JP5080320B2

JP5080320B2 - 燃料改質用バーナ

Info

Publication number: JP5080320B2
Application number: JP2008060352A
Authority: JP
Inventors: 恵伊藤; 義司時田
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP2009216301A

Description

この発明は燃料電池システム等に使用される燃料改質用バ−ナに関するものである。

従来よりこの種の燃料改質用バーナでは、液体燃料と燃焼用空気とを気化室内の気化壁に衝突させて気化した後、混合気通路を通り混合しながらバーナ部分へ供給されて、ここで完全燃焼させるものであった。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００５−１８０８１２号公報

ところでこの従来のものでは、液体燃料を噴霧するノズルの内径が小さいと液体燃料の微細化は良好に行えるが、液体燃料の流路の圧力損失が大きくなってしまい、液体燃料を供給する装置側は能力の大きいものを選択しなければならず、コスト高を招いてしまうという問題点を有する。逆に、前記ノズルの内径が大きいと、今度はノズルから噴霧される液体燃料の微細化がうまく行われず、安定した燃焼を得られないという問題点を有するものであった。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、液体燃料を噴霧するノズルの内径が大きい場合であっても液体燃料の微細化を良好に行え、安定した燃焼を得ることができる燃料改質用バーナを提供することを目的とする。

この発明は上記課題を解決する為、特に請求項１ではその構成を、改質器に改質反応用の熱を供給する燃料改質用バーナにおいて、前記バーナは加熱ヒータを備え液体燃料を気化し一次空気と予混合する予混合方式で、前記一次空気と燃料噴霧用のノズルからの液体燃料の噴霧とを受けて気化ガスを含む予混合気を生成する気化室と、前記気化室からの予混合気の気化及び混合を促進する気化混合室と、前記気化室と前記気化混合室とを連通し前記気化室で生成された予混合気を前記気化混合室の内側壁に向けて噴出させる噴出部を設け、さらに前記気化室の流入口にオリフィス部を設けると共に、該オリフィス部近傍に前記ノズルの先端部を配置するようにし、前記ノズルの先端部は、正面及び背面から先端に向かって鋭角にカットされ、両側面に防風壁を形成すると共に、該防風壁を先端に向かって鋭角にカットされた形状とし、さらに前記噴出部の軸線方向と前記防風壁の先端同士を結んでできる線方向とが略一致するように前記ノズルを配置するものとした。

また、請求項２では、前記オリフィス部は、前記気化室側に向かって先細り形状となる絞り部と、該絞り部と前記気化室とを連通する連通部とから成り、前記ノズルの先端部を前記絞り部に配置するものとした。

この発明の請求項１によれば、気化室の流入口にオリフィス部を設けると共に、オリフィス部近傍にノズルの先端部を配置したことで、ノズルから噴霧される液体燃料の微細化を良好に行うことができ、液体燃料の気化が促進され、安定した燃焼を得ることができ、ノズルの先端部がノズルの先端に向かって鋭角にカットされているので、ノズルの先端部への燃焼空気の回り込みがなく、小火力燃焼時においても燃焼空気は鋭角にカットされたノズル先端に沿って勢い良く気化室側へ噴出でき、小火力燃焼時でも脈動燃焼は起こらず良好に燃焼するので、燃焼幅を広げることができ、燃料電池で使用するバーナとしては極めて使用勝手が良いものである。さらに、噴出部の軸線方向と防風壁の先端同士を結んでできる線方向とが略一致するようにノズルを配置したことにより、噴出部に向かう一次空気の送風力が直接液体燃料に作用して液体燃料が粒径の大きい油滴のまま気化室に送られることなく、液体燃料の気化が促進され、安定した燃焼を得ることができるものである。

また、請求項２によれば、オリフィス部を気化室側に向かって先細り形状となる絞り部と連通部とで構成し、ノズルの先端部を絞り部に配置することで、燃焼用の一次空気をノズルの先端部に邪魔されることなく、且つ一次空気が流れる経路の圧力損失を大きくすることなくスムーズに気化室側に流すことができると共に、ノズルから噴霧される液体燃料の微細化を良好に行うことができ、安定した燃焼を得ることができるものである。

次に、本発明の燃料改質用バーナの一実施形態を図面に基づき説明する。
１はＵ字状の加熱ヒータ２を埋設した有底筒状のアルミダイキャスト製の気化器で、改質器（図示せず）が内蔵された筒体３の上部に下向きに取り付けられているものであり、この気化器１の側壁内で、加熱ヒータ２近傍の上部一側内には燃料噴霧用のノズル４と、燃焼用の一次空気供給路５とが上部に連通した小容積の気化室６を有し、この気化室６で前記一次空気と燃料噴霧用のノズル４からの液体燃料の噴霧とを受けて気化ガスを含む予混合気を生成し、気化室６からの予混合気の気化及び混合を促進する大容積の気化混合室７を気化室６の横に備え、この気化室６と気化混合室７を噴出部８で連通している。

