(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを噴出させる第１噴出孔を有する第１ノズル管と、
前記燃料ガスに対する燃焼用酸素含有ガスを噴出させる第２噴出孔を有する第２ノズル管とを、互いに並設して備え、
単数の前記第１噴出孔に対して、前記第２ノズル管の管軸方向に沿って単数の前記第１噴出孔の位置を挟んで並設された２つの前記第２噴出孔が対応付けられ、
前記第２噴出孔のガス噴出方向が、前記第１ノズル管の外径に対して接し、且つ前記対応付けられた前記第１噴出孔のガス噴出直後領域に向う方向に設定されているバーナ。
【請求項２】
前記対応付けられた前記第１噴出孔と前記第２噴出孔において、
前記第１噴出孔のガス噴出方向と、前記第２噴出孔のガス噴出方向とが、鋭角に交差するように設定されている請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記第１ノズル管と前記第２ノズル管とが、同一径の管材から構成され、
前記第２噴出孔のガス噴出方向が、前記第１ノズル管の管軸と前記第２ノズル管の管軸とを含む平面に対して３０°の角度をなす方向に設定されている請求項１又は２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記第１噴出孔のガス噴出方向が、前記第１ノズル管の管軸と前記第２ノズル管の管軸とを含む平面に対して９０°の角度をなす方向に設定されている請求項１から３の何れか１項に記載のバーナ。
【請求項５】
前記燃料ガスが水素含有ガスである請求項１から４の何れか１項に記載のバーナ。
【請求項６】
原燃料ガスの改質処理により燃料電池に供給される水素含有ガスを生成するための改質処理部の加熱用として設けられ、
前記燃料電池から排出される水素含有ガスが前記第１ノズル管に供給されるように構成されている請求項５に記載のバーナ。
【請求項７】
前記第２ノズル管に、前記酸素含有ガスとして、前記燃料ガスよりも燃焼速度が小さい第２燃料ガスと酸素とを含む混合ガスを供給自在に構成されている請求項１から６の何れか１項に記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、原燃料ガスの改質処理により燃料電池に供給される水素含有ガスを生成するための改質部の加熱用として設けられるバーナなど、各種工業分野で利用され、燃料ガスを二次燃焼用空気（燃焼用酸素含有ガスの一例）により燃焼させる先混合式のバーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のバーナは、中央の噴出孔から燃焼用空気又は燃料ガスを噴出し、周囲の噴出孔から燃料ガス又は燃焼用空気を旋回流として噴出させることで両者を先混合させて燃焼させるようにしたものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術によるときは、燃焼用空気又は燃料ガスを旋回流として噴出させることで、旋回流としない場合と比較して、燃焼用空気及び燃料ガスの混合性を若干高めることができるものの、実質的には燃焼用空気と燃料ガスとが接触するだけであるから、高い混合性を得ることが困難であり、排ガス中に未燃成分が残るなど、燃焼面で改善の余地があった。又、燃焼空間が偏平状である場合には、燃焼用空気又は燃料ガスを旋回流とすることは困難である。
【０００４】
本発明の目的は、上記の事情に鑑みて、燃焼性に優れたバーナを提供する点にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係るバーナは、請求項１に記載したごとく、燃料ガスを噴出させる第１噴出孔を有する第１ノズル管と、
前記燃料ガスに対する燃焼用酸素含有ガスを噴出させる第２噴出孔を有する第２ノズル管とを、互いに並設して備え、
単数の前記第１噴出孔に対して、前記第２ノズル管の管軸方向に沿って単数の前記第１噴出孔の位置を挟んで互いに近接して並設された２つの前記第２噴出孔が対応付けられ、
前記第２噴出孔のガス噴出方向が、前記第１ノズル管の外径に対して接し、且つ前記対応付けられた前記第１噴出孔のガス噴出直後領域に向う方向に設定されていることを特徴とする。
【０００６】
〔作用効果〕
本構成のバーナによれば、単数の第１噴出孔から噴出される燃料ガスに対して、第２ノズル管の管軸方向において単数の第１噴出孔の位置を挟む状態で近接並設された２つの第２噴出孔から、燃料ガスが噴出されるガス噴出領域に向って燃焼用空気を噴出させることができるので、第１噴出孔から噴出された燃料ガスは、その両側を挟む状態で２つの第２噴出孔から噴出された燃焼用空気と良好に混合して燃焼することができ、簡単な構成で未燃成分の発生を抑制することができる。
さらに、優れた燃焼性を実現するべく、第２噴出孔による燃焼用空気の噴出方向を、第１噴出孔のガス噴出領域に向う方向に設定するために、第２ノズル管の第２噴出孔のガス噴出方向を、第２ノズル管に並設された第１ノズル管の外径に対して接する方向に設定することで、第２噴出孔から噴出された燃焼用空気は、第１ノズル管の外径に沿って、上記ガス噴出直後領域における比較的第１噴出孔に近い場所に達することになり、良好に分散が抑制された燃料ガスに確実に燃焼用空気を供給することができ、未燃成分等を一層抑制することができる。
【０００７】
従って、本構成のバーナは、噴出孔のガス噴出方向を工夫するといった簡単な構成により、燃焼性を優れたものにすることができ、さらに、互いに並設された一対の管で構成することにより、偏平状の燃焼空間を実現することができる。
【０００８】
〔構成２〕
本発明に係るバーナは、請求項２に記載したごとく、上記構成１のバーナの構成に加えて、前記対応付けられた前記第１噴出孔と前記第２噴出孔において、
