JP2010266160A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でありながら燃焼量が少ないときであっても燃料の拡散・混合を十分に行わせて完全燃焼させることのできる燃焼装置を提供すること。
【解決手段】第一燃焼用ガス噴出孔１７ａを囲繞するように第二燃焼用ガス噴出孔１７ｂが設けられた炎板１７と、炎板１７の上流で第二燃焼用ガス噴出孔１７ｂと連通した第二燃焼用ガス室２０と、炎板１７の下流に第二燃焼用ガスの噴出する方向を炎板１７の中央に変向させる変向手段２５を備えた構成とした。第二燃焼用ガスの噴出方向は第一燃焼用ガスが噴出する方向と交差するため、燃焼量が小さくても燃料の拡散・混合を確実に行い完全燃焼が可能になる。また、第二燃焼用ガス室２０が火炎の熱によって変形や破損してしまうこともない。
【選択図】図１

Description

本発明は、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスの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燃焼用混合ガス（第一燃焼用ガス）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（第二燃焼用ガス）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、第一燃焼用ガス及び第二燃焼用ガスの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、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスのそれぞれを炎板に設けた噴出孔から噴出させて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。

ところが、特許文献１に開示されている構造の燃焼装置は、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスが別々の炎孔から同じ方向に噴出されるようになっているので、燃焼量が小さい、すなわち第二燃焼用ガスや燃焼用空気の流量が少ないときには、燃料の拡散・混合が促進されにくく、その結果完全燃焼できないといった問題が生じていた。

また、一方では、第二燃焼用ガスを第一燃焼用ガスの下流から第一燃焼用ガスの噴出流に対し直角に噴出させるようにした燃焼装置も提案されている（特許文献２）。このように構成することで、燃焼量が小さいときであっても燃料の拡散・混合が確実に行われるため完全燃焼させることができるのである。

特開２００５−２１４５４３号公報 特開２００３−３３１８８２号公報

しかしながら、特許文献２のような燃焼装置では、第二燃焼用ガスを噴出させるためのガス室を火炎の下流に設ける必要があるため、構造が複雑になり製造コストがかかるという問題がある。さらには、第一燃焼用ガスの燃焼時にはガス室が火炎に曝されることとなるため、熱変形や破損をおこしてしまうおそれもある。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、簡単な構造でありながらいかなる燃焼量においても燃料の拡散・混合を十分に行わせて完全燃焼させる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、第一燃焼用ガスを燃焼させた後、第二燃焼用ガスを燃焼させる燃焼装置であって、中央部には第一燃焼用ガス噴出孔が設けられるとともに、この第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように第二燃焼用ガス噴出孔が設けられた炎板と、前記炎板の上流で第二燃焼用ガス噴出孔と連通した第二燃焼用ガス室と、前記炎板の下流に第二燃焼用ガスの噴出する方向を炎板の中央に変向させる変向手段を備えることを特徴とする燃焼装置である。

また、第二燃焼用ガス燃焼時には、第一燃焼用ガス噴出孔からは空気または希薄な第一燃焼用ガスが噴出す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、前記変向手段は、第二燃焼用ガス噴出孔と対向する位置に設けられてい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、前記炎板に連接されたリング状の金属板を備え、前記変向手段は前記金属板に形成されてい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。

また、前記変向手段は前記金属板の内周縁に押圧形成されていることを特徴とする請求項４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、第二燃焼用ガスの噴出方向は第一燃焼用ガスが噴出する方向と交差するため、燃焼量が小さくても燃料の拡散・混合を確実に行い完全燃焼が可能になるとともに、第二燃焼用ガスを噴出させるためのガス室は火炎に曝されることがないので、熱による変形や破損を防止することができる。

本発明の燃焼装置の正断面図である。 本発明の炎板を表した図である。 本発明の実施例１の金属板を表した図である。 本発明の実施例２の金属板を表した図である。 本発明の実施例２の金属板を表した図である。

