JP2501669B2 - スタ―トアップ手段を内蔵した燃料電池発電システム用多段触媒燃焼器 - 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
焼装置に関し、さらに詳しくはスタートアップ手段を内
蔵した燃料電池発電システム用多段触媒燃焼器に関する
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
岸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）に供給して二酸
化炭素をリサイクルするシステムを構成している。

【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
ード排ガス枇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、アノード排
ガスの燃焼を開始させるためのスタートアップ手段は開
示されておらず、従来この種の触媒燃焼器では、別にス
タートアップ用加熱炉ないし燃焼器を設けてスタートア
ップを行っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、燃料電池発
電システム用アノード排ガスの触媒燃焼器の一装置内で
スタートアップと定常運転の両者を行うことのできる燃
料電池発電システム用多段触媒燃焼器を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本出願人は、先に燃料電
池発電システム用アノード排ガスと酸素含有ガスとの予
備混合・燃焼室と、完全混合層と触媒層とからなる接触
床をそれぞれ複数段設けた燃料電池アノード排ガスの燃
焼装置を出願したが（特願平３−１８９７５号）、この
装置はその構造が簡単である等からこれと同様の装置に
スタートアップバーナーを取り付け、スタートアップ時
の燃焼装置としても同時に用いることができるようにす
れば、スタートアップおよび定常運転を一つの装置で行
うことができ極めて便利であることに着目して、本発明
は完成された。

【０００７】すなわち、本発明のスタートアップ手段を
内蔵した燃料電池発電システム用多段触媒燃焼器は、空
気導入口と複数の燃料ガス導入口と燃焼ガスの排出口と
を備えたアノード排ガスを燃料ガスとして使用する燃料
電池発電システム用多段触媒燃焼器において、該触媒燃
焼器本体内に、（イ）燃料ガスと空気との予備混合・燃
焼室、（ロ）完全混合層と触媒層とからなる接触床をそ
れぞれ複数段設け、前記空気導入口が、触媒燃焼器本体
の最上流側に位置して、量上流側の前記予備混合・燃焼
室に通ずるように設けられ、前記複数の燃料ガス導入口
のそれぞれが、触媒燃料器本体の側面部に位置して、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前記予備混合・
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、最上流側に、一端にスター
トアップバーナー空気導入口とスタートアップバーナー
燃料ガス導入口とを備え、他端にバーナーチップおよび
燃焼・稀釈部を有するスタートアップバーナーから構成
されるスタートアップ手段が設けられており、該スター
トアップ手段の前記燃焼・稀釈部が、最上流側の前記予
備混合・燃焼室に通ずる前記空気導入口と最上流側の前
記燃料ガス導入口との間に位置するように配置されてい
ることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】溶融炭酸塩型燃料電池発電システムにおいて
は、スタートアップ時と定常運転時とでそれぞれ異なる
２種類の燃料ガスが使用されるが、本発明のスタートア
ップ手段を内蔵した燃料電池発電システム用多段触媒燃
焼器においてはその双方を効率よく燃焼させることがで
きる。まず、定常運転時には、アノード排ガスを燃料ガ
スとして使用するが、このアノード排ガスは、たとえば
Ｈ_２１５％（ここで「％」は容量％を意味する。以下同
じ）、ＣＯ ２％、ＣＨ_４０．２％、ＣＯ_２６４％、Ｈ
_２Ｏ １８．８％の組成を有し、その発熱量は約４５０
ｋｃａｌ／Ｎｍ^３と低いが、燃焼しやすいＨ_２やＣＯが
含有されており燃焼速度が大きく燃焼が容易である。一
方、スタートアップ時には、燃料ガスとしてたとえば天
然ガスを使用するが、この天然ガスは、たとえば、ＣＨ
_４９０％、Ｃ_２Ｈ_６６％、炭素数３以上の炭化水素ガス
４％の組成を有し、その発熱量は約９５００ｋｃａｌ／
Ｎｍ^３と高いが、燃焼速度がおそく燃焼が困難である。
このような比較的燃焼しにくいガスを効率的に燃焼させ
るためには、高活性で低温発火性の触媒を用いるのが好
ましい。

