JP2012153579A - 水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気供給部の空気出口孔を通る空気の主流方向にバーナ部の空気噴出穴を配置すると優れた燃焼特性を得ることができない。また停電時におけるファン停止時にファンの樹脂部が高温ガスの逆流で熱損傷する懸念がある。
【解決手段】バーナ部３は、燃焼室１１と、燃料供給部４から取り入れた燃料を燃焼室に噴出するための燃料噴出孔１２と、空気供給部５から取り入れた空気を燃焼室に噴出するための空気噴出孔１３とを有し、燃料と空気とを燃焼室において混合させ燃焼するように構成され、空気噴出孔１３は空気出口孔６を通る空気の主流方向と異なる位置に配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素含有ガスを生成する改質器と改質器を加熱するためのバーナとを備える水素生成装置に関するものである。

燃料電池システムでは、発電運転の際、その発電部の本体として配設された燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）に、水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸素含有ガスとが各々供給される。すると、燃料電池では、その供給される水素含有ガスに含まれる水素と酸素含有ガスに含まれる酸素とが用いられて、所定の電気化学反応が進行する。この所定の電気化学反応が進行することにより、燃料電池において、水素及び酸素が有する化学的なエネルギーが電気的なエネルギーに直接変換される。これにより、燃料電池システムは、負荷に向けて電力を出力する。

さて、燃料電池システムの発電運転時に必要となる水素含有ガスの供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されていない。そのため、従来の燃料電池システムでは、例えば既存の化石原料インフラストラクチャーから得られる都市ガス又はＬＰＧ等の原料ガスと水蒸発器により生成した水蒸気とを用いて６００℃〜７００℃の温度で水蒸気改質反応を進行させて水素含有ガスを生成する改質器が、燃料電池と共に配設されていることが多い。一方、水蒸気改質反応により得られる水素含有ガスには、通常、原料ガスに由来する一酸化炭素及び二酸化炭素が大量に含まれている。そこで、従来の燃料電池システムでは、改質器で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するために、水素含有ガスの温度を低下させ、２００℃〜３５０℃の温度で水性ガスシフト反応を進行させることにより一酸化炭素の濃度を低減する変成器、及び、１００℃〜１５０℃の温度で選択酸化反応を進行させることにより一酸化炭素の濃度を更に低減する選択酸化器が、燃料電池や改質器と共に配設されていることが多い。

ここで、従来の燃料電池システムでは、これらの改質器及び変成器及び選択酸化器により、水素生成装置が構成されている。尚、これらの改質器及び変成器及び選択酸化器の各々には、水蒸気改質反応、水性ガスシフト反応、選択酸化反応の各々を進行させるための各化学反応に適した触媒が各々配設されている。例えば、改質器には、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒が配設されている。又、変成器には、Ｃｕ−Ｚｎ触媒や貴金属系触媒が配設されている。又、選択酸化器には、Ｒｕ触媒等が配設されている。

ところで、上記構成を有する水素生成装置では、一般的に、各反応器での化学反応を適切に進行させるために、各反応器の温度を最適な温度に維持する必要がある。又、上記構成を有する水素生成装置では、各反応器の温度を最適な温度に維持する際に必要となる熱エネルギーを有効に利用することが重要な課題になっている。

そこで、燃料電池の発電時に未使用水素含有ガスのオフガスを安定的に燃焼させ、その熱エネルギーを有効に利用するため、水素生成装置用バーナが加熱部として提案されている（例えば、特許文献１参照）。該文献の水素生成装置用バーナでは、燃焼安定性を高め、窒素酸化物の発生を抑制するために、火炎放出方向に向かうにしたがって広がるテーパ形状をなした燃焼室と、空気噴出孔およびこれに略対向する位置に配設されたガス噴出孔とを備えている。燃料ガスとオフガスとを一つのバーナで燃焼させることができ、しかも燃料電池発電装置の発電負荷に応じて燃焼量が変化した場合であっても火炎が消えることなく安定した燃焼が可能となる。また、燃焼量が変化した場合であっても燃焼騒音の発生ならびに窒素酸化物および一酸化炭素の生成を抑制することができる優れたバーナと言え
る。

また、オフガスには通常、残留水素のほかに飽和状態にある水蒸気が含まれている。そしてオフガスに含まれるこの水蒸気が凝縮して水滴となってバーナに達すると、水滴を蒸発させるための蒸発潜熱分の熱量が消費されるために、改質部を加熱する温度が低下して水素製造装置の熱効率の低下を招くおそれがある。加えて、バーナの燃焼状態が不安定になって、排出される一酸化炭素量の増大や、ガス圧力の変動、火炎の失火などの問題を起こす可能性がある。そうならないように、燃料ガス供給管にオフガスに含まれる凝縮水を、トラップする水受け部を設け、バーナの熱で再度水蒸気に戻すことにより凝縮水がバーナに達することを確実に防止する構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。該文献では水受け部に溜まった凝縮水をバーナの熱で再度水蒸気に戻すことを阻害させないために、燃料ガス供給管をバーナに上方から接続すると共に燃焼空気供給管をバーナの上方に配置して上側からバーナに空気を供給することによって、バーナの燃焼部から火炎が下向きに噴出されるように形成し、水受け部の下端が、燃焼空気供給管の空気吐出口より上方１００ｍｍと下方５０ｍｍの間の高さの位置になるように水受け部を配置することにより実現している。特許文献１、特許文献２ともそれぞれ燃料電池システムを製品化するためには重要な発明であった。

