(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナにおいて、
互いに連通しないガス流路を二つだけ有し、
第一のガス流路のガス入口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、第一のガス流路のガス出口にはバーナマットを備え、
第一のガス流路は液体燃料を気化させる気化器を備え、該気化器は、気化器内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと、該流下された液体燃料を気化するための加熱面を形成する板状部材と、気化した液体燃料と酸素含有ガスとの混合気の流路となる空隙とを有し、
第二のガス流路のガス入口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、第二のガス流路のガス出口にはバーナマットの下流に該水素極オフガスを供給する水素極オフガスノズルを備える
ことを特徴とする改質器用バーナ。
【請求項２】
前記加熱面が略水平である請求項１記載の改質器用バーナ。
【請求項３】
前記気化器の下流、かつ、前記バーナマットの上流に、第一の流路の一部を内部に形成する中空筒状の部材が設けられた請求項１または２記載の改質器用バーナ。
【請求項４】
前記混合気の流路が一回以上方向転換している請求項１〜３のいずれか一項記載の改質器用バーナ。
【請求項５】
前記混合気の流路が二回以上方向転換している請求項１〜３のいずれか一項記載の改質器用バーナ。
【請求項６】
前記バーナマットが、金属繊維の織布もしくは不織布からなる請求項１〜５のいずれか一項記載の改質器用バーナ。
【請求項７】
さらに、液体燃料基準の燃焼空気比を１．５以下に制御する制御手段を有する請求項１〜６のいずれか一項記載の改質器用バーナ。
【請求項８】
前記バーナマットの単位面積あたりの液体燃料の燃焼量が２００ｋＷ／ｍ2以上４５００ｋＷ／ｍ2以下である請求項１〜７のいずれか一項記載のバーナ。
【請求項９】
液体燃料基準の燃焼量が８．１ｋＷ以下である請求項１〜８のいずれか一項記載のバーナ。
【請求項１０】
水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナを備え、
該改質器用バーナは互いに連通しないガス流路を二つだけ有し、
第一のガス流路のガス入口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、第一のガス流路のガス出口にはバーナマットを備え、
第一のガス流路は液体燃料を気化させる気化器を備え、該気化器は、気化器内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと、該流下された液体燃料を気化するための加熱面を形成する板状部材と、気化した液体燃料と酸素含有ガスとの混合気の流路となる空隙とを有し、
第二のガス流路のガス入口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、第二のガス流路のガス出口にはバーナマットの下流に該水素極オフガスを供給する水素極オフガスノズルを備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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関する。また本発明は、燃料電池システムに用いられる改質器に必要な熱を供給するためのバーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの改質器に用いられるような、液体燃料を燃料とする小型バーナにおいては、燃料を圧力噴霧して拡散燃焼させることが困難であった。このため、このようなバーナにおいては、燃料を気化した後に空気（一次空気）と混合したうえで、複数の炎孔を有するバーナヘッドなどを用いて燃焼を行っていた。
【０００３】
液体燃料を気化するには、一般的に、気化器と呼ばれる、電気ヒータで加熱したカップ様の容器に液体燃料を滴下などして供給し、これを液体燃料が気化するに足る温度に加熱された加熱面（容器内壁）に接触させていた。そして、バーナに供給する空気を一次空気と二次空気に分割し、まず一次空気と気化した液体燃料との混合気を形成して燃焼させ、さらに燃え残りを二次空気により完全燃焼させていた。また、燃料電池システムに用いられるバーナは、水素極オフガスを燃焼させるために、液体燃料を燃焼させるバーナヘッド近傍に水素極オフガスノズルを設け、オフガスも燃焼可能な構造になっている。このような液体燃料用バーナの構造は、例えば、特許文献１（特開平７−２３７９０２号公報）に記載される。
【特許文献１】特開平７−２３７９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような、燃料電池用小型バーナにおいて、燃料電池の水素極オフガスは爆発範囲の広い水素を含むため、逆火防止の観点から空気との予混合は好ましくない。そこで、バーナ内部に空気流路とは別に、オフガスノズルに通じるオフガスが流れる通路が必要となる。従って、特許文献１に代表される構造のバーナでは、バーナ内部を少なくとも３つの空間に分割し、一次空気が流れるガス通路、二次空気が流れるガス通路、オフガスが流れるガス通路を形成する必要があった。このため、構造が複雑になる、小型化しにくい、空間の細分化により流路断面積が小さくなり圧力損失が増大する等の点で改善が望まれているところであった。
