JP2005056636A - Burner for fuel reformer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用に水素を他燃料から改質し作成する改質器の、燃料を加熱するための燃焼器に関する。 The present invention relates to a combustor for heating a fuel of a reformer for reforming and preparing hydrogen from another fuel for a fuel cell.
特開2002−280042号公報は、燃料、燃焼用エア、燃料電池のアノードオフガスを混合、燃焼させる燃料改質器用燃焼器を開示している。
しかし、供給流体に旋回を付与することなく供給しているので、供給流体同士の混合が悪く、燃焼性が悪い。また、供給流体同士を十分に混合させるためには、供給流体供給口の下流側に燃焼器軸方向に十分な距離をとらねばならず、燃焼器のサイズが軸方向に大きくなる、コストアップを招く、車両への搭載性が悪くなるという問題があった。
However, since the supply fluid is supplied without swirling, the supply fluid is poorly mixed and the combustibility is poor. In addition, in order to sufficiently mix the supply fluids, it is necessary to take a sufficient distance in the combustor axial direction on the downstream side of the supply fluid supply port, and the size of the combustor increases in the axial direction. There was a problem that the mounting property to the vehicle deteriorated.
本発明が解決しようとする課題は、燃料改質器用燃焼器における流体同士の混合が悪いことによる燃焼性の低下である。 The problem to be solved by the present invention is a decrease in combustibility due to poor mixing of fluids in a combustor for a fuel reformer.
本発明の目的は、流体同士の混合を良くして燃焼性を改善した燃料改質器用燃焼器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a combustor for a fuel reformer that improves the combustibility by improving the mixing of fluids.
上記課題を解決する本発明は、また、上記目的を達成する本発明は、つぎのとおりである。
(1)燃料改質器用の燃焼器であって、中央に液体燃料を噴射するインジェクタを設け、その外周に燃焼用エアをスワール状に供給する燃焼用エア供給口を設けた燃料改質器用燃焼器。
(2)前記インジェクタの下流にヒータが設けられており、該ヒータと前記インジェクタとの距離をLEH、前記燃焼用エアのスワール距離をLSW、スワール数をSN としたときに、LSWをLEHより小、SN を0.6以上とした(1)記載の燃料改質器用燃焼器。
(3)中央に設けた液体燃料を噴射するインジェクタの外周に、さらに、改質後の余剰水素をスワール状に供給する余剰水素供給口を設けた(1)記載の燃料改質器用燃焼器。
(4)前記燃焼用エアと前記改質後の余剰水素を前記インジェクタの中心に対してオフセットして供給するようにした(3)記載の燃料改質器用燃焼器。
(5)前記燃焼用エアと前記改質後の余剰水素をスワール状に供給するため、前記燃焼用エア供給口前面に固定の旋回翼を設けた(3)記載の燃料改質器用燃焼器。
(6)前記改質後の余剰水素を前記燃焼用エア供給口より外周側で供給するようにした(3)記載の燃料改質器用燃焼器。
The present invention for solving the above-mentioned problems and the present invention for achieving the above object are as follows.
(1) Combustor for fuel reformer, provided with an injector for injecting liquid fuel at the center, and combustion for fuel reformer provided with a combustion air supply port for supplying combustion air in a swirl shape on its outer periphery vessel.
(2) A heater is provided downstream of the injector. When the distance between the heater and the injector is L EH , the swirl distance of the combustion air is L SW , and the swirl number is S N , L SW the less than L EH, it was the S N 0.6 or more (1) fuel reformer combustor according.
(3) The combustor for a fuel reformer according to (1), wherein a surplus hydrogen supply port that supplies surplus hydrogen after reforming in a swirl shape is further provided on an outer periphery of an injector that injects liquid fuel provided in the center.
(4) The combustor for a fuel reformer as set forth in (3), wherein the combustion air and the reformed surplus hydrogen are supplied offset from the center of the injector.
(5) The combustor for a fuel reformer according to (3), wherein a fixed swirl blade is provided in front of the combustion air supply port in order to supply the combustion air and the surplus hydrogen after reforming in a swirl shape.
(6) The combustor for a fuel reformer according to (3), wherein surplus hydrogen after the reforming is supplied on an outer peripheral side from the combustion air supply port.
