JP6004886B2 - 燃焼装置 - Google Patents
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Description
前記一次燃焼器から排出された一次燃焼ガスが通流する一次燃焼ガス通路と、
前記一次燃焼器に供給される前の空気が通流するカソード極通路と、
アノード極が前記一次燃焼ガス通路に面すると共に、カソード極が前記カソード極通路に面する状態で配置された燃料電池セルと、を備え、
前記燃料電池セルが、内周面を前記アノード極とし外周面を前記カソード極とする筒状のセル筒部として形成され、
前記セル筒部が、内側に前記一次燃焼ガス通路を形成する状態で前記一次燃焼器の先端側に連接配置され、
前記セル筒部を外囲するバーナ筒部を備えて、前記セル筒部と前記バーナ筒部との間に、前記カソード極通路が形成されている燃焼装置に関する。
かかる直接火炎型の燃料電池セルでは、燃料が燃料過濃状態で燃焼することで、炭化水素、一酸化炭素、水素などの還元成分を含む燃焼ガスが発生し、その還元成分を含む燃焼ガスがアノード極に直接接触する。すると、燃料電池セルの加熱が促進されると共に、アノード極側の還元成分とカソード極側の空気(本願において「空気」とは広義の酸素含有ガスを含む。)とが電解質を介して電気化学的に反応して、発電が行われることになる。
更に、アノード極において局所的に低温となって反応が停止してしまうと、その部分における還元成分の濃度が極端に高くなってしまい、例えばそれにより煤が発生してアノード極に付着すれば、燃料電池セルの破損が懸念される。
燃料を燃料過濃状態で一次燃焼させる一次燃焼器と、
前記一次燃焼器から排出された一次燃焼ガスが通流する一次燃焼ガス通路と、
前記一次燃焼器に供給される前の空気が通流するカソード極通路と、
アノード極が前記一次燃焼ガス通路に面すると共に、カソード極が前記カソード極通路に面する状態で配置された燃料電池セルと、を備え、
前記燃料電池セルが、内周面を前記アノード極とし外周面を前記カソード極とする筒状のセル筒部として形成され、
前記セル筒部が、内側に前記一次燃焼ガス通路を形成する状態で前記一次燃焼器の先端側に連接配置され、
前記セル筒部を外囲するバーナ筒部を備えて、前記セル筒部と前記バーナ筒部との間に、前記カソード極通路が形成されている燃焼装置であって、
その第1特徴構成は、
前記一次燃焼ガス通路を通過した後の燃焼排ガスとの熱交換により、前記カソード極通路に流入する前の空気を加熱する空気予熱手段を備え、
前記バーナ筒部を外囲する排ガス筒部と、当該排ガス筒部を外囲する空気筒部と、を備え、
前記バーナ筒部と前記排ガス筒部との間に、前記一次燃焼ガス通路を通過した後の燃焼排ガスが通流する排ガス通路が形成され、
前記排ガス筒部と前記空気筒部との間に、前記カソード極通路に流入する前の空気が通流する空気通路が形成され、
前記排ガス筒部の前記空気通路に面する部分が、前記排ガス通路を通流する燃焼排ガスと前記空気通路を通流する空気との熱交換可能に構成されて、前記空気予熱手段として機能する点にある。
更に、上記空気予熱手段を備えることにより、一次燃焼ガス通路を通過した後の高温の燃焼排ガスとの熱交換により加熱された空気がカソード極通路に流入することになるために、燃料電池セルを所定の温度まで適切に昇温させることができる。また、カソード極に局所的に低温となる部位が生じてしまうことが回避され、当該カソード極全体を比較的高温に維持して、アノード極における局所的な反応停止を抑制し、燃料電池セルの破損を防止することができる。
