(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を気化させた燃焼用ガスと一次空気とを混合し燃焼用混合ガスとする混合室と、前記混合室の外周に取り付けられ燃料電池からの排ガスを収容する排ガス室と、この排ガス室に燃料電池からの排ガスを供給する排ガス供給管と、火炎に供給する二次空気を収容する空気室と、前記混合室と前記排ガス室と前記空気室が連接される炎板と、この炎板を貫通する複数の噴出孔と、混合ガスに点火する点火装置を備え、前記噴出孔は前記炎板の中央に燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部を形成し、前記混合ガス導出部を囲繞する状態で排ガスを導出する排ガス導出部を形成し、さらに前記排ガス導出部を囲繞する状態で二次空気を導出する二次空気導出部を形成するとともに、前記点火装置は前記空気室内を通って前記炎板を貫通し前記混合ガス導出部に臨むように設けられていることを特徴とする燃料電池用水素供給装置の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給される水素主成分の改質ガスを生成する改質装置を加熱する燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を空気中の酸素と電気化学的に反応させることによって直接電気を発生させる装置であり、ＮＯｘやＣＯ２の発生量が少ないことから、環境負荷が非常に小さいエネルギー源として注目されている。
【０００３】
また、燃料電池には使用する電解質によっていくつかの種類があるが、中でも特に固体高分子型燃料電池は小型で作動温度も低く、更に低騒音であることから、家庭用分散型電源として大いに期待されている技術である。
【０００４】
ところで、水素を作る炭化水素等の原燃料（水素原料）、つまり燃料電池の燃料としては天然ガスやガソリン、灯油等種々検討されているが、家庭用分散型電源としては、全国各地に供給インフラが整っている灯油に期待が集まっている。
【０００５】
図４は燃料電池で使用される水素の原料に灯油を採用した場合のシステムを表した図であって、脱硫部Ａ、改質反応を起こして水素主成分の改質ガスを生成する改質装置Ｂ、シフト反応部Ｃ、ＣＯ選択酸化部Ｄにより高純度の水素主成分の改質ガスを得、燃料電池の水素極に供給するように構成されている。
【０００６】
改質装置は、水素原料を気化させる気化器と、該気化器により気化された水素原料の改質を行う触媒層を有する構成であり、水素原料として灯油を用いた場合、この改質装置には概ね８００℃程度の作動温度が必要となる。そのため、燃料電池の起動時及び発電運転時の作動温度維持を目的とした、改質装置を加熱するための燃焼装置が不可欠となる。
【０００７】
この燃焼装置は、燃料電池の起動時には灯油等の燃料を燃焼させることで改質装置を昇温させ、発電運転時には燃料電池の水素極より排出される水素極排ガスを燃料として燃焼させることで、該改質装置を所定の温度に維持する機能を有している。
【０００８】
ここで、灯油を燃料とした燃焼装置を図５、図６を参照しながら説明する。
【０００９】
まず、図５は、燃料電池システムの概略図であり、図に示すように、この燃料電池システムは、水素極と空気極とを有する燃料電池１、灯油を改質して高純度の水素主成分の改質ガスを生成する改質装置２、この改質装置２を加熱する燃焼装置３、この燃焼装置３に灯油を供給するための灯油供給通路４、燃焼装置３に燃焼用空気を供給するための送風通路５、改質装置２に水素原料としての灯油を供給するための水素原料供給通路６、改質装置２により生成された水素主成分の改質ガスを燃料電池の水素極に供給するための水素ガス供給通路７、未反応の水素を含有し水素極から排出される水素極排ガスを燃焼装置３に供給するための排ガス供給通路８、燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給通路９、空気極から排出される空気極排ガスが通過する排ガス通路１０を有している。尚、図５において、脱硫部Ａ、シフト反応部Ｃ、ＣＯ選択酸化部Ｄは図示省略している。
【００１０】
