JP2008166070A - 排燃料燃焼器を備えた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排燃料燃焼器における燃焼効率を向上して、助燃料の投入量を低減することにより燃料電池システムの効率を上昇せしめるとともに、都市ガス等の高価な高発熱量助燃料の消費量を低減して、プラントの運転コストを低減し得る排燃料燃焼器を備えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池モジュールから排出される排燃料を燃焼させる排燃料燃焼器を備えた燃料電池システムにおいて、前記排燃料燃焼器は、前記燃料電池モジュールからの排燃料がバーナにより噴出され一次空気を用いて該排燃料の一次燃焼を行う一次燃焼室と、前記一次燃焼室よりもガス通路が絞られた連絡通路を介して該一次燃焼室に接続され二次空気を用いて該一次燃焼室からのガスの二次燃焼を行う二次燃焼室とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池モジュールから排出される排燃料を、該燃料電池モジュールからの排空気を用いて燃焼させる排燃料燃焼器を備えた燃料電池システムに関する。

図５は燃料電池モジュールから排出される排燃料を、該燃料電池モジュールからの排空気を用いて燃焼させる排燃料燃焼器（以下燃焼器という）の従来の一例を示す縦断面図である。
図５において、燃焼器１０は竪型に形成され、燃焼器本体０１１の上部側にバーナ２０を設置し、該燃焼器本体０１１内部の前記バーナ２０の直下部に縦長の燃焼室０１２を配置し、該燃焼室０１２の直下部の燃焼排ガス出口０２９に、該燃焼排ガスで燃料電池モジュール２（図２参照）への空気を予熱する熱交換器３が直結されており、燃焼排ガスが該燃焼排ガス出口０２９から熱交換器３内に直接導入されるようになっている。
前記バーナ２０の直上部には、燃料電池モジュールからの排燃料通路に接続される排燃料入口０１５が設けられるとともに、燃料電池モジュールからの排空気通路に接続される排空気入口０１６が設けられている。

図６は前記バーナ２０の従来の一例を示し、（Ａ）は部分側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＣ矢視図である。
図６において、前記バーナ２０は、バーナ中心２０ｚを含む中央部に排燃料吹出口０２２を配置し、該排燃料吹出口０２２の外側に環状の助燃料吹出口０２４を配置し、該助燃料吹出口０２４の外側に環状の排空気吹出口０２３を配置して構成されている（排空気吹出口０２３からの空気流を０２３ａで示す）。また、燃焼器本体０１１にトーチ火炎吹出口０２１を、トーチ火炎０２１ａが前記排燃料吹出口０２２からの排燃料火炎０２２ａ及び助燃料吹出口０２４からの助燃料火炎０２４ａに当たるように、斜めに取り付けている。

尚、特許文献１．特開２００２−１０６８４４号公報には、ガスタービン燃焼器のバーナ近傍に、コンプレッサからの空気と燃料電池の排ガスの一部とを混合器で混合して供給するとともに、燃料電池の排ガスの残りを燃焼室に希釈空気として供給する技術が開示されている。

特開２００２−１０６８４４号公報

燃料電池モジュールから排出される排燃料を該燃料電池モジュールから排出される排空気を用いて燃焼させる排燃料燃焼器においては、熱交換器にて該排燃料燃焼器の排熱を用いて燃料電池モジュールへの空気を予熱し、温空気にして該燃料電池モジュールに供給するシステムであるため、燃料電池モジュールの起動時には温空気により該燃料電池モジュールの温度を上げて該燃料電池モジュールの立ち上がりを迅速にし、一方で燃料電池モジュールの発電運転時には、該燃料電池モジュールから排出される排燃料が水素、一酸化炭素、水蒸気を主成分とする低発熱量のガスであるため着火性が悪いことから、燃焼を完結させてクリーンな排ガスを放出するようにするには、排燃料燃焼器の燃焼室内では一定の温度と滞留時間が必要となる。

然るに、図５に示される従来の排燃料燃焼器を備えた燃料電池システムにあっては、燃料電池モジュールの起動時及び発電運転時ともに、一つの燃焼室０１２を備えた排燃料燃焼器１０に、該燃焼室０１２に設置したバーナ２０から燃料電池モジュールの排燃料及び排空気を噴出するとともに、都市ガス等の高発熱量の助燃料ガスを燃焼室０１２に噴出するように構成されているため、運転時間の短い起動時には、燃料電池モジュールから多く排出される排空気に対応して助燃料ガスの噴射量を増加させることにより、燃料電池モジュールの立ち上がりを迅速に行うことは可能であり、また運転時間が短く運転コストの上昇は軽微であり、特に問題はない。

