JP2011220666A - バーナーノズル装置及びこれを備えた燃料改質装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＡＯＧガスを燃焼させることによって、反応性が高い水素を再活用して燃料改質装置自体の効率を増加させ、運転上の安全性を向上させる。
【解決手段】中央側にＡＯＧガスが供給されるＡＯＧノズルが形成され、前記ＡＯＧノズルを中心に一定の距離に多数形成されて酸化燃料を供給する複数の酸化燃料ノズルが形成されるノズルプレートと、前記ＡＯＧノズルをＡＯＧ供給管と流体疎通が可能に連結し、酸化燃料供給管から前記複数の酸化燃料ノズルの各々を流体疎通が可能に分配して連結するチャネル部とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は酸化器に酸化燃料と水素を含むアノードオフガス（ＡＯＧ）を効率的に噴射できるバーナーノズル装置及びこれを備える燃料改質装置に関する。
通常、燃料電池において高濃度の水素を得るために水蒸気改質方式の改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が利用され得る。このような水蒸気改質方式の改質器では吸熱反応が起きるので、熱源が必要となる。このような熱源としては、主に直接燃焼方式（ｆｌａｍｅ
ｔｙｐｅ)又は触媒燃焼方式のバーナーが用いられる。
特開２００８−０００３７３４号公報 韓国公開特許第２００９−００１０４０２号公報
主に、家庭用改質器の構造に多く適用される直接燃焼方式のバーナーの場合、火花が消化せず、かつ安定した発熱が可能なバーナーを製造する必要がある。
また、触媒燃焼方式のバーナーの場合、触媒内部にホットスポット（ｈｏｔ
ｓｐｏｔ）の形成が最小となり、触媒反応開始部の逆化、即ち、フラッシュバック（ｆｌａｓｈｂａｃｋ)が発生しないバーナーを必要とする。特に、燃料電池の効率を高めるために、アノードオフガス（ＡＯＧ）を再活用する構造ではＡＯＧガスに多量含まれている水素の反応性が非常に高いため、このような逆化の防止構造は非常に重要な技術的課題となる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ＡＯＧガスを燃焼させることによって、反応性が高い水素を再活用して燃料改質装置自体の効率を増加させ、運転上の安全性を向上させることが可能な、新規かつ改良されたバーナーノズル装置及び燃料改質装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、中央側にＡＯＧガスが供給されるＡＯＧノズルが形成され、前記ＡＯＧノズルを中心に一定の距離に多数形成されて酸化燃料を供給する複数の酸化燃料ノズルが形成されるノズルプレートと、前記ＡＯＧノズルをＡＯＧ供給管と流体疎通が可能に連結し、酸化燃料供給管から前記複数の酸化燃料ノズルの各々を流体疎通が可能に分配して連結するチャネル部とを含むバーナーノズル装置が提供される。
また、前記酸化燃料ノズルの排出面積の総和は、前記ＡＯＧノズルの排出面積の１.０〜３.５倍であることとしても良い。
また、前記ＡＯＧノズルと前記酸化燃料ノズルの最大直径は、それぞれ２.５ｍｍと１.５ｍｍであることとしても良い。
また、前記チャネル部は、前記ＡＯＧノズルを前記ＡＯＧ供給管と流体疎通が可能に連結するＡＯＧチャネルと、前記ＡＯＧチャネルから離隔され、前記酸化燃料ノズルを前記酸化燃料供給管と流体疎通が可能に連結する酸化燃料チャネルとを含むこととしても良い。
