JP6111998B2

JP6111998B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP6111998B2
Application number: JP2013248146A
Authority: JP
Inventors: 杉原　真一; 真一杉原; 木村　幸雄; 幸雄木村; 彰松井
Original assignee: Denso Corp; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JP2015105788A

Description

本発明は、燃料電池に適用される燃焼装置に関する。

この種の燃焼装置は、燃料電池の起動直後に小流量の都市ガス（外部可燃性ガス）を可燃性流体として燃焼室で燃焼させ、燃料電池の運転中に燃料電池から排出される大流量の排出燃料（内部可燃性ガス）を可燃性流体として燃焼室で燃焼させるようになっている。なお、燃料電池から排出される排出燃料には、燃料電池１０にて発電に利用されなかった未反応の燃料ガスが残留していることから可燃性流体として利用できる。また、排出燃料は、燃料電池から排出されるものであり、常温の外部可燃性ガスよりも燃料電池の内部の温度に近い温度となる。

ここで、燃焼装置にて小流量の外部可燃性ガスを燃焼させる際に、燃焼装置の燃焼室における外部可燃性ガスの拡散性が悪いと、外部可燃性ガスの不完全燃焼によって一酸化炭素（ＣＯ）の排出量が増大してしまう虞がある。

このため、燃焼装置にて小流量の外部可燃性ガスを燃焼させる際には、外部可燃性ガスが燃焼室へ高速で噴射されるように、燃焼室へ可燃性ガスを噴射するノズルの開口面積を小さくする必要がある。なお、小流量の外部可燃性ガスを燃焼室へ高速で噴射する場合には、燃焼室における外部可燃性ガスの拡散性が向上するので、不完全燃焼による一酸化炭素（ＣＯ）の排出を抑制可能となる。

一方、燃焼装置の燃焼室へ大流量の内部可燃性ガスを導入する場合、内部可燃性ガスの流量の増大に伴って、燃焼装置における内部可燃性ガスの流通経路に生ずる圧力損失が著しく大きくなり、燃焼室へ所望の内部可燃性ガスを導入できなくなってしまう。

このため、燃焼装置にて大流量の内部可燃性ガスを燃焼させる際には、内部可燃性ガスが燃焼室へ低速で噴射されるように、燃焼室へ可燃性ガスを噴射するノズルの開口面積を大きくする必要がある。なお、大流量の内部可燃性ガスを低速で噴射する場合には、内部可燃性ガスの流通経路における圧力損失が小さくなるので、燃焼室へ所望の内部可燃性ガスを導入可能となる。

このように、燃料電池に適用される燃焼装置は、燃料電池の起動時の要求（ノズルの開口面積を小さくすること）、および燃料電池の運転中の要求（ノズルの開口面積を大きくすること）それぞれを満たす必要がある。

各要求の双方を満たす燃焼装置としては、例えば、特許文献１で提案されたバーナの如く、ノズルの開口面積を調整するための可動弁を追加する構成が考えられる。これによれば、可動弁により燃料電池の起動時にノズルの開口面積を小さくし、燃料電池の発電中にノズルの開口面積を大きくすることで、燃料電池の作動条件に応じた流速変化を実現できる。

特表２００１−５０１２９４号公報

しかしながら、燃焼装置に対して、ノズルの開口面積を調整する可動弁を追加する場合、燃焼装置の部品点数が増えるといった問題がある。なお、燃焼装置の部品点数の増加は、燃焼装置のコストを増加させる要因となることから好ましくない。

また、燃焼装置に対して可動弁を追加する場合、可動弁とその周囲の部材とが干渉しないように、可動弁とその周囲の部材との間に隙間が設定されることから、可燃性流体が外部へ漏れる可能性が高くなるといった問題がある。なお、可燃性流体の外部への漏れは、安全性を低下させる要因となることから好ましくない。

本発明は上記点に鑑みて、可動弁を追加することなく、燃料電池の作動条件に応じて、ノズルの開口面積を変更可能な燃焼装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた。この結果、本発明者らは、燃料電池の起動時および運転中で、燃焼装置へ導入する可燃性流体の温度が異なることに着眼し、燃焼装置へ導入する可燃性流体の温度に応じてノズルの開口面積を変更する構成を案出した。