【０００５】
本発明の目的は、より簡素な構造を有し、圧力損失を抑えながら小型化することが可能な改質器用バーナを提供することである。また、本発明の別の目的は、圧力損失が小さくコンパクトな燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明により、燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナにおいて、
互いに連通しないガス流路を二つだけ有し、
第一のガス流路のガス入口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、第一のガス流路のガス出口にはバーナマットを備え、
第一のガス流路は液体燃料を気化させる気化器を備え、該気化器は、気化器内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと、該流下された液体燃料を気化するための加熱面を形成する板状部材と、気化した液体燃料と酸素含有ガスとの混合気の流路となる空隙とを有し、
第二のガス流路のガス入口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、第二のガス流路のガス出口にはバーナマットの下流に該水素極オフガスを供給する水素極オフガスノズルを備える
ことを特徴とする改質器用バーナが提供される。
前記加熱面が略水平であることが好ましい。
前記気化器の下流、かつ、前記バーナマットの上流に、第一の流路の一部を内部に形成する中空筒状の部材を設けることができる。
前記混合気の流路が一回以上方向転換していることが好ましく、二回以上方向転換していることがより好ましい。
【０００７】
上記バーナにおいて、前記バーナマットが、金属繊維の織布もしくは不織布からなることが好ましい。
【０００８】
上記バーナにおいて、さらに、液体燃料基準の燃焼空気比を１．５以下に制御する制御手段を有することが好ましい。
【０００９】
上記バーナにおいて、前記バーナマットの単位面積あたりの液体燃料の燃焼量が２００ｋＷ／ｍ2以上４５００ｋＷ／ｍ2以下であることが好ましい。
【００１０】
上記バーナにおいて、液体燃料基準の燃焼量が８．１ｋＷ以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明により、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナを備え、
該改質器用バーナは互いに連通しないガス流路を二つだけ有し、
第一のガス流路のガス入口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、第一のガス流路のガス出口にはバーナマットを備え、
第一のガス流路は液体燃料を気化させる気化器を備え、該気化器は、気化器内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと、該流下された液体燃料を気化するための加熱面を形成する板状部材と、気化した液体燃料と酸素含有ガスとの混合気の流路となる空隙とを有し、
第二のガス流路のガス入口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、第二のガス流路のガス出口にはバーナマットの下流に該水素極オフガスを供給する水素極オフガスノズルを備える
ことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のバーナにおいては、供給された酸素含有ガス（例えば空気）は全て第一の流路内の気化器内に導かれ、気化器と接触して予熱され、また気化した液体燃料と混合されて可燃性混合気となる。この混合気は気化器下流に設置されたバーナマットに導かれ、バーナマット表面および／または下方で火炎を形成し燃焼する。二次空気が不要であるため、ケーシングで覆われたバーナ内部の空間は、酸素含有ガスあるいは可燃性混合気の通路と水素極オフガスの通路に２分割されるのみとなる。従って、構造が簡略化される、小型化が容易になる、流路断面積を比較的大きくとれ、圧力損失を抑制できるなどの効果がある。
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、このようなバーナを備えるため、全体として、コンパクトにすることが可能であり、圧力損失も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】
【００１４】
液体燃料としては、常温常圧（２５℃、０．１０１ＭＰａ）で液体である可燃性物質を適宜使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ガソリン、灯油、軽油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。
【００１５】
バーナにて燃焼に用いる酸素含有ガスとしては、入手容易性から空気（大気）が好ましいが、酸素濃度が高められた酸素富化空気を用いることもでき、燃料電池システムにおいては燃料電池の空気極（カソード）から排出される空気極オフガスを利用することもできる。
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素含有ガスとして空気を例に説明する。
【００１７】
