JP7305049B2 - 燃焼および熱交換アセンブリ並びにｓｏｆｃシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の技術分野に関し、より具体的には、燃焼および熱交換アセンブリ並びに固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムに関する。

ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）システムは、固体酸化物を電解質として使用し、高温で作動する燃料電池である。
ＳＯＦＣシステムは、バーナーと空気熱交換器とを備えている。
バーナーは、燃焼および排気用の構成要素であり、空気熱交換器は、バーナーの排気を使って吸入した空気を加熱する。

公知の技術では、バーナーは、パイプラインを介して空気熱交換器に接続されている。
バーナーおよび空気熱交換器をこのように配置すると、容量が大きくなる。
容量および重量が大きいと、ＳＯＦＣシステムを車両内への配置の際に不利になる。

本発明の第１の目的は、バーナーおよび空気熱交換器が大容量になり、車両内への配置の際に不利な問題を解決するように設計された構造を備えている燃焼および熱交換アセンブリを提供することである。
本発明の第２の目的は、前述の燃焼および熱交換アセンブリを含むＳＯＦＣシステムを提供することである。

本発明の第１の態様では、ケーシングと該ケーシング内に配置されている仕切りとを備えるＳＯＦＣシステムの燃焼および熱交換アセンブリであって、前記仕切りが、ケーシングの内部を燃焼室と熱交換室とに分割し、前記燃焼室内に配置される燃焼ユニットが、点火器と燃焼ノズルと燃料ガス供給管と空気送り装置とを含み、前記燃焼ノズルが、中央空洞とこの中央空洞に連通する複数の火炎流路とを含み、火炎を放出するための複数の貫通孔が、この火炎流路内で仕切りに近接する側に配置され、前記空気送り装置が、空気を前記中央空洞に送るために用いられ、熱交換ユニットが、熱交換室内に配置され、この熱交換ユニットが、互いに独立する低温流路と高温流路とを含み、この高温流路に連通するガス流路口が、前記仕切りに配置されている、ＳＯＦＣシステムの燃焼および熱交換アセンブリが、提供される。

前記燃焼ユニットは、燃焼ノズルの上側に配置されている火炎モニターをさらに備えていてもよい。

前記燃焼ユニットは、燃焼ノズルの、前記仕切りに近接している側に配置されている火炎保持器をさらに備えていてもよい。

前記火炎保持器の断面が、連続したＷ字型の形状であってもよく、その場合、火炎保持器には、内部に複数のＷ字型流路が設けられており、仕切りから離れている火炎保持器の端面には、複数の入口が設けられており、仕切りに近接している火炎保持器の端面には、複数の出口が設けられている。

前記燃焼ユニットは、燃焼ノズルの前記仕切りに近接している側に配置されている触媒バーナーをさらに備えていてもよく、この触媒バーナーが、多孔質プレート構造を有し、該多孔質プレート構造が、触媒で覆われていてもよい。

前記燃焼および熱交換アセンブリが、第１の出口および第２の出口を含む空気分流器を、さらに備えていてもよく、その場合、燃焼および熱交換アセンブリが、燃焼室内に配置されている分離フードをさらに備え、この分離フードが、前記点火器、空気送り装置および燃焼ノズルの上を覆い、前記空気分流器の第１の出口が、分離フードの内部および空気送り装置に連通し、この空気送り装置の第２の出口が、分離フードの外部に連通し、この分離フードから排出された燃焼排出ガスが、分離フードの外側の空気と混合された後、高温流路に流入するように送られる。

前記燃料ガス供給管が、収束部分および副供給部分を含んでいてもよく、この副供給部分が、並行して配置されている第１の管と第２の管とを含む。
熱交換ユニットが、複数の熱交換フィンを含んでもよい。

前記火炎流路が、環状流路と複数の放射状流路とを含んでもよく、これらの複数の放射状流路のそれぞれの一端が、中央空洞に連通し、他端が、環状流路に連通している。

本発明の第２の態様では、燃焼および熱交換アセンブリを含むＳＯＦＣシステムが提供される。

本発明で提供されるＳＯＦＣシステムの燃焼および熱交換アセンブリは、ケーシングと仕切りと燃焼ユニットと熱交換ユニットとを含む。
仕切りは、ケーシング内に配置され、ケーシングの内部を燃焼室と熱交換室とに分割する。