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、第一燃焼用ガス噴出孔から第一燃焼用ガスを噴出して燃焼させた後、第二燃焼用ガス噴出孔から第二燃焼用ガスを噴出して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予混合ガス（第一燃焼用ガス）が、炎板の中央部分に設けられた第一燃焼用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水素含有ガス（第二燃焼用ガス）が炎板上流のガス室から供給されて第二燃焼用ガス噴出孔から噴出する。この第二燃焼用ガス噴出孔は、第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように設けられていて、さらに第二燃焼用ガスの噴出する方向を炎板の中央に変向させる変向手段を備えているため、第二燃焼用ガスは第一燃焼用ガスの火炎に向かって噴出し燃焼することになる。

その後、燃料電池の動作が安定すると主として第二燃焼用ガスでの燃焼となる。このとき、第一燃焼用ガス噴出孔からは空気のみまたは希薄な第一燃焼用ガスが噴出しており、第二燃焼用ガスは第一燃焼用ガス噴出孔から噴出している空気や希薄な第一燃焼用ガスに向けて噴出されることで拡散・混合されて完全燃焼するのである。

したがって、燃焼量が小さくて第二燃焼用ガスや燃焼用空気の流量が少なくても、変向手段によって第二燃焼用ガスを第一燃焼用ガスと交差するように噴出させることで、第二燃焼用ガスを確実に拡散・混合することができるため完全燃焼させることが可能になる。そして、第二燃焼用ガスを供給するためのガス室を炎板の上流に設けることができるので構造が簡単になるとともに、ガス室は火炎に曝されることがなく、熱による変形や破損も防止することができる。

以下、図面に基づいて本発明の燃焼装置について詳細な説明をする。

図１は燃焼装置の正断面図であって、液体燃料を気化した燃焼用ガスと一次空気との予混合ガス（第一燃焼用ガス）を作出する気化器１と、予混合ガスおよび燃料電池で発生する水素含有ガス（第二燃焼用ガス）を燃焼するバーナ部２と、空気を供給する送風通路３が設けられている。

気化器１は、気化器１に液体燃料を供給する液体燃料供給管４と、気化器１を昇温させるためのヒータ５と、液体燃料を加熱気化して燃焼用ガスとする蒸発部６と、液体燃料を蒸発部６へ分散滴下させる滴下孔８を備えた仕切板７と、内部底面に蒸発部６を有し燃焼用ガスと一次空気とを混合して予混合ガスとする気化室９と、送風通路３からの空気を収容し燃焼用ガスと混合する一次空気とバーナ部２で形成される火炎に供給する二次空気とに分配する給気室１０と、予混合ガスを噴出する予混合ガス噴出部１１とを具備した構造である。

予混合ガス噴出部１１は、気化室９と連通し予混合ガスが流入する流入口１２と、予混合ガスを噴出する噴出口１３を備えており、流入口１２は蒸発部６よりも高い位置に設けられている。

バーナ部２は、予混合ガスを燃焼させる予混合ガスバーナ１４と、水素含有ガスを燃焼させる水素含有ガスバーナ１５と、給気室１０と連通しバーナ部２で形成される火炎に二次空気を供給する二次空気通路１６と、複数の貫通する噴出孔が設けられている炎板１７と、リング状の金属板２４からなり、気化器１の鉛直方向下方に設けられている。

予混合ガスバーナ１４は円筒状の予混合ガス通路１８からなり、予混合ガス噴出部１１の噴出口１３から噴射された予混合ガスはこの予混合ガス通路１８に供給される。

水素含有ガスバーナ１５は、燃料電池で発生した水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給管１９と、この水素含有ガス供給管１９の下流端が連設する水素含有ガス室（第二燃焼用ガス室）２０を有する構造であり、燃料電池の水素極から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス供給管１９を通って水素含有ガス室２０に供給される。

そして、予混合ガス通路１８、水素含有ガス室２０および二次空気通路１６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によりバーナ部２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予混合ガス噴出孔（第一燃焼用ガス噴出孔）１７ａは予混合ガス通路１８と連通しており、これら炎孔は予混合ガスを導出する予混合ガス導出部２１として構成されていて、この予混合ガス導出部２１から噴出する予混合ガスは図示しない点火装置により点火されて燃焼を開始する。

そして、予混合ガス噴出孔１７ａの周囲に設けられた水素含有ガス噴出孔（第二燃焼用ガス噴出孔）１７ｂは、水素含有ガス室２０と連通しており、水素含有ガスを導出する水素含有ガス導出部２２として構成されている。