本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（１０）に適用され、燃料電池の起動時に第１可燃性流体を燃焼させ、燃料電池の運転中に第１可燃性流体よりも温度が高い第２可燃性流体を燃焼させる燃焼装置を対象としている。

請求項１に記載の発明では、各可燃性流体を燃焼させる燃焼室（６２３）が内部に形成された耐火性部材（６２）と、各可燃性流体を燃焼室に対して噴射するノズル（６３）とを備え、ノズルは、燃焼室に連通する連通穴（６３１ａ）が形成された筒状部材（６３１）と、少なくとも一部が前記連通穴の内部に位置付けられ、連通穴の内面との間に各可燃性流体を燃焼室へ噴射する第１噴射口（６３ａ）を有する第１噴射通路（６３ｂ）を形成する軸部材（６３２）とを有し、筒状部材は、軸部材よりも熱膨張率の高い材料で構成されていることを特徴としている。

これによれば、第１可燃性流体を燃焼室へ噴射する燃料電池の起動時に比べて、第１可燃性流体よりも高温となる第２可燃性流体を燃焼室へ噴射する燃料電池の運転中に、第１噴射口の開口面積を拡大させることができる。

この点について説明すると、ノズルは、第１噴射通路を流通する可燃性流体の温度の上昇に伴って、軸部材が連通穴の内面に近づくように膨張し、筒状部材が連通穴の内径を拡大するように膨張する。この際、筒状部材を軸部材よりも熱膨張率が高い材料で構成しているので、第１噴射通路を流通する可燃性流体の温度の上昇に応じて、筒状部材と軸部材との間の隙間、すなわち、第１噴射通路の通路断面積、および第１噴射口の開口面積が拡大する。

このように、本発明の燃焼装置は、ノズルを構成する筒状部材および軸部材の熱膨張差を利用することで、可動弁を用いることなく、燃料電池の作動条件に応じて、ノズルの開口面積を変更することができる。この結果、燃料電池の起動時に小流量の第１可燃性流体を高速で燃焼室へ噴射すると共に、燃料電池の運転中に大流量の第２可燃性流体を低速で燃焼室へ噴射することが可能となる。

ここで、「燃料電池の起動時」とは、燃料電池にて発電を行う前の準備期間を意味している。また、「燃料電池の運転中」とは、燃料電池における発電可能な状態に維持された期間を意味しており、燃料電池の発電中だけでなく、発電が停止されている期間も含まれる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る燃焼装置を含む燃料電池システムの概略構成図である。第１実施形態に係る燃焼装置の内部構成を示す構成図である。固定ノズルを用いた際の流量変化に対する流速変化を示す特性図である。燃料電池起動時のノズルの開口面積を説明するための説明図である。燃料電池運転中のノズルの開口面積を説明するための説明図である。第２実施形態に係る燃焼装置のノズルの構成図である。図６のVII−VII断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

（第１実施形態）
本実施形態では、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池１０を有する燃料電池システムに本発明の燃焼装置６を適用した例について説明する。

燃料電池１０は、作動温度が高温（８００℃程度）となる固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）で構成されている。燃料電池１０では、以下の反応式［Ｆ１］、［Ｆ２］に示す水素および酸素の電気化学反応、および反応式［Ｆ３］、［Ｆ４］に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（アノード）２Ｈ_２＋２Ｏ^２− → ２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻…［Ｆ１］
（カソード）Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｏ^２−…［Ｆ２］
（アノード）２ＣＯ＋２Ｏ^２− → ２ＣＯ_２＋４ｅ⁻…［Ｆ３］
（カソード）Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｏ^２−…［Ｆ４］
燃料電池１０には、酸化剤ガスの供給経路をなす空気供給配管３、および燃料ガスの供給経路をなす燃料供給配管４、排出空気の排出経路をなす空気排出配管６ａ、燃料ガスを含有する排出燃料の排出経路をなす燃料排出配管６ｂが接続されている。

空気供給配管３には、上流側から順に、塵や埃等を除去するフィルタ３１、空気を圧送する空気用ブロワ３２、空気用ブロワ３２からの空気を後述する燃焼装置６で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱する第１、第２空気予熱器３３、３４が設けられている。

