JP4283238B2 - 改質器用バーナー - Google Patents

Description

本発明は、改質器用バーナー、詳しくは燃料電池等に供給する原料ガスを所定の温度まで加熱するために使用する改質器用バーナーに関する。

燃料電池とは、水素、一酸化炭素またはメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、灯油、軽油、メタノール、エタノールおよびジメチルエーテルなど炭化水素の持つ化学エネルギーを直接または間接的に電気エネルギーに変換する装置であり、固体高分子形燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池などがあり、定置用、移動体用、携帯用電源に使用される。

定置用燃料電池としては、家庭用または業務用電源またはコージェネレーションシステム、補助電源、災害時用電源、工業用の中・大規模発電など種々のものが提案されているが、これら燃料電池システムを構成する重要な機器の一つに改質器があり、この改質器ではメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、灯油、軽油、メタノール、エタノールおよびジメチルエーテルなどの炭化水素を、燃料電池において直接電気エネルギーに変換できる水素を主成分とするガスへと変換する。中でも発電量が１ｋｗ程度の小型の燃料電池においては、改質器、燃料バーナーも小型となるが、通常の石油ストーブ、ファンヒータなどに使用される小型の燃料バーナーでは、高効率化のため燃料電池から供給される未反応ガスの燃焼が行えず、効果的な反応熱の供給には不向きである。

従来の燃焼用バーナーとしては、噴霧式、或いはロータリー式等が知られている。噴霧式のバーナーとしては、例えば、低カロリーと高カロリーの２種類の燃料を切り換えて燃焼させる形態のバーナーにおいて、高カロリー燃料から低カロリー燃料への切り換え時に燃焼状態を大きく変化させることなく燃焼の継続が可能であり、また、比較的簡単な構成でありながら、燃焼室の内壁である被加熱面を、周方向および軸方向の双方においてほぼ均一な温度分布に加熱することのできるバーナーが提案されている（特許文献１）。

また、バーナーの中央位置から径方向外側に向かって順に、高カロリー燃料通路、第１の酸化剤通路、低カロリー燃料通路、および第２の酸化剤通路を設け、天然ガスや改質ガス等の高カロリー燃料を用いる場合にはこれを高カロリー燃料通路に通し、電池排燃料等の低カロリー燃料を用いる場合にはこれを低カロリー燃料通路に通すバーナーが提案されている（特許文献２）。ところが、これらのバーナーでは、比較的小規模容積に構成された燃焼室に液体燃料を噴霧するため、燃焼度に限度があり、供給された液体燃料が完全燃焼しない可能性がある。

一方、ロータリー気化式の場合、燃料の気化位置がロータリー板により限定されるため気化熱を奪う部位が限定され、この燃焼の場合、改質に必要な熱量の液体燃料を燃焼させた場合、その液体燃料を気化させるに必要な気化熱を確保できない可能性がある。更に、前記構造を達成させるために部品点数が増大すると共に、燃料の気化熱を確保するため、熱損失が大きい非効率な装置になる可能性がある。

上記を解決するため、液体燃料を均一に完全燃焼できる改質器用バーナーが提案されている（特許文献３）。この改質器用バーナーは、図９に示すように、バーナー装置Ａを包括する本体ケーシング１と、ヒータ２を内蔵したバーナーボディ３と、このバーナーボディ３内に配した火炎形成筒４と、バーナーボディ３の上面に連設した熱伝導体５と、液体燃料ノズル６と、本体１上部に設けた未反応ガスジャケット７とで構成し、ヒータ２の自己発熱でバーナーボディ３を加熱して液体燃料を気化燃焼させ、その後この燃焼熱をヒートバックさせることで以後における気化燃焼を連続的に行うと共に、未反応ガスの燃焼熱による熱伝導体５の熱エネルギーをヒートバックさせて吸熱反応増大時に対応する液体燃料の追い炊きを行う。

即ち、供給された液体燃料を完全燃焼させ、かつ、熱負荷が急増した場合でも、液体燃料の追い炊きが即時可能なバーナーとして、液体燃料の燃焼熱でバーナー本体の内面を加熱し、この熱エネルギーにより以後に続く液体燃料を燃焼させる。したがって、このバーナーでは、特許文献１、２に開示されるバーナーと異なり、燃焼熱を利用して液体燃料を気化させることで、不完全燃焼を解消でき、供給された液体燃料を均一に、かつ安定的に完全燃焼を継続することが可能となる。

