JP7215405B2

JP7215405B2 - 燃焼器

Info

Publication number: JP7215405B2
Application number: JP2019222292A
Authority: JP
Inventors: 卓史小代; 康弘長田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: JP2021093263A

Description

本発明は、燃料電池システムに用いられる燃焼器に関するものである。

燃料電池システムに用いられる従来の燃焼器として、特許文献１に記載の燃焼器がある。この燃焼器では、筐体の内部に、混合ガスを吹き出す混合ガス吹出部が設けられている。また、筐体の内部のうち混合ガス吹出部の近傍に、吹出部から吹き出された混合ガスを着火させる着火部が設けられている。混合ガス吹出部から筐体の内部空間へ混合ガスが吹出される。吹き出された混合ガスが着火部によって着火されて燃焼することで、燃焼ガスが生成する。

特開２０１７－１８３２２６号公報

ところで、上記のような燃焼器において、筐体の内壁面のうち混合ガス吹出部からの混合ガスの吹き出し方向で混合ガス吹出部の形成範囲と対向する部位を所定部位とする。このとき、筐体の所定部位は、燃焼ガスの進行方向の先にあるため、燃焼ガスによって、特に加熱される。このため、筐体の所定部位は、異常高温になるという課題が本発明者によって見出された。

しかし、特許文献１には、混合ガス吹出部とは別に、筐体の内部空間へ空気を吹き出す空気吹出部を筐体の内部に設けることが記載されているが、筐体の所定部位の異常高温を効果的に抑制するための構成は記載されていない。

本発明は上記点に鑑みて、筐体の所定部位の異常高温を効果的に抑制することができる燃焼器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に記載の発明によれば、
燃料電池システムに用いられる燃焼器は、
内部に形成された内部空間で燃料と空気との混合ガスを燃焼させるとともに、内部に冷却用空気を導入するための冷却用空気導入部（４１）を有する筐体（２１）と、
筐体の内部に設けられ、混合ガスを吹き出すとともに、吹き出した混合ガスが燃焼して生成した燃焼ガスを、混合ガスの吹き出し方向に進行させる混合ガス吹出部（３３）と、
筐体の内部のうち混合ガス吹出部よりも筐体に近い側に設けられ、内部空間を混合ガスの燃焼空間（４５）と冷却用空気が流れる空気通路（４６、４７）とに仕切り、筐体の内壁面のうち、混合ガス吹出部からの混合ガスの吹き出し方向で、混合ガス吹出部の形成範囲（Ｒ１）と対向する部位を所定部位（Ｒ２）としたときに、冷却用空気導入部から導入された冷却用空気を空気通路に流すことで、冷却用空気を所定部位に導くガイド部材（４３、４４）と、を備える。

これによれば、ガイド部材によって、筐体の内部に導入された冷却用空気を、筐体の内壁面の所定部位に、燃焼器がガイド部材を備えていない場合と比較して効率良く供給できる。よって、筐体の所定部位の異常高温を効果的に抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、ガイド部材は、筐体の内壁面のうち所定部位に沿って延びている面に対向する対向部（４４）を含む。空気通路を流れる冷却用空気の流れ方向での対向部の下流端（４４ｂ）は、所定部位の少なくとも一部よりも流れ方向での上流側に位置する。請求項１に記載の発明において、具体的には、ガイド部材の下流端の位置をこのような位置とすることができる。これによれば、冷却用空気を、空気通路から流出させて、筐体の内壁面の所定部位に供給することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明において、対向部は、対向部との間に空気通路を形成する筐体の内壁面に沿って延びている。これによれば、冷却用空気の流れを、筐体の内壁面に沿う流れに整流することができる。よって、空気通路から流出した冷却用空気を、筐体の内壁面に沿わせながら所定部位に導くことができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明において、対向部のうち流れ方向での下流側の部分（４４ｃ）では、流れ方向の下流側に進むにつれて、対向部とともに空気通路を形成する筐体の内壁面との距離が短くなっている。これによれば、空気通路から流出する冷却用空気の流速を増大させることができる。このため、所定部位の冷却機能を向上でき、筐体の壁の保護機能を向上させることができる。また、冷却用空気が空気通路を流れるときに、冷却用空気が対向部のうち下流側の部分に沿って流れることで、空気通路から流出した冷却用空気の空気流れは、筐体の内壁面に沿いやすくなる。これにより、冷却用空気によって冷却される筐体の内壁面の冷却範囲を長くすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、
筐体は、筒状の筐体筒状部（２４）を有し、
混合ガス吹出部は、筐体筒状部の中心側に配置され、筐体筒状部の内壁面に向けて放射状に混合ガスを吹き出し、
所定部位は、筐体筒状部の内壁面のうち混合ガス吹出部からの混合ガスの吹き出し方向で、混合ガス吹出部の形成範囲と対向する部位であり、
ガイド部材は、筐体筒状部の内壁面と対向するように、筐体筒状部の内側に配置された筒状のガイド筒状部（４４）を含み、
空気通路は、筐体筒状部の周方向全域にわたって、筐体筒状部の内壁面とガイド筒状部の外壁面との間に形成された筒側空気通路（４７）を含み、
筒側空気通路を流れる冷却用空気の流れ方向でのガイド筒状部の下流端（４４ｂ）は、所定部位の少なくとも一部よりも流れ方向での上流側に位置する。

請求項１に記載の発明において、具体的には、請求項５に記載の発明の構成を採用することができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、
冷却用空気導入部は、筐体筒状部に対して偏心して配置されており、
空気通路は、空気通路のうち冷却用空気の流れ方向での途中の位置に、通路幅が縮小された通路幅縮小部（５２）を有し、
通路幅縮小部は、筐体筒状部の内壁面の周方向に沿って環状に連なっており、冷却用空気導入部から導入された冷却用空気を筒側空気通路の周方向全域に分配し、
通路幅は、通路幅縮小部の周方向全域で、通路幅縮小部を流れることによって生じる圧力損失が、冷却用空気導入部から通路幅縮小部までの通路長さによる圧力損失の最大値よりも大きくなるように設定されている。

