(57)【要約】【課題】  熱面によって液体燃料を気化させるバーナにおいて、良好なメンテナンス性の確保、省スペース化、コンパクト化を図る。省スペース化、コンパクト化可能な改質器を提供する。【解決手段】  液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して燃焼させるバーナにおいて、酸素含有ガス導入口が設けられた、下端に開口を有するケーシング；ケーシング内に液体燃料を流下させるノズル；ケーシング内に設けられた、流下された液体燃料を気化する加熱面を有する。このバーナの開口又はその下流にバーナマットを備え、バーナマット下流に水素極オフガスを供給するノズルを備える改質器用バーナ。水素製造用原料を改質して改質ガスを得る改質器であって、液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して燃焼させて改質反応用の熱を供給する改質器用バーナを備える改質器において、改質器用バーナが、上記バーナである。【選択図】  図１
2005180812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して燃焼させるバーナにおいて、
酸素含有ガス導入口が設けられた、下端に開口を有するケーシング；
該ケーシング内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズル；および
該ケーシング内に設けられた、該流下された液体燃料を気化するための加熱面
を有する気化器を備えることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記液体燃料ノズルは略鉛直下方に向けて設けられ、
前記加熱面は該液体燃料ノズルの下方に、略水平に設けられ、
該加熱面とケーシングとの間に空隙が設けられて、気化した燃料が前記開口に到達可能とされた請求項１記載のバーナ。
【請求項３】
気化した液体燃料と酸素含有ガスとの混合ガスが流れる流路が、１回以上４回以下方向転換されている請求項１または２記載のバーナ。
【請求項４】
さらに、前記開口を覆う位置または該開口の下方に、該開口から導出される気化された液体燃料を燃焼させるためのバーナマットを備える請求項１〜３のいずれか一項記載のバーナ。
【請求項５】
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４記載のバーナ。
【請求項６】
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４または５記載のバーナ。
【請求項７】
燃焼量が８．１ｋＷ以下である請求項１〜６のいずれか一項記載のバーナ。
【請求項８】
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、液体燃料を気化し酸素含有ガスと混合して燃焼させて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、
酸素含有ガス導入口が設けられた、下端に開口を有するケーシング；
該ケーシング内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズル；および
該ケーシング内に設けられた、該流下された液体燃料を気化するための加熱面
を有する気化器を備え、
前記開口を覆う位置または該開口の下方に、該開口から導出される気化された液体燃料を燃焼させるためのバーナマットを備え、
該バーナマットの下流に燃料電池の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９】
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であって、液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して燃焼させて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る改質器において、
該改質器用バーナが、
酸素含有ガス導入口が設けられた、下端に開口を有するケーシング；
該ケーシング内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズル；および
該ケーシング内に設けられた、該流下された液体燃料を気化するための加熱面
を有する気化器を備えることを特徴とする改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は灯油等の液体燃料を気化して燃焼させるバーナに関する。特には、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。また、本発明は、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、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。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、水素極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】
このように、液体燃料用小型バーナにおいては、液体燃料の流量が小さいため、噴霧による液体燃料の安定供給は困難である。このため、先端が細くなった管（ノズル）から液体燃料を流下させて供給する。液体燃料はノズル先端から鉛直下方に落下するため、カップ様の容器を用いる従来の気化器においては、ノズル先端の鉛直下方に気化器壁面（加熱面）が設けられる。このため、気化器の開口部は鉛直上向きあるいは横（水平）向きとなり、従って、火炎の形成方向も上向きあるいは横向きに限定される。
【０００５】
例えば燃料電池システム内の改質装置に火炎が上向きに形成されるバーナが設けられる場合、火炎形成のための空間が上部に必要なため、通例改質装置の最下部にバーナが配置される。バーナは取り外すなどしてメンテナンスを行う必要があるが、このように下部にバーナが取り付けられていると、メンテナンスのための空間を確保することが難しく、また、メンテナンス空間の確保を優先すると、通常運転時には無駄となる空間が生じ、装置が大きくなってしまう。火炎方向が横向きである場合も同様である。
【０００６】
本発明は、熱面によって液体燃料を気化させるバーナにおいて、良好なメンテナンス性を確保しつつ、省スペース化、コンパクト化を図ることを目的とする。
【０００７】
本発明の別の目的は、バーナのメンテナンス性が良好で、省スペース化、コンパクト化が可能な改質器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明により、液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して燃焼させるバーナにおいて、
酸素含有ガス導入口が設けられた、下端に開口を有するケーシング；
該ケーシング内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズル；および
該ケーシング内に設けられた、該流下された液体燃料を気化するための加熱面
を有する気化器を備えることを特徴とするバーナが提供される。
【０００９】
上記バーナにおいて、前記液体燃料ノズルは略鉛直下方に向けて設けられ、
前記加熱面は該液体燃料ノズルの下方に、略水平に設けられ、
該加熱面とケーシングとの間に空隙が設けられて、気化した燃料が前記開口に到達可能とされたことが好ましい。
【００１０】
上記バーナにおいて、気化した液体燃料と酸素含有ガスとの混合ガスが流れる流路が、１回以上４回以下方向転換されていることが好ましい。
【００１１】
上記バーナにおいて、さらに、前記開口を覆う位置または該開口の下方に、該開口から導出される気化された液体燃料を燃焼させるためのバーナマットを備えることが好ましい。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
