JP4187710B2 - バーナおよび燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は灯油等の液体燃料を気化して燃焼させるバーナに関する。特には、燃料電池システムに用いられる改質器に必要な熱を供給するに好適なバーナに関する。また、本発明は、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得るための改質器を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの改質器に用いられるような、液体燃料を燃料とする小型バーナにおいては、燃料を圧力噴霧して拡散燃焼させることが困難であった。このため、このようなバーナにおいては、燃料を気化した後に空気（一次空気）と混合して混合気としたうえで、複数の炎孔を有するバーナヘッドなどを用いてこの混合気を燃焼させていた。液体燃料を気化するには、一般的に、気化器と呼ばれる、電気ヒータで加熱したカップ様の容器に液体燃料を滴下などして供給し、これを液体燃料が気化するに足る温度に加熱された加熱面（容器内壁）に接触させていた。

また、燃料電池システムに用いられる改質器に備わるバーナは、水素極オフガスを燃焼させるために、液体燃料を燃焼させるバーナヘッド近傍に水素極オフガスノズルを設け、オフガスも燃焼可能な構造になっている。このような液体燃料用バーナの構造は、例えば、特許文献１（特開平７−２３７９０２号公報）に記載される。
特開平７−２３７９０２号公報

このような気化式のバーナにおいては、場合によっては、液体燃料流下開始直後に、気化器温度が不安定なため液体燃料の蒸気発生が安定せず、空気と燃料蒸気との混合気中の燃料濃度が安定しない。燃料濃度が安定しない場合、着火性能（着火遅れなど）は空気比の影響を大きく受ける。着火時の空気比が低い方が早期に燃料濃度が可燃域に達するため着火しやすい傾向にある。しかし、空気比を着火が容易な程度に低く保つと、液体燃料の気化が安定した後は、空気が不足して一酸化炭素やすす等の未燃分が多く排出される傾向がある。

本発明の目的は、着火時には良好な着火性能が得られ、着火遅れをより短くすることができ、一方、良好に燃焼を継続させ、一酸化炭素やすす等の未燃分の排出を抑制することのできる、気化式のバーナを提供することである。

本発明の別の目的は、良好な着火性能を持ち、かつ良好に燃焼を継続できるバーナを有する改質器を備えた、スムーズに起動可能で未燃分の排出が少ない燃料電池システムを提供することである。

本発明により、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させる燃焼方法において、
該混合気の燃焼にバーナマットを用い、
着火の際に、該混合気の空気比を１．０以下として火花点火し、着火を確認した後に火花点火の火花を発生させたまま該混合気の空気比を１．２以上に増加する着火制御を行う
ことを特徴とする燃焼方法が提供される。

前記空気比を１．２以上に増加するために、酸素含有ガスの供給量を増加することが好ましい。

本発明により、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口にはバーナマットを備え、液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと流下された液体燃料を気化するための加熱面とを備えるガス流路；
該バーナマット下流に配された、点火のための火花発生を行う点火電極；
着火を判定可能な着火判定手段；および
着火に際して、該着火判定手段により着火が確認されるまでは該混合気の空気比を１．０以下として該点火電極で火花発生を行い、該着火判定手段により着火が確認されたときに点火電極で火花発生を継続しつつ該空気比を１．２以上に増加させる制御を行う着火制御手段
を備えることを特徴とするバーナが提供される。

上記バーナが、燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナであり、
入り口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、出口には前記バーナマットの下流に開口する水素極オフガスノズルを備える水素極オフガス流路をさらに有することができる。

本発明により、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が、このバーナを備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、着火時には良好な着火性能が得られ、着火遅れをより短くすることができ、一方、良好に燃焼を継続させ、一酸化炭素やすす等の未燃分の排出を抑制することができる。

また本発明によれば、良好な着火性能を持ち、かつ良好に燃焼を継続できるバーナを有する改質器を備えた、スムーズに起動可能で未燃分の排出が少ない燃料電池システムが提供される。

