JP2004207025A - 触媒燃焼器および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池からの排出燃料を触媒燃焼器で確実に燃焼させる。
【解決手段】燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスを、アノードオフガス供給管２１を通して触媒燃焼器２３に供給するとともに、カソード極から排出されるカソードオフガスを、カソードオフガス供給管２５を通して触媒燃焼器２３に供給する。アノードオフガス供給管２１の先端のノズル３９は、触媒燃焼器２３の円筒状のハウジング３５内の中心部に配置し、ノズル３９から吐出するアノードオフガスにスワール流を発生させる。このスワール流によりアノードオフガスに含まれる凝縮水を外周側に分散させ、凝縮水の触媒３７への直接の接触を防止する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の燃料極および酸化剤極からそれぞれ排出される排出燃料と排出酸化剤との混合ガスを、触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器および燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料極からの排出燃料を、パージ配管を通して外部に排出する際に、触媒燃焼器で燃焼させるものが、特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２９４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の技術においては、触媒燃焼器に、特に間欠的かつ短時間に排出燃料が供給された場合には、排出燃料の凝縮により生成される水が触媒燃焼器内に流入するため、触媒が吸水により活性を失い、排出燃料が未燃のまま排出される恐れがある。
【０００５】
そこで、この発明は、燃料電池からの排出燃料を触媒燃焼器で確実に燃焼させることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池の燃料極からの排出燃料と、前記燃料電池の酸化剤極からの排出酸化剤との混合ガスをハウジング内に導入し、この導入した混合ガスを触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器において、前記触媒上流側の前記ハウジングの触媒への混合ガス流れ方向と交差する断面形状を、ほぼ円形とし、この円形状のハウジングの内周面に沿ってスワール流を発生せるよう前記排出燃料を前記ハウジング内に供給する構成としてある。
【０００７】
【発明の効果】
この発明によれば、触媒燃焼器における触媒上流側のハウジングの触媒への混合ガス流れ方向と交差する断面形状を、ほぼ円形状とし、この円形状のハウジングの内周面に沿ってスワール流を発生せるよう排出燃料をハウジング内に供給するので、排出燃料に含まれる凝縮水がハウジングの外周側に分散し、凝縮水の触媒への付着を回避することができて触媒の活性化喪失を防止でき、燃料電池からの排出燃料を確実に燃焼させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる触媒燃焼器を備えた燃料電池システムを示す全体構成図である。
【００１０】
燃料電池１は、燃料極となるアノード極３および酸化剤極となるカソード極５をそれぞれ備えている。アノード極３の入口３ａには、燃料ガス（ここでは水素）供給装置７から燃料ガス供給管９を通して水素を、またカソード極５の入口５ａには、酸化剤ガス（ここでは空気）供給装置１１から酸化剤ガス供給管１３を通して空気をそれぞれ供給し、燃料電池１内で発電させる。
【００１１】
その際アノード極３の出口３ｂからは、消費されずに残った排出燃料としてのアノードオフガスが、またカソード極５の出口５ｂからは、消費されずに残った排出酸化剤としてのカソードオフガスが、それぞれ排出される。このカソードオフガスは、発電により生成した水分を含んでいる。
【００１２】
また、アノード極３の出口３ｂと、前記燃料ガス供給管９とは、アノードオフガス循環装置１５を備えた循環流路としてのアノードオフガス循環配管１７により接続してある。
【００１３】
アノードオフガス循環装置１５には、開閉弁としてのアノードオフガス排出弁１９を備えた排出燃料供給流路としてのアノードオフガス供給管２１を通して触媒燃焼器２３を接続する。この触媒燃焼器２３と燃料電池１におけるカソード極５の出口５ｂとを、カソードオフガス供給管２５で接続する。触媒燃焼器２３のカソードオフガス供給管２５を接続した側と反対側には、排出配管２７を接続する。
【００１４】
また、燃料電池１には、電圧検知手段３１を設け、この電圧検知手段３１が、所定の電圧値よりも低い電圧を検知した場合には、システムコントローラ３３が発信するパージ信号に基づいて、アノードオフガス排出弁１９を開弁し、アノードオフガス循環装置１５から所定流量のアノードオフガスを触媒燃焼器２３に供給する。
