JP6020214B2

JP6020214B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP6020214B2
Application number: JP2013018639A
Authority: JP
Inventors: 杉原　真一; 真一杉原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP2014149130A

Description

本発明は、可燃ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼装置に関する。

従来、燃焼装置にて生成した燃焼ガスの燃焼熱により、都市ガス等の原料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備える固体高分子型の燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、燃焼装置における燃焼ガスを生成する燃焼室にて、燃焼ガスが不必要に放熱してしまうこと（熱ロス）を抑制するために、燃焼室内部の所定の位置に断熱部材を設ける技術が開示されている。なお、特許文献１では、燃焼室内のシール性を考慮して、断熱部材を、シール部材を介して燃焼室を形成するケーシングに強固に連結している。

特開２００１−１８０９０９号公報

ところで、例えば、固体酸化物型燃料電池は、低温で作動する固体高分子型の燃料電池に比べて、８００℃程度の高温で作動することから、燃焼装置自体の温度も高温となり易い。なお、固体酸化物型燃料電池では、燃料電池を効率良く運転させるために、燃焼装置に対して局所的に１２００℃を越える高温燃焼が要求されることもある。

このような高温環境下では、外殻を構成する金属製のケーシングが、燃焼ガスの燃焼熱により高温となり、長時間使用すると熱変形や酸化による腐食が生じ易くなり、耐久性に欠けるといった問題がある。

これに対して、耐火性を有する耐火部材にて燃焼室を形成し、高温の燃焼ガスから金属製のケーシングを保護することが考えられる。

しかし、特許文献１に記載の断熱部材の如く、ケーシングに耐火部材を強固に連結する構成とすると、ケーシングおよび耐火部材の熱膨張差等による応力によって、耐火部材に亀裂や割れが生じ易くなり、依然として耐久性に欠けてしまう。なお、耐火部材に生ずる亀裂や割れは、燃焼装置のシール性の悪化や、燃焼室内における燃焼特性が変化する要因となる。

これらの問題は、固体酸化物型燃料電池を備える燃料電池システムに限らず、高温環境下で作動するシステムに適用される燃焼装置に生ずる。

本発明は上記点に鑑みて、耐久性に優れた燃焼装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、外殻を構成する金属製のケーシング（６１）と、ケーシングの内部に配置され、可燃ガスおよび酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼室（６２３）が形成された耐火性を有する耐火部材（６２）と、を備え、耐火部材は、少なくとも一部がケーシングから離間するように配置されており、ケーシングには、ケーシングと耐火部材との間に形成される隙間部に、燃焼ガスよりも低温となる酸化剤ガスを導入する冷却ガス導入部（６１４）が設けられており、さらに、ケーシングの温度上昇に応じて冷却ガス導入部からの酸化剤ガスの導入量が増加するように絞り開度を大きくする弁機構を有することを特徴としている。

このような構成とすれば、耐久性に優れた燃焼装置を実現することができる。すなわち、耐火部材にて燃焼室を形成する構成とすれば、高温の燃焼ガスからケーシングを保護することができる。また、耐火部材をケーシングから離間させる配置形態とすれば、耐火部材とケーシングとの間に形成される隙間部によりケーシングと耐火部材との熱膨張差を吸収することができるので、耐火部材の亀裂や割れを抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る燃焼装置を含む燃料電池システムの概略構成図である。第１実施形態に係る燃焼装置の模式的な外観斜視図である。第１実施形態に係る燃焼装置の模式的な分解斜視図である。第１実施形態に係る燃焼装置の上面図である。図４のＶ−Ｖ断面図である。第２実施形態に係る燃焼装置の模式的な分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態では、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池１０を有する燃料電池システムに本発明の燃焼装置６を適用した例について説明する。

燃料電池１０は、作動温度が高温（８００℃程度）となる固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）で構成されている。燃料電池１０では、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応、および反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（アノード）２Ｈ_２＋２Ｏ^２− → ２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻…Ｆ１
（カソード）Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｏ^２−…Ｆ２
（アノード）２ＣＯ＋２Ｏ^２− → ２ＣＯ_２＋４ｅ⁻…Ｆ３
（カソード）Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｏ^２−…Ｆ４
燃料電池１０には、酸化剤ガスの供給経路を成す空気供給配管３、および燃料ガスの供給経路を成す燃料供給配管４、排出空気（酸化剤ガスのオフガス）の排出経路を成す空気排出配管６ａ、および排出燃料（燃料ガスのオフガス）の排出経路を成す燃料排出配管６ｂが接続されている。

