JPH0761842B2 - 燃料電池発電システムの燃料改質装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池発電システムに組み込まれ、燃料電
池に供給する水素に富む改質ガスを生成する際、改質原
料を加熱する熱媒体を燃焼により供給するバーナを備え
る燃料改質装置に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池発電システムは燃料電池と燃料改質装置とが組
み込まれて構成され、燃料改質装置は改質原料を水素に
富むガスを改質してなる改質ガスを生成し、この改質ガ
スを燃料として燃料電池に供給している。燃料電池は供
給される改質ガスと酸化剤ガスとしての空気とによる電
池反応により発電する。この際電池反応に寄与しない水
素を含む燃料ガスは燃料電池から排出される。この排燃
料ガスは燃料改質装置に導かれ、供給される燃焼空気に
より燃焼し、燃焼により生じる火炎や燃焼ガスにより改
質触媒が充填された改質管を加熱し、改質管を通流する
改質原料を水素に富むガスに改質する。なお生成される
改質ガス量と排出される排燃料ガス量は燃料電池の負荷
量に対応して増減する。

このような燃料改質装置として従来第３図に示すものが
知られている。図において改質管２は二重管構造であ
り、仕切円筒３の内外に設けられた内管４と外管５とが
下端部で半アニユラス状の底板６で接続されて構成され
ている。なお仕切円筒３は底板６から離して設けられて
いる。改質管２は上半部と下半部に分けられ、下半部に
は改質触媒７が充填され、内管４と仕切円筒３との間お
よび仕切円筒３と外管５との間はそれぞれ内触媒層８と
外触媒層９とを形成し、内触媒層８と外触媒層９とは下
端で接続されて触媒層11を形成している。また改質管２
の上半部の外管５と仕切円筒３との間は改質原料が触媒
層11に流入する入口室12を、仕切円筒３と内管４との間
は触媒層11から流出する改質ガスの出口室13を形成して
いる。

炉容器15は改質管２の下半部を囲んで設けられている。
バーナ16は炉容器15の上部中央に設けられ、排燃料ガス
を噴出するノズル17を備えた排燃料ガス供給路18と、燃
焼空気を噴出するノズル19を備えた燃焼空気供給路20と
を備えている。

改質管２の内管４の内側部は燃焼室22を、また改質管２
と炉容器15との間は加熱室23を形成し、加熱室23の上部
に燃焼排ガスの出口が設けられている。

このような構成により燃料電池から排出される燃料電池
の負荷量に対応する量の残存水素を含む排燃料ガスは燃
料供給路18を経てノズル17から、一方燃焼空気は燃焼空
気供給路20を経てノズル19から噴出し、排燃料ガスは燃
焼空気と混合して燃焼し、燃焼室22で火炎と燃焼ガスが
形成され、燃焼ガスは燃焼室22から加熱室23に流れ、上
部の燃焼排ガス出口から外部に排出される。

一方、燃料電池の負荷量に対応する量の改質原料、例え
ば天然ガスやナフサ等は水蒸気とともに入口室12に流入
した後触媒層11に流入し、外触媒層９と内触媒層８を通
流する。そしてこの間バーナ16での燃焼による火炎や燃
焼ガスにより加熱されて触媒層11を通流する改質原料は
水素に富むガスに改質され、この改質ガスは触媒層11か
ら出口室13に流入した後燃料電池に供給される。

ところで、バーナ16で排燃料ガスを燃焼するための燃焼
空気量は排燃料ガス量から定め、かつ触媒層11の代表温
度または改質管表面温度が適切な温度になるように空燃
比1.05〜2.5の範囲で調整して触媒層の温度を制御して
いる。

上記のような空燃比でバーナ16で排燃料ガスを燃焼して
改質管２を加熱した時の改質管表面温度は第４図に示す
温度分布を有している。第４図において横軸は改質原料
の流れ方向の触媒層位置を、縦軸は改質管表面温度をと
って示してあり、25は燃料改質装置に多量の改質原料が
流れる高負荷時、26は小量の改質原料が流れる低負荷時
の排燃料ガスの燃焼による改質原料の流れ方向の触媒層
位置の改質管表面温度の温度分布である。図から低負荷
時の温度分布26は高負荷時の温度分布25に比べて燃焼室
側にある触媒層出口側の温度が高いことが理解される。
これは負荷が低い時には、触媒層における吸熱反応の吸
熱量が小さい、したがって伝熱量に比べて伝熱面積が大
きく、このため触媒層出口部付近の改質管表面温度が上
昇するためである。

