JP2008516185A - 多孔質体を含むバーナー・デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも一部が多孔質体（２８）で満たされる燃焼室（２６）と、燃焼室（２６）の前に配置され燃料ライン（１６）によって供給される液体燃料の蒸発のための蒸発領域（１２）と、蒸発した液体燃料と燃焼空気ライン（１８）によって蒸発領域（１２）に供給される燃焼空気との燃焼混合物の点火のための点火装置（３０）と、燃焼室（２６）の後に配置される排気排出部（３８）と、を備えるバーナー・デバイスに関する。本発明は、蒸発領域（１４）と燃焼室（２６）の間に混合領域（２０）が配設されることを特徴とし、そこで燃料ガス吸入ライン（２２、２４）によって混合領域（２０）に供給される燃焼ガスが燃焼空気および／または燃焼混合物と混合されうる。本発明はまた、燃料電池アレンジメントでのアフター・バーナーとしてのバーナー・デバイスの使用法、及び対応する燃料電池アレンジメントに関する。

Description

本発明は、少なくとも一部が多孔質体で満たされるバーナー室、バーナー室の上流にあり燃料吸入ラインを介して供給される液体燃料を蒸発させるための蒸発領域、蒸発させられた液体燃料と燃焼空気吸入ラインを介して蒸発領域に供給される燃焼空気との燃焼混合物を点火するための点火装置、および燃焼室の下流にある排気排出部を備えるバーナー・デバイスに関する。

多孔質バーナーとも称されるようなバーナー・デバイスの一つは、特許文献１によって知られている。多孔質バーナーの特徴を示すものは、その多孔質体、すなわちバーナー室の少なくとも一部を満たす多孔質材料体である。そのような多孔質体にかかわる多孔質材料は、特にＳｉＣ、ＳｉＮなどの非酸化材料や、例えばＡｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２などの高温酸化物である。多孔質体は、多くの場合、バーナー・デバイスの排気性を向上させるために使用される。大きな表面積にわたる画成された燃焼が多孔質体にかかわるので、多孔質体を用いることによって、バーナーがより低い温度で機能可能となり、それによって排気ガス中のＮｏ_ｘ濃度を低減するように、安定した総燃焼が達成される。さらに、例えば前記の特許に開示されるように、多孔質体の一部が、吸入ラインまたは蒸発領域内への逆火を防ぐフレーム・トラップとして使用される。これは、多孔質体のうち吸入ラインまたは蒸発領域に面する部分に非常に小さな孔が設けられて火炎がそこから入らないようにすることによって達成される。この小さな孔に隣接するようにして、安定した火炎を形成するのに役立つよう多孔質体に大きな孔が設けられ、その結果、安定した火炎の形成およびフレーム・トラップという前述の目的が達成される。しかし、多孔質体の小孔領域は少なからぬ圧力損失をもたらす。そういうわけで、フレーム・トラップがあるにもかかわらず、逆火が特にバーナーの非固定動作点で生じる可能性があり、これによってより多くの排気排出量を招き、或いはバーナーまたはその一部が結果的に破壊されることになる。

ガス燃料または燃料ガスの燃焼用の多孔質バーナーも知られている。実際、ほとんどの多孔質バーナーがガス・バーナーとして設計される。そのようなガス多孔質バーナーの一例が、特許文献２に開示される。ガス多孔質バーナーはポット型の多孔質体を含み、ポットの内部が混合領域として機能し、そこに燃焼可能ガスが燃料ガス吸入ラインを介して導入され、同じようにしてポット内部に導入された燃焼空気と混合される。また、ポット内部の外側部分は、反応領域すなわち燃焼領域として働き、その厚さは吸入ガスの流量および圧力によって制御可能である。反応領域での火炎形成の安定化は、多孔質体で行われる。そのようなデバイスは逆火に対して非常に傷つきやすく、したがってバーナーの燃料ガス吸入ラインは、対応する保護デバイスを有する必要がある。

一方では液体燃料用の多孔質バーナー、他方では燃料ガス用の多孔質バーナーを考えると、一般に上述の特許に記載されるように、これらは完全に異なる構造を特徴とする。
ドイツ特許 ＤＥ １０１ ６０ ８３７ Ａｌ ドイツ特許 ＤＥ １９９ ６０ ０９３ Ａｌ

