(57)【要約】【課題】燃焼装置の排ガス特性の向上を行うこと。【解決手段】燃料を周囲方向に噴出するディストリビュータ９と、このディストリビュータ９を囲むように周囲から中央方向に空気を噴出する空気噴出部１０と、この空気噴出部１０の上流側に設ける空気室１８と、この空気室１８に酸素富化空気２４を供給する酸素富化ユニット２１と、この酸素富化ユニット２１に空気１１を供給する送風手段２０を備えたことにより、空気室１８に酸素富化空気１１を供給することによって、火炎１２の温度上昇させ、排ガス特性を向上することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を周囲方向に噴出するディストリビュータと、前記ディストリビュータを囲むように周囲から中央方向に空気を噴出する空気噴出部と、前記空気噴出部の上流側に設ける空気室と、前記空気室に酸素濃度を高めた空気を供給する酸素富化ユニットと、前記酸素富化ユニットに空気を供給する送風手段とを備えてなる燃焼装置。
【請求項２】
酸素富化ユニットは、酸素富化膜を使用してなる請求項１記載の燃焼装置。
【請求項３】
ディストリビュータは、炭化水素系の燃料ガスと燃料電池から排出されるオフガスを切り替えて同一のノズルから噴出してなる請求項１〜２のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項４】
酸素富化ユニットは、送風手段の吸引側に設けてなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項５】
燃焼装置の停止後に行うポストパージに酸素富化ユニットを使用しない請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項６】
炭化水素系原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成する水素生成器に搭載する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼に使用する空気の酸素を富化させて、燃焼効率や排ガス特性の向上を行う燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸素を富化させた空気を使用する燃焼装置に関する第１の従来技術としては、気化された液体燃料をノズルからバーナのスロート部に噴出するときに、そのエジェクター効果により、酸素富化モジュールで生成された酸素富化空気をバーナに供給して、火炎温度を上昇させ、排ガス特性を向上しているものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、燃焼装置に関する第２の従来技術としては、空気噴出孔を有する円筒形の空気噴出部を用い、燃料電池から排出されるオフガスと燃料ガスを空気と拡散燃焼するものであり、バーナの小型化を可能としているものがある（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０５−６６００１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０１０１９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、第１の従来技術では、エジェクター効果により、酸素富化された空気をバーナに供給するので、排気抵抗が大きな燃焼室に装着する燃焼装置には、空気量が得られないという課題があった。
【０００６】
また、気化された液体燃料に酸素富化された空気を供給して、予混合燃焼を行うので、水素燃料が主体のオフガスを燃焼させると逆火するという課題があった。
【０００７】
第２の従来技術では、低カロリーのオフガスと高カロリーの燃料ガスを混合させつつ、これに燃焼用の空気を供給して燃焼させるので、オフガスの燃焼に燃料ガスを消費してしまうという課題があった。
【０００８】
