JP7236348B2 - アンモニアの燃焼方法及びアンモニアの燃焼システム - Google Patents

Description

本発明は難燃性のアンモニアの燃焼方法及びアンモニアの燃焼システムに関する。

近年、二酸化炭素の排出量削減に要求に伴い、炭素系の燃料に代わる燃料として、燃焼しても二酸化炭素を排出しないアンモニアガスへの期待が高まっている。一方で、アンモニアは、難燃性燃料であって、炭素系の燃料と比較すると、点火（着火）しにくく燃焼速度が遅いという特性を有している。具体的には、炭素系燃料を点火するのに必要とするエネルギーが８０ｍＪから１２０ｍＪ程度であるのに対して、アンモニアガスを点火するには４００ｍＪから６００ｍＪ程度のエネルギーが必要となる。そして、アンモニアガスの層流燃焼速度は、炭素系燃料（例えばメタンガスやプロパンガスなどの一般的な炭化水素系燃料）の層流燃焼速度よりも約７倍程度遅い。

この難燃性のアンモニアガスを燃料とする燃焼システムでは、燃料の不完全燃焼により、未燃のアンモニアガスや窒素酸化物が生成される。そこで、アンモニアガスを効率よく燃焼させるための技術が種々提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０１０－１５９７０５号公報

しかしながら、アンモニアガス等の難燃性燃料を燃焼させる場合には、現在広く使用されている炭素系の燃料を燃焼させる場合と比較すると、アンモニアガスへの初期着火が困難であり着火した後においてもアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが困難であるという問題があった。

本発明の目的は上記の問題点を解決し、アンモニアガスに効率的に初期着火させることが可能となり着火した後もアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能なアンモニアの燃焼方法を提供することにある。

本発明に係る燃焼方法は、アンモニアガスを燃焼室内で燃焼させるアンモニアの燃焼方法であって、アンモニアガスから水素ガスを分離生成するステップと、前記分離生成された水素ガスを前記燃焼室内に供給するステップと、前記燃焼室内に供給された水素ガスに点火放電し該水素ガスを燃焼させるステップと、前記燃焼した水素ガスから前記燃焼室内のアンモニアガスに着火されるステップとを含む。

この発明の燃焼方法では、先ず水素ガスを燃焼させて燃焼室がある程度温まった後に、難燃性のアンモニアガスを供給し、燃焼した水素ガスから供給されたアンモニアガスに火移りさせる。従って、先ず燃焼性の高い水素ガスを燃焼させ、該燃焼した水素ガスからアンモニアガスに着火させるので、アンモニアガスに効率的に初期着火させることができ着火した後もアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

一実施形態の燃焼方法では、前記アンモニアガスを前記燃焼室内に供給するステップをさらに含む。

この発明の燃焼方法では、燃焼室内に供給するアンモニアガスの量を調整することにより燃焼エネルギーを容易に変更することができるので、自動車または自動二輪車のエンジン、高熱炉、バイオマスなどの各種燃焼に必要となるエネルギーへと容易に調整することが可能となる。

一実施形態の燃焼方法では、前記燃焼室内の温度が所定の温度となるときに前記アンモニアガスを前記燃焼室内に供給する。

この発明の燃焼方法では、燃焼室内の温度を所定の温度となるまで温めるので、アンモニアガスにより効率的に初期着火させることが可能となる。

一実施形態の燃焼方法では、前記アンモニアガスの燃焼状態を示す燃焼状態情報を検出する検出するステップと、前記検出された燃焼状態情報に基づいて前記水素ガスの前記燃焼室内への供給量を調整するステップとをさらに含む。

この発明の燃焼方法では、アンモニアガスの燃焼状態に応じて迅速に水素ガスの供給量を調整することができるので、さらに効率的にアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

一実施形態の燃焼方法では、前記燃焼状態情報は、前記アンモニアガスの燃焼により発生するイオンに基づくイオン電流または前記アンモニアガスの燃焼によるエネルギーを用いたタービンの出力に関する情報である。

この発明の燃焼方法では、アンモニアガスの燃焼により発生するイオンによるイオン電流又はアンモニアガスの燃焼によるエネルギーを用いたタービンの出力に基づいてアンモニアガスの燃焼状態を把握する。従って、より確実にアンモニアガスの燃焼状態を把握することができるので、水素ガスの無駄な消費をより抑制することが可能となる。

一実施形態の燃焼方法では、前記アンモニアガスから水素ガスを分離生成するステップにおいて、誘電体バリア放電によりアンモニアガスを改質して水素ガスを分離生成する。

この発明の燃焼方法では、別途水素ガスを必要としないので、コストを削減することができる。

別の局面では、本発明の燃焼方法は、アンモニアガスを燃焼室内で燃焼させるアンモニアの燃焼方法であって、アンモニアガスから水素ガスを分離生成するステップと、前記分離生成された水素ガスを前記燃焼室内に供給するステップと、前記燃焼室内に供給された水素ガスに点火放電し該水素ガスを燃焼させるステップと、前記分離生成された水素ガスとアンモニアガスとを混合した混合気体を前記燃焼室内に供給するステップと、前記燃焼した水素ガスから前記供給された混合気体に着火されるステップと、を含む。

