JP3966831B2

JP3966831B2 - 改質装置用の加熱バーナ

Info

Publication number: JP3966831B2
Application number: JP2003115411A
Authority: JP
Inventors: 征雄安田; 規寿神家; 聰伊部
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2023-04-21
Also published as: JP2004317095A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の改質装置において原燃料ガスを改質処理するための燃焼熱を発生する改質装置用の加熱バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような改質装置用の加熱バーナは、改質装置において原燃料ガスを改質処理するための熱を発生するものであり、燃料ガスと燃焼用空気との混合気を噴出させる単数のノズル管を設けて元混合式にて燃焼させたり、燃料ガスを噴出させる燃料ガス用ノズル管と燃焼用空気を噴出させる空気用ノズル管との複数のノズル管を設けて先混合式にて燃焼させるようにしている。
【０００３】
上記のような改質装置用の加熱バーナにおいて、従来では、円形状の燃料ガス用噴出孔が形成されている燃料ガス用ノズル管と円形状の空気用噴出孔が形成されている空気用ノズル管との複数のノズル管が設けられ、燃料ガス用ノズル管が、燃料ガスを供給する燃料ガス供給路をノズル管の管軸芯方向の中間部に接続しかつ燃料ガス用噴出孔をノズル管の管軸芯方向に沿って間隔を隔てて形成するように構成され、空気用ノズル管が、燃焼用空気を供給する空気供給路をノズル管の管軸芯方向の中間部に接続しかつ空気用噴出孔をノズル管の管軸芯方向に沿って間隔を隔てて形成するように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２７６９０９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような改質装置用の加熱バーナでは、燃料ガス用ノズル管が、燃料ガス供給路をノズル管の管軸芯方向の中間部に接続するように構成されているので、燃料ガス供給路から燃料ガス用ノズル管に流動する燃料ガスは、ノズル管の管軸芯方向の中間部に流動し易く、かつ、ノズル管の管軸方向の両端部に広がって流動することになる。
そして、上記従来の改質装置用の加熱バーナでは、単に、燃料ガス用噴出孔から燃料ガスを噴出するだけであるので、ノズル管の管軸芯方向の中間部から多量の燃料ガスが噴出するとともに、ノズル管の管軸芯方向の両端部側に広がる状態で燃料ガスが噴出することになる。
したがって、ノズル管の管軸芯方向の中間部や両端部に偏った形状の炎が形成されることになるので、ノズル管の管軸芯方向において、温度が高い部分と温度が低い部分とが生じて、温度分布に偏りが生じることになる。
【０００６】
そして、ノズル管の管軸芯方向において、温度分布に偏りが生じると、ノズル管の管軸芯方向において、温度分布に偏りが生じた状態で、改質処理を行うための燃焼熱が得られることになるので、改質処理における改質反応の反応率が低下して、燃料電池の発電効率が低下することになる。
【０００７】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、ノズル管の管軸方向において、温度分布を均一にすることができる改質装置用の加熱バーナを提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に記載の発明によれば、燃料電池用の改質装置において原燃料ガスを改質処理するための燃焼熱を発生する改質装置用の加熱バーナにおいて、
燃焼用のノズル管は、複数の噴出孔を前記ノズル管の管軸芯方向に沿って間隔を隔てて形成するように構成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項１に記載の発明によれば、前記ノズル管は、燃料ガスを噴出する燃料ガス用噴出孔が形成されている燃料ガス用ノズル管と、燃焼用空気を噴出する空気用噴出孔が形成されている空気用ノズル管とを並設させる状態で、複数の管から構成され、
前記燃料ガス用噴出孔と前記空気用噴出孔とが、前記燃料ガス用噴出孔から噴出する燃料ガスに対して、燃焼用空気を噴出させるように、燃料ガスの噴出方向と燃焼用空気の噴出方向を対応付ける状態で形成されていることを特徴とする。
【００１５】
すなわち、燃料ガス用噴出孔から噴出する燃料ガスに対して、空気用噴出孔から燃焼用空気を噴出させることになるので、燃料ガスと燃焼用空気との衝突により燃料ガスと燃焼用空気とを混合させて、先混合式にて燃焼させることができることになる。
そして、先混合式にて燃焼させることができるので、燃焼速度の速い水素を含む燃料電池からの排燃料ガスを、燃料ガスとして燃料ガス用ノズル管に供給しても、逆火を防止しながら、排燃料ガスを燃焼させることができることになる。
したがって、燃料ガスとして、燃料電池からの排燃料ガスを利用することができることとなって、省エネルギー化を実現することができ、改質装置用の加熱バーナとして有効なものとなる。
【００１６】
また、請求項１に記載の発明によれば、前記燃料ガス用噴出孔は、燃料ガスの噴出方向が前記燃料ガス用ノズル管の管軸芯と前記空気用ノズル管の管軸芯とを含む平面に対して垂直となるように設定され、
前記空気用噴出孔は、燃焼用空気の噴出方向が燃料ガスの噴出方向に対して鋭角に交差するように設定されていることを特徴とする。
【００１７】
すなわち、燃料ガス用ノズル管の管軸芯と空気用ノズル管の管軸芯とを含む平面に対して垂直に噴出する燃料ガスに対して、燃焼用空気を鋭角に交差するように噴出させることになるので、燃料ガスと燃焼用空気とを衝突させる箇所をノズル管から極力離れた箇所とすることができることになる。
