JPS59185906A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、炭化水素を含む原料ガスのスチームリフオー
ミングによって生成する水素ガスを燃料とし、加圧され
た空気を酸化剤として用いる燃料電池を利用しれ燃料電
池発電設備の改良Ｃ関する。

更直二詳しくは、総合熱効率（使用した炭化水素燃料の
総発熱量Ｃ二対する、発生電力エネルギーの比率をいう
。以下、同じ意味で用いる。）を改善した燃料電池発電
設備に関するものであって、とくに燃料電池発電設備に
おける排ガスの有効利用法およびその燃焼設備に関する
。

［発明の技術的背景とその問題点］ 燃料電池発電設備は、当技術分野においてはよく知られ
ており１、一般Ｃ二、炭化水素を含む原料ガスのスチー
ムリ７オーミングによって水素を生成するりフォーマと
、このす７オーマで生成された水素を燃料として用いる
と共に、加圧された空気を酸化剤として用いる燃料電池
と、前記加圧空気の発生装置とを有しており、そして前
記燃料電池の電解質としては、例えばリン酸水溶液が用
いられる。また原料炭化水素としては、例えば天然ガス
、ナフサ、メタノール、石油ガス等が用いられる。

燃料電池発電設備を他の方法ｆ二よる発電設備に経済的
Ｃ二比肩し得るようにするためには、その総合熱効率を
徹底して高めることが重要であり、このための様々な方
法が研究されてきている。燃料電池が、炭化水素のスチ
ームリフオーミングによって得られる水素ガスを燃料と
する場合Ｃ二は、この燃料ガス中Ｃ：炭酸ガスやメタン
のような不活性なガスが含まれるため、電池内における
水素の分圧を必要な水準に保持するためには電池Ｃ二供
給された燃料ガスの一部を継続的に電池外へ排出するこ
とが必要である。この排出されたガス（以下、燃料残ガ
スという。）をスチームリフオーミングのためのリフオ
ーマ用燃料ガスとして利用することは、発電設備の総合
熱効率を上げる方法として、一般に採用されている。

燃料電池発電設備の総合熱効率は、燃料電池そのものの
効率、すなわち燃料電池の電気出力の燃料電池で消費さ
れる水素の持つ有効エネルギーご二対する割合い、に大
きく依存している。燃料電池の効率は電池の運転温度が
高い程、また燃料極（水素極）側の水素ガス分圧が高い
程、さらに空気極（酸素極）側の酸素ガス分圧が高い程
高くなるので、燃料電典の運転条件は、その構造および
装置材料ｉ二許容される範囲で高温かつ高圧に選ばれる
ととＣ二なる。例えばリン酸水溶液を電解質として用い
る燃料電池直二おいては、その運転条件として、１９０
〜２０５℃程度および３．５〜７気圧程度が使用されて
いる。

燃料電池の酸化剤として空気を用いる場合ｉ二は、空気
中に不活性な窒素ガスが多量Ｃ−含まれているため、酸
素極Ｃユおける酸素ガス分圧を必要な水準に保持するた
、めＩ−は、常に過剰量の加圧−空気な供給し、一部を
排出することが必要である。加圧空気の過剰率を増加さ
せれば、酸素極における平均酸素ガス分圧は上昇し、電
池の効率は改善されるが、反面、空気を電池の運転圧力
まで加圧し供給するための圧縮機の必要動力が増大する
ため、この加圧空気の過剰率には最適値が存在する。

燃料電池の酸素極から排出される酸素の希薄となった空
気（以下、残空気という０）は燃料電池が加圧で運転さ
れる場合には、かなりの圧力エネルギーを有しており、
この圧力エネルギーをガスタービンによって回収し、加
圧璧気供給のための圧縮機動力の一部とすることは、発
電設備の総合熱効率を改善する方法として従来から知ら
れている〇 一方、燃料電池の水素極から排出される燃料残ガスは、
前述の如く、リフオーマの熱源用燃料として利用される
が、燃料残ガスの持つ圧力エネルギーを回収し、また、
リフオーマから排出される燃焼廃ガスの持つ熱エネルギ
ーの回収効率を改善するためＣ二、リフオーマの燃焼室
を燃料電池と同様Ｃ二加圧とし、燃焼廃ガスを前述の残
空気と共にガスタービンｉ二供給することによって動力
回収を行う方法も既に良く知られている。

