JP2009242132A - 改質装置の燃焼装置およびその改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質装置の燃焼装置およびその改質装置において、予混合ガスが供給される経路にフレームロッドのようなセンサを設けることなくコストが高くなることを抑制して逆火を検出する。
【解決手段】改質装置２０の燃焼装置２５は、予混合燃焼時には燃料ポンプ４２により送出される燃焼用燃料と燃焼用空気ポンプ６５により送出される燃焼用酸化剤ガスとからなる予混合ガスを燃焼空間２５ｄに供給する供給経路Ｌと、供給経路Ｌを形成する壁部材９５を構成するベースケーシング２５ａ２の外壁面に取付部２５ｆ１によって設けられて供給経路Ｌの温度を検出することにより供給経路Ｌにおける燃焼空間２５ｄからの逆火を検出するための逆火検出器２５ｆ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およびその改質装置に関する。

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２に示されているように、改質装置の燃焼装置（バーナ装置）は、大径筒１０と小径筒１１との間の筒間経路１７の端部を炎口８ａとする主バーナー８を備え、筒間経路１７に燃料Ｎと燃焼用空気Ａ２とからなる予混合ガスを流入させ、この予混合ガスを炎口８ａで燃焼させて燃焼ガスを生成するものである。

また、燃焼装置で逆火を検出するものとして、特許文献２に示されているものが知られている。特許文献２の図１および図４に示されているように、この燃焼装置は、気化された燃料を空気と混合して燃焼させるバーナー７と、燃焼炎の状態を検出するフレームロッド３１と、燃焼炎の状態に応じてバーナー７での燃焼を制御する制御手段とを備えている。この燃焼装置は、灯油燃焼時とガソリン燃焼時の燃焼状態の差に着目し、ガソリンのように燃焼速度の速い揮発性燃料の燃焼時にはバーナー７での燃焼炎を強制的にバーナー７内へ逆火させることによりバーナー７上の燃焼炎を変化させて、この燃焼炎の変化をフレームロッド３１により検出して燃焼装置の運転を停止させるようにしたものである。
特開２００４−２１４０８３号公報 特開平８−０１４５１３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は、予混合ガスが供給される筒間経路１７に逆火を検出するセンサが設けられてなく、特許文献２に記載されているように、フレームロッドを筒間経路１７内に設けて逆火を検出することも可能である。フレームロッドを筒間経路１７内に取り付けようとすると、筒間経路１７でフレームロッドの導線等の周囲をシールしなければならなく、コストが高くなる問題があった。

本発明は、上述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およびその改質装置において、予混合ガスが供給される経路にフレームロッドのようなセンサを設けることなくコストが高くなることを抑制して逆火を検出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、予混合燃焼時には燃焼用燃料送出手段により送出される燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガス送出手段により送出される燃焼用酸化剤ガスとからなる予混合ガスを燃焼空間に供給する供給経路と、供給経路を形成する壁部材の外壁面に設けられて供給経路の温度を検出することにより供給経路における燃焼空間からの逆火を検出するための逆火検出器と、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、供給経路は、壁部材の一部を構成するケーシングにより形成され、ケーシングに形成され予混合ガスを導入する第１流入口とケーシングに燃焼空間に開口して設けられ予混合ガスを噴出する噴出口とを有する第１供給経路を少なくとも有し、逆火検出器は第１流入口と対向するケーシングの位置に設けられたことである。

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、供給経路は、壁部材のケーシングと異なる他の部分を構成する管部材により形成され、管部材に形成され予混合ガスを導出する導出口がケーシングに設けた第１流入口と連通接続される第２供給経路をさらに有し、管部材に形成され予混合ガスを導入する第２流入口は燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとを混合する混合部に形成した混合ガスの流出口に連通接続されたことである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項２または請求項３において、逆火検出器は第１流入口と同じ高さ位置または第１流入口より上側位置に設けられたことである。