しかしながら、かかる従来の燃料電池システムにあっては、燃料電池モジュールの発電運転時には、前記のように、排燃料が低発熱量のガスであるため着火性が悪いことと、燃料電池モジュールから排出される排空気の量がきわめて多いことから、一つの燃焼室０１２全域で燃焼を完全に終結させるため、長い運転時間中継続して、助燃料ガスの噴射量を増加する必要がある。このため、助燃料の投入量が増加して燃料電池システムの効率が低下するとともに、都市ガス等の高価な高発熱量の助燃料ガスの消費量が増大するため、燃料電池プラントの運転コストの増大を招く。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、排燃料燃焼器における燃焼効率を向上して、助燃料の投入量を低減することにより燃料電池システムの効率を上昇せしめるとともに、都市ガス等の高価な高発熱量助燃料の消費量を低減して、プラントの運転コストを低減し得る排燃料燃焼器を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、燃料電池モジュールから排出される排燃料を燃焼させる排燃料燃焼器を備えた燃料電池システムにおいて、前記排燃料燃焼器は、前記燃料電池モジュールからの排燃料がバーナにより噴出され一次空気を用いて該排燃料の一次燃焼を行う一次燃焼室と、前記一次燃焼室よりもガス通路が絞られた連絡通路を介して該一次燃焼室に接続され二次空気を用いて該一次燃焼室からのガスの二次燃焼を行う二次燃焼室とを備えたことを特徴とする。

かかる発明において、具体的には次のように構成するのが好ましい。
（１）前記排燃料燃焼器は、前記バーナを上部側に配置し、該バーナの直下部に前記一次燃焼室を配置し、該一次燃焼室の直下部に前記連絡通路を配置し、該連絡通路の直下部に前記二次燃焼室を配置し、さらに前記バーナに前記排燃料及び一次空気を供給するように構成し、前記二次燃焼室の側部に前記二次空気を導入する二次空気導入口を配置する。
（２）前記燃料電池モジュールから排出される排空気を前記一次空気として前記一次燃焼室に搬送する第１の排空気通路と、前記排空気を前記二次空気として前記二次燃焼室に搬送する第２の排空気通路とを備え、前記第１の排空気通路及び第２の排空気通路に排空気の空気量を調整する空気量調整弁をそれぞれ設ける。

また、前記バーナは、次の２つの構成をとるのが好ましい。
（１）前記バーナは、中央部に着火用トーチ火炎を噴出するトーチ火炎吹出口を配置し、該トーチ火炎吹出口の外側に前記排燃料を噴出する環状の排燃料吹出口を配置し、該排燃料吹出口の外側に前記排空気を噴出する環状の排空気吹出口を同心に配置してなる三重の吹出口を備えるとともに、前記排空気吹出口内に該排空気吹出口内を貫通して助燃料を噴出する複数の助燃料吹出口を備える。
（２）前記バーナは、前記（１）の構成に加えて、前排空気吹出口内に、該排空気に旋回力を付与して前記一次燃焼室に噴出せしめるスワール形成部材を設ける。

燃料電池モジュールから排出される排燃料を該燃料電池モジュールからから排出される排空気を用いて燃焼させる排燃料燃焼器においては、前述のように、燃料電池モジュール起動時には温空気の温度を上げて燃料電池モジュールの立ち上がりを迅速にし、燃料電池モジュールの発電運転時には、低発熱量のガスからなる排燃料を完全燃焼させてクリーンな排ガスを放出することが要求される。

然るに本発明によれば、前記排燃料燃焼器を、燃料電池モジュールからの排燃料がバーナにより噴出され一次空気を用いて該排燃料の一次燃焼を行う一次燃焼室と、この一次燃焼室よりもガス通路が絞られた連絡通路を介して該一次燃焼室に接続され二次空気を用いて該一次燃焼室からのガスの二次燃焼を行う二次燃焼室とにより構成し、具体的には上部側に配置したバーナの下部に一次燃焼室、連絡通路、二次燃焼室を順に配置した竪型とし、さらに前記燃料電池モジュールからの排空気を一次空気として空気量調整弁付きの第１の排空気通路を通して一次燃焼室に導入するとともに、該排空気を二次空気として空気量調整弁付きの第２の排空気通路を通して二次燃焼室に導入するように構成したので、排出量の多い燃料電池モジュールからの排空気の流路を第１の排空気通路と第２の排空気通路との２つの流路に分け、第１の排空気通路を通った排空気を一次空気として燃料電池モジュールからの排燃料、及び高発熱量の助燃料とともにバーナから一次燃焼室に噴出させて一次燃焼を行い、かかる一次燃焼後の燃焼ガスを通路面積が絞られた連絡通路を通して二次燃焼室に導き、該二次燃焼室において前記第２の排空気通路を通して導入された排空気を二次空気として用いて高温燃焼させることが可能となる。