通路幅縮小部が形成されていない場合、冷却用空気導入部が筐体筒状部に対して偏心して配置されているとき、筒側空気通路の周方向において、筒側空気通路を流れる冷却用空気の流れに偏りが生じる。これは、冷却用空気導入部が筐体筒状部に対して偏心して配置されているとき、冷却用空気導入部から筒側空気通路までの距離は、筒側空気通路の周方向で異なり、冷却用空気導入部からの距離が長いほど、空気流れに生じる圧力損失が大きくなるからである。

これに対して、請求項６に記載の発明によれば、通路幅縮小部の通路幅は、通路幅縮小部の周方向全域で、通路幅縮小部を流れることによって生じる圧力損失が、冷却用空気導入部から通路幅縮小部までの通路長さによる圧力損失の最大値よりも大きくなるように設定されている。このため、冷却用空気導入部から通路幅縮小部の周方向全域に冷却用空気が分配されるときの、冷却用空気導入部から通路幅縮小部までの通路長さの違いによる分配への影響を小さくできる。これにより、冷却用空気導入部が筐体筒状部に対して偏心して配置されていても、筒側空気通路を流れる冷却用空気の流れに、筒側空気通路の周方向での偏りが生じることを抑制することができる。

請求項７に記載の発明によれば、燃料電池システムに用いられる燃焼器は、
内部に形成された内部空間で燃料と空気との混合ガスを燃焼させるとともに、内部に冷却用空気を導入するための冷却用空気導入部（４１）を有する筐体（２１）と、
筐体の内部に設けられ、混合ガスを吹き出すとともに、吹き出した混合ガスが燃焼して生成した燃焼ガスを、混合ガスの吹き出し方向に進行させる混合ガス吹出部（３３）と、
筐体の内部のうち混合ガス吹出部よりも筐体に近い側に設けられ、内部空間を混合ガスの燃焼空間（４５）と冷却用空気が流れる空気通路（４６、４７）とに仕切り、筐体の内壁面のうち、混合ガス吹出部からの混合ガスの吹き出し方向で、混合ガス吹出部の形成範囲（Ｒ１）と対向する部位を所定部位（Ｒ２）としたときに、冷却用空気導入部から導入された冷却用空気を空気通路に流すことで、冷却用空気を所定部位に導くガイド部材（４３、４４）と、を備え、
ガイド部材は、筐体の内壁面のうち所定部位に沿って延びている面に対向する対向部（４４）を含み、
空気通路を流れる冷却用空気の流れ方向での対向部の下流端（４４ｂ）は、所定部位よりも流れ方向での下流側に位置する。

これによれば、ガイド部材によって、所定部位に向かう燃焼ガスの流れを遮ることができる。これにより、所定部位の温度上昇を抑制することができる。よって、筐体の所定部位の異常高温を効果的に抑制することができる。さらに、これによれば、ガイド部材に対して燃焼ガスによって加熱される側の反対側から、ガイド部材のうち燃焼ガスによって加熱される部分を冷却用空気によって冷却することができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の暖機用燃焼器が適用される燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。第１実施形態の暖機用燃焼器の断面図である。図２中のIII部の拡大図である。ガス流れを示す第１実施形態の暖機用燃焼器の断面図である。第２実施形態の暖機用燃焼器の断面図である。第３実施形態の暖機用燃焼器の断面図である。第４実施形態の暖機用燃焼器の断面図である。

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、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
まず、本発明の燃焼器としての暖機用燃焼器を用いる燃料電池システムについて説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、改質器３、水蒸発器４、空気予熱器５、オフガス用燃焼器６および暖機用燃焼器７などを備えている。

燃料電池２には、都市ガスを水蒸気改質して生成した燃料ガスが供給される。都市ガスは、炭化水素（例えば、メタン）を含む原燃料ガスである。都市ガスは、燃料用ブロア８の駆動により、改質器３に導入される。なお、原燃料ガスとして、都市ガス以外のガスが用いられてもよい。

水蒸発器４には、ポンプ９の駆動により水が供給される。水蒸発器４に供給された水は、オフガス用燃焼器６から排出される燃焼ガスの熱により加熱され、水蒸気となる。水蒸気は、都市ガスと混合されて、改質器３に導入される。

改質器３は、都市ガスと水蒸気との混合ガスおよび触媒が、オフガス用燃焼器６から排出される燃焼ガスの熱により、水蒸気改質反応が可能な温度に加熱される。そして、都市ガスと水蒸気は、改質器３の有する触媒の存在のもとで反応し、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスに改質される。その燃料ガスは、燃料電池２の図示しない燃料極に供給される。

燃料電池２には、酸化剤ガスとしての空気（詳細には、空気中の酸素）が供給される。燃料電池２に供給される空気は、空気用ブロア１０の駆動により外気から取り込まれる。その空気は、空気予熱器５を流れる際、オフガス用燃焼器６から排出される燃焼ガスの熱により加熱される。空気予熱器５で加熱された空気は、燃料電池２の図示しない空気極に供給される。

燃料電池２は、図示しない複数の燃料電池セルの集合体である。燃料電池セルは、例えば、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、電解質を挟んで一方側の面に燃料極（すなわち、アノード）が形成され、他方の面に空気極（すなわち、カソード）が形成された構成となっている。燃料電池２は、燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される酸化剤ガスとしての空気（詳細には、空気中の酸素）との電気化学反応により発電する。

燃料電池２で消費されなかった酸化剤ガスを含むオフ空気は、オフ空気通路１１を経由して、オフガス用燃焼器６に供給される。また、燃料電池２で消費されなかった燃料ガスを含むオフ燃料は、オフ燃料通路１２を経由して、オフガス用燃焼器６に供給される。

