JP2001143731A

JP2001143731A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2001143731A
Application number: JP32483099A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Matsui; 伸樹松井; Shuji Ikegami; 周司池上; Yasunari Okamoto; 康令岡本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料改質反応を維持するための外部加熱量を低
減又は零にすると共に、発熱反応により生ずる熱を有効
利用する。【解決手段】炭化水素系の原燃料から部分酸化反応によ
って水素を生成するための燃料改質器（５）を設けてい
る。燃料改質器（５）で改質された改質ガスをＣＯ変成
するためのＣＯ高温変成器（７）及びＣＯ低温変成器
（９）を設けている。ＣＯ高温変成器（７）及びＣＯ低
温変成器（９）でＣＯ変成された改質ガスの水素を燃料
として発電する燃料電池（１）を設けている。燃料電池
（１）から排出される排ガスとＣＯ高温変成器（７）及
びＣＯ低温変成器（９）の改質ガスとを熱交換させて熱
回収する第２熱交換器（８）及び第３熱交換器（１０）
を設けている。燃料改質器（５）の入口側には、燃料改
質器（５）に供給される燃料ガスを燃料電池（１）の排
ガスによって加熱する燃焼器（１９）を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池は、負極に送り込む水
素を燃料とし、正極に送り込む酸素を酸化剤とし、これ
らを電解質を通じて反応させる発電器として知られてい
る。この燃料電池に使用する水素は炭化水素又はメタノ
ールを改質することによって生成することができる。

【０００３】従来、燃料電池システムは、特開平１０−
３０８２３０号公報に開示されているものがある。この
燃料電池システムは、触媒の存在下、炭化水素を部分酸
化反応によって水素に改質する燃料改質器と、この改質
の際に生成するＣＯを水性ガスシフト反応によって酸化
させるＣＯ変成器と、さらに残存するＣＯを選択酸化さ
せる選択酸化器とを備えている。

【０００４】上記燃料改質器には、部分酸化反応に対し
て活性を呈する触媒の他に、炭化水素の水蒸気改質反応
に対して活性を呈する触媒が充填されている。そして、
上記燃料改質器において、炭化水素、酸素及び水蒸気を
供給し、炭化水素の部分酸化反応と水蒸気改質反応とに
よって水素を生成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、炭化
水素を部分酸化反応によって水素に改質するに当たり、
触媒の存在下で炭化水素に酸素及び水蒸気を作用させる
ことが知られている。しかしながら、その水蒸気は、吸
熱反応である水蒸気改質反応を得るために添加され、又
は温度調節等のために添加されている。したがって、従
来の燃料電池システムでは、改質反応を維持するために
燃料改質器に伝熱面積の大きな外部加熱手段を設ける必
要があった。

【０００６】一方、上記ＣＯ変成器における水性ガスシ
フト反応は発熱反応である。しかしながら、従来、この
発熱を有効利用することは何ら考慮されていないという
問題があった。

【０００７】本発明は、斯かる点に鑑みて成されたもの
で、燃料改質反応を維持するための外部加熱量を低減又
は零にすると共に、発熱反応により生ずる熱を有効利用
することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】〈発明の概要〉本発明
は、部分酸化反応によって原燃料から水素を生成すると
共に、変成手段の改質ガスから熱回収するようにしたも
のである。

【０００９】〈解決手段〉具体的に、図２に示すよう
に、第１の発明は、炭化水素系の原燃料から部分酸化反
応によって水素を生成するための燃料改質器（５）と、
該燃料改質器（５）で改質された改質ガスをＣＯ変成す
るための変成手段（６０）と、上記変成手段（６０）で
ＣＯ変成された改質ガスの水素を燃料として発電する燃
料電池（１）とを備えている。そして、上記燃料電池
（１）から排出される排ガスと変成手段（６０）の改質
ガスとを熱交換させて熱回収する熱回収手段（６５）が
設けられている。

【００１０】また、第２の発明は、第１の発明におい
て、排ガスは、燃料電池（１）のアノード排ガスとカソ
ード排ガスとが混合されたものである。

【００１１】また、第３の発明は、第１の発明におい
て、熱回収手段（６５）が変成手段（60）に一体に設け
られている。

【００１２】また、第４の発明は、第１の発明におい
て、変成手段（６０）は、反応温度が異なる複数の変成
器（７，８）で構成されている。

【００１３】また、第５の発明は、第１の発明におい
て、変成手段（６０）の反応温度が、熱回収手段（６
５）に供給される排ガスの流量によって調節される。

【００１４】また、第６の発明は、第１の発明におい
て、燃料改質器（５）の入口側に、該燃料改質器（５）
に供給される燃料ガスを燃料電池（１）の排ガスによっ
て加熱する燃焼器（１９）が設けられている。

