(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質装置に熱を供給する燃焼器であって、燃焼用ガスを予熱する電熱式ヒータと、前記電熱式ヒータの下流に燃料を噴射する燃料噴射器と、前記予熱された燃焼用ガスと前記燃料噴射器から噴射された燃料とを混合する混合室と、前記混合室の下流に設けられ多数のメッシュ孔を有する伝熱メッシュと、前記伝熱メッシュの下流に設けられた触媒燃焼器と、を備えた燃焼器。
【請求項２】
前記伝熱メッシュは、上流側に設けられ相対的に大径のメッシュ孔を有する第１の伝熱メッシュと、前記第１の伝熱メッシュの下流側に設けられ相対的に小径のメッシュ孔を有する第２の伝熱メッシュと、を少なくとも含む請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
燃料改質装置に熱を供給する燃焼器であって、燃焼用ガスを予熱する電熱式ヒータと、前記電熱式ヒータの下流に燃料を噴射する燃料噴射器と、前記予熱された燃焼用ガスと前記燃料噴射器から噴射された燃料とを混合する混合室と、前記混合室の下流の流路が少なくとも蛇行する流路を含むように設けられた複数の伝熱体と、前記伝熱体の下流に設けられた触媒燃焼器と、を備えた燃焼器。
【請求項４】
前記伝熱体が、平板である請求項３記載の燃焼器。
【請求項５】
前記伝熱体が、多数のメッシュ孔を有する伝熱メッシュである請求項３記載の燃焼器。
【請求項６】
前記伝熱体が、複数のハニカム状孔を有する伝熱ハニカムである請求項３記載の燃焼器。
【請求項７】
燃料改質装置に熱を供給する燃焼器であって、
燃焼用ガスを予熱する電熱式ヒータと、
前記電熱式ヒータの下流に燃料を噴射する燃料噴射器と、
前記予熱された燃焼用ガスと前記燃料噴射器から噴射された燃料とを混合する混合室と、
前記混合室の下流に設けられ、中央に通孔を有するとともにその周囲に多数のメッシュ孔を有する第１の伝熱メッシュと、
前記第１の伝熱メッシュの下流に設けられ、前記第１の伝熱メッシュの通孔に対応する部分に多数のメッシュ孔を有するとともにその周囲に通孔を有する第２の伝熱メッシュと、
前記第２の伝熱メッシュの下流に設けられた触媒燃焼器と、を備えた燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム等に用いて好ましい燃料改質装置用燃焼器に関し、特に燃料改質装置の改質器に熱を供給するための燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質層を挟んで配置された陰極側に水素リッチガスを供給し、陽極側に空気などの酸素含有ガスを供給することにより、両電極で生じる電気化学反応を利用して起電力を得る燃料電池が、車両用駆動電源として検討されている。
【０００３】
燃料電池への水素含有ガスの供給源として種々の燃料改質装置が知られているが、その一つとして、メタノール等の炭化水素ガス（改質燃料）と水蒸気とを反応させて下記（１）式の如く水素含有ガスを得る、いわゆる水蒸気改質反応を利用したものがある。
【０００４】
【化１】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２    …（１）
この水蒸気改質反応は、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒上で選択的に起きるが、吸熱反応であるため燃料改質装置に燃焼器を設けて加熱しなければならない（たとえば、特開平１０−２９７９０３号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の燃料改質装置において、始動時に火炎式燃焼器を使用したものは、その排気ガスが著しく汚いという問題があり、しかも高温燃焼を行うため、酸化窒素化合物ＮＯｘが発生するという問題があった。
【０００６】
