(57)【要約】【課題】  放熱が少なく高効率で、起動時や発熱量が少なく触媒層が低温な場合においても可燃性ガスを排出しない、耐久性に優れた熱交換器内蔵型触媒燃焼器を提供する。【解決手段】  燃焼器として機能する燃焼触媒３２と燃焼ガス熱交換器として機能する冷却管３３とを１つの容器３１内に収め、一体化して構成する。燃焼触媒３２の上流側には、上流側への逆火を防止するための消炎板３４を設置する。この消炎板３４の上流側に供給ガス温度センサー３５ａを配設し、燃焼触媒３２には、燃焼触媒層温度センサー３５ｂを配設し、燃焼触媒層の下流側に、燃焼触媒層出口温度センサー３５ｃを配設する。容器３１の外側を断熱材３６で覆い、外部への放熱を抑制できるように構成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の燃料極から排出される可燃成分を含んだ燃料ガスを、前記燃料電池の空気極から排出される排空気と混合して燃焼させる燃焼触媒層を備えた燃焼部と、この燃焼部の下流側に位置し、該燃焼部を経た燃焼ガスが保有する熱を温水として回収する熱交換部とが、一体化して構成されていることを特徴とする熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項２】
前記燃焼触媒層は、その活性成分として、パラジウム、白金またはロジウムのいずれか１つ以上を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項３】
前記燃焼触媒層の燃焼ガスの流れ方向に沿った入口部、中間部および出口部のそれぞれに温度測定手段を設け、発電運転中の燃焼触媒層の温度を監視することにより、前記燃焼触媒の劣化度を評価する手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項４】
前記燃焼触媒層の上流側の該燃焼触媒層と接しない位置に、消炎板を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項５】
１００℃以下では燃料ガスに含まれる凝縮水を保持し、可燃性ガスと酸素が共存する状態においても燃焼反応しない不活性体層を、前記燃焼触媒層の上流側に配設したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項６】
前記不活性体が、アルミナ、ジルコニア、シリカのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項７】
前記燃焼触媒層の下流側に位置する前記熱交換部の燃焼ガス流通路に、前記燃焼触媒層で燃焼しきれなかった可燃性物質を燃焼除去するための排ガス浄化触媒層を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項８】
前記排ガス浄化触媒は、その活性成分として、パラジウム、白金またはロジウムのいずれか１つ以上を含んでいることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項９】
前記燃焼触媒と排ガス浄化触媒とが同一の物質から構成されていることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器。
【請求項１０】
水素あるいは水素を豊富に含むガスを燃料とし、空気を酸化剤として発電する燃料電池発電システムにおいて、
前記請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【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係り、特に、触媒燃焼器と燃焼ガス熱交換器とを一体化して構成した燃料電池発電システム及び該システムに用いられる熱交換器内蔵型触媒燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで、有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有するシステムである。最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。
【０００３】
このような家庭用あるいは小規模事業者向けの比較的小型の燃料電池発電システムは、電力と発電に伴う排熱を供給する熱電併給、いわゆるコージェネレーション装置として使用される。
