JP4128803B2

JP4128803B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4128803B2
Application number: JP2002159845A
Authority: JP
Inventors: 康弘新井; 和夫斉藤
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: JP2004006111A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーナで拡散燃焼を行わせる際、空気と燃料との混合を促進させ、完全燃焼させるに好適な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池は、形状をコンパクトにすることができ、電気出力が高出力密度であり、さらにシステムを簡素化させて運転を容易にしているので、家庭住宅用電源システムとして将来有望視されている。
【０００３】
また、この種のものは、家庭住宅用電源システムの利用のみならず、電力発生後に出る排熱を利用する空調システムやコージェネレーションへの適用も検討され、既に提案されている。
【０００４】
ところで、燃料電池には電解質の分類によって分けると多くの種類があるが、例えば固体高分子形燃料電池は、電気エネルギの発生とともに約１００℃以下の排熱を生じている。これは、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電運転が可能にならない限り、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生することを示している。
【０００５】
一方、燃料を水素に改質させるための燃料処理システムにおいても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を使うため、燃焼排ガスや燃料処理装置等から排熱が生じる。これらの排熱は、給湯やお風呂等の温水利用に適しており、熱回収が多ければ、電気と熱とを組み合わせて総合効率を８０％近くまで向上させることが可能である。
【０００６】
また、コージェネレーションシステムは、従来の系統電力利用に較べて、エネルギ効率が高く、省エネルギで地球環境に優しく、より経済的な運転を行うことが実現できるため、ユーザとしてはメリットが大きい。
【０００７】
上述の排熱を有効に活用する燃料電池システムでは、燃料が、例えばメタンを主体とした都市ガスや、例えばプロパンを主体としたＬＰＧの場合、これらの燃料を水素に改質させるための改質器が必要であり、改質触媒を活性化するために加熱する燃焼装置が必要となる。
【０００８】
その際、燃焼装置には、バーナが必要とされる。
【０００９】
従来、バーナには、発電運転前の起動用に使用する場合と、発電用に使用する場合との２種類に分けて使用する場合と、両方の機能を持った１種類のみで運転する場合とがある。
【００１０】
前者の運転の場合、２種類のバーナを切り換える理由は、その燃料の主体が起動時、都市ガスまたはプロパンであり、発電時、水素であり、燃焼速度が異なるため、１種類のバーナで安定した火炎を確保することが難しいことに基づく。
【００１１】
起動時と発電時とで切り換える２種類のバーナの場合、水素燃料を用いて発電運転するとき、構造が簡易な噴出口１個の、いわゆる単孔バーナを使用していた。また、最近では、例えば、特開平１０−１６２８５０号公報に見られるように、燃料の外側を空気で混合する拡散バーナが提案されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来から長く使用されている単孔バーナや特開平１０−１６２８５０号公報に開示されている拡散バーナには、幾つかの問題が含まれており、その一つに燃焼効率が必ずしも高くない点にあった。
【００１３】
すなわち、発電用として用いるバーナは、水素を主体とした燃料に水蒸気が含まれているため、空気との混合が悪くなっている。このため、不完全燃焼によるＣＯや水素等の未燃ガス成分が多くなっている。
【００１４】
また、未燃ガス成分が多くなってくると、改質器内に組み込まれている燃焼装置の燃焼効率が悪くなり、しかも未燃ガス低減化のために排ガス浄化装置等を設けなければならず、運転コストの増加は無論、その運転操作やメンテナンスにも多くの労力を必要とする等、不具合、不都合があった。
【００１５】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、バーナの燃焼効率をより一層増加させ、かつ安定した拡散燃焼ガスを確保させる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、水素を主体とした燃料に水蒸気が含まれていても燃料と空気とをより一層効果的に混合促進させて発電効率をより一層向上させる燃料電池システムを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、燃料処理系の水素製造装置から生成された水素を主体とする燃料に空気を化学反応させて発電を行う電池本体を備えた燃料電池システムにおいて、前記水素製造装置の燃焼部に設けられたバーナは、燃料を噴出させる環状の燃料噴出口または複数の燃料噴出口が環状に配置された燃料噴出口群と、前記環状の燃料噴出口または燃料噴出口群の内径側で空気を噴出させる第１空気噴出口と、前記環状の燃料噴出口または燃料噴出口群の外径側で空気を噴出させる第２空気噴出口とをそれぞれ備え、発電前の起動運転時においては、所定の燃料に予め空気を加えた予混合燃料を前記燃料噴出口から噴出させて拡散燃焼させ、かつ発電運転時においては水素を主体としたオフガス燃料を前記燃料噴出口から噴出させて拡散燃焼させ、前記起動運転時に用いられる前記所定の燃料は、少なくとも都市ガス、ＬＰＧおよびガス化した灯油を含む炭化水素系燃料から選択的に使用可能であることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記第１空気噴出口と前記第２空気噴出口とは、開口面積と空気噴出流速とが略同一となるように構成したことを特徴とするものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す概略系統図である。
【００２８】
なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池本体に、例示として固体高分子形燃料電池を適用した場合について説明する。
【００２９】
本実施形態に係る燃料電池システム２１は、大別して燃料処理系（ＦＰＳ；Furl Processing System）と電池本体（ＣＳＡ；Cell Stack Assembly）２とを備えて構成されている。
【００３０】
燃料処理系１は、燃料Ｆの流に沿って順に、燃料部３、脱硫器４、水素製造装置、例示として改質器６（以下、改質器６と記す）、この改質器６に一体として組み込まれた燃焼部５ａおよび水蒸気発生部５ｂ、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用水タンク１０、改質用水ポンプ１１、排熱熱交換器１２、排熱供給水ポンプ１３等を備えている。
【００３１】
なお、燃料部３から脱硫器４に供給される燃料Ｆは、炭化水素系燃料、例えば都市ガス、プロパン、あるいはガス化した灯油等が適宜、選択して用いられる。
【００３２】
一方、電池本体２は、アノード１４、カソード１５、水冷却部１６、電池冷却水ポンプ１７等を備えている。
【００３３】
また、燃料処理系１および電池本体２に共通な構成部品には、空気ブロア１８、凝縮熱交換器１９等が設けられている。
【００３４】
このような構成を備える固体高分子形燃料電池の発電原理を簡単に説明する。
【００３５】
プロパンまたは都市ガス等の燃料Ｆのうち、例えばプロパンを選択する場合、プロパンから水素ガスへの改質は、燃料処理系１で行われる。
【００３６】
まず、プロパンを選択する燃料Ｆは、脱硫器４を通る際、容器内に収容されている、例えば活性炭やゼオライト吸着により硫黄分が取り除かれ、水蒸気分離器９から分離される水蒸気と合流して改質器６に供給される。
【００３７】
この水蒸気分離器９は、改質用水タンク１０から改質用水ポンプ１１および水供給系１１ａを介して供給される水を水蒸気発生部５ｂで加熱させ、水蒸気にして改質器６に供給し、ここで燃料Ｆに合流させるようになっている。なお、水蒸気分離器９は、水蒸気から分離するドレン水を水回収系１１ｂを介して改質用水タンク１０に回収させている。
【００３８】
一方、改質器６では、供給される燃料（プロパン）Ｆと水蒸気とで改質触媒により水蒸気改質反応が行われ、水素ガスのほかにＣＯやＣＯ_２等も生成される。その際、水蒸気改質は吸熱反応となる。このため、改質器６は、水蒸気発生部５ｂとともに熱源を確保する燃焼部５ａを一つの容器の内に組み込んでいる。
【００３９】
ところで、固体高分子形燃料電池は、アノード１４に供給される燃料ガスの改質ＣＯ濃度が高いと、電池本体２の一部を構成する電解質膜および触媒層等からなる膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡと記す）（図示せず）が被毒し、活性力が低下し、電池性能を著しく低下させる等の悪影響が出る。このため、ＣＯは事前にＣＯ_２に酸化させる必要がある。
【００４０】
本実施形態は、このような点を考慮したもので、改質器６の下流側にＣＯシフト反応器７とＣＯ選択酸化器８を備えるとともに、ＣＯ選択酸化器８に空気ブロア１８からの空気を供給し、改質器６で生成される改質ガスのうち、ＣＯがＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択酸化器８を流れる間に各触媒（図示せず）の触媒反応により酸化促進させるようにしている。
【００４１】
また、図示しないが、改質器６、ＣＯ選択酸化器８の触媒反応温度は、それぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、実際には下流側温度を下げるための水熱交換器が必要となり、例えば、ＣＯシフト反応器７とＣＯ選択酸化器８との間に水熱交換器を設ける構成にしてもよい。
【００４２】
また、例えば、燃料Ｆのプロパンを改質させる場合、ＣＯからＣＯ_２への酸化反応を省略し、全体をスルーする水蒸気改質は、以下の（１）式による。
【００４３】
【化１】