オフガス用燃焼器６は、燃料電池２から供給されるオフ燃料とオフ空気とを高温場で自着火により燃焼させるように構成されている。オフガス用燃焼器６でオフ燃料とオフ空気とが燃焼して生成された燃焼ガスは、改質器３、空気予熱器５および水蒸発器４を流れる。

暖機用燃焼器７は、燃料電池システム１の起動時に作動する。暖機用燃焼器７には、都市ガス、燃焼用空気および冷却用空気が供給される。都市ガスは、ガス状の燃焼用燃料である。暖機用燃焼器７は、都市ガスと燃焼用空気との混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、図１中の破線矢印のように、その燃焼ガスの熱により燃料電池２を加熱する。暖機用燃焼器７から流出した燃焼ガスは、オフガス用燃焼器６に供給される。暖機用燃焼器７は、燃料電池システム１の起動時に続く発電時には動作を停止する。

なお、暖機用燃焼器７への都市ガスの供給は、改質器３への都市ガスの供給通路から分岐した通路を経て行われるが、改質器３への都市ガスの供給通路とは独立した都市ガスの供給通路から行われてもよい。また、暖機用燃焼器７へ供給される燃焼用燃料として、都市ガス以外のガスが用いられてもよい。また、暖機用燃焼器７への燃焼用空気と冷却用空気との供給は、共通の空気通路から分岐した２つの空気通路を経て行われるが、互いに独立した空気通路を経て行われてもよい。

次に、暖機用燃焼器７の具体的な構成について説明する。図２に示すように、暖機用燃焼器７は、筐体２１と、混合管２２と、点火プラグ２３とを備える。

筐体２１は、その内部に内部空間を形成している。その内部空間で、燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスが燃焼する。筐体２１は、円筒状の筐体筒状部２４と、天井部２５とを有する。筐体筒状部２４は、その軸心方向Ｄ１が上下方向に平行である向きで設置される。天井部２５は、筐体筒状部２４の軸心方向Ｄ１の一端側に連なる板状部である。本実施形態では、一端側は上端側である。天井部２５は、円形状である。

天井部２５の中心部には、燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスを筐体２１の内部に導入するための混合ガス開口部２６が形成されている。天井部２５の上側には、接続用ブロック２７を介して、燃焼用燃料管２８と、燃焼用空気管２９とが接続されている。燃焼用燃料管２８は、燃焼用燃料が流れる燃料通路を内部に形成する。燃焼用燃料管２８の内部の燃料通路は、混合ガス開口部２６と連通している。燃焼用空気管２９は、燃焼用空気が流れる燃焼用空気通路を内部に形成する。燃焼用空気管２９の内部の燃料用空気通路は、混合ガス開口部２６と連通している。

混合管２２は、筐体２１の内部に設けられている。混合管２２は、天井部２５に接続されている。混合管２２は、天井部２５から下方に向かって延びている。混合管２２の内部は、混合ガス開口部２６に連通している。混合管２２は、燃焼用燃料と燃焼用空気との混合ガスが流れる混合ガス通路を内部に形成する。

混合管２２は、円筒状の混合管筒状部３１と、円形状の底板３２とを有する。混合管筒状部３１は、その軸心方向が筐体筒状部２４の軸心方向Ｄ１に平行となるように、筐体筒状部２４の内側に配置されている。なお、混合管筒状部３１の軸心方向は、筐体筒状部２４の軸心方向Ｄ１と平行でなくてもよく、筐体筒状部２４の軸心方向Ｄ１に沿う方向であればよい。

底板３２は、混合管筒状部３１の下端側に連なっている。混合管筒状部３１のうち底板３２側の所定の範囲には、複数の孔３３が形成されている。複数の孔３３は、混合ガスを筐体２１の内部空間に吹き出す混合ガス吹出部である。複数の孔３３は、混合管筒状部３１の周方向全域にわたって配置されている。このため、複数の孔３３は、筐体筒状部２４の内壁面に向けて混合ガスを放射状に吹き出す。混合管筒状部３１のうち複数の孔３３が形成されている軸心方向Ｄ１での範囲が、複数の孔３３の形成範囲Ｒ１である。複数の孔３３のそれぞれの大きさは、孔からの混合ガスの吹き出し方向が、混合管筒状部３１の軸心方向に対して直交する方向となるように設定されている。

点火プラグ２３は、筐体２１の内部のうち混合管２２の複数の孔３３の近傍に配置されている。点火プラグ２３は、複数の孔３３から吹き出された混合ガスを着火させる着火部である。

このように構成された暖機用燃焼器７では、図４に示すように、都市ガスが燃焼用燃料管２８から混合管２２の内部に導入されるとともに、燃焼用空気が燃焼用空気管２９から混合管２２の内部に導入される。これにより、都市ガスと燃焼用空気とが混合しながら、混合管２２の内部を上方から下方に向かって流れる。すなわち、都市ガスと燃焼用空気との混合ガスが、混合管２２の内部を上方から下方に向かって流れる。

混合管２２の内部を流れる混合ガスは、複数の孔３３から混合管２２の径方向外側に向かって吹き出される。すなわち、混合管２２の内部を流れる混合ガスは、複数の孔３３から筐体筒状部２４に向かって吹き出される。複数の孔３３から吹き出された混合ガスは、点火プラグ２３によって着火されて燃焼する。混合ガスが燃焼して生成した燃焼ガスは、複数の孔３３からの混合ガスの吹き出し方向と同じ方向に進行する。

また、図２に示すように、天井部２５のうち中心部の周りの周辺部に、冷却用空気開口部４１が形成されている。このように、冷却用空気開口部４１は、天井部２５のうち筐体筒状部２４の軸心からずれた位置に配置されている。すなわち、冷却用空気開口部４１は、筐体筒状部２４に対して偏心して配置されている。