【０００９】本発明の燃料電池発電システム用多段触媒
燃焼器における各段の触媒層への空気および燃料ガスの
供給は、空気については全量を触媒燃焼器本体の空気導
入口から供給し、一方燃料ガスは各段の燃料ガス導入口
から供給するようになっており、従来この種の触媒燃焼
器に用いられているようないわゆる予混合部を有しな
い。なお、空気導入口から供給される空気は、各段の触
媒層での燃焼用ガスとして用いられるとともに、スター
トアップ時においては、高温に加熱されたスタートアッ
プバーナー燃焼ガスの稀釈用ガスとしても作用する。

【００１０】本発明の燃料電池発電システム用多段触媒
燃焼器には、最上流側にスタートアップ手段が設けられ
る。これによって、一つの触媒燃焼器に燃料電池発電シ
ステムのためのスタートアップと定常運転の両方の機能
を併せもたせることができる。さらに具体的には、この
スタートアップ手段は一端にスタートアップバーナー空
気導入口とスタートアップバーナー燃料ガス導入口とを
備え、他端にバーナーチップおよび燃焼・稀釈部を有す
るスタートアップバーナーからなる。この燃焼・稀釈部
が空気導入口と最上流側の燃料ガス導入口との間に位置
するように、スタートアップ手段が配置される。かかる
配置とすることにより、スタートアップバーナー燃料ガ
スの高温燃焼とその燃焼ガスの稀釈がスムーズに行われ
て、下流側の触媒層にとって好適な燃焼温度を与えるこ
とができる。

【００１１】なお、本発明において「スタートアップ手
段を内蔵した」というのは、スタートアップ手段の主要
部たるスタートアップバーナーの燃焼・稀釈部、バーナ
ーチップ部分、およびバーナーチップへの燃料・空気導
入部分の少なくとも一部が、触媒燃焼器本体内に設けら
れているという意味である。

【００１２】以下にスタートアップ時と定常運転時のそ
れぞれにおける本発明の燃料電池発電システム用多段触
媒燃焼器の作用の概略を説明する。スタートアップ時に
おいては、スタートアップ用の燃料として上記のように
比較的燃焼しにくい天然ガスを用いてこれをスタートア
ップバーナーによって高温に燃焼させて、この高温の燃
焼ガスを空気導入口からの空気によって稀釈して触媒層
での燃焼に好適な温度まで低下させる。つぎに、このよ
うにして稀釈された過剰の空気を含有するガスと燃料ガ
ス導入口からの燃料ガス（天然ガス）とが予備混合・燃
焼室で混合され、完全混合層と触媒層からなる接触床を
通過する間に十分混合され完全燃焼されてつぎの予備混
合・燃焼室に導かれる。以下同様に各段の燃料ガス導入
口からの燃料ガス（天然ガス）が各段の接触床で燃焼さ
れ燃焼ガスとなって排出口から排出され、後続の熱交換
器型リフォーマの加熱に供され、更に燃料電池の昇温に
使用される。この間に各段の触媒層は燃料ガスの燃焼に
好適な温度まで上昇される。

【００１３】このようにして、燃料電池発電システムの
スタートアップが完了しアノード排ガスが燃料電池より
排出されるようになると、各段へ供給する燃料ガスをア
ノード排ガスに切り替えて定常運転を行う。この定常運
転は、具体的には、空気は空気導入口から、残留水素お
よび一酸化炭素を含有するアノード排ガスは各燃料ガス
導入口からそれぞれ各段の予備混合・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、完全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。この排出口からの燃
焼ガスは、高温に加熱されているため熱交換器型リフォ
ーマに供給され熱源として利用される。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を詳
細に説明する。図１は、本発明の実施例によるスタート
アップ手段を内蔵した３段式の燃料電池発電システム用
触媒燃焼器の断面図である。この多段触媒燃焼器１の本
体２には、上部に空気導入口３、側面に３個の第１、第
２および第３の燃料ガス導入口４，５，６、下部に燃焼
ガスの排出口７が設けられている。

