JP2009224189A - Combustion device of reformer, reformer, and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce NOx concentration and CO concentration by forming a flame having an appropriate shape, in a combustion device of a reformer, a reformer, and a fuel cell system. <P>SOLUTION: In this combustion device of a reformer, the combustion device is provided with: a tubular off-gas nozzle 25c having its axial direction arranged in the combustion pipe 25b along the axial direction of the combustion pipe 25b; a plurality of first jet openings 25c1 opened and formed on a side surface of a tip part of the off-gas nozzle 25c; a partition plate 25b1 fixed between the off-gas nozzle 25c and the combustion pipe 25b at a base end-side position relative to the first jet openings 25c1 of the off-gas nozzle 25c; and a plurality of second jet openings 25b2 formed in the circumference of the off-gas nozzle 25c of the partition plate 25b1 by penetrating in the axial direction of the off-gas nozzle 25c. In diffusive combustion, an anode off-gas or a fuel gas is supplied to the off-gas nozzle 25c and jetted from the first jet openings, and air for combustion is jetted from the second jet openings 25b2. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、改質装置の燃焼装置、改質装置および燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a combustion apparatus for a reformer, a reformer, and a fuel cell system.

改質装置の燃焼装置の一形式として、特許文献1に示されているものが知られている。特許文献1の図1に示されているように、この燃焼装置は、燃料供給装置4から供給された燃料を燃料噴射口8から噴出する燃料ディストリビュータ(ノズル)1と、空気供給装置5から供給された空気を噴出する空気噴出孔9を有し、燃料ディストリビュータ1を含み燃料ディストリビュータ1の周囲に空気噴出孔9から噴出する空気とディストリビュータ1から噴出する燃料とが燃焼して火炎を形成する燃焼空間3を形成するようにディストリビュータ1を囲むように配置された空気噴出部材2とを備えている。   As a type of combustion apparatus of a reformer, one shown in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, this combustion apparatus is supplied from a fuel distributor (nozzle) 1 that ejects fuel supplied from a fuel supply apparatus 4 from a fuel injection port 8 and an air supply apparatus 5. Combustion that has an air ejection hole 9 for ejecting the generated air and includes the fuel distributor 1 and the air ejected from the air ejection hole 9 and the fuel ejected from the distributor 1 around the fuel distributor 1 to form a flame And an air ejection member 2 disposed so as to surround the distributor 1 so as to form a space 3.

すなわち、空気噴出部材2の内周壁2Bは傾斜しており、逆円錐台状の空間となっている。つまり、内周壁2Bはカップ形状をなしている。内周壁2Bに複数の空気噴出孔9が形成されている。空気噴出孔9は複数列(3列)同心円周上に形成されている。空気噴出部材2の内孔たる該カップ状の空間が、火炎が形成されて燃焼が行われる燃焼空間3となる。燃焼空間3の下部には、先端が閉塞された管状の燃料ディストリビュータ3が嵌合されている。燃料ディストリビュータ3は、周方向に複数の燃料噴出孔8が設けられた先端部が、円形断面の燃焼空間3の中心部分に突出するように配置されている。
特開2004−156895号公報
That is, the inner peripheral wall 2 </ b> B of the air ejection member 2 is inclined to form an inverted frustoconical space. That is, the inner peripheral wall 2B has a cup shape. A plurality of air ejection holes 9 are formed in the inner peripheral wall 2B. The air ejection holes 9 are formed on a plurality of rows (three rows) concentric circles. The cup-shaped space that is the inner hole of the air ejection member 2 becomes a combustion space 3 in which a flame is formed and combustion is performed. In the lower part of the combustion space 3, a tubular fuel distributor 3 whose tip is closed is fitted. The fuel distributor 3 is disposed so that a tip end portion provided with a plurality of fuel injection holes 8 in the circumferential direction protrudes from a central portion of the combustion space 3 having a circular cross section.
JP 2004-156895 A

上述した特許文献1に記載の燃焼装置においては、燃料噴出孔8とこれに最も近い空気噴出孔9については、それぞれの孔8,9から噴出される燃料および空気が対向流であるため火炎が拡がりにくく安定して形成されにくい。さらに、最内周の空気噴出孔9の外周に位置する複数列の空気噴出孔9から噴出する空気は、燃焼空間3の中心(燃料ディストリビュータ3の中心軸)に向けて噴出されるため、これによっても火炎が拡がりにくく安定して形成されにくい。これらのことから、NO濃度の増大、CO濃度の増大を招くおそれがある。また、燃料と燃焼空気の混合性が確保できる燃焼負荷が低く、広い発電電力範囲(例えば、300W〜1000W)の燃焼負荷に対してCO濃度の低減が困難である。 In the combustion apparatus described in Patent Document 1 described above, the fuel injection hole 8 and the air injection hole 9 closest to the fuel injection hole 8 are opposed to each other because the fuel and air injected from the respective holes 8 and 9 are opposed to each other. Difficult to spread and difficult to form stably. Further, since the air ejected from the plurality of rows of air ejection holes 9 located on the outer periphery of the innermost air ejection hole 9 is ejected toward the center of the combustion space 3 (the central axis of the fuel distributor 3), However, it is difficult for the flame to spread and to be formed stably. From these, which may result an increase of the NO X concentration, an increase in the CO concentration. Moreover, the combustion load which can ensure the mixing property of fuel and combustion air is low, and it is difficult to reduce the CO concentration with respect to the combustion load in a wide generated power range (for example, 300 W to 1000 W).

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、改質装置の燃焼装置、改質装置および燃料電池システムにおいて、適切な形状の火炎を形成して、NO濃度の低減、CO濃度の低減を図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problem, a combustion device of the reformer, the reformer and the fuel cell system, to form a flame suitable shape, reduction of the NO X concentration, CO The purpose is to reduce the concentration.

上記の課題を解決するため、請求項1に係る改質装置の燃焼装置の発明の構成上の特徴は、改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成して燃料電池の燃料極に供給する改質部を有する改質装置に備えられ改質部を加熱する燃焼装置において、燃焼装置は、筒状の筒体と、筒体の内部に筒体の軸方向に沿って軸方向が設けられた筒状のノズルと、ノズルの先端部側面に開口して設けられた複数の第1噴射口と、ノズルの第1噴射口より基端側位置にノズルと筒体の間に固定された板状部材と、板状部材のノズルの周囲にノズルの軸方向に貫通して設けられた複数の第2噴射口と、を備え、燃料極からのアノードオフガスまたは改質部からの燃料ガスを燃焼用酸化剤ガスで拡散燃焼させる拡散燃焼時には、燃料極からのアノードオフガスまたは改質部からの燃料ガスがノズルに供給され、燃焼用酸化剤ガスが第2噴出口から噴出するように供給され、燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとを予混合して燃焼用燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼時には、燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとが予混合して第2噴出口から噴出するように供給されることである。   In order to solve the above-described problem, a structural feature of the reformer combustion apparatus according to claim 1 is that the reforming fuel is reformed to generate a fuel gas containing hydrogen to produce a fuel cell. In a combustion apparatus that is provided in a reformer having a reforming section that supplies to a fuel electrode and heats the reforming section, the combustion apparatus includes a cylindrical cylinder and an axial direction of the cylinder inside the cylinder. A cylindrical nozzle provided with an axial direction, a plurality of first injection ports provided on the side surface of the tip of the nozzle, and a position between the nozzle and the cylinder at a position proximal to the first injection port of the nozzle And a plurality of second injection ports provided around the nozzle of the plate member in the axial direction of the nozzle, from the anode off-gas from the fuel electrode or the reforming unit When the diffusive combustion is performed by diffusing and burning the fuel gas with the oxidant gas for combustion, the anode from the fuel electrode Fugas or fuel gas from the reforming section is supplied to the nozzle, and oxidant gas for combustion is supplied so as to be ejected from the second outlet, and the fuel for combustion and the oxidant gas for combustion are premixed for combustion. At the time of premixed combustion in which fuel is premixed, combustion fuel and combustion oxidant gas are premixed and supplied so as to be ejected from the second outlet.

