(57)【要約】【課題】  燃焼性を改善した燃料改質器用燃焼器の提供。【解決手段】（１）中央に液体燃料を噴射するインジェクタ１４を設け、その外周に燃焼用エアをスワール状に供給する燃焼用エア供給口１６を設けた燃料改質器用燃焼器１０。（２）インジェクタ１４の下流にヒータ２６が設けられており、ヒータ２６とインジェクタ１４との距離をＬEH、燃焼用エアのスワール距離をＬSW、スワール数をＳN としたときに、ＬSWをＬEHより小、ＳN を０．６以上とした。（３）インジェクタ１４の外周に、さらに、改質後の余剰水素をスワール状に供給する余剰水素供給口１７を設けた。（４）燃焼用エアと余剰水素をインジェクタ１４の中心に対してオフセットして供給するようにした。（５）燃焼用エア供給口１６前面に固定の旋回翼２５を設けた。（６）余剰水素を燃焼用エア供給口１６より外周側で供給するようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質器用の燃焼器であって、中央に液体燃料を噴射するインジェクタを設け、その外周に燃焼用エアをスワール状に供給する燃焼用エア供給口を設けた燃料改質器用燃焼器。
【請求項２】
前記インジェクタの下流にヒータが設けられており、該ヒータと前記インジェクタとの距離をＬEH、前記燃焼用エアのスワール距離をＬSW、スワール数をＳN としたときに、ＬSWをＬEHより小、ＳN を０．６以上とした請求項１記載の燃料改質器用燃焼器。
【請求項３】
中央に設けた液体燃料を噴射するインジェクタの外周に、さらに、改質後の余剰水素をスワール状に供給する余剰水素供給口を設けた請求項１記載の燃料改質器用燃焼器。
【請求項４】
前記燃焼用エアと前記改質後の余剰水素を前記インジェクタの中心に対してオフセットして供給するようにした請求項３記載の燃料改質器用燃焼器。
【請求項５】
前記燃焼用エアと前記改質後の余剰水素をスワール状に供給するため、前記燃焼用エア供給口前面に固定の旋回翼を設けた請求項３記載の燃料改質器用燃焼器。
【請求項６】
前記改質後の余剰水素を前記燃焼用エア供給口より外周側で供給するようにした請求項３記載の燃料改質器用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用に水素を他燃料から改質し作成する改質器の、燃料を加熱するための燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００２−２８００４２号公報は、燃料、燃焼用エア、燃料電池のアノードオフガスを混合、燃焼させる燃料改質器用燃焼器を開示している。
しかし、供給流体に旋回を付与することなく供給しているので、供給流体同士の混合が悪く、燃焼性が悪い。また、供給流体同士を十分に混合させるためには、供給流体供給口の下流側に燃焼器軸方向に十分な距離をとらねばならず、燃焼器のサイズが軸方向に大きくなる、コストアップを招く、車両への搭載性が悪くなるという問題があった。
【特許文献１】特開２００２−２８００４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明が解決しようとする課題は、燃料改質器用燃焼器における流体同士の混合が悪いことによる燃焼性の低下である。
【０００４】
本発明の目的は、流体同士の混合を良くして燃焼性を改善した燃料改質器用燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する本発明は、また、上記目的を達成する本発明は、つぎのとおりである。
（１）燃料改質器用の燃焼器であって、中央に液体燃料を噴射するインジェクタを設け、その外周に燃焼用エアをスワール状に供給する燃焼用エア供給口を設けた燃料改質器用燃焼器。
（２）前記インジェクタの下流にヒータが設けられており、該ヒータと前記インジェクタとの距離をＬEH、前記燃焼用エアのスワール距離をＬSW、スワール数をＳN としたときに、ＬSWをＬEHより小、ＳN を０．６以上とした（１）記載の燃料改質器用燃焼器。
