JP2008116149A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、第一燃焼用ガスを燃焼させた後、第二燃焼用ガスを燃焼させる燃焼装置において、第二燃焼用ガスと空気との接触を促進して不完全燃焼を防止すること。
【解決手段】 第二燃焼用ガス噴出孔２３ｂを、炎板２３の中心と第一燃焼用ガス噴出孔２３ａとを結ぶ直線上を避けて配置した。これにより、第二燃焼用ガスが単独で燃焼する場合に、第一燃焼用ガス噴出孔２３ａから噴出する空気と第二燃焼用ガスにより形成される火炎との接触面はぎざぎざの歯車状となることにより、火炎と空気との接触面積が格段に大きくなり、従来の構造と比較して第二燃焼用ガスの火炎は十分な量の空気を取り込むことが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、第一燃焼用ガスを燃焼させた後、第二燃焼用ガスを燃焼させる燃焼装置であって、特に燃料電池に供給される水素置主成分の改質ガスを生成するための改質装置の加熱に用いられるものである。

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灯油を気化した気化ガスを一次空気と混合した燃焼用混合ガス（第一燃焼用ガス）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排ガス（第二燃焼用ガス）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、第一燃焼用ガス及び第二燃焼用ガスの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。

そこで、従来、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスを同一面上で燃焼させる燃焼装置が提案され（特許文献１）、これにより装置を小型化することが可能となった。ここで従来の燃焼装置の要部を図４を用いて説明する。

図４は火炎が形成される炎板４１の平面図であり、この炎板４１には多数の噴出孔が形成されている。

これら噴出孔のうち、炎板４１の中央部に配される噴出孔４２（図中の径大孔及びその周辺の計８個の径小孔）は、第一燃焼用ガスが噴出する第一燃焼用ガス噴出孔であり、また、第一燃焼用ガス噴出孔４２の周囲に設けられた噴出孔４３（図中の第一燃焼用ガス噴出孔４２周辺の計１４個の径小孔）は、第二燃焼用ガスが噴出する第二燃焼用ガス噴出孔として構成されている。

なお、この炎板４１の裏面は、第一燃焼用ガス噴出孔４２と対向する位置に第一燃焼用ガスを送る第一燃焼用ガス送り部が連設されるとともに、第二燃焼用ガス噴出孔４３と対向する位置には第二燃焼用ガスを送る第二燃焼用ガス送り部が連設されている。

さらに炎板４１には、第一燃焼用ガスに点火するための点火装置４４および燃焼が行われているかを判定するための排ガスセンサ４５が取り付けられていて、炎板４１の外周４箇所には火炎に二次空気を供給するための二次空気供給部４６が設けられている。

次に、上述のように構成され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、図示しない気化器により灯油が加熱気化されて燃焼用ガスとなり、この燃焼用ガスと一次空気とが混合されて燃焼用混合ガス（第一燃焼用ガス）となる。すると第一燃焼用ガスは、第一燃焼用ガス送り部から炎板４１の中央部に設けられた第一燃焼用ガス噴出孔４２より噴出して、点火装置４４により点火されて燃焼が開始される。

その際、二次空気供給部４６からは火炎に対して二次空気が噴出されており、第一燃焼用ガスの燃焼により形成される火炎に二次空気が供給されて第一燃焼用ガスは完全燃焼することになる。

このように、第一燃焼用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、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排ガス（第二燃焼用ガス）として第二燃焼用ガス送り部へ排出され、この第二燃焼用ガスは第二燃焼用ガス送り部と連通する第二燃焼用ガス噴出孔４３より噴出される。

第二燃焼用ガス噴出孔４３より噴出した第二燃焼用ガスは、第一燃焼用ガス噴出孔４２に形成されている第一燃焼用ガスの火炎と接触することで着火して燃焼し、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガス両方による燃焼が開始される。両者の火炎は、二次空気供給部４６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、第二燃焼用ガスの燃焼が安定した時点で灯油の供給を停止し、第二燃焼用ガス単独での燃焼に切り替わる。第二燃焼用ガス単独燃焼では、第一燃焼用ガス噴出孔４２から噴出するのは灯油燃料を含まない空気だけとなり、この空気と二次空気供給部４６から供給される二次空気を取り込むことで第二燃焼用ガスが燃焼し、改質装置の加熱を行なう。

