JP4045196B2 - 触媒燃焼式バーナおよび燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、灯油等の液体燃料を改質して水素を含む改質ガスを得るための改質器に好適に用いることのできるバーナに関し、特には外熱式改質器用に好適な、液体燃料を燃焼させるための触媒燃焼式バーナに関する。本発明はまた、このようなバーナを有する改質器を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、灯油等の液体燃料を燃焼させるための液体燃料用バーナがあるが、その多くは窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を排出し、場合によってはその発生が無視し得ず、別途ＮＯｘ処理装置が設けられることもある。
【０００３】
一方、近年開発が盛んな燃料電池システムは、従来の発電システムに比べて極めてクリーンであることが利点の一つとされる。灯油等の液体燃料を利用する燃料電池システムにおいては、液体燃料を改質して水素を含有する改質ガスとし、改質ガスを燃料電池に供給して発電を行う。この改質のために改質器が用いられるが、改質器の一形態として、改質触媒を内蔵する反応管を外側から加熱することによって、反応管内部で起きる改質反応に必要な熱を供給する、外部加熱式あるいは外熱式の改質器がある。この外側からの加熱のために、液体燃料を燃焼させるバーナが用いられる。
【０００４】
燃料電池システムの改質器に、従来の液体燃料用バーナを用いると、バーナから排出されるＮＯｘが、最終的に燃料電池システムから排出され、燃料電池システムのクリーンさにおける優位性が損なわれかねない。別途ＮＯｘ処理装置を設けることは、燃料電池システムのコンパクトさを阻害する要因ともなりかねず、トータルコストを押し上げる要因ともなりかねない。
【０００５】
特許文献１には、ＮＯｘ発生量の少ない触媒燃焼式のバーナが記載される。具体的には、バーナ本体内部に燃焼触媒を備えると共に、該燃焼触媒の上流側に燃料を供給する燃料供給ノズルを備え、前記燃料供給ノズルから燃料を供給すると共に燃焼触媒の上流側から予熱空気を供給し、該予熱空気と燃料とを混合して、該混合気の一部を前記燃焼触媒で燃焼させ、前記燃焼触媒下流のバーナ本体先端部の火炎燃焼部にて、未燃の混合気を自立的に火炎燃焼させる触媒燃焼式バーナにおいて、前記バーナ本体内部の燃焼触媒の直下流位置に保炎器を配設すると共に、該保炎器下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に火炎燃焼させるための着火装置を設けたことを特徴とする触媒燃焼式バーナが示される。この技術は、触媒に供給される混合気がある濃度以下の場合（希薄濃度領域）や低温度の場合（低温度領域）においても、触媒燃焼部の下流の安定した位置に安定した拡散燃焼、火炎燃焼が起こるようにして、燃焼性、燃焼効率の向上を図ることを目的としている。
【０００６】
このバーナは着火性、火炎の安定性、燃焼効率等に優れ、ボイラなどの用途に好適に用いられる。しかし、改質器、特には燃料電池システムに備えられる外熱式改質器において反応に必要な熱を与えるためのバーナとしては未だ改善の余地があった。すなわち、水蒸気改質反応は激しい吸熱を伴い、局所的な温度低下を招きやすく、改質反応が起きる触媒層の温度は、得られる改質ガスの組成に大きく影響する。そして、改質ガスの組成は燃料電池の電圧に影響する。さらに燃料電池システムは定格運転に対してかなり低い部分負荷運転が要求されることや、迅速な負荷変動追従性が要求されることがある。燃料電池システムを様々な状況下で安定して運転するには、ボイラ等に用いる場合に比べ、バーナにも一層の燃焼安定性が要求される。このような点で、上記文献記載のバーナにも未だ改善の余地があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−７４３１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、改質器の加熱手段として好適なＮＯｘ発生量の少ない触媒燃焼式のバーナを提供すること、燃焼安定性に優れる触媒燃焼式のバーナを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明はまた、および排出ＮＯｘの少ない燃料電池システムを提供すること、運転の安定性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明により、バーナ本体内部に燃焼触媒を備えると共に、該燃焼触媒の上流側に液体燃料を供給する燃料供給ノズルを備え、前記燃料供給ノズルから燃焼用燃料を供給すると共に燃焼触媒の上流側から燃焼用酸素含有ガスを供給し、該燃焼用酸素含有ガスと燃焼用燃料とを混合して混合気とし、該混合気の一部を前記燃焼触媒で燃焼させ、前記燃焼触媒下流にて、未燃の混合気を自立的に火炎燃焼させる触媒燃焼式バーナにおいて、
バーナ本体の内部に、かつ、前記燃料供給ノズルの下流かつ燃焼触媒の上流に、燃料の蒸発と前記混合を促進するための、ヒータが設けられた筒状部材を有する蒸発混合筒を備え、
前記バーナ本体内部の燃焼触媒の直下流位置に保炎器が配設されるとともに、
該保炎器下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に燃焼させるための着火装置と該着火装置の所定時間作動後に着火確認および燃焼継続の確認を行う火炎検出器と、該火炎検出器により火炎が検出されないときに警報を発する警報装置とを備えた第１燃焼部と、
該第１燃焼部の保炎器外周から間隔を有したまま上方まで覆った燃焼筒と、燃料電池の燃料極オフガスを噴出させる燃料極オフガス供給用ノズルとを有し、第１燃焼部の燃焼ガスで該燃料極オフガスを燃焼させる第２燃焼部とを有すること
を特徴とする触媒燃焼式バーナが提供される。
【００１１】
本発明により、液体燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
該改質器が改質反応用の熱を供給するためのバーナを備え、
該バーナは、バーナ本体内部に燃焼触媒を備えると共に、該燃焼触媒の上流側に液体燃料を供給する燃料供給ノズルを備え、前記燃料供給ノズルから燃料を供給すると共に燃焼触媒の上流側から燃焼用酸素含有ガスを供給し、該燃焼用酸素含有ガスと燃料とを混合して混合気とし、該混合気の一部を前記燃焼触媒で燃焼させ、前記燃焼触媒下流にて、未燃の混合気を自立的に火炎燃焼させる触媒燃焼式バーナであって、バーナ本体の内部に、かつ、前記燃料供給ノズルの下流かつ燃焼触媒の上流に、燃料の蒸発と前記混合を促進するための、ヒータが設けられた筒状部材を有する蒸発混合筒を備え、前記バーナ本体内部の燃焼触媒の直下流位置に保炎器が配設されるとともに、該保炎器下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に燃焼させるための着火装置と該着火装置の所定時間作動後に着火確認および燃焼継続の確認を行う火炎検出器と、該火炎検出器により火炎が検出されないときに警報を発する警報装置とを備えた第１燃焼部と、該第１燃焼部の保炎器外周から間隔を有したまま上方まで覆った燃焼筒と、燃料電池の燃料極オフガスを噴出させる燃料極オフガス供給用ノズルとを有し、第１燃焼部の燃焼ガスで該燃料極オフガスを燃焼させる第２燃焼部とを有する触媒燃焼式バーナである
ことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１２】
この燃料電池システムにおいて、前記燃焼用酸素含有ガスの全部あるいは一部が、燃料電池の空気極から排出される空気極オフガスであることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔バーナ〕
本発明のバーナにおいて、燃焼触媒は、触媒活性が発現される温度となるまで、ヒータによって加熱される蒸発混合筒により加熱された混合気によって加熱される。供給される燃焼用酸素含有ガスが予熱されていてもよい。蒸発混合筒は、好ましくは、燃焼用酸素含有ガスの流れと平行になるよう配置された筒状部材と燃焼用酸素含有ガスの流れに垂直になるよう配置された邪魔板と筒状部材に密着するよう取り付けられたヒータを有する。邪魔板の形状としては、オリフィス板、パンチングプレート等があげられる。邪魔板を多数設けると混合気の均一性は向上するものの圧力損失が大きくなるため、邪魔板の数は２から３枚程度が望ましい。ヒータは筒状部材の外周面、内周面あるいは筒状部材断面内部に挿入する等いずれの方法でもよいが、筒状部材全体が均一に加熱できる位置に密着して取り付けられることが好ましい。燃料供給ノズルから燃焼用燃料が噴射供給されると、燃焼用燃料は、蒸発混合筒内で気化しながら酸素含有ガスと混合される。このようにして形成された燃料と酸素含有ガスの混合気の一部は燃焼触媒上で燃焼される。
【００１４】
燃焼用酸素含有ガスとしては、燃焼用燃料を燃焼させることのできる酸素含有ガスを適宜用いることができ、入手容易性の観点から空気が好ましく用いられるが、本発明のバーナを用いると、空気より酸素濃度の低いガスでも良好に燃焼可能である燃焼触媒の特性から、酸素が一部消費された燃料電池の空気極オフガスを燃焼用酸素含有ガスとして用いることができる。酸素濃度の低いガスを燃焼用酸素含有ガスとして用いることにより、燃焼触媒下流での火炎燃焼が緩慢になりＮＯｘの生成が抑制される。また、燃焼排ガス中の残存酸素濃度も低減されるため、酸素濃度０％換算時のＮＯｘ濃度が低下する。また、空気の供給量を減らすことができるため送風機の消費する電力を抑えることも可能となる。以上の観点から、燃料電池システムにおいては、燃料電池の空気極から排出される空気極オフガスを燃焼用酸素含有ガスの少なくとも一部に用いることが好ましい。
【００１５】
燃焼用燃料としては、０．１ＭＰａ、２５℃で液体である炭化水素系の液体燃料、例えば、ガソリン、ナフサ、灯油、Ａ重油等の石油系燃料、メタノール等のアルコールなどを用いることができる。また、０．１ＭＰａ、２５℃で気体である炭化水素系の気体燃料、例えば、メタン、プロパン、天然ガス、液化石油ガス等を用いることもできる。燃料電池システムで用いられる燃料を、燃焼用燃料としても用いることが、システムの簡素さの観点から、好ましい。なお、燃焼用燃料が気体燃料である場合、燃料供給ノズルから噴射供給された燃料用燃料は、改めて気化することはなく、単に予熱された酸素含有ガスと混合される。
【００１６】
触媒燃焼の燃焼温度は、燃焼触媒の耐性の観点から、９５０℃以下とすることが好ましい。
【００１７】
燃焼触媒にて燃焼されなかった残りの混合気全ては、保炎器下流にて着火装置にて着火されて火炎燃焼される。保炎器は燃焼触媒の直下流、好ましくは、触媒の下流側端から０ｍｍ以上１００ｍｍ以下離れた位置に設置される。
【００１８】
着火装置は、バーナ起動時に所定時間作動する。着火装置の作動時間は適宜決めることができるが、例えば４秒から３０秒程度に設定される。火炎検出器は、着火装置の作動終了後に着火確認を行う。さらにその後も燃焼が継続していることを確認し続ける。火炎検出器により火炎が検出されないときには警報装置が作動する。警報装置としては、例えば、アラームやランプが挙げられる。警報装置が作動しなければ、バーナの運転を継続し、警報装置が作動すれば、運転を停止させることができる。アラームを受けて自動的に燃焼を遮断する燃料遮断弁を設けることができる。
【００１９】
第１燃焼部は、蒸発混合筒、ヒータ、上記燃焼触媒、保炎器、着火装置、火炎検出器、警報装置およびバーナ本体を含む。第１燃焼部に他の要素が付設されても良い。
【００２０】
第１燃焼部では、触媒燃焼も含めて燃焼空気比を１．５〜２．５として燃焼を行うことができる。このバーナを備えた改質器を有する燃料電池システムの効率を考慮した場合、上記範囲の燃料空気比が好ましい。また、第２燃焼部でも燃焼を行うため、第１燃焼部から排出される燃焼ガス中の残存酸素濃度を８％以上とすることが好ましい。
【００２１】
本発明のバーナは、さらに、第１燃焼部の保炎器外周から間隔を有して上方まで覆った燃焼筒と、燃料電池の燃料極オフガスを噴出させる燃料極オフガス供給用ノズルを備えた第２燃焼部を有する。第２燃焼部では、第１燃焼部の燃焼ガス（酸素が含まれる）で燃料極オフガスを燃焼させる。第２燃焼部は、第１燃焼部の燃焼で常に加熱されるように第１燃焼部の火炎が届く程度の近傍に配置されることが好ましい。燃料極オフガス供給用ノズルは、燃料極オフガスの燃焼による火炎が偏らないよう、噴口の配置パターンが燃焼筒全周にわたって均等になることが望ましい。燃焼筒は第１燃焼部の火炎に触れないよう、保炎筒より大きな直径の筒状部材で、保炎器の下流側端より上流位置から燃料極オフガス供給ノズルの下流まで覆うことが好ましい。燃焼筒は、本バーナにより加熱される改質器の炉内壁を兼ねることも可能である。
【００２２】
第２燃焼部では、燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスの全量を燃焼させることができる。
【００２３】
本発明のバーナにおいては、着火装置によって燃焼触媒下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に火炎燃焼させるため、触媒に供給される混合気がある濃度以下の場合（希薄濃度域）や低温度の場合（低温度領域）においても、触媒燃焼部の下流にて安定した火炎燃焼が起こり、燃焼性、燃焼効率の向上を図ることができ、しかも、保炎器を設けたことによって、火炎位置の安定化を図ることができる。さらに、この火炎が不安定になる要因があったとしても、第２燃焼部で燃料極オフガスが燃焼しているため、その熱によって第１燃焼部の火炎がより安定化される。また、燃料極オフガスの熱量が低くても、第１燃焼部の火炎によって、燃料極オフガスが安定して燃焼できる。つまり、第１燃焼部の触媒燃焼および火炎燃焼ならびに第２燃焼部の火炎燃焼の三者が補いあって、全体として燃焼の安定化が図られる。かつ、燃料極オフガスの有効利用も図られる。
【００２４】
本発明のバーナにおいては、触媒燃焼で燃料の一部が燃焼するため、触媒下流の火炎燃焼での燃料濃度が低下しプロンプトＮＯｘの生成が抑制される。また、触媒燃焼で酸素も消費されるため、触媒下流での燃焼反応が緩慢になり局所高温が消失してサーマルＮＯｘの生成も抑制される。さらに、水素を含む燃料極オフガスの燃焼により、第１燃焼部から排出される燃焼ガスの酸素が消費されるため、バーナから排出される排気ガス中ＮＯｘ濃度の酸素濃度０％換算値が低下する。これらの効果が相まってバーナからのＮＯｘ排出が減少する。
【００２５】
〔燃料電池システム〕
本発明の燃料電池システムは、液体燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、この改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する。改質器は前述のバーナを備える改質器である。燃料電池システムは、さらに燃料電池システムの構成要素として公知の機器を備えることができる。例えば、液体燃料中の硫黄含有量を低減する脱硫器、シフト反応によって改質ガス中のＣＯを水素に転換するシフト反応器、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化することによってＣＯ濃度を低下させるＣＯ選択酸化反応器、などを燃料極ガス供給ラインに設けることができる。
【００２６】
また、空気極に空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統など、燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。
【００２７】
〔改質用液体燃料〕
改質の対象となる液体燃料としては、０．１ＭＰａ、２５℃で液体である炭化水素系の液体燃料、例えば、ガソリン、ナフサ、灯油等の石油系燃料、メタノール等のアルコールなどを用いることができる。
【００２８】
〔改質装置〕
本発明の燃料電池システムは、改質反応用の熱を供給するためのバーナを備える、いわゆる外熱式改質器を有する。
【００２９】
