二モード燃焼バーナとそれを備えた燃料電池
【課題】 オフガスなどの燃焼速度の速いガスと、都市ガスなどの燃焼速度がそれほど速くないガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができるバーナと、それを用いる燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】 一方端が有底で他方端が開口し、内部に第１気体流路を形成するバーナ内管；バーナ内管の外側に配置されたバーナ外管であって、バーナ内管と同じ側の一方端が有底で他方端がバーナ内管の前記開口と近接した位置に開口し、バーナ内管との間に第２気体流路を形成するバーナ外管；バーナ内管の底部近傍でバーナ内管内の第１気体流路に開口する第１気体供給口；バーナ外管の底部近傍でバーナ外管内の第２気体流路に開口する第２気体供給口；バーナ内管及びバーナ外管の開口側先端部に配置された点火手段を備えている二モード燃焼バーナ、及び当該バーナを備えている燃料電池を提供することによって、上記課題を解決する。
【解決手段】 一方端が有底で他方端が開口し、内部に第１気体流路を形成するバーナ内管；バーナ内管の外側に配置されたバーナ外管であって、バーナ内管と同じ側の一方端が有底で他方端がバーナ内管の前記開口と近接した位置に開口し、バーナ内管との間に第２気体流路を形成するバーナ外管；バーナ内管の底部近傍でバーナ内管内の第１気体流路に開口する第１気体供給口；バーナ外管の底部近傍でバーナ外管内の第２気体流路に開口する第２気体供給口；バーナ内管及びバーナ外管の開口側先端部に配置された点火手段を備えている二モード燃焼バーナ、及び当該バーナを備えている燃料電池を提供することによって、上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二モード燃焼バーナとそれを備えた燃料電池に関するものであり、詳細には、燃焼速度の速い燃料ガスと、そうでない燃料ガスとを、一つのバーナで安全に燃焼させることができる二モード燃焼バーナと、それを備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池においては、供給体制が既に整備されている都市ガスやＬＰガスなどの炭化水素を原燃料とし、これを改質器で改質して、水素に富む燃料電池用の燃料ガスを連続的に製造することが行われているが、改質器における改質反応は触媒による吸熱反応であるため、改質器を作動させるには、バーナを用いて触媒を加熱し、その温度を上げる必要がある。
【０００３】
この改質器を加熱するバーナの燃料には、例えば特許文献１に開示されているように、通常、燃料電池から排出される未反応の改質ガスであるオフガスが使用されている。しかし、燃料電池の運転開始時には、改質器が作動していないので、オフガスは未だ発生しておらず、オフガスを改質器を加熱するバーナの燃料とすることはできない。そこで、例えば特許文献２においては、燃料電池の運転開始時には、原燃料である都市ガスやＬＰガスなどの原燃料を燃料としてバーナを燃焼させ、燃料電池が定常運転に至った時点で、バーナの燃料を、都市ガス又はＬＰガスから、オフガス又は改質ガスに切り換えることが提案されている。
【０００４】
しかし、都市ガス又はＬＰガスに比べて、オフガス又は改質ガスには水素が多く含まれているため、燃焼速度が速く、逆火を起こし易く、都市ガス又はＬＰガスと、オフガス又は改質ガスの両者を、一つのバーナで安全に燃焼させることは非常に困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２５０５０８号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来技術における上記の不都合を解消するために為されたもので、例えば、オフガスや改質ガスなどの燃焼速度の速いガスと、都市ガス又はＬＰガスなどの燃焼速度がそれほど速くないガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができるバーナと、それを用いる燃料電池を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意開発努力を継続した結果、バーナの構造に改良を加え、一つのバーナにおいて、燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合した状態でバーナに供給し燃焼させる予混合燃焼モードと、燃料ガスと燃焼用空気とをバーナ先端部で混合させて燃焼させる先混合燃焼モードとを、燃料ガスの種類に応じて切り換え可能とすることによって、水素に富み燃焼速度が速いオフガス又は改質ガスと、燃焼速度がそれほど速くない都市ガス又はＬＰガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、一方端が有底で他方端が開口し、内部に第１気体流路を形成するバーナ内管；バーナ内管の外側に配置されたバーナ外管であって、バーナ内管と同じ側の一方端が有底で他方端がバーナ内管の前記開口と近接した位置に開口し、バーナ内管との間に第２気体流路を形成するバーナ外管；バーナ内管の底部近傍でバーナ内管内の第１気体流路に開口する第１気体供給口；バーナ外管の底部近傍でバーナ外管内の第２気体流路に開口する第２気体供給口；バーナ内管及びバーナ外管の開口側先端部に配置された点火手段を備えている二モード燃焼バーナを提供することによって、また、当該バーナを備えている燃料電池を提供することによって、上記の課題を解決するものである。
【０００９】
本発明の二モード燃焼バーナにおいては、バーナ内管の開口が複数の開口に分割されており、それら複数の開口がバーナ外管の開口内に島状に配置されているのが望ましい。バーナ内管の開口とバーナ外管の開口とをこのような配置とすることによって、第２気体供給路を通過してバーナ外管開口へと向かう燃焼用空気又は燃料ガスは、島状に配置されているバーナ内管開口周辺にも回り込むことができ、バーナ内管開口から噴出する燃料ガス又は燃焼用空気とバーナ先端部で良く混合し、適宜の点火手段で着火すると、効率良く燃焼することになる。
【００１０】
本発明の二モード燃焼バーナは、その好ましい態様においては、バーナ内管及びバーナ外管の開口が、気体が通過するに十分な表裏連通した細孔を有する多孔質体を介して外部に開口している。このような構成とするときには、本発明の二モード燃焼バーナは表面燃焼バーナとなり、バーナ表面からの輻射と高温燃焼ガスにより、効率の良い、均一な加熱を実現することができる。バーナ内管及びバーナ外管の開口に設けられる多孔質体としては、燃料ガスと空気との混合ガスを表面燃焼させることができるものであれば、どのような材質のものであっても良いが、例えば、多孔質のセラミックス、セラミックス繊維の集合体、金属繊維の焼結体、耐熱性金属繊維製編物、又は、耐熱性金属繊維製編物と金属製多孔板との積層体を用いることができ、中でも、加工や取り扱いの容易性という観点からは、耐熱性金属繊維製編物を用いるのが最も好ましい。
【００１１】
さらに、本発明の二モード燃焼バーナは、その好ましい態様において、第１気体供給口及び第２気体供給口のいずれか一方又は双方に第１燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを供給する予混合燃焼モードと、第１気体供給口又は第２気体供給口のいずれか一方に燃焼用空気を供給し、他方に第２燃料ガスを供給する先混合燃焼モードとを切り換える燃焼モード切換装置を備えており、これによって、予混合燃焼モードと先混合燃焼モードとを自在に切り換えて、燃焼速度の速い燃料ガス及びそうでない燃料ガスのいずれでも、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができる。因みに、本発明の二モード燃焼バーナが燃料電池における改質器の加熱に使用される場合には、上記第１燃料ガスは燃料電池の原燃料ガスとして用いられる都市ガス又はＬＰガスなどであり、上記第２燃料ガスは燃料電池からのオフガス又は改質ガスである。
【００１２】
