JP5301265B2 - 酸素生成装置と水素生成装置とを備える燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は酸素生成装置と水素生成装置とを備える燃料電池システムに関する。

近年、地球温暖化の原因物質の一つとして二酸化炭素が挙げられ、二酸化炭素排出量の削減が強く要望されている。このため、工場、ビル、自動車、家庭等の電力供給源として、燃焼による二酸化炭素の発生がない燃料電池の開発が進められている。燃料電池の燃料として水素が用いられるが、燃料の水素を随時供給できるように、オンサイト型の水素製造装置と燃料電池とを組み合わせた燃料電池システムの開発が活発化している。

水素の製造方法として、軽質炭化水素（例えばメタン）を原料とした水蒸気改質反応（スチームリフォーミング）、オートサーマルリフォーミング（ＡＴＲ）、部分酸化等が知られている。例えば、スチームリフォーミングは、二酸化炭素と水蒸気を軽質炭化水素に添加し、加熱炉中で改質用触媒の存在下に反応させ、水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成し、次いでこの改質ガス中の水素を分離して、水素を製造する方法である。スチームリフォーミングは吸熱反応であり、反応には８００℃以上という高い温度を必要とする。さらに、炭素析出を抑制するために過剰の水蒸気を供給しなければならない。このため、水素の製造に大きな熱エネルギーが必要となる。

ＡＴＲは軽質炭化水素の酸化反応と触媒反応を組み合わせて水素を合成する方法である。即ち、反応の第一段階で軽質炭化水素の燃焼により二酸化炭素と水蒸気が生成し、逐次反応として生成した二酸化炭素、水蒸気を用いて触媒反応部で軽質炭化水素の改質反応を行い、水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成し、次いでこの改質ガス中の水素を分離して、水素を製造する方法である。ＡＴＲでは、第一段階で生成する反応熱をその場で改質反応に伝播できるため、スチームリフォーミングに比べ熱エネルギーの損失が少ないものの、反応温度が依然として高い（１０００℃以上）ことや、熱発生部において炭素生成が起こりやすく、この炭素生成により、触媒部及び触媒反応部の下流機器でのトラブルを誘発しやすい。加えて、反応には高純度の高価な酸素を必要とし、設備費用及びランニングコストが高い。

部分酸化法は、軽質炭化水素の一部をＯ_２の添加により燃焼させ、生成した高温のガスを触媒の使用なし（無触媒）で改質するものであり、エネルギー効率の面で優れた方法である。しかし、部分酸化法では、ＡＴＲよりさらに高い温度（１３００℃程度）で改質を行うこととなり、炭化物の発生が生じやすいという問題がある。加えて、冷却法は直接冷却（ダイレクトクエンチ）によらなくてはならず、運転操作が煩雑となる。さらに、高純度の高価な酸素を必要とし、設備費用及びランニングコストが高い。

上述した軽質炭化水素の改質方法の問題点の内、高純度の酸素の供給については、近年、酸素透過膜が進められ、空気から効率的に酸素を分離できる酸素透過膜が提案されている（例えば、非特許文献１）。かかる酸素透過膜を用いることで、安価に高純度の酸素を得ることができる。

ここで、上述の軽質炭化水素の改質方法で得られた生成ガス中には、水素の他、一酸化炭素、二酸化炭素が含まれている。このため、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）への水素供給を考えた場合には、さらに前記生成ガスから一酸化炭素、二酸化炭素を除去する工程が必要となる。従来、前記生成ガスから一酸化炭素、二酸化炭素を分離するには、シフト反応後の脱炭酸処理等の分離工程が必要となり、水素生成工程が複雑化すると共に、分離工程において水素の一部が消費され、水素生成の効率が低下するという問題があった。
こうした問題に対し、近年、水素透過膜を備えた水素生成装置を用い、メタンを低温で改質して高純度の水素を生成する方法が提案されている（例えば、非特許文献２）。
石原達己、「混合伝導体を用いる酸素透過と部分酸化への応用」、ペトロテック（ＰＥＴＲＯＴＥＣＨ）、社団法人石油学会、２００５年５月、第２８巻、第５号、ｐ３７２−３７５ 石原達己、外３名「Ｎｅｗ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｈ２Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ ｂｙ Ｕｓｉｎｇ Ｈ２ Ｐｅｒｍｅａｔｉｎｇ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｒｅａｃｔｏｒ」、第１５回世界水素エネルギー会議プレプリント（ＣＤ−ＲＯＭ）、講演番号；２８Ｄ−０９、２００４年６月２８日、パシフィコ横浜会議センター

しかしながら、軽質炭化水素のリフォーミングによって生成する水素を燃料電池に用いるためには、より高い純度の水素を製造する必要がある。加えて、軽質炭化水素のリフォーミングによって生成する水素を用いた燃料電池システムでは、よりエネルギー効率の高いシステムの構築が求められている。
そこで本発明は、純度の高い水素を燃料電池に供給でき、エネルギー効率の高い燃料電池システムを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、酸素透過膜により仕切られた空気供給室と透過酸素受容室と、酸化触媒が充填され該酸化触媒に可燃ガスを接触して燃焼し前記空気供給室を加熱する触媒燃焼室とが設けられた酸素生成装置と、水素透過膜により仕切られた触媒反応室と透過水素受容室とが設けられ、前記触媒反応室には炭化水素リフォーミング触媒（以下、単にリフォーミング触媒ということがある）が充填されている水素生成装置と、前記触媒反応室に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記触媒反応室に軽質炭化水素を供給する手段と、前記酸素生成装置で生成した酸素を前記触媒反応室に供給する手段と、前記水素生成装置で生成した水素を前記燃料電池に供給する水素供給手段とを有し、前記空気供給室に空気を流通させ、該空気に含まれる酸素を前記酸素透過膜で仕切られた前記透過酸素受容室に透過し、前記空気供給装置に残存する残存空気と分離し、前記触媒反応室で、酸素及び水蒸気の存在下に軽質炭化水素を前記炭化水素リフォーミング触媒に接触させて生成した水素を前記水素透過膜で仕切られた前記透過水素受容室に透過し、前記触媒反応室に残存する残存ガスと分離することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムは、前記透過酸素受容室に水蒸気を流通させる手段を有することが好ましく、前記水蒸気供給手段は、前記透過酸素受容室を流通した水蒸気を供給することが好ましい。前記透過水素受容室に水蒸気を流通させる手段を有してもよく、前記水素供給手段は、前記透過水素受容室を減圧する減圧部を有してもよい。前記触媒燃焼室で生じた燃焼熱を用いて水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置を有し、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を前記透過酸素受容室に流通させることが好ましく、前記触媒燃焼室で生じた燃焼熱を用いて水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置を有し、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を前記透過水素受容室に流通させることが好ましい。前記残存ガスを前記触媒燃焼室に供給する手段を有することが好ましく、前記触媒反応室に残存する残存ガス、及び／又は、透過水素受容室に透過した水素を熱源として水蒸気を発生する水蒸気発生装置を有することが好ましく、前記透過酸素受容室、前記空気供給室、前記透過水素受容室の少なくともいずれかに、不活性粒子が充填されていることが好ましい。

本発明の燃料電池システムによれば、純度の高い水素を燃料電池に供給でき、エネルギー効率の向上を図ることができる。

本発明の燃料電池システムについて、以下に実施例を挙げて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態の燃料電池システムについて、図１〜３を用いて説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式図である。図２は、燃料電池システム１０に用いる酸素分離装置の一例を示す断面図である。図３は、燃料電池システム１０に用いる水素生成装置の一例を示す断面図である。

図１に示すとおり、燃料電池システム１０は、複合予熱器２０と酸素生成装置７０と水素生成装置１００と水蒸気発生装置１５０と燃料電池３００とを有している。
原料供給源１２は、配管１４により複合予熱器２０と接続されている。配管１４には配管１６が接続され、配管１６は酸素生成装置７０の触媒燃焼室９０と接続されている。触媒燃焼室９０には配管９４が接続され、配管９４は配管２５０と接続されている。

空気供給源３０には配管３２が接続され、配管３２は第二空気ブロワ４２を介して、分岐４５で配管４４と配管４６とに接続されている。配管４４は触媒燃焼室９０と接続され、配管４６は燃料電池３００のカソード３２０と接続されている。配管３２には配管３４が接続され、配管３４は第一空気ブロワ３６を介して複合予熱器２０と接続されている。

