JP5810006B2

JP5810006B2 - 燃料電池用燃料処理システム及び燃焼装置

Info

Publication number: JP5810006B2
Application number: JP2012043984A
Authority: JP
Inventors: 新井　康弘; 康弘新井; 純宇田川; 田中　正俊; 正俊田中
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP2013182695A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池用燃料処理システム及び燃焼装置に関する。

固体高分子型燃料電池では、電気エネルギーの発生と共に、約１００℃以下の排熱が生じる。また、燃料を水素に改質するための燃料電池用燃料処理システムにおいても、通常は改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を用いるため、燃焼排ガス等による排熱が生じる。

このような熱を利用すれば、電気エネルギーとのハイブリッド運転、即ちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギー効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。近年、このような燃料電池システムを家庭に導入しようという開発が行われ、既に実用化が始まっている。

ところで、燃料電池用燃料処理システムの中の燃焼装置に使われるバーナは、発電運転前の起動時に使用するバーナと発電時に使用するバーナとの２種類に分けて運転する場合が多い。これは、燃料の主体は起動時は都市ガス或いはプロパンであるが、発電時は水素であり、起動時と発電時で燃焼速度が異なるためである。しかし、燃料処理システムの構成の簡略化をはかるためには、起動時と発電中の両方に対応した１種類のバーナで燃焼装置を構成することが望ましい。

このような起動時と発電中の両方に対応した１種類のバーナは、起動時は予混合燃焼、発電中は拡散燃焼を実現しているが、燃料噴出口面積は両者のバランスを取った設計となっており、起動時の面積が理想よりは狭くなっている。従って、空気と燃料を完全予混合の状態に近づけると、燃料噴出速度は速くなり吹き消えるため、空気比が１以下の一部予混合での燃焼しか実現できないのが現状である。このような理由で、１種類のバーナで燃焼装置を構成した場合、着火性能が低下し、燃焼範囲が狭くなり易い問題が生じる。

特許第４２０２７３４号公報特許第４２６７６７２号公報

発明が解決しようとする課題は、バーナにおける着火性能の向上及び燃焼範囲の拡大をはかることができる燃料電池用燃料処理システム及び燃焼装置を提供することである。

実施形態の燃料電池用燃料処理システムは、燃料ガスと空気との混合気を点火プラグで点火するバーナを有する燃焼装置を備えた燃料電池用燃料処理システムであって、前記バーナは、中央部に設けられた点火プラグと、前記点火プラグの外側に該プラグと同軸的に設けられた第１区画壁と前記点火プラグとの間に空気を流す第１空気通路と、前記第１区画壁の外側に該区画壁と同軸的に設けられた第２区画壁と前記第１区画壁との間に燃料ガスを流す燃料流路と、前記第２区画壁の外側に該区画壁と同軸的に設けられた第３区画壁と前記第２区画壁との間に空気を流す第２空気通路と、前記第３区画壁に取り付けられ、一部が前記点火プラグに向けて設けられた少なくとも２つのアース棒と、を備え、個々のアース棒の先端部と前記点火プラグの先端部とがそれぞれ水平方向に延び且つ互いに水平方向に対向するように設けられ、前記燃料流路には、起動運転時及び発電運転時において使用される異なる種類の燃料ガスが供給され、火花スパークの飛ぶ位置が前記バーナの炎口部の延長上にある。

本発明によれば、バーナにおける着火性能の向上及び燃焼範囲の拡大をはかることができる。

第１の実施形態に係わる燃料処理システムを用いた燃料電池システムの基本構成を示す図。第１の実施形態に係わる燃料電池用燃料処理システムの燃焼装置の概略構成を示す断面図。比較例の燃料電池用燃料処理システムの燃焼装置の概略構成を示す断面図。空気口面積比と流速比との関係を示す特性図。

以下、実施形態の燃料電池用燃料処理システムを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わる燃焼処理システムを用いた燃料電池システムの基本構成を示す図である。

