JP3913996B2 - 改質器用バーナ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いた発電システムやコジェネレーション（熱電併給）システム等で用いられる改質器に対し適用されるバーナ装置であって、上記燃料電池から排出される水素リッチの未反応排ガスを燃料ガスとして燃焼させることにより上記改質器内の改質用触媒を加熱するために用いられる改質器用バーナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、発電及び／又は排熱回収等の用途に燃料電池を用いた燃料電池システムが種々提案されている。この燃料電池システムは、燃料電池を構成するアノードに水素を含むアノードガスを供給する一方、カソードに酸素を含むカソードガスを供給し、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電を行うものである。
【０００３】
上記アノードガスとしては、通常、改質器により改質・生成された水素リッチな改質ガスが用いられる。この改質器は改質用触媒と、この改質用触媒を燃焼ガスにより加熱するバーナとを備えたものである。そして、上記改質器では、例えば都市ガス、ＬＰＧ等の軽質炭化水素もしくはメタノール等のアルコール類の燃料を原料として、水蒸気改質反応等の改質反応により水素リッチな改質ガスが生成されるようになっている。
【０００４】
上記の改質器用バーナにおいては、上記燃料電池での電気化学反応により排出される水素リッチな未反応排ガス（未反応改質ガス）を燃料ガスの一部もしくは全部として利用し、これを燃焼させることにより上記改質用触媒を加熱させることが一般に行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の燃料ガスとして用いられる未反応排ガスは、燃料電池において電気化学反応で未利用の水素と水蒸気とを主成分とするものであるため、水蒸気濃度が高く露点温度も数十℃という高い値を有している。このため、この未反応排ガスを上記改質器用バーナに供給して燃焼させるようにすると、バーナ内部で結露を生じ燃焼部までの燃料ガス供給通路を閉塞させるおそれがある。
【０００６】
このように結露を生じて燃料ガス供給通路が閉塞傾向になると、燃焼部への燃料ガス供給量が設定のものから変化して改質用触媒に対する加熱の程度が変動してしまうことになる。そして、上記改質用触媒の吸熱反応に変動が生じると、改質器での改質反応が設定のものから低下し、燃料電池に供給される改質ガスに変動が生じることになる。この結果、燃料電池システムによる発電等のエネルギー利用を一定に維持し得なくなってしまうことになる。
【０００７】
一方、上記未反応排ガスをバーナに導入する前に、予め外部において電気ヒータ等の加熱手段により加熱することも考えられるが、このようにするとその加熱手段のために新たな構成部品が必要になる上に、その加熱手段を作動させるために余分なエネルギー（電力等）が必要になるという不都合が生じる。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、改質器の触媒加熱用の燃料ガスとして燃料電池からの未反応排ガスを利用しつつも、結露発生に起因する燃料供給条件の変動を防止して改質器での改質反応を一定に維持し、燃料電池システムの運転状態を一定に維持し得る改質器用バーナ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料ガスを炎孔部において燃焼させることにより改質器を加熱する改質器用バーナ装置であって、燃料電池から排出される水素リッチの未反応排ガスに対し、合流部において、都市ガスである原燃料ガスが流量調整弁を通して供給されることにより０％の混合比を含む混合比の変更調整可能に合流されて、上記合流部から導入される未反応排ガスのみからなる燃料ガス、もしくは、未反応排ガスに上記原燃料ガスを混合した双方からなる燃料ガスが、ガス供給通路を通して上記炎孔部に供給される途中で、空気予熱室を通して供給される予熱状態の燃焼用空気と混合部において予め混合され、空気との混合ガスの状態にして上記炎孔部において燃焼室に向けて燃焼されるように構成し、一部が上記炎孔部の火炎に対しその燃焼熱を直接もしくは間接に吸熱し得るように配設される一方、他部が上記ガス供給通路内の燃料ガスに伝熱し得るように配設されて、上記燃料ガスを加熱する伝熱手段を備えることを特定事項としたものである（請求項１）。
【００１０】
本発明によれば、伝熱手段によって燃料ガスの燃焼熱が燃焼前の導入された燃料ガスに対し伝熱されて、バーナ装置に導入された燃料ガスが加熱されることになる。このため、その導入された燃料ガスが水蒸気を多く含むものであっても、上記加熱によりバーナ装置の内部での結露発生を防止することが可能になり、一定の燃焼状態を維持させることが可能になる。これにより、改質器の改質用触媒に対する燃焼加熱を一定に維持して燃料電池に対する改質ガスの供給を一定に維持させることが可能になる。この結果、燃料電池での電気化学反応を所定の設定状態に維持して、エネルギー利用を一定に維持させることが可能になる。また、このような作用をバーナ装置自身が生成する燃焼熱の活用により得られるため、新たなエネルギーを必要とすることなくエネルギーの効率利用が図られる。