複合予熱器２０には、配管１５２と、配管２１０と、配管２２０と、配管２３０と、配管２４０と、配管２５０とが接続されている。配管１５２は、熱交換装置２４８を介して水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１５２は、分岐１５１で配管７４と接続され、配管７４は酸素生成装置７０の透過酸素受容室７２と接続されている。透過酸素受容室７２には配管７６が接続され、配管７６は分岐２４７で配管２４６と接続されている。配管２４６は熱交換装置２４８を介して水素生成装置１００の触媒反応室１３０と接続されている。

配管２１０は、複合予熱器２０で加熱した空気を流通させる流路である。配管２１０は、酸素生成装置７０の空気供給室８０と接続されている。空気供給室８０には配管８４が接続され、配管８４は配管２４２と接続され、配管２４２は配管２５０と接続されている。配管２４２には第一のガスタービン２４４が設けられ、第一のガスタービン２４４は、図示されない発電機と接続されている。

配管２２０は、複合予熱器２０で加熱された軽質炭化水素を流通させる流路である。配管２２０は、熱交換装置２４８と水素生成装置１００との間で、配管２４６に接続されている。

配管２３０は、複合予熱器２０で加熱した水蒸気を流通させる流路である。配管２３０は、水素生成装置１００の透過水素受容室１２０と接続されている。

配管２４０は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管２５０は、配管９４及び配管２４２と接続されている。

透過水素受容室１２０には配管１２２が接続され、配管１２２は配管１２４と接続されている。配管１２４は水蒸気発生装置１５０と接続されている。触媒反応室１３０には、配管１３２が接続され、配管１３２は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１３２には第二のガスタービン１３４が設けられ、第二のガスタービン１３４は図示されない発電機と接続されている。

水蒸気発生装置１５０には、配管１５２と配管１５４と配管１５６と配管１５８とが接続されている。配管１５２は分岐１５３で配管１４０に接続され、配管１４０は軟水化装置６０と接続されている。配管１４０にはスチームタービン１４２が設けられ、スチームタービン１４２は図示されない発電機と接続されている。

配管１５４は熱交換装置１５５を介して気液分離装置１９０と接続されている。気液分離装置１９０には配管１９２と配管１９４が接続されている。配管１９２は配管１６と接続され、配管１９４は軟水化装置６０と接続されている。配管１５８は熱交換装置１６０と接続されている。熱交換装置１６０には、配管１６２と配管１６６と配管６８とが接続されている。配管１６２は温水貯槽１６４と接続されている。配管１６２には配管１６１が接続され、配管１６１は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１６６は、気液分離装置１７０と接続されている。配管６８は、分岐６７で配管６２と配管６６に接続されている。気液分離装置１７０には、配管１７２と配管１７４とが接続されている。配管１７２は燃料電池３００のアノード３３０と接続され、配管１７４は軟水化装置６０と接続されている。配管１５６は熱交換装置１８０と接続されている。熱交換装置１８０には、配管１８２と配管１８４と配管６６とが接続されている。配管１８２は配管１６２と接続され、配管１８４は図示されない排気口と接続されている。配管６６は、分岐６７で配管６２と配管６８とに接続されている。軟水化装置６０には配管５２と配管６２とが接続されている。配管５２は、水源５０と接続され、配管６２は分岐６３で配管６４と接続されている。

配管６４は燃料電池３００の冷却部３０２と接続されている。冷却部３０２は配管３２２と接続され、配管３２２は配管１６２と接続されている。カソード３２０には未反応の空気を排出するカソードオフガスライン３２４が接続されている。アノード３３０には、未反応の水素を再度アノード３３０に供給するためのアノードオフガスリサイクルライン３３４が接続され、アノードオフガスリサイクルライン３３４は配管１７２と接続されている。アノードオフガスリサイクルライン３３４には、アノードオフガスリサイクルブロワ３３６が設けられている。

「水蒸気供給手段」は、配管７４、７６、１５２、２４６と、酸素生成装置７０と、熱交換装置２４８とで構成されている。「前記触媒反応室に軽質炭化水素を供給する手段」は、配管１４、２２０、２４６と、複合予熱器２０とで構成されている。「前記酸素生成装置で生成した酸素を前記触媒反応室に供給する手段」は、配管７６、２４６と、熱交換装置２４８とで構成されている。「水素供給手段」は、配管１２２、１２４、１５８、１６６、１７２と、水蒸気発生装置１５０と、熱交換装置１６０と、気液分離装置１７０とで構成されている。「前記透過酸素受容室に水蒸気を流通させる手段」は、配管７４、１５２とで構成されている。「前記透過水素受容室に水蒸気を流通させる手段」は、配管１５２、２３０と、複合予熱器２０とで構成されている。「前記残存ガスを前記触媒燃焼室に供給する手段」は、配管１６、１３２、１５４、１９２と、第二のガスタービン１３４と水蒸気発生装置１５０と、熱交換装置１５５と、気液分離装置１９０とで構成されている。

酸素生成装置７０は、所定の温度条件下で空気を酸素透過膜８２に接触させ、酸素を分離する装置である。酸素生成装置７０は、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられ、プレート型としては、例えば、図２に示すものが挙げられる。図２に示すように、酸素生成装置７０は、触媒燃焼室９０と、空気供給室８０と、透過酸素受容室７２とが設けられた本体部７１を有する。触媒燃焼室９０は支持体９２により区画された空間に、酸化触媒が充填され形成されている。触媒燃焼室９０の両側には、酸素透過膜８２で仕切られた空気供給室８０と透過酸素受容室７２とが設けられ、空気供給室８０が支持体９２を介して触媒燃焼室９０と隣接するように配置されている。触媒燃焼室９０には配管１６と配管４４と配管９４とが接続され、空気供給室８０にはそれぞれ配管２１０と配管８４とが接続され、透過酸素受容室７２にはそれぞれ配管７４と配管７６とが接続されている。触媒燃焼室９０には酸化触媒が充填されている。透過酸素受容室７２及び空気供給室８０には不活性粒子(イナート粒子)が充填されている。

触媒燃焼室９０は、酸化触媒に可燃ガスと酸素とを接触して燃焼させ、該燃焼により発生した燃焼熱で空気供給室８０を所定の温度に加熱するものである。可燃ガスは、燃料電池システム１０の定常運転時には触媒反応室１３０の残存ガスと補助燃料として用いる軽質炭化水素である。酸化触媒としては公知の酸化触媒を使用でき、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属、又はこれらの貴金属をアルミナ多孔体等の単体に担持したものが挙げられる。

支持体９２は、酸化触媒を触媒燃焼室９０内に固定し、かつ、触媒燃焼室９０で生じた燃焼熱を空気供給室８０に伝達できるものあれば特に限定されず、例えば、インコロイ８００Ｈ製の板等を挙げることができる。

酸素透過膜８２は公知の酸素透過膜を使用でき、例えば、前述の非特許文献１に挙げられているＬａ_０．２Ｓｒ_０．８Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３等のペロブスカイト化合物等が挙げられる。

透過酸素受容室７２に充填する不活性粒子とは、酸素に対して不活性な物質であれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等を挙げることができる。透過酸素受容室７２に不活性粒子を充填することで、空気供給室８０から酸素透過膜８２を透過して透過酸素受容室７２に移動してきた酸素は、透過酸素受容室７２に供給された水蒸気と十分に混合され、効率的に透過酸素受容室７２から流出できるためである。

空気供給室８０に充填する不活性粒子とは、酸素に対して不活性な物質であれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等を挙げることができる。空気供給室８０に不活性粒子を充填することで、触媒燃焼室９０で生じた燃焼熱の伝熱効率を高められ、空気中の酸素が酸素透過膜８２を効率的に透過できるためである。

水素生成装置１００は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素をリフォーミング触媒に接触させて水素を生成し、生成した水素と未反応の軽質炭化水素及び他の成分を含む残存ガスとを水素透過膜で分離するものである。水素生成装置１００は、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられ、プレート型としては、例えば、図３に示すものが挙げられる。図３に示すように水素生成装置１００は、水素透過膜１１２により仕切られた触媒反応室１３０と、触媒反応室１３０を挟持する透過水素受容室１２０とが形成された本体１１０を有する。触媒反応室１３０には配管２４６と配管１３２とが接続され、透過水素受容室１２０にはそれぞれ配管２３０と配管１２２とが接続されている。触媒反応室１３０には、リフォーミング触媒が充填されている。透過水素受容室１２０には、不活性粒子が充填されている。

水素透過膜１１２は公知の水素透過膜を用いることができ、例えば、パラジウム（Ｐｄ）合金膜等が挙げられる。市販の水素透過膜としては、田中貴金属工業株式会社製のＰｄ−Ａｇ膜、Ｐｄ−Ｃｕ（銅）膜等が挙げられる。

