(57)【要約】【課題】酸素富化燃焼システムのシステム構成を簡素化し、エネルギ効率を向上させる。【解決手段】酸素富化燃焼システムは、燃料と空気の供給を受けて燃焼反応を進行し、燃焼反応に先だって、燃焼反応に用いる空気の酸素濃度を高める酸素富化を行なう。酸素富化燃焼システムは、燃料を供給する燃料供給部と、空気を供給する空気供給部と、を備える。さらに、酸素透過膜を備え、該酸素透過膜の第１の面上に空気供給部から空気が供給されると共に酸素透過膜の第２の面上に燃料供給部から燃料が供給されることにより、第１の面側から第２の面側へと酸素が透過し、酸素透過膜の第２の面側において、第２の面側に透過した酸素を用いて燃料の部分酸化反応を進行させ、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成する酸素富化部を備える。さらに、酸素富化部から排出される改質ガスと、空気供給部から供給される空気と、を用いて、燃焼反応を進行する燃焼炉を備える。【選択図】図１
2015224148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気の供給を受けて燃焼反応を進行する燃焼システムにおいて、前記燃焼反応に先だって、前記燃焼反応に用いる空気の酸素濃度を高める酸素富化を行なう酸素富化燃焼システムであって、
前記燃料を供給する燃料供給部と、
空気を供給する空気供給部と、
酸素イオン伝導性と電子伝導性とを有する酸素透過膜を備え、該酸素透過膜の第１の面上に前記空気供給部から空気が供給されると共に前記酸素透過膜の第２の面上に前記燃料供給部から前記燃料が供給されることにより、前記酸素透過膜において前記第１の面側から前記第２の面側へと酸素が透過し、前記酸素透過膜の前記第２の面側において、前記第２の面側に透過した酸素を用いて前記燃料の部分酸化反応を進行させ、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成する酸素富化部と、
前記酸素富化部から排出される前記改質ガスと、前記空気供給部から供給される空気と、を用いて、前記燃焼反応を進行する燃焼炉と、
を備えることを特徴とする酸素富化燃焼システム。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素富化燃焼システムであって、さらに、
前記酸素透過膜の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部が取得した温度に基づいて、前記酸素透過膜の温度が所定の基準温度範囲内になるように、前記空気供給部で前記酸素透過膜の前記第１の面上に供給する空気の量の制御と、前記燃料供給部で前記酸素透過膜の前記第２の面上に供給する前記燃料の量の制御と、の少なくとも一方の制御を行なう酸化反応制御部と、
を備えることを特徴とする酸素富化燃焼システム。
【請求項３】
燃料と空気との供給を受けて燃焼反応を進行する際に、前記燃焼反応に先だって、前記燃焼反応に用いる空気の酸素濃度を高める酸素富化を行なう酸素富化燃焼方法であって、
酸素イオン伝導性と電子伝導性とを有する酸素透過膜の第１の面上に空気を供給する第１の工程と、
前記酸素透過膜の第２の面上に前記燃料を供給する第２の工程と、
前記酸素透過膜において、前記第１の面側から前記第２の面側へと透過した酸素を用いて、前記第２の工程で供給された前記燃料の部分酸化反応を進行させて、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成する第３の工程と、
前記第３の工程で生成した前記改質ガスと空気とを用いて、前記燃焼反応を進行する第４の工程と、
を備えることを特徴とする酸素富化燃焼方法。
【請求項４】
請求項３に記載の酸素富化燃焼方法であって、さらに、
前記酸素透過膜の温度を取得する第５の工程を備え、
前記第５の工程で取得した温度に基づいて、前記酸素透過膜の温度が所定の基準温度範囲内になるように、前記第１の工程で前記酸素透過膜の前記第１の面上に供給する空気の量の制御と、前記第２の工程で前記酸素透過膜の前記第２の面上に供給する前記燃料の量の制御と、の少なくとも一方の制御を行なうことを特徴とする酸素富化燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素富化燃焼システムおよび酸素富化燃焼方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
所定の高温を得るために燃焼炉内で燃料を燃焼させる燃焼システムにおいては、燃焼炉に供給する空気中の酸素濃度を高めることにより、燃焼効率が向上することが知られている。これは、空気中の酸素濃度を高めて、燃焼炉に供給する空気中の窒素量を減少させることにより、窒素を含む燃焼ガスによって燃焼炉から持ち去られる熱が削減されるためである。このように、燃焼炉に供給する空気中の酸素濃度を高める方法の一つとして、酸素透過膜を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、このような従来知られる酸素透過膜を用いた燃焼システムの一例を、簡略化して示す説明図である。図８に示す燃焼システム２１０は、燃焼炉４０と、混合機４８と、酸素透過膜３０を備える酸素富化部２２０と、コンプレッサ２４２と、を備える。燃焼システム２１０では、酸素富化部２２０における酸素透過膜３０の一方の面側に対して、コンプレッサ２４２から第１空気供給路５０を介して圧縮空気が供給される。これにより、酸素富化部２２０では、圧縮空気中の酸素が酸素透過膜３０を透過して、上記一方の面側から他方の面側へと移動する。