the heating unit 80.

燃焼バーナ100は、前記した第2のアノードオフガス流路44に接続され、燃料電池10から排出されたアノードオフガスや改質装置24において生成されたアノードガスの一部、別言すれば、改質ガスを加熱用燃料として導入する加熱用燃料導入部(導入部)110と、燃焼空気流路72および改質用燃料流路60に接続され、燃焼空気および改質用燃料を加熱用燃料として導入する燃焼空気・改質用燃料導入部112と、加熱用燃料と燃焼空気を混合させる燃焼管114と、燃焼管114の内部であって加熱用燃料の流れにおいて加熱用燃料導入部110の下流側に配置されて加熱用燃料に含まれる水分を吸収する耐熱性三次元多孔体(吸水部)116と、燃焼管114の下端付近、換言すれば、加熱用燃料の流れにおいて耐熱性三次元多孔体116の下流側に配置され、点火されるとき加熱用燃料を燃焼させる点火電極(点火部)120とを備える。   The combustion burner 100 is connected to the second anode off-gas flow path 44 described above, and part of the anode off-gas discharged from the fuel cell 10 and the anode gas generated in the reformer 24, in other words, reforming. A heating fuel introduction section (introduction section) 110 that introduces gas as a heating fuel is connected to the combustion air passage 72 and the reforming fuel passage 60, and introduces the combustion air and the reforming fuel as the heating fuel. The combustion air / reforming fuel introduction section 112, the combustion pipe 114 for mixing the heating fuel and the combustion air, and the downstream side of the heating fuel introduction section 110 inside the combustion pipe 114 in the flow of the heating fuel The heat-resistant three-dimensional porous body (water-absorbing portion) 116 that is disposed in the heating fuel and absorbs moisture contained in the heating fuel and the vicinity of the lower end of the combustion pipe 114, in other words, the heat-resistant tertiary in the flow of the heating fuel Disposed downstream of the porous body 116, and a ignition electrode (igniter) 120 for burning fuel for heating when it is ignited.

加熱用燃料導入部110は、図3に示す如く、逆L字状を呈すると共に、第2のアノードオフガス流路44から流入させられる加熱用燃料を燃焼管114に導入する加熱用燃料導入管122を備える。また加熱用燃料導入管122の下端には、複数個(具体的には6個(3個のみ図示する))のガス透過孔122aが略等間隔に穿設される。従って、加熱用燃料導入管122を流れる加熱用燃料は、ガス透過孔122aを通過することで、拡散させられつつ燃焼管114に導入される。また、燃焼空気・改質用燃料導入部112は、燃焼空気流路72と改質用燃料流路60から流入させられる燃焼空気と改質用燃料を、燃焼管114に導入する燃焼空気・改質用燃料導入管124からなる。   As shown in FIG. 3, the heating fuel introduction section 110 has an inverted L shape, and the heating fuel introduction pipe 122 that introduces the heating fuel introduced from the second anode off-gas flow path 44 into the combustion pipe 114. Is provided. In addition, a plurality (specifically, six (only three are shown)) of gas permeation holes 122a are formed at substantially lower intervals at the lower end of the heating fuel introduction pipe 122. Therefore, the heating fuel flowing through the heating fuel introduction pipe 122 is introduced into the combustion pipe 114 while being diffused by passing through the gas permeation holes 122a. The combustion air / reforming fuel introduction section 112 introduces combustion air and reforming fuel introduced from the combustion air passage 72 and the reforming fuel passage 60 into the combustion pipe 114. It consists of a quality fuel introduction pipe 124.

