JP4523054B2 - 燃料電池の改質器用バーナとそれを備えた改質器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の改質器用のバーナと、それを備えた改質器に関するものであり、詳細には、原燃料ガスを改質して燃料電池の燃料となる水素に富む改質ガスを生成する改質器を加熱するためのバーナと、そのバーナを備えた改質器に関するものである。

燃料電池を、連続運転して、定常的に発電可能とするために、例えば都市ガスや天然ガスなどの供給体制が整っている炭化水素を原燃料とし、これを改質器で改質して、水素に富む燃料電池用の燃料ガスを連続的に製造することが行われている。上記改質器における改質反応は、触媒による吸熱反応であるため、改質器を作動させるには、触媒を加熱してその温度を上げる必要があり、この加熱には、通常、バーナが用いられる。このバーナ用の燃料としては、燃料電池から排出される未反応の改質ガスであるオフガスや、改質器で生成される改質ガスを使用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、改質器の運転前には、当然のことながら、改質ガスやオフガスは未だ生成されていないので、改質器の運転開始時にはオフガスや改質ガスをバーナの燃焼用燃料とすることはできない。そこで、改質器の運転開始時には、原燃料として改質器に供給される都市ガスや天然ガスなどの一部をバーナの燃焼用燃料として用い、これによって改質器の触媒を加熱して触媒温度が上昇すると、改質器が立ち上がり、改質ガスまたはオフガスが生成されるので、その時点でバーナ燃料を、都市ガスまたは天然ガスから改質ガスまたはオフガスに切り換えることが行われている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、都市ガスまたは天然ガスと、オフガスまたは改質ガスとは、その発熱量が大きく異なるため、これらの燃料を切り換えて燃焼させるバーナには大きな絞り比が要求される。また、オフガスや改質ガスには水素が多く含まれているため、燃焼速度が速く、逆火を起こし易いので、改質器用のバーナは逆火の恐れのないものでなければならない。これらの技術的課題に応えるべく、従来、種々の改質器用バーナが提案されており、例えば、特許文献３では、バーナの炎孔部のほぼ同じ場所から発熱量の低いオフガスと、発熱量の大きい燃料ガスとを噴出させて混合させつつ、これに燃焼空気を供給して燃焼させるバーナが提案されている。しかし、この特許文献３が提案するバーナは、オフガスまたは燃料ガスと燃焼用空気とを単に炎孔部に供給するに過ぎないため、これらの混合が不十分であり、燃焼負荷が変動すると火炎が消えてしまうなど、燃焼の安定性が十分ではないという欠点がある。

また、上記特許文献２では、オフガスを燃料ガスの一部もしくは全部として燃焼させる改質器用のバーナにおいて、燃料ガスと空気とを予め混合させるに際し、燃料ガス濃度が低い淡混合ガスと、燃料ガス濃度が高い濃混合ガスとを生成させ、それぞれを、バーナ炎孔部の内周側と外周側とに供給して安定な燃焼を図ったバーナが提案されている。しかし、特許文献２において提案されているバーナは、燃料ガスと空気とを予め混合させる予混合室の構造が極めて複雑であり、また、逆火を防止するには、燃焼によって炎孔部を構成する部材に生じた熱を混合部側に逃がす伝熱部材を必要とし、材料使用量が増して製造コストが嵩むという不都合がある。

特開２００８−１０８６９１号公報 特開２００２−２５０５０８号公報 特開２００１−２０１０１９号公報

本発明は、従来技術における上記の不都合を解消するために為されたもので、高発熱量の都市ガス等のガスまたは低発熱量のオフガスのいずれを燃料ガスとして用いた場合でも、安定した燃焼を実現でき、かつ、逆火の恐れのない、構造が簡単な燃料電池の改質器用バーナと、それを用いる燃料電池用改質器を提供することを課題とするものである。

本発明は、上記の課題を、内部に燃料ガスと一次空気とを通過させる空間部を備え、先端部が開口したバーナ内管と；根元側端部でバーナ内管の先端部開口と連通し、先端部がノズル部となって開口しているノズル管であって、ノズル部は管径方向の断面積がバーナ内管よりも縮小した円筒形空間を形成しており、少なくともノズル部がアース電極を兼ねているノズル管と；開口部の断面積が小さい根元側の端部がノズル部開口と連通し、開口部の断面積が大きい先端側の端部が開口した、中空円錐台形状のバーナコーンであって、その内側に燃焼室を形成するバーナコーンと；バーナコーンの壁面に設けられ、壁面を貫通してバーナコーンの外側と内側とを連通させる複数の空気噴出口と；バーナ内管の内側にバーナ内管と同軸に配置され、その外側とバーナ内管内側との間に燃料ガスと一次空気の通路を形成するスパークプラグであって、その先端部に露出している電極が、ノズル部を通り、バーナコーン内側の燃焼室内にその先端部を突出させているスパークプラグと；バーナ内管の外側にバーナ内管と同軸に配置されたバーナ外管であって、バーナ外管の内側と、バーナ内管、ノズル管、およびバーナコーンの外側との間をとおり、バーナコーンの壁面に設けられた複数の空気噴出口を通過する二次空気通路を形成するバーナ外管とを備えている燃料電池の改質器用バーナを提供することによって、また、当該バーナを備えている改質器を提供することによって、上記課題を解決するものである。