更に、上記第1特徴構成によれば、上記排ガス筒部と上記空気筒部とを備えることで、当該排ガス筒部の内側に形成された排ガス通路に、一次燃焼ガス通路を通過した後の高温の燃焼排ガスを通流させながら、当該排ガス筒部の外側に形成された空気通路に、カソード極通路に流入する前の空気を通流させることができる。
即ち、排ガス筒部の空気通路に面する部分を挟んで両側の夫々に高温の燃焼排ガスと低温の空気とが通流することになるので、当該部分を上記空気予熱手段として機能させて、低温の空気を高温の燃焼排ガスとの熱交換により加熱し、加熱後の空気をカソード極通路に流入させることができる。
従って、本発明により、燃料電池セルの電気化学反応の阻害要因を排除して発電効率の低下や破損を抑制することができる直接火炎型の燃料電池セルを採用した燃焼装置を実現することができる。
前記バーナ筒部及び前記排ガス筒部が先端側に延出形成され、
前記バーナ筒部の先端部との間で折返し口を形成する状態で、前記排ガス筒部の先端部を閉塞する先端蓋部を備えた点にある。
そして、このような構成を採用した燃焼装置は、排ガス筒部自身がその内側に通流する燃焼排ガスにより加熱されて高温となるので、その輻射熱を利用して排ガス筒部の外側に配置された加熱対象物を加熱するラジアントチューブバーナ等の間接加熱式燃焼装置として利用することができる。
前記一次燃焼器が、
前記セル筒部の基端側に連接配置され、内側に一次燃焼室を形成する円筒状の一次燃焼筒部と、前記一次燃焼室に燃料と空気とを当該一次燃焼室の軸心周りの旋回流が発生するように供給する一次燃焼供給機構部とを有して、前記一次燃焼室において管状火炎を形成する管状火炎バーナとして構成されている点にある。
尚、管状火炎バーナとして構成された一次燃焼器では、円筒状の一次燃焼筒部の内側に形成された一次燃焼室に対して、上記一次燃焼供給機構部により、燃料と空気とが、一次燃焼室の外周壁の接線方向に沿って噴出される形態で、一次燃焼室にて軸心周りの旋回流が発生する状態で供給される。すると、一次燃焼室において燃料が旋回燃焼して外周壁から僅かに離間した管状火炎が形成され、その管状火炎により生成される一次燃焼ガスが、一次燃焼室の先端部に連接された一次燃焼ガス通路に旋回しながら噴出されることになる。また、このような管状火炎バーナは、燃料や空気の供給量を比較的大幅に変化させても安定した燃焼状態を維持できるので、本願発明における一次燃焼器のように燃料過濃状態で燃料を燃焼させる場合に、好適に採用することができる。
前記一次燃焼供給機構部が、
前記一次燃焼筒部の周方向に分散配置され、外側に供給された空気を内側に流入させる複数の一次空気供給口を備えると共に、
前記一次燃焼筒部に同心状で外囲される燃料供給筒部の周方向に分散配置され、内側に供給された燃料を外側に流出させる複数の燃料供給口を備えて構成され、
前記一次空気供給口及び前記燃料供給口が、前記一次燃焼室の軸方向に長尺なスリット状に形成され、前記旋回流に沿った方向に穿設されている点にある。
このように燃料と空気とを各別に一次燃焼室に供給する場合には、セル筒部の外側に形成されたカソード極通路を介して一次燃焼筒部の外側に空気が供給されるため、その空気を、一次燃焼筒部に形成した複数の一次空気供給口を介して、一次燃焼筒部の内側に向けて内向きに供給するというように、合理的な構成を採用することができる。
また、空気を一次燃焼筒部に形成された一次空気供給口から内側に供給するように構成する場合には、その一次燃焼筒部に同心状で外囲される燃料供給筒部を配置し、その燃料供給筒部の内側に供給された燃料を、その燃料供給筒部に形成した複数の燃料供給口を介して、燃料供給筒部の外側に向けて外向きに供給することができる。