この発明の燃焼方法では、先ず水素ガスを燃焼させて燃焼室がある程度温まった後に、難燃性のアンモニアガスと燃焼性の高い水素ガスとを混合させた混合気体に先ず火移りさせるので、アンモニアガスのみに火移りさせるよりもより効率的に火移りさせることが可能となる。

一実施形態の燃焼方法では、前記混合気体に着火された後に、前記混合気体における水素ガスの割合を減少させるステップをさらに含む。

この発明の燃焼方法では、難燃性の高いアンモニアガスのみに火移りさせるのと比較すると、アンモニアガスの燃焼状態をより安定な燃焼状態へともっていくことができるので、アンモニアガスの燃焼をより安定して継続させることが可能となる。

別の局面では、本発明の燃焼システムは、投入されたアンモニアガスを燃焼室内で燃焼させる燃焼システムであって、前記アンモニアガスを前記燃焼室内に供給する第１配管と、前記第１配管に個別に設けられた第１バルブと、前記アンモニアガスから水素ガスを分離生成する改質器と、前記分離生成された水素ガスを前記燃焼室内に供給する第２配管と、前記第２配管に個別に設けられた第２バルブと、前記燃焼室内に供給された水素ガスに点火放電し該水素ガスを燃焼させる点火プラグと、前記第１及び第２バルブの開閉並びに前記点火プラグの点火放電を制御する制御手段と、を備えている。

この発明の燃焼システムでは、点火プラグの点火動作を制御する制御手段が燃焼室内に水素ガス及びアンモニアガスを供給するバルブの開閉を制御する。従って、アンモニアガスを効率良く燃焼させる技術において、バルブを開閉する制御装置を別途必要とすることがないので、製造コストの上昇を抑制することが可能となる。

一実施形態の燃焼システムでは、制御手段は、先ず第２バルブを開き、前記点火放電を開始して前記水素ガスを燃焼させ、該水素ガス燃焼後に第１バルブを開くように制御する。

この発明の燃焼システムでは、先ず水素ガスを燃焼させて燃焼室がある程度温まった後に、難燃性のアンモニアガスを供給し、燃焼した水素ガスから供給されたアンモニアガスに火移りさせる。従って、先ず燃焼性の高い水素ガスを燃焼させ、該燃焼した水素ガスからアンモニアガスに着火させるので、アンモニアガスに効率的に初期着火させることができ着火した後もアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

一実施形態の燃焼システムでは、前記燃焼室内の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記制御手段は、前記温度センサにより検出された前記燃焼室内の温度に基づいて所定の温度まで上昇させる。

この発明の燃焼システムでは、先ず水素ガスを燃焼させて燃焼室がある程度温まった後に、難燃性のアンモニアガスと燃焼性の高い水素ガスとを混合させた混合気体に先ず火移りさせるので、アンモニアガスのみに火移りさせるよりもより効率的に火移りさせることが可能となる。

一実施形態の燃焼システムでは、前記燃焼室内におけるアンモニアガスの燃焼状態を示す燃焼状態情報を検出する燃焼状態検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記燃焼状態検出手段により検出された燃焼状態情報に基づいて前記水素ガスの前記燃焼室内への供給量を調整するように制御する。

この発明の燃焼システムでは、アンモニアガスの燃焼状態に応じて迅速に水素ガスの供給量を調整することができるので、さらに効率的にアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

一実施形態の燃焼システムでは、前記燃焼状態情報は、前記アンモニアガスの燃焼により発生するイオンに基づくイオン電流または前記アンモニアガスの燃焼によるエネルギーを用いたタービンの出力に関する情報である。

この発明の燃焼システムでは、アンモニアガスの燃焼により発生するイオンによるイオン電流又はアンモニアガスの燃焼によるエネルギーを用いたタービンの出力に基づいてアンモニアガスの燃焼状態を把握する。従って、より確実にアンモニアガスの燃焼状態を把握することができるので、水素ガスの無駄な消費をより抑制することが可能となる。

一実施形態の燃焼システムでは、前記制御手段は、前記改質器内における前記誘電体バリア放電を制御することによりアンモニアガスを改質して水素ガスを分離生成する。

この発明の燃焼システムでは、点火プラグの点火動作を制御する制御手段において、第１燃料を改質して第１燃料よりも燃焼性が高い第２燃料を生成する誘電体バリア放電を制御することが可能となる。従って、上述したアンモニアガスを効率良く燃焼させる技術において、必要とする水素ガスの生成に誘電体バリア放電を発生させるための制御装置を別途必要とすることがないので、製造コストの上昇を抑制することが可能となる。

本発明に係る燃焼方法によれば、先ず水素ガスを燃焼させて燃焼室がある程度温まった後に、難燃性のアンモニアガスを供給し、燃焼した水素ガスから供給されたアンモニアガスに火移りさせるので、アンモニアガスに効率的に初期着火させることが可能となり着火した後もアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

