バーナおよび燃料電池システム
【課題】 液体燃料を気化して燃焼するバーナにおいて不着火、着火遅れおよび失火を抑制し、より安定に着火可能とする。
【解決手段】 気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、混合気を燃焼させる燃焼方法において、（ａ）液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して第一の混合気を形成する工程、（ｂ）第一の混合気の一部をバーナマットに導いて燃焼させる工程、（ｃ）第一の混合気の残部を酸素含有ガスと混合して第二の混合気を形成する工程、（ｄ）第二の混合気を該バーナマット下流に導いて燃焼させる工程を有する。このためのバーナ。このバーナを備える燃料電池システム。
【解決手段】 気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、混合気を燃焼させる燃焼方法において、（ａ）液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して第一の混合気を形成する工程、（ｂ）第一の混合気の一部をバーナマットに導いて燃焼させる工程、（ｃ）第一の混合気の残部を酸素含有ガスと混合して第二の混合気を形成する工程、（ｄ）第二の混合気を該バーナマット下流に導いて燃焼させる工程を有する。このためのバーナ。このバーナを備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は灯油等の液体燃料を気化して燃焼させるバーナに関する。特には、燃料電池システムに用いられる改質器に必要な熱を供給するに好適なバーナに関する。また、本発明は、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得るための改質器を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの改質器に用いられるような、液体燃料を燃料とする小型バーナにおいては、燃料を圧力噴霧して拡散燃焼させることが困難であった。このため、このようなバーナにおいては、燃料を気化した後に空気（一次空気）と混合したうえで、複数の炎孔を有するバーナヘッドなどを用いて燃焼を行っていた。
【０００３】
液体燃料を気化するには、一般的に、気化器と呼ばれる、電気ヒータで加熱したカップ様の容器に液体燃料を滴下などして供給し、これを液体燃料が気化するに足る温度に加熱された加熱面（容器内壁）に接触させていた。そして、バーナに供給する空気を一次空気と二次空気に分割し、まず一次空気と気化した液体燃料との混合気を形成して燃焼させ、さらに燃え残りを二次空気により完全燃焼させていた。
【０００４】
また、燃料電池システムに用いられる改質器に備わるバーナは、水素極オフガスを燃焼させるために、液体燃料を燃焼させるバーナヘッド近傍に水素極オフガスノズルを設け、オフガスも燃焼可能な構造になっている。このような液体燃料用バーナの構造は、例えば、特許文献１（特開平７−２３７９０２号公報）に記載される。
【特許文献１】特開平７−２３７９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような気化式のバーナにおいては、場合によっては点火の際に、不着火もしくは着火遅れが生じる場合があり、また一旦着火してもすぐに失火してしまう場合もあった。つまり、液体燃料点火時に、気化器温度が不安定なため液体燃料の蒸気発生が安定せず、一次空気と燃料蒸気の混合気濃度が可燃範囲より低くなり、そこに、二次空気が供給されるため更に濃度が低下し、不着火あるいは着火遅れが生じるという現象が起きることがあった。また、一旦着火しても、不安定な火炎に二次空気が供給されるため、二次空気による希釈および冷却効果により失火にいたるという現象が起きることもあった。
【０００６】
また、このような気化式のバーナを有する改質器を備えた燃料電池システムにおいて、バーナの着火がスムーズに行えないと、燃料電池システムのスムーズな起動が困難になることもあった。
【０００７】
本発明の目的は、上記のようなバーナにおいて不着火、着火遅れおよび失火を抑制し、より安定に着火可能なバーナを提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、より安定に着火可能なバーナを有する改質器を備えた、スムーズに起動可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させる燃焼方法において、
（ａ）液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して第一の混合気を形成する工程；
（ｂ）第一の混合気の一部をバーナマットに導いて燃焼させる工程；
（ｃ）第一の混合気の残部を酸素含有ガスと混合して第二の混合気を形成する工程；および
（ｄ）第二の混合気を該バーナマット下流に導いて燃焼させる工程
を有する燃焼方法が提供される。
【００１０】
第一の混合気の空気比を１以下とし、第二の混合気の空気比を１より大きくすることが好ましい。
【００１１】
燃焼に供された全ての酸素含有ガス量と燃焼に供された液体燃料量から算出される空気比を１．５以下とすることが好ましい。
【００１２】
本発明により、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口にはバーナマットを備え、液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと流下された液体燃料を気化するための加熱面とを備える第一のガス流路；および
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口には該バーナマットの下流に開口するガスノズルを備える第二のガス流路を有し、
第一のガス流路の加熱面下流に形成される混合気の一部を第二のガス流路に導くための、第一のガス流路の加熱面より下流部分と第二のガス流路との間を貫通する貫通孔を有する
ことを特徴とするバーナが提供される。
【００１３】
上記バーナが、前記第一のガス流路に導入する酸素含有ガスおよび液体燃料の量を、空気比が１以下になるよう制御するための、かつ、
前記第二のガス流路に導入する酸素含有ガスおよび混合気の量を、空気比が１を超えるように制御するための制御手段を備えることが好ましい。
【００１４】
上記バーナが、燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナであり、
入り口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、出口には前記バーナマットの下流に開口する水素極オフガスノズルを備える水素極オフガス流路をさらに有することが好ましい。
【００１５】
本発明により、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が、このバーナを備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて不着火、着火遅れおよび失火を抑制することができ、より安定に着火可能なバーナが提供される。
【００１７】
また本発明によれば、より安定に着火可能なバーナを有する改質器を備えた、スムーズに起動可能な燃料電池システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
液体燃料としては、常温常圧（２５℃、０．１０１ＭＰａ）で液体である可燃性物質を適宜使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ガソリン、灯油、軽油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。
【００１９】
バーナにて燃焼に用いる酸素含有ガスとしては、入手容易性から空気（大気）が好ましいが、酸素濃度が高められた酸素富化空気を用いることもでき、燃料電池システムにおいては燃料電池の空気極（カソード）から排出される空気極オフガスを利用することもできる。
【００２０】
以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素含有ガスとして空気を例に説明する。
【００２１】
図１に本発明のバーナの一形態を示す。バーナケーシング１は、基本的には、鉛直方向の中心軸を有する筒状であり、上部はガスや液体燃料を供給するための取りあい部１ａとされる。ケーシングは、必ずしもバーナに付属されるものではなく、バーナが挿入される加熱炉の内壁（例えば図２において示される改質器１０２の炉の内壁）がバーナに密着可能である場合、加熱炉内壁をバーナケーシングの代用とすることも可能である。
【００２２】
バーナケーシングの内部には第一のガス流路１０と第二のガス流路２０が設けられる。燃焼用空気が空気供給口３から供給され、分岐部４で二つに分岐され、空気の一部（第一の空気）が第一の空気導入口１１から第一のガス流路１０に、残部（第二の空気）が第二の空気導入口２１から第二のガス流路２０に導入される。ここではバーナケーシング内部で空気を分岐しているが、第一の空気導入口と、第二の空気導入口とが、独立して外部に開口していても良い。第一の空気は気化器２に導かれ、第二の空気は気化器外面とバーナケーシングとの間を通過する。