特開２００２−１６２００７号公報 特開平５−３０３９７４号公報 特開平８−１６５１０２号公報

上記特許文献３に開示される従来の改質器用バーナーは、液体燃料の燃焼熱でバーナー本体の内面を加熱し、この熱エネルギーにより液体燃料を気化させ、不完全燃焼を解消し、安定した燃焼を継続することが可能であるが、液体燃料および未反応ガスの燃焼火炎形成孔が別々に設置されているため、バーナー構造が大きくなってしまう欠点があった。そして、一般的に従来の改質器用バーナーでは、炎の形状がシャープ（細長）となることが多く、このような炎形状とした場合には燃焼室が長くなり、これによっても装置が大型化するため、小型化が望まれている。

また、一般的な改質反応器では、触媒加熱用のバーナーを改質反応器の下側に配置した構造となっている。これは、改質反応器の触媒の反応入口側と出口側とでは、触媒による吸熱反応によって出口側の方が温度が低下する（流れる先の方がより温度が低くなる）ため、バーナーが触媒の反応出口側に配置されている。しかし、この構成では、改質反応器の触媒を通過する燃料が、上方から下方に向けて流動することから、触媒内で燃料が偏流する可能性があり、また、このような場合には、触媒全体を有効に利用することができないといったことが懸念される。さらにこのような改質反応器の構成では、改質反応器の下側にあるバーナーをメンテナンスする際、改質器本体を燃料電池システムから取り外す必要があり、メンテナンス性の改善が望まれていた。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、液体燃料および未反応ガスの混焼が可能であり、かつ液体燃料および未反応ガスの燃料噴射ノズルを一体化することでコンパクト化が可能となり、不完全燃焼を解消し、煤、ＣＯなどの生成がなく、燃焼用空気の微量な調整を改善することで、燃焼負荷が変動した場合においても安定した燃焼を継続可能とし、且つ、メンテナンス性に優れ、改質器の本来の性能を十分に引き出すことできる改質器用バーナーを提供することを目的とする。

本発明者らは、液体燃料および未反応ガスの混焼が可能であり、かつ液体燃料および未反応ガスの燃料噴射ノズルを一体化することでコンパクト化を可能とする事に加え、不完全燃焼を解消し、安定した燃焼を継続すると共に、燃焼用空気の微量な調整を可能とすることで燃焼負荷が変動する場合においても安定した燃焼を継続する改質器用バーナーを見出し、本発明を提案するに至った。
即ち、本発明は、上記目的を達成するために、次の改質器用バーナーを提供するものである。

請求項１記載の改質器用バーナーは、改質反応器を燃焼火炎により加熱する改質器用バーナーであって、液体燃料、当該改質器により処理された改質ガス、燃料電池スタックから排出されたオフガス、前記液体燃料と前記改質ガス、前記液体燃料と前記オフガスのうち、いずれか一つを燃料として、設定された所定量の前記燃料と燃焼用一次空気とをバーナー本体にそれぞれ供給する燃料供給部と、前記バーナー本体内に画成され前記燃料供給部が送出した燃料を気化させる燃料気化室と、前記燃料気化室で気化した燃料ガスを該燃料気化室に隣接する燃焼室へ供給する燃料ノズルと、前記燃焼室内の前記燃料ノズルに対峙して配置され該燃焼室内に燃焼用二次空気を供給する二次空気供給手段とを備え、前記燃焼室が前記改質反応器の上方に配置され、燃焼火炎を下側に向けて発生し、前記燃料気化室には前記燃料供給部が送出した液体燃料を供給する管状の液体燃料供給ノズルが垂下して挿入され、該液体燃料供給ノズルは下端部管壁の一部が切除されて、その先端部が前記燃料気化室の底板に近接するように前記底板の上方の蓋に設置されていることを特徴とする。

この改質器用バーナーでは、燃料気化室が燃焼室に隣接した上方に設置され、燃焼熱の有効利用が可能となる。また、下向きに加熱するバーナーの上部に取り付けられているため、効率的な熱交換が可能となる。したがって、燃料気化室が加熱されてよりよい気化状態が得られることから、液体燃料に加え、水素を含有したガスも燃料として使用でき、両者を混焼させることも可能となる。これにより、不完全燃焼が解消され、安定した燃焼が継続されるとともに、燃焼用空気の微量な調整が可能となることから、燃焼負荷が変動する場合においても安定した燃焼が継続可能となる。また、燃焼火炎を下向きに発生させる構造とすることで、バーナー本体の容易な取り付けまたは取り外しが可能となり、メンテナンス性が向上する。そして、改質器の本来の性能を十分に引き出すことができる。

