JP2021110463A - Ammonia combustion device, and ammonia fuel cell system - Google Patents

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Abstract

To provide an ammonia combustion device 10 capable of maintaining a stable combustion condition even when the ratio of ammonia varies in ammonia/hydrogen mixed gas being fed to a combustion chamber 11a as fuel gas.SOLUTION: The ammonia combustion device comprises means 12 of adjusting a hydrogen/ammonia mixing ratio, i.e., a mixing ratio of hydrogen relative to ammonia, in a combustion chamber 11a, and first control means 14b of controlling a hydrogen/ammonia mixing ratio in the combustion chamber 11a at a first mixing ratio or higher using the function of the means 12 of adjusting a hydrogen/ammonia mixing ratio.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃焼室を備え、前記燃焼室に少なくともアンモニアを含む燃料ガスが供給されて燃焼するアンモニア燃焼装置に関するとともに、この装置を備えて構成されるアンモニア燃料電池システムに関する。 The present invention relates to an ammonia combustion apparatus including a combustion chamber, in which a fuel gas containing at least ammonia is supplied to the combustion chamber to burn the combustion chamber, and an ammonia fuel cell system including the combustion chamber.

アンモニア燃焼装置の先行技術としては、下記する特許文献1、特許文献2及び非特許文献1を挙げることができる。 As the prior art of the ammonia combustion apparatus, the following Patent Document 1, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 can be mentioned.

特許文献1は、燃料を燃焼させるためにシステムが複雑化してしまうことを回避しながら、窒素酸化物及びアンモニアの排出量を抑制する燃料燃焼装置及び燃焼方法を提案する。この文献に開示の燃焼装置は、燃料及び第1の酸化剤を含む混合気と第2の酸化剤とが供給される燃焼室を有し、混合気に含まれる燃料の当量比を第1の当量比とし、混合気及び第2の酸化剤に含まれる燃料の当量比を第2の当量比としたとき、第1の当量比が1より大きく且つ第2の当量比が1より小さく設定されることで、上記の目的を達成している。 Patent Document 1 proposes a fuel combustion device and a combustion method that suppresses emissions of nitrogen oxides and ammonia while avoiding complication of the system for burning fuel. The combustion apparatus disclosed in this document has a combustion chamber to which a fuel and an air-fuel mixture containing a first oxidant and a second oxidant are supplied, and the equivalent ratio of the fuel contained in the air-fuel mixture is set to the first. When the equivalent ratio is set and the equivalent ratio of the fuel contained in the air-fuel mixture and the second oxidizing agent is set as the second equivalent ratio, the first equivalent ratio is set to be larger than 1 and the second equivalent ratio is set to be smaller than 1. By doing so, the above purpose is achieved.

特許文献2は、火炎安定性を高めるとともに窒素酸化物の排出量を抑制する燃料燃焼装置を提供することを目的の一つとしている。
解決手段は、燃焼装置に備える燃焼器を、酸化剤と第1の燃料と第2の燃料とが供給され、第1の燃料及び第2の燃料が拡散燃焼する燃焼室を有する構造とし、燃焼器に、酸化剤を燃焼室に導く酸化剤供給口と、酸化剤供給口よりも内側に配置され第1の燃料を燃焼室に導く第1の燃料供給口と、酸化剤供給口よりも外側に配置され第2の燃料を燃焼室に供給する第2の燃料供給口と、を設けている。
One of the purposes of Patent Document 2 is to provide a fuel combustion device that enhances flame stability and suppresses nitrogen oxide emissions.
SOLUTION: The combustor provided in the combustion apparatus has a structure having a combustion chamber in which an oxidant, a first fuel and a second fuel are supplied and the first fuel and the second fuel are diffused and burned, and the combustion is performed. In the vessel, an oxidant supply port that guides the oxidant to the combustion chamber, a first fuel supply port that is arranged inside the oxidant supply port and guides the first fuel to the combustion chamber, and an outside of the oxidant supply port. A second fuel supply port for supplying the second fuel to the combustion chamber is provided.

これら両技術は、基本的に比較的燃焼性が低いアンモニアの燃焼を燃焼装置の構造改良で良好に行わせるとともに、発生する有害物の量も抑制しようとするものである。 Both of these technologies are intended to improve the combustion of ammonia, which is basically relatively low in flammability, by improving the structure of the combustion device, and to suppress the amount of harmful substances generated.

非特許文献1には、水素添加によるアンモニア火炎強化の検討がされている。
この文献は、アンモニア火炎の燃焼特性が従来の炭化水素燃料と大きく異なり、既存の内燃機関の燃料として用いるには困難であると予想されることを前提として、水素添加によるアンモニア火炎の燃焼強化を試みている。高圧下も含めた、アンモニア/水素/空気予混合火炎の層流燃焼特性について報告されているが、結果は、混合気初期圧力0.1MPaにおいては,水素添加割合0.4(全燃料ガス量の40%を水素とし、残余のガスはアンモニアとする)で通常の炭化水素燃料と同等の層流燃焼速度が得られること、すなわち、この水素添加割合において既存の内燃機関を大きく変更することなく、アンモニアを燃料として使用できる可能性があると報告されている。
Non-Patent Document 1 examines the enhancement of ammonia flame by hydrogenation.
This document assumes that the combustion characteristics of the ammonia flame are significantly different from those of conventional hydrocarbon fuels and that it is expected to be difficult to use as a fuel for existing internal combustion engines. I'm trying. The laminar combustion characteristics of ammonia / hydrogen / air premixed flame including under high pressure have been reported, but the result is that the hydrogen addition ratio is 0.4 (total fuel gas amount) at the initial air-fuel mixture pressure of 0.1 MPa. 40% of the fuel is hydrogen and the remaining gas is ammonia), which provides a laminar combustion rate equivalent to that of ordinary hydrocarbon fuels, that is, without significantly changing the existing internal combustion engine at this hydrogen addition ratio. , It has been reported that ammonia may be used as a fuel.

アンモニア燃料電池システムに関する先行技術として、特許文献3を挙げることができる。この文献に開示の技術は、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法に関するが、そのシステムとして、アンモニアを直接燃料として作動する固体酸化物形燃料電池の下流側に燃焼電池から排出される排ガス(この種の排ガスにはアンモニア・水素等が含まれる)を燃焼する燃焼加熱部2を備え、 発電モジュールM1を介してアンモニア含有ガス及び酸素含有ガスを燃焼加熱部2に流し、混合ガスを燃焼させて、燃料電池の上流側に備えるアンモニア分解部1を昇温する技術が開示されている。 Patent Document 3 can be mentioned as a prior art related to an ammonia fuel cell system. The technique disclosed in this document relates to a method of operating a solid oxide fuel cell system, which is an exhaust gas emitted from a combustion cell on the downstream side of a solid oxide fuel cell that operates directly using ammonia as fuel. This type of exhaust gas includes a combustion heating unit 2 that burns ammonia, hydrogen, etc.), and an ammonia-containing gas and an oxygen-containing gas are passed through the power generation module M1 to the combustion heating unit 2 to burn the mixed gas. Therefore, a technique for raising the temperature of the ammonia decomposition unit 1 provided on the upstream side of the fuel cell is disclosed.

特開2018−155412号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-155412 特開2019−105382号公報JP-A-2019-105382 特開2017−084593号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-084593

小林 秀昭 他1名、「カーボンフリーアンモニア燃焼」、日本燃焼学会誌、第58巻183号(2016年)、41−48Hideaki Kobayashi and 1 others, "Carbon-free Ammonia Combustion", Journal of Combustion Society of Japan, Vol. 58, No. 183 (2016), 41-48

しかしながら、特許文献1、2に開示される技術は、基本的にアンモニアを燃料として燃焼させる技術であるため、水素との混焼におけるアンモニアの火炎燃焼挙動に関しては明らかでない。
一方、非特許文献1に開示の技術はアンモニアに水素を混合して混焼を行うことで火炎強化を図ることを示してはいるが、実際に燃焼装置を構成し、その燃焼を行った場合にどのような燃焼形態となるかは明らかではない。特に、本発明に係るアンモニア燃料電池システムの一部としてアンモニア燃焼装置を燃料電池の下流側に配置する構造では、流入する燃料ガスにおけるアンモニア濃度、水素濃度等が例えば燃料電池の発電負荷に応じて変動するが、このような変動に対して、燃焼室での燃焼を安定させるにはどのような装置構成が必要かは明らかでない。
However, since the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 are basically techniques for burning ammonia as fuel, the flame combustion behavior of ammonia in co-firing with hydrogen is not clear.
On the other hand, although the technique disclosed in Non-Patent Document 1 indicates that the flame is strengthened by mixing hydrogen with ammonia and performing co-firing, when a combustion device is actually constructed and the combustion is performed. It is not clear what kind of combustion form it will be. In particular, in the structure in which the ammonia combustion device is arranged on the downstream side of the fuel cell as a part of the ammonia fuel cell system according to the present invention, the ammonia concentration, the hydrogen concentration, etc. in the inflowing fuel gas depend on, for example, the power generation load of the fuel cell. Although it fluctuates, it is not clear what kind of equipment configuration is required to stabilize combustion in the combustion chamber against such fluctuations.

本発明の目的は、燃焼室に供給される燃料ガスに関して、その燃料ガスに含まれるアンモニアの比率が変化した場合にも安定した燃焼状態を維持することができるアンモニア燃焼装置を得ることにある。
さらに、この種のアンモニア燃焼装置を有効に採用したアンモニア燃焼電池システムを提供する点にある。
An object of the present invention is to obtain an ammonia combustion apparatus capable of maintaining a stable combustion state even when the ratio of ammonia contained in the fuel gas changes with respect to the fuel gas supplied to the combustion chamber.
Furthermore, it is a point to provide an ammonia combustion battery system which effectively adopted this kind of ammonia combustion apparatus.

本発明の第1特徴構成は、
燃焼室を備え、前記燃焼室に少なくともアンモニアを含む燃料ガスが供給されて燃焼するアンモニア燃焼装置であって、
前記燃焼室における、前記アンモニアに対する水素の混合比である水素・アンモニア混合比を調整する水素・アンモニア混合比調整手段を備え、前記水素・アンモニア混合比調整手段を働かせて、前記燃焼室に於ける水素・アンモニア混合比を第1混合比以上に制御する第1制御手段を備えた点にある。
The first characteristic configuration of the present invention is
An ammonia combustion device provided with a combustion chamber, in which a fuel gas containing at least ammonia is supplied to the combustion chamber to burn the combustion chamber.
The hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means for adjusting the hydrogen / ammonia mixing ratio, which is the mixing ratio of hydrogen to the ammonia in the combustion chamber, is provided, and the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means is activated in the combustion chamber. The point is that a first control means for controlling the hydrogen / ammonia mixing ratio to be equal to or higher than the first mixing ratio is provided.

