JP6101653B2 - Combustor ignition method - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、燃料電池発電システム用改質器に適用される燃焼器の点火方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a combustor ignition method applied to a reformer for a fuel cell power generation system.
都市ガスやLPGなどの市販のガス燃料を原燃料とする固体高分子形燃料電池システムでは、炭化水素系の原燃料ガスから水素を精製する際、さまざまな方法があるが、水蒸気改質反応を利用することが多い。 In polymer electrolyte fuel cell systems using commercially available gas fuels such as city gas and LPG as raw materials, there are various methods for purifying hydrogen from hydrocarbon-based raw fuel gases. Often used.
CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2 …(1)
この反応は一般的に吸熱反応であり、反応を進めるために、外部から熱を与える。
C n H m + nH 2 O → nCO + (m / 2 + n) H 2 ... (1)
This reaction is generally an endothermic reaction, and heat is applied from the outside in order to advance the reaction.
熱源としては、固体高分子形燃料電池システムの電池セルスタックのアノードで反応せずに排気した水素ガス(アノードオフガス)や、原燃料の都市ガスやLPGを燃焼して、その燃焼熱を利用する場合が多い。すなわち、
CnHm+(n+m/4)・O2→nCO2+m/2・H2O …(2)
の反応式で代表される炭化水素の燃焼反応と
H2+1/2O2→H2O …(3)
の反応式で代表させる水素の燃焼反応と
を同時に生じさせる必要がある。
As a heat source, hydrogen gas exhausted without reacting at the anode of the battery cell stack of the polymer electrolyte fuel cell system (anode off gas), city gas of raw fuel or LPG is burned, and the heat of combustion is used. There are many cases. That is,
C n H m + (n + m / 4) · O 2 → nCO 2 + m / 2 · H 2 O (2)
The combustion reaction of hydrocarbons represented by the reaction formula of H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (3)
It is necessary to cause the hydrogen combustion reaction represented by the reaction formula of
また、燃焼電池システムを起動するためには、反応式(1)の反応が効率良く生じる温度である600℃〜800℃程度に改質器をあらかじめ予熱する必要があるが、起動時には水素がまだないため、反応式(2)の燃焼反応のみで発生した熱を改質器に伝える必要がある。また、発電中は、アノードを通過したアノード未反応水素ガスを燃焼して熱を得るが、この反応ガス中には改質器で精製したCO2やアノード反応で生じたH2Oを多く含む場合が多く、純水素の燃焼とは異なる燃焼性を示す。また、アノードオフガスだけでは改質や改質水の蒸発、蒸気温度の上昇に必要な熱が得られない場合は、アノードオフガスまたは燃焼空気に微量の炭化水素を混合して燃焼で発生する熱を増加させる方法をとる。 In order to start the combustion cell system, it is necessary to preheat the reformer to about 600 ° C. to 800 ° C., which is the temperature at which the reaction of the reaction formula (1) occurs efficiently, but at the time of startup, hydrogen is still Therefore, it is necessary to transfer the heat generated only by the combustion reaction of the reaction formula (2) to the reformer. Further, during power generation, the anode unreacted hydrogen gas that has passed through the anode is burned to obtain heat, and this reaction gas contains a large amount of CO 2 purified by the reformer and H 2 O generated by the anode reaction. In many cases, the flammability is different from that of pure hydrogen. If the anode offgas alone does not provide the heat necessary for reforming, evaporation of reformed water, or increase in steam temperature, the anode offgas or combustion air is mixed with a small amount of hydrocarbons to generate heat generated by combustion. Take a way to increase.
このように、アノードオフガスと炭化水素を、同じノズルで燃焼する方式には、起動時は完全予混合燃焼、運転時はアノードオフガスの拡散燃焼と炭化水素の予混合燃焼を行う方式や、起動時は部分予混合燃焼、運転時はアノードオフガスを拡散燃焼する方式や、着火時のみ炭化水素の拡散燃焼、昇温時、および発電運転時はアノードオフガスの拡散燃焼を行う方式などが従来から提案されている。 In this way, the anode off gas and hydrocarbons are burned with the same nozzle in the form of complete premixed combustion at startup, anode offgas diffusion combustion and hydrocarbon premixed combustion during operation, Conventionally, partial premixed combustion, a method of diffusing and burning anode off-gas during operation, a method of diffusing and burning hydrocarbons only during ignition, and a method of diffusing and burning anode off-gas during temperature rise and power generation are proposed. ing.
