JP3875928B2

JP3875928B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP3875928B2
Application number: JP2002189127A
Authority: JP
Inventors: 量森本; 雅也吉村; 武志若田; 英雄植田; 昭藤生; 浩二進藤; 博和井崎
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Noritz Corp
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Noritz Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: JP2004026611A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼装置に関するものであり、特に燃料電池システム等に供給される燃料の改質を行う燃料改質器に好適に使用可能なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギーの大量消費に伴うエネルギー資源の枯渇や環境問題が、社会的問題となっている。現在、この問題の解決のために、環境に調和し、高効率かつ安定に駆動可能な新規発電デバイスの開発が望まれている。そこで、これらの要件を満たしうる次世代発電デバイスの有力な候補として燃料電池システムが注目されている。
【０００３】
燃料電池は、主としてアノードと、カソードと、アノードとカソードに挟まれた電解質とから構成されている。アノードでは燃料が酸化され、カソードでは酸素が還元される。アノードには、純水素や、燃料改質器によりメタノール、ガソリン、天然ガス、プロパンなどの燃料を水蒸気改質した改質ガスが供給されている。
【０００４】
燃料改質器においてメタノール、ガソリン、天然ガス、プロパンなどの燃料が起こす反応は吸熱反応である。そのため、燃料の改質反応を促進するために、従来技術の燃料改質器にはバーナ等の燃焼装置が熱源として接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池システムにおいて採用されている燃焼装置においては、システム全体の総合エネルギー効率を向上させるため、外部から供給される燃料に加えて、燃料電池において反応しきれずに残った水素ガス（オフガス）や、燃料の水蒸気改質が不十分で、水素ガス濃度が燃料電池の駆動に適さないガス（プロセスガス）が供給され、燃焼されている。
【０００６】
上記したオフガスやプロセスガスはガス中に水分を多量に含んでおり、特に燃料電池から排出されたオフガス中は水蒸気を数十％も含んでいる。そのため、オフガスやプロセスガスを燃焼すると、燃焼装置の内部に多量のドレンが発生し、燃焼駆動に悪影響を及ぼす恐れがある。
【０００７】
また、従来の燃焼装置においては、燃焼駆動によりドレンやスケールが大量に発生するため、炎孔が閉塞されてしまい燃料を完全燃焼できないばかりか安全性についても危惧される状態であった。
【０００８】
燃料電池システムに採用されている燃焼装置においては、天然ガスやプロパンなどの外部から供給される燃料ガスと、燃料電池システム内で発生したオフガスやプロセスガスを同時に燃焼する必要がある。外部から導入される天然ガスやプロパンといった燃料は、比較的ウオッベ指数が高く、燃焼速度の緩やかな燃料であり、一次空気を予混合することにより比較的容易に安定燃焼できる。
【０００９】
一方、燃料電池システム内から供給されるオフガスやプロセスガスは、ウオッベ指数が低く燃焼速度が高い水素を多く含むガスである。そのため、オフガスやプロセスガスは、上記した外部から導入される燃料と同様に一次空気を混合し燃焼すると逆火を起こしやすく、燃焼状態が不安定となってしまう。そのため、従来の燃焼装置では、ウオッベ指数の異なるこれらのガスを同時に安定燃焼することは困難であり、振動燃焼等が起こってしまうという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明においては、燃焼駆動時に発生するドレンによる燃焼不良がほとんど起こらず、ウオッベ指数の異なる燃料を同時に安定燃焼できる燃焼装置の提供を目的とした。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで上記した課題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、炭化水素系燃料を改質する燃料改質器の加熱を行う燃焼装置において、筒状の本体部と、当該本体部に内蔵され、燃料を燃焼する燃焼筒と、当該燃焼筒内に燃料を噴射する循環ガス供給管とを有し、燃焼筒の周部には、燃料と空気との混合ガスを燃焼筒の内側に噴射して燃焼し火炎を形成する混合ガス炎孔が多数設けられており、循環ガス供給管は、循環ガス供給管の先端側の周部に水平方向の成分を持つ方向に開口したガス噴出口を備えており、ガス噴出口側の端部が本体部の内部側に突出したものであり、ガス噴出口から噴出するガスが、燃焼筒の内壁方向に向かって噴射され、ガス噴出口に火炎が形成されるものであり、循環ガス供給管のガス噴出口側の端部には、棒状で、燃焼筒に形成される火炎により赤熱し、ガス噴出口に形成される火炎の基部を加熱し、この火炎を保炎する赤熱部材が設けられていることを特徴とする燃焼装置である。