燃料供給配管４には、上流側から順に、燃料ガスの原料（都市ガス等の可燃性ガス）に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、原料を圧送する燃料用ブロワ４２、燃料予熱器４３、燃料改質器４４が設けられている。

燃料予熱器４３は、燃料用ブロワ４２から圧送された燃料ガスの原料を燃焼装置６で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。この燃料予熱器４３は、水供給経路５にも接続されており、純水器５１を介して水ポンプ５２から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。

燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて加熱された燃料ガス、および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。なお、燃料改質器４４では、水蒸気改質に限らず、例えば、燃料電池１０の起動時等に部分酸化改質を行うようにしてもよい。

各排出配管６ａ、６ｂは、高温の燃焼ガスを生成する燃焼装置６に接続されている。また、本実施形態の燃料排出配管６ｂには、燃料電池１０の起動時等における燃焼装置６の燃焼を安定させるために、燃料ガスの原料を燃料改質器４４や燃料電池１０等を迂回して燃焼装置６へ導入するバイパス配管６ｃが接続されている。

燃焼装置６は、燃料電池の起動時にバイパス配管６ｃを介して導入される燃料ガスの原料を「第１可燃性流体」として燃焼させ、燃料電池１０の運転中に排出燃料（燃料ガスを含む排気ガス）を「第２可燃性流体」として燃焼させる装置である。

燃焼装置６は、燃料電池の起動時に常温（例えば、２５℃）の燃料ガスの原料が小流量で導入され、燃料電池１０の運転中に高温（例えば、７００℃）の排出燃料が大流量で導入される。なお、以下では、燃焼装置６に導入される燃料ガスの原料、および排出燃料それぞれを可燃性流体と呼ぶことがある。

燃焼装置６には、内部で生成した高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出配管７が接続されている。この燃焼ガス排出配管７は、燃焼ガスの燃焼熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３といった機器に接続されている。

以上までが本実施形態の燃料電池システムの概略構成であり、以降、燃焼装置６の詳細について図２を用いて説明する。図２は、燃焼装置６の内部構成を示す構成図であり、燃焼装置６の軸方向断面を示している。

本実施形態の燃焼装置６は、主たる構成要素として、金属製のケーシング６１、耐火性を有するバーナタイル６２、可燃性流体を噴射するノズル６３を備える。

ケーシング６１は、ステンレス等の耐熱温度の高い金属材料で構成されている。具体的には、本実施形態のケーシング６１は、外観が直方体形状となる中空の容器で構成されており、土台となる底板６１ａ、側板６１ｂ、および天板（図示略）で構成されている。なお、本実施形態では、ケーシング６１におけるシール性を確保するために、例えば、側板６１ｂ、および天板が、熱線膨張率が同等で緻密な金属の溶接により接合されている。

ケーシング６１の底板６１ａには、可燃性流体を内部に導入するための燃料導入部６１１が形成されている。この燃料導入部６１１は、燃料排出配管６ｂを接続する接続部を構成している。

また、ケーシング６１の側板６１ｂの縦方向下方側には、排出空気等の酸化剤ガスを内部に導入するための酸化剤ガス導入部６１２が複数形成されている。この酸化剤ガス導入部６１２は、空気排出配管６ａを接続する接続部を構成している。なお、ケーシング６１の側板６１ｂには、電気的に火花を発生させて可燃性流体に点火する点火プラグ（図示略）を内部に差し込むためのプラグ差込部（図示略）が設けられている。

また、ケーシング６１の天板には、燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出部（図示略）が形成されている。この燃焼ガス排出部は、燃焼ガス排出配管７を接続する接続部を構成している。

続いて、バーナタイル６２は、ケーシング６１の内部に配置され、ケーシング６１を高温の燃焼ガスから保護する「耐火性部材」である。バーナタイル６２は、ジルコニアやアルミナ等の耐火性に優れた材料で構成されている。

本実施形態のバーナタイル６２は、ケーシング６１における燃料導入部６１１および酸化剤ガス導入部６１２と対向すると共に、ケーシング６１内部の下方側空間を占めるように配置されている。なお、バーナタイル６２は、ケーシング６１との熱膨張差を吸収できるように、少なくとも一部をケーシング６１から離間させることが望ましい。