以上述べた方法によって燃料電池発電設備の総合熱効率
は大巾に改善されたが、まだ十分であるとはいえない。

燃料電池発電設備の総合熱効率をさらＣ二向上させる方
法として、特開昭５７−３６７８４＋−１燃料電池の酸
素極から排出される残空気の一部または全部をリフオー
マにおける燃料残ガス燃焼用の酸素源として用いる技術
が開示されている。

この方法は燃料電池発電設備の総合熱効率を高める優れ
た方法であるが、一方す７オーマの燃焼室における可燃
性ガスおよび酸素の濃度が低いために、燃焼が不安定に
なりやすいという欠点を有している。この欠点を補うた
めに前記特開昭５７−３６７８４　においては、酸化触
媒を用いて燃焼を行うことが提案されており、また特願
昭５６−１７５０１４６二おいては、特に有効な酸化触
媒としてマグネシウム、ランタン及びランタンド元素よ
りなる鮮から選ばれた元素の酸化物を含有するものが開
示されている。

本発明における燃料電池から排出される燃料残２ガスに
は、可燃物として水素、−酸化炭素およびメタンが含ま
れており、燃料電池発電設備の総合効率を高める上から
、これらすべての可燃物を完全に（９９，５％以上）燃
焼させることが重要である。

また可燃物の完全燃焼が行われた場合の燃焼温度は、１
０００℃〜１３００℃であって、上記の酸化触媒はこの
高温Ｃ二耐えることが必要となる。一方、燃焼装置に供
給される残ガスおよび残空気の予熱温度は通常５００℃
以下（２００〜４５０℃）であり、この温度で酸化反応
が安定して開始されることが望ましい。比較的低温度で
も有効な酸化触媒として白金あるいはパラジウムなどの
貴金属を担持した触媒が知られているが、これらは高価
でありまた、高温（８００℃以上）Ｃおいて長時間使用
すると活性の低下を招きやすい。また前記特願昭５６−
１７５０１４　に開示されている触媒は高温（８００℃
以上）でメタンをよく燃焼し耐久性も優れているが低温
における活性は必ずしも十分でないことが判明した０ ［発明の目的］ 本発明の目的は上記の欠点を補い、燃焼が安定でありか
つ、略完全燃焼を可能とする燃焼装置を提供することで
ある。さらＣ二本発明の他の目的は、コンパクトでかつ
寿命の長い燃焼装置を提供することである。

本発明によれは、燃料電池より排出された燃料残ガスと
残空気とは混合された後、第一の触媒層に導入される。

第１の触媒層において、燃料残ガス中番−含まれる水素
と一酸化炭素が主として酸化燃焼し、この燃焼熱Ｃ二よ
って混合ガスの温度が、メタンの燃焼速度が十分高くな
るレベル（７００〜８００℃）にまで上昇される。

燃料残ガスおよび残空気は、燃焼室Ｃ二人るに先立って
、ある程度の温度（２００℃〜５００　”Ｃ）レペＡ／
まで予熱されていることが望ましい。

予熱温度が高い程第１の触媒層で必要とされる触媒量を
減することができるからである。

第１の触媒層から排出される混合ガス中には、未燃焼分
として主としてメタンが含まれている。

この混合ガスはさらＣ二第２の触媒層に導入される。

第２の触媒層にはメタンの酸化燃焼に有効でかつ、耐火
性の高い触媒が充填されている。第２の触媒層の入口に
おいては、混合ガスは十分高温（’７００℃〜８００℃
）にまで加熱されているので、第２の触媒層におけるメ
タンの酸化反応は迅速に進行させることができる。

このように２種類の触媒を２層にして使用することによ
り、安定した完全燃焼を行わせることができると共に、
使用する触媒量も少なくなり、従って装置をコンバク）
ｌ二できた。また第１層の触媒は比較的低温度で使用さ
れるため、活性低下による寿命の低下を防止することが
できた。

本発明ｇ二おいて使用する酸化触媒は、第１層用として
は、白金、パラジウム、酸化マグネシウム、酸化゛アル
ミニウムの少くとも一つを含有してなξもの、 第２層用としては、マグネシウム、ランタンおよびラン
タンド元素（セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、
プロメチウム、サマリウム、ユーロビジウム、カドリウ
ム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビ
ウム、ツリウム、イッテルビウム、およびルテチウムを
いう）の少くとも一種の元素の酸化物を含有してなるも
のが考えられる。