燃料電池システムとして、燃料改質装置をパッケージング内部に有する固体高分子型燃料電池システムを例に説明する。

燃料電池システムは、主に燃料処理システム（ＦＰＳ：Fuel Processing System）１０と電池本体（ＣＳＡ：Cell Stack Assembly）４０から構成される。燃料処理システム１０は、燃料１１、脱硫器１２、水蒸気発生器１３、改質器１４、ＣＯシフト反応器１５、ＣＯ選択酸化器１６、水蒸気分離器１７、改質用燃焼器１８、排熱熱交換器１９、貯湯槽２１、放熱器２２等から構成される。燃料は炭化水素系燃料、例えば都市ガスやプロパンガスである。

一方、電池本体４０は、アノード極４１及びカソード極４２等から構成される。具体的には、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極であるアノード側電極４１と酸化剤極であるカソード側電極４２を向い合わせた電池セルをセパレータで挟持した構造物を、複数枚積層して構成されている。車載用等では機動性を重視するため、通常、燃料には純水素が使用され、酸化剤には空気が使用される。ところが、定置用や家庭用になると、インフラの問題から、燃料にはメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用することが求められる。

何れの場合も、アノード極４１側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード極４２側の酸素と反応し、水を生成すると共に、外部に対して電気エネルギーが得られる。この種の固体高分子型燃料電池は、電気エネルギーの発生と共に、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、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からである。

本実施形態の固体高分子型燃料電池システムの発電原理を簡単に説明する。燃料に、例えば都市ガスを使用する場合、都市ガスから水素ガスへの改質は、燃料処理システム１０で行われる。都市ガス燃料１１は、脱硫器１２を通過し、例えば活性炭やゼオライト吸着等によって硫黄分が取り除かれ、次に改質器１４を通過する。一方、改質水ポンプ２５により供給された純水は水蒸気発生器１３で加熱され、これによりガス化した水蒸気が燃料ガスに合流する。改質器１４では、触媒により都市ガスと水蒸気の反応から水素が生成されるが、同時にＣＯの生成も行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器１４には加熱用の燃焼器１８が含まれている。

固体高分子型燃料電池は、電池本体４０の電解質膜及び触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ₂へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器１５ではＨ₂Ｏによるシフト反応、ＣＯ選択酸化器１６では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、ＣＯ選択酸化用空気ブロア２７の空気供給により酸化反応を進める必要がある。また、簡単化のため図示しなかったが、改質器１４を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なる。具体的には、改質器１４の数百度からＣＯ選択酸化器１６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熱交換器が必要となる。

次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。例えば、メタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。

ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂…（１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂…（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂…（３）
ＣＯ選択酸化器１６を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等より構成される。これらのガスが、アノード極４１に送り込まれる。アノード極４１に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ⁺が電解質膜を通過、カソード極用空気ブロア２６によりカソード極４２を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。従って、アノード極４１は−極、カソード極４２は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば電源としての機能を持つことになる。

発電に使われずに残ったアノード極出口ガスは、水蒸気加熱器１３及び改質器１４の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード極出口中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器１９ａにより、水分を回収し、システムでの水自立を図る。

一方、電池本体４０の排熱は、電池冷却水ポンプ２８の循環ラインに配置された排熱熱交換器１９ｂによって熱回収される。温水循環ポンプ２９の運転により、排熱熱交換器１９ａ及び１９ｂで熱交換して暖められた温水は、貯湯槽２１に蓄熱され、給湯やお風呂の温水として使われる。貯湯槽２１の熱が使われずに、タンク下部まで高温の温水が貯まった状態では、燃料電池システム１０に戻る循環水温度が上昇するため、温水が使われるまでシステムの運転を停止するか、或いは放熱器２２を通じて大気に放熱する。

まず、起動時の運転方法を示す。運転起動の指令が始まると、燃焼空気切替弁３６が開いた状態で燃焼用空気ブロア２４が起動し、改質器１４内の燃焼室を空気パージする。この場合、燃焼用空気は燃焼用空気ブロア２４より、起動燃料の予混合空気としてだけでなく、拡散空気としても燃焼室内に供給される。空気パージが完了すると、起動燃料着火のための、例えば点火プラグからの火花を燃焼室内で発生させる。メイン燃料遮断弁３３を閉じ、燃料入口遮断弁３１、起動用燃料遮断弁３２を開くと、燃料入口遮断弁３１及び起動用燃料遮断弁３２を通過する起動用燃料は、燃料昇圧ブロア２３で昇圧され、燃焼室内で着火されて火炎が形成される。

