JP4051035B2 - 燃料電池に用いられる水素供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に用いられる水素供給装置に関するものである。

燃料電池は、水素を空気中の酸素と電気化学的に反応させることによって直接電気を発生させる装置であり、ＮＯｘやＣＯ_２の発生量が少ないことから、環境負荷が非常に小さいエネルギー源として注目されている。

また、燃料電池には使用する電解質によっていくつかの種類があるが、中でも特に固体高分子型燃料電池は小型で作動温度も低く、更に低騒音であることから、家庭用分散型電源として大いに期待されている技術である。

ところで、水素を作る炭化水素等の原燃料（水素原料）、つまり燃料電池の燃料としては天然ガスやガソリン、灯油等種々検討されているが、家庭用分散型電源としては、全国各地に供給インフラが整っている灯油に期待が集まっている。

図５は燃料電池で使用される水素の原料に灯油を採用した場合のシステムを表した図であって、脱硫部Ａ、改質反応を起こして水素主成分の改質ガスを生成する改質部Ｂ、シフト反応部Ｃ、ＣＯ選択酸化部Ｄにより高純度の水素主成分の改質ガスを得、燃料電池の水素極に供給するように構成されている。

改質部は、水素原料を気化させる気化器と、該気化器により気化された水素原料の改質を行う触媒層を有する構成であり、水素原料として灯油を用いた場合、この改質部には概ね８００℃程度の作動温度が必要となる。そのため、燃料電池の起動時及び発電運転時の作動温度維持を目的とした、改質部を加熱するための燃焼部が不可欠となる。

この燃焼部は、燃料電池の起動時には灯油等の燃料を燃焼させることで改質部を昇温させ、発電運転時には燃料電池の水素極より排出される水素極排ガスを燃料として燃焼させることで、該改質部を所定の温度に維持する機能を有している。

以上のように、この燃焼部には、灯油及び水素極排ガスの２種類の燃料が燃焼可能であることが求められ、また同時に、燃料電池起動時間に直接影響する着火時間の短縮や、ＮＯｘ・ＣＯ_２排出量の低減による環境負荷の軽減、さらには小型・安価で安全性・耐久性においても高い水準が要求されている。

ここで、灯油を燃料とした従来から提案される燃焼部（例えば特開平７−２３７９０２号）を、図６、図７、図８、図９を参照しながら説明する。

まず、図６は、燃料電池システムの概略図であり、図に示すように、この燃料電池システムは、水素極と空気極とを有する燃料電池１、灯油を改質して高純度の水素主成分の改質ガスを生成する改質部２、この改質部２を加熱する燃焼部３、この燃焼部３に灯油を供給するための灯油供給通路４、燃焼部３に燃焼用空気を供給するための送風通路５、改質部２に水素原料としての灯油を供給するための水素原料供給通路６、改質部２により生成された水素主成分の改質ガスを燃料電池の水素極に供給するための水素ガス供給通路７、未反応の水素を含有し水素極から排出される水素極排ガスを燃焼部３に供給するための排ガス供給通路８、燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給通路９、空気極から排出される空気極排ガスが通過する排ガス通路10を有している。尚、図６において、脱硫部Ａ、シフト反応部Ｃ、ＣＯ選択酸化部Ｄは図示省略している。

次に、この燃料電池システムに係る燃焼部３の構造および機能を説明する。

燃焼部３は、図７に図示したように周囲が保温材41で覆われた有底円筒形のバーナ室42を有し、内部には有底円筒形のバーナボディ43が設けられている。

このバーナボディ43には送風通路５を介して一次空気を供給する一次空気供給口44が接続されている。さらに一次空気供給口44の内部には、灯油を噴霧する細径の灯油ノズル部45が備えられている。

また、バーナボディ43の外部壁面には、バーナボディ43を灯油の気化が可能な温度にまで昇温させるための加熱ヒータ46が設けられており、バーナボディ43の上部には気化した灯油（燃焼用ガス）と一次空気を混合した燃焼用混合ガスが噴出する混合ガス噴出孔47を有した炎板48が設けられている。

また、送風通路５からはもう一つ分岐された二次空気供給通路49が設けられており、この通路はバーナ室42内に連通している。そして、バーナボディ43の上部には二次空気供給口50が設けられ、二次空気供給通路49を通った空気は二次空気供給口50から噴出する。

また、バーナ室42には、前記排ガス供給通路８が配管されており、この排ガス供給通路８を通過した水素極排ガスは、炎板48の上方に設けられた排ガス噴出孔51から噴出する構成となっている。

次に、上記構成の燃料電池システムにおける作動を説明する。

運転操作を開始すると、まず燃焼部３における加熱ヒータ46に通電し、バーナボディ43を予め設定した気化可能温度まで昇温させると、図示しないセンサーがこれを検知し、送風通路５を介して燃焼に用いられる空気の供給が開始されるとともに、灯油の供給も開始される。

供給された灯油は、流速を増すために先細の形状とした一次空気供給口44における空気流速によるせん断力と灯油ノズル部45からの噴出力により、細かい霧状となってバーナボディ43の内部壁面に噴霧される。