燃焼管114は略円筒状を呈すると共に、耐熱性三次元多孔体116は燃焼管114に充填される形状、即ち、略円柱状を呈する。耐熱性三次元多孔体116は、耐熱性を有すると共に、三次元的な網目構造、具体的には、直径1[μm]程度の均質な気孔をもち、通過する気体に含まれる水分を吸収可能な物質である。より具体的には、ニッケル(Ni)あるいは銅(Cu)から製作される発泡金属と、セラミックス多孔体の内のいずれかからなる。   The combustion tube 114 has a substantially cylindrical shape, and the heat-resistant three-dimensional porous body 116 has a shape filled in the combustion tube 114, that is, a substantially columnar shape. The heat-resistant three-dimensional porous body 116 has heat resistance and has a three-dimensional network structure, specifically, uniform pores with a diameter of about 1 [μm], and can absorb moisture contained in the passing gas. It is a serious substance. More specifically, it consists of a foam metal made from nickel (Ni) or copper (Cu) and a ceramic porous body.

図2の説明に戻ると、加熱部80の燃焼室102は、その上部102aがケース部82の上端82a付近である一方、下部102bがケース部82の下端82b付近となるようにして配置される。燃焼室102は、下部102bにおいて燃焼排ガス管104と連通される。燃焼排ガス管104は、燃焼室102の外壁102cに沿うようにして上方に延設された後、ケース部82の上端82a付近で屈曲し、その後前記した燃焼排ガス流路74に接続される。   Returning to the description of FIG. 2, the combustion chamber 102 of the heating unit 80 is arranged such that the upper part 102 a is near the upper end 82 a of the case part 82 and the lower part 102 b is near the lower end 82 b of the case part 82. . The combustion chamber 102 communicates with the combustion exhaust gas pipe 104 at the lower part 102b. The flue gas pipe 104 extends upward along the outer wall 102 c of the combustion chamber 102, then bends in the vicinity of the upper end 82 a of the case portion 82, and is then connected to the flue gas passage 74 described above.

改質部76の改質用水管86は、燃焼室102と燃焼排ガス管104などを取り囲むようにして配置されたリング状のCO除去部96の外周96aを、複数回(4回)周回するようにして配置され、その後燃焼排ガス管104の内部104aに配置される。燃焼排ガス管104の内部104aに配置された改質用水管86は、燃焼室102の外壁102cに接触させられつつ、その周りを複数回(4回)周回するようにして配置される。   The reforming water pipe 86 of the reforming section 76 circulates around the outer periphery 96a of the ring-shaped CO removing section 96 disposed so as to surround the combustion chamber 102, the combustion exhaust gas pipe 104 and the like a plurality of times (four times). And then disposed inside the combustion exhaust pipe 104. The reforming water pipe 86 disposed in the interior 104a of the combustion exhaust pipe 104 is disposed so as to circulate a plurality of times (four times) around it while being in contact with the outer wall 102c of the combustion chamber 102.

改質用水管86には、改質用燃料管84が接続部130を介して接続される。以下、改質用水管86の改質用水の流れにおいて接続部130より下流側の改質用水管86を「改質用燃料・水管」と呼び、符号132で示す。改質用燃料・水管132はさらに、燃焼室102の外壁102cを複数回(4回)周回するように配置された後、改質管92に接続される。   A reforming fuel pipe 84 is connected to the reforming water pipe 86 via a connection portion 130. Hereinafter, the reforming water pipe 86 on the downstream side of the connecting portion 130 in the reforming water flow of the reforming water pipe 86 is referred to as “reforming fuel / water pipe” and denoted by reference numeral 132. The reforming fuel / water pipe 132 is further arranged so as to go around the outer wall 102 c of the combustion chamber 102 a plurality of times (four times), and then connected to the reforming pipe 92.