改質器は燃料と水を反応させる装置である。この装置で液体燃料は主に一酸化炭素と水素に分解され、これらを含む改質ガスが得られる。また、通常、二酸化炭素およびメタンも改質ガス中に含有される。改質反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応などを挙げることができる。
【００３０】
水蒸気改質反応とは水蒸気と改質用燃料を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。このため、バーナー等、燃料を燃焼させる燃焼手段を改質装置に設け、燃焼熱により、改質反応が進行する領域を外部から加熱する。例えば、改質反応管に改質触媒を充填して形成した改質触媒層に、改質用燃料とスチームを供給し、改質反応管の外部から改質触媒層を加熱することができる。
【００３１】
自己熱改質反応とは、改質用燃料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。水蒸気改質反応の吸熱と酸化反応の発熱のバランスがとれている場合には、外部から加熱する必要はないが、発熱より吸熱の方が大きい場合には、外部から改質反応が進行する領域を加熱する必要がある。
【００３２】
このように、改質に必要な熱を供給するために、燃料を燃焼させる燃焼手段を有する外部加熱式の改質装置が従来から知られているが、本発明では、燃焼手段として前述のバーナを備えた外部加熱式の改質装置を用いる。外部加熱式の改質装置は、改質のための領域とは独立した燃焼領域を有する。
【００３３】
〔改質反応〕
水蒸気改質反応は、通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、改質用燃料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは０．５〜１０、より好ましくは１〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。この時の液空間速度（ＬＨＳＶ）は改質用燃料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ-1の範囲で設定される。
【００３４】
自己熱改質反応の場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３とされる。
【００３５】
自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量、熱ロスなどを考慮し、外部加熱による加熱量と関係において適宜酸素添加量は決定される。その量は、原料炭化水素燃料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．０５〜１、より好ましくは０．１〜０．７５、さらに好ましくは０．２〜０．６とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で設定される。この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．１〜３０、より好ましくは０．５〜２０、さらに好ましくは１〜１０の範囲で選ばれる。
【００３６】
いずれの場合も、改質反応の圧力は、特に限定されないが、好ましくは大気圧〜２０ＭＰａ、より好ましくは大気圧〜５ＭＰａ、さらに好ましくは大気圧〜１ＭＰａの範囲で実施される。
【００３７】
〔燃料電池〕
改質器で得られた改質ガスを、必要に応じてシフト反応器やＣＯ選択反応器で処理した後、燃料電池の燃料極に供給する。燃料電池としては、燃料極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。
【００３８】
燃料電池の空気極には、酸素を含有するガスを適宜供給すればよい。酸素を含有するガスとして例えば、酸素、あるいは酸素富化空気を使用することができるが、入手容易性から空気が好ましく用いられる。
【００３９】
次に、燃料電池の一形態として、固体高分子形燃料電池の構成を記す。
【００４０】
燃料電池電極は燃料極（アノード）および空気極（カソード）とこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、燃料極側には上記改質装置で得られた水素を含有する改質ガスがシフト反応器および選択酸化反応器を経て一酸化炭素濃度が低減された後に供給され、空気極側には空気等の酸素含有ガスが供給される。燃料極側、空気極側とも、供給されるガスは必要であればそれぞれ適当な加湿処理を行った後導入される。
【００４１】
この時、燃料極では水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、空気極では酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、燃料極には白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒あるいはＰｔ−Ｒｕ合金触媒などが、空気極には白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒などが用いられる。通常燃料極、空気極の両触媒とも、必要に応じてテフロン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。
【００４２】
固体高分子電解質としてはナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、デュポン社製）、ゴア（Ｇｏｒｅ、ゴア社製）、フレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、旭硝子社製）、アシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、旭化成社製）等の商品名で知られる高分子電解質膜が通常用いられ、この両側に上記多孔質触媒層を積層しＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極集合体）が形成される。さらにＭＥＡを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。電気負荷は燃料極、空気極と電気的に連結される。
【００４３】
【実施例】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。図１は、本発明の触媒燃焼式バーナ（以下、バーナ）の一実施形態として、例えば、燃焼用燃料として灯油、Ａ重油等の液体燃料を適用するバーナを示す断面図である。尚、本発明のバーナは、燃焼用燃料としてメタン、プロパン等の気体燃料を適用するものも含まれる。
【００４４】
この図において、バーナ１は、バーナ本体２と、バーナ本体２内部に備えられた燃焼触媒３と、燃焼触媒３の上流側に燃焼用液体燃料を供給する燃料供給ノズル４と、燃焼触媒３の上流側に配設されヒータ９Ａにより加熱できる筒状部材を有する蒸発混合筒９と、バーナ本体２内部の燃焼触媒３の直下流位置に配設される保炎器１０と、保炎器１０下流に点火部５Ａが存在する未燃の混合気に着火して強制的に火炎燃焼させるための着火装置５と、火炎検出器６と、警報装置７と、を含む。
【００４５】
バーナ本体２は例えば円筒状に形成される。燃焼触媒３は、例えば、セラミックスや金属等のハニカム担体に、シリカ、アルミナ等の活性担体が担持され、かつその上にＰｔ、Ｐｄ等の貴金属或いは複合酸化物が担持された構成であるが、これに限るものではなく、燃焼触媒として公知の触媒を用いることができる。燃料供給ノズル４は、バーナ本体２壁を貫通して配置され、バーナ本体２内部の蒸発混合筒９内に燃料を噴霧する。先端噴孔４Ａが燃焼触媒３に向くように配設されているが、この向きに限るものではなく、蒸発混合筒壁面から噴霧してもよい。
【００４６】
保炎器１０は、例えば、両端部が解放され、先端部に向けて縮径された略円錐状の筒体から構成され、この筒体の周壁部に多数の噴孔１０Ａが形成されている。着火装置５は、例えば高圧電気スパーク方式の点火装置等から構成されており、その本体部５Ａがバーナ本体２壁外面に固定され、先端の点火部５Ｂがバーナ本体２壁を貫通して、保炎器１０とバーナ本体２先端部の火炎燃焼部８との間に臨まされる。