具体的には、本実施形態のバーナタイル６２は、外殻が直方体形状となる筒状体で構成され、その内部に可燃性流体および酸化剤ガスを混合して燃焼させる燃焼室６２３が形成されている。この燃焼室６２３は、可燃性流体および酸化剤ガスの混合性を考慮して、その一部が上方（ケーシング６１の底板６１ａ側から天板）に向かって断面積が拡大するテーパ形状となっている。

また、バーナタイル６２には、その底面側に後述するノズル６３を収容する筒状の収容空間６２４が形成され、その側面側にケーシング６１の各酸化剤ガス導入部６１２から燃焼室６２３へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス流路６２５が形成されている。なお、酸化剤ガス流路６２５は、酸化剤ガスが燃焼室６２３の内面（テーパ面）に沿って旋回して流れるように、燃焼室６２３への空気の導入方向が燃焼室６２３の中心軸と交差しない流路構成とすることが望ましい。

また、バーナタイル６２には、点火プラグ（図示略）を取り付けるための取付部（図示略）が設けられている。なお、本実施形態では、点火プラグがバーナタイル６２に取り付けられている。

続いて、ノズル６３は、バーナタイル６２内部の燃焼室６２３に可燃性流体を噴射するもので、バーナタイル６２の収容空間６２４に収容されている。本実施形態のノズル６３は、燃焼室６２３に連通する連通穴６３１ａが形成された筒状部材６３１、および筒状部材６３１の連通穴６３１ａの内部に位置付けられた軸部材６３２を備えている。なお、図２では、軸部材６３２の全体が連通穴６３１ａの内部に配置された例を図示しているが、軸部材６３２は、その一部が連通穴６３１ａの内部に位置付けられている構成としてもよい。

本実施形態の筒状部材６３１は、円筒形状に構成され、その外側壁面がバーナタイル６２から離間した状態で溶接等によりケーシング６１の底板６１ａに接合されている。なお筒状部材６３１は、その中心軸が燃焼室６２３の中心軸と一致するように、収容空間６２４に配置されている。

軸部材６３２は、連通穴６３１ａの中心軸方向に延びる断面円形状の部材である。本実施形態の軸部材６３２は、軸方向の上端側に形成された皿部６３２ａ、軸方向の下端側に形成された胴部６３２ｂ、および皿部６３２ａと胴部６３２ｂとを接続する中間部６３２ｃを有する。

皿部６３２ａは、筒状部材６３１の連通穴６３１ａとの間に円環状の隙間が形成されるように、連通穴６３１ａの内径よりも小さい外径となる円盤形状となっている。この皿部６３２ａの径方向の外面と連通穴６３１ａの径方向の内面との間に形成される隙間が、可燃性流体を燃焼室６２３へ噴射する第１噴射通路６３ｂを構成している。そして、第１噴射通路６３ｂにおける燃焼室６２３側に開口する開口部が第１噴射口６３ａを構成している。

胴部６３２ｂは、その外径が筒状部材６３１の連通穴６３１ａの内径と同径、又若干大きくなるように、円柱形状となっている。軸部材６３２は、胴部６３２ｂを筒状部材６３１の連通穴６３１ａに圧入すること（隙間嵌め）で、筒状部材６３１に固定されている。なお、軸部材６３２は、筒状部材６３１ではなく、ケーシング６１の底部６１ａに対して固定するようにしてもよい。

中間部６３２ｃは、その外径が皿部６３２ａの外径よりも小さい円柱形状となっている。なお、軸部材６３２は、中間部６３２ｃ→皿部６３２ａ→胴部６３２ｂの順に外径が大きくなっている。

また、軸部材６３２には、ケーシング６１の底板６１ａに形成された燃料導入部６１１に連通する第１連通路６３２ｄ、筒状部材６３１の連通穴６３１ａと第１連通路６３２ｄとを連通させる第２連通路６３２ｅが形成されている。なお、第１連通路６３２ｄは、軸部材６３２の軸方向に延びる有底穴で構成され、第２連通路６３２ｅは、軸部材６３２の径方向に延びる貫通穴で構成されている。

ここで、［背景技術］にて説明したように、燃料電池１０に適用される燃焼装置６は、燃料電池１０の起動時の要求（ノズル６３の開口面積を小さくすること）、燃料電池１０の運転中の要求（ノズル６３の開口面積を大きくすること）それぞれを満たす必要がある。

