JP2015105788A - Burner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に適用される燃焼装置に関する。 The present invention relates to a combustion apparatus applied to a fuel cell.
この種の燃焼装置は、燃料電池の起動直後に小流量の都市ガス(外部可燃性ガス)を可燃性流体として燃焼室で燃焼させ、燃料電池の運転中に燃料電池から排出される大流量の排出燃料(内部可燃性ガス)を可燃性流体として燃焼室で燃焼させるようになっている。なお、燃料電池から排出される排出燃料には、燃料電池10にて発電に利用されなかった未反応の燃料ガスが残留していることから可燃性流体として利用できる。また、排出燃料は、燃料電池から排出されるものであり、常温の外部可燃性ガスよりも燃料電池の内部の温度に近い温度となる。
This type of combustion device burns a small amount of city gas (external flammable gas) as a flammable fluid in the combustion chamber immediately after the start of the fuel cell, and a large flow rate discharged from the fuel cell during operation of the fuel cell. Exhaust fuel (internal combustible gas) is burned in the combustion chamber as a combustible fluid. In addition, since the unreacted fuel gas which was not utilized for electric power generation in the
ここで、燃焼装置にて小流量の外部可燃性ガスを燃焼させる際に、燃焼装置の燃焼室における外部可燃性ガスの拡散性が悪いと、外部可燃性ガスの不完全燃焼によって一酸化炭素(CO)の排出量が増大してしまう虞がある。 Here, when the external combustible gas having a small flow rate is burned in the combustion device, if the diffusibility of the external combustible gas in the combustion chamber of the combustion device is poor, carbon monoxide ( There is a risk that the amount of CO) emissions will increase.
このため、燃焼装置にて小流量の外部可燃性ガスを燃焼させる際には、外部可燃性ガスが燃焼室へ高速で噴射されるように、燃焼室へ可燃性ガスを噴射するノズルの開口面積を小さくする必要がある。なお、小流量の外部可燃性ガスを燃焼室へ高速で噴射する場合には、燃焼室における外部可燃性ガスの拡散性が向上するので、不完全燃焼による一酸化炭素(CO)の排出を抑制可能となる。 For this reason, when burning a small amount of external combustible gas in the combustion device, the opening area of the nozzle that injects the combustible gas into the combustion chamber so that the external combustible gas is injected into the combustion chamber at high speed Need to be small. In addition, when a small flow rate of external combustible gas is injected into the combustion chamber at a high speed, the diffusibility of the external combustible gas in the combustion chamber is improved, so carbon monoxide (CO) emissions due to incomplete combustion are suppressed. It becomes possible.
一方、燃焼装置の燃焼室へ大流量の内部可燃性ガスを導入する場合、内部可燃性ガスの流量の増大に伴って、燃焼装置における内部可燃性ガスの流通経路に生ずる圧力損失が著しく大きくなり、燃焼室へ所望の内部可燃性ガスを導入できなくなってしまう。 On the other hand, when a large flow of internal flammable gas is introduced into the combustion chamber of the combustion device, the pressure loss generated in the flow path of the internal flammable gas in the combustion device becomes significantly larger as the flow rate of the internal flammable gas increases. This makes it impossible to introduce a desired internal combustible gas into the combustion chamber.
このため、燃焼装置にて大流量の内部可燃性ガスを燃焼させる際には、内部可燃性ガスが燃焼室へ低速で噴射されるように、燃焼室へ可燃性ガスを噴射するノズルの開口面積を大きくする必要がある。なお、大流量の内部可燃性ガスを低速で噴射する場合には、内部可燃性ガスの流通経路における圧力損失が小さくなるので、燃焼室へ所望の内部可燃性ガスを導入可能となる。 For this reason, when burning a large flow of internal combustible gas in the combustion device, the opening area of the nozzle that injects the combustible gas into the combustion chamber so that the internal combustible gas is injected into the combustion chamber at a low speed Need to be larger. Note that when a large flow of internal combustible gas is injected at a low speed, the pressure loss in the flow path of the internal combustible gas is reduced, so that a desired internal combustible gas can be introduced into the combustion chamber.
このように、燃料電池に適用される燃焼装置は、燃料電池の起動時の要求(ノズルの開口面積を小さくすること)、および燃料電池の運転中の要求(ノズルの開口面積を大きくすること)それぞれを満たす必要がある。 As described above, the combustion apparatus applied to the fuel cell is required when starting the fuel cell (reducing the nozzle opening area) and during the operation of the fuel cell (increasing the nozzle opening area). Each needs to be satisfied.
各要求の双方を満たす燃焼装置としては、例えば、特許文献1で提案されたバーナの如く、ノズルの開口面積を調整するための可動弁を追加する構成が考えられる。これによれば、可動弁により燃料電池の起動時にノズルの開口面積を小さくし、燃料電池の発電中にノズルの開口面積を大きくすることで、燃料電池の作動条件に応じた流速変化を実現できる。 As a combustion apparatus that satisfies both of the requirements, for example, a configuration in which a movable valve for adjusting an opening area of a nozzle is added, such as a burner proposed in Patent Document 1, can be considered. According to this, by changing the opening area of the nozzle when the fuel cell is started by the movable valve and increasing the opening area of the nozzle during the power generation of the fuel cell, it is possible to realize a change in flow velocity according to the operating condition of the fuel cell. .