【００１５】また、第７の発明は、第６の発明におい
て、燃焼器（１９）の燃焼温度が、燃料電池（１）の燃
料利用率によって制御される。

【００１６】また、第８の発明は、第６の発明におい
て、燃焼器（１９）の燃焼温度が、該燃焼器（１９）に
供給される排ガスの流量によって調節される。

【００１７】また、第９の発明は、第１の発明におい
て、燃料改質器（５）の入口側に、該燃料改質器（５）
に供給される燃料ガスを都市ガスによって加熱する燃焼
器（１９）が設けられている。

【００１８】また、第１０の発明は、第１の発明におい
て、燃料改質器（５）に供給される燃料ガスを起動時に
加熱する加熱手段（２６）が設けられている。

【００１９】また、第１１の発明は、第１０の発明にお
いて、加熱手段（２６）が、運転中の燃料改質器（５）
の燃料ガスの入口温度を制御する。

【００２０】また、第１２の発明は、第１の発明におい
て、燃料改質器（５）に供給される燃料ガスは、都市ガ
スに空気及び水を加えたものである。

【００２１】また、第１３の発明は、第１の発明におい
て、燃料改質器（５）と変成手段（６０）との間に、改
質ガスに水を供給して該改質ガスを冷却する水供給手段
（９０）が設けられている。

【００２２】また、第１４の発明は、第１の発明におい
て、燃料改質器（５）と変成手段（６０）との間に、改
質ガスと熱交換して熱回収し、変成手段（６０）の改質
ガスの入口温度を制御する回収熱交換器（６）が設けら
れている。

【００２３】また、第１５の発明は、第６の発明におい
て、燃料改質器（５）と変成手段（６０）との間に、改
質ガスと熱交換して熱回収し、変成手段（６０）の改質
ガスの入口温度を制御する回収熱交換器（６）が設けら
れる一方、燃料改質器（５）と燃焼器（１９）と回収熱
交換器（６）が一体に形成されている。

【００２４】すなわち、本発明では、燃料改質器（５）
において、次式に示す部分酸化反応によって原燃料から
水素が生成される。

【００２５】ＣnＨm＋(n/2)Ｏ₂→nＣＯ＋(m/2)Ｈ₂ ……（１）続いて、上記燃料改質器（５）で改質された改質ガス
は、変成手段（６０）でＣＯ変成される。つまり、上記
燃料改質器（５）で生じたＣＯ（一酸化炭素）を次式に
示す水性ガスシフト反応によって酸化する。

【００２６】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ ……（２）このＣＯ濃度が低下した改質ガスが燃料電池（１）に供
給されて発電を行う。この燃料電池（１）では排ガスが
生じる。この排ガスは、例えば、燃料電池（１）のアノ
ード排ガスとカソード排ガスとを混合し、電池反応に使
用されなかった余剰空気や水素の他、未改質の原燃料が
含まれている。

【００２７】この排ガスが熱回収手段（６５）に流れ、
変成手段（６０）における改質ガスと熱交換し、排熱が
回収される。つまり、改質ガスが冷却され、排ガスが加
熱される。

【００２８】さらに、上記熱回収手段（６５）を流れた
排ガスは、燃焼器（１９）に供給され、燃料改質器
（５）に供給する燃料ガスを予熱する。この場合、燃焼
器（１９）の燃焼温度は、排ガスの流量によって調節す
るか、燃料電池（１）の燃料利用率によって制御する。

【００２９】また、上記燃焼器（１９）には、都市ガス
を供給し、該都市ガスを燃焼させて燃料改質器（５）に
供給される燃料ガスを予熱してもよい。

【００３０】また、上記燃料改質器（５）に供給する燃
料ガスは、起動時において、加熱手段（２６）によって
加熱される。この加熱手段（２６）は、運転中におい
て、燃料改質器（５）の燃焼ガスの入口温度を制御して
もよい。つまり、燃焼ガスの予熱を行うようにしてもよ
い。

【００３１】また、上記燃料改質器（５）で改質された
改質ガスは、水供給手段（９０）の水によって冷却して
もよく、また、回収熱交換器（６）によって熱回収して
冷却してもよい。