本発明の実施形態１に係る燃焼システム２の一部切り欠き側面図及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１の制御装置１を備えた点火システム１１の構成要素を示すブロック図である。 図１のパイロットバーナ１４から噴出される水素ガス及び図１のスワラ２３から噴出されるアンモニアガスそれぞれの時間ｔに対する流量の変化を示す時間軸波形図である。 本発明の実施形態２に係る燃焼システム２Ａの一部切り欠き側面図及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図４のパイロットバーナ１４から噴出される水素ガス及び図４のスワラ２３から噴出される混合気体それぞれの時間ｔに対する流量の変化を示す時間軸波形図である。 図５と経過時間軸を共通にし、図４の混合器１０における時間に対する水素ガス及びアンモニアガスの混合量の変化を示す時間軸波形図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。

実施形態１．
図１は本発明の実施形態に係る燃焼システム２の一部切り欠き側面図及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１の燃焼システム２は、筒状の耐熱ガラス製又はステンレス製であって、投入された燃料を内部で燃焼させる燃焼室４と、該燃焼室４内に燃料が送り込まれる円形状の投入口２２と、該投入口２２に位置し、燃焼室４内に設けられたスワラ（旋回羽根）２３と、難燃性の高いアンモニアガス（第１燃料）を格納する燃料タンク１２ａと、誘電体バリア放電によりアンモニアガスを改質して、該アンモニアガスよりも燃焼性が高い水素ガス（第２燃料）を生成して燃焼室４内に供給する水素生成装置である改質器１３と、該改質器１３により生成された水素ガスを格納する燃料タンク１２ｃと、酸化剤である空気を供給するエアコンプレッサ１２ｂと、アンモニアガス、水素ガス及び空気の供給量をそれぞれ調整するバルブ２１ａ～２１ｄと、燃焼室４の底部１８に支持されるパイロットバーナ１４と、該パイロットバーナ１４近傍にはパイロットバーナ１４を点火する点火プラグ７と、該点火プラグ７の点火動作及び改質器１３での誘電体バリア放電の双方を制御するとともにバルブ２１ａ～２１ｄの開閉も制御する制御手段である制御装置１とを備えて構成される。

上述した燃焼システム２は、投入されたアンモニアガスを燃焼室４内で燃焼させる燃焼システムであって、アンモニアガスを燃焼室４内に供給する第１配管と、該第１配管に設けられたバルブ２１ａと、アンモニアガスから水素ガスを分離生成する改質器１３と、分離生成された水素ガスを燃焼室４内に供給する第２配管と、該第２配管に設けられたバルブ２１ｂと、燃焼室４内に供給された水素ガスに点火放電し該水素ガスを燃焼させる点火プラグ７と、バルブ２１ａ、２１ｂの開閉並びに点火プラグ７の点火放電を制御する制御装置１とを備えて構成される。ここで、バルブ２１aは第１配管とは個別に設けられており、バルブ２１ｂは第２配管とは個別に設けられている。

図１の点火プラグ７は、先端部が鉤状である放電極７ａと、先端部が鉤状である接地電極７ｂとを有し、放電極７ａ及び接地電極７ｂは底部１８から燃焼室４の内部に突出するようにそれぞれ形成されている。なお、放電極７ａには、制御装置１から高電圧が印加され、これにより、放電極７ａの先端部と接地電極７ｂの先端部との間に火花が発生し、パイロットバーナ１４から噴出された水素ガスに点火される。

また、図１の燃焼システム２は、燃焼室４内におけるアンモニアガスの燃焼状態を示す燃焼状態情報を検出する燃焼状態検出手段（図示せず）を燃焼室４内に備える。ここで、制御装置１は燃焼状態検出手段により検出された燃焼状態情報に基づいてアンモニアガスが最適な燃焼状態に到達したと判断すると、水素ガスの燃焼室４内への供給を停止するように構成される。

例えば、上述した燃焼状態検出手段はアンモニアガスの燃焼により生じるイオン電流を検出するイオン電流検出部（図示せず）であってもよい。ここで、制御装置１はイオン電流検出部がイオン電流を検出するように制御してイオン電流値を算出し、該算出されたイオン電流値に基づいてバルブ２１ａ～２１ｄの開閉を制御する。このイオン電流検出部は、印加電極と接地電極とを含み、印加電極の周辺に存在し、燃焼により発生したイオンを印加電極に引き寄せることによりイオン電流を発生させる。すなわち、燃焼により発生したイオンが多いほど、大きなイオン電流が流れる。なお、このイオン電流に比例した電圧を検出することによりイオン電流値を算出し、該算出されたイオン電流値に基づいて、可視し難いアンモニアガスの燃焼状態を把握し、アンモニアガスの燃焼を安定して継続させるように制御することが可能となる。

なお、この燃焼システム２における燃焼方法では、アンモニアガスの燃焼状態を表すパラメータとイオン電流との相関を計測してイオン電流の基準範囲を設定するステップを備え、アンモニアガスを継続して燃焼させるステップにおいて、イオン電流検出部で検出されたイオン電流をこの基準範囲内とすることで、最適な燃焼状態を維持することができる。

