JP2020181731A - 燃料電池用燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】内部における燃料壁流の発生を抑制し得る燃料電池用燃焼器を提供する。【解決手段】ケースの中に配置されるミキサープレート（２）と、ミキサープレート（２）の中央に配置される燃料噴射部（３）とを備える燃料電池用燃焼器（１００）において、ミキサープレート（２）に配置されて、ミキサープレート（２）を通過した燃焼用ガスに旋回流を生じさせる第１スワラー（７）と、第１スワラー（７）により旋回流を生成することによって生じる、燃焼用ガスの逆流または遠心力による燃料の拡散の少なくとも一方を抑制する方向の速度成分を、燃焼用ガスに与える第２スワラー（８−１〜８−３）とを備えることを特徴とする燃料電池用燃焼器。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに用いる燃焼器に関する。

燃料電池用の燃焼器として、特許文献１には、中央に燃料を噴射するインジェクタを設け、その外周に設けた燃焼用エア供給口に、旋回翼を備えたプレートを設置することで、燃焼用エアをスワール状に供給するものが開示されている。また、上記文献の燃焼器においては、ヒータまでの距離とスワール数を特定することにより、ヒータにおいて着火、燃焼した火炎がヒータから上流側へ向かう、いわゆる逆火の発生を防止することが開示されている。

特開２００５−５６６３６号公報

しかし、上記文献の構成では、スワールが生成されることに起因する逆流が生じる領域を狭めることはできるものの、噴霧された燃料が逆流に乗ってプレートに付着するおそれがある。また、スワールに乗った燃料が遠心力によって飛ばされてケース壁面に付着するおそれもある。噴射した燃料のうちプレートやケース壁面に付着する量、つまり壁流の量が多くなるほど、燃料と燃焼用ガスからなる混合気の空燃比の、設定値からのズレが大きくなる。その結果、ヒータより下流に設けた触媒における燃焼性状が悪化して、燃焼器の起動に時間を要することとなる。

そこで本発明では、上記問題に鑑み、壁流の発生を抑制し得る燃焼器を提供することを目的とする。

本発明のある態様による燃料電池用燃焼器は、ケースの中に配置されるミキサープレートと、ミキサープレートの中央に配置される燃料噴射部と、を備える。そして、燃料電池用燃焼器は、ミキサープレートに配置されて、ミキサープレートを通過した燃焼用ガスに旋回流を生じさせる第１スワラーと、第１スワラーにより旋回流を生成することによって生じる、燃焼用ガスの逆流または遠心力による燃料の拡散の少なくとも一方を抑制する方向の速度成分を燃焼用ガスに与える第２スワラーと、を備える。

上記態様によれば、第２スワラーを通過した燃焼用ガスの流れにより、壁流の発生を抑制することができる。

図１は、燃焼器の基本構成を示す図である。 図２は、第１実施形態にかかるミキサープレートの斜視図である。 図３は、第１実施形態にかかるミキサープレートの筒部の拡大図である。 図４は、第１実施形態における燃焼器内の燃料及び燃焼用ガスの流れを示す図である。 図５は、第２実施形態にかかるミキサープレートの斜視図である。 図６は、第２実施形態における燃焼器内の燃料及び燃焼用ガスの流れを示す図である。 図７は、第３実施形態における燃焼器内の燃料及び燃焼用ガスの流れを示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１から図４を参照して説明する。

図１は、本実施形態にかかる燃焼器１００の基本構成を示す図である。図中の矢印は、燃料及び燃焼用ガスの流れを示す。以下の説明における「上流」と「下流」は、それぞれ、燃料及び燃焼用ガスの流れる方向の上流と下流を意味する。

燃焼器１００は、固体酸化物形または固体高分子形の燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料と燃焼用ガスとしての空気との混合気を燃焼させるものである。この燃焼により生じた熱は、燃料改質器等に供給される。なお、燃焼用ガスとして、燃料電池の空気極から排出されるカソードオフガスを用いてもよい。