更には、これら一次空気供給口及び燃料供給口は、一次燃焼室の軸方向に長尺なスリット状に形成され、一次燃焼室に発生させる旋回流に沿った方向に穿設されているため、一次燃焼筒部の内側で且つ燃料供給筒部の外側に形成された円筒状の空間では、外向きに供給された燃料と内向きに供給された空気とが互いに衝突することで混合が促進され、それにより形成される混合気が軸心周りに良好に旋回するものとなる。そして、この円筒状の空間で旋回する混合気が、その旋回流を維持したまま、燃料供給筒部の先端よりも先端側に形成される一次燃焼室に噴出されて燃焼することになるので、当該一次燃焼室において安定した管状火炎を形成することできる。
前記一次燃焼ガスに空気を供給して二次燃焼させる二次燃焼器を備え、
前記二次燃焼器が、
前記セル筒部の先端側に連接配置され、内側に二次燃焼室を形成する筒状の二次燃焼筒部を備えると共に、
前記二次燃焼筒部の周方向に分散配置され、外側に供給された空気を内側に流入させる複数の二次空気供給口を備えて構成されている点にある。
このように空気を二次燃焼室に供給する場合には、セル筒部の外側に形成されたカソード極通路を介してセル筒部の先端側に連接配置された二次燃焼筒部の外側に空気が供給されるため、その空気を、二次燃焼筒部に形成した複数の一次空気供給口を介して、二次燃焼筒部の内側に向けて内向きに供給するというように、合理的な構成を採用することができる。
更には、上述した第5特徴構成の二次空気供給口と同様に、これら二次空気供給口を、二次燃焼室の軸方向に長尺なスリット状に形成し、二次燃焼室に発生させる旋回流に沿った方向に穿設することもできる。この構成によれば、二次燃焼筒部の内側に形成された二次燃焼室では、一次燃焼ガス通路から旋回しながら排出された一次燃焼ガスに対して、その旋回流を維持しながら空気が供給されることになるので、当該一次燃焼ガスに含まれる還元成分を安定且つ良好に燃焼させながら、その燃焼により形成される二次燃焼ガスについても軸心周りに良好に旋回させることができる。
前記燃料電池セルの発電電力を、内蔵した空気ファンを含む電気機器の作動電力として供給する点にある。
本実施形態に係る燃焼装置100は、図1に示すように、詳細構成については後述するが、排ガス筒部8の先端側部8aを炉内70に露出させる状態で炉壁60に設置され、排ガス筒部8をその内側を通流する燃焼排ガスEGにより加熱し、その輻射熱で炉内70ある加熱対象物(図示省略)を加熱するラジアントチューブバーナ等の間接加熱式燃焼装置として構成されている。更に、この燃焼装置100には、直接火炎型の燃料電池セル30が設けられており、その燃料電池セル30の電気化学反応の阻害要因を排除して発電効率の低下や破損を抑制する構成が採用されている。
尚、図1、図3、及び図5では、図面上の右側を先端側と呼び、図面上の左側を基端側と呼ぶ。
そして、燃料電池セル30は、アノード極33が上記一次燃焼ガス通路4に面すると共に、カソード極31が上記カソード極通路5に面する状態で配置されている。
この円筒状のセル筒部3は、一次燃焼器の先端側に連接配置されており、その内側には、一次燃焼器1から排出された一次燃焼ガスCG1が通流する一次燃焼ガス通路4が形成されている。
円筒状のバーナ筒部6が、このセル筒部3の外囲する状態で配置されており、セル筒部3とバーナ筒部6との間には、カソード極31が面するカソード極通路5が形成されている。尚、このカソード極通路5は、一次燃焼器1の基端側から後述する二次燃焼器2の先端側に渡って設けけられており、その基端部及び先端部は閉塞されている。