また請求項５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と、改質部を加熱する燃焼部とを備えた改質装置であって、燃焼部として、請求項１〜４のいずれか１項に記載した燃焼装置を使用したことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、予混合ガスの供給経路を形成する壁部材の外壁面に供給経路の温度を検出することにより供給経路における燃焼空間からの逆火を検出するための逆火検出器が設けられている。これにより、予混合ガスの供給経路の内部にフレームロッドのような火炎を検知するセンサを取り付けたときと比べて、壁部材に供給経路内から導出するセンサの導線等の周囲をシールする必要がなくコストが高くなることを抑制して逆火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、供給経路は、壁部材の一部を構成するケーシングにより形成され、ケーシングに形成され予混合ガスを導入する第１流入口とケーシングに燃焼空間に開口して設けられ予混合ガスを噴出する噴出口とを有する第１供給経路を少なくとも有し、逆火検出器は第１流入口と対向するケーシングの位置に設けられている。これにより、燃焼空間からの逆火が供給経路の第１供給経路で起きたときには、逆火による火炎は、予混合ガスが導入されるケーシングの第１流入口からこれと対向する位置に向けて形成されてこの対向する位置を加熱する。逆火検出器は、逆火により加熱されるケーシングの第１流入口と対向する位置に設けられているので、第１供給経路での逆火を早く正確に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、供給経路は、壁部材のケーシングと異なる他の部分を構成する管部材により形成され、管部材に形成され予混合ガスを導出する導出口がケーシングに設けた第１流入口と連通接続される第２供給経路をさらに有し、管部材に形成され予混合ガスを導入する第２流入口は燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとを混合する混合部に形成した混合ガスの流出口に連通接続されている。これにより、燃焼空間からの逆火が供給経路の第２供給経路で起きたときには、逆火による火炎が第２供給経路内に予混合ガスを導入する混合部の流出口まで移ることになる。この混合部で逆火が起きると、高温の燃焼ガスが第２供給経路を通って第１流入口から第１供給経路に導入される。第１流入口から第１供給経路に導入された燃焼ガスは、第１流入口と対向する位置に向けて噴出してこの対向する位置を加熱する。逆火検出器は、混合部での逆火により第１流入口から燃焼ガスが噴出して加熱されるケーシングの第１流入口と対向する位置に設けられているので、第２供給経路で起きた逆火を早く正確に検出することができる。

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２または請求項３において、逆火検出器は第１流入口と同じ高さ位置または第１流入口より上側位置に設けられているので、逆火検出器は第１流入口から形成される火炎または第１流入口から噴出する燃焼ガスのような高温の空気が上方に流れるときにも正確に逆火を検出できるようになる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質部を加熱する燃焼部とを備えた改質装置であって、燃焼部として、請求項１〜４のいずれか１項に記載した燃焼装置を使用した。これにより、予混合ガスの供給経路を形成する壁部材の外壁面に供給経路の温度を検出することにより供給経路における燃焼空間からの逆火を検出するための逆火検出器が設けられている燃焼装置を改質装置に使用するので、その改質装置において、予混合ガスの供給経路の内部にフレームロッドのような火炎を検知するセンサを取り付けたときと比べて、壁部材に供給経路内から導出するセンサの導線等の周囲をシールする必要がなくコストが高くなることを抑制して逆火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説明する。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（燃焼用燃料送出手段）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に接続された予混合部材９０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、下端部が改質部２１の内周壁内に空間をおいて挿入されている。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２５ｅと、逆火検出器２５ｆと、を備えている。なお、燃焼部２５は、制御装置（図示省略）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有底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、流入口と流出口を備えた接続路２５ａ３が形成されており、この接続路２５ａ３の流入口にはオフガス供給管７２が接続されており、流出口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１流入口２５ａ４が設けられており、この第１流入口２５ａ４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２５ａ５に連通する導入管２５ａ６の導出口２５ａ７が連通接続されている。なお、導入管２５ａ６には予混合部材９０の予混合管９２が連結されており、予混合部材９０からの燃焼用空気または燃焼用空気と燃焼用燃料が予め混合された予混合ガスがベースプレート２５ａ１とベースケーシング２５ａ２とにより基部２５ａ内に形成された空間２５ａ５に導入される。ベースケーシング２５ａ２の底板には、開口が設けられており、この開口に筒状の燃焼筒２５ｂの上端が嵌合固定されている。