前記第１噴出孔のガス噴出方向と、前記第２噴出孔のガス噴出方向とが、鋭角に交差するように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
〔作用効果〕
本構成のバーナによれば、第１噴出孔による燃料ガスの噴出方向と第２噴出孔による燃焼用空気の噴出方向とが鋭角に交差するように設定されているので、燃料ガスの噴出方向と燃焼用空気の噴出方向との夫々の噴出方向上における方向成分が対向せずに同じ方向となるので、燃料ガスが燃焼用空気に対向して衝突することで、燃焼ガスが燃焼する前に分散され未燃成分が多く発生されてしまうことを抑制することができる。
【００１０】
また、第２噴出孔による燃焼用空気の噴出方向が、燃料ガスの分散が抑制された第１噴出孔のガス噴出直後領域、言換えれば第１噴出孔の直上付近の領域に向う方向であるので、燃料ガスの多くを確実に燃焼用空気と混合させることができ、未燃成分を一層抑制することができる。
【００１１】
従って、本構成のバーナは、噴出孔のガス噴出方向を工夫するといった簡単な構成により、燃焼性を優れたものにすることができ、さらに、互いに並設された一対の管で構成することにより、偏平状の燃焼空間を実現することができる。
【００１２】
〔構成３〕
本発明に係るバーナは、請求項３に記載したごとく、上記構成１又は２のバーナの構成に加えて、前記第１ノズル管と前記第２ノズル管とが、同一径の管材から構成され、
前記第２噴出孔のガス噴出方向が、前記第１ノズル管の管軸と前記第２ノズル管の管軸とを含む平面に対して３０°の角度をなす方向に設定されていることを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
本構成のバーナによれば、第１ノズル管と第２ノズル管とが同一径の管材から構成されている場合には、第２噴出孔のガス噴出方向を上記平面に対して３０°の角度をなすものとすることで、第２噴出孔のガス噴出方向が、第１ノズル管の外径に接するものとなる。
【００１４】
〔構成４〕
本発明に係るバーナは、請求項４に記載したごとく、上記構成１から３の何れかのバーナの構成に加えて、前記第１噴出孔のガス噴出方向が、前記第１ノズル管の管軸と前記第２ノズル管の管軸とを含む平面に対して９０°の角度をなす方向に設定されていることを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
本構成のバーナによれば、優れた燃焼性を実現するべく、第１噴出孔による燃料ガスの噴出方向を、その燃料ガスの燃焼用空気を噴出させる第２噴出孔から離間する方向に設定するに、第１噴出孔のガス噴出方向を、上記平面に対して９０℃の角度をなす方向に設定することができ、簡単な構成で優れた燃焼性を実現することができる。
【００１６】
〔構成５〕
本発明に係るバーナは、請求項５に記載したごとく、上記構成１から４の何れかのバーナの構成に加えて、前記燃料ガスが水素含有ガスであることを特徴とする。
【００１７】
〔構成６〕
本発明に係るバーナは、請求項６に記載したごとく、上記構成５のバーナの構成に加えて、原燃料ガスの改質処理により燃料電池に供給される水素含有ガスを生成するための改質処理部の加熱用として設けられ、
前記燃料電池から排出される水素含有ガスが前記第１ノズル管に供給されるように構成されていることを特徴とする。
【００１８】
〔作用効果〕
本構成のバーナによれば、第１噴出孔から噴出された燃料ガスを他の第２噴出孔から噴出された燃焼用空気により先混合して良好に燃焼させることができるので、燃料ガスが燃焼速度が大きい水素を含む水素含有ガスであっても、逆火の発生を防止することができる。そして、このように水素含有ガスを良好な燃焼性で燃焼させることができるバーナは、燃料電池から排出される排燃料ガスとしての水素含有ガスを良好且つ安全に燃焼させることができるので、燃焼電池に水素含有ガスを供給するための改質処理部の加熱用として有効に利用することができる。
【００１９】
〔構成７〕
本発明に係るバーナは、請求項７に記載したごとく、上記構成１から６の何れかのバーナの構成に加えて、前記第２ノズル管に、前記酸素含有ガスとして、前記燃料ガスよりも燃焼速度が小さい第２燃料ガスと酸素とを含む混合ガスを供給自在に構成されていることを特徴とする。
【００２０】
〔作用効果〕
本構成のバーナによれば、第１ノズル管に供給する燃焼用空気として、その燃焼用空気と第２燃料ガスとの混合ガスを供給することができるので、先混合式で燃焼させる水素含有ガス等の燃料ガスの他に、その燃料ガスよりも燃焼速度が小さい炭化水素等の第２燃料ガスを元混合式で燃焼させることができる。
特に、燃料電池に水素含有ガスを供給する改質部加熱用として本構成のバーナを設ける場合には、起動運転時又はその他の時に、燃料電池から排出される水素含有ガスの量が少なくなることがあるが、このような場合には、改質部に供給される原燃料としての炭化水素等を第２燃料としてバーナで燃焼させ、改質部の温度を所定の温度に維持することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明に係るバーナの実施の形態を説明する。
尚、以下の実施形態においては、本発明に係るバーナ４ｂは、詳細については後述するが、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガス（水素含有ガスの一例）が排燃料ガス路２４を介して供給され、その排燃料ガスを燃焼させて改質処理部３を加熱するためのものであり、改質処理部３は、燃料電池Ｇに供給する水素リッチな燃料ガスを生成する水素含有ガス生成装置Ｐに設けられている。
【００２２】