【００４７】
火炎検出器６は、火炎燃焼部８位置に対応するバーナ本体２壁外面に固定取付されている。かかる構成のバーナ１においては、燃料供給ノズル４から燃焼用燃料を供給すると共に燃焼触媒３の上流側から酸素含有ガスを供給する。この場合、本実施形態では、燃料供給ノズル４の下流かつ燃焼触媒３上流のバーナ本体２内部の空隙に設置された蒸発混合筒９にて、燃焼用燃料を蒸発させかつ酸素含有ガスと燃焼用燃料とを混合して、得られた混合気の一部を燃焼触媒３で燃焼させ、保炎器１０下流のバーナ本体２先端部の火炎燃焼部８にて、未燃の混合気が自立的に火炎燃焼する。
【００４８】
かかる作用を詳述すると、燃焼触媒３は、触媒活性が発現される温度となるまで、蒸発混合筒９により予熱された酸素含有ガスによって加熱される。蒸発混合筒はヒータ９Ａで加熱されている。ヒータ９Ａは電気ヒータを用いることができ、その電源９Ｂが電気的に接続される。ヒータは筒状部材外周面に巻き回して配置することができる。燃料供給ノズル４から燃焼用燃料が噴射供給されると、燃焼用燃料は、蒸発混合筒９で気化されて酸素含有ガスと混合される。この燃料と空気の混合気の一部は燃焼触媒３上で燃焼される。
【００４９】
燃焼触媒３にて燃焼されなかった残りの混合気全ては、保炎器１０下流にて着火装置５にて着火されて火炎燃焼される。ここで、着火装置５は、燃焼用燃料供給と同時或いは燃焼用燃料供給前から作動される。又、着火装置５は、数秒から３０秒程度にあらかじめ定められた所定時間作動され、火炎検出器６は、着火装置作動終了後に着火確認を行い、警報装置７、例えば、アラームやランプ、燃料遮断弁等は、火炎検出器６により火炎が検出されないときに作動される。
【００５０】
警報装置７が作動しなければ、バーナ１の運転を継続し、警報装置７が作動すれば、バーナ１の運転を停止させるようになっている。更に、保炎器１０は、火炎燃焼部８において火炎形成位置を安定化させる作用を奏する。
【００５１】
第２燃焼部として、保炎器外周から間隔を有して上方まで覆った燃焼筒２２とオフガス噴口２１Ａが周方向に均等に配置された燃料極オフガス供給ノズル２１が配置される。ここで、燃料極オフガス供給ノズルは、オフガス噴口から噴出するオフガスが第１燃焼部で形成される火炎中に噴出する位置に配置される。
【００５２】
上記バーナにあっては、触媒燃焼を利用していることなどにより、ＮＯｘ排出量が少ない。
【００５３】
また、着火装置並びに保炎器を備えたことにより、第１燃焼部において、触媒に供給される混合気がある濃度以下の場合（希薄濃度領域）や低温度の場合（低温度領域）であっても、触媒燃焼部の下流の安定した位置にて安定した火炎燃焼が起こり、燃焼性、燃焼効率の向上を図ることができる。さらに燃料極オフガスの燃焼と、第１燃焼部の火炎燃焼との相乗効果により、全体の燃焼性がさらに安定になる。加えて、燃料極オフガスの有効利用が図られる。
【００５４】
又、上記の実施形態においては、火炎検出器と警報装置とを設けて、火炎検出器により火炎が検出されないときに、警報装置が作動して、運転を停止させるようにしたから、安全性の向上を図ることができる。
【００５５】
また、上記バーナを備える改質器を有する燃料電池システムは、ＮＯｘ排出が少なく、また、燃焼安定性、燃焼効率に優れるバーナを用いて改質を行い、かつ、燃料極オフガスが効率的に利用されるため、燃料電池システムの安定性、効率も高い。
【００５６】
以下このような燃料電池システムの一形態につき、図２を用いて説明する。
【００５７】
ここでは改質用燃料およびバーナにおける燃焼用燃料として灯油を用いる。改質用燃料として灯油がライン１０１から改質器５１に供給され、ここで水蒸気改質反応が起きて改質ガスが製造され、改質ガスはライン１０２を経て固体高分子形燃料電池５２の燃料極５２ａに供給される。なお、図示しないが、ライン１０１には灯油の脱硫器および気化器が設けられ、さらに水蒸気供給ラインが接続され、気化した低硫黄の灯油が水蒸気と混合される。また、ライン１０２にはシフト反応器、ＣＯ選択反応器が上流側からこの順に設けられ、それぞれＣＯ濃度を低減する。
【００５８】
燃料極５２ａで電気化学反応が起きて発電が行われ、反応後の燃料極オフガスがライン１０３を経て触媒燃焼式バーナ１の第２燃焼部に供給される。バーナ１の第１燃焼部にはライン１１１から灯油が、ライン１２４から酸素含有ガスが供給される。これら灯油及び燃料極オフガスがバーナで燃焼され、この燃焼熱によって前述の水蒸気改質反応に必要な熱が供給される。燃焼排ガスはライン１０４から排出される。
【００５９】
一方、燃料電池の空気極５２ｃにはライン１２１から空気が供給され、空気中の酸素が燃料電池内で電気化学反応に寄与した後、空気極オフガスがライン１２２、１２３および１２４を経て酸素含有ガスとしてバーナに供給される。
【００６０】
ライン１３１は、酸素含有ガスとして空気をバーナに供給するためのラインであり、起動運転時などに補助的に利用される。ライン１３２は燃料極オフガスを系外に排出するためのラインであり、これも起動運転時などに補助的に利用される。ライン切り替えのための三方弁６１、６２が設けられる。
【００６１】
なお、図２は主要な機器およびラインのみを示したものであり、他の機器、例えば加熱や冷却のための熱交換器や、水蒸気発生のためのボイラなどは図示を省略してある。
【００６２】
【発明の効果】
本発明により、ＮＯｘ排出量が少なく、燃焼安定性、燃焼効率に優れる改質器用の触媒燃焼式バーナが提供された。
【００６３】
また、ＮＯｘ排出量が少なく、運転安定性、効率に優れる燃料電池システムが提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒燃焼式バーナの一実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す模式的フロー図である。
【符号の説明】
１ バーナ
２ バーナ本体
３ 燃焼触媒
４ 燃料供給ノズル
４Ａ 先端噴口
５ 着火装置
５Ａ 着火装置の本体部
５Ｂ 点火部
６ 火炎検出器
７ 警報装置
８ 火炎燃焼部
９ 蒸発混合筒
９Ａ ヒータ
９Ｂ 電源
１０ 保炎器
１０Ａ 噴口
２１ 燃料極オフガス供給ノズル
２１Ａ オフガス噴口
２２ 燃焼筒
３１ 第１燃焼部
３２ 第２燃焼部
５１ 改質器
５２ 燃料電池
５２ａ 燃料極
５２ｃ 空気極
６１、６２ 三方弁
【産業上の利用分野】
本発明は、灯油等の液体燃料を改質して水素を含む改質ガスを得るための改質器に好適に用いることのできるバーナに関し、特には外熱式改質器用に好適な、液体燃料を燃焼させるための触媒燃焼式バーナに関する。本発明はまた、このようなバーナを有する改質器を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、灯油等の液体燃料を燃焼させるための液体燃料用バーナがあるが、その多くは窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を排出し、場合によってはその発生が無視し得ず、別途ＮＯｘ処理装置が設けられることもある。
【０００３】
一方、近年開発が盛んな燃料電池システムは、従来の発電システムに比べて極めてクリーンであることが利点の一つとされる。灯油等の液体燃料を利用する燃料電池システムにおいては、液体燃料を改質して水素を含有する改質ガスとし、改質ガスを燃料電池に供給して発電を行う。この改質のために改質器が用いられるが、改質器の一形態として、改質触媒を内蔵する反応管を外側から加熱することによって、反応管内部で起きる改質反応に必要な熱を供給する、外部加熱式あるいは外熱式の改質器がある。この外側からの加熱のために、液体燃料を燃焼させるバーナが用いられる。
【０００４】
燃料電池システムの改質器に、従来の液体燃料用バーナを用いると、バーナから排出されるＮＯｘが、最終的に燃料電池システムから排出され、燃料電池システムのクリーンさにおける優位性が損なわれかねない。別途ＮＯｘ処理装置を設けることは、燃料電池システムのコンパクトさを阻害する要因ともなりかねず、トータルコストを押し上げる要因ともなりかねない。
