(57)【要約】【課題】燃料電池の改質器に最適な、燃焼領域が広い燃料改質用バーナを提供することを目的とする。【解決手段】液体燃料及び水を改質原料とする改質器に、改質反応用の熱を供給する燃料改質用バーナであって、液体燃料を滴下するノズル４と、鉛直上下方向に延出し下端が閉塞された筒状のケーシング１内に滴下された燃焼用液体燃料を、電気ヒータ２によりケーシング１を介して加熱することにより気化し、空気との混合気を生成する気化器３と、前記気化器３の上方の開口部を閉塞するように配置され、前記気化器３により生成された混合気を燃焼させて、その上面に火炎を形成するバーナマット７と、を含んで構成され、前記ノズル４の先端からの液体燃料の吐出速度が５ｃｍ／秒以上となるようにした。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用液体燃料及び水を改質原料とする改質器に、改質反応用の熱を供給する燃料改質用バーナであって、
燃焼用液体燃料を滴下するノズルと、
鉛直上下方向に延出し下端が閉塞された筒状のケーシング内に滴下された燃焼用液体燃料を、電気ヒータによりケーシングを介して加熱することにより気化し、空気との混合気を生成する気化器と、
前記気化器の上方の開口部を閉塞するように配置され、前記気化器により生成された混合気を燃焼させて、その上面に火炎を形成するバーナマットと、を含んで構成され、
前記ノズルの先端からの燃焼用液体燃料の吐出速度が５ｃｍ／秒以上となるようにしたことを特徴とする燃料改質用バーナ。
【請求項２】
前記バーナマットの周囲から上方に向かって鉛直方向に立設し、前記火炎の熱を前記ケーシングに伝導する、筒状の保炎筒を有することを特徴とする請求項１記載の燃料改質用バーナ。
【請求項３】
前記バーナマットは金属繊維の織布又は不織布により形成され、単位面積あたりの燃焼用液体燃料の燃焼量が１００ＫＷ／ｍ２以上２５００ＫＷ／ｍ２以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料改質用バーナ。
【請求項４】
前記バーナマットの鉛直方向下方に、前記気化器により生成された混合気を前記バーナマットの下面全面に拡散させる整流筒を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の燃料改質用バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の改質器に改質反応用の熱を供給する燃料改質用バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池の改質器に用いられるような、燃焼用液体燃料を燃料とする小型のバーナにおいて、少量の燃焼用液体燃料を圧力噴霧して拡散燃焼させることは困難であった。従って、燃焼用液体燃料を気化した後に空気（一次空気）と混合して混合気を生成し、例えばパンチングメタルのような複数の炎孔を有する板状のバーナヘッドを用いて燃焼させていた。そして、この混合気は、通常、電気ヒータで加熱された気化器のケーシング内に燃焼用液体燃料を滴下して、ケーシングの熱により気化された燃焼用液体燃料と一次空気とを混合させることにより得られていた。
【０００３】
【発明が解決する課題】
ところで、以上のような従来の小型のバーナでは、燃焼量が少ない低燃焼域では、気化器のケーシング内に燃焼用液体燃料を滴下するノズルの先端に液滴が形成され、この液滴が滴下してから次の液滴が滴下するまでの時間が長くなるため、気化器内で生成された混合気の燃料濃度が一様でなくなり、燃焼が不安定となり失火する恐れもある。
【０００４】
更に、従来の複数の炎孔を有するバーナヘッドでは、低燃焼域において、燃焼が安定するように炎孔の開口面積を設定したバーナヘッドを、そのまま燃焼量の多い高燃焼域に用いると、バーナヘッドの炎孔からの混合気の吐出速度が速くなりすぎて、火炎の吹き飛びが生じ、燃焼が安定しない。