しかしながら、燃焼装置に対して、ノズルの開口面積を調整する可動弁を追加する場合、燃焼装置の部品点数が増えるといった問題がある。なお、燃焼装置の部品点数の増加は、燃焼装置のコストを増加させる要因となることから好ましくない。 However, when a movable valve that adjusts the opening area of the nozzle is added to the combustion apparatus, there is a problem that the number of parts of the combustion apparatus increases. An increase in the number of parts of the combustion device is not preferable because it increases the cost of the combustion device.
また、燃焼装置に対して可動弁を追加する場合、可動弁とその周囲の部材とが干渉しないように、可動弁とその周囲の部材との間に隙間が設定されることから、可燃性流体が外部へ漏れる可能性が高くなるといった問題がある。なお、可燃性流体の外部への漏れは、安全性を低下させる要因となることから好ましくない。 In addition, when a movable valve is added to the combustion device, a gap is set between the movable valve and the surrounding members so that the movable valve and the surrounding members do not interfere with each other. There is a problem that the possibility of leaking to the outside increases. Note that leakage of the flammable fluid to the outside is not preferable because it causes a reduction in safety.
本発明は上記点に鑑みて、可動弁を追加することなく、燃料電池の作動条件に応じて、ノズルの開口面積を変更可能な燃焼装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a combustion device that can change the opening area of a nozzle according to the operating conditions of a fuel cell without adding a movable valve.
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた。この結果、本発明者らは、燃料電池の起動時および運転中で、燃焼装置へ導入する可燃性流体の温度が異なることに着眼し、燃焼装置へ導入する可燃性流体の温度に応じてノズルの開口面積を変更する構成を案出した。 In order to achieve the above object, the present inventors have made extensive studies. As a result, the inventors have noticed that the temperature of the combustible fluid introduced into the combustion device is different at the time of starting and during the operation of the fuel cell, and the nozzles according to the temperature of the combustible fluid introduced into the combustion device. The composition which changes the opening area of was devised.
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池(10)に適用され、燃料電池の起動時に第1可燃性流体を燃焼させ、燃料電池の運転中に第1可燃性流体よりも温度が高い第2可燃性流体を燃焼させる燃焼装置を対象としている。 The present invention is applied to a fuel cell (10) that outputs electric energy by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas. The first combustible fluid is combusted when the fuel cell is started, and the fuel cell is operated during the operation of the fuel cell. The present invention is intended for a combustion apparatus that burns a second combustible fluid having a temperature higher than that of the first combustible fluid.
請求項1に記載の発明では、各可燃性流体を燃焼させる燃焼室(623)が内部に形成された耐火性部材(62)と、各可燃性流体を燃焼室に対して噴射するノズル(63)とを備え、ノズルは、燃焼室に連通する連通穴(631a)が形成された筒状部材(631)と、少なくとも一部が前記連通穴の内部に位置付けられ、連通穴の内面との間に各可燃性流体を燃焼室へ噴射する第1噴射口(63a)を有する第1噴射通路(63b)を形成する軸部材(632)とを有し、筒状部材は、軸部材よりも熱膨張率の高い材料で構成されていることを特徴としている。 In the first aspect of the present invention, a refractory member (62) in which a combustion chamber (623) for burning each combustible fluid is formed, and a nozzle (63) for injecting each combustible fluid to the combustion chamber. The nozzle is provided between the cylindrical member (631) in which the communication hole (631a) communicating with the combustion chamber is formed, and at least a part of the nozzle is positioned inside the communication hole and between the inner surface of the communication hole. And a shaft member (632) forming a first injection passage (63b) having a first injection port (63a) for injecting each flammable fluid into the combustion chamber, and the tubular member is more heated than the shaft member. It is characterized by being composed of a material having a high expansion coefficient.
これによれば、第1可燃性流体を燃焼室へ噴射する燃料電池の起動時に比べて、第1可燃性流体よりも高温となる第2可燃性流体を燃焼室へ噴射する燃料電池の運転中に、第1噴射口の開口面積を拡大させることができる。 According to this, during operation of the fuel cell that injects the second combustible fluid, which is higher in temperature than the first combustible fluid, into the combustion chamber, compared to when the fuel cell that injects the first combustible fluid into the combustion chamber is started. In addition, the opening area of the first injection port can be enlarged.
この点について説明すると、ノズルは、第1噴射通路を流通する可燃性流体の温度の上昇に伴って、軸部材が連通穴の内面に近づくように膨張し、筒状部材が連通穴の内径を拡大するように膨張する。この際、筒状部材を軸部材よりも熱膨張率が高い材料で構成しているので、第1噴射通路を流通する可燃性流体の温度の上昇に応じて、筒状部材と軸部材との間の隙間、すなわち、第1噴射通路の通路断面積、および第1噴射口の開口面積が拡大する。 Explaining this point, as the temperature of the combustible fluid flowing through the first injection passage rises, the nozzle expands so that the shaft member approaches the inner surface of the communication hole, and the cylindrical member reduces the inner diameter of the communication hole. Inflates to expand. At this time, since the cylindrical member is made of a material having a higher thermal expansion coefficient than that of the shaft member, the cylindrical member and the shaft member are adapted to increase in temperature of the combustible fluid flowing through the first injection passage. The gap between them, that is, the passage sectional area of the first injection passage and the opening area of the first injection port are enlarged.