【００２３】
第一のガス流路には、液体燃料ノズル１２が略鉛直下方に向けて設けられ、外部から液体燃料を第一のガス流路内に流下させることが可能となっている。液体燃料ノズルの下方に、加熱面２ａが略水平に設けられる。加熱面は、気化器２に一体的に形成され、気化器に埋め込まれた電気ヒータ９からの熱伝導により液体燃料が気化するに適した温度に加熱可能となっている。加熱面の加熱のために、必ずしも電気ヒータを用いなければならないわけではなく、電気ヒータに替えて、あるいは電気ヒータとともに、加熱面を所定温度に加熱するに足る温度までバーナ導入以前に加熱された第一あるいは第二の空気を用いてもよい。
【００２４】
液体燃料ノズルから流下された液体燃料は、加熱面２ａに接触し、気化する。液体燃料はノズルから断続的に滴下されてもよいが、混合気中の燃料の濃度をより一定にする観点からは連続的に流下されることが好ましい。液体燃料を安定して連続的に流下させる観点から、ノズルからの液体燃料の吐出速度を２ｃｍ／秒以上とすることが好ましい。また送液の圧力損失の観点から２５ｃｍ／秒以下とすることが好ましい。吐出速度は、所望する燃焼量範囲にあわせて液体燃料ノズルの内径を適宜選定することで調整できる。
【００２５】
液体燃料ノズルを略鉛直下方以外の方向、例えば水平に設けることもできるが、比較的大きな液滴の形成を抑制し、混合気中の燃料濃度をより一定にする観点から、ノズル自体が略鉛直下方に向いていることが好ましい。略鉛直下方とは、ノズルの延在方向が必ずしも厳密に鉛直下方でなくてもよいことを意味し、鉛直下方からのずれが１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましくい。
【００２６】
液体燃料ノズルの少なくとも先端が第一のガス流路の中にあり、その部分において、液体燃料ノズルと第一の空気の流れ方向とが同じ方向に向いていることが好ましく、液体燃料ノズルと第一のガス流路が同軸であることがさらに好ましい。例えば、図１に示されるように液体燃料ノズルの先端が鉛直下方を向き、鉛直下方を向く円柱状の第一のガス流路内にノズル先端が配置され、この円柱の中心軸とノズルの中心軸が一致する構成が好ましい。このような構成によって、空気の流れが液体燃料をノズル先端から取り去る効果が生じ、ノズル先端において液滴が大きく成長することを抑制し、混合気中の液体燃料濃度がより一定になるからである。
【００２７】
加熱面は滴下された液体燃料が均一に拡散するために、略水平であることが好ましい。略水平とは加熱面が必ずしも厳密に水平でなくてもよいことを意味し、水平からのずれが１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましい。また、加熱面の形状は滴下後の液体燃料が均一に拡散するように円形が望ましい。
【００２８】
加熱面は気化器に一体的に形成することもでき、例えば気化器の外壁を形成する中空円筒状部分と、加熱面を形成する板状部分とを一体的に形成することができる。あるいは例えば、加熱面となる面を有する板状部材を中空円筒状部材などに溶接などにより接合することもできる。気化器は、ヒータを埋め込むための部分を有することができる。
【００２９】
気化器の材料は、熱伝導率の観点から、金属が好ましい。例えばアルミニウムや真鍮が好適である。
【００３０】
加熱面の温度は、供給される液体燃料の種類に応じて適宜設定できる。例えば、液体燃料が灯油の場合、好ましくは１８０℃以上２５０℃以下、より好ましくは１９０℃以上２２０℃以下である。これは、１８０℃未満では灯油の初留温度付近になるため、高沸点成分の気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、また、２５０℃を超えると滴下された液滴が気化した燃料蒸気で覆われる、いわゆる膜沸騰状態になるため気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、このような状況を回避するためである。
【００３１】
第一のガス流路に導入された第一の空気は、気化器からの伝熱により温められたバーナケーシングの取りあい部や気化器内面と接触して予熱され、気化された液体燃料と混合しながら、加熱面に衝突する。燃焼用空気と液体燃料との混合気の流路は、加熱面で９０°方向転換し加熱面に沿って水平方向となった後、気化器２の側壁によって再び９０°方向転換し、混合気は加熱面と気化器側壁との間の空隙１４を通過する。混合気の流れ方向を転換することは、均一混合を促進するために好ましい。気化器内の混合気流路となる空隙１４は、混合気流の偏流防止の観点から略対称（ここでは円筒状の気化器側壁の中心軸に対して対称）に配されることが好ましい。
【００３２】
なお、電気ヒータ９は、液体燃料気化のための熱を供給することに加え、燃焼用空気の予熱のための熱を供給する機能を兼ねている。燃焼用空気は、気化器などとの熱交換によって予熱される。場合によっては、燃料用空気をバーナに供給する前に別途予熱することも可能である。燃焼用空気を別途充分予熱した場合、気化器加熱用のヒータを廃止することも可能であるが、温度の制御性の観点から電気ヒータを用いることが好ましい。電気ヒータの出力を操作して加熱面の温度を適切な範囲に制御するために気化器の温度を測定する熱電対（不図示）などを適宜設けることができる。
【００３３】
気化した液体燃料と第一の空気との混合気（第一の混合気）は気化器の下流側に接続された、第一のガス流路の一部を内部に形成する中空筒状の部材である連通管５に導入され、連通管に設けられた貫通孔５ａで分岐され、一部が第二のガス流路に導かれ、残部はバーナマット６が設けられた第一のガス流路の出口に至る。
【００３４】
連通管はバーナマットにより均一に混合気を供給するための整流部５ｂを有する。連通管は、バーナマットに供給される混合気の流れを整え、燃焼の均一化を図るために有効である。なお、バーナマットの燃焼熱によっても気化器が加熱されるが、連通管を設けることによってバーナマットと気化器との距離を調節することができ、気化器、特には加熱面の温度制御を容易にすることもできる。連通管の整流部５ｂにおいては、下方に向かうに従って水平方向の流路断面積が徐々に大きくなり、下端の開口部はバーナマットの形状と略同一になっている。整流部は全体として漏斗状の形状を有する。
【００３５】
燃焼安定性向上のために、バーナマットの下流側に保炎器を設けることもできる。保炎器は通常管状をしており、火炎を形成しているバーナマット下流面にバーナマット面に沿う水平方向から二次空気等の気流があたり、火炎が不安定になることを防止する。
【００３６】
バーナマットから導出される可燃性混合ガスは、イグナイター８などにより適宜着火させて燃焼させることができる。
【００３７】
バーナマットから導出される混合ガスの導出方向が鉛直下方であることが好ましい。この場合、火炎も鉛直下方に向けて形成されるため、バーナが装着される改質装置などの機器の上部にバーナを配置することができ、バーナが改質器等の下部に配置された場合に比べて、メンテナンス時にバーナへのアクセスが容易になり、改質器全体として良好なメンテナンス性を確保しつつ省スペース化を図ることが可能となるからである。このために、バーナマットは火炎が下方を向いて形成できるように略水平に設け、バーナマット上面から混合気が供給されるようにすることが好ましい。
【００３８】
一方、貫通孔から第一の混合気の一部が第二のガス流路に導入され、第二の空気導入口から導入されて気化器外壁面とバーナケーシングとの間を通過してきた第二の空気と混合して混合気（第二の混合気）となる。第二の混合気は、第二のガス流路の出口に配され、バーナマット下流に開口するガスノズル２２から導出され、バーナマット下流にて燃焼する。
【００３９】
バーナマットを経て導出された第一の混合気の一部は、バーナマット下流面（図中バーナマット下面）とその下流において火炎を形成して燃焼する。この火炎形成部にガスノズル２２から第二の混合気が供給され、液体燃料の全てが燃焼する。ガスノズルは、バーナマットを経由する混合気が火炎を形成する領域に、ガスノズル経由の第二の混合気が供給可能な位置に設けられる。
【００４０】
従来は、バーナマットを経由した混合気を燃焼させ、その燃え残りを二次空気によって完全燃焼させていたが、本発明では二次空気ではなく可燃成分を含む第二の混合気によってこの完全燃焼を行う。従って、二次空気による過剰冷却を防ぐことができ、不着火、着火遅れ、失火などの現象が起きにくくなる。
【００４１】
このように、第二の混合気は、第一の混合気（のうちのバーナマットを経由する部分）の完全燃焼を図るために用いることができる。従って、第一の混合気のうちのバーナマットを経由する部分に量的にも濃度的にも多くの液体燃料を含ませることが好ましい。また、バーナマットを経由する混合気の可燃分濃度を相対的に高くし、ガスノズルを経由する混合気の可燃分濃度を相対的に低くすることにより、燃料供給および気化が安定する定常燃焼時に、濃淡燃焼となりＮＯｘ生成を抑制することもできる。
