(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼燃料であるメタンを含むガスを燃焼させる燃焼装置であって、
前記ガスの燃焼反応を促進するための触媒を備えると共に、前記ガスの流れを乱して火炎を保持可能とする保炎形状を有する第１の触媒燃焼部と、
前記第１の触媒燃焼部の下流側において、前記第１の触媒燃焼部とは離間した位置に設けられた第２の触媒燃焼部と、
前記第１の触媒燃焼部に対し、前記燃焼燃料と共に空気を供給するガス供給部と、
前記第１の触媒燃焼部と前記第２の触媒燃焼部との間に設けられ、前記第１の触媒燃焼部において火炎を伴う燃焼を行なう際に、前記第１の触媒燃焼部から排出されたガスに対して空気を混合する空気混合部と
を備え、
前記ガス供給部は、前記第１の触媒燃焼部に対して、空気過剰率の値が１．５以上となるように空気を供給し、
前記空気混合部は、前記第１の触媒燃焼部を経由したガスに対して、前記ガス供給部が加えた空気量を含む全体的な空気過剰率が、３．０から５．０の範囲内の値となるように、空気を混合する
燃焼装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃焼装置であって、
前記第２の触媒燃焼部は、表面に前記触媒を担持するハニカムを備える
燃焼装置。
【請求項３】
電気化学反応によって発電を行なう燃料電池を備える燃料電池システムであって、
所定の改質燃料を改質して水素を生成する改質器と、
前記改質燃料を、前記改質器に供給するのに先立って加熱する加熱部と、
請求項１または２記載の燃焼装置と
を備え、
前記加熱部は、熱源として前記燃焼装置を用い、
前記燃焼装置は、前記燃焼燃料として、前記改質燃料を用いる
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、所定の燃焼燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温の燃焼ガスを得るための燃焼装置として、触媒燃焼を利用する装置が知られている。触媒燃焼は、触媒を用いない火炎燃焼に比べて、燃焼反応が進行可能となる条件が広く、燃焼反応の制御がより容易である。さらに、触媒燃焼を利用する燃焼装置では、触媒上に、燃焼により形成される火炎を保持することによって燃焼を安定化させることができる。この場合に、触媒の物理的形状により、触媒上に火炎を保持し易くすることが可能である（例えば、特開平１０−２６３１５号公報等）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、火炎を伴った触媒燃焼では、燃焼反応によって生じる燃焼ガスにおいて、未燃焼の燃料（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）といった望ましくない成分の濃度を充分に抑えることが困難であるという問題があった。火炎を伴う触媒燃焼反応では、燃焼ガス中に生じるＨＣやＣＯやＮＯｘの量は、燃焼反応時の空気過剰率の影響を受ける。ここで、ＨＣおよびＣＯ濃度が低くなる条件と、ＮＯｘ濃度が低くなる条件とは相反するものであり、ＨＣおよびＣＯと、ＮＯｘとの濃度を同時に充分に低く抑えることは困難であった。
【０００４】
また、触媒を用いない火炎燃焼では、ＮＯｘ濃度を充分に低く抑える条件では、空気過剰率が高すぎて燃焼反応を維持し難くなり、燃焼ガス中における望ましくない成分の濃度を充分に低く抑えることは困難であった。燃焼ガス中に望ましくない成分が多く含まれると、例えば燃焼ガスを熱源として使用する場合に、使用後に燃焼ガスを外部に排出するのに先立って、さらなる浄化の工程が必要となってしまう。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃焼ガス中における望ましくない成分の濃度を低く抑えることができる技術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およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、燃焼燃料を含むガスを燃焼させる燃焼装置であって、
前記ガスの燃焼反応を促進するための触媒を備えると共に、前記ガスの流れを乱して火炎を保持可能とする保炎形状を有する第１の触媒燃焼部と、
前記第１の触媒燃焼部の下流側において、前記第１の触媒燃焼部とは離間した位置に設けられた第２の触媒燃焼部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
