(57)【要約】【課題】燃料ガスの燃焼およびアノードオフ・ガスの燃焼がいずれも可能であり、アノードオフ・ガスの燃焼時に逆火を防止可能な、燃料改質器バーナを提供する。【解決手段】燃料改質器用燃料が供給される第１管と、第１管に連結されず、燃料電池スタックからアノードオフ・ガスが供給される第２管と、第１管に連結され、第１管に空気を供給する引込み管と、を具備し、第２管は、第１管と同軸をなすように、第１管の外側に形成され、第２管は、アノードオフ・ガスの吐出面に複数の突出部が形成され、第１管に供給される燃料改質器用燃料及び空気は、第２管の内周面で規定される開口部から吐出することを特徴とする。【選択図】図１
2013213661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質器用燃料が供給される第１管と、
前記第１管に連結されず、燃料電池スタックからアノードオフ・ガスが供給される第２管と、
前記第１管に連結され、前記第１管に空気を供給する引込み管と、
を具備し、
前記第２管は、前記第１管と同軸をなすように、前記第１管の外側に形成され、
前記第２管は、アノードオフ・ガスの吐出面に複数の突出部が形成され、
前記第１管に供給される前記燃料改質器用燃料及び前記空気は、前記第２管の内周面で規定される開口部から吐出することを特徴とする燃料改質器バーナ。
【請求項２】
前記吐出面は、前記第２管の長手方向に対して内側に４５〜９０°で傾斜し、前記吐出ホールは、前記吐出面に対して略垂直に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質器バーナ。
【請求項３】
燃料改質器用燃料が供給される第１管と、
前記第１管に連結されず、燃料電池スタックからアノードオフ・ガスが供給される第２管と、
前記第１管に連結され、前記第１管に空気を供給する引込み管と、
前記燃料電池スタックから前記第２管に連結され、前記第２管にアノードオフ・ガスを供給するアノードオフ・ガス供給管と、
を具備し、
前記第２管は、前記第１管と同軸をなすように、前記第１管の外側に形成され、
前記第２管は、アノードオフ・ガスの吐出面に複数の吐出面が形成され、
前記第１管に供給される前記燃料改質器用燃料及び前記空気は、前記第２管の内周面で規定される開口部から吐出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックと前記燃料改質器との間から前記第２管に連結され、前記燃料改質器で生成された水素を前記第２管にバイパスする水素バイパス管をさらに具備することを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を生成する燃料改質器を加熱するバーナおよび燃料電池システムに係り、さらに詳細には、燃料ガスの燃焼および水素ガスの燃焼がいずれも可能であり、燃焼効率が改善された燃料改質器バーナおよび燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素を利用して、酸素との化学反応を介して化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムである。
【０００３】
高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）システムは、水素と空気との電気化学的反応によって、電気および熱を生成する高効率次世代分散型発電システムである。かような燃料電池システムは、燃料電池スタックと燃料処理装置とを主要部として具備し、燃料タンク、燃料ポンプなどを付随的に具備する。燃料電池スタックは、膜−電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）およびセパレータからなる単位セルが数個ないし数十個積層された構造である。燃料処理装置は、燃料改質器およびシフト反応器を具備する。
【０００４】
燃料処理装置で生成された水素は、ＰＥＭＦＣスタックのアノード電極に供給され、カソード電極に供給された酸素と出合って電気化学的に反応し、スタックで電気および熱を生成する。燃料改質器での改質反応とシフト反応器でのシフト反応は、高温で生じるために、燃料処理装置は、必要な熱を供給するための手段として、バーナを具備する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−００５０１１号公報