本発明の二モード燃焼バーナは、主として燃料電池の改質器の加熱に使用されてその効果を発揮するものであるが、本発明の二モード燃焼バーナの使用対象は燃料電池に限られない。本発明の二モード燃焼バーナは、燃焼速度の速い燃料ガスと、燃焼速度がそれほど速くない燃料ガスとを切り換えて燃焼させなければならない状況下にある各種装置に使用することができるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の二モード燃焼バーナによれば、燃焼モードを予混合燃焼モードと先混合燃焼モード間で切り換えることができるので、例えば、燃料電池におけるオフガス又は改質ガスなどの燃焼速度の速い燃料ガスと、都市ガスやＬＰガスなどの燃焼速度がそれほど速くない燃料ガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができるという利点が得られる。また、本発明の二モード燃焼バーナは、簡単な構造で二モード燃焼を実現することができるので、製造コストの低減を計ることができるという利点を有している。さらに、本発明の二モード燃焼バーナを備えた燃料電池によれば、燃料電池の運転開始時には、都市ガスやＬＰガスなどの原燃料ガスを用いてバーナを燃焼させて改質器を加熱し、燃料電池が定常運転に達した時には、燃料電池からのオフガス又は改質ガスを用いてバーナを燃焼させ、引き続き改質器を加熱して、安全に燃料電池を連続運転させることができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の二モード燃焼バーナの一例を示す縦断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ’断面図である。
【図４】本発明の二モード燃焼バーナに燃焼モード切換装置を取り付けた状態を示す概念図である。
【図５】本発明の二モード燃焼バーナを備える燃料電池の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の二モード燃焼バーナを図面を用いて説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。
【００１６】
図１は、本発明の二モード燃焼バーナの一例を示す断面図である。図１において、１は本発明の二モード燃焼バーナ、２はバーナ内管であり、３はバーナ内管２の内部に形成される第１気体流路である。２ａは、バーナ内管２の根元側の一方端を閉塞し、バーナ内管２を有底のものとする閉止部材、２ｂ、２ｂ、２ｂは、バーナ内管２の先端側の他方端の開口である。なお、本明細書において根元側とは、バーナの燃焼室から遠い側を指し、先端側とは、バーナの燃焼室に近い側を指すものとする。
【００１７】
４は、第１気体流路３に開口する第１気体供給口であり、バーナ内管２の底部近傍に設けられている。本例において、バーナ内管２は円筒形状であるが、バーナ内管２の形状は円筒形状に限られず、閉止部材２ａが存在する底部側から、開口２ｂ、２ｂ、２ｂが存在する先端側に向かって、次第に径が大きくなる円錐台形であっても良い。
【００１８】
５はバーナ外管であり、バーナ外管５はバーナ内管２の外側に、バーナ内管２と同軸に配置されており、バーナ内管２との間に第２気体流路６を形成している。５ａは、バーナ内管２と同じ側の一方端であるバーナ外管５の根元側を閉塞し、バーナ外管５を有底のものとする閉止部材、５ｂは、バーナ外管５の他方端である先端側の開口である。図に示すとおり、バーナ外管５の開口５ｂは、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂの周囲を取り囲み、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂと同一面上に開口している。但し、バーナ外管５の開口５ｂは、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂと近接した位置に開口していれば良く、その開口位置は、必ずしも、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂと同一面上になくても良い。例えば、バーナ外管５の先端部をバーナ内管２の先端部よりも若干突出させて、開口５ｂを、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂよりも先端側に位置させても良いし、逆に、バーナ内管２の先端部をバーナ外管５の先端部よりも若干突出させて、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂを、バーナ外管５の開口５ｂよりも先端側に位置させても良い。
【００１９】
７は、第２気体流路６に開口する第２気体供給口であり、バーナ外管５の底部近傍に設けられている。本例において、バーナ外管５は、バーナ内管２と同じく円筒形状であるが、バーナ外管５の形状は円筒形状に限られず、例えば、閉止部材５ａが存在する底部側から、開口５ｂ、５ｂが存在する先端側に向かって、次第に径が大きくなる円錐台形であっても良い。
【００２０】
８はスパークプラグであり、バーナ内管２の内側にバーナ内管２と同軸に配置されている。スパークプラグ８は、その長さ方向の大部分が絶縁シールドで覆われているが、その先端部において電極９が露出している。１０はアース電極であり、電極９とアース電極１０とで、バーナ内管２及びバーナ外管５の開口側先端部に配置された点火手段を構成している。なお、点火手段は、電極９とアース電極１０の組み合わせに限られず、バーナ内管２及びバーナ外管５の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ及び開口５ｂから噴出する燃料ガスと燃焼用空気に点火して、着火させることができるものであれば、どのような機構のものを採用しても良い。
【００２１】
１１は、気体が通過するに十分な表裏連通した細孔を有する多孔質体であり、バーナ内管２及びバーナ外管５の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ及び開口５ｂに取り付けられている。第１気体流路３及び第２気体流路６を通過してきた燃料ガス及び燃焼用空気は、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ及び開口５ｂから、この多孔質体１１を通ってバーナ外部へと噴出し、電極９とアース電極１０とで構成される点火手段によって着火され、多孔質体１１の表面で燃焼することになる。つまり、本例における二モード燃焼バーナ１は表面燃焼バーナである。
【００２２】
多孔質体１１としては、例えば、多孔質のセラミックス、セラミックス繊維の集合体、金属繊維の焼結体、耐熱性金属繊維製編物、又は、耐熱性金属繊維製編物と金属製多孔板との積層体などを用いることができるが、耐熱性金属繊維製編物が加工性も良く、取り扱いも容易であるので、最も好ましい。
【００２３】
なお、本発明の二モード燃焼バーナ１は必ずしも表面燃焼バーナでなくても良く、多孔質体１１を設けずに、通常のバーナと同様に、燃焼ガス及び燃焼用空気を開口２ｂ、２ｂ、２ｂ及び開口５ｂから直接噴出させて、電極９とアース電極１０とで構成される点火手段によって着火するようにしても良い。
【００２４】
１２ａ、１２ｂは、それぞれバーナ内管２及びバーナ外管５に取り付けられたフランジであり、１３は、フランジ１２ａ、１２ｂを用いてバーナ外管５をバーナ内管２に固定する固定ネジである。また、１４は、本発明の二モード燃焼バーナ１を例えば燃料電池の改質器に取り付ける際に利用される取り付け用フランジである。
【００２５】