また、低カロリーのオフガスの燃焼では、空気の量により火炎温度が上昇せず、排ガス特性が向上しないという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、少ない空気量（不活性の窒素量の減少と酸素量の増加）で、火炎温度を上昇させ排ガス特性を向上しながら高カロリーの燃料ガスやオフガスの拡散燃焼を行なうことにより、逆火を防止することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃焼装置は、燃料を周囲方向に噴出するディストリビュータと、ディストリビュータを囲むように周囲から中央方向に空気を噴出する空気噴出部と、ディストリビュータと空気噴出部で囲まれる燃焼室と、空気噴出部の上流側に設ける空気室と、空気室に酸素濃度を高めた空気を供給する酸素富化ユニットと、酸素富化ユニットに空気を供給する送風手段を備えたものである。
【００１１】
空気室に酸素濃度を高めた空気を供給することによって、火炎温度上昇させ不活性の窒素による火炎冷却を防止して、排ガス特性を向上するものである。
【００１２】
また、送風手段を備えたことによって、排気抵抗の大きな燃焼室に燃焼装置を装着しても、必要な酸素量を供給できるようにするものである。
【００１３】
また、ディストリビュータを囲むように周囲から中央方向に空気を噴出することによって、逆火を防止するものである。
【００１４】
また、オフガスのみの燃焼を可能として、燃料ガスの消費の節約を行うものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、燃料を周囲方向に噴出するディストリビュータと、ディストリビュータを囲むように周囲から中央方向に空気を噴出する空気噴出部と、ディストリビュータと空気噴出部で囲まれる燃焼室と、空気噴出部の上流側に設ける空気室と、空気室に酸素濃度を高めた空気を供給する酸素富化ユニットと、酸素富化ユニットに空気を供給する送風手段を備えることにより、空気室に酸素濃度を高めた空気を供給することによって、火炎温度上昇させ不活性の窒素による火炎冷却を防止して、排ガス特性を向上するものである。
【００１６】
また、送風手段を備えたことによって、排気抵抗の大きな燃焼室に燃焼装置を装着しても、必要な酸素量を供給できるようにするものである。
【００１７】
また、ディストリビュータを囲むように周囲から中央方向に空気を噴出することによって、逆火を防止するものである。
【００１８】
また、オフガスのみの燃焼を可能として、燃料ガスの消費の節約を行うものである。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の酸素富化ユニットを、酸素富化膜を使用することにより、簡易な構成により酸素富化量を多く供給できる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１又は２記載のディストリビュータを、炭化水素系の燃料ガスと燃料電池から排出されるオフガスを切り替えて同一のノズルから噴出してなることにより、ディストリビュータの構成が簡単になり、低コストの燃焼装置を提供することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１〜３の記載の酸素富化ユニットを、送風手段の吸引側に設けることにより、酸化富化ユニットを負圧にして空気を吸引することにより、空気を酸素富化ユニットに均一に導入して、酸素の分離を促進することができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項１〜４の記載の燃焼装置において、燃焼装置の停止後に行うポストパージに酸素富化ユニットを使用しないことにより、多量の空気（本来の窒素濃度に戻して）を燃焼装置に流入させ、安全な温度まで、短時間に冷却することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項１〜５の記載の燃焼装置を、炭化水素系原料の改質反応により水素を含む改質ガスを生成する水素生成器に搭載することにより、天然ガス等の都市ガス（またはプロパン）と電池から排出されるオフガスのそれぞれに少ない空気量（窒素量の減少と酸素量の増加）で、火炎温度を上昇させ、排ガス特性と水素生成器の熱効率を向上することできる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における燃料電池装置に用いられる水素生成器の全体構成図である。
【００２６】
また、図２は、本発明の第１の実施例における燃焼装置の部分断面図である。
【００２７】