【００１５】
図２（ａ）は触媒燃焼器２３の内部構造を示す側面断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この触媒燃焼器２３は、円筒形状のハウジング３５を有し、このハウジング３５の一方の端面３５ａのほぼ中央に、前記したカソードオフガス供給管２５を接続し、同他方の端面３５ｂのほぼ中央に、前記した排出配管２７を接続する。そして、この排出配管２７を接続した側のハウジング３５内に、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる触媒３７を収納してある。
【００１６】
一方、前記したアノードオフガス供給管２１は、前記一方の端面３５ａ近傍の円筒部３５ｃからハウジング３５の内部に挿入してある。このアノードオフガス供給管２１のハウジング３５内へ挿入した燃料供給口部としてのノズル３９は、ハウジング３５の直径方向中心部へ向かう基部３９ａと、基部３９ａから触媒３７に向けて円弧状に９０度屈曲する屈曲部３９ｂと、屈曲部３９ｂから触媒３７に向けて先端が開口する先端部３９ｃとをそれぞれ有し、先端部３９ｃは、ハウジング３５の円形断面の中心に位置している。
【００１７】
図３（ａ）は、上記したノズル３９における先端部３９ｃの内部構造を示す断面図であり、この先端部３９ｃの構造は、スワール式液体噴射弁に用いるものと同様な流路形状を呈しており、触媒燃焼器２３内に供給するアノードオフガスに、円筒部３５ｃの内周面に沿ったスワール流を発生させる。
【００１８】
すなわち、先端部３９ｃにおける上流側では、図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図３（ｂ）に示すように、図中で上下２箇所に連通孔４１を設けてある。連通孔４１を設けた部位より下流側には、図３（ａ）のＣ−Ｃ断面図である図３（ｃ）に示すように、上記２つの連通孔４１に、外周側の端部が連通する連通路４３を中心側に向けて形成してある。さらにこの連通路４３の内周側の端部は、図３（ａ）のＤ−Ｄ断面図である図３（ｄ）に示してある中心部の排出通路４５の外周側に連通している。
【００１９】
ノズル３９の先端部３９ｃを上記した構造とすることで、排出通路４５から排出されるアノードオフガスは、スワール流（旋回流）となってハウジング３５内に流出するが、このときのスワール流の円筒部３５ｃの内壁に衝突する部分の最も上流側の位置Ｐを、触媒３７より上流側（図２（ａ）中で右側）とし、この位置Ｐと、触媒３７との間に、ハウジング３５内の直径方向中心側に突出する環状の突起４７を設けてある。
【００２０】
次に作用を説明する。
【００２１】
燃料電池システムの通常作動時では、アノード極３の出口３ｂからのアノードオフガスは、アノードオフガス循環装置１５によりアノードオフガス循環配管１７を経て燃料ガス供給管９に全量循環させ、再度アノード極３へ入口３ａから供給することで燃費を向上させる。
【００２２】
一方、このときカソード極５の出口５ｂからのカソードオフガスは、触媒燃焼器２３を経由して外部に排出する。
【００２３】
ここで、アノードオフガス循環装置１５によって循環するアノードオフガス中の水素濃度が、カソード極５からアノード極３に逆拡散する窒素や水により所定の濃度以下に低下すると、燃料電池１の出力電圧が低下する。
【００２４】
この出力電圧を電圧検知手段３１により検知し、この検知電圧が所定の電圧値よりも低い場合には、システムコントローラ３３がアノードオフガス排出弁１９を開放させる。これにより所定流量のアノードオフガスを、アノードオフガス循環装置１５からアノードオフガス供給管２１を経て触媒燃焼器２３に供給する。
【００２５】
触媒燃焼器２３では、ハウジング３５内に突出しているノズル３９からアノードオフガスを吐出する。ノズル３９内では、図３に示すように、アノードオフガスが、連通孔４１を経て連通路４３に達し、連通路４３を中心側に向けて流れる際に、排出通路４５の外周部に流出することで、スワール流となる。
【００２６】
このスワール流が、排出通路４５を経て、図２（ａ）に示すように、ハウジング３５内に流出する。
【００２７】
ここで、アノードオフガスが触媒燃焼器２３に供給される際に、アノードオフガス中の水蒸気がアノードオフガス供給管２１中で凝縮し、液体となってハウジング３５内に流入することが想定される。
【００２８】
この凝縮水は、上記したスワール流により、中空円錐状の噴霧を形成し、ハウジング３５の外周側へ水滴Ｗとなって分散する。これにより、凝縮水が触媒３７に直接到達することを回避し、触媒３７の活性化喪失を防止でき、アノードオフガスを確実に燃焼させることができる。
【００２９】
また、触媒３７近傍のハウジング３５の内周面に設けた環状の突起４７が、上記した中空円錐状の噴霧の触媒３７に向かう流れを阻止し、凝縮水の触媒３７への付着を確実に防ぐことができる。
【００３０】
