JP6465865B2 - 燃焼器及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、家庭用燃料電池に適した構造が簡単で小型化が容易な燃焼器、及びこの燃焼器を加熱源に用いる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、一般に、その本体であるセルモジュールの他に、セルモジュールに供給する水素リッチの発電用燃料を生成する改質器、並びにセルモジュール及び改質器を加熱するための燃焼器などを備えている。セルモジュールは、発電要素の集合体であり、各発電要素の燃料極（アノード）側に発電用燃料を供給され、空気極（カソード）側に酸化剤ガスを供給されることにより発電を行う。改質器は、発電用燃料の原燃料である例えば都市ガスを高温触媒中で水蒸気と反応させることにより水素リッチの発電用燃料に改質する。

また、燃焼器は、各発電要素の燃料極（アノード）側から排出される未反応の発電用燃料を燃焼燃料とし、これを空気極（カソード）側から排出される未反応の酸化剤ガスと混合して燃焼させたときに生じる燃焼排ガスにより、セルモジュール及び改質器を直接または間接に加熱する。なお本明細書では、セルモジュールの運転中及び運転前後を問わず、当該セルモジュールから排出されるガスを総称してオフガスと称し、各発電要素の燃料極（アノード）側から排出されるガスを特にアノードオフガスと称し、各発電要素の空気極（カソード）側から排出されるガスを特にカソードオフガスと称する。

ところで、家庭用燃料電池市場では、小型で低価格な燃料電池システムが求められる。このため、燃料電池システムの構造としては、構成機器の点数が少なく且つ部品の点数が少ない構造簡易なものが求められ、この観点から、燃料電池の補助機器である前記燃焼器についても、構造が簡易で小型化が容易なものが求められる。

しかしながら、家庭用燃料電池システムに使用されるような小型の燃焼器では、小型化による燃焼容積の縮小等に伴い燃焼が不安定化するという本質な問題がある。また、構造簡略化のために、起動時に燃焼器専用の燃料を使わず、起動時も発電運転中と同様にセルモジュールから排出されるオフガスを燃焼用原料ガスとして使う簡易起動法がしばしば用いられるが、これによる燃焼不安定化の問題も加わる。

すなわち、簡易起動法について説明すると、点火前後の起動初期は、改質器に送られる都市ガス等の原燃料がそのまま改質器を通過し、更にセルモジュールの燃料極（アノード）側を通過して燃焼器に送られる。このときのアノードオフガスは原燃料である。点火によって燃焼器から燃焼排ガスが出始め、これが改質器に送られ、改質器の温度が上がり始めると、改質器での改質反応が始まり、改質開始後は改質された水素リッチの発電用燃料がセルモジュールの燃料極（アノード）側を経由して燃焼器に送られる。このときのアノードオフガスは発電用燃料である。発電開始後は、未反応の発電用燃料がセルモジュールの燃料極（アノード）側から排出されて燃焼器に送られる。このときのアノードオフガスは未反応の発電用燃料である。

一方、セルモジュールの空気極（カソード）側からは、起動時は酸化剤ガス（空気）がそのまま排出されて燃焼器に送られる。このときのカソードオフガスは酸化剤ガス（空気）である。発電開始後は未反応の酸化剤ガス（空気）が排出されて燃焼器に送られる。このときのカソードオフガスは未反応の酸化剤ガス（空気）である。

発電運転中だけでなく起動時にもセルモジュールから排出されるオフガスを燃焼器の燃焼用原料ガスとして使用する簡易起動法では、その起動時に燃焼用原料ガス、特に燃焼燃料の流量が大きく変動するため、燃焼器での燃焼が不安定になって失火が発生しやすいという本質的な問題がある。加えて、燃焼器の点火昇温後は、燃料コスト削減のために、燃料流量を絞ったホットスタンバイと呼ばれる待機モードが発電運転開始まで続くが、この間、燃焼器での燃焼は混合気の空気比が高い高空気比の希薄燃焼となる。燃料流量が大きく変動するだけでも燃焼が不安定化して失火が発生しやすいが、希薄燃焼では更に燃焼が不安定となるため、失火が一層、発生しやすくなる。待機モードでは、いつ開始されるか分からない発電に備えるために、失火は是非とも避けなければならない重要課題である。