また、上述した燃焼状態検出手段は、アンモニアガスの燃焼によるエネルギーを用いたタービンの回転数などの出力情報を検出するように構成されてもよい。この場合には、制御装置１は燃焼状態検出手段により検出された燃焼状態情報としてタービンの出力情報に基づいてアンモニアガスが最適な燃焼状態に到達したと判断すると、水素ガスの燃焼室４内への供給を停止するように構成される。

さらに、図１の燃焼システム２は、燃焼室４内に火炎の輻射温度を測定する温度センサ（図示せず）を備える。ここで、温度センサは、燃焼室４内の火炎の火炎面の外部に位置するように構成され、温度センサにより測定された温度データは制御装置１に送信され制御装置１は温度データに基づいてバルブ２１ａ～２１ｄの開閉を制御する。

図１の燃焼室４は、重力方向Ｘに細長い筒状の耐熱ガラス製又はステンレス製の胴部２５と、該胴部２５の上側開口部を覆う蓋部２０と、該胴部２５の下側開口部を覆う底部１８とを備えて構成される。図１の底部１８の中央部（中心部）には、難燃性のアンモニアガスが燃焼室４内に送り込まれる円形状の投入口２２が設けられる。また、図１の蓋部２０の中央部には炎が噴出する出力口２４が設けられている。

スワラ２３は、燃焼室４を水平に切断したときの中心部付近で燃焼室４の底部１８に支持されている。このスワラ２３は介してアンモニアガスが燃焼室４内に旋回気流Ｓ１として送り込まれる。ここで、アンモニアガスは燃料タンク１２ａに接続されたバルブ２１と、エアコンプレッサ１２ｂに接続されたバルブ２１とを調整することにより、所定の濃度のアンモニアガスを燃焼室４内に旋回気流Ｓ１として送り込むことが可能となる。なお、投入口２２から流れ込んだ旋回気流Ｓ１は、旋回しながら燃焼室４の内壁（内周面）に沿うように広がりつつ上方に進む。燃焼室４の中央部分のアンモニアガスは、この流れに引っ張られ、燃焼室４の中央部分では、アンモニアガスは渦巻き状となりながら、下方から上方に流れる。

また、パイロットバーナ１４は、スワラ２３の外部領域に複数配設される。詳細には、パイロットバーナ１４は、スワラ２３に対して同心で投入口２２の周縁部（スワラ２３の周縁部）を取り囲むように円周方向に等ピッチで燃焼室４の内壁近傍に複数配設されており、アンモニアガスよりも燃焼性が高い水素ガスを噴出する。ここで、水素ガスは改質器１３に接続されたバルブ２１ｂと、エアコンプレッサ１２ｂに接続されたバルブ２１ｄとを調整することにより、所定の濃度の水素ガスを各パイロットバーナ１４に送り込むこと
が可能となる。

図１の改質器１３は、アンモニアガス流路を規定する誘電体と、該誘電体に接して配置される高電圧電極と、誘電体を挟んで高電圧電極に対向し、アースされて接地電極として機能する水素分離膜と、該水素分離膜が分離した水素を導出する水素流路と、高電圧電極に対して、両極性パルス波形を印加し、水素分離膜と高電圧電極との間で誘電体バリア放電を発生させる高電圧電源とを備えて構成されている。ここで、水素分離膜と高電圧電極との間の放電作用によって、アンモニアガスから水素ガスを高収率に分離生成することが可能となる。すなわち、図１の改質器１３はプラズマ方式の水素生成装置である。

図２は図１の制御装置１を備えた点火システム１１の構成要素を示すブロック図である。図２の点火システム１１は、点火プラグ７と、改質器１３内に配置され、誘電体バリア放電を発生させて分子結合を弱くさせる誘電体バリア放電リアクタ８と、点火プラグ７の点火動作及び誘電体バリア放電を制御する制御手段である制御装置１とを備えて構成される。ここで、点火プラグ７の放電極７ａと誘電体バリア放電リアクタ８とは電気的に接続されている。

図２の制御装置１は、点火コイル用駆動回路３０と、点火コイル５と、負極の－側端子が接地された電源部であるバッテリー６とを備えて構成される。点火コイル５は、一次コイルＬ１と、二次コイルＬ２と、鉄心とを備えて構成される。一次コイルＬ１の一端は、二次コイルＬ２の一端と、バッテリー６の正極の＋側端子に接続されており、一次コイルＬ１の他端は、一次電流入力用端子を介して、後述する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、単に「ＩＧＢＴ」と称す。）３１のコレクタ端子に接続されている。二次コイルＬ２の他端は、点火プラグ７及び誘電体バリア放電リアクタ８に電気的に接続される。

点火コイル用駆動回路３０は、一次コイルＬ１に流れる一次電流Ｉ１に応じた電圧を検出する電流検出部４０と、スイッチング素子であるＩＧＢＴ３１と、該ＩＧＢＴ３１のスイッチング動作を制御する駆動部３２とを備えて構成される。また、電流検出部４０は、基準電圧Ｖｒｅｆを有する電源４２と、比較器４１と、ＩＧＢＴ３１に流れる電流を検出する抵抗４３とを備えて構成される。ここで、抵抗４３の一端はＩＧＢＴ３１のエミッタ端子Ｅに接続され、抵抗４３の他端は接地されている。