改質管92は、燃焼排ガス管104に接触させられつつ下方に向けて延設されると共に、その下端92aにおいて改質ガス管94と連通される。改質ガス管94は、改質管92の外壁92bに沿うようにして上方に延設された後、ケース部82の上端82a付近で屈曲し、その後前記したアノードガス流路26に接続される。尚、改質器56のケース部82の内部において、上記した燃焼室102や改質管92などの各構成要素以外の空間には、断熱材134が配置(充填)される。   The reforming pipe 92 extends downward while being in contact with the combustion exhaust gas pipe 104, and communicates with the reformed gas pipe 94 at the lower end 92a thereof. The reformed gas pipe 94 extends upward along the outer wall 92b of the reformed pipe 92, then bends in the vicinity of the upper end 82a of the case portion 82, and is then connected to the anode gas flow path 26 described above. . In the interior of the case portion 82 of the reformer 56, a heat insulating material 134 is disposed (filled) in a space other than each component such as the combustion chamber 102 and the reforming pipe 92 described above.

次いで、上記の如く構成された改質装置24の動作を、図1から図3を参照して説明する。   Next, the operation of the reformer 24 configured as described above will be described with reference to FIGS.

都市ガス供給源(図示せず)から供給される都市ガスは、脱硫器54で付臭剤が除去される。これにより、都市ガスの流れにおいて下流側に配置される改質触媒90などが、硫黄によって被毒するのを防ぐことができる。付臭剤が除去された都市ガス、即ち、改質用燃料は、燃料電池10の始動時においては、改質用燃料流路60を介して改質器56、より詳しくは、改質器56の燃焼バーナ100の燃焼空気・改質用燃料導入部112に加熱用燃料として供給される。   The odorant is removed from the city gas supplied from a city gas supply source (not shown) by the desulfurizer 54. Thereby, it is possible to prevent the reforming catalyst 90 and the like disposed downstream in the city gas flow from being poisoned by sulfur. The city gas from which the odorant has been removed, that is, the reforming fuel, is reformed through the reforming fuel flow channel 60, more specifically, the reformer 56, when the fuel cell 10 is started. Is supplied to the combustion air / reforming fuel introduction section 112 of the combustion burner 100 as heating fuel.

また、燃焼空気ポンプ70によって吸引され、エアクリーナ66で粉塵が除去された燃焼空気も、燃焼空気流路72を介して燃焼バーナ100の燃焼空気・改質用燃料導入部112に供給される。燃焼空気・改質用燃料導入部112に供給された改質用燃料と燃焼空気、即ち、混合気は燃焼管114に向けて吐出させられる。   Further, the combustion air sucked by the combustion air pump 70 and from which dust has been removed by the air cleaner 66 is also supplied to the combustion air / reforming fuel introduction section 112 of the combustion burner 100 via the combustion air flow path 72. The reforming fuel and the combustion air supplied to the combustion air / reforming fuel introduction section 112, that is, the air-fuel mixture, are discharged toward the combustion pipe 114.

混合気が燃焼管114内の耐熱性三次元多孔体116を通過するとき、混合気に含まれる水分は耐熱性三次元多孔体116によって吸収される。尚、このとき耐熱性三次元多孔体116を通過する改質用燃料と燃焼空気は比較的乾燥した気体であるため、耐熱性三次元多孔体116によって吸収される水分は僅かな量である。   When the air-fuel mixture passes through the heat-resistant three-dimensional porous body 116 in the combustion tube 114, moisture contained in the air-fuel mixture is absorbed by the heat-resistant three-dimensional porous body 116. At this time, since the reforming fuel and the combustion air passing through the heat-resistant three-dimensional porous body 116 are relatively dry gases, a small amount of water is absorbed by the heat-resistant three-dimensional porous body 116.