【００１１】
そして、本発明では、上記燃焼室として、上記炎孔部が形成されたバーナプレートと、上方に開口し上記バーナプレートよりも上方に突出する上筒部とにより区画して形成し、上記空気予熱室として、上記上筒部の下側位置の外筒部と、この外筒部の外周側に配設されたバーナカバーとの間に区画された環状空間として形成し、この環状空間の一側に対し燃焼用空気を導入する一方、他側を上記混合部に連通するようにすることも特定事項としている。
【００１２】
さらに、本発明では、上記混合部として、上記外筒部の内側に区画形成された混合室に対し上記空気予熱室からこの空気予熱室よりも狭い通路断面積の中心絞り通路を通して燃焼用空気が流入される一方、上記合流部から導入される燃料ガスが、上記ガス供給通路の一部を構成し上記中心絞り通路を上記混合室内に貫通した状態で固定された分流管に供給されこの分流管に横向きに開口形成された第１噴出孔から上記中心絞り通路を通過して混合室に流れ込む際の燃焼用空気にその流れと直交する方向から噴出されてその燃焼用空気に混入される構成とする。
【００１３】
加えて、本発明では、上記伝熱手段として、内部に上記ガス供給通路が形成されるとともに、上記バーナカバーの熱伝導率よりも同等以上の高い熱伝導率を有する素材により形成された略円筒状のバーナケースを備え、このバーナケースは上記上筒部と上記外筒部とを一体に備え、上記上筒部が上記燃焼室を囲み炎孔部からの火炎に露出してその燃焼熱を吸熱する一方、吸熱した熱が上記外筒部を通して上記混合室内の混合ガス及び上記空気予 熱室内の燃焼用空気の双方に対し伝熱される構成とする。
【００１４】
以上の場合、上記の燃料ガスに対し燃焼用空気を予め混合する予混合燃焼方式を採用することができ、その際、上記バーナケースに対し燃焼用空気が接触するように導入し、そのバーナケースと接触することにより加熱された空気を混合部において燃料ガスと混合すれば、燃料ガスはガス供給通路を構成するバーナケースからの伝熱に加え、加熱された空気との混合によって、より一層確実に加熱されることになる。詳しくは、バーナケースの上筒部が吸熱した燃焼熱を、外筒部から空気予熱室内の混合前の燃焼用空気ガスや、混合室からなる混合部に伝熱させて加熱することができ、分流管を通して導入される燃料ガスがまず予熱された空気と混合されることにより加熱され、次に上記混合室において加熱することができる。これにより、燃料ガスとして水蒸気を多量に含み露点の高い未反応排ガスを用いても結露の発生を確実に防止することができ、結露に起因する通路閉塞発生のおそれを回避して、改質器での改質反応を設定のものに維持し得るという上記の効果を得ることができる。
【００１５】
以上のバーナカバーや次の請求項３又は請求項４のバーナカバーとして、複数の互いに異なる材質の層が積層されてなりかつ上記環状空間に臨む内層が外層よりも高い熱伝導率を有する材質に設定されたクラッド材により形成することにより（請求項５）、バーナカバーからの外部への放熱を抑制して、燃料ガスの加熱用に火炎の燃焼熱を有効に活用し得ることになる。
【００１６】
また、上記の伝熱手段として棒状吸熱部材を備えることもでき、この棒状吸熱部材として、その一端部として上記バーナプレートから燃焼室内に突出し周方向に拡径されて上記燃焼室の火炎から燃焼熱を吸熱する吸熱ヘッドと、この吸熱ヘッドから上記バーナプレートを貫通するように延びる軸部と、他端部として上記分流管に接触した状態に接合されてその分流管に伝熱させて内部の燃料ガスを加熱する接合部とから一体に形成することができる（請求項３）。この場合には、吸熱部材の一端部である吸熱ヘッドが燃焼室での燃焼熱を吸熱し、この吸熱した熱がその吸熱部材の他端部である接合部から第１配管部材である分流管に伝熱され、これにより、この第１配管部材である分流管内の燃料ガスが加熱されることになる。
【００１７】
さらに、上記伝熱手段として、上記ガス供給通路の一部を構成する連通管を備えることができ、この連通管として、その一部を、上記炎孔部が形成されたバーナプレートに対し直接もしくは間接に接触した状態に配設させることもできる（請求項４）。この場合には、バーナプレートが炎孔部での火炎からの放射熱を受けて加熱され、このバーナプレートの熱がこれに接触した上記第２配管部材である上記連通管の一部に吸熱され、この吸熱により内部の燃料ガスが加熱されることになる。
【００１８】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１〜請求項５のいずれかの本発明の改質器用バーナ装置によれば、伝熱手段によって燃料ガスの燃焼熱を伝熱してバーナ装置に導入された燃料ガスを加熱することができる。この加熱によりバーナ装置に導入されて炎孔部で燃焼される燃料ガスが水蒸気を多く含み露点の高い水素リッチの未反応排ガスを含むものであっても、バーナ装置の内部での結露発生を防止して通路閉塞のおそれを解消することができ、一定の燃焼状態を維持させることができる。これにより、改質器の改質用触媒に対する燃焼加熱の変動を防止して一定に維持することができる。このため、燃料電池に対する改質ガスの供給を一定に維持させることができ、この結果、燃料電池システムの運転状態を所定の設定状態に維持させることができる。しかも、このような効果をバーナ装置自身が生成する燃焼熱の活用により省エネルギー化及び熱利用の効率化を図ることができる。
