JP6111124B2

JP6111124B2 - 燃焼器の運転方法および燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP6111124B2
Application number: JP2013082860A
Authority: JP
Inventors: 川本　浩一; 浩一川本; 田中　正俊; 正俊田中; 新井　康弘; 康弘新井; 和田　克也; 克也和田
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: JP2014207078A

Description

本発明の実施形態は、燃焼器の運転方法および燃料電池発電システムに関する。

都市ガスやＬＰＧなどの市販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。

Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２（反応式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。

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、
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋（ｎ＋ｍ／４）・Ｏ_２→ｎＣＯ_２＋ｍ／２・Ｈ_２Ｏ（反応式２）
の反応式で代表される炭化水素の燃焼反応と
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ（反応式３）
の反応式で代表させる水素の燃焼反応
を同時に生じさせる必要がある。

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ＣＯ_２やアノード反応で生じたＨ_２Ｏ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、（反応式３）の燃焼反応の熱は、（反応式１）の反応に必要な熱を改質器に供給するだけでなく、（反応式１）に必要な水蒸気を水から得るための蒸発潜熱や、蒸気温度を（反応式１）に好適な温度にするための顕熱上昇にも使われるため、たとえば、特許文献１に示されるように、アノードオフガスに微量の炭化水素を加えて、全体の燃料消費量を抑える工夫がなされる場合もある。

一般に炭化水素の燃焼と、水素の燃焼とでは、燃焼可能な空気流量と燃料流量の比、いわゆる空燃比の範囲が異なり、また、同じ炭化水素でも、炭素数ｎの違いにより燃焼範囲が異なる。したがって、一般的な燃焼器では、燃料の種類によって、バーナーノズルの設計を変更するのが通常である。

特開２００４−６１１１号公報

改質システムから供給される水素流量のうちアノードで消費する水素流量の割合、いわゆる水素利用率は高いほど発電効率、総合効率は上昇する。炭化水素の改質によって得られるＣＯ_２を多く含む水素ガスを用いる場合、従来は燃料電池アノードの水素利用率の限界は８０％程度であったため、高い水素利用率での運転が難しかったが、近年、燃料電池技術の向上により、水素利用率８５％での運転も不可能ではなくなってきた。

一方で、燃料電池システムの場合、改質器のコンパクト化を図るため、発電時のアノードオフガス単独または炭化水素の混合物の燃焼と、起動時の炭化水素のみの燃焼とを、共通のノズルで実現することが望まれる。しかし、前述した水素利用率の向上に伴い、アノードオフガス中の水素濃度が減少することから、共通のノズルで起動時の予混合燃焼と運転時のアノードオフガス燃焼とを両立させることは困難である。特に、アノードオフガス燃焼は、拡散燃焼となるため、水素濃度が減少して、炭化水素濃度が増えると炭化水素の不完全燃焼が生じやすくなる。結果的に、安定した火炎を形成することが困難となり、更には、改質触媒層に十分な熱を供給することも困難となる。

発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で起動時および運転時における良好な燃焼を実現することにある。

実施形態の燃焼器の運転方法は、燃料、空気、もしくは燃料と空気との混合気をノズルから吹き出すことによって燃焼を行う燃料電池発電システムの改質器に適用される燃焼器として、円形または円環状の断面を有する第１のノズルと、前記第１のノズルの外周に同心円状に配置された複数個の流路からなる第２のノズルと、前記第２のノズルのさらに外周に同心円状に配置された複数個の流路からなる第３のノズルとを具備する燃焼器の運転方法であって、起動時には、前記第１のノズルには何も流さないか、あるいは空気のみを流し、前記第２のノズルには何も流さず、前記第３ノズルには空気と炭化水素ガスとの混合気を流し、運転時には、前記第１のノズルに空気を、前記第２のノズルには燃料電池アノードオフガスを、前記第３のノズルには空気と炭化水素ガスとの混合気を流すことを特徴とする。