従って本発明によれば、燃焼室を、一次燃焼を行う一次燃焼室と一次燃焼後の燃焼ガスの二次燃焼を行う二次燃焼室との２つの燃焼室に分け、燃料電池モジュールからの排空気を、助燃料及び排燃料が噴射される一次燃焼室への第１の排空気と、一次燃焼後の燃焼ガスの完全燃焼用の第２の排空気との２つの流路に分けて燃焼に供することにより、助燃料及び排燃料燃焼用の排空気量が、排空気の全量を助燃料及び排燃料燃焼用とする従来技術に比べて少なくて済み、且つ第１の排空気と第２の排空気との配分を燃焼解析等によって適正に行うことにより、一次燃焼室での燃え残りを含む燃焼ガスを二次燃焼室で完全燃焼することが可能となる。
これにより、排燃料燃焼器における燃焼効率を向上して、助燃料の投入量を低減することが可能となって燃料電池システムの効率を上昇できる。また、都市ガス等の高価な高発熱量の燃料からなる助燃料の消費量を低減できて、燃料電池プラントの運転コストを低減できる。

また、前記燃料電池モジュールから、一次燃焼室に接続される第１の排空気通路及び二次燃焼室に接続される第２の排空気通路のそれぞれに排空気の空気量を調整する空気量調整弁を設けるように構成すれば、一次燃焼室への第１の排空気と二次燃焼室への第２の排空気との配分を容易に且つ適正に行うことができる。

また、前記バーナを、中央部にトーチ火炎吹出口を、その外側に環状の排燃料吹出口を、その外側に環状の排空気吹出口を、それぞれ同心に配置した三重の吹出口とし、且つ排空気吹出口内を貫通して助燃料を噴出する複数の助燃料吹出口を設ける構成とすれば、
排燃料を中央部のトーチ火炎と外側の助燃料火炎とでサンドイッチ状に挟み込んだ火炎状態で燃焼させるので、着火性の悪い排燃料の燃焼性を向上できる。
また、排空気吹出口内にスワール形成部材を設けて、排空気に旋回力を与えることにより、一次燃焼室内における排空気と助燃料及び排燃料との混合を促進できて、一次燃焼室内における燃焼効率が向上する。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図２は本発明の実施例における燃料電池システムの系統図である。
図２において、都市ガス等の高発熱量の助燃料を供給する燃料供給手段は符号１で示され、該燃料供給手段１からの助燃料は、排燃料燃焼器（以下燃焼器という）１０及び燃料電池モジュール２に導入される。該燃料電池モジュール２から排出された排燃料は排燃料通路８を通して燃焼器１０に導かれる。
また、前記燃料電池モジュール２から排出された排空気は、第１排空気通路４を通る第１の排空気と第２排空気通路５を通る第２の排空気との２つの流路に分けられ、第１排空気通路４を通った第１の排空気は、図１に示す燃焼器１０の一次燃焼室１２に、第２排空気通路５を通った第２の排空気は前記燃焼器１０の二次燃焼室１４にそれぞれ送り込まれるようになっている。

前記一次燃焼室１２に接続される第１排空気通路４には該第１排空気通路４を通る排空気の空気量を調整する空気量調整弁６が設置され、前記二次燃焼室１４に接続される第２排空気通路５には空気量調整弁７が設置されている。このように構成すれば、一次燃焼室１２への第１の排空気と二次燃焼室１４への第２の排空気との配分を容易に且つ適正に行うことができる。

前記燃焼器１０の二次燃焼室１４からの燃焼排ガスは熱交換器３に導入されて、燃料電池モジュール２への空気を予熱した後、外部に排出される。該熱交換器３で昇温された温空気は燃料電池モジュール２に供給されて、燃料電池モジュールの起動時に該燃料電池モジュールの温度を上げて立ち上がりを迅速にしている。

図１は本発明の実施例に係る前記燃焼器（排燃料燃焼器）１０の縦断面図である。
図１において、該燃焼器１０は、燃焼器本体１１の上部側にバーナ２０を設置し、該燃焼器本体１１内部の前記バーナ２０の直下部に一次燃焼室１２を配置し、該一次燃焼室１２の直下部に該一次燃焼室１２よりもガス通路が絞られた連絡通路１３を配置し、該連絡通路１３の直下部に前記二次燃焼室１４を配置した竪型の燃焼器に構成されている。
該燃焼器１０の下部には前記熱交換器３が直接取り付けられており、前記二次燃焼室１４での燃焼排ガスが二次燃焼室出口２９から熱交換器３内に直接導入されるようになっている。