図３は、燃料電池１０の起動時、および燃料電池１０の運転中における燃焼室６２３へ導入する可燃性流体の体積流量、および可燃性流体の流速の適用範囲（下限値以上、且つ、上限値以下の範囲）を示している。なお、図３の横軸に示す「燃料電池１０の起動時」は、燃料電池１０の起動時に要求される可燃性流体の最小流量を示し、「燃料電池１０の運転中」は、燃料電池１０の運転中に要求される可燃性流体の最大流量を示している。

燃焼装置６では、図３に示すように、燃料電池１０の起動時、および燃料電池１０の運転中の双方において、可燃性流体の体積流量の変化に対して可燃性流体の流速が適用範囲内で変化するように、ノズル６３の開口面積を設定する必要がある。なお、流速の適用範囲は、上限値が燃料電池１０の運転中における可燃性流体の圧力損失を考慮して設定され、下限値が燃料電池１０の起動時における可燃性流体の拡散性を考慮して設定される。

ここで、燃料電池システムでは、燃料電池１０の起動直後に燃料ガスの原料を第１可燃性流体として燃焼室６２３で燃焼させ、燃料電池１０の運転中に排出燃料（排出燃料中に残留する燃料ガス）を第２可燃性流体として燃焼室６２３で燃焼させる。

この際、燃料電池１０の運転中に燃焼室６２３へ導入する可燃性流体の流速は、最大でも、燃料電池１０の起動時に燃焼室６２３へ導入する可燃性流体の流速の数十倍となる。

これに対して、燃料電池１０の運転中に燃焼室６２３へ導入する可燃性流体の流量は、燃料電池１０の起動時に燃焼室６２３へ導入する可燃性流体の体積流量の百数十倍となることがある。

このように、可燃性流体の流速に比べて体積流量が大幅に変化させることが要求される燃料電池１０に対して、ノズル６３の第１噴射口６３ａの開口面積が固定された固定ノズルを採用すると、可燃性流体の体積流量に応じて流速を適用範囲内で変化させることが難しい。

例えば、燃料電池１０の起動時における可燃性流体の最小流量に対して下限値付近の流速が得られるように固定ノズルの開口面積を小さく設定すると（図３の白丸参照）、燃料電池１０の運転中における可燃性流体の体積流量に対する流速が上限値を大幅に上回ってしまう（図３の黒丸参照）。

逆に、燃料電池１０の運転中における可燃性流体の最大流量に対して上限値付近の流速が得られるように固定ノズルの開口面積を大きく設定すると（図３の黒四角参照）、燃料電池１０の起動時における可燃性流体の体積流量に対する流速が下限値を下回ってしまう（図３の白四角参照）。

なお、ノズル６３の筒状部材６３１および軸部材６３２を熱膨張率が等しい同一の材料で構成する場合、ノズル６３の第１噴射口６３ａの開口面積が殆ど変化せず、固定ノズルと同様に、可燃性流体の流速を適用範囲内で変化させることが難しい。

そこで、本実施形態では、第１噴射口６３ａの開口面積が、燃料電池１０の起動時、および運転中それぞれで可燃性流体の流速が適正範囲内となる開口面積に変化するように、筒状部材６３１および軸部材６３２の熱膨張率が設定されている。

具体的には、本実施形態の筒状部材６３１は、軸部材６３２よりも熱膨張率が大きい材料で構成されている。つまり、本実施形態では、軸部材６３２を熱膨張率が低い材料（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、熱線膨張率：７．０×１０^−６［／℃］）で構成し、筒状部材６３１を熱膨張率が高い材料（例えば、ＳＵＳ３０１Ｓ、熱線膨張率：１９．１×１０^−６［／℃］）で構成している。

本実施形態のノズル６３は、第１噴射通路６３ｂを流通する可燃性流体の温度の上昇に伴って、軸部材６３２が連通穴６３１ａの内面に近づくように膨張し、筒状部材６３１が連通穴６３１ａの内径を拡大するように膨張する。

この際、筒状部材６３１を軸部材６３２よりも熱膨張率が高い材料で構成しているので、第１噴射通路６３ｂを流通する可燃性流体の温度の上昇に応じて、筒状部材６３１と軸部材６３２との間の隙間が拡大する。

