(57)【要約】【課題】燃焼器を備え、この燃焼器の燃焼ガスで燃料電池セルを発電温度まで直接加熱し昇温させる固体酸化物形燃料電池システムにおいて、燃焼器の燃焼時における煤の発生を防止する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池セル３と、セル３の燃料極側と空気極側との少なくとも一方に配置した燃焼器１と、燃焼器１で発生させた燃焼ガス５の流路となる燃焼容器１６とを備え、燃焼ガス５でセル３を発電温度まで昇温する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、燃焼容器１６内に水蒸気１５を発生させる蒸発器４を設け、燃焼器１から発生する燃焼ガス５と蒸発器４から発生する水蒸気１５とを燃焼容器１６内で混合させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池セルと、前記セルの燃料極側と空気極側との少なくとも一方に配置した燃焼器と、前記燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となる燃焼容器とを備え、前記燃焼ガスで前記セルを発電温度まで昇温する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
前記燃焼容器内に水蒸気を発生させる蒸発器を設け、前記燃焼器から発生する燃焼ガスと前記蒸発器から発生する水蒸気とを前記燃焼容器内で混合させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は空孔を有するポーラス構造である固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は前記燃焼容器内において前記燃焼ガスの流路の周囲に設けられる水路であり、前記燃焼容器内で前記水路と前記セルとの間に、前記燃焼ガスと前記水路から発生する水蒸気とを混合させるための板状部材を備える固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は、ノズルヘッダとこのノズルヘッダに取り付けられミスト化した水を放出して水蒸気を発生させるスプレイノズルとから構成される固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は、水蒸気の蒸発面が前記燃焼ガスの流路内に露出している固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温形燃料電池の一種である固体酸化物形燃料電池のシステムにおいて、燃焼ガスで燃料電池セルを発電温度まで直接加熱し昇温させる燃焼器を備える固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃焼器を備えた固体酸化物形燃料電池システムの従来例が示されている。図４を用いて、特許文献１による固体酸化物形燃料電池システムを説明する。固体酸化物形燃料電池システムは、燃焼器１、蒸発器４、改質器２２、および固体酸化物形燃料電池のセル３を備える。炭化水素系の燃料を改質器２２で改質させるため、燃焼器１の外側に設けた蒸発器４に給水し、燃焼器１を燃焼させて蒸発器４を間接的に加熱し、水蒸気１５を発生させる。発生した水蒸気１５を改質器２２に供給し、炭化水素系の燃料と混合させて水蒸気改質し、改質ガス２３を生成させる。生成した改質ガス２３をセル３に供給し、発電を開始する。蒸発器４を燃焼器１の外側に接して設けることにより、短時間で蒸気を発生することができ、改質器２２および固体酸化物形燃料電池の起動性の向上が図れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１１１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体酸化物形燃料電池システムにおいて、起動性を向上させるためにセルを燃焼器の燃焼ガスで直接加熱し昇温させる方法では、燃焼ガスの燃料の供給状態によって燃焼ガスの燃焼状態が不均一になり、部分的に煤が発生する場合がある。煤が発生した場合、セルに煤が付着し、電気絶縁の不良やセルの劣化を引き起こす。
【０００５】
一般に燃焼ガスの燃焼による煤の発生防止には、燃焼ガスに水蒸気を混合させる方法が有効であることが知られている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１による従来の方式では、水蒸気を発生させる蒸発器が燃焼器の外側に配置されており、発生した水蒸気は配管を通って改質器に導かれる。このため、水蒸気と燃焼器で発生した燃焼ガスとは分離されていて混合できず、煤の発生を防止することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