図２は図１のＸ−Ｘ’断面図、図３は図１のＹ−Ｙ’断面図である。図２、図３に示すとおり、バーナ内管２内に形成される第１気体流路３は、バーナ内管２の先端部において、分割された複数の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・となって外部に開口している。図３に示すとおり、バーナ内管２の複数の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・は、バーナ外管５の開口５ｂ内に島状に配置されているので、第２気体流路６内を通過してきた燃料ガス又は燃焼用空気は、開口５ｂの手前で、図中矢印で示すように、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の周囲にも回り込み、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の周囲から外部へと噴出することになる。したがって、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・から噴出する燃焼用空気又は燃料ガスとの混合がより速やかに行われることになる。特に、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・及び開口５ｂに多孔質体１１が設けられている場合には、多孔質体１１の流路抵抗により、第２気体流路６内を通過してきた燃料ガス又は燃焼用空気の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の周囲への回り込みはより十分なものとなり、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・から噴出する気体と、開口５ｂから噴出する気体とは、より効率良く混合されることになる。
【００２６】
なお、図示の例では、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・は、バーナ内管２の垂直断面において、中央に１個と、その周囲に均等に８個、合計９個の開口２ｂが配置されているが、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の個数や配置は図示のものに限られない。１０個以上であっても良いし、７個未満であっても良く、極端な場合には、中央の開口２ｂをバーナ内管２の径と同じにまで拡大して、１個の開口２ｂとしても良い。しかし、バーナ内管２の開口２ｂは、図３に示すように、複数に分割され、バーナ外管５の開口５ｂ内に島状に配置されている方が、開口２ｂから噴出する気体と開口５ｂから噴出する気体を効率良く混合させることができるので、好ましい。また、開口２ｂから噴出する気体と開口５ｂから噴出する気体を効率良く混合させるという観点からは、開口５ｂ内における開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の境界線が長い方が好ましく、図示の例では、複数の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の形状は円形であるが、例えば、長方形や長楕円、弧状、星形などであっても良い。なお、島状とは、複数の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・が互いに孤立して存在し、開口５ｂによって分断されている状態をいうものであり、る。
【００２７】
本発明の二モード燃焼バーナ１は、上述したような構造であるので、例えば、第１気体流入口４又は第２気体流入口７のいずれか、又はその双方から、予め混合した第１燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを供給し、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・及び／又は開口５ｂから噴出させ、電極９とアース電極１０間にスパークを発生させて点火、着火することにより燃焼させると、予混合燃焼モードで燃焼するバーナとなる。また、第１気体流入口４又は第２気体流入口７の一方から、第２燃料ガス又は燃焼用空気のいずれか一方を供給し、第１気体流入口４又は第２気体流入口７の他方から、第２燃料ガス又は燃焼用空気のいずれか他方を供給し、それぞれを、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・又は開口５ｂから噴出させ、電極９とアース電極１０間にスパークを発生させて点火、着火することにより燃焼させると、先混合燃焼モードで燃焼するバーナとなる。
【００２８】
このように本発明の二モード燃焼バーナ１を先混合燃焼モードで燃焼させる場合には、第２燃料ガスが、例えば、オフガスや改質ガスのように水素に富み、燃焼速度の速い燃料ガスであっても、第１気体流路３又は第２気体流路６内では、未だ燃焼用空気とは混合しておらず、燃焼可能な混合ガスとはなっていないので、バーナ内管２及びバーナ外管５の開口側先端部に配置された点火手段で点火、着火しても、火炎がバーナ内管２又はバーナ外管５内に引き込まれる、いわゆる逆火現象が発生する恐れがなく、安全に燃焼させることが可能である。
【００２９】
なお、本発明の二モード燃焼バーナ１を先混合燃焼モードで燃焼させる場合、第１気体流入口４又は第２気体流入口７から供給される第２燃料ガスには、燃焼可能な混合ガスとはならない範囲であれば、多少の燃焼用空気を混合しても良い。このように、燃焼可能な混合ガスとならない範囲で、第２燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合しておく場合には、バーナ先端部での混合負担が小さくて済み、よりスムースな先混合燃焼が可能になるという利点が得られる。
【００３０】
また、先混合燃焼モードで燃焼させる場合、第２燃料ガス及び燃焼用空気は、第１気体流入口４又は第２気体流入口７のいずれから供給しても良いが、開口から噴出する第２燃料ガスが燃焼用空気に包まれる方が好ましいので、第２燃料ガスは、主として、第１気体流入口４から第１気体流路３内に供給するのが好ましい。
【００３１】
図４は、本発明の二モード燃焼バーナ１に燃焼モード切換装置を取り付けた状態を示す概念図である。図１におけると同じものには同じ符号を付してある。図４において、１５は燃焼モード切換装置、１６は制御装置、１７は燃焼用空気源、１８は第１燃料ガス源、１９は第２燃料ガス源、２０ａ〜２０ｆは、流量調節機能付きの開閉弁である。制御装置１６は、開閉弁２０ａ〜２０ｆを適宜開閉操作して、燃焼用空気源１７からの燃焼用空気、第１燃料ガス源１８からの第１燃料ガス、及び第２燃料ガス源からの第２燃料ガスを、適宜、二モード燃焼バーナ１の第１気体供給口４又は第２気体供給口７、或いはその双方に供給して、二モード燃焼バーナ１を、予混合燃焼モード又は先混合燃焼モードで燃焼させることができる。
【００３２】
例えば、第１燃料ガス源１８からの第１燃料ガスを用いて、予混合燃焼モードで燃焼させる場合には、制御装置１６は、開閉弁２０ａ及び２０ｂを「開」とし、同じく、開閉弁２０ｃ及び２０ｄを「開」として、燃焼用空気源１７からの燃焼用空気と、第１燃料ガス源１８からの第１燃料ガスを、第１気体供給口４及び第２気体供給口７の双方に供給する。開閉弁２０ａ又は２０ｂのいずれか一方、及び開閉弁２０ｃ又は２０ｄの対応するいずれか一方のみを「開」として、燃焼用空気と第１燃料ガスを、第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方のみに供給するようにしても良い。
【００３３】
図４に示すとおり、第１燃料ガス源１８から開閉弁２０ｃ又は２０ｄを経由する管路は、その先で、燃焼用空気源１７と第１気体供給口４又は第２気体供給口７とを結ぶ管路に接続されているので、開閉弁２０ｃ又は２０ｄを通過した第１燃料ガスは、その先の管路内で燃焼用空気と混合され、燃焼可能な混合ガスとなり、第１気体供給口４又は第２気体供給口７に供給されることになる。このとき、燃焼用空気源１７から供給される燃焼用空気の量は、第１燃料ガスと混合したときに、空気比が１．０乃至はそれを上回る空気比となるように、その流量が調整されていることは勿論である。
【００３４】
