(57)【要約】【課題】簡易な構成で酸素含有ガスに対する燃料ガスの濃度の低下を抑制することの可能な燃焼システム、及び、燃焼装置を得る。【解決手段】バーナ５０は、燃焼用アノードオフガスを燃焼部へ導く燃料路管５２と、第２カソードオフガスを燃焼部へ向かって送出する酸素含有ガス本路管５４と、酸素含有ガス本路管５４を流れる第２カソードオフガスの一部を燃料路管５２の出口へ導く燃焼酸素路６０と、燃料路管５２の出口よりも上流から酸素含有ガス本路管５４を流れる第２カソードオフガス一部を燃焼酸素路６０よりも燃料放出端５８Ｃから離れた位置へ導く酸素含有ガス分離路６４と、を備えている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを燃焼部へ導く燃料路と、
酸素含有ガスを前記燃焼部へ向かって送出する本流路と、前記本流路を流れる前記酸素含有ガスの一部を前記燃焼部へ導く燃焼酸素路と、前記燃焼部よりも上流から前記本流路を流れる前記酸素含有ガスの一部を燃焼酸素路よりも前記燃焼部から離れた位置へ導く酸素含有ガス分離路と、
を備えた燃焼システム。
【請求項２】
前記酸素含有ガス分離路は、前記本流路を流れる前記酸素含有ガスの一部を前記燃焼部よりも下流側へ導く、請求項１に記載の燃焼システム。
【請求項３】
アノードへ供給される燃料ガスとカソードへ供給される酸素含有ガスとにより発電する燃料電池を備え、
前記燃料路は、前記アノードからのアノードオフガスを前記燃焼部へ供給するアノードオフガス管で構成され、前記燃焼酸素路は、前記カソードからのカソードオフガスを前記燃焼部へ供給する、カソードオフガス管で構成されている、請求項１または請求項２に記載の燃焼システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、第１燃料電池と、前記第１燃料電池のアノードオフガスを燃料ガスとしてアノードへ供給される第２燃料電池と、を含む多段式とされている、請求項３に記載の燃焼システム。
【請求項５】
前記アノードオフガス管は、前記第２燃料電池のアノードから前記燃焼部へアノードオフガスを供給する第２アノードオフガス管で構成され、
前記カソードオフガス管は、前記第２燃料電池のカソードから前記燃焼部へカソードオフガスを供給する第２カソードオフガス管、または、前記第１燃料電池のカソードから前記燃焼部へ前記カソードオフガスを供給する第１カソードオフガス管、の一方で構成され、
前記酸素含有ガス分離路は、第２カソードオフガス管または前記第１カソードオフガス管の他方で構成されている、
請求項４に記載の燃焼システム。
【請求項６】
前記アノードオフガス管は、前記アノードオフガスの一部を前記燃料電池のアノードへ再供給する循環分岐管を備えた、請求項３に記載の燃焼システム。
【請求項７】
燃料ガスを燃焼部へ導き、前記燃料ガスを放出させる燃料放出端を有する燃料路と、
酸素含有ガスを前記燃焼部へ向かって送出する酸素含有ガス本路と、
前記酸素含有ガス本路を流れる前記酸素含有ガスの一部を前記燃料放出端へ導き、前記酸素含有ガスを放出させる酸素放出端を有する燃焼酸素路と、
前記酸素含有ガス本路を流れる前記酸素含有ガスの一部を前記燃焼酸素路よりも前記燃料放出端から離れた分離放出部へ分離する酸素含有ガス分離路と、
を備えた燃焼装置。
【請求項８】
前記燃料路は、前記燃料放出端に、断面積が拡大された放出前空間と前記燃料ガスを吐出する複数の放出孔が形成された放出部、を有している、請求項７に記載の燃焼装置。
【請求項９】
前記酸素含有ガス本路と前記燃焼酸素路とは、互いに前記酸素含有ガスの流れ方向に離間して前記酸素含有ガスが流出可能となる離間部を有し、前記酸素含有ガス分離路は、前記離間部から前記酸素含有ガスの一部を分離する、請求項７または請求項８に記載の燃焼装置。
【請求項１０】
前記燃料路と前記酸素含有ガス本路とにより、前記燃料路の外側に前記酸素含有ガス本路が配置される二重管が構成されている、請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項１１】
前記燃焼酸素路は、前記燃料路と離間して前記燃料路の外側を囲みつつ前記酸素含有ガス分離路と前記燃焼酸素路とを区画する分離壁を含んで構成されている、請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項１２】
前記酸素放出端に囲まれて、前記燃料放出端と前記酸素放出端との間に予混合空間が形成されている、請求項７〜請求項１１のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項１３】
前記燃焼酸素路の前記酸素放出端は、前記予混合空間の内側に傾斜している、請求項１２に記載の燃焼装置。
【請求項１４】
前記燃焼部及び前記分離放出部は、燃焼空間を形成する筐体内に配置されている、請求項７〜請求項１３のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項１５】
請求項７〜１４のいずれか１項に記載の燃焼装置と、
アノードへ供給される燃料ガスとカソードへ供給される酸素含有ガスとにより発電する燃料電池と、
前記アノードからの前記燃料ガスを前記燃料路へ導くアノードオフガス管と、
前記カソードからの前記酸素含有ガスを前記酸素含有ガス本路へ導くカソードオフガス管と、
を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料ガスを燃焼させる燃焼システム、及び燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスを燃焼させるための燃焼装置として各種のバーナが開発されている。そして、燃焼性を向上させるために、燃料ガスと空気とを燃焼前に混合させる場合がある。例えば、特許文献１では、ガス混合室に可燃性ガスダクトから可燃性ガスを導入すると共に、燃焼空気ダクトから燃焼空気を導入し、ガス混合室で混合した後に、２次燃焼室へ噴出させて燃焼させている。しかしながら、特許文献１では、燃焼空気ダクトから送出された空気は、全量が２次燃焼室内へ供給されるため、２次燃焼室内での可燃性ガスの濃度が薄くなり、燃焼性の低下が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６６６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、簡易な構成で酸素含有ガスに対する燃料ガスの濃度の低下を抑制することの可能な燃焼システム、及び、燃焼装置を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明に係る燃焼システムは、燃料ガスを燃焼部へ導く燃料路と、酸素含有ガスを前記燃焼部へ向かって送出する本流路と、前記本流路を流れる前記酸素含有ガスの一部を前記燃焼部へ導く燃焼酸素路と、前記燃焼部よりも上流から前記本流路を流れる前記酸素含有ガスの一部を燃焼酸素路よりも前記燃焼部から離れた位置へ導く酸素含有ガス分離路と、を備えている。