透過水素受容室１２０に充填する不活性粒子は、水素に対して不活性な物質であれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等を挙げることができる。透過水素受容室１２０に不活性粒子を充填することで、触媒反応室１３０で生成し水素透過膜１１２を透過して透過水素受容室１２０に移動してきた水素は、透過水素受容室１２０に供給された水蒸気と十分に混合され、効率的に透過水素受容室１１６から流出できるためである。

触媒反応室１３０に充填するリフォーミング触媒は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素から水素を生成するものである。このようなリフォーミング触媒は、公知の触媒を使用することができ、例えば、下記（１）〜（６）式の反応が生起されるＮｉ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｒｈ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｐｔ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｆｅ／ＳｉＯ_２等のニッケル系触媒等が好適に用いられる。このようなリフォーミング触媒を用いることで、５００〜７００℃という比較的低い温度条件で、軽質炭化水素から水素を生成することができるためである。

ＣＨ_４⇒Ｃ＋２Ｈ_２ ・・・（１）
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ_２ ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ_２⇒ＣＯ ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ⇒Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（４）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ⇔３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］

複合予熱器２０は、空気加熱部２２と水蒸気加熱部２４と原料加熱部２６とを有する。複合予熱器２０は、酸素生成装置７０で発生した燃焼熱を取り込んで、軽質炭化水素、水蒸気、酸素を含む流体（空気）をそれぞれ加熱する装置である。本発明における水蒸気予熱装置は水蒸気加熱部２４が相当する。

水蒸気発生装置１５０は、複合予熱器２０で熱媒体として利用した触媒燃焼室９０の燃焼ガス及び空気供給室８０の酸素が透過した後の残存空気（酸素濃度：１９％程度）と、水素生成装置１００で分離された水素及び残存ガスを熱媒体とし、水蒸気を発生する装置である。このような水蒸気発生装置１５０としては、いわゆる複合ボイラ、煙道ボイラ、貫流ボイラ等が挙げられる。

燃料電池３００は、水素を燃料ガスとして発電するものであり、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のいずれを用いてもよい。燃料電池３００は、電解質３１０を挟持するようにカソード３２０とアノード３３０とが設けられている。燃料電池３００には、一対のカソード３２０とアノード３３０とを有するものの他、電解質３１０をカソード３２０とアノード３３０とで挟持し、さらにその外側をセパレータで挟持してセルを形成し、該セルを複数積層した燃料電池スタックをも含むものである。電解質３１０は、燃料電池３００の種類に応じて決定することができる。
燃料電池３００には、発電に伴い発生する熱を除去するための冷却部３０２が設けられている。冷却部３０２は、冷却水を熱媒体とする冷却板や冷却管等が挙げられる。また、燃料電池３００が燃料電池スタックである場合には、燃料電池スタックの発熱量に応じて、冷却部３０２を複数設けてもよい。

気液分離装置１７０は特に限定されず、例えば、デミスター付き気液分離装置等が挙げられる。気液分離装置１９０は、気液分離装置１７０と同様である。

軟水化装置６０は、水源５０から供給される水に含まれるＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋等のカチオン成分や、Ｃｌ⁻等のアニオン成分を除去する装置である。例えば、カチオン交換樹脂等のカチオン交換体と、アニオン交換樹脂等のアニオン交換体とを充填したイオン交換装置等が挙げられる。

空気供給源３０は、例えば、空気を取り込む吸気口等が挙げられる。

燃料電池システム１０の運転動作について説明する。
水源５０の水は、配管５２を経由して軟水化装置６０に供給され、軟水化装置６０では硬度成分を除去する軟化処理がされる。軟化処理された水の一部は、配管６２、６８、熱交換装置１６０、配管１６２、配管１６１を順に経由して、水蒸気発生装置１５０に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管６２、６６を順に経由して、熱交換装置１８０に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管６２、６４を順に経由して燃料電池３００の冷却部３０２に供給される。冷却部３０２に供給された水は、燃料電池３００を冷却しながら流通し、温水となって配管３２２に流出する。配管３２２に流出した温水は、配管１６２を経由して、温水貯槽１６４に貯水される。

第一空気ブロワ３６、第二空気ブロワ４２が起動される。空気は、空気供給源３０から配管３２、４６を順に経由して、カソード３２０に供給される。また、空気は、空気供給源３０から配管３２、４４を順に経由して、触媒燃焼室９０に供給される。さらに、空気は、空気供給源３０から配管３２、３４を順に経由して、複合予熱器２０の空気加熱部２２に供給される。空気加熱部２２に供給された空気は、空気加熱部２２で加熱され予熱済空気となった後、配管２１０を流通し空気供給室８０に供給される。

軽質炭化水素は、原料供給源１２から配管１４を経由して、複合予熱器２０の原料加熱部２６に供給される。原料加熱部２６に供給された軽質炭化水素は、原料加熱部２６で加熱され予熱済軽質炭化水素となった後、配管２２０を経由して配管２４６に供給される。また、補助燃料としての軽質炭化水素は、原料供給源１２から配管１４、１６を経由し、残存ガスと共に触媒燃焼室９０に可燃ガスとして供給される。触媒燃焼室９０に供給された可燃ガスは、触媒燃焼室９０に充填されている酸化触媒と接触して燃焼する。この燃焼により発生した燃焼ガスは、配管９４、配管２５０を順に経由して、空気供給室８０の残存空気と共に複合予熱器２０に供給される。複合予熱器２０に供給された燃焼ガスは、空気加熱部２２、水蒸気加熱部２４、原料加熱部２６の熱源として利用された後、配管２４０を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。

水蒸気発生装置１５０で発生した水蒸気は、配管１５２を流通し、その一部が水蒸気加熱部２４に供給される。水蒸気加熱部２４に供給された水蒸気は、水蒸気加熱部２４で加熱され、予熱済水蒸気となって配管２３０に流される。配管２３０に流された予熱済水蒸気は、透過水素受容室１２０に水素用のスイープスチームとして供給される。また、配管１５２を流通した水蒸気の他の一部は、分岐１５１から配管７４を流通し、酸素用のスイープスチームとして透過酸素受容室７２に供給される。

空気供給室８０に供給された空気及び酸素透過膜８２は、触媒燃焼室９０で生じた燃焼熱により所定の温度となる。そして、空気中の酸素は、酸素透過膜８２を透過して透過酸素受容室７２に移動する。透過酸素受容室７２に移動した酸素は配管７４から供給された水蒸気と混合されて含酸素流体となって、配管７６から流出する。配管７６に流出した含酸素流体は配管２４６を流通し、熱交換装置２４８で配管１５２を流通する水蒸気と熱交換され所定の温度となる。その後、配管２２０から供給される予熱済軽質炭化水素と混合され混合流体となって、触媒反応室１３０に供給される。一方、空気供給室８０に供給された空気の内、窒素及び酸素透過膜８２を透過しなかった酸素等を含む残存空気は、配管８４から流出する。配管８４に流出した残存空気は配管２４２、２５０を順に経由し、燃焼ガスと共に複合予熱器２０に供給される。この間、残存空気は配管２４２に設けられた第一のガスタービン２４４を駆動して発電する。

触媒反応室１３０に供給された混合流体は、リフォーミング触媒と接触しながら、所定の温度に調節された触媒反応室１３０内を流通する。この間、予熱済軽質炭化水素は、酸素及び水蒸気の存在下で、例えば、下記（１）〜（６）式の反応により水素を生成する。

ＣＨ_４⇒Ｃ＋２Ｈ_２ ・・・（１）
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ_２ ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ_２⇒ＣＯ ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ⇒Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（４）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ⇔３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］

触媒反応室１３０で生成した水素は、水素透過膜１１２を透過して透過水素受容室１２０に移動する。透過水素受容室１２０に移動した水素は、配管２３０を経由して透過水素受容室１２０に供給された予熱済水蒸気と混合され、配管１２２から含水素流体として流出する。そして、含水素流体は配管１２２、１２４を順に経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。一方、水素透過膜１１２を透過できない未反応の軽質炭化水素、二酸化炭素、水等、及び、水素透過膜１１２を透過しなかった水素を含む残存ガスは、配管１３２から流出する。

配管１３２に流出した残存ガスは、配管１３２を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。この間、残存ガスは、配管１３２に設けられた第二のガスタービン１３４を駆動して発電する。