燃焼ユニットは、燃焼室内に配置され、点火器と燃焼ノズルと燃料ガス供給管と空気送り装置とを含む。
点火器は、燃料ガスの点火に使用される。
燃焼ノズルは、中央空洞とこの中央空洞に連通している複数の火炎流路とを含み、火炎を放出するための複数の貫通孔が、火炎流路内で仕切りに近接している側に配置されている。
燃料ガスは、中央空洞で空気と混合され、この中央空洞で点火される。
空気送り装置は、中央空洞に空気を送るために使用される。
燃料ガス供給管は、中央空洞に燃料ガスを供給するために使用される。

熱交換ユニットは、熱交換室内に配置され、互いに独立している低温流路と高温流路とを含む。
高温流路に連通しているガス流路口が、仕切りに配置されている。
言い換えると、燃焼室内の排出ガスは、ガス流路口を介して高温流路に流入可能である。

前述の実施形態で提供される燃焼および熱交換アセンブリを用いる場合、空気送り装置を用いて空気を中央空洞に送り、燃料ガス供給管が燃料ガスを中央空洞に供給し、点火器が中央空洞内の燃料ガスに点火する。
点火された燃料ガスは、複数の火炎流路に流入し、燃焼ノズルの貫通孔から噴出する。
燃焼室内の排出ガスは、ガス流路口を介して高温流路に流入する。
高温流路内の燃焼排出ガスは、低温流路内の流体と熱を交換して、低温流路内の流体の温度を上昇させ、熱交換の目的を達成する。
具体的には、低温流路内の流体は、固体燃料電池の積層体に流入する新鮮な空気であってもよい。
言い換えると、積層体に流入する前の空気が、低温流路内で加熱され、燃焼室に流入する空気は、燃料電池の反応後の残存空気であってもよい。
つまり、燃焼室に流入する空気は、積層体から排出されるガスであってもよい。

さらに、本発明には、ＳＯＦＣシステムが含まれる。
ＳＯＦＣシステムは、前述の燃焼および熱交換アセンブリのいずれかを含む。
燃焼および熱交換アセンブリは、上述の技術的効果を有するので、燃焼および熱交換アセンブリを含むＳＯＦＣシステムも、また、対応する技術的効果を有する。

以下の説明する図面は、本発明の実施形態を示している。

燃焼および熱交換アセンブリの構造概略図である。

燃焼および熱交換アセンブリの別の構造概略図である。

燃焼および熱交換アセンブリのガスフロー図である。

燃焼および熱交換アセンブリの別のガスフロー図である。

空気分流器の構造概略図である。

燃焼ノズルの構造概略図である。

触媒バーナーの構造概略図である。

熱交換ユニットの構造概略図である。

図１から図８では、次の参照符号が用いられている。
１－ケーシング、２－熱交換ユニット、２ａ－熱交換フィン、３－触媒バーナー、
４－分離フード、５－点火器、６－第１の管、７－第２の管、８－積層体の空気出口、
９－空気分流器、９ａ－第１の出口、９ｂ－第２の出口、
１０－燃焼ノズル、１０ａ－環状流路、１０ｂ－放射状流路、
１１－火炎保持器、１２－仕切り。

本発明の第１の目的は、バーナーおよび空気熱交換器が大容量になり、車両内への配置の際に不利な問題を解決するように設計された構造を備えている燃焼および熱交換アセンブリを提供することである。
本発明の第２の目的は、前述の燃焼および熱交換アセンブリを含むＳＯＦＣシステムを提供することである。

本発明の実施形態を、図面と併せて以下に説明する。
説明される実施形態は、本発明の実施形態の全てではなく、一部に過ぎない。

本発明の説明において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」および「右」などの方向または位置関係を示す用語は、図面に示されている方向または位置関係に基づいている。
これらの用語の使用は、本発明の説明を容易にし、単純化することのみを目的としており、装置または要素が特定の方向性を有したり、特定の方向に構築および操作されなければならないことを示したり暗示したりするものではなく、本問題の解決方法を限定するものではない。
さらに、「第１の」および「第２の」という用語は、説明のみを目的として使用しており、相対的な重要性を示したり暗示したり、例示された技術的特徴の量を暗示したりするものではない。