さらに、炎板１７の周縁部には水素含有ガス噴出孔１７ｂの周囲を取り囲むように二次空気噴出孔１７ｃが設けられており、この二次空気噴出孔１７ｃは二次空気通路１６と連通していて、二次空気を導出する二次空気導出部２３として構成されている。

また、炎板１７の下流には金属板２４が連接されていて、炎板１７は水素含有ガス室２０と金属板２４の間に挟み込まれるようにしてバーナ部２内に設けられている。

そしてこの金属板２４は、図３に示すようにリング内側の周縁には押圧加工によって変向手段２５が形成されており、水素含有ガス噴出孔１７ｂから噴出した水素含有ガスは変向手段２５と炎板１７の間を通って炎板１７の中央に向かって噴出するようになっている。

また金属板２４のリング外側の周縁近傍には二次空気噴出孔１７ｃと連通する複数の小孔２６が設けられており、加えてバーナ部２の外周壁は炎板１７の下流で末端が中央に向けて屈曲し、屈曲した部分は二次空気変向手段２７として構成されている。従って、送風通路３から給気室１０に流入した空気は、二次空気通路１６から二次空気導出部２３を通って小孔２６から噴出した後、二次空気変向手段２７によって炎板１７の中央方向に変向されて、バーナ部２で形成される火炎に向けて二次空気として供給される。

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５への通電を開始して気化器１を加熱する。そして気化器１の温度が液体燃料を気化することのできる温度に達したことをセンサー（図示省略）が検知すると、気化器１へ液体燃料の供給を開始する指示が出され、液体燃料は液体燃料供給管４を通って気化器１に供給される。

気化器１に供給された液体燃料は、仕切板７上に落下して四方に満遍なく広がり、滴下孔８から蒸発部６に滴下する。そして、蒸発部６に滴下した液体燃料は加熱気化されて燃焼用ガスとなり、燃焼用ガスが気化室９内に拡散することになる。

このとき、送風通路３から給気室１０へ供給された空気の一部は液体燃料供給管４の隙間から気化室９内に一次空気として取り込まれるため、一次空気と気化室９に拡散した燃焼用ガスとが混合されて予混合ガスとなる。

この予混合ガスは、流入口１２から予混合ガス噴出部１１内へ流入して噴出口１３から予混合ガス通路１８に噴出される。なお、流入口１２は蒸発部６よりも高い位置に設けられているので、蒸発部６と流入口１２の間には液体燃料の受け皿となる空間が形成されることとなる。そして、この空間に未気化の液体燃料を留まらせることで液体燃料が完全に気化するための十分な時間を与えることができるため、蒸発していない液体状態の燃料が予混合ガス噴出部１１に流入することはない。つまり、噴出口１３から予混合ガス通路１８に噴出される予混合ガスに含まれる燃料は完全に気化した燃焼用ガスのみとなり、バーナ部２での燃焼状態を良好に維持することが可能となるのである。

また、予混合ガス噴出部１１を設けたことで、気化室９内部の圧力を上昇させることになり、この圧力上昇によって液体燃料の蒸発に伴って発生する気化室９内部の圧力変動を小さくすることができるため燃焼量の変動が抑制されるとともに、燃焼用ガスと一次空気との混合も十分に行われるので噴出される予混合ガスは均一なものとなる。

なお、上述の効果を得るためには、予混合ガス噴出部１１の穴長を噴出口１３径よりも大とし、好ましくは２倍以上の比率となるように構成する。

そして予混合ガスは、予混合ガス通路１８を通って炎板１７の中央部に設けられた予混合ガス導出部２１より噴出して、図示しない点火装置により点火されて予混合ガスバーナ１４での燃焼が開始される。

この際、二次空気導出部２３からは二次空気が噴出しており、この二次空気は金属板２４の小孔２６を通過すると、二次空気変向手段２７によって炎板１７の中央方向に噴出方向が変向されて、予混合ガスの燃焼により形成されている火炎に向けて供給される。したがって、二次空気と火炎との混合が効果的に行われるので予混合ガスが完全燃焼することになる。

このように、予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、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、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水素含有ガスとして燃料電池の水素極から排出され、この水素含有ガスも燃焼装置での燃焼に用いられる。