【００１２】
本発明の燃焼装置において、燃焼筒内に燃料を噴射すると共に火炎が形成されるガス噴出口は、水平方向の成分を持つ方向に開口している。一方、燃焼駆動中に発生するドレンやスケールは重力の影響を受けて燃焼筒内を落下する。そのため、上記した構成によれば、ドレンやスケールによるガス噴出口の閉塞を防止することができ、燃焼駆動を安定して行える。
【００１３】
また、上記した構成によれば、供給された燃料の大部分を完全燃焼することができ、未燃成分や一酸化炭素等の有毒ガスの排出量を最小限に抑制することができる。そのため、本発明の燃焼装置は、エネルギー変換効率が高く、環境に調和した燃焼駆動を行うことができる。
【００１４】
本発明の燃焼装置においては、燃焼筒内に形成される火炎により赤熱する赤熱部材がガス噴出口側の端部に設けられている。そのため、上記した構成によれば、赤熱部材の持つ熱により当該赤熱部材の近傍にあるガス噴出口に形成される火炎を安定化することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、ガス供給管と、空気導入管とを有し、循環ガス供給管が、燃焼筒内にウオッベ指数の低い低熱量燃料を噴射するものであり、外部からガス供給管を介して供給され、循環ガス供給管から噴射される燃料よりもウオッベ指数の高い高熱量燃料と空気導入管を介して本体部内に導入された空気とを混合し混合ガスを調製する混合部を有し、混合ガス炎孔は、前記混合部において調製された混合ガスを燃焼筒の内側に噴射して燃焼し火炎を形成するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置である。
【００１６】
本発明の燃焼装置においては、一次空気の存在下では逆火現象が起こりやすいウオッベ指数の低い低熱量燃料と、一次空気の存在下において燃焼状態が良好であるウオッベ指数の高い高熱量燃料とが別々に導入される。本発明の燃焼装置は、ウオッベ指数の高い高熱量燃料と空気とを混合する混合部を備えているため、前記高熱量燃料を完全燃焼すると共に、ガス導入口に安定した火炎を形成することができる。
【００１７】
一方、本発明の燃焼装置において、ウオッベ指数が低い低熱量燃料は、前記高熱量燃料とは別に燃焼筒内に噴射される。即ち、本発明の燃焼装置において、低熱量燃料は、循環ガス供給管から燃焼筒内に直接噴射される。よって、かかる構成によればウオッベ指数の低い低熱量燃料を安定燃焼することができる。従って、本発明の燃焼装置によれば、ウオッベ指数の異なる２種類の燃料を同時に安定燃焼できる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、本体部の底面をなす上流側蓋体と、ドレンガイドと、バーナ内筒と、ドレン排出管とを有し、上流側蓋体には、燃焼駆動に伴い発生するドレンを排出するためのドレン排出口が設けられており、バーナ内筒は、燃焼筒が挿通され固定されるものであり、ドレンガイドは、ドレン排出口を包囲するようにバーナ内筒と連続しており、燃焼筒内に発生するドレンを集結するドレン集結手段として機能するものであり、燃焼筒の内部空間が、ドレンガイドにより包囲される領域に連通しており、ドレンガイドによって包囲される領域内に集結されたドレンが、ドレン排出口に接続されたドレン排出管を通じて排出されることを特徴とする請求項 1 又は２に記載の燃焼装置である。
【００１９】
上記した構成によれば、燃焼筒において発生したドレンをドレン集結手段によって集結し、ドレン排出手段を通じてスムーズに排出することができる。そのため、本発明の燃焼装置は、燃焼筒内にドレンが滞留せず、当該ドレンによる燃焼不良がほとんど起こらない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
続いて、本発明の一実施形態である燃焼装置について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の燃焼装置を示す斜視図である。図２は、図１に示す燃焼装置を採用した燃料電池システムを示す模式図である。また、図３は、図１に示す燃焼装置のＡ−Ａ断面図である。図４は、図１に示す燃焼装置が備える上流側蓋体近傍を示す斜視図である。また、図５は、図１に示す燃焼装置が備える混合部を示す分解斜視図である。図６は、図１に示す燃焼装置が備えるバーナ内筒および、当該バーナ内筒に装着される燃焼筒と整流筒とを示す分解斜視図である。図７（ａ）は図１に示す燃焼装置が備える下流側蓋体の要部を拡大した断面図であり、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【００２１】
図１において、１は本実施形態の燃焼装置である。燃焼装置１は、図２に示すように固体高分子電解質型燃料電池２（Polymer Electrolyte Fuel Cell 以下ＰＥＦＣと称す）を用いた燃料電池システム３に採用されている。燃焼装置１は、燃料電池システム３に供給される天然ガスやプロパンなどの燃料の水蒸気改質を行う燃料改質器５に接続されており、燃料の改質反応の熱源として用いられる。
【００２２】
外部から供給された燃料は、脱硫器６に供給され、燃料中に含まれている硫黄成分が除去される。脱硫器６から流出した燃料は燃料改質器５に流入し、燃焼装置１によって加熱されながら水蒸気改質反応を起こし、水素、二酸化炭素、一酸化炭素を含有する改質ガスとなる。
