JP2005195254A - Catalytic combuster for fuel battery power generation - Google Patents
Catalytic combuster for fuel battery power generation Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005195254A JP2005195254A JP2004002035A JP2004002035A JP2005195254A JP 2005195254 A JP2005195254 A JP 2005195254A JP 2004002035 A JP2004002035 A JP 2004002035A JP 2004002035 A JP2004002035 A JP 2004002035A JP 2005195254 A JP2005195254 A JP 2005195254A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst
- gas
- supported
- temperature
- channel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Gas Burners (AREA)
Abstract
Description
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池のアノードの下流側に設けて、アノード出口より排出されるガス中の可燃成分を触媒燃焼させて改質器の改質熱源を発生させるための燃料電池発電装置用触媒燃焼器に関するものである。 The present invention provides a fuel cell power generator for generating a reforming heat source of a reformer by being provided on the downstream side of an anode of a molten carbonate fuel cell and catalytically combusting combustible components in a gas discharged from an anode outlet. The present invention relates to a catalytic combustor for an apparatus.
溶融炭酸塩型燃料電池のうち、たとえば、天然ガス改質溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電装置(以下、MCFC発電装置と云う)は、図2にその一例の概要を示す如き構成としてある。すなわち、図示してない電解質板をカソード2とアノード3の両電極で挟んでなるセルをセパレータを介して多層に積層してスタックとした構成の溶融炭酸塩型燃料電池1における上記カソード2の入口側には、途中にブロワ9を有する空気供給ライン8が接続されていて、たとえば、過給機4のタービン5によりタービン軸6を介して回転させられる圧縮機7で圧縮した空気10を、空気供給ライン8を通して供給するようにしてある。一方、上記燃料電池1にて発電用燃料とする改質ガス11aの原燃料である天然ガス11は、図示しない脱硫器で脱硫された後、天然ガス供給ライン12より天然ガス予熱器13を経て改質器14の改質室14aに供給され、該改質室14aにて改質された改質ガス11aが、燃料ガス供給ライン15を通り上記天然ガス予熱器13を経て上記燃料電池1のアノード3へ供給されるようにしてあり、これにより、上記燃料電池1における発電を行なわせるようにしてある。
Among the molten carbonate fuel cells, for example, a power generator using a natural gas reformed molten carbonate fuel cell (hereinafter referred to as MCFC power generator) is configured as shown in FIG. . That is, the inlet of the
なお、上記アノード3の出口側より排出されるアノード出口ガス16中には、水素の未反応分が残存している。しかし、上記アノード出口ガス16中における未反応の水素は、通常、濃度が低く、しかも、上記溶融炭酸塩型燃料電池1の原理上、アノード3側で生じる水や炭酸ガスによって更に希釈されるため、上記アノード出口ガス16中に含まれる未反応の水素を通常のバーナで燃焼させることは難しい。
Note that unreacted hydrogen remains in the
そのために、上記アノード3の出口側に触媒燃焼器18を設置して、アノード3の出口側より排出されるアノード出口ガス16を、アノード出口ガスライン17を通して上記触媒燃焼器18へ導入すると共に、上記カソード2の出口側より排出されるカソード出口ガス19を、カソード出口ガスライン20を通して上記触媒燃焼器18へ導入するようにして、該触媒燃焼器18にて、上記アノード出口ガス16中に含まれる水素の未反応分を、上記カソード出口ガス19中に残存する酸素を用いて希薄燃焼(酸化)させ、この際発生する燃焼ガス21を、燃焼ガスライン22を通して上記改質器14の加熱室14bに導くことにより、上記未反応分の水素の燃焼時に発生する熱を上記改質器14における改質熱源として利用できるようにしてある。上記改質器14の加熱室14bにおける改質熱源に供された後の燃焼ガス21は、一部はCO2のリサイクルのため空気供給ライン8の途中に合流するが、残りは後述する排ガスライン28に合流してから排出されるようにしてある。
For this purpose, a
又、上記カソード2から排出されたカソード出口ガス19の一部は、カソード出口ガスライン20より分岐させたカソードリサイクルライン23を通り、途中の高温リサイクルブロワで昇圧されてカソード2入口側にリサイクルさせるようにしてある。更に一部のカソード出口ガス19は、カソード出口ガスライン20より分岐させた分岐ライン24を通して燃焼器25に導入させるようにしてある。該燃焼器25には、燃料としての天然ガス11を供給する燃料供給ライン26と、必要に応じて空気を供給するための図示しない空気供給ラインが接続してあり、上記燃料供給ライン26を通して供給される天然ガス11を、上記カソード出口ガス19と空気で燃焼させ、この燃焼により発生する燃焼排ガス27を、上記過給機4のタービン5に導いて、該タービン5を駆動させるようにしてある。
