JP2004134253A - 燃料電池システムの水素製造装置用加熱器 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な燃焼の範囲が広く、また安全に燃焼制御することが容易であり、しかも燃料ガスと発電に使用されなかった改質ガスとの切り替えを容易に行なうことができる燃料電池システムの水素製造装置用加熱器を提供する。
【解決手段】燃料ガスを改質反応させて燃料電池に供給する改質ガスを製造する水素製造装置において、水素製造装置の改質反応部を加熱する加熱器４に関する。空気を一方向に流す送風手段５と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部６と、この空気中に燃料電池１で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部７と、第一噴出部６及び第二噴出部７から噴出されるガスに着火する着火部８とを備えて加熱器４を構成する。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料ガスを改質反応させて燃料電池に供給する改質ガスを製造する水素製造装置において、水素製造装置の改質反応部を加熱する加熱器４に関する。空気を一方向に流す送風手段５と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部６と、この空気中に燃料電池１で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部７と、第一噴出部６及び第二噴出部７から噴出されるガスに着火する着火部８とを備えて加熱器４を構成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスを水素に富んだ改質ガスに改質して燃料電池に供給するようにした燃料電池システムの水素製造装置において、水素製造装置の改質反応部を加熱するために用いられる加熱器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料ガスとしては、ボンベに貯蔵された水素や、水素吸蔵合金に蓄えられた水素などが用いられることが多い。しかし、水素はその取り扱い性が困難である等の理由から、取り扱いが容易なメタン、プロパン、ブタン等の炭化水素ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスを水素製造装置の改質反応部で改質反応させて水素に富んだ改質ガスを製造し、この改質ガスを燃料電池に供給して発電する方法が広く用いられている。
【０００３】
改質反応の式をメタンの例で示すと次のようになる。
【０００４】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ＋３Ｈ２
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ２＋Ｈ２
この改質反応は水蒸気改質反応と呼ばれる代表的な改質方法である。そして水蒸気改質反応は吸熱反応であり、また反応のためにある程度の高温が必要であるために、通常は水素製造装置内に改質反応部を加熱するための加熱器を備えている。
【０００５】
図１４は燃料電池システムの概略構成の一例を示すものであり、水素製造装置２には改質反応部３と加熱器４が備えられている。そして水素製造装置２に供給される燃料ガスは改質反応部３で改質反応を受け、水素に富んだ改質ガスが生成される。この改質ガスを燃料電池１に供給して、改質ガス中の水素と空気中の酸素を燃料電池１内で電気化学的に反応させることによって、発電を行なうことができるものである。一方、加熱器４には上記の燃料ガスや、燃料電池１で発電に使用されなかった改質ガスが供給されるようになっており、これらを空気と混合して燃焼させることによって、加熱器４で改質反応部３を加熱するようにしてある。
【０００６】
ここで、上記のような加熱器４としては、従来から種々のタイプのものが提供されている。例えば図１５に示すような、燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）と空気を個別に混合室２０に供給し、燃焼前に十分に混合した後、この混合ガスをバーナー部２１で燃焼させるようにした予混合燃焼方式や、図１６に示すような、燃焼前の燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）をバーナー部２１に供給する際に、流路を流れる際の運動エネルギーで空気を流路の途中の吸い込み口２２から吸い込んで、燃料ガスと空気を混合室２０で混合させた後に、バーナー部２１で燃焼させる準予混合燃焼方式がある（特許文献１参照）。図１５及び図１６において２９は炎である。
【０００７】
また、図１７に示すような、燃焼反応を促進させる燃焼触媒２３を用いて、燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）と空気の混合ガスを燃焼させるようにした触媒燃焼方式もある（特許文献２参照）。
【０００８】
さらに、空気と発電に使用されなかった改質ガスを拡散燃焼させる方式のものもある。図１８はその一例を示すものであり、燃焼を行うための燃焼室２４と、この燃焼室２４に燃焼用空気を供給するための送風機２５と、先端に燃料吐出孔２６を有する排ガス供給管路２７と、前記燃料吐出孔２６の上方に付設され、燃料吐出孔２６より噴出される未反応改質ガスを着火させるための着火部８とでバーナー部２８を構成し、このバーナー部２８にて燃料電池から排出される未反応の改質ガスを拡散燃焼させるようにしてある（特許文献３参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−１９２８号公報
【特許文献２】
特開昭５９−２２１５０９号公報
【特許文献３】
特開平１０−１６２８４９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式の加熱器では、燃焼制御パラメータとなる、空気と燃料ガスとの混合比率である空気比の範囲が非常に狭く、良好に燃焼させることができる範囲が非常に狭いという問題がある。また空気と燃料ガスとの混合ガスの噴出速度と燃焼速度とのバランスが崩れて、混合ガスの噴出速度よりも燃焼速度が速くなると、燃焼の炎が混合室内に戻って逆火の現象が生じるという安全性の上でも問題がある。特に燃料電池システムの場合、発電に利用されなかった改質ガスを加熱器に戻して燃焼に利用することが行なわれるが、水素に富んだ改質ガスは燃焼速度が非常に速いガスであり、逆火がより発生し易く、さらに混合室内で燃焼共鳴音が発生する可能性が高いという問題がある。このように予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式の加熱器は、総じて、良好な燃焼の範囲が狭く、かつ安全に燃焼制御することが難しいという問題を有するものである。
【００１１】
また上記の燃焼触媒方式の加熱器では、良好な触媒反応を行なうためには、燃料ガスや空気の流量の制御が不可欠であり、その制御を誤れば加熱源として熱量を上げることができず、触媒燃焼に使用されない状態の未燃焼ガスとして排気されるおそれがあり、逆火も発生する可能性がある。従って燃焼触媒方式でも、予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式と同様に、良好な燃焼の範囲が狭く、かつ安全に燃焼制御することが難しいという問題を有するものである。
【００１２】
さらに図１８の拡散燃焼方式の加熱器では、未反応の改質ガスと、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の燃料ガスとを切り替えて燃焼させることが困難であり、また燃焼制御が困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、良好な燃焼の範囲が広く、また安全に燃焼制御することが容易であり、しかも燃料ガスと発電に使用されなかった改質ガスとの切り替えを容易に行なうことができる燃料電池システムの水素製造装置用加熱器を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムの水素製造装置用加熱器は、燃料ガスを改質反応させて燃料電池１に供給する改質ガスを製造する水素製造装置２の改質反応部３を加熱する加熱器４であって、空気を一方向に流す送風手段５と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部６と、この空気中に燃料電池１で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部７と、第一噴出部６及び第二噴出部７から噴出されるガスに着火する着火部８とを備えて成ることを特徴とするものである。
【００１５】
また請求項２の発明は、請求項１において、送風手段５の空気の流れ方向と、第一噴出部６及び第二噴出部７から噴出されるガスの噴出方向とが略同一方向であることを特徴とするものである。
【００１６】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差するように、第一噴出部６及び第二噴出部７のガス噴出方向を設定することを特徴とするものである。
【００１７】
また請求項４の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差すると共に噴射されたガスが衝突するように、第一噴出部６及び第二噴出部７のガス噴出方向を設定することを特徴とするものである。
【００１８】
また請求項５の発明は、請求項３又は４において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差する角度を４０〜１２０°の範囲に設定することを特徴とするものである。
【００１９】
