(57)【要約】【課題】排気通路に設けた燃焼触媒部の天面付近に発生する隙間を遮断して未燃ガスが漏れないようにした燃料電池発電装置を提供すること。【解決手段】発電を行う燃料電池セルの上側近傍にオフガス燃焼を行う燃焼部を備え、この燃焼部の燃焼熱で改質器を加熱し、この改質器を加熱した後の排気を排気通路を介して外部に排出する燃料電池発電装置において、排気通路(20)は、改質器を加熱した後の排気が導入される導入部(22)と、この導入部(22)から流入する排気を水平方向に流すと共に内部に充填された燃焼触媒(23a)によって排気に含まれる未燃成分を酸化処理する燃焼触媒部(23)と、この燃焼触媒部(23)から流入する排気を排出する排出部(24)とを有し、燃焼触媒部(23)には、排気通路内の天面から下方に延び燃焼触媒(23a)に所定深さまで差し込まれた仕切り板(30)が設けられた。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電を行う燃料電池セルの上側近傍にオフガス燃焼を行う燃焼部を備え、この燃焼部の燃焼熱で改質器を加熱し、この改質器を加熱した後の排気を排気通路を介して外部に排出する燃料電池発電装置において、
前記排気通路は、前記改質器を加熱した後の排気が導入される導入部と、この導入部から流入する排気を水平方向に流すと共に内部に充填された燃焼触媒によって排気に含まれる未燃成分を酸化処理する燃焼触媒部と、この燃焼触媒部から流入する排気を排出する排出部とを有し、
前記燃焼触媒部には、排気通路内の排気の流れ方向と交差する方向に延び且つ排気通路内の天面から下方に延び燃焼触媒に所定深さまで差し込まれた仕切り板が設けられていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記燃焼触媒部に粒状の燃焼触媒を充填する為の充填口が排気通路天面に開口しており、
前記仕切り板は前記充填口を二分する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池発電装置に関し、特に排気通路の燃焼触媒部の酸化処理性能を高めたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）との酸化還元反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する排熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。この燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう燃料電池発電装置、排熱回収による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯給湯装置、燃料電池発電装置と貯湯給湯装置との間に湯水を循環させる排熱回収循環回路等を備えている。
【０００３】
上記の燃料電池発電装置は、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と燃料ガスから生成する燃料改質器及び蒸発器を有する燃料電池発電部、この燃料電池発電部からの排気であって燃料改質器を加熱した後の排気を外部に排出する排気通路、この排気通路に設置され且つ燃料電池発電部からの排気ガスと貯湯給湯装置の貯湯タンクに蓄えられた湯水との間で熱交換する排熱回収熱交換器等を備えている。
【０００４】
前記排気通路に導入される排気のＣＯ濃度が高いため、排気通路には排気の未燃成分を酸化処理する燃焼触媒（ボールペレット）を収容した燃焼触媒部が設けられている。
特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池においては、燃料電池セルスタックの上側近傍の燃焼部の上側に改質器を配置し、この改質器の上に燃焼触媒部を配置し、この燃焼触媒部から出た排気を燃料電池発電部の下側のレキュペレータに導入している。前記燃焼触媒部は、金属メッシュ容器に粒状の燃焼触媒を収容したものである。
【０００５】
