(57)【要約】【課題】窒素酸化物の生成量を抑制することができる燃焼器および燃料改質装置並びに燃料電池システムを提供する。【解決手段】予混合器１０には、空気供給口７、燃料供給装置１１、加熱ガス導入口１２から、それぞれ空気、燃料、加熱ガスが供給される。予混合器１０と混合器８との間には、多孔質体９が配設されている。最初に予混合器１０の内部で燃料の拡散燃焼により、ある程度まで多孔質体９及び改質器２を予熱する。次いで予混合器１０内の燃焼を停止し、混合器８内の燃焼へ切り換える。予混合された燃料と加熱ガスと空気が多孔質体９を通過する際に、燃料は多孔質体９の熱により気化し、これらのガスが多孔質体９を通過する際の乱流により気化燃料、加熱ガス、空気が十分に混合される。そして、この予蒸発予混合気を混合器８で均質燃焼させることにより、所定温度まで改質器２を暖機する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と加熱ガスとを混合する予混合器と、
前記予混合器で混合された燃料と加熱ガスとを燃焼する混合器と、
前記予混合器と前記混合器との間に配設された多孔質体と、
を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
前記燃料は液体であり、前記予混合器は、燃料と空気を拡散燃焼させて前記多孔質体を暖気した後、拡散燃焼を停止して、燃料と加熱ガスを前記予混合器から前記多孔質体を経て前記混合器に供給し、該混合器で燃料と燃焼ガスを燃焼することを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
請求項２記載の燃焼器と、該燃焼器の下流に、水素リッチガスを生成する改質器とを備えたことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項４】
前記改質器の暖機後には、前記予混合器は燃料と加熱ガスを予混合し、前記混合器では燃料と加熱ガスを燃焼せず、前記改質器は燃料と加熱ガスを改質して水素ガスを生成することを特徴とする請求項３記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記加熱ガスは、前記混合器での燃焼ガスの一部を使用することを特徴とする請求項２記載の燃焼器。
【請求項６】
請求項４記載の燃料改質装置の下流に燃料電池本体と、該燃料電池本体のオフガスを燃焼させる第２の燃焼器と、をさらに備え、
前記加熱ガスは第２の燃焼器での燃焼ガスの一部を使用することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４記載の燃料改質装置の下流に燃料電池本体と、該燃料電池本体のオフガスを燃焼させる第２の燃焼器と、第２の燃焼器の燃焼ガスと空気とを熱交換する熱交換器とをさらに備え、
前記加熱ガスは前記熱交換器で熱交換した空気を使用することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記多孔質体に水を供給する水供給装置を備えたことを特徴とする請求項４記載の燃料改質装置。
【請求項９】
前記多孔質体は、発泡体、焼結体、細線集合体、ハニカム構造体の何れかを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器及び燃料改質装置並びに燃料電池システムに係り、特に、液体燃料と酸素を含む加熱ガスとを予混合することにより均質な混合ガスを生成する燃焼器及び燃料改質装置並びに燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料としての水素と空気中の酸素とを電解質を介して電気化学反応させることにより、直接発電させることを原理としている。このため、他の発電システムのようなエネルギー形態の変換を伴わないので、効率の高い発電を行うことができる。
【０００３】
水素の供給源としては、純水素の他に、炭化水素やアルコール等の炭化水素系原燃料から、改質反応により生成した水素リッチガスを利用することも可能である。
【０００４】
改質反応には、部分酸化反応や水蒸気改質反応、あるいはこれら２つを組み合わせたオートサーマル反応がある。改質用の原燃料としては、メタン、エタン、プロパンなどの気体状態の炭化水素以外にも、ガソリンやメタノールなどの液体状態の炭化水素も利用することが可能であるが、改質反応は気相反応であるため気化させる必要がある。いずれにしても、反応は常温では進行しない。改質燃料によっても異なるが、一般には反応器を５００℃以上にする必要がある。