燃焼筒２５ｂには、長手方向の中間部より下端側に円盤状の仕切り板２５ｂ１が設けられており、この仕切り板２５ｂ１は、燃焼筒２５ｂ内の空間を長手方向に仕切っている。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２５ｂ３は、基部２５ａの空間２５ａ５と連通している。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噴出口（噴出口）２５ｂ２が設けられている。

オフガスノズル２５ｃは、有底管形状をして空間２５ａ５および燃焼筒２５ｂ内に延在しており、基端が接続路２５ａ３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噴出口２５ｃ１が設けられている。第１噴出口２５ｃ１は、オフガスノズル２５ｃの径方向に開口して複数（本実施の形態では等間隔で４箇所に）設けられている。

燃焼空間２５ｄは、燃焼用燃料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。

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）の感温部で検出して、その検出温度を制御装置（図示省略）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。温度センサ２５ｅの先端は、燃焼空間２５ｄ内の内部で火炎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いる。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。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、サーミスタを用いてもよい。

逆火検出器２５ｆは、供給経路Ｌを形成する壁部材９５の一部を構成する基部２５ａのベースケーシング２５ａ２の外壁面に設けられて供給経路Ｌの温度を検出することにより供給経路Ｌにおける燃焼空間２５ｄからの逆火を検出するものである。逆火検出器２５ｆは、シース熱電対であり、ベースケーシング２５ａ２の外壁面の温度を先端部２５ｆａの感温部で検出して、その検出温度を制御装置（図示省略）に送信するものである。なお、逆火検出器２５ｆは、ベースケーシング２５ａ２の外壁面に限られず、供給経路Ｌの外壁面であれば燃焼筒２５ｂ（仕切り板２５ｂ１より基部２５側の部分）の外壁面や管部材９５ｂの外壁面に設けるようにしてもよい。また、供給経路Ｌの外壁面は、予混合ガスを燃焼空間２５ｄに供給する供給経路Ｌ外である。つまり、外壁面に設けられる逆火検出器２５ｆは供給経路Ｌ外に設けられ、予混合ガスと直接接触しない。

逆火検出器２５ｆは、供給経路Ｌを形成する壁部材９５の一部を構成する基部２５ａのベースケーシング２５ａ２の外壁面に取付部２５ｆ１を介して固定されている。図２および図３に示すように、取付部２５ｆ１は、台座２５ｆ２と、保持部２５ｆ３と、固定部２５ｆ８とを備えている。台座２５ｆ２は、熱伝導性の高い肉厚の金属部材よりなり、第１流入口２５ａ４と対向するベースケーシング２５ａ２の周壁面（外壁面）に固定されている。逆火検出器２５ｆは、台座２５ｆ２を介してベースケーシング２５ｆ２の外壁面の温度を検出しており、台座２５ｆ２は、逆火検出器２５ｆがベースケーシング２５ａ２の第１流入口２５ａ４と対向する位置以外の他の位置の温度を計測することのないように、他の位置と当接しないためのスペーサの機能を有している。

保持部２５ｆ３は、逆火検出器２５ｆを保持して台座２５ｆ２に接続するものであり、保持板部２５ｆ４と、腕部２５ｆ５と、接続部２５ｆ６とを備えてこれらを一体にした板金部材よりなる。保持板部２５ｆ４は、略長方形状をしており、逆火検出器２５ｆの先端の感温部２５ｆａと当接して逆火検出器２５ｆを保持するものである。腕部２５ｆ５は、保持板部２５ｆ４の両側に２対延出して設けられおり、保持板部２５ｆ４に逆火検出器２５ｆを当接させた状態でこの腕部２５ｆ５を折り曲げてかしめることで逆火検出器２５ｆを保持板部２５ｆ４に保持させる。接続部２５ｆ６は、逆火検出器２５ｆの先端部２５ｆａ側となる保持板部２５ｆ４の先端から延出して設けられており、台座２５ｆ２に接続して固定させるための貫通孔２５ｆ７を有している。