図７に示すように、一般的な燃焼触媒部１０１は、排気通路１００の途中部にパンチングメタルや金属メッシュ等の多孔板１０２，１０３で仕切った触媒収容室１０４を形成し、この触媒収容室１０４の天面に形成した開口部１０５から燃焼触媒１０１ａを触媒収容室１０４に充填してから、開口部１０５を蓋部材１０６で封鎖した構造になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−５６２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図７に示すような構造の燃焼触媒部１０１の場合、燃焼触媒１０１ａの充填時には燃焼触媒１０１ａを蓋部材１０６の下面に接触する状態に充填するものの、燃料電池発電装置の輸送中の振動や、使用中に燃焼触媒１０１ａ中を通過する排気の流動により粒状の燃焼触媒１０１ａの圧縮度合いが増して燃焼触媒１０１ａの表面が僅かに沈降し、燃焼触媒１０１ａの上面側に隙間Ｇが発生し、その通気抵抗が小さい隙間ＧからＣＯ等の未燃ガスが燃焼触媒１０１ａの下流側へ排出されるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、排気通路に設けた燃焼触媒部の天面付近に発生する隙間を仕切り板で遮断して未燃ガスが漏れないようにした燃料電池発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の燃料電池発電装置は、発電を行う燃料電池セルの上側近傍にオフガス燃焼を行う燃焼部を備え、この燃焼部の燃焼熱で改質器を加熱し、この改質器を加熱した後の排気を排気通路を介して外部に排出する燃料電池発電装置において、前記排気通路は、前記改質器を加熱した後の排気が導入される導入部と、この導入部から流入する排気を水平方向に流すと共に内部に充填された燃焼触媒によって排気に含まれる未燃成分を酸化処理する燃焼触媒部と、この燃焼触媒部から流入する排気を排出する排出部とを有し、前記燃焼触媒部には、排気通路内の排気の流れ方向と交差する方向に延び且つ排気通路内の天面から下方に延び燃焼触媒に所定深さまで差し込まれた仕切り板が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
請求項２の燃料電池発電装置は、請求項１の発明において、前記燃焼触媒部に粒状の燃焼触媒を充填する為の充填口が排気通路天面に開口しており、前記仕切り板は前記充填口を二分する位置に配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、排気通路は、改質器を加熱した後の排気が導入される導入部と、この導入部から流入する排気を水平方向に流すと共に内部に充填された燃焼触媒によって排気に含まれる未燃成分を酸化処理する燃焼触媒部と、この燃焼触媒部から流入する排気を排出する排出部とを有し、前記燃焼触媒部には、排気通路内の排気の流れ方向と交差する方向に延び且つ排気通路内の天面から下方に延び燃焼触媒に所定深さまで差し込まれた仕切り板が設けられているため、燃焼触媒部の天面近傍部に燃焼触媒が充填されていない隙間が発生しても、その隙間は仕切り板により遮断されるため、ＣＯ等の未燃ガスが前記隙間を通って排出部へ漏れることがない。そのため、燃焼触媒部による酸化処理性能を高めることができる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、前記燃焼触媒部に粒状の燃焼触媒を充填する為の充填口が排気通路天面に開口しており、前記仕切り板は前記充填口を二分する位置に配置されている
ため、燃焼触媒を充填する際の充填作業の作業性が低下することがない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池発電装置の概略構成図である。
【図２】燃料電池発電部の概略斜視図である。
【図３】排気通路の平面図である。
【図４】排気通路の正面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図３のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】従来技術に係る図６相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１５】
先ず、燃料電池発電装置１の全体構成について説明する。
図１，図２に示すように、燃料電池発電装置１は、燃料電池発電モジュール２、カソード空気供給手段３、燃料改質用空気供給手段４、排熱回収手段（図示略）、純水供給手段５、水素再利用手段６、燃料ガス供給手段７、制御ユニット９、外装ケース１０等を備え、燃料電池発電モジュール２にて発電された直流電力がインバータを介して交流電力に変換されて外部に出力される。