また請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、第一噴出部６の両側に第二噴出部７を、あるいは第二噴出部７の両側に第一噴出部６を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
また請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、送風手段５での空気の流れの分布を均一化する整流手段１３を第一噴出部６及び第二噴出部７より空気の流れの上流側に備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
また請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ、複数のガス噴出口９，１０を設けたガス噴出管１１，１２によって形成し、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の圧力損失に対するガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失の比が１０以上になるように、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ形成して成ることを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、第一噴出部６はガス噴出口９を複数箇所に設けたガス噴出管１１によって、第二噴出部７はガス噴出口１０を複数箇所に設けたガス噴出管１２によって、それぞれ形成してある。ガス噴出管１１，１２はそれぞれ両端を閉塞すると共に、一端にガス供給パイプ３２，３３が接続してある。ガス噴出管１１，１２は円管で形成してあるが、断面形状は円形の他に、楕円形や、矩形などの多角形であってもよい。また図１の実施の形態では、ガス噴出管１１とガス噴出管１２はそれぞれ端部同士が近接するように略ドーナツ状の環状に屈曲してあり、ガス噴出管１２の屈曲の径をガス噴出管１１よりも小さく形成して、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１の内側に、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２を同心円状に配置するようにしてある。
【００２４】
またガス噴出管１１とガス噴出管１２のガス噴出口９，１０は同じ方向に開口するように形成されているものであり、ガス噴出管１１のガス噴出口９とガス噴出管１２のガス噴出口１０はそれぞれ相対応する位置で、ガス噴出管１１，１２の長手方向に沿って一定間隔で配置して設けてある。図の実施の形態ではガス噴出口９，１０は丸孔として形成してあるが、楕円孔や、矩形孔その他の多角形孔など形状は任意である。ガス噴出口９，１０の大きさや数は、噴出されるガスの流量に応じて適宜決定されるものである。
【００２５】
図１において３４は外筒３４ａと内筒３４ｂから二重円筒状に形成された燃焼筒であり、外筒３４ａと内筒３４ｂの間に上下に開口する環状の送風路３５が形成してある。送風路３５の一方の開口３５ａには送風機（図示省略）が配置してあり、送風路３５内に一方の開口３５ａから他方の開口３５ｂへと空気を一方向に流すようにしてある。この送風路３５や送風機によって送風手段５が形成されるものである。上記のガス噴出管１１とガス噴出管１２は外筒３４ａと内筒３４ｂに対して同心円状になるように、送風路３５内に配置してあり、このガス噴出管１１とガス噴出管１２のガス噴出口９，１０は、空気の流れ方向と同一の方向を向くように、送風路３５の開口３５ｂの側へ向けて開口するように形成されているものである。また、燃焼筒３４にはスパーカーなどで形成される着火部８が、ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０に近接した位置において設けてある。
【００２６】
上記のように形成される加熱器４は既述の図１４に示すように燃料電池システムの水素製造装置２に組込んで使用されるものである。そしてこの加熱器４において、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１にはガス供給パイプ３２によって、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなど炭化水素系の燃料ガスが供給されるようにしてあり、また第二噴出部７を形成するガス噴出管１２には発電に利用されなかった水素に富んだ改質ガス及び燃料ガスがガス供給パイプ３３によって供給されるようにしてある。ここで、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２には主として発電に利用されなかった改質ガスが供給されるが、供給される改質ガスの量が少ないときにはそれを補うように燃料ガスも同時に供給されるようにしてあり、燃料電池システムの運転開始時など供給できる改質ガスがないときには燃料ガスのみが供給されるようにしてある。また燃料ガスや改質ガスには空気を混合しない状態でガス噴出管１１，１２に供給されるものである。
【００２７】
そして、送風路３５内の空気はガス噴出管１１，１２の周囲を超えて一方向に流れ（送風路３５内の空気の流れ方向をイ矢印、燃料ガスの噴出方向をロ矢印、改質ガスの噴出方向をハ矢印で示す）、ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０から噴出されたガスはガス噴出管１１，１２の周囲から送られてくるこの空気と混合され、着火部８で着火されることによって、燃焼するものである。燃焼によって生じる炎２９や燃焼ガスは、送風路３５の開口３５ｂから出るようになっている。
【００２８】
この燃焼形態では、燃焼に必要な空気は総て、第一噴出部６及び第二噴出部７を形成するガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの周辺から拡散によって得られるものであって、第一噴出部６や第二噴出部７の外部で燃焼しており、第一噴出部６内や第二噴出部７内には空気は存在しないために、第一噴出部６内や第二噴出部７内に燃焼の炎が戻る逆火が発生することはない。従って、安全に燃焼制御することが容易になるものである。また、このように燃料ガスや改質ガスは第一噴出部６や第二噴出部７の外部で燃焼しているので、これらのガスに対して空気の流量が多く空気比が高い場合でも、燃焼を維持することが可能になり、良好な燃焼の範囲が広くなるものである。また送風路３５が十分に断熱されていれば十分な火炎温度を得ることができるものである。さらに、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１に燃料ガスを、第二噴出部７を形成するガス噴出部１２に発電に使用されなかった改質ガスをそれぞれ供給して燃焼を行なわせるにあたって、第一噴出部６と第二噴出部７の両方からガスを噴出させて燃焼させたり、第二噴出部７への供給を停止して第一噴出部６からのみガスを噴出させて燃焼させたり、第一噴出部６への供給を停止して第二噴出部７からのみガスを噴出させて燃焼させたりするように、第一噴出部６と第二噴出部７を切り替えることによって、燃料電池システムの運転状況に応じて、燃料ガスと改質ガスの燃焼の切り替えを容易に行なうことができるものである。
【００２９】
ここで、水素製造装置２の改質反応部３は一般に円筒形状に形成されることが多く、改質反応部３を加熱する加熱器４も図１に示すように全体として円筒形状に形成してある。そして改質反応部３の内壁を加熱する場合には図２（ａ）に示すように、改質反応部３の下端の内側に加熱器４の燃焼筒３４を配置し、改質反応部３の外壁を加熱する場合には図２（ｂ）に示すように、改質反応部３の下端の外側に加熱器４の燃焼筒３４を配置するものである。加熱器４と改質反応部３の位置関係は、図２のように加熱器４を改質反応部３の下側に配置するようにしても、加熱器４を改質反応部３の上側に配置するようにしても、任意である。
【００３０】
また、水素製造装置２の改質反応部３が矩形筒状に形成される場合には、改質反応部３を加熱する加熱器４も図３に示すように全体として矩形筒状に形成することができる。図３の実施の形態では、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２はそれぞれ直線状に形成してある。そして上下が開口する矩形筒状の燃焼筒３４の送風路３５内に、各ガス噴出口９，１０が相対向するようにガス排出管１１，１２を平行に配置してある。
【００３１】
図４は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１に設けるガス噴出口９と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２に設けるガス噴出口１０を相互に近付けた位置で形成するようにしてある。
その他の構成は図１のものと同じである。そしてこのものにおいて、ガス噴出管１１のガス噴出口９から噴出される燃料ガスはロ矢印のようにガス噴出管１２の側へ傾いた方向に噴出されると共に、ガス噴出管１２のガス噴出口１０から噴出される改質ガスなどのガスはハ矢印のようにガス噴出管１１の側へ傾いた方向に噴出されるものであり、それぞれのガスは相互に交差する方向に噴出される。
【００３２】
このように第一噴出部６と第二噴出部７から噴出されるガスを交差させることによって、この交差によって各ガスを混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、特に空気の流れ方向（イ矢印）に対してガスの噴出方向（ロ、ハ矢印）が交差して空気とガスの混合拡散が促進されるものであり、より安定した燃焼が可能となるものである。また、ガス噴出管１１のガス噴出口９とガス噴出管１２のガス噴出口１０は相対応する位置に設けてあるので、各ガス噴出口９，１０から噴出されるガスは衝突し、図５に示すように一つの炎２９となって、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００３３】