該タービン5の駆動に供された後の燃焼排ガス27は、排ガスライン28より蒸気過熱器付きの蒸気発生器29を通して熱回収を図った後、排出させるようにしてある。更に、上記蒸気発生器29にて発生させ、蒸気過熱器にて過熱した水蒸気30は、水蒸気ライン31を通して上記天然ガス供給ライン12へ導くようにしてある(たとえば、特許文献1参照)。なお、図2に符号32で示す如き発電機を上記過給機4のタービン軸6に取り付けることも従来考えられてきている。
A part of the
The
ところで、上記MCFC発電装置の触媒燃焼器18は、MCFC発電装置の通常運転時、すなわち、上記燃料電池1による発電中には、アノード出口ガス16中に含まれる未反応の水素を、カソード出口ガス19中に含まれる酸素を用いて約800℃で燃焼させて改質器14の改質熱源を発生させるという機能を有するものである。しかし、MCFC発電装置の起動時にて、改質器14の改質室14aが昇温されていない状態のときには、図2に二点鎖線で示す如く、該改質室14において原燃料である天然ガス11の改質が行なわれず、このために、該改質器14の改質室14aから燃料電池1のアノード3へは、改質ガス11aではなく上記天然ガス11がそのまま供給される。したがって、アノード3の出口側より排出されてアノード出口ガスライン17を通して上記触媒燃焼器18に送られるガスは、水素の未燃分を含んだガスではなく、上記天然ガス11となる。そこで、上記触媒燃焼器18は、スタートアップ用の燃料として、上記改質器14の改質室14aからアノード3を通過して導かれる原燃料である天然ガス11を、発電が行われていないために上記燃料電池1のカソード2をそのまま通過した後、カソード出口ガスライン20を経て供給される空気10を用いて触媒燃焼させて、上記改質器14の改質熱源を発生させるようにする機能も要求される。
Meanwhile, the
このように、上記触媒燃焼器18において天然ガス11を直接触媒燃焼させる場合、水素が100℃程度の比較的低い温度で着火するのに比して、天然ガス11の主成分であるメタンを着火させるためには、350〜500℃程度の高温を必要とする。
Thus, when the
そのため、上記MCFC発電装置を起動させる場合は、先ず、燃焼器25に燃料としての天然ガス11を供給して燃焼させ、この際発生する燃焼排ガス27を蒸気発生器29に導いて高温の水蒸気30を発生させるようにし、この高温の水蒸気30を、水蒸気ライン31を通して天然ガス供給ライン12へ供給して、該天然ガス供給ライン12を通して送給される天然ガス11と一緒に天然ガス予熱器13、改質器14の改質室14a、燃料電池1のアノード3を順に経た後、上記触媒燃焼器18へ導き、これにより、該触媒燃焼器18へ供給されるスタートアップ燃料である天然ガス11を、上記水蒸気30の保有する熱によって該天然ガス11が触媒上で着火可能となる温度まで予熱させて、該触媒燃焼器18における天然ガス11の燃焼を開始させることにより、改質熱源を発生させて改質器14の起動を行わせるようにしている。
Therefore, when starting the MCFC power generation apparatus, first, the
ところで、一般の触媒燃焼器に用いられる触媒としては、白金族の触媒成分(活性成分)を担持させた触媒が用いられている。かかる触媒のうち、触媒成分として白金(Pt)を担持させた触媒は、高活性で天然ガスの低温着火特性に優れ、更に、比較的低い温度から天然ガスの燃焼を開始させることができる。しかし、該Pt担持触媒は耐熱性が低く、約700℃を超えた温度で長期使用すると劣化が生じてしまうため、燃料電池1による発電時に約800℃で水素燃焼を行わせるようにしてある上記燃料電池用の触媒燃焼器18の触媒として採用することはできない。
By the way, as a catalyst used in a general catalytic combustor, a catalyst carrying a platinum group catalyst component (active component) is used. Among such catalysts, a catalyst carrying platinum (Pt) as a catalyst component is highly active and excellent in low temperature ignition characteristics of natural gas, and can start combustion of natural gas from a relatively low temperature. However, since the Pt-supported catalyst has low heat resistance and deteriorates when used for a long time at a temperature exceeding about 700 ° C., hydrogen combustion is performed at about 800 ° C. during power generation by the
そのため、上記触媒燃焼器18の触媒としては、通常、高温耐性に優れた触媒成分であるパラジウム(Pd)を担持させた触媒を用いるようにしている。
Therefore, as the catalyst of the
