JP2009236462A - 改質装置の燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質装置の燃焼装置において、燃焼空間内の温度を検知する温度検知器の感温部を正確に位置決めして燃焼空間内の温度を正確に検知する。
【解決手段】改質装置の燃焼装置は、燃焼空間２５ｄの温度を先端部の感温部２５ｅ５で検出する棒状の温度センサ２５ｅと、燃焼空間２５ｄを形成する仕切り板２５ｂ１に固定されて燃焼空間２５ｄの所定位置に先端が位置決めされて温度センサ２５ｅが挿入される保護管２５ｆと、基部２５ａに取り付けられて温度センサを保持する保持ブラケット２５ｇと、温度センサ２５ｅの基端部に固定された係止部２５ｅ２と、保持ブラケット２５ｇと係止部２５ｅ２との間に介装されて温度センサ２５ｅの先端を保護管２５ｆの内側先端に付勢する付勢部材２５ｈと、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、改質装置の燃焼装置に関する。

改質装置の燃焼装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、改質装置の燃焼装置は、燃焼空間３に燃焼ガスを噴出するための複数の燃焼噴出孔８を有する燃料ディストリビュータ１を囲むように、燃焼空間に空気を噴出するための複数の空気噴出孔９を有する空気噴出部材２が配置され、この空気噴出部材２の空気噴出孔９の一つには、温度検知点を燃焼空間３内に僅かに突出させて燃焼空間３の温度を検知する温度検知部材６が設けられている。
特開２００４−１５６８９５号公報

上述した特許文献１に記載の改質装置の燃焼装置においては、温度検知部材６の先端に設けた温度検知点を燃焼空間３に僅かに突出して位置決めすることが困難であり、温度検知部材６の温度検知点を正確に位置決めできないと燃焼空間３内の温度を正確に検知できないおそれがあった。

本発明は、上記した問題を解消するためになされたもので、改質装置の燃焼装置において、燃焼空間内の温度を検知する温度検知器の感温部を正確に位置決めして燃焼空間内の温度を正確に検知することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、改質用燃料から改質ガスを生成する改質部を備えた改質装置に備えられて改質部を加熱する燃焼装置であって、可燃ガスを燃焼させる燃焼空間を内部に有する筒状の燃焼筒と、燃焼空間の温度を先端部の感温部で検出する棒状の温度検出器と、燃焼筒の軸方向で内部を仕切り燃焼筒に固定された仕切り部材と、燃焼空間の温度を検出可能に、温度検出器の先端部を仕切り部材に対して位置決めする位置決め部材と、燃焼筒の燃焼空間と軸方向反対側の端部を塞ぐように設けられた基部と、基部に取り付けられて温度検出器を保持する保持部材と、温度検出器の先端部と軸方向反対側の基端部に固定された係止部と、保持部材と係止部との間に介装されて温度検出器を基端部側から先端部側へ付勢する付勢部材と、を備えたことである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、位置決め部材は、先端部が仕切り部材に対して位置決めされ、温度検出器の先端部から温度検出器が挿入される有底管形状の保護管であることである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、保護管の先端部が仕切り部材に設けた穴部に貫挿されて固定されるときに保護管の先端部の外壁面には仕切り部材の壁面と当接して燃焼空間の温度を検出可能に温度検出器の先端部を位置決めする位置決め用段部を形成したことである。