すなわち、本発明の改質器用バーナは、バーナ内管、バーナ外管、ノズル管、バーナコーン、およびスパークプラグとから構成され、バーナ内管内には、燃料ガスとともに一次空気しか供給されないので、その一次空気の量を調節することによって、バーナ内管内で形成される燃料ガスと空気との混合ガスを、その空気比が逆火の恐れがない程度に燃焼速度が遅い範囲とするか、好ましくは、燃焼範囲から外れたものとして、燃焼室であるバーナコーン内に供給することができる。

一方、二次空気は、バーナ外管の内側と、バーナ内管、ノズル管、およびバーナコーンの外側との間をとおり、バーナコーンの壁面に設けられた複数の空気噴出口から、バーナコーン内に、周囲に渦流を発生させながら勢い良く噴出する。空気噴出口から噴出した二次空気は、発生させた渦流によって、周辺のガスを巻き込みながら、バーナ内管およびノズル部を通ってきた混合ガスと激しく混合し、その位置で燃焼性の良い空気比の混合ガスを形成するので、燃焼炎は、バーナコーンの空気噴出口からバーナコーン内側に伸びる、バーナコーン壁面に張り付いた良好な燃焼炎となる。

また、本発明の改質器用バーナは、バーナ内管の内側にスパークプラグを配置し、その先端部の電極を、ノズル部の円筒形空間内を通ってバーナコーン内側の燃焼室内に突出させ、このスパークプラグの電極と、アース電極を兼ねるノズル部との間にスパークを発生させて着火するものであるが、着火時、バーナ内管内に空気を供給すると、当初はノズル部内入り口部付近で発生するスパークは、ノズル部内を通過する空気に押されて次第に電極先端部へと移動し、最終的には、燃焼性の良い空気比の混合ガスが形成される燃焼室内の正規の点火位置でスパークすることになるので、常に安定した着火動作が行われることになる。

さらに、本発明の改質器用バーナの好ましい態様においては、ノズル部の円筒形空間の円筒軸方向の長さが、ノズル部開口の直径よりも長く設定されている。ノズル部を形成する円筒形空間の円筒軸方向の長さをノズル開口部の直径よりも長くすることによって、ノズル部を通過する混合ガスは整流されてバーナコーン内側の燃焼室内に噴出することになり、バーナコーン内側には、燃料ガス濃度の高い中心部と、燃料ガス濃度の低い周辺部との燃料ガス濃度の濃淡差が形成される。バーナコーン中心部に噴出される燃焼ガス濃度の濃い混合ガスは、バーナコーン壁面の空気噴出口から噴出する空気と混合することによって、燃焼性の良い空気比の混合ガスとなり、燃焼する。一方、バーナコーン周辺部に形成される燃焼ガス濃度の低い混合ガスは、バーナコーン壁面の空気噴出口から噴出する二次空気によって空気噴出口周囲で渦流となり、空気噴出口から噴出する二次空気の外周部と混合し、炎として立ち上がる。このため、本発明の改質器用バーナの好ましい態様においては、炎は、バーナコーン壁面に張り付いた良好な燃焼炎となり、バーナコーン周辺部の燃焼ガス濃度の低い領域から、中心部の燃焼ガス濃度の高い領域へとつながる一体の炎となって、良好に燃焼を継続する。

また、本発明の改質器用バーナの好ましい他の態様においては、バーナ内管は、その外周がバーナ外管で覆われている位置に、バーナ内管の壁面を貫通し、バーナ内管の内側とバーナ外管の内側とを連通させる一次空気流入口を備えており、バーナ外管の空気供給口から供給された空気は、一部が一次空気として、バーナ内管壁面に設けられた一次空気流入口からバーナ内管内に供給され、一部が二次空気として、バーナ外管の内側と、バーナ内管、ノズル管、およびバーナコーンの外側との間をとおり、バーナコーンの壁面に設けられた複数の空気噴出口からバーナコーン内に噴出する。このように、バーナ内管にバーナ内管の内側とバーナ外管の内側とを連通させる一次空気流入口を設けておくと、バーナ外管の空気供給口から燃焼用空気を供給するだけで、一次空気と二次空気の双方が、それぞれ、バーナ内管とバーナ外管とに供給されるので、別途、バーナ内管に一次空気を供給する管路を設ける必要がなく、バーナ全体を小型化することができるという利点が得られる。

或いは、バーナ内管の壁面に一次空気流入口を設ける代わりに、一次空気を、バーナ内管に設けられた燃料ガス供給口から、燃料ガスとともに、バーナ内管内に供給し、二次空気は、バーナ外管に設けられた空気供給口からバーナ外管内に供給するようにしても良い。

