JP2001176527A

JP2001176527A - 燃料電池システム及び燃料電池コジェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2001176527A
Application number: JP35738299A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Okamoto; 康令岡本; Nobuki Matsui; 伸樹松井; Shuji Ikegami; 周司池上; Kazuo Yonemoto; 和生米本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】排熱を大量に回収できる燃料電池システムを
得る。【解決手段】燃料電池システムを、炭化水素系の原燃
料を改質してＨ ₂ を含む改質ガスを生成する改質系と、
該改質系において生成した改質ガスに含まれるＨ ₂ を燃
料として発電する燃料電池（１）と、該改質系において
発生する排熱を回収する熱媒体回路（５０）とを備えた
ものとする。

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。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素極に送り込まれるＨ２
を燃料とし、酸素極に送り込まれるＯ２を酸化剤とし
て、これらを電解質を通じて反応させる発電器として一
般に知られている。そして、かかる燃料電池を備えた燃
料電池システムが特開平１０−３０８２３０号公報に開
示されている。

【０００３】この燃料電池システムは、炭化水素系の原
燃料を下記（１）式に示す部分酸化反応反応によってＨ
２とＣＯとに改質する燃料改質器と、この改質の際生成
するＣＯを下記（２）式に示す水性ガスシフト反応によ
って酸化させ、ＣＯ濃度の低減及びＨ２の収率を向上さ
せるＣＯ変成器と、さらに残存するＣＯを下記（３）式
に示す選択酸化反応によって酸化させ、残留するＣＯを
低減させる選択酸化反応器とを有する改質系を備えてお
り、この改質系に供給された原燃料がＨ２に改質されて
水素極に送り込まれる。また、酸素極には空気が送り込
まれる。そして、燃料電池において電池反応が起こり、
発電がなされるものである。

【０００４】ＣnＨm＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２ ………（１）ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ ………（２）ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２ ………（３）ところで、かかる燃料電池システムの排熱を利用した燃
料電池コジェネレーションシステム（以後「燃料電池コ
ジェネ」と称する）がある。すなわち、燃料電池におい
て起きる電池反応に伴って発生する熱を排熱として回収
し、これを給湯器の水の昇温のため等に利用するもので
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池コジェネでは、燃料電池本体を主として排熱回
収をするため、回収できる熱量が少なく、例えば給湯器
の水を６０℃程度までしか昇温することができないとい
う問題がある。

【０００６】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、排熱を大量に回収で
きる燃料電池システムを得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、炭化水素系の
原燃料を改質してＨ２を生成する、いわゆる改質系にお
ける排熱を熱媒体回路（５０）によって回収することと
したものである。

【０００８】具体的には、本出願の発明は、炭化水素系
の原燃料を改質してＨ２を含む改質ガスを生成する改質
系と、該改質系において生成した改質ガスに含まれるＨ
２を燃料として発電する燃料電池（１）と、該改質系に
おいて発生する排熱を回収する熱媒体回路（５０）とを
備えていることを特徴とする。

【０００９】上記の構成によれば、改質系において原燃
料からＨ２を含む改質ガスを生成する過程で放出される
大量の反応熱が排熱として熱媒体回路（５０）によって
回収されることとなり、従来のように燃料電池のみから
排熱回収する場合に比べて大量の排熱を回収することが
できる。そして、この排熱を燃料電池コジェネに利用す
ることにより、例えば給湯器の水を７５℃以上に昇温さ
せることも可能となる。また、この排熱を改質系におけ
る水性ガスシフト反応に用いられる水の加熱及び蒸気化
に利用することもできる。なお、熱媒体回路（５０）と
しては、冷媒回路、水回路等を挙げることができ、熱媒
体としては、水、不凍液等を挙げることができる。

【００１０】ここで、改質系が、原燃料から部分酸化反
応によってＨ２とＣＯとを含む改質ガスを生成するため
の燃料改質器（６）と、燃料改質器（６）で生成した改
質ガスに含まれるＣＯを水性ガスシフト反応によって除
去するＣＯ変成器（７）と、ＣＯ変成器（７）を出た改
質ガスに含まれる残留ＣＯをＣＯ選択酸化反応によりさ
らに除去する選択酸化反応器（８）とを有している場
合、熱媒体回路（５０）は、燃料改質器（６）から出た
後であって且つＣＯ変成器（７）に入る前の改質ガスの
排熱、ＣＯ変成器（７）の排熱、ＣＯ変成器（７）から
出た後であって且つ選択酸化反応器（８）に入る前の改
質ガスの排熱、選択酸化反応器（８）の排熱及び選択酸
化反応器（８）から出た後であって且つ燃料電池（１）
に入る前の改質ガスの排熱のうち少なくとも１つを回収
するように形成されていればよい。またＣＯ変成器
（７）を高温変成器と低温変成器との２段に構成し、高
温変成器と低温変成器との間の排熱を回収するようにし
てもよい。さらに、選択酸化反応器（８）が２段以上に
分かれて構成され、それらの間の排熱を回収するように
してもよい。

【００１１】また、燃料改質器（６）から出た後であっ
て且つＣＯ変成器（７）に入る前の改質ガスの排熱を熱
媒体回路（５０）に回収させる第１熱交換器（３１）
と、選択酸化反応器（８）から出た後であって且つ燃料
電池（１）に入る前の改質ガスの排熱を熱媒体回路（５
０）に回収させる第２熱交換器（３２）とを備えている
構成としてもよい。かかる構成によれば、熱交換器を設
けるという簡便な方法によって、ＣＯ変成器（７）入口
での改質ガスの温度及び燃料電池（１）入口での改質ガ
スの温度をそれぞれ所定温度範囲内にすることができ
る。

【００１２】そして、ＣＯ変成器（７）入口での改質ガ
スの温度、ＣＯ変成器（７）の温度及びＣＯ変成器
（７）出口での改質ガスの温度のうち少なくとも１つが
所定温度範囲内になるように、熱媒体回路（５０）を流
通する熱媒体の流量を制御する流量制御手段を備えてい
る構成としてもよい。かかる構成によれば、回収される
排熱量が制御可能となり、原燃料の供給量に変動がある
場合等でもＣＯ変成器（７）に入る改質ガスの温度等を
調節でき、それによって燃料電池（１）に入る改質ガス
の温度及びガス組成の安定化を図ることができる。この
場合、熱媒体の流量は、直流モータで駆動されるポンプ
（７１）のその直流モータの回転数により制御されるも
のであることが好ましい。高価なインバータを用いずに
制御することができるからである。また、直流モータの
駆動電力は、燃料電池（１）による発電電力から供給さ
れるものであることが好ましい。燃料電池（１）で発電
した直流電力をそのまま使用することができ、直交変換
による損失がなく効率的となるからである。

【００１３】また、ＣＯ変成器（７）において起きる水
性ガスシフト反応の反応熱及び／又は選択酸化反応器
（８）において起きるＣＯ選択酸化反応の反応熱を反応
中に回収するように構成されていてもよい。かかる構成
によれば、ＣＯ変成器（７）及び選択酸化反応器（８）
ではそれぞれ発熱反応が起こるため、その反応熱を排熱
として回収することにより各反応の安定化を図ることが
できる。すなわち、例えば、ＣＯ変成器（７）では、反
応温度が高くなるとＣＯ転化率が低下して反応器を出る
改質ガス中のＣＯ濃度が高くなるという問題があり、ま
た、選択酸化反応器（８）では、反応温度が高くなると
メタネーションによりＣＨ４が生成するという問題があ
る。しかしながら、上記構成によれば、これらの問題が
回避されることとなる。

【００１４】そして、熱媒体回路（５０）は、熱媒体が
排熱温度の低い方から順に流通して排熱回収するように
形成された構成とすることが好ましい。排熱回収を効率
よく行うことができ、従来に比べて排熱回収した熱媒体
の温度を高くすることができるからである。

【００１５】また、改質系における排熱回収に加えて、
燃料電池（１）の排熱を回収するように構成されていて
もよい。かかる構成によれば、燃料電池システムにおけ
る排熱回収率の向上が図られ、従来に比べて排熱回収し
た熱媒体の温度をより高くすることができる。

