JP4089382B2

JP4089382B2 - Heater for hydrogen production equipment of fuel cell system

Info

Publication number: JP4089382B2
Application number: JP2002297873A
Authority: JP
Inventors: 晋小林; 雄一郎安田; 三喜男清
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP2004134253A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスを水素に富んだ改質ガスに改質して燃料電池に供給するようにした燃料電池システムの水素製造装置において、水素製造装置の改質反応部を加熱するために用いられる加熱器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料ガスとしては、ボンベに貯蔵された水素や、水素吸蔵合金に蓄えられた水素などが用いられることが多い。しかし、水素はその取り扱い性が困難である等の理由から、取り扱いが容易なメタン、プロパン、ブタン等の炭化水素ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスを水素製造装置の改質反応部で改質反応させて水素に富んだ改質ガスを製造し、この改質ガスを燃料電池に供給して発電する方法が広く用いられている。
【０００３】
改質反応の式をメタンの例で示すと次のようになる。
【０００４】
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ＋３Ｈ_２
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２
この改質反応は水蒸気改質反応と呼ばれる代表的な改質方法である。そして水蒸気改質反応は吸熱反応であり、また反応のためにある程度の高温が必要であるために、通常は水素製造装置内に改質反応部を加熱するための加熱器を備えている。
【０００５】
図１４は燃料電池システムの概略構成の一例を示すものであり、水素製造装置２には改質反応部３と加熱器４が備えられている。そして水素製造装置２に供給される燃料ガスは改質反応部３で改質反応を受け、水素に富んだ改質ガスが生成される。この改質ガスを燃料電池１に供給して、改質ガス中の水素と空気中の酸素を燃料電池１内で電気化学的に反応させることによって、発電を行なうことができるものである。一方、加熱器４には上記の燃料ガスや、燃料電池１で発電に使用されなかった改質ガスが供給されるようになっており、これらを空気と混合して燃焼させることによって、加熱器４で改質反応部３を加熱するようにしてある。
【０００６】
ここで、上記のような加熱器４としては、従来から種々のタイプのものが提供されている。例えば図１５に示すような、燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）と空気を個別に混合室２０に供給し、燃焼前に十分に混合した後、この混合ガスをバーナー部２１で燃焼させるようにした予混合燃焼方式や、図１６に示すような、燃焼前の燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）をバーナー部２１に供給する際に、流路を流れる際の運動エネルギーで空気を流路の途中の吸い込み口２２から吸い込んで、燃料ガスと空気を混合室２０で混合させた後に、バーナー部２１で燃焼させる準予混合燃焼方式がある（特許文献１参照）。図１５及び図１６において２９は炎である。
【０００７】
また、図１７に示すような、燃焼反応を促進させる燃焼触媒２３を用いて、燃料ガス（及び発電に使用されなかった改質ガス）と空気の混合ガスを燃焼させるようにした触媒燃焼方式もある（特許文献２参照）。
【０００８】
さらに、空気と発電に使用されなかった改質ガスを拡散燃焼させる方式のものもある。図１８はその一例を示すものであり、燃焼を行うための燃焼室２４と、この燃焼室２４に燃焼用空気を供給するための送風機２５と、先端に燃料吐出孔２６を有する排ガス供給管路２７と、前記燃料吐出孔２６の上方に付設され、燃料吐出孔２６より噴出される未反応改質ガスを着火させるための着火部８とでバーナー部２８を構成し、このバーナー部２８にて燃料電池から排出される未反応の改質ガスを拡散燃焼させるようにしてある（特許文献３参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−１９２８号公報
【特許文献２】
特開昭５９−２２１５０９号公報
【特許文献３】
特開平１０−１６２８４９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式の加熱器では、燃焼制御パラメータとなる、空気と燃料ガスとの混合比率である空気比の範囲が非常に狭く、良好に燃焼させることができる範囲が非常に狭いという問題がある。また空気と燃料ガスとの混合ガスの噴出速度と燃焼速度とのバランスが崩れて、混合ガスの噴出速度よりも燃焼速度が速くなると、燃焼の炎が混合室内に戻って逆火の現象が生じるという安全性の上でも問題がある。特に燃料電池システムの場合、発電に利用されなかった改質ガスを加熱器に戻して燃焼に利用することが行なわれるが、水素に富んだ改質ガスは燃焼速度が非常に速いガスであり、逆火がより発生し易く、さらに混合室内で燃焼共鳴音が発生する可能性が高いという問題がある。このように予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式の加熱器は、総じて、良好な燃焼の範囲が狭く、かつ安全に燃焼制御することが難しいという問題を有するものである。
【００１１】
また上記の燃焼触媒方式の加熱器では、良好な触媒反応を行なうためには、燃料ガスや空気の流量の制御が不可欠であり、その制御を誤れば加熱源として熱量を上げることができず、触媒燃焼に使用されない状態の未燃焼ガスとして排気されるおそれがあり、逆火も発生する可能性がある。従って燃焼触媒方式でも、予備混合燃焼方式や準予備混合燃焼方式と同様に、良好な燃焼の範囲が狭く、かつ安全に燃焼制御することが難しいという問題を有するものである。
【００１２】
さらに図１８の拡散燃焼方式の加熱器では、未反応の改質ガスと、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の燃料ガスとを切り替えて燃焼させることが困難であり、また燃焼制御が困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、良好な燃焼の範囲が広く、また安全に燃焼制御することが容易であり、しかも燃料ガスと発電に使用されなかった改質ガスとの切り替えを容易に行なうことができる燃料電池システムの水素製造装置用加熱器を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムの水素製造装置用加熱器は、燃料ガスを改質反応させて燃料電池１に供給する改質ガスを製造する水素製造装置２の改質反応部３を加熱する加熱器４であって、空気を一方向に流す送風手段５と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部６と、この空気中に燃料電池１で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部７と、第一噴出部６及び第二噴出部７から噴出されるガスに着火する着火部８とを備えて成ることを特徴とするものである。
【００１５】
また請求項２の発明は、請求項１において、送風手段５の空気の流れ方向と、第一噴出部６及び第二噴出部７から噴出されるガスの噴出方向とが略同一方向であることを特徴とするものである。
【００１６】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差するように、第一噴出部６及び第二噴出部７のガス噴出方向を設定することを特徴とするものである。
【００１７】
また請求項４の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差すると共に噴射されたガスが衝突するように、第一噴出部６及び第二噴出部７のガス噴出方向を設定することを特徴とするものである。
【００１８】
また請求項５の発明は、請求項３又は４において、第一噴出部６と第二噴出部７からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差する角度を４０〜１２０°の範囲に設定することを特徴とするものである。
【００１９】
また請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、第一噴出部６の両側に第二噴出部７を、あるいは第二噴出部７の両側に第一噴出部６を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
また請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、送風手段５での空気の流れの分布を均一化する整流手段１３を第一噴出部６及び第二噴出部７より空気の流れの上流側に備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