また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、位置決め部材は、温度検出器の先端部に固定され、仕切り部材に設けた穴部に貫挿されて固定されるときに仕切り部材の壁面と当接して燃焼空間の温度を検出可能に温度検出器の先端部を位置決めする第２係止部であることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、位置決め部材は、燃焼空間の温度を検出可能に、温度検出器の先端部を仕切り部材に対して位置決めする。さらに、基部に取り付けられて温度検出器を保持する保持部材と、温度検出器の先端部と軸方向反対側の基端部に固定された係止部と、の間に介装された付勢部材による付勢によって、位置決め部材により先端部が仕切り部材に対して位置決めされた温度検出器はその位置に保持される。これにより、温度検出器は先端部の感温部が燃焼空間の温度を検出可能な位置に正確かつ確実に（位置ずれすることなく）位置決めされるようになって、燃焼空間内の正確な温度を検出することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、位置決め部材は、先端部が仕切り部材に対して位置決めされ、温度検出器の先端部から温度検出器が挿入される有底管形状の保護管であるので、温度検出器は燃焼空間の所定位置に先端が位置決めされた保護管内に挿入されて、基部に取り付けられた保持部材と温度検出器の基端部に固定された係止部との間に介装された付勢部材による付勢によって、温度検出器の先端が保護管の内側先端に当接することになる。これにより、温度検出器は先端部の感温部が燃焼空間の温度を検出可能な位置に正確かつ確実に位置決めされるようになって、燃焼空間内の正確な温度を検出することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項２に係る発明において、保護管の先端部が仕切り部材に設けた穴部に貫挿されて固定されるときに保護管の先端部の外壁面には仕切り部材の壁面と当接して燃焼空間の温度を検出可能に温度検出器の先端部を位置決めする位置決め用段部を形成したので、この位置決め用段部を仕切り部材の壁面に当接させることで保護管の先端を所定位置（燃焼空間２５ｄの温度検出可能な位置）に正確に位置決めすることができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１に係る発明において、位置決め部材は、温度検出器の先端部に固定され、仕切り部材に設けた穴部に貫挿されて固定されるときに仕切り部材の壁面と当接して燃焼空間の温度を検出可能に温度検出器の先端部を位置決めする第２係止部である。これにより、第２係止部は、燃焼空間の温度を検出可能に、温度検出器の先端部を仕切り部材に対して位置決めする。さらに、基部に取り付けられて温度検出器を保持する保持部材と、温度検出器の先端部と軸方向反対側の基端部に固定された係止部と、の間に介装された付勢部材による付勢によって、第２係止部により先端部が仕切り部材に対して位置決めされた温度検出器はその位置に保持される。これにより、温度検出器は先端部の感温部が燃焼空間の温度を検出可能な位置に正確かつ確実に（位置ずれすることなく）位置決めされるようになって、燃焼空間内の正確な温度を検出することができる。

以下、本発明による改質装置の燃焼装置を適用した燃料電池システムの一実施形態について図１、２を用いて説明する。図１、２の上下は、重力方向の上下である。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質装置２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部（燃焼装置）２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

改質部２１は、改質用燃料に改質水が混合された改質用原料である混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。

改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、冷却部２２から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが触媒２１ｂによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

冷却部２２は、改質部２１から導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって降温してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって昇温して改質部２１に導出するようになっている。

具体的には、冷却部２２には図示しない燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１が接続されている。改質用燃料供給管４１には、上流から順番に燃料ポンプ４２、脱硫器４６および改質用燃料バルブ４３が設けられている。改質用燃料バルブ４３は改質用燃料供給管４１を開閉するものである。燃料ポンプ４２は改質用燃料を供給しその供給量を調整する改質用燃料供給手段である。脱硫器４６は燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。燃料供給源から供給される燃料のうち改質部２１に供給されて改質されるものを改質用燃料といい、燃焼部２５に供給されて燃焼されるものを燃焼用燃料という。

また、改質用燃料供給管４１の脱硫器４６と改質用燃料バルブ４３との間には燃焼部２５に接続された燃焼用空気供給管６４に接続された燃焼用燃料供給管４４が接続されている。燃焼用燃料供給管４４には燃焼用燃料バルブ４５が設けられている。燃焼用燃料バルブ４５は燃焼用燃料供給管４４を開閉するものである。燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が閉じられ燃焼用燃料バルブ４５が開かれている場合、燃焼部２５に燃焼用燃料が供給され、また、燃料ポンプ４２が駆動され改質用燃料バルブ４３が開かれ燃焼用燃料バルブ４５が閉じられている場合、改質部２１に改質用燃料が供給される。

さらに、改質用燃料供給管４１の改質用燃料バルブ４３と冷却部２２との間には蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続されている。蒸発部２６から供給された水蒸気が改質用燃料に混合され、その混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給されている。

ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２を通って供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部２３は、内部に上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気は、触媒２３ｂにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。

このＣＯ選択酸化部２４の側壁面下部および側壁面上部には、ＣＯシフト部２３に接続された接続管８９および燃料電池１０の燃料極１１に接続された改質ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。接続管８９には、酸化用空気供給管６１が接続されている。これにより、ＣＯ選択酸化部２４には、ＣＯシフト部２３からの改質ガスと大気からの酸化用空気が導入されるようになっている。なお、酸化用空気供給管６１には、上流から順番に酸化用空気ポンプ６２および酸化用空気バルブ６３が設けられている。酸化用空気ポンプ６２は酸化用空気を供給しその供給量を調整するものである。酸化用空気バルブ６３は酸化用空気供給管６１を開閉するものである。

したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極１１に供給されるようになっている。

燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されるとともに、燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。

起動運転時には、改質装置２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を閉じ第２改質ガスバルブ７６を開き、定常運転（発電運転）時には、改質装置２０からの改質ガスを燃料電池１０に供給するため、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５を開き第２改質ガスバルブ７６を閉じている。