【００３２】

【発明の効果】したがって、本発明によれば、原燃料を
部分酸化反応によって水素を生成するようにしているの
で、外部加熱手段を省略することができる。この結果、
装置全体を小型化することができる。

【００３３】また、変成手段（６０）で生ずる発熱を熱
回収手段（６５）によって熱回収するので、エネルギの
有効利用を図ることができる。

【００３４】また、第３の発明によれば、熱回収手段
（６５）を変成手段（６０）に一体に設けているので、
装置全体の小型化を図ることができる。さらに、外部の
放熱を抑制することができるので、熱損失の低減を図る
ことができる。

【００３５】また、第５の発明によれば、変成手段（６
０）の反応温度を排ガスの流量で制御するので、温度制
御を容易に行うことができる。

【００３６】また、第６の発明によれば、燃料電池
（１）の排ガスによって燃料改質器（５）の燃料ガスを
予熱するので、排ガスの有効利用を図ることができる。

【００３７】また、第７の発明によれば、燃焼器（１
９）の燃焼温度を燃料電池（１）の燃料利用率で制御す
るので、熱回収を行いつつ温度制御を容易に行うことが
できる。

【００３８】また、第８の発明によれば、燃焼器（１
９）の燃焼温度を排ガスの流量で制御するので、温度制
御を容易に行うことができる。

【００３９】また、第９の発明によれば、都市ガスによ
って燃料改質器（５）の燃料ガスを予熱するので、予熱
の制御を容易に行うことができる。

【００４０】また、第１０の発明によれば、起動時に燃
料改質器（５）の燃料ガスを加熱するので、起動を確実
に行うようにすることができる。

【００４１】また、第１１の発明によれば、起動時の加
熱手段（２６）が運転中の燃料ガスの予熱を行うので、
構成の簡略化を図ることができる。

【００４２】また、第１３の発明によれば、燃料改質器
（５）で改質された改質ガスに水を供給して冷却するの
で、変成手段（６０）に供給される改質ガスの温度を確
実に制御することができる。

【００４３】また、第１４の発明によれば、燃料改質器
（５）で改質された改質ガスを回収熱交換器（６）によ
って冷却するので、変成手段（６０）に供給される改質
ガスの温度を確実に制御することができる。さらに、排
熱を回収することができるので、エネルギの有効利用を
図ることができる。

【００４４】また、第１５の発明によれば、燃料改質器
（５）と燃焼器（１９）と回収熱交換器（６）とを一体
に形成しているので、装置全体の小型化を図ることがで
きる。

【００４５】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施形態１を図
面に基づいて詳細に説明する。

【００４６】〈燃料電池システムの全体説明〉図１及び
図２に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、
固体高分子電解質型の燃料電池１を備えている。

【００４７】該燃料電池１は、触媒電極である酸素極
（カソード）２と、同じく触媒電極である水素極（アノ
ード）３とを備えている。上記酸素極２には空気圧縮機
４が空気供給管１０によって接続されている。上記水素
極３には燃料改質器５が改質ガス供給管２０によって接
続されている。

【００４８】上記改質ガス供給管２０には、第１熱交換
器６、ＣＯ高温変成器７、第２熱交換器８、ＣＯ低温変
成器９、第３熱交換器１１、ＣＯ選択酸化反応器１２及
び第４熱交換器１３が、燃料電池１に向かって順に設け
られている。

【００４９】上記燃料改質器５には、原燃料源（都市ガ
ス）１４が原料ガス供給管３０によって接続されてい
る。該原料ガス供給管３０には、ガス圧縮機１５及び脱
硫器１６が燃料改質器５に向かって順に設けられてい
る。

【００５０】上記燃料改質器５には、空気圧縮機４から
部分酸化反応用の空気を供給するために、上記空気供給
管１０から分岐した管が接続されている。さらに、上記
燃料改質器５には、水性ガスシフト反応用の水蒸気を得
るための水を噴霧供給すべく水タンク１７が供給管４０
によって接続されている。該水供給管４０にはポンプ１
８が設けられている。

【００５１】上記燃料改質器５には、原燃料源１４から
の原燃料、空気圧縮機４からの空気及び水タンク１７か
らの水蒸気を加熱して該燃料改質器５に供給する燃焼器
１９が設けられている。