【００１９】
特に、バーナケースの上筒部が吸熱した燃焼熱を、外筒部から空気予熱室内の混合前の燃焼用空気ガスや、混合室からなる混合部に伝熱させて加熱することができ、分流管を通して導入される燃料ガスがまず予熱された空気と混合されることにより加熱され、次に上記混合室において加熱することができる。これにより、燃料ガスとして水蒸気を多量に含み露点の高い未反応排ガスを用いても結露の発生を確実に防止することができ、結露に起因する通路閉塞発生のおそれを回避して、改質器での改質反応を設定のものに維持し得るという上記の効果を得ることができる。
【００２１】
請求項２によれば、濃淡混合燃焼を行わせることができる。その際、分流管に供給される燃料ガスが都市ガスと未反応排ガスという互いにウォッベ指数及び供給圧が大きく異なる２種類のガスがある混合比で混合されたものであっても、第１噴出孔の二次側圧力と、第２噴出孔の二次側圧力とをほぼ同等にすることができ、第１噴出孔から噴出されて混合された混合ガスと、第２噴出孔から噴出されて混合された濃混合ガスとにおける各燃料ガス濃度（混合比率）をほぼ一定に維持することができる。
【００２２】
また、請求項５によれば、バーナカバーから外部への放熱を抑制することができ、燃料ガスの加熱用として伝熱させる火炎の燃焼熱を効率よく有効活用することができる。
【００２３】
また、請求項３によれば、伝熱手段としての棒状吸熱部材の一端部である吸熱ヘッドに燃焼室の燃焼熱を確実に吸熱させ、この吸熱した熱を上記吸熱部材の他端部である接合部から第１配管部材である分流管に伝熱させることができる。これにより、上記第１配管部材である分流管内の燃料ガスを確実に加熱することができ、請求項１による効果を確実に得ることができることになる。
【００２４】
さらに、請求項４によれば、炎孔部での火炎からの放射熱により加熱されたバーナプレートの熱を伝熱手段としての第２配管部材である連通管の一部に確実に吸熱させることができ、この吸熱により内部の燃料ガスを加熱させることができる。これによっても、請求項１による効果を確実に得ることができることになる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
まず、本発明の実施形態に係る改質器用バーナ装置が適用される燃料電池システムについて、図１に示す一例を参照しつつ簡単に説明する。
【００２７】
図例の燃料電池システムは、固体高分子形等の燃料電池１００で必要な水素として、所定の原燃料ガスを改質器２００で改質することにより生成した水素リッチの改質ガスを用いるようにする一方、上記改質器２００の改質用触媒２０１を加熱するためのバーナ装置３００又は３００ａにおいて上記燃料電池１００から排出される未反応排ガスを燃料の一部又は全部として用いるようにしたものである。
【００２８】
すなわち、上記燃料電池１００はカソード（空気極）１０１と、アノード（水素極）１０２と、電解質１０３とを備えており、空気が上記カソード１０１に、水素リッチの改質ガスが上記アノード１０２にそれぞれ供給されるようになっている。そして、上記燃料電池１００では、水の電気分解とは逆の電気化学的原理に基づき、上記空気中の酸素と改質ガス中の水素との電気化学反応により発電される。そして、この反応により生成された水と、未反応水素を含む改質ガス（未反応排ガス）とが排出されることになる。
【００２９】
上記改質器２００での水素リッチの改質ガスの生成は次のようにして行われる。すなわち、第１流量調整弁２０２が介装された原燃料ガス供給管２０３を通して原燃料ガス（例えば都市ガス等）が改質器２００に導入される。なお、この導入前に、上記原燃料ガス中の硫黄分が図示省略の脱硫器により脱硫されると共に、その原燃料ガスに対し水蒸気供給源からの水蒸気が水蒸気供給管２０４を通して混入される。そして、改質器２００内において、改質用触媒２０１がバーナ装置３００又は３００ａからの燃焼熱により加熱され、その改質用触媒２０１の吸熱反応に基づき上記の導入された燃料が水蒸気改質されて水素リッチの改質ガスが生成されることになる。生成された改質ガスはＣＯ処理器２０５により改質ガス中のＣＯ（一酸化炭素）が変性・除去された後に上記燃料電池１００のアノード１０２に供給される。
【００３０】
一方、上記バーナ装置３００又は３００ａでは、未反応排ガスのみ、あるいは、この未反応排ガスに上記原燃料ガス（以下、都市ガスとして説明する）を混合した状態の燃料ガスに対し燃焼用空気を予め混合し、混合後の混合ガスが燃焼される。すなわち、燃料電池１００から排ガス供給管３０１を通して供給される未反応排ガスと、上記第１流量調整弁２０２の上流側の原燃料ガス供給管２０３から分岐され途中に第２流量調整弁３０２が介装された分岐燃料供給管３０３を通して供給される都市ガスとが合流部３０５で合流され、未反応排ガスのみもしくは双方からなる燃料ガスがバーナ装置３００又は３００ａに導入される。そして、導入された燃料ガスに対し空気供給管３０４からの空気が後述の如く予め混合され、この空気が予め混合された混合ガスが燃焼される（予混合燃焼）。この燃焼により生じる燃焼排ガスを例えば円筒状の改質用触媒２０１の内外周に通過させることにより、改質用触媒２０１が加熱されるようになっている。
