JP5584480B2

JP5584480B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5584480B2
Application number: JP2010010064A
Authority: JP
Inventors: 卓若林
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: JP2011150842A

Description

本発明は、収納容器内に、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部と、前記燃料電池部での反応後に残存する改質ガスと空気とを混合して燃焼させる燃焼室とが備えられ、前記燃焼室での燃焼により得た熱を用いて前記改質器での改質を行う燃料電池装置に関する。

上記のような燃料電池装置として、従来、燃料電池部が、改質ガスが通流する燃料通流部と空気が通流する空気通流部とを有するセルを並列状態で複数並べて構成され、燃焼室が、燃料通流部を通過した改質ガスを燃料ガスとして、その燃料ガスと空気通流部を通過した空気とを混合して燃焼させる燃焼空間として燃料電池部の上方に隣接して備えられているものがある（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１に記載の装置では、燃料通流部を通過した燃料ガスと空気通流部を通過した空気とが燃焼室に供給されることにより、燃料ガスと空気とを混合して燃焼させている。そして、燃焼室において複数のセルの並び方向の中央部に相当する箇所に着火用ヒータが配置されており、この着火用ヒータを着火源として燃焼室での燃焼を行っている。

特開２００８−２４３５９７号公報

上記特許文献１に記載の装置では、燃焼室において、燃料電池部を通過した燃料ガス（改質ガス）と空気とを混合して燃焼させているだけであるので、燃料ガス及び空気の供給条件や通流状態によって失火に至ることがある。

つまり、燃料電池装置は、本来、改質ガスと空気とを反応させて発電するものであるので、燃料電池部に供給される改質ガス及び空気の供給条件や通流状態については、最適な発電を行えるように設定されている。よって、燃料電池部を通過して燃焼室に供給される燃料ガス（改質ガス）及び空気の供給条件や通流状態は、最適な発電を行えるように設定されており、燃焼室での燃焼に適したものとなっていない。多くの場合、燃焼室に供給される燃料ガスと空気との混合比については、燃焼に適した混合比（例えば、空気比１．２〜１．３）に対して、空気の量が過剰となっている（例えば、空気比２．０以上）。このように、燃焼室に供給される燃料ガス（改質ガス）及び空気の供給条件や通流状態が燃焼に適したものから外れているので、失火が発生する可能性が高い。

特に、例えば、燃料電池装置の出力を低下側に変更する場合等には、燃料通流部に供給する改質ガスの供給量及び空気通流部に供給する空気の供給量を減少することになるが、このとき、燃焼室での発熱と燃焼量が少なくなり、温度が低下するため、失火が発生する。
また、上記特許文献１に記載の装置では、燃料電池部が、複数のセルを並列状態で並べて構成されているので、その燃料電池部に隣接する燃焼室が水平方向に延びる大きな空間となっている。その為に、燃焼室の全域に亘って燃料ガス及び空気の供給条件や通流状態を均一にすることが難しく、燃焼室において局所的に空気の量が大きく過剰となる領域が生じることがあり、その領域では、燃料ガス及び空気の供給条件や通流状態が燃焼に適したものから大きく外れてしまい、失火が発生する。

このように、燃焼室にて失火が発生すると、燃焼室での燃焼が不完全燃焼となり、燃料電池装置としての効率が低下する。つまり、上記のような燃料電池装置では、燃焼室での燃焼により得た熱を改質器での改質に用いている。よって、燃焼室での燃焼が完全燃焼となっていることを前提として、その燃焼により得た熱を改質器にて有効に活用できるように熱バランスを取っており、このような熱バランスを取ることで燃料電池装置として効率よい運転を行えるように設計されている。したがって、燃焼室にて不完全燃焼が発生すると、改質器にて必要な熱量を燃焼室での燃焼により十分に得られなくなり、熱バランスが崩れて効率よい運転を行えなくなる可能性がある。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、燃料電池部での反応後に残存している改質ガスと空気とを混合して燃焼させる燃焼室において、失火を防止して完全燃焼させることができ、熱バランスを取って効率よい運転を行うことができる燃料電池装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る燃料電池装置の特徴構成は、収納容器内に、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部と、前記燃料電池部での反応後に残存する改質ガスと空気とを混合して燃焼させる燃焼室とが備えられ、前記燃焼室での燃焼により得た熱を用いて前記改質器での改質を行う燃料電池装置において、
前記燃料電池部は、前記改質ガスが通流する燃料通流部と空気が通流する空気通流部とを有するセルを並列状態で複数並べて構成され、
前記燃焼室は、前記燃料通流部を通過した改質ガスと前記空気通流部を通過した空気とを混合して燃焼させる燃焼空間として前記燃料電池部に隣接して備えられ、前記燃焼室には、その設置箇所よりも前記改質ガス及び前記空気の通流方向の下流側に渦流を発生させる渦流発生体が、対となる一の燃料通流部と一の空気通流部とを備えた単位セルの複数に亘ってセルの並び方向に前記複数セルの全長にわたる幅で、複数セルの並び方向に対して水平に直交する水平直交方向での幅が、燃料通流部及び空気通流部の複数のセルの並び方向の幅とほぼ同一幅の直方体形状の棒状体として配置され、前記渦流発生体が複数の前記燃料通流部及び複数の空気通流部上に位置されて、発生させる渦流により火炎を維持する点にある。

