(57)【要約】【課題】  改質器または燃料電池の温度分布の均一性を向上すること、また、発電時に供給される改質用燃料と水蒸気、あるいは空気などとの混合気の濃度分布の均一性を向上することにある。【解決手段】  燃料電池と、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えた燃料電池システムであって、前記改質器または燃料電池の加熱源、又は、前記改質ガスを生成する原料の混合手段に、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを設置することを特徴とする。また、燃料電池システムの使用方法であって、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナが設置され、前記改質器または燃料電池を前記クラスターバーナの同軸噴流による燃焼ガスで加熱するステップを含むことを特徴とする。【選択図】図１
2006190580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えた燃料電池システムであって、
前記改質器または燃料電池の加熱源、又は、前記改質ガスを生成する原料の混合手段に、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを設置することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
電解質の両側にアノードおよびカソードを備えた燃料電池と、炭化水素系燃料，酸化剤ガス、および水または水蒸気を原料として水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記カソードに反応ガスを供給するカソードガス供給ラインと、を備えた燃料電池システムであって、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを前記改質器または燃料電池の加熱源、または、前記炭化水素系燃料，前記酸化剤ガス，前記水蒸気の混合器として利用することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
電解質の両側にアノードおよびカソードを備えた燃料電池と、炭化水素系燃料，酸化剤ガス、および水または水蒸気を原料として水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記カソードに反応ガスを供給するカソードガス供給ラインと、を備えた燃料電池システムであって、鉛直方向に燃料と空気の同軸噴流を噴射する同軸噴流ノズルを複数備え、該同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを前記改質器または燃料電池の加熱源、または、前記炭化水素系燃料，前記酸化剤ガス，前記水蒸気の混合器として利用することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記クラスターバーナによる燃焼ガスが鉛直方向で上方に流れるように同軸噴流ノズルを配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記クラスターバーナによって加熱される改質器の触媒をハニカム構造とすることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記クラスターバーナの同軸噴流ノズルをセラミックス製としたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
燃料電池と、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えた燃料電池システムであって、
前記改質器または燃料電池の加熱源に、急速な起動を可能とする急速起動手段を設け、
前記急速起動手段として、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを設置することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
燃料電池と、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えた燃料電池システムの使用方法であって、
同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナが設置され、
前記改質器または燃料電池を前記クラスターバーナの同軸噴流による燃焼ガスで加熱するステップを含むことを特徴とする燃料電池発電システムの使用方法。
【請求項９】