【０００５】
このように、燃料改質器では改質反応を進行させるために所定温度まで昇温する必要があるため、燃料改質型燃料電池を自動車のような始動／停止の回数が多いエネルギー機関として利用する場合には、暖機する時間を短くすることが重要である。このような従来の改質器としては、例えば、特開２０００−６３１０５号公報に記載の燃料改質装置が知られている。
【０００６】
この燃料改質装置では、起動時に原燃料を燃焼させる始動用燃焼機構を備え、始動用燃焼機構で生成した燃焼ガスにより改質触媒部を加熱している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の改質器の起動方法においては、例えばメタノール等の液体原燃料を噴霧し、空気と混合することによって燃焼させる拡散燃焼が行われていたため、局所的な空燃比が異なり、燃焼温度が高温まで分布する傾向にあった。燃焼温度が高温になると、窒素酸化物を生成する。窒素酸化物は一般的に自動車の排出ガス規制物質に挙げられている。よって、燃料を拡散燃焼することによる改質器の暖機を長く行うことは、窒素酸化物の生成量が増加するという環境上の問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、窒素酸化物の生成量を抑制することができる燃焼器および燃料改質装置並びに燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、燃料と加熱ガスとを混合する予混合器と、この予混合器で混合された燃料と加熱ガスとを燃焼する混合器と、これら予混合器と混合器との間に配設された多孔質体と、を備えたことを要旨とする燃焼器である。
【００１０】
また、本発明においては、燃料は液体であり、予混合器は、燃料と空気を拡散燃焼させて多孔質体を暖気した後、拡散燃焼を停止して、燃料と加熱ガスを予混合器から多孔質体を経て混合器に供給し、混合器で燃料と燃焼ガスを燃焼することもできる。
【００１１】
また本発明は、上記目的を達成するため、前記燃焼器の下流に、水素リッチガスを生成する改質器を備えたことを要旨とする燃料改質装置である。
【００１２】
さらに本発明は、上記目的を達成するため、前記燃料改質装置の下流に、燃料電池本体と、該燃料電池本体のオフガスを燃焼させる第２の燃焼器と、をさらに備え、前記加熱ガスは第２の燃焼器での燃焼ガスの一部を使用することを要旨とする燃料電池システムである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、予混合器と混合器との間に多孔質体を備えたので、多孔質体の予熱後は、液体の燃料は多孔質体で完全に気化するとともに、多孔質体を通る乱流で気化燃料と加熱ガスとが均質に混合され、改質器を暖機する際に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することができるという効果がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、図面を参照して、本発明の第１実施形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る燃焼器及び燃料改質装置を備えた燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。
【００１５】
図１において、燃料電池システムは、アノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）を備える燃料電池本体である燃料電池１と、燃料電池１に供給する改質ガスを生成する改質器２と、改質器２から燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガスライン３と、図外のコンプレッサ等から燃料電池１に空気を供給する燃料電池空気ライン４と、アノードから排ガスを排出するアノード排ガスライン５と、カソードから排空気を排出するカソード排ガスライン６と、予混合器１０に空気を供給する空気供給口７と、予混合器１０で予混合された燃料と空気とを混合する混合器８と、予混合器１０と混合器８との間に配設された多孔質体９と、燃料と空気とを予混合する予混合器１０と、予混合器１０に液体の燃料を噴射する燃料供給装置１１と、予混合器１０に加熱ガスを導入する加熱ガス導入口１２と、予混合器１０内の可燃性ガスに着火する着火源Ａ１７と、混合器８内の可燃性ガスに着火する着火源Ｂ１９とを備えている。
