JP2011169528A

JP2011169528A - 燃焼装置

Info

Publication number: JP2011169528A
Application number: JP2010034724A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Oguro; 裕希小黒; Akira Goto; 後藤　　晃; Akira Fujio; 昭藤生; Akihiko Fukunaga; 明彦福永
Original assignee: Dainichi Co Ltd; Eneos Celltech Co Ltd; JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Dainichi Co Ltd; Eneos Celltech Co Ltd; Eneos Corp
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP5525855B2

Abstract

【課題】燃焼用ガスの完全燃焼が可能で、改質器の熱効率を向上させると同時に耐久性に優れた燃焼装置を提供することを目的とする。
【解決手段】中央部に設けられた第一燃焼用ガス噴出部を囲繞するように第二燃焼用ガス噴出部が設けられた炎板と、炎板の上流で第二燃焼用ガス噴出部と連通した第二燃焼用ガス室と、炎板の下流に第一燃焼用ガスの噴出方向に対して略直角方向で、且つ第一燃焼用ガスの噴出方向の軸を中心として旋回流となるように第二燃焼用ガスを噴出させる第二燃焼用ガス旋回噴出手段を備えた構成とした。したがって、第二燃焼用ガスは第二燃焼用ガス旋回噴出手段により第一燃焼用ガス噴出部から噴出している一次空気に向けて旋回流となって噴出され拡散・混合されるので完全燃焼する。
【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に関し、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燃焼装置に関するものである。

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、水素原料として都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の気体燃料ガスや灯油等の液体燃料が用いられている。例えば、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燃料ガスを一次空気と混合した予混合ガス（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水素含有ガス（第二燃焼用ガス）を燃料として燃焼させることで、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、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、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、これにより燃焼装置を小型化することが可能となった。（特許文献１）

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、これにより良好な燃焼が得られるようになった。（特許文献２）

特開２００５−２１４５４３号特開２００３−３３１８８２号

しかしながら、特許文献１の燃焼装置では、第一燃焼用ガスの燃焼性の向上と空気比を小さくして改質装置の熱効率を向上させるには一次空気の割合を二次空気の割合より大きくする必要がある。このような条件で、例えば燃料電池の動作が安定して第二燃焼用ガスでの燃焼となった場合、二次空気噴出部から供給される二次空気との混合は良好であるが、二次空気の量が元々少ないために完全燃焼することが難しく、さらに炎板の中央に設けられた第一燃焼用ガス噴出部から噴出する一次空気との混合も促進されにくく、その結果、第二燃焼用ガスが完全燃焼できないという問題が生じていた。

また、特許文献２の燃焼装置では、第二燃焼用ガスを噴出させるガス室を火炎の下流に設けているので構造が複雑となり第一燃焼用ガスの燃焼時にはガス室が火炎に曝されるため、熱によるバーナ部品の変形や破損の危険性がある。さらに一次空気の割合が二次空気の割合より大きい条件で第二燃焼用ガスを燃焼させた場合、特に燃焼量が小さく第二燃焼用ガスの噴出速度が遅い場合には、第二燃焼用ガスと一次空気との混合が促進されにくく、その結果、第二燃焼用ガスが完全燃焼できないという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、燃焼用ガスの完全燃焼が可能で、改質器の熱効率を向上させると同時に耐久性に優れた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、中央部に設けられた第一燃焼用ガス噴出部を囲繞するように第二燃焼用ガス噴出部が設けられた炎板と、前記炎板の上流で前記第二燃焼用ガス噴出部と連通した第二燃焼用ガス室と、前記炎板の下流に第一燃焼用ガスの噴出方向の軸を中心として旋回流となるように第二燃焼用ガスを噴出させる第二燃焼用ガス旋回噴出手段を備えたことを特徴とする燃焼装置に係わるものである。

また、前記第二燃焼用ガス旋回噴出手段は、第一燃焼用ガスの噴出方向に対して略直角方向で、且つ第一燃焼用ガスの噴出方向の軸を中心として旋回流となるように第二燃焼用ガスを噴出させる第二燃焼用ガス旋回手段と、第一燃焼用ガスの噴出方向に第二燃焼用ガスを噴出させる第二燃焼用ガス補助噴出孔から構成されることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置に係わるものである。