前記バーナ２０の直上部には、前記排燃料通路８に接続される排燃料入口１５が設けられるとともに、前記第１排空気通路４に接続される第１排空気入口１６が設けられている。尚、図１には図示を省略したが、燃焼器１０の上部には前記燃料供給手段１からの助燃料の導入口及びトーチ燃料の導入口が設けられている。
また、前記燃焼器本体１１の側部には、排空気溜め１９が形成され、該排空気溜め１９の第２排空気入口１７は前記第２排空気通路５に接続され、該排空気溜め１９の出口側は複数の排空気吹出孔１８を介して前記二次燃焼室１４に連通されている。従って、前記第２排空気通路５を通った第２排空気は前記第２排空気入口１７を経て排空気溜め１９に溜められてから、前記排空気吹出孔１８から二次燃焼室１４に噴出されることとなる。

図３は前記バーナ２０の第１例を示し、（Ａ）は部分側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ矢視図である。図３において、前記バーナ２０は、バーナ中心２０ｚを含む中央部にトーチ火炎吹出口２１を配置し、該トーチ火炎吹出口２１の外側に環状の排燃料吹出口２２を配置し、該排燃料吹出口２２の外側に環状の排空気吹出口２３を配置して、それぞれバーナ中心２０ｚを中心とする同心の三重の吹出口としている。そして、前記排空気吹出口２３内を貫通して助燃料を噴出する複数（この例では４個）の助燃料吹出口２４が設けられている。

前記バーナ２０は、このように構成されているので、排燃料火炎２２ａを中央部のトーチ火炎吹出口２１からのトーチ火炎２１ａと外側の助燃料吹出口２４からの助燃料火炎２４ａとでサンドイッチ状に挟み込み、該助燃料吹出口２４を囲む排空気吹出口２３から噴出される排空気流２３ａを用いて燃焼させることにより、着火性の悪い排燃料の燃焼性を向上できる。

図４は前記バーナの第２例を示し、（Ａ）は部分側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。この例では、図３の第１例の構成に加えて、前排空気吹出口２３内に、内周を前記排燃料吹出口２２の外面に固定された複数のスワール形成部材２５を円周方向等間隔に設けている。
かかるスワール形成部材２５を設けたので、該スワール形成部材２５によって排空気吹出口２３から一次燃焼室１２に噴出される排空気に旋回力を与えることにより、一次燃焼室１２内における排空気と助燃料及び排燃料との混合を促進できて、該一次燃焼室１２内における燃焼効率が向上する。

以上のように、かかる実施例によれば、燃焼器１０を、燃料電池モジュール２からの排燃料がバーナ２０により噴出され一次空気を用いて該排燃料の一次燃焼を行う一次燃焼１２と、この一次燃焼室１２よりもガス通路が絞られた連絡通路１３を介して該一次燃焼室１２に接続され、二次空気を用いて該一次燃焼室１２からのガスの二次燃焼を行う二次燃焼室１４とにより構成し、具体的には前記バーナ２０を上部側に配置し、該バーナ２０の下部に前記一次燃焼室１２、連絡通路１３、二次燃焼室１４を順に配置した竪型とし、さらに前記燃料電池モジュール２からの排空気を一次空気として空気量調整弁６付きの第１排空気通路４を通して一次燃焼室１２に導入するとともに、該排空気を二次空気として空気量調整弁７付きの第２排空気通路５を通して二次燃焼室１４に導入するように構成したので、排出量の多い燃料電池モジュール２からの排空気の流路を第１排空気通路４と第２排空気通路５との２つの流路に分け、第１排空気通路を通った排空気を一次空気として燃料電池モジュール２からの排燃料、及び高発熱量の助燃料とともにバーナ２０から一次燃焼室１２に噴出させて一次燃焼を行い、かかる一次燃焼後の燃焼ガスを通路面積が絞られた連絡通路１３を通して二次燃焼室１４に導き、該二次燃焼室１４において前記第２排空気通路５を通して導入された排空気を二次空気として用いて高温燃焼させることが可能となる。