また請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ、複数のガス噴出口９，１０を設けたガス噴出管１１，１２によって形成し、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の圧力損失に対するガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失の比が１０以上になるように、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ形成して成ることを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、第一噴出部６はガス噴出口９を複数箇所に設けたガス噴出管１１によって、第二噴出部７はガス噴出口１０を複数箇所に設けたガス噴出管１２によって、それぞれ形成してある。ガス噴出管１１，１２はそれぞれ両端を閉塞すると共に、一端にガス供給パイプ３２，３３が接続してある。ガス噴出管１１，１２は円管で形成してあるが、断面形状は円形の他に、楕円形や、矩形などの多角形であってもよい。また図１の実施の形態では、ガス噴出管１１とガス噴出管１２はそれぞれ端部同士が近接するように略ドーナツ状の環状に屈曲してあり、ガス噴出管１２の屈曲の径をガス噴出管１１よりも小さく形成して、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１の内側に、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２を同心円状に配置するようにしてある。
【００２４】
またガス噴出管１１とガス噴出管１２のガス噴出口９，１０は同じ方向に開口するように形成されているものであり、ガス噴出管１１のガス噴出口９とガス噴出管１２のガス噴出口１０はそれぞれ相対応する位置で、ガス噴出管１１，１２の長手方向に沿って一定間隔で配置して設けてある。図の実施の形態ではガス噴出口９，１０は丸孔として形成してあるが、楕円孔や、矩形孔その他の多角形孔など形状は任意である。ガス噴出口９，１０の大きさや数は、噴出されるガスの流量に応じて適宜決定されるものである。
【００２５】
図１において３４は外筒３４ａと内筒３４ｂから二重円筒状に形成された燃焼筒であり、外筒３４ａと内筒３４ｂの間に上下に開口する環状の送風路３５が形成してある。送風路３５の一方の開口３５ａには送風機（図示省略）が配置してあり、送風路３５内に一方の開口３５ａから他方の開口３５ｂへと空気を一方向に流すようにしてある。この送風路３５や送風機によって送風手段５が形成されるものである。上記のガス噴出管１１とガス噴出管１２は外筒３４ａと内筒３４ｂに対して同心円状になるように、送風路３５内に配置してあり、このガス噴出管１１とガス噴出管１２のガス噴出口９，１０は、空気の流れ方向と同一の方向を向くように、送風路３５の開口３５ｂの側へ向けて開口するように形成されているものである。また、燃焼筒３４にはスパーカーなどで形成される着火部８が、ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０に近接した位置において設けてある。
【００２６】
上記のように形成される加熱器４は既述の図１４に示すように燃料電池システムの水素製造装置２に組込んで使用されるものである。そしてこの加熱器４において、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１にはガス供給パイプ３２によって、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなど炭化水素系の燃料ガスが供給されるようにしてあり、また第二噴出部７を形成するガス噴出管１２には発電に利用されなかった水素に富んだ改質ガス及び燃料ガスがガス供給パイプ３３によって供給されるようにしてある。ここで、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２には主として発電に利用されなかった改質ガスが供給されるが、供給される改質ガスの量が少ないときにはそれを補うように燃料ガスも同時に供給されるようにしてあり、燃料電池システムの運転開始時など供給できる改質ガスがないときには燃料ガスのみが供給されるようにしてある。また燃料ガスや改質ガスには空気を混合しない状態でガス噴出管１１，１２に供給されるものである。
【００２７】
そして、送風路３５内の空気はガス噴出管１１，１２の周囲を超えて一方向に流れ（送風路３５内の空気の流れ方向をイ矢印、燃料ガスの噴出方向をロ矢印、改質ガスの噴出方向をハ矢印で示す）、ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０から噴出されたガスはガス噴出管１１，１２の周囲から送られてくるこの空気と混合され、着火部８で着火されることによって、燃焼するものである。燃焼によって生じる炎２９や燃焼ガスは、送風路３５の開口３５ｂから出るようになっている。
【００２８】
この燃焼形態では、燃焼に必要な空気は総て、第一噴出部６及び第二噴出部７を形成するガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの周辺から拡散によって得られるものであって、第一噴出部６や第二噴出部７の外部で燃焼しており、第一噴出部６内や第二噴出部７内には空気は存在しないために、第一噴出部６内や第二噴出部７内に燃焼の炎が戻る逆火が発生することはない。従って、安全に燃焼制御することが容易になるものである。また、このように燃料ガスや改質ガスは第一噴出部６や第二噴出部７の外部で燃焼しているので、これらのガスに対して空気の流量が多く空気比が高い場合でも、燃焼を維持することが可能になり、良好な燃焼の範囲が広くなるものである。また送風路３５が十分に断熱されていれば十分な火炎温度を得ることができるものである。さらに、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１に燃料ガスを、第二噴出部７を形成するガス噴出部１２に発電に使用されなかった改質ガスをそれぞれ供給して燃焼を行なわせるにあたって、第一噴出部６と第二噴出部７の両方からガスを噴出させて燃焼させたり、第二噴出部７への供給を停止して第一噴出部６からのみガスを噴出させて燃焼させたり、第一噴出部６への供給を停止して第二噴出部７からのみガスを噴出させて燃焼させたりするように、第一噴出部６と第二噴出部７を切り替えることによって、燃料電池システムの運転状況に応じて、燃料ガスと改質ガスの燃焼の切り替えを容易に行なうことができるものである。
【００２９】
ここで、水素製造装置２の改質反応部３は一般に円筒形状に形成されることが多く、改質反応部３を加熱する加熱器４も図１に示すように全体として円筒形状に形成してある。そして改質反応部３の内壁を加熱する場合には図２（ａ）に示すように、改質反応部３の下端の内側に加熱器４の燃焼筒３４を配置し、改質反応部３の外壁を加熱する場合には図２（ｂ）に示すように、改質反応部３の下端の外側に加熱器４の燃焼筒３４を配置するものである。加熱器４と改質反応部３の位置関係は、図２のように加熱器４を改質反応部３の下側に配置するようにしても、加熱器４を改質反応部３の上側に配置するようにしても、任意である。
【００３０】
また、水素製造装置２の改質反応部３が矩形筒状に形成される場合には、改質反応部３を加熱する加熱器４も図３に示すように全体として矩形筒状に形成することができる。図３の実施の形態では、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２はそれぞれ直線状に形成してある。そして上下が開口する矩形筒状の燃焼筒３４の送風路３５内に、各ガス噴出口９，１０が相対向するようにガス排出管１１，１２を平行に配置してある。
【００３１】
図４は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１に設けるガス噴出口９と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２に設けるガス噴出口１０を相互に近付けた位置で形成するようにしてある。その他の構成は図１のものと同じである。そしてこのものにおいて、ガス噴出管１１のガス噴出口９から噴出される燃料ガスはロ矢印のようにガス噴出管１２の側へ傾いた方向に噴出されると共に、ガス噴出管１２のガス噴出口１０から噴出される改質ガスなどのガスはハ矢印のようにガス噴出管１１の側へ傾いた方向に噴出されるものであり、それぞれのガスは相互に交差する方向に噴出される。
【００３２】
このように第一噴出部６と第二噴出部７から噴出されるガスを交差させることによって、この交差によって各ガスを混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、特に空気の流れ方向（イ矢印）に対してガスの噴出方向（ロ、ハ矢印）が交差して空気とガスの混合拡散が促進されるものであり、より安定した燃焼が可能となるものである。また、ガス噴出管１１のガス噴出口９とガス噴出管１２のガス噴出口１０は相対応する位置に設けてあるので、各ガス噴出口９，１０から噴出されるガスは衝突し、図５に示すように一つの炎２９となって、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００３３】