耐熱性三次元多孔体116を通過した混合気は、点火電極120によって点火(着火)されて燃焼させられる。燃焼バーナ100の燃焼によって発生した燃焼排ガスは、図2に矢印で示すように、紙面下方に向けて流れる。燃焼排ガスは、燃焼室102の内部を通過して燃焼排ガス管104に供給される。燃焼排ガス管104に供給された燃焼排ガスは、燃焼排ガス管104の内部104aや壁面を昇温させつつ図2において上方へ流れる。このとき、改質管92は、その外壁92bが燃焼排ガス管104に接触するようにして配置されるため、燃焼排ガス管104の熱が伝達されて加熱される。それに伴って、改質管92の内部に充填された改質触媒90も加熱されて昇温される。燃焼排ガス管104の燃焼排ガスはその後、燃焼排ガス流路74へ流入させられて大気中に排出される。   The air-fuel mixture that has passed through the heat-resistant three-dimensional porous body 116 is ignited (ignited) by the ignition electrode 120 and burned. The combustion exhaust gas generated by the combustion of the combustion burner 100 flows downward as viewed in the drawing, as indicated by arrows in FIG. The combustion exhaust gas passes through the inside of the combustion chamber 102 and is supplied to the combustion exhaust gas pipe 104. The combustion exhaust gas supplied to the combustion exhaust gas pipe 104 flows upward in FIG. 2 while raising the temperature of the interior 104 a and the wall surface of the combustion exhaust gas pipe 104. At this time, the reforming pipe 92 is disposed such that the outer wall 92b thereof is in contact with the combustion exhaust gas pipe 104, so that the heat of the combustion exhaust gas pipe 104 is transmitted and heated. Accordingly, the reforming catalyst 90 filled in the reforming pipe 92 is also heated and heated. Thereafter, the flue gas in the flue gas pipe 104 is introduced into the flue gas passage 74 and discharged into the atmosphere.

図示しない改質触媒温度センサなどの出力に基づいて、改質触媒90が改質可能な温度(具体的には、700[℃]程度)まで加熱されたと判断されると、改質装置24において、改質動作が開始される。具体的には、送水ポンプ62で吸引された水供給源(図示せず)の改質用水は、改質用水流路64を介して改質用水管86に流入させられる。   When it is determined that the reforming catalyst 90 has been heated to a temperature at which the reforming catalyst 90 can be reformed (specifically, about 700 [° C.]) based on the output of a reforming catalyst temperature sensor (not shown) or the like, The reforming operation is started. Specifically, reforming water from a water supply source (not shown) sucked by the water pump 62 is caused to flow into the reforming water pipe 86 through the reforming water flow path 64.

改質用水管86は、比較的高温となるCO除去部96の外周96aを周回するように配置されると共に、前述した燃焼排ガスによって昇温させられた燃焼排ガス管104の内部104aに配置されているため、それらによって加熱されることとなる。これにより、改質用水管86に流入させられた改質用水は蒸発して水蒸気となり、その水蒸気は、接続部130において、改質用燃料流路60を介して改質用燃料管84に流入させられた改質用燃料と合流して混合される。   The reforming water pipe 86 is arranged so as to circulate around the outer periphery 96a of the CO removing unit 96 that becomes relatively high temperature, and is arranged in the interior 104a of the combustion exhaust pipe 104 that has been heated by the above-described combustion exhaust gas. Therefore, it will be heated by them. As a result, the reforming water that has flowed into the reforming water pipe 86 evaporates into steam, and the steam flows into the reforming fuel pipe 84 via the reforming fuel flow path 60 at the connection portion 130. The reformed fuel is combined and mixed.

混合された改質用燃料と水蒸気は、改質用燃料・水管132内を通過した後、改質管92に流入させられる。改質管92の改質触媒90は、燃焼排ガス管104よって加熱されて改質可能な温度まで昇温させられているため、水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気から水素を含有する改質ガスが生成される。   The reformed fuel and water vapor that have been mixed pass through the reforming fuel / water pipe 132 and then flow into the reforming pipe 92. The reforming catalyst 90 of the reforming pipe 92 is heated by the flue gas pipe 104 and heated to a temperature capable of reforming, so that a steam reforming reaction takes place, that is, with the mixed reforming fuel and A reformed gas containing hydrogen is generated from the steam.