本発明の目的は、液体燃料および燃料気体を、任意で又は組み合わせて燃焼させることができるように、一般的な多孔質体を精巧化することである。

この目的は請求項１に記載の特徴によって達成される。

有利な態様および他の実施形態は従属請求項から読み取れる。

本発明によるバーナー・デバイスは、蒸発領域と燃焼室の間に、燃料ガス吸入ラインを介して導入される燃料ガスが燃焼空気および／または燃焼混合物と混合される混合領域が配設されており、一般的な従来技術に基づく。この配置の要点は、第１の領域すなわち蒸発領域で、液体燃料と燃焼空気との好ましくは点火可能な燃焼混合物であって、必要に応じて隣接する混合領域で燃料ガスにより質の高められた燃焼混合物を生成することである。そして、このように質の高められた燃焼混合物は、定められた安定した火炎を多孔質体で形成する際に点火される。本明細書の範囲内でいう「燃焼空気」という用語は広範な意味で理解されるものとし、大気混合物だけではなく、蒸発させた液体燃料または燃料ガスと混合することによって点火可能な混合物を形成することが可能な、酸素を含有する他の種類のガスも含む。

好ましくは、蒸発領域は、少なくとも一部が多孔質の蒸発要素で満たされる。

本内容において特に利点であると考えられるのは、多孔質の蒸発要素として金属発泡体を使用することであるが、この目的のためにセラミック発泡体または多孔質の固体を使用することも可能である。多孔質の蒸発要素の大きな表面積は、液体燃料の蒸発を向上させる。蒸発は、蒸発要素または触媒被覆を予め加熱することによって更に支援される。蒸発領域を噴霧室として構成することも可能であるが、蒸発要素を使用するほうが技術的に実現することがより簡単なので好ましい。ただし、ノズルを介して、すなわち発泡体充填材を使用せずに、液体燃料を供給することも可能である。

本発明の別の好ましい態様では、燃料ガス吸入ラインが、好ましくは端部が閉じられて、その管状の壁に半径方向の孔を有する管として、混合領域内に構成されるように設けられる。そのような管は、蒸発領域から混合領域内へと流れる燃焼混合物のフローに包み込まれ、燃料ガスおよび燃焼混合物の質の向上のためにとりわけ十分な混合が達成される。

或いは、燃料ガス吸入ラインは多孔質セラミック体として混合領域において構成されてもよく、孔のあいた管壁を有する管と比較してそのようなセラミック体のより大きな表面積によって、燃料ガスと燃焼混合物が更に十分に混合されることになる。

濃縮することのできる燃焼混合物に点火するための点火装置は、好ましくは燃焼室に配置され、特に好ましくは多孔質体内へと突き出ている。このことは、特別なフレーム・トラップなしで逆火を防ぐ際に火炎が多孔質体で最初に形成されるよう、多孔質体に入った（濃縮）燃焼混合物で点火が最初に起こることを確保する。

上述の本発明によるバーナーが複合操作で使用される場合、火炎は燃料ガス燃焼のためのパイロット火炎として液体燃料の燃焼に役立つことができ、またストレート式ガス・バーナーでは非可燃性の燃料ガスの燃焼も可能とする。ただし、本発明によるバーナーを、ガスまたは液体燃料のバーナーとして、高品質燃料ガスまたは液体燃料をストレート・モードで使用することも可能である。

好ましくは、燃料ガス、液体燃料および燃焼空気の吸入の流れを制御するために制御装置が設けられ、それぞれが他と混合するように微調整される。そのような制御装置は、供給および品質条件が異なっても永続的な最適燃焼を実現することを確保する。

事前に燃焼の個々の成分の化学的特性を匂いによって検査し、それに応じて制御パラメータを設定することは、非常に複雑であるため、本発明の１つの有利な態様では、微調整が閉ループで制御される。言い換えると、排気排出部の領域および／または燃焼室でセンサーによって感知されるパラメータに応じて、微調整を制御するように提供される。この目的のために、いわゆるラムダ・センサーが排気排出部の領域内で機能することができ、および／または温度センサーが同じ領域または燃焼室の領域内で機能することができる。これによって燃焼自体を監視することが可能になり、感知されたパラメータが予め設定される設定値より逸脱すると、最適な燃焼を実現するように個々の燃焼構成要素の混合が調整されることが可能である。

そのような結果優先型の閉ループ制御システムは、利用可能な流量および／または個々の燃焼構成要素の品質に大きなばらつきが予想されるときに特に有利であり、例えば、本発明の特に好ましい実施形態では、本発明によるバーナーが燃料電池スタックでのアフター・バーナーとして使用され、アノード排気流がバーナー・デバイスの燃料電池スタックに燃料ガスとして送り込まれる場合と同様である。

