JP2006100206A - 燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、小型かつ良好な燃焼を維持することのできる燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置を提供すること。
【解決手段】 燃料電池の起動時には燃焼用ガスと一次空気とを混合した燃焼用混合ガスを燃焼して改質装置を加熱する燃焼装置において、燃焼用ガスと燃焼用一次空気とを混合して燃焼用混合ガスとする混合部に、混合手段を設けた。燃焼用ガスと一次空気は混合手段によって撹拌され、よく混合された均一な燃焼用混合ガスとなるので、従来のように拡散板を用いることにより生じるバーナの大径化や圧力損失を招くことなく、燃焼状態を良好に保つことができる燃焼装置となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置に関するものである。

燃料電池は、水素を空気中の酸素と電気化学的に反応させることによって直接電気を発生させる装置であり、ＮＯｘやＣＯ２の発生量が少ないことから、環境負荷が非常に小さいエネルギー源として注目されている。

また、燃料電池には使用する電解質によっていくつかの種類があるが、中でも特に固体高分子型燃料電池は小型で作動温度も低く、更に低騒音であることから、家庭用分散型電源として大いに期待されている技術である。

ところで、水素を作る炭化水素等の原燃料（水素原料）、つまり燃料電池の燃料としては天然ガスやガソリン、灯油等種々検討されているが、家庭用分散型電源としては、全国各地に供給インフラが整っている灯油に期待が集まっている。

そして、燃料電池に水素を供給するための水素供給装置は、改質反応により水素原料から水素主成分の改質ガスを生成する改質装置と、この改質装置を加熱する燃焼装置から構成され、水素原料として灯油を用いた場合、改質装置には概ね８００℃程度の作動温度が必要となる。そのため、燃料電池の起動時及び発電運転時の作動温度維持を目的とした、改質装置を加熱するための燃焼装置が不可欠となる。

この燃焼装置は、燃料電池の起動時には天然ガスや灯油を気化した気化ガス等の燃焼用ガスを燃焼させることで改質装置を昇温させ、発電運転時には燃料電池の水素極より排出される水素極排ガスを燃料として燃焼させることで、該改質装置を所定の温度に維持する機能を有している。

つまり、この燃焼装置には、燃焼用ガス及び水素極排ガスの２種類の燃料が燃焼可能であることが求められ、また同時に、燃料電池起動時間に直接影響する着火時間の短縮や、ＮＯｘ・ＣＯ２排出量の低減による環境負荷の軽減、さらには小型・安価で安全性・耐久性においても高い水準が要求されている。

ここで、従来から提案される燃焼装置（例えば特開平８−１５２１１４号）を、図９を参照しながら説明する。

燃焼装置は、周囲が保温材41で覆われた有底円筒形のバーナ室42を有し、バーナ室42の内部にはバーナボディ43が設けられているとともに、図示しない送風機と連通して外部からの空気を供給する送風通路44が接続されている。

そして、このバーナボディ43に臨むように燃焼用ガスを噴出するノズル部45が備えられており、バーナボディ43内にはノズル部45より噴出された燃焼用ガスを拡散させて一次空気と混合させるための拡散板46が設けられている。

また、バーナボディ43の上部には燃焼用ガスと一次空気を混合した燃焼用混合ガスが噴出する混合ガス噴出孔47を有した炎板48が設けられている。

さらに、バーナ室42の上部には二次空気供給口49が設けられ、送風通路44を介して外部の空気が二次空気供給口49から噴出する。

また、バーナ室42には、燃料電池から排出される未反応の水素極排ガスを供給する排ガス供給通路50が配管されており、この排ガス供給通路50を通過した水素極排ガスは、炎板48の上方に設けられた排ガス噴出孔51から噴出する構成となっている。

次に、上記構成の燃料電池システムにおける作動を説明する。

運転操作を開始すると、送風通路44を介して燃焼に用いられる空気の供給が開始されるとともに、ノズル部45より燃焼用ガスがバーナボディ43に噴出される。このとき、燃焼用ガスの噴出力により、周囲の空気も一次空気としてバーナボディ43に引き込まれる。

ノズル部45より噴出した燃焼用ガスは、図中の矢印で示すように拡散板46に衝突することで、横方向へ拡散するとともに、一次空気とよく混合して燃焼用混合ガスとなり、この燃焼用混合ガスは炎板48に設けられた混合ガス噴出孔47から噴出し、図示しない着火手段によって着火・燃焼を開始し、二次空気供給口49から噴出する二次空気と併用して燃焼する。

