JP2005158594A - 燃料電池の燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼部で生じた凝縮水等の液水を効率的に排出することができる燃料電池の燃焼装置を提供する。
【解決手段】 カソードオフガス２９及びアノードオフガス３５を混合して燃焼させる燃焼器５１と、該燃焼器５１内で生ずる液水Ｗを排出するドレイン配管４１とを備え、前記燃焼器５１は、カソードオフガス２９及びアノードオフガス３５を導く導入部５５と、該導入部５５からのカソードオフガス２９及びアノードオフガス３５を混合して燃焼用混合ガス５７にするミキサー部５９と、この燃焼用混合ガス５７を燃焼させる燃焼部６１とからなる燃料電池の燃焼装置であって、前記導入部５５、ミキサー部５９及び燃焼部６１を、前記ガスの流れ方向に沿ってこれらの順に従って配置する一方、前記ドレイン配管４１を、ミキサー部５９と燃焼部６１との間、及び、前記燃焼部６１の下流側に設けている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池の燃焼装置に関する。

一般に、燃料電池では、アノードに燃料ガスである水素ガスを供給し、カソードに酸化ガスである空気を供給し、これらの水素ガス及び空気で酸化還元反応を起こし、得られた化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出する。

例えば、固体高分子型燃料電池においては、アノード側で水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、カソード側では電子と空気中の酸素が反応して水を生成する電気化学反応によって電気エネルギーを取り出すことができる。

また、アノード側から排出されるアノードオフガス中には水素が含有されており、アノードオフガスをそのまま外気に排出すると環境に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、アノードオフガスを燃焼させてから外気に排出するべく、燃焼装置が配設されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００１−２２９９５２公報 特開１９９３−４４９１２公報

しかしながら、前記従来の燃焼装置においては、凝縮水等の液水が滞留することによって触媒活性が低下するおそれがあり、これを防止する手段として、前記液水を燃焼装置とは別体の汽水分離器で取り除く方法が採用されている。しかし、この方法では、燃焼装置とは別体の汽水分離器を必要とするため、燃料電池システムの構造が複雑になるという問題があった。

また、燃焼装置における燃焼部の下流側に、温度検出手段を設ける技術が採用されているが、加湿されたガスが凝縮した場合や、燃焼部の触媒層に水分が吸着した場合には、燃焼装置内の温度を正確に測定することが困難となる問題があった。

そこで、本発明は、燃焼装置内部で生じた凝縮水等の液水を効率的に排出することができる燃料電池の燃焼装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池の燃焼装置は、燃料電池から排出されるカソードオフガス及びアノードオフガスを混合して燃焼させる燃焼器と、該燃焼器内で生ずる液水を排出するドレイン配管とを備え、前記燃焼器は、カソードオフガス及びアノードオフガスを導く導入部と、該導入部からのカソードオフガス及びアノードオフガスを混合して燃焼用混合ガスにするミキサー部と、この燃焼用混合ガスを燃焼させる燃焼部とからなる燃料電池の燃焼装置であって、前記導入部、ミキサー部及び燃焼部を、前記ガスの流れ方向に沿ってこれらの順に従って配置する一方、前記ドレイン配管を、ミキサー部と燃焼部との間、及び、前記燃焼部の下流側に設けている。

本発明に係る燃料電池の燃焼装置によれば、カソードオフガスを酸化ガスとする燃焼装置では、燃焼部内に凝縮水等からなる液水が滞留すると燃焼部の触媒活性を低下させるおそれがある。しかし、本発明のようにドレイン配管を設けることによって、汽水分離器など、燃焼装置とは別体の特別な装置を用いることなく液水の滞留を防止することができ、燃焼部の活性低下を防ぐことができる。

また、前記ドレイン配管を、ミキサー部と燃焼部との間、及び、前記燃焼部の下流側に設けているため、燃焼装置を搭載した車両が坂道等を走行して、車両が左右どちらに傾いた場合でも、ドレイン配管から液水が効率的に排出される。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

[第１の実施形態]
図１は、燃料電池自動車に搭載された本実施形態による燃料電池システムを上方から見た平面図である。なお、移動体としては、この燃料電池自動車に限定されず、燃料電池システムを搭載した車両に広く適用することができる。

