JP2017538912A - スワーラの上流および下流に燃料噴射器を備える改良されたスワールバーナー - Google Patents

スワーラの上流および下流に燃料噴射器を備える改良されたスワールバーナー Download PDF

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Abstract

本発明は、改良されたスワールバーナーに関し、特にこれに限定されるものではないが燃料電池システムに使用されるスワールバーナーに関するものである。

Description

本発明は、改良されたスワールバーナーに関するものであり、特にこれに限定されないがとりわけ燃料電池システムに使用されるスワールバーナーに関するものである。
燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池スタックアセンブリ、および熱交換器システム、その構造および方法が、特に特許文献１から１７により当業者に公知となっている。これら特許文献は参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
文脈において特に記載されない限り、用語「流体」は液体と気体の両方を含む。
法律や向上した環境責任の一般的な傾向において、すべての運転中の燃料の点火または燃焼によって生じる排出物の削減に関心を持つことが奨励されている。特に燃料電池運転においては、家庭で使用する際に燃料電池ガス加熱器に適用される欧州規格EN 50465:2008のような、排出レベルに関して最大限度を設定する法律がある。排出量の制御において特に重要なのは、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量を削減することである。
バーナーの設計は、燃焼排ガスの制御に関して非常に重要となる。空気流、反応物質の混合および炎の位置などのすべての要因を、燃焼される燃料の化学組成とともに考慮しなければならない。同じバーナーで燃焼された燃料の組成の変化が、大きく異なる排出結果をもたらすことがある。そのため、多くの場合に、特定の燃料のためのバーナーを、要求される排出限界に適するように設計することが必要とされる。それにもかかわらず、バーナーに様々な燃料を供給しなければならない状況、ひいては燃焼安定性および排出制御がこれらの様式の各々において重要となる状況が存在する。
バーナーは、燃料電池システムにおいて多くの場合に燃料電池システムおよびその関連システムの部品の温度を作動温度まで上昇させるための熱エネルギーを供給するために使用される。燃料電池システムは、典型的には、少なくとも１つの燃料電池スタックを含む。
本明細書では、燃料電池または燃料電池システムについて言及し、より好ましくは固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）またはＳＯＦＣシステムについて言及し、さらに好ましくは中間温度固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）またはＩＴ−ＳＯＦＣシステムについて言及する。燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池スタックを備え、各燃料電池スタックは、少なくとも１つの燃料電池を含む。より好ましくは、燃料電池または燃料電池スタックの燃料電池は、４５０〜６５０℃、より好ましくは５００〜６１０℃、または５００〜６１５℃、もしくは５００〜６２０℃、可能であれば６１５〜６２０℃の作動温度範囲を有する。
固体酸化物形燃料電池を利用する場合、バーナーは低位発熱量（ＬＣＶ）燃料と高位発熱量（ＨＣＶ）燃料の両方を燃料供給されることが好ましい。これらの用語は、例えば、「低位発熱量」（「ＬＣＶ」とも称される）および「高位発熱量」（「ＨＣＶ」とも称される）−すべての燃料が低位発熱量および高位発熱量の両方を有する−とは異なることに留意されたい。低位発熱量（ＬＣＶ）燃料の一例として、Ｈ２、ＣＯの割合が高く、任意選択的にＣＨ４の割合が低い燃料が挙げられる。ＬＣＶ燃料のウォッベ指数は、典型的には１８〜３５ＭＪ／ｍ３である。高位発熱量（ＨＣＶ）燃料の一例として、メタン、エタンまたはプロパンまたはそれらの任意の組み合わせからなるものが挙げられる。ＨＣＶ燃料のウォッベ指数は、典型的には３６〜８５ＭＪ／ｍ３である。
燃料電池スタックは、電気化学反応に水素リッチＨＣＶ燃料を使用する。電気化学反応の結果として、燃料ガスは、水素が水蒸気になりかつ一酸化炭素が二酸化炭素になるなど、反応要素のいくつかが酸化されて組成が変化する。結果的に、このプロセスからのオフガスはＬＣＶ燃料となる。このように、ＨＣＶ燃料がＬＣＶ燃料とは異なることは明らかである。
続いて、電気化学反応で生成されたＬＣＶ燃料は、バーナーで燃焼できる。なおＨＣＶ燃料の燃焼は、典型的には、燃料電池が作動温度に達するまで燃料電池システムを最初に（例えば始動時に）加熱する必要がある。したがって、始動時にＨＣＶ燃料を燃焼させる必要がある。燃料電池の定常運転中は、主にＬＣＶ燃料を燃焼させる必要がある。燃料電池の動作ポイント状態間の移行中（すなわち、燃料電池の電力出力が変更された場合）、燃焼される燃料の組成がそれに応じて変化し、かつ定常状態から停止状態に移行する間も同様に変化する。これらの燃料のそれぞれの燃焼によって排出量を低く維持するために、異なる構成のバーナーが必要とされている；ＨＣＶ燃料バーナーでは、燃焼前における酸化剤との混合度が高いことが好まれ；一方で、ＬＣＶ燃料バーナーでは、燃焼前における酸化剤との混合量が低いことが好まれる。さらにＨＣＶ燃料では、ＬＣＶ燃料に比べてより大きな空気流が好まれる。しかしながら、燃料電池スタックの温度を制御するために酸化剤流が使用されるなど、システム内において他の場所が必要とされるため、燃焼制御のためだけにバーナーへの空気流を制御することはほとんど不可能である。そのため上述の状況においては、それら燃料の１つまたは特定の空気流のために設計されたバーナーを利用することは、他の燃料に関して好ましくない燃焼をもたらすことは明らかである。
それゆえ、低排出量を維持するとともに、とりわけ幅広い空燃比ラムダで特に変化する空気流にうまく対処すると同時に、燃焼を別々にせずにまたは複雑なシステムを利用せずに、ＬＣＶおよびＨＣＶ燃料の両方を同時にまたは個々に燃焼させることができるバーナーを製造することが望まれている。
従来技術の装置では、さまざまなラムダを含む広範囲の運転状態にわたって炎安定性が欠如していることに悩まされている。さらに、製品サイズを小さくするためにコンパクトな炎を達成することも望まれている。
国際公開番号０２／３５６２８号パンフレット 国際公開番号０３／０７５８２号パンフレット 国際公開番号２００４／０８９８４８号パンフレット 国際公開番号２００５／０７８８４３号パンフレット 国際公開番号２００６／０７９８００号パンフレット 国際公開番号２００６／１０６３３４号パンフレット 国際公開番号２００７／０８５８６３号パンフレット 国際公開番号２００７／１１０５８７号パンフレット 国際公開番号２００８／００１１１９号パンフレット 国際公開番号２００８／００３９７６号パンフレット 国際公開番号２００８／０１５４６１号パンフレット 国際公開番号２００８／０５３２１３号パンフレット 国際公開番号２００８／１０４７６０号パンフレット 国際公開番号２００８／１３２４９３号パンフレット 国際公開番号２００９／０９０４１９号パンフレット 国際公開番号２０１０／０２０７９７号パンフレット 国際公開番号２０１０／０６１１９０号パンフレット
本発明は、従来技術のバーナーを改良することを目的とする。特に、従来技術における問題の少なくとも１つの対処、解消または緩和を目的とする。
本発明によれば、スワールバーナーアセンブリであって、
（ｉ） 中心軸線に沿って延在しかつ第１の端部および第２の端部を有する中空の長手方向細長本体と、
（ｉｉ）第１の端部における端壁と、
（ｉｉｉ）第１の端部と第２の端部との間に配置されるバーナーであって、第１の端部からバーナー壁までの第１の容積部と、バーナー壁から第２の端部までの第２の容積部とを画定する、バーナーと
（ｉｖ）第１の容積部内への酸化剤入口と、
（ｖ）少なくとも１つの中空長手方向細長バーナーユニットであって、第１の容積部から本体の開口部の外側へ延在するバーナーユニットの第１の端部を有しており、バーナーユニットが、バーナー壁の開口部を通して第１の容積部から第２の容積部へそしてバーナーユニットの第２の端部へ向けて延在しており、かつバーナーユニットの内部容積部を画定する、少なくとも１つの中空長手方向細長バーナーユニットと、
を備えており、
少なくとも１つの中空長手方向細長バーナーユニットは、
（ａ）バーナーユニットの内側に配置されかつバーナーユニットの第１の端部とバーナーユニットの第２の端部との間に配置される軸流スワールのスワールミキサーであって、スワールミキサーは、内径および外径を有する複数のベーンと、第１の容積部へ向けて位置決めされかつ第１の容積部内に開口する第１の側面と、第２の容積部へ向けて位置決めされかつ第２の容積部内に開口する第２の側面と、を含む、軸流スワールのスワールミキサーと、
（ｂ）第１の容積部への第１の燃料入口であって、酸化剤入口とスワールミキサーとの間に配置され、かつ複数のベーンの外径の半径方向内側に位置決めされた、第１の燃料入口と、
（ｃ）複数のベーンの外径の半径方向内側においてバーナーユニットの第２の端部に近接した、第２の容積部への第２の燃料入口と、
を備えており、
各少なくとも１つのバーナーユニットは、
（Ａ）第１のポイントであって、当該第１のポイントが第１の端部に最も近接する中心軸線に沿うポイントとなりかつ当該第１のポイントにおいて中心軸線に交差する平面がバーナーユニットのスワールミキサーの複数のベーンと交差するように、第１のポイントを規定し、
（Ｂ）第２のポイントであって、当該第２のポイントが第１の端部から最も離れる中心軸線に沿うポイントとなり、かつ当該第２のポイントにおいて中心軸線に交差する平面がバーナーユニットのスワールミキサーの複数のベーンと交差するように、第２のポイントを規定し、
（Ｃ）第１のポイントおよび第２のポイントから等距離にある中心軸線に沿った幾何学的な中間ポイントを規定し、
各第１の燃料入口は、酸化剤入口と、中心軸線に直交する平面と交差するスワールミキサーとの間のポイントに配置されており、当該平面は、第１のポイントから、第１の燃料入口の流動範囲の円相当径の１から２倍にある、中心軸線に沿うポイントと交差し、
各第２の燃料入口は、第１の燃料入口と、中心軸線に直交する平面と交差する第２の端部との間のポイントに配置されており、当該平面は、幾何学的な中間ポイントから複数のベーンの内径以下にある中心軸線に沿うポイントと交差する、スワールバーナーアセンブリが提供される。
また、本明細書において方法のステップまたは特徴を参照することは、そうした方法のステップを実行するように適合または構成された本発明のシステムを参照することである。
