KR100986598B1 - 연소 장치 - Google Patents

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마사야 요시무라
다케시 와카다
히데오 우에다
아키라 후주
코지 신도
히로카즈 이사키
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 본체부로부터 누출되는 열량이 극히 적은 연료 개질기를 가열하기 위한 연소 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
연소 장치(1)는 본체부(20)의 내부에 연소통(21)을 수납하고 있고, 본체부(20)와 연소통(21)의 사이에는 정류통(23)이 설치되어 있다. 그 때문에, 연소 구동에 따라 연소통(21)으로부터 본체부(20)를 향하여 방출되는 복사열은 정류통(23)에 의해서 차단되고, 본체부(20)측으로는 거의 열이 전파되지 않는다. 또한, 본체부(20)의 동체부(20a)의 주위에는 단열재(92)가 권취되어 있기 때문에, 본체부(20)에 전파된 열도 연소 장치(1)의 외부로는 누설되지 않는다.
연료 전지, 연소, 열, 개질, 탄화수소.

Description

연소 장치{Burner}
도 1은 본 실시예의 연소 장치를 도시하는 사시도.
도 2는 도 1에 도시하는 연소 장치를 채용한 연료 전지 시스템을 도시하는 모식도.
도 3은 도 1에 도시하는 연소 장치의 A-A 단면도.
도 4는 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 상류측 덮개체 근방을 도시하는 사시도.
도 5는 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 혼합부를 도시하는 분해 사시도.
도 6은 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 버너 내통(內筒) 및, 상기 버너 내통에 장착되는 연소통과 정류통을 도시하는 분해 사시도.
도 7은 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 하류측 덮개체의 주요부를 확대한 단면도.
도 8은 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 단열재의 변형예를 도시하는 사시도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 연소 장치 5: 연료 개질기
20: 본체부 20a: 동체부
21: 연소통 23: 정류통
28: 상류측 덮개체 30: 순환 가스 공급구
31: 가스 공급구 32, 33a, 33b: 삽입구
34: 드레인 배출구 35: 순환 가스 공급관
38: 가스 공급관 39: 점화 플러그
40: 온도 센서 41: 플레임 로드
43: 드레인 배출관 80: 2차 공기 구멍
83: 공기 도입구 85: 하류측 덮개체
86: 폐색부 88: 연소 가스 배기구
91: 접속 플랜지 92: 단열재
본 발명은 연소 장치에 관한 것으로, 특히 연료 전지 시스템 등에 공급되는 연료를 개질하는 연료 개질기에 적합하게 사용 가능한 연소 장치에 관한 것이다.
최근, 에너지의 대량 소비에 따른 에너지 자원의 고갈이나 환경 문제가 사회적 문제로 되어 있다. 현재, 이 문제를 해결하기 위해서, 환경에 조화하여, 고효율로 또한 안정적으로 구동 가능한 신규 발전 디바이스의 개발이 요망되고 있다. 그래서, 이러한 요건을 만족할 수 있는 차세대 발전 디바이스의 유력한 후보로서 연료 전지 시스템이 주목되고 있다.
연료 전지는 주로 양극과, 음극과, 양극과 음극에 끼워진 전해질로 구성되어 있다. 양극에서는 연료가 산화되고, 음극에서는 산소가 환원된다. 양극에는 순수소(純水素)나, 연료 개질기에 의해 메탄올, 가솔린, 천연가스, 프로판 등의 연료를 수증기 개질한 개질 가스가 공급되고 있다.
연료 개질기에 있어서 메탄올, 가솔린, 천연가스, 프로판 등의 연료가 일으키는 반응은 흡열 반응이다. 그 때문에, 연료의 개질 반응을 촉진하기 위해서, 종래 기술의 연료 개질기에는 버너 등의 연소 장치가 열원으로서 접속되어 있다.
연료 개질기에 있어서의 연료의 개질 반응을 안정적으로 행하기 위해서, 연소 장치는 연료 개질기에 대략 700℃ 내지 1000℃라는 고온의 연소 가스를 공급할 필요가 있다. 그 때문에, 연소 구동 시에 연소 장치로부터 방출되는 열량이 대단히 많고, 연료 전지 시스템의 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해서는 연료 개질기로부터 방출되는 열량을 최소한으로 억제할 필요가 있다.
종래의 연료 전지 시스템에 있어서는 연료 개질기에 접속되어 있는 연소 장치의 방열 대책이 아직 불충분하고, 연소 구동에 따라 발생한 복사열의 대부분은 본체부에 전파되어, 외부로 방출되어 버렸었다. 그 때문에, 종래의 연소 장치는 에너지 변환 효율이 낮고, 그 결과로서 연료 전지 시스템 전체의 에너지 변환 효율을 저하시키는 한가지 원인이 되고 있었다.
그래서, 본 발명에 있어서는 본체부로부터 누출되는 열량이 극히 적은 연료 개질기의 열원용 연소 장치를 제공하는 것을 목적으로 하였다.
그러므로, 상기한 과제를 해결하기 위해서 제공되는 청구항 1에 기재된 발명은 탄화수소계 연료를 개질하는 연료 개질기를 가열하는 연소 장치에 있어서, 통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 내부에 배치되어 연료를 연소하는 연소통과, 상기 연소통 내에 연료를 공급하는 가스 공급관 및 순환 가스 공급관과, 상기 연소통 내에서 발생한 연소 가스를 배출하는 연소 가스 배기구와, 상기 연소통 내에 공급된 연료를 점화하는 점화 장치를 갖고, 상기 본체부는 동체부와, 연소통에서 발생한 연소 가스의 상류측에 위치하는 상류측 덮개체와, 연소 가스의 하류측에 위치하는 하류측 덮개체를 갖고, 상기 가스 공급관들은 상류측 덮개체에 설치되어 있고, 상기 연소 가스 배기구는 하류측 덮개체에 설치되어 있고, 상기 점화 장치는 상기 상류측 덮개체측 또는 하류측 덮개체측으로부터 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치이다.
본 발명의 연소 장치에 있어서, 상기 가스 공급관들은 상류측 덮개체에 설치되어 있고, 상기 연소 가스 배기구는 하류측 덮개체에 설치되어 있고, 점화 장치는 상기 상류측 덮개체측 또는 하류측 덮개체측으로부터 접속되어 있다. 그 때문에, 상기한 구성에 의하면, 본체부의 주요부를 이루는 동체부를 간단한 구성으로 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 연소 장치는 동체부가 간단한 구성이기 때문에, 동체부의 대부분을 단열재로 피복할 수 있다. 그 때문에, 상기한 구성에 의하면, 본체부의 내부에서 발생한 열의 누설을 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 상 기한 구성에 의하면 동체부에 단열재를 용이하게 권취(winding)할 수 있기 때문에, 본 발명의 연소 장치는 조립 작업 효율이 높다.
또한, 청구항 2에 기재된 발명은 탄화수소계 연료를 개질하는 연료 개질기를 가열하는 연소 장치에 있어서, 통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 내부에 배치되어 연료를 연소하는 연소통을 갖고, 상기 본체부와 연소통의 사이에는 정류통이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치이다.
본 발명의 연소 장치는 본체부의 내측에서 연소통을 둘러싸는 위치에 정류통을 구비하고 있다. 그 때문에, 연소 구동에 동반하여 연소통으로부터 본체부측을 향하여 방사되는 복사열이 정류통에 의해서 차단되고, 본체부에는 거의 전파되지 않는다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 연소통에서 발생한 열 에너지의 외부로의 방산을 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 연소 장치에서는 정류통의 내측 및 외측에 외부로부터 도입된 공기에 의한 공기층이 형성되는 경우가 있다. 통상, 공기는 금속 등과 비교하여 열전도율이 낮기 때문에, 상기 공기층은 단열층으로서 기능한다. 본 발명의 연소 장치에서는 연소통으로부터 본체부측을 향하여 방사되는 복사열은 연소통의 내외에 형성되는 공기층에 의해서도 차단되고, 본체부로는 전파되지 않는다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 연료의 연소에 의해 발생한 열 에너지의 대부분을 연료 개질기측으로 공급할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 복사열이 거의 본체부로 전파되지 않기 때문에, 본체부는 비교적 저온으로 유지되어 과도하게 고온으로 되지 않는다. 그 때문에, 본 발명의 연소 장치에 있어서는 본체부가 과도하게 고온이 되는 것에 의한 두께 감소가 거의 일어나지 않는다.
