JP2012202632A - バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】着火性および燃焼性がよく、かつ逆火の恐れもない、小型化の可能なバーナを得る。
【解決手段】燃料ガス供給用のバーナ内管１１と、それを包囲しかつ空気供給路を形成するするバーナ外管１３とを備え、バーナ内管１１の先端にバーナコーン１５を有するバーナにおいて、バーナコーン１５のバーナ内管１１との接続部１６に燃料ガスの流れに直交する方向に燃焼用空気の一部を導入することのできる第１の空気孔２５を形成する。また、バーナコーン１５に多段に燃焼用空気噴出孔２０ａ〜２０ｃを形成する。また、バーナコーン１５内にバーナ内管１１から噴出する燃料ガスをバーナコーン１５の周側面に向けて誘導することのできるガス誘導盤３０を配置する。また、バーナコーン１５の先端にはバーナ内管１５内の燃料ガスの流れに平行方向に燃焼用空気を噴出させる第２の空気孔２６を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明はバーナに関し、限定されないが、特に、燃料電池用の水素製造装置のための加熱源として好適なバーナに関する。

燃料電池を運転する際の発電用ガスとして、都市ガスや天然ガスなどの供給体制が整っている炭化水素を原燃料とし、これを改質器によって水素リッチに改質した改質ガスが用いられる。改質器における改質反応は触媒による吸熱反応であるため、改質器を作動させるには、触媒を加熱してその温度を上げる必要があり、この加熱には、通常、バーナが用いられる。このバーナ用の燃料としては、都市ガスや天然ガス、燃料電池から排出される未反応の改質ガスであるオフガスや、改質器で生成される改質ガスが燃料ガスとして使用される。

改質器の運転開始時には、オフガスや改質ガスをバーナの燃料ガスとすることはできない。そこで、改質器の運転開始時には、原燃料として改質器に供給される都市ガスや天然ガスなどの一部をバーナの燃料として用いて改質器の触媒を加熱する。触媒温度が上昇すると、改質器が立ち上がり、改質ガスまたはオフガスが生成されるので、その時点でバーナ燃料を、都市ガスまたは天然ガスから、生成された改質ガスまたはオフガスに切り換えることが行われる。

しかし、都市ガスまたは天然ガスとオフガスまたは改質ガスとは、その発熱量が大きく異なるため、これらの燃料ガスを切り換えて燃焼させるバーナには大きな絞り比が要求され、また、オフガスや改質ガスには水素が多く含まれているため、燃焼速度が速く、逆火を起こし易いので、改質器用のバーナは逆火の恐れのないものでなければならない。これらの技術的課題に応えるべく、従来から種々の改質器用バーナが提案されており、例えば、特許文献１には、都市ガスまたは天然ガスとオフガスまたは改質ガスのいずれを燃料ガスとして用いた場合でも、安定した燃焼を実現でき、かつ逆火の恐れのない、構造が簡単な燃料電池の改質器用バーナが提案されている。

具体的に、前記改質器用バーナは、内部が燃料ガス流路であるバーナ内管と、前記内管を包囲しており内管外周面との間に燃焼用空気流路を形成するバーナ外管と、前記バーナ内管の先端から前記バーナ外管の内周面に向けて次第に拡開する周側面を持ちかつその周側面に複数個の燃焼用空気噴出孔を有するバーナコーンであってその内部に燃焼室を形成するバーナコーンとを備えており、前記バーナ内管の後端である燃料ガス供給口に寄った位置には、前記バーナ外管内に供給される燃焼用空気の一部が流入する一次空気流入口が形成されている。

この改質器用バーナでは、燃料ガス供給口からバーナ内管内に供給される燃料ガスはバーナ内管内に供給される一次空気と混合することで予混合ガスとなり、燃焼室を形成するバーナコーン内に噴出し着火される。燃料として、都市ガスや天然ガスを使用しているのであれば、予混合ガスであることから良好な着火性が得られる。予混合ガスは、バーナコーンの壁面に設けられた複数の空気噴出口から供給され 、周囲に渦流を発生させながら勢い良く噴出する二次空気とさらに混合する。それにより、燃焼性のよい空気比の混合ガスが形成され、燃焼炎はバーナコーン壁面に張り付いた良好な燃焼炎となる。また、バーナを設計する際、その一次空気の量を調節することによって、バーナ内管内で形成される燃料ガスと空気との予混合ガスを、その空気比を逆火の恐れがない範囲とするか、好ましくは、水素リッチなオフガスにおいても燃焼範囲から外れたものとして、燃焼室であるバーナコーン内に供給することができるので、燃料ガスが、都市ガスまたは天然ガスの場合でも、水素リッチなオフガスまたは改質ガスの場合でも、ともに安定した燃焼を実現できるメリットがある。そのために、燃料電池用の水素製造装置のための加熱源として好適なバーナとなっている。

