JP5525756B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスの２種類の燃料を燃焼させる燃焼装置であって、特に燃料電池に供給される水素主成分の改質ガスを生成するための改質装置の加熱に用いられるものである。

燃料電池に水素を供給するための水素供給装置は、改質反応により水素原料から水素主成分の改質ガスを生成する改質装置と、この改質装置を加熱する燃焼装置から構成され、水素原料として灯油を用いた場合、改質装置には概ね８００℃程度の作動温度が必要となる。そのため、燃料電池の起動時及び発電運転時の作動温度維持を目的とした、改質装置を加熱するための燃焼装置が不可欠となる。

この燃焼装置は、燃料電池の起動時には灯油を気化した気化ガスを一次空気と混合した燃焼用混合ガス（第一燃焼用ガス）を燃焼させることで改質装置を昇温させ、発電運転時には燃料電池の水素極より排出される排ガス（第二燃焼用ガス）を燃料として燃焼させることで、該改質装置を所定の温度に維持する機能を有している。

つまり、この燃焼装置には、第一燃焼用ガス及び第二燃焼用ガスの２種類の燃料が燃焼可能であることが求められ、また同時に、燃料電池起動時間に直接影響する着火時間の短縮や、ＮＯｘ・ＣＯ２排出量の低減による環境負荷の軽減、さらには小型・安価で安全性・耐久性においても高い水準が要求されている。

そこで、従来、本出願人は特許文献１に示すような燃焼装置を開発した。この燃焼装置は、液体燃料を気化させた燃焼用ガスと一次空気とを混合し燃焼用混合ガスとする混合室と、前記混合室の外周に取り付けられ燃料電池からの排ガスを収容する排ガス室と、この排ガス室に燃料電池からの排ガスを供給する排ガス供給管とを備え、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスのそれぞれを炎板に設けた噴出孔から噴出させて同一面上で燃焼させるようにしたものである。このように構成することにより、装置を小型化することが可能となるだけでなく、排ガス室は上面の開口と底面の穴をそれぞれ炎板と混合室に溶接してシールすれば気密に保たれることとなるため、従来と比べて簡単な構成で排ガスが漏れ出すのを防ぐことができ、安全性の面でも優れた燃焼装置となるのである。

特開２００７−１２０８５６号公報

しかしながら、上述のような構成としても、そもそも複数の部品を溶接や嵌合といった手段で組み立てた構造であるため、組立工程で隙間や穴が発生しないとも限らない。さらには、排ガス室は燃焼中は高温に曝されることとなるため、製造時には完全にシールされていたとしても、使用に伴い熱により部品が歪んで嵌合部分に隙間が生じてしまう可能性もある。すると、このわずかな隙間から第二燃焼用ガスが二次空気通路に漏れ出てしまうことになる。

二次空気は炎板の下流で火炎に対して供給されるようになっているものの、火炎の外側から供給される構造であるため全ての二次空気が燃焼に寄与するわけではない。したがって、二次空気通路に漏れ出た第二燃焼用ガスの一部は未燃のまま二次空気とともに排気されてしまうことになる。

このような問題を解消するためには、第二燃焼用ガスが漏れないよう高温にも耐えうるような構造としなければならないが、極めて製造コストがかかることになってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、製造コストを増大させることなく未燃のままの第二燃焼用ガスが排出されてしまうことを防止する燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明は、第一燃焼用ガスを燃焼させた後、第二燃焼用ガスを燃焼させる燃焼装置であって、第一燃焼用ガスを供給する経路と、第二燃焼用ガスを供給する経路と、火炎に二次空気を供給する経路と、中央部には第一燃焼用ガス噴出孔が設けられ、この第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように第二燃焼用ガス噴出孔が設けられ、さらに第二燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように二次空気噴出孔が設けられた炎板とを備え、供給経路を流れる気体の流量を噴出孔の総面積で割った値をその気体の流速とし、二次空気の流速が第二燃焼用ガスの流速よりも大きくなるように第二燃焼用ガス噴出孔と二次空気噴出孔を設定することで、二次空気を供給する経路の内圧を第二燃焼用ガスを供給する経路の内圧より高くしたことを特徴とする燃焼装置である。