特開２００３−２５４５１４号公報 特開２００８−１５９３７３号公報

しかしながら、バーナで優れた燃焼特性を得るためには、燃焼室内の周方向で燃料と燃焼用空気がいずれも均一な量と流速で供給できることが前提となる。燃料は流速の遅いガスである都市ガス燃焼時であっても最低３６ｃｍ／秒の速度で十分に早いため、燃料噴出孔を等間隔に開けておけば周方向の量と流速を容易に均一にすることは可能である。しかし一方、燃焼用空気は燃焼空気供給管の空気吐出口より下部にでた後に、燃焼部の空気噴出孔から周方向の量と流速を均一にして燃焼室へ供給することができず、燃焼室での燃焼に偏りが発生し、燃焼排ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素の量が増えたり、燃焼音が大きくなったりするという課題、及び触媒を加熱するための排ガスの流れが周方向で不均一になりに触媒温度の加熱にムラが生じるという課題も有していた。

また一方で、停電時において機器の運転が停止し空気供給部のファンの送風も停止した時に、燃焼部の高温空気が空気供給部や燃料供給部に逆流しやすく、空気供給部中のファンの樹脂部や燃料供給部中の流量計の樹脂部が逆流した高温空気に晒されて損傷させてしまうという課題も有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃焼用空気が空気噴出孔から燃焼室へ供給するときに、周方向の量と流速を均一にして燃焼室での燃焼の偏りをなくす、また停電時において機器の運転が停止し空気供給部のファンの送風も停止した時でも燃焼部の高温空気が空気供給部や燃料供給部に逆流しにくい水素生成装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するため、本発明の水素生成装置は、原料と、水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を改質部に供給するバーナ部と、前記バーナ部が燃焼するための燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料供給部
の出口部に設けた燃料出口孔と、前記バーナ部に燃焼用空気を供給する空気供給部と、前記空気供給部の出口部に設けた空気出口孔と、前記空気出口孔から供給された空気を前記バーナ部へ導く空気筒とを有し、前記バーナ部は、燃焼室と、前記燃料供給部から供給された燃料と前記空気供給部から供給された空気とが予め混合された混合ガスが通過する炎口孔とを有し、前記燃焼室において燃焼するように構成され、前記炎口孔は、前記燃料出口孔を通る燃料の主流方向及び前記空気出口孔を通る空気の主流方向のうちの少なくとも一方の主流方向と異なる位置に配置されている。

これによって、停電時に空気供給部のファンの送風が停止した時に燃焼部の高温空気は炎口孔を通った後に空気出口孔または燃料出口孔には直接入らずに、空気筒の最上部にたまりその後徐々に降下し空気出口孔または燃料出口孔の位置まで下がってようやく空気出口孔または燃料出口孔から入ることになるので空気供給部または燃料供給部へは逆流しにくくなる。

また、本発明の水素生成装置は、原料と、水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を改質部に供給するバーナ部と、前記バーナ部が燃焼するための燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナ部に燃焼用空気を供給する空気供給部と、前記空気供給部の出口部に設けた空気出口孔と、前記空気出口孔から供給された空気を前記バーナ部へ導く空気筒とを有し、前記バーナ部は、燃焼室と、燃料供給部から取り入れた燃料を前記燃焼室に噴出するための燃料噴出孔と、前記空気供給部から取り入れた空気を前記燃焼室に噴出するための空気噴出孔とを有し、燃料と空気とを前記燃焼室において混合させ燃焼するように構成され、前記空気噴出孔は前記空気出口孔を通る空気の主流方向と異なる位置に配置されている。

これによって、空気出口孔を通った燃焼空気は、燃焼板の空気噴出孔の開いていない部分に当たり、その後に空気噴出孔を通るようになるのでそれぞれの空気噴出孔を通る燃焼空気の流速と流量は均一になる。

一方停電時にファンの送風が停止した時に燃焼部の高温空気は空気噴出孔を通った後に上部の空気出口孔には直接入らずに、空気筒の最上部にたまりその後徐々に降下し空気出口孔の位置まで下がってようやく空気出口孔から入ることになるので空気供給部へは逆流しにくくなる。

本発明の水素生成装置は、停電時において機器の運転が停止し空気供給部のファンの送風も停止した時に燃焼部の高温空気が空気供給部または燃料供給部に逆流して、空気供給部中のファンの樹脂部等または燃料供給部中の流量計の樹脂部等が逆流した高温空気に晒されて損傷することを防止できる。

また、燃焼室での燃焼の偏りの発生を防止することができ、燃焼排ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素の量の増加を抑えることと排ガスの流れの周方向の不均一による触媒温度の加熱ムラの発生を抑えることができる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の要部断面図 本発明の実施の形態２における水素生成装置の要部断面図 本発明の実施の形態３における水素生成装置の要部断面図 本発明の実施の形態４における水素生成装置の要部断面図 本発明の実施の形態３における水素生成装置の要部拡大模式図 本発明の実施の形態３における水素生成装置の要部拡大模式図 本発明の実施の形態４における水素生成装置の要部拡大模式図 本発明の実施の形態４における水素生成装置の要部拡大模式図

