(57)【要約】【課題】  改質システムにおける燃焼型の水蒸気発生器や酸化用空気供給用のブロワ等の設備を省略しシステム構成を簡単化しコスト低減を行う。【解決手段】  自己酸化内部加熱型の改質器１で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池８に供給する改質システムにおいて、燃料電池８を循環する冷却系統９に閉鎖型の加湿タンク３３を設け、前記加湿タンク３３の貯留水中に改質ガス生成用の原料ガスを吹き込んで供給する原料ガス供給系統２０と、前記加湿タンク３３の上部空間に滞留する原料ガスと水蒸気の混合物を前記改質器１に供給する原料ガス―水蒸気混合物供給系統２１を設けたことを特徴とする改質システム。【選択図】    図１
2010073407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己酸化内部加熱型の改質器１で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池８に供給する改質システムにおいて、
燃料電池８を循環する冷却系統９に閉鎖型の加湿タンク３３設け、前記加湿タンク３３の貯留水中に改質ガス生成用の原料ガスを吹き込んで供給する原料ガス供給系統２０と、前記加湿タンク３３の上部空間に滞留する原料ガスと水蒸気の混合物を前記改質器１に供給する原料ガス―水蒸気混合物供給系統２１を設けたことを特徴とする改質システム。
【請求項２】
請求項１において、前記燃料電池８は、加湿タンク３３で生成する原料ガスと水蒸気の混合物のスチーム／カーボンモル比（Ｓ／Ｃ）の範囲が２．５〜３になるように、加湿タンク３３の貯留水温度を維持できる高温型の燃料電池であることを特徴とする改質システム。
【請求項３】
自己酸化内部加熱型の改質器１で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池８に供給する改質システムにおいて、
燃料電池８のカソード排ガスを前記改質器１の酸化用の空気として供給する酸化空気供給系統２３を設けたことを特徴とする改質システム。
【請求項４】
請求項３において、前記酸化空気供給系統２３にカソード排ガスの流量を調整する調整弁１５を設け、前記改質器１の改質温度を予め設定された値に維持するように前記調整弁１５を制御する温度制御装置１６を設けたことを特徴とする改質システム。
【請求項５】
自己酸化内部加熱型の改質器１で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池８に供給する改質システムにおいて、
燃料電池８を循環する冷却系統９に閉鎖型の加湿タンク３３を設け、前記加湿タンク３３の貯留水中に改質ガス生成用の原料ガスを吹き込んで供給する原料ガス供給系統２０と、前記加湿タンク３３の上部空間に滞留する原料ガスと水蒸気の混合物を前記改質器１に供給する原料ガス―水蒸気混合物供給系統２１を設け、さらに、
燃料電池８のカソード排ガスを前記改質器１の酸化用の空気として供給する酸化空気供給系統２３を設けたことを特徴とする改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己酸化内部加熱型の改質器で生成した水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給する改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、原料ガスと水蒸気の混合物（以下、原料−水蒸気混合物という。）を改質触媒の存在下に水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を備えた改質装置が知られている。改質器で得られる水素リッチな改質ガスは、更にＣＯ低減手段により含まれている僅かなＣＯ（一酸化炭素）を数ｐｐｍレベルまで低減し、得られた高純度の改質ガスを固体高分子電解質型などの燃料電池に供給している。
【０００３】
原料ガスとしては、メタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、或いはジメチルエーテル等のエーテル類、天然ガスなどが使用できるが、家庭用などの燃料電池では供給体制の点から都市ガス（メタン、エタン、プロパン、ブタン等を含むいわゆる１３Ａ）が一般に使用される。かかる改質器における水蒸気改質の反応式は、例えばメタンを原料ガスとして使用した場合は、ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２で示すことができ、好ましい改質反応温度は、６５０〜７５０℃の範囲である。
【０００４】
改質器の反応に必要な熱を供給する方式として外部加熱型と、内部加熱型がある。外部加熱型の改質器は、外部に加熱部を設け、その熱源で原料ガスと水蒸気を反応させて改質ガスを生成する。内部加熱型の改質器はその供給側（上流側）に部分酸化反応層を設け、該部分酸化反応層で発生した熱を用いて下流側に配備した改質触媒層を改質反応温度まで加熱し、該加熱された改質触媒層で水蒸気改質反応をさせて水素リッチな改質ガスを生成する。この部分酸化反応は、ＣＨ４＋１／２・Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２で示すことができ、好ましい部分酸化反応の温度は２５０℃以上の範囲である。
【０００５】
内部加熱型の改質器を改良したものとして自己酸化内部加熱型の改質器が例えば特許文献１、２に記載されている。特許文献１、２の改質装置は、例えば予備改質室と主改質室を備え、予備改質室には原料−水蒸気混合物の供給部、改質触媒層および排出部が設けられ、主改質室には前記排出部に連通する供給部、酸化空気の供給部、改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層、シフト触媒層および排出部が設けられる。なお、改質器に充填した触媒等の実用寿命を伸ばすためには、都市ガス等の燃料中に含有されている硫黄成分を１ｐｐｂ以下の低濃度まで除去（脱硫）してから供給する必要があり、そのため原料ガス供給系統に脱硫器が設けられる。