したがって、ノズル管から極力離れた箇所に炎を形成することができることとなって、ノズル管が高温にさらされることを防止することができ、ノズル管の耐久性を向上することができることになる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、燃料ガスと燃焼用空気とを燃焼させる燃焼空間は、燃料ガスと燃焼用空気の流動方向において、横幅の異なる幅広部分と幅狭部分とが並ぶように形成され、
前記燃料ガス用ノズル管と前記空気用ノズル管とが、燃料ガスと燃焼用空気との流動方向において、前記幅広部分と前記幅狭部分との間の段部と重複する箇所に前記燃料ガス用ノズル管を入り込ませてかつその燃料ガス用ノズル管における燃料ガスの噴出方向および前記空気用ノズル管における燃焼用空気の噴出方向が前記段部に向くように、前記燃焼空間の前記幅広部分に並設されていることを特徴とする。
【００１９】
すなわち、燃料ガスと燃焼用空気がともに燃焼空間の段部に向けて噴出されることになるので、燃料ガスおよび燃焼用空気が段部に当たることにより、乱流が生じることになる。
したがって、その乱流の発生により燃料ガスと燃焼用空気との混合を促進させることができるので、燃料ガスと燃焼用空気とを良好に混合することができることになる。
【００２０】
また、請求項１との協働作用により、燃料ガスと燃焼用空気との衝突に加えて、段部での乱流の発生により、燃料ガスと燃焼用空気とを混合させることができることになり、燃料ガスと燃焼用空気とをより一層良好に混合させることができることになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる改質装置用の加熱バーナを適応した燃料電池システムについて図面に基づいて説明する。
この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池Ｇ、燃料電池Ｇに供給する水素含有ガスとしての燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置Ｐ、燃料電池Ｇに酸素含有ガスとしての空気を供給する反応用ブロア１４、燃料電池Ｇの運転を制御する制御部３９などから構成されている。
【００２２】
前記燃料電池Ｇは、例えば、高分子型の燃料電池を備え、燃料ガス生成装置Ｐにて生成されて燃料ガス路２３を通して供給される燃料ガス中の水素と、反応用ブロア１４から反応用空気路３２を通して供給される空気中の酸素とを電気化学反応させて発電するように構成されている。
【００２３】
前記燃料ガス生成装置Ｐには、供給される都市ガスなどの炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部１、および、改質装置Ａが設けられ、改質装置Ａは、原燃料を改質処理する改質部Ｒおよび改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部Ｓを備えて構成されている。
また、燃料ガス生成装置Ｐには、改質部Ｒにて改質処理された改質処理ガスに含まれる一酸化炭素ガスを低減するように処理する変成処理部５、その変成処理部５から排出される変成処理ガス中に残留している一酸化炭素を除去する選択酸化処理部６が備えられ、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな燃料ガスを生成するように構成されている。
【００２４】
前記改質部Ｒは、改質触媒が通気自在に充填されるとともに、被改質ガス（脱硫原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを改質処理する改質処理部３と、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスを燃焼させて改質処理部３を加熱する燃焼部４とを備えて構成されている。
そして、水蒸気生成部Ｓは、改質部Ｒの燃焼部４から排出された燃焼ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通流部１１と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流部１１による加熱にて蒸発させる蒸発処理部２とから構成されている。
【００２５】
前記燃焼部４は、排燃料ガスを火炎を形成する状態で燃焼させる有炎燃焼部４Ｆと、その有炎燃焼部４Ｆに対して、その有炎燃焼部４Ｆの火炎形成方向下手側に配置されて、有炎燃焼部４Ｆにて燃焼しなかった排燃料ガスを燃焼触媒４ｃにて燃焼させる触媒燃焼部４Ｃを備えて構成されている。
そして、有炎燃焼部４Ｆには、改質装置用の加熱バーナとしてのバーナ４ｂが備えられ、そのバーナ４ｂは、改質装置Ａにおいて原燃料ガスを改質処理するための燃焼熱を発生するように構成されている。
【００２６】
前記燃料ガス生成装置Ｐには、改質処理部３から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、改質処理部３を保温する保温用通流部７と、高温の改質処理ガスにより改質処理部３に供給される被改質ガスを加熱する被改質ガス用熱交換器Ｅｐと、高温の改質処理ガスにより脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを加熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａと、変成処理部５を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部８と、同じく、変成処理部５を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部９と、変成処理部５および選択酸化処理部６を冷却する冷却用ファン１０とが設けられている。