また、この改質器用バーナーでは、灯油と燃料電池オフガスを同一ノズルで専焼または混焼させることができる。
また、この改質器用バーナーでは、液体燃料供給ノズルの先端が切り欠かれることで、供給液体燃料が急激に雰囲気中に供給されることがなく、徐々に加熱されながら気化に必要な十分な加熱温度まで昇温されることとなる。これにより、液体燃料の滴下による液体燃料気化量の不安定が解消されると同時に、気化室内の滴下箇所付近にカーボンが発生することを防止できる。

請求項２記載の改質器用バーナーは、前記二次空気供給手段が、前記燃焼室の前記燃料ノズルを囲む周壁に多数の通風孔を形成し、該通風孔から前記燃焼用二次空気を供給することを特徴とする。

この改質器用バーナーでは、燃焼用二次空気が燃料ノズルを囲む周壁に設けられた多数の通風孔から供給され、燃焼室内において燃料との混合状態が良好となる。また、多数の通風孔の孔径または孔数を調整することで、負荷変動に対しても安定した火炎が維持されることになる。

請求項３記載の改質器用バーナーは、前記燃料ノズルに複数の燃料噴射ノズル孔を有するバーナーチップが先端に取り付けられたことを特徴とする。

この改質器用バーナーでは、バーナーチップが複数の燃料噴射ノズル孔を有することで燃焼用二次空気との混合状態を良好に保ち、また噴射方向に小さな火炎が複数発生する。これにより、燃焼室をコンパクトにすることが可能となる。

請求項４記載の改質器用バーナーは、バーナーチップが着脱自在であることを特徴とする。

この改質器用バーナーでは、取替え可能なバーナーチップが燃料ノズルの先端に取り付けられることで、煤などが析出して、バーナーチップの燃料噴射ノズル孔が閉塞した場合のメンテナンス性が改善される。

請求項５記載の改質器用バーナーは、前記燃料噴射ノズル孔が、斜め下方へ傾斜して穿設されたことを特徴とする。

この改質器用バーナーでは、バーナーチップから吹き出される燃料が斜め下方向となり、燃料噴射ノズル孔と通風孔の間隔が適度に保たれ、燃料と空気の濃淡差が少なくなることで、良好な燃焼状態が維持可能となる。

請求項６記載の改質器用バーナーは、前記燃焼室の下端開口には開口を徐々に絞る炎絞りコーンが付設されたことを特徴とする。

この改質器用バーナーでは、炎絞りコーンによって開口面積が徐々に絞られた燃焼室から火炎が吹き出される。これにより、火炎が安定し、燃焼室内の圧力、温度が高められて、燃焼熱が効率的に燃料気化室へ供給可能となる。

請求項７記載の改質器用バーナーは、前記燃料気化室の温度が３５０℃以下であることを特徴とする。

この改質器用バーナーでは、３５０℃以下とすることで燃料気化室での燃料の熱分解が抑制可能となる。

請求項８記載の改質器用バーナーは、前記燃料ノズルから前記燃焼室へ供給される燃料ガスの空燃比が１．０〜２．０の範囲であることを特徴とする。

この改質器用バーナーでは、燃料ガスの空燃比が１．０〜２．０の範囲とすることで、燃料着火時の煤や未燃焼燃料のミスト発生が防止可能となり、良好な燃焼状態が得られる。

本発明に係る改質器用バーナーによれば、液体燃料に加え、水素を含有したガスも燃料として使用でき、両者を混焼させることも可能なうえ、不完全燃焼を解消し、安定した燃焼を継続すると共に、燃焼用空気の微量な調整が可能となることで、燃焼負荷が変動した場合においても安定した燃焼を継続することができ、バーナーチップの燃料噴射ノズル孔を複数とすることで燃焼用二次空気との混合状態を良好に保ち、噴射方向に小さな火炎が複数発生することで燃焼室をコンパクトにすることができ、燃料電池用改質器に適したバーナーを提供することができる。
また、この改質器用バーナーでは、灯油と燃料電池オフガスを同一ノズルで専焼または混焼させることができる。
また、この改質器用バーナーでは、液体燃料供給ノズルの先端が切り欠かれることで、供給液体燃料が急激に雰囲気中に供給されることがなく、徐々に加熱されながら気化に必要な十分な加熱温度まで昇温されることとなる。これにより、液体燃料の滴下による液体燃料気化量の不安定が解消されると同時に、気化室内の滴下箇所付近にカーボンが発生することを防止できる。