また、ＣＯ選択酸化器８を通過する改質ガスは、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分からなる。これらのガスが電池本体２のアノード１４に供給されると、水素ガスは膜電極接合体ＭＥＡの触媒層（図示せず）を経てプロトンＨ^＋が電解質膜（図示せず）を流れ、空気ブロア１８からカソード１５に流れる空気中の酸素および電子と結び付いて水を生成する。
【００４４】
したがって、アノード１４はマイナス（−）極、カソード１５はプラス（＋）極になり、電位を持って直流電力を発電する。この電位間に電気負荷を存在させると、電源としての機能を持たせることができる。
【００４５】
他方、発電に寄与しないまま残ったアノード１４の出口から出るガスは、未燃ガス系２０を介して燃焼部５ａおよび水蒸気発生部５ｂ等の加熱用燃料ガスとして使用される。
【００４６】
また、カソード１５の出口から出る水蒸気は、水蒸気発生部５ｂかいらの燃焼ガスと合流し、さらに凝縮熱交換器１９で水分を回収させた後、その水分を改質用水タンク１０に供給し、燃料電池システム２１での水自立を図っている。
【００４７】
電池本体２の膜電極接合体ＭＥＡにおける触媒での反応温度は、通常、百度以下が適当であるから、電池本体２の温度がそれ以下になるように、電池冷却水ポンプ１７で冷却水を循環させ、排熱熱交換器１２で放熱させ、電池本体２の入口側冷却水温度が一定になるように電気制御部（図示せず）で制御している。
【００４８】
また、電池本体２の水冷却部１６から排熱熱交換器１２に供給された高温水または高温の不凍液等の媒体は、ここで、加熱源として用いられ、排熱供給水ポンプ１３からの水と熱交換し、その水を加温させる。加温した水は、例えば温水器等に供給され、給湯やお風呂の温水として使われる。
【００４９】
なお、固体高分子形燃料電池システムの簡素化のために、排熱熱交換器１２を使わずに、排熱供給水ポンプ１３に代って、燃料処理系１の電池冷却水ポンプ１７から直接、温水器等に供給してもよい。
【００５０】
図２および図３は、改質器６に一体として組み込まれた燃焼部５ａと水蒸気発生部５ｂとを示す本発明に係る燃料電池システムの概念図である。
【００５１】
なお、図２は、本発明に係る燃料電池システムの一部分を示す概略縦断面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ矢視方向から切断した切断断面図である。
【００５２】
本実施形態に係る燃料電池システムは、改質器６のうち、燃焼部５ａと水蒸気発生部５ｂとを一つの容器２２に収容して一体構成させたものである。
【００５３】
燃焼部５ａは、容器２２の、例えば頭部側にバーナ２３を備えるとともに、容器２２内の壁面側に改質触媒２４で覆われた燃焼室２５を形成している。
【００５４】
また、この容器２２は、燃焼室２５の下流側に、例えばガラスウール等の断熱部材２６で区画する区画室２７を形成し、この区画室２７内に断熱部材２８で包囲し、伝熱管２９ａを群として配置する水蒸気発生部５ｂを備えている。
【００５５】
さらにまた、この容器２２は、その外側にジャケット型式にして伝熱管２９ｂを群として配置する水蒸気発生部５ｂを備えている。
【００５６】
一方、この容器２２の、例えば頭部側に設けたバーナ２３は、中央に、例えば円孔の第１空気噴出口３０と、その外側の同心状位置で、かつバーナ軸方向ＣＬに対し半径方向（横断方向）に向けて斜めの傾斜角αに形成させた、例えば円孔の複数の燃料噴出口３１と、さらに外側の同心状位置に、例えば環状孔に形成する第２空気噴出口３２とを備えている。この場合、第１空気噴出口３０と第２空気噴出口３２とは、開口面積が同一で、空気噴出流速も同一となるように設計されている。
【００５７】
このような構成を備えた燃料電池システムにおいて、次に、バーナ２３から燃焼室２５に噴出する燃料および空気に基づく燃焼ガス生成のメカニズムを説明する。
【００５８】
まず、燃料電池システム２１は、発電前の起動運転時、図１の脱硫器４の入口側に設けたプロセス燃料弁３３を「閉」にし、燃焼部５ａの入口側に設けた起動用燃料弁３４を「開」にし、空気ブロア１８の出口側に設けた起動用空気弁３５を「開」にし、燃料部３から起動用燃料弁３４を介して送給される燃料、例えばプロパンに空気ブロア１８からの空気を加えて予混合し、その予混合した燃料ガスを燃焼部５ａに供給するとともに、空気ブロア１８から燃焼用空気が燃焼部５ａに供給される。
【００５９】
燃焼部５ａに供給された予混合および燃焼用空気のそれぞれは、図２および図３に示すように、バーナ２３の燃料噴出口３１、第１および第２空気噴出口３０，３２を介して燃焼室２５に噴出され、ここで着火装置（図示せず）により点火され、火炎が形成される。
【００６０】
この火炎は、拡散燃焼し、改質触媒２４を効果的に加熱し、燃料を改質させるに必要な触媒温度まで上昇させ改質触媒２４を活性化状態にさせる。
【００６１】
さらに、区画室２７に回り込んだ燃焼ガスは、水蒸気発生部５ｂの伝熱管２９ａ，２９ａを加熱させ、管内の水を蒸発させ、蒸気にする。
【００６２】
燃焼室２５の入口２５ａで、図１で示した脱硫器４からの燃料Ｆと、水蒸気分離器９からの水蒸気との混合ガスが供給され、その混合ガスの温度が上昇し、やがて燃焼部５ａの容器２２内における改質触媒２４や燃焼室２５の出口２５ｂに接続するＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９等の各熱機器が改質ガスを燃料電池本体２のアノード１４に供給するに必要な温度になると、燃料電池システム２１は、起動用燃料弁３４が「開」のまま、プロセス燃料弁３３を「開」にし、燃料Ｆの改質を開始させる。そして、アノード１４に供給されるプロセスガスが水素リッチで、ＣＯ濃度が低くなると、発電運転が開始される。
【００６３】
発電運転時、未反応のまま残った燃料ガスは、オフガスとしてアノード１４の出口から未燃ガス系２０を介して改質器６の燃焼部５ａに戻される。燃焼部５ａに戻されたオフガス燃料と、燃料部３を介して起動用燃料弁３４からの原燃料とが合流して燃え、直ぐに燃焼部５ａの燃焼室２５の負荷を増加させ、温度が上昇すると、起動用燃料弁３４および起動用空気弁３５は閉じる。そして、燃焼部５ａの燃焼室２５は、未燃ガス系２０からのオフガス燃料のみで運転され、発電運転時に移行する。
【００６４】
発電運転時における燃焼部５ａの燃焼室２５には、バーナ２３の燃料噴出口３１から水蒸気、炭酸ガス、メタンガスを含んだ水素リッチガスが噴出され、それと同時に拡散燃焼に必要な燃焼用空気が第１空気噴出口３０および第２空気噴出口３２を介して噴出される。各噴出口３１，３０，３２で噴出した水素リッチガスと空気とは、混合して燃焼ガスを生成し、燃焼室２５の重力方向（下流側）に向って拡散燃焼する。
【００６５】
このように、燃料Ｆに空気を混合させ、燃焼室２５で拡散燃焼させるバーナ２３に、中央に、例えば円孔状の単一口で形成した第１空気噴出口３０、その外側の同心状位置に、例えば複数の円孔状に形成した燃料噴出口３１、さらにその外側の同心状位置に、例えば環状口に形成した第２空気噴出口３２を設けたのは、次の理由に基づく。
【００６６】
従来のバーナ３６は、図４および図５に示すように、中央に、例えば円孔状の燃料噴出口３７を、その外側の同心状位置に、例えば環状口に形成した空気噴出口３８をそれぞれ備える、１個の燃料噴出口３７と、１個の空気噴出口３８とで拡散燃焼を行う、いわゆる単孔型式であった。
【００６７】
しかし、この単孔型式のものは、燃料Ｆの外側周囲のみに空気が流れるため、燃料Ｆと空気とを良好に混合させることが難しく、また、燃焼速度の違うメタンガス燃料やプロパンガス燃料と水素燃料とを同一バーナで完全燃焼させることが難しく、起動用バーナとメインバーナとに分ける必要があった。すなわち、都市ガス、あるいはＬＰＧ燃料を対象とした発電運転前の起動運転用バーナを別々に設置し、発電運転に移行すると水素リッチガスを燃料として別のメインバーナで改質触媒２４を加熱させる必要があった。
【００６８】
また、発電運転時のオフガス燃料は、水蒸気を多く含んでいるため、燃焼範囲が狭くなり、露点がより高くなると、完全燃焼させることが難しくなる等の問題も抱えていた。
【００６９】
本実施形態に係るバーナ２３は、このような問題点を充分に考察を重ねて改善を加えたもので、中央に、例えば円孔状の単一口に形成した第１空気噴出口３０を、その外側の同心状位置で、かつバーナ軸方向ＣＬに対し半径方向に向けて斜めの傾斜角αに形成させた、例えば複数の円孔状の燃料噴出口３１を、さらにその外側の同心状位置にも、例えば環状孔に形成した第２空気噴出口３２をそれぞれ備え、燃料Ｆが中心部に集まるようにするとともに、燃料Ｆの周りを内側の空気と外側の空気が流れ、あたかも燃料が空気でサンドイッチの状態にさせたので火炎の細分化が充分に奏される。これは、いわば小さい単孔を複数個配置したバーナと同一の効果を奏し、空気と燃料の混合が良好で、たとえ水蒸気を含んでいても燃焼反応が充分促進され、火炎の長さを短くすることができる。
【００７０】
実際、本実施形態に係るバーナ２３の火炎長さは、従来の単孔型式のバーナ３６の火炎長さに較べ半分以下になっていることが実験で確認された。
【００７１】
火炎の長さが、従来に較べて短いと、拡散燃焼の反応をより早く完結させることを示している。その上、短い火炎の分だけ火炎領域の平均燃焼温度は高くなり、燃焼室２５の改質触媒２４への熱の伝わりは損失が著しく小さく非常に効果的である。
【００７２】
また、本実施形態に係る燃焼部５ａは、燃焼室２５の壁面側に改質触媒２４を配置させるとともに、図１で示した脱硫器４からの燃料Ｆと水蒸気分離器９からの水蒸気とを混合させたプロセス燃料ガスを重力方向に向って流し、かつバーナ２３からの燃焼ガスとを対向流形式にして流すので、外部への放熱損失を少なくさせて改質触媒２４への熱の伝わりをより一層効果的に行うことができる。