この水蒸気改質反応は、具体的には下記の通りである。
CH+HO→CO+3H
このとき生成される一酸化炭素の一部は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素が生成される(即ち、シフト反応が起こる)。具体的には下記の通りである。
CO+HO→CO+H
The steam reforming reaction is specifically as follows.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
Part of the carbon monoxide produced at this time further reacts with water vapor to produce hydrogen and carbon dioxide (that is, a shift reaction takes place). Specifically, it is as follows.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

生成された改質ガスは、改質ガス管94を介してCO除去部96に流入させられる。ここで、改質ガスは、改質ガスに残存するCOが除去された後、アノードガス流路26に流入させられる。このように、改質器56によって改質動作が行われて改質ガス(アノードガス)が生成される。   The generated reformed gas is caused to flow into the CO removing unit 96 through the reformed gas pipe 94. Here, the reformed gas is allowed to flow into the anode gas flow channel 26 after the CO remaining in the reformed gas is removed. In this way, the reforming operation is performed by the reformer 56 to generate the reformed gas (anode gas).

改質ガスが燃料電池10に供給されると、燃料電池10において前述した電気化学反応が起こり、電力が発生させられて燃料電池10は、通常運転となる。燃料電池10の通常運転時にあっては、改質用燃料流路60から燃焼空気・改質用燃料導入部112へ供給される改質用燃料の量が徐々に減少させられ、最終的にはその供給が停止される。   When the reformed gas is supplied to the fuel cell 10, the above-described electrochemical reaction occurs in the fuel cell 10, power is generated, and the fuel cell 10 is in a normal operation. During normal operation of the fuel cell 10, the amount of reforming fuel supplied from the reforming fuel flow path 60 to the combustion air / reforming fuel introducing unit 112 is gradually reduced, and finally The supply is stopped.

改質用燃料の供給量の減少に伴って燃焼バーナ100には、改質用燃料に代えて改質ガスが加熱用燃料として供給される。具体的には、改質ガス(具体的には、第2のアノードオフガス流路44を流れるアノードオフガスおよびアノードガス)が、燃焼バーナ100の加熱用燃料導入部110に供給(導入)される。   As the amount of reforming fuel supplied decreases, reformed gas is supplied to the combustion burner 100 as a heating fuel instead of the reforming fuel. Specifically, the reformed gas (specifically, the anode offgas and the anode gas flowing through the second anode offgas passage 44) is supplied (introduced) to the heating fuel introduction unit 110 of the combustion burner 100.

改質ガスは、燃焼管114において燃焼空気・改質用燃料導入部112からの燃焼空気と混合されると共に、その混合気が耐熱性三次元多孔体116を通過するとき、混合気に含まれる水分が耐熱性三次元多孔体116によって吸収される。この耐熱性三次元多孔体116を通過する改質ガスは、上記した如く、水蒸気改質反応によって生成されるため、比較的湿潤な気体である。そのため、混合気に含まれる水分の多くは耐熱性三次元多孔体116によって吸収される。尚、燃焼管114が配置される燃焼室102は、約200〜800[℃]の高温となるため、その輻射熱によって耐熱性三次元多孔体116は熱せられ、前記吸収された水分は200[℃]以上となって蒸発する。   The reformed gas is mixed with the combustion air from the combustion air / reforming fuel introduction section 112 in the combustion pipe 114, and is included in the air-fuel mixture when the air-fuel mixture passes through the heat-resistant three-dimensional porous body 116. Moisture is absorbed by the heat resistant three-dimensional porous body 116. As described above, the reformed gas that passes through the heat-resistant three-dimensional porous body 116 is a relatively wet gas because it is generated by the steam reforming reaction. Therefore, most of the water contained in the air-fuel mixture is absorbed by the heat resistant three-dimensional porous body 116. In addition, since the combustion chamber 102 in which the combustion tube 114 is disposed has a high temperature of about 200 to 800 [° C.], the heat-resistant three-dimensional porous body 116 is heated by the radiant heat, and the absorbed moisture is 200 [° C. ] It evaporates.