また、前記酸化燃料チャネルは、前記酸化燃料供給管から酸化燃料を収容するために円周面に沿って連続的な環状のチャネルを有する第１空間と、前記酸化燃料を前記酸化燃料ノズルに分配するために複数の不連続な空間を有する第２空間とを含むこととしても良い。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、改質部と、前記改質部を取り囲む酸化器と、ＡＯＧガスと酸化燃料を混合して混合されたＡＯＧと酸化燃料を前記酸化器に供給するバーナーノズル装置とを含み、前記バーナーノズル装置は、中央側に前記ＡＯＧが供給されるＡＯＧノズルが形成され、前記ＡＯＧノズルを中心に一定の距離に多数形成されて前記酸化燃料を供給する複数の酸化燃料ノズルが形成されるノズルプレートを含む改質装置が提供される。
また、前記バーナーノズル装置は、前記ＡＯＧノズルをＡＯＧ供給管と流体疎通が可能に連結し、酸化燃料供給管から前記各酸化燃料ノズルを流体疎通が可能に連結するチャネル部を含むこととしても良い。
また、前記改質部は、内管と、外管と、前記内管及び前記外管の間で主燃料をリフォメートに変換させる改質反応部を含み、前記外管は、前記内管を取り囲み、前記バーナーノズル装置と向かい合う下端が密閉され、前記内管は、前記外管の密閉された下端と向かい合う開放された端部を備え、リフォメートを排出することとしても良い。
また、前記酸化器は、前記改質部の外管を取り囲む酸化器本体と、前記改質部の外管と前記酸化器本体間に位置する酸化反応部を含むこととしても良い。
また、前記酸化反応部は、酸化触媒を含むこととしても良い。
また、前記バーナーノズル装置の前記ノズルプレートは、前記改質部の下端と一定間隔離間し、前記酸化器の下端を密閉するように備えられることとしても良い。
また、前記酸化器は、前記バーナーノズル装置のノズルプレートと向かい合う混合燃料プレートと、前記混合燃料プレートの中央部を取り囲む複数の混合燃料ノズルを含み、前記混合燃料ノズルは、前記バーナーノズル装置の前記ノズルプレートと一定間隔離間していることとしても良い。
また、前記混合燃料ノズルは、前記改質装置の中心軸を基準に前記酸化燃料ノズルよりも外側に備えられることとしても良い。
また、前記酸化器は、前記バーナーノズル装置と向かい合い、前記改質装置の中心軸に向かって傾斜した第１屈曲部を備え、前記改質部の前記外管は、前記バーナーノズル装置と向かい合って前記改質部の中心軸を基準に外側に傾斜した第２屈曲部を備え、前記混合燃料ノズルは、前記第１屈曲部と前記第２屈曲部との間に位置することとしても良い。
また、前記第１屈曲部と前記第２屈曲部によって前記混合燃料ノズルの出口側から離間した所に形成された第１空間と、前記混合燃料ノズルの出口側と隣接した所に形成された第２空間を含み、前記第１空間が前記第２空間よりも大きく形成されることとしても良い。
また、前記第１空間と前記第２空間との間に第３空間が形成され、前記第３空間は前記第２空間よりも大きく形成され、前記第１空間は前記第３空間よりも大きく形成されることとしても良い。
また、前記混合燃料ノズルの総面積は、前記ＡＯＧノズルの面積と前記酸化燃料ノズルの総面積の和の１〜４倍であることとしても良い。
また、前記酸化反応部から排出される排気ガスの残存熱を用いて水を水蒸気に変換させて前記改質部に供給する蒸発器を更に含むこととしても良い。
また、前記酸化燃料ノズルの排出面積の総和は、前記ＡＯＧノズルの排出面積の１.０〜３.５倍であることとしても良い。
また、前記ＡＯＧノズルと前記酸化燃料ノズルの最大直径は、それぞれ２.５ｍｍと１.５ｍｍであることとしても良い。
以上説明したように本発明によれば、ＡＯＧガスを燃焼させることによって、反応性が高い水素を再活用して燃料改質装置自体の効率を増加させ、運転上の安全性を向上させることが可能となる。