本特徴構成のアンモニア燃焼装置は、燃焼室を備えるとともに、この燃焼室に供給される燃料ガスに、少なくともアンモニア及び水素が含有される。結果、燃焼室における燃焼はアンモニアと水素との混焼となり、この燃焼は火炎を形成する。 The ammonia combustion apparatus having this characteristic configuration is provided with a combustion chamber, and at least ammonia and hydrogen are contained in the fuel gas supplied to the combustion chamber. As a result, the combustion in the combustion chamber is a co-firing of ammonia and hydrogen, and this combustion forms a flame.

さて、アンモニア燃焼装置には、水素・アンモニア混合比調整手段と、この水素・アンモニア混合調整手段を制御する第1制御手段とを備える。第1制御手段による制御形態は、燃焼室に於ける水素・アンモニア混合比を第1混合比以上に制御するものである。 The ammonia combustion apparatus includes a hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means and a first controlling means for controlling the hydrogen / ammonia mixing adjusting means. The control mode by the first control means controls the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber to be equal to or higher than the first mixing ratio.

後に、図4、図5に基づいて説明するように、燃料ガスにアンモニア及び水素が含有される火炎燃焼では、アンモニアの割合が増加するにしたがって、その燃焼性が悪化し、燃焼が不安定となりやすい。甚だしい場合は失火する。 As will be described later with reference to FIGS. 4 and 5, in flame combustion in which ammonia and hydrogen are contained in the fuel gas, the combustibility deteriorates as the proportion of ammonia increases, and the combustion becomes unstable. Cheap. Misfire in severe cases.

そこで、本発明に係るアンモニア燃焼装置では、燃焼室に供給される燃料ガスに関し、水素・アンモニア混合比を所定の第1混合比以上に制御することにより、失火を避け燃焼状態を維持することができる。 Therefore, in the ammonia combustion apparatus according to the present invention, it is possible to avoid misfire and maintain the combustion state by controlling the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to the combustion chamber to a predetermined first mixing ratio or higher. can.

本発明の第2特徴構成は、
前記第1混合比が、前記燃焼室に供給される燃料ガスに関し、当該燃料ガスの前記水素・アンモニア混合比が前記第1混合比より低下した場合に、燃焼室での燃焼に関し、燃焼性が悪化する確率が上昇する水素低比率側混合比である点にある。
The second characteristic configuration of the present invention is
When the first mixing ratio is lower than the first mixing ratio of the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas for the fuel gas supplied to the combustion chamber, the combustibility is improved with respect to the combustion in the combustion chamber. The point is that the mixing ratio on the low hydrogen ratio side increases the probability of deterioration.

このように第1混合比を燃焼性が悪化する確率が上昇する水素低比率側混合比とすることで、この水素低比率側混合比より高い混合比を維持して、安定した火炎燃焼状態を維持できる。 By setting the first mixing ratio to the hydrogen low ratio side mixing ratio in which the probability of deterioration of flammability increases in this way, a mixing ratio higher than this hydrogen low ratio side mixing ratio is maintained, and a stable flame combustion state is maintained. Can be maintained.

本発明の第3特徴構成は、
原燃料ガスであるアンモニアが供給されるとともに、当該原燃料ガスの少なくとも一部を分解するアンモニア分解手段を備え、前記アンモニア分解手段で前記原燃料ガスの少なくとも一部が分解された燃料ガスが前記燃焼室に供給される構成で、当該アンモニア分解手段が前記水素・アンモニア混合比調整手段として働く点にある。
The third characteristic configuration of the present invention is
Ammonia, which is a raw material fuel gas, is supplied, and an ammonia decomposition means for decomposing at least a part of the raw material fuel gas is provided. In the configuration supplied to the combustion chamber, the ammonia decomposition means acts as the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means.

先にも示したように、アンモニアを含有する燃料ガスの燃焼を良好に行おうとする場合、燃焼性の低いアンモニアに、燃焼性の高い水素を混合して燃焼させることが好ましいが、この混合比を適切な範囲に制御する必要がある。
さらに、水素源として有用なアンモニアを原燃料ガスとする場合は、このアンモニアを分解して水素を得るとともに、その分解割合を適切に制御してアンモニア燃焼装置の燃焼状態を適切な状態とする必要がある。そこで、上記の第3特徴構成を採用することで、アンモニア分解手段を、同時に、水素・アンモニア混合比調整手段として働かせることで、アンモニアを含む燃料ガスの火炎燃焼を適切に維持できる。
As shown above, in order to satisfactorily burn a fuel gas containing ammonia, it is preferable to mix and burn highly combustible hydrogen with low combustible ammonia, but this mixing ratio Needs to be controlled to an appropriate range.
Furthermore, when ammonia, which is useful as a hydrogen source, is used as the raw fuel gas, it is necessary to decompose this ammonia to obtain hydrogen and appropriately control the decomposition ratio to bring the combustion state of the ammonia combustion device to an appropriate state. There is. Therefore, by adopting the above-mentioned third characteristic configuration, the ammonia decomposition means can be operated at the same time as the hydrogen / ammonia mixed ratio adjusting means, so that the flame combustion of the fuel gas containing ammonia can be appropriately maintained.

本発明の第4特徴構成は、
前記アンモニア分解手段が室内温度を制御可能に構成されたアンモニア分解室を備え、
前記アンモニア分解室の室内温度を制御して、前記燃焼室に供給される燃料ガスの水素・アンモニア混合比を制御して、前記水素・アンモニア混合比調整手段として働く点にある。
The fourth characteristic configuration of the present invention is
The ammonia decomposition means is provided with an ammonia decomposition chamber configured so that the room temperature can be controlled.
The point is that the room temperature of the ammonia decomposition chamber is controlled to control the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to the combustion chamber to act as the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means.

本特徴構成では、アンモニア分解手段に備えられるアンモニア分解室の室内温度を制御することにより、アンモニア分解手段から放出されるとともに、燃焼室に供給する燃料ガスの水素・アンモニア混合比を適切に調整して、良好な燃焼状態を確保できる。 In this feature configuration, by controlling the room temperature of the ammonia decomposition chamber provided in the ammonia decomposition means, the hydrogen / ammonia mixture ratio of the fuel gas released from the ammonia decomposition means and supplied to the combustion chamber is appropriately adjusted. Therefore, a good combustion state can be ensured.

本発明の第5特徴構成は、
前記アンモニア分解室にアンモニア分解触媒を備える点にある。
The fifth characteristic configuration of the present invention is
The point is that the ammonia decomposition chamber is provided with an ammonia decomposition catalyst.

本特徴構成では、アンモニア分解触媒により適切に原燃料ガスであるアンモニアの分解を実現できる。
さらに、この種のアンモニア分解触媒は、その温度によりアンモニア分解能が変化(通常、温度上昇に伴って分解率は上昇)するため、その温度を適切に調整することで、これまで説明してきた水素・アンモニア混合比の調整機能を発揮させることができる。
In this characteristic configuration, the decomposition of ammonia, which is a raw material fuel gas, can be appropriately realized by the ammonia decomposition catalyst.
Furthermore, in this type of ammonia decomposition catalyst, the ammonia resolution changes depending on the temperature (usually, the decomposition rate increases as the temperature rises), so by adjusting the temperature appropriately, hydrogen and hydrogen, which have been explained so far, The function of adjusting the ammonia mixing ratio can be exerted.

本発明の第6特徴構成は、
前記アンモニア分解触媒が、活性成分としてルテニウム(Ru)を含む分解触媒である点にある。
The sixth characteristic configuration of the present invention is
The point is that the ammonia decomposition catalyst is a decomposition catalyst containing ruthenium (Ru) as an active ingredient.

本特徴構成では、アンモニア分解触媒にルテニウム(Ru)を含むことにより、良好に、アンモニアの分解と、水素・アンモニア混合比の調整との両方の目的に使用できる。後述するように、この触媒活性成分主材(ルテニウム)にアルカリ金属(Cs,Rb,K、Na)が添加されていてもよい(図3参照)。 In this feature configuration, by including ruthenium (Ru) in the ammonia decomposition catalyst, it can be satisfactorily used for both the purpose of decomposing ammonia and adjusting the hydrogen / ammonia mixing ratio. As will be described later, alkali metals (Cs, Rb, K, Na) may be added to the catalytically active ingredient main material (ruthenium) (see FIG. 3).

本発明の第7特徴構成は、
前記水素・アンモニア混合比調整手段を働かせて、前記燃焼室に於ける水素・アンモニア混合比を、前記第1混合比より高い第2混合比以下に制御する第2制御手段を備えた点にある。
The seventh characteristic configuration of the present invention is
The point is that the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means is activated to provide a second controlling means for controlling the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber to a second mixing ratio higher than the first mixing ratio or less. ..

本特徴構成では、水素・アンモニア混合比調整手段及び第1制御手段の外に、第2制御手段を備える。そして、この第2制御手段による制御形態は、水素・アンモニア混合比調整手段を働かせて、燃焼室に於ける水素・アンモニア混合比を第2混合比以下に制御する。ここで、この第2混合比は第1混合比より高い。 In this feature configuration, a second control means is provided in addition to the hydrogen / ammonia mixed ratio adjusting means and the first control means. Then, in the control mode by the second control means, the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means is activated to control the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber to the second mixing ratio or less. Here, this second mixing ratio is higher than the first mixing ratio.

後に、図4、図5に基づいて説明するように、燃料ガスにアンモニア及び水素が含有される火炎燃焼では、水素の割合が増加するにしたがって、その燃焼性は比較的安定するが、燃焼温度が上昇し、窒素酸化物の生成量が増大する。 As will be described later with reference to FIGS. 4 and 5, in flame combustion in which the fuel gas contains ammonia and hydrogen, the combustibility becomes relatively stable as the proportion of hydrogen increases, but the combustion temperature Increases and the amount of nitrogen oxides produced increases.

そこで、本発明に係るアンモニア燃焼装置では、燃焼室に供給される、水素・アンモニア混合比を所定の第2混合比以下に制御することにより、窒素酸化物の発生量を適切に制御することができる。 Therefore, in the ammonia combustion apparatus according to the present invention, the amount of nitrogen oxides generated can be appropriately controlled by controlling the hydrogen / ammonia mixing ratio supplied to the combustion chamber to a predetermined second mixing ratio or less. can.

本発明の第8特徴構成は、
前記第2混合比が、前記燃焼室に供給される燃料ガスに関し、当該燃料ガスの前記水素・アンモニア混合比が前記第2混合比より上昇した場合に、燃焼室で発生するノックスの量が過大となる水素高比率側混合比である点にある点にある。
The eighth characteristic configuration of the present invention is
With respect to the fuel gas supplied to the combustion chamber, the amount of knocks generated in the combustion chamber is excessive when the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas is higher than the second mixing ratio. The point is that it is the mixing ratio on the high hydrogen ratio side.

