(57)【要約】      （修正有）【課題】  システムの複雑化及びコストや質量の増加を招くことが無く、着火性及び燃焼性能を向上させることのできるガス燃焼装置を提供する。【解決手段】  円筒形状をなす燃焼器８に、カソードオフガスを内部に流入させる酸化剤流入部９と、アノードオフガスを内部に噴出させる燃料噴出部１０と、流入されたカソードオフガスおよびアノードオフガスとを混合させる混合部１１と、混合部１１で混合されたカソードオフガスおよびアノードオフガスを燃焼させる燃焼部１２とを形成してなるガス燃焼装置において、混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１が一致しており、且つ、これら混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１に対して酸化剤流入部９の開口部９ａにおける断面中心位置Ｃ２をずらした。【選択図】      図３
2005158283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状をなす燃焼器に、酸化剤を内部に流入させる酸化剤流入部と、燃料を内部に噴出させる燃料噴出部と、流入された酸化剤と噴出された燃料とを混合させる混合部と、混合部で混合された酸化剤及び燃料を燃焼させる燃焼部とを形成してなるガス燃焼装置において、
前記混合部及び前記燃焼部の断面中心位置が一致しており、且つ、これら混合部及び燃焼部の断面中心位置に対して前記酸化剤流入部の開口部における断面中心位置をずらした
ことを特徴とするガス燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス燃焼装置であって、
前記酸化剤流入部の開口部における断面中心位置を、前記混合部及び前記燃焼部の断面中心位置よりも鉛直下方側にずらして設けた
ことを特徴とするガス燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス燃焼装置に関し、詳細には、酸化剤に含まれる水分に影響されることなく該酸化剤と燃料の混合気を効率良く燃焼させるための燃焼性能向上技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスには水分が多く含まれることから、このカソードオフガスを触媒燃焼器に流入させる前に、加熱器に導入してオフガス中の水分を気化させる技術が知られている（特許文献１など参照）。
【特許文献１】特開２００２−１９８０７６号公報（第３頁〜第５頁、第１図および第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、間欠的にオフガスが排出される場合、熱交換が不可能となったり、熱交換しても燃焼器に入る前の配管内で冷やされて凝縮し、触媒表面を水分が覆い触媒反応が妨げられ、アノードオフガスが未燃焼のまま排出される恐れがあった。
【０００４】
また、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、加熱器を設置することにより、システムが複雑化し、コストや質量の増加にもつながる。また、この燃料電池システムでは、加熱器によってオフガスの圧損が増加するためシステム効率が低下する恐れがある。
【０００５】
そこで、本発明は、システムの複雑化及びコストや質量の増加を招くことが無く、着火性及び燃焼性能を向上させることのできるガス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】
【０００６】
本発明のガス燃焼装置は、円筒形状をなす燃焼器に、酸化剤流入部と、燃料噴出部と、酸化剤と燃料とを混合させる混合部と、混合された酸化剤及び燃料を燃焼させる燃焼部とを形成している。そして、本発明では、混合部及び燃焼部の断面中心位置を一致させ、且つ、これら混合部及び燃焼部の断面中心位置に対して酸化剤流入部の開口部における断面中心位置をずらした構成とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のガス燃焼装置によれば、混合部及び燃焼部の断面中心位置に対して酸化剤流入部の開口部における断面中心位置をずらしているので、これらが同一位置上にある時に対して、酸化剤に含まれる水分（液水）と燃料とを分離させることができる。したがって、液水濃度分布と燃料ガス濃度分布が異なることから、低液水濃度でかつ高燃料濃度の部分を核として、着火性および燃焼性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
