JP4049089B2 - 触媒燃焼器 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池から排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを、触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器に関する。

燃焼電池車両等に搭載可能な燃料電池システムとしては、例えば、燃料電池の燃料極に燃料ガスとなる水素を、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給して、これらを電解質膜内で反応させることにより発電電力を得ている。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の燃料極から排出されるガス（以下、アノードオフガス）を外部に排出する際に、触媒燃焼器で燃焼させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、関連する従来技術として、改質器から取り出された水素リッチガスを、加熱された圧縮空気とともに燃焼器に供給するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−２３１２９４号公報 特開２００２−３３９７６３号公報

燃料電池の燃料極からは間欠的（または連続的に）にアノードオフガスが排出されている。燃料電池が固体高分子型の場合には、湿潤状態（ほぼ飽和湿度）で運転されるため、燃料極から排出されるアノードオフガスも飽和状態となっている。燃焼電池の反応は発熱反応であり、高効率域も室温以上の温度域であるため、アノードオフガスが燃料電池から排出されたときに（配管を特別に加熱しない限りは）、配管内部で冷却されて水分が過飽和状態となる。すなわち、アノードオフガスには水素ガスと液水の混合流体となる。

このようなアノードオフガスの排出配管（以下、アノードオフガス排出配管）には曲がり部があるため、この曲がり部で乱流が発生しやすく、液水が配管の曲がり部に溜まり、アノードオフガスの流れを妨げることがあった。とくに、アノードオフガス排出配管の燃焼器内の曲がり部に液水が溜まると、ガスの流れが阻害されてアノードオフガスの濃度に偏りが生じ、燃焼器で均一に燃焼することが難しくなるという課題があった。

本発明に係わる触媒燃焼器は、燃焼電池の燃料極から排出される水素を含む二次燃料ガスと燃焼用空気とをハウジング内で混合し、この混合ガスを触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器において、前記二次燃料ガスを導入するガス供給配管を前記ハウジング内において、ガス供給配管水平部、ガス供給配管曲がり部、ガス供給配管導入部からなる略Ｌ字型の配管構造とし、前記ガス供給配管水平部を前記ハウジング内で水平に配置するとともに、前記ガス供給配管導入部を前記ハウジングの長手方向と直交する方向であって、前記ハウジングを正面から見たときの重力方向と直交する二次元水平面上において水平面から０＜θ＜９０°の範囲に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、ガス供給配管曲がり部で乱流が発生しにくくなるため、二次燃料ガスに含まれる液水がガス供給配管曲がり部などに溜まることがなくなり、配管内でガスの流れが阻害されることがない。したがって、配管内でガスの濃度に偏りが生じることがなく、燃焼器内で均一に燃焼させることができる。

以下、本発明に係わる触媒燃焼器を実施するための最良の形態として、本発明を車両用の燃焼電池システムに適用した場合の実施例について説明する。

図３は、本実施例に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

燃料電池１は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されることにより直流電力を発電する燃料電池スタックであり、電解質膜２の両側に燃料極３と酸化剤極４とを配置した燃料電池セル構造体を図示しないセパレータで挟持し、これを複数積層して構成されている。燃料極３の入口３ａには、燃料ガスとなる水素が水素供給装置５から燃料ガス供給配管７を介して供給され、酸化剤極４の入口４ａには、酸化剤ガスとなる空気が空気供給装置６から酸化剤ガス供給配管８を介してそれぞれ供給される。

一方、燃料電池１の燃料極３の出口３ｂからは、発電の際に消費されずに残った排水素としてのアノードオフガス（二次燃料ガス）が排出され、酸化剤極４の出口４ｂからは同じく発電の際に消費されずに残った排空気としてのカソードオフガス（燃焼用空気）がそれぞれ排出される。