【００１５】また触媒燃焼器本体２の上部には、燃料電
池発電システムのスタートアップ時に使用する、一端に
スタートアップバーナー空気導入口８，９およびスター
トアップバーナー燃料導入口１０を備え、他端にバーナ
ーチップ１１および燃焼・稀釈部１２を有し、それらの
間にバーナーチップ１１に通ずる燃料・空気導入部１３
が形成されたスタートアップバーナー１４が設けられ、
そのバーナー１４の他端先端部の断面形状が略逆Ｕ字型
に形成され、その先端付近には上記空気導入口３から供
給された空気を噴出する空気噴出口１５，１６が形成さ
れている。

【００１６】燃焼器本体２の内部には、完全混合層１７
と触媒層１８とからなる第１の接触床１９、同様に完全
混合層２０と触媒層２１とからなる第２の接触床２２お
よび同様に完全混合層２３と触媒層２４とからなる第３
の接触床２５が３段に設けられ、それぞれの上流側には
第１、第２および第３の予備混合・燃焼室２６，２７，
２８が形成されている。

【００１７】燃焼器本体の内部は耐火・断熱材２９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３０で囲って燃焼器１を
形成している。また、燃焼器本体の内部には段部３１，
３２、３３が形成されて上記第１、第２および第３の接
触床１９，２２，２５を支持している。なお、燃焼器本
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、アルミナジルコニア多孔体などから
なる防護板３４を設置して耐火・断熱材を保護してい
る。

【００１８】以下、本発明の実施例における作用を説明
する。まず、スタートアップ時において、スタートアッ
プバーナー１４の燃料ガス導入口１０から供給されたス
タートアップ用燃料ガス（天然ガス）は、スタートアッ
プバーナー空気導入口８，９から供給された空気（空気
比約１．３）によってスタートアップバーナー燃焼・稀
釈部１２で完全燃焼される。このときの燃焼温度は約１
８００℃程度である。

【００１９】空気導入口３から導入された空気が、空気
噴出口１５，１６から燃焼・稀釈部１２に噴出されて、
高温に熱せられた燃焼ガスを稀釈して、下流側の第１の
触媒層１８にとって最適な約５００℃程度を与える。

【００２０】このようにして稀釈された燃焼ガスおよび
空気導入口３から供給された過剰の空気と第１の燃料ガ
ス導入口４から供給されたスタートアップ用燃料ガス
（天然ガス）とが第１の予備混合・燃焼室２６で混合さ
れて、完全混合層１７と触媒層１８からなる第１の接触
床１９を通過する間に十分混合、完全燃焼されて第２の
予備混合・燃焼室２７に導かれる。この第１の接触床１
９での燃焼温度は５００〜８００℃程度である。

【００２１】ここで完全混合層１７は、耐火性で燃料ガ
スと空気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０．０
３ｃｃ／ｇ程度の多孔質材を用いることができ、たとえ
ば板状に形成される。また、触媒層１８には、比較的難
燃性の天然ガスを約５００℃程度の低温で燃焼させるこ
とのできる高活性の低温発火触媒が用いられる。たとえ
ば、コージライトの担体にＰｄを高分散させて、たとえ
ばハニカム状に形成したものが用いられる。そしてこの
触媒層１８での燃焼によって、次の第２の触媒層２１に
とって好適な約８００℃程度を与えることができる。こ
のように、第１段の触媒層に高活性の低温発火触媒を用
いることによって、第１段の予備混合・燃焼室温度を約
５００℃程度の低いレベルにすることができるので、上
記スタートアップバーナー１４の小型化も可能となる。

【００２２】次に、第２の予備混合・燃焼室２７に導か
れた燃焼ガスには空気導入口３から供給された過剰の空
気が含有されており、この空気と第２の燃料ガス導入口
５から導かれた燃料ガス（天然ガス）とが第２の予備混
合・燃焼室２７内で混合されたのち、第２の接触床２２
を経る間に十分混合、完全燃焼されて次の第３の予備混
合・燃焼室２８に導かれる。この第２の接触床２２での
燃焼温度は８００〜１０００℃程度であり、最高１０５
０℃程度までである。

【００２３】この第２の接触床２２において、完全混合
層２０には上記第１の接触床１９において用いたものと
同様の構造および材質のものが用いるられる。また触媒
層２１は、天然ガスの燃焼に対し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、たとえば板状に形成されて用いられる。