第１の発明は、原料と、水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を改質部に供給するバーナ部と、前記バーナ部が燃焼するための燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料供給部の出口部に設けた燃料出口孔と、前記バーナ部に燃焼用空気を供給する空気供給部と、前記空気供給部の出口部に設けた空気出口孔と、前記空気出口孔から供給された空気を前記バーナ部へ導く空気筒とを有し、前記バーナ部は、燃焼室と、前記燃料供給部から供給された燃料と前記空気供給部から供給された空気とが予め混合された混合ガスが通過する炎口孔とを有し、前記燃焼室において燃焼するように構成され、前記炎口孔は、前記燃料出口孔を通る燃料の主流方向及び前記空気出口孔を通る空気の主流方向のうちの少なくとも一方の主流方向と異なる位置に配置されている。

これによって、停電時にファンの送風が停止した時に燃焼部の高温空気は炎口孔を通った後に上部の空気出口孔または燃料供給孔には直接入らずに、空気筒の最上部にたまりその後徐々に降下し空気出口孔の位置まで下がってようやく空気出口孔または燃料出口孔から入ることになるので空気供給部または燃料供給部へは逆流しにくくなるので、空気供給部中のファンの樹脂部等または燃料供給部中の流量計の樹脂部等が逆流した高温空気に晒されて損傷する懸念がなくなる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記空気筒内にあって前記バーナ部近傍に位置し空気流通孔を設けた空気整流板をさらに有し、前記空気流通孔は、前記燃料出口孔を通る燃料の主流方向及び前記空気出口孔を通る空気の主流方向のうちの少なくとも一方の主流方向と異なる位置に配置され、かつ前記炎口孔は、前記空気流通孔を通る混合ガスの主流方向と異なる位置に配置されている。

これによって、停電時にファンの送風が停止した時に燃焼部の高温空気は炎口孔を通った後に上部の空気整流板の空気流通孔の開いていない部分に当たり、その後に空気流通孔通る。つまり空気整流板からバーナ部までの空間がすべて高温空気が充満してから、空気流通穴を通過することになる。空気流通孔を出た後には、上部の空気出口孔または燃料出口孔には直接入らずに、空気筒の最上部にたまりその後徐々に降下し空気出口孔または燃料出口孔の位置まで下がってようやく空気出口孔または燃料出口孔から入ることになる。

第３の発明は、特に、第２の発明の前記空気出口孔または前記燃料出口孔は前記空気筒断面方向の略中央部に配され、前記空気流通孔は前記空気筒の外周部に配されている。

これによって停電時に空気流通孔を通った高温空気は確実に空気筒の外周部に沿って上昇していくので空気出口孔または燃料出口孔へは、より逆流しにくくなる。

第４の発明は、原料と、水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、前記改質反応に必要な熱を改質部に供給するバーナ部と、前記バーナ部が燃焼するための燃料を供給する燃料供給部と、前記バーナ部に燃焼用空気を供給する空気供給部と、前記空気供給部の出口部に設けた空気出口孔と、前記空気出口孔から供給された空気を前記バーナ部へ導く空気筒とを有し、前記バーナ部は、燃焼室と、燃料供給部から取り入れた燃料を前記燃焼室に噴出するための燃料噴出孔と、前記空気供給部から取り入れた空気を前記燃焼室に噴出するための空気噴出孔とを有し、燃料と空気とを前記燃焼室において混合させ燃焼するように構成され、前記空気噴出孔は前記空気出口孔を通る空気の主流方向と異なる位置に配置されている。

これによって、空気出口孔を通った燃焼空気は、燃焼板の空気噴出孔の開いていない部分に当たり、その後に空気噴出孔を通るようになるのでそれぞれの空気噴出孔を通る燃焼空気の流速と流量は均一になる。その結果、燃焼室での燃焼の偏りの発生を防止することができ、燃焼排ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素の量の増加を抑えることと排ガスの流れの周方向の不均一による触媒温度の加熱ムラの発生を抑えることができる。

また、一方停電時にファンの送風が停止した時に燃焼部の高温空気は空気噴出孔を通った後に上部の空気出口孔には直接入らずに、空気筒の最上部にたまりその後徐々に降下し空気出口孔の位置まで下がってようやく空気出口孔から入ることになるので空気供給部へは逆流しにくくなる。

第５の発明は、特に、第４の発明の前記空気筒内にあって前記バーナ部近傍に位置し空気流通孔を設けた空気整流板をさらに有し、前記空気流通孔は前記空気出口孔を通る空気の主流方向と異なる位置に配置され、かつ前記空気噴出孔は前記空気流通孔を通る空気の主流方向と異なる位置に配置されている。

これによって、空気出口孔を通った燃焼空気は空気整流板の空気流通孔の開いていない部分に当たり、その後に空気流通孔通るようになるのでそれぞれの空気流通孔を通る燃焼空気の流速と流量はほぼ均一になっている。

さらに空気流通孔から出た燃焼空気は、燃焼板の空気噴出孔の開いていない部分に当たり、その後に空気噴出孔を通るようになるのでそれぞれの空気噴出孔を通る燃焼空気の流速と流量はさらに均一になる。

その結果、燃焼室での燃焼の偏りの発生を防止することができ、燃焼排ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素の量の増加を抑えることと排ガスの流れの周方向の不均一による触媒温度の加熱ムラの発生をより確実に抑えることができる。

また、一方停電時にファンの送風が停止した時に燃焼部の高温空気は空気噴出孔を通った後に上部の空気整流板の空気流通孔の開いていない部分に当たり、その後に空気流通孔を通過する。つまり空気整流板からバーナ部までの空間がすべて高温空気が充満してから、空気流通穴を通過することになる。空気流通孔を通った後には、上部の空気出口孔には直接入らずに、空気筒の最上部にたまりその後徐々に降下し空気出口孔の位置まで下がってようやく空気出口孔から入ることになる。

