JP5322465B2 - 改質装置の燃焼装置、改質装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、改質装置の燃焼装置、改質装置および燃料電池システムに関する。

改質装置の燃焼装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、この燃焼装置は、燃料供給装置４から供給された燃料を燃料噴射口８から噴出する燃料ディストリビュータ（ノズル）１と、空気供給装置５から供給された空気を噴出する空気噴出孔９を有し、燃料ディストリビュータ１を含み燃料ディストリビュータ１の周囲に空気噴出孔９から噴出する空気とディストリビュータ１から噴出する燃料とが燃焼して火炎を形成する燃焼空間３を形成するようにディストリビュータ１を囲むように配置された空気噴出部材２とを備えている。

すなわち、空気噴出部材２の内周壁２Ｂは傾斜しており、逆円錐台状の空間となっている。つまり、内周壁２Ｂはカップ形状をなしている。内周壁２Ｂに複数の空気噴出孔９が形成されている。空気噴出孔９は複数列（３列）同心円周上に形成されている。空気噴出部材２の内孔たる該カップ状の空間が、火炎が形成されて燃焼が行われる燃焼空間３となる。燃焼空間３の下部には、先端が閉塞された管状の燃料ディストリビュータ３が嵌合されている。燃料ディストリビュータ３は、周方向に複数の燃料噴出孔８が設けられた先端部が、円形断面の燃焼空間３の中心部分に突出するように配置されている。
特開２００４−１５６８９５号公報

上述した特許文献１に記載の燃焼装置においては、燃料噴出孔８とこれに最も近い空気噴出孔９については、それぞれの孔８，９から噴出される燃料および空気が対向流であるため火炎が拡がりにくく安定して形成されにくい。さらに、最内周の空気噴出孔９の外周に位置する複数列の空気噴出孔９から噴出する空気は、燃焼空間３の中心（燃料ディストリビュータ３の中心軸）に向けて噴出されるため、これによっても火炎が拡がりにくく安定して形成されにくい。これらのことから、ＮＯ_Ｘ濃度の増大、CO濃度の増大を招くおそれがある。また、燃料と燃焼空気の混合性が確保できる燃焼負荷が低く、広い発電電力範囲（例えば、300W〜1000W）の燃焼負荷に対してCO濃度の低減が困難である。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、改質装置の燃焼装置、改質装置および燃料電池システムにおいて、適切な形状の火炎を形成して、ＮＯ_Ｘ濃度の低減、CO濃度の低減を図ることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る改質装置の燃焼装置の発明の構成上の特徴は、改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成して燃料電池の燃料極に供給する改質部を有する改質装置に備えられ改質部を加熱する燃焼装置において、燃焼装置は、筒状の筒体と、筒体の内部に筒体の軸方向に沿って軸方向が設けられた筒状のノズルと、ノズルの先端部側面に開口して設けられた複数の第１噴射口と、ノズルの第１噴射口より基端側位置にノズルと筒体の間に固定された板状部材と、板状部材のノズルの周囲にノズルの軸方向に貫通して設けられた複数の第２噴射口と、を備え、燃料極からのアノードオフガスまたは改質部からの燃料ガスを燃焼用酸化剤ガスで拡散燃焼させる拡散燃焼時には、燃料極からのアノードオフガスまたは改質部からの燃料ガスがノズルに供給され、燃焼用酸化剤ガスが第２噴出口から噴出するように供給され、燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとを予混合して燃焼用燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼時には、燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとが予混合して第２噴出口から噴出するように供給され、筒体は、該筒体の軸方向においてノズルの先端部よりも長く設けられて、予混合燃焼および拡散燃焼が内部で行われる燃焼空間が形成され、燃焼空間内で形成されている火炎の輻射温度を検出する温度計測部が設けられた先端部が燃焼空間内にて第１噴射口と板状部材との間に位置する温度センサを備えていることである。

また請求項２に係る改質装置の発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の燃焼装置により改質部を加熱することである。