また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管６７が接続されるとともに、空気極１２の導出口には、排気管８２が接続されている。空気極１２に空気が供給され、オフガスが排気されるようになっている。なお、カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８はカソード用空気を供給しその供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９はカソード用空気供給管６７を開閉するものである。

燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に空間をおいて下端部が挿入されている。燃焼部２５は、拡散燃焼させるときには、燃料極１１からのアノードオフガスまたは改質部２１からの燃料ガスを燃焼用酸化剤ガスにより燃焼させて燃焼ガスを生成し、予混合燃焼させるときには、燃料供給源からの燃焼用燃料および燃焼用酸化剤ガスが予混合された予混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、これら燃焼ガスのいずれかにより改質部２１を加熱する燃焼装置である。

この燃焼部２５は、図２に示すように、基部２５ａと、基部２５ａに設けられて基部２５ａと連通する筒状の燃焼筒２５ｂと、オフガスノズル２５ｃと、温度センサ（温度検出器）２５ｅと、保護管（位置決め部材）２５ｆと、を備えている。なお、燃焼部２５は、制御装置の指令に応じて点火用電極（図示省略）により着火されるものである。

基部２５ａは、略円形のベースプレート２５ａ１と、このベースプレート２５ａ１の下側を覆って固定された円筒形のベースケーシング２５ａ２から構成されている。ベースプレート２５ａ１内には、第１流入口２５ａ３と流出口２５ａ４を備えた接続路２５ａ５が形成されており、この接続路２５ａ５の第１流入口２５ａ３にはオフガス供給管７２が接続されており、流出口２５ａ４にはオフガスノズル２５ｃが接続されている。ベースケーシング２５ａ２には、第２流入口２５ａ６が設けられており、この第２流入口２５ａ６には、ベースプレート２５ａ１とベースケーシング２５ａ２とにより形成される空間２５ａ７に連通する燃焼用空気供給管６４が接続されている。この基部２５ａは、燃焼筒２５ｂの燃焼空間２５ｄと軸方向反対側の端部を塞ぐように設けられている。

燃焼筒２５ｂには、軸方向の中間部より下端側に円盤状の仕切り板（仕切り部材）２５ｂ１が設けられており（固定されており）、この仕切り板２５ｂ１は、燃焼筒２５ｂ内の空間を軸方向に仕切っている。仕切り板２５ｂ１は燃焼筒２５ｂに溶接により固定されているが、圧入や機械的結合により固定してもよい。

なお、仕切り板２５ｂ１により仕切られた燃焼筒２５ｂの上側の空間は、基部２５ａの空間２５ａ７と連通しており、仕切り板２５ｂ１により仕切られた燃焼筒２５ｂの下側の空間は下方に開放されており、この下側の空間は後述する燃焼空間２５ｄとなる。仕切り板２５ｂ１には、複数の第２噴射口２５ｂ２が設けられている。また、本実施の形態では、仕切り板２５ｂ１は予混合ガスの噴出口２５ｂ２を設けた部材と兼用しているが、仕切り板２５ｂ１は必ずしもガスの通過を仕切る必要はなく、温度センサ２５ｅや保護管２５ｆの先端部が位置決めすることができればよい。

オフガスノズル２５ｃは、有底管形状をして空間２５ａ７および燃焼筒２５ｂ内に延在しており、基端が接続路２５ａ５と連通して基部２５ａのベースプレート２５ａ１に固定され、先端部が仕切り板２５ｂ１の中央の穴部に嵌挿されている。オフガスノズル２５ｃの先端部は、燃焼空間２５ｄ内に延在しており、この先端部の周面には、複数の第１噴射口２５ｃ１が設けられている。第１噴射口２５ｃ１は、オフガスノズル２５ｃの径方向に開口して等間隔で４箇所に設けられている。

なお、本願の特許請求の範囲に記載の第１供給経路Ｌ１は、接続路２５ａ５とオフガスノズル２５ｃ内の空間とからなり、第１流入口２５ａ３から燃焼用燃料を流入させて燃焼空間２５ｄに供給するものである。第２供給経路Ｌ２は、空間２５ａ７と、仕切り板２５ｂ１より上側で燃焼筒２５ｂとオフガスノズル２５ｃとの間の空間２５ｂ３とからなり、第２流入口２５ａ６から少なくとも燃焼用酸化剤ガスを流入させて燃焼空間２５ｄに供給するものである。

燃焼空間２５ｄは、燃焼用燃料、アノードオフガスおよび改質ガスである可燃ガスを燃焼させるための空間であり、燃焼筒２５ｂ内で仕切り板２５ｂ１により仕切られた下側の空間であって、オフガスノズル２５ｃの先端が突出した側の空間である。なお、この燃焼空間２５ｄを形成する壁部材は、燃焼筒２５ｂの仕切り板２５ｂ１より下側部分および仕切り板２５ｂ１である。