本発明の一実施形態に係るバーナーノズル装置を示す斜視図である。 図１のII-II’線に沿った切り欠き斜視図である。 図２ＡのIII-III’線に沿った切り欠き斜視図である。 図２ＡのIV-IV’線に沿った切り欠き斜視図である。 本発明の一実施形態に係るバーナーノズル装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料変換器を示す概略的な断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料変換器を示す概略的な断面図である。 図５の酸化器本体を眺めた底面切り欠き斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料変換器を示す概略的な断面図である。 本発明の燃料変換器に蒸発器が含まれている実施形態を示す概略的な断面図である。 ノズルプレート上における熱分布を比較するための熱分布図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、特に定義や言及がない場合に本説明で用いられる「上下左右」などの方向を表す用語は図面に示された状態を基準とする。
一般に、燃料電池とは、燃料を改質して供給する燃料変換器（改質器及び反応器）と燃料電池モジュールで構成される。ここで、燃料電池モジュールとは、化学的エネルギーを電気化学的な方法で電気エネルギーと熱エネルギーに転換する燃料電池スタックを含むアセンブリ（Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をいう。
本発明は、改質器に熱を供給する酸化器と特に酸化器に酸化燃料を供給するバーナーノズル装置に関する。本発明の目的は、ＡＯＧガスを燃焼させることによって、反応性が高い水素を再活用して燃料改質装置自体の効率を増加させ、運転上の安全性を向上させる手段を提供することにある。また、また、本発明の他の目的は、主燃料とアノードオフガスの効率的な混合及び噴射が可能なバーナー手段を提供することにある。本発明の更に他の目的は、燃料電池システムの効率を高めるためにＡＯＧを燃料改質装置のバーナーで再活用する構造において逆化が発生しないように混合燃料を供給できる手段を提供することにある。以下、本発明について具体的に説明する。
＜第１の実施形態＞
まず、図１〜図３を参照してバーナーノズル装置１００について説明する。バーナーノズル装置１００は、ノズルプレート１１０、チャネル部１２０、酸化燃料導入部１３０及びＡＯＧ導入部１４０に分けられる。
酸化燃料導入部１３０とＡＯＧ導入部１４０は、酸化器２００（図４参照）に供給される燃料が供給されるパイプであって、酸化燃料導入部１３０を介して酸化燃料がバーナーノズル装置１００に供給され、ＡＯＧ導入部１４０を介して燃料電池の運転中に発生するＡＯＧがバーナーノズル装置１００に供給される。
ノズルプレート１１０は、円板や所定形状の板状で形成される。このとき、ノズルプレート１１０は約１０００℃の高温にも耐えられる耐熱性材質で形成されることが好ましい。ＡＯＧノズル１１１と酸化燃料ノズル１１２は、ノズルプレート１１０に穿孔された形態で形成される。ＡＯＧノズル１１１はノズルプレート１１０の中央に形成され、酸化燃料ノズル１１２はＡＯＧノズル１１１を中心に一定の距離を置いて放射状に配置される。そして、ＡＯＧノズル１１１と酸化燃料ノズル１１２を介してそれぞれＡＯＧと酸化燃料が酸化器２００の内部に供給される。
図２Ａ〜図３を参照してチャネル部１２０を説明する。図２Ｂは、図２ＡにおいてIII-III’線を中心に切断された横断面図であり、図２Ｃは、図２ＡにおいてIV-IV’線に沿った横断面図である。チャネル部１２０は、酸化燃料導入部１３０とＡＯＧ導入部１４０からノズルプレート１１０に形成されたＡＯＧノズル１１１と酸化燃料ノズル１１２までパイプを内蔵して連通するか、又はチャネル部１２０自体に連結通路を形成して備えられる。図３に示すように、ＡＯＧはＡＯＧ導入部１４０からＡＯＧチャネル１２１を介してＡＯＧノズル１１１に移送される。酸化燃料は、酸化燃料導入部１３０から酸化燃料チャネル１２２を介して各酸化燃料ノズル１１２に分散して移送される。