(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を有する改質部と前記改質部へ熱を供給する燃焼部とを備える燃料電池用水素製造装置において、
前記燃焼部は、
燃料電池のアノードから排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器に供給される空気を供給する空気供給手段と、
前記オフガスと前記空気とを熱交換させて前記オフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮手段と、
凝縮された水分を溜める貯留手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池用水素製造装置。
【請求項２】
改質触媒を有する改質部と前記改質部へ熱を供給する燃焼部とを備える燃料電池用水素製造装置と、前記改質部にて改質された改質ガスが供給される燃料電池と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃焼部に設けられ、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の前段に設けられ、前記オフガスと空気とを熱交換させて前記オフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮手段と、
前記凝縮手段の後段に設けられ、凝縮された水分を溜める貯留手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出されるオフガスの燃焼器を有する燃料電池用水素製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガスやナフサなどの炭化水素系の燃料（改質原料ガス）を、水蒸気と混合して改質反応させることにより水素濃度の濃い改質ガスを生成する燃料電池用水素製造装置は、その反応が吸熱反応であるため、改質反応をさせる触媒を収納した改質器を加熱する必要がある。起動時において、この加熱は、通常はＬＰＧや都市ガス等の炭化水素系の高カロリーの燃料（以下燃料ガスという）で行う。
【０００３】
改質器の温度が改質反応の温度まで上昇したら、改質器に改質原料ガス及び水蒸気を導入して改質反応により水素濃度の濃い改質ガスを生成し、この改質ガスを発電の原料として燃料電池に供給して発電を行う。
【０００４】
燃料電池に供給した改質ガスは発電により約５０〜９０％の水素ガスが消費されるが、残りは未反応燃料のままオフガス（以下単にオフガスという）として燃料電池から排出される。
【０００５】
このような燃料電池用水素製造装置として、例えば特開平８−１５２１１５号公報に示されているように、起動時には炭化水素系のガスを燃料として用い、そして通常運転時にはオフガスも燃料として用いて燃焼装置で燃焼させ改質器を加熱することにより、オフガスの有効利用を図った装置が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した燃料電池における発電作用は、水素の酸化反応であるために、燃料電池から排出されて改質器に送られるオフガス中には水蒸気等の水分（以下単に水分という）が含まれており、特に燃料電池の起動時や外気温が低いときなどは、燃料電池から燃焼装置に至る配管および燃焼装置内でこのオフガス中の水分が凝縮し、凝縮された水分が配管内を閉塞したり、燃料ガスの流れを阻害して改質器の燃焼器の燃焼状態が不安定となることがあった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、構造が簡素であり、且つ、安定してオフガスの燃焼が行える燃料電池用水素製造装置を提供することを目的としたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、改質触媒を有する改質部と前記改質部へ熱を供給する燃焼部とを備える燃料電池用水素製造装置において、前記燃焼部は、燃料電池のアノードから排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器に供給される