【００１６】この場合において、熱媒体回路（５０）
は、燃料電池（１）と改質系とを直列に連結し、且つ熱
媒体が、燃料電池（１）、改質系の順に流通して排熱回
収するように構成されていてもよい。温度の低い順に排
熱回収されることとなるので排熱回収を効率よく行うこ
とができ、排熱回収した熱媒体の温度をより一層高くす
ることができるからである。

【００１７】また、閉回路に形成され且つ燃料電池
（１）の排熱を回収する電池用熱媒体回路（５１）を備
えている構成としてもよい。かかる構成によれば、密封
された熱媒体が電池用熱媒体回路（５１）内を循環する
こととなるので、燃料電池（１）内でスケールが付着す
るということがなく、燃料電池（１）の長寿命化が図ら
れることとなる。この場合、電池用熱媒体回路（５１）
の熱媒体を不凍液とすることが好ましい。冬季の凍結に
よる燃料電池（１）本体の破損が防止されることとなる
からである。

【００１８】そして、燃料電池（１）の排ガスを燃焼す
るオフガスバーナー（１０）を備えている場合、オフガ
スバーナー（１０）の排熱を熱媒体回路（５０）によっ
て回収するように構成されていてもよい。かかる構成に
よれば、燃料電池システムとしての熱回収率の向上が図
られ、従来に比べて排熱回収した熱媒体の温度をより高
くすることができる。この場合、熱媒体回路（５０）
は、改質系とオフガスバーナー（１０）とを直列に連結
し、且つ熱媒体が、改質系、オフガスバーナー（１０）
の順に流通して排熱回収するように構成されていること
が好ましい。温度の低い順に排熱回収されることとなる
ので排熱回収を効率よく行うことができ、排熱回収した
熱媒体の温度をより一層高くすることができるからであ
る。

【００１９】また、熱媒体回路が閉回路に形成されてい
る構成としてもよい。かかる構成によれば、水道水等が
熱媒体回路（５０）内に導入されることがなく、シリカ
による熱交換や、燃料電池（１）本体内のスケール付着
を防止でき、熱媒体回路（５０）の熱交換特性が長期的
に安定することとなる。この場合、熱媒体回路（５０）
の熱媒体を不凍液とすることが好ましい。冬季の凍結に
よる熱媒体回路（５０）の破損が防止されるからであ
る。

【００２０】また、オフガスバーナー（１０）の排ガス
の排熱を回収するように構成されていてもよい。かかる
構成によれば、凝縮水を回収でき、それを改質系への供
給用に利用することができる。

【００２１】以上の改質系において発生する排熱を熱媒
体回路（５０）によって回収する燃料電池システムで
は、熱媒体回路（５０）を流通した熱媒体の温度を７５
℃以上に昇温させることも可能となる（従来の燃料電池
（１）を主として排熱回収した場合では、この温度が６
０℃程度であった。）。これにより、同じ熱量を貯める
のに必要な貯湯タンク（６０）の容量のコンパクト化を
図ることができ、燃料電池コジェネとして吸着式等の空
調にも利用が可能となる。

【００２２】そして、燃料電池システムと、それに併設
された貯湯タンク（６０）とを備えた燃料電池コジェネ
として、貯湯タンク（６０）の水が熱媒体として熱媒体
回路（５０）を循環して排熱回収し、その水が再び該貯
湯タンク（６０）に戻ることにより貯湯タンク（６０）
の水を昇温するように構成されたものが挙げられる。か
かる構成によれば、熱媒体回路（５０）の熱媒体として
貯湯タンク（６０）内の水が使用されることとなるの
で、別途熱媒体を設ける場合に比べてシステムの簡略化
を図ることができる。また、貯湯タンク（６０）の水に
よって直接排熱回収が図られることとなるので、間接的
に熱交換する場合に比べて熱損失が低減されることとな
る。この場合、貯湯タンク（６０）の下部から熱媒体回
路（５０）に流入し、熱媒体回路（５０）を循環して排
熱回収した水が貯湯タンク（６０）の上部に戻るように
構成することが好ましい。かかる構成によれば、貯湯タ
ンク（６０）内に温度成層が形成されることとなり、貯
湯タンク（６０）上部における利用可能な水の高温化を
図ることができ、また、貯湯タンク（６０）下部から回
路に低温度の水が供給されることとなるので、吸熱能の
高い熱媒体が熱媒体回路（５０）を循環することとな
り、回収される熱量が一層多くなるからである。

【００２３】また、熱媒体回路（５０）が閉回路に形成
されている場合、熱媒体回路（５０）を循環する熱媒体
によって回収された排熱との熱交換によって、貯湯タン
ク（６０）の水を昇温するように構成されていてもよ
い。

【００２４】さらに、オフガスバーナー（１０）を備え
ている場合、オフガスバーナー（１０）の排ガスの排熱
又は燃料電池（１）の排ガスの排熱を貯湯タンク（６
０）に補給される水を熱媒体として回収するように構成
されていてもよい。かかる構成によれば、貯湯タンク
（６０）に補給される水（水道水）が低温熱源であり、
吸熱能が高いので、排熱回収量を大きくすることがで
き、それに伴って回収できる凝縮水の量も多くすること
ができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本出願の発明によ
れば、改質系において放出される大量の反応熱が排熱と
して熱媒体回路（５０）によって回収されることとな
り、従来のように燃料電池のみから排熱回収する場合に
比べて大量の排熱を回収することができる。そして、こ
の排熱を燃料電池コジェネに利用することにより、例え
ば給湯器の水を７５℃以上に昇温させることも可能とな
る。また、この排熱を改質系における水性ガスシフト反
応に用いられる水の加熱及び蒸気化に利用することもで
きる。

【００２６】また、改質系が、燃料改質器（６）と、Ｃ
Ｏ変成器（７）と、選択酸化反応器（８）とを有してい
る場合、燃料改質器（６）から出た後であって且つＣＯ
変成器（７）に入る前の改質ガスの排熱を熱媒体回路
（５０）に回収させる第１熱交換器（３１）と、選択酸
化反応器（８）から出た後であって且つ燃料電池（１）
に入る前の改質ガスの排熱を熱媒体回路（５０）に回収
させる第２熱交換器（３２）とを備えている構成とする
ことにより、熱交換器を設けるという簡便な方法によっ
て、ＣＯ変成器（７）入口での改質ガスの温度及び燃料
電池（１）入口での改質ガスの温度をそれぞれ所定温度
範囲内となるようにすることができる。

【００２７】また、ＣＯ変成器（７）入口での改質ガス
の温度、ＣＯ変成器（７）の温度及びＣＯ変成器（７）
出口での改質ガスの温度のうち少なくとも１つが所定温
度範囲内になるように、熱媒体回路（５０）を流通する
熱媒体の流量を制御する流量制御手段を備えている構成
とすることにより、回収される排熱量が制御可能とな
り、原燃料の供給量に変動がある場合等でもＣＯ変成器
（７）に入る改質ガスの温度等を調節でき、それによっ
て燃料電池（１）に入る改質ガスの温度及びガス組成の
安定化を図ることができる。そして、熱媒体の流量を直
流モータで駆動されるポンプ（７１）のその直流モータ
の回転数により制御するものとすることにより、高価な
インバータを用いる必要がない。さらに、その直流モー
タの駆動電力を燃料電池（１）による発電電力により供
給するものとすることにより、燃料電池（１）で発電し
た直流電力をそのまま使用することができ、直交変換に
よる損失がなく効率的となる。

【００２８】また、ＣＯ変成器（７）において起きる水
性ガスシフト反応の反応熱及び／又は選択酸化反応器
（８）において起きるＣＯ選択酸化反応の反応熱を反応
中に回収するように構成することにより、ＣＯ変成器
（７）及び選択酸化反応器（８）での反応熱を排熱とし
て回収することができ、各反応の安定化を図ることがで
きる。