さらに、本発明の改質器用バーナの好ましい他の態様においては、バーナ外管の先端部がバーナコーンの先端部よりも先に伸びており、バーナ外管の内周と、バーナコーンの先端部外周との間には、間隙が設けられている。このように、バーナ外管の内周とバーナコーンの先端部外周との間に間隙が設けられていると、バーナコーンとバーナ外管との熱膨張の違いが吸収されるとともに、バーナ外管内側を通過してきた空気の一部がバーナコーンの外周から吹き出して、バーナコーン内で発生する炎の外周を薄い空気層で覆うことになり、完全燃焼をより達成し易くするという利点が得られる。

また、本発明の改質器用バーナは、バーナ外管の先端部に、改質器の熱風ガイド管と接続可能な端部構造を設け、バーナコーンの先端部外周との間に間隙を残して、バーナコーンの先端部外周と、改質器の熱風ガイド管の内周との間を閉塞する閉塞部材を備えることによって、改質器の熱風ガイド管をバーナ外管の一部として利用することができ、材料の使用量の低減を図ることができる。

本発明の燃料電池の改質器用バーナによれば、簡単な構造で、都市ガスまたは天然ガスなどの高発熱量の燃料ガスと、低発熱量のオフガスまたは改質ガスのいずれをも、逆火の恐れなく、安定して良好に燃焼させることができるという利点が得られる。また、本発明の燃料電池の改質器用バーナにおいて、改質器の熱風ガイド管をバーナ外管の一部として利用する場合には、材料の使用量を低減することができるという利点がある。このような改質器用バーナを備えてなる本発明の改質器によれば、燃料電池の運転開始から定常運転まで、改質ガスを常に安定して燃料電池に供給することができるという利点が得られる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。

図１は、本発明の改質器用バーナが適用される燃料電池システムの一例を示す概念図である。図１において、１は本発明の改質器用バーナであり、２は改質器、３は燃料電池、４は、内部に図示しない切換弁や流量調節弁を備えたバーナ燃焼制御装置である。５は都市ガスなどの原燃料の供給源、６は水蒸気の供給源であり、７は改質器２の内部に充填されている触媒、８は熱風ガイド管、９は一酸化炭素変成・除去器、１０は例えばブロアなどの空気供給源である。

燃料電池３の起動時には、バーナ燃焼制御装置４は、図示しない切換弁や流量調節弁を制御して、まず、空気源１０から少量の空気を改質器用バーナ１に供給してバーナ内をパージし、その後、図示しないスパークプラグに電圧を加え、正規の点火位置でスパークを発生させるとともに、原燃料供給源５からの原燃料（例えば都市ガス）を所定の熱量が得られるように流量をコントロールしながら改質器用バーナ１に供給する。バーナ燃焼制御装置４は、同時に、改質器用バーナ１に供給する空気量を変更し、原燃料と混合したときに空気比が若干空気過剰になるように、通常は空気比が１．３若しくは１．３前後となるような流量で、空気を改質器用バーナ１に供給し、改質器用バーナ１を着火させる。なお、目標とする空気比は、１．３若しくはその前後に限られず、使用する原燃料の種類等に応じて、例えば、１．１から１．５の範囲で変化させることができる。なお、空気は、図示のように、改質器用バーナ１に供給する前に一次空気と二次空気とに分割し、二次空気はそのまま、一次空気は燃料ガスと混合して、改質器用バーナ１に供給するようにしても良いし、後述するように、改質器用バーナ１に供給したのちに、改質器用バーナ１内で一次空気と二次空気とに分割するようにしても良い。

改質器用バーナ１が着火すると、改質器用バーナ１から排出される高温の燃焼ガスは、改質器２の熱風ガイド管８に沿って改質器２内に導かれ、改質器２内の所定の経路を通過して、触媒７を加熱する。触媒７が所定の温度にまで加熱されると、原燃料供給源５からの原燃料（例えば都市ガス）は、必要に応じて、図示しない脱硫器で脱硫された後、水蒸気供給源６からの水蒸気とともに改質器２に供給され、改質器２が運転を開始する。改質器２から生成する改質ガスは、一酸化炭素変成・除去器９を通過して一酸化炭素が除去された後、燃料電池３に燃料として供給される。燃料電池３には、改質ガスとともに、空気源１０からの空気が供給され、電気化学反応によって電気が発生する。

燃料電池３が運転を開始すると、燃料電池３からは、未反応の改質ガスであるオフガスが排出されるので、バーナ燃焼制御装置４は、図示しない弁を切り換えて、改質器用バーナ１への原燃料（例えば都市ガス）の供給を停止し、代わりに、燃料電池３から排出されるオフガスを改質器用バーナ１に燃料ガスとして供給する。このとき、燃料電池３から排出されるオフガスの量にも依るが、バーナ燃焼制御装置４は、所定の熱量が得られるようにオフガスの流量をコントロールする。オフガスの量が不足する場合には、一部、原燃料を供給して不足分を補うようにしても良い。また、改質器２は運転しているが、燃料電池３が一時運転を停止している場合には、オフガスではなく、改質器２で生成され、一酸化炭素変成・除去器９を通過した改質ガスを、改質器用バーナ１に燃料ガスとして供給することができる。