温度センサ２５ｅは、棒状をしてなり、例えばシース熱電対が用いられている。温度センサ２５ｅは、燃焼部２５の燃焼空間２５ｄ内で生じる火炎２５ｉの輻射温度を先端部（先端２５ｅ１から少し基端側）の感温部２５ｅ５で検出して、その検出結果を制御装置に送信するもの（例えば輻射温度計）である。温度センサ２５ｅは、基部２５ａのベースプレート２５ａ１および仕切り板２５ｂ１を貫通して、その先端部が燃焼空間２５ｄ内に配置されている。なお、本実施の形態では、温度センサ２５ｅとしてシース熱電対が用いられているが、本発明はこれに限られるものでなく、サーミスタを用いてもよい。

保護管２５ｆは、先端部が仕切り板２５ｂ１に対して位置決めされ、温度センサ２５ｅの先端部から温度センサ２５ｅが挿入される有底管形状のものであり、温度センサ２５ｅを収容するものである。保護管２５ｆは、燃焼空間２５ｄの温度を検出可能に、温度センサ２５ｅの先端部を仕切り板２５ｂ１に対して位置決めする位置決め部材である。

保護管２５ｆは、管部２５ｆ１と、先端が閉じられたキャップ部２５ｆ２とからなり、これらを一体的に接続固定したものである。保護管２５ｆは、ステンレス系金属で形成されているが、ステンレス以外の耐熱金属でもよく、アルミナ等のセラミックス材を使用してもよい。なお、保護管２５ｆは管部２５ｆ１とキャップ部２５ｆ２とを１部材で構成したものでもよい。保護管２５ｆは、空間２５ａ７および燃焼筒２５ｂ（空間２５ｂ３）内に延在しており、基端部が基部２５ａのベースプレート２５ａ１に設けた穴部に貫挿されて溶接により固定され、先端のキャップ部２５ｆ２が仕切り板２５ｂ１に設けた穴部に貫挿されて溶接により固定されている。キャップ部２５ｆ２の周面（外壁面）には、温度センサ２５ｅの軸線方向に段部（位置決め用段部：異なる外径により形成）２５ｆ３が形成されており、この段部２５ｆ３が仕切り板２５ｂ１の上面（壁面）に当接することで、キャップ部２５ｆ２が仕切り板２５ｂ１に設けた穴部に貫挿されたときにキャップ部２５ｆ２の先端を燃焼空間２５ｄの所定位置に位置決めされる。なお、段部２５ｆ３は、キャップ部２５ｆ２の全周面に形成されているが、これに限られるものでなく、キャップ部２５ｆ２の外周面に形成された少なくとも１箇所以上の突部から構成するようにしてもよい。

また、保護管２５ｆの先端が固定された所定位置は、燃焼空間２５ｄの内部でかつ火炎２５ｉの火炎面２５ｉ１の外部であって、火炎の２５ｉの輻射熱が計測できる位置である。本実施の形態においては、保護管２５ｆのキャップ部２５ｆ２の先端は、０．３ｍｍの肉厚をして仕切り板２５ｂ１から燃焼空間２５ｄに向けて０．８ｍｍ突出して位置決めされている。また、保護管２５ｆに挿入された温度センサ２５ｅの先端は、保護管２５ｆの先端と同様に、燃焼空間２５ｄの内部でかつ火炎２５ｉの火炎面２５ｉ１の外部であって、火炎の２５ｉの輻射熱が計測できる位置に配置されており、仕切り板２５ｂ１から燃焼空間２５ｄに向けて０．５ｍｍ突出した位置となる。なお、ここで火炎面とは、燃焼ガスまたは予混合ガスなどの可燃ガスの燃焼反応が起こっている部分とそれ以外の部分の境界面をいう。

温度センサ２５ｅは、保護管２５ｆ内に挿入されており、温度センサ２５ｅの先端が保護管２５ｆのキャップ部２５ｆ２の内側先端に当接している。基部２５ａのベースプレート２５ａ１の上面（外壁面）には、温度センサ２５ｅを保持する保持ブラケット（保持部材）２５ｇが設けられている（取付けられている）。この保持ブラケット２５ｇは、直角に折れ曲がった略Ｚ字形をしており、保持ブラケット２５ｇの下板部２５ｇ１がベースプレート２５ａ１の上面にねじ止め固定され、保持ブラケット２５ｇの上板部２５ｇ２に設けた貫通孔に温度センサ２５ｅが挿通されて軸方向移動可能に温度センサ２５ｅを保持している。なお、下板部２５ｇ１はベースプレート２５ａ１にねじ止め固定しているが、溶接等の接合により固定してもよい。