また、変成処理部５から排出された変成処理ガスと、水蒸気生成部Ｓへ供給する原料水とを熱交換させて、原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器１７が設けられている。
【００２７】
前記被改質ガス用熱交換器Ｅｐは、保温用通流部７から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部１２と、改質処理部３に供給する被改質ガスを通流させる被改質ガス通流部１３とを熱交換させるように構成されている。
前記原燃料ガス用熱交換器Ｅａは、上流側改質処理ガス通流部１２から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部１５と、脱硫処理部１に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部１６とを熱交換させるように構成されている。
【００２８】
図１および図２において、白抜き線矢印にて示すように、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの原燃料ガス通流部１６に原燃料ガス供給路２１を接続し、並びに、原燃料ガス通流部１６、脱硫処理部１、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの被改質ガス通流部１３、改質処理部３、保温用通流部７、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの上流側改質処理ガス通流部１２、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの下流側改質処理ガス通流部１５、各変成処理部５、選択酸化処理部６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２にて接続するようにしている。
【００２９】
そして、原燃料ガス供給路２１から供給される原燃料ガスを脱硫処理部１で脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスと水蒸気路２６からの水蒸気とを混合して、改質処理部３に供給して改質処理し、その改質処理ガスを４段の変成処理部５に順次供給して、一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理し、その変成処理ガスを選択酸化処理部６に供給して一酸化炭素ガスを選択的に酸化処理する。
【００３０】
その選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスが、燃料ガスとして、燃料ガス路２３を通じて燃料電池Ｇに供給され、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスが排燃料ガス路２４を通じてバーナ４ｂに供給するように構成されている。
また、選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスの温度は１１０℃程度であり、高分子型の燃料電池Ｇの動作温度は８０℃程度であるので、燃料ガス路２３には、選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスを、燃料電池Ｇの動作温度付近にまで冷却する燃料ガス冷却用熱交換器３３が設けられている。
【００３１】
前記改質処理部３においては、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、例えば７００〜７５０℃程度の加熱下でメタンガスと水蒸気とが下記の反応式にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。
【００３２】
【化１】
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂
【００３３】
前記変成処理部５においては、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、例えば２００℃程度の反応温度にて下記の反応式にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。
【００３４】
【化２】
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂
【００３５】
前記選択酸化処理部６においては、ルテニウムの触媒作用によって、１００℃程度の反応温度にて、変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化される。
【００３６】
最後段の変成処理部５と選択酸化処理部６とを接続するガス処理用流路２２には、原料水供給路２５を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器１７が設けられている。
そして、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ３４が、その原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所に設けられ、変成処理ガスと原料水との熱交換により原料水を予熱するとともに、変成処理ガスを冷却するようにしている。
【００３７】
前記変成処理部５から排出された変成処理ガスの温度は２００℃程度であり、選択酸化処理部６における反応温度は１００℃程度であるので、原料水予熱用熱交換器１７においては、変成処理ガスを選択酸化処理部６における反応温度付近の温度にまで冷却し、その冷却によって回収された熱量を原料水の予熱に用いている。
【００３８】