かかるPd担持触媒を用いた触媒燃焼器18は、図3(イ)(ロ)に概略を示す如く、以下のような構成としてある。すなわち、触媒担持用の構造体として、たとえば、メタルハニカム34の各チャンネル35の内面に、高表面積酸化物(ウォッシュコート)36を介して触媒成分としてのPd37を担持させてなるPd担持触媒33が形成してある。更に、一端部にカソード出口ガスライン16とアノード出口ガスライン20の下流側端部を共に接続することができるようにしてあるガス入口39を有し、且つ他端部に燃焼ガスライン22の上流側端部を接続できるようにしてあるガス出口40を有して内部をガスの流路としてある容器38内の所要位置に、上記Pd担持触媒33を、上記メタルハニカム34の各チャンネル35の方向が該容器38内におけるガスの流通方向に沿う方向となるよう配置し、容器38内面に上下流方向を仕切るように取り付けてある。これにより、MCFC発電装置の通常運転時には、アノード出口ガス16とカソード出口ガス19の混合ガスを、又、MCFC発電装置の起動時には、天然ガス11と空気10の混合ガスを、いずれも可燃成分と酸素を混合してなる予混合気41として上記ガス入口39より容器38内へ流入させ、該予混合気41をメタルハニカム34の各チャンネル35を通してガス出口40側へ送るときに、該各チャンネル35の内面に担持させてあるPd37上にて、上記予混合気41中に含まれる水素やメタン等の可燃成分を酸素により燃焼(酸化)させることができるようにしてある。
The
更に、上記触媒燃焼器18は、上記MCFC発電装置の通常運転時に、上記Pd担持触媒33が高温となっている状態にて、アノード3より水素濃度の高いアノード出口ガス16が排出されることに伴い、該アノード出口ガス16に由来する水素濃度の高い予混合気41がガス入口39より容器38内に流入されるようになると、上記高温となっているPd担持触媒33との接触により逆火が生じる虞が懸念される。このため、上記容器38内におけるPd担時触媒33よりも上流側位置に、チャンネル43の方向を容器38内のガス流れ方向に沿わせるよう配置したメタルハニカム42を、上下流方向を仕切るよう取り付けて、上記Pd担持触媒33より逆火が生じたとしても、触媒を担持しておらず可燃成分の燃焼を行わせるものではないために温度が低い上記メタルハニカム42の部分で予混合気41の温度上昇を抑えることができるようにして、上記逆火が該メタルハニカム42を越えて上流側へ遡らないようにしてある。なお、一般の触媒燃焼器では、逆火の発生を防止するための対策として、可燃成分を燃焼させるための触媒の上流側に、金網状のフレームアレスターを設けることが多いが、可燃成分として水素が供給される場合には、上記金網状のフレームアレスターでは逆火を確実に防止することが難しいため、上記燃料電池発電装置用の触媒燃焼器18ではフレームアレスターではなくメタルハニカム42を設けるようにしている。図3(ロ)における符号34aを付したものは、Pd37を担持させるメタルハニカム34における各チャンネル35間の隔壁である。
Furthermore, the
なお、容器内に直列配置した複数の触媒を備えてなる形式の触媒燃焼器としては、たとえば、ガスタービン用の触媒燃焼器において、触媒の活性と耐久性を両立させることを目的として、ガス燃料と空気とを混合した予混合気を低温活性は高いが耐熱性に劣る低温用触媒に導いて燃焼させると共に、その下流側で上記低温用触媒における燃焼により昇温した部分燃焼ガスに更にガス燃料を混合し、該ガス燃料と上記部分燃焼ガスからなる予混合気を、低温活性は低いが耐熱性に優れた高温用触媒に導いて燃焼させるようにする触媒燃焼器が従来提案されている(たとえば、特許文献2参照)。 In addition, as a type of catalytic combustor comprising a plurality of catalysts arranged in series in a vessel, for example, in a catalytic combustor for a gas turbine, gas fuel is used for the purpose of achieving both the activity and durability of the catalyst. The premixed gas mixture of air and air is led to a low-temperature catalyst having high low-temperature activity but inferior heat resistance and burned, and further to the partial combustion gas whose temperature has been raised by combustion in the low-temperature catalyst on the downstream side, further gas fuel Has been proposed in which a premixed gas composed of the gas fuel and the partial combustion gas is introduced into a high-temperature catalyst having low low-temperature activity but excellent heat resistance and burned ( For example, see Patent Document 2).
又、直列に配置される複数の触媒と、該各触媒ごとの下流側に配置されて燃焼ガスと被加熱媒体とを熱交換する複数の熱交換器とを含んだ構成として、触媒で燃焼を行ない且つその直後の熱交換器で熱交換を行うことを、全ての触媒と熱交換器の組で繰り返すようにする触媒燃焼器も従来提案されている(たとえば、特許文献3参照)。 In addition, the catalyst includes a plurality of catalysts arranged in series and a plurality of heat exchangers arranged on the downstream side of each catalyst to exchange heat between the combustion gas and the medium to be heated. Conventionally, a catalytic combustor is also proposed in which the heat exchange performed by the heat exchanger immediately after that is repeated for each set of catalyst and heat exchanger (see, for example, Patent Document 3).
