JP2002162007A

JP2002162007A - バーナ

Info

Publication number: JP2002162007A
Application number: JP2000353020A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Shirasaki; 義則白崎; Kyoichi Inoue; 恭一井上; Kazuto Kobayashi; 一登小林; Yoshimasa Fujimoto; 芳正藤本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】水素分離型改質器用のバーナのように、低カ
ロリーと高カロリーの２種類の燃料を切り換えて燃焼さ
せる形態のバーナにおいて、燃焼室の内壁である被加熱
面を周方向及び軸方向の双方においてほぼ均一に加熱で
きるようにする。【解決手段】内側に低カロリー燃料通路２１、その径
方向外側に高カロリー燃料通路２２、その径方向外側に
酸化剤通路２３が、中心軸線Ｌを共通させて同心円状に
備えられており、低カロリー燃料通路２１及び高カロリ
ー燃料通路２２の先端ノズル部は、前記中心軸線Ｌに対
して外側に傾斜した方向に燃料が噴出するように形成さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はバーナ、特に、低カ
ロリーと高カロリーの２種類の燃料を切り換えて燃焼さ
せる形態のバーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、燃料電池システムなどに使用さ
れる水素分離型改質器は、改質触媒、水素透過管（パラ
ジウムやパラジウム合金で形成した薄膜など）、加熱用
バーナなどで構成され、炭化水素及び／又はアルコール
類などから直接高純度水素を造ることができる。すなわ
ち、反応室内の触媒層を貫通させて水素透過管を設ける
ことにより簡便に高純度水素を得ることができ、中央に
加熱用バーナを設けかつ該バーナの周囲に輻射用内壁を
設けることにより、その輻射用内壁の周囲の改質触媒層
に輻射熱を伝え、かつバーナの高温の燃焼排ガスが反応
室の上方と周囲から降り注いで改質触媒層に対流熱と伝
導熱を伝えるようになっている（例えば、特開平７−１
０９１０５号公報など参照）。

【０００３】図８ａは、上記した水素分離型改質器の概
略構成を示している。図８ａにおいて、水素分離型改質
器は外筒１２１と、環状の耐火材で構築された底部のバ
ーナタイル１２８と、その中央に設置された直立円筒状
バーナ装置１２９を備える。中空円筒状内筒１２２が該
バーナ装置１２９の中心軸線を中心にしてその外周を囲
んでおり、該中空円筒状内筒１２２は、上端に開口１２
７を有する燃焼室１３０を内部に形成する中空円筒状の
輻射用内壁１２２Ａと、該内壁との間に反応室１２２Ｄ
を形成する中空円筒状外壁１２２Ｂと、内壁１２２Ａと
外壁１２２Ｂの上端縁を密封状に連結する天井板１２２
Ｃから構成されている。

【０００４】外筒１２１は、内筒１２２の側部及び上部
を気密状に密閉しており、外筒１２１と内筒１２２の間
の間隙を高温の燃焼ガスが流動し、外筒１２１の下部マ
ニホルドに設けられた燃焼ガス出口１３３から燃焼ガス
が排出される。内筒１２２の下部マニホルドに原料の都
市ガス及び水蒸気の入口１３１が設けられ、また、内筒
１２２の下部マニホルドにプロセスオフガスすなわち改
質ガスの出口１３４が設けられている。

【０００５】原料供給管１２２Ｅが反応室１２２Ｄの内
部において内壁１２２Ａを同心に囲んでおり、内壁１２
２Ａとの間に原料供給通路を形成し、かつその上部を反
応室１２２Ｄの内部に開口している。複数本の水素透過
管（水素分離管）１２３が反応室１２２Ｄの内部の原料
供給管１２２Ｅの外側の改質触媒１２５の中に、バーナ
装置１２９を中心にした円周上に適当な間隔で直立状に
設けられ、これらの水素透過管１２３の上部は密閉され
ている。

【０００６】スイープガス入口１３２が水素透過管１２
３の下部マニホルドに設けられている。複数本のスイー
プガス管１２４が水素透過管１２３の内部に直立状に設
けられ、それらの上端は水素透過管１２３の内部に開口
している。スイープガス管１２４の下部マニホルドに水
素及びスイープガスの出口１３５が設けられている。改
質触媒１２５が反応室１２２Ｄの内部において水素透過
管１２３の周囲及び原料供給管１２２Ｅの内部に充填さ
れており、改質触媒１２５中に水素透過管１２３を設置
することにより、改質反応と同時に水素を分離すること
ができる。

