JP3895112B2

JP3895112B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP3895112B2
Application number: JP2001013030A
Authority: JP
Inventors: 務祖父江; 章夫田中
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: JP2002213710A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼装置に関する。詳しくは、２種類のガスと一次空気を混合して予混合ガスとする混合室と、その予混合ガスを全一次燃焼させるバーナを備えた全一次燃焼型の燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原燃料ガスと一次空気を混合させて予混合ガスとする混合室と、その予混合ガスを全一次燃焼させるバーナを備えた全一次燃焼型の燃焼装置が知られている。この燃焼装置の混合室に原燃料ガスに加えて他のガスを供給する場合がある。このような燃焼装置の一例を図７を参照して説明する。図７は従来技術に係る燃焼装置の説明図である。
図７には、燃焼装置１２０を燃料電池発電システムに組込んだ例が示されている。この燃料電池発電システムは、改質器５６と、燃料電池６２と、２つの燃焼装置１２０ａ、１２０ｂで主に構成されている。改質器５６は、改質燃料を加熱して水素リッチな改質ガスを生成する。燃料電池６２は、改質器５６で生成された水素リッチな改質ガスを燃料として発電する。２つの燃焼装置１２０ａ、１２０ｂはそれぞれ、混合室２４ａ、２４ｂと、バーナ３０ａ、３０ｂと、送風ファン３８ａ、３８ｂを備えている。混合室２４では、都市ガスやプロパンガス等の炭化水素を含む原燃料ガスと、燃料電池６２で消費されなかった水素や炭化水素等の可燃成分を含むオフガスと、送風ファン３８から供給される一次空気を混合して予混合ガスとする。バーナ３０は、混合室２４で混合した予混合ガスを全一次燃焼させる。その燃焼熱を改質器５６に加えて改質反応を促進する。燃料電池６２で発電に利用できる水素は最大でも改質ガス中の水素の７５〜８０％程度であり、残りの２０〜２５％の水素は未利用のまま燃料電池６２からオフガスとして排出されるため、このオフガスの有効利用を図ろうとするものである。
【０００３】
２種類のガス（上記の場合には原燃料ガスとオフガス）を燃焼装置の混合室に供給する場合に、図７に示す方式では、燃焼装置１２０ａの混合室２４ａに原燃料ガスの流路管３６を接続し、燃焼装置１２０ｂの混合室２４ｂにオフガスの流路管３４を接続していた。すなわち、原燃料ガスの流路管３６とオフガスの流路管３４を各々別の燃焼装置１２０ａ、１２０ｂの混合室２４ａ、２４ｂに接続していた。
一方、図８に示すように、混合室２４にガスを供給する１本の流路管３５に、原燃料ガスの流路管３６とオフガスの流路管３４を接続する方式の燃焼装置２２０も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示す方式では、２つの燃焼装置１２０ａ、１２０ｂが必要となりコスト高となっていた。また、原燃料ガスの発熱量（以下、単位体積あたりの発熱量を単に発熱量という）は９０００〜３２０００ｋｃａｌ／ｍ^３程度であり、オフガスの発熱量は８００〜３０００ｋｃａｌ／ｍ^３程度であり、各ガスの発熱量は大きく異なる。このため、各々の燃焼装置１２０ａ、１２０ｂのバーナ３０ａ、３０ｂにおいて発生する熱量（燃焼熱量）が異なるため、改質器５６へ供給する熱量の位置的な分布のばらつきが生じる。この熱量のばらつきは、改質器５６の改質効率の低下や改質触媒の劣化を招いていた。
【０００５】
一方、図８に示す方式では、オフガスの流量変動があると原燃料ガスの流量まで変動してしまう。図７の方式では、オフガスの流量変動があっても原燃料ガスの流量は変動しない。上記のように、原燃料ガスの発熱量はオフガスの発熱量の３〜４０倍程度であり、図８の方式のようにオフガスの流量変動に応じて原燃料ガスの流量まで変動すると、全体の発熱量は大きく変動してしまう。むしろ図７の方式のようにオフガスの流量変動に抗して原燃料ガスの流量が一定に維持されるようにした方が全体の発熱量の変動は小さく抑えられる。