本特徴構成によれば、このように第2混合比を、ノックスの量が過大となる水素高比率側混合比とすることで、この水素高比率側混合比より低い混合比を維持して、ノックスが過大に発生することを防止できる。 According to this feature configuration, by setting the second mixing ratio to the hydrogen high ratio side mixing ratio in which the amount of knocks is excessive, a mixing ratio lower than this hydrogen high ratio side mixing ratio is maintained. It is possible to prevent excessive knocking.

本発明の第9特徴構成は、上記第3〜6の何れかの特徴構成を備えたアンモニア燃焼装置において、
前記アンモニア分解手段により前記原燃料ガスの少なくとも一部が分解された燃料ガスが前記燃焼室に供給されるとともに、当該燃焼室に別途、水素・アンモニア混合気が供給される構成で、
前記別途供給される水素・アンモニア混合気の水素・アンモニア混合比を推定若しくは検出して確認する水素・アンモニア混合比確認手段を備え、
前記アンモニア分解手段が、前記水素・アンモニア混合比確認手段により確認された水素・アンモニア混合比に基づいて、前記燃焼室内における水素・アンモニア混合比を所定の混合比にするように働く点にある。
The ninth characteristic configuration of the present invention is the ammonia combustion apparatus having any of the above-mentioned third to sixth characteristic configurations.
A fuel gas obtained by decomposing at least a part of the raw material fuel gas by the ammonia decomposition means is supplied to the combustion chamber, and a hydrogen / ammonia mixture is separately supplied to the combustion chamber.
A hydrogen / ammonia mixing ratio confirmation means for estimating or detecting and confirming the hydrogen / ammonia mixing ratio of the separately supplied hydrogen / ammonia mixture is provided.
The point is that the ammonia decomposition means works so as to make the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber a predetermined mixing ratio based on the hydrogen / ammonia mixing ratio confirmed by the hydrogen / ammonia mixing ratio checking means.

本特徴構成によれば、
アンモニア分解手段を備え、さらに、燃焼室に、別途水素・アンモニア混合気が供給される構成を採る場合に、水素・アンモニア混合比確認手段により別途供給される水素・アンモニア混合気の水素・アンモニア混合比を確認するとともに、確認された水素・アンモニア混合比を加味して、アンモニア分解手段を適切に働かせて、燃焼室に供給する燃料ガスの水素・アンモニア混合比を適切な状態に制御することができる。
According to this feature configuration
When an ammonia decomposition means is provided and a hydrogen / ammonia mixture is separately supplied to the combustion chamber, the hydrogen / ammonia mixture of the hydrogen / ammonia mixture separately supplied by the hydrogen / ammonia mixing ratio checking means is mixed. It is possible to check the ratio and take into account the confirmed hydrogen / ammonia mixing ratio to properly operate the ammonia decomposition means to control the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to the combustion chamber to an appropriate state. can.

本発明のアンモニア燃料電池システムの第1特徴構成は、
アンモニアを燃料として発電する燃料電池と、
これまで説明してきたアンモニア燃焼装置とを備えて構成され、
前記燃料電池から排出される排ガスを前記燃焼室に受入れて、当該排ガス内に含まれる少なくともアンモニアを燃焼処理する点にある。
The first characteristic configuration of the ammonia fuel cell system of the present invention is
A fuel cell that uses ammonia as fuel to generate electricity,
It is configured with the ammonia combustion device described so far.
The point is that the exhaust gas discharged from the fuel cell is received in the combustion chamber, and at least ammonia contained in the exhaust gas is burned.

本特徴構成によれば、アンモニアを燃料として燃料電池で発電を行いながら、アンモニア燃焼装置によるアンモニアの処理を良好に行える。
本発明に係るアンモニア燃焼装置は、その燃焼室において火炎を形成して燃焼するが、この種の燃焼装置では、従来からよく知られている触媒燃焼より処理量の増大が可能となり、その発熱を確保して、例えば、燃焼用空気の予熱、アンモニア分解に必要となる熱としての利用、さらに、燃料電池の昇温等に有効に利用できる。さらに、触媒燃焼に必要となる触媒量を低減でき、設備費用の低減が可能となる。また、燃料電池側の運転条件の変化に対して、迅速且つ適格に対応することが可能となり、所謂、ロバスト性が向上する。
According to this feature configuration, ammonia can be satisfactorily processed by the ammonia combustion device while generating electricity with the fuel cell using ammonia as fuel.
The ammonia combustion device according to the present invention forms a flame in its combustion chamber and burns. However, in this type of combustion device, the processing amount can be increased as compared with the conventionally well-known catalytic combustion, and the heat generation thereof can be increased. By securing it, for example, it can be effectively used for preheating combustion air, using it as heat required for decomposition of ammonia, and raising the temperature of a fuel cell. Further, the amount of catalyst required for catalyst combustion can be reduced, and the equipment cost can be reduced. In addition, it becomes possible to respond quickly and appropriately to changes in operating conditions on the fuel cell side, and so-called robustness is improved.

本発明に係るアンモニア燃料電池システムの第2特徴構成は、
アンモニアを燃料として発電する燃料電池と、
上記第3〜6の何れかの特徴構成を備えたアンモニア燃焼装置とを備えて構成され、
前記アンモニア分解手段により前記原燃料ガスの少なくとも一部が分解された燃料ガスが前記燃料電池に供給されて働く構成で、
前記燃料電池から排出される排ガスを前記燃焼室に受入れて、当該排ガス内に含まれる少なくともアンモニアを燃焼処理する点にある。
The second characteristic configuration of the ammonia fuel cell system according to the present invention is
A fuel cell that uses ammonia as fuel to generate electricity,
It is configured to include an ammonia combustion device having any of the above-mentioned third to sixth characteristic configurations.
A configuration in which a fuel gas obtained by decomposing at least a part of the raw material fuel gas by the ammonia decomposition means is supplied to the fuel cell to work.
The point is that the exhaust gas discharged from the fuel cell is received in the combustion chamber, and at least ammonia contained in the exhaust gas is burned.

本特徴構成によれば、
アンモニア分解手段により分解されたガス(少なくとも水素を含有する)を発電用燃料ガスとする燃料電池により発電が可能となり、その排ガスを燃焼室で良好に処理できる。
即ち、この構成の場合は、アンモニアが燃料電池に直接供給されて働く燃料電池のみならず、水素の供給を受けて働く通常の燃料電池も採用可能である。この構成の場合、アンモニアのスリップが燃料電池側で発生する可能性はあるが、燃焼により良好に処理できる。
According to this feature configuration
Power can be generated by a fuel cell using a gas decomposed by an ammonia decomposition means (containing at least hydrogen) as a fuel gas for power generation, and the exhaust gas can be satisfactorily treated in a combustion chamber.
That is, in the case of this configuration, not only a fuel cell in which ammonia is directly supplied to the fuel cell to work, but also a normal fuel cell in which ammonia is supplied to work can be adopted. In the case of this configuration, the slip of ammonia may occur on the fuel cell side, but it can be treated satisfactorily by combustion.

さらに、先に説明した、水素・アンモニア混合比確認手段を備える場合は、アンモニア分解手段から直接燃焼室に供給される燃料ガスの状態を、確認手段により確認された水素・アンモニア混合比を加味して調整することで、燃焼室での燃焼を良好に維持できる。 Further, when the hydrogen / ammonia mixing ratio confirmation means described above is provided, the state of the fuel gas directly supplied from the ammonia decomposition means to the combustion chamber is added to the hydrogen / ammonia mixing ratio confirmed by the confirmation means. By adjusting this, combustion in the combustion chamber can be maintained well.

本発明に係るアンモニア燃焼装置を備えたアンモニア燃料電池システムの構成を示す図The figure which shows the structure of the ammonia fuel cell system provided with the ammonia combustion apparatus which concerns on this invention. アンモニア燃焼装置に備えられる燃焼器の詳細を示す図The figure which shows the detail of the combustor provided in the ammonia combustion apparatus. アンモニア分解触媒の分解能を示す図The figure which shows the resolution of the ammonia decomposition catalyst アンモニア分解率の変化に伴う燃焼試験の結果を示す図The figure which shows the result of the combustion test with the change of the ammonia decomposition rate アンモニア分解率と発生するノックスの関係を示す図The figure which shows the relationship between the ammonia decomposition rate and the generated knock アンモニア分解率の変化に伴う燃焼形態の変化を示す図The figure which shows the change of the combustion form with the change of the ammonia decomposition rate アンモニア燃焼装置の別実施形態を示す図The figure which shows another embodiment of the ammonia combustion apparatus

以下、図面に基づいて、本発明に係るアンモニア燃焼装置10及びその装置10を備えて構成されるアンモニア燃料電池システム100を説明する。
図1は、アンモニア燃料電池システム100全体の構成を示す機能ブロック図であり、同図において二点鎖線で囲った部位がアンモニア燃焼装置10に対応する。
図1からも判明する様に、アンモニア燃料電池システム100は、アンモニア燃焼装置10及び燃料電池101を主体として成立しており、アンモニアを含有する燃料ガス、及びこの燃料ガスに対する酸素を含有するガスである酸素含有ガス(図示する例は空気)を供給されて作動する。
Hereinafter, the ammonia fuel cell system 100 including the ammonia combustion device 10 according to the present invention and the device 10 will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the entire ammonia fuel cell system 100, and the portion surrounded by the alternate long and short dash line in the figure corresponds to the ammonia combustion device 10.
As can be seen from FIG. 1, the ammonia fuel cell system 100 is mainly composed of the ammonia combustion device 10 and the fuel cell 101, and is composed of a fuel gas containing ammonia and a gas containing oxygen with respect to the fuel gas. It operates by being supplied with a certain oxygen-containing gas (air in the illustrated example).

ここで、アンモニア燃焼装置10においては、供給される燃料ガスに含まれる燃焼成分が、酸素含有ガスに含まれる酸素により燃焼する。燃焼成分とは、アンモニア、水素及び一酸化窒素となる。
一方、燃料電池101では、供給される燃料ガスに含まれる還元性成分が、酸素含有ガスに含まれる酸化性成分により電池反応する。還元性成分とはアンモニア及び水素となる。酸化性成分は酸素である。
Here, in the ammonia combustion apparatus 10, the combustion component contained in the supplied fuel gas is burned by the oxygen contained in the oxygen-containing gas. Combustion components are ammonia, hydrogen and nitric oxide.
On the other hand, in the fuel cell 101, the reducing component contained in the supplied fuel gas reacts with the oxidizing component contained in the oxygen-containing gas. The reducing components are ammonia and hydrogen. The oxidizing component is oxygen.

