JP5446471B2 - 燃料電池システムの改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの改質装置に関する。特に、発電モジュールから排出されるオフガス（アノードオフガス）を燃料とする改質器バーナにより加熱しつつ触媒と接触させることにより原料ガスを燃料ガスに改質させる改質装置において、オフガス燃焼時の保炎性（火炎保持性）を高めて燃焼安定性を担保することにより、改質器を効率よく加熱し得る技術に係る。

従来、燃料電池システムの改質装置として、点火装置及び触媒を備えた改質器に都市ガスを供給し、その都市ガスに点火しつつ触媒に通すことにより改質反応を起こさせ、改質後のガスを燃料ガスとして発電モジュールに供給して発電させるものが知られている（例えば特許文献１の段落００１７及び図３参照）。

又、直管の内部に水蒸気改質触媒を充填させた複数の改質反応管を、周方向多数の炎孔を有する管状バーナに対し、この管状バーナの周囲を囲むように互いに平行に配置し、改質反応管には気化させた灯油と水蒸気を供給する一方、管状バーナには気化させた灯油と空気を混合させたものを供給し、管状バーナの周囲から隣接する複数の改質反応管に向けて炎を吹き出させるようにしたものも知られている（例えば特許文献２の段落００７７−００７９参照）。

特開平６−１９６１７６号公報 特開２００８−７３７２号公報

ところで、改質器を燃焼熱で加熱するための改質器バーナを備えたものにおいて、その改質器バーナの燃料として発電モジュールから排出されるオフガスを用いる場合には、そのオフガスが多量の未利用水素を含むため、予め空気と混合して燃焼させるという予混合燃焼方式を採用すると、燃焼速度が極めて高くなって逆火が発生し易くなるという不都合が生じることになる。このため、燃料としてオフガスを用いる場合には、オフガスを予混合させずにバーナポートから直接に噴出させ、周囲の空気との混合により拡散燃焼させるという方式が採用されることになる。

しかしながら、このような拡散燃焼方式を採用すると、そのオフガスによる拡散火炎の不安定化を招き易くなって改質器を有効にかつ安定的に加熱することが困難になる場合が生じることになる。特に、発電モジュールからのオフガスの供給量は発電量の増減により影響を受け易くなり、オフガスの供給量低下に伴い拡散燃焼の不安定化を招き易くその火炎の維持（保炎）も困難になる。そして、改質器バーナの火炎が不安定化してしまうと、改質反応の低下を招き、これに伴い発電モジュールへの燃料ガス（改質後のガス）の供給量も低下してしまう結果、安定的な発電性能を維持し得ない事態を招くことになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電により排出されるオフガスを燃料としてその燃焼熱により改質触媒を加熱する場合に、オフガスの供給量にたとえ増減変化等が生じたり、それに伴いオフガス供給が不安定化したりしても、オフガスの燃焼火炎の保炎性を高めて燃焼安定性を確保することにより、改質触媒を安定的にかつ効率よく加熱し得る燃料電池システムの改質装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、改質触媒が中空パイプ内に充填されてなる管状改質部と、発電時に生成されるオフガスを燃料として燃焼させる加熱手段とを備え、この加熱手段からの燃焼熱により上記管状改質部を加熱することにより上記改質触媒に熱を付与しつつ、上記管状改質部内に原料ガスを通過させることにより燃料ガスに改質させるように構成された、燃料電池システムの改質装置を対象にして次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記加熱手段はオフガスを噴出させて燃焼させるバーナポートを備えたものとし、上記管状改質部を、上記バーナポートに対し、このバーナポートからのオフガスの燃焼により形成される火炎を保炎するように所定間隔を隔てて相対向する位置に配設することとする。