特に従来の燃料改質装置では、改質器の始動時に噴射弁等により微粒化された燃料を直接火炎にして燃焼させるか、あるいは、直接触媒燃焼器に噴射して燃焼させていたため、燃料粒子の付近においては、局所的に燃焼リッチな部分が生じ、この部分で燃焼温度が上昇して、ＮＯｘが発生してしまう。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、酸化窒素化合物の発生を抑制できる燃料改質装置用燃焼器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、請求項１記載の発明によれば、燃料改質装置に熱を供給する燃焼器であって、燃焼用ガスを予熱する電熱式ヒータと、前記電熱式ヒータの下流に燃料を噴射する燃料噴射器と、前記予熱された燃焼用ガスと前記燃料噴射器から噴射された燃料とを混合する混合室と、前記混合室の下流に設けられ多数のメッシュ孔を有する伝熱メッシュと、前記伝熱メッシュの下流に設けられた触媒燃焼器と、を備えた燃焼器が提供される。
【０００９】
この請求項１記載の発明では、燃料改質装置の始動時などにおいて、予熱された燃焼用ガスが、その下流に設けられた伝熱メッシュを加熱し、噴射された燃料はこの伝熱メッシュによってトラップされ、当該伝熱メッシュの表面で完全に気化されることになる。
【００１０】
こうして完全に気化された燃料蒸気は、その下流の触媒燃焼器に送られ、ここで気相燃焼を行うことになる。その結果、局所的に燃焼リッチな場所ができず、局所的な燃焼温度を防止することができ、酸化窒素化合物ＮＯｘの発生がない、清浄な燃焼を行うことができる。
【００１１】
（２）上記発明においては特に限定されないが、請求項２記載の発明のように、前記伝熱メッシュは、上流側に設けられ相対的に大径のメッシュ孔を有する第１の伝熱メッシュと、前記第１の伝熱メッシュの下流側に設けられ相対的に小径のメッシュ孔を有する第２の伝熱メッシュと、を少なくとも含むことがより好ましい。
【００１２】
この請求項２記載の発明では、混合室にて混合された予熱燃焼用ガスと燃料とは、まず最初に第１の伝熱メッシュを通過するが、燃料の一部分は第１の伝熱メッシュにトラップされ、このとき第１の伝熱メッシュは、予熱された燃焼用ガスによって加熱されていることから、トラップされた燃料はこの第１の伝熱メッシュで気化して、燃料蒸気となる。また、この第１の伝熱メッシュで気化されずに通過した燃料は、その下流に設けられた小径のメッシュ孔を有する第２の伝熱メッシュによってトラップされる。このように、噴射燃料を段階的にトラップすることでトラップ率を高めることができると同時に、伝熱メッシュの目詰まりを防止することができる。
【００１３】
（３）請求項３記載の発明によれば、燃料改質装置に熱を供給する燃焼器であって、燃焼用ガスを予熱する電熱式ヒータと、前記電熱式ヒータの下流に燃料を噴射する燃料噴射器と、前記予熱された燃焼用ガスと前記燃料噴射器から噴射された燃料とを混合する混合室と、前記混合室の下流の流路が少なくとも蛇行する流路を含むように設けられた複数の伝熱体と、前記伝熱体の下流に設けられた触媒燃焼器と、を備えた燃焼器が提供される。
【００１４】
この請求項３記載の発明では、燃料改質装置の始動時などにおいて、予熱された燃焼用ガスが、その下流に設けられた伝熱体を加熱し、噴射された燃料は下流に向かって蛇行しながら流下することになる。この蛇行流によって、噴射燃料は徐々にトラップされ、燃料粒子が完全に気化される。
【００１５】
こうして完全に気化された燃料蒸気は、その下流の触媒燃焼器に送られ、ここで気相燃焼を行うことになる。その結果、局所的に燃焼リッチな場所ができず、局所的な燃焼温度を防止することができ、酸化窒素化合物ＮＯｘの発生がない、清浄な燃焼を行うことができる。
【００１６】
（４）請求項３記載の発明において、伝熱体の具体的構成は特に限定されず、請求項４記載の発明のように伝熱体を平板としても、請求項５記載の発明のように伝熱体を多数のメッシュ孔を有する伝熱メッシュとしても、或いは請求項６記載の発明のように伝熱体を複数のハニカム状孔を有する伝熱ハニカムとしても良い。
【００１７】
請求項４記載の発明のように、伝熱体を平板とすれば、特に燃料粒子が大きく、予熱された燃焼用ガスの気流に乗り難く、気化し難い場合に有効である。すなわち、燃料粒子が熱容量の大きな平板に直接衝突するので、燃料粒子に大きな熱量を与えることができ、これにより完全に気化できる。
【００１８】
また、請求項５記載の発明のように、伝熱体を多数のメッシュ孔を有する伝熱メッシュとすれば、燃料粒子は、当該伝熱メッシュにトラップされる部分と、トラップされないで蛇行しながら燃焼用ガスと燃料粒子との相対速度が増加する部分とに別れ、それぞれの部分において燃料粒子が完全に気化されることになる。
【００１９】