また請求項３に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、請求項２に記載の改質装置により生成された燃料ガスを燃料極に供給することである。

上記のように構成した請求項１に係る改質装置の燃焼装置の発明においては、ノズルの先端部側面に開口して設けられた第１噴射口からは、アノードオフガスまたは燃料ガスがノズルから外方（外側）に向けて噴出される。また、ノズルの第１噴射口より基端側位置にノズルと筒体の間に固定された板状部材の、ノズルの周囲にノズルの軸方向に貫通して設けられた複数の第２噴射口からは、第１噴射口からアノードオフガスまたは燃料ガスが噴出される場合（拡散燃焼時）には燃焼用酸化剤ガスが、または第１噴射口からアノードオフガスおよび燃料ガスが噴出されない場合（予混合燃焼時）には混合ガスがノズルの先端突出側に向けて噴出される。このように、第２噴出口が設けられた板状部材から、第１噴出口が設けられたノズルの先端部が突設されており、拡散燃焼時には、第１噴出口からノズルの外方（外側）に向けて噴出されたアノードオフガスまたは燃料ガスは、第２噴出口からノズルの先端突出側に向けて噴出された燃焼用酸化剤ガスの流れによって、ノズルの先端突出側に向かう流れとなり、外方（外側）に拡がろうとする火炎をノズルの軸方向に沿った方向に向けている。これにより、火炎の拡がりを必要以上に抑制することなく、かつ、ある程度広がりを絞った火炎を形成することができ、適切な形状の火炎を形成して、ＮＯ_Ｘ濃度の低減、ＣＯ濃度の低減を図ることができる。また、混合性も確保されることから、広いターンダウンにおいて（広い発電電力範囲の燃焼負荷に対して）の低ＣＯ濃度の確保も可能となる。
これに加えて、筒体は、該筒体の軸方向においてノズルの先端部よりも長く設けられているので、予混合燃焼および拡散燃焼が筒体内（すなわち燃焼空間）で行われることで、火炎の拡がりを必要以上に抑制することなく、かつ、ある程度広がりを絞った火炎をより適切に形成することができ、適切な形状の火炎をより確実に形成することができる。

上記のように構成した請求項２に係る改質装置の発明においては、請求項１に記載の燃焼装置により改質部を加熱するので、ＮＯ_Ｘ濃度の低減、ＣＯ濃度の低減を図るとともに広いターンダウンにおいての低ＣＯ濃度の確保も可能とした改質装置を提供することができる。

上記のように構成した請求項３に係る燃料電池システムの発明においては、請求項２に記載の改質装置により生成された燃料ガスを燃料極に供給するので、ＮＯ_Ｘ濃度の低減、ＣＯ濃度の低減を図るとともに広いターンダウンにおいての低ＣＯ濃度の確保も可能とした燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明による改質装置の燃焼装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質装置２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部（燃焼装置）２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。

具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番に燃料ポンプ４２、脱硫器４６および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は改質用燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器４６は燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を低減するものである。燃料供給源から供給される燃料のうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部２５に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。

また、改質用燃料供給管４１の脱硫器４６と改質用燃料バルブ４３との間には燃焼部２５に接続された燃焼用空気供給管６４に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されている。燃焼用燃料供給管４４には燃焼用燃料バルブ４５が設けられている。燃焼用燃料バルブ４５は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれている場合、燃焼部２５に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられている場合、改質部２１に改質用燃料が供給される。

さらに、改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。

起動運転時には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）時には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。燃焼部２５は、燃料極１１からのアノードオフガスまたは改質部２１からの燃料ガスが供給され燃焼用酸化剤ガスが供給され該アノードオフガスを該燃焼用酸化剤ガスで拡散燃焼し、または燃料供給源からの燃焼用燃料および燃焼用酸化剤ガスが予混合されて供給されその予混合ガスを燃焼し、それら燃焼ガスのいずれかにより改質部２１を加熱する燃焼装置である。

