(57)【要約】【課題】純度の高い水素を燃料電池に供給でき、かつ、エネルギー効率の高い燃料電池システム。【解決手段】燃料電池３００と、触媒燃焼装置８０と、触媒燃焼装置８０で生じた燃焼ガスを用いる複合予熱器２０と、水素透過膜１１２により仕切られ炭化水素リフォーミング触媒が充填された触媒反応室１３０と透過水素受容室１２０とが設けられた水素生成装置１００と、透過水素受容室１２０に水蒸気を供給する手段と、水素生成装置１００で生成した水素を燃料電池３００に供給する手段とを設ける。【選択図】図１
2010153254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
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する触媒燃焼装置と、
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下記（１）〜（６）式で表される反応を生起させる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、
前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を用いて軽質炭化水素を加熱する原料予熱装置と、
前記原料予熱装置で加熱した軽質炭化水素を前記触媒反応室に供給する手段と、
前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を用いて酸素を含む流体を加熱する酸素予熱装置と、
前記酸素予熱装置で加熱した酸素を含む流体を前記触媒反応室に供給する手段と、
前記触媒燃焼装置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と、
前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気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手段とを有し、
前記触媒反応室で軽質炭化水素から生成され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。
ＣＨ４⇒Ｃ＋２Ｈ２  ・・・（１）
ＣｎＨ２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ２  ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ２⇒ＣＯ  ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ２Ｏ⇒Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（４）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇔３Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＣＯ２  ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］
【請求項２】
前記透過水素受容室に水蒸気を供給する水蒸気供給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。
【請求項３】
前記水蒸気供給手段は、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気の一部を前記透過水素受容室に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。
【請求項４】
前記残存ガスを前記触媒燃焼装置に供給する手段を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
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１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記透過水素受容室には、不活性粒子が充填されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素生成装置を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、化石燃料の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。
【０００３】
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、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。
【０００４】
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。
【０００５】
部分酸化法は、軽質炭化水素の一部をＯ２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。
【０００６】
上述した軽質炭化水素の改質方法は、いずれも次の（１）〜（３）式の基本反応に基づくものであり、水素の生成には８００〜１３００℃程度という高い温度が必要である。
２ＣＨ４＋Ｏ２→４Ｈ２＋２ＣＯ  ・・・（１）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇔３Ｈ２＋ＣＯ    ・・・（２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＣＯ２      ・・・（３）
【０００７】
上述の基本反応に基づいて、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１）。
【非特許文献１】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、かつ、エネルギー効率の高い燃料電池システムを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、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する触媒燃焼装置と、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下記（１）〜（６）式で表される反応を生起させる炭化水素リフォーミング触媒（以下、リフォーミング触媒Ａということがある）が充填されている水素生成装置と、前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を用いて軽質炭化水素を加熱する原料予熱装置と、前記原料予熱装置で加熱した軽質炭化水素を前記触媒反応室に供給する手段と、前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を用いて酸素を含む流体を加熱する酸素予熱装置と、前記酸素予熱装置で加熱した酸素を含む流体を前記触媒反応室に供給する手段と、前記触媒燃焼装置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と、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気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手段とを有し、前記触媒反応室で軽質炭化水素から生成され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。
【００１０】
ＣＨ４⇒Ｃ＋２Ｈ２  ・・・（１）
