(57)【要約】【課題】燃焼器の反応部に供給される混合気の分布バラツキを改善する。【解決手段】燃料電池システム用燃焼器１は、液体燃料を噴射する燃料噴射部６と、液体燃料と混合させる燃焼用ガスを供給するガス供給部４と、液体燃料と燃焼用ガスとが混合した混合気を燃焼させる反応部３と、燃料噴射部６、ガス供給部４及び反応部３を収容するケース２と、を備える。ガス供給部４は燃焼用ガスに旋回流を生じさせる旋回部４Ｂを備え、燃料噴射部６は、旋回部の中央であって、噴射した燃料噴霧が旋回部４Ｂに直接当たらない位置に配置される。旋回部４Ｂと反応部３との間に、ケース２の内周面から径方向内側に突出し、ケース２の内周面側に偏った混合気を反応部３の中央に向けて偏流させる偏流部５を備えることを特徴とする燃料電池システム用燃焼器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を噴射する燃料噴射部と、
前記液体燃料と混合させる燃焼用ガスを供給するガス供給部と、
前記液体燃料と前記燃焼用ガスとが混合した混合気を燃焼させる反応部と、
前記燃料噴射部、前記ガス供給部及び前記反応部を収容するケースと、
を備える燃料電池システム用燃焼器において、
前記ガス供給部は前記燃焼用ガスに旋回流を生じさせる旋回部を備え、
前記燃料噴射部は、前記旋回部の中央であって、噴射した燃料噴霧が前記旋回部に直接当たらない位置に配置され、
前記旋回部と前記反応部との間に、前記ケースの内周面から径方向内側に突出し、前記ケースの内周面側に偏った前記混合気を前記反応部の中央に向けて偏流させる偏流部を備えることを特徴とする燃料電池システム用燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システム用燃焼器において、
前記偏流部は、前記ケースの周方向に所定の間隔をもって複数個配置される突部で構成される燃料電池システム用燃焼器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システム用燃焼器において、
前記偏流部は、前記旋回部により生じた旋回流と反対向きの旋回を生じさせるスリットを有する、燃料電池システム用燃焼器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム用燃焼器において、
前記偏流部は、前記ケースとは別部材で構成されている燃料電池システム用燃焼器。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム用燃焼器において、
前記偏流部は、前記ケースの一部が変形したものである燃料電池システム用燃焼器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム用燃焼器において、
前記偏流部が、前記旋回部から前記反応部までの中間点にある燃料電池システム用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに用いる燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システム用の燃焼器として、特許文献１には液体燃料を噴射する燃料噴射部と、旋回部を備えることにより空気をスワール状に供給するガス供給部と、液体燃料と空気との混合気を燃焼させる反応部と、を備える構成が開示されている。上記文献の構成によれば、空気に旋回を付与することによって液体燃料と空気との混合が促進されるため、混合気の燃焼性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５６６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記文献の構成では、旋回が付与されたことにより混合気の流れが反応部の中心軸から遠い直径方向周辺部に偏る。このため、反応部における燃料の分布にバラツキが生じて、反応部全体を使った効率的な燃焼ができなくなるおそれがある。