【００７３】
また、本実施形態に係る燃焼部５ａは、中央に、例えば円孔状の第１空気噴出口３０と、その外側の同心状位置に、例えば円孔状の複数個の燃料噴出口３１と、さらに外側の同心状位置に、例えば複数個の円孔および環状孔のうち、いずれか一方に形成する第２空気噴出口３２とを有するバーナ２３を備え、都市ガスあるいはＬＰＧ等の燃料Ｆと水素リッチガスとの燃焼速度の大きく異なる場合であっても、充分に対処できるようにしているので、従来のように、燃料の種数によって起動運転用と発電運転用との複数本のバーナを用意することもなく燃焼室２５を簡素化させて空気と燃料とを良好に混合させることができ、拡散燃焼をより一層促進させて改質触媒２４をより早く活性化させることができる。
【００７４】
また、燃焼速度の異なる燃料を使用すると、発電運転前の起動運転時の拡散燃焼の際、火炎が伸び過ぎて燃焼が不安定になることがあるが、この場合、燃料噴出口３１から噴出する燃料に予め空気を加えた予混合にし、不足の空気分を第１空気噴出口３０および第２空気噴出口３２から噴出すれば安定した火炎を確保することができる。
【００７５】
なお、本実施形態に係る燃焼部５ａは、バーナ２３に形成する燃料噴出口３１を第１空気噴出口３０の外側の同心状位置に６個設けているが、この例に限らず、例えば図６および図７に示すように、第１空気噴出口３０の外側の同心状位置に形成する燃料噴出口３１を環状孔にしてもよい。また、例えば、図８および図９に示すように、第１空気噴出口３０を環状孔にしてもよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃料電池システムは、燃焼部に設けたバーナに、燃料を噴出させる燃料噴出口と、この燃料噴出口の内径側および外径側のそれぞれに空気噴出口を形成し、燃焼速度の異なる燃料を使用しても一つのバーナで対処できるようにしたので、発電運転前の起動運転時と発電運転時と区別なく拡散燃焼の安定した火炎を確保することができ、燃料と空気とのより一層の混合促進に基づき完全燃焼させて発電効率をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムのうち、燃料電池システムの実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの一部を示す概略縦断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視方向から切断したバーナの切断断面図。
【図４】従来のバーナを示す概略平面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ矢視方向から切断したバーナの切断断面図。態を示す概略系統図。
【図６】本発明に係る燃料電池システムのうち、燃焼部に適用するバーナの第２実施形態を示す概略平面図。
【図７】図６のＣ−Ｃ矢視方向から切断したバーナの切断断面図。態を示す概略系統図。
【図８】本発明に係る燃料電池システムのうち、燃焼部に適用するバーナの第３実施形態を示す概略平面図。
【図９】図８のＤ−Ｄ矢視方向から切断したバーナの切断断面図。
【符号の説明】
１燃料処理系
２電池本体
３燃料部
４脱硫器
５ａ燃焼部
５ｂ水蒸気発生部
６改質器
７ＣＯシフト反応器
８ＣＯ選択酸化器
９水蒸気分離器
１０改質用水タンク
１１改質用水ポンプ
１１ａ水供給系
１１ｂ水回収系
１２排熱熱交換器
１３排熱供給水ポンプ
１４アノード
１５カソード
１６水冷却部
１７電池冷却水ポンプ
１８空気ブロア
１９凝縮熱交換器
２０未燃ガス系
２１燃料電池システム
２２容器
２３バーナ
２４改質触媒
２５燃焼室
２５ａ入口
２５ｂ出口
２６断熱部材
２７区画室
２８断熱部材
２９ａ，２９ｂ伝熱管
３０第１空気噴出口
３１燃料噴出口
３２第２空気噴出口
３３プロセス燃料弁
３４起動用燃料弁
３５起動用空気弁
３６バーナ
３７燃料噴出口
３８空気噴出口[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system suitable for promoting the mixing of air and fuel and performing complete combustion when performing diffusion combustion with a burner.
[0002]
[Prior art]
Recent fuel cells, such as polymer electrolyte fuel cells, can be made compact in shape, have high output power density, and simplify the system for easy operation, so that they can be used in homes. Promising future as a power supply system.
[0003]
In addition to the use of a home residential power supply system, this type of device is also being studied and proposed for use in air conditioning systems and cogeneration systems that use exhaust heat generated after power generation.
[0004]
By the way, there are many types of fuel cells according to the classification of electrolytes. For example, solid polymer fuel cells generate exhaust heat of about 100 ° C. or less with the generation of electric energy. This means that heat is generated as heat from the high battery temperature to the ambient temperature unless the battery efficiency reaches 100%, that is, unless the battery body temperature remains at the ambient temperature and power generation operation becomes possible. ing.
[0005]
On the other hand, in a fuel processing system for reforming fuel to hydrogen, since a combustor is usually used for heating a reforming reaction of a reformer or the like, exhaust heat is generated from combustion exhaust gas, a fuel processing device, or the like. These exhaust heats are suitable for hot water use such as hot water supply and bath, and if there is much heat recovery, it is possible to improve the overall efficiency to nearly 80% by combining electricity and heat.
[0006]
In addition, the cogeneration system is more energy efficient than the conventional grid power use because it is more energy efficient, energy saving, friendly to the global environment, and can be operated more economically.
[0007]
In the fuel cell system that effectively uses the exhaust heat described above, when the fuel is, for example, city gas mainly composed of methane or LPG mainly composed of propane, reforming for reforming these fuels to hydrogen. And a combustion device that heats to activate the reforming catalyst.
[0008]
In that case, a burner is required for the combustion apparatus.
[0009]
Conventionally, the burner is used for two types of start-up before power generation operation and when it is used for power generation, and when only one type having both functions is operated. There is.