ＣｎＨ２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ２  ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ２⇒ＣＯ  ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ２Ｏ⇒Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（４）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇔３Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＣＯ２  ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］
【００１１】
前記燃料電池システムは、前記透過水素受容室に水蒸気を供給する水蒸気供給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水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気の一部を前記透過水素受容室に供給する手段であることがより好ましく、前記残存ガスを前記触媒燃焼装置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、前記透過水素受容室には、不活性粒子が充填されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
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、かつ、エネルギー効率の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の燃料電池システムについて、以下に実施形態を挙げて説明する。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。
【００１４】
（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、２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に用いる水素生成装置の一例を示す断面図である。
【００１５】
図１に示すとおり、燃料電池システム１０は、複合予熱器２０と触媒燃焼装置８０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は触媒燃焼装置８０と接続されている。触媒燃焼装置８０には配管８２が接続され、配管８２は複合予熱器２０と接続されている。
【００１６】
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は触媒燃焼装置８０に接続され、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。
【００１７】
複合予熱器２０は、配管１５２により水蒸気発生装置１５０と接続されている。複合予熱器２０には、配管２１０と、配管２２０と、配管２３０と、配管２４０とが接続されている。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、水素生成装置１００の触媒反応室１３０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、配管２１０と接続されている。配管２３０は、複合予熱器２０で加熱された水蒸気を流通させる流路である。配管２３０は、分岐２３３で配管２３２と配管２３４とに分岐し、配管２３４は配管２１０に接続され、配管２３２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。
【００１８】
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にはガスタービン１３４が設けられ、該ガスタービン１３４は図示されない発電機と接続されている。
【００１９】
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、該スチームタービン１４２は図示されない発電機と接続されている。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
「前記原料予熱装置で加熱した軽質炭化水素を前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２２０、２１０とで構成されている。「前記酸素予熱装置で加熱した酸素を含む流体を前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２１０である。「前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２３０、２３４、２１０で構成されている。「水蒸気供給手段」は、配管１５２、２３０、２３２と、水蒸気発生装置１５０と、水蒸気加熱部２４とで構成されている。「前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気の一部を前記透過水素受容室に供給する手段」は、配管２３０、２３２で構成されている。「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手段」は、配管１２２、１２４、１５８、１６６、１７２と、水素生成装置１００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。「前記残存ガスを前記触媒燃焼装置に供給する手段」は、配管１６、１３２、１５４、１９２、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。
【００２３】
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Ａに接触させて下記（１）〜（６）式で表される反応を生起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２に示すものが挙げられる。図２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、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２１０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１２２と配管２３２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Ａが充填されている。透過水素受容室１２０には、不活性粒子（イナート粒子）が充填されている。
【００２４】
ＣＨ４⇒Ｃ＋２Ｈ２  ・・・（１）
ＣｎＨ２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ２  ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ２⇒ＣＯ  ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ２Ｏ⇒Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（４）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇔３Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＣＯ２  ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］
【００２５】
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。
【００２６】