上述のように構成することにより、第二燃焼用ガスを供給する経路に隙間や穴があったとしても、第二燃焼用ガスが二次空気を供給する経路へ漏れるのを防ぐことができるため、排気中に未燃への第二燃焼用ガスが混入してしまうといった問題を解消することが可能となる。そして、そのための製造コストも抑えることができる。

本発明の燃焼装置の正断面図である。 本発明の炎板を表した図である。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明は、例えば、燃料電池に供給される水素主成分の改質ガスを生成するための改質装置を加熱するための燃焼装置であって、第一燃焼用ガスを供給して燃焼させた後、第二燃焼用ガスを供給して燃焼させるようになっている。

具体的には、燃料電池の起動時には、灯油等の液体燃料を加熱気化した気化ガスと一次空気とを混合した予混合ガス（第一燃焼用ガス）が、第一燃焼用ガスの供給経路を通過して第一燃焼用ガス噴出孔から噴出し火炎が形成される。そして、第一燃焼用ガスの燃焼により改質装置が加熱され、改質装置で水素主成分の改質ガスが生成されると、燃料電池の運転が開始される。

燃料電池が運転を開始すると、燃料電池から排出された水素を含んだ水素含有ガス（第二燃焼用ガス）が第二燃焼用ガスの供給経路を通過して第二燃焼用ガス噴出孔から噴出する。そして、第一燃焼用ガスの火炎に接触することで着火して燃焼し、第一燃焼用ガスと第二燃焼用ガスの両方による燃焼が開始される。その後、燃料電池の動作が安定すると主として第二燃焼用ガスでの燃焼となる。

また、二次空気の供給経路を通った空気が二次空気噴出孔から火炎に対して供給され、火炎はこの二次空気を取り込むことにより完全燃焼する。

このとき、もし第二燃焼用ガスを供給する経路に隙間や穴があったとしても、二次空気を供給する経路の内圧の方が第二燃焼用ガスの供給経路の内圧よりも高いため、圧力の高い二次空気供給経路に第二燃焼用ガスが漏れ出してしまうことはない。したがって、供給された第二燃焼用ガスは全て燃焼されることになり、安全に使用することが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の燃焼装置について詳細な説明をする。

図１は燃焼装置の正断面図であって、液体燃料を気化した燃焼用ガスと一次空気との予混合ガス（第一燃焼用ガス）を作出する気化器１と、予混合ガスおよび燃料電池で発生する水素含有ガス（第二燃焼用ガス）を燃焼するバーナ部２と、空気を供給する送風通路３が設けられている。

気化器１は、気化器１に液体燃料を供給する液体燃料供給管４と、気化器１を昇温させるためのヒータ５と、液体燃料を加熱気化して燃焼用ガスとする蒸発部６と、液体燃料を蒸発部６へ分散滴下させる滴下孔８を備えた仕切板７と、内部底面に蒸発部６を有し燃焼用ガスと一次空気とを混合して予混合ガスとする気化室９と、送風通路３からの空気を収容し燃焼用ガスと混合する一次空気とバーナ部２で形成される火炎に供給する二次空気とに分配する給気室１０と、予混合ガスを噴出する予混合ガス噴出部１１とを具備した構造である。

予混合ガス噴出部１１は、気化室９と連通し予混合ガスが流入する流入口１２と、予混合ガスを噴出する噴出口１３を備えており、流入口１２は蒸発部６よりも高い位置に設けられている。

バーナ部２は、予混合ガスを燃焼させる予混合ガスバーナ１４と、水素含有ガスを燃焼させる水素含有ガスバーナ１５と、給気室１０と連通しバーナ部２で形成される火炎に二次空気を供給する経路である二次空気通路１６と、複数の貫通する噴出孔が設けられている炎板１７からなり、気化器１の鉛直方向下方に設けられている。