いずれの場合も、燃料電池システムの改質器用バーナーでは、最初に着火するときは、点火プラグに高電圧をかけて放電する着火方式が用いられている。また、失火の検知には、燃焼ガス温度低下や微小な炎電流を検知する検知手段を設けて失火を検知する方法が採られている。 In any case, the reformer burner of the fuel cell system employs an ignition method in which a high voltage is applied to the spark plug when the ignition is performed for the first time. In addition, for detection of misfire, a method of detecting misfire by providing a detection means for detecting a decrease in combustion gas temperature or a minute flame current is adopted.
しかしながら、放電を利用した点火方法を採用する場合、放電距離を適正に管理する必要があり、点火プラグとノズルとの位置関係を決める、点火プラグの軸ブレや突出し長さなどの公差をかなり狭くする必要がある。これを怠ると、ノズルから吹き出した予混合気の最適な位置に最適な量のエネルギーが伝わらず、点火しなくなるからである。この公差の厳密な管理が、設計上の大きな制約となっている。また、特許文献5にあるような点火プラグを火炎検知にも併用するような燃焼制御方法は、燃料電池改質器以外の目的では良く使われている方式であるが、高電圧と微小電圧を瞬時に切り替えるために特殊なリレーと回路が必要となる。 However, when adopting an ignition method that uses discharge, it is necessary to properly manage the discharge distance, and the tolerances such as the axial blurring and protrusion length of the spark plug that determine the positional relationship between the spark plug and the nozzle are considerably narrow. There is a need to. If this is neglected, the optimum amount of energy will not be transmitted to the optimum position of the premixed gas blown out from the nozzle, and ignition will not occur. Strict management of this tolerance is a major design constraint. In addition, the combustion control method in which the spark plug as described in Patent Document 5 is also used for flame detection is a method often used for purposes other than the fuel cell reformer. Special relays and circuits are required to switch instantly.
本発明が解決しようとする課題は、放電によらずに点火を行うことが可能な燃焼器の点火方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a method for igniting a combustor capable of performing ignition without depending on discharge.
実施形態の燃焼器の点火方法は、ノズルから吹き出る燃料もしくは燃料と空気との混合気を点火器で点火することにより燃焼させる燃料電池発電システム用改質器の燃焼器であって、前記点火器が、通電によって発熱する電気抵抗体からなる発熱部を備えた点火ヒータにより構成されている燃焼器の点火方法において、ノズルに一定時間空気のみを流すステップと、ノズルに何も流さない状態で、前記点火ヒータを通電させるステップと、ノズルに空気と燃料ガスとの混合気を流すステップとを含む。 An ignition method of a combustor according to an embodiment is a combustor of a reformer for a fuel cell power generation system that burns fuel by igniting a fuel or a mixture of fuel and air blown from a nozzle with an igniter, the igniter However, in the ignition method of the combustor configured by an ignition heater including a heat generating portion made of an electric resistor that generates heat when energized, in a step of flowing only air to the nozzle for a certain period of time, and in a state where nothing flows to the nozzle, Energizing the ignition heater, and flowing a mixture of air and fuel gas through the nozzle .
本発明によれば、放電によらずに点火を行うことができる。 According to the present invention, ignition can be performed without depending on discharge.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、一実施形態に係る燃焼器を組み込んだ改質器の構成を示す縦断面図である。図2(a)は、同実施形態の燃焼器を構成するノズルブロックおよび点火ヒータの構成を拡大して示す縦断面図であり、図2(b)は、図1および図2(a)中の矢視Aに示す部分の断面形状を示す横断面図である。図3は、同実施形態の燃焼器を構成するノズルブロックの外観を示す斜視図である。 FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the configuration of a reformer incorporating a combustor according to an embodiment. FIG. 2A is a longitudinal sectional view showing an enlarged configuration of a nozzle block and an ignition heater constituting the combustor of the embodiment, and FIG. 2B is a view in FIG. 1 and FIG. It is a cross-sectional view which shows the cross-sectional shape of the part shown by arrow A of FIG. FIG. 3 is a perspective view showing an external appearance of a nozzle block constituting the combustor of the same embodiment.