空気を供給する空気供給手段と、前記オフガスと前記空気とを熱交換させて前記オフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮手段と、凝縮された水分を溜める貯留手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２の発明は、改質触媒を有する改質部と前記改質部へ熱を供給する燃焼部とを備える燃料電池用水素製造装置と、前記改質部にて改質された改質ガスが供給される燃料電池と、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃焼部に設けられ、前記燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の前段に設けられ、前記オフガスと空気とを熱交換させて前記オフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮手段と、前記凝縮手段の後段に設けられ、凝縮された水分を溜める貯留手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
オフガスを燃焼させる燃焼器を有する燃料電池用水素製造装置が、オフガス中の水分を凝縮させ、これを溜める手段を備えることにより、オフガスを燃焼させる燃焼器が不安定な燃焼を伴うのを防止し、改質ガスを安定して生成できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１はこのような燃料電池用水素製造装置１の基本的な構成を模式的に示す断面図であり、２は内部に改質触媒３を有する改質器、４は燃焼器５を内蔵した燃焼装置であり、該燃焼装置４は、炎孔部６を改質器２の燃焼室７に気密に接続されている。
【００１８】
改質器２は、加熱室８を形成する円筒状の加熱筒９と、加熱筒９の外側の円筒状の触媒筒１０及び改質筒１１並びに触媒筒１０と加熱筒９との間に充填された改質触媒３等から構成され、メタンや天然ガス等の炭化水素化合物ガス（以下改質原料ガスという）を水蒸気と化学反応させて水素濃度の高い改質ガスを得る装置である。
【００１９】
改質器２の燃焼室７は、下部に設けられた燃焼装置４、及び、この燃焼装置４が燃焼用の空気を送風機１２から取入れ、ＬＰＧや都市ガス等の高カロリーの燃料ガス（以下燃料ガスという）や燃料電池で発電に使用されなかった未反応の改質ガスや水素ガス等の低カロリーのオフガス（以下オフガスという）を燃焼させることにより発生した高温の燃焼ガスを燃焼室７の上方に導く燃焼案内筒１３並びにこの燃焼ガスを加熱筒９の内周に沿って流下させた後、改質筒１１の外周の排気室１４を経て排気口１５から排ガスとして排出させる構造を有している。
【００２０】
触媒筒１０と加熱筒９との間に収納された触媒３は、その上面側に上部仕切板１６、同じく下面側に下部仕切板１７が設けられ、この中に粒状の触媒３が収納されて触媒層を形成している。これらの仕切板１６、１７には、触媒３がこぼれないように、触媒３の粒の大きさよりも小さな孔をもった金網や多孔質の板が使用され、この仕切板１６、１７の孔を通して触媒層の中にガスが出入りできるようになっている。
【００２１】
このように構成された改質器２において、燃焼装置４の運転を開始して高温の燃焼ガスを燃焼室７及び加熱室８に送り、燃焼ガスで触媒３を加熱しつつ、ガス導入管１８から改質原料ガス及び水蒸気を改質器２に流入させると、改質原料ガスの炭化水素化合物と水蒸気とは触媒を流れる間に化学反応をして、水素ガスと一酸化炭素ガスと二酸化炭素ガスとを発生させる。
【００２２】
一般に、燃料電池１９は、アノード２０側に水素、カソード２１側に酸素を投入することにより、電気化学反応により電気を生じさせる機構を有している。上述のようにして改質器２において、改質原料ガス中の炭化水素化合物を水蒸気と反応させて得られる水素濃度の濃い改質ガス又はこのような改質ガスを変成器２２等を経由させることによって得られるＣＯ濃度の低減されたガスを燃料電池１９のアノード２０に供給することにより、燃料電池１９で連続した発電が行われる。なお、２３は燃料電池１９の発電時に生じる熱や水を排出する冷却器である。