【０００７】上記のような水素分離型改質器において、
下方から供給される燃料をバーナ装置１２９で燃焼する
ことにより高温の燃焼ガスが内筒１２２の内壁１２２Ａ
の内側の燃焼室１３０に発生し充満する。この燃焼ガス
は、矢印方向に、内壁１２２Ａの上部周縁から外筒１２
１の内部へ流入し、内筒１２２の内部の反応室１２２Ｄ
を内側及び外側から加熱し、外筒１２１の下部に設けた
燃焼ガス出口１３３から外部へ排出される。かくして、
反応室１２２Ｄの中の改質触媒１２５及び水素透過管１
２３の中の反応流体としての改質ガスが加熱されるよう
になる。

【０００８】原料ガスとしての都市ガス及び水蒸気の混
合物が原料ガス入口１３１から矢印方向に供給され、原
料供給管１２２Ｅの改質触媒１２５の中を上昇し、その
上部から水素透過管１２３の周囲に充填されている改質
触媒１２５の中を下降する。原料ガスが改質触媒１２５
の中を通過する途中で燃焼熱で水蒸気改質されて水素を
生成する。生成した水素は改質触媒１２５中から水素透
過管１２３の中に矢印方向に透過侵入し、ここで前述の
スイープガスに乗ってスイープガス管１２４の中を下降
し、水素及びスイープガス出口１３５から矢印方向に外
部へ押し出される。また、反応室１２２Ｄの中のオフガ
ス（改質ガス）は改質ガス出口１３４から矢印方向に外
部へ排出される。

【０００９】このような水素分離型改質器では、起動時
には改質器用バーナ１２９に都市ガス（低位発熱量：９
９４０ｋｃａｌ／Ｎｍ³）が供給され、この都市ガスを
燃料とし、空気を酸化剤としてバーナによる燃焼が行わ
れるようになっており、所定の温度条件を満たした時点
で改質器に原料が供給され、改質反応が行われ、水素透
過管によって生成ガス中から水素が選択的に引き抜かれ
水素の製造が行われる。生成ガス中から水素を引き抜い
た残りの改質ガス（低位発熱量：約１４００〜４０００
ｋｃａｌ／Ｎｍ³）が発生し始めると、効率化のためバ
ーナ燃料は都市ガスから改質ガスに切り換えられ、改質
ガスと空気の燃焼が開始されるようになっている。

【００１０】上記のような水素分離型改質器において、
改質反応を効率的に行うために改質触媒１２５の温度分
布を均一化する必要がある。また、水素透過管１２３の
温度分布の均一化により水素透過管１２３への熱応力が
低減されるので、水素透過管１２３の温度分布を均一化
する必要がある。また、水素透過を効率良く行うために
も、温度分布を均一化する必要がある。そのために、前
記燃焼室１３０を形成する内筒１２２の内壁１２２Ａを
周方向及び軸方向の双方において均一な温度分布とする
ことが望まれる。また、燃料ガスの切り換え時に低カロ
リー燃料である改質ガスが、高カロリー燃料である都市
ガスの燃焼状態と変わりない状態で燃焼を開始すること
が望まれる。

【００１１】一方、燃料電池用改質器におけるバーナと
して、図９に示すように、バーナの中央位置から径方向
外側に向かって順に、高カロリー燃料通路１５２、第１
の酸化剤通路１５４、低カロリー燃料通路１５６、及び
第２の酸化剤通路１５８を設け、さらに、前記低カロリ
ー燃料通路１５６に燃料を旋回させるための旋回器１６
０を設けるようにしたバーナが提案されている（特開平
５−３０３９７４号公報参照）。高カロリー燃料通路１
５２の先端には、軸中心線に平行な貫通孔１４２を持つ
ノズル１４４が備えられている。このバーナは低カロリ
ーと高カロリーの２種類の燃料を切り換えて燃焼させる
形態のバーナであり、この形態のバーナを用いることに
より、低カロリー燃料の燃焼性を高めることができ、燃
料電池の運転コストの改善を期待することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、燃料電
池用の改質器を含め水素分離型改質器用のバーナについ
て継続して実験と研究を行ってきているが、前記図９に
示した形態のバーナは改質器が比較的小型のものである
場合には加熱手段として有効に機能するが、前記図８ａ
に示したような形態の例えば２０Ｎｍ³／ｈ級の大型の
水素分離型改質器用の加熱手段として用いる場合には、
なお改善すべき余地がある。