燃料電池と、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えた燃料電池システムの使用方法であって、
前記改質器または燃料電池を昇温する手段として、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナが設置され、
前記燃料電池または改質器を加熱するステップでは、前記クラスターバーナの同軸噴流による燃焼ガスで加熱することを特徴とする燃料電池発電システムの使用方法。
【請求項１０】
水素を含む改質ガスを生成する燃料電池用改質器であって、
前記改質器の加熱源に、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを設置することを特徴とする燃料電池用改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素を反応させることで電気エネルギーを取り出す。酸素は、大気中の空気を取り込む。水素は、都市ガスや灯油などの炭化水素系燃料から改質によって水素を作り出し、燃料電池に供給する。炭化水素系燃料から水素を製造する改質反応は、吸熱反応であり、かつ、反応温度が６００〜８００℃程度と高温であるため、改質器を昇温し、かつ、温度維持する必要がある。作動温度の高い固体酸化物形燃料電池においては、電池の作動温度である７００〜１０００℃まで昇温する手段が必要となる。その一例として特許文献１等があげられる。
【０００３】
したがって、いずれの燃料電池発電システムにおいても昇温手段が必要になる。昇温手段として電気ヒータやバーナがあるが、高温の熱源が得られるという点でバーナが優れている。燃料電池用バーナでは、燃料・空気混合気の濃度均一化，燃焼ガスの温度分布一様化が電池性能向上とシステム信頼性向上が望まれる。
【０００４】
バーナ燃焼方式としては、予混合燃焼式と拡散燃焼式が挙げられる。予混合燃焼式では、均一濃度の予混合気を形成するために混合時間（混合区間）を長くする必要があり、そのため自発火ポテンシャルが高くなり、自発火（逆火）による構成機器損傷のリスクが増大する。混合時間を短くし、自発火（逆火）を防止することにすると十分な混合時間が確保できず、改質触媒に均一な混合気を供給できないため、高い水素変換効率が得られないという課題がある。拡散燃焼式では、自発火の恐れはないが、燃焼の特性上、温度ムラが出来やすく、煤の発生も懸念される課題がある。また、ＮＯｘの発生量も予混合燃焼式よりも大きくなる傾向があり、環境面で課題が残る。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２６７６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
改質器または燃料電池を温度一様に昇温することと、電池発電時に供給される改質用燃料と水蒸気、あるいは空気などとの混合気を改質器へ均一濃度で供給することが望まれる。本発明の目的は、改質器または燃料電池の温度分布の均一性を向上すること、また、発電時に供給される改質用燃料と水蒸気、あるいは空気などとの混合気の濃度分布の均一性を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
燃料電池と、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えた燃料電池システムであって、前記改質器または燃料電池の加熱源、又は、前記改質ガスを生成する原料の混合手段に、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを設置する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、改質器または燃料電池の温度分布の均一性を向上することができ、また、発電時に供給される改質用燃料と水蒸気、あるいは空気などとの混合気の濃度分布の均一性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
燃料電池は、電解質の両側に、アノードとカソードを備え、アノード側に燃料ガスを、カソード側に酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料（水素）と酸化剤（酸素）を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池には、電解質の種類により約７０℃で作動する固体高分子形燃料電池、作動温度が７００〜１０００℃程度と高温の固体酸化物形燃料電池等があり、発電効率が高く、排熱も利用することで総合熱効率も高くできるため、環境に優しい発電システムとして、家庭用，自動車用，業務用と幅広く研究・開発が進められている。