【００２９】また、熱媒体回路（５０）を熱媒体が排熱
温度の低い方から順に流通して排熱回収するように形成
させた構成とすることにより、排熱回収を効率よく行う
ことができ、従来に比べて排熱回収した熱媒体の温度を
高くすることができる。

【００３０】また、改質系における排熱回収に加えて、
燃料電池（１）の排熱を回収するように構成することに
より、燃料電池システムにおける排熱回収率の向上を図
ることができ、従来に比べて排熱回収した熱媒体の温度
をより高くすることができる。

【００３１】この場合において、燃料電池（１）と改質
系とを熱媒体回路（５０）によって直列に連結し、且つ
熱媒体が、燃料電池（１）、改質系の順に流通して排熱
回収するように熱媒体回路（５０）を構成することによ
り、排熱温度の低い順に排熱回収がなされることとなる
ので排熱回収を効率よく行うことができ、排熱回収した
熱媒体の温度をより一層高くすることができる。

【００３２】また、閉回路に形成され且つ燃料電池
（１）の排熱を回収する電池用熱媒体回路（５１）を備
えている構成とすることにより、密封された熱媒体が電
池用熱媒体回路（５１）内を循環することとなるので、
燃料電池（１）内でスケールが付着するということがな
く、燃料電池（１）の長寿命化を図ることができる。そ
して、電池用熱媒体回路（５１）の熱媒体を不凍液とす
ることにより、冬季の凍結による燃料電池（１）本体の
破損を防止することができる。

【００３３】また、燃料電池（１）の排ガスを燃焼する
オフガスバーナー（１０）を備えている場合、オフガス
バーナー（１０）の排熱を熱媒体回路（５０）によって
回収するように構成することにより、燃料電池システム
としての熱回収率の向上を図ることができ、従来に比べ
て排熱回収した熱媒体の温度をより高くすることができ
る。そして、オフガスバーナー（１０）と改質系とを熱
媒体回路（５０）によって直列に連結し、且つ熱媒体
が、オフガスバーナー（１０）、改質系の順に流通して
排熱回収するように熱媒体回路（５０）を構成すること
により、排熱温度の低い順に排熱回収がなされることと
なるので排熱回収を効率よく行うことができ、排熱回収
した熱媒体の温度をより一層高くすることができる。

【００３４】また、オフガスバーナー（１０）の排ガス
の排熱又は燃料電池（１）の排ガスの排熱を回収するよ
うに構成することにより、凝縮水を回収でき、それを改
質系への供給用に利用することができる。そして、その
オフガスバーナー（１０）の排ガスの排熱又は燃料電池
（１）の排ガスの排熱を、燃料電池システムに併設され
た貯湯タンク（６０）に補給される水を熱媒体として回
収するように構成することにより、排熱回収量を大きく
することができ、それに伴って回収できる凝縮水の量も
多くすることができる。

【００３５】また、熱媒体回路が閉回路に形成された構
成とすることにより、水道水等が熱媒体回路（５０）内
に導入されることがなく、シリカによる熱交換や、燃料
電池（１）本体内のスケール付着を防止でき、熱媒体回
路（５０）の熱交換特性を長期的に安定化させることが
できる。そして、熱媒体回路（５０）の熱媒体を不凍液
とすることにより、冬季の凍結による熱媒体回路（５
０）の破損を防止することができる。

【００３６】また、熱媒体回路（５０）を流通した熱媒
体の温度を７５℃以上に昇温させることにより、同じ熱
量を貯めるのに必要な貯湯タンク（６０）の容量のコン
パクト化を図ることができ、燃料電池コジェネとして吸
着式等の空調にも利用することができる。

【００３７】そして、燃料電池システムと、それに併設
された貯湯タンク（６０）とを備えた燃料電池コジェネ
として、貯湯タンク（６０）の水が熱媒体として熱媒体
回路（５０）を循環して排熱回収し、その水が再び該貯
湯タンク（６０）に戻ることにより貯湯タンク（６０）
の水を昇温するように構成することにより、熱媒体回路
（５０）の熱媒体として貯湯タンク（６０）内の水が使
用されることとなるので、別途熱媒体を設ける場合に比
べてシステムの簡略化を図ることができる。また、貯湯
タンク（６０）の水によって直接排熱回収が図られるこ
ととなるので、間接的に熱交換する場合に比べて熱損失
の低減が図られることとなる。そして、貯湯タンク（６
０）の下部から熱媒体回路（５０）に流入し、熱媒体回
路（５０）を循環して排熱回収した水が貯湯タンク（６
０）の上部に戻るように構成することにより、貯湯タン
ク（６０）内に温度成層が形成されることとなり、貯湯
タンク（６０）上部における利用可能な水の高温化を図
ることができ、また、貯湯タンク（６０）下部から回路
に低温度の水が供給されることとなるので、吸熱能の高
い熱媒体が熱媒体回路（５０）を循環することとなり、
回収される熱量を一層多くすることができる。

【００３８】また、オフガスバーナー（１０）を備えて
いる場合、オフガスバーナー（１０）の排ガスの排熱又
は燃料電池（１）の排ガスの排熱を貯湯タンク（６０）
に補給される水を熱媒体として回収するように構成する
ことにより、貯湯タンク（６０）に補給される水（水道
水）が低温熱源であり、吸熱能が高いので、排熱回収量
を大きくすることができ、それに伴って回収できる凝縮
水の量も多くすることができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面に基づい
て詳細に説明する。（実施形態１） −燃料電池システムの構成− 図１に実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成を
示す。この燃料電池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とを有する固体高分子膜電解質型のものである。

【００４０】そして、酸素極２には空気圧縮機４が空気
供給管２０によって接続されている。

【００４１】また、水素極３には燃料改質器６が改質ガ
ス供給管２４によって接続されており、燃料改質器６に
は炭化水素系の原燃料源（都市ガス）が原料ガス供給管
２５によって接続されている。改質ガス供給管２４に
は、第１熱交換器３１、ＣＯ変成器７、第３熱交換器３
３、選択酸化反応器８及び第２熱交換器３２が、燃料電
池１に向かって順に設けられている。

【００４２】そして、燃料改質器６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）が充填されており、ＣＯ変成器７に
は、水性ガスシフト反応に対して活性を呈する触媒（Ｆ
ｅ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣｕＯ、ＺｎＯ等）が充填されてお
り、選択酸化反応器８には、ＣＯ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。

【００４３】また、図示はしていないが、原料ガス供給
管２５には、部分酸化反応用の空気を供給する空気供給
手段と水性ガスシフト反応用の水蒸気を供給するための
水蒸気供給手段とがが接続され、改質ガス供給管２４の
第２熱交換器３２の上流部位には、ＣＯ選択酸化反応用
の空気を供給する空気供給手段が接続されている。

【００４４】そして、燃料電池１の下流部位にはオフガ
スバーナーが設けられており、燃料電池１の酸素極２の
排ガス及び水素極３の排ガスがそれぞれの排ガス出口か
らオフガスバーナー１０に導かれるように管が接続され
ている。

【００４５】また、ポンプ７１から第２熱交換器３２、
第３熱交換器３３及び第１熱交換器３１の順に直列に連
結された熱媒体回路としての水回路５０が設けられてお
り、その熱媒体として水が用いられている。ここで、ポ
ンプ７１は直流モータで駆動され、その駆動電力は、燃
料電池１によって発電され且つインバータ１１により交
流電力に変換される前の直流電力から供給されている。
そして、ポンプ７１により水回路５０に流通される水の
流量は、この直流モータの回転数により制御可能となっ
ている。

【００４６】さらに、この燃料電池システムには、発電
量、燃料流量、空気流量、ＣＯ変成器７入口の改質ガス
温度等を検知するセンサが設けられており、それらのセ
ンサは図示しない制御装置に接続している。 −燃料電池システムの動作− 上記燃料電池システムの動作について説明する。

【００４７】原燃料は空気と水蒸気と共に燃料改質器６
の触媒に供給され、燃料改質器６の触媒上では原燃料の
部分酸化反応が起こり、Ｈ２とＣＯとが生成する
（（１）式参照）。また、一部、水性ガスシフト反応を
も起こす（（２）式参照）。