特開２０１０−３２０８４号公報

前記した特許文献１に記載のバーナは、予混合燃焼方式を採用しており、都市ガスや天然ガスにおいては、良好な着火性が得られる。また、バーナコーン壁面から二次空気を噴出させることで、燃焼性のよい空気比の混合ガスが形成される。しかし、バーナ内管内で予混合ガスが形成される形式であることから、オフガス燃焼時等においてバーナ内管内で逆火が生じるのを防止するために、予混合ガスの空気比を狭い燃焼領域に制御する必要があり、ポンプなどの補器類には精度の高いものが求められる。また、ポンプ故障などが発生しても、逆火する空気比の領域にならないように安全に停止する安全機構も必要とされている。

構造的にも、より完全に予混合したガスを得るためにはバーナ内管を長くする必要があり、バーナ全体が長くなっていた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスとして、都市ガスまたは天然ガスと、燃焼速度の早い水素リッチなオフガスまたは改質ガスのそれぞれの燃料ガスを使用して燃焼できる形態のバーナにおいて、精度の高い補器類を必要とせずに運転中に逆火が発生するのを確実に抑制することができ、かつ全体形状も小型化することのできる、より改良されたバーナを提供することを課題とする。

上記の課題を解決すべく、本発明者らは多くの実験と研究を反復して行うことにより、内部が燃料ガス流路であるバーナ内管と、その内管を包囲しており内管外周面との間に燃焼用空気流路を形成するバーナ外管と、前記バーナ内管の先端から前記バーナ外管の内周面に向けて次第に拡開するバーナコーンであってその内部に燃焼室を形成するバーナコーンとを少なくとも備えたバーナにおいて、バーナ内管内で予混合ガスを形成しなくても、バーナコーンに形成する燃焼用空気の取り入れ口の位置等を適切に配置することで、あるいはバーナ内管から噴出する燃料ガスを適切に分散させることで、すなわち、完全先混合構造のバーナとしても、燃料ガスが、都市ガスまたは天然ガス、または、燃焼速度の早い水素リッチなオフガスまたは改質ガスのいずれであっても、良好な着火性と良好な燃焼火炎が得られることを知見した。本発明は、本発明者らが得た上記の知見に基づいている。

すなわち、本発明は、内部が燃料ガス流路であるバーナ内管と、前記内管を包囲しており内管外周面との間に燃焼用空気流路を形成するバーナ外管と、前記バーナ内管の先端から前記バーナ外管の内周面に向けて次第に拡開する周側面を持ちかつその周側面に複数個の燃焼用空気噴出孔を有するバーナコーンであってその内部に燃焼室を形成するバーナコーンとを少なくとも備えた基本形態のバーナにおいて、
その第１の形態は、前記バーナコーンの前記バーナ内管の先端との接続部には燃料ガスの流れに直交する方向に燃焼用空気の一部を導入することのできる第１の空気孔がさらに形成されていることを特徴とする。

本発明者らの実験では、上記第１の形態のバーナでは、バーナ内管の燃料ガス供給口に寄った位置に燃焼用空気の一部が流入する一次空気流入口を設けなくても、バーナコーンにおけるバーナ内管との接続部に形成した第１の空気孔から燃料ガスの流れに直交する方向に燃焼用空気が供給されることで、燃料ガスと燃焼用空気との混合が良好となり、燃料ガスの流速が早い場合であっても、広い範囲の空気比において、バーナコーンの根元部に設けた着火ロッドとの間で良好な着火性が得られた。

本発明によるバーナの第２の形態は、前記基本形態のバーナにおいて、前記バーナコーン内にはバーナ内管から噴出する燃料ガスをバーナコーンの前記周側面に向けて誘導することのできるガス誘導盤が備えられていることを特徴とする。

本発明者らの実験では、上記第２の形態のバーナでは、バーナ内管から噴出する燃料ガスは、ガス誘導盤によりバーナコーンの内側面に沿って下流側に流れるように誘導される。その流れの過程で、バーナコーンの周側面に形成した複数個の燃焼用空気噴出孔から噴出する空気が形成する渦流によって、燃料ガスと空気とが積極的に混合されることで、燃焼火炎を安定させることができた。結果として、高空気比においても、良好な着火性が得られた。また、ガス誘導盤を設置することで、燃料ガスがバーナの中心付近に流れにくくなった。これにより、従来バーナであれば、バーナコーンの周側面に形成した燃焼用空気噴出孔から噴出する空気と、バーナの中心付近に流れる燃料ガスが混ざらず、燃焼性が良くなかった。燃料ガスがバーナの中心付近に流れにくくなったことで、燃焼性を改善することが出来た。