この時、バーナボディ43は灯油が気化可能な温度にまで加熱されているので、内部壁面に噴霧された灯油は瞬時に気化し、一次空気と混合して燃焼用混合ガスとなり、この燃焼用混合ガスは炎板48に設けられた混合ガス噴出孔47から噴出し、図示しない着火手段によって着火・燃焼を開始する。

着火後、燃焼火炎はバーナボディ43の上部に配置された二次空気供給口50から噴出する二次空気と併用して燃焼する。

以上のような燃料部３の作動により改質部２が加熱され、改質部２が所定の温度に達した時点から、水素主成分の改質ガスの生成が開始される。この改質部２で生成された水素主成分の改質ガスは、水素ガス供給通路７を通って燃料電池１の水素極に供給される一方、空気供給通路９を通って、空気極に空気が供給され、発電運転を開始する。この水素極に供給された水素主成分の改質ガスは全てが発電に消費されるものではなく、数１０％程度の未反応水素を含有したまま水素極排ガスとして排出される。この水素極排ガスは排ガス供給通路８を通って炎板48の上部に配置された排ガス噴出孔51より噴出される。

排ガス噴出孔51より噴出した水素極排ガスは、炎板48に設けられた混合ガス噴出孔47に形成されている混合ガスの火炎Ｆ１と接触することで着火して火炎Ｆ２となり、よって、灯油（燃焼用ガス）と一次空気とで作出された燃焼用混合ガスと水素極からの水素極排ガス両方による燃焼が開始される。両者の火炎Ｆ１，Ｆ２は、二次空気供給口50から供給されている二次空気を取り込むことで燃焼し、改質部２の加熱を行なう（図８参照：図８中の実線矢印は空気、一点鎖線矢印は燃焼用混合ガス、二点鎖線矢印は水素極排ガスの流れを示している。）。

この後、水素極排ガスの燃焼が安定した時点で灯油の供給を停止し、燃焼部３は水素極排ガス単独での燃焼に切り替わる。水素極排ガス単独燃焼では、混合ガス噴出孔47から噴出するのは灯油燃料を含まない空気だけとなり、この空気とバーナボディ43の上部に供給されている二次空気を取り込むことで水素極排ガスが燃焼し、改質部２の加熱を行なう（図９参照：図９中の実線矢印は空気、二点鎖線矢印は水素極排ガスの流れを示している。）。

特開平７−２３７９０２号公報

ところが、この従来から提案されている燃焼部３は、混合ガス噴出孔47と排ガス噴出孔51とが夫々別のバーナとして設けられているため、構造が複雑化するとともに装置全体が大型化し、製造原価を抑えることが難しかった。

更には、大型のバーナボディ43を用いているため、バーナボディ43の熱容量が非常に大きく、加熱ヒータ46による加熱開始から着火まで長い時間を必要とし、且つ、加熱ヒータ46の作動にはかなりの電力が必要となってしまう。

また、混合ガス噴出孔47と排ガス噴出孔51との位置が離れているため、混合ガス噴出孔47から噴出する燃焼用混合ガスが燃焼してなる火炎Ｆ１が排ガス噴出孔51から噴出する水素極排ガスに移りにくく、該水素極排ガスが燃焼してなる火炎Ｆ２の着火が不安定となり、良好な加熱作用が得られない場合がある。

また、水素極排ガスの単独燃焼時においては、燃料電池１より排出される水素極排ガスの量は燃料電池１の出力に左右されるため、燃料電池１の出力が低く水素極排ガスの排出量が少ない場合は改質部２の作動に必要な温度（燃焼量）を維持できなくなる。この場合、燃焼用混合ガスを再び燃焼させることになるが、バーナボディ43の温度が低下していると直ちに灯油を気化させることが難い状況であるため、燃焼用混合ガスの再燃焼時にはバーナボディ43を加熱する加熱ヒータ46を再び通電しなければならず、ここでもかなりの電力が必要となってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、画期的な燃焼装置及び燃料電池に用いられる水素供給装置を提供することを目的とする。