そこで本発明では、反応部における燃料分布のバラツキを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様による燃料電池システム用燃焼器は、液体燃料を噴射する燃料噴射部と、液体燃料と混合させる燃焼用ガスを供給するガス供給部と、液体燃料と燃焼用ガスとが混合した混合気を燃焼させる反応部と、燃料噴射部、ガス供給部及び反応部を収容するケースと、を備える。ガス供給部は燃焼用ガスに旋回流を生じさせる旋回部を備え、燃料噴射部は、旋回部の中央であって、噴射した燃料噴霧が旋回部に直接当たらない位置に配置される。そして、燃料電池システム用燃焼器は、旋回部と反応部との間に、ケースの内周面から径方向内側に突出し、ケースの内周面側に偏った混合気を反応部の中央に向けて偏流させる偏流部を備える。
【発明の効果】
【０００６】
上記態様によれば、反応部における燃料分布のバラツキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、燃焼器の基本構成を示す図である。
【図２】図２は、混合気の流量分布を示す図である。
【図３】図３は、空気過剰率と火炎温度との関係を示す図である。
【図４】図４は、燃焼器の断面図である。
【図５】図５は、偏流部の構成を示す図である。
【図６】図６は、偏流部の第１変形例を示す図である。
【図７】図７は、偏流部の第２変形例を示す図である。
【図８】図８は、偏流部の第３変形例を示す図である。
【図９】図９は、偏流部の第４変形例を示す図である。
【図１０】図１０の（Ａ）から（Ｃ）は、第４変形例の偏流部の製作工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態にかかる燃焼器１の基本構成を示す図である。以下の説明において、図面の左方を上流、図面の右方を下流とする。
【００１０】
燃焼器１は、固体酸化物形または固体高分子形の燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、液体燃料と空気との混合気を燃焼させるものである。この燃焼により生じた熱は、燃料改質器等に供給される。なお、液体燃料と混合させるガスとして、燃料電池の空気極から排出されるカソードオフガスを空気と混合させて用いてもよい。
【００１１】
燃焼器１は、燃料を燃やすための触媒３Ｂと、触媒３Ｂに供給される燃料を加熱する加熱器３Ａと、触媒３Ｂ及び加熱器３Ａを収容する円筒状のケース２と、を備える。なお、以下の説明では、加熱器３Ａと触媒３Ｂとをまとめて反応部３と称することもある。燃焼器１はさらにインジェクタ６と、旋回板４Ｂと、偏流部５と、を備える。
【００１２】
触媒３Ｂは、酸化剤ガスを用いて燃料が気化した燃料ガスを燃焼させる燃焼触媒である。触媒３Ｂの上流側端面と加熱器３Ａの下流側端面とが接触するように並んで配置されている。触媒３Ｂは、担体としてのハニカム構造体の表面に触媒材料が担時された部材である。ハニカム構造体は金属製の円筒状部材として構成されており、ハニカム構造体に担持される触媒材料には白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などが用いられる。
【００１３】
加熱器３Ａは、触媒３Ｂに噴射された原燃料を気化する電気ヒータであり、例えば、触媒３Ｂの温度が燃料を燃焼可能な温度よりも低い状況で使用される。このため、燃焼器１の本体温度が十分に高い自立運転状態では、加熱器３Ａは使用されない。
【００１４】
加熱器３Ａは、本体としてのハニカム構造体と、ハニカム構造体の外周に設けられる電極部とから構成されている。ハニカム構造体は、金属製の円筒状部材として構成されており、ケース２内に固定されている。加熱器３Ａは、ケース２の内側から外側に露出するように設けられた電極部（図示せず）に通電することでハニカム構造体が加熱される。
【００１５】
インジェクタ６は、燃料ポンプ（図示せず）及び通路９を介して供給される燃料を所定の周期で反応部３に向けて噴射する噴射器である。
【００１６】