本発明によるバーナの第３の形態は、前記基本形態のバーナにおいて、前記バーナコーンの前記バーナ外管に衝接する周側面部位には、前記バーナ内管内の燃料ガスの流れに平行方向に燃焼用空気を噴出させる第２の空気孔がさらに形成されていることを特徴とする。

本発明者らの実験では、上記第３の形態のバーナでは、前記第２の空気孔から噴出する空気によって燃焼領域がバーナコーンの先端よりもより下流側に拡大し、それにより幅の広い空気比でも安定して燃焼を継続させることが可能となった。すなわち、燃焼用空気と燃料ガスとの混合が後流側により幅の広い範囲で行われるようになり、燃焼火炎が形成する範囲が広くなり、燃焼火炎が安定した。また、バーナコーン内では空気流速が全体的に遅くなったことで、火炎が吹き消えることもなくなった。

本発明によるバーナでは、いずれの形態であっても、燃料ガスと一次空気とを予混合することを要しないので、バーナ内管は予混合に必要な距離を必要とせず、結果として、バーナ内管を短くすることができる。それにより、バーナ全体の長さを短くすることができ、バーナの小型化が可能となる。さらに、予混合をせず、完全先混合での燃焼であることから、バーナ内管へ逆火することはなく、それにより、バーナの運転に必要な補器類に特に精度の高いものを必要とせず、バーナの低コスト化および運転制御の容易化が可能となる。

本発明によるバーナは、前記第１の形態、第２の形態および第３の形態の特徴事項を選択的に組み合わせたものであってもよい。その一例として、本発明によるバーナの第４の形態は、前記基本形態のバーナにおいて、前記バーナコーン内にはバーナ内管から噴出する燃料ガスをバーナコーンの前記周側面に向けて誘導することのできるガス誘導盤が備えられており、前記バーナコーンの前記バーナ外管に衝接する周側面部位には、前記バーナ内管内の燃料ガスの流れに平行方向に燃焼用空気を噴出させる第２の空気孔がさらに形成されていることを特徴とする。

前記第４の形態において、前記バーナコーンの前記バーナ内管の先端との接続部には燃料ガスの流れに直交する方向に燃焼用空気の一部を導入することのできる第１の空気孔がさらに形成されていてもよい。本発明者らの実験では、上記第４の形態のバーナでは、第１、第２および第３の態様のバーナと比較して、着火性および保炎性において、一層の向上が観察できた。

本発明によるバーナの他の態様では、上記した各態様のバーナにおいて、前記バーナコーンの前記周側面に形成した複数個の燃焼用空気噴出孔は周側面の拡開方向に間隔をおいて多段に形成されていることを特徴とする。より好ましい態様では、前記各段での燃焼用空気噴出孔の数は前記第２の空気孔よりも少ないもしくは同じ数とされていることを特徴とする。上記の態様のバーナにおいて、それが前記ガス誘導盤を備える場合に、該ガス誘導盤は、前記バーナコーンにおける最上流側の燃焼用空気噴出孔の段と最下流側の燃焼用空気噴出孔の段との間に配置されていることが好ましい。

上記のようにバーナコーンに形成する第１の空気孔、燃焼用空気噴出孔および第２の空気孔の相互の位置関係およびガス誘導盤との相互の位置を設定することで、バーナの燃焼性はさらに改善される。

本発明によるバーナにおいて、バーナコーンの形状は、下流側に向けて次第に拡開する形状であれば任意の形状であってよく、例として、円錐形、角錐形などが挙げられる。前記ガス誘導盤は、円錐形の場合は円盤状、角錐形の場合は矩形状のように、バーナコーンの内周面形状に沿う形状のものが選択される。好ましくは、バーナコーンは円錐形であり、ガス誘導盤は円盤である。また、ガス誘導盤は、外形輪郭がバーナコーンの内周面形状に沿う形状のものであればよく、板状に限らず、筒状のものであってもよい。

本発明によるバーナは任意の場所で使用することができるが、前記したように、燃料ガスとして、都市ガスまたは天然ガスと、燃焼速度の早い水素リッチなオフガスまたは改質ガスの双方が選択的に用いられるような場所での使用、例えば、燃料電池用の水素製造装置のための加熱源としての使用、あるいは、メンブレン型の水素製造装置のための加熱源としての使用が、特に好適である。