このように、本発明の燃焼装置は、ノズルを構成する筒状部材および軸部材の熱膨張差を利用することで、可動弁を用いることなく、燃料電池の作動条件に応じて、ノズルの開口面積を変更することができる。この結果、燃料電池の起動時に小流量の第1可燃性流体を高速で燃焼室へ噴射すると共に、燃料電池の運転中に大流量の第2可燃性流体を低速で燃焼室へ噴射することが可能となる。 Thus, the combustion apparatus of the present invention uses the difference in thermal expansion between the cylindrical member and the shaft member constituting the nozzle, so that the opening of the nozzle can be adjusted according to the operating conditions of the fuel cell without using a movable valve. The area can be changed. As a result, a small flow rate of the first combustible fluid is injected into the combustion chamber at a high speed when the fuel cell is started, and a large flow rate of the second combustible fluid is injected into the combustion chamber at a low speed during operation of the fuel cell. It becomes possible.
ここで、「燃料電池の起動時」とは、燃料電池にて発電を行う前の準備期間を意味している。また、「燃料電池の運転中」とは、燃料電池における発電可能な状態に維持された期間を意味しており、燃料電池の発電中だけでなく、発電が停止されている期間も含まれる。 Here, “when the fuel cell is activated” means a preparation period before power generation in the fuel cell. Further, “during fuel cell operation” means a period during which the fuel cell is maintained in a power generation enabled state, and includes not only a period during which the fuel cell is generating power but also a period during which power generation is stopped.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the parenthesis of each means described in this column and the claim shows an example of a correspondence relationship with the specific means described in the embodiment described later.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that, in each of the following embodiments, parts that are the same as or equivalent to the matters described in the preceding embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted. Moreover, in each embodiment, when only a part of the component is described, the component described in the preceding embodiment can be applied to the other part of the component.
(第1実施形態)
本実施形態では、図1に示すように、燃料ガスと酸化剤ガス(本実施形態では空気)との電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池10を有する燃料電池システムに本発明の燃焼装置6を適用した例について説明する。
(First embodiment)
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the combustion apparatus of the present invention is applied to a fuel cell system having a
燃料電池10は、作動温度が高温(800℃程度)となる固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)で構成されている。燃料電池10では、以下の反応式[F1]、[F2]に示す水素および酸素の電気化学反応、および反応式[F3]、[F4]に示す一酸化炭素(CO)および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
(アノード)2H2+2O2− → 2H2O+4e−…[F1]
(カソード)O2+4e− → 2O2−…[F2]
(アノード)2CO+2O2− → 2CO2+4e−…[F3]
(カソード)O2+4e− → 2O2−…[F4]
燃料電池10には、酸化剤ガスの供給経路をなす空気供給配管3、および燃料ガスの供給経路をなす燃料供給配管4、排出空気の排出経路をなす空気排出配管6a、燃料ガスを含有する排出燃料の排出経路をなす燃料排出配管6bが接続されている。
The
(Anode) 2H 2 + 2O 2- → 2H 2 O + 4e - ... [F1]
(Cathode) O 2 + 4e − → 2O 2 −... [F2]
(Anode) 2CO + 2O 2- → 2CO 2 + 4e - ... [F3]
(Cathode) O 2 + 4e − → 2O 2 −... [F4]
The
空気供給配管3には、上流側から順に、塵や埃等を除去するフィルタ31、空気を圧送する空気用ブロワ32、空気用ブロワ32からの空気を後述する燃焼装置6で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱する第1、第2空気予熱器33、34が設けられている。
The air supply pipe 3 includes, in order from the upstream side, a
燃料供給配管4には、上流側から順に、燃料ガスの原料(都市ガス等の可燃性ガス)に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器41、原料を圧送する燃料用ブロワ42、燃料予熱器43、燃料改質器44が設けられている。
The fuel supply pipe 4 includes, in order from the upstream side, a