空気供給配管３には、上流側から順に、塵や埃等を除去するフィルタ３１、空気を圧送する空気用ブロワ３２、空気用ブロワ３２からの空気を後述する燃焼装置６で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱する第１、第２空気予熱器３３、３４が設けられている。

燃料供給配管４には、上流側から順に、燃料ガスの原料（例えば都市ガス）に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、原料を圧送する燃料用ブロワ４２、燃料予熱器４３、燃料改質器４４が設けられている。

燃料予熱器４３は、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスの原料を燃焼装置６で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。この燃料予熱器４３は、水供給経路５にも接続されており、純水器５１を介して水ポンプ５２から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。

燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて加熱された燃料ガス、および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。なお、燃料改質器４４では、水蒸気改質に限らず、例えば、燃料電池１０の起動時等に部分酸化改質を行うようにしてもよい。

各排出配管６ａ、６ｂは、排出燃料に含まれる未反応ガス（可燃ガス）と排出空気（酸化剤ガス）を混合して燃焼させることで高温の燃焼ガスを生成する燃焼装置６に接続されている。なお、燃料排出配管６ｂには、燃料電池１０の起動時等における燃焼装置６の燃焼を安定させるために、燃料ガスの原料を可燃ガスとして燃料改質器４４や燃料電池１０等を迂回して燃焼装置６へ導入するバイパス配管６ｃが接続されている。

燃焼装置６には、内部で生成した高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出配管７が接続されている。この燃焼ガス排出配管７は、燃焼ガスの燃焼熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３といった機器に接続されている。

以上までが本実施形態の燃料電池システムの概略構成であり、以降、燃焼装置６の詳細について図２〜図５を用いて説明する。なお、説明の便宜のため、図２および図３では、外部に現れない燃焼装置６内部の構成要素について破線で図示している。

図２の外観斜視図および図３の分解斜視図に示すように、本実施形態の燃焼装置６は、主たる構成要素として、外殻を構成する金属製のケーシング６１、金属製のケーシング６１を高温の燃焼ガスから保護する耐火部材６２を備える。

ケーシング６１は、ステンレス等の耐熱温度の高い金属材料で構成されている。具体的には、本実施形態のケーシング６１は、外観が直方体形状となる中空の容器で構成されており、土台となる底板６１ａ、側板６１ｂ、および天板（図示略）で構成されている。なお、本実施形態では、ケーシング６１におけるシール性を確保するために、例えば、側板６１ｂ、および天板が、熱線膨張率が同等で緻密な金属の溶接により接合されている。

ケーシング６１の底板６１ａには、排出燃料に含まれる未反応ガス等の可燃ガスを内部に導入するための可燃ガス導入部６１１が形成されている。この可燃ガス導入部６１１は、燃料排出配管６ｂを接続する接続部を構成している。

また、ケーシング６１の側板６１ｂの縦方向下方側には、排出空気等の酸化剤ガスを内部に導入するための酸化剤ガス導入部６１２が複数形成されている。この酸化剤ガス導入部６１２は、空気排出配管６ａを接続する接続部を構成している。なお、ケーシング６１の側板６１ｂには、電気的に火花を発生させて可燃ガスに点火する点火プラグ（図示略）を内部に差し込むためのプラグ差込部６１３が設けられている。

また、ケーシング６１の天板には、燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出部（図示略）が形成されている。この燃焼ガス排出部は、燃焼ガス排出配管７を接続する接続部を構成している。

続いて、耐火部材６２は、ジルコニアやアルミナ等の耐火性に優れた材料で構成される耐火断熱材であり、ケーシング６１の内部に配置されている。

本実施形態の耐火部材６２は、ケーシング６１における可燃ガス導入部６１１および酸化剤ガス導入部６１２と対向するように、ケーシング６１内部の下方側空間を占めるように配置されている。

また、耐火部材６２は、図４の上面図、および図５の断面図に示すように、少なくとも一部がケーシング６１から離間するように配置されている。具体的には、本実施形態の耐火部材６２は、外殻が直方体形状となる筒状体６２１、およびケーシング６１と当接して筒状体６２１を支持する複数の脚部６２２で構成されている。

筒状体６２１は、ケーシング６１を高温の燃焼ガスから保護する部材であり、ケーシング６１における高温となり易い底板６１ａおよび側板６１ｂから離間している。すなわち、筒状体６２１とケーシング６１との間には、隙間部Ａが設けられている。