【００２３】
一方、燃料電池１９から排出されたオフガスは、オフガス供給管２４を通って燃焼装置４に送られ、改質器２による水素の製造のための加熱用燃料として再利用される。
【００２４】
燃焼装置４は、燃焼器５を内蔵した箱体２５と、燃焼器５へ天然ガス等の高カロリーの燃料ガスを供給する燃料ガス供給管２６と、燃料電池１９からのオフガスを燃焼器５に供給するオフガス供給管２４と、これらのガス燃料に燃焼空気を送る送風機１２と、送風機１２からの燃焼空気を調節して燃焼ガスの一次空気として燃焼器５内に供給する燃焼空気調節機構２７等とから構成されている。
【００２５】
燃焼空気調節機構２７は、オフガス供給管２４が接続されたガス混合室２８に制御弁２９によって開閉される開口３０を設け、この制御弁２９を開閉制御手段３１によって調節するようにしたものである。オフガス供給管２４から改質器２の加熱に十分な量のオフガスのような低カロリーガスが供給され、燃料ガス供給管２６からの燃料ガスの供給を行わないときには、制御弁２９は閉状態にされる。
【００２６】
燃料電池１９の運転開始時などのように、燃料ガス供給管２６から高カロリーの燃料ガスのみが供給され、オフガス供給管２４からのオフガスや低カロリーガスの供給がないときには、制御弁２９を開の状態として一次燃焼空気量を制御するように制御弁２９が調整される。
【００２７】
図２は、このような燃料電池用の水素製造装置である改質器に用いられる燃焼装置４の構成の一実施例を示す断面図である。尚、この燃焼装置４を構成する部品や機構で図１と同様なものは、同じ符号を付して説明を略する。
【００２８】
図２において、燃焼器５は、屈曲混合部３２を有するブンゼン型バーナを複数個重ね合せて形成され、送風機１２が取付けられた箱体２５に収納されている。燃焼器５は、送風機１２から箱体２５内に送出された燃焼空気（一点鎖線矢印）の一部を燃焼空気調節機構２７を経て、ガス混合室２８へ導き入れ、ここでオフガス（実線矢印）と混合し、燃料ガス（二重線矢印）の一次空気として適度な濃度に調節された後に、バーナノズル３３を経て、炎孔部６へ供給される。
【００２９】
炎孔部６に供給された燃料ガスは、箱体２５内を経て送られてくる燃焼空気を二次空気としつつここで燃焼し、高温の燃焼ガスとして燃焼室７へ供給される。尚、３４は、これらの燃焼器５等を箱体２５内に支持する支枠である。
【００３０】
３５は、箱体２５内のオフガス供給管２４の一部において、送風機１２からの空気でオフガスを冷却できるようにした熱交換部であり、該熱交換部３５の下流側には、該熱交換部３５においてオフガス中の水分が凝縮してできた水滴（点線矢印）を溜める凝縮水溜３６を有している。
【００３１】
凝縮水溜３６には排水パイプ５６とバルブ５７が取り付けられており、バルブ５７を開けることにより凝縮水溜３６に溜まった水を燃焼装置４の外に排出することができる構造を有している。
【００３２】
図３は、本発明の第二の実施例（請求項５）の形態を示す断面図である。尚、この燃焼装置４を構成する部品や機構で図１及び図２と同様なものは、同じ符号を付して説明を省略する。
【００３３】
３７はこのような凝縮水溜３６の水を加熱気化して排出するために、燃焼ガスの熱を凝縮された水分に伝達する熱伝導体である。熱伝導体３７は上部分３８で炎孔部６からの熱を下部分３９に伝え、凝縮水溜３６に溜まった水の加熱気化を行えるように構成した装置である。
【００３４】
図３では説明の容易さのために熱伝導体３７の下部分３９を凝縮水溜３６の水中に浸漬させて凝縮された水分を直接に加熱できる構造を示しているが、熱伝導体３７の下部分３９を凝縮水溜３６の外壁４０に熱伝達可能に取り付け、凝縮水溜３６の外側から水溜の壁４０を通じて凝縮された水分に燃焼ガスの熱を伝えるような構造にしても良い。
【００３５】
また、燃焼ガスから熱を得る熱伝導体３７の上部分３８も、図３のように上部分３８が直接に燃焼ガスにさらされるような構造に限定されない。炎孔部６付近の燃焼器５の壁面４１に熱伝導体３７の上部分３８を取り付け、燃焼器５付近で得られた熱を下部分３９に伝えるようにした構造でも同様に凝縮された水分を加熱気化させることができる。
【００３６】