比較器４１は、ＩＧＢＴ３１に流れる電流Ｉ１に相当する抵抗４３の両端電圧差（一次コイルＬ１に流れる一次電流Ｉ１に応じた検出電圧）の値を非反転入力端子に入力し、基準電圧Ｖｒｅｆの値を反転入力端子に入力する。ここで、比較器４１は、抵抗４３の両端電圧差と、基準電圧Ｖｒｅｆとの値を比較して当該比較結果信号ＣＯを発生して駆動部３２に出力する。すなわち、比較器４１は、抵抗４３の両端電圧差が基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きいときは比較結果信号ＣＯとしてハイレベル信号（Ｈ）を出力し、抵抗４３の両端電圧差が基準電圧Ｖｒｅｆ以下であるときは比較結果信号ＣＯとしてローレベル信号（Ｌ）を出力する。

駆動部３２は、燃焼制御に関する制御処理や演算処理を行うＣＰＵや燃焼制御に必要なデータやプログラム等を記憶して保持する各種メモリなどを含み、ＣＰＵの処理結果に基づき、燃焼パラメータに応じた所定のパルス幅を有するパルス信号を点火信号Ｓとして生成し、該点火信号Ｓに基づいて、ＩＧＢＴ３１の通電または遮断を制御する。また、駆動部３２は、比較結果信号ＣＯに基づいて、一次電流Ｉ１が所定のしきい値を超えないように、ＩＧＢＴ３１の制御端子の電圧を制御する。すなわち、電流検出部４０は、過電流保護回路として機能する。ここで、各種メモリには、ハードディスク（ＨＤＤ）、フラッシュメモリ、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）のような不揮発性の記録媒体などが含まれる。

以上のように構成された燃焼システム２の動作について以下に説明する。ここで、燃焼システム２による燃焼処理は制御装置１により制御されることにより実行される。

図１の燃焼システム２の燃焼処理が開始されると、先ずバルブ２１ａ～２１ｄが閉じられる（ステップＳ１００）。次に、誘電体バリア放電リアクタ８において誘電体バリア放電を発生させてアンモニアガスから水素ガスを分離生成する（ステップＳ１０１）。次に、バルブ２１ｂを開放するように制御し、燃焼性の高い水素ガスを各パイロットバーナ１４に送り込み、この水素ガスを点火させる（ステップＳ１０２）。先ず、各パイロットバーナ１４から噴出された水素ガスを点火プラグ７により点火しパイロット火炎を形成するように制御する。これにより、燃焼室４内の冷えた空間がこのパイロット火炎により温められ難燃性の高いアンモニアガスが燃焼し易い温度まで上昇することが可能となる。

次に、制御装置１が燃焼室４内の温度が所定の温度まで上昇したと判断すると、制御装置１はバルブ２１ａを徐々に開放するように制御する（ステップＳ１０３）。これにより、難燃性の高いアンモニアガスがスワラ２３を介して、燃焼室４内に旋回気流Ｓ１として送り込まれる。ここで、各パイロットバーナ１４のパイロット火炎からアンモニアガスに火移りし、予混合火炎を形成し、出力口２４から炎が噴出される。すなわち、燃焼している水素ガスから燃焼室４内に供給されたアンモニアガスに着火する（ステップＳ１０４）。

次に、アンモニアガスが燃焼すると、制御装置１はイオン電流値を検出し、該検出されたイオン電流値に基づいて、バルブ２１ｂを閉じるように制御する（ステップＳ１０５）。すなわち、制御装置１はイオン電流値に基づいて、難燃性の高いアンモニアガスが最適な燃焼状態に到達したと判断すると、燃焼室４内への水素ガスの供給を停止する。ここで、アンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

また、図１のパイロットバーナ１４から噴出される水素ガス及び図１のスワラ２３から噴出されるアンモニアガスそれぞれの流量の変化について以下に説明する。

図３は図１のパイロットバーナ１４から噴出される水素ガス及び図１のスワラ２３から噴出されるアンモニアガスそれぞれの時間ｔに対する流量の変化を示す時間軸波形図である。図３において、燃焼処理の開始時（時間ｔ＝０）では、各パイロットバーナ１４から水素ガスが流量ｆ１で噴出し始め、同時に水素ガスに点火させて燃焼させるように制御する。ここで、各パイロットバーナ１４から噴出された水素ガスが点火プラグ７により点火されてパイロット火炎が形成される。なお、水素ガスの流量ｆはアンモニアガスが安定した燃焼状態になるときにはゼロとなるように徐々に減少するように制御される。

この水素ガスが燃焼し始め、燃焼室４内の温度が所定の温度まで上昇すると（時間ｔ＝ｔ１）、スワラ２３からアンモニアガスの流量ｆが徐々に増加するようにアンモニアガスが燃焼室４内に噴出される。ここで、各パイロットバーナ１４のパイロット火炎からアンモニアガスに火移りし、予混合火炎を形成し、出力口２４から炎が噴出される。アンモニアガスの燃焼状態が安定状態であると判断されると（時間ｔ＝ｔ２）、水素ガスの流量ｆがゼロとなると同時にアンモニアガスの流量ｆは水素ガスの初期流量ｆ１よりも大きい流量ｆ２となるように制御される。