本特徴構成によれば、燃焼室は燃料電池部に隣接して備えられており、その燃焼室では、燃料通流部を通過した改質ガスと空気通流部を通過した空気とを混合して燃焼させる。そして、燃焼室には、改質ガスと空気とを混合して燃焼させるだけでなく、渦流発生体が配置されているので、その渦流発生体の設置箇所よりも改質ガス及び空気の通流方向の下流側に流速の遅い領域を発生させ、その流速の遅い領域に渦流を発生させる。この渦流により改質ガスと空気との混合を促進させることにより火炎を形成するとともに維持することができ、その火炎を火種としてその周囲の燃焼を維持して失火を防止することができる。したがって、燃焼室での失火の発生を防止することができ、燃焼室での燃焼を完全燃焼とすることができる。その結果、燃焼室での燃焼により得た熱を改質器にて有効に活用できるように的確に熱バランスを取ることができ、効率よい運転を行うことができる燃料電池装置を実現できる。
このような失火が発生することがあるとの知見は、発明者らの実験により燃料電池装置の出力を低下させた状況で出力が本来の出力低下以上に低下する原因を追求して初めて確認できたものである。
このとき、前記渦流発生体は、対となる一の燃料通流部と一の空気通流部とを備えた単位セルの複数に亘ってセルの並び方向で長尺状に形成されているから、１つの渦流発生体により燃焼室において複数のセルに亘る領域での失火を防止することができる。そして、渦流発生体が、複数のセルの並び方向（たとえば図２中Ｘ方向）において複数のセル１５に亘って延びる長尺状に形成されていることから、１つの渦流発生体２０により燃焼室６において複数のセル１５に亘る領域での失火を防止することができる。しかも、渦流発生体２０を、燃焼室６において複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）の全長に亘る形状にすることで、燃焼室６において複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）の各領域での失火を防止することができる。その結果、燃焼室６の全体に亘って失火を的確に防止することができる。

本発明に係る燃料電池装置の更なる特徴構成は、前記渦流発生体は、前記並び方向に対して水平に直交する水平直交方向において複数箇所に分散して配置されている点にある。

本特徴構成によれば、複数の渦流発生体が、水平直交方向またはセルの並び方向において複数箇所に分散して配置されていることから、燃焼室において水平直交方向またはセルの並び方向の各領域での失火を防止することができる。その結果、燃焼室の全体に亘って失火を的確に防止することができ、燃焼室での燃焼を確実に完全燃焼とすることができる。

本発明に係る燃料電池装置の更なる特徴構成は、前記収納容器には、前記燃焼室にて燃焼された燃焼排ガスを外部に排出させる排出部が備えられ、前記収納容器内には、前記排出部にて外部に排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素ガスを除去する燃焼触媒部が備えられている点にある。

本特徴構成によれば、燃焼室にて燃焼された燃焼排ガスは、排出部から収納容器の外部に排出されるが、このとき、燃焼触媒部により燃焼排ガスから一酸化炭素ガスが除去される。よって、燃焼触媒部を備えた燃料電池装置では、失火の発生により燃焼室での燃焼が不完全燃焼となると、燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素ガスの量が増加して、燃焼触媒部の劣化が早くなるという問題が生じる。
そこで、上述した如く、本発明に係る燃料電池装置では、燃焼室に渦流発生体を配置することにより、燃焼室での失火の発生を防止して燃料電池部での反応後に残存している改質ガスと空気とを混合して完全燃焼させることができるので、上述の問題を解消することができる。よって、燃焼触媒部を備えた燃料電池装置において、燃焼室での燃焼を完全燃焼として燃焼触媒部の劣化が早くなるのを防止することができ、有用な燃料電池装置を提供することができる。

燃料電池装置の概略構成図第１実施形態における燃料電池部及び燃焼室の要部の斜視図第１実施形態における燃料電池部及び燃焼室の要部の側面図

〔第１実施形態〕
この燃料電池装置は、図１に示すように、都市ガス等の原燃料を脱硫する脱硫器１と、改質水タンク２から供給される改質水から水蒸気を生成する気化器３と、気化器３にて生成された水蒸気を用いて脱硫器１にて脱硫された原燃料を水蒸気改質する改質器４と、改質器４にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部５と、燃料電池部５での反応後に残存する改質ガスと空気とを混合して燃焼させる燃焼室６とが備えられている。そして、燃料電池装置には、収納容器７が備えられており、その収納容器７内に、気化器３、改質器４、燃料電池部５、及び、燃焼室６が収納されている。