このような構成とすれば、第１の触媒燃焼部が保炎形状を有するため、触媒を用いて燃焼燃料を燃焼させる際に、火炎を伴う燃焼を行なわせることができる。したがって、バーナのように気相燃焼のみからなる火炎燃焼を行なう場合に比べて、より高い空気過剰率であっても燃焼を維持することが可能であり、燃焼に伴って生じる窒素酸化物濃度をより低減することが可能となる。また、下流側に配設した第２の触媒燃焼部では、触媒燃焼が進行するため、容易に完全燃焼を行なうことができる。したがって、第１の触媒燃焼部と第２の触媒燃焼部とを用いることで、燃焼ガス中における望ましくない成分の濃度を、低く抑えることができる。
【０００８】
本発明の燃焼装置において、さらに、前記第１の触媒燃焼部と前記第２の触媒燃焼部との間に設けられ、前記第１の触媒燃焼部から排出されたガスに対して空気を混合する空気混合部を備えることとしてもよい。
【０００９】
このような構成とすることで、第１の触媒燃焼部においては、火炎を伴う燃焼を維持可能な程度に空気過剰率を低くしつつ、第２の触媒燃焼部においては、完全燃焼が行なわれるように空気過剰率を充分に高くすることができる。また、第２の触媒燃焼部に先立って空気の供給を行なうことで、第１の触媒燃焼部を経由したガスの温度が下がるため、第２の触媒燃焼部が備える触媒の劣化を防止することができる。
【００１０】
本発明の燃焼装置において、
前記第２の触媒燃焼部は、表面に前記触媒を担持するハニカムを備えることとしてもよい。
【００１１】
また、本発明の燃焼装置において、
前記第１の触媒燃焼部に対し、前記燃焼燃料と共に空気を供給するガス供給部をさらに備え、
該ガス供給部は、前記第１の触媒燃焼部に対して、空気過剰率の値が１．５以上となるように空気を供給することとしてもよい。
【００１２】
第１の触媒燃焼部において火炎を伴う燃焼反応が進行する際には、空気過剰率を大きくするほど、燃焼によって生じる窒素酸化物を少なくすることができる。なお、第１の触媒燃焼部における空気過剰率の上限は、第１の燃焼部における燃焼反応で、火炎が保持可能な範囲で設定することができる。
【００１３】
このような本発明の燃焼装置において、
前記空気混合部は、前記第１の触媒燃焼部を経由したガスに対して、前記供給部が加えた空気量を含む全体的な空気過剰率が、３．０から５．０の範囲内の値となるように、空気を混合することとしてもよい。
【００１４】
本発明の燃焼装置において、前記燃焼燃料はメタンであることとしてもよい。
【００１５】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃焼装置を備える燃料電池システムや、燃料電池システムにおける暖機方法などの形態で実現することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．燃焼器２２の構成：
Ｃ．起動時の動作：
Ｄ．暖機終了後の動作：
Ｅ．変形例：
【００１７】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本実施例の燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。燃料電池システム１０は、蒸発・混合部２０と、改質器２２と、ＣＯ低減部２４と、燃料電池２６と、燃焼器２８と、を備える。本実施例では、燃焼器２８の構造に特徴があるが、最初に、燃料電池システム１０の全体の構造について説明する。
【００１８】
蒸発・混合部２０は、改質燃料と水との供給を受けて、水を気化させると共に、水および改質燃料を混合・昇温させる。そのために、蒸発・混合部２０には、燃料流路４０を介して、改質器２２で進行する改質反応に供するための改質燃料が供給される。また、蒸発・混合部２０には、水流路４１を介して、改質反応に供するための水が供給される。本実施例では、改質燃料として天然ガスを用いており、燃料流路４０は、天然ガスを供給する商用ガスラインと接続されている。燃料流路４０には、弁４２が設けられており、蒸発・混合部２０に供給する改質燃料の量を調節可能となっている。同様に、水流路４１は、水を供給するライン（水道管）と接続されている。水流路４１には、弁４３が設けられており、蒸発・混合部２０に供給する水の量を調節可能となっている。これら弁４２，４３は、図示しない制御ユニットに接続されている。本実施例の蒸発・混合部２０では、改質燃料と水との混合ガスを、５００〜７００℃に昇温させる。
【００１９】
蒸発・混合部２０から排出された改質燃料と水との混合ガスは、混合ガス路２１を介して改質器２２に供給され、改質器２２において改質反応に供されて改質ガス（水素リッチガス）を生成する。ここで、改質器２２には、用いる改質燃料に応じた改質触媒が備えられており、この改質燃料を改質する反応に適した温度となるように、改質器２２の内部温度が制御される。また、改質器２２で進行する改質反応は、水蒸気改質反応や部分酸化反応、あるいは両者を組み合わせたものなど種々の態様を選択することができ、改質触媒は、このように改質器２２内で進行させる改質反応に応じたものを選択すればよい。本実施例の改質器２２は、改質触媒として、ロジウム触媒を備えている。