酸素透過膜３０を透過して酸素富化部２２０から排出された酸素は、混合機４８に供給される。上記した酸素は、混合機４８において、第２空気供給路５４を介して供給される空気、および燃料供給路２５２を介して供給される燃料と混合された後に、燃焼炉４０へと供給される。このように酸素富化部２２０を組み合わせることにより、燃焼炉４０では、酸素富化状態で燃焼反応を進行させることができ、空気のみを酸素源として用いる場合に比べて燃焼効率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２２３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、酸素透過膜３０を備える酸素富化部２２０を用いる場合には、酸素透過膜３０における酸素透過効率（あるいは酸素透過速度）を確保するために、酸素富化部２２０に供給する空気を加圧する必要があった。これは、酸素透過膜３０における酸素透過は、酸素透過膜３０の両面間の酸素分圧差を駆動力とするためである。このように酸素富化部２２０に供給する空気を加圧する必要があるため、酸素透過膜を用いた燃焼システムは、加圧装置を設けることによりシステム構成が複雑化するという問題があった。また、空気を加圧するためにエネルギを消費するために、システム全体のエネルギ効率が低下するという問題があった。そのため、酸素富化燃焼システムにおいては、システム構成の更なる簡素化およびエネルギ効率の向上が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、燃料と空気の供給を受けて燃焼反応を進行する燃焼システムにおいて、前記燃焼反応に先だって、前記燃焼反応に用いる空気の酸素濃度を高める酸素富化を行なう酸素富化燃焼システムが提供される。この酸素富化燃焼システムは、前記燃料を供給する燃料供給部と；空気を供給する空気供給部と；酸素イオン伝導性と電子伝導性とを有する酸素透過膜を備え、該酸素透過膜の第１の面上に前記空気供給部から空気が供給されると共に前記酸素透過膜の第２の面上に前記燃料供給部から前記燃料が供給されることにより、前記酸素透過膜において前記第１の面側から前記第２の面側へと酸素が透過し、前記酸素透過膜の前記第２の面側において、前記第２の面側に透過した酸素を用いて前記燃料の部分酸化反応を進行させ、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスを生成する酸素富化部と；前記酸素富化部から排出される前記改質ガスと、前記空気供給部から供給される空気と、を用いて、前記燃焼反応を進行する燃焼炉と；を備える。
この形態の酸素富化燃焼システムによれば、酸素富化部と燃焼炉とを組み合わせて酸素富化燃焼を行なう際に、酸素富化部に供給する空気の加圧を削減あるいは不要とすることができる。そのため、燃焼システム全体の構成を簡素化できると共に、空気の加圧に要するエネルギを削減して、燃焼システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【０００８】
（２）上記形態の酸素富化燃焼システムにおいて、さらに、前記酸素透過膜の温度を取得する温度取得部と；前記温度取得部が取得した温度に基づいて、前記酸素透過膜の温度が所定の基準温度範囲内になるように、前記空気供給部で前記酸素透過膜の前記第１の面上に供給する空気の量の制御と、前記燃料供給部で前記酸素透過膜の前記第２の面上に供給する前記燃料の量の制御と、の少なくとも一方の制御を行なう酸化反応制御部と；を備えることとしてもよい。
この形態の酸素富化燃焼システムによれば、酸素透過膜における酸素透過性能および酸素透過膜の耐久性を確保することができる。
【０００９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、酸素富化燃焼方法、酸素富化燃焼システムにおける酸素透過膜の温度制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、および、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃焼システムの概略構成を表わす説明図である。
【図２】酸素富化部の概略構成を示す断面模式図である。
【図３】酸化剤中の酸素濃度と燃料削減率との関係を概念的に表わす説明図である。
【図４】酸素透過速度と温度との関係を調べた結果を示す説明図である。
【図５】酸素透過速度の測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】温度制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図７】燃焼システムの概略構成を表わす説明図である。
【図８】従来知られる燃焼システムの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１の実施形態の全体構成：
図１は、本発明の第１の実施形態としての燃焼システム１０の概略構成を表わす説明図である。燃焼システム１０は、空気供給部４２と、燃料供給部４４と、酸素富化部２０と、熱交換器４６と、混合機４８と、燃焼炉４０と、制御部６０と、を備える。
【００１２】
空気供給部４２は、酸素富化部２０に空気を供給するための装置であり、たとえばブロワにより構成することができる。空気供給部４２は、供給する空気量を調節可能であればよく、供給する空気を加圧する必要はない。
【００１３】