本発明によれば、例えば、燃料ガスとして、都市ガスまたは天然ガスと、燃焼速度の早い水素リッチなオフガスまたは改質ガスの双方を、選択的に用いる形態のバーナにおいて、精度の高い補器類を必要とせずに運転中に逆火が発生するのを確実に抑制することができる。また、全体形状も小型化することができる。そのために、バーナの低コスト化および運転制御の容易化も可能となる。

本発明によるバーナの一実施の形態を示す断面図。 本発明の第１の形態によるバーナでのバーナコーンとその近傍を示す図。 本発明の第２の形態によるバーナでのバーナコーンとその近傍を示す図。 本発明の第３の形態によるバーナでのバーナコーンとその近傍を示す図。 本発明の第４の形態によるバーナでのバーナコーンとその近傍を示す図。 第４の形態によるバーナの変形例でのバーナコーンとその近傍を示す図。 各バーナにおける全体空気比とピークＣＯ濃度との関係を示すグラフ。 バーナコーン内に配置したガス誘導盤の位置と全体空気比とピークＣＯ濃度との関係を示すグラフ。

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。
図１は、本発明によるバーナ１の一例を示す断面図である。図において、１１はバーナ内管であり、その根元側には燃料ガス供給口１２が設けられ、バーナ内管１１の先端側端部は開口している。１３はバーナ内管１１の外側にバーナ内管１１と同軸に配置されたバーナ外管であり、１４はバーナ外管１３に設けられた空気供給口である。燃料ガス供給口１２と空気供給口１４には、図示しないバーナ燃焼制御装置を介して、燃料ガスと空気とが、それぞれの流量をコントロールされた状態で供給される。

バーナ内管１１の先端にはバーナコーン１５が取り付けられる。バーナコーン１５はバーナ内管１１と同じ中心軸線を持ち、バーナ内管１１の先端との接続部１６と、該接続部１６の先端から前記バーナ外管１３の内周面に向けて次第に拡開する円錐形の周側面１７と、該周側面１７の先端部の垂直面１８とからなり、該垂直面１８はバーナ外管１３の内周面に接続している。そして、円錐形の周側面１７には複数の燃焼用空気噴出孔２０が形成されている。

２１は絶縁用セラミックで被覆されたスパークプラグとフレームロッド（火炎検知）を兼用している電極であり、バーナ内管１１の内側に、バーナ内管１１と同軸に配置されており、バーナコーン１５内側の燃焼室内にその一部が電極として機能する先端部２２を突出させている。

上記の構成は、本発明によるバーナ１の基本構成であって従来知られた構成である。本発明によるバーナ１は、前記バーナコーン１５に空気孔がさらに形成される点、およびバーナコーン内にガス誘導盤が設置される点に、特徴を有する。以下、その特徴点について順次説明する。

図２は、本発明によるバーナ１の第１の形態でのバーナコーン１５とその近傍を示しており、図２（ａ）は断面図であり、図２（ｂ）は先端側から見た側面図である。第１の形態のバーナ１Ａは、バーナコーン１５の前記バーナ内管１１先端との接続部１６に、そこを流れる燃料ガスの流れに直交する方向に燃焼用空気の一部を噴出することのできる第１の空気孔２５が形成されていることを特徴とする。第１の空気孔２５の数に特に制限はないが、図示のものでは、周方向に等しい間隔をおいて８個の第１の空気孔２５が形成されている。

バーナコーン１５の周側面１７に形成する燃焼用空気噴出孔２０にも特に制限はないが、図示のものでは、前記接続部１６側に近い位置に形成された第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａと、そこから先端側に離れた位置に形成された第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂと、そこからさらに先端側に離れた位置に形成された第３段目の燃焼用空気噴出孔２０ｃとで構成されている。第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａと第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂと第３段目の燃焼用空気噴出孔２０ｃは、ともに周方向に好ましくは等しい間隔をおいて形成された４個の噴出孔からなり、図２（ｂ）に示すように、各噴出孔は周方向に４５度位相をずらして形成されている。

上記構成を備えた第１の形態のバーナ１Ａでは、バーナ内管１１内を流れる燃料ガスに対して前記第１の空気孔２５から直交する方向に燃焼用空気が供給されるので、燃料ガスと空気とが良好に混合することができ、バーナ内管１１における上流側の位置で予混合ガスを形成しなくても、良好な着火性が得られる。また、第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａと第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂ、３段目の燃焼用空気噴出孔２０ｃから供給される空気によって、良好な燃焼性が維持される。