固定部２５ｆ８は、逆火検出器２５ｆを保持した保持部２５ｆ３を台座２５ｆ２に固定するものであり、ねじ部２５ｆ９と、ナット部２５ｆ１０とを備えている。ねじ部２５ｆ９は、台座２５ｆ２に垂直に固定されてベースケーシング２５ａ２の外壁面に対して垂直に立設している。ナット部２５ｆ１０は、このねじ部２５ｆ９に螺合して取り付けられている。保持部２５ｆ３の接続部２５ｆ６は、その貫通孔２５ｆ７をねじ部２５ｆ９に挿入して、ナット部２５ｆ１０を締め付けることで台座２５ｆ２に取り付けられている。

取付部２５ｆ１は、それぞれが熱伝導性の高いステンレスなどの金属部材よりなり、ベースケーシング２５ａ２の外壁面の熱は、台座２５ｆ２、保持部ｆ３及び固定部２５ｆ８から逆火検出器２５ｆに伝わる。また、取付部２５ｆ１により取り付けられる逆火検出器２５ｆは、ケーシング９５ａを構成するベースケーシング２５ａ２に設けた第１流入口２５ａ４と対向する位置で第１流入口２５ａ４と同じ高さ位置に設けられている。なお、本実施形態では、取付部２５ｆ１により逆火検出器２５ｆを第１流入口２５ａ４と同じ高さ位置に設けているが、本発明はこれに限られるものでなく、第１流入口２５ａ４より高い位置に設けてもよい。逆火検出器２５ｆは、本実施形態では、シース熱電対を用いているが、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。

予混合部材９０は、図１に示すように、燃焼用燃料と燃焼用空気（燃焼用酸化剤ガス）とを予め混合して、その予混合ガスを燃焼部２５に供給するものである。予混合部材９０は、燃焼用燃料供給管４４および燃焼用空気供給管６４と燃焼部２５とを接続するものであり、両供給管４４，６４と燃焼部２５との間に介装されている。

この予混合部材９０は、図４に示すように、混合部９１と予混合管９２とを備えている。混合部９１は、直方体形状の本体９１ａを備えている。本体９１ａ内には、第１および第２流通路９１ｂ，９１ｃが形成されている。第１流通路９１ｂは、直線状に形成された流通路であり、第１導入口９１ｂ１と第１導出口９１ｂ２を有するものである。

第２流通路９１ｃは、第１流通路９１ｂの途中に連通するように形成された流通路であって、その連通部９１ｃ１の反対側に第２導入口９１ｃ２を有するものである。

本体９１ａには、第１流通路９１ｂの第１導入口９１ｂ１に連通する第１接続管９１ｄが固定されており、第１接続管９１ｄには燃焼用燃料供給管４４が接続されている。これにより、燃焼用燃料供給管４４からの燃焼用燃料が第１接続管９１ｄを通って第１導入口９１ｂ１から導入される。

さらに本体９１ａには、第２流通路９１ｃの第２導入口９１ｃ２に連通する第２接続管９１ｅが固定されており、第２接続管９１ｅに燃焼用空気供給管６４が接続されている。これにより、燃焼用空気供給管６４からの燃焼用空気が第２接続管９１ｅを通って第２導入口９１ｃ２から導入される。

予混合管９２は、一端となる流入口（第２流入口）９２ａが混合部９１の第１導出口９１ｂ２に連通接続され、他端となる流出口９２ｂが燃焼部２５の導入管２５ａ６の導入口に連通接続されている。

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（燃焼用酸化剤ガス送出手段）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、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、燃焼用空気供給管６４を開閉するものである。

本願の特許請求の範囲に記載の供給経路Ｌは、第１供給経路Ｌ１と第２供給経路Ｌ２とから構成されている。第１供給経路Ｌ１は、基部２５ａのベースプレート２５ａ１とベースケーシング２５ａ２とにより形成される空間２５ａ５と燃焼筒２５ｂ内の仕切り板２５ｂ１より上側の空間２５ｂ３とにより構成される。第２供給経路Ｌ２は、予混合管９２と導入管２５ａ６とからなる空間により構成される。