一方、酸化燃料チャネル１２２は、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、上下部が異なる構造で形成されることができる。即ち、酸化燃料チャネルの下部１２２ｂは、酸化燃料の供給を受けて各酸化燃料ノズル１１２の下方まで移動できるように円周方向に連続した通路を提供できる空間で形成され、酸化燃料チャネルの上部１２２ａは、酸化燃料チャネルの下部１２２ｂから各酸化燃料ノズル１１２に酸化燃料を分配して移送できるように円周方向に不連続的な多数の空間が形成され得る。ただし、バーナーノズル装置１００の要旨は、ＡＯＧノズル１１１と酸化燃料ノズル１１２の構成及びノズルプレート１１０上における形成位置にあるので、酸化燃料導入部１３０とＡＯＧ導入部１４０の構成、酸化燃料チャネル部１２２の構成及びそれぞれの連結関係は、同じ作用の範囲内で変更が可能である。
図４を参照して酸化器２００及び改質部３００について説明する。図示の便宜上、点火器と関連した構成は省略する。
改質部３００は、炭化水素系燃料（以下、「主燃料」という）から燃料電池で電気の生産のために直接用いられる主原料である水素を得るための構成である。改質方式の１つである水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ
Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ、ＳＲ）方式の場合、電池の出力を高めることができ、高濃度の水素を得ることができるという長所があるが、吸熱反応であるため、外部から熱を供給しなければならず、このような役割を酸化器２００が担当するようになる。
改質部３００は、二重の中空円筒形で形成される。改質部の最外側面である外管３０２は下端が改質部下板３０３で密閉されており、内部には下端が開放された改質部内管３０１を備える。主燃料は改質部内管３０１及び改質部外管３０２の間に備えられた改質反応部３１０に沿って下降し、水蒸気改質反応をし、その後、改質部内管３０１を介して上部に移送される。
本実施形態における酸化器２００は中空円筒形の形状をしており、下端はノズルプレート１１０によって密閉されることが好ましい。酸化器２００の内部に改質部３００が備えられる。このとき、改質部下板３０３はノズルプレート１１０から一定間隔を維持するように備えられ、改質部外管３０２も酸化器本体２０１から一定の間隔が維持されるようにする。上記のように、改質部３００と酸化器２００との間に形成された空間を通じてＡＯＧノズル１１１と酸化燃料ノズル１１２から排出されるＡＯＧと酸化燃料が移動するようになる。
ＡＯＧと酸化燃料は、混合された状態で改質部下板３０３の下を通って改質部外管３０２と酸化器本体２０１との間の空間に沿って上昇し、改質部外管３０２と酸化器本体２０１との間の空間に備えられた酸化反応部２１０で酸化されて熱を発生させる。酸化反応部２１０には、ＰｄＡｌ２Ｏ３、ＮｉＯ、Ｃｕｏ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）の少なくともいずれか１つが触媒として使用され得る。一方、本実施形態において、酸化器２００及び改質部３００の上部構成は説明の便宜上、省略する。
図４を参照してＡＯＧ及び酸化燃料の流れ及び混合過程について説明する。酸化燃料としては、液化プロパンガス（ＬＰＧ）のような炭化水素系燃料が使用され得、酸化剤として空気（Ａｉｒ）を含むことができる。反面、ＡＯＧは、前述したように、燃料電池の燃料極で反応せず、排出される水素を多量含有している。水素は反応性が非常に大きいため、ＡＯＧが酸化器内部に直接供給される場合には逆化が発生する危険性が非常に高い。このような理由で反応性が非常に大きい水素を多量含有するＡＯＧと反応性が比較的小さな酸化燃料（例えば、ＬＰＧとＡｉｒの混合ガス）を混合して酸化器内に供給することによって、逆化の危険性を低下させる方法を利用できる。
