(57)【要約】【課題】  装置を大型にせずに振動燃焼を抑制するための共鳴器を備えた改質器用燃焼装置を得るものである。【解決手段】  改質器用燃焼装置を構成する断熱部の内部に中空の共鳴器を設け、この共鳴器と燃焼室とを連通する貫通路を設けることにより振動燃焼を抑制するものである。また、動作中の振動燃焼の振動周波数変化に対応するために、燃焼室の燃焼状態を測定する手段を設け、この測定手段からの信号を受けて共鳴器の容積を変化させる手段を備えたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナと、
このバーナの下流に設けられた燃焼室と、
この燃焼室の下流に設けられた燃焼ガス流路と、
この燃焼ガス流路に接して設けられ、前記燃焼ガス流路から受け取る熱で原料を改質する原料改質部と、
この原料改質部に対向する側の前記燃焼ガス流路と前記燃焼室とに接して設けられた断熱部と、
この断熱部の内部に設けられた中空の共鳴器と、
この共鳴器と前記燃焼室とを連通する貫通路と
を備えることを特徴とする改質器用燃焼装置。
【請求項２】
共鳴器の容積を変化させる容積可変手段を備えることを特徴とする請求項１記載の改質器用燃焼装置。
【請求項３】
燃焼室の燃焼状態を測定する燃焼状態測定手段と、
この燃料状態測定手段からの信号を受けて容積可変手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする請求項２記載の改質器用燃焼装置。
【請求項４】
燃焼状態測定手段は、圧力センサーであることを特徴とする請求項３記載の改質器用燃焼装置。
【請求項５】
燃焼状態測定手段は、電流検知器であることを特徴とする請求項３記載の改質器用燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する改質器用燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃焼装置では、振動燃焼による火炎の不安定性や燃焼騒音を抑えるために、燃焼装置の火炎が発生する燃焼室の周りにリング状のヘルムホルツ共振器を設けて、この共振器の共鳴周波数と燃焼装置の振動周波数とを一致させて振動燃焼を抑制していた（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１３９７３８号公報（１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃焼装置においては、燃焼室の周りにリング状のヘルムホルツ共振器を設けているので、装置が大型化するという問題があった。とくに燃料電池に燃料ガスを供給する改質器用燃焼装置では、原料を改質するための原料改質部や、この原料改質部以外の不要部分への伝熱を抑えるための断熱部などをもつため、燃焼室の周りに追加部材を設けることは小型化を著しく阻害していた。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、装置を大型にせずに振動燃焼を抑制するための共鳴器を備えた改質器用燃焼装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る改質器用燃焼装置は、断熱部の内部に燃焼室と連通した中空の共鳴器を設けたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る改質器用燃焼装置においては、断熱部の内部に共鳴器を設けたことで、装置が大型にせずに振動燃焼を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による改質器用燃焼装置の断面模式図である。円筒状の断熱部１の下部にバーナ２を備えた燃焼室３が設けられている。断熱部１の外周部に接して設けられた燃焼ガス流路４は、燃焼室３で燃焼した燃焼ガスが通過して燃焼ガス出口５へ到達するように構成されている。この燃焼ガス出口５には燃焼ガス排気管（図示せず）が接続されている。燃焼ガス流路４の外側には、上流から原料気化部６、改質触媒部７およびＣＯ変成触媒部８からなる原料改質部９が設けられている。原料気化部６は燃焼ガス流路の外側にらせん状に巻きつけたパイプで構成されている。原料改質部９は、上方から下方へ向かって原料気化部６に導入された原料が、原料気化部６と改質触媒部７とを通過したのちに流れを上方へ変えられ、ＣＯ変成触媒部８を通過するように構成されている。断熱部１の中央部には円筒中空状の共鳴器１０が備えられており、この共鳴器１０と燃焼室３とは貫通路１１でつながっている。
【０００９】
次に、本実施の形態における改質器用燃焼装置の動作について説明する。バーナ２に燃料と空気とが供給されると、バーナ２に炎１２が形成され燃焼室３内に燃焼ガスが生成される。高温の燃焼ガスは燃焼ガス流路４を通過して燃焼ガス出口５から燃焼ガス排気管（図示せず）を通して系外に排出される。高温の燃焼ガスが燃焼ガス流路４を通過するときに、改質触媒部７および原料気化部６に熱を与えて、改質触媒部７および原料気化部６は、それぞれ反応および気化に必要な温度まで昇温される。通常、燃焼室３に近い改質触媒部７は５００〜７００℃、燃焼ガス出口５に近い原料気化部６は２００〜５００℃に保たれている。
【００１０】