液体燃料としては、常温常圧（２５℃、０．１０１ＭＰａ）で液体である可燃性物質を適宜使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ガソリン、灯油、軽油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。

バーナにて燃焼に用いる酸素含有ガスとしては、入手容易性から空気（大気）が好ましいが、酸素濃度が高められた酸素富化空気を用いることもでき、燃料電池システムにおいては燃料電池の空気極（カソード）から排出される空気極オフガスを利用することもできる。

以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素含有ガスとして空気を例に説明する。

なお、図１の形態では、燃焼用空気として一次空気と二次空気を用いており、気化した液体燃料と一次空気とを混合した混合気をバーナマットで燃焼させ、その燃え残りをバーナマット下流に供給する二次空気によって燃焼させて完全燃焼をより確実に行う。しかし、必ずしも二次空気は必要ではなく、一次空気のみによって燃焼を行う形態も可能である。

図１に本発明のバーナの一形態を示す。バーナケーシング１は、基本的には、鉛直方向の中心軸を有する筒状であり、上部はガスや液体燃料を供給するための取りあい部１ａとされる。ケーシングは、必ずしもバーナに付属されるものではなく、バーナが挿入される加熱炉の内壁（例えば図２において示される改質器１０２の炉の内壁）がバーナに密着可能である場合、加熱炉内壁をバーナケーシングの代用とすることも可能である。

燃焼用空気（一次空気）および液体燃料が供給されるガス流路（以下、燃焼用ガス流路という。）１０の入り口は、一次空気供給口１１である。一次空気供給口から供給された一次空気は、取り合い部１ａに接続された配管１３を通って気化器２内に供給される。

燃焼用ガス流路には、液体燃料ノズル１４が略鉛直下方に向けて設けられ、液体燃料供給口１２から液体燃料を燃焼用ガス流路内に流下させることが可能となっている。液体燃料ノズルの下方に、加熱面２ａが略水平に設けられる。加熱面は、気化器２に一体的に形成され、気化器に埋め込まれた電気ヒータ９からの熱伝導により液体燃料が気化するに適した温度に加熱可能となっている。加熱面の加熱のために、必ずしも電気ヒータを用いなければならないわけではなく、電気ヒータに替えて、あるいは電気ヒータとともに、加熱面を所定温度に加熱するに足る温度までバーナ導入以前に加熱された一次空気あるいは二次空気を用いてもよい。

液体燃料ノズルから流下された液体燃料は、加熱面２ａに接触し、気化する。液体燃料はノズルから断続的に滴下されてもよいが、混合気中の燃料の濃度をより一定にする観点からは連続的に流下されることが好ましい。液体燃料を安定して連続的に流下させる観点から、ノズルからの液体燃料の吐出速度を２ｃｍ／秒以上とすることが好ましい。また送液の圧力損失の観点から２５ｃｍ／秒以下とすることが好ましい。吐出速度は、所望する燃焼量範囲にあわせて液体燃料ノズルの内径を適宜選定することで調整できる。

液体燃料ノズルを略鉛直下方以外の方向、例えば水平に設けることもできるが、比較的大きな液滴の形成を抑制し、混合気中の燃料濃度をより一定にする観点から、ノズル自体が略鉛直下方に向いていることが好ましい。略鉛直下方とは、ノズルの延在方向が必ずしも厳密に鉛直下方でなくてもよいことを意味し、鉛直下方からのずれが１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましくい。

液体燃料ノズルの少なくとも先端が燃焼用ガス流路の中にあり、その部分において、液体燃料ノズルと一次空気の流れ方向とが同じ方向に向いていることが好ましく、液体燃料ノズルと燃焼用ガス流路が同軸であることがさらに好ましい。例えば、図１に示されるように液体燃料ノズルの先端が鉛直下方を向き、鉛直下方を向く円柱状の燃焼用ガス流路内にノズル先端が配置され、この円柱の中心軸とノズルの中心軸が一致する構成が好ましい。このような構成によって、空気の流れが液体燃料をノズル先端から取り去る効果が生じ、ノズル先端において液滴が大きく成長することを抑制し、混合気中の液体燃料濃度がより一定になるからである。