第６の発明は、特に、第５の発明の前記空気出口孔は前記空気筒断面方向の略中央部に配され、前記空気流通孔は前記空気筒の外周部に設けられている。

これによって停電時に空気流通孔を通った高温空気は確実に空気筒の外周部に沿って上昇していくので空気出口孔へは、より逆流しにくくなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における水素生成装置を示す要部断面図である。

図１において、水素生成装置１は、軸方向が縦の内筒１５と外筒１６を同心円状に配置した二重筒で全体を形成し、さらに内筒１５の内側に同心円状に空気筒８を配置して設け
てある。空気筒８の下部内には、燃焼板１７が設けてある。

燃焼板１７の中央は上方へ凸屈曲した燃焼室１１として形成してある。燃焼板１７の横テーパ部には貫通して形成される複数の炎口孔１４が形成してある。燃料ガスは燃料供給部４から、燃料ガス供給管１９を通り、燃料出口孔７から供給される。燃料ガス供給部中には燃料ガス流量計（図示せず）が置かれている。また空気供給部５には燃焼ファン２０が設けられ、前記燃焼ファン２０に導出して出口部に空気出口孔６を設け開口している。空気出口孔６から供給される燃焼空気と、燃料出口孔７から供給される燃料ガスは、予め、空気筒８内で混合されて、前記の炎口孔１４から燃焼室１１に吹き出される。この予混合ガスに着火され（着火手段は記載せず）、炎口孔１４で保炎されながら、燃焼室１１内で燃焼が行われる。上記の燃焼板１７と燃焼室１１とによってバーナ部３が形成される。

空気筒８と内筒１５の間には燃焼ガス流路２１が形成してあり、バーナ部３の燃焼室１１での燃焼によって発生した高温の燃焼ガスは、空気筒８の下端の開口からこの燃焼ガス流路２１を通過した後に排出される。

一方、上記の内筒１５と外筒１６の間の上下は閉塞してあり、この内筒１５と外筒１６の間の閉塞された空間内はこれらと同心円の仕切筒２２で内外に仕切ってある。仕切筒２２は上部が小径筒部２２ａ、下部が大径筒部２２ｂとして形成してあり、大径筒部２２ｂと内筒１５との間に改質触媒を充填して改質部２が形成してある。

小径筒部２２ａと外筒１６の間には一酸化炭素除去触媒を充填して一酸化炭素除去部２３が形成してある。一酸化炭素除去部２３は、ＣＯ変成触媒を充填したＣＯ変成部２３ａと、ＣＯ選択酸化触媒を充填したＣＯ選択酸化部２３ｂとで形成してある。

また、内筒１５と小径筒部２２ａの間の空間部は原料導入流路２４として形成されるものであり、大径筒部２２ｂと外筒１６の間の空間部は移行流路２５として形成されるものである。

ＣＯ変成部２３ａと、ＣＯ選択酸化触媒を充填したＣＯ選択酸化部２３ｂとの間には、ＣＯ選択酸化部２３ｂにＣＯ選択酸化反応用の空気を供給するためのＣＯ選択酸化空気供給部２６を設けている。

改質部２には改質温度検出センサー２７を、ＣＯ変成部２３ａには変成温度検出センサー２８を、ＣＯ選択酸化部２３ｂにはＣＯ選択酸化温度検出センサー２９をそれぞれ設けている。

原料導入流路２４には原料供給部３０と水供給部３１が接続してあり、原料供給部３０から都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料が、水供給部３１から水が、混合された状態で原料導入流路２４に供給されるようになっている。このように炭化水素系燃料と水が原料導入流路２４に供給されると、燃焼ガス流路２１を流れる高温の燃焼ガスによる加熱と、一酸化炭素除去部２３においてＣＯ変成反応やＣＯ選択酸化反応で発生する反応熱との熱交換による加熱によって、炭化水素系燃料と水蒸気との混合ガスが生成される。

この混合ガスは改質部２に供給され、炭化水素系燃料と水が水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、上記のようにバーナ部３の燃焼室１１での燃焼で発生した高温の燃焼ガスを燃焼ガス流路２１に通し、改質部２を加熱して６００〜７００℃程度の改質反応温度に維持するものである。

改質部２で生成された改質ガスは、移行流路２５を通して一酸化炭素除去部２３に供給
されるものであり、ＣＯ変成部２３ａでＣＯ変成反応により改質ガス中の一酸化炭素が低減され、さらにＣＯ選択酸化部２３ｂでＣＯ選択酸化反応によりさらに改質ガス中の一酸化炭素が除去される。このように一酸化炭素が除去された改質ガスは、燃料電池３２に送り出される。燃料電池３２はアノード３３とカソード３４を備えて形成されるものであり、上記のように水素生成装置１で生成された改質ガスはアノード３３に供給される。

アノード３３に改質ガスが供給されると、カソード３４に供給される空気中の酸素と改質ガス中の水素とが電気化学的反応をして発電するものである。燃料電池３２のアノード３３からは発電に消費されなかった水素を含む改質ガスがオフガスとして排出されるが、アノード３３には上記の燃料ガス供給管１９が接続してあり、アノード３３から排出されたオフガスは燃料ガス供給管１９を通して水素生成装置１に返送される。