【００１６】
ここで、加熱ガスは燃料電池のオフガスを燃焼させて得られる排ガスや、前記排ガスを熱交換した空気等である。
【００１７】
また、予混合器１０と混合器８との間には、多孔質体９が設けられ、予混合器１０，多孔質体９，混合器８は燃焼器を構成している。この燃焼器の下流に改質器２が設けられ、改質器２で生成された水素リッチな改質ガスが燃料ガスとして改質ガスライン３を介して燃料電池１に供給される。
【００１８】
多孔質体９は、発泡体、焼結体、細線集合体、ハニカム構造体の少なくとも一つを用いて構成されている。さらに詳しくは、多孔質体９は、メタルフォーム材やセラミックフォーム材に代表される発泡体、金属やセラミック粉末の焼結体、スチールウールやその他細線化した金属を積層または圧縮などの手段により成型された細線集合体、またはハニカム構造体である。
【００１９】
予混合器１０に導入される加熱ガスは、燃焼ガス、燃焼ガスと熱交換された空気、圧縮ガス、燃料電池のオフガス等で構成されている。改質用の原燃料となる炭化水素や水等は、燃料供給装置１１より予混合器１０へ供給される。一方、加熱ガスは加熱ガス導入口１２から供給され予混合器１０で混合される。
【００２０】
燃料が液体燃料の場合に、加熱ガスが十分に高温の気体であり、さらに、予混合器部の大きさに制限がなければ、予混合器内での気化と混合が可能である。しかし、この状態では、予混合器のサイズが大きくなってしまうこと、また、ガスの拡散速度からも均質な混合ガスとすることは困難である。
【００２１】
本構成では、燃料と加熱ガスが予混合器１０で予混合される。仮に液体燃料が予混合器１０で完全に気化できなかったとしても、多孔質体９でトラップされ、気化する。続いて、多孔質体９によって乱流を形成することによってガス拡散が促進される。多孔質体９を出た気体は均質な混合気となり改質器２へ供給される。多孔質体９の効果は、混合気体の均質化、燃料の気化の効果を有し、さらに予混合器１０のサイズを大幅に小さくすることを可能とする。
【００２２】
次に本発明の構成で改質型燃料電池システムを起動させる運転方法を説明する。まず、多孔質体９を加熱するための燃焼を行う。空気供給口７より空気を、さらに、燃料供給装置１１より液体燃料を噴射し、予混合器１０内で着火源Ａ１７を作用させることで拡散燃焼を行う。例えば、燃料気化に必要な温度を３００℃とした場合、多孔質体９が３００℃になるまで拡散燃焼を継続し、３００℃になった時点で一旦、燃料と空気の供給を停止するなどして、予混合器１０での拡散燃焼を停止する。
【００２３】
続いて、多孔質体９と混合器８で燃料の予蒸発予混合燃焼を行ない、改質器２を暖機する。燃料供給装置１１より燃料を、空気供給口７より空気を、加熱ガス導入口１２より高温ガスを導入する。液体燃料は高温ガスの熱量と加熱された多孔質体９から熱量を奪取することで気化し、多孔質体９下流では均質な混合ガスとなる。この混合ガスに着火源Ｂ１９から着火し、混合器８の内部で混合ガスを燃焼させる。この燃焼ガスを改質器２へ供給し、改質器２の暖機に利用する。
【００２４】
ここでは、予混合器１０で燃料と空気を予混合しているので、多孔質体９により均質な混合気を得ることができる。着火源Ｂ１９によって混合ガスに着火させ燃焼ガスを得る。この燃焼では均質に混ざった燃料に着火するため、燃焼の温度むらがなく、局所的にＮＯｘが生成するような高温とならないので、排気中のＮＯｘを低減できる等、排気組成を制御しやすいといった特徴をもつ。着火源Ｂ１９は着火源Ａ１７と同様に、グロープラグやスパープラグを適用することができる。また、燃焼火炎を遮るために、混合器８に多孔質体を追加すれば、燃焼部から改質器２までの距離をさらに短くすることが可能である。
【００２５】
例えば、改質反応が５００℃で行える改質器であった場合は、改質器温度が５００℃になるまで上記の予蒸発予混合燃焼を行ない、５００℃になった時点で一旦燃料と空気の供給を停止し、燃焼を停止させる。所定温度まで暖機された改質器は定常運転モードへ移行する。
【００２６】
定常運転モードでは、加熱ガス中に燃料を供給し、予混合器１０と多孔質体９で燃料を気化した後、改質器２で改質を行う。
【００２７】
このような流れで改質器２の起動運転をすることによって、窒素酸化物を多量に生成される拡散燃焼を最小限にし、かつ、迅速に燃料電池システムを暖機することが可能となる。
【００２８】
