(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグがプラグ側取り付け金具を備え、バーナ本体がバーナ側取り付け金具を備え、前記プラグ側取り付け金具が前記バーナ側取り付け金具に固定されることによって、前記点火プラグが前記バーナ本体に取り付けられるバーナであって、
前記点火プラグとその外側に同心円状に設けられた第１区画壁との間に空気を流す第１空気流路と、
前記第１区画壁とその外側に同心円状に設けられた第２区画壁との間に燃料ガスを流す燃料流路と、
前記第２区画壁とその外側に同心円状に設けられた第３区画壁との間に空気を流す第２空気流路とを備え、
燃料ガスが、燃料入口配管から入って前記燃料流路を通過して燃料噴出口からバーナ燃焼空間に噴出し、空気が、バーナ空気入口配管から入って前記第１空気流路および前記第２空気流路を通じて前記バーナ燃焼空間に噴出するように構成され、
第１空気流路の外径と前記点火プラグの直径との差を第１空気流路代表径と定義した場合、前記プラグ側取り付け金具の中心軸線に対する前記点火プラグのバーナ燃焼空間側終端での偏心が前記第１空気流路代表径のＸ％未満となるように構成し、かつ、前記バーナ側取り付け金具の中心軸線に対する前記第１空気流路のバーナ燃焼空間側終端での中心軸線の偏心が前記第１空気流路代表径の（３０−Ｘ）％未満となるように構成することにより、前記第１空気流路の中心軸線に対する前記点火プラグのバーナ燃焼空間側終端での偏心が前記第１空気流路代表径の３０％未満となるようにし、
上記燃料流路の上流に燃料マニホールドが設けられると共に、上記第２空気流路の上流に空気マニホールドが設けられ、
前記燃料マニホールドの底面外側と前記空気マニホールドの底面内側との間に、その少なくとも一方に固定されたスペーサが設けられていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記Ｘの値を１５としたことを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のバーナを備えたことを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、バーナおよび改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池発電システムの改質装置内には、触媒を充填した改質管が設けられ、ここで炭化水素燃料などと水蒸気との改質反応により水素を生成する。改質反応は高温での吸熱反応であるため、起動時には改質管を運転温度まで昇温させる必要があり、また運転中は改質管を加熱し続ける必要がある。そのため一般に改質装置はバーナとバーナ燃焼空間を備えており、起動時には炭化水素燃料などを燃焼させ、運転時には燃料電池本体アノード極から導出された水素を主体とするアノードオフガスなどを主に燃焼させる。
【０００３】
このように改質装置のバーナは、起動時と運転時とで異なる燃料を用い、いずれの場合も完全燃焼させることが安全面と効率面の双方から要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１２８８０３号公報
【特許文献２】特許第４２０２７３４号公報
【特許文献３】特開２００９−２７４９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、点火プラグを中心として同心円状に第１空気流路、燃料流路、第２空気流路が配置されるバーナにおいては、点火プラグが第１空気流路の外壁である第１区画壁から適切な距離だけ離れていなければ、空気流量分配が不適切となり、燃焼が不完全になる。
【０００６】
例えば、点火プラグが偏心しないで取り付けられた場合は、燃料噴出口に形成される火炎形状は均等になるが、点火プラグが偏心して取り付けられた場合には、第１空気流路の噴出口の幅が狭まっている側では空気不足により火炎が伸びる。逆に第１空気噴出口の幅が広まっている側では火炎が短縮する。このようにバーナに取り付けられる点火プラグなどが偏心していると、燃焼が不安定になる。