また、図３は、本発明の第１の実施例における燃焼装置を下流側から見た構造図である。
【００２８】
図１、図２において、１は、都市ガス（またはＬＰＧ）を原料として燃料電池発電装置に供給する水素を生成する水素生成器であり、２は、脱硫装置（図示なし）で処理を行った後の都市ガス（または、ＬＰＧ）と水蒸気とからなる原料ガス、３は、ニッケルもしくはルテニウムを主成分とする触媒を充填した触媒層で、この触媒層３で原料ガス２を反応させることにより、水素と二酸化炭素および一酸化炭素からなる生成ガス４を生成する。この生成反応は７００℃程度の高温で生じる吸熱反応であるため、燃焼装置５により高温の燃焼ガスを供給して原料ガス２と触媒層３を加熱している。
【００２９】
５は、燃焼装置で都市ガス（または、ＬＰＧ）６や燃料電池から排出されるオフガス（未反応水素ガス）７、または都市ガス６とオフガス７を混合して、燃料ガス８としてディストリビュータ９から噴出し、空気噴出部１０の周囲から空気１１を供給することにより、火炎１２を形成し燃焼を行なう。円管状のディストリビュータ９の先端には、燃料ガス８を噴出する複数個のノズル１３がディストリビュータ９の半径方向に設けられ、燃料ガス８を放射状に噴出する構成としている。空気噴出部１０は、複数個の空気噴出孔１４を空気噴出部１０の側面に略直角に設けている。空気噴出部１０は、ディストリビュータ９を中心として、火炎１２の出口方向に徐々に拡大するようにカップ状に燃焼室１５を形成し、燃焼用の空気１１を燃焼室１５内に供給する構成としている。空気噴出孔１４は、上下方向の配列を千鳥状に設けている。ディストリビュータ９のノズル１３は、空気噴出部１０の空気噴出孔１４の最下段に設ける空気噴出孔１６とほぼ対向する位置になるように配置している。また、空気噴出部１０の底部には複数個の下部空気噴出孔１７を設け、ディストリビュータ９の軸方向と平行方向に空気１１の一部を噴出する構成としている。
【００３０】
１８は、空気１１を供給する空気室で、空気噴出部１０の周囲を囲む形で通路を構成している。空気室１８の上流には、送風ダクト１９を介して送風手段２０が設けられている。この送風ダクト１９の途中に酸素富化ユニット２１が設けられている。この酸素富化ユニット２１は、内部の圧力室２２に設ける酸素富化膜２３を用いて、酸素富化膜２３の両面に圧力差を設けることにより、空気中の酸素を分離して濃縮し、酸素濃度を上昇させた酸素富化空気２４を生成するものである。例えば、大気の酸素濃度２１％、窒素濃度７９％を酸素濃度３２％、窒素濃度６８％の酸素富化空気に変えることが可能である。なお、酸素富化ユニット２１は、ゼオライト等の吸着による方法で酸素富化空気２４を生成することも可能である。送風手段２０は、空気１１を供給するコンプレッサー（圧縮機）や空気ポンプで構成され、制御器２５により空気１１の送風量のコントロールを行うようにしている。２６は、酸素富化ユニット２１で分離された窒素濃度が上昇した窒素富化空気２７を外部に排出する排気ダクトである。なお、排気ダクト２６の出口にコンプレッサー（圧縮機）や空気ポンプで構成される第二の送風手段を設け、強制的に窒素富化空気２７を吸引することも可能である。
【００３１】
２８は、燃焼装置５によって生じる火炎１２が触媒容器２９に直接触れることを避け、さらに燃焼ガス３０の流路を規定するための燃焼筒である。燃焼ガス３０は、触媒容器２９の周囲に沿って流れ、水素生成器１の外部に排出される。
【００３２】
３１は、着火用の電極で、耐熱性のカンタル線やエスイット線で構成している。電極３１の周囲は、絶縁用の絶縁碍子３２で被覆されている。絶縁碍子３２は、耐熱性のアルミナ、シリカ等のセラミック材で形成し、その表面は、ガラス成分からなる釉薬が塗布されている。電極３１の先端は、燃焼室１５に臨み、曲率をもって屈曲し、ディストリビュータ９のノズル１３上方の近傍に火花放電が飛ぶように、位置を決められている。電極３１の装着は、空気噴出部１０の上部に設ける燃焼筒２８の下部の一部を拡管して設ける空間３３から電極３１の先端を延長して、ディストリビュータ９のノズル１３上方の近傍に臨ませている。
【００３３】