【００４８】燃料改質器６を出た改質ガスの温度は８０
０℃程度となっており、この温度が第１熱交換器３１に
よって１８０〜４００℃程度に下げられる。温度が下げ
られた改質ガスはＣＯ変成器７へ送られ、そこの触媒上
で生ずる水性ガスシフト反応によってＣＯ濃度が低下す
る（（２）式参照）。

【００４９】ＣＯ変成器７を出た改質ガスの温度は、第
３熱交換器３３によって１５０℃程度まで下げられる。
温度が下げられた改質ガスは選択酸化反応器８に送ら
れ、そこの触媒上で生ずるＣＯ選択酸化反応によってＣ
Ｏ濃度がさらに低下する（（３）式参照）。

【００５０】選択酸化反応器８を出た改質ガスの温度
は、第２熱交換器３２によって８０℃程度まで下げられ
る。温度が下げられた改質ガスは、燃料電池１の水素極
３に供給される。

【００５１】他方、空気圧縮機４から送られる空気は、
そのまま酸素極２に供給される。

【００５２】そして、燃料電池１では、水素極３の電極
表面で２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−、酸素極２の電極表面で
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏの電池反応を起こし、
直流電力が生じる。生じた直流電力は、インバータ１１
によって交流電力に変換される。また、生じた直流電力
の一部は、水回路５０に装備されたポンプ７１と空気圧
縮機４との駆動電力として供給される。

【００５３】また、このとき、酸素極２の排ガスとして
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
生じた水蒸気とが生じ、一方、水素極３の排ガスとして
電池反応に使用されなかった水素、二酸化炭素、窒素、
未改質の原燃料及び水蒸気が生じる。この酸素極２及び
水素極３の各排ガスは、それぞれオフガスバーナー１０
により燃焼されて排出される。

【００５４】そして、ポンプ７１により水回路５０を流
通させる水によって、第２熱交換器３２、第３熱交換器
３３及び第１熱交換器３１の順に排熱回収がなされる。
このとき、水回路５０を流通して戻った水は温度が７５
℃以上の温水となっている。

【００５５】また、センサによって検知された発電量、
燃料流量、空気流量、ＣＯ変成器７入口の改質ガス温度
等に基づいて制御装置はポンプ７１の直流モータの回転
数を操作し、水回路５０を流通させる水の流量調節がな
されることとなる。 −水回路５０における水の流量制御− 続いて、本燃料電池システムの排熱回収システムにおけ
る水回路５０の水流量制御動作について図２及び図３に
基づいて説明する。＜第１制御フロー＞図２は、本燃料電池システムの排熱
回収システムにおける第１制御フローを示す。この第１
制御フローは、ＣＯ変成器７に入る改質ガス温度が固定
設定された上下限温度の範囲内のものとするための制御
である。すなわち、燃料電池システムの定常運転時にお
ける制御である。

【００５６】まず、ステップＳＴ１において、燃料電池
システムが起動される。

【００５７】そして、ステップＳＴ２からステップＳＴ
６までの水流量制御が実行される。

【００５８】すなわち、ステップＳＴ２において、ＣＯ
変成器７入口に設けられた温度センサにより改質ガスの
温度が検知され、その温度の読み込みがなされてステッ
プＳＴ３に進む。ステップＳＴ３では、ＣＯ変成器７に
入る改質ガスの温度Ｔが設定された上限温度Ｔmaxより
高いか否かが判定され、ＴがＴmaxより高い場合にはス
テップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では、水回路５０
を流通する水流量の増量が実行される、具体的には、燃
料電池１からポンプ７１に供給される電力が増やされ、
ポンプ７１のモータの回転数が高められる。従って、第
１熱交換器３１において回収される排熱が増加すること
となり、ＣＯ変成器７に入る改質ガスの温度が低められ
ることとなる。そして、その後はステップＳＴ２に戻
る。

【００５９】ステップＳＴ３において、ＴがＴmax以下
の場合にはステップＳＴ５に進む。ステップＳＴ５で
は、ＣＯ変成器７に入る改質ガスの温度Ｔが設定された
下限温度Ｔminより高いか否かが判定され、ＴがＴmaxよ
り低い場合にはステップＳＴ６に進む。ステップＳＴ６
では、水回路５０を流通する水流量の減量が実行され
る、具体的には、燃料電池１からポンプ７１に供給され
る電力が減らされ、ポンプ７１のモータの回転数が低め
られる。従って、第１熱交換器３１において回収される
排熱が減少することとなり、ＣＯ変成器７に入る改質ガ
スの温度が高められることとなる。そして、その後はス
テップＳＴ２に戻る。

【００６０】ステップＳＴ５において、ＴがＴmax以下
の場合にはステップＳＴ２に戻る。＜第２制御フロー＞図３は、本燃料電池システムの排熱
回収システムにおける第２制御フローを示す。この第２
制御フローは、ＣＯ変成器７に入る改質ガス温度を、燃
料電池１の発電量、燃料流量、空気流量等に応じて設定
される上下限温度の範囲内のものとするための制御であ
る。すなわち、発電量等に変動を伴う燃料電池システム
の非定常運転時における制御である。

【００６１】まず、ステップＳＴ１’において、燃料電
池システムが起動される。

【００６２】そして、ステップＳＴ２’からステップＳ
Ｔ８’までの水流量制御が実行される。

【００６３】すなわち、ステップＳＴ２’において、発
電量、燃料流量、空気流量等をセンサによって検知し、
それらの読み込みがなされてステップＳＴ３’に進む。
ステップＳＴ３’では、読み込んだ発熱量等に基づきＣ
Ｏ変成器７に入る改質ガスの温度の上限温度Ｔ’maxと
下限温度Ｔ’minとが決定されてステップＳＴ４’に進
む。

【００６４】ステップＳＴ４’において、ＣＯ変成器７
入口に設けられた温度センサにより改質ガスの温度が検
知され、その温度の読み込みがなされてステップＳＴ
５’に進む。ステップＳＴ５’では、ＣＯ変成器７に入
る改質ガスの温度Ｔ’がＳＴ３’で設定された上限温度
Ｔ’maxより高いか否かが判定され、Ｔ’がＴ’maxより
高い場合にはステップＳＴ６’に進む。ステップＳＴ
６’では、水回路５０を流通する水流量の増量が実行さ
れる、具体的には、燃料電池１からポンプ７１に供給さ
れる電力が増やされ、ポンプ７１のモータの回転数が高
められる。従って、第１熱交換器３１において回収され
る排熱が増加することとなり、ＣＯ変成器７に入る改質
ガスの温度が低められることとなる。そして、その後は
ステップＳＴ２’に戻る。

【００６５】ステップＳＴ５’において、Ｔ’がＴ’ma
x以下の場合にはステップＳＴ７’に進む。ステップＳ
Ｔ７’では、ＣＯ変成器７に入る改質ガスの温度ＴがＳ
Ｔ３’で設定された下限温度Ｔ’minより高いか否かが
判定され、Ｔ’がＴ’maxより低い場合にはステップＳ
Ｔ８’に進む。ステップＳＴ８’では、水回路５０を流
通する水流量の減量が実行される、具体的には、燃料電
池１からポンプ７１に供給される電力が減らされ、ポン
プ７１のモータの回転数が低められる。従って、第１熱
交換器３１において回収される排熱が減少することとな
り、ＣＯ変成器７に入る改質ガスの温度が高められるこ
ととなる。そして、その後はステップＳＴ２’に戻る。

【００６６】ステップＳＴ７’において、Ｔ’がＴ’ma
x以下の場合にはステップＳＴ２’に戻る。 −作用・効果− 上記構成の燃料電池システムによれば、改質系において
原燃料からＨ２を含む改質ガスを生成する過程で放出さ
れる大量の反応熱を排熱として水回路５０によって回収
することができ、従来のように燃料電池のみから排熱回
収する場合に比べて大量の排熱を回収することができ
る。そして、この排熱を燃料電池コジェネに利用するこ
とにより、従来では６０℃程度までしか昇温できなかっ
た給湯器の水を７５℃以上まで昇温することができる。
また、この排熱を燃料改質器（６）又はＣＯ変成器
（７）における水性ガスシフト反応のために供給される
水の加熱及び蒸気化に利用するということもできる。