一実施形態に係る燃焼器を燃料電池発電システムの改質器に組み込んだ構成を示す横断面図。図１中に示されるノズルブロックの構成を示す横断面図。図２中に示されるノズルブロックの矢視Ａ−Ａにおける断面形状を示す縦断面図。固体高分子型燃料電池システムの概略構成を示す構成図。図３に示されるノズルブロックの変形例のノズルブロックの断面形状を示す縦断面図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

図１は、一実施形態に係る燃焼器を燃料電池発電システムの改質器に組み込んだ構成を示す横断面図である。図２は、図１中に示されるノズルブロックの構成を示す横断面図である。図３は、図２中に示されるノズルブロックの矢視Ａ−Ａにおける断面形状を示す縦断面図である。

図１に示される改質器３１は、改質部３０の上部に燃焼器２０を取り付けて構成される。燃焼器２０は、燃料、空気、もしくは燃料と空気との混合気をノズルから吹き出すことによって燃焼を行うものであり、ノズルブロック１０、ノズルブロック１０の側面に配置される３つの円筒状部材１１〜１３（第１の円筒状部材１１、第２の円筒状部材１２、および第３の円筒状部材１３）、および燃焼器ブロック１４により構成される。

ノズルブロック１０は、図２および図３に示されるように、円形または円環状の断面を有する第１のノズル１と、第１のノズル１の外周に同心円状に配置された複数個の流路からなる第２のノズル２と、第２のノズル２のさらに外周に同心円状に配置された複数個の流路からなる第３のノズル３とを有する。

具体的には、例えば、ノズルブロック１０の中心部に穿たれた内径８ｍｍ穴と点火ヒータ１５の間に形成される円環状の空間で第１のノズル１を構成し、第１のノズル１と同心のＰＣＤ（ピッチ円直径）１２ｍｍの円周上に等間隔でノズルブロック１０に穿たれた１２個の直径１．８ｍｍの穴によって第２のノズル２を構成し、さらにその外側のＰＣＤ１８ｍｍの円周上に等間隔に穿たれた２４個の直径１．８ｍｍの穴で第３のノズル３を構成する。

また、第１の円筒状部材１１と第２の円筒状部材１２とノズルブロック１０とで構成される空間により燃料ヘッダを形成し、第２の円筒状部材１２と第３の円筒状部材１３とノズルブロック１０で構成される空間により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１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。

こうして構成した燃焼器２０を、下部の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３０の上部に取り付け、改質器３１を構成する。

図４は、固体高分子型燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付している。

図４に示される燃料電池システムは、改質器３１、蒸発器３２、脱硫器３３、シフト反応器３４、およびメタン化反応器（低温反応器）３５を備えた燃料処理装置１００や、その周辺に配置される燃料ブロワ２１、空気ブロワ２２、バルブ２３，２４、オリフィス２５，２６などを備え、燃料電池のアノード極２７に水素リッチガスを供給する。また、図示しない制御装置により、本システム内の各種の機器が制御される。なお、前述の燃焼器２０は、図４の改質器３１の一部として設置されている。

ここで、図１および図４を参照して、本システムの運転方法について説明する。

簡単に説明すると、起動時には、第１のノズル１には何も流さないか、あるいは空気のみを流し、第２のノズル２には何も流さず、第３ノズル３には空気と炭化水素ガスとの混合気を流し、運転時には、第１のノズル１に空気を、第２のノズル２には燃料電池アノードオフガスを、第３のノズル３には空気と炭化水素ガスとの混合気を流す。

具体的な運転方法の例を挙げると、以下の通りとなる。

起動時、燃料処理装置１００には、まず、燃料ブロワ２１によって原燃料が供給される。原燃料は、最初にバルブ２３を閉止状態にすることで燃焼器２０側に流れ、プロセス入口側には流れない。燃焼器２０側に流れてきた原燃料は、空気ブロワ２２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、燃焼器２０の空気配管に供給され、燃焼器２０内の空気ヘッダを通じて、第３のノズル３に供給される。このとき、空気の一部は原燃料と混合する前に分岐され、中央部の第１のノズル１にも供給される。

