JP2009274886A - 改質装置用燃焼装置、改質装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】改質装置用燃焼装置、改質装置および燃料電池システムにおいて、予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上する。
【解決手段】改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部を有する改質装置に備えられ、可燃ガスと燃焼用酸化剤ガスとを予混合する予混合部材９０で予混合した予混合ガスを燃焼した燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼装置であって、予混合部材９０は、可燃ガスが導入される第１導入口９１ｂ３と、予混合ガスを導出する第１導出口９１ｂ４とを有する第１流通路９１ｂと、第１流通路９１ｂの途中に連結され、第１流通路９１ｂの側方から第１流通路９１ｂに燃焼用酸化剤ガスを導入する第２流通路９１ｃとを備えている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、改質装置用燃焼装置、改質装置および燃料電池システムに関する。

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および図２に示されているように、改質装置（改質器３２）には、可燃ガス（都市ガス１３Ａ）及び燃焼用酸化剤ガス（空気）を供給する配管３４ａが接続されている。配管３４ａでは可燃ガスおよび燃焼用酸化剤ガスが予混合されている。この予混合ガスが予混合バーナ２４に供給されて燃焼されている。
特開２００３−１４８７０９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、予混合ガスの混合が不十分でありこのため着火性がよくない場合があり、予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上するという要請がある。

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、改質装置用燃焼装置、改質装置および燃料電池システムにおいて、予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上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に係る改質装置用燃焼装置の発明の構成上の特徴は、改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部を有する改質装置に備えられ、可燃ガスと燃焼用酸化剤ガスとを予混合する予混合部材で予混合した予混合ガスを燃焼した燃焼ガスにより改質部を加熱する燃焼装置であって、予混合部材は、可燃ガスが導入される第１導入口と、予混合ガスを導出する第１導出口とを有する第１流通路と、第１流通路の途中に連結され、第１流通路の側方から第１流通路に燃焼用酸化剤ガスを導入する第２流通路とを備えていることである。

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、第１流通路の中心軸のガス流れ方向と第２流通路の中心軸のガス流れ方向とのなす角度が４５度以上であることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、第１導出口に一端が接続され燃焼装置の導入口に他端が接続された第３流通管をさらに備え、第３流通管は一または複数の屈曲部が形成されていることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、第２流通路の中心軸は第１流通路の中心軸に対して第１流通路の径方向にずれて第２流通路が第１流通路に連結されていることである。

また請求項５に係る改質装置の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の改質装置用燃焼装置の燃焼ガスにより改質部を加熱することである。

また請求項６に係る燃料電池システムの発明の構成上の特徴は、請求項５に記載の改質装置により生成された燃料ガスを燃焼電池の燃料極に供給することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、予混合部材において、第１導入口から導入され第１導出口に向けて第１流通路を流通する可燃ガスに、第２導入口から導入され第２流通路を流通した燃焼用酸化剤ガスが、第２流通路が連通する第１流通路の途中で側方から合流される。すなわち、第１流通路を流通している可燃ガスに、その進行方向に対して側方から燃焼用酸化剤ガスが投入されて合流するので、その合流により可燃ガスに燃焼用酸化剤ガスが十分に混合され、その予混合ガスを第１導出口から導出する。これにより、予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上することができる。

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において、第１流通路の中心軸のガス流れ方向と第２流通路の中心軸のガス流れ方向とのなす角度が４５度以上である。なす角度が９０度より小さくなるにつれて、燃焼用燃料と燃焼用空気は並流に近づく。なす角度が９０度より大きくなるにつれて、燃焼用燃料と燃焼用空気は向流に近づく。並流よりも向流のほうが混合性にとって望ましい。このためなす角度が大きくなるにしたがって２つの流体の混合性が高くなる。このことから、所定角度は４５度以上であることが好ましい。