これらの成分は、単独であるいは担体成分と共に混線・
成形した後焼成されてもよいし、成形された担体上Ｉ：
含浸担持した後、焼成されてもよい。

担体は燃焼反応温度においても溶融や著しい構造変化を
生じないものが望ましく、ケイ石質、高アルｉす質、粘
土質等一般的に耐火物として用いられているものが好適
Ｉ：使用しうる。

触媒の形状Ｃは特Ｃ：制限はなく、球状、円筒状、ハニ
カム状などを適宜選ぶことができる。

［発明の実施例］ 以下本発明の好ましい実施例を図面を参照しながら詳細
に説明する。

第１図は、例えば燃料電池に供給する水素を含む燃料ガ
スを発生する例えば円筒形のスチームリフオーマ内１ユ
１本発明による燃焼装置を適用した場合の一例を示す垂
直断面図である。

す７オーマ容器１によって画定される空間Ｃ二は。

複数個の円筒状の反応管２が稠密に配列されている。複
数の反応管２の外側とり７オーマ容器１とＣ：よって画
定される空間には、燃焼室３と燃焼ガス通路４とが設け
られている。

図示し女い燃料電池の水素極から排出された燃料残ガス
は、図示しない装置により４００℃前後まで予熱された
後、燃料残ガス入口５より導入され、燃料ノズル６から
燃焼室３に流入する。一方燃料電池の酸素極から排出さ
れた残空気も、図示しない装置により４００’Ｃ前後ま
で予熱された後、残空気人ロアから導入され、空気ノズ
ル８から燃焼室３に流入する。燃料ノズル６と壁気ノズ
ル８とは近接して設けられており、これ（二よって燃料
残ガスと残空気との混合が助長される。

燃焼室３の上部に設けられている空間部分９は、燃料残
ガスと残空気との混合が十分性われるように設けられた
混合域である。本実施例においては、装置の運転開始に
あたっては、燃料電池からの燃料残ガス、残空気゛が得
られないため燃料残ガス人口５よりメタン等のガス燃料
を導入し、また残空気人ロアから通常の空気を導入して
空間部分９で熱燃焼を行わせることＣ二よって反応管２
の加熱を行うことができる。

したがって燃料ノズル６と空気ノズル８とは、このため
のバーナー装置を兼ねるよう５二構成されている。しか
し、運転開始用のバーナーは轟然別個に設けてもよい。

空間部分９で混１合された燃料残ガスおよび残空気の混
合ガスは、燃焼触媒層の第１の層１ｏを通過し、ここで
主として水素および一酸化炭素を酸化燃焼された後、さ
ら１ユ第２の層１１を通過し、ここで主、とじてメタン
分を酸化燃焼され、高温の燃焼ガスとな−って燃焼ガス
通路４へ導入される。第１の触媒層１０には燃料残ガス
中に含まれる水素および一酸化炭素を比較的低温で酸化
するためのＭｌの触媒粒子１３が充填されており、゛第
２の触媒層１１には燃料ガス中に含まれるメタンを比較
的高温で酸化燃焼するための第２の触媒粒子１４が充填
されている。燃焼ガス通路４には、反応管２への熱伝達
を向上させる目的で、耐火物の粒子１５が充填されてい
る。耐火物の粒子としては例えばアルミナボールな用い
ることができる。燃焼ガス通路４に二導入された高温の
燃焼ガスは、その顕熱の大きな部分を反応管２に伝えた
後、燃焼ガス出口１２より排出される。

スチームリフオーミングのための原料ガス例えば天然ガ
スは、図示しない装置によりスチームと混合され、５０
０℃近くまで予熱された後、原料ガス入口２０から導入
され、原料ガスマニホールド２１で分流して各反応管２
の内側へ導入される。

各反応管２の内部Ｃ二はこれと同心状の反応内管２２が
設けられており、反応管２と反応内管２２とによって画
定される水平断面円環状通路は、改質反応層２３であり
、ここ６；は改質触媒粒子２４が充填されている。原料
ガスは改質反応層２３の下端から導入され、主として反
応管２を通じて燃焼ガスから与えられる熱によって加熱
され、水素を多く含む生成ガスに改質された後、反応内
管２２の内側に形成される生成ガス通路２５を通って生
成ガスマニホールド２６へ導かれる。