図１の矢印に示すように、この燃料電池自動車においては、車両前後方向が主移動方向となっており、特に車両前方が最も主となる移動方向に設定されている。

燃料電池システム１は、複数の支持材からなるフレーム３に搭載されており、燃料電池システム１における後部側に配置した燃料電池５と、該燃料電池５の前側で且つ車両の左側に配置した水タンク７と、燃料電池システム１の前端で且つ車両の右側に配置したカソード側加湿器９と、前記水タンク７の前側で且つカソード側加湿器９の車両左側に配置した燃焼装置１１とを備えており、前記カソード側加湿器９と燃焼装置１１とは、車両の左右方向（車幅方向）に沿って、燃料電池システム１の左右両側に配置されている。

また、燃料電池５にはアノード供給ガス用配管１３とアノードオフガス用配管１５とが接続されており、アノード供給ガス用配管１３の途中部には、水タンク７に接続されたアノード側加湿器１７が配設されている。

さらに、燃料電池５には、カソード供給ガス用配管１９とカソードオフガス用配管２１とが接続されており、これらのカソード供給ガス用配管１９及びカソードオフガス用配管２１はカソード側加湿器９へ連結している。

燃料電池５は、燃料であるアノードと、酸化剤極であるカソードとを電極と、前記２つの電極間に設けられた電解質とからなる燃料電池セルが積層されており、該電解質に供給された水素Ｈと空気Ａの酸素とを用いて発電するように構成されている。前記アノードにおいては、供給された水素Ｈがイオン化され、電解質を介して反対極のカソードに移動する。また、カソードにおいては、供給された空気Ａ中の酸素が、アノードから移動してきた水素イオン及び電子と反応して水となって生成されると共に、この電気化学反応によって電気エネルギーが発生する。

また、水タンク７にはアノード側加湿器１７が接続され、該アノード側加湿器１７は前記水タンク７に貯蔵される水を利用してアノード供給ガス用配管１３を流れる水素Ｈを加湿する。

カソード側加湿器９は、内部に中空糸膜の集合体を備え、この中空糸膜内にカソードオフガス２９を流通させるとともに中空糸膜外にカソード供給ガス３１を流通させて、このカソードオフガス２９中の水分でカソード供給ガス３１を加湿する。カソードオフガス２９側を主体として考えると、カソードオフガス２９はカソード供給ガス３１に水分を吸い取られて除湿される。

燃焼装置１１には、アノードオフガス用配管１５とカソード側加湿器９からの連結管３３が接続されており、前記アノードオフガス用配管１５を介して燃料電池５のアノードからアノードオフガス３５が送給され、連結管３３を介してカソードオフガス２９が送給される。このアノードオフガス３５中には、発電によって消費しきれずに残った水素Ｈが含まれており、この水素Ｈを燃焼させる排水素処理装置として燃焼装置１１を機能させている。そして、燃焼装置１１の左側には、燃焼した排気ガスを排出する排気管３９を設けている。

また、図２は、本実施形態による燃焼装置１１を拡大して示す概略図である。

この図２に示すように、燃焼装置１１は、燃焼器５１及びドレイン配管４１を備えており、燃焼器５１の周囲はハウジング５３によって覆われている。そして、燃焼器５１は、ガス流れの上流側から下流側に向けて、連結管３３及びアノードオフガス用配管１５からなる導入部５５と、カソードオフガス２９及びアノードオフガス３５を混合して燃焼用混合ガス５７にするミキサー部（混合気形成部）５９と、この燃焼用混合ガス５７を燃焼させる燃焼部６１とが配設されており、ミキサー部５９と燃焼部６１との間、及び、燃焼部６１の下流側は、第１の空間部６３及び第２の空間部６５が形成されている。

前記アノードオフガス用配管１５は、燃焼装置１１に、水素を含むアノードオフガス３５を供給する水素供給部として機能し、フローバルブなどの制御装置を適宜設けることができ、また、ミキサー部５９よりも上流側に配置されている。

そして、連結管３３は、燃焼装置１１に、酸素を含むカソードオフガス２９を供給する酸化ガス供給部として機能し、フローバルブなどの制御装置を適宜設けることができ、また、ミキサー部５９よりも上流側に配置されている。