加熱面は滴下された液体燃料が均一に拡散するために、略水平であることが好ましい。略水平とは加熱面が必ずしも厳密に水平でなくてもよいことを意味し、水平からのずれが１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましい。また、加熱面の形状は滴下後の液体燃料が均一に拡散するように円形が望ましい。

加熱面は気化器に一体的に形成することもでき、例えば気化器の外壁を形成する中空円筒状部分と、加熱面を形成する板状部分とを一体的に形成することができる。あるいは例えば、加熱面となる面を有する板状部材を中空円筒状部材などに溶接などにより接合することもできる。気化器は、ヒータを埋め込むための部分を有することができる。

気化器の材料は、熱伝導率の観点から、金属が好ましい。例えばアルミニウムや真鍮が好適である。

加熱面の温度は、供給される液体燃料の種類に応じて適宜設定できる。例えば、液体燃料が灯油の場合、好ましくは１８０℃以上２５０℃以下、より好ましくは１９０℃以上２２０℃以下である。これは、１８０℃未満では灯油の初留温度付近になるため、高沸点成分の気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、また、２５０℃を超えると滴下された液滴が気化した燃料蒸気で覆われる、いわゆる膜沸騰状態になるため気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、このような状況を回避するためである。

燃焼用ガス流路に導入された一次空気は、気化器からの伝熱により温められたバーナケーシングの取りあい部や気化器内面と接触して予熱され、気化された液体燃料と混合しながら、加熱面に衝突する。燃焼用空気と液体燃料との混合気の流路は、加熱面で９０°方向転換し加熱面に沿って水平方向となった後、気化器２の側壁によって再び９０°方向転換し、混合気は加熱面と気化器側壁との間の空隙１５を通過する。混合気の流れ方向を転換することは、均一混合を促進するために好ましい。気化器内の混合気流路となる空隙１５は、混合気流の偏流防止の観点から略対称（ここでは円筒状の気化器側壁の中心軸に対して対称）に配されることが好ましい。

なお、電気ヒータ９は、液体燃料気化のための熱を供給することに加え、燃焼用空気の予熱のための熱を供給する機能を兼ねている。燃焼用空気は、気化器などとの熱交換によって予熱される。場合によっては、燃料用空気をバーナに供給する前に別途予熱することも可能である。燃焼用空気を別途充分予熱した場合、気化器加熱用のヒータを廃止することも可能であるが、温度の制御性の観点から電気ヒータを用いることが好ましい。電気ヒータの出力を操作して加熱面の温度を適切な範囲に制御するために気化器の温度を測定する熱電対３ａなどを適宜設けることができる。図１の形態では、熱電対３ａは熱電対用ウェル３に装着される。

気化した液体燃料と一次空気との混合気は気化器の下部に設けられた整流器５を経て、バーナマット６が設けられた燃焼用ガス流路の出口に至る。バーナマットの上流側に設けられる整流器は、バーナマットに供給される混合気の流れを整え、燃焼の均一化を図るために好ましく設けられるものである。整流器においては、下方に向かうに従って水平方向の流路断面積が徐々に大きくなり、下端の開口部はバーナマットの形状と略同一になっている。整流器は全体として漏斗状の形状を有する。

図１では、気化器下端にバーナマットを設けている。しかし、気化器の下方に離間させてバーナマットを設けることもできる。例えば、気化器とバーナマットとの間に、混合気の流路を形成するための中空筒状の部材である連通管を配置し、気化器を出たガスが、連通管を通って、バーナマットに達するような構成でもよい。このように連通管を設けることで、火炎と気化器（特には加熱面）との距離を容易に調整でき、加熱面の温度制御が容易になる場合もある。