以上のように、燃料電池の改質器のように、起動時には燃焼量を多く必要とする一方、定常運転時には補助程度の低燃焼量となるような広い燃焼領域において、安定して燃焼が行える燃料改質用バーナを得ることが困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、燃料電池の改質器に最適な、燃焼領域が広い燃料改質用バーナを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明では、改質用液体燃料及び水を改質原料とする改質器に、改質反応用の熱を供給する燃料改質用バーナであって、燃焼用液体燃料を滴下するノズルと、鉛直上下方向に延出し下端が閉塞された筒状のケーシング内に滴下された燃焼用液体燃料を、電気ヒータによりケーシングを介して加熱することにより気化し、空気との混合気を生成する気化器と、前記気化器の上方の開口部を閉塞するように配置され、前記気化器により生成された混合気を燃焼させて、その上面に火炎を形成するバーナマットと、を含んで構成され、前記ノズルの先端からの燃焼用液体燃料の吐出速度が５ｃｍ／秒以上となるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、燃料改質用バーナは、ノズル先端からの燃焼用液体燃料の吐出速度を５ｃｍ／秒以上とすることにより、ノズル先端に液滴が生成するのが抑制され、連続的に燃焼用液体燃料が気化器内に滴下される。これにより、混合気中の燃料濃度が一様になり、低燃焼域でも安定して燃焼することができる。又、バーナマットが使用されることにより、その開口率が増大し、高燃焼域においても燃焼が安定する。これらにより、低燃焼域及び高燃焼域のいずれにおいても燃焼が安定するので、燃焼領域の広い燃料改質用バーナを得ることができる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記バーナマットの周囲から上方に向かって鉛直方向に立設し、前記火炎の熱を前記ケーシングに伝導する、筒状の保炎筒を有することを特徴とする。
かかる構成によれば、バーナマット上に形成した火炎の熱が、保炎筒によりケーシングに伝導し、ケーシングが熱せられ、燃焼用液体燃料を気化する際の熱源として利用される。これにより、ケーシングを加熱する電気ヒータの消費電力を低減することができる。又、バーナマット上に形成した火炎の周囲よりオフガス及び空気（二次空気）が噴出するような場合でも、火炎の周囲に保炎筒があるため、オフガス及び二次空気が、直接火炎に吹き付けられず、火炎が不安定になるのを防止できる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、前記バーナマットは金属繊維の織布又は不織布により形成され、単位面積あたりの燃焼用液体燃料の燃焼量が１００ＫＷ／ｍ２以上２５００ＫＷ／ｍ２以下であることを特徴とする。
かかる構成によれば、バーナマットの開口率が従来のバーナヘッドより大きいため、バーナマットを通過するときの燃焼ガスの速度が遅くなり、低燃焼域においては、バーナマットのより近くに火炎が形成し、直ぐにバーナマットが赤熱し、燃焼が安定する。又、高燃焼域では、バーナマットを通過するときの燃焼ガスの速度低下により、火炎の吹き飛びが抑えられる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記バーナマットの鉛直方向下方に、前記気化器により生成された混合気を前記バーナマットの下面全面に拡散させる整流筒を有することを特徴とする。
かかる構成によれば、混合気がバーナマットの全面に一様に供給され、バーナマットの全面に火炎が形成され、燃焼が安定する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
改質用液体燃料及び水を改質原料とする燃料電池は、図２に示すように、改質器３１と、燃料電池スタック３２と、燃料改質用バーナ３３と、を有している。
改質器３１は、外部より供給されたメタノールなどの改質用液体燃料及び水からなる改質原料を加熱して、水素を主成分とする改質ガスに変換する。そして、この改質ガスは、燃料電池スタック３２の燃料極に供給される。燃料電池スタック３２は、この改質ガス及び空気極に供給された空気により、燃料極及び空気極間に電気を発生させる。