水素含有ガス生成装置Ｐには改質装置Ａが設けられ、改質装置Ａは、原燃料を改質処理する改質部Ｒ及び改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部Ｓを備えて構成され、水素含有ガス生成装置Ｐは、改質装置Ａに加えて、改質部Ｒにて改質処理された改質処理ガスに含まれる一酸化炭素ガスを低減するように処理する変成処理部５及び選択酸化処理部６を備えて、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな燃料ガスを生成するように構成されている。
【００２３】
図１に示すように、水素含有ガス生成装置Ｐは、脱硫処理部１、水蒸気生成部Ｓ、改質部Ｒ、変成処理部５、及び、選択酸化処理部６を備えて構成されている。
脱硫処理部１は天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理するように構成され、水蒸気生成部Ｓは改質処理用の水蒸気を生成するように構成され、変成処理部５は、後述の改質部Ｒから排出された改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理するように構成され、選択酸化処理部６は変成処理部５から排出された変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスを選択的に酸化するように構成されている。
【００２４】
また、改質部Ｒは燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスの燃焼熱により、脱硫処理部１で脱硫処理された原燃料ガスを水蒸気生成部Ｓで生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスに改質処理するように構成されている。
さらに、改質部Ｒは、改質触媒が通気自在に充填されると共に、被改質ガス（脱硫原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを改質処理する改質処理部３と、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスを燃焼させて改質処理部３を加熱する燃焼部４とを備えて構成してある。
【００２５】
水蒸気生成部Ｓは、改質部Ｒの燃焼部４から排出された燃焼ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通流部１１と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流部１１による加熱にて蒸発させる蒸発処理部２とから構成してある。
【００２６】
燃焼部４は、排燃料ガスを火炎を形成する状態で燃焼させる有炎燃焼部４Ｆと、その有炎燃焼部４Ｆに対して、その有炎燃焼部４Ｆの火炎形成方向下手側に配置されて、有炎燃焼部４Ｆにて燃焼しなかった排燃料ガスを燃焼触媒４ｃにて燃焼させる触媒燃焼部４Ｃを備えて構成されている。
【００２７】
図２ないし図４に示すように、燃焼部４は、３つの深溝部４１ａとその深溝部４１ａ間に形成された２つの底部４１ｂ，４１ｃとを有する皿形容器形成部材４１の深さが深い底部４１ｃが下方側に位置するように立設された改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄにおいて、２段の底部４１ｂ，４１ｃを有する皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３にて形成される偏平な室として構成されている。
【００２８】
２段の底部４１ｂ，４１ｃを有する右皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３とにより形成される、下方側の奥行きが広い偏平状の室が燃焼室４ｒとされ、その燃焼室４ｒの下端には、燃焼ガスを燃焼室４ｒ内にその略全幅にわたる状態に噴出するように、細長状のバーナ４ｂが下縁に沿わせて配置されて、有炎燃焼部４Ｆが構成されている。燃焼室４ｒの上方の奥行きが狭い部分には、燃焼触媒４ｃを配置して、触媒燃焼部４Ｃが構成されている。
図中の４ｉは、バーナ４ｂに点火するためのイグナイタである。
【００２９】
つまり、燃焼室４ｒは、有炎燃焼部４Ｆの火炎形成方向（即ち、燃焼ガス通流方向）に直交する方向に並んで互いに対向する一対の壁部夫々の面積が広くて、その一対の壁部間の間隔が狭い偏平状に形成されている。そして、その偏平状の燃焼室４ｒは縦向きに配置されると共に、その燃焼室４ｒの下方側には、有炎燃焼部４Ｆが、火炎形成方向が上向きになるように配置され、さらに、燃焼室４ｒ内における有炎燃焼部４Ｆの上方側、即ち、有炎燃焼部４Ｆに対してその火炎形成方向下手側の位置には、触媒燃焼部４Ｃが配置されている。
燃焼触媒４ｃは、白金、パラジウム等から成る。
【００３０】
バーナ４ｂは、図７、図８に示すように、２つのノズル管Ｎ１，Ｎ２を水平方向に近接する状態で並設して構成され、夫々のノズル管Ｎ１，Ｎ２の噴出孔ａ１，ａ２におけるガス噴出方向Ｄ１，Ｄ２及び夫々の配置状態について特徴を有する。
【００３１】
一方の第１ノズル管Ｎ１には、排燃料ガス路２４を介して排燃料ガスが供給されると共に、他方の第２ノズル管Ｎには燃焼用空気路２９を介して燃焼用空気が供給される。そして、バーナ４ｂは、複数の第１噴出孔ａ１から噴出させた排燃料ガスを、複数の第２噴出孔ａ２から噴出させた燃焼用空気と混合させて燃焼させる先混合式に構成され、有炎燃焼部４Ｆに火炎を形成する。
【００３２】
バーナ４ｂにおいて、単数の第１噴出孔ａ１から噴出された排燃料ガスに対して、第２ノズル管Ｎ２の管軸方向に沿って並設された２つの第２噴出孔ａ２から燃焼用空気を噴出させるように、第１噴出孔ａ１と第２噴出孔ａ２とが１：２の個数割合で対応付けられている。