청구항 3에 기재된 발명은 탄화수소계 연료를 개질하는 연료 개질기를 가열하는 연소 장치에 있어서, 통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 내부에 배치되어 연료를 연소하는 연소통과, 상기 연소통 내에 연료를 공급하는 가스 공급관 및 순환 가스 공급관과, 상기 연소통 내에서 발생한 연소 가스를 배출하는 연소 가스 배기구와, 상기 연소통 내에 공급된 연료를 점화하는 점화 장치를 갖고, 상기 본체부는 동체부와, 연소통에서 발생한 연소 가스의 상류측에 위치하는 상류측 덮개체와, 연소 가스의 하류측에 위치하는 하류측 덮개체를 갖고, 상기 가스 공급관들은 상류측 덮개체에 설치되어 있고, 상기 연소 가스 배기구는 하류측 덮개체에 설치되어 있고, 상기 점화 장치는 상기 상류측 덮개측 또는 하류측 덮개체측으로부터 접속되어 있고, 상기 본체부와 연소통의 사이에는 정류통이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치이다.
본 발명의 연소 장치는 가스 공급관, 연소 가스 배기구 및 점화 장치가 상류측 덮개체 또는 하류측 덮개체에 집중적으로 설치되어 있기 때문에, 동체부를 극히 간단한 구성으로 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 연소 장치는 본체부를 구성하는 동체부가 간단한 구성이기 때문에, 동체부의 대부분을 단열재로 피복하여, 동체부의 노출 부분을 최소한으로 할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 예를 들어 본체부의 내부에서 발생한 열이 본체부에 전파되더라도, 동체부의 표면에 설치한 단열재에 의해서 열의 방사를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 연소 장치는 동체부가 간단하기 때문에 단열재의 권취 작업을 용이하게 행할 수 있다.
또한, 본 발명의 연소 장치는 본체부의 내측에서 정류통이 연소통을 둘러싸고 있다. 그 때문에, 연소 구동에 따라 연소통으로부터 본체부측을 향하여 방사되는 복사열이 정류통에 의해서 차단되고, 본체부에는 거의 전파되지 않는다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 연소 구동에 동반하여 발생한 열 에너지의 누설을 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 연소 장치에서는 정류통의 내외측에 본체부 내에 도입된 외기에 의한 공기층이 형성되는 경우가 있다. 이 경우, 연소통으로부터 본체부측을 향하여 방사되는 복사열은 연소통의 내외에 형성되는 공기층에 의해서도 차단된다. 그 때문에, 상기한 구성에 의하면, 연료의 연소에 의해서 발생한 열 에너지의 대부분을 연료 개질기측으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 연소 장치는 복사열이 거의 본체부에 전파되지 않기 때문에, 본체부가 과도하게 고온으로 되지 않는다. 그 때문에, 본 발명의 연소 장치에 있어서는 본체부가 과도하게 고온이 되는 것에 의한 두께 감소나 손상이 거의 일어나지 않는다.
청구항 4에 기재된 발명은 정류통이 연소통을 둘러싸고, 둘레부에 내외를 연통하는 복수의 공기 도입구를 갖는 통 형상체이고, 상기 공기 도입구는 연소통 내를 통과하는 연소 가스의 상류측에 상당하는 위치에 설치되어 있는 것보다도, 연소 가스의 하류측에 상당하는 위치에 설치되어 있는 쪽이 개구 면적이 큰 것을 특징으로 하는 청구항 2 또는 청구항 3에 기재된 연소 장치이다.
본 발명의 연소 장치에 있어서, 연소통 내에 발생하는 연소 가스는 대부분의 경우 연소 가스의 하류측에 국부적으로 존재하는 경향이 있다. 연소통 내에 발생하는 연소 가스는 고온이기 때문에, 상기한 바와 같이 연소통 내에 국부적으로 존재하면, 상기 부위에 집중적으로 열 응력이 작용한다. 한편, 본 발명의 연소 장치에 있어서는 정류통에 설치되어 있는 공기 도입구는 연소 가스의 하류측에 설치되어 있는 쪽이, 연소 가스의 상류측에 설치되어 있는 것보다도 개구 면적이 크다. 그 때문에, 연소 가스가 국부적으로 존재하여 고온이 될 우려가 있는 부분에 비교적 저온의 공기를 많이 공급하여, 이 공기에 의해서 공냉할 수 있다.
또한, 연소 가스의 하류에 도입된 공기는 하류측 덮개체의 근방에 공기층을 형성하는 경우가 있다. 이 경우, 연소 구동에 따라 하류측 덮개체측에 전파하는 복사열을 대폭 차단할 수 있다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 하류측 덮개체의 온도 상승이나 하류측 덮개체측으로부터의 열 에너지의 방산을 최소한으로 억제할 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명은 연소 가스 배기구의 개구 직경이, 연소통의 내경보다도 작은 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 기재된 연소 장치이다.
종래에, 연소 장치에 접속되는 연료 개질기의 대부분은 내부 구조가 복잡하기 때문에, 연소 가스를 원하는 위치까지 균등하게 연소 가스를 공급하는 것은 곤란한 경우가 많다. 또한, 특히 연료 개질기의 기동 직후에는 연소 가스가 상기 연료 개질기 내의 원하는 위치에 도달할 때까지 상당한 시간을 요하고 있었다. 그 때문에, 종래에는 연료 개질기에 있어서의 연료의 개질 정밀도가 불충분하거나, 충분한 개질 정밀도를 얻기 위해서는 상당한 시간을 요하고 있었다.
한편, 본 발명의 연소 장치는 연소 가스 배기구의 개구 직경이 연소통의 개구 직경보다도 작기 때문에, 연소 가스는 연소 가스 배기구로부터 기세 좋게 배출된다. 그 때문에, 본 발명의 연소 장치에 의하면, 상기 연소 장치에 접속되어 있는 연료 개질기 내의 원하는 위치까지 연소 가스를 신속하고 또한 균등하게 도입할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연소 장치에 의하면, 연료 개질기에 있어서의 개질 정밀도를 향상시키는 동시에, 연료 개질기의 기동으로부터 충분한 개질 정밀도를 얻기 위해서 요하는 시간을 단축할 수 있다.
또한, 청구항 6에 기재된 발명은 연소 가스 배기구에는 둘레 방향의 일부 또는 전체 둘레에 걸쳐 연소 가스의 흐름 방향으로 돌출한 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 한 항에 기재된 연소 장치이다.
이러한 구성에 의하면, 연소통 내에서 발생한 연소 가스에 의해 하류측 덮개체가 가열되더라도, 이로써 작용하는 열 응력이 돌출부에서 방산되기 때문에, 하류측 덮개체의 손상이나 비틀림이 일어나지 않는다.
청구항 7에 기재된 발명은 점화 플러그, 온도 센서 및 플레임 로드를 포함하는 전장(電裝) 장치가, 상류측 덮개체측으로부터 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 6 중의 어느 한 항에 기재된 연소 장치이다.
통상, 연소 장치는 연소통에서 형성되는 화염의 상태를 검지하기 위해서 온도 검지 수단이나 플레임 로드(flame rod; 화열 감지봉) 등으로 대표되는 전장 장치를 구비하고 있다. 본 발명의 연소 장치에 있어서는 상기한 바와 같은 전장 장치가 상류측 덮개체측으로부터 삽입되어 있기 때문에, 본체부의 주요부를 이루는 동체부를 간단한 구성으로 할 수 있다.
또한, 상기한 구성에 의하면, 동체부의 대부분을 단열재로 용이하고 또한 확실하게 피복할 수 있다. 그 때문에, 본 발명의 연소 장치는 동체부에 단열재를 피복함으로써, 연소통으로부터 본체부를 향하여 방출되는 복사열의 누설을 최소한으로 억제할 수 있다.
청구항 8에 기재된 발명은 본체부 내에서 발생한 드레인(drain; 배수할 물체)을 연소 장치의 외부로 배출하는 드레인 배출관이, 상류측 덮개체측에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 한 항에 기재된 연소 장치이다.