この特定事項を備える場合、バーナポートから噴出されるオフガス流が比較的緩速である場合にはそのオフガス流はバーナポートに相対向する管状改質部の部位に衝突して両側に分流する際に、上記衝突する部位の上流側の領域に淀み領域が形成されることになる。この淀み領域は比較的高温状態に維持されるため、火炎が安定的に保持されて燃焼安定性も維持されることになる。バーナポートから噴出されるオフガス流が比較的急速である場合には、そのオフガス流は管状改質部に衝突した後に両側に分流してバーナポートと反対側の部位において渦流を形成し、この渦流の形成により再循環領域が形成されることになる。この場合も再循環領域が比較的高温状態に維持されるため、そこに火炎を形成して燃焼安定性を維持し得ることになる。以上より、オフガスの供給量にたとえ増減変化等が生じたり、それに伴いオフガス供給が不安定化したりしても、オフガスの燃焼火炎の保炎性を高めて燃焼安定性を確保することにより、管状改質部内の改質触媒を安定的にかつ効率よく加熱し得ることになる。この結果、燃料電池システムによる発電運転も安定的に維持し得ることになる。

上記特定事項に加えて本発明では、管状改質部を構成する中空パイプとして円形断面を有するものとし、上記管状改質部を、その中空パイプの円の中心が上記バーナポートの中心軸上に位置するように配設することとする。このようにすることにより、バーナポートから噴出されるオフガス流が管状改質部に衝突して淀み領域を形成したり、後流が渦流になって再循環領域を形成したりする現象をバランス良く実現させることが可能となり、上記のオフガス燃焼に基づく火炎を安定的に保炎して燃焼安定性を維持し得る作用をより確実に実現させ得るようになる。

さらに、以上の特定事項に加えて本発明では、上記特定事項における所定間隔として、管状改質部を、バーナポートに対し、そのバーナポートの内径よりも大きく、かつ、管状改質部の中空パイプの外径よりも小さい間隔を隔てるように位置設定することとした（請求項１）。この場合、以上の特定事項による作用がより確実に得られる具体的事項を特定し得ることになる。

さらに、上記発明において、管状改質部と、加熱手段のバーナポートとの間を横切るように配設された保炎部材を備えるようにすることができる。この場合の保炎部材としては、上記バーナポートからのオフガス流が通過し得るように多孔状でかつ加熱を受けて蓄熱し得るように形成し、かつ、上記管状改質部に対し熱伝達可能に接触した状態に配置する（請求項２）。このようにすることにより、オフガス流が保炎部材を通過する際に淀み領域が形成されたり、通過したオフガス流により再循環領域が形成されたりというように高温状態に維持される領域の形成によって保炎性がより一層増強されて燃焼安定性のより一層の向上が図られる一方、火炎からの熱エネルギーの付与に加えて、保炎部材からの熱伝達によっても改質触媒に対する熱エネルギーの付与が可能となる。これにより、改質触媒の安定的かつ効率の良い加熱が可能となって改質による燃料ガス生成の効率化が図られることになる。

以上、説明したように、本発明の燃料電池システムの改質装置によれば、バーナポートから噴出されるオフガス流が比較的緩速であっても、そのオフガス流がバーナポートに相対向する管状改質部の部位に衝突する部位の上流側の領域に淀み領域を形成することができ、このような比較的高温状態に維持される淀み領域の形成によって、火炎を安定的に保持して燃焼安定性を維持することができるようになる。又、バーナポートから噴出されるオフガス流が比較的急速であっても、そのオフガス流が管状改質部に衝突した後に両側に分流してバーナポートと反対側の部位に流れた後流によって再循環領域を形成することができ、このような比較的高温状態に維持される再循環領域の形成によって、火炎を形成して燃焼安定性を維持することができるようになる。以上より、オフガスの供給量にたとえ増減変化等が生じたり、それに伴いオフガス供給が不安定化したりしても、オフガスの燃焼火炎の保炎性を高めて燃焼安定性を確保することができ、管状改質部の改質触媒を安定的にかつ効率よく加熱することができるようになる。この結果、燃料電池システムによる発電運転を安定的に維持することができるようになる。

加えて、本発明によれば、バーナポートから噴出されるオフガス流が管状改質部に衝突して淀み領域を形成したり、後流が渦流になって再循環領域を形成したりする現象をバランス良く実現させることができるようになり、オフガス燃焼に基づく火炎を安定的に保炎して燃焼安定性を維持し得るという上記の効果をより確実に実現させることができるようになる。そして、管状改質部と、バーナポートとの間隔を具体的に特定することができ、以上の効果をより確実に得ることができるようになる。