そして図６は燃焼装置３の構造図であって、筐体４１内に、燃料としての灯油を気化して燃焼用ガスとする気化器４２と、この気化器４２で作出した燃焼用ガスと一次空気を混合した燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナ４３と、燃料電池１の水素極で発生する排ガスを燃焼させる排ガスバーナ４４と、混合ガスバーナ４３及び排ガスバーナ４４から噴出されるガスが燃焼した際の火炎に二次空気を供給する二次空気供給部４５を有した二次空気通過部４６と、筐体４１内に設けた給気室４７へ空気圧送部（図示省略）から圧送された空気を供給する送風通路５が設けられている。
【００１１】
混合ガスバーナ４３は、筐体４１内に配設される円筒状のバーナ本体４８の下部に、液体燃料を気化させた燃焼用ガスと一次空気とを混合する筒状部材から成る混合部４９を嵌挿配設した構造であり、このバーナ本体４８の内孔は混合部４９から送られる燃焼用混合ガスを送る混合ガス送り部５０として構成されている。
【００１２】
排ガスバーナ４４は、水素極から延設される排ガス供給部８と連通する排ガス供給管５１と、この排ガス供給管５１の上端部が連設するバーナ本体４８の外側空間とから成る排ガス送り部５２を有する構造であり、さらに排ガス送り部５２内には混合ガスに点火する点火装置５３挿通され、点火装置５３は混合ガスバーナ４３に臨むようにして配設されている。
【００１３】
また、バーナ本体４８には炎板５４が載置されていて、この炎板５４の所定位置には混合ガスおよび排ガスが噴出する炎孔５５が複数設けられており、炎板５４の表面は火炎が形成される燃焼空間５６となる。
【００１４】
このように構成することで、燃焼装置３を小型にすることができるとともに、混合ガスバーナ４３から排ガスバーナ４４へ火炎を移りやすくして燃焼状態を良好に保つことができるようになっている。
【００１５】
【特許文献１】特開２００５−２１４５４３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところが、従来から提案されている燃焼装置は、排ガスが通過する排ガス送り部が複数の部品の組み合わせにより構成されていたため、これら部品間に隙間が生じやすく、この隙間から排ガスが漏れ出してしまう恐れがあった。
【００１７】
また、点火装置は排ガス送り部を通過して混合ガスバーナに臨むように取り付けられているが、この点火装置を気密に取り付けることは非常に困難であり、点火装置挿入部分に生じた隙間からも同様に排ガスが漏れ出してしまっていた。
【００１８】
ただし、これらの隙間より排ガスが漏れ出してしまっても、火炎の形成される燃焼空間に漏れ出した場合は、排ガスバーナで形成される火炎に巻き込まれて燃焼されるため特に問題はないといえる。一方、給気室に排ガスが漏れ出してしまった場合には、排ガスは給気室内で送風通路より供給される空気と混ざり合った後、混合部内を通過して燃焼空間に噴出するか、若しくは二次空気通路を通過して二次空気供給部より燃焼空間に噴出することになる。ところが、給気室に漏れ出した排ガスは、給気室内で理論空気の何倍にも希釈されているため、火炎のごく近傍に供給されない限り燃焼させることはできなくなってしまっている。
【００１９】
燃料電池から排ガスの供給が開始され、排ガスバーナでの燃焼が安定した時点においては、気化器への燃料ガスの供給が停止されていて、混合ガスバーナに火炎は存在していないため、給気室から混合部を通過した空気に含まれる排ガスは燃焼することができない。もちろん、二次空気供給部には火炎は存在しないので、二次空気通路を通過した空気に含まれる排ガスも燃焼することはできない。つまり、給気室へ漏れ出した排ガスはいずれの場合にしても燃焼されずに未燃のまま燃焼空間を通過して排出されてしまうという問題があった。
【００２０】
そこで、このような未燃排ガスの排出を防ぐためには、排ガスが通過する部品の接合部分の全てを溶接するなどして完全にシールしなければならず、これが製造費用の増大を招くこととなってしまっていた。
【００２１】
本発明は、上記課題を解決するためのもので、製造費用を増大させることなく未燃のまま排ガスが排出されてしまうことを防止する燃料電池用水素供給装置の燃焼装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
