(57)【要約】【課題】  水素製造装置の起動時および負荷変動時等における改質ガスやアノード排ガスの水素濃度変動に起因する補助燃焼器の逆火を抑制すること。【解決手段】  炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒を有する改質器と、改質器で生成された水素リッチの改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池のアノードに供給するＣＯ処理器と、燃料電池のアノード排ガスを燃焼する補助燃焼器とを有する水素製造装置において、補助燃焼器は、縦型の容器と、容器内にアノード排ガスと炭化水素系燃料と空気とを供給する供給管と、供給管の供給口の容器内の上方空間に設けられ、平板状の多孔体からなる保炎器と、保炎器の上方空間の容器内に設けられた燃焼触媒層とを備え、保炎器の下に断熱層が配置され、断熱層は保炎器よりも小さい面積の開口を有する構成とする。【選択図】    図１
2006001780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒を有する改質器と、前記改質器で生成された水素リッチの改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池のアノードに供給するＣＯ処理器と、前記燃料電池のアノード排ガスを燃焼する補助燃焼器とを有する水素製造装置において、
前記補助燃焼器は、縦型の容器と、該容器内に前記アノード排ガスと前記炭化水素系燃料と空気とを供給する供給管と、該供給管の供給口の前記容器内の上方空間に設けられ、平板状の多孔体からなる保炎器と、該保炎器の上方空間の前記容器内に設けられた燃焼触媒層とを備え、前記保炎器の下に断熱層が配置され、該断熱層は前記保炎器よりも小さい面積の開口を有していることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記供給管は、前記炭化水素系燃料と空気とを吐出する第１の散気管と、該第１の散気管の上方に設けられ、前記アノード排ガスを吐出する第２の散気管とを備えてなり、前記第１と第２の散気管は、前記断熱層の下方空間に延在して配置されることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記第１と第２の散気管は、前記断熱層の下方空間に充填される粒子に覆われてなることを特徴とする請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記供給管は、供給口が多孔体のフィルタで覆われてなり、該供給口を含めた前記断熱層の下方空間には充填材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記第２の散気管を前記燃焼触媒層と前記保炎器との間の空間に配置してなることを特徴とする請求項２又は３に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記補助燃焼器は、前記燃焼触媒層の温度を検知する温度計測器と、該温度計測器の検出値に基づいて前記第１の散気管から吐出する空気量を調節する制御器とを備えてなる請求項２，３，５のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項７】
請求項６に記載の水素製造装置の起動方法において、前記燃焼触媒と前記保炎器との間の空間で前記炭化水素系燃料を燃焼させ、前記燃焼触媒層を加熱する第１のステップと、前記燃焼触媒が所定温度以上になったら空気供給量を所定量まで増加させ、燃焼場を前記燃焼触媒中に移行させる第２のステップと、前記燃料電池をバイパスさせた改質ガスを導入し、空気供給量をさらに増加させる第３のステップと、前記改質ガスを前記燃料電池に導いて発電を行うことなく前記補助燃焼器に導入すると共に、前記炭化水素系燃料の供給を停止して空気供給量を減少させる第４のステップと、前記燃料電池を発電させると共に、空気供給量をさらに減少させる第５のステップとを有する水素製造装置の