水蒸気発生装置１５０に供給された残存ガスは、水蒸気発生装置１５０内で水と熱交換した後、配管１５４から流出する。水蒸気発生装置１５０に供給された含水素流体は、水蒸気発生装置１５０内で水と熱交換した後、配管１５８から流出する。配管２４０を経由して水蒸気発生装置１５０に供給された燃焼ガスは、水蒸気発生装置１５０内で水と熱交換した後、配管１５６から流出する。この間、水蒸気発生装置１５０内の水は水蒸気となって、配管１５２から流出する。水蒸気発生装置１５０で発生した水蒸気の内、余剰の水蒸気は配管１５２、１４０を経由してスチームタービン１４２を駆動して発電する。

配管１５４から流出した残存ガスは、熱交換装置１５５で例えば常温まで冷却された後、気液分離装置１９０で軽質炭化水素を含むガス成分と水とに分離される。分離された残存ガスのガス成分は配管１９２を経由して配管１６に至り、酸素生成装置７０に供給される。一方、分離された水は、配管１９４を経由して軟水化装置６０に供給され軟化処理される。ここで、残存ガスから分離したガス成分で、酸素生成装置７０に必要な熱量が賄える場合には、原料供給源１２からの軽質炭化水素の供給を停止できる。

配管１５６から流出した燃焼ガスは、熱交換装置１８０を経由して配管１８４により図示されない排気口へ送られる。この間、熱交換装置１８０では、配管６６から供給された水と熱交換がなされる。そして、水は任意の温度（例えば、６０〜７０℃）の温水となって、配管１８２、１６２を順に経由して温水貯槽１６４に貯水される。配管１５８から流出した含水素流体は、熱交換装置１６０で配管６８から供給された水と熱交換がなされ、所定の温度に冷却された後、配管１６６により気液分離装置１７０に供給される。熱交換された水は、任意の温度（例えば、６０〜７０℃）の温水となって、配管１６２を経由して温水貯槽１６４に至る。気液分離装置１７０に供給された含水素流体は、水とガス成分である水素とに分離される。分離された水素は、配管１７２によりアノード３３０に供給される。一方、分離された水は、配管１７４により軟水化装置６０に供給され軟化処理される。

カソード３２０に空気が供給され、アノード３３０に水素が供給されると、カソード３２０では下記（７）式のような化学反応が生じ、アノード３３０では下記（８）式のような化学反応が生じて発電が行われる。

（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻⇒Ｈ_２Ｏ ・・・（７）
Ｈ_２⇒２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（８）

そして、アノードオフガスリサイクルブロワ３３６が起動され、アノード３３０内の未反応の水素は、アノードオフガスリサイクルライン３３４、配管１７２を順に経由してアノード３３０に供給される。カソード３２０で生成した水は、カソード３２０内の未反応の空気と共にカソードオフガスライン３２４から排出される。

軽質炭化水素とは、天然ガス、油田随伴ガス、ＬＰＧ等を指し、炭素数１〜５の炭化水素を示す。

複合予熱器２０の出口における予熱済軽質炭化水素の温度は、水素生成装置１００に用いるリフォーミング触媒の種類や、水素透過膜１１２の種類に応じて決定することができ、３００〜５００℃とすることが好ましく、３５０〜４５０℃とすることがより好ましい。
複合予熱器２０の出口における予熱済水蒸気の温度は、水素生成装置１００に用いるリフォーミング触媒の種類や、水素透過膜１１２の種類に応じて決定することができ、４５０〜６５０℃とすることが好ましく、５００〜６００℃とすることがより好ましい。
複合予熱器２０の出口における予熱済空気の温度は、酸素透過膜８２の種類に応じて決定することができ、６００〜８００℃とすることが好ましく、６５０〜７５０℃とすることがより好ましい。

透過酸素受容室７２に供給する水蒸気の量は、触媒反応室１３０に供給する混合流体における水蒸気の混合比、空気供給室８０に供給される空気の量、酸素透過膜８２の種類等を勘案して決定することができる。空気供給室８０に供給する空気の量は、酸素透過膜８２の種類、混合流体における酸素の混合比を勘案して決定することが好ましい。また、例えば、（空気供給室の出口の残存空気の酸素分圧）／（透過酸素受容室の出口の含酸素流体の酸素分圧）とで表される酸素分圧比が、１．０〜１．１になるように調節することが好ましい。上記範囲内であれば、空気供給室８０中の空気から酸素が酸素透過膜８２を円滑に透過することができ、酸素の生成効率が向上する。
配管２２０から配管２４６に供給する予熱済軽質炭化水素の量は、燃料電池３００の発電容量及び原料転換率を勘案して決定することができる。

混合流体における軽質炭化水素、水蒸気、空気の混合比は、触媒反応室１３０に充填したリフォーミング触媒の種類に応じて決定することができる。例えば、混合流体中の水蒸気の混合比は、水蒸気のモル数／軽質炭化水素の炭素のモル数で表されるＳ／Ｃ比を１．０〜２．０とすることが好ましい。また、混合流体中の空気の混合比は、軽質炭化水素の炭素数を勘案して決定することができ、混合流体中の酸素のモル比／軽質炭化水素の炭素のモル比で表されるＯ／Ｃ比を０．２〜０．５とすることが好ましい。

透過酸素受容室７２に供給する水蒸気の圧力は、下流側の触媒反応室（触媒反応室１３０）内の圧力や空気供給室８０内の圧力、前記酸素分圧比を勘案して決定することができ、例えば、２５０〜３５０ｋＰａ又は７５０〜８５０ｋＰａの範囲で決定することができる。２５０〜３５０ｋＰａであれば、温水生産効率を重視した燃料電池システム１０の運転を行うことができ、７５０〜８５０ｋＰａであれば、送電端効率を重視した燃料電池システム１０の運転が行えるためである。加えて、上記範囲内であれば、透過酸素受容室７２の酸素を透過酸素受容室７２から効率的に押し出して、前記酸素分圧比を適切に保ち、空気供給室８０から透過酸素受容室７２への酸素の移動を円滑にし、酸素の生成効率が向上する。

触媒反応室１３０に供給する混合流体の圧力は、水素透過膜１１２の種類、リフォーミング触媒の種類、水素生成装置１００の規模、燃料電池３００の能力等を勘案して決定することが好ましい。例えば、触媒反応室１３０の出口における残存ガスの圧力が２５３．３〜３５３．３ｋＰａのいわゆる低圧条件となるように触媒反応室１３０に供給する混合流体の圧力を調節してもよいし、触媒反応室１３０の出口における残存ガスの圧力が７４４．３〜８４４．３ｋＰａのいわゆる中圧条件となるように触媒反応室１３０に供給する混合流体の圧力を調節してもよい。前記低圧条件とすると燃料電池システム１０は温水生産効率が向上し、前記中圧条件とすると燃料電池システム１０は送電端効率が向上する。

透過水素受容室１２０に供給する予熱済水蒸気の供給量は、触媒反応室１３０に供給される混合流体の供給量を勘案して決定することができる。例えば、（触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧）／（透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧）とで表される水素分圧比が、１．０〜１．１になるように調節することが好ましい。上記範囲内であれば、触媒反応室１３０で生成した水素が水素透過膜１１２を円滑に透過することができ、水素の生成効率が向上する。

透過水素受容室１２０に供給する予熱済水蒸気の圧力は、水素透過膜１１２の種類や触媒反応室１３０内の圧力、前記水素分圧比を勘案して決定することができ、例えば、１１０〜２００ｋＰａの範囲で決定することが好ましい。上記範囲内であれば、透過水素受容室１２０の水素を透過水素受容室１２０から効率的に押し出して、透過水素受容室１２０内の水素分圧を適切に保つことができる。そして、触媒反応室１３０で生成した水素は水素透過膜１１２を円滑に透過することができる。

触媒反応室１３０の温度はリフォーミング触媒の種類に応じて決定することができ、例えば、５００〜８００℃とすることが好ましく、６００〜７００℃とすることがより好ましい。上記範囲内であれば、軽質炭化水素から水素を効率的に生成することができるためである。

触媒燃焼室９０で発生した燃焼ガスの出口温度は、複合予熱器２０の熱負荷や、軽質炭化水素、水蒸気、空気の供給量等を勘案して決定することができ、例えば、９００〜１３００℃とすることが好ましい。

水蒸気発生装置１５０で発生させる水蒸気の温度は特に限定されないが、例えば、１４０〜２００℃の範囲で調節することが好ましい。

熱交換装置１６０における冷却後の含水素流体の温度は、燃料電池３００の種類に応じて決定することができる。例えば、燃料電池３００としてＰＥＦＣを用いる場合には、含水素流体を７０〜８０℃に冷却することが好ましい。また、例えば、燃料電池３００としてＰＡＦＣを用いる場合には、含水素流体を１８０〜２１０℃に冷却することが好ましい。