次に、第２燃料ガス源１９からの第２燃料ガスを用いて、先混合燃焼モードで燃焼させる場合には、制御装置１６は、開閉弁２０ａ又は２０ｂのいずれか一方を「開」、他方を「閉」とし、燃焼用空気源１７からの燃焼用空気を第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に供給するとともに、開閉弁２０ｅ又は２０ｆのいずれか一方を「開」、他方を「閉」として、第２燃料ガス源１９からの第２燃料ガスを第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか他方に供給する。１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれかにそれぞれ供給された燃焼用空気と第２燃料ガスとは、二モード燃焼バーナ１の先端部で混合され、先混合モードで燃焼することになる。このとき、燃焼用空気源１７から供給される燃焼用空気の量は、二モード燃焼バーナ１の先端部で第２燃料ガスと混合したときに、空気比が１．０乃至はそれを上回る空気比となるように、その流量が調整されていることは勿論である。
【００３５】
なお、燃焼に必要な空気量の全てを第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に供給する代わりに、その一部を、第２燃料ガスに混合した状態で、第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか他方に供給するようにしても良い。すなわち、制御装置１６は、開閉弁２０ａ及び２０ｂの双方を「開」とし、その一方を通過する燃焼用空気は、燃焼用空気単独で、第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に供給し、他方を通過する燃焼用空気は、途中で第２燃料ガスと混合し、混合ガスとして、第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか他方に供給する。但し、この場合には、途中で第２燃料ガスと混合される燃焼用空気の量は、空気比を大きく下回るような流量に設定されるのはいうまでもない。
【００３６】
図５は、本発明の二モード燃焼バーナ１を備える燃料電池の一例を示す概念図である。図５において、１は本発明の二モード燃焼バーナ、１５は燃焼モード切換装置、２１は改質器、２２は燃料電池本体、２３は都市ガスなどの原燃料の供給源、２４は水蒸気の供給源であり、２５は改質器２１の内部に充填されている触媒、２６は熱風ガイド管、２７は一酸化炭素変成・除去器、２８は例えばブロアなどの空気供給源である。
【００３７】
燃料電池の起動時には、燃焼モード切換装置１５は、図示しない開閉弁を操作して、まず、空気供給源２８からの燃焼用空気と、源燃料供給源２３からの源燃料を、予め混合した状態で、二モード燃焼バーナ１の第１気体供給口４又は第２気体供給口７、若しくはその双方に供給して、二モード燃焼バーナ１を予混合燃焼モードで燃焼させる。
【００３８】
二モード燃焼バーナ１が着火すると、二モード燃焼バーナ１から排出される高温の燃焼ガスは、改質器２１の熱風ガイド管２６に沿って改質器２１内に導かれ、改質器２１内の所定の経路を通過して、触媒２５を加熱する。触媒２５が所定の温度にまで加熱されると、原燃料供給源２３からの原燃料（例えば都市ガス）は、必要に応じて、図示しない脱硫器で脱硫された後、水蒸気供給源２４からの水蒸気とともに改質器２１に供給され、改質器２１が運転を開始する。改質器２１から生成する改質ガスは、一酸化炭素変成・除去器２７を通過して一酸化炭素が除去された後、燃料電池本体２２に燃料として供給される。燃料電池本体２２には、改質ガスとともに、空気供給源２８からの空気が供給され、電気化学反応によって電気が発生する。
【００３９】
燃料電池本体２２が運転を開始すると、燃料電池本体２２からは、未反応の改質ガスであるオフガスが排出されるので、燃焼モード切換装置１５は、図示しない開閉弁を切り換えて、二モード燃焼バーナ１への原燃料（例えば都市ガス）の供給を停止し、代わりに、燃料電池本体２２から排出されるオフガスを、二モード燃焼バーナ１の第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に燃料ガスとして供給する。同時に、燃焼モード切換装置１５は、二モード燃焼バーナ１の第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか他方に空気供給源２８からの燃焼用空気を供給し、二モード燃焼バーナ１を先混合燃焼モードで燃焼させる。なお、先混合燃焼モードにおいて第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に供給する燃料ガスは、一酸化炭素変成・除去器２７を通過した改質ガスであっても良い。
【００４０】
燃料電池本体２２から排出されるオフガス及び改質ガスは、水素に富み、燃焼速度が速いガスであるが、本発明の二モード燃焼バーナ１において先混合燃焼モードで燃焼するので、逆火の恐れがなく、安全に燃焼させることができる。したがって、本発明の二モード燃焼バーナ１を備える燃料電池は、その運転開始の起動時から、定常運転時まで、安定かつ安全な連続運転が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明の二モード燃焼バーナによれば、燃焼速度の速い燃料ガスと、燃焼速度がそれほど速くない燃料ガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができるので、燃料電池における改質器の加熱を始め、広範な用途に利用できるという優れた産業上の利点が得られる。また、本発明の二モード燃焼バーナは構造が簡単であるので、製造コストの低減を計ることができ、広範な用途に利用できるという産業上の利便性を有している。さらに、本発明の二モード燃焼バーナを備えた燃料電池によれば、運転開始の起動時から定常運転時まで、改質器の運転を安定して行うことが可能となり、燃料電池に燃料を安定して供給することが可能になるので、燃料電池の稼働効率が高まり、利便性が増すという産業上の利点が得られる。
【符号の説明】
【００４２】
１ 二モード燃焼バーナ
２ バーナ内管
２ｂ、５ｂ 開口
３ 第１気体流路
４ 第１気体供給口
５ バーナ外管
６ 第２気体流路
７ 第２気体供給口
８ スパークプラグ
９ 電極
１０ アース電極
１１ 多孔質体
１２ａ、１２ｂ、１４ フランジ
１３ 取付ネジ
１５ 燃焼モード切換装置
１６ 制御装置
１７ 燃焼用空気源
１８ 第１燃料ガス源
１９ 第２燃料ガス源
２０ａ〜２０ｆ 開閉弁
２１ 改質器
２２ 燃料電池本体
２３ 原燃料供給源
２４ 水蒸気供給源
２５ 触媒
２６ 熱風ガイド管
２７ 一酸化炭素変成・除去器
２８ 空気供給源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二モード燃焼バーナとそれを備えた燃料電池に関するものであり、詳細には、燃焼速度の速い燃料ガスと、そうでない燃料ガスとを、一つのバーナで安全に燃焼させることができる二モード燃焼バーナと、それを備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池においては、供給体制が既に整備されている都市ガスやＬＰガスなどの炭化水素を原燃料とし、これを改質器で改質して、水素に富む燃料電池用の燃料ガスを連続的に製造することが行われているが、改質器における改質反応は触媒による吸熱反応であるため、改質器を作動させるには、バーナを用いて触媒を加熱し、その温度を上げる必要がある。
【０００３】
この改質器を加熱するバーナの燃料には、例えば特許文献１に開示されているように、通常、燃料電池から排出される未反応の改質ガスであるオフガスが使用されている。しかし、燃料電池の運転開始時には、改質器が作動していないので、オフガスは未だ発生しておらず、オフガスを改質器を加熱するバーナの燃料とすることはできない。そこで、例えば特許文献２においては、燃料電池の運転開始時には、原燃料である都市ガスやＬＰガスなどの原燃料を燃料としてバーナを燃焼させ、燃料電池が定常運転に至った時点で、バーナの燃料を、都市ガス又はＬＰガスから、オフガス又は改質ガスに切り換えることが提案されている。
【０００４】