この構成により、先ずは燃焼性の高い水素ガスを燃焼させて円周方向において安定した火炎を形成した後に難燃性の高いアンモニアガスへの火移りの効率を向上させることにより、該アンモニアガスの燃焼をより安定させることが可能となる。従って、アンモニアガスの燃焼をより安定させることが可能となるので、難燃性の高いアンモニアガスによる火炎を形成させてより安定的にアンモニアガスを燃焼させることが可能となる。ここで、「アンモニアによる火炎を形成させて安定的にアンモニアを燃焼させる」という効果には、燃料が燃焼状態を変化させる状態である燃焼変動を小さくするという効果を含み、さらには、燃焼が間歇的に起こることによる燃焼ガス圧の脈動に起因する装置全体を震わせる現象である燃焼振動を小さくするという効果も含んでいる。

以上の実施形態に係る燃焼方法によれば、先ず水素ガスを燃焼させて燃焼室がある程度温まった後に、難燃性のアンモニアガスを供給し、燃焼した水素ガスから供給されたアンモニアガスに火移りさせるので、アンモニアガスに効率的に初期着火させることが可能となり着火した後もアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

実施形態２．
上述した実施形態では、先ず水素ガスを燃焼させて燃焼室４内がある程度温まった後に、難燃性のアンモニアガスを供給し、燃焼した水素ガスから供給されたアンモニアガスに火移りさせることにより難燃性の高いアンモニアガスを最適な燃焼状態へと効率的に導くことができるように構成された。これに対して、本実施形態では、燃焼した水素ガスからの火移り先をアンモニアガスと水素ガスとの混合気体（混合ガス）とすることを特徴とする。この構成により、さらに難燃性の高いアンモニアガスをさらに効率的に最適な燃焼状態へと導くことが可能となる。

図４は本発明の実施形態２に係る燃焼システム２Ａの一部切り欠き側面図及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図４の燃焼システム２Ａは、図１の燃焼システム２と比較すると、制御装置１の代わりに制御装置１Ａを備え、改質器１３により分離生成された水素ガスとアンモニアガスとを混合する混合器１０と、混合器１０から燃焼室への混合気体の供給量を調整するバルブ２１ｅと、燃料タンク１２ｃから混合器１０への水素ガスの供給量を調整するバルブ２１ｆをさらに備えたことを特徴とする。また、図４の制御装置１Ａは、図１の制御装置１と比較すると、バルブ２１ｅ，２１ｆの開閉をさらに制御することにより混合器１０内におけるアンモニアガスと水素ガスとの混合量を調整することが相違する。

以上のように構成された実施形態２に係る燃焼システム２Ａの動作について以下に説明する。ここで、燃焼システム２Ａによる燃焼処理は制御装置１Ａにより制御されることにより実行される。

図４の燃焼システム２Ａの燃焼処理が開始されると、先ずバルブ２１ａ～２１ｆを閉じるよう制御する（ステップＳ２００）。次に、誘電体バリア放電リアクタ８において誘電体バリア放電を発生させてアンモニアガスから水素ガスを分離生成する（ステップＳ２０１）。次に、バルブ２１ｂを開放するように制御すると、燃焼性の高い水素ガスが各パイロットバーナ１４に送り込み、この水素ガスを点火させる（ステップＳ２０２）。先ず、各パイロットバーナ１４から噴出された水素ガスを点火プラグ７により点火しパイロット火炎を形成するように制御する。これにより、燃焼室４内の冷えた空間がこのパイロット火炎により温められ難燃性の高いアンモニアガスが燃焼し易い温度まで上昇することが可能となる。

次に、制御装置１が燃焼室４内の温度が所定の温度まで上昇したと判断すると、制御装置１は各バルブ２１ａ及び２１ｆそれぞれを徐々に開放するように制御する（ステップＳ２０３）。これにより、後述する図６に示すような混合量となるように、混合器１０内における水素ガスとアンモニアガスとの混合量が調整される。そして、制御装置１Ａがバルブ２１ｅを徐々に開放するように制御する（ステップＳ２０４）。これにより、難燃性の高い混合気体がスワラ２３を介して、燃焼室４内に旋回気流Ｓ１として送り込まれる。ここで、各パイロットバーナ１４のパイロット火炎から混合気体に火移りし、予混合火炎を形成し、出力口２４から炎が噴出される。すなわち、燃焼している水素ガスから燃焼室４内に供給された混合気体に着火する（ステップＳ２０５）。

次に、混合気体が燃焼すると、制御装置１Ａはイオン電流値を検出し、該検出されたイオン電流値に基づいて、バルブ２１ｂを閉じるように制御する（ステップＳ２０６）。すなわち、制御装置１Ａはイオン電流値に基づいて、難燃性の高い混合気体が最適な燃焼状態に到達したと判断すると、燃焼室４内への水素ガスの供給を停止するとともに、バルブ２１ｆを閉じるように制御し、混合器１０内における水素ガスの混合量をゼロとなるように調整する。このとき、混合気体における水素ガスの混合量はゼロであるので、燃焼している燃料はアンモニアガスのみである。すなわち、アンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