この燃焼部２５は、図２に示すように、基部２５ａと、基部２５ａに設けられて基部２５ａと連通する筒状の燃焼筒（筒体）２５ｂと、オフガスノズル２５ｃと、温度センサ２５ｅと、を備えている。燃焼部２５は、制御装置の指令に応じて点火用電極（図示省略）により着火されるものである。

基部２５ａは、ベースプレート２５ａ１、ベースプレート２５ａ１を覆って固定されたベースケーシング２５ａ２から構成されている。ベースプレート２５ａ１にはオフガス供給管７２が接続され、ベースプレート２５ａ１の空間（内部空間）２５ａ４に臨む内壁面にはオフガスノズル２５ｃの基端が接続されている。これらオフガス供給管７２とオフガスノズル２５ｃは、ベースプレート２５ａ１に形成された接続路２５ａ３により連通され、アノードオフガスおよび改質ガスのいずれかがオフガスノズル２５ｃに導入（供給）される。ベースケーシング２５ａ２には、燃焼用空気供給管６４が連結され、燃焼用空気または燃焼用空気と燃焼用燃料が予め混合された予混合ガスが基部２５ａ内にベースプレート２５ａ１とベースケーシング２５ａ２とで形成された空間２５ａ４に導入される。燃焼用空気、予混合ガスの何れかが空間２５ａ４に導入される口６４ａが第１導入口である。

燃焼筒２５ｂは、上端（一端）が基部２５ａのベースケーシング２５ａ２と接続され連通し下方（他端）が開放されている。燃焼筒２５ｂの長手方向の途中（例えば中間より下端側）に円盤状の仕切り板２５ｂ１が設けられており、燃焼筒２５ｂを長手方向に仕切っている。

オフガスノズル２５ｃは、燃焼筒２５ｂの内部に燃焼筒２５ｂの軸方向に沿って軸方向が設けられたノズルである。このオフガスノズル２５ｃは、空間２５ａ４および燃焼筒２５ｂ内を仕切り板２５ｂ１に向けて延在し、仕切り板２５ｂ１の中央を貫通し、燃焼空間２５ｄまで延びている。オフガスノズル２５ｃの先端部分は閉じられており、先端から少し離れた側面部分（先端部）に第１噴射口２５ｃ１が設けられている。第１噴射口２５ｃ１は、オフガスノズル２５ｃの先端部側面に開口して複数設けられるものである。本実施の形態では、第１噴射口２５ｃ１は、オフガスノズル２５ｃの径方向に開口して複数（本実施の形態では４個）設けられている。第１噴射口２５ｃ１は、断面略円形である。基端側から供給されたアノードオフガスまたは改質ガスが複数の第１噴射口２５ｃ１から径方向外側に向けて放射状に噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。オフガスノズル２５ｃはアノードオフガス用とともに燃料電池１０をバイパスした改質ガス用としても使用される。

なお、燃焼空間２５ｄは、可燃ガスを燃焼させるために設けた部分であり、燃焼筒２５ｂ内でオフガスノズル２５ｃの先端が仕切り板２５ｂ１から突出した側の空間のことである。なお、燃焼筒２５ｂのうち仕切り板２５ｂ１より先端の部分はフード２５ｂ３である。このフード２５ｂ３がオフガスノズル２５ｃの仕切り板２５ｂ１から突出した先端部を覆うように設けられている。

仕切り板２５ｂ１は、オフガスノズル２５ｃの第１噴射口２５ｃ１より基端側位置に該オフガスノズル２５ｃと燃焼筒２５ｂの間に固定された板状部材である。仕切り板２５ｂ１は、オフガスノズル２５ｃに直交させて固定されている。仕切り板２５ｂ１は、本実施の形態では平板状であるが、平板状でなくてもよい。