第１の端部は上流端部と称されてもよく、かつ第２の端部は下流端部と呼ばれてもよい。「上流」および「下流」との用語は、参照される構成要素の相対位置を反映するよう意図されている。特に、「上流」および「下流」の使用は、流体流路におけるまたはプロセスにおける構成要素の相対位置を反映してもよい。（本体内の特徴の文脈において）「特徴Ｘ’の上流」という表現は、「特徴Ｘ」から第１の端部に向かって配置される、すなわち第１の端部と「特徴Ｘ」との間に位置されることを意味する；（本体内の特徴の文脈において）「特徴Ｘ’の下流」という表現は、「特徴Ｘ」から第２の端部に向かって配置される、すなわち第２の端部と「特徴Ｘ」との間に位置されることを意味する。同様に、第１の側は上流側と称され、かつ第２の側は下流側と称されてもよい。第１の燃料入口はＨＣＶ燃料入口と称され、かつ第２の燃料入口はＬＣＶ燃料入口と称されてもよい。
好ましくは、中空の長手方向細長本体は内部キャビティを画定する。より好ましくは、本体は、内部容積部を規定する壁付き形状である。中空の長手方向細長本体の形状の一例として、シリンダ形状、チューブ形状、および断面が多角形の形状が挙げられる。多角形断面の例として、四角形（例えば矩形）、五角形、六角形、七角形および八角形の断面が挙げられる。本体は、中心軸線に沿ってかつ中心軸線を中心として延在してもよい。
上述したように、本体は中心軸線に沿って延在している。特定の実施形態では、中心軸線は、直線軸線以外のものであってもよい。例えば、軸線は湾曲していてもよいし、ステップ状になっていてもよい。
上記の定義から分かるように、流体流路は、酸化剤入口から第１の容積部へ、そして第２の容積部へ向かうように規定される。
第１の容積部は、第１の端部とバーナー壁と本体との間に画定されると考えられてもよい。同様に、第２の容積部は、バーナー壁と第２の端部と本体との間に画定されると考えられてもよい。
好ましくは、本体は、バーナー壁から第２の端部まで延在する本体内面を備える。好ましくは、第２の容積部は、バーナー壁と本体内面と第２の端部との間に画定される。
第２の容積部は炎管とも称されており、２つの用語は本明細書では置き換え可能に使用される。
上述のように、少なくとも１つのバーナーユニットの第１の端部は、第１の容積部から本体の開口部の外側に延在する。したがって、少なくとも１つのバーナーユニットの第１の端部は、本体の第１の端部において端壁から延在する必要はない。例えば、少なくとも１つのバーナーユニットの第１の端部は、本体の側壁から延在してもよい。スワールバーナーアセンブリが複数のバーナーユニットを含む場合、いくつかの実施形態では、第１の容積部から本体の開口部の外側に延在する部分は、複数のバーナーユニットの共通部分として共有されてもよい。
好ましくは、スワールミキサーは、第１の燃料入口と第２の燃料入口との間における、中心軸線に垂直な平面と交差するポイントに配置されており、この平面は、第１の端部から最も離れた中心軸線に沿うポイントから複数のベーンの１つの内径以下にある中心軸線に沿うポイントと交差し、当該ポイントにおいて、中心軸線に直交する平面がバーナー壁と交差する。
特定の実施形態では、ベーンはバーナー壁の一部として形成され、バーナー壁はベーンまたはスワールミキサーとともに製造されるか、またはバーナー壁は、個別のバーナーユニットの追加を伴わずに、バーナー壁からベーンを形成するよう切断加工または機械加工される。
少なくとも１つのバーナーユニットは、バーナー壁の開口部を通って延在するため、各バーナーユニットの第１の端部は、第１の容積部の周囲の一部を画定すると考えられてもよい。同様に、各バーナーユニットの第２の端部は、第２の容積部の周囲の一部を画定すると考えられてもよい。そのためスワールミキサーが第１の容積部内の第１の端部に向かってより多く配置される場合には第１の容積部が減少し、スワールミキサーの第２の側が第２の容積部内の第２の端部に向かってより多く配置される場合には第２の容積部が減少する。
好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットは、より好ましくはバーナーユニットの内部容積部を規定するバーナーユニットの外側本体を備える。したがって内部容積部は、第１の容積部に含まれる（つまりその一部である）。好ましくは、バーナーユニットの外側本体は、少なくとも１つの開口部（少なくとも１つの空気入口開口部）を画定する。好ましくは、流体流路は、酸化剤入口から第１の容積部へ、バーナーユニットの内部容積部へ、そして第２の容積部へ向けて（すなわち酸化剤入口から、第１の容積部へ、そして第１の容積部の内部容積部を経て第２の容積部へ向けて）画定される。好ましくは、第１の燃料入口は、内部容積部内に配置される。
文脈において特に記載されない限り、「１つの少なくとも１つのバーナーユニット」および「少なくとも１つのバーナーユニット」との表現は、好ましくはそれぞれ少なくとも１つのバーナーユニットについて言及しており、かつ適切には個々のバーナーユニットに言及するものである。
好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットは、バーナー壁の開口部を通って第１の容積部から第２の容積部に向かって延在する外側カラーを備え、外側カラーは外径、内径、第１の端部および第２の端部を有する。好ましくは、外径は、バーナー壁の開口部の直径に等しい。
好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットは、バーナー壁の開口部を通って第１の容積部から第２の容積部に向かって延在する内側カラーを含む。内側カラーは、外径、内径、第１の端部および第２の端部を有する。
好ましくは、外側カラーの第１の端部および内側カラーの第１の端部は、スワールバーナーアセンブリの第１の端部に最も近い外側カラーの端部および内側カラーの端部である。同様に、外側カラーの第２の端部および内側カラーの第２の端部は、好ましくは、スワールバーナーアセンブリの第２の端部に最も近い外側カラーの端部および内側カラーの端部である。
より好ましくは、外側カラーの第２の端部は、中心軸線に垂直な平面と交差し、当該平面は、スワールミキサーとスワールバーナーアセンブリの第２の端部との間に延在する平面であり、当該平面は、複数のベーンの内径の１つに等しいかあるいは複数のベーンの内径の１つと幾何学的な中間ポイントから下流にある複数のベーンの直径の半分との間の中心軸線に沿うポイントと交差する。
より好ましくは、外側カラーの第１の端部は、中心軸線に垂直な平面と交差し、当該平面は、スワールミキサーとスワールバーナーアセンブリの第１の端部との間を延在し、当該平面は、外側カラーの第２の端部の上流の複数のベーンのうちの２つの外形に等しいかまたはその範囲内の所定のポジションにおけるポイントと交差する。
特定の実施形態では、外側カラーの一部または全部を、バーナーユニットの外側本体によって形成することができる。
より好ましくは、内側カラーの第２の端部は、中心軸線に垂直な平面と交差し、当該平面は、中心軸線に沿う所定のポジションにおけるポイントと交差し、当該平面は、スワールミキサーとスワールバーナーアセンブリの第２の端部との間に延在し、当該平面は、幾何学的な中間ポイントから下流にある複数のベーンの内径の半分以下の中心軸線に沿うポイントと交差する。
より好ましくは、内側カラーの第１の端部（内側カラーの第１の端部のうちスワールバーナーアセンブリの第１の端部に最も近い部分）は、第１の燃料入口の下流および内側カラーの第２の端部の上流に配置される。
好ましくは、内側カラーの外径は、外側カラーの内径よりも小さい。より好ましくは、内側カラーは、外側カラーの半径方向において内部に（すなわち半径方向内側に）配置される。
特定の実施形態では、外側カラーは、バーナー壁の一部として形成され、壁に一体化される。このような実施形態では、外側カラーは、本体の第１の端部および／または第２の端部へ向けてさらに延在することができる。例えば、外側カラーは、バーナー壁から押出加工されるか、形状付けられるか、プレス加工されるか、または他の方法で形成されてもよい。同様に、内側カラーは、バーナー壁の一部として形成されてもよい。
好ましくは、複数のベーンは外側カラー内に配置される。より好ましくは、複数のベーンは、外側カラーと内側カラーとの間において半径方向に延在する。好ましくは、外側カラーの内径は複数のベーンの外径に等しく、内側カラーの外径は複数のベーンの内径に等しい。
いくつかの実施形態では、複数のベーンは、単一のカラーによって支持されるように、内側カラーまたは外側カラーのうちの単一のものから延在してもよく、このような実施形態では、複数のベーンの外径は、外側カラーの内径よりも小さくてもよく、あるいは複数のベーンの内径は、内側カラーの外径より大きくてもよい。
当業者は、ベーンを、内側カラーの一部として、または外側カラーの一部として、あるいは内側および外側カラーの一部として、もしくは外側カラーの一部として製造することを理解されよう。外側カラーは、例えば、バーナーユニットの外側本体の一部として、バーナーユニットの一部である。
カラーは、複数のベーンよりもさらに第２の容積部内に延在し得るため、バーナーの特性に影響を及ぼす可能性がある。
２つ以上のバーナーユニットがある場合、好ましくは、各バーナーユニットは、そのバーナーユニットのためのバーナー壁の開口部を通って延在する内側カラーおよび外側カラーを有する。
好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットは、第１の端部と、第２の端部と、内径および外径とを有する第１の燃料パイプを備える。好ましくは、第１の燃料パイプは、第１の燃料入口を画定する。好ましくは、第１の燃料パイプは、内側カラーの外径の半径方向内側に配置される。より好ましくは、第１の燃料パイプの外径は、内側カラーの外径に等しいかそれよりも小さい。
好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットは、第１の端部、第２の端部、内径および外径を有する第２の燃料パイプを備える。好ましくは、第２の燃料パイプは第２の燃料入口を画定する。好ましくは、第２の燃料パイプは、複数のベーンの内径の半径方向内側に配置される。より好ましくは、第２の燃料パイプは、第１の燃料パイプの半径方向内側に設けられる。
他の実施形態では、第２の燃料パイプは、本体からバーナーユニットまで半径方向内方に延在してもよい。より好ましくは、第２の燃料入口は、本体からバーナーユニットまで第２の容積部を通って延在する。
好ましくは、第１および第２の燃料入口は、複数のベーンの内径の半径方向内側に配置される。
好ましくは、第１および第２の燃料入口は、中心軸線にほぼ平行な軸線に沿って整列されているか、または中心軸線にほぼ平行な軸線に沿って独立して整列されている。
好ましくは、複数のベーンの外径は、複数のベーンの内径よりも大きく、２倍から４倍、より好ましくは約３倍大きい。
好ましくは、第１のポイントは、第１の端部に最も近い中心軸線に沿うポイントであり、このポイントにおいて中心軸線に直交する平面は、複数のベーンのうち複数のベーンに沿って流れる流体に角運動量を誘起するように構成された部分と交差する（すなわち所定のポイントにおいて複数のベーンと交差する）。そのため、その上を流れる流体に角運動量を誘起しない部分と湾曲部分とを有する複数のベーンを有するバーナーユニット（例えばそうしたベーンは、特に中心軸線に略平行な軸線の周りを半径方向に移動しない直線部分を有する）において、第１のポイントは湾曲部分の始点として考えられる。