以下、本発明に係る改質器用バーナーの好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、改質器用バーナーの説明に先立ち、図１を用いて燃料電池システムを説明する。
図１は本発明に係る改質器用バーナーを組入れた燃料電池システムの一構成例の概略を表すシステムブロック図である。
図１に示す燃料電池システム１１において、１３は液体燃料供給部で、ポンプやバルブなどを用いて液体燃料の供給量を制御している。１５は脱硫部であり、脱硫部１５には脱硫剤が充填されており、１５０℃〜３００℃の温度において液体燃料を脱硫している。１７は水供給部であり、ポンプやバルブなどを用いて改質用の水の供給量を制御し、脱硫部１５において脱硫された液体燃料とともに１９の燃料混合部へ供給される。

液体燃料供給部１３、脱硫部１５、水供給部１７および原料混合部１９のうちの一部または全部において、図中２１の改質反応器で生成したガスとの熱交換、２３のバーナー本体からの伝熱またはバーナー排ガスとの熱交換、および後述の電気ヒータなどの外部加熱器により加熱され、改質反応器２１へ供給される。

改質反応器２１では、内部に改質触媒が充填されており、混合された原料はバーナー本体２３から熱供給を受け、４００℃〜９００℃の温度において水蒸気改質反応により改質ガスへと変換される。また、自己熱改質または部分酸化を行う場合には、２５のブロアやファンなどで構成された空気供給部からフローコントローラーやバルブなどを用いて供給量を制御された空気を改質反応器２１に供給することもある。

改質ガスは熱交換器または冷却器などにより１５０℃〜４００℃まで冷却された後、触媒が充填された２７のＣＯ変性部へ供給され、変性ガスへと変換される。ＣＯ変性部２７は、一段または二段で行われることが多く、ここでは変性ガス中のＣＯ濃度が０．１〜２vol％程度まで低減される。変性ガスは、熱交換器または冷却器などにより１００℃〜２００℃まで冷却された後、触媒が充填された図１中２９のＣＯ除去部へ供給され、空気供給部２５からフローコントローラーやバルブなどを用いて供給量を制御された空気と反応して、浄化ガスへと変換される。ＣＯ除去部２９は、一段または二段で行われることが多く、ここでは浄化ガス中のＣＯ濃度が１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下まで低減される。

３１は三方バルブで、起動時において浄化ガス中のＣＯ濃度が所定値を満たさない場合には、浄化ガスが３３の燃料電池をバイパスし、バーナー本体２３のバーナー燃料として供給される。バーナー本体２３へ供給される浄化ガス流量が過剰な場合には、フローコントローラーやバルブなどを用いて供給量を制御することも可能である。燃料電池３３からのオフガスは全量がバーナー本体２３に戻される（調整されない）。

燃料電池３３は、アノード側には燃料となる水素を主成分とし、かつＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下まで低減された浄化ガスが供給され、一方カソード側には空気供給部２５の空気供給部からフローコントローラーやバルブなどを用いて供給量を制御された空気が供給され発電する。同時に発生する熱は、一般に５０℃〜８０℃程度の温水として回収後利用され、燃料電池システム１１全体の効率に寄与する。このとき発電に使用されなかった浄化ガス中の未反応ガスは、バーナー本体２３のバーナー燃料として供給される。

次に、本発明に係る改質器用バーナーについて詳細に説明する。
図２は図１に示した本発明に係る改質器用バーナーの要部拡大断面図、図３は図２に示した改質器用バーナーを上方から見た平面図、図４は図２に示した改質器用バーナーの外観斜視図である。
本実施の形態による改質器用バーナー１００は、図２及び図３に示すように、バーナー上部から液体燃料や空気等が供給され、改質反応器２１の上部に取り付けられた、下向き加熱用のバーナーである。このような下向きの取付け構造とすることで、改質器に対して容易に取り付けまたは取り外しが可能となり、メンテナンス性が向上するようになっている。

図２に示すように、燃料気化室３５は、液体燃料を火炎の燃焼熱により気化させる場所である。燃料気化室３５はバーナー本体２３の燃焼熱を利用して液体燃料を気化させるため、燃焼室３７に隣接した上方に設置されている。また、図４に示すように、下向きに加熱するバーナー本体２３の上部に取り付けられているため、効率的な熱交換が可能となる。