図１および図２において、実線矢印にて示すように、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路２５を水蒸気生成部Ｓの蒸発処理室２に接続し、蒸発処理室２にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路２６を、脱硫処理部１と被改質ガス通流部１３とを接続するガス処理用流路２２に接続して、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気を混合させるように構成されている。
【００３９】
原料水供給路２５の途中には、原料水予熱用熱交換器１７が設けられ、原料水供給路２５における原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所には、原料水を蛇行状に流す蛇行状通流部１８が設けられている。
その蛇行状通流部１８は、水蒸気生成装置Ｐの外壁部のうちの、改質部Ｒの燃焼部４を覆う箇所に熱伝導可能に当て付けて設けられ、燃料ガス生成装置Ｐの外壁部からの伝導熱および輻射熱により、蛇行状通流部１８を通流する原料水を予熱するように構成されている。
そして、原料水予熱用熱交換器１７および蛇行状通流部１８によって、水蒸気生成部Ｓに供給する原料水を予熱するようにしている。
【００４０】
図１および図２において、破線矢印にて示すように、改質部Ｒの燃焼部４から排出された燃焼ガスを、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８の順に流すように、それら燃焼部４、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８が燃焼ガス路２７により接続されている。
そして、水蒸気生成用加熱通流部１１においては、燃焼ガスによって蒸発処理室２を加熱し、変成部冷却用通流部８においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成処理部５を冷却するように構成されている。
【００４１】
ちなみに、水蒸気生成用加熱通流部１１から排出された燃焼ガスの温度は１２０℃程度であり、その燃焼ガスが変成部冷却用通流部８を通流して変成処理部５を冷却するので、変成部冷却用通流部８から排出された燃焼ガスの温度は１５０℃程度に上がっているので、図示しない排熱回収用熱交換器を設けて、燃焼ガスから排熱を回収して、水蒸気や温水を生成する。
【００４２】
図１および図２において、一点鎖線矢印にて示すように、燃焼用ブロア２８からの空気を燃焼用空気として、変成部冷却用通流部９を通流させてから、バーナ４ｂに供給するように、燃焼用ブロア２８および変成部冷却用通流部９が燃焼用空気路２９にて接続されている。
そして、燃焼用空気を変成部冷却用通流部９を迂回させて通流させるように、燃焼用空気路２９に燃焼用空気バイパス路３０が接続されている。
また、燃焼用ブロア２８からの空気を酸化用空気として選択酸化処理部６に供給するように、燃焼用ブロア２８に接続した酸化用空気供給路３１が、最後段の変成処理部５と選択酸化処理部６とを接続するガス処理用流路２２に接続されている。
【００４３】
前記バーナ４ｂに対して、燃焼用空気を、変成部冷却用通流部９を通流させて供給する状態と、変成部冷却用通流部９を迂回させて燃焼用空気バイパス路３０を通じて供給する状態とに切り換えるために、開閉弁３５，３６が設けられている。
ちなみに、通常は、開閉弁３５，３６は、燃焼用空気が燃焼用空気バイパス路３０を通流する状態となるように切り換えられるが、変成処理部５の冷却能力が不足したとき、例えば、夏期の高気温時には、開閉弁３５，３６は、燃焼用空気が変成部冷却用通流部９を通流する状態となるように切り換えられ、燃焼用空気にて変成処理部５が冷却される。
【００４４】
前記燃料ガス生成装置Ｐは、図２〜図６に示すように、矩形板状の偏平な容器Ｂの複数が板状形状の厚さ方向に並べて設けられて、各容器Ｂにより、各処理部、各通流部、燃焼部４などが夫々構成されている。
【００４５】
複数の容器Ｂのうちの一部は、一つの室を備えるように形成した単室具備容器Ｂｍにて構成され、残りは、区画された二つの室を備えるように形成した双室具備容器Ｂｄにて構成されている。
本実施形態においては、図２に示すように、８個の双室具備容器Ｂｄと、１個の単室具備容器Ｂｍとが、側面視において左端から３個目に単室具備容器Ｂｍを位置させた状態で、横方向に厚さ方向に並べて設けられている。
ちなみに、８個の双室具備容器Ｂｄの区別が明確になるように、便宜上、双室具備容器を示す符号Ｂｄの後に、左からの並び順を示す符号１，２，３・・・・・８を付す。
【００４６】
前記双室具備容器Ｂｄは、図２〜図５に示すように、多少形状が異なるが、基本的には、一対の皿形容器形成部材４１の間に平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの偏平な室が区画形成されている。
そして、改質部Ｒは、１個の双室具備容器Ｂｄを用いて構成され、水蒸気生成部Ｓも、１個の双室具備容器Ｂｄを用いて構成されている。
【００４７】
前記双室具備容器Ｂｄのうち、改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄは、図２〜図４に示すように、底部が平坦状の平底状の皿形容器形成部材４１と、底部の片方側が深くなった２段状の皿形容器形成部材４１との間に、平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの室が区画形成されている。
【００４８】
前記双室具備容器Ｂｄのうち、水蒸気生成部Ｓを構成する双室具備容器Ｂｄは、図２に示すように、平底状の皿形容器形成部材４１と、底部の内方部が盛り上がった凸状の皿形容器形成部材４１との間に、平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの室が区画形成されている。
【００４９】
前記双室具備容器Ｂｄのうち、改質部Ｒや水蒸気生成部Ｓを構成するもの以外のものは、図５に示すように、一対の平底状の皿形容器形成部材４１の間に平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二つの偏平な室が区画形成されている。