ここで、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの交差角度θを適切な角度に設定することによって、より安定した燃焼が可能となる。すなわち、ガスの交差角度θが小さ過ぎると、図６（ａ）に示すように炎２９は二つになり、炎２９を一つにすることができない。しかもこの場合、第一噴出部６からの炎２９と第二噴出部７からの炎２９は送風路３５の壁面に近いために、送風路３５の壁面がこれらの炎２９であぶられて高温になる可能性があり、この点でも燃焼が不安定になるおそれがある。送風路３５が高温になることを防止するためには、送風路３５の幅を大きくする必要があるが、この場合には加熱器４を小型にすることが困難になる。またガスの交差角度θが大き過ぎると、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスは相互に突き抜けるようにクロスし、図６（ｃ）に示すように炎２９が突き抜けて二つになり、この場合も炎２９を一つにすることができない。しかもこの場合、第一噴出部６からの炎２９の先端と第二噴出部７からの炎２９の先端は送風路３５の壁面に近くなるために、送風路３５の壁面がこれらの炎２９であぶられて高温になる可能性があり、同様にこの点でも燃焼が不安定になるおそれがあり、小型化も難しくなる。これらに対して、ガスの交差角度θが適切であると、図６（ｂ）に示すように、炎２９は一つにまとまった安定した状態になり、また炎２９は送風路３５の幅方向の中央部に位置することになるので、送風路３５の壁面が炎２９であぶられて高温になることもないものである。
【００３４】
ここで、第一噴出部６と第二噴出部７のガス噴出口９，１０から噴出されるガスの交差角度θと燃焼安定性との関係を測定する実験について説明する。実験の装置は図４に示す仕様と同じものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１は断面が外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍの丸管を曲げて外径が略φ７５ｍｍの略ドーナツ状に作製し、第二噴出部７を形成するガス噴出管１２は断面が外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍの丸管を曲げて外径が略φ６５ｍｍの略ドーナツ状に作製してある。ガス噴出管１１，１２のガス噴出口９，１０の孔径はφ０．８ｍｍであり、一定間隔で１０個ずつ設けてある。また燃焼筒３４の外筒３４ａはφ８０ｍｍ、内筒３４ｂはφ５０ｍｍであり、燃焼筒３４の送風路３５には空気ポンプで空気が一定流量送られるようにしてある。さらにガス噴出管１１，１２にはそれぞれプロパンガスを一定流量で送って、各ガス噴出口９，１０から一定量が噴出されるようにしてある。
【００３５】
そして実験は、ガス噴出の交差角度θを０°、４５°、９０°、１３５°の４水準に設定して行ない、各々の水準において空気比を１．５〜３．５まで変化させて燃焼させた。その結果を図７のグラフに示す。図７において縦軸は排出される排気ガスをガス分析器で分析して得られた一酸化炭素と二酸化炭素の比率（一酸化炭素／二酸化炭素）を示すものであり、この数値が低い程、燃焼が安定していると判断することができる。図７のグラフから明らかなように、ガス噴出の交差角度θが４５°と９０°の場合に一酸化炭素と二酸化炭素の比率が低く、燃焼が安定しており、また炎２９は図６（ｂ）のように一つにまとまった形態になっていた。従ってこの結果から、ガス噴出の交差角度θは４０°〜１２０°程度の範囲が適しているといえる。
【００３６】
図８は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、第二噴出部７の両側にそれぞれ第一噴出部６を配置して設けるようにしてある。また中央に配置される第二噴出部７を形成するガス噴出管１２のガス噴出口１０は中央位置に、その両側に配置される第一噴出部６を形成するガス噴出管１１のガス噴出口９は、それぞれガス噴出管１２の側に偏った位置に設けてある。従って、第二噴出部７から噴出される改質ガス（あるいは燃料ガス）の噴出方向（ハ矢印）と、その両側の第一噴出部６から噴出される燃料ガスの噴出方向（ロ矢印）は交差し、炎２９が一つにまとまった状態で燃焼させることができるものである。他の構成は図４のものと同じである。
【００３７】
このものでは、主として改質ガスを噴出させる第二噴出部７が一本であるのに対して、燃料ガスを噴出させる第一噴出部６が二本であり、燃料ガスの噴出量を多くすることができる。従って、燃料電池を起動する準備段階で、水素製造装置２の改質反応部３を短時間で昇温させる必要のある場合など、大量の燃焼ガスを二本の第一噴出部６に供給して燃焼熱量をアップした状態で燃焼させることが可能になり、燃料電池の起動時間を短縮することができるものである。図８の実施の形態では第二噴出部７の両側にそれぞれ第一噴出部６を配置して設けるようにしたが、第一噴出部６の両側にそれぞれ第二噴出部７を配置して設けるようにしてもよい。また本数は図８のように合計３本に限られるものではなく、４本以上になるようにしてもよい。
【００３８】
図９は本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、燃焼筒３４の送風路３５に第一噴出部６や第二噴出部７を配置した箇所より空気の流れの上流側において整流手段１３が設けてある。図９の整流手段１３は格子や網、粒状体などで形成される空気抵抗部材３７で形成してあり、送風路３５内をこの空気抵抗部材３７で塞ぐようにしてある。また送風路３５の下端の開口３５ａには空気供給路３８が接続してある。その他の構成は図８のものと同じである。そして、空気供給路３８から送風された空気は空気抵抗部材１４を通過して送風路３５内を流れるが、空気抵抗部材１４を通過する際の流路抵抗で空気の流れは送風路３５の全周において均一になり、空気の流れの分布が均一化される。従って、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れ、第一噴出部６や第二噴出部７から噴出されるガスと均一な空気比で混合されるものであり、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なうことができ、水素製造装置２の改質反応部３を均一に加熱することができるものである。
【００３９】
図１０の実施の形態では、整流手段１３は環状に屈曲した空気供給管３９で形成してあり、空気供給管３９には等間隔の複数箇所に空気噴出口４０が設けてある。また送風路３５の上端は開口３５ｂとなっているが、下端は閉塞壁４１で閉塞してある。空気供給管３９は空気噴出口４０を閉塞壁４１の側へ向けた状態で、送風路３５の下端部内に配置してある。その他の構成は図８のものと同じである。そして、空気供給管３９の空気噴出口４０から空気は閉塞壁４１に向けて噴出されるが、この空気は閉塞壁４１にぶつかって第一噴出部６や第二噴出部７を配置した方向へ向きを変えて流れる。このように空気が閉塞壁４１にぶつかって向きを変える際の流路抵抗で空気の流れは送風路３５の全周において均一になり、空気の流れの分布が均一化される。従って、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れ、第一噴出部６や第二噴出部７から噴出されるガスと均一な空気比で混合されるものであり、第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なうことができ、水素製造装置２の改質反応部３を均一に加熱することができるものである。
【００４０】
第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な燃焼を行なわせるためには、上記のように第一噴出部６や第二噴出部７の全長に亘って均一な分布で空気が流れるようにする他に、第一噴出部６や第二噴出部７を構成するガス噴出管１１，１２に設けた複数の各ガス噴出口９，１０から燃料ガスや改質ガスが均一に噴出されるようにする必要がある。このためには、ガス（燃料ガスや改質ガス）がガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失と、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失との比率、すなわち、ガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失をΔＰｎ、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失をΔＰｂとすると、ΔＰｎ／ΔＰｂを大きくする必要がある。
【００４１】
ここで、この圧力損失の比率に関する実験について説明する。実験の装置は図３に示す仕様と同じものであり、第一噴出部６を形成するガス噴出管１１と第二噴出部７を形成するガス噴出管１２はそれぞれ、２００ｍｍの長さの丸管で直線状に作製してある。燃焼筒３４の送風路３５には空気ポンプで空気が一定量送られるようにしてある。またガス噴出管１１，１２にはそれぞれプロパンガスを一定流量送って、各ガス噴出口９，１０から９０°の交差角度で噴出されるようにしてあり、このガス噴出管１１，１２より空気の流れの上流側には図９のような整流手段１３が設けてある。
【００４２】
圧力損失の比率は、厳密にいえば複数ある各ガス噴出口９，１０において異なり、測定が困難である。そこで、各単位領域当りの理論的な式により導かれる圧力損失比を求めた。この理論式では、各ガス噴出口９，１０のガス噴出流速、ガス噴出管１１，１２内のガス流速は同一であり、ガスの流れは層流であると仮定している。
【００４３】
すなわち、図１１においてＶｂ：ガス噴出管内流速、Ｖｎ：ガス噴出口噴出速度、Ｌｐ：ガス噴出口ピッチ長さ、δ：ガス噴出管厚み、Ｄ：ガス噴出管内径、ｄ：ガス噴出口内径であり、Ｎ：ガス噴出口個数、Ｇ：ガス流量、Ｒｅ：レイノルズ数、ρ：ガス密度、ν：ガス動粘性係数である。そして、ガスがガス噴出管１１，１２内を通過する際の流れの圧力損失ΔＰｂ（単位領域当り）は「数１」の式から求められる。
【００４４】
【数１】