燃焼安定性向上のために、バーナマットの下流側に保炎器を設けることもできる。保炎器は通常管状をしており、火炎を形成しているバーナマット下流面にバーナマット面に沿う水平方向から二次空気等の気流があたり、火炎が不安定になることを防止する。

バーナマットから導出される可燃性混合ガスは、バーナマットの下流に配された点火電極によって発生した火花により着火されて燃焼する。ここでは、バーナマットの下流側の面に接して配された接地電極７と、高圧電極８とを有する点火電極が用いられ、接地電極と高圧電極との間に発生する火花によって混合気が点火される。

接地電極および高圧電極の配置の一例について図４を用いて説明する。図４はバーナマット下流側から（図１における紙面下方から）バーナを見た図である。高圧電極は、例えば、碍子管に納めるなど、絶縁材によって絶縁された直径１ｍｍ以上から３ｍｍ以下の金属棒で、取りあい部１ａから絶縁材で取りあい部１ａの金属部分と絶縁されて外部に取り出され、高電圧を発生させるイグナイターと接続される。高圧電極の取りあい部１ａ側とは反対側の先端は、バーナマット下流側に形成される火炎中に位置するよう、接地電極との間隔が例えば３ｍｍ以上５ｍｍ以下となるよう配置される。接地電極は、例えば、直径２から３ｍｍの金属棒で、バーナマットに接して配置する。接地電極は電気的に接地され、この接地ラインから高圧電極は絶縁される。例えば、接地電極は、バーナマットやバーナケーシングなどを通じて、またこのバーナが用いられる装置本体を通じて、接地することができる。この場合、高圧電極は耐熱性のある絶縁材によりバーナマットやバーナケーシング等から絶縁することができる。

高圧電極および接地電極ともに耐熱性の高い金属からなることが好ましい。耐熱性金属の代表例として、アルミニウムを添加したフェライト系ステンレス等があげられる。

接地電極および高圧電極を上記のような配置にして、イグナイターから高圧電極とバーナケーシング（接地電極がバーナケーシングに電気的に導通している場合）間に高電圧を印加すると、高圧電極先端と接地電極間に火花が断続的に発生し、混合気に着火することができる。

バーナマットがセラミックなど非導電材料の繊維で形成されている場合でも、上記の電極構成によってバーナマットの火炎側面に極めて近い位置に点火火花を形成でき、良好な着火性能を得ることができる。また、バーナマットが金属繊維で形成されている場合でも、上記電極構成によって、金属繊維自体が溶融損傷することを防止することができ、長期信頼性を向上することができる。

バーナマットからの混合ガスの導出方向は鉛直下方であることが好ましい。この場合、火炎も鉛直下方に向けて形成されるため、バーナが装着される改質装置などの機器の上部にバーナを配置することができ、バーナが改質器等の下部に配置された場合に比べて、メンテナンス時にバーナへのアクセスが容易になり、改質器全体として良好なメンテナンス性を確保しつつ省スペース化を図ることが可能となるからである。このために、バーナマットは火炎が下方を向いて形成できるように略水平に設け、バーナマット上面から混合気が供給されるようにすることが好ましい。

一方、二次空気が二次空気供給口２１から二次空気流路２０に供給され、次いで二次空気ノズル２２からバーナマット下流に供給される。二次空気流路は気化器の外周に環状に設けられている。二次空気ノズルは混合気の火炎形成領域に二次空気を供給可能な位置に設けられる。この二次空気の供給によって、混合気の完全燃焼が促進される。