さらに、請求項２によれば、オフガス流が保炎部材を通過する際に淀み領域が形成されたり、通過したオフガス流により再循環領域が形成されたりというように高温状態に維持される領域を積極的に形成することができ、これにより、保炎性をより一層増強して燃焼安定性のより一層の向上を図ることができるようになる。さらに、火炎からの熱エネルギーの付与に加えて、保炎部材からの熱伝達によっても改質触媒に対する熱エネルギーの付与を行うことができ、これにより、改質触媒を安定的かつ効率良く加熱することができ、改質による燃料ガス生成の効率化をより一層確実に図ることができるようになる。

本発明の実施形態が適用される燃料電池システムの例を内部構造を省略して模式的に示す斜視図である。 図１の燃料電池システムの発電モジュール内のセルスタックの構成例を一部切欠状態で示す部分斜視図である。 第１実施形態に係る改質装置の例を一部切欠状態で示す斜視図である。 図３のＸ−Ｘ線における部分拡大断面説明図である。 オフガス供給が不安定化しても保炎を維持している状態を示す図４対応図である。 第２実施形態に係る改質装置の例を一部切欠状態で示す斜視図である。 図６のＹ−Ｙ線における部分拡大断面説明図である。 第２実施形態に属する他の態様を示す図７対応図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る改質装置を適用した燃料電池システムの例を示す。同図において、２は複数のセルスタックが内蔵された発電モジュール、３は原料ガスＭを例えば触媒を用いて改質して燃料ガスを生成する改質器、４は改質器３を加熱する加熱手段としての改質器バーナ、５はカソード空気Ａを供給するカソード空気供給手段である。上記改質器３と、改質器バーナ４とによって改質装置が構成されている。

発電モジュール２は、例えば固体酸化物型（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）の例を図２に示すように、筐体２１内にセルスタック６が１以上の所定数内蔵されて構成されている。そして、筐体２１内は隔壁２２により内部空間２０と底室２３とが互いに区画され、この底室２３に対し改質器３から燃料ガスＦが導入されるようになっている。

セルスタック６は１以上の円筒型の発電セル６１を備えて構成されたものであり、図例では１列６本に配列された円筒型（例えば直径１０ｍｍ，長さ１００ｍｍ程度）の発電セル６１，６１，…が２列分ずつ保持枠６２により保持されたもので構成されている。各発電セル６１は、小径円筒形状のアノードと、この外周側を覆う大径円筒形状のカソードとが間に電解質を挟んだ状態で同心円状に一体化されたものであり、互いに所定間隔ずつ隔てた状態で上記隔壁２２の上に立設されている。アノードや、カソードはいずれもＮｉ等の金属酸化物を含有するセラミックスにより形成されたものであり、電解質は例えばＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されたものである。

各発電セル６１のアノードの内周面により構成される内孔６３１は上記隔壁２２を貫通して底室２３に連通されており、底室２３に供給された燃料ガスＦが内孔６３１の下端から上端に向けて流されるようになっている。又、各発電セル６１の外周面がカソードの外周面６４１により構成され、噴出口５１ａ，５１ｂ，…から筐体２１の内部空間２０にカソード空気Ａが噴出されることにより上記外周面６４１に対し供給されるようになっている。カソードではカソード空気Ａの酸素が酸素イオンとなって電解質を通り、アノードでは燃料ガスＦの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。内孔６３１に供給された燃料ガスＦは内孔６３１を上方に向けて通過する間に上記反応に利用された後、未利用水素を含むオフガスが内孔６３１の上端から排出される。このオフガスは各内孔６３１の上端に連通されたオフガス供給管４１を通して改質器バーナ４に導かれ、この改質器バーナ４で燃料として利用されて燃焼されるようになっている。又、内部空間２０に供給されたカソード空気Ａは上方に排気されるようになっている。