特願２００４−２３５３４号公報

ところで、この従来から提案されている燃焼装置を出来るだけコンパクトに構成しようとすると、第一燃焼用ガス噴出孔と第二燃焼用ガス噴出孔は近接して配置されることになる。また、第二燃焼用ガス単独での燃焼時においては、第二燃焼用ガス噴出孔から噴出する第二燃焼用ガスは第一燃焼用ガス噴出孔から噴出する空気を取り込んで燃焼するのだが、このとき、空気と接触する第二燃焼用ガスの火炎面は略円筒形状となっている。

つまり、第二燃焼用ガスの火炎面が略円筒形状となることで、火炎と空気とが接触する面積が非常に小さくなってしまい、燃焼量を大きくしたときに、第二燃焼用ガスの燃焼火炎は空気を十分に取り込むことができず、不完全燃焼が発生してしまうことになる。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、コンパクトな構成でありながら第二燃焼用ガスと空気との接触を促進して不完全燃焼を防止することのできる燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数の噴出孔を備えた炎板上で第一燃焼用ガスを燃焼させた後第二燃焼用ガスを燃焼させる燃焼装置であって、この炎板の中央部には第一燃焼用ガスを噴出する複数の第一燃焼用ガス噴出孔が設けられるとともに、この第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように第二燃焼用ガスを噴出する複数の第二燃焼用ガス噴出孔が設けられている燃焼装置において、前記第二燃焼用ガス噴出孔は、炎板の中心と前記第一燃焼用ガス噴出孔を結ぶ直線上を避けて配置されていることを特徴とする燃焼装置である。

また、前記第一燃焼用ガス噴出孔は、大径の第一燃焼用ガス主噴出孔と、前記第一燃焼用ガス主噴出孔の周囲に設けられた小径の第一燃焼用ガス副噴出孔から成り、前記第二燃焼用ガス噴出孔は、炎板の中心と前記第一燃焼用ガス副噴出孔を結ぶ直線上を避けて配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置である。

また、前記第二燃焼用ガス噴出孔は、前記第一燃焼用ガス副噴出孔と同径もしくは第一燃焼用ガス副噴出孔よりも小径であることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼装置である。

また、前記炎板上の第二燃焼用ガス噴出孔の外周には、二次空気が噴出する二次空気噴出孔が配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃焼装置である。

上述のように構成することにより、第二燃焼用ガス単独での燃焼時、第二燃焼用ガス噴出孔で形成される火炎と第一燃焼用ガス噴出孔から噴出する空気とが接触する面積が大きくなるため、第二燃焼用ガスの燃焼火炎は十分に空気を取り込むことができ、不完全燃焼を防止して良好な燃焼状態を維持することが可能となる。

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、例えば、燃料電池に供給される水素置主成分の改質ガスを生成するための改質装置を加熱するための燃焼装置であって、第一燃焼用ガス噴出孔から第一燃焼用ガスを噴出して第一燃焼用ガスを燃焼させた後、第二燃焼用ガス導出部噴出孔から第二燃焼用ガスを噴出して第二燃焼用ガスを燃焼させるようになっている。

具体的には、燃料電池の起動時には、灯油等の液体燃料を加熱気化した燃焼用ガスと一次空気とを混合した燃焼用混合ガス（第一燃焼用ガス）が、炎板の中央部分に設けられた第一燃焼用ガス噴出孔から噴出されて火炎が形成されることになる。そして、第一燃焼用ガスの燃焼により改質装置が加熱され、改質装置で水素主成分の改質ガスが生成されると、燃料電池の運転が開始される。