本発明が規定する範囲内で、ＨＣＶ入口は第２の容積部へ向けられてもよく、またはＬＣＶ入口は第１の容積部へ向けられて位置決めされてもよい。このような再位置決めは、ある程度は燃焼に悪影響を及ぼさない、つまりスワールバーナーアセンブリはもはやその機能に影響しない。
バーナー壁および第２の端部によって画定された第２の容積部は、炎管と称されてもよい。好ましくは、炎管は略円筒形のものであり、内径および外径を有しており、中心軸線を中心として配置される。より好ましくは、炎管の内径は、複数のベーンの外径の２〜３倍である。より好ましくは、炎管の内径は、複数のベーンの外径の２．５倍である。
好ましくは、第１の燃料入口および第２の燃料入口の少なくとも一方がノズルである。少なくとも１つのノズルのそれぞれは、燃料入口において少なくとも１つのホールによって画定される。少なくとも１つのホールは、任意の形状とすることができる。少なくとも１つのホールの面積の合計は、単一の円形ホールの面積と等しい円直径を有する。少なくとも１つのホールの面積の合計は、流動面積とも称される。例えば第１の燃料入口流動面積または第２の燃料入口の流動面積、もしくは第１または第２の燃料入口の流動面積である。
そうした入口は、第１または第２の燃料パイプ内のオリフィスであってもよい。入口は、第１または第２のパイプの第２の端部に配置する必要はなく、パイプに沿って配置することができる。第１または第２の燃料入口が複数の開口部を含む場合、燃料入口の位置は、好ましくは、中心軸線に沿った流動面積の加重平均の平均値であると定義される。
好ましくは、スワールバーナーアセンブリは、点火装置を含む。好ましくは、点火装置は、第２の容積部に配置される。より好ましくは、点火装置は、第２の容積部から、本体の外側に延在する。より具体的には、点火装置は、第２の容積部から、本体から半径方向外側に延在することができる、すなわち第２の容積部から半径方向外向きに本体の外側に延在してもよい。より好ましくは、点火装置の点火端は、第２の容積部内に配置される。特定の実施形態では、点火装置は、本体の第２の端部を越えて配置される。特定の実施形態では、点火装置は、バーナー壁を通って、または本体の第２の端部の壁を通って延在する。
好ましくは、バーナー壁は、少なくとも１つの空気分離開口部を有している（すなわち画定している）。空気分離開口部はバーナー壁の第１の容積部側から第２の容積部側に延在する少なくとも１つのホール（すなわちオリフィス）を含む。より好ましくは、少なくとも１つの空気分離開口部は、複数のベーンの外径に対して半径方向に同心である。より好ましくは、少なくとも１つの空気分離開口部は、同心円状に配置された連続ホールである。
ホールとの用語が使用されるが、ホールは、第１の容積部から第２の容積部へと軸線方向に延びるバーナー壁のチャネルまたは開口部を実現する任意の形状または形状をとることができる。
好ましくは、バーナー壁の少なくとも１つの空気分離開口部は、複数のベーンの外径の半径方向外側に位置決めされる。より好ましくは、バーナー壁の少なくとも１つの空気分離開口部は、本体の半径方向内側に位置決めされる。
好ましくは、設けられる場合には、少なくとも１つの空気分離開口部は、酸化剤の流れの一部が、少なくとも１つのホールを通って第１の容積部から第２の容積部に流動できるようにする。
より好ましくは、少なくとも１つの空気分離開口部は、少なくとも１つのバーナーユニットの複数のベーンの下流において酸化剤および燃料の混合物が少なくとも１つのバーナーユニットを通過するように、少なくとも１つの空気分離開口部を通る酸化剤流が第２の容積部内に集まる。
バーナー壁の少なくとも１つの空気分離開口部は、スワールバーナーアセンブリの異なる動作をもたらす。スワールミキサーを通って第２の容積部に入るすべての酸化剤および燃料の代わりに、ある酸化剤は、燃料と事前に混合することなく第２の容積部に直接入ることができる。これは、バーナー壁の少なくとも１つの空気分離開口部を通る酸化剤の流れが、点火された燃料の周りのスワールバーナーアセンブリの第２の端部に酸化剤の流れを提供するという点において有利である。酸化剤のこの流れは、点火されたガスの熱から本体を部分的に離すバリア（「酸化剤カーテン」）を形成する。
空気分離開口部がスワールミキサーから半径方向にさらに離れるよう位置決めされる実施形態では、これにより酸化剤の流れを本体に沿って方向付けることができ、それによって、より多くの層流をもたらし、点火されたガスの熱に耐えるより持続可能な境界状態を作り出す。
好ましくは、スワールバーナーアセンブリ、特に少なくとも１つの空気分離開口部は、使用時に、少なくとも１つの空気分離開口部を通る酸化剤流が、スワールミキサーを通過する全酸化剤の流れの５％〜２０％となるように適合されるか構成される。より好ましくは、スワールミキサーを通過した酸化物の流れの７．５％〜１５％、より好ましくは８．７５％〜１２．５％である。
特定の実施形態では、本体は、バーナー壁から第２の端部まで延在する単一壁を備える。単一壁は、本体の内面を画定して第２の容積部を画定する内面を有する。
他の実施形態では、本体は、複数の壁を有する本体であり、複数の壁は、バーナー壁から第２の端部まで延在し、内壁が、本体の内面を画定して第２の容積部を画定し、内壁の外側に外壁が配置される。バーナー壁、内壁、外壁および第２の端部の間に第３の容積部が画定される。より詳細には、第３の容積部は、バーナー壁と、外壁の内面と、内壁の外面と、第２の端との間に画定される。
好ましくは、バーナー壁は、第１の容積部と第３の容積部との間に少なくとも１つのバイパス開口部をさらに備える。そのため流体流路は、酸化剤入口から第１の容積部へ、そして少なくとも１つのバイパス開口部から第３の容積部へ画定される。
酸化剤は、第３の容積部から、独立してまたは第２の容積部から排出される流体と一緒に排出されてもよい。例えば、第２の容積部および第３の容積部と流体連通している排出部（例えば、スワールバーナーの本体排出部）を設けることができる。あるいは、第２および第３の容積部とは別の排出部を設けてもよい。
文脈において特に記載されない限り、本明細書において開口部とは、構成要素のホール、溝、開口または通路を示し、そうした用語は置き換え可能に使用される。各開口部は、ホール、チャネル、およびスロットからなるグループから独立的に選択された形状を有してもよい。開口部はそれぞれ、円形、楕円形、長円形、矩形、腎臓形（すなわち腎臓の形）、および準環形状（すなわち略環状）からなるグループから選択される断面形状を有することができる。
好ましくは、バーナー壁の少なくとも１つのバイパス開口部は、中心軸線に関して同心状に配置されるか、または複数のベーンの外径に関して同心状に配置される。より好ましくは、少なくとも１つのバイパス開口部は、連続ホールまたは同心円状に配置された一連のホールである。
好ましくは、設けられる場合、少なくとも１つのバイパス開口部は、所定の割合の酸化剤が、第２の容積部を通って流れることなく、第１の容積部から第２の端部に流動できるようにする。
少なくとも１つのバイパス開口部および第３の容積部を通る第２の端部への流路は、所定の割合の入口酸化剤が少なくとも１つのバーナーユニットを迂回できるようにする。これによって、燃焼に悪影響を及ぼすことなく（すなわち、少なくとも１つのバーナーユニットにおけるラムダを許容範囲内に保つことなく）より大きな酸化剤の流れが第１の容積部を通過できるようにする。これは、スワールバーナーアセンブリがより広範のラムダ値にわたって作動できる点において大きな利点を提供する（ラムダ値は、第１の容積部へ向けて酸化剤入口を通る酸化剤の流れと、第１および第２の燃料入口を通る燃料の流れとに基づいて計算される）。
好ましくは、各第１燃料入口はＨＣＶ燃料源と流体連通している。好ましくは、各第２燃料入口は、ＬＣＶ燃料源と流体連通している。
好ましくは、スワールバーナーアセンブリは、燃料電池システム用のバーナーである。より好ましくは、スワールバーナーアセンブリは、テールガスバーナーであり、テールガスバーナーは、燃料電池スタックからアノードおよびカソードオフガスを燃焼させるのに適したバーナーである。
好ましくは、スワールバーナーアセンブリは、燃料電池アセンブリまたはシステム、より好ましくは固体酸化物形燃料電池システム、より好ましくは中間温度固体酸化物形燃料電池システムと一体化されている。
好ましくは、スワールバーナーアセンブリは、燃料電池システム、より好ましくは燃料電池システムの燃料電池スタックと流体連通している。好ましくは、酸化剤入口は酸化剤源と流体連通している。より好ましくは、酸化剤入口は、少なくとも１つの燃料電池スタックのカソードオフガス出口と流体連通している。好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットは、少なくとも１つの燃料電池スタックのアノードオフガス出口と流体連通している。より好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットの第１の燃料入口は、燃料電池システムのための少なくとも１つの燃料源と流体連通している。好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットの第２の燃料入口は、少なくとも１つの燃料電池スタックのアノードオフガス出口と流体連通している。
好ましくは、燃料電池システムは固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムである。より好ましくは、燃料電池システムは、中間温度個体酸化物燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システムである。
スワールバーナーアセンブリは、当該技術分野において知られている材料、例えば、パイプおよび壁のための金属合金およびチューブのためのガラスから形成されてもよい。高温のために、材料は高温耐性を有していなければならない。
また、本発明によれば、本発明に基づくスワールバーナーアセンブリを操作する方法が提供される。この方法は、
（ｉ）酸化剤入口に酸化剤を供給するステップと、
（ｉｉ）ＨＣＶ燃料の少なくとも１つを含む燃料を第１の燃料入口に供給し、ＬＣＶ燃料を第２の燃料入口に供給するステップと、
（ｉｉｉ）第２の容積部で燃料を燃焼させるステップと、を含む。
好ましくは、ＨＣＶ燃料がＨＣＶ燃料入口に供給されるとき、酸化剤およびＨＣＶ燃料の流れは、第１の燃料入口とスワールミキサーとの間の第１の容積部内に集まり、ＬＣＶ燃料がＬＣＶ燃料入口に供給されるとき、酸化剤とＬＣＶ燃料の流れは、スワールミキサーと第２の端部との間の第２の容積部に集まる。
上述のように、好ましくは、ＨＣＶ燃料は、メタン、エタンまたはプロパンまたはそれらの任意の組合せを含む燃料である。より好ましくは、ＨＣＶ燃料は、３６〜８５ＭＪ／ｍ３のウォッベ指数を有する燃料であると考えられる。典型的なＨＣＶ燃料は天然ガスであり、天然ガスのウォッベ指数は４８〜５４ＭＪ／ｍ３である。
好ましくは、ＬＣＶ燃料は、Ｈ２、ＣＯまたはＣＯ２の高い割合を有する燃料である。より好ましくは、ＬＣＶ燃料のウォッベ指数は、典型的には１８〜３５ＭＪ／ｍ３、より好ましくは２２〜２６．５３ＭＪ／ｍ３である。
好ましくは、酸化剤は、空気または運転中の燃料電池からのカソードオフガスである（このような酸化剤は、空気と比較して部分的に酸素が欠失している）。より好ましくは、酸化剤は、運転中の固体酸化物形燃料電池からのカソードオフガス、より好ましくは、運転中の中間温度固体酸化物形燃料電池からのカソードオフガスである。