【００１３】すなわち、高カロリー及び低カロリーの燃
料通路と第１及び第２の酸化剤通路とは、いずれも中心
軸線方向に平行な流れ線となっており、燃焼ガス（火
炎）はノズル先端を出た直後は狭くほぼ直線状であり、
その後に火炎断面を広げていくことから、燃焼筒の内面
１２０（図８ａでの燃焼室１３０を形成する内筒１２２
の内壁１２２Ａに相当する）での軸方向の温度分布に不
均一さが生じる（内面１２０のバーナノズルに近い部分
の壁温が低温傾向となる）。このことは、低カロリー燃
料通路に燃料を旋回させるための旋回器１６０を取り付
けた場合も、ほぼ同じである。

【００１４】また、低カロリーの燃料通路が外側に位置
しており、低カロリーの燃料の燃焼性を確実にするため
に、その両面に酸化剤通路を配置して燃料と酸化剤との
混合を促進するようにしていることから、全体として４
重管構造とならざるを得ず、バーナとしての構造を複雑
化する。さらに、火炎の周方向への分布について格別の
手段が施されていないことから、燃焼筒の内面の周方向
の温度分布に不均一さが生じる。

【００１５】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、例えば、水素分離型改質器用のバーナのよう
に、処理の効率化のために、低カロリーと高カロリーの
２種類の燃料を切り換えて燃焼させる形態のバーナにお
いて、高カロリー燃料から低カロリー燃料への切り換え
時に燃焼状態を大きく変化させることなく燃焼の継続が
可能であり、また、比較的簡単な構成でありながら、燃
焼室の内壁である被加熱面を、周方向及び軸方向の双方
においてほぼ均一な温度分布に加熱することのできるバ
ーナを開示することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、低カロリーと高カロリーの２種類の燃
料を切り換えて燃焼させるバーナにおいて、内側に低カ
ロリー燃料通路、その径方向外側に高カロリー燃料通
路、その径方向外側に酸化剤通路が、中心軸線を共通さ
せて同心円状に備えられており、前記低カロリー燃料通
路及び高カロリー燃料通路の先端ノズル部は、前記中心
軸線に対して外側に傾斜した方向に燃料を噴出するよう
に形成されていることを特徴とする。

【００１７】本発明によるバーナでは、低カロリー燃料
通路及び高カロリー燃料通路から噴出する燃料の燃焼ガ
ス（火炎）は、先端ノズル部の直下流位置から水平方向
に広がりながら上昇する。実験によれば、燃料を中心軸
線方向に平行に噴出させる場合と比較して、燃焼室の内
周壁はその下端領域から上端領域まで、均一に加熱され
ることが確認された。また、低カロリー燃料通路を最も
内側に設けるようにし、かつ、燃料を中心軸線に対して
外側に傾斜した方向に噴出するようにしたので、全体を
３重管構造とすることができ、構成が簡素化されるとと
もに、燃料と酸化剤との混合も十分に促進でき、低カロ
リー燃料から高カロリー燃料への切り換え時において
も、また、その後の低カロリー燃料の燃焼時において
も、良好な燃焼状態を維持することができる。

【００１８】前記低カロリー燃料通路及び高カロリー燃
料通路の先端ノズル部から燃料を前記中心軸線に対して
外側に傾斜した方向に噴出させる手段は、従来のバーナ
において燃料あるいは酸化剤の噴出方向を傾斜させる手
段を適宜用いればよいが、低カロリー燃料通路及び高カ
ロリー燃料通路の先端に各通路全体を閉鎖するような状
態で斜板やブロックを配置し、該斜板又はブロックに多
数の噴出孔を形成する態様は、作り易さ及び安定性の観
点から好ましい態様である。また、噴出傾斜角度は、３
０度程度から９０度程度まで任意であるが、実験では、
ほぼ４５度の場合が安定した燃焼を継続して得ることが
できた。