即ち、上記管軸方向に沿って、第１噴出孔ａ１の位置が２つの隣接した第２噴出孔ａ２の位置間に存在することになる。
そして、第１噴出孔ａ１から噴出された排燃料ガスは、上記管軸方向に沿って広い範囲に渡って２つの第２噴出孔ａ２から噴出された燃焼用空気と良好に混合して燃焼することになる。
【００３３】
さらに、バーナ４ｂにおいて、各ノズル管Ｎ１，Ｎ２の各噴出孔ａ１，ａ２からのガス噴出方向Ｄ１，Ｄ２が互いに鋭角に交差するように設定されている。
具体的には、第２噴出孔ａ２のガス噴出方向Ｄ２が、対応付けられた第１噴出孔ａ１のガス噴出領域（即ち、排燃料ガスが噴出される領域）に向う方向に設定されおり、排燃料ガスと燃焼用酸素含有ガスの混合が促進されている。
【００３４】
さらに、第１噴出孔ａ１のガス噴出方向Ｄ１は、第２噴出孔ａ２から離間する方向に設定され、具体的には、第１ノズル管Ｎ１の管軸と第２ノズル管Ｎ２の管軸とを含む平面、所謂水平面に対して９０°の角度θ１をなす方向に設定されている。
このように第１噴出孔ａ１のガス噴出方向Ｄ１を設定することで、噴出された排燃料ガスと燃焼用空気とは、互いに対向せずに衝突するので、排燃料ガスの燃焼せずに分散することを抑制して、未燃成分の発生を抑制することができる。
【００３５】
さらに、第２噴出孔ａ２のガス噴出方向Ｄ２は、第１噴出孔ａ１のガス噴出直後領域（即ち、第１噴出孔ａ１の直上）に向う方向に設定され、具体的には、第１ノズル管Ｎ１の外径に接する方向であって、水平面に対して３０°の角度θ２をなす方向に設定されている。
このように第２噴出孔ａ２のガス噴出方向Ｄ２を設定することで、第２噴出孔ａ２から噴出された燃焼用空気は、排燃料ガスの分散が抑制された第１噴出孔ａ１のガス噴出直後領域に供給されることになり、排燃料ガスの多くを燃焼用空気と混合させることができ、未燃成分を一層抑制することができる。
【００３６】
さらに、燃焼室４ｒの後述の断熱材１９側壁部は、３つの深溝部４１ａとその間に形成された２つの底部４１ｂ，４１ｃとを有する形状に形成されているので、特に第１噴出孔のガス噴出方向Ｄ１付近に存在する深溝部４１ａと底部４１ｃとの角部により、有炎燃焼部４Ｆからの燃焼ガス流に乱流を発生させて、未燃成分の燃焼を促進することができる。
【００３７】
特に、本実施形態のように構成されたバーナ４ｂは、排ガス中に生成される一酸化炭素濃度を５０ｐｐｍ以下に抑制することが実験により確認することができた。
【００３８】
燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、水素含有ガス生成装置Ｐから燃料ガス路２３を通じて供給される燃料ガス中の水素と、反応用ブロア１４から反応用空気路３２を通じて供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成されている。
【００３９】
更に、水素含有ガス生成装置Ｐには、改質処理部３から排出された高温の改質処理ガスを通流させて、改質処理部３を保温する保温用通流部７と、高温の改質処理ガスにより改質処理部３に供給される被改質ガスを加熱する被改質ガス用熱交換器Ｅｐと、高温の改質処理ガスにより脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを加熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａと、変成処理部５を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部８と、同じく、変成処理部６を冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通流部９と、変成処理部５及び選択酸化処理部６を冷却する冷却用ファン１０とが設けられている。
又、変成処理部５から排出された変成処理ガスと、水蒸気生成部Ｓへ供給する原料水とを熱交換させて、原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器１７が設けられている。
【００４０】
被改質ガス用熱交換器Ｅｐは、保温用通流部７から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改質処理ガス通流部１２と、改質処理部３に供給する被改質ガスを通流させる被改質ガス通流部１３とを熱交換自在に設けて構成し、原燃料ガス用熱交換器Ｅａは、上流側改質処理ガス通流部１２から排出された改質処理ガスを通流させる下流側改質処理ガス通流部１５と、脱硫処理部１に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通流部１６とを熱交換自在に設けて構成してある。
【００４１】
図２に示すように、水素含有ガス生成装置Ｐには、矩形板状の偏平な容器Ｂの複数が板状形状の厚さ方向に並べて設けられて、各容器Ｂにより、各処理部、各通流部、燃焼部４等が夫々構成されている。
【００４２】
複数の容器Ｂのうちの一部は、一つの室を備えるように形成した単室具備容器Ｂｍにて構成され、残りは、区画された２つの室を備えるように形成した双室具備容器Ｂｄにて構成されている。
【００４３】
図２ないし図５に示すように、双室具備容器Ｂｄは、基本的には、一対の皿形容器形成部材４１の間に平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、２つの偏平な室が区画形成されている。
【００４４】
改質部Ｒは、１個の双室具備容器Ｂｄを用いて構成され、水蒸気生成部Ｓも、１個の双室具備容器Ｂｄを用いて構成されている。
【００４５】