オフガスは燃料ガス供給管１９を通して、燃料出口孔７から空気筒８内に供給され、空気出口孔６から供給される燃焼空気と、予め、空気筒８内で混合されて、炎口孔１４から燃焼室１１に吹き出される。オフガスを燃焼ガスとしてバーナ部３の燃焼室１１で燃焼される。尚、燃料ガス供給管１９には原料供給部３０から炭化水素系燃料も供給されるようになっており、水素生成装置１の運転立ち上げ時や、オフガスの返送量が不足するときには、炭化水素系燃料を燃料ガスとしてバーナ部３で燃焼されるものである。

通常の運転停止時には、運転停止後も燃焼ファン２０は送風させておき、バーナ部３の温度が十分に低下してから止めるが、停電で運転が停止した時に、燃焼ファン２０も送風が停止してしまうために、バーナ部３で停電の直前まで運転していたことによる燃焼室１１及び燃焼ガス流路２１に残留していた高温空気が炎口孔１４から上方に向かって逆流し、最終的に空気供給部５中の燃焼ファン２０の樹脂部分を熱損傷させるという課題があった。また同様に、燃料供給部４中に樹脂材料部分を含む燃料ガス流量計が置かれる場合、樹脂材料部分を熱損傷させる懸念もある。

本実施の形態においては、炎口孔１４は、燃料出口孔７を通る燃料の主流方向と空気出口孔６を通る空気の主流方向との少なくとも一方の主流方向と異なる位置に配置されている。これによって、炎口孔１４を逆流して通る高温空気は、逆流時の主流方向に空気出口孔６又は燃料出口孔７が配置されないので、空気出口孔６又は燃料出口孔７には直接入らずに、空気筒８の最上部壁にあたり、その後徐々に降下して空気出口孔６又は燃料出口孔７の位置まで下がってからようやく空気出口孔６又は燃料出口孔７へ入り、その後に燃焼ファン２０または、燃料流量計へ達することになる。この構成により、逆流した高温空気で燃焼ファン２０の樹脂部または燃料流量計の樹脂部が熱損傷を受けることを回避することが可能となる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における水素生成装置を示す要部断面図である。第１の実施の形態と異なる部分のみ説明する。空気筒８の下部内には、空気筒８内を上下に仕切るように空気整流板１０が設けてある。空気整流板１０は、円盤状の構成であり、外周部近傍の同一円周上に断続的に透孔である空気流通孔９が配されている。空気出口孔６から供給される燃焼空気と、燃料出口孔７から供給される燃料ガスは、予め、空気筒８内で混合されて、その後、空気整流板１０の空気流通孔９を通り、炎口孔１４から燃焼室１１に吹き出される。

本実施の形態では、空気流通孔９は、燃料出口孔７を通る燃料の主流方向と前記空気出口孔６を通る空気の主流方向との少なくとも一方の主流方向と異なる位置に配置され、かつ炎口孔１４は、空気流通孔９を通る混合ガスの主流方向と異なる位置に配置されている。

これによって、停電時に、炎口孔１４を逆流して通る高温空気は、逆流時の主流方向に空気流通孔９が配置されないので、空気整流板１０の空気流通孔９の開いていない部分にあたった後に空気流通孔９を通ることになり、空気流通孔９を逆流しにくくなる。つまり空気整流板１０からバーナ部３までの空間がすべて高温空気が充満してから、空気流通孔９を通過することになる。

その後に、空気流通孔９を逆流した高温空気は、空気流通孔９を逆流したときの主流方向に空気出口孔６又は燃料出口孔７が開いていないので、空気出口孔６又は燃料出口孔７には直接入らずに、空気筒８の最上部壁にあたり、その後徐々に降下して空気出口孔６又は燃料出口孔７の位置まで下がってからようやく空気出口孔６又は燃料出口孔７へ入り、その後に燃焼ファン２０または燃料流量計へ達することになる。この構成により、逆流した高温空気で燃焼ファン２０の樹脂部または燃料流量計の樹脂部の熱損傷をより回避することが可能となる。

本実施の形態において、空気出口孔６または燃料出口孔７は空気筒８の断面方向の略中央部に、空気流通孔９は空気筒８の外周部に設けている。

これによって停電時に空気流通孔９を通った高温空気は確実に空気筒８の外周部に沿って上昇していくので空気出口孔６または燃料出口孔７への逆流をより確実に防ぐことができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態における水素生成装置を示す要部断面図である。図３において、水素生成装置１は、軸方向が縦の内筒１５と外筒１６を同心円状に配置した二重筒で全体を形成し、さらに内筒１５の内側に同心円状に空気筒８を配置して設けてある。空気筒８の下部内には、燃焼板１７が設けてある。

燃焼板１７の中央は上方へ凸屈曲した燃焼室１１として形成してあり、燃焼室１１の中央部に上側から貫通して、先端に燃料噴出孔１２を有するガスディストリビュータ１８が取り付けてある。燃焼板１７の横テーパ部には貫通して形成される複数の空気噴出孔１３が形成してある。ガスディストリビュータ１８には燃焼室１１より上側において燃料ガス供給管１９が接続してあり、また空気供給部５には燃焼ファン２０が設けられ、前記燃焼ファン２０に導出して出口部に空気出口孔６を設け開口している。上記の空気噴出孔１３を有する燃焼板１７とガスディストリビュータ１８によってバーナ部３が形成される。

燃料供給部４から、燃料ガス供給管１９を通り供給された燃料ガスは、ガスディストリビュータ１８の下部の燃料噴出孔１２から燃焼板１７の方向へ噴出される。また燃焼ファン２０から供給された空気は空気出口孔６から吐出された後に、燃焼板１７の空気噴出孔１３から燃焼室へ噴出される。