炭化水素等の原燃料を加熱して水素主成分の改質ガスを生成する改質部２と、該改質部２を加熱する燃焼部３とから成り、前記改質部２において生成された水素主成分の改質ガスは、水素極と空気極とを有する燃料電池１に供給されるように構成された燃料電池に用いられる水素供給装置であって、前記燃焼部３は、燃料を気化した燃焼用ガスと一次空気とを混合した燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナ30と、前記燃料電池１の前記水素極で発生する排ガスを燃焼させる排ガスバーナ31と、前記混合ガスバーナ30及び前記排ガスバーナ31から噴出されるガスを燃焼した際の火炎に二次空気を供給する二次空気供給部29とを備えた構成とし、前記混合ガスバーナ30は、筒状のバーナ本体32の下部を径小とすることでこのバーナ本体32内に炎板24を架設する段部32ａを設け、この段部32ａの上部に保炎リング部19を設け、この上部に保炎リング部19を設けたバーナ本体32の下部には、前記燃焼用ガスと前記一次空気を混合する混合部12を設けて、このバーナ本体32の内孔を前記混合部12から送られる前記燃焼用混合ガスを前記炎板24へ送る混合ガス送り部20とし、このバーナ本体32の段部32ａに周縁部を載置して前記噴出孔24ａを設けた前記炎板24をバーナ本体32内に架設して、この炎板24の裏面に前記混合ガス送り部20を連設した構成とし、前記排ガスバーナ31は、前記バーナ本体32の外側であって前記段部32ａの下方に排ガス供給部８からの排ガスを前記炎板24へ送る排ガス送り部21を配設し、前記段部32ａに設けた貫通孔32ａ'と前記炎板24の周縁部に形成された噴出孔24ｂとを合致するように構成して、前記炎板24の前記段部32ａに載置されない中央部に設けた前記噴出孔24ａから前記混合ガス送り部20からの前記燃焼用混合ガスを噴出し、この炎板24の表面側の前記保炎リング部19内を火炎Ｆ１形成部位18となるように構成すると共に、この炎板24の周縁部に前記中央部の噴出孔24ａを囲繞する状態に設けた前記噴出孔24ｂから前記排ガス送り部21からの排ガスを噴出し、前記炎板24の表面側の前記保炎リング部19内を排ガスによる火炎Ｆ２形成部位18にもなるように構成して、前記保炎リング部19内の前記同一の炎板24表面に前記燃焼用混合ガスの噴出孔24ａに前記排ガスによる噴出孔24ｂを囲繞して近接配設し、且つこの排ガスの燃焼によって前記炎板24，これを架設した前記段部32ａ，この段部32ａを設けた前記バーナ本体32，及びこのバーナ本体32の下部に設けた前記混合ガス送り部20が常時高温に維持されるように構成したことを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置に係るものである。

また、請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置において、前記炎板24と前記排ガス送り部21とを連通する前記炎板24の噴出孔24ｂとこの炎板24を架設する前記バーナ本体32の段部32ａの貫通孔32ａ'とを介して、燃焼状態を判定するセンサー26を前記段部32ａ及び前記炎板24に貫通配設して、このセンサー26の検出先端を前記炎板24上の火炎Ｆ２形成部位18に臨ませたことを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置に係るものである。

また、請求項１，２いずれか１項に記載の燃料電池に用いられる水素供給装置において、前記混合ガス導出部22及び排ガス導出部23には網材25が設けられていることを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置に係るものである。

また、請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池に用いられる水素供給装置において、前記燃料電池１は、水素主成分の改質ガスと空気中の酸素とで電池反応を行うものであることを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置に係るものである。

また、請求項１〜４いずれか１項に記載の燃料電池に用いられる水素供給装置において、前記改質部２は、炭化水素等の原燃料を気化させる気化器と、該気化器により気化された炭化水素等の原燃料の改質を行う触媒層とを有することを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置に係るものである。

請求項１及び請求項５記載の発明においては、前述した従来から提案されるものと異なり、簡易構造故に製造原価を抑えることができ且つ量産性に秀れることになり、しかも、コンパクトにすることができるなど従来にない作用効果を発揮する画期的な燃焼装置及び燃料電池に用いられる水素供給装置となる。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明は、例えば燃料電池１の起動時には、燃焼部３では、燃焼用ガスと一次空気とを混合した燃焼用混合ガスは混合ガス導出部22として設けた炎板24の中央部の噴出孔24ａから導出されて燃焼することになる。

この燃焼用混合ガスの燃焼により改質部２は加熱されて水素主成分の改質ガスを生成し、この改質部２において生成された水素主成分の改質ガスは、燃料電池１へ供給され該燃料電池１は発電運転を開始する。

この燃料電池１の運転時には、燃焼部３では、燃料電池１から排出された排ガスが燃焼部３へ送られ、この燃料電池１からの排ガスは排ガス導出部23として設けた炎板24の噴出孔24ｂから導出され、燃焼用混合ガスが燃焼して成る火炎に触れて燃焼することになる。

ところで、本発明は、燃焼部３には、燃焼用混合ガスを送る混合ガス送り部20及び排ガスを送る排ガス送り部21が裏面に連設される前記炎板24が設けられ、この炎板24の表面所定位置には前記燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部22としての噴出孔24ａ及び燃料電池１からの排ガスを導出する排ガス導出部23としての噴出孔24ｂが設けられている。

具体的には、前記燃焼部３は、燃料を気化した燃焼用ガスと一次空気とを混合した燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナ30と、前記燃料電池１の前記水素極で発生する排ガスを燃焼させる排ガスバーナ31と、前記混合ガスバーナ30及び前記排ガスバーナ31から噴出されるガスを燃焼した際の火炎に二次空気を供給する二次空気供給部29とを備えた構成としている。