燃焼器１００は、燃料を燃やすための触媒５と、触媒５に供給される混合気を加熱するヒータ４と、触媒５及びヒータ４を収容する円筒状のインナーケース１Ａと、を備える。燃焼器１００はさらに燃料噴射部としてのインジェクタ３と、ミキサープレート２と、インナーケース１Ａの外周を取り囲むアウターケース１Ｂと、備える。なお、インナーケース１Ａとアウターケース１Ｂとを合わせて、単にケース１ともいう。

アウターケース１Ｂは、インナーケース１Ａとの間に供給ガス流路９及び供給ガス導入部１０を形成する。また、アウターケース１Ｂには図示しないコンプレッサから排出された燃焼用ガスの供給配管６が接続されており、この供給配管６を通じて供給ガス流路９に燃焼用ガスが供給される。供給ガス流路９に供給された燃焼用ガスは、インナーケース１Ａの外周に沿って旋回しながら、アウターケース１Ｂとミキサープレート２とで画成される供給ガス導入部１０に流入する。また、アウターケース１Ｂには燃焼用ガスの供給配管６が接続されてもよい。この燃焼用ガスは、図示しないコンプレッサから供給されたガスがスタックを介して排出されたものである。

触媒５は、酸化剤ガスを用いることによって、燃料が気化した燃料ガスを燃焼させる燃焼触媒である。触媒５とヒータ４は、触媒５の上流側端面とヒータ４の下流側端面とが接触するように並んで配置されている。触媒５は、担体としてのハニカム構造体の表面に触媒材料が担時された部材である。ハニカム構造体は金属製の円筒状部材として構成されており、ハニカム構造体に担持される触媒材料には白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などが用いられる。

ヒータ４は、燃料を気化する電気ヒータであり、例えば、触媒５の温度が燃料を燃焼可能な温度よりも低い状況で使用される。このため、燃焼器１００の本体温度が十分に高い自立運転状態では、ヒータ４は使用されない。

ヒータ４は、本体としてのハニカム構造体と、ハニカム構造体の外周に設けられる電極部（図示せず）とから構成されている。ハニカム構造体は、金属製の円筒状部材として構成されており、インナーケース１Ａに固定されている。ヒータ４は、アウターケース１Ｂの外側に露出するように設けられた電極部（図示せず）に通電することでハニカム構造体が加熱される。

インジェクタ３は、燃料ポンプ（図示せず）を介して供給される燃料を所定の周期で噴射する噴射器である。

ミキサープレート２は、インナーケース１Ａの上流側端面に設けられた円錐状の部材である。ミキサープレート２の中心部には、燃料噴霧がミキサープレート２に直接当たらないようにインジェクタ３が配置される。このようにインジェクタ３及びミキサープレート２を配置するのは、燃料噴霧がミキサープレート２に付着して壁流が生じると、混合気の空燃比の制御が困難になるからである。

また、ミキサープレート２は、第１スワラー７と第２スワラー８−１とを備える。ここで第１スワラー７と第２スワラー８−１について説明する。

図２はミキサープレート２の斜視図である。図３はミキサープレート２の第２スワラー８−１を設けた部分の拡大図である。

第１スワラー７は、ミキサープレート２の傘部２Ａを貫通する複数のスリット７Ａと、各スリット７Ａに設けられる旋回翼７Ｂとで構成される。第１スワラー７の旋回翼７Ｂは、供給ガス導入部１０で旋回している燃焼用ガスの旋回速度成分と同方向の旋回速度成分を与える構成となっている。

第２スワラー８−１は、ミキサープレート２の中央にある筒部２Ｂを貫通する複数のスリット８−１Ａと、各スリットに設けられる旋回翼８−１Ｂとで構成される。第２スワラー８−１の旋回翼８−１Ｂは、供給ガス導入部１０で旋回している燃焼用ガスの旋回速度成分を打ち消す構成となっている。

図２に示す通り、第１スワラー７のスリット７Ａの総開口面積は、第２スワラー８−１のスリット８−１Ａの総開口面積より大幅に大きい。このため、旋回状態を維持したまま供給ガス導入部１０に流入した燃焼用ガスの大部分は第１スワラー７を通り、その他の一部の燃焼用ガスが第２スワラー８−１を通る。