【００４２】
具体的には、第一の混合気の空気比を好ましくは１以下、より好ましくは０．９以下とし、第二の混合気の空気比を好ましくは１を超え、より好ましくは３．５以上とする。一方、一酸化炭素あるいは煤塵の発生防止の観点から、第一の混合気の空気比を好ましくは０．７以上、より好ましくは０．８以上とする。また、バーナマットを良く赤熱し、バーナマットからの輻射熱により火炎を安定させ完全燃焼をより促進する観点から、第二の混合気の空気比を好ましくは９．０以下、より好ましくは８．０以下とする。
【００４３】
分岐部４での空気分岐は、第一の空気導入口１１と第二の空気導入口２１の流路断面積の比を変えることにより、所望の比率に分岐するよう調整することができる。同様に、連通管５で分岐される第一の混合気の分岐も、連通管５の流路断面積と貫通口５ａの断面積の比を適宜変化させて所望の比率に分岐するよう調整することができる。
【００４４】
燃焼に空気以外の酸素含有ガスを用いる場合は、酸素含有ガス量を空気量と扱い空気比を計算する。ここで使用する酸素含有ガスは、燃焼性の観点から酸素含有量が１８モル％以上の酸素含有ガスが好ましい。
【００４５】
ここで図３を用いてバーナの燃焼空気比制御について説明する（図３については後に詳述する）。ここでは、第一のガス流路に導入する空気と第二のガス流路に導入する空気との合計、つまり図１に示したバーナにおいては燃焼用空気供給口３に供給する空気と、液体燃料ノズル１２に供給する液体燃料との間の空気比の制御について説明する。空気比を制御する手段には、公知の流量制御技術を利用できる。例えば、液体燃料の流量は流量計１２１、流量調節器１２２、流量調節弁１２３で制御されているものとし、流量計１２１で検知された流量に対応する信号を、コンピュータなどの演算処理装置１１１に送り、ここで液体燃料の流量と予め設定された空気比から、所要の空気流量を算出し、この空気流量に対応する信号を空気側の流量調節器１３２に送り、空気流量を流量計１３１と流量調節バルブ１３３も用いて制御することができる。
【００４６】
混合気の燃焼にバーナマットを利用することにより、燃焼量が小さくても燃焼安定性が優れる。バーナマットには、金属繊維の不織布もしくは織布を焼結したものや、コージェライト、チタニア、ムライト、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ等のセラミックからなる繊維の不織布もしくは織布を用いることができる。均熱性と逆火防止性の観点から、バーナマットとして金属繊維の織布もしくは不織布からなるマットが好ましい。また、バーナマットが織布もしくは不織布であると、開口率がパンチングプレートなどに比べて大きいため、バーナマットを通過する際の混合気の速さが遅くなる。このため、例えば２００ｋＷ／ｍ2程度の低燃焼域では火炎がバーナマットのより近傍に火炎が形成され、バーナマットが火炎により直ぐに赤熱するので、良好な燃焼安定性が得られる。また、例えば４５００ｋＷ／ｍ2程度の高燃焼域では、バーナマットを通過する混合気の速さが比較的遅いため、火炎の吹き飛びが抑えられる。
【００４７】
バーナマットの単位面積あたりの気化された液体燃料の燃焼量は、燃焼安定性の観点から２００ｋＷ／ｍ2以上が好ましく、６００ｋＷ／ｍ2以上がより好ましく、１０００ｋＷ／ｍ2以上がさらに好ましい。また、火炎の吹き飛び抑制の観点から、４５００ｋＷ／ｍ2以下が好ましく、４０００ｋＷ／ｍ2以下がより好ましく、３５００ｋＷ／ｍ2以下がさらに好ましい。このために、所望の燃焼量範囲に対してこのような範囲を実現するに適した面積のバーナマットを設けることができる。
【００４８】
本発明のバーナは、特に小燃焼量のバーナに好適である。液体燃料を加熱面によって気化して燃焼させるタイプのバーナは小燃焼量のバーナに好適であり、特にバーナマットによる燃焼は小燃焼量でも安定して燃焼可能だからである。また、このような小燃焼量バーナにおいては特にコンパクトさに対する要求が強いからでもある。具体的には液体燃料基準の燃焼量の最大値が８．１ｋＷ（７０００ｋｃａｌ／ｈ）以下であるバーナにおいて、さらには５．８ｋＷ（５０００ｋｃａｌ／ｈ）以下であるバーナにおいて、本発明の効果が顕著である。
【００４９】
本発明のバーナは、燃料電池システム内の改質器に装着して用いることができる。燃料電池の水素極オフガス（燃料電池の水素極すなわちアノードから排出される可燃性ガス）を有効に利用する観点から、バーナマット６の下流に水素極オフガスを供給して燃焼させることが好ましい。水素極オフガスは、水素極オフガス流路の入口である水素極オフガス供給口３１からバーナに供給する。水素極オフガスは、気化器２とその外側のバーナケーシング１との間を通過するパイプ３０内を通って、水素極オフガス流路出口に設けられた水素極オフガスノズル３２からバーナマットの下流（火炎保持面側すなわち第一のガス流路とは反対側の面側）に供給される。バーナが、水素極オフガスがバーナマット下流に形成される液体燃料混合気の火炎により着火できる構造を有することが望ましいが、切換時の過剰なオフガス噴出によりこの火炎が吹き消えることも有り得る。このため、水素極オフガスを液体燃料混合気に着火させるためのイグナイター８により着火できる位置に、水素極オフガスノズルが設置されることが望ましい。また、水素極オフガスは爆発混合気を形成しやすい水素を例えば２０モル％以上５０モル％以下含むため、空気と予混合しない拡散燃焼が好ましいことから、バーナマット下流に水素極オフガスを直接噴出させる構造が好ましい。水素極オフガスを燃焼させるための酸素は、第一のガス流路および／または第二のガス流路を経由してバーナマット下流に供給される。前述のイグナイター８は、水素極オフガスを着火させるためにも兼用できる。
【００５０】
水素極オフガスを燃焼させる際、第一のガス流路への液体燃料供給は行わなくてよいが、場合によっては、液体燃料を第一のガス流路に供給し、液体燃料と水素極オフガスの両者を同時に燃焼させることもできる。
【００５１】
このようなバーナの使用方法としては、例えば、ヒータ９を作動させて加熱面を加熱し、空気を必要に応じてブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して燃焼用空気供給口３から供給し、加熱面２ａが所定の温度になった後に、必要に応じて液体燃料をポンプなどの液体昇圧手段によって昇圧して液体燃料ノズル１２から液体燃料を流下させるとともにイグナイター８などの着火手段を作動させればよい。
【００５２】
水素極オフガスを燃焼させる際も必要に応じて水素極オフガスをブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して水素極オフガス入口３１に供給することができる。液体燃料の火炎がある場合は、空気量を適宜調整した後、水素極オフガスを導入するだけで着火に至るが、水素極オフガス量が不安定な場合、一旦液体燃料の燃焼を停止し、水素極オフガスの燃焼に適する空気量を供給してから着火手段であるイグナイター８を作動させることにより安定に燃焼させることができる。
【００５３】
〔改質器〕
図２に、このバーナ１０１を、燃料電池システムにおいて用いられる改質器１０２に装着した場合の例を示す。バーナは改質器の上部に取り付けられ、上方からアクセス可能とされる。
【００５４】
改質器は、水素製造用原料と水および／または酸素を反応させ、水素を含有する改質ガスを製造する装置である。この装置で水素製造用原料は主に水素と一酸化炭素に分解される。また、通常、二酸化炭素およびメタンも分解ガス中に含有される。分解反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応を挙げることができる。水蒸気改質反応は大きな吸熱を伴い、このための熱を外部から供給するためにバーナなどが用いられる。自己熱改質反応でも場合によっては外部から熱を供給することもありうる。本発明のバーナは、このように改質反応領域に外部から熱を供給する、いわゆる外熱式改質器に好適に用いることができる。改質器内部には、内部に水蒸気改質反応などの改質反応を促進できる触媒を収容した改質管１０２ａなどが配置され、この改質管がバーナの燃焼熱によって加熱され、改質反応を進行させるための熱が供給される。
【００５５】
水素製造用原料としては、水蒸気改質法あるいは自己熱改質法により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質から適宜選択して使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることがでる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、灯油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。バーナに供給する液体燃料と、水素製造用原料とは、異なっていても良いが、燃料電池システム全体をコンパクトにする観点からは、同じものを用いることが好ましい。これらのためのタンク等の貯蔵手段や、ポンプ等の供給系を兼用することが可能となるからである。
【００５６】