燃焼器の小型化による燃焼容積の縮小に伴う不安定燃焼の問題に対しては、触媒セラミックスを燃焼部に配置した燃料電池用燃焼器が、特許文献１により提示されている。この燃焼器によると、触媒活性温度以上に加熱された触媒セラミックスが、燃料と空気の混合気に酸化反応を生じさせることにより、混合気の燃焼を安定させる。これにより、バーナー回路を併設せずとも燃焼の安定化が図られ、燃焼器の小型化が可能となる。しかしながら、この燃焼器でも、混合気の空気比が高い希薄燃焼では安定した燃焼が困難である。

このようなことから、家庭用燃料電池の分野においては、構造が簡易で、しかも失火の危険性が小さく、希薄燃焼においても安定な燃焼が可能な燃焼器の開発が待望されている。

特開２００７−３２２０１９号公報

本発明の目的は、構造が簡易で小型化が容易であるにもかかわらず、燃焼の不安定化、及びこれによる失火を効果的に回避できる燃焼器、及びこれを加熱源に用いる小型化が容易で確実な運転が可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用燃焼器は、酸素含有気体が流通する通気路と、
前記通気路内に配置されて通気路を部分的に遮蔽する（すなわち規制する、以下同じ）ことにより、その通気路を流通する酸素含有気体の一部を内側に流入させ、残りを外側に導いて気体流通方向下流側へ通過させる部分遮蔽部材（すなわち規制部材、以下同じ）と、
前記部分遮蔽部材の内側に形成され、その内側に流入する一部の酸素含有気体により、外部から前記部分遮蔽部材の内側に供給される燃焼燃料を燃焼させる１次燃焼区と、
１次燃焼区の気体流通方向下流側に位置して前記通気路内に耐熱性及び通気性のある多孔質セラミックス体が配置され、前記１次燃焼区で発生した燃焼ガスを気体流通方向上流側から下流側へ流通させる内流路が、前記多孔質セラミックス体の中心部近傍に貫通孔により設けられ、前記多孔質セラミックス体の周囲には、前記部分遮蔽部材の外側に導かれて前記１次燃焼区に流入しなかった酸素含有気体を気体流通方向上流側から下流側へ流通させる外流路が設けられた２次燃焼区とを備え、
前記２次燃焼区に配置された多孔質セラミックス体は、気体流通方向上流側の１次燃焼区と接すると共に、周囲の外流路と接し、且つその外流路を流通する酸素含有気体を周囲から流入させて当該セラミックス体内を外周部から内周部上へ拡散移動させる構成である。

本発明の燃料電池用燃焼器においては、通気路内に２段に区画形成された１次燃焼区と２次燃焼区のうち、まず１次燃焼区内に燃焼燃料と、通気路を流通する酸素含有気体の一部とが供給されることにより、１次燃焼区内で燃焼が始まる。この燃焼は、酸素含有気体が制限された燃焼となるため、燃料リッチの安定した燃焼となる。

１次燃焼区での燃焼に伴って生じた高温の燃焼排ガスは、下流側の２次燃焼区内に配置された多孔質セラミックス体の、特に通気抵抗が小さい中心部近傍の内流路を中心に流通し、多孔質セラミックス体の主に上流側端面から内流路内面にかけての部分を加熱し赤熱させる。この赤熱は、上流側の１次燃焼区に対して保炎効果を発揮する。このため、１次燃焼区での燃焼が一層安定する。これにより、１次燃焼区での失火の危険性が軽減され、その結果として２次燃焼区でも燃焼が安定して失火の危険性が軽減される。

２次燃焼区では、多孔質セラミックス体の内流路を中心に燃焼排ガスが流通すると共に、多孔質セラミックス体の外周部近傍の外流路を中心に残りの酸素含有気体が流通する。外流路を流通する酸素含有気体は、多孔質セラミックス体内を外から内へ拡散移動する。これにより、２次燃焼区での燃焼が強化される。

このように、本発明の燃焼器においては、燃料リッチなゾーンを前段の１次燃焼区に配置した２段燃焼と、後段の２次燃焼区に配置した多孔質セラミックス体の保炎効果との組み合わせにより、当該燃焼器に導入される混合気の空気比、すなわち燃焼燃料に対する酸素含有気体の混合比が高空気比で、２次燃焼区での燃焼が希薄燃焼となる場合でも、１次燃焼区及び２次燃焼区の両方で安定な燃焼が可能になり、失火の危険性が軽減される。その結果、安定で失火のない希薄燃焼により、少ない燃焼燃料で多量の燃焼排ガスを生成することが可能となる。