上記バーナにおいて、燃焼量が８．１ｋＷ以下であることが好ましい。
【００１５】
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、液体燃料を気化し酸素含有ガスと混合して燃焼させて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、
酸素含有ガス導入口が設けられた、下端に開口を有するケーシング；
該ケーシング内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズル；および
該ケーシング内に設けられた、該流下された液体燃料を気化するための加熱面
を有する気化器を備え、
前記開口を覆う位置または該開口の下方に、該開口から導出される気化された液体燃料を燃焼させるためのバーナマットを備え、
該バーナマットの下流に燃料電池の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。
【００１６】
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であって、液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して燃焼させて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る改質器において、
該改質器用バーナが、
酸素含有ガス導入口が設けられた、下端に開口を有するケーシング；
該ケーシング内に液体燃料を流下させるための液体燃料ノズル；および
該ケーシング内に設けられた、該流下された液体燃料を気化するための加熱面
を有する気化器を備えることを特徴とする改質器が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、加熱面によって液体燃料を気化させるバーナにおいて、火炎を鉛直下方に形成できるため、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、従って、特にメンテナンス用のスペースを設けずとも、改質装置などの上方から容易にバーナにアクセス可能である。このようにメンテナンス性とコンパクト化を両立し得るバーナが得られ、バーナを備える装置あるいはその設置スペースも含めてコンパクト化を図ることができる。家庭用給湯用あるいは暖房用機器など、また特には燃料電池システムにおいて、コンパクトさは重要なファクターであり、本発明のバーナはこのような機器において好適に用いることができる。
【００１８】
また、このようなバーナを備える本発明の改質器は、メンテナンス性が良好であり、かつ、省スペース化、コンパクト化が可能であり、水素製造装置や燃料電池システムに好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
図１に本発明のバーナに用いられる気化器の一形態を示す。気化器ケーシング２は外形が鉛直方向の中心軸を有する筒状であり、上面に空気導入口４を有し、下端に開口３を有する。外部から液体燃料を供給できるように空気導入口を通じて液体燃料ノズル１が略鉛直下方に向けて設けられる。気化器ケーシング内には、液体燃料ノズルの下方に、加熱面５が略水平に設けられる。加熱面は、気化器ケーシングと一体とされ、気化器ケーシングに埋め込まれた電気ヒータ６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。
【００２３】
液体燃料ノズルから流下された液体燃料は、加熱面５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、液体燃料を、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流量をこの範囲に調節した上で液体燃料ノズルに供給すればよい。
【００２４】
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。
【００２５】
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導入口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、円柱状の空気導入口の中心軸と液体燃料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。
【００２６】
加熱面は敵下された液体燃料が均一に拡散するため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くい。
【００２７】
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。
【００２８】
加熱面は気化器ケーシングと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気化器ケーシングに溶接などにより接合して形成することもできる。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。
【００２９】
加熱面を有する部材、および気化器ケーシングの材料などは、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。
【００３０】
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。
【００３１】
燃焼用空気は、空気導入口４から鉛直下方に導入され、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、気化器ケーシング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ケーシングの側壁との間の空隙７を通過する。混合気の流路は、気化器ケーシング内壁の凸部８によって９０°方向転換し、さらに気化器ケーシングの側壁によって開口３に向けて９０°方向を変える。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。図１中の白抜き矢印は、混合気流路の方向転換の様子を示すものである。
【００３２】
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。
【００３３】
なお、燃焼用空気導入口４が気化器ケーシング上面に設けられ、ここから燃焼用空気が下方に向かって供給され、加熱面が略水平方向に形成されていれば、加熱面の上方において混合気が形成されはじめ、この混合気が加熱面に衝突することによって混合気流路は一回方向転換されることになる。さらに、加熱面と気化器ケーシングとの間の空隙を混合気が通過して開口３に至る構造になっていれば、さらに少なくとも一回方向転換が行われる。
【００３４】
なお、電気ヒータは、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、気化器ケーシング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。
【００３５】
開口３から導出される可燃性混合ガスは、イグナイター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ため、火炎も鉛直下方に向けて形成される。このため、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、バーナが機器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るため、機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。
【００３６】
混合ガスの導出方向を鉛直下方に整えるために、流路の開口３に直接向かう部分の長さを調節したり、整流器を設けたりすることができる。
【００３７】
燃焼安定性向上のために、開口３の下流側に保炎器を設けることもできる。
【００３８】