図１に本発明のバーナの一形態を示す。バーナケーシング１は、基本的には、鉛直方向の中心軸を有する筒状であり、上部はガスや液体燃料を供給するため、また電気ヒータ９を装着するための取りあい部１ａとされる。
【００１８】
バーナに設けられるガス流路は第一のガス流路１０と第二のガス流路２０の二つだけである。第一のガス流路のガス入口は空気導入口１１だけである。つまり第一のガス流路に供給されるガスは空気のみである。空気導入口の数は適宜選ぶことができるが、より簡素な構造とするためには１つが好ましい。
【００１９】
第一の流路には、液体燃料ノズル１２が略鉛直下方に向けて設けられ、外部から液体燃料を第一の流路内に流下させることが可能となっている。液体燃料ノズルの下方に、加熱面１３が略水平に設けられる。加熱面は、気化器２に一体的に形成され、気化器に埋め込まれた電気ヒータ９からの熱伝導により液体燃料が気化するに適した温度に加熱可能となっている。
【００２０】
液体燃料ノズルから流下された液体燃料は、加熱面１３に接触し、気化する。液体燃料はノズルから断続的に滴下されてもよいが、混合気中の燃料の濃度をより一定にする観点からは連続的に流下されることが好ましい。液体燃料を安定して連続的に流下させる観点から、ノズルからの液体燃料の吐出速度を５ｃｍ／秒以上とすることが好ましい。また送液の圧力損失の観点から６０ｃｍ／秒以下とすることが好ましい。このように吐出速度を調節するためには、流量調節バルブや定量ポンプなどの流量調節手段により液体燃料の流量を調節した上で液体燃料ノズルに供給すればよい。
【００２１】
液体燃料ノズルを略鉛直下方以外の方向、例えば水平に設けることもできるが、比較的大きな液滴の形成を抑制し、混合気中の燃料濃度をより一定にする観点から、ノズル自体が略鉛直下方に向いていることが好ましい。略鉛直下方とは、ノズルの延在方向が必ずしも厳密に鉛直下方でなくてもよいことを意味し、鉛直下方からのずれが１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましくい。
【００２２】
液体燃料ノズルの少なくとも先端において、液体燃料ノズルが空気流路の中にあり、液体燃料ノズルと空気流れ方向とが同じ方向に向いていることが好ましく、液体燃料ノズルと空気流路が同軸であることがさらに好ましい。例えば、図１に示されるように液体燃料ノズルの先端が鉛直下方を向き、鉛直下方を向く円柱状の空気流路内にノズル先端が配置され、この円柱の中心軸とノズルの中心軸が一致する構成が好ましい。このような構成によって、空気の流れが液体燃料をノズル先端から取り去る効果が生じ、ノズル先端において液滴が大きく成長することを抑制し、混合気中の液体燃料濃度がより一定になるからである。
【００２３】
加熱面は滴下された液体燃料が均一に拡散するために、略水平であることが好ましい。略水平とは加熱面が必ずしも厳密に水平でなくてもよいことを意味し、水平からのずれが１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましい。
【００２４】
また、加熱面の形状は滴下後の液体燃料が均一に拡散するように円形が望ましい。
【００２５】
加熱面は気化器内に一体的に形成することもでき、例えば気化器の外壁を形成する中空円筒状部分と、加熱面を形成する板状部分とを一体的に形成することができる。あるいは例えば、加熱面となる面を有する板状部材を中空円筒状部材などに溶接などにより接合することもできる。気化器は、ヒータを埋め込むための部分や、凸部などを有することができる。
【００２６】
気化器の材料は、熱伝導率の観点から、金属が好ましい。例えばアルミニウムや真鍮が好適である。
【００２７】
加熱面の温度は、供給される液体燃料の種類に応じて適宜設定できる。例えば、液体燃料が灯油の場合、好ましくは１８０℃以上２５０℃以下、より好ましくは１９０℃以上２２０℃以下である。これは、１８０℃未満では灯油の初留温度付近になるため、高沸点成分の気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、また、２５０℃を超えると滴下された液滴が気化した燃料蒸気で覆われる、いわゆる膜沸騰状態になるため気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、このような状況を回避するためである。
【００２８】
燃焼用空気は、気化された液体燃料と混合しながら、加熱面に衝突する。燃焼用空気と液体燃料との混合気の流路は、加熱面で９０°方向転換し加熱面に沿って水平方向となった後、気化器２の側壁によって再び９０°方向転換し、混合気は加熱面と気化器側壁との間の空隙１４を通過する。混合気の流路は、気化器の凸部３によって９０°方向転換し、さらに気化器側壁によって９０°転換して下向きとされる。このように混合気の流路が４回方向転換されることによって、空気と気化した液体燃料との混合が促進される。必ずしも４回の方向転換が必要ではなく、方向転換の角度も必ずしも９０°でなくてもよいが、混合促進の観点から、混合気の流路は少なくとも１回方向転換されることが好ましく、２回以上方向転換されることがより好ましい。また、混合気の方向転換の回数は、装置の複雑化を抑える観点からは４回以下とすることが好ましい。なお、図１において白抜き矢印は、上記混合気の流れ方向を示す。
【００２９】
気化器内の混合気流路となる空隙は、混合気流の偏流防止の観点から略対称に配されることが好ましい。