ここで、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの交差角度θを適切な角度に設定することによって、より安定した燃焼が可能となる。すなわち、ガスの交差角度θが小さ過ぎると、図６（ａ）に示すように炎２９は二つになり、炎２９を一つにすることができない。しかもこの場合、第一噴出部６からの炎２９と第二噴出部７からの炎２９は送風路３５の壁面に近いために、送風路３５の壁面がこれらの炎２９であぶられて高温になる可能性があり、この点でも燃焼が不安定になるおそれがある。送風路３５が高温になることを防止するためには、送風路３５の幅を大きくする必要があるが、この場合には加熱器４を小型にすることが困難になる。またガスの交差角度θが大き過ぎると、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスは相互に突き抜けるようにクロスし、図６（ｃ）に示すように炎２９が突き抜けて二つになり、この場合も炎２９を一つにすることができない。しかもこの場合、第一噴出部６からの炎２９の先端と第二噴出部７からの炎２９の先端は送風路３５の壁面に近くなるために、送風路３５の壁面がこれらの炎２９であぶられて高温になる可能性があり、同様にこの点でも燃焼が不安定になるおそれがあり、小型化も難しくなる。これらに対して、ガスの交差角度θが適切であると、図６（ｂ）に示すように、炎２９は一つにまとまった安定した状態になり、また炎２９は送風路３５の幅方向の中央部に位置することになるので、送風路３５の壁面が炎２９であぶられて高温になることもないものである。
【００３４】
ここで、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの交差角度θと燃焼安定性との関係を測定する実験について説明する。実験の装置は図４に示す仕様と同じものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１は断面が外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍの丸管を曲げて外径が略φ７５ｍｍの略ドーナツ状に作製し、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２は断面が外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍの丸管を曲げて外径が略φ６５ｍｍの略ドーナツ状に作製してある。ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０の孔径はφ０．８ｍｍであり、一定間隔で１０個ずつ設けてある。また燃焼筒３４の外筒３４ａはφ８０ｍｍ、内筒３４ｂはφ５０ｍｍであり、燃焼筒３４の送風路３５には空気ポンプで空気が一定流量送られるようにしてある。さらにガス噴出管１１，１２にはそれぞれプロパンガスを一定流量で送って、各ガス噴出口９，１０から一定量が噴出されるようにしてある。
【００３５】
そして実験は、ガス噴出の交差角度θを０°、４５°、９０°、１３５°の４水準に設定して行ない、各々の水準において空気比を１．５〜３．５まで変化させて燃焼させた。その結果を図７のグラフに示す。図７において縦軸は排出される排気ガスをガス分析器で分析して得られた一酸化炭素と二酸化炭素の比率（一酸化炭素／二酸化炭素）を示すものであり、この数値が低い程、燃焼が安定していると判断することができる。図７のグラフから明らかなように、ガス噴出の交差角度θが４５°と９０°の場合に一酸化炭素と二酸化炭素の比率が低く、燃焼が安定しており、また炎２９は図６（ｂ）のように一つにまとまった形態になっていた。従ってこの結果から、ガス噴出の交差角度θは４０°〜１２０°程度の範囲が適しているといえる。
【００３６】
図８は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、第二噴出部７の両側にそれぞれ第一噴出部６を配置して設けるようにしてある。また中央に配置される第二噴出部７を形成するガス噴出管１２のガス噴出口１０は中央位置に、その両側に配置される第一噴出部６を形成するガス噴出管１１のガス噴出口９は、それぞれガス噴出管１２の側に偏った位置に設けてある。従って、第二噴出部７から噴出される改質ガス（あるいは燃料ガス）の噴出方向（ハ矢印）と、その両側の第一噴出部６から噴出される燃料ガスの噴出方向（ロ矢印）は交差し、炎２９が一つにまとまった状態で燃焼させることができるものである。他の構成は図４のものと同じである。
【００３７】
このものでは、主として改質ガスを噴出させる第二噴出部７が一本であるのに対して、燃料ガスを噴出させる第一噴出部６が二本であり、燃料ガスの噴出量を多くすることができる。従って、燃料電池を起動する準備段階で、水素製造装置２の改質反応部３を短時間で昇温させる必要のある場合など、大量の燃焼ガスを二本の第一噴出部６に供給して燃焼熱量をアップした状態で燃焼させることが可能になり、燃料電池の起動時間を短縮することができるものである。図８の実施の形態では第二噴出部７の両側にそれぞれ第一噴出部６を配置して設けるようにしたが、第一噴出部６の両側にそれぞれ第二噴出部７を配置して設けるようにしてもよい。また本数は図８のように合計３本に限られるものではなく、４本以上になるようにしてもよい。
【００３８】
図９は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、燃焼筒３４の送風路３５に第一噴出部６や第二噴出部７を配置した箇所より空気の流れの上流側において整流手段１３が設けてある。図９の整流手段１３は格子や網、粒状体などで形成される空気抵抗部材３７で形成してあり、送風路３５内をこの空気抵抗部材３７で塞ぐようにしてある。また送風路３５の下端の開口３５ａには空気供給路３８が接続してある。その他の構成は図８のものと同じである。そして、空気供給路３８から送風された空気は空気抵抗部材１４を通過して送風路３５内を流れるが、空気抵抗部材１４を通過する際の流路抵抗で空気の流れは送風路３５の全周において均一になり、空気の流れの分布が均一化される。従って、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れ、第一噴出部６や第二噴出部７から噴出されるガスと均一な空気比で混合されるものであり、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なうことができ、水素製造装置２の改質反応部３を均一に加熱することができるものである。
【００３９】
図１０の実施の形態では、整流手段１３は環状に屈曲した空気供給管３９で形成してあり、空気供給管３９には等間隔の複数箇所に空気噴出口４０が設けてある。また送風路３５の上端は開口３５ｂとなっているが、下端は閉塞壁４１で閉塞してある。空気供給管３９は空気噴出口４０を閉塞壁４１の側へ向けた状態で、送風路３５の下端部内に配置してある。その他の構成は図８のものと同じである。そして、空気供給管３９の空気噴出口４０から空気は閉塞壁４１に向けて噴出されるが、この空気は閉塞壁４１にぶつかって第一噴出部６や第二噴出部７を配置した方向へ向きを変えて流れる。このように空気が閉塞壁４１にぶつかって向きを変える際の流路抵抗で空気の流れは送風路３５の全周において均一になり、空気の流れの分布が均一化される。従って、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れ、第一噴出部６や第二噴出部７から噴出されるガスと均一な空気比で混合されるものであり、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なうことができ、水素製造装置２の改質反応部３を均一に加熱することができるものである。
【００４０】
第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なわせるためには、上記のように第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れるようにする他に、第一噴出部６や第二噴出部７を構成するガス噴出管１１，１２に設けた複数の各ガス噴出口９，１０から燃料ガスや改質ガスが均一に噴出されるようにする必要がある。このためには、ガス（燃料ガスや改質ガス）がガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失と、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失との比率、すなわち、ガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失をΔＰｎ、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失をΔＰｂとすると、ΔＰｎ／ΔＰｂを大きくする必要がある。
【００４１】
ここで、この圧力損失の比率に関する実験について説明する。実験の装置は図３に示す仕様と同じものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２はそれぞれ、２００ｍｍの長さの丸管で直線状に作製してある。燃焼筒３４の送風路３５には空気ポンプで空気が一定量送られるようにしてある。またガス噴出管１１，１２にはそれぞれプロパンガスを一定流量送って、各ガス噴出口９，１０から９０°の交差角度で噴出されるようにしてあり、このガス噴出管１１，１２より空気の流れの上流側には図９のような整流手段１３が設けてある。
【００４２】
圧力損失の比率は、厳密にいえば複数ある各ガス噴出口９，１０において異なり、測定が困難である。そこで、各単位領域当りの理論的な式により導かれる圧力損失比を求めた。この理論式では、各ガス噴出口９，１０のガス噴出流速、ガス噴出管１１，１２内のガス流速は同一であり、ガスの流れは層流であると仮定している。