また、バーナマットを用いて上記可燃性混合ガスを燃焼させると、燃焼量が小さくても燃焼安定性に優れるため好ましい。
【００３９】
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。また、パンチングプレートを用いることもできる。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。
【００４０】
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、機器が必要とする燃焼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。
【００４１】
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。
【００４２】
本発明のバーナを、燃料電池システム内の改質器に装着する場合、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、バーナマットの下流に水素極オフガスを供給して燃焼させることが好ましい。水素極オフガスに着火後は、液体燃料、燃焼用空気および水素極オフガスの全てを供給し、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。例えば燃料電池システムの起動時には液体燃料を気化して燃焼させ、発電開始後は液体燃料の使用を減らして混焼したり、あるいは、液体燃料供給を停止して水素極オフガスのみを燃焼させることができる。
【００４３】
このような用途に好適な燃料改質用バーナの形態を図２に示す。このバーナの基本構成は図１に示したものと同様である。ただし、気化器ケーシング２下端の開口を覆う位置にバーナマット１３が配置される。また、水素極オフガスは水素極オフガス入口１８から供給され、後述する二次空気の流路の外側に設けられた環状断面の流路を通過し、水素極オフガスノズル１８ａからバーナマットの下流（火炎保持面側）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１９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。図２では、開口を覆う位置にバーナマットを気化器ケーシングに接して設けている。しかし、開口３の下方にバーナマットを設けることもできる。例えば、気化器ケーシング開口とバーナマットとの間に、混合気の流路を形成するための中空筒状の部材である延長筒を配置し、開口３を出たガスが、延長筒を通って、バーナマットに達するような構成でもよい。バーナマットは火炎が下方を向いて形成できるように略水平に設け、バーナマット上面から混合気が供給されるようにする。このように延長筒を設けることで、火炎と気化器（特には加熱面）との距離を容易に調整でき、加熱面の温度制御が容易になる場合もある。
【００４４】
また、バーナマットの上流側には、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整流器１２が設けられる。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。
【００４５】
バーナマット下流側には、鉛直方向に延出した円筒状の保炎リング１４が設けられる。保炎リングは、火炎安定性向上効果を有する。たとえば、水素極オフガスや後述する二次空気が直接バーナマットの火炎に吹き付けられ、火炎が吹き飛ぶといった現象を防止できる。さらに、保炎リングは気化器ケーシングに接して設けられているため、火炎によって保炎リングが熱せられ、その熱が気化器ケーシングに伝導して気化器ケーシングを加熱するという機能も有する。このため、保炎リングの大きさは必要とされる熱回収量によって大きさが決められる。
【００４６】
バーナマットは整流器と保炎リングに挟まれることになる。
【００４７】
燃焼用空気は燃焼用空気供給管入口１６から導入されて空気導入口４から気化器ケーシング内に供給される。これとは別に、二次空気が二次空気入口１７から導入され、気化器ケーシングの外側に設けられた環状断面の流路を通って、二次空気ノズル１７ａからバーナマットの下流に供給され、完全燃焼を促進させる。
【００４８】
熱電対１１は、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ためのものである。
【００４９】
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６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供給管入口１６および二次空気入口１７から供給し、加熱面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１から液体燃料を流下させるとともにイグナイター１９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１８に供給することができる。
【００５０】
〔改質器〕
図３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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、コンパクト化の観点からは、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
〔燃料電池システム〕
この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４に示す。燃料電池システムは、バーナ１０１、バーナ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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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】
【００６２】
本発明のバーナは液体燃料を燃焼する場合において広く用いることができる。特に、省スペース性、コンパクト性に優れ、例えば、家庭用の給湯器や暖房器具に好適に利用でき、また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好適に利用できる。
【００６３】
本発明の改質器用バーナは、省スペース性等に加えて水素極オフガスを効率的に利用可能であり、上記のような燃料電池システムに備わる改質器に好適に適用できる。
【００６４】
本発明の改質器は、省スペース性、コンパクト性に優れ、上記のような燃料電池システムにおいて好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のバーナの一例を示す模式図であり、（ａ）は垂直断面図、（ｂ）はＡ−Ａ’矢視図である。
【図２】本発明のバーナの別の例を示す部分断面図である。
【図３】本発明のバーナを装着した改質器を示す模式図である。
【図４】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】
【００６６】
１    液体燃料ノズル
２    気化器ケーシング
３    気化器ケーシングの開口
４    空気導入口
５    加熱面
６    電気ヒータ
７    加熱面と気化器ケーシング側壁との間の空隙
８    気化器ケーシング凸部
１１    熱電対
１２    整流器
１３    バーナマット
１４    保炎リング
１６    燃焼用空気供給管入口
１７    二次空気入口
１７ａ  二次空気ノズル
１８    水素極オフガス入口
１８ａ  水素極オフガスノズル
１９    イグナイター
１０１    バーナ
１０２    改質器
１０２ａ  改質反応管
１０３    燃料電池
１０３ａ  水素極
１０３ｃ  空気極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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