混合気の燃焼にバーナマットを利用することにより、燃焼量が小さくても燃焼安定性が優れる。バーナマットには、金属繊維の不織布もしくは織布を焼結したものや、コージェライト、チタニア、ムライト、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ等のセラミックからなる繊維の不織布もしくは織布を用いることができる。均熱性と逆火防止性の観点から、バーナマットとして金属繊維の織布もしくは不織布からなるマットが好ましい。また、バーナマットが織布もしくは不織布であると、開口率がパンチングプレートなどに比べて大きいため、バーナマットを通過する際の混合気の速さが遅くなる。このため、例えば２００ｋＷ／ｍ²程度の低燃焼域では火炎がバーナマットのより近傍に火炎が形成され、バーナマットが火炎により直ぐに赤熱するので、良好な燃焼安定性が得られる。また、例えば４５００ｋＷ／ｍ²程度の高燃焼域では、バーナマットを通過する混合気の速さが比較的遅いため、火炎の吹き飛びが抑えられる。

バーナマットの単位面積あたりの気化された液体燃料の燃焼量は、燃焼安定性の観点から２００ｋＷ／ｍ²以上が好ましく、６００ｋＷ／ｍ²以上がより好ましく、１０００ｋＷ／ｍ²以上がさらに好ましい。また、火炎の吹き飛び抑制の観点から、４５００ｋＷ／ｍ²以下が好ましく、４０００ｋＷ／ｍ²以下がより好ましく、３５００ｋＷ／ｍ²以下がさらに好ましい。このために、所望の燃焼量範囲に対してこのような範囲を実現するに適した面積のバーナマットを設けることができる。

本発明のバーナは、特に小燃焼量のバーナに好適である。液体燃料を加熱面によって気化して燃焼させるタイプのバーナは小燃焼量のバーナに好適であり、特にバーナマットによる燃焼は小燃焼量でも安定して燃焼可能だからである。また、このような小燃焼量バーナにおいては特にコンパクトさに対する要求が強いからでもある。具体的には液体燃料基準の燃焼量の最大値が８．１ｋＷ（７０００ｋｃａｌ／ｈ）以下であるバーナにおいて、さらには５．８ｋＷ（５０００ｋｃａｌ／ｈ）以下であるバーナにおいて、本発明の効果が顕著である。

本発明のバーナは、燃料電池システム内の改質器に装着して用いることができる。燃料電池の水素極オフガス（燃料電池の水素極すなわちアノードから排出される可燃性ガス）を有効に利用する観点から、バーナマット６の下流に水素極オフガスを供給して燃焼させることが好ましい。水素極オフガスは、水素極オフガス流路３０の入口である水素極オフガス供給口３１からバーナに供給する。水素極オフガスは、二次空気流路の外周に設けられた環状の流路を通って、水素極オフガス流路の出口に設けられた水素極オフガスノズル３２からバーナマットの下流（火炎保持面側すなわち燃焼用ガス流路とは反対側の面側）に供給される。バーナが、水素極オフガスがバーナマット下流に形成される液体燃料混合気の火炎により着火できる構造を有することが望ましいが、切換時の過剰なオフガス噴出によりこの火炎が吹き消えることも有り得る。このため、水素極オフガスを液体燃料混合気に着火させるための前述の電極７および８により着火できる位置に、水素極オフガスノズルが設置されることが望ましい。また、水素極オフガスは爆発混合気を形成しやすい水素を例えば２０モル％以上５０モル％以下含むため、空気と予混合しない拡散燃焼が好ましいことから、バーナマット下流に水素極オフガスを直接噴出させる構造が好ましい。水素極オフガスを燃焼させるための空気には、一次空気および／または二次空気が利用される。前述の点火電極は、水素極オフガスを着火させるためにも兼用できる。

水素極オフガスを燃焼させる際、燃焼用ガス流路への液体燃料供給は行わなくてよいが、場合によっては、液体燃料を燃焼用ガス流路に供給し、液体燃料と水素極オフガスの両者を同時に燃焼させることもできる。