筒状体６２１には、その内部に可燃ガスおよび酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼室６２３が形成されている。この燃焼室６２３は、可燃ガスおよび酸化剤ガスの混合性を考慮して、その一部が上方（ケーシング６１の底板６１ａ側から天板）に向かって断面積が拡大するテーパ形状となっている。

また、筒状体６２１には、ケーシング６１の可燃ガス導入部６１１から燃焼室６２３へと可燃ガスを導く可燃ガス流路６２４、およびケーシング６１の各酸化剤ガス導入部６１２から燃焼室６２３へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス流路６２５が形成されている。

具体的には、可燃ガス流路６２４は、底板６１ａ側から天板側に向かって延在している。また、酸化剤ガス流路６２５は、側板６１ｂ側から燃焼室６２３側へ向かって延在している。

各ガス流路６２４、６２５は、ケーシング６１の各導入部６１１、６１２と当接することなく離間するように、その外径が各導入部６１１、６１２の内径よりも小さい大きさとなっている。なお、酸化剤ガス流路６２５は、酸化剤ガスが燃焼室６２３の内面（テーパ面）に沿って旋回して流れるように、燃焼室６２３への空気の導入方向が燃焼室６２３の中心軸と交差しない流路構成とすることが望ましい。

さらに、筒状体６２１には、点火プラグ（図示略）を取り付けるための取付部６２６が設けられている。なお、本実施形態では、点火プラグが筒状体６２１に取り付けられている。

耐火部材６２の各脚部６２２は、筒状体６２１をケーシング６１から離間させるための部材であり、筒状体６２１の外壁からケーシング６１の内壁に向けて突出した突出部材で構成されている。

本実施形態の各脚部６２２は、筒状体６２１におけるケーシング６１の底板６１ａと対向する部位（底板６１ａの四隅）に設けられており、筒状体６２１と同様の材料で筒状体６２１と一体に構成されている。

次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。図示しないコントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、空気用ブロワ３２、燃料用ブロワ４２、水ポンプ５２等が作動する。

空気供給配管３では、空気用ブロワ３２にて圧送された空気が第１空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、さらに第２空気予熱器３４にて加熱されて燃料電池１０に供給される。

一方、燃料供給配管４では、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガス、および水ポンプ５２にて圧送された水が、燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４にてリッチな燃料ガスに改質されて燃料電池１０に供給される。

燃料電池１０は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式Ｆ１〜Ｆ４に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

燃料電池１０から排出された各オフガスは、各排出配管６ａ、６ｂを介して燃焼装置６に供給される。燃焼装置６に供給された各オフガスは、燃焼装置６の内部の燃焼室６２３にて燃焼される。なお、燃料電池１０の起動時等には、燃焼室６２３内の燃焼が不安定となり易いことから、バイパス配管６ｃを介して可燃ガスが燃焼装置６に供給される。

その後、燃焼装置６にて生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス排出配管７を介して燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。

以上説明した本実施形態によれば、耐久性に優れた燃焼装置６を実現することができる。すなわち、本実施形態の燃焼装置６の如く、可燃ガスおよび酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼室６２３を耐火部材６２に形成することで、耐火部材６２により高温の燃焼ガスからケーシング６１を適切に保護することができる。これにより、ケーシング６１の熱変形や酸化による腐食を抑制して、ケーシング６１の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態の燃焼装置６の如く、耐火部材６２の少なくとも一部（筒状体６２１）を、ケーシング６１から離間させる配置形態とすることで、耐火部材６２とケーシング６１との間に形成される隙間部Ａによりケーシング６１と耐火部材６２との熱膨張差を吸収することができる。これにより、耐火部材６２の亀裂や割れを抑制して、耐火部材６２の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態の燃焼装置６は、耐火部材６２に可燃ガスおよび酸化剤ガスの各ガス導入部６１１、６１２から燃焼室６２３へ至る各ガス流路６２４、６２５を形成する構成としている。

これによれば、可燃ガスおよび酸化剤ガスの各ガス流路６２４、６２５の熱変形が抑制され、各ガス流路６２４、６２５を介して可燃ガスおよび酸化剤ガスを燃焼室６２３へ安定供給することができるので、燃焼室６２３内の燃焼特性の変化を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

本実施形態のケーシング６１には、図６に示すように、ケーシング６１と耐火部材６２との間に形成される隙間部Ａに、ケーシング６１を冷却する冷却ガスとして燃焼ガスよりも低温となる酸化剤ガスを導入する冷却ガス導入部６１４が複数設けられている。