この燃料ガスと燃焼空気とが混合されて、燃焼室１１で燃焼が行なわれるものである。この燃焼は凸屈曲した形状の燃焼板１７の下面凹部内の全体で火炎が生じるように行なわれる。空気筒８と内筒１５の間には燃焼ガス流路２１が形成してあり、バーナ部３の燃焼室１１での燃焼によって発生した高温の燃焼ガスは、空気筒８の下端の開口からこの燃焼ガス流路２１を通過した後に排出される。

一方、上記の内筒１５と外筒１６の間の上下は閉塞してあり、この内筒１５と外筒１６の間の閉塞された空間内はこれらと同心円の仕切筒２２で内外に仕切ってある。仕切筒２２は上部が小径筒部２２ａ、下部が大径筒部２２ｂとして形成してあり、大径筒部２２ｂ
と内筒１５との間に改質触媒を充填して改質部２が形成してある。

小径筒部２２ａと外筒１６の間には一酸化炭素除去触媒を充填して一酸化炭素除去部２３が形成してある。一酸化炭素除去部２３は、ＣＯ変成触媒を充填したＣＯ変成部２３ａと、ＣＯ選択酸化触媒を充填したＣＯ選択酸化部２３ｂとで形成してある。

また、内筒１５と小径筒部２２ａの間の空間部は原料導入流路２４として形成されるものであり、大径筒部２２ｂと外筒１６の間の空間部は移行流路２５として形成されるものである。

ＣＯ変成部２３ａと、ＣＯ選択酸化触媒を充填したＣＯ選択酸化部２３ｂとの間には、ＣＯ選択酸化部２３ｂにＣＯ選択酸化反応用の空気を供給するためのＣＯ選択酸化空気供給部２６を設けている。

改質部２には改質温度検出センサー２７を、ＣＯ変成部２３ａには変成温度検出センサー２８を、ＣＯ選択酸化部２３ｂにはＣＯ選択酸化温度検出センサー２９をそれぞれ設けている。

原料導入流路２４には原料供給部３０と水供給部３１が接続してあり、原料供給部３０から都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料が、水供給部３１から水が、混合された状態で原料導入流路２４に供給されるようになっている。このように炭化水素系燃料と水が原料導入流路２４に供給されると、燃焼ガス流路２１を流れる高温の燃焼ガスによる加熱と、一酸化炭素除去部２３においてＣＯ変成反応やＣＯ選択酸化反応で発生する反応熱との熱交換による加熱によって、炭化水素系燃料と水蒸気との混合ガスが生成される。

この混合ガスは改質部２に供給され、炭化水素系燃料と水が水蒸気改質反応して水素リッチな改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、上記のようにバーナ部３の燃焼室１１での燃焼で発生した高温の燃焼ガスを燃焼ガス流路２１に通し、改質部２を加熱して６００〜７００℃程度の改質反応温度に維持するものである。

改質部２で生成された改質ガスは、移行流路２５を通して一酸化炭素除去部２３に供給されるものであり、ＣＯ変成部２３ａでＣＯ変成反応により改質ガス中の一酸化炭素が低減され、さらにＣＯ選択酸化部２３ｂでＣＯ選択酸化反応によりさらに改質ガス中の一酸化炭素が除去される。このように一酸化炭素が除去された改質ガスは、燃料電池３２に送り出される。燃料電池３２はアノード３３とカソード３４を備えて形成されるものであり、上記のように水素生成装置１で生成された改質ガスはアノード３３に供給される。

アノード３３に改質ガスが供給されると、カソード３４に供給される空気中の酸素と改質ガス中の水素とが電気化学的反応をして発電するものである。燃料電池３２のアノード３３からは発電に消費されなかった水素を含む改質ガスがオフガスとして排出されるが、アノード３３には上記の燃料ガス供給管１９が接続してあり、アノード３３から排出されたオフガスは燃料ガス供給管１９を通して水素生成装置１に返送される。

オフガスは燃料ガス供給管１９を通してバーナ部３のガスディストリビュータ１８供給され、オフガスを燃焼ガスとしてバーナ部３の燃焼室１１で燃焼される。尚、燃料ガス供給管１９には原料供給部３０から炭化水素系燃料も供給されるようになっており、水素生成装置１の運転立ち上げ時や、オフガスの返送量が不足するときには、炭化水素系燃料を燃料ガスとしてバーナ部３で燃焼されるものである。

バーナ部３で優れた燃焼特性を得るためには、燃焼室１１内の周方向で燃料ガスと燃焼
用空気がいずれも均一な量と流速で供給できることが前提である。燃料は流速の遅いガスである都市ガス燃焼時であっても最低３６ｃｍ／秒の速度と十分に早いため、ガスディストリビュータ１８の燃料噴出孔１２を周方向で等間隔に開けておけば噴出するガスの量と流速を容易に均一にすることは可能である。

しかし一方、燃焼用空気は燃焼板１７の空気噴出孔１３から燃焼室１１へ噴出させる時に、それぞれの空気噴出孔１３から噴出する空気の量と流速を一定にすることは困難であった。

その結果、燃焼室１１での燃焼に偏りが発生し、窒素酸化物や一酸化炭素の量が増えたり、燃焼音が大きくなったりするという課題が発生した。また、燃焼排ガスが燃焼ガス流路２１を通るときに排ガス量及び排ガス温度に分布が生じるために、改質部２及び一酸化炭素除去部２３それぞれに温度ムラを発生させるという課題も発生した。