双室具備容器Ｂｄのうち、改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄは、図２ないし図４に示すように、底部が平坦状の平底状の皿形容器形成部材４１と、底部の片方側が深くなった２段状の皿形容器形成部材４１との間に、平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、２つの室が区画形成されている。
【００４６】
又、双室具備容器Ｂｄのうち、水蒸気生成部Ｓを構成する双室具備容器Ｂｄは、図２に示すように、平底状の皿形容器形成部材４１と、底部の内方部が盛り上がった凸状の皿形容器形成部材４１との間に、平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、２つの室が区画形成されている。
【００４７】
双室具備容器Ｂｄのうち、改質部Ｒや水蒸気生成部Ｓを構成するもの以外のものは、図５に示すように、一対の平底状の皿形容器形成部材４１の間に平板状の仕切り部材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、２つの偏平な室が区画形成されている。
【００４８】
図６に示すように、単室具備容器Ｂｍは、皿形状容器形成部材４１と平板状容器形成部材４２とを周辺部を溶接接続して、一つの偏平な室を区画形成してある。
【００４９】
各単室具備容器Ｂｍや、各双室具備容器Ｂｄには、必要に応じて、流体供給用や流体排出用の接続ノズル４４を内部の室と連通する状態で取り付けてある。
又、図示を省略するが、必要に応じて、容器Ｂの室内を蛇行状流路になるように構成して、流体の通流経路を長くしている。
【００５０】
改質処理部３を構成する偏平な室には、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。
【００５１】
図２に示すように、蒸発処理室２は、水蒸気生成部Ｓを構成する双室具備容器Ｂｄを立設し、凸状の皿形容器形成部材４１と平板状の仕切り部材４にて形成される偏平な室を備えた部分を用いて構成され、水蒸気生成用加熱通流部１１は、平底状の皿形容器形成部材４１と仕切り部材４３にて形成される偏平な室を備えた部分を用いて構成され、両室内には、ステンレスウール等からなる伝熱促進材が通気可能な状態で充填されている。
【００５２】
図２に示すように、本実施形態においては、８個の双室具備容器Ｂｄと、１個の単室具備容器Ｂｍとが、側面視において左端から３個目に単室具備容器Ｂｍを位置させた状態で、横方向に厚さ方向に並べて設けられ、コンパクトに形成されている。
８個の双室具備容器Ｂｄの区別が明確になるように、便宜上、双室具備容器を示す符号Ｂｄの後に、左からの並び順を示す符号１，２，３・・・・・８を付す。
【００５３】
左端の双室具備容器Ｂｄ１にて水蒸気生成部Ｓが構成され、左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２にて改質部Ｒが構成されている。
単室具備容器Ｂｍを用いて、保温用通流部７が構成されている。
【００５４】
左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３の左側の室を備えた部分を用いて、上流側改質処理ガス通流部１２が構成され、右側の室を備えた部分を用いて、被改質ガス通流部１３が構成されている。両室内には、ステンレスウール等からなる伝熱促進材が通気可能な状態で充填されている。
【００５５】
左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４の左側の室を備えた部分を用いて、脱硫処理部１が構成され、右側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部１６が構成されている。脱硫処理部１を構成する左側の室内には、脱硫用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。
【００５６】
左から５個目の双室具備容器Ｂｄ５の左側の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部１５が構成され、右側の室を備えた部分を用いて、変成処理部５が構成されている。
左から６個目の双室具備容器Ｂｄ６の左側の室を備えた部分を用いて、変成処理部５が構成され、右側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部８が構成されている。
左から７個目の双室具備容器Ｂｄ７を用いて、変成処理部５が構成されている。変成処理部を構成する各室内には、酸化鉄又は銅亜鉛の変成反応用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。
【００５７】
左から８個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ８の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用通流部９が構成され、右側の室を備えた部分を用いて選択酸化処理部６が構成されている。選択酸化処理部６を構成する室内には、ルテニウムの選択酸化用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で充填されている。
【００５８】
８個の双室具備容器Ｂｄと１個の単室具備容器Ｂｍを含む複数の容器Ｂを並べるに当たっては、伝熱させる必要のあるもの同士は互いに密着させた状態で、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間に伝熱量調節用の断熱材１９を介在させた状態で、並べてある。