図１から図８に示すように、本発明で提供されるＳＯＦＣシステムの燃焼および熱交換アセンブリは、ケーシング１、仕切り１２、燃焼ユニットおよび熱交換ユニット２を含む。
仕切り１２は、ケーシング１内に配置され、このケーシング１の内部を燃焼室と熱交換室とに分割する。

燃焼ユニットは、燃焼室内に配置され、点火器５、燃焼ノズル１０、燃料ガス供給管および空気送り装置を含む。
点火器５は、燃料ガスを点火するために使用される。
燃焼ノズル１０は、中央空洞とこの中央空洞に連通している複数の火炎流路とを含み、火炎を放出するための複数の貫通孔が、火炎流路内で仕切り１２に近接している側に配置されている。
燃料ガスは、中央空洞で空気と混合され、この中央空洞で点火される。
空気送り装置は、中央空洞に空気を送るために使用される。
燃料ガス供給管は、中央空洞に燃料ガスを供給するために使用される。

熱交換ユニット２は、熱交換室内に配置され、互いに独立している低温流路と高温流路とを含む。
高温流路に連通しているガス流路口が、仕切り１２に配置されている。
言い換えると、燃焼室内の排出ガスは、ガス流路口を介して高温流路に流入可能である。

前述の実施形態で提供される燃焼および熱交換アセンブリを用いる場合、空気送り装置を用いて空気を中央空洞に送り、燃料ガス供給管が燃料ガスを中央空洞に供給し、点火器５が中央空洞内の燃料ガスに点火する。
点火された燃料ガスは、複数の火炎流路に流入し、次に、燃焼ノズル１０の貫通孔から排出される。
燃焼室内の排出ガスは、ガス流路口を介して高温流路に流入する。
高温流路内の燃焼排出ガスは、低温流路内の流体と熱を交換して、低温流路内の流体の温度を上昇させ、熱交換の目的を達成する。
具体的には、低温流路内の流体は、固体燃料電池の積層体に流入する新鮮な空気であってもよい。
言い換えると、積層体に流入する前の空気が、低温流路内で加熱される。
燃焼室に流入する空気は、燃料電池反応後の残存空気であってもよい。
つまり、燃焼室に流入する空気は、積層体から排出されるガスであってもよい。
空気送り装置は、積層体空気出口８と連通していてもよい。

本発明で提供される燃焼および熱交換アセンブリでは、燃焼ユニットと熱交換ユニット２とがケーシング１の内部で一体化されていることにより、ＳＯＦＣシステムの容量を大幅に削減し、車両内でのＳＯＦＣシステムの使用を容易にする。
さらに、燃焼室内の火炎は、燃焼ノズル１０の複数の貫通穴から放出されることで、細くて短い安定した火炎を形成する。
これにより、従来の大きな火炎と比較して火炎の長さを大幅に短くし、それによって、燃焼室部分の全長とＳＯＦＣシステムの容量とが大幅に削減される。

一実施形態では、燃焼ユニットは、燃焼ノズル１０の上側に配置された火炎モニターをさらに備え、これにより、燃焼室内の火炎の強さを適時に検出しやすくなる。

さらに、火炎をさらに安定させるために、燃焼ユニットは、燃焼ノズル１０の仕切り１２に近接している側に配置されている火炎保持器１１を備えている。

具体的には、火炎保持器１１の断面は、連続したＷ字型の形状であり、火炎保持器１１には、内部に複数のＷ字型流路が設けられ、仕切り１２から離れている火炎保持器１１の端面には、複数の入口が設けられ、仕切り１２に近接している火炎保持器１１の端面には、複数の出口が設けられている。
火炎が火炎保持器１１に達すると、火炎は、火炎保持器１１の入口を通ってＷ字型流路に流入し、次に火炎保持器１１の出口から排出される。
作動条件が変更されると、それに応じて火炎気流の高さが変化する。
このＷ字型の火炎保持器１１は、様々な長さの火炎に適応可能である。
さらに、火炎気流が火炎保持器１１の内部を流れる際、燃料ガスが連続的に燃焼されることにより、充分な燃焼を得られる。

ここで、熱交換室は、燃焼室の上側に配置可能である。
この場合、火炎気流は、下向きに流れて火炎保持器１１に達し、燃焼室の排出ガスも、自動的に熱交換室に流入する。

図７に示すように、燃焼ユニットは、燃焼ノズル１０の、仕切り１２に近接している側に配置されている触媒バーナー３をさらに備え、触媒バーナー３は、多孔質プレート構造を有し、多孔質プレート構造は、触媒で覆われている。
このように設定することで、燃焼後の燃料ガスが、触媒バーナー３において触媒燃焼を受け、未燃燃料がさらに反応する。
触媒バーナー３は、火炎保持器１１の上側に配置されていてもよい。