【００１０】
本発明では、燃料電池と、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えた燃料電池システムであって、改質器または燃料電池の加熱源、又は、改質ガスを生成する原料の混合手段に、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを設置する。以下、具体的に、実施例にて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本実施例は、改質器または燃料電池へ均一濃度、及び均一温度の燃料，空気，水蒸気の混合気または燃焼ガスを供給可能な燃料電池発電システムに関するものである。そして、多数の微細な燃料噴口と空気噴口とをそれぞれ同軸に配置することにより、拡散燃焼と予混合燃焼の良い点を併せ持つクラスターバーナを設置し、前記クラスターバーナを構成する同軸噴流ノズルの１つに酸化剤ガスを、もう一つのノズルに炭化水素系燃料または炭化水素系燃料と水蒸気との混合気を供給するようにしている。そして、起動時には通常の燃焼モードで運転し、発電モードではバーナでの燃焼が不可能な酸化剤と燃料との流量比に設定して前記同軸噴流ノズルが燃料，酸化剤，水蒸気の混合器として利用されるように配置される。
【００１２】
ここで、燃料電池は、電解質の両側にアノードおよびカソードを備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料（水素）と酸化剤（酸素）を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池には、電解質の種類により約７０℃で作動する固体高分子形燃料電池から、作動温度が７００〜１０００℃程度と高温の固体酸化物形燃料電池まであり、いずれも発電効率が高く、排熱も利用することで総合熱効率も高くできるため、環境に優しい発電システムとして、家庭用，自動車用，業務用と幅広く研究・開発が進められている。
【００１３】
前述したように燃料電池は、一般に、水素と酸素を反応させることで電気エネルギーを取り出す。ここで、酸素については、大気中の空気を取り込むことで燃料電池への供給が可能である。一方、水素については、手軽に供給できるインフラが現在ないため、都市ガスや灯油などの炭化水素系燃料から改質によって水素を作り出し、燃料電池に供給する。
【００１４】
このような、炭化水素系燃料から水素を製造する改質反応は、吸熱反応であり、かつ、反応温度が６００〜８００℃程度と高温であるため、改質器を昇温し、かつ、温度維持する必要がある。また、作動温度の高い固体酸化物形燃料電池においては、電池の作動温度である７００〜１０００℃まで昇温する手段が必要となる。
【００１５】
したがって、いずれの燃料電池発電システムにおいても昇温手段が必要になる。この昇温手段としては、電気ヒータ，バーナが考えられるが、より高温の熱源が得られるという点でバーナが優れている。
【００１６】
このような燃料電池用のバーナにおいては、燃料・空気混合気の濃度均一化，燃焼ガスの温度分布一様化が電池性能向上とシステム信頼性向上に大きく影響する。
【００１７】
ここで、バーナ方式としては、予混合燃焼式バーナと拡散燃焼式バーナが挙げられる。
【００１８】
予混合燃焼式バーナでは、均一濃度の予混合気を形成するために混合時間（混合区間）を長くすると予混合気の自発火ポテンシャルが高くなり、自発火（逆火）による構成機器の損傷確率が高くなる。また、混合時間を短くし、自発火（逆火）を防止することにすると十分な混合時間が確保できず、改質触媒に均一な混合気を供給できないため、高い水素変換効率が得られない。
【００１９】
一方、拡散燃焼式バーナでは、自発火の恐れはないものの、燃焼の特性上、温度ムラが出来やすく、煤の発生も懸念される。また、ＮＯｘの発生量も予混合燃焼式よりも大きくなる傾向があり、環境面で課題が残る。
【００２０】
したがって改質器または燃料電池を温度一様に昇温すること、及び、電池発電時に供給される改質用燃料と水蒸気、あるいは空気などとの混合気を改質器へ均一濃度で供給することが望まれる。
【００２１】
まず、水素を含む改質ガスを生成する方法について、炭化水素系燃料としてメタンを例にとり説明する。改質触媒上で主に（１）式の反応によりメタンと水蒸気が反応（改質反応）して水素が生成する。なお、改質触媒としては、Ｎｉ系やＲｕ系などの触媒が一般的に用いられている。
【００２２】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ2                                           …（１）