【０００４】
このような小型の燃料電池発電システムにおいては、現在は、燃料供給基盤の制約により、都市ガスやＬＰガス、灯油等の炭化水素系燃料により発電する燃料電池発電システムを中心に開発が進められている。しかし、将来的には、水素供給基盤の整備が計画されており、水素循環型の社会が到来すると考えられ、燃料電池発電システムは水素循環型社会の重要な構成要素となることが期待されている。すなわち、純水素型の燃料電池コージェネレーション発電装置が家庭あるいは小規模事業者のエネルギーを供給するようになると考えられている。
【０００５】
このような各家庭や小規模事業者向けに用いられる純水素型の燃料電池コージェネレーションシステム（以下、燃料電池発電システムという）の一般的な構成を図６に示す。すなわち、従来の純水素型燃料電池発電システムにおいては、パイプライン、貯蔵設備あるいは中央設置燃料処理装置等より水素または水素を豊富に含む燃料が燃料電池パッケージ１に供給されるように構成されている。この燃料電池パッケージ１に供給された燃料は、二次圧制御弁２６により常に一定の圧力で燃料電池本体２の燃料極２ａへ供給され、その一部が燃料電池本体２における発電反応に消費される。また、燃料極２ａからは、燃料極排気流量調整弁２７により設定された流量が排出され、燃焼器２１へ供給されるように構成されている。
【０００６】
一方、燃料電池本体２の空気極２ｂへは、空気ブロワ７により、空気フィルタによって不純物や粉塵を取り除いた空気が供給されるように構成されている。この空気流量は、空気ブロワ７の可変速制御あるいは流量調整弁などにより調整可能であり、その流量は燃料極排気流量調整弁２７の開度指令と燃料電池本体２の発電量の関数として決定される。すなわち、燃料電池パッケージ１への総燃料投入量に比例した空気流量を供給するように構成されている。
【０００７】
また、燃料極排気流量調整弁２７により流量調整された燃料極２ａからの排気と、空気極２ｂからの排気は、燃焼器２１に導入される前に予混合された後、燃焼器２１に供給される。そして、燃焼器２１において、燃料極２ａからの排気は燃焼されて高温の燃焼ガスとなり、燃焼器２１の下流側に配設された燃焼ガス熱交換器２２および凝縮器９を経て、低温の排気として燃料電池パッケージ１の外部へ排出されるように構成されている。
【０００８】
なお、上記のような燃料電池発電システムの熱利用は、排熱回収循環系統１２により行われており、ここでは、適用事例の多い貯湯槽への水を使った熱供給システムについて説明するが、熱の使用先への供給形態は貯湯槽に限られることはなく、また、排熱回収循環系統１２を流れる媒体も水に限られない。
【０００９】
すなわち、貯湯槽１３から低温水が燃料電池パッケージ１に供給されると、この低温水は最初に凝縮器９に供給され、水蒸気分を多く含む燃焼ガスから凝縮潜熱を回収すると共に、燃料電池発電に必要な水を回収する。そして、凝縮器９を出た水は、電池冷却水熱交換器１０により６０℃から８０℃に昇温され、燃焼ガス熱交換器２２によりさらに昇温されて、８０℃以上の高温水として貯湯槽１３に供給される。
【００１０】
また、この排熱回収循環系統１２の流量は、排熱供給温度を設定された温度に保つように制御されている。すなわち、熱利用負荷が高くなり、熱出力を多く取り出すようにとの指令が出ると、燃焼器２１の燃焼量が多くなり、排熱回収循環系統１２の循環水量が増大するように構成されている。
【００１１】
また、この排熱回収循環系統１２には、電池冷却水熱交換器１０をバイパスするバイパス配管２８と、このバイパス配管２８への流路切り替えとその流量を調整するバイパス流量調整弁２９が設けられている。このバイパス流量調整弁２９は、電池冷却水循環系統１１に設置された電池冷却水温度センサー（図示せず）を所定の温度範囲に維持するように、電池冷却水熱交換器１０をバイパスして、前記バイパス配管２８に流れる流量を調整するように構成されている。
【００１２】
このように、従来の純水素型の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本体２の燃料極２ａからの排気に含まれる未反応水素を処理するための燃焼器２１が設けられ、この燃焼器２１の燃焼排ガスからの熱を温水として回収する方式が取られている。
【００１３】
