JP2005209459A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼装置により、燃料電池からのオフガスに対して良好な燃焼を行うこと。
【解決手段】燃料ガス８を噴出するディストリビュータ９と、燃料ガス８に空気１１を供給する空気噴出部１０と、この空気噴出部１０に空気１１を供給する送風手段２５と、この送風手段２５と空気噴出部１０に連通する送風通路１９と、この送風通路１９の途中に設けられ送風抵抗を可変する空気調節器２０とを備え、空気調節器２０は、燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）７を燃焼させる時に、送風通路１９の送風抵抗を上昇するように機能する。これによって、燃焼装置５は、少ない空気量（低酸素過剰率）で燃焼し、水素生成器１の放熱損失を防止して改質反応を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃焼装置に関し、更に詳しくは、炭化水素系の原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成して発電を行なう燃料電池の水素生成器に用いる燃焼装置に関する。

従来、この種の燃焼装置は、外周壁にファンを介して燃焼用空気が供給される炎孔を有し、その内側に燃焼室を有したバーナヘッドと、燃焼室に二重管を使用して高カロリーガスと低カロリーガス（オフガス）を供給し、共通の炎孔を用いて燃焼可能に構成しているものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−１８５１８６号公報

しかしながら、前記従来技術では、燃料電池から排出される水素を多量に含んだ低カロリーガス（オフガス）に対して、固定された炎孔から燃焼空気を供給するので、水素生成器の熱効率を向上するために、燃焼空気の量を低減すると、燃焼空気の流速低下により、不安定な火炎が形成される。この時ファンや低カロリーガスの供給ばらつきと強風等の外的な要因により、設定した空気過剰率がより低い方へ変動することにより、多量の一酸化炭素が発生し、低空気過剰率で燃焼できないという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）を燃焼させる時に、設定した空気過剰率（空気比）の変動を防止して低空気過剰率での燃焼を可能にし、水素生成器の熱効率を向上させることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃焼装置は、燃料を噴出するディストリビュータと、前記燃料に空気を供給する空気噴出部と、この空気噴出部に空気を供給する送風手段と、この送風手段と前記空気噴出部に連通する送風通路の途中に設け、送風通路の送風抵抗を可変する空気調節器を備え、前記空気調節器は、燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）を燃焼させる時に、送風通路の送風抵抗を上昇するようにしたものである。

この空気制御器によって、送風手段の送風圧力を増加させ、設定した空気過剰率（空気比）の変動を防止して低空気過剰率での燃焼を可能にするものである。

本発明の空気制御器は、設定した空気過剰率（空気比）の変動を防止して低空気過剰率での燃焼を可能にし、水素生成器の熱効率を向上することができる。

第１の発明は、燃料を噴出するディストリビュータと、前記燃料に空気を供給する空気噴出部と、この空気噴出部に空気を供給する送風手段と、この送風手段と前記空気噴出部に連通する送風通路の途中に設け、送風通路の送風抵抗を可変する空気調節器を備え、前記空気調節器は、燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）を燃焼させる時に、送風通路の送風抵抗を上昇することにより、送風手段の送風圧力を増加させ、オフガス燃焼の設定した空気過剰率（空気比）の変動を防止して低空気過剰率での燃焼を可能にし、水素生成器の熱効率を向上することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の空気調節器は、都市ガス、またはＬＰＧを定格から小さく変化させて燃焼させる時に、送風通路の送風抵抗を上昇することにより、燃焼空気の量の低減による送風手段の送風圧力の低下を防止し、送風手段や都市ガス、またはＬＰＧの供給ばらつきと強風等の外的な要因による一酸化炭素の発生を防止できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の空気調節器は、燃焼を停止した時に送風通路の送風抵抗を最低にして送風量を増加することにより、多量の空気で水素生成器を冷却し、短時間で水素生成器の温度を低下させ、安全を確保することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の空気調節器のダンパ駆動装置を送風通路内に配置し、駆動装置を冷却することにより、駆動装置の温度を低下して耐久性を向上することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の空気調節器は、ダンパ駆動装置を送風通路の上流側に配置し、ダンパを下流側に配置し、ダンパを閉止する時に空気の流れ方向に沿ってダンパ駆動装置を作動することにより、空気の流れでダンパを押すので、閉止動作を確実に行うことができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の空気調節器を炭化水素系原料の改質反応により水素を含むオフガスを生成する水素生成器に搭載することにより、燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）を燃焼させる時に、オフガス燃焼の設定した空気過剰率（空気比）の変動を防止して低空気過剰率での燃焼を可能にし、水素生成器の熱効率を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池装置に用いられる水素生成器の全体構成図、図２は燃焼装置の部分断面図、図３は燃焼装置の燃焼室を上方から見た上面図、図４（ａ）、（ｂ）は燃焼装置における空気調節器のダンパの動作前後を示した断面図である。また、図５は燃焼装置の送風手段のＰ−Ｑ特性図である。