なお、燃料が液体の場合には、燃料供給装置１１としては噴射弁を使用することで、空気との混合がしやすくなる。さらに、燃料供給装置と空気供給装置を組み合わせた２流体式燃料噴射弁を使用することにより、液滴のより微細でかつ空気との混合性がよくなる。着火源Ａ１７，着火源Ｂ１９としては、グロープラグやスパープラグが好適である。
【００２９】
以上説明した第１実施形態によれば、多孔質体下流で均質な予蒸発予混合気が得られることにより、局所的に高温部が存在しない予蒸発予混合燃焼ができるので、噴霧した燃料を燃焼させる拡散燃焼に比べて燃焼時に発生するＮＯｘを低減することができるという効果がある。
【００３０】
また、事前に拡散燃焼で多孔質体を暖気した後、予混合器に加熱ガスと燃料を供給するので、予混合器および多孔質体で燃料と加熱ガスの予蒸発予混合が行え、混合器での予蒸発予混合燃焼にすみやかに移行することができる。
【００３１】
また、改質器を暖機する際に、この予蒸発予混合燃焼の占める割合が多くなるので、発生するＮＯｘを低減できる。
【００３２】
さらに、改質器を暖機するための燃焼器を、燃料と加熱ガス、または燃料と加熱ガスと空気を蒸発するとともに混合する蒸発器として使用することができるため、システムの構成部品を少なくできる。
【００３３】
〔第２実施形態〕
図２は本発明に係る燃焼器及び燃料改質装置を備えた燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明する構成図である。
【００３４】
図１に示した第１実施形態との相違は、燃料電池１の後段に燃料電池１からの排ガスを燃焼させる燃焼器１３と、燃焼器１３で燃焼した燃焼ガスを予混合器１０の加熱ガス導入口１２に導くための燃焼ガス循環ライン１４と、燃焼器１３から燃焼ガスを外部に排出する燃焼排ガスライン１５とを追加した構成となっている。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００３５】
本実施形態は、加熱ガスとして燃料電池１の排水素の燃焼ガスを利用したものである。燃料電池１と燃焼器１３とはアノード排ガスライン５およびカソード排ガスライン６で接続され、それぞれのラインを介してアノード排ガス（オフガス）、カソード排ガス（オフガス）が燃焼器１３に供給される。燃焼器１３は、アノード排ガス中の水素と、カソード排ガス中の酸素とを燃焼させて、加熱ガスである燃焼ガスを生成し、燃焼ガス循環ライン１４を介して加熱ガス導入口１２から予混合器１０内へ燃焼ガスの少なくとも一部を導入する。
【００３６】
一般的な燃料電池は、アノードへ供給した水素の全量を酸化させることはできない。アノード排ガス中には、燃料電池で利用できなかった水素と水蒸気が含まれている。
【００３７】
以上説明した第２実施形態によれば、排ガス中の水素を燃焼させて、加熱ガスを得ることによって、加熱ガスを生成するための外部エネルギーを必要としないため、燃料電池システムの効率を向上させることができる。さらに、改質器が水蒸気改質を行う場合には、排気ガス中に含まれる水分を改質原料として改質器に供給することができる。
【００３８】
〔第３実施形態〕
図３は本発明に係る燃焼器及び燃料改質装置を備えた燃料電池システムの第３実施形態の構成を説明する構成図である。図３は改質反応に水蒸気を必ずしも必要としない場合の燃料電池システムの構成例である。
【００３９】
図１に示した第１実施形態と本実施形態との相違は、燃料電池１の後段に燃料電池１からの排ガスを燃焼させる燃焼器１３と、燃焼器１３の後段に燃焼排ガスライン１５と、燃焼排ガスと空気との熱交換器１６と、熱交換器１６で加熱された空気を加熱ガス導入口１２へ導く加熱ガスライン２０とを備え、熱交換器１６で加熱された空気を加熱ガスとして予混合器１０へ供給することである。また加熱ガスが加熱した空気であるので、予混合器１０には図１のような空気供給口７を備えていない。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００４０】
以上説明した第３実施形態によれば、加熱ガスとして、空気を使用することにより燃焼ガス中の余分な成分を改質器に供給することを回避できる。また改質器が水蒸気を必要としない場合には排気中の水分を供給しなくて済む。
【００４１】
〔第４実施形態〕
図４は本発明に係る燃焼器及び燃料改質装置を備えた燃料電池システムの第４実施形態の構成を説明する構成図である。
【００４２】