【００５０】
前記単室具備容器Ｂｍは、図６に示すように、皿形状容器形成部材４１と平板状容器形成部材４２とを周辺部を溶接接続して、一つの偏平な室を区画形成してある。
【００５１】
各単室具備容器Ｂｍや、各双室具備容器Ｂｄには、必要に応じて、流体供給用や流体排出用の接続ノズル４４を内部の室と連通する状態で取り付けてある。
また、図示を省略するが、必要に応じて、容器Ｂの室内を蛇行状流路になるように構成して、流体の通流経路を長くしている。
【００５２】
図２において各単室具備容器Ｂｍや各双室具備容器Ｂｄについて説明を加えると、左端の双室具備容器Ｂｄ１にて水蒸気生成部Ｓが構成されている。
そして、凸状の皿形容器形成部材４１と平板状の仕切り部材４にて形成される偏平な双室具備容器Ｂｄ１の右側の室を備えた部分を用いて、蒸発処理部２が構成されている。
また、平底状の皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３にて形成される偏平な双室具備容器Ｂｄ１の左側の室を備えた部分を用いて、水蒸気生成用加熱通流部１１が構成されている。
前記双室具備容器Ｂｄ１の両室内には、ステンレスウールなどからなる伝熱促進材が通気可能な状態で充填されている。
【００５３】
左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２にて改質部Ｒが構成され、単室具備容器Ｂｍを用いて、保温用通流部７が構成されている。
そして、双室具備容器Ｂｄ２の左側の室を備えた部分を用いて、燃焼部４が構成され、双室具備容器Ｂｄ２の右側の室を備えた部分を用いて、改質処理部３が構成されている。
前記改質処理部３を構成する偏平な室には、ルテニウム、ニッケル、白金などの改質用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。
【００５４】
左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３の左側の室を備えた部分を用いて、上流側改質処理ガス通流部１２が構成され、右側の室を備えた部分を用いて、被改質ガス通流部１３が構成されている。
双室具備容器Ｂｄ３の両室内には、ステンレスウールなどからなる伝熱促進材が通気可能な状態で充填されている。
【００５５】
左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４の左側の室を備えた部分を用いて、脱硫処理部１が構成され、右側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部１６が構成されている。脱硫処理部１を構成する左側の室内には、脱硫用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。
【００５６】
そして、左から５個目の双室具備容器Ｂｄ５の左側の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部１５が構成され、右側の室を備えた部分を用いて、変成処理部５が構成されている。
また、左から６個目の双室具備容器Ｂｄ６の左側の室を備えた部分を用いて、変成処理部５が構成され、右側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部８が構成されている。
【００５７】
左から７個目の双室具備容器Ｂｄ７を用いて、変成処理部５が構成されている。変成処理部を構成する各室内には、酸化鉄又は銅亜鉛の変成反応用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。
左から８個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ８の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部９が構成され、右側の室を備えた部分を用いて選択酸化処理部６が構成されている。
選択酸化処理部６を構成する室内には、ルテニウムの選択酸化用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。
【００５８】
８個の双室具備容器Ｂｄと１個の単室具備容器Ｂｍを含む複数の容器Ｂを並べるに当たっては、伝熱させる必要のあるもの同士は互いに密着させた状態で、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間に伝熱量調節用の断熱材１９を介在させた状態で、並べてある。
説明を加えると、水蒸気生成部Ｓを構成する左端の双室具備容器Ｂｄ１と改質部Ｒとを構成する左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２との間には断熱材１９が配置されている。
左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２と単室具備容器Ｂｍとは密接配置され、単室具備容器Ｂｍと左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３との間には断熱材１９が配置されている。
左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３と左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４との間には断熱材１９が配置され、並びに、左から４個目から８個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ４〜Ｂｄ８は互いに密接配置されている。
【００５９】
そして、複数の容器Ｂを並設した状態において、最も高温維持が要求される改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄ２は、並設方向の略中間部に配置されている。