【００４３】
すなわち、図１１においてＶｂ：ガス噴出管内流速、Ｖｎ：ガス噴出口噴出速度、Ｌｐ：ガス噴出口ピッチ長さ、δ：ガス噴出管厚み、Ｄ：ガス噴出管内径、ｄ：ガス噴出口内径であり、Ｎ：ガス噴出口個数、Ｇ：ガス流量、Ｒｅ：レイノルズ数、ρ：ガス密度、ν：ガス動粘性係数である。そして、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失ΔＰｂ（単位領域当り）は「数１」の式から求められる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
またガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失ΔＰｎ（単位領域当り）は「数２」の式から求められる。
【００４６】
【数２】
【００４７】
そして「数１」及び「数２」から、圧力損失比ΔＰｎ／ΔＰｂは「数３」の式から求められる。
【００４８】
【数３】
【００４９】
実験は、上記の理論式で導かれる圧力損失比０．３、３．９、１９．８の３水準が得られるように、ガス噴出管１１，１２とガス噴出口９，１０の寸法を設定した。すなわち、ガス噴出管１１，１２の外径φ６ｍｍ、内径φ４ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ１．５ｍｍ、個数２０、ピッチ長さ１０ｍｍに設定することによって、圧力損失比０．３を得た。またガス噴出管１１，１２の外径φ６ｍｍ、内径φ４ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ０．８ｍｍ、個数１０、ピッチ長さ１６ｍｍに設定することによって、圧力損失比３．９を得た。さらにガス噴出管１１，１２の外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ０．８ｍｍ、個数１０、ピッチ長さ１６ｍｍに設定することによって、圧力損失比１９．８を得た。そして各水準において空気比を１．５〜３．５まで変化させて燃焼させた。その結果を図１２のグラフに示す。図１２において縦軸は排出される排気ガスをガス分析器で分析して得られた一酸化炭素と二酸化炭素の比率（一酸化炭素／二酸化炭素）を示すものであり、この数値が低い程、燃焼が安定していると判断することができる。図１２のグラフから明らかなように、圧力損失比が大きい程、一酸化炭素と二酸化炭素の比率が低く、燃焼が安定しているといえる。燃焼の際の炎２９の形態は、圧力損失比が小さい程、図１３（ａ）のように不均一になり、圧力損失が大きい程、図１３（ｂ）のように均一になる。従ってこの結果から、ガスがガス噴出管内１１，１２を通過する際の圧力損失に対する、ガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失の比が、１０以上になるように、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ形成することが好ましいことが確認される。この圧力損失比の上限は特に設定されるものではないが、実用上は５０程度が上限値である。
【００５０】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係る燃料電池システムの水素製造装置用加熱器は、燃料ガスを改質反応させて燃料電池に供給する改質ガスを製造する水素製造装置の改質反応部を加熱する加熱器であって、空気を一方向に流す送風手段と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部と、この空気中に燃料電池で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部と、第一噴出部及び第二噴出部から噴出されるガスに着火する着火部とを備えるので、燃焼に必要な空気は総て第一噴出部及び第二噴出部から噴出される燃料ガスや改質ガスの周辺から拡散によって得られるものであり、これらのガスに対して空気比が高い場合でも燃焼を維持することが可能になって、良好な燃焼の範囲が広くなるものであり、また第一噴出部内や第二噴出部内に燃焼の炎が戻る逆火が発生することがなく、安全に燃焼制御することが容易になるものである。また、第一噴出部と第二噴出部のうち一方からガスを噴出させたり、両方からガスを噴出させたりするように切り替えを行なうことによって、燃焼させる燃料ガスと改質ガスの切り替えを容易に行なうことができるものである。
【００５１】
また請求項２の発明は、請求項１において、送風手段の空気の流れ方向と、第一噴出部及び第二噴出部から噴出されるガスの噴出方向とが略同一方向であるので、第一噴出部及び第二噴出部からガスをスムーズに噴出させることができ、安定した燃焼を行なわせることができるものである。
【００５２】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差するように、第一噴出部及び第二噴出部のガス噴出方向を設定するようにしたので、噴射されるガスを交差させることによって混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、より安定した燃焼が可能となるものである。
【００５３】
また請求項４の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差すると共に噴射されたガスが衝突するように、第一噴出部及び第二噴出部のガス噴出方向を設定するようにしたので、噴射されるガスを混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、しかも炎が一つにまとまって燃焼し、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００５４】
また請求項５の発明は、請求項３又は４において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差する角度を４０〜１２０°の範囲に設定するようにしたので、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００５５】
また請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、第一噴出部の両側に第二噴出部を、あるいは第二噴出部の両側に第一噴出部を備えたので、第一噴出部と第二噴出部の本数の多い方から大流量で燃焼ガスあるいは改質ガスを噴出させて燃焼させることができるものであり、必要に応じた状態で効率のよい加熱を行なうことができるものである。
【００５６】
また請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、送風手段での空気の流れの分布を均一化する整流手段を第一噴出部及び第二噴出部より空気の流れの上流側に備えたので、第一噴出部や第二噴出部に均一な分布で空気を供給して、第一噴出部や第二噴出部の全長で均一な燃焼を行なわせることができ、水素製造装置の改質反応部を均一に加熱することができるものである。
【００５７】
また請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、第一噴出部及び第二噴出部をそれぞれ、複数のガス噴出口を設けたガス噴出管によって形成し、ガスがガス噴出管内を通過する際の圧力損失に対するガスがガス噴出口を通過する際の圧力損失の比が１０以上になるように、第一噴出部及び第二噴出部をそれぞれ形成したので、第一噴出部や第二噴出部を構成するガス噴出管に設けた複数の各ガス噴出口から燃料ガスや改質ガスを均一に噴出されるようにすることができ、第一噴出部や第二噴出部の全長で均一に燃焼を行なって、水素製造装置の改質反応部を均一に加熱することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】同上の実施の形態を示すものであり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】同上の実施の形態の一部の拡大断面図である。
【図６】同上の実施の形態の一部を示すものであり、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ拡大断面図である。
【図７】ガス噴出角度と燃焼安定性の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１１】圧力損失比を求める理論式を説明するための断面図である。
【図１２】圧力損失比と燃焼安定性の関係を示すグラフである
【図１３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ炎の態様を示す図である。
【図１４】燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図１５】従来例を示す概略図である。
【図１６】従来例を示す概略図である。
【図１７】従来例を示す概略図である。
【図１８】従来例を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 水素製造装置
３ 改質反応部
４ 加熱器
５ 送風手段
６ 第一噴出部
７ 第二噴出部
８ 着火部
９ ガス噴出口
１０ ガス噴出口
１１ ガス噴出管
１２ ガス噴出管
１３ 整流手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスを水素に富んだ改質ガスに改質して燃料電池に供給するようにした燃料電池システムの水素製造装置において、水素製造装置の改質反応部を加熱するために用いられる加熱器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料ガスとしては、ボンベに貯蔵された水素や、水素吸蔵合金に蓄えられた水素などが用いられることが多い。しかし、水素はその取り扱い性が困難である等の理由から、取り扱いが容易なメタン、プロパン、ブタン等の炭化水素ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスを水素製造装置の改質反応部で改質反応させて水素に富んだ改質ガスを製造し、この改質ガスを燃料電池に供給して発電する方法が広く用いられている。