【００３１】
なお、上記バーナ装置３００又は３００ａに供給される都市ガス量は第２流量調整弁３０２の開度調整により変更調整され、これにより、上記燃料ガス中の都市ガス混合比（０％の状態を含む）が変更調整されるようになっている。
【００３２】
＜第１実施形態＞
次に、第１実施形態に係るバーナ装置３００について図２を参照しつつ説明する。
【００３３】
上記バーナ装置３００は、略円筒状のバーナケース２と、炎孔部３１が形成された厚肉円板状のバーナプレート３と、有底で円筒状のバーナカバー４と、複数の連通管５，５，…と、共に円板状の第１及び第２バッフル板６，７と、分流管８とを主要構成要素として備え、予混合燃焼でかつ濃淡燃焼という燃焼方式により燃焼させるものである。上記バーナケース２、バーナプレート３、バーナカバー４及び各連通管５がそれぞれ個別にもしくは協働することにより本発明の「伝熱手段」として機能する。
【００３４】
上記バーナケース２は、上方に開口する上筒部２１及び取付フランジ部２２が上半部に形成され、上記上筒部２１よりも所定寸法だけ小径で下方に開口する外筒部２３及び内筒部２４が下半部に形成され、上下を区画する区画壁部２５が上下方向中間位置に形成されたものである。上記取付フランジ部２２が後述のバーナカバー４と共に改質器２００に対し取り付けられることにより、バーナ装置３００が改質器２００に固定されるようになっている。このバーナケース２は、バーナカバー４よりも熱伝導率の高い素材、例えばアルミニウムや銅等の高熱伝導素材により一体に形成されたものである。
【００３５】
上記上筒部２１の内部には上記区画壁部２５のやや上側位置に形成された段部に対しバーナプレート３の外周側下面が当接状態で保持され、このバーナプレート３よりも上方に突出する上筒部２１とバーナプレート３とにより区画されて改質器２００に連通する燃焼室９が形成されている。つまり、上記上筒部２１が炎孔部３１からの火炎に露出して燃焼室９を囲みその燃焼室９からの燃焼熱を吸熱するバーナケース２の「壁部」を構成する。また、上記上筒部２１の外周面にはバーナカバー４がその内周面を密着させた状態で下から外嵌され、このバーナカバー４の底壁部４１が上記外筒部２３の下端位置よりも所定寸法だけ下側位置に位置付けられている。
【００３６】
上記内筒部２４はその上下寸法が外筒部２３よりも所定量短くされており、外筒部２３にはその下端開口を閉止するように第１バッフル板６が固定され、また、内筒部２４にはその下端開口を開放状態にしつつ外周側空間を上下に区画するよう第２バッフル板７が固定されている。そして、上記分流管８が上記バーナカバー４の底壁部４１の中心位置から上記第１バッフル板６の中心絞り通路６１及び第２バッフル板７の中心孔７１を貫通した状態で固定されている。これによって、第１淡混合室１０ａが第１及び第２の両バッフル板６，７間の上下範囲に分流管８と外筒部２３との間の環状空間として形成され、第２淡混合室１０ｂが第２バッフル板の上側位置に内・外の両筒部２３，２４間の環状空間として形成されている。また、上記内筒部２４内には、濃混合室１１が分流管８の上部と区画壁部２５とにより区画形成されている。
【００３７】
つまり、上記バーナケース２は、内部に上記各混合室１０ａ，１０ｂ，１１を区画形成するという役割に加え、燃焼室９に露出した上筒部２１により吸熱した熱を上記各混合室１０ａ，１０ｂ，１１内の燃料ガスや後述の空気予熱室１２内の空気に伝熱させて加熱する熱伝導媒体としての役割をも果たすようになっている。
【００３８】
上記バーナカバー４の下側外周面には空気供給管３０４が連通状態で固定されており、バーナカバー４の下側内周面と外筒部２３との間の環状空間、及び、バーナカバー４の底壁部４１と第１バッフル板６との間の空間により構成された空気予熱室１２に対し上記空気供給管３０４から燃焼用空気が供給されて充満されるようになっている。
【００３９】
また、上記バーナカバー４の底壁部４１には排ガス供給管３０１と分岐燃料供給管３０３との合流部３０５が上記分流管８のみに連通するように固定され、合流部３０５からの燃料ガスが分流管８に供給されるようになっている。
【００４０】
一方、上記バーナケース２の区画壁部２５には炎孔部３１との関係で定められた所定位置にそれぞれ貫通孔が形成され、この各貫通孔に対し連通管５の下端部が内嵌状態で固定され、その上端部がバーナプレート３の下面に密着して当接されている。この各連通管５により第２淡混合室１０ｂと、炎孔部３１の所定範囲とが互いに連通されている。
【００４１】
次に、図３以降の図面を参照しつつ以上の構成要素についてさらに詳細に説明する。
【００４２】