温度センサ２５ｅの先端部と軸方向反対側の基端部には、係止部（第１係止部）２５ｅ２が固定されている。この温度センサ２５ｅには、保持ブラケット２５ｇの上板部２５ｇ２より下側位置に円環形をした係止部２５ｅ２がかしめ固定されている。なお、係止部２５ｅ２は、円環形をしたものに限られず、多角形をしたものや少なくとも一対の対向した突部を備えたものでもよい。また、係止部２５ｅ２は温度センサ２５ｅにかしめ固定しているが、接着等の接合により固定してもよい。

保持ブラケット２５ｇの上板部２５ｇ２と温度センサ２５ｅの係止部２５ｅ２との間には、温度センサ２５ｅの先端を保護管２５ｆの内側先端に（温度センサ２５ｅを基端部側から先端部側へ）付勢する付勢部材２５ｈが介装されている。付勢部材２５ｈは、温度センサ２５ｅの先端が保護管２５ｆの内側先端から離れないようにかつ過度な応力がかからない程度に付勢する柔軟な弾性材よりなる。本実施形態においては、付勢部材２５ｈは、スポンジ製（海綿状のゴムまたは合成樹脂製）の環状部材が用いられている。温度センサ２５ｅの先端は、この付勢部材２５ｈによる付勢によって保護管２５ｆのキャップ部２５ｆ２の内側先端に常に当接している。なお、本発明の付勢部材２５ｈは、スポンジ製の環状部材に限られるものでなく、発泡体による弾性材（例えばポリウレタンなどのプラスチックやゴムなどを発泡成形したもの）やゴム製の弾性材よりなるものや、反発力を低く抑えて過度な応力がかからないようにした圧縮コイルばねなどのばね部材を用いてもよい。また、付勢部材２５ｈは、環状のものに限られずＣ形状のものでもよい。

拡散燃焼をさせる場合には、第１流入口２５ａ３からアノードオフガスまたは改質ガスが第１供給経路Ｌ１に流入する。すなわち、第１流入口２５ａ３から流入したアノードオフガスまたは改質ガスは、接続路２５ａ５とオフガスノズル２５ｃを通って（第１供給経路Ｌ１を通って）第１噴射口２５ｃ１から燃焼空間２５ｄに供給される。このとき、第２流入口２５ａ６からは燃焼用空気が第２供給経路Ｌ２に流入する。すなわち、第２流入口２５ａ６から流入した燃焼用空気は、基部２５ａ内の空間２５ａ７と燃焼筒２５ｂ内の空間２５ｂ３とを通って第２噴射口２５ｂ２から燃焼空間２５ｄに供給される。

一方、予混合燃焼をさせる場合には、第２流入口２５ａ６から予混合ガスが第２供給経路Ｌ２に流入する。すなわち、第２流入口２５ａ６から流入した予混合ガスは、基部２５ａ内の空間２５ａ７と燃焼筒２５ｂ内の空間２５ｂ３とを通って（第２供給経路Ｌ２を通って）第２噴射口２５ｂ２から燃焼空間２５ｄに供給される。なお、予混合ガスは燃焼用空気供給管６４を通って供給される。

燃焼用空気供給管６４には、図１に示すように、燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス供給手段）６５および燃焼用空気バルブ６６が設けられている。燃焼用空気ポンプ６５は大気から燃焼用空気を吸い込み燃焼部２５に吐出するものであり、制御装置の指令に応じて燃焼部２５に供給する燃焼用空気供給量を調整するものである。燃焼用空気バルブ６６は、制御装置の指令に応じて燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。

システム起動開始（燃料電池システム（改質装置２０）の起動開始）した時点から改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるまでの間は、燃焼用空気バルブ６６が開かれ、燃焼用空気ポンプ６５が駆動されるとともに、改質用燃料バルブ４３、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が閉じられ、燃焼用燃料バルブ４５が開かれ、燃料ポンプ４２が駆動される。燃焼用燃料は改質部２１を通らないで燃焼用燃料供給管４４を通って燃焼用空気供給管６４で燃焼用空気に合流して混合され、その予混合ガスが燃焼用空気供給管６４を通って燃焼部２５に供給される。改質部２１に改質用燃料の供給が開始されるのは、蒸発部２６で水蒸気が生成され、かつ、改質部２１が所定温度以上となった後である。

また、改質部２１への改質用燃料の供給開始以降から定常運転（発電）開始までの間は、改質用燃料バルブ４３および第２改質ガスバルブ７６が開かれ、燃焼用燃料バルブ４５が閉じられ、燃料ポンプ４２が駆動される。第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５は閉じられたままである。これにより、ＣＯ選択酸化部２４から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、燃焼部２５にはＣＯ選択酸化部２４からの改質ガスが燃料電池１０を通らないで直接供給される。燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、燃焼部２５には、オフガス供給管７２を通って改質ガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管６４を通って燃焼用空気が供給される。