また、前記第二燃焼用ガス旋回手段は、前記第一燃焼用ガス噴出部に設けられた全ての第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞する最小円の中心に対して円周方向に第二燃焼用ガスを噴出させることを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の燃焼装置に係わるものである。

また、前記第二燃焼用ガス旋回手段は、前記第一燃焼用ガス噴出部に設けられた全ての第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞する最小円の接線より内側に第二燃焼用ガスを噴出させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼装置に係わるものである。

上述のように構成することにより、燃焼用ガスの完全燃焼が可能になり、改質器の熱効率を向上させると同時に耐久性の優れた燃焼装置となる。

本発明の実施例の燃焼装置に関する正断面図である。本発明の実施例の炎板を示した図である。本発明の実施例の第二燃焼用ガス旋回噴出手段を示した図である。本発明の実施例の炎板と第二燃焼用ガス旋回噴出手段を組み合わせた状態を示した図である。本発明の実施例の第二燃焼用ガスの噴出状態を示した図である。

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、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部から予混合ガス（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部から水素含有ガス（第二燃焼用ガス）を噴出して燃焼させる。

具体的には、燃料電池の起動時には、燃料ガスと一次空気とを混合した第一燃焼用ガスが炎板の中央部に設けられた第一燃焼用ガス噴出部から噴出して火炎が形成される。そして、第一燃焼用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、燃料電池が運転を開始する。

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第二燃焼用ガスが炎板上流の水素含有ガス室（第二燃焼用ガス室）から供給されて第二燃焼用ガス噴出部から噴出する。第二燃焼用ガス噴出部は第一燃焼用ガス噴出部を囲繞するように設けられ、第二燃焼用ガスを第一燃焼用ガスの噴出方向に対して略直角方向で、且つ第一燃焼用ガスの噴出方向の軸を中心として旋回流となるように噴出させる第二燃焼用ガス旋回噴出手段を備えているため、第二燃焼用ガスは旋回流となって第一燃焼用ガスの火炎に向かって噴出されて燃焼する。

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の燃焼となる。このとき、第一燃焼用ガス噴出部からは一次空気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二燃焼用ガス旋回噴出手段により第一燃焼用ガス噴出部から噴出している一次空気や希薄な第一燃焼用ガスと旋回流となって拡散・混合して燃焼すると同時に、旋回流の遠心力により炎板の中心より外側に噴出されて二次空気噴出部から供給される二次空気とも拡散・混合するので完全燃焼する。

つまり、第二燃焼用ガスは第二燃焼用ガス旋回噴出手段によって第一燃焼用ガス噴出部から噴出する一次空気と旋回流となって拡散・混合して燃焼し、さらに旋回流の遠心力により二次空気噴出部から供給される二次空気とも拡散・混合して燃焼するので、第二燃焼用ガスは完全燃焼することができる。

さらに、第二燃焼用ガス旋回噴出手段には第一燃焼用ガスの噴出方向と同じ方向に第二燃焼用ガスを噴出する第二燃焼用ガス補助噴出孔が設けられており、第二燃焼用ガスの一部は第二燃焼用ガス補助噴出孔から第一燃焼用ガスの噴出方向と同じ方向に噴出して二次空気噴出部から供給される二次空気と拡散・混合して燃焼するので、第二燃焼用ガスの噴出量に応じた一次空気と二次空気により確実に完全燃焼することができる。

また、第二燃焼用ガスを供給するための第二燃焼用ガス室を炎板の上流に設けているので構造が簡単になると共に、第二燃焼用ガス室は火炎に曝されることがなく熱によるバーナ部品の変形や破損も防止できるので燃焼装置の耐久性を向上できる。

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。尚、本実施例は液体燃料を燃料とした場合の燃焼装置について説明する。

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）を生成する気化器１と、第一燃焼用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第一燃焼用ガスとする気化室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、第一燃焼用ガスを導出する予混合ガス導出部１１とを備えた構造である。