【０００５】
特許文献１には、ＮＯｘ発生量の少ない触媒燃焼式のバーナが記載される。具体的には、バーナ本体内部に燃焼触媒を備えると共に、該燃焼触媒の上流側に燃料を供給する燃料供給ノズルを備え、前記燃料供給ノズルから燃料を供給すると共に燃焼触媒の上流側から予熱空気を供給し、該予熱空気と燃料とを混合して、該混合気の一部を前記燃焼触媒で燃焼させ、前記燃焼触媒下流のバーナ本体先端部の火炎燃焼部にて、未燃の混合気を自立的に火炎燃焼させる触媒燃焼式バーナにおいて、前記バーナ本体内部の燃焼触媒の直下流位置に保炎器を配設すると共に、該保炎器下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に火炎燃焼させるための着火装置を設けたことを特徴とする触媒燃焼式バーナが示される。この技術は、触媒に供給される混合気がある濃度以下の場合（希薄濃度領域）や低温度の場合（低温度領域）においても、触媒燃焼部の下流の安定した位置に安定した拡散燃焼、火炎燃焼が起こるようにして、燃焼性、燃焼効率の向上を図ることを目的としている。
【０００６】
このバーナは着火性、火炎の安定性、燃焼効率等に優れ、ボイラなどの用途に好適に用いられる。しかし、改質器、特には燃料電池システムに備えられる外熱式改質器において反応に必要な熱を与えるためのバーナとしては未だ改善の余地があった。すなわち、水蒸気改質反応は激しい吸熱を伴い、局所的な温度低下を招きやすく、改質反応が起きる触媒層の温度は、得られる改質ガスの組成に大きく影響する。そして、改質ガスの組成は燃料電池の電圧に影響する。さらに燃料電池システムは定格運転に対してかなり低い部分負荷運転が要求されることや、迅速な負荷変動追従性が要求されることがある。燃料電池システムを様々な状況下で安定して運転するには、ボイラ等に用いる場合に比べ、バーナにも一層の燃焼安定性が要求される。このような点で、上記文献記載のバーナにも未だ改善の余地があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−７４３１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、改質器の加熱手段として好適なＮＯｘ発生量の少ない触媒燃焼式のバーナを提供すること、燃焼安定性に優れる触媒燃焼式のバーナを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明はまた、および排出ＮＯｘの少ない燃料電池システムを提供すること、運転の安定性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明により、バーナ本体内部に燃焼触媒を備えると共に、該燃焼触媒の上流側に液体燃料を供給する燃料供給ノズルを備え、前記燃料供給ノズルから燃焼用燃料を供給すると共に燃焼触媒の上流側から燃焼用酸素含有ガスを供給し、該燃焼用酸素含有ガスと燃焼用燃料とを混合して混合気とし、該混合気の一部を前記燃焼触媒で燃焼させ、前記燃焼触媒下流にて、未燃の混合気を自立的に火炎燃焼させる触媒燃焼式バーナにおいて、
バーナ本体の内部に、かつ、前記燃料供給ノズルの下流かつ燃焼触媒の上流に、燃料の蒸発と前記混合を促進するための、ヒータが設けられた筒状部材を有する蒸発混合筒を備え、
前記バーナ本体内部の燃焼触媒の直下流位置に保炎器が配設されるとともに、
該保炎器下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に燃焼させるための着火装置と該着火装置の所定時間作動後に着火確認および燃焼継続の確認を行う火炎検出器と、該火炎検出器により火炎が検出されないときに警報を発する警報装置とを備えた第１燃焼部と、
該第１燃焼部の保炎器外周から間隔を有したまま上方まで覆った燃焼筒と、燃料電池の燃料極オフガスを噴出させる燃料極オフガス供給用ノズルとを有し、第１燃焼部の燃焼ガスで該燃料極オフガスを燃焼させる第２燃焼部とを有すること
を特徴とする触媒燃焼式バーナが提供される。
【００１１】
本発明により、液体燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
該改質器が改質反応用の熱を供給するためのバーナを備え、
該バーナは、バーナ本体内部に燃焼触媒を備えると共に、該燃焼触媒の上流側に液体燃料を供給する燃料供給ノズルを備え、前記燃料供給ノズルから燃料を供給すると共に燃焼触媒の上流側から燃焼用酸素含有ガスを供給し、該燃焼用酸素含有ガスと燃料とを混合して混合気とし、該混合気の一部を前記燃焼触媒で燃焼させ、前記燃焼触媒下流にて、未燃の混合気を自立的に火炎燃焼させる触媒燃焼式バーナであって、バーナ本体の内部に、かつ、前記燃料供給ノズルの下流かつ燃焼触媒の上流に、燃料の蒸発と前記混合を促進するための、ヒータが設けられた筒状部材を有する蒸発混合筒を備え、前記バーナ本体内部の燃焼触媒の直下流位置に保炎器が配設されるとともに、該保炎器下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に燃焼させるための着火装置と該着火装置の所定時間作動後に着火確認および燃焼継続の確認を行う火炎検出器と、該火炎検出器により火炎が検出されないときに警報を発する警報装置とを備えた第１燃焼部と、該第１燃焼部の保炎器外周から間隔を有したまま上方まで覆った燃焼筒と、燃料電池の燃料極オフガスを噴出させる燃料極オフガス供給用ノズルとを有し、第１燃焼部の燃焼ガスで該燃料極オフガスを燃焼させる第２燃焼部とを有する触媒燃焼式バーナである
ことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１２】
この燃料電池システムにおいて、前記燃焼用酸素含有ガスの全部あるいは一部が、燃料電池の空気極から排出される空気極オフガスであることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔バーナ〕
本発明のバーナにおいて、燃焼触媒は、触媒活性が発現される温度となるまで、ヒータによって加熱される蒸発混合筒により加熱された混合気によって加熱される。供給される燃焼用酸素含有ガスが予熱されていてもよい。蒸発混合筒は、好ましくは、燃焼用酸素含有ガスの流れと平行になるよう配置された筒状部材と燃焼用酸素含有ガスの流れに垂直になるよう配置された邪魔板と筒状部材に密着するよう取り付けられたヒータを有する。邪魔板の形状としては、オリフィス板、パンチングプレート等があげられる。邪魔板を多数設けると混合気の均一性は向上するものの圧力損失が大きくなるため、邪魔板の数は２から３枚程度が望ましい。ヒータは筒状部材の外周面、内周面あるいは筒状部材断面内部に挿入する等いずれの方法でもよいが、筒状部材全体が均一に加熱できる位置に密着して取り付けられることが好ましい。燃料供給ノズルから燃焼用燃料が噴射供給されると、燃焼用燃料は、蒸発混合筒内で気化しながら酸素含有ガスと混合される。このようにして形成された燃料と酸素含有ガスの混合気の一部は燃焼触媒上で燃焼される。
【００１４】
燃焼用酸素含有ガスとしては、燃焼用燃料を燃焼させることのできる酸素含有ガスを適宜用いることができ、入手容易性の観点から空気が好ましく用いられるが、本発明のバーナを用いると、空気より酸素濃度の低いガスでも良好に燃焼可能である燃焼触媒の特性から、酸素が一部消費された燃料電池の空気極オフガスを燃焼用酸素含有ガスとして用いることができる。酸素濃度の低いガスを燃焼用酸素含有ガスとして用いることにより、燃焼触媒下流での火炎燃焼が緩慢になりＮＯｘの生成が抑制される。また、燃焼排ガス中の残存酸素濃度も低減されるため、酸素濃度０％換算時のＮＯｘ濃度が低下する。また、空気の供給量を減らすことができるため送風機の消費する電力を抑えることも可能となる。以上の観点から、燃料電池システムにおいては、燃料電池の空気極から排出される空気極オフガスを燃焼用酸素含有ガスの少なくとも一部に用いることが好ましい。
【００１５】