燃料供給部４４は、酸素富化部２０に燃料を供給するための装置である。燃料供給部４４が供給する燃料は、後述する改質反応（燃料の部分酸化反応を含む酸化反応）に用いることができれば特に制限はない。例えば、メタン、エタン、プロパン、およびブタンを主成分とする天然ガス等の炭化水素や、メタノールおよびエタノール等のアルコールや、ジエチルエーテル等のエーテル、あるいはアルデヒド等から選択される燃料を例示することができる。燃料供給部４４は、例えば、上記した燃料を貯蔵するガスボンベ、タンク、あるいは天然ガスなどの燃料ラインに接続する流路と、燃料供給路５２に供給する燃料量を調節するための流量調整弁と、を備えることとすればよい。常温で液体の燃料を用いる場合には、燃料供給部４４は、酸素富化部２０への供給に先立って燃料を気化させる気化器を備えてもよい。
【００１４】
図２は、酸素富化部２０の概略構成を示す断面模式図である。酸素富化部２０は、空気から酸素を取り出し、取り出した酸素を用いて、燃料の部分酸化反応を含む酸化反応（以下、改質反応とも呼ぶ）を進行させる装置である。酸素富化部２０は、酸素透過膜３０を備えている。また、酸素富化部２０において、酸素透過膜３０の一方の面側には、燃料が流れる燃料流路３６が形成されており、他方の面側には、空気が流れる空気流路３８が形成されている。空気供給部４２は、第１空気供給路５０を介して空気流路３８に接続されており、燃料供給部４４は、燃料供給路５２を介して燃料流路３６に接続されている（図１参照）。
【００１５】
酸素透過膜３０は、酸素イオン（酸化物イオン）伝導性と共に電子伝導性を有する固体酸化物によって形成されたガス不透過な膜であり、酸素分圧が高い側から低い側へと、酸素を特異的に移動させる（透過させる）性質を有している。そのため、酸素富化部２０では、酸素分圧が高い空気流路３８中の酸素が、酸素透過膜３０を介して、酸素分圧が低い燃料流路３６側へと透過し、酸素透過膜３０における燃料流路３６側の面上では、透過した酸素を利用して燃料の改質反応が進行する。
【００１６】
図２では、空気流路３８側の酸素分圧（ＰＯ２）の方が、燃料流路３６側の酸素分圧（Ｐ’Ｏ２）よりも高く、酸素透過膜３０の両面間で酸素分圧勾配が生じる様子を、破線により概念的に示している。酸素透過膜３０では、このような両面間の酸素分圧差を駆動力として、空気流路３８側から燃料流路３６側へと酸素が透過する。このとき、空気流路３８内の酸素分子は、酸素透過膜３０の空気流路３８側の表面でイオン化し、生じた酸素イオンは、酸素イオン伝導性を有する酸素透過膜３０内を燃料流路３６側へと移動する。本実施形態の酸素透過膜３０は、電子伝導性をも有するため、上記のように酸素イオンが移動する際には、酸素イオンとは逆向きに電子が膜内を移動する。そのため、酸素透過膜３０に対して外部から電圧を印加することなく、酸素の透過を行なわせることができる。なお、酸素透過膜３０における電子伝導性は、電子伝導とホール伝導の双方であってもよく、いずれか一方であっても良い。以下の説明では、酸素透過膜３０に関して電子伝導性という場合には、電子伝導とホール伝導の双方、あるいは一方である場合を含むものとする。
【００１７】
上記のように燃料流路３６側へと酸素が輸送されると、酸素透過膜３０の燃料流路３６側では、部分酸化反応によって燃料の改質が行なわれる。燃料の少なくとも一部が部分酸化反応に供された後に燃料流路３６から排出されるガスを、以下の説明では改質ガスと呼ぶ。燃料の部分酸化反応の一例として、メタンの部分酸化反応を、（１）式として以下に示す。
【００１８】
ＣＨ４＋（１／２）Ｏ２  →  ＣＯ＋２Ｈ２        …（１）
【００１９】
なお、空気流路３８を通過して酸素が抽出された空気は、空気排出路５１へと排出される。図１に示すように、空気排出路５１の一部は、第１空気供給路５０の一部と共に熱交換器４６を形成している。熱交換器４６では、空気排出路５１内の空気と第１空気供給路５０内の空気とが熱交換することにより、第１空気供給路５０内の空気が酸素富化部２０への供給に先立って加熱される。酸素透過膜３０は、その種類（組成）に応じた所定の高温（例えば、９００〜１０００℃程度）にすることにより、十分な酸素透過性を示すことが可能になる。上記熱交換器４６を設けて、酸素富化部２０に供給する空気を酸素富化部２０からの廃熱により予め加熱することで、酸素透過膜３０の温度を維持するために要するエネルギを削減し、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００２０】
燃料流路３６から排出された改質ガスは、改質ガス流路５３を経由して混合機４８に供給される。混合機４８には、第２空気供給路５４を介してさらに空気が供給される。第２空気供給路５４に接続する空気供給装置は、第１空気供給路５０の接続先と共通する空気供給部４２であってもよく、異なる空気供給装置であってもよい。本実施形態では、改質ガス流路５３には温度センサ６２（熱電対でもよい）が設けられており、燃料流路３６から排出される改質ガスの温度を検出可能になっている。この温度センサ６２が、課題を解決するための手段に記載した温度取得部に相当する。
【００２１】
混合機４８において改質ガスと空気とが混合された混合ガスは、混合ガス流路５５を経由して燃焼炉４０に供給され、燃焼炉４０では燃焼反応が進行する。上記燃焼反応とは、既述した部分酸化反応により得られた一酸化炭素および水素の酸化反応と、改質ガス中に含まれる酸化されなかった燃料の完全酸化反応と、を含む。得られた燃焼ガスは、燃焼炉４０から燃焼ガス流路５６へと排出される。
【００２２】
制御部６０は、論理演算を行うＣＰＵの他、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピューターとして構成され、燃焼システム１０全体を駆動制御する。すなわち、燃焼システム１０が備える温度センサ６２等の各種センサからの検出信号を受信すると共に、各部に対して駆動信号を出力する。例えば、空気供給部４２を含む空気供給装置および燃料供給部４４に対して駆動信号を出力することで、酸素富化部２０に供給する空気量や燃料量、あるいは燃焼炉４０に供給する空気量を制御する。