【００２０】
改質器２２で生成された改質ガスは、ＣＯ低減部２４において一酸化炭素濃度が低減されて、燃料ガス路４４を介して、燃料電池２６のアノード側に対して燃料ガスとして供給される。一酸化炭素は、燃料電池２６が備える触媒を被毒するおそれがあるが、改質ガスは通常所定量の一酸化炭素を含有するため、ＣＯ低減部２４を設けて、燃料電池２６に供給するのに先立ってガス中の一酸化炭素濃度の低減を図っている。ＣＯ低減部２４は、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素とを生じるシフト反応を促進する触媒を備え、シフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部とすることができる。シフト反応を促進する触媒としては、例えば銅系触媒を用いることができる。あるいは、水素に優先して一酸化炭素を酸化する選択酸化反応を促進する触媒を備え、一酸化炭素選択酸化反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部とすることができる。一酸化炭素選択酸化触媒としては、例えば、白金触媒やルテニウム触媒を用いることができる。また、ＣＯ低減部２４は、これらシフト部と一酸化炭素選択酸化部との両方を備えることとしても良い。
【００２１】
燃料電池２６のカソード側に対しては、ブロワ３２から圧縮空気が酸化ガスとして供給される。上記改質ガスよりなる燃料ガスおよび酸化ガスを利用して、燃料電池２６では電気化学反応によって起電力が生じる。
【００２２】
燃料電池２６は、固体高分子型燃料電池である。以下に、燃料電池２６で進行する電気化学反応を表わす式を示す。
【００２３】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                             …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ            …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                     …（３）
【００２４】
（１）式はアノード側における反応を示し、（２）式はカソード側における反応を示し、（３）式は燃料電池全体で行なわれる反応を示す。このように、燃料電池２６のアノード側では水素が消費されるが、燃料電池２６における水素の利用率は、定常状態で約８５〜９０％であり、燃料ガス中の水素の一部はそのままアノード排ガス中に残留する。アノード排ガス路４５に排出されたアノード排ガスは、燃焼器２８に供給される。
【００２５】
燃焼器２８は、燃焼触媒（例えば白金系触媒やパラジウム触媒）を備えており、供給された燃焼燃料を燃焼させる。定常状態に置いては、燃焼燃料としてアノード排ガスが用いられる。燃焼器２８には、さらにブロワ３４が併設されており、ブロワ３４によって、燃焼反応に要する空気が供給される。燃焼器２８においては、ブロワ３４から供給される空気量を調節することによって、燃焼反応が進行する際の空気過剰率を制御することができる。本実施例では、定常状態において、燃焼ガスの温度が７００〜９００℃となるように供給空気量が調節される。また、燃焼器２８には、燃焼燃料供給路４８を介して、既述した改質燃料と同様の天然ガスが、燃焼燃料として供給可能となっている。燃焼燃料供給路４８は、天然ガスを供給する商用ガスラインと接続されている。燃焼燃料供給路４８には、弁４９が設けられており、弁４９の開度を調節することによって、燃焼器２８に供給する天然ガス量を制御可能となっている。
【００２６】
なお、アノード排ガス路４５には、改質ガス分岐路４６が接続している。改質ガス分岐路４６は、燃料ガス路４４から分岐しており、ＣＯ低減部２４から排出された改質ガスを、燃料電池２６を経由することなくアノード排ガス路４５に導入する。燃料ガス路４４において、改質ガス分岐路４６との分岐部には流路切替弁４７が設けられている。流路切替弁４７を切り替えることによって、ＣＯ低減部２４から排出された改質ガスの流路を切り替えることができる。
【００２７】
燃焼器２８において燃焼燃料を燃焼させて得られる燃焼ガスは、燃焼ガス流路５０を経由して蒸発・混合部２０に供給される。蒸発・混合部２０は熱交換器を備えており、この熱交換器において、既述した水および改質燃料と、燃焼ガスとを熱交換させ、水を気化させると共に水および改質燃料を昇温させる。熱交換に用いられた後の燃焼ガス（燃焼排ガス）は、排ガス路５１に排出される。