【特許文献２】特開平７−０１９４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料改質器バーナは、基本的に燃料ガスを燃焼させて熱を生成する。燃料ガスは、一般的にメタンガスを主成分とする都市ガスのような炭化水素ガスが主となる。しかし、ＰＥＭＦＣシステムの効率向上のためには、バーナは、単に炭化水素などの燃料ガスの燃焼のみならず、水素ガスの燃焼も可能であることが望ましい。言い換えれば、ＰＥＭＦＣスタックで反応せずに排出されるアノードオフ・ガス（ＡＯＧ）に含まれる水素ガスを燃焼させる手段が備わっていることが望ましい。これは、ＰＥＭＦＣスタックでの水素ガスの利用率が一般的に７０〜８５％ほどであり、未反応の残留水素燃料がスタック外に排出されてしまうためである。従って、これを回収して燃料処理装置用バーナの燃料として使用する場合、発電システム全体の効率向上が可能となる。
【０００７】
また、燃料処理装置が起動後に正常動作状態に至るまでの数十分間に生成される水素には、一酸化炭素（ＣＯ）が多量に含まれているので、燃料電池スタックに供給されない。これは、多量のＣＯがＭＥＡ触媒を汚染するためである。かような起動時に生成されて捨てられるＣＯ濃度の高い水素を活用するために、バーナの燃料ガスとして使用することも可能であり、これは、燃料電池の稼動時に必要なエネルギー消費を減らすことができる好ましい方法である。
【０００８】
従って、燃料電池システムの効率向上のためには、炭化水素などの燃料ガスだけではなく、アノードオフ・ガスなどに含まれる水素ガスを燃焼させ、必要な熱源として燃料処理装置による使用を可能にするバーナが必要である。このためには、二種の燃料（燃料ガスと水素ガス）をいずれも効率的かつ安全に燃焼させることが可能なバーナが必要である。
【０００９】
従来、空気およびアノードオフ・ガスは、燃料改質器用バーナの燃料引込み口で混合されていた。しかし、水素は、燃焼時に火炎速度が燃料ガスの火炎速度に比べてはるかに速くなり（メタンの１０倍）、燃焼時に火炎が燃料ガスの流れ方向と反対の方向に逆に燃え入ることがある。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスの燃焼およびアノードオフ・ガスの燃焼がいずれも可能であり、アノードオフ・ガスの燃焼時に逆火（ｂａｃｋ  ｆｉｒｅ）を防止可能な、新規かつ改良された燃料改質器バーナを提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、上記燃料改質器バーナを具備した燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料改質器用燃料が供給される第１管と、第１管に連結されず、燃料電池スタックからアノードオフ・ガスが供給される第２管と、第１管に連結され、第１管に空気を供給する引込み管と、を具備し、第２管は、第１管と同軸をなすように、第１管の外側に形成され、第２管は、アノードオフ・ガスの吐出面に複数の突出部が形成され、第１管に供給される燃料改質器用燃料及び空気は、第２管の内周面で規定される開口部から吐出することを特徴とする燃料改質器バーナが提供される。
【００１３】
吐出面は、第２管の長手方向に対して内側に４５〜９０°で傾斜し、吐出ホールは、吐出面に対して略垂直に形成されてもよい。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の他の観点によれば、燃料改質器用燃料が供給される第１管と、第１管に連結されず、燃料電池スタックからアノードオフ・ガスが供給される第２管と、第１管に連結され、第１管に空気を供給する引込み管と、燃料電池スタックから第２管に連結され、第２管にアノードオフ・ガスを供給するアノードオフ・ガス供給管と、を具備し、第２管は、第１管と同軸をなすように、第１管の外側に形成され、第２管は、アノードオフ・ガスの吐出面に複数の吐出面が形成され、第１管に供給される燃料改質器用燃料及び空気は、第２管の内周面で規定される開口部から吐出することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１５】