燃料極３の出口３ｂはアノードオフガス循環装置１０と接続され、燃料極３の出口３ｂから排出されたアノードオフガスの一部は、アノードオフガス循環装置１０からアノードオフガス循環配管９を通って燃料ガス供給配管７に再循環するように構成されている。また、アノードオフガス循環装置１０は、開閉弁１１を備えたアノードオフガス供給配管（ガス供給配管）１２を介して触媒燃焼器と接続されている。この触媒燃焼器１３と酸化剤極４の出口４ｂはカソードオフガス供給配管１４で接続されている。触媒燃焼器１３内には、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる触媒１５が設けられ、出口側には触媒１５で混合ガスを燃焼した際に発生する燃焼排ガスを排気するための排気配管１６が接続されている。この排気配管１６の下流側には、例えば熱交換器が接続されていてもよい。

なお本実施例では、燃料電池１の酸化剤極４から排出されたカソードオフガスを燃焼用空気として触媒燃焼器１３に導入する例について示したが、別の空気供給ラインから取り込んだ空気を燃焼用空気として導入するようにしてもよい。

また、燃料電池１には電圧検知手段１７が設けられ、この電圧検知手段１７が所定の電圧値よりも低い電圧を検知した場合には、システムコントローラ１８から出力されるパージ信号により開閉弁１１を開栓し、アノードオフガス循環装置１０から所定流量のアノードオフガスを触媒燃焼器１３へ供給するように構成されている。システムコントローラ１８による上記制御は、燃料電池１の発電状況に応じて間欠的または連続的に実行される。

次に、触媒燃焼器１３の構成を、図１および図２とともに説明する。

図１は、触媒燃焼器１３の内部構造を示す説明図であり、図１（ａ）は側面断面図、図１（ｂ）は（ａ）の矢視Ａから見たときの正面図である。図２は、アノードオフガス供給配管１２のハウジング内での構造を示す説明図であり、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

触媒燃焼器１３は、円筒形状のハウジング１９を備え、内部にアノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる触媒１５が収納されている。ハウジング１９の一方の端部１９ａには、図示しないカソードオフガス供給配管１４（図３参照）が接続され、他方の端部１９ｂには図示しない排気配管１６（図３参照）がそれぞれ接続されている。また、ハウジング１９の一側面には、アノードオフガス供給配管１２の出口端部１２０がハウジング本体を貫通するように取り付けられている。図中、矢印１２ａはアノードオフガス、矢印１４ａはカソードオフガス、矢印１６ａは燃焼排ガスの流れをそれぞれ示している。

ハウジング内部に挿入されたアノードオフガス供給配管１２の出口端部１２０は、図２（ａ）に示すように、ガス供給配管水平部１２１、ガス供給配管曲がり部１２２、ガス供給配管導入部１２３からなる略Ｌ字型の配管として構成されている。

このうちガス供給配管水平部１２１は、ハウジング１９の中心線上に、水平に配置されるとともに、このガス供給配管水平部１２１の吐出端１２１ａはカソードオフガスの導入側上流（矢印１４ａ）側に向けて配置されている。ガス供給配管水平部１２１の吐出端１２１ａは、止め板１２４により封止されており、その周囲には図２（ｂ）に示すようにアノードオフガスの吐出口１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄが放射状に等間隔で形成されている。なお、吐出口の穴数や穴形状は適宜選択可能である。ただし、少なくとも重力方向に１つの吐出口が形成されている必要がある。

また、ガス供給配管導入部１２３は、図１（ｂ）に示すように、ハウジング１９の長手方向と直交する方向１０１であって、かつ図１（ｂ）に示すように、矢視Ａから見たときの重力方向１０２と直交する二次元水平面１０３上において、この水平面からθ（０＜θ＜９０°）の角度でハウジング１９内に挿入されている。ただし、ガス供給配管導入部１２３は、少なくともハウジング１９内においては上記θの角度をとるものとする。また、ハウジング１９への挿入方向は、図１（ｂ）に示すように、右上方から中心に向かう方向でもよい。