【０００６】
請求項１に係る燃焼システムでは、燃料路により燃焼ガスが燃焼部へ導かれる。また、本流路により酸素含有ガスが燃焼部へ向かって送出される。本流路を流れる酸素含有ガスの一部は、燃焼酸素路により燃焼部へ導かれ、燃焼部で燃焼ガスを燃焼させる。一方、燃焼部よりも上流から酸素含有ガス分離路により、本流路を流れる酸素含有ガスの一部が、燃焼酸素路よりも燃焼部から離れた位置へ導かれる。このように、本流路を流れる酸素含有ガスの一部を燃焼部へ導き、その他の酸素含有ガスを燃焼部から離れた位置へ導くことにより、燃焼部における燃料ガスの濃度の低下を抑制することができる。
なお、ここでの燃料ガスは、可燃性物質を含むガスをいい、特に限定されるものではない。
【０００７】
請求項２記載の発明に係る燃焼システムは、前記酸素含有ガス分離路は、前記本流路を流れる前記酸素含有ガスの一部を前記燃焼部よりも下流側へ導く。
【０００８】
請求項２記載の発明に係る燃焼システムによれば、本流路を流れる酸素含有ガスの一部が酸素含有ガス分離路から燃焼部よりも下流側へ導かれるので、酸素含有ガスを燃焼排ガスと共に処理することができる。
【０００９】
請求項３記載の発明に係る燃焼システムは、アノードへ供給される燃料ガスとカソードへ供給される酸素含有ガスとにより発電する燃料電池を備え、前記燃料路は、前記アノードからのアノードオフガスを前記燃焼部へ供給するアノードオフガス管で構成され、前記燃焼酸素路は、前記カソードからのカソードオフガスを前記燃焼部へ供給する、カソードオフガス管で構成されている。
【００１０】
請求項３記載の発明に係る燃焼システムによれば、燃料電池のアノードオフガスを燃料ガスとして燃焼させる際に、カソードオフガスの一部のみを燃焼部でアノードオフと合流させて、アノードオフガス中の可燃性ガスの燃焼部における濃度の低下を抑制させて燃焼させることができる。
なお、ここでの燃料ガスは、可燃性を有するだけでなく、燃料電池での発電に供されるガス、例えば水素を含むガスをいう。
【００１１】
請求項４記載の発明に係る燃焼システムは、前記燃料電池は、第１燃料電池と、前記第１燃料電池のアノードオフガスを燃料ガスとしてアノードへ供給される第２燃料電池と、を含む多段式とされている。
【００１２】
請求項４の発明に係る燃焼システムによれば、多段式の後段の第２燃料電池から送出されるアノードオフガスを燃焼させる際に、アノードオフガス中の可燃性ガスの燃焼部における濃度の低下を抑制させて燃焼させることができる。多段式の後段の第２燃料電池から送出されるアノードオフガスは、特に可燃性ガスの濃度が低いため、本発明を有効に適用することができる。
【００１３】
請求項５記載の発明に係る燃焼システムは、前記アノードオフガス管は、前記第２燃料電池のアノードから前記燃焼部へアノードオフガスを供給する第２アノードオフガス管で構成され、前記カソードオフガス管は、前記第２燃料電池のカソードから前記燃焼部へカソードオフガスを供給する第２カソードオフガス管、または、前記第１燃料電池のカソードから前記燃焼部へ前記カソードオフガスを供給する第１カソードオフガス管、の一方で構成され、前記酸素含有ガス分離路は、第２カソードオフガス管または前記第１カソードオフガス管の他方で構成されている、
【００１４】
請求項５記載の発明に係る燃焼システムでは、第２カソードオフガス管または第１カソードオフガス管の内の一方を燃焼酸素路とし、燃焼酸素路とならない他方を酸素含有ガス分離路とするので、別途分岐部分を設けることなく簡易にカソードオフガスを分岐させることができる。
【００１５】
請求項６記載の発明に係る燃焼システムは、前記アノードオフガス管は、前記アノードオフガスの一部を前記燃料電池のアノードへ再供給する循環分岐管を備えている。
【００１６】
請求項６記載の発明に係る燃焼システムでは、循環式の燃料電池から送出されるアノードオフガスを燃焼させる際に、アノードオフガス中の可燃性ガスの燃焼部における濃度の低下を抑制させて燃焼させることができる。循環式の燃料電池から送出されるアノードオフガスは、特に可燃性ガスの濃度が低いため、本発明を有効に適用することができる。
【００１７】
請求項７記載の発明に係る燃焼装置は、燃料ガスを燃焼部へ導き、前記燃料ガスを放出させる燃料放出端を有する燃料路と、酸素含有ガスを前記燃焼部へ向かって送出する酸素含有ガス本路と、前記酸素含有ガス本路を流れる前記酸素含有ガスの一部を前記燃料放出端へ導き、前記酸素含有ガスを放出させる酸素放出端を有する燃焼酸素路と、前記酸素含有ガス本路を流れる前記酸素含有ガスの一部を前記燃焼酸素路よりも前記燃料放出端から離れた離間部へ分離する酸素含有ガス分離路と、を備えている。
【００１８】
請求項７に係る燃焼装置では、燃料路により燃焼ガスが燃焼部へ導かれる。燃料ガスは燃料放出端から燃焼部へ放出される。また、酸素含有ガス本路により酸素含有ガスが燃焼部へ向かって送出される。酸素含有ガス本路を流れる酸素含有ガスの一部は、燃焼酸素路により燃料路の燃料放出端へ導かれ、酸素放出端から酸素含有ガスを放出させて燃焼部で燃焼ガスを燃焼させる。また、酸素含有ガス本路を流れる酸素含有ガスの一部は、酸素含有ガス分離路により、燃焼酸素路よりも燃料放出端から離れた離間部へ分離される。このように、酸素含有ガス本路を流れる酸素含有ガスの一部を燃料路の燃料放出端へ導き、その他の酸素含有ガスを燃焼酸素路よりも燃料放出端から離れた分離放出部へ分離させることにより、燃料放出端における燃料ガスの濃度の低下を抑制して、燃焼性の低下を抑制することができる。