旋回板４Ｂは、ケース２の上流側端面から下流方向へ所定距離離れた位置に設けられた円板状部材である。旋回板４Ｂの中心部には、燃料噴霧が旋回板４Ｂに直接当たらないようにインジェクタ６が配置される。このようにインジェクタ６及び旋回板４Ｂを配置するのは、燃料噴霧が旋回板４Ｂに付着して壁流が生じると、混合気の空燃比の制御が困難になるからである。なお、旋回板４Ｂは、燃料噴霧が直接当たらないのであれば図示するような平板でなくてもよく、例えば円錐状の部材でも構わない。
【００１７】
また、旋回板４Ｂは、旋回板４Ｂの上流側と下流側とを連通する複数のスリットを備える。
【００１８】
旋回板４Ｂと旋回板４Ｂより上流側のケース２の内壁面とにより画成される空間は空気供給室４Ａである。以下、空気供給室４Ａと旋回板４Ｂとを合わせて空気供給部４とも称する。
【００１９】
空気供給室４Ａには、コンプレッサ７から吐出された空気が通路８を介して供給される。空気供給室４Ａに供給された空気は、旋回板４Ｂのスリットを通って反応部３の方向へ流れる。本実施形態のスリットは、通過する空気に旋回を付与する形状となっている。したがって、旋回板４Ｂを通過した空気は、旋回しながら反応部３の方向へ流れる。インジェクタ６から噴射された燃料は、この旋回する空気と混合するので、混合が促進され、触媒３Ｂでの燃焼性が向上する。なお、通路８から空気供給室４Ａへ供給される空気の向きを空気供給室４Ａの円周方向とすることにより、空気供給室４Ａ内に旋回流を生成してもよい。これにより、スリットを通過した空気の旋回がより強くなる。
【００２０】
偏流部５は、ケース２の内周面からケース２の径方向内側へ突出するリング状部材である。偏流部５はケース２の内周面付近に偏った混合気の流れを、ケース２の中心軸方向へ偏流させる機能を果たす。
【００２１】
ここで、偏流部５を設ける目的及び偏流部５を設けることによる作用効果について説明する。
【００２２】
図２は、偏流部５を備えない場合の、反応部３の上流側端部における混合気の流量分布を示す図であり、横軸は反応部３の中心軸からの距離、縦軸は図１の上流側から下流側へ流れる混合気の流量である。平均流量とは、反応部３に供給される混合気量が反応部３の上流側端面に均一に分布すると仮定した場合の流量である。
【００２３】
図２に示す通り、旋回板４Ｂにより空気の流れに旋回を付与することで、中心軸から離れるほど、つまりケース２の内周面に近いほど、混合気の流量は多くなる。これは、旋回を付与することで混合気に遠心力が作用し、混合気の流れがケース２の内周面側に偏るからである。すなわち、偏流部５を備えない場合には、混合気は反応部３の内周側よりも外周側に多く供給されることとなる。
【００２４】
図３は、混合気の空気過剰率λと、その混合気が燃焼した場合の火炎温度との関係を示す図である。横軸の空気過剰率λは、混合気中の空気の余剰度合を示す指標であり、供給される空気質量を理論混合比における空気質量で除した値である。
【００２５】
図示する通り、火炎温度は空気過剰率λが１近傍のときに最も高く、空気過剰率λが１から離れるほど低くなる。空気過剰率λがリッチ側にずれるということは、空気供給量が少なくなることを意味し、リーン側にずれるということは、空気供給量が多くなることを意味する。
【００２６】
本実施形態では、反応部３の耐久性を考慮して、空気過剰率λが１よりリーンになるように（例えば図３のＡ）、燃料噴射量及び空気供給量を制御する。なお、図３のＡにおけるλは、例えば３〜５程度とする。
【００２７】
しかし、仮に図２に示す通り反応部３に供給される混合気の流量にバラツキが生じると、反応部３で混合気が燃焼した場合の燃焼温度にもバラツキが生じる。つまり、反応部３の混合気供給量が少ない部分では所望の燃焼温度が得られず、混合気供給量が多い部分では空気過剰率λが所望の値よりも１に近づいて所望の燃焼温度より高い燃焼温度になるおそれがある。このように反応部３における燃焼温度が不均一になると、燃焼温度が高い部分では反応部３を構成する部品の耐久性が損なわれるおそれがある。また、燃焼温度が不均一になると、燃焼器１全体として得られる熱量を確保するために、触媒３Ｂのサイズを大きくせざるを得なくなる。