そして、定常運転（発電）中においては、改質用燃料バルブ４３、第１改質ガスバルブ７４およびオフガスバルブ７５が開かれ、燃焼用燃料バルブ４５および第２改質ガスバルブ７６が閉じられ、燃料ポンプ４２が駆動される。これにより、燃焼部２５には燃料電池１０の燃料極１１からのアノードオフガス（燃料電池１０の燃料極１１に供給され消費されずに排出された水素や未改質の改質用燃料を含んだ改質ガス）が供給される。燃焼用空気は上記と同様に供給されている。すなわち、燃焼部２５には、オフガス供給管７２を通ってアノードオフガスが供給されるとともに、燃焼用空気供給管６４を通って燃焼用空気が供給される。このとき、燃焼部２５では燃焼用燃料などの可燃ガスを別途追加して燃焼する追い焚きは行われていない。いわゆる追い焚きレスシステムである。

このように燃焼部２５においては、燃焼部２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガス（これらは可燃ガスである。）は、燃焼部２５に供給された燃焼用空気によって燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、改質部２１と断熱部２８との間および断熱部２８と蒸発部２６との間に形成されて改質部２１や蒸発部２６を加熱するように配設された燃焼ガス流路２７を流通し、排気管８１を通って燃焼排ガスとして外部に排出される。燃焼ガスは改質部２１の改質触媒２１ａを活性温度域となるように加熱し、蒸発部２２を水蒸気生成するために加熱する。

蒸発部２６は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成して冷却部２２を介して改質部２１に供給するものである。蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を覆って当接して設けられている。

この蒸発部２６の下部（例えば側壁面下部、底面）には改質水タンク（図示省略）に接続された給水管５２が接続されている。蒸発部２６の上部（例えば側壁面上部）には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ導出するようになっている。なお、給水管５２には、上流から順番に改質水ポンプ５３および改質水バルブ５４が設けられている。改質水ポンプ５３は、蒸発部２６に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。改質水バルブ５４は給水管５２を開閉するものである。

上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、位置決め部材（仕切り板）２５ｂ１は、燃焼空間２５ｄの温度を検出可能に、温度検出器（温度センサ）２５ｅの先端部を仕切り部材２５ｂ１に対して位置決めする。さらに、基部２５ａに取り付けられて温度検出器２５ｅを保持する保持部材２５ｇと、温度検出器２５ｅの先端部と軸方向反対側の基端部に固定された係止部２５ｅ２と、の間に介装された付勢部材２５ｈによる付勢によって、位置決め部材（保護管）２５ｆにより先端部が仕切り部材２５ｂ１に対して位置決めされた温度検出器２５ｅはその位置に保持される。これにより、温度検出器２５ｅは先端部の感温部２５ｅ５が燃焼空間の温度を検出可能な位置に正確かつ確実に（位置ずれすることなく）位置決めされるようになって、燃焼空間２５ｄ内の正確な温度を検出することができる。また、このように正確な温度を検出することにより、その検出結果に基づいて正確に燃焼部２５の燃焼制御をすることができるようになる。また、燃焼空間２５ｄ内の温度を正確に検知可能となり、燃焼空気または可燃ガス（燃料）いずれかの流量計を廃止でき、コストダウンが可能となる。

また、位置決め部材は、先端部が仕切り部材２５ｂ１に対して位置決めされ、温度検出器（温度センサ）２５ｅの先端部から温度検出器２５ｅが挿入される有底管形状の保護管２５ｆであるので、温度検出器２５ｅは燃焼空間２５ｄの所定位置に先端が位置決めされた保護管２５ｆ内に挿入されて、基部２５ａに取り付けられた保持部材（保持ブラケット）２５ｇと温度検出器２５ｅの基端部に固定された係止部２５ｅ２との間に介装された付勢部材２５ｈによる付勢によって、温度検出器２５ｅの先端が保護管２５ｆの内側先端に当接することになる。これにより、温度検出器２５ｅは先端部の感温部２５ｅ５が燃焼空間２５ｄの温度を検出可能な位置に正確かつ確実に位置決めされるようになって、燃焼空間２５ｄ内の正確な温度を検出することができる。また、このように正確な温度を検出することにより、その検出結果に基づいて正確に燃焼部２５の燃焼制御をすることができるようになる。また、燃焼空間２５ｄ内の温度を正確に検知可能となり、燃焼空気または可燃ガス（燃料）いずれかの流量計を廃止でき、コストダウンが可能となる。さらに、温度センサ２５ｅは付勢部材２５ｈによりその先端を保護管２５ｆの内側先端に付勢されているので、温度センサ２５ｅおよび保護管２５ｆが互いに異なるように熱膨張や熱収縮をしても温度センサ２５ｅの先端が保護管の内側先端に常に当接されて感温部２５ｅ５である先端部が位置ずれをおこさない。また、保護管２５ｆによって燃焼雰囲気（強烈な酸化反応場である）から温度検出器２５ｅを保護することができ、温度検出器２５ｅの耐久性を向上することができる。