燃料電池は電気エネルギーを得るための既知のデバイスであり、十分に水素を含むアノード・ガスと酸素を含むカソード・ガスとは、燃料電池モジュール内における触媒作用による電気エネルギーの生成から水に転換される。そのような燃料電池の配置は、一般に相互連結された複数の燃料電池モジュールを含む。この配置は燃料電池スタックとよばれる。そのような燃料電池スタックの１つの問題は、水素を含むアノード・ガスの不完全な転換である。そういうわけで、（不完全な）アノード排気流はしばしばアフター・バーナーで燃焼され、その結果生じる熱が熱交換器によって抜き出されて利用される。しかし、燃料電池での触媒転換の程度はその実際の機能点に依存するので、アフター・バーナーに供給される燃料ガスの「品質」には大きなばらつきがあり、それによりバーナーの故障や、少なくとも最適な燃焼品質を下回る結果をもたらす。この問題は、燃料電池スタックのためのアフター・バーナーとしての本発明のバーナー・デバイスの使用法によって、排除されうる。

燃焼から生じる熱を効率的に利用するために、好ましくは熱交換要素と熱接触するように燃焼室が設けられる。

本発明の実施形態の好ましい一例を、図を参照しながら例を用いて以下に詳細に述べる。

図１は、本発明に対応するバーナー・デバイスを含む本発明の燃料電池スタックの一実施形態の概略的な断面図である。

ここで図１を参照すると、本発明によるバーナー・デバイス１０をアフター・バーナーとして割り当てた燃料電池モジュール４２を含む燃料電池スタックの概略的な断面図が示される。液体燃料および燃焼空気は、それぞれ燃料吸入ライン１６および燃焼空気吸入ライン１８を介して、好ましくは金属の蒸発要素１４として構成される、特に金属発泡体として構成されるバーナー・デバイス１０内へ送り込まれる。触媒被覆することのできる蒸発要素１４の表面領域で、供給された液体燃料が蒸発し燃焼空気と混合される。

蒸発領域から、結果として生じる燃焼混合物が混合領域２０内へと流入し、この場合は燃料電池モジュール４２のアノード排気である燃料ガスが、燃料ガス吸入ライン２２を介して導入される。混合領域２０では、燃料ガス吸入ライン２２が好ましくは穴のあいた管または多孔質体、特に多孔質セラミック体の形態を有する。燃料ガス吸入ライン２２のこの端部は、以下では燃料ガス・ディストリビュータ２４と称される。燃料ガス・ディストリビュータ２４は蒸発領域からの燃焼混合物の流れに包み込まれ、それにより、燃料ガスと燃焼混合物との均一な混合、言い換えると燃焼混合物の質の向上が行われる。次いで、（質の向上した）燃焼混合物は、実施形態では多孔質体２８で完全に満たされて示される燃焼室２６内へと流入する。多孔質体２８内部へ突出するものは、例えば電気グローピンとして構成されうる点火装置３０である。点火装置３０は、多孔質体２８に入っていた（質の向上した）燃焼混合物に点火し、安定した火炎の形成および燃焼混合物のほぼ完全な燃焼をもたらす。燃焼室の後部には熱交換器３２が配置され、例えば、熱流体入口ライン３４および熱流体出口ライン３６との連結部を有するらせん状の管が設けられる。この場合に使用される熱流体は、水、グリコール、熱オイル等の既知の流体のいずれかとすることができ、そのため、必要であれば空気などのガス物質を熱伝達媒体として使用することができる。

燃焼室２６の後部に連結するのは排気排出部３８であり、そこを通って燃焼排気ガスが外部に排出される。

示されている実施形態では、排気排出部の領域にラムダ・センサー４０が設けられ、これの補助によってある種の排気パラメータを感知することにより、燃焼の質を判断することができる。燃焼室２６での燃焼を最適化するように、ラムダ・センサー４０によって感知されるパラメータが、燃焼成分液体燃料、燃焼空気および燃料ガスの混合を微調整する制御装置４４に送られることが可能である。