上記バーナプレート３は図３及び図４に示すように上筒部２１の内周面に形成された段部２６に対し上から内嵌させることにより保持されている。この段部２６とバーナプレート３の少なくとも下面とは密着状態で当接されて、バーナプレート３からバーナケース２に対し伝熱されるようになっている。なお、上記段部２６とバーナプレート３との間に黒鉛シート等の耐熱性と伝熱性とを併有する薄肉シートを介装させた状態で密着させるようにし、伝熱性を増大させるようにしてもよい。
【００４３】
上記バーナカバー４は、複数の互いに異なる材質の層が積層されたクラッド材により構成され、このクラッド材は空気予熱室１２に臨む内層４３が外層４２よりも熱伝導性の良い材質により形成されている。例えば、図３の２層のクラッド材の例では外層４２の材質として鋼鉄が設定され、内層４３の材質として熱伝導性の良い銅が設定されている。これにより、上記燃焼室９からの吸熱を、外部への放熱を抑制した状態で、バーナケース２及び上記内層４３を介して空気予熱室１２側に対し効率よく伝熱して空気を予熱し得るようにしている。
【００４４】
また、上記バーナプレート３に形成された炎孔部３１は、図３及び図４に示すように上下方向に貫通した多数の小径炎孔の集合から構成され所定範囲に配置されている。すなわち、上記炎孔部３１（図４参照）は、上記多数の小径炎孔がドーナッツ環状範囲に配置された単位炎孔部３２を周方向に複数（図例では８つ）連続して並べて形成されたものである。そして、各連通管５の内径が上記各単位炎孔部３２の内外周の中間径に相当する寸法に設定され、その連通管５が上記単位炎孔部３２毎にその下面に個別に密着当接されている。これにより、各連通管５を通して第２淡混合室１０ｂから淡混合ガスが上記各単位炎孔部３２の内周側範囲にある小径炎孔のみに供給されるようになっている。なお、図４中１３は炎孔部３１からの燃焼炎の温度を検出する炎温度検出手段であり、この図４の例では炎温度検出手段としてシースに封入された熱電対を用いている。また、上記バーナプレート３の炎孔部３１の上側位置には図示省略の着火装置が配設されている。
【００４５】
上記バーナプレート３と、バーナケース２の区画壁部２５との間の上下方向中間位置には第１仕切り板１４が固定され、この第１仕切り板１４により上記バーナプレート３と区画壁部２５との間の空間が上下に仕切られている。そして、上記第１仕切り板１４には上記各連通管５の外周側位置において各連通管５を囲むように所定間隔で複数の噴出孔１４１，１４１，…が貫通形成されており、この各噴出孔１４１により濃混合室１１から中心孔２７を通して供給される濃混合ガスを上記各単位炎孔部３２の外周側範囲にある小径炎孔に向けて上方に噴出させるようになっている。上記濃混合室１１は、第２仕切り板１４により上下部空間に区画され、その上下部空間が上記第２仕切り板１５の小孔１５１，１５１，…により連通されている。
【００４６】
上記第１バッフル板６の中心絞り通路６１は中心部の貫通孔の孔縁部を上方に曲げ起こすことにより上向き漏斗状に形成されたものであり、この中心絞り通路６１の上下方向中間位置に臨んで分流管８の第１噴出孔８１，８１，…が横向きに開口されている。また、この分流管８の上端部は頂面が閉塞された状態で上記濃混合室１１の下部空間に入り込み、分流管８の上端部と内筒部２４との間の環状隙間に臨んで上記分流管８の第２噴出孔８２，８２，…が横向きに開口されている。
【００４７】
上記第２バッフル板７は図３及び図５にも示すように中心位置に中心孔７１が形成され、第２淡混合室１０ｂに臨む外周側の位置に複数の切り起こし通路７２，７２，…が形成されている。この各切り起こし通路７２（図６も併せて参照）は周方向の一側に開口され、これにより、第１淡混合室１０ａからの淡混合ガスを第２淡混合室１０ｂに対し旋回流となって流れ込ますようにし、混合の均一化をより一層図るようにしている。
【００４８】
上記の第１及び第２の両淡混合室１０ａ，１０ｂと、濃混合室１１とによって本発明の「混合部」が構成され、また、分流管８と、バーナケース２により区画形成される上記の各混合室１０ａ，１０ｂ，１１と、「第２配管部材」としての各連通管５とによって本発明の「ガス供給通路」が構成されている。
【００４９】
なお、図３中２８ａは第１仕切り板１４を位置固定するためのスペーサリング、２８ｂは第２仕切り板１５を位置固定するためのスペーサリング、２８ｃ及び２８ｄはそれぞれ第２バッフル板７を挟み付けて位置固定するためのスペーサリングである。
【００５０】
以上の構成のバーナ装置３００による燃焼動作について図２及び図３を参照しつつ説明する。まず、合流部３０５から燃料ガスが分流管８に供給される一方、空気供給管３０４から燃焼用空気が空気予熱室１２に供給される。この空気予熱室１２の空気は第１バッフル板６の中心絞り通路６１を通して第１淡混合室１０ａに流入する。この流入の際、空気は広い空気予熱室１２からそれよりも狭い通路断面積の中心絞り通路６１を通過して再び広い第１淡混合室１０ａに流れ込むことになる。このため、上記中心絞り通路６１を通過する際に、流通速度が高くなった状態の空気の流れに対し分流管８の各第１噴出孔８１から燃料ガスが上記流れと直交する方向から噴出されて上記空気に混入される上に、この燃料ガスと空気とが上記第１淡混合室１０ａ内に乱流状態で流れ込むことにより燃料ガスと空気とがさらに混合されて均一混合に近づくことになる。
【００５１】