燃焼室内で使用されるバーナは、後述するように起動用と発電用も兼ねた一体型バーナである。このバーナでは、メタン主体の起動燃料は発電時のオフガス燃料である水素主体の燃料より燃焼速度が遅く、吹き消えし易いため、予混合燃焼させて燃焼性を向上させている。

燃焼が継続し、燃焼ガスの加熱によって改質器１４や、図示はしていないが電気ヒータ等で加熱されたＣＯシフト反応器１５、ＣＯ選択酸化器１６、水蒸気分離器１７、他が所定の温度になると、改質用水ポンプ２５で水蒸気分離器１７に供給された改質水はそこで蒸気となり、水蒸気流量調節弁３７が開き、燃料改質ラインに供給される。その後、メイン燃料遮断弁３３が開くと、燃料１１と共に蒸気が改質器１４内に供給され、改質反応が始まる。このタイミングで起動用燃料遮断弁３２及び燃焼空気切換弁３６は閉じられる。

改質反応が始まった後、ＣＯ選択酸化用空気ブロア２７の空気で酸化され、ＣＯ選択酸化器１６の出口から出た改質ガスは、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分からなり、電池本体４０のアノード極４１に供給される。アノード極４１の出口から出るオフガスは、オフガス逆止弁３５を通過後、改質用燃焼器１８に供給される。

改質用燃焼器１８に供給されたオフガス燃料は着火して、メイン燃料用空気と安定した拡散燃焼を開始する。その後、カソード極用空気ブロア２６から電池本体４０のカソード極４２に空気が供給され、インバータ（図示せず）が起動すると、燃料電池システム１０の発電が開始する。発電に寄与しないまま残ったアノード極４１の出口から出るオフガスは改質用燃焼器１８に供給され続ける。

ここで、本実施形態に用いた改質用燃焼装置について詳細を説明する。

図２は、本実施形態の燃焼装置のバーナ構造を示している。図２において、バーナ部５０は、主に点火プラグ５１、バーナ本体５２、アース棒５３、バーナ上流部５４から構成されている。

点火プラグ５１は金属材料からなる先端部５１ａ及びそれに連結する絶縁管５１ｂから構成され、先端部５１ａに繋がるバーナ上流部５４側の絶縁管５１ｂの内部の導電部は火花スパークを飛ばすための点火トランスに接続されている（図示せず）。また、先端部５１ａの外径は絶縁管５１ｂの外径と同等或いはそれ以上に大きい構造となっている。

バーナ本体５２は、起動時に燃料と空気の予混合ガスが噴出し、発電時に燃料が噴出する複数の炎口部６０、これらの炎口部６０をサンドイッチのように囲んで２次空気を供給する内周側空気口６１及び外周側空気口６２から構成されている。炎口部６０は、例えば点火プラグ５１が挿通される穴を有する円板体に周方向に沿って複数の穴を設けることにより形成されている。

点火プラグ５１の外側に該プラグ５１と同軸的に絶縁管（第１区画壁）７１が設けられ、第１区画壁７１の外側に該区画壁７１と同軸的に絶縁管（第２区画壁）７２が設けられ、第２区画壁７２の外側に該区画壁７２と同軸的に絶縁管（第３区画壁）７３が設けられている。点火プラグ５１の周りは三重管構造となっている。そして、第１区画壁７１と点火プラグ５１との間に空気を流す第１空気通路が形成され、第１空気流路が内周側空気口６１に接続されている。また、第２区画壁７２と第１区画壁７１との間に燃料ガスを流す燃料流路が形成され、この燃料流路は炎口部６０に接続されている。さらに、第３区画壁７３と第２区画壁７２との間に空気を流す第２空気通路が形成され、この第２空気流路は外周側空気口６２に接続されている。