【００４５】
またガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失ΔＰｎ（単位領域当り）は「数２」の式から求められる。
【００４６】
【数２】

【００４７】
そして「数１」及び「数２」から、圧力損失比ΔＰｎ／ΔＰｂは「数３」の式から求められる。
【００４８】
【数３】

【００４９】
実験は、上記の理論式で導かれる圧力損失比０．３、３．９、１９．８の３水準が得られるように、ガス噴出管１１，１２とガス噴出口９，１０の寸法を設定した。すなわち、ガス噴出管１１，１２の外径φ６ｍｍ、内径φ４ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ１．５ｍｍ、個数２０、ピッチ長さ１０ｍｍに設定することによって、圧力損失比０．３を得た。またガス噴出管１１，１２の外径φ６ｍｍ、内径φ４ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ０．８ｍｍ、個数１０、ピッチ長さ１６ｍｍに設定することによって、圧力損失比３．９を得た。さらにガス噴出管１１，１２の外径φ８ｍｍ、内径φ６ｍｍ、ガス噴出口９，１０の内径φ０．８ｍｍ、個数１０、ピッチ長さ１６ｍｍに設定することによって、圧力損失比１９．８を得た。そして各水準において空気比を１．５〜３．５まで変化させて燃焼させた。その結果を図１２のグラフに示す。図１２において縦軸は排出される排気ガスをガス分析器で分析して得られた一酸化炭素と二酸化炭素の比率（一酸化炭素／二酸化炭素）を示すものであり、この数値が低い程、燃焼が安定していると判断することができる。図１２のグラフから明らかなように、圧力損失比が大きい程、一酸化炭素と二酸化炭素の比率が低く、燃焼が安定しているといえる。燃焼の際の炎２９の形態は、圧力損失比が小さい程、図１３（ａ）のように不均一になり、圧力損失が大きい程、図１３（ｂ）のように均一になる。従ってこの結果から、ガスがガス噴出管内１１，１２を通過する際の圧力損失に対する、ガスがガス噴出口９，１０を通過する際の圧力損失の比が、１０以上になるように、第一噴出部６及び第二噴出部７をそれぞれ形成することが好ましいことが確認される。この圧力損失比の上限は特に設定されるものではないが、実用上は５０程度が上限値である。
【００５０】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係る燃料電池システムの水素製造装置用加熱器は、燃料ガスを改質反応させて燃料電池に供給する改質ガスを製造する水素製造装置の改質反応部を加熱する加熱器であって、空気を一方向に流す送風手段と、この空気中に燃料ガスを噴出する第一噴出部と、この空気中に燃料電池で発電に利用されなかった改質ガスと燃料ガスの少なくとも一方を噴出する第二噴出部と、第一噴出部及び第二噴出部から噴出されるガスに着火する着火部とを備えるので、燃焼に必要な空気は総て第一噴出部及び第二噴出部から噴出される燃料ガスや改質ガスの周辺から拡散によって得られるものであり、これらのガスに対して空気比が高い場合でも燃焼を維持することが可能になって、良好な燃焼の範囲が広くなるものであり、また第一噴出部内や第二噴出部内に燃焼の炎が戻る逆火が発生することがなく、安全に燃焼制御することが容易になるものである。また、第一噴出部と第二噴出部のうち一方からガスを噴出させたり、両方からガスを噴出させたりするように切り替えを行なうことによって、燃焼させる燃料ガスと改質ガスの切り替えを容易に行なうことができるものである。
【００５１】
また請求項２の発明は、請求項１において、送風手段の空気の流れ方向と、第一噴出部及び第二噴出部から噴出されるガスの噴出方向とが略同一方向であるので、第一噴出部及び第二噴出部からガスをスムーズに噴出させることができ、安定した燃焼を行なわせることができるものである。
【００５２】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差するように、第一噴出部及び第二噴出部のガス噴出方向を設定するようにしたので、噴射されるガスを交差させることによって混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、より安定した燃焼が可能となるものである。
【００５３】
また請求項４の発明は、請求項１又は２において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差すると共に噴射されたガスが衝突するように、第一噴出部及び第二噴出部のガス噴出方向を設定するようにしたので、噴射されるガスを混合することができると共に空気との混合拡散が促進されるものであり、しかも炎が一つにまとまって燃焼し、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００５４】
また請求項５の発明は、請求項３又は４において、第一噴出部と第二噴出部からそれぞれ噴出されるガスの噴出方向が交差する角度を４０〜１２０°の範囲に設定するようにしたので、より安定した燃焼をさせることができるものである。
【００５５】
また請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、第一噴出部の両側に第二噴出部を、あるいは第二噴出部の両側に第一噴出部を備えたので、第一噴出部と第二噴出部の本数の多い方から大流量で燃焼ガスあるいは改質ガスを噴出させて燃焼させることができるものであり、必要に応じた状態で効率のよい加熱を行なうことができるものである。
【００５６】
また請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、送風手段での空気の流れの分布を均一化する整流手段を第一噴出部及び第二噴出部より空気の流れの上流側に備えたので、第一噴出部や第二噴出部に均一な分布で空気を供給して、第一噴出部や第二噴出部の全長で均一な燃焼を行なわせることができ、水素製造装置の改質反応部を均一に加熱することができるものである。
【００５７】
また請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、第一噴出部及び第二噴出部をそれぞれ、複数のガス噴出口を設けたガス噴出管によって形成し、ガスがガス噴出管内を通過する際の圧力損失に対するガスがガス噴出口を通過する際の圧力損失の比が１０以上になるように、第一噴出部及び第二噴出部をそれぞれ形成したので、第一噴出部や第二噴出部を構成するガス噴出管に設けた複数の各ガス噴出口から燃料ガスや改質ガスを均一に噴出されるようにすることができ、第一噴出部や第二噴出部の全長で均一に燃焼を行なって、水素製造装置の改質反応部を均一に加熱することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】同上の実施の形態を示すものであり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】同上の実施の形態の一部の拡大断面図である。
【図６】同上の実施の形態の一部を示すものであり、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ拡大断面図である。
【図７】ガス噴出角度と燃焼安定性の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１１】圧力損失比を求める理論式を説明するための断面図である。
【図１２】圧力損失比と燃焼安定性の関係を示すグラフである
【図１３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ炎の態様を示す図である。
【図１４】燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図１５】従来例を示す概略図である。
【図１６】従来例を示す概略図である。
【図１７】従来例を示す概略図である。
【図１８】従来例を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【符号の説明】
１燃料電池
２水素製造装置
３改質反応部
４加熱器
５送風手段
６第一噴出部
７第二噴出部
８着火部
９ガス噴出口
１０ガス噴出口
１１ガス噴出管
１２ガス噴出管
１３整流手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is used for heating a reforming reaction section of a hydrogen production apparatus in a hydrogen production apparatus for a fuel cell system in which fuel gas is reformed into a reformed gas rich in hydrogen and supplied to a fuel cell. It relates to a heater to be used.
[0002]
[Prior art]
As fuel gas for a fuel cell, hydrogen stored in a cylinder or hydrogen stored in a hydrogen storage alloy is often used. However, because hydrogen is difficult to handle, hydrocarbons such as methane, propane, and butane that are easy to handle are used as the fuel gas, and this fuel gas is modified in the reforming reaction section of the hydrogen production system. A method of producing a reformed gas rich in hydrogen through a quality reaction and supplying the reformed gas to a fuel cell to generate electric power is widely used.
[0003]
The formula for the reforming reaction is shown as an example of methane as follows.
[0004]
CH₄+ H₂O ＣＯ CO + 3H₂
CO + H₂O ＣＯ CO₂+ H₂
This reforming reaction is a typical reforming method called a steam reforming reaction. The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and since a certain high temperature is required for the reaction, a heater for heating the reforming reaction section is usually provided in the hydrogen production apparatus.
[0005]
FIG. 14 shows an example of a schematic configuration of the fuel cell system. The hydrogen production apparatus 2 includes a reforming reaction unit 3 and a heater 4. Then, the fuel gas supplied to the hydrogen production apparatus 2 undergoes a reforming reaction in the reforming reaction unit 3, and a reformed gas rich in hydrogen is generated. Electric power can be generated by supplying the reformed gas to the fuel cell 1 and causing the hydrogen in the reformed gas and the oxygen in the air to react electrochemically in the fuel cell 1. On the other hand, the heater 4 is supplied with the above-described fuel gas or a reformed gas that has not been used for power generation in the fuel cell 1, and these are mixed with air and burned, whereby the heater 4, the reforming reaction section 3 is heated.
[0006]
Here, as the heater 4 as described above, various types of heaters are conventionally provided. For example, as shown in FIG. 15, fuel gas (and reformed gas that has not been used for power generation) and air are individually supplied to the mixing chamber 20 and mixed sufficiently before combustion. When the premixed combustion method in which combustion is performed at the time of supply or the fuel gas before combustion (and the reformed gas that has not been used for power generation) is supplied to the burner unit 21 as shown in FIG. There is a quasi-premixed combustion method in which air is sucked from the suction port 22 in the middle of the flow path with the kinetic energy at the time and the fuel gas and air are mixed in the mixing chamber 20 and then burned in the burner portion 21 (see Patent Document 1). ). In FIG.15 and FIG.16, 29 is a flame.
[0007]
Also, as shown in FIG. 17, there is a catalytic combustion method in which a mixed gas of fuel gas (and reformed gas not used for power generation) and air is burned using a combustion catalyst 23 that promotes a combustion reaction. Yes (see Patent Document 2).
[0008]
In addition, there is a system that diffuses and burns reformed gas that has not been used for air and power generation. FIG. 18 shows an example thereof, a combustion chamber 24 for performing combustion, a blower 25 for supplying combustion air to the combustion chamber 24, and an exhaust gas supply line having a fuel discharge hole 26 at the tip. 27 and an ignition part 8 attached above the fuel discharge hole 26 for igniting the unreacted reformed gas ejected from the fuel discharge hole 26 constitutes a burner part 28. The unreacted reformed gas discharged from the fuel cell is diffusely burned (see Patent Document 3).
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-1928
[Patent Document 2]
JP 59-221509 A
[Patent Document 3]
JP-A-10-162849
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned premixed combustion method or semi-premixed combustion method heater, the range of air ratio, which is the mixing ratio of air and fuel gas, which is a combustion control parameter, is very narrow and can be burned well. There is a problem that the possible range is very narrow. In addition, if the balance between the jet speed of the mixed gas of air and fuel gas and the combustion speed are lost, and the combustion speed becomes faster than the jet speed of the mixed gas, the combustion flame returns to the mixing chamber and the phenomenon of flashback occurs. There is also a problem in terms of safety. Particularly in the case of a fuel cell system, the reformed gas that was not used for power generation is returned to the heater and used for combustion, but the reformed gas rich in hydrogen is a gas with a very fast combustion rate, There is a problem that backfire is more likely to occur and combustion resonance is more likely to occur in the mixing chamber. As described above, the heaters of the premixed combustion system and the semi-premixed combustion system generally have a problem that the range of good combustion is narrow and it is difficult to control the combustion safely.
[0011]
In addition, in the above-described combustion catalyst type heater, in order to perform a good catalytic reaction, it is indispensable to control the flow rate of fuel gas and air. If the control is wrong, the amount of heat cannot be increased as a heating source, There is a risk of exhaust as unburned gas that is not used for catalytic combustion, and backfire may also occur. Therefore, the combustion catalyst system has the problem that the range of good combustion is narrow and it is difficult to control the combustion safely, like the premixed combustion system and the semi-premixed combustion system.
[0012]
Further, in the diffusion combustion type heater shown in FIG. 18, it is difficult to switch between unreacted reformed gas and fuel gas such as city gas, natural gas, and LPG, and it is difficult to control combustion. There is a problem.
[0013]
The present invention has been made in view of the above points, and has a wide range of good combustion, is easy to safely control combustion, and is composed of a fuel gas and a reformed gas not used for power generation. An object of the present invention is to provide a heater for a hydrogen production apparatus of a fuel cell system that can be easily switched.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
A heater for a hydrogen production apparatus of a fuel cell system according to claim 1 of the present invention is a reforming reaction section 3 of a hydrogen production apparatus 2 for producing a reformed gas to be supplied to the fuel cell 1 by reforming the fuel gas. Is a heater 4 that heats air in one direction, a blower means 5 for flowing air in one direction, a first jet section 6 that jets fuel gas into the air, and the fuel cell 1 that is not used for power generation in the air. The second ejection part 7 ejects at least one of the reformed gas and the fuel gas, and the ignition part 8 that ignites the gas ejected from the first ejection part 6 and the second ejection part 7. It is what.
[0015]
In the invention of claim 2, the air flow direction of the air blowing means 5 and the gas jetting direction from the first jetting part 6 and the second jetting part 7 are substantially the same in claim 1. It is characterized by.
[0016]
Further, the invention of claim 3 is the invention according to