この場合、上記燃焼器２１の燃焼量は、燃料電池本体２の燃料極２ａにおける燃料利用率により定まるが、このような燃料電池発電システムにおいて、燃料利用率を可変とすることにより、熱出力と発電出力の比率を制御することが提案されている。このような熱電比可変型の燃料電池発電システムによれば、様々なエネルギー消費パターンを有する各家庭へ、電力と温水を最も効率的に供給することができる。
【００１４】
また、上記のような燃料電池発電システムで用いられる燃焼器としては、触媒燃焼を利用したものが提案されている（特許文献１、特許文献２）。しかしながら、これらは発電に主眼を置いた燃料電池発電システムで用いられるものであって、燃料極排気中の少量の可燃成分を、安全な形でシステム外部へ排出するために触媒燃焼を利用したものであり、ここで得られる熱を積極的に回収する機能は備えられていなかった。
【特許文献１】特開２００２−２３１２９４号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述したような、純水素または水素を豊富に含むガスを原燃料とする熱電比可変型の燃料電池発電システムにおける触媒燃焼器には、以下に述べるような解決すべき課題があり、それらの課題を解決する手段は未だ見出されていない。
【００１６】
まず、第１の課題として、従来の熱電比可変型の燃料電池発電システムでは、触媒燃焼器へ供給される燃料極排ガス流量のターンダウンが大きく、最小流量時の熱量に対して燃焼器が大きすぎるため、相対的に放熱が大きくなり、熱回収が困難となっていた。すなわち、燃料電池発電システムに対する要求発電量が低く、さらに熱電比の熱需要の比率が小さいときには、熱回収効率が極めて低くなるという問題点があった。
【００１７】
また、第２の課題として、上記のような従来の触媒燃焼器においては、燃料電池発電システムに対する要求発電量が少なく、要求熱量が多い、すなわち熱電比の熱需要の比率が大きい場合には、触媒層へ供給される水素量が最も多く、燃焼温度も４５０℃以上と高くなる。一方、燃料電池発電システムにおける熱電比の熱需要が低く、触媒層への水素供給量が少ない場合や、燃料電池発電システムの起動時には、１００℃以下の触媒層温度で燃料極からの排気を燃焼させることにより、燃焼器出口から可燃性ガスが排出しないようにする必要がある。
【００１８】
しかしながら、燃焼触媒は、一般的に４５０℃以上の高温で長時間使用されることによって１００℃以下の低温における反応特性が低下する。したがって、可燃性ガスを大気へ排出させないようにするためには、起動時に触媒層または供給ガスを加熱する必要があり、また、燃焼器への水素供給量が少ない場合においては、供給空気量を少なくして燃焼温度を上げる必要があった。
【００１９】
また、第３の課題として、燃焼触媒層への水素供給量が少ない場合、空気との混合が悪くなって燃焼性が低下するため、燃焼器へ供給する燃料極からの排気と空気極からの排気とを予め混合（いわゆる、予混合）した後、燃焼器へ供給するが、その場合、燃焼触媒層の上流側まで燃焼が進む逆火が懸念されていた。
【００２０】
さらに、第４の課題として、触媒燃焼器へ供給される燃料極からの排気および空気極からの排気には多くの水蒸気が含まれており、起動時等、それらが凝縮した水が燃焼触媒に付着して、触媒性能を低下させるという問題点もあった。
【００２１】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、放熱が少なく高効率で、起動時や発熱量が少なく触媒層が低温な場合においても可燃性ガスを排出しない、耐久性に優れた燃料極排ガス用触媒燃焼器を備えた燃料電池発電システムを提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、放熱が少なく高効率で、起動時や発熱量が少なく触媒層が低温な場合においても可燃性ガスを排出しない、耐久性に優れた熱交換器内蔵型触媒燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器は、燃料電池の燃料極から排出される可燃成分を含んだ燃料ガスを、前記燃料電池の空気極から排出される排空気と混合して燃焼させる燃焼触媒層を備えた燃焼部と、この燃焼部の下流側に位置し、該燃焼部を経た燃焼ガスが保有する熱を温水として回収する熱交換部とが、一体化して構成されていることを特徴とする。
【００２３】