冷却用空気開口部４１は、冷却用空気を筐体２１の内部に導入するための空気導入部である。天井部２５の上側には、冷却用空気管４２が接続されている。冷却用空気管４２は、冷却用空気が流れる空気通路を内部に形成する。冷却用空気管４２の内部は、冷却用空気開口部４１と連通している。

また、暖機用燃焼器７は、仕切り板４３と、ガイド板４４とを備える。仕切り板４３およびガイド板４４は、冷却用空気導入部から筐体２１の内部に導入された冷却用空気を筐体２１の所定部位Ｒ２に導くガイド部材である。

仕切り板４３は、筐体２１の内部のうち混合管２２の複数の孔３３よりも天井部２５に近い側に配置されている。仕切り板４３は、天井部２５に対向している。仕切り板４３は、中心部が開口した円形状の板である。仕切り板４３の中心部を混合管２２が貫通している。仕切り板４３は、筐体２１の内部空間を、燃焼空間４５と天井側空気通路４６とに仕切っている。

天井側空気通路４６は、仕切り板４３と天井部２５との間に形成されている。天井側空気通路４６は、天井部２５に沿って冷却用空気が流れる空気通路である。天井側空気通路４６では、冷却用空気開口部４１から導入された空気は、筐体筒状部２４の内壁面の周方向全域に向かって流れる。

仕切り板４３のうち筐体筒状部２４の内壁面側の部位に、後述する筒側空気通路４７の入口４８が形成されている。筒側空気通路４７の入口４８は、筐体筒状部２４の内壁面の周方向に沿った円環状の開口部である。筒側空気通路４７の入口４８は、天井側空気通路４６の出口でもある。

ガイド板４４は、筐体２１の内部のうち混合管２２の複数の孔３３よりも筐体筒状部２４に近い側に配置されている。ガイド板４４は、筐体筒状部２４の内壁面と対向するように、筐体筒状部２４の内側に配置された円筒状のガイド筒状部である。ガイド板４４は、その軸心方向が筐体筒状部２４の軸心方向Ｄ１と平行となるように、設置されている。なお、ガイド板４４の軸心方向は、筐体筒状部２４の軸心方向Ｄ１と平行でなくてもよく、筐体筒状部２４の軸心方向Ｄ１に沿う方向であればよい。

ガイド板４４は、筐体２１の内部空間を、燃焼空間４５と筒側空気通路４７とに仕切っている。筒側空気通路４７は、筒側空気通路４７の入口４８から下方に向かって、筐体筒状部２４の内壁面に接しながら、冷却用空気が流れる空気通路である。筒側空気通路４７は、筐体筒状部２４の周方向全域にわたって、筐体筒状部２４の内壁面とガイド板４４の外壁面との間に形成されている。ガイド板４４の上端４４ａは、仕切り板４３に連なっている。ガイド板４４の下端４４ｂは、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２よりも上側に位置する。換言すると、筒側空気通路４７を流れる冷却用空気の流れ方向でのガイド板４４の下流端４４ｂは、所定部位Ｒ２の全部よりもその流れ方向での上流側に位置する。

所定部位Ｒ２は、筐体筒状部２４のうち燃焼ガスの進行方向の先に位置する部位である。換言すると、所定部位Ｒ２は、筐体筒状部２４のうち、複数の孔３３からの混合ガスの吹き出し方向で、複数の孔３３の形成範囲Ｒ１と対向する部位である。複数の孔３３からの混合ガスの吹き出し方向は、混合管２２の軸心方向に対して直交する方向である。所定部位Ｒ２の軸心方向Ｄ１での長さは、複数の孔３３の形成範囲Ｒ１の軸心方向Ｄ１での長さと同じである。

なお、複数の孔３３からの混合ガスの吹き出し方向は、混合管２２の軸心方向に対して直交する方向でなくてもよい。複数の孔３３からの混合ガスの吹き出し方向は、混合管２２の軸心方向に対して直交する方向を除く、混合管２２の軸心方向に対して交差する方向であってもよい。所定部位Ｒ２は、仕切り板４３およびガイド板４４が配置されておらず、冷却用空気が流されない場合に、筐体筒状部２４のうち燃焼ガスによって特に加熱される部位であって、筐体筒状部２４を構成する壁のなかで高温となる部分である。このため、このような場合に、複数の孔３３から筐体筒状部２４を構成する壁のなかで高温となる部分に向かう方向が、複数の孔３３からの混合ガスの吹き出し方向である。

筐体筒状部２４の内壁面の同一面内に、所定部位Ｒ２が位置する。このため、本実施形態では、筐体筒状部２４の内壁面が、筐体の内壁面のうち所定部位Ｒ２に沿って延びている面に相当する。筐体の内壁面のうち所定部位Ｒ２に沿って延びている面には、所定部位Ｒ２に対して同一面である面と、所定部位Ｒ２に対して屈曲部を介さずになだらかに連なる面とが含まれる。また、ガイド板４４は、筐体筒状部２４の内壁面に対向している。このため、ガイド板４４が、筐体の内壁面のうち所定部位Ｒ２に沿って延びている面に対向する対向部に相当する。筐体筒状部２４の内壁面は、対向部とともに空気通路を形成する筐体の内壁面である。

また、図３に示すように、暖機用燃焼器７は、縮小部形成部材５１を備える。縮小部形成部材５１は、天井側空気通路４６のうち外周側部分の周方向全域に配置されている。すなわち、縮小部形成部材５１は、混合管２２の位置を中心側とする環状の部材である。縮小部形成部材５１は、天井側空気通路４６のうちの外周側部分の周方向全域に、通路幅縮小部５２を形成する。これにより、天井側空気通路４６の一部は、通路幅縮小部５２となっている。通路幅縮小部５２は、縮小部形成部材５１と仕切り板４３との間に形成されている。通路幅縮小部５２は、筐体筒状部２４の内壁面の周方向に沿って環状に連なっている。通路幅縮小部５２は、冷却用空気開口部４１から導入された冷却用空気を筒側空気通路４７の周方向全域に分配する。