claim

1 or 2, wherein the first ejection part 6 and the second ejection part are arranged so that the ejection directions of the gas ejected from the first ejection part 6 and the second ejection part 7 intersect each other. The gas ejection direction of the part 7 is set.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the ejection directions of the gas ejected from the first ejection section 6 and the second ejection section 7 intersect and the ejected gas collides. The gas ejection direction of the one ejection part 6 and the 2nd ejection part 7 is set, It is characterized by the above-mentioned.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the third or fourth aspect, the angle at which the ejection directions of the gas ejected from the first ejection section 6 and the second ejection section 7 intersect each other is set in a range of 40 to 120 °. It is characterized by.
[0019]
In addition, the invention of claim 6 includes the second ejection part 7 on both sides of the first ejection part 6 or the first ejection part 6 on both sides of the second ejection part 7 in any one of the first to fifth aspects. It is characterized by this.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the rectifying means 13 for uniformizing the air flow distribution in the blower means 5 is provided with air flow from the first jetting section 6 and the second jetting section 7. It is provided in the upstream of the flow.
[0021]
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the first jet portion 6 and the second jet portion 7 are respectively formed by

gas jet pipes

11 and 12 provided with a plurality of

gas jet ports

9 and 10, respectively. The first ejection section 6 is formed so that the ratio of the pressure loss when the gas passes through the

gas ejection ports

9 and 10 to the pressure loss when the gas passes through the

gas ejection pipes

11 and 12 is 10 or more. And the 2nd ejection part 7 is formed, respectively, It is characterized by the above-mentioned.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0023]
FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention. The first jetting part 6 is provided with a gas jetting pipe 11 provided with a plurality of gas jetting outlets 9, and the second jetting part 7 is provided with a gas jetting outlet 10. Each is formed by gas ejection pipes 12 provided at a plurality of locations. The

gas ejection pipes

11 and 12 are closed at both ends, respectively, and

gas supply pipes

32 and 33 are connected to one end. The

gas ejection pipes

11 and 12 are formed by circular pipes, but the cross-sectional shape may be an ellipse or a polygon such as a rectangle in addition to a circle. Further, in the embodiment of FIG. 1, the gas ejection pipe 11 and the gas ejection pipe 12 are bent into a substantially donut shape so that the ends thereof are close to each other, and the diameter of the bending of the gas ejection pipe 12 is determined by gas ejection. The gas ejection pipe 12 that forms the second ejection section 7 is arranged concentrically inside the gas ejection pipe 11 that is formed smaller than the pipe 11 and that forms the first ejection section 6.
[0024]
The

gas ejection ports

9 and 10 of the gas ejection tube 11 and the gas ejection tube 12 are formed so as to open in the same direction, and the gas ejection ports 9 of the gas ejection tube 11 and the gas ejection ports 12 of the gas ejection tube 12 are formed. The outlets 10 are arranged at regular intervals along the longitudinal direction of the

gas ejection pipes

11 and 12 at corresponding positions. In the illustrated embodiment, the

gas ejection ports

9 and 10 are formed as round holes, but shapes such as elliptical holes, rectangular holes, and other polygonal holes are arbitrary. The size and number of the

gas outlets

9 and 10 are appropriately determined according to the flow rate of the jetted gas.
[0025]
In FIG. 1, reference numeral 34 denotes a combustion cylinder formed in a double cylinder shape from an outer cylinder 34a and an inner cylinder 34b, and an annular air passage 35 that opens up and down is formed between the outer cylinder 34a and the inner cylinder 34b. . A blower (not shown) is disposed in one opening 35 a of the air passage 35, and air flows in one direction from the one opening 35 a to the other opening 35 b in the air passage 35. The blower means 5 is formed by the blower passage 35 and the blower. The gas ejection pipe 11 and the gas ejection pipe 12 are arranged in the air passage 35 so as to be concentric with the outer cylinder 34a and the inner cylinder 34b, and the gas ejection pipe 11 and the gas ejection pipe 12 are connected to each other. The

gas outlets

9 and 10 are formed so as to open toward the opening 35b of the air passage 35 so as to face the same direction as the air flow direction. The combustion cylinder 34 is provided with an ignition portion 8 formed of a sparker or the like at a position close to the

gas ejection ports

9 and 10 of the

gas ejection pipes

11 and 12.
[0026]
The heater 4 formed as described above is used by being incorporated in the hydrogen production apparatus 2 of the fuel cell system as shown in FIG. In the heater 4, a hydrocarbon-based fuel gas such as city gas, natural gas, and LPG is supplied to the gas ejection pipe 11 that forms the first ejection section 6 through the gas supply pipe 32. The gas jet pipe 12 forming the second jet part 7 is supplied with a hydrogen-rich reformed gas and fuel gas, which have not been used for power generation, by a gas supply pipe 33. Here, the gas ejection pipe 12 that forms the second ejection portion 7 is supplied with reformed gas that has not been used mainly for power generation. When the amount of reformed gas that is supplied is small, fuel is supplied to compensate for it. Gas is also supplied at the same time, and only fuel gas is supplied when there is no reformed gas that can be supplied, such as at the start of operation of the fuel cell system. Further, the fuel gas and the reformed gas are supplied to the

gas ejection pipes

11 and 12 without mixing air.
[0027]
The air in the air passage 35 flows in one direction beyond the periphery of the gas ejection pipes 11 and 12 (the flow direction of the air in the air passage 35 is indicated by the arrow B, the direction of the fuel gas is indicated by the arrow B, and the reformed gas. The gas ejected from the