しかし、都市ガス又はＬＰガスに比べて、オフガス又は改質ガスには水素が多く含まれているため、燃焼速度が速く、逆火を起こし易く、都市ガス又はＬＰガスと、オフガス又は改質ガスの両者を、一つのバーナで安全に燃焼させることは非常に困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２５０５０８号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来技術における上記の不都合を解消するために為されたもので、例えば、オフガスや改質ガスなどの燃焼速度の速いガスと、都市ガス又はＬＰガスなどの燃焼速度がそれほど速くないガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができるバーナと、それを用いる燃料電池を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意開発努力を継続した結果、バーナの構造に改良を加え、一つのバーナにおいて、燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合した状態でバーナに供給し燃焼させる予混合燃焼モードと、燃料ガスと燃焼用空気とをバーナ先端部で混合させて燃焼させる先混合燃焼モードとを、燃料ガスの種類に応じて切り換え可能とすることによって、水素に富み燃焼速度が速いオフガス又は改質ガスと、燃焼速度がそれほど速くない都市ガス又はＬＰガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、一方端が有底で他方端が開口し、内部に第１気体流路を形成するバーナ内管；バーナ内管の外側に配置されたバーナ外管であって、バーナ内管と同じ側の一方端が有底で他方端がバーナ内管の前記開口と近接した位置に開口し、バーナ内管との間に第２気体流路を形成するバーナ外管；バーナ内管の底部近傍でバーナ内管内の第１気体流路に開口する第１気体供給口；バーナ外管の底部近傍でバーナ外管内の第２気体流路に開口する第２気体供給口；バーナ内管及びバーナ外管の開口側先端部に配置された点火手段を備えている二モード燃焼バーナを提供することによって、また、当該バーナを備えている燃料電池を提供することによって、上記の課題を解決するものである。
【０００９】
本発明の二モード燃焼バーナにおいては、バーナ内管の開口が複数の開口に分割されており、それら複数の開口がバーナ外管の開口内に島状に配置されているのが望ましい。バーナ内管の開口とバーナ外管の開口とをこのような配置とすることによって、第２気体供給路を通過してバーナ外管開口へと向かう燃焼用空気又は燃料ガスは、島状に配置されているバーナ内管開口周辺にも回り込むことができ、バーナ内管開口から噴出する燃料ガス又は燃焼用空気とバーナ先端部で良く混合し、適宜の点火手段で着火すると、効率良く燃焼することになる。
【００１０】
本発明の二モード燃焼バーナは、その好ましい態様においては、バーナ内管及びバーナ外管の開口が、気体が通過するに十分な表裏連通した細孔を有する多孔質体を介して外部に開口している。このような構成とするときには、本発明の二モード燃焼バーナは表面燃焼バーナとなり、バーナ表面からの輻射と高温燃焼ガスにより、効率の良い、均一な加熱を実現することができる。バーナ内管及びバーナ外管の開口に設けられる多孔質体としては、燃料ガスと空気との混合ガスを表面燃焼させることができるものであれば、どのような材質のものであっても良いが、例えば、多孔質のセラミックス、セラミックス繊維の集合体、金属繊維の焼結体、耐熱性金属繊維製編物、又は、耐熱性金属繊維製編物と金属製多孔板との積層体を用いることができ、中でも、加工や取り扱いの容易性という観点からは、耐熱性金属繊維製編物を用いるのが最も好ましい。
【００１１】
さらに、本発明の二モード燃焼バーナは、その好ましい態様において、第１気体供給口及び第２気体供給口のいずれか一方又は双方に第１燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを供給する予混合燃焼モードと、第１気体供給口又は第２気体供給口のいずれか一方に燃焼用空気を供給し、他方に第２燃料ガスを供給する先混合燃焼モードとを切り換える燃焼モード切換装置を備えており、これによって、予混合燃焼モードと先混合燃焼モードとを自在に切り換えて、燃焼速度の速い燃料ガス及びそうでない燃料ガスのいずれでも、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができる。因みに、本発明の二モード燃焼バーナが燃料電池における改質器の加熱に使用される場合には、上記第１燃料ガスは燃料電池の原燃料ガスとして用いられる都市ガス又はＬＰガスなどであり、上記第２燃料ガスは燃料電池からのオフガス又は改質ガスである。
【００１２】
本発明の二モード燃焼バーナは、主として燃料電池の改質器の加熱に使用されてその効果を発揮するものであるが、本発明の二モード燃焼バーナの使用対象は燃料電池に限られない。本発明の二モード燃焼バーナは、燃焼速度の速い燃料ガスと、燃焼速度がそれほど速くない燃料ガスとを切り換えて燃焼させなければならない状況下にある各種装置に使用することができるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の二モード燃焼バーナによれば、燃焼モードを予混合燃焼モードと先混合燃焼モード間で切り換えることができるので、例えば、燃料電池におけるオフガス又は改質ガスなどの燃焼速度の速い燃料ガスと、都市ガスやＬＰガスなどの燃焼速度がそれほど速くない燃料ガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができるという利点が得られる。また、本発明の二モード燃焼バーナは、簡単な構造で二モード燃焼を実現することができるので、製造コストの低減を計ることができるという利点を有している。さらに、本発明の二モード燃焼バーナを備えた燃料電池によれば、燃料電池の運転開始時には、都市ガスやＬＰガスなどの原燃料ガスを用いてバーナを燃焼させて改質器を加熱し、燃料電池が定常運転に達した時には、燃料電池からのオフガス又は改質ガスを用いてバーナを燃焼させ、引き続き改質器を加熱して、安全に燃料電池を連続運転させることができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の二モード燃焼バーナの一例を示す縦断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ’断面図である。
【図４】本発明の二モード燃焼バーナに燃焼モード切換装置を取り付けた状態を示す概念図である。
【図５】本発明の二モード燃焼バーナを備える燃料電池の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の二モード燃焼バーナを図面を用いて説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。
【００１６】
図１は、本発明の二モード燃焼バーナの一例を示す断面図である。図１において、１は本発明の二モード燃焼バーナ、２はバーナ内管であり、３はバーナ内管２の内部に形成される第１気体流路である。２ａは、バーナ内管２の根元側の一方端を閉塞し、バーナ内管２を有底のものとする閉止部材、２ｂ、２ｂ、２ｂは、バーナ内管２の先端側の他方端の開口である。なお、本明細書において根元側とは、バーナの燃焼室から遠い側を指し、先端側とは、バーナの燃焼室に近い側を指すものとする。
【００１７】
４は、第１気体流路３に開口する第１気体供給口であり、バーナ内管２の底部近傍に設けられている。本例において、バーナ内管２は円筒形状であるが、バーナ内管２の形状は円筒形状に限られず、閉止部材２ａが存在する底部側から、開口２ｂ、２ｂ、２ｂが存在する先端側に向かって、次第に径が大きくなる円錐台形であっても良い。
【００１８】