【００５２】上記改質ガス供給管２０における第１熱交
換器６の上流部位には、水性ガスシフト反応用の水蒸気
を得るための水を噴霧供給すべく上記水供給管４０から
分岐した管が接続されている。また、上記改質ガス供給
管２０における第３熱交換器１１の上流部位には、ＣＯ
選択酸化反応器１２のための空気を供給すべく上記空気
供給管１０から分岐した管が接続されている。

【００５３】上記燃料電池１の酸素極２の排ガス及び水
素極３の排ガスは、気水分離器２１，２２に通した後に
合流させて燃焼用ガスとしてガス管５０により燃焼器１
９に供給されるように構成されている。該酸素極２の排
ガスは弁２３によって大気に適宜排出できるようになっ
ている。

【００５４】上記ガス管５０は、第４熱交換器１３、第
３熱交換器１１及び第２熱交換器８を順に通るように配
管されている。該排ガスは、各熱交換器１３，１１，８
における改質ガスとの熱交換によって加熱されて燃焼器
１９に供給される。したがって、改質ガスは逆に各熱交
換器１３，１１，８で冷却されて燃料電池１に送られ
る。上記第１熱交換器６には別の冷却水管２４が接続さ
れ、該改質ガスは冷却水との熱交換によって冷却され
る。

【００５５】上記燃料改質器５には、部分酸化反応に活
性を呈する触媒（Ｒｕ又はＲｈをＡｌ₂Ｏ₃に担持させて
なる触媒）が充填されている。上記ＣＯ高温変成器７に
は、高温（４００℃前後）での水性ガスシフト反応に活
性を呈する触媒（Ｆｅ₂Ｏ₃，Ｃｒ₂Ｏ₃）が充填されてい
る。上記ＣＯ低温変成器９には、低温（１８０℃前後）
での水性ガスシフト反応に活性を呈する触媒（ＣｕＯ，
ＺｎＯ）が充填されている。上記ＣＯ選択酸化反応器１
２には、ＣＯの選択酸化反応に活性を呈する触媒（Ｒｕ
又はＰｔをＡｌ₂Ｏ₃又はゼオライトに担持させてなる触
媒）が充填されている。上記燃焼器１９には燃焼触媒が
充填されている。また、燃料改質器５には予熱用の電気
ヒータ２６が設けられている。

【００５６】上記燃料改質器５と燃焼器１９と第１熱交
換器６とは、図２に示すように、一体に形成されてい
る。つまり、上部の燃料改質器５と下部の燃焼器１９と
が１つのケース７０に形成され、電気ヒータ２６が燃料
改質器５と燃焼器１９との間に組み込まれた加熱手段を
構成している。

【００５７】そして、上記燃料改質器５の部位にはハニ
カム状のモノリス担体に触媒を担持させたハニカム触媒
２７が装填されている。上記燃焼器１９の部位には燃焼
触媒２８が充填されている。そして、上記燃焼器１９の
触媒充填部を貫通するように原料ガス通路２９が下端の
原料ガス入口３１から電気ヒータ配設部に延びている。
尚、上記燃料改質器５には改質ガスの出口３２が形成さ
れ、燃焼器１９には、燃料電池１からの排ガスの入口３
３及び燃焼排ガスの出口３４が形成されている。

【００５８】また、上記第１熱交換器６は燃料改質器５
に連続して設けられている。つまり、上記ケース７０に
おける改質ガスの出口３２に連続して第１熱交換器６が
設けられている。

【００５９】一方、上記ＣＯ高温変成器７とＣＯ低温変
成器９とは、一つの外部容器６１に設けられて変成手段
である変成装置６０を構成している。該変成装置６０の
上部がＣＯ高温変成器７の部分（高温変成部）に形成さ
れる一方、下部がＣＯ低温変成器９の部分（低温変成
部）に形成されている。そして、上記ＣＯ高温変成器７
には、熱回収を行う第２熱交換器８が形成されている。

【００６０】上記ＣＯ高温変成器７は、外部容器２５の
内側に内部容器６２が設けられて二重構造に形成されて
いる。そして、上記ＣＯ高温変成器７の内部容器６２に
は触媒６３が充填されている。

【００６１】上記外部容器６１と内部容器６２との間の
環状空間には、上記ガス管５０の一部が、内部容器２６
の周囲に螺旋状に配設されて改質ガスと排ガスとを熱交
換させる第２熱交換器８が形成されている。つまり、上
記第２熱交換器８がＣＯ高温変成器７に一体に形成され
ている。