【００２３】
Ｂ．酸素透過膜について：
酸素透過膜３０は、既述したように、酸素イオン伝導性と共に電子伝導性を有する酸化物によって形成される。酸素透過膜３０は、酸素イオン伝導性と電子伝導性の双方を備える酸化物（以下、混合伝導体と呼ぶ）によって形成されていてもよく、酸素イオン伝導性を有する酸化物（以下、酸素イオン伝導体と呼ぶ）と電子伝導性を有する酸化物（以下、電子伝導体と呼ぶ）の混合物であってもよい。あるいは、酸素イオン伝導体および／または電子伝導体と、混合伝導体との混合物によって形成されていてもよい。
【００２４】
酸素イオン伝導体としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア、およびカルシア安定化ジルコニア等の安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアから選択される酸化物を用いることができる。あるいは、他の酸素イオン伝導体として、セリウム系複合酸化物、具体的には、例えば、ガドリニウム固溶セリア（ＧＤＣ）やサマリウム固溶セリア（ＳＤＣ）を挙げることができる。
【００２５】
電子伝導体としては、ＬａＭｎＯ３系化合物において、ＳｒをＬａサイトに添加したペロブスカイト構造を有するＬＳＭ系酸化物や、ＣａＴｉＯ３やＢａＴｉＯ３等のペロブスカイト構造を有する複合酸化物を挙げることができる。あるいは、スピネル型結晶構造を有するフェライトや、上記のような酸化物以外の物質、例えば、貴金属等の金属材料を用いても良い。
【００２６】
混合伝導体としては、例えば、ＬａＧａＯ３系化合物において、ＳｒをＬａサイトに添加すると共に、ＦｅをＧａサイトに添加したペロブスカイト構造を有するＬＳＧＦ系酸化物や、ＳｒＣｏＯ３系化合物において、ＢａをＳｒサイトに添加すると共に、ＦｅをＣｏサイトに添加したペロブスカイト構造を有するＢＳＣＦ系酸化物を挙げることができる。あるいは、層状ペロブスカイト構造を有する酸化物、蛍石型構造を有する酸化物、オキシアパタイト構造を有する酸化物、メリライト構造を有する酸化物などを用いることもできる。
【００２７】
これらの各伝導体の中で、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、高い酸素伝導性あるいは電子伝導性を示し得るが、高温の還元雰囲気に晒されると、結晶構造中の酸素原子が失われて結晶構造が部分的に失われ、酸素透過性能が低下する可能性がある。また、上記した酸素イオン伝導体および電子伝導体の組合せによっては、高温条件下で互いに反応することで高抵抗な異種相を生じて、酸素透過性能の低下を引き起こす場合がある。そのため、高温の還元雰囲気下における酸素透過性能の低下を抑制する観点から、酸素イオン伝導体である安定化ジルコニアと、電子伝導体であるランタンクロマイト系の複合酸化物と、の混合物によって形成される酸素透過膜３０を、好ましく例示することができる。上記ランタンクトマイト系の複合酸化物としては、以下の（２）式に示す酸化物を挙げることができる。このような安定化ジルコニアとランタンクロマイト系の複合酸化物との混合物によって形成される酸素透過膜を用いれば、還元雰囲気の高温条件下（例えば１０００℃程度）であっても、酸素イオン伝導体と電子伝導体とが反応して高抵抗な異種相を形成することに起因する酸素透過性能の低下を抑えることができる。
【００２８】
Ｌａ１−ｘＭｘＣｒＯ３−ｚ                    …（２）
（式中、Ｍは，マグネシウム（Ｍｇ）を除くアルカリ土類金属から選択される元素であり、０≦ｘ≦０．３である。また、ｚは、式中の金属元素の割合や、環境温度および雰囲気に応じて、酸素原子の量が変動することを示す値である。）
【００２９】
上記した酸素イオン伝導体、電子伝導体、および混合伝導体の各々は、例えば、固相反応法により形成することができる。固相反応法とは、酸化物や、炭酸塩、あるいは硝酸塩などの粉末原料を、作製すべき酸化物の組成に応じて、上記粉末原料中の金属元素が所定の割合となるように秤量、混合した後、熱処理（焼成）を行って、所望の酸化物を合成する周知の方法である。あるいは、固相反応法以外の方法として、例えば、共沈法やpechini法やゾルゲル法など、複合酸化物を製造可能な種々の方法を採用可能である。
【００３０】
なお、酸素透過膜３０は、少なくとも一方の表面上に、触媒（酸素分子をイオン化させる反応あるいは燃料の部分酸化反応を促進する触媒）を備えていても良い。
【００３１】
Ｃ．酸素富化部を用いた動作：
（Ｃ−１）酸素透過膜３０における発熱反応：
本実施形態の燃焼システム１０では、酸素富化部２０が備える酸素透過膜３０上で、発熱反応である部分酸化反応が進行する。ここで、酸素透過膜３０を酸素が透過する際に進行する反応は、全体として吸熱反応である。そのため、上記部分酸化反応によって生じた熱の一部は、酸素透過膜３０を加熱して、上記吸熱反応で要する熱を賄うと共に、酸素透過膜３０の温度を所定の温度範囲に維持するために利用される。上記部分酸化反応によって生じた熱の他の一部は、改質ガスを加熱する。
【００３２】
（Ｃ−２）酸素富化燃焼：