さらに、ガス供給配管曲がり部１２２は、図２（ａ）に示すように、ガス供給配管水平部１２１とガス供給配管導入部１２３との間を曲線でつなぐような配管形状を備えている。

上記構成において、アノードオフガス供給配管１２を介してハウジング１９内に導入されたアノードオフガスは、ガス供給配管導入部１２３からガス供給配管曲がり部１２２を経てガス供給配管水平部１２１へ導かれ、その吐出端１２１ａの周囲に形成された吐出口１２５ａ〜１２５ｄからハウジング１９内に排出される。一方、図示しないカソードオフガス供給配管１４を介して触媒燃焼器１３へ導入されたカソードオフガス（矢印１４ａ）は、ガス供給配管水平部１２１側に向かって送り込まれ、ここでアノードオフガスとカソードオフガスとが混合して混合ガスが形成される。この混合ガスは、さらに後段の触媒１５で燃焼され、このとき生成された燃焼排ガス（矢印１６ａ）が、図示しない排気配管１６を介して外部へ排気される。

本実施例において、アノードオフガス供給配管１２のガス供給配管導入部１２３は、図１（ｂ）に示すように、水平面からθの角度でハウジング１９内に挿入されているため、ガス供給配管曲がり部１２２で乱流が発生しにくく、アノードオフガスに含まれる液水は、ガス供給配管曲がり部１２２やガス供給配管水平部１２１に溜まることなくガス供給配管水平部１２１の吐出端１２１ａまで運ばれて、ガス供給配管水平部１２１の吐出端１２１ａに形成された吐出口１２５ａ〜１２５ｄからアノードオフガスとともに排出される。したがって、ガス供給配管曲がり部１２２やガス供給配管水平部１２１でアノードオフガスの流れが阻害されることがなく、アノードオフガスの濃度にも偏りが生じることなくなるため、触媒１５において均一に燃焼させることができる。

また、アノードオフガスに含まれる液水がハウジング１９の配管であるガス供給配管曲がり部１２２やガス供給配管水平部１２１内に溜まることがないため、システムを氷点下の低温環境下に放置した場合でも、配管内での凝縮水の凍結や閉塞を防止することができる。

次に、ガス供給配管導入部１２３の角度を水平面からθ（０＜θ＜９０°）とした場合の作用について説明する。

通常、水素だけを流通させた場合、配管の曲がり部や水平部で乱流が発生したとしても密度が小さいためにレイノルズ数Ｒｅは流れに影響するほど大きくならない。しかしながら、アノードオフガスのように液水を含むものでは、配管の曲がり部や水平部で乱流が発生するとレイノルズ数Ｒｅが非常に大きくなるために流体が流れにくくなる。したがって、本実施例のように触媒燃焼器１３の内部配管として使用する場合は、レイノルズ数Ｒｅを小さくすることが求められることになる。レイノルズ数Ｒｅは、
Ｒｅ＝Ｕ・Ｌ／ν （ただし、Ｕ：流速、Ｌ：配管長さ、ν：動粘度）
で表される。この場合、配管長さＬは図１（ｂ）に示すようにハウジング１９の外径で決まるため、ほとんど自由度はない。また動粘度νは物性値で一定である。よって、レイノルズ数Ｒｅを小さくするためには、流速Ｕを小さくすることが重要となる。ここで、ガス供給配管導入部１２３の角度θを水平面から９０°、すなわち垂直に配置したとすると、重力加速度分だけ流速Ｕが増大してしまう。図１（ｂ）において、流速Ｕと配管長さＬは、Ｕ∝Ｌ・ｓｉｎθの関係になる。したがって、流体の流れを良くするには、角度θを９０°ではなく、０＜θ＜９０°の範囲とすることが好ましいことになる。ちなみに、角度θを大きくするとレイノルズ数Ｒｅは大きくなり、角度θを小さくするとレイノルズ数Ｒｅは小さくなる。ただし、θ＝０°では配管内部に液水が溜まってしまうので好ましくない。