【０００３】
改質反応の式をメタンの例で示すと次のようになる。
【０００４】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ＋３Ｈ２
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ２＋Ｈ２
この改質反応は水蒸気改質反応と呼ばれる代表的な改質方法である。そして水蒸気改質反応は吸熱反応であり、また反応のためにある程度の高温が必要であるために、通常は水素製造装置内に改質反応部を加熱するための加熱器を備えている。
【０００５】
図１４は燃料電池システムの概略構成の一例を示すものであり、水素製造装置２には改質反応部３と加熱器４が備えられている。そして水素製造装置２に供給される燃料ガスは改質反応部３で改質反応を受け、水素に富んだ改質ガスが生成される。この改質ガスを燃料電池１に供給して、改質ガス中の水素と空気中の酸素を燃料電池１内で電気化学的に反応させることによって、発電を行なうことができるものである。一方、加熱器４には上記の燃料ガスや、燃料電池１で発電に使用されなかった改質ガスが供給されるようになっており、これらを空気と混合して燃焼させることによって、加熱器４で改質反応部３を加熱するようにしてある。
【０００６】
ここで、上記のような加熱器４としては、従来から種々のタイプのものが提供されている。例えば図１５に示すような、燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）と空気を個別に混合室２０に供給し、燃焼前に十分に混合した後、この混合ガスをバーナー部２１で燃焼させるようにした予混合燃焼方式や、図１６に示すような、燃焼前の燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）をバーナー部２１に供給する際に、流路を流れる際の運動エネルギーで空気を流路の途中の吸い込み口２２から吸い込んで、燃料ガスと空気を混合室２０で混合させた後に、バーナー部２１で燃焼させる準予混合燃焼方式がある（特許文献１参照）。図１５及び図１６において２９は炎である。
【０００７】
また、図１７に示すような、燃焼反応を促進させる燃焼触媒２３を用いて、燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）と空気の混合ガスを燃焼させるようにした触媒燃焼方式もある（特許文献２参照）。
【０００８】
さらに、空気と発電に使用されなかった改質ガスを拡散燃焼させる方式のものもある。図１８はその一例を示すものであり、燃焼を行うための燃焼室２４と、この燃焼室２４に燃焼用空気を供給するための送風機２５と、先端に燃料吐出孔２６を有する排ガス供給管路２７と、前記燃料吐出孔２６の上方に付設され、燃料吐出孔２６より噴出される未反応改質ガスを着火させるための着火部８とでバーナー部２８を構成し、このバーナー部２８にて燃料電池から排出される未反応の改質ガスを拡散燃焼させるようにしてある（特許文献３参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−１９２８号公報
【特許文献２】
特開昭５９−２２１５０９号公報
【特許文献３】
特開平１０−１６２８４９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式の加熱器では、燃焼制御パラメータとなる、空気と燃料ガスとの混合比率である空気比の範囲が非常に狭く、良好に燃焼させることができる範囲が非常に狭いという問題がある。また空気と燃料ガスとの混合ガスの噴出速度と燃焼速度とのバランスが崩れて、混合ガスの噴出速度よりも燃焼速度が速くなると、燃焼の炎が混合室内に戻って逆火の現象が生じるという安全性の上でも問題がある。特に燃料電池システムの場合、発電に利用されなかった改質ガスを加熱器に戻して燃焼に利用することが行なわれるが、水素に富んだ改質ガスは燃焼速度が非常に速いガスであり、逆火がより発生し易く、さらに混合室内で燃焼共鳴音が発生する可能性が高いという問題がある。このように予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式の加熱器は、総じて、良好な燃焼の範囲が狭く、かつ安全に燃焼制御することが難しいという問題を有するものである。
【００１１】
また上記の燃焼触媒方式の加熱器では、良好な触媒反応を行なうためには、燃料ガスや空気の流量の制御が不可欠であり、その制御を誤れば加熱源として熱量を上げることができず、触媒燃焼に使用されない状態の未燃焼ガスとして排気されるおそれがあり、逆火も発生する可能性がある。従って燃焼触媒方式でも、予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式と同様に、良好な燃焼の範囲が狭く、かつ安全に燃焼制御することが難しいという問題を有するものである。
【００１２】
さらに図１８の拡散燃焼方式の加熱器では、未反応の改質ガスと、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の燃料ガスとを切り替えて燃焼させることが困難であり、また燃焼制御が困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、良好な燃焼の範囲が広く、また安全に燃焼制御することが容易であり、しかも燃料ガスと発電に使用されなかった改質ガスとの切り替えを容易に行なうことができる燃料電池システムの水素製造装置用加熱器を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムの水素製造装置用加熱器は、燃料ガスを改質反応させて燃料電池１に供給する改質ガスを製造する水素製造装置２の改質反応部３を加熱する加熱器４であって、空気を一方向に流す送風手段５と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部６と、この空気中に燃料電池１で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部７と、第一噴出部６及び第二噴出部７から噴出されるガスに着火する着火部８とを備えて成ることを特徴とするものである。
【００１５】
また請求項２の発明は、請求項１において、送風手段５の空気の流れ方向と、第一噴出部６及び第二噴出部７から噴出されるガスの噴出方向とが略同一方向であることを特徴とするものである。
【００１６】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差するように、第一噴出部６及び第二噴出部７のガス噴出方向を設定することを特徴とするものである。
【００１７】
また請求項４の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差すると共に噴射されたガスが衝突するように、第一噴出部６及び第二噴出部７のガス噴出方向を設定することを特徴とするものである。
【００１８】
また請求項５の発明は、請求項３又は４において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差する角度を４０〜１２０°の範囲に設定することを特徴とするものである。
【００１９】
また請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、第一噴出部６の両側に第二噴出部７を、あるいは第二噴出部７の両側に第一噴出部６を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
また請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、送風手段５での空気の流れの分布を均一化する整流手段１３を第一噴出部６及び第二噴出部７より空気の流れの上流側に備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
また請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ、複数のガス噴出口９，１０を設けたガス噴出管１１，１２によって形成し、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の圧力損失に対するガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失の比が１０以上になるように、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ形成して成ることを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、第一噴出部６はガス噴出口９を複数箇所に設けたガス噴出管１１によって、第二噴出部７はガス噴出口１０を複数箇所に設けたガス噴出管１２によって、それぞれ形成してある。ガス噴出管１１，１２はそれぞれ両端を閉塞すると共に、一端にガス供給パイプ３２，３３が接続してある。ガス噴出管１１，１２は円管で形成してあるが、断面形状は円形の他に、楕円形や、矩形などの多角形であってもよい。また図１の実施の形態では、ガス噴出管１１とガス噴出管１２はそれぞれ端部同士が近接するように略ドーナツ状の環状に屈曲してあり、ガス噴出管１２の屈曲の径をガス噴出管１１よりも小さく形成して、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１の内側に、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２を同心円状に配置するようにしてある。