カソード空気供給手段５は、セルスタック６の配列方向の両側端側に位置する筐体２１の相対向壁２１１，２１１に対し噴出口５１ａ，５１ｂがそれぞれ形成され、この噴出口５１ａ，５１ｂに対し図示省略のカソードブロアからの空気が空気流路５３１，５３２を通して供給されて内部空間２０の各発電セル６１に向けて噴出されるようになっている。この際、例えば一対の開閉弁５５１，５５２（図１参照）等の供給切換手段の切換制御によって、空気を一側の噴出口５１ａ，５１ａ，…にのみ供給して噴出させる噴出パターンと、他側の噴出口５１ｂ，５１ｂ，…にのみ供給して噴出させる噴出パターンとを交互に切換えたり、あるいは、交互切換の前後に両側の各噴出口５１ａ，５１ｂの双方から同時に噴出させる噴出パターンを介在させたりするようにすればよい。これにより、全ての発電セル６１，６１，…の外周面に対しその上下方向に亘り均一にカソード空気を供給させることができ、淀み領域が発生したりその発生が継続したりしてカソード空気の供給ムラが発生するというような不都合の発生を回避することができる。

＜第１実施形態＞
図３は、以上の構成の燃料電池システムに適用される改質装置の第１実施形態を示すものである。改質器３は、図３にその構造例を示すように、複数（図例では６本）の管状改質部３１，３１，…と、各管状改質部３１の入口側（上流端側）に連通接続された入口側ヘッダー３２と、各管状改質部３２の出口側（下流端側）に連通接続された出口側ヘッダー３３とを備えて構成されている。複数の管状改質部３１，３１，…は所定間隔を隔てて平行に配列され、これらに対し入口側ヘッダー３２及び出口側ヘッダー３３が例えば直交状態で交差して一体に連結されている。各管状改質部３１は中空パイプの内部に例えばＮｉ系やＲｕ系の改質触媒３４が充填されて構成されたものであり、入口側ヘッダー３２に供給されたメタン（ＣＨ４）と水蒸気からなる原料ガスＭが各管状改質部３１に対し分流され、各管状改質部３１内のペレット状の改質触媒３４の空隙を通過する間に改質触媒３４による触媒反応が生じることになる。この改質触媒３４による触媒反応は吸熱反応であり、このために改質器バーナ４からの燃焼熱により管状改質部３１を加熱して改質触媒３４に熱エネルギーを付与するようになっている。そして、主として水素（Ｈ２）と一対酸化炭素（ＣＯ）に改質された改質後のガス（改質ガス）が各管状改質部３１から出口側ヘッダー３３に導出されることになる。この出口側ヘッダー３３に導出された改質ガスが燃料ガスＦとして発電モジュール２に供給されることになる。なお、その際に、図示省略のＣＯ除去器により改質ガス中のＣＯが除去される。

改質器バーナ４は、発電モジュール２のアノードから排出される未利用水素を多量に含むオフガスを燃焼させるものである。具体的には、各発電セル６１（図２参照）の内孔６３１の上端に連通されたオフガス供給管４１の下流端（先端）にポート形成部材４２（図４参照）が取り付けられてバーナポート（炎孔）４３が形成されている。従って、発電セル６１，６１，…に対応する数のバーナポート４３，４３，…が、発電セル６１，６１，…に対応する配列で形成されている。

図４に改質器バーナ４のバーナポート４３と、改質器３の管状改質部３１との位置関係を示すように、バーナポート４３の直上位置に管状改質部３１が位置し、かつ、バーナポート４３と管状改質部３１とが所定間隔になるように配置されている。すなわち、バーナポート４３の中心位置を通る中心軸Ｃ上に管状改質部３１の底部の最もバーナポート４３に近接する部位又は点（近接点）３１１が位置するように、バーナポート４３と管状改質部３１とが配置されている。つまり、管状改質部３１が図４に示す如く円形であれば、バーナポート４３の中心軸Ｃ上に管状改質部３１の円の中心が位置するように配置されている。この場合、バーナポート４３から噴出されるオフガス流の中心軸、つまりバーナポート４３の中心軸Ｃが上記近接点３１１を通ることになる。