また、保護管２５ｆの先端部が仕切り部材（仕切り板）２５ｂ１に設けた穴部に貫挿されて固定されるときに保護管２５ｆの先端部の外壁面には仕切り部材２５ｂ１の壁面（上面）と当接して燃焼空間２５ｄの温度を検出可能に温度検出器２５ｅの先端部を位置決めする位置決め用段部２５ｆ３を形成したので、この位置決め用段部２５ｆ３を仕切り部材２５ｂ１の壁面に当接させることで保護管２５ｆの先端を所定位置（燃焼空間２５ｄの温度検出可能な位置）に正確に位置決めすることができる。

なお、本実施の形態においては、燃焼部２５は、下方に火炎を形成するように構成したものであるが、これに限られるものでなく、上方や側方に火炎を形成させるように構成するようにしてもよい。

また、保護管２５ｆは、基端部がベースプレート２５ａ１に固定され、キャップ部２５ｆ２が仕切り板２５ｂ１に固定されているが、必ずしも固定する必要はないし、キャップ部２５ｆ２だけが固定されていてもよい。キャップ部２５ｆ２に仕切り板２５ｂ１の穴部を通過できない段部２５ｆ３が設けられていれば、付勢部材２５ｈの付勢力により、保護管２５ｆは位置決めされる。このため、保護管２５ｆとベースプレート２５ａ１の穴部の間がガス不透過性を有するようにＯリングなどによりシールされていればよい。これにより燃焼筒２５ｂなどの熱膨張を吸収できる。

さらに、実施形態では、温度センサ２５ｅの感温部２５ｅ５（先端）は、燃焼空間２５ｄの内部でかつ火炎２５ｉの火炎面２５ｉ１の外部に設けられているが、燃焼温度を計測できるなら、どこでもよい。例えば、実施形態では温度センサ２５ｅの先端は仕切り板２５ｂ１から燃焼空間２５ｄに向けて０．５ｍｍ突出して位置決めされているが、仕切り板２５ｂ１の穴部内にあっても火炎の２５ｉの輻射熱が計測できればよい。また温度センサ２５ｅの先端が火炎面内にあってもよい。温度センサ２５ｅの先端が、仕切り板２５ｂ１の燃焼空間２５ｄ側の平面より０．５ｍｍだけ燃焼空間２５ｄから遠ざかった位置から燃焼空間２５ｄに向けて１ｍｍ突出した位置が望ましい。より望ましくは、実施形態のように、温度センサ２５ｅの先端が、燃焼空間内２５ｄ内（仕切り板２５ｂ１から燃焼空間２５ｄに向けて突出している）でかつ火炎面２５ｉ１の外部にある方がよい。温度計測精度が向上すると共に、温度センサ２５ｅの耐久性が向上できるからである。

さらに、上記実施の形態においては、位置決め部材として保護管２５ｆを採用するようにしたが、これに代えて、温度センサ２５ｅに直接設ける第２係止部２５ｅ３を採用するようにしてもよい。第２係止部２５ｅ３は、図３に示すように、温度センサ２５ｅの先端部に固定され、仕切り部材２５ｂ１に設けた穴部に貫挿されて固定されるときに仕切り部材２５ｂ１の壁面と当接して燃焼空間２５ｄの温度を検出可能に温度センサ２５ｅの先端部を位置決めするものである。第２係止部２５ｅ３は係止部２５ｅ２と同様にかしめ固定したものである。位置決めされる位置は、上記実施の形態と同様である。なお、図３の説明において、図２と同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。

第２係止部２５ｅ３は予め温度センサ２５ｅに固定されていてもよい。この場合、ベースプレート２５ａ１には、温度センサ２５ｅに予め固定された第２係止部２５ｅ２より大径の穴を設け、その大径の穴と位置決めされた温度センサ２５ｅとの隙間をシールするためのシール部材２５ｅ４をベースプレート２５ａ１と温度センサ２５ｅとの間に介装すればよい。これにより、容易に組立可能、かつ燃焼筒２５ｂなどの熱膨張を吸収できる。