従ってかかる実施例によれば、燃焼室を一次燃焼を行う一次燃焼室１２と一次燃焼後の燃焼ガスの二次燃焼を行う二次燃焼を行う二次燃焼室１４との２つの燃焼室に分けるとともに、燃料電池モジュール２からの排空気を、助燃料及び排燃料が噴射される一次燃焼室１２への第１の排空気と、一次燃焼後の燃焼ガスの完全燃焼用の第２の排空気との２つの流路に分けて燃焼に供することにより、助燃料及び排燃料燃焼用の排空気量が、排空気の全量を助燃料及び排燃料燃焼用とする従来技術に比べて少なくて済み、且つ第１の排空気と第２の排空気との配分を燃焼解析等によって適正に行うことにより、一次燃焼室１２での燃え残りを含む燃焼ガスを二次燃焼室１４で完全燃焼することが可能となる。
これにより、燃焼器１０における燃焼効率を向上して、助燃料の投入量を低減することが可能となって燃料電池システムの効率を上昇できる。

本発明によれば、排燃料燃焼器における燃焼効率を向上して、助燃料の投入量を低減することにより燃料電池システムの効率を上昇せしめるとともに、都市ガス等の高価な高発熱量助燃料の消費量を低減して、プラントの運転コストを低減し得る排燃料燃焼器を備えた燃料電池システムを提供できる。

本発明の実施例に係る排燃料燃焼器の縦断面図である。 本発明の実施例における燃料電池システムの系統図である。 本発明の実施例におけるバーナの第１例を示し、（Ａ）は部分側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ矢視図である。 本発明の実施例におけるバーナの第２例を示し、（Ａ）は部分側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。 従来技術に係る排燃料燃焼器の縦断面図である。 従来技術に係るバーナを示し、（Ａ）は部分側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＣ矢視図である。

符号の説明

１ 燃料供給手段
２ 燃料電池モジュール
３ 熱交換器
４ 第１排空気通路
５ 第２排空気通路
６，７ 空気量調整弁
８ 排燃料通路
１０ 排燃料燃焼器（燃焼器）
１１ 燃焼器本体
１２ 一次燃焼室
１３ 連絡通路
１４ 二次燃焼室
１５ 排燃料入口
１６ 第１排空気入口
１７ 第２排空気入口
１８ 排空気吹出孔
１９ 排空気溜め
２０ バーナ
２１ トーチ火炎吹出口
２２ 排燃料吹出口
２３ 排空気吹出口
２４ 助燃料吹出口
２９ 二次燃焼室出口

Claims (5)

1. 燃料電池モジュールから排出される排燃料を燃焼させる排燃料燃焼器を備えた燃料電池システムにおいて、前記排燃料燃焼器は、前記燃料電池モジュールからの排燃料がバーナにより噴出され一次空気を用いて該排燃料の一次燃焼を行う一次燃焼室と、前記一次燃焼室よりもガス通路が絞られた連絡通路を介して該一次燃焼室に接続され二次空気を用いて該一次燃焼室からのガスの二次燃焼を行う二次燃焼室とを備えたことを特徴とする排燃料燃焼器を備えた燃料電池システム。
2. 前記排燃料燃焼器は、前記バーナを上部側に配置し、該バーナの直下部に前記一次燃焼室を配置し、該一次燃焼室の直下部に前記連絡通路を配置し、該連絡通路の直下部に前記二次燃焼室を配置し、さらに前記バーナに前記排燃料及び一次空気を供給するように構成し、前記二次燃焼室の側部に前記二次空気を導入する二次空気導入口を配置したことを特徴とする請求項１記載の排燃料燃焼器を備えた燃料電池システム。
3. 前記燃料電池モジュールから排出される排空気を前記一次空気として前記一次燃焼室に搬送する第１の排空気通路と、前記排空気を前記二次空気として前記二次燃焼室に搬送する第２の排空気通路とを備え、前記第１の排空気通路及び第２の排空気通路に排空気の空気量を調整する空気量調整弁をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１記載の排燃料燃焼器を備えた燃料電池システム。
4. 前記バーナは、中央部に着火用トーチ火炎を噴出するトーチ火炎吹出口を配置し、該トーチ火炎吹出口の外側に前記排燃料を噴出する環状の排燃料吹出口を配置し、該排燃料吹出口の外側に前記排空気を噴出する環状の排空気吹出口を同心に配置してなる三重の吹出口を備えるとともに、前記排空気吹出口内に該排空気吹出口内を貫通して助燃料を噴出する複数の助燃料吹出口を備えたことを特徴とする請求項１記載の排燃料燃焼器を備えた燃料電池システム。
5. 前記排空気吹出口内に、該排空気に旋回力を付与して前記一次燃焼室に噴出せしめるスワール形成部材を設けたことを特徴とする請求項４記載の排燃料燃焼器を備えた燃料電池システム。

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