JP2011113918A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム全体の効率を下げずに、改質器バーナ燃料として電池本体から供給されるアノードオフガスの水分を減らして、改質器バーナの燃焼を安定化させる。
【解決手段】燃料電池システムは、バーナ５での発熱を利用して原燃料を水素リッチな改質燃料に改質する改質器４と、改質器４で改質された燃料と空気を用いて発電して水素を含有するアノードオフガスを排出する燃料電池本体１と、アノードオフガスをバーナ５で燃焼させるためにバーナ５に導くアノードオフガスライン２と、を有する。バーナ５は燃料電池本体１の上端部よりも上方に配置されていて、アノードオフガスライン２は燃料電池本体１の上端部から上方に向かって延びている
【選択図】図１

Description

この発明はアノードオフガスを改質器バーナで燃焼させる燃料電池システムに関する。

家庭用燃料電池は、都市ガスあるいはＬＰＧ（液化石油ガス）を原燃料として水素に改質し、改質した水素と空気中の酸素とを反応させて発生した電力及び排熱を利用する。燃料電池コージェネレーションシステムでは通常アノード極に反応に必要な量以上の水素を供給し、余剰の水素を含むアノードオフガスを改質器に導入してバーナで燃焼し、発生した熱を原燃料の改質熱源として活用する（特許文献１、２参照）。

特開２００８−６６０９６号公報 特開２００６−５９７３４号公報 特開２００９−７２２２号公報

アノードオフガスには余剰の水素のほかに飽和状態の蒸気が含まれており、アノード出口でガスの温度が低下すると蒸気の一部が凝縮し液滴となる。上記に示したシステムでは、アノードオフガスを改質器バーナに導入し燃料として燃焼しているが、アノードオフガスとともに液滴も改質器バーナに流入すると、燃焼温度が低下し火炎が不安定になる。バーナ燃焼が不安定状態に陥ると、バーナ排ガス中に一酸化炭素が発生し、周辺の安全性に対する問題が発生する。

そこで、電池本体のアノードオフガスを改質器バーナ燃料とする構成において、アノードオフガス中の凝縮水によるバーナの不完全燃焼を防止するために、アノードオフガスを改質器バーナへ導く配管の途中に凝縮器を設けて水分を凝縮させて分離し、水分を減らしたアノードオフガスを改質器バーナへ導く技術が知られている（特許文献３参照）。

しかし、アノードオフガスを改質器バーナへ導く途中に水分を凝縮させるためにはアノードオフガスを冷却する必要があり、熱的損失が大きくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、電池本体のアノードオフガスを改質器バーナ燃料とする燃料電池システムにおいて、システム全体の効率を下げずに、改質器バーナ燃料として電池本体から供給されるアノードオフガスの水分を減らして、改質器バーナの燃焼を安定化させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃焼によって発熱するバーナを備えて、そのバーナでの発熱を利用して原燃料を水素リッチな改質燃料に改質する改質器と、前記改質器で改質された燃料と空気を用いて電気化学反応によって発電して水素を含有するアノードオフガスを排出する燃料電池本体と、前記アノードオフガスを前記バーナで燃焼させるために前記バーナに導くアノードオフガスラインと、を有する燃料電池システムであって、前記バーナは前記燃料電池本体の上端部よりも上方に配置されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃焼によって発熱するバーナを備えて、そのバーナでの発熱を利用して原燃料を水素リッチな改質燃料に改質する改質器と、前記改質器で改質された燃料と空気を用いて電気化学反応によって発電して水素を含有するアノードオフガスを排出する燃料電池本体と、前記アノードオフガスを前記バーナで燃焼させるために前記バーナに導くアノードオフガスラインと、前記アノードオフガスラインの途中に配置された加熱器と、を有すること、を特徴とする。