【００２３】
改質ガス中に含まれている一酸化炭素はＰＥＦＣ２の電極に担持されている白金触媒に対して触媒毒として作用する。そこで改質ガス中に含まれている一酸化炭素を除去すべく、燃料改質器５を出た改質ガスは、ＣＯ変成器７に供給される。改質ガスがＣＯ変成器７に供給されると、改質ガス中に含まれている一酸化炭素の大部分は二酸化炭素に変成される。
【００２４】
ＣＯ変成器７を出た改質ガスは、さらにＣＯ除去器８に供給され、上記したＣＯ変成器７において変成しきれず改質ガス中に残っている一酸化炭素が完全に除去される。そのため、ＣＯ除去器８から流出する改質ガスは水素ガス濃度が極めて高い。ＣＯ除去器８を経た改質ガスは、ＰＥＦＣ２のアノード側（燃料極側）に導入される。
【００２５】
ＰＥＦＣ２は、燃料が供給されるアノード１０と、空気が供給されるカソード１１と、アノード１０とカソード１１とにより挟まれた電解質１２とにより構成されている。さらに詳細には、ＰＥＦＣ２は、アノード１０、カソード１１および電解質１２等により構成される単電池を複数積層した電池スタックである。アノード１０およびカソード１１には、白金等の貴金属が担持されている。また、電解質１２には、Ｈ₃Ｏ⁺イオンを透過可能な陽イオン交換膜が採用されている。アノード１０において発生したＨ₃Ｏ⁺イオンは、電解質１２中を透過し、カソード１１側に至る。カソード１１側に至ったＨ₃Ｏ⁺イオンは、カソード１１に供給される酸素と反応し、水と電子を発生する。カソード１１において発生した電子は、ＰＥＦＣ２に接続された外部回路中を流れ、アノード１０に至る。
【００２６】
上記したように、燃料電池システム３は燃料改質器５に燃料の改質に必要な熱量を供給するために図１に示す燃焼装置１が接続されている。図３に示すように燃焼装置１には、後述するガス供給管３８を介して天然ガス等の燃料が供給される。ガス供給管３８を介して供給される燃料は、ウオッベ指数が高く、一次空気と混合されることにより良好に燃焼される高熱量燃料である。また、燃焼装置１には、上記したＰＥＦＣ２のアノード１０に供給されたものの反応に寄与しなかった未反応ガス（オフガス）が、後述する循環ガス供給管３５を介して供給される。オフガスは、ＰＥＦＣ２において発生する水分を多く含み、水素を主成分とするガスであり、ウオッベ指数が低い低熱量燃料である。
【００２７】
燃料電池システム３の起動直後には、燃料改質器５、ＣＯ変成器７およびＣＯ除去器８が充分機能しておらず、例えこれらの装置を通過した改質ガスであっても、その水素ガス濃度（純度）はＰＥＦＣ２の駆動に適したものではない。そのため、燃料電池システム３の起動から、燃料改質器５、ＣＯ変成器７およびＣＯ除去器８が充分機能するまでの期間にＣＯ除去器８から排出される改質ガス（プロセスガス）は、循環ガス供給管３５を介して燃焼装置１に供給され、燃焼される。プロセスガスは、上記したオフガスと同様に水分および水素を多く含むガスであり、ウオッベ指数が低い低熱量燃料である。
【００２８】
燃焼装置１は全構成部材が耐食性の高いステンレス製であり、図３に示すように両端が開口した略円筒形の本体部２０の内部に、大別して燃焼筒２１と、混合部２２と、整流筒２３とを内蔵している。また、本体部２０の胴体部２０ａには空気を導入するための空気導入管２４が接続されている。燃焼装置１の本体部２０の両端には、本体部２０の中心軸に対して垂直外側方向に向かうフランジ部２５，２６が設けられている。フランジ部２５の端部には、燃料改質器５の接続部（図示せず）に係合するフランジ部２７が設けられている。
【００２９】
本体部２０の下方側に設けられているフランジ部２６には、上流側蓋体２８が固定されている。上流側蓋体２８は、図３，４に示すように、円盤状の板体であり、フランジ部２６の外形に略一致する形状を有する。上流側蓋体２８の略中央部には、後述する循環ガス供給管３５を挿通するための循環ガス供給口３０が設けられている。また、循環ガス供給口３０の周囲には、後述するガス供給管３８を接続するためのガス供給口３１と、点火プラグ３９、温度センサ４０およびフレームロッド４１を挿通するための挿通口３２，３３ａ，３３ｂが設けられている。さらに、循環ガス供給口３０の近傍には、燃焼駆動に伴い発生するドレンを排出するためのドレン排出口３４が設けられている。
【００３０】
上流側蓋体２８には、ＰＥＦＣ２から排出されるオフガスやＣＯ除去器８から排出されるプロセスガスが流れる循環ガス供給管３５（燃料噴射部）が、循環ガス供給口３０に上流側蓋体２８の下面側（図４下方側）から挿入されている。循環ガス供給管３５は、先端側の周部に複数のガス噴出口３６（炎孔部）を有する。ガス噴出口３６は、水平方向の成分を持つ方向、即ち燃焼筒２１の中心軸に対して交差する方向に開口している。さらに換言すれば、ガス噴出口３６は、ドレンの落下方向、即ち燃焼装置１の上下方向に対して交差する方向に開口している。そのため、ガス噴出口３６から噴出するガスは、燃焼筒２１の内壁方向に向かって噴射される。循環ガス供給管３５は、図３に示すようにガス噴出口３６側の端部が本体部２０の内部側（図３上方側）に突出している。
【００３１】
循環ガス供給管３５のガス噴出口３６側の端部には、図３，４に示すように保炎部３７（赤熱部材）が設けられている。保炎部３７は、中実で棒状の部材であり、循環ガス供給管３５のガス噴出口３６側の端部を閉塞している。保炎部３７は、後述する燃焼筒２１に形成される火炎により加熱され高温となり、この熱によってガス噴出口３６に形成される火炎の基部を加熱し、この火炎を保炎するものである。