ところが、図3(イ)(ロ)に示した従来のMCFC発電装置用の触媒燃焼器18は、触媒成分として高温耐性に優れたPd37を担持させたPd担持触媒33を用いるようにしてあるために、燃料電池1による発電時に約800℃で水素燃焼を行なわせる触媒燃焼器18として使用する場合は、長期使用にも安定した耐久性に優れたものとなる。しかし、上記触媒成分としてのPd37は低温活性が低いために、天然ガスを燃料とする予混合気41の燃焼を開始させるためには、Pd担持触媒33へ供給される予混合気41を、400℃以上の高温になるまで予熱する必要がある。このため、上記Pd担持触媒33を用いた触媒燃焼器18をMCFC発電装置用の触媒燃焼器18として採用した場合には、起動時間が長くかかる。更に、該MCFC発電装置の起動時に、上記触媒燃焼器18のPd担持触媒33に供給させる天然ガスを燃料とする予混合気41を、天然ガスの燃焼開始温度まで昇温させるために大きなエネルギーを必要とするため、図2に示す燃焼器25を大型のものとする必要があるというのが実状である。
However, the
なお、上記特許文献2に示された触媒燃焼器は、低温用触媒と高温用触媒を直列配置するようにしたものであるが、上記低温用触媒にてガス燃料と空気からなる予混合気を燃焼させる際、耐熱性の低い上記低温用触媒の耐久性を確保させるためには、該低温用触媒に供給される予混合気におけるガス燃料と空気との混合比を厳密に制御して該予混合気の断熱火炎温度を制御する必要がある。更に、上記低温用触媒の下流側で且つ高温用触媒よりも上流側位置に、上記低温用触媒にて燃焼されて昇温された部分燃焼ガスにガス燃料を供給して混合させるためのベンチュリーを設ける必要があることから、装置が複雑になるという問題がある。
The catalyst combustor shown in
上記特許文献3に示された触媒燃焼器は、直列に配置される複数段の触媒ごとにそれぞれ直後位置に熱交換器を設ける必要があることから、装置が複雑化するという問題がある。更に、各段の触媒にて予混合気の部分燃焼を行なわせるためには各段の触媒の有効容積を十分に小さくするか、或いはガス流速を十分に大きく設定する必要があるため、図2に示した如きMCFC発電装置用の触媒燃焼器18のように、MCFC発電装置の起動時と通常運転時で供給される予混合気の組成や、可燃成分の濃度が大幅に変化するような触媒燃焼器として採用することは困難である。
The catalyst combustor shown in
更に、上記特許文献2及び特許文献3に記載された触媒燃焼器は、いずれも、後述する本発明の燃料電池発電装置用触媒燃焼器のように、触媒成分を部分担持させてなる触媒を構成部材の一部とする考えは全く示されておらず、示唆されるものでもない。
Furthermore, the catalyst combustors described in
そこで、本発明は、MCFC発電装置の起動時間の短縮化を図ることができると共に、優れた耐久性を発揮できる燃料電池発電装置用触媒燃焼器を提供しようとするものである。 Accordingly, the present invention is intended to provide a catalytic combustor for a fuel cell power generator that can shorten the startup time of the MCFC power generator and can exhibit excellent durability.
本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池のアノードより導かれるガス中の可燃成分を触媒燃焼させて改質器の改質熱源を発生させる燃料電池発電装置用触媒燃焼器において、低温着火特性に優れる触媒成分を部分担持させた部分担持低温用触媒と、耐熱性に優れる触媒成分を全面担持させた全面担持高温用触媒とを、ガス流通方向の上流側より順に直列配置してなる構成とし、更に、部分担持低温用触媒は、低温着火特性に優れる触媒成分を担持させたチャンネルと、触媒成分を担持しないチャンネルとを所要の比率で備えてなる構成とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a catalytic combustor for a fuel cell power generator that generates a reforming heat source of a reformer by catalytic combustion of a combustible component in a gas guided from an anode of the fuel cell. A partially-supported low-temperature catalyst partially supporting a catalyst component with excellent ignition characteristics and a fully-supported high-temperature catalyst fully supporting a catalyst component with excellent heat resistance are arranged in series in order from the upstream side in the gas flow direction. Further, the partially supported low-temperature catalyst has a configuration in which a channel supporting a catalyst component having excellent low-temperature ignition characteristics and a channel not supporting the catalyst component are provided in a required ratio.
又、上記構成における部分担持低温用触媒は、メタルハニカムに低温着火特性に優れる触媒を部分担持させたチャンネルと、触媒を担持しないチャンネルを交互に設けてなる構成とする。 Further, the partially supported low temperature catalyst in the above configuration is configured such that a channel in which a catalyst having excellent low temperature ignition characteristics is partially supported on a metal honeycomb and a channel in which no catalyst is supported are alternately provided.
更に、上記における低温着火特性に優れる触媒として白金を使用し、且つ耐熱性に優れる触媒成分としてパラジウムを使用するようにした構成とする。 Furthermore, platinum is used as the catalyst having excellent low-temperature ignition characteristics in the above, and palladium is used as the catalyst component having excellent heat resistance.