燃焼用燃料としては、０．１ＭＰａ、２５℃で液体である炭化水素系の液体燃料、例えば、ガソリン、ナフサ、灯油、Ａ重油等の石油系燃料、メタノール等のアルコールなどを用いることができる。また、０．１ＭＰａ、２５℃で気体である炭化水素系の気体燃料、例えば、メタン、プロパン、天然ガス、液化石油ガス等を用いることもできる。燃料電池システムで用いられる燃料を、燃焼用燃料としても用いることが、システムの簡素さの観点から、好ましい。なお、燃焼用燃料が気体燃料である場合、燃料供給ノズルから噴射供給された燃料用燃料は、改めて気化することはなく、単に予熱された酸素含有ガスと混合される。
【００１６】
触媒燃焼の燃焼温度は、燃焼触媒の耐性の観点から、９５０℃以下とすることが好ましい。
【００１７】
燃焼触媒にて燃焼されなかった残りの混合気全ては、保炎器下流にて着火装置にて着火されて火炎燃焼される。保炎器は燃焼触媒の直下流、好ましくは、触媒の下流側端から０ｍｍ以上１００ｍｍ以下離れた位置に設置される。
【００１８】
着火装置は、バーナ起動時に所定時間作動する。着火装置の作動時間は適宜決めることができるが、例えば４秒から３０秒程度に設定される。火炎検出器は、着火装置の作動終了後に着火確認を行う。さらにその後も燃焼が継続していることを確認し続ける。火炎検出器により火炎が検出されないときには警報装置が作動する。警報装置としては、例えば、アラームやランプが挙げられる。警報装置が作動しなければ、バーナの運転を継続し、警報装置が作動すれば、運転を停止させることができる。アラームを受けて自動的に燃焼を遮断する燃料遮断弁を設けることができる。
【００１９】
第１燃焼部は、蒸発混合筒、ヒータ、上記燃焼触媒、保炎器、着火装置、火炎検出器、警報装置およびバーナ本体を含む。第１燃焼部に他の要素が付設されても良い。
【００２０】
第１燃焼部では、触媒燃焼も含めて燃焼空気比を１．５〜２．５として燃焼を行うことができる。このバーナを備えた改質器を有する燃料電池システムの効率を考慮した場合、上記範囲の燃料空気比が好ましい。また、第２燃焼部でも燃焼を行うため、第１燃焼部から排出される燃焼ガス中の残存酸素濃度を８％以上とすることが好ましい。
【００２１】
本発明のバーナは、さらに、第１燃焼部の保炎器外周から間隔を有して上方まで覆った燃焼筒と、燃料電池の燃料極オフガスを噴出させる燃料極オフガス供給用ノズルを備えた第２燃焼部を有する。第２燃焼部では、第１燃焼部の燃焼ガス（酸素が含まれる）で燃料極オフガスを燃焼させる。第２燃焼部は、第１燃焼部の燃焼で常に加熱されるように第１燃焼部の火炎が届く程度の近傍に配置されることが好ましい。燃料極オフガス供給用ノズルは、燃料極オフガスの燃焼による火炎が偏らないよう、噴口の配置パターンが燃焼筒全周にわたって均等になることが望ましい。燃焼筒は第１燃焼部の火炎に触れないよう、保炎筒より大きな直径の筒状部材で、保炎器の下流側端より上流位置から燃料極オフガス供給ノズルの下流まで覆うことが好ましい。燃焼筒は、本バーナにより加熱される改質器の炉内壁を兼ねることも可能である。
【００２２】
第２燃焼部では、燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガスの全量を燃焼させることができる。
【００２３】
本発明のバーナにおいては、着火装置によって燃焼触媒下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に火炎燃焼させるため、触媒に供給される混合気がある濃度以下の場合（希薄濃度域）や低温度の場合（低温度領域）においても、触媒燃焼部の下流にて安定した火炎燃焼が起こり、燃焼性、燃焼効率の向上を図ることができ、しかも、保炎器を設けたことによって、火炎位置の安定化を図ることができる。さらに、この火炎が不安定になる要因があったとしても、第２燃焼部で燃料極オフガスが燃焼しているため、その熱によって第１燃焼部の火炎がより安定化される。また、燃料極オフガスの熱量が低くても、第１燃焼部の火炎によって、燃料極オフガスが安定して燃焼できる。つまり、第１燃焼部の触媒燃焼および火炎燃焼ならびに第２燃焼部の火炎燃焼の三者が補いあって、全体として燃焼の安定化が図られる。かつ、燃料極オフガスの有効利用も図られる。
【００２４】
本発明のバーナにおいては、触媒燃焼で燃料の一部が燃焼するため、触媒下流の火炎燃焼での燃料濃度が低下しプロンプトＮＯｘの生成が抑制される。また、触媒燃焼で酸素も消費されるため、触媒下流での燃焼反応が緩慢になり局所高温が消失してサーマルＮＯｘの生成も抑制される。さらに、水素を含む燃料極オフガスの燃焼により、第１燃焼部から排出される燃焼ガスの酸素が消費されるため、バーナから排出される排気ガス中ＮＯｘ濃度の酸素濃度０％換算値が低下する。これらの効果が相まってバーナからのＮＯｘ排出が減少する。
【００２５】
〔燃料電池システム〕
本発明の燃料電池システムは、液体燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、この改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する。改質器は前述のバーナを備える改質器である。燃料電池システムは、さらに燃料電池システムの構成要素として公知の機器を備えることができる。例えば、液体燃料中の硫黄含有量を低減する脱硫器、シフト反応によって改質ガス中のＣＯを水素に転換するシフト反応器、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化することによってＣＯ濃度を低下させるＣＯ選択酸化反応器、などを燃料極ガス供給ラインに設けることができる。
【００２６】
また、空気極に空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統など、燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。
【００２７】
〔改質用液体燃料〕
改質の対象となる液体燃料としては、０．１ＭＰａ、２５℃で液体である炭化水素系の液体燃料、例えば、ガソリン、ナフサ、灯油等の石油系燃料、メタノール等のアルコールなどを用いることができる。
【００２８】
〔改質装置〕
本発明の燃料電池システムは、改質反応用の熱を供給するためのバーナを備える、いわゆる外熱式改質器を有する。
【００２９】
改質器は燃料と水を反応させる装置である。この装置で液体燃料は主に一酸化炭素と水素に分解され、これらを含む改質ガスが得られる。また、通常、二酸化炭素およびメタンも改質ガス中に含有される。改質反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応などを挙げることができる。
【００３０】
水蒸気改質反応とは水蒸気と改質用燃料を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。このため、バーナー等、燃料を燃焼させる燃焼手段を改質装置に設け、燃焼熱により、改質反応が進行する領域を外部から加熱する。例えば、改質反応管に改質触媒を充填して形成した改質触媒層に、改質用燃料とスチームを供給し、改質反応管の外部から改質触媒層を加熱することができる。
【００３１】
自己熱改質反応とは、改質用燃料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。水蒸気改質反応の吸熱と酸化反応の発熱のバランスがとれている場合には、外部から加熱する必要はないが、発熱より吸熱の方が大きい場合には、外部から改質反応が進行する領域を加熱する必要がある。
【００３２】
このように、改質に必要な熱を供給するために、燃料を燃焼させる燃焼手段を有する外部加熱式の改質装置が従来から知られているが、本発明では、燃焼手段として前述のバーナを備えた外部加熱式の改質装置を用いる。外部加熱式の改質装置は、改質のための領域とは独立した燃焼領域を有する。
【００３３】
〔改質反応〕
水蒸気改質反応は、通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、改質用燃料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは０．５〜１０、より好ましくは１〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。この時の液空間速度（ＬＨＳＶ）は改質用燃料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ-1の範囲で設定される。