이러한 구성에 의하면 본체부의 대부분을 차지하는 동체부를 간단한 구성으로 할 수 있다. 그 때문에, 본 발명의 연소 장치는 동체부에 단열재를 피복하는 등으로, 연소통으로부터 본체부를 향하여 방출되는 복사열의 누설을 최소한으로 억제할 수 있다.
(실시예)
계속해서, 본 발명의 일 실시예인 연소 장치에 관해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 1은 본 실시예의 연소 장치를 도시하는 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시하는 연소 장치를 채용한 연료 전지 시스템을 도시하는 모식도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시하는 연소 장치의 A-A 단면도이다. 도 4는 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 상류측 덮개체 근방을 도시하는 사시도이다. 또한, 도 5는 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 혼합부를 도시하는 분해 사시도이다. 도 6은 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 버너 내통 및, 상기 버너 내통에 장착되는 연소통과 정류통을 도시하는 분해 사시도이다. 도 7a는 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 하류측 덮개체의 주요부를 확대한 단면도이고, 도 7b는 그 변형예를 도시하는 단면도이다. 또한, 도 8은 도 1에 도시하는 연소 장치가 구비하는 단열재의 변형예인 단열재를 도시하는 사시도이다.
도 1에 있어서, 도면부호 1은 본 실시예의 연소 장치이다. 연소 장치(1)는 도 2에 도시하는 바와 같이 고체 고분자 전해질형 연료 전지(2; Polymer Electrolyte Fuel Cell 이하 PEFC라고 부른다)를 사용한 연료 전지 시스템(3)에 채용되어 있다. 연소 장치(1)는 연료 전지 시스템(3)에 공급되는 천연가스나 프로판 등의 연료의 수증기 개질을 하는 연료 개질기(5)에 접속되어 있고, 연료의 개질 반응의 열원으로서 사용된다.
외부로부터 공급된 연료는 탈유황기(6; 脫硫器)에 공급되고, 연료 중에 포함되어 있는 유황 성분이 제거된다. 탈유황기(6)로부터 유출된 연료는 연료 개질기(5)에 유입되고, 연소 장치(1)에 의해서 가열되면서 수증기 개질 반응을 일으키고, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소를 함유하는 개질 가스가 된다.
개질 가스 중에 포함되어 있는 일산화탄소는 PEFC(2)의 전극에 보유되어 있는 백금 촉매에 대하여 촉매독(觸媒毒)으로서 작용한다. 그래서 개질 가스 중에 포함되어 있는 일산화탄소를 제거하기 위해서, 연료 개질기(5)를 나온 개질 가스는 CO 변성기(7)에 공급된다. 개질 가스가 CO 변성기(7)에 공급되면, 개질 가스 중에 포함되어 있는 일산화탄소의 대부분은 이산화탄소로 변성된다.
CO 변성기(7)를 나온 개질 가스는 또한 CO 제거기(8)에 공급되고, 상기한 CO 변성기(7)에서 다 변성되지 않고 개질 가스 중에 남아 있는 일산화탄소가 완전하게 제거된다. 그 때문에, CO 제거기(8)로부터 유출되는 개질 가스는 수소 가스 농도가 극히 높다. CO 제거기(8)를 거친 개질 가스는 PEFC(2)의 양극측(연료극측)에 도입된다.
PEFC(2)는 연료가 공급되는 양극(10)과, 공기가 공급되는 음극(11)과, 양극(10)과 음극(11) 사이에 끼워진 전해질(12)로 구성되어 있다. 더욱 상세하게는 PEFC(2)는 양극(10), 음극(11) 및 전해질(12) 등으로 구성되는 단전지를 복수 적층한 전지 스택(cell stack)이다. 양극(10) 및 음극(11)에는 백금 등의 귀금속이 보유되어 있다. 또한, 전해질(12)에는 H3O+ 이온을 투과시킬 수 있는 양이온 교환막이 채용되어 있다. 양극(10)에서 발생한 H3O+ 이온은 전해질(12)중을 투과하여, 음극(11)측에 도달한다. 음극(11)측에 도달한 H3O+ 이온은 음극(11)에 공급되는 산소와 반응하여, 물과 전자를 발생한다. 음극(11)에서 발생한 전자는 PEFC(2)에 접속된 외부 회로 중을 흐르고, 양극(10)에 도달한다.
상기한 바와 같이, 연료 전지 시스템(3)은 연료 개질기(5)에 연료의 개질에 필요한 열량을 공급하기 위해서 도 1에 도시하는 연소 장치(1)가 접속되어 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이 연소 장치(1)에는 후술하는 가스 공급관(38)을 통해 천연가스 등의 연료가 공급된다. 가스 공급관(38)을 통해 공급되는 연료는 웨버 지수(Wobbe Index)가 높고, 일차 공기와 혼합됨으로써 양호하게 연소되는 고열량 연료이다. 또한, 연소 장치(1)에는 상기한 PEFC(2)의 양극(10)에 공급되었지만 반응에 기여하지 않는 미반응 가스(오프 가스)가, 후술하는 순환 가스 공급관(35)을 통해 공급된다. 오프 가스는 PEFC(2)에 있어서 발생하는 수분을 많이 포함하여, 수소를 주성분으로 하는 가스이고, 웨버 지수가 낮은 저열량 연료이다.
연료 전지 시스템(3)의 기동 직후에는 연료 개질기(5), CO 변성기(7) 및 CO 제거기(8)가 충분하게 기능하고 있지 않고, 예를 들어 이들의 장치를 통과한 개질 가스라도, 그 수소 가스 농도(순도)는 PEFC(2)의 구동에 적합한 것이 아니다. 그 때문에, 연료 전지 시스템(3)의 기동으로부터, 연료 개질기(5), CO 변성기(7) 및 CO 제거기(8)가 충분하게 기능하기까지의 기간에 CO 제거기(8)로부터 배출되는 개질 가스(프로세스 가스)는 순환 가스 공급관(35)을 통하여 연소 장치(1)에 공급되어, 연소된다. 프로세스 가스는 상기한 오프 가스와 동일하게 수분 및 수소를 많이 포함하는 가스이고, 웨버 지수가 낮은 저열량 연료이다.
연소 장치(1)는 전체 구성 부재가 내식성이 높은 스테인리스제이고, 도 3에 도시하는 바와 같이 양단이 개구된 대략 원통 형상의 본체부(20)의 내부에, 크게 구별하여 연소통(21)과, 혼합부(22)와, 정류통(23)을 내장하고 있다. 또한, 본체부(20)의 동체부(20a)에는 공기를 도입하기 위한 공기 도입관(24)이 접속되어 있 다. 연소 장치(1)의 본체부(20)의 양단에는 본체부(20)의 중심축에 대하여 수직 외측 방향을 향하는 플랜지부(25, 26)가 설치되어 있다. 플랜지부(25)의 단부에는 연료 개질기(5)의 접속부(도시하지 않음)에 결합하는 플랜지부(27)가 설치되어 있다.
본체부(20)의 하방측에 설치되어 있는 플랜지부(26)에는 상류측 덮개체(28)가 고정되어 있다. 상류측 덮개체(28)는 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이, 원반형의 판(板)체이고, 플랜지부(26)의 외형과 대략 일치하는 형상을 갖는다. 상류측 덮개체(28)의 대략 중앙부에는 후술하는 순환 가스 공급관(35)을 삽입하기 위한 순환 가스 공급구(30)가 설치되어 있다. 또한, 순환 가스 공급구(30)의 주위에는 후술하는 가스 공급관(38)을 접속하기 위한 가스 공급구(31)와, 점화 플러그(39), 온도 센서(40) 및 플레임 로드(41)를 삽입하기 위한 삽입구(32, 33a, 33b)가 설치되어 있다. 또한, 순환 가스 공급구(30)의 근방에는 연소 구동에 동반하여 발생하는 드레인을 배출하기 위한 드레인 배출구(34)가 설치되어 있다.