本発明の燃料電池発電装置用触媒燃焼器によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
(1)燃料電池のアノードより導かれるガス中の可燃成分を触媒燃焼させて改質器の改質熱源を発生させる燃料電池発電装置用触媒燃焼器において、低温着火特性に優れる触媒成分を部分担持させた部分担持低温用触媒と、耐熱性に優れる触媒成分を全面担持させた全面担持高温用触媒とを、ガス流通方向の上流側より順に直列配置してなる構成とし、更に、部分担持低温用触媒は、低温着火特性に優れる触媒成分を担持させたチャンネルと、触媒成分を担持しないチャンネルとを所要の比率で備えてなる構成としてあるので、部分担持低温用触媒では、MCFC発電装置にてスタートアップ燃料として使用される天然ガスを燃料として含む予混合気を、比較的低い温度から部分燃焼を開始させることが可能になる。
(2)又、上記部分担持低温用触媒では、特別な制御を要することなく天然ガスを燃料として含む予混合気を部分燃焼させることができ、これにより、該部分担持低温用触媒の温度の上昇を抑えることができることから、低温着火特性に優れる触媒成分が、あまり耐熱性の高くないものである場合にも、劣化を防止することができて、耐久性の向上化を図ることが可能になる。
(3)更に、上記天然ガスを燃料として含む予混合気を、部分担持低温用触媒にて部分燃焼させて昇温させた後、下流側の全面担持高温用触媒へ導くことができるため、該全面担持高温用触媒における耐熱性に優れた触媒成分が、低温活性が比較的低い場合であっても速やかに上記天然ガスを燃料として含む予混合気の燃焼を開始させることが可能になる。
(4)したがって、MCFC発電装置における起動時間の短縮化を図ることが可能になる。更に、上記MCFC発電装置のスタートアップ燃料である天然ガスを含んだ予混合気を予熱するための熱を発生させる燃焼器の小型化を図ることが可能になる。
(5)部分担持低温用触媒は、メタルハニカムに低温着火特性に優れる触媒を部分担持させたチャンネルと、触媒を担持しないチャンネルを交互に設けてなる構成とすることにより、供給される予混合気中の可燃成分を、特別な制御を要することなく半分程度部分燃焼させる部分担持低温用触媒を容易に製造できる。
(6)低温着火特性に優れる触媒として白金を使用し、且つ耐熱性に優れる触媒成分としてパラジウムを使用するようにした構成とすることにより、天然ガスを燃料として含む予混合気を比較的低い温度から燃焼開始させることができる特性と、水素を燃料として含む予混合気の燃焼に長期使用できる耐久性を併せて備える燃料電池発電装置用触媒燃焼器を容易に構成することができる。
According to the catalytic combustor for the fuel cell power generator of the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) In a catalytic combustor for a fuel cell power generator that generates a reforming heat source of a reformer by catalytic combustion of a combustible component in a gas led from the anode of the fuel cell, the catalyst component having excellent low temperature ignition characteristics is partially supported. The partially supported low-temperature catalyst and the fully supported high-temperature catalyst in which the catalyst component having excellent heat resistance is fully supported are arranged in series in order from the upstream side in the gas flow direction. The catalyst is configured to have a channel that supports a catalyst component with excellent low-temperature ignition characteristics and a channel that does not support the catalyst component in the required ratio, so a partially supported low-temperature catalyst is started up with an MCFC power generator. It becomes possible to start partial combustion of a premixed gas containing natural gas used as fuel as a fuel from a relatively low temperature.
(2) In addition, the partially supported low-temperature catalyst can partially burn a premixed gas containing natural gas as fuel without requiring special control, thereby increasing the temperature of the partially supported low-temperature catalyst. Therefore, even when the catalyst component with excellent low-temperature ignition characteristics is not very heat-resistant, it can prevent deterioration and improve durability. .
(3) Furthermore, since the premixed gas containing the natural gas as a fuel can be partially burned by the partially supported low temperature catalyst and heated up, it can be led to the downstream full surface supported high temperature catalyst. Even when the catalyst component having excellent heat resistance in the full surface supported high temperature catalyst has a relatively low low temperature activity, it is possible to quickly start combustion of the premixed gas containing the natural gas as a fuel.
(4) Therefore, it becomes possible to shorten the start-up time in the MCFC power generator. Furthermore, it is possible to reduce the size of the combustor that generates heat for preheating the premixed gas containing natural gas that is the startup fuel of the MCFC power generation apparatus.
(5) The partially supported low-temperature catalyst has a configuration in which a channel in which a catalyst having excellent low-temperature ignition characteristics is partially supported on a metal honeycomb and a channel in which a catalyst is not supported are alternately provided. It is possible to easily produce a partially supported low-temperature catalyst that partially burns about half of the combustible components therein without requiring special control.
(6) By using platinum as a catalyst having excellent low-temperature ignition characteristics and using palladium as a catalyst component having excellent heat resistance, a premixed gas containing natural gas as a fuel has a relatively low temperature. Therefore, a catalyst combustor for a fuel cell power generator can be easily configured that has both the characteristics that allow combustion to be started from the above and the durability that can be used for a long time in the combustion of a premixed gas containing hydrogen as a fuel.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(イ)(ロ)は本発明の燃料電池発電装置用触媒燃焼器の実施の一形態を示すもので、低温活性に優れ且つ耐熱性のあまりよくない低温用触媒成分としてのPt44を部分担持させてなる部分担持低温用触媒としてのPt部分担持触媒45を製造すると共に、低温活性はあまり高くないが耐熱性に優れた高温用触媒成分としてのPd37を全面担持させてなる全面担持高温用触媒として、図3(イ)(ロ)に示したと同様のPd担持触媒33を製造しておき、図3(イ)(ロ)に示したと同様にガス入口39とガス出口40を両端部に備えてなる容器38内に、上記Pt部分担持触媒45とPd担持触媒33とを、上流側より順に直列配置し、且つ上記Pt部分担持触媒45とPd担持触媒33を、それぞれ容器38の内面に上下流方向を仕切るように取り付けて、本発明の燃料電池発電装置用触媒燃焼器18aを形成する。
1 (a) and 1 (b) show an embodiment of a catalytic combustor for a fuel cell power generator according to the present invention. Pt44 as a low-temperature catalyst component which is excellent in low-temperature activity and not very good in heat resistance is partially shown. A partially supported Pt partial supported
なお、上記における「部分担持」とは、ガスを流通させ得る多数のチャンネルを有する触媒担持用の所要の構造体に低温用触媒成分を担持させて触媒を形成するときに、該低温用触媒成分を担持したチャンネルと、触媒成分を担持しないチャンネルが所要の比率で共に存在する構成として、可燃成分と酸素を含んだ予混合気が上記低温用触媒成分を担持したチャンネルを通過される際に上記可燃成分が燃焼されて発生する熱を、上記触媒成分を担持しないチャンネルを通過する予混合気と熱交換させることにより、上記低温用触媒成分を含む触媒全体の温度を、該低温用触媒成分が長期使用時にも劣化しない所要の温度領域まで低下させて平均化させることができるようにすることを意味するものとする。 In the above, “partial support” means that when a catalyst is formed by supporting a catalyst component for low temperature on a required structure for catalyst support having a number of channels through which gas can flow, the catalyst component for low temperature is used. When the premixed gas containing the combustible component and oxygen is passed through the channel supporting the low-temperature catalyst component, the channel supporting the catalyst component and the channel not supporting the catalyst component are present together in the required ratio. The heat generated when the combustible component is burned is exchanged with the premixed gas passing through the channel not supporting the catalyst component, so that the temperature of the entire catalyst including the low temperature catalyst component is reduced by the low temperature catalyst component. It means that the temperature can be lowered to a required temperature range that does not deteriorate even during long-term use and averaged.
