JPH0335778B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は燃料電池装置に係り、特に触媒充填燃
焼部での燃焼温度を下げるに好適な燃料電池装置
用の燃料水素発生装置に関するものである。 従来のこの種の装置は、第１図に示すように、
後述の第２図に示される構造を有する燃料水素発
生装置１７と、該装置で発生する水素含有改質ガ
スの供給を受けて作動する、アノード極１９とカ
ソード極２２を備えた燃料電池１８と、燃料水素
発生装置１７から排出される廃ガス（燃料水素発
生装置１７における改質反応の熱源に使用済の廃
ガス）に基いて回転する廃ガスタービン20と、該
廃ガスタービン２０の回収動力により駆動すると
ともに、空気を燃料水素発生装置１７（燃焼用と
して）および燃料電池１８のカソード極２２へ供
給するためのコンプレツサ２１と、廃ガスタービ
ン２０を通過した廃ガスおよびカソード極２２を
経た廃ガスを系外へ排出するための煙突２３と、
アノード極１９から排出される廃ガスを燃料とし
て使用するため、助燃料の添加下に燃料水素発生
装置１７へ循環させるためのライン２４とから構
成されている。上記の燃料水素発生装置１７は、
第２図に示すように、改質反応用原料の供給ノズ
ル１および生成した水素含有改質ガスの排出ノズ
ル８を備えた空筒状の上部ヘツド２と、該排出ノ
ズル８に連なる集合室７から分岐して下方の加熱
室９へ開口状に伸びる複数本の改質反応内管５
と、該内管の外側に改質触媒４の充填用空間部を
形成するために設けられ、上部は上部ヘツド２へ
開口し、下部はベンド状部６により密閉状とされ
た改質反応外管３と、加熱室９の下方にセラミツ
クストレイ１４を介して上方（ガスの流れ方向）
へ向けて順次、設けられた、燃料と酸素含有ガス
（空気）の混合室１１および触媒充填燃焼室１０
とからなる。なお、第２図中、１２および１３は
それぞれ混合室１１燃量および空気を供給するた
めのノズル、１６は加熱室９へ導かれた燃焼ガス
を排出するためのノズルである。 このような構成の装置において、改質反応用原
料である軽質炭化水素類、例えばLNGと水蒸気
は供給ノズル１から上部ヘッド２内へ導入され、
次いで改質応管３の上部開口部から該反応管内に
充填された改質触媒４の層へ通されるが、その間
に高温の燃焼ガスにより間接的に加熱され改質反
応が進行し、一般に下記第１表に示すような組成
の水素含有改質ガスを生成する。

【表】 このようにして生成した改質ガスは次いで改質
反応外管３の底部をなすベンド状部６に達し、こ
こで反転したのち改質反応内管５内を上昇して集
合室７へ到り、然る後は排出ノズル８を経て燃料
電池１８のアノード極１９に供給され、別途コン
プレツサ２１で昇圧後カソード極２２へ分送され
る空気とともに所定の電池反応（H₂＋１／2O₂〓
H₂O）に供される。 なお、この電池反応では、供給された改質ガス
中のH₂の内一般に80〜85％が消費されるに過ぎ
ないので、残余のH₂を含有するアノード極から
の廃ガスは、ライン２４を経て燃料水素発生装置
１７へ再循環され、後記燃焼時の燃料として利用
される。 一方、改質反応用の熱源を供給するための燃焼
は以下より行われる。すなわち、上記により再循
環されるアノード極からの廃ガスにLNG等の助
燃料が添加され、これとコンプレツサ２１で昇圧
後分送される空気とがそれぞれノズル１２および
１３を経て混合室１１に導かれ、次いでセラミツ
クストレイ１４を通つたのち触媒１５を充填した
燃焼室１０に送られて燃焼される。その際発生す
る高温燃焼ガスは上昇して加熱室９に入り、改質
反応用の熱源として利用されたのちノズル１６か
ら排出され、次いで廃ガスタービン２０で動力を
回収されたのち煙突２３から大気中へ放出され
る。 しかし、このような燃料電池装置においては、
燃焼時の発熱量が非常に大きく、燃焼ガスの温度
が一般に1200〜1400℃にも達するという問題があ
る。これは、低カロリーであるアノード極廃ガス