상류측 덮개체(28)에는 PEFC(2)로부터 배출되는 오프 가스나 CO 제거기(8)로부터 배출되는 프로세스 가스가 흐르는 순환 가스 공급관(35; 연료 분사부)이 순환가스 공급구(30)에 상류측 덮개체(28)의 하면측(도 4 하방측)으로부터 삽입되어 있다. 순환 가스 공급관(35)은 선단측의 둘레부에 복수의 가스 분출구[36; 화염 구멍부(炎孔部)]를 갖는다. 가스 분출구(36)는 수평 방향의 성분을 가지는 방향, 즉 연소통(21)의 중심축에 대하여 교차하는 방향으로 개구되어 있다. 또한 바꾸어 말하면, 가스 분출구(36)는 드레인의 낙하 방향, 즉 연소 장치(1)의 상하 방향에 대하여 교차하는 방향으로 열려 있다. 그 때문에, 가스 분출구(36)로부터 분출하는 가스는 연소통(21)의 내벽 방향을 향하여 분사된다. 순환 가스 공급관(35)은 도 3에 도시하는 바와 같이 가스 분출구(36)측의 단부가 본체부(20)의 내부측(도 3 상방측)으로 돌출하고 있다.
순환 가스 공급관(35)의 가스 분출구(36)측의 단부에는 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이 화염 보유부[37; 적열(赤熱) 부재]가 설치되어 있다. 화염 보유부(37)는 중실봉(中實棒) 형의 부재이고, 순환 가스 공급관(35)의 가스 분출구(36)측의 단부를 폐색하고 있다. 화염 보유부(37)는 후술하는 연소통(21)에 형성되는 화염에 의해 가열되어 고온이 되고, 이 열에 의해서 가스 분출구(36)에 형성되는 화염의 기초부를 가열하여, 이 화염을 보호하는 것이다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 외부로부터 천연가스나 프로판 등의 연료를 공급하기 위한 가스 공급관(38)이 상류측 덮개체(28)의 하방측으로부터 가스 공급구(31)에 접속되어 있다. 또한, 삽입구(32)에는 상류측 덮개체(28)의 하방으로부터 연소통(21)내에 분사된 연료에 점화하기 위한 점화 플러그(39)가 삽입되어 고정되어 있다. 또한 마찬가지로, 삽입 구멍(33a, 33b)에는 각각 연소통(21)내에 형성되는 화염의 온도를 검지하기 위한 온도 센서(40)와, 연소통(21)내에 형성되어 있는 화염을 검지하기 위한 플레임 로드(41)가 삽입되어 고정되어 있다.
또한, 상류측 덮개체(28)의 하면측이고, 드레인 배출구(34)에 상당하는 위치에는 본체부(20)내에서 발생한 드레인을 외부로 배출하기 위한 드레인 배출관(43)이 접속되어 있다.
한편, 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이, 상류측 덮개체(28)의 상면측(도 3 및 도 4의 상방측)에는 드레인 가이드(45)가 설치되어 있다. 드레인 가이드(45)는 원통체이고, 그 일단측이 용접 접합에 의해 상류측 덮개체(28)에 고정되어 수밀 구조로 되어 있다. 또한, 드레인 가이드(45)는 상류측 덮개체(28)의 대략 중심부에 고정되어 있고, 드레인 배출구(34)를 둘러싸고 있다. 또한, 드레인 가이드(45)는 후술하는 버너 내통(71)과 연속되어 있고, 이로써 연소통(21)내에 발생하는 드레인을 집결하는 드레인 집결 수단으로서 기능한다.
상류측 덮개체(28)의 상방에는 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이 외부로부터 가스 공급관(38)을 통하여 공급되는 연료와, 동체부(20a)에 설치된 공기 도입관(24)으로부터 본체부(20)내로 도입된 공기를 혼합하기 위해서 혼합부(22)가 설치되어 있다. 혼합부(22)는 도 3, 도 5에 도시하는 바와 같이, 혼합실 케이스(46)내에 혼합실 구획 부재(47)와 스페이서(48)와 배플(baffle)판(50)을 내장하고 있다.
혼합실 케이스(46)는 양단이 개구된 원통체이고, 양단에 혼합실 케이스(46)의 외측을 향하는 플랜지부(51)와, 혼합실 케이스(46)의 내측을 향하는 플랜지부(52)를 갖는다. 플랜지부(51)는 혼합실 케이스(46)를 상류측 덮개체(28)에 고정하기 위한 나사 구멍(53)을 복수개 갖는다. 혼합실 케이스(46)의 플랜지부(52)측의 개구부(55)는 연소통(21)의 외경과 거의 일치하는 형상을 갖는다. 혼합실 케이스(46)의 주위에는 공기 도입구(56)가 복수개 설치되어 있다. 공기 도입구(56)는 혼합실 케이스(46)의 플랜지(51)측에 3개씩 설치되어 있다. 공기 도입구(56)는 혼합실 케이스(46)의 둘레부에 편재(偏在)되어 있다. 더욱 구체적으로는 공기 도입구(56)는 혼합실 케이스(46)를 본체부(20)내에 수납하였을 때에 공기 도입관(24)측을 향하는 위치에 편재되어 있다.
혼합실 구획 부재(47)는 도 5에 도시하는 바와 같이, 동체부(58)와 플랜지부(60)에 의해 구성되어 있다. 동체부(58)의 외경은 상기한 혼합실 케이스(46)의 내경과 거의 일치하고 있다. 또한, 동체부(58)의 주위에서 상기한 혼합실 케이스(46)의 공기 도입구(56)에 상당하는 위치에는 공기 도입구(61)가 설치되어 있다. 혼합실 구획 부재(47)의 일단측(도 5 상방측)에는 혼합실 구획 부재(47)의 내측을 향하는 플랜지부(60)가 설치되어 있다. 플랜지부(60)에서, 동체부(58)에 설치된 공기 도입구(61)에 거의 대향하는 위치에 상당하는 부위에는 플랜지부(60)의 하방과 상방을 연통하는 연통 구멍(65)이 설치되어 있다. 혼합실 구획 부재(47)는 동체부(58)가 혼합실 케이스(46)의 내벽에 밀착하고 있고, 공기 도입구(56)가 공기 도입구(61)와 연통되어 있다. 그 때문에, 혼합실 구획 부재(47)의 내측은 공기 도입구들(56, 61)을 통해 혼합실 케이스(46)의 외측과 연통되어 있다. 또한, 도 3에 도시하는 바와 같이 혼합실 구획 부재(47)의 내측에는 드레인 가이드(45), 동체부(58) 및 플랜지부(60)에 의해 둘러싸이는 예비 혼합실(63)이 형성되어 있다.
혼합실 구획 부재(47)의 상방에는 고리 형의 스페이서(48)를 개재하여 배플판(50)이 배치되어 있다. 스페이서(48) 및 배플판(50)의 외경은 혼합실 구획 부재(47)의 동체부(58)의 외경과 거의 일치하고 있다. 배플판(50)은 원반형의 부 재이고, 중심으로 연소통(21)을 삽입하기 위한 개구(67)가 설치되어 있다. 또한, 개구(67)의 주위에는 복수의 관통 구멍(68)이 설치되어 있다. 혼합실 구획 부재(47)의 상방에는 플랜지부(60), 스페이서(48) 및 배플판(50)에 의해서 혼합 촉진실(66)이 형성되어 있다. 또한, 도 3에 도시하는 바와 같이 배플판(50)과 혼합실 케이스(46)의 플랜지부(52)에 의해서 혼합 가스실(70)이 형성되어 있다.
혼합부(22)에는 도 3에 도시하는 바와 같이 상방으로부터 버너 내통(71)이 끼워져 들어가 있다. 또한, 상기한 바와 같이 버너 내통(71)은 드레인 가이드(45)와 연속하고 있고, 이로써 연소통(21)내에서 발생한 드레인을 드레인 가이드(45)에 의해 둘러싸이는 영역 내에 집결하는 드레인 집결 수단으로서 기능하고 있다. 버너 내통(71)은 도 3, 도 6에 도시하는 바와 같이 개구 직경이 다른 원통체인 드레인 가이드 결합부(72)와, 연소통 지지부(73)와, 정류통 결합부(75)가 연속된 3단 형상을 갖는다. 또한, 드레인 가이드 결합부(72)와 연소통 지지부(73)의 경계부 및 연소통 지지부(73)와 정류통 결합부(75)의 경계부에는 각각 플랜지부(76, 77)가 설치되어 있다.
