JP2501666B2 - 燃料電池アノ―ド排ガスの燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池
発電システムに設けられる燃料電池アノード排ガスの燃
焼装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池発電システムにお
いては、燃料電池のカソード（空気極）に二酸化炭素お
よび酸素を含んだカソードガスを供給し、一方アノード
（燃料極）には、天然ガス、石炭などの化石燃料を改質
して得られた水素および一酸化炭素などを含有する燃料
ガスを導入し、アノードで水素および一酸化炭素を供給
反応させた後、残存ガスをアノード排ガスとして排出さ
せている。このアノード排ガスは残留水素および一酸化
炭素を含有し可燃性のもので、これを酸素によって燃焼
させてその発生熱を熱交換器型リフォーマ等に供給する
とともに燃焼ガスをカソード（空気極）に供給するよう
にしている。

【０００３】このアノード排ガスを燃焼させる燃焼装置
として、特開平２−２６２２６３号公報には、触媒燃焼
器本体の出入口間に触媒層を多段に設けると共に、アノ
ード排ガス供給管にアノード排ガスを分配して触媒層間
にそれぞれ供給する分配手段を設けることによって、空
気に対するアノード排ガスの割合が見掛上水素の爆発限
界を越えても安全に運転できるようにした装置が開示さ
れている。

【０００４】しかし、この装置においては、触媒燃焼器
本体の入口側の空気導入口にアノード排ガス供給管が接
続され、その実施例からも明らかなように空気とアノー
ド排ガスとの予備混合室が燃焼装置本体の外部に設けら
れているため、予備混合室内で水素の爆発が起こらない
ように、したがって、水素の濃度が水素爆発限界に達し
ないように、アノード排ガスの各段への供給量を厳重に
制御しなければならない。したがって、その管理システ
ムも複雑なものとなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
アノード排ガスの各段への供給量の厳重な制御をしなく
ても、安全かつ効率的にアノード排ガスを燃焼させるこ
とができ、また耐久性および保守性にも優れた燃料電池
アノード排ガスの燃焼装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、アノード排ガ
スと空気との混合、燃焼を全て燃焼装置本体内で行うよ
うにすれば、たとえアノード排ガス中の水素の発火およ
び燃焼が予備混合・燃焼室において起こったとしても何
らの危険もなく安全に運転することができることに着目
して完成された。

【０００７】すなわち、本発明の燃料電池のアノード排
ガス燃焼装置は、酸素含有ガス導入口と複数のアノード
排ガス導入口と燃焼ガスの排出口とを備えた燃料電池ア
ノード排ガスの燃焼装置において、該燃焼装置本体内
に、（イ）アノード排ガスと酸素含有ガスとの予備混合
・燃焼室、（ロ）板状完全混合層とハニカム状または板
状触媒層とからなる接触床をそれぞれ複数段設け、前記
酸素含有ガス導入口が、最上流側の前記予備混合・燃焼
室に通ずるように設けられ、前記複数のアノード排ガス
導入口のそれぞれが、複数段設けられた前記予備混合・
燃焼室のそれぞれに通ずるように設けられ、前記接触床
に対して予備混合・燃焼室が、および前記触媒層に対し
て前記完全混合層がそれぞれ上流側に設置され、前記各
段の触媒層は下流側の触媒層が上流側の触媒層よりも高
い温度に対応する活性と耐熱・耐酸化性を有するように
構成されること、を特徴とするものである。

【０００８】

【作用】酸素含有ガスは酸素含有ガス導入口から、残留
水素および一酸化炭音を含有するアノード排ガスはアノ
ード排ガス導入口からそれぞれ予備混合・燃焼室内に導
入され、ここで混合、部分的に燃焼（燃焼の起こらない
場合もある）された後、混合層と触媒層からなる接触床
を通過する間に十分に混合され完全に燃焼されて燃焼ガ
スとなって排出口から排出される。ここでアノード排ガ
スと酸素含有ガスとの予備混合・燃焼室と、接触床とが
燃焼装置本体内に設けられかつこれが複数段に設けられ
たので、極めて安全に運転することができるとともにア
ノード排ガスの効率的でＮＯｘ発生量の低い（最高１０
ｐｐｍ）燃焼を行うことができる。