燃料予熱器43は、燃料用ブロワ42から圧送された燃料ガスの原料を燃焼装置6で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。この燃料予熱器43は、水供給経路5にも接続されており、純水器51を介して水ポンプ52から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。
The
燃料改質器44は、燃料予熱器43にて加熱された燃料ガス、および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。なお、燃料改質器44では、水蒸気改質に限らず、例えば、燃料電池10の起動時等に部分酸化改質を行うようにしてもよい。
The
各排出配管6a、6bは、高温の燃焼ガスを生成する燃焼装置6に接続されている。また、本実施形態の燃料排出配管6bには、燃料電池10の起動時等における燃焼装置6の燃焼を安定させるために、燃料ガスの原料を燃料改質器44や燃料電池10等を迂回して燃焼装置6へ導入するバイパス配管6cが接続されている。
Each
燃焼装置6は、燃料電池の起動時にバイパス配管6cを介して導入される燃料ガスの原料を「第1可燃性流体」として燃焼させ、燃料電池10の運転中に排出燃料(燃料ガスを含む排気ガス)を「第2可燃性流体」として燃焼させる装置である。
The
燃焼装置6は、燃料電池の起動時に常温(例えば、25℃)の燃料ガスの原料が小流量で導入され、燃料電池10の運転中に高温(例えば、700℃)の排出燃料が大流量で導入される。なお、以下では、燃焼装置6に導入される燃料ガスの原料、および排出燃料それぞれを可燃性流体と呼ぶことがある。
In the
燃焼装置6には、内部で生成した高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出配管7が接続されている。この燃焼ガス排出配管7は、燃焼ガスの燃焼熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器44、第2空気予熱器34、燃料予熱器43、第1空気予熱器33といった機器に接続されている。
A combustion gas discharge pipe 7 for discharging high-temperature combustion gas generated inside is connected to the
以上までが本実施形態の燃料電池システムの概略構成であり、以降、燃焼装置6の詳細について図2を用いて説明する。図2は、燃焼装置6の内部構成を示す構成図であり、燃焼装置6の軸方向断面を示している。
The above is the schematic configuration of the fuel cell system of the present embodiment, and details of the
本実施形態の燃焼装置6は、主たる構成要素として、金属製のケーシング61、耐火性を有するバーナタイル62、可燃性流体を噴射するノズル63を備える。
The
ケーシング61は、ステンレス等の耐熱温度の高い金属材料で構成されている。具体的には、本実施形態のケーシング61は、外観が直方体形状となる中空の容器で構成されており、土台となる底板61a、側板61b、および天板(図示略)で構成されている。なお、本実施形態では、ケーシング61におけるシール性を確保するために、例えば、側板61b、および天板が、熱線膨張率が同等で緻密な金属の溶接により接合されている。
The
ケーシング61の底板61aには、可燃性流体を内部に導入するための燃料導入部611が形成されている。この燃料導入部611は、燃料排出配管6bを接続する接続部を構成している。
A
また、ケーシング61の側板61bの縦方向下方側には、排出空気等の酸化剤ガスを内部に導入するための酸化剤ガス導入部612が複数形成されている。この酸化剤ガス導入部612は、空気排出配管6aを接続する接続部を構成している。なお、ケーシング61の側板61bには、電気的に火花を発生させて可燃性流体に点火する点火プラグ(図示略)を内部に差し込むためのプラグ差込部(図示略)が設けられている。
A plurality of oxidant
また、ケーシング61の天板には、燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出部(図示略)が形成されている。この燃焼ガス排出部は、燃焼ガス排出配管7を接続する接続部を構成している。
The top plate of the
続いて、バーナタイル62は、ケーシング61の内部に配置され、ケーシング61を高温の燃焼ガスから保護する「耐火性部材」である。バーナタイル62は、ジルコニアやアルミナ等の耐火性に優れた材料で構成されている。
Subsequently, the
本実施形態のバーナタイル62は、ケーシング61における燃料導入部611および酸化剤ガス導入部612と対向すると共に、ケーシング61内部の下方側空間を占めるように配置されている。なお、バーナタイル62は、ケーシング61との熱膨張差を吸収できるように、少なくとも一部をケーシング61から離間させることが望ましい。
The
具体的には、本実施形態のバーナタイル62は、外殻が直方体形状となる筒状体で構成され、その内部に可燃性流体および酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼室623が形成されている。この燃焼室623は、可燃性流体および酸化剤ガスの混合性を考慮して、その一部が上方(ケーシング61の底板61a側から天板)に向かって断面積が拡大するテーパ形状となっている。
Specifically, the
また、バーナタイル62には、その底面側に後述するノズル63を収容する筒状の収容空間624が形成され、その側面側にケーシング61の各酸化剤ガス導入部612から燃焼室623へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス流路625が形成されている。なお、酸化剤ガス流路625は、酸化剤ガスが燃焼室623の内面(テーパ面)に沿って旋回して流れるように、燃焼室623への空気の導入方向が燃焼室623の中心軸と交差しない流路構成とすることが望ましい。
The
また、バーナタイル62には、点火プラグ(図示略)を取り付けるための取付部(図示略)が設けられている。なお、本実施形態では、点火プラグがバーナタイル62に取り付けられている。
In addition, the
続いて、ノズル63は、バーナタイル62内部の燃焼室623に可燃性流体を噴射するもので、バーナタイル62の収容空間624に収容されている。本実施形態のノズル63は、燃焼室623に連通する連通穴631aが形成された筒状部材631、および筒状部材631の連通穴631aの内部に位置付けられた軸部材632を備えている。なお、図2では、軸部材632の全体が連通穴631aの内部に配置された例を図示しているが、軸部材632は、その一部が連通穴631aの内部に位置付けられている構成としてもよい。
Subsequently, the
本実施形態の筒状部材631は、円筒形状に構成され、その外側壁面がバーナタイル62から離間した状態で溶接等によりケーシング61の底板61aに接合されている。なお筒状部材631は、その中心軸が燃焼室623の中心軸と一致するように、収容空間624に配置されている。
The
軸部材632は、連通穴631aの中心軸方向に延びる断面円形状の部材である。本実施形態の軸部材632は、軸方向の上端側に形成された皿部632a、軸方向の下端側に形成された胴部632b、および皿部632aと胴部632bとを接続する中間部632cを有する。
The
皿部632aは、筒状部材631の連通穴631aとの間に円環状の隙間が形成されるように、連通穴631aの内径よりも小さい外径となる円盤形状となっている。この皿部632aの径方向の外面と連通穴631aの径方向の内面との間に形成される隙間が、可燃性流体を燃焼室623へ噴射する第1噴射通路63bを構成している。そして、第1噴射通路63bにおける燃焼室623側に開口する開口部が第1噴射口63aを構成している。