の燃焼性を改善するために高カロリーの助燃料を
添加していること、および燃焼用の酸素含有ガス
として酸素濃度の高い空気を用いていることに起
因するものと思われる。そのため、燃焼触媒の熱
劣化や活性低下が起り、長時間の使用が不可能に
なつたり、また装置材料に耐熱性が要求されるの
で、特に高温ガスの影響を受け易い改質反応外管
の下部ベンド状部にはその外面に断熱材を取り付
ける等の保護対策を必要とし、装置設計上および
コスト上不利になる等の欠点がある。他の欠点
は、一般に下記第２表に示す温度、圧力および組
成からなるカソード極からの廃ガスを単に煙突か
ら放散させているため、全体的にみて熱効率の低
下が大きいことである。

【表】 本発明の目的は、触媒充填部を含む燃焼部での
燃焼温度を低下させ、かつ好ましくは熱効率の向
上が可能な燃料電池装置を提供することにある。 上記の目的を達成するため、本発明は、（軽質）
炭化水素類を加熱下に改質して燃料電池用の燃料
水素を得るために、該加熱源の供給部として順
次、燃料と酸素含有ガスの混合室および触媒充填
燃焼室を設けた燃料水素発生装置を備えてなる燃
料電池装置において、上記触媒充填燃焼室の後流
に該燃焼室で発生した燃焼ガスの顕熱と残存酸素
とにより新たに供給される燃料の燃焼を行う反応
室を設けたことを特徴とする。 上記の構成とすることにより、燃焼部は分割さ
れた状態となり、従つて燃料は前段の触媒充填燃
焼室へは一般に全燃焼の50〜60％を供給すればよ
くなるので、発熱量が減少し、燃焼ガスの温度は
比較的定温となる。そして残りの燃料は後段の反
応室に導入され、前段の燃焼室で発生した燃焼ガ
スと接触してその顕熱と残存O₂の下に緩やかに
燃焼されるので、該燃焼により発生する燃焼ガス
の温度も比較的低温に保たれる。 本発明において、燃焼部へ供給される燃焼用の
酸素含有ガスは従来と同様に空気でもよいが、前
述の第２表に記載したような酸素濃度の低いカソ
ード極からの廃ガスを用いることが好ましい。こ
のカソード極廃ガスを用いる場合には、O₂濃度
が低いので燃焼部での燃焼を一層緩やかなものと
することができ、これにより燃焼ガスの温度を一
段と下げることが可能となる。その上、該廃ガス
の保有熱や圧力を有効利用できるので、全体の熱
効率を改善できる。 以下、図面に示す実施例により本発明をさらに
詳しく説明する。 第３図は、本発明の実施例に係る燃料電池用燃
料水素発生装置１７Ａの側断面を示すもので、こ
の装置は、第２図に示す同一符号とその説明が同
様に参照される部分と、触媒充填燃焼室１０の後
流にセラミツクストレイ１４Ａを介して設けられ
た反応室１０Ａと、該反応室１０Ａへ燃料を供給
するための第２段ノズル１２Ａとから主に構成さ
れる。 このような構成の装置において、供給燃料を全
燃焼の50〜60％とする以外は第２図の場合と同様
にして燃料と空気が混合室１１へ導入され、次い
で燃焼室１０で燃焼が行われるが、該燃焼にとも
なう発熱量は供給燃料が多い分だけ減少するの
で、発生する燃焼ガスの温度も比較的低温とな
る。 一方、残りの燃料は第２段ノズル１２Ａを通つ
て反応室１０Ａへ供給され、上記の燃焼ガスと接
触してその顕熱と残存O₂の下に燃焼される。こ
の燃焼は触媒不存在下で行われるので緩やかであ
り、そのため発生する燃焼ガスの温度は比較的低
温となる。従つて触媒の劣化を低滅できる上、装
置材料の耐熱性を軽滅することも可能となる。 次に、第４図は、第３図に示す燃料水素発生装
置１７Ａを組み込んで構成した本発明の他の実施
例に係る燃料電池装置の系統を示すもので、この
装置は、第１図に示す同一符号とその説明が同様
に参照される部分と、カソード極廃ガスを燃料水
素発生装置１７Ａの酸素含有ガス供給ノズル１３
へ案内するためのライン２５と、アノード極廃ガ
スの循環ライン２４から分岐し、該廃ガスの１部
を燃料水素発生装置１７Ａに設けられた第２段ノ
ズル１２Ａへ導くための循環分岐ライン２６とか
ら主に構成される。なお、この装置には、第１図