ところで、改質管２はHK−40やインコネル800等の超耐
熱鋼で製造されているが、これらの材料でも900℃以上
の温度では寿命の低下が著しい。このため空燃比を大き
くとって燃焼温度を下げることにより改質管表面温度を
下げるように制御されている。

一方、負荷が大きい時には、触媒層における吸熱反応の
吸熱量も大きくなる。したがって伝熱面積も大きくとる
必要がある。しかし設計時には特にオンサイト用という
ことを考慮して燃料改質装置をコンパクトにするため伝
熱面積は極力小さく設計される。このため伝熱量を確保
するためには燃焼温度を高くする必要があり、したがっ
て空燃比を小さくとって燃焼温度が高くなるようにして
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように燃料電池，燃料改質装置の負荷の大きさに
応じて燃料改質装置の改質管表面温度や燃焼温度を制御
するために空燃比を変更するのは、バーナにおける燃焼
性に悪影響を与えるという問題がある。また、負荷変動
時，特に高負荷から低負荷に変化する時燃料電池からの
排燃料ガスの増加により一時的に触媒層出口付近の改質
管が過熱され改質管表面温度が一時的に上昇して高温に
なり、改質管材料の寿命が低下するという問題もある。

本発明の目的は、燃料電池，燃料改質装置の低負荷から
高負荷にわたって空燃比を一定にすることによりバーナ
での燃焼性を安定にし、さらに負荷変動時にも改質管表
面温度の一時的な上昇を防ぐことのできる燃料電池発電
システムの燃料改質装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明によれば、炉室内に
環状に配され、改質触媒が充填された改質管と、炉室の
上部中央に配され、燃料電池から排出される排燃料ガス
を燃焼するバーナとを備え、バーナからの熱媒体により
改質管を加熱して改質管を通流する改質原料を水素に富
むガスに改質して燃料電池に供給する燃料電池発電シス
テムの燃料改質装置において、前記バーナを、中央部に
設けられ炉室に開口する燃料噴出口を有する排燃料ガス
供給路と、燃料噴出口の周囲域で炉室に開口する一次空
気噴出口を有する一次空気供給路と、一次空気噴出口の
周囲域で炉室に開口する二次空気噴出口を有する二次空
気供給路と、二次空気噴出口の周囲域で炉室に開口し、
改質管を冷却する冷却空気を噴出する噴出口を有する冷
却空気供給路とで構成するものとする。

〔作用〕

ガスバーナにおいては一般に燃料と燃焼空気との混合状
態は燃焼状態を支配する燃焼速度を決定する最大要因で
ある。したがって燃料電池の負荷に伴って変動する排燃
料ガス量に対して一次空気量と二次空気量を変化するこ
とにより、排燃料ガスの燃焼時生じる火炎の形状を変化
させてその温度分布を制御して改質管の受熱量を制御
し、改質管表面温度を適切に制御するので空燃比を一定
にすることができる。また燃料電池の負荷変動時、特に
低負荷から高負荷変動する時には増加する排燃料ガス量
により改質管を一時的に過熱するので、この場合冷却空
気により改質管を冷却して一時的な温度上昇を抑える。

〔実施例〕

以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。
第１図は本発明の実施例による燃料改質装置の断面図で
ある。なお、第１図において第３図の従来例と同一部品
には同じ符号を付し、その説明を省略する。第１図にお
いて従来例と異なるのは中央部に配された排燃料ガス供
給路18のノズル17の周囲域に燃焼室22に開口する一次空
気ノズル30を有する一次空気供給路31と、一次空気ノズ
ル30の下方周囲域に燃焼室22に開口する二次空気ノズル
32を有する二次空気供給路33と、二次空気ノズル32の周
囲域に燃焼室22に開口し、改質管２を冷却する冷却空気
が噴出する冷却空気ノズル34を有する冷却空気供給路35
とを備えていることである。

このような構成により燃料電池の負荷量に応じて排燃料
ガス量は増減するが、一次空気と二次空気とからなる燃
焼空気量は負荷量に対応する量の排燃料ガスが安定して
燃焼する一定の空燃比でバーナ16に供給され、一次空気
は一次空気供給路31を経て一次空気ノズル30から噴出さ
れ、また二次空気は二次空気供給路33を経て二次空気ノ
ズル32から噴出し、燃料供給路18を経てノズル17から噴
出する排燃料ガスと混合して燃焼する。