その改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄ２の一方側には断熱材１９が、他方側には保温用通流部７を構成する単室具備容器Ｂｍおよび断熱材１９が配置されている。
それらの並設方向両側夫々には、処理温度が概ね低くなる順になるように、各処理部などを構成する容器Ｂが並べられ、並びに、並設方向端部には冷却が要求される選択酸化処理部６を構成する双室具備容器Ｂｄ８が配置されている。
【００６０】
以下、改質装置用の加熱バーナであるバーナ４ｂの構成について説明を加える。
前記燃焼部４は、図２〜図４に示すように、３つの深溝部４１ａとその深溝部４１ａ間に形成された２つの底部４１ｂ，４１ｃとを有する皿形容器形成部材４１の深さが深い底部４１ｃが下方側に位置するように立設された改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄにおいて、２段の底部４１ｂ，４１ｃを有する皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３にて形成される偏平な室として構成されている。
【００６１】
２段の底部４１ｂ，４１ｃを有する右皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３とにより形成される、下方側の偏平状の空間が燃焼空間としての燃焼室４９とされている。
そして、燃焼室４９の下端には、燃焼ガスを燃焼室４９内にその略全幅にわたる状態に噴出するように、細長状のバーナ４ｂが下縁に沿わせて配置されて、有炎燃焼部４Ｆが構成されている。
燃焼室４９の上方の空間には、燃焼触媒４ｃを配置して、触媒燃焼部４Ｃが構成されている。
そして、バーナ４ｂが、改質装置用の加熱バーナであり、図中の４ｉは、バーナ４ｂに点火するためのイグナイタである。
【００６２】
前記燃焼室４９は、図８に示すように、燃料ガスと燃焼用空気との流動方向に直交する方向に並んで互いに対向する一対の壁部夫々の面積が広い幅広部分４９ａと、その一対の壁部間の間隔が狭い幅狭部分４９ｂとが、燃料ガスと燃焼用空気との流動方向に並ぶように形成されている。
そして、偏平状の燃焼室４９は縦向きに配置されるとともに、その燃焼室４９の下方側には、有炎燃焼部４Ｆが、火炎形成方向が上向きになるように配置されている。
前記燃焼室４９内における有炎燃焼部４Ｆの上方側、すなわち、有炎燃焼部４Ｆに対してその火炎形成方向下手側の位置には、触媒燃焼部４Ｃが配置されている。
燃焼触媒４ｃは、白金、パラジウムなどから成る。
【００６３】
前記バーナ４ｂは、図７および図８に示すように、排燃料ガス路２４を介して排燃料ガスが供給されて、排燃料ガスを噴出する燃料ガス用噴出孔４５が形成されている燃料ガス用ノズル管４６と、燃焼用空気路２９を介して燃焼用空気が供給されて、燃焼用空気を噴出する空気用噴出孔４７が形成されている空気用ノズル管４８とを水平方向に並設させる状態で、２本のノズル管を備えて構成されている。
【００６４】
そして、燃料ガス用ノズル管４６は、燃料ガスを平行状態で噴出する複数の燃料ガス用噴出孔４５を燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯方向に沿って間隔を隔てて形成するように構成されている。
また、空気用ノズル管４８は、空気用噴出孔４７が円形状に形成されて、その空気用噴出孔４７を空気用ノズル管４８の管軸芯方向に沿って間隔を隔てて形成するように構成されている。
【００６５】
前記燃料ガス用ノズル管４６について説明を加えると、燃料ガス用ノズル管４６は、燃料ガス用噴出孔４５が円形状に形成されて、図９に示すように、その燃料ガス噴出孔４５の開口径と燃料ガス用ノズル管４６の肉厚とを同じまたはほぼ同じになるように構成され、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯方向に直交する方向に平行状態で複数の燃料ガス用噴出孔４５から燃料ガスを噴出するように構成されている。
このようにして、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯方向に沿って間隔を隔てて形成されている複数の噴出孔から燃料ガスを平行状態で噴出することにより、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯方向において、燃料ガスを均一に噴出して、温度分布を均一にするように構成されている。
【００６６】
前記バーナ４ｂは、燃料ガス用噴出孔４５から噴出させた排燃料ガスを、空気用噴出孔４７から噴出させた燃焼用空気と混合させて燃焼させる先混合式に構成され、有炎燃焼部４Ｆに火炎を形成する。
そして、燃料ガス用噴出孔４５と空気用噴出孔４７とが、図７に示すように、ひとつの燃料ガス用噴出孔４５から噴出された排燃料ガスに対して、空気用ノズル管４８の管軸芯方向に沿って並設された２つの空気用噴出孔４７から燃焼用空気を噴出させるように、排燃料ガスの噴出方向と燃焼用空気の噴出方向を対応付ける状態で形成されている。
すなわち、燃料ガス用噴出孔４５と空気用噴出孔４７とが、１：２の個数割合でかつ排燃料ガスに対して燃焼用空気を噴出させるように噴出方向に対応付けられている。
【００６７】
また、燃料ガス用噴出孔４５は、図８に示すように、排燃料ガスの噴出方向が燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯と空気用ノズル管４８の管軸芯とを含む平面に対して垂直となるように設定され、空気用噴出孔４７は、燃焼用空気の噴出方向が燃料ガスの噴出方向に対して鋭角に交差するように設定されている。
【００６８】