そして前記混合ガスバーナ30は、筒状のバーナ本体32の下部を径小とすることでこのバーナ本体32内に炎板24を架設する段部32ａを設け、この段部32ａの上部に保炎リング部19を設け、この上部に保炎リング部19を設けたバーナ本体32の下部には、前記燃焼用ガスと一次空気を混合する混合部12を設けて、このバーナ本体32の内孔を前記混合部12から送られる前記燃焼用混合ガスを前記炎板24へ送る混合ガス送り部20としている。

本発明は、このバーナ本体32の段部32ａに周縁部を載置して噴出孔24ａを設けた炎板24をバーナ本体32内に架設して、この炎板24の裏面に前記混合ガス送り部20を連設した構成としている。

また、前記排ガスバーナ31は、前記バーナ本体32の外側であって前記段部32ａの下方に排ガス供給部８からの排ガスを炎板24へ送る排ガス送り部21を配設し、前記段部32ａに設けた貫通孔32ａ'と前記炎板24の周縁部に形成された噴出孔24ｂとを合致するように構成している。

従って、本発明は、前記炎板24の前記段部32ａに載置されない中央部に設けた前記噴出孔24ａから前記混合ガス送り部20からの前記燃焼用混合ガスを噴出し、この炎板24の表面側の前記保炎リング部19内を火炎Ｆ１形成部位18となるように構成すると共に、この炎板24の周縁部に前記中央部の噴出孔24ａを囲繞する状態に設けた前記噴出孔24ｂから前記排ガス送り部21からの排ガスを噴出し、前記炎板24の表面側の前記保炎リング部19内を排ガスによる火炎Ｆ２形成部位18にもなるように構成して、前記保炎リング部19内の前記同一の炎板24表面に燃焼用混合ガスの噴出孔24ａと排ガスによる噴出孔24ｂとを設け、しかもこの中央部の噴出孔24ａに周縁部の噴出孔24ｂを囲繞して近接させるように構成している。

従って、前述した従来から提案されるものと異なり、燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部22及び燃料電池１からの排ガスを導出する排ガス導出部23を構成する噴出孔24ａ，24ｂが同一の炎板24に設けられているから、簡易構造故に製造原価を抑えることができ且つ量産性に秀れることになり、しかも、コンパクトにすることができる。

更に本発明は、排ガス導出部23（噴出孔24ｂ）は混合ガス導出部22（噴出孔24ａ）に近接した位置にして該混合ガス導出部22を囲繞する状態で設けられているから、より一層火炎Ｆ２の着火が良好に行われることになる。

即ち、最初に点火される火炎Ｆ１の近傍位置にして周囲（外側）に排ガス（水素極排ガス）を導出させる構成とすることで、それだけ火炎が移り易いことになる。

更に本発明は、このような簡易な構成で安価にしてコンパクトな燃料電池に用いられる水素供給装置となるだけでなく、前述のように構成することで、排ガスの燃焼によって前記炎板24，これを架設する前記段部32ａ，この段部32ａを設けた前記バーナ本体32，及びこのバーナ本体32の下部に設けた前記混合ガス送り部20が常時高温に維持されることになる。

即ち、燃焼部３には、液体燃料を気化させた燃焼用ガスと空気（一次空気）を混合した燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナ30が設けられ、この混合ガスバーナ30は、内部に前記炎板24が設けられる筒状のバーナ本体32（保炎リング部19）に、燃焼用ガスと空気（一次空気）を混合した燃焼用混合ガスを送る前記混合ガス送り部20を一体に設けて構成されているから、燃焼中は保炎リング部19は火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２に加熱されて高温となっており、この熱は保炎リング部19、即ち保炎リング部19を設けたバーナ本体32（加熱される炎板24を内部に架設したバーナ本体32）に一体に設けられた混合ガス送り部20に伝わることで該混合ガス送り部20も加熱されて高温となるため、混合ガス送り部20は排ガス（水素極排ガス）の単独運転中であっても常に高温に維持されている。つまり、前述した排ガス（水素極排ガス）の単独運転中は、前記段部32ａに架設した前記炎板24に設けた噴出孔24ｂから噴出し燃焼するから、この段部32ａは加熱され、この段部32ａを設けたバーナ本体32下部内孔の混合ガス送り部20は常に高温に維持されることになり、この排ガス単独運転中に再び燃焼用混合ガスを供給する必要が生じた場合、この燃焼用混合ガスは混合ガス送り部20を通過する間に冷却されてしまうようなことはなく、短時間で火炎Ｆ１の着火が達成されて良好な燃焼を維持することができ、そして更に、この際に混合ガス送り部20を加熱する専用の熱源を必要とせず、よって、消費される電力が少なくて済むことになる。

また、前記炎板24と前記排ガス送り部21とを連通する前記炎板24の噴出孔24ｂとこの炎板24を架設する前記バーナ本体32の段部32ａの貫通孔32ａ'とを介して、燃焼状態を判定するセンサー26を前記段部32ａ及び前記炎板24に貫通配設して、このセンサー26の検出先端を前記炎板24上の火炎Ｆ２形成部位18に臨ませた構成とすれば、筐体14やバーナ本体32などにガス漏れが危惧される貫通孔を設ける必要がなくなり、よって、安全性に秀れた構造が得られることになる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、炭化水素等の原燃料（水素原料）を加熱して水素主成分の改質ガスを生成する改質部２と、該改質部２を加熱する燃焼部３とから成り、前記改質部２において生成された水素主成分の改質ガスは、水素極と空気極とを有する燃料電池１に供給されるように構成されたものである。