また、図４のパイロットバーナ１４から噴出される水素ガス及び図４のスワラ２３から噴出されるアンモニアガスそれぞれの流量の変化について以下に説明する。

図５は図４のパイロットバーナ１４から噴出される水素ガス及び図４のスワラ２３から噴出される混合気体それぞれの時間ｔに対する流量の変化を示す時間軸波形図である。図５において、燃焼処理の開始時（時間ｔ＝０）では、各パイロットバーナ１４から水素ガスが流量ｆ１で噴出し始め、同時に水素ガスに点火させて燃焼させるように制御する。ここで、各パイロットバーナ１４から噴出された水素ガスが点火プラグ７により点火されてパイロット火炎が形成される。なお、水素ガスの流量ｆは混合気体が安定した燃焼状態になるときにはゼロとなるように徐々に減少するように制御される。

この水素ガスが燃焼し始め、燃焼室４内の温度が所定の温度まで上昇すると（時間ｔ＝ｔ１）、スワラ２３から混合気体の流量ｆが徐々に増加するように混合気体が燃焼室４内に噴出される。ここで、各パイロットバーナ１４のパイロット火炎から混合気体に火移りし、予混合火炎を形成し、出力口２４から炎が噴出される。混合気体の燃焼状態が安定状態であると判断されると（時間ｔ＝ｔ２）、水素ガスの流量ｆがゼロとなると同時に混合気体の流量ｆは水素ガスの初期流量ｆ１よりも大きい流量ｆ２となるように制御される。

図６は図５と経過時間軸を共通にし、図４の混合器１０における時間に対する水素ガス及びアンモニアガスの混合量の変化を示す時間軸波形図である。図６において、混合器１０内における水素ガスとアンモニアガスとの混合量は、燃焼処理の開始時（時間ｔ＝０）では、水素ガスの混合量をアンモニアガスの混合量よりも多くする。初期燃焼ステップＩでは、時間経過とともにアンモニアガスの混合量を増加させ、水素ガスの混合量を減少させる。混合気体の燃焼状態が安定状態と判断されると（時間ｔ２）、次の定常燃焼ステップＳに移行する。ここで、混合気体における水素ガスの混合量はゼロとなり、アンモニアガスのみがスワラ２３から噴出される。

以上の実施形態に係る燃焼方法によれば、先ず水素ガスを燃焼させて燃焼室がある程度温まった後に、アンモニアガスと水素ガスとの混合気体を供給し、燃焼した水素ガスから供給された混合気体に火移りさせるので、実施形態１と比較すると、アンモニアガスにより効率的に初期着火させることができ着火した後もアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

上述した実施形態では、難燃性燃料としてアンモニアを用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、難燃性燃料としてアンモニア化合物や他の難燃性燃料を用いてもよく、さらに、それらを主原料として炭素系化合物などの他の物質が混合されていてもよい。すなわち、本発明は、投入された燃料が内部で燃焼される燃焼室と、燃焼室内に設けられ、第１燃料を燃焼室内に旋回気流として送り込むスワラと、誘電体バリア放電により第１燃料を改質して、第１燃料よりも燃焼性が高い第２燃料を生成する改質器と、燃焼室内に第１燃料よりも燃焼性が高い第２燃料を噴出するパイロットバーナと、パイロットバーナを点火する点火プラグと、点火プラグの点火動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、改質器内の誘電体バリア放電を制御する燃焼システムにおいても適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、各種メモリに保持されている燃焼制御に関する制御処理や演算処理を行うＣＰＵや燃焼制御に必要なデータやプログラム等を用いて駆動部３２はＩＧＢＴ３１の通電または遮断を制御するように構成されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、駆動部３２は、バッテリー６の電圧及び一次コイルＬ１とスイッチング素子であるＩＧＢＴ３１との間の電圧のうちの少なくとも一つの電圧に基づいてＩＧＢＴ３１の通電または遮断を制御するように構成されてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態と比較すると、二次コイルＬ２の両端間電圧は、一次コイルＬ１の両端間電圧に巻き数比を乗じた値となるので、二次コイルＬ２の両端間電圧の値を容易に把握することが可能となる。

さらに、上述した実施形態では、二次コイルＬ２から改質器１３及び点火プラグ７に直接的にエネルギーを供給するように構成されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、二次コイルＬ２と点火プラグ７の放電極７ａとの間にツェナーダイオードまたは抵抗が接続されるように構成されてもよいし、もしくは二次コイルＬ２と誘電体バリア放電リアクタ８との間にツェナーダイオードまたは抵抗が接続されるように構成されてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態と比較すると、二次コイルＬ２から改質器１３及び点火プラグ７に供給するエネルギーを調整することが可能となる。

またさらに、上述した実施形態では、制御装置１は燃焼状態に基づいてアンモニアガスが最適な燃焼状態に到達したと判断したときには水素ガスの供給を停止するように構成されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、制御装置１はアンモニアガスの燃焼状態に基づいて水素ガスの供給量を調整するように構成されてもよい。この場合には、上述した実施形態と比較すると、アンモニアガスの燃焼状態に応じて迅速に水素ガスの供給量を調整することができるので、さらに効率的にアンモニアガスの燃焼を安定して継続させることが可能となる。