【００１９】本発明のバーナにおいて、前記酸化剤通路
の先端ノズル部は酸化剤（例えば、空気）が中心軸線と
平行に噴出する態様であってもよいが、好ましくは、酸
化剤流を前記中心軸線側に向けて噴出させる第１の噴出
手段が備えられる。そのような噴出手段を備えることに
より、燃料と酸化剤との混合は一層促進され、安定した
燃焼が継続する。第１の噴出手段は、例えば、酸化剤通
路の先端を通路断面積が縮小する方向に絞り込むような
手段であってよい。

【００２０】さらに好ましくは、酸化剤通路における先
端ノズル部より上流域に、酸化剤流を周方向の旋回流と
して噴出させる第２の噴出手段が備えられる。旋回流と
なることにより、燃料と酸化剤との混合が促進されるこ
とに加え、酸化剤の運動方向が燃焼室の内壁に向かうよ
うになり、燃焼火炎の水平方向への広がりは一層促進さ
れる。その結果、燃焼室内壁の軸方向及び周方向の温度
分布はさらに均一化される。前記第２の噴出手段は、例
えば、通路の周壁に４枚から６枚程度の螺旋羽根を取り
付けるような手段であってよい。

【００２１】上記のような多重円筒型のバーナにおい
て、全周方向に均一な火炎を形成するには、燃料及び酸
化剤の双方が整流された状態でノズルから噴出すること
が望まれる。そのために、本発明によるバーナの好まし
い態様では、前記低カロリー燃料通路、高カロリー燃料
通路、及び酸化剤通路には、その周囲を囲うようにした
円筒状の緩衝室が備えられ、かつ、各通路と前記緩衝室
とは小孔を介して連通するようにされている。燃料ある
いは酸化剤が供給源から脈動を伴って供給される場合で
も、緩衝室に流入することにより脈動はある程度抑制さ
れ、さらに小孔を通過することにより、各通路に流入す
る燃料あるいは酸化剤はほぼ整流化された状態となる。

【００２２】好ましい態様において、さらに、前記低カ
ロリー燃料通路、高カロリー燃料通路、及び酸化剤通路
には一部に絞りが備えられる。この絞りの存在により、
各通路を流れる燃料あるいは酸化剤はさらに整流化され
て、ノズルから噴出するようになる。さらに好ましく
は、金属網やパンチングメタルなどの多孔性の整流部材
を各通路に備えるようにしてもよい。

【００２３】好ましい態様において、前記酸化剤通路と
前記高カロリー燃料通路とが小孔を介して連通するよう
にされる。この態様では、通常は都市ガスである高カロ
リー燃料を燃焼させているときには、燃料ガスに酸化剤
が混入することから予混合気とすることができ、予混合
燃焼を進行させることができる。また、低カロリー燃料
に切り換えた後には、低カロリー燃料に対して、酸化剤
通路に加えて、低カロリー燃料通路により近い場所にあ
る高カロリー燃料通路から酸化剤を供給することがで
き、低カロリー燃料の燃焼を一層安定させる。

【００２４】以上に記したように、本発明によるバーナ
は、水素分離型改質器のためのバーナとして好適に用い
られ、その場合に、前記低カロリー燃料通路には該水素
分離型改質器からの改質ガスが供給され、前記高カロリ
ー燃料通路には都市ガスが供給される。しかし、これに
限ることはなく、低カロリーと高カロリーの２種類の燃
料を切り換えて燃焼させる形態のバーナであれば、すべ
て適用可能である。水素分離型改質器の加熱源として用
いる場合に、当該水素分離型改質器は前記図８ａに例示
したように比較的大型かつ独立して用いられる水素分離
型改質器に限らず、従来から燃料電池システムの中に組
み込まれて用いられている任意の改質器の加熱源として
用い得ることも当然である。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるバーナの好ま
しい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１ａは本
発明によるバーナの一実施の形態の概略構成を示す縦断
面図、図１ｂは先端ノズル部の他の形態を示す図、図２
は図１ａに示すバーナ先端部を示す平面図、図３はバー
ナ先端部の詳細を説明する図である。このバーナは前記
したように、図８ａに示したような水素分離型改質器に
おけるバーナ１２９に代えて用いることができるほか、
他の水素製造装置や燃料電池システムの水素分離型改質
器にも使用される。