具体的には、改質部２は、水素原料を気化させる気化器と、該気化器により気化された水素原料の改質を行う触媒層とを有する既存構造のものである。

また、燃料部３は、改質部２の下部に配設される筒状の筐体14に、燃料としての灯油を気化して燃焼用ガスとする気化器11と、この気化器11で作出した燃焼用ガスと空気（一次空気）を混合した第一燃焼用ガスとしての燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナ30と、燃料電池１の水素極で発生する第二燃焼用ガスとしての排ガス（水素極排ガス）を燃焼させる排ガスバーナ31と、混合ガスバーナ30及び排ガスバーナ31から噴出されるガスが燃焼した際の火炎に空気（二次空気）を供給する二次空気供給部29を有した二次空気通過部28と、筐体14内に設けた給気室15へ空気圧送部（図示省略）から圧送された空気を供給する送風通路５が設けられている。

尚、厳密には、一次空気とは、燃焼用ガスと混合することに用いられる空気を意味し、二次空気とは、火炎に送出される空気を意味する。

以下、本実施例に係る燃焼部３について詳細な説明をする。

気化器11は、図１に図示したように筐体14の下部に配設される箱状本体11ａに、気化器11に灯油を供給する灯油供給通路４と、気化器11を昇温させるためのヒータ16と、このヒータ16によって気化器11内で加熱されて気化した燃焼用ガスを噴出するノズル17とを具備した構造であり、このノズル17から後述する混合ガスバーナ30の混合部12へ燃焼用ガスを噴射するように構成されている。

混合ガスバーナ30は、図１に図示したように筐体14内に配設される円筒状のバーナ本体32の下部に、液体燃料を気化させた燃焼用ガスと空気（一次空気）とを混合する筒状部材35から成る混合部12を嵌挿配設した構造であり、このバーナ本体32の内孔は混合部12から送られる燃焼用混合ガスを送る混合ガス送り部20（第一燃焼用ガス送り部）として構成されている。

また、バーナ本体32は、その上部に段部32ａを介して径大の保炎リング部19が一体に設けられており、この保炎リング部19は筐体14の上部開口部を閉塞する状態で該筐体14上に配設されている。

また、このバーナ本体32の段部32ａには、複数の貫通する噴出孔24ａ，24ｂが設けられた炎板24が載置架設されている。

この炎板24の裏面には混合ガス送り部20が連設され、この炎板24に設けられた噴出孔24ａ，24ｂのうち、該炎板24の中央部（段部32ａに載置されない部分）に配される噴出孔24ａ（図２中の径大孔及びその周辺の計８個の径小孔）は、燃焼用混合ガスを導出する混合ガス導出部22（第一燃焼用ガス導出部）として構成され、この炎板24の表面側は火炎形成部位18として構成されている。尚、混合ガス導出部22の数や孔の大きさは適宜設計し得るものである。

また、炎板24は、その裏面部に網材25が配設されている。

この網材25は、炎板24における混合ガス導出部22（噴出孔24ａ）と、後述する排ガス導出部23（噴出孔24ｂ）とを覆う状態となり、混合ガス導出部22から導出した燃焼用混合ガスが燃焼した際の火炎Ｆ１及び排ガス導出部23から導出した排ガス（水素極排ガス）が燃焼した際の火炎Ｆ２の逆火を防止し得るように構成されている。

従って、混合ガス導出部22から導出した燃焼用混合ガスが燃焼した際の火炎Ｆ１及び排ガス導出部23から導出した排ガス（水素極排ガス）が燃焼した際の火炎Ｆ２による逆火が生じることがなく安全であり、しかも、混合ガス導出部22及び排ガス導出部23を大きく形成することができるから、その形成が極めて簡易となり、量産性に秀れるのは勿論、この点においても製造コストを抑えることができる。尚、網材25は、炎板24の表面部に設けても良いし、表裏両面に設けても良い。

排ガスバーナ31は、図１に図示したように燃料電池１の水素極から延設される排ガス供給部８と連通する排ガス供給管13と、この排ガス供給管13の上端部が連設するバーナ本体32の外側空間Ｓとから成る排ガス送り部21（第二燃焼用ガス送り部）を有する構造である。

この排ガス送り部21は、炎板24の裏面に連設されており、具体的には、バーナ本体32の段部32ａに形成された貫通孔32ａ'は炎板24の周縁部に形成された噴出孔24ｂに合致するように構成されており、よって、この炎板24の周縁部に形成された噴出孔24ｂ（図２中の噴出孔24ａ周辺の計１４個の径小孔）は排ガス（水素極排ガス）を導出する排ガス導出部23（第二燃焼用ガス導出部）として構成されている。