もちろん、図で示した特定の説明および実施形態の例は本発明の例示的な実施形態を表すに過ぎず、限定的なものでは全くないことを理解されたい。当業者によって変更および修正がなされるであろう。したがって、例えば図示されたラムダ・センサー４０以外に追加の又は他のセンサーを特に使用することもでき、或いはセンサーをまったく使用しないことも可能である。さらに、バーナーの個々の部分の特別な幾何学的配置は図１で説明したものと同一である必要はない。排気ガスの冷却または燃料ガス、液体燃料および／または燃焼空気の予熱のために、排気ガスまたはその成分は回収されて、対応する吸入ライン１６、１８、２２を包み込むことができ、それを熱交換器に戻して効率を向上させることも可能である。

上記の説明、図面、および特許請求の範囲で開示された本発明の特徴は、本発明を単独および組み合わせで達成するために本質的なものでありうることを理解されたい。

本発明によるバーナー・デバイスを含む本発明による燃料電池スタックの一実施形態の概略的な断面図である。

符号の説明

１０ バーナー・デバイス
１２ 蒸発領域
１４ 蒸発要素
１６ 燃料吸入ライン
１８ 燃焼空気吸入ライン
２０ 混合領域
２２ 燃料ガス吸入ライン
２４ 燃料ガス・ディストリビュータ
２６ 燃焼室
２８ 多孔質体
３０ 点火装置
３２ 熱交換器
３４ 熱流体入口ライン
３６ 熱流体出口ライン
３８ 排気排出部
４０ ラムダ・センサー
４２ 燃料電池モジュール
４４ 制御装置

Claims (11)

1. 少なくとも一部が多孔質体（２８）で満たされるバーナー室（２６）と、
   前記バーナー室（２６）の上流にあり、燃料吸入ライン（１６）を介して供給される液体燃料を蒸発させるための蒸発領域（１２）と、
   蒸発した液体燃料と燃焼空気吸入ライン（１８）を介して前記蒸発領域（１２）に供給される燃焼空気との燃焼混合物に点火するための点火装置（３０）と、
   前記燃焼室（２６）の下流にある排気排出部と、を備え、
   前記蒸発領域（１２）と前記燃焼室（２６）の間に、燃料ガス吸入ライン（２２、２４）を介して導入される燃料ガスと前記燃焼空気および／または前記燃焼混合物とが混合される混合領域（２０）が配設されることを特徴とするバーナー・デバイス（１０）。
2. 前記蒸発領域（１２）は、少なくとも一部が多孔質の蒸発要素（１４）によって満たされることを特徴とする請求項１に記載のバーナー・デバイス（１０）。
3. 前記多孔質の蒸発要素（１４）は金属発泡体であることを特徴とする請求項２に記載のバーナー・デバイス（１０）。
4. 前記燃料ガス吸入ライン（２２、２４）は、前記混合領域（２０）において、その管状壁に半径方向の孔を有する管として構成されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のバーナー・デバイス（１０）。
5. 前記燃料ガス吸入ライン（２２、２４）は、前記混合領域（２０）において、多孔質セラミック体（２４）として構成されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のバーナー・デバイス（１０）。
6. 前記燃焼混合物に点火するための前記点火装置（３０）は、前記多孔質体（２８）の内部へ突き出ており、好ましくは前記燃焼室（２６）内に配置されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のバーナー・デバイス（１０）。
7. 燃料ガス、液体燃料および燃焼空気の吸入流を制御する制御装置（４４）が設けられ、当該燃料ガス、液体燃料および燃焼空気の各々は他との混合が微調整されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のバーナー・デバイス（１０）。
8. 前記制御装置（４４）は、排気排出部（３８）の領域および／または前記燃焼室（２６）でセンサを使用して感知されるパラメータに応じて混合の微調整を制御するのに適することを特徴とする請求項７に記載のバーナー・デバイス（１０）。
9. 前記燃焼室（２６）は、熱交換器（３２）と熱接触することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のバーナー・デバイス（１０）。
10. 燃料電池スタックのアフター・バーナーとしての前記請求項のいずれかに記載のバーナー・デバイス（１０）の使用法であって、アノード排気流が前記バーナー・デバイス（１０）の前記燃料電池スタックに燃料ガスとして送り込まれるバーナー・デバイスの使用法。
11. 少なくとも１つの燃料電池モジュール（４２）によって、含水素アノード・ガスと含酸素カソード・ガスとの触媒転換により電気エネルギーを生成するための燃料電池スタックであって、更なる燃焼のためのアフター・バーナーにアノード排気流を供給可能であり、請求項１から９のいずれかに記載のバーナー・デバイス（１０）がアフター・バーナーとして設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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