以上のような燃料装置の作動により改質装置が加熱され、改質装置が所定の温度に達した時点から、水素主成分の改質ガスの生成が開始される。そして、改質ガスが燃料電池に供給されて発電運転を開始すると、燃料電池からは水素極排ガスが排ガス供給通路50を通って炎板48の上部に配置された排ガス噴出孔51より噴出される。

そして、排ガス噴出孔51より噴出した水素極排ガスは、燃焼用混合ガスの火炎と接触することで着火し、燃焼用混合ガスと水素極排ガス両方による燃焼が開始されることとなり、両者の火炎は二次空気供給口49から供給されている二次空気を取り込むことで燃焼し、改質装置の加熱を行なう。

この後、水素極排ガスの燃焼が安定した時点で燃焼用ガスの供給を停止し、燃焼装置は水素極排ガス単独での燃焼に切り替わる。

特開平８−１５２１１４号公報

ところで、この従来から提案されている燃焼装置は、ノズル部より噴出される燃焼用ガスと一次空気とを混合して燃焼用混合ガスとするため、これらをバーナボディに設けた拡散板に衝突させており、この衝突により燃焼用ガスと一次空気は横方向へ拡散しながら、よく混合された混合ガスとなる。したがって、バーナボディは拡散板を内部に収容する空間を必要とするため、径を大きくせざるを得ず、燃焼装置を小型化することが困難となってしまう。

また、拡散板は燃焼用ガスと一次空気の流路を塞ぐように配置されているので、燃焼用ガスを噴出する際の圧力損失が大きくなってしまう。そのため、燃焼用ガスの噴出力を大きくしたり、送風通路に連通する送風機の回転数を上げて空気を供給する圧力を高くしなくてはならず、これが騒音の原因となる。

さらには、燃焼用ガスとして灯油を加熱気化した気化ガスをノズル部より噴出した場合には、気化ガスが拡散板に衝突した際に冷却されて結露し、再液化してしまうことが考えられる。これは特に、着火直後で拡散板の温度が低い場合に顕著に現われることとなり、燃焼状態を悪化させることにつながる。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、小型かつ良好な燃焼を維持することのできる燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置を提供することを目的とする。

燃焼用ガスと燃焼用一次空気とを混合して燃焼用混合ガスとする混合部と、前記混合部の下流に設けられた燃焼用混合ガスを送る混合ガス送り部と、燃料電池からの排ガスを送る排ガス送り部と、前記混合ガス送り部と前記排ガス送り部とが裏面に連設される炎板と、前記炎板の表面所定位置に前記燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部及び排ガスを導出する排ガス導出部を構成する噴出孔とを有する燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置において、前記混合部は燃焼用ガスと燃焼用一次空気とを混合するための混合手段を有することを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置に係るものである。

また、前記混合手段は混合部の内壁に設けられた複数の突起であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置に係るものである。

また、前記混合手段は混合部に設けられた環状の凹部であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置に係るものである。

また、前記混合手段は混合部の内部に設けられた旋回流発生部材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置に係るものである。

また、前記混合手段は混合部の内部に設けられた絞り部材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置に係るものである。

また、前記燃焼用ガスは液体燃料を加熱気化したものであることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置に係るものである。

上述のように構成することにより、燃焼用ガスと一次空気は混合部に設けた混合手段によって撹拌され、よく混合された均一な燃焼用混合ガスとなるので、従来のように拡散板を用いることにより生じるバーナの大径化や圧力損失を招くことなく、燃焼状態を良好に保つことができる燃焼装置となる。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明は、改質装置を加熱する燃焼装置であって、燃料電池の起動時には燃焼用ガスと一次空気とを混合した燃焼用混合ガスを燃焼し、燃料電池の運転時には燃料電池から排出される水素極排ガスを燃焼して改質装置の加熱を行う。

具体的には、燃焼用ガスと一次空気を混合する混合部を備え、この混合部は混合手段を有していて、混合部内に流入した燃焼用ガスと一次空気は混合手段によってよく混合されて均一に混ざり合った燃焼用混合ガスとなり、混合ガス導出部から導出されて燃焼することになる。

つまり、混合手段によって燃焼用混合ガスは均一に混合されるため、燃焼の際に赤火が発生することなく良好な燃焼を行うことができ、また、前述した従来から提案される燃焼装置と異なり、拡散板を用いることにより生じるバーナの大径化や圧力損失を招くこともない。