【００３２】
図４に示すように、外部から天然ガスやプロパン等の燃料を供給するためのガス供給管３８が、上流側蓋体２８の下方側からガス供給口３１に接続されている。また、挿通口３２には、上流側蓋体２８の下方から燃焼筒２１内に噴射された燃料に点火するための点火プラグ３９が挿通され固定されている。また同様に、挿通孔３３ａ，３３ｂには、それぞれ燃焼筒２１内に形成される火炎の温度を検知するための温度センサ４０と、燃焼筒２１内に形成されている火炎を検知するためのフレームロッド４１とが挿通され固定されている。
【００３３】
また、上流側蓋体２８の下面側であって、ドレン排出口３４に相当する位置には、本体部２０内において発生したドレンを外部に排出するためのドレン排出管４３が接続されている。
【００３４】
一方、図３，４に示すように、上流側蓋体２８の上面側（図３，４上方側）には、ドレンガイド４５が設けられている。ドレンガイド４５は、円筒体であり、その一端側が溶接接合により上流側蓋体２８に固定され水密構造となっている。また、ドレンガイド４５は、上流側蓋体２８の略中心部に固定されており、ドレン排出口３４を包囲している。また、ドレンガイド４５は、後述するバーナ内筒７１と連続しており、これにより燃焼筒２１内に発生するドレンを集結するドレン集結手段として機能する。
【００３５】
上流側蓋体２８の上方には、図３，４に示すように外部からガス供給管３８を通じて供給される燃料と、胴体部２０ａに設けられた空気導入管２４から本体部２０内に導入された空気とを混合するため混合部２２が設けられている。混合部２２は、図３，５に示すように、混合室ケース４６内に混合室仕切部材４７とスペーサー４８とバッフル板５０とを内蔵している。
【００３６】
混合室ケース４６は、両端が開口した円筒体であり、両端に混合室ケース４６の外側に向かうフランジ部５１と、混合室ケース４６の内側に向かうフランジ部５２とを有する。フランジ部５１は、混合室ケース４６を上流側蓋体２８に固定するためのネジ孔５３を複数有する。混合室ケース４６のフランジ部５２側の開口部５５は、燃焼筒２１の外径に略一致する形状を有する。混合室ケース４６の周囲には空気導入口５６が複数設けられている。空気導入口５６は、混合室ケース４６のフランジ５１側にそれぞれ３つずつ設けられている。空気導入口５６，は、混合室ケース４６の周部に偏在している。さらに具体的には、空気導入口５６は、混合室ケース４６を本体部２０内に収納した際に空気導入管２４側を向く位置に偏在している。
【００３７】
混合室仕切部材４７は、図５に示すように、胴体部５８とフランジ部６０とにより構成されている。胴体部５８の外径は、上記した混合室ケース４６の内径と略一致している。また、胴体部５８の周囲であって上記した混合室ケース４６の空気導入口５６に相当する位置には、大径の空気導入口６１が設けられている。混合室仕切部材４７の一端側（図５上方側）には、混合室仕切部材４７の内側に向かうフランジ部６０が設けられている。フランジ部６０であって、胴体部５８に設けられた空気導入口６１に略対向する位置に相当する部位には、フランジ部６０の下方と上方とを連通する連通孔６５が設けられている。混合室仕切部材４７は、胴体部５８が混合室ケース４６の内壁に密着しており、空気導入口５６が空気導入口６１と連通している。そのため、混合室仕切部材４７の内側は、空気導入口５６，６１を介して混合室ケース４６の外側と連通している。また、図３に示すように混合室仕切部材４７の内側には、ドレンガイド４５、胴体部５８およびフランジ部６０により包囲される予備混合室６３が形成されている。
【００３８】
混合室仕切部材４７の上方には、環状のスペーサー４８を介してバッフル板５０が配置されている。スペーサー４８およびバッフル板５０の外径は、混合室仕切部材４７の胴体部５８の外径と略一致している。バッフル板５０は円盤状の部材であり、中心に燃焼筒２１を挿通するための開口６７が設けられている。また、開口６７の周囲には複数の貫通孔６８が設けられている。混合室仕切部材４７の上方には、フランジ部６０、スペーサー４８およびバッフル板５０によって混合促進室６６が形成されている。また、図３に示すようにバッフル板５０と混合室ケース４６のフランジ部５２とによって混合ガス室７０が形成されている。
【００３９】
混合部２２には、図３に示すように上方からバーナ内筒７１が嵌め込まれている。また、上記したようにバーナ内筒７１は、ドレンガイド４５と連続しており、これにより燃焼筒２１内で発生したドレンをドレンガイド４５により包囲される領域内に集結するドレン集結手段として機能している。バーナ内筒７１は、図３，６に示すように開口径の異なる円筒体であるドレンガイド係合部７２と、燃焼筒支持部７３と、整流筒係合部７５とが連続した３段形状を有する。また、ドレンガイド係合部７２と燃焼筒支持部７３の境界部および燃焼筒支持部７３と整流筒係合部７５との境界部には、それぞれフランジ部７６，７７が設けられている。
【００４０】
ドレンガイド係合部７２は、外径がドレンガイド４５の内径と略同一であり、混合部２２の上方から挿通され、ドレンガイド４５と係合している。また、ドレンガイド係合部７２と燃焼筒支持部７３との境界にあるフランジ部７６は、ドレンガイド４５の上端部と当接している。燃焼筒２１の内部空間は、ドレンガイド４５により包囲される領域に連通している。そのため、燃焼駆動時に燃焼筒２１内において発生したドレンは、ドレンガイド係合部７２を介してドレンガイド４５によって包囲される領域内に集められる。