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１または請求項２において、第１導出口に一端が接続され燃焼装置の導入口に他端が接続された第３流通管をさらに備え、第３流通管は一または複数の屈曲部が形成されているので、予混合部材の第１導出口から導出された予混合ガスの流れが屈曲部において変動され、その変動によって予混合ガスをさらに混合することができる。

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乃至請求項３の何れか一項において、第２流通路の中心軸は第１流通路の中心軸に対して第１流通路の径方向にずれて第２流通路が第１流通路に連結されているので、第１流通路を流通している可燃ガスにその進行方向に対して側方から燃焼用酸化剤ガスを投入するだけでなく、燃焼用酸化剤ガスを可燃ガスの進行方向に対して渦巻く方向に投入して、その渦巻き流によって予混合ガスの混合性をさらに高めることができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の改質装置用燃焼装置の燃焼ガスにより改質部を加熱するので、改質装置において予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上させることができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項５に記載の改質装置により生成された燃料ガスを燃焼電池の燃料極に供給するので、燃料電池システムにおいて予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上させることができる。

以下、本発明による改質装置用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（後述する）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の内周壁内に下端部が挿入されて空間をおいて配置されている。燃焼部２５は、燃料極１１からのアノードオフガスまたは改質部２１からの燃料ガスが供給され燃焼用酸化剤ガスが供給され該アノードオフガス（または燃料ガス）を該燃焼用酸化剤ガスで拡散燃焼し、また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て供給されその予混合ガスを燃焼し、そ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、を備えている。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、ベースプレート２５ａ１、ベースプレート２５ａ１を覆って固定されたベースケーシング２５ａ２から構成されている。ベースプレート２５ａ１には第１導入管２５ａ５が接続されており、第１導入管２５ａ５にはオフガス供給管７２が接続されている。ベースプレート２５ａ１の空間（内部空間）２５ａ４に臨む内壁面にはオフガスノズル２５ｃの基端が接続されている。これら第１導入管２５ａ５とオフガスノズル２５ｃは、ベースプレート２５ａ１に形成された接続路２５ａ３により連通され、オフガス供給管７２からのアノードオフガスおよび改質ガスのいずれかがオフガスノズル２５ｃに導入（供給）される。

ベースケーシング２５ａ２には第２導入管２５ａ６が接続されており、第２導入管２５ａ６には予混合部材９０が連結されている。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とで基部２５ａ内に形成された空間２５ａ４に導入される。

燃焼筒２５ｂは、上端（一端）が基部２５ａのベースケーシング２５ａ２と接続され連通し下方（他端）が開放されている。燃焼筒２５ｂの長手方向の途中（例えば中間より下端側）に円盤状の仕切り板２５ｂ１が設けられており、燃焼筒２５ｂを長手方向に仕切っている。

オフガスノズル２５ｃは、空間２５ａ４および燃焼筒２５ｂ内を仕切り板２５ｂ１に向けて延在し、仕切り板２５ｂ１の中央を貫通し、燃焼空間２５ｄまで延びている。オフガスノズル２５ｃの先端部分は閉じられており、先端から少し離れた側面部分（先端部）に第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複数（本実施の形態では４個）設けられている。第１噴射口２５ｃ１は、断面略円形である。基端側から供給されたアノードオフガスまたは改質ガスが複数の第１噴射口２５ｃ１から径方向外側に向けて放射状に噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。オフガスノズル２５ｃはアノードオフガス用とともに燃料電池１０をバイパスした改質ガス用としても使用される。

なお、燃焼空間２５ｄは、可燃ガスを燃焼させるために設けた部分であり、燃焼筒２５ｂ内で仕切り板２５ｂ１のオフガスノズル２５ｃの先端が突出した側の空間のことである。なお、燃焼筒２５ｂのうち仕切り板２５ｂ１より先端の部分はフード２５ｂ３である。このフード２５ｂ３がオフガスノズル２５ｃの仕切り板２５ｂ１から突出した先端部を覆うように設けられている。