以下、図面に基づいて実施例１の燃焼装置について詳細な説明をする。

本発明は、炭化水素等の原燃料（水素原料）から水素主成分の改質ガスを生成する改質装置を加熱する燃焼装置であって、筒状の筐体14に、燃料としての灯油を気化して燃焼用ガスとする気化器11と、この気化器11で作出した燃焼用ガスと一次空気を混合した燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナ30と、燃料電池で発生する水素極排ガスを燃焼させる排ガスバーナ31と、混合ガスバーナ30及び排ガスバーナ31から噴出されるガスが燃焼した際の火炎に二次空気を供給する二次空気供給部29を有した二次空気通過部28と、筐体14内に設けた給気室15へ空気圧送部（図示省略）から圧送された空気を供給する送風通路５が設けられている。

気化器11は、図１に図示したように筐体14の下部に配設される箱状本体11ａに、気化器11に灯油を供給する灯油供給通路４と、気化器11を昇温させるためのヒータ16と、このヒータ16によって気化器11内で加熱されて気化した燃焼用ガスを噴出するノズル17とを具備した構造であり、このノズル17から後述する混合ガスバーナ30の混合部12へ燃焼用ガスを噴射するように構成されている。

混合部12は、筒状部材34からなり、筒状部材34は内側に混合手段として多数の突起35が設けられた構造となっていて、ここで燃焼用ガスと一次空気とが混合されて燃焼用混合ガスとなる。

混合ガスバーナ30は、筐体14内に配設される円筒状のバーナ本体32の下部に、混合部12を嵌挿配設した構造であり、このバーナ本体32の内孔は混合部12から送られる燃焼用混合ガスを送る混合ガス送り部20として構成されている。

また、バーナ本体32は、その上部に段部32ａを介して径大の保炎リング部19が一体に設けられており、この保炎リング部19は筐体14の上部開口部を閉塞する状態で該筐体14上に配設されている。

また、このバーナ本体32の段部32ａには、複数の貫通する噴出孔24ａ，24ｂが設けられた炎板24が載置架設されている。

この炎板24の裏面には混合ガス送り部20が連設され、この炎板24に設けられた噴出孔24ａ，24ｂのうち、該炎板24の中央部（段部32ａに載置されない部分）に配される噴出孔24ａ（図２中の径大孔及びその周辺の計８個の径小孔）は、燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部22として構成され、この炎板24の表面側は火炎形成部位18として構成されている。尚、混合ガス導出部22の数や孔の大きさは適宜設計し得るものである。

また、炎板24は、その裏面部に網材25が配設されている。

この網材25は、炎板24における混合ガス導出部22（噴出孔24ａ）と、後述する排ガス導出部23（噴出孔24ｂ）とを覆う状態となり、混合ガス導出部22から導出した燃焼用混合ガスの燃焼炎及び排ガス導出部23から導出した排ガスの燃焼炎の逆火を防止し得るように構成されている。

従って、逆火が生じることがなく安全であり、しかも、混合ガス導出部22及び排ガス導出部23を大きく形成することができるから、その形成が極めて簡易となり、量産性に秀れるのは勿論、この点においても製造コストを抑えることができる。尚、網材25は、炎板24の表面部に設けても良いし、表裏両面に設けても良い。

排ガスバーナ31は、図１に図示したように燃料電池から延設される排ガス供給通路８と連通する排ガス供給管13と、この排ガス供給管13の上端部が連設するバーナ本体32の外側空間とから成る排ガス送り部21を有する構造である。

この排ガス送り部21は、炎板24の裏面に連設されており、具体的には、バーナ本体32の段部32ａに形成された貫通孔32ａ'は炎板24の周縁部に形成された噴出孔24ｂに合致するように構成されており、よって、この炎板24の周縁部に形成された噴出孔24ｂ（図２中の噴出孔24ａ周辺の計１４個の径小孔）は排ガス（水素極排ガス）を導出する排ガス導出部23として構成されている。尚、排ガス導出部23の数や孔の大きさは適宜設計し得るものである。

また、排ガス供給管13内にはセンサー26が配設されている。

このセンサー26は、燃焼に伴って発生する温度や光、炎電流などを検知することで正常に燃焼が行われているかを判定するためのものであり、排ガス供給管13を通り、段部32ａと炎板24を貫通して先端を炎形成部位18に臨ませている。また、このセンサー26と対向する位置には混合ガスバーナ30（混合ガス導出部22）から導出される燃焼用混合ガスに点火する点火装置27が設けられている。