【００６２】上記ＣＯ低温変成器９には、触媒６４の内
部を貫通するようにガス管５０が配れている。そして、
該ガス管５０は、改質ガスと排ガスとを熱交換させる第
３熱交換器１１が形成されて第２熱交換器８に連結され
ている。該第２熱交換器８と第３熱交換器１１とが変成
装置６０の熱を回収する熱回収手段６５を構成してい
る。

【００６３】また、上記ＣＯ低温変成器９の流出側の改
質ガス供給管２０には、上記ＣＯ選択酸化反応器１２が
形成されると共に、空気供給管１０が接続されている。
該ＣＯ選択酸化反応器１２には、ガス管５０が貫通して
いる。該ガス管５０は、改質ガスと排ガスとを熱交換さ
せる第４熱交換器１３が形成されて第３熱交換器１１に
連結されている。

【００６４】尚、上記外部容器２５及び内部容器２６
は、断熱部材によって形成するのが好ましい。このよう
に断熱部材によって形成すれば、上記ＣＯ高温変成器
７、ＣＯ低温変成器９、第２熱交換器８及び第３熱交換
器１１から熱が外気に放出されることが防止される。こ
の結果、燃料電池システム全体の熱損失が低減される。

【００６５】また、上記ＣＯ高温変成器７及びＣＯ低温
変成器９の反応温度は、図示しないが、第２熱交換器８
及び第３熱交換器１１に供給される排ガスの流量によっ
て制御するようにしてもよい。また、上記燃焼器１９の
燃焼温度についても該燃焼器１９に供給される排ガスの
流量によって制御するようにしてもよい。例えば、上記
弁２３の開度を制御して排ガスの流量を制御する。

【００６６】〈作用〉次に、上述した燃料電池システム
の発電動作について説明する。

【００６７】先ず、起動時においては、燃料改質器５の
温度が低いために電気ヒータ２６を作動し、触媒が活性
を呈する温度になるまで、例えば、４６０℃程度まで燃
料ガス（原燃料、空気及び水蒸気の混合ガス）を加熱す
る。起動後は電気ヒータ２６は停止され、燃料ガスが燃
焼器１９で予熱されるだけになる。

【００６８】上記燃料ガスは、Ｈ₂Ｏ／Ｃ比が０．５〜
３になるように、Ｏ₂／Ｃ比が０．４５〜０．７５にな
るように、原燃料、空気及び水蒸気の供給量が調整され
る。また、燃料改質器５の出口ガス温度は８００℃以上
に上昇しないように別途調整される。最も好ましい操作
条件は、上記Ｈ₂Ｏ／Ｃ比が１．０、Ｏ₂／Ｃ比が０．５
２〜０．６０（好ましくは０．５６）、燃料改質器５の
出口ガス温度が７２０℃、燃料改質器５の出口ガスのＣ
Ｏ₂／ＣＯ比が０．４というものである。

【００６９】上記原燃料は、脱硫された後に空気及び噴
霧水と共に電気ヒータ２６又は燃焼器１９によって加熱
されて燃料改質器５の触媒に供給される。この加熱によ
って噴霧水は水蒸気になる。燃料改質器５の触媒上では
原燃料の部分酸化反応が起こり、水素とＣＯとが生成す
る（（１）式参照）。この燃料改質器５内には水蒸気が
存在するため、同時に水性ガスシフト反応が起こって水
素と二酸化炭素とが生成し、ＣＯ濃度が低下する
（（２）式参照）。

【００７０】燃料改質器５を出た改質ガスは、第１熱交
換器６で水と熱交換し、４００℃程度まで温度が下がっ
てＣＯ高温変成器７へ送られる。尚、上記第１熱交換器
６の水は、例えば、給湯に利用される。上記ＣＯ高温変
成器７において、改質ガスは、触媒上で生ずる水性ガス
シフト反応によってさらにＣＯ濃度が低下する。

【００７１】上記ＣＯ高温変成器７を出た改質ガスは、
第２熱交換器８で排ガスと熱交換し、１８０℃程度まで
温度が下がってＣＯ低温変成器９へ送られる。該ＣＯ低
温変成器９において、改質ガスは、触媒上で生ずる水性
ガスシフト反応によってさらにＣＯ濃度が低下する。

【００７２】上記ＣＯ低温変成器９を出た改質ガスは、
第３熱交換器１１で排ガスと熱交換し、１４０℃程度ま
で温度が下がってＣＯ選択酸化反応器１２へ送られる。
該ＣＯ選択酸化反応器１２において、改質ガスは、触媒
上で生ずるＣＯの選択酸化反応によってＣＯ濃度がさら
に低下する。