【００６７】また、燃料改質器６を出た改質ガスは第１
熱交換器３１において排熱回収されて１８０〜４００℃
となっており、選択酸化反応器８を出た改質ガスは第２
熱交換器３２において排熱回収されて約８０℃となって
いる。すなわち、熱交換器を設けるという簡便な方法に
よって、ＣＯ変成器７及び燃料電池１それぞれに入る改
質ガスの温度が所定温度範囲内となっている。

【００６８】そして、図２又は図３に示すフローに従っ
て水の流量を制御することにより、ＣＯ変成器７に入る
改質ガスの温度を調節できるので、原燃料の供給量に変
動がある場合等でも、燃料電池１に入る改質ガスの温度
及びガス組成の安定化を図ることができる。また、水の
流量が直流モータで駆動されるポンプ７１の直流モータ
の回転数により制御されているので、高価なインバータ
を用いる必要がない。さらに、その直流モータの駆動電
力を燃料電池１による発電電力により供給しているの
で、燃料電池１で発電した直流電力をそのまま使用する
ことができ、直交変換による損失がなく効率的となる。

【００６９】また、排熱回収は、第１熱交換器３１、第
３熱交換器３３、第２熱交換器３２の順、すなわち、温
度の低い順に行われるので、排熱回収効率が良好とな
る。

【００７０】そして、上記のように水回路５０を流通し
た水の温度は７５℃以上となっているので、同じ熱量を
貯めるのに必要な貯湯タンクの容量のコンパクト化を図
ることができ、コジェネレーションシステムとして吸着
式等の空調にも利用が可能となる。（実施形態２）図４に実施形態２に係る燃料電池システ
ムの概略構成を示す。なお、実施形態１と同一部分につ
いては同一符号で示している。

【００７１】実施形態２に係る燃料電池システムでは、
ＣＯ変成器７内部及び選択酸化反応器８内部に熱交換部
４１，４２がそれぞれ設けられ、水回路５０は、ポンプ
７１から第２熱交換器３２、選択酸化反応器８内部、第
３熱交換器３３、ＣＯ変成器７内部及び第１熱交換器３
１が順に直列に連結されて形成されており、熱媒体とし
て水が用いられている。従って、ポンプ７１により水回
路５０を流通させる水によって、第２熱交換器３２、選
択酸化反応器８内部、第３熱交換器３３、ＣＯ変成器７
内部及び第１熱交換器３１の順に排熱回収がなされる。
その他の構成は実施形態１に係る燃料電池システムと同
一である。

【００７２】上記構成の燃料電池システムによれば、Ｃ
Ｏ変成器７において起こる水性ガスシフト反応の反応中
の反応熱及び選択酸化反応器８において起こるＣＯ選択
酸化反応の反応中の反応熱が共に排熱として回収される
こととなり、各反応の安定化を図ることができる。すな
わち、例えば、ＣＯ変成器７では、反応温度が高くなる
ことによるＣＯ転化率の低下が防止される。また、選択
酸化反応器８では、反応温度が高くなることによるＣＨ
４の生成が防止される。

【００７３】その他の作用・効果は実施形態１と同一で
ある。（実施形態３）図５に実施形態３に係る燃料電池システ
ムの概略構成を示す。なお、実施形態１と同一部分につ
いては同一符号で示している。

【００７４】実施形態３に係る燃料電池システムでは、
燃料電池１に熱交換部４３が設けられ、水回路５０は、
燃料電池１、第２熱交換器３２、第３熱交換器３３及び
第１熱交換器３１が順に直列に連結して形成されてお
り、熱媒体として水が用いられている。従って、ポンプ
７１により水回路５０を流通させる水によって、燃料電
池１、第２熱交換器３２、第３熱交換器３３及び第１熱
交換器３１の順に排熱回収がなされる。その他の構成は
実施形態１に係る燃料電池システムと同一である。

【００７５】上記構成の燃料電池システムによれば、改
質系における排熱回収に加えて、燃料電池１の排熱を回
収することができ、これにより、燃料電池システムにお
ける排熱回収率の向上が図られることとなる。

【００７６】また、排熱回収が、燃料電池１、第２熱交
換器３２、第３熱交換器３３及び第１熱交換器３１の
順、すなわち、温度の低い順に行われるので、排熱回収
効率が良好となる。

【００７７】その他の作用・効果は実施形態１と同一で
ある。（実施形態４）図６に実施形態４に係る燃料電池システ
ムの概略構成を示す。なお、実施形態１と同一部分につ
いては同一符号で示している。

【００７８】実施形態４に係る燃料電池システムでは、
オフガスバーナー１０に熱交換部４４が設けられ、水回
路５０は、第２熱交換器３２、第３熱交換器３３、第１
熱交換器３１及びオフガスバーナー１０が順に直列に連
結して形成されており、熱媒体として水が用いられてい
る。従って、ポンプ７１により水回路５０を流通させる
水によって、第２熱交換器３２、第３熱交換器３３、第
１熱交換器３１及びオフガスバーナー１０の順に排熱回
収がなされる。その他の構成は実施形態１に係る燃料電
池システムと同一である。

【００７９】上記構成の燃料電池システムによれば、改
質系における排熱回収に加えて、オフガスバーナー１０
の排熱を回収することができ、燃料電池システムとして
の熱回収率の向上が図られることとなる。

【００８０】また、排熱回収が、第２熱交換器３２、第
３熱交換器３３、第１熱交換器３１及びオフガスバーナ
ー１０の順、すなわち、温度の低い順に行われるので、
排熱回収効率が良好となる。

【００８１】その他の作用・効果は実施形態１と同一で
ある。（実施形態５）図７に実施形態５に係る燃料電池システ
ムの概略構成を示す。なお、実施形態４及び５と同一部
分については同一符号で示している。

【００８２】実施形態５に係る燃料電池システムでは、
燃料電池１及びオフガスバーナー１０にそれぞれ熱交換
部４３，４４が設けられ、水回路５０は、燃料電池１、
第２熱交換器３２、第３熱交換器３３、第１熱交換器３
１及びオフガスバーナー１０が順に直列に連結されて形
成されており、熱媒体として水が用いられている。従っ
て、ポンプ７１により水回路５０を流通させる水によっ
て、燃料電池１、第２熱交換器３２、第３熱交換器３
３、第１熱交換器３１及びオフガスバーナー１０の順に
排熱回収がなされる。すなわち、本実施形態は、実施形
態３と実施形態４とが合わさったものである。

【００８３】上記構成の燃料電池システムによれば、改
質系における排熱回収に加えて、燃料電池１及びオフガ
スバーナー１０の排熱を回収することができ、燃料電池
システムとしての熱回収率のより一層の向上が図られる
こととなる。

【００８４】その他の作用・効果は実施形態３及び実施
形態４と同一である。＜燃料電池コジェネ１＞図８に燃料電池コジェネ１の概
略構成を示す。

【００８５】この燃料電池コジェネ１では、実施形態５
において、オフガスバーナー１０から第４熱交換器３４
を経て第１ポンプ７１に戻る閉回路となるよう水回路５
０が形成されている。また、水回路５０を循環する媒体
として不凍液が用いられている。そして、燃料電池シス
テムに併設された貯湯タンク６０から出た水が第２ポン
プ７２により第４熱交換器３４に送られ、再び貯湯タン
ク６０に戻る閉回路が形成されている。従って、第１ポ
ンプ７１により水回路５０を循環する不凍液によって、
燃料電池１、第２熱交換器３２、第３熱交換器３３、第
１熱交換器３１及びオフガスバーナー１０の順に排熱回
収がなされ、回収された排熱は第４熱交換器３４によっ
て循環している貯湯タンク６０の水の加熱に使用され
る。

【００８６】上記構成の燃料電池コジェネ１によれば、
水回路５０が閉回路であるために貯湯タンク６０の水が
水回路５０内に導入されることがなく、シリカによる熱
交換や、燃料電池１本体内のスケール付着を防止でき、
水回路５０の熱交換特性が長期的に安定することとな
る。