いずれの場合であっても、バーナ燃焼制御装置４は、改質器用バーナ１に供給される燃料ガスの組成や流量に応じて、原燃料を燃料ガスとして供給する場合と同様に、空気源１０から燃焼に必要な量の空気を、燃料ガスと混合したときの空気比が１．３若しくは１．３前後となるような量で、流量をコントロールしながら改質器用バーナ１に供給する。これにより、改質器用バーナ１は燃焼を継続することになる。なお、原燃料（例えば都市ガス）を燃料ガスとして改質器用バーナ１に供給するときと同様に、目標とする空気比は、１．３若しくはその前後に限られず、使用するオフガスや改質ガスの種類や組成等に応じて、例えば、１．１から１．５の範囲で変化させることができる。

図２は、本発明の改質器用バーナ１の一例を示す断面図である。図において、１１はバーナ内管であり、その根元側には燃料ガス供給口１２が設けられ、バーナ内管１１の先端側端部は開口している。なお、本明細書において根元側とは、バーナの燃焼室から遠い側を指し、先端側とは、バーナの燃焼室に近い側を指すものとする。１３は、バーナ内管１１の外側にバーナ内管１１と同軸に配置されたバーナ外管であり、１４はバーナ外管１３に設けられた空気供給口である。燃料ガス供給口１２と空気供給口１４には、前述したバーナ燃焼制御装置４を介して、燃料ガスと空気とが、それぞれの流量をコントロールされた状態で供給される。

１５は、バーナ内管１１に設けられた一次空気流入口である。一次空気流入口１５は、図示のとおり、バーナ内管１１の外側がバーナ外管１３に覆われた位置に設けられており、バーナ内管１１の側壁を貫通して、バーナ内管１１の内側とバーナ外管１３の内側とを連通させている。なお、図示の例においては、一次空気流入口１５は２個設けられているが、一次空気流入口１５の数は２個に限られず、１個であっても良いし、３個以上であっても良い。ただし、燃料ガス供給口１２から供給される燃料ガスとの混合性を考えると、複数個の一次空気流入口１５を設ける場合には、それら複数個の一次空気流入口１５がバーナ内管１１の周方向に均等に位置しているのが好ましい。

１６はノズル管であり、その根元側は、バーナ内管１１の先端部開口と連通しており、先端部は、管径方向の断面積がバーナ内管１１よりも縮小した円筒形空間のノズル部１７を形成して開口している。ノズル部１７の手前には、管径方向の断面積が漸次縮小する絞り部１８を設け、ノズル部１７において、燃料ガスと空気との混合ガスが整流され、層流となるのを容易にするのが好ましい。なお、管径方向の断面積とは、バーナ内管１１やノズル管１６を、図２において紙面に垂直な面で切断したときの断面積を意味する。

図３は、説明の便宜上、ノズル管１６だけを取り出して示した図である。図示のとおり、本発明の改質器用バーナ１においては、図中Ｌで示す、ノズル部１７の円筒形空間の円筒軸方向の長さは、図中Ｄで示す、ノズル部１７の開口部の直径よりも長く設定されている。このように、ノズル部１７を形成する円筒形空間の円筒軸方向の長さＬを、ノズル部１７の開口部の直径Ｄよりも長くすることによって、燃料ガスと空気との混合ガスは、ノズル部１７を通過する間に層流となり、乱れることなくノズル部１７から噴出し、後述するバーナコーン内に燃焼ガス濃度の濃淡部を形成する。

図２に戻って、１９はバーナコーンである。バーナコーン１９は、図示のとおり、開口部の断面積が小さい根元側の端部がノズル部１７の開口と連通し、開口部の断面積が大きい先端側の端部が開口した、中空円錐台形状をしている。バーナコーン１９の先端部の外周径はバーナ外管１３の内周径よりも若干小さく、バーナコーン１９の先端部の外周と、バーナ外管１３の内周との間には、若干の間隙ｗが存在する。バーナ外管１３の空気供給口１４から供給された空気の一部は、この間隙ｗを通過して、図中IIIで示すように、バーナ外管１３の内側に沿ってバーナコーン１９よりも先に噴出し、空気の薄い層となってバーナコーン１９内で形成される燃焼炎を包み込み、完全燃焼をより達成し易くする機能がある。また、バーナコーン１９の先端部の外周とバーナ外管１３の内周との間に間隙ｗが設けられているので、バーナコーン１９が内部に形成される燃焼炎の熱により膨張しても、バーナコーン１９の先端部外周がバーナ外管１３の内側と接触する恐れがなく、バーナコーン１９とバーナ外管１３の熱膨張の違いをこの間隙ｗで吸収することが可能である。この間隙ｗの大きさは、微小で良く、改質器用バーナ１全体の大きさにも依るが、通常は、０．０５〜０．２ｍｍ程度、好ましくは、０．１ｍｍ程度とするのが良い。