上記(1)の燃料改質器用燃焼器によれば、中央に液体燃料を噴射するインジェクタを設け、その外周に燃焼用エアをスワール状に供給するので、重い液体燃料が旋回の遠心力によって軽い燃焼用エアと内外周がいれ替わるときに交錯して互いに混合し、燃焼性が改善される。また、旋回によって混合に必要な距離が燃焼器の軸方向に短縮し、燃焼器のサイズが小さくなる。
上記(2)の燃料改質器用燃焼器によれば、LSWをLEHより小、SN を0.6以上としたので、ヒータからの上流側への逆火と、逆火によるインジェクタの損傷を防止することができる。
上記(3)の燃料改質器用燃焼器によれば、中央に液体燃料を噴射するインジェクタを設け、それより外周に余剰水素をスワール状に供給するので、重い液体燃料が旋回の遠心力によって軽い余剰水素と内外周がいれ替わるときに交錯して互いに混合し、燃焼性が改善される。
上記(4)の燃料改質器用燃焼器によれば、燃焼用エアと改質後の余剰水素をインジェクタの中心に対してオフセットして供給するようにしたので、燃焼用エアと改質後の余剰水素は旋回し、旋回翼がなくても流体が良好に混合する。旋回翼があれば、さらに良好に混合する。
上記(5)の燃料改質器用燃焼器によれば、燃焼用エア供給口前面に固定の旋回翼を設けたので、燃焼用エアに旋回を生じさせることができ、それにつれて余剰水素の流れにも旋回を生じさせることができる。旋回翼はプレートに切り起こしをプレスにて形成するだけで容易に作成できるので、コスト的に有利である。
上記(6)の燃料改質器用燃焼器によれば、余剰水素を燃焼用エア供給口より外周側で供給するようにしたので、重い燃焼用エアが旋回の遠心力によって軽い余剰水素と内外周がいれ替わるときに交錯して互いに混合し、燃焼性が改善される。
According to the combustor for the fuel reformer of (1) above, the injector for injecting liquid fuel is provided at the center, and the combustion air is supplied in the swirl shape on the outer periphery thereof, so that the heavy liquid fuel is lightened by the centrifugal force of the swirl When the combustion air and the inner and outer circumferences are interchanged, they are mixed and mixed with each other to improve the combustibility. Also, the distance required for mixing is shortened in the axial direction of the combustor by swirling, and the size of the combustor is reduced.
According to the fuel reformer burner of the above (2), the small the L SW from L EH, since the the S N 0.6 or more, and flashback to the upstream side from the heater, the injector by flashback Damage can be prevented.
According to the combustor for the fuel reformer (3), an injector for injecting liquid fuel is provided at the center, and surplus hydrogen is supplied in a swirl shape to the outer periphery of the injector, so that heavy liquid fuel is lightened by the centrifugal force of swirling. When the surplus hydrogen and the inner and outer circumferences are interchanged, they are mixed and mixed with each other to improve the combustibility.
According to the combustor for the fuel reformer of the above (4), the combustion air and the surplus hydrogen after reforming are supplied offset with respect to the center of the injector. Surplus hydrogen swirls and the fluid mixes well without swirling blades. If there are swirl vanes, mix better.
According to the combustor for the fuel reformer of the above (5), since the fixed swirl vane is provided in front of the combustion air supply port, swirl can be generated in the combustion air, and the surplus hydrogen flows accordingly. Can also cause a turn. Since the swirl vane can be easily formed simply by forming a cut and raised on the plate with a press, it is advantageous in terms of cost.
According to the combustor for the fuel reformer of (6) above, surplus hydrogen is supplied from the combustion air supply port on the outer peripheral side. When they are changed, they are mixed and mixed with each other to improve the combustibility.
以下に、本発明の燃料改質器用燃焼器を、図1〜図9(ただし、図9は比較例で本発明に含まず)を参照して説明する。
本発明の燃料改質器用燃焼器10は、燃料電池(以下、FCともいう)用に水素を他燃料から改質し作成する改質器の、燃料(たとえば、液体燃料、メタノール等)を加熱するための燃焼器(燃焼気化部)である。
図1に示すように、燃料改質器用燃焼器10は、中央に液体燃料(たとえば、メタノール)11を噴霧する液体燃料供給口15を有するインジェクタ14を備え、その外周に燃焼用エア12をスワール状に供給する燃焼用エア供給口16を有する。
インジェクタ14は、インジェクタホルダ18によって支持され、固定されている。
The fuel reformer combustor of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 9 (however, FIG. 9 is a comparative example and is not included in the present invention).