【００８７】また、この閉回路を形成する水回路５０の
熱媒体として不凍液が用いられているので、冬季の凍結
による熱媒体回路５０の破損が防止されることとなる。＜燃料電池コジェネ２＞図９に燃料電池コジェネ２の概
略構成を示す。なお、燃料電池コジェネ１と同一部分に
ついては同一符号で示している。

【００８８】燃料電池コジェネ２では、実施形態５にお
いて、オフガスバーナー１０から、燃料電池システムに
併設された貯湯タンク６０内部に設けられた熱交換部４
５を経てポンプ７１に戻る閉回路となるよう水回路５０
が形成されている。また、水回路５０を循環する媒体と
して不凍液が用いられている。従って、ポンプ７１によ
り水回路５０を循環する不凍液によって、燃料電池１、
第２熱交換器３２、第３熱交換器３３、第１熱交換器３
１及びオフガスバーナー１０の順に排熱回収がなされ、
回収された排熱は貯湯タンク６０内部に設けられた熱交
換部４５によって貯湯タンク６０内部の水の加熱に使用
される。その他の構成は燃料電池コジェネ１と同一であ
る。

【００８９】作用・効果については燃料電池コジェネ１
と同一である。＜燃料電池コジェネ３＞図１０に燃料電池コジェネ３の
概略構成を示す。なお、燃料電池コジェネ１と同一部分
については同一符号で示している。

【００９０】燃料電池コジェネ３では、実施形態５にお
いて、オフガスバーナー１０から出た後、燃料電池シス
テムに併設された貯湯タンク６０に入り、貯湯タンク６
０からポンプ７１に戻る閉回路となるよう水回路５０が
形成されている。すなわち、貯湯タンク６０内の水が水
回路５０を循環するようになっている。ここで、ポンプ
７１へは貯湯タンク６０の下部から水が流入し、水回路
５０を循環した水は貯湯タンク６０の上部に戻るように
なっている。また、貯湯タンク６０の下部には水道水を
補給するための水供給管２６が接続されている。従っ
て、ポンプ７１により水回路５０を循環させる不凍液に
よって、燃料電池１、第２熱交換器３２、第３熱交換器
３３、第１熱交換器３１及びオフガスバーナー１０の順
に排熱回収がなされ、その排熱によって貯湯タンク６０
の水が直接加熱される。

【００９１】上記燃料電池コジェネ３よれば、水回路５
０の熱媒体として貯湯タンク６０の水が使用されること
となるので、別途熱媒体を設ける場合に比べて燃料電池
コジェネの簡略化を図ることができる。また、貯湯タン
ク６０の水によって直接排熱回収が図られることとなる
ので、間接的に排熱を回収する場合に比べて熱損失が低
減されることとなる。

【００９２】また、貯湯タンク６０の下部から水回路５
０に流入し、水回路５０を循環して排熱回収してきた水
が貯湯タンク６０の上部に戻るようにされているので、
貯湯タンク６０内に温度成層が形成されることとなり、
貯湯タンク６０上部における利用可能な水の温度は高い
ものとなる。また、貯湯タンク６０下部から水回路５０
に低温度の水が供給されることとなるので、吸熱能の高
い熱媒体が水回路５０を循環することとなり、回収され
る熱量が一層多くなる。＜燃料電池コジェネ４＞図１１に燃料電池コジェネ４の
概略構成を示す。なお、燃料電池コジェネ１と同一部分
については同一符号で示している。

【００９３】燃料電池コジェネ４では、燃料電池コジェ
ネ１において、燃料電池１の熱のみを回収する電池用水
回路５１が設けられている。そして、この電池用水回路
５１には熱媒体として不凍液が用いられ、第３ポンプ７
３により不凍液に電池用水回路５１を循環させるように
なっている。また、水回路５０と電池用水回路５１と
は、第５熱回収器３５を介して結合している。そして、
第１ポンプ７１により水回路５０を流通させる水によっ
て、第５熱交換器３５、第２熱交換器３２、第３熱交換
器３３、第１熱交換器３１及びオフガスバーナー１０の
順に排熱回収がなされることとなる。その他の構成は燃
料電池コジェネ１と同一である。

【００９４】上記構成の燃料電池コジェネ４によれば、
密封された不凍液が電池用水回路５１内を循環すること
となるので燃料電池１内でスケールが付着するというこ
とがなく、燃料電池１の長寿命化が図られることとな
る。

【００９５】また、電池用水回路５１の熱媒体として不
凍液を用いているので、冬季の凍結による燃料電池１本
体の破損が防止されることとなる。

【００９６】その他の作用・効果は燃料電池コジェネ１
と同一である。＜燃料電池コジェネ５＞図１２に燃料電池コジェネ５の
概略構成を示す。なお、燃料電池コジェネ３と同一部分
については同一符号で示している。

【００９７】燃料電池コジェネ５では、燃料電池コジェ
ネ３において、燃料電池１の熱のみを回収する電池用水
回路５１が設けられている。そして、この電池用水回路
５１には熱媒体として不凍液が用いられ、第３ポンプ７
３により不凍液に電池用水回路５１を循環させるように
なっている。また、水回路５０と電池用水回路５１と
は、第５熱回収器３５を介して結合している。そして、
第１ポンプ７１により水回路５０を流通させる水によっ
て、第５熱交換器３５、第２熱交換器３２、第３熱交換
器３３、第１熱交換器３１及びオフガスバーナー１０の
順に排熱回収がなされることとなる。その他の構成は燃
料電池コジェネ３と同一である。

【００９８】作用・効果については燃料電池コジェネ４
と同一である。＜燃料電池コジェネ６＞図１３に燃料電池コジェネ６の
概略構成を示す。なお、燃料電池コジェネ１と同一部分
については同一符号で示している。

【００９９】燃料電池コジェネ６では、実施形態５にお
いて、オフガスバーナー１０の下流側に第６熱交換器３
６が設けられている。また、燃料電池システムには貯湯
タンク６０が併設されており、その下部には水道水を補
給するための水供給管２６が第６熱交換器３６を経由し
て接続されている。従って、水道水は第６熱交換器３６
によって潜熱を回収して、貯湯タンク６０に供給され
る。さらに、水供給管２６には第６熱交換器３６を経由
しないバイパス２７も設けられている。

【０１００】上記構成の燃料電池コジェネ６によれば、
オフガスバーナー１０の排ガスから凝縮水を回収でき、
それを改質系への供給用に利用することができる。

【０１０１】また、貯湯タンク６０に補給される水道水
は低温熱源であり、吸熱能が高いので、排熱回収量が大
きくなり、それに伴って多くの凝縮水を回収することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成
を示す図である。

【図２】実施形態１に係る燃料電池システムの排熱回収
システムにおける第１制御フロー図を示す。

【図３】実施形態１に係る燃料電池システムの排熱回収
システムにおける第２制御フロー図を示す。

【図４】実施形態２に係る燃料電池システムの概略構成
を示す図である。

【図５】実施形態３に係る燃料電池システムの概略構成
を示す図である。

【図６】実施形態４に係る燃料電池システムの概略構成
を示す図である。

【図７】実施形態５に係る燃料電池システムの概略構成
を示す図である。

【図８】燃料電池コジェネ１の概略構成を示す図であ
る。

【図９】燃料電池コジェネ２の概略構成を示す図であ
る。

【図１０】燃料電池コジェネ３の概略構成を示す図であ
る。

【図１１】燃料電池コジェネ４の概略構成を示す図であ
る。

【図１２】燃料電池コジェネ５の概略構成を示す図であ
る。

【図１３】燃料電池コジェネ６の概略構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１燃料電池２酸素極３水素極４空気圧縮機６燃料改質器７ＣＯ変成器８選択酸化反応器１０オフガスバーナー１１インバータ２０空気供給管２４改質ガス供給管２５原料ガス供給管２６水供給管２７バイパス３１第１熱交換器３２第２熱交換器３３第３熱交換器３４第４熱交換器３５第５熱交換器３６第６熱交換器４１〜４５熱交換部５０水回路６０貯湯タンク７１〜７３ポンプ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１２月１７日（１９９９．１２．
１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】燃料電池システム及び燃料電池コジェ
ネレーションシステム