【００２６】バーナＡは、基本的に、中心の円筒体１０
の外周に第１ポート管１１、その外周に第２ポート管１
２、さらにその外周に第３ポート管１３を配置した三重
管構造であり、前記円筒体１０と第１ポート管１１との
間の第１環状空隙２１が本発明でいう「低カロリー燃料
通路」を構成し、第１ポート管１１と第２ポート管１２
との間の第２環状空隙２２が本発明でいう「高カロリー
燃料通路」を構成し、そして、第２ポート管１２と第３
ポート管１３との間の第３環状空隙２３が本発明でいう
「酸化剤通路」を構成する。

【００２７】図示されるように、中心の円筒体１０が最
も長く、第１ポート管１１から第２ポート管１２、第３
ポート管１３と順次短くされており、各管は、その上端
側はほぼ同じ位置となるように配置される。また、前記
各ポート管及び前記各通路は中心軸線Ｌを共通するよう
に同心円状に配置されている。なお、前記円筒体１０の
内部には図示しない点火用の適宜の手段が挿通される。

【００２８】前記第２ポート管１２より下位に位置する
第１ポート管１１の下端領域部分を囲うようにして下端
を閉鎖した第１円筒体３１が配置され、また、前記第３
ポート管１３より下位に位置する第２ポート管１２の下
端領域部分を囲うようにして下端を閉鎖した第２円筒体
３２が配置され、さらに、前記第３ポート管１３のほぼ
全長を囲うようにしてやはり下端を閉鎖した第３円筒体
３３が配置されている。そして、第３円筒体３３の上端
部は取り付け板３４により閉鎖されている。第１、第２
及び第３の円筒体３１、３２、３３も中心軸線Ｌを共通
するようにして同心円状に配置されている。

【００２９】前記第１ポート管１１と第１円筒体３１と
で形成される第１環状室４１は後記する低カロリー燃料
のための緩衝室を形成し、前記第２ポート管１２と第２
円筒体３２とで形成される第２環状室４２は後記する高
カロリー燃料のための緩衝室を形成し、そして、前記第
３ポート管１３と第３円筒体３３とで形成される第３環
状室４３は後記する酸化剤のための緩衝室を形成する。

【００３０】前記第１円筒体３１には、図示しない低カ
ロリー燃料供給源（例えば、図８ａに基づき説明した水
素分離型改質器における改質ガスの排出ポートである改
質ガス出口１３４）に接続する配管４４が接続してお
り、さらに、前記第１ポート管１１の下端には前記第１
環状室４１と第１環状空隙２１とを連通する小孔５１が
周方向に複数個形成されている。また、前記第２円筒体
３２には、図示しない高カロリー燃料（通常は都市ガ
ス）供給源に接続する配管４５が接続しており、さら
に、前記第２ポート管１２の下端には前記第２環状室４
２と第２環状空隙２２とを連通する小孔５２が周方向に
複数個形成されている。

【００３１】さらに、前記第３円筒体３３は図示しない
酸化剤（通常は空気）供給源に接続する配管４６が接続
しており、さらに、前記第３ポート管１３の下端には前
記第３環状室４３と第３環状空隙２３とを連通する小孔
５３が周方向に複数個形成されている。加えて前記第２
ポート管１２には第３環状空隙２３と前記第２環状空隙
２２とを連通する小孔５４が周方向に複数個形成されて
いる。

【００３２】図３ａに拡大して示すように、第１、第
２、第３の環状空隙２１、２２、２３にはその断面積を
縮小するようにした円環状の絞り板６１、６２、６３が
それぞれ近接する円筒体１０、第１ポート管１１、第２
ポート管１２の周壁面を利用して固着されているととも
に、その下流域における前記第３の環状空隙２３は複数
枚（図３ａの例では６枚であるがこれに限らない）の螺
旋状案内羽根６４が固定されている。さらに、必須では
ないが、第１及び第２の環状空隙２１、２２にはパンチ
ングメタル６５が整流材として取り付けられている。

【００３３】図３ａに示すように、前記第３ポート管１
３の先端にはほぼ同じ径のノズル環１４が取り付けてあ
り、該ノズル環１４の内壁面１６はコーン状とされ、先
端側に向けて次第に縮径している。なお、前記ノズル環
１４は内周面が単なる円筒面であっても差し支えなく、
その場合には、図３ｂに示すように、第３ポート管１３
の先端をそのまま延長してノズル環としての機能を持た
せるようにしてもよい。