The
As shown in FIG. 1, a
The
液体燃料11は、インジェクタ14の後方から供給されてインジェクタ14の前方(ヒータ26が位置している側)に微粒化されて噴霧される。27は、液体燃料を微粒化するためのエアを供給するための微粒化用エア供給管である。
常温の燃焼用エア12は、燃焼用エア供給管22からインナーケース21とセンターケース20との間に供給され、そこから燃焼用エア供給口16を通してインジェクタ前方空間にスワール状に吐出される。スワールは、たとえば、燃焼用エア供給口16に固定の旋回翼25を設けることによって、生成される。インジェクタ前方空間で、スワール状に流れる燃焼用エア12と、微粒化された液体燃料11とが混合され、その下流に位置するヒータ(電気ヒータEH、または触媒付き電気ヒータEHC)26に流れ、そこで着火されて燃焼する。
The
The room-
燃料改質器用燃焼器10は、インジェクタ14の外周に、さらに、改質後の余剰水素13(たとえば、FCのアノードオフガス)をスワール状に供給する余剰水素供給口17を備えていてもよい。ただし、余剰水素13は供給しなくてもよい。余剰水素供給口17を有する場合、余剰水素供給口17を燃焼用エア供給口16より外周側に設けて、余剰水素13を燃焼用エア12の外周側で供給することが望ましい。
ただし、余剰水素13は、インジェクタ14より外周側であれば、燃焼用エア12の内周側で供給してもよく、その場合も本発明に含む。
The
However, the
図2、図3に示すように、インジェクタ14の下流に設けたヒータ26とインジェクタ14の上流側面との距離をLEH、燃焼用エア12のスワール距離をLSW、スワール数をSN としたときに、LSWをLEHより小、SN を0.6以上としてある。これは、ヒータ26からインジェクタ14への逆火が起こらないようにするための条件である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the distance between the
旋回翼25を用いてスワールを発生させた場合、図3におけるL方向(燃焼器10軸方向)に逆流の流れ(ヒータからインジェクタ側への流れ)が発生する。この逆流が発生する点から翼付け根面までがスワール距離LSWである。L方向で、翼付け根面からスワール距離LSW以下では逆流となり、、翼付け根面からスワール距離LSW以上では正流となる。この際、着火源であるヒータ26まで距離LEHがLSW>LEHであると、ヒータ26の中央部が逆流となり、ヒータ26における混合ガスの着火、燃焼の火炎がインジェクタ14側に向かい、いわゆる逆火するおそれがあるので、LSW<LEHとする必要がある。
LSWは、スワール数SN とスワール径DSW、ハブ径Dhub によって決まり、
LSW=(LSW 2 −Dhub 2 )0.5 /(0.35+1.4 SN ) −eq.1
ここでスワール数SN は、旋回翼角度θを用いて、
SN =1.5・tan θ・{1−(Dhub /DSW)3 }/{1−(Dhub /DSW)2 } −eq.2
となる。旋回翼角度θが大きくなるとスワール数SN が大きくなり、その結果、スワール距離が小さくなる。スワール数が0.4以下では逆流が起きないことが実験で確かめられており、理想的には、0.6以上必要である。ただし、スワール数をあまり大きくすると、たとえば3程度以上にすると、スワール部での圧力損失が大きくなるので、全体効率との背反を考慮してスワール数を決定することが望ましい。
When the swirl is generated using the
L SW is determined by the swirl number S N , the swirl diameter D SW and the hub diameter D hub ,
L SW = (L SW 2 −D hub 2 ) 0.5 /(0.35+1.4 S N ) −eq.1
Here, the swirl number S N is calculated using the swirl blade angle θ.
S N = 1.5 · tan θ · {1- (D hub / D SW ) 3 } / {1- (D hub / D SW ) 2 } −eq.2
It becomes. As the swirl blade angle θ increases, the swirl number SN increases, and as a result, the swirl distance decreases. Experiments have confirmed that no reverse flow occurs when the swirl number is 0.4 or less, and ideally 0.6 or more is necessary. However, if the swirl number is too large, for example, if it is about 3 or more, the pressure loss in the swirl portion increases, so it is desirable to determine the swirl number in consideration of trade-off with the overall efficiency.