また、ミキサー部５９には、複数枚の多孔板やスワラー等の公知のガス混合技術を用いることができ、第１の空間部６３及び第２の空間部６５の大きさ等は特に限定されない。

そして、前記燃焼部６１は、メタルハニカムやセラミックハニカム等の担体に、白金などの貴金属を担持した公知の触媒技術を適用して形成している。

さらに、燃焼器５１の車両後方側で且つ燃焼装置１１の搭載状態における下部側から、ドレイン配管４１が延設されている。即ち、第１の空間部６３の車両後方側で且つ下部側には、ドレイン配管４１ａの接続部が設けられ、該接続部からドレイン配管４１ａの本体部が車幅方向左側（車両の左方向）に沿って延びている。また、第２の空間部６５の車両後方側で且つ下部側には、ドレイン配管４１ｂの接続部が設けられ、ドレイン配管４１ｂはドレイン配管４１ａに合流して、そのまま車両の左方向に延び、その端部４１ｃに設けられた連結部が排気管３９に連結されている。

ここで、燃焼装置１１が例えば触媒燃焼器の場合には特に、液水Ｗが触媒の表面を覆うと触媒活性が著しく低下するため、燃焼装置１１内に滞留する液水Ｗは排出する必要がある。よって、ドレイン配管４１によって、効率的に液水Ｗを排気管３９に排出している。なお、図１のカソード側加湿器９に代えて気水分離器に代表される一般的な除湿器を設け、該除湿器を介して燃焼装置１１にカソードオフガス２９を供給した場合でも、カソードオフガス２９を十分に除湿しきれないまま燃焼装置１１に導入されるため、燃焼装置１１内に液水Ｗが滞留するおそれがある。また、第１の空間部６３側のドレイン配管４１ａは、ガス流の影響を受けにくくするため、燃焼部６１に極力近接させて配置することが望ましい。

次いで、前記構成を有する燃料電池システム１内における燃料ガスである空気Ａ（カソード供給ガス３１）、及び酸化ガスである水素Ｈ（アノード供給ガス４３）の流れを簡単に説明する。

まず、図１に示すように、アノード供給ガス４３である水素Ｈが、図外の水素供給部からアノード供給ガス用配管１３内を流れてアノード側加湿器１７で加湿され、燃料電池５のアノードに供給される。

一方、カソード供給ガス３１である空気Ａがカソード側加湿器９で加湿され、カソード供給ガス用配管１９を介して燃料電池５のカソードに供給されると、これら水素Ｈ及び空気Ａが燃料電池５内で反応して発電される。

その際、アノードからは、この発電で消費されずに残ったアノードオフガス３５がアノードオフガス用配管１５を介して燃焼装置１１に送られる。また、カソードからは、発電により生成した水分を含み且つ発電によって消費されずに残った酸素を含むカソードオフガス２９が、カソードオフガス用配管２１を介してカソード側加湿器９内に送られ、連結管３３を介して燃焼装置１１に送給される。

図２に示すように、燃焼装置１１では、導入部５５である連結管３３及びアノードオフガス用配管１５を介して、カソードオフガス２９とアノードオフガス３５とがミキサー部５９に導入される。このミキサー部５９において、カソードオフガス２９とアノードオフガス３５とが混合されて燃焼用混合ガス５７となり、第１の空間部６３を介して燃焼部６１に送られる。該燃焼部６１においては、燃焼用混合ガス５７を燃焼させ、この燃焼した排気ガスを第２の空間部６５を介して排気管３９に送給したのち、外気に放出される。

ここで、前記第１の空間部６３においては、滞留した凝縮水等の液水Ｗがドレイン配管４１ａを介して車幅方向左側に流れると共に、第２の空間部６５に滞留した液水Ｗと合流してドレイン配管４１内を車両左方向に流れる。また、ドレイン配管４１の端部４１ｃが排気管３９に接続されているため、これらの液水Ｗは排気管３９に流れこむ。

本実施形態による燃料電池の燃焼装置１１によれば、以下の作用効果を得ることができる。

カソードオフガスを酸化ガスとする燃焼装置１１では、燃焼部６１内に凝縮水等からなる液水Ｗが滞留すると燃焼部６１の触媒活性を低下させるおそれがある。しかし、本実施形態のように燃焼装置１１にドレイン配管４１を設けることによって、汽水分離器など、燃焼装置１１とは別体の特別な装置を用いることなく液水Ｗの滞留を防止することができる。よって、液水Ｗの触媒への付着を低減させると共に、触媒活性の低下を防ぐことができる。

また、図２に示すように、ドレイン配管４１の接続部を第１の空間部６３及び第２の空間部６５に設け、これらの第１の空間部６３及び第２の空間部６５を車幅方向に沿った状態で車両に燃焼装置１１を搭載しているため、車両が坂道等を走行して、車両が左右どちらに傾いた場合でも、ドレイン配管４１から液水Ｗが効率的に排出される。