原燃料は、昇圧ポンプ８の作動により原燃料供給路９を通して脱硫器１に供給される。改質水タンク２の改質水は、改質水ポンプ１０の作動により改質水供給路１１を通して気化器３に供給される。そして、原燃料供給路９において脱硫器１よりも下流側部位が改質水供給路１１の途中部位に合流されており、収納容器７外にて合流された改質水と原燃料とが収納容器７内に備えられた気化器３に供給される。また、気化器３と改質器４との間及び改質器４と燃料電池部５との間は、流体供給路１２にて接続されており、この流体供給路１２を通して、気化器３から改質器４へ原燃料が供給されるとともに、改質器４から燃料電池部５へ改質ガスが供給される。

燃料電池部５（セルスタック）は、改質ガスが通流する燃料通流部１３と空気が通流する空気通流部１４とを有するセル１５を並列状態で複数並べて構成されている。そして、図示は省略するが、燃料通流部１３を改質ガスが通流することで燃料極に改質ガスが供給され、空気通流部１４を空気が通流することで空気極に空気が供給され、燃料極と空気極との間にはイットリアをドープしたジルコニア等で構成される固体酸化物電解質が設けられている。

燃料電池部５には、改質器４から流体供給路１２を通して供給される改質ガスを受け入れるガスマニホールド１６が備えられており、複数のセル１５は、ガスマニホールド１６の上方側に水平方向に並ぶように配置されている。そして、ガスマニホールド１６と複数のセル１５における燃料通流部１３とが連通接続されており、ガスマニホールド１６に供給された改質ガスが複数のセル１５における各燃料通流部１３に対して下方側から供給される。一方、複数のセル１５における各空気通流部１４に対する空気の供給については、空気ブロワ（図示省略）の作動により収納容器７に形成された外部と連通する空気取り入れ口１７を通して収納容器７外の空気が収納容器７内に供給され、その空気が複数のセル１５における各空気通流部１４の下方側から上方側に向けて供給される。この空気通流部１４への空気の供給については、例えば、空気供給孔（図示省略）等により空気通流部１４の下端部近傍において側方からその内部に供給され、空気通流部１４を下方側から上方側に通流するように供給される。ちなみに、セルとしては、燃料通流部及び空気通流部を備えた各種の形状や構成のセルが適応可能であり、その形状や構成については図２に示すものに限られない。

燃焼室６は、燃料通流部１３を下方側から上方側に通過した改質ガスと空気通流部１４を下方側から上方側に通過した空気とを混合して燃焼させる燃焼空間として燃料電池部５の上方側に隣接して備えられている。そして、その燃焼室６の上部に改質器４及び気化器３が配置されており、燃焼室６の燃焼により得られた熱が、改質器４での改質及び気化器３での水蒸気の生成に用いられている。

収納容器７には、燃焼室６にて燃焼された燃焼排ガスを外部に排出させる排出部１８が下面部等に形成されている。そして、収納容器７内には、排出部１８にて外部に排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素ガスを除去する燃焼触媒部１９（例えば、白金系触媒）が備えられている。

上述の如く、燃焼室６では、燃料通流部１３を通過した改質ガスと空気通流部１４を通過した空気とを混合して燃焼させるわけであるが、燃料電池部５に供給される改質ガス及び空気の供給条件や通流状態については、最適な発電を行えるように設定されていることから、燃焼室６での燃焼に適したものとなっておらず、失火が発生する可能性がある。例えば、燃焼室６に供給される燃料ガス（改質ガス）と空気との混合比が、燃焼に適した混合比（例えば、空気比１．２〜１．３）に対して、空気の量が過剰となっている（例えば、空気比２．０以上）。

そこで、本発明に係る燃料電池装置では、燃焼室６での失火の発生を防止するために、図２に示すように、燃焼室６に、その設置箇所よりも改質ガス及び空気の通流方向の下流側に渦流を発生させる渦流発生体２０がひとつ又は複数配置されている。渦流発生体２０は、燃焼室６において燃料通流部１３及び空気通流部１４の上端部の直上方に配置されている。渦流発生体２０は、複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）において複数のセル１５の全長に亘って一連に延びる長尺状に形成されている。つまり、渦流発生体２０は、複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）での幅が複数のセル１５の全長に亘る幅であり、且つ、複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）に対して水平に直交する水平直交方向（図中Ｙ方向）での幅が燃料通流部１３及び空気通流部１４とほぼ同一幅であり、セラミックス等により形成された直方体形状の棒状体にて構成されている。