具体的には、水素極から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス供給管１９を通って水素含有ガス室２０に供給され、水素含有ガス導出部２２から噴出する。そして、水素含有ガス導出部２２から噴出した水素含有ガスは、変向手段２５と炎板１７の間を通ることで噴出方向が変えられ、炎板１７の中央、すなわち予混合ガス導出部２１に向かって噴出するため、既に予混合ガス導出部２１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、予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。

そして、両者の火炎は二次空気導出部２３から供給される二次空気を取り込むことで完全燃焼し、改質装置の加熱を継続する。

ところで、改質装置が作動した直後は燃料電池に対する水素主成分の改質ガスの供給が安定しないため、燃料電池から排出される水素含有ガスの量も不安定である。よって、水素含有ガスだけでは安定した燃焼を維持することは難しいため、改質装置の作動後しばらくは予混合ガスと水素含有ガスの両方による燃焼が継続されることとなる。

そして、水素含有ガスの燃焼が安定した時点で水素含有ガス単独での燃焼に移行する。なお、この水素含有ガスによる燃焼では、予混合ガス導出部２１から噴出するのは燃焼用ガスを含まない空気のみ（若しくは希薄な予混合ガス）となっている。そのため、水素含有ガス導出部２２からはこの空気に向けて水素含有ガスが噴出されて、さらに二次空気導出部２３から供給される空気を取り込んで燃焼することになる。

したがって、水素含有ガス単独での燃焼時には、たとえ燃焼量が小さくて水素含有ガスや燃焼用空気の流量が少なくても、水素含有ガスは予混合ガス導出部２１から噴出する空気（若しくは希薄な予混合ガス）と交差するように噴出するため、水素含有ガスを確実に拡散・混合することができ完全燃焼させることが可能となるのである。また、予混合ガスと水素含有ガスを同一の炎板１７から噴出させて燃焼させる構造であるため、水素含有ガスを供給するための水素含有ガス室２０は炎板１７の上流に設けられており、簡単な構造でありながら水素含有ガス室２０は火炎に曝されることがなく、熱による変形や破損も防止することができる。

次に、本発明のその他の実施例について説明する。図４および図５はその他の実施例の金属板２４を示した図であり、この金属板２４にはリング内側の周縁であって水素含有ガス噴出孔１７ｂと対向する位置に複数の変向手段２５が押圧加工によって形成されている。

このように変向手段２５を水素含有ガス噴出孔１７ｂと対向する位置に設けることで、水素含有ガスの噴出速度を高くすることができるとともに噴出方向も定まるので、より確実に燃料の拡散・混合が行われるようになり燃焼状態を良好に保つことが可能となる。なお、変向手段２５は水素含有ガス噴出孔１７ｂと対向する位置に設けられていればよく、その形状に関しては実施例に限定するものではない。

１７ 炎板
１７ａ 予混合ガス噴出孔（第一燃焼用ガス噴出孔）
１７ｂ 水素含有ガス噴出孔（第二燃焼用ガス噴出孔）
２０ 水素含有ガス室（第二燃焼用ガス室）
２４ 金属板
２５ 変向手段

Claims (5)

1. 第一燃焼用ガスを燃焼させた後、第二燃焼用ガスを燃焼させる燃焼装置であって、中央部には第一燃焼用ガス噴出孔が設けられるとともに、この第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように第二燃焼用ガス噴出孔が設けられた炎板と、前記炎板の上流で第二燃焼用ガス噴出孔と連通した第二燃焼用ガス室と、前記炎板の下流に第二燃焼用ガスの噴出する方向を炎板の中央に変向させる変向手段を備えることを特徴とする燃焼装置。
2. 第二燃焼用ガス燃焼時には、第一燃焼用ガス噴出孔からは空気または希薄な第一燃焼用ガスが噴出することを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. 前記変向手段は、第二燃焼用ガス噴出孔と対向する位置に設けられてい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. 前記炎板に連接されたリング状の金属板を備え、前記変向手段は前記金属板に形成されてい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。
5. 前記変向手段は前記金属板の内周縁に押圧形成されていることを特徴とする請求項４記載の燃焼装置。

Images