図５に示すように、別の実施形態では、燃焼および熱交換アセンブリは、空気分流器９および分離フード４をさらに備えていてもよい。
空気分流器９は、第１の出口９ａおよび第２の出口９ｂを備えている。
分離フード４が、燃焼室内に配置され、点火器５、空気送り装置および燃焼ノズル１０の上を覆い、空気分流器９の第１の出口９ａは、分離フード４の内部に連通している、すなわち、空気分流器９の第１の出口９ａは、空気送り装置に連通し、空気分流器９の第２の出口９ｂは、分離フード４の外部に連通し、分離フード４から排出された燃焼排出ガスは、分離フード４の外側の空気と混合された後、高温流路に流入する。
図３および図４に示すように、白い矢印は、空気または積層体の空気の流れ方向を示し、黒い矢印は、火炎気流の流れ方向を示す。
内側ダクトが、分離フード４の内側に形成され、外側ダクトが、分離フード４の外側に形成され、空気分流器９を介して流入する空気または積層体空気の一部は、第１の出口９ａを介して空気送り装置に流入し、次に、燃焼ノズル１０の中央空洞に流入し、燃料ガスと混合されて燃焼される。
空気分流器９を介して流入する空気または積層体の空気の、別の空気は、第２の出口９ｂを介して分離フード４の外側に流入し、外側ダクトを通って流れる。
最終的に、分離フード４の外側に位置し、外側ダクトを通って流れる空気は、燃焼により生成された排出ガスと混合された後、高温流路に流入する。
このように設定すると、高温流路に流入するガスの温度が高くなりすぎるのを防ぐことができる。

一実施形態では、燃料ガス供給管は、収束部分および副供給部分を含み、この副供給部分は、並行して配置されている第１の管６と第２の管７とを含む。
第１の管６の出口と第２の管７の出口とは、両方とも収束部分の入口に連通しており、収束部分の出口は、中央空洞の内部に面している。
第１の管６は、ニトログリセリン（ＮＧ）を輸送するために使用されてもよく、第２の管７は、アノードオフガス（ＡＯＧ）を輸送するために使用されてもよい。
燃焼の初期段階では、ＮＧのみを燃焼させ、次に、ＡＯＧを徐々に添加し、そして、ＮＧを徐々にＡＯＧに置き換えてもよい。

図８に示すように、熱交換ユニット２は、複数の熱交換フィン２ａを含む。
複数の熱交換フィン２ａの間は、ろう付け接続がなされている。
互いに垂直な高温流路および低温流路が、熱交換ユニット２の表側と裏側の両方に配置されている。
あるいは、熱交換ユニット２の構造を、試験結果に応じて設計および改善してもよい。

図６に示すように、環状流路１０ａは、円形流路であり、火炎流路は、１つの環状流路１０ａと複数の放射状流路１０ｂとを含み、複数の放射状流路１０ｂのそれぞれの一端は、中央空洞と連通している。
他端は、環状流路１０ａに連通している。
燃焼ノズル１０は、全体として円盤状の構造であり、燃料ガスは、中央部から中央空洞に流入し、燃料ガスと空気とは、中央空洞内で混合され、放射状流路を介して環状流路１０ａを均一に満たす。
また、環状流路１０ａは、正方形または他の形状であってもよい。
貫通穴の直径と複数の貫通穴間の間隔は、実際の需要に応じて設定可能である。

前述の実施形態で提供される燃焼および熱交換アセンブリに基づいて、本発明は、さらに、前述の実施形態における燃焼および熱交換アセンブリのいずれか１つを含むＳＯＦＣシステムを提供する。
ＳＯＦＣシステムは、前述の実施形態の１つの燃焼および熱交換アセンブリを採用するので、ＳＯＦＣシステムの有益な効果を、前述の実施形態から理解可能である。

実施形態は、すべて付加的に説明されており、つまり、各実施形態は、他の実施形態との違いについて重点的に説明されている。
複数の実施形態間の同じ部分または類似の部分については、相互に参照可能である。