そして、燃料ガス用ノズル管４６と空気用ノズル管４８とが、排燃料ガスと燃焼用空気との流動方向において、幅広部分４９ａと幅狭部分４９ｂとの間の段部５０と重複する箇所に燃料ガス用ノズル管４６を入り込ませてかつその燃料ガス用ノズル管４６における排燃料ガスの噴出方向および空気用ノズル管４８における燃焼用空気の噴出方向が段部５０に向くように、燃焼空間４９の幅広部分４９ａに並設されている。
【００６９】
説明を加えると、燃焼室４９の断熱材１９側壁部は、深溝部４１ａと底部４１ｃとを有する形状に形成されているので、図８に示すように、幅広部分４９ａが深溝部４１ａにより形成され、幅狭部分４９ｂが底部４１ｃにより形成されている。
そして、燃料ガス用ノズル管４６は、幅広部分４９ａにおいて、段部５０の下方側に入り込ませた位置に配設され、空気用ノズル管４８は、燃料ガス用ノズル管４６と水平方向に並ぶように配設されている。
【００７０】
また、燃料ガス用噴出孔４５は、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯と空気用ノズル管４８の管軸芯とを含む平面、すなわち水平面に対して９０度の角度θ１をなす方向に排燃料ガスの噴出方向が設定され、上方側に位置する段部５０に向けて排燃料ガスを噴出するように構成されている。
前記空気用噴出孔４７は、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯と空気用ノズル管４８の管軸芯とを含む平面、すなわち水平面に対して、例えば、３０度の角度θ２をなす方向に燃焼用空気の噴出方向が設定され、斜め上方側に位置する段部５０に向けて燃焼用空気を噴出するように構成されている。
【００７１】
このようにして、燃料ガス用噴出孔４５からの排燃料ガスに対して、空気用噴出孔４７からの燃焼用空気を噴出させて、排燃料ガスと燃焼用空気とを衝突させるとともに、燃料ガスと燃焼用空気とを段部５０に向けて噴出させて、段部５０において乱流を発生させることによって、燃料ガスと燃焼用空気とを良好に混合させるように構成されている。
そして、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯と空気用ノズル管４８の管軸芯とを含む平面に対して垂直に噴出する燃料ガスに対して、燃焼用空気を鋭角に交差するように噴出させて、燃料ガスと燃焼用空気とを衝突させる箇所をノズル管４６，４８から極力離れた箇所とすることにより、ノズル管４６，４８が高温にさらされることを防止するように構成されている。
【００７２】
次に、燃料ガス生成装置Ｐの制御構成について説明する。
図１に示すように、原燃料ガス供給路２１には、原燃料ガス供給量を調節する原燃料供給量調節弁３７が設けられ、改質部Ｒには、改質処理部３における改質処理温度を検出する温度センサ３８が設けられている。
そして、制御部３９は、原燃料供給量調節弁３７、反応用ブロア１４、燃焼用ブロア２８、イグナイタ４ｉ夫々の作動を制御するように構成されている。
【００７３】
前記制御部３９は、図１および図８に示すように、燃焼用ブロア２８を作動させて燃焼用空気を空気用ノズル管４８に供給するとともに、起動用ガス燃料供給路５１から１３Ａなどの起動用ガス燃料を燃焼部４におけるバーナ４ｂの空気用ノズル管４８に供給し、空気用ノズル管の空気用噴出孔４７から混合気を噴出させる。
そして、イグナイタ４ｉを作動させて、バーナ４ｂを点火して空気用噴出孔４７から噴出した混合気を元混合燃焼させ、温度センサ３８の検出温度が、改質処理可能な所定の温度に予め設定した目標温度以上になると、原燃料供給量調節弁３７を開弁して、改質処理部３での原燃料ガスの改質処理を開始するととともに、反応用ブロア１４を作動させて、燃料電池Ｇの発電を開始する。
【００７４】
燃料電池Ｇから排燃料ガスが排出されて、その排燃料ガスによる燃焼熱により、原燃料ガスの改質処理が可能な状態となると、起動用ガス燃料供給路５０からの起動用ガス燃料供給を停止して、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスの全量をバーナ４ｂの燃料ガス用ノズル管４６に受け入れて燃焼部４にて燃焼させ、その燃焼熱により改質処理部３にて原燃料ガスを改質処理させる。
ちなみに、図示はしないが、排燃料ガス路２４には、都市ガスなどの炭化水素系の燃料ガスも供給可能に構成され、バーナ４ｂにおいて必要な燃料ガス量に排燃料ガスだけでは足りないときに、炭化水素系の燃料ガスも供給するように構成されている。
【００７５】
そして、燃料電池Ｇに対する電気負荷として、燃料電池Ｇからの出力電流を検出する電流計測器４０の検出値に基づいて、改質処理部３への原燃料ガス供給量が燃料電池Ｇの電気負荷に応じた量になるように原燃料供給量調節弁３７を制御するとともに、燃料電池Ｇへの反応用空気供給量が燃料電池Ｇの電気負荷に応じた量になるように反応用ブロア１４を制御する。
また、温度センサ３８の検出温度が、目標温度になるように、燃焼用ブロア２８を制御して、バーナ４ｂの空気用ノズル管４８、すなわち燃焼部４への燃焼用空気供給量を調節する。
【００７６】
説明を加えると、温度センサ３８の検出温度が目標温度よりも高くなると、温度センサ３８の検出温度が目標温度になるように、燃焼用空気供給量を増加調節し、一方、温度センサ３８の検出温度が目標温度よりも低くなると、温度センサ３８の検出温度が目標温度になるように、燃焼用空気供給量を減少調節する。
【００７７】
燃焼部４を、上述のように、有炎燃焼部４Ｆおよび触媒燃焼部４Ｃを備えて構成してあることから、電気負荷の減少率が大きいために温度センサ３８の検出温度が目標温度よりも高くなり、燃焼用空気供給量の増加率が大きくなって、燃焼用空気供給量が排燃料ガス受入量に対して過多となるように増加調節されて、仮に、有炎燃焼部４Ｆが吹き消えて失火したとしても、排燃料ガスは、反応可能状態に加熱されている燃焼触媒４ｃによって燃焼するので、受け入れた排燃料ガスの安定燃焼を継続することができる。