熱伝導体３７の材料には、真鍮やアルミ等の金属の繊維束や金属編紐を用いてもよいが、燃焼装置４を長期間にわたって燃焼ガスの漏れを生じないようなに維持できる構成部材であることが肝要である。
【００３７】
図３の実施例では、例えば、凝縮水溜３６と燃焼器５燃焼部とを銅製で直径５ｍｍの円柱状の形状の熱伝導体３７で連結して燃焼器５の燃焼熱が溜まった水に伝えられるようにしている。
【００３８】
オフガス中の水分の凝縮は、燃料電池１９の起動時や燃料電池１９が置かれている場所の外気温が低い場合など、燃焼装置４が冷えているときに特に発生しやすい上に、燃焼装置４が冷えている場合は、燃焼機構も十分に働きにくく、燃焼状態が悪いので、水分の凝縮がオフガス供給の経路中に生じれば、燃焼状態が更に不安定となる。
【００３９】
しかし、図３の構造の燃焼装置４においては、オフガスが燃焼装置の箱体２５に供給される入口付近において送風機１２から送られてくる空気と熱交換されるような熱交換部３５がオフガス供給管２４に設けられているため、オフガス中の水分は、この熱交換部３５で凝縮して凝縮水溜３６に溜り、この水溜から下流側のオフガスの経路で水分が凝縮することがないようにすることができる。
【００４０】
また、燃焼器５が燃焼し、その燃焼熱により燃焼装置４内部の温度が上昇して燃焼状態が安定した段階で、凝縮水溜３６に溜まった水を加熱し、水溜の水を徐々に気化させて燃焼器５に送るので、起動時や外気温が低い場合等、オフガス中の水分が凝縮して燃焼装置に供給されても燃焼装置４に影響を生じることはない。
【００４１】
図３の構成の装置を用いれば、水溜３６の凝縮された水分を外部に排出させるドレーンコックなどの排水機構や排水のための特別な操作が無くとも凝縮された水分を自動的に燃焼装置４外に排出することができる。
【００４２】
図４は、本発明の燃焼装置の第三の実施例を示す断面図である。
【００４３】
基本的な構造は図２および図３の実施例と同じであり、図２及び図３と同様な機器や部品は同じ符号を付して説明を略する。
【００４４】
図４の実施例においては、オフガスを燃焼器５に送る箱体２５内のオフガス供給管２４が、熱交換部、凝縮水溜を経た後、燃焼器５の炎孔部６付近を通過して後にガス混合室２８に接続されるように配設され、かつ、熱伝導体３７は、該オフガス供給管２４内に収納されている。
【００４５】
４２は、図３の実施例と同様、オフガス供給管２４の箱体２５への入口付近において、送風機１２からの空気でオフガスを冷却できるようにした熱交換部であり、該熱交換部４２には、図３の熱交換部３５と異なり、オフガス供給管２４の通路に凝縮促進体４３が内蔵されている。凝縮促進体４３には、例えば、太さ約０．１ｍｍ径のステンレス金属糸からなるフィルター等が用いられる。
【００４６】
ガス冷却部に凝縮促進体４３が設けられていることで、オフガスの熱を配管２４の側面に伝えやすくなり、且つ凝縮促進体４３にオフガスが衝突することで水蒸気や水分を凝縮させる効果も加わるため、効率良く水分を凝縮させることができる。
【００４７】
また、上記熱交換部４２で凝縮した水を溜め、この水溜りの水を加熱気化させる凝縮された凝縮水溜４４には、熱伝導体３７の下半部４７と凝縮された水分との間での熱の授受が促進されるように、例えば、太さ０．５ｍｍ程の径を有する銅製の糸からなる熱伝導繊維４５が内蔵されている。
【００４８】
熱伝導体３７は、その上半部４６を、燃焼器５の炎孔部６付近まで延在されてオフガス供給管２４に内蔵されており、該オフガス供給管２４を介して燃焼器５からの熱を上半部４６で得て下半部４７に伝導し、凝縮された凝縮水溜４４の水へ気化熱を伝達できる。
【００４９】
また、熱伝導体３７は、凝縮水溜４４とガス混合室２８との間において燃焼器５付近を通過するよう配置されたオフガス供給管２４の配管内部に配設され、燃焼器５付近の配管内部も凝縮された凝縮水溜４４の内部と同様な熱伝導繊維４８が内蔵されており、オフガス供給管２４と熱伝導体３７との間の熱伝達が効率よく行える構成となっている。
【００５０】