燃料電池セル30の発電電力は、電源回路40を介して、大気から空気Aを取り込むための空気ファン45や、各種電磁弁、センサ、及び制御装置などのように、燃焼装置100に内蔵される電気機器の作動電力として供給され、よって、この燃焼装置100は外部からの電力供給が省略又は簡略化されている。
この二次燃焼器2では、一次燃焼ガス通路4においてアノード極33で消費されずに残存する還元成分が新たに供給される空気Aを利用して燃焼することになり、その燃焼後の二次燃焼ガスCG2が二次燃焼器2の先端側から排出されることになり、この二次燃焼ガスCG2が後述する燃焼排ガスEGとなる。
よって、バーナ筒部6の内側の空間において、これらバーナユニット50の外側にあたる空間が、上述したカソード極通路5となる。
そして、このバーナ筒部6と排ガス筒部8との間には、一次燃焼ガス通路4及び二次燃焼器2を通過した後の燃焼排ガスEGが通流する排ガス通路7が形成されている。一方、排ガス筒部8と空気筒部10との間には、カソード極通路5に流入する前の空気Aが通流する空気通路9が形成されている。
そして、この排ガス筒部8の空気通路9に面する部分、即ち排ガス筒部8の炉壁60よりも基端側の部分は、排ガス通路7を通流する燃焼排ガスEGと空気通路9を通流する空気Aとの熱交換が可能な熱交換部8cとして構成され、一次燃焼ガス通路4を通過した後の燃焼排ガスEGとの熱交換により、カソード極通路5に流入する前の空気Aを加熱する空気予熱手段として機能することになる。
従って、一次燃焼ガス通路を通過した後の高温の燃焼排ガスEGとの熱交換により加熱された空気Aがカソード極通路5に流入することになるために、カソード極31に局所的に低温となる部位が生じてしまうことが回避される。よって、当該カソード極31全体が比較的高温に維持され、アノード極33における局所的な反応停止が抑制されている。
また、排ガス筒部8の先端は、先端蓋部8bにより閉塞されており、その先端側部8aの内側面(図1において左側面)とバーナ筒部6の先端部6aとの間には、バーナ筒部6の内側からバーナ筒部6の外側へ向けて燃焼排ガスEGが折り返す際に通過する折返し口47が形成されている。
即ち、二次燃焼器2から排出された二次燃焼ガスCG2は、先端側に延出形成されたバーナ筒部6の内側を通流して、排ガス筒部8の先端蓋部8bに到達し、その後、その外周部に形成される折返し口47を通過して、バーナ筒部6の外側であり排ガス筒部8の内側に形成される排ガス通路7に、燃焼排ガスEGとして流入することになる。
よって、排ガス筒部8の先端側部8aはその内側に通流する燃焼排ガスEGにより加熱されて高温となり、その輻射熱により炉内70にある加熱対象物(図示省略)が加熱されることになる。
一次燃焼器1は、内部に形成された円柱状の一次燃焼室17において燃料Fが旋回燃焼して外周壁から僅かに離間した管状火炎PFが形成される所謂管状火炎バーナとして構成されている。
具体的には、一次燃焼器1には、セル筒部3の基端側に連接配置され、内側に一次燃焼室17を形成する円筒状の一次燃焼筒部11が設けられ、更に、一次燃焼室17に燃料Fと空気Aとを当該一次燃焼室17の軸心周りの旋回流S(図4参照)が発生するように供給する一次燃焼供給機構部Xが設けられている。
よって、一次燃焼筒部11の内側に形成された一次燃焼室17に対して、一次燃焼供給機構部Xにより、燃料Fと空気Aとが、一次燃焼室17の外周壁の接線方向に沿って噴出される形態で、一次燃焼室17にて軸心周りの旋回流Sが発生する状態で供給されることになる。すると、一次燃焼室17では、燃料Fが旋回燃焼して外周壁から僅かに離間した管状火炎PFが形成され、その管状火炎PFにより生成される一次燃焼ガスCG1が、一次燃焼室17の先端部に連接された一次燃焼ガス通路4に旋回しながら噴出されることになる。