一方、水素は分子量が非常に小さいため、拡散速度が速い。従って、同じ圧力でＡＯＧと酸化燃料を供給する場合、ＡＯＧが酸化燃料に比べて広がる速度が速い。従って、図４に示すように、ＡＯＧはＡＯＧノズル１１１から酸化器２００内に供給された後、周囲の酸化燃料ノズル１１２から排出される酸化燃料と混合されて酸化反応部２１０に移動するようになる。このとき、前述したように、水素が多量含まれたＡＯＧの方が拡散速度がより速いため、密度がより大きい酸化燃料内にＡＯＧが注入される効果があるので、酸化反応部２１０に到達する前までＡＯＧと酸化燃料が十分に混合される。その結果、ＡＯＧと酸化燃料が混合された燃料（以下、「混合酸化燃料」という）の単位体積あたり水素の分子モル数はＡＯＧ自体に比べて酸化燃料が混合された比率に比例して減少し、それだけ逆化の危険性も低下する。
ＡＯＧと酸化燃料の混合比率は、ＡＯＧ及び酸化燃料の供給圧力が同一であるという前提の下でＡＯＧノズル１１１の直径、酸化燃料ノズル１１２の直径及び個数で調節が可能である。即ち、ＡＯＧノズル１１１の直径を大きくすれば、ＡＯＧの混合比率が高くなり、酸化燃料ノズル１１２の直径や個数を増加させれば、酸化燃料の混合比率を増加させることができる。ただし、逆化の危険があるので、ＡＯＧノズル１１１の大きさを無限に大きくすることはできず、ＡＯＧノズル１１１の大きさがあまりにも小さな場合、ＡＯＧの供給量があまりにも少なくなって問題となる。ＡＯＧノズル１１１の大きさは逆化の危険性及びＡＯＧの供給量を考慮して最大直径は２.５ｍｍで形成することが好ましく、一方、酸化燃料ノズルの最大直径は１.５ｍｍにすることが好ましい。
酸化燃料ノズル１１２の場合には、混合比率を考慮してＡＯＧノズル１１１の面積によって決定できる。酸化燃料は、ＡＯＧ体積の約１〜３.５倍の割合に供給されることが好ましい。
例えば、ＡＯＧノズル１１１の直径が２.５ｍｍであり、ＡＯＧと酸化燃料の混合比率を１：２にする場合、直径が１ｍｍである酸化燃料ノズル１１２をＡＯＧノズル１１１の周囲に１２個配置できる。この場合、ノズル別の排出面積は、下記の通りである。
ＡＯＧ排出面積＝（１.２５）２×π＝１.５６２５
酸化燃料排出面積＝１２×（０.５）２×π＝３
一方、各酸化燃料ノズル１１２は、水素の偏りにより酸化器２００の運転時に熱分布度上のチャネリングが発生しないように等間隔で配置してＡＯＧと酸化燃料が均一に混合されるようにすることが好ましい。
＜第２の実施形態＞
図５、図６を参照して他の実施形態を説明する。本実施形態は、ＡＯＧと酸化燃料の混合を強化させる酸化器の下部構造に関する。
本実施形態に係る酸化器２００ａは、その下端がノズルプレート１１０により密閉されており、前記ノズルプレート１１０が備えられた酸化器本体２０１の下端から一定高さで離間して形成されて酸化器本体２０１の下部を閉鎖している酸化器下板２０３を備える。従って、酸化器下板２０３とノズルプレート１１０との間には円板形状の一定の空間が形成され得る。また、酸化器下板２０３には上下を貫通する混合酸化燃料ノズル２０５が形成される。混合酸化燃料ノズル２０５は、酸化器下板２０３の中心軸から一定の距離に配置され、酸化器本体２０１側に偏向するように配置される。
このとき、バーナーノズル装置１００のノズルプレート１１０の直径はノズルプレート１１０が酸化器本体２０１の下部から少ない遊びで挿入され得るように決定される。ノズルプレート１１０の外郭にはノズルプレート１１０の直径よりも拡大した直径を有するように形成された段差部１１３（図１参照）を備えてノズルプレート１１０が酸化器本体２０１の下部に一定深さだけ挿入されるようにする。結合後、ノズルプレート１１０と酸化器本体２０１が結合された後、溶接などの方法で密閉させることが好ましい。
ノズルプレート１１０と酸化器本体２０１が結合されれば、図５に示すように、ノズルプレート１１０と酸化器下板２０３との間には円板形状の一定の空間Ａ２が形成される。