図1に示すアンモニア燃料電池システム100の構成からも判明するように、本発明のアンモニア燃料電池システム100は、原燃料ガスであるアンモニア(アンモニア100%)がアンモニア供給装置(例えばアンモニアタンク)99から供給されて作動する。一方、燃料電池101から排出される排ガスは、アンモニア燃焼装置10(具体的には後述する燃焼器11の燃焼室11a)に供給される。結果、排ガスに含有されることがある、アンモニア、水素及び一酸化窒素といった成分も燃焼され、排ガスの無害化を図ることができる。 As is clear from the configuration of the ammonia fuel cell system 100 shown in FIG. 1, in the ammonia fuel cell system 100 of the present invention, ammonia (100% ammonia) as a raw material fuel gas is supplied from an ammonia supply device (for example, an ammonia tank) 99. It is supplied and operates. On the other hand, the exhaust gas discharged from the fuel cell 101 is supplied to the ammonia combustion device 10 (specifically, the combustion chamber 11a of the combustor 11 described later). As a result, components such as ammonia, hydrogen, and nitric oxide, which may be contained in the exhaust gas, are also burned, and the exhaust gas can be made harmless.

アンモニア燃料装置10を構成する燃焼器11での燃焼により発生する熱は、アンモニア分解器12に於けるアンモニアの分解、燃料電池101の加熱・温度維持、燃焼器11及び燃料電池101へ送られる酸素含有ガスの空気予熱器13での予熱にも使用する。 The heat generated by the combustion in the combustor 11 constituting the ammonia fuel device 10 is the decomposition of ammonia in the ammonia decomposer 12, the heating and temperature maintenance of the fuel cell 101, and the oxygen sent to the combustor 11 and the fuel cell 101. It is also used for preheating the contained gas in the air preheater 13.

燃料電池101により発電される電力はインバータ102を介して外部に取出され、所定の用に供せられる。 The electric power generated by the fuel cell 101 is taken out to the outside via the inverter 102 and used for a predetermined purpose.

以上が、アンモニア燃焼装置10、アンモニア燃料電池システム100の概要である。
以下、アンモニア燃焼装置10、アンモニア燃料電池システム100の順に、それらの特徴構成を含めて説明してゆく。
The above is the outline of the ammonia combustion device 10 and the ammonia fuel cell system 100.
Hereinafter, the ammonia combustion device 10 and the ammonia fuel cell system 100 will be described in this order, including their characteristic configurations.

アンモニア燃焼装置10
この装置10は、燃焼器11を中核として構成されており、この燃焼器11に対して、アンモニア分解器12、空気予熱器13がハード側機器として構成される。そして、これらハード側機器12、13の適切な運転を確保すべく制御器14が備えられている。
Ammonia combustion device 10
The device 10 is configured with the combustor 11 as the core, and the ammonia decomposer 12 and the air preheater 13 are configured as hardware side devices with respect to the combustor 11. A controller 14 is provided to ensure proper operation of the hardware side devices 12 and 13.

燃焼器11
図2に、本発明に係る燃焼器11の構成を示した。同図において、(a)は燃焼器11の斜視図であり、(b)は同正面視図である。これらの図面においては、燃焼室11aの蓋(図外)は外している。(c)は燃焼用バーナ11bの断面視図であり、(d)はスワラ−sの一部断面平面視図である。
図示するように、燃焼器11は、その長手方向に伸びる断面概略方形の燃焼室11aを備えて構成されており、内部に燃焼用バーナ11bを備えている。この燃焼用バーナ11bでは、その基端側から燃料ガス及び燃焼用酸素含有ガス(具体的には空気)が供給され、燃焼室11a内に旋回型の燃焼火炎を形成して燃焼する。燃焼により発生する燃焼排ガスは、燃焼用バーナ11bとは反対側に設けられた燃焼排ガス路11cから排出される。
Combustor 11
FIG. 2 shows the configuration of the combustor 11 according to the present invention. In the figure, (a) is a perspective view of the combustor 11, and (b) is a front view of the combustor 11. In these drawings, the lid (not shown) of the combustion chamber 11a is removed. (C) is a cross-sectional view of the combustion burner 11b, and (d) is a partial cross-sectional plan view of the swirler s.
As shown in the figure, the combustor 11 is configured to include a combustion chamber 11a having a substantially square cross section extending in the longitudinal direction thereof, and has a combustion burner 11b inside. In the combustion burner 11b, a fuel gas and a combustion oxygen-containing gas (specifically, air) are supplied from the base end side thereof, and a swirling type combustion flame is formed in the combustion chamber 11a for combustion. The combustion exhaust gas generated by combustion is discharged from the combustion exhaust gas passage 11c provided on the side opposite to the combustion burner 11b.

燃焼用バーナ11bは概略円筒形に構成されており、その中心側に燃料ガス供給部11b1を、その周部に酸素含有ガス供給部11b2を備え、燃料ガス供給部11b1の軸方向先端が、酸素含有ガス供給部11b2の軸方向先端より突出して構成されている。 The combustion burner 11b is formed in a substantially cylindrical shape, and is provided with a fuel gas supply unit 11b1 on the central side thereof and an oxygen-containing gas supply unit 11b2 on the peripheral side thereof, and the axial tip of the fuel gas supply unit 11b1 is oxygen. It is configured to protrude from the axial tip of the contained gas supply unit 11b2.

前記燃料ガス供給部11b1の先端近傍には、複数の噴出孔h1が径方向に開口して設けられている。前記酸素含有ガス供給部11b2の軸方向先端は、前記燃料ガス供給部11b1の先端より引退した位置に設定されており、その先端近傍にスワラ−sを備えて構成されている。このスワラ−s内には複数のらせん孔h2が穿たれており、これらのらせん孔h2は酸素含有ガス供給部11b2の軸方向端で開口されている。従って、酸素含有ガス供給部11b2を介して燃焼室11a内に供給される酸素含有ガスは、らせん状に噴出され、このガス流に燃料ガスが巻き込まれることにより燃焼室11a内で両ガスの混合を行われて、先混合形態で燃焼することとなる。着火には、着火ヒータ11dが働くこととなる。
以上がアンモニア燃焼装置10の中核をなす燃焼器11の構成であるが、以下に、このアンモニア燃焼装置10の構成を、その動作を良好に行うために設けられる制御器14及び本発明において重要な働きをするアンモニア分解器12の構成等とともに説明する。
A plurality of ejection holes h1 are provided in the vicinity of the tip of the fuel gas supply portion 11b1 with openings in the radial direction. The axial tip of the oxygen-containing gas supply section 11b2 is set at a position retreated from the tip of the fuel gas supply section 11b1, and a swirler s is provided in the vicinity of the tip thereof. A plurality of spiral holes h2 are formed in the swirler s, and these spiral holes h2 are opened at the axial end of the oxygen-containing gas supply unit 11b2. Therefore, the oxygen-containing gas supplied into the combustion chamber 11a via the oxygen-containing gas supply unit 11b2 is spirally ejected, and the fuel gas is entrained in this gas flow to mix the two gases in the combustion chamber 11a. Will be performed and burned in the premixed form. The ignition heater 11d works for ignition.
The above is the configuration of the combustor 11 which is the core of the ammonia combustion device 10. Below, the controller 14 provided for satisfactorily operating the configuration of the ammonia combustion device 10 and important in the present invention. The configuration of the working ammonia decomposer 12 and the like will be described.

アンモニア分解器12
このアンモニア分解器12は、この機器12にアンモニア供給装置99から原燃料ガスとして供給されるアンモニア(アンモニア100%)を所定の割合で分解して、燃料ガスとして下流側に備えられる機器11、101に送る。従って、このアンモニア分解器12から送出されるガスは、基本的には、アンモニア、水素及び窒素を所定の割合で含むガスとなる。ただし、アンモニア分解を行わない場合はアンモニア100%となり、その全量が分解される場合は水素及び窒素の混合ガスとなる。
Ammonia decomposer 12
The ammonia cracker 12 decomposes ammonia (100% ammonia) supplied to the device 12 as a raw material fuel gas from the ammonia supply device 99 at a predetermined ratio, and the devices 11 and 101 provided on the downstream side as the fuel gas. Send to. Therefore, the gas delivered from the ammonia decomposer 12 is basically a gas containing ammonia, hydrogen, and nitrogen in a predetermined ratio. However, if ammonia decomposition is not performed, it becomes 100% ammonia, and if the entire amount is decomposed, it becomes a mixed gas of hydrogen and nitrogen.

本実施形態におけるアンモニア分解器12は、アンモニア分解触媒を収納したアンモニア分解室12aを備え、その分解室の温度が制御可能とされている。
今日、アンモニア分解触媒として様々なものが提案されているが、活性成分としてルテニウム(Ru)が担体上に担持されたものを採用できる。一例として、永岡 勝俊 (大分大学理工学部、准教授)により提案されている触媒に基づいて以下に説明する。
The ammonia decomposition device 12 in the present embodiment includes an ammonia decomposition chamber 12a containing an ammonia decomposition catalyst, and the temperature of the decomposition chamber can be controlled.
Today, various ammonia decomposition catalysts have been proposed, and one in which ruthenium (Ru) is supported on a carrier can be adopted as an active ingredient. As an example, it will be described below based on the catalyst proposed by Katsutoshi Nagaoka (Associate Professor, Faculty of Science and Technology, Oita University).

図3に、このようなアンモニア分解触媒に関し、転化率の変化状況を温度との関係で示した。図3(a)(b)はそれぞれ、縦軸にアンモニア転化率(分解率)を示し、横軸は温度である。
図3(a)は、活性成分がルテニウム(Ru)で、担体が異なるものの転化率を示している。図3(b)は、活性成分ルテニウム(Ru)にアルカリ金属(Cs,Rb,K、Na)を添加した結果である。このアンモニア分解触媒では担体として酸化プラセオジム(Pr11)を使用している。
これらの図面において、図上、最も高い位置に示されている線はアンモニア(NH)の平衡転化率である。
FIG. 3 shows the change state of the conversion rate of such an ammonia decomposition catalyst in relation to the temperature. In FIGS. 3A and 3B, the vertical axis represents the ammonia conversion rate (decomposition rate), and the horizontal axis represents temperature.
FIG. 3A shows the conversion rate of ruthenium (Ru) as the active ingredient and different carriers. FIG. 3B shows the result of adding an alkali metal (Cs, Rb, K, Na) to the active ingredient ruthenium (Ru). In this ammonia decomposition catalyst, placeodymium oxide (Pr 6 O 11 ) is used as a carrier.
In these drawings, the line shown at the highest position on the figure is the equilibrium conversion rate of ammonia (NH 3).