通路幅縮小部５２は、天井側空気通路４６のうち通路幅縮小部５２に対して冷却用空気の流れ方向での直前の部分よりも通路幅が縮小された部分である。通路幅縮小部５２の通路幅（すなわち、本実施形態では通路幅縮小部５２の通路高さ）は、通路幅縮小部５２を流れることによって生じる圧力損失が、冷却用空気開口部４１から通路幅縮小部５２までの通路長さによる圧力損失の最大値よりも大きくなるように設定されている。したがって、通路幅縮小部５２は、冷却用空気開口部４１から通路幅縮小部５２までの通路長さによる圧力損失の最大値よりも大きな圧力損失を形成する圧損形成部である。本実施形態では、通路幅縮小部５２の通路幅は、通路幅縮小部５２の周方向全域で同じ大きさである。このため、通路幅縮小部５２を冷却用空気が流れるときの通路幅縮小部５２の周方向で比較した圧力損失は、同じである。

このように構成された暖機用燃焼器７では、図４に示すように、冷却用空気管４２を流れる冷却用空気は、冷却用空気開口部４１から天井側空気通路４６に導入される。冷却用空気開口部４１から導入された冷却用空気は、天井側空気通路４６の外周側に位置する筒側空気通路４７の入口４８に向かって放射状に、天井側空気通路４６を流れる。このとき、冷却用空気は、図３に示す通路幅縮小部５２を通過する。その後、冷却用空気は、筒側空気通路４７の入口４８の周方向全域から筒側空気通路４７に流入する。冷却用空気は、筒側空気通路４７の入口４８から下方に向かって、筒側空気通路４７を流れた後、筒側空気通路４７の出口４９から流出する。筒側空気通路４７の出口４９から流出した冷却用空気は、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２に向かって、筐体筒状部２４の内壁面に沿って流れる。

筒側空気通路４７から流出した冷却用空気は、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２で、燃焼ガスに合流する。冷却用空気の合流後の燃焼ガスは、下方に向かって流れ、暖機用燃焼器７から排出される。冷却用空気の合流後の燃焼ガスが暖機用燃焼器７の内部を流れるときに、燃焼ガスからの対流伝熱または輻射伝熱によって、暖機用燃焼器７の外部に位置する燃料電池２が加熱される。なお、暖機用燃焼器７から流出した燃焼ガスが、燃料電池２の内部を流れるように構成されていてもよい。

次に、本実施形態の暖機用燃焼器７の効果について説明する。

（１）本実施形態の暖機用燃焼器７と異なり、冷却用空気が筐体２１の内部に導入されない場合、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２は、燃焼ガスの進行方向の先にあるため、燃焼ガスによって、特に加熱される。このため、所定部位Ｒ２は、異常高温になる。

また、本実施形態の暖機用燃焼器７と異なり、仕切り板４３およびガイド板４４が設置されておらず、冷却用空気開口部４１から筐体２１の内部空間に冷却用空気が導入される場合、冷却用空気は冷却用空気開口部４１から筐体２１の内部空間に拡散する。このため、冷却用空気を効率良く筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２に供給することができない。また、冷却用空気が筐体２１の内部空間に拡散することで、混合ガスの燃焼性能に悪影響を及ぼす。すなわち、内部空間のうち混合ガスの燃焼領域へ冷却用空気が供給されることで、燃焼領域での空気割合が多くなり、燃焼が不安定になる。

これに対して、本実施形態の暖機用燃焼器７では、筐体２１は、筐体２１の内部へ冷却用空気を導入するための冷却用空気開口部４１を有する。このため、冷却用空気開口部４１から筐体２１の内部へ冷却用空気が導入される。仕切り板４３およびガイド板４４は、筐体２１の内部空間を、天井側空気通路４６および筒側空気通路４７を含む空気通路４６、４７と、燃焼空間４５とに仕切っている。仕切り板４３およびガイド板４４は、冷却用空気開口部４１から筐体２１の内部へ導入された冷却用空気を、その空気通路４６、４７に流すことで、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２に導く。このとき、ガイド板４４は、所定部位Ｒ２に対して同一面の筐体筒状部２４の内壁面に対向している。このため、ガイド板４４と筐体筒状部２４との間に形成される筒側空気通路４７を冷却用空気が流れることで、所定部位Ｒ２に向かう空気流れが形成される。

これによれば、仕切り板４３およびガイド板４４が設置されていない場合と比較して、筐体２１の内部へ導入された冷却用空気を、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２に効率良く供給することができる。よって、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２の異常高温を効果的に抑制することができる。

さらに、仕切り板４３およびガイド板４４が設置されていない場合と比較して、燃焼領域への冷却用空気の供給を抑制することができる。よって、冷却用空気が燃焼性能へ悪影響を及ぼすことを抑制することができる。

（２）本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、ガイド板４４は、筐体筒状部２４の内壁面に沿って延びる板状の部材である。これにより、筐体筒状部２４とガイド板４４との間に形成される筒側空気通路４７を冷却用空気が流れるときに、冷却用空気の流れを筐体筒状部２４の内壁面に沿う方向に整流できる。この結果、ガイド板４４よりも冷却用空気の流れの下流側においても、筐体筒状部２４の内壁面に沿う冷却用空気の流れを維持できる。

なお、ガイド板４４の下流端４４ｂの位置は、図２に示す位置よりも、仕切り板４３に近い側に位置していてもよい。すなわち、軸心方向Ｄ１でのガイド板４４の長さが、図２に示すガイド板４４よりも短くてもよい。この場合であっても、ガイド板４４と筐体筒状部２４とによって、筐体筒状部２４の内壁面に沿う冷却用空気の流れを形成できる。仕切り板４３およびガイド板４４が設置されていない場合と比較して、筐体２１の内部へ導入された冷却用空気を、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２に効率良く供給することができる。

（３）本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、冷却用空気開口部４１は、筐体筒状部２４に対して偏心して配置されている。天井側空気通路４６の一部は、通路幅縮小部５２となっている。