【００２８】
Ｂ．燃焼器２２の構成：
図２は、本実施例の燃焼器２８の構成を表わす説明図である。図２では、燃焼器２８の縦断面の様子を表わしている。燃焼器２８は、中空円筒状の収納ケース６８と、この収納ケース６８内に設けられた２つの触媒燃焼部６０，６４とを備えている。収納ケース６８の一方の底面には燃料ガス入口ポート６５が設けられており、他方の底面には燃焼ガス出口ポート５２が設けられている。また、入り口ポート６５に近い収納ケース６８の外周部には、空気供給ポート６６、および、アノード排ガス入口ポート５４が設けられている。また、燃焼器２８は、さらにその内部に、中空円筒状の燃焼前室６３を備えている。燃焼前室６３の入口側は、燃料ガス入口ポート６５と連通しており、その後端には、上記第１の触媒燃焼部６０が配設されている。
【００２９】
第１触媒燃焼部６０は、物理的な形状によって、燃焼反応に供される燃焼燃料および空気の流れを乱して、燃焼反応が進行する際に火炎を保持可能とする保炎形状を有している。本実施例では、第１触媒燃焼部６０は、多孔性セラミックスの一種である商品名アクトサーミック（神戸製鋼製）上に、燃焼触媒を担持させて形成した。実施例で用いた上記多孔性セラミックスは、線状に押し出されたセラミックスを集積させたものであり、集積された線状セラミックス間に所定の空隙を有している。第１触媒燃焼部６０を形成する際には、まず、上記集積された線状セラミックスをアルミナでコートする。アルミナのコート量は、例えば触媒容積１リットル当たり１００グラムであり、さらにその上に燃焼触媒であるパラジウムを担持させる。パラジウムの担持量は、例えば触媒容積１リットル当たり２グラムである。
【００３０】
第１触媒部６０の近傍における燃焼器２８の断面の様子を図３に示す。図３は、燃焼器２８において、図２に示すＡ−Ａ断面の様子を表わす説明図である。燃焼器２８をＡ−Ａ断面から見ると、その円形横断面の中央部に第１触媒燃焼部６０が配設されている。第１触媒燃焼部６０と収納ケース６８との間の空間には、ドーナツ形の支持板６９が配設されている。支持板６９は、第１触媒燃焼部６０の周囲を取り囲むように配設された複数の穴部６１を備えている。
【００３１】
第１触媒燃焼部６０と第２の触媒燃焼部６４とは離間した位置に配設されており、両者の間には、混合板６２が設けられている。混合板６２の様子を、図４に示す。図４は、燃焼器２８において、図２に示すＢ−Ｂ断面の様子を表わす説明図である。混合板６２は、円盤状の板状部材であり、４つの穴部６７を備えている。４つの穴部６７は、それぞれ、混合板６２の中心から略等距離の位置に設けられている。各穴部６７は、混合板６２の同心円であって混合板６２よりも半径の短い２つの円の各々における円弧と、この２つの円弧の両端を通る混合板６２の半径とによって囲まれる形状をしている。
【００３２】
第２触媒燃焼部６４は、燃焼触媒を担持したハニカムによって形成される。本実施例では、コージェライト製のハニカム（１平方インチ当たり６００セル）を用いた。第２触媒燃焼部６４は、このハニカム上にアルミナをコートし（コート量は触媒容積１リットル当たり１００グラム）、さらにその上に燃焼触媒である白金触媒を担持させる（担持量は触媒容積１リットル当たり２グラム）ことによって形成している。
【００３３】
燃焼器２８には、燃料ガス入口ポート６５を介して、燃焼燃料供給路４８（図１）を通過する燃焼燃料（天然ガス）と、ブロワ３４（図１）から送り込まれる空気とが、供給可能となっている。燃焼器２８に供給された燃焼燃料および空気は、燃焼前室６３によって第１触媒燃焼部６０に導かれ、第１触媒燃焼部６０を通過しつつ、第１触媒燃焼部６０が備える燃焼触媒上で燃焼反応に供される。
【００３４】
既述したような多孔質セラミックスからなる第１触媒燃焼部６０の内部に、燃焼燃料および空気を通過させると、燃焼反応を進行しながら内部を通過する際に、上記線状セラミックスにぶつかることでガスの流れが乱される。このように、燃焼反応を進行するガスの流れが第１触媒燃焼部６０内で乱されることで、上記ガスが燃焼触媒の近傍により長く留まって、ガスの温度がより上昇する。これによって、第１触媒燃焼部６０では、触媒燃焼が進行すると共に、火炎Ｆを伴う燃焼反応が進行するようになる。
【００３５】
また、燃焼器２８は、空気供給ポート６６を介してブロワ３４から空気が供給される。空気供給ポート６６を介して供給される空気は、収納ケース６８の内壁面と、燃焼前室６３の側壁面との間の空間を導かれて、燃焼前室６３を通過する燃焼燃料および空気と並行に流れる。このようにして支持板６９の近傍まで流れた空気は、支持板６９が備える穴部６１から排出されて、第１触媒燃焼部６０を通過したガスに混合される。
【００３６】