図３において、ディストリビュータ９のみはノズル１３の位置をわかりやすくするために、ノズル１３の位置の断面を図示している。図中、中心部から周囲方向への放射状の矢印Ａはノズル１３から噴出される燃料ガス８の噴出方向を表わし、また逆に中心方向への矢印Ｂは空気噴出孔１４のうち破線Ｃで示した最下段の空気噴出孔１６から噴出される空気１１の噴出方向を表わしている。このように、本発明では燃料ガス８の噴出方向と空気１１の噴出方向が直線上に位置するように構成している。更に、本発明では下部空気噴出孔１７から噴出される空気１１が上記燃料ガス８の噴出方向の矢印Ａに交差する位置に下部空気噴出孔１７を配置している。
【００３４】
以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３５】
燃焼装置５を始動する時は、制御器２５により送風手段２０を作動し、燃焼用の空気１１を送風する。空気１１は、送風ダクト１９を通り、途中に設ける酸素富化ユニット２１の圧力室２２に流入し加圧される。空気１１は、酸素富化膜２３により酸素が膜表面に溶解し、膜内を拡散移動し、膜裏面より離脱する。膜方式であるため、相変化や熱移動を伴わないので、エネルギーを抑制することができる。
【００３６】
この結果、空気１１は、酸素濃度が上昇し、酸素富化空気２４として送風ダクト１９から空気室１８に流入し、空気噴出部１０の空気噴出孔１４から燃焼室１５に供給される。ここで、ディストリビュータ９のノズル１３から燃焼速度や流量の異なる都市ガス６（またはＬＰＧ）やオフガス７の燃料ガス８を噴出すると、このディストリビュータ９から放射状に噴出された燃料ガス８と略対向する最下段の空気噴出孔１７から供給された酸素富化空気２４とが衝突し混合する。この時、燃焼筒２８の下部の空間３３から燃焼室１５に臨ませた電極３１により、火花放電が行なわれ、燃料ガス８に着火が行なわれる。燃料ガス８は空気噴出部１０の開口部方向へ流れて行くが、空気噴出部１０の形状を図示したようにカップ状としているため燃料ガス８の流路断面積が連続的に拡大し、それによって燃料ガス８の流速が減少し、その流速が都市ガス６やオフガス７の燃焼速度と同等またはそれ以下となった場所で、部分的な予混合火炎１２を生じて燃焼する。この燃焼により水素生成器１の触媒層３を加熱していく。また、酸素富化ユニット２１の圧力室２２で分離された残りの窒素富化空気２７は、排気ダクト２６から外部に排出される。
【００３７】
以上のように、本実施例においては、空気室１８に酸素濃度を高めた酸素富化空気２４を供給することによって、不活性の窒素による火炎冷却を防止して火炎１２の温度上昇させ、排ガス特性を向上することができる。
【００３８】
また、ディストリビュータ９のノズル１３から成分の異なる燃料ガス８が噴出されても、酸化剤である酸素濃度を上昇させているので、どのような成分であっても燃焼を促進することができる。
【００３９】
また、成分の異なる燃料ガス８に対応できるので、ディストリビュータ９の構成が簡単になり、低コストの燃焼装置５を提供することができる。
【００４０】
なお、オフガス７の燃焼だけでは、熱量が不足する場合は、オフガス７に都市がス６（またはＬＰＧ等）を流入させて熱量を上昇させるが、この時も酸素富化空気２４により燃焼が促進されて、安定した火炎１２を形成することができる。
【００４１】
また、コンプレッサーや空気ポンプで構成する送風手段２０を備えたことによって、排気抵抗の大きな燃焼室１５に燃焼装置５を装着しても、必要な酸素量を供給することができる。
【００４２】
また、ディストリビュータ９を囲むように周囲から中央方向に酸素富化空気２４を噴出することによって、拡散燃焼の火炎１２を形成して、逆火を防止することができる。
【００４３】
また、オフガス７のみの燃焼を可能として、燃料ガス８の消費の節約を行うことができる。
【００４４】
また、燃料ガス８を周囲方向に噴出するディストリビュータ９と、このディストリビュータ９を囲むように周囲から中央方向に酸素富化空気２４を噴出する空気噴出部１０を設けたことにより、燃料ガス８と酸素富化空気２４の混合を促進し、火炎１２を短炎化し、燃焼装置５の小型化を行うことができる。
【００４５】
また、水素生成器１を冷却する要素となる窒素の少ない酸素富化空気２４により、少ない空気量で燃焼が可能となり、水素生成器１の放熱損失を防止して改質反応を向上することができる。
【００４６】
また、本実施例の燃焼装置５を用いた水素生成器１は、発電負荷が変動した際にも安定した火炎１２を形成して、所定の水素量を生成でき燃料電池発電装置の安定した運転を可能とすることができる。