つまり、本実施形態のノズル６３は、高温の排出燃料が第１噴射通路６３ｂを流通する際に、低温の燃料ガスの原料が第１噴射通路６３ｂを流通する際に比べて、第１噴射通路６３ｂの通路断面積、および第１噴射口６３ａの開口面積が拡大する。

この点について、図４、図５を用いて説明する。なお、図４は、低温の燃料ガスの原料が第１噴射通路６３ｂを流通する燃料電池１０の起動時におけるノズル６３の上面図および軸方向断面図である。また、図５は、高温の排出燃料が第１噴射通路６３ｂを流通する燃料電池１０の運転中におけるノズル６３の上面図、および軸方向断面図である。

本実施形態のノズル６３は、高温の排出燃料が第１噴射通路６３ｂを流通する際に、図４に示す軸部材６３２の皿部６３２ａの外径ｄ１が、図５に示す軸部材６３２の皿部６３２ａの外径ｄ２まで拡大する。また、図４に示す筒状部材６３１の連通穴６３１ａの内径Ｄ１が、図５に示す筒状部材６３１の連通穴６３１ａの内径Ｄ２まで拡大する。

この際、図５に示す筒状部材６３１の連通穴６３１ａの内径Ｄ２は、軸部材６３２の皿部６３２ａの外径ｄ２が大きくなる以上に拡大する。つまり、高温の排出燃料が第１噴射通路６３ｂを流通する燃料電池１０の運転中には、筒状部材６３１と軸部材６３２との間の隙間α２が、燃料電池１０の起動時の筒状部材６３１と軸部材６３２との間の隙間α１よりも大きくなる。

このように、本実施形態のノズル６３は、低温の燃料ガスの原料を燃焼室６２３へ噴射する燃料電池１０の起動時に比べて、燃料ガスの原料よりも高温となる排出燃料を燃焼室６２３へ噴射する燃料電池１０の運転中に第１噴射口６３ａの開口面積が拡大する。

例えば、筒状部材６３１の熱膨張率を「１９．１×１０^−６［／℃］」、軸部材６３２の熱膨張率を「７．０×１０^−６［／℃］」、常温における内径Ｄ１を「４２．０ｍｍ」、外径ｄ１を「４１．９５ｍｍ」としたとき、第１噴射口６３ａの開口面積は次のように変化する。

まず、常温の可燃性流体が第１噴射通路６３ｂを流通する場合、第１噴射口６３ａの開口面積が３．３ｍｍ^２となり、高温（１０００℃）の可燃性流体が第１噴射通路６３ｂを流通する場合、第１噴射口６３ａの開口面積が約３７．３ｍｍ^２となる。

このように、第１噴射口６３ａの開口面積は、高温（１０００℃）の可燃性流体が第１噴射通路６３ｂを流通する場合に、常温の可燃性流体が第１噴射通路６３ｂを流通する場合に比べて１０倍以上拡大する。

次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムは、図示しないコントローラから燃料電池１０の起動を指示する信号を受けると、システムの構成機器の暖機を行うために、バイパス配管６ｃを介して低温の燃料ガスの原料を小流量で燃焼装置６に導入する。

燃焼装置６は、低温の燃料ガスの原料が導入される際に、図４に示すように、ノズル６３の開口面積が縮小されるので、小流量の原料が燃焼室６２３に対して高速で噴射され、燃焼室６２３にて燃焼される。この際、燃料ガスの原料は、燃焼室６２３に対して高速で噴射されることから、燃焼室６２３に原料を拡散させることができる。この結果、燃料電池１０の起動時において、燃焼装置６における不完全燃焼による一酸化炭素（ＣＯ）の排出を抑制可能となる。

その後、燃焼装置６にて生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス排出配管７を介して燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。

続いて、図示しないコントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、空気用ブロワ３２、燃料用ブロワ４２、水ポンプ５２等が作動する。

空気供給配管３では、空気用ブロワ３２にて圧送された空気が第１空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、さらに第２空気予熱器３４にて加熱されて燃料電池１０に供給される。

一方、燃料供給配管４では、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガス、および水ポンプ５２にて圧送された水が、燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４にてリッチな燃料ガスに改質されて燃料電池１０に供給される。