上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、燃焼触媒層を備えた燃焼部と該燃焼部を経た燃焼ガスが保有する熱を温水として回収する熱交換部とを一体化して構成することにより、装置の小型化を実現することができる。また、放熱を最小限に抑えることができるため、熱回収効率の向上が図れる。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器において、前記燃焼触媒層は、その活性成分として、パラジウム、白金またはロジウムのいずれか１つ以上を含んでいることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、燃焼触媒層に用いられる活性成分を具体的に規定したものである。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器において、前記燃焼触媒層の燃焼ガスの流れ方向に沿った入口部、中間部および出口部のそれぞれに温度測定手段を設け、発電運転中の燃焼触媒層の温度を監視することにより、前記燃焼触媒の劣化度を評価する手段を設けたことを特徴とする。
【００２６】
上記のような構成を有する請求項３に記載の発明によれば、燃焼触媒層内部に配設された温度測定手段により、燃料電池発電運転中の燃焼触媒層の温度を監視することによって、燃焼触媒の劣化度を判断することができるので、燃焼触媒の交換時期を正確に把握することができる。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器において、前記燃焼触媒層の上流側の該燃焼触媒層と接しない位置に、消炎板を設けたことを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項４に記載の発明によれば、燃焼触媒での燃焼がその上流側へ逆火することを防止することができる。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器において、１００℃以下では燃料ガスに含まれる凝縮水を保持し、可燃性ガスと酸素が共存する状態においても燃焼反応しない不活性体層を、前記燃焼触媒層の上流側に配設したことを特徴とする。
【００２９】
上記のような構成を有する請求項５に記載の発明によれば、燃料電池発電システムの起動時等に、燃焼部へ供給される燃料ガスに含まれる多くの水蒸気を、不活性体で保持することができるので、水分を十分取り除かれたガスのみが燃焼触媒と接触して燃焼反応する。その結果、燃焼触媒表面の活性金属のシンタリング等を防止し、触媒機能の低下を防止することができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器において、前記不活性体が、アルミナ、ジルコニア、シリカのいずれかであることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、不活性体に用いられる物質を具体的に規定したものである。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器において、前記燃焼触媒層の下流側に位置する前記熱交換部の燃焼ガス流通路に、前記燃焼触媒層で燃焼しきれなかった可燃性物質を燃焼除去するための排ガス浄化触媒層を設けたことを特徴とする。
【００３２】
上記のような構成を有する請求項７に記載の発明によれば、熱交換部に配設された排ガス浄化触媒層は、燃料電池発電システムの発電運転中においても１００℃以下に維持されるため、１００℃以下の低温活性を長時間維持することができる。その結果、燃焼触媒が低温のまま起動しても、燃焼触媒層で燃焼し切れなかった可燃性ガスを、排ガス浄化触媒を充填した部分で除去することができるため、起動時間を短縮することができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器において、前記排ガス浄化触媒は、その活性成分として、パラジウム、白金またはロジウムのいずれか１つ以上を含んでいることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、排ガス浄化触媒に用いられる活性成分を具体的に規定したものである。
【００３４】