gas ejection ports

9 and 10 of the

gas ejection pipes

11 and 12 is mixed with the air sent from the periphery of the

gas ejection pipes

11 and 12, and the ignition part When it is ignited at 8, it burns. The flame 29 and the combustion gas generated by the combustion come out from the opening 35 b of the air blowing path 35.
[0028]
In this combustion mode, all the air necessary for combustion diffuses from the periphery of the gas ejected from the

gas ejection ports

9 and 10 of the

gas ejection pipes

11 and 12 forming the first ejection portion 6 and the second ejection portion 7. Since it is burned outside the first jet part 6 and the second jet part 7 and no air exists in the first jet part 6 and the second jet part 7, No backfire is generated in which the combustion flame returns to the inside of the one ejection part 6 or the second ejection part 7. Therefore, it becomes easy to control the combustion safely. In addition, since the fuel gas and the reformed gas are burned outside the first jet part 6 and the second jet part 7 in this way, even when the flow rate of air is high with respect to these gases, the air ratio is high. Combustion can be maintained, and the range of good combustion is widened. If the air passage 35 is sufficiently insulated, a sufficient flame temperature can be obtained. Further, the fuel gas is supplied to the gas jet pipe 11 forming the first jet part 6, and the reformed gas that has not been used for power generation is supplied to the gas jet part 12 forming the second jet part 7 for combustion. At this time, gas is jetted from both the first jetting part 6 and the second jetting part 7 and burned, or supply to the second jetting part 7 is stopped and gas is jetted only from the first jetting part 6 to burn. Or by switching the first jet part 6 and the second jet part 7 so that the supply to the first jet part 6 is stopped and the gas is jetted only from the second jet part 7 and burned. According to the operation status of the fuel cell system, the combustion of the fuel gas and the reformed gas can be easily switched.
[0029]
Here, the reforming reaction section 3 of the hydrogen production apparatus 2 is generally formed in a cylindrical shape, and the heater 4 for heating the reforming reaction section 3 is also formed in a cylindrical shape as a whole as shown in FIG. It is. When the inner wall of the reforming reaction unit 3 is heated, as shown in FIG. 2A, the combustion cylinder 34 of the heater 4 is disposed inside the lower end of the reforming reaction unit 3, and the reforming reaction unit 3 When the outer wall is heated, the combustion cylinder 34 of the heater 4 is disposed outside the lower end of the reforming reaction section 3 as shown in FIG. The positional relationship between the heater 4 and the reforming reaction unit 3 is such that the heater 4 is arranged above the reforming reaction unit 3 even if the heater 4 is arranged below the reforming reaction unit 3 as shown in FIG. Even if it arrange | positions to, it is arbitrary.
[0030]
Further, when the reforming reaction section 3 of the hydrogen production apparatus 2 is formed in a rectangular cylinder shape, the heater 4 for heating the reforming reaction section 3 is also formed in a rectangular cylinder shape as a whole as shown in FIG. be able to. In the embodiment of FIG. 3, the gas ejection pipe 11 forming the first ejection section 6 and the gas ejection pipe 12 forming the second ejection section 7 are each formed in a straight line. The

gas discharge pipes

11 and 12 are arranged in parallel so that the

gas outlets

9 and 10 face each other in the air passage 35 of the rectangular combustion cylinder 34 whose top and bottom are open.
[0031]
FIG. 4 shows an example of another embodiment of the present invention, in which a gas outlet 9 provided in a gas outlet 11 that forms the first outlet 6 and a gas outlet 12 that forms the second outlet 7. Are formed at positions close to each other. Other configurations are the same as those in FIG. In this case, the fuel gas ejected from the gas ejection port 9 of the gas ejection tube 11 is ejected in a direction inclined toward the gas ejection tube 12 as indicated by the arrow B, and the gas ejection port of the gas ejection tube 12. Gases such as reformed gas ejected from 10 are ejected in a direction inclined toward the gas ejection pipe 11 as indicated by arrows C, and the respective gases are ejected in directions intersecting with each other.
[0032]
In this way, by intersecting the gas ejected from the first ejection part 6 and the second ejection part 7, each gas can be mixed by this intersection and mixing and diffusion with air is promoted. In particular, the gas flow direction (arrow B) intersects with the air flow direction (arrow B), and the mixed diffusion of air and gas is promoted, enabling more stable combustion. is there. In addition, since the gas ejection port 9 of the gas ejection tube 11 and the gas ejection port 10 of the gas ejection tube 12 are provided at corresponding positions, the gases ejected from the

gas ejection ports

9 and 10 collide with each other, and FIG. As shown in FIG. 1, the flame 29 becomes a more stable combustion.
[0033]
Here, by setting the crossing angle θ of the gas ejected from the

gas ejection ports

9 and 10 of the first ejection part 6 and the second ejection part 7 to an appropriate angle, more stable combustion becomes possible. That is, if the gas crossing angle θ is too small, the number of flames 29 becomes two as shown in FIG. In addition, in this case, since the flame 29 from the first ejection portion 6 and the flame 29 from the second ejection portion 7 are close to the wall surface of the air passage 35, the wall surface of the air passage 35 is blown by these flames 29 and becomes high temperature. In this respect, combustion may become unstable. In order to prevent the air passage 35 from becoming high temperature, it is necessary to increase the width of the air passage 35. In this case, it is difficult to reduce the size of the heater 4. If the gas crossing angle θ is too large, the gas ejected from the

gas ejection ports

9 and 10 of the first ejection section 6 and the second ejection section 7 crosses so as to penetrate each other, as shown in FIG. Thus, the flame 29 penetrates into two, and in this case also, the flame 29 cannot be united. In addition, in this case, since the tip of the flame 29 from the first ejection part 6 and the tip of the flame 29 from the second ejection part 7 are close to the wall surface of the air passage 35, the wall surface of the air passage 35 is the flame 29. There is a possibility that it will become hot and hot, and in this respect as well, there is a possibility that combustion may become unstable, and miniaturization becomes difficult. On the other hand, when the gas crossing angle θ is appropriate, the flame 29 is brought into a stable state as shown in FIG. 6B, and the flame 29 is in the width direction of the air passage 35. Therefore, the wall surface of the air passage 35 is not hung up by the flame 29 and does not become hot.
[0034]
Here, an experiment for measuring the relationship between the crossing angle θ of the gas ejected from the

gas ejection ports

9 and 10 of the first ejection section 6 and the second ejection section 7 and the combustion stability will be described. The experimental apparatus has the same specifications as shown in FIG. 4, and the gas ejection pipe 11 forming the first ejection section 6 is a substantially donut having an outer diameter of approximately 75 mm by bending a round tube having an outer diameter of 8 mm and an inner diameter of 6 mm. The gas jet pipe 12 which forms the second jet part 7 is made into a substantially donut shape having a cross section of a round pipe having an outer diameter of φ8 mm and an inner diameter of φ6 mm bent to an outer diameter of about φ65 mm. The hole diameters of the

gas ejection ports

9 and 10 of the

gas ejection pipes

11 and 12 are φ0.8 mm, and 10 holes are provided at regular intervals. The outer cylinder 34a of the combustion cylinder 34 is φ80 mm and the inner cylinder 34b is φ50 mm, and air is sent to the air passage 35 of the combustion cylinder 34 by a constant flow rate by an air pump. Further, propane gas is sent to the