【００２８】
そこで、偏流部５を設けることによって、混合気をケース２の中心軸方向に向けて偏流させる。すなわち、混合気流量が多いケース２の内周面付近から、混合気流量が少ないケース２の中心軸側へ向けて混合気を偏流させることにより、ケース２の径方向における混合気流量のバラツキを抑制する。
【００２９】
図４は、燃焼器１の断面図である。図５は偏流部５を図４の矢印Ｖの方向から見た図である。
【００３０】
偏流部５は、断面形状が三角形のリング状部材であり、旋回板４Ｂと加熱器３Ａの上流側端部との中間に、外周面がケース２の内周面と接するように配置されている。
【００３１】
上記の構成によれば、旋回が付与されたことでケース２の中心軸から遠ざかってケース２の内周面付近を流れる混合気は、偏流部５に衝突してケース２の中心軸方向に向きを変える。これにより、ケース２の内周面付近への混合気の偏りを解消できる。また、混合気が偏流部５に沿って流れることで偏流部５の下流には乱流が生じるので、偏流部５に衝突した混合気の一部は中心軸方向には進まずにケース２の内周面付近を流れる。したがって、反応部３の中心軸側と外周付近とに供給される混合気量のバラツキが抑制される。
【００３２】
また、偏流部５を旋回板４Ｂと加熱器３Ａの上流側端部との中間に配置するのは、燃料と空気とが混合する時間を確保するためである。したがって、混合する時間が確保されるのであれば、旋回板４Ｂと加熱器３Ａの上流側端部との中間よりも上流側に偏流部５を配置してもかまわない。
【００３３】
なお、偏流部５の断面形状は、混合気をケース２の中心軸方向に偏流させることができ、かつ、下流側で乱流が生じる形状であればよい。つまり、図４のような三角形に限られず、例えば四角形やその他の形状であってもよい。
【００３４】
また、偏流部５の寸法、例えばケース２の内周面からの突出量等は、反応部３の中心軸側と外周付近とに供給される混合気量のバラツキが抑制されるように、燃焼器１の仕様に応じて適合により決定する。
【００３５】
以上のように本実施形態では、空気供給部４（ガス供給部）は混合気（燃焼用ガス）に旋回流を生じさせる旋回板４Ｂ（旋回部）を備え、インジェクタ６（燃料噴射部）は、旋回板４Ｂの中央であって噴射した燃料噴霧が旋回板４Ｂに直接当たらない位置に配置される。そして、旋回板４Ｂと反応部３との間に、ケース２の内周面から径方向内側に突出し、ケース２の内周面側に偏った混合気を反応部３の中央（つまりケース２の径方向内側）に向けて偏流させる偏流部５を備える。これにより、偏流部５に衝突した混合気がケース２の中心軸側へ偏流するので、ケース２の内周面付近への混合気の偏りを解消できる。また、偏流部５で乱流が生じることにより、ケース２の中心軸側に混合気が偏ることもない。したがって、偏流部５を設けることにより、反応部３に供給される混合気の分布が改善される。
【００３６】
本実施形態では、偏流部５はケース２とは別部材で構成されている。これにより偏流部５の形状や大きさに関して設計の自由度が高くなる。例えば、後述するスリット５Ａを容易に形成することができる。
【００３７】
本実施形態では、偏流部５が、旋回板４Ｂから反応部３までの中間点にある。これにより、燃料と空気との十分な混合を確保しつつ、反応部３に供給される混合気の分布を改善することができる。
【００３８】
次に、上記実施形態の変形例について説明する。以下のような変形例も本発明の範囲内であり、以下の変形例と上記実施形態の各構成とを適宜組み合わせることも可能である。
【００３９】
（第１変形例）
図６は、偏流部５の第１変形例を示す図である。本変形例の偏流部５は、リング状部材である点は上記実施形態と同様であるが、周方向に所定間隔で複数のスリット５Ａを備える点が異なる。スリット５Ａは、旋回板４Ｂが付与した旋回とは逆方向の旋回を付与する形状となっている。
【００４０】