【０００９】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。図１は、本発明の実施例による燃料電池のアノ
ード排ガス燃焼装置の断面図である。このアノード排ガ
ス燃焼装置１の本体２には、上部に酸素含有ガス導入口
３、側面に２個の第１および第２のアノード排ガス導入
口４，５、下部に燃焼ガスの排出口６が設けられてい
る。

【００１０】燃焼装置本体２の内部には、板状の完全混
合層７と板状またはハニカム状の触媒層８とからなる第
１の接触床９および同様に板状の完全混合層１０と板状
またはハニカム状の触媒層１１とからなる第２の接触床
１２が２段に設けられ、それぞれの上流側には第１およ
び第２の予備混合・燃焼室１３，１４が形成されてい
る。また燃焼装置本体２の上部には、燃焼装置１のスタ
ートアップ時に使用する、空気導入口１５，１６および
燃料導入口１７を備えたスタートアップバーナー１８が
設けられている。

【００１１】燃焼装置本体の内部は耐火・断熱材１９で
ライニングされ略筒形、好ましくは略円筒形に形成さ
れ、その外周を別種の耐火・断熱材２０で囲って装置本
体１を形成している。また、燃焼装置本体の内部には段
部２１，２２が形成されて上記第１および第２の接触床
９，１２を支持している。なお、燃焼装置本体内部の最
下部で高温の燃焼ガス流が直接当たる部分には、ハイア
ルミナなどの防護板２３を設置して耐火・断熱材を保護
している。

【００１２】以下、本発明の実施例における作用を説明
する。定常運転時において、予熱された酸素含有ガスは
酸素含有ガス導入口３から第１の予備混合・燃焼室１３
内に導かれ、一方残留水素および一酸化岸素を含む予熱
されたアノード排ガスはアノード排ガス導入口４から同
じく第１の予備混合・燃焼室１３内に導かれる。ここで
両ガスは混合されるが、この時両ガスはいずれも高温、
たとえばアノード排ガスは６２５℃程度、酸素含有ガス
は５００℃程度に予熱されているため、水素ガスの発火
や燃焼が起こりやすいが、該第１の予備混合・燃焼室１
３は耐火・断熱材１９により覆われているので、発火や
燃焼が起こっても何らの危険を生ずることもない。この
混合および予備燃焼（場合によっては燃焼の起こらない
こともある）されたガスは板状完全混合層７を通過する
間に十分に混合され、この混合ガスは触媒層８を通過す
る間に残留水素および一酸化炭素が酸素により完全に燃
焼されて、第２の予備混合・燃焼室１４に導かれる。こ
の第１の接触床９での燃焼温度は８５０〜１０００℃程
度であり、最高１０５０℃程度までである。

【００１３】ここで板状完全混合層７は、耐火性でアノ
ード排ガスと酸素含有ガスとを十分に混合できる構造の
ものであればその材質などは特に制限されないが、たと
えば、アルミナジルコニアなどの、空孔率約８５％、細
孔容積率約０．０３ｃｃ／ｇ程度の多孔質材を用いるこ
とができる。また板状またはハニカム状の触媒層８は、
８００〜１０００℃程度で活性を示し１０５０℃程度ま
での耐熱性を有するもの、たとえばアルミナジルコニア
などの多孔性の担体にＰｄなどの金属触媒成分が粗粒の
状態で担持されたものなどが用いられる。

【００１４】次に、第２の予備混合・燃焼室１４に導か
れた燃焼ガスには過剰の酸素ガスが含有されており、こ
の酸素ガスと第２のアノード排ガス導入口５から導かれ
たアノード排ガスとが第２の予備混合・燃焼室１４内で
混合、部分燃焼（場合によっては燃焼の起こらないこと
もある）したのち、第２の接触床１２を経る間に十分混
合、完全燃焼されて、排出口６を経て燃焼ガスとして排
出される。この第２の接触床１２における燃焼温度は９
５０〜１１７０℃程度であり、最高１２００℃程度まで
である。このように複数の接触床を通じて燃焼させるこ
とによりアノード排ガスを効率的に燃焼させることがで
きる。

【００１５】この第２の接触床１２において、板状完全
混合層１０には上記第１の接触床９において用いたもの
と同様の構造および材質のものを用いることができる。
また板状またはハニカム状の触媒層１１としては、触媒
活性はほとんどないが１２００℃程度までの耐熱・耐酸
化性を有する高温蓄熱性の担体、たとえば、反応焼結型
炭化ケイ素などが用いられる。