第１触媒燃焼部６０を通過したガスと、穴部６１を介して供給される空気とは、混合板６２によってさらに混合される。すなわち、第１触媒燃焼部６０を通過したガスと、穴部６１から供給される空気とは、混合板６２に衝突しつつ、穴部６７を通過することで、さらに混合されて、空気量の多い混合ガスとなる。
【００３７】
混合板６２を通過した混合ガスは、第２触媒燃焼部６４に導かれ、これによって第２燃焼触媒部６４では、触媒燃焼が進行する。第２触媒燃焼部６４を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス出口ポート５２に排出される。燃焼ガス出口ポート５２は、燃焼ガス流路５０に接続しており、燃焼ガスは、蒸発・混合部２０に供給されて、改質燃料および水を気化・昇温させるための熱源として用いられる。
【００３８】
なお、本実施例では、燃料ガス入口ポート６５から燃焼燃料と共に供給される空気も、空気供給ポート６６から供給される空気も、ブロワ３４によって供給されることとした。このような場合には、例えば、ブロワ３４から供給される空気の流路を、燃料ガス入口ポート６５に接続する流路と、空気供給ポート６６に接続する流路とに分岐させ、分岐させた流路に流量調整弁を設けることとすればよい。ブロワ３４の駆動量と共に上記流量調整弁の開度を調節すれば、上記双方の空気量を所望量に制御することが可能となる。あるいは、双方の流路に対して、空気を供給するための別個のブロワを設けることとしてもよい。
【００３９】
アノード排ガス入口ポート５４は、アノード排ガス路４５に接続しており、アノード排ガス入口ポート５４を介して、燃焼器２８にアノード排ガスが供給される。供給されるアノード排ガスは、収納ケース６８の内壁面と、燃焼前室６３の側壁面との間の空間を導かれて、上記穴部６１から排出される。穴部６１から排出されるアノード排ガスは、第２触媒燃焼部６４において燃焼反応に供され、第２触媒燃焼部６４を通過した燃焼ガスは、上記のように蒸発・混合部２０に供給される。
【００４０】
Ｃ．起動時の動作：
既述したように、燃焼器２８に対しては、燃焼燃料として、燃焼燃料供給路６５を通過する天然ガスと、アノード排ガス路４５を通過するアノード排ガスとの両方が、供給可能となっている。本実施例の燃料電池システム１０では、その起動時には、燃焼燃料供給路６５を通過する天然ガスを燃焼器２８の燃焼燃料として用い、暖機がある程度進行した後は、アノード排ガスを燃焼器２８の燃焼燃料として用いる。
【００４１】
燃料電池システム１０の起動時には、まず、改質器２２とＣＯ低減部２４とを暖機して、上記各部で良好に触媒反応が進行するように各部を昇温させる。このような暖機を行なう際には、燃焼器２８において充分に高温の燃焼ガスを生成する必要がある。この高温の燃焼ガスを用いて、蒸発・混合部２０において改質燃料および水を昇温させて、昇温した改質燃料および水を通過させることで、下流に配設された改質器２２およびＣＯ低減部２４を昇温させる。このような起動時には、燃料電池２６からアノード排ガスが排出されないため、燃焼器２８においては、燃焼燃料として、燃焼燃料供給路６５から供給される天然ガスを用いる。
【００４２】
燃焼器２８では、起動時に燃焼燃料として天然ガスを用いる際には、燃焼燃料供給路６５から燃焼燃料と共に空気を供給すると共に、空気供給路６６からさらに空気を追加供給する。図５は、燃焼反応が進行する際の空気過剰率と、燃焼反応によって生じる燃焼ガス中のＮＯｘやＨＣやＣＯの濃度との関係を表わす説明図である。ここでは、本実施例の第１触媒燃焼部６０やバーナを用いる場合のように、火炎を伴う燃焼を行なう際の様子を表わしている。空気過剰率とは、燃焼に用いた実際の空気量と、燃焼反応に供した燃焼燃料を完全燃焼させるのに要する理論空気量との比のことをいう。図５では、所定量の燃焼燃料を燃焼させるために用いる空気量を変えたときに、燃焼ガス中のＮＯｘやＨＣやＣＯの濃度が変化する様子を表わす。所定量の燃焼燃料を燃焼させる際に用いる空気量を減らすと、機体全体の量が減るので燃焼温度（気体の平均温度）は高くなる。したがって、空気過剰率が低いほど、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度は高くなる。逆に、所定量の燃焼燃料を燃焼させる際に用いる空気量を増やすと、燃焼温度は低くなる。したがって、空気過剰率が高いほど、燃焼ガス中のＨＣ濃度およびＣＯ濃度は高くなる。
【００４３】
本実施例では、起動時に、燃焼燃料供給路６５から燃焼燃料と共に空気を供給する際には、供給する空気量は、空気過剰率が値１．８となるように制御される。図５に示すように、このような空気過剰率で第１触媒燃焼部６０において燃焼反応を行なうことで、第１触媒燃焼部６０から排出されるガス中のＮＯｘ濃度を、極めて低くすることができる。なお、このとき、第１触媒燃焼部６０から排出されるガス中には、空気過剰率に応じた所定量のＨＣおよびＣＯが含まれる。すなわち、第１触媒燃焼部６０で進行する火炎を伴う燃焼反応は、燃焼温度が高い不完全燃焼となる。