水蒸気改質反応は水蒸気と炭化水素を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは０．５〜１０、より好ましくは１〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は水素製造用原料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ-1の範囲で設定される。
【００５７】
自己熱改質反応は、水素製造用原料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。この場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３とされる。
【００５８】
自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。通常水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量を発生し得る程度の酸素を添加するが、熱のロスやバーナによる外部加熱量と関係において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．０５〜１、より好ましくは０．１〜０．７５、さらに好ましくは０．２〜０．６とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．１〜３０、より好ましくは０．５〜２０、さらに好ましくは１〜１０の範囲で選ばれる。
【００５９】
反応温度を制御するには、例えば、反応領域の温度を熱電対などによって検知し、バーナに補助的に供給している液体燃料量を増減させる、燃焼用空気を増減させる、燃料電池での水素使用量を変化させて水素極オフガス中に含まれる水素量を増減させる等の手段を用いる。
【００６０】
〔燃料電池システム〕
さらに、上記バーナを備えた改質器を有する燃料電池システムの例につき、概要を図３に示す。燃料電池システムは、バーナ１０１、バーナ１０１の燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う改質器１０２、および改質器によって得られた水素を含む改質ガスが水素極に供給される燃料電池１０３を有する。
【００６１】
燃料電池１０３としては、水素極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。
【００６２】
例えば、固体高分子型燃料電池は水素極（アノード）１０３ａおよび空気極（カソード）１０３ｃとこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、水素極側には改質ガス（水素含有ガス）が、空気極側には空気等の酸素含有ガスが、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後導入される。水素極から排出される水素極オフガスには可燃性成分が残存するため、水素極オフガスはバーナ１０１に供給されて燃焼される。
【００６３】
燃料電池システム起動時には、液体燃料を気化して燃焼用空気で燃焼させ、この熱を利用して改質器その他の機器を暖機することができる。起動を終えた後は、バーナにて水素極オフガスを燃焼させ、液体燃料は燃焼させなくてよい。場合によっては、水素極オフガスと液体燃料を同時に燃焼させることもできる。
【００６４】
燃料電池システムにおいて用いることのできる各種機器は適宜設けることができる。例えば、改質器１０２と燃料電池１０３との間の改質ガスラインに、改質ガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変成反応器、さらにＣＯ濃度を低減する選択酸化反応器を設けることができる。また、改質器より上流に、水素製造用原料中の硫黄分の濃度を低減する脱硫器を設けることもできる。この他にも、燃料電池の空気極に空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などを挙げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明のバーナは小型化が容易であり、例えば、自動車などの移動体用、あるいは小規模発電用の燃料電池システムに備わる改質器において好適に利用できる。
【００６６】
本発明の燃料電池システムは、このようなバーナを備えるためコンパクト化が容易であり、上記のような燃料電池システムに好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明のバーナの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のバーナが装着された改質器の例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明のバーナを装着した改質器を有する燃料電池システムの概略を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ バーナケーシング
１ａ 取りあい部
２ 気化器
２ａ 加熱面
３ 燃焼用空気供給口
４ 分岐部
５ 連通管
５ａ 貫通孔
５ｂ 整流部
６ バーナマット
８ イグナイター
９ ヒータ
１０ 第一のガス流路
１１ 第一の空気導入口
１２ 液体燃料ノズル
１４ 加熱面と気化器側壁との間の空隙
２０ 第二のガス流路
２１ 第二の空気導入口
２２ ガスノズル
３０ 水素極オフガス流路を形成するパイプ
３１ 水素極オフガス供給口
３２ 水素極オフガスノズル
１０１ バーナ
１０２ 改質器
１０２ａ 改質管
１０３ 燃料電池
１０３ａ 水素極
１０３ｃ 空気極
１１１ 演算処理装置
１２１ 流量計（液体燃料用）
１２２ 流量調節器（液体燃料用）
１２３ 流量調節弁（液体燃料用）
１３１ 流量計（空気用）
１３２ 流量調節器（空気用）
１３３ 流量調節バルブ（空気用）
【技術分野】
【０００１】
本発明は灯油等の液体燃料を気化して燃焼させるバーナに関する。特には、燃料電池システムに用いられる改質器に必要な熱を供給するに好適なバーナに関する。また、本発明は、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得るための改質器を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの改質器に用いられるような、液体燃料を燃料とする小型バーナにおいては、燃料を圧力噴霧して拡散燃焼させることが困難であった。このため、このようなバーナにおいては、燃料を気化した後に空気（一次空気）と混合したうえで、複数の炎孔を有するバーナヘッドなどを用いて燃焼を行っていた。
【０００３】
液体燃料を気化するには、一般的に、気化器と呼ばれる、電気ヒータで加熱したカップ様の容器に液体燃料を滴下などして供給し、これを液体燃料が気化するに足る温度に加熱された加熱面（容器内壁）に接触させていた。そして、バーナに供給する空気を一次空気と二次空気に分割し、まず一次空気と気化した液体燃料との混合気を形成して燃焼させ、さらに燃え残りを二次空気により完全燃焼させていた。
【０００４】
また、燃料電池システムに用いられる改質器に備わるバーナは、水素極オフガスを燃焼させるために、液体燃料を燃焼させるバーナヘッド近傍に水素極オフガスノズルを設け、オフガスも燃焼可能な構造になっている。このような液体燃料用バーナの構造は、例えば、特許文献１（特開平７−２３７９０２号公報）に記載される。
【特許文献１】特開平７−２３７９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような気化式のバーナにおいては、場合によっては点火の際に、不着火もしくは着火遅れが生じる場合があり、また一旦着火してもすぐに失火してしまう場合もあった。つまり、液体燃料点火時に、気化器温度が不安定なため液体燃料の蒸気発生が安定せず、一次空気と燃料蒸気の混合気濃度が可燃範囲より低くなり、そこに、二次空気が供給されるため更に濃度が低下し、不着火あるいは着火遅れが生じるという現象が起きることがあった。また、一旦着火しても、不安定な火炎に二次空気が供給されるため、二次空気による希釈および冷却効果により失火にいたるという現象が起きることもあった。
【０００６】
また、このような気化式のバーナを有する改質器を備えた燃料電池システムにおいて、バーナの着火がスムーズに行えないと、燃料電池システムのスムーズな起動が困難になることもあった。
【０００７】
本発明の目的は、上記のようなバーナにおいて不着火、着火遅れおよび失火を抑制し、より安定に着火可能なバーナを提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、より安定に着火可能なバーナを有する改質器を備えた、スムーズに起動可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させる燃焼方法において、
（ａ）液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して第一の混合気を形成する工程；