【００１２】
なお、燃料改質用バーナ３３は、改質器３１を加熱するためのものであり、外部から供給された燃焼用液体燃料及び燃料電池スタック３２において電気を得た際に発生したオフガスを燃料としている。
このような燃料電池に用いられる、本発明に係る燃料改質用バ−ナ３３は、図１に示すように、鉛直方向に延出し、底板１ａにより下端が閉塞された略円筒状のケーシング１と、このケーシング１を加熱する電気ヒータ２と、が設けられた気化器３を有している。なお、ケーシング１及び底板１ａは、アルミニウムや真鍮のような熱伝導率の高い物質で形成されている。
【００１３】
ケーシングの１の側板１ｂには、ケーシング１の内部に燃焼用液体燃料を滴下するノズル４が設けられる。又、ノズル４の周囲には、一次空気供給口６が設けられており、空気（一次空気）が外部からケーシング１内に供給される。ノズル４は、滴下した燃焼用液体燃料が底板１ａの上面に拡がり、底板１ａにより加熱させられて気化し、一次空気中に拡散するように、底板１ａから上方に約１０〜１５ｍｍ離隔してその先端が位置しており、外部から供給された燃焼用液体燃料を、ケーシング１の底板１ａ上に滴下する。なお、ノズル４の先端からの燃焼用液体燃料の吐出速度は５ｃｍ／秒以上、好ましくは５ｃｍ／秒以上６０ｃｍ／秒以下とする。
【００１４】
ケーシング１には熱電対５が設けられており、ケーシング１の温度を検出する。
気化器３の上部には、円盤状のバーナマット７が設けられている。バーナマット７は、金属繊維の織布或いは不織布からなり、気化器３の上方の開口部を塞ぐようにケーシング１に取り付けられている。なお、バーナマット７の単位面積あたりの燃焼用液体燃料の燃焼量は、１００ＫＷ／ｍ２以上２５００ＫＷ／ｍ２以下になっており、好ましくは２００ＫＷ／ｍ２以上２２００ＫＷ／ｍ２以下とする。
【００１５】
バーナマット７の下方には、上方に向かうにつれて水平方向の断面積が徐々に大となり、その上端の開口部をバーナマットの形状と略同一にした漏斗状の整流筒８が設けられている。更に、バーナマット７の上方には、バーナマット７の周囲から上方に向かって鉛直方向に延出した円筒状の保炎筒９が、ケーシング１に取り付けられている。バーナマット７近傍のケーシング１には、イグナイタ１０が設けられており、電流が供給されることによって、バーナマット７上に火花を発生する。
【００１６】
気化器３の上方には、略円筒状の燃焼炉壁１１に囲まれた燃焼炉１２が設けられている。バーナマット７の上方の燃焼炉壁１１には、二次空気供給口１１ａが設けられており、空気（二次空気）が外部から供給される。更に、この二次空気供給口１１ａの上方の燃焼炉壁１１には、オフガス供給口１１ｂが設けられており、燃料電池スタック３２からオフガスが供給される。そして、燃焼炉１２の上方には改質器３１が設けられている。
【００１７】
次に、以上の構成における本発明の燃料改質用バーナの動作について説明する。まず、気化器３において、電気ヒータ２に通電し、ケーシング１を加熱する。この際、熱電対５によりケーシング１の温度を検出し、制御手段（図示せず）により、検出した温度に応じて電気ヒータ２への電流を制御することによって、ケーシング１が所定の温度となるようにする。ここで、外部から燃焼用液体燃料が供給され、ノズル４の先端から燃焼用液体燃料がケーシング１の底板１ａ上に滴下される。ケーシング１の底板１ａは加熱されているため、滴下した燃焼用液体燃料はケーシング１内で気化する。これと同時に、一次空気供給口６より一次空気が供給され、気化した燃料と一次空気が混合して混合気が生成される。
【００１８】
気化器３において生成された混合気は、整流筒８内を上方に移動することにより拡散され、バーナマット７の全面に供給される。そして、混合気は、バーナマット７を下方から上方に通過し、ここで、イグナイタ１０により点火され燃焼し、バーナマット７上面に火炎が形成される。