液体燃料を気化させた燃焼用ガスと一次空気とを混合し燃焼用混合ガスとする混合室と、前記混合室の外周に取り付けられ燃料電池からの排ガスを収容する排ガス室と、この排ガス室に燃料電池からの排ガスを供給する排ガス供給管と、火炎に供給する二次空気を収容する空気室と、前記混合室と前記排ガス室と前記空気室が連接される炎板と、この炎板を貫通する複数の噴出孔と、混合ガスに点火する点火装置を備え、前記噴出孔は前記炎板の中央に燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部を形成し、前記混合ガス導出部を囲繞する状態で排ガスを導出する排ガス導出部を形成し、さらに前記排ガス導出部を囲繞する状態で二次空気を導出する二次空気導出部を形成するとともに、前記点火装置は前記空気室内を通って前記炎板を貫通し前記混合ガス導出部に臨むように設けられていることを特徴とする燃料電池用水素供給装置の燃焼装置に係るものである。
【発明の効果】
【００２９】
上述のように構成することにより、部品の接合部分をシールする手間をかけることなく、燃料電池から排出される排ガスが漏れ出してしまうことを有効に防止することができるので、安全かつ製造費用を抑えた装置を製造することができる。また、もし仮に排ガスが筐体内部に漏れ出たとしても、排ガスは二次空気中に混入して火炎に供給され燃焼するので、未燃のまま排出されてしまうことはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。
【００３１】
本発明は、水素供給装置の改質装置を加熱する燃焼装置であって、燃焼用ガスと一次空気を混合した燃焼用混合ガスと、燃料電池の水素極で発生する排ガスとを炎板に設けられた噴出孔より噴出させて燃焼するようになっている。
【００３２】
具体的構成としては、燃焼用ガスと一次空気を混合する混合室の外周には排ガスを収容する排ガス室が取り付けられ、この排ガス室に燃料電池からの排ガスを供給する排ガス供給管を接続するように構成されていて、燃料電池の運転開始により燃料電池から排出された排ガスは、排ガス供給管から排ガス室に送られる。
【００３３】
この排ガス室は、上面が開口したカップ状部材により形成されるとともにその底面に穴を有していて、上面の開口は噴出孔を有する炎板に連接させ、底面の穴に混合室を貫通させて取り付けるようになっている。従って、排ガス室は上面の開口と底面の穴をそれぞれ炎板と混合室に溶接してシールすれば気密に保たれることとなり、従来と比べて簡単な構成で排ガスが空気室に漏れ出すのを防ぐことができる。
【００３４】
また、もしも排ガスが空気室に漏れ出してしまったとしても、排ガスは空気室内で空気と混合された後に炎板より噴出し、二次空気として火炎に供給されて燃焼するため、未燃のままの排ガスが排出されてしまうことがない。
【実施例１】
【００３５】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００３６】
本実施例の水素供給装置は、炭化水素等の原燃料（水素原料）を加熱して水素主成分の改質ガスを生成する改質装置２と、該改質装置２を加熱する燃焼装置３とから成り、前記改質装置２において生成された水素主成分の改質ガスは、水素極と空気極とを有する燃料電池１に供給されるように構成されたものである。
【００３７】
具体的には、改質装置２は、水素原料を気化させる気化器１１と、該気化器１１により気化された水素原料の改質を行う触媒層とを有する既存構造のものである。
【００３８】
また、燃焼装置３は、図１に図示したように改質装置２の下部に配設される筒状の筐体１４に、燃料としての灯油を気化して燃焼用ガスとする気化器１１と、この気化器１１で作出した燃焼用ガスと一次空気を混合した燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナ２６と、燃料電池１の水素極で発生する排ガスを燃焼させる排ガスバーナ２７と、燃焼用ガスと混合される一次空気と混合ガスバーナ２６及び排ガスバーナ２７から噴出されるガスが燃焼した際の火炎に供給する二次空気を収容する空気室１５と、空気室１５へ空気圧送部（図示省略）から圧送された空気を供給する送風通路５が設けられている。
【００３９】
以下、本実施例に係る燃焼装置３について詳細な説明をする。
【００４０】
気化器１１は、筐体１４の下部に配設される箱状本体１１ａに、気化器１１に灯油を供給する灯油供給通路４と、気化器１１を昇温させるためのヒータ１６と、このヒータ１６によって気化器１１内で加熱されて気化した燃焼用ガスを噴出するノズル１７とを具備した構造であり、このノズル１７から後述する混合ガスバーナ２６の混合室１２へ燃焼用ガスを噴射するように構成されている。
【００４１】
混合ガスバーナ２６は、筐体１４の略中央に気化器１１により気化された燃焼用ガスと一次空気とを混合して燃焼用混合ガスとする円筒状の混合室１２を配設して形成されている。
【００４２】