この仕切り板２５ｂ１のオフガスノズル２５ｃの周囲には複数の第２噴射口２５ｂ２（実施の形態では１６個）が設けられている。この第２噴射口２５ｂ２は、仕切り板２５ｂ１を軸方向に貫通して設けられている。本実施の形態では、第２噴射口２５ｂ２は、オフガスノズル２５ｃの軸方向に平行な向きに開口して設けられている。第２噴射口２５ｂ２は、軸方向に貫通していればよく、軸方向に平行でなく、傾斜していてもよい。第２噴射口２５ｂ２は、断面略円形である。

なお、基部２５ａ、燃焼筒２５ｂおよび仕切り板２５ｂ１から筐体２５ｇが構成されている。また、筐体２５ｇには内部空間２５ｈ（基部２５ａ、燃焼筒２５ｂおよび仕切り板２５ｂ１から区画された空間である。）が形成されている。内部空間２５ｈは空間２５ａ４と、燃焼筒２５ｂとオフガスノズル２５ｃとの空間のうち仕切り板２５ｂ１で区画された基部２５ａ側の部分と、から形成されている。

アノードオフガスまたは燃料ガスを燃焼用空気で拡散燃焼させる拡散燃焼の場合には、アノードオフガスまたは燃料ガスがオフガスノズル２５ｃに供給され、燃焼用空気が第２噴出口２５ｂ２から噴出するように供給される。すなわち、オフガスノズル２５ｃに供給されたアノードオフガスまたは燃料ガスが第１噴射口２５ｃ１からオフガスノズル２５ｃの径方向外側に向けて噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。基部２５ａ内の空間２５ａ４に導入された燃焼用空気が第２噴出口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。この場合、第１噴射口２５ｃ１からオフガスノズル２５ｃの径方向外側に向けて噴出されるアノードオフガスまたは燃料ガスは、第２噴射口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出される燃焼用空気の流れによって、オフガスノズル２５ｃの先端突出側に向かう流れとなり、外側に拡がろうとする火炎２５ｆをオフガスノズル２５ｃの軸方向に沿った方向に向けている。

一方、燃焼用燃料と燃焼用空気とを予混合して燃焼用燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼の場合には、燃焼用燃料と燃焼用空気とが予混合して第２噴出口２５ｂ２から噴出するように供給される。すなわち、基部２５ａ内の空間２５ａ４に導入された予混合ガスが第２噴出口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。なお、予混合ガスは燃焼用空気供給管６４を通って供給される。

温度センサ２５ｅは、燃焼部２５の燃焼空間２５ｄ内で生じる火炎２５ｆの輻射温度を検出して、その検出結果を制御装置に送信するもの（例えば輻射温度計）である。温度センサ２５ｅは、例えばシース熱電対であり、基部２５ａのベースプレート２５ａ１を貫通し仕切り板２５ｂ１を貫通して燃焼空間２５ｄ内に挿入されている。その先端部分（先端２５ｅ１からやや後方）が温度計測部である。温度センサ２５ｅの先端２５ｅ１は、第１噴射口２５ｃ１の仕切り板２５ｂ１側の端２５ｃ２より仕切り板２５ｂ１側となるように設けられているが、これに限定されない。温度センサ２５ｅの温度計測部が火炎２５ｆの輻射温度を計測できる位置であればよい。具体的には、燃焼空間２５ｄの内部で火炎２５ｆの火炎面２５ｆ１の外部であればよい。ここで火炎面とは、可燃ガス（例えばアノードオフガス、予混合ガス（燃焼用燃料を含む））の燃焼反応（酸化反応）が起こっている部分とそれ以外の部分の境界面をいう。なお、本実施の形態では、温度センサ２５ｅとして熱電対を用いているが、サーミスタを用いてもよい。

なお、燃焼用空気供給管６４には、図１に示すように、燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス供給手段）６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は大気から燃焼用空気を吸い込み燃焼部２５に吐出するものであり、制御装置の指令に応じて燃焼部２５に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ６６は、制御装置の指令に応じて燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。