尚、予混合ガス導出部１１は、気化室９と連通し第一燃焼用ガスが流入する流入口１２と、第一燃焼用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、第一燃焼用ガスを燃焼させる予混合ガスバーナ１４と、第二燃焼用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、リング状の第二燃焼用ガス旋回噴出手段１８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１９からなり、予混合ガス導出部１１の噴出口１３から噴射された第一燃焼用ガスはこの予混合ガス通路１９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第二燃焼用ガスを供給する水素含有ガス供給管２０と、この水素含有ガス供給管２０の下流端が連設する水素含有ガス室（第二燃焼用ガス室）２１を有する構造であり、燃料電池の水素極から排出された第二燃焼用ガスは水素含有ガス供給管２０を通って第二燃焼用ガス室２１に供給される。

そして、予混合ガス通路１９、第二燃焼用ガス室２１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。

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）２２ａは予混合ガス通路１９と連通しており、これら炎孔は第一燃焼用ガスを噴出する予混合ガス噴出部（第一燃焼用ガス噴出部）２２として構成されていて、第一燃焼用ガス噴出孔２２ａから噴出する第一燃焼用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、第一燃焼用ガス噴出孔２２ａ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）２３ａは、第二燃焼用ガス室２１と連通しており、第二燃焼用ガスを噴出する水素含有ガス噴出部（第二燃焼用ガス噴出部）２３として構成されている。

さらに、炎板１７の周縁部には第二燃焼用ガス噴出孔２３ａの周囲を取り囲むように二次空気噴出孔２４ａが設けられており、二次空気噴出孔２４ａは二次空気通路１６と連通していて、二次空気を噴出する二次空気噴出部２４として構成されている。

また、炎板１７の下流には第二燃焼用ガス旋回噴出手段１８が連接されていて、炎板１７は第二燃焼用ガス室２１と第二燃焼用ガス旋回噴出手段１８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。

第二燃焼用ガス旋回噴出手段１８には、図３、図４に示すようにリング内側の周縁の第二燃焼用ガス噴出孔２３ａと対向する位置に複数の第二燃焼用ガス旋回手段１８ａが押圧加工により形成されており、この第二燃焼用ガス旋回手段１８ａにより、図５に示すように第二燃焼用ガス噴出孔２３ａから噴出した第二燃焼用ガスは、第二燃焼用ガス旋回手段１８ａと炎板１７の間を通り、全ての第一燃焼用ガス噴出孔２２ａを囲繞する最小円の中心に対して円周方向で最小円の接線より内側に噴出するようになっている。（矢印方向）

さらに、第二燃焼用ガス旋回手段１８ａには第二燃焼用ガス補助噴出孔１８ｂが設けられていて、第二燃焼用ガスの一部は第二燃焼用ガス補助噴出孔１８ｂから第一燃焼用ガスの噴出方向と同じ方向に噴出する。

また、第二燃焼用ガス旋回噴出手段１８のリング外側の周縁近傍には二次空気噴出孔２４ａと連通する複数の小孔２５が設けられて、さらに、図１に示すようにバーナ部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た二次空気変向手段２６が設けられている。したがって、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から二次空気噴出孔２４ａを通って小孔２５から噴出した後、二次空気変向手段２６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、前述した構成からな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第一燃焼用ガスとなる。

第一燃焼用ガスは、流入口１２から予混合ガス導出部１１内へ流入して噴出口１３から予混合ガス通路１９に噴出される。尚、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導出部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１９に噴出される第一燃焼用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。

また、予混合ガス導出部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第一燃焼用ガスは均一なものとなる。

そして、第一燃焼用ガスは予混合ガス通路１９を通って炎板１７の中央部に設けられた第一燃焼用ガス噴出部２２より噴出して、図示しない点火装置により点火され予混合ガスバーナ１４での燃焼が開始される。

この際、二次空気噴出部２４からは二次空気が噴出しており、この二次空気は第二燃焼用ガス旋回噴出手段１８の小孔２５を通過すると、二次空気変向手段２６によって炎板１７の中央方向に噴出方向が変向され第一燃焼用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第一燃焼用ガスが完全燃焼することになる。

このように、第一燃焼用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、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、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第二燃焼用ガスとして燃料電池の水素極から排出され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第二燃焼用ガスは、水素含有ガス供給管２０を通って第二燃焼用ガス室２１に供給され第二燃焼用ガス噴出部２３から噴出する。そして、第二燃焼用ガスは、第二燃焼用ガス旋回手段１８ａにより噴出方向が変えられ炎板１７の第一燃焼用ガス噴出部２２に向かって旋回流となって噴出し、既に第一燃焼用ガス噴出部２２に形成されている火炎と接触することで着火して燃焼するため、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスの両方による燃焼が開始される。