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒存在下で炭化水素系燃料に水蒸気を作用させて水素ガスを製造する水素製造装置に係り、特に、固体高分子型燃料電池のアノード排ガスを燃焼する補助燃焼器とその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素系燃料を用いて固体高分子型燃料電池に利用される水素を製造する水素製造装置は、触媒存在下で、炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素に改質する改質器と、この改質器から発生される改質ガスのＣＯをＣＯシフト反応により酸化させるＣＯ変成器と、さらに残存するＣＯを選択酸化させるＣＯ選択酸化器とを備えて構成される。生成された改質ガスは、燃料電池のアノードに供給され、カソードに供給された酸素と反応して発電が行われる。
【０００３】
ところで、アノードから排出されるアノード排ガス中には、発電に使用されない未反応水素が含まれている。このため、アノード排ガスは、補助燃焼器に導いて燃焼させ、水素製造装置に供給する炭化水素系燃料や水蒸気を予熱したり、改質器の加熱などに利用されている。ここで、アノード排ガス中の水素濃度は低いことから、燃焼を安定化させるために燃焼触媒を備えている。
【０００４】
例えば、ガスの流れに沿って間隔を開けて第１と第２の燃焼触媒層を備え、これらの燃焼触媒層に挟まれた空間に複数の開口を有する混合板を配置し、第１の燃焼触媒層をバイパスして第１と第２の燃焼触媒層の間にアノード排ガスと空気を別々に供給するようにした補助燃焼器が報告されている（特許文献１参照。）。これによれば、アノード排ガスおよび空気は、混合板に衝突し、開口を通過する流れが形成されることにより、均一に混合されて所定の空気比の混合ガスとなり、第２の燃焼触媒層で安定した触媒燃焼を行うことができる。
【０００５】
一方、ガスの流れに沿って３段の燃焼触媒層を備え、各燃焼触媒層の間の流路を絞って絞部を形成し、アノード排ガスの導入口となる１段目の燃焼触媒層の端部および各絞部に、ラシヒリング（充填物）を設ける方法が報告されている（特許文献２参照。）。これによれば、空気とアノード排ガスが均一に混合されるため、偏燃焼を防止することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８３５１５号公報（第５頁、図１，２）
【特許文献２】特開平２−２６２２６３号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、水素製造装置の起動時は、ＣＯ選択酸化器の触媒が活性温度に加熱されるまで、改質ガス中のＣＯ濃度を安定して低下させることができない。また、ＣＯは燃料電池の電極を被毒させるから、起動時は、このような低品質の改質ガスを燃料電池に供給せずに、例えば、バイパスラインを通じて補助燃焼器に導いて燃焼処理するようにしている。
【０００８】
一方、燃料電池の負荷を上げる場合は、改質器で発生する改質ガスを増加させた後、燃料電池の水素消費量を増加させている。また、負荷を下げる場合は、水素消費量を減少させてから改質器で発生する改質ガスを減少させている。このため、補助燃焼器には、一時的に水素濃度の高いアノード排ガスが供給されることがある。
【０００９】
このように、水素製造装置の起動時や燃料電池の負荷変化時には、空気と共に水素濃度が高い改質ガスやアノード排ガスが補助燃焼器に供給されることがある。このような高発熱量の混合ガスが供給されると、燃焼触媒層の温度が上昇して、混合ガスの着火温度以上に達し、混合ガスに着火して逆火が起こる場合がある。燃焼触媒層において逆火が発生すると、輻射熱により補助燃焼器内が加熱されて熱損傷を起すおそれがある。
【００１０】
上記の特許文献１，２における混合板およびラシヒリングは、いずれもアノード排ガスと空気の混合効果を狙ったものに過ぎないため、アノード排ガスの水素濃度増加に起因する逆火については、なんら配慮がされていない。
【００１１】