前述したようにこの排ガス導出部23も網材25で覆われており、この網材25により逆火Ｆ２を防止し得るように構成されている。尚、排ガス導出部23の数や孔の大きさは適宜設計し得るものである。

また、排ガス供給管13内にはセンサー26が配設されている。

このセンサー26は、燃焼に伴って発生する温度や光、炎電流などを検知することで正常に燃焼が行われているかを判定するためのものであり、排ガス供給管13を通り、段部23ａと炎板24を貫通して先端を炎形成部位18に臨ませている。また、このセンサー26と対向する位置には混合ガスバーナ30（混合ガス導出部22）から導出される燃焼用混合ガスに点火する点火装置27が設けられている。

二次空気供給通部28は、図１に図示したように筐体14の上部及びバーナ本体32（保炎リング部19）の周囲に筒状部材34を適宜間隔を介して被嵌配設して構成されており、この筒状部材34の上端部とバーナ本体32（保炎リング部19）の上端部との連設部の一部を開口して二次空気供給部29が設けられている。

従って、送風通路５から給気室15に流入した空気（二次空気）は二次空気供給通部28を通って二次空気供給部29から火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２の外縁外近傍位置（先端付近）に供給されることになる。

次に、前述した構成から成る本実施例に係る燃焼部３の動作について説明する。

まず、燃料電池１の運転が指示されると、ヒータ16への通電を開始して気化器11を加熱する。そして気化器11の温度が灯油を気化することのできる温度に達したことをセンサー（図示省略）が検知すると、気化器11へ灯油の供給を開始する指示が出され、灯油は灯油供給通路４を通って気化器11に供給される。

そして、気化器11に供給された灯油は加熱され気化された燃焼用ガスとなり、この燃焼用ガスはノズル17から噴出し、このノズル17から噴出した燃焼用ガスは混合部12へ入る。この際、給気室15内の空気（一次空気）も混合部12へ引き込まれるため、混合部12内では燃焼用ガスと空気（一次空気）が混合されて燃焼用混合ガスとなる。

そして燃焼用混合ガスは、混合ガス送り部20を通って混合ガスバーナ30に供給され、炎板24の中央部に設けられた混合ガス導出部22より噴出して、点火装置27により点火されて燃焼部３では火炎Ｆ１の燃焼が開始される。

この際、二次空気供給部29からは空気（二次空気）が噴出されており、燃焼用混合ガスの燃焼により形成される火炎Ｆ１の外縁外近傍位置（先端付近）に空気（二次空気）が供給されて燃焼用混合ガスは完全燃焼することになる。

このように、燃焼用混合ガスが燃焼することにより改質部２が加熱される。そして、改質部２の温度が作動温度まで上昇すると、この改質部２により、炭化水素等の原燃料としての灯油から水素主成分の改質ガスの生成が開始され（図６では脱硫部、シフト反応部、ＣＯ選択酸化部は図示省略）、この水素主成分の改質ガスは水素ガス供給通路７を通って燃料電池１の水素極に供給されて燃料電池１が作動し、燃料電池１では水素主成分の改質ガスと酸素を反応させて発電運転が行われる。

この燃料電池１の発電運転の際、該燃料電池１の水素極に供給された水素主成分の改質ガスは全てが発電に消費されるものではなく、数１０％程度の未反応水素ガスを含有したまま水素極排ガスとして排出され、この排ガス（水素極排ガス）も燃焼部３での燃焼に用いられる。

具体的には、この排ガス（水素極排ガス）は排ガス供給通路８から排ガス送り部21を通って排ガスバーナ31に供給され、この排ガスバーナ31に供給された排ガス（水素極排ガス）は排ガス導出部23から燃焼部３（保炎リング部19）内に噴出される。すると、既に混合ガス導出部22に形成されている火炎Ｆ１と接触することで着火して火炎Ｆ２として燃焼し、燃焼用混合ガスと排ガス（水素極排ガス）の両方による燃焼が開始される。

そして、両者の火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２は二次空気供給部29から供給される空気（二次空気）を取り込むことで完全燃焼し、改質部２の加熱を継続する（図３参照：図３中の実線矢印は空気、一点鎖線矢印は燃焼用混合ガス、二点鎖線矢印は水素極排ガスの流れを示している。）。この混合ガス導出部22と排ガス噴出部23は同一の炎板24上に設けられ、該両者間の距離は短い為、排ガス導出部23から噴出した排ガス（水素極排ガス）は確実に火炎Ｆ１と接触して着火することになる。

ところで、改質部２が作動した直後は燃料電池１に対する水素主成分の改質ガスの供給が安定しないため、燃料電池１から排出される排ガス（水素極排ガス）の量も不安定である。よって、排ガス（水素極排ガス）だけでは安定した燃焼部３の燃焼を維持することは難しいため、改質部２の作動後しばらくは燃焼用混合ガスと排ガス（水素極排ガス）の両方による燃焼が継続されることとなる。