二次空気通過部28は、図１に図示したように筐体14の上部及びバーナ本体32（保炎リング部19）の周囲に筒状部材33を適宜間隔を介して被嵌配設して構成されており、この筒状部材33の上端部とバーナ本体32（保炎リング部19）の上端部との連設部の一部を開口して二次空気供給部29が設けられている。

従って、送風通路５から給気室15に流入した空気は二次空気通過部28を通って二次空気供給部29から火炎の先端に供給されることになる。

次に、前述した構成から成る本実施例に係る燃焼装置の動作について説明する。

まず、燃料電池の運転が指示されると、ヒータ16への通電を開始して気化器11を加熱する。そして気化器11の温度が灯油を気化することのできる温度に達したことをセンサー（図示省略）が検知すると、気化器11へ灯油の供給を開始する指示が出され、灯油は灯油供給通路４を通って気化器11に供給される。

そして、気化器11に供給された灯油は加熱され気化された燃焼用ガスとなり、この燃焼用ガスはノズル17から噴出し、ノズル17から噴出した燃焼用ガスは混合部12へ入る。この際、給気室15内の空気が一次空気として混合部12へ引き込まれるため、混合部12内では燃焼用ガスと一次空気が混合されて燃焼用混合ガスとなる。

なお、筒状部材34には内壁に多数の突起35が設けられているため、混合部12内の燃焼用ガスと一次空気の流れにはこの突起35により小さな渦状乱流が生じることとなり、燃焼用ガスと一次空気はこの渦状乱流により撹拌されて均一に混合される。

そして燃焼用混合ガスは、混合ガス送り部20を通って混合ガスバーナ30に供給され、炎板24の中央部に設けられた混合ガス導出部22より噴出して、点火装置27により点火されて燃焼が開始される。

この際、二次空気供給部29からは二次空気が噴出されており、燃焼用混合ガスの燃焼により形成される火炎の先端付近に二次空気が供給されて燃焼用混合ガスは完全燃焼することになる。

このように、燃焼用混合ガスが燃焼することにより改質装置が加熱される。そして、改質装置の温度が作動温度まで上昇すると、炭化水素等の原燃料としての灯油から水素主成分の改質ガスの生成が開始され、この水素主成分の改質ガスは燃料電池に供給されて燃料電池が作動し、発電運転が行われる。

燃料電池の発電運転の際、該燃料電池に供給された水素主成分の改質ガスは全てが発電に消費されるものではなく、数１０％程度の未反応水素ガスを含有したまま水素極排ガスとして排出され、水素極排ガスも燃焼装置での燃焼に用いられる。

具体的には、この水素極排ガスは排ガス供給通路８から排ガス送り部21を通って排ガスバーナ31に供給され、この排ガスバーナ31に供給された水素極排ガスは排ガス導出部23から保炎リング部19内に噴出される。すると、既に混合ガス導出部22に形成されている火炎と接触することで着火して燃焼し、燃焼用混合ガスと水素極排ガスの両方による燃焼が開始される。

そして、両者の火炎は二次空気供給部29から供給される二次空気を取り込むことで完全燃焼し、改質装置の加熱を継続する。この混合ガス導出部22と排ガス噴出部23は同一の炎板24上に設けられ、該両者間の距離は短い為、排ガス導出部23から噴出した水素極排ガスは確実に火炎と接触して着火することになる。

ところで、改質装置が作動した直後は燃料電池に対する水素主成分の改質ガスの供給が安定しないため、燃料電池から排出される水素極排ガスの量も不安定である。よって、水素極排ガスだけでは安定した燃焼を維持することは難しいため、改質装置の作動後しばらくは燃焼用混合ガスと水素極排ガスの両方による燃焼が継続されることとなる。

そして、水素極排ガスの燃焼が安定した時点で気化器11への灯油の供給を停止し、水素極排ガス単独での燃焼に移行する。尚、水素極排ガスの量は燃料電池の出力に左右されるため、排ガスバーナ31単独燃焼時においては、燃料電池の出力が低く水素極排ガスの排出量が少ない場合は燃焼量が不足し、改質装置の作動に必要な温度を維持できなくなる。そこで、図示省略のセンサーにより検知される改質装置の温度が所定値以下となった場合は、ふたたび気化器11に液体燃料を供給して燃焼用混合ガスを発生させ、燃焼用混合ガスと水素極排ガスの両方を燃焼させることで改質装置を加熱する。