水分が除去された混合気はその後、点火電極120によって点火されて燃焼させられる。尚、改質ガスを含む混合気を燃焼バーナで燃焼させる場合であっても、燃焼排ガスの流れなどは前述と同じであるため、説明を省略する。   The air-fuel mixture from which moisture has been removed is then ignited by the ignition electrode 120 and burned. Even when the air-fuel mixture containing the reformed gas is burned by the combustion burner, the flow of the combustion exhaust gas is the same as described above, and the description thereof is omitted.

このように、加熱用燃料、正確には、改質ガスを導入する加熱用燃料導入部110と、加熱用燃料の流れにおいて加熱用燃料導入部110の下流側に配置されて加熱用燃料に含まれる水分を吸収する吸水部、具体的には、耐熱性三次元多孔体116と、耐熱性三次元多孔体116の下流側に配置され、点火されるとき加熱用燃料を燃焼させる点火電極120とを備えるように構成したので、加熱用燃料に含まれる水分の多くは耐熱性三次元多孔体116によって吸収され、点火電極120に接触することがない。それにより、水分を多く含んだ加熱用燃料が燃焼バーナに供給されることに起因する失火を、燃焼バーナ100の向きなどを変更することなく防止でき、よって安定した燃焼を行うことができる。   In this way, the heating fuel, more precisely, the heating fuel introduction portion 110 for introducing the reformed gas, and the heating fuel is disposed downstream of the heating fuel introduction portion 110 in the flow of the heating fuel and included in the heating fuel. A water-absorbing part that absorbs moisture, specifically, a heat-resistant three-dimensional porous body 116, and an ignition electrode 120 that is disposed downstream of the heat-resistant three-dimensional porous body 116 and burns heating fuel when ignited Therefore, most of the water contained in the heating fuel is absorbed by the heat-resistant three-dimensional porous body 116 and does not contact the ignition electrode 120. Thereby, misfire caused by supplying the fuel for heating containing a lot of moisture to the combustion burner can be prevented without changing the direction of the combustion burner 100, and stable combustion can be performed.

また、耐熱性三次元多孔体116は、発泡金属とセラミックス多孔体の内のいずれかからなるように構成したので、簡易な構成でありながら、水分を含んだ加熱用燃料が燃焼バーナに供給されることに起因する失火を防止でき、安定した燃焼を行うことができる。   In addition, since the heat-resistant three-dimensional porous body 116 is configured to be made of either a foam metal or a ceramic porous body, the heating fuel containing moisture is supplied to the combustion burner while having a simple configuration. Can prevent misfire caused by the occurrence of stable combustion.

また、耐熱性三次元多孔体116を燃焼管114の内部に配置するように構成したので、燃焼管114を任意の方向に配置することも可能となり、よって燃焼管114の方向性の自由度を増加することができる。   Further, since the heat-resistant three-dimensional porous body 116 is configured to be disposed inside the combustion tube 114, the combustion tube 114 can be disposed in an arbitrary direction, and thus the degree of freedom in the directionality of the combustion tube 114 is increased. Can be increased.

以上のように、この発明の実施例にあっては、改質用燃料と水蒸気を反応させて燃料電池(10)に供給されるべき改質ガスを生成する改質触媒(90)を加熱する、燃料電池の改質器用燃焼バーナ(燃焼バーナ100)において、加熱用燃料を導入する導入部(加熱用燃料導入部110)と、前記加熱用燃料の流れにおいて前記導入部の下流側に配置されて前記加熱用燃料に含まれる水分を吸収する吸水部(耐熱性三次元多孔体116)と、前記吸水部の下流側に配置され、点火されるとき前記加熱用燃料を燃焼させる点火部(点火電極120)とを備えるように構成した。   As described above, in the embodiment of the present invention, the reforming catalyst (90) that generates the reformed gas to be supplied to the fuel cell (10) by reacting the reforming fuel and water vapor is heated. In the combustion burner for the reformer of the fuel cell (combustion burner 100), an introduction part (heating fuel introduction part 110) for introducing the heating fuel and a downstream of the introduction part in the flow of the heating fuel are disposed. A water absorption part (heat-resistant three-dimensional porous body 116) that absorbs moisture contained in the heating fuel, and an ignition part (ignition) that is disposed downstream of the water absorption part and burns the heating fuel when ignited Electrode 120).