そして、排ガス（水素極排ガス）の燃焼が安定した時点で気化器11への灯油の供給を停止し、排ガス（水素極排ガス）単独での燃焼に移行する。尚、この燃料電池１より排出される排ガス（水素極排ガス）の量は燃料電池１の出力に左右されるため、排ガスバーナ31単独燃焼時においては、燃料電池１の出力が低く排ガス（水素極排ガス）の排出量が少ない場合は燃焼量が不足し、改質部２の作動に必要な温度（燃焼量）を維持できなくなる。そこで、図示省略のセンサーにより検知される改質部２の温度が所定値以下となった場合は、ふたたび気化器11に液体燃料を供給して燃焼用混合ガスを発生させ、燃焼用混合ガスと排ガス（水素極排ガス）の両方を燃焼させることで改質部２を加熱する。

また、燃焼部３の燃焼状態はセンサー26により常時監視されており、センサー26は燃焼に伴い発生する温度や光、炎電流等を検知して燃焼状態が判定されている。

本実施例は上述のように構成したから、前述した従来から提案されるものと異なり、混合ガス導出部22と排ガス導出部23とを同一の炎板24に設けたから、簡易構造故に製造原価を抑えることができ且つ量産性に秀れることになり、しかも、コンパクトにすることができる。

また、本実施例は、混合ガス導出部22と排ガス導出部23とを近傍位置に設けたから、混合ガス導出部22から導出される燃焼用混合ガスが燃焼した際の火炎Ｆ１が排ガス導出部23から導出する排ガス（水素極排ガス）へ移り易く、該排ガス（水素極排ガス）が燃焼した際の火炎Ｆ２の着火が安定することになり、良好な加熱作用が得られることになる。

また、本実施例は、排ガス導出部23は混合ガス導出部22に近接した位置にして該混合ガス導出部22を囲繞する状態で設けられているから、より一層火炎Ｆ２の着火が良好に行われることになる。

即ち、最初に点火される火炎Ｆ１の近傍位置にして周囲（外側）に排ガス（水素極排ガス）を導出させる構成とすることで、それだけ火炎が移り易いことになる。

また、本実施例は、混合ガス導出部22及び排ガス導出部23には網材25が設けられているから、火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２による逆火が生じることがなく安全であり、しかも、混合ガス導出部22（噴出孔24ａ）及び排ガス導出部23（24ｂ）を大きく形成することができるから、その形成が極めて簡易となり、量産性に秀れるのは勿論、この点においても製造コストを抑えることができる。

また、本実施例は、燃焼部３における空気（二次空気）の送出位置が火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２の外縁外近傍位置に設定されているから、火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２は非常に安定した状態となり、しかも、この火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２に対して空気（二次空気）を該火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２の外縁外近傍位置（先端付近）に送出されることで、ＮＯｘの発生を可及的に低減することができる。

また、本実施例は、燃焼部３には、液体燃料を気化させた燃焼用ガスと空気（一次空気）を混合した燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナ30が設けられ、この混合ガスバーナ30は、内部に前記炎板24が設けられる筒状のバーナ本体32（保炎リング部19）に、燃焼用ガスと空気（一次空気）を混合した燃焼用混合ガスを送る前記混合ガス送り部20を一体に設けて構成されているから、燃焼中は保炎リング部19は火炎Ｆ１及び火炎Ｆ２に加熱されて高温となっており、この熱は保炎リング部19、即ち保炎リング部19を設けたバーナ本体32（加熱される炎板24を内部に架設したバーナ本体32）に一体に設けられた混合ガス送り部20に伝わることで該混合ガス送り部20も加熱されて高温となるため、混合ガス送り部20は排ガス（水素極排ガス）の単独運転中であっても常に高温に維持されている。つまり、前述した排ガス（水素極排ガス）の単独運転中は、前記段部32ａに架設した前記炎板24に設けた噴出孔24ｂから噴出し燃焼するから、この段部32ａは加熱され、この段部32ａを設けたバーナ本体32下部内孔の混合ガス送り部20は常に高温に維持されることになり、この排ガス単独運転中に再び燃焼用混合ガスを供給する必要が生じた場合、この燃焼用混合ガスは混合ガス送り部20を通過する間に冷却されてしまうようなことはなく、短時間で火炎Ｆ１の着火が達成されて良好な燃焼を維持することができ、そして更に、この際に混合ガス送り部20を加熱する専用の熱源を必要とせず、よって、消費される電力が少なくて済むことになる。

また、本実施例は、排ガス送り部21にはセンサー26が設けられているから、筐体14やバーナ本体32などにガス漏れが危惧される貫通孔を設ける必要がなくなり、よって、安全性に秀れた構造が得られることになる。

また、本実施例は、燃焼部３は燃焼用ガスと空気（一次空気）とを混合した燃焼用混合ガス及び燃料電池１からの排ガスを燃焼させる際、空気（二次空気）を併用して燃焼させる構成であり、この空気（二次空気）を通過させる二次空気通過部28は前記燃焼部３の外周に設けられているから、バーナ本体32（保炎リング部19）の外周を流れる空気（二次空気）が該バーナ本体32（保炎リング部19）からの放射熱を吸収する（空気冷却する）ので、バーナ本体32（保炎リング部19）の過度の熱上昇を防ぐとともに、熱効率を向上させることが可能となる。