The
胴部632bは、その外径が筒状部材631の連通穴631aの内径と同径、又若干大きくなるように、円柱形状となっている。軸部材632は、胴部632bを筒状部材631の連通穴631aに圧入すること(隙間嵌め)で、筒状部材631に固定されている。なお、軸部材632は、筒状部材631ではなく、ケーシング61の底部61aに対して固定するようにしてもよい。
The
中間部632cは、その外径が皿部632aの外径よりも小さい円柱形状となっている。なお、軸部材632は、中間部632c→皿部632a→胴部632bの順に外径が大きくなっている。
The
また、軸部材632には、ケーシング61の底板61aに形成された燃料導入部611に連通する第1連通路632d、筒状部材631の連通穴631aと第1連通路632dとを連通させる第2連通路632eが形成されている。なお、第1連通路632dは、軸部材632の軸方向に延びる有底穴で構成され、第2連通路632eは、軸部材632の径方向に延びる貫通穴で構成されている。
Further, the
ここで、[背景技術]にて説明したように、燃料電池10に適用される燃焼装置6は、燃料電池10の起動時の要求(ノズル63の開口面積を小さくすること)、燃料電池10の運転中の要求(ノズル63の開口面積を大きくすること)それぞれを満たす必要がある。
Here, as described in [Background Art], the
図3は、燃料電池10の起動時、および燃料電池10の運転中における燃焼室623へ導入する可燃性流体の体積流量、および可燃性流体の流速の適用範囲(下限値以上、且つ、上限値以下の範囲)を示している。なお、図3の横軸に示す「燃料電池10の起動時」は、燃料電池10の起動時に要求される可燃性流体の最小流量を示し、「燃料電池10の運転中」は、燃料電池10の運転中に要求される可燃性流体の最大流量を示している。
FIG. 3 shows an application range (a lower limit value and an upper limit value) of the volume flow rate of the combustible fluid introduced into the
燃焼装置6では、図3に示すように、燃料電池10の起動時、および燃料電池10の運転中の双方において、可燃性流体の体積流量の変化に対して可燃性流体の流速が適用範囲内で変化するように、ノズル63の開口面積を設定する必要がある。なお、流速の適用範囲は、上限値が燃料電池10の運転中における可燃性流体の圧力損失を考慮して設定され、下限値が燃料電池10の起動時における可燃性流体の拡散性を考慮して設定される。
In the
ここで、燃料電池システムでは、燃料電池10の起動直後に燃料ガスの原料を第1可燃性流体として燃焼室623で燃焼させ、燃料電池10の運転中に排出燃料(排出燃料中に残留する燃料ガス)を第2可燃性流体として燃焼室623で燃焼させる。
Here, in the fuel cell system, immediately after the start of the
この際、燃料電池10の運転中に燃焼室623へ導入する可燃性流体の流速は、最大でも、燃料電池10の起動時に燃焼室623へ導入する可燃性流体の流速の数十倍となる。
At this time, the flow rate of the combustible fluid introduced into the
これに対して、燃料電池10の運転中に燃焼室623へ導入する可燃性流体の流量は、燃料電池10の起動時に燃焼室623へ導入する可燃性流体の体積流量の百数十倍となることがある。
In contrast, the flow rate of the combustible fluid introduced into the
このように、可燃性流体の流速に比べて体積流量が大幅に変化させることが要求される燃料電池10に対して、ノズル63の第1噴射口63aの開口面積が固定された固定ノズルを採用すると、可燃性流体の体積流量に応じて流速を適用範囲内で変化させることが難しい。
As described above, a fixed nozzle in which the opening area of the
例えば、燃料電池10の起動時における可燃性流体の最小流量に対して下限値付近の流速が得られるように固定ノズルの開口面積を小さく設定すると(図3の白丸参照)、燃料電池10の運転中における可燃性流体の体積流量に対する流速が上限値を大幅に上回ってしまう(図3の黒丸参照)。
For example, when the opening area of the fixed nozzle is set small so that the flow rate near the lower limit is obtained with respect to the minimum flow rate of the combustible fluid at the time of starting the fuel cell 10 (see the white circle in FIG. 3), the operation of the
逆に、燃料電池10の運転中における可燃性流体の最大流量に対して上限値付近の流速が得られるように固定ノズルの開口面積を大きく設定すると(図3の黒四角参照)、燃料電池10の起動時における可燃性流体の体積流量に対する流速が下限値を下回ってしまう(図3の白四角参照)。
Conversely, if the opening area of the fixed nozzle is set large so that a flow velocity near the upper limit is obtained with respect to the maximum flow rate of the combustible fluid during operation of the fuel cell 10 (see the black square in FIG. 3), the
なお、ノズル63の筒状部材631および軸部材632を熱膨張率が等しい同一の材料で構成する場合、ノズル63の第1噴射口63aの開口面積が殆ど変化せず、固定ノズルと同様に、可燃性流体の流速を適用範囲内で変化させることが難しい。
In addition, when the
そこで、本実施形態では、第1噴射口63aの開口面積が、燃料電池10の起動時、および運転中それぞれで可燃性流体の流速が適正範囲内となる開口面積に変化するように、筒状部材631および軸部材632の熱膨張率が設定されている。
Therefore, in this embodiment, the opening area of the
具体的には、本実施形態の筒状部材631は、軸部材632よりも熱膨張率が大きい材料で構成されている。つまり、本実施形態では、軸部材632を熱膨張率が低い材料(例えば、Al2O3、熱線膨張率:7.0×10−6[/℃])で構成し、筒状部材631を熱膨張率が高い材料(例えば、SUS301S、熱線膨張率:19.1×10−6[/℃])で構成している。
Specifically, the
本実施形態のノズル63は、第1噴射通路63bを流通する可燃性流体の温度の上昇に伴って、軸部材632が連通穴631aの内面に近づくように膨張し、筒状部材631が連通穴631aの内径を拡大するように膨張する。
The
この際、筒状部材631を軸部材632よりも熱膨張率が高い材料で構成しているので、第1噴射通路63bを流通する可燃性流体の温度の上昇に応じて、筒状部材631と軸部材632との間の隙間が拡大する。