【００４１】
また、燃焼筒支持部７３は、ドレンガイド係合部７２よりも大径であり混合室ケース４６の開口部５５と略同一の外径を有する。燃焼筒支持部７３は、混合部２２の上方にある開口部５５から挿通されている。燃焼筒支持部７３と整流筒係合部７５との境界にあるフランジ部７７は、混合室ケース４６のフランジ部５２に当接している。燃焼筒支持部７３の高さ（軸方向の長さ）は、混合部２２のバッフル板５０から混合室ケース４６のフランジ部５２に至る長さと略同一である。また、燃焼筒支持部７３の周部には、全周にわたって複数の連通孔７８が設けられている。そのため、混合部２２の内部には、燃焼筒支持部７３、バッフル板５０および混合室ケース４６によって包囲される環状の混合ガス室７０が形成されており、混合ガス室７０は、連通孔７８を介して燃焼筒２１の内部側と連通している。
【００４２】
整流筒係合部７５は、燃焼筒支持部７３よりも大径であり、整流筒２３の外径と略同一の開口径を有する。整流筒係合部７５は、整流筒２３の下端部に当接しており、整流筒２３の径方向への移動が阻止されている。
【００４３】
バーナ内筒７１には上方から燃焼筒２１が挿通され固定されている。燃焼筒２１は、両端が開口した円筒体であり、本体部２０と軸心が略一致するように収納されている。燃焼筒２１は、周部に多数の２次空気孔８０および混合ガス炎孔８１が形成されている。２次空気孔８０は、燃焼筒２１の周部に略均一の間隔で設けられているが、図３，６に示す状態において後述する下流側蓋体８５側にあるものほどその開口面積が大きい。即ち、２次空気孔８０の開口面積は、燃焼筒２１の内部を通過する燃焼ガスの下流側に向かうに従い増大している。そのため、燃焼筒２１の内部には、下流側蓋体８５側ほどより多くの空気が導入される。
【００４４】
混合ガス炎孔８１は、燃焼筒２１の周部に略均一の間隔で設けられており、燃焼筒２１の内外を連通している。混合ガス炎孔８１は、燃焼筒２１をバーナ内筒７１の上方から挿通した際に燃焼筒支持部７３の連通孔７８に合致する位置に設けられている。そのため、混合部２２において空気と混合され、混合ガス室７０内に流入した混合ガスは、混合ガス炎孔８１から燃焼筒２１の内側に向けて噴射され、燃焼される。
【００４５】
燃焼筒２１の上端側（下流側蓋体８５側）には、円板型のフランジ部材８２が係合している。フランジ部材８２は、外径が整流筒２３の内径と略同一であり、整流筒２３の内側に当接している。そのため、燃焼筒２１は、上端側がフランジ部材８２によって支持されており、径方向への移動が阻止されている。
【００４６】
燃焼筒２１の周囲には、図６に示すように整流筒２３が設けられている。整流筒２３は、燃焼筒２１よりも大径で両端が開口した円筒体であり、その周部に多数の空気導入口８３が設けられている。空気導入口８３は、整流筒２３の周部に略均一の間隔で設けられているが、図３に示す状態において下流側蓋体８５側にあるものほどその開口面積が大きい。即ち、空気導入口８３の開口面積は、燃焼筒２１の内部を通過する燃焼ガスの下流側に向かうに従い増大している。そのため、整流筒２３の内部には、下流側蓋体８５側ほど多くの空気が流入する。
【００４７】
本体部２０の上端側（図３上方側）、即ち燃焼ガスの下流側には、下流側蓋体８５が設けられている。下流側蓋体８５は、図１，３に示すように本体部２０の上端側の開口部分を閉塞する閉塞部８６と、閉塞部８６の外周部分に設けられたフランジ部８７と、閉塞部８６の中心部に設けられた燃焼ガス排気口８８とを有する。
【００４８】
下流側蓋体８５の閉塞部８６は、平面視が略円形であり、本体部２０の上端側の開口に合致する形状である。閉塞部８６の裏面側（図３下方側）は、燃焼筒２１および整流筒２３の上端面に当接し支持されている。フランジ部８７は、閉塞部８６の外周部分を閉塞部８６に対して略垂直方向に折り返した部分であり、その周部に下流側蓋体８５を本体部２０に固定するためのネジ孔が設けられている。
【００４９】
燃焼ガス排気口８８は、燃料改質器５の接続部（図示せず）に相当する大きさの開口である。燃焼ガス排気口８８の開口径は、燃焼筒２１の内径よりも小さい。燃焼ガス排気口８８の周部には、閉塞部８６に対して略垂直で、本体部２０の軸方向に突出した接続フランジ９１（突出部）が設けられている。また、閉塞部８６と接続フランジ９１との境界部は、図７に示すようになだらかに屈曲している。また同様に、接続フランジ９１の端部は、内側に向かって屈曲している。燃焼装置１は、接続フランジ９１を燃料改質器５の接続部に係合させることにより燃料改質器５と接続されている。
【００５０】
本体部２０のうち胴体部２０ａには、空気導入管２４を交わすようにして断熱材９２が巻き付けられている。断熱材９２は、材質が例えばセラミック、あるいはグラスウール等のシート状の部材であり、本体部２０の内部において燃焼駆動に伴い発生している熱の漏洩を防止するものである。
【００５１】
続いて、本実施形態の燃焼装置１におけるガスおよび空気の流れについて説明する。上記したように、燃焼装置１には、外部から天然ガスやプロパンなどの高熱量燃料と、空気が供給される。またさらに、燃焼装置１には、ＰＥＦＣ２において反応しきれずに残ったオフガスや、ＣＯ除去器８から排出されたプロセスガスなどの低熱量燃料も導入される。