本実施形態の燃焼システム１０では、燃焼炉４０で所望の熱を得る（燃焼炉４０内を所望の温度にする）ために必要な燃料の全てを、燃焼炉４０に先立って酸素富化部２０の燃料流路３６に供給している。このような酸素富化部２０に対して、部分酸化反応を進行するために要する理論量の酸素（用いる燃料に応じて定まり、例えば、（１）式に示すように燃料がメタンであれば燃料の半分のモル比となる）を供給すれば、酸素富化部２０に供給された燃料のほとんどについて部分酸化反応が進行し得る。例えば、酸素富化部２０で全ての燃料について部分酸化反応が進行した場合には、第２空気供給路５４および混合機４８を介して燃焼炉４０に供給すべき空気の必要量は、部分酸化反応で生じた一酸化炭素と水素とを酸化させるために要する量となる。したがって、全ての燃料を燃焼炉で空気を用いて完全酸化させる場合に比べて、燃焼炉４０に供給する空気量を削減することができる。
【００３３】
なお、燃料の燃焼（完全酸化）に要する酸素の酸素源である空気の少なくとも一部について、燃焼炉への供給に先立って酸素濃度を高める処理を行なう燃焼を、以下、酸素富化燃焼とも呼ぶ。
【００３４】
酸素富化部２０において、燃料流路３６側に供給される酸素量が上記理論量よりも少ない場合には、供給される酸素量が少ないほど、燃料流路３６に供給された燃料のうち、酸化されずに燃焼炉４０に供給される燃料の量が増加し得る。この場合には、第２空気供給路５４および混合機４８を介して燃焼炉４０に供給する空気量を増加させて、燃焼炉４０内で、改質ガス中に残留する燃料と一酸化炭素と水素とを完全酸化させる必要がある。
【００３５】
図３は、燃焼炉に対して燃料と酸化剤（酸素含有ガス）を供給する際の、供給される酸化剤中の酸素濃度と、燃焼炉で所望の熱を得る際の燃料削減率との関係を概念的に表わす説明図である。ここで、燃料削減率とは、燃焼炉で所望の熱を得るために、酸素富化を伴わない空気燃焼で要する燃料量と、酸素富化燃焼で要する燃料量との差の、上記空気燃焼で要する燃料量に対する割合をいう。図３に示すように、酸化剤中の酸素濃度が高いほど燃料削減率は向上する。ただし、酸化剤中の酸素濃度が低いほど、酸化剤中の酸素濃度の上昇量に対して燃料削減率が高まる程度が大きい。燃焼炉においては、用いる燃料の種類に関わらず、概ねこのような傾向を示す。
【００３６】
本実施形態において、酸素富化部２０で進行する部分酸化反応の割合を増加させるほど、システム全体での酸素富化の程度が高まり、図３において酸化剤中の酸素濃度を高めた効果が得られる。すなわち、燃料利用率向上の効果が得られる。ただし、図３に示すように、酸化剤中の酸素濃度が低くても、酸素富化による燃料削減効果が得られるため、酸素富化部２０では、燃焼炉４０に供給される燃料の全てについて部分酸化反応を進行させる必要はない。少なくとも一部について部分酸化反応を進行させることで、システムのエネルギ効率を向上させる効果が得られる。
【００３７】
また、酸素富化部２０において、燃料流路３６側に供給される酸素量が上記理論量よりも多い場合には、供給される酸素量が多いほど、燃料流路３６に供給された燃料において、部分酸化ではなく完全酸化される割合が増加する。この場合には、第２空気供給路５４および混合機４８を介して燃焼炉４０に供給する空気量を減少させて、酸素富化の程度をさらに高めることができる。ただし、本実施形態では、酸素富化部２０に供給する燃料の少なくとも一部は部分酸化反応させており、これにより、酸素透過膜３０の過剰な昇温を抑えている。酸素透過膜３０と温度との関係については後述する。
【００３８】
（Ｃ−３）酸素富化部を用いた酸素富化燃焼の具体例：
以下に、酸素富化部２０を備える燃焼システム１０における酸素富化燃焼について、具体例に基づき説明する。燃料としてメタンを用いる場合の部分酸化反応は、既述した（１）式に示した。（１）式で生じた一酸化炭素と水素とを、燃焼炉４０において完全酸化させる反応を、以下の（３）式に示す。
【００３９】
ＣＯ＋２Ｈ２  ＋（３／２）Ｏ２  →  ＣＯ２  ＋２Ｈ２Ｏ          …（３）
【００４０】
すなわち、１ｍｏｌのメタンを酸素富化部２０で部分酸化させた後に燃焼炉４０で完全酸化させるには、燃焼炉４０に供給すべき酸素量は、（１）式および（３）式より、１．５ｍｏｌとなる。空気の組成を、窒素７９％、酸素２１％として概算すると、１．５ｍｏｌの酸素を供給するために要する空気は７．１５ｍｏｌ、この空気中の窒素は５．６５ｍｏｌとなる。この窒素量と、上記（３）式の右辺に示した二酸化炭素と水のモル数を合計すると８．６５ｍｏｌとなるが、この値は、メタン１ｍｏｌを燃焼システム１０により酸素富化燃焼させたときに、燃焼炉４０から排出される燃焼ガスのモル数に相当する。
【００４１】
一方、メタン１ｍｏｌを、空気を用いて完全酸化させたときの反応は、以下の（４）式で表わされる。ただし、（４）式では、上記したように空気の組成を、窒素７９％、酸素２１％として概算した値を用いている。
【００４２】
ＣＨ４＋２Ｏ２＋７．５２Ｎ２  →  ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋７．５２Ｎ２      …（４）
【００４３】
（４）式の右辺のモル数を合計すると１０．５２ｍｏｌとなるが、この値は、メタン１ｍｏｌを空気を用いて燃焼炉で完全燃焼させた時に排出される燃焼ガスのモル数に相当する。上記した排ガスのモル数を比較すると、８．６５÷１０．５２＝０．８２となる。そのため、本実施形態の燃焼システム１０により、酸素富化部で燃料を全て部分酸化して酸素富化燃焼を行なうことで、燃焼炉から排出されるガス量を１８％削減できるといえる。
【００４４】
また、メタン１ｍｏｌを完全酸化させるのに必要な空気量は、（４）式の左辺の酸素と窒素のモル数を合計することにより、９．５２ｍｏｌであることが分かる。メタン１ｍｏｌを本実施形態の燃焼システム１０により酸素富化燃焼させる際に、燃焼炉４０に供給すべき空気量は、既述したように７．１５ｍｏｌである。よって、両者の差（９．５２−７．１５＝２．３７）ｍｏｌを、完全酸化に要する空気量である９．５２ｍｏｌで除することにより、本実施形態の燃焼システム１０を用いることによる必要空気量の削減率は、約２５％であることが分かる。