本実施形態に係る燃焼器は、ノズルから吹き出る燃料もしくは燃料と空気との混合気を点火器で点火することにより燃焼させる燃料電池発電システム用改質器の燃焼器であるが、この場合の点火器は、通電によって発熱する電気抵抗体からなる発熱部を備えた点火ヒータにより構成される。該燃焼器が適用される改質器80の構成を図1に示す。 The combustor according to the present embodiment is a combustor of a reformer for a fuel cell power generation system that burns fuel by igniting a fuel blown from a nozzle or a mixture of fuel and air with an igniter. The vessel is composed of an ignition heater having a heat generating portion made of an electric resistor that generates heat when energized. The structure of the reformer 80 to which the combustor is applied is shown in FIG.
改質器80には、改質部90、第1の円筒状部材91、第2の円筒状部材92、第3の円筒状部材93、燃焼器ブロック94、燃焼排ガスブロック95、改質触媒層96、熱電対97などが備えられる。これらの要素のうち、本実施形態に係る燃焼器は、少なくともノズルブロック10、このノズルブロック10の側面に配置される第1〜第3の円筒状部材91〜93、燃焼器ブロック94、および点火ヒータ20により構成される。点火ヒータ20は、図2(a)に示されるように、通電によって発熱する電気抵抗体からなる発熱部21を備えている。点火ヒータ20における発熱部21の位置は、燃焼器ノズル下端から一定距離だけ離れた所定の領域、例えば燃焼器ノズル下端位置から10mm程度離れた領域に限定される。 The reformer 80 includes a reformer 90, a first cylindrical member 91, a second cylindrical member 92, a third cylindrical member 93, a combustor block 94, a combustion exhaust gas block 95, a reforming catalyst layer. 96, thermocouple 97, and the like. Among these elements, the combustor according to the present embodiment includes at least the nozzle block 10, first to third cylindrical members 91 to 93 disposed on the side surface of the nozzle block 10, the combustor block 94, and ignition. A heater 20 is used. As shown in FIG. 2A, the ignition heater 20 includes a heat generating portion 21 made of an electric resistor that generates heat when energized. The position of the heat generating portion 21 in the ignition heater 20 is limited to a predetermined region that is a fixed distance away from the lower end of the combustor nozzle, for example, a region that is about 10 mm away from the lower end position of the combustor nozzle.
ノズルブロック10には、図2(a),(b)に示されるように、燃焼器ノズルを構成する第1〜第3のノズル11〜13が備えられる。例えば、ノズルブロック10の中心部に穿たれた穴とその中の点火ヒータ20との間に形成される円環状断面の空間で第1のノズル11を構成し、第1のノズル11の断面の中心と同心で、PCDが第1ノズルの径の1.5倍程度の値になるように、円周状に等間隔でノズルブロック10に穿たれた12個の直径数ミリの穴によって第2のノズル12を構成し、さらにその外側のPCDが第1のノズルの径の2倍〜3倍程度の円周状に等間隔に穿たれた24個の直径数ミリの穴で第3のノズル13を構成する。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the nozzle block 10 includes first to third nozzles 11 to 13 constituting a combustor nozzle. For example, the first nozzle 11 is configured by a space having an annular cross section formed between a hole drilled in the center of the nozzle block 10 and the ignition heater 20 therein, and the cross section of the first nozzle 11 is Concentric with the center, the second is formed by twelve holes with a diameter of several millimeters drilled in the nozzle block 10 at equal intervals in a circumferential manner so that the PCD is about 1.5 times the diameter of the first nozzle. The third nozzle is composed of 24 holes of several millimeters in diameter, with the PCD on the outside of the nozzle 12 being formed at equal intervals around the circumference of about 2 to 3 times the diameter of the first nozzle. 13 is configured.
また、図1に示されるように、第1の円筒状部材91と第2の円筒状部材92とノズルブロック10とによって構成される空間で燃料ヘッダを形成し、第2の円筒状部材92と第3の円筒状部材93とノズルブロック10とによって構成される空間で予混合燃料ヘッダを構成する。ノズルブロック10には、第1のノズル11につながる穴と、燃料ヘッダにつながる穴と、予混合燃料ヘッダにつながる穴とが穿たれている。 Further, as shown in FIG. 1, a fuel header is formed in a space constituted by the first cylindrical member 91, the second cylindrical member 92, and the nozzle block 10, and the second cylindrical member 92 A space formed by the third cylindrical member 93 and the nozzle block 10 constitutes a premixed fuel header. The nozzle block 10 has a hole connected to the first nozzle 11, a hole connected to the fuel header, and a hole connected to the premixed fuel header.