このような構成によれば、第２係止部２５ｅ３は、燃焼空間２５ｄの温度を検出可能に、温度センサ２５ｅの先端部を仕切り部材２５ｂ１に対して位置決めする。さらに、基部２５に取り付けられて温度センサ２５ｅを保持する保持部材２５ｇと、温度センサ２５ｅの先端部と軸方向反対側の基端部に固定された係止部２５ｅ２と、の間に介装された付勢部材２５ｈによる付勢によって、第２係止部２５ｅ３により先端部が仕切り部材２５ｂ１に対して位置決めされた温度センサ２５ｅはその位置に保持される。これにより、温度センサ２５ｅは先端部の感温部２５ｅ２が燃焼空間２５ｄの温度を検出可能な位置に正確かつ確実に（位置ずれすることなく）位置決めされるようになって、燃焼空間２５ｄ内の正確な温度を検出することができる。

本発明による改質装置の燃焼装置の一実施の形態を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。 図１に示す燃焼部を示す断面図である。 図１に示す燃焼部の他の実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…燃焼部（燃焼装置）、２５ａ…基部、２５ｂ…燃焼筒、２５ｂ１…仕切り板（仕切り部材）、２５ｃ…オフガスノズル、２５ｃ１…第１噴出口、２５ｅ…温度センサ（温度検出器）、２５ｅ２…係止部、２５ｅ３…第２係止部（位置決め部材）、２５ｅ５…感温部、２５ｆ…保護管（位置決め部材）、２５ｆ３…段部（位置決め用段部）２５ｇ…保持ブラケット（保持部材）、２５ｈ…付勢部材、２６…蒸発部、２７…燃焼ガス流路、２８…断熱部、４１…燃料供給管、４２…燃料ポンプ、４３…改質用燃料バルブ、４４…燃焼用燃料供給管、４５…燃焼用燃料バルブ、４６…脱硫器、５１…水蒸気供給管、５２…給水管、５３…改質水ポンプ、５４…改質水バルブ、６１…酸化用空気供給管、６２…酸化用空気ポンプ、６３…酸化用空気バルブ、６４…燃焼用空気供給管、６５…燃焼用空気ポンプ、６６…燃焼用空気バルブ、６７…カソード用空気供給管、６８…カソード用空気ポンプ、６９…カソード用空気バルブ、７１…改質ガス供給管、７２…オフガス供給管、７３…バイパス管、７４…第１改質ガスバルブ、７５…オフガスバルブ、７６…第２改質ガスバルブ、８１，８２…排気管、８９…接続管、Ｌ１…第１供給経路、Ｌ２…第２供給経路。

Claims (4)

1. 改質用燃料から改質ガスを生成する改質部を備えた改質装置に備えられて前記改質部を加熱する燃焼装置であって、
   可燃ガスを燃焼させる燃焼空間を内部に有する筒状の燃焼筒と、
   前記燃焼空間の温度を先端部の感温部で検出する棒状の温度検出器と、
   前記燃焼筒の軸方向で内部を仕切り前記燃焼筒に固定された仕切り部材と、
   前記燃焼空間の温度を検出可能に、前記温度検出器の先端部を前記仕切り部材に対して位置決めする位置決め部材と、
   前記燃焼筒の前記燃焼空間と軸方向反対側の端部を塞ぐように設けられた基部と、
   前記基部に取り付けられて前記温度検出器を保持する保持部材と、
   前記温度検出器の前記先端部と軸方向反対側の基端部に固定された係止部と、
   前記保持部材と前記係止部との間に介装されて前記温度検出器を前記基端部側から前記先端部側へ付勢する付勢部材と、を備えたことを特徴とする改質装置の燃焼装置。
2. 請求項１において、前記位置決め部材は、先端部が前記仕切り部材に対して位置決めされ、前記温度検出器の前記先端部から前記温度検出器が挿入される有底管形状の保護管であることを特徴とする改質装置の燃焼装置。
3. 請求項２において、前記保護管の前記先端部が前記仕切り部材に設けた穴部に貫挿されて固定されるときに前記保護管の前記先端部の外壁面には前記仕切り部材の壁面と当接して前記燃焼空間の温度を検出可能に前記温度検出器の前記先端部を位置決めする位置決め用段部を形成したことを特徴とする改質装置の燃焼装置。
4. 請求項１において、前記位置決め部材は、前記温度検出器の前記先端部に固定され、前記仕切り部材に設けた穴部に貫挿されて固定されるときに前記仕切り部材の壁面と当接して前記燃焼空間の温度を検出可能に前記温度検出器の前記先端部を位置決めする第２係止部であることを特徴とする改質装置の燃焼装置。
   
   

Images