【０００６】
図８の方式において、オフガスの流量変動があると原燃料ガスの流量まで変動してしまう理由を説明する。通常、原燃料ガスの流路管３６にはガバナ６４を設けられており、ガバナ出口（Ａ地点）での原燃料ガスの圧力は一定に維持される。流路管３５に供給される原燃料ガスの流量は、Ｂ地点とＡ地点での圧力差の平方根に比例する。オフガスの流量変動が生じると、Ｂ地点での圧力が変動する。この結果、オフガスの流量変動が生じると、流路管３５から混合室２４内に供給される原燃料ガスの流量も変動してしまう。すなわち、オフガスの流量が増加すると原燃料ガスの流量は減少する。仮に、原燃料ガスの発熱量とオフガスの発熱量が等しければ、オフガスの流量の増加によって原燃料ガスの流量が減少しても全体の発熱量は一定に維持される。しかしながら、原燃料ガスの発熱量はオフガスの発熱量の３〜４０倍程度であり、オフガスの流量の増加によって原燃料ガスの流量が減少すると、全体の燃焼熱量は大きく減少してしまう。このように図８の方式では、改質器５６に供給するバーナ３０の燃焼熱量が大きく変動するために、改質器５６の改質効率の低下や改質触媒の劣化を招いていた。
【０００７】
上記した流量変動の問題や燃焼熱量のばらつき・変動の問題は、原燃料ガスとオフガスの組合せに限られず、２種類のガスを燃焼する場合に共通する問題である。本発明は、２種類のガスを燃焼する場合に、低コストでありながらも、一方のガスの流量変動によって他方のガスの流量変動が生じない燃焼装置を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
上記した問題を解決するため、本発明に係る燃焼装置は、燃料電池から排出されるオフガスと、原燃料ガスと、ファンによって送り込まれる一次空気を混合して予混合ガスとする混合室と、その予混合ガスを燃焼させるバーナを備えている。そして、前記オフガスの流路と、前記原燃料ガスの流路が、前記混合室に各々独立して接続されており、前記オフガスの流路と、前記一次空気の流路が、前記混合室に各々独立して接続されていることを特徴とする。ここで「原燃料ガス」としては、ブタンガス、プロパンガス、メタンガス、エタンガス、灯油、ガソリン等の炭化水素燃料や、メタノール、エタノール等のアルコール系燃料が挙げられる。ここで、「オフガスの流路と、原燃料ガスの流路」は混合室に各々独立して接続されているのであれば、各ガスの流路は複数接続されていてもよい。
本発明に係る燃焼装置によると、燃料電池から排出されるオフガスと原燃料ガスを１つの燃焼装置で燃焼させるため、オフガスと原燃料ガスを各々別の燃焼装置で燃焼させる場合に比べてコストを低減できる。それでいながら、オフガスと原燃料ガスの流路が混合室に各々独立して接続され、オフガスと一次空気の流路が混合室に各々独立して接続されているため、オフガスの流量変動によって原燃料ガスや一次空気の流量変動が生じない。このため、オフガスの流量変動に伴うオフガスと原燃料ガスと一次空気の混合比率の変動を小さく抑えることができる。従って、オフガスと原燃料ガスと一次空気の予混合ガスを適正な空気過剰率で燃焼させることができるため、不完全燃焼や失火の発生を防止できる。燃料電池から排出されるオフガスの流量変動があっても、原燃料ガスの流量変動が生じないことから、全体の燃焼熱量の変動を小さく抑えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の主要な特徴を記載する。
改質燃料を加熱して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成された改質ガスを燃料として発電する燃料電池と、この燃料電池から排出されたオフガスを原燃料ガスとともに燃焼させて、その燃焼熱を改質器の改質反応に用いる燃焼装置を備えた燃料電池発電システムであって、
前記燃焼装置は、原燃料ガスとオフガスと一次空気を混合して予混合ガスとする混合室と、その予混合ガスを燃焼させるバーナを備え、前記混合室には、原燃料ガスの流路管と、オフガスの流路管が各々独立して接続されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【００１２】
【実施例】