上述のとおり、酸素透過膜を用いた酸素生成装置を用いることで、高純度の酸素を安価に得られ、得られた酸素を触媒反応室に供給することで軽質炭化水素のリフォーミング反応の促進が図れる。加えて、水素透過膜を用いた水素生成装置を用いることで、シフト反応、脱炭酸処理等の新たな工程を設けることなく、高純度の水素を得ることができる。

本実施形態の燃料電池システムは、透過水素受容室にスイープスチームを供給し、透過水素受容室に透過した水素を強制的に押し出すことで、触媒反応室から透過水素受容室への水素の透過速度の向上が図れる。加えて、酸素用のスイープスチームとして用いた水蒸気を軽質炭化水素のリフォーミング反応に用いるため、水蒸気を有効に利用でき、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上が図れる。さらに、透過水素受容室に供給するスイープスチームとして予熱済水蒸気を用いることで、水素生成装置の温度を安定させ、効率的に水素を発生させることができる。

本実施形態の燃料電池システムは、透過水素受容室水素生成装置で分離された残存ガスを可燃ガスとして触媒燃焼室に供給するため、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上が図れる。さらに、残存ガスと含水素流体とを用いて水蒸気を発生させるため熱エネルギーの有効利用ができ、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上が図れる。透過水素受容室に不活性粒子を充填することで、水素透過膜を透過してくる水素と透過水素受容室を流通する水蒸気とを整流し、触媒反応室内の水素分圧／透過水素受容室内の水素分圧で表される水素分圧比を適正に保つことができる。この結果、水素の生成効率を向上できる。

（第二の実施形態）
本発明の第一の実施形態の燃料電池システムについて、図２〜４を用いて説明する。図４は、燃料電池システム４００の模式図である。

図４に示すとおり、燃料電池システム４００は、複合予熱器２０と酸素生成装置７０と水素生成装置４１０と水蒸気発生装置１５０と燃料電池３００と減圧部４５４とを有している。
原料供給源１２は、配管１４により複合予熱器２０と接続されている。配管１４には配管１６が接続され、配管１６は酸素生成装置７０の触媒燃焼室９０と接続されている。触媒燃焼室９０には配管９４が接続され、配管９４は配管２５０と接続されている。

空気供給源３０には配管３２が接続され、配管３２は第二空気ブロワ４２を介して、分岐４５で配管４４と配管４６とに接続されている。配管４４は触媒燃焼室９０と接続され、配管４６は燃料電池３００のカソード３２０と接続されている。配管３２には配管３４が接続され、配管３４は第一空気ブロワ３６を介して複合予熱器２０と接続されている。

複合予熱器２０には、配管１５２と、配管２１０と、配管２２０と、配管２４０と、配管２５０と、配管４３０とが接続されている。配管１５２は、熱交換装置２４８を介して水蒸気発生装置１５０と接続されている。

配管２１０は、酸素生成装置７０の空気供給室８０と接続されている。空気供給室８０には配管８４が接続され、配管８４は配管２４２と接続され、配管２４２は配管２５０と接続されている。配管２４２には第一のガスタービン２４４が設けられ、第一のガスタービン２４４は、図示されない発電機と接続されている。

配管２２０は、熱交換装置２４８と水素生成装置４００との間で、配管２４６に接続されている。

配管２４０は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管２５０は、配管９４及び配管２４２と接続されている。

配管４３０は、複合予熱器２０で加熱した水蒸気を流通させる流路である。配管４３０は、透過酸素受容室７２と接続されている。透過酸素受容室７２には配管７６が接続され、配管７６は分岐２４７で配管２４６と接続されている。配管２４６は熱交換装置２４８を介して水素生成装置４００の触媒反応室４１４と接続されている。

透過水素受容室４１２には配管１２２が接続され、配管１２２は配管１２４と接続されている。配管１２４は水蒸気発生装置１５０と接続されている。触媒反応室４１４には、配管１３２が接続され、配管１３２は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１３２には第二のガスタービン１３４が設けられ、第二のガスタービン１３４は図示されない発電機と接続されている。

水蒸気発生装置１５０には、配管１５２と配管１５４と配管１５６と配管４５０とが接続されている。配管１５２は分岐１５３で配管１４０に接続され、配管１４０は軟水化装置６０と接続されている。配管１４０にはスチームタービン１４２が設けられ、スチームタービン１４２は図示されない発電機と接続されている。

配管１５４は熱交換装置１５５を介して気液分離装置１９０と接続されている。気液分離装置１９０には配管１９２と配管１９４が接続されている。配管１９２は配管１６と接続され、配管１９４は軟水化装置６０と接続されている。配管４５０は、熱交換装置４５２及び減圧部４５４を介して気液分離装置１７０と接続されている。気液分離装置１７０には、配管１７２と配管１７４とが接続されている。配管１７２は燃料電池３００のアノード３３０と接続され、配管１７４は軟水化装置６０と接続されている。配管１５６は熱交換装置１８０と接続されている。熱交換装置１８０には、配管１８２と配管１８４と配管４６２とが接続されている。配管１８２は、分岐４８２で配管４８４と配管４８６とに接続されている。配管４８４は温水貯槽１６４と接続され、配管４８６は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１８４は図示されない排気口と接続されている。配管４６２は、軟水化装置６０と接続されている。また、配管４６２は、分岐４６３で配管６４と接続されている。軟水化装置６０は、配管５２により、水源５０と接続されている。

配管６４は燃料電池３００の冷却部３０２と接続されている。冷却部３０２は配管３２２と接続され、配管３２２は配管４８４と接続されている。カソード３２０には未反応の空気を排出するカソードオフガスライン３２４が接続されている。アノード３３０には、未反応の水素を再度アノード３３０に供給するためのアノードオフガスリサイクルライン３３４が接続され、アノードオフガスリサイクルライン３３４は配管１７２と接続されている。アノードオフガスリサイクルライン３３４には、アノードオフガスリサイクルブロワ３３６が設けられている。

「水蒸気供給手段」は、配管７６、１５２、２４６、４３０と、複合予熱器２０と、酸素生成装置７０と、熱交換装置２４８とで構成されている。「前記触媒反応室に軽質炭化水素を供給する手段」は、配管１４、２２０、２４６と、複合予熱器２０とで構成されている。「前記酸素生成装置で生成した酸素を前記触媒反応室に供給する手段」は、配管７６、２４６と、熱交換装置２４８とで構成されている。「水素供給手段」は、配管１２２、１２４、１７２、４５０と、水蒸気発生装置１５０と、熱交換装置４５２と、減圧部４５４と、気液分離装置１７０とで構成されている。「前記透過酸素受容室に水蒸気を流通させる手段」は、配管１５２、４３０と、複合予熱器２０とで構成されている。「前記残存ガスを前記触媒燃焼室に供給する手段」は、配管１６、１３２、１５４、１９２と、第二のガスタービン１３４と、水蒸気発生装置１５０と、熱交換装置１５５と、気液分離装置１９０とで構成されている。

水素生成装置４１０は、第一の実施形態における水素生成装置１００と同様に、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられる。例えば、水素生成装置４１０は、水素透過膜１１２により仕切られ、触媒反応室４１４と、触媒反応室４１４を挟持する透過水素受容室４１２とが形成されている。触媒反応室４１４には、リフォーミング触媒が充填されている。透過水素受容室４１２には、不活性粒子が充填されている。透過水素受容室４１２に充填されている不活性粒子は、第一の実施形態における透過水素受容室１２０に充填されている不活性粒子と同じである。

触媒反応室４１４に充填されているリフォーミング触媒は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素から水素を生成するものである。このようなリフォーミング触媒は、公知の触媒を使用することができ、例えば、上記（１）〜（６）式の反応が生起されるＮｉ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｒｈ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｐｔ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｆｅ／ＳｉＯ_２等のニッケル系触媒等が好適に用いられる。このようなリフォーミング触媒を用いることで、５００〜７００℃という比較的低い温度条件で、軽質炭化水素から水素を生成することができるためである。

減圧部４５４は、透過水素受容室４１２内を減圧し、水素流体を吸引できるものであれば特に限定されず、例えばＩＤＦ（Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｒａｆｔ Ｆａｎ：吸引ファン）等を挙げることができる。加えて、減圧部４５４は、１台のＩＤＦ等で構成してもよいし、２台以上のＩＤＦ等を直列に配置して構成してもよい。