さらに、この噴出部８は気化混合室７の内側壁に向かって略直角方向に形成され、気化室６で気化された気化ガス及び気化されなかった液体燃料を一次空気と共に気化混合室７内の内側壁に向けて噴出し、ここでもう一度気化促進を図り、完全に気化した気化ガスと一次空気とをこの気化混合室７で混合し、この混合気を気化混合室７下端で２段の炎孔９を形成した第１炎孔部１０で燃焼させるもので、この気化器１と第１炎孔部１０等で起動時や熱量の不足時に燃焼する補助燃焼部１１を構成するものである。

前記燃料噴霧用のノズル４は、外径３．２ｍｍのステンレス管からなる送油管１２の先端側を内径が０．７ｍｍになるように絞り加工で細くして形成したもので、しかもその先端部１３は正面及び背面から先端に向かって３０度の鋭角にカットされ、両側面に三角形の防風壁１４を形成すると共に、さらにこの防風壁１４の先端をノズル４の先端に向かって３０度の鋭角にカットされた形状としたことで、小火力燃焼時の燃焼空気のノズル４の先端部１３への回り込みを防止して、油滴の発生をなくし脈動燃焼を阻止して燃焼幅を広げるようにできるものである。

前記気化室６の流入口には、一次空気供給路５からの一次空気とノズル４から噴霧される液体燃料とが通過する流路を狭めるオリフィス部１５が設けられ、このオリフィス部１５は、気化室６側に向かって先細り形状となる絞り部１６と、絞り部１６と気化室６とを連通する連通部１７とから成り、ノズル４の先端部１３をオリフィス部１５の近傍に配置するようにしている。ここでは、ノズル４の先端部１３をオリフィス部１５を成す絞り部１６に配置するようにしたことで、一次空気供給路５からの燃焼用の一次空気はノズル４の先端部１３に邪魔されることなく、且つ一次空気が流れる経路の圧力損失を大きくすることなくスムーズに気化室６側に送られると共に、ノズル４の内径が大きい場合でも、ノズル４から噴霧される液体燃料の微細化を良好に行うことができ、安定した燃焼を得ることができるものである。

また、燃料噴霧用のノズル４の先端部１３は、図６に示すように噴出部８の軸線方向Ａと防風壁１４の先端同士を結んでできる線方向Ｂとが略一致するようにノズル４を配置するようにしたものである。ここで、図７に示すように、噴出部８の軸線方向Ａと防風壁１４の先端同士を結んでできる線方向Ｂとが略直交するようにノズル４を配置すると、噴出部８側に流れようとする一次空気が、図５の正面図に示すようなノズル４の先端部１３の大きく開口したカット面から直接液体燃料に作用して液体燃料が粒径の大きい油滴のまま気化室６に送られてしまい、一次空気に対して燃料過多により赤炎が発生し安定した燃焼を得ることができない。しかし、先に説明した図６に示すようにノズル４を配置したことにより、噴出部８に向かう一次空気の送風力が防風壁１４により抑制され、直接液体燃料に作用して液体燃料が粒径の大きい油滴のまま気化室６に送られることなく、微細化した液体燃料が気化室６に送られ、気化が促進され安定した燃焼を得ることができるものである。

１８は起動時に改質器からの改質ガス、また発電時に燃料電池スタック（図示せず）から排出される水素を含む可燃性のオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部で、気化器１の気化室６と対向する側壁を貫通したオフガス供給管１９と、該オフガス供給管１９と連通し、前記第１炎孔部１０の傾斜面のほぼ延長線上の傾斜面にオフガス用の炎孔２０を形成した第２炎孔部２１とで構成されたものである。

２２は気化器１の他壁を貫通して形成された二次空気供給路で、気化器１の外周から流入してきた二次空気を、案内板２３の案内によって第１炎孔部１０及び第２炎孔部２１に案内して二次燃焼させるものである。

２４は気化器１底部に取り付けられ該気化器１の温度を検知する温度センサ、２５は二次空気供給路２２と対向する位置に取り付けられた点火電極である。

次にこの一実施形態の作動について説明する。
本燃料電池システムの起動時では、加熱ヒータ２に通電し、気化器１が加熱されて液体燃料の気化に適する所定の温度に達したことを温度センサ２４が検知すると、ノズル４からの液体燃料及び一次空気供給路５から供給される一次空気が共に気化室６内に噴霧される。

この時、正面及び背面から先端に向かって３０度の鋭角にカットされ、両側面に三角形の防風壁１４を形成すると共に、さらにこの防風壁１４の先端をノズル４の先端に向かって３０度の鋭角にカットされた形状のノズル４の先端部１３を、オリフィス部１５を成す絞り部１６に配置するようにしたことで、ノズル４の先端部１３のカット面の角度と絞り部１６の傾斜面の角度とが同じような角度となり、一次空気供給路５からの燃焼用の一次空気はノズル４の先端部１３に邪魔されることなく、且つ一次空気が流れる経路の圧力損失を大きくすることなくスムーズに気化室６側に送られると共に、ノズル４から噴霧される液体燃料の微細化を良好に行うことができるものである。