図４（ａ）は、この発明の第２の実施形態を示す触媒燃焼器の側面断面図である。この実施形態は、ハウジング３５の一方の端面３５ａの中央部にアノードオフガス供給管２１を接続し、ハウジング３５内にその燃料供給口部となるノズル３９Ａを挿入している。このノズル３９Ａの先端部の内部は、前記図３に示した第１の実施形態と同様に、円筒部３５ｃの内周面に沿ってスワール流を形成する構造としてある。
【００３１】
一方、カソードオフガス供給管２５は、その先端の酸化剤供給口部となる吐出口４９を、ノズル３９Ａの先端より端面３５ａ側における円形のハウジング３５の内周面に対し接線方向となるよう接続する。これにより、吐出口４９から吐出するカソードオフガスを、円形状のハウジング３５の内周面に沿ってハウジング３５内に供給してスワール流を発生させる。
【００３２】
上記したアノードオフガスのスワール流と、カソードオフガスのスワール流の方向は同方向とする。
【００３３】
その他の構成は、第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付してある。
【００３４】
ここで、カソードオフガスが触媒燃焼器２３に排出される際、カソードオフガス中の水蒸気がカソードオフガス供給管２５中で凝縮し、液体となってハウジング３５内に流入することが想定される。
【００３５】
この凝縮水は、上記したカソードオフガスのスワール流により、図５に示すように、遠心力によりハウジング３５内の外周側に、水滴Ｗとなって分散する。これにより、凝縮水が触媒３７に直接到達することを回避し、触媒３７の活性化喪失を防止でき、アノードオフガスを確実に燃焼させることができる。
【００３６】
また、触媒３７近傍のハウジング３５の内周面に設けた環状の突起４７が、上記した凝縮水の触媒３７に向かう流れを阻止し、凝縮水の触媒３７への付着を確実に防ぐことができる。
【００３７】
さらに、上記した第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、アノードオフガス供給管２１のノズル３９Ａから供給するアノードオフガスにスワール流を発生させるので、アノードオフガス中の凝縮水を、ハウジング３５内の外周側に分散させて、凝縮水の触媒３７への付着を防止することができる。
【００３８】
なお、第２の実施形態においては、アノードオフガス供給管２１のノズル３９Ａを、スワール流を発生させる構造とせず、単にアノードオフガスをハウジング３５内に供給する構造としてもよい。
【００３９】
図６は、この発明の第３の実施形態を示す触媒燃焼器の側面断面図である。この実施形態は、前記図４に示した第２の実施形態におけるカソードオフガス供給管２５内の吐出口４９近傍に、アノードオフガス供給管２１の燃料供給口部となるノズル３９Ｂを収容している。
【００４０】
このノズル３９Ｂによるアノードオフガスの供給方向は、カソードオフガス供給管２５の吐出口４９によるカソードオフガスの供給方向と同方向を指向しており、円形状のハウジング３５の内周面に沿ってハウジング３５内に供給し、カソードオフガスとともにスワール流を発生させる。
【００４１】
上記した第３の実施形態によれば、前述の第２の実施形態と同様に、カソードオフガスが触媒燃焼器２３のハウジング３５内でスワール流を形成し、これと同一方向にアノードオフガスを供給するので、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれる凝縮水は、図７に示すように、遠心力によりハウジング３５内の外周側に水滴Ｗとなって分散する。
【００４２】
これにより、凝縮水が触媒３７に直接到達することを回避し、触媒３７の活性化喪失を防止でき、アノードオフガスを確実に燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる触媒燃焼器を備えた燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】（ａ）は第１の実施形態による触媒燃焼器の内部構造を示す側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】（ａ）は、第１の実施形態におけるアノードオフガスを供給するノズル先端部の内部構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図４】（ａ）は第２の実施形態による触媒燃焼器の内部構造を示す側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
【図５】第２の実施形態におけるカソードオフガスが流れる状態を示す説明図である。
【図６】（ａ）は第３の実施形態による触媒燃焼器の内部構造を示す側面断面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。
【図７】第３の実施形態におけるカソードオフガスおよびアノードオフガスが流れる状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ アノード極（燃料極）
５ カソード極（酸化剤極）
１７ アノードオフガス循環配管（循環流路）
１９ アノードオフガス排出弁（開閉弁）
２１ アノードオフガス供給管（排出燃料供給流路）