図３は、本発明によるバーナ１の第２の形態でのバーナコーン１５とその近傍を示しており、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は先端側から見た側面図であり、図３（ｃ）はそこで用いるガス誘導盤を説明する斜視図である。第２の形態のバーナ１Ｂは、前記バーナコーン１５内に、バーナ内管１１から噴出する燃料ガスをバーナコーン１５の円錐形の周側面１７に向けて誘導することのできる円盤状のガス誘導盤３０が備えられていることを特徴とする。ガス誘導盤３０は、その周縁とバーナコーン１５の周側面１７の内周面との間に等しい距離の隙間が形成されることを条件に、バーナコーン１５内への取り付け方は任意であってよいが、図示の例では、スパークプラグ２１の先端部２２に鉛直方向に取り付けられている。

この形態のバーナ１Ｂにおいても、バーナコーン１５の周側面１７に形成する燃焼用空気噴出孔２０の数や位置に特に制限はないが、図示のものでは、前記した第１の形態のバーナ１Ａ同様に、４個の第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａと４個の第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂと４個の第３段目の燃焼用空気噴出孔２０ｃが、位相を４５度周方向にずらして形成されている。そして、前記ガス誘導盤３０は、接続部１６側である第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａと第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂとの間の位置に取り付けられている。

上記構成を備えた第２の形態のバーナ１Ｂでは、バーナ内管１１から噴出する燃料ガスは、前記ガス誘導盤３０に衝突してその流れ方向を変え、バーナコーン１５の周側面１７の内側面に沿って下流側に流れるようになる。そして、その流れの過程で、バーナコーン１５の周側面１７に形成した各燃焼用空気噴出孔２０ａ，２０ｂ，２０ｃから供給される空気と燃料ガスは積極的に混合するようになり、良好な着火性が得られると同時に、良好な燃焼性が維持される。

図４は、本発明によるバーナ１の第３の形態でのバーナコーン１５とその近傍を示しており、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は先端側から見た側面図である。第３の形態のバーナ１Ｃは、前記バーナコーン１５における周側面１７の先端部の垂直面１８に第２の空気孔２６が形成されており、そこから、バーナ内管１１内の燃料ガスの流れに平行方向に燃焼用空気を噴出させることを特徴とする。第２の空気孔２６の数に特に制限はないが、図示のものでは、周方向にほぼ等しい間隔をおいて８個の第２の空気孔２６が形成されている。

第３の形態のバーナ１Ｃにおいても、バーナコーン１５の周側面１７に形成する燃焼用空気噴出孔２０の数や位置に特に制限はないが、図示のものでは、第１および第２の形態のバーナ１Ａ，１Ｂと同様に、４個の第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａと４個の第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂと４個の第３段目の燃焼用空気噴出孔２０ｃとが、位相を４５度周方向にずらして形成されている。また、８個の第２の空気孔２６は、４個が第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａと同じ位相位置に、残りの４個が第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂと同じ位相位置に、それぞれ形成されている。

上記構成を備えた第３の形態のバーナ１Ｃでは、第２の空気孔２６から噴出する空気によって燃焼領域がバーナコーン１５の先端よりもより下流側に拡大する。それにより幅の広い空気比でも安定して燃焼を継続させることが可能となる。すなわち、燃焼用空気と燃料ガスとの混合が後流側により幅の広い範囲で行われるようになり、燃焼する範囲が広くなることで燃焼火炎が一層安定する。また、バーナカップ内でのその領域では空気流速が全体的に遅くなることで、火炎の吹き消えも抑制される。

図５は、本発明によるバーナ１の第４の形態でのバーナコーン１５とその近傍を示しており、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は先端側から見た側面図である。第４の形態のバーナ１Ｄは、上記した第２および第３の形態におけるバーナの特徴事項を取り込んで形成されている。すなわち、図示されるように、バーナコーン１５のバーナ内管１１先端との接続部１６には、第１から第３の燃焼用空気噴出孔２０ａ，２０ｂ，２０ｃが形成されており、バーナコーン１５内には、バーナ内管１１から噴出する燃料ガスをバーナコーン１５の円錐形の周側面１７に向けて誘導することのできる円盤状のガス誘導盤３０が、前記第１の燃焼用空気噴出孔２０ａと第２の燃焼用空気噴出孔２０ｂとの間に備えられている。さらに、バーナコーン１５における周側面１７の先端部の垂直面１８には、第２の空気孔２６が形成されていて、そこから、バーナ内管１１内の燃料ガスの流れに平行方向に燃焼用空気が噴出されるようになっている。