[0010]
In the case of the former operation, the reason for switching between the two types of burners is that the main fuel is city gas or propane at start-up, hydrogen is generated at the time of power generation, and the combustion speed is different. Based on the difficulty of securing a flame.
[0011]
In the case of two types of burners that are switched between startup and power generation, when a power generation operation is performed using hydrogen fuel, a so-called single-hole burner having a single jet outlet with a simple structure has been used. Recently, for example, as seen in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-162850, a diffusion burner for mixing the outside of the fuel with air has been proposed.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The single-hole burner that has been used for a long time and the diffusion burner disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-162850 include several problems, one of which is that the combustion efficiency is not necessarily high. there were.
[0013]
That is, the burner used for power generation has poor mixing with air because the fuel mainly containing hydrogen contains water vapor. For this reason, unburned gas components, such as CO and hydrogen, by incomplete combustion increase.
[0014]
In addition, when the amount of unburned gas components increases, the combustion efficiency of the combustion device incorporated in the reformer deteriorates, and an exhaust gas purification device or the like must be provided to reduce unburned gas. Needless to say, the increase in operation cost has a problem and inconvenience, such as requiring a lot of labor for its operation and maintenance.
[0015]
The present invention has been made based on such circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that further increases the combustion efficiency of a burner and secures stable diffusion combustion gas.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that further improves the power generation efficiency by promoting the mixing of fuel and air more effectively even if the fuel mainly composed of hydrogen contains water vapor. There is to do.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention, as described in claim 1, causes air to chemically react with fuel mainly composed of hydrogen produced from a hydrogen production apparatus of a fuel processing system. In the fuel cell system including the battery main body for generating electric power, the burner provided in the combustion unit of the hydrogen production apparatus is a fuel in which an annular fuel outlet or a plurality of fuel outlets for ejecting fuel is annularly arranged. A jet group, a first air jet that ejects air at the inner diameter side of the annular fuel jet or fuel jet group, and an air jet at the outer diameter side of the annular fuel jet or fuel jet group A pre-mixed fuel obtained by adding air in advance to a predetermined fuel to be diffused and burned from the fuel outlet, and at the time of power generation operation Is Containing the off-gas fuel consisting mainly diffuse combustion is ejected from the fuel ejection port selection, the predetermined fuel used during the start-up operation, the hydrocarbon-based fuel comprising at least city gas, LPG, and gasified kerosene It is characterized in that it can be used .
[0018]
In order to achieve the above-mentioned object, the fuel cell system according to the present invention is characterized in that, as described in claim 2, the first air outlet and the second air outlet have an opening area, an air jet velocity, Are configured to be substantially the same.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings and reference numerals attached to the drawings.
[0027]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing an embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
[0028]
In the fuel cell system according to the present embodiment, a case where a polymer electrolyte fuel cell is applied to the fuel cell body as an example will be described.
[0029]
The fuel cell system 21 according to the present embodiment is roughly configured to include a fuel processing system (FPS; Furl Processing System) and a battery body (CSA: Cell Stack Assembly) 2.