供給経路Ｌを形成する壁部材９５は、第１供給経路Ｌ１を形成するケーシング９５ａと第２供給経路Ｌ２を形成する管部材９５ｂとから構成されている。ケーシング９５ａは、ベースプレート２５ａ１、ベースケーシング２５ａ２、燃焼筒２５ｂ内の仕切り板２５ｂ１より上側部分及び仕切り板２５ｂ１とから構成されている。このケーシング９５ａを構成するベースケーシング２５ａ２には、予混合ガスが導入される第１流入口２５ａ４が設けられている。ケーシング９５ａを構成する仕切り板２５ｂ１には、燃焼空間２５ｄに開口して設けられ導入した予混合ガスを噴出する第２噴出口（噴出口）２５ｂ２が設けられている。

管部材９５ｂは、予混合管９２と導入管２５ａ６とから構成されており、導入管２５ａ６の導出口２５ａ７がケーシング９５ａを構成するベースケーシング２５ａ２に設けた第１流入口２５ａ４に連通接続され、予混合管９２の流入口（第２流入口）９２ａは燃焼用燃料と燃焼用空気とを混合する混合部９１に形成した混合ガスの流出口９１ｂ２に連通接続されている。管部材９５ｂは、壁部材９５のケーシング９５ａと異なる他の部分を構成するものである。

拡散燃焼をさせる場合には、オフガス供給管７２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２５ａ３とオフガスノズル２５ｃを通って第１噴出口２５ｃ１から燃焼空間２５ｄに供給される。このとき、第１流入口２５ａ４から流入した燃焼用空気は、基部２５ａ内の空間２５ａ５と燃焼筒２５ｂ内の空間２５ｂ３とを通って第２噴出口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、予混合ガスが第１供給経路Ｌ１と第２供給経路Ｌ２とからなる供給経路Ｌを通って第２噴出口２５ｂ２から燃焼空間２５ｄに供給される。すなわち、混合部９１に燃焼用燃料と燃焼用空気とが流入して混合された予混合ガスは、第２供給経路Ｌ２の予混合管９２及び導入管２５ａ６を通って第１流入口２５ａ４から第１供給経路Ｌ１内に送出される。第１供給経路Ｌ１においては、第１流入口２５ａ４から基部２５ａ内の空間２５ａ５に流入した予混合ガスは、空間２５ａ５から燃焼筒２５ｂ内の空間２５ｂ３とを通って第２噴出口２５ｂ２から燃焼空間２５ｄに供給される。

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を通って予混合部材９０の混合部９１で燃焼用空気に合流して混合され、その予混合ガスが予混合管９２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および予混合管９２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および予混合管９２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。

このように構成した燃料電システムにおいて、予混合燃焼時に燃焼部２５の供給経路Ｌの第１供給経路Ｌ１で燃焼空間２５ｄから逆火が起きたときには、第１供給経路Ｌ１に予混合ガスが導入される第１流入口２５ａ４から火炎が形成される。これは以下の理由による。予混合燃焼の場合、予混合ガス流速と燃焼速度がバランスする部分で火炎が形成される。この燃焼器構造では第２噴出口２５ｂ２で最も流速が早く、ついで第１流入口２５ａ４の流速が早い。このため供給経路Ｌ内で逆火した場合は、流速の早い第１流入口２５ａ４で火炎が形成されるため、図２の逆火センサ位置とすることで逆火を検知しやすくなっている。実施形態のように、ベースケーシング２５ａ２の内径が燃焼筒２５ｂの内径より大きくなっていると、ベースケーシング２５ａ２の流速が燃焼筒２５ｂ内の流速より遅くなり、逆火の火炎がベースケーシング２５ａ２内に留まりやすくなるため、逆火をより検知しやすくなる。