【００３４】前記円筒体１０の先端位置は前記ノズル環
１４の先端面とほぼ同じ位置とされ、第１ポート管１１
及び第２ポート管１２の先端位置はそこよりも順次後退
した位置とされている。そして、円筒体１０、第１ポー
ト管１１及び第２ポート管１２の先端部分を覆うように
して、すなわち、前記した「低カロリー燃料通路」であ
る第１環状空隙２１と「高カロリー燃料通路」である第
２環状空隙２２の先端を閉鎖するようにして、コーン状
の斜板７０が固定してあり、図２にも示されるように、
該斜板７０の第１環状空隙２１及び第２環状空隙２２に
対応する位置には多数の噴出孔７１が、その軸線を斜板
７０の斜面に垂直な方向として形成されている。なお、
斜板７０の中心軸線Ｌに対する傾斜角度αは任意である
が、この例ではほぼ４５度とされている。

【００３５】上記の構成であり、第１環状空隙２１と第
２環状空隙２２を流れてくる流体は、それぞれに配置さ
れた円環状の絞り板６１、６２部分及びパンチングメタ
ル６５を通過することにより整流作用を受けた後、前記
斜板７０に形成された噴出孔７１から、中心軸線Ｌに対
して９０度−α、すなわち、この例では４５度の角度で
外側に傾斜した状態で噴出する。一方、第３環状空隙２
３を流れてくる流体は、円環状の絞り板６３部分を通過
して整流作用を受けた後、下流域において前記螺旋状案
内羽根６４を通過することにより旋回流とされ、さら
に、前記ノズル環１４の傾斜した内壁面１６部分を通過
することにより、幾分中心軸線Ｌ側に向けた状態でノズ
ル環１４から噴出する。当該旋回流に対して、前記第１
及び第２環状空隙２１、２２を流れ噴出孔７１から噴出
する流体が傾斜角度を持って混入し、その下流域におい
て両者の混合が進行する。

【００３６】なお、斜板７０に噴出孔７１を形成するこ
とに変え、図１ｂに示すように、先端がコーン状に傾斜
した斜面を持つブロック７０Ａを先端に取り付け、そこ
に所定の角度で外側に広がるようにして多数の噴出孔７
１Ａを穿設するようにしてもよい。

【００３７】次に、上記のバーナＡを図８ａに示したよ
うな水素分離型改質器における発熱源（バーナ１２９）
として用いる場合を例として、その作用を説明する。バ
ーナＡは、その取り付け板３４を用いてバーナタイル１
２８の中央に取り付けられ、かつ、その円筒体１０には
点火用プラグ（不図示）が挿通される。起動時には、高
カロリー燃料である都市ガスが、配管４５、第２緩衝室
４２、小孔５２を通して「高カロリー燃料通路」である
第２環状空隙２２に整流された状態で供給される。供給
された都市ガスは絞り板６２、パンチングメタル６５を
通過した後、噴出孔７１から外側に傾斜した状態で噴出
する。一方、酸化剤としての空気は、配管４６、第３緩
衝室４３、小孔５３を通って「酸化剤通路」である第３
環状空隙２３に流入し、絞り板６３及び螺旋状案内羽根
６４を通過して旋回流とされ、さらに、ノズル環１４を
通過することにより、幾分中心軸線Ｌ側に傾斜した状態
でノズル環１４から噴出する。また、第３環状空隙２３
に流入した空気の一部は小孔５４を通過して第２環状空
隙２２を流れる都市ガスに混入し、都市ガスを予混合気
とする。

【００３８】予混合気とされ噴出孔７１から噴出する都
市ガスは第３環状空隙２３から噴出する空気と前記ノズ
ル環１４の領域で混合し、図示しない点火プラグにより
点火されて燃焼する。この火炎により水素分離型改質器
は昇温を開始する。この燃焼火炎は周方向に均一な火炎
でありかつ水平方向に拡散する火炎なので、燃焼室の内
周壁はその下端領域から上端領域まで、均一に加熱され
る。