これらの実施形態に対して、様々な修正を明白に実施することができる。
本明細書で定義されている一般的な原理を、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態で実施してもよい。
したがって、本発明は、本明細書で提供される実施形態に限定されず、本明細書で開示されている原理および新規の特徴に対して一貫性を有する、最も広い範囲に従うものである。

本明細書において、「一実施形態」、「実施例」、「特定の実施例」などの用語と共になされた説明は、その実施形態または実施例と関連して説明された特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の一実施形態または一実施例に少なくとも含まれていることを意味する。
本明細書における上記の用語の概略表現は、必ずしも同一の実施形態または同一の実施例を指すわけではない。
さらに、記載された特定の特徴、構造、材料、または特性は、任意の１つまたは複数の実施形態または実施例において、適切な態様で組み合わせ可能である。

Claims (8)

1. ケーシング（１）と該ケーシング（１）内に配置されている仕切り（１２）とを備える固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの燃焼および熱交換アセンブリであって、
   前記仕切り（１２）が、前記ケーシング（１）の内部を燃焼室と熱交換室とに分割し、
   前記燃焼室内に配置される燃焼ユニットが、点火器（５）と燃焼ノズル（１０）と燃料ガス供給管と空気送り装置とを含み、
   前記燃焼ノズル（１０）が、中央空洞と該中央空洞に連通する複数の火炎流路とを含み、火炎を放出するための複数の貫通孔が、該火炎流路内で前記仕切り（１２）に近接している側に配置され、
   前記空気送り装置が、空気を前記中央空洞に送るために用いられ、熱交換ユニット（２）が、前記熱交換室内に配置され、
   前記熱交換ユニット（２）が、互いに独立する低温流路と高温流路とを含み、
   該高温流路に連通するガス流路口が、前記仕切り（１２）に配置され、
   前記燃焼ノズル（１０）の前記仕切り（１２）に近接している側に配置される火炎保持器（１１）をさらに備え、
   前記火炎保持器（１１）の断面が、連続したＷ字型の形状であり、
   前記火炎保持器（１１）には、内部に複数のＷ字型流路が設けられ、
   前記仕切り（１２）から離れている前記火炎保持器（１１）の端面には、複数の入口が設けられ、
   前記仕切り（１２）に近接している前記火炎保持器（１１）の端面には、複数の出口が設けられていることを特徴とする、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの燃焼および熱交換アセンブリ。
2. 前記燃焼ノズル（１０）の上側に配置される火炎モニターをさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載された燃焼および熱交換アセンブリ。
3. 前記燃焼ノズル（１０）の、前記仕切り（１２）に近接している側に配置されている触媒バーナー（３）をさらに備え、
   該触媒バーナー（３）が、多孔質プレート構造を有し、
   該多孔質プレート構造が、触媒で覆われていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載された燃焼および熱交換アセンブリ。
4. 前記燃焼および熱交換アセンブリが、第１の出口（９ａ）および第２の出口（９ｂ）を含む空気分流器（９）と前記燃焼室内に配置された分離フード（４）とを備え、
   前記分離フード（４）が、前記点火器（５）、前記空気送り装置および前記燃焼ノズル（１０）の上を覆い、
   前記空気分流器（９）の第１の出口（９ａ）が、前記分離フード（４）の内部および前記空気送り装置に連通し、
   前記空気送り装置の第２の出口（９ｂ）が、前記分離フード（４）の外部に連通し、
   前記分離フード（４）から排出された燃焼排出ガスが、前記分離フード（４）の外側の空気と混合された後、前記高温流路に流入するように送られることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された燃焼および熱交換アセンブリ。
5. 前記燃料ガス供給管が、収束部分および副供給部分を含み、
   該副供給部分が、並行して配置された第１の管（６）と第２の管（７）とを含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された燃焼および熱交換アセンブリ。
6. 前記熱交換ユニット（２）が、複数の熱交換フィン（２ａ）を含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載された燃焼および熱交換アセンブリ。
7. 前記火炎流路が、環状流路（１０ａ）と複数の放射状流路（１０ｂ）とを含み、
   前記複数の放射状流路（１０ｂ）のそれぞれの一端が、前記中央空洞に連通し、他端が、前記環状流路（１０ａ）に連通していることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載された燃焼および熱交換アセンブリ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載された燃焼および熱交換アセンブリを含むことを特徴とする、ＳＯＦＣシステム。

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