熱交換を効率的に行うため、燃料気化室３５の材質としては、容積あたりの熱容量が小さくかつ熱伝導率の比較的高い金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛およびそれら金属を含む合金や成形性の高い鉄、ニッケル、クロムおよびそれらを含むステンレス鋼などの合金が好ましい。これにより着火時間の短縮を図っている。燃料気化室３５の温度は、３５０℃以下である。このように、３５０℃以下とすることで燃料気化室３５での燃料の熱分解を抑制することが可能となっている。

燃料気化室３５では、液体燃料と燃焼用一次空気を予混合した後、液体燃料を気化している。予め液体燃料と燃焼用一次空気を混合しておくことで、気化温度の低下やコークデポジット生成を抑制する効果がある。また、燃焼用一次空気供給量を制御することで燃料噴射ノズル（燃料ノズル）３９からの燃料噴出し速度を調節し、良好な燃焼状態を保つ効果がある。水素含有ガスとの混焼を行う場合は、液体燃料、水素含有ガス、燃焼用一次空気が燃料気化室３５で予混合した後燃焼する。

なお、燃料気化室３５の上部に取り付けた蓋４１は、その構造をメンテナンス性を考慮したフランジ構造としても良いし、さらにコンパクトにする場合は溶接構造としても良い。材質は、フランジ構造とした場合は３５０℃の温度に耐え、化学的に安定であるものであればいずれの材質を用いても良い。溶接構造とする場合は接合性を考慮し燃料気化室３５と同材質のものを用いるのが好ましい。

燃料噴射ノズル３９の先端には、バーナーチップ４５が取り付けられている。バーナーチップ４５は、煤などが析出し閉塞した場合のメンテナンス性を考慮し、取り合え可能な構造としても良い。
図５にバーナーチップの断面視を（ａ）、その下面視を（ｂ）に表したバーナーチップの説明図、図６に燃焼室を下側から見た斜視図を示した。
図５に示すように、バーナーチップ４５は、下端面４５ａが平坦面な下向きの略円錐形状に形成され、傾斜側面４５ｂには複数の燃料噴射ノズル孔４７を有する。燃料噴射ノズル孔４７は、円周方向に所定の角度φで配設される。本実施の形態では、所定角度φで配設された複数の燃料噴射ノズル孔４７が、間隔Ｓを隔てて二段に設けられている。そして、これらそれぞれの燃料噴射ノズル孔４７は、軸線４９に対して角度θで斜め下方へ傾斜して穿設されている。

このように、燃料噴射ノズル孔４７を下方へ傾斜させ、バーナーチップ４５から吹き出す燃料を斜め下方向とすることで、燃料噴射ノズル孔４７と、図６に示す燃焼空気ノズル孔５１の間隔を適度に保つことにより、燃料と空気の混合比の変化を少なくすることで、良好な燃焼状態を維持可能にしている。また、燃料噴射ノズル孔４７が小さく、吹き出し速度が大きいことで、Ｈ_２ガスの逆火の発生が防止されるようになっている。

バーナー本体２３は、図２に示すように、燃料気化室３５を改質反応器２１に取り付ける固定板５３、フランジ５５、燃焼空気を取り入れる二次空気供給手段（風箱）５７を備えている。

また、風箱５７または燃焼空気供給ラインに図示しない電気ヒータなどの加熱装置を設置し着火時に使用することで、燃焼二次空気温度を迅速に上昇させ、低温空気による気化した液体燃料の再凝縮を抑制し、煤または未燃焼の燃料ミストの発生を早期に防止することで、着火時間を短縮している。

また、図６に示すように、燃焼室３７には、点火手段９３、炎検出センサ６５が配置される。炎検出センサ６５は、炎が持つイオンを検出する炎検出センサ、紫外線検出センサや温度検出センサであってもよい。点火手段９３は、電極棒９３ａと接地電極９３ｂとからなり、高電圧印加により電気火花を飛ばして点火を可能としている。

ここで、図７に燃料気化室に挿入される液体燃料供給ノズルの斜視図を示した。液体燃料供給ノズル６７は、先端（下端部管壁の一部）６７ａが切除され、その先端６７ａが燃料気化室３５の底板３５ａに近接するように前記底板３５ａの上方の蓋４１に設置されている。液体燃料供給ノズル６７の先端６７ａを切り欠くことで、供給された液体燃料の液滴７０が、先端６７ａの表面を伝って落ちる途中で気化されることになる。これにより、液体燃料の滴下による液体燃料気化量の不安定を解消すると同時に、気化室内の滴下箇所付近にカーボンが発生するのを防いでいる。