第１流入口２５ａ４から形成された火炎は、ケーシング９５ａを構成するベースケーシング２５ａ２の第１流入口２５ａ４と対向する位置を加熱する。ベースケーシング２５ａ２の第１流入口２５ａ４と対向する位置の外壁面には、取付部２５ｆ１により逆火検出器２５ｆが固定されており、熱伝導性の高い取付部２５ｆ１から逆火検出器２５ｆに熱が伝わる。逆火検出器２５ｆから制御装置（図示省略）に出力される検出温度が、所定値として例えば、１００℃以上を検出したときには、制御装置（図示省略）は、供給経路Ｌにおける燃焼空間２５ｄからの逆火であると検出し、燃料ポンプ（燃焼用燃料送出手段）４２から燃焼用燃料の供給を停止させる。また、制御装置（図示省略）は、必要に応じて燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス送出手段）６５から燃焼用空気の供給を停止させる。これにより、供給経路Ｌ内では、燃焼空間２５ｄからの逆火が消されることになる。

また、供給経路Ｌの第２供給経路Ｌ２で燃焼空間２５ｄから逆火が起きたときには、逆火による火炎が第２供給経路Ｌ２内に予混合ガスが導入される混合部９１まで移ることになる。混合部９１で逆火が起きると、混合部９１に流入する燃焼用燃料が燃焼用空気により燃焼して高温の燃焼ガスが生成する。混合部９１で高温の燃焼ガスが生成されると、この燃焼ガスが予混合管９２及び導入管２５ａ６を通って第１流入口２５ａ４から第１供給経路Ｌ１内に流入する。第１流入口２５ａ４から送出された高温の燃焼ガスは、ケーシング９５ａを構成するベースケーシング２５ａ２の第１流入口２５ａ４と対向する位置を加熱する。ベースケーシング２５ａ２の第１流入口２５ａ４と対向する位置の外壁面には、取付部２５ｆ１により逆火検出器２５ｆが固定されており、熱伝導性の高い取付部２５ｆ１から逆火検出器２５ｆに熱が伝わる。逆火検出器２５ｆから制御装置（図示省略）に出力される検出温度が、所定値として例えば、１００℃以上を検出したときには、制御装置（図示省略）は、供給経路Ｌにおける燃焼空間２５ｄからの逆火であると検出し、燃料ポンプ（燃焼用燃料送出手段）４２から燃焼用燃料の供給を停止させる。また、制御装置（図示省略）は、必要に応じて燃焼用空気ポンプ（燃焼用酸化剤ガス送出手段）６５から燃焼用空気の供給を停止させる。これにより、供給経路Ｌ内では、燃焼空間２５ｄからの逆火が消されることになる。

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、予混合ガスの供給経路Ｌを形成する壁部材９５としてのベースケーシング２５ａ２の外壁面に供給経路Ｌの温度を検出することにより供給経路Ｌにおける燃焼空間２５ｄからの逆火を検出するための逆火検出器２５ｆが設けられている。これにより、予混合ガスの供給経路Ｌの内部にフレームロッドのような火炎を検知するセンサを取り付けたときと比べて、ベースケーシング２５ａや燃焼筒２５ｂ等に供給経路Ｌ内から導出するセンサの導線等の周囲をシールする必要がなくコストが高くなることを抑制して逆火を検出することができる。また、逆火検出器２５ｆでベースケーシング２５ａ２の外壁面の温度を検出することにより供給経路Ｌ内の逆火を検出することができるようになるので、供給経路Ｌ内にフレームロッドやＵＶセンサのような高価なセンサを用いることがなくなり、コストが高くなることを抑制して逆火を検出することができるようになる。

また、逆火検出器２５ｆは第１流入口２５ａ４と同じ高さ位置または第１流入口２５ａ４より上側位置に設けられているので、逆火検出器２５ｆは第１流入口２５ａ４から形成される火炎または第１流入口２５ａ４から噴出する燃焼ガスのような高温の空気が上方に流れるときにも正確に逆火を検出できるようになる。