これらの図面からも明らかなように、アンモニア分解触媒の温度の上昇に伴って、その分解率(転化率)は上昇する。従って、このアンモニア分解室12aの温度を制御することで、このアンモニア分解器12から送出されるガス(本発明に言う「原燃料ガスの少なくとも一部が分解された燃料ガス」)の水素・アンモニア混合比が調整される。 As is clear from these drawings, the decomposition rate (conversion rate) increases as the temperature of the ammonia decomposition catalyst increases. Therefore, by controlling the temperature of the ammonia decomposition chamber 12a, hydrogen / ammonia of the gas sent from the ammonia decomposition device 12 (“fuel gas in which at least a part of the raw material fuel gas is decomposed” in the present invention) The mixing ratio is adjusted.

アンモニア分解触媒としては、上述の触媒をそれぞれ単独で使用しても良いし、任意の割合で混合して使用しても良い。 As the ammonia decomposition catalyst, the above-mentioned catalysts may be used alone or mixed at an arbitrary ratio.

よって、このアンモニア分解器はアンモニア分解手段として働く。 Therefore, this ammonia decomposer works as an ammonia decomposition means.

図1に戻って、このアンモニア分解器12からのガスの送出先は、燃焼器11とされる他、燃料電池101とされている。従って、この送出ガスは、燃焼器11においては燃焼用燃料ガスとなり、燃料電池101においては発電用燃料ガスとなる。 Returning to FIG. 1, the destination of the gas from the ammonia decomposer 12 is the combustor 11 and the fuel cell 101. Therefore, this delivery gas becomes a combustion fuel gas in the combustor 11 and a power generation fuel gas in the fuel cell 101.

アンモニア分解器12の働きは、制御器14から発せられる分解制御情報に基づくものとされ、流入されるアンモニアを分解制御情報に基づいて、原燃料ガスを適切な割合に分解する。即ち、アンモニア分解室12aの温度を制御することで、送出されるガスである燃料ガスの水素・アンモニア混合比を調整する。供給量の制御はマスフローコントローラ(MFC)によるものとする。 The function of the ammonia cracker 12 is based on the decomposition control information emitted from the controller 14, and the inflowing ammonia is decomposed into an appropriate ratio based on the decomposition control information. That is, by controlling the temperature of the ammonia decomposition chamber 12a, the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas, which is the delivered gas, is adjusted. The supply amount is controlled by a mass flow controller (MFC).

先にも示したように、本発明に係る燃焼器11では、その燃焼器11に於ける燃焼を適切な状態に保持すべく、水素・アンモニア混合比が重用な役割を果たすが、燃焼室11a内でのこの混合比を所定の範囲内に収めるように、このアンモニア分解器12は作動される。 As shown above, in the combustor 11 according to the present invention, the hydrogen / ammonia mixing ratio plays an important role in maintaining the combustion in the combustor 11 in an appropriate state, but the combustion chamber 11a The ammonia combustor 12 is operated so as to keep this mixing ratio within a predetermined range.

空気予熱器13
この空気予熱器13は、この機器13に供給される酸素含有ガス(具体的には空気)を予熱して下流側に備えられる機器に送る。本システムにおいて、この空気予熱には燃焼器11或いは燃焼電池101から供給される熱を利用する。
この空気予熱器13からの酸素含有ガスの送出先は、燃焼器11とされる他、燃料電池101とされている。従って、この送出ガスは、燃焼器11においては燃焼用酸素含有ガスとなり、燃料電池101においては発電用酸化性ガスとなる。
Air preheater 13
The air preheater 13 preheats the oxygen-containing gas (specifically, air) supplied to the device 13 and sends it to a device provided on the downstream side. In this system, the heat supplied from the combustor 11 or the combustion battery 101 is used for this air preheating.
The destination of the oxygen-containing gas from the air preheater 13 is the combustor 11 and the fuel cell 101. Therefore, this delivery gas becomes a combustion oxygen-containing gas in the combustor 11 and an oxidizing gas for power generation in the fuel cell 101.

空気予熱器13から送出される予熱後の酸素含有ガスのガス量は、燃焼器11に対して、燃焼用燃料ガスの良好な燃焼を確保すべく適切は空気比を満足するように制御する。一方、燃料電池101に関しては、発電負荷に見合った発電を行うべく、発電用燃料ガスに対応した適切量を満足するように制御する。 The amount of oxygen-containing gas after preheating sent from the air preheater 13 is appropriately controlled with respect to the combustor 11 so as to ensure good combustion of the combustion fuel gas. On the other hand, the fuel cell 101 is controlled so as to satisfy an appropriate amount corresponding to the fuel gas for power generation in order to generate power corresponding to the power generation load.

アンモニア燃焼装置10の特徴構成
この特徴構成は、制御器14における燃焼制御が大きく関与するため、制御器14の構成ととともに以下説明する。
Characteristic configuration of the ammonia combustion device 10 Since the combustion control in the controller 14 is largely involved in this characteristic configuration, it will be described below together with the configuration of the controller 14.

制御器14は、本発明における制御手段として働くこととなるが、記憶手段14a、第1制御手段14b、第2制御手段14cを備えて構成されている。 The controller 14, which serves as a control means in the present invention, is configured to include a storage means 14a, a first control means 14b, and a second control means 14c.

記憶手段14aは所謂メモリーであり、制御器14において各ハード側機器11,12,13、付随して設けられるマスフローコントローラMFCの制御に必要となる制御情報を記憶している。 The storage means 14a is a so-called memory, and stores control information required for controlling the hardware side devices 11, 12, 13 and the mass flow controller MFC provided incidentally to the controller 14.

第1制御手段14bは、本発明にいう水素・アンモニア混合比調整手段を働かせて、前記燃焼室11aに於ける水素・アンモニア混合比を第1混合比以上に制御する。具体的には、上記のアンモニア分解器12に収納されるアンモニア分解触媒の温度を、目的とする第1混合比以上とするに適切な温度に制御する。 The first control means 14b activates the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means according to the present invention to control the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber 11a to be equal to or higher than the first mixing ratio. Specifically, the temperature of the ammonia decomposition catalyst housed in the ammonia decomposition device 12 is controlled to a temperature suitable for making the target first mixing ratio or higher.

ここで、第1混合比は、燃焼室11aに供給される燃料ガスに関し、当該燃料ガスの水素・アンモニア混合比が前記第1混合比より低下した場合に、燃焼室での燃焼に関し、燃焼性が悪化する確率が上昇する水素低比率側混合比として設定される。この第1混合比に関しては、後に図4〜6に基づいて説明する。 Here, the first mixing ratio refers to the combustibility of the fuel gas supplied to the combustion chamber 11a with respect to combustion in the combustion chamber when the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas is lower than the first mixing ratio. Is set as the low hydrogen ratio side mixing ratio, which increases the probability that This first mixing ratio will be described later with reference to FIGS. 4 to 6.

第2制御手段14cは、本発明にいう水素・アンモニア混合比調整手段を働かせて、燃焼室11aに於ける水素・アンモニア混合比を、第1混合比より高い第2混合比以下に制御する。具体的には、上記のアンモニア分解器12に収納されるアンモニア分解触媒の温度を、目的とする第2混合比以下とするに適切な温度に制御する。 The second control means 14c activates the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means according to the present invention to control the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber 11a to be higher than the first mixing ratio and equal to or lower than the second mixing ratio. Specifically, the temperature of the ammonia decomposition catalyst housed in the ammonia decomposition device 12 is controlled to an appropriate temperature so as to be equal to or less than the target second mixing ratio.

ここで、第2混合比は、燃焼室11aに供給される燃料ガスに関し、当該燃料ガスの水素・アンモニア混合比が第2混合比より上昇した場合に、燃焼室で発生するノックスの量が過大となる水素高比率側混合比である。この第2混合比に関しても、後に図4〜6に基づいて説明する。 Here, in the second mixing ratio, with respect to the fuel gas supplied to the combustion chamber 11a, when the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas is higher than the second mixing ratio, the amount of knocks generated in the combustion chamber is excessive. This is the mixing ratio on the high hydrogen ratio side. This second mixing ratio will also be described later with reference to FIGS. 4 to 6.

以上より、本発明に係るアンモニア燃焼装置10にはアンモニア分解器12を備えるが、この分解器12はアンモニア分解手段として働くとともに、制御手段14からの分解制御情報に従ってその動作状態(具体的にはアンモニア分解触媒の温度)が調整されることで、燃焼室11aに供給される燃料ガスに関してその水素・アンモニア混合比を調整する水素・アンモニア混合比調整手段として働くこととなる。
このように、アンモニア分解器12をアンモニア分解手段及び水素・アンモニア混合比調整手段として働かせる場合、温度に従ってアンモニア分解率が変化する任意のアンモニア分解触媒を採用できる。上述のルテニウム(Ru)担持触媒はその代表例である。
From the above, the ammonia combustion device 10 according to the present invention is provided with an ammonia decomposition device 12, which functions as an ammonia decomposition means and its operating state (specifically, according to the decomposition control information from the control means 14). By adjusting the temperature of the ammonia decomposition catalyst), it acts as a hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means for adjusting the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to the combustion chamber 11a.
As described above, when the ammonia decomposition device 12 is operated as the ammonia decomposition means and the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means, any ammonia decomposition catalyst whose ammonia decomposition rate changes according to the temperature can be adopted. The ruthenium (Ru) -supported catalyst described above is a typical example.

さて、本発明に係るアンモニア燃焼装置10では、アンモニア分解器12により分解された燃料ガスが燃焼室11aに供給されるとともに、この燃焼室11aに別途、水素・アンモニア混合気が供給される。ここで、別途、供給される水素・アンモニア混合気は、図1に示すアンモニア燃料電池システム100では燃料電池101からの排ガスとなる。 In the ammonia combustion apparatus 10 according to the present invention, the fuel gas decomposed by the ammonia cracker 12 is supplied to the combustion chamber 11a, and the hydrogen / ammonia mixture is separately supplied to the combustion chamber 11a. Here, the hydrogen / ammonia mixture separately supplied becomes the exhaust gas from the fuel cell 101 in the ammonia fuel cell system 100 shown in FIG.