【００５２】
外部から供給される高熱量燃料は、ガス供給管３８を介してドレンガイド４５と混合室仕切部材４７との間に形成されている予備混合室６３内に導入される。一方、外部から供給される空気は、本体部２０の胴体部２０ａに設けられた空気導入管２４を通じて本体部２０の内部に導入される。本体部２０内に導入された空気の一部は、整流筒２３の空気導入口８３を介して整流筒２３の内側に流れ込む。一方、本体部２０内に導入された空気の残部は、整流筒２３の下方の混合室ケース４６に設けられた空気導入口５６および混合室仕切部材４７の空気導入口６１を通じて、予備混合室６３の内部に流入する。
【００５３】
予備混合室６３内に流入した高熱量燃料と空気とは、互いに混合しながら前記空間内を移動し、フランジ６０の連通孔６５から混合促進室６６側へ流出する。ここで、フランジ６０の連通孔６５の開口面積は、予備混合室６３の流路断面積よりも小さく連通孔６５は予備混合室６３側から混合促進室６６側に流れる混合ガスの流れ抵抗となるため、連通孔６５を通過する際に高熱量燃料と空気との混合が一層促進される。
【００５４】
連通孔６５から混合促進室６６内に流入した高熱量燃料と空気との混合ガスは、連通孔６５よりもさらに開口面積の小さな貫通孔６８を通じて混合ガス室７０内に流入する。混合ガス室７０内に流入した燃料と空気との混合ガスは、混合ガス室７０を形成しているバーナ内筒７１に設けられている連通孔７８および、当該連通孔７８に連通している燃焼筒２１の混合ガス炎孔８１を通じて燃焼筒２１の内側に噴射される。混合ガス炎孔８１から噴射された混合ガスは、点火プラグ３９により点火され、混合ガス炎孔８１に火炎を形成すると共に燃焼ガスを発生する。
【００５５】
燃料電池システム３において排出されるプロセスガスやオフガスといった低熱量燃料は、１次空気と混合されることなく燃焼筒２１内に挿通されている循環ガス供給管３５内を流れ、ガス噴出口３６から燃焼筒２１の径方向に向けて噴射される。
【００５６】
一方、空気導入管２４から導入され、整流筒２３の空気導入口８３を介して整流筒２３の内側に流れ込んだ空気の一部は、整流筒２３と燃焼筒２１との間に空気層を形成し、残部は燃焼筒２１の２次空気孔８０から燃焼筒２１の内部に流入する。燃焼筒２１内に流入した空気は、循環ガス供給管３５のガス噴出口３６から導入されたプロセスガスやオフガスといった低熱量燃料が燃焼する際の２次空気として混合された後に燃焼し、燃焼ガスを発生する。
【００５７】
燃焼筒２１内において発生した高温の燃焼ガスは、燃焼筒２１内を上昇し、下流側蓋体８５の中心に設けられた燃焼ガス排気口８８から排出される。燃焼ガス排気口８８から排出された燃焼ガスは、燃料改質器５の接続部（図示せず）から燃料改質器５内に流入し、天然ガス等の水蒸気改質の熱源として利用される。
【００５８】
ガス供給管３８から供給された燃料ガスおよび、燃料電池システム３内において発生したオフガスやプロセスガスを燃焼することにより発生したドレンは、燃焼筒２１を伝い、バーナ内筒７１およびドレンガイド４５により構成されているドレン集結手段により上流側蓋体２８側に集結され、ドレンガイド４５により包囲されている領域内に流入する。上流側蓋体２８側に落下したドレンは、ドレン排出口３４に接続されたドレン排出管４３を通じて外部に排出される。
【００５９】
本実施形態の燃焼装置１において、低熱量燃料であるオフガスやプロセスガスを噴射し火炎を形成するガス噴出口３６は、水平方向の成分を持つ方向に開口している。そのため、燃焼駆動に伴い発生するドレンやスケールは重力の影響を受けて燃焼筒内を落下しガス噴出口３６の閉塞を防止することができ、供給された燃料の大部分を完全燃焼することができる。そのため燃焼装置１は、未燃成分や一酸化炭素等の有毒ガスの排出量が極めて少なく、エネルギー変換効率が高く、環境に調和した燃焼駆動を行うことができる。
【００６０】
また、燃焼装置１は、燃焼筒２１内に形成される火炎により赤熱する保炎部３７が低熱量ガスが噴出するガス噴出口３６の近傍に設けられている。そのため、ガス噴出口３６に形成される火炎は、保炎部３７の放出する熱により加熱され安定化される。よって、燃焼装置１は、ウオッベ指数が低く安定燃焼が困難であるオフガスやプロセスガスといった低熱量燃料を安定燃焼することができる。
【００６１】
上記したように、燃焼装置１は、ウオッベ指数の低い低熱量燃料と、ウオッベ指数の高い高熱量燃料とを別々の経路で燃焼筒２１内に導入し燃焼している。即ち、本実施形態においては、一次空気の存在下で逆火現象が起こりやすい、ウオッベ指数の低いオフガスやプロセスガスを、循環ガス供給口３０を介して直接燃焼筒２１内に導入して燃焼している。一方、外部から導入され、一次空気の存在下において燃焼状態が良好であるウオッベ指数の高い天然ガスやプロパンなどの高熱量燃料は、混合部２２において予め空気と混合した上で燃焼筒２１内に導入し燃焼する構成である。そのため、本実施形態の燃焼装置１によれば、導入される燃料の性質、即ちウオッベ指数の違いに応じて燃焼に最適な状態で空気を供給し、完全燃焼することができる。従って、上記した構成によれば、ウオッベ指数の異なる２種類の燃料を同時に安定燃焼できる。
【００６２】