発電中は起動用燃料遮断弁３２が閉じているため、炎口部６０からは燃料だけが噴出し、拡散火炎が形成される。各空気口の面積については、内周側空気口６１に対して外周側空気口６２の面積が１〜３倍の範囲になるように設計される。これは、図４に示すように、内周側空気口６１に対して外周側空気口６２の面積が１〜３倍の範囲であると、外周流速／内周流速が略１になり、良好な燃焼が確保されるためである。さらに、炎口部６０の面積については、起動時における都市ガス１３Ａの燃料ガスと空気の混合ガスの噴出炎口総面積が、炎口負荷で２０ｋｃａｌ／ｍｍ²ｈ以下になるように設計されている。

金属のアース棒５３は２以上の複数本からなって、バーナ本体５２の外周部に接触固定され、炎口部６０の外側の延長上に接するようなＬ型のような折り曲げられた構造となっている。即ち、アース棒５３は、第３区画壁７３の外周面に取り付けられ、Ｌ型先端部が点火プラグ５１の先端部５１ａの側面に対向するよう設けられている。複数本のアース棒５３の配置に関しては、基本的には等間隔に配置し、隣り合うアース棒の間隔は３６０／ｎ度になり、例えばｎ＝３の場合は１２０度となる。

バーナ上流部５４は、起動時に燃料と空気が内部で予混合する混合ガス供給口６５、内周側及び外周側空気を供給する空気供給口６６から構成される。混合ガス供給口６５は、第２区画壁７２と第１区画壁７１との間の燃料流路に接続されている。空気供給口６６は、第１区画壁７１と点火プラグ５１との間の第１空気通路、及び第３区画壁７３と第２区画壁７２との間の第２空気通路に共通に接続されている。

これらの構成において、点火プラグ５１の先端部５１ａとアース棒５３のＬ型先端部が向かい合って配置され、燃料電池システムの起動着火時はその間を火花スパークが飛んで燃料が着火する。

図３は、比較のための一般的なバーナ構造を示す図である。なお、図２と同じ部位には同じ番号を付している。本実施形態と大きく異なる点は、点火プラグ先端の構造であり、アース棒５３は無い。この場合、着火時は点火プラグ５１の先端とバーナ本体５２との間で火花スパークが飛ぶこととなる。

本実施形態により、従来の燃料電池用燃料処理システムの燃焼装置に比べて以下の効果が得られる。

従来例では、火花スパークの飛ぶ位置が必ずしも燃料と空気の予混合気が噴出する炎口部６０の延長線上に無いため、燃料に着火し難く、着火性が良くない課題があった。これに対し本実施形態においては、火花スパークの飛ぶ位置が炎口部６０の延長上、しかも２箇所にあるため、確実に着火することが可能となる。アース棒５３の本数を２本以上の複数個にした理由は、万一、点火プラグ５１が偏心した場合でも少なくとも１箇所で適切なパワーの火花スパークを得て着火を容易にするためである。しかも、アース棒５３の先端近くは外周側空気口６２からの２次空気により冷却されるため、点火棒５３への火炎加熱による温度上昇も少なく、耐久性並びに信頼性は大きく維持される。

また、各空気口の面積については、内周側空気口６１に対して外周側空気口６２の面積が１〜３倍の範囲になるように設計されているため、内周側空気と外周側空気の噴出流速をほぼ同じくすることが可能となり、その間から噴出し炎口部６０で形成される火炎に対して対称的に２次空気を供給でき、燃焼性向上と燃焼範囲の拡大をはかることができる。外周側空気口６２の面積を内周側空気口６１の面積より広げる理由は、同じ面積では、外周側空気口６２の方が濡れ縁長さが長く、圧損がより高くなり、流量がより少なくなるためである。

さらに、起動時における都市ガス１３Ａの燃料ガスと空気の混合ガスの噴出炎口総面積が、炎口負荷で２０ｋｃａｌ／ｍｍ²ｈ（低発熱量）以下になるように設計された場合、より火炎の吹き消え速度を遅くして、１次空気の予混合比の割合を高めることができる。予混合比の割合を高め空気比を大きくすることで、燃焼範囲は広がるが、発電中の水素をメインとしたオフガスの拡散燃焼への影響も考慮する必要があり、そのバランスが重要となる。なお、炎口負荷とは燃料の発熱量を炎口部６０の面積で割った値である。