ＬＣＶ燃料は、ＨＣＶ燃料などの炭化水素燃料の改質によって形成することができ、改質プロセスは、空気または蒸気などの酸化剤による処理を含むことができる。ＬＣＶは、スワールバーナーアセンブリに入る前に燃料電池内で電気化学反応を起こしてもよい。ＳＯＦＣ燃料電池スタックのアノードオフガスは、ＬＣＶ燃料であると考えることができる。
好ましくは、炭化水素燃料の改質は、燃料電池システムでなされる。より好ましくは、スワールバーナーアセンブリは、燃料電池システムと一体であり、燃料電池システムによって生成されたアノードを燃焼させる。
好ましくは、ＨＣＶ燃料および／またはＬＣＶ燃料は、点火装置によって第２の容積部で点火または燃焼される。より好ましくは、点火は、複数のベーンの下流で行われる。好ましくは、第２の容積部内で燃料を燃焼させるステップは、第２の容積部内で燃料を点火して燃焼させるステップを含む。
好ましくは、第１の容積部および第２の容積部の少なくとも１つは、シールされたまたは密閉された容積部である。より好ましくは、バーナーユニットは、本体の開口部から外側に延在するときにシールを形成する。
好ましくは、燃焼されたガス、本体の第２の端部（すなわち下流端部）を通って第２の容積部から流出するかまたは排出される。
バーナー壁が第１の容積部を第２の容積部から分離するという事実によって、燃料の燃焼を第２の容積部で発生させかつ第２の容積部に限定することが可能となる。これは、燃焼の前にスワールバーナーアセンブリの特定の部分においてさまざまな燃料の混合を制御できるようにする。これにより、酸化剤およびＨＣＶ燃料がすべて炎管に到達するように複数のベーンを通過しなければならないためにかつバーナー壁にはバイパスもホールもないため、さまざまな混合量およびさまざまな混合度が実現可能となる。
酸化剤およびＨＣＶ燃料は、複数のベーンを通って流れ、第２の容積部に流入する。炎管に入る前に酸化剤流およびＨＣＶ燃料流が集まることで、２つの流れの混合を引き起こされる。複数のベーンを通る流れは、燃焼が限定される炎管のさらに前に、２つの流れをさらに混合させる。
第２の容積部で酸化剤と燃料との混合物が燃焼され、この燃焼による生成物がスワールバーナーアセンブリから排出される。好ましくは、このプロセスから生成された熱は、燃料電池スタックおよび燃料電池システムを加熱するために使用される。
好ましくは、酸化剤および少なくとも１つのＨＣＶ燃料およびＬＣＶ燃料の流れは、スワールバーナーアセンブリへのガス流の燃料に対する酸化剤の比率（ラムダ）が１〜２０ラムダ、より好ましくは１〜１８ラムダ、より好ましくは１〜１０ラムダ、または２〜１８ラムダとなるようになされる。より好ましくは、スワールバーナーが（ＬＣＶ燃料を伴わずに）酸化剤およびＨＣＶ燃料の流れを有するとき、スワールバーナーアセンブリは、５ラムダ未満の酸化剤対燃料比で動作する。
ラムダの関連する測定値は、バーナー入口、すなわち酸化剤入口とＨＣＶ入口とＬＣＶ入口とにおけるものである。
スワールバーナーアセンブリが燃料電池システムと一体である実施形態では、スワールバーナーアセンブリへの酸化剤の流れおよびある程度のＬＣＶの流れが燃料電池スタックによって影響されかつ電流がそこに引き出されるため、スワールバーナーアセンブリは、広範なラムダ範囲にわたって動作することができる点で有利となる。このように、スワールバーナーアセンブリが安定燃焼を維持する大きなラムダ動作範囲は、
（ａ）酸化剤の流れを制限することによって、スワールバーナーアセンブリが酸化剤流が燃料電池スタックの動作に影響を受けるのを防止し、かつ／または、
（ｂ）すべてのカソードオフガスおよびアノードオフガスをスワールバーナーアセンブリに流れることを可能にする。
好ましくは、少なくとも１つのバイパス開口部および／または少なくとも１つの空気分離開口部は、スワールバーナーアセンブリに供給される酸化剤および燃料（第１および第２の燃料入口を通過する燃料）のラムダ範囲を２倍にするように適応される。
好ましくは、少なくとも１つのバイパス開口部および／または少なくとも１つの空気分離開口部は、２〜１８ラムダの酸化剤対燃料比でスワールバーナーに供給される酸化剤および燃料の流れの結果に適応される。
第１の燃料入口または第２の燃料入口の少なくとも１つのノズルの円相当径は、第１の燃料入口または第２の燃料入口を通る際に要求される速度によって規定されてもよい。好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットの第１の燃料入口を通るＨＣＶ燃料の速度は３〜６ｍ／ｓである。より好ましくは、少なくとも１つのバーナーユニットの第２の燃料入口を通るＬＣＶ燃料の速度は１０〜３５ｍ／ｓである。
本明細書において構成要素を含むことを特定するために使用される「備える」との用語は、さらなる構成が存在しない実施形態も含む。
本発明の特定の好ましい態様は、特許請求の範囲に記載の独立項に記載されている。従属請求項の特徴は、必要ならば独立請求項の特徴と組み合わせることができ、特許請求の範囲に明確に記載されているものだけでなく適切に組み合わせられる。
本発明に基づくスワールバーナーアセンブリの部分的に切り欠かれた平面図である。 図１のスワールバーナーアセンブリの第１の端面図の概略図である（図１は図１Ａの線Ａ−Ａに沿ってなされた図である）。 図１のスワールバーナーアセンブリの第２の端面図の概略図である（便宜的に図１Ａおよび図１Ｂでは、部品の概略的な配置を確実に明確に示すために点火装置を９０度回転させかつ空気入口をわずかに回転させた状態で図示する）。 図１において「Ａ」でマークされた特徴の詳細な概略図である。 エアカーテンの特徴をさらに含む、本発明によるスワールバーナーアセンブリの部分的に切り欠かれた概略図である。 図３において「Ｂ」でマークされた特徴の詳細な概略図である。 バイパス構造をさらに含む、本発明によるスワールバーナーアセンブリの部分的に切り欠かれた概略図である。 図５において「Ｃ」でマークされた特徴の詳細な概略図である。 エアカーテンおよびバイパスの特徴を含む、本発明によるスワールバーナーアセンブリの部分的に切り欠かれた概略図である。 本発明によるスワールバーナーの動作段階の試験結果データによる傾向を示す図である（時間に対する温度および排出量が図示されており、ここでは、スワールバーナーは最初は始動運転モードであり、続いて定常運転モードとなる）。 図８Ａの動作段階からの試験結果データによる傾向を示す図である（時間に対する燃料流量が示される）。 図８Ａの動作段階からの試験結果データによる傾向を示す図である（時間に対するラムダが示される）。 本発明によるスワールバーナーの動作段階の試験結果データによる傾向を示す図である（時間に対する温度および排出量が示されている。ここでは、定常状態でのスワールバーナーが段階的に変更される）。 図９Ａの動作段階からの試験結果データによる傾向を示す図である（時間に対する燃料流量が示されている）。 図９Ａの動作段階からの試験結果データによる傾向を示す図である（時間に対するラムダが示されている）。 本発明によるスワールバーナーの動作段階の試験結果データからの傾向を示す図である（時間に対する温度および排出量が示されている。ここではスワールバーナーが高温始動される）。 図１０Ａの動作段階からの試験結果データからの傾向を示す図である（時間に対する燃料流量が示されている）。 図１０Ａの動作段階からの試験結果データからの傾向を示す（時間に対するラムダが示されている）。
当業者にとって本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ実施可能な開示は、本明細書の残りの部分でより詳細に説明される。本明細書では本発明の実施形態を詳細に参照して、その１つ以上の例について以下で説明する。個々の実施例は、本発明の説明のために提供されたものであり、本発明を限定するものではない。
当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明において様々な変更および変形が可能であることは明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として記載された特徴は、別の実施形態で使用され、さらに別の実施形態をもたらすことができる。そのため本発明は、特許請求の範囲およびそれらの同等物の範囲内にそうした変更および変形も含む。
本発明の他の目的、特徴および態様は、本明細書の残りの部分で開示される。当業者には理解されるように、本開示は単なる例示的な実施形態の説明であり、例示的な構成で実施される本発明のより幅広い態様を限定するものとは意図してない。
本明細書で使用される参照符号のリストを説明の最後に付与する。本明細書および図面における参照符号を繰り返して使用することは、同じまたは類似の特徴または要素を示すことを意図している。
この説明のために、バーナー、スワールバーナーおよびスワールバーナーアセンブリとの用語は、本発明のスワールバーナーアセンブリを示し、必要に応じて簡単に置き換え可能であることを理解されたい。
以下の特定の実施形態では、燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池スタックを含むＩＴ−ＳＯＦＣ（中間温度固体酸化物形燃料電池）システムであり、少なくとも１つの燃料電池スタックの燃料電池は、典型的に４５０〜６５０℃で作動する。他の実施形態では、対応する作動温度範囲で他の燃料電池システムが使用される。
図１を参照すると、スワールバーナーアセンブリ１０が図示されている。スワールバーナーアセンブリ１０は、中心軸線１２’を有する略円筒形の（すなわち主にシリンダ形状の）スワールバーナー本体１２と、スワールバーナー本体上端壁１６と、スワールバーナー本体下端壁１４と、を備える。スワールバーナー本体下端壁１４は、スワールバーナー本体下流端部３０を画定する。
「スワールバーナー上端壁１６」との用語は本明細書全体を通して使用されているが、この部分は「スワールバーナーの第１の端部」とも称される。同様に「スワールバーナー下端壁１４」は、「スワールバーナーの第２の端部」とも称される。
スワールバーナーアセンブリ１０は、本体１２の円筒形状を半径方向において横断するように本体１２と交差するバーナー壁４０によってセグメント化されている。バーナー壁４０は、スワールバーナー本体下流端部３０に面する下流面４２を有する。バーナー壁４０はまた、スワールバーナー本体上端壁１６に面する上流面４４を有する。本体１２のうち本体上端壁１６とバーナー壁４０との間にある部分は、本明細書ではバーナー管５０と称される第１のセクションを画定する。本体１２のうちバーナー壁４０と本体下端壁１４との間にある部分は、略円筒形でありかつ本体内面６４と本体外面６６とを有する第２のセクションを画定する。
第１の容積部５２は、バーナー壁上流面４４、スワールバーナー本体上端壁１６の内面５４、およびバーナー管内面５６によって画定される（つまりそれらの間に画定される）。同様に、第２の容積部６２は、本体内面６４、スワールバーナー本体下端壁１４およびバーナー壁下流面４２によって画定される（つまりそれらの間に画定される）。