また、通気路内面が酸素含有気体で効果的に冷却されることにより通気路内面の過熱が防止される。更にまた、通気路内に１次燃焼区を画成する部分遮蔽部材が、酸素含有気体の一部を１次燃焼区に流入させる分流部材を兼ねるので、構成が簡単である。

本発明の燃焼器においては、２次燃焼区内の多孔質セラミックス体は、耐熱性及び通気性の両方に優れることが重要であり、この観点からFOSECO製鋳鉄用・非鉄用セラミック・フォーム・フィルター「SEDEX」のようなポアサイズが大きい海綿骨状の多孔質セラミックス体が好ましく、製法上も前記「SEDEX」のようなセラミックス発泡体が好ましい。ポアサイズとしては、ポア密度で表して５〜５０ｐｐｉが好ましく、１０〜３０ｐｐｉが更に好ましい。ポアサイズが小さすぎると通気性が悪化する。反対にポアサイズが大きすぎると、赤熱による保炎効果が低下し、機械的強度も低下する危険性もある。セラミックスの種類としては、耐熱性及び機械的強度を確保する観点からジルコニア、炭化ケイ素、コージェライト、チタン酸アルミニウムなどが好ましい。

この多孔質セラミックス体は、更に、気体流通方向上流側の１次燃焼区に接して前記通気路内に配置される構成とされている。この構成により、２次燃焼区内の多孔質セラミックス体が強力かつ安定的に赤熱し、これによる保炎効果が増強されることにより、燃焼がより一層安定化すると共に、失火の危険性がより一層効果的に排除される。

２次燃焼区内の内流路については、多孔質セラミック体の中心部近傍に形成された貫通孔とされている。これによると、１次燃焼区で生じた燃焼ガスが２次燃焼区内の内流路をスムーズに流通し、２次燃焼区内の多孔質セラミックス体の赤熱、及びこれによる保炎効果が増強される。

２次燃焼区内の外流路については、多孔質セラミック体の外周面と前記通気路の内周面との間に形成された隙間であることが好ましい。これによると、酸素含有気体が２次燃焼区内の外流路を通気路内面に沿ってスムーズに流通し、通気路内面を冷却する効果が向上する。

一方、１次燃焼区を通気路内に画成する部分遮蔽部材については、気体流通路方向上流側から下流側にかけて漸次拡径し、中心部の周囲に、酸素含有気体を導入する気体導入口が設けられ、中心部に、燃焼燃料を導入する燃料導入管が接続された錐状部材が好ましい。このような錐状部材を用いると、錐状部材の内側に中心部周囲の気体導入口から酸素含有気体の一部が流入すると共に、中心部の燃料導入管から燃焼燃料が流入し、その内側に両者の溜まりが形成されることにより、安定燃焼に適した混合気環境が形成される。

錐状部材は、気体流通方向下流側の多孔質セラミックス体を拡径側に支持する支持部材を兼ねることもできる。錐状部材が多孔質セラミックス体の支持部材を兼ねることにより、多孔質セラミックス体を１次燃焼区と接する位置に安定的に保持することができ、しかも部品点数を低減することが可能となる。

錐状部材は又、前記通気路内にその内周面との間に隙間をあけて配置される構成が好ましい。この構成によると、錐状部材は、通気路内を流通する酸素含有気体を２次燃焼区内の外通路に導くガイド部材を兼ねることができ、通気路内面の冷却効果を高めることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、本発明の燃焼器を加熱源として使用するものであり、具体的には、複数の発電要素の集合体からなり、各発電要素に設けられる一対の電極の何れか一方に水素リッチの発電用燃料が供給され、他方に酸化剤ガスが供給されることにより発電を行うセルモジュールと、前記セルモジュールの加熱に使用される燃焼排ガスを生成する本発明の燃焼器とを備える燃料電池システムであって、前記燃焼器は、前記セルモジュール内の各発電要素の一方の電極から排出されるオフガスを燃焼燃料として使用するものである。