図８は火炎の形成された燃焼室の側面視を（ａ）、その下面視を（ｂ）に表した火炎形成状況の模式的な説明図である。
燃焼空気ノズル孔５１は、円筒状の構造体（周壁）６１に、空気供給孔を複数設け、燃料と空気の混合状態を良好に保つ役割がある。空気供給孔は対称的に設けられているが、バーナーチップまたは気化室が過熱される場合は、空気供給孔を非対称とすることで制御することも可能である。空気供給孔が複数個あることで、図８に示すように、炎Ｆの長さが短くなり、その結果、燃焼室３７の容積を小さくすることが可能となる。なお、燃焼空気ノズル孔５１からの空気吹出し方向は、円周に対して垂直方向でも良いし、回旋流を発生させるよう斜め下方向でも良い。

燃焼室３７の先端部には、炎絞りコーン６９が設けられる。この炎絞りコーン６９は、火炎を安定させ、燃焼熱を効率的に供給するため、先端が円周方向に沿って内側１５〜４５度に傾いた形状を有しており、炎絞りコーン６９によって開口面積が徐々に絞られた燃焼室３７から火炎が吹き出される。これにより、火炎が安定し、燃焼室３７内の圧力、温度が高められて、燃焼熱が効率的に燃料気化室３５へ供給可能となる。

上記構成の改質器用バーナー１００は、燃料電池システム１１に対して次のように接続されている。再び図１を参照して説明する。
オフガス配管７１は、基端が燃料電池３３に接続され、他端が燃料気化室３５（図２参照）へと挿入開口される。オフガス配管７１は、燃料電池３３での発電に使用されなかった浄化ガス中の未反応ガスを、バーナー本体２３の燃料気化室３５へバーナー燃料として供給する。

空気供給部２５は、空気供給配管７３を通じてオフガス配管７１に接続されている。空気供給配管７３には一次空気制御弁Ｖ１が設けられている。空気供給部２５と一次空気制御弁Ｖ１との間の空気供給配管７３は、二次空気供給配管７５を通じて風箱５７に接続されている。二次空気供給配管７５には二次空気制御弁Ｖ２が設けられている。

脱硫部１５とバーナー本体２３とは液体燃料供給配管７７を通じて接続され、液体燃料供給配管７７には液体燃料制御弁Ｖ３が設けられている。脱硫部１５と液体燃料制御弁Ｖ３との間の液体燃料供給配管７７は、バイパス配管７９を通じて燃料混合部１９へと接続されている。このバイパス配管７９には液体燃料制御弁Ｖ４が設けられている。水供給部１７と燃料混合部１９とは水供給配管８１によって接続され、水供給配管８１には供給水制御弁Ｖ５が設けられている。

上記の一次空気制御弁Ｖ１、二次空気制御弁Ｖ２、液体燃料制御弁Ｖ３、液体燃料制御弁Ｖ４および供給水制御弁Ｖ５は制御部８３に接続され、制御部８３は燃料性状データ８５、燃料電池３３の電力・温度等に基づき、これらの制御弁Ｖ１〜Ｖ５を開閉制御するようになっている。即ち、使用する空気や液体燃料や水の組成は、燃料性状データ８５として保存され、これが適宜参照されながら燃焼カロリーが計算される。また、制御部８３は、燃料電池３３の発電量に変更あったとき、バーナーの出力も調整する。必要な水素の量が計算により求められているので、制御部８３は、その量を確保するように、改質反応器２１への流量や、バーナーの燃焼カロリーを調整する。

さらに、燃料混合部１９は、混合燃料配管８７を通じて改質反応器２１に接続される。 この混合原料配管８７は、空気を供給して改質反応を行う場合に設けられる改質空気供給配管８９によって空気供給配管７３に接続されている。

ところで、上記の改質反応器２１では、図２に示すように、触媒９５に下側から混合燃料（炭化水素、水蒸気、酸素）を導入して、上方に向けて流動するようにしている。これにより、改質反応器２１の触媒９５内を原料が上方から下方に向けて流動させる場合の、混合燃料の偏流する問題が解消され、触媒９５の全体を有効利用することができる。また、改質反応器２１の触媒９５の反応入口側と出口側とでは、出口側の方が温度が低下する（流れる先の方がより温度が低くなる）が、上記の改質反応器１２では、混合燃料を触媒９５の下方から上方に向けて通すので、触媒９５の反応出口側である上側にバーナー本体２３を配置することが好都合となる。つまり、バーナー本体２３を反応出口側の近くに配置することで、温度が低下する反応出口側により多くの熱量を加えることができる。