透過水素受容室１２０に充填する不活性粒子とは、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１２０から流出できるためである。
【００２７】
触媒反応室１３０に充填するリフォーミング触媒Ａは、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素を前記（１）〜（６）式の反応により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Ａとしては、Ｎｉ／ＳｉＯ２、Ｎｉ−Ｒｈ／ＳｉＯ２、Ｎｉ−Ｐｔ／ＳｉＯ２、Ｎｉ−Ｆｅ／ＳｉＯ２等のニッケル系触媒等が挙げられる。
【００２８】
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、触媒燃焼装置８０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。本発明における酸素予熱装置は空気加熱部２２が相当し、水蒸気予熱装置は水蒸気加熱部２４が相当し、原料予熱装置は原料加熱部２６が相当する。
【００２９】
触媒燃焼装置８０は、酸化触媒を充填した触媒層に可燃ガスを供給して燃焼させる装置である。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。
【００３０】
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装置８０の燃焼ガスと、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
軟水化装置６０は、水源５０から供給される水に含まれるＭｇ２＋、Ｃａ２＋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。
【００３４】
空気供給源３０は酸素を含む流体を供給するものであり、例えば、空気を取り込む吸気口等が挙げられる。
【００３５】
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。
【００３６】
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、触媒燃焼装置８０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を経由して、触媒反応室１３０に供給される。
【００３７】
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２１０を流通する予熱済の空気に混合される。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装置８０に可燃ガスとして供給される。触媒燃焼装置８０に供給された可燃ガスは、触媒燃焼装置８０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８２を経由して複合予熱器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。
【００３８】
水蒸気発生装置１５０で発生した水蒸気は、配管１５２を経由して水蒸気加熱部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の一部は、分岐２３３で配管２３４に流され、配管２１０を流通する予熱済空気と混合される。また、配管２３０に流された予熱済水蒸気の一部は、分岐２３３で配管２３２に流され、透過水素受容室１２０にスイープスチームとして供給される。
【００３９】
配管２１０では、予熱済軽質炭化水素、予熱済空気及び予熱済水蒸気が混合され、混合流体となる。該混合流体は、触媒反応室１３０に供給される。供給された混合流体は、リフォーミング触媒Ａ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下記（１）〜（６）式の反応により水素を生成する。
【００４０】
ＣＨ４⇒Ｃ＋２Ｈ２  ・・・（１）
ＣｎＨ２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ２  ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ２⇒ＣＯ  ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ２Ｏ⇒Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（４）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇔３Ｈ２＋ＣＯ  ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＣＯ２  ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］
【００４１】
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２３２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から流出する。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１３４に設けられたガスタービン１３４を駆動して発電する。
【００４２】
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。
【００４３】
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、触媒燃焼装置８０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、触媒燃焼装置８０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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−⇒Ｈ２Ｏ  ・・・（７）
Ｈ２⇒２Ｈ＋＋２ｅ−  ・・・（８）
【００４７】
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。
【００４８】
原料供給源３０から供給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。
【００４９】
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の触媒反応室１３０に充填したリフォーミング触媒Ａ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の触媒反応室１３０に充填したリフォーミング触媒Ａ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空気の温度は、水素生成装置１００の触媒反応室１３０に充填したリフォーミング触媒Ａ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。
【００５０】
触媒反応室１３０に供給す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Ａ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。
【００５１】
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Ａの種類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することが好ましい。
【００５２】
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。