【０００７】
発明が解決しようとする課題は、燃焼が安定するバーナおよび改質装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のバーナは、点火プラグがプラグ側取り付け金具を備え、バーナ本体がバーナ側取り付け金具を備え、前記プラグ側取り付け金具が前記バーナ側取り付け金具に固定されることによって、前記点火プラグが前記バーナ本体に取り付けられるバーナであって、前記点火プラグとその外側に同心円状に設けられた第１区画壁との間に空気を流す第１空気流路と、前記第１区画壁とその外側に同心円状に設けられた第２区画壁との間に燃料ガスを流す燃料流路と、前記第２区画壁とその外側に同心円状に設けられた第３区画壁との間に空気を流す第２空気流路とを備え、燃料ガスが、燃料入口配管から入って前記燃料流路を通過して燃料噴出口からバーナ燃焼空間に噴出し、空気が、バーナ空気入口配管から入って前記第１空気流路および前記第２空気流路を通じて前記バーナ燃焼空間に噴出するように構成され、第１空気流路の外径と前記点火プラグの直径との差を第１空気流路代表径と定義した場合、前記プラグ側取り付け金具の中心軸線に対する前記点火プラグのバーナ燃焼空間側終端での偏心が前記第１空気流路代表径のＸ％未満となるように構成し、かつ、前記バーナ側取り付け金具の中心軸線に対する前記第１空気流路のバーナ燃焼空間側終端での中心軸線の偏心が前記第１空気流路代表径の（３０−Ｘ）％未満となるように構成することにより、前記第１空気流路の中心軸線に対する前記点火プラグのバーナ燃焼空間側終端での偏心が前記第１空気流路代表径の３０％未満となるようにし、上記燃料流路の上流に燃料マニホールドが設けられると共に、上記第２空気流路の上流に空気マニホールドが設けられ、前記燃料マニホールドの底面外側と前記空気マニホールドの底面内側との間に、その少なくとも一方に固定されたスペーサが設けられていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係るバーナの構成の一例を示す図。
【図２】点火プラグが偏心した場合の第１空気流路の状態を示す図。
【図３】第１空気流路の管摩擦係数比と偏心との相関を示す図。
【図４】第２の実施形態に係るバーナの構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１〜図３を参照して、第１の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、第１の実施形態に係るバーナの構成の一例を示す図である。
【００１３】
図１（ａ）はバーナの本体の縦断面形状と点火プラグの外形とを併せて示す図であり、図１（ｂ）はバーナを底面側から見た図であり、図１（ｃ）はバーナに取り付けられる点火プラグの側面図である。
【００１４】
図１に示されるバーナ１は、例えば図示しない燃料電池発電システムの改質装置内に設けられるものである。改質装置内には、触媒を充填した改質管が設けられ、ここで炭化水素燃料などと水蒸気との改質反応により水素を生成する。改質反応は高温での吸熱反応であるため、起動時には改質管を運転温度まで昇温させる必要があり、また運転中は改質管を加熱し続ける必要がある。そのため、改質装置はバーナ１を備え、起動時には炭化水素燃料などを燃焼させ、運転時には燃料電池本体アノード極から導出された水素を主体とするアノードオフガスなどを主に燃焼させる。
【００１５】
図１に示されるように、バーナ１本体に取り付けられる点火プラグ５には、プラグ側取り付け金具８、取り付け金具ネジ部９、金属棒１０、碍子１１、バーナ燃焼空間側碍子終端１２等が備えられる。
【００１６】