上記の第１淡混合室１０ａに流入したものが淡混合ガスであり、この淡混合ガスは一部が中心孔７１から濃混合室１１に流入する一方、他部が第２バッフル板７の切り起こし通路７２，７２，…を通過して第２淡混合室１０ｂに流入する。その各切り起こし通路７２を通過することにより淡混合ガスは旋回流となるため、空気と燃料ガスとの均一混合の確実化が図られる。そして、この均一混合された淡混合ガスが各連通管５から各単位炎孔部３２の内周側範囲にある多数の小径炎孔に供給され、バーナプレート３の上面で淡火炎となって燃焼される。
【００５２】
一方、上記中心孔７１から濃混合室１１の環状隙間に流入した淡混合ガスに対し、さらに、分流管８の各第２噴出孔８２から燃料ガスが上記流れと直交する方向から噴出されて混入され、これにより、濃混合ガスとなる。この際、濃混合室１１の下部空間の下流側が第２仕切り板１５により通路断面積が各小孔１５１のみに絞られているため、上記燃料ガスが十分に混入されることになる。この濃混合ガスは第２仕切り板１５の各小孔１５１を通過して濃混合室１１の上部空間に流入する際に混合の均一化が図られる。そして、この濃混合ガスは中心孔２７から第１仕切り板１４の各噴出孔１４１を通して上記各単位炎孔部３２の外周側範囲にある多数の小径炎孔に供給され、バーナプレート３の上面で濃火炎となって燃焼される。
【００５３】
なお、上記バーナ装置３００は、燃料電池１００の起動時においては都市ガスのみが供給されてこの都市ガスを燃料ガスとして燃焼作動される。
【００５４】
以上の濃淡混合燃焼においては、分流管８に供給される燃料ガスが都市ガスと未反応排ガスという互いにＷＩ（Wobbe Index；ウォッベ指数）及び供給圧（各噴出孔８１，８２を挟んで上流側である分流管８内の一次側圧力）が大きく異なる２種類のガスの混合であっても、上記各第１噴出孔８１の二次側圧力（第１噴出孔８１の下流側である中心絞り通路６１を流れる空気の圧力）と、各第２噴出孔８２の二次側圧力（中心孔７１から濃混合室１１に流入する淡混合ガスの圧力）とがほぼ同等になる。このため、上記各第１噴出孔８１から噴出される燃料ガスとの混合により生成される淡混合ガスと、上記各第２噴出孔８２から噴出される燃料ガスとの混合により生成される濃混合ガスとにおける各燃料ガス濃度（混合比率）をほぼ一定に維持することができるようになる。
【００５５】
一方、上記の濃淡の各燃焼炎からの放射熱を受けてバーナケース２の上筒部２１やバーナプレート３が吸熱して加熱されることになる。上記上筒部２１が吸熱した熱はバーナケース２自体を伝わって下半部の外筒部２３等に伝熱される一方、バーナカバー４にも伝わって下側の空気予熱室１２側に伝熱される。同時に、上記バーナプレート３の熱が段部２６を介してバーナケース２に伝熱されると共に各連通管５にも伝熱されることになる。そして、それらの伝熱により第１及び第２の両淡混合室１０ａ，１０ｂや濃混合室１１からなる混合部が加熱される一方、上記空気予熱室１２内の空気が予熱（例えば１００℃程度）されることになる。このため、分流管８を通して導入される燃料ガスがまず予熱された空気と混合されることにより加熱され、次に上記各混合室１０ａ，１０ｂ，１１や各連通管５において加熱されることになる。
【００５６】
これにより、燃料ガスとして水蒸気を多量に含み露点の高い未反応排ガスを用いても結露の発生を確実に防止することができ、上記結露に起因する通路閉塞発生のおそれを回避することができる。この結果、改質器２００での改質反応を設定のものに維持して燃料電池１００での電気化学反応を設定状態に確実に維持することができるようになる。
【００５７】
また、上記バーナプレート３の熱が上記の如く燃料ガスや燃焼用空気の加熱のために消費されるため、上記バーナプレート３の過加熱防止が図られて未反応排ガスを用いた場合の逆火発生をも防止することができるようになる。
【００５８】
＜第２実施形態＞
図７及び図８は本発明の第２実施形態に係るバーナ装置３００ａを示す。このバーナ装置３００ａは、伝熱手段の一つとして特に吸熱部材１６をさらに付加した点でのみ上記第１実施形態のバーナ装置３００と異なり、その他の点は第１実施形態のバーナ装置３００（図２及び図３参照）と同じである。このため、同じ構成要素には第１実施形態と同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５９】
上記吸熱部材１６は周方向に拡径された吸熱ヘッド１６１と、軸部１６２と、ねじ部を有する接合部１６３とを備えた棒状をなし、これらが熱伝導性の高い素材（例えばアルミニウム等）により一体に形成されたものである。そして、上記吸熱部材１６はバーナプレート３の中心孔３３、第１仕切り板１４、区画壁部２５の中心孔２７及び第２仕切り板１５′の中心孔１５２をそれぞれ貫通して、上記接合部１６３が「第１配管部材」としての分流管８′の頂壁部８３に対しねじ込み締結されることにより接合されている。これにより、上記吸熱ヘッド１６１がバーナプレート３の上側に露出されて、燃焼室９の火炎から燃焼熱を吸熱し得るようになっている。
【００６０】