［燃料電池システム全体の構成］
先ず、燃料電池システム全体の構成について簡単に説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図、図２は車両の床下に燃料電池システムを搭載した例を示す図である。
【００１０】
この燃料電池システムでは、図１に示すように、例えば従来公知の空気供給システムであるコンプレッサー１によって外部空気が供給され、その供給された外部空気がやはり従来公知の空気加湿技術を用いた加湿器２にて加湿される。
【００１１】
加湿された空気は、燃料電池スタック（ＦＣスタック）３のカソード側に供給され、発電に用いられた後にカソードオフガスとしてＦＣスタック３より排出される。排出されたカソードオフガスは、従来公知の除湿技術を用いた除湿器４にて除湿された後にガス燃焼装置５へと供給され、アノードオフガスと燃焼後に排気配管よりシステム外に排出される。
【００１２】
なお、カソードオフガスは、除湿器４にて完全に除湿しきれないため、配管内で水分が凝縮して燃焼に悪影響を及ぼすことから、後述するガス燃焼装置５に本発明の技術を用いることによってこの問題を解決する。
【００１３】
一方、燃料を水素とした場合、水素は、図示を省略する水素供給源よりＦＣスタック３のアノードイン側に供給される。この他、炭化水素を燃料とした場合、改質器等水素リッチな改質ガスを供給するシステムより、同様にこの改質ガスがＦＣスタック３のアノードイン側に供給される。
【００１４】
そして、ＦＣスタック３より発電に使用されなかったガスは、水素循環システムに供給され、再度アノードインガスとしてＦＣスタック３へ供給される。または、このＦＣスタック３で発電に使用されなかったガスは、アノードオフガスとしてガス燃焼装置５に供給され、燃焼処理後システムより排出される。
【００１５】
車両等に搭載される場合、このように構成された燃料電池システム６は、図２に示すように、車両７の乗車部床下に配置される。このとき、ガス燃焼装置５は、車両進行方向に対して横向きに設置するようにする。このガス燃焼装置５の配置方向に関しては、後述するものとする。
【００１６】
［ガス燃焼装置の構成］
次に、本実施の形態のガス燃焼装置５について図面を参照しながら詳細に説明する。ガス燃焼装置５は、図１、図３および図４に示すように、円筒形状をなす燃焼器８に、酸化剤（酸素）を内部に流入させる酸化剤流入部９と、燃料（水素）を内部に噴出させる燃料噴出部１０と、流入された酸化剤と噴出された燃料とを混合させる混合部１１と、混合部１１で混合された酸化剤及び燃料を燃焼させる燃焼部１２とを形成してなる。
【００１７】
なお、酸化剤流入部９の前方には、除湿器４よりガス燃焼装置５へと流入させるカソードオフガスの流量制御及び燃焼器８に流入したカソードオフガスとアノードオフガスの混合状態を制御するための可変角度弁である開閉弁１３が設けられている。
【００１８】
燃焼器８は、燃焼温度・圧力に耐えられる材質、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などから形成され、所定の大きさとされた円筒形状として形成されている。また、この燃焼器８は、燃焼システムとして要求されるガス流量・発熱量などの要求を満足できる設計になれば、その他の形状、材質などとしてもよい。
【００１９】
酸化剤流入部９は、円錐の先端側の一部を切断してなる円筒形として形成されている。この酸化剤流入部９は、開閉弁１３と接続される開口端から後端側に亘ってその開口径を次第に大きくする円筒体とされている。具体的には、酸化剤流入部９は、酸化剤流入部９の開口部９ａにおける開口径を直径５ｃｍとし、後端部９ｂにおける開口径を直径７ｃｍとしたときに、それら直径５ｃｍの円と直径７ｃｍの円を直線で繋いだ形状としている。
【００２０】
なお、酸化剤流入部９を除いた部分の燃焼器８の形状は、酸化剤流入部９の後端部９ｂでの開口径と同じ直径とされた円筒形状とされている。この燃焼器８は、酸化剤流入部９の後端部９ｂから排気管と接続される燃焼器後端部８ａまでの間は、同一の直径とされた円筒体とされている。
【００２１】
燃料噴出部１０は、アノードオフガスを燃焼器８内に噴出する部分であり、アノードオフガス配管に接続された燃料噴出パイプ１４などから構成されている。そして、この燃料噴出部１０は、その燃料噴出パイプ１４の先端側部を燃焼器８内に突出させ、その先端側部に形成した燃料噴出孔からアノードオフガスを噴出させる。この燃料噴出部１０は、例えば先端に穴の空いている１／４インチのステンレスパイプからなる配管とされ、そのパイプ周面にアノードオフガスを噴出する燃料噴出孔を有している。この燃料噴出孔は、パイプ周面の中心に一箇所でもよく、または、円周方向に複数箇所設けてもよい。