前述したように、ＡＯＧと酸化燃料は進行経路に沿って酸化反応部２１０まで移動しながら混合されるが、混合空間Ａ２の出口が混合酸化燃料ノズル２０５に制限されてＡＯＧと酸化燃料の構成分子同士の衝突回数が増加するようになるので、実施形態１に比べてＡＯＧと酸化燃料の混合がさらに十分になされる。
このとき、混合酸化燃料ノズル２０５の直径は、混合酸化燃料の供給量によって決定できる。即ち、複数の酸化燃料ノズル２０５の総面積は、ＡＯＧノズルの面積と酸化燃料ノズルの総面積の和の１倍〜４倍程度が適切である。１倍以下の場合には、Ａ２領域に不要な圧力が発生するようになり、４倍以上の場合には本実施形態に係るノズルによる混合効果が低下してしまう。例えば、上記で例示したように、ＡＯＧノズルの直径を２.５ｍｍにし、酸化燃料ノズルの直径を１ｍｍ、個数を１２個に決定する場合、混合酸化燃料ノズル２０５の直径を１.５ｍｍに、個数を３０個のように決定できる。この場合、ＡＯＧノズル１１１及び酸化燃料ノズル１１２の総面積は４.５６２５πであり、混合酸化燃料ノズル２０５の総面積は１６.８７５πでＡＯＧノズル１１１及び酸化燃料ノズル１１２面積の和の約４倍となる。
＜第３の実施形態＞
図７を参照して他の実施形態を説明する。本実施形態は実施形態２と比較すると、混合酸化燃料ノズル２０５の出口付近の空間を狭めるのに意味がある。
本実施形態では、酸化器本体２０１ｂの下端を内側に折り曲げ、改質部外管３０１ｂの下端を外側に折り曲げた後、ノズルプレート１１０を取り付けて酸化器本体２０１ｂの下端を密閉させる。このとき、改質部外管３０３ｂの下部に不要な空間が生じるのを防止するために、別途の改質部下板３０３ｂを一定の高さに備えて改質部外管３０１ｂの下端を密閉させることができる。
即ち、本発明において、前記酸化器はバーナーノズル装置と向かい合い、前記改質装置の中心軸に向かって傾斜した第１屈曲部を備え、前記改質部の外管は前記バーナーノズル装置と向かい合って前記改質部の中心軸を基準に外側に傾斜した第２屈曲部を備え、前記混合燃料ノズルは、前記第１屈曲部と第２屈曲部との間に位置し得る。また、本発明において、前記第１屈曲部と第２屈曲部によって前記混合燃料ノズルの出口側から離間した所に形成された第１空間と前記混合燃料ノズルの出口側と隣接した所に形成された第２空間を定義するとき、前記第１空間が第２空間よりも大きく形成される。
また、前記第１空間と第２空間との間に第３空間が形成され、第３空間は第２空間よりも大きく形成され、第１空間は第３空間よりも大きく形成されることができる。
このような構成によって混合酸化燃料ノズル２０５の出口から順次広くなる空間Ａ３を備えることができる。混合酸化燃料が混合酸化燃料ノズル２０５から排出されてＡ３空間を通る場合、ノズル付近は空間が狭いため、気体密度が低くなり、混合燃料の移動速度が比較的速い。このような特性によって、混合酸化燃料ノズル２０５付近での逆化の可能性を更に下げることができる。
＜第４の実施形態＞
図８を参照して蒸発器４００が含まれている実施形態を説明する。
蒸発器４００は、酸化器２００ａから出る排気ガス（Ｅｘｈａｕｓｔ）の熱エネルギーで水蒸気改質方式を利用する改質部３００に供給される水を蒸発させる構成部である。本実施形態において、蒸発器４００は排気ガスの熱交換効率を高めるために水（Ｗａｔｅｒ）が移動する段と排気ガスが通過する段を互いに交互に配置した形態で構成される。
ＡＯＧと酸化燃料は、それぞれＡＯＧノズル１１１と酸化燃料ノズル１１２を介して供給され、酸化器下板２０３とノズルプレート１１１との間に形成された空間部Ａ２で混合されて混合酸化燃料ノズル２０５を介して排出される。排出された混合酸化燃料は、酸化反応部２１０で酸化されて熱を発生させるようになり、酸化後に発生する排気ガスは蒸発器に残存熱を伝達して水供給部４０２から供給される水を水蒸気に転換させた後、蒸発器４００の排気ガス排出口４０４を介して排出される。変換された水蒸気は、連結管４０３を介して主燃料投入口４０１から供給される主燃料と混合された後、改質部３００に移動するようになる。