また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、筒体はノズルの先端部を覆うように設けられていることである。   A structural feature of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the cylindrical body is provided so as to cover the tip of the nozzle.

また請求項3に係る改質装置の発明の構成上の特徴は、請求項1または請求項2に記載の燃焼装置により改質部を加熱することである。   A structural feature of the invention of the reforming apparatus according to claim 3 is that the reforming section is heated by the combustion apparatus according to claim 1 or claim 2.

また請求項4に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、請求項3に記載の改質装置により生成された燃料ガスを燃料極に供給することである。   A feature of the invention of the fuel cell system according to claim 4 is that fuel gas generated by the reformer according to claim 3 is supplied to the fuel electrode.

上記のように構成した請求項1に係る改質装置の燃焼装置の発明においては、ノズルの先端部側面に開口して設けられた第1噴射口からは、アノードオフガスまたは燃料ガスがノズルから外方(外側)に向けて噴出される。また、ノズルの第1噴射口より基端側位置にノズルと筒体の間に固定された板状部材の、ノズルの周囲にノズルの軸方向に貫通して設けられた複数の第2噴射口からは、第1噴射口からアノードオフガスまたは燃料ガスが噴出される場合(拡散燃焼時)には燃焼用酸化剤ガスが、または第1噴射口からアノードオフガスおよび燃料ガスが噴出されない場合(予混合燃焼時)には混合ガスがノズルの先端突出側に向けて噴出される。このように、第2噴出口が設けられた板状部材から、第1噴出口が設けられたノズルの先端部が突設されており、拡散燃焼時には、第1噴出口からノズルの外方(外側)に向けて噴出されたアノードオフガスまたは燃料ガスは、第2噴出口からノズルの先端突出側に向けて噴出された燃焼用酸化剤ガスの流れによって、ノズルの先端突出側に向かう流れとなり、外方(外側)に拡がろうとする火炎をノズルの軸方向に沿った方向に向けている。これにより、火炎の拡がりを必要以上に抑制することなく、かつ、ある程度広がりを絞った火炎を形成することができ、適切な形状の火炎を形成して、NO濃度の低減、CO濃度の低減を図ることができる。また、混合性も確保されることから、広いターンダウンにおいて(広い発電電力範囲の燃焼負荷に対して)の低CO濃度の確保も可能となる。 In the invention of the combustion apparatus of the reformer according to claim 1 configured as described above, the anode off-gas or the fuel gas is removed from the nozzle from the first injection port provided to be opened at the side surface of the tip of the nozzle. Is ejected toward the outside (outside). Further, a plurality of second injection ports provided around the nozzle in the axial direction of the nozzle of a plate-like member fixed between the nozzle and the cylindrical body at a position proximal to the first injection port of the nozzle From the first injection port when the anode off-gas or fuel gas is ejected (diffusion combustion), or when the anode off-gas and fuel gas are not ejected from the first injection port (premixing) During combustion), the mixed gas is ejected toward the protruding end of the nozzle. In this way, the tip of the nozzle provided with the first outlet is protruded from the plate-like member provided with the second outlet, and the outer side of the nozzle from the first outlet (at the time of diffusion combustion) The anode off-gas or fuel gas ejected toward the outside) flows toward the nozzle tip protrusion side by the flow of the combustion oxidant gas sprayed from the second outlet toward the nozzle tip protrusion side, A flame that spreads outward (outside) is directed in a direction along the axial direction of the nozzle. Thus, without suppressing unnecessarily spread of flame, and it is possible to form a flame squeezed some extent, to form a flame suitable shape, reduction of the NO X concentration, reduction in CO concentration Can be achieved. Further, since the mixing property is also ensured, it is possible to secure a low CO concentration in a wide turndown (for a combustion load in a wide generated power range).

上記のように構成した請求項2に係る発明においては、請求項1に係る発明において、筒体はノズルの先端部を覆うように設けられているので、予混合燃焼および拡散燃焼が筒体内(すなわち燃焼空間)で行われることで、火炎の拡がりを必要以上に抑制することなく、かつ、ある程度広がりを絞った火炎をより適切に形成することができ、適切な形状の火炎をより確実に形成することができる。   In the invention according to claim 2 configured as described above, in the invention according to claim 1, since the cylinder is provided so as to cover the tip of the nozzle, premixed combustion and diffusion combustion are performed in the cylinder ( In other words, it is possible to more appropriately form a flame with a certain degree of spread without suppressing the spread of the flame more than necessary, and more reliably form a flame with an appropriate shape. can do.

上記のように構成した請求項3に係る改質装置の発明においては、請求項1または請求項2に記載の燃焼装置により改質部を加熱するので、NO濃度の低減、CO濃度の低減を図るとともに広いターンダウンにおいての低CO濃度の確保も可能とした改質装置を提供することができる。 In the invention of a reformer according to claim 3 as constructed above, since heating the reforming section by the combustion device according to claim 1 or claim 2, reduction of the NO X concentration, reduction in CO concentration Thus, it is possible to provide a reformer capable of ensuring a low CO concentration in a wide turndown.

上記のように構成した請求項4に係る燃料電池システムの発明においては、請求項3に記載の改質装置により生成された燃料ガスを燃料極に供給するので、NO濃度の低減、CO濃度の低減を図るとともに広いターンダウンにおいての低CO濃度の確保も可能とした燃料電池システムを提供することができる。 In the invention of a fuel cell system according to Claim 4 as constructed above, since the fuel gas generated by the reforming apparatus according to claim 3 is supplied to the fuel electrode, reduction of the NO X concentration, CO concentration It is possible to provide a fuel cell system that can reduce the CO2 and secure a low CO concentration in a wide turndown.

以下、本発明による改質装置の燃焼装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池10とこの燃料電池10に必要な水素ガスを含む改質ガス(燃料ガス)を生成する改質装置20を備えている。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system to which a combustion apparatus of a reformer according to the present invention is applied will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of this fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell 10 and a reformer 20 that generates a reformed gas (fuel gas) containing hydrogen gas necessary for the fuel cell 10.

燃料電池10は、燃料極11と酸化剤極である空気極12と両極11,12間に介在された電解質13を備えており、燃料極11に供給された改質ガスおよび空気極12に供給された酸化剤ガスである空気(カソードエア)を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。   The fuel cell 10 includes a fuel electrode 11, an air electrode 12 that is an oxidant electrode, and an electrolyte 13 interposed between the electrodes 11 and 12, and supplies the reformed gas supplied to the fuel electrode 11 and the air electrode 12. Electric power is generated using air (cathode air), which is the oxidant gas. Note that air-enriched gas may be supplied instead of air.

改質装置20は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池10に供給するものであり、改質部21、冷却部22、一酸化炭素シフト反応部(以下、COシフト部という)23および一酸化炭素選択酸化反応部(以下、CO選択酸化部という)24、燃焼部(燃焼装置)25、および蒸発部26から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、LPGなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。   The reformer 20 steam-reforms the reforming fuel and supplies a hydrogen-rich reformed gas to the fuel cell 10. , A CO shift unit) 23, a carbon monoxide selective oxidation reaction unit (hereinafter referred to as a CO selective oxidation unit) 24, a combustion unit (combustion device) 25, and an evaporation unit 26. Examples of the reforming fuel include natural gas, gas fuel for reforming such as LPG, and liquid fuel for reforming such as kerosene, gasoline, and methanol. In the present embodiment, description will be made on natural gas.