第３のノズル３から吹き出す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１５によって加熱されて着火し、予混合火炎を形成する。火炎を形成したのち、点火ヒータ１５の電源を切る。

火炎で反応した混合気は、燃焼排ガスとなって、改質器３１内部の燃焼空間へと流れ、最下端で９００℃程度の温度となって折り返し、円環状の断面形状を有する改質触媒層１６を伝熱筒を介して加熱昇温し、燃焼排ガスブロック１７の中を経由して、改質器３１を出た後、蒸発器３２に入り、改質水に熱を与えて蒸発させ、排気される。蒸発器３２で発生した蒸気は、改質器３１の原燃料配管を通じて改質触媒層１６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。

改質触媒層１６の下端部に取り付けた熱電対１８の指示値がおおむね７００℃以上になったところで、バルブ２３を開放し、原燃料を脱硫器３３へ流する。これにより、第３のノズル３への燃料の供給量が減少すると同時に、改質触媒層１６に原燃料と水蒸気の混合物が供給され、水素生成が開始される。このとき、第３のノズル３と第１のノズル１への空気供給は停止せず、その空気ブロワ２２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。

改質触媒層１６で生成した水素を含むガスは、シフト触媒を有するシフト反応器３４、メタン化触媒を有するメタン化反応器（低温反応器）３５でＣＯを除去されたのち、開放状態のバルブ２４および燃料管を通じて燃焼器２０の第２のノズル２に供給される。第２のノズル２に供給された水素リッチガスは、第１のノズル１、第３のノズル３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２の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３の空気にわずかに混合した原燃料ガスも燃焼する。

メタン化反応器３５を出たあとの水素リッチガスの一部は、燃料ブロワ２１入口に流れ、原燃料とともに脱硫器３３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。改質触媒層１６に熱を伝えたあとの燃焼ガスは蒸発器３２に入り、改質水を蒸発させる。蒸発した蒸気は脱硫器３３を出た原燃料と混合され改質触媒層１６へ供給される。

一定時間経過後、バルブ２４を閉止し、水素リッチガスを燃料電池のアノード極２７に流し発電を開始する。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２に流れ燃焼と改質を継続する。

このように、本実施形態の構成によれば、発電時のアノードオフガス単独または炭化水素の混合物の燃焼と、起動時の炭化水素のみの燃焼とを、共通のノズルで実現し、流路断面を円環状にした改質器においても、起動時の予混合燃焼と、運転時のアノードオフガスの拡散燃焼および原燃料と空気との混合燃焼とを両立させることが可能となる。また、第３のノズル３を、単なる円環形状とするのではなく、複数個（本実施形態では２４個）の分離された穴で構成することによって、ぬれぶち長さを大きくとることができるので、同じ断面積、同じ流量であっても流力直径を小さくすることができ、レイノルズ数を小さくすることができる。これにより、摩擦損失を大きくできるので、円周方向の吹き出し流速を均一化しやすく、安定した火炎を形成することができる。更には、円環状の断面を有する改質触媒層にも十分な熱を供給することができる。

（ノズルブロックの第１の変形例）
ノズルブロック１０の第１の変形例について説明する。

図５は、図３に示されるノズルブロック１０の第１の変形例であるノズルブロック１０Ａの断面形状を示す縦断面図である。

図５のノズルブロック１０Ａに示されるように、第３のノズル３を構成する複数個の流路の断面が、それぞれ、長円状をなすように加工してもよい。例えば、ＰＣＤ１８ｍｍの円周上に等間隔に穿たれた１７個の幅２ｍｍ、長さ２．３ｍｍの長円状の穴で第３のノズル３の各流路を構成する。

このような構成によっても、第３のノズル３の流路が図３のノズルブロック１０と同様の断面積を有するノズルブロックを形成することができ、図３のノズルブロック１０と同様の効果を得ることができる。流力直径は、図３のものよりも若干大きくなるが、十分な火炎の安定性を得ることが可能である。