燃料電池スタックと燃料改質器との間から第２管に連結され、燃料改質器で生成された水素を第２管にバイパスする水素バイパス管をさらに具備してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料ガスの燃焼およびアノードオフ・ガスの燃焼がいずれも可能であり、アノードオフ・ガスの燃焼時に逆火を防止可能な、燃料改質器バーナおよび、燃料改質器バーナを具備する燃料電池システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る燃料改質器バーナが適用されるＰＥＭＦＣ燃料電池システムの構成を示す図面である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの冷却システムの一部を示す斜視図である。
【図３】図２に示す冷却板および単位セル間の流体の流れを示す分解斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃料改質器バーナの構造を示す断面図である。
【図５】図４の矢印Ａ方向から見た燃料改質器バーナの平面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】燃料改質器およびＣＯシフト反応器での温度測定位置を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に燃料改質器バーナが適用される高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）システムの構成図である。
【００２０】
図１を参照すれば、燃料電池システムは、燃料処理装置２００と、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００を冷却する冷却システムとを具備する。
【００２１】
燃料処理装置２００は、脱硫器２１０、燃料改質器２２０、燃料改質器バーナ２３０、水供給用ポンプ２６０、第１および第２熱交換器（ＨＥＸ：Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）Ｈ１，Ｈ２、ＣＯシフト反応器２５１およびＣＯ除去器２５２から構成されたＣＯ除去ユニット２５０を具備する。
【００２２】
燃料タンク２７０から燃料源として入った炭化水素系のガスと、水タンク２８０から水供給用ポンプ２６０を介して入った水蒸気とが、バーナ２３０によって加熱された燃料改質器２２０内で反応して水素を生成する。このとき、副産物として二酸化炭素や一酸化炭素などが生成されるが、一酸化炭素が混合された水素燃料がスタック１００に供給されると、電極が汚染されて燃料電池の性能が急激に低下することがある。従って、燃料改質器２２０の出口側に、ＣＯシフト反応器２５１およびＣＯ除去器２５２を配し、一酸化炭素含有量を低下させる。ＣＯシフト反応器２５１では、一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素が生成され、ＣＯ除去器２５２では、一酸化炭素が酸素により直接酸化される。
【００２３】
そして、燃料改質器２２０の入口側に配された脱硫器２１０は、燃料源に含まれていた硫黄成分を除去する役割を行う。
【００２４】
第１および第２熱交換器Ｈ１，Ｈ２で、ポンプ２６０から供給された水は、それぞれバーナ２３０から排出される燃焼ガス、および燃料改質器２２０から排出される改質ガスと連続的に熱交換する。
【００２５】
図２は、図１の燃料電池スタック１００の冷却システムの一部を示す斜視図であり、図３は、図２の冷却板５および単位セル１０間の流体フローを示す分解斜視図である。
【００２６】
図２および図３を共に参照すれば、ＰＥＭＦＣスタック１００には、複数の単位セル１０が積層されている。各単位セル１０は、電解質膜２、電解質膜２の両面に配されたカソード電極１およびアノード電極３を具備する。単位セル１０間には、各電極１，３に空気または水素ガスを流すための流路４ａが形成されたセパレータ４が設けられている。電極１，３およびセパレータ４間には、シーリングのためのガスケット６が設けられる。
【００２７】
燃料電池スタック１００には、冷却板５と熱交換器Ｈ３とが設けられる。燃料電池スタック１００には、熱交換用冷却水が通過するための冷却板５が複数の単位セル１０ごとに設けられている。冷却水は、冷却板５の流路５ａを通過しつつスタック１００内の熱を吸収し、熱を吸収した冷却水は、熱交換器Ｈ３（図１）で二次冷却水によって熱を奪われた後、冷却水保存タンク１３０（図１）を介して再びスタック１００内に循環する。
【００２８】