さらに、請求項６記載の発明のように、伝熱体を複数のハニカム状孔を有する伝熱ハニカムとすれば、噴射燃料はこの伝熱ハニカムにトラップされ、その内部で完全に気化されることになる。
【００２０】
（５）上記目的を達成するために、請求項７記載の発明によれば、燃料改質装置に熱を供給する燃焼器であって、
燃焼用ガスを予熱する電熱式ヒータと、
前記電熱式ヒータの下流に燃料を噴射する燃料噴射器と、
前記予熱された燃焼用ガスと前記燃料噴射器から噴射された燃料とを混合する混合室と、
前記混合室の下流に設けられ、中央に通孔を有するとともにその周囲に多数のメッシュ孔を有する第１の伝熱メッシュと、
前記第１の伝熱メッシュの下流に設けられ、前記第１の伝熱メッシュの通孔に対応する部分に多数のメッシュ孔を有するとともにその周囲に通孔を有する第２の伝熱メッシュと、
前記第２の伝熱メッシュの下流に設けられた触媒燃焼器と、を備えた燃焼器が提供される。
【００２１】
この請求項７記載の発明では、第１の伝熱メッシュはその中央に通孔を有し、その下流に設けられた第２の伝熱メッシュは、第１の伝熱メッシュの通孔に対応する部分に多数のメッシュ孔を有するので、燃料噴射器による燃料の噴霧がホロコーン状（ほぼ円錐状）に広がり、十分に混合されない場合に特に有効である。すなわち、ホロコーン状に広がった部分に第１の伝熱メッシュのメッシュ孔があるため、この部分で燃料粒子をトラップして気化させることができる。こうして気化された燃料は、燃焼用ガスとともに当該第１の伝熱メッシュの通孔を通過し、下流にある第２の伝熱メッシュのメッシュ孔で燃料と燃焼用ガスが衝突する。これにより、円周方向に均一にガスを分散させることができ、触媒燃焼器へ均一な流れとして供給することができる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１，３，５および６記載の発明によれば、伝熱メッシュにて燃料粒子を完全に気化できる結果、局所的に燃焼リッチな場所ができず、局所的な燃焼温度を防止することができ、酸化窒素化合物ＮＯｘの発生がない、清浄な燃焼を行うことができる。
【００２３】
これに加えて、請求項２記載の発明によれば、噴射燃料を段階的にトラップすることでトラップ率を高めることができると同時に、伝熱メッシュの目詰まりを防止することができる。
【００２４】
また、請求項４記載の発明によれば、燃料粒子が熱容量の大きな平板に直接衝突するので、燃料粒子に大きな熱量を与えることができ、これにより完全に気化できる。
【００２５】
また、請求項７記載の発明によれば、円周方向に均一にガスを分散させることができ、触媒燃焼器へ均一な流れとして供給することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態（請求項１および２）
図１は本発明の燃焼器の第１実施形態を示す断面図、図２は同実施形態に係る燃焼器の伝熱メッシュを示す斜視図である。
【００２７】
まず、図１について説明すると、本実施形態の燃焼器１００は円筒状のケーシング１３０を有し、このケーシング１３０の上流側に、燃焼用空気（本発明の燃焼用ガスに相当する。）１０１を取り入れるための入口１３１が形成され、この入口１３１の下流に、燃焼用空気を予熱するための電気式ヒータ１０２が設けられている。また、同図においてケーシング１３０の左端には、メタノールなどの燃料を噴射する燃料噴射器１０６が設けられ、ここに形成された混合室１０５へ燃料を噴射する。
【００２８】
そして、入口１３１から供給された燃焼用空気１０１は、電気式ヒータ１０２によってプレヒートされ、このプレヒートされた燃焼用空気１０３は導入路１０４を通って混合室１０５へと導入され、ここで燃料噴射弁１０６から噴射された燃料と混合する。
【００２９】
混合室１０５の下流には粗伝熱メッシュ１０８（本発明の第１の伝熱メッシュに相当する。）と細伝熱メッシュ１０９（本発明の第２の伝熱メッシュに相当する。）とが、幾らかの間隔をおいて設けられている。これら粗伝熱メッシュ１０８および細伝熱メッシュ１０９は、図２に示すようにケーシング１３０の断面全域に渡って設けられている。さらに、細伝熱メッシュ１０９の下流には、触媒燃焼器１１１が設けられている。
【００３０】