【００１６】
尚、この燃料電池発電装置１は、例えば、排熱回収手段の熱交換器による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯給湯装置と、この貯湯給湯装置と燃料電池発電装置１とに亙って湯水を循環させる為の排熱回収循環回路等と組み合わせることで燃料電池コージェネレーションシステムを構成することができるが、燃料電池発電装置１以外の構成の詳細な説明は省略する。
【００１７】
次に、燃料電池発電モジュール２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電モジュール２は、燃料電池発電部１１、燃料ガス中の硫黄化合物を吸着除去する超高次脱硫剤１２ｂを有する脱硫部１２、燃料電池発電部１１と脱硫部１２等を収納した薄鋼板製の直方体状のケース部材１３等を備えている。ケース部材１３の内部には、燃料電池発電部１１と脱硫部１２の周囲を覆うように石膏ボードからなる断熱材が収納されている。
【００１８】
図１、図２に示すように、燃料電池発電部１１は、複数の燃料電池セルで構成された燃料電池セルスタック１１ａ、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成する蒸発器１１ｂ、脱硫部１２において脱硫された燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて改質燃料ガスを生成して燃料電池セルスタック１１ａに供給する燃料改質器１１ｃ、燃料電池セルスタック１１ａによる発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理するオフガス燃焼室１１ｄ、このオフガス燃焼室１１ｄの燃焼ガスによって加熱される空気用熱交換器１１ｅ、燃焼触媒部２３を含む排気通路２０、ケース部材１４等を備え、燃料改質器１１ｃによって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック１１ａで高温の環境下で化学反応させることで発電を行うものである。
【００１９】
燃料電池発電部１１から排出される排気ガスは、排気通路２０に連なる排気通路下流部２０ａに設けられた排熱回収手段の熱交換器にて排熱回収循環回路を循環する湯水との間で熱交換され温度が低下した後に外部に排出される。蒸発器１１ｂは、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器１１ｃに供給するものである。燃料改質器１１ｃは、ニッケルや白金等の改質触媒を有し、脱硫された燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応させて改質燃料ガスを生成する。尚、本実施例では、蒸発器１１ｂと燃料改質器１１ｃとを別体に構成しているが、一体的に構成しても良い。
【００２０】
カソード空気供給手段３は、外部から空気を発電空気ブロワに取り込み、この取り込まれた空気を、発電空気通路３ａを介して燃料電池発電部１１の空気用熱交換器１１ｅに供給する。燃料改質用空気供給手段４は、外部から燃料改質用の空気を改質空気ブロワに取り込み、この取り込まれた燃料改質用の空気を、改質空気通路４ａを介して燃料電池発電部１１の蒸発器１１ｂ及び燃料改質器１１ｃに供給する。
【００２１】
排気通路下流部２０ａに設けられる排熱回収手段は、排熱回収循環回路を流れる湯水を利用して、排気から排熱を回収する。純水供給手段５は、排熱回収手段で凝縮された凝縮水を回収し、凝縮水から不純物を取り除き、凝縮水から生成された純水を貯留した後に純水供給通路５ａを介して燃料電池発電部１１の蒸発器１１ｂ及び燃料改質器１１ｃに供給する。
【００２２】
水素再利用手段６は、水素回収通路６ａ、気水分離器６ｂ、水素供給通路６ｃ等を備え、燃料改質器１１ｃからの改質燃料ガスの一部を、水素回収通路６ａを介して気水分離用の気水分離器６ｂに送り、水素供給用開閉弁６ｄの開弁に伴い気水分離器６ｂから水素供給通路６ｃを介して改質燃料ガス（水素ガス）を燃料ガス供給通路１５に供給する。水素再利用手段６は、例えば、燃料ガス中の水素濃度が０．７〜１．５％程度になるように燃料ガスに水素を添加する。
【００２３】
次に、燃料ガス供給手段７について説明する。