バーナーユニット１００は、バーナーユニットの第１の端部２０と、バーナーユニットの第２の端部１２４とを有する。バーナーユニットの第１の端部２０（上流端部）は、スワールバーナーアセンブリ１０から、特にスワールバーナー本体の上端壁１６の開口部１６’を通って第１の容積部５２から突出する。バーナーユニットの第２の端部１２４（下流端部）は、バーナー壁４０の開口部４０’を通って第１の容積部５２から第２の容積部６２に突出する。
バーナー壁４０およびスワールバーナー本体の上端壁１６は、バーナーユニット１００をこれらを貫通させるかまたはこれらを通して配置できるように、バーナー壁４０およびスワールバーナー本体の上端壁１６に画定された開口部（それぞれ開口部４０’および開口部１６’）を有する。これにより、バーナーユニット１００を、スワールバーナー本体１２とは別に製造できる。そのためアセンブリは、スワールバーナー本体上端壁１６の開口部１６’およびバーナー壁４０の開口部４０’を通るようにバーナーユニット１００の配置することだけを単純に必要とする。
バーナーユニット１００のショルダー１１２は、バーナー壁４０に当接し、バーナーユニット１００がスワールバーナー本体１２および第２の容積部６２内へさらに進入することを防止する。バーナーユニット１００は、その後、スワールバーナー本体の上端壁１６においてバーナーユニット１００をスワールバーナー本体１２に溶接で接合することによって適所に拘束される。他の実施形態では、はんだ付け、ろう付け、タック止めまたは当技術分野で知られている他の接合技術を含む他の接合技術が使用される。これにより、第１の容積部（第１の容積部５２）が包囲されるようにバーナーユニット１００とスワールバーナー本体の上端壁１６との間にシールが形成される。同様に、ショルダー１１２がバーナー壁４０に当接すると、それらの間でシールが形成される。
以下では、単一のバーナーユニットを説明するが、他の実施形態（図示せず）では、複数のバーナーユニット１００が使用されてもよい。複数のバーナーユニット１００は、スワールバーナー本体１２を通り（例えばスワールバーナー本体の上端壁１６を通り）、第１の容積部５２を通り、バーナー壁４０を通って第２の容積部６２に入る。
図１に示すスワールバーナーアセンブリ１０において、バーナーユニット１００は、第１の容積部５２を通過し、バーナー管の内面５６からほぼ等距離に配置される。バーナー管の内面５６の一部は、空気入口７０およびスワールバーナー本体１２を通って第１の容積部５２に空気を供給できるようにする開口部を有する。同様に、スワールバーナー本体１２を点火装置開口部８２が通過し、当該点火装置開口部８２を通って、点火装置８０が第２の容積部６２内に突出する。
点火装置８０および空気入口７０は、図１に示されるようにスワールバーナー本体１２の軸線を横切って互いに対向するように位置決めされる。他の実施形態（図示せず）では、空気入口７０と点火装置８０の位置を変えることができる。
第１の容積部５２に空気が供給され、点火装置８０のスパークによって第２の容積部６２に燃料の初期点火が実施される。
第２の容積部６２は、内部でガスが燃焼される炎管を画定する。
スワールバーナー本体排出部１５を図１Ａおよび１Ｂに示す。（スワールバーナー本体排出部１５は、スワールバーナー本体下端壁１４の付近に配置され、ガスを第２の容積部６２から排出する、つまり第２の容積部６２と流体連通している）。簡潔にするためにかつ便宜上、スワールバーナー本体排出部１５は図１には示されていない。便宜上、図１Ａおよび図１Ｂは、部品の概略的な配置が明確に示されることを確実にするために、点火装置８０を９０度回転させ、空気入口７０をわずかに回転させて示している。
図２を参照すると、スワールバーナーアセンブリ１０およびバーナーユニット１００のより詳細な図が示されている。バーナーユニット１００のうち第１の容積部５２を通過する部分はバーナーユニット外側本体１１０を有しており、バーナーユニット外側本体１１０は、ほぼ円筒形であり、かつスワールバーナー本体１２と同じ円筒方向に（中心軸線１２’上において）整列されている。バーナーユニット１００は、バーナー壁４０のおおまかな方向に面するバーナーユニット上部内面１１１を有する。バーナー壁４０の開口部４０’を通って第２の容積部６２に入るバーナーユニット１００の端部は、バーナーユニットの第２の端部１２４（すなわちバーナーユニットの下端部）である。バーナーユニットの外側本体１１０は、壁のある本体であり、所定の厚さを有する。バーナーユニットの外側本体１１０の内面は内面１１４である。バーナーユニット内部容積部１１６は、内面１１４と、バーナーユニットの上部内面１１１と、バーナーユニットの第２の端部１２４とによって規定される（すなわちそれらの間に画定される）。
バーナーユニットの外側本体１１０は、バーナー壁４０の開口部４０ ’を通って第２の容積部６２内に突出する。バーナーユニットの外側本体１１０がバーナー壁４０を通って突出する場合、バーナーユニットの外側本体１１０はショルダー１１２を有する。ショルダー１１２は、バーナーユニットの第１の端部２０から離れた側においてステップ状になされており、そのため、バーナーユニットの外側本体１１０の壁厚は減少する（組み立てられたスワールバーナーアセンブリ１０において、これは、バーナーユニット１００がバーナー壁４０を通って突出する前にバーナー壁下流面（４２：図１）に到達するポイントにおけるものである）。厚さが低減された壁を有するバーナーユニットの外側本体１１０の部分は外側カラー１４０であり、外側カラー１４０は、同じ内側面１１４を共有し、かつ外側カラーの外側表面１４４を有する。外側カラー１４０は、バーナー壁４０を通って、バーナーユニットの第２の端部１２４のところまで、第２の容積部６２に突出する。
ショルダー１１２は、バーナー壁下流面（４２：図１）に対して拘束されており、これは、バーナーユニット１００がバーナー壁４０およびスワールバーナー本体上端壁１６の開口部を通るよう位置決めされた場合に、ショルダー１１２がバーナー壁上流面４４を通過するのを防止するため利点となる。スワールバーナーアセンブリを組み立てる際、これによって、バーナーユニット１００を第１の容積部５２を通るようにどのくらい離れて配置すべきか測定することを必要とせずに、スワールバーナー本体１２にバーナーユニット１００を簡単に挿入することができる。これによって、製造されるスワールバーナーアセンブリ１０の数に関係なく、バーナーユニット１００の機械加工およびバーナーユニット１００の位置を規定するためのショルダー１１２の位置決めを実施でき、バーナーユニット１００のスワールバーナー本体１２に対する位置決めがより均一になる。製造が均等である場合にはバーナーユニット１００を位置決めするために付加的な測定を必要としないので、スワールバーナーアセンブリ１０の組立てプロセスをより迅速に実施できる。
バーナーユニットの外側本体１１０は、第１の容積部５２に隣接する少なくとも１つの空気流入ホール１１５（この実施形態では複数の空気流入ホール１１５）と、内面１１４を通るバーナーユニットの内部容積部１１６とを有する。これらの空気流入ホール１１５は、第１の容積部５２からバーナーユニット内部容積部１１６へのガスの通過を可能にする（なお反対方向では、スワールバーナーアセンブリ１０の動作はこれを妨げるべきである）。空気流入ホール１１５は円筒状であり、外側本体１１０のシリンダ形状の円周の周りに配置されている。他の実施形態（図示せず）では、空気流入ホール１１５に関して他の形状も可能である。
空気流入ホール１１５とは別に、第１の容積部５２は、通常、その内部のバーナーユニット内部容積部１１６から密閉されている。これによって、空気入口７０からの空気は、確実に、第２の容積部６２に流入する前に空気流入ホール１１５を通って移動しなければならない。
バーナーユニットの外側本体１１０に対して平行に延在するとともにバーナーユニットの外側本体１１０の半径方向内側に位置するのは、ＨＣＶ燃料チューブ１２０である。ＨＣＶ燃料チューブ１２０は、バーナーユニット１００内のバーナーユニット上部内面１１１からバーナーユニット内部容積部１１６内に突出している。ＨＣＶ燃料チューブ１２０は、ＨＣＶ燃料チューブの内面１２１とＨＣＶ燃料チューブの外面１２２とを有する壁付きシリンダである。ＨＣＶ燃料チューブ１２０の下流端には、ＨＣＶ入口１２５がある。
ＨＣＶ燃料チューブ１２０に対して平行に延在するとともにＨＣＶ燃料チューブ１２０の半径方向内側に配置されるのは、ＬＣＶ燃料チューブ１３０である。フィンガー１３０’が、ＬＣＶ燃料チューブ１３０から延在し、ＨＣＶ燃料チューブ１２０内でＬＣＶ燃料チューブ１３０を中心に位置決めする。ＬＣＶ燃料チューブ１３０は、バーナーユニットの上部内面１１１を通って突出しており、かつＨＣＶチューブ内容積部１２３を通り、ＨＣＶ入口１２５を通り、バーナーユニット第２の端部１２４を通り（バーナー壁４０の開口部４０’を通り）、そして第２容積部６２へ入る。ＬＣＶ燃料チューブ１３０は、主に内面１３１および外面１３２を有する壁付きシリンダである。ＬＣＶ燃料チューブ１３０の下流端には、ＬＣＶ入口１３５が設けられている。
ＨＣＶチューブの内部容積部１２３は、ＨＣＶ燃料チューブ内面１２１、ＬＣＶチューブ外面１３２、ＨＣＶ入口１２５、およびバーナーユニットの第１の端部２０によって画定される（すなわちそれらの間に画定される）。ＬＣＶチューブ内部容積部１３３は、ＬＣＶチューブ内面１３１、ＬＣＶ入口１３５、およびバーナーユニット第１の端部２０によって画定される（すなわちそれらの間に画定される）。図面には示されていないが、上流方向に連続するＨＣＶ燃料チューブ１２０の端部はＨＣＶ燃料供給源に接続されており、特に図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、ＨＣＶ燃料チューブ１２０は、バーナーユニットの第１の端部２０に達する前にバーナーユニット１００に直交する方向からスワールバーナーアセンブリ１０に接近する。同様に、上流方向に連続するＬＣＶ燃料チューブ１３０の端部は、ＬＣＶ燃料供給源に接続される。
ＨＣＶ入口１２５は、バーナー壁４０の上流のバーナーユニット内部容積部１１６内に配置されており、ＬＣＶ入口１３５は、第２の容積部６２内に配置される。ＨＣＶ入口１２５は、ショルダー１１２を伴う半径方向平面、すなわちスワールバーナー本体１２のシリンダの軸線に垂直な平面上にある。ＬＣＶ入口１３５は、下流方向において、つまりバーナーユニットの第２の端部１２４よりもさらにスワールバーナー本体の下流端部３０に向かっている。
ＬＣＶ燃料チューブ１３０は、ＨＣＶ燃料チューブ内部容積部１２３に直接通じる開口部を有しない。すなわち、ＨＣＶチューブの内部容積部１２３は、バーナーユニットの内部容積部１１６への開口部であるＨＣＶ入口１２５の開口部とは別に密閉されている。同様に、ＬＣＶ燃料チューブ１３０のためのスワールバーナーアセンブリ１０内の唯一の開口部は、ＬＣＶ入口１３５における第２の容積部６２への開口部であり、つまりＬＣＶチューブ内容積部１３３はＬＣＶ入口１３５とは別に密閉されている。上述したように、図示されていないが、上流方向に連続するＨＣＶ燃料チューブ１２０およびＬＣＶ燃料チューブ１３０の端部は、適切な燃料供給源に接続される。
そうした密封は、各パイプの内部容積部内の燃料パイプを通る流れの混合を確実になくし、個々のパイプの内部容積内に空気がないことを確実にする。運転時には、下流方向にパイプを通る流れがあり、それによって、流れの圧力に起因する流動が存在する場合には燃料または空気の流れがパイプの下流に流れないことがさらに保証される。