燃料電池スタック１００の両端には、それぞれエンドプレート２１，２２が設けられる。エンドプレート２１には、酸素（空気）の供給ホールおよび回収ホール、燃料（水素ガス）の供給ホールおよび回収ホールが設けられており、エンドプレート２２には、冷却水の供給ホールおよび回収ホールが形成されている。冷却板５、単位セル１０およびセパレータ４には、それぞれホールが形成され、ホールから燃料（空気、水素ガス）または冷却水が供給され、ホールを介して燃料または冷却水が排出される。ここで、燃料（水素ガス）回収ホールから排出される未反応水素を含むガスがアノードオフ・ガスである。
【００２９】
再び図１を参照すれば、冷却水保存タンク１３０に保存された冷却媒体は、スタック１００内の冷却板５に液状で供給され、スタック１００の熱を吸収してガス状となってスタック１００を抜け出し、熱交換器Ｈ３で水タンク１４０からの二次冷却水との熱交換を介して冷やされた後、再び保存タンク１３０に戻る。
【００３０】
そして、スタック１００のカソードから排出される残留空気および水蒸気は、熱交換器Ｈ４で水となり、水タンク２８０に回収されうる。
【００３１】
一方、燃料処理装置２００が稼動後、正常動作状態に至るまでの数十分間で生成される水素には、一酸化炭素（ＣＯ）が多量に含まれているので、燃料電池の燃料として使用し難いが、この水素をバーナ２３０で回収して燃料として使用できる。
【００３２】
このために、燃料電池スタック１００の後端には、アノードオフ・ガス供給管１８０が連結されており、燃料電池スタック１００およびＣＯ除去器２５２間には、初期に生成された水素を含むガスをバーナ２３０に供給するための水素バイパス管１８２が設けられる。水素バイパス管１８２は、アノードオフ・ガス供給管１８０と連結されてもよい。
【００３３】
図４は、本発明の一実施形態による燃料改質器バーナ２３０の構造を示す図面である。明細書を通じて実際的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。
【００３４】
図４を参照すれば、燃料改質器バーナ２３０は、炭化水素燃料および空気（または酸素）が吐出される第１管２３１と、アノードオフ・ガスが吐出される第２管２３２とを具備する。第１管２３１には、空気流入口２３５および燃料ガス流入口２３６が連結されている。第１管２３１には、メタンガスを主成分とする都市ガスが供給されうる。また、都市ガスの代わりに、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ジメチルエーテル、ＬＰＧ、ＬＮＧおよびそれらの混合物などが供給されてもよい。
【００３５】
第２管２３２には、水素ガス流入口２３７が連結されており、この水素ガス流入口２３７に、燃料電池システムの燃料電池スタック１００のアノード側で未反応の水素ガスと生成された二酸化炭素とが混合されたアノードオフ・ガスが供給されうるように、アノードオフ・ガス供給管１８０が連結される。また、燃料電池スタック１００の前端からバイパスされ、アノードオフ・ガス供給管１８０と連結された水素バイパス管１８２が設けられる。バイパス管１８２は、アノードオフ・ガス供給管１８０に連結されずに、第２管２３２に直接連結されてもよい。
【００３６】
第１管２３１および第２管２３２は、同心円をなすように形成されうる。第２管２３２は、第１管２３１の外側面に形成されている。第１管２３１および第２管２３２は、互いに連通されないように形成される。第１管２３１および第２管２３２は、一体型構造として形成されうる。
【００３７】
第１管２３１および第２管２３２は、耐熱性および耐酸化性を有する材料、例えばＳＵＳ３０１ステンレスチールで形成されうる。第１管２３１の内部には、第１管２３１の内側から所定のギャップ、例えば２ｍｍの間隔をおいて設けられた端部を有する電気点火器２３４が設けられる。電気点火器２３４に所定の電圧、例えば１１０Ｖ直流電圧が印加されると、電気点火器２３４の端部と第１管２３１との間で電気スパークが形成され、ここに燃料および空気が供給されると、発火する。
【００３８】
図５は、図４の矢印Ａ方向から見た燃料改質器バーナ２３０の平面図であり、図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。
【００３９】