（ｂ）第一の混合気の一部をバーナマットに導いて燃焼させる工程；
（ｃ）第一の混合気の残部を酸素含有ガスと混合して第二の混合気を形成する工程；および
（ｄ）第二の混合気を該バーナマット下流に導いて燃焼させる工程
を有する燃焼方法が提供される。
【００１０】
第一の混合気の空気比を１以下とし、第二の混合気の空気比を１より大きくすることが好ましい。
【００１１】
燃焼に供された全ての酸素含有ガス量と燃焼に供された液体燃料量から算出される空気比を１．５以下とすることが好ましい。
【００１２】
本発明により、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口にはバーナマットを備え、液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと流下された液体燃料を気化するための加熱面とを備える第一のガス流路；および
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口には該バーナマットの下流に開口するガスノズルを備える第二のガス流路を有し、
第一のガス流路の加熱面下流に形成される混合気の一部を第二のガス流路に導くための、第一のガス流路の加熱面より下流部分と第二のガス流路との間を貫通する貫通孔を有する
ことを特徴とするバーナが提供される。
【００１３】
上記バーナが、前記第一のガス流路に導入する酸素含有ガスおよび液体燃料の量を、空気比が１以下になるよう制御するための、かつ、
前記第二のガス流路に導入する酸素含有ガスおよび混合気の量を、空気比が１を超えるように制御するための制御手段を備えることが好ましい。
【００１４】
上記バーナが、燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナであり、
入り口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、出口には前記バーナマットの下流に開口する水素極オフガスノズルを備える水素極オフガス流路をさらに有することが好ましい。
【００１５】
本発明により、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が、このバーナを備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて不着火、着火遅れおよび失火を抑制することができ、より安定に着火可能なバーナが提供される。
【００１７】
また本発明によれば、より安定に着火可能なバーナを有する改質器を備えた、スムーズに起動可能な燃料電池システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
液体燃料としては、常温常圧（２５℃、０．１０１ＭＰａ）で液体である可燃性物質を適宜使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ガソリン、灯油、軽油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。
【００１９】
バーナにて燃焼に用いる酸素含有ガスとしては、入手容易性から空気（大気）が好ましいが、酸素濃度が高められた酸素富化空気を用いることもでき、燃料電池システムにおいては燃料電池の空気極（カソード）から排出される空気極オフガスを利用することもできる。
【００２０】
以下、図面を用いて本発明の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、酸素含有ガスとして空気を例に説明する。
【００２１】
図１に本発明のバーナの一形態を示す。バーナケーシング１は、基本的には、鉛直方向の中心軸を有する筒状であり、上部はガスや液体燃料を供給するための取りあい部１ａとされる。ケーシングは、必ずしもバーナに付属されるものではなく、バーナが挿入される加熱炉の内壁（例えば図２において示される改質器１０２の炉の内壁）がバーナに密着可能である場合、加熱炉内壁をバーナケーシングの代用とすることも可能である。
【００２２】
バーナケーシングの内部には第一のガス流路１０と第二のガス流路２０が設けられる。燃焼用空気が空気供給口３から供給され、分岐部４で二つに分岐され、空気の一部（第一の空気）が第一の空気導入口１１から第一のガス流路１０に、残部（第二の空気）が第二の空気導入口２１から第二のガス流路２０に導入される。ここではバーナケーシング内部で空気を分岐しているが、第一の空気導入口と、第二の空気導入口とが、独立して外部に開口していても良い。第一の空気は気化器２に導かれ、第二の空気は気化器外面とバーナケーシングとの間を通過する。
【００２３】
第一のガス流路には、液体燃料ノズル１２が略鉛直下方に向けて設けられ、外部から液体燃料を第一のガス流路内に流下させることが可能となっている。液体燃料ノズルの下方に、加熱面２ａが略水平に設けられる。加熱面は、気化器２に一体的に形成され、気化器に埋め込まれた電気ヒータ９からの熱伝導により液体燃料が気化するに適した温度に加熱可能となっている。加熱面の加熱のために、必ずしも電気ヒータを用いなければならないわけではなく、電気ヒータに替えて、あるいは電気ヒータとともに、加熱面を所定温度に加熱するに足る温度までバーナ導入以前に加熱された第一あるいは第二の空気を用いてもよい。
【００２４】
液体燃料ノズルから流下された液体燃料は、加熱面２ａに接触し、気化する。液体燃料はノズルから断続的に滴下されてもよいが、混合気中の燃料の濃度をより一定にする観点からは連続的に流下されることが好ましい。液体燃料を安定して連続的に流下させる観点から、ノズルからの液体燃料の吐出速度を２ｃｍ／秒以上とすることが好ましい。また送液の圧力損失の観点から２５ｃｍ／秒以下とすることが好ましい。吐出速度は、所望する燃焼量範囲にあわせて液体燃料ノズルの内径を適宜選定することで調整できる。
【００２５】
液体燃料ノズルを略鉛直下方以外の方向、例えば水平に設けることもできるが、比較的大きな液滴の形成を抑制し、混合気中の燃料濃度をより一定にする観点から、ノズル自体が略鉛直下方に向いていることが好ましい。略鉛直下方とは、ノズルの延在方向が必ずしも厳密に鉛直下方でなくてもよいことを意味し、鉛直下方からのずれが１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましくい。
【００２６】
液体燃料ノズルの少なくとも先端が第一のガス流路の中にあり、その部分において、液体燃料ノズルと第一の空気の流れ方向とが同じ方向に向いていることが好ましく、液体燃料ノズルと第一のガス流路が同軸であることがさらに好ましい。例えば、図１に示されるように液体燃料ノズルの先端が鉛直下方を向き、鉛直下方を向く円柱状の第一のガス流路内にノズル先端が配置され、この円柱の中心軸とノズルの中心軸が一致する構成が好ましい。このような構成によって、空気の流れが液体燃料をノズル先端から取り去る効果が生じ、ノズル先端において液滴が大きく成長することを抑制し、混合気中の液体燃料濃度がより一定になるからである。
【００２７】
加熱面は滴下された液体燃料が均一に拡散するために、略水平であることが好ましい。略水平とは加熱面が必ずしも厳密に水平でなくてもよいことを意味し、水平からのずれが１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましい。また、加熱面の形状は滴下後の液体燃料が均一に拡散するように円形が望ましい。
【００２８】
加熱面は気化器に一体的に形成することもでき、例えば気化器の外壁を形成する中空円筒状部分と、加熱面を形成する板状部分とを一体的に形成することができる。あるいは例えば、加熱面となる面を有する板状部材を中空円筒状部材などに溶接などにより接合することもできる。気化器は、ヒータを埋め込むための部分を有することができる。
【００２９】
気化器の材料は、熱伝導率の観点から、金属が好ましい。例えばアルミニウムや真鍮が好適である。
【００３０】
加熱面の温度は、供給される液体燃料の種類に応じて適宜設定できる。例えば、液体燃料が灯油の場合、好ましくは１８０℃以上２５０℃以下、より好ましくは１９０℃以上２２０℃以下である。これは、１８０℃未満では灯油の初留温度付近になるため、高沸点成分の気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、また、２５０℃を超えると滴下された液滴が気化した燃料蒸気で覆われる、いわゆる膜沸騰状態になるため気化速度が遅くなり混合気中の燃料濃度が安定せず火炎が不安定になる傾向があるという点で不利であり、このような状況を回避するためである。
【００３１】
第一のガス流路に導入された第一の空気は、気化器からの伝熱により温められたバーナケーシングの取りあい部や気化器内面と接触して予熱され、気化された液体燃料と混合しながら、加熱面に衝突する。燃焼用空気と液体燃料との混合気の流路は、加熱面で９０°方向転換し加熱面に沿って水平方向となった後、気化器２の側壁によって再び９０°方向転換し、混合気は加熱面と気化器側壁との間の空隙１４を通過する。混合気の流れ方向を転換することは、均一混合を促進するために好ましい。気化器内の混合気流路となる空隙１４は、混合気流の偏流防止の観点から略対称（ここでは円筒状の気化器側壁の中心軸に対して対称）に配されることが好ましい。