詳述すると、上記Pt部分担持触媒45は、上記Pd担持触媒33のメタルハニカム34と同様に多数のチャンネルを備えてなるメタルハニカム34を触媒担持用の構造体としてあり、該メタルハニカム34に低温用触媒成分としてのPt44を担持させるときに、内面に高表面積酸化物36を介してPt44を担持させてなるチャンネル(以下、Pt担持チャンネルという)35aと、内面になんら触媒成分を担持しないチャンネル(以下、触媒非担持チャンネルという)35bが交互に配置されるよう構成してある。
More specifically, the Pt partial supported
なお、図1(ロ)では、図示する便宜上、高表面積酸化物36の層を厚く示し、又、Pt44の粒子サイズを大きく示してある。このために、上記Pt担持チャンネル35aと触媒非担持チャンネル35bにおける流路の断面積が図面上大きく相違しているが、実際には、上記高表面積酸化物36の厚み及び触媒成分としてのPt44の粒子サイズはごく小さいものであり、上記Pt担持チャンネル35aと触媒非担持チャンネル35bにおける流路断面積はほぼ同等となっている。又、図1(イ)におけるメタルハニカム34の各チャンネル35a,35bの寸法や、Pt44並びにPd37の粒子サイズも、図示するための便宜的なサイズであり、したがって、実際の寸法を反映するものではない。その他、図3(イ)(ロ)に示したものと同一のものには同一符号が付してある。
In FIG. 1B, for convenience of illustration, the high surface
上記構成としてある本発明の燃料電池発電装置用触媒燃焼器18aに、ガス入口39より可燃成分と酸素を含む予混合気41を供給すると、該予混合気41は、先ず、Pt部分担持触媒45におけるPt担持チャンネル35aと触媒非担持チャンネル35bにほぼ等量ずつ分配させられる。上記Pt担持チャンネル35a内では、チャンネル内面に担持されているPt44の存在により、該Pt担持チャンネル内35a内を通る予混合気41中の可燃成分が燃焼させられ、発生する燃焼熱により昇温させられるようになる。一方、上記触媒非担持チャンネル35b内では、チャンネル内面に触媒が存在しないため、予混合気41は可燃成分が燃焼されることなくそのまま通過させられる。したがって、上記Pt部分担持触媒45の下流側では、上記触媒非担持チャンネル35bをそのまま通過した予混合気41に、上記Pt担持チャンネル35aを通過するときにPt44上にて可燃成分が燃焼されたガスがほぼ等量混合されることになり、したがって、半分程度の可燃成分が部分燃焼された予混合気41が排出されるようになる。
When the premixed
更に、上記触媒非担持チャンネル35bを通過する予混合気41は、該予混合気41中の可燃成分の燃焼熱による昇温を受けないため、可燃成分が燃焼されることで昇温するようになる上記Pt担持チャンネル35a内の予混合気41とは温度差が生じる。このために、上記Pt担持チャンネル35a内における予混合気41の燃焼により発生する燃焼熱は、上記触媒非担持チャンネル35b内をそのまま通過する予混合気41と熱交換されるようになり、この熱交換により上記Pt部分担持触媒45は、全体的に温度が平均化される。しかも、上記したように、該Pt部分担持触媒45全体で見ると、予混合気41中の可燃成分は半分程度が部分燃焼されるのみである。したがって、上記予混合気41の燃料として、図2に示す如きMCFC発電装置の通常運転時にアノード3の出口側に排出される水素の未反応分を含んだアノード出口ガス16を供給して部分燃焼させる場合であっても、該アノード出口ガス16の完全燃焼時に発生する温度が800℃程度であるため、上記Pt部分担持触媒45の温度は、700℃を超えることはなく、このため長期使用しても低温触媒成分であるPt44が劣化する虞は防止される。
Further, since the premixed
一方、上記予混合気41の燃料として、図2に示す如きMCFC発電装置の起動時にアノード3の出口側より導かれる天然ガス11を供給する場合には、上記Pt部分担持触媒45を通ることにより可燃成分が部分燃焼されるため、この部分燃焼に伴って、可燃成分の部分燃焼された予混合気41が、Pd担持触媒33における天然ガス11の着火温度以上に昇温された状態にて、下流側のPd担持触媒33へ送られるようになる。
On the other hand, when supplying the
上記Pd担持触媒33では、上記Pt部分担持触媒45を通過することにより可燃成分が部分燃焼されると共に昇温された予混合気41が供給されると、該Pd担持触媒33は全てのチャンネル35の内面にPd37を担持させるようにしてあるため、上記可燃成分が部分燃焼された状態で供給される予混合気41は、可燃成分が各チャンネル内面のPd37上にて完全燃焼させられるようになる。
In the Pd-supported
このように、上記本発明の燃料電池発電装置用触媒燃焼器18aは、特別な制御を行うことなく予混合気41をPt部分担持触媒45にて部分燃焼させることができ、しかる後、この部分燃焼により昇温させた部分燃焼後の予混合気41を、Pd担持触媒33にて完全燃焼させることができる。
As described above, the catalyst combustor 18a for a fuel cell power generator according to the present invention can partially burn the premixed
したがって、上記本発明の燃料電池発電装置用触媒燃焼器18aを、図2に示したMCFC発電装置の触媒燃焼器として採用すれば、上記MCFC発電装置の通常運転時にアノード出口ガスライン17を通して導かれるアノード出口ガス16を燃焼させるときにも、上記触媒燃焼器18aにおけるPt部分担持触媒45が700℃を越える虞を防止することができ、このため、該Pt部分担持触媒45の劣化を防止することができて、長期使用に対しても安定な耐久性の優れたものとすることができる。
Therefore, if the catalyst combustor 18a for a fuel cell power generator of the present invention is employed as the catalyst combustor of the MCFC power generator shown in FIG. 2, it is guided through the anode
更に、上記したように、Pt部分担持触媒45は温度を700℃よりも低くすることができるものであるため、上記MCFC発電装置の通常運転時に、たとえアノード3より水素濃度の高いアノード出口ガス16が送られる場合であっても、該水素濃度の高いアノード出口ガス16が高温の触媒と接触することを防止できて、逆火の発生する虞を抑制でき、このため、上記MCFC発電装置の運転制御を容易なものとすることができる。
Further, as described above, since the temperature of the Pt partial supported