同時に、化学式（１）により反応したＣＯは、下記の（２）式で表されるＨ2Ｏ との反応（ＣＯ転化反応）により、さらに水素に変換される。
【００２３】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋Ｈ2                                             …（２）
ここで、炭化水素系燃料から水素を生成する主反応である（１）式の改質反応は、大きな熱エネルギーを必要とする吸熱反応であり、この反応を継続するためには多量の熱を連続的に供給し、６００〜８００℃程度に改質触媒温度を保つ必要がある。
【００２４】
この熱の供給方法により、改質器の方式が外熱式，内熱式と区別されている。外熱式は、隔壁を隔てて外部から、電気ヒータ，バーナなどで加熱する方法であり、内熱式は、改質反応を行う反応部に酸化剤ガス（空気または酸素）を投入し、（３）式の酸化反応により発生する熱によって（１）式の改質反応に熱を供給する方式である。この（３）式の反応を促進させるため、通常はＰｄ系などの燃焼触媒が用いられている。
【００２５】
ＣＨ4＋２Ｏ2＝ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ                                        …（３）
いずれの方式においても、実負荷までの発電に必要な水素を得ることが可能である。しかし、外熱式においては隔壁を隔てて（１）式の反応を６００〜８００℃程度の温度下で定常的に行わせるため長時間加熱する必要があるのに対し、内熱式の場合は、（３）式の反応を同じ反応部内で行えば良く、また酸化反応は一般に反応速度が速いため、結果的に（１）式の反応を速くでき、発電可能な水素量を外熱式よりも速く得ることができる。このため、発電開始までの時間を短くするには内熱式が優れている。一方、内熱式は改質ガス中に窒素を含み、水素濃度が外熱式よりも低下するため、効率面からは外熱式が優れている。
【００２６】
図１〜図３を用い、以下、具体的に、本発明の一実施例を説明する。図１は、固体高分子形燃料電池を用いた本発明の一実施形態を示す。図１（ａ）はシステム構成図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部である、バーナ拡大部を示す。本実施例では、改質方式としては、上述の内熱式を用いている。
【００２７】
固体高分子形燃料電池７０は、アノード７０ａ，カソード７０ｃ，電解質膜７０ｅを備えている。このアノード７０ａに供給する水素含有ガスを形成する手順を以下に説明する。
【００２８】
まず、上述の(３)式で示した燃焼反応を行わせる燃焼触媒２０ｃは、約２００〜４００℃にならないと反応活性が得られない。したがって、燃焼触媒２０ｃを昇温し、さらに、燃焼触媒２０ｃに導入するガスも予熱しておく必要がある。
【００２９】
そこで、主バーナ１に主バーナ用空気３および主バーナ用燃料４（例としてＣＨ4 ）を導入する。
【００３０】
その際、主バーナ１は、複数個の同軸噴流ノズル１０から成り、一方の空気ノズル10ｂから主バーナ用空気３を、他方の燃料ノズル１０ａから主バーナ用燃料４をそれぞれ独立に流通させるようにしたので、自発火（逆火）を回避できる。また、同軸噴流ノズル１０を出た後で空気と燃料が短区間で急速に混合されて混合気１０ｃが形成される。同軸噴流ノズル１０は微細な噴口であり、一例として、空気ノズル１０ｂの内径は３〜８mm程度、燃料ノズル１０ａの内径は１〜２mm程度である。このような大きさの空気ノズル１０ｂが板状部材に複数設けられている。同軸噴流は、噴流のほぼ中心に燃料流があり、その燃料流の周囲に環状の空気が円筒状に流れるものである。
【００３１】
この同軸噴流ノズル１０は、燃料噴流とその燃料噴流をほぼ中心とする環状の空気流が、狭い流路から、広い燃焼領域に噴射するものである。そのため、同軸噴流が狭い流路から急激に広い燃焼領域に噴射され、空気と燃料の混合が顕著に促進され、混合の均一性が向上する。そして、同軸噴流ノズル１０は、燃料を燃料噴流として噴出する燃料ノズル
１０ａを複数個備え、燃料ノズル１０ａから噴出する燃料噴流の周囲から燃焼用空気を従動的に流入させて燃料と燃焼用空気との噴流を形成する流路である空気ノズル１０ｂを燃焼領域に面した板状部材に形成している。そして、燃料ノズル１０ａはその流路内で燃焼用空気流が燃料噴流を包み込んで流れるように流路に対し配置され、燃料を燃焼領域に噴出する。そのため、簡易なノズル構成で、混合の均一性が向上し、優れた昇温加速性で且つ安定燃焼等が可能となる。
【００３２】
ここで、図示されていない点火機構によって、混合気１０ｃに着火させ、燃焼ガス４０を形成する。
【００３３】