（３）中央に設けた液体燃料を噴射するインジェクタの外周に、さらに、改質後の余剰水素をスワール状に供給する余剰水素供給口を設けた（１）記載の燃料改質器用燃焼器。
（４）前記燃焼用エアと前記改質後の余剰水素を前記インジェクタの中心に対してオフセットして供給するようにした（３）記載の燃料改質器用燃焼器。
（５）前記燃焼用エアと前記改質後の余剰水素をスワール状に供給するため、前記燃焼用エア供給口前面に固定の旋回翼を設けた（３）記載の燃料改質器用燃焼器。
（６）前記改質後の余剰水素を前記燃焼用エア供給口より外周側で供給するようにした（３）記載の燃料改質器用燃焼器。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の燃料改質器用燃焼器によれば、中央に液体燃料を噴射するインジェクタを設け、その外周に燃焼用エアをスワール状に供給するので、重い液体燃料が旋回の遠心力によって軽い燃焼用エアと内外周がいれ替わるときに交錯して互いに混合し、燃焼性が改善される。また、旋回によって混合に必要な距離が燃焼器の軸方向に短縮し、燃焼器のサイズが小さくなる。
上記（２）の燃料改質器用燃焼器によれば、ＬSWをＬEHより小、ＳN を０．６以上としたので、ヒータからの上流側への逆火と、逆火によるインジェクタの損傷を防止することができる。
上記（３）の燃料改質器用燃焼器によれば、中央に液体燃料を噴射するインジェクタを設け、それより外周に余剰水素をスワール状に供給するので、重い液体燃料が旋回の遠心力によって軽い余剰水素と内外周がいれ替わるときに交錯して互いに混合し、燃焼性が改善される。
上記（４）の燃料改質器用燃焼器によれば、燃焼用エアと改質後の余剰水素をインジェクタの中心に対してオフセットして供給するようにしたので、燃焼用エアと改質後の余剰水素は旋回し、旋回翼がなくても流体が良好に混合する。旋回翼があれば、さらに良好に混合する。
上記（５）の燃料改質器用燃焼器によれば、燃焼用エア供給口前面に固定の旋回翼を設けたので、燃焼用エアに旋回を生じさせることができ、それにつれて余剰水素の流れにも旋回を生じさせることができる。旋回翼はプレートに切り起こしをプレスにて形成するだけで容易に作成できるので、コスト的に有利である。
上記（６）の燃料改質器用燃焼器によれば、余剰水素を燃焼用エア供給口より外周側で供給するようにしたので、重い燃焼用エアが旋回の遠心力によって軽い余剰水素と内外周がいれ替わるときに交錯して互いに混合し、燃焼性が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の燃料改質器用燃焼器を、図１〜図９（ただし、図９は比較例で本発明に含まず）を参照して説明する。
本発明の燃料改質器用燃焼器１０は、燃料電池（以下、ＦＣともいう）用に水素を他燃料から改質し作成する改質器の、燃料（たとえば、液体燃料、メタノール等）を加熱するための燃焼器（燃焼気化部）である。
図１に示すように、燃料改質器用燃焼器１０は、中央に液体燃料（たとえば、メタノール）１１を噴霧する液体燃料供給口１５を有するインジェクタ１４を備え、その外周に燃焼用エア１２をスワール状に供給する燃焼用エア供給口１６を有する。
インジェクタ１４は、インジェクタホルダ１８によって支持され、固定されている。
【０００８】
液体燃料１１は、インジェクタ１４の後方から供給されてインジェクタ１４の前方（ヒータ２６が位置している側）に微粒化されて噴霧される。２７は、液体燃料を微粒化するためのエアを供給するための微粒化用エア供給管である。
常温の燃焼用エア１２は、燃焼用エア供給管２２からインナーケース２１とセンターケース２０との間に供給され、そこから燃焼用エア供給口１６を通してインジェクタ前方空間にスワール状に吐出される。スワールは、たとえば、燃焼用エア供給口１６に固定の旋回翼２５を設けることによって、生成される。インジェクタ前方空間で、スワール状に流れる燃焼用エア１２と、微粒化された液体燃料１１とが混合され、その下流に位置するヒータ（電気ヒータＥＨ、または触媒付き電気ヒータＥＨＣ）２６に流れ、そこで着火されて燃焼する。