予混合ガスバーナ１４は、予混合ガスの供給経路である円筒状の予混合ガス通路１８と、後述する予混合ガス導出部２１からなり、予混合ガス噴出部１１の噴出口１３から噴射された予混合ガスはこの予混合ガス通路１８に供給される。

水素含有ガスバーナ１５は、燃料電池で発生した水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給管１９と、この水素含有ガス供給管１９の下流端が連設する水素含有ガス室２０と、後述する水素含有ガス導出部２２から構成される。また、この水素含有ガス供給管１９と水素含有ガス室２０は水素含有ガスの供給経路を形成しており、燃料電池の水素極から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス供給管１９を通って水素含有ガス室２０に供給される。

そして、予混合ガス通路１８、水素含有ガス室２０および二次空気通路１６は、図２に示すように複数の貫通する噴出孔が設けられている炎板１７と連接しており、炎板１７によりバーナ部２が閉塞された状態となっている。

この炎板１７に設けられた噴出孔のうち、炎板１７の中央部に設けられた予混合ガス噴出孔（第一燃焼用ガス噴出孔）１７ａは予混合ガス通路１８と連通しており、これら炎孔は予混合ガスを導出する予混合ガス導出部２１として構成されていて、この予混合ガス導出部２１から噴出する燃焼用混合ガスは図示しない点火装置により点火されて燃焼を開始する。

そして、予混合ガス噴出孔１７ａの周囲に設けられた水素含有ガス噴出孔（第二燃焼用ガス噴出孔）１７ｂは、水素含有ガス室２０と連通しており、水素含有ガスを導出する水素含有ガス導出部２２として構成されている。

さらに、炎板１７の周縁部には水素含有ガス噴出孔１７ｂの周囲を取り囲むように二次空気噴出孔１７ｃが設けられており、この二次空気噴出孔１７ｃは二次空気通路１６と連通していて、二次空気を導出する二次空気導出部２３として構成されている。

そして、水素含有ガスを供給する経路（水素含有ガス供給管１９および水素含有ガス室２０）の内圧が二次空気を供給する経路（二次空気通路１６）の内圧よりも小さくなるように水素含有ガス噴出孔１７ｂの径と二次空気噴出孔１７ｃの径が決定されている。

具体的には、それぞれの供給経路を流れる気体の流量を噴出孔の総面積で割った値を流速とし（流速＝流量／孔の総面積）、二次空気の流速が水素含有ガスの流速よりも大きくなるように孔径を設定する。

例えば、本実施例においては、水素含有ガス噴出孔１７ｂおよび二次空気噴出孔１７ｃの数をそれぞれ８個、二次空気噴出孔１７ｃの孔径をφｃ２．０とし、燃焼量が１０００ｋｃａｌ／ｈのときの供給経路を流れる気体の流量を計測したところ、水素含有ガスが１．７６×１０−４ｍ３／ｓ、二次空気が１．８３×１０−４ｍ３／ｓであった。このとき、二次空気の流速を水素含有ガスの流速よりも大きくするためには、水素含有ガス噴出孔１７ｂの孔径をφｂ１．９６以上とする必要がある。よって、本実施例では水素含有ガス噴出孔１７ｂの孔径をφｂ２．０に設定している。

また、バーナ部２の外周壁は炎板１７の下流で末端が中央に向けて屈曲し、屈曲した部分は二次空気変向手段２４として構成されている。したがって、送風通路３から給気室１０に流入した空気は、二次空気通路１６を通って二次空気導出部２３から噴出した後、二次空気変向手段２４によって炎板１７の中央方向に変向されて、バーナ部２で形成される火炎に向けて二次空気として供給される。