【００２４】
またガス噴出管１１とガス噴出管１２のガス噴出口９，１０は同じ方向に開口するように形成されているものであり、ガス噴出管１１のガス噴出口９とガス噴出管１２のガス噴出口１０はそれぞれ相対応する位置で、ガス噴出管１１，１２の長手方向に沿って一定間隔で配置して設けてある。図の実施の形態ではガス噴出口９，１０は丸孔として形成してあるが、楕円孔や、矩形孔その他の多角形孔など形状は任意である。ガス噴出口９，１０の大きさや数は、噴出されるガスの流量に応じて適宜決定されるものである。
【００２５】
図１において３４は外筒３４ａと内筒３４ｂから二重円筒状に形成された燃焼筒であり、外筒３４ａと内筒３４ｂの間に上下に開口する環状の送風路３５が形成してある。送風路３５の一方の開口３５ａには送風機（図示省略）が配置してあり、送風路３５内に一方の開口３５ａから他方の開口３５ｂへと空気を一方向に流すようにしてある。この送風路３５や送風機によって送風手段５が形成されるものである。上記のガス噴出管１１とガス噴出管１２は外筒３４ａと内筒３４ｂに対して同心円状になるように、送風路３５内に配置してあり、このガス噴出管１１とガス噴出管１２のガス噴出口９，１０は、空気の流れ方向と同一の方向を向くように、送風路３５の開口３５ｂの側へ向けて開口するように形成されているものである。また、燃焼筒３４にはスパーカーなどで形成される着火部８が、ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０に近接した位置において設けてある。
【００２６】
上記のように形成される加熱器４は既述の図１４に示すように燃料電池システムの水素製造装置２に組込んで使用されるものである。そしてこの加熱器４において、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１にはガス供給パイプ３２によって、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなど炭化水素系の燃料ガスが供給されるようにしてあり、また第二噴出部７を形成するガス噴出管１２には発電に利用されなかった水素に富んだ改質ガス及び燃料ガスがガス供給パイプ３３によって供給されるようにしてある。ここで、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２には主として発電に利用されなかった改質ガスが供給されるが、供給される改質ガスの量が少ないときにはそれを補うように燃料ガスも同時に供給されるようにしてあり、燃料電池システムの運転開始時など供給できる改質ガスがないときには燃料ガスのみが供給されるようにしてある。また燃料ガスや改質ガスには空気を混合しない状態でガス噴出管１１，１２に供給されるものである。
【００２７】
そして、送風路３５内の空気はガス噴出管１１，１２の周囲を超えて一方向に流れ（送風路３５内の空気の流れ方向をイ矢印、燃料ガスの噴出方向をロ矢印、改質ガスの噴出方向をハ矢印で示す）、ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０から噴出されたガスはガス噴出管１１，１２の周囲から送られてくるこの空気と混合され、着火部８で着火されることによって、燃焼するものである。燃焼によって生じる炎２９や燃焼ガスは、送風路３５の開口３５ｂから出るようになっている。
【００２８】
この燃焼形態では、燃焼に必要な空気は総て、第一噴出部６及び第二噴出部７を形成するガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの周辺から拡散によって得られるものであって、第一噴出部６や第二噴出部７の外部で燃焼しており、第一噴出部６内や第二噴出部７内には空気は存在しないために、第一噴出部６内や第二噴出部７内に燃焼の炎が戻る逆火が発生することはない。従って、安全に燃焼制御することが容易になるものである。また、このように燃料ガスや改質ガスは第一噴出部６や第二噴出部７の外部で燃焼しているので、これらのガスに対して空気の流量が多く空気比が高い場合でも、燃焼を維持することが可能になり、良好な燃焼の範囲が広くなるものである。また送風路３５が十分に断熱されていれば十分な火炎温度を得ることができるものである。さらに、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１に燃料ガスを、第二噴出部７を形成するガス噴出部１２に発電に使用されなかった改質ガスをそれぞれ供給して燃焼を行なわせるにあたって、第一噴出部６と第二噴出部７の両方からガスを噴出させて燃焼させたり、第二噴出部７への供給を停止して第一噴出部６からのみガスを噴出させて燃焼させたり、第一噴出部６への供給を停止して第二噴出部７からのみガスを噴出させて燃焼させたりするように、第一噴出部６と第二噴出部７を切り替えることによって、燃料電池システムの運転状況に応じて、燃料ガスと改質ガスの燃焼の切り替えを容易に行なうことができるものである。
【００２９】
ここで、水素製造装置２の改質反応部３は一般に円筒形状に形成されることが多く、改質反応部３を加熱する加熱器４も図１に示すように全体として円筒形状に形成してある。そして改質反応部３の内壁を加熱する場合には図２（ａ）に示すように、改質反応部３の下端の内側に加熱器４の燃焼筒３４を配置し、改質反応部３の外壁を加熱する場合には図２（ｂ）に示すように、改質反応部３の下端の外側に加熱器４の燃焼筒３４を配置するものである。加熱器４と改質反応部３の位置関係は、図２のように加熱器４を改質反応部３の下側に配置するようにしても、加熱器４を改質反応部３の上側に配置するようにしても、任意である。
【００３０】
また、水素製造装置２の改質反応部３が矩形筒状に形成される場合には、改質反応部３を加熱する加熱器４も図３に示すように全体として矩形筒状に形成することができる。図３の実施の形態では、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２はそれぞれ直線状に形成してある。そして上下が開口する矩形筒状の燃焼筒３４の送風路３５内に、各ガス噴出口９，１０が相対向するようにガス排出管１１，１２を平行に配置してある。
【００３１】
図４は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１に設けるガス噴出口９と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２に設けるガス噴出口１０を相互に近付けた位置で形成するようにしてある。
その他の構成は図１のものと同じである。そしてこのものにおいて、ガス噴出管１１のガス噴出口９から噴出される燃料ガスはロ矢印のようにガス噴出管１２の側へ傾いた方向に噴出されると共に、ガス噴出管１２のガス噴出口１０から噴出される改質ガスなどのガスはハ矢印のようにガス噴出管１１の側へ傾いた方向に噴出されるものであり、それぞれのガスは相互に交差する方向に噴出される。
【００３２】
このように第一噴出部６と第二噴出部７から噴出されるガスを交差させることによって、この交差によって各ガスを混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、特に空気の流れ方向（イ矢印）に対してガスの噴出方向（ロ、ハ矢印）が交差して空気とガスの混合拡散が促進されるものであり、より安定した燃焼が可能となるものである。また、ガス噴出管１１のガス噴出口９とガス噴出管１２のガス噴出口１０は相対応する位置に設けてあるので、各ガス噴出口９，１０から噴出されるガスは衝突し、図５に示すように一つの炎２９となって、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００３３】
ここで、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの交差角度θを適切な角度に設定することによって、より安定した燃焼が可能となる。すなわち、ガスの交差角度θが小さ過ぎると、図６（ａ）に示すように炎２９は二つになり、炎２９を一つにすることができない。しかもこの場合、第一噴出部６からの炎２９と第二噴出部７からの炎２９は送風路３５の壁面に近いために、送風路３５の壁面がこれらの炎２９であぶられて高温になる可能性があり、この点でも燃焼が不安定になるおそれがある。送風路３５が高温になることを防止するためには、送風路３５の幅を大きくする必要があるが、この場合には加熱器４を小型にすることが困難になる。またガスの交差角度θが大き過ぎると、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスは相互に突き抜けるようにクロスし、図６（ｃ）に示すように炎２９が突き抜けて二つになり、この場合も炎２９を一つにすることができない。しかもこの場合、第一噴出部６からの炎２９の先端と第二噴出部７からの炎２９の先端は送風路３５の壁面に近くなるために、送風路３５の壁面がこれらの炎２９であぶられて高温になる可能性があり、同様にこの点でも燃焼が不安定になるおそれがあり、小型化も難しくなる。これらに対して、ガスの交差角度θが適切であると、図６（ｂ）に示すように、炎２９は一つにまとまった安定した状態になり、また炎２９は送風路３５の幅方向の中央部に位置することになるので、送風路３５の壁面が炎２９であぶられて高温になることもないものである。
【００３４】