生成ガスは、生成ガス通路２５を通過する際、その顕熱
の一部を反応内管２２を通じて改質反応層ｎＣ二与える
。

各反応管２２の生成ガス通路２５から出た生成ガスは、
生成ガスマニホールド２６で合流した後生成ガス出口２
７から排出され、図示しない燃料電池の水素極に導かれ
る。

本実施例に見るごとく、燃焼触媒層の第１の層１０と第
２の層１１および第２の層１１と燃焼ガス通路４とは、
例えば網装置などによって明確５二区画することは必要
でなく、実質的に混合ガスが第１の層１０、第２の層１
１、燃焼ガス通路４の順に導かれるように構成されてい
れば十分である。

また本発明は、実施例ｉ二おけるよう１：リフオーマ用
の燃焼装置に限られるものではなく、例えば燃料電池発
電設備におけるガスタービン用の燃焼装置としても利用
できる。

［発明の効果］ 以上本発明の詳細な説明したが、本発明によれば、燃料
電池から排出される燃料残ガスと残空気とを混合して燃
焼させる際に、２層の燃焼触媒層を通過させるようにし
たので、可燃ガスおよび酸素の濃度が低いＣ二も拘らず
安定した燃焼が得られ、且可燃ガスの略完全な燃焼が可
能となるからエネルギの損失を低減することができ、従
って高効率の燃料電池発電設備を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃焼装置を適用したスチームリフオー
マの一実施例を示す垂直断面図である。 １・・・リフオーマ容器　　２・・・反応管３・・・燃
焼室　　　　　４・・・燃焼ガス通路５・・・燃料残ガ
ス人口　　６・・・燃料ノズル７・・・残空気人口　　
　８・・・空気ノズル９・・・空間部分　　　　１０・
・・第１の層１１・・・第２の層　　　　１２・・・燃
焼ガス出口１３・・・第１の触媒粒子　１４・・・第２
の触媒粒子１５・・・耐火物の粒子　　２ｏ・・・原料
ガス入口２１・・・原料ガスマニホールド　２２・・・
反応内管お・・・改質反応層　　　２４・・・改質触媒
粒子２５・・・生成ガス通路 ２６・・・生成カスマニホールド ２７・・・生成ガス出口 代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ほか１名）１ 第１図 ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）炭化水素系燃料のスチームリフオーミンク５二よ
   って得られる水素を含むガスを燃料とし空気を酸化剤と
   して用いる燃料電池を含む発電設備において、前記燃料
   電池の水素極から排出される燃料残ガスを前記燃料電池
   の空気極から排出される残空気を酸化剤として用いて燃
   焼させる燃焼装置であって、燃焼室を画定する装置と、
   前記燃焼室Ｃ二前記燃料残ガスを導入するための手段と
   、前記燃焼室に前記残空気を導入するための手段とを含
   み、前記燃焼室は、前記燃焼室に導入された燃浩残ガス
   と、前記燃焼室に導入された残空気とを混合するための
   空間と、酸化触媒Ｃ；よって満たされた燃焼触媒層とか
   ら成っており、前記燃焼触媒層は実質的に第１の層と第
   ２の層との２つの層から成っており、前記第１の層１ユ
   は主として水素および一酸化炭°素の燃焼に有効な触媒
   が含まれており、前記第２の層には主としてメタンの燃
   焼Ｃ：有効な触媒が含まれており、前記空間で混合され
   た前記燃料残ガスおよび前記残空気はまず前記第１の層
   を通り、つぎ６二第２の層を通って排出されるように構
   成されたことを特徴とする燃焼装置。 （２）前記第１の層Ｃ二含まれる触媒が白金またはパラ
   ジウムの少くとも一方を含′有することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の燃焼装置。 （８）前記第１層Ｃ二含まれる触媒が酸化マグネシウム
   あるいは酸化アルミニウムの少くとも一方を含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃焼装置。 （４）前記第２の層ｇ二含まれる触媒がマグネシウム、
   ランタンおよびランタンド元素よりなる群から選ばれた
   少くとも一種の元素の酸化物を含有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項、第２項あるいは第３項のいず
   れかに記載の燃焼装置。 （５）前記燃焼室より排出される高温の燃焼ガスが、前
   記燃料電池に供給される前記水素を含むガスを発生させ
   るためのスチームリフオーマ−に二おける改質反応の反
   応熱の供給源として利用されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項、第２項、第３項あるいは第４項のいず
   れかに１己載の燃焼装置。