改質部21は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部21は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路21aを備えている。   The reforming unit 21 generates and derives a reformed gas from a mixed gas that is a reforming raw material in which reforming water is mixed with the reforming fuel. The reforming portion 21 is formed in a bottomed cylindrical shape, and includes an annular folded channel 21a extending along the axis in the annular cylindrical portion.

改質部21の折り返し流路21a内には、触媒21b(例えば、RuまたはNi系の触媒)が充填されており、冷却部22から導入された改質用燃料と水蒸気供給管51から導入された水蒸気との混合ガスが触媒21bによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている(いわゆる水蒸気改質反応)。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス(いわゆる改質ガス)は冷却部(熱交換部)22に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。   The return channel 21 a of the reforming unit 21 is filled with a catalyst 21 b (for example, a Ru or Ni-based catalyst) and introduced from the reforming fuel introduced from the cooling unit 22 and the steam supply pipe 51. The gas mixture with the steam reacts and is reformed by the catalyst 21b to generate hydrogen gas and carbon monoxide gas (so-called steam reforming reaction). At the same time, a so-called carbon monoxide shift reaction occurs in which carbon monoxide generated in the steam reforming reaction reacts with steam to transform into hydrogen gas and carbon dioxide. These generated gases (so-called reformed gas) are led to a cooling unit (heat exchange unit) 22. The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the carbon monoxide shift reaction is an exothermic reaction.

冷却部22は、改質部21から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水(水蒸気)との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器(熱交換部)であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してCOシフト部23に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部21に導出するようになっている。   The cooling unit 22 is a heat exchanger (heat exchange unit) in which heat exchange is performed between the reformed gas derived from the reforming unit 21 and a mixed gas of reforming fuel and reformed water (steam). The temperature of the reformed gas having a high temperature is lowered by the mixed gas having a low temperature and led to the CO shift unit 23, and the temperature of the mixed gas is raised by the reformed gas and led to the reforming unit 21. Yes.

具体的には、冷却部22には図示しない燃料供給源(例えば都市ガス管)に接続された改質用燃料供給管41が接続されている。改質用燃料供給管41には、上流から順番に燃料ポンプ42、脱硫器46および改質用燃料バルブ43が設けられている。改質用燃料バルブ43は改質用燃料供給管41を開閉するものである。燃料ポンプ42は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器46は燃料中の硫黄分(例えば、硫黄化合物)を低減するものである。燃料供給源から供給される燃料のうち改質部21に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部25に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。   Specifically, a reforming fuel supply pipe 41 connected to a fuel supply source (not shown) (for example, a city gas pipe) is connected to the cooling unit 22. The reforming fuel supply pipe 41 is provided with a fuel pump 42, a desulfurizer 46, and a reforming fuel valve 43 in order from the upstream. The reforming fuel valve 43 opens and closes the reforming fuel supply pipe 41. The fuel pump 42 is reforming fuel supply means for supplying reforming fuel and adjusting the supply amount. The desulfurizer 46 reduces the sulfur content (for example, sulfur compound) in the fuel. Of the fuel supplied from the fuel supply source, the fuel supplied to the reforming unit 21 and reformed is called reforming fuel, and the fuel supplied to the combustion unit 25 and combusted is called combustion fuel.

また、改質用燃料供給管41の脱硫器46と改質用燃料バルブ43との間には燃焼部25に接続された燃焼用空気供給管64に接続された燃焼用燃料供給管44が接続されている。燃焼用燃料供給管44には燃焼用燃料バルブ45が設けられている。燃焼用燃料バルブ45は燃焼用燃料供給管44を開閉するものである。燃料ポンプ42が駆動され改質用燃料バルブ43が閉じられ燃焼用燃料バルブ45が開かれている場合、燃焼部25に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ42が駆動され改質用燃料バルブ43が開かれ燃焼用燃料バルブ45が閉じられている場合、改質部21に改質用燃料が供給される。   A combustion fuel supply pipe 44 connected to a combustion air supply pipe 64 connected to the combustion section 25 is connected between the desulfurizer 46 and the reforming fuel valve 43 of the reforming fuel supply pipe 41. Has been. A combustion fuel valve 45 is provided in the combustion fuel supply pipe 44. The combustion fuel valve 45 opens and closes the combustion fuel supply pipe 44. When the fuel pump 42 is driven and the reforming fuel valve 43 is closed and the combustion fuel valve 45 is opened, the combustion fuel is supplied to the combustion unit 25, and the fuel pump 42 is driven and the reforming fuel. When the valve 43 is opened and the combustion fuel valve 45 is closed, the reforming fuel is supplied to the reforming unit 21.

さらに、改質用燃料供給管41の改質用燃料バルブ43と冷却部22との間には蒸発部26に接続された水蒸気供給管51が接続されている。蒸発部26から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部22を通って改質部21に供給されている。   Further, a steam supply pipe 51 connected to the evaporation section 26 is connected between the reforming fuel valve 43 and the cooling section 22 of the reforming fuel supply pipe 41. The steam supplied from the evaporation unit 26 is mixed with the reforming fuel, and the mixed gas is supplied to the reforming unit 21 through the cooling unit 22.

COシフト部23は、改質部21から冷却部22を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。COシフト部23は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路23aを備えている。折り返し流路23a内には触媒23b(例えば、Cu−Zn系の触媒)が充填されている。COシフト部23においては、冷却部22から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒23bにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。   The CO shift unit 23 is a unit that reduces carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reforming unit 21 through the cooling unit 22, that is, a carbon monoxide reducing unit. The CO shift unit 23 includes a folded channel 23a extending along the vertical direction. The return channel 23a is filled with a catalyst 23b (for example, a Cu—Zn-based catalyst). In the CO shift unit 23, a so-called carbon monoxide shift reaction in which carbon monoxide and water vapor contained in the reformed gas introduced from the cooling unit 22 react with the catalyst 23b to be converted into hydrogen gas and carbon dioxide gas. Has occurred. This carbon monoxide shift reaction is an exothermic reaction.

CO選択酸化部24は、COシフト部23から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池10に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。CO選択酸化部24は、円筒状に形成されて、蒸発部26の外周壁を覆って当接して設けられている。CO選択酸化部24の内部には、触媒24a(例えば、RuまたはPt系の触媒)が充填されている。   The CO selective oxidation unit 24 further reduces the carbon monoxide in the reformed gas supplied from the CO shift unit 23 and supplies it to the fuel cell 10, that is, a carbon monoxide reduction unit. The CO selective oxidation unit 24 is formed in a cylindrical shape, and is provided so as to cover the outer peripheral wall of the evaporation unit 26. The CO selective oxidation unit 24 is filled with a catalyst 24a (for example, a Ru or Pt catalyst).

このCO選択酸化部24の側壁面下部および側壁面上部には、COシフト部23に接続された接続管89および燃料電池10の燃料極11に接続された改質ガス供給管71がそれぞれ接続されている。接続管89には、酸化用空気供給管61が接続されている。これにより、CO選択酸化部24には、COシフト部23からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管61には、上流から順番に酸化用空気ポンプ62および酸化用空気バルブ63が設けられている。酸化用空気ポンプ62は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ63は酸化用空気供給管61を開閉するものである。   A connecting pipe 89 connected to the CO shift section 23 and a reformed gas supply pipe 71 connected to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 are connected to the lower and upper side walls of the CO selective oxidation section 24, respectively. ing. An oxidation air supply pipe 61 is connected to the connection pipe 89. As a result, the reformed gas from the CO shift unit 23 and the oxidizing air from the atmosphere are introduced into the CO selective oxidation unit 24. The oxidizing air supply pipe 61 is provided with an oxidizing air pump 62 and an oxidizing air valve 63 in order from the upstream. The oxidizing air pump 62 supplies oxidizing air and adjusts the supply amount. The oxidation air valve 63 opens and closes the oxidation air supply pipe 61.