燃料電池が運転を開始すると、燃料電池から排出された排ガス（第二燃焼用ガス）が第二燃焼用ガス噴出孔から噴出する。この第二燃焼用ガス噴出孔は、第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように設けられていて、第二燃焼用ガスは第一燃焼用ガスの火炎に触れて燃焼することになる。

その後、第二燃焼用ガスでの燃焼が安定すると、灯油の供給が停止されて第二燃焼用ガスだけでの燃焼が行われることになり、第一燃焼用ガス噴出孔からは空気のみが噴出する。第二燃焼用ガス噴出孔は、炎板の中心と第一燃焼用ガス噴出孔とを結ぶ直線上を避けて配置されているため、第一燃焼用ガス噴出孔から噴出する空気と第二燃焼用ガスにより形成される火炎とが接触する火炎面はぎざぎざの歯車状となることにより、火炎と空気との接触面積が格段に大きくなり、従来の構造と比較して第二燃焼用ガスの火炎は十分な量の空気を取り込むことが可能となる。

従って、第二燃焼用ガスのみで燃焼が行われる場合にも、火炎には十分な量の空気が供給されることとなるので、不完全燃焼を防止して良好な燃焼状態を維持することができるのである。

以下、図面に基づいて本発明の具体的な実施例について説明する。

図１は燃焼装置の正断面図であって、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（第一燃焼用ガス）燃焼させる混合ガスバーナ２６と、燃料電池で発生する排ガス（第二燃焼用ガス）を燃焼させる排ガスバーナ２７と、燃焼用ガスと混合される一次空気と混合ガスバーナ２６及び排ガスバーナ２７から噴出されるガスが燃焼した際の火炎に供給する二次空気を収容する空気室１５と、空気室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、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２６の混合室１２へ燃焼用ガスを噴射するように構成されている。

混合ガスバーナ２６は、筐体１４の略中央に気化器１１により気化された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円筒状の混合室１２を配設して形成されている。

排ガスバーナ２７は、燃料電池の水素極から延設される排ガス供給部８と連通する排ガス供給管１３と、この排ガス供給管１３の下流端が連設する排ガス室１９を有する構造であり、燃料電池の水素極から排出された排ガスは、排ガス供給管１３を通って排ガス室１９に供給される。

排ガス室１９は、上面が開口した有底のカップ状部材で形成されており、さらにカップ状部材の底面には穴が設けられているため、この穴に混合室１２を挿通することで混合室１２の外周に取り付けられるようになっている。したがって、排ガス室１９は上面の開口を後述の炎板２３に、そして底面の穴を混合室１２に溶接してシールすれば気密に保たれることとなり、簡単な構成で排ガスが漏れ出すのを防ぐことができる。

そして、混合室１２、排ガス室１９および空気室１５は、図２に示すように複数の貫通する噴出孔が設けられている炎板２３と連接しており、炎板２３により筐体１４が閉塞された状態となっている。

この炎板２３に設けられた噴出孔のうち、炎板２３の中央部に設けられた燃焼用混合ガス噴出孔（第一燃焼用ガス噴出孔）２３ａは混合室１２と連通している。また、この燃焼用混合ガス噴出孔２３ａは炎板２３の中央に配される大径の燃焼用混合ガス主噴出孔（第一燃焼用ガス主噴出孔）２３０ａと、燃焼用混合ガス主噴出孔２３０ａの周囲に設けられた１２個の小径の燃焼用混合ガス副噴出孔（第一燃焼用ガス副噴出孔）２３１ａからなり、これら炎孔は、燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部２０として構成されていて、この混合ガス導出部２０から噴出する燃焼用混合ガスは点火装置２５により点火されて燃焼を開始する。

点火装置２５は、空気室１５内に挿通されており、炎板２３を貫通してその先端が混合ガス導出部２０に臨むように設けられている。

また、燃焼用混合ガス噴出孔２３ａには網材２４が配設されていて、混合ガス導出部２０から噴出した燃焼用混合ガスが燃焼した際の火炎の逆火を防止し得るように構成されている。そのため安全性に優れるとともに、燃焼用混合ガス主噴出孔２３０ａの径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るため製造コストを下げることもできる。