【００５３】
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、水素の生成効率が向上する。
【００５４】
触媒反応室１３０の温度はリフォーミング触媒Ａの種類に応じて決定することができ、例えば、５００〜７００℃とすることが好ましく、５００〜６００℃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。
【００５５】
触媒燃焼装置８０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、９００〜１５００℃とすることが好ましい。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
上述のとおり、リフォーミング触媒Ａを用いることで、従来の炭化水素リフォーミング触媒に比べて低い温度で水素を生成することができ、エネルギー効率の向上が図れる。加えて、触媒反応と水素透過膜とを組み合わせた水素生成装置を用いるため、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。
【００５９】
本実施形態の燃料電池システムは、水蒸気供給手段を設け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、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。この結果、水素の生成効率を向上できる。
【００６０】
本実施形態の燃料電池システムは、水素生成装置で分離された残存ガスを用いて、触媒燃焼装置を運転できるため、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上を図れる。加えて、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。さらに、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。
【００６１】
（第二の実施形態）
本発明の第二の実施形態の燃料電池システムについて、図２、３を用いて説明する。図３は、燃料電池システム５００の模式図である。なお、第一の実施形態の燃料電池システム１０と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、燃料電池システム５００において、燃料電池システム１０と異なる点は、複合予熱器２０に供給する空気を酸素供給源５１０から供給する高純度の酸素（以下、純酸素ということがある）とした点である。
【００６２】
燃料電池システム５００は酸素供給源５１０を有し、酸素供給源５１０は配管５１２により複合予熱器２０と接続されている。酸素供給源５１０は、純酸素を供給するものであり、例えば、空気分離装置等が挙げられる。また、例えば、隣接装置の余剰酸素を利用するために、酸素供給源５１０は余剰酸素の貯留タンク等であってもよい。供給される純酸素の酸素濃度は、９０質量％以上が好ましく、９９％以上がより好ましい。
【００６３】
燃料電池システム５００では、純酸素が酸素供給源５１０から配管５１２を経由して、複合予熱器２０の空気加熱部２２に供給される。供給された純酸素は、空気加熱部２２で加熱され、予熱済酸素となる。予熱済酸素は配管２１０を流通し、配管２２０から供給される予熱済軽質炭化水素及び配管２３４から供給される予熱済水蒸気が予熱済酸素に混合されて混合流体となる。そして、混合流体は、触媒反応室１３０に供給されて、水素生成が行われる。
【００６４】
複合予熱器２０の出口における予熱済酸素の温度は、水素生成装置１００の触媒反応室１３０に充填したリフォーミング触媒Ａ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。
【００６５】
本実施形態の燃料電池システムによれば、触媒反応室では純酸素の存在下で触媒反応を行うため、水素生成の効率向上を図ることができる。
【００６６】
（その他の実施形態）
本発明の燃料電池システムは上述の実施形態に限定されない。
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。
【００６７】
第一、第二の実施形態では、水蒸気供給手段として複合予熱器で加熱した予熱済水蒸気をスイープスチームとして透過水素受容室に供給する手段が設けられている。しかし、本発明はこれに限られず、水蒸気供給手段は水蒸気発生装置で発生した水蒸気を加熱せずに透過水素受容室に供給する構成としてもよい。水素生成装置の触媒反応室の温度を安定させ、効率的に水素を発生させる観点から、水蒸気供給手段は水蒸気加熱部で加熱した予熱済水蒸気をスイープスチームとして透過水素受容室に供給する手段であることが好ましい。
【００６８】
第一、第二の実施形態では、水素生成装置の二次側にガスタービンが設けられているが、該ガスタービンは設けられていなくてもよい。
第一、第二の実施形態では、スチームタービンが設けられているが、該スチームタービンは設けられていなくてもよい。
【００６９】
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。
【００７０】
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が設けられているが、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。
【実施例】
【００７１】
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。
【００７２】
（製造例１）リフォーミング触媒１の製造
前述の非特許文献１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ＳｉＯ２に担持したＮｉ／ＳｉＯ２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ＳｉＯ２（表面積：３８０ｍ２／ｇ）を用い、公知の含浸法により調製した。ＳｉＯ２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。
【００７３】
（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。水素生成装置は図２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０．１７６ｍ２、水素透過フラックスは０．１７３ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ２／ｍ２とした。「水素透過フラックス」とは、透過膜単位面積（ｍ２）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）。触媒反応室には、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（アルミナ、質量平均粒子径：５ｍｍφ、株式会社チップトン製）を５．２８Ｌ充填した。触媒燃焼装置は固定床式とし、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。
【００７４】