【００４５】
以下に、（５）〜（７）式として、メタン以外の燃料の部分酸化反応の例を示す。（５）式はエタン、（６）式はプロパン、（７）式はブタンの部分酸化反応を表わす。
【００４６】
Ｃ２Ｈ６＋Ｏ２  →  ３Ｈ２＋２ＣＯ        …（５）
Ｃ３Ｈ８＋（３／２）Ｏ２  →  ４Ｈ２＋３ＣＯ      …（６）
Ｃ４Ｈ１０＋２Ｏ２  →  ５Ｈ２  ＋４ＣＯ      …（７）
【００４７】
これらについて、既述したメタンと同様に必要空気量の削減率を求めると、エタンでは約２９％、プロパンでは約３０％、ブタンでは約３１％となり、炭素数が大きいほど排ガス量を削減して、エネルギ効率（システムにおける燃料利用率や燃焼炉における燃焼効率）が向上可能であることが分かる。
【００４８】
（Ｃ−４）酸素透過膜における酸素透過性能と温度の関係：
図４は、酸素透過膜における酸素透過速度と温度との関係を調べた結果を示す説明図である。ここでは、酸素透過膜のサンプルとして、酸素イオン伝導体であるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）と、電子伝導体であるＬａ０．８Ｓｒ０．２ＣｒＯ３−ｚとを１：１のモル比で混合した混合物から成る酸素透過膜を用いた。
【００４９】
図５は、酸素透過速度を測定するために用いた測定装置７０の概略構成を示す説明図である。測定装置７０は、２本の透明石英管７１，７２と、透明石英管７１，７２の内側に配置したアルミナチューブ７３，７４と、電気炉７５と、熱電対７６と、を備える。２本の透明石英管７１，７２は、上下に配置され、その間にサンプルを挟んで測定を行なう。酸素透過特性の測定の際には、アルミナチューブ７３には５０％メタン含有ガス（バランスガスはアルゴンガス）を流し、アルミナチューブ７４には空気を流した。酸素透過特性の測定の際には、電気炉７５を用いた加熱により、サンプル温度を所定の測定温度に維持した。測定温度は、６５０℃から１２００℃の範囲において５０℃刻みで設定した。
【００５０】
測定装置７０において、空気側（透明石英管７２側）から５０％メタン含有ガス側（透明石英管７１側）へとサンプル内を酸素が透過すると、５０％メタン含有ガス側では、主としてメタンの部分酸化反応が進行すると共に、メタンの完全酸化反応も進行する。これらの反応が進行することにより、５０％メタン含有ガス側では水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水（水蒸気）が生じる。したがって、透明石英管７１から排出される排出ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、および水蒸気中の酸素原子は、全て、酸素透過膜を透過した酸素由来であると考えられる。そのため、上記排出ガス中の水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水蒸気の濃度を質量分析計（ファイファーバキューム社製、Ｑｍａｓｓ−オムニスター）を用いて測定し、測定した各濃度に基づいて、酸素透過膜を透過した酸素量を算出した。そして、このようにして算出した透過酸素量と、サンプルの透過面積とに基づいて、酸素透過速度を算出した。このとき、アルミナチューブ７３を介して供給する５０％メタン含有ガス量と、アルミナチューブ７４を介して供給する空気量は、マスフロコントローラを用いて、３００ｍＬ／ｍｉｎとした。それぞれのサンプルについて、酸素透過開始時の酸素透過速度（初期値）と、酸素透過開始後１００時間経過時の酸素透過速度（１００ｈ後）の値を求めた。
【００５１】
図４に示すように、ここで示した温度範囲では、温度が高いほど、酸素透過速度の初期値が高くなった。また、１００時間経過後は、１１００℃までは温度が高いほど酸素透過速度が速くなったが、１１５０℃を超えると、酸素透過速度が大きく低下した。安定化ジルコニアとランタンクロマイト系の複合酸化物との混合物によって形成される酸素透過膜に限らず、既述した各種の酸素透過膜は、一般に、図４と同様に温度が高いほど酸素透過速度の値が向上する。また、酸素透過膜の種類に応じて、耐熱温度、すなわち、実用的に十分な長時間経過後にも初期値と同等の（例えば、酸素透過速度の値が初期値の９０％以上の）酸素透過速度を維持できる温度が異なる。そのため、酸素富化部２０における酸素透過性能を高めるためには、用いる酸素透過膜３０の耐熱温度に応じて、できるだけ酸素富化部２０の温度を高く設定することが望ましい。
【００５２】
また、既述した（１）式および（５）〜（７）式に示したように、炭化水素は、その炭素数が大きいほど酸素富化燃焼によるエネルギ効率向上の効果が得やすいが、一般に、炭素数が大きいほど、炭素が析出し易くなる等の理由により酸化反応時の温度を高くする必要がある。そのため、６００℃〜８００℃で所望の酸化反応を支障無く行なえる燃料を用いる場合には、上記温度範囲における酸素透過能が極めて高いＢＳＣＦ系酸化物（ＳｒＣｏＯ３系化合物において、ＢａをＳｒサイトに添加すると共に、ＦｅをＣｏサイトに添加したペロブスカイト構造を有する酸化物）によって構成される酸素透過膜を好適に用いることができる。また、８００℃〜１０００℃で所望の酸化反応を支障無く行なえる燃料を用いる場合には、上記温度範囲および還元雰囲気における耐久性に優れた安定化ジルコニアとランタンクロマイト系の複合酸化物との混合物によって形成される酸素透過膜を好適に用いることができる。
【００５３】