【００３０】
混合気は気化器の下流側に接続された、第一の流路の一部を内部に形成する中空筒状の部材である延長筒４および整流器５を通過し、バーナマット６が設けられた第一の流路の出口に至る。バーナマットの上流側に設けられる延長筒および整流器は、バーナマットに供給される混合気の流れを整え、燃焼の均一化を図るためのものである。なお、バーナマットの燃焼熱によっても気化器が加熱されるが、延長筒を設けることによってバーナマットと気化器との距離を調節することができ、気化器、特には加熱面の温度制御を容易にすることもできる。整流器においては、下方に向かうに従って水平方向の流路断面積が徐々に大きくなり、下端の開口部はバーナマットの形状と略同一になっている。整流器は全体として漏斗状の形状を有する。
【００３１】
燃焼安定性向上のために、バーナマットの下流側に保炎器を設けることもできる。
【００３２】
なお、電気ヒータ９は、液体燃料気化のための熱を供給することに加え、燃焼用空気の予熱のための熱を供給する機能を兼ねている。燃焼用空気は、気化器などとの熱交換によって予熱される。場合によっては、燃料用空気をバーナに供給する前に別途予熱することも可能である。燃焼用空気を別途充分予熱した場合、気化器加熱用の電気ヒータを廃止することも可能であるが、温度の制御性の観点から加熱手段として電気ヒータを用いることが好ましい。電気ヒータの出力を操作して加熱面の温度を適切な範囲に制御するために気化器の温度を測定する熱電対（不図示）などを適宜設けることができる。
【００３３】
バーナマットから導出される可燃性混合ガスは、イグナイター８などにより適宜着火させて燃焼させることができる。混合ガスの導出方向が鉛直下方であることが好ましい。この場合、火炎も鉛直下方に向けて形成されるため、バーナが装着される改質装置などの機器の上部にバーナを配置することができ、バーナが改質器等の下部に配置された場合に比べて、メンテナンス時にバーナへのアクセスが容易になり、改質器全体として良好なメンテナンス性を確保しつつ省スペース化を図ることが可能となるからである。
【００３４】
バーナマットを用いて混合ガスを燃焼させることにより、燃焼量が小さくても燃焼安定性が優れる。このため、空気を二段階に分けて供給せずに、つまり供給する空気は全て気化された液体燃料との混合気にし、この他には空気を供給せずに、燃料を完全燃焼させることができる。
【００３５】
バーナマットには、金属繊維の不織布もしくは織布を焼結したものや、コージェライト、チタニア、ムライト、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ等のセラミックからなる繊維の不織布もしくは織布を用いることができる。均熱性と逆火防止性の観点から、バーナマットとして金属繊維の織布もしくは不織布からなるマットが好ましい。また、バーナマットが織布もしくは不織布であると、開口率がパンチングプレートなどに比べて大きいため、バーナマットを通過する際の混合気の速さが遅くなる。このため、例えば２００ｋＷ／ｍ2程度の低燃焼域では火炎がバーナマットのより近傍に火炎が形成され、バーナマットが火炎により直ぐに赤熱するので、良好な燃焼安定性が得られる。また、例えば４５００ｋＷ／ｍ2程度の高燃焼域では、バーナマットを通過する混合気の速さが比較的遅いため、火炎の吹き飛びが抑えられる。
【００３６】
バーナマットの単位面積あたりの気化された液体燃料の燃焼量は、燃焼安定性の観点から２００ｋＷ／ｍ2以上が好ましく、６００ｋＷ／ｍ2以上がより好ましく、１０００ｋＷ／ｍ2以上がさらに好ましい。また、火炎の吹き飛び抑制の観点から、４５００ｋＷ／ｍ2以下が好ましく、４０００ｋＷ／ｍ2以下がより好ましく、３５００ｋＷ／ｍ2以下がさらに好ましい。このために、改質器が必要とする燃焼量範囲に対してこのような範囲を実現するに適した面積のバーナマットを設ければよい。
【００３７】
本発明のバーナは、特に小燃焼量のバーナに好適である。液体燃料を加熱面によって気化して燃焼させるタイプのバーナは小燃焼量のバーナに好適であり、特にバーナマットによる燃焼は小燃焼量でも安定して燃焼可能だからである。また、このような小燃焼量バーナにおいては特にコンパクトさに対する要求が強いからでもある。具体的には液体燃料基準の燃焼量の最大値が８．１ｋＷ（７０００ｋｃａｌ／ｈ）以下であるバーナにおいて、さらには５．８ｋＷ（５０００ｋｃａｌ／ｈ）以下であるバーナにおいて、本発明の効果が顕著である。
【００３８】
ここで図３を用いてバーナの燃焼空気比について説明する（図３については後に詳述する）。バーナ１０１においては、液体燃料基準の空気比を１．８以下にすることが好ましく、１．５以下がより好ましく、１．３以下がさらに好ましい。バーナマットが良好に赤熱し、バーナマットからの輻射熱により火炎を安定させ、完全燃焼をより確実に行うことができるからである。液体燃料を完全燃焼するために、上記空気比は１．０以上とすることが好ましく、１．１以上とすることがより好ましく、１．２以上とすることがさらに好ましい。空気比を制御する手段自体は、公知の流量制御技術を利用できる。例えば、液体燃料の流量は流量計１２１、流量調節器１２２、流量調節弁１２３で制御されているものとし、流量計１２１で検知された流量に対応する信号を、コンピュータなどの演算処理装置１１１に送り、ここで液体燃料の流量と予め設定された空気比から、所要の空気流量を算出し、この空気流量に対応する信号を空気側の流量調節器１３２に送り、空気流量を流量計１３１と流量調節バルブ１３３も用いて制御することができる。