そして、燃焼用混合ガス副噴出孔２３１ａの周囲に設けられた１２個の小径の排ガス噴出孔（第二燃焼用ガス噴出孔）２３ｂは、排ガス室１９と連通していて、排ガスを導出する排ガス導出部２１として構成されている。

また、排ガス噴出孔２３ｂは、炎板２３の中心と燃焼用混合ガス複噴出孔２３１ａを結ぶ直線上（図２中の破線で示す直線）を避けて配置されており、その孔径は燃焼用混合ガス複噴出孔２３１ａと同じか若しくは小さく形成されるものである。

さらに、炎板２３の周縁部には排ガス噴出孔２３ｂの周囲を取り囲むように二次空気噴出孔２３ｃが設けられており、この二次空気噴出孔２３ｃは空気室１５と連通していて、二次空気を導出する二次空気導出部２２として構成されている。従って、送風通路５から空気室１５に流入した空気は、二次空気導出部２２から噴出して混合ガスバーナ２６および排ガスバーナ２７で形成される火炎に二次空気として供給される。

このように二次空気導出部２２を設けたことにより、もしも排ガス室１９と炎板２３及び混合室１２との連接部分に隙間があり、ここから排ガスが空気室１５に漏れ出して二次空気に混ざってしまったとしても、二次空気は排ガス導出部２１の近傍に供給されるため、二次空気に含まれる排ガスは排ガスバーナ２７で確実に燃焼されることとなり、排ガスが未燃のまま排出されることを防止する。

尚、図１では混合ガス導出部２０と排ガス導出部２１と二次空気導出部２２とを平面状の炎板２３上に配置して、混合ガスと排ガスと二次空気とを同一の面から噴出するように構成しているが、炎板２３の形状を変更して二次空気導出部２２が排ガス導出部２１（および混合ガス導出部２０）よりも上流に位置するように構成してもよい。要は、二次空気を火炎に供給するため、二次空気の噴出した先に火炎が存在するようになっていればよいのである。

また、各噴出孔２３ａ（２３０ａ，２３１ａ）、２３ｂ、２３ｃの数や孔の大きさは適宜設計し得るものであり、実施例に限定されるものではない。

そして筐体１４の下流端は、内側に屈曲されて二次空気絞り部２８が形成されており、二次空気導出部２２から噴出した二次空気は二次空気絞り部２８に沿って中央に寄せられ、火炎に向かうように流れが規制される。そのため、火炎に確実に二次空気を供給することができ、また排ガスが漏れ出して二次空気に混入してしまった場合においては、排ガスを燃焼させて未燃のまま排出することを有効に防止する。

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、このノズル１７から噴出した燃焼用ガスは混合室１２へ入る。この際、空気室１５内の空気も一次空気として混合室１２へ引き込まれるため、混合室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。

そして燃焼用混合ガスは、炎板２３の中央部に設けられた混合ガス導出部２０より噴出して、点火装置２５により点火されて混合ガスバーナ２６での燃焼が開始される。

この際、二次空気導出部２２からは二次空気が噴出されていて、燃焼用混合ガスの燃焼により形成される火炎に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、この改質装置により、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る。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排ガスとして排出され、排ガスも燃焼装置での燃焼に用いられる。

ところで、改質装置が作動した直後は、燃料電池から排出される排ガスの量が不安定であり、燃料電池から排出される排ガスだけでは安定した燃焼を維持することは難しい。そこで、改質装置が作動した直後は、改質装置で生成される水素主成分の改質ガスの一部も排ガス導出部２１から噴出させることにより排ガスバーナ２７での燃焼を行う。

具体的には、改質装置が作動して水素主成分の改質ガスが生成されると、気化器１１への灯油の供給を停止するとともに、この改質ガスの一部を排ガス供給通路８から排ガス供給管１３を通して排ガス室１９に供給し、排ガス導出部２１から噴出させる。またこれと同時に、燃料電池からの排ガスも、排ガス供給通路８から排ガス供給管１３を通って排ガス室１９に供給され、排ガス導出部２１から噴出されるので、排ガスバーナ２７では排ガスおよび改質ガスによる燃焼が行われる。