gas ejection pipes

11 and 12 at a constant flow rate so that a certain amount is ejected from the

gas ejection ports

9 and 10.
[0035]
In the experiment, the crossing angle θ of the gas ejection was set to four levels of 0 °, 45 °, 90 °, and 135 °, and combustion was performed by changing the air ratio from 1.5 to 3.5 at each level. I let you. The result is shown in the graph of FIG. In FIG. 7, the vertical axis indicates the ratio of carbon monoxide and carbon dioxide (carbon monoxide / carbon dioxide) obtained by analyzing the exhaust gas discharged with a gas analyzer. It can be determined that the combustion is stable. As is apparent from the graph of FIG. 7, when the crossing angle θ of gas ejection is 45 ° and 90 °, the ratio of carbon monoxide and carbon dioxide is low, the combustion is stable, and the flame 29 is shown in FIG. It was in a unified form as shown in b). Therefore, it can be said from this result that the crossing angle θ of the gas ejection is suitable in the range of about 40 ° to 120 °.
[0036]
FIG. 8 shows an example of another embodiment of the present invention, in which the first ejection portions 6 are arranged and provided on both sides of the second ejection portion 7. Moreover, the gas outlet 10 of the gas jet pipe 12 which forms the 2nd jet part 7 arrange | positioned in the center is the gas jet outlet of the gas jet pipe 11 which forms the 1st jet part 6 arrange | positioned in the center position at the both sides. 9 is provided at a position biased toward the gas ejection pipe 12. Therefore, the ejection direction (c arrow) of the reformed gas (or fuel gas) ejected from the second ejection part 7 and the ejection direction (b arrow) of the fuel gas ejected from the first ejection part 6 on both sides thereof are as follows. It intersects and can be burned in a state where the flames 29 are united. The other structure is the same as that of FIG.
[0037]
In this case, the number of the fuel gas is increased by one, while the number of the second ejection parts 7 for ejecting the reformed gas is one, whereas the number of the first ejection parts 6 for ejecting the fuel gas is two. be able to. Accordingly, when it is necessary to raise the temperature of the reforming reaction section 3 of the hydrogen production device 2 in a short time at the preparation stage for starting the fuel cell, a large amount of combustion gas is supplied to the two first ejection sections 6. Thus, combustion can be performed with the combustion heat amount increased, and the start-up time of the fuel cell can be shortened. In the embodiment of FIG. 8, the first ejection parts 6 are arranged and provided on both sides of the second ejection part 7, but the second ejection parts 7 are arranged and provided on both sides of the first ejection part 6. You may do it. Further, the number is not limited to a total of three as shown in FIG. 8, but may be four or more.
[0038]
FIG. 9 shows an example of another embodiment of the present invention, and on the upstream side of the air flow from the location where the first ejection part 6 and the second ejection part 7 are arranged in the air passage 35 of the combustion cylinder 34. Rectifying means 13 is provided. The rectifying means 13 shown in FIG. 9 is formed of an air resistance member 37 formed of a lattice, a net, a granular body, or the like, and the air passage 35 is closed with the air resistance member 37. An air supply path 38 is connected to the opening 35 a at the lower end of the blower path 35. Other configurations are the same as those in FIG. The air blown from the air supply path 38 passes through the air resistance member 14 and flows through the air flow path 35, but the flow of air when the air resistance member 14 passes through the air flow is the entire air flow path 35. It becomes uniform in the circumference, and the air flow distribution is made uniform. Therefore, air flows in a uniform distribution over the entire length of the first ejection part 6 and the second ejection part 7, and is mixed with the gas ejected from the first ejection part 6 and the second ejection part 7 at a uniform air ratio. It is a thing which can perform uniform combustion over the full length of the 1st ejection part 6 or the 2nd ejection part 7, and can heat the reforming reaction part 3 of the hydrogen production apparatus 2 uniformly. is there.
[0039]
In the embodiment of FIG. 10, the rectifying means 13 is formed by an air supply pipe 39 bent in an annular shape, and the air supply pipe 39 is provided with air jets 40 at a plurality of equally spaced locations. Further, the upper end of the air passage 35 is an opening 35 b, but the lower end is blocked by a blocking wall 41. The air supply pipe 39 is disposed in the lower end portion of the air blowing path 35 in a state where the air jet port 40 is directed toward the blocking wall 41. Other configurations are the same as those in FIG. Then, air is ejected from the air ejection port 40 of the air supply pipe 39 toward the blocking wall 41, and this air hits the blocking wall 41 in the direction in which the first ejection part 6 and the second ejection part 7 are arranged. It changes direction and flows. Thus, the flow of air when the air collides with the blocking wall 41 and changes its direction makes the air flow uniform over the entire circumference of the air blowing path 35, and the air flow distribution is made uniform. Therefore, air flows in a uniform distribution over the entire length of the first ejection part 6 and the second ejection part 7, and is mixed with the gas ejected from the first ejection part 6 and the second ejection part 7 at a uniform air ratio. It is a thing which can perform uniform combustion over the full length of the 1st ejection part 6 or the 2nd ejection part 7, and can heat the reforming reaction part 3 of the hydrogen production apparatus 2 uniformly. is there.
[0040]
In order to perform uniform combustion over the entire length of the first ejection section 6 and the second ejection section 7, the distribution is uniform over the entire length of the first ejection section 6 and the second ejection section 7 as described above. In addition to allowing the air to flow, the fuel gas and the reformed gas are uniform from a plurality of

gas outlets

9 and 10 provided in the

gas jet pipes

11 and 12 constituting the first jet part 6 and the second jet part 7. Need to be ejected. For this purpose, the pressure loss when the gas (fuel gas or reformed gas) passes through the

gas ejection ports

9 and 10 and the pressure loss of the flow when the gas passes through the

gas ejection pipes

11 and 12 are calculated. If the ratio, that is, the pressure loss when the gas passes through the

gas ejection ports

9 and 10 is ΔPn, and the pressure loss of the flow when the gas passes through the

gas ejection pipes

11 and 12 is ΔPb, ΔPn / ΔPb is increased. There is a need to.
[0041]
Here, an experiment regarding the ratio of the pressure loss will be described. The experimental apparatus is the same as the specification shown in FIG. 3, and the gas ejection pipe 11 forming the first ejection section 6 and the gas ejection pipe 12 forming the second ejection section 7 are each a round tube having a length of 200 mm. It is made in a straight line. A fixed amount of air is sent to the air passage 35 of the combustion cylinder 34 by an air pump. Further, propane gas is sent to the

gas ejection pipes

11 and 12 at a constant flow rate so as to be ejected from the

gas ejection outlets

9 and 10 at an intersecting angle of 90 °. On the upstream side of the flow, rectifying means 13 as shown in FIG. 9 is provided.
[0042]
Strictly speaking, the ratio of the pressure loss is different at each of the

gas outlets

9 and 10, and measurement is difficult. Therefore, the pressure loss ratio derived from a theoretical formula per unit area was obtained. In this theoretical formula, it is assumed that the gas ejection flow rates of the

gas ejection ports

9 and 10 are the same as the gas flow velocity in the

gas ejection pipes

11 and 12, and the gas flow is laminar.
[0043]
That is, in FIG. 11, Vb: gas jet pipe flow velocity, Vn: gas jet jet speed, Lp: gas jet pitch length, δ: gas jet pipe thickness, D: gas jet pipe inner diameter, and d: gas jet inner diameter. Yes, N: number of gas outlets, G: gas flow rate, Re: Reynolds number, ρ: gas density, ν: gas kinematic viscosity coefficient. Then, the pressure loss ΔPb (per unit area) of the flow when the gas passes through the

gas ejection pipes

11 and 12 can be obtained from the formula “Equation 1”.
[0044]
[Expression 1]

[0045]
Further, the pressure loss ΔPn (per unit region) when the gas passes through the

gas ejection ports

9 and 10 can be obtained from the formula “Equation 2”.
[0046]
[Expression 2]

[0047]
From “Equation 1” and “Equation 2”, the pressure loss ratio ΔPn / ΔPb is obtained from the equation of “Equation 3”.
[0048]
[Equation 3]

[0049]
In the experiment, the dimensions of the

gas ejection pipes

11 and 12 and the

gas ejection ports

9 and 10 are set so that three levels of pressure loss ratios 0.3, 3.9, and 19.8 derived from the above theoretical formula can be obtained. did. That is, the pressure loss ratio 0.3 was obtained by setting the outer diameter φ6 mm, the inner diameter φ4 mm, the inner diameter φ1.5 mm, the number 20 and the pitch length 10 mm of the

gas ejection pipes

11 and 12. . Moreover, the pressure loss ratio 3.9 was obtained by setting the outer diameter φ6 mm and the inner diameter φ4 mm of the

gas ejection pipes

11 and 12, the inner diameter φ0.8 mm of the

gas ejection ports

9 and 10, the number 10 and the pitch length 16 mm. Further, the pressure loss ratio of 19.8 was obtained by setting the outer diameter φ8 mm and the inner diameter φ6 mm of the