【００１９】
請求項８記載の発明に係る燃焼装置は、前記燃料路は、前記燃料放出端に、断面積が拡大された放出前空間と前記燃料ガスを吐出する複数の放出孔が形成された放出部、を有している。
【００２０】
請求項８に係る燃焼装置によれば、燃料ガスは、放出部の放出前空間から複数の放出孔を通って燃焼部へ放出されるので、燃焼ガスを均一に放出させることができる。
【００２１】
請求項９記載の発明に係る燃焼装置は、前記酸素含有ガス本路と前記燃焼酸素路とは、互いに前記酸素含有ガスの流れ方向に離間して前記酸素含有ガスが流出可能となる離間部を有し、前記酸素含有ガス分離路は、前記離間部から前記酸素含有ガスの一部を分離する。
【００２２】
請求項９に係る燃焼装置によれば、簡易な構成で、酸素含有ガス本路を燃焼酸素路と酸素含有ガス分離路とに分離することができる。
【００２３】
請求項１０記載の発明に係る燃焼装置は、前記燃料路と前記酸素含有ガス本路とにより、前記燃料路の外側に前記酸素含有ガス本路が配置される二重管が構成されている。
【００２４】
請求項１０に係る燃焼装置によれば、燃料路からの燃焼ガスを、燃焼エリアの中心部に向けて放出させることができる。
【００２５】
請求項１１記載の発明に係る燃焼装置は、前記燃焼酸素路は、前記燃料路と離間して前記燃料路の外側を囲みつつ前記酸素含有ガス分離路と前記燃焼酸素路とを区画する分離壁を含んで構成されている。
【００２６】
請求項１１に係る燃焼装置によれば、分離壁により、簡易な構成で燃焼酸素路を構成することができる。
【００２７】
請求項１２記載の発明に係る燃焼装置は、前記酸素放出端に囲まれて、前記燃料放出端と前記酸素放出端との間に予混合空間が形成されている。
【００２８】
請求項１２に係る燃焼装置によれば、予混合空間で燃料ガスと酸素含有ガスとを混合させて燃焼させることにより、燃焼性を向上させることができる。
【００２９】
請求項１３記載の発明に係る燃焼装置は、前記燃焼酸素路の前記酸素放出端は、前記予混合空間の内側に傾斜している。
【００３０】
請求項１３に係る燃焼装置によれば、燃焼酸素路から放出される酸素含有ガスは、酸素放出端によって予混合空間の内側に集められ、燃焼ガスと良好に混合され、燃焼性を向上させることができる。
【００３１】
請求項１４記載の発明に係る燃焼装置は、前記燃焼部及び前記分離放出部は、燃焼空間を形成する筐体内に配置されている。
【００３２】
請求項１４に係る燃焼装置によれば、燃焼空間を形成する筐体内に、分離放出部から酸素含有ガスが放出されるので、燃焼部で燃焼せずに残った燃料ガスの燃焼が助けられると共に、分離放出部から放出された酸素含有ガスを加熱することができる。
【００３３】
請求項１５記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項６〜１３のいずれか１項に記載の燃焼装置と、アノードへ供給される燃料ガスとカソードへ供給される酸素含有ガスとにより発電する燃料電池と、前記アノードからの前記燃料ガスを前記燃料路へ導くアノードオフガス管と、前記カソードからの前記酸素含有ガスを前記酸素含有ガス本路へ導くカソードオフガス管と、を備えている。
【００３４】
請求項１５記載の発明に係る燃料電池システムによれば、カソードから排出された酸素含有ガスの一部を酸素含有ガス分離路により分離して、燃焼させる際の燃料ガスと酸素含有ガスと割合を容易に調整することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る燃焼システム、及び燃焼装置によれば、簡易な構成で酸素含有ガスに対する燃料ガスの濃度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第４実施形態に係る燃料電池システムに使用するバーナの斜視図である。
【図６】第４実施形態に係る燃料電池システムに使用するバーナの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
【００３８】
〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａが示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池スタック１６、第２燃料電池スタック１８、空気供給部４６、分離部２０、第１熱交換部３０、第２熱交換部３２、第３熱交換部３４、燃焼器４０、及びタンク４２を備えている。
【００３９】
気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢによりメタンが気化器１２へ送出される。原料ガス管Ｐ１の中間部には、水を貯留するタンク４２からの水供給管Ｐ２が接続されている。タンク４２からは、ポンプＰにより、水（液相）が気化器１２へ送出される。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器４０の熱が用いられる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガス、バイオガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。
【００４０】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４は、燃焼器４０、第１燃料電池スタック１６、及び第２燃料電池スタック１８と隣接されており、これらとの間で熱交換を行うことで加熱される。
【００４１】
改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスを生成する。改質器１４は、第１燃料電池スタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。
【００４２】
第１燃料電池スタック１６は固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池スタック１６は本発明における燃料電池（第１燃料電池）の一例であり、本実施形態では、作動温度が６５０℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。図１では、複数の燃料電池セルの個々のアノード、カソードをまとめて、各々「アノード１６Ａ」「カソード１６Ｂ」と図示している。