つまり、水蒸気生成部Ｓを構成する左端の双室具備容器Ｂｄ１と改質部Ｒとを構成する左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２との間には断熱材１９が配置され、左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２と単室具備容器Ｂｍとは密接配置され、単室具備容器Ｂｍと左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３との間には断熱材１９が配置され、左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３と左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４との間には断熱材１９が配置され、並びに、左から４個目から８個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ４〜Ｂｄ８は互いに密接配置されている。
【００５９】
つまり、複数の容器Ｂを並設した状態において、最も高温維持が要求される改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄ２は、並設方向の略中間部に配置され、その改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄ２の一方側には断熱材１９が、他方側には保温用通流部７を構成する単室具備容器Ｂｍ及び断熱材１９が配置されている。それらの並設方向両側夫々には、処理温度が概ね低くなる順になるように、各処理部等を構成する容器Ｂが並べられ、並びに、並設方向端部には冷却が要求される選択酸化処理部６を構成する双室具備容器Ｂｄ８が配置されていることにより、水素含有ガス生成装置Ｐは、コンパクトに構成され、放熱損失を可及的に抑制できると共に、各処理部等を適切な温度に制御できるように構成される。
【００６０】
改質部Ｒ及び水蒸気生成部Ｓを備えた改質装置Ａについて、説明を加えると、改質部Ｒの偏平形状の燃焼部４の一方側には、偏平形状の改質処理部３が、伝熱壁として機能させる平板状の仕切り部材４３を介して、横方向に厚さ方向に並べて密接配置され、燃焼部４の他方側には、断熱材１９を介して偏平形状の水蒸気生成部Ｓが横方向に厚さ方向に並べて配置されている。よって、改質装置Ａは、コンパクトに構成される。
又、このように配置構成することにより、燃焼部４からの放熱を抑制すると共に、夫々偏平状の燃焼部４及び改質処理部３を、伝熱壁として機能させる平板状の仕切り部材４３を介して、厚さ方向に密接配置して、伝熱面積を広くしてあり、燃焼部４からの放熱抑制、及び、広伝熱面積での加熱の相乗効果により、加熱効率が効果的に向上されている。
【００６１】
又、夫々偏平状の水蒸気生成用加熱通流部１１及び蒸発処理室２を、伝熱壁として機能させる平板状の仕切り部材４３を介して、厚さ方向に密接配置することにより、伝熱面積を広くしてあり、加熱効率が効果的に向上されている。
【００６２】
改質処理部３においては、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、例えば７００〜７５０°Ｃ程度の加熱下でメタンガスと水蒸気とが下記の反応式にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。
【００６３】
【化１】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
【００６４】
変成処理部５においては、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、例えば２００°Ｃ程度の反応温度にて下記の反応式にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。
【００６５】
【化２】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００６６】
選択酸化処理部６においては、ルテニウムの触媒作用によって、１００°Ｃ程度の反応温度にて、変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化される。
【００６７】
図１及び図２において、白抜き線矢印にて示すように、原燃料ガス供給路２１を原燃料ガス用熱交換器Ｅａの原燃料ガス通流部１６に接続し、並びに、原燃料ガス通流部１６、脱硫処理部１、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの被改質ガス通流部１３、改質処理部３、保温用通流部７、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの上流側改質処理ガス通流部１２、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの下流側改質処理ガス通流部１５、各変成処理部５、選択酸化処理部６の順に流れるガス処理経路を形成するように、それらをガス処理用流路２２にて接続してある。
最後段の変成処理部５と選択酸化処理部６とを接続するガス処理用流路２２には、原料水供給路２５を流れる原料水を変成処理ガスにて予熱する原料水予熱用熱交換器１７が設けられ、さらに、変成処理ガスから凝縮水を除去するドレントラップ３４が、その原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所に設けられ、変成処理ガスと原料水との熱交換により原料水を予熱すると共に、変成処理ガスを冷却するようにしてある。
【００６８】
変成処理部５から排出された変成処理ガスの温度は２００°Ｃ程度であり、選択酸化処理部６における反応温度は１００°Ｃ程度であるので、原料水予熱用熱交換器１７においては、変成処理ガスを選択酸化処理部６における反応温度付近の温度にまで冷却し、その冷却によって回収された熱量を原料水の予熱に用いているのである。