また、燃焼装置の燃焼状態はセンサー26により常時監視されており、センサー26は燃焼に伴い発生する温度や光、炎電流等を検知して燃焼状態が判定されている。

なお、燃焼用ガスには、天然ガス等のガス燃料や液体燃料を加熱気化した気化ガス等があるが、本実施例では気化器11を備え液体燃料を加熱気化した気化ガスを用いた場合について説明した。一般に、気化ガスはガス燃料に比べて粒径が大きいため、一次空気と混合し難いという難点があり、燃焼用ガスと一次空気がよく混合されていないと燃焼時に赤火が発生して燃焼状態が悪化してしまうことになる。そこで、混合部12に突起35を設けることにより混合部12内に渦状乱流を発生させ、この渦状乱流により気化ガスと一次空気とをよく混合することで、良好な燃焼を行うことができるのである。よって、気化ガスよりも粒径の小さいガス燃料を用いた場合にはさらに一次空気とよく混合されるため、燃焼用ガスとしてガス燃料を用いる構造としても構わない。

次に、本発明の実施例２について説明するが、実施例１と同じ構成部品については同一の符号を付し、説明を省略する。

図３において混合部12は、筒状部材34に環状の凹部36が設けられた構造である。

したがって、燃焼用ガスがノズル17から混合部12に噴出されると、混合部12内では環状の凹部36により燃焼用ガスと一次空気の流れに渦状乱流が生じることとなり、燃焼用ガスと一次空気はこの渦状乱流により撹拌されて均一に混合される。

また、凹部36を連続して設けることで混合部12を図４のように構成することもできる。

図５において混合部12は、内部に旋回流発生部材37が設けられた構造である。

この旋回流発生部材37は、切り起こしによって形成された複数の羽根を備えた旋回板であり、燃焼用ガスがノズル17から混合部12に噴出されると、混合部12内では旋回板を通過する際に燃焼用ガスと一次空気の流れに旋回流が生じることとなり、燃焼用ガスと一次空気はこの旋回流により撹拌されて均一に混合される。

また、図６のように旋回流発生部材37を螺旋形状にして、混合部12内全体において旋回流を発生させる構成とすることもできる。

図７、図８において混合部12は、内部に流路を狭めるための絞り部材38が設けられた構造である。

したがって、燃焼用ガスがノズル17から混合部12に噴出されると、混合部12内では絞り部材38の前後で圧力差が生じ、このときの収縮・膨張により燃焼用ガスと一次空気は均一に混合される。

本発明の実施例を示す正断面図である。 本発明の実施例に係る要部を説明する平面図である。 本発明の実施例２に係る混合部を説明する断面図である。 本発明の実施例２に係る混合部を説明する断面図である。 本発明の実施例３に係る混合部を説明する断面図である。 本発明の実施例３に係る混合部を説明する断面図である。 本発明の実施例４に係る混合部を説明する断面図である。 本発明の実施例４に係る混合部を説明する断面図である。 従来例を示す正断面図である。

符号の説明

12 混合部
20 混合ガス送り部
21 排ガス送り部
24 炎板
22 混合ガス導出部
23 排ガス導出部
24a、24b 噴出孔
35 突起
36 環状凹部
37 旋回流発生部材
38 絞り部材

Claims (6)

1. 燃焼用ガスと燃焼用一次空気とを混合して燃焼用混合ガスとする混合部と、前記混合部の下流に設けられた燃焼用混合ガスを送る混合ガス送り部と、燃料電池からの排ガスを送る排ガス送り部と、前記混合ガス送り部と前記排ガス送り部とが裏面に連設される炎板と、前記炎板の表面所定位置に前記燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部及び排ガスを導出する排ガス導出部を構成する噴出孔とを有する燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置において、前記混合部は燃焼用ガスと燃焼用一次空気とを混合するための混合手段を有することを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置。
2. 前記混合手段は混合部の内壁に設けられた複数の突起であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置。
3. 前記混合手段は混合部に設けられた環状の凹部であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置。
4. 前記混合手段は混合部の内部に設けられた旋回流発生部材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置。
5. 前記混合手段は混合部の内部に設けられた絞り部材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置。
6. 前記燃焼用ガスは液体燃料を加熱気化したものであることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の燃料電池に用いられる水素供給装置の燃焼装置。
   

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