本発明において、空気噴出孔１３は空気出口孔６を通る空気の主流方向と異なる位置に配置されている。

図５は図３の要部を拡大した要部拡大模式図であり、空気出口孔６を通る空気の主流方向を矢印Ａとして示している。空気噴出孔１３は、空気出口孔６を通る空気の主流方向とは異なる位置に配置されている。

この例のように、空気出口孔６の空気の主流方向には空気噴出孔１３は開いていないので、空気出口孔６から吐出された燃焼空気は、燃焼板１７の空気噴出孔１３が開いていない部分に当たり、その後に空気噴出孔１３から噴出されるようになる。よって、空気噴出孔１３を通る空気は一部の空気噴出孔のみが流量が多くなったり流速がはやくなったりという現象はなくなり、それぞれの空気噴出孔１３を通るときに、空気の流速と流量はほぼ均一になった。

その結果、燃焼室での燃焼の偏りの発生を防止することができ、燃焼排ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素の量の増加を抑えることと排ガスの流れの周方向の不均一による触媒温度の加熱ムラの発生を抑えることができた。

また、通常の運転停止時には、運転停止後も燃焼ファン２０は送風させておき、バーナ部３の温度が十分に低下してから止めることにしているが、停電で運転が停止した時に、燃焼ファン２０も送風が停止してしまうために、バーナ部３で停電の直前まで運転していたことによる燃焼室１１及び燃焼ガス流路２１に残留していた高温空気が空気噴出孔１３から上方の空気出口孔６に向かって逆流し、最終的に空気供給部５中の燃焼ファン２０の樹脂部分を損傷させるという課題があった。

図６も図３の要部を拡大した要部拡大模式図であり、停電逆流時の空気の主流方向を示している。

図６において、停電時に、空気噴出孔１３を逆流して通過する高温空気の主流方向を矢印Ｂとして示している。空気噴出孔１３を逆流する高温空気の主流方向には空気出口孔６は開いていない。よって、逆流した高温空気は、空気出口孔６には直接入らずに、空気筒８の最上部壁にあたり、その後徐々に降下して空気出口孔６の位置まで下がってからようやく空気出口孔６へ入り、燃焼ファン２０へ達することになる。この構成により、逆流した高温空気で燃焼ファン２０の樹脂部の損傷を回避することが可能となった。

（実施の形態４）
図４は、本発明の第４の実施の形態における水素生成装置を示す要部断面図である。第３の実施の形態と異なる部分のみ説明する。

図４において、空気筒８の下部内には、空気筒８内を上下に仕切るように空気整流板１０が設けてあり、その下部に燃焼板１７が設けてある。空気整流板１０は、円盤状の構成であり、外周部近傍の同一円周上に断続的に透孔である空気流通孔９が配されている。

燃焼ファン２０から供給された空気は空気出口孔６から吐出された後に、空気整流板１０の空気流通孔９を通り、さらに空気流通孔９から吐出された後に、燃焼板１７の空気噴出孔１３から燃焼室へ噴出される。

本実施の形態において、空気流通孔９は空気出口孔６を通る空気の主流方向と異なる位置に配置され、かつ空気噴出孔１３は前記空気流通孔９を通る空気の主流方向と異なる位置に配置されている。図７は図４の要部を拡大した要部拡大模式図であり、空気出口孔６を通る空気の主流方向を矢印Ｃとして示している。空気流通孔９は空気出口孔６を通る空気の主流方向とは異なる位置に配置されている。また、空気流通孔９を通る空気の主流方向を矢印Ｄとして示している。空気噴出孔１３は空気流通孔９を通る空気の主流方向とは異なる位置に配置されている。

これによって、空気出口孔６の空気の主流方向には、空気流通孔９は開いていないので、空気出口孔６から吐出された燃焼空気は、空気整流板１０の空気流通孔９が開いていない部分に当たり、その後に空気流通孔９から噴出されるようになる。よって、空気流通孔９を通る空気は一部の空気流通孔のみが流量が多くなったり流速がはやくなったりという現象はなくなり、それぞれの空気流通孔９を通るときに、空気の流速と流量はほぼ均一になった。

さらに空気流通孔９の空気の主流方向には、空気噴出孔１３は開いていないので、空気流通孔９から吐出された燃焼空気は、燃焼板１７の空気噴出孔１３が開いていない部分に当たり、その後に空気噴出孔１３から噴出されるようになる。よって、空気噴出孔１３を通る空気は一部の空気噴出孔のみが流量が多くなったり流速がはやくなったりという現象はなくなり、それぞれの空気噴出孔１３を通るときに、空気の流速と流量はさらに均一になった。

その結果、燃焼室での燃焼の偏りの発生を防止することができ、燃焼排ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素の量の増加を抑えることと排ガスの流れの周方向の不均一による触媒温度の加熱ムラの発生を抑えることができた。

図８も図４の要部を拡大した要部拡大模式図であり、停電逆流時の空気の主流方向を示している。

図８において、停電時に、空気噴出孔１３を逆流して通過する高温空気の主流方向を矢印Ｅとして示している。空気噴出孔１３を逆流する高温空気の主流方向には空気流通孔９は開いていない。よって、逆流した高温空気は、空気出口孔６には直接入らずに、空気整流板１０の空気流通孔９の開いていない部分にあたった後に空気流通孔９を通ることになるので、逆流しにくくなる。その後に、空気流通孔９を逆流する高温空気の主流方向を矢印Ｆとして示している。空気流通孔９を逆流する高温空気の主流方向には空気出口孔６は開いていない。よって、逆流した高温空気は、空気出口孔６には直接入らずに、空気筒８の最上部壁にあたり、その後徐々に降下して空気出口孔６の位置まで下がってからようやく空気出口孔６へ入り、燃焼ファン２０へ達することになる。この構成により、逆流した高温空気で燃焼ファン２０の樹脂部の損傷を回避することが可能となった。