第４の形態のバーナ１Ｄにおいても、第２の空気孔２６、およびバーナコーン１５の周側面１７に形成する燃焼用空気噴出孔２０ａ〜２０ｃの数や位置は任意であってよいが、図示のものでは、第２の空気孔２６は８個形成されており、燃焼用空気噴出孔２０は３段に４個ずつ形成されている。

第４の形態のバーナ１Ｄでは、上記した第２および第３の形態のバーナのそれぞれが備える前記メリットを総和として備えることができるので、一層安定した着火性、保炎性、広い範囲の空気比での燃焼安定性が得られる。

図６は、第４の形態のバーナの変形例におけるバーナコーン１５とその近傍を示しており、図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は先端側から見た側面図である。この形態のバーナ１Ｅは、上記した第１、第２および第３の形態におけるバーナの特徴事項をすべて取り込んで形成されている。すなわち、バーナ１Ｅは、図５に示した第４形態のバーナ１Ｄの構成に、さらにバーナコーン１５のバーナ内管１１先端との接続部１６において、そこを流れる燃料ガスの流れに直交する方向に燃焼用空気の一部を噴出することのできる第１の空気孔２５をさらに成形した点で、第４形態のバーナ１Ｄと相違している。他の構成は図にな示した第４形態のバーナ１Ｄと同じであり、同じ符号を付すことで詳細な説明は省略する。

この形態のバーナ１Ｅでは、上記した第１、第２および第３の形態のバーナのそれぞれが備える前記メリットを総和として備えることができるので、一層安定した着火性、保炎性、広い範囲の空気比での燃焼安定性が得られる。

本発明による上記の各バーナは、燃料ガス流路内に逆火が生じるのをほぼ完全に抑制することができるので、バーナの燃料として、都市ガスや天然ガスなどの供給体制が整っている燃料と、燃料電池から排出される未反応の改質ガスであるオフガスや改質器で生成される改質ガスとが選択的に用いられる燃料電池用の水素製造装置用のバーナとして特に有効であるが、使用用途はこれに限らず、多くの分野で有効に用いることができる。一例として、メンブレン型純 水素製造装置の加熱源としての使用が挙げられる。

次に、実際に燃焼実験を行ったときに得られた全体空気比とピークＣＯ濃度との関係について説明する。

＜実施例１＞
［実施例と比較例］
前記図２に示した第１の態様のバーナ１Ａ、図３に示した第２の態様のバーナ１Ｂ、および図５に示した第４の態様のバーナ１Ｄについて、燃焼実験を行った。その結果を図７に示した。なお、実験では、燃料ガスとして都市ガス（１３Ａ）を用い、空気流量を制御して全体空気比を調整した。ピークＣＯ濃度は島津製作所製の連続分析計（ＣＧＴ−５０００）を用いて測定した。

なお、本発明で、全体空気比とは、都市ガスを完全燃焼するために必要な空気量のときを１として定義されるものであり、ピークＣＯ濃度とは、着火開始後、連続的にＣＯ濃度を計測して、最大値となるＣＯ濃度として定義されるものである。

また、比較例１として、第１の態様のバーナ１Ａであって第１の空気孔２５をすべて閉鎖した形態のバーナを用いて同じ燃焼実験を行った。その結果も比較例１として図７に示した。

［実施例１の考察］
比較例１のバーナでは、空気比１．２程度の空気比で着火するが、それ以外の空気比では失火してしまい、十分な着火性と火炎の安定性を得られなかった。また、空気比１．２でもピークＣＯ濃度も高く、燃焼性も不十分であった。一方、本発明によるバーナでは、いずれも、高くかつ広い範囲の空気比において安定して燃焼でき、ピークＣＯ濃度も十分に低い値となっている。特に、図５に示した第４の態様のバーナ１Ｄではその燃焼の改善効果が顕著であった。このことから、本発明による各形態のバーナは、着火性と燃焼性の双方において、従来のバーナよりも優れていることが裏付けられる。

図２に示す第１の態様のバーナ１Ａの場合、１．５程度の空気比において、少し高いピークＣＯ濃度を示したが、これはバーナ１Ａの形態上、バーナカップの側面部の燃焼用空気噴出孔２０から導入された空気とバーナカップ中心を流れる燃料ガスが混合されにくく、当該空気は燃焼に寄与しにくくなっていることによると考えられる。空気比を１．５以上に導入して、第１の空気孔２５と上流側の燃焼用空気噴出孔２０ａおよび２０ｂから噴出する空気のみで燃焼させることで、ピークＣＯ濃度が高くなるのを抑制できると考えられる。