【００１６】排出口６からの排出ガスは、たとえば９５
０〜１２００℃程度の高温を有し、熱交換器型リフォー
マに導かれ、そこで熱源として利用された後、燃料電池
のカソードに供給される。

【００１７】本装置は、その内部が略筒形、好ましくは
略円筒形に形成され構造が簡単なため、起動、停止の操
作の繰り返しの多い場合においても熱衝撃によく耐え耐
久性に優れ、また触媒の交換等の保守も容易に行うこと
ができる。

【００１８】図１においては、２段式のものを示した
が、３段またはそれ以上のものとすることもできる。た
とえば、３段式とした場合、第１段目をスタートアップ
時用として用い、第２段目および第３段目を定常運転用
として用いるのが好ましい。スタートアップ時には、燃
料ガスとして一般に天然ガスを使用するが、燃焼しにく
いためその触媒層には高活性低温触媒を用いる必要があ
る。たとえば４００〜５００℃程度で燃焼活性をもち最
高７５０〜８００℃程度の耐熱性をもつものが用いら
れ、アノード排ガス燃焼用の触媒とはその使用条件が異
なる。そこで、第１段目の接触床はスタートアップ時用
として用い、スタートアップ完了後の定常運転時におけ
るアノード排ガスの燃焼を第２段目および第３段目の上
記したような条件の接触床で行わせるような構成とすれ
ば、スタートアップおよび定常運転の両者の切り替えを
円滑に行うことができて便利である。

【００１９】なお、図１の２段式のものにおいて、第１
段目をスタートアップ時用として用い、第２段目を定常
運転時のアノード排ガス熱焼用として用いるようにする
ことも可能である。

【００２０】

【発明の効果】本発明の燃料電池のアノード排ガス燃焼
装置によれば、アノード排ガスと酸素含有ガスとの予備
混合・燃焼室と、接触床とを燃焼装置本体内に設けかつ
これを複数段に設け、更に複数段の触媒層は下流側の触
媒層が上流側の触媒層よりも高い温度に対応する活性と
耐熱・耐酸化性を有するように構成されたので、極めて
安全に運転することができるとともにアノード排ガスの
効率的でＮＯｘ発生量の低い（最高１０ｐｐｍ）燃焼を
行うことができる。また、燃焼装置本体の内部構造を略
筒形に形成するときは、上記効果に加えてさらに耐久性
に優れかつ保守も容易なものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による燃料電池のアノード排ガ
ス燃焼装置の断面図。

【符号の説明】

１ アノード排ガス燃焼装置 ２ 燃焼装置本体 ３ 酸素含有ガス導入口 ４ 第１のアノード排ガス導入口 ５ 第２のアノード排ガス導入口 ６ 燃焼ガスの排出口 ７ 板状完全混合層 ８ 板状またはハニカム状触媒層 ９ 第１の接触床 １０ 板状完全混合層 １１ 板状またはハニカム状触媒層 １２ 第２の接触床 １３ 第１の予備混合・燃焼室 １４ 第２の予備混合・燃焼室 １９ 耐火・断熱材

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸素含有ガス導入口と複数のアノード排ガ
   ス導入口と燃焼ガスの排出口とを備えた燃料電池アノー
   ド排ガスの燃焼装置において、該燃焼装置本体内に、
   （イ）アノード排ガスと酸素含有ガスとの予備混合・燃
   焼室、（ロ）板状完全混合層とハニカム状または板状触
   媒層とからなる接触床をそれぞれ複数段設け、前記酸素
   含有ガス導入口が、最上流側の前記予備混合・燃焼室に
   通ずるように設けら、前記複数のアノード排ガス導入口
   のそれぞれが、複数段設けられた前記予備混合・燃焼室
   のそれぞれに通ずるように設けられ、前記接触床に対し
   て予備混合・燃焼室が、および前記触媒層に対して前記
   混合層がそれぞれ上流側に設置され、前記各段の触媒層
   は下流側の触媒層が上流側の触媒層よりも高い温度に対
   応する活性と耐熱・耐酸化性を有するように構成される
   ことを特徴とする燃料電池アノード排ガスの燃焼装置。