ここで、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの交差角度θと燃焼安定性との関係を測定する実験について説明する。実験の装置は図４に示す仕様と同じものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１は断面が外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍの丸管を曲げて外径が略φ７５ｍｍの略ドーナツ状に作製し、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２は断面が外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍの丸管を曲げて外径が略φ６５ｍｍの略ドーナツ状に作製してある。ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０の孔径はφ０．８ｍｍであり、一定間隔で１０個ずつ設けてある。また燃焼筒３４の外筒３４ａはφ８０ｍｍ、内筒３４ｂはφ５０ｍｍであり、燃焼筒３４の送風路３５には空気ポンプで空気が一定流量送られるようにしてある。さらにガス噴出管１１，１２にはそれぞれプロパンガスを一定流量で送って、各ガス噴出口９，１０から一定量が噴出されるようにしてある。
【００３５】
そして実験は、ガス噴出の交差角度θを０°、４５°、９０°、１３５°の４水準に設定して行ない、各々の水準において空気比を１．５〜３．５まで変化させて燃焼させた。その結果を図７のグラフに示す。図７において縦軸は排出される排気ガスをガス分析器で分析して得られた一酸化炭素と二酸化炭素の比率（一酸化炭素／二酸化炭素）を示すものであり、この数値が低い程、燃焼が安定していると判断することができる。図７のグラフから明らかなように、ガス噴出の交差角度θが４５°と９０°の場合に一酸化炭素と二酸化炭素の比率が低く、燃焼が安定しており、また炎２９は図６（ｂ）のように一つにまとまった形態になっていた。従ってこの結果から、ガス噴出の交差角度θは４０°〜１２０°程度の範囲が適しているといえる。
【００３６】
図８は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、第二噴出部７の両側にそれぞれ第一噴出部６を配置して設けるようにしてある。また中央に配置される第二噴出部７を形成するガス噴出管１２のガス噴出口１０は中央位置に、その両側に配置される第一噴出部６を形成するガス噴出管１１のガス噴出口９は、それぞれガス噴出管１２の側に偏った位置に設けてある。従って、第二噴出部７から噴出される改質ガス（あるいは燃料ガス）の噴出方向（ハ矢印）と、その両側の第一噴出部６から噴出される燃料ガスの噴出方向（ロ矢印）は交差し、炎２９が一つにまとまった状態で燃焼させることができるものである。他の構成は図４のものと同じである。
【００３７】
このものでは、主として改質ガスを噴出させる第二噴出部７が一本であるのに対して、燃料ガスを噴出させる第一噴出部６が二本であり、燃料ガスの噴出量を多くすることができる。従って、燃料電池を起動する準備段階で、水素製造装置２の改質反応部３を短時間で昇温させる必要のある場合など、大量の燃焼ガスを二本の第一噴出部６に供給して燃焼熱量をアップした状態で燃焼させることが可能になり、燃料電池の起動時間を短縮することができるものである。図８の実施の形態では第二噴出部７の両側にそれぞれ第一噴出部６を配置して設けるようにしたが、第一噴出部６の両側にそれぞれ第二噴出部７を配置して設けるようにしてもよい。また本数は図８のように合計３本に限られるものではなく、４本以上になるようにしてもよい。
【００３８】
図９は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、燃焼筒３４の送風路３５に第一噴出部６や第二噴出部７を配置した箇所より空気の流れの上流側において整流手段１３が設けてある。図９の整流手段１３は格子や網、粒状体などで形成される空気抵抗部材３７で形成してあり、送風路３５内をこの空気抵抗部材３７で塞ぐようにしてある。また送風路３５の下端の開口３５ａには空気供給路３８が接続してある。その他の構成は図８のものと同じである。そして、空気供給路３８から送風された空気は空気抵抗部材１４を通過して送風路３５内を流れるが、空気抵抗部材１４を通過する際の流路抵抗で空気の流れは送風路３５の全周において均一になり、空気の流れの分布が均一化される。従って、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れ、第一噴出部６や第二噴出部７から噴出されるガスと均一な空気比で混合されるものであり、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なうことができ、水素製造装置２の改質反応部３を均一に加熱することができるものである。
【００３９】
図１０の実施の形態では、整流手段１３は環状に屈曲した空気供給管３９で形成してあり、空気供給管３９には等間隔の複数箇所に空気噴出口４０が設けてある。また送風路３５の上端は開口３５ｂとなっているが、下端は閉塞壁４１で閉塞してある。空気供給管３９は空気噴出口４０を閉塞壁４１の側へ向けた状態で、送風路３５の下端部内に配置してある。その他の構成は図８のものと同じである。そして、空気供給管３９の空気噴出口４０から空気は閉塞壁４１に向けて噴出されるが、この空気は閉塞壁４１にぶつかって第一噴出部６や第二噴出部７を配置した方向へ向きを変えて流れる。このように空気が閉塞壁４１にぶつかって向きを変える際の流路抵抗で空気の流れは送風路３５の全周において均一になり、空気の流れの分布が均一化される。従って、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れ、第一噴出部６や第二噴出部７から噴出されるガスと均一な空気比で混合されるものであり、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なうことができ、水素製造装置２の改質反応部３を均一に加熱することができるものである。
【００４０】
第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なわせるためには、上記のように第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れるようにする他に、第一噴出部６や第二噴出部７を構成するガス噴出管１１，１２に設けた複数の各ガス噴出口９，１０から燃料ガスや改質ガスが均一に噴出されるようにする必要がある。このためには、ガス（燃料ガスや改質ガス）がガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失と、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失との比率、すなわち、ガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失をΔＰｎ、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失をΔＰｂとすると、ΔＰｎ／ΔＰｂを大きくする必要がある。
【００４１】
ここで、この圧力損失の比率に関する実験について説明する。実験の装置は図３に示す仕様と同じものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２はそれぞれ、２００ｍｍの長さの丸管で直線状に作製してある。燃焼筒３４の送風路３５には空気ポンプで空気が一定量送られるようにしてある。またガス噴出管１１，１２にはそれぞれプロパンガスを一定流量送って、各ガス噴出口９，１０から９０°の交差角度で噴出されるようにしてあり、このガス噴出管１１，１２より空気の流れの上流側には図９のような整流手段１３が設けてある。
【００４２】
圧力損失の比率は、厳密にいえば複数ある各ガス噴出口９，１０において異なり、測定が困難である。そこで、各単位領域当りの理論的な式により導かれる圧力損失比を求めた。この理論式では、各ガス噴出口９，１０のガス噴出流速、ガス噴出管１１，１２内のガス流速は同一であり、ガスの流れは層流であると仮定している。
【００４３】
すなわち、図１１においてＶｂ：ガス噴出管内流速、Ｖｎ：ガス噴出口噴出速度、Ｌｐ：ガス噴出口ピッチ長さ、δ：ガス噴出管厚み、Ｄ：ガス噴出管内径、ｄ：ガス噴出口内径であり、Ｎ：ガス噴出口個数、Ｇ：ガス流量、Ｒｅ：レイノルズ数、ρ：ガス密度、ν：ガス動粘性係数である。そして、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失ΔＰｂ（単位領域当り）は「数１」の式から求められる。
【００４４】
【数１】
またガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失ΔＰｎ（単位領域当り）は「数２」の式から求められる。
【００４６】
【数２】
そして「数１」及び「数２」から、圧力損失比ΔＰｎ／ΔＰｂは「数３」の式から求められる。
【００４８】
【数３】
実験は、上記の理論式で導かれる圧力損失比０．３、３．９、１９．８の３水準が得られるように、ガス噴出管１１，１２とガス噴出口９，１０の寸法を設定した。すなわち、ガス噴出管１１，１２の外径φ６ｍｍ、内径φ４ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ１．５ｍｍ、個数２０、ピッチ長さ１０ｍｍに設定することによって、圧力損失比０．３を得た。またガス噴出管１１，１２の外径φ６ｍｍ、内径φ４ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ０．８ｍｍ、個数１０、ピッチ長さ１６ｍｍに設定することによって、圧力損失比３．９を得た。さらにガス噴出管１１，１２の外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ０．８ｍｍ、個数１０、ピッチ長さ１６ｍｍに設定することによって、圧力損失比１９．８を得た。そして各水準において空気比を１．５〜３．５まで変化させて燃焼させた。その結果を図１２のグラフに示す。図１２において縦軸は排出される排気ガスをガス分析器で分析して得られた一酸化炭素と二酸化炭素の比率（一酸化炭素／二酸化炭素）を示すものであり、この数値が低い程、燃焼が安定していると判断することができる。図１２のグラフから明らかなように、圧力損失比が大きい程、一酸化炭素と二酸化炭素の比率が低く、燃焼が安定しているといえる。燃焼の際の炎２９の形態は、圧力損失比が小さい程、図１３（ａ）のように不均一になり、圧力損失が大きい程、図１３（ｂ）のように均一になる。従ってこの結果から、ガスがガス噴出管内１１，１２を通過する際の圧力損失に対する、ガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失の比が、１０以上になるように、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ形成することが好ましいことが確認される。この圧力損失比の上限は特に設定されるものではないが、実用上は５０程度が上限値である。