（ノズルブロックの第２の変形例）
図示は省略するが、第３のノズル３を構成する複数個の流路の断面が、円環状の空洞において周方向に一定の間隔で閉塞部を有する形をなすように加工してもよい。例えば、幅１．５ｍｍの円環状断面を加工により形成した後、幅１ｍｍの充填部材を等間隔に１２個入れることで、１２個の流路を構成する。第３のノズル３の穴を配列する円周のＰＣＤを１７．５ｍｍとすることで、図３のノズルブロック１０の第３のノズル３の流路とほぼ同じ断面積を有する流路を形成することができる。

（ノズルブロックの第３の変形例）
図示は省略するが、第３のノズル３を構成する複数個の流路が、同心円状に２列の流路群が配置されてなるように加工してもよい。この場合、第３のノズル３の径を、図３のものよりも小さくする。例えば、Φ１．３、２列合計４８個の穴を、内側ＰＣＤ１７．２ｍｍ、外側のＰＣＤ２１．２ｍｍとすることで、図３のノズルブロック１０の第３のノズル３の流路とほぼ同じ断面積を有する流路を形成することができる。

このような構成によっても、第３のノズル３の流路が図３のノズルブロック１０と同様の断面積を有するノズルブロックを形成することができる。図３のノズルブロック１０と同様の効果を得ることができる。流力直径については、図３のものよりもさらに小さくすることができるので、より大きな効果を得ることも可能である。

なお、この第３の変形例は、前述の第１の変形例または第２の変形例と組み合わせて実施することが可能である。

以上詳述したように、少なくとも１つの実施形態によれば、簡易な構成で起動時および運転時における良好な燃焼を実現することができる。

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。

１…第１のノズル、２…第２のノズル、３…第３のノズル、１０，１０Ａ…ノズルブロック、１１…第１の円筒状部材、１２…第２の円筒状部材、１３…第３の円筒状部材、１４…燃焼器ブロック、１５…点火ヒータ、１６…改質触媒層、１７…燃焼排ガスブロック、１８…熱電対、２０…燃焼器、２１…燃料ブロワ、２２…空気ブロワ、２３，２４…バルブ、２５，２６…オリフィス、２７…燃料電池のアノード極、３０…改質部、３１…改質器、３２…蒸発器、３３…脱硫器、３４…シフト反応器、３５…メタン化反応器、１００…燃料処理装置。

Claims

燃料、空気、もしくは燃料と空気との混合気をノズルから吹き出すことによって燃焼を行う燃料電池発電システムの改質器に適用される燃焼器として、円形または円環状の断面を有する第１のノズルと、前記第１のノズルの外周に同心円状に配置された複数個の流路からなる第２のノズルと、前記第２のノズルのさらに外周に同心円状に配置された複数個の流路からなる第３のノズルとを具備する燃焼器の運転方法であって、
起動時には、前記第１のノズルには何も流さないか、あるいは空気のみを流し、前記第２のノズルには何も流さず、前記第３ノズルには空気と炭化水素ガスとの混合気を流し、運転時には、前記第１のノズルに空気を、前記第２のノズルには燃料電池アノードオフガスを、前記第３のノズルには空気と炭化水素ガスとの混合気を流すことを特徴とする燃焼器の運転方法。
燃料、空気、もしくは燃料と空気との混合気をノズルから吹き出すことによって燃焼を行う燃料電池発電システムの改質器に適用される燃焼器として、円形または円環状の断面を有する第１のノズルと、前記第１のノズルの外周に同心円状に配置された複数個の流路からなる第２のノズルと、前記第２のノズルのさらに外周に同心円状に配置された複数個の流路からなる第３のノズルとを具備する燃焼器を備えた燃料電池発電システムであって、
起動時には、前記第１のノズルには何も流れないか、あるいは空気のみが流れ、前記第２のノズルには何も流れず、前記第３ノズルには空気と炭化水素ガスとの混合気が流れ、運転時には、前記第１のノズルに空気が、前記第２のノズルには燃料電池アノードオフガスが、前記第３のノズルには空気と炭化水素ガスとの混合気が流れることを特徴とする燃料電池発電システム。