したがって、CO選択酸化部24内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応(酸化)して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒24aによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて(10ppm以下)導出され、燃料電池10の燃料極11に供給されるようになっている。   Therefore, carbon monoxide in the reformed gas introduced into the CO selective oxidation unit 24 reacts (oxidizes) with oxygen in the oxidizing air to become carbon dioxide. This reaction is an exothermic reaction and is promoted by the catalyst 24a. Thereby, the reformed gas is derived by further reducing the carbon monoxide concentration (10 ppm or less) by the oxidation reaction, and is supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10.

燃料電池10の燃料極11の導入口には改質ガス供給管71を介してCO選択酸化部24が接続されるとともに、燃料極11の導出口にはオフガス供給管72を介して燃焼部25が接続されている。バイパス管73は燃料電池10をバイパスして改質ガス供給管71およびオフガス供給管72を直結するものである。改質ガス供給管71にはバイパス管73との分岐点と燃料電池10との間に第1改質ガスバルブ74が設けられている。オフガス供給管72にはバイパス管73との合流点と燃料電池10との間にオフガスバルブ75が設けられている。バイパス管73には第2改質ガスバルブ76が設けられている。   A CO selective oxidation unit 24 is connected to the inlet of the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 via a reformed gas supply pipe 71, and the combustion unit 25 is connected to the outlet of the fuel electrode 11 via an offgas supply pipe 72. Is connected. The bypass pipe 73 bypasses the fuel cell 10 and directly connects the reformed gas supply pipe 71 and the offgas supply pipe 72. The reformed gas supply pipe 71 is provided with a first reformed gas valve 74 between the branch point of the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. The off gas supply pipe 72 is provided with an off gas valve 75 between the junction with the bypass pipe 73 and the fuel cell 10. A second reformed gas valve 76 is provided in the bypass pipe 73.

起動運転時には、改質装置20から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を閉じ第2改質ガスバルブ76を開き、定常運転(発電運転)時には、改質装置20からの改質ガスを燃料電池10に供給するため、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75を開き第2改質ガスバルブ76を閉じている。   During the start-up operation, the first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75 are closed and the second reformed gas valve 76 is opened in order to avoid supplying reformed gas having a high carbon monoxide concentration from the reformer 20 to the fuel cell 10. During the steady operation (power generation operation), the first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75 are opened and the second reformed gas valve 76 is closed in order to supply the reformed gas from the reformer 20 to the fuel cell 10. .

また、燃料電池10の空気極12の導入口には、カソード用空気供給管67が接続されるとともに、空気極12の導出口には、排気管82が接続されている。空気極12に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管67には上流から順にカソード用空気ポンプ68およびカソード用空気バルブ69が設けられている。カソード用空気ポンプ68はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ69はカソード用空気供給管67を開閉するものである。   A cathode air supply pipe 67 is connected to the inlet of the air electrode 12 of the fuel cell 10, and an exhaust pipe 82 is connected to the outlet of the air electrode 12. Air is supplied to the air electrode 12, and off-gas is exhausted. The cathode air supply pipe 67 is provided with a cathode air pump 68 and a cathode air valve 69 in order from the upstream. The cathode air pump 68 supplies cathode air and adjusts the supply amount. The cathode air valve 69 opens and closes the cathode air supply pipe 67.

燃焼部25は、改質部21を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部21の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。燃焼部25は、燃料極11からのアノードオフガスまたは改質部21からの燃料ガスが供給され燃焼用酸化剤ガスが供給され該アノードオフガスを該燃焼用酸化剤ガスで拡散燃焼し、または燃料供給源からの燃焼用燃料および燃焼用酸化剤ガスが予混合されて供給されその予混合ガスを燃焼し、それら燃焼ガスのいずれかにより改質部21を加熱する燃焼装置である。   The combustion part 25 generates combustion gas for heating the reforming part 21 and supplying heat necessary for the steam reforming reaction. The lower end part is inserted into the inner peripheral wall of the reforming part 21. It is arranged with a space. The combustion section 25 is supplied with anode off-gas from the fuel electrode 11 or fuel gas from the reforming section 21 and supplied with combustion oxidant gas, and diffuses and burns the anode off-gas with the combustion oxidant gas, or supplies fuel. This is a combustion apparatus in which a combustion fuel and a combustion oxidant gas from a source are premixed and supplied, burn the premixed gas, and heat the reforming section 21 with any of the combustion gases.

この燃焼部25は、図2に示すように、基部25aと、基部25aに設けられて基部25aと連通する筒状の燃焼筒(筒体)25bと、オフガスノズル25cと、温度センサ25eと、を備えている。燃焼部25は、制御装置の指令に応じて点火用電極(図示省略)により着火されるものである。   As shown in FIG. 2, the combustion unit 25 includes a base 25a, a cylindrical combustion cylinder (cylinder) 25b provided on the base 25a and communicating with the base 25a, an off-gas nozzle 25c, a temperature sensor 25e, It has. The combustion unit 25 is ignited by an ignition electrode (not shown) according to a command from the control device.

基部25aは、ベースプレート25a1、ベースプレート25a1を覆って固定されたベースケーシング25a2から構成されている。ベースプレート25a1にはオフガス供給管72が接続され、ベースプレート25a1の空間(内部空間)25a4に臨む内壁面にはオフガスノズル25cの基端が接続されている。これらオフガス供給管72とオフガスノズル25cは、ベースプレート25a1に形成された接続路25a3により連通され、アノードオフガスおよび改質ガスのいずれかがオフガスノズル25cに導入(供給)される。ベースケーシング25a2には、燃焼用空気供給管64が連結され、燃焼用空気または燃焼用空気と燃焼用燃料が予め混合された予混合ガスが基部25a内にベースプレート25a1とベースケーシング25a2とで形成された空間25a4に導入される。燃焼用空気、予混合ガスの何れかが空間25a4に導入される口64aが第1導入口である。   The base portion 25a includes a base plate 25a1 and a base casing 25a2 that covers and is fixed to the base plate 25a1. An off gas supply pipe 72 is connected to the base plate 25a1, and a base end of an off gas nozzle 25c is connected to an inner wall surface facing the space (internal space) 25a4 of the base plate 25a1. The off gas supply pipe 72 and the off gas nozzle 25c are communicated with each other through a connection path 25a3 formed in the base plate 25a1, and either the anode off gas or the reformed gas is introduced (supplied) to the off gas nozzle 25c. A combustion air supply pipe 64 is connected to the base casing 25a2, and combustion air or a premixed gas in which combustion air and combustion fuel are premixed is formed in the base 25a by the base plate 25a1 and the base casing 25a2. Introduced into the space 25a4. The port 64a through which either combustion air or premixed gas is introduced into the space 25a4 is the first introduction port.

燃焼筒25bは、上端(一端)が基部25aのベースケーシング25a2と接続され連通し下方(他端)が開放されている。燃焼筒25bの長手方向の途中(例えば中間より下端側)に円盤状の仕切り板25b1が設けられており、燃焼筒25bを長手方向に仕切っている。   The upper end (one end) of the combustion cylinder 25b is connected to the base casing 25a2 of the base portion 25a, and the lower side (the other end) is opened. A disc-shaped partition plate 25b1 is provided in the middle of the combustion cylinder 25b in the longitudinal direction (for example, the lower end side from the middle), and partitions the combustion cylinder 25b in the longitudinal direction.