At this time, since the
つまり、本実施形態のノズル63は、高温の排出燃料が第1噴射通路63bを流通する際に、低温の燃料ガスの原料が第1噴射通路63bを流通する際に比べて、第1噴射通路63bの通路断面積、および第1噴射口63aの開口面積が拡大する。
In other words, the
この点について、図4、図5を用いて説明する。なお、図4は、低温の燃料ガスの原料が第1噴射通路63bを流通する燃料電池10の起動時におけるノズル63の上面図および軸方向断面図である。また、図5は、高温の排出燃料が第1噴射通路63bを流通する燃料電池10の運転中におけるノズル63の上面図、および軸方向断面図である。
This point will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a top view and an axial cross-sectional view of the
本実施形態のノズル63は、高温の排出燃料が第1噴射通路63bを流通する際に、図4に示す軸部材632の皿部632aの外径d1が、図5に示す軸部材632の皿部632aの外径d2まで拡大する。また、図4に示す筒状部材631の連通穴631aの内径D1が、図5に示す筒状部材631の連通穴631aの内径D2まで拡大する。
In the
この際、図5に示す筒状部材631の連通穴631aの内径D2は、軸部材632の皿部632aの外径d2が大きくなる以上に拡大する。つまり、高温の排出燃料が第1噴射通路63bを流通する燃料電池10の運転中には、筒状部材631と軸部材632との間の隙間α2が、燃料電池10の起動時の筒状部材631と軸部材632との間の隙間α1よりも大きくなる。
At this time, the inner diameter D2 of the
このように、本実施形態のノズル63は、低温の燃料ガスの原料を燃焼室623へ噴射する燃料電池10の起動時に比べて、燃料ガスの原料よりも高温となる排出燃料を燃焼室623へ噴射する燃料電池10の運転中に第1噴射口63aの開口面積が拡大する。
As described above, the
例えば、筒状部材631の熱膨張率を「19.1×10−6[/℃]」、軸部材632の熱膨張率を「7.0×10−6[/℃]」、常温における内径D1を「42.0mm」、外径d1を「41.95mm」としたとき、第1噴射口63aの開口面積は次のように変化する。
For example, the thermal expansion coefficient of the
まず、常温の可燃性流体が第1噴射通路63bを流通する場合、第1噴射口63aの開口面積が3.3mm2となり、高温(1000℃)の可燃性流体が第1噴射通路63bを流通する場合、第1噴射口63aの開口面積が約37.3mm2となる。
First, when normal temperature combustible fluid flows through the
このように、第1噴射口63aの開口面積は、高温(1000℃)の可燃性流体が第1噴射通路63bを流通する場合に、常温の可燃性流体が第1噴射通路63bを流通する場合に比べて10倍以上拡大する。
As described above, the opening area of the
次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムは、図示しないコントローラから燃料電池10の起動を指示する信号を受けると、システムの構成機器の暖機を行うために、バイパス配管6cを介して低温の燃料ガスの原料を小流量で燃焼装置6に導入する。
Next, the operation of the fuel cell system according to the above configuration will be described. When the fuel cell system receives a signal instructing activation of the
燃焼装置6は、低温の燃料ガスの原料が導入される際に、図4に示すように、ノズル63の開口面積が縮小されるので、小流量の原料が燃焼室623に対して高速で噴射され、燃焼室623にて燃焼される。この際、燃料ガスの原料は、燃焼室623に対して高速で噴射されることから、燃焼室623に原料を拡散させることができる。この結果、燃料電池10の起動時において、燃焼装置6における不完全燃焼による一酸化炭素(CO)の排出を抑制可能となる。
When the low temperature fuel gas raw material is introduced, the
その後、燃焼装置6にて生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス排出配管7を介して燃料改質器44、第2空気予熱器34、燃料予熱器43、第1空気予熱器33の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。
After that, the high-temperature combustion gas generated in the
続いて、図示しないコントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、空気用ブロワ32、燃料用ブロワ42、水ポンプ52等が作動する。
Subsequently, when the operation of the fuel cell system is started by a control command from a controller (not shown), the
空気供給配管3では、空気用ブロワ32にて圧送された空気が第1空気予熱器33にて所望の温度となるまで加熱された後、さらに第2空気予熱器34にて加熱されて燃料電池10に供給される。
In the air supply pipe 3, after the air pressure-fed by the
一方、燃料供給配管4では、燃料用ブロワ42にて圧送された燃料ガス、および水ポンプ52にて圧送された水が、燃料予熱器43にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器44にてリッチな燃料ガスに改質されて燃料電池10に供給される。
On the other hand, in the fuel supply pipe 4, the fuel gas pumped by the
燃料電池10は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式[F1]〜[F4]に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
When fuel gas and air are supplied, the
燃料電池10から排出された大流量の排出燃料、および排出空気は、各排出配管6a、6bを介して燃焼装置6に導入される。
A large amount of discharged fuel and discharged air discharged from the
燃焼装置6は、高温の排出燃料が導入される際に、図5に示すように、ノズル63の開口面積が拡大するので、大流量の排出燃料が燃焼室623に対して低速で噴射され、燃焼室623にて燃焼される。大流量の排出燃料は、燃焼室623に対して低速で噴射されることから、燃焼装置6内部の流通経路(第1噴射通路63b)における圧力損失を小さくすることができる。この結果、燃料電池10の運転中において、燃焼室623へ所望の排出燃料を導入可能となる。