【００３２】
なお、電気ヒータ９は、液体燃料気化のための熱を供給することに加え、燃焼用空気の予熱のための熱を供給する機能を兼ねている。燃焼用空気は、気化器などとの熱交換によって予熱される。場合によっては、燃料用空気をバーナに供給する前に別途予熱することも可能である。燃焼用空気を別途充分予熱した場合、気化器加熱用のヒータを廃止することも可能であるが、温度の制御性の観点から電気ヒータを用いることが好ましい。電気ヒータの出力を操作して加熱面の温度を適切な範囲に制御するために気化器の温度を測定する熱電対（不図示）などを適宜設けることができる。
【００３３】
気化した液体燃料と第一の空気との混合気（第一の混合気）は気化器の下流側に接続された、第一のガス流路の一部を内部に形成する中空筒状の部材である連通管５に導入され、連通管に設けられた貫通孔５ａで分岐され、一部が第二のガス流路に導かれ、残部はバーナマット６が設けられた第一のガス流路の出口に至る。
【００３４】
連通管はバーナマットにより均一に混合気を供給するための整流部５ｂを有する。連通管は、バーナマットに供給される混合気の流れを整え、燃焼の均一化を図るために有効である。なお、バーナマットの燃焼熱によっても気化器が加熱されるが、連通管を設けることによってバーナマットと気化器との距離を調節することができ、気化器、特には加熱面の温度制御を容易にすることもできる。連通管の整流部５ｂにおいては、下方に向かうに従って水平方向の流路断面積が徐々に大きくなり、下端の開口部はバーナマットの形状と略同一になっている。整流部は全体として漏斗状の形状を有する。
【００３５】
燃焼安定性向上のために、バーナマットの下流側に保炎器を設けることもできる。保炎器は通常管状をしており、火炎を形成しているバーナマット下流面にバーナマット面に沿う水平方向から二次空気等の気流があたり、火炎が不安定になることを防止する。
【００３６】
バーナマットから導出される可燃性混合ガスは、イグナイター８などにより適宜着火させて燃焼させることができる。
【００３７】
バーナマットから導出される混合ガスの導出方向が鉛直下方であることが好ましい。この場合、火炎も鉛直下方に向けて形成されるため、バーナが装着される改質装置などの機器の上部にバーナを配置することができ、バーナが改質器等の下部に配置された場合に比べて、メンテナンス時にバーナへのアクセスが容易になり、改質器全体として良好なメンテナンス性を確保しつつ省スペース化を図ることが可能となるからである。このために、バーナマットは火炎が下方を向いて形成できるように略水平に設け、バーナマット上面から混合気が供給されるようにすることが好ましい。
【００３８】
一方、貫通孔から第一の混合気の一部が第二のガス流路に導入され、第二の空気導入口から導入されて気化器外壁面とバーナケーシングとの間を通過してきた第二の空気と混合して混合気（第二の混合気）となる。第二の混合気は、第二のガス流路の出口に配され、バーナマット下流に開口するガスノズル２２から導出され、バーナマット下流にて燃焼する。
【００３９】
バーナマットを経て導出された第一の混合気の一部は、バーナマット下流面（図中バーナマット下面）とその下流において火炎を形成して燃焼する。この火炎形成部にガスノズル２２から第二の混合気が供給され、液体燃料の全てが燃焼する。ガスノズルは、バーナマットを経由する混合気が火炎を形成する領域に、ガスノズル経由の第二の混合気が供給可能な位置に設けられる。
【００４０】
従来は、バーナマットを経由した混合気を燃焼させ、その燃え残りを二次空気によって完全燃焼させていたが、本発明では二次空気ではなく可燃成分を含む第二の混合気によってこの完全燃焼を行う。従って、二次空気による過剰冷却を防ぐことができ、不着火、着火遅れ、失火などの現象が起きにくくなる。
【００４１】
このように、第二の混合気は、第一の混合気（のうちのバーナマットを経由する部分）の完全燃焼を図るために用いることができる。従って、第一の混合気のうちのバーナマットを経由する部分に量的にも濃度的にも多くの液体燃料を含ませることが好ましい。また、バーナマットを経由する混合気の可燃分濃度を相対的に高くし、ガスノズルを経由する混合気の可燃分濃度を相対的に低くすることにより、燃料供給および気化が安定する定常燃焼時に、濃淡燃焼となりＮＯｘ生成を抑制することもできる。
【００４２】
具体的には、第一の混合気の空気比を好ましくは１以下、より好ましくは０．９以下とし、第二の混合気の空気比を好ましくは１を超え、より好ましくは３．５以上とする。一方、一酸化炭素あるいは煤塵の発生防止の観点から、第一の混合気の空気比を好ましくは０．７以上、より好ましくは０．８以上とする。また、バーナマットを良く赤熱し、バーナマットからの輻射熱により火炎を安定させ完全燃焼をより促進する観点から、第二の混合気の空気比を好ましくは９．０以下、より好ましくは８．０以下とする。
【００４３】
分岐部４での空気分岐は、第一の空気導入口１１と第二の空気導入口２１の流路断面積の比を変えることにより、所望の比率に分岐するよう調整することができる。同様に、連通管５で分岐される第一の混合気の分岐も、連通管５の流路断面積と貫通口５ａの断面積の比を適宜変化させて所望の比率に分岐するよう調整することができる。
【００４４】
燃焼に空気以外の酸素含有ガスを用いる場合は、酸素含有ガス量を空気量と扱い空気比を計算する。ここで使用する酸素含有ガスは、燃焼性の観点から酸素含有量が１８モル％以上の酸素含有ガスが好ましい。
【００４５】
ここで図３を用いてバーナの燃焼空気比制御について説明する（図３については後に詳述する）。ここでは、第一のガス流路に導入する空気と第二のガス流路に導入する空気との合計、つまり図１に示したバーナにおいては燃焼用空気供給口３に供給する空気と、液体燃料ノズル１２に供給する液体燃料との間の空気比の制御について説明する。空気比を制御する手段には、公知の流量制御技術を利用できる。例えば、液体燃料の流量は流量計１２１、流量調節器１２２、流量調節弁１２３で制御されているものとし、流量計１２１で検知された流量に対応する信号を、コンピュータなどの演算処理装置１１１に送り、ここで液体燃料の流量と予め設定された空気比から、所要の空気流量を算出し、この空気流量に対応する信号を空気側の流量調節器１３２に送り、空気流量を流量計１３１と流量調節バルブ１３３も用いて制御することができる。
【００４６】
混合気の燃焼にバーナマットを利用することにより、燃焼量が小さくても燃焼安定性が優れる。バーナマットには、金属繊維の不織布もしくは織布を焼結したものや、コージェライト、チタニア、ムライト、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ等のセラミックからなる繊維の不織布もしくは織布を用いることができる。均熱性と逆火防止性の観点から、バーナマットとして金属繊維の織布もしくは不織布からなるマットが好ましい。また、バーナマットが織布もしくは不織布であると、開口率がパンチングプレートなどに比べて大きいため、バーナマットを通過する際の混合気の速さが遅くなる。このため、例えば２００ｋＷ／ｍ2程度の低燃焼域では火炎がバーナマットのより近傍に火炎が形成され、バーナマットが火炎により直ぐに赤熱するので、良好な燃焼安定性が得られる。また、例えば４５００ｋＷ／ｍ2程度の高燃焼域では、バーナマットを通過する混合気の速さが比較的遅いため、火炎の吹き飛びが抑えられる。
【００４７】
バーナマットの単位面積あたりの気化された液体燃料の燃焼量は、燃焼安定性の観点から２００ｋＷ／ｍ2以上が好ましく、６００ｋＷ／ｍ2以上がより好ましく、１０００ｋＷ／ｍ2以上がさらに好ましい。また、火炎の吹き飛び抑制の観点から、４５００ｋＷ／ｍ2以下が好ましく、４０００ｋＷ／ｍ2以下がより好ましく、３５００ｋＷ／ｍ2以下がさらに好ましい。このために、所望の燃焼量範囲に対してこのような範囲を実現するに適した面積のバーナマットを設けることができる。
【００４８】
本発明のバーナは、特に小燃焼量のバーナに好適である。液体燃料を加熱面によって気化して燃焼させるタイプのバーナは小燃焼量のバーナに好適であり、特にバーナマットによる燃焼は小燃焼量でも安定して燃焼可能だからである。また、このような小燃焼量バーナにおいては特にコンパクトさに対する要求が強いからでもある。具体的には液体燃料基準の燃焼量の最大値が８．１ｋＷ（７０００ｋｃａｌ／ｈ）以下であるバーナにおいて、さらには５．８ｋＷ（５０００ｋｃａｌ／ｈ）以下であるバーナにおいて、本発明の効果が顕著である。
【００４９】