排ガスバーナ２７は、燃料電池１の水素極から延設される排ガス供給部８と連通する排ガス供給管１３と、この排ガス供給管１３の下流端が連設する排ガス室１９を有する構造であり、燃料電池１の水素極から排出された排ガスは、排ガス供給管１３を通って排ガス室１９に供給される。
【００４３】
排ガス室１９は、上面が開口した有底のカップ状部材で形成されており、さらにカップ状部材の底面には穴が設けられているため、この穴に混合室１２を挿通することで混合室１２の外周に取り付けられるようになっている。したがって、排ガス室１９は上面の開口を後述の炎板２３に、そして底面の穴を混合室１２に溶接してシールすれば気密に保たれることとなり、簡単な構成で排ガスが漏れ出すのを防ぐことができる。
【００４４】
そして、混合室１２、排ガス室１９および空気室１５は、図２に示すように複数の貫通する噴出孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃが設けられている炎板２３と連接しており、炎板２３により筐体１４が閉塞された状態となっている。
【００４５】
この炎板２３に設けられた噴出孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃのうち、炎板２３の中央部に設けられた噴出孔２３ａは混合室１２と連通しており、燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部２０として構成されていて、この混合ガス導出部２０から噴出する燃焼用混合ガスは点火装置２５により点火されて燃焼を開始する。
【００４６】
点火装置２５は、空気室１５内に挿通されており、炎板２３を貫通してその先端が混合ガス導出部２０に臨むように設けられている。
【００４７】
また、噴出孔２３ａには網材２４が配設されていて、混合ガス導出部２０から噴出した燃焼用混合ガスが燃焼した際の火炎の逆火を防止し得るように構成されている。そのため安全性に優れるとともに、噴出孔２３ａの径を大きく形成することができるから、その形成が極めて簡易となるため製造コストを下げることもできる。
【００４８】
そして、噴出孔２３ｂは中央の噴出孔２３ａの周囲を取り囲むように設けられており、この噴出孔２３ｂは排ガス室１９と連通していて、排ガスを導出する排ガス導出部２１として構成されている。
【００４９】
さらに、炎板２３の周縁部には噴出孔２３ｃが噴出孔２３ｂの周囲を取り囲むように設けられており、この噴出孔２３ｃは空気室１５と連通していて、二次空気を導出する二次空気導出部２２として構成されている。従って、送風通路５から空気室１５に流入した空気は、二次空気導出部２２から噴出して混合ガスバーナ２６および排ガスバーナ２７で形成される火炎に二次空気として供給される。
【００５０】
このように二次空気導出部２２を設けたことにより、もしも排ガス室１９と炎板２３及び混合室１２との連接部分に隙間があり、ここから排ガスが空気室１５に漏れ出して二次空気に混ざってしまったとしても、二次空気は排ガス導出部２１の近傍に供給されるため、二次空気に含まれる排ガスは排ガスバーナ２７で確実に燃焼されることとなり、排ガスが未燃のまま排出されることを防止する。
【００５１】
尚、図１では混合ガス導出部２０と排ガス導出部２１と二次空気導出部２２とを平面状の炎板２３上に配置して、混合ガスと排ガスと二次空気とを同一の面から噴出するように構成しているが、炎板２３の形状を変更して二次空気導出部２２が排ガス導出部２１（および混合ガス導出部２０）よりも上流に位置するように構成してもよい。要は、二次空気を火炎に供給するため、二次空気の噴出した先に火炎が存在するようになっていればよいのである。
【００５２】
また、噴出孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃの数や孔の大きさは適宜設計し得るものであり、実施例に限定されるものではない。
【００５３】
そして筐体１４の下流端は、内側に屈曲されて二次空気絞り部２８が形成されており、二次空気導出部２２から噴出した二次空気は二次空気絞り部２８に沿って中央に寄せられ、火炎に向かうように流れが規制される。そのため、火炎に確実に二次空気を供給することができ、また排ガスが漏れ出して二次空気に混入してしまった場合においては、排ガスを燃焼させて未燃のまま排出することを有効に防止する。
【００５４】
次に、上述の構成における燃焼装置３の動作を説明する。
【００５５】