原料としては、一般にメタンガスと水とが用いられる。原料気化部６に導入された原料は、原料気化部６で気化されたのちに改質触媒部７へ供給される。改質触媒部７では下記に示す（１）式の反応が起こり、水素と二酸化炭素を主成分とするガスが生成される。ただし、このガスにはまだＣＯが含まれている。このガスが、ＣＯ変成触媒部８を通過するときにガス中のＣＯが水と反応して除去され燃料電池用の燃料ガスとなる。この燃料ガスが系外に設置される燃料電池（図示せず）に送られる。
ＣＨ４  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ２  ＋  ＣＯ２      ・・・・・・（１）
【００１１】
燃焼室３で燃焼状態が下記の（２）式で示されるレーリーの判定条件を満足する状態になると振動燃焼が発生する。振動燃焼が発生すると、燃焼室３および燃焼ガス流路４での共鳴音や圧力振動が発生して、騒音が大きくなるとともに火炎状態が不安定になり、場合によっては消炎にいたることがある。
【００１２】
【数１】
2006162092.tif 000003
ここで、ｄｐ／ｄｔは燃焼室３内の圧力変動、ｄｑ／ｄｔは燃焼室３内の発熱率変動を表す。振動燃焼が発生した場合の振動周波数は、燃焼室３の大きさや形状、燃焼ガス流路全体の長さ（燃焼室３、燃焼ガス流路４、燃焼ガス出口５に接続される燃焼ガス排気管の合計の長さ）、燃焼ガス流路４を流れるガス中での音速などで決まる。本実施の形態においては、振動燃焼が発生した場合の振動周波数と同じ共鳴周波数をもつように、断熱部１の内部に設けられた共鳴器１０と、この共鳴器１０と燃焼室３とを連通する貫通路１１とを備えたものである。共鳴器１０の容積をＶ、貫通路１１の断面積をＳ、貫通路１１の長さをｌ、共鳴器１０の中のガス中での音速をｃとすると、このときの共鳴周波数ｆは、次の（３）式で与えられる。
【００１３】
【数２】
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この周波数ｆが振動燃焼が発生したときの振動周波数と一致するような形状の共鳴器１０および貫通路１１を備えることにより、振動燃焼を抑制することができる。
【００１４】
本実施の形態においては、断熱部の内部に燃焼室と連通した中空の共鳴器を設けたことにより、改質器用燃焼装置の大きさを大型化することなく振動燃焼を抑制することができる。また、中空の共鳴器を設けたことで断熱部の熱容量が小さくなるため、装置全体が熱平衡状態になるまでの時間が短くなり、装置の立ち上がり特性が向上する。
【００１５】
なお、本実施の形態においては、円筒中空状の共鳴器を用いたが、（３）式で示されるように、共鳴器の共鳴周波数は主に共鳴器の容積Ｖに依存するので、共鳴器の形状は内部が中空であればどのような形状でもよい。また、本実施の形態では、貫通路が１本の例を示したが、貫通路は複数本であってもよい。
【００１６】
また、本実施の形態においては、原料としてメタンガスと水とを用いたが、メタンガスの替わりに、メチルアルコール、エチルアルコール、液化天然ガス、液化石油ガス、ナフサ、灯油などを用いることもできる。
【００１７】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２による改質器用燃焼装置の断面模式図である。本実施の形態においては、実施の形態１における改質器用燃焼装置と同様な構成において、共鳴器１０の貫通路１１と連通した空間の容積を変化させる容積可変手段としてピストン２１を備えたものである。このピストン２１には駆動ロッド２２が接続されており、この駆動ロッド２２を上下させることでピストン２１を移動させて共鳴器１０の容積を変化させことができるように構成されている。
【００１８】
このように構成することにより、設置条件などで燃焼ガス流路全体の長さ（燃焼室３、燃焼ガス流路４、燃焼ガス出口５に接続される燃焼ガス排気管の合計の長さ）が異なり、そのため振動燃焼の振動周波数が異なる場合でも、ピストン２１を移動させて共鳴器の容積を変化させることで、共鳴器の共鳴周波数を振動燃焼の振動周波数に一致させることができる。
【００１９】
図３は、共鳴器の容積Vと燃焼室のガス圧振幅Ａとの関係を示した特性図である。Vが０のときは振動燃焼を抑制する機構がないので、燃焼室のガス圧は振動燃焼の振動周波数で変化するためにＡは最も大きくなる。Vが増加するにしたがってＡは徐々に減少し、Vがある特定の値V０になったときに最小になる。VがV０を超えてさらに増加するとＡは徐々に増加する。燃焼ガス流路全体の長さが長い場合、振動燃焼の振動周波数は小さくなり、それを打ち消すための共鳴器の共鳴周波数も小さくする必要があり、V０は増加する方向へシフトする。
【００２０】
本実施の形態においては、断熱部の内部に燃焼室に連通した中空の共鳴器を設けたことにより、改質器用燃焼装置の大きさを大型化することなく振動燃焼を抑制することができるとともに、設置場所によって燃焼ガス流路全体の長さに違いがあっても、共鳴器の容積を変化させることにより、振動燃焼の振動周波数と共鳴器の共鳴周波数とを一致させて振動燃焼を抑制することができる。
【００２１】
なお、本実施の形態では、共鳴器の容積を変化させる手段として、ピストンを用いたが、それ以外の方法を用いてもよい。例えば、図４に示すような径の異なる筒状の小容器２３を組み合わせて容積を変化させる手段や、図５に示すような蛇腹型の容器２４で容積を変化させる手段を用いることもできる。
【００２２】
実施の形態３．