そこで、本発明は、水素製造装置の起動時および負荷変動時等における改質ガスやアノード排ガスの水素濃度変動に起因する補助燃焼器の逆火を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため、炭化水素系燃料と水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒を有する改質器と、この改質器で生成された水素リッチの改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池のアノードに供給するＣＯ処理器と、燃料電池のアノード排ガスを燃焼する補助燃焼器とを有する水素製造装置において、補助燃焼器は、縦型の容器と、この容器内にアノード排ガスと炭化水素系燃料と空気とを供給する供給管と、この供給管の供給口の容器内の上方空間に設けられ、平板状の多孔体からなる保炎器と、この保炎器の上方空間の容器内に設けられた燃焼触媒層とを備え、保炎器の下に断熱層が配置され、この断熱層は保炎器よりも小さい面積の開口を有していることを特徴とする。
【００１３】
すなわち、アノード排ガスと空気の混合ガスは、断熱層の開口を通過することにより、火炎伝播速度以上の流速を得ることができるから、起動時や負荷変動時にアノード排ガス中の水素濃度が一時的に上昇しても、供給口に向かって逆火することなく、保炎器又は燃焼触媒において安定した燃焼を行うことができる。ここで、開口は、例えば、下方に向かって窄めて形成され、ガス流速が火炎伝播速度以上になるように開口面積が設定されていることが好ましい。
【００１４】
また、供給管は、炭化水素系燃料と空気とを吐出する第１の散気管と、この第１の散気管の上方に設けられ、アノード排ガスを吐出する第２の散気管とを備え、第１と第２の散気管は、断熱層の下方空間に延在して配置するようにする。このように散気管を配置することにより、空気とアノード排ガスは断熱層の下方空間で効率的に混合される。なお、散気管に形成される吐出孔は、第１の散気管と第２の散気管が対向させて配設することにより、混合効率が一層向上する。
【００１５】
また、第１と第２の散気管は、断熱層の下方空間に充填される粒子に覆われていることが好ましい。これによれば、散気管から吐出された空気とアノード排ガスは、粒子間を通過することにより混合作用と共に流速が増加されるため、燃焼場における温度が安定化され、逆火を抑制する効果がある。
【００１６】
なお、供給管は、第１と第２の散気管を設けずに容器の側壁に連結され、側壁に形成される供給口を多孔体のフィルタで覆い、この供給口を含めた断熱層の下方空間に充填材を充填するようにしてもよい。これによれば、上記の効果に加え、装置を簡略化できると共に、ガス混合効率を一層向上させることができる。
【００１７】
さらに、第２の散気管は、上記の設置位置に代えて、燃焼触媒層と保炎器との間の空間に配置することにより、燃焼速度の速い水素は第２の散気管の上方で燃焼され、燃焼触媒の加熱効率が向上すると共に、保炎器後流側への逆火を防止することができる。
【００１８】
一方、補助燃焼器は、燃焼触媒層の温度を検知する温度計測器と、この温度計測器の検出値に基づいて第１の散気管から吐出する空気量を調節する制御器とを備えるようにする。これによれば、例えば、起動時において供給される水素量が増加したとき、空気供給量を増加させることにより、燃焼触媒温度を低下させ、逆火を抑制することができる。
【００１９】
また、上記の水素製造装置の起動時において、アノード排ガスの水素濃度変動に起因する補助燃焼器の逆火を抑制するには、燃焼触媒と保炎器との間の空間で炭化水素系燃料を燃焼させ、燃焼触媒層を加熱する第１のステップと、燃焼触媒が所定温度以上になったら空気供給量を所定量まで増加させ、燃焼場を燃焼触媒中に移行させる第２のステップと、燃料電池をバイパスさせた改質ガスを導入し、空気供給量をさらに増加させる第３のステップと、改質ガスを燃料電池に導いて発電を行うことなく補助燃焼器に導入すると共に、炭化水素系燃料の供給を停止して空気供給量を減少させる第４のステップと、燃料電池を発電させると共に、空気供給量をさらに減少させる第５のステップとを有するようにするとよい。
【００２０】