上述したように、ガス供給配管導入部１２３の角度θを０＜θ＜９０°の範囲とすることで配管の曲がり部や水平部での乱流の発生を抑制することができるため、配管の圧損低減、ガス供給配管水平部（後述する整流部）１２１の配管長さの短縮、触媒燃焼器１３内での水素濃度ムラ低減などの効果を得ることができる。これにより、触媒燃焼器内において、アノードオフガスに含まれる液水を完全に気化させることができる。

なお、ガス供給配管導入部１２３の角度θは、アノードオフガス中に含まれる液水比率や湿度などに応じて適宜に設定される。

本実施例において、ハウジング１９の内部に水平に配置されたガス供給配管水平部１２１は整流部となるため、この部分でアノードオフガスの２相混相流体を整流して、ガスと液水の２相に分離することができる。また、アノードオフガスを、整流部にある吐出口１２５ａ〜１２５ｄから吐出することができるため、後段の触媒１５における水素濃度のムラを少なくすることができる。また、ガス供給配管水平部１２１をハウジング１９の中心線上に配置しているため、アノードオフガスをハウジング１９の長手方向と直交する方向１０１（図１）において均等に吐出することができる。さらに、ガス供給配管水平部１２１の吐出端１２１ａにおいて、吐出口１２５ａ〜１２５ｄは放射状に等間隔で形成されているため、アノードオフガスを放射状に均一に吐出することができる。

また、ガス供給配管水平部１２１の吐出端１２１ａがカソードオフガスの導入側上流側に向けて配置されているため、アノードオフガスとカソードオフガスの混合路を長くすることができ、より均一な混合ガスを得ることができる。

また、本実施例においては、図２（ａ）に示すように、ガス供給配管曲がり部１２２を曲線形状の配管構造としているため、この部分を直角形状にした場合と比べて、配管内での乱流の発生をさらに低減することができる。

触媒燃焼器の内部構造を示す説明図。（ａ）は側面断面図。（ｂ）は（ａ）の矢視Ａから見たときの正面図。 アノードオフガス供給配管のハウジング内での構造を示す説明図。（ａ）は側面図。（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図。 実施例に係わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図。

符号の説明

１…燃料電池
２…電解質膜
３…燃料極
４…酸化剤極
５…水素供給装置
６…空気供給装置
７…燃料ガス供給配管
８…酸化剤ガス供給配管
１２…アノードオフガス供給配管
１３…触媒燃焼器
１４…カソードオフガス供給配管
１５…触媒
１９…ハウジング
１２０…出口端部
１２１…ガス供給配管水平部
１２２…ガス供給配管曲がり部
１２３…ガス供給配管導入部
１２５ａ〜１２５ｄ…吐出口

Claims (5)

1. 燃焼電池の燃料極から排出される二次燃料ガスと燃焼用空気とをハウジング内で混合し、この混合ガスを触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器において、
   前記二次燃料ガスを導入するガス供給配管を前記ハウジング内において、ガス供給配管水平部、ガス供給配管曲がり部、ガス供給配管導入部からなる略Ｌ字型の配管構造とし、
   前記ガス供給配管水平部を前記ハウジング内で水平に配置するとともに、前記ガス供給配管導入部を前記ハウジングの長手方向と直交する方向であって、前記ハウジングを正面から見たときの重力方向と直交する二次元水平面上において水平面から０＜θ＜９０°の範囲に配置したことを特徴とする触媒燃焼器。
2. 前記ガス供給配管水平部の吐出端を、前記燃焼用空気の導入側上流に向けたことを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼器。
3. 前記ガス供給配管水平部の吐出端に、前記二次燃料ガスを吐出する複数の吐出口を放射状に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の触媒燃焼器。
4. 前記ガス供給配管水平部を、前記ハウジングの中心線上に配置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の触媒燃焼器。
5. 前記ガス供給配管曲がり部を、曲線形状の配管構造としたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の触媒燃焼器。
   

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