請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器において、前記燃焼触媒と排ガス浄化触媒とが同一の物質から構成されていることを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項９に記載の発明によれば、容器内部に充填する触媒が１種類で良いため、装置の製造工程が簡略化される。また、熱交換部に充填された燃焼触媒は高温に曝されることから保護されるため、低温での活性を維持することができるので、上流側に充填された燃焼触媒層が低温状態のままであっても、燃料ガスを導入することができるため、燃料電池発電システムの起動時間を短縮することができる。
【００３５】
請求項１０に記載の発明は、水素あるいは水素を豊富に含むガスを燃料とし、空気を酸化剤として発電する燃料電池発電システムにおいて、前記請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【００３６】
上記のような構成を有する請求項１０に記載の発明によれば、上述したような作用・効果を有する請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の熱交換器内蔵型触媒燃焼器を備えることにより、放熱が少なく高効率で、起動時や発熱量が少なく触媒層が低温な場合においても可燃性ガスを排出しない、優れた熱供給システムを備えた燃料電池発電システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上のような本発明によれば、放熱が少なく高効率で、起動時や発熱量が少なく触媒層が低温な場合においても可燃性ガスを排出しない、耐久性に優れた燃料極排ガス用触媒燃焼器を備えた燃料電池発電システムを提供することができる。
また、本発明によれば、放熱が少なく高効率で、起動時や発熱量が少なく触媒層が低温な場合においても可燃性ガスを排出しない、耐久性に優れた熱交換器内蔵型触媒燃焼器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明に係る燃料電池発電システムは、図６に示した従来型において別個に設けられていた燃焼器２１と燃焼ガス熱交換器２２とを一体化して構成した点に特徴がある。
【００３９】
（１）第１実施形態
（１−１）構成
図１に示したように、本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、図６に示した従来型における燃焼器２１の機能を有する燃焼部３０ａと、燃焼ガス熱交換器２２の機能を有する燃焼ガス熱交換部３０ｂとが一体化されて構成された熱交換器内蔵型触媒燃焼器３０が、燃料電池本体２と凝縮器９の間に配設されている。
【００４０】
この熱交換器内蔵型触媒燃焼器３０は、図２に示すように、燃焼器として機能する燃焼触媒３２と、燃焼ガス熱交換器として機能する冷却管３３とが、一つの容器３１内に収められ、一体化されて構成されている。すなわち、容器３１の内部には、その中央より上側に燃焼触媒３２が配設され、さらにその上部空間（燃焼触媒３２の上流側）には、消炎板３４が設置されている。この消炎板３４は、燃焼触媒３２での燃焼がその上流側へ逆火しないようにするために設けられている。これら燃焼触媒３２及び消炎板３４とで、燃焼部３０ａが構成されている。
【００４１】
また、容器３１の内部には、その中央より下側に冷却管３３が配設され、容器３１の下部に設けられた冷媒入口４０から導入された冷却媒体が、前記冷却管３３を流れた後、冷媒出口４１から容器３１の外部に排出されるように構成されている。この冷却管３３により、燃焼ガス熱交換部３０ｂが構成されている。
【００４２】
また、前記消炎板３４の上流側には、供給ガス温度センサー３５ａが配設され、燃焼触媒３２には、燃焼触媒層温度センサー３５ｂが２個配設され、さらに、燃焼触媒層の下流側には、燃焼触媒層出口温度センサー３５ｃが配設されている。なお、図２においては、燃焼触媒層温度センサー３５ｂは２個となっているが、それ以上設置しても構わない。
【００４３】
また、容器３１の上部には、燃料電池本体２からの排ガスの供給口４２が設けられ、この供給口４２の上流側で予め混合された燃料極２ａの排気と空気極２ｂの排気が、供給口４２を介して熱交換器内蔵型触媒燃焼器３０内に供給され、そのガスが前記燃焼触媒３２と接触して燃焼反応するように構成されている。
【００４４】
一方、容器３１の下部には、熱交換器内蔵型触媒燃焼器３０から排出される燃焼排ガスの排出口４３が設けられ、燃焼触媒３２層を出た燃焼ガスは、冷却管３３内を流れる水などの冷媒と熱交換されて冷却された後、この排出口４３から排出されて、図１に示した凝縮器９へ送られるように構成されている。そして、凝縮器９を経た後、低温の排気として燃料電池パッケージ１の外部へ排気されるように構成されている。また、容器３１の外側は断熱材３６で覆われ、外部への放熱を抑制できるように構成されている。