第１スワラー７を通過した燃焼用ガスは、第１スワラー７によってさらに旋回速度成分を付与されて、旋回状態を維持したままインジェクタ３から噴射された燃料と混合しながらヒータ４の方向に進む。

一方、第２スワラー８−１を通過した燃焼用ガスは、まず筒部２Ｂの内側に溜まり、筒部２Ｂの内側の圧力がミキサープレート２の下流側よりも高圧になると、圧力差によってヒータ４の方向に流れる。このとき、筒部２Ｂの中央部はインジェクタ３から噴射された燃料が通過している。このため、第２スワラー８−１を通過した燃焼用ガスは、燃料の外周に沿うように流れる。

次に、第１スワラー７と第２スワラー８−１を上記のような構成にした場合の作用効果について、図４を参照して説明する。

図４は、図１のヒータ４よりも上流側の部分の拡大図である。なお、図６では第１スワラー７は省略されている。図中の一点鎖線矢印は第１スワラー７を通過した燃焼用ガスの旋回流（以下、メインガス流２０ともいう）を、実線矢印は第２スワラー８−１を通過した燃焼用ガスの流れ（以下、サブガス流２１−１ともいう）を、破線矢印は旋回流が発生することによって生じる逆流（以下、逆流２２ともいう）を示す。また、図中のドットを付した部分は燃料噴霧を示す。

燃料は加圧状態で多孔ノズル方式により直線形状の噴孔から噴射されるので、燃料の微粒化が促進され、燃料噴霧は図示する通り円錐状に広がる。そして、燃料はメインガス流２０の燃焼用ガスと混合して混合気となり、混合気はヒータ４で加熱された後に触媒５で反応して発熱する。

ミキサープレート２の下流側は、大部分がメインガス流２０による旋回流領域となるが、燃料噴霧２３と旋回方向の流れが強いメインガス流２０との間には逆流２２が発生する。逆流２２が発生すると、噴射された燃料の一部が逆流２２に乗ってミキサープレート２に到達して、いわゆる燃料壁流が発生するおそれがある。燃料壁流が生じると、燃料壁流となった分だけ混合気を形成する燃料が減少するので、混合気の空燃比が制御用の設定値から外れることとなる。

しかし、本実施形態では、燃料噴霧２３とメインガス流２０との間に、燃料噴霧と同方向に進むサブガス流２１−１が形成され、サブガス流２１−１と逆流２２とが衝突する。これにより、逆流２２の流れが弱まるので、上述した燃料壁流の発生を抑制することができる。

なお、逆流２２が燃料噴霧２３の周りを旋回する旋回速度成分を有する場合もある。逆流２２が旋回速度成分を有することがシミュレーション等によりわかった場合には、第２スワラー８−１の旋回翼８−１Ｂを、サブガス流２１−１に逆流２２とは反対方向の旋回速度成分を与える構成にする。

また、本実施形態ではインジェクタ３が燃料を放射状かつ直線的に噴射する場合について説明したが、燃料に旋回速度成分を与えてもよい。燃料噴霧に旋回速度成分を与える為には、インジェクタ３の噴孔に旋回流れを形成する流路を設ければよい。この場合には、サブガス流２１−１に燃料とは反対方向の旋回速度成分を与える。これにより、逆流２２の流れを弱めるとともに、旋回することによりインナーケース１Ａの径方向外側へ広がろうとする燃料の流れも抑制することができる。その結果、ミキサープレート２における燃料壁流だけでなく、インナーケース１Ａにおける燃料壁流も抑制することができる。

以上のように本実施形態では、燃焼器１００はケース１の中に配置されるミキサープレート２と、ミキサープレート２の中央に配置されるインジェクタ３とを備える。燃焼器１００はさらに、ミキサープレート２に配置されて、ミキサープレート２を通過した燃焼用ガスに旋回流を生じさせる第１スワラー７と、第１スワラー７により旋回流を生成することによって生じる、燃焼用ガスの逆流２２を抑制する方向の速度成分を、燃焼用ガスに与える第２スワラー８−１と、を備える。これにより、逆流２２に乗ってミキサープレート２に到達する燃料量を、第２スワラー８−１を通過した燃焼用ガスの流れによって低減できるので、ミキサープレート２における燃料壁流の発生を抑制できる。