オフガスノズル25cは、燃焼筒25bの内部に燃焼筒25bの軸方向に沿って軸方向が設けられたノズルである。このオフガスノズル25cは、空間25a4および燃焼筒25b内を仕切り板25b1に向けて延在し、仕切り板25b1の中央を貫通し、燃焼空間25dまで延びている。オフガスノズル25cの先端部分は閉じられており、先端から少し離れた側面部分(先端部)に第1噴射口25c1が設けられている。第1噴射口25c1は、オフガスノズル25cの先端部側面に開口して複数設けられるものである。本実施の形態では、第1噴射口25c1は、オフガスノズル25cの径方向に開口して複数(本実施の形態では4個)設けられている。第1噴射口25c1は、断面略円形である。基端側から供給されたアノードオフガスまたは改質ガスが複数の第1噴射口25c1から径方向外側に向けて放射状に噴出され、燃焼空間25dに投入される。オフガスノズル25cはアノードオフガス用とともに燃料電池10をバイパスした改質ガス用としても使用される。   The off-gas nozzle 25c is a nozzle in which an axial direction is provided inside the combustion cylinder 25b along the axial direction of the combustion cylinder 25b. The off-gas nozzle 25c extends in the space 25a4 and the combustion cylinder 25b toward the partition plate 25b1, passes through the center of the partition plate 25b1, and extends to the combustion space 25d. The tip portion of the off-gas nozzle 25c is closed, and a first injection port 25c1 is provided in a side surface portion (tip portion) slightly away from the tip. A plurality of the first injection ports 25c1 are provided so as to open to the side surface of the tip of the off-gas nozzle 25c. In the present embodiment, a plurality of (four in the present embodiment) first injection ports 25c1 are provided in the radial direction of the off-gas nozzle 25c. The first injection port 25c1 has a substantially circular cross section. The anode off gas or the reformed gas supplied from the base end side is ejected radially outward from the plurality of first injection ports 25c1 and introduced into the combustion space 25d. The off gas nozzle 25c is used not only for anode off gas but also for reformed gas bypassing the fuel cell 10.

なお、燃焼空間25dは、可燃ガスを燃焼させるために設けた部分であり、燃焼筒25b内でオフガスノズル25cの先端が仕切り板25b1から突出した側の空間のことである。なお、燃焼筒25bのうち仕切り板25b1より先端の部分はフード25b3である。このフード25b3がオフガスノズル25cの仕切り板25b1から突出した先端部を覆うように設けられている。   The combustion space 25d is a portion provided for burning the combustible gas, and is a space on the side where the tip of the off-gas nozzle 25c protrudes from the partition plate 25b1 in the combustion cylinder 25b. A portion of the combustion cylinder 25b that is at the tip of the partition plate 25b1 is a hood 25b3. The hood 25b3 is provided so as to cover the tip portion protruding from the partition plate 25b1 of the off-gas nozzle 25c.

仕切り板25b1は、オフガスノズル25cの第1噴射口25c1より基端側位置に該オフガスノズル25cと燃焼筒25bの間に固定された板状部材である。仕切り板25b1は、オフガスノズル25cに直交させて固定されている。仕切り板25b1は、本実施の形態では平板状であるが、平板状でなくてもよい。   The partition plate 25b1 is a plate-like member fixed between the offgas nozzle 25c and the combustion cylinder 25b at a base end side position from the first injection port 25c1 of the offgas nozzle 25c. The partition plate 25b1 is fixed so as to be orthogonal to the off-gas nozzle 25c. The partition plate 25b1 has a flat plate shape in the present embodiment, but may not have a flat plate shape.

この仕切り板25b1のオフガスノズル25cの周囲には複数の第2噴射口25b2(実施の形態では16個)が設けられている。この第2噴射口25b2は、仕切り板25b1を軸方向に貫通して設けられている。本実施の形態では、第2噴射口25b2は、オフガスノズル25cの軸方向に平行な向きに開口して設けられている。第2噴射口25b2は、軸方向に貫通していればよく、軸方向に平行でなく、傾斜していてもよい。第2噴射口25b2は、断面略円形である。   A plurality of second injection ports 25b2 (16 in the embodiment) are provided around the off-gas nozzle 25c of the partition plate 25b1. The second injection port 25b2 is provided through the partition plate 25b1 in the axial direction. In the present embodiment, the second injection port 25b2 is provided to open in a direction parallel to the axial direction of the off-gas nozzle 25c. The second injection port 25b2 only needs to penetrate in the axial direction, and may not be parallel to the axial direction but may be inclined. The second injection port 25b2 has a substantially circular cross section.

なお、基部25a、燃焼筒25bおよび仕切り板25b1から筐体25gが構成されている。また、筐体25gには内部空間25h(基部25a、燃焼筒25bおよび仕切り板25b1から区画された空間である。)が形成されている。内部空間25hは空間25a4と、燃焼筒25bとオフガスノズル25cとの空間のうち仕切り板25b1で区画された基部25a側の部分と、から形成されている。   The base 25a, the combustion cylinder 25b, and the partition plate 25b1 constitute a housing 25g. Further, an internal space 25h (a space partitioned from the base 25a, the combustion cylinder 25b, and the partition plate 25b1) is formed in the housing 25g. The internal space 25h is formed by a space 25a4 and a portion on the base 25a side partitioned by the partition plate 25b1 in the space between the combustion cylinder 25b and the offgas nozzle 25c.

アノードオフガスまたは燃料ガスを燃焼用空気で拡散燃焼させる拡散燃焼の場合には、アノードオフガスまたは燃料ガスがオフガスノズル25cに供給され、燃焼用空気が第2噴出口25b2から噴出するように供給される。すなわち、オフガスノズル25cに供給されたアノードオフガスまたは燃料ガスが第1噴射口25c1からオフガスノズル25cの径方向外側に向けて噴出され、燃焼空間25dに投入される。基部25a内の空間25a4に導入された燃焼用空気が第2噴出口25b2からオフガスノズル25cの先端突出側に向けて噴出され、燃焼空間25dに投入される。この場合、第1噴射口25c1からオフガスノズル25cの径方向外側に向けて噴出されるアノードオフガスまたは燃料ガスは、第2噴射口25b2からオフガスノズル25cの先端突出側に向けて噴出される燃焼用空気の流れによって、オフガスノズル25cの先端突出側に向かう流れとなり、外側に拡がろうとする火炎25fをオフガスノズル25cの軸方向に沿った方向に向けている。   In the case of diffusion combustion in which anode off gas or fuel gas is diffused and burned with combustion air, anode off gas or fuel gas is supplied to the off gas nozzle 25c, and combustion air is supplied so as to be ejected from the second injection port 25b2. . That is, the anode off-gas or fuel gas supplied to the off-gas nozzle 25c is ejected from the first injection port 25c1 toward the radially outer side of the off-gas nozzle 25c and is introduced into the combustion space 25d. Combustion air introduced into the space 25a4 in the base portion 25a is ejected from the second ejection port 25b2 toward the tip protruding side of the off-gas nozzle 25c, and is introduced into the combustion space 25d. In this case, the anode offgas or fuel gas ejected from the first injection port 25c1 toward the radially outer side of the offgas nozzle 25c is ejected from the second injection port 25b2 toward the tip protruding side of the offgas nozzle 25c. The flow of air makes the flow toward the tip protruding side of the off-gas nozzle 25c, and the flame 25f trying to spread outward is directed in the direction along the axial direction of the off-gas nozzle 25c.