一方、バーナ１本体側には、バーナ燃焼空間２、バーナ空気入口配管３、燃料入口配管４、パッキン材６、バーナ側取り付け金具７、第１空気流路１３、第１区画壁１４、燃料流路１５、第２区画壁１６、第２空気流路１７、第３区画壁１８、第１空気噴出口１９、燃料噴出口２０、第２空気噴出口２１、空気マニホールド２２、燃料マニホールド２３等が備えられる。
【００１７】
上記点火プラグ５は、プラグ側取り付け金具８が取り付け金具ネジ部９によりバーナ側取り付け金具７に固定されることによって、バーナ１本体に取り付けられる。
【００１８】
第１空気流路１３は、点火プラグ５とその外側に同心円状に設けられた第１区画壁１４との間に空気を流す。
【００１９】
燃料流路１５は、第１区画壁１４とその外側に同心円状に設けられた第２区画壁１６との間に燃料ガスを流す。
【００２０】
第２空気流路１７は、第２区画壁１６とその外側に同心円状に設けられた第３区画壁１８との間に空気を流す。
【００２１】
燃料ガスは、燃料入口配管４から入って燃料マニホールド２３に供給され、燃料流路１５を通過して燃料噴出口２０からバーナ燃焼空間２に噴出する。例えば、燃料ガスが天然ガスなどである場合、一定量の空気と予め混合させて供給させる場合がある。
【００２２】
空気は、バーナ空気入口配管３から入って空気マニホールド２２に供給され、第１空気流路１３および第２空気流路１７を通じてバーナ燃焼空間２に噴出する。
【００２３】
このように燃料ガスと空気が供給された状態で、点火プラグ５から火花を飛ばすことで点火が行われ、燃焼が開始されるようになっている。
【００２４】
点火プラグ５は、第１空気流路１３の全パスにわたり第１区画壁１４と並行して配置されているが、中心の金属棒１０の表面を碍子１１で被覆しているため絶縁が確保されている。点火プラグ５のバーナ燃焼空間側碍子終端１２は、第１区画壁１４終端より０〜４ｍｍ突出している。本構成で点火のため金属棒１０に高電圧を印加した場合、火花は金属棒先端からではなくバーナ燃焼空間側碍子終端１２と第１区画壁１４との間で主に発生し、副次的に燃料噴出口２０近傍にまで及ぶ。
【００２５】
点火プラグ５の碍子１１の外径が６ｍｍ、点火プラグ５の金属棒１０がφ２．６のカンタル棒、第１空気流路外径が８ｍｍ、燃料流路が中心からφ１３の線状に３０度間隔でφ２．０の穴が１２個並んだ構成にて点火試験を行った。イグナイタとして株式会社山武製Ｓ７２０Ａ１００−ＧＨＡを使用した。その結果、バーナ燃焼空間側碍子終端１２が第１区画壁１４終端から０〜４ｍｍ、望ましくは２±１ｍｍの間で火花が燃料噴出口２０近傍まで及び、容易に点火することが明らかになった。バーナ燃焼空間側碍子終端１２が第１区画壁１４終端より４ｍｍ以上突出していると、距離が遠いので点火しにくく、０ｍｍより内側であると火花が第１空気流路１３の内部でのみ発生して燃料噴出口２０近傍まで及ばない。
【００２６】
従って、点火プラグ５は、第１空気流路１３の全パスにわたり第１区画壁１４との絶縁を保ちかつ更に０〜４ｍｍ突出させるだけの長さをもつよう碍子１０を配する。
【００２７】
但し、このように碍子を配した場合でも点火プラグ５の偏心により取り付け時に発生する不適合により点火不適合に至ることがある。取り付け金具ネジ部９をバーナ側取り付け金具７にねじ込んで取り付ける場合において、もし偏心が生じていると点火プラグ５先端が第１区画壁１４に接触しながら回転し、碍子１１がプラグ側取り付け金具８近傍で割れることがある。この場合、高電圧を印加してもプラグ側取り付け金具８近傍で火花が発生するので点火することはない。
【００２８】
また、点火プラグ５が偏心すると第１空気流路１３の圧力損失が変化するため、第２空気流路１７との流量分配が変化する。
【００２９】
図２に点火プラグ５が偏心した場合の第１空気流路１３の状態を示す。また、図３に第１空気流路１３の管摩擦係数比と偏心との相関を示す。
【００３０】
ここでは、第１空気流路１３の外径と点火プラグ５の碍子１１の直径との差を「第１空気流路代表径」と定義する。
【００３１】