燃料電池１０は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式［Ｆ１］〜［Ｆ４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

燃料電池１０から排出された大流量の排出燃料、および排出空気は、各排出配管６ａ、６ｂを介して燃焼装置６に導入される。

燃焼装置６は、高温の排出燃料が導入される際に、図５に示すように、ノズル６３の開口面積が拡大するので、大流量の排出燃料が燃焼室６２３に対して低速で噴射され、燃焼室６２３にて燃焼される。大流量の排出燃料は、燃焼室６２３に対して低速で噴射されることから、燃焼装置６内部の流通経路（第１噴射通路６３ｂ）における圧力損失を小さくすることができる。この結果、燃料電池１０の運転中において、燃焼室６２３へ所望の排出燃料を導入可能となる。

以上説明した本実施形態の燃焼装置６では、ノズル６３の筒状部材６３１をノズル６３の軸部材６３２に対して熱膨張率の高い材料で構成している。

これによれば、ノズル６３を構成する筒状部材６３１および軸部材６３２の熱膨張差を利用することで、可動弁を用いることなく、燃料電池１０の作動条件に応じて、ノズル６３の開口面積を変更することができる。この結果、燃料電池１０の起動時に小流量の燃料ガスの原料を高速で燃焼室６２３へ噴射すると共に、燃料電池１０の運転中に大流量の排出燃料を低速で燃焼室６２３へ噴射することが可能となる。

ここで、固体酸化物型燃料電池は、起動時の常温状態（例えば、２５℃）から発電可能な高温状態（８００℃程度）となるまでに長時間を要することから、発電・停止を頻繁に繰り返すような運転態様ではなく、発電を長期間継続する運転態様で用いられる。

このため、固体酸化物型燃料電池は、燃料電池１０の起動を要する機会が少なく（例えば、１０年間で６０回程度）、起動時にだけ用いるような専用部材の使用を極力抑えることが望ましい。

これに対して、本実施形態では、前述のように、起動時にだけ用いるような専用部材を用いることなく燃焼装置６を実現することができるので、各種燃料電池のうち、特に固体酸化物型燃料電池に好適である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

ここで、第１実施形態の如く、筒状部材６３１と軸部材６３２との間の隙間だけを第１噴射通路６３ｂとする場合、例えば、筒状部材６３１の連通穴６３１ａの内径が変化することで、軸部材６３２の中心軸が筒状部材６３１の中心軸からずれる可能性がある。この場合、ノズル６３の噴射特性が変化し、可燃性流体の燃焼性が不安定となる虞がある。

そこで、本実施形態では、ノズル６３に対して、第１噴射通路６３ｂとは別に、可燃性流体を燃焼室６２３へ噴射する噴射通路を追加している。具体的には、本実施形態のノズル６３は、図６、図７に示すように、筒状部材６３１に第２噴射口６３１ｂを有する第２噴射通路６３１ｃが形成されている。この第２噴射通路６３１ｃは、連通穴６３１ａの内側に窪んだ複数の凹部により構成されている。この複数の凹部は、連通穴６３１ａの周方向に均等に形成されている。

また、本実施形態では、燃料電池１０の起動時における第２噴射口６３１ｂの開口面積（各凹部の断面積の合計）が、燃料電池１０の起動時における第１噴射口６３ａの開口面積よりも大きくなるように設定されている。換言すれば、第２噴射通路６３１ｃに低温の燃料ガスの原料が流通する際の２噴射口６３１ｂの開口面積（各凹部の断面積の合計）が、同じ条件となる際の第１噴射口６３ａの開口面積よりも大きくなるように設定されている。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃焼装置６によれば、第２噴射通路６３１ｃを介して燃焼室６２３へ可燃性流体を安定して噴射することができる。

従って、本実施形態の燃焼装置６によれば、ノズル６３の噴射特性の変化を抑えて、可燃性流体の燃焼性を安定させることができる。この結果、燃焼性が不安定となることに起因する不完全燃焼等の発生を効果的に抑えることができる。

特に、本実施形態では、燃料電池１０の起動時における第２噴射口６３１ｂの開口面積が、第１噴射口６３ａの開口面積よりも大きくなる設定としている。これによれば、燃料電池１０の起動時には、可燃性流体が主に第２噴射口６３１ｂから噴射されることから、燃焼室６２３へ噴射する可燃性流体の燃焼性をより一層安定させることができる。