そして、この火炎の熱を利用して、燃料電池の改質原料の改質が行われる。なお、燃料電池の定常運転時には、燃料電池スタック３２で発生したオフガスがオフガス供給口１１ｂから供給され、これと同時に、二次空気供給口１１ａから二次空気が供給されることにより、オフガスも燃焼するので、燃焼用液体燃料の使用量を低減することができる。
【００１９】
又、バーナマット７の周囲に鉛直方向に延出するように設けられた保炎筒９により、オフガスや二次空気が直接バーナマット７上の火炎に吹き付けられることを防止する。更に、火炎による熱で、保炎筒９が熱せられ、この熱が、ケーシング１に伝導して、ケーシング１が加熱される。
ここで、ノズル４の先端からの燃焼用液体燃料の吐出速度を５ｃｍ／秒以上とすると、燃焼用液体燃料の吐出量が少ない低燃焼域においても、ノズル４の先端に液滴が発生して断続的に燃料が滴下することなく、連続的に滴下するようになる。これにより、気化器３内に連続的に燃料が供給されるので、混合気中の燃料濃度が一様になり、低燃焼域において燃焼が安定する。又、バーナマットが使用されることにより、バーナマット全面に火炎が形成されるので、高燃焼域においても燃焼が安定する。これにより、広い燃焼領域において、安定した燃焼を行う燃料改質用バーナが得られる。
【００２０】
更に、バーナマット７を金属繊維の織布又は不織布により形成したので、開口率が従来のバーナヘッドより大きくなり、バーナマット７を通過するときの混合気の速度が遅くなる。そして、低燃焼域では、火炎がバーナマット７の表面に形成されるので、バーナマット７が火炎により直ぐに赤熱し、単位面積当たりの燃焼用液体燃料の燃焼量が１００ＫＷ／ｍ２以上であれば、燃料濃度が一様でないために起こる失火を防止できる。又、高燃焼域では、燃焼量が２５００ＫＷ／ｍ２以下であれば、火炎の吹き飛びが抑えられる。特に、燃焼量を２００ＫＷ／ｍ２以上２２００ＫＷ／ｍ２以下とすることで、より安定した燃焼となる。
【００２１】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明によれば、低燃焼域において、混合気の濃度が一様になり、安定して燃焼することができ、又、高燃焼域においても、バーナマット全面に火炎が形成されるので、安定した燃焼となる。これにより、低燃焼域から高燃焼域まで、広い燃焼領域が必要な場合でも安定した燃焼をするバーナを得ることができる。
【００２２】
請求項２の発明によれば、燃料をバーナマットに生成した火炎の熱が、保炎筒によりケーシングに伝熱され、ケーシングが熱せられ、燃焼用液体燃料を気化する際の熱源として利用される。これにより、ケーシングを加熱する電気ヒータの消費電力を低減することができる。
又、バーナマット上に生成した火炎の周囲よりオフガス及び二次空気が噴出されても、火炎の周囲に保炎筒があるため、火炎が不安定になるのを防止できる。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、バーナマットの開口率が従来のバーナヘッドより大きく、バーナマットを通過するときの燃焼ガスの速度が遅くなり、低燃焼域においては、バーナマットのより近傍に火炎が形成し、直ぐにバーナマットが赤熱し、燃焼が安定する。又、高燃焼域では、バーナマットを通過するときの燃焼ガスの速度低下により、火炎の吹き飛びが抑えられる。
請求項４記載の発明によれば、混合気がバーナマットの全面に一様に供給され、バーナマットの全面に火炎が形成され、燃焼が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料改質用バーナの構成を示す断面図。
【図２】燃料電池の主要な構成を示すブロック図
【符号の説明】
１　ケーシング
２　電気ヒータ
３　気化器
４　ノズル
７　バーナマット
８　整流筒
９　保炎筒
３３　燃料改質用バーナ
【図１】
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【図２】
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