そして、複数の渦流発生体２０は、複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）に対して水平に直交する水平直交方向（図中Ｙ方向）において複数箇所に分散して配置されている。例えば、渦流発生体２０同士の間隔を一定間隔として、燃焼室６において水平直交方向（図中Ｙ方向）の全長に亘って渦流発生体２０を分散して配置されている。

渦流発生体２０による失火の防止について図３に基づいて説明する、
燃料通流部１３及び空気通流部１４の上端部の直上方に渦流発生体２０が存在することで、その渦流発生体２０の設置箇所よりも改質ガスＧ及び空気Ａの通流方向の下流側（渦流発生体２０の上方側）に流速の遅い領域を発生させ、その流速の遅い領域に渦流を発生させる。そして、この渦流により改質ガスＧ（図中実線）と空気Ａ（図中点線）との混合を促進させることにより火炎Ｋを形成して維持でき、その火炎を火種としてその周囲の燃焼を維持して失火を防止することができる。そして、渦流発生体２０が、複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）において複数のセル１５に亘って延びる長尺状に形成されていることから、１つの渦流発生体２０により燃焼室６において複数のセル１５に亘る領域での失火を防止することができる。しかも、渦流発生体２０を、燃焼室６において複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）の全長に亘る形状にすることで、燃焼室６において複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）の各領域での失火を防止することができる。また、複数の渦流発生体２０が、水平直交方向（図中Ｙ方向）において複数箇所に分散して配置されていることから、燃焼室６において水平直交方向（図中Ｙ方向）の各領域での失火を防止することができる。その結果、燃焼室６の全体に亘って失火を的確に防止することができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、渦流発生体２０を直方体形状の棒状体にて構成しているが、渦流発生体２０の形状については適宜変更が可能であり、その設置箇所よりも改質ガス及び空気の通流方向の下流側に渦流を発生できるものであれば、渦流発生体２０の形状については適宜変更が可能である。

（２）上記第１実施形態では、渦流発生体２０の形状を、複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）において全てのセル１５に亘って一連に延びる形状としているが、例えば、複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）において一部のセル１５に亘って延びる形状として、その渦流発生体２０を複数のセル１５の並び方向（図中Ｘ方向）で間隔を隔てて並ぶように分散して複数配置することもできる。

本発明は、収納容器内に、原燃料を水蒸気改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部と、前記燃料電池部での反応後に残存している改質ガスと空気とを混合して燃焼させる燃焼室とが備えられ、燃料電池部での反応後に残存している改質ガスと空気とを混合して燃焼させる燃焼室において、失火を防止しながら完全燃焼させることができ、熱バランスを取って効率よい運転を行うことができる各種の燃料電池装置に適応可能である。

４改質器
５燃料電池部
６燃焼室
７収納容器
１３燃料通流部
１４空気通流部
１５セル
１７排出部
１８燃焼触媒部
２０渦流発生体

Claims

収納容器内に、原燃料を改質する改質器と、前記改質器にて改質された改質ガスと空気とを反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池部と、前記燃料電池部での反応後に残存する改質ガスと空気とを混合して燃焼させる燃焼室とが備えられ、前記燃焼室での燃焼により得た熱を用いて前記改質器での改質を行う燃料電池装置であって、
前記燃料電池部は、前記改質ガスが通流する燃料通流部と空気が通流する空気通流部とを有するセルを並列状態で複数並べて構成され、
前記燃焼室は、前記燃料通流部を通過した改質ガスと前記空気通流部を通過した空気とを混合して燃焼させる燃焼空間として前記燃料電池部に隣接して備えられ、前記燃焼室には、その設置箇所よりも前記改質ガス及び前記空気の通流方向の下流側に渦流を発生させる渦流発生体が、対となる一の燃料通流部と一の空気通流部とを備えた単位セルの複数に亘ってセルの並び方向に前記複数セルの全長にわたる幅で、複数セルの並び方向に対して水平に直交する水平直交方向での幅が、燃料通流部及び空気通流部の複数のセルの並び方向の幅とほぼ同一幅の直方体形状の棒状体として配置され、前記渦流発生体が複数の前記燃料通流部及び複数の空気通流部上に位置されて、発生させる渦流により火炎を維持する燃料電池装置。
前記渦流発生体は、前記並び方向に対して水平に直交する水平直交方向において複数箇所に分散して配置されている請求項１に記載の燃料電池装置。
前記収納容器には、前記燃焼室にて燃焼された燃焼排ガスを外部に排出させる排出部が備えられ、前記収納容器内には、前記排出部にて外部に排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素ガスを除去する燃焼触媒部が備えられている請求項１または２に記載の燃料電池装置。