なお、本実施形態では、筒状部材６３１に第２噴射口６３１ｂを有する第２噴射通路６３１ｃを形成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、軸部材６３２の外面に第２噴射通路を形成したり、筒状部材６３１および軸部材６３２の双方に第２噴射通路を形成したりしてもよい。また、第２噴射通路６３１ｃは、凹部に限らず、貫通穴により構成してもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の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る。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、燃料電池１０の起動時に燃料ガスの原料を燃焼装置６へ導入する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１０の起動時に燃料ガスの原料以外の可燃性ガスを燃焼装置６へ導入するようにしてもよい。

（２）上述の各実施形態では、燃料電池１０の運転中に排出燃料を燃焼装置６へ導入する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１０の運転時に排出燃料と燃料ガスの混合ガスを燃焼装置６へ導入するようにしてもよい。

（３）上述の第２実施形態の如く、燃料電池１０の起動時における第２噴射口６３１ｂの開口面積が、第１噴射口６３ａの開口面積よりも大きくなる設定とすることが望ましいが、これに限定されない。例えば、燃料電池１０の起動時における第２噴射口６３１ｂの開口面積を、第１噴射口６３ａの開口面積以下に設定してもよい。

（４）上述の各実施形態の如く、可燃性流体と酸化剤ガスとの混合性を考慮して、燃焼室６２３の一部をテーパ形状とすることが望ましいが、これに限定されず、燃焼室６２３を円柱形状等としてもよい。

（５）上述の各実施形態では、軸部材６３２を皿部６３２ａ、胴部６３２ｂ、中間部６３２ｃで構成する例について説明したが、これに限定されない。すなわち、軸部材６３２は、筒状部材６３１の連通穴６３１ａの内面との間に隙間が形成されるものであればよく、その形状は上述の実施形態にて説明したものに限定されない。

（６）上述の各実施形態では、固体酸化物型の燃料電池１０に本発明の燃焼装置６を適用する例について説明したが、これに限らず、他の型式の燃料電池１０に本発明の燃焼装置６を適用してもよい。

（７）上述の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。

（８）上述の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ない。

（９）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、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形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

１０燃料電池
６２バーナタイル（耐火性部材）
６２３燃焼室
６３ノズル
６３ａ第１噴射口
６３ｂ第１噴射通路
６３１筒状部材
６３１ａ連通穴
６３２軸部材

Claims

燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池（１０）に適用され、前記燃料電池の起動時に第１可燃性流体を燃焼させ、前記燃料電池の運転中に前記第１可燃性流体よりも温度が高い前記第２可燃性流体を燃焼させる燃焼装置であって、
前記第１可燃性流体および前記第２可燃性流体を燃焼させる燃焼室（６２３）が内部に形成された耐火性部材（６２）と、
前記第１可燃性流体および前記第２可燃性流体を前記燃焼室に対して噴射するノズル（６３）と、を備え、
前記ノズルは、
前記燃焼室に連通する連通穴（６３１ａ）が形成された筒状部材（６３１）と、
少なくとも一部が前記連通穴の内部に位置付けられ、前記連通穴の内面との間に前記第１可燃性流体および前記第２可燃性流体を前記燃焼室へ噴射する第１噴射口（６３ａ）を有する第１噴射通路（６３ｂ）を形成する軸部材（６３２）と、を有し、
前記筒状部材は、前記軸部材よりも熱膨張率の高い材料で構成されていることを特徴とする燃焼装置。
前記筒状部材および、前記軸部材の少なくとも一方には、前記第１可燃性流体および前記第２可燃性流体を前記燃焼室へ噴射する第２噴射口（６３１ｂ）を有する第２噴射通路（６３１ｃ）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記燃料電池の起動時における前記第２噴射口の開口面積は、前記燃料電池の起動時における前記第１噴射口の開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
前記第１可燃性流体は、前記燃料電池の外部から供給される可燃性ガスであり、
前記第２可燃性流体は、前記燃料電池から排出されて前記燃料ガスを含有する排出燃料であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃焼装置。
前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃焼装置。