５はバーナ外管であり、バーナ外管５はバーナ内管２の外側に、バーナ内管２と同軸に配置されており、バーナ内管２との間に第２気体流路６を形成している。５ａは、バーナ内管２と同じ側の一方端であるバーナ外管５の根元側を閉塞し、バーナ外管５を有底のものとする閉止部材、５ｂは、バーナ外管５の他方端である先端側の開口である。図に示すとおり、バーナ外管５の開口５ｂは、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂの周囲を取り囲み、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂと同一面上に開口している。但し、バーナ外管５の開口５ｂは、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂと近接した位置に開口していれば良く、その開口位置は、必ずしも、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂと同一面上になくても良い。例えば、バーナ外管５の先端部をバーナ内管２の先端部よりも若干突出させて、開口５ｂを、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂよりも先端側に位置させても良いし、逆に、バーナ内管２の先端部をバーナ外管５の先端部よりも若干突出させて、バーナ内管２の開口２ｂ、２ｂ、２ｂを、バーナ外管５の開口５ｂよりも先端側に位置させても良い。
【００１９】
７は、第２気体流路６に開口する第２気体供給口であり、バーナ外管５の底部近傍に設けられている。本例において、バーナ外管５は、バーナ内管２と同じく円筒形状であるが、バーナ外管５の形状は円筒形状に限られず、例えば、閉止部材５ａが存在する底部側から、開口５ｂ、５ｂが存在する先端側に向かって、次第に径が大きくなる円錐台形であっても良い。
【００２０】
８はスパークプラグであり、バーナ内管２の内側にバーナ内管２と同軸に配置されている。スパークプラグ８は、その長さ方向の大部分が絶縁シールドで覆われているが、その先端部において電極９が露出している。１０はアース電極であり、電極９とアース電極１０とで、バーナ内管２及びバーナ外管５の開口側先端部に配置された点火手段を構成している。なお、点火手段は、電極９とアース電極１０の組み合わせに限られず、バーナ内管２及びバーナ外管５の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ及び開口５ｂから噴出する燃料ガスと燃焼用空気に点火して、着火させることができるものであれば、どのような機構のものを採用しても良い。
【００２１】
１１は、気体が通過するに十分な表裏連通した細孔を有する多孔質体であり、バーナ内管２及びバーナ外管５の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ及び開口５ｂに取り付けられている。第１気体流路３及び第２気体流路６を通過してきた燃料ガス及び燃焼用空気は、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ及び開口５ｂから、この多孔質体１１を通ってバーナ外部へと噴出し、電極９とアース電極１０とで構成される点火手段によって着火され、多孔質体１１の表面で燃焼することになる。つまり、本例における二モード燃焼バーナ１は表面燃焼バーナである。
【００２２】
多孔質体１１としては、例えば、多孔質のセラミックス、セラミックス繊維の集合体、金属繊維の焼結体、耐熱性金属繊維製編物、又は、耐熱性金属繊維製編物と金属製多孔板との積層体などを用いることができるが、耐熱性金属繊維製編物が加工性も良く、取り扱いも容易であるので、最も好ましい。
【００２３】
なお、本発明の二モード燃焼バーナ１は必ずしも表面燃焼バーナでなくても良く、多孔質体１１を設けずに、通常のバーナと同様に、燃焼ガス及び燃焼用空気を開口２ｂ、２ｂ、２ｂ及び開口５ｂから直接噴出させて、電極９とアース電極１０とで構成される点火手段によって着火するようにしても良い。
【００２４】
１２ａ、１２ｂは、それぞれバーナ内管２及びバーナ外管５に取り付けられたフランジであり、１３は、フランジ１２ａ、１２ｂを用いてバーナ外管５をバーナ内管２に固定する固定ネジである。また、１４は、本発明の二モード燃焼バーナ１を例えば燃料電池の改質器に取り付ける際に利用される取り付け用フランジである。
【００２５】
図２は図１のＸ−Ｘ’断面図、図３は図１のＹ−Ｙ’断面図である。図２、図３に示すとおり、バーナ内管２内に形成される第１気体流路３は、バーナ内管２の先端部において、分割された複数の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・となって外部に開口している。図３に示すとおり、バーナ内管２の複数の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・は、バーナ外管５の開口５ｂ内に島状に配置されているので、第２気体流路６内を通過してきた燃料ガス又は燃焼用空気は、開口５ｂの手前で、図中矢印で示すように、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の周囲にも回り込み、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の周囲から外部へと噴出することになる。したがって、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・から噴出する燃焼用空気又は燃料ガスとの混合がより速やかに行われることになる。特に、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・及び開口５ｂに多孔質体１１が設けられている場合には、多孔質体１１の流路抵抗により、第２気体流路６内を通過してきた燃料ガス又は燃焼用空気の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の周囲への回り込みはより十分なものとなり、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・から噴出する気体と、開口５ｂから噴出する気体とは、より効率良く混合されることになる。
【００２６】
なお、図示の例では、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・は、バーナ内管２の垂直断面において、中央に１個と、その周囲に均等に８個、合計９個の開口２ｂが配置されているが、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の個数や配置は図示のものに限られない。１０個以上であっても良いし、７個未満であっても良く、極端な場合には、中央の開口２ｂをバーナ内管２の径と同じにまで拡大して、１個の開口２ｂとしても良い。しかし、バーナ内管２の開口２ｂは、図３に示すように、複数に分割され、バーナ外管５の開口５ｂ内に島状に配置されている方が、開口２ｂから噴出する気体と開口５ｂから噴出する気体を効率良く混合させることができるので、好ましい。また、開口２ｂから噴出する気体と開口５ｂから噴出する気体を効率良く混合させるという観点からは、開口５ｂ内における開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の境界線が長い方が好ましく、図示の例では、複数の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・の形状は円形であるが、例えば、長方形や長楕円、弧状、星形などであっても良い。なお、島状とは、複数の開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・が互いに孤立して存在し、開口５ｂによって分断されている状態をいうものであり、る。
【００２７】
本発明の二モード燃焼バーナ１は、上述したような構造であるので、例えば、第１気体流入口４又は第２気体流入口７のいずれか、又はその双方から、予め混合した第１燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを供給し、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・及び／又は開口５ｂから噴出させ、電極９とアース電極１０間にスパークを発生させて点火、着火することにより燃焼させると、予混合燃焼モードで燃焼するバーナとなる。また、第１気体流入口４又は第２気体流入口７の一方から、第２燃料ガス又は燃焼用空気のいずれか一方を供給し、第１気体流入口４又は第２気体流入口７の他方から、第２燃料ガス又は燃焼用空気のいずれか他方を供給し、それぞれを、開口２ｂ、２ｂ、２ｂ・・・又は開口５ｂから噴出させ、電極９とアース電極１０間にスパークを発生させて点火、着火することにより燃焼させると、先混合燃焼モードで燃焼するバーナとなる。