When the high-temperature exhaust fuel is introduced, the
その後、燃焼装置6にて生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス排出配管7を介して燃料改質器44、第2空気予熱器34、燃料予熱器43、第1空気予熱器33の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。
After that, the high-temperature combustion gas generated in the
以上説明した本実施形態の燃焼装置6では、ノズル63の筒状部材631をノズル63の軸部材632に対して熱膨張率の高い材料で構成している。
In the
これによれば、ノズル63を構成する筒状部材631および軸部材632の熱膨張差を利用することで、可動弁を用いることなく、燃料電池10の作動条件に応じて、ノズル63の開口面積を変更することができる。この結果、燃料電池10の起動時に小流量の燃料ガスの原料を高速で燃焼室623へ噴射すると共に、燃料電池10の運転中に大流量の排出燃料を低速で燃焼室623へ噴射することが可能となる。
According to this, by utilizing the difference in thermal expansion between the
ここで、固体酸化物型燃料電池は、起動時の常温状態(例えば、25℃)から発電可能な高温状態(800℃程度)となるまでに長時間を要することから、発電・停止を頻繁に繰り返すような運転態様ではなく、発電を長期間継続する運転態様で用いられる。 Here, since the solid oxide fuel cell requires a long time from a normal temperature state at the time of start-up (for example, 25 ° C.) to a high temperature state (about 800 ° C.) in which power generation is possible, power generation / stop is frequently performed. It is used in an operation mode in which power generation is continued for a long time, not in an operation mode that repeats.
このため、固体酸化物型燃料電池は、燃料電池10の起動を要する機会が少なく(例えば、10年間で60回程度)、起動時にだけ用いるような専用部材の使用を極力抑えることが望ましい。 For this reason, the solid oxide fuel cell has few opportunities to start the fuel cell 10 (for example, about 60 times in 10 years), and it is desirable to suppress the use of a dedicated member used only at the start as much as possible.
これに対して、本実施形態では、前述のように、起動時にだけ用いるような専用部材を用いることなく燃焼装置6を実現することができるので、各種燃料電池のうち、特に固体酸化物型燃料電池に好適である。
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第1実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first embodiment will be omitted or simplified.
ここで、第1実施形態の如く、筒状部材631と軸部材632との間の隙間だけを第1噴射通路63bとする場合、例えば、筒状部材631の連通穴631aの内径が変化することで、軸部材632の中心軸が筒状部材631の中心軸からずれる可能性がある。この場合、ノズル63の噴射特性が変化し、可燃性流体の燃焼性が不安定となる虞がある。
Here, when only the gap between the
そこで、本実施形態では、ノズル63に対して、第1噴射通路63bとは別に、可燃性流体を燃焼室623へ噴射する噴射通路を追加している。具体的には、本実施形態のノズル63は、図6、図7に示すように、筒状部材631に第2噴射口631bを有する第2噴射通路631cが形成されている。この第2噴射通路631cは、連通穴631aの内側に窪んだ複数の凹部により構成されている。この複数の凹部は、連通穴631aの周方向に均等に形成されている。
Therefore, in the present embodiment, an injection passage for injecting a combustible fluid into the
また、本実施形態では、燃料電池10の起動時における第2噴射口631bの開口面積(各凹部の断面積の合計)が、燃料電池10の起動時における第1噴射口63aの開口面積よりも大きくなるように設定されている。換言すれば、第2噴射通路631cに低温の燃料ガスの原料が流通する際の2噴射口631bの開口面積(各凹部の断面積の合計)が、同じ条件となる際の第1噴射口63aの開口面積よりも大きくなるように設定されている。
Further, in the present embodiment, the opening area of the
その他の構成および作動は、第1実施形態と同様である。本実施形態の燃焼装置6によれば、第2噴射通路631cを介して燃焼室623へ可燃性流体を安定して噴射することができる。
Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment. According to the
従って、本実施形態の燃焼装置6によれば、ノズル63の噴射特性の変化を抑えて、可燃性流体の燃焼性を安定させることができる。この結果、燃焼性が不安定となることに起因する不完全燃焼等の発生を効果的に抑えることができる。
Therefore, according to the
特に、本実施形態では、燃料電池10の起動時における第2噴射口631bの開口面積が、第1噴射口63aの開口面積よりも大きくなる設定としている。これによれば、燃料電池10の起動時には、可燃性流体が主に第2噴射口631bから噴射されることから、燃焼室623へ噴射する可燃性流体の燃焼性をより一層安定させることができる。
In particular, in the present embodiment, the opening area of the
なお、本実施形態では、筒状部材631に第2噴射口631bを有する第2噴射通路631cを形成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、軸部材632の外面に第2噴射通路を形成したり、筒状部材631および軸部材632の双方に第2噴射通路を形成したりしてもよい。また、第2噴射通路631cは、凹部に限らず、貫通穴により構成してもよい。
In the present embodiment, the example in which the
(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range described in the claim, it can change suitably. For example, various modifications are possible as follows.