これにより、バーナポート４３から噴出されるオフガスＯｆの噴出流が管状改質部３１の上記近接点３１１を境に左右に分かれて管状改質部３１の周面に沿って流れるようにし、その近接点３１１の下側に淀み領域（オフガスＯｆの流速をゼロに又は極めて緩やかな流速に低下させる領域）Ｒを形成するようにしている。そして、この淀み領域Ｒの形成によって、たとえバーナポート４３から噴出されるオフガスＯｆの流量が比較的少なくても、バーナポート４３からの火炎（オフガスＯｆによる拡散火炎）Ｆ１がバーナポート４３と管状改質部３１の近接点３１１を含む底部とを互いに結ぶように保炎されるようになっている。この結果、オフガスＯｆを用いた拡散燃焼の燃焼安定性が確保され、火炎Ｆ１が管状改質部３１の底部から左右の周面に沿って延びて管状改質部３１が確実に加熱されることになる。以上の火炎Ｆ１の保炎性能をより高めるためには、バーナポート４３と、管状改質部３１の近接点３１１との相対間隔Ｓを、例えばバーナポート４３の内径ｄよりも大で、管状改質部３１の外径Ｄよりも小に設定すればよい。

なお、図４は上記の火炎Ｆ１の保炎性等を実現させるためのメカニズムの理解のために、左側にオフガスＯｆの噴出流の流れを点線の矢印で図示し、右側にその噴出流によって形成される火炎Ｆ１の形状を黒塗りにより図示しているが、いずれにおいてもオフガスＯｆの噴出流によって火炎Ｆ１が形成されることになる。又、なお、図例では管状改質部３１として円形のものを図示しているが、これに限らず、少なくともバーナポートと相対向する底部側の形状がＵの字状又はＶの字状とされ、バーナポートから噴出されるオフガスの噴出流の中心軸に対し直交して実質的に平坦面とみなし得る程度の曲率を有する形状を有していればよく、楕円形断面のパイプ等の他に、下端がアール形状に丸くされた逆三角形等の断面形状を有するパイプであってもよい。

さらに、バーナポート４３から噴出されるオフガスＯｆの供給が不安定化したとしても、保炎性及び燃焼安定性を維持することができる。例えばオフガスＯｆの流速が高くなって燃え難い成分が増大するようなオフガス供給の不安定化が生じたとしても、図５に示すようにバーナポート４３からのオフガスＯｆの噴出流は管状改質部３１の左右両側から頂部側に勢いよく流れ、この後流によって頂点３１２の上側に渦流が形成されて再循環領域Ｊが形成されるようになる。この再循環領域Ｊの形成により高温領域が管状改質部３１の頂点３１２側に維持される結果、頂点３１２側に火炎Ｆ２が形成・維持されて保炎性及び燃焼安定性の維持・確保が実現されることになる。なお、図５においても、図４と同様に左側にオフガスＯｆの噴出流の流れを破線の矢印で図示し、右側にその噴出流によって形成される火炎Ｆ２の形状を黒塗りにより図示しているが、いずれにおいてもオフガスＯｆの噴出流によって火炎Ｆ２が形成されることになる。

以上により、オフガスの供給量にたとえ増減変化等が生じたり、それに伴いオフガス供給が不安定化したりしたとしても、オフガスの燃焼火炎の保炎性を高めて燃焼安定性を確保することができ、管状改質部を安定的にかつ効率よく加熱することができるようになる。これにより、燃料電池システムによる発電等の作動の安定性を高めることができるようになる。

＜第２実施形態＞
図６は第２実施形態の改質装置に係る改質器３と改質器バーナ４との例を示す。この第２実施形態は、第１実施形態のものに保炎部材４４を追加したものであって、その他の構成は第１実施形態のものと同じである。このため、第１実施形態と同じ構成要素には第１実施形態と同じ符号を付して重複した詳細説明を省略する。