【００４３】
なお、第２燃料電池スタック１８についての基本構成は、第１燃料電池スタック１６と同様であり、アノード１６Ａに対応するアノード１８Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂを有している。
【００４４】
第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、後述する空気供給管Ｐ８を介して空気が供給される。カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに到達する。
【００４５】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００４６】
また、カソード１６Ｂには、カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスを第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ案内する第１カソードオフガス管Ｐ６が接続されている。
【００４７】
一方、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
【００４８】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００４９】
第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａにはアノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ７には、アノード１６Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
【００５０】
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、アノードオフガスに二酸化炭素及び水素の少なくとも一方が含まれる他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
【００５１】
アノードオフガス管Ｐ７の他端は、後述する第２熱交換部３２及び第１熱交換部３０を経て分離部２０と接続されている。分離部２０は、アノードオフガスから水蒸気を凝縮により分離するものである。
【００５２】
アノードオフガスは、分離部２０で水蒸気が分離されることにより水蒸気の濃度が低減された再生燃料ガスとなって、再生燃料ガス管Ｐ９へ送出される。再生燃料ガス管Ｐ９は、第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａと接続されており、再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９を経て、第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａに供給される。
【００５３】
一方、空気供給部４６からは空気が供給され、後述する第１熱交換部３０、第３熱交換部３４を経てカソード１６Ｂへ供給される。
【００５４】
第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａ及びカソード１８Ｂでは、第１燃料電池スタック１６と同様の反応により発電が行われる。アノード１８Ａから排出された使用済のガスは、配管Ｐ１１により燃焼器４０へ送出される。使用済のガス（以下「燃焼用アノードオフガス」という）には、メタンや一酸化炭素などの可燃性ガスが含まれており、燃焼器４０で焼却に供される。
【００５５】
カソード１８Ｂから排出された第２カソードオフガスは、第２カソードオフガス管Ｐ１２へ送出される。第２カソードオフガスには、酸素が含まれている。第２カソードオフガス管Ｐ１２は、２つに分岐されている。分岐された一方は、燃焼器４０と接続される第２カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２−１とされ、他方は燃焼器４０の燃焼排ガスが排出される燃焼排ガス管Ｐ１０と接続される第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２とされている。分岐部分には、分流器Ｖ１が設けられ、第２カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２−１へ送出される第２カソードオフガスの流量と、第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２へ送出される第２カソードオフガスの流量とが、調整可能とされている。なお、予め分離するガスの割合が決まっている場合は、分流器Ｖ１を用いずに、オリフィスなどを用いて分離しても良い。第２カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２−１からは、燃焼器４０へ酸素を含む使用済のガス（以下「燃焼用カソードオフガス」という）が送出され、燃焼器４０で焼却に供される。
【００５６】
本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池スタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池スタック１８で再利用される多段式の燃料電池システムとなっている。
【００５７】
燃焼器４０からは、燃焼排ガスが送出される。燃焼排ガスは、第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２からの使用済ガス（以下「迂回カソードオフガス」という）と合流し、燃焼排ガス管Ｐ１０内を流通し、第３熱交換部３４、及び、気化器１２を経て、タンク４２へ流入される。なお、第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２は、必ずしも燃焼器４０と第３熱交換部３４の間で燃焼排ガス管Ｐ１０と合流される必要はなく、第３熱交換部３４の下流側でも、その他の位置での合流でもよい。