本発明を具現化した好適な実施例について、図を参照して説明する。まず、本実施例に係る全一次燃焼型の燃焼装置を含む燃料電池発電システムを図１を参照して説明する。図１は本実施例に係る燃焼装置を含む燃料電池発電システムの模式図である。
図１に示す燃料電池発電システムは、改質器５６と、燃料電池６２と、燃焼装置２０で主に構成されている。改質器５６には、改質燃料の流路管５４が接続されている。改質燃料の流路管５４には、水の流路管５２が接続されている。水の流路管５２には、ポンプ５０が取り付けられている。改質器５６と燃料電池６２の間には、改質ガスの流路管６０が接続されている。燃料電池６２と燃焼装置２０の混合室２４の間には、オフガスの流路管３４が接続されている。さらに燃焼装置２０の混合室２４には、原燃料ガスの流路管３６が流量制御のためのガバナ６４を介して接続されている。また、燃焼装置２０の混合室２４には、送風ファン３８が接続されている。混合室２４より下流側にはバーナ３０が設けられている。
【００１３】
この燃料電池発電システムでは、改質器５６は、改質燃料の流路管５４を通って供給される改質燃料と、水の流路管５２を通って供給される水を、改質触媒を用いて水蒸気改質反応させ、水素リッチな改質ガスを生成する。例えば、改質燃料としてブタンガスを用いると、約６０〜７０％の水素と、約５〜１０％のメタン等を含む水素リッチな改質ガスが生成される。この改質ガスが流路管６０を通じて燃料電池６２に供給されると、燃料電池６２では、改質ガス中の水素と空気中の酸素の電気化学的反応によって発電が行われる。燃料電池６２で発電に利用できる水素は最大でも改質ガス中の水素の７５〜８０％程度であり、残りの２０〜２５％の水素やメタン等は未利用のまま燃料電池６２からオフガスとして排出される。
【００１４】
改質器５６で改質反応を行わせるためには、７００〜９００℃程度の高温が必要である。また、改質反応は吸熱反応であるので、改質反応を効率良く行わせるには反応量に応じた熱量が必要となる。そこで、燃焼装置２０の混合室２４に、燃料電池６２から排出されたオフガスを流路管３４を通じて供給し、同時に原燃料ガスを流路管３６を通じて供給し、また同時に燃焼用一次空気を送風ファン３８で強制的に送り込み、これらを混合した予混合ガスをバーナ３０で燃焼させて改質器５６を加熱する。このように、オフガスと原燃料ガスという２種類のガスを燃焼装置２０で燃焼させることによって、改質反応に必要な高温を作り維持するとともに、吸熱反応に必要な熱を生成する。
【００１５】
次に、図１の燃料電池発電システムの一部を構成する燃焼装置２０を図２と図３を参照して詳細に説明する。図２は本実施例に係る燃焼装置の断面図であり、図３は図２のＸ−Ｘ線断面図である。
図２と図３に示すように、燃焼装置２０は、アウターケース２２によって外枠が構成されている。このアウターケース２２には、孔部２２ａ〜２２ｃが形成されている。孔部２２ａには、送風ファン３８の先端部が挿入された状態で取り付けられている。この送風ファン３８を回転させると、アウターケース２２によって構成された空気供給室２１内に空気が取り入れられる。孔部２２ｂには、原燃料ガスの流路管３６の下流側に設けられたノズル３６ａが挿入されている。この状態で流路管３６は固定されている。図３に示すように、孔部２２ｂは２箇所に設けられており、それぞれの孔部に２本の流路管３６が接続されている。孔部２２ｃには、オフガスの流路管３４の段差部３４ｂが挿入されている。この状態で流路管３４は固定されている。この流路管３４の上流側は、オフガスを供給する燃料電池６２（図１参照）に接続されている。図３に示すように、オフガスのノズル３４ａ（流路管３４）は６本設けられている。
【００１６】
アウターケース２２には、混合ケース２６が取り付けられている。この混合ケース２６の上流側（送風ファン３８と原燃料の流路管３６が位置する側）の端部には、導入板４０が取り付けられている。この導入板４０には、流路管３６からの原燃料ガスと送風ファン３８からの空気の導入孔４０ａが形成されている。この導入板４０で区切られることによって、混合ケース２６内に混合室２４が形成されている。この混合室２４のオフガスの流路管３４側には孔部２６ａが設けられている。この孔部２６ａには、流路管３４のノズル３４ａが挿入されている。導入板４０の下流側（混合室２４側）の面には、囲い板４２が取り付けられている。この囲い板４２は、原燃料ガスとオフガスと空気を予め混合するための予備混合室４４を形成している。この囲い板４２には、第１スリット群４２ａと第２スリット群４２ｂが形成されている。第１スリット群４２ａは、図２のＸ−Ｘ線断面図である図３に示すように、７つの矩形状のスリットが並列して形成されている。図示を省略するが、第２スリット群４２ｂも第１スリット群４２ａと同様に、複数の矩形状のスリットが並列して形成されている。