そこで、この別途供給される水素・アンモニア混合気の水素・アンモニア混合比を検出して確認する水素・アンモニア混合比確認用の検出器15が備えられており、この検出器15が水素・アンモニア混合比確認手段として働く構成を採用している。そして、この水素・アンモニア混合比確認手段15により確認された水素・アンモニア混合比に基づいて、燃焼室11a内における水素・アンモニア混合比を所定の混合比にするようにアンモニア分解器12を働かせる。即ち、先に説明した第1制御手段14b、第2制御手段14cは、検出器15からの確認情報も加味した上で、燃焼室11a内に供給される燃料ガスの水素・アンモニア混合比を予測し、燃焼を適切な状態に維持すべてく、分解制御情報を発する。
結果、このアンモニア燃焼装置10では、燃焼室11aに供給される燃料ガスに関して、その水素・アンモニア混合比が適切に制御される。
Therefore, a detector 15 for confirming the hydrogen / ammonia mixing ratio for detecting and confirming the hydrogen / ammonia mixing ratio of the separately supplied hydrogen / ammonia mixture is provided, and this detector 15 mixes hydrogen / ammonia. A configuration that works as a ratio confirmation means is adopted. Then, based on the hydrogen / ammonia mixing ratio confirmed by the hydrogen / ammonia mixing ratio checking means 15, the ammonia decomposer 12 is operated so as to make the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber 11a a predetermined mixing ratio. That is, the first control means 14b and the second control means 14c described above predict the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied into the combustion chamber 11a, taking into account the confirmation information from the detector 15. However, it keeps combustion in an appropriate state and emits decomposition control information.
As a result, in the ammonia combustion device 10, the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to the combustion chamber 11a is appropriately controlled.

以上が、主にアンモニア燃焼装置10の構成に関する説明であるが、以下、これまで説明してきた燃焼室11aに供給する水素・アンモニア混合比に関して、発明者らが行った試験に関して説明する。
試験に供した燃焼器は、図2において説明した燃焼器11であり、この燃焼器11の供給側に、燃料ガスの供給系として、アンモニア、水素及び窒素の供給系をそれぞれ独立に設けるとともに、マスフローコントローラMFCを設けて、試験装置(図示省略)とした。そして、試験結果の検出系として、燃焼室11a内の温度(火炎形成部の温度)及び燃焼室出口(燃焼排ガス路11cの入口)の温度を検出した。さらに、排ガスに関しては、その組成を酸素濃度、NOx濃度で検出した。
The above is mainly a description of the configuration of the ammonia combustion apparatus 10. Hereinafter, the tests conducted by the inventors regarding the hydrogen / ammonia mixing ratio supplied to the combustion chamber 11a described so far will be described.
The combustor used for the test is the combustor 11 described in FIG. 2, and on the supply side of the combustor 11, a supply system of ammonia, hydrogen, and nitrogen is independently provided as a fuel gas supply system, and a supply system of ammonia, hydrogen, and nitrogen is provided independently. A mass flow controller MFC was provided to serve as a test device (not shown). Then, as a detection system for the test results, the temperature inside the combustion chamber 11a (the temperature of the flame forming portion) and the temperature at the outlet of the combustion chamber (the inlet of the combustion exhaust gas passage 11c) were detected. Further, regarding the exhaust gas, its composition was detected by the oxygen concentration and the NOx concentration.

アンモニア、水素及び窒素のそれぞれ独立の供給系からのガス供給に関しては、原燃料ガスとなるアンモニア単独でシステムに燃料を供給するとの想定の下、供給されるアンモニアの少なくとも一部(全部の場合を含む)が分解されることにより生成される水素、窒素及びアンモニアを、それぞれの量比に従って供給するものとした。 Regarding the gas supply from the independent supply systems of ammonia, hydrogen and nitrogen, at least a part (in all cases) of the supplied ammonia is assumed to supply fuel to the system by the raw fuel gas, ammonia alone. Hydrogen, nitrogen and ammonia produced by decomposition of (including) were to be supplied according to their respective quantity ratios.

後に示す図4、図5において「アンモニア分解率(%)」と、図6において「分解率」と記載しているのは、アンモニア全量の何%が分解される条件であることを示している。従って、アンモニア分解率が0%は、燃焼器11にアンモニアの全量が供給されることを意味しており、分解率100%は、燃焼器11にアンモニアが分解された水素及び窒素が供給されることを意味している。
これらの図の下に、水素・アンモニア混合比を記載しているが、この値は、分解率に対応した値に換算して記載している。
The "ammonia decomposition rate (%)" in FIGS. 4 and 5 and the "decomposition rate" in FIG. 6 indicate what percentage of the total amount of ammonia is decomposed. .. Therefore, an ammonia decomposition rate of 0% means that the entire amount of ammonia is supplied to the combustor 11, and a decomposition rate of 100% means that hydrogen and nitrogen obtained by decomposing ammonia are supplied to the combustor 11. It means that.
Below these figures, the hydrogen / ammonia mixing ratio is shown, but this value is shown in terms of the value corresponding to the decomposition rate.

予備試験
水素・アンモニア混合比が変化することによる燃焼形態の変化確認の予備実験として、空気比を変化させた結果を、表1、表2に示した。ここでは、原燃料ガスとしてのアンモニアの全量が分解されるとの想定の下、空気比は燃料ガスとしての水素を燃焼する場合の空気比とした。両表に記載するように、1.2、1.4、1.6と変化させた。表1は各部の温度を、表2は排ガスの組成を示したものである。
Preliminary test Tables 1 and 2 show the results of changing the air ratio as a preliminary experiment for confirming the change in combustion mode due to the change in the hydrogen / ammonia mixing ratio. Here, the air ratio is the air ratio when hydrogen as a fuel gas is burned, assuming that the entire amount of ammonia as a raw material fuel gas is decomposed. As described in both tables, the values were changed to 1.2, 1.4, and 1.6. Table 1 shows the temperature of each part, and Table 2 shows the composition of the exhaust gas.

Figure 2021110463
Figure 2021110463

Figure 2021110463
Figure 2021110463

ただし、酸素濃度の単位は%、NOx及び換算NOx濃度の単位はppm However, the unit of oxygen concentration is%, and the unit of NOx and converted NOx concentration is ppm.

予備試験の結果、安定燃焼状態が確保できるとともに、換算NOx濃度が低かった空気比1.4を選択した。この中間条件(空気比1.4)を基準としておくと、空気比の上下に安定燃焼域を確保でき、システムの運転状態が変動(例えば電力負荷が変動)してアンモニア分解率を変えて燃焼を維持する必要がある場合も、燃焼室11aにおける安定的な燃焼状態が確保できると発明者らは考えている。 As a result of the preliminary test, an air ratio of 1.4, which was able to secure a stable combustion state and had a low conversion NOx concentration, was selected. If this intermediate condition (air ratio 1.4) is used as a reference, a stable combustion range can be secured above and below the air ratio, and the operating state of the system fluctuates (for example, the power load fluctuates), and the combustion rate is changed to burn. The inventors think that a stable combustion state in the combustion chamber 11a can be ensured even when it is necessary to maintain the above.

水素・アンモニア混合比の確認
図4〜図6に、この試験の結果を示している。
図4は、横軸にアンモニア分解率(%)及び対応する水素・アンモニア混合比を取り、縦軸に燃焼部温度(℃;白丸で示す)、燃焼器出口温度(℃;黒丸で示す)及び酸素濃度(%;白菱形で示す)を示したものである。
図5は、横軸にアンモニア分解率(%)及び対応する水素・アンモニア混合比を取り、縦軸に酸素濃度(%;白菱形で示す)、NOx濃度(ppm;白四角で示す)、換算NOx濃度(ppm;黒四角で示す)を示したものである。ノックス換算に当たっては、標準酸素濃度はガスタービンの窒素酸化物排出基準の16%としている。
Confirmation of hydrogen / ammonia mixing ratio Figures 4 to 6 show the results of this test.
In FIG. 4, the horizontal axis represents the ammonia decomposition rate (%) and the corresponding hydrogen / ammonia mixing ratio, and the vertical axis represents the combustion part temperature (° C; indicated by white circles), combustor outlet temperature (° C; indicated by black circles), and It shows the oxygen concentration (%; indicated by a white diamond).
In FIG. 5, the horizontal axis represents the ammonia decomposition rate (%) and the corresponding hydrogen / ammonia mixing ratio, and the vertical axis represents the oxygen concentration (%; indicated by a white rhombus), the NOx concentration (ppm; indicated by a white square), and conversion. The NOx concentration (ppm; indicated by a black square) is shown. In terms of Knox, the standard oxygen concentration is 16% of the nitrogen oxide emission standard for gas turbines.

試験に当たっては、アンモニア分解率100%の状態で、燃焼を開始し、アンモニア分解率を低下しながら燃焼を継続した。図6は、異なったアンモニア分解率における燃焼火炎の状態を示している。 In the test, combustion was started in a state where the ammonia decomposition rate was 100%, and combustion was continued while reducing the ammonia decomposition rate. FIG. 6 shows the state of the combustion flame at different ammonia decomposition rates.

結果、アンモニア分解率87.5%における実質上の水素燃焼ではシャープな火炎が形成され、燃焼部温度も高い。燃焼は極めて安定していた。
アンモニア分解率が25%程度まで安定した火炎が形成され、安定的に燃焼を維持できた(図5、酸素濃度等参照)。一方、Nox濃度に関しては、アンモニア分解率が55%より高い領域で、上昇することが判明した。
As a result, a sharp flame is formed by substantial hydrogen combustion at an ammonia decomposition rate of 87.5%, and the temperature of the combustion part is also high. Combustion was extremely stable.
A stable flame was formed with an ammonia decomposition rate of about 25%, and stable combustion could be maintained (see FIG. 5, oxygen concentration, etc.). On the other hand, it was found that the Nox concentration increased in the region where the ammonia decomposition rate was higher than 55%.

アンモニア分解率を25%より低下すると、火炎長が過大に伸び、火炎は不安定となった。試験時の条件では、分解率9%で失火した。
よって、アンモニア分解率を過度に低下する(アンモニア専燃に近づける)と、火炎を維持できず、失火することとなる。
When the ammonia decomposition rate was lowered below 25%, the flame length became excessively extended and the flame became unstable. Under the conditions at the time of the test, a misfire occurred with a decomposition rate of 9%.
Therefore, if the ammonia decomposition rate is excessively lowered (approaching ammonia-only combustion), the flame cannot be maintained and a misfire will occur.

燃焼性の低いアンモニアに、その一部を分解して燃焼性の高い水素とし、生成される混合気を燃料ガスとして火炎を形成して燃焼を維持しようとする場合、アンモニア分解率(水素・アンモニア混合比)に、火炎の安定性からの限界(下限)と、NOx発生に関わる限界(上限)が存在する。 Ammonia decomposition rate (hydrogen / ammonia) when a part of ammonia with low flammability is decomposed into highly flammable hydrogen and the generated air-fuel mixture is used as fuel gas to form a flame to maintain combustion. The mixing ratio) has a limit (lower limit) from the stability of the flame and a limit (upper limit) related to the generation of NOx.

そこで、本発明のアンモニア燃焼器11では、前者の限界を「第1混合比」として、後者の限界を「第2混合比」として設けている。 Therefore, in the ammonia combustor 11 of the present invention, the former limit is set as the "first mixing ratio" and the latter limit is set as the "second mixing ratio".