上記吸熱ヘッド１６１は図９にも示すように上記のねじ込み締結のために締結工具の係合用凹溝が形成されたものである。図例では（−）形のドライバの先端が係合し得るように一直線状の凹溝を図示しているが（＋）形のものでもよい。また、例えば六角ボルトの頭部のような六角形状等の多角形状にしてもよい。そして、この吸熱部材１６の分流管８′へのねじ込み締結により、吸熱部材１６の固定に加え、バーナプレート３をより強固に固定し得るようにもしている。
【００６１】
また、上記吸熱ヘッド１６１のねじ込み締結に際しては、その吸熱ヘッド１６１とバーナプレート３との間に耐熱パッキン１７を挟み付けた状態で介装され、これにより、中心孔３３を通しての未燃ガスの漏出防止、及び、熱膨張もしくは製造上の寸法誤差の吸収によるバーナプレート３への過大な応力発生の未然防止を図るようにしている。
【００６２】
この第２実施形態の場合、燃料ガスに対する加熱として、バーナケース２、各連通管５及びバーナカバー４を介した第１実施形態と同様な加熱に加え、さらに上記吸熱部材１６により上記第１実施形態の場合よりも上流側の燃料ガスに対する加熱をも行うことができるようになる。
【００６３】
すなわち、バーナプレート３の炎孔部３１からの火炎の放射熱を上記吸熱部材１６の吸熱ヘッド１６１が直接に吸熱し、吸熱した熱が軸部１６２及び接合部１６３を介して分流管８に対し伝熱されることになる。これにより、分流管８′自体が加熱されてバーナ装置３００ａに導入される燃料ガスの内でも最も上流側である分流管８′内の燃料ガスを加熱することができるようになる。また、併せて、上記軸部１６２からの放熱により、燃料ガス濃度の高い濃混合ガスに対する加熱をより促進させることができるようになる。
【００６４】
以上により、第２実施形態では、燃料ガスとして水蒸気を多量に含み露点の高い未反応排ガスを用いた場合の結露発生を第１実施形態よりも一層確実に防止することができ、上記結露に起因する通路閉塞発生のおそれを完全に回避することができる。この結果、改質器２００での改質反応を設定のものに確実に維持して燃料電池１００での電気化学反応を設定状態に確実に維持させることができるようになる。
【００６５】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記第２実施形態では吸熱部材１６の一端を接合部１６３として分流管８′の頂壁部８３に貫通状態でねじ込みさせて接合しているが、これに限らず、単に接触させるだけでもよい。この場合であっても、吸熱ヘッド１６１で吸熱した熱を分流管８′に対し伝熱させて燃料ガスの加熱を行うことができる。
【００６６】
また、上記第２実施形態では吸熱部材１６として一端である接合部１６３が分流管８′の頂壁部８３に対し接合されたものを示したが、これに限らず、吸熱部材としてその一端が分流管８′の内部空間に貫入して放熱する放熱部を備えた構成にしてもよい。この場合は、例えば図１０に示すように接合部１６３に対しさらに棒状の放熱部１６４を一体に延長させて吸熱部材１６′を構成すればよい。この場合は、分流管８′の頂壁部８３に貫通形成されたねじ孔から上記放熱部１６４を分流管８′内に挿入させてから上記接合部１６３を上記ねじ孔にねじ込んで吸熱部材１６′を固定するようにすればよい。このようにすることにより、吸熱ヘッド１６１が吸熱した熱が軸部１６２及び接合部１６３を介して分流管８′に伝熱されると同時に、放熱部１６４にも伝熱され、その熱が放熱部１６４の周面から分流管８′内の燃料ガスそのものに放熱されることになる。このため、バーナ装置３００ａに対し導入される燃料ガスに対し最も上流側において加熱することができ、バーナ装置３００ａ内での結露発生をより確実に阻止することができる。なお、上記放熱部１６４の延長長さは図１０に例示したもの以外に、例えば分流管８′と合流部３０５との境界位置までの範囲で設定すればよい。
【００６７】
上記第１及び第２実施形態では、改質器２００の下部に対しバーナ装置３００，３００′を上向きに取り付けているが、これに限らず、横向きもしくは下向きに取り付けてもよい。
【００６８】
また、上記第１及び第２実施形態では、燃料ガスと空気とを予め混合する予混合燃焼方式に加え、上記燃料ガスと空気との混合度合を濃淡２種類に分けて混合させて濃淡燃焼方式を実現させているが、これに限らず、例えば濃混合室１１を構成する構成部分を省略して予混合燃焼方式のみを実現させてもよい。この場合においても、これまで説明した燃焼前の燃料ガスに対する加熱に基づくバーナ装置内での結露発生の防止を同様に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態が適用される燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】 第１実施形態を示す縦断面説明図である。
【図３】 図２の部分拡大図である。
【図４】 図２の一部切欠平面説明図である。
【図５】 第２バッフル板の平面図である。
【図６】 図５のＡ−Ａ線における拡大断面図である。
【図７】 第２実施形態を示す図２対応図である。
【図８】 図７の部分拡大図である。
【図９】 図７の一部切欠平面説明図である。
【図１０】 第２実施形態についての他の実施形態を示す図８対応図である。
【符号の説明】
２ バーナケース（伝熱手段）
３ バーナプレート
４ バーナカバー