ここで、本実施形態の暖機用燃焼器７と異なり、通路幅縮小部５２が形成されていない場合、冷却用空気開口部４１が筐体筒状部２４に対して偏心して配置されているとき、筒側空気通路４７の周方向において、筒側空気通路４７を流れる冷却用空気の流れに偏りが生じる。これは、冷却用空気開口部４１が筐体筒状部２４に対して偏心して配置されているとき、冷却用空気開口部４１から筒側空気通路４７の入口４８までの距離は、筒側空気通路４７の周方向で異なるからである。冷却用空気開口部４１から筒側空気通路４７の入口４８までの距離が長いほど、空気流れに生じる圧力損失が大きくなる。このため、筒側空気通路４７のうち冷却用空気開口部４１に近い側では、冷却用空気の流量が多くなる。筒側空気通路４７のうち冷却用空気開口部４１に遠い側では、冷却用空気の流量が少なくなる。

これに対して、本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、通路幅縮小部５２の周方向全域で、通路幅縮小部５２を流れることによって生じる圧力損失が、冷却用空気開口部４１から通路幅縮小部５２までの通路長さによる圧力損失の最大値よりも大きくなるように、通路幅縮小部５２の通路幅が設定されている。このため、冷却用空気開口部４１から通路幅縮小部５２の周方向全域に冷却用空気が分配されるときの、冷却用空気開口部４１から通路幅縮小部５２までの通路長さの違いによる分配への影響を小さくすることができる。これにより、冷却用空気開口部４１が筐体筒状部２４に対して偏心して配置されていても、筒側空気通路４７を流れる冷却用空気の流れに、筐体筒状部２４の周方向での偏りが生じることを抑制することができる。

本実施形態の暖機用燃焼器７では、通路幅縮小部５２の通路幅は、通路幅縮小部５２の周方向全域で同じ大きさである。このため、通路幅縮小部５２を冷却用空気が流れるときの通路幅縮小部５２の周方向で比較した圧力損失は、同じである。よって、筐体筒状部２４の周方向全域に対して均等に冷却用空気を流すことができる。したがって、本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、冷却用空気開口部４１を天井部２５のどの位置に設けても、筐体筒状部２４の周方向全域に対して均等に冷却用空気を流すことができる。

なお、通路幅縮小部５２の通路幅は、通路幅縮小部５２の周方向全域で同じ大きさでなくてもよい。通路幅縮小部５２を流れることによって生じる圧力損失が、冷却用空気開口部４１から通路幅縮小部５２までの通路長さによる圧力損失の最大値よりも大きくなるように、通路幅縮小部５２の通路幅が設定されていればよい。これにより、冷却用空気開口部４１が筐体筒状部２４に対して偏心して配置されていても、筒側空気通路４７を流れる冷却用空気の流れに、筐体筒状部２４の周方向での偏りが生じることを抑制することができる。

（第２実施形態）
図５に示すように、本実施形態では、暖機用燃焼器７のガイド板４４の下端４４ｂの位置が、第１実施形態と異なる。暖機用燃焼器７の他の構成は、第１実施形態と同じである。

本実施形態では、ガイド板４４の下端４４ｂは、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２の上端Ｒ２ａと下端Ｒ２ｂとの間に位置する。換言すると、筒側空気通路４７を流れる冷却用空気の流れ方向において、ガイド板４４の下流端４４ｂは、所定部位Ｒ２の上流端Ｒ２ａよりも下流側に位置するとともに、所定部位Ｒ２の下流端Ｒ２ｂよりも上流側に位置する。さらに、換言すると、筒側空気通路４７を流れる冷却用空気の流れ方向において、ガイド板４４の下流端４４ｂは、所定部位Ｒ２の下流端Ｒ２ｂ側の一部Ｒ２１よりも上流側に位置する。

本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、仕切り板４３およびガイド板４４によって、所定部位Ｒ２のうちガイド板４４の下流端４４ｂよりも冷却用空気の流れ方向での下流側の範囲Ｒ２１に、第１実施形態と同様に、冷却用空気を効率良く供給することができる。このため、冷却用空気によって、所定部位Ｒ２の下流側の範囲Ｒ２１を効率良く冷却することができる。

さらに、本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、ガイド板４４によって、所定部位Ｒ２のうちガイド板４４の下流端４４ｂよりも冷却用空気の流れ方向での上流側の範囲Ｒ２２に向かう燃焼ガスの流れを遮ることができる。これにより、所定部位Ｒ２の上流側の範囲Ｒ２２の温度上昇を抑制することができる。

これらにより、本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２の異常高温を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の暖機用燃焼器７では、ガイド板４４のうち下流端４４ｂ側の部分が、燃焼ガスによって加熱される。しかしながら、ガイド板４４に対して燃焼ガスによって加熱される側の反対側から冷却用空気を当てることによって、ガイド板４４の下流端４４ｂ側の部分を冷却することができる。

また、本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、第１実施形態の（２）、（３）の効果が得られる。

（第３実施形態）
図６に示すように、本実施形態では、暖機用燃焼器７のガイド板４４のうち冷却用空気流れの下流側の部分の形状が、第１実施形態と異なる。暖機用燃焼器７の他の構成は、第１実施形態と同じである。

ガイド板４４のうち下流側の部分４４ｃは、筐体筒状部２４側へ曲がっている。すなわち、ガイド板４４のうち下流側の部分４４ｃは、筒側空気通路４７を流れる冷却用空気の流れ方向での下流側に進むにつれて、筐体筒状部２４との距離が短くなるように、筐体筒状部２４の軸心方向Ｄ１に対して傾いている。本実施形態においても、ガイド板４４は、筐体の内壁面のうち所定部位Ｒ２に沿って延びている面に対向する対向部に相当する。また、筐体筒状部２４は、対向部とともに空気通路を形成する筐体の内壁面に相当する。