図4、図5において縦破線を二本記載しているが、アンモニア分解率が25%の位置に記している長破線が、本発明における第1混合比の一例である。一方、アンモニア分解率が55%の位置に記載している短破線が、本発明における第2混合比の一例である。
この第1混合比及び第2混合比が本発明に係るアンモニア燃焼装置の燃焼制御の基準となる。
Although two vertical broken lines are shown in FIGS. 4 and 5, the long broken line shown at the position where the ammonia decomposition rate is 25% is an example of the first mixing ratio in the present invention. On the other hand, the short broken line shown at the position where the ammonia decomposition rate is 55% is an example of the second mixing ratio in the present invention.
The first mixing ratio and the second mixing ratio serve as a reference for combustion control of the ammonia combustion apparatus according to the present invention.

第1混合比は、燃焼室11aに供給される燃料ガスに関し、当該燃料ガスの水素・アンモニア混合比がこの第1混合比より低下した場合に、燃焼室11aでの燃焼に関し、燃焼性が悪化する確率が上昇する水素低比率側混合比である。 Regarding the fuel gas supplied to the combustion chamber 11a, the first mixing ratio deteriorates the combustibility with respect to the combustion in the combustion chamber 11a when the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas is lower than this first mixing ratio. It is a mixed ratio on the low hydrogen ratio side that increases the probability of

第2混合比は、燃焼室11aに供給される燃料ガスに関し、当該燃料ガスの水素・アンモニア混合比がこの第2混合比より上昇した場合に、燃焼室11aで発生するノックスの量が過大となる水素高比率側混合比である。 Regarding the fuel gas supplied to the combustion chamber 11a, the second mixing ratio is that the amount of knocks generated in the combustion chamber 11a is excessive when the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas is higher than this second mixing ratio. This is the mixing ratio on the high hydrogen ratio side.

これまで説明したように、本発明のアンモニア燃焼装置10の制御器14には、第1制御手段14b、第2制御手段14cを備えて構成するが、その機能は、燃焼器11(燃焼室(11a))に供給する燃料ガスの水素・アンモニア混合比を所定の範囲内に収める(第1混合比以上、第2混合比以下)ことにある。
さらに詳細には、本発明に係るアンモニア分解器12では、その分解室12aの温度に従って、この水素・アンモニア混合比が事実上支配されるため、制御器14は実質的には分解室温度を所定の範囲内に制御する働きをする。
従って、制御器14は、アンモニア燃料電池システム100全体の運転状態を監視し、分解室12aに供給する燃料ガスの水素・アンモニア混合比を適正な範囲とするように、アンモニア分解器12の温度を決定し制御するが、この決定段階で、第1混合比、第2混合比といった下限・上限を超える可能性が発生する場合に、上記の第1制御手段14b、第2制御手段14cは、実質的には制限手段として働くこととなる。
As described above, the controller 14 of the ammonia combustion device 10 of the present invention includes the first control means 14b and the second control means 14c, and the function thereof is the combustor 11 (combustion chamber (combustion chamber (combustion chamber)). The hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to 11a)) is kept within a predetermined range (first mixing ratio or more, second mixing ratio or less).
More specifically, in the ammonia decomposer 12 according to the present invention, the hydrogen / ammonia mixing ratio is substantially controlled according to the temperature of the decomposition chamber 12a, so that the controller 14 substantially determines the decomposition chamber temperature. It works to control within the range of.
Therefore, the controller 14 monitors the operating state of the entire ammonia fuel cell system 100, and adjusts the temperature of the ammonia cracker 12 so that the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to the decomposition chamber 12a is within an appropriate range. It is determined and controlled, but when there is a possibility that the lower and upper limits such as the first mixing ratio and the second mixing ratio are exceeded at this determination stage, the first control means 14b and the second control means 14c are substantially the same. It will work as a limiting means.

以上が本発明に係るアンモニア燃焼装置10の説明である。
以下、アンモニア燃料電池システム100に関して説明する。
The above is the description of the ammonia combustion apparatus 10 according to the present invention.
Hereinafter, the ammonia fuel cell system 100 will be described.

〔アンモニア燃料電池システム〕
図1からも明らかなように、アンモニア燃料電池システム100は、アンモニアを燃料として発電する燃料電池101と、これまで説明してきたアンモニア燃焼装置10とを備えて構成されている。
使用する燃料電池101としては、固体酸化物形燃料電池(図1には SOFCと記載)が代表的であり、同じくアンモニアを直接燃料とする燃料電池101としてアニオン交換膜形燃料電池(図1には AEMFCと記載)も採用できる。
[Ammonia fuel cell system]
As is clear from FIG. 1, the ammonia fuel cell system 100 includes a fuel cell 101 that generates electricity using ammonia as fuel, and an ammonia combustion device 10 described above.
A typical fuel cell 101 to be used is a solid oxide fuel cell (described as SOFC in FIG. 1), and an anion exchange membrane fuel cell (shown in FIG. 1) as a fuel cell 101 that directly uses ammonia as a fuel. Is described as AEMFC) can also be adopted.

先にも示したように、アンモニア燃料電池システム100では燃料電池101からの排ガスが排出される。そこで、この排ガスの水素・アンモニア混合比を検出して確認する検出器15を備えており、水素・アンモニア混合比確認手段として働かせる。そして、この検出器15により確認された水素・アンモニア混合比に基づいて、燃焼室11a内における水素・アンモニア混合比を所定の混合比にするようにアンモニア分解器12を働かせる。結果、このアンモニア燃料電池システム100では、燃焼室11aに供給される燃料ガスに関して、その水素・アンモニア混合比を適切に制御できる。 As shown above, in the ammonia fuel cell system 100, the exhaust gas from the fuel cell 101 is discharged. Therefore, a detector 15 for detecting and confirming the hydrogen / ammonia mixing ratio of the exhaust gas is provided and works as a means for confirming the hydrogen / ammonia mixing ratio. Then, based on the hydrogen / ammonia mixing ratio confirmed by the detector 15, the ammonia cracker 12 is operated so as to make the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber 11a a predetermined mixing ratio. As a result, in the ammonia fuel cell system 100, the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to the combustion chamber 11a can be appropriately controlled.

〔別実施形態〕
(1)これまで説明してきたアンモニア燃焼装置10には、アンモニア分解器12を備えて、このアンモニア分解器12に於ける分解率を変化させて、燃焼室11aに供給される燃料ガスの水素・アンモニア混合比を、本発明が目的とする混合比の範囲に調整する構成とした。この構成は、アンモニア燃焼装置10及びこの装置10を備えたアンモニア燃料電池システム100がアンモニアのみを原燃料ガスとして働くためである。
しかしながら、アンモニアのみならず、水素も別途供給可能な構成にあっては、アンモニア分解器12が必ずしも必要な訳ではない。
即ち、燃焼室11aに目標とする水素・アンモニア混合比で両ガスを供給できればよい。よって、燃焼室11aに供給する水素・アンモニア混合比を調整する機構を、総称して水素・アンモニア混合比調整手段と呼ぶ。後者の水素及びアンモニアを独立に供給できる系では、水素供給系統及びアンモニア供給系統にそれぞれ設けられるマスフローコントローラMFCがこの役割を果たす。
[Another Embodiment]
(1) The ammonia combustion device 10 described so far is provided with an ammonia decomposition device 12, and the decomposition rate in the ammonia decomposition device 12 is changed to change the hydrogen of the fuel gas supplied to the combustion chamber 11a. The ammonia mixing ratio is adjusted to the range of the mixing ratio intended by the present invention. This configuration is because the ammonia combustion device 10 and the ammonia fuel cell system 100 provided with the device 10 work only with ammonia as a raw material fuel gas.
However, the ammonia decomposer 12 is not always necessary in a configuration in which not only ammonia but also hydrogen can be supplied separately.
That is, it suffices if both gases can be supplied to the combustion chamber 11a at the target hydrogen / ammonia mixing ratio. Therefore, the mechanism for adjusting the hydrogen / ammonia mixing ratio supplied to the combustion chamber 11a is collectively referred to as the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means. In the latter system capable of independently supplying hydrogen and ammonia, the mass flow controller MFC provided in the hydrogen supply system and the ammonia supply system, respectively, plays this role.

あるいは、原燃料ガスをアンモニアのみとする場合は、アンモニアをそのまま供給する系統と、アンモニアを分解して供給する系統とを別個に設けておき、両系統からの供給量を適切に調整することで、水素・アンモニア混合比調整手段を構成することもできる(図7参照)。
(2)上記の実施形態においては、アンモニア燃焼装置10の基準指標として、第1混合比及び第2混合比の両方を制御する例を示したが、アンモニア燃焼装置10の下手側に別途、窒素酸化物処理装置(図外)を装備する場合は、第1混合比のみを制御指標とする構成を採用してもよい。
Alternatively, if the raw material fuel gas is only ammonia, a system that supplies ammonia as it is and a system that decomposes and supplies ammonia are provided separately, and the amount of supply from both systems can be adjusted appropriately. , Hydrogen / ammonia mixed ratio adjusting means can also be configured (see FIG. 7).
(2) In the above embodiment, an example of controlling both the first mixing ratio and the second mixing ratio is shown as a reference index of the ammonia combustion device 10, but nitrogen is separately placed on the lower side of the ammonia combustion device 10. When an oxide treatment apparatus (not shown) is equipped, a configuration in which only the first mixing ratio is used as a control index may be adopted.

(3)以上の実施形態においては、基本的に、水素とアンモニアを混焼するという意味から、水素・アンモニア混合比を基準指標とする例に関して説明したが、混焼状態を代表できる指標であれば、燃料ガスにおける水素濃度とアンモニア濃度との組み合わせを基準指標とすることもできるし、当然、アンモニア分解率を基準指標とすることもできる。 (3) In the above embodiments, an example in which the hydrogen / ammonia mixed ratio is used as a reference index has been described basically from the meaning of co-firing hydrogen and ammonia, but any index that can represent the co-firing state has been described. The combination of the hydrogen concentration and the ammonia concentration in the fuel gas can be used as a reference index, and of course, the ammonia decomposition rate can be used as a reference index.

(4)これまで説明してきたアンモニア燃料電池システムでは、アンモニアを直接燃料とする燃料電池(SOFC、AEMFC)を使用する例を示してが、アンモニア分解器12を備える場合は、水素を燃料ガスとして燃料電池に供給できるため、通常の水素を供給されて発電する燃料電池も採用することができる。ただし、このシステムでは、アンモニアを水素源とするため、未分解のまま燃料電池10に供給され、燃料電池10をスルーしてくるアンモニアが残存することとなりやすい。特に始動時、停止時等の低温時にはこの傾向が高まる。そこで、本発明に係るアンモニア燃焼装置10を燃料電池101とともに備えることが有効となる。 (4) In the ammonia fuel cell system described so far, an example of using a fuel cell (SOFC, AEMFC) that directly uses ammonia as fuel is shown, but when the ammonia decomposer 12 is provided, hydrogen is used as a fuel gas. Since it can be supplied to a fuel cell, a fuel cell that is supplied with ordinary hydrogen to generate power can also be adopted. However, in this system, since ammonia is used as a hydrogen source, ammonia that is supplied to the fuel cell 10 in an undecomposed state and passes through the fuel cell 10 tends to remain. This tendency is particularly high at low temperatures such as when starting and stopping. Therefore, it is effective to provide the ammonia combustion device 10 according to the present invention together with the fuel cell 101.