５ 連通管（伝熱手段，第２配管部材）
８ 分流管（第１配管部材）
９ 燃焼室
１０ａ 第１淡混合室（混合部）
１０ｂ 第２淡混合室（混合部）
１１ 濃混合室（混合部）
１２ 空気予熱室（環状空間）
１６，１６′ 吸熱部材
２１ 上筒部（バーナケースの壁部）
２３ 外筒部
３１ 炎孔部
１００ 燃料電池
２００ 改質器
３００，３００ａ バーナ装置
３０５ 合流部

Claims (5)

1. 燃料ガスを炎孔部において燃焼させることにより改質器を加熱する改質器用バーナ装置であって、
   燃料電池から排出される水素リッチの未反応排ガスに対し、合流部において、都市ガスである原燃料ガスが流量調整弁を通して供給されることにより０％の混合比を含む混合比の変更調整可能に合流されて、上記合流部から導入される未反応排ガスのみからなる燃料ガス、もしくは、未反応排ガスに上記原燃料ガスを混合した双方からなる燃料ガスが、ガス供給通路を通して上記炎孔部に供給される途中で、空気予熱室を通して供給される予熱状態の燃焼用空気と混合部において予め混合され、空気との混合ガスの状態にして上記炎孔部において燃焼室に向けて燃焼されるように構成され、
   一部が上記炎孔部の火炎に対しその燃焼熱を直接もしくは間接に吸熱し得るように配設される一方、他部が上記ガス供給通路内の燃料ガスに伝熱し得るように配設されて、上記燃料ガスを加熱する伝熱手段を備え、
   上記燃焼室は、上記炎孔部が形成されたバーナプレートと、上方に開口し上記バーナプレートよりも上方に突出する上筒部とにより区画されて形成され、
   上記空気予熱室は、上記上筒部の下側位置の外筒部と、この外筒部の外周側に配設されたバーナカバーとの間に区画された環状空間として形成され、この環状空間の一側に対し燃焼用空気が導入される一方、他側が上記混合部に連通され、
   上記混合部は、上記外筒部の内側に区画形成された混合室に対し上記空気予熱室からこの空気予熱室よりも狭い通路断面積の中心絞り通路を通して燃焼用空気が流入される一方、上記合流部から導入される燃料ガスが、上記ガス供給通路の一部を構成し上記中心絞り通路を上記混合室内に貫通した状態で固定された分流管に供給されこの分流管に横向きに開口形成された第１噴出孔から上記中心絞り通路を通過して混合室に流れ込む際の燃焼用空気にその流れと直交する方向から噴出されてその燃焼用空気に混入されるように構成され、
   上記伝熱手段として、内部に上記ガス供給通路が形成されるとともに、上記バーナカバーの熱伝導率よりも同等以上の高い熱伝導率を有する素材により形成された略円筒状のバーナケースを備え、このバーナケースは上記上筒部と上記外筒部とを一体に備え、上記上筒部が上記燃焼室を囲み炎孔部からの火炎に露出してその燃焼熱を吸熱する一方、吸熱した熱が上記外筒部を通して上記混合室内の混合ガス及び上記空気予熱室内の燃焼用空気の双方に対し伝熱されるように構成されている
   ことを特徴とする改質器用バーナ装置。
2. 請求項１に記載の改質器用バーナ装置であって、
   上記バーナケースの一部として一体形成された内筒部が上記外筒部の内側に配設されてこの内筒部内に濃混合室が区画形成され、この濃混合室から上記炎孔部に供給された濃混合ガスが濃火炎となって燃焼されるように構成され、
   上記濃混合室は上記混合室と中心孔を介して連通されてこの中心孔を通して上記混合室からの混合ガスが流入する一方、上記分流管の閉塞された上端部が上記中心孔を貫通して上記濃混合室の空間に入り込み、この分流管に横向きに開口形成された第２噴出孔から燃料ガスが上記中心孔を通過する混合ガスに対しその流れと直交する方向から噴出されて混入されるように構成されている、改質器用バーナ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の改質器用バーナ装置であって、
   上記伝熱手段として棒状吸熱部材を備え、
   この棒状吸熱部材は、その一端部として上記バーナプレートから燃焼室内に突出し周方向に拡径されて上記燃焼室の火炎から燃焼熱を吸熱する吸熱ヘッドと、この吸熱ヘッドから上記バーナプレートを貫通するように延びる軸部と、他端部として上記分流管に接触した状態に接合されてその分流管に伝熱させて内部の燃料ガスを加熱する接合部とから一体に形成されている、改質器用バーナ装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の改質器用バーナ装置であって、
   上記伝熱手段として、上記ガス供給通路の一部を構成する連通管を備え、
   この連通管はその一部が、上記炎孔部が形成されたバーナプレートに対し直接もしくは間接に接触した状態に配設されている、改質器用バーナ装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の改質器用バーナ装置であって、
   上記バーナカバーは、複数の互いに異なる材質の層が積層されてなりかつ上記環状空間に臨む内層が外層よりも高い熱伝導率を有する材質に設定されたクラッド材により形成されている、改質器用バーナ装置。

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