本発明によれば、電池本体のアノードオフガスを改質器バーナ燃料とする燃料電池システムにおいて、システム全体の効率を下げずに、改質器バーナ燃料として供給される電池本体のアノードオフガスの水分を減らして、改質器バーナの燃焼を安定化させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示すフロー図である。 本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を示すフロー図である。 図２の燃料電池システムのアノードオフガスライン内の状況を模式的に示す縦断面図である。 図３のアノードオフガスライン内の液体にかかる力を模式的に示す縦断面図である。 本発明に係る燃料電池システムの第３の実施形態におけるアノードオフガスラインの要部を示す部分立断面図である。 本発明に係る燃料電池システムの第４の実施形態におけるアノードオフガスラインの要部を示す部分立断面図である。 本発明に係る燃料電池システムの第５の実施形態におけるアノードオフガスラインの要部を示す部分立断面図である。 本発明に係る燃料電池システムの第６の実施形態を示すフロー図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示すフロー図である。

燃料電池本体１は、たとえば固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み込んでアノードとカソードを形成した単電池を、複数個積層してスタックとしたものである（特許文献２参照）。各単電池の間は多孔質材料からなるセパレータで仕切られている。また、セパレータには、燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれ流通する燃料ガス流路溝および酸化剤ガス流路溝が形成されている。セパレータにはさらに、冷却水が流れる冷却水流路溝も形成されている。冷却水は、大気圧に対して負圧の状態で循環するように構成されている。

燃料電池本体１の外に改質器４が配置され、原燃料が改質器４で水素リッチな燃料ガスに改質され、改質された燃料ガスが燃料ガス供給配管３０を通じて燃料電池本体１のアノードに供給されるように構成されている。燃料電池本体１で燃料ガスの水素の一部が消費され、残りの燃料ガスはアノードオフガスとしてアノードオフガスライン２を通って、改質器４のバーナ５に供給される。アノードオフガス内の可燃成分はバーナ５で燃焼して発熱し、この熱が改質器４での改質反応に利用される。

この実施形態では、バーナ５は燃料電池本体１の頂部よりも上方にあって、アノードオフガスライン２は、燃料電池本体１の頂部から上方に延び、その下流側でほぼ水平に延びてバーナ５に接続されている。

上記構成において、通常の発電運転時に、燃料電池本体１からバーナ５に向かうアノードオフガスライン２内の流れの中には、アノードオフガスのほかに飽和状態の蒸気が含まれている。この実施形態では、バーナ５が燃料電池本体１の頂部よりも上方にあって、しかも、アノードオフガスライン２が燃料電池本体１の頂部から上方に延びていることから、アノードオフガスライン２の鉛直管部で、アノードオフガスが上昇流となって、そこに含まれる水分が下降して燃料電池本体１に戻ることが期待できる。燃料電池本体１に戻った水分は、燃料電池本体１内の多孔質のセパレータを通して冷却水に吸収される。

これにより、アノードオフガス中の凝縮水が改質器４の改質器バーナ５に流入するのが抑制され、改質器バーナ５での燃焼が安定化される。また、アノード出口閉塞による水素欠乏運転によって引き起こされる電池本体への不可逆的なダメージを防止する効果を有する。

［第２の実施形態］
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を示すフロー図である。図３は、図２の燃料電池システムのアノードオフガスライン内の状況を模式的に示す縦断面図である。図４は、図３のアノードオフガスライン内の液体にかかる力を模式的に示す縦断面図である。

この実施形態では、アノードオフガスライン２は、燃料電池本体１の側部から水平方向に向かう第１の水平管部２１と、第１の水平管部２１の先端から曲げられて上方に向かう鉛直管部２２と、鉛直管部２２の上端から曲げられて水平に向かう第２の水平管部２３とを有し、第２の水平管部２３の下流側がバーナ５に接続されている。

ここで、少なくとも鉛直管部２２、好ましくは鉛直管部２２および第１の水平管部２１の配管の内径が、従来の設計よりも太くなっていて、通常運転時にこの部分を流れるアノードオフガスの流速が２ｍ／ｓｅｃ以下となるように設計されている。

通常運転時において、アノードオフガスライン２内の凝縮水７は、図３に示すように、鉛直管部２２の内壁に沿って生成されて、その内壁に付着していることが考えられる。その場合に、凝縮水７の各液滴には、図４に示すように、下向きの重力Ｇと、アノードオフガスの流れによる上向きの動圧Ｄとが作用する。鉛直管部２２内のアノードオフガスの上向きの流速が大きいほど動圧Ｄは大きくなり、動圧Ｄ＞重力Ｇであると、凝縮水はアノードオフガスとともに上昇してバーナ５まで運ばれることになる。逆に動圧Ｄ＜重力Ｇであると、凝縮水は落下して、燃料電池本体１のアノードへ戻ることになる。動圧Ｄと重力Ｇが釣り合うときの流速は、通常、約２ｍ／ｓｅｃである。したがって、凝縮水がバーナ５に流入しない条件は、鉛直管部２２内のアノードオフガスの上向きの流速が２ｍ／ｓｅｃ以下である。