このように、補助燃焼器に供給されるガス中の水素濃度の変化に応じて、空気供給量を変化させることにより、燃焼触媒温度が所定範囲に保持されるため、起動時の逆火を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、水素製造装置の起動時および負荷変動時等における改質ガスやアノード排ガスの水素濃度変動に起因する補助燃焼器の逆火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】
【００２２】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態における補助燃焼器の構成を示し、図２に本発明の補助燃焼器を適用してなる水素製造装置及び燃料電池の一実施形態の全体構成を示す。
【００２３】
図２に示すように、本実施形態の水素製造装置は、補助燃焼器１０と、改質器１１と、ＣＯ変成器１２と、ＣＯ選択酸化器１３とを備えて構成される。補助燃焼器１０は、例えば、炭化水素系燃料の都市ガスと水蒸気と空気とを予熱して改質器１１に供給するようになっている。改質器１１は、触媒存在下、補助燃焼器１０で予熱された都市ガスと水蒸気とを反応させて水素に改質する改質触媒を備えている。ＣＯ変成器１２は、改質器１１で生成するＣＯをＣＯシフト反応により酸化させるＣＯシフト触媒を備えている。ＣＯ選択酸化器１３は、ＣＯシフト反応後に残存するＣＯを選択酸化させるＣＯ選択酸化触媒を備えている。
【００２４】
本実施形態の燃料電池１４は、固体高分子型燃料電池を使用している。燃料電池１４は、電解質１６と、この電解質１６を挟持して配置されるアノード極１７（燃料極）と、カソード極１８（酸素極）とを備えている。ＣＯ選択酸化器１３の出口配管１９とアノード極１７の出口配管２０は、バイパス管１５を介して接続されており、図示しない弁を開放して改質ガスをバイパスさせるようになっている。アノード極１７から排出されるアノード排ガスは、出口配管２０を通じて補助燃焼器１０に供給され、燃焼用の燃料として利用される。
【００２５】
次に、補助燃焼器１０の構成を図１を用いて詳細に説明する。なお、都市ガスを予熱する都市ガス予熱管、水を予熱する水予熱管、空気を予熱する空気予熱管、及び容器上部の構成については、図の記載を省略する。
【００２６】
図に示すように、補助燃焼器１０は、縦長の容器２１の内部に都市ガスと空気を供給する燃料供給管２２が挿入され、燃料供給管２２の上方にはアノード排ガスを供給するアノード排ガス供給管２５が挿入されている。アノード排ガス供給管２５の上方には、平板状の保炎器２６が配設され、保炎器２６の上方には、燃焼触媒層２８が配設されている。燃焼触媒層２８の上方には、燃焼温度計測器３１が配設されている。なお、保炎器２６と燃焼触媒層２８とに挟まれた空間には点火器２７が配設されている。
【００２７】
燃料供給管２２は、略水平方向に延在する筒体からなり、上方には都市ガス等を吐出する開孔が軸方向に複数形成されている。燃料供給管２２は、容器２１の外側において、都市ガスブロア２３と空気流量調整装置２４が接続されており、都市ガスブロア２３を通じて容器２１内に都市ガスが供給される一方、空気流量調整装置２４を通じて所定流量に調節された空気が容器２１内に供給されるようになっている。アノード排ガス供給管２５は、出口配管２０と接続されており、略水平方向に延在する筒体の下方には、燃料供給管２２と対向するように、アノード排ガスを吐出する開孔が軸方向に複数形成されている。
【００２８】
保炎器２６は、容器２１の内壁全周に渡って配設され、例えば、中央付近に形成され、多孔セラミックプレートからなる保炎部を通じてガスが通流するようになっている。点火器２７は、容器２１内の略水平方向に点火プラグを挿入し、電気的にスパークを発生させるようになっている。燃焼触媒層２８は、容器２１の内壁全周に渡って配設され、例えば、セラミックスハニカムにＰｄ−Ｌａ系燃焼触媒がコーティングされたものが用いられる。
【００２９】