本発明の燃料電池システムにおいては、改質器の加熱源、或いはセルモジュール及び改質器の加熱源として本発明の燃焼器が使用される。具体的には、セルモジュール内の他方の電極に供給する酸化剤ガスが、燃焼器から排出される高温の燃焼排ガスと熱交換されて事前に加熱されることにより、セルモジュールが内部から加熱される。また、燃焼器から発せられる輻射熱によりセルモジュールが外部から加熱される。改質器の加熱は、燃焼器から排出される高温の燃焼排ガスとの熱交換により可能である。

燃焼器での燃焼に用いる燃焼燃料としては、セルモジュール内の各発電要素の一方の電極から排出されるオフガスが使用される。好ましくは、燃焼燃料の燃焼に用いる酸素含有気体として、セルモジュール内の各発電要素の他方の電極から排出されるオフガスが使用される。

本発明の燃焼器は、燃料リッチなゾーンを前段の１次燃焼区に配置した２段燃焼と、後段の２次燃焼区に配置した多孔質セラミックス体の保炎効果との組み合わせにより、２次燃焼区が希薄燃焼でも安定な燃焼を可能にして、失火の危険性を軽減する。したがって、発電運転中だけでなく起動時にもセルモジュールから排出されるオフガスを燃焼器の燃焼用原料ガスとして使用する簡易起動時においても安定な燃焼、これによる燃料電池の確実な起動を可能にして、簡易起動の採用による経済性の向上を図ることができる。また、通気路内面が酸素含有気体で冷却されることにより通気路内面の過熱が防止されるので、通気路内面の過熱対策が不要となると共に、通気路内に１次燃焼区を画成する部分遮蔽部材が、酸素含有気体の一部を１次燃焼区に流入させる分流部材を兼ねるので、構成が簡単である。

本発明の燃料電池システムは、この構造が簡易で経済性に優れ、しかも安定燃焼が可能な燃焼器を加熱源として使用することにより、小型で経済性に優れ、しかも運転動作の確実性に優れるので、例えば家庭用の小型燃料電池等に特に適する。

本発明の一実施形態を示す燃料電池システム及び該システムに使用された燃焼器の構成を示す概念図である。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の燃焼器は、燃料電池システムでの各種加熱に使用される。燃料電池システムは、図１に示すように、その主体をなすセルモジュール１０と、セルモジュール１０からの排出ガスを燃焼させて様々な加熱を行う燃焼器２０とを備えている。燃焼器２０の加熱対象は、ここでは水蒸気改質器３０及び酸化性ガス予熱器４０である。

セルモジュール１０は、単電池、単電池セルなどと称される発電要素を多数組み合わせることにより構成されている。燃料電池の最小構成単位である発電要素は、燃料極（アノード）および空気極（カソード）という一対の電極を有しており、一対の電極のうちの空気極（アノード）側に発電用燃料を供給され、空気極（カソード）側に酸化剤ガスである空気を供給されることにより発電を行う。

発電用燃料の原燃料としての都市ガスは、水蒸気改質器３０に送られ、ここで水蒸気と混合され加熱されて水素リッチの発電用燃料に改質される。水蒸気改質器３０で生成された発電用燃料は、セルモジュール１０内の多数の発電要素の燃料極（アノード）側に供給される。酸化剤ガスとしての空気は、熱交換器からなる酸化剤ガス予熱器４０に供給され、ここで事前に加熱されてセルモジュール１０内の多数の発電要素の空気極（カソード）側に供給される。水蒸気改質器３０及び酸化剤ガス予熱器４０の加熱源が前記燃焼器２０であることは前述したとおりである。

前記燃焼器２０は、図１に詳示されるように、鉛直な円管２１と、円管２１内に同心円状に配置された円形の部分遮蔽部材２２と、部分遮蔽部材２２の中心部に下方から同心円状に接続された鉛直な燃料供給管２３と、部分遮蔽部材２２の上方に位置して円管２１内に配置された偏平な円柱状の多孔質セラミックス体２４とを備えている。

円管２１は、下端部内に導入された酸素含有気体としての空気を下から上を流通させる鉛直な通気路２１ａを内部に形成している。円管２１の上端は、燃焼排ガス排出口２１ｄとして開放している。一方、円管２１の下端は閉塞されており、その下端近傍には、水平な空気供給管２５が側方から接続されると共に、水平な棒状の点火プラグからなる着火装置２７が側方から挿入されている。着火装置２７は、円管２１の外から円管２１を貫通して燃料供給管２３内まで挿入され、先端の点火部を燃料供給管２３の上端部内に臨ませている。