２３ 触媒燃焼器
３５ ハウジング
３７ 触媒
３９，３９Ａ，３９Ｂ ノズル（燃料供給口部）
４９ 吐出口（酸化剤供給口部）

Claims (15)

1. 燃料電池の燃料極からの排出燃料と、前記燃料電池の酸化剤極からの排出酸化剤との混合ガスをハウジング内に導入し、この導入した混合ガスを触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器において、前記触媒上流側の前記ハウジングの触媒への混合ガス流れ方向と交差する断面形状を、ほぼ円形とし、この円形状のハウジングの内周面に沿ってスワール流を発生せるよう前記排出燃料を前記ハウジング内に供給することを特徴とする触媒燃焼器。
2. 前記排出燃料を前記ハウジング内に供給する燃料供給口部を、前記触媒方向に向け、かつ前記円形状のハウジングの直径方向のほぼ中心部に配置したことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼器。
3. 燃料電池の燃料極からの排出燃料と、前記燃料電池の酸化剤極からの排出酸化剤との混合ガスをハウジング内に導入し、この導入した混合ガスを触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器において、前記触媒上流側の前記ハウジングの触媒への混合ガス流れ方向と交差する断面形状を、ほぼ円形とし、この円形状のハウジングの内周面に沿ってスワール流を発生せるよう前記排出酸化剤を前記ハウジング内に供給することを特徴とする触媒燃焼器。
4. 前記円形状のハウジングの内周面に沿ってスワール流を発生させるよう前記排出酸化剤を前記ハウジング内に供給することを特徴とする請求項１または２記載の触媒燃焼器。
5. 前記排出酸化剤を前記ハウジング内に供給する酸化剤供給口部を、前記円形状のハウジングの外周部に、その接線方向に向けて接続したことを特徴とする請求項３または４記載の触媒燃焼器。
6. 前記酸化剤供給口部内に、前記排出燃料を前記排出酸化剤と同方向を指向して供給するよう燃料供給口部を配置したことを特徴とする請求項５記載の触媒燃焼器。
7. 前記触媒の混合ガス上流側近傍の前記ハウジング内周面に、ハウジング内の直径方向中心側に突出する環状の突起を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の触媒燃焼器。
8. 燃料電池の燃料極からの排出燃料と、前記燃料電池の酸化剤極からの排出酸化剤との混合ガスを触媒燃焼器のハウジング内に導入し、この導入した混合ガスを触媒により燃焼させる燃料電池システムにおいて、前記触媒上流側の前記ハウジングの触媒へのガス流れ方向と交差する断面形状を、ほぼ円形とし、この円形状のハウジングの内周面に沿ってスワール流を発生せるよう前記排出燃料を前記ハウジング内に供給することを特徴とする燃料電池システム。
9. 前記排出燃料を前記ハウジング内に供給する燃料供給口部を、前記触媒方向に向けかつ、前記円形状のハウジングの直径方向のほぼ中心部に配置したことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
10. 燃料電池の燃料極からの排出燃料と、前記燃料電池の酸化剤極からの排出酸化剤との混合ガスを触媒燃焼器のハウジング内に導入し、この導入した混合ガスを触媒により燃焼させる燃料電池システムにおいて、前記触媒上流側の前記ハウジングの触媒への混合ガス流れ方向と交差する断面形状を、ほぼ円形とし、この円形状のハウジングの内周面に沿ってスワール流を発生せるよう前記排出酸化剤を前記ハウジング内に供給することを特徴とする燃料電池システム。
11. 前記円形状のハウジングの内周面に沿ってスワール流を発生させるよう前記排出酸化剤を前記ハウジング内に供給することを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池システム。
12. 前記排出酸化剤を前記ハウジング内に供給する酸化剤供給口部を、前記円形状のハウジングの外周部に、その接線方向に向けて接続したことを特徴とする請求項１０または１１記載の燃料電池システム。
13. 前記酸化剤供給口部内に、前記排出燃料を前記排出酸化剤と同方向を指向して供給するよう燃料供給口部を配置したことを特徴とする請求項１２記載の燃料電池システム。
14. 前記触媒の混合ガス上流側近傍の前記ハウジング内周面に、ハウジング内の直径方向中心側に突出する環状の突起を設けたことを特徴とする請求項８ないし１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料極からの排出燃料を、再度前記燃料極へ供給する循環流路を設け、この循環流路の途中から前記触媒燃焼器へ排出燃料を供給する排出燃料供給流路に開閉弁を設け、この開閉弁を必要に応じて開くことにより前記触媒燃焼器へ排出燃料を供給することを特徴とする請求項８ないし１４のいずれかに記載の燃料電池システム。

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