【００４４】
既述したように、第１触媒燃焼部６０から排出されるガスに対しては、空気供給路６６からさらに空気が追加供給されるが、本実施例では、追加供給される空気量は、上流側から供給した空気を含む全体の空気過剰率が値４．０となるように制御する。このように空気を追加供給することで、第１触媒燃焼部６０から排出されたガスの温度は降温されて、第２触媒燃焼部６４に供給される。
【００４５】
第２触媒燃焼部６４で進行する燃焼反応は、火炎を伴わない触媒燃焼である。このような場合には、空気過剰率を上記の値とすることで、完全燃焼が行なわれ、ガス中に残留するＨＣおよびＣＯが燃焼する。
【００４６】
本実施例の燃焼器２８において、上記のように、燃焼燃料として天然ガスを用い、第１触媒燃焼部６０における空気過剰率が値１．８、第２触媒燃焼部６４における全体的な空気過剰率が値４．０となるように空気を供給して運転したところ、７５０℃の燃焼ガスが得られた。また、この燃焼ガス中のＮＯｘ濃度、ＨＣ濃度、ＣＯ濃度は、すべて１ｐｐｍ以下であった。
【００４７】
実施例では、第１触媒燃焼部６０で燃焼反応を行なう際の空気過剰率を値１．８としたが、この値は、図５に示すように、燃焼反応で生じるガス中のＮＯｘ濃度が充分に低くなる値であればよい。また、保炎形状を有する第１触媒燃焼部６０において、火炎を伴う燃焼反応を維持可能な値であればよい。そのため、第１触媒燃焼部６０で燃焼反応を行なう際の空気過剰率の値は、１．５〜２．５とすることが望ましい。
【００４８】
また、実施例では、第２触媒燃焼部６４で燃焼反応を行なう際の空気過剰率を値４．０としたが、この値は、燃焼触媒を利用して完全燃焼を行なうことができる値であればよい。また、燃焼器２８から排出される燃焼ガスの温度が、望ましい温度となるような値であればよい。すなわち、供給する空気量を増加させるほど、排出される燃焼ガス温度は低下するため、供給空気量を調節することで、燃焼ガス温度を制御することができる。第２触媒燃焼部６４における全体的な空気過剰率の値は、３．０〜５．０とすることが望ましく、これによって６００〜９００℃の燃焼ガスが得られる。このような温度の燃焼ガスを蒸発・混合部２０に供給することで、改質燃料（天然ガス）および水からなる混合ガスを、改質反応に供するのに望ましい温度（５００〜７００℃）に昇温させることができる。
【００４９】
以上のように構成された燃焼器２８によれば、燃焼触媒を担持して保炎形状を有する第１触媒燃焼部６０を上流側に、燃焼触媒を担持するハニカムからなる第２触媒燃焼部６４を下流側に備えることで、ＮＯｘ濃度やＨＣ濃度やＣＯ濃度が極めて低い燃焼ガスを得ることができる。そのためこのような燃焼ガスを熱源として使用した後には、支障無く外部に排出することが可能となる。
【００５０】
第１触媒燃焼部６０では、保炎形状を有する燃焼触媒を用い、触媒燃焼を行なうことで、バーナでは火炎燃焼を維持することが困難な程度に空気過剰率を高くしても、火炎を伴う燃焼を維持することが可能となる。これによって、火炎を伴う燃焼でありながら、充分にＮＯｘ濃度を抑えることができる。従来のバーナによる火炎燃焼では、例えば天然ガスを燃焼燃料とするときには、空気過剰率の値は１．８〜２．０程度とすることが望ましく、空気過剰率の値が２を超えると燃焼を維持することが困難となる。そのため、ある程度燃焼燃料が薄い状態で火炎燃焼を行なう際には、通常はパイロットバーナ等が用いられる。これに対して、本実施例のように保炎形状を有する燃焼触媒を用いることで、装置を複雑化することなく、ＮＯｘ濃度を充分に低く抑えつつ、広い条件下で（供給する燃焼燃料量を変化させるときや外乱の影響を受けるときに空気過剰率が変動しても）安定して火炎を伴う燃焼を維持することが可能となる。
【００５１】
第２触媒燃焼部６４では、第１触媒燃焼部６０を通過したガスに対して空気を追加供給して全体的な空気過剰率を高くしているため、完全燃焼を行なうことができる。また、比表面積が大きく、圧損を抑えることができるハニカムを用いているため、高い効率で燃焼反応を行なうことができ、装置全体を小型化することができる。
【００５２】