本実施の形態に係る改質器用バーナー１００に使用する燃料は、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの液体燃料の他、水素、メタン、二酸化炭素、窒素などを含有した水素含有ガスを使用することが可能である。これらを供給する液体燃料供給配管７７は、バーナー本体２３上部に設置されており、必要に応じて他の燃料と混焼させることが可能である。 混合燃料とすることで、コンパクト性が向上し、システムの簡略化が図れる。

液体燃料としては、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が使用できるが、一般家庭で使用することを考慮すると灯油が好ましい。石油精製から得られる一般的な灯油でも、合成により得られる灯油でも構わない。水素含有ガスとしては、発電スタックで使用した後の残存ガス、例えば水素、メタン、二酸化炭素、窒素などが含まれる。

また、本実施の形態による改質器用バーナー１００の空燃比は、１．０〜２．０、好ましくは１．０〜１．３である。空燃比をこの範囲に抑えることで、燃料の着火時の煤や未燃焼燃料のミスト発生を防止することが可能となっている。

発電量１ｋｗ程度の燃料電池用の改質反応器２１のサイズは、その形状にもよるが、一般的に１５〜７０L、高さは４００〜１，０００ｍｍ程度である。本実施の形態のバーナーサイズは、気化室部分も含めた高さは８０〜１３０ｍｍ、直径６０〜８０ｍｍ、容積０．２２〜０．６５L程度である。液体燃料供給配管７７は内径３〜１０ｍｍ、水素含有ガス供給配管（オフガス配管７１）は５〜１５ｍｍ、二次空気供給配管７５は５〜１５ｍｍが一般的である。発電量１ｋｗ程度の燃料電池システム１１の場合、バーナーの燃焼熱量はターンダウン比率を考慮した場合２００〜１，５００kcal/h程度である。この熱量にあれば小型のシステムで発電することが可能となる。

また、改質器用バーナー１００は、バーナー本体２３の燃焼熱により液体燃料を気化させ燃焼させるものであるが、バーナー本体２３の起動時は液体燃料を気化させるため、電気ヒータを使用して燃料気化室３５を３００〜３５０℃に加熱する。これにより確実な着火と、着火時間の短縮が図れるようになっている。

次に、上記改質器用バーナーの作用を説明する。
液体燃料供給部１３から液体燃料が供給され、脱硫部によって室温〜３００℃の温度において液体燃料が脱硫される。水供給部１７からの改質用の水は、脱硫部１５において脱硫された液体燃料とともに燃料混合部１９へ供給され、改質反応器２１へ供給される。混合された原料はバーナー本体２３から熱供給を受け、４００℃〜９００℃の温度において水蒸気改質反応により改質ガスへと変換される。

改質ガスは熱交換器または冷却器などにより１５０℃〜４００℃まで冷却された後、触媒が充填された２７のＣＯ変性部へ供給され、変性ガスへと変換される。ここでは変性ガス中のＣＯ濃度が０．１〜２vol％程度まで低減される。変性ガスは、熱交換器または冷却器などにより１００℃〜２００℃まで冷却された後、ＣＯ除去部２９へ供給され、空気供給部２５からの空気と反応して、浄化ガスへと変換される。

なお、起動時において浄化ガス中のＣＯ濃度が所定値を満たさない場合には、浄化ガスが燃料電池３３をバイパスし、バーナー本体２３のバーナー燃料として供給される。バーナー本体２３へ供給される浄化ガス流量が過剰な場合には供給量が制御される。また、燃料電池３３からのオフガスは全量がバーナー本体２３に戻される。

燃料電池３３は、アノード側には燃料となる水素を主成分とし、かつＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下まで低減された浄化ガスが供給され、一方カソード側には空気供給部２５の空気供給部から空気が供給され発電する。同時に発生する熱は、一般に５０℃〜８０℃程度の温水として回収後利用され、燃料電池システム１１全体の効率に寄与する。このとき発電に使用されなかった浄化ガス中の未反応ガスは、バーナー本体２３のバーナー燃料として供給される。