【０００９】
燃料改質器用燃焼器１０は、インジェクタ１４の外周に、さらに、改質後の余剰水素１３（たとえば、ＦＣのアノードオフガス）をスワール状に供給する余剰水素供給口１７を備えていてもよい。ただし、余剰水素１３は供給しなくてもよい。余剰水素供給口１７を有する場合、余剰水素供給口１７を燃焼用エア供給口１６より外周側に設けて、余剰水素１３を燃焼用エア１２の外周側で供給することが望ましい。
ただし、余剰水素１３は、インジェクタ１４より外周側であれば、燃焼用エア１２の内周側で供給してもよく、その場合も本発明に含む。
【００１０】
図２、図３に示すように、インジェクタ１４の下流に設けたヒータ２６とインジェクタ１４の上流側面との距離をＬEH、燃焼用エア１２のスワール距離をＬSW、スワール数をＳN としたときに、ＬSWをＬEHより小、ＳN を０．６以上としてある。これは、ヒータ２６からインジェクタ１４への逆火が起こらないようにするための条件である。
【００１１】
旋回翼２５を用いてスワールを発生させた場合、図３におけるＬ方向（燃焼器１０軸方向）に逆流の流れ（ヒータからインジェクタ側への流れ）が発生する。この逆流が発生する点から翼付け根面までがスワール距離ＬSWである。Ｌ方向で、翼付け根面からスワール距離ＬSW以下では逆流となり、、翼付け根面からスワール距離ＬSW以上では正流となる。この際、着火源であるヒータ２６まで距離ＬEHがＬSW＞ＬEHであると、ヒータ２６の中央部が逆流となり、ヒータ２６における混合ガスの着火、燃焼の火炎がインジェクタ１４側に向かい、いわゆる逆火するおそれがあるので、ＬSW＜ＬEHとする必要がある。
ＬSWは、スワール数ＳN とスワール径ＤSW、ハブ径Ｄhub によって決まり、
ＬSW＝（ＬSW2 −Ｄhub 2 ）0.5 ／（0.35＋1.4 ＳN ）            −eq.1
ここでスワール数ＳN は、旋回翼角度θを用いて、
ＳN ＝１．５・tan θ・｛１−（Ｄhub ／ＤSW）3 ｝／｛１−（Ｄhub ／ＤSW）2 ｝                                                                  −eq.2
となる。旋回翼角度θが大きくなるとスワール数ＳN が大きくなり、その結果、スワール距離が小さくなる。スワール数が０．４以下では逆流が起きないことが実験で確かめられており、理想的には、０．６以上必要である。ただし、スワール数をあまり大きくすると、たとえば３程度以上にすると、スワール部での圧力損失が大きくなるので、全体効率との背反を考慮してスワール数を決定することが望ましい。
【００１２】
燃焼用エア供給口１６とヒータ２６との間の空間にスワール（旋回流）を形成する複数の方法のひとつの方法として、図７、図８に示すように、燃焼用エア１２と改質後の余剰水素１３を、または燃焼用エア１２を、インジェクタ１４の中心に対してオフセットして供給する方法がある。
図７では、燃焼用エア供給管２２、オフガス供給管（余剰水素供給管）２３がインジェクタ１４の中心に対してオフセットしており（Ｓはオフセット量を示す）、燃焼用エアをインナーケース２１とセンターケース２０との間の環状空間に接線方向に投入し燃焼用エア供給口１６からスワール状に吐出すると共に、余剰水素ををアウターケース１９とセンターケース２０との間の環状空間に接線方向に投入し余剰水素供給口１７からスワール状に吐出する。
このエアと余剰水素の接線方向投入は、以下に述べる旋回翼２５によるスワール生成と併用されてもよいし（図示例は併用した場合を示す）、あるいは接線方向投入単独で用いられてもよい。接線方向投入単独で用いられる場合は、旋回翼２５による圧力損失がない分圧損を低減することができる。
【００１３】