燃焼用エア供給口16とヒータ26との間の空間にスワール(旋回流)を形成する複数の方法のひとつの方法として、図7、図8に示すように、燃焼用エア12と改質後の余剰水素13を、または燃焼用エア12を、インジェクタ14の中心に対してオフセットして供給する方法がある。
図7では、燃焼用エア供給管22、オフガス供給管(余剰水素供給管)23がインジェクタ14の中心に対してオフセットしており(Sはオフセット量を示す)、燃焼用エアをインナーケース21とセンターケース20との間の環状空間に接線方向に投入し燃焼用エア供給口16からスワール状に吐出すると共に、余剰水素ををアウターケース19とセンターケース20との間の環状空間に接線方向に投入し余剰水素供給口17からスワール状に吐出する。
このエアと余剰水素の接線方向投入は、以下に述べる旋回翼25によるスワール生成と併用されてもよいし(図示例は併用した場合を示す)、あるいは接線方向投入単独で用いられてもよい。接線方向投入単独で用いられる場合は、旋回翼25による圧力損失がない分圧損を低減することができる。
As one of a plurality of methods for forming a swirl (swirl flow) in the space between the combustion
In FIG. 7, the combustion
This tangential direction injection of air and surplus hydrogen may be used in combination with swirl generation by the
図9(比較例)に示すように対向する一対のガス供給管からインジェクタ14の中心に対してオフセットしないでガスを供給すると、投入ガスが環状空間で逆向きに衝突し、衝突部Cで圧力が上がるとともに、軸方向噴出の下流側への速度分布が不均一になり、ヒータ部での発熱分布が乱れ、改質性能の悪化を招く。しかし、本発明では、ガス供給管(燃焼用エア供給管22、余剰水素供給管23)が複数あっても、センターケース20とインナーケース21との間の環状空間の接線方向に同じ方向に投入するので、衝突部が生じず、改質性能が良好で、かつ、安定している。
As shown in FIG. 9 (comparative example), when the gas is supplied from the pair of gas supply pipes opposed to each other without being offset with respect to the center of the
また、図8に示すように、燃焼用エア供給管22をインジェクタ軸方向に対して角度α傾けて投入することにより、図8のように旋回翼がなくても燃焼用エア供給口の下流にスワールを生成することが可能であることが試験により確認された。この場合、軸方向投入角αは旋回翼の角度θにほぼ等しい。燃焼用エア供給管22の軸方向投入角αを変えることにより、スワール距離をコントロールすることができる。軸方向投入角θがインジェクタ軸方向に近づくほどスワール距離は大となる。
Also, as shown in FIG. 8, by introducing the combustion
燃焼用エア供給口16とヒータ26との間の空間にスワール(旋回流)を形成する複数の方法のもうひとつの方法として、図1から図6までに示すように、燃焼用エアと改質後の余剰水素をスワール状に供給するため、燃焼用エア供給口16前面に、または燃焼用エア供給口16と余剰水素供給口17の両方の前面に、固定の旋回翼25を設ける方法がある。
17の両方のガス吐出側に、プレート24を設けるとともに、プレート24に周方向に切り起こされた固定の旋回翼25を形成する。ガスは、旋回翼25の切り起こしによって形成された孔28を通過し旋回翼25で旋回成分を付与されて吐出され、燃焼用エア供給口16とヒータ26との間の空間にスワール(旋回流)を生成する。スワールによって、噴霧燃料とエア、エアとオフガスとの接触距離が伸びるとともに、遠心力により重い成分と軽い成分とが内外入れ替わる時に流れが交錯するので、混合が促進され、ヒータ26に到達し良好な燃焼が得られる。
As another method of forming a swirl (swirl flow) in the space between the combustion
A
図4に示すように旋回翼25は同じ方向に切り起こす。プレスにて切り起こすことにより、1回のプレスストロークで全旋回翼25を容易にかつ効率よく形成することができる。
図5は、旋回翼25の切り起こし角度を図4と変えたものを示す。プレス型の翼部形成部の角度を変えることにより容易に角度を設定することができる。
図6は旋回翼25の形状を図4、図5のものから変えたものを示している。図6のものは旋回翼25が孔28のほぼ全域を覆っているので、翼25に当たらないで吹き抜けるエアが少なく、より強力なスワールを生成するすることができる。
As shown in FIG. 4, the
FIG. 5 shows the turning angle of the
FIG. 6 shows a configuration in which the shape of the
つぎに、本発明の作用、効果を説明する。
中央に液体燃料を噴霧するインジェクタ14を設け、インジェクタ14の外周で燃焼用エア12をスワール状に、燃焼用エア供給口16とヒータ26との間の空間に、供給するので、重い液体燃料が旋回の遠心力によって軽い燃焼用エアと内外周がいれ替わるときに交錯して、噴霧状液体燃料と燃焼用エアとが互いに混合し、また、噴霧状液体燃料と燃焼用エアとの接触距離もストレート流の場合に比べて伸び、噴霧状液体燃料と燃焼用エアとの混合が促進され、ヒータ26での燃焼性が改善される。
また、スワールによって流線が伸びるので、スワールがなく軸方向にストレートに流れる場合に比べて、噴霧状液体燃料と燃焼用エアとの混合に必要な距離が燃焼器軸方向に短縮し、燃焼器のサイズが軸方向に小さくなる。これによって、燃焼器のコストダウンがはかられ、車両への搭載にも有利となる。
Next, functions and effects of the present invention will be described.