[0030]
The fuel processing system 1 includes a fuel unit 3, a desulfurizer 4, a hydrogen production device, a reformer 6 (hereinafter, referred to as a reformer 6), and a reformer 6. Combustion section 5a and steam generation section 5b incorporated as a unit, CO shift reactor 7, CO selective oxidizer 8, steam separator 9, reforming water tank 10, reforming water pump 11, exhaust heat exchanger 12, An exhaust heat supply water pump 13 and the like are provided.
[0031]
The fuel F supplied from the fuel unit 3 to the desulfurizer 4 is appropriately selected from hydrocarbon-based fuels such as city gas, propane, or gasified kerosene.
[0032]
On the other hand, the battery body 2 includes an anode 14, a cathode 15, a water cooling unit 16, a battery cooling water pump 17, and the like.
[0033]
Further, components common to the fuel processing system 1 and the battery body 2 are provided with an air blower 18, a condensation heat exchanger 19, and the like.
[0034]
The principle of power generation of the polymer electrolyte fuel cell having such a configuration will be briefly described.
[0035]
For example, when propane is selected from the fuel F such as propane or city gas, reforming from propane to hydrogen gas is performed in the fuel processing system 1.
[0036]
First, when the fuel F for selecting propane passes through the desulfurizer 4, the sulfur content is removed by, for example, activated carbon or zeolite adsorption, and is combined with the water vapor separated from the water vapor separator 9. It is supplied to the reformer 6.
[0037]
The steam separator 9 heats water supplied from the reforming water tank 10 through the reforming water pump 11 and the water supply system 11a by the steam generating unit 5b, and supplies the steam to the reformer 6 as steam. Here, the fuel F is joined. In addition, the water vapor separator 9 collects the drain water separated from the water vapor in the reforming water tank 10 through the water recovery system 11b.
[0038]
On the other hand, in the reformer 6, a steam reforming reaction is performed by a reforming catalyst with the supplied fuel (propane) F and steam, and CO, CO _{2 and the} like are generated in addition to hydrogen gas. At that time, the steam reforming becomes an endothermic reaction. For this reason, the reformer 6 incorporates the combustion part 5a which ensures a heat source with the water vapor generation part 5b in one container.
[0039]
By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, when the reformed CO concentration of the fuel gas supplied to the anode 14 is high, a membrane electrode assembly (MEA) composed of an electrolyte membrane, a catalyst layer and the like constituting a part of the battery body 2 is used. Membrane Electrode Assembly (hereinafter referred to as “MEA”) (not shown) is poisoned, the activity is reduced, and the battery performance is significantly reduced. For this reason, CO must be oxidized to CO ₂ in advance.
[0040]
The present embodiment takes such points into consideration, and includes a CO shift reactor 7 and a CO selective oxidizer 8 on the downstream side of the reformer 6, and air from the air blower 18 in the CO selective oxidizer 8. Of the reformed gas produced by the reformer 6, the oxidation is promoted by the catalytic reaction of each catalyst (not shown) while the CO flows through the CO shift reactor 7 and the CO selective oxidizer 8. I have to.
[0041]
Although not shown, the catalytic reaction temperatures of the reformer 6 and the CO selective oxidizer 8 are different from each other, from several hundred degrees of the reformer 6 to hundreds of degrees of the CO selective oxidizer 8, and upstream of the reformed gas. In fact, a water heat exchanger for lowering the temperature on the downstream side is necessary, for example, a water heat exchanger is provided between the CO shift reactor 7 and the CO selective oxidizer 8. It may be configured.
[0042]
For example, when reforming the propane of the fuel F, the steam reforming that omits the oxidation reaction from CO to CO ₂ and passes through the whole is based on the following equation (1).
[0043]
[Chemical 1]