本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、第１実施形態の暖機用燃焼器７と同様の効果を奏する。さらに、本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、以下の効果を奏する。

本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、筒側空気通路４７の出口４９の流路断面積は、筒側空気通路４７のなかで最小である。このため、筐体２１の内部に導入される冷却用空気の流量が同じ条件で、ガイド板４４のうち下流側の部分が傾いていない場合と比較した場合に、筒側空気通路４７から流出する冷却用空気の流速を増大させることができる。これにより、所定部位Ｒ２の冷却機能を向上でき、筐体２１の壁の保護機能を向上させることができる。

また、本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、冷却用空気が筒側空気通路４７を流れるときに、冷却用空気がガイド板４４のうち下流側の部分４４ｃに沿って流れることで、筒側空気通路４７から流出した冷却用空気の空気流れは、筐体筒状部２４の内壁面に沿いやすくなる。これにより、冷却用空気によって冷却される筐体筒状部２４の内壁面の冷却範囲を長くすることができる。

なお、本実施形態では、ガイド板４４のうち下流側の部分４４ｃは、平坦であるが、湾曲していてもよい。また、本実施形態では、ガイド板４４のうち下流側の部分４４ｃは、ガイド板４４の下流端４４ｂが含まれるが、下流端４４ｂが含まれなくてもよい。

（第４実施形態）
図７に示すように、本実施形態では、暖機用燃焼器７のガイド板４４の下端４４ｂの位置が、第１実施形態と異なる。暖機用燃焼器７の他の構成は、第１実施形態と同じである。

本実施形態では、ガイド板４４の下端４４ｂは、混合管２２の下端よりも下側に位置する。このため、ガイド板４４の下端４４ｂは、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２よりも下側に位置する。換言すると、筒側空気通路４７を流れる冷却用空気の流れ方向において、ガイド板４４の下流端４４ｂは、所定部位Ｒ２の全部よりも下流側に位置する。

本実施形態の暖機用燃焼器７によれば、ガイド板４４によって、所定部位Ｒ２に向かう燃焼ガスの流れを遮ることができる。これにより、所定部位Ｒ２の温度上昇を抑制することができる。よって、筐体筒状部２４の所定部位Ｒ２の異常高温を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の暖機用燃焼器７では、ガイド板４４が、燃焼ガスによって加熱される。しかしながら、ガイド板４４に対して燃焼ガスによって加熱される側の反対側から冷却用空気を当てることによって、ガイド板４４を冷却することができる。

（他の実施形態）
（１）第１実施形態では、通路幅縮小部５２は、縮小部形成部材５１と仕切り板４３との間に形成されている。しかしながら、通路幅縮小部５２は、縮小部形成部材５１と天井部２５との間に形成されてもよい。また、通路幅縮小部５２は、縮小部形成部材５１を用いずに形成されてもよい。例えば、仕切り板４３の一部が天井部２５側に曲げられた形状であることによって、仕切り板４３と天井部２５との間に、通路幅縮小部５２が形成されてもよい。例えば、天井部２５の一部が仕切り板４３側に曲げられた形状であることによって、仕切り板４３と天井部２５との間に、通路幅縮小部５２が形成されてもよい。

（２）第１実施形態では、通路幅縮小部５２は、天井側空気通路４６に形成されている。しかしながら、通路幅縮小部は、天井側空気通路４６ではなく、筒側空気通路４７に形成されてもよい。例えば、筒側空気通路４７の入口４８の通路幅が、上記した通路幅縮小部５２の通路幅と同じように設定されていてもよい。この場合、筒側空気通路４７の入口４８が、通路幅縮小部に相当する。

また、例えば、筒側空気通路４７の途中の通路幅が、上記した通路幅縮小部５２の通路幅と同じように設定されていてもよい。このように、通路幅縮小部は、冷却用空気開口部４１から筒側空気通路４７の出口までの空気通路のうち冷却用空気の流れ方向での途中の位置に、形成されていればよい。

また、例えば、筒側空気通路４７の途中の位置での通路幅が、上記した通路幅縮小部５２の通路幅と同じように設定される場合、冷却用空気開口部４１は、天井部２５ではなく、筐体筒状部２４に形成されてもよい。この場合、暖機用燃焼器７は、仕切り板４３を備えておらず、ガイド板４４の上端４４ａが天井部２５に連なっていてもよい。

（３）上記の各実施形態では、筐体筒状部２４は円筒状である。しかしながら、筐体筒状部２４は、筐体筒状部２４の軸心方向に垂直な断面での形状が多角形等の筒状であってもよい。同様に、ガイド板４４は、ガイド板４４の軸心方向に垂直な断面での形状が多角形等の筒状であってもよい。

（４）上記の各実施形態では、暖機用燃焼器７において、混合ガスは、混合管２２の内部を上方から下方に向かって流れる。冷却用空気は、筐体２１の内部を上方から下方に向かって流れる。しかしながら、上記の各実施形態の暖機用燃焼器７において、混合ガス開口部２６および冷却用空気開口部４１が筐体２１のうち下側の部分に形成され、混合ガスが混合管２２の内部を下方から上方に向かって流れるとともに、冷却用空気が筐体２１の内部を下方から上方に向かって流れるように構成されてもよい。

また、暖機用燃焼器は、次のように構成されてもよい。筐体は、内壁面としての上面と、上面に対して直交する側面とを有する。混合ガス吹出部および冷却用空気導入部は、上面よりも下方に配置される。混合ガス吹出部から上面に向けて混合ガスを吹き出す。上面のうち、混合ガス吹出部からの混合ガスの吹き出し方向で、混合ガス吹出部の形成範囲と対向する部位が所定部位である。ガイド部材は、側面と上面との両方に対向して設けられる。ガイド部材は、側面と上面とに沿って、冷却用空気導入部から導入された冷却用空気を、上面の所定部位に導く。この場合、上面が、筐体の内壁面のうち所定部位に沿って延びている面に相当する。ガイド部材のうち上面に対向する部分が、筐体の内壁面のうち所定部位に沿って延びている面に対向する対向部に相当する。