図１に示すように、燃料ガス供給手段７は、燃料ガス供給通路１５、燃料ガス昇圧ブロワ１６、脱硫部１２等を備え、ガス供給源からの燃料ガスに水素供給通路６ｃから水素を添加し、この水素が添加された燃料ガスを燃料ガス昇圧ブロワ１６に取り込み、この昇圧された燃料ガスを脱硫部１２で脱硫し、この脱硫された燃料ガスを燃料電池発電部１１の蒸発器１１ｂを通して燃料改質器１１ｃに供給する。
【００２４】
燃料ガス供給通路１５は、脱硫部１２に燃料ガスを供給する上流側燃料ガス供給通路１５ａ、燃料改質器１１ｃに脱硫後の燃料ガスを供給する下流側燃料ガス供給通路１５ｂを有している。上流側燃料ガス供給通路１５ａの上流端は、ガス供給源に接続され上流側燃料ガス供給通路１５ａの下流端は、脱硫部１２の導入口に接続されている。上流側燃料ガス供給通路１５ａの途中部には燃料ガス昇圧ブロワ１６が設けられている。
【００２５】
下流側燃料ガス供給通路１５ｂの上流端は、脱硫部１２の導出口に接続され、下流側燃料ガス供給通路１５ｂの下流端は、蒸発器１１ｂ及び燃料改質器１１ｃに接続されている。下流側燃料ガス供給通路１５ｂの途中部には逆止弁１９が設けられている。
【００２６】
次に、脱硫部１２について説明する。
図１に示すように、脱硫部１２は、燃料改質器１１ｃに供給される燃料ガスに含まれる硫黄化合物の除去（脱硫）を行う為のものであり、燃料ガス供給通路１５の途中部に設けられている。この脱硫部１２は、燃料電池発電部１１の発電運転中に高温となる燃料電池発電部１１の近傍の高温領域（例えば２００〜３００℃程度）に配置されている。
【００２７】
脱硫部１２は、容器１２ａと、この容器１２ａに収納され且つ金属酸化物や金属成分担持酸化物等を含有する公知の超高次脱硫剤１２ｂとを備えている。超高次脱硫剤１２ｂは、１００〜４００℃程度の高温状態で優れた脱硫作用を発揮するものである。即ち、水素が添加された燃料ガスは、１００〜４００℃の環境下で触媒反応により硫黄化合物と水素とを反応させて硫化水素にし、この硫化水素を超高次脱硫剤１２ｂに吸着させることで脱硫される。但し、超高次脱硫剤１２ｂに代えて、それ以外の脱硫剤（例えば、ゼオライトやシリカゲル、活性炭等）を用いる場合もある。
【００２８】
次に、本願特有の燃焼触媒部２３を含む排気通路２０について説明する。
図２〜図６に示すように、排気排出用の通路は、空気用熱交換器１１ｅの上面に近接状に装備された排気通路２０と、この排気通路２０に連なる排気通路下流部２０ａとを有する。排気通路２０は、偏平な直方体状のＳＵＳ製の排気通路ケース２１を有し、この排気通路ケース２１内には、燃料改質器１１ｃを加熱した後の排気が導入される導入部２２と、この導入部２２から流入する排気を水平方向に流すと共に内部に充填された燃焼触媒２３ａによって排気に含まれる未燃成分を酸化処理する燃焼触媒部２３と、この燃焼触媒部２３から流入する排気を排出する排出部２４とが設けられている。尚、排出部２４の排気は排出口２４ａから排気通路下流部２０ａへ流れる。
【００２９】
排気通路ケース２１の上流側端板には排気を導入部２２へ導入する矩形状の導入口２２ａが形成されている。燃焼触媒部２３は、排気通路ケース２１内の長さ方向途中部を第１，第２多孔板２５，２６により所定間隔空けて横断的に仕切った触媒収容室２３Ｒ内に、粒状の燃焼触媒２３ａを充填して構成されている。第１，第２多孔板２５，２６は、多数の小径穴を形成したパンチングメタルや細かなメッシュのメッシュ部材で構成されている。
前記燃焼触媒２３ａは、ポーラスなセラミック製のボールペレットにバナジウムや白金を担持させた一般的なものである。
【００３０】
触媒収容室２３Ｒの天面には、燃焼触媒２３ａを充填する為の楕円形の充填口２７が形成されている。この充填口２７の前後長（楕円の長軸方向の長さ）は排気通路２０の前後長の約４／５以上、充填口２７の左右長（楕円の短軸方向の長さ）は燃焼触媒部２３の左右長の約４／５以上に設定され、充填口２７は極力大形に形成されている。
この充填口２７は、その周縁において排気通路ケース２１の天板から立ち上げた短筒部２８の内側に形成され、この短筒部２８に内嵌可能で且つ充填口２７を閉塞可能な蓋部材２９が設けられている。尚、蓋部材２９の上下長は短筒部２８の上下長の約半分である。
【００３１】
前記充填口２７を排気の流動方向（図１の左右方向）に二分する位置おいて、 燃焼触媒部２３には、排気通路２０内の排気の流れ方向と直交状に交差する方向へ延び且つ排気通路２０内の天面から下方に延び燃焼触媒２３ａに所定深さまで差し込まれたＳＵＳ製の仕切り板３０が設けられている。この仕切り板３０は、燃焼触媒２３ａの表面と蓋部材２９の下面との間に燃焼触媒２３ａが存在しない隙間Ｇが発生した場合に、その隙間Ｇを排気が流れないように遮断する為のものである。