드레인 가이드 결합부(72)는 외경이 드레인 가이드(45)의 내경과 거의 동일하고, 혼합부(22)의 상방으로부터 삽입되어, 드레인 가이드(45)와 결합하고 있다. 또한, 드레인 가이드 결합부(72)와 연소통 지지부(73)의 경계에 있는 플랜지부(76)는 드레인 가이드(45)의 상단부와 접촉하고 있다. 연소통(21)의 내부 공간은 드레인 가이드(45)에 의해 둘러싸이는 영역에 연결되어 있다. 그 때문에, 연소 구동 시에 연소통(21)내에서 발생한 드레인은 드레인 가이드 결합부(72)를 개재하여 드 레인 가이드(45)에 의해서 둘러싸이는 영역 내에 모인다.
또한, 연소통 지지부(73)는 드레인 가이드 결합부(72)보다도 대직경이고 혼합실 케이스(46)의 개구부(55)와 거의 동일한 외경을 갖는다. 연소통 지지부(73)는 혼합부(22)의 상방에 있는 개구부(55)로부터 삽입되어 있다. 연소통 지지부(73)와 정류통 결합부(75)의 경계에 있는 플랜지부(77)는 혼합실 케이스(46)의 플랜지부(52)에 접촉하고 있다. 연소통 지지부(73)의 높이(축 방향의 길이)는 혼합부(22)의 배플판(50)으로부터 혼합실 케이스(46)의 플랜지부(52)에 도달하는 길이와 거의 동일하다. 또한, 연소통 지지부(73)의 둘레부에는 전체 둘레에 걸쳐 복수의 연통 구멍(78)이 설치되어 있다. 그 때문에, 혼합부(22)의 내부에는 연소통 지지부(73), 배플판(50) 및 혼합실 케이스(46)에 의해서 둘러싸이는 고리형의 혼합 가스실(70)이 형성되어 있고, 혼합 가스실(70)은 연통 구멍(78)을 통해 연소통(21)의 내부측과 연통하고 있다.
정류통 결합부(75)는 연소통 지지부(73)보다도 대직경이고, 정류통(23)의 외경과 거의 동일한 개구 직경을 갖는다. 정류통 결합부(75)는 정류통(23)의 하단부에 접촉하고 있고, 정류통(23)의 직경 방향으로의 이동이 저지되어 있다.
버너 내통(71)에는 상방으로부터 연소통(21)이 삽입되어 고정되어 있다. 연소통(21)은 양단이 개구된 원통체이고, 본체부(20)와 축심이 거의 일치하도록 수납되어 있다. 연소통(21)은 둘레부에 다수의 2차 공기 구멍(80) 및 혼합 가스 화염 구멍(81)이 형성되어 있다. 2차 공기 구멍(80)은 연소통(21)의 둘레부에 거의 균일한 간격으로 설치되어 있지만, 도 3, 도 6에 도시한 상태에서 후술하는 하류측 덮개체(85)측에 있는 것일수록 그 개구 면적이 크다. 즉, 2차 공기 구멍(80)의 개구 면적은 연소통(21)의 내부를 통과하는 연소 가스의 하류측을 향함에 따라서 증대하고 있다. 그 때문에, 연소통(21)의 내부에는 하류측 덮개체(85)측일수록 보다 많은 공기가 도입된다.
혼합 가스 화염 구멍(81)은 연소통(21)의 둘레부에 거의 균일한 간격으로 설치되어 있고, 연소통(21)의 내외를 연통하고 있다. 혼합 가스 화염 구멍(81)은 연소통(21)을 버너 내통(71)의 상방으로부터 삽입하였을 때에 연소통 지지부(73)의 연통 구멍(78)에 합치하는 위치에 설치되어 있다. 그 때문에, 혼합부(22)에 있어서 공기와 혼합되고, 혼합 가스실(70)내로 유입된 혼합 가스는 혼합 가스 화염 구멍(81)으로부터 연소통(21)의 내측을 향하여 분사되어, 연소된다.
연소통(21)의 상단측[하류측 덮개체(85)측]에는 원판형의 플랜지 부재(82)가 결합하고 있다. 플랜지 부재(82)는 외경이 정류통(23)의 내경과 거의 동일하고, 정류통(23)의 내측에 접촉하고 있다. 그 때문에, 연소통(21)은 상단측이 플랜지 부재(82)에 의해서 지지되어 있고, 직경 방향으로의 이동이 저지되어 있다.
연소통(21)의 주위에는 도 6에 도시하는 바와 같이 정류통(23)이 설치되어 있다. 정류통(23)은 연소통(21)보다도 대직경으로 양단이 개구된 원통체이고, 그 둘레부에 다수의 공기 도입구(83)가 설치되어 있다. 공기 도입구(83)는 정류통(23)의 둘레부에 거의 균일한 간격으로 설치되어 있지만, 도 3에 도시한 상태에서 하류측 덮개체(85)측에 있을수록 그 개구 면적이 크다. 즉, 공기 도입구(83)의 개구 면적은 연소통(21)의 내부를 통과하는 연소 가스의 하류측을 향함에 따라서 증대하고 있다. 그 때문에, 정류통(23)의 내부에는 하류측 덮개체(85)측일수록 많은 공기가 유입된다.
본체부(20)의 상단측(도 3 상방측), 즉 연소 가스의 하류측에는 하류측 덮개체(85)가 설치되어 있다. 하류측 덮개체(85)는 도 1, 도 3에 도시하는 바와 같이 본체부(20)의 상단측의 개구 부분을 폐색하는 폐색부(86)와, 이 폐색부(86)의 외주부분에 설치된 플랜지부(87)와, 상기 폐색부(86)의 중심부에 설치된 연소 가스 배기구(88)를 갖는다.
하류측 덮개체(85)의 폐색부(86)는 평면에서 보았을 때 거의 원형이고, 본체부(20)의 상단측의 개구에 합치하는 형상이다. 폐색부(86)의 이면측(도 3 하방측)은 연소통(21) 및 정류통(23)의 상단면에 접촉하여 지지되어 있다. 플랜지부(87)는 폐색부(86)의 외주 부분에서 폐색부(86)에 대하여 거의 수직 방향으로 꺾인 부분이고, 그 둘레부에 하류측 덮개체(85)를 본체부(20)에 고정하기 위한 나사구멍이 설치되어 있다.
연소 가스 배기구(88)는 연료 개질기(5)의 접속부(도시하지 않음)에 상당하는 크기의 개구이다. 연소 가스 배기구(88)의 개구 직경은 연소통(21)의 내경보다도 작다. 연소 가스 배기구(88)의 둘레부에는 폐색부(86)에 대하여 거의 수직이고, 본체부(20)의 축 방향으로 돌출한 접속 플랜지(91; 돌출부)가 설치되어 있다. 또한, 폐색부(86)와 접속 플랜지(91)의 경계부는 도 7a에 도시하는 바와 같이 완만하게 굴곡하고 있다. 또한 동일하게, 접속 플랜지(91)의 단부는 내측을 향하여 굴곡하고 있다. 연소 장치(1)는 접속 플랜지(91)를 연료 개질기(5)의 접속부에 결합 시킴으로써 연료 개질기(5)와 접속되어 있다.
본체부(20)중 동체부(20a)에는 공기 도입관(24)을 교차하도록 하여 단열재(92)가 권취되어 있다. 단열재(92)는 글래스 울(glass wool) 단열재나 세라믹 단열재 등의 시트형의 부재이고, 본체부(20)의 내부에서 연소 구동에 동반하여 발생하고 있는 열의 누설을 방지하는 것이다.
계속해서, 본 실시예의 연소 장치(1)에 있어서의 가스 및 공기의 흐름에 관해서 설명한다. 상기한 바와 같이, 연소 장치(1)에는 외부로부터 천연가스나 프로판 등의 고열량 연료와, 공기가 공급된다. 또한 더욱이, 연소 장치(1)에는 PEFC(2)에서 다 반응하지 않고 남은 오프 가스나, CO 제거기(8)로부터 배출된 프로세스 가스 등의 저열량 연료도 도입된다.