【００２２】
アノードオフガスを燃焼器８内に噴出させる燃料供給経路としては、ガス燃焼装置５の上流から導入したり、燃料供給部の流れに対して直角に導入したり、燃料供給部の下流側から導入しても良い。ただし、下流側から導入する場合、導入管による混合気形成への影響および燃焼部１２から発生する熱による導入管および燃料への影響を考慮した設計を行なう必要がある。
【００２３】
混合部１１は、アノードオフガスとカソードオフガスを混合させて混合気を形成する部分であり、燃料噴出部１０の排気方向下流側に位置して設けられている。この混合部１１には、例えば空間を設ける、スワラー、複数枚の多孔板などの従来公知のガス混合技術を用いて作製することが可能である。
【００２４】
燃焼部１２は、混合部１１で混合されたアノードオフガスとカソードオフガスによる混合気を燃焼させる部分であり、混合部１１の後方（下流）に位置して設けられている。燃焼部１２は、例えばグロープラグ、スパークプラグなどの従来公知の着火源と、フレームホルダー、フレームスタビライザーなどの従来公知の炎安定化技術を有する気層燃焼の場を設計することが可能である。また、この燃焼部１２には、触媒を用いて触媒燃焼を行なうことも可能である。触媒には、メタルハニカムやセラミックハニカム等の担体に白金等の貴金属を丹治した、従来公知の触媒技術を用いることができる。
【００２５】
開閉弁１３は、除湿器４よりガス燃焼装置５へと流入させるカソードオフガスの流量を制御すると共に、燃焼器８に流入したカソードオフガスとアノードオフガスの混合状態を制御するために使用される。この開閉弁１３は、その弁の角度を任意の角度で自由に回動自在とされており、その弁角度を調整することでカソードオフガスの流量制御と混合気の混合状態を制御する。なお、この開閉弁１３には、例えばバタフライバルブ、ボールバルブなどのバルブの角度を制御可能な従来公知の技術が採用される。
【００２６】
そして特に、本実施の形態のガス燃焼装置５においては、図３（ｂ）に示すように、混合部１１及び燃料噴出部１０の断面中心位置Ｃ１が一致しており、且つ、これら混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１に対して前記酸化剤流入部９の開口部９ａにおける断面中心位置Ｃ２をずらしている。図３（ｂ）は、カソードオフガスの流れ方向である上流側に設けられた開閉弁１３から下流側を見たときの酸化剤流入部９の開口部９ａにおける開口断面と、混合部１１および燃焼部１２の開口断面をそれぞれ重ね合わせた図である。
【００２７】
本実施の形態では、酸化剤流入部９の開口部９ａにおける断面中心位置Ｃ２を、混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１よりも車両の下方側であって、図３（ｂ）において左側にオフセットさせている。具体的には、酸化剤流入部９の断面中心位置Ｃ２を、混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１に対して１ｃｍ下方左へずらしている。また、本実施の形態では、図３（ｂ）に示すように、混合部１１および燃焼部１２の断面円形部分の中に、酸化剤流入部９の断面円形部分が入るようにしている。
【００２８】
［本実施の形態による作用・効果］
このように、酸化剤流入部９の開口部９ａにおける断面中心位置Ｃ２を、混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１に対してオフセットさせているので、凝縮水および燃料の濃度分布を表す図４からわかるように、燃焼部１２では、燃料濃度は全体的に一定となるのに対して、液水濃度は濃度が薄いリーン部と濃度が濃いリッチ部とに分かれる。
【００２９】
つまり、このガス燃焼装置５では、酸化剤流入部９の断面中心位置Ｃ２を混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１に対してオフセットさせたことによって、酸化剤流入部９の入口から流入した水分を含むカソードオフガスは、図４の破線Ｘで示すようにそのまま入口から出口へとほぼ直進する。この液水濃度のリッチ部は、水分を多く含むため着火し難いが、それ以外の部分は水分の量が少ないため着火可能である。したがって、一部に着火し難い領域があっても全体として着火し易い領域が多く存在するため、水素と酸素の混合気を効率良く燃焼させることができる。つまり、このガス燃焼装置５によれば、低液水濃度且つ高燃料濃度の部分を核として、着火性および燃焼性能を向上できる。
【００３０】