【００３９】前記したように、所定の温度条件を満たし
た時点で水素分離型改質器に原燃料が供給され、改質反
応が行われ、水素透過管によって生成ガス中から水素が
選択的に引き抜かれ水素の製造が行われる。そして、生
成ガス中から水素を引き抜いた残りの改質ガス（低位発
熱量：約１４００〜４０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３）が発生
し始めると、効率化のためバーナＡの燃料は都市ガスか
ら改質ガスに切り換えられ、改質ガスと空気の燃焼が開
始される。

【００４０】すなわち、配管４５への都市ガスの供給は
停止され、配管４４に水素分離型改質器からの改質ガス
が低カロリー燃料として供給される。改質ガスは第１緩
衝室４１、小孔５１を通り、「低カロリー燃料通路」で
ある第１環状空隙２１に流入する。流入した改質ガス
は、絞り板６１、パンチングメタル６５を通過した後、
高カロリー燃料の場合と同様に、噴出孔７１から外側に
傾斜した状態で噴出する。一方、酸化剤としての空気
は、「酸化剤通路」である第３環状空隙２３から噴出す
る空気に加え、小孔５４を通過して前記第２環状空隙２
２に流入した空気も付加される。それにより、低カロリ
ーであり燃焼性の低い改質ガスは空気と効果的に混合さ
れ、燃料切り換え前の都市ガスの燃焼と同じような燃焼
状態を維持しながら、円滑に燃焼するようになる。改質
ガスの燃焼火炎も、同様に周方向に均一な火炎でありか
つ水平方向に拡散する火炎なので、燃焼室の内周壁はそ
の下端領域から上端領域まで均一に加熱され、その状態
が維持される。

【００４１】次に、本発明のバーナを図８ａに示す形態
の水素分離型改質器に装着して、燃焼室の内周壁（図８
ａでの内壁１２２Ａ）の温度を測定する実地試験を行っ
た。図８ｂは、用いたバーナタイル１２８の斜視図であ
る。その結果を比較例とともに説明する。実地試験で
は、比較例として、図４に示すように、低カロリー燃料
通路（第１環状空隙２１）、高カロリー燃料通路（第２
環状空隙２２）及び酸化剤通路（第３環状空隙２３）か
らの燃料及び酸化剤の噴出方向がともに中心軸線Ｌに平
行となるようにしたバーナＢを用いた。ただし、酸化剤
通路（第３環状空隙２３）の先端に螺旋状案内羽根６４
は取り付けた。バーナＢの他の構成は前記したバーナＡ
と同じであり、図４では同じ機能を奏する部材には同じ
符号を付している。

【００４２】図５は、燃焼室内周壁の周方向の温度分布
であり、バーナＢでは最大１３０℃程度あった温度差
が、本発明のバーナＡの場合には、２０℃程度にまで減
少している。また、都市ガス燃焼の場合と改質ガス燃焼
の場合とでの温度差も、本発明のバーナＡの場合には小
さくなっており、燃料切り換えが改質反応に大きな変動
を生じさせないことを示している。

【００４３】図６及び図７は、燃焼室内周壁の軸方向の
温度分布であり、図６は本発明のバーナＡの場合を、図
７はバーナＢの場合を示している。バーナＢでは５０℃
程度あった温度差が、本発明のバーナＡの場合には、２
０℃程度にまで減少している。また、都市ガス燃焼の場
合と改質ガス燃焼の場合とでの温度差も、本発明のバー
ナＡの場合には小さくなっており、やはり、燃料切り換
えが改質反応に大きな変動を生じさせないことを示して
いる。

【００４４】上記の試験結果は、本発明によるバーナＡ
を熱源として用いることにより、燃焼室の内周壁の温度
を周方向及び軸方向のいずれにおいても平均化（均一
化）することができることを示して、水素分離型改質器
での燃焼室のように、内部に均一な温度分布が所望され
るような装置の熱源として、本発明によるバーナはきわ
めて有効に使用できることがわかる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
水素分離型改質器用のバーナのように、処理の効率化の
ために、低カロリーと高カロリーの２種類の燃料を切り
換えて燃焼させる形態のバーナにおいて、高カロリー燃
料から低カロリー燃料への切り換え時に燃焼状態を大き
く変化させることなく燃焼の継続が可能であり、また、
比較的簡単な構成でありながら、燃焼室の内壁である被
加熱面を、周方向及び軸方向の双方においてほぼ均一な
温度分布となるように加熱することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１ａは本発明によるバーナの一実施の形態の
概略構成を示す縦断面図であり、図１ｂはバーナ先端部
の他の形成を示す部分図である。