【００２８】
このように本発明の二モード燃焼バーナ１を先混合燃焼モードで燃焼させる場合には、第２燃料ガスが、例えば、オフガスや改質ガスのように水素に富み、燃焼速度の速い燃料ガスであっても、第１気体流路３又は第２気体流路６内では、未だ燃焼用空気とは混合しておらず、燃焼可能な混合ガスとはなっていないので、バーナ内管２及びバーナ外管５の開口側先端部に配置された点火手段で点火、着火しても、火炎がバーナ内管２又はバーナ外管５内に引き込まれる、いわゆる逆火現象が発生する恐れがなく、安全に燃焼させることが可能である。
【００２９】
なお、本発明の二モード燃焼バーナ１を先混合燃焼モードで燃焼させる場合、第１気体流入口４又は第２気体流入口７から供給される第２燃料ガスには、燃焼可能な混合ガスとはならない範囲であれば、多少の燃焼用空気を混合しても良い。このように、燃焼可能な混合ガスとならない範囲で、第２燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合しておく場合には、バーナ先端部での混合負担が小さくて済み、よりスムースな先混合燃焼が可能になるという利点が得られる。
【００３０】
また、先混合燃焼モードで燃焼させる場合、第２燃料ガス及び燃焼用空気は、第１気体流入口４又は第２気体流入口７のいずれから供給しても良いが、開口から噴出する第２燃料ガスが燃焼用空気に包まれる方が好ましいので、第２燃料ガスは、主として、第１気体流入口４から第１気体流路３内に供給するのが好ましい。
【００３１】
図４は、本発明の二モード燃焼バーナ１に燃焼モード切換装置を取り付けた状態を示す概念図である。図１におけると同じものには同じ符号を付してある。図４において、１５は燃焼モード切換装置、１６は制御装置、１７は燃焼用空気源、１８は第１燃料ガス源、１９は第２燃料ガス源、２０ａ〜２０ｆは、流量調節機能付きの開閉弁である。制御装置１６は、開閉弁２０ａ〜２０ｆを適宜開閉操作して、燃焼用空気源１７からの燃焼用空気、第１燃料ガス源１８からの第１燃料ガス、及び第２燃料ガス源からの第２燃料ガスを、適宜、二モード燃焼バーナ１の第１気体供給口４又は第２気体供給口７、或いはその双方に供給して、二モード燃焼バーナ１を、予混合燃焼モード又は先混合燃焼モードで燃焼させることができる。
【００３２】
例えば、第１燃料ガス源１８からの第１燃料ガスを用いて、予混合燃焼モードで燃焼させる場合には、制御装置１６は、開閉弁２０ａ及び２０ｂを「開」とし、同じく、開閉弁２０ｃ及び２０ｄを「開」として、燃焼用空気源１７からの燃焼用空気と、第１燃料ガス源１８からの第１燃料ガスを、第１気体供給口４及び第２気体供給口７の双方に供給する。開閉弁２０ａ又は２０ｂのいずれか一方、及び開閉弁２０ｃ又は２０ｄの対応するいずれか一方のみを「開」として、燃焼用空気と第１燃料ガスを、第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方のみに供給するようにしても良い。
【００３３】
図４に示すとおり、第１燃料ガス源１８から開閉弁２０ｃ又は２０ｄを経由する管路は、その先で、燃焼用空気源１７と第１気体供給口４又は第２気体供給口７とを結ぶ管路に接続されているので、開閉弁２０ｃ又は２０ｄを通過した第１燃料ガスは、その先の管路内で燃焼用空気と混合され、燃焼可能な混合ガスとなり、第１気体供給口４又は第２気体供給口７に供給されることになる。このとき、燃焼用空気源１７から供給される燃焼用空気の量は、第１燃料ガスと混合したときに、空気比が１．０乃至はそれを上回る空気比となるように、その流量が調整されていることは勿論である。
【００３４】
次に、第２燃料ガス源１９からの第２燃料ガスを用いて、先混合燃焼モードで燃焼させる場合には、制御装置１６は、開閉弁２０ａ又は２０ｂのいずれか一方を「開」、他方を「閉」とし、燃焼用空気源１７からの燃焼用空気を第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に供給するとともに、開閉弁２０ｅ又は２０ｆのいずれか一方を「開」、他方を「閉」として、第２燃料ガス源１９からの第２燃料ガスを第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか他方に供給する。１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれかにそれぞれ供給された燃焼用空気と第２燃料ガスとは、二モード燃焼バーナ１の先端部で混合され、先混合モードで燃焼することになる。このとき、燃焼用空気源１７から供給される燃焼用空気の量は、二モード燃焼バーナ１の先端部で第２燃料ガスと混合したときに、空気比が１．０乃至はそれを上回る空気比となるように、その流量が調整されていることは勿論である。
【００３５】
なお、燃焼に必要な空気量の全てを第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に供給する代わりに、その一部を、第２燃料ガスに混合した状態で、第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか他方に供給するようにしても良い。すなわち、制御装置１６は、開閉弁２０ａ及び２０ｂの双方を「開」とし、その一方を通過する燃焼用空気は、燃焼用空気単独で、第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に供給し、他方を通過する燃焼用空気は、途中で第２燃料ガスと混合し、混合ガスとして、第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか他方に供給する。但し、この場合には、途中で第２燃料ガスと混合される燃焼用空気の量は、空気比を大きく下回るような流量に設定されるのはいうまでもない。
【００３６】
図５は、本発明の二モード燃焼バーナ１を備える燃料電池の一例を示す概念図である。図５において、１は本発明の二モード燃焼バーナ、１５は燃焼モード切換装置、２１は改質器、２２は燃料電池本体、２３は都市ガスなどの原燃料の供給源、２４は水蒸気の供給源であり、２５は改質器２１の内部に充填されている触媒、２６は熱風ガイド管、２７は一酸化炭素変成・除去器、２８は例えばブロアなどの空気供給源である。
【００３７】
燃料電池の起動時には、燃焼モード切換装置１５は、図示しない開閉弁を操作して、まず、空気供給源２８からの燃焼用空気と、源燃料供給源２３からの源燃料を、予め混合した状態で、二モード燃焼バーナ１の第１気体供給口４又は第２気体供給口７、若しくはその双方に供給して、二モード燃焼バーナ１を予混合燃焼モードで燃焼させる。
【００３８】
二モード燃焼バーナ１が着火すると、二モード燃焼バーナ１から排出される高温の燃焼ガスは、改質器２１の熱風ガイド管２６に沿って改質器２１内に導かれ、改質器２１内の所定の経路を通過して、触媒２５を加熱する。触媒２５が所定の温度にまで加熱されると、原燃料供給源２３からの原燃料（例えば都市ガス）は、必要に応じて、図示しない脱硫器で脱硫された後、水蒸気供給源２４からの水蒸気とともに改質器２１に供給され、改質器２１が運転を開始する。改質器２１から生成する改質ガスは、一酸化炭素変成・除去器２７を通過して一酸化炭素が除去された後、燃料電池本体２２に燃料として供給される。燃料電池本体２２には、改質ガスとともに、空気供給源２８からの空気が供給され、電気化学反応によって電気が発生する。
【００３９】
燃料電池本体２２が運転を開始すると、燃料電池本体２２からは、未反応の改質ガスであるオフガスが排出されるので、燃焼モード切換装置１５は、図示しない開閉弁を切り換えて、二モード燃焼バーナ１への原燃料（例えば都市ガス）の供給を停止し、代わりに、燃料電池本体２２から排出されるオフガスを、二モード燃焼バーナ１の第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に燃料ガスとして供給する。同時に、燃焼モード切換装置１５は、二モード燃焼バーナ１の第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか他方に空気供給源２８からの燃焼用空気を供給し、二モード燃焼バーナ１を先混合燃焼モードで燃焼させる。なお、先混合燃焼モードにおいて第１気体供給口４又は第２気体供給口７のいずれか一方に供給する燃料ガスは、一酸化炭素変成・除去器２７を通過した改質ガスであっても良い。