本実施形態では、第２スワラー８−１は、ミキサープレート２の第１スワラー７よりも径方向内側に配置され、第２スワラー８−１を通過する燃焼用ガスに、径方向内側向きの速度成分を与える。これにより、第２スワラー８−１を通過した燃焼用ガスは、ミキサープレート２の中心部に集まり、中心部とそれより下流側との圧力差によって、燃流噴霧の外周に沿って下流側へ流れる。その結果、第２スワラー８−１を通過した燃焼用ガスの流れは逆流２２と対向する向きになるので、上記の通り逆流２２に乗ってミキサープレート２に到達する燃料量を低減することができる。

本実施形態では、インジェクタ３から噴射された燃料が旋回方向の速度成分を有する場合には、第２スワラー８−１は燃料の旋回方向とは反対方向の旋回速度成分を第２スワラー８−１を通過する燃焼用ガスに与える。これにより、逆流２２の流れを弱めるとともに、旋回することによりインナーケース１Ａの径方向外側へ広がろうとする燃料の流れも抑制することができる。その結果、ミキサープレート２における燃料壁流だけでなく、インナーケース１Ａにおける燃料壁流も抑制することができる。

本実施形態では、インジェクタ３が、第１スワラー７を通過する燃焼用ガスの旋回方向とは反対方向の旋回速度成分を燃料噴霧に与える構成にしてもよい。これにより、逆流を低減するとともに、インナーケース１Ａの径方向外側へ広がろうとする燃料の流れも抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。

図５は、本実施形態にかかるミキサープレート２の斜視図である。

第１スワラー７は実質的に第１実施形態と同様である。第２スワラー８−２も、ミキサープレート２を貫通する複数のスリット８−２Ａと、各スリット８−２Ａに設けられる旋回翼８−２Ｂとで構成される点では第１実施形態と同様であるが、設けられる位置が第１実施形態とは異なる。

図５に示す通り、本実施形態の第２スワラー８−２は、ミキサープレート２における第１スワラー７の外周側に配置される。そして、第２スワラー８−２の旋回翼８−２Ｂは、燃焼用ガスの旋回速度成分をなくして、ケース１の軸方向の速度成分を与える構成となっている。

上記の構成にした場合の作用効果について、図６を参照して説明する。

図６は、図１のヒータ４よりも上流側の部分の拡大図である。なお、図６では第１スワラー７は省略されている。図中の一点鎖線矢印は第１スワラー７を通過した燃焼用ガスの旋回流（以下、メインガス流２０ともいう）を、実線矢印は第２スワラー８−２を通過した燃焼用ガスの流れ（以下、サブガス流２１−２ともいう）を示す。破線矢印は旋回するメインガス流２０の遠心力によってケース１の径方向外側に向けて飛ばされる燃料の流れ（以下、径方向流２４ともいう）を示す。図中のドットを付した部分は燃料噴霧を示す。

第２スワラー８−２を上記の構成にすることで、本実施形態のサブガス流２１−２は、メインガス流２０の外側をケース１の軸方向に流れる。

径方向流２４によってインナーケース１Ａの壁面に到達する燃料が増加すると、インナーケース１Ａの壁面に燃料壁流が発生するおそれがある。しかし、本実施形態ではメインガス流２０とインナーケース１Ａとの間にサブガス流２１−２が流れているので、径方向流２４によってインナーケース１Ａの壁面に到達する燃料量を減少させることができる。すなわち、インナーケース１Ａにおける燃料壁流の発生を抑制することができる。

なお、径方向流２４がメインガス流２０と同じ旋回速度成分も備える三次元の流れになる場合もある。この場合には、第２スワラー８−２の旋回翼８−２Ｂを、径方向流２４の旋回方向と対向する旋回速度成分を燃焼用ガスに与える構成にする。これにより、遠心力で飛ばされる燃料の旋回速度成分も低減させることができる。