このように混合されたガスを燃焼させると、燃焼状態が良く、煤の発生もない。また、複数個の同軸ノズルを燃焼面全体に一様に配置し、各々のノズルから燃焼させることができる。
【００３４】
図２に温度又は濃度分布を示す。図２（ａ）は、ノズル部構成図を示し、図２（ｂ）は、温度分布及び濃度分布を示す。図２のように、本実施例では、生成する燃焼ガスにほとんど温度分布が発生しない。さらに、混合気１０ｃは、図２のＸ軸に対して燃料濃度分布も均一であるため、着火性も非常に良好であり、着火点を特別に限定する必要はない。よって、燃焼触媒２０ｃを面内一様温度分布で昇温することができ、燃焼ガス温度分布による燃焼触媒の過熱，昇温不足を回避できる。したがって、燃焼触媒を急速昇温した場合にも、過熱による触媒の損傷無しに、しかも昇温不足部分を生じることもないことから、
（１）式で示される反応を均一に行わせることができ、原燃料の高効率水素改質を達成できる。また、面内一様の温度分布で昇温できるため、燃焼触媒２０ｃやその上流の改質触媒２０ｒの寿命向上と高活性が期待できるばかりか、温度管理が容易であるためシステムの運転制御が容易になるといった効果も得られる。さらに、混合区間が短区間で燃焼させることができるため、改質器のコンパクト化も可能となる。
【００３５】
なお、主バーナ１で燃焼している時、（４）式で定義される空気比としては、一例として０.８〜１.２程度とする。
【００３６】
空気比＝Ａ／Ｂ                                                        …（４）
ここで、Ａ＝実際に燃焼に使用した空気のモル流量とし、Ｂ＝炭化水素系燃料を完全に燃焼させるのに必要な空気のモル量としている。
【００３７】
この燃焼ガス４０によって、改質部２０に配置された燃焼触媒２０ｃおよび改質触媒
２０ｒが昇温される。
【００３８】
一方、補助バーナ２にも補助バーナ用空気５および補助バーナ用燃料(例としてＣＨ4 )を導入し、主バーナ１と同様の同軸噴流ノズル１０によって混合させた後、着火させて燃焼ガス５０を形成する。
【００３９】
この燃焼ガス５０は、空気予熱器３ａおよび燃料予熱器４ａを加熱し、それぞれの予熱器を通過する主バーナ用空気３および主バーナ用燃料４を予熱する。主バーナ用空気３および主バーナ用燃料４は高温になるため、同軸噴流ノズル１０をセラミックス製とすると、ノズルの耐熱性が向上し、より信頼性の高い燃料電池発電システムが提供可能となる。
【００４０】
このような操作により、燃焼触媒が活性になる温度になり、触媒へ供給する原料ガスが２００〜４００℃程度に予熱されると、空気比を０.２〜０.４まで下げるとともに、以下の（５）式で定義されるスチームカーボン比を２.０〜３.０程度になるように主バーナ用燃料４に水蒸気を添加する。この状態では、主バーナ１では燃焼反応が生じず、主バーナ用空気３および主バーナ用燃料４から供給された空気，燃料，水蒸気は同軸噴流ノズル
１０によって混合気４０を形成し、そのまま燃焼触媒２０ｃに供給され、燃焼触媒２０ｃ上で前述（３）の燃焼反応が進行することになる。
【００４１】
なお、水蒸気を添加する理由は、炭化水素系燃料のみを高温にすると、流路や触媒上でＣ（カーボン）が析出し、反応流路を塞いで触媒活性が低下するのを防ぐためである。この水蒸気は、主バーナ用燃料４に、図示していないポンプで水を添加して発生させる。
【００４２】
スチームカーボン比＝Ｓ／Ｃ                                          …（５）
ここで、Ｓ＝水蒸気のモル量とし、Ｃ＝炭化水素系燃料中のＣ（カーボン）のモル量とする。
【００４３】
したがって、前述（３）式の反応を円滑に進行させるためには、空気，燃料，水蒸気の混合気４０が、均一濃度で燃焼触媒２０ｃの面内に一様に供給されることが必要になる。ここで、同軸噴流ノズル１０によって、空気，燃料，水蒸気が均一混合されるため、均一濃度の混合気４０が容易に得られ、燃焼触媒２０ｃに供給されることになる。また、前述したように、空気，燃料，水蒸気が同軸噴流ノズル１０により短区間で急速混合することから、混合時間（混合区間）を長くとる必要がなく、したがって混合気４０が自発火するポテンシャルを下げることができる。
【００４４】
さて、このように空気比，スチームカーボン比を調整した後は、燃焼触媒２０ｃによる燃焼熱により改質触媒２０ｒの温度が６００〜８００℃程度になると、改質触媒２０ｒ上で前述（１）式の改質反応が進行する。
【００４５】
このようにして得られた改質出口ガス６０は、水素を数十％含むものの、一酸化炭素も数％含む。しかし、固体高分子形燃料電池７０においては、一酸化炭素がこのような高い濃度にあるとアノード７０ａの電極触媒が被毒し、性能低下を引き起こすことが知られている。そこで、通常、一酸化炭素変成器２１および一酸化炭素選択酸化器２２により一酸化炭素を１０ppm 程度に除去してからアノードガス３０としてアノード７０ａに供給される。