図１、図２において、１は都市ガス（またはＬＰＧ）を原料として燃料電池発電装置に供給する水素を生成する水素生成器であり、２は、脱硫装置（図示なし）で処理を行った後の都市ガス（またはＬＰＧ）と水蒸気とからなる原料ガス、３は、ニッケルもしくはルテニウムを主成分とする触媒を充填した触媒層で、この触媒層３で原料ガス２を水蒸気改質反応させることにより、水素と二酸化炭素および一酸化炭素からなる生成ガス４を生成する。この生成反応は７００℃程度の高温で生じる吸熱反応であるため、燃焼装置５により高温の燃焼ガスを供給して原料ガス２と触媒層３を加熱している。

燃焼装置５で都市ガス（またはＬＰＧ）６や燃料電池から排出されるオフガス７（未反応水素ガス）、または都市ガス６とオフガス７を混合して、燃料ガス８としてディストリビュータ９から噴出し、空気噴出部１０の周囲から燃焼用の空気１１を供給することにより、火炎１２を形成して燃焼する。

円管状のディストリビュータ９の先端には、燃料ガス８を噴出する複数個のノズル１３がディストリビュータ９の半径方向に設けられ、燃料ガス８を放射状に噴出する構成としている。空気噴出部１０は、複数個の空気噴出孔１４を空気噴出部１０の側面に略直角に設けている。空気噴出部１０は、ディストリビュータ９を中心として、火炎１２の出口方向に徐々に拡大するようにカップ状に燃焼室１５を形成し、燃焼用の空気１１を燃焼室１５内に供給する構成としている。

空気噴出孔１４は、上下方向の配列を千鳥状に設けている。ディストリビュータ９のノズル１３は、空気噴出部１０の空気噴出孔１４の最下段に設ける空気噴出孔１６とほぼ対向する位置になるように配置している。また、空気噴出部１０の底部には複数個の下部空気噴出孔１７を設け、ディストリビュータ９の軸方向と平行方向に空気１１の一部を噴出する構成としている。

１８は、燃焼室１５に空気１１を供給する空気室で、空気室１８は、空気噴出部１０の上流側に設けられ、空気室１８には、管状の送風通路１９が連通している。送風通路１９の端部には、空気調節器２０が連結され、制御器２１のコントロールにより送風通路１９に導入する空気１１の送風抵抗の調節をおこなっている。

空気調節器２０は、開閉によって送風通路１９の送風抵抗を可変するダンパ２２と、このダンパ２２を駆動する駆動装置２３とで構成されている。ダンパ２２は、板面を回転させて送風通路１９を開閉するか、あるいは板面を送風通路１９の入り口に押し当てるように構成されている。ダンパ２２には、複数個の透孔２４が設けられ、送風通路１９の開口面積は、この透孔２４の開口面積まで絞られ、送風抵抗を上昇している。

駆動装置２３は、ステッピングモータやソレノイドやモータと歯車、カム等を用いて、ダンパ２２の動作を行うように構成されている。駆動装置２３は、空気通路２０内に配置され、空気１１により冷却されている。空気調節器２０の上流には、送風手段２５が設けられている。送風手段２５は、空気１１を供給する送風機で構成され、羽根車には高圧を出せるターボファンやラジアルファン等を用い、それをモータで回転させるようにしている。

２６は、燃焼装置５によって生じる火炎１２が触媒容器２７に直接触れることを避け、さらに燃焼ガス２８の流路を規定するための燃焼筒である。燃焼ガス２８は、触媒容器２７の周囲に沿って流れ、水素生成器１の外部に排出される。