【００５０】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係る燃料電池システムの水素製造装置用加熱器は、燃料ガスを改質反応させて燃料電池に供給する改質ガスを製造する水素製造装置の改質反応部を加熱する加熱器であって、空気を一方向に流す送風手段と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部と、この空気中に燃料電池で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部と、第一噴出部及び第二噴出部から噴出されるガスに着火する着火部とを備えるので、燃焼に必要な空気は総て第一噴出部及び第二噴出部から噴出される燃料ガスや改質ガスの周辺から拡散によって得られるものであり、これらのガスに対して空気比が高い場合でも燃焼を維持することが可能になって、良好な燃焼の範囲が広くなるものであり、また第一噴出部内や第二噴出部内に燃焼の炎が戻る逆火が発生することがなく、安全に燃焼制御することが容易になるものである。また、第一噴出部と第二噴出部のうち一方からガスを噴出させたり、両方からガスを噴出させたりするように切り替えを行なうことによって、燃焼させる燃料ガスと改質ガスの切り替えを容易に行なうことができるものである。
【００５１】
また請求項２の発明は、請求項１において、送風手段の空気の流れ方向と、第一噴出部及び第二噴出部から噴出されるガスの噴出方向とが略同一方向であるので、第一噴出部及び第二噴出部からガスをスムーズに噴出させることができ、安定した燃焼を行なわせることができるものである。
【００５２】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差するように、第一噴出部及び第二噴出部のガス噴出方向を設定するようにしたので、噴射されるガスを交差させることによって混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、より安定した燃焼が可能となるものである。
【００５３】
また請求項４の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差すると共に噴射されたガスが衝突するように、第一噴出部及び第二噴出部のガス噴出方向を設定するようにしたので、噴射されるガスを混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、しかも炎が一つにまとまって燃焼し、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００５４】
また請求項５の発明は、請求項３又は４において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差する角度を４０〜１２０°の範囲に設定するようにしたので、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００５５】
また請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、第一噴出部の両側に第二噴出部を、あるいは第二噴出部の両側に第一噴出部を備えたので、第一噴出部と第二噴出部の本数の多い方から大流量で燃焼ガスあるいは改質ガスを噴出させて燃焼させることができるものであり、必要に応じた状態で効率のよい加熱を行なうことができるものである。
【００５６】
また請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、送風手段での空気の流れの分布を均一化する整流手段を第一噴出部及び第二噴出部より空気の流れの上流側に備えたので、第一噴出部や第二噴出部に均一な分布で空気を供給して、第一噴出部や第二噴出部の全長で均一な燃焼を行なわせることができ、水素製造装置の改質反応部を均一に加熱することができるものである。
【００５７】
また請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、第一噴出部及び第二噴出部をそれぞれ、複数のガス噴出口を設けたガス噴出管によって形成し、ガスがガス噴出管内を通過する際の圧力損失に対するガスがガス噴出口を通過する際の圧力損失の比が１０以上になるように、第一噴出部及び第二噴出部をそれぞれ形成したので、第一噴出部や第二噴出部を構成するガス噴出管に設けた複数の各ガス噴出口から燃料ガスや改質ガスを均一に噴出されるようにすることができ、第一噴出部や第二噴出部の全長で均一に燃焼を行なって、水素製造装置の改質反応部を均一に加熱することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】同上の実施の形態を示すものであり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】同上の実施の形態の一部の拡大断面図である。
【図６】同上の実施の形態の一部を示すものであり、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ拡大断面図である。
【図７】ガス噴出角度と燃焼安定性の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１１】圧力損失比を求める理論式を説明するための断面図である。
【図１２】圧力損失比と燃焼安定性の関係を示すグラフである
【図１３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ炎の態様を示す図である。
【図１４】燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図１５】従来例を示す概略図である。
【図１６】従来例を示す概略図である。
【図１７】従来例を示す概略図である。
【図１８】従来例を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 水素製造装置
３ 改質反応部
４ 加熱器
５ 送風手段
６ 第一噴出部
７ 第二噴出部
８ 着火部
９ ガス噴出口
１０ ガス噴出口
１１ ガス噴出管
１２ ガス噴出管
１３ 整流手段
Claims (8)
- 燃料ガスを改質反応させて燃料電池に供給する改質ガスを製造する水素製造装置の改質反応部を加熱する加熱器であって、空気を一方向に流す送風手段と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部と、この空気中に燃料電池で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部と、第一噴出部及び第二噴出部から噴出されるガスに着火する着火部とを備えて成ることを特徴とする燃料電池システムの水素製造装置用加熱器。
- 送風手段の空気の流れ方向と、第一噴出部及び第二噴出部から噴出されるガスの噴出方向とが略同一方向であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水素製造装置用加熱器。
- 第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差するように、第一噴出部及び第二噴出部のガス噴出方向を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの水素製造装置用加熱器。
- 第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差すると共に噴射されたガスが衝突するように、第一噴出部及び第二噴出部のガス噴出方向を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの水素製造装置用加熱器。
- 第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差する角度を４０〜１２０°の範囲に設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システムの水素製造装置用加熱器。
- 第一噴出部の両側に第二噴出部を、あるいは第二噴出部の両側に第一噴出部を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システムの水素製造装置用加熱器。
- 送風手段での空気の流れの分布を均一化する整流手段を第一噴出部及び第二噴出部より空気の流れの上流側に備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システムの水素製造装置用加熱器。
- 第一噴出部及び第二噴出部をそれぞれ、複数のガス噴出口を設けたガス噴出管によって形成し、ガスがガス噴出管内を通過する際の圧力損失に対するガスがガス噴出口を通過する際の圧力損失の比が１０以上になるように、第一噴出部及び第二噴出部をそれぞれ形成して成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システムの水素製造装置用加熱器。
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