図4は、本実施形態の燃焼器を構成する点火ヒータ20に接続される電気回路の構成を示す回路図である。 FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of an electric circuit connected to the ignition heater 20 constituting the combustor of the present embodiment.
点火ヒータ20には、100V交流電圧を印加するための電気回路30と、一定電流を通流し、点火ヒータ20の電圧を測定するための電気回路40とが、スイッチ回路50を介して選択的に接続されるように構成されている。電気回路30は交流電源31を備え、電気回路40は定電流電源41および電圧計42を備えている。 An electric circuit 30 for applying a 100 V AC voltage to the ignition heater 20 and an electric circuit 40 for passing a constant current and measuring the voltage of the ignition heater 20 are selectively connected via the switch circuit 50. Configured to be connected. The electric circuit 30 includes an AC power supply 31, and the electric circuit 40 includes a constant current power supply 41 and a voltmeter 42.
スイッチ回路50には、スイッチS1,S2が備えられ、これらの切り替え制御が制御装置60により行われる。スイッチS1,S2がそれぞれ接点1に接続されると、電気回路30により100V交流電圧が点火ヒータ20に印加される。一方、スイッチS1,S2がそれぞれ接点2に接続されると、電気回路40により点火ヒータ20に対して一定電流の通流が行われている状態でその電圧測定が行われる。 The switch circuit 50 includes switches S <b> 1 and S <b> 2, and switching control thereof is performed by the control device 60. When the switches S <b> 1 and S <b> 2 are connected to the contact 1, a 100 V AC voltage is applied to the ignition heater 20 by the electric circuit 30. On the other hand, when the switches S1 and S2 are respectively connected to the contact 2, the voltage is measured in a state in which a constant current is flowing to the ignition heater 20 by the electric circuit 40.
こうして構成された燃焼器は、燃焼排ガスヘッダとその下部の4つの円筒部材で構成される改質部90の上部に取り付けられる。 The combustor configured in this manner is attached to the upper part of the reforming unit 90 including the combustion exhaust gas header and the four cylindrical members below the combustion exhaust gas header.
図5は、本実施形態に係る燃焼器を組み込んだ改質器80を用いた固体高分子形燃料電池発電システムの全体構成を示す構成図である。 FIG. 5 is a configuration diagram showing an overall configuration of a polymer electrolyte fuel cell power generation system using a reformer 80 incorporating a combustor according to the present embodiment.
この燃料電池発電システムには、改質器80、蒸発器81、脱硫器82、シフト反応器83、およびメタン化反応器84からなる燃料処理装置100、燃料電池アノード極85などが備えられる。また、燃料処理装置100の周辺には、空気ブロワ61、燃料ブロワ62、バルブ71、バルブ72、バルブ73、オリフィス74,75、三方弁76などが配置される。 The fuel cell power generation system includes a fuel processor 100 including a reformer 80, an evaporator 81, a desulfurizer 82, a shift reactor 83, and a methanation reactor 84, a fuel cell anode 85, and the like. In addition, an air blower 61, a fuel blower 62, a valve 71, a valve 72, a valve 73, orifices 74 and 75, a three-way valve 76, and the like are disposed around the fuel processing apparatus 100.
燃料処理装置100やその周辺に配置される各種ブロワ・バルブ等の補機類のそれぞれの動作は、制御装置60により制御される。この制御装置60は、所定の手順で燃焼器の点火を行う機能、改質器80に流す燃料流量を制御する機能、燃焼器の失火を検知する機能など、各種の機能を有する。 The operations of the fuel processor 100 and the auxiliary machines such as various blowers and valves arranged in the vicinity thereof are controlled by the controller 60. The control device 60 has various functions such as a function for igniting the combustor in a predetermined procedure, a function for controlling the flow rate of fuel flowing to the reformer 80, and a function for detecting misfiring of the combustor.
例えば、制御装置60は、燃焼器を点火させるために、第1段階として燃焼器ノズルに一定時間空気のみを流し、第2段階として燃焼器ノズルに何も流さない状態で、前記点火ヒータを通電させ、第3段階として燃焼器ノズルに空気と燃料ガスとの混合気を流す、3段階の手順によって着火させる。 For example, in order to ignite the combustor, the control device 60 flows only the air through the combustor nozzle for a certain period of time as the first stage, and energizes the ignition heater in a state where nothing flows through the combustor nozzle as the second stage. Then, as a third stage, ignition is performed by a three-stage procedure in which a mixture of air and fuel gas is supplied to the combustor nozzle.