ＨＣＶ燃料入口１２５の下流においてすなわちスワールバーナー本体下流端３０にさらに向かって、かつＬＣＶ燃料入口１３５の上流にすなわちスワールバーナー本体下流端３０からさらに遠くに、スワールミキサー１５０が設けられる。スワールミキサー１５０は、ベーン１５５を通過する流れを誘導するためのベーン１５５を有する。ベーン１５５は、外側カラー１４０の内側面１１４から内側カラー１６０まで、より具体的には内側カラー外側面１６２まで延在している。内側カラー１６０は外側カラー１４０の内側においてかつＬＣＶ燃料チューブ１３０の外側において位置決めされており、かつスワールミキサー１５０の中心から下流方向にスワールバーナー本体の下流端３０に向かって延在している。内側カラー１６０は、バーナーユニットの第２の端部１２４よりも下流方向にはそれ以上は延在していない。これは外側カラー１４０も同様である。ＬＣＶ燃料チューブ１３０は、複数の内側カラー内面１６３の間を通過する。
スワールミキサー１５０は、軸流スワールミキサーである。ベーン１５５は、ベーン１５５を通過する流れに影響を及ぼす任意の数のベーンであり、軸渦を生じるようになっている。再循環ゾーンが炎管（すなわち第２の容積部６２）内に形成されるため、軸流スワールは炎長を短縮するために重要である。
有利なことに、外側カラー１４０および内側カラー１６０は、スワールミキサー１５０によって形成された再循環ゾーンの位置決めにおいて、第２の容積部６２への酸化剤および燃料の流れに効果を及ぼす。そのため、炎長を減少させるための改良されたスワールが得られ、スワールミキサー１５０に接近するがスワールミキサー１５０にさらされないように炎シートを制御する。これによって、ベーン１５５およびＬＣＶ入口１３５が直接燃焼にさらされることが防止され、ベーン表面または入口表面上の孔食などの変形を防止する。
図３および図４を参照すると、図１および図２のものと同様のスワールバーナーアセンブリ２００が図示される。なおバーナー壁４０を通過すると、空気分離開口部２１０が存在する。空気分離開口部２１０は、スワールミキサー１５０の周りに放射状に配置された貫通孔である。
第１の容積部５２に対して第２の容積部６２に隣接する空気分離開口部２１０は、空気入口７０からの空気流がスワールミキサー１５０を通過することなく第２の容積部６２を通過できるようにし、かつＨＣＶ燃料チューブ１３０を通る流れがある場合には、ＨＣＶ燃料チューブ１３０を通るＨＣＶ燃料と空気分離開口部２１０を通過する空気が第２の容積部６２内で制限された状態で混合される。
このような特徴は、空気分離開口部２１０を通って流れる空気が、本体内面６４に沿ってエアカーテンを形成することを可能にする。エアカーテンは、燃焼と本体内面６４との間の境界を提供する。このエアカーテンは、本体表面６４の温度を、結果的に本体外面６６の温度を低下させることが好ましい場合に使用することができる。
空気分離開口部２１０は、空気流入口７０を通る総流量の約１０％が空気流入口７０を通過するように構成される。
図５および図６を参照すると、図３および図４に見られるものと同様のスワールバーナーアセンブリ３００が図示される。このスワールバーナーアセンブリ３００は、多層壁体のものである。内壁内面３６４（つまりスワールバーナー本体１２の内面）と内壁外面３６６とを有する内壁３６０が、バーナー壁４０からスワールバーナー本体下端壁１４へ延在する。第２の容積部３６２は、スワールバーナー本体下端壁１４、バーナー壁４０、および内壁３６０によって画定される（すなわちそれらの間に画定される）。外壁３１０は、外壁内面３６１を有しており、かつバーナー壁４０からスワールバーナー本体下端壁１４まで延在し、かつ内壁３６０の外側にある。第３の容積部３６３は、バーナー壁４０、スワールバーナー本体下端壁１４、内壁外面３６６および外壁内面３６１によって画定される（すなわちそれらの間に画定される）。
第２の容積部３６２は炎管である、つまりガスの燃焼はこの容積部内で行われる。
内壁の外面３６６の半径方向外側においてかつ外壁の内面３６１の半径方向の内方において、バーナー壁４０を通るようにバイパス開口部３２０が設けられている。
第１の容積部５２内の空気入口７０からの空気は、バイパス開口部３２０を通って第３の容積部３６３に入ってもよい。内壁３６０は、バイパス空気が燃焼ゾーン（すなわち第２の容積部３６２）へ移動することを防止するため、燃料入口からの燃料と第３の容積部３６３内の空気との混合が起こらない。バイパス空気とバーナー燃焼生成物の混合は、第２の容積部３６２および第３の容積部３６３の下流方向、すなわち本体下端壁１４の下流で行われてもよい。
この特徴はエアバイパスとして公知である。このような特徴は、燃料の燃焼に影響することなく、第３の容積部３６３を通る空気の完全なバイパスを可能にする。これは、空気が第３の容積部３６３を通ってバイパス可能な一方で排出が設計上の制限の範囲内があり、スワールバーナーアセンブリ１０が、バーナーユニット１００が設計されているよりも大きな空燃比で機能することが要求された場合に有用である。
これにより、スワールバーナーアセンブリ１０は、２〜１８ラムダのようなより高い空気対燃料比で機能できる。
いくつかの実施形態（図示せず）では、空気のバイパスは恒久的な特徴である必要はなく、必要に応じて、例えばバーナー壁４０のバイパス開口部３２０の開放によってバイパス開口部３２０を必要に応じて使用できる。したがって、バイパスが必要な場合、所定の動作モードが決定されてもよい。
図５は、スワールバーナーアセンブリ３００のための点火装置開口部８２が第３の容積部３６３を通って突出しており、点火装置８０が第２の容積部３６２内に配置されていることを示している。点火装置開口部８２の延長部は、点火装置８０が可燃性ガスと同じ容積部で火花を発生できるようにする（すなわち炎管を形成する）ために必要である。
図７は、上述のものと同様のスワールバーナーアセンブリ４００を示しており、（エアカーテン用の）空気分離開口部の特徴とバイパスの特徴の両方が組み込まれている。したがって、第３の容積部３６３および複数の空気分離開口部２１０が提供されて、単一のバーナーでこれら特徴部が組み合わされる。バイパス開口部３２０の存在は、空気入口７０を通る総流量の約５％が空気分離開口部２１０を通過することを意味する。
第３の容積部３６３を通る空気流は、内壁３６０を冷却する二次作用を有する。なお付加的な冷却が必要な場合には、図７に示すように、空気分離開口部２１０によって提供されるエアカーテンをバイパス開口部３２０と組み合わせることができ、それによって、内壁外面（３６６：図５）および内壁内面（３６４：図５）を通る空気の流れによって内壁３６０が冷却される。
バーナー出口の温度は、燃焼ゾーンの下流で、すなわちスワールバーナー本体下端壁１４を越えて第２の容積部６２から下流方向において測定される。空気バイパスが利用される構成では、バーナー出口の温度は、第２の容積部および第３の容積部からの排ガスが合流した流れの温度である。空気バイパスが利用される構成では、バイパス空気と燃焼生成物の混合は、スワールバーナー本体の下流端３０の下流で行われてもよい。
燃料電池システムで使用される場合、バーナーは４つの動作モードを有する。
１）ウォームアップ、非改質：
燃料電池システムが冷たい場合、動作状態に達する前にスタックを加熱する必要がある。この初期段階は、燃料電池スタック出口の温度を２７５℃より高く、より好ましくは３００℃より高く上昇させる。燃料は気体であっても気化していてもよいが、このモードでは燃料はバーナーに直接供給されるＨＣＶ燃料である。
図１および図２のスワールバーナーアセンブリ１０を考慮すると、このモードでは、ＨＣＶ燃料は、バーナーユニット１００のＨＣＶ燃料チューブ１２０を通してバーナーに供給される。ＨＣＶ燃料は、ＨＣＶ入口１２５でＨＣＶ燃料チューブ１２０から流出する。この工程と同時に、空気が空気入口７０を介して第１の容積部５２に供給される。この容積部の内部の空気は、空気流入ホール１１５を通ってバーナーユニット内部容積部１１６に流れ、スワールバーナー本体下流端部３０に向かって下流方向に流れる。
スワールミキサー１５０に到達する前に、すなわちスワールミキサー１５０の上流で、ＨＣＶ燃料および空気は、スワールバーナー本体１２に入るため、初めて互いにさらされる。ここで、ＨＣＶ燃料と空気の初期予混合が行われる。ＨＣＶ燃料および空気の混合物は、スワールミキサー１５０を通過し、ＨＣＶ燃料と空気との間の最大の度合いでの混合は、スワールミキサー１５０を経て、第２の容積部６２内で実施される。スワールミキサー１５０のすぐ下流のこの領域が混合領域である。ＨＣＶ燃料と空気との高度の混合は、完全燃焼を可能にしかつＣＯおよびＮＯｘなどの望ましくない排出物の量を低減するために重要である。
用語「空気」が使用される一方で「酸化剤」が使用されるが、「酸化剤」は当該技術分野で使用される他の用語とともに酸素運搬媒体を記述するために一般に使用される用語でもある。そのため、空気および酸化剤は、本明細書の目的のために置き換え可能である。
ＨＣＶ燃料と空気との混合物は、点火装置８０を介して点火される。スワールミキサー１５０は、軸流スワーラであり、第２の容積部６２内に逆流領域または再循環領域をもたらす。再循環ゾーンは、燃焼ゾーンだけでなく混合ゾーンにも影響を及ぼすようなものである。これには次のような多くの利点がある：理想的には混合が最も激しくなるためＨＣＶ燃料混合物の燃焼がこのゾーンで行われるべきである：さらにこの逆流は炎長を減少させる効果を有する。再循環ゾーンの結果として、炎シートは、スワールミキサー１５０のすぐ下流に設けられる。
この動作モードの間、空気流量は、他の測定値のうち、バーナーへの入口温度を測定する制御システムによって制御されるものである。ＨＣＶ燃料流量は、制御システムによって、バーナーの下流端部の温度に応じてＨＣＶ燃料流量を変化させる比例制御弁を用いて制御される。このモードにおいてバーナーを通る空気流量は、７０〜１１６ＳＬＭの範囲で変化し得る。ＨＣＶ燃料流量は、０．８〜６ＳＬＭであると予想される。空気−燃料当量比（ラムダ）は、４以下であってもよい。さらなる構成では、このモードにおいてバーナーを通る空気流量は、７０から３００ＳＬＭまで変動し得る。同様に、さらなる構成では、ＨＣＶ燃料流速は、０．８〜８ＳＬＭであってもよい。
ＨＣＶ燃料入口１２５の構造および位置決めの変更は、入口のホールのサイズとともに、規制された限界を超える様々な排出物を生成するようなバーナーの燃焼および機能に影響を及ぼすことが可能である。
２）ウォームアップ、改質。
スワールバーナーアセンブリ１０の第２の動作モードは、２７５°Ｃより高い、より好ましくは３００°Ｃの燃料電池スタック温度で行われる。このモードでは、燃料を、直接供給されるＨＣＶ燃料から、燃料電池スタックからのＬＣＶ燃料に移行させる。すなわち、ＬＣＶ燃料は、燃料電池の反応からの改質ガスまたはアノードオフガスであってもよい。
ＬＣＶ燃料は、ＬＣＶ燃料チューブ１３０を介してスワールバーナーアセンブリ１０に供給される。このＬＣＶ燃料チューブ１３０は、スワールミキサー１５０の内径の中心を通り、第２の容積部６２に入る。この時点においてのみ、ＬＣＶ燃料がＬＣＶ入口１３５を介して第２の容積部６２に供給される。特に、これはＨＣＶ燃料の炎シートの下流にある。