本発明のバーナは、燃料電池システム内の改質器に装着して用いることができる。燃料電池の水素極オフガス（燃料電池の水素極すなわちアノードから排出される可燃性ガス）を有効に利用する観点から、バーナマット６の下流に水素極オフガスを供給して燃焼させることが好ましい。水素極オフガスは、水素極オフガス流路の入口である水素極オフガス供給口３１からバーナに供給する。水素極オフガスは、気化器２とその外側のバーナケーシング１との間を通過するパイプ３０内を通って、水素極オフガス流路出口に設けられた水素極オフガスノズル３２からバーナマットの下流（火炎保持面側すなわち第一のガス流路とは反対側の面側）に供給される。バーナが、水素極オフガスがバーナマット下流に形成される液体燃料混合気の火炎により着火できる構造を有することが望ましいが、切換時の過剰なオフガス噴出によりこの火炎が吹き消えることも有り得る。このため、水素極オフガスを液体燃料混合気に着火させるためのイグナイター８により着火できる位置に、水素極オフガスノズルが設置されることが望ましい。また、水素極オフガスは爆発混合気を形成しやすい水素を例えば２０モル％以上５０モル％以下含むため、空気と予混合しない拡散燃焼が好ましいことから、バーナマット下流に水素極オフガスを直接噴出させる構造が好ましい。水素極オフガスを燃焼させるための酸素は、第一のガス流路および／または第二のガス流路を経由してバーナマット下流に供給される。前述のイグナイター８は、水素極オフガスを着火させるためにも兼用できる。
【００５０】
水素極オフガスを燃焼させる際、第一のガス流路への液体燃料供給は行わなくてよいが、場合によっては、液体燃料を第一のガス流路に供給し、液体燃料と水素極オフガスの両者を同時に燃焼させることもできる。
【００５１】
このようなバーナの使用方法としては、例えば、ヒータ９を作動させて加熱面を加熱し、空気を必要に応じてブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して燃焼用空気供給口３から供給し、加熱面２ａが所定の温度になった後に、必要に応じて液体燃料をポンプなどの液体昇圧手段によって昇圧して液体燃料ノズル１２から液体燃料を流下させるとともにイグナイター８などの着火手段を作動させればよい。
【００５２】
水素極オフガスを燃焼させる際も必要に応じて水素極オフガスをブロワなどの気体昇圧手段によって昇圧して水素極オフガス入口３１に供給することができる。液体燃料の火炎がある場合は、空気量を適宜調整した後、水素極オフガスを導入するだけで着火に至るが、水素極オフガス量が不安定な場合、一旦液体燃料の燃焼を停止し、水素極オフガスの燃焼に適する空気量を供給してから着火手段であるイグナイター８を作動させることにより安定に燃焼させることができる。
【００５３】
〔改質器〕
図２に、このバーナ１０１を、燃料電池システムにおいて用いられる改質器１０２に装着した場合の例を示す。バーナは改質器の上部に取り付けられ、上方からアクセス可能とされる。
【００５４】
改質器は、水素製造用原料と水および／または酸素を反応させ、水素を含有する改質ガスを製造する装置である。この装置で水素製造用原料は主に水素と一酸化炭素に分解される。また、通常、二酸化炭素およびメタンも分解ガス中に含有される。分解反応の例としては水蒸気改質反応、自己熱改質反応を挙げることができる。水蒸気改質反応は大きな吸熱を伴い、このための熱を外部から供給するためにバーナなどが用いられる。自己熱改質反応でも場合によっては外部から熱を供給することもありうる。本発明のバーナは、このように改質反応領域に外部から熱を供給する、いわゆる外熱式改質器に好適に用いることができる。改質器内部には、内部に水蒸気改質反応などの改質反応を促進できる触媒を収容した改質管１０２ａなどが配置され、この改質管がバーナの燃焼熱によって加熱され、改質反応を進行させるための熱が供給される。
【００５５】
水素製造用原料としては、水蒸気改質法あるいは自己熱改質法により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質から適宜選択して使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることがでる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、灯油などを挙げることができる。なかでも灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。バーナに供給する液体燃料と、水素製造用原料とは、異なっていても良いが、燃料電池システム全体をコンパクトにする観点からは、同じものを用いることが好ましい。これらのためのタンク等の貯蔵手段や、ポンプ等の供給系を兼用することが可能となるからである。
【００５６】
水蒸気改質反応は水蒸気と炭化水素を反応させるものであるが、大きな吸熱を伴うため通常外部からの加熱が必要である。通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応温度は４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で行うことができる。反応系に導入するスチームの量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する水分子モル数の比（スチーム／カーボン比）として定義され、この値は好ましくは０．５〜１０、より好ましくは１〜７、さらに好ましくは２〜５とされる。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は水素製造用原料の液体状態での流速をＡ（Ｌ／ｈ）、触媒層体積をＢ（Ｌ）とした場合Ａ／Ｂで表すことができ、この値は好ましくは０．０５〜２０ｈ-1、より好ましくは０．１〜１０ｈ-1、さらに好ましくは０．２〜５ｈ-1の範囲で設定される。
【００５７】
自己熱改質反応は、水素製造用原料の一部を酸化しながら、この時発生する熱で水蒸気改質反応を進行させることで反応熱のバランスを取りつつ改質を行う方法であり、比較的立ち上げ時間も短く制御も容易であるため、近年燃料電池用の水素製造方法として注目されているものである。この場合にも通常、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、白金などのＶＩＩＩ族金属を代表例とする金属触媒の存在下反応が行われる。反応系に導入するスチームの量は、スチーム／カーボン比として好ましくは０．３〜１０、より好ましくは０．５〜５、さらに好ましくは１〜３とされる。
【００５８】
自己熱改質ではスチームの他に酸素が原料に添加される。酸素源としては純酸素でも良いが多くの場合空気が使用される。通常水蒸気改質反応に伴う吸熱反応をバランスできる熱量を発生し得る程度の酸素を添加するが、熱のロスやバーナによる外部加熱量と関係において適宜添加量は決定される。その量は、水素製造用原料に含まれる炭素原子モル数に対する酸素分子モル数の比（酸素／カーボン比）として好ましくは０．０５〜１、より好ましくは０．１〜０．７５、さらに好ましくは０．２〜０．６とされる。自己熱改質反応の反応温度は水蒸気改質反応の場合と同様、４５０℃〜９００℃、好ましくは５００℃〜８５０℃、さらに好ましくは５５０℃〜８００℃の範囲で設定される。水素製造用原料が液体の場合、この時の空間速度（ＬＨＳＶ）は、好ましくは０．１〜３０、より好ましくは０．５〜２０、さらに好ましくは１〜１０の範囲で選ばれる。
【００５９】
反応温度を制御するには、例えば、反応領域の温度を熱電対などによって検知し、バーナに補助的に供給している液体燃料量を増減させる、燃焼用空気を増減させる、燃料電池での水素使用量を変化させて水素極オフガス中に含まれる水素量を増減させる等の手段を用いる。
【００６０】
〔燃料電池システム〕
さらに、上記バーナを備えた改質器を有する燃料電池システムの例につき、概要を図３に示す。燃料電池システムは、バーナ１０１、バーナ１０１の燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う改質器１０２、および改質器によって得られた水素を含む改質ガスが水素極に供給される燃料電池１０３を有する。
【００６１】
燃料電池１０３としては、水素極において水素が電極反応の反応物質であるタイプの燃料電池を適宜採用することができる。例えば、固体高分子形、燐酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形の燃料電池を採用することができる。
【００６２】
例えば、固体高分子型燃料電池は水素極（アノード）１０３ａおよび空気極（カソード）１０３ｃとこれらに挟まれる固体高分子電解質からなり、水素極側には改質ガス（水素含有ガス）が、空気極側には空気等の酸素含有ガスが、それぞれ必要であれば適当な加湿処理を行った後導入される。水素極から排出される水素極オフガスには可燃性成分が残存するため、水素極オフガスはバーナ１０１に供給されて燃焼される。
【００６３】
燃料電池システム起動時には、液体燃料を気化して燃焼用空気で燃焼させ、この熱を利用して改質器その他の機器を暖機することができる。起動を終えた後は、バーナにて水素極オフガスを燃焼させ、液体燃料は燃焼させなくてよい。場合によっては、水素極オフガスと液体燃料を同時に燃焼させることもできる。
【００６４】