なお、本実施形態の燃焼システム１０では、燃焼炉４０に供給する空気量を抑えて酸素富化燃焼の効果を高めるためには、酸素富化部２０から排出される改質ガス中の未酸化の燃料量は、できるだけ少ないことが望ましい。そのため、酸素富化部２０において、燃料流路３６側に供給される酸素量は、燃料の全量を部分酸化反応させることができる理論量以上とすることが望ましい。ここで、燃料流路３６側に供給される酸素量を上記理論量以上にして、酸素富化部２０で完全酸化される燃料の割合を大きくするほど、燃焼炉４０に供給すべき空気量が少なくなるため、酸素富化燃焼によりシステムのエネルギ効率を向上させる効果を高めることができる。しかしながら、完全酸化される燃料の割合を大きくするほど、酸素富化部２０で生じる熱が多くなり、酸素透過膜３０の温度が耐熱温度を超える可能性が高まる。そのため、酸素透過膜３０の温度を耐熱温度以下に維持できるように、燃料量と酸素量の割合を調節することが望ましい。本実施形態では、酸素富化部２０において、燃料の全てを完全酸化させるのではなく、少なくとも一部を部分酸化反応させることで、酸素透過膜の温度の過剰な上昇を抑えている。なお、酸素富化部２０において燃料流路３６側に供給される酸素量は、酸素透過膜３０の種類（組成）及び温度により調節することが可能である。
【００５４】
（Ｃ−５）酸素富化部における温度制御：
図６は、本実施形態の燃焼システム１０の制御部６０のＣＰＵにおいて実行される温度制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃焼システム１０の稼働中に繰り返し実行される。なお、図６に示す処理を実行する際には、制御部６０は、課題を解決するための手段に記載した酸化反応制御部として機能する。
【００５５】
本ルーチンが起動されると、制御部６０は、酸素透過膜の温度を取得する（ステップＳ１００）。酸素透過膜の温度の取得は、酸素透過膜の温度を直接測定するほか、酸素透過膜の温度に応じて温度が変動する箇所の温度を測定してもよい。あるいは、供給燃料量および供給酸素量を含む条件に基づいて酸素透過膜の温度を予測することにより、酸素透過膜の温度を取得してもよい。本実施形態では、温度センサ６２の検出温度、すなわち、酸素富化部２０から排出される改質ガスの温度を、酸素透過膜の温度として取得している。
【００５６】
その後、制御部６０は、取得した酸素透過膜３０の温度が、予め設定した第１の基準温度以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。第１の基準温度とは、酸素透過膜３０の温度の上限（耐熱温度）に基づいて予め定めて、制御部６０内の記憶部に記憶しておいた温度である。あるいは、酸素透過膜３０の温度と酸素透過速度との関係に基づいて、燃料流路３６側において燃料の部分酸化反応および完全酸化反応が所望の程度で進行し得る酸素を透過させることをさらに考慮して、上記第１の基準温度を設定してもよい。
【００５７】
酸素透過膜の温度が第１の基準温度以上であると判断された時には、制御部６０は、空気供給部４２に駆動信号を出力して、酸素富化部２０に供給する空気量を増加させる（ステップＳ１２０）。供給空気量を増加させると、空気により酸素透過膜３０が冷却されるため、酸素透過膜３０の温度を低下させることができる。
【００５８】
次に、制御部６０は、取得した酸素透過膜３０の温度が、予め設定した第２の基準温度以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。第２の基準温度とは、酸素透過膜３０における酸素透過性能および部分酸化反応などの酸化反応の活性を維持するための下限温度として予め定めて、制御部６０内の記憶部に記憶しておいた温度である。
【００５９】
酸素透過膜の温度が第２の基準温度以下であると判断された時には、制御部６０は、空気供給部４２に駆動信号を出力して、酸素富化部２０に供給する空気量を減少させて（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。供給空気量を減少させると、空気による酸素透過膜３０の冷却が抑えられるため、酸素透過膜３０の温度を上昇させることができる。
【００６０】
なお、ステップＳ１１０において酸素透過膜３０の温度が第１の基準温度未満であると判断された場合には、制御部６０は、ステップＳ１２０を実行することなくステップＳ１３０に移行する。また、ステップＳ１３０において酸素透過膜３０の温度が第２の基準温度を超えると判断された場合には、制御部６０は、ステップＳ１４０を実行することなく本ルーチンを終了する。
【００６１】
上記のように酸素富化部２０に対する供給酸素量を調節することにより、酸素透過膜３０の温度を所定の基準温度範囲内にすることができる。なお、酸素透過膜３０は、両面間の酸素分圧差を駆動力としており、酸素富化部２０に供給する空気量を変更すると、酸素透過膜３０の両面間の酸素分圧差が変動し得る。しかしながら、酸素透過膜３０の両面間で十分な酸素分圧差が保たれる範囲で上記供給酸素量の調節を行なうことにより、酸素透過性能をほとんど変化させずに、酸素透過膜３０の上記した温度制御が可能になる。ここで、ステップＳ１２０における供給空気量の増加量、および、ステップＳ１４０における供給空気量の減少量は、例えば、予め設定した一定値とすることができる。あるいは、酸素透過膜３０の温度と第１の基準値との差が大きいほど、供給空気量の増加量を大きく設定し、酸素透過膜３０の温度と第２の基準値との差が大きいほど、供給空気量の減少量を大きく設定してもよい。
【００６２】