燃焼器の燃焼時における煤の発生防止のため、本発明による固体酸化物形燃料電池システムは、基本的には以下のような特徴を有する。
【０００８】
固体酸化物形燃料電池セルと、前記セルの燃料極側と空気極側との少なくとも一方に配置した燃焼器と、前記燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となる燃焼容器とを備え、前記燃焼ガスで前記セルを発電温度まで昇温する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記燃焼容器内に水蒸気を発生させる蒸発器を設け、前記燃焼器から発生する燃焼ガスと前記蒸発器から発生する水蒸気とを前記燃焼容器内で混合させる。
【０００９】
好ましくは、前記蒸発器は空孔を有するポーラス構造である。
【００１０】
また、本発明による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は前記燃焼容器内において前記燃焼ガスの流路の周囲に設けられる水路であり、前記燃焼容器内で前記水路と前記セルとの間に、前記燃焼ガスと前記水路から発生する水蒸気とを混合させるための板状部材を備えてもよい。
【００１１】
また、本発明による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記蒸発器は、ノズルヘッダとこのノズルヘッダに取り付けられミスト化した水を放出して水蒸気を発生させるスプレイノズルとから構成されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水蒸気を発生させる蒸発器を燃焼容器内に設置し、燃焼器で発生した燃焼ガスで蒸発器を加熱するとともに水蒸気を発生させる。これにより、燃焼ガスと水蒸気とを混合させることが可能となり、煤の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１による固体酸化物形燃料電池システムの構成図。
【図２】本発明の実施例２による固体酸化物形燃料電池システムの構成図。
【図３】本発明の実施例３による固体酸化物形燃料電池システムの構成図。
【図４】従来技術による固体酸化物形燃料電池システムの構成図。
【図５】実施例１における蒸発器の概略図。
【図６】実施例１において、蒸発器を空気極側の燃焼容器内に設けた場合の固体酸化物形燃料電池システムの構成図。
【図７】実施例１において、蒸発器を燃料極側と空気極側との両方の燃焼容器内に設けた場合の固体酸化物形燃料電池システムの構成図。
【図８】実施例３において、ノズルヘッダとスプレイノズルの配置を説明するために燃焼容器を上部から見た平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明による固体酸化物形燃料電池システムでは、固体酸化物形燃料電池のセルを燃焼器で発生させた燃焼ガスで発電温度まで昇温する。そして、燃焼器の燃焼時における煤の発生防止のために、以下の手段を用いる。
（１）燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となる燃焼容器内に蒸発器を設置し、水蒸気を発生させる。
（２）燃焼器で発生した燃焼ガスと蒸発器からの水蒸気とを均一に混合させる。
（３）燃焼ガスに混合させる水蒸気を短時間で発生させる。
【００１５】
煤の発生を防止するためには、燃焼ガスに水蒸気を混合させる必要がある。そこで、燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となる燃焼容器内に蒸発器を設置し、燃焼器からの燃焼ガスで蒸発器を加熱して水蒸気を発生させることにより、燃焼ガスと水蒸気とを燃焼容器内で混合させる。
【００１６】
このとき、蒸発器に空孔を設けてポーラス構造にしたり、蒸発器として燃焼容器内において燃焼ガスの流路の周囲に水路を設けるとともに、この水路とセルとの間に燃焼ガスと水蒸気とを混合させるための邪魔板を設けたり、ミスト化した水を放出して水蒸気を発生させるスプレイを蒸発器として用いたりすることにより、燃焼ガスと水蒸気とを均一に混合させることができ、水蒸気をより短時間で発生させることが可能となる。また、蒸発器の水蒸気の蒸発面を燃焼ガスの流路内に露出させると、水蒸気をさらに効率よく燃焼容器内に発生させることができる。
【００１７】
これにより、燃焼開始直後から燃焼ガスと水蒸気とを均一に混合させることができ、燃焼時における煤発生の防止を図ることができる。
【実施例１】
【００１８】