次に、前述した構成から成る本実施例に係る燃焼装置の動作について説明する。

まず、燃料電池の運転が指示されると、ヒータ５への通電を開始して気化器１を加熱する。そして気化器１の温度が液体燃料を気化することのできる温度に達したことをセンサー（図示省略）が検知すると、気化器１へ液体燃料の供給を開始する指示が出され、液体燃料は液体燃料供給管４を通って気化器１に供給される。

気化器１に供給された液体燃料は、仕切板７上に落下して四方に満遍なく広がり、滴下孔８から蒸発部６に滴下する。そして、蒸発部６に滴下した液体燃料は加熱気化されて燃焼用ガスとなり、燃焼用ガスが気化室９内に拡散することになる。

このとき、送風通路３から給気室１０へ供給された空気の一部は液体燃料供給管４の隙間から気化室９内に一次空気として取り込まれるため、一次空気と気化室９に拡散した燃焼用ガスとが混合されて予混合ガスとなる。

この予混合ガスは、流入口１２から予混合ガス噴出部１１内へ流入して噴出口１３から予混合ガス通路１８に噴出される。なお、流入口１２は蒸発部６よりも高い位置に設けられているので、蒸発部６と流入口１２の間には液体燃料の受け皿となる空間が形成されることとなる。そして、この空間に未気化の液体燃料を留まらせることで液体燃料が完全に気化するための十分な時間を与えることができるため、蒸発していない液体状態の燃料が予混合ガス噴出部１１に流入することはない。つまり、噴出口１３から予混合ガス通路１８に噴出される予混合ガスに含まれる燃料は完全に気化した燃焼用ガスのみとなり、バーナ部２での燃焼状態を良好に維持することが可能となるのである。

また、予混合ガス噴出部１１を設けたことで、気化室９内部の圧力を上昇させることになり、この圧力上昇によって液体燃料の蒸発に伴って発生する気化室９内部の圧力変動を小さくすることができるため燃焼量の変動が抑制されるとともに、燃焼用ガスと一次空気との混合も十分に行われるので噴出される予混合ガスは均一なものとなる。

なお、上述の効果を得るためには、予混合ガス噴出部１１の穴長を噴出口１３径よりも大とし、好ましくは２倍以上の比率となるように構成する。

そして予混合ガスは、予混合ガス通路１８を通って炎板１７の中央部に設けられた予混合ガス導出部２１より噴出して、図示しない点火装置により点火されて予混合ガスバーナ１４での燃焼が開始される。

この際、二次空気導出部２３からは二次空気が噴出しており、この二次空気は二次空気変向手段２４によって炎板１７の中央方向に噴出方向が変向されて、予混合ガスの燃焼により形成されている火炎に向けて供給される。したがって、二次空気と火炎との混合が効果的に行われるので予混合ガスが完全燃焼することになる。

このように、予混合ガスが燃焼することにより改質装置が加熱される。そして、改質装置の温度が作動温度まで上昇すると、炭化水素等の原燃料としての灯油から水素主成分の改質ガスの生成が開始され、この水素主成分の改質ガスは燃料電池に供給されて燃料電池が作動し、発電運転が行われる。

燃料電池の発電運転の際、該燃料電池に供給された水素主成分の改質ガスは全てが発電に消費されるものではなく、数１０％程度の未反応水素ガスを含有したまま水素含有ガスとして燃料電池の水素極から排出され、この水素含有ガスも燃焼装置での燃焼に用いられる。

具体的には、水素極から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス供給管１９を通って水素含有ガス室２０に供給され、水素含有ガス導出部２２から噴出する。すると、既に予混合ガス導出部２１に形成されている火炎と接触することで着火して燃焼し、予混合ガスと水素含有ガスの両方による燃焼が開始される。

そして、両者の火炎は二次空気導出部２３から供給される二次空気を取り込むことで完全燃焼し、改質装置の加熱を継続する。この予混合ガス導出部２１と水素含有ガス導出部２２は同一の炎板１７上に設けられ、該両者間の距離は短い為、水素含有ガス導出部２２から噴出した水素含有ガスは確実に火炎と接触して着火することになる。