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第二燃焼用ガスの量も不安定である。よって、第二燃焼用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第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスの両方による燃焼が継続されることとなる。

そして、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２２ａからは一次空気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二燃焼用ガス旋回手段１８ａにより第一燃焼用ガス噴出孔２２ａから噴出している一次空気や希薄な第一燃焼用ガスと旋回流となって拡散・混合して燃焼すると同時に、旋回流の遠心力により炎板１７の中心より外側に噴出して二次空気噴出孔２４ａから供給される二次空気とも拡散・混合して燃焼するので完全燃焼が可能となる。

つまり、第二燃焼用ガスは第二燃焼用ガス旋回手段１８ａによって第一燃焼用ガス噴出孔２２ａから噴出する一次空気と旋回流となって拡散・混合して燃焼し、さらに旋回流の遠心力により二次空気噴出孔２４ａから供給される二次空気とも拡散・混合して燃焼するので、第二燃焼用ガスは完全燃焼することができるのである。

さらに、第二燃焼用ガス旋回手段１８ａに設けられた第二燃焼用ガス補助噴出孔１８ｂにより、第二燃焼用ガス噴出孔２３ａから噴出する第二燃焼用ガスの一部は第二燃焼用ガス補助噴出孔１８ｂから第一燃焼用ガスの噴出方向と同じ方向に噴出して二次空気噴出孔２４ａから供給される二次空気と拡散・混合して燃焼するので、第二燃焼用ガスの噴出量に応じた一次空気と二次空気により確実に完全燃焼することができる。

また、第二燃焼用ガスを供給するための第二燃焼用ガス室２１を炎板１７の上流に設けているので構造が簡単になるとともに、第二燃焼用ガス室２１は火炎に曝されることがないので熱によるバーナ部品の変形や破損も防止できるため燃焼装置の耐久性を向上できるのである。尚、第二燃焼用ガス旋回手段１８ａの形状に関しては実施例に限定されるものではない。

さらに、本実施例では液体燃料を気化した燃料ガスの燃焼装置について説明したが、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の気体燃料ガスを用いた燃焼装置にも本実施例の第二燃焼用ガス旋回噴出手段１８が適応できる。

１７炎板
１８第二燃焼用ガス旋回噴出手段
１８ａ第二燃焼用ガス旋回手段
１８ｂ第二燃焼用ガス補助噴出孔
２１水素含有ガス室（第二燃焼用ガス室）
２２予混合ガス噴出部（第一燃焼用ガス噴出部）
２２ａ予混合ガス噴出孔（第一燃焼用ガス噴出孔）
２３水素含有ガス噴出部（第二燃焼用ガス噴出部）

Claims

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、中央部に設けられた第一燃焼用ガス噴出部を囲繞するように第二燃焼用ガス噴出部が設けられた炎板と、前記炎板の上流で前記第二燃焼用ガス噴出部と連通した第二燃焼用ガス室と、前記炎板の下流に第一燃焼用ガスの噴出方向の軸を中心として旋回流となるように第二燃焼用ガスを噴出させる第二燃焼用ガス旋回噴出手段を備えたことを特徴とする燃焼装置。
前記第二燃焼用ガス旋回噴出手段は、第一燃焼用ガスの噴出方向に対して略直角方向で、且つ第一燃焼用ガスの噴出方向の軸を中心として旋回流となるように第二燃焼用ガスを噴出させる第二燃焼用ガス旋回手段と、第一燃焼用ガスの噴出方向に第二燃焼用ガスを噴出させる第二燃焼用ガス補助噴出孔から構成されることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
前記第二燃焼用ガス旋回手段は、前記第一燃焼用ガス噴出部に設けられた全ての第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞する最小円の中心に対して円周方向に第二燃焼用ガスを噴出させることを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の燃焼装置。
前記第二燃焼用ガス旋回手段は、前記第一燃焼用ガス噴出部に設けられた全ての第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞する最小円の接線より内側に第二燃焼用ガスを噴出させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼装置。