さらに、図６に示すように噴出部８の軸線方向Ａと防風壁１４の先端同士を結んでできる線方向Ｂとが略一致するようにノズル４を配置するようにしたことにより、噴出部８に向かう一次空気の送風力が、図５の正面図に示すようなノズル４の先端部１３の大きく開口したカット面から直接液体燃料に作用して液体燃料が粒径の大きい油滴のまま気化室６に送られることなく、微細化した液体燃料が気化室６に送られ、気化が促進されるものである。

ここで、気化室６内に達した一次空気及び液体燃料は、一部は気化ガスとなるが、気化せず液体燃料のままのものも存在し、そして一次空気と一部気化した気化ガスは混合した状態で、噴出部８から気化混合室７の内側壁に向かって噴出される。

また、気化室６内で十分に気化されない液体燃料も一次空気供給路５からの一次空気と一部気化して体積の増大したガスが噴出力で、噴出部８から気化混合室７の内側壁に向かって噴出され、内側壁に衝突して拡散しながら気化し、最終的には供給された液体燃料は全て気化ガスとなり、気化混合室７内を一次空気と良好に混合しながら第１炎孔部１０まで流通し、炎孔９から噴出して点火電極２５で点火された後、二次空気供給路２２からの二次空気の供給も受けて、先ず補助燃焼部１１が燃焼を開始し、この補助燃焼部１１の燃焼熱は改質用の熱として改質器に全て供給される。

したがって、液体燃料を気化する部分を２箇所とし、しかも連続させることにより、液体燃料を確実に気化させることができ、バーナとしての寸法的や形状的な制約をクリアーすると共に、気化不良を防止して常に安定した燃焼を得ることができるものである。

また、噴出部８は気化混合室７の内側壁に向かって略直角方向に形成されているので、抵抗となることがなく、噴出がスムーズで噴出力が低下することもなく、さらに良好な液体燃料の気化を得ることができるものである。

次に、燃料電池システムの起動時に改質器からの改質ガス、または発電時に燃料電池スタックから排出される水素を含む可燃性のオフガスが、オフガス供給管１９から第２炎孔部２１に供給され、オフガス用の炎孔２０から噴出することにより、補助燃焼部１１の火炎で着火し供給されている二次空気を燃焼空気として、オフガス燃焼部１８が拡散燃焼を開始するものであり、第２炎孔部２１の炎孔２０も第１炎孔部１０の延長線上の傾斜面に形成されているので、リフト燃焼の防止は勿論、オフガスの噴出が中央に集中して、補助燃焼部１１の燃焼時には点火電極２５を使用することなく、確実な着火ができるものである。

このオフガス燃焼部１８の燃焼開始により、改質器への供給熱量が多くなり、改質用触媒（図示せず）が所定温度に達することで、補助燃焼部１１の燃焼を一旦停止するものであり、また電力の使用量が増えてオフガス量が減少し、改質用触媒の温度が低下してきた場合には、再び補助燃焼部１１を燃焼させるもので、改質触媒の温度に応じて補助燃焼部１１の燃焼が制御されるものである。

なお、起動時は加熱ヒータ２に通電して気化器１を加熱しているが、燃焼が開始されれば、この燃焼熱の一部をヒートバックして気化器１を加熱するので、加熱ヒータ２への通電は停止されるものである。

この発明の燃料改質用バ−ナの一次空気供給路側及びオフガス供給管側断面図。同二次空気供給路側の断面図。同平面図。同底面図同ノズルの正面及び側面図。同ノズルの良い配置例説明図。同ノズルの悪い配置例説明図。

符号の説明

１気化器
２加熱ヒータ
４ノズル
６気化室
７気化混合室
８噴出部
１３ノズルの先端部
１４防風壁
１５オリフィス部
１６絞り部
１７連通部

Claims

改質器に改質反応用の熱を供給する燃料改質用バーナにおいて、前記バーナは加熱ヒータを備え液体燃料を気化し一次空気と予混合する予混合方式で、前記一次空気と燃料噴霧用のノズルからの液体燃料の噴霧とを受けて気化ガスを含む予混合気を生成する気化室と、前記気化室からの予混合気の気化及び混合を促進する気化混合室と、前記気化室と前記気化混合室とを連通し前記気化室で生成された予混合気を前記気化混合室の内側壁に向けて噴出させる噴出部を設け、さらに前記気化室の流入口にオリフィス部を設けると共に、該オリフィス部近傍に前記ノズルの先端部を配置するようにし、前記ノズルの先端部は、正面及び背面から先端に向かって鋭角にカットされ、両側面に防風壁を形成すると共に、該防風壁を先端に向かって鋭角にカットされた形状とし、さらに前記噴出部の軸線方向と前記防風壁の先端同士を結んでできる線方向とが略一致するように前記ノズルを配置するようにしたことを特徴とする燃料改質用バーナ。
前記オリフィス部は、前記気化室側に向かって先細り形状となる絞り部と、該絞り部と前記気化室とを連通する連通部とから成り、前記ノズルの先端部を前記絞り部に配置するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料改質用バーナ。