そして、混合室１０５にて混合された噴霧燃料１０７と燃焼用空気１０３は、まず最初に、下流に設けられた粗伝熱メッシュ１０８に至り、燃焼用空気１０３は粗伝熱メッシュ１０８を通過するが、噴霧燃料１０７は粗伝熱メッシュ１０８にトラップされる。この際、燃焼用空気は電気式ヒータ１０２にて加熱されているので、粗伝熱メッシュ１０８はこの燃焼用空気１０３によって加熱され、トラップされた噴霧燃料１０７はそこで気化して、燃料蒸気となる。
【００３１】
また、この粗伝熱メッシュ１０８で気化されなかった噴霧燃料１０７があっても、その下流に設けられた細伝熱メッシュ１０９によってトラップされ、噴霧燃料１０７は全て気化される。
【００３２】
気化された燃料蒸気１１０は燃焼用空気と混合されて、さらに下流に設けられた触媒燃焼器１１１に至るが、２つの伝熱メッシュ１０８，１０９によって完全に気化しているので気相燃焼が可能となり、酸化窒素化合物ＮＯｘの生成がない、きわめて清浄な燃焼が可能となる。
【００３３】
ちなみに、この触媒燃焼器１１１によって発生された排気熱は、図示しない蒸発器の熱源等として使われる。この種の蒸発器は、改質器の原料となる燃料（メタノール）および水を気化させるためのものであり、この気化された原料蒸気が改質部にて触媒反応を起こして水素を発生させ、燃料電池に供給する。
【００３４】
第２実施形態（請求項３および５）
図３は本発明の燃焼器の第２実施形態を示す断面図、図４は同実施形態に示す燃焼器の伝熱体（伝熱メッシュ）を示す斜視図である。
【００３５】
まず、図３について説明すると、本実施形態の燃焼器１００は円筒状のケーシング１３０を有し、このケーシング１３０の上流側に、燃焼用空気（本発明の燃焼用ガスに相当する。）１０１を取り入れるための入口１３１が形成され、この入口１３１の下流に、燃焼用空気を予熱するための電気式ヒータ１０２が設けられている。また、同図においてケーシング１３０の左端には、メタノールなどの燃料を噴射する燃料噴射器１０６が設けられ、ここに形成された混合室１０５へ燃料を噴射する。
【００３６】
そして、入口１３１から供給された燃焼用空気１０１は、電気式ヒータ１０２によってプレヒートされ、このプレヒートされた燃焼用空気１０３は導入路１０４を通って混合室１０５へと導入され、ここで燃料噴射弁１０６から噴射された燃料をと混合する。
【００３７】
混合室１０５の下流には、４つの伝熱メッシュ１１２，１１４，１１５，１１６（本発明の伝熱体に相当する。）が、幾らかの間隔をおいて設けられている。また、図４に示すように、それぞれの伝熱メッシュの一側が削落されて、通路１１３，１１７，１１８，１１９が形成されている。これら各伝熱メッシュ１１２，１１４，１１５，１１６の一側に形成される通路１１３、１１７，１１８，１１９は、混合室１０５から流下した燃料と燃焼用空気との混合気体が蛇行するように千鳥状に配置されている。さらに、伝熱メッシュ１１６の下流には、触媒燃焼器１１１が設けられている。
【００３８】
そして、混合室１０５で混合された燃料用空気１０３と噴霧燃料１０７はその下流にある１段目の伝熱メッシュ１１２に到達し、そのほとんどは当該伝熱メッシュ１１２に衝突するが、一部は通路１１３を通って２段目の伝熱メッシュ１１４に衝突し、あるいは通路１１７を通過して次の３段目の伝熱メッシュ１１５に衝突する。これを繰り返し、最終的に４段目の伝熱メッシュ１１６と、通路１１９を通過する。
【００３９】
この過程において、各伝熱メッシュ１１２、１１４，１１５，１１６のどれかで噴霧燃料は全て気化されることになる。また、燃焼用空気１０３は、通路１１３，１１７，１１８を通過する際に、強制的に流れの向きが変えられるため、燃焼用空気１０３と噴霧燃料との相対速度差が増し、これにより、熱伝達率が増加して、空気の熱による噴霧燃料１０７の気化がより促進される。このように、各伝熱メッシュ１１２，１１４，１１５，１１６での噴霧燃料１０７の気化と、通路１１３，１１７，１１８，１１９での熱伝達率の向上による噴霧燃料１０７の気化とによって、より確実に噴霧燃料１０７を気化することができる。
【００４０】
第３実施形態（請求項３および４）
図５は本発明の燃焼器の第３実施形態を示す断面図、図６は同実施形態に係る燃焼器の伝熱体（伝熱板）を示す斜視図である。
【００４１】
本例は、上述した第２実施形態の伝熱メッシュ１１２，１１４，１１５，１１６の材料がプレーンな板、すなわち平板１２０，１２１，１２２，１２３に代わったものであり、それ以外の構成については、第２実施形態と同様である。
【００４２】