この実施形態によれば、アノードオフガス中の凝縮水が改質器４の改質器バーナ５に流入するのが抑制され、改質器バーナ５での燃焼が安定化される。また、アノード出口閉塞による水素欠乏運転によって引き起こされる電池本体への不可逆的なダメージを防止する効果を有する。

［第３の実施形態］
図５は、本発明に係る燃料電池システムの第３の実施形態におけるアノードオフガスラインの要部を示す部分立断面図である。

この実施形態では、アノードオフガスライン２の燃料電池本体１との接続部が第１の分岐管３１と第２の分岐管３２に分岐しており、これらの分岐管が共通の鉛直管部２２に合流している。第１の分岐管３１は燃料電池本体１の底部から下方に延び、水平方向に曲がってさらに上向きに曲がって鉛直管部２２の下端に接続されている。第２の分岐管３２は燃料電池本体１の側部から水平に延びて鉛直管部２２に接続されている。

この実施形態によれば、鉛直管部２２内の凝縮水７は第１の分岐管３１内に堆積する。第１の分岐管３１は燃料電池本体１の底部と接続されており、堆積した凝縮水は燃料電池本体１に流れ込む。そして、第２の分岐管３２内には凝縮水が堆積しない。そのため、第２の分岐管３２内は凝縮水によって閉塞されず、アノードオフガスが分岐管３２を経由して鉛直管部２２を通り、バーナ５まで運ばれる。これにより、凝縮水がバーナ５に浸入をすることを防止し、バーナ５での安定した燃焼を行ない、さらにアノード出口閉塞による水素欠乏運転によって引き起こされる電池本体への不可逆的なダメージを防止することができる。

［第４の実施形態］
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第４の実施形態におけるアノードオフガスラインの要部を示す部分立断面図である。

この実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、アノードオフガスライン２は、燃料電池本体１の側部から水平方向に向かう第１の水平管部２１と、第１の水平管部２１の先端から曲げられて上方に向かう鉛直管部２２と、鉛直管部２２の上端から曲げられて水平に向かう第２の水平管部２３（図２参照）とを有し、第２の水平管部２３の下流側がバーナ５に接続されている。

この実施形態では、第１の水平管部２１の内側に、第１の水平管部２１と同軸で両端が開放された内管２６が配置されて、二重管構造になっている。

この実施形態で、燃料電池本体１を出たアノードオフガスは内管２６の内側を流れ、アノードオフガス内に含まれていた蒸気が凝縮してできた凝縮水７は、内管２６の外側で第１の水平管部２１の内側の環状部を通って、燃料電池本体１に流れ込む。

アノードオフガス中の凝縮水７はアノード出口に堆積するが、内管２６の外側で第１の水平管部２１内側の環状部を通って、燃料電池本体１に流入する。またアノードオフガスは内管２６内を通って流れる。これにより、凝縮水７がアノード出口の配管に滞留しても、アノードオフガスの流れを阻害しない。それにより、凝縮水７がバーナ５に浸入をすることを防止し、バーナ５での安定した燃焼を行ない、さらにアノード出口閉塞による水素欠乏運転によって引き起こされる燃料電池本体１への不可逆的なダメージを防止することができる。

［第５の実施形態］
図７は、本発明に係る燃料電池システムの第５の実施形態におけるアノードオフガスラインの要部を示す部分立断面図である。

この実施形態は第２の実施形態（図２）の変形であって、アノードオフガスライン２は、燃料電池本体１の側部から水平方向に向かう第１の水平管部２１と、第１の水平管部２１の先端から曲げられて上方に向かう鉛直管部２２と、鉛直管部２２の上端から曲げられて水平に向かう第２の水平管部２３（図２参照）とを有し、第２の水平管部２３の下流側がバーナ５に接続されている。