【００４５】
なお、上述したような燃焼部３０ａ及び燃焼ガス熱交換部３０ｂを備えた熱交換器内蔵型触媒燃焼器３０は、図３に示すように構成することもできる。すなわち、燃焼部３０ａと燃焼ガス熱交換部３０ｂとを収納した容器３１の中央部の径を小さくして、上下に分割可能に構成しても良い。例えば、燃焼部３０ａを収納した上部ユニット、及び燃焼ガス熱交換部３０ｂを収納した下部ユニットからなる上部容器３１ａと下部容器３１ｂとを、ネジ式あるいは嵌め込み式等によって脱着可能な構成とすれば、燃焼触媒３２が劣化して、交換する必要が生じた場合でも、燃焼触媒３２を収納した上部ユニットのみを容易に交換することができる。また、冷却管３３に放熱用のフィンを設けて、冷却効率の向上を図っても良い。
【００４６】
（１−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池発電システムによれば、以下のような作用・効果が得られる。
【００４７】
本実施形態における熱交換器内蔵型触媒燃焼器３０の燃焼反応は、燃焼触媒３２層の内部に設置された燃焼触媒層温度センサー３５ｂおよび燃焼触媒３２層の出口ガス流路に設置された燃焼触媒層出口温度センサー３５ｃの温度上昇により検知することができる。
【００４８】
すなわち、燃焼触媒３２は燃料電池パッケージ１が長時間運転されると経時的に反応活性が低下する。初期は入口部の燃焼反応が多く、入口部温度が中間部温度より高くなり、活性の低下と共に入口部の温度が下降する。この経時的な温度変化を、燃焼触媒層内部に配設された燃焼触媒層温度センサー３５ｂで監視することにより燃焼触媒３２の交換時期を正確に把握することができる。
【００４９】
また、本実施形態においては、燃焼触媒３２の上流には、燃焼触媒３２での燃焼がその上流へと逆火しないようにするために消炎板３４が設置されているが、万一、逆火した場合においても、消炎板３４の上流のガス流路に設置された供給ガス温度センサー３５ａにより異常高温を検知することができる。その結果、供給ガス温度センサー３５ａにより、異常高温を検知した場合には、直ちに燃料供給を停止し、安全に装置を停止させることができる。
【００５０】
このように、本実施形態によれば、燃焼触媒３２を充填した燃焼部３０ａと燃焼ガス熱交換部３０ｂとを一体化して１つの容器３１に収め、その容器３１の周囲を断熱材３６で覆うことにより、小型で放熱を抑えた高効率な熱交換器内蔵型触媒燃焼器を提供することができる。また、この熱交換器内蔵型触媒燃焼器を燃料電池発電システムに組み込むことにより、小型で放熱を抑えた高効率な熱供給システムを備えた燃料電池発電システムを提供することができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、熱電併給の燃料電池発電システムにおいて、高温水取り出しを可能とし、しかも熱電出力比を可変としても、燃料電池本体２の温度は冷却され過ぎることなく、所定の温度範囲に安定して維持することが可能となる。
【００５２】
（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、熱交換器内蔵型触媒燃焼器の構成を変更したものである。
【００５３】
本実施形態における熱交換器内蔵型触媒燃焼器５０は、図４に示すように構成されている。すなわち、容器３１の内部には、その中央より上側に燃焼触媒３２が配設され、さらに、燃焼触媒３２の上流側には不活性体３７が充填されている。この不活性体３７としては、１００℃以下では燃料ガスに含まれる凝縮水を保持し、可燃性ガスと酸素が共存する状態においても燃焼反応を起こさない、例えば、多孔質なアルミナ、シリカやジルコニア等が用いられる。
【００５４】
また、前記不活性体３７の上部空間（不活性体３７の上流側）には、消炎板３４が設置されている。この消炎板３４は、燃焼触媒３２での燃焼がその上流側へ逆火しないようにするために設けられている。これら燃焼触媒３２、不活性体３７及び消炎板３４とにより、燃焼部５０ａが構成されている。なお、図４には図示していないが、燃焼部５０ａに上記第１実施形態で述べた温度センサー３５ａ〜３５ｃを設けても良いことは言うまでもない。
【００５５】