【００６９】
そして、原燃料ガス供給路２１から供給される原燃料ガスを脱硫処理部１で脱硫処理し、その脱硫原燃料ガスと後述する水蒸気路２６からの水蒸気とを混合して、改質処理部３に供給して改質処理し、その改質処理ガスを４段の変成処理部５に順次供給して、一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理し、その変成処理ガスを選択酸化処理部６に供給して一酸化炭素ガスを選択的に酸化処理する。
【００７０】
その選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスが、燃料ガスとして、燃料ガス路２３を通じて燃料電池Ｇに供給され、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスが排燃料ガス路２４を通じて改質用バーナ４ｂの一方の第１ノズル管Ｎ１に供給される。
尚、選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスの温度は１１０°Ｃ程度であり、高分子型の燃料電池Ｇの動作温度は８０°Ｃ程度であるので、燃料ガス路２３には、選択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスを、燃料電池Ｇの動作温度付近にまで冷却する燃料ガス冷却用熱交換器３３が設けられている。
【００７１】
図１及び図２において、実線矢印にて示すように、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路２５を水蒸気生成部Ｓの蒸発処理室２に接続し、蒸発処理室２にて生成された水蒸気を送出する水蒸気路２６を、脱硫処理部１と被改質ガス通流部１３とを接続するガス処理用流路２２に接続して、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料ガスに改質用の水蒸気を混合させるように構成してある。
【００７２】
原料水供給路２５の途中には、原料水予熱用熱交換器１７が設けられ、更に、原料水供給路２５における原料水予熱用熱交換器１７よりも下流側の箇所には、原料水を蛇行状に流す蛇行状通流部１８が設けられている。その蛇行状通流部１８は、水蒸気生成装置Ｐの外壁部のうちの、改質部Ｒの燃焼部４を覆う箇所に熱伝導可能に当て付けて設けられ、水素含有ガス生成装置Ｐの外壁部からの伝導熱及び輻射熱により、蛇行状通流部１８を通流する原料水を予熱するように構成されている。
そして、原料水予熱用熱交換器１７及び蛇行状通流部１８によって、水蒸気生成部Ｓに供給する原料水を予熱するようにしてある。
【００７３】
図１及び図２において、破線矢印にて示すように、改質部Ｒの燃焼部４から排出された燃焼ガスを、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８の順に流すように、それら燃焼部４、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部８が燃焼ガス路２７により接続されている。そして、水蒸気生成用加熱通流部１１においては、燃焼ガスによって蒸発処理室２を加熱し、変成部冷却用通流部８においては、燃焼ガスによって、発熱反応である変成反応が行われる変成処理部５を冷却するように構成してある。
尚、水蒸気生成用加熱通流部１１から排出された燃焼ガスの温度は１２０°Ｃ程度であり、その燃焼ガスが変成部冷却用通流部８を通流して変成処理部５を冷却するので、変成部冷却用通流部８から排出された燃焼ガスの温度は１５０°Ｃ程度に上がっているので、図示しない排熱回収用熱交換器を設けて、燃焼ガスから排熱を回収して、水蒸気や温水を生成する。
【００７４】
図１及び図２において、一点鎖線矢印にて示すように、燃焼用ブロア２８からの空気を燃焼用空気として、変成部冷却用通流部９を通流させてから、改質部Ｒの改質用バーナ４ｂの第２ノズル管Ｎ２に供給するように、燃焼用ブロア２８及び変成部冷却用通流部９が燃焼用空気路２９にて接続されている。さらに、燃焼用空気を変成部冷却用通流部９を迂回させて通流させるように、燃焼用空気路２９に燃焼用空気バイパス路３０が接続され、燃焼用ブロア２８からの空気を酸化用空気として選択酸化処理部６に供給するように、燃焼用ブロア２８に接続した酸化用空気供給路３１が、最後段の変成処理部５と選択酸化処理部６とを接続するガス処理用流路２２に接続されている。
【００７５】
改質用バーナ４ｂの第２ノズル管Ｎ２に対して、燃焼用空気を、変成部冷却用通流部９を通流させて供給する状態と、変成部冷却用通流部９を迂回させて燃焼用空気バイパス路３０を通じて供給する状態とに切り換えるために、開閉弁３５，３６が設けられている。尚、通常は、開閉弁３５，３６は、燃焼用空気が燃焼用空気バイパス路３０を通流する状態となるように切り換えられるが、変成処理部５の冷却能力が不足したとき、例えば、夏期の高気温時には、開閉弁３５，３６は、燃焼用空気が変成部冷却用通流部９を通流する状態となるように切り換えられ、燃焼用空気にて変成処理部５が冷却される。
【００７６】
次に、水素含有ガス生成装置Ｐの制御構成について説明する。
図１に示すように、原燃料ガス供給路２１には、原燃料ガス供給量を調節する原燃料供給量調節弁３７が設けられ、改質部Ｒには、改質処理部３における改質処理温度を検出する温度センサ３８が設けられ、さらに、原燃料供給量調節弁３７、反応用ブロア１４、燃焼用ブロア２８、イグナイタ４ｉ夫々の作動を制御する制御部３９が設けられている。
【００７７】
以下、制御部３９の制御動作を説明する。