さて、このようなバーナを用いて燃焼を行う方法の例について詳しく述べる。まず、ヒータ９を作動させて加熱面を加熱し、空気を必要に応じてブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して一次空気供給口１１から供給し、加熱面２ａが所定の温度になった後に、必要に応じて液体燃料をポンプなどの液体昇圧手段によって昇圧して液体燃料供給口１２に供給し、液体燃料ノズル１４から液体燃料を流下させるとともに点火電極により、火花を発生させる。このときの空気比（供給した液体燃料量と供給した全空気量から算出される空気比）は、１．０以下にする。また、点火電極による火花発生開始とともに、もしくはその前から着火判定手段を作動させて着火の有無を監視する。ここでは着火判定手段に、熱電対用ウェルに装着されバーナマット下流に設けられた熱電対３ｂを用いている。着火された場合には熱電対３ｂで測定した温度が上昇するので、これにより着火の有無を判定できる。着火が確認されたら、上記空気比を１．２以上に増加する。

着火前の上記空気比を１．０以下、好ましくは０．９以下とすることにより、バーナマットから導出される混合気の燃料濃度が速やかに可燃域に到達するため、着火遅れが極めて短くなり、良好な着火性能が得られる。一方、煤塵発生防止の観点からこの空気比は好ましくは０．７以上、より好ましくは０．８以上とする。

着火後の上記空気比を１．２以上、好ましくは１．３以上、より好ましくは１．５以上とすることにより、安定な燃焼継続に好適な量の酸素が供給され、一酸化炭素やすす等の未燃分の発生を抑制することができる。

着火後に空気比を増加させる操作は、未燃分の排出を抑制する観点から、着火判定手段が着火を判定した後、極力迅速に行うことが好ましい。本発明では、空気比を増加させる間も、点火電極により火花を発生させ続けるため、急激に空気比を変化させる場合でも、安定に燃焼を継続することができる。

着火後に空気比を増加させるために、液体燃料の供給量は変えずに空気供給量を増やすことが好ましい。空気量を増やすことにより、液体燃料の気化が促進されるため、混合期中の燃料濃度が安定するためである。

着火判定手段には、熱電対の他にも、フレームロッド、ＵＶ（紫外線）検出器、ＣｄＳなどを適宜利用できる。

上記のように着火を行った後は、つまり上記空気比を１．２以上に増加させた後は、バーナを継続燃焼させる。ここで図３を用いて、バーナの液体燃料燃焼時の燃焼空気比について説明する（図３については後に詳述する）。バーナ１０１においては、燃焼に供される液体燃料量とバーナに導入される一次空気量から算出される空気比を１．８以下にすることが好ましく、１．３以下がより好ましく、１．０以下がさらに好ましい。バーナマットが良好に赤熱し、バーナマットからの輻射熱により火炎を安定させ、完全燃焼をより確実に行うことができるからである。液体燃料を完全燃焼するために、供給された液体燃料量と供給された全空気量（一次空気と二次空気の合算量）から算出される空気比は１．２以上とすることが好ましく、１．３以上とすることがより好ましく、１．５以上とすることがさらに好ましい。

空気比を制御する手段自体は、公知の流量制御技術を利用できる。例えば、液体燃料の流量は流量計１２１、流量調節器１２２、流量調節弁１２３で制御されているものとし、流量計１２１で検知された流量に対応する信号を、コンピュータなどの演算処理装置１１１に送り、ここで液体燃料の流量と予め設定された空気比から、所要の空気流量を算出し、この空気流量に対応する信号を空気側の流量調節器１３２に送り、空気流量を流量計１３１と流量調節バルブ１３３も用いて制御することができる。

図３では燃焼用空気は一箇所から供給されているが、概念として示されているだけで、途中で分岐して二箇所以上からバーナに供してもよいし、一箇所から供給してバーナ内部で分岐してもよいし、全く分岐せず一次空気としてのみで供給してもよい。