以降、燃焼用空気供給量の増加調節により改質処理温度が低下して、燃焼用空気供給量が減少調節されるのに伴って、触媒燃焼部４Ｃにて排燃料ガスが燃焼する燃焼熱によって、有炎燃焼部４Ｆが着火して、再び、有炎燃焼部４Ｆで排燃料ガスが燃焼する。
【００７８】
また、電気負荷の増加率が大きいために温度センサ３８の検出温度が目標温度よりも低くなり、燃焼用空気供給量の減少率が大きくなって、燃焼用空気供給量の減少量が大きくなることにより、有炎燃焼部４Ｆが不完全燃焼を起こしたとしても、排燃料ガスの未燃分は、反応可能状態に加熱されている燃焼触媒４ｃによって燃焼するので、受け入れた排燃料ガスの全量を安定燃焼させることができる。
以降、燃焼用空気供給量の減少調節により改質処理温度が上昇して、燃焼用空気供給量が増加調節されるのに伴って、有炎燃焼部４Ｆは完全燃焼状態に戻る。ただし、温度センサ３８の検出温度が目標温度になるように、燃焼用空気供給量を減少調節するにしても、受け入れた排燃料ガスの全量を燃焼させるために必要な燃焼用空気量は下回らないように、例えば、電気負荷などに応じて、燃焼用空気供給量の調節範囲を予め設定してある。
【００７９】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、燃料ガス噴出孔４５の開口径と燃料ガス用ノズル管４６の肉厚とを同じまたはほぼ同じになるようにすることにより、燃料ガス用ノズル管４６を、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯方向に直交する方向に平行状態で複数の燃料ガス用噴出孔４５から燃料ガスを噴出するように構成しているが、燃料ガス用ノズル管４６を、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯方向に直交する方向に平行状態で複数の燃料ガス用噴出孔４５から燃料ガスを噴出するための構成は適宜変更が可能である。
【００８０】
例えば、図１０に示すように、燃料ガス用ノズル管４６は、燃料ガス用噴出孔４５が円形状に形成されて、その燃料ガス用噴出孔４５からの燃料ガスを、燃料ガス用噴出孔４５の開口径と同じまたはほぼ同じ内径の筒状体５２を通過させて噴出するように構成されている。
そして、筒状体５２を通過する過程で燃料ガスの噴出方向を規制して、燃料ガス用ノズル管４６を、燃料ガス用ノズル管４６の管軸芯方向に直交する方向に平行状態で複数の燃料ガス用噴出孔４５から燃料ガスを噴出するように構成して実施することも可能である。
【００８１】
（２）上記実施形態では、ノズル管を、燃料ガス用ノズル管４６と空気用ノズル管４８とを並設させる状態で、２本の管から構成しているが、燃料ガス用ノズル管４６の１本と空気用ノズル管４８の２本との３本からノズル管を構成し、２本の空気用ノズル管４８の間に燃料ガス用ノズル管４６を位置させる状態で３本を水平方向に並べて配設するように構成して実施することも可能である。
【００８５】
（３）上記実施形態では、燃焼空間４９に段部５０を形成して、燃料ガス用噴出孔４５の燃料ガスの噴出方向と空気用噴出孔４７の燃焼用空気の噴出方向とが段部５０に向くように、燃料ガス用ノズル管４６と空気用ノズル管４８とを配設しているが、段部５０を設けずに実施することも可能である。
【００８６】
（４）上記実施形態では、燃料ガス用噴出孔４５と空気用噴出孔４７とが、１：２の個数割合で対応付けられているが、例えば、燃料ガス用噴出孔４５と空気用噴出孔４７とを、１：１の個数割合で対応付けて実施することも可能であり、燃料ガス用噴出孔４５と空気用噴出孔４７との個数割合の構成については適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの概略構成図
【図２】燃料ガス生成装置の縦断側面図
【図３】改質部の斜視図
【図４】改質部の燃焼部の縦断正面図
【図５】燃料ガス生成装置を構成する双室具備容器の斜視図
【図６】燃料ガス生成装置を構成する単室具備容器の斜視図
【図７】改質装置用の加熱バーナの斜視図
【図８】改質装置用の加熱バーナの縦断側面図
【図９】改質装置用の加熱バーナの正面図および縦断正面図
【図１０】別実施形態における改質装置用の加熱バーナの正面図および縦断正面図
【符号の説明】
４５燃料ガス用噴出孔
４６燃料ガス用ノズル管
４７空気用噴出孔
４８空気用ノズル管
４９燃焼空間
４９ａ幅広部分
４９ｂ幅狭部分
５０段部
Ｇ燃料電池

Claims

燃料電池用の改質装置において原燃料ガスを改質処理するための燃焼熱を発生する改質装置用の加熱バーナであって、
燃焼用のノズル管は、複数の噴出孔を前記ノズル管の管軸芯方向に沿って間隔を隔てて形成するように構成され、且つ、燃料ガスを噴出する燃料ガス用噴出孔が形成されている燃料ガス用ノズル管と、燃焼用空気を噴出する空気用噴出孔が形成されている空気用ノズル管とを並設させる状態で、複数の管から構成され、
前記燃料ガス用噴出孔と前記空気用噴出孔とが、前記燃料ガス用噴出孔から噴出する燃料ガスに対して、燃焼用空気を噴出させるように、燃料ガスの噴出方向と燃焼用空気の噴出方向を対応付ける状態で形成され、
前記燃料ガス用噴出孔は、燃料ガスの噴出方向が前記燃料ガス用ノズル管の管軸芯と前記空気用ノズル管の管軸芯とを含む平面に対して垂直となるように設定され、
前記空気用噴出孔は、燃焼用空気の噴出方向が燃料ガスの噴出方向に対して鋭角に交差するように設定されている改質装置用の加熱バーナ。
燃料ガスと燃焼用空気とを燃焼させる燃焼空間は、燃料ガスと燃焼用空気の流動方向において、横幅の異なる幅広部分と幅狭部分とが並ぶように形成され、
前記燃料ガス用ノズル管と前記空気用ノズル管とが、燃料ガスと燃焼用空気との流動方向において、前記幅広部分と前記幅狭部分との間の段部と重複する箇所に前記燃料ガス用ノズル管を入り込ませてかつその燃料ガス用ノズル管における燃料ガスの噴出方向および前記空気用ノズル管における燃焼用空気の噴出方向が前記段部に向くように、前記燃焼空間の前記幅広部分に並設されている請求項１に記載の改質装置用の加熱バーナ。