図５および図６を参照すれば、水素ガスの吐出される第２管２３２の吐出面２３８には、複数の吐出ホール２３９が形成されている。かような吐出ホール２３９の形状は、円形に限定されるものではなく、スリット状に形成されてもよい。吐出面２３８は、第２管２３２の長手方向に対してほぼ４５〜９０°傾斜で形成され、このとき、吐出ホール２３９は、ほぼ吐出面２３８に対して垂直に形成されうる。かような第２管２３２の吐出面２３８の構造は、吐出ホール２３９から吐出される水素ガスが、第１管２３１から供給される酸素（空気）と出合って燃焼を円滑にするためのものである。特に、本実施形態でのアノードオフ水素（または水素バイパス管１８２からの水素ガスを含む。）は、第２管２３２では酸素に出合わず、従って第２管２３２では燃焼が生じない。第１管２３１から吐出される酸素と出合って燃焼が生じるので、拡散燃焼が生じ、これは、燃焼速度の速い水素ガスの燃焼時に、バーナ２３０に対して逆火する現象を抑制する。
【００４０】
表１は、本実施形態による燃料改質器バーナ２３０を使用した燃料処理装置２００の温度分布をテストした結果を示している。
【００４１】
【表１】
2013213661.tif 000003
【００４２】
表１で位置１〜６は、図７に示すように、燃料改質器２２０およびＣＯシフト反応器２５１での温度測定位置を指す。燃料処理装置２００に供給する原料は、メタンガス４．２Ｎｌ／ｍｉｎ；水９．４ｍｌ／ｍｉｎであった。ここで、Ｎは、標準状態（２５℃、１気圧）に換算した量を意味する。
【００４３】
バーナへの燃料供給量は、アノードオフ・ガス（ＡＯＧ）を使用しない場合には、メタンガス２．１Ｎｌ／ｍｉｎ（熱量：１．２９ｋＷ）および空気２５．８Ｎｌ／ｍｉｎを供給した。ＡＯＧを使用する場合には、スタック１００からの水素の利用率を８０％と仮定し、メタンガス０．９２Ｎｌ／ｍｉｎ（熱量：０．５６ｋＷ）、空気２２．８Ｎｌ／ｍｉｎ、水素ガス３．３Ｎｌ／ｍｉｎ（熱量：０．７０ｋＷ）、およびＣＯ２  ４Ｎｌ／ｍｉｎを供給した。テストのために、アノードオフ・ガスには、ＣＯ２ガスが含まれるものを使用した。ＡＯＧガスを使用しない場合および使用した場合のいずれもバーナ２３０に供給される総燃料の熱量は、１．２９ｋＷとなるようにした。
【００４４】
表１を参照すれば、燃料改質器２２０に供給される燃料量を固定した条件で、燃料をＡＯＧガスに一部替えた場合、若干の温度降下が生じたが、燃料処理装置２００としての機能を十分に発揮できる温度分布を示している。温度降下は、供給されるＣＯ２に起因している。
【００４５】
上記実施形態では、第２管２３２が第１管２３１の外側に形成されたものを示しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、第１管２３１が第２管２３２の外側に形成されてもよい。
【００４６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の燃料電池システムの燃料改質器バーナは、例えば、燃料電池関連の技術分野に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１    カソード電極
２    電解質膜
３    アノード電極
４    セパレータ
４ａ，５ａ    流路
５    冷却板
６    ガスケット
１０    単位セル
２１，２２    エンドプレート
１００    スタック
１３０    冷却水保存タンク
１４０，２８０    水タンク
１８０    アノードオフ・ガス供給管
１８２    バイパス管
２００    燃料処理装置
２１０    脱硫器
２２０    燃料改質器
２３０    燃料改質器バーナ
２３１    第１管
２３２    第２管
２３４    電気点火器
２３５    空気流入口
２３６    燃料ガス流入口
２３７    水素ガス流入口
２３８    吐出面
２３９    吐出ホール
２５０    ＣＯ除去ユニット
２５１    ＣＯシフト反応器
２５２    ＣＯ除去器
２６０    水供給用ポンプ
２７０    燃料タンク
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４    熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013213661.tif 000007
【図５】
2013213661.tif 000008
【図６】
2013213661.tif 000009
【図７】
2013213661.tif 000010