図６では、酸素富化部２０に供給する空気量によって酸素透過膜３０の温度を制御した（第１の基準温度以上のときには供給酸素量を増加させ、第１の基準温度よりも低い第２の基準温度以下の時には供給酸素量を減少させた）。これに対して、酸素富化部２０に供給する空気量に加えて、あるいは酸素富化部２０に供給する空気量に代えて、酸素富化部２０に供給する燃料量によって酸素透過膜３０の温度を制御してもよい。
【００６３】
具体的には、第１の基準温度以上のときには供給燃料量を減少させ、第１の基準温度よりも低い第２の基準温度以下の時には供給燃料量を増加させてもよい。酸素富化部２０に供給する燃料量を増加させることにより、酸素富化部２０で酸化される燃料量が増加すると共に、酸素富化部２０で進行する酸化反応において、発熱量がより多い完全酸化反応が活発化し得る。そのため、酸素富化部２０で生じる熱が増加して、酸素透過膜３０の温度を上昇させることができる。また、酸素富化部２０に供給する燃料量を減少させることにより、酸素富化部２０で酸化される燃料量が減少すると共に、酸素富化部２０で進行する酸化反応において、発熱量がより少ない部分酸化反応が活発化し得る。そのため、酸素富化部２０で生じる熱が減少して、酸素透過膜３０の温度を低下させることができる。
【００６４】
以上のように構成された本実施形態の燃焼システム１０によれば、酸素富化部２０と燃焼炉４０とを組み合わせて酸素富化燃焼を行なう際に、酸素富化部２０に供給する空気の加圧を削減あるいは不要とすることができる。そのため、燃焼システム全体の構成を簡素化できると共に、空気の加圧に要するエネルギを削減して、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００６５】
空気の加圧を削減あるいは不要にできるのは、以下の理由による。すなわち、本実施形態の酸素富化部２０では、酸素透過膜３０の燃料流路３６側において、部分酸化反応（あるいは、さらに完全酸化反応）が進行することにより、酸素透過膜３０を透過した酸素が継続的に消費され続ける。そのため、酸素透過膜３０の燃料流路３６側では、常に酸素分圧が低い状態が保たれ、空気流路３８に供給する空気を加圧しなくても、酸素透過膜３０の両面間で、常に十分な酸素分圧差を確保することが可能になるためである。
【００６６】
また、本実施形態によれば、酸素透過膜３０の酸素透過性能を維持するために要する熱を、酸素透過膜３０上で進行する発熱反応によって供給するため、発熱反応で生じた熱を極めて効率よく酸素透過膜３０に供給できると共に、酸素透過膜３０を加熱するために外部から与える熱を削減することができ、システム全体のエネルギ効率を高めることができる。
【００６７】
Ｄ．第２の実施形態：
図７は、本発明の第２の実施形態の燃焼システム１１０の概略構成を表わす説明図である。燃焼システム１１０において、第１の実施形態の燃焼システム１０と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。燃焼システム１１０では、酸素富化部２０に供給する空気を加熱するために、熱交換器４６に代えて熱交換器１４６が設けられている。熱交換器１４６は、酸素富化部２０に空気を供給する第１空気供給路５０の一部と、燃焼炉４０から燃焼ガスが排出される燃焼ガス流路５６の一部とを備え、酸素富化部２０に供給する酸素を燃焼ガスによって加熱する。
【００６８】
このような構成とすれば、燃焼炉４０から排出される燃焼ガスが有する熱の一部を、酸素富化部２０を経由して燃焼炉４０に供給することができる。そのため、燃焼炉４０を所望の温度にするために燃焼システムで消費する燃料量をさらに削減し、燃焼システムのエネルギ効率を向上させることができる。
【００６９】
なお、図７では、燃焼ガス流路５６と第１空気供給路５０とによって熱交換器１４６を形成したが、異なる構成としてもよい。例えば、燃焼ガス流路５６に分岐流路を設け、この分岐流路と第１空気供給路５０とによって熱交換器１４６を形成してもよい。
【００７０】
Ｅ．変形例：
上記各実施形態では、酸素富化部２０に供給する空気は加圧しないこととしている。これに対して、酸素富化部２０に供給する空気の加圧によるエネルギ消費量が許容範囲であれば、酸素富化部２０に供給する空気を加圧して、酸素富化部２０の酸素透過膜３０における酸素透過速度をさらに向上させてもよい。この場合にも、空気の加圧により生じた酸素分圧差のみを駆動力として酸素を透過させる場合に比べて、加圧装置を小型化してシステム構成の複雑化を抑えつつ、酸素富化による燃焼効率の向上の効果を得ることができる。
【００７１】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０，１１０，２１０…燃焼システム
２０，２２０…酸素富化部
３０…酸素透過膜
３６…燃料流路
３８…空気流路
４０…燃焼炉
４２…空気供給部
４４…燃料供給部
４６，１４６…熱交換器
４８…混合機
５０…第１空気供給路
５１…空気排出路
５２，２５２…燃料供給路
５３…改質ガス流路
５４…第２空気供給路
５５…混合ガス流路
５６…燃焼ガス流路
６０…制御部
６２…温度センサ
７０…測定装置
７１，７２…透明石英管
７３，７４…アルミナチューブ
７５…電気炉
７６…熱電対
２４２…コンプレッサ
【図１】
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【図２】
2015224148.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015224148.tif 000008
【図７】
2015224148.tif 000009
【図８】
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