以上のように本実施形態では、燃焼器１００はケース１の中に配置されるミキサープレート２と、ミキサープレート２の中央に配置されるインジェクタ３とを備える。燃焼器１００はさらに、ミキサープレート２に配置されて、ミキサープレート２を通過した燃焼用ガスに旋回流を生じさせる第１スワラー７と、第１スワラー７により旋回流を生成することによって生じる燃料の拡散を抑制する方向の速度成分を燃焼用ガスに与える第２スワラー８−２と、を備える。これにより、メインガス流２０の遠心力によってインナーケース１Ａに到達する燃料量を、第２スワラー８−１を通過した燃焼用ガスの流れによって低減できるので、インナーケース１Ａにおける燃料壁流の発生を抑制できる。

本実施形態では、第２スワラー８−２は、ミキサープレート２の第１スワラー７よりも径方向外側に配置され、第２スワラー８−２を通過する燃焼用ガスにケース１の軸方向の速度成分を与える。これにより、第２スワラー８−２を通過した燃焼用ガスの流れは、メインガス流２０の遠心力によって飛ばされる燃料と交差することとなるので、インナーケース１Ａに到達する燃料量を減少させることができる。その結果、インナーケース１Ａにおける燃料壁流の発生を抑制することができる。

本実施形態では、第２スワラー８−２は、ミキサープレート２の第１スワラー７よりも径方向外側に配置され、径方向流２４が旋回速度成分も備える場合には、第２スワラー８−２を通過した燃焼用ガスに、第１スワラー７を通過した燃焼用ガスとは反対方向の旋回速度成分を与える。これにより、遠心力で飛ばされる燃料の旋回速度成分も低減させることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図７を参照して説明する。

図７は、図１のヒータ４よりも上流側の部分の拡大図である。なお、図７では第１スワラー７は省略されている。図中の一点鎖線矢印は第１スワラー７を通過した燃焼用ガスの旋回流（以下、メインガス流２０ともいう）を、実線矢印は第２スワラー８−３を通過した燃焼用ガスの流れ（以下、サブガス流２１−３ともいう）を示す。破線矢印は旋回するメインガス流２０の遠心力によってケース１の径方向外側に向けて飛ばされる燃料の流れ（以下、径方向流２４ともいう）を示す。図中のドットを付した部分は燃料噴霧を示す。

第１スワラー７は第２実施形態と同様なので説明を省略する。

第２スワラー８−３は、インナーケース１Ａにおけるミキサープレート２とヒータ４との間の壁面を貫通する複数の貫通孔である。すなわち、本実施形態では、供給ガス流路９を流れる燃焼用ガスの一部を、第２スワラー８−３を介してインナーケース１Ａの内側に供給する。そして、第２スワラー８−３は、貫通孔を通過する燃焼用ガスに、インナーケース１Ａの径方向内側向きの速度成分を与える構成となっている。なお、貫通孔の形状だけで当該速度成分を与えてもよいし、各貫通孔に当該速度成分を与えるための旋回翼を設けてもよい。

第２スワラー８−３を上記の構成にすることで、サブガス流２１−３はインナーケース１Ａの壁面から、径方向内側に向けて流れる。つまり、サブガス流２１−３は径方向流２４と対向する向きに流れる。これにより、遠心力によって飛ばされてインナーケース１Ａに付着する燃料量を低減することができる。

なお、径方向流２４がメインガス流２０と同じ旋回速度成分も備える三次元の流れになる場合もある。この場合には、第２スワラー８−３を、径方向流２４の旋回方向と対向する旋回速度成分を燃焼用ガスに与える構成にする。これにより、遠心力で飛ばされる燃料の旋回速度成分も低減させることができる。

以上のように本実施形態では、第２スワラー８−３は、インナーケース１Ａの、ミキサープレート２とミキサープレート２より下流に配置されるヒータ４との間の壁面に配置され、第２スワラー８−３を通過する燃焼用ガスに、ケース１の径方向の速度成分を与える。これにより、メインガス流２０に乗って遠心力で飛ばされる燃料量を低減して、インナーケース１Ａにおける燃料壁流の発生を抑制できる。