そして、前記排気管３９に前記ドレイン配管４１の端部４１ｃを連結しているため、ドレイン配管４１内の液水Ｗは排気管３９の熱によって確実に蒸発し、外部に排出されることがない。このため、ドレイン配管４１からの被毒物質の逆流や冷間時の氷結によるドレイン配管４１の閉塞を防止することができる。

前記ドレイン配管４１の燃焼器５１側への接続部、ドレイン配管４１の排気管３９との連結部となる端部４１ｃ、及びこれらの接続部と連結部との間のドレイン配管本体部を、車両の左右方向に沿って配置しているため、車両の加速時及び減速時等の加速度の影響を受けにくく、ドレイン配管４１内の液水Ｗの逆流を防止することができる。

さらに、前記ドレイン配管４１の燃焼器５１側への接続部を、燃焼器５１における車両後方側に配置しているため、車両が前方移動する加速時に効率的な排水ができる。即ち、車両が発進する際には加速度が発生し、燃焼装置内の液水Ｗもこの加速度によって進行方向の反対方向に移動するため、車両後方側にドレイン配管４１の接続部を配置することによって、ドレイン配管４１に液水Ｗが入りやすくなる。なお、車両の加速時には、空気（水蒸気）の流量が増加するため、凝縮水等の液水Ｗの発生量が増加し、減速時はアイドリング状態になるため、空気流量は加速時よりも少なくなる。

[第２の実施形態]
次いで、第２の実施形態について説明するが、前記第１の実施形態と同一構造の部位については、同一符号を付してその説明を省略する。この第２の実施形態においては、温度検出手段である温度計７３を第２の空間部６５に配設している。

図３は本実施形態による燃焼装置７１の断面を示す概略図であり、図４は図３における空間部６５の拡大図である。

本実施形態による温度計７３は、サーミスタや熱電対などを好適に用いることができ、燃焼装置１１の内部において異常燃焼等が発生した際の異常検知手段として活用するため、極力、正確な温度を測定する必要がある。

図３に示すように、燃焼部６１近傍におけるガス流れの下流側に配置された第２の空間部６５内で、且つ第２の空間部６５における車両の進行方向前側である車両前方側に配設されている。また、図４の矢印に示すように、第２の空間部６５においては、上下の中央部近傍が最もガス流速Ｓが速くなっており、この中央部から上下に離れるに従って徐々にガス流速Ｓが遅く、上端及び下端においては、最もガス流速Ｓが遅くなっている。そして、前記温度計７３は、第２の空間部６５におけるこのガス流速Ｓが遅い上部に配置されている。以上をまとめると、温度計７３は、車両の左右方向では燃焼装置７１のガス流れの下流側である第２の空間部６５内で、車両前後方向では第２の空間部６５内の車両前方側で、車両上下方向では第２の空間部６５内の上部に配置されている。

また、図５は図４のＰ１〜Ｐ３の部位において測定した温度の時間による変化を示すグラフである。この図５において、最も上側に太い実線で示されたグラフは図４のＰ１近傍における温度変化、中央側に細い一点鎖線で示されたグラフはＰ２近傍における温度変化、及び最も下側に細い実線で示されたグラフはＰ３近傍における温度変化を示している。

この図５から明らかなように、燃焼器５１の上部側に温度計７３を配置すると、燃焼した排気ガスＥの吸着による影響や液水Ｗの影響を温度計７３が受けにくいため、最も正確な温度を測定することができる。また、Ｐ２近傍に温度計７３を配置した場合は、排気ガスＥの吸着による影響を受け、Ｐ３近傍では液水Ｗの影響を受けやすいために、正確な測定値を得ることが困難であることが判明した。

本実施形態による燃料電池の燃焼装置７１によれば、以下の作用効果を得ることができる。

前記燃焼器５１におけるガス流速Ｓが遅い部位に温度計７３を配設しているため、燃焼した排気ガスＥの吸着を受けにくく、燃焼装置７１内の温度を正確に測定することができる。

また、温度計７３を、前記燃焼部６１近傍におけるガス流れの下流側で、かつ、燃焼装置７１の搭載状態における上部側に配置しているため、燃焼した排気ガスＥの吸着、及び滞留した液水Ｗの影響を受けることがなく、燃焼装置７１内の温度を正確に測定することができる。