【００３４】
自己熱改質反応の場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３とされる。
【００３５】
自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量、熱ロスなどを考慮し、外部加熱による加熱量と関係において適宜酸素添加量は決定される。その量は、原料炭化水素燃料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．０５〜１、より好ましくは０．１〜０．７５、さらに好ましくは０．２〜０．６とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で設定される。この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．１〜３０、より好ましくは０．５〜２０、さらに好ましくは１〜１０の範囲で選ばれる。
【００３６】
いずれの場合も、改質反応の圧力は、特に限定されないが、好ましくは大気圧〜２０ＭＰａ、より好ましくは大気圧〜５ＭＰａ、さらに好ましくは大気圧〜１ＭＰａの範囲で実施される。
【００３７】
〔燃料電池〕
改質器で得られた改質ガスを、必要に応じてシフト反応器やＣＯ選択反応器で処理した後、燃料電池の燃料極に供給する。燃料電池としては、燃料極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。
【００３８】
燃料電池の空気極には、酸素を含有するガスを適宜供給すればよい。酸素を含有するガスとして例えば、酸素、あるいは酸素富化空気を使用することができるが、入手容易性から空気が好ましく用いられる。
【００３９】
次に、燃料電池の一形態として、固体高分子形燃料電池の構成を記す。
【００４０】
燃料電池電極は燃料極（アノード）および空気極（カソード）とこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、燃料極側には上記改質装置で得られた水素を含有する改質ガスがシフト反応器および選択酸化反応器を経て一酸化炭素濃度が低減された後に供給され、空気極側には空気等の酸素含有ガスが供給される。燃料極側、空気極側とも、供給されるガスは必要であればそれぞれ適当な加湿処理を行った後導入される。
【００４１】
この時、燃料極では水素ガスがプロトンとなり電子を放出する反応が進行し、空気極では酸素ガスが電子とプロトンを得て水となる反応が進行する。これらの反応を促進するため、それぞれ、燃料極には白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒あるいはＰｔ−Ｒｕ合金触媒などが、空気極には白金黒、活性炭担持のＰｔ触媒などが用いられる。通常燃料極、空気極の両触媒とも、必要に応じてテフロン、低分子の高分子電解質膜素材、活性炭などと共に多孔質触媒層に成形される。
【００４２】
固体高分子電解質としてはナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、デュポン社製）、ゴア（Ｇｏｒｅ、ゴア社製）、フレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、旭硝子社製）、アシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、旭化成社製）等の商品名で知られる高分子電解質膜が通常用いられ、この両側に上記多孔質触媒層を積層しＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極集合体）が形成される。さらにＭＥＡを金属材料、グラファイト、カーボンコンポジットなどからなるガス供給機能、集電機能、特にカソードにおいては重要な排水機能等を持つセパレータで挟み込むことで燃料電池が組み立てられる。電気負荷は燃料極、空気極と電気的に連結される。
【００４３】
【実施例】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。図１は、本発明の触媒燃焼式バーナ（以下、バーナ）の一実施形態として、例えば、燃焼用燃料として灯油、Ａ重油等の液体燃料を適用するバーナを示す断面図である。尚、本発明のバーナは、燃焼用燃料としてメタン、プロパン等の気体燃料を適用するものも含まれる。
【００４４】
この図において、バーナ１は、バーナ本体２と、バーナ本体２内部に備えられた燃焼触媒３と、燃焼触媒３の上流側に燃焼用液体燃料を供給する燃料供給ノズル４と、燃焼触媒３の上流側に配設されヒータ９Ａにより加熱できる筒状部材を有する蒸発混合筒９と、バーナ本体２内部の燃焼触媒３の直下流位置に配設される保炎器１０と、保炎器１０下流に点火部５Ａが存在する未燃の混合気に着火して強制的に火炎燃焼させるための着火装置５と、火炎検出器６と、警報装置７と、を含む。
【００４５】
バーナ本体２は例えば円筒状に形成される。燃焼触媒３は、例えば、セラミックスや金属等のハニカム担体に、シリカ、アルミナ等の活性担体が担持され、かつその上にＰｔ、Ｐｄ等の貴金属或いは複合酸化物が担持された構成であるが、これに限るものではなく、燃焼触媒として公知の触媒を用いることができる。燃料供給ノズル４は、バーナ本体２壁を貫通して配置され、バーナ本体２内部の蒸発混合筒９内に燃料を噴霧する。先端噴孔４Ａが燃焼触媒３に向くように配設されているが、この向きに限るものではなく、蒸発混合筒壁面から噴霧してもよい。
【００４６】
保炎器１０は、例えば、両端部が解放され、先端部に向けて縮径された略円錐状の筒体から構成され、この筒体の周壁部に多数の噴孔１０Ａが形成されている。着火装置５は、例えば高圧電気スパーク方式の点火装置等から構成されており、その本体部５Ａがバーナ本体２壁外面に固定され、先端の点火部５Ｂがバーナ本体２壁を貫通して、保炎器１０とバーナ本体２先端部の火炎燃焼部８との間に臨まされる。
【００４７】
火炎検出器６は、火炎燃焼部８位置に対応するバーナ本体２壁外面に固定取付されている。かかる構成のバーナ１においては、燃料供給ノズル４から燃焼用燃料を供給すると共に燃焼触媒３の上流側から酸素含有ガスを供給する。この場合、本実施形態では、燃料供給ノズル４の下流かつ燃焼触媒３上流のバーナ本体２内部の空隙に設置された蒸発混合筒９にて、燃焼用燃料を蒸発させかつ酸素含有ガスと燃焼用燃料とを混合して、得られた混合気の一部を燃焼触媒３で燃焼させ、保炎器１０下流のバーナ本体２先端部の火炎燃焼部８にて、未燃の混合気が自立的に火炎燃焼する。
【００４８】
かかる作用を詳述すると、燃焼触媒３は、触媒活性が発現される温度となるまで、蒸発混合筒９により予熱された酸素含有ガスによって加熱される。蒸発混合筒はヒータ９Ａで加熱されている。ヒータ９Ａは電気ヒータを用いることができ、その電源９Ｂが電気的に接続される。ヒータは筒状部材外周面に巻き回して配置することができる。燃料供給ノズル４から燃焼用燃料が噴射供給されると、燃焼用燃料は、蒸発混合筒９で気化されて酸素含有ガスと混合される。この燃料と空気の混合気の一部は燃焼触媒３上で燃焼される。
【００４９】
燃焼触媒３にて燃焼されなかった残りの混合気全ては、保炎器１０下流にて着火装置５にて着火されて火炎燃焼される。ここで、着火装置５は、燃焼用燃料供給と同時或いは燃焼用燃料供給前から作動される。又、着火装置５は、数秒から３０秒程度にあらかじめ定められた所定時間作動され、火炎検出器６は、着火装置作動終了後に着火確認を行い、警報装置７、例えば、アラームやランプ、燃料遮断弁等は、火炎検出器６により火炎が検出されないときに作動される。
【００５０】
警報装置７が作動しなければ、バーナ１の運転を継続し、警報装置７が作動すれば、バーナ１の運転を停止させるようになっている。更に、保炎器１０は、火炎燃焼部８において火炎形成位置を安定化させる作用を奏する。