【００３９】
本発明のバーナは、燃料電池システム内の改質器に装着して用いる。燃料電池の水素極オフガス（燃料電池の水素極すなわちアノードから排出される可燃性ガス）を有効に利用する観点から、バーナマット６の下流に水素極オフガスを供給して燃焼させる。水素極オフガスは、第二の流路２０の入口である水素極オフガス導入口２１からバーナに供給する。水素極オフガスは、気化器２とその外側のバーナケーシング１との間の空隙を通って、第二の流路の出口に設けられた水素極オフガスノズル２２からバーナマットの下流（火炎保持面側すなわち第一の流路とは反対側の面側）に供給される。バーナが、水素極オフガスがバーナマット下流に形成される液体燃料の火炎により着火できる構造を有することが望ましいが、切換時の過剰なオフガス噴出により液体燃料が吹き消えることも有り得る。このため、水素極オフガスを液体燃料混合気に着火させるためのイグナイター８により着火できる位置に、水素極オフガスノズルが設置されることが望ましい。また、先述のように水素極オフガスは爆発混合気を形成しやすい水素を例えば２０モル％から５０モル％含むため、空気と予混合しない拡散燃焼が好ましいことから、バーナマット下流に水素極オフガスを直接噴出させる構造が好ましい。なお、図１において、墨付き矢印は水素極オフガスの流れ方向を示すものである。水素極オフガスを燃焼させるための空気は、第一の流路を経由してバーナマット下流に供給される。前述のイグナイター８は、水素極オフガスを着火させるためにも兼用できる。
【００４０】
水素極オフガスを燃焼させる際、第一の流路への液体燃料供給は行わなくてよいが、場合によっては、液体燃料を第一の流路に供給し、液体燃料と水素極オフガスの両者を同時に燃焼させることもできる。
【００４１】
このようなバーナの使用方法としては、例えば、電気ヒータ９を作動させて加熱面を加熱し、空気を必要に応じてブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して燃焼用空気導入口１１から供給し、加熱面１３が所定の温度になった後に、必要に応じて液体燃料をポンプなどの液体昇圧手段によって昇圧して液体燃料ノズル１２から液体燃料を流下させるとともにイグナイター８などの着火手段を作動させればよい。水素極オフガスを燃焼させる際も必要に応じて水素極オフガスをブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して水素極オフガス入口２１に供給することができる。
【００４２】
〔改質器〕
図２に、このバーナ１０１を、燃料電池システムにおいて用いられる改質器１０２に装着した場合の例を示す。バーナは改質器の上部に取り付けられ、上方からアクセス可能とされる。
【００４３】
改質器は、水素製造用原料と水および／または酸素を反応させ、水素を含有する改質ガスを製造する装置である。この装置で水素製造用原料は主に水素と一酸化炭素に分解される。また、通常、二酸化炭素およびメタンも分解ガス中に含有される。分解反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応を挙げることができる。水蒸気改質反応は大きな吸熱を伴い、このための熱を外部から供給するためにバーナなどが用いられる。自己熱改質反応でも場合によっては外部から熱を供給することもありうる。本発明のバーナは、このように改質反応領域に外部から熱を供給する、いわゆる外熱式改質器に好適に用いることができる。改質器内部には、内部に水蒸気改質反応などの改質反応を促進できる触媒を収容した改質管１０２ａなどが配置され、この改質管がバーナの燃焼熱によって加熱され、改質反応を進行させるための熱が供給される。
【００４４】
水素製造用原料としては、水蒸気改質法あるいは自己熱改質法により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質から適宜選択して使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることがでる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、灯油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。バーナに供給する液体燃料と、水素製造用原料とは、異なっていても良いが、燃料電池システム全体をコンパクトにする観点からは、同じものを用いることが好ましい。これらのためのタンク等の貯蔵手段や、ポンプ等の供給系を兼用することが可能となるからである。
【００４５】
水蒸気改質反応は水蒸気と炭化水素を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは０．５〜１０、より好ましくは１〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は水素製造用原料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ-1の範囲で設定される。
【００４６】
自己熱改質反応は、水素製造用原料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。この場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３とされる。