【００２４】次に第３の予備混合・燃焼室２８に導かれ
た燃焼ガスには過剰の空気が含有されており、この空気
と第３の燃料ガス導入口６から導かれた燃料ガス（天然
ガス）とが第３の予備混合・燃焼室２８内で混合された
のち、第３の接触床２５を経る間に十分混合、完全燃焼
されて、排出口７を経て燃焼ガスとして排出される。こ
の第３の接触床２５での燃焼温度は９５０〜１１００℃
程度であり、最高１２００℃程度までである。

【００２５】この第３の接触床２５においても、完全混
合層２３には上記第１の接触床１９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、触媒層２４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、た
とえばハニカム状に形成されて用いられる。

【００２６】このようにして各段の触媒層の温度が整定
され、触媒燃焼器自体、後続の熱交換器型リフォーマお
よび燃料電池の昇温が達成（通常約４時間程度にてなさ
れる）され、燃料電池発電システムのスタートアップが
完了し、アノード排ガスが燃料電池より排出されてくる
と、燃料ガスをスタートアップ用の天然ガスからアノー
ド排ガスに切り替えて定常運転に移行させる。

【００２７】この定常運転時において、燃料ガスとなる
アノード排ガスには燃焼しやすい水素や一酸化炭素が含
まれているため、上記のスタートアップ時に用いた高活
性低温発火触媒層１８を用いる必要がなく、アノード排
ガスの燃焼には上記した第２および第３の接触床２２，
２５が用いられる。したがって、アノード排ガスの供給
は第２および第３の燃料ガス導入口５，６を通じて行わ
れる。以下、定常運転時の作用を説明する。

【００２８】定常運転時において、予熱された空気は空
気導入口３から第１の予備混合・燃焼室２６、第１の接
触床１９を経て第２の予備混合・燃焼室２７内に導か
れ、一方残留水素および一酸化炭素を含む予熱されたア
ノード排ガスは燃料ガス導入口５から同じく第２の予備
混合・燃焼室２７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、空気は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２の予備混合・燃焼室２７は耐火・断熱材２９
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
ガスは完全混合層２０を通過する間に十分に混合され、
この混合ガスは触媒層２１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３の予
備混合・燃焼室２８に導かれる。この第２の接触床２２
での燃焼温度は８００〜１０００℃程度であり、最高１
０５０℃程度までである。

【００２９】ここで接触床２２に用いられる完全混合層
２０と触媒層２１は上記スタートアップ時に用いたもの
がそのまま用いられる。なお、触媒層２１は、水素ガス
の燃焼に対しては８００〜１０００℃程度で活性を示
す。

【００３０】次に、第３の予備混合・燃焼室２８に導か
れた燃焼ガスには過剰の空気が含有されており、この空
気と第３の燃料ガス導入口６から供給されたアノード排
ガスとが第３の予備混合・燃焼室２８内で混合、予備燃
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３の接触床２５を経る間に十分混合、完全燃焼
されて、排出口７を経て燃焼ガスとして排出される。こ
の第３の接触床２５における燃焼温度は９５０〜１１７
０℃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。

【００３１】ここで接触床２５に用いられる完全混合層
２３と触媒層２４は上記スタートアップ時に用いたもの
がそのまま用いられる。なお、触媒層２４は、１２００
℃程度までの耐熱・耐酸化性を有する。

【００３２】排出口７からの排出ガスは、たとえば３〜
７ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ程度の圧力、９５０〜１２００℃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
必要な熱源として利用された後、燃料電池のカソードに
供給されて二酸化炭素のリサイクルに利用される。

【００３３】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。

【００３４】図１においては３段式のものを示したが、
２段式または４段式以上のものとすることもできる。２
段式とする場合には、上記した３段式のものにおいて、
スタートアップ用の第１の接触床１９あるいは第２の接
触床２２を取り外した構造のものとすることができる。