一方、燃焼用燃料と燃焼用空気とを予混合して燃焼用燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼の場合には、燃焼用燃料と燃焼用空気とが予混合して第2噴出口25b2から噴出するように供給される。すなわち、基部25a内の空間25a4に導入された予混合ガスが第2噴出口25b2からオフガスノズル25cの先端突出側に向けて噴出され、燃焼空間25dに投入される。なお、予混合ガスは燃焼用空気供給管64を通って供給される。   On the other hand, in the case of the premixed combustion in which the combustion fuel and the combustion air are premixed and the combustion fuel is premixed and combusted, the combustion fuel and the combustion air are premixed from the second injection port 25b2. Supplied to spout. That is, the premixed gas introduced into the space 25a4 in the base portion 25a is ejected from the second ejection port 25b2 toward the tip protruding side of the off-gas nozzle 25c and is introduced into the combustion space 25d. The premixed gas is supplied through the combustion air supply pipe 64.

温度センサ25eは、燃焼部25の燃焼空間25d内で生じる火炎25fの輻射温度を検出して、その検出結果を制御装置に送信するもの(例えば輻射温度計)である。温度センサ25eは、例えばシース熱電対であり、基部25aのベースプレート25a1を貫通し仕切り板25b1を貫通して燃焼空間25d内に挿入されている。その先端部分(先端25e1からやや後方)が温度計測部である。温度センサ25eの先端25e1は、第1噴射口25c1の仕切り板25b1側の端25c2より仕切り板25b1側となるように設けられているが、これに限定されない。温度センサ25eの温度計測部が火炎25fの輻射温度を計測できる位置であればよい。具体的には、燃焼空間25dの内部で火炎25fの火炎面25f1の外部であればよい。ここで火炎面とは、可燃ガス(例えばアノードオフガス、予混合ガス(燃焼用燃料を含む))の燃焼反応(酸化反応)が起こっている部分とそれ以外の部分の境界面をいう。なお、本実施の形態では、温度センサ25eとして熱電対を用いているが、サーミスタを用いてもよい。   The temperature sensor 25e detects the radiation temperature of the flame 25f generated in the combustion space 25d of the combustion unit 25 and transmits the detection result to the control device (for example, a radiation thermometer). The temperature sensor 25e is, for example, a sheath thermocouple, and is inserted into the combustion space 25d through the base plate 25a1 of the base portion 25a and through the partition plate 25b1. The tip portion (slightly behind the tip 25e1) is a temperature measurement unit. The tip 25e1 of the temperature sensor 25e is provided so as to be closer to the partition plate 25b1 than the end 25c2 of the first injection port 25c1 on the partition plate 25b1 side, but is not limited thereto. Any position where the temperature measuring unit of the temperature sensor 25e can measure the radiation temperature of the flame 25f may be used. Specifically, it suffices if it is outside the flame surface 25f1 of the flame 25f inside the combustion space 25d. Here, the flame surface refers to a boundary surface between a portion where a combustion reaction (oxidation reaction) of combustible gas (for example, anode off-gas, premixed gas (including combustion fuel)) occurs and other portions. In the present embodiment, a thermocouple is used as the temperature sensor 25e, but a thermistor may be used.

なお、燃焼用空気供給管64には、図1に示すように、燃焼用空気ポンプ(燃焼用酸化剤ガス供給手段)65および燃焼用空気バルブ66が設けられている。燃焼用空気ポンプ65は大気から燃焼用空気を吸い込み燃焼部25に吐出するものであり、制御装置の指令に応じて燃焼部25に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ66は、制御装置の指令に応じて燃焼用空気供給管64を開閉するものである。   The combustion air supply pipe 64 is provided with a combustion air pump (combustion oxidant gas supply means) 65 and a combustion air valve 66, as shown in FIG. The combustion air pump 65 sucks combustion air from the atmosphere and discharges it to the combustion unit 25, and adjusts the amount of combustion air supplied to the combustion unit 25 in accordance with a command from the control device. The combustion air valve 66 opens and closes the combustion air supply pipe 64 in accordance with a command from the control device.

システム起動開始(燃料電池システム(改質装置20)の起動開始)した時点から改質部21に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、燃焼用空気バルブ66が開かれ、燃焼用空気ポンプ65が駆動されるとともに、改質用燃料バルブ43、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75が閉じられ、燃焼用燃料バルブ45が開かれ、燃料ポンプ42が駆動される。燃焼用燃料は改質部21を通らないで燃焼用燃料供給管44を通って燃焼用空気供給管64で燃焼用空気に合流して混合され、その予混合ガスが燃焼用空気供給管64を通って燃焼部25に供給される。改質部21に改質用燃料の供給が開始されるのは、蒸発部26で水蒸気が生成され、かつ、改質部21が所定温度以上となった後である。   The combustion air valve 66 is opened and combustion is performed from the time when the system is started (starting of the fuel cell system (reforming device 20) is started) until the supply of the reforming fuel to the reforming unit 21 is started. As the air pump 65 is driven, the reforming fuel valve 43, the first reformed gas valve 74, and the offgas valve 75 are closed, the combustion fuel valve 45 is opened, and the fuel pump 42 is driven. The combustion fuel passes through the combustion fuel supply pipe 44 without passing through the reforming section 21 and is mixed with the combustion air in the combustion air supply pipe 64 and mixed, and the premixed gas passes through the combustion air supply pipe 64. It is supplied to the combustion part 25 through. Supply of the reforming fuel to the reforming unit 21 is started after steam is generated in the evaporation unit 26 and the reforming unit 21 reaches a predetermined temperature or higher.

また、改質部21への改質用燃料の供給開始以降から定常運転(発電)開始までの間は、改質用燃料バルブ43および第2改質ガスバルブ76が開かれ、燃焼用燃料バルブ45が閉じられ、燃料ポンプ42が駆動される。第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75は閉じられたままである。これにより、CO選択酸化部24から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池10に供給するのを回避するため、燃焼部25にはCO選択酸化部24からの改質ガスが燃料電池10を通らないで直接供給される。燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、燃焼部25には、オフガス供給管72を通って改質ガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管64を通って燃焼用空気が供給される。   In addition, the reforming fuel valve 43 and the second reformed gas valve 76 are opened from the start of supply of the reforming fuel to the reforming unit 21 to the start of steady operation (power generation), and the combustion fuel valve 45 is opened. Is closed and the fuel pump 42 is driven. The first reformed gas valve 74 and the offgas valve 75 remain closed. Thus, in order to avoid supplying reformed gas having a high carbon monoxide concentration from the CO selective oxidation unit 24 to the fuel cell 10, the reformed gas from the CO selective oxidation unit 24 is supplied to the fuel cell 10 in the combustion unit 25. Supplied directly without going through. Combustion air is supplied in the same manner as described above. In other words, the reforming gas is supplied to the combustion unit 25 through the off-gas supply pipe 72 and combustion air is supplied through the combustion air supply pipe 64.