また、本実施例は、気化させた燃焼用ガスを気化器11から噴出させる構造であるため、大きな熱源は必要がないなど、この点においても簡易構造故にコスト安にして量産性に秀れることになり、しかも、コンパクトに製造することができる。

尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。

本実施例を示す正断面図である。 本実施例に係る要部を説明する平面図である。 本実施例の概略動作説明図である。 本実施例の概略動作説明図である。 燃料電池１で使用される水素を製造するシステムである。 燃料電池システムの概略図である。 従来例を示す正断面図である。 従来例の概略動作説明図である。 従来例の概略動作説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 改質部
３ 燃焼部
12 混合部
18 火炎形成部位
20 第一燃焼用ガス送り部・混合ガス送り部
21 第二燃焼用ガス送り部・排ガス送り部
22 第一燃焼用ガス導出部・混合ガス導出部
23 第二燃焼用ガス導出部・排ガス導出部
24 炎板
24ａ・24ｂ 噴出孔
25 網材
26 センサー
28 二次空気通過部
30 混合ガスバーナ
31 排ガスバーナ
32 バーナ本体
32ａ 段部
32ａ' 貫通孔
Ｆ１・Ｆ２ 火炎

Claims (5)

1. 炭化水素等の原燃料を加熱して水素主成分の改質ガスを生成する改質部と、該改質部を加熱する燃焼部とから成り、前記改質部において生成された水素主成分の改質ガスは、水素極と空気極とを有する燃料電池に供給されるように構成された燃料電池に用いられる水素供給装置であって、前記燃焼部は、燃料を気化した燃焼用ガスと一次空気とを混合した燃焼用混合ガスを燃焼させる混合ガスバーナと、前記燃料電池の前記水素極で発生する排ガスを燃焼させる排ガスバーナと、前記混合ガスバーナ及び前記排ガスバーナから噴出されるガスを燃焼した際の火炎に二次空気を供給する二次空気供給部とを備えた構成とし、前記混合ガスバーナは、筒状のバーナ本体の下部を径小とすることでこのバーナ本体内に炎板を架設する段部を設け、この段部の上部に保炎リング部を設け、この上部に保炎リング部を設けたバーナ本体の下部には、前記燃焼用ガスと前記一次空気を混合する混合部を設けて、このバーナ本体の内孔を前記混合部から送られる前記燃焼用混合ガスを前記炎板へ送る混合ガス送り部とし、このバーナ本体の段部に周縁部を載置して前記噴出孔を設けた前記炎板をバーナ本体内に架設して、この炎板の裏面に前記混合ガス送り部を連設した構成とし、前記排ガスバーナは、前記バーナ本体の外側であって前記段部の下方に排ガス供給部からの排ガスを前記炎板へ送る排ガス送り部を配設し、前記段部に設けた貫通孔と前記炎板の周縁部に形成された噴出孔とを合致するように構成して、前記炎板の前記段部に載置されない中央部に設けた前記噴出孔から前記混合ガス送り部からの前記燃焼用混合ガスを噴出し、この炎板の表面側の前記保炎リング部内を火炎形成部位となるように構成すると共に、この炎板の周縁部に前記中央部の噴出孔を囲繞する状態に設けた前記噴出孔から前記排ガス送り部からの排ガスを噴出し、前記炎板の表面側の前記保炎リング部内を排ガスによる火炎形成部位にもなるように構成して、前記保炎リング部内の前記同一の炎板表面に前記燃焼用混合ガスの噴出孔に前記排ガスによる噴出孔を囲繞して近接配設し、且つこの排ガスの燃焼によって前記炎板，これを架設した前記段部，この段部を設けた前記バーナ本体，及びこのバーナ本体の下部に設けた前記混合ガス送り部が常時高温に維持されるように構成したことを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置。
2. 請求項１記載の燃料電池に用いられる水素供給装置において、前記炎板と前記排ガス送り部とを連通する前記炎板の噴出孔とこの炎板を架設する前記バーナ本体の段部の貫通孔とを介して、燃焼状態を判定するセンサーを前記段部及び前記炎板に貫通配設して、このセンサーの検出先端を前記炎板上の火炎形成部位に臨ませたことを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置。
3. 請求項１，２いずれか１項に記載の燃料電池に用いられる水素供給装置において、前記混合ガス導出部及び排ガス導出部には網材が設けられていることを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置。
4. 請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池に用いられる水素供給装置において、前記燃料電池は、水素主成分の改質ガスと空気中の酸素とで電池反応を行うものであることを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置。
5. 請求項１〜４いずれか１項に記載の燃料電池に用いられる水素供給装置において、前記改質部は、炭化水素等の原燃料を気化させる気化器と、該気化器により気化された炭化水素等の原燃料の改質を行う触媒層とを有することを特徴とする燃料電池に用いられる水素供給装置。

Images