외부로부터 공급되는 고열량 연료는 가스 공급관(38)을 통해 드레인 가이드(45)와 혼합실 구획 부재(47)의 사이에 형성되어 있는 예비 혼합실(63)내로 도입된다. 한편, 외부로부터 공급되는 공기는 본체부(20)의 동체부(20a)에 설치된 공기 도입관(24)을 통하여 본체부(20)의 내부에 도입된다. 본체부(20)내로 도입된 공기의 일부는 정류통(23)의 공기 도입구(83)를 통해 정류통(23)의 내측으로 흘러들어 온다. 한편, 본체부(20)내로 도입된 공기의 나머지 부분은 정류통(23)의 하방의 혼합실 케이스(46)에 설치된 공기 도입구(56) 및 혼합실 구획 부재(47)의 공기 도입구(61)를 통하여, 예비 혼합실(63)의 내부로 유입된다.
예비 혼합실(63)내에 유입된 고열량 연료와 공기는 서로 혼합하면서 상기 공간 내를 이동하여, 플랜지(60)의 연통 구멍(65)으로부터 혼합 촉진실(66)측으로 유 출된다. 여기서, 플랜지(60)의 연통 구멍(65)의 개구 면적은 예비 혼합실(63)의 유로 단면적보다도 작고, 연통 구멍(65)은 예비 혼합실(63)측으로부터 혼합 촉진실(66)측으로 흐르는 혼합 가스의 유동에 저항이 되기 때문에, 연통 구멍(65)을 통과할 때에 고열량 연료와 공기의 혼합이 한층 더 촉진된다.
연통 구멍(65)으로부터 혼합 촉진실(66)내에 유입한 고열량 연료와 공기의 혼합 가스는 연통 구멍(65)보다도 더욱 개구 면적이 작은 관통 구멍(68)을 통하여 혼합 가스실(70)내로 유입된다. 혼합 가스실(70)내로 유입한 연료와 공기의 혼합 가스는 혼합 가스실(70)을 형성하고 있는 버너 내통(71)에 설치되어 있는 연통 구멍(78) 및, 상기 연통 구멍(78)에 연통하고 있는 연소통(21)의 혼합 가스 화염 구멍(81)을 통하여 연소통(21)의 내측으로 분사된다. 혼합 가스 화염 구멍(81)으로부터 분사된 혼합 가스는 점화 플러그(39)에 의해 점화되어, 혼합 가스 화염 구멍(81)에 화염을 형성하는 동시에 연소 가스를 발생한다.
연료 전지 시스템(3)에서 배출되는 프로세스 가스나 오프 가스와 같은 저열량 연료는 1차 공기와 혼합되지 않고서 연소통(21)내에 삽입되어 있는 순환 가스 공급관(35)내를 흐르고, 가스 분출구(36)로부터 연소통(21)의 직경 방향을 향하여 분사된다.
한편, 공기 도입관(24)으로부터 도입되어, 정류통(23)의 공기 도입구(83)를 통해 정류통(23)의 내측으로 흘러들어 온 공기의 일부는 정류통(23)과 연소통(21)의 사이에 공기층을 형성하고, 나머지 부분은 연소통(21)의 2차 공기 구멍(80)으로부터 연소통(21)의 내부로 유입된다. 연소통(21)내로 유입한 공기는 순환 가스 공급관(35)의 가스 분출구(36)로부터 도입된 프로세스 가스나 오프 가스와 같은 저열량 연료가 연소할 때의 2차 공기로서 혼합된 후에 연소하여, 연소 가스를 발생한다.
연소통(21)내에서 발생한 고온의 연소 가스는 연소통(21)내를 상승하여, 하류측 덮개체(85)의 중심에 설치된 연소 가스 배기구(88)로부터 배출된다. 연소 가스 배기구(88)로부터 배출된 연소 가스는 연료 개질기(5)의 접속부(도시하지 않음 )로부터 연료 개질기(5)내로 유입되고, 천연가스 등의 수증기 개질의 열원으로서 이용된다.
가스 공급관(38)으로부터 공급된 연료 가스 및, 연료 전지 시스템(3)내에서 발생한 오프 가스나 프로세스 가스를 연소함으로써 발생한 드레인은 연소통(21)을 따라서 이동하고, 버너 내통(71) 및 드레인 가이드(45)에 의해 구성되어 있는 드레인 집결 수단에 의해 상류측 덮개체(28)측에 집결되고, 드레인 가이드(45)에 의해 둘러싸여 있는 영역 내에 유입된다. 상류측 덮개체(28)측에 낙하한 드레인은 드레인 배출구(34)에 접속된 드레인 배출관(43)을 통하여 외부로 배출된다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 연소 장치(1)에서는 연료를 연소하는 연소통(21; 연소부)과, 이 연소통(21)내에 연료를 분사하는 순환 가스 공급관(35; 연료 분사부)을 갖고 있고, 이 순환 가스 공급관(35)에는 수평 방향의 성분을 가지는 방향으로 개구한 가스 분출구(36; 화염 구멍부)가 설치되어 있다. 즉, 연소 장치(1)로서는, 저열량 연료인 오프 가스나 프로세스 가스를 분사하여 화염을 형성하는 가스 분출구(36)가, 수평 방향의 성분을 가지는 방향으로 열려 있다. 그 때문에, 연소 구동에 동반하여 발생하는 드레인이나 스케일(scale)은 중력의 영향을 받아 연소부 내를 낙하하여 가스 분출구(36)의 폐색을 방지할 수 있고, 공급된 연료의 대부분을 완전연소할 수 있다. 그 때문에 연소 장치(1)는 미연 성분이나 일산화탄소 등의 유독 가스의 배출량이 극히 적고, 에너지 변환 효율이 높고, 환경에 조화한 연소 구동을 할 수 있다.
또한, 연소 장치(1)는 연소통(21)내에 형성되는 화염에 의해 적열(glowing)하는 화염 보유부(37; 적열 부재)가 저열량 가스가 분출하는 가스 분출구(36; 화염 구멍부)의 근방에 설치되어 있다. 그 때문에, 가스 분출구(36)에 형성되는 화염은 화염 보유부(37)의 방출하는 열에 의해 가열되어 안정화된다. 따라서, 연소 장치(1)는 웨버 지수가 낮고 안정 연소가 곤란한 오프 가스나 프로세스 가스와 같은 저열량 연료를 안정적으로 연소할 수 있다.
또한 더욱이, 연소 장치(1)는 연소통(21)내에 웨버 지수가 낮은 저열량 연료를 분사하는 순환 가스 공급관(35)과, 순환 가스 공급관(35)으로부터 분사되는 연료보다도 웨버 지수가 높은 고열량 연료와 공기를 혼합하여, 혼합 가스를 조제하는 혼합부(22)를 갖고 있다. 또한, 연소통(21)에는 혼합부(22)에서 조제된 혼합 가스를 연소하여, 화염을 형성하는 혼합 가스 화염 구멍(81)이 설치되어 있다. 즉, 본 실시예에 있어서는 일차 공기의 존재하에서 역화 현상이 일어나기 쉽고, 웨버 지수가 낮은 오프 가스나 프로세스 가스를, 순환 가스 공급구(30)를 통해 직접 연소통(21)내에 도입하여 연소하고 있다. 한편, 외부로부터 도입되는, 일차 공기의 존재하에 있어서 연소 상태가 양호한 웨버 지수가 높은 천연 가스나 프로판 등의 고열량 연료는 혼합부(22)에서 미리 공기와 혼합된 후에 연소통(21)내로 도입하여 연소하는 구성이다. 이 때문에, 본 실시예의 연소 장치(1)에 의하면, 도입되는 연료의 성질, 즉 웨버 지수의 차이에 따라서 연소에 최적인 상태에서 공기를 공급하여, 완전 연소할 수 있다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 웨버 지수가 다른 2종류의 연료를 동시에 안정적으로 연소할 수 있다.