燃料電池システム４００の運転動作について説明する。
水源５０の水は、配管５２を経由して軟水化装置６０に供給され軟化処理される。軟化処理された水の一部は、配管４６２を経由して、熱交換装置１８０に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管４６２、６４を順に経由して燃料電池３００の冷却部３０２に供給される。冷却部３０２に供給された水は、燃料電池３００を冷却しながら流通し、温水となって配管３２２から流出する。配管３２２に流出した温水は、配管４８４を経由して温水貯槽１６４に貯水される。

第一空気ブロワ３６、第二空気ブロワ４２、減圧部４５４を起動する。空気は配管３２、４４を順に経由して、触媒燃焼室９０に供給される。補助燃料である軽質炭化水素は、配管１４、１６を順に経由し、残存ガスと共に触媒燃焼室９０に可燃ガスとして供給される。そして、触媒燃焼室９０に供給された可燃ガスは、触媒燃焼室９０に充填されている酸化触媒と接触して燃焼する。この燃焼により発生した燃焼ガスは、配管９４、配管２５０を順に経由し、空気供給室８０の残存空気と共に複合予熱器２０に供給される。複合予熱器２０に供給された燃焼ガスは、熱源として利用された後、配管２４０を流通し、水蒸気発生装置１５０に供給される。

空気加熱部２２で加熱された予熱済空気は、配管２１０を流通し、空気供給室８０に供給される。空気供給室８０に供給された空気及び酸素透過膜８２は、触媒燃焼室９０で生じた燃焼熱により所定の温度となる。そして、空気中の酸素は、酸素透過膜８２を透過して透過酸素受容室７２に移動する。透過酸素受容室７２に移動した酸素は配管４３０から供給された水蒸気と混合されて含酸素流体となって、配管７６から流出する。配管７６に流出した含酸素流体は配管２４６を流通し、熱交換装置２４８で配管１５２を流通する水蒸気と熱交換され所定の温度となる。その後、配管２２０から供給される予熱済軽質炭化水素と混合され混合流体となって、触媒反応室４１４に供給される。一方、空気供給室８０に供給された空気の内、窒素及び酸素透過膜８２を透過しなかった酸素等を含む残存空気は、配管８４から流出する。配管８４に流出した残存空気は配管２４２、２５０を順に経由し、燃焼ガスと共に複合予熱器２０に供給される。この間、残存空気は配管２４２に設けられた第一のガスタービン２４４を駆動して発電する。

原料加熱部２６で加熱された予熱済軽質炭化水素は、配管２２０を経由して、配管２４６で含水素流体と混合され混合流体となり、触媒反応室４１４に供給される。触媒反応室４１４に供給された混合流体は、リフォーミング触媒と接触しながら、所定の温度に調節された触媒反応室４１４内を流通する。この間、予熱済軽質炭化水素から、例えば上記（１）〜（６）式の反応により水素が生成される。

触媒反応室４１４で生成した水素は、水素透過膜１１２を透過して透過水素受容室４１２に移動する。透過水素受容室４１２に移動した水素は、減圧部４５４により吸引され、配管１２２、１２４を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。一方、水素透過膜１１２を透過できない未反応の軽質炭化水素、二酸化炭素、水等、及び、水素透過膜１１２を透過しなかった水素を含む残存ガスは、配管１３２を経由して水蒸気発生装置１５０に供給され、水蒸気発生装置１５０の熱源として利用された後、配管１５４から流出する。

水蒸気発生装置１５０に供給された水素は、水蒸気発生装置１５０の熱源として利用された後、配管４５０に流出する。配管４５０から流出した水素は、熱交換装置４５２で所定の温度まで冷却された後、減圧部４５４を経由して気液分離装置１７０に供給される。気液分離装置１７０に供給された水素は、除湿されてアノード３３０に供給される。そして、配管４６からカソード３２０に供給された空気と、配管１７２からアノード３３０に供給された水素を利用して、燃料電池３００で発電が行われる。

水蒸気発生装置１５０に供給された燃焼ガスは、水蒸気発生装置の１５０の熱源として利用された後、配管１５６から流出する。配管１５６から流出した燃焼ガスは、熱交換装置１８０を経由して配管１８４により図示されない排気口へ送られる。この間、熱交換装置１８０では、配管４６２から供給された水と熱交換がなされる。そして、水は任意の温度（例えば、６０〜７０℃）の温水となって、配管１８２、４８４を順に経由して温水貯槽１６４に貯水される。あるいは、配管１８２、配管４８６を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。

熱交換装置４５２における冷却後の含水素流体の温度は、燃料電池３００の種類に応じて決定することができる。例えば、燃料電池３００としてＰＥＦＣを用いる場合には、含水素流体を７０〜８０℃に冷却することが好ましい。また、例えば、燃料電池３００としてＰＡＦＣを用いる場合には、含水素流体を１８０〜２１０℃に冷却することが好ましい。

減圧部４５４による透過水素受容室４１２の減圧の程度は、（触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧）／（透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧）とで表される水素分圧比が、１．０〜１．１となるように調節することが好ましい。上記範囲内であれば、触媒反応室４１４で生成した水素が水素透過膜１１２を円滑に透過することができ、水素の生成効率が向上する。減圧部４５４の二次側の吐出圧力は、燃料電池３００の運転条件に応じて決定することが好ましい。

上述のように、本実施形態は減圧部により透過水素受容室の水素を吸引することで、（触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧）／（透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧）とで表される水素分圧比を適正に保つことができる。加えて、水素用のスイープスチームを発生するための熱エネルギーが不要となり、燃料電池システムの発電効率の向上が図れる。そして、水素用のスイープスチームが不要なため、水蒸気発生装置が小型化でき、燃料電池システムの小型化を図ることができる。さらに、酸素用のスイープスチームを複合予熱器で加熱した後に供給することで、酸素透過膜の温度を適正に保ち、酸素生成装置での酸素生成効率の向上が図れる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
第一、第二の実施形態では、透過酸素受容室には不活性粒子が充填されているが、該不活性粒子は充填されていなくてもよい。ただし、透過酸素受容室内での酸素及び水蒸気を整流し、酸素の生成効率の向上を図る観点からは、不活性粒子を透過酸素受容室に充填することが好ましい。

第一、第二の実施形態では、空気供給室には不活性粒子が充填されているが、該不活性粒子は充填されていなくてもよい。ただし、触媒燃焼室で発生した燃焼熱を効率的に空気供給室に伝え、酸素の生成効率の向上を図る観点からは、不活性粒子を空気供給室に充填することが好ましい。

第一、第二の実施形態では、透過水素受容室には不活性粒子が充填されているが、該不活性粒子は充填されていなくてもよい。ただし、透過水素受容室内での水素及び水蒸気を整流し、水素の生成効率の向上を図る観点からは、不活性粒子を透過水素受容室に充填することが好ましい。

第一、第二の実施形態では、空気供給室及び水素生成装置の二次側に、第一及び第二のガスタービンが設けられているが、該ガスタービンが設けられていなくてもよいし、どちらか一方のガスタービンのみが設けられていてもよい。
第一、第二の実施形態では、スチームタービンが設けられているが、スチームタービンは設けられていなくてもよい。

第一、第二の実施形態は、水素生成装置で生成した含水素流体、残存ガス及び触媒燃焼装置で発生し複合予熱器を経由した燃焼ガスを熱源として水蒸気を発生しているが、水蒸気発生装置に用いる熱源は前述の含水素流体、残存ガス、燃焼ガスのいずれかのみであってもよい。

第一、第二の実施形態では、原料予熱装置と酸素予熱装置と水蒸気予熱装置とが一体化した複合予熱器を有しているが、原料予熱装置と酸素予熱装置と水蒸気予熱装置とは個別に設けられていてもよい。

第一の実施形態では、減圧部が設けられていないが、第一の実施形態にさらに減圧部が設けられていてもよい。またあるいは、第二の実施形態において、透過水素受容室にスイープスチームとして水蒸気を供給してもよい。

第二の実施形態では、一箇所に減圧部が設けられているが、二箇所以上に減圧部が設けられていてもよい。加えて、減圧部は、水素供給手段のいずれの位置に設けられていてもよい。例えば、減圧部は、気液分離装置１７０の出口ラインである配管１７２（図４）に設けられていてもよい。