【００１７】
この囲い板４２より下流側には、混合板４６が混合ケース２６に連設して形成されている。この混合板４６には、細長い矩形状のスリット４６ａが１つ形成されている。この混合板４６より下流側には、分布板４８が設けられている。この分布板４８は混合ケース２６に取り付けられている。この分布板４８には、多数の小孔群４８ａが形成されている。この分布板４８より下流側には、バーナ３０が設けられている。このバーナ３０は混合ケース２６に取り付けられている。このバーナ３０はセラミックス等によって形成されており、バーナ３０側からみた平面図である図４によく示されるように、多数の炎口群３０ａが形成されている。符号３２は、この炎口群３０ａより炎が出ている状態を示している。
【００１８】
次に、本実施例に係る燃焼装置２０の作用を図２と図３を参照して説明する。燃焼装置２０の燃焼運転が開始されると、図示しない元ガス弁が開弁され、矢印Ａに示すように、原燃料ガスが流路管３６を通じてノズル３６ａから予備混合室４４内に供給される。同時に、送風ファン３８から空気供給室２１に強制的に燃焼用一次空気が送り込まれ、この一次空気はさらに矢印Ｃに示すように導入孔４０ａを介して予備混合室４４内に供給される。そして、しばらくした後、燃料電池６２（図１参照）から、オフガスが矢印Ｂに示すように、流路管３４を通じてノズル３４ａから予備混合室４４（一部は混合室２４）内に供給される。このようにしばらくした後にオフガスが供給されるのは、図１に示すように、改質ガスが燃料電池６２を通ってオフガスとなり予備混合室４４（一部は混合室２４）内に供給される際に、流路管３４の長さの分だけ時間がかかるからである。
すると、これらの原燃料ガス、オフガス、空気が囲い板４２に衝突し、予備混合室４４内で渦流を形成しながら攪拌され、予備的に混合される。
【００１９】
その後、予備混合されたガスは、囲い板４２に設けられた第１スリット群４２ａと第２スリット群４２ｂを通過して、混合板４６に衝突する。混合板４６に衝突したガスは、混合室２４内で十分に混合された後、矢印Ｄに示すように細長い矩形状のスリット４６ａを通過する。このスリット４６ａを通過したガスは、原燃料ガスとオフガスと空気がほぼ均一に混合された予混合ガスとなっている。その後、この予混合ガスは分布板４８に形成された多数の小孔群４８ａを通過することによって、均一な流速分布となる。均一な流速分布となった予混合ガスはバーナ３０に供給される。この予混合ガスは、バーナ３０の近傍に設けられた点火プラグ（図示せず）により点火されて、全一次燃焼される。
【００２０】
本実施例によると、原燃料ガスとオフガスを１つの燃焼装置２０で燃焼させるため、原燃料ガスとオフガスを各々別の燃焼装置で燃焼させる場合に比べてコストを低減できる。また、図１に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池６２の負荷変動に応じて発電出力が変動するので、燃料電池６２で消費される改質ガス中の水素量は負荷変動に応じて大きく変動する。このため、燃料電池６２から排出されるオフガスの流量（オフガス中の水素量）も大きく変動し得る。しかしながら本実施例によると、図２に示すように原燃料ガスの流路管３６とオフガスの流路管３４が混合室２４に各々独立して接続されているため、オフガスの流量変動によって原燃料ガスの流量変動が生じない。このため、オフガスの流量変動に伴う原燃料ガスとオフガスと一次空気の混合比率の変動を小さく抑えることができる。従って、原燃料ガスとオフガスと一次空気の予混合ガスを適正な空気過剰率で燃焼させることができるため、不完全燃焼や失火の発生を防止できる。
【００２１】