よって、その一次燃焼ガス通路4の外周面に配置されたアノード極33付近では、一次燃焼ガスCG1に含まれる還元成分の濃淡分布が小さくなって、一次燃焼ガスCG1における還元成分の局所的な高濃度化による煤の発生が抑制され、当該煤のアノード極33への付着による発電効率の低下が抑制されている。
複数の一次空気供給口12は、一次燃焼筒部11の周方向に分散配置され、カソード極通路5から一次燃焼筒部11の外側に供給された空気を、一次燃焼筒部11の内側の一次燃焼室17に流入させる。
一方、複数の燃料供給口14は、一次燃焼筒部11に同心状で外囲される燃料供給筒部13の周方向に分散配置され、燃料供給筒部13の内側に供給された燃料を、燃料供給筒部13の外側の一次燃焼室17に流出させる。尚、燃料供給筒部13の先端は蓋部により閉塞されているので、内部に供給された燃料Fは全て燃料供給口14から流出することになる。
更に、これら一次空気供給口12及び燃料供給口14は、図5に示すように、一次燃焼室17の軸方向(図5における左右方向)に長尺なスリット状に形成され、図6に示すように、旋回流Sに沿った方向に穿設されている。
よって、一次燃焼筒部11の内側で且つ燃料供給筒部13の外側に形成された円筒状の空間17aでは、外向きに供給された燃料Fと内向きに供給された空気Aとが互いに衝突することで混合が促進され、更に、それにより形成される混合気が軸心周りに良好に旋回するものとなり、この円筒状の空間17aで旋回する混合気が、その旋回流を維持したまま、燃料供給筒部13の先端よりも先端側に形成される一次燃焼室17に噴出されて旋回燃焼することになるので、当該一次燃焼室17において安定した管状火炎PFが形成される。
一次燃焼器1は、内部に形成された二次燃焼室22において一次燃焼ガスCG1に空気Aを供給して二次燃焼させる燃焼器として構成されている。
具体的には、二次燃焼器2には、セル筒部3の先端側に連接配置され、内側に二次燃焼室22を形成する円筒状の二次燃焼筒部21が設けられている。
更に、この二次燃焼器2には、二次燃焼室22に空気Aを供給する複数の二次空気供給口23が設けられている。
複数の二次空気供給口23は、二次燃焼筒部21の周方向に分散配置され、カソード極通路5から二次燃焼筒部21の外側に供給された空気Aを、二次燃焼筒部21の内側の二次燃焼室22に流入させる。
更に、この二次空気供給口23は、図5に示すように、二次燃焼室22の軸方向(図5における左右方向)に長尺なスリット状に形成され、図6に示すように、旋回流Sに沿った方向に穿設されている。
よって、二次燃焼筒部21の内側に形成された二次燃焼室22では、一次燃焼ガス通路4から旋回しながら排出された一次燃焼ガスCG1に対して、その旋回流を維持しながら空気Aが供給されることになるので、当該一次燃焼ガスCG1に含まれる還元成分が安定且つ良好に燃焼し、その燃焼により形成される二次燃焼ガスCG2についても、軸心周りに良好に旋回する状態になる。
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
2 :二次燃焼器
3 :セル筒部
4 :一次燃焼ガス通路
5 :カソード極通路
6 :バーナ筒部
6a :先端部
7 :排ガス通路
8 :排ガス筒部
8b :先端蓋部
8c :熱交換部(空気予熱手段)
9 :空気通路
10 :空気筒部
11 :一次燃焼筒部
12 :一次空気供給口
13 :燃料供給筒部
14 :燃料供給口
17 :一次燃焼室
21 :二次燃焼筒部
22 :二次燃焼室