図６は、実施の形態３による改質器用燃焼装置の断面模式図である。本実施の形態においては、実施の形態２における改質器用燃焼装置と同様な構成において、ピストン２１を制御する制御手段として駆動機２５を設け、さらに燃焼室３の燃焼状態測定手段として圧力センサー２６を設けたものである。この圧力センサー２６でガス圧振幅を測定し、この圧力センサー２６からの信号が駆動機２５に送られるように構成したものである。
【００２３】
本実施の形態における改質器用燃焼装置の動作について説明する。燃焼室３で振動燃焼が発生すると、燃焼室３内のガス圧振幅が増加する。圧力センサー２６は、燃焼室３内のガス圧振幅が増加したことを検知してその信号を駆動機２５に送る。駆動機２５は、駆動ロッド２２を介してピストン２１を上下に移動させて、圧力センサー２６で検知されるガス圧振幅が最小になるように制御する。
【００２４】
本実施の形態においては、改質器用燃焼装置の動作中に燃焼ガス流路を流れるガスの温度が変化した場合、このガス中の音速が変化して振動燃焼の振動周波数が変化するが、この変化を燃焼室のガス圧振幅の変化として圧力センサーで検知して、この圧力センサーからの信号で共鳴器の容積を変化させることにより、共鳴器の共鳴周波数を振動燃焼の振動周波数に一致させて振動燃焼を抑えることができる。
【００２５】
図７は、燃焼ガス温度が変化したときの共鳴器の容積Vと燃焼室のガス圧振幅Ａとの関係の変化を示した特性図である。燃焼ガスの温度が高くなると、燃焼ガス中での音速が速くなるため、振動燃焼の振動周波数は大きくなる。そのため、振動燃焼を打ち消すための共鳴器の共鳴周波数も大きくする必要があり、V０は減少する方向へシフトする。
【００２６】
このように構成することにより、設置場所により燃焼ガス流路全体の長さが異なる場合に振動燃焼を抑制できるだけでなく、動作中の燃焼ガスの温度変化によって振動燃焼の振動周波数が変化した場合でも、その変化に応じて共鳴器の共鳴周波数を変えて振動燃焼の振動周波数と共鳴器の共鳴周波数を常に一致させることができるので、動作中の環境変化によらず、常に振動燃焼を最小に抑えることができる。
【００２７】
実施の形態４．
図８は、実施の形態４による改質器用燃焼装置の断面模式図である。本実施の形態においては、実施の形態３における改質器用燃焼装置と同様な構成において、燃焼室３の燃焼状態測定手段として電流検知器２７を設けたものである。電流検知器２７の一方の電極２８を炎１２の挿入し、他方の電極（図示せず）をバーナ２に接続する。この電流検知器２７で炎１２中のイオン電流振幅を測定し、この電流検知器２７からの信号が制御手段である駆動機２５に送られるように構成したものである。
【００２８】
本実施の形態における改質器用燃焼装置の動作について説明する。燃焼室３で振動燃焼が発生すると、炎１２中のイオン電流振幅が増加する。電流検知器２７は、炎１２中のイオン電流振幅が増加したことを検知してその信号を駆動機２５に送る。駆動機２５は、駆動ロッド２２を介してピストン２１を上下に移動させて、電流検知器２７で検知されるイオン電流振幅が最小になるように制御する。
【００２９】
本実施の形態においては、改質器用燃焼装置の動作中に、燃焼ガス流路を流れるガスの温度が変化した場合、このガス中の音速が変化して振動燃焼の振動周波数が変化するが、この変化を炎中のイオン電流振幅の変化として電流検知器で検知して、この電流検知器からの信号で共鳴器の容積を変化させることにより、共鳴器の共鳴周波数を振動燃焼の振動周波数と一致させて振動燃焼を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態１による改質器用燃焼装置の断面模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２による改質器用燃焼装置の断面模式図である。
【図３】この発明の実施の形態２による共鳴器の容積と燃焼室のガス圧振幅との関係を示した特性図である。
【図４】この発明の実施の形態２による共鳴器の模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２による共鳴器の模式図である。
【図６】この発明の実施の形態３による改質器用燃焼装置の断面模式図である。
【図７】この発明の実施の形態３による共鳴器の容積と燃焼室のガス圧振幅との関係を示した特性図である。
【図８】この発明の実施の形態４による改質器用燃焼装置の断面模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  断熱部、            ２  バーナ、            ３  燃焼室
４  燃焼ガス流路、      ５  燃焼ガス出口、      ６  原料気化部
７  改質触媒部、        ８  ＣＯ変成触媒部、    ９  原料改質部
１０  共鳴器、          １１  貫通路、          １２  炎
２１  ピストン、        ２３  駆動ロッド、      ２４  小容器
２４  容器、            ２５  駆動機、          ２６  圧力センサー
２７  電流検知器、      ２８  電極
【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】
2006162092.tif 000009
【図６】
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【図７】
2006162092.tif 000011
【図８】
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