２０は、バーナコーン１９の壁面に設けられた空気噴出口であり、空気噴出口２０は、バーナコーン１９の壁面を貫通してバーナコーン１９の外側と内側とを連通させている。ノズル部１７からバーナコーン１９の内側に供給される燃料ガスと空気との混合ガスは、空気噴出口２０から供給される空気と混合して、燃焼性の良い混合ガスとなり、バーナコーン１９内で燃焼する。したがって、バーナコーン１９の内側は、改質器用バーナ１において燃焼室の一部として機能することになる。図２においては、符号Ｃで示す領域が燃焼室の一部に相当している。

図４は、図２に示されるバーナコーン１９を改質器用バーナ１の先端部側から見た図である。図４に示すとおり、空気噴出口２０は、バーナコーン１９の壁面の根元側に近い位置に９０度の間隔をあけて４個と、それよりもバーナコーン１９の先端側に近い位置で、先の４個とは４５度ずれた位置に、同じく９０度の間隔をあけて４個、計８個設けられている。なお、空気噴出口２０の個数と配置が図４に示されるものに限られないことは勿論であるが、バーナコーン１９内で、混合ガスの燃焼が均一に行われるためには、空気噴出口２０は、バーナコーン１９の周方向に均等に配置されているのが望ましい。

再び図２に戻って、２１はスパークプラグであり、バーナ内管１１の内側に、バーナ内管１１と同軸に配置されており、スパークプラグ２１の外側とバーナ内管１１の内側との間に、燃料ガスまたは燃料ガスと空気との混合ガスの通路を形成している。図２においては、符号Ａで示す領域が、燃料ガス通路に相当し、符号Ｂで示す領域が燃料ガスと空気の混合ガス通路に相当している。スパークプラグ２１は、その長さ方向の大部分が絶縁シールドに覆われているが、先端部において電極２２が露出しており、電極２２は、ノズル部１７を通過して、バーナコーン１９内側の燃焼室内にその先端部２２ａを突出させている。なお、電極２２の先端部２２ａを、図示の状態よりもさらにバーナコーン１９内部に突出させ、炎検出電極として機能させても良い。この場合には、電極２２によって、スパーク電極と炎検出電極とを兼ねることが可能となる。

本発明の改質器用バーナ１の構造は上述のとおりであり、空気供給口１４から供給された空気の一部は、符号Ｉで示すように、バーナ内管１１に設けられた一次空気流入口１５から、一次空気としてバーナ内管１１内に供給され、他の一部は、符号IIで示すように、バーナコーン１９の壁面に設けられた空気噴出口２０から、二次空気としてバーナコーン１９内に供給される。空気供給口１４から供給された空気の一部は、符号IIIで示すように、バーナコーン１９の先端部外周と、バーナ外管１３の内側との間の間隙ｗを通過して、バーナコーン１９より先にも噴出するが、間隙ｗの大きさは、通常、微小であるので、間隙ｗを通過してバーナコーン１９よりも先に噴出する空気の量は極めて僅かであり、上記一次空気および二次空気の量に比べて無視できる程度である。

一次空気流入口１５からバーナ内管１１内に供給される一次空気と、空気噴出口２０からバーナコーン１９内に供給される二次空気との割合は、バーナ内管１１内で形成される燃料ガスと一次空気との混合ガスの空気比が燃焼範囲を外れ、逆火の恐れがない程度であれば、特段の制限はないが、通常は、一次空気と二次空気とが、流量比で、０．１〜０．４：０．９〜０．６の割合となるのが好ましく、より好ましくは、０．１〜０．２：０．９〜０．８の割合である。

一次空気の割合が、全空気量の０．１〜０．４程度であれば、例えば、空気比が１．３になる量の空気が改質器用バーナ１に供給された場合、バーナ内管１１内で形成される燃料ガスと一次空気との混合ガスの空気比、すなわち、図２において符号Ｂで示す領域で形成される混合ガスの空気比は、１．３×（０．１〜０．４）＝０．１３〜０．５２となり、燃焼速度が遅い範囲にあり、逆火の恐れがない。また、一次空気の割合を、より好ましい範囲である０．１〜０．２とする場合には、バーナ内管１１内で形成される燃料ガスと一次空気との混合ガスの空気比は、１．３×（０．１〜０．２）＝０．１３〜０．２６となり、燃焼範囲に入らない。このように、本発明の改質器用バーナ１においては、水素に富み燃焼速度の速い改質ガスまたはオフガスが、燃焼ガスとしてバーナ内管１１の燃料ガス供給口１２から供給された場合でも、バーナ内管１１内で形成される混合ガスは、ノズル部１７の開口からバーナコーン１９内に噴出されるまでは、燃焼速度が遅いか、燃焼範囲を外れており、バーナ内管１１内への逆火現象は発生しない。なお、一次空気の割合が、０．１未満、すなわち、全空気量の１０％に満たない場合には、バーナ内管１１内で形成される混合ガスに含まれる空気の量が少なすぎて、ノズル部１７から噴出する混合ガスの勢いが弱くなり、燃焼が不安定になる恐れがある。