また、制御装置60は、オフガス燃焼時に、点火ヒータ20に一定の電流を流すことで計測される電圧に基づいて改質器80に流す燃料流量を制御する。 Further, the control device 60 controls the flow rate of the fuel that flows to the reformer 80 based on the voltage measured by flowing a constant current through the ignition heater 20 during off-gas combustion.
また、制御装置60は、燃焼器の失火を検知するために、オフガス燃焼時に、点火ヒータ20の電気抵抗を測定することによって、失火を検知する。 The control device 60 detects misfire by measuring the electrical resistance of the ignition heater 20 during off-gas combustion in order to detect misfire in the combustor.
次に、本実施形態に係る制御装置60による燃料電池発電システムの動作の一例を、図1乃至図4を参照しつつ、図5を参照して説明する。 Next, an example of the operation of the fuel cell power generation system by the control device 60 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4 and FIG.
図5に示される燃料処理装置100の起動時には、まず、バルブ73を開いた状態で空気ブロワ61を起動し、燃焼用空気がオリフィス75を経由して第1のノズル11と第3のノズル13へ一定時間流れるようにし、改質器80の燃焼空間内を空気のみの状態にする。 When starting the fuel processing apparatus 100 shown in FIG. 5, first, the air blower 61 is started with the valve 73 open, and the combustion air passes through the orifice 75 and the first nozzle 11 and the third nozzle 13. So that the combustion space of the reformer 80 is in an air-only state.
次に、空気ブロワ61を一旦停止し、スイッチ回路50(図4参照)のスイッチS1,S2をそれぞれ接点1に接続して、点火ヒータ20に交流電圧を印加して発熱させる。これにより、一定時間経過後、点火ヒータ20の発熱部21(図2(a)参照)は温度が800℃以上に上昇する。 Next, the air blower 61 is temporarily stopped, the switches S1 and S2 of the switch circuit 50 (see FIG. 4) are connected to the contact 1, respectively, and an AC voltage is applied to the ignition heater 20 to generate heat. As a result, the temperature of the heat generating portion 21 (see FIG. 2A) of the ignition heater 20 rises to 800 ° C. or more after a predetermined time has elapsed.
次に、空気ブロワ61と燃料ブロワ62とを同時に起動する。このとき、バルブ73を閉止することによって、第3のノズル13にのみ、空気が流れるようにする。また、原燃料については、最初、バルブ71を閉止状態にすることで、三方弁76およびオリフィス74を経由して改質器80側にのみに流れるようにし、プロセス入口には流れないようにする。これにより、改質器80側に流れてきた原燃料は、空気ブロワ61によって供給された空気の一部と混合し、予混合の状態で、改質器80における燃焼器の空気配管に供給され、第3のノズル13へと導かれる。そして、第3のノズル13から吹き出した燃料と空気との混合気は、800℃以上に加熱された状態の点火ヒータ20からの輻射熱を吸収して着火し、予混合火炎を形成する。 Next, the air blower 61 and the fuel blower 62 are started simultaneously. At this time, the valve 73 is closed so that air flows only through the third nozzle 13. In addition, the raw fuel is initially set to a closed state so that the raw fuel flows only to the reformer 80 side via the three-way valve 76 and the orifice 74 and does not flow to the process inlet. . As a result, the raw fuel flowing to the reformer 80 side is mixed with a part of the air supplied by the air blower 61 and supplied to the air pipe of the combustor in the reformer 80 in a premixed state. To the third nozzle 13. The mixture of fuel and air blown out from the third nozzle 13 absorbs the radiant heat from the ignition heater 20 heated to 800 ° C. or more and ignites to form a premixed flame.
火炎を形成したのち、スイッチ回路50(図4参照)のスイッチS1,S2をそれぞれ接点1から接点2に切り替えることにより、点火ヒータ20への交流の電圧印加を止めると同時に、点火ヒータ20に一定電流を流してその電圧を計測し、印加した一定電流と計測した電圧とから抵抗値を得る。 After the flame is formed, by switching the switches S1 and S2 of the switch circuit 50 (see FIG. 4) from the contact 1 to the contact 2, respectively, the AC voltage application to the ignition heater 20 is stopped and at the same time the ignition heater 20 is constant. A current is passed to measure the voltage, and a resistance value is obtained from the applied constant current and the measured voltage.