【００４７】
自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。通常水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量を発生し得る程度の酸素を添加するが、熱のロスやバーナによる外部加熱量と関係において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．０５〜１、より好ましくは０．１〜０．７５、さらに好ましくは０．２〜０．６とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．１〜３０、より好ましくは０．５〜２０、さらに好ましくは１〜１０の範囲で選ばれる。
【００４８】
反応温度を制御するには、例えば、反応領域の温度を熱電対などによって検知し、バーナに補助的に供給している液体燃料量を増減させる、燃焼用空気を増減させる、燃料電池での水素使用量を変化させて水素極オフガス中に含まれる水素量を増減させる等の手段を用いる。
【００４９】
〔燃料電池システム〕
さらに、上記バーナを備えた改質器を有する燃料電池システムの例につき、概要を図３に示す。燃料電池システムは、バーナ１０１、バーナ１０１の燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う改質器１０２、および改質器によって得られた水素を含む改質ガスが水素極に供給される燃料電池１０３を有する。
【００５０】
燃料電池１０３としては、水素極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。
【００５１】
例えば、固体高分子型燃料電池は水素極（アノード）１０３ａおよび空気極（カソード）１０３ｃとこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、水素極側には改質ガス（水素含有ガス）が、空気極側には空気等の酸素含有ガスが、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後導入される。水素極から排出される水素極オフガスには可燃性成分が残存するため、水素極オフガスはバーナ１０１に供給されて燃焼される。
【００５２】
燃料電池システム起動時には、液体燃料を気化して燃焼用空気で燃焼させ、この熱を利用して改質器その他の機器を暖機することができる。起動を終えた後は、バーナにて水素極オフガスを燃焼させ、液体燃料は燃焼させなくてよい。場合によっては、水素極オフガスと液体燃料を同時に燃焼させることもできる。
【００５３】
燃料電池システムにおいて用いることのできる各種機器は適宜設けることができる。例えば、改質器１０２と燃料電池１０３との間の改質ガスラインに、改質ガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変成反応器、さらにＣＯ濃度を低減する選択酸化反応器を設けることができる。また、改質器より上流に、水素製造用原料中の硫黄分の濃度を低減する脱硫器を設けることもできる。この他にも、燃料電池の空気極に空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などを挙げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の改質器用バーナは小型化が容易であり、例えば、自動車などの移動体用、あるいは小規模発電用の燃料電池システムに備わる改質器において好適に利用できる。
【００５５】
本発明の燃料電池システムは、コンパクト化が容易であり、上記のような燃料電池システムに好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明のバーナの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のバーナが装着された改質器の例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明のバーナを装着した改質器を有する燃料電池システムの概略を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    バーナケーシング
１ａ  取りあい部
２    気化器
４    延長筒
５    整流器
６    バーナマット
８    イグナイター
９    電気ヒータ
１０    第一のガス流路
１１    空気導入口
１２    液体燃料ノズル
１３    加熱面
１４    加熱面と気化器側壁との間の空隙
２０    第二のガス流路
２１    水素極オフガス導入口
１０１    バーナ
１０２    改質器
１０３    燃料電池
１０３ａ  水素極
１０３ｃ  空気極
１１１    演算処理装置
１２１    流量計（液体燃料用）
１２２    流量調節器（液体燃料用）
１２３    流量調節弁（液体燃料用）
１３１    流量計（空気用）
１３２    流量調節器（空気用）
１３３    流量調節バルブ（空気用）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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