また、容器３１の内部には、その中央より下側に冷却管３３が配設され、容器３１の下部に設けられた冷媒入口４０から導入された冷却媒体が、前記冷却管３３を流れた後、冷媒出口４１から容器３１の外部に排出されるように構成されている。この冷却管３３により、燃焼ガス熱交換部３０ｂが構成されている。
【００５６】
また、本実施形態においては、燃焼ガス熱交換部５０ｂの燃焼ガス流路には、排ガス浄化触媒３８が充填され、燃焼触媒３２層で反応し切れなかった可燃ガスを燃焼除去するように構成されている。すなわち、本実施形態においては、燃焼ガス熱交換部５０ｂに配設された冷却管３３の周囲には、前記排ガス浄化触媒３８が充填されていることになる。なお、前記燃焼触媒３２と排ガス浄化触媒３８には、パラジウム、白金またはロジウム等の貴金属を活性成分とした同じような触媒が用いられている。
【００５７】
また、容器３１の上部には燃料電池本体２からの排ガスの供給口４２が設けられ、この供給口４２の上流側で予め混合された燃料極２ａの排気と空気極２ｂの排気が、熱交換器内蔵型触媒燃焼器５０に供給され、そのガスが燃焼触媒３２と接触して燃焼反応するように構成されている。一方、容器３１の下部には、熱交換器内蔵型触媒燃焼器５０から排出される燃焼排ガスの排出口４３が設けられている。また、容器３１の外側は断熱材３６で覆われ、外部への放熱を抑制できるように構成されている。
【００５８】
（２−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池発電システムは、以下のように作用する。
すなわち、容器３１の上部から燃料極２ａの排気と空気極２ｂの排気が予混合されたガスが供給され、燃焼触媒３２と接触して燃焼反応するが、燃焼触媒３２層の上流には、１００℃以下では燃料ガスに含まれる凝縮水を保持し、可燃性ガスと酸素が共存する状態においても燃焼反応しない不活性体３７が充填されているため、以下のような効果が得られる。
【００５９】
すなわち、燃焼部５０ａへ供給される燃料極２ａの排気および空気極２ｂの排気には、多くの水蒸気が含まれており、燃料電池発電システムの起動時等には、それら凝縮水が、燃焼触媒３２層の上流に充填された不活性体３７で保持される。その結果、水分を十分取り除かれたガスのみが燃焼触媒３２と接触して燃焼反応する。また、燃焼触媒３２層の温度上昇と共に不活性体３７も加熱されるため、不活性体３７で保持された水分は、不活性体３７の温度上昇により蒸発除去される。
【００６０】
これに対して、このような不活性体３７がない場合には、直接、燃焼触媒３２に凝縮水が当たり、その蒸発との繰り返しにより、触媒表面の活性金属のシンタリング等を招き、触媒機能を低下させることとなるが、本実施形態によれば、このような問題は生じない。
【００６１】
また、燃焼ガス熱交換部５０ｂの燃焼ガス流路には排ガス浄化触媒３８が充填されているため、燃焼触媒３２層で反応し切れなかった可燃ガスは、この排ガス浄化触媒３８によって燃焼除去される。上述したように、燃焼触媒３２と排ガス浄化触媒３８は、パラジウム、白金またはロジウム等の貴金属を活性成分とした同じような触媒であるが、燃焼触媒３２層は燃料電池発電システムの発電運転中は、１００〜６００℃の高温に曝されることにより、長時間の運転後には１００℃以下の低温活性が低下する傾向にある。
【００６２】
一方、排ガス浄化触媒３８層は、その層内部に冷却管３３を備えているため、特に下流側においては、燃料電池発電システムの発電運転中においても１００℃以下に維持される。そのため、排ガス浄化触媒３８においては、１００℃以下の低温活性を長時間維持することができる。特に、燃料電池発電システムの起動時において、排ガス浄化触媒３８を備えていない場合には、燃焼触媒３２層をその機能を発揮できる１００℃以上の温度まで昇温させる必要があり、起動に長時間を要することとなっていた。
【００６３】
しかしながら、本実施形態で用いられる排ガス浄化触媒３８は、１００℃以下の低温での触媒活性を維持できるため、この排ガス浄化触媒３８を燃焼ガス熱交換部５０ｂに配設することにより、燃焼触媒３２が低温のまま起動しても、燃焼触媒３２層で燃焼し切れなかった可燃性ガスを、排ガス浄化触媒３８を充填した部分で除去することができるため、起動時間を短縮することができる。
【００６４】
ここで、燃焼触媒３２層は、自らの発熱により温度上昇するため、下流への未燃焼分のリークは徐々に少なくなる。このように、起動時間の短縮は、その利便性のみならず、触媒層の昇温のためのヒータ電力消費抑制等、燃料電池発電システムを運転する上で、その経済性の効率向上にもつながる。