本実施形態において、バーナ内筒７１およびドレンガイド４５によって構成されるドレン集結手段によって燃焼筒２１において発生したドレンは、ドレンガイド４５によって包囲される領域内に集結され、ドレン排出管４３を通じて滞りなく排出される。そのため、燃焼装置１においては、ドレンがガス噴出口３６等に付着することによる燃焼不良がほとんど発生しない。
【００６３】
本実施形態の燃焼装置１において、２次空気孔８０は、燃焼筒２１の上端側（図３上方側）、即ち燃焼ガスの下流側に設けられたものほど、その開口面積が大きい。そのため、燃焼筒２１内には、燃焼ガスの下流側ほど多くの空気が流入する。よって、燃焼ガスが滞留するなどして高温となりがちである燃焼ガスの下流側は、燃焼筒２１内に流入した空気によって空冷される。また、本実施形態の燃焼装置１においては、燃焼筒２１と整流筒２３との間に空気層が形成されている。一般的に、空気は金属よりも熱伝導率が低く断熱効果を有するため、燃焼筒２１において発生した燃焼ガスの持つ熱量は外部に漏洩しない。よって、本実施形態の燃焼装置１は熱効率が高く、燃料電池システム３全体のエネルギー変換効率の向上に寄与することができる。
【００６４】
本実施形態の燃焼装置１においては、循環ガス供給管３５、ガス供給管３８、点火プラグ３９、温度センサ４０およびフレームロッド４１が本体部２０の底面をなす上流側蓋体２８に接続されている。即ち、燃焼装置１は、循環ガス供給管３５やガス供給管３８などの燃料ガスを本体部２０内に供給するガス供給系統と、点火プラグ３９、温度センサ４０、フレームロッド４１などの電装装置とが上流側蓋体２８に集中的に設けられている。また、燃焼筒２１内で発生した燃焼ガスを排出する燃焼ガス排気口８８は、本体部２０の天面をなす下流側蓋体８５に設けられている。即ち、本体部２０の胴体部２０ａには、空気導入管２４のみが取り付けられており、他の配管等は本体部２０の天面あるいは底面側に集中的に設けられている。そのため、本実施形態の燃焼装置１は、胴体部２０ａに容易に断熱材９２を巻き付けることができ、胴体部２０ａの大部分を断熱材９２で被覆することができる。従って、燃焼装置１では、本体部２０の内部において発生した熱エネルギーの漏出を最小限に抑制することができ、燃料電池システム３のエネルギー変換効率を向上することができる。
【００６５】
本実施形態の燃焼装置１は、本体部２０の内部側に燃焼筒２１を包囲する整流筒２３を備えている。そのため、燃焼筒２１内における燃焼駆動に伴い発生する燃焼筒２１から本体部２０側に向けて放射される輻射熱が整流筒２３によって遮られ、本体部２０には伝播しない。従って、上記した構成によれば、燃焼筒２１において発生した熱エネルギーの放散を最小限に抑制することができる。
【００６６】
また、上記したように、燃焼装置１では整流筒２３の内側および外側に、空気導入管２４から流入した空気による空気層が形成される場合がある。通常、空気は金属等に比べて熱伝導率が低い。そのため、燃焼筒２１から本体部２０側に向けて放射される輻射熱は、燃焼筒２３の内外に形成される空気層によっても遮られ、本体部２０には伝播しない。従って、本実施形態の燃焼装置１は、燃焼駆動により発生した熱エネルギーの大部分を外部に放出することなく燃料改質器５側に供給することができ、燃料電池システム３全体のエネルギー変換効率を向上することができる。
【００６７】
上記した燃焼装置１は、下流側蓋体８５に設けられた燃焼ガス排気口８８が燃焼筒２１の開口径よりも小さいため、燃焼時に発生する高温の燃焼ガスは、燃焼ガスの下流側にある下流側蓋体８５の閉塞部８６に接触する。そのため、下流側蓋体８５は、高温の燃焼ガスにより加熱され高温となり、燃焼ガスの持つ熱エネルギーが閉塞部８６の表面から漏出する恐れがある。一方、燃焼装置１は、上記したように燃焼筒２１に設けられた２次空気孔８０および整流筒２３に設けられた空気導入口８３が、下流側蓋体８５側にあるものほどその開口面積が大きく、下流側蓋体８５側に多くの空気が導入される。そのため、燃焼装置１においては、下流側蓋体８５が外部から導入された比較的低温の空気によって冷却される。また、下流側蓋体８５側に導入された空気は、下流側蓋体８５の内側に空気層を形成するため、下流側蓋体８５側へ伝播する燃焼ガスの熱エネルギー量を大幅に削減することができる。従って、上記した構成によれば、下流側蓋体８５が過度に高温となるのを防止し、下流側蓋体８５側からの熱エネルギーの放散を最小限に抑制することができる。
【００６８】
本実施形態の燃焼装置１は、下流側蓋体８５に設けられた燃焼ガス排気口８８が燃焼筒２１の開口径よりも小さいため、燃焼ガス排気口８８から排出される燃焼ガスの流速は、燃焼ガス排気口８８が燃焼筒２１の開口径と同程度である場合に比べて速い。そのため、本発明の燃焼装置１によれば燃焼ガス排気口８８から排出された燃焼ガスを勢いよく燃料改質器５内に供給し、燃料改質器５内の所望の位置まで迅速かつ均等に導入することができる。従って、上記した構成によれば、燃料電池システム３の起動に要する時間を短縮し、燃料改質器５における改質精度を向上することができる。
【００６９】
また、本実施形態の燃焼装置１において、下流側蓋体８５の閉塞部８６と接続フランジ９１との境界部および接続フランジ９１の端部は、図７（ａ）に示すようになだらかに屈曲している。そのため、燃焼筒２１内において発生した燃焼ガスにより下流側蓋体８５が高温となっても、下流側蓋体８５の閉塞部８６と接続フランジ９１との境界部や接続フランジ９１の端部において下流側蓋体８５に作用する熱応力が除去されるため、下流側蓋体８５の損傷や歪みが起こらない。なお、上記した実施形態においては、下流側蓋体８５に作用する熱応力を効率的に除去するために閉塞部８６と接続フランジ９１との境界部に加えて、接続フランジ９１の端部にもなだらかに屈曲した屈曲部を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図７（ｂ）に示すように閉塞部８６と接続フランジ９１との境界部のみ屈曲部を設ける構成としてもよい。