主燃料と水蒸気は、改質反応部３１０で水蒸気改質方式を用いて水素を多量含むリフォメートに変換された後、改質部内管３０１を介して一酸化炭素を低減するための反応器（図示せず）や燃料電池の燃料極に移動するようになる。
以上のような構成を有する改質装置１０を運転する途中のノズルプレート１１０上の熱分布度を図９の（ｂ）に示した。図９の（ｂ）に示すように、本発明に係るバーナーノズル装置１００の構成を用いた場合が一般的なバーナーノズル装置を用いた場合の熱分布度（図９の（ａ））に比べて熱的均衡に優れていることが確認できた。これから本発明によってＡＯＧと酸化燃料が均一に混合され得るという結論が得られた。
上述した本発明によれば、液化プロパンガス（ＬＰＧ）などのバーナー燃料とＡＯＧ及び空気が安定的に混合されるようにノズルの直径（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
ｄｉａｍｅｔｅｒ）及び分布を最適化することによって、燃焼部内の逆化を防止し、流体の分配を均一にし、それにより、燃料改質装置の寿命の延長と安定した改質温度を維持できるという効果を奏する。
即ち、本発明は、ＡＯＧを用いて改質反応に必要な熱を供給することによって、燃料電池全体の効率を増加させると同時に、逆化なしにＡＯＧを安定的に燃焼させることができるようにし、熱分布度上のチャネリングを防止して熱エネルギーの集中による燃料改質装置の劣化を防止するという効果がある。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１００ バーナーノズル装置
１１０ ノズルプレート
１１１ ＡＯＧノズル
１１２ 酸化燃料ノズル
１２０ チャネル部
１２１ ＡＯＧチャネル
１２２ 酸化燃料チャネル
２００、２００ａ 酸化器
２０５ 混合酸化ノズル
２１０ 酸化反応部
３００ 改質部
３０１ 内管
３０２ 外管
３１０ 改質反応部
４００ 蒸発器

Claims (20)

  1. 中央側にＡＯＧガスが供給されるＡＯＧノズルが形成され、前記ＡＯＧノズルを中心に一定の距離に多数形成されて酸化燃料を供給する複数の酸化燃料ノズルが形成されるノズルプレートと、
    前記ＡＯＧノズルをＡＯＧ供給管と流体疎通が可能に連結し、酸化燃料供給管から前記複数の酸化燃料ノズルの各々を流体疎通が可能に分配して連結するチャネル部と
    を含むバーナーノズル装置。
  2. 前記酸化燃料ノズルの排出面積の総和は、前記ＡＯＧノズルの排出面積の１.０〜３.５倍であることを特徴とする請求項１に記載のバーナーノズル装置。
  3. 前記ＡＯＧノズルと前記酸化燃料ノズルの最大直径は、それぞれ２.５ｍｍと１.５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のバーナーノズル装置。
  4. 前記チャネル部は、
    前記ＡＯＧノズルを前記ＡＯＧ供給管と流体疎通が可能に連結するＡＯＧチャネルと、
    前記ＡＯＧチャネルから離隔され、前記酸化燃料ノズルを前記酸化燃料供給管と流体疎通が可能に連結する酸化燃料チャネルと
    を含むことを特徴とする請求項１に記載のバーナーノズル装置。
  5. 前記酸化燃料チャネルは、
    前記酸化燃料供給管から酸化燃料を収容するために円周面に沿って連続的な環状のチャネルを有する第１空間と、
    前記酸化燃料を前記酸化燃料ノズルに分配するために複数の不連続な空間を有する第２空間と
    を含むことを特徴とする請求項４に記載のバーナーノズル装置。
  6. 改質部と、
    前記改質部を取り囲む酸化器と、
    ＡＯＧガスと酸化燃料を混合して混合されたＡＯＧと酸化燃料を前記酸化器に供給するバーナーノズル装置と
    を含み、