An
Also, since the streamline is extended by the swirl, the distance required for mixing the atomized liquid fuel and the combustion air is shortened in the combustor axial direction compared to the case where there is no swirl and flows straight in the axial direction. Is reduced in the axial direction. As a result, the cost of the combustor can be reduced, which is advantageous for mounting in a vehicle.
また、図2、図3に示すように、燃焼用エア12のスワールの、LSWをLEHより小、SN を0.6以上としたので、ヒータ26では流れは正流となっており、ヒータ26からの上流側への逆火と、逆火による、インジェクタ14の樹脂製部分とOリング部分の損傷を防止することができる。
Also, as shown in FIGS. 2 and 3, the swirl of the
また、中央に液体燃料を噴霧するインジェクタ14を設け、インジェクタ14より外周側で余剰水素13をスワール状に、燃焼用エア供給口16とヒータ26との間の空間に、供給するので、重い液体燃料が旋回の遠心力によって軽い余剰水素と内外周が入れ替わるときに互いに混合し、燃焼性が改善される。
In addition, an
燃焼用エア12と改質後の余剰水素13をインジェクタ14の中心に対して半径方向にオフセットして接線方向に供給するようにした場合は、、旋回翼25がなくても燃焼用エアと改質後の余剰水素は旋回し、良好に混合する。旋回翼25を併用すれば、旋回翼25による旋回効果も加わって、さらに良好に混合する。
When the
燃焼用エア供給口16の前面に固定の旋回翼25を設けた場合には、旋回翼25によって燃焼用エア12に旋回を生じさせることができ、それにつれて余剰水素13の流れにも旋回を生じさせることができる。旋回翼25はプレート24に切り起こしをプレスにて形成するだけで容易に作成できるので、コスト的に有利である。旋回翼25によるスワール生成の場合、切り起こし角度を変えることによってスワール距離を変えることができるので、逆火防止コントロールが容易である。
When a fixed
余剰水素13を供給する場合で、かつ、余剰水素13を燃焼用エア供給口より外周側で供給するようにした場合は、水素に比べて重い燃焼用エア12が旋回の遠心力によって軽い余剰水素13と内外周が入れ替わるときに互いに交錯して混合が促進され、ヒータ26での燃焼性が改善される。
以上からわかるように、スワールの形成によって、混合の促進と装置のコンパクト化がはかられ、スワールはガスのオフセット投入や、旋回翼の形成によって容易に得られ、逆火も防止できるので、本発明は、燃料改質器用燃焼器に利用することができる。
When
As can be seen from the above, the formation of the swirl facilitates mixing and makes the device more compact, and the swirl can be easily obtained by offsetting the gas and forming the swirl vane, and can prevent backfire. The invention can be used in a combustor for a fuel reformer.
10 燃料改質器用燃焼器
11 液体燃料
12 燃焼用エア
13 余剰水素
14 インジェクタ
15 液体燃料供給口
16 燃焼用エア供給口
17 余剰水素供給口
18 インジェクタホルダ
19 アウターケース
20 センターケース
21 インナーケース
22 燃焼用エア供給管
23 余剰水素供給管
24 プレート
25 旋回翼
26 ヒータ
27 微粒化用エア供給管
28 孔
10
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JP4400135B2 (en) | 2010-01-20 |
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