【００７０】
本実施形態では、燃焼装置１を固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）２を採用した燃料電池システム３に採用した例を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ）やリン酸電解質型燃料電池（ＰＡＦＣ）等あらゆるタイプの燃料電池あるいは当該燃料電池を採用した燃料電池システムに採用することができる。
【００７１】
本実施形態の燃焼装置１は、ドレン等による腐食を防止すべく全構成部材をステンレス製としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ステンレス以外のいかなる材質で製作されても良い。しかし、ドレン等による腐食や、耐久性、強度等を考慮すれば、燃焼装置１はステンレス等の材質で作成されることが望ましい。
【００７２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼駆動に伴い発生するドレンやスケールによるガス噴出口の閉塞を防止し、燃焼駆動を安定して行える。
【００７３】
請求項１に記載の発明によれば、赤熱部材の持つ熱によりガス噴出口に形成される火炎の基部を加熱し、当該火炎を安定化することができる。
【００７４】
請求項２に記載の発明によれば、ウオッベ指数の異なる２種類の燃料を同時に安定燃焼できる。
【００７５】
請求項３に記載の発明によれば、燃焼筒において発生したドレンをドレン集結手段によって集結し、ドレン排出手段を通じてスムーズに排出することができ、当該ドレンによる燃焼不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃焼装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃焼装置を採用した燃料電池システムを示す模式図である。
【図３】図１に示す燃焼装置のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１に示す燃焼装置が備える上流側蓋体近傍を示す斜視図である。
【図５】図１に示す燃焼装置が備える混合部を示す分解斜視図である。
【図６】図１に示す燃焼装置が備えるバーナ内筒および、当該バーナ内筒に装着される燃焼筒と整流筒とを示す分解斜視図である。
【図７】図１に示す燃焼装置が備える下流側蓋体の要部を拡大した断面図である。
【符号の説明】
１燃焼装置
５燃料改質器
２０本体部
２０ａ胴体部
２１燃焼筒
２２混合部
３５循環ガス供給管（燃料噴射部）
３６ガス噴出口（炎孔部）
３７保炎部（赤熱部材）
３８ガス供給管
４３ドレン排出管（ドレン排出手段）
４５ドレンガイド
７１バーナ内筒
８１混合ガス炎孔

Claims

炭化水素系燃料を改質する燃料改質器の加熱を行う燃焼装置において、
筒状の本体部と、
当該本体部に内蔵され、燃料を燃焼する燃焼筒と、
当該燃焼筒内に燃料を噴射する循環ガス供給管とを有し、
燃焼筒の周部には、燃料と空気との混合ガスを燃焼筒の内側に噴射して燃焼し火炎を形成する混合ガス炎孔が多数設けられており、
循環ガス供給管は、循環ガス供給管の先端側の周部に水平方向の成分を持つ方向に開口したガス噴出口を備えており、ガス噴出口側の端部が本体部の内部側に突出したものであり、
ガス噴出口から噴出するガスが、燃焼筒の内壁方向に向かって噴射され、ガス噴出口に火炎が形成されるものであり、
循環ガス供給管のガス噴出口側の端部には、棒状で、燃焼筒に形成される火炎により赤熱し、ガス噴出口に形成される火炎の基部を加熱し、この火炎を保炎する赤熱部材が設けられていることを特徴とする燃焼装置。
ガス供給管と、空気導入管とを有し、
循環ガス供給管が、燃焼筒内にウオッベ指数の低い低熱量燃料を噴射するものであり、
外部からガス供給管を介して供給され、循環ガス供給管から噴射される燃料よりもウオッベ指数の高い高熱量燃料と空気導入管を介して本体部内に導入された空気とを混合し混合ガスを調製する混合部を有し、
混合ガス炎孔は、前記混合部において調製された混合ガスを燃焼筒の内側に噴射して燃焼し火炎を形成するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
本体部の底面をなす上流側蓋体と、ドレンガイドと、バーナ内筒と、ドレン排出管とを有し、
上流側蓋体には、燃焼駆動に伴い発生するドレンを排出するためのドレン排出口が設けられており、
バーナ内筒は、燃焼筒が挿通され固定されるものであり、
ドレンガイドは、ドレン排出口を包囲し、バーナ内筒と連続しており、燃焼筒内に発生するドレンを集結するドレン集結手段として機能するものであり、
燃焼筒の内部空間が、ドレンガイドにより包囲される領域に連通しており、
ドレンガイドによって包囲される領域内に集結されたドレンが、ドレン排出口に接続されたドレン排出管を通じて排出されることを特徴とする請求項 1 又は２に記載の燃焼装置。