部分遮蔽部材２２は、燃料供給管２３内に連通する燃料供給口２２ｂを下端中心部に有する。この部分遮蔽部材２２は、前記燃料供給口２２ｂから上方へ向かうにつれて漸次外径が拡大する錐状部材であり、前記通気路２１ａの内部に、大径側を上に向けると共に通気路２１ａの内周面２１ｂとの間に円環状の隙間２１ｃを残して配置されている。前記部分遮蔽部材２２には、複数の円形開口部が気体導入口２２ａとして周方向に等間隔で設けられている。そして、この錐状部材からなる部分遮蔽部材２２は、内側に１次燃焼区２８を区画形成しており、円管２１内（通気路２１ａ）の１次燃焼区２８より上が２次燃焼区２９となっている。

多孔質セラミックス体２４は、前述したとおり偏平な円柱状であって、その支持部材を兼ねる錐状部材２２の上に同心円状に載置され固定されている。安定な載置、支持のために、多孔質セラミックス体２４の外径は、錐状部材２２の外径より僅かに小さく設定されている。これにより、多孔質セラミックス体２４の周囲には、通気路２１ａの内周面との間に位置して環状の隙間が形成されることになり、この環状の隙間が多孔質セラミックス体２４の外流路２４ｂとなる。一方、多孔質セラミックス体２４の中心部には、中心線に沿って、内流路２４ａとしての貫通孔が同心円状に形成されている。

そして、多孔質セラミックス体２４の通気方向上流側の端面、すなわち底面が、１次燃焼区２８と２次燃焼区２９とを区画する境界面であり、その底面より下、すなわち上流側の錐状部材２２内が１次燃焼区２８、その底面より上、すなわち下流側の通気路２１ａ内が２次燃焼区２９である。ここで１次燃焼区２８は、燃料供給管２３から部分遮蔽部材２２内に供給される燃焼燃料と、円管２１内（通気路２１ａ）に供給される酸素含有気体のうちの、部分遮蔽部材２２を通過した一部とを混合させて燃料リッチの燃焼を行う着火ゾーンである。また２次燃焼区２９は、１次燃焼区２８で生じた燃焼排ガスに、部分遮蔽部材２２を通過しなかった残りの酸素含有気体を混合させて火力の強い本来の燃焼を行うゾーンである。

多孔質セラミックス体２４としては、ここでは鋳鉄用・非鉄用の湯道に溶湯の濾過、整流、静流化等のために使用される前述のFOSECO製鋳鉄用・非鉄用セラミック・フォーム・フィルター「SEDEX」が用いられている。そのポアサイズは通常の多孔質セラミックスと比べて大きく、ポア密度で表して１０〜３０ｐｐｉとされている。多孔質セラミックス体２４の寸法については、ここでは通気路２１ａの内径（３０ｍｍ）に対して、外径が２５ｍｍ、内径（内流路２４ａの直径）が５ｍｍにそれぞれ設定されており、これにより、外流路２４ｂの幅としては２．５ｍｍが確保されている。

燃焼器２０の加熱対象である水蒸気改質器３０は、発電用燃料の原燃料である都市ガスを導入されると共に、水を導入され、更に、これらを加熱するために、燃焼器２０から排出される高温の燃焼排ガスを流通させる。具体的に説明すると、燃焼器２０から排出される高温の燃焼排ガスにより、水を加熱して蒸発させると共に、その水蒸気を加熱する。導入された都市ガスを、加熱された水蒸気と混合して加熱することにより、その都市ガスを発電用燃料に水蒸気改質して、セルモジュール１０に送る。

燃焼器２０の今一つの加熱対象であるガ酸化剤ガス予熱器４０も熱交換器であり、水蒸気改質器３０を通過した後の燃焼排ガスを加熱媒体として流通させる。そして、セルモジュール１０の空気極（カソード）側に酸化剤ガスとして供給される空気を、この燃焼排ガスと熱交換して予熱温度に加熱する。予熱された空気は、セルモジュール１０の空気極（カソード）側に供給される。酸化剤ガス予熱器４０を通過した燃焼排ガスは、図示されないガス処理触媒を通って大気中に排出される。