火炎で反応した混合気は、燃焼排ガスとなって、図1に示す改質器80内の燃焼空間へと流れ、改質部90の最下端で900℃程度の温度となって折り返し、円環断面状の改質触媒層96を伝熱筒を介して加熱昇温し、改質器80を出た後、蒸発器81に入り、改質水に熱を与えて蒸発させ、排気される。 The air-fuel mixture reacted with the flame becomes combustion exhaust gas and flows into the combustion space in the reformer 80 shown in FIG. 1, and turns back to a temperature of about 900 ° C. at the lowermost end of the reforming unit 90. The reforming catalyst layer 96 having a cross-sectional shape is heated and heated through a heat transfer cylinder, exits the reformer 80, enters the evaporator 81, heats the reforming water to evaporate, and is exhausted.
蒸発器81で発生した蒸気は、改質器80の原燃料配管を通じて改質触媒層96に入り、プロセスガス流路を水蒸気で充満した状態にする。この昇温中はバルブ73を開放し、第1のノズル11に空気を流して、点火ヒータ20周囲に空気を流すことも可能である。 The steam generated in the evaporator 81 enters the reforming catalyst layer 96 through the raw fuel pipe of the reformer 80, and the process gas flow path is filled with steam. During this temperature increase, the valve 73 can be opened, air can be passed through the first nozzle 11, and air can be passed around the ignition heater 20.
改質触媒層96の下端部に取り付けた熱電対97の指示値がおおむね700℃以上になったところで、バルブ71を開放し、原燃料を脱硫器82へ流す。これにより、第3のノズル13への燃料の供給量を減少させると同時に、改質触媒層96に原燃料と水蒸気の混合物を供給し、水素生成を開始する。このとき第3のノズル13と第1のノズル11への空気供給は停止せず、空気ブロワ61の回転数を調整して流量を調整する。この流量調整過程で火炎は一旦消える場合もある。 When the indicated value of the thermocouple 97 attached to the lower end of the reforming catalyst layer 96 is approximately 700 ° C. or higher, the valve 71 is opened and the raw fuel is allowed to flow to the desulfurizer 82. As a result, the amount of fuel supplied to the third nozzle 13 is decreased, and at the same time, a mixture of raw fuel and water vapor is supplied to the reforming catalyst layer 96 to start hydrogen generation. At this time, the air supply to the third nozzle 13 and the first nozzle 11 is not stopped, and the flow rate is adjusted by adjusting the rotational speed of the air blower 61. The flame may disappear once during this flow rate adjustment process.
改質触媒層96で生成した水素を含むガスは、図5に示されるように、シフト触媒を有するシフト反応器83、メタン化触媒を有するメタン化反応器84でCOを除去されたのち、バルブ72を経由し、燃料管を通じて燃焼器の第2のノズル12に供給される。 As shown in FIG. 5, the gas containing hydrogen generated in the reforming catalyst layer 96 is subjected to valve removal after CO is removed by the shift reactor 83 having a shift catalyst and the methanation reactor 84 having a methanation catalyst. 72 and supplied to the second nozzle 12 of the combustor through the fuel pipe.
第2のノズル12に供給された水素リッチガスは、第1のノズル11、第3のノズル13から吹き出す空気とノズルを出たのちに混合する。このとき燃焼空間は700℃以上の高温となっているので、水素リッチガス流量が徐々に増加するにつれ自然に着火し、第2のノズル12出口に拡散火炎を形成する。拡散火炎によって、第3のノズル13の空気にわずかに混合した原燃料ガスも燃焼する。 The hydrogen rich gas supplied to the second nozzle 12 is mixed with the air blown out from the first nozzle 11 and the third nozzle 13 after leaving the nozzle. At this time, since the combustion space is at a high temperature of 700 ° C. or higher, it spontaneously ignites as the hydrogen rich gas flow rate gradually increases, and a diffusion flame is formed at the outlet of the second nozzle 12. The raw fuel gas slightly mixed with the air of the third nozzle 13 is also burned by the diffusion flame.