【００５８】
第１熱交換部３０は、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａの下流側で分離部２０の上流側、且つ、空気供給部４６の下流側に設けられている。第１熱交換部３０では、アノードオフガス管Ｐ７を流れるアノードオフガスと空気供給管Ｐ８を流れる空気との間で熱交換が行われる。
【００５９】
第２熱交換部３２は、第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａの下流側で第１熱交換部３０の上流側（アノードオフガス管Ｐ７について）、且つ、分離部２０の下流側で第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａの上流側（再生燃料ガス管Ｐ９について）に設けられている。第２熱交換部３２では、アノードオフガス管Ｐ７を流れるアノードオフガスと再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスとの間で熱交換が行われる。
【００６０】
第３熱交換部３４は、第１熱交換部３０の下流側で第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂの上流側、且つ、燃焼器４０の下流側で気化器１２の上流側（燃焼排ガス管Ｐ１０について）に設けられている。第３熱交換部３４では、空気供給管Ｐ８を流れる空気Ａと燃焼排ガス管Ｐ１０を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。
【００６１】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
【００６２】
燃料電池システム１０Ａにおいては、ガス源からの燃料であるメタン及びタンク４２からの水が、気化器１２へ供給される。気化器１２では、供給されたメタン及び水が混合されると共に、燃焼排ガス管Ｐ１０を流通する燃焼排ガスから熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。
【００６３】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、改質反応により、水素を含む６００℃程度の燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。
【００６４】
第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、空気供給部４６から第１熱交換部３０、第３熱交換部３４経て加熱された空気が供給される。これにより、第１燃料電池スタック１６では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い燃料電池スタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスは、第１カソードオフガス管Ｐ６を通って第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ供給される。
【００６５】
アノード１６Ａから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７に導かれ、第２熱交換部３２、第１熱交換部３０を経て、分離部２０へ流入される。アノードオフガス中の水蒸気は、分離部２０で凝縮されて分離され、水蒸気の濃度が低減された再生燃料ガスが、再生燃料ガス管Ｐ９を経て第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａに供給される。
【００６６】
第２燃料電池スタック１８では、前述の反応により発電が行われる。アノード１８Ａからは、燃焼用アノードオフガスが配管Ｐ１１により燃焼器４０へ送出される。カソード１８Ｂからは、第２カソードオフガス管Ｐ１２へカソードオフガスが送出され、第２カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２−１と第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２とへ分流される。分流の一方（第２カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２−１側）は、第２カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２−１により燃焼器４０へ送出される。分流の他方（第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２側）は、燃焼排ガス管Ｐ１０へ送出される。
【００６７】
燃焼器４０からは、燃焼排ガス管Ｐ１０へ燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、第３熱交換部３４、及び気化器１２を経て、タンク４２へ送出される。燃焼排ガスに含まれる水蒸気は、気化器１２からタンク４２までの経路やタンク４２内で冷却され、凝縮されてタンク４２に貯留される。その他の燃焼排ガスは、タンク４２から放出される。第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２は、第３熱交換部３４よりも上流側で燃焼排ガス管Ｐ１０と合流され、迂回カソードオフガスが燃焼排ガスと共にタンク４２へ送られる。
【００６８】
本実施形態の燃料電池システム１０Ａによれば、第２カソードオフガス管Ｐ１２は、２つに分岐されているので、燃焼器４０へ供給される第２カソードオフガスの流量は少なくなる。したがって、燃焼空間における可燃性ガスの濃度の低下を抑制して、燃焼器４０での燃焼用アノードオフガスの燃焼性の低下を抑制することができる。
【００６９】