本実施形態の冷却ガス導入部６１４は、ケーシング６１における高温となり易い部位に開口し、排出空気が流入するように空気排出配管６ａから分岐した分岐管（図示略）に接続されている。

ここで、ケーシング６１の冷却は、常時必要となるわけではないことから、ケーシング６１が高温となった際に、ケーシング６１と耐火部材６２との間の隙間部Ａに酸化剤ガスが供給される構成とすることが望ましい。なお、このような構成は、例えば、ケーシング６１の温度上昇に応じて絞り開度を大きくする弁機構を分岐管に設けることで実現可能である。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の構成によれば、第１実施形態で説明した作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。

すなわち、本実施形態の燃焼装置６によれば、ケーシング６１と耐火部材６２との間に形成される隙間部Ａに冷却ガスとして酸化剤ガスを流通させる構成としている。これによれば、ケーシング６１の過度な温度上昇を抑えることができるので、ケーシング６１の熱変形を効果的に抑制することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、ケーシング６１の外観を直方体形状とする例について説明したが、これに限らず、例えば、ケーシング６１の外観を円柱形状や他の形状としてもよい。

（２）上述の各実施形態では、ケーシング６１の底板６１ａに可燃ガス導入部６１１を形成すると共に、側板６１ｂに酸化剤ガス導入部６１２を形成する例について説明したが、これに限定されず、任意の位置に形成してもよい。例えば、ケーシング６１の底板６１ａに酸化剤ガス導入部６１２を形成し、側板６１ｂに可燃ガス導入部６１１を形成するようにしてもよい。

（３）上述の各実施形態の如く、燃焼室６２３内の燃焼特性の変化を抑制する観点から耐火部材６２に可燃ガスおよび酸化剤ガスの各ガス流路６２４、６２５を形成することが望ましいが、これに限定されない。例えば、ケーシング６１に各ガス流路６２４、６２５を形成するようにしてもよい。

（４）上述の各実施形態の如く、可燃ガスと酸化剤ガスとの混合性を考慮して、燃焼室６２３の一部をテーパ形状とすることが望ましいが、これに限定されず、燃焼室６２３を円柱形状等としてもよい。

（５）上述の各実施形態では、耐火部材６２をケーシング６１内部の下方側空間を占めるように配置する例について説明したが、これに限定されない。例えば、ケーシング６１内部の全域を占めるように配置してもよい。

（６）上述の第２実施形態では、ケーシング６１に形成した冷却ガス導入部６１４から空気排出配管６ａを流通する排出空気を導入する例について説明したが、これに限定されない。例えば、冷却ガス導入部６１４からケーシング６１の周囲の空気（酸化剤ガス）を導入するようにしてもよい。

（７）上述の各実施形態では、固体酸化物型燃料電池を備える燃料電池システムに燃焼装置６を適用する例について説明したが、これに限らず、高温環境下で作動する他のシステムに燃焼装置６を適用してもよい。

（８）上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

（９）上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

（１０）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

６燃焼装置
６１ケーシング
６２耐火部材
６２３燃焼室

Claims

外殻を構成する金属製のケーシング（６１）と、
前記ケーシングの内部に配置され、可燃ガスおよび酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼室（６２３）が形成された耐火性を有する耐火部材（６２）と、を備え、
前記耐火部材は、少なくとも一部が前記ケーシングから離間するように配置されており、
前記ケーシングには、前記ケーシングと前記耐火部材との間に形成される隙間部に、前記燃焼ガスよりも低温となる前記酸化剤ガスを導入する冷却ガス導入部（６１４）が設けられており、
さらに、前記ケーシングの温度上昇に応じて前記冷却ガス導入部からの前記酸化剤ガスの導入量が増加するように絞り開度を大きくする弁機構を有することを特徴とする燃焼装置。
前記冷却ガス導入部には、燃料電池（１０）から排出された排出空気が流入することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記ケーシングには、前記燃焼室へ前記可燃ガスを導入する可燃ガス導入部（６１１）、および前記燃焼室へ前記酸化剤ガスを導入するための酸化剤ガス導入部（６１２）が設けられており、
前記耐火部材には、前記可燃ガス導入部（６２４）から前記燃焼室へと前記可燃ガスを導く可燃ガス流路、および前記酸化剤ガス導入部（６２５）から前記燃焼室へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。