次に、燃料電池システムに使用された燃焼器２０の動作及び機能を中心として、その燃料電池システムの動作及び機能について説明する。

起動時及び運転時を通して、発電用燃料の原燃料である都市ガスが水蒸気改質器３０に供給され、酸化剤ガスである空気が酸化剤ガス予熱器４０に供給される。

起動時においては、まず都市ガスの流量及び空気の流量が増やされる。水蒸気改質器３０に供給された都市ガスは、当該改質器３０をそのまま通過してセルモジュール１０の燃料極（アノード）側に流入し、更にセルモジュール１０の燃料極（アノード）側をそのまま通過してアノードオフガスとなり、これが燃焼器２０の燃料供給管２３内に燃焼燃料として流入する。また、酸化剤ガス予熱器４０に供給された空気は、当該予熱器４０をそのまま通過してセルモジュール１０の空気極（カソード）側に流入し、更にセルモジュール１０の空気極（カソード）側をそのまま通過してカソードオフガスとなり、これが燃焼器２０の空気供給管２５内に酸素含有気体として流入する。

これにより、燃焼器２０においては、燃料供給管２３内に都市ガスが流入し、空気供給管２５内に空気が流入する。燃料供給管２３内に流入した都市ガスは、管内を上昇して、部分遮蔽部材２２内へ中心部の燃料供給口２２ｂから流入する。また、空気供給管２５内に流入した空気は、その管内を通過して円管２１内の通気路２１ａへ下端部から流入する。そして、通気路２１ａに流入した空気は、当該通気路２１ａを上昇する途中で、一部が部分遮蔽部材２２の気体導入口２２ａから部分遮蔽部材２２内の１次燃焼区２８へ流入し、残りが部分遮蔽部材２２の外周面に沿って上昇して、２次燃焼区２９内の多孔質セラミックス体２４の周囲に形成された外流路２４ｂに下側から流入する。

この状態で燃料供給管２３の上端部内に挿入された着火装置２７を作動させる。これにより、１次燃焼区２８内での燃焼が始まる。その燃焼排ガスは下流側の２次燃焼区２９内に流入し、２次燃焼区２９内の多孔質セラミックス体２４の主に内流路２４内を下から上へ流通する。これにより、多孔質セラミックス体２４の主に下面から内流路２４の下部内面にかけての部分が赤熱する。

２次燃焼区２９においては、多孔質セラミックス体２４の周囲に形成された外流路２４ｂに流入した空気が、当該外流路２４ａを上昇する過程で多孔質セラミックス体２４内に周囲から流入する。これにより、多孔質セラミックス体２４及びその上方での燃焼が活発化して火力が強化され、燃焼排ガス温度が高くなると共に燃焼排ガス量が増加し、高温で大量の燃焼排ガスが２次燃焼区２９上端の燃焼排ガス排出口２１ｄから２次燃焼区２９外へ排出されることになる。また、多孔質セラミックス体２４の赤熱が進む。

２次燃焼区２９で生成された高温で大量の燃焼排ガスは、水蒸気改質器３０に加熱媒体として送られ、当該水蒸気改質器３０を内部から加熱した後、酸化剤ガス予熱器４０に流入する。酸化剤ガス予熱器４０に流入した高温で大量の燃焼排ガスは、セルモジュール１０の空気極（カソード）側に供給される空気を予熱することにより、セルモジュール１０の温度を高める。

一方、水蒸気改質器３０においては、当該水蒸気改質器３０が高温で大量の燃焼排ガスにより加熱されることから、当該水蒸気改質器３０が昇温する。当該水蒸気改質器３０が改質温度又はその近傍に到達すると、当該水蒸気改質器３０内に水が供給され始め、その水が蒸発して水蒸気が生成されると共に、その水蒸気が加熱されて昇温する。これにより、都市ガスは高温の水蒸気と混合されて触媒中で加熱されることにより、発電用燃料に水蒸気改質される。その結果、セルモジュール１０の燃料極（アノード）側に流入する都市ガス（原燃料）が発電用燃料に切り替わり、燃焼器２０に流入する燃焼燃料も都市ガス（原燃料）から発電用燃料に切り替わることにより、燃焼器２０での燃焼が続く。