また、第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２は燃焼器４０よりも下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０と合流されるので、燃焼排ガスと共に迂回カソードオフガスを第３熱交換部３４での熱交換用に用いることができる。
【００７０】
また、本実施形態の燃料電池システム１０Ａは、第１燃料電池スタック１６と第２燃料電池スタック１８のアノードについて、アノードガス流れが直列に接続された多段式の燃料電池システムである。さらに、水凝縮により燃料再生を実施しているため、燃料電池システム全体での燃料ガス利用率を高く設定できることから、後段の第２燃料電池スタック１８のアノード１８Ａから送出されるアノードオフガスは、特に可燃性ガスの濃度が低くなることがある。そのため、本発明を有効に適用することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、燃料電池システム１０Ａを例に説明したが、その他の燃焼システムにも本発明は適用可能である。特に、燃料電池システムでは、アノード１６Ａ、１８Ａ、カソード１６Ｂ、１８Ｂへは、燃料電池（第１燃料電池スタック１６、第２燃料電池スタック１８）での発電を考慮した量の燃料ガスと空気が各々供給される。したがって、アノードオフガスとカソードオフガスとの割合は、燃焼用としてはアンバランスになりやすい。そのため、本発明により、可燃性ガス（水素、一酸化炭素等）に対する酸素や窒素の過剰割合を有効に緩和することができる。
【００７２】
なお、本実施形態では、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂから第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ空気が供給されるように直列に接続されている例について説明したが、空気供給部４６からカソード１６Ｂとカソード１８Ｂの両方へ供給されるように並列に接続されていてもよい。その場合には、カソード１６Ｂからのカソードオフガスまたはカソード１８Ｂからのカソードオフガスのどちらか一方を燃焼器４０へ供給し、他方を燃焼器４０の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０と接続させることができる。また、カソード１６Ｂからのカソードオフガスとカソード１８Ｂからのカソードオフガスを一旦合流させ、その下流側で分岐させても良い。
【００７３】
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７４】
図２には、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂが示されている。燃料電池システム１０Ｂは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、第２燃料電池スタック１８を有していない、循環式である点が異なっている。
【００７５】
第１カソードオフガス管Ｐ６の一端は、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂに接続され、第１カソードオフガス管Ｐ６の他端は、燃焼器４０と接続される第１カソードオフ燃焼導入管Ｐ６−１と、燃焼排ガス管Ｐ１０と接続される第１カソードオフ分離管Ｐ６−２に分流器Ｖ２で分岐されている。なお、第１カソードオフ分離管Ｐ６−２は、必ずしも燃焼器４０と第３熱交換部３４の間で燃焼排ガス管Ｐ１０と合流される必要はなく、第３熱交換部３４の下流側でも、その他の位置での合流でもよい。また、分流器Ｖ２に代えてオリフィスなどで分流してもよい。
【００７６】
また、再生燃料ガス管Ｐ９の一端は分離部２０と接続され、再生燃料ガス管Ｐ９の他端は、燃焼器４０と接続される配管Ｐ１１と、配管Ｐ３と接続される循環配管Ｐ９−２に分流器Ｖ３で分岐されている。本実施形態では、分流器Ｖ３は、第２熱交換器３２の上流側に設けられているが、第２熱交換器３２の下流側に設けてもよい。循環配管Ｐ９−２の下流端は、配管Ｐ３と改質器１４の上流側で合流されている。なお、循環配管Ｐ９−２の下流端は、配管Ｐ３と改質器１４の下流側で合流されてもよい。
【００７７】
本実施形態でも、多段式であることの効果を除き、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、循環式であるため、燃料ガスを再利用しない場合と比較してアノードオフガス中の可燃性ガス濃度は低い。したがって、本発明を有効に適用することができる。
【００７８】
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１、２実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７９】
図３には、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１０Ｃが示されている。燃料電池システム１０Ｃは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、第１燃料電池スタック１６と並列に配置された第３燃料電池スタック１７を有している点が異なっている。
【００８０】
第３燃料電池スタック１７の基本構成は第１燃料電池スタック１６と同様であり、アノード１６Ａに対応するアノード１７Ａ、及びカソード１６Ｂに対応するカソード１７Ｂを有している。改質器１４に接続された燃料ガス管Ｐ４は、分岐部Ｂ４で燃料ガス管Ｐ４−２と分岐されている。燃料ガス管Ｐ４はアノード１６Ａと接続され、改質器１４からアノード１６Ａへ燃料ガスを供給する。燃料ガス管Ｐ４−２はアノード１７Ａと接続され、改質器１４からアノード１７Ａへ燃料ガスを供給する。アノード１７Ａには、アノードオフガス管Ｐ７が接続され、アノードオフガス管Ｐ７−２は、アノードオフガス管Ｐ７と第２熱交換部３２の上流側の合流部Ｂ５で合流されている。アノード１７Ａからは、使用済のアノードオフガスが送出され、アノードオフガス管Ｐ７−２、Ｐ７を経て、分離部２０へ流入される。
【００８１】