このように、図４の実施例の構成によれば、図３の実施例と同様に、オフガス中の水分を、熱交換部４２で凝縮して凝縮された凝縮水溜４４に溜め、この凝縮水溜４４から下流側のオフガスの経路で水分が凝縮することがないようにすることができる。また、熱伝導体３７は、燃焼器５の燃焼状態に応じて、凝縮された凝縮水溜４４に溜まった水を加熱し、水溜の水を徐々に気化させて混合ガス室経由、燃焼器５に送って燃焼装置４外に排出するので、凝縮水溜４４の凝縮された水分を外部に排出させるドレーンコックなどの排水機構や排水のための特別な操作が無くとも燃焼器５に悪い影響を及ぼさずに凝縮された水分を自動的に処理することができる。
【００５１】
尚、凝縮促進体４３およびオフガス供給管２４に内蔵された熱伝導繊維４５、４８は、図３の実施例にも適用することができ、このような凝縮促進体４３を内蔵させることによってより大きな効果が得られる。
【００５２】
燃料電池１９の水素製造装置１に上記第二の実施例と第三の実施例をそれぞれ用いて試験を行ったところ、起動時および外気温が低い場合においても従来発生していた凝縮された水分の発生がなくなり、オフガスの凝縮された水分が配管内を閉塞したり、燃料の流れの阻害によって改質器の燃焼器の燃焼状態を不安定にさせることがなくなることが確認された。
【００５３】
尚、図３及び図４の実施例において、一例として説明した熱伝導体及び熱伝導繊維にも各種の実施形態がある。
【００５４】
例えば、図５の（ａ）乃至（ｆ）に示すような各種のフインを取り付けた基材を、図３及び図４に示す熱伝導体３７や熱伝導繊維４５、４８として用いても、前述した熱伝導体や熱伝導繊維と同様な効果が得られる。
【００５５】
図５の（ａ）は屈曲可能な熱伝導体の基材４９の周囲に板状のフィン５０を立設したもの、（ｂ）は同じく熱伝導体の基材４９の周囲に板状のフィン５１を螺旋状に巻回したもの、（ｃ）は同じく切り込みのある円板フィン５２を熱伝導体の基材４９の周囲に立設したもの、（ｄ）は同じく深い切り込みのあるフィン５３を熱伝導体の基材４９の周囲に巻回したもの、（ｅ）は繊維状のフィン５４を熱伝導体の基材４９の周囲に螺旋状に巻回したもの、（ｆ）はうろこ状のフィン５５を熱伝導体の基材４９の周囲に立設したものである。
【００５６】
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得るものである。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池用水素製造装置及びその燃焼装置は、燃焼装置入口部にオフガス中の水蒸気を凝縮させる熱交換部を有しているため、燃料電池用水素製造装置の起動時等において、未反応ガス中の水分が配管内で結露し、液状の水となって燃焼器に流れることがなくなり、このような凝縮された水分による燃焼の脈動や失火を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池用水素製造装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明による燃料電池用水素製造装置の第一の実施例の形態を示す断面図である。
【図３】本発明による燃料電池用水素製造装置の第二の実施例の形態を示す断面図である。
【図４】本発明になる燃料電池用水素製造装置の同じく第三の実施例の形態を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例に用いられた熱伝導体や熱伝導繊維の各種の実施態様を示す説明図である。
【符号の説明】
１  燃料電池の水素製造装置
２  改質器
３  改質触媒
４  燃焼装置
５  燃焼器
６  炎孔部
７  燃焼室
１０  触媒筒
１１  改質筒
１２  送風機
１８  改質ガス導入管
１９  燃料電池
２４  オフガス供給管
２５  箱体
２６  燃料ガス供給管
３５  熱交換部
３６  凝縮された水分溜
３７  熱伝導体
３８  上部分
３９  下部分
４２  熱交換部
４３  凝縮促進体
４４  凝縮された水分溜
４５、４８  熱伝導繊維
４６  上半部
４７  下半部
５６  排水パイプ
５７  バルブ
【図１】
0003889544.tif 000002
【図２】
0003889544.tif 000003
【図３】
0003889544.tif 000004
【図４】
0003889544.tif 000005
【図５】
0003889544.tif 000006