JPS6065472A - 燃料電池装置 - 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】 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図に示される楢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）に基づいて回転する廃ガスタービン２ｏと
、該崩ガスタービン２ｏの回収動力にょシ駆動するとと
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へ供給するだめのコ
ンプレッサ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、助燃影の添加下に倣料素
来品士装置１７へ循環させるだめのライン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ｌ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
の上部ヘッド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、上部は上部ヘッド２へ
開口し、下部はベンド状部６によシ密閉状とされた改質
反応外管３と、加熱室９の下方にセラミックストレイ１
４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、１
２および１３はそれぞれ混合室１１へ燃料および空気を
供給するだめのノズル、１６は加熱室９へ導かれた燃焼
ガスを排出するだめのノズルである。

この上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、次いで改質反応管３の
上部開口部から該反応管内に充填された改質触媒４０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
加熱されて改質反応が進行し、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。

第　１　表 ｖｏ１％はｄｒｙ　ｖｏｌチ 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、別途コンプレッサ２１で昇圧後カソード極２
２へ分送される空気とともに所定の電池反応（Ｉｈ　＋
　１／２０ｘ→ＩｈＯ）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係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だめの燃焼は以下に
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
れとコンプレッサ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、
次いでセラミックストレイ１４を通ったのち触媒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１２０
０〜１４００℃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儂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
になったり、また装置材料に耐熱性が要求されるので、
竹に高温ガスの影響を受け易い改質反応外管の下部ペン
ド状部にはその外面に断熱材を取り伺ける等の保膜対策
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、全体的にみて熱効串の
低下が大きいことである。

第　２　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
存酸素とにより新だ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、従って燃料は前段の触媒充填燃焼室へは一般に
全燃料の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低温となる。そし
て残シ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０２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、ｏ２２部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かでき、これにょシ燃焼ガスの温
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Ｒ（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１ｏの後流にセラミックストレイ
１４Ａを介して設けら　′れた反応室１０Ａと、該反応
室１０Ａへ燃料を供給するだめの第２段ノズル１２Ａと
がら主に打・構成される。

このような構成の装置において、供給燃料を全燃料の５
０〜６０チとする以外は第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
少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を通って反応室
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０２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。従って触媒の劣化を低減
できる上、装置材料の耐熱性を軽減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
を租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１
２Ａ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
高ガスを煙突２３へ案内するラインとコンプレッサ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で、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ｔ　ｉ７Ａ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０２ｆｉｌ　Ｍｅが低い
ので、燃焼室での燃焼は前記の実施例に比し一層緩やか
なものとなり、これにともない燃焼ガスの温度は一般に
７００〜９５０　″Ｃ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１００
０〜１１００℃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
ード朽廃ガスの保有熱や圧力を有効利用できるので、全
体の熱効率を改碧することもできる。

以上、本発明によれば、燃料水素発生装置の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シ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、好ましくは上記溶焼
時の燃焼用酸素含有ガスとして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
、高燃焼特性領域でお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
熱性軽減が可能となる。

その上、カソード朽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・
・・改質前ｕ２．５・・・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、１２人
・・・第２段（燃料供給）ノズル、１３・・・空気（酸
素含有ガス）供給ノズル、１４．１４Ａ−・セラミック
ストレイ、１５・・・（燃焼）触媒、１６・・・燃焼ガ
ス排出ノズル、１７．１７Ａ・・・燃料水素発生装置、
１８・・・燃料電池、１９・・・アノード極、２０・・
・廃ガスタービン、２１・・・コンプレッサ、２２・・
・カソード極、２４・・・アノード朽廃ガス循環ライン
、２５・・・カソード朽廃ガス供給ライン、２６・・・
アノード朽廃ガス循環分岐ライン。 代理人　弁理士　川　北　武　長 第２昆１

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化水素類を加熱下に改質して燃料電池用の燃才
   ゛１水素を得るために、該加熱源の供給部として順次、
   撚れと酸素含有ガスの混合室および触媒充填燃焼部を設
   けた燃料水素発生装置を備えた燃料電池装置１ヱにおい
   て、上記触媒充填燃焼部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罠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. （２）　／Ｉ？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１１゛ν
   徴とする燃料電池装置。
3. （３）／Ｉ’ｆｆ許請求の範囲Ｍ１項において、上記混
   合室に１部給される酸素含有ガスの少くとも１部は、燃
   料電沖１のカソード極から排出される廃ガスであるこ