    前記バーナーノズル装置は、中央側に前記ＡＯＧが供給されるＡＯＧノズルが形成され、前記ＡＯＧノズルを中心に一定の距離に多数形成されて前記酸化燃料を供給する複数の酸化燃料ノズルが形成されるノズルプレートを含む改質装置。
  7. 前記バーナーノズル装置は、前記ＡＯＧノズルをＡＯＧ供給管と流体疎通が可能に連結し、酸化燃料供給管から前記各酸化燃料ノズルを流体疎通が可能に連結するチャネル部を含むことを特徴とする請求項６に記載の改質装置。
  8. 前記改質部は、内管と、外管と、前記内管及び前記外管の間で主燃料をリフォメートに変換させる改質反応部を含み、
    前記外管は、前記内管を取り囲み、前記バーナーノズル装置と向かい合う下端が密閉され、
    前記内管は、前記外管の密閉された下端と向かい合う開放された端部を備え、リフォメートを排出することを特徴とする請求項６に記載の改質装置。
  9. 前記酸化器は、前記改質部の外管を取り囲む酸化器本体と、前記改質部の外管と前記酸化器本体間に位置する酸化反応部を含むことを特徴とする請求項８に記載の改質装置。
  10. 前記酸化反応部は、酸化触媒を含むことを特徴とする請求項９に記載の改質装置。
  11. 前記バーナーノズル装置の前記ノズルプレートは、前記改質部の下端と一定間隔離間し、前記酸化器の下端を密閉するように備えられることを特徴とする請求項８に記載の改質装置。
  12. 前記酸化器は、前記バーナーノズル装置のノズルプレートと向かい合う混合燃料プレートと、前記混合燃料プレートの中央部を取り囲む複数の混合燃料ノズルを含み、
    前記混合燃料ノズルは、前記バーナーノズル装置の前記ノズルプレートと一定間隔離間していることを特徴とする請求項６に記載の改質装置。
  13. 前記混合燃料ノズルは、前記改質装置の中心軸を基準に前記酸化燃料ノズルよりも外側に備えられることを特徴とする請求項１２に記載の改質装置。
  14. 前記酸化器は、前記バーナーノズル装置と向かい合い、前記改質装置の中心軸に向かって傾斜した第１屈曲部を備え、
    前記改質部の前記外管は、前記バーナーノズル装置と向かい合って前記改質部の中心軸を基準に外側に傾斜した第２屈曲部を備え、
    前記混合燃料ノズルは、前記第１屈曲部と前記第２屈曲部との間に位置することを特徴とする請求項１２に記載の改質装置。
  15. 前記第１屈曲部と前記第２屈曲部によって前記混合燃料ノズルの出口側から離間した所に形成された第１空間と、
    前記混合燃料ノズルの出口側と隣接した所に形成された第２空間を含み、
    前記第１空間が前記第２空間よりも大きく形成されることを特徴とする請求項１４に記載の改質装置。
  16. 前記第１空間と前記第２空間との間に第３空間が形成され、
    前記第３空間は前記第２空間よりも大きく形成され、前記第１空間は前記第３空間よりも大きく形成されることを特徴とする請求項１５に記載の改質装置。
  17. 前記混合燃料ノズルの総面積は、前記ＡＯＧノズルの面積と前記酸化燃料ノズルの総面積の和の１〜４倍であることを特徴とする請求項１２に記載の改質装置。
  18. 前記酸化反応部から排出される排気ガスの残存熱を用いて水を水蒸気に変換させて前記改質部に供給する蒸発器を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の改質装置。
  19. 前記酸化燃料ノズルの排出面積の総和は、前記ＡＯＧノズルの排出面積の１.０〜３.５倍であることを特徴とする請求項６に記載の改質装置。
  20. 前記ＡＯＧノズルと前記酸化燃料ノズルの最大直径は、それぞれ２.５ｍｍと１.５ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の改質装置。
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