本実施の形態において、空気出口孔６は空気筒８の断面方向の略中央部に、空気流通孔９は空気筒８の外周部に設けている。

これによって停電時に空気流通孔９を通った高温空気は確実に空気筒８の外周部に沿って上昇していくので空気出口孔６への逆流をより確実に防ぐことができる。

なお、各実施の形態では、バーナの燃焼方向は下向き、かつ空気供給部はバーナ部の真上に配置した例として記載しているが、バーナの燃焼方向は下向きに限らず横向きや上向きであっても、また空気供給部がバーナ部の真上でなくてもバーナ部より上方に配置される構成のものであれば、全て本発明の範囲を超えない。

加熱部を有する水素生成装置全てについて有用である本発明に係る装置は、燃焼排ガス中の窒素酸化物量が少なく、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効に利用して水素生成が可能な、水素生成装置および燃料電池発電システムとして、産業上利用することが可能である。

１ 水素生成装置
２ 改質部
３ バーナ部
４ 燃料供給部
５ 空気供給部
６ 空気出口孔
７ 燃料出口孔
８ 空気筒
９ 空気流通孔
１０ 空気整流板
１１ 燃焼室
１２ 燃料噴出孔
１３ 空気噴出孔
１４ 炎口孔
１５ 内筒
１６ 外筒
１７ 燃焼板
１８ ガスディストリビュータ
１９ 燃料ガス供給管
２０ 燃焼ファン
２１ 燃焼ガス流路
２２ 仕切筒
２２ａ 小径筒部
２２ｂ 大径筒部
２３ 一酸化炭素除去部
２３ａ ＣＯ変成部
２３ｂ ＣＯ選択酸化部
２４ 原料導入流路
２５ 移行流路
２６ ＣＯ選択酸化空気供給部
２７ 改質温度検出センサー
２８ 変成温度検出センサー
２９ ＣＯ選択酸化温度検出センサー
３０ 原料供給部
３１ 水供給部
３２ 燃料電池
３３ アノード
３４ カソード

Claims (6)

1. 原料と、水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、
   前記改質反応に必要な熱を改質部に供給するバーナ部と、
   前記バーナ部が燃焼するための燃料を供給する燃料供給部と、
   前記燃料供給部の出口部に設けた燃料出口孔と、
   前記バーナ部に燃焼用空気を供給する空気供給部と、
   前記空気供給部の出口部に設けた空気出口孔と、
   前記空気出口孔から供給された空気を前記バーナ部へ導く空気筒とを有し、
   前記バーナ部は、燃焼室と、前記燃料供給部から供給された燃料と前記空気供給部から供給された空気とが予め混合された混合ガスが通過する炎口孔とを有し、前記燃焼室において燃焼するように構成され、
   前記炎口孔は、前記燃料出口孔を通る燃料の主流方向及び前記空気出口孔を通る空気の主流方向のうちの少なくとも一方の主流方向と異なる位置に配置された水素生成装置。
2. 前記空気筒内にあって前記バーナ部近傍に位置し空気流通孔を設けた空気整流板をさらに有し、
   前記空気流通孔は、前記燃料出口孔を通る燃料の主流方向及び前記空気出口孔を通る空気の主流方向のうちの少なくとも一方の主流方向と異なる位置に配置され、
   かつ前記炎口孔は、前記空気流通孔を通る混合ガスの主流方向と異なる位置に配置された請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記空気出口孔または前記燃料出口孔は前記空気筒断面方向の略中央部に配され、
   前記空気流通孔は前記空気筒の外周部に配された請求項２に記載の水素生成装置。
4. 原料と、水との改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、
   前記改質反応に必要な熱を改質部に供給するバーナ部と、
   前記バーナ部が燃焼するための燃料を供給する燃料供給部と、
   前記バーナ部に燃焼用空気を供給する空気供給部と、
   前記空気供給部の出口部に設けた空気出口孔と、
   前記空気出口孔から供給された空気を前記バーナ部へ導く空気筒とを有し、
   前記バーナ部は、燃焼室と、燃料供給部から取り入れた燃料を前記燃焼室に噴出するための燃料噴出孔と、前記空気供給部から取り入れた空気を前記燃焼室に噴出するための空気噴出孔とを有し、燃料と空気とを前記燃焼室において混合させ燃焼するように構成され、前記空気噴出孔は前記空気出口孔を通る空気の主流方向と異なる位置に配置された水素生成装置。
5. 前記空気筒内にあって前記バーナ部近傍に位置し空気流通孔を設けた空気整流板をさらに有し、
   前記空気流通孔は前記空気出口孔を通る空気の主流方向と異なる位置に配置され、
   かつ前記空気噴出孔は前記空気流通孔を通る空気の主流方向と異なる位置に配置された請求項４に記載の水素生成装置。
6. 前記空気出口孔は前記空気筒断面方向の略中央部に配され、
   前記空気流通孔は前記空気筒の外周部に設けた請求項５に記載の水素生成装置。