ＬＣＶ燃料はスワールミキサー１５０を通過しないので、第２の容積部６２内の空気との混合領域が小さくなり、ＨＣＶ燃料と比較して、燃焼前の空気との少量の混合のみが生じる。なおＬＣＶ燃料の場合、これは、組成物がＣＯおよびＮＯｘの排出量を低減するために高度の混合予燃焼を好まないため、好ましい。
燃焼は、ＬＣＶ燃料入口１３５の下流で行われる。スワールミキサー１５０に相補的な効果がある：ＬＣＶ燃料の燃焼は、典型的には、より長い炎をもたらす、すなわちＨＣＶ炎より長さの長い炎をもたらすが、これは、部分的には、燃焼があまり激しくなくかつ流量がより大きいことに起因する；スワールミキサー１５０からの逆流領域は、ＬＣＶ燃料の炎の炎長を減少させる。このような炎長の短縮は、省スペース化に有用であり、より短くかつよりコンパクトなスワールバーナー本体１２を実現可能にするだけでなく、スワールバーナーアセンブリ１０の下流端部に向かう器具または当該下流端部のさらに向こう側（つまり本体下端壁１４の下流）の器具が保護される。
燃料電池スタックの温度が５５０℃に向けて上昇するにつれて、制御システムはＨＣＶ流量を減少させ、それによってＨＣＶ燃料およびＬＣＶ燃料の混合運転は、燃料電池が電気化学反応を起こす際にＬＣＶ燃料運転だけに移行する。
３）アイドル／パワードロー
第３の動作モードでは、燃料電池スタックは典型的には約５５０℃となる（個々の燃料電池および個々の燃料電池構成要素の正確な温度は変化する；燃料電池スタックの燃料電池は約５００℃〜６１０℃、または約５００℃〜６１５℃、または約５００〜６２０℃となる）。これは主にＬＣＶ燃料の状況である。このモードでは、ＬＣＶ燃料は、ＬＣＶチューブ１３０を経てバーナーに供給され続ける。なお、ＬＣＶの燃料流量は、燃料電池スタックと、燃料電池システムによって要求される電気出力とによって決定される。
この動作モード中に燃料電池システムを通る空気流は、燃料電池スタックの温度によって制御される。バーナーの出口温度がモニタリングされ、バーナーの出口温度が一定の閾値以下に低下すると、さらなるＨＣＶ燃料が追加されて、システムの温度が上昇され、それによって燃料電池スタックの温度が維持されるかまたは上昇される。なおシステムは、理想的には、このモードではＬＣＶ燃料のみが必要となるように設計される。
４）シャットダウン
第４の動作モードでは、燃料電池スタックが約４５０℃に到達するまで燃料電池スタックおよび燃料電池システムの温度を低下させるためにＬＣＶ燃料流量が低減され、燃料電池システムへのＨＣＶ燃料流が止められ、ＬＣＶ燃料入口１３５を通るＬＣＶ燃料の流れが止められて、燃焼が停止される。燃料電池システムは自然冷却される。
図８Ａ〜図１０Ｃを参照すると、実験に基づいた結果を示す多数の傾向が示されている。これら傾向のラベルは、リストに記載されるようにまとめられる。
ＮＯｘ空気なし − バーナーからの空気を含まないＮＯｘ排出量
− データポイントは上向きの三角形で示される
ＣＯ空気なし − バーナーからの空気を含まないＣＯ排出量
− データポイントは下向きの三角形で示される
tAirTgbOut − バーナーからの空気の温度
− データポイントは正方形で示される
tAirTgbIn − バーナーへの空気の温度
− データポイントは丸で示される
dmolFuelRef − バーナーへのＬＣＶ燃料の流量
− データポイントは垂直バーで示される
dmolFuelTgb − バーナーへのＨＣＶ燃料の流量
− データポイントはアスタリスクで示される
ラムダ − バーナー入口におけるバーナーの空気に対する燃料の比率
− データポイントは黒塗りの菱形で示される
図８Ａから図１０Ｃは、様々な事象に対するスワールバーナーアセンブリの反応とともに、いくつかの動作モードにおけるスワールバーナーアセンブリの実際の動作の結果のグラフを示したものである。動作ごとの３つの図（すなわちＡ、ＢおよびＣ）は、すべて本発明に基づくスワールバーナーアセンブリに関する同じ動作期間を示している。このデータ取得の期間（ｘ軸線は数時間で測定される）は、ゼロから開始するようには示されておらず、連続試験中の本発明のバーナーの異なる運転段階を表す。
図８Ａ、９Ａおよび１０Ａの傾向は、スワールバーナーアセンブリの内外の空気温度を示しており、−tAirTgbOutによって示されるように−、スワールバーナーアセンブリが熱自体を生成していることを示すために提供されており、かつ、−tAirTgbIn、すなわちスワールバーナーアセンブリへの温度によって示されるように−、燃料電池スタックはバーナーの作動によって加熱され、かつ高温のオフガスはスワールバーナーアセンブリに戻るように供給されることを示すために提供される。一番上の傾向はまた、燃焼ガス、すなわちスワールバーナーアセンブリを出るガス中の一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を示す。これらは、そうしたガスのために当該技術分野においてる典型的な測定単位である百万分率（ｐｐｍｖ）で測定され、かつ空気のない測定値である、つまり燃焼ガス中の無酸素状態をシミュレートするための調整値である。ＣＯ、ＮＯｘおよび他の燃焼生成物は、環境の観点から望ましくないことが知られているガスの燃焼から生成される主要な生成物であるため、排出物としてまとめて知られている。このように、排出物の削減は、ガスの燃焼に関する多くの法律の対象となっている。本発明の目的のために、排出物は一般的にはＣＯおよびＮＯｘのみが示されており、本発明が減少しようとする主要な生成物である。
図８Ｂ、図９Ｂおよび図１０Ｂの傾向は、ＨＣＶ燃料およびＬＣＶ燃料の燃料流量を示す。これは、スワールバーナーアセンブリへの燃料流であり、スワールバーナーアセンブリがどのモードで作動しているかを示す。例えば、ＬＣＶ流がある場合、十分な温度に到達した燃料電池セルから、現在燃焼され得るアノードオフガスを生成することが期待できる。そうした傾向に示されたＨＣＶ燃料流は、スワールバーナーアセンブリへのＨＣＶ燃料流があることを示している。ＨＣＶ燃料流は、その供給が燃料電池運転とは無関係であるため、いずれの運転モードにおいても可能である。
図８Ｃ、図９Ｃおよび図１０Ｃの傾向は、燃料に対する空気の比率を示す。燃料に対して空気が等しい割合である場合、１のラムダを有する。空気と燃料の混合物よりリーンになるように空気の割合が増加すると、ラムダが増加する。ラムダの傾向は、スワールバーナーアセンブリ入口における燃料および酸化体の流れの総ラムダを示す、つまり空気入口７０、ＬＣＶ入口１３５およびＨＣＶ入口１２５における流れの総ラムダを示す。示されるラムダは、燃料電池が動作しているときの空気流中の酸素の減少の計算を含む。酸化剤の流れが燃料電池スタックによって制御されるので、燃焼反応物のラムダが重要となる。したがって、バーナーが安定した燃焼をもたらすよう追加の燃料流によって酸化剤流を補償する必要がないように、大きなラムダ範囲にわたって作動することができるスワールバーナーアセンブリを有することが望ましい。燃料の流れが止まったところでは、燃料の流れがないため、この傾向におけるラムダは計器の測定限界を超えて増加し、燃料と空気の比は無限に大きくなることに留意されたい。これは、典型的には、ラムダが２０以上に増加する場合の傾向に見られる。
図８Ａ、８Ｂおよび８Ｃを参照すると、最初に、図８Ｂにおいて、８ＳＬＭで始まる燃料流がＨＣＶ燃料であることが明らかとなる。図８Ａに示すスワールバーナーアセンブリへの温度は、最初はかなり低く、必ず燃料スタックの改質運転に必要な２７５℃以下となっている。そのためこれはモード１（ウォームアップ、非改質）である。図８Ｃに示されるように、スワールバーナーアセンブリは純粋にＨＣＶモードであり、ラムダは３〜４ラムダ程度に非常に小さい。すなわち、燃料混合物は、燃料電池スタックを加熱するために必要な熱を生成するよう非常にリッチである。留意すべきことに、これはウォームアップ段階における純粋なＨＣＶ燃料モードであるが、排出量は依然として非常に低く、要求された限界を下回っている。排出制限については、排出量はある期間にわたって平均化されているのが一般的であり、始動時は、排出量がより多いことが既知となっている予定期間であることに留意されたい。
燃料電池のスタック温度が上昇すると、システムは改質を開始することができ、ＬＣＶ燃料はスワールバーナーアセンブリに利用可能となる。これは、スワールバーナーアセンブリに入る空気温度の上昇およびＬＣＶ燃料流の加入によって見られる。この段階では、排出量は短時間で増加するが、ラムダが低下して温度が上昇すると、排出量は目標をはるかに下回る。このバーナーはモード２：ウォームアップ改質となる。これは二重燃料運転であり、２つの流れが同じ炎管（すなわち第２の容積部６２）内の同じバーナーによって燃焼されており、結果として生じる排出物が減少する。
続いて、燃料スタックの温度は、スワールバーナーアセンブリへの温度の平均化によって見られる公称レベルに達する。これはモード３：定常状態である。このモードでは、スワールバーナーアセンブリは、燃料電池から供給されるＬＣＶ燃料によって主に燃料供給される。この設計のバーナーは、非常に低い排出量をもたらし、ＮＯｘ排出量は限度の約１０分の１であり、ＣＯはさらに低い。
図８Ａから図８Ｃは、燃料入口の形状および配置が、大きく異なる燃焼条件の様々な燃料に対応することができる一方で依然として排出量が低いスワールバーナーアセンブリをもたらしたことを明確に示している。
主要な凡例が図８Ａおよび８Ｃの右上の角に示されている場合、データポイントは、この凡例に先立ってなされた様式で主に連続しており、曖昧なデータポイントがないことに留意されたい。
図９Ａ〜図９Ｃは、段階的な変化を伴う定常状態動作を示しているが、そうした段階的な変化は、燃料電池スタックからの異なる電流引き込みに起因して生じ得る。これによって、スワールバーナーアセンブリへの異なる燃料流と、ＨＣＶ燃料およびＬＣＶ燃料の異なる混合物とが生じる。段階的な変化は、異なる燃焼特性および炎切換えなどの事象発生に起因する排出スパイクをもたらす可能性があることが知られている。この場合、スワールバーナーアセンブリは非常に低い排出量で運転されていた。段階的な変化が起こるとき、すなわち燃料流量が変化するとき、排出量はわずかに増加するが、限界値を大きく下回る。これは、スワールバーナーアセンブリが安定した状態にある場合に変化する燃料流量に対して復元力を有することを示す。
傾向の凡例が図１０Ａの右上の角に示されている場合、データポイントは、この凡例に先立ってなされた様式で主に連続しており、予期しないデータポイントが不明瞭になっていないことに留意されたい。
高温での始動がバーナーや燃料電池システムに問題を引き起こすことが既知の問題として挙げられる。空気入口温度が高いことに起因して燃焼特性は非常に異なる結果となり、その結果、炎が不安定になり、排出量が非常に高くなる可能性がある。燃料電池スタックは、低温始動状態まで冷却するのに１２〜１６時間かかるが、燃料電池は多くの場合により頻繁に必要とされる。したがって、スワールバーナーアセンブリが、低排出量を維持したまま、高温始動を実行できるようにすることが望ましい。図１０Ａ〜図１０Ｃにはこのような状況が示されており、スワールバーナーアセンブリへの温度が依然として高いとき、システムが再始動される。なお、いずれの場合にも排出量は限界を大きく超えず、ＣＯは非常に低い。
傾向の凡例が図１０Ａの右上の角に示されている場合、データポイントは、この凡例に先立ってなされた様式で主に連続しており、予期しないデータポイントが不明瞭になっていないことに留意されたい。