【００５１】
第２燃焼部として、保炎器外周から間隔を有して上方まで覆った燃焼筒２２とオフガス噴口２１Ａが周方向に均等に配置された燃料極オフガス供給ノズル２１が配置される。ここで、燃料極オフガス供給ノズルは、オフガス噴口から噴出するオフガスが第１燃焼部で形成される火炎中に噴出する位置に配置される。
【００５２】
上記バーナにあっては、触媒燃焼を利用していることなどにより、ＮＯｘ排出量が少ない。
【００５３】
また、着火装置並びに保炎器を備えたことにより、第１燃焼部において、触媒に供給される混合気がある濃度以下の場合（希薄濃度領域）や低温度の場合（低温度領域）であっても、触媒燃焼部の下流の安定した位置にて安定した火炎燃焼が起こり、燃焼性、燃焼効率の向上を図ることができる。さらに燃料極オフガスの燃焼と、第１燃焼部の火炎燃焼との相乗効果により、全体の燃焼性がさらに安定になる。加えて、燃料極オフガスの有効利用が図られる。
【００５４】
又、上記の実施形態においては、火炎検出器と警報装置とを設けて、火炎検出器により火炎が検出されないときに、警報装置が作動して、運転を停止させるようにしたから、安全性の向上を図ることができる。
【００５５】
また、上記バーナを備える改質器を有する燃料電池システムは、ＮＯｘ排出が少なく、また、燃焼安定性、燃焼効率に優れるバーナを用いて改質を行い、かつ、燃料極オフガスが効率的に利用されるため、燃料電池システムの安定性、効率も高い。
【００５６】
以下このような燃料電池システムの一形態につき、図２を用いて説明する。
【００５７】
ここでは改質用燃料およびバーナにおける燃焼用燃料として灯油を用いる。改質用燃料として灯油がライン１０１から改質器５１に供給され、ここで水蒸気改質反応が起きて改質ガスが製造され、改質ガスはライン１０２を経て固体高分子形燃料電池５２の燃料極５２ａに供給される。なお、図示しないが、ライン１０１には灯油の脱硫器および気化器が設けられ、さらに水蒸気供給ラインが接続され、気化した低硫黄の灯油が水蒸気と混合される。また、ライン１０２にはシフト反応器、ＣＯ選択反応器が上流側からこの順に設けられ、それぞれＣＯ濃度を低減する。
【００５８】
燃料極５２ａで電気化学反応が起きて発電が行われ、反応後の燃料極オフガスがライン１０３を経て触媒燃焼式バーナ１の第２燃焼部に供給される。バーナ１の第１燃焼部にはライン１１１から灯油が、ライン１２４から酸素含有ガスが供給される。これら灯油及び燃料極オフガスがバーナで燃焼され、この燃焼熱によって前述の水蒸気改質反応に必要な熱が供給される。燃焼排ガスはライン１０４から排出される。
【００５９】
一方、燃料電池の空気極５２ｃにはライン１２１から空気が供給され、空気中の酸素が燃料電池内で電気化学反応に寄与した後、空気極オフガスがライン１２２、１２３および１２４を経て酸素含有ガスとしてバーナに供給される。
【００６０】
ライン１３１は、酸素含有ガスとして空気をバーナに供給するためのラインであり、起動運転時などに補助的に利用される。ライン１３２は燃料極オフガスを系外に排出するためのラインであり、これも起動運転時などに補助的に利用される。ライン切り替えのための三方弁６１、６２が設けられる。
【００６１】
なお、図２は主要な機器およびラインのみを示したものであり、他の機器、例えば加熱や冷却のための熱交換器や、水蒸気発生のためのボイラなどは図示を省略してある。
【００６２】
【発明の効果】
本発明により、ＮＯｘ排出量が少なく、燃焼安定性、燃焼効率に優れる改質器用の触媒燃焼式バーナが提供された。
【００６３】
また、ＮＯｘ排出量が少なく、運転安定性、効率に優れる燃料電池システムが提供された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒燃焼式バーナの一実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す模式的フロー図である。
【符号の説明】
１ バーナ
２ バーナ本体
３ 燃焼触媒
４ 燃料供給ノズル
４Ａ 先端噴口
５ 着火装置
５Ａ 着火装置の本体部
５Ｂ 点火部
６ 火炎検出器
７ 警報装置
８ 火炎燃焼部
９ 蒸発混合筒
９Ａ ヒータ
９Ｂ 電源
１０ 保炎器
１０Ａ 噴口
２１ 燃料極オフガス供給ノズル
２１Ａ オフガス噴口
２２ 燃焼筒
３１ 第１燃焼部
３２ 第２燃焼部
５１ 改質器
５２ 燃料電池
５２ａ 燃料極
５２ｃ 空気極
６１、６２ 三方弁
Claims (5)
- バーナ本体内部に燃焼触媒を備えると共に、該燃焼触媒の上流側に液体燃料を供給する燃料供給ノズルを備え、前記燃料供給ノズルから燃焼用燃料を供給すると共に燃焼触媒の上流側から燃焼用酸素含有ガスを供給し、該燃焼用酸素含有ガスと燃焼用燃料とを混合して混合気とし、該混合気の一部を前記燃焼触媒で燃焼させ、前記燃焼触媒下流にて、未燃の混合気を自立的に火炎燃焼させる触媒燃焼式バーナにおいて、
バーナ本体の内部に、かつ、前記燃料供給ノズルの下流かつ燃焼触媒の上流に、燃料の蒸発と前記混合を促進するための、ヒータが設けられた筒状部材を有する蒸発混合筒を備え、
前記バーナ本体内部の燃焼触媒の直下流位置に保炎器が配設されるとともに、
該保炎器下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に燃焼させるための着火装置と該着火装置の所定時間作動後に着火確認および燃焼継続の確認を行う火炎検出器と、該火炎検出器により火炎が検出されないときに警報を発する警報装置とを備えた第１燃焼部と、
該第１燃焼部の保炎器外周から間隔を有したまま上方まで覆った燃焼筒と、燃料電池の燃料極オフガスを噴出させる燃料極オフガス供給用ノズルとを有し、第１燃焼部の燃焼ガスで該燃料極オフガスを燃焼させる第２燃焼部とを有すること
を特徴とする触媒燃焼式バーナ。 - 前記蒸発混合筒が、燃焼用酸素含有ガスの流れと平行になるよう配置された筒状部材と、燃焼用酸素含有ガスの流れに垂直になるよう配置された邪魔板と、筒状部材に密着するよう取り付けられたヒータを有する請求項１記載の触媒燃焼式バーナ。
- 液体燃料を改質して改質ガスを製造する改質器と、前記改質ガスを燃料とする燃料電池とを有する燃料電池システムにおいて、
該改質器が改質反応用の熱を供給するためのバーナを備え、
該バーナは、バーナ本体内部に燃焼触媒を備えると共に、該燃焼触媒の上流側に液体燃料を供給する燃料供給ノズルを備え、前記燃料供給ノズルから燃料を供給すると共に燃焼触媒の上流側から燃焼用酸素含有ガスを供給し、該燃焼用酸素含有ガスと燃料とを混合して混合気とし、該混合気の一部を前記燃焼触媒で燃焼させ、前記燃焼触媒下流にて、未燃の混合気を自立的に火炎燃焼させる触媒燃焼式バーナであって、バーナ本体の内部に、かつ、前記燃料供給ノズルの下流かつ燃焼触媒の上流に、燃料の蒸発と前記混合を促進するための、ヒータが設けられた筒状部材を有する蒸発混合筒を備え、前記バーナ本体内部の燃焼触媒の直下流位置に保炎器が配設されるとともに、該保炎器下流に存在する未燃の混合気に着火して強制的に燃焼させるための着火装置と該着火装置の所定時間作動後に着火確認および燃焼継続の確認を行う火炎検出器と、該火炎検出器により火炎が検出されないときに警報を発する警報装置とを備えた第１燃焼部と、該第１燃焼部の保炎器外周から間隔を有したまま上方まで覆った燃焼筒と、燃料電池の燃料極オフガスを噴出させる燃料極オフガス供給用ノズルとを有し、第１燃焼部の燃焼ガスで該燃料極オフガスを燃焼させる第２燃焼部とを有する触媒燃焼式バーナである
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記蒸発混合筒が、燃焼用酸素含有ガスの流れと平行になるよう配置された筒状部材と、燃焼用酸素含有ガスの流れに垂直になるよう配置された邪魔板と、筒状部材に密着するよう取り付けられたヒータを有する請求項３記載の燃料電池システム。
- 前記燃焼用酸素含有ガスの全部あるいは一部が、燃料電池の空気極から排出される空気極オフガスである請求項３または４記載の燃料電池システム。
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