【００７３】上記ＣＯ選択酸化反応器１２を出た改質ガ
スは第４熱交換器１３で排ガスと熱交換し、８０℃程度
まで温度が下がって燃料電池１の水素極３に入る。

【００７４】燃料電池１における水素極３の電極表面に
おいては、２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-の電池反応を起し、酸
素極２の電極表面においては、Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２
Ｈ₂Ｏの電池反応を起こす。したがって、酸素極２の排
ガスには電池反応に使われなかった余剰空気と電池反応
によって生じた水蒸気とが含まれる。一方、水素極３の
排ガスには電池反応に使用されなかった水素、未改質の
原燃料、空気及び水蒸気が含まれる。

【００７５】上記酸素極２及び水素極３の各排ガスは気
水分離器２１，２２を通って合流し、第４熱交換器１
３、第３熱交換器１１及び第２熱交換器８によって改質
ガスと熱交換し、加熱されて燃焼器１９に送られる。こ
の排ガスには含まれている水素及び酸素は、燃焼器１９
において燃焼触媒の作用によって反応し、その反応熱が
原料ガスの予熱源となる。また、この排ガスに含まれて
いる未改質の原料も同時に燃焼して予熱源となる。

【００７６】〈実施形態１の効果〉以上のように、本実
施形態によれば、原燃料を部分酸化反応によって水素を
生成するようにしているので、外部加熱手段を省略する
ことができる。この結果、装置全体を小型化することが
できる。

【００７７】また、変成装置６０で生ずる発熱を熱回収
手段６５によって熱回収するので、エネルギの有効利用
を図ることができる。

【００７８】また、上記熱回収手段６５を変成装置６０
に一体に設けているので、装置全体の小型化を図ること
ができる。さらに、外部の放熱を抑制することができる
ので、熱損失の低減を図ることができる。

【００７９】また、上記変成手段６０の反応温度を排ガ
スの流量で制御すると、温度制御を容易に行うことがで
きる。

【００８０】また、上記燃料電池１の排ガスによって燃
料改質器５の燃料ガスを燃焼器１９で予熱するので、排
ガスの有効利用を図ることができる。

【００８１】また、上記燃焼器１９の燃焼温度を排ガス
の流量で制御すると、温度制御を容易に行うことができ
る。

【００８２】また、起動時に燃料改質器５の燃料ガスを
電気ヒータ２６で加熱するので、起動を確実に行うよう
にすることができる。

【００８３】また、上記燃料改質器５で改質された改質
ガスを第１熱交換器６によって冷却するので、変成手段
６０に供給される改質ガスの温度を確実に制御すること
ができる。さらに、排熱を回収することができるので、
エネルギの有効利用を図ることができる。

【００８４】また、上記燃料改質器５と燃焼器１９と第
１熱交換器６とを一体に形成しているので、装置全体の
小型化を図ることができる。

【００８５】

【発明の実施の形態２】次に、本発明の実施形態２を図
面に基づいて詳細に説明する。

【００８６】図３に示すように、本実施形態の燃料電池
システムは、実施形態１における電気ヒータ２６に代え
てバーナ８０を設けたものである。

【００８７】つまり、上記バーナ８０は、燃焼器１９に
おける燃料ガスの入口側に設けられて加熱手段を構成し
ている。該バーナ８０は、原料ガス供給管３０が分岐接
続されて都市ガスである燃料が供給されている。さら
に、上記バーナ８０には、空気供給管１０が分岐接続さ
れて空気が供給されている。

【００８８】上記バーナ８０は、起動時において、燃料
を燃焼して燃料改質器５に供給される燃料ガスを加熱す
る。そして、起動後は、上記バーナ８０の燃焼は停止さ
れる。その他の構成並びに作用及び効果は、実施形態１
と同様である。

【００８９】

【発明の実施の形態３】次に、本発明の実施形態３を図
面に基づいて詳細に説明する。

【００９０】図４に示すように、本実施形態の燃料電池
システムは、燃料改質器５と燃焼器１９と第１熱交換器
６の他の一体構造としたものである。

【００９１】つまり、上記燃料改質器５と燃焼器１９と
第１熱交換器６が１つのケース７０に設けられている。
該ケース７０の上部が燃焼器１９に形成され、中間部が
燃料改質器５に形成され、下部が第１熱交換器６に形成
されている。そして、上記第１熱交換器６の下端がＣＯ
高温変成器７に接続されている。その他の構成並びに作
用及び効果は、実施形態１と同様である。