【００６５】
（３）第３実施形態
（３−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態及び第２実施形態の変形例であって、熱交換器内蔵型触媒燃焼器の構成を変更したものである。
【００６６】
本実施形態における熱交換器内蔵型触媒燃焼器６０は、図５に示すように構成されている。すなわち、上記第２実施形態と同様に、燃焼触媒３２層の上流には、１００℃以下では供給ガスに含まれる凝縮水を保持し、可燃性ガスと酸素が共存する状態においても燃焼反応しない不活性体３７が配設されている。
【００６７】
また、本実施形態においては、燃焼触媒３２が、燃焼ガス熱交換部６０ｂの位置まで充填されている。すなわち、本実施形態においては、冷却管３３の周囲には、燃焼触媒３２が充填されていることになる。その他の構成は、上記第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００６８】
（３−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池発電システムは、以下のように作用する。
すなわち、上記第２実施形態でも述べたとおり、燃焼触媒３２と排ガス浄化触媒３８はその機能が同じであることから、本実施形態においては、燃焼触媒３２を燃焼ガス熱交換部６０ｂの位置まで充填し、冷却管３３により下流側の燃焼触媒３２を高温に曝されることから保護するように構成されている。その結果、下流側の燃焼触媒３２部分においては、低温での活性を維持することができる。
【００６９】
このように、本実施形態においては、比較的低温での活性を維持している下流側の燃焼触媒３２が存在することにより、上流側に充填された燃焼触媒３２層が低温状態のままであっても、燃料ガスを導入することができるため、燃料電池発電システムの起動時間を短縮することができる。また、本実施形態においては容器内部に充填する触媒が１種類で良く、上記第２実施形態のように、燃焼触媒層と排ガス浄化触媒層を分ける必要がないため、熱交換器内蔵型触媒燃焼器の製造工程を簡略化することができる。
【００７０】
（４）他の実施形態
本発明は、上述したような各実施形態に限定されるものではなく、燃焼部３０ａ、５０ａ、６０ａに配設される温度センサーの監視制御装置を設け、各温度センサーの検出値に基づいて、熱交換器内蔵型触媒燃焼器に供給される燃料電池排ガスの流量や、燃焼触媒３２の交換時期を制御するように構成すれば、より高精度の燃料電池発電システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの全体構成を示す模式図
【図２】本発明に係る燃料電池発電システムに用いられる熱交換器内蔵型触媒燃焼器の第１実施形態の構成を示す断面図
【図３】図２に示した熱交換器内蔵型触媒燃焼器の変形例の構成を示す断面図
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムに用いられる熱交換器内蔵型触媒燃焼器の第２実施形態の構成を示す断面図
【図５】本発明に係る燃料電池発電システムに用いられる熱交換器内蔵型触媒燃焼器の第３実施形態の構成を示す断面図
【図６】従来の燃料電池発電システムの全体構成を示す模式図
【符号の説明】
【００７２】
１…燃料電池パッケージ
２…燃料電池本体
２ａ…燃料極
２ｂ…空気極
７…空気ブロワ
８…空気フィルタ
９…凝縮器
１０…電池冷却水熱交換器
１１…電池冷却水循環系統
１２…排熱回収循環系統
１３…貯湯槽
２１…燃焼器
２２…燃焼ガス熱交換器
２６…二次圧制御弁
２７…燃料極排気流量調整弁
２８…バイパス配管
２９…バイパス流量調整弁
３０、５０、６０…熱交換器内蔵型触媒燃焼器
３０ａ、５０ａ、６０ａ…燃焼部
３０ｂ、５０ｂ、６０ｂ…燃焼ガス熱交換部
３１…容器
３２…燃焼触媒
３３…冷却管
３４…消炎板
３５…温度センサー
３５ａ…供給ガス温度センサー
３５ｂ…燃焼触媒層温度センサー
３５ｃ…燃焼触媒層出口温度センサー
３６…断熱材
３７…不活性体
３８…排ガス浄化触媒
【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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