２９は、着火用の電極で、耐熱性のカンタル線やエスイット線で構成している。電極２９の周囲は、絶縁用の絶縁碍子３０で被覆されている。絶縁碍子３０は、耐熱性のアルミナ、シリカ等のセラミック材で形成し、その表面は、ガラス成分からなる釉薬が塗布されている。電極２９の先端は、燃焼室１５に臨み、曲率をもって屈曲し、ディストリビュータ９のノズル１３上方の近傍に火花放電が飛ぶように、位置決めをおこなっている。電極２９の装着は、空気噴出部１０の上部に設ける燃焼筒２６の下部の一部を拡管して設ける空間３１から電極２９の先端を延長して、ディストリビュータ９のノズル１３上方の近傍に臨ませている。

図３は燃焼装置の燃焼室を上方から見た上面図であるが、同時にディストリビュータ９のノズル１３の位置をわかりやすくするために、ノズル１３の位置を示した図でもある。図中、中心部から周囲方向への放射状の矢印Ａはノズル１３から噴出される燃料ガス８の噴出方向を表わし、また逆に中心方向への矢印Ｂは空気噴出孔１４の中、破線Ｃで示した最下段の空気噴出孔１６から噴出される空気１１の噴出方向を表わしている。このように、本発明では燃料ガス８の噴出方向と空気１１の噴出方向が直線上に位置するように構成している。更に、本発明では下部空気噴出孔１７から噴出される空気１１が上記燃料ガス８の噴出方向の矢印Ａに交差する位置に下部空気噴出孔１７を配置している。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用を説明する。

図４（ａ）において、都市ガス６（またはＬＰＧ）を成分とする燃料ガス８が供給された時は、送風手段２５により供給され空気１１は、制御器２１の指示を受けた空気調節器２０の駆動装置２３がダンパ２２を作動して送風通路１９を開放して送風抵抗を低下させるので、そこから空気室１８に流入して空気噴出孔１４から燃焼室１５に噴出される。

この時、ディストリビュータ９から放射状に噴出された燃料ガス８と略対向する最下段の空気噴出孔１７から供給された空気１１とが衝突し混合する。この時、燃焼筒２６の下部の空間３１から燃焼室１５に臨ませた電極２９により、火花放電が行なわれ、燃料ガス８に着火が行なわれる。燃料ガス８は空気噴出部１０の開口部方向へ流れて行くが、空気噴出部１０の形状を図示したようにカップ状としているため燃料ガス８の流路断面積が連続的に拡大し、それによって燃料ガス８の流速が減少し、その流速が都市ガス６の燃焼速度と同等またはそれ以下となった場所で、部分的な予混合火炎１２を生じて燃焼する。この燃焼により水素生成器１の触媒層３を加熱していく。

図４（ｂ）において、燃料電池から排出されるオフガス７（未反応水素ガス）を燃焼する時は、送風手段２５により供給された空気１１は、制御器２１の指示を受けた空気調節器２０の駆動装置２３がダンパ２２を作動して送風通路１９を閉止するので、ダンパ２２の透孔２４を介して空気室１８の下流に設ける空気噴出孔１４から燃焼室１５に噴出される。空気１１は、透孔２４を通過することで、送風抵抗が上昇し、送風手段２５により加圧されながら供給される。

この時、ディストリビュータ９から放射状に噴出されたオフガス７と略対向する最下段の空気噴出孔１６や空気室１８に設けられた空気噴出孔１４から供給される加速された空気１１とが衝突するので、オフガス７中の燃焼速度の速い水素がこの部分で燃焼可能となり火炎１２を生じて燃焼する。この燃焼により水素生成器１の触媒層３を加熱していく。

図５において、送風手段２５を構成する送風機のＰ−Ｑ特性をみると、送風通路１９の送風抵抗が最低の場合は、曲線Ａから曲線Ｂまでの間で負荷曲線Ｘ上をａ点からｂ点まで変化する。ｂ点は耐風性能を維持するための下限圧Ｐｂでそれ以下に送風機の回転数を下げると耐風性能を維持できない。そこで、空気調節器２０のダンパ２２を閉止して、透孔２４の開口面積に絞り、送風通路１９の送風抵抗を最大する場合には、曲線Ｃから曲線Ｄまでの間で負荷曲線Ｙ上をｃ点からｄ点まで変化する。したがって下限圧Ｐｄまで風量をＱａからＱｄまで変化させることができる。これにより、空気１１を供給する送風手段２５では、回転数を上げて圧力を高め、空気１１の量が少量になっても風圧に耐えうる火炎１２を形成できる。