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素極に送り込まれるＨ ₂
を燃料とし、酸素極に送り込まれるＯ ₂ を酸化剤とし
て、これらを電解質を通じて反応させる発電器として一
般に知られている。そして、かかる燃料電池を備えた燃
料電池システムが特開平１０−３０８２３０号公報に開
示されている。

【０００３】この燃料電池システムは、炭化水素系の原
燃料を下記（１）式に示す部分酸化反応によってＨ ₂ と
ＣＯとに改質する燃料改質器と、この改質の際生成する
ＣＯを下記（２）式に示す水性ガスシフト反応によって
酸化させ、ＣＯ濃度の低減及びＨ ₂ の収率を向上させる
ＣＯ変成器と、さらに残存するＣＯを下記（３）式に示
す選択酸化反応によって酸化させ、残留するＣＯを低減
させる選択酸化反応器とを有する改質系を備えており、
この改質系に供給された原燃料がＨ ₂ に改質されて水素
極に送り込まれる。また、酸素極には空気が送り込まれ
る。そして、燃料電池において電池反応が起こり、発電
がなされるものである。

【０００４】ＣnＨm＋ｎＨ ₂ Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ ₂ ………（１）ＣＯ＋Ｈ ₂ Ｏ→ＣＯ ₂ ＋Ｈ ₂ ………（２）ＣＯ＋１／２Ｏ ₂ →ＣＯ ₂ ………（３）ところで、かかる燃料電池システムの排熱を利用した燃
料電池コジェネレーションシステム（以後「燃料電池コ
ジェネ」と称する）がある。すなわち、燃料電池におい
て起きる電池反応に伴って発生する熱を排熱として回収
し、これを給湯器の水の昇温のため等に利用するもので
ある。

【０００５】

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、炭化水素系の
原燃料を改質してＨ ₂ を生成する、いわゆる改質系にお
ける排熱を熱媒体回路（５０）によって回収することと
したものである。

【０００８】具体的には、本出願の発明は、炭化水素系
の原燃料を改質してＨ ₂ を含む改質ガスを生成する改質
系と、該改質系において生成した改質ガスに含まれるＨ
₂ を燃料として発電する燃料電池（１）と、該改質系に
おいて発生する排熱を回収する熱媒体回路（５０）とを
備えていることを特徴とする。

【０００９】上記の構成によれば、改質系において原燃
料からＨ ₂ を含む改質ガスを生成する過程で放出される
大量の反応熱が排熱として熱媒体回路（５０）によって
回収されることとなり、従来のように燃料電池のみから
排熱回収する場合に比べて大量の排熱を回収することが
できる。そして、この排熱を燃料電池コジェネに利用す
ることにより、例えば給湯器の水を７５℃以上に昇温さ
せることも可能となる。また、この排熱を改質系におけ
る水性ガスシフト反応に用いられる水の加熱及び蒸気化
に利用することもできる。なお、熱媒体回路（５０）と
しては、冷媒回路、水回路等を挙げることができ、熱媒
体としては、水、不凍液等を挙げることができる。

【００１０】ここで、改質系が、原燃料から部分酸化反
応によってＨ ₂ とＣＯとを含む改質ガスを生成するため
の燃料改質器（６）と、燃料改質器（６）で生成した改
質ガスに含まれるＣＯを水性ガスシフト反応によって除
去するＣＯ変成器（７）と、ＣＯ変成器（７）を出た改
質ガスに含まれる残留ＣＯをＣＯ選択酸化反応によりさ
らに除去する選択酸化反応器（８）とを有している場
合、熱媒体回路（５０）は、燃料改質器（６）から出た
後であって且つＣＯ変成器（７）に入る前の改質ガスの
排熱、ＣＯ変成器（７）の排熱、ＣＯ変成器（７）から
出た後であって且つ選択酸化反応器（８）に入る前の改
質ガスの排熱、選択酸化反応器（８）の排熱及び選択酸
化反応器（８）から出た後であって且つ燃料電池（１）
に入る前の改質ガスの排熱のうち少なくとも１つを回収
するように形成されていればよい。またＣＯ変成器
（７）を高温変成器と低温変成器との２段に構成し、高
温変成器と低温変成器との間の排熱を回収するようにし
てもよい。さらに、選択酸化反応器（８）が２段以上に
分かれて構成され、それらの間の排熱を回収するように
してもよい。

【００１３】また、ＣＯ変成器（７）において起きる水
性ガスシフト反応の反応熱及び／又は選択酸化反応器
（８）において起きるＣＯ選択酸化反応の反応熱を反応
中に回収するように構成されていてもよい。かかる構成
によれば、ＣＯ変成器（７）及び選択酸化反応器（８）
ではそれぞれ発熱反応が起こるため、その反応熱を排熱
として回収することにより各反応の安定化を図ることが
できる。すなわち、例えば、ＣＯ変成器（７）では、反
応温度が高くなるとＣＯ転化率が低下して反応器を出る
改質ガス中のＣＯ濃度が高くなるという問題があり、ま
た、選択酸化反応器（８）では、反応温度が高くなると
メタネーションによりＣＨ ₄ が生成するという問題があ
る。しかしながら、上記構成によれば、これらの問題が
回避されることとなる。

【００２５】

【００３９】

【００４２】そして、燃料改質器６には、部分酸化反応
に活性を呈する触媒（Ｒｕ又はＲｈをＡｌ ₂ Ｏ ₃ に担持さ
せてなる触媒）が充填されており、ＣＯ変成器７には、
水性ガスシフト反応に対して活性を呈する触媒（Ｆｅ₂
Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣｕＯ、ＺｎＯ等）が充填されてお
り、選択酸化反応器８には、ＣＯ選択酸化反応に活性を
呈する触媒（Ｒｕ又はＰｔをＡｌ ₂ Ｏ ₃ 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。

【００４７】原燃料は空気と水蒸気と共に燃料改質器６
の触媒に供給され、燃料改質器６の触媒上では原燃料の
部分酸化反応が起こり、Ｈ ₂ とＣＯとが生成する
（（１）式参照）。また、一部、水性ガスシフト反応を
も起こす（（２）式参照）。

【００５２】そして、燃料電池１では、水素極３の電極
表面で２Ｈ ₂ →４Ｈ ⁺ ＋４ｅ ^- 、酸素極２の電極表面でＯ ₂
＋４Ｈ ⁺ ＋４ｅ ^- →２Ｈ ₂ Ｏの電池反応を起こし、直流電
力が生じる。生じた直流電力は、インバータ１１によっ
て交流電力に変換される。また、生じた直流電力の一部
は、水回路５０に装備されたポンプ７１と空気圧縮機４
との駆動電力として供給される。

【００６６】ステップＳＴ７’において、Ｔ’がＴ’ma
x以下の場合にはステップＳＴ２’に戻る。 −作用・効果− 上記構成の燃料電池システムによれば、改質系において
原燃料からＨ ₂ を含む改質ガスを生成する過程で放出さ
れる大量の反応熱を排熱として水回路５０によって回収
することができ、従来のように燃料電池のみから排熱回
収する場合に比べて大量の排熱を回収することができ
る。そして、この排熱を燃料電池コジェネに利用するこ
とにより、従来では６０℃程度までしか昇温できなかっ
た給湯器の水を７５℃以上まで昇温することができる。
また、この排熱を燃料改質器（６）又はＣＯ変成器
（７）における水性ガスシフト反応のために供給される
水の加熱及び蒸気化に利用するということもできる。

【００７２】上記構成の燃料電池システムによれば、Ｃ
Ｏ変成器７において起こる水性ガスシフト反応の反応中
の反応熱及び選択酸化反応器８において起こるＣＯ選択
酸化反応の反応中の反応熱が共に排熱として回収される
こととなり、各反応の安定化を図ることができる。すな
わち、例えば、ＣＯ変成器７では、反応温度が高くなる
ことによるＣＯ転化率の低下が防止される。また、選択
酸化反応器８では、反応温度が高くなることによるＣＨ
₄ の生成が防止される。