上記保炎部材４４は、耐熱性の多孔状素材により形成され、バーナポート４３からのオフガスＯｆの噴出流を通過させる一方、加熱を受けて蓄熱又は赤熱しそれ自体が比較的高温に保持されるようになっている。具体的には、保炎部材４４は、耐熱性の金属金網又はパンチングメタル等により板状に構成され、図７に示すように、この保炎部材４４が各管状改質部３１の底部に対し熱伝達可能に接触された状態で保持されている。

このような保炎部材４４を追加することにより、各バーナポート４３からのオフガスＯｆの噴出流が保炎部材４４を通過する際に、保炎部材４４近傍において一部のオフガスＯｆにより淀み領域が形成されると共に、保炎部材４４を通過した残部のオフガスＯｆが相隣接する管状改質部３１，３１間に流れることになる。そして、この相隣接する管状改質部３１，３１間では下方の二つのバーナポート４３，４３から分流されたオフガス流が衝突することにより再循環領域が形成されることになる。以上の結果、運転途中でオフガス供給が不安定化したとしても、保炎部材４４は比較的高温に維持されて、その熱を各管状改質部材３１に伝達し続けることができると共に、相隣接する管状改質部３１，３１間の保炎部材４４上において上記再循環領域により比較的高温領域が形成されて安定した火炎Ｆ３を形成することができるようになる。つまり、火炎Ｆ３を安定して保持（保炎）させることができるようになり、この結果、燃焼安定性を確保することができるようになる。

又、図８に示すように、上記の保炎部材４４の他に、さらに保炎部材の一種として火炎安定用の燃焼用触媒４５を追加することができる。すなわち、形状としては例えば球体等の粒状、金網片等に成形され、素材としては例えば白金等により形成した燃焼用触媒４５を相隣接する管状改質部３１，３１間の保炎部材４４上に適宜数載置する。

これにより、たとえオフガス供給が不安定化し、本来であると火炎の安定化が困難になる場合であっても、燃焼用触媒４５，４５，…の上に火炎Ｆ４が安定的に保持されて燃焼安定性の維持・確保を図ることができるようになる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、本発明の改質装置を適用した燃料電池システムとしてＳＯＦＣ型のものを例示したが、これに限らず、他のタイプ、例えばＰＥＦＣ（固体高分子型）等の燃料電池システムにも適用することができる。

４ 改質器バーナ（加熱手段）
３１ 管状改質部
３４ 改質触媒
４３ バーナポート
４４ 保炎部材
Ｃ バーナポートの中心軸
Ｆ 燃料ガス
Ｍ 原料ガス
Ｏｆ オフガス

Claims (2)

1. 改質触媒が中空パイプ内に充填されてなる管状改質部と、発電時に生成されるオフガスを燃料として燃焼させる加熱手段とを備え、この加熱手段からの燃焼熱により上記管状改質部を加熱することにより上記改質触媒に熱を付与しつつ、上記管状改質部内に原料ガスを通過させることにより燃料ガスに改質させるように構成された、燃料電池システムの改質装置であって、
   上記加熱手段はオフガスを噴出させて燃焼させるバーナポートを備え、上記管状改質部は、上記バーナポートに対し、そのバーナポートからのオフガスの燃焼により形成される火炎を保炎するように所定間隔を隔てて相対向する位置に配設され、
   上記管状改質部を構成する中空パイプは円形断面を有し、上記管状改質部はその中空パイプの円の中心が上記バーナポートの中心軸上に位置するように配設されており、
   上記管状改質部は、上記バーナポートに対し、そのバーナポートの内径よりも大きく、かつ、管状改質部の中空パイプの外径よりも小さい間隔を隔てるように位置設定されている、
   ことを特徴とする燃料電池システムの改質装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置であって、
   上記管状改質部と、上記加熱手段のバーナポートとの間を横切るように配設された保炎部材を備え、
   上記保炎部材は、上記バーナポートからのオフガス流が通過し得るように多孔状でかつ加熱を受けて蓄熱し得るように形成され、かつ、上記管状改質部に対し熱伝達可能に接触した状態に配置されている、燃料電池システムの改質装置。

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