(57)【要約】【課題】火炎バリアを備えた多孔質バーナを提供する。【解決手段】多孔質バーナは、還元剤と酸化剤とを予混合するための混合空間と、多孔質材料で充填された隣接燃焼空間とを有する。火炎バリアが、混合空間と燃焼空間との間に配置される。本発明によれば、火炎バリアは、６０％未満の材料有孔率を有する多孔質材料から作られる。この材料は、少なくとも１３００ｋｇ／ｍ３の密度を有する。このように構成された多孔質バーナの好ましい使用は、水素又は水素に富むガスの燃焼にある。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元剤と酸化剤とを混合するための混合空間と、多孔質材料で充填された隣接燃焼空間とを有し、孔を有する火炎バリアが、前記混合空間と前記燃焼空間との間に配置された多孔質バーナであって、
前記火炎バリアが、６０％未満の材料有孔率を有する多孔質材料を含み、該材料が、１３００ｋｇ／ｍ３より大きい密度を有することを特徴とする多孔質バーナ。
【請求項２】
前記孔が、０．８ｍｍ未満、特に約０．５ｍｍの直径を有し、前記孔の断面積の合計が、前記火炎バリアの表面積の、５％未満、特に１％と４％との間となることを特徴とする請求項１に記載の多孔質バーナ。
【請求項３】
前記材料が、約１７５０ｋｇ／ｍ３の密度を有し、２０００ｋｇ／ｍ３の密度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の多孔質バーナ。
【請求項４】
前記材料が、３０％未満、特に１５％未満の繊維構成成分の質量の割合を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の多孔質バーナ。
【請求項５】
前記材料が、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２の混合物を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の多孔質バーナ。
【請求項６】
前記混合物が、それぞれ質量に基づいて、約８０％のＡｌ２Ｏ３及び約２０％のＳｉＯ２を含むことを特徴とする請求項５に記載の多孔質バーナ。
【請求項７】
酸化剤、特に空気、及び還元剤の混合物を燃焼させるための請求項１〜６のいずれか一項に記載の前記多孔質バーナの使用法であって、前記還元剤が、水素の容積において、少なくとも７５％を含む、特に９０％を超える使用法。
【請求項８】
燃料電池システムにおいて、容積が９０％を超える水素含有量を有する、空気と水素又は水素に富むガスとの混合物を燃焼させるための請求項１〜６のいずれか一項に記載の前記多孔質バーナの使用法。
【請求項９】
前記多孔質バーナが、前記燃料電池からの排気ガスを燃焼させるのに使用されることを特徴とする請求項８に記載の使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元剤と酸化剤とを混合するための混合空間と多孔質材料で充填された隣接燃焼空間とを有する多孔質バーナに関するものであり、孔を有する火炎バリアが、混合空間と燃焼空間との間に配置される。さらに、本発明は、この種の多孔質バーナの使用法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、多孔質材料で充填された燃焼空間と混合空間とを含むバーナについて開示している。このバーナはまた、混合空間とバーナ空間との間に火炎バリア又は火炎トラップを備える。
【０００３】
多孔質バーナの技術などの、予混合燃焼技法は、混合空間に対する火炎前面のフラッシュバックを防止するために、火炎を安定させる必要がある。したがって、混合空間と多孔質材料で充填された燃焼空間との間に、火炎バリアが配置される。多孔質バーナにおいて使用される従来の火炎バリアは、天然ガス又はガソリンなどの、炭化水素ベースの燃料と共に使用されるよう最適化される。これらは、通常、一般に、平行な孔を有するセラミック繊維プレートを有する。これらの繊維の厚さは、一般に約３．０〜３．５μｍであるが、その長さは約２〜３ｍｍであり、繊維は、９５〜９７％のＡｌ２Ｏ３を有する。生産中、これらは、成形されたプレートが高い材料有孔率を有し、したがって発生する高い空間及び時間温度勾配において低い熱伝導性及び高い強度を有するよう配置される。前述の特許文献１に記載されているような、これらの有孔火炎バリアにより、炭化水素を含む燃料を使用する、広範囲な空燃比に渡って高い出力調整（１：２５）を有する操作が可能となる。