また、送風手段２５を構成する送風機の回転数を増加するので、回転数のばらつきも抑えられ、空気１１の流量の変動を軽減することができる。

以上のように、本実施の形態においては、空気調節器２４は、燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）７を燃焼させる時に、送風通路１９の送風抵抗を上昇することにより、送風手段２５燃料ガス８の供給ばらつきと強風等の外的な要因により、設定した空気過剰率がより低い方へ変動することを防止し、低空気過剰率での良好な燃焼を可能にし、水素生成器１の放熱損失を防止して改質反応を向上することができる。

また、本実施の形態では、燃料ガス８と空気１１が混合を促進するためにノズル１３と最下段の空気噴出孔１６を略対向して配置しているため、この部分では燃焼速度が速く燃焼しやすい水素が空気と十分に混合し、火炎１２は常に安定した保炎を得ることができる。

また、本実施の形態では、下部空気噴出孔１７を介して空気１１をノズル１３から噴出する燃料ガス８に対して下方から交差する位置から噴出するので、燃料ガス８と空気１１の混合をより良好にすることができる。この空気１１は、単にガスの混合を良くするのみではなく、燃料ガス８の流量に対して空気１１の流量が相対的に過剰に供給した場合でも火炎１２を保ち、良好な燃焼を維持することができる。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態１を説明するために用いた燃焼装置の断面図であるが、同じ図２を用いて実施の形態２を説明する。図２において、空気調節器２０は、都市ガス６（またはＬＰＧ）からなる燃料ガス８を定格から小さく変化させて燃焼させる時に、送風通路１９の送風抵抗を上昇するように構成している。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。送風手段２５により供給された空気１１は、制御器２１の指示を受けた空気調節器２０の駆動装置２３がダンパ２２を作動して送風通路１９を閉止するので、ダンパ２２の透孔２４を介して空気室１８の下流に設ける空気噴出孔１４から燃焼室１５に噴出される。空気１１は、透孔２４を通過することで、送風抵抗が上昇し、送風手段２５により加圧されながら供給される。

以上のように、本実施の形態においては、燃料ガス８を小さく燃焼させた時に、空気１１の量の低下により、送風通路１９の送風抵抗が減少して送風手段２５や燃料ガス８の供給ばらつきと強風等の外的な要因により、設定した空気過剰率が変動することを防止し、一酸化炭素の発生を防止し、良好な燃焼を維持することができる。

また、燃焼ガス８を小さく燃焼させても良好な燃焼を維持できるので、水素生成器１の温度コントロールを正確に行うことができ、水蒸気改質反応に最適の温度に触媒層３を保つことができる。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３の燃焼装置の断面図である。図６において、空気調節器２０は、燃焼を停止した時に送風通路１９の送風抵抗を最低にして送風量を増加するように構成している。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。燃焼停止とともに空気調節器２０のダンパ２２を解放し、送風通路１９の送風抵抗を最低にして、送風手段２５の供給能力を最大にすることにより、最大量の空気１１が燃焼室１５から燃焼筒２６に流入し、高温に加熱されていた触媒容器２７を空冷することで水素生成器１を冷却している。

以上のように、本実施例においては、燃焼停止後に短時間で水素生成器１の温度を低下させるので、安全を確保することができる。また、燃焼ガス２８の残量を短時間に希釈して排出するので、ポストパージの時間を短縮できる。

（実施の形態４）
次ぎに前述の実施の形態１，２で用いたと同一の図２を用いて実施の形態４として説明する。図２において、空気調節器２０のダンパ２２の駆動装置２３を送風通路１９内に配置し、駆動装置２３を冷却するように構成している。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。空気調節器２０の駆動装置２３は、ステッピングモータやソレノイドやモータと歯車、カム等を用いて、ダンパ２２の動作を行うように構成され、作動中に発熱するので、送風通路１９内に配置することで、常時空気１１により冷却され、過熱を防止するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、駆動装置２３の温度を低下して、空気調節器２０の耐久性を向上することができる。