制御部３９は、操作部（図示せず）から、運転開始指令があると、燃焼用ブロア２８を作動させて燃焼用空気を第２ノズル管Ｎ２に供給すると共に、起動用ガス燃料供給路５０から１３Ａ等の起動用ガス燃料（第２燃料ガスの一例）を燃焼部４におけるバーナ４ｂの第２ノズル管Ｎ２に供給し、第２ノズル管Ｎ２の第２噴出孔ａ２から混合ガスを噴出させる。そして、イグナイタ４ｉを作動させて、バーナ４ｂを点火して第２噴出孔ａ２から噴出した混合気を元混合燃焼させ、温度センサ３８の検出温度が、改質処理可能な所定の温度に予め設定した目標温度以上になると、原燃料供給量調節弁３７を開弁して、改質処理部３での原燃料ガスの改質処理を開始すると共に、反応用ブロア１４を作動させて、燃料電池Ｇの発電を開始する。
【００７８】
燃料電池Ｇから排燃料ガスが排出されて、その排燃料ガスによる燃焼熱により、原燃料ガスの改質処理が可能な状態となると、前記起動用ガス燃料供給路５０からの起動用ガス燃料供給を停止して、燃料電池Ｇから排出された排燃料ガスの全量をバーナ４ｂの第１ノズル管Ｎに受け入れて燃焼部４にて燃焼させ、その燃焼熱により改質処理部３にて原燃料ガスを改質処理させる。
【００７９】
そして、燃料電池Ｇに対する電気負荷として、燃料電池Ｇからの出力電流を検出する電流計測器４０の検出値に基づいて、改質処理部３への原燃料ガス供給量が燃料電池Ｇの電気負荷に応じた量になるように原燃料供給量調節弁３７を制御すると共に、燃料電池Ｇへの反応用空気供給量が燃料電池Ｇの電気負荷に応じた量になるように反応用ブロア１４を制御し、並びに、温度センサ３８の検出温度が、前記目標温度になるように、燃焼用ブロア２８を制御して、バーナ４ｂの第２ノズル管Ｎ２、即ち燃焼部４への燃焼用空気供給量を調節する。
つまり、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度よりも高くなると、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度になるように、燃焼用空気供給量を増加調節し、一方、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度よりも低くなると、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度になるように、燃焼用空気供給量を減少調節する。
【００８０】
燃焼部４を、上述のように、有炎燃焼部４Ｆ及び触媒燃焼部４Ｃを備えて構成してあることから、電気負荷の減少率が大きいために温度センサ３８の検出温度が前記目標温度よりも高くなり、燃焼用空気供給量の増加率が大きくなって、燃焼用空気供給量が排燃料ガス受入量に対して過多となるように増加調節されて、仮に、有炎燃焼部４Ｆが吹き消えて失火したとしても、排燃料ガスは、反応可能状態に加熱されている燃焼触媒４ｃによって燃焼するので、受け入れた排燃料ガスの安定燃焼を継続することができる。
以降、燃焼用空気供給量の増加調節により改質処理温度が低下して、燃焼用空気供給量が減少調節されるのに伴って、触媒燃焼部４Ｃにて排燃料ガスが燃焼する燃焼熱によって、有炎燃焼部４Ｆが着火して、再び、有炎燃焼部４Ｆで排燃料ガスが燃焼する。
【００８１】
又、電気負荷の増加率が大きいために温度センサ３８の検出温度が前記目標温度よりも低くなり、燃焼用空気供給量の減少率が大きくなって、燃焼用空気供給量の減少量が大きくなることにより、有炎燃焼部４Ｆが不完全燃焼を起こしたとしても、排燃料ガスの未燃分は、反応可能状態に加熱されている燃焼触媒４ｃによって燃焼するので、受け入れた排燃料ガスの全量を安定燃焼させることができる。
以降、燃焼用空気供給量の減少調節により改質処理温度が上昇して、燃焼用空気供給量が増加調節されるのに伴って、有炎燃焼部４Ｆは完全燃焼状態に戻る。
但し、温度センサ３８の検出温度が前記目標温度になるように、燃焼用空気供給量を減少調節するにしても、受け入れた排燃料ガスの全量を燃焼させるために必要な燃焼用空気量は下回らないように、例えば、電気負荷等に応じて、燃焼用空気供給量の調節範囲を予め設定してある。
【００８２】
〔別実施形態〕
上記実施の形態では、バーナとして、改質装置Ａのバーナ４ｂを示したが、バーナとしては、排燃料ガス以外の燃料ガスを第１ノズル管Ｎ１に供給し、第２ノズル管Ｎに燃焼用空気を供給するようにしたものであっても良い。
【００８３】
上記実施の形態では、２本のノズル管Ｎ１，Ｎ２を備えたバーナを示したが、３本以上のノズル管を備えたバーナであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態にかかる燃料電池用の改質装置を備えた水素含有ガス生成装置の系統図
【図２】  実施形態にかかる燃料電池用の改質装置を備えた水素含有ガス生成装置の縦断側面図
【図３】  改質部の斜視図
【図４】  改質部の燃焼部の縦断正面図
【図５】  水素含有ガス生成装置を構成する双室具備容器の斜視図
【図６】  水素含有ガス生成装置を構成する単室具備容器の斜視図
【図７】  バーナの斜視図
【図８】  バーナの断面図
【符号の説明】
Ｎ１    第１ノズル管
Ｎ２    第２ノズル管
ａ１    第１噴出孔
ａ２    第２噴出孔
Ｇ      燃料電池
３      改質処理部
４ｂ    バーナ
【図１】
0003880372.tif 000002
【図２】
0003880372.tif 000003
【図３】
0003880372.tif 000004
【図４】
0003880372.tif 000005
【図５】
0003880372.tif 000006
【図６】
0003880372.tif 000007
【図７】
0003880372.tif 000008
【図８】
0003880372.tif 000009