さらに、車両の進行方向前側である車両前方側に温度計７３を配置しているため、特に車両の加速時に液水Ｗの影響を受けにくく、燃焼装置７１内の温度を正確に測定することができる。即ち、車両の減速時よりも加速時の方が、空気供給量が増えて凝縮水がより多く発生しやすいが、車両が加速すると、この加速度によって前記凝縮水が車両後方に移動する。しかし、本実施形態による温度計７３は、車両前方側に配置されているため、この凝縮水等の液水Ｗの影響を受けにくく、車両の加速時においても的確な温度を測定することができる。

[第３の実施形態]
次いで、第３の実施形態について説明するが、前記第１，２の実施形態と同一構造の部位については、同一符号を付してその説明を省略する。この第３の実施形態においては、燃焼器５１に熱交換器８３を設けている。

図６は本実施形態による燃焼装置８１の断面を示す概略図である。

第２空間部の車両左側には、熱交換器８３が配設されている。この熱交換器８３は、図示しない冷媒用配管によって燃料電池５（図１参照）に連通しており、この冷媒用配管内を冷媒が流通している。

本実施形態による燃料電池の燃焼装置によれば、以下の作用効果を得ることができる。

燃料電池５の低温起動時には、燃料電池５を適正な運転温度に上昇させる必要がある。そのため、熱交換器８３と燃料電池５と冷媒用配管を介して連通することで、熱交換器８３で暖めたのち、該熱交換器８３から配管を介して燃料電池５に送給するようになっている。これにより、通常運転時に冷媒として用いる媒体を温媒として用いることができ、温媒温度を熱交換器８３で上昇させて、燃料電池５の温度を運転開始に適切な温度まで上昇させることができる。

本発明の第１の実施形態による燃料電池システムの概略を示す平面図である。 図１の燃焼装置を拡大して示す概略図である。 本発明の第２の実施形態による燃焼装置の断面を示す概略図である。 図３における空間部６５の拡大図である。 図４のＰ１〜Ｐ３の部位において測定した温度の時間による変化を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態による燃焼装置を拡大して示す概略図である。

符号の説明

Ｗ…液水
５…燃料電池
１１，７１，８１…燃焼装置
２９…カソードオフガス
３５…アノードオフガス
３９…排気管
４１…ドレイン配管
４１ｃ…端部
５１…燃焼器
５５…導入部
５７…燃焼用混合ガス
５９…ミキサー部
６１…燃焼部
７３…温度計（温度検出手段）
８３…熱交換器

Claims (8)

1. 燃料電池から排出されるカソードオフガス及びアノードオフガスを混合して燃焼させる燃焼器と、該燃焼器内で生ずる液水を排出するドレイン配管とを備え、前記燃焼器は、カソードオフガス及びアノードオフガスを導く導入部と、該導入部からのカソードオフガス及びアノードオフガスを混合して燃焼用混合ガスにするミキサー部と、この燃焼用混合ガスを燃焼させる燃焼部とからなる燃料電池の燃焼装置であって、
   前記導入部、ミキサー部及び燃焼部を、前記ガスの流れ方向に沿ってこれらの順に従って配置する一方、
   前記ドレイン配管を、ミキサー部と燃焼部との間、及び、前記燃焼部の下流側に設けたことを特徴とする燃料電池の燃焼装置。
2. 前記燃焼器におけるガス流速が遅い部位に、温度検出手段を配設したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃焼装置。
3. 前記温度検出手段を、前記燃焼部近傍におけるガス流れの下流側で、かつ、燃焼装置の搭載状態における上部側に配置したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の燃焼装置。
4. 前記燃焼部に、燃焼した排気ガスを排出する排気管を接続し、この排気管に前記ドレイン配管の端部を連結したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の燃焼装置。
5. 前記燃焼器を、前後方向が主移動方向である移動体に搭載すると共に、この搭載状態において、前記ドレイン配管の燃焼器側への接続部、ドレイン配管の排気管との連結部、及びこれらの接続部と連結部との間のドレイン配管本体部を、前記移動体の左右方向に沿って配置したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃焼装置。
6. 前記ドレイン配管の燃焼器側への接続部を、燃焼器における前記移動体の進行方向後側に配置したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の燃焼装置。
7. 前記燃焼器を移動体に搭載し、前記温度検出手段を、前記移動体の進行方向前側に配置したことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池の燃焼装置。
8. 前記燃焼部と排気管との間に熱交換器を設け、該熱交換器よりもガス流れの下流側に位置する部位の排気管に、前記ドレイン配管の端部を連結させたことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池の燃焼装置。
   
   

Images