또한, 본 실시예의 연소 장치(1)는 드레인 가이드(45)와 버너 내통(71)으로 구성되고, 연소통(21)내에 발생하는 드레인을 집결하는 드레인 집결 수단을 구비하고 있다. 즉, 연소 장치(1)에는, 연소통(21)에서 발생한 드레인의 흐름 방향 하류측에, 연소통(21)에서 발생한 드레인을 집결하는 드레인 집결 수단이 설치되어 있다. 또한, 연소 장치(1)는 드레인 집결 수단에 연통되어, 연소 장치(1)의 외부로 드레인을 배출하는 드레인 배출관(43; 드레인 배출 수단)을 구비하고 있다. 그 때문에, 상기한 구성에 의하면, 연소통(21)내에서 발생한 드레인을 드레인 집결 수단에 의해서 집결하는 동시에, 집결한 드레인을 드레인 배출관(43)을 통하여 외부로 원활하게 배출할 수 있다. 따라서, 연소 장치(1)에서는 연소통(21)내에 드레인이 체류하지 않고, 드레인에 의한 연소 불량이 거의 일어나지 않는다.
본 실시예의 연소 장치(1)에 있어서, 2차 공기 구멍(80)은 연소통(21)의 상단측(도 3 상방측), 즉 연소 가스의 하류측에 설치된 것일수록, 그 개구 면적이 크다. 그 때문에, 연소통(21)내에는 연소 가스의 하류측일수록 많은 공기가 유입된다. 따라서, 연소 가스가 체류하는 등으로 고온이 되는 경향이 있는 연소 가스의 하류측은 연소통(21)내에 유입한 공기에 의해서 공냉된다. 또한, 본 실시예의 연소 장치(1)에는 연소통(21)과 정류통(23)의 사이에 공기층이 형성되어 있다. 일반적으로, 공기는 금속보다도 열전도율이 낮고 단열 효과를 갖기 때문에, 연소통(21)에서 발생한 연소 가스가 가지는 열량은 외부로 누설되지 않는다. 따라서, 본 실시예의 연소 장치(1)는 열 효율이 높고, 연료 전지 시스템(3) 전체의 에너지 변환 효율의 향상에 기여할 수 있다.
본 실시예의 연소 장치(1)에서는 순환 가스 공급관(35), 가스 공급관(38), 점화 플러그(39), 온도 센서(40) 및 플레임 로드(41)가 본체부(20)의 저면을 이루는 상류측 덮개체(28)에 접속되어 있다. 즉, 연소 장치(1)는 순환 가스 공급관(35)이나 가스 공급관(38) 등의 연료 가스를 본체부(20)내로 공급하는 가스 공급 계통과, 점화 플러그(39), 온도 센서(40), 플레임 로드(41) 등의 전장 장치가 상류측 덮개체(28)에 집중적으로 설치되어 있다. 또한, 연소통(21)내에서 발생한 연소 가스를 배출하는 연소 가스 배기구(88)는 본체부(20)의 천정면을 이루는 하류측 덮개체(85)에 설치되어 있다. 즉, 본체부(20)의 동체부(20a)에는 공기 도입관(24)만이 설치되어 있고, 다른 배관 등은 본체부(20)의 천정면 또는 저면측에 집중적으로 설치되어 있다. 그 때문에, 본 실시예의 연소 장치(1)는 동체부(20a)에 용이하게 단열재(92)를 권취할 수 있고, 동체부(20a)의 대부분을 단열재(92)로 피복할 수 있다. 따라서, 연소 장치(1)에서는 본체부(20)의 내부에서 발생한 열 에너지의 누출을 최소한으로 억제할 수 있고, 연료 전지 시스템(3)의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 실시예에 있어서, 본체부(20)에는 시트(sheet) 형의 단열재(92)를 장착한 구성을 예시하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 도 8에 도시하는 바와 같이 본체부(20)에 따르는 형상에 성형된 통 형상의 단열재(93a, 93b)에, 공기 도입관(24)을 따르는 형상에 노치부(95a, 95b)를 설치한 것을 장착하는 것도 가능하다. 이러한 구성에 의하면, 단열재(93a, 93b)에 의해서 본체부(20)를 한층 더 확실하게 둘러쌀 수 있고, 외부로의 열 에너지의 누설을 최소한으로 억제하는 동시에, 에너지 변환 효율을 한층 더 향상시키는 것이 가능하다. 또, 단열재(93a, 93b)는 어떠한 재질로 구성되어도 좋지만, 단열재(92)와 동일하게, 글래스 울 단열재나 세라믹 단열재 등의 단열성이 뛰어난 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기한 연소 장치(1)는 본체부(20)의 둘레부에 공기 도입관(24)을 설치한 구성이지만, 공기 도입관(24)은 반드시 본체부(20)에 설치할 필요는 없다. 즉, 공기 도입관(24)은 본체부(20)의 내측에 공기를 도입할 수 있는 위치이면 어떠한 위치에 설치되어 있어도 좋고, 상류측 덮개체(28)나 하류측 덮개체(85)에 설치되어 있어도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 본체부(20)를 더욱 간단한 구성으로 할 수 있고, 시트형의 단열재(92)라도 용이하고 또한 확실하게 본체부(20)를 둘러쌀 수 있다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 연소 장치(1)로부터 누설하는 열량을 최소한으로 억제하고, 연료 전지 시스템(3) 전체의 에너지 변환 효율을 개선할 수 있다.
본 실시예의 연소 장치(1)는 본체부(20)의 내부측에 연소통(21)을 둘러싸는 정류통(23)을 구비하고 있다. 그 때문에, 연소통(21)내에서의 연소 구동에 동반하여 발생하는 연소통(21)으로부터 본체부(20)측을 향하여 방사되는 복사열이 정류통(23)에 의해서 차단되고, 본체부(20)에는 전파되지 않는다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 연소통(21)에서 발생한 열 에너지의 방산을 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이, 연소 장치(1)에는 정류통(23)의 내측 및 외측에, 공기 도입관(24)으로부터 유입한 공기에 의한 공기층이 형성되는 경우가 있다. 통상, 공기는 금속 등과 비교하여 열전도율이 낮다. 그 때문에, 연소통(21)으로부터 본체부(20)측을 향하여 방사되는 복사열은 연소통(23)의 내외에 형성되는 공기층에 의해서도 차단되고, 본체부(20)에는 전파되지 않는다. 따라서, 본 실시예의 연소 장치(1)는 연소 구동에 의해 발생한 열 에너지의 대부분을 외부로 방출하지 않고서 연료 개질기(5)측에 공급할 수 있고, 연료 전지 시스템(3) 전체의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기한 연소 장치(1)는 하류측 덮개체(85)에 설치된 연소 가스 배기구(88)가 연소통(21)의 개구 직경보다도 작기 때문에, 연소 시에 발생하는 고온의 연소 가스는 연소 가스의 하류측에 있는 하류측 덮개체(85)의 폐색부(86)에 접촉한다. 그 때문에, 하류측 덮개체(85)는 고온의 연소 가스에 의해 가열되어 고온이 되고, 연소 가스가 가지는 열 에너지가 폐색부(86)의 표면에서 누출될 우려가 있다. 한편, 연소 장치(1)는 상기한 바와 같이 연소통(21)에 설치된 2차 공기 구멍(80) 및 정류통(23)에 설치된 공기 도입구(83)가, 하류측 덮개체(85)측에 있는 것일수록 그 개구 면적이 크고, 하류측 덮개체(85)측에 많은 공기가 도입된다. 그 때문에, 연소 장치(1)에 있어서는 하류측 덮개체(85)가 외부에서 도입된 비교적 저온의 공기에 의해서 냉각된다. 또한, 하류측 덮개체(85)측에 도입된 공기는 하류측 덮개체(85)의 내측에 공기층을 형성하기 때문에, 하류측 덮개체(85)측으로 전파하는 연소 가스의 열 에너지량을 대폭 삭감할 수 있다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 하류측 덮개체(85)가 과도하게 고온으로 되지 않고, 하류측 덮개체(85)측으로부터의 열 에너지의 방산을 최소한으로 억제할 수 있다.