そして、燃料電池から排出される排ガスの供給量が安定した時点で、排ガス供給管１３への改質ガスの供給を停止して、排ガス単独での燃焼に移行する。

この排ガス（および改質ガス）による燃焼では、混合ガス導出部２０から噴出するのは燃焼用ガスを含まない空気だけとなっていて、排ガスの燃焼火炎はこの空気と二次空気導出部２２から供給される空気を取り込んで燃焼することになる。

その際、排ガス噴出孔２３ｂは炎板２３の中心と燃焼用混合ガス副噴出孔２３１ａとを結ぶ直線上を避けて配置されているため、図３に示すように、排ガスの燃焼火炎と燃焼用混合ガス副噴出孔２３１ａから噴出する空気とが接触する火炎面（Ｆ１）は、ぎざぎざの歯車状となる。これにより、火炎と空気との接触面積が大きくなるため、排ガスの燃焼火炎は十分な量の空気を取り込むことが可能となり、空気不足による不完全燃焼を防止することができる。

また、排ガス噴出孔２３ｂは孔径が小さいため、ここから噴出される排ガスの噴出速度は速くなり、噴出後の排ガスには乱流が発生する。この乱流により、燃料と空気の混合が促進されることとなり、取り込まれた空気を効率よく燃焼に用いることができる。

さらに、二次空気供給孔２３ｃも同様に、炎板２３の中心と排ガス噴出孔２３ｂとを結ぶ直線上を避けて配置することにより、排ガスの燃焼火炎と二次空気供給孔２３ｃから噴出する空気とが接触する火炎面（Ｆ２）も歯車状となるため、排ガスの燃焼火炎は内と外の両方から空気を取り込むことができ、不完全燃焼をより効果的に防止することとなる。

本実施例を示す正断面図である。 本実施例に係る要部を説明する平面図である。 本実施例の排ガス（第二燃焼用ガス）による燃焼火炎を説明する図である。 従来例の要部を説明する平面図である。

符号の説明

２３ 炎板
２３ａ 燃焼用混合ガス噴出孔（第一燃焼用ガス噴出孔）
２３０ａ 燃焼用混合ガス主噴出孔（第一燃焼用ガス主噴出孔）
２３１ａ 燃焼用混合ガス副噴出孔（第一燃焼用ガス副噴出孔）
２３ｂ 排ガス噴出孔（第二燃焼用ガス噴出孔）
２３ｃ 二次空気噴出孔

Claims (4)

1. 複数の噴出孔を備えた炎板上で第一燃焼用ガスを燃焼させた後第二燃焼用ガスを燃焼させる燃焼装置であって、この炎板の中央部には第一燃焼用ガスを噴出する複数の第一燃焼用ガス噴出孔が設けられるとともに、この第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように第二燃焼用ガスを噴出する複数の第二燃焼用ガス噴出孔が設けられている燃焼装置において、前記第二燃焼用ガス噴出孔は、炎板の中心と前記第一燃焼用ガス噴出孔を結ぶ直線上を避けて配置されていることを特徴とする燃焼装置。
2. 前記第一燃焼用ガス噴出孔は、大径の第一燃焼用ガス主噴出孔と、前記第一燃焼用ガス主噴出孔の周囲に設けられた小径の第一燃焼用ガス副噴出孔から成り、前記第二燃焼用ガス噴出孔は、炎板の中心と前記第一燃焼用ガス副噴出孔を結ぶ直線上を避けて配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. 前記第二燃焼用ガス噴出孔は、前記第一燃焼用ガス副噴出孔と同径もしくは第一燃焼用ガス副噴出孔よりも小径であることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼装置。
4. 前記炎板上の第二燃焼用ガス噴出孔の外周には、二次空気が噴出する二次空気噴出孔が配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃焼装置。

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