加熱空気によるセルモジュール１０の昇温が進むと、主に都市ガスの流量が絞られ、ホットスタンバイと呼ばれる待機期間に入る。２次燃焼区２９での燃焼は高空気比の希薄燃焼となるが、部分遮蔽部材２２内の１次燃焼区２８での燃焼は、空気量が制限されるため、低空気比の燃料リッチな燃焼となり、燃焼の安定化が図られる。また、１次燃焼区２８に接して２次燃焼区２９内に配置された多孔質セラミックス体２４が赤熱していることから、１次燃焼区２８での失火の危険性は低減する。

発電が開始されるときは、主に都市ガスの流量が増やされる。セルモジュール１０で発電が始まると、セルモジュール１０の燃料極（アノード）側から排出されるアノードオフガスは、発電用燃料から未燃の発電用燃料に切り替わり、そのアノードオフガスが燃焼器２０に燃焼燃料として送られる。また、セルモジュール１０の空気極（カソード）側から排出されるカソードオフガスは、発電用の酸化剤ガス（空気）から未燃の酸化剤ガス（空気）に切り替わり、そのカソードオフガスが燃焼器２０に酸素含有気体として送られる。

これにより、発電運転中も燃焼器２０での燃焼が続く。この燃焼でも、燃料リッチの１次燃焼区２８が２次燃焼区２９の上流側に配置された２段燃焼と、２次燃焼区２９内に１次燃焼区２８と接して配置された多孔質セラミックス体２４の赤熱による保炎効果とにより１次燃焼区２８で安定した燃焼が実現されると共に、１次燃焼区２８での安定した燃焼により２次燃焼区２９で安定した燃焼が実現されることにより、全体として安定な燃焼が続く。このため、発電運転中も高温で多量の燃焼排ガスが水蒸気改質器３０に加熱媒体として供給されて、水蒸気改質器３０での改質反応、その改質反応による発電用燃料の生成に寄与する。

同様に、酸化剤ガス予熱器４０にも高温で大量の燃焼排ガスが送られる。ただし、発電運転中はセルモジュール１０が発熱するので、燃焼排ガスによる酸化剤ガス予熱の有益性は起動時に比べると低い。

このように、本実施形態の燃焼器２０においては、発電運転中だけでなく起動時にもセルモジュールから排出されるオフガスを燃焼器２０の燃焼用原料ガスとして使用する簡易起動モードが実行される。簡易起動モードにおいては、燃焼燃料の流量が大きく変動する。また、燃焼燃料の流量が絞られることにより希薄燃焼となる。

しかしながら、本燃焼器２０においては、燃料リッチなゾーンを前段の１次燃焼区２８に配置した２段燃焼と、後段の２次燃焼区２９に配置した多孔質セラミックス体２４の保炎効果との組み合わせにより、２次燃焼区２９が希薄燃焼でも安定な燃焼が可能になり、失火の危険性が軽減される。これにより、簡易起動モードにおいても安定な燃焼、及びこれによる燃料電池の起動の確実性の向上が可能になり、簡易起動モードの採用による経済性の向上が図られる。

しかも、通気路２１ａの内面が酸素含有気体で冷却されることにより、その内周面２１ｂの過熱が防止されるので、内周面２１ｂの過熱対策が不要となる。その上、通気路２１ａ内に１次燃焼区２８を画成する部分遮蔽部材２２が、酸素含有気体の一部を１次燃焼区２８に流入させる分流部材を兼ねる。これらのために構成が簡単である。

また、本実施形態の燃料電池システムは、その構造が簡易で経済性に優れる上に、安定燃焼が可能な燃焼器２０をセルモジュール１０及び水蒸気改質器３０の加熱源として使用するので、小型で経済性に更に優れ、しかも運転動作の確実性に優れるので、例えば家庭用の小型燃料電池等に特に適する。

なお、上記実施形態では起動法として簡易起動法を用い、この場合に本発明は特に有効であるが、起動時に燃焼器２０の燃焼燃料としてセルモジュール１０を経由しない経路で燃焼器２０に供給される都市ガス等の発電用燃料を用いる起動法を用いる場合も、本発明は燃焼安定化効果を奏し、有効である。