본 실시예의 연소 장치(1)는 하류측 덮개체(85)에 설치된 연소 가스 배기구(88)가 연소통(21)의 개구 직경보다도 작기 때문에, 연소 가스 배기구(88)로부터 배출되는 연소 가스의 유속은 연소 가스 배기구(88)가 연소통(21)의 개구 직경과 같은 정도인 경우와 비교하여 빠르다. 그 때문에, 본 발명의 연소 장치(1)에 의하면 연소 가스 배기구(88)로부터 배출된 연소 가스를 기세 좋게 연료 개질기(5)내에 공급하고, 연료 개질기(5)내의 원하는 위치까지 신속하고 또한 균등하게 도입할 수 있다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 연료 전지 시스템(3)의 기동에 요하는 시간을 단축하여, 연료 개질기(5)에 있어서의 개질 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 연소 장치(1)에 있어서, 하류측 덮개체(85)의 폐색부(86)와 접속 플랜지(91)의 경계부 및 접속 플랜지(91)의 단부는 도 7a에 도시하는 바와 같이 완만하게 굴곡되어 있다. 그 때문에, 연소통(21)내에서 발생한 연소 가스에 의해 하류측 덮개체(85)가 고온이 되더라도, 하류측 덮개체(85)의 폐색부(86)와 접속 플랜지(91)의 경계부나 접속 플랜지(91)의 단부에서 하류측 덮개체(85)에 작용하는 열 응력이 제거되기 때문에, 하류측 덮개체(85)의 손상이나 비뚤어짐이 일어 나지 않는다. 또, 상기한 실시예에 있어서는, 하류측 덮개체(85)에 작용하는 열 응력을 효율적으로 제거하기 위해서 폐색부(86)와 접속 플랜지(91)의 경계부에 더하여, 접속 플랜지(91)의 단부에도 완만하게 굴곡한 굴곡부를 설치하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 도 7b에 도시하는 바와 같이 폐색부(86)와 접속 플랜지(91)의 경계부만 굴곡부를 설치하는 구성으로 하여도 좋다.
본 실시예에서는 연소 장치(1)를 고체 고분자 전해질형 연료 전지(PEFC; 2)를 채용한 연료 전지 시스템(3)에 채용한 예를 예시하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 알칼리 전해질형 연료 전지(AFC)나 인산 전해질형 연료 전지(PAFC) 등 모든 타입의 연료 전지 또는 상기 연료 전지를 채용한 연료 전지 시스템에 채용할 수 있다.
본 실시예의 연소 장치(1)는 드레인 등에 의한 부식을 방지하기 위해서 모든 구성 부재를 스테인리스제로 하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 스테인리스 이외의 어떠한 재질로 제작되어도 좋다. 그러나, 드레인 등에 의한 부식이나, 내구성, 강도 등을 고려하면, 연소 장치(1)는 스테인리스 등의 재질로 작성되는 것이 바람직하다.
청구항 1에 기재된 발명에 따르면, 연소 장치의 본체부의 동체부를 간단한 구성으로 할 수 있다.
또한, 청구항 2에 기재된 발명에 따르면, 연소통으로부터 본체부측을 향하여 방사되는 복사열을 정류통에 의해서 차단함으로써, 연소통에서 발생한 열 에너지의 외부로의 누설을 최소한으로 억제할 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명에 따르면, 본체부의 동체부를 극히 간단한 구성으로 할 수 있다. 또한, 연소 구동에 동반하여 연소통으로부터 본체부측을 향하여 방사되는 복사열을 정류통에 의해서 차단함으로써, 본체부가 과도하게 고온으로 되지 않고, 열 에너지의 누설도 최소한으로 억제할 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명에 따르면, 연소 가스가 국부적으로 존재하여 고온이 될 우려가 있는 연소 가스의 하류측에 비교적 저온의 공기를 많이 공급하여, 이 부위를 효율이 좋게 공냉할 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명에 따르면, 연소 장치에 접속되어 있는 연료 개질기 내의 원하는 위치까지 연소 가스를 신속하고 또한 균등하게 도입할 수 있다.
또한, 청구항 6에 기재된 발명에 따르면, 하류측 덮개체가 과도하게 과열되는 것에 의해 발생하는 열 응력을 돌출부에서 효율 좋게 제거할 수 있고, 열 응력에 의한 하류측 덮개체의 손상이나 비틀림이 일어나지 않는다.
청구항 7에 기재된 발명에 따르면, 연소 장치의 본체부의 동체부를 간단한 구성으로 할 수 있다.
청구항 8에 기재된 발명에 따르면, 본체부의 동체부를 간단한 구성으로 하는 동시에, 연소 시에 발생하는 드레인을 원활하게 배출할 수 있다.

Claims (8)

  1. 탄화수소계 연료를 개질(改質)하는 연료 개질기를 가열하는 연소 장치에 있어서,
    통 형상의 본체부(20)와, 상기 본체부(20)의 내부에 배치되어 연료를 연소하는 연소통(21)과, 상기 연소통(21) 내에 연료를 공급하는 가스 공급관(38) 및 순환가스 공급관(35)과, 상기 연소통(21) 내에서 발생한 연소 가스를 배출하는 연소 가스 배기구(88)와, 상기 연소통(21) 내에 공급된 연료를 점화하는 점화 장치를 갖고, 상기 본체부(20)는 동체부(20a)와, 상기 연소통(21)에서 발생한 연소 가스의 상류측에 위치하는 상류측 덮개체(28)와, 연소 가스의 하류측에 위치하는 하류측 덮개체(85)를 갖고, 상기 가스 공급관들(35,38)은 상류측 덮개체(28)에 설치되어 있고, 상기 연소 가스 배기구(88)는 하류측 덮개체(85)에 설치되어 있고, 상기 점화 장치는 상기 상류측 덮개체측 또는 상기 하류측 덮개체측으로부터 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  2. 탄화수소계 연료를 개질하는 연료 개질기를 가열하는 연소 장치에 있어서,
    통 형상의 본체부(20)와, 상기 본체부(20)의 내부에 배치되어 연료를 연소하는 연소통(21)을 갖고, 상기 본체부(20)와 연소통(21)의 사이에는 정류통(23)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  3. 탄화수소계 연료를 개질하는 연료 개질기를 가열하는 연소 장치에 있어서,
    통 형상의 본체부(20)와, 상기 본체부(20)의 내부에 배치되어 연료를 연소하는 연소통(21)과, 상기 연소통(21) 내에 연료를 공급하는 가스 공급관(38) 및 순환가스 공급관(35)과, 상기 연소통(21) 내에서 발생한 연소 가스를 배출하는 연소 가스 배기구(88)와, 상기 연소통(21) 내에 공급된 연료를 점화하는 점화 장치를 갖고, 상기 본체부(20)는 동체부(20a)와, 상기 연소통(21)에서 발생한 연소 가스의 상류측에 위치하는 상류측 덮개체(28)와, 연소 가스의 하류측에 위치하는 하류측 덮개체(85)를 갖고, 상기 가스 공급관들(35, 38)은 상류측 덮개체(28)에 설치되어 있고, 상기 연소 가스 배기구(88)는 하류측 덮개체(85)에 설치되어 있고, 상기 점화 장치는 상기 상류측 덮개체측 또는 하류측 덮개체측으로부터 접속되어 있고, 상기 본체부(20)와 연소통(21)의 사이에는 정류통(23)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 정류통(23)은 상기 연소통(21)을 둘러싸고, 둘레부에 내외를 연통(連通)하는 복수의 공기 도입구(83)를 갖는 통 형상체이고, 상기 공기 도입구(83)는 연소통(21) 내를 통과하는 연소 가스의 상류측에 상당하는 위치에 설치되어 있는 것보다도, 연소 가스의 하류측에 상당하는 위치에 설치되어 있는 것의 쪽이 개구 면적이 큰 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 연소 가스 배기구(88)의 개구 직경은 연소통(21)의 내경보다도 작은 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 연소 가스 배기구(88)에는 둘레 방향의 일부 또는 전체 둘레에 걸쳐 연소 가스의 흐름 방향으로 돌출한 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 점화 플러그(39), 온도 센서(40) 및 플레임 로드(41)를 포함하는 전장(電裝) 장치가 상류측 덮개체측으로부터 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 본체부 내에서 발생한 드레인(drain)을 연소 장치의 외부로 배출하는 드레인 배출관(43)이 상류측 덮개체(28)측에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
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