更に又、上記MCFC発電装置の起動時に、アノード出口ガスライン17を通して原燃料である天然ガス11が供給される場合には、該天然ガス11を、低温活性に優れた触媒成分であるPt44を担持させたPt部分担持触媒45にて比較的低温で部分燃焼を開始させることができると共に、この部分燃焼により下流側のPd担持触媒33へ送られる部分燃焼後の天然ガス11を昇温させることができ、このため上記Pd担持触媒33における天然ガス11の燃焼も速やかに開始させることができるようになることから、上記触媒燃焼器18aに供給して燃焼を開始させるためのスタートアップ燃料である天然ガス11の予熱温度を、従来に比して引き下げることができる。このため、天然ガス11の予熱のために用いる燃焼器25の小型化を図ることが可能になり、たとえば、燃料電池1の排熱を回収して発電するマイクロガスタービンが備える燃焼器でも十分に昇温可能になる。又、従来に比して低い温度から改質器14の起動が可能になるため、上記MCFC発電装置の起動時間の短縮化を図ることもできる。
Furthermore, when the
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、Pt担持チャンネル35aにおける予混合気41の燃焼熱を、触媒非担持チャンネル35bを通過する予混合気41と熱交換させて、Pt部分担持触媒45の全体の温度を、長期使用してもPt44が劣化しない温度領域まで引き下げることができれば、上記Pt担持チャンネル35aと触媒非担持チャンネル35bの配置は交互配置としなくてもよい。更には、Pt担持チャンネル35aの周囲がすべて触媒非担持チャンネル35bに囲まれる配置とする等、両者の存在比をほぼ1対1より外れた比率として、Pt部分担持触媒45にて予混合気41が部分燃焼する割合を変化させるようにしてもよい。Pt担持チャンネル35aと触媒非担持チャンネル35bの断面形状は自在に設定してよい。上記Pt部分担持触媒45は、圧力損失を考慮すると、触媒成分担持用の構造体としてはメタルハニカム34を採用し、該メタルハニカム34のチャンネル内面にPt44を担持させてPt担持チャンネル35aを形成させることが好ましいが、Pt担持チャンネル35a内で発生する予混合気41の燃焼熱を、触媒非担持チャンネル35b内を流通する予混合気41と熱交換させることによって、上記Pt担持チャンネル35a内のPt44を含む触媒全体の温度を、長期使用してもPt44が劣化しない温度領域まで引き下げて維持できるようにすれば、比較的大きなチャンネルを多数備えた触媒成分担持用の構造体に、表面にPt44を担持させたペレットを充填してなるチャンネルと、触媒を担持していないペレットを充填したチャンネルとを設けることで、上記Pt担持チャンネル35aと触媒非担持チャンネル35bとを形成させるようにしてもよい。又、Pt部分担持触媒45とPd担持触媒33は、ガス流通方向にほぼ等しい長さ寸法として示してあるが、Pt部分担持触媒45にて予混合気41を所要の割合で部分燃焼させた後、Pd担持触媒33で完全燃焼させることができるようにすれば、上記Pt部分担持触媒45とPd担持触媒33のガス流れ方向の長さ寸法は、それぞれ適宜変化させてもよい。低温活性に優れ且つ耐熱性のあまりよくない低温用触媒成分としては、Pt44以外の触媒成分を採用してもよく、又、低温活性はあまり高くないが耐熱性に優れた高温用触媒成分としては、Pd37以外の触媒成分を採用するようにしてもよい。容器38のガス入口39とガス出口40の間に、ガス流通方向の上流側より順にPt部分担持触媒45とPd担持触媒33を設けることができれば、容器38の形状は任意に設定でき、該容器38の形状に対応して上記Pt部分担持触媒45及びPd担持触媒33の形状は任意に設定してよい。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the heat of combustion of the premixed
18a 触媒燃焼器
33 Pd担持触媒(全面担持高温用触媒)
35 メタルハニカム
35a Pt担持チャンネル(低温着火特性に優れる触媒成分を担持させたチャンネル)
35b 触媒非担持チャンネル(触媒成分を担持しないチャンネル)
37 Pd(耐熱性に優れる触媒成分)
44 Pt(低温着火特性に優れる触媒成分)
45 Pt部分担持触媒(部分担持低温用触媒)
35
35b Non-catalyst channel (channel not carrying catalyst component)
37 Pd (catalyst component with excellent heat resistance)
44 Pt (catalyst component with excellent low-temperature ignition characteristics)
45 Pt partially supported catalyst (partially supported low temperature catalyst)
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004002035A JP2005195254A (en) | 2004-01-07 | 2004-01-07 | Catalytic combuster for fuel battery power generation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004002035A JP2005195254A (en) | 2004-01-07 | 2004-01-07 | Catalytic combuster for fuel battery power generation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005195254A true JP2005195254A (en) | 2005-07-21 |
Family
ID=34817382
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004002035A Pending JP2005195254A (en) | 2004-01-07 | 2004-01-07 | Catalytic combuster for fuel battery power generation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005195254A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007059212A (en) * | 2005-08-24 | 2007-03-08 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Fuel cell power generating system and heat exchanger built-in type catalyst combustion device |
JP2010513189A (en) * | 2006-12-14 | 2010-04-30 | テキサコ ディベラップメント コーポレイション | Method for using a catalyst preburner in fuel processing applications |
JP2010108832A (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Fuel cell electric power generation system |