以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明するが、実施例に限定されるものではない。

（製造例１）酸素透過膜１の製造
ペロブスカイトＬａ_０．２Ｓｒ_０．８Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３を酸素透過膜１として製作した。酸素透過膜１は、ランタン、ストロンチウム、コバルト及び鉄を各金属のモル比に応じて秤量し、１時間乾式混合し原料粉末とした。得られた原料粉末を電気炉で大気雰囲気下、温度１０００℃で６時間仮焼した。得られた生成物を粉砕した後、この粉末を金型にて所定の形状に成形し成形体を得た。得られた成形体を真空乾燥した後、圧力２．７ｔ／ｃｍ^２（２６５ＭＰａ）で１５分間、等方静水圧プレスを施した。その後、大気雰囲気下において、温度１３００℃で６時間焼成することで、酸素透過膜１を得た。

（製造例２）リフォーミング触媒１の製造
前述の非特許文献２の記載に従い、リフォーミング触媒１の全体質量の１０質量％となるように、ＮｉをＳｉＯ_２に担持したＮｉ／ＳｉＯ_２を製造した。Ｎｉの供給源には硝酸ニッケルを用い、単体にはアエロジル社のＳｉＯ_２（表面積：３８０ｍ^２／ｇ）を用い、公知の含浸法により調製した。ＳｉＯ_２に硝酸ニッケル水溶液を含浸させ乾燥させた後、３００℃で４時間焼結し、さらに４００℃で５時間加熱して、リフォーミング触媒１を得た。

（実施例１）
図１に示す燃料電池システム１０と同一の構成からなる、燃料電池システムＡを製作し発電試験を行った。
燃料電池としてＰＥＦＣの燃料電池スタックを採用し、試験設備の容量は、発電端出力（直流）で１．２２３ｋＷ、送電端出力（交流）として１ｋＷ級とした。酸素生成装置は図２に示す酸素生成装置７０と同様の構造を有するプレートタイプとした。酸素透過膜には製造例１で得られた酸素透過膜１を用い、その透過面積は０．２１７ｍ^２とした。触媒燃焼室には、酸化触媒としてパラジウム触媒（炭化水素酸化触媒、ズードケミー触媒株式会社製）を５．４Ｌ充填した。空気供給室には不活性粒子（アルミナ、質量平均粒子径：５ｍｍφ、株式会社チップトン製）を８．６４Ｌ充填した。透過酸素受容室には不活性粒子を６．４８Ｌ充填した。

水素生成装置は図３に示す水素生成装置１００と同様の構造を有するプレートタイプとした。水素生成装置の水素透過膜は、市販のＰｄ−Ａｇ膜（田中貴金属工業株式会社製）を用い、その透過面積は０．１７６ｍ^２、水素透過フラックスは、０．１７３ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２とした。触媒反応室には、製造例２で得られたリフォーミング触媒１を３．５２Ｌ充填した。透過水素受容室には、不活性粒子を５．２８Ｌ充填した。水蒸気発生装置には、複合ボイラを用いた。「水素透過フラックス」とは、透過膜単位面積（ｍ^２）における１時間当たりの透過水素流量（ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ）である（以降において同じ）。

原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガスを複合予熱器で４００℃に加熱後、触媒反応室の入口圧力を３０５．３ｋＰａとし、０．２９８Ｎｍ^３／ｈで触媒反応室に供給した。空気を複合予熱器で７００℃に加熱後、４．４８２Ｎｍ^３／ｈで予熱済空気を空気供給室に供給した。酸素透過フラックスは０．５１Ｎｍ^３／ｈ−Ｏ_２／ｍ^２であった。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１４４℃、圧力３９５．５ｋＰａ）の内、０．４４８Ｎｍ^３／ｈを酸素用のスイープスチームとして透過酸素受容室に供給した。また、水蒸気発生装置で発生した水蒸気の内、１．４７０Ｎｍ^３／ｈを複合予熱器で５４０℃に加熱後、水素用のスイープスチームとして透過水素受容室に供給した。
また、触媒燃焼室に供給された補助燃料としての天然ガス流量は０．０２６Ｎｍ^３／ｈであり、酸化触媒の燃焼ガス基準ＳＶは、２１２０（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔであり、空気供給室への伝熱フラックスは２９５１ｋＪ／ｍ^２／ｈ（７０５ｋｃａｌ／ｍ^２／ｈ）であった。
その他のプロセス条件は表１に示す値とした。なお、「Ｎｍ^３」とは、「ｍ^３（標準状態）」を表す（以降において同じ）。「酸素透過フラックス」とは、透過膜単位面積（ｍ^２）における１時間当たりの透過酸素流量（Ｎｍ^３／ｈ−Ｏ_２）である（以降において同じ）。「燃焼ガス基準ＳＶ」とは、酸化触媒の単位体積（ｍ^３−Ｃａｔ）当たりにおける、１時間当たりの燃焼ガス発生量（ｍ^３／ｈ）であり、単位（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔで表される値である（以降において同じ）。「電熱フラックス」とは、１時間（ｈ）当たりにおける、単位面積（ｍ^２）当たりの伝熱量（ｋＪ）であり、ｋＪ／ｍ^２／ｈで表される。

水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は０．７５６Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．６８２Ｎｍ^３／ｈであり、リフォーミング触媒１の生成水素基準Ｗ／Ｆの値は、２６．１ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。「Ｗ／Ｆ」とは、１時間当たりの水素生成量（ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２）当たりの触媒量（ｋｇ−Ｃａｔ）であり、ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２で表される（以降において同じ）。

上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、７２．６％に相当するものであった。また、下記（９）式で定義される冷ガス効率は７０．８％であった。なお、下記（９）式においてＬＨＶ（ｋＪ／Ｎｍ^３）は低位発熱量を示す。

冷ガス効率＝（生成Ｈ_２＋ＣＯ（Ｎｍ^３／ｈ）のＬＨＶ）／（供給天然ガス（Ｎｍ^３／ｈ）のＬＨＶ）×１００ ・・・（９）

こうして、燃料電池システムＡの運転を行い、燃料電池システムＡの発電効率を測定し、その結果を表１に示す。なお、表１中、「付属機器消費動力」は、第一空気ブロワ及び第二空気ブロワの消費動力の合計値を「空気ブロア」として記載した（実施例２において同じ）。

（実施例２）
下記運転条件とした他は、実施例１と同様にして燃料電池システムＡによる発電試験を行った。

原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガスを複合予熱器で４００℃に加熱後、触媒反応室の入口圧力を７９６．３ｋＰａとし、０．３１１Ｎｍ^３／ｈで触媒反応室に供給した。空気を複合予熱器で７００℃に加熱後、４．６７４Ｎｍ^３／ｈで予熱済酸素を水素生成装置の触媒反応室に供給した。この際、酸素透過フラックスは０．５３Ｎｍ^３／ｈ−Ｏ_２／ｍ^２であった。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１７０．６℃、圧力８０３．３ｋＰａ）の内、０．４６７Ｎｍ^３／ｈを酸素用のスイープスチームとして透過酸素受容室に供給した。また、水蒸気発生装置で発生した水蒸気の内、０．２０８Ｎｍ^３／ｈを複合予熱器で５４０℃に加熱後、水素用のスイープスチームとして透過水素受容室に供給した。
また、触媒燃焼室に供給された補助燃料としての天然ガス流量は０．０１９Ｎｍ^３／ｈであり、酸化触媒の燃焼ガス基準ＳＶは、２２１１（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔであり、空気供給室への伝熱フラックスは２５７４ｋＪ／ｍ^２／ｈ（６１５ｋｃａｌ／ｍ^２／ｈ）であった。その他のプロセス条件は表１に示す値とした。

水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は０．７５５Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．６８２Ｎｍ^３／ｈであった。水素生成装置におけるリフォーミング触媒１のＷ／Ｆの値は、２６．２ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。

上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、７０．３％に相当するものであった。また、前記（９）式で定義される冷ガス効率は６８．２％であった。こうして、燃料電池システムＡの運転を行い、燃料電池システムＡの発電効率を測定し、その結果を表１に示す。

（実施例３）
図４に示す燃料電池システム４００と同一の構成からなる、燃料電池システムＢを製作し発電試験を行った。減圧部には、２台のターボＩＤＦ（以下、単にＩＤＦという）を直列に設置した。２台のＩＤＦの内、上流側を第一のＩＤＦ、下流側を第二のＩＤＦとした。燃料電池、酸素生成装置、水素生成装置、水蒸気発生装置はいずれも実施例１と同じ仕様とした。