【００９２】

【発明の実施の形態４】次に、本発明の実施形態４を図
面に基づいて詳細に説明する。

【００９３】図５に示すように、本実施形態は、他の燃
料電池システムを示している。

【００９４】本実施形態の燃料電池システムは、実施形
態１の燃料電池システムとは次の点で相違している。実施形態１は、燃料改質器５に対し、空気圧縮機４
の空気及び水タンク１７の水を導入する。これに対し、
実施形態４は、燃料改質器５に対し、酸素極２の排ガス
を供給管３５によって供給する。実施形態４は、電気負荷３６に対して燃料電池１と
別の電源３７とを並列に接続し、燃料電池１の出力電流
値を調節する電力調節器３８を設けている。実施形態４は、空気供給管１０から原料ガス供給管
３０に向かって延設した分岐管に流量調節弁３９を設け
て空気補給手段を構成している。

【００９５】すなわち、上述の如く酸素極２のカソード
排ガスには水蒸気及び未使用の空気が含まれている。し
たがって、この排ガスを燃料改質器５に原燃料改質用の
ガスとして用いている。そして、この排ガスの組成を燃
料改質に適するものにするために電力調節器３８を設け
ている。

【００９６】上記電力調節器３８は、燃料電池１の出力
電流値を調節する。この結果、燃料電池１の水素及び空
気の利用率が変わる。そして、酸素極２の排ガスの酸素
濃度及び水蒸気濃度が変化する。この調節によって不足
する電力は別の電源３７によって補われる。

【００９７】上記燃料電池１における水素の使用量が１
Ｌ／min（０℃，１気圧）のときにその利用率が１００
％であるとすると、そのときの出力電流値Ａは理論的に
は次のようになる。

【００９８】Ａ＝２ｎＦ＝１４３（アンペア）（Ａ；Ｃ（クーロン）／sec，ｎ：モル／sec，Ｆ：ファ
ラデー定数）したがって、出力電流値を上記理論値よりも下げると水
素利用率（燃料利用率）及び空気利用率が低下する。こ
の場合、空気利用率は、例えば、０．４〜０．７５の範
囲で調節する。

【００９９】また、空気利用率を高めた場合に不足する
空気は、空気圧縮機４からの空気を流量調節弁３９によ
って導入して補われる。

【０１００】したがって、本実施形態では、燃焼器１９
の燃焼温度を燃料電池１の燃料利用率で制御するので、
熱回収を行いつつ温度制御を容易に行うことができる。
その他の構成並びに作用及び効果は、実施形態１と同様
である。

【０１０１】

【発明の他の実施の形態】上記各実施形態において、第
１熱交換器６は、改質ガス供給管２０を介してＣＯ高温
変成器７に直接に接続していた。しかしながら、上記第
１熱交換器６とＣＯ高温変成器７との間の改質ガス供給
管２０に、水供給手段である水供給管９０を接続しても
よい。この場合、第１熱交換器６を流出した改質ガスを
水によって冷却し、この冷却された改質ガスをＣＯ高温
変成器７に供給する。

【０１０２】この場合、上記燃料改質器（５）で改質さ
れた改質ガスに水を供給して冷却するので、変成装置６
０に供給される改質ガスの温度を確実に制御することが
できる。

【０１０３】また、排ガスは、燃料電池１の水素極３の
アノード排ガスでもよく、このアノード排ガスを第４熱
交換器１３等に供給するようにしてもよい。

【０１０４】また、上記電気ヒータ２６又はバーナ８０
は燃焼器１９を兼用するようにしてもよい。この場合、
起動時の加熱手段２６、８０が運転中の燃料ガスの予熱
を行うので、構成の簡略化を図ることができる。

【０１０５】また、各実施形態は、燃焼器１９に燃料電
池１の排ガスを供給するようにしたが、第９の発明よう
に、燃料電池１の排ガスに代えて、原料ガス供給管３０
から都市ガスを供給するようにしてもよい。この場合、
都市ガスを利用するので、予熱の制御を容易に行うこと
ができる。

【０１０６】また、上記変成手段６０は、ＣＯ高温変成
器７とＣＯ低温変成器９とに限られず、３つ以上の変成
器で構成してもよい。また、逆に、上記変成手段６０
は、１つの変成器で構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの
構成図である。