＜実施例２＞
図５に示した第４の態様のバーナ１Ｄを用いて、バーナコーン１５に形成した燃焼用空気噴出孔２０ａ〜２０ｃとガス誘導盤３０の位置との関係について、ガス誘導盤３０の位置のみを変えて燃焼実験を行った。そのときの全体空気比とピークＣＯ濃度との関係を図８に示した。

図８において、曲線Ｓ１とＳ２は、ガス誘導盤３０を第１の燃焼用空気噴出孔２０ａと第２の燃焼用空気噴出孔２０ｂとの間に配置したときの全体空気比とピークＣＯ濃度を示している。曲線Ｓ２は第１の燃焼用空気噴出孔２０ａと第２の燃焼用空気噴出孔２０ｂの間の中央位置にガス誘導盤３０を設置させたときであり、曲線Ｓ１はそれより２ｍｍ上流側にガス誘導盤３０を設置させたときである。

［実施例２の考察］
図に示されるように、後者のバーナの方が、比較して低い値のピークＣＯ濃度を示しており、ガス誘導盤３０を第１段目と第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ａ、２０ｂの特定の位置間に配置した場合に、特に優れた燃焼性が発揮されることが裏付けられる。なお、ガス誘導盤３０を第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂよりも後流側に配置した場合には、失火してしまい燃焼が不安定になることを確認している。

また、第１の燃焼用空気噴出孔２０ａより下流側の位置にガス誘導盤３０を設置する
と、メタンと水素の混合ガス（燃料電池アノードのオフガス相当）燃焼時に、ガス誘導盤３０にカーボンが析出しているのが視認できた。なお、カーボン析出に関しては、前記バーナコーン内の各段での燃焼用空気噴出孔の数を、上流側の空気孔を多くして、バーナコーン上流での空気導入量を増加させることにより、上流側での燃焼温度が上昇し、かつ万遍なく空気が導入されることで、カーボンが析出しなくなることが実験により確認されている。

＜実施例３＞
図５に示した第４の態様のバーナ１Ｄを用い、第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａ，第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂ、第３段目の燃焼用空気噴出孔２０ｃ、および第２の空気孔２６の数と配置とを変化させた以外は、同じ条件で燃焼実験を行い、着火時のＣＯ濃度を測定した。その結果を表１に示した。

なお、孔の配列は左側から右側に、第１段目の燃焼用空気噴出孔２０ａ，第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂ、第３段目の燃焼用空気噴出孔２０ｃ、第２の空気孔２６の数を示している。

［実施例３の考察］
試験体バーナ１と試験体バーナ２を比較すると、下流側、すなわち第１の燃焼用空気噴出孔２０ａの数による着火時のＣＯ濃度の差は見られない。しかし、試験体バーナ２と試験体バーナ５を比較すると、空気孔２，３段目である第２段目の燃焼用空気噴出孔２０ｂおよび第３段目の燃焼用空気噴出孔２０ｃよりも、４段目である第２の空気孔２６の数を多くすることで、着火燃焼時のＣＯ濃度を低減できることがわかる。この理由は、４段目の空気量を増やすことで、バーナカップの外に燃焼火炎が形成され、その火炎とカップ内の火炎が相互に燃焼することで、火炎が安定化するためと考えられる。そのことから、本発明によるバーナにおいて、各段での燃焼用空気噴出孔の数が第２の空気孔の数よりも少なくされていることは、好ましい態様であることがわかる。

また、配置８−４−４−８である試験体バーナ２，３，４を比較すると、螺旋配置＜千鳥配置＜直線配置の順に着火燃焼時のＣＯ濃度を低減できることがわかる。この理由は螺旋配置にすることで空気と燃料との混合がより促進されるものと考えられる。

なお、ここで、千鳥配置とは、第１と第３の燃焼用噴出孔が同じ角度に配置され、第２の燃焼用噴出孔が４５°（空気孔が４つ配置の場合）ずらして配置されている状態を、また螺旋状配置とは第１と第２、第３の燃焼用噴出孔が２２．５°ずつ配置をずらした状態をいっている。

１、１Ａ〜１Ｄ…本発明によるバーナ、
１１…バーナ内管、
１２…燃料ガス供給口、
１３…バーナ内管の外側に配置されたバーナ外管、
１４…空気供給口、
１５…バーナコーン、
１６…バーナコーンの接続部、
１７…バーナコーンの円錐形の周側面、
１８…バーナコーンの周側面先端部の垂直面、
２０…バーナコーンの周側面に形成した燃焼用空気噴出孔、
２５…バーナコーンの周側面先端部の垂直面に形成された第１の空気孔、
３０…バーナコーン内に設置されバーナ内管から噴出する燃料ガスをバーナコーンの周側面に向けて誘導する円盤状のガス誘導盤。