このような第１触媒燃焼部６０を上流側に、第２触媒燃焼部６４を下流側に備えることで、本実施例の燃焼器２８は、天然ガス（メタン）の燃料を良好に行なうことができる。メタンのように極めて安定な燃焼しにくい燃焼燃料を触媒燃焼させようとすると、燃焼温度をより高く（例えば１０００℃以上）維持する必要がある。このような温度で触媒燃焼を行なうと、燃焼触媒の短寿命化を引き起こすという問題がある。これに対して、本実施例のように、保炎形状を有する燃焼触媒を備える第１触媒燃焼部６０を設けて燃焼時に火炎を維持することで、火炎を伴わない触媒燃焼を行なう場合に比べて、触媒温度を過剰に上昇させることなく、メタンを燃焼させることが可能となる。既述したように、第１触媒燃焼部６０で進行するメタンの燃焼反応は不完全燃焼であるため、第２触媒燃焼部６４では、充分量の空気を供給することで、容易に完全燃焼を行なうことができる。また、充分量の空気を供給することによってガスの温度が低下し、第２触媒燃焼部６４においても望ましくない程度に触媒温度が上昇してしまうことがない。
【００５３】
また、第２触媒燃焼部６４の上流側に第１触媒燃焼部６０を備えることで、本実施例の燃焼器２８は、暖機時間を短縮することができる。触媒燃焼は、バーナなどの火炎燃焼とは異なり、低い温度であっても燃焼反応が少しずつ進行することが可能である。しかしながら、充分に燃焼反応を進行させる（自立的に燃焼反応を進行させる）には、所定の温度以上に燃焼触媒を昇温させる必要がある。そのため、燃焼触媒を用いて燃焼を行なう際には、暖機時間を短縮するために、通常はヒータなどの加熱手段を設けている。本実施例の燃焼器２８では、第１触媒燃焼部６０を保炎形状とすることで、より速やかに第１触媒燃焼部６０を昇温させることができ、これによって第２触媒燃焼部６４の昇温も促されるため、他の特別な加熱手段無しで、暖機時間を短くすることができる。
【００５４】
Ｄ．暖機終了後の動作：
既述したように、本実施例の燃料電池システム１０では、暖機がある程度進行した後は、燃焼器２８で用いる燃焼燃料として、天然ガスに替えてアノード排ガスを用いる。改質器２２およびＣＯ低減部２４の内部温度が充分に昇温するまでは、水素濃度が充分に高く一酸化炭素濃度が充分に低い燃料ガスが得られないため、ＣＯ低減部２４から排出されるガスは、流路切替弁４７によって改質ガス分岐路４６に導かれ、燃料電池２６には供給されない。したがって、このような間はアノード排ガスが得られない。暖機の状態は、例えば、改質器２２およびＣＯ低減部２４に図示しない温度センサを設け、その内部温度を測定することによって判断することができる。あるいは、ＣＯ低減部２４から排出されるガスの流路（燃料ガス路４４）に水素濃度センサを設け、ガス中の水素濃度を測定することで、暖機の終了を判断することとしてもよい。
【００５５】
改質器２２およびＣＯ低減部２４の内部が所定の温度以上に昇温すると、暖機が終了したと判断して、流路切替弁４７を切り替えて、ＣＯ低減部２４から排出されるガスを燃料電池２６に供給する。それと共に、燃焼器２８で用いる燃焼燃料をアノード排ガスに切り替える。その際、既述したように、アノード排ガスは、アノード排ガス路４５を介して燃焼器２８内に供給され、第１触媒燃焼部６０を通過することなく第２触媒燃焼部６４に供給される。
【００５６】
天然ガスに替えてアノード排ガスを燃焼器２８に供給するようになると、燃焼器２８では、メタンの燃焼反応に替えて水素の燃焼反応が進行するようになる。水素は極めて燃焼速度が速い物質であり、保炎形状を有する第１触媒燃焼部６０を用いなくても、燃焼触媒を担持した第２触媒燃焼部６４において燃焼反応を維持することができる。
【００５７】
また、燃料電池２６が定常運転を行なうときには、燃料ガス中の水素の８５〜９０％程度が電気化学反応で消費され、燃焼器２８では残余の水素を燃焼させることになる。したがって、アノード排ガスを燃焼燃料として用いる場合には、燃焼燃料の薄い状態、すなわち空気過剰率が高い状態で燃焼を行なうことになる。触媒燃焼を行なう第２触媒燃焼部６４では、このように空気過剰率が高い状態でも安定して燃焼反応を維持することができる。
【００５８】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５９】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、第１触媒燃焼部６０が有する保炎形状は、集積された線状セラミックスによって形成されることとした。保炎形状としては、これに限るものではなく、燃焼反応に供されるガスの流れを乱して、火炎の保持を助けるものであればよい。また、第１触媒燃焼部６０において、燃焼触媒を担持する触媒担体は、セラミックス以外の材質によって形成することとしてもよい。実施例の第１触媒燃焼部６０を構成するセラミックスは、熱伝導度が高く、保炎形状を有する触媒担体を構成する材質として望ましいが、充分な熱伝導度および耐熱性を有し、燃焼触媒を担持可能であれば、アルミナなど他の材質を用いてもよい。
【００６０】
Ｅ２．変形例２：