仕切り板２５ｂ１は、オフガスノズル２５ｃの第１噴射口２５ｃ１より基端側位置に該オフガスノズル２５ｃに直交させて固定された平面板状部材である。この仕切り板２５ｂ１のオフガスノズル２５ｃの周りには複数の第２噴射口２５ｂ２（実施の形態では１６個）が設けられている。この第２噴射口２５ｂ２は、オフガスノズル２５ｃの軸方向に平行な向きに開口して設けられている。第２噴射口２５ｂ２は、断面略円形である。なお、基部２５ａ、燃焼筒２５ｂおよび仕切り板２５ｂ１から筐体２５ｇが構成されている。また、筐体２５ｇには密閉された内部空間２５ｈ（基部２５ａ、燃焼筒２５ｂおよび仕切り板２５ｂ１から区画された空間である。）が形成されている。

拡散燃焼の場合、すなわち第１噴射口２５ｃ１からアノードオフガスまたは燃料ガスが噴出される場合には、基部２５ａ内の空間２５ａ４に導入された燃焼用空気が第２噴出口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。

一方、予混合燃焼の場合、すなわち第１噴出口２５ｃ１から可燃ガスの噴出がされない場合、基部２５ａ内の空間２５ａ４に導入された予混合ガスが第２噴出口２５ｂ２からオフガスノズル２５ｃの先端突出側に向けて噴出され、燃焼空間２５ｄに投入される。なお、予混合ガスは予混合部材９０を通って供給される。

温度センサ２５ｅは、燃焼部２５の燃焼空間２５ｄ内で生じる火炎２５ｆの輻射温度を検出して、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、例えばシース熱電対であり、基部２５ａのベースプレート２５ａ１を貫通し仕切り板２５ｂ１を貫通して燃焼空間２５ｄ内に挿入されている。その先端部分（先端２５ｅ１からやや後方）が温度計測部である。温度センサ２５ｅの先端２５ｅ１は、第１噴射口２５ｃ１の仕切り板２５ｂ１側の端２５ｃ２より仕切り板２５ｂ１側となるように設けられているが、これに限定されない。温度センサ２５ｅの温度計測部が火炎２５ｆの輻射温度を計測できる位置であればよい。具体的には、燃焼空間２５ｄの内部で火炎２５ｆの火炎面２５ｆ１の外部であればよい。ここで火炎面とは、可燃ガス（例えばアノードオフガス、予混合ガス（燃焼用燃料を含む））の燃焼反応（酸化反応）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として熱電対を用いているが、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。予混合部材９０は、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。

この予混合部材９０は、図３および図４に示すように、混合部９１、予混合管９２およびフレキシブル管９３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、小穴部９１ｂ１と大穴部９１ｂ２が段部を介して連結されている。なお例えば、小穴部９１ｂ１および大穴部９１ｂ２の内径はそれぞれ６ｍｍ、１２．７ｍｍである。第１流通路９１ｂは、小穴部９１ｂ１と大穴部９１ｂ２のそれぞれの開口端に第１導入口９１ｂ３と第１導出口９１ｂ４を有するものである。

この第１流通路９１ｂは、直線状に形成された流通路である。直線状に形成された流通路とは、本実施の形態のように、段部が形成されかつ小穴部９１ｂ１と大穴部９１ｂ２の各中心軸が一致する流通路だけでなく、段部がなく直線に形成された流通路、段部が形成されかつ小穴部と大穴部の各中心軸が一致しない流通路であっても小穴部の輪郭が大穴部の輪郭内にあるものも含んでいる。

第２流通路９１ｃは、第２流通路９１ｃの中心軸のガス流れ方向が該第１流通路９１ｂの中心軸のガス流れ方向と所定の角度をなして、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。第２流通路９１ｃの内径は第１流通路９１ｂの大穴部９１ｂ２と同一の内径である。第１および第２流通路９１ｂ，９１ｃは、両流通路９１ｂ，９１ｃの中心軸が一致するように配置されている。所定の角度は、第１流通路９１ｂの中心軸のガス流れ方向と第２流通路９１ｃの中心軸のガス流れ方向とのなす角度のことである。本実施の形態では、９０度に設定されている。

また、この所定角度は、第１流通路９１ｂを流れる流体（燃焼用燃料）の流れ方向に対する、第２流通路９１ｃを流れる流体（燃焼用空気）が合流する角度である。所定角度が９０度より小さくなるにつれて、燃焼用燃料と燃焼用空気は並流に近づく。所定角度が９０度より大きくなるにつれて、燃焼用燃料と燃焼用空気は向流に近づく。並流よりも向流のほうが混合性にとって望ましい。このため所定角度が大きくなるにしたがって２つの流体の混合性が高くなる。このことから、所定角度は４５度以上であることが好ましく、６０度以上、９０度以上であることがより好ましい。混合性の観点からは所定角度は１８０度に近くなることが好ましいが、製造上の観点からは１３５度以下、１２０度以下であることが好ましい。

なお、第１流通路９１ｂは直線状でなくてもよく、第２流通路９１ｃが第１流通路９１ｂの途中に側方から連結されていればよい。その連結部において、第１流通路９１ｂの中心軸のガス流れ方向と第２流通路９１ｃの中心軸のガス流れ方向とのなす角度が４５度以上であればよい。

本体９１ａには、第１流通路９１ｂの第１導入口９１ｂ３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９１ｂ３から導入される。ここで、燃焼用燃料供給管４４および第１接続管９１ｄが特許請求の範囲に記載の「第１流通管Ｌ１」であり、燃焼用燃料が「可燃ガス」である。該第１流通管Ｌ１は一部材で構成するようにしてもよく、可燃ガスは燃焼用燃料に限定されない。

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。ここで、燃焼用空気供給管６４および第２接続管９１ｅが特許請求の範囲に記載の「第２流通管Ｌ２」である。該第２流通管Ｌ２は一部材で構成するようにしてもよい。

予混合管（第３流通管）９２は、混合部９１（第１流通路９１ｂ）の第１導出口９１ｂ４に一端が連通接続され、燃焼部２５の第２導入管２５ａ６の導入口２５ａ７に他端が連通接続されている。予混合管９２の途中すなわち一端部には、フレキシブル管９３が介装されている。予混合管９２の内径は、混合部９１の第１流通路９１ｂの大穴部９１ｂ２の内径と同一である。予混合管９２の全長は、約４６０ｍｍである。予混合管９２は、屈曲部９２ａが一箇所だけ形成されている。この屈曲部は９０度曲げられており、曲げ半径は２０ｍｍである。この屈曲部９２ａによって圧損を少なからず上昇させることができるので、予混合管９２内での混合性を向上させることができる。

予混合管９２の長さに関して、予混合管９２の長さと混合性の関係について説明する。図５に、第２導入口９１ｃ２の中心軸からの距離と予混合管９２を流れる流体の空気過剰率λ（後述する）との関係を示す。図５においては、第２導入口９１ｃ２の中心軸からの距離を横軸に、空気過剰率λを縦軸に示し、黒丸印と実線で空気過剰率λの最大値を示し、黒四角印と実線で空気過剰率λの最小値を示している。図５の混合性解析は、燃焼用燃料を１．５ＮＬ／ｍｉｎで投入し、燃焼用空気を１８ＮＬ／ｍｉｎで投入し、空気過剰率λが１．１（所定空気過剰率）となるように行われている。「ＮＬ／ｍｉｎ」は、気体の標準状態での１分あたりの流量をリットルで示すものである。混合性を解析する位置は、図４に示すように、第２導入口９１ｃ２の中心軸から、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００ｍｍだけ離れた位置および配管出口位置である。これら各位置における燃焼用燃料と燃焼用空気の混合性を空気過剰率λの最大値と最小値により示している。空気過剰率λは各位置における混合性（空気濃度、燃焼用燃料濃度）を示すものであり、空気過剰率λの最大値（または最小値）が所定空気過剰率に近くなれば混合性が高くなる（均一に混合される）ということである。図５から明らかなように、第２導入口９１ｃ２の中心軸から離れるほど空気過剰率λは所定空気過剰率に近づき、最終的に所定空気過剰率となっている。この結果、予混合管９２の長さは、空気過剰率が１．０５〜１．１５となる２００ｍｍ以上であることが好ましく、空気過剰率がより所定空気過剰率に近づく３００ｍｍ以上であることがより好ましい。

予混合管９２のうちフレキシブル管９３の部分は可撓性材で形成され、予混合管９２のうちフレキシブル管９３以外の部分は金属材で形成されている。フレキシブル管９３は予混合管９２の途中であればいずれの場所に形成してもよい。また、屈曲部９２ａは一つでなく複数設けるようにしてもよい。フレキシブル管９３は、金属製の蛇腹形状のフレキシブル管である。蛇腹形状であるため流通する流体（燃焼用燃料と燃焼用空気）の混合を促進することができる。フレキシブル管９３は、金属材でなくてもよく、蛇腹形状でなく可撓性材料でもよい。予混合管９２のうちフレキシブル管９３以外の部分も金属材でなく、例えば樹脂材でもよい。

次に、燃焼部２５で予混合燃焼を行うに際して予混合部材９０で燃焼用燃料と燃焼用空気を混合する場合について説明する。燃焼部２５を着火する際には、燃焼部２５に投入される燃焼用燃料および燃焼用空気は、空気過剰率が１．０５〜１．２０となるように供給されており、燃焼用燃料に比べて燃焼用空気の投入流量が多くなるように設定されている。

燃焼用燃料は、燃焼用燃料供給管４４および第１接続管９１ｄからなる第１流通管Ｌ１を通って第１導入口９１ｂ３から第１流通路９１ｂに導入され（流入し）、第１流通路９１ｂを第１導出口９１ｂ４に向けてストレートに流通する。これに対して、燃焼用空気は、燃焼用空気供給管６４および第２接続管９１ｅからなる第２流通管Ｌ２を通って第２導入口９１ｃ２から第２流通路９１ｃに導入され（流入し）、第２流通路９１ｃを第１流通路９１ｂに向けて流通する。

このように、第１流通路９１ｂを第１導出口９１ｂ４に向けて直進する燃焼用燃料に、燃焼用燃料より流速の大きい燃焼用空気が所定の角度で合流する。その合流により燃焼用燃料に燃焼用空気が十分に混合されて、その混合ガスが第１導出口９１ｂ４から予混合管９２に導出される（流出する）。

予混合管９２においては、第１導出口９１ｂ４から導出された予混合ガスが混合されながら流通する。その予混合ガスの流れは屈曲部９２ａで変動され（屈曲部９２ａの内側と外側では同速で流入したそれぞれの流れが屈曲部で混合するため）、屈曲部９２ａによって予混合ガスがさらに混合される。さらに、予混合管９２の出口部９２ｂは９０度に屈曲してから第２導入管２５ａ６に連結されている。これにより、屈曲部９２ａと同様に予混合ガスが混合されて混合性が向上できる。そして、その予混合ガスが燃焼部２５に供給され予混合燃焼される。

さらに、燃焼用燃料をストレートに流して燃焼用空気を側方から合流（混合）させる方式（本発明のタイプ）が、燃焼用空気をストレートに流して燃焼用燃料を側方から合流（混合）させる方式より優れている理由について図６および図７を参照して説明する。

図６（ａ）は、予混合部材９０は予混合管９２を屈曲部９２ａなしで直線状に形成したものを燃焼部２５に接続し、燃焼用燃料をストレートに流して燃焼用空気を側方から合流させるようにした実験装置を示している。図６（ｂ）は、予混合部材９０は予混合管９２を屈曲部９２ａなしで直線状に形成したものを燃焼部２５に接続し、燃焼用空気をストレートに流して燃焼用燃料を側方から合流させるようにした実験装置を示している。予混合管９２の長さは５０ｍｍであり、燃焼用燃料および燃焼用空気の流量は前述した本実施の形態と同様である。いずれの場合も、改質装置２０の他の部分を省略している。

図７は、燃焼用燃料をストレートに流す場合と、燃焼用空気をストレートの流す場合の実験結果を示している。図７のグラフは、それら両方における燃焼部２５の排ガス中のＣＯ濃度（一酸化炭素濃度）およびＮＯＸ濃度（酸化窒素濃度）をそれぞれ示しており、縦軸にＣＯ濃度およびＮＯＸ濃度、横軸に空気過剰率（λ）をとっている。空気過剰率とは、実際に空燃比を理論空燃比で除した値である（空気過剰率＝空燃比／理論空燃比）。空燃比とは可燃ガスに対する空気の質量比である。理論空燃比とは可燃ガスを理想完全燃焼させる場合の空燃比である。なお、着火時にはλを１．０５程度に制御し、着火後にはλを段階的に上げて１．６程度に制御する。燃料電池の負荷変動時（発電出力変動時）にはλが変動しやすいため、所定値以下のＣＯ濃度、ＮＯＸ濃度が得られるλの範囲が広いことが重要である。また、空気や可燃ガスを改質装置２０に送るブロアやポンプなどの補機による流量変動や経年変化による流量のずれに対しても安定運転を維持しやすくなる（燃焼部２５での吹き消えが起こりにくく、ＣＯ濃度、ＮＯＸ濃度を低く維持しやすい）。着火時にλを１．０５程度にする理由は、着火性を考慮したものであり、このときにもＣＯ濃度、ＮＯＸ濃度が低減できる。

燃焼用燃料をストレートに流す場合におけるＣＯ濃度を実線と黒ひし形で示し、ＮＯＸ濃度を破線と白抜きひし形で示している。燃焼用空気をストレートに流す場合におけるＣＯ濃度を実線と黒正方形で示し、ＮＯＸ濃度を破線と白抜き正方形で示している。排ガス濃度は所定値（例えば１０ｐｐｍ）以下であることが、燃焼性能の一つの指標であり、この指標をできるだけ広い範囲の空気過剰率で満足する必要がある。図７から明らかなように、ＮＯＸ濃度においては、燃焼用燃料をストレートに流す場合も、燃焼用空気をストレートに流す場合も、空気過剰率が１．４〜１．５を超えると排ガス濃度は所定値以下となり、ほとんど差はない。しかし、ＣＯ濃度においては、燃焼用空気をストレートに流す場合では空気過剰率が約２．１を超えると排ガス濃度は所定値を超える。これに対して、燃焼用燃料をストレートに流す場合では約２．３を超えると排ガス濃度は所定値を超える。このように、燃焼用燃料をストレートに流す場合（空気過剰率は約１．４から約２．３）のほうが、燃焼用空気をストレートに流す場合（空気過剰率は約１．４から約２．１）と比較して、空気過剰率を広く確保することができる。すなわち、予混合ガスの混合率が高いということである。

図１に戻って説明すると、燃焼用空気供給管６４には、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を通って予混合部材９０で燃焼用空気と合流して混合され、その予混合ガスが燃焼部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、改質装置２０からの改質ガスが、改質ガス供給管７１、バイパス管７３およびオフガス供給管７２を通って供給されるとともに、燃焼用空気が燃焼用空気供給管６４および予混合部材９０を通って供給される。なお、このとき予混合部材９０では燃焼用燃料と燃焼用空気は混合されない。

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、燃焼用空気が燃焼用空気供給管６４および予混合部材９０を通って供給される。なお、このとき予混合部材９０では燃焼用燃料と燃焼用空気は混合されない。また、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、第１流通管Ｌ１（燃焼用燃料供給管４４および第１接続管９１ｄ）を通って混合部９１の第１導入口９１ｂ３から導入され第１導出口９１ｂ４に向けて第１流通路９１ｂを直進（流通）する燃焼用燃料（可燃ガス）に、第２流通管Ｌ２（燃焼用空気供給管６４および第２接続管９１ｅ）を通って混合部９１の第２導入口９１ｃ２から導入され第２流通路９１ｃを流通した燃焼用空気（燃焼用酸化剤ガス）が、第２流通路９１ｃが連通する第１流通路９１ｂの途中で所定の角度で（側方から）合流される。すなわち、第１流通路９１ｂを直進（流通）している燃焼用燃料に、その進行方向に対して所定の角度（側方）から燃焼用空気が投入されて合流するので、その合流により燃焼用燃料に燃焼用空気が十分に混合され、その予混合ガスを混合部９１の第１導出口９１ｂ４から導出する。これにより、予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上することができる。

また、混合部９１の第１導出口９１ｂ４に一端が接続され燃焼装置の導入口（燃焼部２５の第２導入管２５ａ６の導入口２５ａ７）に他端が接続され、途中に可撓性を有するフレキシブル管９３が介装された第３流通管９２をさらに備えている。これにより、燃焼装置の導入口２５ａ７から比較的離れている混合部９１の第１導出口９１ｂ４と燃焼装置の導入口２５ａ７とを連通する第３流通管９２が比較的長い場合、第３流通管９２の寸法誤差や混合部９１の第１導出口９１ｂ４と燃焼装置の導入口２５ａ７の位置誤差の影響を受けることなく、第３流通管９２の途中に介装された可撓性を有するフレキシブル管９２によって、第３流通管９２が混合部９１の第１導出口９１ｂ４と燃焼装置の導入口２５ａ７に容易かつ確実に組み付けることができる。

また、第３流通管９２は一または複数の屈曲部９２ａが形成されているので、混合部９１の第１導出口９１ｂ４から導出された予混合ガスの流れが屈曲部９２ａにおいて変動され、その変動によって予混合ガスをさらに混合することができる。

また、上述した改質装置用燃焼装置２５の燃焼ガスにより改質部２１を加熱するので、改質装置２０において予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上させることができる。また、上述した改質装置２０により生成された燃料ガスを燃焼電池１０の燃料極に供給するので、燃料電池システムにおいて予混合ガスの混合性をより高めて着火性を向上させることができる。

また、上述した実施の形態においては、第２導入管２５ａ６からそれより流路断面積が大きな内部空間２５ａ４に混合ガスが導入され、内部空間２５ａ４より流路断面積が小さな空間２５ｈに混合ガスが導入され、空間２５ｈより流路断面積が小さな第２噴射口２５ｂ２から混合ガスが噴出される。これらの構造により混合性がさらに向上できる。特に第２噴射口２５ｂ２で流路が絞られることにより混合性が向上する。

なお、上述した実施の形態においては、図３および図４に示す予混合部材９０に代えて、図８および図９に示す予混合部材１９０を使用してもよい。この予混合部材１９０は、予混合部材９０と、混合部９１および予混合管１９２を有する点で一致するが、予混合管１９２の形状が異なっている。予混合管１９２は途中にフレキシブル管９３を有し、３つの屈曲部９２ａを有する。予混合部材９０と同一のもの（形状が多少異なっていても機能が同一であれば同一部材とする。）については、同一符号を付してその説明を省略する。また、予混合管１９２の全長は約４４４ｍｍであり、内径は約０．９５ｃｍ（３／８インチ）である。

また、上述した実施の形態においては、混合部９１の第１および第２流通路９１ｂ，９１ｃは、図１０に示すように、両通路９１ｂ，９１ｃの中心が径方向にずれて連通するようにしてもよい。図１０では、混合部９１の本体９１ａを第２導入口９１ｃ２が形成された面側から見た図である。これによれば、第２流通路９１ｃの中心軸は第１流通路９１ｂの中心軸に対して第１流通路９１ｂの径方向にずれて第２流通路９１ｃが第１流通路９１ｂに連結されているので、第１流通路９１ｂを直進している燃焼用燃料にその進行方向に対して所定の角度（側方）から燃焼用空気を投入するだけでなく、燃焼用空気を燃焼用燃料の直進（進行）方向に対して渦巻く方向に投入して、その渦巻き流によって予混合ガスの混合性をさらに高めることができる。

なお、上述した実施の形態においては、本発明を追い炊きレスシステムに適用したが、追い炊きシステム（発電運転中に燃焼部２５にオフガス以外に燃焼用燃料を供給するシステム）に適用してもよい。また、アノードオフガスを予混合バーナ（第２噴射口２５ｂ２を噴出口に有するバーナ）で燃焼するようにしてもよい。

本発明による予混合部材を使用した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の形態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に示す予混合部材を示す斜視図である。 図１に示す予混合部材を示す断面図である。 予混合管の混合性を示すグラフである。 （ａ）は、燃焼用燃料をストレートに流して燃焼用空気を側方から合流させるようにした実験装置を模式的に示し、（ｂ）は、燃焼用空気をストレートに流して燃焼用燃料を側方から合流させるようにした実験装置を示している。 燃焼用燃料をストレートに流す場合と、燃焼用空気をストレートの流す場合の実験結果を示している。 予混合部材の他の実施例を示す斜視図である。 図８に示す予混合部材を示す側面図である。 混合部の他の実施例を示す平面図である。

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、２５ｃ…オフガスノズル、２５ｃ１…第１噴出口、２５ｅ…温度センサ、２５ｇ…筐体、２５ｈ…内部空間、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、９１ａ…本体、９１ｂ…第１流通路、９１ｂ３…第１導入口、９１ｂ４…第１導出口、９１ｃ…第２流通路、９１ｃ２…第２導入口、予混合管（第３流通管）…９２、屈曲部…９２ａ、フレキシブル管…９３。

Claims (6)

1. 改質用燃料を改質することにより水素を含む燃料ガスを生成する改質部を有する改質装置に備えられ、
   可燃ガスと燃焼用酸化剤ガスとを予混合する予混合部材で予混合した予混合ガスを燃焼した燃焼ガスにより前記改質部を加熱する燃焼装置であって、
   前記予混合部材は、
   前記可燃ガスが導入される第１導入口と、前記予混合ガスを導出する第１導出口とを有する第１流通路と、
   前記第１流通路の途中に連結され、前記第１流通路の側方から前記第１流通路に前記燃焼用酸化剤ガスを導入する第２流通路とを備えていることを特徴とする改質装置用燃焼装置。
2. 請求項１において、前記第１流通路の中心軸のガス流れ方向と前記第２流通路の中心軸のガス流れ方向とのなす角度が４５度以上であることを特徴とする改質装置用燃焼装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記第１導出口に一端が接続され前記燃焼装置の導入口に他端が接続された第３流通管をさらに備え、
   前記第３流通管は一または複数の屈曲部が形成されていることを特徴とする改質装置用燃焼装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記第２流通路の中心軸は前記第１流通路の中心軸に対して前記第１流通路の径方向にずれて前記第２流通路が前記第１流通路に連結されていることを特徴とする改質装置用燃焼装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の改質装置用燃焼装置の燃焼ガスにより前記改質部を加熱することを特徴とする改質装置。
6. 請求項５に記載の改質装置により生成された燃料ガスを燃焼電池の燃料極に供給することを特徴とする燃料電池システム。
   
   

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