【図２】図１に示すバーナ先端部を示す平面図。

【図３】バーナ先端部の２つの形態を詳細に説明する
図。

【図４】比較のために用いたバーナの概略構成を示す縦
断面図。

【図５】本発明によるバーナの実験結果を示すグラフ。

【図６】本発明によるバーナの他の実験結果を示すグラ
フ。

【図７】比較のための用いたバーナの実験結果を示すグ
ラフ。

【図８】図８ａは水素分離型改質器の概略構成を示す図
であり、図８ｂは実験で用いたバーナタイルを示す概略
斜視図である。

【図９】燃料電池用改質器における従来のバーナの一例
を示す図。

【符号の説明】

Ａ…本発明によるバーナ、Ｌ…中心軸線、１０…中心の
円筒体、１１…第１ポート管、１２…第２ポート管、１
３…第３ポート管、２１…第１環状空隙（低カロリー燃
料通路）、２２…第２環状空隙２２（高カロリー燃料通
路）、２３…第３環状空隙２３（酸化剤通路）、３１、
３２、３３…第１、第２、第３の円筒体、４１、４２、
４３…第１、第２、第３の環状室（緩衝室）、５１、５
２、５３…小孔、６４…螺旋状案内羽根、１４…ノズル
環、７０…斜板、７１…噴出孔、α…斜板の中心軸線と
の傾斜角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上恭一東京都港区海岸一丁目５番20号東京瓦斯株式会社内 (72)発明者小林一登広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者藤本芳正広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内Ｆターム(参考） 3K065 QB09 QB12 QC02 RA01 RB02 5H027 AA02 BA01 BA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低カロリーと高カロリーの２種類の燃料
を切り換えて燃焼させるバーナであって、内側に低カロ
リー燃料通路、その径方向外側に高カロリー燃料通路、
その径方向外側に酸化剤通路が、中心軸線を共通させて
同心円状に備えられており、前記低カロリー燃料通路及
び高カロリー燃料通路の先端ノズル部は、前記中心軸線
に対して外側に傾斜した方向に燃料を噴出するように形
成されていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】前記低カロリー燃料通路及び高カロリー
燃料通路の先端ノズル部は、各通路全体を閉鎖する斜板
又はブロックと該斜板又はブロックに形成した多数の噴
出孔とを備えることを特徴とする請求項１記載のバー
ナ。
【請求項３】前記酸化剤通路の先端ノズル部は、酸化
剤流を前記中心軸線側に向けて噴出させる第１の噴出手
段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のバー
ナ。
【請求項４】前記酸化剤通路は、先端ノズル部より上
流域に、酸化剤流を周方向の旋回流として噴出させる第
２の噴出手段を備えることを特徴とする請求項１ないし
３いずれか記載のバーナ。
【請求項５】前記低カロリー燃料通路、高カロリー燃
料通路、及び酸化剤通路は上流側に円筒状の緩衝室を備
えており、かつ、各通路と前記緩衝室とは小孔を介して
連通していることを特徴とする請求項１ないし４いずれ
か記載のバーナ。
【請求項６】前記高カロリー燃料通路は前記酸化剤通
路と小孔を介して連通していることを特徴とする請求項
５記載のバーナ。
【請求項７】前記低カロリー燃料通路、高カロリー燃
料通路、及び酸化剤通路は一部に絞りを備えることを特
徴とする請求項１ないし６いずれか記載のバーナ。
【請求項８】前記低カロリー燃料通路の中央には中心
軸線方向の空所が形成されており、該空所には点火用燃
焼手段が挿通されることを特徴とする請求項１記載のバ
ーナ。
【請求項９】前記バーナは水素分離型改質器のための
バーナであることを特徴とする請求項１記載のバーナ。
【請求項１０】前記低カロリー燃料通路は水素分離型
改質器からの改質ガスが供給されるためのものであり、
前記高カロリー燃料通路は都市ガスが供給されるための
ものであることを特徴とする請求項１記載のバーナ。