23 :二次空気供給口
30 :燃料電池セル
31 :カソード極
33 :アノード極
45 :空気ファン(電気機器)
47 :折返し口
100 :燃焼装置
A :空気
CG1 :一次燃焼ガス
CG2 :二次燃焼ガス
EG :燃焼排ガス
F :燃料
PF :管状火炎
S :旋回流
X :一次燃焼供給機構部
Claims (6)
- 燃料を燃料過濃状態で一次燃焼させる一次燃焼器と、
前記一次燃焼器から排出された一次燃焼ガスが通流する一次燃焼ガス通路と、
前記一次燃焼器に供給される前の空気が通流するカソード極通路と、
アノード極が前記一次燃焼ガス通路に面すると共に、カソード極が前記カソード極通路に面する状態で配置された燃料電池セルと、を備え、
前記燃料電池セルが、内周面を前記アノード極とし外周面を前記カソード極とする筒状のセル筒部として形成され、
前記セル筒部が、内側に前記一次燃焼ガス通路を形成する状態で前記一次燃焼器の先端側に連接配置され、
前記セル筒部を外囲するバーナ筒部を備えて、前記セル筒部と前記バーナ筒部との間に、前記カソード極通路が形成されている燃焼装置であって、
前記一次燃焼ガス通路を通過した後の燃焼排ガスとの熱交換により、前記カソード極通路に流入する前の空気を加熱する空気予熱手段を備え、
前記バーナ筒部を外囲する排ガス筒部と、当該排ガス筒部を外囲する空気筒部と、を備え、
前記バーナ筒部と前記排ガス筒部との間に、前記一次燃焼ガス通路を通過した後の燃焼排ガスが通流する排ガス通路が形成され、
前記排ガス筒部と前記空気筒部との間に、前記カソード極通路に流入する前の空気が通流する空気通路が形成され、
前記排ガス筒部の前記空気通路に面する部分が、前記排ガス通路を通流する燃焼排ガスと前記空気通路を通流する空気との熱交換可能に構成されて、前記空気予熱手段として機能する燃焼装置。 - 前記バーナ筒部及び前記排ガス筒部が先端側に延出形成され、
前記バーナ筒部の先端部との間で折返し口を形成する状態で、前記排ガス筒部の先端部を閉塞する先端蓋部を備えた請求項1に記載の燃焼装置。 - 前記一次燃焼器が、
前記セル筒部の基端側に連接配置され、内側に一次燃焼室を形成する円筒状の一次燃焼筒部と、前記一次燃焼室に燃料と空気とを当該一次燃焼室の軸心周りの旋回流が発生するように供給する一次燃焼供給機構部とを有して、前記一次燃焼室において管状火炎を形成する管状火炎バーナとして構成されている請求項1又は2に記載の燃焼装置。 - 前記一次燃焼供給機構部が、
前記一次燃焼筒部の周方向に分散配置され、外側に供給された空気を内側に流入させる複数の一次空気供給口を備えると共に、
前記一次燃焼筒部に同心状で外囲される燃料供給筒部の周方向に分散配置され、内側に供給された燃料を外側に流出させる複数の燃料供給口を備えて構成され、
前記一次空気供給口及び前記燃料供給口が、前記一次燃焼室の軸方向に長尺なスリット状に形成され、前記旋回流に沿った方向に穿設されている請求項3に記載の燃焼装置。 - 前記一次燃焼ガスに空気を供給して二次燃焼させる二次燃焼器を備え、
前記二次燃焼器が、
前記セル筒部の先端側に連接配置され、内側に二次燃焼室を形成する筒状の二次燃焼筒部を備えると共に、
前記二次燃焼筒部の周方向に分散配置され、外側に供給された空気を内側に流入させる複数の二次空気供給口を備えて構成されている請求項1〜4の何れか1項に記載の燃焼装置。 - 前記燃料電池セルの発電電力を、内蔵した空気ファンを含む電気機器の作動電力として供給する請求項1〜5の何れか1項に記載の燃焼装置。
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