gas ejection pipes

11 and 12, the inner diameter φ0.8 mm of the

gas ejection ports

9 and 10, the number 10 and the pitch length 16 mm. At each level, the air ratio was changed from 1.5 to 3.5 and burned. The result is shown in the graph of FIG. In FIG. 12, the vertical axis indicates the ratio of carbon monoxide and carbon dioxide (carbon monoxide / carbon dioxide) obtained by analyzing the exhaust gas discharged with a gas analyzer. It can be determined that the combustion is stable. As is clear from the graph of FIG. 12, it can be said that the larger the pressure loss ratio, the lower the ratio of carbon monoxide and carbon dioxide and the more stable the combustion. The form of the flame 29 at the time of combustion becomes nonuniform as shown in FIG. 13A as the pressure loss ratio is small, and becomes uniform as shown in FIG. 13B as the pressure loss is large. Therefore, from this result, the ratio of the pressure loss when the gas passes through the

gas ejection ports

9 and 10 to the pressure loss when the gas passes through the

gas ejection pipes

11 and 12 is 10 or more. It is confirmed that it is preferable to form the ejection part 6 and the second ejection part 7, respectively. The upper limit of the pressure loss ratio is not particularly set, but about 50 is practically the upper limit.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, a heater for a hydrogen production apparatus of a fuel cell system according to claim 1 of the present invention is a reforming reaction of a hydrogen production apparatus that produces a reformed gas to be supplied to the fuel cell by reforming the fuel gas. A heating means for heating a part, a blowing means for flowing air in one direction, a first jet part for jetting fuel gas into the air, and a reformer not used for power generation in the fuel cell in the air Since it includes a second ejection part that ejects at least one of gas and fuel gas, and an ignition part that ignites the gas ejected from the first ejection part and the second ejection part, all the air necessary for combustion is the first It is obtained by diffusion from the periphery of the fuel gas and reformed gas ejected from the ejection section and the second ejection section, and it becomes possible to maintain combustion even when the air ratio is high for these gases The range of good combustion is widened Also without flashback combustion flame is returned to the first ejection portion and the second ejection portion is generated, in which is easy to safely combustion control. In addition, by switching so that gas is ejected from one of the first ejection part and the second ejection part, or gas is ejected from both, the fuel gas to be burned and the reformed gas can be easily switched. It can be done.
[0051]
Further, the invention of claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the flow direction of the air of the blower means and the ejection direction of the gas ejected from the first ejection section and the second ejection section are substantially the same direction. Gas can be smoothly ejected from the ejection part and the second ejection part, and stable combustion can be performed.
[0052]
Further, the invention of claim 3 is the gas in the first and second ejection parts according to

claim

1 or 2, such that the ejection directions of the gas ejected from the first and second ejection parts intersect each other. Since the ejection direction is set, mixing can be performed by crossing the injected gas, and mixing and diffusion with air can be promoted, so that more stable combustion is possible.
[0053]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the first jetting is performed such that the jetting directions of the gas jetted from the first jetting part and the second jetting part intersect and the jetted gas collides. Since the gas jetting direction of the part and the second jetting part is set, the injected gas can be mixed and the mixing and diffusion with the air can be promoted, and the flames can be combined into one. It burns and can make more stable combustion.
[0054]
According to a fifth aspect of the present invention, in the third or fourth aspect, the angle at which the ejection directions of the gas ejected from the first ejection section and the second ejection section intersect is set in the range of 40 to 120 °. Therefore, more stable combustion can be performed.
[0055]
In addition, the invention of claim 6 is characterized in that in any one of claims 1 to 5, the second jetting part is provided on both sides of the first jetting part or the first jetting part is provided on both sides of the second jetting part. Combustion gas or reformed gas can be jetted and burned at a large flow rate from the larger number of jetting parts and second jetting parts, and efficient heating can be performed in a necessary state. Is.
[0056]
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the rectifying means for equalizing the air flow distribution in the blower means is provided on the upstream side of the air flow from the first jet section and the second jet section. Therefore, it is possible to supply air in a uniform distribution to the first and second jetting portions so that uniform combustion can be performed over the entire length of the first and second jetting portions. The reforming reaction part can be heated uniformly.
[0057]
The invention according to claim 8 is the method according to any one of claims 1 to 7, wherein the first ejection part and the second ejection part are each formed by a gas ejection pipe provided with a plurality of gas ejection ports, and the gas is in the gas ejection pipe. Since the first jet part and the second jet part are formed so that the ratio of the pressure loss when the gas passes through the gas jet outlet is 10 or more, the first jet part and The fuel gas and the reformed gas can be uniformly ejected from a plurality of gas ejection ports provided in the gas ejection pipe constituting the second ejection section, and the entire length of the first ejection section and the second ejection section Thus, the reforming reaction part of the hydrogen production apparatus can be uniformly heated by performing uniform combustion.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show an example of an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan sectional view and FIG. 1B is a sectional view taken along line AA in FIG.
FIGS. 2A and 2B show the same embodiment, and FIGS. 2A and 2B are schematic cross-sectional views, respectively. FIGS.
FIGS. 3A and 3B show another example of the embodiment of the present invention, in which FIG. 3A is a plan sectional view and FIG. 3B is a sectional view taken along line AA in FIG.
4A and 4B show an example of another embodiment of the present invention, in which FIG. 4A is a plan cross-sectional view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a part of the embodiment.
FIG. 6 shows a part of the embodiment described above, and (a), (b), and (c) are enlarged sectional views, respectively.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between gas ejection angle and combustion stability.
8A and 8B show an example of another embodiment of the present invention, in which FIG. 8A is a plan cross-sectional view, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
9A and 9B show an example of another embodiment of the present invention, in which FIG. 9A is a plan sectional view and FIG. 9B is a sectional view taken along line AA in FIG.
FIGS. 10A and 10B show an example of another embodiment of the present invention, in which FIG. 10A is a cross-sectional plan view, and FIG. 10B is a cross-sectional view along line AA in FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining a theoretical formula for obtaining a pressure loss ratio.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the pressure loss ratio and the combustion stability.
FIGS. 13 (a) and 13 (b) are diagrams each showing an aspect of a flame.
FIG. 14 is a schematic view showing an example of a fuel cell system.
FIG. 15 is a schematic view showing a conventional example.
FIG. 16 is a schematic view showing a conventional example.
FIG. 17 is a schematic diagram showing a conventional example.
18A and 18B show a conventional example, where FIG. 18A is a plan view, FIG. 18B is a front view, and FIG. 18C is a side view.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
2 Hydrogen production equipment
3 reforming reaction section
4 heaters
5 Blower means
6 First jet
7 Second ejection part
8 ignition part
9 Gas outlet
10 Gas outlet
11 Gas ejection pipe
12 Gas ejection pipe
13 Rectification means

Claims

A heater for heating a reforming reaction section of a hydrogen production apparatus for producing a reformed gas to be reformed and supplied to a fuel cell by reforming the fuel gas, air blowing means for flowing air in one direction, and in the air A first ejection section for ejecting fuel gas; a second ejection section for ejecting at least one of a reformed gas and a fuel gas not used for power generation in the fuel cell into the air; a first ejection section and a second ejection A heater for a hydrogen production apparatus of a fuel cell system, comprising: an ignition unit that ignites gas ejected from the unit.

2. The hydrogen production of a fuel cell system according to claim 1, wherein the flow direction of the air in the blower means and the ejection direction of the gas ejected from the first ejection section and the second ejection section are substantially the same direction. Equipment heater.

The gas ejection directions of the first ejection section and the second ejection section are set so that the ejection directions of the gas ejected from the first ejection section and the second ejection section respectively intersect. A heater for a hydrogen production apparatus of the fuel cell system according to 1.

Setting the gas ejection directions of the first ejection section and the second ejection section so that the ejection directions of the gas ejected from the first ejection section and the second ejection section intersect and the ejected gas collide with each other. The heater for the hydrogen production apparatus of the fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized by the above-mentioned.

5. The hydrogen of the fuel cell system according to claim 3, wherein an angle at which the ejection directions of the gas ejected from the first ejection section and the second ejection section intersect each other is set in a range of 40 to 120 °. Heater for manufacturing equipment.

The hydrogen production for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising a second ejection part on both sides of the first ejection part or a first ejection part on both sides of the second ejection part. Equipment heater.

The rectifying means for equalizing the air flow distribution in the blower means is provided on the upstream side of the air flow from the first jet part and the second jet part. For a hydrogen production apparatus of a fuel cell system in Japan.

The first ejection part and the second ejection part are each formed by a gas ejection pipe provided with a plurality of gas ejection ports, and the gas against the pressure loss when the gas passes through the gas ejection pipe when the gas passes through the gas ejection port The hydrogen production apparatus for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the first ejection portion and the second ejection portion are formed so that the pressure loss ratio is 10 or more. Heater.