本実施形態では、遠心力で径方向外側に飛ばされる燃料が旋回速度成分も備える場合には、第２スワラー８−３が、第２スワラー８−３を通過する燃焼用ガスに第１スワラー７を通過した燃焼用ガスとは反対方向の旋回速度成分を与えるようにしてもよい。これにより、遠心力で飛ばされる燃料の旋回速度成分も低減させることができる。

なお、第１実施形態から第３実施形態で説明した第２スワラー８−１〜８−３を、適宜組み合わせてもよい。例えば、第１実施形態の第２スワラー８−１と第２実施形態の第２スワラー８−２とを併せ持つ構成にすれば、ミキサープレート２の燃料壁流とインナーケース１Ａの燃料壁流の両方を低減することができる。もちろん、第１実施形態から第３実施形態のすべての第２スワラー８−１〜８−３を併せ持つ構成にしてもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１Ａ インナーケース
１Ｂ アウターケース
２ ミキサープレート
３ インジェクタ
４ ヒータ
５ 触媒
６ 供給配管
７ 第１スワラー
８−１〜８−３ 第２スワラー
９ 供給ガス流路
１０ 供給ガス導入部
１００ 燃焼器

Claims (8)

1. ケースの中に配置されるミキサープレートと、
   前記ミキサープレートの中央に配置される燃料噴射部と、
   を備える燃料電池用燃焼器において、
   前記ミキサープレートに配置されて、前記ミキサープレートを通過した燃焼用ガスに旋回流を生じさせる第１スワラーと、
   前記第１スワラーにより前記旋回流を生成することによって生じる、前記燃焼用ガスの逆流または遠心力による燃料の拡散の少なくとも一方を抑制する方向の速度成分を、前記燃焼用ガスに与える第２スワラーと、
   を備えることを特徴とする燃料電池用燃焼器。
2. 請求項１に記載の燃料電池用燃焼器において、
   前記第２スワラーは、前記ミキサープレートの前記第１スワラーよりも径方向内側に配置され、前記第２スワラーを通過する前記燃焼用ガスに、径方向内側向きの速度成分を与える、燃料電池用燃焼器。
3. 請求項２に記載の燃料電池用燃焼器において、
   前記燃料噴射部から噴射された燃料が旋回方向の速度成分を有する場合には、
   第２スワラーは、前記燃料の旋回方向とは反対方向の旋回速度成分を、前記第２スワラーを通過する前記燃焼用ガスに与える、燃料電池用燃焼器。
4. 請求項１に記載の燃料電池用燃焼器において、
   前記第２スワラーは、前記ミキサープレートの前記第１スワラーよりも径方向外側に配置され、前記第２スワラーを通過する前記燃焼用ガスに、前記ケースの軸方向の速度成分を与える、燃料電池用燃焼器。
5. 請求項１に記載の燃料電池用燃焼器において、
   前記第２スワラーは、前記ミキサープレートの前記第１スワラーよりも径方向外側に配置され、前記第２スワラーを通過した前記燃焼用ガスに、前記第１スワラーを通過した前記燃焼用ガスとは反対方向の旋回速度成分を与える、燃料電池用燃焼器。
6. 請求項１に記載の燃料電池用燃焼器において、
   前記第２スワラーは、前記ケースの、前記ミキサープレートと前記ミキサープレートより下流に配置されるヒータとの間の壁面に配置され、前記第２スワラーを通過する前記燃焼用ガスに、前記ケースの径方向の速度成分を与える、燃料電池用燃焼器。
7. 請求項１に記載の燃料電池用燃焼器において、
   前記第２スワラーは、前記ケースの、前記ミキサープレートと前記ミキサープレートより下流に配置されるヒータとの間の壁面に配置され、前記第２スワラーを通過する前記燃焼用ガスに、前記第１スワラーを通過した前記燃焼用ガスとは反対方向の旋回速度成分を与える、燃料電池用燃焼器。
8. 請求項４から７のいずれか一項に記載の燃料電池用燃焼器において、
   前記燃料噴射部が、前記第１スワラーを通過する前記燃焼用ガスの旋回方向とは反対方向の旋回速度成分を燃料噴霧に与える、燃料電池用燃焼器。

Images