【００３５】２段式において、スタートアップ用の第１
の接触床１９を設けないで用いる場合には、スタートア
ップ時に上流側の接触床での燃焼が良好に行われるよう
にスタートアップバーナー燃焼ガスの稀釈後の温度が８
００℃程度となるようにコントロールする必要がある。
この場合には、上記した３段式のものにおける稀釈後の
温度（約５００℃程度）に比べて高温に保持する必要が
あるため、スタートアップバーナーはより容量の大き
い、したがって、より大型のものにする必要がある。な
お、この場合の各段の接触床での燃料ガスの燃焼温度
は、スタートアップ時において上流側接触床で８００〜
１０００℃程度、下流側接触床で９５０〜１１００℃程
度であり、定常運転時において上流側接触床で８００〜
１０００℃程度、下流側梓触床で９５０〜１１７０℃程
度である。これらの燃焼温度は、上記した３段式の触媒
燃焼器において説明した第２の接触床２２および第３の
接触床２５での燃焼温度と同じである。

【００３６】

【発明の効果】本発明のスタートアップ手段を内蔵した
燃料電池発電システム用多段触媒燃焼器によれば、触媒
燃焼器本体内にスタートアップ手段が内蔵されているの
で、一装置でスタートアップと定常運転の両者をスムー
ズに切り替えることができるとともに、独立したスター
トアップ用加熱炉ないし燃焼器が不要となり機器コスト
の低減が図られ、かつ設置面積も少なくて済む。特にス
タートアップ用の第１段触媒として高活性低温発火触媒
を用いるときは、第１段の予備混合・燃焼室温度を約５
００℃程度という低いレベルにすることができるので、
スタートアップバーナーの小型化が可能となる。

【００３７】また、アノード排ガスと空気との予備混合
・燃焼室と、触媒床とを燃焼器本体内に設けかつこれを
複数段に設けたので、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。さら
に、燃焼器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スタートアップ手段を内
蔵した３段式の燃料電池発電システム用触媒燃焼器の断
面図。

【符号の説明】

１ 多段触媒燃焼器 ２ 燃焼器本体 ３ 空気導入口 ４ 第１の燃料ガス導入口 ５ 第２の燃料ガス導入口 ６ 第３の燃料ガス導入口 ７ 燃焼ガスの排出口 ８ スタートアップバーナー空気導入口 ９ スタートアップバーナー空気導入口 １０ スタートアップバーナー燃料ガス導入口 １１ バーナーチップ １２ 燃焼・稀釈部 １３ バーナーチップへ通ずる燃料・空気導入部 １４ スタートアップバーナー １５ 空気噴出口 １６ 空気噴出口 １７ 完全混合層 １８ 触媒層 １９ 第１の接触床 ２０ 完全混合層 ２１ 触媒層 ２２ 第２の接触床 ２３ 完全混合層 ２４ 触媒層 ２５ 第３の接触床 ２６ 第１の予備混合・燃焼室 ２７ 第２の予備混合・燃焼室 ２８ 第３の予備混合・燃焼室 ２９ 耐火・断熱材

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気導入口と複数の燃料ガス導入口と燃焼
   ガスの排出口とを備えたアノード排ガスを燃料ガスとし
   て使用する燃料電池発電システム用多段触媒燃焼器にお
   いて、該触媒燃焼器本体内に、（イ）燃料ガスと空気と
   の予備混合・燃焼室、（ロ）完全混合層と触媒層とから
   なる触媒床をそれぞれ複数段設け、前記空気導入口が、
   触媒燃焼器本体の最上流側に位置して、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
   燃料ガス導入口のそれぞれが、触媒燃焼器本体の側面部
   に位置して、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
   前記予備混合・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、最上流側
   に、一端にスタートアップバーナー空気導入口とスター
   トアップバーナー燃料ガス導入口とを備え、他端にバー
   ナーチップおよび燃焼・稀釈部を有するスタートアップ
   バーナーから構成されるスタートアップ手段が設けられ
   ており、該スタートアップ手段の前記燃焼・稀釈部が、
   最上流側の前記予備混合・燃焼室に通ずる前記空気導入
   口と最上流側の前記燃料ガス導入口との間に位置するよ
   うに配置されていることを特徴とする、スタートアップ
   手段を内蔵した燃料電池発電システム用多段触媒燃焼
   器。