したがって、上記の改質器用バーナー１００によれば、燃料気化室３５が燃焼室３７に隣接した上方に設置され、燃焼熱の有効利用が可能となる。また、下向きに加熱するバーナー本体２３の上部に燃料気化室３５が取り付けられ、効率的な熱交換が可能となる。もって、燃料気化室３５が加熱されてよりよい気化状態が得られることから、液体燃料に加え、水素を含有したガスも燃料として使用でき、両者を混焼させることも可能となる。これにより、不完全燃焼が解消され、安定した燃焼が継続されるとともに、燃焼用空気の微量な調整が可能となることから、燃焼負荷が変動する場合においても安定した燃焼が継続可能となる。また、燃焼火炎を下向きに発生させる構造とすることで、触媒温度を高くすることができるとともに、バーナー本体２３の容易な取り付けまたは取り外しが可能となり、メンテナンス性を向上させることができる。また、改質器の触媒に混合燃料の偏流が生じ難くなり、改質器本来の性能が十分に発揮される。

本発明に係る改質器用バーナーを組入れた燃料電池システムの一構成例の概略を表すシステムブロック図である。 図１に示した改質器用バーナーの要部拡大断面図である。 図２に示した改質器用バーナーを上方から見た平面図である。 図２に示した改質器用バーナーの外観斜視図である。 バーナーチップの断面視を（ａ）、その下面視を（ｂ）に表したバーナーチップの説明図である。 燃焼室を下側から見た斜視図である。 燃料気化室に挿入される液体燃料供給ノズルの斜視図である。 火炎の形成された燃焼室の側面視を（ａ）、その下面視を（ｂ）に表した火炎形成状況の模式的な説明図である。 従来の改質器用バーナーの要部断面図である。

符号の説明

１３ 液体燃料供給部
２１ 改質反応器
２３ バーナー本体
３５ 燃料気化室
３７ 燃焼室
３９ 燃料噴射ノズル（燃料ノズル）
４５ バーナーチップ
４７ 燃料噴射ノズル孔
５１ 通風孔
５７ 風箱（二次空気供給手段）
６１ 周壁
６７ 液体燃料供給ノズル
６９ 炎絞りコーン
１００ 改質器用バーナー
Ｆ 燃焼火炎

Claims (8)

1. 改質反応器を燃焼火炎により加熱する改質器用バーナーであって、
   液体燃料、当該改質器により処理された改質ガス、燃料電池スタックから排出されたオフガス、前記液体燃料と前記改質ガス、前記液体燃料と前記オフガスのうち、いずれか一つを燃料として、設定された所定量の前記燃料と燃焼用一次空気とをバーナー本体にそれぞれ供給する燃料供給部と、
   前記バーナー本体内に画成され前記燃料供給部が送出した燃料を気化させる燃料気化室と、
   前記燃料気化室で気化した燃料ガスを該燃料気化室に隣接する燃焼室へ供給する燃料ノズルと、
   前記燃焼室内の前記燃料ノズルに対峙して配置され該燃焼室内に燃焼用二次空気を供給する二次空気供給手段とを備え、
   前記燃焼室が前記改質反応器の上方に配置され、燃焼火炎を下側に向けて発生し、
   前記燃料気化室には前記燃料供給部が送出した液体燃料を供給する管状の液体燃料供給ノズルが垂下して挿入され、該液体燃料供給ノズルは下端部管壁の一部が切除されて、その先端部が前記燃料気化室の底板に近接するように前記底板の上方の蓋に設置されていることを特徴とする改質器用バーナー。
2. 前記二次空気供給手段が、前記燃焼室の前記燃料ノズルを囲む周壁に多数の通風孔を形成し、該通風孔から前記燃焼用二次空気を供給することを特徴とする請求項１記載の改質器用バーナー。
3. 前記燃料ノズルは、複数の燃料噴射ノズル孔を有するバーナーチップが先端に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の改質器用バーナー。
4. 前記バーナーチップが着脱自在であることを特徴とする請求項３記載の改質器用バーナー。
5. 前記燃料噴射ノズル孔が、斜め下方へ傾斜して穿設されたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の改質器用バーナー。
6. 前記燃焼室の下端開口には開口を徐々に絞る炎絞りコーンが付設されたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の改質器用バーナー。
7. 前記燃料気化室の温度が３５０℃以下であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の改質器用バーナー。
8. 前記燃料ノズルから前記燃焼室へ供給される燃料ガスの空燃比が１．０〜２．０の範囲であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の改質器用バーナー。

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