従って、本実施形態の構成によれば、燃料電池用燃料処理システムの中の燃焼装置として１種類のバーナを用いながら、起動時の着火性向上と燃焼範囲の拡大をはかることができ、バーナにおける燃焼性能を格段に向上させることができる。このため、コジェネレーション運転を行う燃料電池システムに必須となる燃料電池用燃料処理システムの性能向上及びローコスト化を実現することができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

実施形態では、バーナ部を三重管構造にしたが、必ずしもこの構成に限らず、点火プラグの外周に沿って点火プラグの先端側に燃料ガスを流す燃料通路と、点火プラグの外周に沿って点火プラグの先端側に空気を流す空気通路を有するものであればよい。

また、実施形態ではアース棒は２本以上にしたが、製作精度が高く点火プラグの偏心が無視できるほど小さい場合は、アース棒を１本にしても良い。さらに、炎口の数や各部の材料等も、仕様に応じて適宜変更可能である。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…燃料処理システム
１４…改質器
１８…改質用燃焼器
４０…電池本体
５０…バーナ部
５１…点火プラグ
５２…バーナ本体
５３…アース棒
５４…バーナ上流部
６０…炎口部
６１…内周側空気口
６２…外周側空気口
６５…混合ガス供給口
６６…空気供給口
７１…第１区画壁
７２…第２区画壁
７３…第３区画壁

Claims

燃料ガスと空気との混合気を点火プラグで点火するバーナを有する燃焼装置を備えた燃料電池用燃料処理システムであって、前記バーナは、
中央部に設けられた点火プラグと、
前記点火プラグの外側に該プラグと同軸的に設けられた第１区画壁と前記点火プラグとの間に空気を流す第１空気通路と、
前記第１区画壁の外側に該区画壁と同軸的に設けられた第２区画壁と前記第１区画壁との間に燃料ガスを流す燃料流路と、
前記第２区画壁の外側に該区画壁と同軸的に設けられた第３区画壁と前記第２区画壁との間に空気を流す第２空気通路と、
前記第３区画壁に取り付けられ、一部が前記点火プラグに向けて設けられた少なくとも２つのアース棒と、を備え、
個々のアース棒の先端部と前記点火プラグの先端部とがそれぞれ水平方向に延び且つ互いに水平方向に対向するように設けられ、
前記燃料流路には、起動運転時及び発電運転時において使用される異なる種類の燃料ガスが供給され、
火花スパークの飛ぶ位置が前記バーナの炎口部の延長上にあることを特徴とする燃料電池用燃料処理システム。
前記アース棒は、起動時に前記燃料ガスと前記空気との混合ガスが噴出する炎口の外側の延長上に接するＬ型構造であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料処理システム。
起動時に前記燃料ガスと前記空気との混合ガスが噴出する炎口の内周側に前記第１空気通路が接続された空気口が設けられ、前記炎口の外周側に前記第２空気通路が接続された空気口が設けられ、前記内周側の空気口の総面積よりも前記外周側の空気口の総面積を広くし、前記内周側の空気と前記外周側の空気の噴出流速をほぼ同じくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料処理システム。
前記外周側の空気口の総面積は、前記内周側の空気口の総面積の１〜３倍としたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用燃料処理システム。
起動時における都市ガス１３Ａの燃料ガスと空気との混合ガスの噴出炎口総面積が、炎口負荷で２０ｋｃａｌ／ｍｍ２ｈ（低発熱量）以下になるように設計されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池用燃料処理システム。
燃料電池用燃料処理システムに用いられ、燃料ガスと空気との混合気を点火プラグで点火するバーナを有する燃焼装置であって、
点火プラグと、
前記点火プラグと同軸的に設けられて前記点火プラグの先端側に燃料ガスを流す燃料流路と、
前記点火プラグと同軸的に設けられて前記点火プラグの先端側に空気を流す空気通路と、
一部が前記点火プラグに向けられて配置された少なくとも２つのアース棒と、
を具備し、
個々のアース棒の先端部と前記点火プラグの先端部とがそれぞれ水平方向に延び且つ互いに水平方向に対向するように設けられ、
火花スパークの飛ぶ位置が前記バーナの炎口部の延長上にあることを特徴とする燃焼装置。