The reformed gas that passes through the CO selective oxidizer 8 is mainly composed of components such as hydrogen, carbon dioxide, and water vapor. When these gases are supplied to the anode 14 of the battery body 2, the hydrogen gas passes through the catalyst layer (not shown) of the membrane electrode assembly MEA, and the proton H ⁺ flows through the electrolyte membrane (not shown). It combines with oxygen and electrons in the air flowing from 18 to the cathode 15 to produce water.
[0044]
Therefore, the anode 14 has a negative (−) pole and the cathode 15 has a positive (+) pole, and generates DC power with a potential. When an electric load is present between these potentials, a function as a power source can be provided.
[0045]
On the other hand, the gas that exits from the outlet of the anode 14 that does not contribute to power generation is used as a heating fuel gas for the combustion section 5a, the steam generation section 5b, and the like via the unburned gas system 20.
[0046]
Further, the water vapor coming out of the outlet of the cathode 15 merges with the combustion gas from the water vapor generating part 5b, and after the water is recovered by the condensation heat exchanger 19, the water is supplied to the reforming water tank 10, Water independence in the fuel cell system 21 is intended.
[0047]
Since the reaction temperature at the catalyst in the membrane electrode assembly MEA of the battery body 2 is normally less than a hundred degrees, the cooling water is circulated by the battery cooling water pump 17 so that the temperature of the battery body 2 is lower than that. Then, the heat is dissipated by the exhaust heat exchanger 12 and is controlled by an electric control unit (not shown) so that the inlet side cooling water temperature of the battery body 2 is constant.
[0048]
The medium such as high-temperature water or high-temperature antifreeze supplied from the water cooling unit 16 of the battery body 2 to the exhaust heat exchanger 12 is used as a heating source here, and the water from the exhaust heat supply water pump 13 is used. Heat the water and warm the water. The heated water is supplied to, for example, a water heater or the like and used as hot water or hot water for a bath.
[0049]
In order to simplify the polymer electrolyte fuel cell system, the exhaust heat supply water pump 13 is used instead of the exhaust heat exchanger 12, and the battery cooling water pump 17 of the fuel processing system 1 is used directly. It may be supplied to a water heater or the like.
[0050]
2 and 3 are conceptual diagrams of the fuel cell system according to the present invention showing the combustion section 5a and the steam generation section 5b integrated into the reformer 6. FIG.
[0051]
2 is a schematic longitudinal sectional view showing a part of the fuel cell system according to the present invention, and FIG. 3 is a cut sectional view taken along the direction of arrows AA in FIG.
[0052]
The fuel cell system according to the present embodiment is one in which the combustion section 5 a and the water vapor generation section 5 b of the reformer 6 are housed in a single container 22 and integrated.
[0053]
The combustion unit 5 a includes a burner 23 on the container 22, for example, on the head side, and forms a combustion chamber 25 covered with the reforming catalyst 24 on the wall surface in the container 22.
[0054]
In addition, the container 22 is formed with a compartment 27 that is partitioned by a heat insulating member 26 such as glass wool on the downstream side of the combustion chamber 25. The container 22 is surrounded by a heat insulating member 28 in the compartment 27, and a heat transfer tube 29a is provided. A water vapor generating part 5b arranged as a group is provided.
[0055]
Furthermore, the container 22 is provided with a water vapor generating part 5b on the outer side thereof, which is a jacket type and arranges the heat transfer tubes 29b as a group.
[0056]
On the other hand, the burner 23 provided, for example, on the head side of the container 22 is, for example, a first air outlet 30 having a circular hole and a concentric position on the outer side, and in a radial direction with respect to the burner axial direction CL. A plurality of fuel injection ports 31 that are, for example, circular holes formed at an oblique inclination angle α toward the (transverse direction), and a second air injection port 32 that is formed, for example, in an annular hole at an outer concentric position. It has. In this case, the first air jet 30 and the second air jet 32 are designed to have the same opening area and the same air jet flow velocity.
[0057]
Next, in the fuel cell system having such a configuration, a mechanism for generating combustion gas based on fuel and air ejected from the burner 23 to the combustion chamber 25 will be described.
[0058]
First, during the start-up operation before power generation, the fuel cell system 21 “closes” the process fuel valve 33 provided on the inlet side of the desulfurizer 4 in FIG. 1, and the start-up fuel valve provided on the inlet side of the combustion unit 5a. 34 is "open", the start-up air valve 35 provided on the outlet side of the air blower 18 is "open", and the air blower is supplied to the fuel supplied from the fuel section 3 via the start-up fuel valve 34, for example, propane. Air from 18 is added and premixed, and the premixed fuel gas is supplied to the combustion section 5a, and combustion air is supplied from the air blower 18 to the combustion section 5a.
[0059]
As shown in FIGS. 2 and 3, each of the premixed air and combustion air supplied to the combustion section 5a burns through the fuel outlet 31 and the first and