本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、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しうるものであり、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。これらの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。

１，１Ａ 制御装置
２，２Ａ 燃焼システム
４ 燃焼室
５ 点火コイル
６ バッテリー
７ 点火プラグ
８ 誘電体バリア放電リアクタ
１０ 混合器
１１ 点火システム
１３ 改質器
１４ パイロットバーナ
１８ 底部
２０ 蓋部
２１ａ～２１ｆ バルブ
２２ 投入口
２３ スワラ
２４ 出力口

Claims (10)

1. アンモニアガスを燃焼室内で燃焼させるアンモニアの燃焼方法であって、
   アンモニアガスから水素ガスを分離生成するステップと、
   前記分離生成された水素ガスを前記燃焼室内に供給するステップと、
   前記燃焼室内に供給された水素ガスに点火放電し該水素ガスを燃焼させるステップと、
   前記燃焼した水素ガスから前記燃焼室内のアンモニアガスに着火されるステップと、
   前記アンモニアガスの燃焼状態を示す燃焼状態情報を検出する検出するステップと、
   前記検出された燃焼状態情報に基づいて前記水素ガスの前記燃焼室内への供給量を調整するステップと、
   を含み、
   前記燃焼状態情報は、前記アンモニアガスの燃焼により発生するイオンに基づくイオン電流または前記アンモニアガスの燃焼によるエネルギーを用いたタービンの出力に関する情報であるアンモニアの燃焼方法。
2. 前記アンモニアガスを前記燃焼室内に供給するステップをさらに含む請求項１記載のアンモニアの燃焼方法。
3. 前記燃焼室内の温度が所定の温度となるときに前記アンモニアガスを前記燃焼室内に供給する請求項２記載のアンモニアの燃焼方法。
4. 前記アンモニアガスから水素ガスを分離生成するステップにおいて、誘電体バリア放電によりアンモニアガスを改質して水素ガスを分離生成する請求項１～３のうちのいずれか１つに記載のアンモニアの燃焼方法。
5. アンモニアガスを燃焼室内で燃焼させるアンモニアの燃焼方法であって、
   アンモニアガスから水素ガスを分離生成するステップと、
   前記分離生成された水素ガスを前記燃焼室内に供給するステップと、
   前記燃焼室内に供給された水素ガスに点火放電し該水素ガスを燃焼させるステップと、
   前記分離生成された水素ガスとアンモニアガスとを混合した混合気体を前記燃焼室内に供給するステップと、
   前記燃焼した水素ガスから前記供給された混合気体に着火されるステップと、
   前記混合気体の燃焼状態を示す燃焼状態情報を検出する検出するステップと、
   前記検出された燃焼状態情報に基づいて前記水素ガスの前記燃焼室内への供給量を調整するステップと、
   を含み、
   前記燃焼状態情報は、前記混合気体の燃焼により発生するイオンに基づくイオン電流または前記混合気体の燃焼によるエネルギーを用いたタービンの出力に関する情報であるアンモニアの燃焼方法。
6. 前記混合気体に着火された後に、前記混合気体における水素ガスの割合を減少させるステップをさらに含む請求項５記載のアンモニアの燃焼方法。
7. 投入されたアンモニアガスを燃焼室内で燃焼させる燃焼システムであって、
   前記アンモニアガスを前記燃焼室内に供給する第１配管と、
   前記第１配管に個別に設けられた第１バルブと、
   前記アンモニアガスから水素ガスを分離生成する改質器と、
   前記分離生成された水素ガスを前記燃焼室内に供給する第２配管と、
   前記第２配管に個別に設けられた第２バルブと、
   前記燃焼室内に供給された水素ガスに点火放電し該水素ガスを燃焼させる点火プラグと、
   前記第１及び第２バルブの開閉並びに前記点火プラグの点火放電を制御する制御手段と、
   前記燃焼室内におけるアンモニアガスの燃焼状態を示す燃焼状態情報を検出する燃焼状態検出手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記燃焼状態検出手段により検出された燃焼状態情報に基づいて前記水素ガスの前記燃焼室内への供給量を調整するように制御し、
   前記燃焼状態情報は、前記アンモニアガスの燃焼により発生するイオンに基づくイオン電流または前記アンモニアガスの燃焼によるエネルギーを用いたタービンの出力に関する情報であるアンモニアの燃焼システム。
8. 前記制御手段は、先ず第２バルブを開き、前記点火放電を開始して前記水素ガスを燃焼させ、該水素ガス燃焼後に第１バルブを開くように制御する請求項７記載のアンモニアの燃焼システム。
9. 前記燃焼室内の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記温度センサにより検出された前記燃焼室内の温度に基づいて所定の温度まで上昇させる請求項７または８記載のアンモニアの燃焼システム。
10. 前記制御手段は、前記改質器内における前記誘電体バリア放電を制御することによりアンモニアガスを改質して水素ガスを分離生成する請求項７～９のうちのいずれか１つに記載のアンモニアの燃焼システム。

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