本実施の形態においては、断面中心位置Ｃ１に対して下方左へオフセットさせているが断面中心位置Ｃ１に対して左右方向、もしくは、鉛直下方、下方右へのオフセットにおいても同様の効果が得られる。
【００３１】
また、本実施の形態では、酸化剤流入部９の開口部９ａにおける断面中心位置Ｃ２を、混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１よりも車両下方側へオフセットさせているので、重力を液水に対する篩い代わりに利用することができる。ガス燃焼装置５内の凝縮水に作用する挙動を図５に示す。
【００３２】
凝縮水（液水）は、上流からの圧力、下方向への重力加速度、各地点での凝縮水と周辺ガスの速度差による粘性力を受ける（式１）。
【００３３】
Δv x m = -g +ΔPAc + τAs  ・・・式１
但し、v=凝縮水速度、g=重力加速度、P=ガス圧力、Ac=凝縮水断面積、τ=粘性応力、As=凝縮水表面積とする。
【００３４】
式２で表されるストークス（Stokes）数（液水の空力反応の時定数（aerodynamic response time of droplet）対ガス全体としての流れる時定数（time scale of continuous phase）の比率）が大きな（＞＞１）凝縮水においては、τAの影響を無視できる（液水の自らの慣性によってガス流中を移動する）ことが従来より公知となっている。
【００３５】
ストークス（Stokes）数＝（ρｄ２／１８μ）／（Ｄ／Ｕ）  ・・・式２
但し、ρ=水の密度、d=水粒径、μ=水の粘度、D=燃焼器内径、U=平均気体流速とする。
【００３６】
したがって、凝縮水は、基本的には圧力差ΔPを原動力に上流→下流へと流され、また重力によって下方へ加速され、さらにガス流の乱流成分にはほとんど影響されない。これにより、ガス燃焼装置５内へと流入する凝縮水は、システム圧力および自己の慣性エネルギーによって、酸化剤流入部９からまっすぐに燃焼部１２へと移動する。ただし、重力の影響を受けるため、凝縮水は、酸化剤流入部９より下方に移動することがある。
【００３７】
なお、酸化剤流入部９の開口部９ａにおける断面中心位置Ｃ２を、混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１よりも上方にオフセットさせると、凝縮水が重力の影響を受けて燃焼中心部へ移動し、燃焼を妨げる可能性がある。しかし、酸化剤流入部９の断面中心位置Ｃ２を、混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１よりも下方にオフセットさせることによって、凝縮水は上方の燃焼中心部へ行かずに下方壁面に付着し、燃焼の妨げとはならない。
【００３８】
また、本実施の形態では、燃焼部１２を触媒としていることから、安全に混合気を燃焼させることができ、且つ低燃料濃度(燃焼/爆発下減以下)および高流速においても気層燃焼よりも安定して燃焼可能となる。
【００３９】
上記したように、ストークス（Stokes）数が十分に大きな（＞＞１）凝縮水はガス流に影響されないが、Stokes数が１前後の凝縮水になると、凝縮水はガス流に発生する大規模乱流渦に乗り渦の外側へと弾かれる。凝縮水流動に対する大規模乱流渦の影響のStokes数比較イメージを図６に示す。
【００４０】
これを防止するため、酸化剤流入部９の前方に設置した開閉弁１３の弁角度を制御することにより、以下の効果（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）が得られる。
【００４１】
（Ａ）大粒（Stokes数＞＞１）な凝縮水が多い場合は、開閉弁１３の弁角度を酸化剤流れに沿って(全開)制御すれば、開閉弁１３の影響を流れに与えずに、前記したように高液水濃度部分と燃焼部分とに分けることができ、着火性および燃焼性能を向上させることができる。
【００４２】
（Ｂ）Stokes数が１程度の凝縮水が多い場合は、開閉弁１３の弁角度を酸化剤の流れに対して角度を持たせて制御することにより、弁下流のガス流に大規模乱流渦を発生させ、その発生した渦により液水を燃焼部１２の内壁面方向へ飛散させることによって、着火性および燃焼効率を改善させることができる。また、混合気の燃料濃度分布をより均一することが可能となる。
【００４３】
（Ｃ）小粒（Stokes数＜＜１）な凝縮水が多い場合は、乱流を発生させすぎると、凝縮水も燃焼部１２に均一に分布されてしまう恐れがある。そこで、開閉弁１３の弁角度を酸化剤流れに沿って(全開)制御すれば、開閉弁１３の影響を流れに与えずに、凝縮水を燃焼中心部より下方の燃焼部壁面に付着させることができ、付着させた水滴を蒸発させて燃焼の妨げを防止できる。