また、前記吸水部は、耐熱性三次元多孔体(116)からなるように構成した。   Moreover, the said water absorption part was comprised so that it might consist of a heat resistant three-dimensional porous body (116).

また、前記耐熱性三次元多孔体(116)は、発泡金属とセラミックス多孔体の内のいずれかからなるように構成した。   The heat-resistant three-dimensional porous body (116) is composed of either a foam metal or a ceramic porous body.

尚、上記において、燃料電池10を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であってもよい。   In the above description, the fuel cell 10 is a solid polymer type. However, the present invention is not limited to this, and other types may be used.

また、改質用燃料として都市ガスを使用するよう構成したが、LPガスなどであってもよい。   In addition, although city gas is used as the reforming fuel, LP gas or the like may be used.

この発明の実施例に係る燃料電池の改質器用燃焼バーナを有する改質装置を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the reformer which has the combustion burner for reformers of the fuel cell which concerns on the Example of this invention. 図1に示す改質装置の改質器の断面を示す説明断面図である。It is explanatory sectional drawing which shows the cross section of the reformer of the reformer shown in FIG. 図2に示す燃焼バーナ付近の断面を拡大して示す拡大説明断面図である。FIG. 3 is an enlarged explanatory cross-sectional view showing an enlarged cross section near a combustion burner shown in FIG. 2.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池、90 改質触媒、100 燃焼バーナ(改質器用燃焼バーナ)、110 加熱用燃料導入部(導入部)、116 耐熱性三次元多孔体(吸水部)、120 点火電極(点火部)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 90 Reforming catalyst, 100 Combustion burner (reformer combustion burner), 110 Heating fuel introduction part (introduction part), 116 Heat-resistant three-dimensional porous body (water absorption part), 120 Ignition electrode (ignition part)

Claims (3)

改質用燃料と水蒸気を反応させて燃料電池に供給されるべき改質ガスを生成する改質触媒を加熱する、燃料電池の改質器用燃焼バーナにおいて、加熱用燃料を導入する導入部と、前記加熱用燃料の流れにおいて前記導入部の下流側に配置されて前記加熱用燃料に含まれる水分を吸収する吸水部と、前記吸水部の下流側に配置され、点火されるとき前記加熱用燃料を燃焼させる点火部とを備えることを特徴とする燃料電池の改質器用燃焼バーナ。   Introducing a heating fuel in a combustion burner for a reformer of a fuel cell that heats a reforming catalyst that reacts the reforming fuel with water vapor to generate a reformed gas to be supplied to the fuel cell; A water absorption part disposed downstream of the introduction part in the flow of the heating fuel and absorbing moisture contained in the heating fuel; and a fuel absorption part disposed downstream of the water absorption part and ignited. A combustion burner for a reformer of a fuel cell, comprising: an igniter for burning the fuel. 前記吸水部は、耐熱性三次元多孔体からなることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の改質器用燃焼バーナ。   2. The combustion burner for a reformer of a fuel cell according to claim 1, wherein the water absorption part is made of a heat-resistant three-dimensional porous body. 前記耐熱性三次元多孔体は、発泡金属とセラミックス多孔体の内のいずれかからなることを特徴とする請求項2記載の燃料電池の改質器用燃焼バーナ。   3. The combustion burner for a reformer of a fuel cell according to claim 2, wherein the heat-resistant three-dimensional porous body is made of one of a foam metal and a ceramic porous body.
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WO2016009853A1 (en) * 2014-07-16 2016-01-21 東京瓦斯株式会社 Fuel cell module

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