図９（比較例）に示すように対向する一対のガス供給管からインジェクタ１４の中心に対してオフセットしないでガスを供給すると、投入ガスが環状空間で逆向きに衝突し、衝突部Ｃで圧力が上がるとともに、軸方向噴出の下流側への速度分布が不均一になり、ヒータ部での発熱分布が乱れ、改質性能の悪化を招く。しかし、本発明では、ガス供給管（燃焼用エア供給管２２、余剰水素供給管２３）が複数あっても、センターケース２０とインナーケース２１との間の環状空間の接線方向に同じ方向に投入するので、衝突部が生じず、改質性能が良好で、かつ、安定している。
【００１４】
また、図８に示すように、燃焼用エア供給管２２をインジェクタ軸方向に対して角度α傾けて投入することにより、図８のように旋回翼がなくても燃焼用エア供給口の下流にスワールを生成することが可能であることが試験により確認された。この場合、軸方向投入角αは旋回翼の角度θにほぼ等しい。燃焼用エア供給管２２の軸方向投入角αを変えることにより、スワール距離をコントロールすることができる。軸方向投入角θがインジェクタ軸方向に近づくほどスワール距離は大となる。
【００１５】
燃焼用エア供給口１６とヒータ２６との間の空間にスワール（旋回流）を形成する複数の方法のもうひとつの方法として、図１から図６までに示すように、燃焼用エアと改質後の余剰水素をスワール状に供給するため、燃焼用エア供給口１６前面に、または燃焼用エア供給口１６と余剰水素供給口１７の両方の前面に、固定の旋回翼２５を設ける方法がある。
１７の両方のガス吐出側に、プレート２４を設けるとともに、プレート２４に周方向に切り起こされた固定の旋回翼２５を形成する。ガスは、旋回翼２５の切り起こしによって形成された孔２８を通過し旋回翼２５で旋回成分を付与されて吐出され、燃焼用エア供給口１６とヒータ２６との間の空間にスワール（旋回流）を生成する。スワールによって、噴霧燃料とエア、エアとオフガスとの接触距離が伸びるとともに、遠心力により重い成分と軽い成分とが内外入れ替わる時に流れが交錯するので、混合が促進され、ヒータ２６に到達し良好な燃焼が得られる。
【００１６】
図４に示すように旋回翼２５は同じ方向に切り起こす。プレスにて切り起こすことにより、１回のプレスストロークで全旋回翼２５を容易にかつ効率よく形成することができる。
図５は、旋回翼２５の切り起こし角度を図４と変えたものを示す。プレス型の翼部形成部の角度を変えることにより容易に角度を設定することができる。
図６は旋回翼２５の形状を図４、図５のものから変えたものを示している。図６のものは旋回翼２５が孔２８のほぼ全域を覆っているので、翼２５に当たらないで吹き抜けるエアが少なく、より強力なスワールを生成するすることができる。
【００１７】
つぎに、本発明の作用、効果を説明する。
中央に液体燃料を噴霧するインジェクタ１４を設け、インジェクタ１４の外周で燃焼用エア１２をスワール状に、燃焼用エア供給口１６とヒータ２６との間の空間に、供給するので、重い液体燃料が旋回の遠心力によって軽い燃焼用エアと内外周がいれ替わるときに交錯して、噴霧状液体燃料と燃焼用エアとが互いに混合し、また、噴霧状液体燃料と燃焼用エアとの接触距離もストレート流の場合に比べて伸び、噴霧状液体燃料と燃焼用エアとの混合が促進され、ヒータ２６での燃焼性が改善される。
また、スワールによって流線が伸びるので、スワールがなく軸方向にストレートに流れる場合に比べて、噴霧状液体燃料と燃焼用エアとの混合に必要な距離が燃焼器軸方向に短縮し、燃焼器のサイズが軸方向に小さくなる。これによって、燃焼器のコストダウンがはかられ、車両への搭載にも有利となる。
【００１８】
また、図２、図３に示すように、燃焼用エア１２のスワールの、ＬSWをＬEHより小、ＳN を０．６以上としたので、ヒータ２６では流れは正流となっており、ヒータ２６からの上流側への逆火と、逆火による、インジェクタ１４の樹脂製部分とＯリング部分の損傷を防止することができる。
【００１９】