【００４６】
アノードガス３０がアノード７０ａに供給され、カソードガス（空気）３１がカソード７０ｃに供給されると、固体高分子形燃料電池７０の発電が行われ、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素が反応する。アノードガス３０は、未反応の水素を含むアノード排ガス３２となり燃料電池から排出され、また、カソードガス３１も同様にカソード排ガス３３として排出される。
【００４７】
ここで、アノード排ガス３２は、未反応水素を含むため、そのまま系外へ放出するよりも、燃焼させて補助バーナ２に供給して燃焼させ、改質用原料ガスの予熱用の熱源として用いた方が効率が良い。そのため、発電が行われるようになると、今まで補助バーナ用燃料６として供給していたＣＨ4 を制御弁７２を閉じて停止し、代わりに制御弁７１を開いてアノード排ガス３２を補助バーナ２へ供給し、燃焼させる。
【００４８】
この時、アノード排ガス３２は水素を含むガスで燃焼速度が速いため、逆火の恐れがあり、また、燃料の濃度が低いため燃焼させるために混合を良好にする必要があるが、同軸噴流ノズル１０としたことでこの問題を解決できる。
【００４９】
なお、この主バーナ１および補助バーナ２の同軸噴流ノズル１０は、図１で示したように、噴流が下から上へと鉛直方向になるように配置するのが望ましい。これは、ガスタービン用燃焼器では、噴流速度が数十ｍ／ｓと乱流なので横方向の噴流でも構わないが、燃料電池では使用するガスの圧力，流量を考慮すると数十cm／ｓ〜数ｍ／ｓであり層流となり、燃焼ガスを自然に供給するためには鉛直方向が望ましいためである。
【００５０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に同軸噴流ノズル１０の面内配置例を示す。この同軸噴流ノズル１０は、面内配置例として、図３（ａ）のような円形状で同心円上に沿って複数配置するだけではなく、図３(ｂ)に示すように矩形の配置にすることも可能である。したがって、改質器の形状の自由度が広がり、省スペース化を図ることも可能である。また、燃焼触媒及び改質触媒の設置寸法に合わせてノズルを配置できるので、触媒の面内温度及び濃度均一化が容易に達成できる。特に、矩形上（縦横直線上に適切なノズル間隔を配して）にすることで、燃焼触媒２０ｃや改質触媒２０ｒを粒状ではなくハニカム形状とすることができる。ハニカム触媒は、粒状触媒よりも低圧損であるため、システム機器の動力が減り、システム効率を向上させる利点がある。
【００５１】
以上により、同軸噴流ノズル１０を採用した主バーナ１および補助バーナ２とすることで、高性能な燃料電池発電システムが得られる。
【００５２】
本実施例の燃料電池発電システム及びその使用方法では、燃料電池と、水素を含む改質ガスを生成する改質器とを備えた燃料電池システムであって、改質器または燃料電池の加熱源、又は、前記改質ガスを生成する原料の混合手段に、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを設置し使用しているので、一様温度分布の燃焼ガスを生成したり、均一濃度混合気を供給でき、昇温時間の短縮と、高性能発電が実現できる。
【実施例２】
【００５３】
図４を用い、固体酸化物形燃料電池を用いた本発明の一実施形態を説明する。図４は、固体酸化物形燃料電池を用いた本発明の一実施形態の断面図を示す。
【００５４】
固体酸化物形燃料電池８０は、円筒形の外側にアノード８０ａ、内側にカソード８０ｃと、それらに挟まれた図示していない電解質から成る。発電時には、アノード側には炭化水素系燃料から水素を含む改質出口ガス６０が供給され、カソード側にはカソードガス
８１がカソードガス供給管７によって酸化剤ガス（空気または酸素）が供給され、燃料電池の温度が７００〜１０００℃の条件下で電気化学的反応により発電する。発電後のアノードおよびカソード排ガスは、燃焼して高温の電池排ガス８２として排気され、最終的に低温の排気ガス８３として系外へ排出される。
【００５５】
このアノード８０ａに流す改質出口ガス６０の生成方法は、基本的には固体高分子形燃料電池を用いた実施例１で示した方法に準じる。すなわち、まず、同軸噴流ノズルを有する主バーナ１によって主バーナ用空気８４および主バーナ用燃料８５を加えて燃焼させる。その次に、空気予熱器８６で予熱された主バーナ用空気８４と、燃料予熱器８７で予熱された主バーナ用燃料８５、さらに改質用水８８が水蒸気発生器８９を通って生成した水蒸気９０を主バーナ用燃料８５に添加したガスを、混合気として燃焼触媒２０ｃに導入し、(３) 式の反応に移行するというものである。相違点は、バーナ燃焼時の空気比を０.８〜０.９５程度で１.０以下とすることと、一酸化炭素変成器２１と一酸化炭素選択酸化器２２が不要であるという２点である。