まず、燃料電池１の運転が指示されると、ヒータ１６への通電を開始して気化器１１を加熱する。そして気化器１１の温度が灯油を気化することのできる温度に達すると、気化器１１へ灯油の供給を開始する指示が出され、灯油は灯油供給通路４を通って気化器１１に供給される。
【００５６】
そして、気化器１１に供給された灯油は加熱され気化された燃焼用ガスとなり、この燃焼用ガスはノズル１７から噴出し、このノズル１７から噴出した燃焼用ガスは混合室１２へ入る。この際、空気室１５内の空気も一次空気として混合室１２へ引き込まれるため、混合室１２内では燃焼用ガスと一次空気が混合されて燃焼用混合ガスとなる。
【００５７】
そして燃焼用混合ガスは、炎板２３の中央部に設けられた混合ガス導出部２０より噴出して、点火装置２５により点火されて混合ガスバーナ２６での燃焼が開始される。
【００５８】
この際、二次空気導出部２２からは二次空気が噴出されていて、燃焼用混合ガスの燃焼により形成される火炎に供給されて燃焼用混合ガスは完全燃焼することになる。
【００５９】
このように、燃焼用混合ガスが燃焼することにより改質装置２が加熱される。そして、改質装置２の温度が作動温度まで上昇すると、この改質装置２により、炭化水素等の原燃料としての灯油から水素主成分の改質ガスの生成が開始され、この水素主成分の改質ガスは水素ガス供給通路７を通って燃料電池１の水素極に供給されて燃料電池１が作動し、燃料電池１では水素主成分の改質ガスと酸素を反応させて発電運転が行われる。
【００６０】
この燃料電池１の発電運転の際、該燃料電池１の水素極に供給された水素主成分の改質ガスは全てが発電に消費されるものではなく、数１０％程度の未反応水素ガスを含有したまま排ガスとして排出され、この排ガスも燃焼装置３での燃焼に用いられる。
【００６１】
具体的には、この排ガスは排ガス供給通路８から排ガス供給管１３を通って排ガス室１９に供給され、排ガス導出部２１から噴出される。すると、既に混合ガス導出部２０に形成されている火炎と接触することで着火して燃焼し、燃焼用混合ガスと排ガスの両方による燃焼が開始される。
【００６２】
そして、燃焼用混合ガスと排ガスの両者の火炎は二次空気導出部２２から供給される二次空気を取り込むことで完全燃焼し、改質装置２の加熱を継続する。
【００６３】
その後、排ガスの燃焼が安定した時点で気化器１１への灯油の供給を停止し、排ガス単独での燃焼に移行し、改質装置２の加熱が継続される。
【００６４】
もしもこの排ガス単独燃焼中に隙間から排ガスが空気室１５中へ漏れ出したとしても、排ガスは空気室１５内で空気と混ざり合い二次空気とともに二次空気導出部２２から噴出して排ガスバーナ２７で形成される火炎に供給されるので、二次空気に含まれる排ガスは火炎とともに燃焼し、未燃のまま排出されることを防止される。
【実施例２】
【００６５】
次に本発明のその他の実施例を図３を用いて説明する。
【００６６】
図３において、混合室１２の外周には排ガス室１９が設けられていて、排ガス室１９の一部が空気室１５に張り出すように形成され、この張り出した部分の底面に排ガス供給管１３が接続されている。
【００６７】
このように排ガス供給管１３を排ガス室１９の底面に接続することで、より簡単に排ガスバーナ２７を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本実施例を示す正断面図である。
【図２】本実施例の炎板を示す平面図である。
【図３】その他の実施例の要部を示す図である。
【図４】燃料電池で使用される水素を製造するシステムである。
【図５】燃料電池システムの概略図である。
【図６】従来例を示す正断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１２  混合室
１３  排ガス供給管
１５  空気室
１９  排ガス室
２０  混合ガス導出部
２１  排ガス導出部
２２  二次空気導出部
２３  炎板
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ  噴出孔
２５  点火装置
２８  二次空気絞り部
【図１】
0004764699.tif 000002
【図２】
0004764699.tif 000003
【図３】
0004764699.tif 000004
【図４】
0004764699.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004764699.tif 000007