また、中央に液体燃料を噴霧するインジェクタ１４を設け、インジェクタ１４より外周側で余剰水素１３をスワール状に、燃焼用エア供給口１６とヒータ２６との間の空間に、供給するので、重い液体燃料が旋回の遠心力によって軽い余剰水素と内外周が入れ替わるときに互いに混合し、燃焼性が改善される。
【００２０】
燃焼用エア１２と改質後の余剰水素１３をインジェクタ１４の中心に対して半径方向にオフセットして接線方向に供給するようにした場合は、、旋回翼２５がなくても燃焼用エアと改質後の余剰水素は旋回し、良好に混合する。旋回翼２５を併用すれば、旋回翼２５による旋回効果も加わって、さらに良好に混合する。
【００２１】
燃焼用エア供給口１６の前面に固定の旋回翼２５を設けた場合には、旋回翼２５によって燃焼用エア１２に旋回を生じさせることができ、それにつれて余剰水素１３の流れにも旋回を生じさせることができる。旋回翼２５はプレート２４に切り起こしをプレスにて形成するだけで容易に作成できるので、コスト的に有利である。旋回翼２５によるスワール生成の場合、切り起こし角度を変えることによってスワール距離を変えることができるので、逆火防止コントロールが容易である。
【００２２】
余剰水素１３を供給する場合で、かつ、余剰水素１３を燃焼用エア供給口より外周側で供給するようにした場合は、水素に比べて重い燃焼用エア１２が旋回の遠心力によって軽い余剰水素１３と内外周が入れ替わるときに互いに交錯して混合が促進され、ヒータ２６での燃焼性が改善される。
以上からわかるように、スワールの形成によって、混合の促進と装置のコンパクト化がはかられ、スワールはガスのオフセット投入や、旋回翼の形成によって容易に得られ、逆火も防止できるので、本発明は、燃料改質器用燃焼器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の燃料改質器用燃焼器の断面図である。
【図２】本発明の燃料改質器用燃焼器の、ヒータも示した断面図である。
【図３】図２の燃料改質器用燃焼器の、旋回翼角度θなどの各パラメータも示した断面図である。
【図４】本発明の燃料改質器用燃焼器の、旋回翼を形成したプレートの斜視図である。
【図５】本発明の燃料改質器用燃焼器の、旋回翼（図４の旋回翼とは角度が異なる）を形成したプレートの斜視図である。
【図６】本発明の燃料改質器用燃焼器の、旋回翼（図４の旋回翼とは形状が異なる）を形成したプレートの斜視図である。
【図７】本発明の燃料改質器用燃焼器で、燃焼エア供給管と余剰水素供給管がインジェクタ中心に対してオフセットしている場合の、正面図である。
【図８】本発明の燃料改質器用燃焼器で、燃焼エア供給管がインジェクタ軸方向に傾斜しており、かつ、旋回翼がない場合の、断面図である。
【図９】比較例の燃料改質器用燃焼器で、燃焼エア供給管がインジェクタ中心に向けて一対設けられている場合の、環状空間の正面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  燃料改質器用燃焼器
１１  液体燃料
１２  燃焼用エア
１３  余剰水素
１４  インジェクタ
１５  液体燃料供給口
１６  燃焼用エア供給口
１７  余剰水素供給口
１８  インジェクタホルダ
１９  アウターケース
２０  センターケース
２１  インナーケース
２２  燃焼用エア供給管
２３  余剰水素供給管
２４  プレート
２５  旋回翼
２６  ヒータ
２７  微粒化用エア供給管
２８  孔
【図１】
2005056636.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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【図６】
2005056636.tif 000008
【図７】
2005056636.tif 000009
【図８】
2005056636.tif 000010
【図９】
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