【０００４】
この種の火炎バリアの代表的な材料有孔率は、約９０％である。つまり、材料有孔率は、それぞれ、商（ρＦ−ρＴ）／ρＦによって決まるからである（ここで、ρＦとは、非多孔質の固体の密度の意であり、ρＴとは、同じ外部条件、たとえば標準的な条件において同じ組成を有する多孔質材料の密度の意である）。したがって、本明細書において使用される場合、材料有孔率とは、材料内の「空の」容積の割合を示す。
【０００５】
この種の多孔質バーナの構造及び適用形態の例が、たとえば、非特許文献１又は非特許文献２に見出され得る。
【０００６】
多くのシナリオでは、水素を将来のエネルギ担体の１つであると予測している。何故なら、これにより、汚染物質を非常に少なく排出するだけで、熱及び出力を生成することができるからである。ＮＯＸは、一酸化炭素又は粒子状物質などの、炭素ベースの汚染物質が形成され得ないので、水素の燃焼中に発生し得る唯一の汚染物質である。恐らく今でも低排出水素バーナが必要な適用分野には、化学工業、及び燃料電池システムにおけるアフターバーナ及び加熱バーナとしての使用が含まれる。
【０００７】
現在、水素の燃焼に使用されるのは、主として、非予混合バーナ又は触媒バーナである。非予混合バーナの場合、燃料は反応区域内で空気とのみ混合されるので、基本的にフラッシュバックは発生し得ない。しかし、この概念は、過剰空気全体に関係なく、常に理論混合気組成を有する区域があり、したがって高温であるので、比較的高いＮＯＸ排出を伴う。これとは異なり、触媒バーナは、多くの適用形態において、余りにも汚染及び温度変動の影響を受けやすく、出力調整が不十分であるという欠点を有する。さらなる問題は、触媒のオーバーヒーティングを回避するために、多量の過剰空気を用いて操作しなければならないことである。技術的現状から見て、望ましい低いＮＯＸ排出は、予混合燃焼システムを使用することによってのみ達成され得ると思われる。
【０００８】
予混合バーナ設計の一般的な利点に加えて、多孔質バーナの技術は、水素を燃焼するのに多孔質バーナを使用することが魅力的な選択肢となる、さらなる特性を有する。多孔質バーナを用いると、燃焼帯内の温度が、狙った形で影響を受け得る。その上、高い熱の移動により、燃焼帯内の温度場は非常に均一である。これら２つの利点により、他の殆どの予混合バーナによっても達成され得ない、非常に低いＮＯＸ排出が可能となる。他の予混合バーナに対する多孔質バーナのさらなる利点は、達成され得る高い面積負荷、及び燃焼帯の形態の幾何学的柔軟性である。
【０００９】
このように装備された多孔質バーナが、たとえば炭化水素を含む出発原料（メタン、メタノール、ガソリンなど）を改質することにより水素が得られる場合に形成されるように、水素又は水素に富むガスを用いて操作される場合、混合空間内への火炎のフラッシュバックが短時間に発生することが分かっている。過剰空気が大きく増加した場合にのみ、安全な、即ちフラッシュバックのない、定常状態の操作が可能となる。必要な空燃比の上昇度は、主に面積負荷に依存する。従来の火炎バリアの形態を有する、多孔質バーナに通例の、１３００ｋＷ／ｍ２の面積負荷での安全な操作は、約λ＝３．０の空燃比を超える場合にのみ可能である。さらに、出力は、１：２の範囲内でのみ調整され得る。水素の燃焼中、火炎前面が、火炎バリアの多孔質材料内に侵入し、材料を通って混合空間の方向に進み、フラッシュバックとなることを、試験において実証することができる。
【００１０】
しかし、多孔質バーナは、その知られている利点により、広い出力領域に渡って水素又は水素に富むガスを用いて使用するのに用いられることも望ましい。しかし、実際には、動作範囲を大きく限定する、フラッシュバックの極めて高い危険性が、予混合水素バーナを実施する際の大きな障害となっている。
【００１１】
【特許文献１】国際公開第９５／０１５３２Ａ１号パンフレット
【非特許文献１】Ｄｕｒｓｔ，Ｆ．，Ｋｅｓｔｉｎｇ，Ａ．，Ｍｏｅβｂａｕｅｒ，Ｓ．，Ｐｉｃｋｅｎａｅｃｋｅｒ，Ｋ．，Ｐｉｃｋｅｎａｅｃｋｅｒ  Ｏ．，Ｔｒｉｍｉｓ，Ｄ．，（１９９７），Ｄｅｒ  Ｐｏｒｅｎｂｒｅｎｎｅｒ−Ｋｏｎｚｅｐｔ，Ｔｅｃｈｎｉｋ  ｕｎｄ  Ａｎｗｅｎｄｕｎｇｓｇｅｂｉｅｔｅ（多孔質バーナ−設計、技術、及び適用分野），Ｇａｓｗａｅｒｍｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．６，ｐｐ．３００−３０７