カソード１７Ｂには、第３熱交換部３４の下流側で空気供給管Ｐ８から分岐部Ｂ６で分岐された空気供給管Ｐ８−２が接続されている。カソード１７Ｂへは、酸化ガス管Ｐ８−２を介して空気が供給される。カソード１７Ｂから排出されたカソードオフガスは、燃焼カソードオフガス管Ｐ６−３に送出され、燃焼排ガス管Ｐ１０と合流される。
【００８２】
本実施形態の燃料電池システム１０Ｃでも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００８３】
さらに、本実施形態では、カソード１７Ｂから排出されたカソードオフガスを、燃焼排ガス管Ｐ１０へ直接送るので、カソードオフガス路に分岐路を設けることなく簡易な構成で第２カソードオフガスの流量を少なくすることができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、第１燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂから第２燃料電池スタック１８のカソード１８Ｂへ空気が供給されるように直列に接続されている例について説明したが、空気供給部４６からカソード１６Ｂ、１７Ｂ、１８Ｂの各々へ空気が供給されるように並列に接続されていてもよい。その場合には、カソード１６Ｂ、カソード１７Ｂ、カソード１８Ｂの各々からのカソードオフガス管の少なくとも１つを燃焼器４０と接続し、他を燃焼器４０の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１０と接続させることができる。一例として、カソード１６Ｂ、１７Ｂからのカソードオフガス管を燃焼排ガス管Ｐ１０と接続させ、カソード１８Ｂからのカソードオフガス管を燃焼器４０と接続させることができる。他の例として、カソード１６Ｂ、１７Ｂからのカソードオフガス管を燃焼器４０と接続させ、カソード１８Ｂからのカソードオフガス管を燃焼排ガス管Ｐ１０と接続させることができる。
【００８５】
［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態について説明する。なお、第１−３実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８６】
図４には、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム１０Ｄが示されている。燃料電池システム１０Ｄは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、第２カソードオフガス管Ｐ１２が２つに分岐されておらず、第２カソードオフ分離管Ｐ１２−２を有していない点が異なっている。
【００８７】
本実施形態の燃焼器４０は、バーナ５０を備えている。バーナ５０は、図４に示されるように、燃料路管５２、酸素含有ガス本路管５４を備えている。バーナ５０は、筐体５６内に配置されている。筐体５６は、燃焼器４０の外板を構成する直方体の箱状とされており、鋼板製で、内部に燃焼空間４０Ｒが形成されている。
【００８８】
燃料路管５２は、上流側が管状とされ、配管Ｐ１１と接続されており、筐体５６を貫通して筐体５６の内部に挿入されている。燃料路管５２の下流端には、放出部５８が形成されている。放出部５８は、直方体の箱状とされ、箱の内部に燃料路管５２の上流側よりも断面が拡大された放出前空間５８Ａが形成されている。放出部５８には、配管Ｐ１１から送出された燃焼用アノードオフガスが流れ込む。放出部５８の下流端、即ち燃焼用アノードオフガスの放出端（以下「燃料放出端５８Ｃ」と称する）側には、複数の放出孔５８Ｂが形成されている。放出孔５８Ｂから燃焼用アノードオフガスが放出される。
【００８９】
酸素含有ガス本路管５４は、第２カソードオフガス管Ｐ１２と接続されており、燃料路管５２の外周に形成されている。燃料路管５２と酸素含有ガス本路管５４により、燃料路管５２を内側に配置した二重管５３が構成されている。酸素含有ガス本路管５４は、筐体５６内と連通されている。
【００９０】
酸素含有ガス本路管５４は、放出部５８よりも上流側で終端している。本実施形態では、筐体５６への入口で終端し、燃料路管５２が筐体５６内に開口している。放出部５８の外周には、燃焼酸素路６０が形成されている。燃焼酸素路６０は、放出部５８から離間されて放出部５８を囲むように配置された分離壁６０Ａと放出部５８との間に形成されている。分離壁６０Ａの上流端と酸素含有ガス本路管５４の終端との間には、離間部５９が形成されている。離間部５９は、燃焼空間４０Ｒに開放されており、酸素含有ガス本路管５４内の流路と燃焼酸素路６０とが非連続とされている。
【００９１】
分離壁６０Ａの下流端は放出部５８の下流端よりも下流側に延出されており、分離壁６０Ａには放出部５８の下流端に対応する部分から開口を絞るように、即ち、燃焼酸素路６０の延出方向から見て、分離壁６０Ａで囲まれる予混合空間６２の内側に傾斜された、酸素放出端６０Ｂが形成されている。酸素放出端６０Ｂの端縁により、開口６０Ｃが形成されている。酸素放出端６０Ｂと燃料放出端５８Ｃとの間には、予混合空間６２が形成されている。予混合空間６２には、放出孔５８Ｂから放出された燃焼用アノードオフガスが流入すると共に、燃焼酸素路６０から放出された燃焼用カソードオフガスが流入する。燃焼用アノードオフガスと燃焼用カソードオフガスは、予混合空間６２で混合され、開口６０Ｃから燃焼空間４０Ｒへ放出される。
【００９２】
開口６０Ｃの下流側には、着火部７０が設けられており、着火部７０による着火により、開口６０Ｃ下流側付近で燃焼用アノードオフガスが燃焼される。この燃焼が生じる部分が燃焼部である。
【００９３】
分離壁６０Ａと筐体５６の間には、燃焼空間４０Ｒの一部で酸素含有ガス分離路６４が形成されている。酸素含有ガス分離路６４は、離間部５９で酸素含有ガス本路管５４からの酸素含有ガス分離路６４側へ流れた分離カソードオフガスを、酸素放出端６０Ｂよりも下流側、即ち、燃料放出端５８Ｃから酸素放出端６０Ｂよりも離れた位置までガイドする。酸素放出端６０Ｂと隣接する下流側を、分離放出部６６と称する。分離放出部６６は、燃焼酸素路６０よりも燃料放出端５８Ｃから離れている。
【００９４】
次に、本実施形態のバーナ５０の動作について説明する。
【００９５】