また、駆動装置２３は、送風通路１９内に配置され、外部の構造物、例えば水素生成器１本体の放熱を受けることがなくなり、温度上昇を防止することができる。

（実施の形態５）
前述と同様、燃焼装置を示す断面図である図２を用い、次ぎに本発明の実施の形態５として説明する。図２において、空気調節器２０は、ダンパ２２の駆動装置２３を送風通路１９の上流側に配置し、ダンパ２２を下流側に配置し、ダンパ２２を閉止する時に空気１１の流れ方向に沿ってダンパ２２の駆動装置２３を作動するように構成している。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。空気調節器２０が駆動装置２３を作動させてダンパ２２を対向側の壁に押しつける時に空気１１の流れでダンパ２２を押す形になるので、駆動装置２３の力に合わせて、ダンパ２２全体に風圧がかかり、送風通路１９を閉止するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、空気調節器２０のダンパ２２の閉止動作を確実に行うことができ、送風圧を上昇することができる。

（実施の形態６）
本実施の形態６においても前述の実施の形態１で用いたと同一の図１を用いて説明する。図１において、空気調節器２０を備えた燃焼装置５を炭化水素系原料の改質反応により水素を含むオフガス７を生成する水素生成器１に搭載するように構成している。

以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）７を燃焼させる時に、送風手段２５により供給された空気１１は、制御器２１の指示を受けた空気調節器２０の駆動装置２３がダンパ２２を作動して送風通路１９を閉止するので、ダンパ２２の透孔２４を介して空気室１８の下流に設ける空気噴出孔１４から燃焼室１５に噴出される。空気１１は、透孔２４を通過することで、送風抵抗が上昇し、送風手段２５により加圧されながら供給され、オフガス燃焼の設定した空気過剰率（空気比）の変動を防止して低空気過剰率での燃焼を可能にしている。

以上のように、本実施の形態においては、燃焼装置を炭化水素系原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成する水素生成器１に搭載することにより、水素生成器１の放熱を防止して熱効率を向上することができる。また、本発明の燃焼装置５を用いた水素生成器１は、発電負荷が変動した際にも安定して水素を生成でき燃料電池発電装置の安定した運転を可能とすることができる。

以上のように、本発明にかかる燃焼装置は、天然ガス等の炭化水素系の燃料である都市ガス（またはＬＰＧ）と燃料電池から排出される水素を多量に含んだオフガスに対して、少ない空気量（低酸素過剰率）で燃焼を行ない、水素生成器の放熱損失を防止して改質反応を向上することが可能となるので、炭化水素系の原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成して発電を行なう燃料電池等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１、６における燃焼装置が搭載された水素生成器の全体構成を示す断面図 本発明の実施の形態１、２、４、５における燃焼装置の部分断面図 本発明の実施の形態１における燃焼装置の燃焼室を上方から見た上面図 （ａ）本発明の実施の形態１における燃焼装置の空気調節器のダンパが開いている状態を示す断面図（ｂ）同空気調節器のダンパが閉じている状態を示す断面図 本発明の実施の形態１における燃焼装置の送風手段のＰ−Ｑ特性図 本発明の実施の形態３における燃焼装置の部分断面図

符号の説明

９ ディストリビュータ
１０ 空気噴出部
１１ 空気
１９ 送風通路
２０ 空気調節器
２５ 送風手段

Claims (6)

1. 燃料を噴出するディストリビュータと、前記燃料に空気を供給する空気噴出部と、この空気噴出部に空気を供給する送風手段と、この送風手段と前記空気噴出部に連通する送風通路と、この送風通路の途中に設けられ送風抵抗を調節する空気調節器とを備え、前記空気調節器は、燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）を燃焼させる時には、前記送風通路の送風抵抗が上昇するように機能する燃焼装置。
2. 空気調節器は、都市ガスまたはＬＰＧを定格燃焼から小さく変化させて燃焼させるときには、送風通路の送風抵抗を上昇するように機能する請求項１に記載の燃焼装置。
3. 空気調節器は、燃焼を停止したときには、送風通路の送風抵抗を最低にして送風量を増加
   するように機能する請求項１または２に記載の燃焼装置。
4. 空気調節器は、ダンパとこのダンパを駆動する駆動装置とを送風通路内に配設し、前記駆動装置を冷却するように形成した請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼装置。
5. 空気調節器は、送風通路の上流側に駆動装置を、下流側にダンパをそれぞれ配設し、前記ダンパを閉止するときには、前記駆動装置は空気の流れ方向に沿って作動する請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃焼装置。
6. 空気調節器は、オフガスを生成する水素生成器に搭載した請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃焼装置。

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