(1)上述の各実施形態では、燃料電池10の起動時に燃料ガスの原料を燃焼装置6へ導入する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池10の起動時に燃料ガスの原料以外の可燃性ガスを燃焼装置6へ導入するようにしてもよい。
(1) In each of the above-described embodiments, the example in which the raw material of the fuel gas is introduced into the
(2)上述の各実施形態では、燃料電池10の運転中に排出燃料を燃焼装置6へ導入する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池10の運転時に排出燃料と燃料ガスの混合ガスを燃焼装置6へ導入するようにしてもよい。
(2) In each of the above-described embodiments, the example in which the discharged fuel is introduced into the
(3)上述の第2実施形態の如く、燃料電池10の起動時における第2噴射口631bの開口面積が、第1噴射口63aの開口面積よりも大きくなる設定とすることが望ましいが、これに限定されない。例えば、燃料電池10の起動時における第2噴射口631bの開口面積を、第1噴射口63aの開口面積以下に設定してもよい。
(3) As in the second embodiment described above, it is desirable that the opening area of the
(4)上述の各実施形態の如く、可燃性流体と酸化剤ガスとの混合性を考慮して、燃焼室623の一部をテーパ形状とすることが望ましいが、これに限定されず、燃焼室623を円柱形状等としてもよい。
(4) As in the above-described embodiments, it is desirable that a part of the
(5)上述の各実施形態では、軸部材632を皿部632a、胴部632b、中間部632cで構成する例について説明したが、これに限定されない。すなわち、軸部材632は、筒状部材631の連通穴631aの内面との間に隙間が形成されるものであればよく、その形状は上述の実施形態にて説明したものに限定されない。
(5) In each of the above-described embodiments, the example in which the
(6)上述の各実施形態では、固体酸化物型の燃料電池10に本発明の燃焼装置6を適用する例について説明したが、これに限らず、他の型式の燃料電池10に本発明の燃焼装置6を適用してもよい。
(6) In each of the above-described embodiments, the example in which the
(7)上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 (7) In each of the above-described embodiments, elements constituting the embodiment are not necessarily indispensable unless specifically indicated as essential and clearly considered essential in principle. Needless to say.
(8)上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。 (8) In each of the above-described embodiments, when numerical values such as the number, numerical value, quantity, range, etc. of the constituent elements of the embodiment are mentioned, the specific number is clearly specified when clearly indicated as essential. It is not limited to the specific number except when limited to.
(9)上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。 (9) In each of the above-described embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of the constituent elements, etc., unless specifically stated or limited in principle to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to shape, positional relationship, and the like.
10 燃料電池
62 バーナタイル(耐火性部材)
623 燃焼室
63 ノズル
63a 第1噴射口
63b 第1噴射通路
631 筒状部材
631a 連通穴
632 軸部材
10
623
Claims (5)
前記第1可燃性流体および前記第2可燃性流体を燃焼させる燃焼室(623)が内部に形成された耐火性部材(62)と、
前記第1可燃性流体および前記第2可燃性流体を前記燃焼室に対して噴射するノズル(63)と、を備え、
前記ノズルは、
前記燃焼室に連通する連通穴(631a)が形成された筒状部材(631)と、
少なくとも一部が前記連通穴の内部に位置付けられ、前記連通穴の内面との間に前記第1可燃性流体および前記第2可燃性流体を前記燃焼室へ噴射する第1噴射口(63a)を有する第1噴射通路(63b)を形成する軸部材(632)と、を有し、
前記筒状部材は、前記軸部材よりも熱膨張率の高い材料で構成されていることを特徴とする燃焼装置。 The present invention is applied to a fuel cell (10) that outputs electric energy by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and a first combustible fluid is burned when the fuel cell is activated, and the first combustible fluid is operated during operation of the fuel cell. A combustion apparatus for burning the second combustible fluid having a temperature higher than that of the combustible fluid,
A refractory member (62) having a combustion chamber (623) for burning the first combustible fluid and the second combustible fluid formed therein;
A nozzle (63) for injecting the first combustible fluid and the second combustible fluid into the combustion chamber,
The nozzle is
A cylindrical member (631) having a communication hole (631a) communicating with the combustion chamber;
A first injection port (63a) for injecting the first combustible fluid and the second combustible fluid into the combustion chamber is located at least partially inside the communication hole and between the inner surface of the communication hole. A shaft member (632) forming a first injection passage (63b) having,
The said cylindrical member is comprised with the material whose coefficient of thermal expansion is higher than the said shaft member, The combustion apparatus characterized by the above-mentioned.
前記第2可燃性流体は、前記燃料電池から排出されて前記燃料ガスを含有する排出燃料であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃焼装置。 The first combustible fluid is a combustible gas supplied from the outside of the fuel cell,
The combustion apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the second combustible fluid is an exhausted fuel that is discharged from the fuel cell and contains the fuel gas.
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