燃料電池システムにおいて用いることのできる各種機器は適宜設けることができる。例えば、改質器１０２と燃料電池１０３との間の改質ガスラインに、改質ガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変成反応器、さらにＣＯ濃度を低減する選択酸化反応器を設けることができる。また、改質器より上流に、水素製造用原料中の硫黄分の濃度を低減する脱硫器を設けることもできる。この他にも、燃料電池の空気極に空気等の酸素含有ガスを供給する手段、燃料電池に供給するガスを加湿するための水蒸気を発生する水蒸気発生器、燃料電池等の各種機器を冷却するための冷却系、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの加圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断／切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断／切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、液体を気化する気化器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱／保温手段、各種流体の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などを挙げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明のバーナは小型化が容易であり、例えば、自動車などの移動体用、あるいは小規模発電用の燃料電池システムに備わる改質器において好適に利用できる。
【００６６】
本発明の燃料電池システムは、このようなバーナを備えるためコンパクト化が容易であり、上記のような燃料電池システムに好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明のバーナの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のバーナが装着された改質器の例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明のバーナを装着した改質器を有する燃料電池システムの概略を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ バーナケーシング
１ａ 取りあい部
２ 気化器
２ａ 加熱面
３ 燃焼用空気供給口
４ 分岐部
５ 連通管
５ａ 貫通孔
５ｂ 整流部
６ バーナマット
８ イグナイター
９ ヒータ
１０ 第一のガス流路
１１ 第一の空気導入口
１２ 液体燃料ノズル
１４ 加熱面と気化器側壁との間の空隙
２０ 第二のガス流路
２１ 第二の空気導入口
２２ ガスノズル
３０ 水素極オフガス流路を形成するパイプ
３１ 水素極オフガス供給口
３２ 水素極オフガスノズル
１０１ バーナ
１０２ 改質器
１０２ａ 改質管
１０３ 燃料電池
１０３ａ 水素極
１０３ｃ 空気極
１１１ 演算処理装置
１２１ 流量計（液体燃料用）
１２２ 流量調節器（液体燃料用）
１２３ 流量調節弁（液体燃料用）
１３１ 流量計（空気用）
１３２ 流量調節器（空気用）
１３３ 流量調節バルブ（空気用）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させる燃焼方法において、
（ａ）液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して第一の混合気を形成する工程；
（ｂ）第一の混合気の一部をバーナマットに導いて燃焼させる工程；
（ｃ）第一の混合気の残部を酸素含有ガスと混合して第二の混合気を形成する工程；および
（ｄ）第二の混合気を該バーナマット下流に導いて燃焼させる工程
を有する燃焼方法。
【請求項２】
第一の混合気の空気比を１以下とし、第二の混合気の空気比を１より大きくする請求項１記載の方法。
【請求項３】
燃焼に供された全ての酸素含有ガス量と燃焼に供された液体燃料量から算出される空気比を１．５以下とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口にはバーナマットを備え、液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと流下された液体燃料を気化するための加熱面とを備える第一のガス流路；および
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口には該バーナマットの下流に開口するガスノズルを備える第二のガス流路を有し、
第一のガス流路の加熱面下流に形成される混合気の一部を第二のガス流路に導くための、第一のガス流路の加熱面より下流部分と第二のガス流路との間を貫通する貫通孔を有する
ことを特徴とするバーナ。
【請求項５】
前記第一のガス流路に導入する酸素含有ガスおよび液体燃料の量を、空気比が１以下になるよう制御するための、かつ、
前記第二のガス流路に導入する酸素含有ガスおよび混合気の量を、空気比が１を超えるように制御するための
制御手段を備える請求項４記載のバーナ。
【請求項６】
燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナであり、
入り口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、出口には前記バーナマットの下流に開口する水素極オフガスノズルを備える水素極オフガス流路をさらに有する請求項４または５記載のバーナ。
【請求項７】
水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が、請求項６記載のバーナを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させる燃焼方法において、
（ａ）液体燃料を気化し、酸素含有ガスと混合して第一の混合気を形成する工程；
（ｂ）第一の混合気の一部をバーナマットに導いて燃焼させる工程；
（ｃ）第一の混合気の残部を酸素含有ガスと混合して第二の混合気を形成する工程；および
（ｄ）第二の混合気を該バーナマット下流に導いて燃焼させる工程
を有する燃焼方法。
【請求項２】
第一の混合気の空気比を１以下とし、第二の混合気の空気比を１より大きくする請求項１記載の方法。
【請求項３】
燃焼に供された全ての酸素含有ガス量と燃焼に供された液体燃料量から算出される空気比を１．５以下とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
気化した液体燃料を酸素含有ガスと混合して混合気とし、該混合気を燃焼させるバーナにおいて、
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口にはバーナマットを備え、液体燃料を流下させるための液体燃料ノズルと流下された液体燃料を気化するための加熱面とを備える第一のガス流路；および
入り口は酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入口であり、出口には該バーナマットの下流に開口するガスノズルを備える第二のガス流路を有し、
第一のガス流路の加熱面下流に形成される混合気の一部を第二のガス流路に導くための、第一のガス流路の加熱面より下流部分と第二のガス流路との間を貫通する貫通孔を有する
ことを特徴とするバーナ。
【請求項５】
前記第一のガス流路に導入する酸素含有ガスおよび液体燃料の量を、空気比が１以下になるよう制御するための、かつ、
前記第二のガス流路に導入する酸素含有ガスおよび混合気の量を、空気比が１を超えるように制御するための
制御手段を備える請求項４記載のバーナ。
【請求項６】
燃料電池システムにおいて用いられる、水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器に、改質反応用の熱を供給するための改質器用バーナであり、
入り口は燃料電池の水素極オフガスを導入する水素極オフガス導入口であり、出口には前記バーナマットの下流に開口する水素極オフガスノズルを備える水素極オフガス流路をさらに有する請求項４または５記載のバーナ。
【請求項７】
水素製造用原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、該改質ガスを燃料として用いる燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
該改質器が、請求項６記載のバーナを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−１０５４８０（Ｐ２００６−１０５４８０Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９２５０９（Ｐ２００４−２９２５０９）
【出願日】平成１６年１０月５日（２００４．１０．５）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月５日（２００４．１０．５）
【出願人】（０００００４４４４）新日本石油株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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