second air outlets

30 and 32 of the burner 23. It is ejected into the chamber 25 where it is ignited by an ignition device (not shown) to form a flame.
[0060]
This flame diffuses and burns, effectively heats the reforming catalyst 24, raises the catalyst temperature necessary to reform the fuel, and activates the reforming catalyst 24.
[0061]
Further, the combustion gas that has entered the compartment 27 heats the

heat transfer tubes

29a and 29a of the water vapor generating section 5b, evaporates the water in the tubes, and turns it into steam.
[0062]
At the inlet 25a of the combustion chamber 25, a mixed gas of the fuel F from the desulfurizer 4 and the water vapor from the water vapor separator 9 shown in FIG. 1 is supplied, the temperature of the mixed gas rises, and eventually the combustion section 5a The thermal equipment such as the CO shift reactor 7, the CO selective oxidizer 8, and the water vapor separator 9 connected to the reforming catalyst 24 and the outlet 25 b of the combustion chamber 25 in the vessel 22 of the vessel 22 supplies the reformed gas to the fuel cell body 2. When the temperature required for supplying the anode 14 is reached, the fuel cell system 21 starts the reforming of the fuel F by opening the process fuel valve 33 while keeping the starting fuel valve 34 “open”. Then, when the process gas supplied to the anode 14 is rich in hydrogen and the CO concentration becomes low, the power generation operation is started.
[0063]
During the power generation operation, the unreacted fuel gas is returned to the combustion section 5a of the reformer 6 through the unburned gas system 20 from the outlet of the anode 14 as an off gas. The off-gas fuel returned to the combustion section 5a and the raw fuel from the starting fuel valve 34 are joined through the fuel section 3 and burnt, immediately increasing the load on the combustion chamber 25 of the combustion section 5a and increasing the temperature. Then, the starting fuel valve 34 and the starting air valve 35 are closed. And the combustion chamber 25 of the combustion part 5a is drive | operated only with the offgas fuel from the unburned gas system 20, and transfers at the time of an electric power generation driving | operation.
[0064]
During the power generation operation, a hydrogen rich gas containing water vapor, carbon dioxide gas, and methane gas is ejected from the fuel outlet 31 of the burner 23 into the combustion chamber 25 of the combustion section 5a, and at the same time, combustion air necessary for diffusion combustion is the first. The air is blown out through the air outlet 30 and the second air outlet 32. The hydrogen-rich gas and air ejected from each of the