メタン化反応器84を出た後の水素リッチガスの一部は、燃料ブロワ62入口に流れ、原燃料とともに脱硫器82へ流れ、水添脱硫反応を生じて、原燃料の硫黄分が取り除かれる。一方、改質器80内で改質触媒層96に熱を伝えたあとの燃焼ガスは、蒸発器81に入り、改質水を蒸発させる。蒸発した蒸気は脱硫器82を出た原燃料と混合され改質触媒層96へ供給される。 A part of the hydrogen-rich gas after leaving the methanation reactor 84 flows to the fuel blower 62 inlet and flows to the desulfurizer 82 together with the raw fuel, causing a hydrodesulfurization reaction to remove the sulfur content of the raw fuel. On the other hand, the combustion gas after transferring heat to the reforming catalyst layer 96 in the reformer 80 enters the evaporator 81 and evaporates the reforming water. The evaporated vapor is mixed with the raw fuel exiting the desulfurizer 82 and supplied to the reforming catalyst layer 96.
一定時間経過後、バルブ72を閉止し、水素リッチガスを燃料電池アノード極85に流し、発電を開始する。これにより、水素リッチガスの水素の80%〜90%を消費して水素濃度の低下したアノードオフガスが、第2のノズル12に流れ、燃焼と改質を継続する。このとき、第1のノズル11には、拡散空気が流れている。 After a certain period of time, the valve 72 is closed, a hydrogen rich gas is caused to flow to the fuel cell anode 85, and power generation is started. Thereby, 80% to 90% of hydrogen in the hydrogen rich gas is consumed, and the anode off gas having a reduced hydrogen concentration flows to the second nozzle 12 and continues combustion and reforming. At this time, the diffusion air flows through the first nozzle 11.
運転中は、点火ヒータ20の抵抗値を監視し、この抵抗値を用いて、燃料流量や改質水流量を適正な値に設定する。もし運転中に、点火ヒータ20の抵抗値が低下し、設定した閾値以下になった場合には、失火と判定し、運転を停止する。 During operation, the resistance value of the ignition heater 20 is monitored, and the fuel flow rate and the reforming water flow rate are set to appropriate values using the resistance value. If the resistance value of the ignition heater 20 decreases during operation and falls below a set threshold value, it is determined that misfire has occurred and operation is stopped.
このように、本実施形態によれば、点火プラグではなく点火ヒータ20を点火器に用いるため、従来のように放電に好適な狭い範囲にバーナーノズル位置と点火プラグ電極との距離が入るようにすることをしなくても、800℃以上に加熱された点火ヒータ20によって第3のノズル13から噴出するすべての予混合気の温度を輻射伝熱によって高くすることができるので、バーナーノズル位置や点火器の軸ブレなどの管理公差を通常の製造公差より厳しく管理する必要がなくなる。 Thus, according to the present embodiment, since the ignition heater 20 is used as the igniter instead of the ignition plug, the distance between the burner nozzle position and the ignition plug electrode is within a narrow range suitable for discharge as in the prior art. Even if it does not do, since the temperature of all the premixed gas jetted from the 3rd nozzle 13 by the ignition heater 20 heated to 800 degreeC or more can be made high by radiant heat transfer, burner nozzle position and It is not necessary to manage the control tolerances such as the shaft shake of the igniter more strictly than the normal manufacturing tolerances.
また、発熱部21を燃焼器出口よりも下流の位置にのみ設置することによって、バーナーノズルへの輻射伝熱を減らすことができるので、点火ヒータ20の発熱を効率よく予混合気に伝えることができる。 Further, by installing the heat generating part 21 only at a position downstream from the combustor outlet, the radiant heat transfer to the burner nozzle can be reduced, so that the heat generated by the ignition heater 20 can be efficiently transmitted to the premixed gas. it can.
また、起動の際に、空気パージ実施後、一度空気を止めて、燃焼空気状態に強制的な流れがないようにすることによって、点火ヒータ20が冷却されることがなくなり、ガスと空気を流したときには着火に必要な800℃以上の温度を保つことができる。 Also, at the start-up, after the air purge is performed, once the air is stopped so that there is no forced flow in the combustion air state, the ignition heater 20 will not be cooled, and gas and air will flow. When this is done, the temperature of 800 ° C. or higher necessary for ignition can be maintained.