バーナ外管１３の空気供給口１４から供給される空気が、所定の流量比で、一次空気と二次空気とに分割されるようにするには、バーナ外管１３の空気供給口１４から、バーナ内管１１に設けられた一次空気流入口１５を通過する一次空気通路の流路抵抗と、バーナ外管１３の空気供給口１４から、バーナ外管１３の内側をとおり、バーナコーン１９の空気噴出口２０を通過する二次空気通路の流路抵抗とを調整して、一次空気通路を通過する空気の量と、二次空気通路を通過する空気の量とが、所定の比率になるように各通路の流路抵抗を設定すれば良い。一次空気通路と二次空気通路の流路抵抗の調整は、バーナ内管１１に設ける一次空気流入口１５の位置、大きさ、形状、個数、バーナコーン１９の壁面に設けられる空気噴出口２０の位置、大きさ、形状、個数、さらには、バーナ内管１１の外側とバーナ外管１３の内側との距離、二次空気通路の長さや形状などを変化させながら、一次空気通路と二次空気通路とに振り分けられる空気の量を調べることによって、例えば、コンピュータシュミレーションによって、或いは実験的に、行うことができる。

図５は、本発明の改質器用バーナ１におけるスパークプラグ２１による点火スパークの発生状況を示す図である。すなわち、改質器用バーナ１の着火時には、バーナ内管１１内を通過する一次空気によって、改質器用バーナ１内がパージされた後、スパークプラグ２１の電極２２に所定の電圧が印加される。ノズル管１６はアース電極を兼ねており、スパークは、まず、図５において(1)または(2)で示すように、電極２２と、電極２２との距離が最も短いノズル部１７の内部との間で生じる。しかし、ノズル管１６の内部には、一次空気が流れており、この空気の流れによって、発生するスパークの位置は、図中(1)で示す位置から(2)へ、さらには、(3)へと移動する。図中(3)で示すスパークは、電極２２の先端とノズル部１７の出口開口部付近との間に発生するスパークであり、燃焼室内に位置し、正規の点火位置である。

そして、この状態で、バーナ内管１１の燃焼ガス供給口１２に燃焼ガスを供給すると、供給された燃焼ガスは一次空気と混合してノズル部１７からバーナコーン１９内側の燃焼室内に噴出し、そこで、さらに空気噴出口２０から噴出する二次空気と混合し、安定した着火動作が行われることになる。なお、ノズル管１６全体をアース電極とする必要はなく、少なくとも、ノズル部１７がアース電極とされていれば良い。

図６は、本発明の改質器用バーナ１における燃焼状態を説明する図である。バーナ内管１１内で形成された一次空気と燃料ガスとの混合ガスは、ノズル管１６の絞り部１８をとおり漸次流速を増して、ノズル部１７を通過する。ノズル部１７は互いに対向する面が平行な円筒形の空間を形成しており、かつ、その円筒形空間の円筒軸方向の長さＬ（図３参照）が、ノズル部１７の開口の直径Ｄ（図３参照）よりも長く設定されているので、ノズル部１７を通過中に混合ガスは整流され、層流となって、勢い良くノズル部１７の開口からバーナコーン１９内へと噴出する。その結果、混合ガスが直接噴出するバーナコーン１９の中心部は、燃料ガスの濃度が高くなり、その周囲の領域との間で、燃料ガス濃度に関して濃淡差が形成される。図６において、「濃」として示した領域が燃料ガス濃度の高い領域であり、「淡」として示した領域が、燃料ガス濃度が低い領域である。

一方、バーナコーン１９に設けられた空気噴出口２０からは、図６に矢印で示すように、二次空気が勢い良く噴出し、空気噴出口２０周辺の燃料ガス濃度の低い混合ガスに渦流を発生させ、この発生した燃料ガス濃度の低い混合ガスの渦流は、空気噴出口２０から噴出する二次空気の外側部分と混合し、バーナコーン１９の壁面に張り付いた安定した炎となる。燃料ガス濃度の「濃」領域内の混合ガスは、空気噴出口２０からの火炎を伴った噴出空気と混合し、燃焼を継続する。その結果、燃焼によって形成される火炎は、図６に２３で示すように、バーナコーン１９の壁面に設けられた空気噴出口２０から立ち上がる、バーナコーン１９の壁面に張り付いた火炎となり、安定した状態で燃焼が継続することになる。