ところで、水素含有ガスを供給する経路である水素含有ガス供給管１９と水素含有ガス室２０は嵌合や溶接により組み立てられているため、組立工程で隙間や穴が発生するおそれや、または組立時には完全にシールされていたとしても燃焼に伴い部品が熱で歪んで嵌合部分に隙間が生じてくる可能性がある。すると、そのわずかな隙間から水素含有ガスが外に漏れ出そうとするが、二次空気を供給する経路の内圧は水素含有ガスを供給する経路の内圧よりも高くなっているため、水素含有ガスが二次空気通路１６に混入してしまうことはない。したがって、水素含有ガスが燃焼に寄与しなかった二次空気とともに未燃のまま排気されてしまうといった問題を解消することが可能となるのである。

そして、水素含有ガス供給管１９および水素含有ガス室２０は周囲を二次空気通路１６に取り囲まれるように配置されているので、供給された第二燃焼用ガスは外部に漏れることなく、全てバーナ部２で燃焼されることになるため、より安全に使用することができるのである。

また、本実施例においては、供給経路を流れる気体の流量と噴出孔の総面積から流速を算出し、二次空気の流速が水素含有ガスの流速よりも大きくなるよう二次空気噴出孔１７ｃと水素含有ガス噴出孔１７ｂの孔径を設定することにより二次空気を供給する経路の内圧が高くなるようにしており、このように簡単な構成により効果的に水素含有ガスの漏れを防ぐことができ、組立時の作業性が悪化したり製造コストが増大してしまうといった問題も発生しない。

改質装置が作動した直後は燃料電池に対する水素主成分の改質ガスの供給が安定しないため、燃料電池から排出される水素含有ガスの量も不安定である。よって、水素含有ガスだけでは安定した燃焼を維持することは難しいため、改質装置の作動後しばらくは予混合ガスと水素含有ガスの両方による燃焼が継続されることとなる。

そして、水素含有ガスの燃焼が安定した時点で気化器１への液体燃料の供給を停止し、水素含有ガス単独での燃焼に移行する。なお、水素含有ガスの量は燃料電池の出力に左右されるため、水素含有ガスバーナ１５単独燃焼時においては、燃料電池の出力が低く水素含有ガスの排出量が少ない場合は燃焼量が不足し、改質装置の作動に必要な温度を維持できなくなる。そこで、図示省略のセンサーにより検知される改質装置の温度が所定値以下となった場合は、ふたたび気化器１に液体燃料を供給して予混合ガスを発生させ、予混合ガスと水素含有ガスの両方を燃焼させることで改質装置を加熱する。

１７ 炎板
１７ａ 予混合ガス噴出孔（第一燃焼用ガス噴出孔）
１７ｂ 水素含有ガス噴出孔（第二燃焼用ガス噴出孔）
１７ｃ 二次空気噴出孔

Claims (1)

1. 第一燃焼用ガスを燃焼させた後、第二燃焼用ガスを燃焼させる燃焼装置であって、第一燃焼用ガスを供給する経路と、第二燃焼用ガスを供給する経路と、火炎に二次空気を供給する経路と、中央部には第一燃焼用ガス噴出孔が設けられ、この第一燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように第二燃焼用ガス噴出孔が設けられ、さらに第二燃焼用ガス噴出孔を囲繞するように二次空気噴出孔が設けられた炎板とを備え、供給経路を流れる気体の流量を噴出孔の総面積で割った値をその気体の流速とし、二次空気の流速が第二燃焼用ガスの流速よりも大きくなるように第二燃焼用ガス噴出孔と二次空気噴出孔を設定することで、二次空気を供給する経路の内圧を第二燃焼用ガスを供給する経路の内圧より高くしたことを特徴とする燃焼装置。

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