この実施形態では、鉛直管部２２内に邪魔板１４が配置されている。邪魔板１４は、たとえば、鉛直管部２２内に固定された穴あき水平円板である。

鉛直管部２２内の凝縮水がアノードオフガスの動圧によって上方（下流側）に移動する場合には、凝縮水が壁面に付着し、壁面を伝わって流れる。本実施例では壁面に邪魔板１４を取り付けることにより、凝縮水の上向きの動きが邪魔板１４によって阻害され、バーナ５に流入することを防止できる。これにより、バーナ５での安定した燃焼を維持することができる。

［第６の実施形態］
図８は、本発明に係る燃料電池システムの第６の実施形態を示すフロー図である。この実施形態では、燃料電池本体１からバーナ５に向かうアノードオフガスライン２の途中に加熱器３が配置されている。この実施形態では、燃料電池本体１よりも低い位置に改質器４が配置されている。

この実施形態では加熱器３によりアノードオフガスを加熱することにより、アノードオフガス中の凝縮水の発生を防止でき、凝縮水が改質器バーナ５に流入することを防止できる。それにより、改質器４の改質器バーナ５での安定燃焼を維持できる。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、上記各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

たとえば、第２の実施形態（図２）、第５の実施形態（図７）では、燃料電池本体１の側部にアノードオフガスライン２の第１の水平管部２１が接続されているが、この部分を、第１の実施形態（図１）と同様に燃料電池本体１の頂部から上方に向かう鉛直管部に接続してもよい。

また、第２の実施形態（図２）の、アノードオフガスライン２の鉛直管部を十分に太くするという特徴は、第１および第３ないし第５のいずれの実施形態にも適用できる。

また、第６の実施形態（図８）の加熱器３をアノードオフガスライン２のと中に配置するという特徴は他のいずれの実施形態にも適用できる。

１ 燃料電池本体
２ アノードオフガスライン
３ 加熱器
４ 改質器
５ バーナ
７ 凝縮水
１４ 邪魔板
２１ 第１の水平管部
２２ 鉛直管部
２３ 第２の水平管部
２６ 内管
３１ 第１の分岐管
３２ 第２の分岐管

Claims (7)

1. 燃焼によって発熱するバーナを備えて、そのバーナでの発熱を利用して原燃料を水素リッチな改質燃料に改質する改質器と、
   前記改質器で改質された燃料と空気を用いて電気化学反応によって発電して水素を含有するアノードオフガスを排出する燃料電池本体と、
   前記アノードオフガスを前記バーナで燃焼させるために前記バーナに導くアノードオフガスラインと、
   を有する燃料電池システムであって、
   前記バーナは前記燃料電池本体の上端部よりも上方に配置されていること、を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記アノードオフガスラインは前記燃料電池本体の上端部から上方に向かって延びていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記アノードオフガスラインは、前記燃料電池本体の底部から下方に向かう第１の分岐管と、前記燃料電池本体の側部から水平方向に向かう第２の分岐管と、を有し、前記第１の分岐管と第２の分岐管とが合流して上方に向かうように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記アノードオフガスラインは、前記燃料電池本体の側部から水平方向に向かう水平管部と、この水平管部の下流側で上方に向かう鉛直管部とを含み、前記水平管部が二重管によって構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記アノードオフガスラインは、前記燃料電池本体から前記バーナに向かって上方に延びた鉛直管部を有し、通常運転時の前記鉛直管部でのアノードオフガスの流速が２ｍ／ｓｅｃ以下であること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記アノードオフガスラインは、前記燃料電池本体から前記バーナに向かって上方に延びた鉛直管部を有し、前記鉛直管部に、アノードオフガス中を上昇する液体の流れを妨げる邪魔板が配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 燃焼によって発熱するバーナを備えて、そのバーナでの発熱を利用して原燃料を水素リッチな改質燃料に改質する改質器と、
   前記改質器で改質された燃料と空気を用いて電気化学反応によって発電して水素を含有するアノードオフガスを排出する燃料電池本体と、
   前記アノードオフガスを前記バーナで燃焼させるために前記バーナに導くアノードオフガスラインと、
   前記アノードオフガスラインの途中に配置された加熱器と、
   を有すること、を特徴とする燃料電池システム。

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