【００４７】
また、都市ガス（またはＬＰＧ）６やオフガス７のそれぞれに適した火炎１２を形成し、火炎１２の温度も上昇できるので、気温の変化や送風手段２０のばらつきによる空気量変動に対応して良好な燃焼を維持できるようにして、燃焼装置５の使い勝手を向上することができる。
【００４８】
また、燃料ガス８と酸素富化空気２４の混合気に燃焼室１５に臨ませた電極３１により着火が行なわれるので、酸素濃度の増加により確実な着火を行なうことができる。
【００４９】
（実施例２）
図４は、本発明の第２の実施例の燃焼装置を示す断面図である。図４において、実施例１と異なるところは、酸素富化ユニット２１は、送風手段２０の吸引側に設ける点である。
【００５０】
以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。
【００５１】
燃焼装置５を始動する時は、制御器２５により送風手段２０を作動し、送風手段２０の上流に設ける酸素富化ユニット２１の内部を負圧にして燃焼用の空気１１を吸引する。空気１１は、酸素富化ユニット２１の圧力室２２に流入し、酸素富化膜２３により酸素が膜表面に溶解し、膜内を拡散移動し、膜裏面より離脱する。この結果、空気１１は、酸素濃度が上昇し、酸素富化空気２４として送風ダクト１９から空気室１８に流入し、空気噴出部１０の空気噴出孔１４から燃焼室１５に供給される。
【００５２】
以上のように、本実施例においては、送風手段２０により酸化富化ユニット２１を負圧にして空気１１を吸引することにより、空気１１を酸素富化膜２３に均一に導入して、酸素の分離を促進することができる。
【００５３】
また、空気１１を吸引する構成により、新鮮な空気１１を圧力室２２に容易に取り込むことができ、構成を簡素化することができる。
【００５４】
（実施例３）
図５は、本発明の第３の実施例の燃焼装置を示す断面図である。図５において、実施例１と異なるところは、３４は冷却ダクト、３５はダンパをソレノイドやカムで作動させる開閉装置で、燃焼装置５の停止後に行うポストパージに酸素富化ユニット２１を使用しない点である。
【００５５】
以上のように構成された燃焼装置について、以下その動作、作用について説明する。
【００５６】
燃焼装置５を停止した後に、制御器２５により送風手段２０を作動し、空気噴出部１０に空気１１を供給し、燃焼装置５やその下流に配置される構造物の冷却を行なう。この時、燃焼装置を短時間で安全な温度に低下させるために、多量の空気１１を必要とするので、酸素富化ユニット２１の送風ダクト１９とは異なる経路の冷却ダクト３４に空気１１を流入させている。冷却ダクト３４は、送風抵抗が少なく多量の空気を供給するようにしている。また、冷却ダクト３４の下流に通路の開閉装置３５を設け、制御器２５の指示により、ポストパージのときに開閉装置３５を開き空気１１が酸素富化ユニット２１に回らないようにして、空気１１を空気室１８に供給するようにしている。
【００５７】
以上のように、本実施例においては、多量の空気１１を燃焼装置５に流入させ、安全な温度まで、短時間に冷却することができ、短時間に燃焼室５に対流する可燃物を排出し、着火時の異常燃焼を防止することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、空気室に酸素富化空気を供給することによって、火炎温度上昇させ不活性の窒素による火炎冷却を防止して、排ガス特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における燃焼装置を含む水素生成器の構成図
【図２】同装置における燃焼装置の断面図
【図３】同装置における燃焼装置を下流側から見た構造図
【図４】本発明の実施例２における燃焼装置の断面図
【図５】本発明の実施例３における燃焼装置の断面図
【符号の説明】
９  ディストリビュータ
１０  空気噴出部
１８  空気室
２０  送風手段
２１  酸素富化ユニット
２３  酸素富化膜
【図１】
2005036990.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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