システム起動開始（燃料電池システム（改質装置２０）の起動開始）した時点から改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、燃焼用空気バルブ６６が開かれ、燃焼用空気ポンプ６５が駆動されるとともに、改質用燃料バルブ４３、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が閉じられ、燃焼用燃料バルブ４５が開かれ、燃料ポンプ４２が駆動される。燃焼用燃料は改質部２１を通らないで燃焼用燃料供給管４４を通って燃焼用空気供給管６４で燃焼用空気に合流して混合され、その予混合ガスが燃焼用空気供給管６４を通って燃焼部２５に供給される。改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるのは、蒸発部２６で水蒸気が生成され、かつ、改質部２１が所定温度以上となった後である。

また、改質部２１への改質用燃料の供給開始以降から定常運転（発電）開始までの間は、改質用燃料バルブ４３および第２改質ガスバルブ７６が開かれ、燃焼用燃料バルブ４５が閉じられ、燃料ポンプ４２が駆動される。第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５は閉じられたままである。これにより、ＣＯ選択酸化部２４から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、燃焼部２５にはＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を通らないで直接供給される。燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、燃焼部２５には、オフガス供給管７２を通って改質ガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管６４を通って燃焼用空気が供給される。

そして、定常運転（発電）中においては、改質用燃料バルブ４３、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開かれ、燃焼用燃料バルブ４５および第２改質ガスバルブ７６が閉じられ、燃料ポンプ４２が駆動される。これにより、燃焼部２５には燃料電池１０の燃料極１１からのアノードオフガス（燃料電池１０の燃料極１１に供給され消費されずに排出された水素や未改質の改質用燃料を含んだ改質ガス）が供給される。燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、燃焼部２５には、オフガス供給管７２を通ってアノードオフガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管６４を通って燃焼用空気が供給される。このとき、燃焼部２５では燃焼用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い焚きは行われていない。いわゆる追い焚きレスシステムである。

このように燃焼部２５においては、燃焼部２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス（これらは可燃ガスである。）は、燃焼部２５に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部２１と断熱部２８との間および断熱部２８と蒸発部２６との間に形成されて改質部２１や蒸発部２６を加熱するように配設された燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガスは改質部２１の改質触媒２１ａを活性温度域となるように加熱し、蒸発部２２を水蒸気生成するために加熱する。

蒸発部２６は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を覆って当接して設けられている。

この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉するものである。

上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、オフガスノズル（ノズル）２５ｃの先端部側面に開口して（径方向に開口して）設けられた第１噴射口２５ｃ１からは、アノードオフガスまたは燃料ガスがオフガスノズル２５ｃから外方に（径方向外側に）向けて噴出される。また、オフガスノズル２５ｃの第１噴射口２５ｃ１より基端側位置にオフガスノズル２５ｃと燃焼筒（筒体）２５ｂの間に固定された仕切り板（板状部材）２５ｂ１の、オフガスノズル２５ｃの周囲にオフガスノズル２５ｃの軸方向に貫通して設けられた複数の第２噴射口２５ｂ２からは、第１噴射口２５ｃ１からアノードオフガスまたは燃料ガスが噴出される場合（拡散燃焼時）には燃焼用空気（燃焼用酸化剤ガス）が、または第１噴射口２５ｃ１からアノードオフガスおよび燃料ガスが噴出されない場合（予混合燃焼時）には混合ガスがオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出される。このように、第２噴射口２５ｂ２が設けられた仕切り板２５ｂ１から、第１噴射口２５ｃ１が設けられたオフガスノズル２５ｃの先端部が突設されており、拡散燃焼時には、第１噴射口２５ｃ１からオフガスノズル２５ｃの外方（径方向外側）に向けて噴出されたアノードオフガスまたは燃料ガスは、第２噴射口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出された燃焼用空気の流れによって、オフガスノズル２５ｃの先端突出側に向かう流れとなり、外方に拡がろうとする火炎をオフガスノズル２５ｃの軸方向に沿った方向に向けている。これにより、火炎の拡がりを必要以上に抑制することなく、かつ、ある程度広がりを絞った火炎を形成することができ、適切な形状の火炎を形成して、ＮＯ_Ｘ濃度の低減、ＣＯ濃度の低減を図ることができる。また、混合性も確保されることから、広いターンダウンにおいて（広い発電電力範囲の燃焼負荷に対して）の低ＣＯ濃度の確保も可能となる。