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０．４６９Ｎｍ３／ｈを複合予熱器で４００℃に加熱後、触媒反応室に供給した。空気０．５５１Ｎｍ３／ｈを複合予熱器で４００℃に加熱後、触媒反応室に供給した。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１４４℃、圧力３９５．５ｋＰａ）を複合予熱器で４００℃に加熱後、０．７０６Ｎｍ３／ｈをプロセススチームとして触媒反応室に供給し、４．４６７Ｎｍ３／ｈを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、触媒燃焼装置に供給された補助燃料としての天然ガス流量は０．０２７Ｎｍ３／ｈであり、燃焼ガス基準ＳＶは４７０６（ｍ３／ｈ）／ｍ３−Ｃａｔであり、複合予熱器への伝熱量は２８００ｋＪ／ｈ（６６９ｋｃａｌ／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、「Ｎｍ３」とは、「ｍ３（標準状態）」を表す（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（ｍ３−Ｃａｔ）当たりにおける、１時間当たりの燃焼ガス発生量（ｍ３／ｈ）であり、単位（ｍ３／ｈ）／ｍ３−Ｃａｔで表される値である（以降において同じ）。
【００７５】
水素生成装置で生成した水素は０．７５８Ｎｍ３／ｈであった。生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．６８２Ｎｍ３／ｈであり、生成水素基準Ｗ／Ｆは２６．１ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ２であった。上記生成水素量は原料天然ガス転換率４７．０％に相当するものである。「Ｗ／Ｆ」とは、１時間当たりの水素生成量（ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ２）当たりの触媒量（ｋｇ−Ｃａｔ）であり、ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ２で表される（以降において同じ）。
また、水素生成装置の下記（９）式で定義される冷ガス効率は４３．５％であった。なお、下記（９）式においてＬＨＶ（ｋＪ／Ｎｍ３）は低位発熱量を示す。
【００７６】
冷ガス効率＝（生成Ｈ２＋ＣＯ（Ｎｍ３／ｈ）のＬＨＶ）／（供給天然ガス（Ｎｍ３／ｈ）のＬＨＶ）×１００  ・・・（９）
【００７７】
（実施例２）
図３に示す燃料電池システム５００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。
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。水素生成装置は図２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０．１７６ｍ２、水素透過フラックスは０．１７３ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ２／ｍ２とした。触媒反応室には、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、不活性粒子としてアルミナを５．２８Ｌ充填した。触媒燃焼装置は固定床式とし、酸化触媒としてパラジウム触媒を５．４Ｌ充填した。
【００７８】
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０．４６２Ｎｍ３／ｈを複合予熱器で４００℃に加熱後、触媒反応室に供給した。純酸素（純度：９９．９％以上）０．１１４Ｎｍ３／ｈを複合予熱器で４００℃に加熱後、触媒反応室に供給した。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１４４℃、圧力３９５．５ｋＰａ）を複合予熱器で４００℃に加熱後、０．６９５Ｎｍ３／ｈをプロセススチームとして触媒反応室に供給し、２．８８３Ｎｍ３／ｈを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、補助燃料としての触媒燃焼装置への天然ガスの供給は行わなかった。燃焼ガス基準ＳＶは４２４１（ｍ３／ｈ）／ｍ３−Ｃａｔであり、複合予熱器への伝熱量は２００１ｋＪ／ｈ（４７８ｋｃａｌ／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。
【００７９】
水素生成装置で生成した水素は０．７５８Ｎｍ３／ｈであった。生成した水素の内、透過水素受容室に透過した水素は０．６８２Ｎｍ３／ｈであり、生成水素基準Ｗ／Ｆは２６．１ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ２であった。
上記生成水素量は原料天然ガス転換率４７．６％に相当するものである。
また水素生成装置の前記（９）式で定義される冷ガス効率は４４．４％であった。
【００８０】
【表１】
2010153254.tif 000003
【００８１】
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５．６５８ｋＷ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０．０８３ｋＷ、回収動力（ガスタービン）は０．０７４ｋＷ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１．０９１ｋＷが得られ、燃料電池システムＡの送電端効率は１９．３％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６７．４９ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で３．３３８ｋＷに相当し、温水生産効率として５９．０％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７８．３％が得られた。
【００８２】
表１の実施例２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５．２６７ｋＷ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等の付属機器の消費動力は０．０４８ｋＷ、回収動力（ガスタービン及びスチームタービン）は０．１３０ｋＷ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１．１８２ｋＷが得られ、送電端効率は２２．４％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４８．２３ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で２．４２３ｋＷに相当し、温水生産効率として４６．０％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６８．４％が得られた。
【００８３】
上述のように、触媒反応室に空気を供給した実施例１に比べて、純酸素を供給した実施例２において、送電端効率が高いことが判った。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】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。
【図２】本発明の燃料電池システムに用いる水素生成装置を示す断面図である。
【図３】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】
【００８５】
１０、５００  燃料電池システム
１６、１２２、１２４、１３２、１５２、１５４、１５８、１６６、１７２、１９２、２１０、２３０、２３２、２３４    配管
２０    複合予熱器
２２    空気加熱部
２４    水蒸気加熱部
２６    原料加熱部
８０    触媒燃焼装置
１００  水素生成装置
１１２  水素透過膜
１２０  透過水素受容室
１３０  触媒反応室
１３４  ガスタービン
１５０  水蒸気発生装置
１５５、１６０  熱交換装置
１７０、１９０  気液分離装置
３００  燃料電池
【図１】
2010153254.tif 000004
【図２】
2010153254.tif 000005
【図３】
2010153254.tif 000006