図７は、本発明の改質器用バーナ１の他の例を示す断面図であり、これまでと同じ部材には同じ符号を付してある。この図の例においては、燃焼用空気は、まず、一次空気と二次空気に分けられた後に、改質器用バーナ１の内部に供給されるように構成されている。すなわち、図示しない空気源からの空気は、符号Ｉで示す一次空気用の管路と、符号IIで示す二次空気用の管路に分割され、一次空気は、別途供給されてくる燃料ガスと混合されて、バーナ内管１１の燃料ガス供給口１２に供給される。また、二次空気は、バーナ外管１３の空気供給口１４に供給される。２４ａ、２４ｂは、例えばオリフィス等の流路抵抗調節器であり、改質器用バーナ１に供給される空気が、所定の比率で一次空気と二次空気とに分かれるように、一次空気用の管路と二次空気用の管路の流路抵抗を調節する機能を有している。このように、燃料ガスと一次空気とは予め混合された状態でバーナ内管１１内に供給されるので、この図の例においては、バーナ内管１１とノズル管１６の全長が、混合ガス流路Ｂとなる。当然の事ながら、バーナ内管１１には、一次空気流入口１５は設けられていない。なお、一次空気は、燃料ガスの管路とは別の管路を経由して、バーナ内管１１の燃料ガス供給口１２に供給されるようにしても良く、この場合には、燃料ガスと一次空気とは、バーナ内管１１内で初めて混合することになる。

図８は、本発明の改質器用バーナ１のさらに他の一例を示す断面図であり、これまでと同じ部材には同じ符号を付してある。この図の例においては、バーナ外管１３の長さは短く、その先端部はバーナコーン１９にまで達していない。バーナ外管１３の先端部には、外径のやや小さな段部２５が設けられており、この段部２５を改質器２の熱風ガイド管８の内側に挿入することによって、熱風ガイド管８と接続されている。また、バーナコーン１９の先端部には、円筒形の取付環２６が取り付けられており、取付環２６には、ドーナツ状の閉塞部材２７が取り付けられている。閉塞部材２７としては、例えば、弾性のあるシール材をドーナツ状に整形したものが用いられる。２８は、その一端が取付環２６に固定され、他端がバーナ内管１１に固定されている固定部材であり、固定部材２８は、例えば、バーナ内管１１の円周方向に１２０度の間隔を開けて３個設けられ、取付環２６をバーナ内管１１に対して固定している。この取付環２６と閉塞部材２７とによって閉塞部材を構成し、バーナコーン１９の先端部外周面と取付環２６の内周面との間に、微小な間隙ｗを残して、バーナコーン１９の先端部外周と、熱風ガイド管８の内周面との間を閉塞している。この場合には、バーナ外管１３および熱風ガイド管８の内側と、バーナ内管１１、ノズル管１６、およびバーナコーン１９の外側との間をとおり、バーナコーン１９に設けられた空気噴出口２０を通過する経路が二次空気通路となることはいうまでもない。

また、微小な間隙ｗの機能は、先に図２の例において説明したのと同じであり、間隙ｗが設けられていることによって、バーナ外管１３の空気供給口１４から供給された空気の一部は、この間隙ｗを通過して、取付環２６の内側に沿ってバーナコーン１９よりも先に噴出し、空気の薄い層となってバーナコーン１９内で形成される燃焼炎を包み込み、完全燃焼をより達成し易くする。また、間隙ｗが設けられているので、バーナコーン１９が内部に形成される燃焼炎の熱により膨張しても、バーナコーン１９の先端部外周が取付環２６の内側と接触する恐れがなく、バーナコーン１９と取付環２６の熱膨張の違いをこの間隙ｗで吸収することが可能である。先に述べた例におけると同様に、間隙ｗの大きさは、微小で良く、改質器用バーナ１全体の大きさにも依るが、通常は、０．０５〜０．２ｍｍ程度、好ましくは、０．１ｍｍ程度とするのが良い。

この例のように、バーナ外管１３の先端部に熱風ガイド管８と接続可能な接続構造を設け、バーナコーン１９に閉塞部材を取り付けることによって、改質器２の熱風ガイド管８を改質器用バーナ１のバーナ外管１３の一部として利用することができる。こうする場合には、バーナ外管１３を短くして、材料の使用量の低減を図ることができるという利点が得られる。

なお、バーナ外管１３の先端部に設けられる接続構造としては図示の段部２５に限られず、例えば、バーナ外管１３の先端部にフランジ構造を設け、そのフランジ部で熱風ガイド管８と接続するようにしても良く、二次空気通路を形成することができる限り、どのような接続構造を採用しても良い。同様に、閉塞部材も、上記した取付環２６と閉塞部材２７とから構成されるものに限られず、バーナコーン１９の先端部外周と取付環２６の内周との間に微小な間隙ｗを残して、バーナコーン１９の先端部外周と熱風ガイド管８の内周との間を閉塞できるものであれば、どのような構造のものであっても良い。