また、燃焼筒（筒体）２５ｂはオフガスノズル２５ｃの先端部を覆うように設けられているので、予混合燃焼および拡散燃焼がフード２５ｂ３内（すなわち燃焼空間２５ｄ）で行われることで、火炎の拡がりを必要以上に抑制することなく、かつ、ある程度広がりを絞った火炎をより適切に形成することができ、適切な形状の火炎をより確実に形成することができる。

また、燃焼装置２５により改質部２１を加熱するので、ＮＯ_Ｘ濃度の低減、ＣＯ濃度の低減を図るとともに広いターンダウンにおいての低ＣＯ濃度の確保も可能とした改質装置２０を提供することができる。

また、改質装置２０により生成された燃料ガスを燃料極１１に供給するので、ＮＯ_Ｘ濃度の低減、ＣＯ濃度の低減を図るとともに広いターンダウンにおいての低ＣＯ濃度の確保も可能とした燃料電池システムを提供することができる。

本発明による改質装置の燃焼装置を適用した燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃焼部を示す断面図である。 図２に示す３−３線に沿った断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…燃焼部（燃焼装置）、２５ａ…基部、２５ｂ…燃焼筒、２５ｂ１…仕切り板（平面板状部材）、２５ｂ２…第２噴出口、２５ｃ…オフガスノズル、２５ｃ１…第１噴出口、２５ｅ…温度センサ、２５ｇ…筐体、２５ｈ…内部空間、２６…蒸発部、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、４１…燃料供給管、４２…燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料バルブ、４６…脱硫器、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管。

Claims (3)

1. 改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成して燃料電池の燃料極に供給する改質部を有する改質装置に備えられ前記改質部を加熱する燃焼装置において、
   前記燃焼装置は、
   筒状の筒体と、前記筒体の内部に前記筒体の軸方向に沿って軸方向が設けられた筒状のノズルと、
   前記ノズルの先端部側面に開口して設けられた複数の第１噴射口と、
   前記ノズルの前記第１噴射口より基端側位置に前記ノズルと前記筒体の間に固定された板状部材と、
   前記板状部材の前記ノズルの周囲に前記ノズルの軸方向に貫通して設けられた複数の第２噴射口と、を備え、
   前記燃料極からのアノードオフガスまたは前記改質部からの燃料ガスを燃焼用酸化剤ガスで拡散燃焼させる拡散燃焼時には、前記燃料極からのアノードオフガスまたは前記改質部からの燃料ガスが前記ノズルに供給され、前記燃焼用酸化剤ガスが前記第２噴出口から噴出するように供給され、
   燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとを予混合して前記燃焼用燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼時には、前記燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとが予混合して前記第２噴出口から噴出するように供給され、
   前記筒体は、該筒体の軸方向において前記ノズルの先端部よりも長く設けられて、前記予混合燃焼および前記拡散燃焼が内部で行われる燃焼空間が形成され、
   前記燃焼空間内で形成されている火炎の輻射温度を検出する温度計測部が設けられた先端部が前記燃焼空間内にて前記第１噴射口と前記板状部材との間に位置する温度センサを備えていることを特徴とする改質装置の燃焼装置。
2. 請求項１に記載の燃焼装置により前記改質部を加熱することを特徴とする改質装置。
3. 請求項２に記載の改質装置により生成された燃料ガスを前記燃料極に供給することを特徴とする燃料電池システム。

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