図１に、本発明による固体酸化物形燃料電池システムの実施例を示す。本実施例の固体酸化物形燃料電池システムは、空気配管１１から発電用空気１２が、燃料配管１３から発電用燃料１４が各々供給され、固体酸化物形燃料電池のセル３で発電する。セル３の、発電用空気１２が供給される側を空気極側、発電用燃料１４が供給される側を燃料極側と称する。本実施例では、セル３の燃料極側と空気極側の両方に燃焼器と燃焼容器１６が設けられている。燃焼容器１６は、燃焼器で発生させた燃焼ガスの流路となるほかに、固体酸化物形燃料電池のセルに供給される燃料と空気を燃焼ガスで予熱するための機能も有する。
【００１９】
発電する際には、燃焼器１に燃焼用燃料６と燃焼用空気７とを供給して燃焼させ、発生した燃焼ガス５でセル３を発電温度まで昇温させる。燃焼用燃料６には、メタンなどの炭化水素系の燃料を用いることができる。その後、セル３に発電用空気１２と発電用燃料１４とを供給し、発電を開始する。発電後の排ガス１０は高温であるため、熱回収された後、排気される。また、固体酸化物形燃料電池は発電温度が８００℃程度と高いため、セル３の周囲を断熱材９で囲い、放熱を抑制する。
【００２０】
図１に示した実施例では、燃料極側の燃焼容器１６内で、燃焼器１とセル３との間の燃焼ガスの流路内に蒸発器４を設けて、燃焼ガス５で蒸発器４を直接加熱している。蒸発器４は水ポンプ８と接続されており、水が供給される。この水が、燃焼ガス５の加熱により蒸発し、水蒸気１５となる。
【００２１】
本実施例での蒸発器４は、図５に示すような形状であり、水蒸気１５となる水をためることができ、多数の空孔２が空いたポーラス構造となっている。さらに蒸発器４は、燃焼ガスの流路内に水の蒸発面が露出しており、水蒸気１５を短時間で効率よくかつ均一に燃焼容器１６内に発生させることができる。
【００２２】
燃焼器１からの燃焼ガス５は、蒸発器４の空孔２を通ってセル３の方へ上昇していく。このとき、蒸発器４から発生した水蒸気１５と燃焼ガス５とは、均一に混合される。これにより、燃焼器１の燃焼時における煤の発生を防止することが可能となる。
【００２３】
また、蒸発器４をポーラス構造とすることで、蒸発器４の伝熱面積が増え、より短時間で水蒸気が発生できるので、燃焼器１の燃焼直後から煤発生防止効果を期待できる。
【００２４】
なお、空孔２の数、大きさ、および配置は、図５の例に限られるものではない。空孔２を蒸発器４内で細かくかつ均一に分布させると、燃焼ガス５と水蒸気１５とをさらに均一に混合でき、煤発生防止にいっそう効果的である。
【００２５】
蒸発器４の材質は、耐熱性（例えば金属、セラミック、ガラスなど）であり、不純物を発生するもの（例えば有機物系など）でなければ、特に問わない。また、蒸発器４の大きさは、水蒸気を燃焼ガスと均一に混合することや水蒸気の発生効率を考慮すると、燃焼器１を覆う程度の大きさ（面積）であるのが望ましい。蒸発器４の形状は、本実施例では図５に示したように四角形であるが、これに限定されるものではなく、例えば円形でもよい。
【００２６】
なお、本実施例では、燃焼器１と燃焼容器１６とは、セル３の燃料極側と空気極側の両方に設けているが、どちらか一方だけに設けてもよい。以下の実施例でも、燃焼器１と燃焼容器１６は、燃料極側と空気極側とのどちらか一方または両方に設けてもよいが、本実施例と同様に、燃料極側と空気極側の両方に設置した場合について説明する。
【００２７】
また、本実施例では、蒸発器４は、燃料極側の燃焼容器１６内に設けているが、図６に示すように空気極側の燃焼容器１６内に設けてもよく、図７に示すように燃料極側と空気極側の両方の燃焼容器１６内に設けてもよい。以下の実施例でも、蒸発器４は、燃焼器１が設置されていれば燃料極側と空気極側とのどちらか一方または両方に設けてもよいが、本実施例と同様に、燃料極側の燃焼容器１６内に設置した場合について説明する。
【実施例２】
【００２８】
図２に、本発明による固体酸化物形燃料電池システムの別の実施例を示す。図２において、実施例１（図１）と同一の符号は、実施例１と同一または対応する要素を示す。
【００２９】
本実施例は、燃料極側の燃焼容器１６内に蒸発器として水路１７を設けたものである。水路１７は、燃焼容器１６内において燃焼ガスの流路の周囲を一周するように設置されており、水ポンプ８と接続されて水が供給される。本実施例の蒸発器である水路１７も、実施例１の蒸発器４と同様に、燃焼ガス５の流路内に水の蒸発面が露出しており、水蒸気１５を効率よく燃焼容器１６内に発生させることができる。
【００３０】
また、本実施例の固体酸化物形燃料電池システムには、燃焼容器内において、蒸発器である水路１７とセル３との間に邪魔板１８を設ける。邪魔板１８とは、燃焼ガス５と水路１７から発生する水蒸気１５との流れを変えて均一に混合するための板状の部材である。邪魔板１８は、実施例１の蒸発器４と同様に、不純物を発生するもの（有機物系など）でなく、例えば金属、セラミック、ガラスなどの耐熱性であれば、特に材質は問わない。大きさ（面積）は、セル３を格納するセル室の断面積より大きいのが望ましい。また、邪魔板１８の形状は、例えば四角形や円形などでよく、特に限定はしない。
【００３１】