そして、定常運転(発電)中においては、改質用燃料バルブ43、第1改質ガスバルブ74およびオフガスバルブ75が開かれ、燃焼用燃料バルブ45および第2改質ガスバルブ76が閉じられ、燃料ポンプ42が駆動される。これにより、燃焼部25には燃料電池10の燃料極11からのアノードオフガス(燃料電池10の燃料極11に供給され消費されずに排出された水素や未改質の改質用燃料を含んだ改質ガス)が供給される。燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、燃焼部25には、オフガス供給管72を通ってアノードオフガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管64を通って燃焼用空気が供給される。このとき、燃焼部25では燃焼用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い焚きは行われていない。いわゆる追い焚きレスシステムである。   During steady operation (power generation), the reforming fuel valve 43, the first reformed gas valve 74, and the offgas valve 75 are opened, the combustion fuel valve 45 and the second reformed gas valve 76 are closed, and the fuel pump. 42 is driven. As a result, the combustion portion 25 contains the anode off-gas from the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 (hydrogen that has been supplied to the fuel electrode 11 of the fuel cell 10 and discharged without being consumed, or unreformed reforming fuel). Reformed gas) is supplied. Combustion air is supplied in the same manner as described above. That is, anode offgas is supplied to the combustion unit 25 through the offgas supply pipe 72 and combustion air is supplied through the combustion air supply pipe 64. At this time, the combustion unit 25 does not recharge the combustion by separately adding a combustible gas such as a combustion fuel. This is a so-called reboundless system.

このように燃焼部25においては、燃焼部25に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス(これらは可燃ガスである。)は、燃焼部25に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部21と断熱部28との間および断熱部28と蒸発部26との間に形成されて改質部21や蒸発部26を加熱するように配設された燃焼ガス流路27を流通し、排気管81を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガスは改質部21の改質触媒21aを活性温度域となるように加熱し、蒸発部22を水蒸気生成するために加熱する。   As described above, in the combustion unit 25, the combustion fuel, reformed gas, or anode off gas (these are combustible gases) supplied to the combustion unit 25 are combusted by the combustion air supplied to the combustion unit 25. Hot combustion gas is generated. This combustion gas is formed between the reforming section 21 and the heat insulating section 28 and between the heat insulating section 28 and the evaporation section 26 and disposed so as to heat the reforming section 21 and the evaporation section 26. It flows through the flow path 27, passes through the exhaust pipe 81, and is discharged to the outside as combustion exhaust gas. The combustion gas heats the reforming catalyst 21a of the reforming unit 21 so as to be in the activation temperature range, and heats the evaporation unit 22 to generate water vapor.

蒸発部26は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部22を介して改質部21に供給するものである。蒸発部26は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路27の外周壁を覆って当接して設けられている。   The evaporation unit 26 evaporates the reformed water to generate water vapor, and supplies the water vapor to the reforming unit 21 via the cooling unit 22. The evaporator 26 is formed in a cylindrical shape so as to cover and contact the outer peripheral wall of the combustion gas passage 27.

この蒸発部26の下部(例えば側壁面下部、底面)には改質水タンク(図示省略)に接続された給水管52が接続されている。蒸発部26の上部(例えば側壁面上部)には水蒸気供給管51が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部26内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびCO選択酸化部24からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管51および冷却部22を介して改質部21へ導出するようになっている。なお、給水管52には、上流から順番に改質水ポンプ53および改質水バルブ54が設けられている。改質水ポンプ53は、蒸発部26に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ54は給水管52を開閉するものである。   A water supply pipe 52 connected to a reforming water tank (not shown) is connected to a lower portion (for example, a lower portion of the side wall surface and a bottom surface) of the evaporation section 26. A water vapor supply pipe 51 is connected to the upper part (for example, the upper part of the side wall surface) of the evaporation unit 26. The reformed water introduced from the reformed water tank is heated by the heat from the combustion gas and the heat from the CO selective oxidation unit 24 in the course of flowing through the evaporation unit 26 to become water vapor and the water vapor supply pipe 51. And it leads to the reforming part 21 through the cooling part 22. The water supply pipe 52 is provided with a reforming water pump 53 and a reforming water valve 54 in order from the upstream. The reforming water pump 53 supplies reforming water to the evaporation unit 26 and adjusts the reforming water supply amount. The reforming water valve 54 opens and closes the water supply pipe 52.

上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、オフガスノズル(ノズル)25cの先端部側面に開口して(径方向に開口して)設けられた第1噴射口25c1からは、アノードオフガスまたは燃料ガスがオフガスノズル25cから外方に(径方向外側に)向けて噴出される。また、オフガスノズル25cの第1噴射口25c1より基端側位置にオフガスノズル25cと燃焼筒(筒体)25bの間に固定された仕切り板(板状部材)25b1の、オフガスノズル25cの周囲にオフガスノズル25cの軸方向に貫通して設けられた複数の第2噴射口25b2からは、第1噴射口25c1からアノードオフガスまたは燃料ガスが噴出される場合(拡散燃焼時)には燃焼用空気(燃焼用酸化剤ガス)が、または第1噴射口25c1からアノードオフガスおよび燃料ガスが噴出されない場合(予混合燃焼時)には混合ガスがオフガスノズル25cの先端突出側に向けて噴出される。このように、第2噴射口25b2が設けられた仕切り板25b1から、第1噴射口25c1が設けられたオフガスノズル25cの先端部が突設されており、拡散燃焼時には、第1噴射口25c1からオフガスノズル25cの外方(径方向外側)に向けて噴出されたアノードオフガスまたは燃料ガスは、第2噴射口25b2からオフガスノズル25cの先端突出側に向けて噴出された燃焼用空気の流れによって、オフガスノズル25cの先端突出側に向かう流れとなり、外方に拡がろうとする火炎をオフガスノズル25cの軸方向に沿った方向に向けている。これにより、火炎の拡がりを必要以上に抑制することなく、かつ、ある程度広がりを絞った火炎を形成することができ、適切な形状の火炎を形成して、NO濃度の低減、CO濃度の低減を図ることができる。また、混合性も確保されることから、広いターンダウンにおいて(広い発電電力範囲の燃焼負荷に対して)の低CO濃度の確保も可能となる。 As is apparent from the above description, in this embodiment, the first injection port 25c1 that opens (opens in the radial direction) on the side surface of the tip of the off-gas nozzle (nozzle) 25c is connected to the anode. Off-gas or fuel gas is ejected outward (radially outward) from the off-gas nozzle 25c. Further, a partition plate (plate member) 25b1 fixed between the offgas nozzle 25c and the combustion cylinder (cylinder) 25b at a position proximal to the first injection port 25c1 of the offgas nozzle 25c, around the offgas nozzle 25c. Combustion air (when diffusion combustion) is performed from a plurality of second injection ports 25b2 provided penetrating in the axial direction of the off-gas nozzle 25c when the anode off-gas or fuel gas is injected from the first injection port 25c1 (diffusion combustion). When the anode oxidant gas and the fuel gas are not ejected from the first injection port 25c1 (during premixed combustion), the mixed gas is ejected toward the tip protruding side of the offgas nozzle 25c. Thus, the tip of the off-gas nozzle 25c provided with the first injection port 25c1 protrudes from the partition plate 25b1 provided with the second injection port 25b2, and from the first injection port 25c1 during diffusion combustion. The anode off-gas or fuel gas ejected toward the outside (radially outer side) of the off-gas nozzle 25c is caused by the flow of combustion air ejected from the second injection port 25b2 toward the tip protruding side of the off-gas nozzle 25c. The flow is directed toward the tip protruding side of the off gas nozzle 25c, and the flame that spreads outward is directed in a direction along the axial direction of the off gas nozzle 25c. Thus, without suppressing unnecessarily spread of flame, and it is possible to form a flame squeezed some extent, to form a flame suitable shape, reduction of the NO X concentration, reduction in CO concentration Can be achieved. Further, since the mixing property is also ensured, it is possible to secure a low CO concentration in a wide turndown (for a combustion load in a wide generated power range).