また、上記実施例では、第２触媒燃焼部６４は、燃焼触媒を担持したコージェライト製のハニカムによって形成することとしたが、異なる構成としてもよい。燃焼触媒を備え、触媒燃焼を進行することができればよい。例えば、ハニカム上に燃焼触媒を担持させるのに替えて、燃焼触媒を担持するペレットを充填することとしてもよい。
【００６１】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、第１触媒燃焼部６０と第２触媒燃焼部６４との間に、図４に示した混合板６２を配設したが、異なる形状の混合板を用いることとしてもよい。第１触媒燃焼部６０を通過したガスと追加供給した空気とが充分に混合されて第２触媒燃焼部６４に供給されればよく、充分に混合されるならば混合板を配設しないこととしてもよい。あるいは、第１触媒燃焼部６０を通過したガスを攪拌するようなガスの流れを形成するように、追加供給するガスを燃焼器２８内に吐出させる等により、混合板を用いる以外の方法でガスの混合を行なうこととしても良い。
【００６２】
Ｅ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池システム１０の暖機終了時に、燃焼器２８で用いる燃焼燃料を、天然ガスからアノード排ガスに切り替えることとした。燃料電池システム１０の暖機時には、ＣＯ低減部２４から排出されるガスもまた、燃焼燃料として利用可能である。暖機終了前には、ＣＯ低減部２４から排出されるガスは、燃料電池２６に供給されることなく改質ガス分岐路４６に導かれる。改質器２２が充分に昇温するまでは、このようなガスは、水素濃度が低く未改質の改質燃料が多く含まれることになる。したがって、このようなガスを燃焼器２８で燃焼燃料として用いる場合には、天然ガスと共に燃焼燃料供給路６５から燃焼器２８内に供給すればよい。また、改質器２２がある程度昇温して、水素濃度が充分に高くなったと判断されるときには、改質ガス分岐路４６を介して供給されるガスは、アノード排ガスと同様に第１触媒燃焼部６０よりも下流側に導入されるように切り替えることとすればよい。
【００６３】
Ｅ５．変形例５：
実施例では、改質燃料および燃焼燃料として天然ガスを用いた。既述したように、天然ガス（メタン）は燃焼しにくい物質であり、本発明を適用することで、燃焼反応を効率よく進行して燃焼排ガス中の望ましくない成分の濃度を抑える効果を顕著に得ることができる。このような装置において、天然ガス以外の異なる燃料を燃焼燃料として用いることとしてもよい。そのときには、燃料電池システムにおいて、同じ種類の燃料を改質燃料として用いることが可能である。異なる燃焼燃料を用いる場合には、用いる燃焼燃料に応じて空気過剰率を調節し、第１触媒燃焼部６０ではＮＯｘの生成量を充分に抑え、第２触媒燃焼部６４では完全燃焼ができるように、燃焼状態を制御すればよい。なお、用いる燃焼燃料の種類によっては、第１触媒燃焼部６０と第２触媒燃焼部６４とにおいて、同じ空気過剰率で燃焼可能な場合も考えられる。このような場合には、空気の追加供給を行なわないこととしても良い。このような場合には、必要に応じてさらに第２触媒燃焼部６４を積極的に冷却することとしてもよい
【００６４】
Ｅ６．変形例６：
実施例では、本発明の燃焼装置を、燃料電池システムが備える燃焼器として用いることとしたが、異なるシステムに適用することとしてもよい。熱源として高温ガスを用いるシステムであれば、高温ガスを生成する燃焼装置として本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。
【図２】燃焼器２８の構成を表わす説明図である。
【図３】燃焼器２８における穴部６１の様子を表わす説明図である。
【図４】燃焼器２８における混合板６２の様子を表わす説明図である。
【図５】火炎を伴う燃焼を行なう際の空気過剰率と、燃焼ガス中の望ましくない成分の濃度との関係を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
２０…混合部
２１…混合ガス路
２２…改質器
２４…ＣＯ低減部
２６…燃料電池
２８…燃焼器
３２，３４…ブロワ
４０…燃料流路
４１…水流路
４２，４３，４９…弁
４４…燃料ガス路
４５…アノード排ガス路
４６…改質ガス分岐路
４７…流路切替弁
４８…燃焼燃料供給路
５０…燃焼ガス流路
５１…排ガス路
５２…燃焼ガス出口ポート
５４…アノード排ガス入口ポート
６０…第１触媒燃焼部
６１…穴部
６２…混合板
６３…燃焼前室
６４…第２触媒燃焼部
６５…燃料ガス入口ポート
６６…空気供給路
６７…穴部
６８…収納ケース
６９…支持板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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