水ポンプ８から水路１７に供給された水は、燃焼ガス５で燃焼容器１６が加熱されることにより水蒸気１５となり、燃焼器１で発生した燃焼ガス５と共にセル３の方へ上昇していく。上昇してきた水蒸気１５は、邪魔板１８に衝突して流れ方向が変わり、上昇してきた燃焼ガス５と均一に混合される。これにより、燃焼器１の燃焼時における煤の発生を防止することが可能となる。
【００３２】
なお、水路１７の水深を浅くしたり幅を小さくしたりすると、水蒸気１５の発生時間の短縮に繋がり、燃焼器１の燃焼直後からの煤発生防止に有効である。水路１７は、燃焼容器１６内の周囲を必ずしも一周していなくてもよいが、水蒸気の発生効率や分布均一性を考慮すると、周囲を一周しているような配置またはそれに近い配置が望ましい。複数の水路１７を、燃焼容器１６内の周囲に設けてもよい。
【００３３】
また、邪魔板１８の表面に突起物を設けたり空孔を設けたりすることにより、燃焼ガス５と水蒸気１５とをより均一に混合することができるようになり、煤発生防止の効果をさらに向上させることが可能となる。
【実施例３】
【００３４】
図３に、本発明による固体酸化物形燃料電池システムのもう１つの実施例を示す。図３において、実施例１（図１）と同一の符号は、実施例１と同一または対応する要素を示す。
【００３５】
本実施例は、燃料極側の燃焼容器１６内で、燃焼器１とセル３との間の燃焼ガスの流路内に、蒸発器としてノズルヘッダ２１とスプレイノズル１９とを設けたものである。ノズルヘッダ２１には、スプレイノズル１９が燃焼器１に向けて複数取り付けられており、水ポンプ８と接続されて水が供給される。
【００３６】
水ポンプ８からノズルヘッダ２１に供給された水は、スプレイノズル１９からミスト２０となって燃焼器１の方へ放出される。ミスト２０は、細かい霧状の水滴であり、燃焼器１で発生してセル３の方へ上昇してきた燃焼ガス５によって加熱され水蒸気となり、燃焼ガス５と衝突し均一に混合される。これにより、燃焼器１の燃焼時における煤の発生を防止することができる。
【００３７】
なお、より細かいミスト２０を発生できるスプレイノズル１９を使用することにより、ミスト２０が水蒸気となる時間をさらに短くでき、燃焼器１の燃焼直後から煤発生防止の効果を期待できる。
【００３８】
図８を用いて、燃焼容器１６内でのノズルヘッダ２１とスプレイノズル１９の配置を説明する。図８は、燃焼容器１６を上部から見た平面図であり、簡略化してノズルヘッダ２１とスプレイノズル１９のみを示した。
【００３９】
ノズルヘッダ２１は、複数本（図８では３本）設置され、それぞれにスプレイノズル１９が複数個（図８ではそれぞれ６個）取り付けられている。各ノズルヘッダ２１は、水ポンプ８に接続されて水が供給される。このように、複数のノズルヘッダ２１のそれぞれに、複数のスプレイノズル１９を設置することで、燃焼ガス５と水蒸気の均一混合が可能になる。スプレイノズル１９は、放出したミストが効率よく均一に水蒸気になるように、燃焼容器１６内で均一に分布させて取り付けるのが望ましい。
【００４０】
スプレイノズル１９およびノズルヘッダ２１は、実施例１の蒸発器４や実施例２の邪魔板１８と同様に、不純物を発生しない耐熱性のものであれば、特に材質は問わない。
【００４１】
ノズルヘッダ２１およびスプレイノズル１９の大きさと数は、水蒸気が燃焼容器１６内の広範囲に均一に行きわたることができるようなものであればよく、図８の例に限定されるものではない。水蒸気を燃焼ガス５と均一に混合することや水蒸気の発生効率を考慮すると、複数のスプレイノズル１９が全体として燃焼器１を覆うように設置するのが望ましい。
【００４２】
ノズルヘッダ２１およびスプレイノズル１９の形状は、特に限定しない。ノズルヘッダ２１については、例えば形状を円柱状にすると、円周方向にもスプレイノズル１９を複数取り付けることができる。このようにすると、均一混合の効果をさらに上げることができ、燃焼ガス５と水蒸気の混合が促進され、煤発生防止効果がさらに向上する。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、燃料電池セルを発電温度まで昇温させるための燃焼器を備えた固体酸化物形燃料電池システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃焼器、２…空孔、３…セル、４…蒸発器、５…燃焼ガス、６…燃焼用燃料、７…燃焼用空気、８…水ポンプ、９…断熱材、１０…排ガス、１１…空気配管、１２…発電用空気、１３…燃料配管、１４…発電用燃料、１５…水蒸気、１６…燃焼容器、１７…水路、１８…邪魔板、１９…スプレイノズル、２０…ミスト、２１…ノズルヘッダ、２２…改質器、２３…改質ガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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