Claims (12)

1. 内部が燃料ガス流路であるバーナ内管と、前記内管を包囲しており内管外周面との間に燃焼用空気流路を形成するバーナ外管と、前記バーナ内管の先端から前記バーナ外管の内周面に向けて次第に拡開する周側面を持ちかつその周側面に複数個の燃焼用空気噴出孔を有するバーナコーンであってその内部に燃焼室を形成するバーナコーンとを少なくとも備えたバーナであって、
   前記バーナコーンの前記バーナ内管の先端との接続部には燃料ガスの流れに直交する方向に燃焼用空気の一部を導入することのできる第１の空気孔がさらに形成されていることを特徴とするバーナ。
2. 内部が燃料ガス流路であるバーナ内管と、前記内管を包囲しており内管外周面との間に燃焼用空気流路を形成するバーナ外管と、前記バーナ内管の先端から前記バーナ外管の内周面に向けて次第に拡開する周側面を持ちかつその周側面に複数個の燃焼用空気噴出孔を有するバーナコーンであってその内部に燃焼室を形成するバーナコーンとを少なくとも備えたバーナであって、
   前記バーナコーン内にはバーナ内管から噴出する燃料ガスをバーナコーンの前記周側面に向けて誘導することのできるガス誘導盤が備えられていることを特徴とするバーナ。
3. 内部が燃料ガス流路であるバーナ内管と、前記内管を包囲しており内管外周面との間に燃焼用空気流路を形成するバーナ外管と、前記バーナ内管の先端から前記バーナ外管の内周面に向けて次第に拡開する周側面を持ちかつその周側面に複数個の燃焼用空気噴出孔を有するバーナコーンであってその内部に燃焼室を形成するバーナコーンとを少なくとも備えたバーナであって、
   前記バーナコーンの前記バーナ外管に衝接する周側面部位には、前記バーナ内管内の燃料ガスの流れに平行方向に燃焼用空気を噴出させる第２の空気孔がさらに形成されていることを特徴とするバーナ。
4. 内部が燃料ガス流路であるバーナ内管と、前記内管を包囲しており内管外周面との間に燃焼用空気流路を形成するバーナ外管と、前記バーナ内管の先端から前記バーナ外管の内周面に向けて次第に拡開する周側面を持ちかつその周側面に複数個の燃焼用空気噴出孔を有するバーナコーンであってその内部に燃焼室を形成するバーナコーンとを少なくとも備えたバーナであって、
   前記バーナコーン内にはバーナ内管から噴出する燃料ガスをバーナコーンの前記周側面に向けて誘導することのできるガス誘導盤が備えられており、
   前記バーナコーンの前記バーナ外管に衝接する周側面部位には、前記バーナ内管内の燃料ガスの流れに平行方向に燃焼用空気を噴出させる第２の空気孔がさらに形成されていることを特徴とするバーナ。
5. 請求項４に記載のバーナであって、前記バーナコーンの前記バーナ内管の先端との接続部には燃料ガスの流れに直交する方向に燃焼用空気の一部を導入することのできる第１の空気孔がさらに形成されていることを特徴とするバーナ。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載のバーナであって、前記バーナコーンの前記周側面に形成した複数個の燃焼用空気噴出孔は周側面の拡開方向に間隔をおいて多段に形成されていることを特徴とするバーナ。
7. 請求項６に記載のバーナであって、前記バーナコーン内の各段での燃焼用空気噴出孔の数は、前記第２の空気孔よりも少ないもしくは同じ数とされていることを特徴とするバーナ。
8. 請求項６または７に記載のバーナであって、前記バーナコーン内の各段での燃焼用空気噴出孔の数は上流側よりも下流側の空気孔が少なくされていることを特徴とするバーナ。
9. 請求項６ないし８のいずれか一項に記載のバーナであって、前記バーナが請求項２に記載のガス誘導盤を備える場合に、該ガス誘導盤は、前記バーナコーンにおける最上流側の燃焼用空気噴出孔の段と最下流側の燃焼用空気噴出孔の段との間に配置されていることを特徴とするバーナ。
10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載のバーナであって、前記バーナコーンは円錐形であることを特徴とするバーナ。
11. 燃料電池用の水素製造装置のための加熱源であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のバーナ。
12. メンブレン型の水素製造装置のための加熱源であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のバーナ。

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