保炎器２６の下面には容器２１の内壁全周に渡って断熱層２９が当接して形成され、断熱層２９の中央付近には、保炎器２６の保炎部に対応させて開口３０が形成されている。すなわち、開口３０は、上下厚み方向において、上端が保炎部の開口形状に相等し、下方に向かって窄めてなる下端の開口面積は、保炎部よりも小さく形成されている。
【００３０】
燃焼温度計測器３１は、容器２１内に略水平方向で挿入され、その容器２１外の基端部には、流量制御器３２が配設されている。流量制御器３２は、都市ガスブロア２３および空気流量調整装置２４とそれぞれ電気的に接続されており、燃焼温度計測器２９の検出値に基づいて都市ガスブロア２３および空気流量調整装置２４を制御するようになっている。また、図示しないが、保炎部の下方に温度検出器を配設し、検出温度の変化に基づいて着火判定を行うようにしてもよい。
【００３１】
なお、図中省略しているが、燃焼触媒層２８の上方空間において、例えば、都市ガスを予熱する都市ガス予熱管、水を予熱する水予熱管、空気を予熱する空気予熱管が容器２１内に挿入されており、それぞれの専用管を通じて予熱された都市ガス、水蒸気、空気は、改質器１１に供給されるようになっている。また、容器２１の上部には、燃焼排ガス等を外部に排出する排出口が設けられている。
【００３２】
次に、本実施形態の動作を説明する。図２に示すように、補助燃焼器１０で予熱された都市ガス、水蒸気は、改質器１１内に供給された後、改質触媒により改質反応（式１）が行われ、水素とＣＯが生成される。
【００３３】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  ←→  ＣＯ＋３Ｈ２（式１）
改質器１１で生成した改質ガスは、ＣＯ変成器１２に供給され、ＣＯシフト触媒によりＣＯシフト反応（式２）が行われ、ＣＯが酸化される。
【００３４】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  ←→  ＣＯ２＋Ｈ２（式２）
さらに、ＣＯ変成器１２からＣＯ選択酸化器１３に供給された改質ガスは、ＣＯ選択酸化触媒によりＣＯ選択酸化反応（式３）が行われ、ＣＯが低濃度化されて水素リッチな改質ガスが生成する。
【００３５】
ＣＯ＋１／２Ｏ２  ←→  ＣＯ２（式３）
ＣＯ選択酸化器１３で生成された改質ガスは、アノード極１７に出口配管１９を介して供給され、カソード極１８に供給される空気中の酸素と反応して発電が行われる。発電に使用されなかった未反応水素を含むアノード排ガスは、出口配管２０を介して補助燃焼器１０に供給されて燃焼処理された後、燃焼排ガスとして大気に放出される。補助燃焼器１０は、予熱を行うことで、改質器１１における都市ガスの部分燃焼量を少なくし効率を向上させることができる。
【００３６】
水素製造装置の起動時は、まず、改質器１１において都市ガスを燃焼し、改質器１１、ＣＯ変成器１２、ＣＯ選択酸化器１３の触媒を順次加熱する。さらに、補助燃焼器１０において、都市ガスを燃焼させ、燃焼触媒層２８を加熱する。そして、これらの触媒が所定温度まで加熱されたら、改質器１１に都市ガス、水蒸気を供給し、改質ガスを生成させる。なお、ＣＯ選択酸化器１３の触媒が活性温度に加熱されるまでは、改質ガス中のＣＯ濃度を安定して下げることができない。また、ＣＯは、燃料電池の電極を被毒させることから、改質ガスはバイパス管１５により、燃料電池をバイパスさせている。このバイパスされた改質ガスは、出口配管２０を介して補助燃焼器１０内に供給されて燃焼処理される。そして、ＣＯ選択酸化器１３の触媒温度が活性温度に達し、ＣＯ濃度を安定して低下させる状態になると、燃料電池のアノード極１７に改質ガスを供給して発電を開始する。
【００３７】
次に、本実施形態の補助燃焼器１０の起動方法について図３を用いて説明する。図３は、補助燃焼器の起動時における都市ガス、空気、水素の各供給量の変化の履歴を示す図であり、横軸は各ステップ、縦軸は供給量を表している。
【００３８】
まず、ステップ１として、都市ガス（例えば、１Ｌ／ｍｉｎ）と空気（例えば、１５Ｌ／ｍｉｎ）の混合ガスを燃料供給管２２の開孔を通じて容器２１内に供給し、断熱層２９、保炎器２６を通じて流れる混合ガスを点火器３１により着火させる。着火した混合ガスは、保炎部の上方で燃焼し、燃焼触媒層２８を加熱する。