アノード１８Ａからの燃焼用アノードオフガスは、燃料路管５２へ導入された後、放出前空間５８Ａへ導かれ、放出孔５８Ｂから予混合空間６２へ放出される。酸素含有ガス本路管５４へ導入されたカソードオフガスは、燃焼空間４０Ｒへ送出され、一部が燃焼用カソードオフガスとして燃焼酸素路６０へ流入し、予混合空間６２へ送られる。予混合空間６２では、燃焼用アノードオフガスと燃焼用カソードオフガスが混合され、開口６０Ｃから燃焼空間４０Ｒへ放出されて開口６０Ｃ下流側付近に燃焼点を形成しつつ燃焼される。
【００９６】
一方、酸素含有ガス本路管５４へ導入されたカソードオフガスは、一部が分離カソードオフガスとして離間部５９から酸素含有ガス分離路６４へ流入し、分離放出部６６を経て燃焼空間４０Ｒの下流側へ送られる。分離カソードオフガスは、燃焼空間４０Ｒにおいて、開口６０Ｃ下流側付近で燃焼されなかった燃焼用アノードオフガスの燃焼を助ける。
【００９７】
また、本実施形態のバーナ５０では、第２カソードオフガスが２つに分岐され、燃焼空間４０Ｒ内に導入された第２カソードオフガス燃焼用の一部のみが燃焼用アノードオフガスと混合される。したがって、予混合空間６２へ供給される燃焼用カソードオフガスの流量は少なくなる。したがって、予混合空間６２における可燃性ガスの濃度の低下を抑制して、燃焼器４０での燃焼用アノードオフガスの燃焼性の低下を抑制することができる。
【００９８】
また、予混合空間６２で燃焼用アノードオフガスと燃焼用カソードオフガスとを混合させて燃焼させることにより、燃焼性を向上させることができる。
【００９９】
また、第２カソードオフガスの分離は、離間部５９から酸素含有ガス分離路６４へ流入させることにより、簡易な構成で容易に行うことができる。
【０１００】
また、バーナ５０は、放出部５８が設けられているので、燃焼用アノードオフガスを予混合空間６２へ均一に放出することができる。
【０１０１】
また、燃料路管５２と酸素含有ガス本路管５４により、燃料路管５２を内側に配置した二重管５３が構成されているので、燃焼用アノードオフガスを燃焼エリアの中心部から放出させることができる。
【０１０２】
また、本実施形態では、放出部５８の外周に分離壁６０Ａを設けることにより簡易な構成で燃焼酸素路６０と酸素含有ガス分離路６４を構成することができる。
【０１０３】
また、本実施形態では、分離壁６０Ａの下流端に酸素放出端６０Ｂが形成されており、酸素放出端６０Ｂは、開口を絞るように内側に傾斜されている。したがって、燃焼酸素路６０から放出される燃焼用カソードオフガスは、酸素放出端６０Ｂにより予混紡空間の内側に集められ、燃焼用アノードオフガスと良好に混合され、燃焼性を向上させることができる。
【０１０４】
また、本実施形態では、筐体５６の内部の燃焼空間４０Ｒに分離放出部６６が形成されている。したがって、燃焼されずに開口６０Ｃよりも下流側へ送出された可燃性ガス（燃焼用アノードオフガスに含まれるメタン等）の燃焼を助けることができる。
【０１０５】
また、本実施形態では、箱状の筐体５６を例に説明したが、筐体は他の形状でもよい。一例として、筐体を円筒状にすることができる。筐体を円筒状にする場合には、放出前空間５８Ａ、分離壁６０Ａ等についても円筒状となる。
【０１０６】
なお、本実施形態では、燃料電池システム１０Ｄの燃焼器４０での燃焼に、バーナ５０を用いたが、バーナ５０は、第１−第３実施形態の燃料電池システム１０Ａ−１０Ｃに用いてもよい。また、本実施形態のバーナ５０は、燃料電池システム以外の燃焼用として用いてもよい。
【０１０７】
さらに、本発明は、前述の第１〜第４実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、前述の各実施形態を組み合わせて実施される。また、本発明において、例えば、熱交換器の設置位置、組み合わせなどはこれらの実施形態に限定されない。また、ガス、水などの各種流体の加熱及び冷却には熱交換器以外の手段を用いてもよい。
【０１０８】
また、燃料電池システム１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃでは、改質器１４を備えたものを例として説明したが、改質器を有さず、燃料ガスを燃料電池スタックへ供給するものであってもよい。アノードが直列に接続される燃料電池スタックの数も、２個、３個に限定されず、４個以上が接続されるものであってもよい。
【０１０９】
さらに、燃料電池システム１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃでは、分離部２０は、アノードオフガスから水蒸気を凝縮により分離するものとして説明したが、分離膜など他の手段で水蒸気を分離してもよい。また、水蒸気以外のガス、例えば二酸化炭素を除去するものであってもよい。
【０１１０】
また、本発明は、燃料電池システム以外の、エンジンシステムでの燃焼部分などにも適用することができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  燃料電池システム（燃焼システム）
１６   第１燃料電池スタック（燃料電池、第１燃料電池）
１６Ａ、１７Ａ、１８Ａ  アノード
１６Ｂ、１７Ｂ、１８Ｂ  カソード
１７  第３燃料電池スタック（燃料電池、第１燃料電池）
１８   第２燃料電池スタック（燃料電池、第２燃料電池）
２０   分離部、  ４０  燃焼器（燃焼部）
５０   バーナ（燃焼装置）、  ５２  燃料路管（燃料路）、  ５３  二重管
５４   酸素含有ガス本路管（酸素含有ガス本路）
５６   筐体、  ５８  放出部、  ５８Ａ     放出前空間、  ５８Ｃ 燃料放出端
５９   離間部、  ６０  燃焼酸素路、  ６０Ａ  分離壁
６０Ｂ 酸素放出端、  ６０Ｃ  開口、  ６２  予混合空間
６４   酸素含有ガス分離路、  ６６  分離放出部、  Ｐ１１  配管（燃料路）
Ｐ１２  カソードオフガス管（本流路）
Ｐ１２−１  第２カソードオフ燃焼導入管（燃焼酸素路）
Ｐ１２−２  第２カソードオフ分離管（酸素含有ガス分離路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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