また、図4に示されるような電気回路30,40を設け、制御装置60により点火動作時はスイッチS1,S2をそれぞれ接点1に設定して点火ヒータ20に交流電圧を印加し、一方、運転中はスイッチS1,S2をそれぞれ接点2に切り替えて、点火ヒータ20に一定電流を印加しながら電圧を計測することにより、印加した一定電流と計測した電圧とから点火ヒータ20の電気抵抗値を知得することができる。例えば、金属の電気抵抗が温度の上昇によって増加する性質を利用して、金属抵抗と温度の関係をあらかじめ計測して得られる対応表を作っておけば、点火ヒータ20の電圧を測定して得られる電気抵抗値から、点火ヒータ20の温度を知得することができる。これにより、燃焼器内の温度を点火ヒータ20を通じて知得することができるので、熱電対などの温度計測器や炎電流測定器などの計測装置を追設することなく、燃料流量を制御することが可能となり、失火判定を行うことも可能となる。 Also, electric circuits 30 and 40 as shown in FIG. 4 are provided, and when the ignition operation is performed by the control device 60, the switches S1 and S2 are respectively set to the contact 1 to apply an AC voltage to the ignition heater 20, while the operation is performed. During this time, the switches S1 and S2 are respectively switched to the contact point 2, and the voltage is measured while applying a constant current to the ignition heater 20, so that the electric resistance value of the ignition heater 20 is known from the applied constant current and the measured voltage. Can be obtained. For example, if the correspondence table obtained by measuring the relationship between the metal resistance and the temperature in advance is created by utilizing the property that the electrical resistance of the metal increases as the temperature rises, it can be obtained by measuring the voltage of the ignition heater 20. The temperature of the ignition heater 20 can be obtained from the obtained electrical resistance value. Thereby, since the temperature in the combustor can be obtained through the ignition heater 20, the fuel flow rate can be controlled without additionally installing a measuring device such as a thermocouple or a flame current measuring device. This makes it possible to make a misfire determination.
以上詳述したように、上記実施形態によれば、放電によらずに点火を行うことができる。 As described above in detail, according to the above embodiment, ignition can be performed without depending on discharge.
本発明のいく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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…ノズルブロック、11…第1のノズル、12…第2のノズル、13…第3のノズル、20…点火ヒータ、21…発熱部、30,40…電気回路、31…交流電源、41…定電流電源、42…電圧計、50…スイッチ回路、60…制御装置、71〜73…バルブ、74,75…オリフィス、76…三方弁、61…空気ブロワ、62…燃料ブロワ、81…蒸発器、82…脱硫器、83…シフト反応器、84…メタン化反応器、85…燃料電池アノード極、90…改質部、91…第1の円筒状部材、92…第2の円筒状部材、93…第3の円筒状部材、94…燃焼器ブロック、95…燃焼排ガスブロック、96…改質触媒層、97…熱電対、100…燃料処理装置、S1,S2…スイッチ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Nozzle block, 11 ... 1st nozzle, 12 ... 2nd nozzle, 13 ... 3rd nozzle, 20 ... Ignition heater, 21 ... Heat generating part, 30, 40 ... Electric circuit, 31 ... AC power supply, 41 ... Constant current power source, 42 ... Voltmeter, 50 ... Switch circuit, 60 ... Control device, 71-73 ... Valve, 74,75 ... Orifice, 76 ... 3-way valve, 61 ... Air blower, 62 ... Fuel blower, 81 ... Evaporator , 82 ... desulfurizer, 83 ... shift reactor, 84 ... methanation reactor, 85 ... fuel cell anode electrode, 90 ... reforming section, 91 ... first cylindrical member, 92 ... second cylindrical member, 93 ... third cylindrical member, 94 ... combustor block, 95 ... combustion exhaust gas block, 96 ... reforming catalyst layer, 97 ... thermocouple, 100 ... fuel treatment device, S1, S2 ... switch.
Claims (1)
ノズルに一定時間空気のみを流すステップと、
ノズルに何も流さない状態で、前記点火ヒータを通電させるステップと、
ノズルに空気と燃料ガスとの混合気を流すステップと
を含むことを特徴とする燃焼器の点火方法。 A combustor of a reformer for a fuel cell power generation system that combusts a fuel blown from a nozzle or a mixture of fuel and air by igniting with an igniter, wherein the igniter is an electric resistor that generates heat when energized. In an ignition method of a combustor configured by an ignition heater provided with a heat generating part ,
Flowing only air through the nozzle for a certain period of time;
Energizing the ignition heater in a state where nothing flows through the nozzle;
And a step of flowing a mixture of air and fuel gas through the nozzle.
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