【００３９】
次に、ステップ２として、燃焼温度計測器３１により検知された燃焼触媒層２８の温度が、所定温度（例えば、２００℃）に達すると、流量制御器３２が空気流量調整装置２４を制御して、空気供給量を所定量（例えば、２５Ｌ／ｍｉｎ）まで増加させ、燃焼場を保炎器２６の上部付近から燃焼触媒層２８に移行させる。
【００４０】
次に、ステップ３として、燃料電池１４をバイパスさせた改質ガスを補助燃焼器１０内にアノード排ガス供給管２５の開孔を通じて供給し、都市ガスと改質ガス中の水素の混焼を行う。この時、補助燃焼器１０内の混合ガスは、大量の水素を含み高発熱量となるため、燃焼触媒層２８の温度が所定温度（例えば、８００℃）以上にならないように、供給空気量をさらに増加（例えば、５５Ｌ／ｍｉｎ）させるようにする。
【００４１】
次に、ステップ４として、改質ガス中のＣＯ濃度が安定して低減されると、改質ガスのアノード極１７への供給を開始する。この時、燃料電池１４の発電は行わず、改質ガス中の水素が消費されずに補助燃焼器１０内に供給される。また、改質ガスが燃料電池１４に供給されると同時に、補助燃焼器１０への都市ガスの供給を停止させ、これに伴い空気流量を低減させ、改質ガス中の水素のみで燃焼を行うようにする。
【００４２】
次に、ステップ５として、燃料電池１４の発電を開始し、低濃度の水素を含むアノード排ガスが補助燃焼器１０内に供給される。ここで、触媒燃焼温度が所定範囲（例えば、燃焼温度計測器３１の検出値が８５０℃）に保持されるように、空気供給量をさらに減少させるようにする。
【００４３】
ここで、水素製造装置の起動時にバイパス管１５を経由した改質ガスは、高い水素濃度を有している。一方で、定常運転時のアノード排ガスにおいても、燃料電池の負荷変動により、水素濃度が一時的に上昇する場合がある。図４は、水素製造装置の定常運転時におけるアノード排ガス中の水素濃度等の履歴を示す図であり、横軸は時間、縦軸は変動項目を表している。
【００４４】
図に示すように、要求値となる消費電力を上げるときは、まず、改質器１１への原料供給量を増加させ、燃料電池１４への水素供給量を増加させた後、燃料電池１４の水素消費量を増加（負荷上げ）させている。一方、消費電力を下げるときは、燃料電池１４の水素消費量を減少（負荷下げ）させた後、改質器１１への原料供給量を減少させ、燃料電池１４への水素供給量を減少させるようにしている。このため、アノード排ガス中の水素量（水素濃度）が一時的に増加する。
【００４５】
このように、水素製造装置の起動時および定常時において、水素濃度の高い改質ガスおよびアノード排ガス等が燃焼触媒層２８に供給されると、燃焼触媒層２８の温度が上昇して混合ガスの着火温度以上に達し、混合ガスに着火して逆火が起こるおそれがある。この場合、輻射熱により補助燃焼器１０内が加熱されて熱損傷を起すおそれがある。
【００４６】
これに対し、本実施形態では、保炎器２６の下面に保炎部の面積より小さい開口面積を有する断熱層２９を密着させて配設し、開口を通過する混合ガスの流速を早くするようにしている。つまり、混合ガスが火炎伝播速度以上の流速になるように、開口の絞り面積を適宜設定することにより、燃焼触媒層２８の温度が混合ガスの着火温度以上に達しても、混合ガスの逆火を防止することができ、保炎器２６または燃焼触媒層２８における燃焼を安定化できる。
【００４７】
なお、本実施形態では、燃料供給管２２およびアノード排ガス供給管２５の開孔は、互いに向き合って配置されるため、空気とアノード排ガスが吐出時に効率的に混合され、燃焼触媒層２８等の偏燃焼を抑制する効果がある。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本実施形態における補助燃焼器５０の構成を示す図である。なお、既に説明した図１と同一の部分については、同一符号を付して説明を省略し、相違点について説明する。
【００４９】