また、燃焼筒(筒体)25bはオフガスノズル25cの先端部を覆うように設けられているので、予混合燃焼および拡散燃焼がフード25b3内(すなわち燃焼空間25d)で行われることで、火炎の拡がりを必要以上に抑制することなく、かつ、ある程度広がりを絞った火炎をより適切に形成することができ、適切な形状の火炎をより確実に形成することができる。   Further, since the combustion cylinder (cylinder) 25b is provided so as to cover the tip of the off-gas nozzle 25c, premixed combustion and diffusion combustion are performed in the hood 25b3 (that is, the combustion space 25d), so that the flame It is possible to more appropriately form a flame with a certain degree of spread without suppressing the spread more than necessary, and it is possible to more reliably form an appropriately shaped flame.

また、燃焼装置25により改質部21を加熱するので、NO濃度の低減、CO濃度の低減を図るとともに広いターンダウンにおいての低CO濃度の確保も可能とした改質装置20を提供することができる。 Further, since heating the reforming section 21 by the combustion device 25, to provide a NO X concentration reduction of reformer which is capable also ensuring low CO concentration in a wide turndown with reduced CO concentration 20 Can do.

また、改質装置20により生成された燃料ガスを燃料極11に供給するので、NO濃度の低減、CO濃度の低減を図るとともに広いターンダウンにおいての低CO濃度の確保も可能とした燃料電池システムを提供することができる。 Further, since the fuel gas produced by the reformer 20 is supplied to the fuel electrode 11, NO X concentration reduction of a low CO concentration fuel cell ensuring the possible and of a wide turndown with reduced CO concentration A system can be provided.

本発明による改質装置の燃焼装置を適用した燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。1 is a schematic diagram showing an outline of an embodiment of a fuel cell system to which a combustion apparatus of a reformer according to the present invention is applied. 図1に示す燃焼部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the combustion part shown in FIG. 図2に示す3−3線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池、11…燃料極、12…空気極、20…改質装置、21…改質部、22…冷却部(熱交換部)、23…一酸化炭素シフト反応部(COシフト部)、24…一酸化炭素選択酸化反応部(CO選択酸化部)、25…燃焼部(燃焼装置)、25a…基部、25b…燃焼筒、25b1…仕切り板(平面板状部材)、25b2…第2噴出口、25c…オフガスノズル、25c1…第1噴出口、25e…温度センサ、25g…筐体、25h…内部空間、26…蒸発部、27…燃焼ガス流路、28…断熱部、41…燃料供給管、42…燃料ポンプ、43…改質用燃料バルブ、44…燃焼用燃料供給管、45…燃焼用燃料バルブ、46…脱硫器、51…水蒸気供給管、52…給水管、53…改質水ポンプ、54…改質水バルブ、61…酸化用空気供給管、62…酸化用空気ポンプ、63…酸化用空気バルブ、64…燃焼用空気供給管、65…燃焼用空気ポンプ、66…燃焼用空気バルブ、67…カソード用空気供給管、68…カソード用空気ポンプ、69…カソード用空気バルブ、71…改質ガス供給管、72…オフガス供給管、73…バイパス管、74…第1改質ガスバルブ、75…オフガスバルブ、76…第2改質ガスバルブ、81,82…排気管、89…接続管。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode, 12 ... Air electrode, 20 ... Reformer, 21 ... Reformer, 22 ... Cooling part (heat exchange part), 23 ... Carbon monoxide shift reaction part (CO shift part) 24 ... Carbon monoxide selective oxidation reaction part (CO selective oxidation part), 25 ... Combustion part (combustion device), 25a ... Base part, 25b ... Combustion cylinder, 25b1 ... Partition plate (planar plate member), 25b2 ... Second Jet port, 25c ... off gas nozzle, 25c1 ... first jet port, 25e ... temperature sensor, 25g ... housing, 25h ... internal space, 26 ... evaporating part, 27 ... combustion gas flow path, 28 ... heat insulating part, 41 ... fuel Supply pipe, 42 ... Fuel pump, 43 ... Reforming fuel valve, 44 ... Combustion fuel supply pipe, 45 ... Combustion fuel valve, 46 ... Desulfurizer, 51 ... Steam supply pipe, 52 ... Feed water pipe, 53 ... Kai Quality water pump, 54 ... reformed water valve, 61 ... oxidation air Supply pipe, 62 ... oxidation air pump, 63 ... oxidation air valve, 64 ... combustion air supply pipe, 65 ... combustion air pump, 66 ... combustion air valve, 67 ... cathode air supply pipe, 68 ... cathode Air pump, 69 ... cathode air valve, 71 ... reformed gas supply pipe, 72 ... off gas supply pipe, 73 ... bypass pipe, 74 ... first reformed gas valve, 75 ... off gas valve, 76 ... second reformed gas valve 81, 82 ... exhaust pipe, 89 ... connection pipe.

Claims (4)

改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成して燃料電池の燃料極に供給する改質部を有する改質装置に備えられ前記改質部を加熱する燃焼装置において、
前記燃焼装置は、
筒状の筒体と、前記筒体の内部に前記筒体の軸方向に沿って軸方向が設けられた筒状のノズルと、
前記ノズルの先端部側面に開口して設けられた複数の第1噴射口と、
前記ノズルの前記第1噴射口より基端側位置に前記ノズルと前記筒体の間に固定された板状部材と、
前記板状部材の前記ノズルの周囲に前記ノズルの軸方向に貫通して設けられた複数の第2噴射口と、を備え、
前記燃料極からのアノードオフガスまたは前記改質部からの燃料ガスを燃焼用酸化剤ガスで拡散燃焼させる拡散燃焼時には、前記燃料極からのアノードオフガスまたは前記改質部からの燃料ガスが前記ノズルに供給され、前記燃焼用酸化剤ガスが前記第2噴出口から噴出するように供給され、
燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとを予混合して前記燃焼用燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼時には、前記燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとが予混合して前記第2噴出口から噴出するように供給されることを特徴とする改質装置の燃焼装置。
In a combustion apparatus that is provided in a reformer having a reformer that generates a fuel gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel and supplies the fuel gas to a fuel electrode of a fuel cell and heats the reformer,
The combustion device comprises:
A cylindrical cylinder, and a cylindrical nozzle provided with an axial direction along the axial direction of the cylindrical body inside the cylindrical body;
A plurality of first injection ports provided to be open on the side surface of the tip of the nozzle;
A plate-like member fixed between the nozzle and the cylindrical body at a position proximal to the first injection port of the nozzle;
A plurality of second injection ports provided in the axial direction of the nozzle around the nozzle of the plate-like member,
At the time of diffusion combustion in which the anode off gas from the fuel electrode or the fuel gas from the reforming portion is diffusely burned with a combustion oxidant gas, the anode off gas from the fuel electrode or the fuel gas from the reforming portion is supplied to the nozzle. Is supplied, and is supplied so that the combustion oxidant gas is ejected from the second ejection port,
During the premix combustion in which the combustion fuel and the combustion oxidant gas are premixed and the combustion fuel is premixed and combusted, the combustion fuel and the combustion oxidant gas are premixed and the second outlet A combustion apparatus for a reforming apparatus, wherein the combustion apparatus is supplied so as to be ejected from a combustion chamber.
請求項1において、前記筒体は前記ノズルの先端部を覆うように設けられていることを特徴とする改質装置の燃焼装置。   The reformer combustion apparatus according to claim 1, wherein the cylindrical body is provided so as to cover a tip portion of the nozzle. 請求項1または請求項2に記載の燃焼装置により前記改質部を加熱することを特徴とする改質装置。   A reformer that heats the reformer using the combustion apparatus according to claim 1. 請求項3に記載の改質装置により生成された燃料ガスを前記燃料極に供給することを特徴とする燃料電池システム。   The fuel cell system characterized by supplying the fuel gas produced | generated by the reformer of Claim 3 to the said fuel electrode.
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