図２に示されるように第１空気流路１３の中心軸線に対して点火プラグ５のバーナ燃焼空間側碍子終端１２が偏心して隙間の一方の幅が広がるほど、空気は流れ易くなるため、図３に示されるように圧力損失を表す管摩擦係数比（＝管摩擦係数／（６４／Ｒｅ））は、偏心が増大するほど低下する。管摩擦係数比は、偏心がない場合は１．５だが、偏心が第１空気流路代表径の３０％では１．０となる。
【００３２】
図１に示されるように第１空気流路１３と第２空気流路１７は共通の空気マニホールド２２から各々流路の圧力損失によって分配されるので、実際の圧力損失が設計値より大きく変動すると、第１空気流路１３と第２空気流路１７との流量分配が変動し、バーナの燃焼性に影響する。そのため、実際の圧力損失が設計値の±２０％に収まるよう、点火プラグ５の偏心を抑制する必要がある。第１空気流路１３の管摩擦係数比を１．２５で設計すると、この±２０％は１．０〜１．５にあたり、偏心が第１空気流路代表径の０〜３０％である範囲に相当する。
【００３３】
従って、点火プラグ５を取り付けた場合の偏心を、第１空気流路代表径の３０％未満とすれば、第１空気流路１３の圧力損失を設計値の±２０％の範囲に収めることができ、第１空気流路１３と第２空気流路１７との流量分配を適正化することができる。
【００３４】
点火プラグ５の偏心は、２つの偏心要素が合成されて形成される。すなわち、プラグ側取り付け金具８の中心軸線に対する点火プラグ５のバーナ燃焼空間側終端での中心軸線の偏心（言い換えると、点火プラグ５の第１空気流路１３の中心軸線に対するプラグ側取り付け金具８の中心軸線の偏心）と、バーナ側取り付け金具７の中心軸線に対する第１空気流路１３のバーナ燃焼空間側終端での中心軸線の偏心（言い換えると、第１空気流路１３の中心軸線に対するバーナ側取り付け金具７の中心軸線の偏心）が合成されて成る。
【００３５】
合成された偏心を第１空気流路代表径の３０％未満とするためには、プラグ側取り付け金具８の中心軸線に対する碍子１１のバーナ燃焼空間側終端での偏心が第１空気流路代表径のＸ％未満となるように構成し、かつ、バーナ側取り付け金具７の中心軸線に対する第１空気流路１３のバーナ燃焼空間側終端での中心軸線の偏心が第１空気流路代表径の（３０−Ｘ）％未満となるように構成すればよい。
【００３６】
この場合、プラグ側取り付け金具８の中心軸線に対する碍子１１のバーナ燃焼空間側終端での偏心が第１空気流路代表径の５０％未満となるように構成し、かつ、バーナ側取り付け金具７の中心軸線に対する第１空気流路１３のバーナ燃焼空間側終端での中心軸線の偏心が第１空気流路代表径の５０％未満となるように構成することが望ましい。
【００３７】
バーナ１と点火プラグ５は別々に製作される上、バーナ１を改質装置に組み込んだ後で、偏心を目視確認できない状況で、点火プラグ５をバーナ１に組み込むことが通常である。そのため、上記のように偏心に関わる公差をバーナ１側と点火プラグ５側とで割り振り管理することにより、目視確認に頼ることなく点火プラグ５などの偏心を抑えることができ、第１空気流路１３と第２空気流路１７との流量分配を適正化することができる。
【００３８】
また、このように管理することにより、取り付け時に点火プラグ５と第１区画壁１４とが接触して点火プラグ５が破損することを防ぐことができる。
【００３９】
なお、点火時電圧を印加ためする金属棒１０はバーナ燃焼空間２側から外気まで連通しており、それを被覆する碍子１１も同様である。従って金属棒１０と碍子１１の間に隙間があるとバーナ燃焼空間２もしくは第１空気流路１３内の空気が外気に漏出する恐れがある。そのため、金属棒１０と碍子１１の間の少なくとも一部、もしくは金属棒１０が碍子１１から露出した部分において、例えば、その空隙が気密性を保つ無機質充填材料（セラミック系接着剤など）により封止されるようにすることが望ましい。
【００４０】
封止は碍子１１とプラグ側取り付け金具８の間にも必要である。封止方法として、プラグ側取り付け金具８と碍子１１との間で気密性を保つ無機質充填材料で充填する方法と、プラグ側取り付け金具８が存在する箇所の碍子１１の直径を広げ取り付け金具と碍子を直接接触させ締めこむ方法が挙げられる。