【非特許文献２】Ｄｉｅｚｉｎｇｅｒ，Ｓ．，Ｔａｌｕｋｄａｒ，Ｐ．，ｖｏｎ  Ｉｓｓｅｎｄｏｒｆｆ  Ｆ．，Ｔｒｉｍｉｓ，Ｄ．，（２００５），Ｖｅｒｂｒｅｎｎｕｎｇ  ｖｏｎ  ｎｉｅｄｅｒｋａｌｏｒｉｓｃｈｅｎ  Ｇａｓｅｎ  ｉｎ  Ｐｏｒｅｎｂｒｅｎｎｅｒｎ  （多孔質バーナにおける低発熱量を有するガスの燃焼），Ｇａｓｗａｅｒｍｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．３，ｐｐ．１８７−１９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、水素又は水素に富むガスを用いたフラッシュバックのない使用を可能とする予混合バーナとしての多孔質バーナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、上記目的は、請求項１の特徴部分の構成を有する多孔質バーナによって達成される。
【００１４】
従来の火炎バリアと比べて、著しく低い材料有孔率及びこれに対応する高い密度を有する材料を使用するために、特に水素及び水素に富むガスの、燃焼中の多孔質バーナの動作範囲及び出力調整をかなり拡張することができる。この場合、有孔火炎バリアに必要な材料は、少なくとも１３００ｋｇ／ｍ３の密度、及び上記に記載したように、６０％未満の材料有孔率を有する。
【００１５】
次いで、本発明による火炎バリアにより、たとえば１３００ｋＷ／ｍ２の面積負荷の、水素及び空気を用いた、及びλ＝１．８のかなり低い空燃比での、確実な操作が可能となる。したがって、この空燃リミット比は、より高い面積負荷レベル用に減少される。その上、この新規な設計により、１：１０の出力調整が可能となる。
【００１６】
本発明による火炎バリアを用いて動作範囲を広げることにより、新しい適用分野の可能性が広がり、既存の適用分野の多用性が向上する。
【００１７】
本発明のさらに好ましい形態が、図面を参照しながら、従属請求項から及び以下により詳細に説明する例示的実施形態から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明による火炎バリア（flame barrier）２を備えた多孔質バーナ１、及びこの結果生じる、柔軟性及び動作範囲を広げることに関する選択肢、たとえば自動車用途用の電解質（ＰＥＭ）としての高分子膜に基づく、水素で動作する燃料電池システム用のアフターバーナ又は加熱バーナについて記載する。当然ながら、多孔質バーナ１は、この種の適用形態に限定されるものではない。
【００１９】
特に自動車用途において、定常動作状態に到達するまでにかかる時間は、非常に重要な因子である。この時間は、加熱によりかなり減少され得る。燃焼により熱い排気ガス流を生成する電気加熱システム又はバーナのいずれかのシステムの燃料水素が、このために使用され得る。バーナを使用すると、特に多くの自動車用途においては不十分な電気エネルギしか利用できないので、電気系統を用いた場合と比べて、かなり短い開始時間が達成され得るという利点を有する。
【００２０】
しかし、この種のシステムは、排出物質の放出を非常に要求するので、使用されるバーナは、極めて高い要求を満たさなければならない。この場合、低い空燃比の方向に空燃比範囲を広げることが非常に重要である。さもなければ、排気ガス温度が余りにも低いままとなり、開始時間を著しく短縮することができないからである。この種の開始バーナのさらなる適用分野が、出力調整範囲を増加することによって広げられ得る。
【００２１】
パージ（すなわち、燃料電池から又はこのアノード水素回路から水素を含むガスを吹き飛ばす）の間に形成される排気ガスは、運転停止時に又は時々は操作中においても、通常、容積が５％と１０％との間の水素含有量を有する。これらの排気ガスの大気中への排出を回避する１つの方法は、アフターバーニングである。しかし、この排気ガス内に含まれる化学エネルギは、開始時に必要な熱出力よりはるかに低い。したがって、１つのバーナを開始バーナとして及びアフターバーニング用の両方に使用することは、このバーナが十分な負荷範囲を有して確実に操作され得る場合にのみ可能となる。
【００２２】