に示す、カソード極廃ガスを煙突２３へ案内する
ラインとコンプレツサ２１に連がる空気ラインか
ら分岐した燃料水素発生装置１７へ達するライン
とはともに省略されている。 このような構成の装置において、カソード極廃
ガスはライン２５を経たのち燃料水素発生装置１
７Ａの混合室１１（第２図参照）へ供給される
が、このものは前述の第２表からも明らかなよう
にO₂濃度が低いので、燃焼は前記の実施例に比
し一層緩やかものとなり、これにともない燃焼ガ
スの温度は一般的に700〜950℃程度の低温とな
る。また、燃焼室の後流に設けられた反応室での
燃焼も同様な理由から一段と緩やかとなり、その
燃焼ガスの温度は一般に1000〜1100℃程度の低温
となるので、前記実施例の低温効果は一層促進さ
れる。加えて、本実施例では、カソード極廃ガス
の保有熱や圧力を有効利用できるので、全体の熱
効率を改善することもできる。 以上、本発明によれば、燃焼水素発生装置の１
部を構成する触媒充填燃焼室の後流に該燃焼室で
発生した燃焼ガスの顕熱と残存酸素とにより新た
に供給される燃料の燃焼を行う反応室を設けると
ともに、好ましくは上記燃焼時の燃焼用酸素含有
ガスとしての燃料電池のカソード極から排出され
る低酸素濃度の廃ガスを使用することにより、高
燃焼特性領域である触媒充填燃焼室での燃焼は分
割下に供給される少量の燃料と低酸素濃度の下で
行われ、またこれに次ぐ残余の燃料の燃焼は低燃
焼特性の空室で行われるためにともに緩やかとな
り、その結果、燃焼温度の低下が達成され、触媒
の熱劣化防止や装置材料の耐熱性軽滅が可能とな
る。その上、カソード極端ガスの保有熱や圧力を
有効利用できるので、全体の熱効率を向上するこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の燃料電池装置の系統図、第２
図は、従来の燃料電池装置の１部を構成する燃料
水素発生装置の側断面図、第３図は、本発明の実
施例に係る燃料電池装置の１部を構成する燃料水
素発生装置の側断面図、第４図は、本発明の他の
実施例に係る燃料電池装置の系統図である。 １……原料供給ノズル、３……改質反応外管、
４……改質触媒、５……改質反応内管、６……ベ
ンド状体部、８……改質ガス排出ノズル、９……
加熱室、１０……触媒充填燃焼室、１０Ａ……反
応室、１１……混合室、１２……燃料供給ノズ
ル、１２Ａ……第２段（燃料供給）ノズル、１３
……空気（酸素含有ガス）供給ノズル、１４、１
４Ａ……セラミツクストレイ、１５……（燃焼）
触媒、１６……燃焼ガス排出ノズル、１７、１７
Ａ……燃料水素発生装置、１８……燃料電池、１
９……アノード極、２０……廃ガスタービン、２
１……コンプレツサ、２２……カソード極、２４
……アノード極廃ガス循環ライン、２５……カソ
ード極廃ガス供給ライン、２６……アノード極廃
ガス循環分岐ライン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化水素類を加熱下に改質して燃料電池用の
   燃料水素を得るために、該加熱源の供給部として
   順次、燃料と酸素含有ガスの混合室および触媒充
   填燃焼室を設けた燃料水素発生装置を備えた燃料
   電池装置において、上記触媒充填燃焼室の後流に
   該燃焼室で発生した燃焼ガスの顕熱と残存酸素と
   により新たに供給される燃料の燃焼を行う反応室
   を設けたことを特徴とする燃料電池装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記混合室
   および反応室に供給される燃料は、ともに燃料電
   池のアノード極から排出される廃ガスであること
   を特徴とする燃料電池装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、上記混合室
   に供給される酸素含有ガスの少くとも１部は、燃
   料電池のカソード極から排出される廃ガスである
   ことを特徴とする燃料電池装置。