また、改質用燃料から改質ガスを生成する改質部２１と、改質部２１を加熱する燃焼部２５とを備えた改質装置２０であって、燃焼部２５として、上述した燃焼装置を使用した。これにより、予混合ガスの供給経路Ｌを形成する壁部材９５としてのベースケーシング２５ａ２の外壁面に供給経路Ｌの温度を検出することにより供給経路Ｌにおける燃焼空間２５ｄからの逆火を検出するための逆火検出器２５ｆが設けられている燃焼装置を改質装置２０に使用するので、その改質装置２０において、予混合ガスの供給経路Ｌの内部にフレームロッドのような火炎を検知するセンサを取り付けたときと比べて、壁部材９５に供給経路Ｌ内から導出するセンサの導線等の周囲をシールする必要がなくコストが高くなることを抑制して逆火を検出することができる。

なお、上述した実施の形態において、取付部２５ｆ１は、台座２５ｆ２をベースケーシング２５ａ２に固定しその台座２５ｆ２に固定部２５ｆ８のねじ部２５ｆ９を固定する構造とした。これに代えて、取付部２５ｆ１は、台座２５ｆ２を保持部２５ｆ３の接続部２５ｆ６に固定し固定部２５ｆ８のねじ部２５ｆ９をベースケーシング２５ａ２に固定する構造としてもよく、また、台座２５ｆ２をいずれにも固定しないで固定部２５ｆ８のねじ部２５ｆ９をベースケーシング２５ａ２に固定する構造としてもよい。

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２に示す逆火検出器の取り付け状態を示す断面図である。 図１に示す予混合部材の断面図である。

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、２５ａ１…ベースプレート、２５ａ２…ベースケーシング、２５ａ４…第１流入口、２５ａ５…空間、２５ａ６…導入管、２５ａ７…導出口、２５ｂ…燃焼筒、２５ｂ１…仕切り板（壁部材）、２５ｃ…オフガスノズル、２５ｃ１…第１噴出口（噴出口）、２５ｅ…温度センサ、２５ｆ…逆火検出器、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、９０…予混合部材、９１…混合部、第１導出口（流出口）…９１ｂ２、９２…予混合管、９２ａ…流入口（第２流入口）、９５…壁部材、９５ａ…ケーシング、９５ｂ…管部材、Ｌ…供給経路、Ｌ１，Ｌ２…第１および第２供給経路、９５…壁部材、９５ａ…ケーシング、９５ｂ…管部材。

Claims (5)

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、
   予混合燃焼時には燃焼用燃料送出手段により送出される燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガス送出手段により送出される燃焼用酸化剤ガスとからなる予混合ガスを燃焼空間に供給する供給経路と、
   前記供給経路を形成する壁部材の外壁面に設けられて前記供給経路の温度を検出することにより前記供給経路における前記燃焼空間からの逆火を検出するための逆火検出器と、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、前記供給経路は、前記壁部材の一部を構成するケーシングにより形成され、該ケーシングに形成され前記予混合ガスを導入する第１流入口と該ケーシングに前記燃焼空間に開口して設けられ前記予混合ガスを噴出する噴出口とを有する第１供給経路を少なくとも有し、前記逆火検出器は前記第１流入口と対向する前記ケーシングの位置に設けられた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、前記供給経路は、前記壁部材の前記ケーシングと異なる他の部分を構成する管部材により形成され、該管部材に形成され前記予混合ガスを導出する導出口が前記ケーシングに設けた第１流入口と連通接続される第２供給経路をさらに有し、前記管部材に形成され前記予混合ガスを導入する第２流入口は前記燃焼用燃料と燃焼用酸化剤ガスとを混合する混合部に形成した混合ガスの流出口に連通接続されたことを特徴とする改質装置の燃焼装置。
4. 請求項２または請求項３において、前記逆火検出器は前記第１流入口と同じ高さ位置または前記第１流入口より上側位置に設けられたことを特徴とする改質装置の燃焼装置。
5. 改質用燃料から改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質部を加熱する燃焼部とを備えた改質装置であって、
   前記燃焼部として、請求項１〜４のいずれか１項に記載した燃焼装置を使用したことを特徴とする改質装置。
   

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