また、本実施例によると、図２に示すように原燃料ガスとオフガスを１つの燃焼装置２０の混合室２４で混合させてバーナ３０で燃焼させるため、両ガスの発熱量が大きく異なっていても（原燃料ガス：９０００〜３２０００ｋｃａｌ／ｍ^３、オフガス：８００〜３０００ｋｃａｌ／ｍ^３）、燃焼熱量の位置的な分布のばらつきを抑えることができる。また、原燃料ガスの流路管３６とオフガスの流路管３４が混合室２４に各々独立して接続されているため、オフガスの流量変動によって原燃料ガスの流量変動が生じない。上記のようにオフガスの流量は燃料電池６２の負荷変動によって大きく変動しやすいが、オフガスの発熱量は小さいため、オフガスの流量変動が生じても本実施例のように原燃料ガスの流量を一定に維持できれば、全体の燃焼熱量の変動は小さく抑えることができる。
従って、本実施例によると、オフガスの流量変動が生じても、改質器５６の改質効率の低下や改質触媒の劣化を小さく抑えることができる。
【００２２】
本発明の他の実施例としては、図５と図６に示すような燃焼装置であってもよい。図５は他の実施例に係る燃焼装置の断面図であり、図６は図５のＸ−Ｘ線断面図である。
図５と図６に示すように、本発明の他の実施例に係る燃焼装置２０ｂでは、オフガスの流路管３４と原燃料ガスの流路管３６が並列に設けられている。具体的には、アウターケースの孔部２２ｃに、オフガスの流路管３４の段差部３４ｂと、原燃料ガスの流路管３６の段差部３６ｂが挿入されている。また、混合ケース２６の孔部２６ａにオフガスのノズル３４ａが挿入され、孔部２６ｂに原燃料ガスのノズル３６ａが挿入されている。
また、混合ケース２６の導入板４０より上流側（送風ファン３８側）の端部に仕切り板３９が取り付けられている。この仕切り板３９には開口３９ａが形成されている。この仕切り板３９と導入板４０によって区切られた空間２３内には、原燃料ガスのノズル３６ａが突出している。このため、空間２３は、原燃料ガスと空気を予め混合するための予備混合室としての機能を果たしている。
【００２３】
以上、本発明の実施例に係る燃焼装置とこれを含む燃料電池発電システムについて説明したが、本発明の適用範囲は上記の実施例になんら限定されるものではない。すなわち、本発明は、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
例えば、本実施例では、原燃料ガスを供給する流路管３６（ノズル３６ａ）が２本の場合を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られない。原燃料ガスが囲い板４２に衝突しさえすれば、流路管３６の本数は６本であってもよい。６本の場合の方が原燃料ガスと他のガスと空気をより混合しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る燃焼装置を含む燃料電池発電システムの模式図。
【図２】本発明の実施例に係る燃焼装置の断面図。
【図３】図２のＸ−Ｘ線断面図。
【図４】バーナ側からみた平面図。
【図５】本発明の他の実施例に係る燃焼装置の断面図。
【図６】図５のＸ−Ｘ線断面図。
【図７】従来技術に係る燃焼装置の説明図（１）。
【図８】従来技術に係る燃焼装置の説明図（２）。
【符号の説明】
２０：燃焼装置
２１：空気供給室
２２：アウターケース、２２ａ〜ｃ：孔部
２４：混合室
２６：混合ケース
３０：バーナ、３０ａ：炎口群
３２：炎
３４：オフガスの流路管、３４ａ：ノズル、３４ｂ：段差部
３６：原燃料ガスの流路管、３６ａ：ノズル、３６ｂ：段差部
３８：送風ファン
４０：導入板、４０ａ：導入孔
４２：囲い板、４２ａ：第１スリット群、４２ｂ：第２スリット群
４４：予備混合室
４６：混合板、４６ａ：スリット
４８：分布板、４８ａ：小孔群
５０：ポンプ
５２：水の流路管
５４：改質燃料の流路管
５６：改質器
６０：改質ガスの流路管
６２：燃料電池
６４：ガバナ

Claims

燃料電池から排出されるオフガスと、原燃料ガスと、ファンによって送り込まれる一次空気を混合して予混合ガスとする混合室と、その予混合ガスを燃焼させるバーナを備えた燃焼装置であって、
前記オフガスの流路と、前記原燃料ガスの流路が、前記混合室に各々独立して接続されており、
前記オフガスの流路と、前記一次空気の流路が、前記混合室に各々独立して接続されていることを特徴とする燃焼装置。