図５に示すように、本実施形態の補助燃焼器５０は、断熱層２９の下方空間に、例えばアルミナ粒子４０が充填されており、燃料供給管２２およびアノード排ガス供給管２５は、アルミナ粒子４０に覆われている。すなわち、燃料供給管２２およびアノード排ガス供給管２５の開孔からそれぞれ吐出された空気とアノード排ガスは、アルミナ粒子４０の間を通過することにより、混合作用と共に流速が増加されるため、燃焼場における温度が安定化され、逆火を抑制する効果がある。なお、アルミナ粒子４０の大きさは、開口３０の開口面積を考慮して適宜設定される。
【００５０】
本実施形態では、粒状充填物としてアルミナ粒子４０を用いる例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、他のセラミック材質からなる球形粒子を用いるようにしてもよい。
【００５１】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６は、本実施形態における補助燃焼器６０の構成を示す図である。なお、既に説明した図と同一の部分については、同一符号を付して説明を省略し、相違点について説明する。
【００５２】
図６に示すように、本実施形態の補助燃焼器６０は、燃料供給管２２およびアノード排ガス供給管２５が容器２１の側壁に連結されているに過ぎず、供給口は容器２１の側壁に形成され、フィルタとして、例えば、多孔体のセラミックプレート４１が供給口を覆って形成される。そして、この供給口を含めた断熱層２９の下方空間には、図５と同様、アルミナ粒子４０が充填されている。
【００５３】
これによれば、例えば、供給口から供給されたアノード排ガスと空気がアルミナ粒子４０の間を通過して保炎器２６を通過するまでの間、ガス混合効果を得ることができるため、ガス混合効率が向上し、燃焼場の燃焼温度、さらには原料予熱温度を一層安定化させることができる。また、複数開孔を有する吐出管を備える必要がないから、設備構成が簡単になる。
【００５４】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図７は、本実施形態における補助燃焼器７０の構成を示す図である。なお、既に説明した図と同一の部分については、同一符号を付して説明を省略し、相違点について説明する。
【００５５】
図７に示すように、本実施形態の補助燃焼器７０は、アノード排ガス供給管２５の設置位置を、燃焼触媒層２８と保炎器２６との間の空間に配置するようにしている点で、図５と相違する。これによれば、燃焼速度の速い水素は、アノード排ガス供給管２５の上方で燃焼されるため、燃焼触媒層２８の加熱効率が向上すると共に、保炎器２６の後流側への逆火を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用してなる補助燃焼器の第１の実施形態の構成図である。
【図２】本発明を適用してなる補助燃焼器を用いた水素製造装置及び燃料電池の一実施形態の全体構成を示す。
【図３】本発明の補助燃焼器の起動時における都市ガス、空気、水素の各供給量の変化の履歴を示す図であり、横軸は各ステップ、縦軸は供給量をそれぞれ表している。
【図４】本発明を適用してなる水素製造装置の定常運転時におけるアノード排ガス中の水素濃度等の履歴を示す図であり、横軸は時間、縦軸は変動項目を表している。
【図５】本発明を適用してなる補助燃焼器の第２の実施形態の構成図である。
【図６】本発明を適用してなる補助燃焼器の第３の実施形態の構成図である。
【図７】本発明を適用してなる補助燃焼器の第４の実施形態の構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０，５０，６０，７０  補助燃焼器
１１  改質器
１２  ＣＯ変成器
１３  ＣＯ選択酸化器
１４  燃料電池
１５  バイパス管
１７  アノード極
１８  カソード極
２１  容器
２２  燃料供給管
２４  空気流量調整装置
２５  アノード排ガス供給管
２６  保炎器
２８  燃焼触媒層
２９  断熱層
３０  開口
３２  流量制御器
４０  アルミナ粒子
４１  セラミックプレート
【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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