全体的にスワールバーナーアセンブリの設計は、様々な燃料が単一モードおよび混合モードで燃料供給された場合に、大きなラムダ範囲にわたって作動するとともにコンパクトな設計を可能にする小さな炎長を有しつつ、より小さな排出量をもたらす。
本発明は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく当業者に容易に理解しよう。
１０ スワールバーナーアセンブリ
１２ スワールバーナー本体
１２’ 中心軸線
１４ スワールバーナー本体の下（または第２の）端壁
１５ スワールバーナー本体の排出部
１６ スワールバーナー本体の上（または第１の）端壁
１６’ スワールバーナー本体の上（または第１の）端壁における開口部
２０ バーナーユニットの第１の端部
３０ スワールバーナー本体の下流端
４０ バーナー壁
４０’ バーナー壁における開口部
４２ バーナー壁の下流面
４４ バーナー壁の上流面
５０ バーナー管
５２ 第１の容積部
５４ スワールバーナー本体の上（または第１の）端壁の内面
５６ バーナー管の内面
６２ 第２の容積部
６４ 本体の内面
６６ 本体の外面
７０ 空気入り口
８０ 点火装置
８２ 点火装置の開口部
１００ バーナーユニット
１１０ バーナーユニットの外側本体
１１１ バーナーユニットの上側内面
１１２ ショルダー
１１４ バーナーユニット外側本体の内面
１１５ 空気流入ホール
１１６ バーナーユニットの内部容積部
１２０ ＨＣＶ燃料チューブ
１２１ ＨＣＶ燃料チューブの内面
１２２ ＨＣＶ燃料チューブの外面
１２３ ＨＣＶチューブの内部容積部
１２４ バーナーユニットの第２端部
１２５ ＨＣＶ入口
１３０ ＬＣＶ燃料チューブ
１３０’フィンガー
１３１ ＬＣＶ燃料チューブの内面
１３２ ＬＣＶ燃料チューブの外面
１３３ ＬＣＶチューブの内部容積部
１３５ ＬＣＶ入口
１４０ 外側カラー
１４４ 外側カラーの外面
１５０ スワールミキサー
１５５ ベーン
１６０ 内側カラー
１６２ 内側カラーの外面
１６３ 内側カラーの内面
２００ 酸化剤カーテンを備えるスワールバーナーアセンブリ
２１０ 空気分離開口部
３００ スワールバーナーアセンブリ
３１０ 外壁
３２０ バイパス開口部
３６０ 内壁
３６１ 外壁の内面
３６２ 第２の容積部（エアバイパス）
３６３ 第３の容積部
３６４ 内壁の内面
３６６ 内壁の外面
４００ スワールバーナーアセンブリ

Claims (15)

  1. スワールバーナーアセンブリであって、
    （ｉ）中心軸線に沿って延在し、かつ第１の端部と第２の端部とを有する、中空の長手方向細長本体と、
    （ｉｉ）前記第１の端部における端壁と、
    （ｉｉｉ）前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置されるバーナー壁であって、前記第１の端部から前記バーナー壁へ向かう第１の容積部と、前記バーナー壁から前記第２の端部へ向かう第２の容積部と、を画定する、バーナー壁と、
    （ｉｖ）前記第１の容積部への酸化剤入口と、
    （ｖ）少なくとも１つの中空の長手方向細長バーナーユニットであって、前記第１の容積部から前記本体における開口部の外側に延在するバーナーユニットの第１の端部を有しており、前記バーナーユニットは、前記第１の容積部から前記第２の容積部へ、そしてバーナーユニットの第２の端部へ向けて、前記バーナー壁の開口部を通って延在しており、かつバーナーユニットの内部容積部を規定する、中空の長手方向細長バーナーユニットと、
    を備えており、
    前記中空の長手方向細長バーナーユニットは、
    （ａ）前記バーナーユニットの内側に配置されかつ前記バーナーユニットの第１の端部と前記バーナーユニットの第２の端部との間に配置された軸流スワールミキサーであって、内径および外径を有する複数のベーンと、前記第１の容積部に向けて配置されかつ前記第１の容積部に開口している第１の面と、前記第２の容積部に向けて配置されかつ前記第２の容積部に開口している第２の面と、を含む、軸流スワールミキサーと、
    （ｂ）前記第１の容積部内への第１の燃料入口であって、前記酸化剤入口とスワールミキサーとの間に配置され、かつ前記複数のベーンの前記外径の半径方向内側に配置される、第１の燃料入口と、
    （ｃ）前記バーナーユニットの第２の端部に近接し、前記複数のベーンの前記外径の半径方向内側にある、前記第２の容積部内への第２の燃料入口と、
    を備えており、
    少なくとも１つのバーナーユニットの各々は、
    （Ａ）第１のポイントであって、前記第１の端部に最も近接する前記中心軸線に沿うポイントであり、当該ポイントにおいて、前記中心軸線に対して直交する平面が、前記バーナーユニットの前記スワールミキサーの前記複数のベーンと交差する、第１のポイントを規定し、
    （Ｂ）第２のポイントであって、前記第１のポイントから最も離れた前記中心軸線に沿うポイントであり、当該ポイントにおいて、前記中心軸線に直交する平面が、前記バーナーユニットの前記スワールミキサーの前記複数のベーンに交差する、第２のポイントを規定し、かつ、
    （Ｃ）前記第１のポイントおよび前記第２のポイントから等距離をおいた前記中心軸線に沿う幾何学的中間ポイントを規定しており、
    各第１の燃料入口は、前記中心軸線に直交する平面と交差する前記酸化剤入口と前記スワールミキサーとの間のポイントに配置され、当該平面は、前記第１のポイントから、前記第１の燃料入口の流動領域の円相当径の１から２倍にある、前記中心軸線に沿うポイントと交差し、
    各第２の燃料入口は、前記中心軸線に直交する平面と交差する前記第１の燃料入口と前記第２の端部との間のポイントに配置され、当該平面は、前記幾何学的中間ポイントから、前記複数のベーンの内径以下にある、前記中心軸線に沿うポイントに交差することを特徴とするスワールバーナーアセンブリ。
  2. 少なくとも１つのバーナーユニットが、
    ｉ）前記第１の容積部から前記第２の容積部に向かって前記バーナー壁の前記開口部を通って延在する外側カラーであって、外径と、内径と、第１の端部と、第２の端部とを有する、外側カラーと、
    ｉｉ）前記第１の容積部から前記第２の容積部に向かって前記バーナー壁の前記開口部を通って延在する内側カラーであって、外径と、内径と、第１の端部と、第２の端部とを有する、内側カラーと、
    さらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  3. 前記内側カラーが前記外側カラーに対して半径方向内側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  4. 前記複数のベーンは、前記外側カラーと前記内側カラーとの間で半径方向に延在し、前記外側カラーの内径は、前記複数のベーンの外径に等しく、かつ前記内側カラーの外径は、前記複数のベーンの前記内径に等しいことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  5. 前記第１および第２の燃料入口が、前記複数のベーンの内径の半径方向内側のポイントにそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  6. 点火装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  7. 前記点火装置が前記第２の容積部内に配置され、かつ前記点火装置が、前記第２の容積部から、前記本体から外側に延在していることを特徴とする請求項６に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  8. 前記バーナー壁は、少なくとも１つの空気分離開口部を有しており、前記少なくとも１つの空気分離開口部は、前記バーナー壁の前記第１の容積部側から、前記バーナー壁の前記第２の容積部に向かって延在する少なくとも１つのホールを含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  9. 前記少なくとも１つの空気分離開口部は、前記複数のベーンの外径に対して半径方向に同心状となっていることを特徴とする請求項８に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  10. 前記本体が多層壁構造のものであり、複数の壁が、前記バーナー壁から前記第２の端部まで延在しており、
    （ｉ）内面を有する内壁であって、前記第２の容積部が、前記バーナー壁と前記第２の端部と前記内壁の内面との間に画定される、内壁と、
    （ｉｉ）前記内壁の外側に配置される外壁であって、第３の容積部が、前記バーナー壁と前記内壁と前記外壁と前記第２の端部との間に画定される、第３の容積部と、
    を備えており、
    前記バーナー壁は、前記第１の容積部と前記第３の容積部との間において少なくとも１つのバイパス開口部をさらに含み、かつ流体流路を画定し、
    前記バイパス開口部は、前記第１の容積部から前記第３の容積部に向かって流体連通するチャネルを有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  11. 前記少なくとも１つのバイパス開口部は、前記複数のベーンの前記外径に対して半径方向に同心状になされた複数のバイパス開口部を含むことを特徴とする請求項１０に記載のスワールバーナーアセンブリ。
  12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のスワールバーナーアセンブリを作動する方法であって、
    （ｉ）前記酸化剤入口に酸化剤を供給するステップと、
    （ｉｉ）ＨＣＶ燃料の少なくとも１つを含む燃料を前記第１の燃料入口に供給し、ＬＣＶ燃料を前記第２の燃料入口に供給するステップと、
    （ｉｉｉ）前記第２の容積部内で前記燃料を燃焼させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  13. ＨＣＶ燃料入口にＨＣＶ燃料が供給される場合に、前記酸化剤および前記ＨＣＶ燃料の流れが前記第１の燃料入口と前記スワールミキサーとの間で前記第１の容積部内に集まり、ＬＣＶ燃料入口にＬＣＶ燃料が供給される場合に、前記酸化剤および前記ＬＣＶ燃料の流れは、前記スワールミキサーと前記第２の端部との間で前記第２の容積部内に集まることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ＨＣＶ燃料および／または前記ＬＣＶ燃料は、点火装置によって前記第２の容積部内で点火または燃焼されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
  15. 前記少なくとも１つのバーナーユニットの前記第１の燃料入口を通る前記ＨＣＶ燃料の速度が３〜６ｍ／ｓであり、かつ／または前記少なくとも１つのバーナーユニットの前記第２の燃料入口を通る前記ＬＣＶ燃料の速度が、１０〜３５ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
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