【００４１】
このように第１の実施形態によれば、偏心に関わる公差をバーナ１側と点火プラグ５側とで割り振り管理することにより、目視確認に頼ることなく点火プラグ５などの偏心を抑えることができ、第１空気流路１３と第２空気流路１７との流量分配を適正化することができる。さらには、取り付け時に点火プラグ５と第１区画壁１４とが接触して点火プラグ５が破損することを防ぐことができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図４を参照して、第２の実施形態について説明する。
【００４３】
図４は、第２の実施形態に係るバーナの構成の一例を示す図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付している。以下では、第１の実施形態と共通する要素の説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４４】
図４（ａ）はバーナの本体の縦断面形状と点火プラグの外形とを併せて示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中に示される矢視Ａ−Ａ部の断面形状を示す図である。
【００４５】
第２の実施形態に係るバーナ１は、第１の実施形態で示した各構成要素に加え、スペーサ２４をさらに備えている。スペーサ２４は、燃料流路１５の上流に設けられる燃料マニホールド２３の外面と、第２空気流路１７の上流に設けられる空気マニホールドの内面との間に、その少なくとも一方に固定された状態で設けられる。例えば、図４に示されるように、燃料マニホールド２３の底面外側と、空気マニホールド２２の底面内側の間にスペーサ２４を配し、燃料マニホールド２３を支えるように空気マニホールド２２側あるいは燃料マニホールド２３側、あるいはそれらの双方に取り付けられる。
【００４６】
燃料マニホールド２３は燃料入口配管４を通じて空気マニホールド２２上面に溶接などで固定されるが、この固定に際しては、空気マニホールド２２の中心軸と燃料マニホールド２３の中心軸とが合致することが、第１区画壁１４、第２区画壁１６、第３区画壁１８などの偏心を抑制する条件となる。そこで例えば固定作業中に燃料マニホールド２３を支えるスペーサ２４を配することで、空気マニホールド２２と燃料マニホールド２３の中心軸が合致した状態での固定が可能となり、上記偏心を抑制することができる。スペーサ２４は、燃料マニホールド２３の底面外側に設けるほか、空気マニホールド２２の底面内側に設けてもよい。
【００４７】
このように第２の実施形態によれば、点火プラグ５の偏心を抑えるとともに、第１区画壁１４、第２区画壁１６、第３区画壁１８などについても偏心を抑えることが可能となり、第１空気流路１３と第２空気流路１７との流量分配をより一層適正化することが可能となる。
【００４８】
以上詳述した少なくとも一つの実施形態によれば、バーナおよび改質装置の燃焼を安定させることができる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１…バーナ、２…バーナ燃焼空間、３…バーナ空気入口配管、４…燃料入口配管、５…点火プラグ、６…パッキン材、７…バーナ側取り付け金具、８…プラグ側取り付け金具、９…取り付け金具ネジ部、１０…金属棒、１１…碍子、１２…バーナ燃焼空間側碍子終端、１３…第１空気流路、１４…第１区画壁、１５…燃料流路、１６…第２区画壁、１７…第２空気流路、１８…第３区画壁、１９…第１空気噴出口、２０…燃料噴出口、２１…第２空気噴出口、２２…空気マニホールド、２３…燃料マニホールド、２４…スペーサ。
【図１】
0005726789.tif 000002
【図２】
0005726789.tif 000003
【図３】
0005726789.tif 000004
【図４】
0005726789.tif 000005