唯１つの添付図は、有孔火炎バリア２を備えた多孔質バーナ１を示す概略断面図である。火炎バリア２は、酸化剤としての空気と還元剤／燃料としての水素又は水素に富むガスとが予混合（premix）される混合空間３と、燃焼空間４との間に置かれる。多孔質バーナ１において通例であるが、燃焼空間４は多孔質材料で充填され、ここで実際の燃焼が行われる。この多孔質材料は、たとえば、１０ｐｐｉ（インチ当たりの気泡数）を有するＳｉＣ発泡体であり得る。その上、今までの多孔質バーナにおいて既に使用されている燃焼空間４の、考えられる他のすべての形態も可能である。本明細書に示されている多孔質バーナ１は、火炎バリア２又は火炎バリアを形成する材料のみが、知られている多孔質バーナとは異なる。
【００２３】
火炎バリア２に使用される材料は、通常、スリップ鋳造によって作られるセラミックである。生産工程中の収縮を最小限に抑えるために、この材料は、粉末留分に加えて、繊維構成成分の質量において、３０％未満、好ましくは１５％未満、たとえば約１０％を含むことがある。これらの繊維構成成分は、材料の安定性を向上させるというさらなる利点を有する。しかし、材料有孔率を十分に低いレベルに保つために、繊維を全く追加しないことも可能である。
【００２４】
火炎バリア２は、少なくとも１３００ｋｇ／ｍ３の密度、及び上に記載したような６０％未満の材料有孔率を有するべきである。この場合、密度に代表的な材料の上限は、２０００ｋｇ／ｍ３とされ、材料有孔率に代表的な、製造に関連する下限は、４０％とされ得る。
【００２５】
これまで行われてきた試験においては、密度としてρ＝１７５０ｋｇ／ｍ３程度の値及び材料有孔率として約５０％の値が理想的であることが実証されている。好ましくは約８０％〜約２０％の質量比の、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２の混合物が、好適な材料として認識されている。この材料はまた、火炎バリア２の領域内において、及び本明細書においては特に燃焼空間４に面する領域内において発生する、１７００℃以下の温度に持ちこたえることができる。
【００２６】
水素を使用して行われる試験において、有孔火炎バリア２用のこの種の材料を用いると、λ＝１．８の空燃比での１３００ｋＷ／ｍ２の面積負荷において、安全な操作を達成することができる。したがって、この空燃リミット比は、より高い面積負荷レベルでさらに減少する。その上、新しい種類の火炎バリアにより、１：１０の出力調整も可能となる。
【００２７】
この種の材料から作られた有孔火炎バリア２が、試験で使用された。火炎バリア２内の孔は、ｄ＝０．５ｍｍの直径で作られた。同様に十分な機能が、ｄ＝０．８ｍｍまでの孔径でも達成される。製造上の理由により、約ｄ＝０．３５ｍｍ未満の孔径は、機能が良いことが期待される場合でも、殆ど実施不可能である。
【００２８】
火炎バリア２内の孔の断面積の合計は、火炎バリア２の全面積の５％を超えてはならない。特に良い結果が、１％と４％との間で達成され得る。行われた試験における孔の断面積の合計は、たとえば、火炎バリア２の全面積の約１．４％であった。これは、火炎前面の側のフラッシュバックを効果的に回避した。しかし、孔の断面積が減少するにつれて、火炎バリア２に起因する圧力損失も増加するので、実際には、多孔質バーナ１又は火炎バリア２は、上に記載した場合においてまだどうにか許容できる圧力損失に基づいて最適化されるべきである。たとえば、高い圧力が利用できる場合は、一般に、火炎バリア２の孔の断面積の合計を、フラッシュバックに対して極めて高い安全性を確保するために、１％〜２％の間で選択することができる。他方、空気及び／又は水素が、単に低い過剰圧力で、たとえば送風機によって伝達される場合、火炎バリア２の孔の断面積の合計は、火炎バリア２内の最小圧力損失を同時に達成しつつ、極めて安全な操作を確実にするために、３％〜４％の間で選択されるべきである。
【００２９】
上述した材料から作られる有孔火炎バリア２を用いて達成される、動作範囲を広げることにより、初めて、工業用バーナ内において、特に燃料電池システムにおいて水素を変換するために多孔質バーナ１を使用することができるようになる。燃料電池システムにおいては、バーナを追加する必要がないので、一方では、コールドスタート時間を短縮し、他方では、システムの複雑さを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】多孔質バーナを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  多孔質バーナ
２  火炎バリア
３  混合空間
４  燃焼空間
【図１】
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