(5)先に説明したアンモニア燃料電池システム100では、燃料電池101から排出される排ガスの水素・アンモニア混合比を検出して確認する検出器15を設けるものとしたが、燃料電池101の運転条件に排出される排ガスの組成は支配されるとともに、従来、この組成情報は既知である。そこで、検出器15を設ける代わりに、データベースから燃料電池101の運転条件に従って排ガスの水素・アンモニア混合比を推定する水素アンモニア混合比推定手段(図外)を、制御器14内に設けておいてもよい。
そこで、検出器15、水素アンモニア混合比推定手段を纏めて水素・アンモニア混合比確認手段と称する。
(5) In the ammonia fuel cell system 100 described above, a detector 15 for detecting and confirming the hydrogen / ammonia mixing ratio of the exhaust gas discharged from the fuel cell 101 is provided, but the operating conditions of the fuel cell 101 are provided. The composition of the exhaust gas emitted to the fuel cell is controlled, and this composition information is conventionally known. Therefore, instead of providing the detector 15, a hydrogen-ammonia mixing ratio estimating means (not shown) for estimating the hydrogen-ammonia mixing ratio of the exhaust gas according to the operating conditions of the fuel cell 101 from the database is provided in the controller 14. May be good.
Therefore, the detector 15 and the hydrogen-ammonia mixed ratio estimating means are collectively referred to as a hydrogen / ammonia mixed ratio checking means.

10 アンモニア燃焼装置
11 燃焼器
11a 燃焼室
11b 燃焼用バーナ
11c 燃焼排ガス路
11d 着火ヒータ
12 アンモニア分解器(アンモニア分解手段、水素・アンモニア混合比調整手段)
13 空気予熱器
14 制御器(制御手段)
14a 記憶手段
14b 第1制御手段
14c 第2制御手段
15 検出器(水素・アンモニア混合比確認手段)
100 アンモニア燃料電池システム
101 燃料電池
SOFC 固体酸化物形燃料電池(燃料電池)
AEMFC アニオン交換膜形燃料電池(燃料電池)
10 Ammonia combustion device 11 Combustor 11a Combustion chamber 11b Combustion burner 11c Combustion exhaust gas path 11d Ignition heater 12 Ammonia decomposition device (ammonia decomposition means, hydrogen / ammonia mixture ratio adjusting means)
13 Air preheater 14 Controller (control means)
14a Storage means 14b First control means 14c Second control means 15 Detector (hydrogen / ammonia mixed ratio confirmation means)
100 Ammonia fuel cell system 101 Fuel cell SOFC Solid oxide fuel cell (fuel cell)
AEMFC anion exchange membrane fuel cell (fuel cell)

Claims (11)

燃焼室を備え、前記燃焼室に少なくともアンモニアを含む燃料ガスが供給されて燃焼するアンモニア燃焼装置であって、
前記燃焼室における、前記アンモニアに対する水素の混合比である水素・アンモニア混合比を調整する水素・アンモニア混合比調整手段を備え、前記水素・アンモニア混合比調整手段を働かせて、前記燃焼室に於ける水素・アンモニア混合比を第1混合比以上に制御する第1制御手段を備えたアンモニア燃焼装置。
An ammonia combustion device provided with a combustion chamber, in which a fuel gas containing at least ammonia is supplied to the combustion chamber to burn the combustion chamber.
A hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means for adjusting the hydrogen / ammonia mixing ratio, which is the mixing ratio of hydrogen to the ammonia in the combustion chamber, is provided, and the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means is activated in the combustion chamber. An ammonia combustion device provided with a first control means for controlling the hydrogen / ammonia mixing ratio to be equal to or higher than the first mixing ratio.
前記第1混合比が、前記燃焼室に供給される燃料ガスに関し、当該燃料ガスの前記水素・アンモニア混合比が前記第1混合比より低下した場合に、燃焼室での燃焼に関し、燃焼性が悪化する確率が上昇する水素低比率側混合比である請求項1記載のアンモニア燃焼装置。 When the first mixing ratio is lower than the first mixing ratio of the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas for the fuel gas supplied to the combustion chamber, the combustibility is improved with respect to the combustion in the combustion chamber. The ammonia combustion apparatus according to claim 1, wherein the hydrogen low ratio side mixing ratio increases the probability of deterioration. 原燃料ガスであるアンモニアが供給されるとともに、当該原燃料ガスの少なくとも一部を分解するアンモニア分解手段を備え、前記アンモニア分解手段で前記原燃料ガスの少なくとも一部が分解された燃料ガスが前記燃焼室に供給される構成で、当該アンモニア分解手段が前記水素・アンモニア混合比調整手段として働く請求項1又は2記載のアンモニア燃焼装置。 Ammonia, which is a raw material fuel gas, is supplied, and an ammonia decomposition means for decomposing at least a part of the raw material fuel gas is provided. The ammonia combustion apparatus according to claim 1 or 2, wherein the ammonia decomposition means acts as the hydrogen / ammonia mixed ratio adjusting means in a configuration supplied to the combustion chamber. 前記アンモニア分解手段が室内温度を制御可能に構成されたアンモニア分解室を備え、
前記アンモニア分解室の室内温度を制御して、前記燃焼室に供給される燃料ガスの水素・アンモニア混合比を制御して、前記水素・アンモニア混合比調整手段として働く請求項3記載のアンモニア燃焼装置。
The ammonia decomposition means is provided with an ammonia decomposition chamber configured so that the room temperature can be controlled.
The ammonia combustion apparatus according to claim 3, wherein the room temperature of the ammonia decomposition chamber is controlled to control the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas supplied to the combustion chamber to act as the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means. ..
前記アンモニア分解室にアンモニア分解触媒を備える請求項4記載のアンモニア燃焼装置。 The ammonia combustion apparatus according to claim 4, wherein the ammonia decomposition chamber is provided with an ammonia decomposition catalyst. 前記アンモニア分解触媒が、活性成分としてルテニウム(Ru)を含む分解触媒である請求項5記載のアンモニア燃焼装置。 The ammonia combustion apparatus according to claim 5, wherein the ammonia decomposition catalyst is a decomposition catalyst containing ruthenium (Ru) as an active ingredient. 前記水素・アンモニア混合比調整手段を働かせて、前記燃焼室に於ける水素・アンモニア混合比を、前記第1混合比より高い第2混合比以下に制御する第2制御手段を備えた請求項1〜6の何れか一項記載のアンモニア燃焼装置。 Claim 1 provided with a second control means for controlling the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber to be higher than the first mixing ratio and equal to or lower than the second mixing ratio by operating the hydrogen / ammonia mixing ratio adjusting means. The ammonia combustion apparatus according to any one of 1 to 6. 前記第2混合比が、前記燃焼室に供給される燃料ガスに関し、当該燃料ガスの前記水素・アンモニア混合比が前記第2混合比より上昇した場合に、燃焼室で発生するノックスの量が過大となる水素高比率側混合比である請求項7記載のアンモニア燃焼装置。 With respect to the fuel gas supplied to the combustion chamber, the amount of knocks generated in the combustion chamber is excessive when the hydrogen / ammonia mixing ratio of the fuel gas is higher than the second mixing ratio. The ammonia combustion apparatus according to claim 7, which is a mixing ratio on the high hydrogen ratio side. 前記アンモニア分解手段により前記原燃料ガスの少なくとも一部が分解された燃料ガスが前記燃焼室に供給されるとともに、当該燃焼室に別途、水素・アンモニア混合気が供給される構成で、
前記別途供給される水素・アンモニア混合気の水素・アンモニア混合比を推定若しくは検出して確認する水素・アンモニア混合比確認手段を備え、
前記アンモニア分解手段が、前記水素・アンモニア混合比確認手段により確認された水素・アンモニア混合比に基づいて、前記燃焼室内における水素・アンモニア混合比を所定の混合比にするように働く請求項3〜5の何れか一項記載のアンモニア燃焼装置。
A fuel gas obtained by decomposing at least a part of the raw material fuel gas by the ammonia decomposition means is supplied to the combustion chamber, and a hydrogen / ammonia mixture is separately supplied to the combustion chamber.
A hydrogen / ammonia mixing ratio confirmation means for estimating or detecting and confirming the hydrogen / ammonia mixing ratio of the separately supplied hydrogen / ammonia mixture is provided.
Claims 3 to 3 in which the ammonia decomposition means works to make the hydrogen / ammonia mixing ratio in the combustion chamber a predetermined mixing ratio based on the hydrogen / ammonia mixing ratio confirmed by the hydrogen / ammonia mixing ratio checking means. 5. The ammonia combustion apparatus according to any one of 5.
アンモニアを燃料として発電する燃料電池と、
請求項1〜9の何れか一項に記載のアンモニア燃焼装置とを備えて構成され、
前記燃料電池から排出される排ガスを前記燃焼室に受入れて、当該排ガス内に含まれる少なくともアンモニアを燃焼処理するアンモニア燃料電池システム。
A fuel cell that uses ammonia as fuel to generate electricity,
It is configured to include the ammonia combustion apparatus according to any one of claims 1 to 9.
An ammonia fuel cell system that receives exhaust gas discharged from the fuel cell into the combustion chamber and burns at least ammonia contained in the exhaust gas.
アンモニアを燃料として発電する燃料電池と、
請求項3〜6の何れか一項記載のアンモニア燃焼装置とを備えて構成され、
前記アンモニア分解手段により前記原燃料ガスの少なくとも一部が分解された燃料ガスが前記燃料電池に供給されて働く構成で、
前記燃料電池から排出される排ガスを前記燃焼室に受入れて、当該排ガス内に含まれる少なくともアンモニアを燃焼処理する請求項7記載のアンモニア燃料電池システム。

A fuel cell that uses ammonia as fuel to generate electricity,
It is configured to include the ammonia combustion apparatus according to any one of claims 3 to 6.
A configuration in which a fuel gas obtained by decomposing at least a part of the raw material fuel gas by the ammonia decomposition means is supplied to the fuel cell to work.
The ammonia fuel cell system according to claim 7, wherein the exhaust gas discharged from the fuel cell is received in the combustion chamber, and at least ammonia contained in the exhaust gas is burned.

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