図１に示した第１実施形態との相違は、混合器８内に、多孔質体９に向かって水を噴射する水供給装置１８を設けたことである。これにより、多孔質体で水を効果的に蒸発でき、水蒸気改質に必要な蒸気を供給することができる。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００４３】
また、本構成により、予混合器１０で燃料を燃焼させ、その燃焼熱量を利用して水供給装置１８から噴射された水を気化させることが可能である。水を気化するためには表面を大きくし、気化速度を速めたほうが優位である。そのため、水の供給方法は噴霧とし、多孔質体９の方向に供給する。多孔質体９に水が吹きかかったとしても、燃焼によって多孔質体９は加熱されているため、多孔質体９の表面上で水が気化することが可能である。
【００４４】
また、予混合器１０での燃焼を理論空燃比より燃料リッチ域で燃焼させることにより、燃料蒸気も生成することができる。燃料蒸気と水蒸気、さらには空気供給口７から供給された空気を混合することにより、水蒸気改質やオートサーマル反応に必要な混合ガスを改質器２に供給することができる。
【００４５】
本実施形態の主な運転モードとしては、定常時の改質反応が、図２のように燃料電池のオフガスを燃焼させて、燃焼ガス中の水蒸気を利用する水蒸気改質反応である場合に、燃料電池システム停止後にすぐに水蒸気が供給できないが、水蒸気改質に必要な改質器の温度が保たれているような運転モードのときの、改質器の迅速な起動に対して効果的に利用することが可能である。
【００４６】
以上説明した第４実施形態によれば、改質器が水蒸気改質を行う場合には、水を改質原料として改質器に供給することができる。
【００４７】
また予混合器での燃焼を理論空燃比より燃料リッチ側で燃焼させ、その燃焼熱で水を気化・混合させて改質器へ供給する場合には、供給される気体は燃料蒸気と水蒸気を含んでいるため、水蒸気改質反応に利用可能である。
【００４８】
また、改質器へ導入する前に空気を混合することによってオートサーマル反応にも利用可能である。このような運転方法は改質器２を連続運転後に、短時間停止ののち再起動させる場合など、改質器温度が高い状態での起動を迅速に行う場合に有効である。
【００４９】
〔第５実施形態〕
図５は本発明に係る燃焼器及び燃料改質装置を備えた燃料電池システムの第５実施形態の構成を説明する構成図である。本実施形態は、混合器での燃焼ガスを加熱ガスとして予混合器で利用した構成図である。
【００５０】
図１に示した第１実施形態との相違は、混合器８から燃焼ガスを加熱ガス導入口１２へ導く燃焼ガス供給ライン１４が追加されていることである。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００５１】
混合器８での燃焼ガスの一部は、燃焼ガス循環ライン１４をとおり予混合器１０へ導入され、その熱量は燃料の気化に利用される。
【００５２】
以上説明した第５実施形態によれば、混合器で発生した燃焼ガスの一部を加熱ガスとして予混合器で利用することで、新たな加熱装置を用いなくても加熱ガスを供給することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明する構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を説明する構成図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態の構成を説明する構成図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第５実施形態の構成を説明する構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　改質器
３　改質ガスライン
４　燃料電池空気ライン
５　アノード排ガスライン
６　カソード排ガスライン
７　空気供給口
８　混合器
９　多孔質体
１０　予混合器
１１　燃料供給装置
１２　加熱ガス導入口
１３　燃焼器
１４　燃焼ガス循環ライン
１５　燃焼排ガスライン
１６　熱交換器
１７　着火源Ａ
１８　水供給装置
１９　着火源Ｂ
２０　加熱ガスライン
【図１】
2004011933.tif 000003
【図２】
2004011933.tif 000004
【図３】
2004011933.tif 000005
【図４】
2004011933.tif 000006
【図５】
2004011933.tif 000007