【００５６】
前者については、燃焼ガスが直接アノード側に供給されるため、アノード８０ａが未燃焼の酸素によって酸化されないようにするためである。また、後者については、固体酸化物形燃料電池では一酸化炭素の被毒がないためである。
【００５７】
したがって、実施例１と同様に、本発明の構成を採ることによって、改質出口ガス６０の生成と、燃料電池の昇温に要する時間を短く出来ると同時に、一様な温度分布で均一な改質ガスを燃料電池に供給できることから、高信頼性かつ高効率発電を行うことが可能となる。
【実施例３】
【００５８】
以上の実施例１，実施例２は、内熱式改質方式において述べてきたが、外熱式改質方式においても本発明は適用できる。図１において、起動時に内熱式で起動した後、主バーナ用空気３の空気量を０とすることで外熱式への切り換えが可能となる。この時、燃焼ガス５０は主バーナ用燃料４を加熱するだけでなく、その燃焼熱を改質部２０の外壁に加わるように配置すれば、前述の（１）式で示した改質反応が維持できることになる。もちろん、起動時から外熱式で立ち上げる場合も、バーナに本発明の同軸噴流クラスターバーナを用いることで、均一温度の燃焼ガスを改質部２０の外壁に加えることができるため、改質性能の向上につながり、さらに、定常運転時にアノード排ガス３２を自発火の恐れなく燃焼させることができる。
【００５９】
このように、本発明は、内熱式のみならず外熱式改質器を用いた燃料電池発電システムにも適用可能であり、さらに、起動時には内熱式，定常運転時には外熱式で改質を行うハイブリッド型改質方式も容易になる。
【実施例４】
【００６０】
図５は、実施例２における改質器を電池排ガスが通る区間に配置し、主バーナ１の燃焼ガス４０が直接、燃料電池に導入されるように配置したものである。図５に示すように、燃料電池の加熱源に、急速な起動を可能とする急速起動手段を設け、急速起動手段として、同軸噴流ノズルで構成されるクラスターバーナを設置することで、一様温度分布の燃焼ガスで燃料電池の均一昇温がさらに加速され、高性能発電が実現できる。
【００６１】
なお、図５では円筒形燃料電池の外面をアノード、内面をカソードとしている。外面がカソード、内面がアノードとなる燃料電池においては、主バーナの空気比を１.０以上として酸化雰囲気の燃焼ガスで昇温させれば同様の効果が得られる。
【００６２】
以上のように、実施例１〜４に述べてきた本実施例は、固体高分子形燃料電池、および、固体酸化物形燃料電池のみならず、リン酸形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池などの、改質器あるいは燃料電池を昇温するのが必要な各種燃料電池を用いた発電システムにも適用でき、さらに、これらの燃料電池と例えばマイクロガスタービンとのコンバインド発電システムに適用できるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例を示した断面図である。
【図２】実施例１の燃焼ガス温度分布または混合気の燃料（水蒸気）濃度分布を示す。
【図３】実施例１の同軸噴流ノズルの平面配置例。
【図４】本発明の実施例を示した断面図である。
【図５】本発明の実施例を示した断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…主バーナ、２…補助バーナ、３…主バーナ用空気、３ａ…空気予熱器、４…主バーナ用燃料、４ａ…燃料予熱器、５…補助バーナ用空気、６…補助バーナ用燃料、７…カソードガス供給管、１０…同軸噴流ノズル、１０ａ…燃料ノズル、１０ｂ…空気ノズル、
１０ｃ…混合気、２０…改質部、２０ｃ…燃焼触媒、２０ｒ…改質触媒、２１…一酸化炭素変成器、２２…一酸化炭素選択酸化器、３０…アノードガス、３１…カソードガス、
３２…アノード排ガス、３３…カソード排ガス、４０…混合気または燃焼ガス、５０…燃焼ガス、６０…改質出口ガス、７０…固体高分子形燃料電池、７０ａ…アノード、７０ｃ…カソード、７０ｅ…電解質膜、７１，７２…制御弁、８０…固体酸化物形燃料電池、
８０ａ…アノード、８０ｃ…カソード、８１…カソードガス、８２…電池排ガス、８３…排気ガス、８４…主バーナ用空気、８５…主バーナ用燃料、８６…空気予熱器、８７…燃料予熱器、８８…改質用水、８９…水蒸気発生器、９０…水蒸気。
【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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