【図面の簡単な説明】

【図８】燃料電池コジェネ１の概略構成を示す図であ
る。

【図９】燃料電池コジェネ２の概略構成を示す図であ
る。

【符号の説明】１燃料電池２酸素極３水素極４空気圧縮機６燃料改質器７ＣＯ変成器８選択酸化反応器１０オフガスバーナー１１インバータ２０空気供給管２４改質ガス供給管２５原料ガス供給管２６水供給管２７バイパス３１第１熱交換器３２第２熱交換器３３第３熱交換器３４第４熱交換器３５第５熱交換器３６第６熱交換器４１〜４５熱交換部５０水回路６０貯湯タンク７１〜７３ポンプ

フロントページの続き (72)発明者池上周司大阪府堺市金岡町1304番地ダイキン工業株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者米本和生大阪府堺市金岡町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 EA07 EB14 EB23 EB32 EB44 EC02 EC03 4G075 AA42 AA43 AA44 AA45 AA63 BA06 BA08 CA52 DA01 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 DD06 KK41 MM16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系の原燃料を改質してＨ２を含
む改質ガスを生成する改質系と、該改質系において生成
した改質ガスに含まれるＨ２を燃料として発電する燃料
電池（１）と、該改質系において発生する排熱を回収す
る熱媒体回路（５０）とを備えていることを特徴とする
燃料電池システム。
【請求項２】上記改質系は、炭化水素系の原燃料から
部分酸化反応によってＨ２とＣＯとを含む改質ガスを生
成するための燃料改質器（６）と、該燃料改質器（６）
で生成した改質ガスに含まれるＣＯを水性ガスシフト反
応によって除去するＣＯ変成器（７）と、該ＣＯ変成器
（７）を出た改質ガスに含まれる残留ＣＯをＣＯ選択酸
化反応によりさらに除去する選択酸化反応器（８）とを
有してなり、上記熱媒体回路（５０）は、上記燃料改質器（６）から
出た後であって且つ上記ＣＯ変成器（７）に入る前の改
質ガスの排熱、該ＣＯ変成器（７）の排熱、該ＣＯ変成
器（７）から出た後であって且つ上記選択酸化反応器
（８）に入る前の改質ガスの排熱、該選択酸化反応器
（８）の排熱及び該選択酸化反応器（８）から出た後で
あって且つ上記燃料電池（１）に入る前の改質ガスの排
熱のうち少なくとも１つを回収するように形成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項３】上記ＣＯ変成器（７）入口での改質ガス
の温度及び上記燃料電池（１）入口での改質ガスの温度
がそれぞれ所定温度範囲内になるように、上記燃料改質
器（６）から出た後であって且つ該ＣＯ変成器（７）に
入る前の改質ガスの排熱を上記熱媒体回路（５０）に回
収させる第１熱交換器（３１）と、上記選択酸化反応器
（８）から出た後であって且つ該燃料電池（１）に入る
前の改質ガスの排熱を該熱媒体回路（５０）に回収させ
る第２熱交換器（３２）とを備えていることを特徴とす
る請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】上記ＣＯ変成器（７）において起きる水
性ガスシフト反応の反応熱及び／又は上記選択酸化反応
器（８）において起きるＣＯ選択酸化反応の反応熱を反
応中に回収するように構成されていることを特徴とする
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】上記熱媒体回路（５０）は、熱媒体が排
熱温度の低い方から順に流通して排熱回収するように形
成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に
記載の燃料電池システム。
【請求項６】上記燃料電池（１）の排熱を回収するよ
うに構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求
項５のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項７】上記熱媒体回路（５０）は、上記燃料電
池（１）と上記改質系とを直列に連結し、且つ熱媒体
が、該燃料電池（１）、該改質系の順に流通して排熱回
収するように構成されていることを特徴とする請求項６
に記載の燃料電池システム。
【請求項８】閉回路に形成され且つ上記燃料電池
（１）の排熱を回収する電池用熱媒体回路（５１）を備
えていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池シ
ステム。
【請求項９】上記電池用熱媒体回路（５１）の熱媒体
が不凍液であることを特徴とする請求項８に記載の燃料
電池システム。
【請求項１０】上記燃料電池（１）の排ガスを燃焼す
るオフガスバーナー（１０）を備え、該オフガスバーナ
ー（１０）の排熱を上記熱媒体回路（５０）によって回
収するように構成されていることを特徴とする請求項１
乃至請求項９のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】上記熱媒体回路（５０）は、上記改質
系と上記オフガスバーナー（１０）とを直列に連結し、
且つ熱媒体が、該改質系、該オフガスバーナー（１０）
の順に流通して排熱回収するように構成されていること
を特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】請求項１乃至請求項１１のいずれか一
に記載の燃料電池システムと、該燃料電池システムに併
設された貯湯タンク（６０）とを備え、上記貯湯タンク（６０）の水が熱媒体として上記熱媒体
回路（５０）を循環して排熱回収し、その水が再び該貯
湯タンク（６０）に戻ることにより該貯湯タンク（６
０）の水を昇温するように構成されていることを特徴と
する燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項１３】上記貯湯タンク（６０）の下部から上
記熱媒体回路（５０）に流入し、該熱媒体回路（５０）
を循環して排熱回収した水が該貯湯タンク（６０）の上
部に戻るように構成されていることを特徴とする請求項
１２に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項１４】上記熱媒体回路（５０）が閉回路に形
成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１
のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】上記熱媒体回路（５０）の熱媒体が不
凍液であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電
池システム。
【請求項１６】請求項１４又は請求項１５に記載の燃
料電池システムと、該燃料電池システムに併設された貯
湯タンク（６０）とを備え、上記熱媒体回路（５０）を循環する熱媒体によって回収
された排熱との熱交換によって、上記貯湯タンク（６
０）の水を昇温するように構成されていることを特徴と
する燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項１７】上記燃料電池（１）の排ガスを燃焼す
るオフガスバーナー（１０）を備え、該オフガスバーナ
ー（１０）の排ガスの排熱を回収するように構成されて
いることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項１８】上記燃料電池（１）の排ガスを燃焼す
るオフガスバーナー（１０）を有する燃料電池システム
と、該燃料電池システムに併設された貯湯タンクとを備
え、上記オフガスバーナー（１０）の排ガスの排熱又は上記
燃料電池（１）の排ガスの排熱を、上記貯湯タンク（６
０）に補給される水を熱媒体として回収するように構成
されていることを特徴とする燃料電池コジェネレーショ
ンシステム。
【請求項１９】上記熱媒体回路（５０）を流通して排
熱回収した熱媒体の温度が７５℃以上であることを特徴
とする請求項１乃至請求項１１、請求項１４、請求項１
５、請求項１７のいずれか一に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項２０】上記改質系は、炭化水素系の原燃料か
ら部分酸化反応によってＨ２とＣＯとを含む改質ガスを
生成するための燃料改質器（６）と、該燃料改質器
（６）で生成した改質ガスに含まれるＣＯを水性ガスシ
フト反応によって除去するＣＯ変成器（７）とを有して
なり、上記ＣＯ変成器（７）入口での改質ガスの温度、該ＣＯ
変成器（７）の温度及び該ＣＯ変成器（７）出口での改
質ガスの温度のうち少なくとも１つが所定温度範囲内に
なるように、上記熱媒体回路（５０）を流通する熱媒体
の流量を制御する流量制御手段を備えていることを特徴
とする請求項１乃至請求項１９のいずれか一に記載の燃
料電池システム。
【請求項２１】上記熱媒体の流量が直流モータで駆動
されるポンプ（７１）の該直流モータの回転数により制
御されていることを特徴とする請求項２０に記載の燃料
電池システム。
【請求項２２】上記直流モータの駆動電力が上記燃料
電池（１）による発電電力から供給されていることを特
徴とする請求項２１に記載の燃料電池システム。