尚、仕切り板３０は、排気通路２０内の排気の流れ方向と交差する方向へ延びていればよく、必ずしも直交状に交差する必要はない。
【００３２】
仕切り板３０の上下長は、排気通路ケース２１の底板２１ａから蓋部材２９までの上下長の約１／４〜１／３である。仕切り板３０の上下長が上記の範囲よりも大きい場合には、燃焼触媒部２３の通気抵抗が増すため好ましくない。仕切り板３０は排気通路２０を横断する方向に延びるように配設されている。
【００３３】
仕切り板３０は、充填口２７内に挿入された上板部３０ａと、触媒収容室２３Ｒ内に配置された下板部３０ｂとを一体形成したものであり、上板部３０ａと下板部３０ｂは鉛直方向と平行に配設されている。上板部３０ａの上端には水平なフランジ部３０ｆが形成されているが、フランジ部３０ｆは省略してもよい。仕切り板３０の上板部３０ａの上端が蓋部材２９の下面に当接する状態にして、下板部３０ｂの両端部が排気通路ケース２１の前後の側板２１ｂ，２１ｃの内面に溶接等で固着されている。
【００３４】
触媒収容室２３Ｒ内へ燃焼触媒２３ａを充填する場合、蓋部材２９を装着しない状態で、充填口２７から粒状の燃焼触媒２３ａを触媒収容室２３Ｒの全体へ且つ充填口２７の中段位置まで充填し、その後蓋部材２９を短筒部２８に内嵌装着し、蓋部材２９の上端を短筒部２８の上端に揃えた状態にしてから、蓋部材２８の上端を短筒部２８の上端に溶接接合する。蓋部材２９を装着する場合、蓋部材２９を仕切り板３０の上端部（フランジ部３０ｆ）に当接させることで、蓋部材２９の高さ位置を簡単に位置決めすることができる。
【００３５】
次に、上記の排気通路２０及びその燃焼触媒部２３の作用、効果について説明する。
燃料電池発電装置１の製作段階においては、触媒収容室２３Ｒの全体及び充填口２７の中段位置まで、粒状の燃焼触媒２３ａを充填し、蓋部材２９を短筒部２８に溶接接合した状態で出荷するが、燃料電池発電装置１の輸送中の振動や、使用中の排気の流動により、図６に示すように、粒状の燃焼触媒２３ａの圧縮度合いが増して燃焼触媒２３ａの表面が僅かに沈降し、燃焼触媒２３ａの上面側に隙間Ｇが発生する。
【００３６】
しかし、排気通路２０内の排気の流れ方向と交差する方向へ延び且つ排気通路２０内の天面から下方に延び燃焼触媒２３ａに所定深さまで差し込まれた仕切り板３０を設けたため、燃焼触媒部２３の天面近傍部に燃焼触媒２３ａが充填されていない隙間Ｇが発生しても、その隙間Ｇは仕切り板３０により遮断されるため、ＣＯ等の未燃ガスが隙間Ｇを通って排出部２４へ漏れることがない。そのため、簡単な構造の仕切り板３０を介して燃焼触媒部２３の酸化処理性能を高めることができる。
【００３７】
燃焼触媒部２３に粒状の燃焼触媒２３ａを充填する為の充填口２７が排気通路天面に開口しており、仕切り板３０は充填口２７を二分する位置に配置されているため、燃焼触媒２３ａを充填する際の充填作業の作業性が低下することがない
【００３８】
前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
［１］充填口２７の前後長（楕円の長軸方向幅）を、排気通路ケース２１の前後長とほぼ等しく形成し、前記仕切り板の上端を蓋部材の下面に溶接接合し、蓋部材を装着する際に蓋部材と共に仕切り板を装着するように形成してもよい。
【００３９】
［２］短筒部２８を省略し、充填口を平板状の蓋部材で封鎖する構造にしてもよい。
［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００４０】
１        燃料電池発電装置
１１      燃料電池発電部
１１ａ    燃料電池セルスタック（燃料電池セル）
１１ｃ    燃料改質器（改質部）
１１ｄ    燃焼部
２０      排気通路
２２      導入部
２３      燃焼触媒部
２３ａ    燃焼触媒
２４      排出部
２７      充填口      
３０      仕切り板
【図１】
2016219357.tif 000003
【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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