（５）上記の各実施形態では、本発明の燃焼器を、暖機用燃焼器７に適用している。しかしながら、本発明の燃焼器を、オフガス用燃焼器６に適用してもよい。この場合、燃焼用燃料として、都市ガスの替わりに、オフ燃料ガスが導入される。

（６）本発明は上記した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り、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記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。また、上記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るものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、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材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

２１筐体
３３混合管の孔
４１冷却用空気開口部
４３仕切り板
４４ガイド板
４５燃焼空間
４６天井側空気通路
４７筒側空気通路

Claims

燃料電池システムに用いられる燃焼器であって、
内部に形成された内部空間で燃料と空気との混合ガスを燃焼させるとともに、内部に冷却用空気を導入するための冷却用空気導入部（４１）を有する筐体（２１）と、
前記筐体の内部に設けられ、前記混合ガスを吹き出すとともに、吹き出した前記混合ガスが燃焼して生成した燃焼ガスを、前記混合ガスの吹き出し方向に進行させる混合ガス吹出部（３３）と、
前記筐体の内部のうち前記混合ガス吹出部よりも前記筐体に近い側に設けられ、前記内部空間を前記混合ガスの燃焼空間（４５）と前記冷却用空気が流れる空気通路（４６、４７）とに仕切り、前記筐体の内壁面のうち、前記混合ガス吹出部からの前記混合ガスの吹き出し方向で、前記混合ガス吹出部の形成範囲（Ｒ１）と対向する部位を所定部位（Ｒ２）としたときに、前記冷却用空気導入部から導入された前記冷却用空気を前記空気通路に流すことで、前記冷却用空気を前記所定部位に導くガイド部材（４３、４４）と、を備える、燃焼器。
前記ガイド部材は、前記筐体の内壁面のうち前記所定部位に沿って延びている面に対向する対向部（４４）を含み、
前記空気通路を流れる前記冷却用空気の流れ方向での前記対向部の下流端（４４ｂ）は、前記所定部位の少なくとも一部よりも前記流れ方向での上流側に位置する、請求項１に記載の燃焼器。
前記対向部は、前記対向部との間に前記空気通路を形成する前記筐体の内壁面に沿って延びている、請求項２に記載の燃焼器。
前記対向部のうち前記流れ方向での下流側の部分（４４ｃ）では、前記流れ方向の下流側に進むにつれて、前記対向部とともに前記空気通路を形成する前記筐体の内壁面との距離が短くなっている、請求項２に記載の燃焼器。
前記筐体は、筒状の筐体筒状部（２４）を有し、
前記混合ガス吹出部は、前記筐体筒状部の中心側に配置され、前記筐体筒状部の内壁面に向けて放射状に前記混合ガスを吹き出し、
前記所定部位は、前記筐体筒状部の内壁面のうち前記混合ガス吹出部からの前記混合ガスの吹き出し方向で、前記混合ガス吹出部の形成範囲と対向する部位であり、
前記ガイド部材は、前記筐体筒状部の内壁面と対向するように、前記筐体筒状部の内側に配置された筒状のガイド筒状部（４４）を含み、
前記空気通路は、前記筐体筒状部の周方向全域にわたって、前記筐体筒状部の内壁面と前記ガイド筒状部の外壁面との間に形成された筒側空気通路（４７）を含み、
前記筒側空気通路を流れる前記冷却用空気の流れ方向での前記ガイド筒状部の下流端（４４ｂ）は、前記所定部位の少なくとも一部よりも前記流れ方向での上流側に位置する、請求項１に記載の燃焼器。
前記冷却用空気導入部は、前記筐体筒状部に対して偏心して配置されており、
前記空気通路は、前記空気通路のうち前記冷却用空気の流れ方向での途中の位置に、通路幅が縮小された通路幅縮小部（５２）を有し、
前記通路幅縮小部は、前記筐体筒状部の内壁面の周方向に沿って環状に連なっており、前記冷却用空気導入部から導入された前記冷却用空気を前記筒側空気通路の周方向全域に分配し、
前記通路幅は、前記通路幅縮小部の周方向全域で、前記通路幅縮小部を流れることによって生じる圧力損失が、前記冷却用空気導入部から前記通路幅縮小部までの通路長さによる圧力損失の最大値よりも大きくなるように設定されている、請求項５に記載の燃焼器。
燃料電池システムに用いられる燃焼器であって、
内部に形成された内部空間で燃料と空気との混合ガスを燃焼させるとともに、内部に冷却用空気を導入するための冷却用空気導入部（４１）を有する筐体（２１）と、
前記筐体の内部に設けられ、前記混合ガスを吹き出すとともに、吹き出した前記混合ガスが燃焼して生成した燃焼ガスを、前記混合ガスの吹き出し方向に進行させる混合ガス吹出部（３３）と、
前記筐体の内部のうち前記混合ガス吹出部よりも前記筐体に近い側に設けられ、前記内部空間を前記混合ガスの燃焼空間（４５）と前記冷却用空気が流れる空気通路（４６、４７）とに仕切り、前記筐体の内壁面のうち、前記混合ガス吹出部からの前記混合ガスの吹き出し方向で、前記混合ガス吹出部の形成範囲（Ｒ１）と対向する部位を所定部位（Ｒ２）としたときに、前記冷却用空気導入部から導入された前記冷却用空気を前記空気通路に流すことで、前記冷却用空気を前記所定部位に導くガイド部材（４３、４４）と、を備え、
前記ガイド部材は、前記筐体の内壁面のうち前記所定部位に沿って延びている面に対向する対向部（４４）を含み、
前記空気通路を流れる前記冷却用空気の流れ方向での前記対向部の下流端（４４ｂ）は、前記所定部位よりも前記流れ方向での下流側に位置する、燃焼器。