JP2010276331A (en) * | 2009-05-28 | 2010-12-09 | Samsung Sdi Co Ltd | Catalytic combustor and fuel reformer |
JP2015014499A (en) * | 2013-07-04 | 2015-01-22 | ダイハツ工業株式会社 | Hydrogen-oxygen coupler |
-
2004
- 2004-01-07 JP JP2004002035A patent/JP2005195254A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007059212A (en) * | 2005-08-24 | 2007-03-08 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Fuel cell power generating system and heat exchanger built-in type catalyst combustion device |
JP2010513189A (en) * | 2006-12-14 | 2010-04-30 | テキサコ ディベラップメント コーポレイション | Method for using a catalyst preburner in fuel processing applications |
JP2010108832A (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Fuel cell electric power generation system |
JP2010276331A (en) * | 2009-05-28 | 2010-12-09 | Samsung Sdi Co Ltd | Catalytic combustor and fuel reformer |
US8617269B2 (en) | 2009-05-28 | 2013-12-31 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Catalytic combustor and fuel reformer having the same |
JP2015014499A (en) * | 2013-07-04 | 2015-01-22 | ダイハツ工業株式会社 | Hydrogen-oxygen coupler |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101040885B1 (en) | Catalytic Combustor and Fuel Reformer having the same | |
JP2005518084A (en) | Steam generator for PEM fuel cell power equipment | |
JP2005276836A (en) | Method and system for start and transient operation of fuel cell-gas turbine combined system | |
JP5376384B2 (en) | Combustion reformer applied to fuel cell power generation system | |
JP2017525099A (en) | Fuel cell system | |
US20050053816A1 (en) | Burner for combusting the anode exhaust gas stream in a PEM fuel cell power plant | |
CN113839073B (en) | Solid oxide fuel cell system utilizing tail gas | |
JP5771631B2 (en) | Equipment for providing hot exhaust gases | |
JP2005195254A (en) | Catalytic combuster for fuel battery power generation | |
JP5416945B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JP3941159B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
JPH10110630A (en) | Fuel plant for gas turbine combustor | |
JP2000228208A (en) | Composite apparatus of fuel cell and gas turbine | |
JPS61197402A (en) | Apparatus for reforming fuel for fuel cell | |
JP4945901B2 (en) | Operation method of fuel cell power generation system | |
JP4128803B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4847772B2 (en) | Hydrogen-containing gas generator | |
KR101029909B1 (en) | Catalytst-flame combustor for molten carbonate fuel cellMCFC | |
WO2022215224A1 (en) | Fuel cell system | |
JP2003007325A (en) | Combustor of fuel cell anode off-gas, hydrogen production system and fuel cell power generation system | |
JP2501666B2 (en) | Fuel cell anode exhaust gas combustion device | |
JP4345661B2 (en) | Catalytic combustor | |
JP2007323904A (en) | Solid oxide fuel cell module and its starting method | |
JP6029436B2 (en) | Power generation system and method for operating power generation system | |
WO2024033614A1 (en) | Fuel cell system and method of operating the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061124 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070913 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071016 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080318 |