【００４４】
以上のことから、ガス燃焼装置上流の運転条件によって発生する凝縮水の直径分布を求めれば、凝縮水直径分布毎に応じて上記（Ａ）・（Ｂ）・（Ｃ）の制御を効率的に行なうことが可能となる。また、燃焼部１２で不均一な燃料濃度分布になるガス燃焼装置５を設計した場合、運転条件に応じて開閉弁１３の弁角度を制御することにより、開閉弁１３を流れに沿って（全開）制御すれば燃料濃度分布を不均一とでき、また、このガス燃焼装置上流の運転条件によって発生する凝縮水の開閉弁１３を流れに対して弁角度を付けて制御すれば、燃料濃度分布を均一に制御することが可能となる。
【００４５】
また、本実施の形態の燃料電池システムにおいては、カソードオフガスおよびアノードオフガスを簡素的かつ効率的に処理できるため、排出未燃ガスを削減させることができる。また、ガス燃焼装置５の下流に熱交換器などを設置することにより、燃焼熱の有効利用によって燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることも可能となる。
【００４６】
また、燃料電池を動力源とする車両７において、混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１を酸化剤流入部９の開口部９ａにおける断面中心位置Ｃ２に対して、車両進行方向前側、真上または斜め前上側にオフセットさせることにより、下記（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）なる効果が得られる。
【００４７】
（Ｄ）上方向にオフセットした場合、凝縮水を燃焼中心部より下方の燃焼部壁面に付着させることができ、燃焼の妨げを阻止することができる。
【００４８】
（Ｅ）車両進行方向前側にオフセットした場合、図２に示すように、ガス燃焼装置５内の凝縮水に加減速Ｇがかかる。加速Ｇがかかると凝縮水は車両進行方向に対して後方へ、減速Ｇがかかると凝縮水は車両進行方向に対して前方へのＧがかかる。燃料電池車両において、加速時にはＦＣスタック３より排出されるカソードオフガス流量は出力増加と共に増え、カソードオフガス流量と共に凝縮水流量も増える。凝縮水量が増加すると着火・燃焼性能が低下するため、加速により凝縮水が車両後方へのＧがかかった時に後方側壁へ凝縮水を導くことにより、燃焼部１２への液水の流入を削減・防止できる。
【００４９】
（Ｆ）斜め前上側にオフセットさせた場合、前記２方向両方の効果が合さった効果が得られる。
【００５０】
［その他の実施の形態］
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【００５１】
例えば、図７に示すように、酸化剤流入部９の断面中心位置Ｃ２と、開閉弁１３の断面中心位置Ｃ３を一致させると共に、これら断面中心位置Ｃ２、Ｃ３と混合部１１および燃焼部１２の断面中心位置Ｃ１とをオフセットさせ、且つ、燃焼器８内に流入する凝縮水の直径分布に応じて、凝縮水のストークス（Stokes）数が大きい又は小さい時は開閉弁１３を流れに沿う方向に開き、凝縮水のストークス（Stokes）数が１に近いときには開閉弁１３を流れに対して角度を付けるように制御する。このようにすることで、前記した（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）なる効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】車両の床下に燃料電池システムを搭載した例を示す図である。
【図３】ガス燃焼装置の構成図である。
【図４】凝縮水および燃料の濃度分布を示す図である。
【図５】ガス燃焼装置内の凝縮水に作用する挙動を示す図である。
【図６】凝縮水流動に対する大規模乱流渦の影響のストークス（Stokes）数比較イメージを示す図である。
【図７】その他の実施形態におけるガス燃焼装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
５…ガス燃焼装置
６…燃料電池システム
７…車両
８…燃焼器
９…酸化剤流入部
１０…燃料噴出部
１１…混合部
１２…燃焼部
１３…開閉弁
【図１】
2005158283.tif 000003
【図２】
2005158283.tif 000004
【図３】
2005158283.tif 000005
【図４】
2005158283.tif 000006
【図５】
2005158283.tif 000007
【図６】
2005158283.tif 000008
【図７】
2005158283.tif 000009