燃焼に空気以外の酸素含有ガスを用いる場合は、酸素含有ガス量を空気量と扱い空気比を計算する。ただし、ここで使用する酸素含有ガスは、燃焼性の観点から酸素含有量が１８％モル以上の酸素含有ガスが好ましい。

水素極オフガスを燃焼させる際も必要に応じて水素極オフガスをブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して水素極オフガス入口３１に供給することができる。液体燃料の火炎がある場合は、空気量を適宜調整した後、水素極オフガスを導入するだけで着火に至るが、水素極オフガス量が不安定な場合、一旦液体燃料の燃焼を停止し、水素極オフガスの燃焼に適する空気量を供給してから着火手段であるイグナイター８を作動させることにより安定に燃焼させることができる。

〔改質器〕
図２に、このバーナ１０１を、燃料電池システムにおいて用いられる改質器１０２に装着した場合の例を示す。バーナは改質器の上部に取り付けられ、上方からアクセス可能とされる。

改質器は、水素製造用原料と水および／または酸素を反応させ、水素を含有する改質ガスを製造する装置である。この装置で水素製造用原料は主に水素と一酸化炭素に分解される。また、通常、二酸化炭素およびメタンも分解ガス中に含有される。分解反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応を挙げることができる。水蒸気改質反応は大きな吸熱を伴い、このための熱を外部から供給するためにバーナなどが用いられる。自己熱改質反応でも場合によっては外部から熱を供給することもありうる。本発明のバーナは、このように改質反応領域に外部から熱を供給する、いわゆる外熱式改質器に好適に用いることができる。改質器内部には、内部に水蒸気改質反応などの改質反応を促進できる触媒を収容した改質管１０２ａなどが配置され、この改質管がバーナの燃焼熱によって加熱され、改質反応を進行させるための熱が供給される。

水素製造用原料としては、水蒸気改質法あるいは自己熱改質法により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質から適宜選択して使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることがでる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、灯油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。バーナに供給する液体燃料と、水素製造用原料とは、異なっていても良いが、燃料電池システム全体をコンパクトにする観点からは、同じものを用いることが好ましい。これらのためのタンク等の貯蔵手段や、ポンプ等の供給系を兼用することが可能となるからである。

水蒸気改質反応は水蒸気と炭化水素を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは０．５〜１０、より好ましくは１〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は水素製造用原料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ^-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ^-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ^-1の範囲で設定される。

自己熱改質反応は、水素製造用原料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。この場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３とされる。

自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。通常水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量を発生し得る程度の酸素を添加するが、熱のロスやバーナによる外部加熱量と関係において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．０５〜１、より好ましくは０．１〜０．７５、さらに好ましくは０．２〜０．６とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．１〜３０、より好ましくは０．５〜２０、さらに好ましくは１〜１０の範囲で選ばれる。

反応温度を制御するには、例えば、反応領域の温度を熱電対などによって検知し、バーナに補助的に供給している液体燃料量を増減させる、燃焼用空気を増減させる、燃料電池での水素使用量を変化させて水素極オフガス中に含まれる水素量を増減させる等の手段を用いる。

〔燃料電池システム〕
さらに、上記バーナを備えた改質器を有する燃料電池システムの例につき、概要を図３に示す。燃料電池システムは、バーナ１０１、バーナ１０１の燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う改質器１０２、および改質器によって得られた水素を含む改質ガスが水素極に供給される燃料電池１０３を有する。

燃料電池１０３としては、水素極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。

例えば、固体高分子型燃料電池は水素極（アノード）１０３ａおよび空気極（カソード）１０３ｃとこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、水素極側には改質ガス（水素含有ガス）が、空気極側には空気等の酸素含有ガスが、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後導入される。水素極から排出される水素極オフガスには可燃性成分が残存するため、水素極オフガスはバーナ１０１に供給されて燃焼される。