原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガスを複合予熱器で４００℃に加熱後、触媒反応室の入口圧力を２６４．３ｋＰａとし、０．２９６Ｎｍ^３／ｈで触媒反応室に供給した。空気を複合予熱器で７００℃に加熱後、４．４５４Ｎｍ^３／ｈで予熱済空気を空気供給室に供給した。酸素透過フラックスは０．５１Ｎｍ^３／ｈ−Ｏ_２／ｍ^２であった。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１４４℃、圧力３９５．５ｋＰａ）の内、０．４４５Ｎｍ^３／ｈを複合ボイラーで４２６℃に加熱後、酸素用のスイープスチームとして透過酸素受容室に供給した。
また、補助燃料としての触媒燃焼室への天然ガスの供給は行わなかった。酸化触媒の燃焼ガス基準ＳＶは、１６０１（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔであり、空気供給室への伝熱フラックスは２１８５ｋＪ／ｍ^２／ｈ（５２２ｋｃａｌ／ｍ^２／ｈ）であった。その他のプロセス条件は表２に示す値とし、第一のＩＤＦ及び第二のＩＤＦを起動し、水素生成装置の透過水素受容室を減圧しながら燃料電池システムＣの運転を行った。なお、（９）式で定義される冷ガス効率は、６８．２％であった。

水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は０．７５６Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．６８２Ｎｍ^３／ｈであった。上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、７２．９％に相当するものであった。

こうして、燃料電池システムＢの運転を行い、燃料電池システムＢの発電効率を測定し、その結果を表２に示す。なお、表２中、「付属機器消費動力」の内、第一空気ブロワ及び第二空気ブロワの消費動力は、合計値を「空気ブロア」として記載した。また、第一のＩＤＦ及び第二のＩＤＦの消費動力は、合計値を「ＩＤＦ」として記載した。

表１の実施例１の結果に示すように、燃料電池システムＡに投入されたエネルギーは、原料天然ガス＋補助燃料天然ガスであり、その熱量は３．６９６ｋＷであった。燃料電池システムＡのＰＥＦＣ燃料電池スタックからの発電端出力（直流）は１．２２３ｋＷであり、インバーター（直流→交流変換器）ロスは０．１２２ｋＷであった。また、燃料電池システムＡを構成する空気ブロワ等の付属機器の消費動力は０．２８７ｋＷ、回収動力（ガスタービン）は０．２９９ｋＷであった。以上のバランスにより、燃料電池システムＡの送電端出力（交流）として１．１１２ｋＷが得られ、燃料電池システムＡの送電端効率は３０．１％であった。ＰＥＦＣ燃料電池スタック、含水素流体及び残存ガスを冷却することにより生産された温水（６５℃）は３４．６１ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で１．６８３ｋＷに相当し、温水生産効率として４５．５％であった。従って、総合熱効率（送電端効率＋温水生産率）の値として７５．６％が得られた。

表１の実施例２の結果に示すように、燃料電池システムＡに投入されたエネルギーは、原料天然ガス＋補助燃料天然ガスであり、その熱量は３．７５８ｋＷであった。燃料電池システムＡのＰＥＦＣ燃料電池スタックからの発電端出力（直流）は１．２２３ｋＷであり、インバーター（直流→交流変換器）ロスは０．１２２ｋＷであった。また、燃料電池システムＢを構成する空気ブロワ等の付属機器の消費動力は０．５３０ｋＷ、回収動力（ガスタービン及びスチームタービン）は０．６８３ｋＷであった。以上のバランスにより、燃料電池システムＡの送電端出力（交流）として１．２５３ｋＷが得られ、燃料電池システムＡの送電端効率は３３．３％であった。ＰＥＦＣ燃料電池スタック、含水素流体及び残存ガスを冷却することにより生産された温水（６５℃）は２２．５３ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で１．１０２ｋＷに相当し、温水生産効率として２９．３％であった。従って、総合熱効率（送電端効率＋温水生産率）の値として６２．６％が得られた。

表２の実施例３の結果に示すように、燃料電池システムＢに投入されたエネルギーは、原料天然ガスであり、その熱量は３．３７５ｋＷであった。燃料電池システムＢのＰＥＦＣ燃料電池スタックからの発電端出力（直流）は１．２２３ｋＷであり、インバーター（直流→交流変換器）ロスは０．１２２ｋＷであった。また、燃料電池システムＢを構成する空気ブロワ、ＩＤＦ等の付属機器の消費動力は０．３１９ｋＷ、回収動力（ガスタービン及びスチームタービン）は０．３８５ｋＷであった。以上のバランスにより、燃料電池システムＢの送電端出力（交流）として１．１６６ｋＷが得られ、燃料電池システムｂの送電端効率は３４．５％であった。ＰＥＦＣ燃料電池スタック、水素及び残存ガスを冷却することにより生産された温水（６５℃）は１９．７６ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で０．９５９ｋＷに相当し、温水生産効率として２８．４％であった。従って、総合熱効率（送電端効率＋温水生産率）の値として６２．９％が得られた。

上述のとおり、実施例１〜３はいずれも送電端効率が３０％を超えており、燃料電池システムＡ、Ｂはエネルギー効率の高いシステムであるといえる。加えて、実施例１に比べ実施例２の方が送電端効率が高いことから、触媒反応室に供給する混合流体の圧力を上げることで、送電端効率を上げられることが判った。さらに、実施例３は実施例１に比べて６５℃温水生産効率が低く、送電端効率が高いことから、減圧部により透過水素受容室を減圧することで、温水製造に利用されるエネルギーを低減し、送電端効率の向上が図れることが判った。即ち、燃料電池システムのエネルギーの需要パターン（送電端効率又は温水生産効率）に応じて、実施例１〜３の内、最適なシステムを適用できることが判った。

本発明の第一の実施形態にかかる燃料電池システムを示す模式図である。 本発明の燃料電池システムに用いる酸素生成装置の一例を示す断面図である。 本発明の燃料電池システムに用いる水素生成装置の一例を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態にかかる燃料電池システムを示す模式図である。

符号の説明

１０、４００ 燃料電池システム
１６、７４、７６、１２２、１２４、１３２、１５２、１５４、１５８、１６６、１７２、１９２、２２０、２３０、２４６、４３０、４５０ 配管
２０ 複合予熱器
２４ 水蒸気加熱部
７０ 酸素生成装置
７２ 透過酸素受容室
８０ 空気供給室
８２ 酸素透過膜
９０ 触媒燃焼室
１００、４１０ 水素生成装置
１１２ 水素透過膜
１２０、４１２ 透過水素受容室
１３０、４１４ 触媒反応室
１３４ 第二のガスタービン
１５０ 水蒸気発生装置
１５５、１６０、２４８、４５２ 熱交換装置
１７０、１９０ 気液分離装置
３００ 燃料電池
４５４ 減圧部

Claims (10)

1. 燃料電池と、
   酸素透過膜により仕切られた空気供給室と透過酸素受容室と、酸化触媒が充填され該酸化触媒に可燃ガスを接触して燃焼し前記空気供給室を加熱する触媒燃焼室とが設けられた酸素生成装置と、
   水素透過膜により仕切られた触媒反応室と透過水素受容室とが設けられ、前記触媒反応室には炭化水素リフォーミング触媒が充填されている水素生成装置と、
   前記触媒反応室に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
   前記触媒反応室に軽質炭化水素を供給する手段と、
   前記酸素生成装置で生成した酸素を前記触媒反応室に供給する手段と、
   前記水素生成装置で生成した水素を前記燃料電池に供給する水素供給手段とを有し、
   前記空気供給室に空気を流通させ、該空気に含まれる酸素を前記酸素透過膜で仕切られた前記透過酸素受容室に透過し、前記空気供給装置に残存する残存空気と分離し、
   前記触媒反応室で、酸素及び水蒸気の存在下に軽質炭化水素を前記炭化水素リフォーミング触媒に接触させて生成した水素を前記水素透過膜で仕切られた前記透過水素受容室に透過し、前記触媒反応室に残存する残存ガスと分離することを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記透過酸素受容室に水蒸気を流通させる手段を有す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。
3. 前記水蒸気供給手段は、前記透過酸素受容室を流通した水蒸気を供給す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。
4. 前記透過水素受容室に水蒸気を流通させる手段を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記水素供給手段は、前記透過水素受容室を減圧する減圧部を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記触媒燃焼室で生じた燃焼熱を用いて水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置を有し、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を前記透過酸素受容室に流通させることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記触媒燃焼室で生じた燃焼熱を用いて水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置を有し、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を前記透過水素受容室に流通させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記残存ガスを前記触媒燃焼室に供給する手段を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記触媒反応室に残存する残存ガス、及び／又は、透過水素受容室に透過した水素を熱源として水蒸気を発生する水蒸気発生装置を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記透過酸素受容室、前記空気供給室、前記透過水素受容室の少なくともいずれかに、不活性粒子が充填されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
    

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