本例のように伝熱体を平板にて構成すると次のような効果がある。すなわち、噴霧燃料１０７の粒径が比較的大きな場合に、伝熱メッシュであると燃料粒子がトラップされずにそのままミスト状態で触媒燃焼器１１１に到達することがある。そこで、粒径の大きな噴霧燃料１０７を確実に伝熱板１２０，１２１，１２２，１２３で確実に受け止め、これを気化をさせることが本例の目的である。また、伝熱体を平板とすることで、熱容量が大きくなり、これに衝突した噴射燃料の気化速度および気化率がより向上することになる。
【００４３】
第４実施形態（請求項３および６）
図７は本発明の燃焼器の第４実施形態を示す断面図である。
本例は、上述した第１実施形態における伝熱メッシュ１０８，１０９が伝熱ハニカム１２４，１２５，１２６に代わったものであり、それ以外の構成については、第１実施形態と同様である。
【００４４】
特に本例では、３つの伝熱ハニカム１２４，１２５，１２６につき、上流側の伝熱ハニカムの方が下流側の伝熱ハニカムに比べてハニカムの目の粗さが粗く設定されている。その意味で、１２４を粗伝熱ハニカム、１２５を中粗伝熱ハニカム、１２６を細粗伝熱ハニカムと称する。
【００４５】
これら粗伝熱ハニカム１２４、中粗伝熱ハニカム１２５および細伝熱ハニカム１２６により、混合室１０５から流下した噴霧燃料１０７が粗い粒子から順に気化し、最終的には全て気化したのち燃焼触媒１１１に供給されることになる。本例では、第１実施形態の伝熱メッシュ１０８，１０９に比べて、伝熱面積を多く取れるので、より気化し易いといった利点がある。
【００４６】
第５実施形態（請求項７）
図８は本発明の燃焼器の第５実施形態を示す断面図、図９は同実施形態の燃焼器の伝熱メッシュを示す斜視図である。
【００４７】
本例は、上述した第１実施形態における伝熱メッシュ１０８，１０９が中空伝熱メッシュ１２７および外周通路伝熱メッシュ１２８（図９も参照）に代わったものであり、それ以外の構成については、第１実施形態と同様である。
【００４８】
本実施例は、燃料噴射弁１０６がホロコーン状に拡散して、十分にミキシングされずに下流に到達する場合、特に燃料噴射器１０６と伝熱メッシュ１２７との距離が十分に取れない場合に効果を発揮する。すなわち、ホロコーン状に拡散した噴霧燃料１０７は、そのまま環状に広がり、中空伝熱メッシュ１２７に到達して気化され、燃焼用空気１０３とともに、通路１２９を通って、下流にある外周通路伝熱メッシュ１２８に衝突し、そこで中心部に集中したガス流れを拡散して、燃焼触媒１１１に円周方向に対して均等にガスを分布して供給を行うことができる。これにより、円周方向に均一な燃焼が可能になるとともに、伝熱メッシュ１２７と燃料噴射器１０６間の距離を充分に取れない場合に有効となる。
【００４９】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼器の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の燃焼器の伝熱メッシュを示す斜視図である。
【図３】本発明の燃焼器の第２実施形態を示す断面図である。
【図４】図３の燃焼器の伝熱体（伝熱メッシュ）を示す斜視図である。
【図５】本発明の燃焼器の第３実施形態を示す断面図である。
【図６】図５の燃焼器の伝熱体（伝熱板）を示す斜視図である。
【図７】本発明の燃焼器の第４実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明の燃焼器の第５実施形態を示す断面図である。
【図９】図８の燃焼器の伝熱メッシュを示す斜視図である。
【符号の説明】
１００…燃焼器
１０１…燃焼用空気（燃焼用ガス）
１０２…電熱式ヒータ
１０５…混合室
１０６…燃料噴射器
１０８…粗伝熱メッシュ（第１の伝熱メッシュ）
１０９…細伝熱メッシュ（第２の伝熱メッシュ）
１１１…触媒燃焼器
１１２，１１４，１１５，１１６…伝熱メッシュ（伝熱体）
１２０，１２１，１２２，１２３…伝熱板（伝熱体）
１２３，１２５，１２６…伝熱ハニカム（伝熱体）
１２７…中空伝熱メッシュ（第１の伝熱メッシュ）
１２８…外周通路伝熱メッシュ（第２の伝熱メッシュ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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