上記の燃焼において燃料電池，燃料改質装置の負荷が小
さい時には二次空気量を多くし、一次空気量を少なくす
る。これにより、一次空気量が少ないために燃焼できな
かった燃料が二次空気と接触して燃焼するため、火炎の
長さが比較的長くなる。その結果、触媒層出口部分付近
での燃焼熱が比較的少なくなる。これにより触媒層出口
部分付近の改質管の過熱を防ぎ、その表面温度の上昇が
抑えられる。従来は、負荷小の際には、空燃比を大きく
して改質管の過熱防止を図っていたが、この発明では、
空燃比を変えずに（即ち従来よりは空燃比が小さくと
も）、改質管の触媒層出口部分付近の過熱を抑えること
ができる。また負荷が大きいときには、二次空気量を少
なくし、一次空気量を多くして火炎の長さを短くし、触
媒層出口部分付近の温度、すなわち触媒層出口部付近の
改質管表面温度を改質反応に適切な温度に保つ。

第２図は上記のようなバーナ16において燃料改質装置の
低負荷と高負荷について前述のような一次空気量と二次
空気量とを混合調整して排燃料ガスを燃焼した時の改質
原料の流れ方向の触媒層位置の改質管表面温度の温度分
布を第４図と同じ要領で示したグラフであり、27は高負
荷時、28は低負荷時の温度分布を示している。第４図の
25と第２図の27は、ほぼ同じ温度分布曲線であり、低負
荷時の温度分布曲線である26と28は大きな差異がある。
図から燃料改質装置の低負荷においても触媒層出口部分
付近の改質管表面温度は従来のように高温にならないよ
うにかつ、低負荷時の温度分布が高負荷時の温度分布と
ほぼ同等となるように制御されていることが理解され
る。

なお、燃料電池の負荷が低負荷から高負荷に変動する時
には、排燃料ガス量が増加して一時的に改質管を過熱す
るが、一時的に冷却空気を冷却空気供給路35を経て冷却
空気噴出口34から噴出することにより改質管２を直接冷
却し、改質管表面温度の上昇を防ぐ。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば燃料改
質装置のバーナに一次空気供給路，二次空気供給路およ
び冷却空気供給路を設けたことにより、燃料電池，燃料
改質装置の低負荷から高負荷にわたって一次空気量と二
次空気量の調節により火炎の温度分布を制御して触媒層
出口部分付近の改質管表面温度の上昇を防ぎ、かつ触媒
層に必要な熱量を与えて燃焼できるので、空燃比を一定
にすることができ、その燃焼性を安定することができ
る。また燃料電池の低負荷から高負荷への変動時排燃料
ガス量の増加により一時的に改質管を過熱する場合、冷
却空気により改質管を冷却できるので、改質管の表面温
度が上昇するのを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による燃料改質装置の断面図、
第２図は第１図のバーナで燃料電池からの排燃料ガスを
燃焼した時の改質原料の流れ方向の触媒層位置に対する
改質管表面温度の温度分布を示す図、第３図は従来の燃
料改質装置の断面図、第４図は第３図のバーナで燃料電
池の排燃料ガスを燃焼した時の改質原料の流れ方向の触
媒層位置に対する改質管表面温度の温度分布を示す図で
ある。 2:改質管、7:改質触媒、11:触媒層、18:排燃料ガス供給
路、22:燃焼室、23:加熱室、31:一次空気供給路、33:二
次空気供給路、35:冷却空気供給路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉室内に環状に配され、改質触媒が充填さ
   れた改質管と、炉室の上部中央に設けられ、燃料電池か
   ら排出される排燃料ガスを燃焼するバーナとを備え、バ
   ーナからの熱媒体により改質管を加熱して改質管を通流
   する改質原料を水素に富むガスに改質して燃料電池に供
   給する燃料電池発電システムの燃料改質装置において、
   前記バーナを、中央部に設けられ炉室に開口する燃料噴
   出口を有する排燃料ガス供給路と、燃料噴出口の周囲域
   で炉室に開口する一次空気噴出口を有する一次空気供給
   路と、一次空気噴出口の周囲域で炉室に開口する二次空
   気噴出口を有する二次空気供給路と、二次空気噴出口の
   周囲域で炉室に開口し、改質管を冷却する冷却空気を噴
   出する噴出口を有する冷却空気供給路とから構成したこ
   とを特徴とする燃料電池発電システムの燃料改質装置。