これにより、偏流部５の下流では混合気の旋回が弱まるので、上述した中心軸方向への偏流及び乱流の発生による効果に加えて、さらに混合気の分布を改善できる。なお、偏流部５よりも上流で燃料と空気とは十分に混合しているので、偏流部５で旋回を弱めても混合気の形成への影響はない。
【００４１】
（第２変形例）
図７は、偏流部５の第２変形例を示す図である。本変形例の偏流部５は、ケース２の周方向に所定の間隔を持って配置される、上記実施形態の偏流部５と同様の断面形状を有する複数の突部で構成される。
【００４２】
本変形例の構成では、上記実施形態の構成に比べて、反応部３の中心軸方向へ偏流する混合気の量が少なくなる。しかし、各突部の周方向側端面付近で乱流が発生するため、上記実施形態の構成に比べて乱流の強度が強くなる。したがって、混合気を反応部３の中心軸方向へ偏流させる機能と、乱流による撹拌機能とによって、混合気の分布を改善することができる。
【００４３】
また、燃焼器１の仕様、例えば直径や旋回板４Ｂから反応部３までの長さ等、によっては、上記実施形態のように全周にわたって偏流部５を設けると、反応部３の外周側に比べて中心軸側に混合気の分布が偏るおそれがある。この点、本変形例の構成によれば、突部の寸法や個数によって反応部３の中心軸方向に偏流させる混合気の量を調整して、混合気の分布を改善することができる。
【００４４】
（第３変形例）
図８は、第３変形例にかかる偏流部５を備える燃焼器１の断面図である。
【００４５】
本変形例の偏流部５は、形状及び位置は上記実施形態と同様であるが、上記実施形態のようにケース２と別部材で構成するのではなく、ケース２の一部を変形させることにより構成している点で異なる。具体的な作製方法としては、例えば、ケース２の外周面をロール金型を用いてケース２の径方向外側から内側に向けてプレス加工することにより、上記実施形態の偏流部５と同形状の突部を形成する。
【００４６】
偏流部５の機能としては別部材で構成する場合と違いはない。ただし、本変形例によれば、部品点数と、作製する際のリング状部材をケース２の内側に固定するための工数と、を削減できる。
【００４７】
（第４変形例）
図９は、第３変形例にかかる偏流部５を備える燃焼器１の断面図である。図１０は、本変形例の偏流部５を形成する工程を説明するための図である。
【００４８】
本変形例の偏流部５は、ケース２の一部を変形させることにより構成している点では第３変形例と同様であるが、加工の内容が異なる。具体的な加工方法について、図１０を参照して説明する。
【００４９】
本変形例では、ケース２は２つの管状部材２Ａ、２Ｂで構成される（図１０の（Ａ））。なお、２つの管状部材２Ａ、２Ｂは同径であり、空気供給部４が設けられる方が管状部材２Ａ、反応部３が設けられる方が管状部材２Ｂである。
【００５０】
まず、管状部材２Ａの下流側端部から所定範囲に絞り加工を施して、内周側に向けて傾斜する肩部５´を形成する（図１０の（Ｂ））。そして、管状部材２Ａの肩部５´を収容するように管状部材２Ｂと管状部材２Ａとを突き合わせ、突き合わせ部分を溶接等により接続する（図１０の（Ｃ））。なお、図１０の（Ｃ）の１１は溶接部を示している。接続後は、ケース２を構成する管状部材２Ａの一部である肩部５´が、ケース２の内周面から突出した偏流部５となる。
【００５１】
上記のような構成であっても、上記実施形態と同様に反応部３に供給される混合気の分布を改善できる。
【００５２】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５３】
１    燃焼器
２    ケース
３    反応部
３Ａ  加熱器
３Ｂ  触媒
４    空気供給部
４Ｂ  旋回板
５    偏流部
【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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【図１０】
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