【００４０】
燃料電池本体２２から排出されるオフガス及び改質ガスは、水素に富み、燃焼速度が速いガスであるが、本発明の二モード燃焼バーナ１において先混合燃焼モードで燃焼するので、逆火の恐れがなく、安全に燃焼させることができる。したがって、本発明の二モード燃焼バーナ１を備える燃料電池は、その運転開始の起動時から、定常運転時まで、安定かつ安全な連続運転が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明の二モード燃焼バーナによれば、燃焼速度の速い燃料ガスと、燃焼速度がそれほど速くない燃料ガスとを、一つのバーナで、逆火の恐れなく、安全に燃焼させることができるので、燃料電池における改質器の加熱を始め、広範な用途に利用できるという優れた産業上の利点が得られる。また、本発明の二モード燃焼バーナは構造が簡単であるので、製造コストの低減を計ることができ、広範な用途に利用できるという産業上の利便性を有している。さらに、本発明の二モード燃焼バーナを備えた燃料電池によれば、運転開始の起動時から定常運転時まで、改質器の運転を安定して行うことが可能となり、燃料電池に燃料を安定して供給することが可能になるので、燃料電池の稼働効率が高まり、利便性が増すという産業上の利点が得られる。
【符号の説明】
【００４２】
１ 二モード燃焼バーナ
２ バーナ内管
２ｂ、５ｂ 開口
３ 第１気体流路
４ 第１気体供給口
５ バーナ外管
６ 第２気体流路
７ 第２気体供給口
８ スパークプラグ
９ 電極
１０ アース電極
１１ 多孔質体
１２ａ、１２ｂ、１４ フランジ
１３ 取付ネジ
１５ 燃焼モード切換装置
１６ 制御装置
１７ 燃焼用空気源
１８ 第１燃料ガス源
１９ 第２燃料ガス源
２０ａ〜２０ｆ 開閉弁
２１ 改質器
２２ 燃料電池本体
２３ 原燃料供給源
２４ 水蒸気供給源
２５ 触媒
２６ 熱風ガイド管
２７ 一酸化炭素変成・除去器
２８ 空気供給源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方端が有底で他方端が開口し、内部に第１気体流路を形成するバーナ内管；バーナ内管の外側に配置されたバーナ外管であって、バーナ内管と同じ側の一方端が有底で他方端がバーナ内管の前記開口と近接した位置に開口し、バーナ内管との間に第２気体流路を形成するバーナ外管；バーナ内管の底部近傍でバーナ内管内の第１気体流路に開口する第１気体供給口；バーナ外管の底部近傍でバーナ外管内の第２気体流路に開口する第２気体供給口；バーナ内管及びバーナ外管の開口側先端部に配置された点火手段を備えている二モード燃焼バーナ。
【請求項２】
バーナ内管の開口が複数の開口に分割されており、それら複数の開口がバーナ外管の開口内に島状に配置されている請求項１記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項３】
バーナ内管及びバーナ外管の開口が、気体が通過するに十分な表裏連通した細孔を有する多孔質体を介して外部に開口している請求項１又は２記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項４】
多孔質体が、多孔質のセラミックス、セラミックス繊維の集合体、金属繊維の焼結体、耐熱性金属繊維製編物、又は、耐熱性金属繊維製編物と金属製多孔板との積層体である請求項３記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項５】
さらに、第１気体供給口及び第２気体供給口のいずれか一方又は双方に第１燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを供給する予混合燃焼モードと、第１気体供給口又は第２気体供給口のいずれか一方に燃焼用空気を供給し、他方に第２燃料ガスを供給する先混合燃焼モードとを切り換える燃焼モード切換装置を備えている請求項１〜４のいずれかに記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項６】
第１燃料ガスが燃料電池の原燃料ガスであり、第２燃料ガスが燃料電池からのオフガス又は改質ガスである請求項５記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の二モード燃焼バーナを備えている燃料電池。
【請求項１】
一方端が有底で他方端が開口し、内部に第１気体流路を形成するバーナ内管；バーナ内管の外側に配置されたバーナ外管であって、バーナ内管と同じ側の一方端が有底で他方端がバーナ内管の前記開口と近接した位置に開口し、バーナ内管との間に第２気体流路を形成するバーナ外管；バーナ内管の底部近傍でバーナ内管内の第１気体流路に開口する第１気体供給口；バーナ外管の底部近傍でバーナ外管内の第２気体流路に開口する第２気体供給口；バーナ内管及びバーナ外管の開口側先端部に配置された点火手段を備えている二モード燃焼バーナ。
【請求項２】
バーナ内管の開口が複数の開口に分割されており、それら複数の開口がバーナ外管の開口内に島状に配置されている請求項１記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項３】
バーナ内管及びバーナ外管の開口が、気体が通過するに十分な表裏連通した細孔を有する多孔質体を介して外部に開口している請求項１又は２記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項４】
多孔質体が、多孔質のセラミックス、セラミックス繊維の集合体、金属繊維の焼結体、耐熱性金属繊維製編物、又は、耐熱性金属繊維製編物と金属製多孔板との積層体である請求項３記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項５】
さらに、第１気体供給口及び第２気体供給口のいずれか一方又は双方に第１燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスを供給する予混合燃焼モードと、第１気体供給口又は第２気体供給口のいずれか一方に燃焼用空気を供給し、他方に第２燃料ガスを供給する先混合燃焼モードとを切り換える燃焼モード切換装置を備えている請求項１〜４のいずれかに記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項６】
第１燃料ガスが燃料電池の原燃料ガスであり、第２燃料ガスが燃料電池からのオフガス又は改質ガスである請求項５記載の二モード燃焼バーナ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の二モード燃焼バーナを備えている燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２８６１３０（Ｐ２０１０−２８６１３０Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３８２３９（Ｐ２００９−１３８２３９）
【出願日】平成２１年６月９日（２００９．６．９）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００１７３３５９）細山熱器株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月９日（２００９．６．９）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００１７３３５９）細山熱器株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
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