以上説明したように、本発明の改質器用バーナによれば、簡単な構造で、安定した、逆火の恐れのない燃焼を実現することができるので、改質器の運転が容易かつ安定したものとなり、例えば都市ガス等の原燃料から燃料電池の燃料を安定して製造することができるという産業上の利点が得られる。また、本発明の改質器用バーナを備えた改質器によれば、燃料電池に燃料を安定して供給することが可能になるので、燃料電池の稼働効率が高まり、利便性が増すという産業上の利点が得られる。このように、本発明に係る燃料電池用の改質器用バーナとそれを備えた改質器とは、いずれも、優れた産業上の利用可能性を有するものである。

本発明の改質器用バーナが適用される燃料電池システムの一例を示す概念図である。 本発明の改質器用バーナの一例を示す断面図である。 ノズル管の説明図である。 バーナコーンの説明である。 スパークの発生状況を説明する図である。 燃焼状態を説明する図である。 本発明の改質器用バーナの他の一例を示す断面図である。 本発明の改質器用バーナのさらに他の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 改質器用バーナ
２ 改質器
３ 燃料電池
４ バーナ燃焼制御装置
５ 原燃料供給源
６ 水蒸気供給源
７ 触媒
８ 熱風ガイド管
９ 一酸化炭素変成・除去器
１０ 空気供給源
１１ バーナ内管
１２ 燃料ガス供給口
１３ バーナ外管
１４ 空気供給口
１５ 一次空気流入口
１６ ノズル管
１７ ノズル部
１８ 絞り部
１９ バーナコーン
２０ 空気噴出口
２１ スパークプラグ
２２ 電極
２３ 火炎
２４ａ、２４ｂ 流路抵抗調節器
２５ 段部
２６ 取付環
２７ 閉塞部材
２８ 固定部材
ｗ 間隙

Claims (7)

1. 内部に燃料ガスと一次空気とを通過させる空間部を備え、先端部が開口したバーナ内管と；根元側端部でバーナ内管の先端部開口と連通し、先端部がノズル部となって開口しているノズル管であって、ノズル部は管径方向の断面積がバーナ内管よりも縮小した円筒形空間を形成しており、少なくともノズル部がアース電極を兼ねているノズル管と；開口部の断面積が小さい根元側の端部がノズル部開口と連通し、開口部の断面積が大きい先端側の端部が開口した、中空円錐台形状のバーナコーンであって、その内側に燃焼室を形成するバーナコーンと；バーナコーンの壁面に設けられ、壁面を貫通してバーナコーンの外側と内側とを連通させる複数の空気噴出口と；バーナ内管の内側にバーナ内管と同軸に配置され、その外側とバーナ内管内側との間に燃料ガスと一次空気の通路を形成するスパークプラグであって、その先端部に露出している電極が、ノズル部を通り、バーナコーン内側の燃焼室内にその先端部を突出させているスパークプラグと；バーナ内管の外側にバーナ内管と同軸に配置されたバーナ外管であって、バーナ外管の内側と、バーナ内管、ノズル管、およびバーナコーンの外側との間をとおり、バーナコーンの壁面に設けられた複数の空気噴出口を通過する二次空気通路を形成するバーナ外管とを備えている燃料電池の改質器用バーナ。
2. ノズル部の円筒形空間の円筒軸方向の長さが、ノズル部開口の直径よりも長く設定されている請求項１記載の燃料電池の改質器用バーナ。
3. バーナ内管が燃料ガス供給口を備え、かつ、バーナ内管は、その外周がバーナ外管で覆われている位置に、バーナ内管の壁面を貫通し、バーナ内管の内側とバーナ外管の内側とを連通させる１または複数の一次空気流入口を備えており、バーナ外管は空気供給口を備え、バーナ外管の空気供給口からバーナ外管内に供給された空気は、一部が一次空気として、バーナ内管壁面に設けられた一次空気流入口からバーナ内管内に供給され、一部が二次空気として、バーナ外管の内側と、バーナ内管、ノズル管、およびバーナコーンの外側との間をとおり、バーナコーンの壁面に設けられた複数の空気噴出口からバーナコーン内に噴出する請求項１または２記載の燃料電池の改質器用バーナ。
4. バーナ内管が燃料ガス供給口を備え、一次空気が、燃料ガスとともに、バーナ内管の燃料ガス供給口からバーナ内管内に供給され、バーナ外管が空気供給口を備え、二次空気がバーナ外管の空気供給口からバーナ外管内に供給される請求項１または２記載の燃料電池の改質器用バーナ。
5. バーナ外管の先端部がバーナコーンの先端部よりも先に伸びており、バーナ外管の内周と、バーナコーンの先端部外周との間に、間隙が設けられている請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池の改質器用バーナ。
6. バーナ外管が、先端部に、改質器の熱風ガイド管と接続可能な端部構造を備えており、バーナコーンの先端部外周との間に間隙を残して、バーナコーン先端部と改質器の熱風ガイド管の内周との間を閉塞する閉塞部材を有している請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池の改質器用バーナ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の改質器用バーナを備えている改質器。

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