１０ セルモジュール
２０ 燃焼器
２１ 円管
２１ａ 通気路
２１ｂ 内周面
２１ｃ 隙間
２１ｄ 燃焼排ガス排出口
２２ 部分遮蔽部材
２２ａ 気体導入口
２２ｂ 燃料供給口
２３ 燃料供給管
２４ 多孔質セラミックス体
２４ａ 内流路
２４ｂ 外流路
２５ 空気供給管
２７ 着火装置
２８ １次燃焼区
２９ ２次燃焼区
３０ 水蒸気改質器
４０ 酸化剤ガス予熱器

Claims (9)

1. 酸素含有気体が流通する通気路と、
   前記通気路内に配置されて通気路を部分的に遮蔽することにより、その通気路を流通する酸素含有気体の一部を内側に流入させ、残りを外側に導いて気体流通方向下流側へ通過させる部分遮蔽部材と、
   前記部分遮蔽部材の内側に形成され、その内側に流入する一部の酸素含有気体により、外部から前記部分遮蔽部材の内側に供給される燃焼燃料を燃焼させる１次燃焼区と、
   １次燃焼区の気体流通方向下流側に位置して前記通気路内に耐熱性及び通気性のある多孔質セラミックス体が配置され、前記１次燃焼区で発生した燃焼ガスを気体流通方向上流側から下流側へ流通させる内流路が、前記多孔質セラミックス体の中心部近傍に貫通孔により設けられ、前記多孔質セラミックス体の周囲には、前記部分遮蔽部材の外側に導かれて前記１次燃焼区に流入しなかった酸素含有気体を気体流通方向上流側から下流側へ流通させる外流路が設けられた２次燃焼区とを備え、
   前記２次燃焼区に配置された多孔質セラミックス体は、気体流通方向上流側の１次燃焼区と接すると共に、周囲の外流路と接し、
   且つその外流路を流通する酸素含有気体を周囲から流入させて当該セラミックス体内を外周部から内周部へ拡散移動させる燃料電池用燃焼器。
2. 請求項１に記載の燃料電池用燃焼器において、
   ２次燃焼区内の外流路は、前記多孔質セラミック体の外周面と前記通気路の内周面との間に形成された隙間である燃料電池用燃焼器。
3. 請求項１又は２の何れかに記載の燃料電池用燃焼器において、
   遮蔽部材は、気体流通路方向上流側から下流側にかけて漸次拡径し、中心部の周囲に酸素含有気体を導入する気体導入口が設けられ、中心部に燃焼燃料を導入する燃料導入管が接続された錐状部材である燃料電池用燃焼器。
4. 請求項３に記載の燃料電池用燃焼器において、
   錐状部材は、気体流通方向下流側の多孔質セラミックス体を拡径側に支持する支持部材を兼ねる燃料電池用燃焼器。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池用燃焼器において、
   錐状部材は、前記通気路内にその内周面との間に隙間をあけて配置されることにより、前記通気路の内周面との間に、前記１次燃焼区に流入しなかった酸素含有気体の流路を形成する燃料電池用燃焼器。
6. 請求項５に記載の燃料電池用燃焼器において、
   錐状部材は、前記通気路内を流通する酸素含有気体を２次燃焼区内の外通路に導くガイド部材を兼ねる燃料電池用燃焼器。
7. 複数の発電要素の集合体からなり、各発電要素に設けられる一対の電極の何れか一方に水素リッチの発電用燃料が供給され、他方に酸化用ガスが供給されることにより発電を行うセルモジュールと、
   前記セルモジュールの加熱に使用される燃焼ガスを生成する請求項１〜６の何れか一つに記載の燃焼器とを備える燃料電池システムであって、
   前記燃焼器は、前記セルモジュール内の各発電要素の一方の電極から排出されるガスを前記燃焼燃料として使用する燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃焼器は、前記セルモジュール内の各発電要素の他方の電極から排出されるガスを前記酸素含有気体として使用する燃料電池システム。
9. 請求項７又は８に記載の燃料電池システムにおいて、
   水を加熱して得られる水蒸気が原燃料と共に供給されて加熱されることにより前記発電用燃料を生成する改質部を有する水蒸気改質器を備えており、
   前記水蒸気改質器は、原燃料及び水蒸気の加熱に、前記燃焼器の２次燃焼区から排出される燃焼ガスを使用する燃料電池システム。

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