燃料電池システム起動時には、液体燃料を気化して燃焼用空気で燃焼させ、この熱を利用して改質器その他の機器を暖機することができる。起動を終えた後は、バーナにて水素極オフガスを燃焼させ、液体燃料は燃焼させなくてよい。場合によっては、水素極オフガスと液体燃料を同時に燃焼させることもできる。

燃料電池システムにおいて用いることのできる各種機器は適宜設けることができる。例えば、改質器１０２と燃料電池１０３との間の改質ガスラインに、改質ガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変成反応器、さらにＣＯ濃度を低減する選択酸化反応器を設けることができる。また、改質器より上流に、水素製造用原料中の硫黄分の濃度を低減する脱硫器を設けることもできる。この他にも、燃料電池の空気極に空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などを挙げることができる。

本発明のバーナは小型化が容易であり、例えば、自動車などの移動体用、あるいは小規模発電用の燃料電池システムに備わる改質器において好適に利用できる。

本発明の燃料電池システムは、このようなバーナを備えるためコンパクト化が容易であり、上記のような燃料電池システムに好適に適用できる。

本発明のバーナの一例を示す断面図である。 本発明のバーナが装着された改質器の例を示す模式的断面図である。 本発明のバーナを装着した改質器を有する燃料電池システムの概略を示すブロック図である。 点火電極の詳細を説明するための図である。

符号の説明

１ バーナケーシング
１ａ 取りあい部
２ 気化器
２ａ 加熱面
３ 熱電対用ウェル
３ａ 気化面温度管理用熱電対
３ｂ 着火判定用熱電対
５ 整流器
６ バーナマット
７ 接地電極
８ 高圧電極
９ ヒータ
１０ 燃焼用ガス流路
１１ 一次空気供給口
１２ 液体燃料供給口
１３ 配管
１４ 液体燃料ノズル
１５ 加熱面と気化器側壁との間の空隙
２０ 二次空気流路
２１ 二次空気供給口
２２ 二次空気ノズル
３０ 水素極オフガス流路
３１ 水素極オフガス供給口
３２ 水素極オフガスノズル
１０１ バーナ
１０２ 改質器
１０２ａ 改質管
１０３ 燃料電池
１０３ａ 水素極
１０３ｃ 空気極
１１１ 演算処理装置
１２１ 流量計（液体燃料用）
１２２ 流量調節器（液体燃料用）
１２３ 流量調節弁（液体燃料用）
１３１ 流量計（空気用）
１３２ 流量調節器（空気用）
１３３ 流量調節バルブ（空気用）

Claims (5)

1. 気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させる燃焼方法において、
   該混合気の燃焼にバーナマットを用い、
   着火の際に、該混合気の空気比を１．０以下として火花点火し、着火を確認した後に火花点火の火花を発生させたまま該混合気の空気比を１．２以上に増加する着火制御を行う
   ことを特徴とする燃焼方法。
2. 前記空気比を１．２以上に増加するために、酸素含有ガスの供給量を増加する請求項１記載の方法。
3. 気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、
   入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口にはバーナマットを備え、液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと流下された液体燃料を気化するための加熱面とを備えるガス流路；
   該バーナマット下流に配された、点火のための火花発生を行う点火電極；
   着火を判定可能な着火判定手段；および
   着火に際して、該着火判定手段により着火が確認されるまでは該混合気の空気比を１．０以下として該点火電極で火花発生を行い、該着火判定手段により着火が確認されたときに点火電極で火花発生を継続しつつ該空気比を１．２以上に増加させる制御を行う着火制御手段
   を備えることを特徴とするバーナ。
4. 燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナであり、
   入り口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、出口には前記バーナマットの下流に開口する水素極オフガスノズルを備える水素極オフガス流路をさらに有する請求項３記載のバーナ。
5. 水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
   該改質器が、請求項４記載のバーナを備えることを特徴とする燃料電池システム。
   
   

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