【図２】実施形態１の燃料改質器、燃焼器、変成装置及
びＣＯ選択酸化反応器の構造を示す断面図である。

【図３】実施形態２の燃料改質器、燃焼器、変成装置及
びＣＯ選択酸化反応器の構造を示す断面図である。

【図４】実施形態３の燃料改質器、燃焼器、変成装置及
びＣＯ選択酸化反応器の構造を示す断面図である。

【図５】実施形態４に係る燃料電池システムの構成図で
ある。

【符号の説明】

１燃料電池５燃料改質器６第１熱交換器（回収熱交換器）７ＣＯ高温変成器８第２熱交換器９ＣＯ低温変成器１１第３熱交換器１２ＣＯ選択酸化反応器１３第４熱交換器１９燃焼器２６電気ヒータ３８電力調節器５０ガス管６０変成手段６５熱回収手段７０ケース８０バーナ９０水供給手段

フロントページの続き (72)発明者岡本康令大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB03 EB14 EB43 EB44 4H060 BB07 BB11 BB12 CC03 FF02 GG02 5H027 AA06 BA01 BA09 BA10 BA16 BA17 MM01 MM13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系の原燃料から部分酸化反応に
よって水素を生成するための燃料改質器（５）と、該燃
料改質器（５）で改質された改質ガスをＣＯ変成するた
めの変成手段（６０）と、上記変成手段（６０）でＣＯ
変成された改質ガスの水素を燃料として発電する燃料電
池（１）とを備える燃料電池システムであって、上記燃料電池（１）から排出される排ガスと変成手段
（６０）の改質ガスとを熱交換させて熱回収する熱回収
手段（６５）が設けられていることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項２】請求項１において、排ガスは、燃料電池（１）のアノード排ガスとカソード
排ガスとが混合されたものであることを特徴とする燃料
電池システム。
【請求項３】請求項１において、熱回収手段（６５）は変成手段（60）に一体に設けられ
ていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】請求項１において、変成手段（６０）は、反応温度が異なる複数の変成器
（７，８）で構成されていることを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項５】請求項１において、変成手段（６０）の反応温度は、熱回収手段（６５）に
供給される排ガスの流量によって調節されることを特徴
とする燃料電池システム。
【請求項６】請求項１において、燃料改質器（５）の入口側には、該燃料改質器（５）に
供給される燃料ガスを燃料電池（１）の排ガスによって
加熱する燃焼器（１９）が設けられていることを特徴と
する燃料電池システム。
【請求項７】請求項６において、燃焼器（１９）の燃焼温度は、燃料電池（１）の燃料利
用率によって制御されることを特徴とする燃料電池シス
テム。
【請求項８】請求項６において、燃焼器（１９）の燃焼温度は、該燃焼器（１９）に供給
される排ガスの流量によって調節されることを特徴とす
る燃料電池システム。
【請求項９】請求項１において、燃料改質器（５）の入口側には、該燃料改質器（５）に
供給される燃料ガスを都市ガスによって加熱する燃焼器
（１９）が設けられていることを特徴とする燃料電池シ
ステム。
【請求項１０】請求項１において、燃料改質器（５）に供給される燃料ガスを起動時に加熱
する加熱手段（２６）が設けられていることを特徴とす
る燃料電池システム。
【請求項１１】請求項１０において、加熱手段（２６）は、運転中の燃料改質器（５）の燃料
ガスの入口温度を制御することを特徴とする燃料電池シ
ステム。
【請求項１２】請求項１において、燃料改質器（５）に供給される燃料ガスは、都市ガスに
空気及び水を加えたものであることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項１３】請求項１において、燃料改質器（５）と変成手段（６０）との間には、改質
ガスに水を供給して該改質ガスを冷却する水供給手段
（９０）が設けられていることを特徴とする燃料電池シ
ステム。
【請求項１４】請求項１において、燃料改質器（５）と変成手段（６０）との間には、改質
ガスと熱交換して熱回収し、変成手段（６０）の改質ガ
スの入口温度を制御する回収熱交換器（６）が設けられ
ていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】請求項６において、燃料改質器（５）と変成手段（６０）との間には、改質
ガスと熱交換して熱回収し、変成手段（６０）の改質ガ
スの入口温度を制御する回収熱交換器（６）が設けられ
る一方、燃料改質器（５）と燃焼器（１９）と回収熱交換器
（６）が一体に形成されていることを特徴とする燃料電
池システム。