ejection ports

31, 30, and 32 are mixed to generate a combustion gas, and diffusely burn in the direction of gravity (downstream side) of the combustion chamber 25.
[0065]
In this way, the air is mixed with the fuel F, and the burner 23 that diffuses and burns in the combustion chamber 25 is centered, for example, at the first air outlet 30 formed with a single hole in the shape of a circular hole, at the outer concentric position. For example, the reason why the fuel jets 31 formed in a plurality of circular holes and the second air jets 32 formed in, for example, an annular port are provided at the outer concentric positions are based on the following reason.
[0066]
As shown in FIGS. 4 and 5, the conventional burner 36 has, for example, a circular fuel injection port 37 in the center and an air injection port 38 formed in an annular port, for example, in a concentric position outside the center. It was a so-called single hole type in which diffusion combustion is performed by one fuel jet 37 and one air jet 38 provided.
[0067]
However, in this single hole type, since air flows only around the outside of the fuel F, it is difficult to mix the fuel F and air well, and methane gas fuel or propane gas fuel with different combustion speeds and hydrogen It was difficult to completely burn the fuel with the same burner, and it was necessary to divide it into a start burner and a main burner. That is, it is necessary to separately install a start-up operation burner before power generation operation targeting city gas or LPG fuel, and to heat the reforming catalyst 24 with another main burner using hydrogen rich gas as fuel when shifting to power generation operation. there were.
[0068]
Moreover, since the off-gas fuel during power generation operation contains a large amount of water vapor, the combustion range is narrow, and if the dew point is higher, it is difficult to complete combustion.
[0069]
The burner 23 according to the present embodiment has been improved by thoroughly considering such problems, and the first air jet port 30 formed in the center, for example, in the shape of a circular hole, For example, a plurality of circular hole-shaped fuel injection ports 31 formed at the outer concentric position and inclined at an inclination angle α in the radial direction with respect to the burner axial direction CL are further arranged at the outer concentric position. In addition, for example, each of the second air jet ports 32 formed in an annular hole is provided so that the fuel F is collected at the center, and the inner air and the outer air flow around the fuel F, as if the fuel is air. Since it is in a sandwich state, the flame is sufficiently subdivided. This has the same effect as a burner with a plurality of small single holes, so that the mixture of air and fuel is good, the combustion reaction is sufficiently accelerated even if it contains water vapor, and the length of the flame is shortened. be able to.
[0070]
In fact, it has been confirmed through experiments that the flame length of the burner 23 according to the present embodiment is less than half the flame length of the conventional single hole type burner 36.
[0071]
When the flame length is shorter than the conventional one, it indicates that the diffusion combustion reaction is completed more quickly. In addition, the average combustion temperature in the flame region is increased by the amount of the short flame, and the transfer of heat to the reforming catalyst 24 in the combustion chamber 25 is extremely effective with very little loss.
[0072]
In addition, the combustion unit 5a according to the present embodiment arranges the reforming catalyst 24 on the wall surface side of the combustion chamber 25, and the fuel F from the desulfurizer 4 and the steam from the steam separator 9 shown in FIG. Since the mixed process fuel gas flows in the direction of gravity and the combustion gas from the burner 23 flows in a counterflow manner, heat dissipation to the reforming catalyst 24 is reduced by reducing heat dissipation loss to the outside. This can be done even more effectively.
[0073]
In addition, the combustion section 5a according to the present embodiment has, for example, a circular hole-shaped first air outlet 30 at the center, and a plurality of, for example, circular hole-shaped fuel outlets 31, at the outer concentric position. Further, a burner 23 having, for example, a second air outlet 32 formed in one of a plurality of circular holes and annular holes is provided at a concentric position on the outer side, and fuel F such as city gas or LPG and hydrogen Even if the combustion speed of the rich gas differs greatly, it is possible to cope with it sufficiently, so as before, prepare multiple burners for start-up operation and power generation operation according to the number of fuel types. In addition, the combustion chamber 25 can be simplified and air and fuel can be mixed well, the diffusion combustion can be further promoted, and the reforming catalyst 24 can be activated earlier.
[0074]
In addition, when fuels having different combustion speeds are used, the flame may extend excessively during the diffusion combustion during the start-up operation before the power generation operation, and the combustion may become unstable. In this case, the fuel is ejected from the fuel outlet 31. A stable flame can be secured if premixing is performed by adding air to the fuel in advance, and insufficient air is ejected from the first air outlet 30 and the second air outlet 32.
[0075]
In addition, although the combustion part 5a which concerns on this embodiment provides the fuel jet port 31 formed in the burner 23 in the concentric position of the outer side of the 1st air jet port 30, it is not restricted to this example, For example, FIG. As shown in FIGS. 6 and 7, the fuel outlet 31 formed at a concentric position outside the first air outlet 30 may be an annular hole. Further, for example, as shown in FIGS. 8 and 9, the first air outlet 30 may be an annular hole.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, the fuel cell system according to the present invention includes a fuel outlet for ejecting fuel to the burner provided in the combustion section, and air outlets on the inner diameter side and the outer diameter side of the fuel outlet. Even with the use of fuel with different combustion speeds, it can be handled with a single burner, so a stable flame of diffusion combustion can be secured regardless of whether it is in the start-up operation before the power generation operation or during the power generation operation. Further, it is possible to further improve the power generation efficiency by complete combustion based on further mixing promotion of fuel and air.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic system diagram showing an embodiment of a fuel cell system in a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing a part of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the burner cut from the direction of arrows AA in FIG. 2;
FIG. 4 is a schematic plan view showing a conventional burner.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the burner cut from the direction of arrows BB in FIG. 4; The schematic system diagram which shows a state.
FIG. 6 is a schematic plan view showing a second embodiment of a burner applied to a combustion section in the fuel cell system according to the present invention.
7 is a cross-sectional view of the burner cut from the direction of arrows CC in FIG. 6. FIG. The schematic system diagram which shows a state.
FIG. 8 is a schematic plan view showing a third embodiment of a burner applied to a combustion section in the fuel cell system according to the present invention.
9 is a cross-sectional view of the burner cut from the direction of arrows DD in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel processing system 2 Battery main body 3 Fuel part 4 Desulfurizer 5a Combustion part 5b Steam generation part 6 Reformer 7 CO shift reactor 8 CO selective oxidizer 9 Steam separator 10 Reforming water tank 11 Reforming water pump 11a Water Supply system 11b Water recovery system 12 Waste heat exchanger 13 Waste heat supply water pump 14 Anode 15 Cathode 16 Water cooling unit 17 Battery cooling water pump 18 Air blower 19 Condensing heat exchanger 20 Unburned gas system 21 Fuel cell system 22 Container 23 Burner 24 Reforming catalyst 25 Combustion chamber 25a Inlet 25b Outlet 26 Insulating member 27 Compartment chamber 28 Insulating

members

29a and 29b Heat transfer pipe 30 First air outlet 31 Fuel outlet 32 Second air outlet 33 Process fuel valve 34 For starting Fuel valve 35 Start-up air valve 36 Burner 37 Fuel outlet 38 Air outlet

Claims

In a fuel cell system including a battery main body that generates electricity by chemically reacting air with fuel mainly composed of hydrogen generated from a hydrogen production apparatus of a fuel processing system,
The burner provided in the combustion section of the hydrogen production device,
An annular fuel outlet for ejecting fuel or a fuel outlet group in which a plurality of fuel outlets are annularly arranged;
A first air jet for ejecting air on the inner diameter side of the annular fuel jet or fuel jet group;
A second air jet for ejecting air on the outer diameter side of the annular fuel jet or the fuel jet group,
During startup operation before power, advance the premixed fuel plus air is jetted from the fuel injection holes is diffused combustion, and power generation operation the fuel off-gas fuel consisting mainly of hydrogen at the time of the predetermined fuel It is ejected from the spout and diffused and burned .
The fuel cell system , wherein the predetermined fuel used in the start-up operation can be selectively used from a hydrocarbon-based fuel including at least city gas, LPG, and gasified kerosene .

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first air jet outlet and the second air jet outlet are configured such that an opening area and an air jet velocity are substantially the same.

The first air outlet for ejecting air on the inner diameter side of the annular fuel outlet or the group of fuel outlets is configured by a single circular hole or an annular hole provided in the center of the burner. The fuel cell system according to claim 1 or 2 .

The second air jet port for ejecting air on the outer diameter side of the annular fuel jet port or the fuel jet group includes a plurality of circular holes or annular holes arranged in a ring shape. The fuel cell system according to claim 1 or 2 .

3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel outlet is formed obliquely in a radial direction with respect to an axial direction of the burner.

3. The fuel cell system according to claim 1, wherein fuel and air ejected from each of the fuel ejection port and the first and second air ejection ports are ejected in a direction of gravity. 4.

The combustion section provided in the hydrogen production apparatus further includes a combustion chamber that is disposed in the center of the combustion section and generates combustion gas, and a reforming catalyst that is disposed on the outer diameter side of the combustion chamber. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein

The combustion section provided in the hydrogen production device has means for automatically switching from the premixed fuel to the generation of combustion gas of off-gas fuel mainly composed of hydrogen when shifting from the start operation before power generation to the power generation operation. further fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises.