JP2010054088A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 混合ガスを燃焼させた後、水素含有ガスを燃焼させる燃焼装置において、水素含有ガスの単独燃焼中に燃焼量が不足することによる混合ガスの燃焼要求があった場合に、気化ヒータ８への通電を行うことなく即座に気化ガスを発生させることができるようにする。
【解決手段】 ヒータ８への通電により加熱される第一液体燃料気化部２と、火炎の熱を回収して加熱される第二液体燃料気化部１５を設け、燃料電池の起動時は、第一液体燃料気化部２で燃料を気化し、水素含有ガス単独運転中に混合ガスの燃焼要求があった場合は第二液体燃料気化部１５で燃料を気化させるようにした。燃焼中は第二液体燃料気化部１５は火炎からの熱回収によって高温に維持されているので、ヒータ８への通電を行うことなく即座に燃料を気化させることができるため、電力の消費を抑えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、灯油等の液体燃料と、水素を含むガスの２種類の燃料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混合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や改質装置で生成された水素ガスなどの水素含有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、混合ガス及び水素含有ガスの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、混合ガスと水素含有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を図６を用いて説明する。

図６は燃焼装置の断面図であり、ヒータ３０を内蔵し液体燃料を加熱気化する気化器３１、気化器３１で気化された気化ガスと燃焼用空気とを混合して混合ガスとする混合管３２、混合管３２で混合された混合ガスを燃焼する混合ガスバーナ３３、燃料電池の水素極から排出される排ガスや改質装置で生成された水素ガスなどの水素含有ガスが供給される水素含有ガス供給管３４、水素含有ガスを燃焼する水素含有ガスバーナ３５から構成されている。

そして、これらバーナの燃焼による火炎が形成される炎板３６は、中央部に混合ガスが噴出する混合ガス噴出孔３７を備えるとともに、この混合ガス噴出孔３７の周囲には水素含有ガスが噴出する水素含有ガス噴出孔３８が備えられている。

さらに炎板３６には、第一燃焼用ガスに点火するための点火装置３９が取り付けられていて、炎板３６の下流外周には火炎に二次空気を供給するための二次空気噴出孔４０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、ヒータ３０により気化器３１の加熱が開始され、気化器３１が灯油を気化することのできる温度にまで昇温すると、気化器３１へ液体燃料が供給される。そして、気化器３１により加熱気化された液体燃料は気化ガスとなり、この気化ガスと一次空気とが混合管３２で混合されて混合ガスとなる。すると混合ガスは、炎板３６の中央部に設けられた混合ガス噴出孔３７より噴出して、点火装置３９により点火されて燃焼が開始される。

その際、二次空気噴出孔４０からは火炎に対して二次空気が噴出されており、混合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混合ガスは完全燃焼することになる。

このように、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、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として排出されるので、この水素を含んだ排ガスは燃焼装置に供給され、水素含有ガス供給管３４を通って水素含有ガス噴出孔３８より噴出される。

水素含有ガス噴出孔３８より噴出した水素含有ガスは、混合ガス噴出孔３７に形成されている火炎と接触することで着火して燃焼し、混合ガスと水素含有ガスの両方による燃焼が開始される。両者の火炎は、二次空気噴出孔４０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、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３１への液体燃料の供給を停止するとともに、改質ガスの一部も水素含有ガス供給管３４から水素含有ガスバーナに供給することで、水素含有ガス単独での燃焼に切り替わる。水素含有ガス単独燃焼では、混合ガス噴出孔３７から噴出するのは液体燃料を含まない空気だけとなり、この空気と二次空気噴出孔４０から供給される二次空気を取り込むことで水素含有ガスが燃焼し、改質装置の加熱を行なう。

特開２００５−２１４５４３号公報

ところで、燃料電池より排出される排ガスの量は燃料電池の出力に左右されるため、水素含有ガス単独燃焼時においては、燃料電池の出力が低く排ガスの排出量が少ない場合は燃焼量が不足し、改質装置の作動に必要な温度を維持できなくなることがある。そのような場合には、ふたたび気化器に液体燃料を供給して混合ガスを発生させ、混合ガスと水素含有ガスの両方を燃焼させることで改質装置を加熱するよう運転が制御されることになる。

このとき、混合ガスの燃焼要求を受けてからヒータを通電して気化器を加熱していたのでは、混合ガスの発生までに時間がかかってしまい、改質装置の温度を維持することができなくなってしまう。そこで、燃焼要求に即座に対応できるようにするためには、気化器は常に液体燃料を気化することができる温度に維持されている必要がある。しかしながら、気化器を使用していない水素含有ガス単独燃焼時であっても、ヒータを通電し気化器を加熱し続けなければならないため、無駄な電力を消費することになる。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、気化器を加熱するヒータへの通電を抑えて無駄な電力の消費を防ぐとともに、液体燃料の気化を効率よく行う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、液体燃料を気化する第一液体燃料気化部と、第一液体燃料気化部に燃料を供給する第一液体燃料供給管と、第一液体燃料気化部で気化した燃料ガスと燃焼用空気とを混合する第一混合部と、第一混合部で混合された混合ガスが噴出する混合ガス噴出孔と、水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給管と、水素含有ガスが噴出する水素含有ガス噴出孔と、中央部には混合ガス噴出孔が設けられるとともに、この混合ガス噴出孔を囲繞するように水素含有ガス噴出孔が設けられた炎板とを有する燃焼装置において、炎板で形成される火炎の熱を回収して加熱される第二液体燃料気化部と、第二液体燃料気化部に液体燃料を供給する第二液体燃料供給管と、水素含有ガスと第二液体燃料気化部で気化された気化ガスとを混合する第二混合部を備え、第二混合部は水素含有ガス噴出孔と連通することを特徴とする燃焼装置である。

また、水素含有ガス供給管は先端が第二液体燃料気化部に臨むように設けら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、第二液体燃料気化部を形成する周壁の一部が火炎に接す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、第二液体燃料供給管は水素含有ガス供給管に開口し、第二液体燃料供給管から流出する液体燃料は水素ガス供給管を通って第二液体燃料気化部に供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに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、水素含有ガス単独運転時に混合ガスの燃焼が必要になった場合には、第二液体燃料気化部に液体燃料を供給することで気化ガスを発生させることができる。したがって、水素含有ガス単独運転に移行した後はヒータを通電して第一液体燃料気化部を加熱する必要がないので、電力の消費を抑えることができる。

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、混合ガス噴出孔から混合ガスを噴出して混合ガスを燃焼させた後、水素含有ガス噴出孔から水素含有ガスを噴出して水素含有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気化ガスと一次空気とを混合した混合ガスが、炎板の中央部分に設けられた混合ガス噴出孔から噴出されて火炎が形成される。そして、混合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水素を含んだ排ガスが水素含有ガス噴出孔から噴出する。この水素含有ガス噴出孔は、混合ガス噴出孔を囲繞するように設けられていて、水素含有ガスは燃焼用混合ガスの火炎に触れて燃焼することになる。

その後、水素含有ガスでの燃焼が安定すると、液体燃料の供給が停止されて水素含有ガスだけでの燃焼が行われることになるが、この水素含有ガス単独燃焼時においては、燃料電池の出力が低く排ガスの排出量が少ないと燃焼量が不足し、改質装置の温度を維持できなくなる。そのような場合には、第二液体燃料供給管から第二液体燃料気化部に液体燃料を供給して混合ガスを発生させ、混合ガスと排ガスの両方を燃焼させることで改質装置を加熱するよう運転が制御される。

なお、第二液体燃料気化部は、火炎の熱を回収して高温となっているため、第二液体燃料気化部は供給された液体燃料を即座に気化させることができる。

従って、燃焼用混合ガスによる燃焼の要求があった場合に即座に対応することができ、また、水素含有ガス単独燃焼に移行したあとは液体燃料を気化するためにヒータの加熱を必要としないので、電力の消費を抑えることとなる。

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。

（実施例１）
図１は実施例１の燃焼装置の正断面図であって、筒状の筐体１に、燃料としての灯油を気化して気化ガスとする第一液体燃料気化部２と、この第一液体燃料気化部２で作出した気化ガスと一次空気を混合した混合ガス燃焼させる混合ガスバーナ３と、燃料電池で発生する排ガスや改質装置で生成された水素ガスなどの水素を含んだガスを燃焼させる水素含有ガスバーナ４と、燃焼用ガスと混合される一次空気と混合ガスバーナ３及び水素含有ガスバーナ４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５と、空気室５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６が設けられている

第一液体燃料気化部２は、気化部本体２ａと、気化部本体２ａに灯油を供給する第一液体燃料供給管７と、第一液体燃料気化部２を昇温させるためのヒータ８と、このヒータ８によって第一液体燃料気化部２内で加熱されて気化した燃焼用ガスを噴出するノズル９とを具備した構造であり、このノズル９から後述する混合ガスバーナ３の第一混合部１０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３は、筐体１の略中央に第一液体燃料気化部２により気化された気化ガスと一次空気とを混合して混合ガスとする屈曲円筒状の第一混合部１０を配設して形成されている。

水素含有ガスバーナ４は、燃料電池の水素極から排出される排ガスおよび改質装置で生成された水素ガスが流入する水素含有ガス供給部１１と、水素含有ガス供給部１１と連通する水素含有ガス供給管１２と、この水素含有ガス供給管１２の下流端が連設される第二混合部１３を有する構造であり、これら水素を含有するガスは、水素含有ガス供給管１２を通って第二混合部１３に供給される。

第二混合部１３は、液体燃料が供給される第二液体燃料供給管１４が接続されるとともに、第二液体燃料供給管１４と対向して第二液体燃料気化部１５が設けられており、この第二液体燃料気化部１５は火炎の熱を回収する熱回収手段１６を備えている。

そして、第一混合部１０、第二混合部１３および空気室５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１７と連接しており、炎板１７により筐体１が閉塞された状態となっている。

この炎板１７に設けられた噴出孔のうち、炎板１７の中央部に設けられた混合ガス噴出孔１８は第一混合部１０と連通している。

また、混合ガス噴出孔１８には網材１９が配設されていて、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、混合ガス主噴出孔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、混合ガス噴出孔１８の周囲に設けられた小径の水素含有ガス噴出孔２０は、第二混合部１３と連通していている。

さらに、炎板１７の周縁部には水素含有ガス噴出孔２０の周囲を取り囲むように二次空気噴出孔２１が設けられており、この二次空気噴出孔２１は空気室５と連通している。従って、送風通路６から空気室５に流入した空気は、二次空気噴出孔２１から噴出して混合ガスバーナ３および水素含有ガスバーナ４で形成される火炎に二次空気として供給される。

なお、各噴出孔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。

また、実施例においては、火炎は鉛直方向下向きに形成されるように燃焼装置が構成されているが、上向きになるよう構成しても構わない。

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８への通電を開始して第一液体燃料気化部２を加熱する。そして第一液体燃料気化部２の温度が灯油を気化することのできる温度に達すると、第一液体燃料気化部２へ灯油の供給を開始する指示が出され、灯油は第一液体燃料供給管７を通って第一液体燃料気化部２に供給される。

そして、第一液体燃料気化部２に供給された灯油は加熱され気化ガスとなり、この気化ガスはノズル９から噴出し、このノズル９から噴出した気化ガスは第一混合部１０へ流入する。この際、空気室５内の空気も一次空気として第一混合部１０へ引き込まれるため、第一混合部１０内では気化ガスと一次空気が混合されて混合ガスとなる。

そして混合ガスは、炎板１７の中央部に設けられた混合ガス噴出孔１８より噴出して、図示しない点火装置により点火されて混合ガスバーナ３での燃焼が開始される。

この際、二次空気噴出孔２１からは二次空気が噴出されていて、混合ガスの燃焼により形成される火炎に供給されて混合ガスは完全燃焼することになる。

このように、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。

そして、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、第一液体燃料気化部２への灯油の供給を停止して水素含有ガス単独での燃焼に移行する。しかしながら、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ので、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水素含有ガスバーナ４での燃焼に用いる。

具体的には、第一液体燃料気化部２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水素含有ガス供給部１１から水素含有ガス供給管１２を通して第二混合部１３に供給し、水素含有ガス噴出孔２０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、水素含有ガス供給部１１から水素含有ガス供給管１２を通って第二混合部１３に供給され、水素含有ガス噴出孔２０から噴出されるので、水素含有ガスバーナ４では排ガスおよび改質ガスによる水素含有ガス単独のみ燃焼が行われる。

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、水素含有ガス供給管１２への改質ガスの供給を停止し、排ガスのみでの燃焼を行う。

この水素含有ガス単独燃焼時において、混合ガス噴出孔１８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、水素含有ガスの燃焼火炎はこの空気と二次空気噴出孔２１から供給される空気を取り込んで燃焼することになる。

なお、水素含有ガス噴出孔２０は孔径が小さいため、ここから噴出される水素含有ガスの噴出速度は速くなり、噴出後の水素含有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。

ところで、この水素含有ガス単独燃焼時においては、燃料電池の出力が低く排ガスの排出量が少ないと燃焼量が不足し、改質装置の温度を維持できなくなってしまう。そのような場合には、第二液体燃料供給管１４から第二液体燃料気化部１５に灯油を供給して混合ガスを発生させ、混合ガスと排ガスの両方を燃焼させることで改質装置を加熱するよう運転が制御される。

燃焼中は、熱回収手段１６が水素含有ガスバーナ４で形成されている火炎の熱を回収するため第二液体燃料気化部１５は高温に維持されており、第二液体燃料供給管１４から供給された液体燃料を即座に気化させることができる。つまり、水素含有ガス単独燃焼に移行した後は液体燃料を気化するためにヒータ８による加熱を必要としないので、無駄な電力の消費が抑えられる。

そして、第二液体燃料気化部１５で気化された気化ガスは、第二混合部１３で水素含有ガス供給管１２から供給される水素含有ガスと混合されて、水素含有ガス噴出孔２０から噴出して燃焼する。

（実施例２）
図３は実施例２の燃焼装置の断面図である。

第二液体燃料供給管１４と水素含有ガス供給管１２は、ともに先端が第二液体燃料気化部１５に対向するようにして設けられている。

このように構成することで、第二液体燃料供給管１４から供給された灯油は、第二液体燃料気化部１５で気化されて気化ガスとなる際に、水素含有ガス供給管１２から供給される水素含有ガスによって掃気されるので、灯油の気化が促進されることになる。よって、気化効率に優れた燃焼装置となる。

（実施例３）
図４は実施例３の燃焼装置の断面図である。

第二液体燃料気化部１５は、筐体１の下流に設けられ、内周壁１５ａと外周壁１５ｂと備えた有底筒形状を成しており、この第二液体燃料気化部１５の内部空間が第二混合部１３となっている。そして、第二液体燃料気化部１５の内周壁１５ａには水素含有ガス噴出孔２０が設けられ、燃焼中はこの内周壁１５ａが水素含有ガスバーナ４の火炎に接するようになっている。

つまり、第二液体燃料気化部１５の内周壁１５ａが熱回収手段となるため、別途熱回収手段を設ける必要がなく、第二液体燃料気化部１５を効率よく加熱することができる。さらには、第二液体燃料気化部１５の内部空間が第二混合部１３となるため、構造が簡略化され組立性も向上する。

（実施例４）
図５は実施例４の燃焼装置の断面図である。

第二液体燃料供給管１４は、筐体１の内部において水素含有ガス供給管１２に接合され、第二液体燃料供給管１４を通って流れてきた灯油は、水素含有ガス供給管１２内を伝って第二液体燃料気化部１５へ供給されるようになっている。

灯油は炭素成分を含んでいるため、高温にさらされると炭素が析出するいわゆるコーキングが発生する。そして、燃焼中において火炎の近傍はかなりの高温となっており、第二液体燃料供給管１４を火炎の近傍に配設すると先端でコーキングが発生し、第二液体燃料供給管１４を詰まらせてしまうおそれがある。そこで、実施例のように第二液体燃料供給管１４を火炎から離れた位置で水素含有ガス供給管１２に開口させれば、水素含有ガスは常温程度であるから、第二液体燃料供給管１４内でのコーキングの発生を防止することができるとともに、構造が簡素化されるため組立性も向上する。

なお、このように第二液体燃料供給管１４を水素含有ガス供給管１２に接合する場合は、図のように火炎が鉛直方向下向きに形成されるように燃焼装置を構成することが望ましい。そうすることによって、灯油は重力によって水素含有ガス供給管１２内を伝って確実に第二液体燃料気化部１５へ供給されることになる。

実施例１を示す正断面図である。 実施例１に係る要部を説明する平面図である。 実施例２を示す正断面図である。 実施例３を示す正断面図である。 実施例４を示す正断面図である。 従来例を示す正断面図である。

符号の説明

２ 第一液体燃料気化部
７ 第一液体燃料供給管
１０ 第一混合部
１２ 水素含有ガス供給管
１３ 第二混合部
１４ 第二液体燃料供給管
１５ 第二液体燃料気化部
１７ 炎板
１８ 混合ガス噴出孔
２０ 水素含有ガス噴出孔

Claims (4)

1. 液体燃料を気化する第一液体燃料気化部と、第一液体燃料気化部に燃料を供給する第一液体燃料供給管と、第一液体燃料気化部で気化した燃料ガスと燃焼用空気とを混合する第一混合部と、第一混合部で混合された混合ガスが噴出する混合ガス噴出孔と、水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給管と、水素含有ガスが噴出する水素含有ガス噴出孔と、中央部には混合ガス噴出孔が設けられるとともに、この混合ガス噴出孔を囲繞するように水素含有ガス噴出孔が設けられた炎板とを有する燃焼装置において、炎板で形成される火炎の熱を回収して加熱される第二液体燃料気化部と、第二液体燃料気化部に液体燃料を供給する第二液体燃料供給管と、水素含有ガスと第二液体燃料気化部で気化された気化ガスとを混合する第二混合部を備え、第二混合部は水素含有ガス噴出孔と連通することを特徴とする燃焼装置。
2. 水素含有ガス供給管は先端が第二液体燃料気化部に臨むように設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. 第二液体燃料気化部を形成する周壁の一部が火炎に接す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. 第二液体燃料供給管は水素含有ガス供給管に開口し、第二液体燃料供給管から流出する液体燃料は水素ガス供給管を通って第二液体燃料気化部に供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃焼装置。

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