【０００６】
図３は自己酸化内部加熱型の改質器で水素リッチな改質ガスを生成して燃料電池に供給する従来の改質システムのプロセスフローである。図３において、１は自己酸化内部加熱型の改質器、２は脱硫器、３は水蒸気発生器、４は給水ポンプ、５はブロワ、６はエジェクターからなる原料ガスと水蒸気を混合する混合器、７はＣＯ低減器、８は燃料電池、９は冷却水系統、１０は冷却水タンク、１１、１２はポンプ、１３は貯湯タンク、１４はブロワ、１５は酸化空気調整用の調整弁、１６は温度制御装置、１７は温度制御器、１８は温度検出部、ａ〜ｏは配管である。
【０００７】
自己酸化内部加熱型の改質器１（以下、単に改質器１という）には原料ガスと水蒸気の混合物が供給される。原料ガスは脱硫器２で脱硫された後、配管ａにより混合器６に供給され、水蒸気は水蒸気発生器３から配管ｄにより混合器６に供給される。水蒸気発生器３は燃焼部と蒸発部を有し、燃焼部には配管ｉにより燃料電池８から水素を含むアノード排ガスとブロワ５を設けた配管ｃから空気が供給されて燃焼ガスを生成し、蒸発部にはポンプ４を設けた配管ｂから純水等の水が供給され、燃焼ガスで加熱されて水蒸気を発生する。なお燃焼部には必要に応じて配管ｊから燃焼用の燃料が供給される。
【０００８】
改質器１は少なくとも改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層と、シフト触媒層が配置され、混合器６から原料ガスと水蒸気の混合物が供給されると共に、調整弁１５を設けた配管ｆから酸化用の空気が供給される。原料ガスの一部は混合触媒層の酸化触媒の存在下に空気中の酸素により酸化（燃焼）して混合触媒層を改質温度に維持する。
【０００９】
改質温度は温度検出部１８で検出され、その検出値は温度制御器１７に伝達される。温度制御器１７は検出温度が予め設定された値に維持されるように、調整弁１５を調整して酸化用の空気量を制御する。なお温度検出部１８と温度制御器１７により温度制御装置１６が構成される。
【００１０】
改質器１で生成した水素リッチな改質ガスは配管ｇからＣＯ低減器７に供給され、そこでｐｐｍレベルまで改質ガスに残留しているＣＯを低減した後、配管ｈから燃料電池８のアノード側に供給される。さらに燃料電池８のカソード側にはブロワ１４を設けた配管ｋから酸素（空気）が供給され、改質ガスに含まれる水素と空気中の酸素との反応により発電する。
【００１１】
燃料電池８のカソード側に供給された空気中の酸素は、発電作用によりその一部が消費され、酸素濃度が低下した空気はカソード排ガスとして配管ｌから外部に排出される。一方、燃料電池のアノード側に供給された改質ガス中の水素は、発電作用によりその一部が消費され、水素濃度が低下した改質ガスはアノード排ガスとして配管ｉから排出し、水蒸気発生器３の燃料として供給される。
【００１２】
燃料電池８は発電作用により内部温度が上昇するので冷却水で冷却する必要がある。冷却作用は冷却水系統９による冷却水の循環により行われる。冷却水系統９は冷却水タンク１０、ポンプ１１を設けた供給側の配管ｎ、貯湯タンク１３を設けた戻り側の配管ｍ、ポンプ１２を設けた補給水用の配管ｏ等により構成される。冷却水タンク１０の貯留水はポンプ１１により配管ｎを経て燃料電池８に供給され、燃料電池8内で加熱昇温された冷却水は、貯湯タンク１３を設けた配管ｍを経て冷却水タンク１０に戻る。
【００１３】
図３に示す従来の改質システムでは、水蒸気発生器３を用いて改質用の水蒸気を発生させている。しかしこのような水蒸気発生器３は燃焼用の燃料や空気の供給系統、および水供給系統等の設備が必要になる。そこで、燃焼方式の水蒸気発生器３を設ける代わりに、燃料電池８で加熱された冷却水で水蒸気を発生させる水蒸気発生器を設け、そこで発生させた水蒸気を改質器１に供給するシステムが特許文献３で提案されている。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１９２２０１号公報
【特許文献２】特開２００５−１４９８６０号公報
【特許文献３】特開平６−３３３５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献３に記載のシステムでは、リン酸型燃料電池の排熱を水蒸気発生器に供給し、そこで発生した１Ｋｇ／ｃｍ２Ｇ程度の圧力の水蒸気と、原料ガスとしての都市ガスとを混合器で混合してから改質器に供給している。その際、都市ガスと水蒸気の均一な混合を行う必要上から、通常、都市ガス供給系統から２５０ｍｍＨ２Ｏ・Ｇで供給される都市ガスの圧力を加圧ポンプで水蒸気圧力の１Ｋｇ／ｃｍ２Ｇまで昇圧してから混合器に供給している。しかしこのような混合器を用いることは、システムが複雑になりコストアップになるという問題がある。
【００１６】
また、改質蒸気の混合にあたり、所定の蒸気量を制御する蒸気制御弁が必要になるが、一般に既存の蒸気制御弁は大型プラント向けのものになるため、例えば10kＷ級以下の燃料電池発電プラントにおいては、水蒸気流量制御精度に問題が生じるだけでなく、コスト面でも大きな課題になっていた。特に、現在日本で開発が進められている１kＷ級家庭用燃料電池システムにおいては、改質用水蒸気供給量が極めて小さくなるため、技術面及びコスト面で仕様に適合する蒸気制御弁が存在しないため、システム設計が成立しない問題が存在している。従って、前記蒸気制御弁を使用すること無く、容易に、低コストで高温運転燃料電池本体（100℃以上）の排熱を利用して、改質用蒸気を生成する方法を実現することが望まれていた。
【００１７】
そこで本発明は、従来の改質システムの問題を解決することを課題とし、燃焼型の水蒸気発生器や原料ガスと水蒸気の混合器を省略した新しい改質システムを提供することを第１の目的とする。さらに本発明は、自己酸化内部加熱型の改質器が必要とする酸化用の空気供給系統を簡素化した改質システムを提供することを第２の目的とする。さらに本発明は、燃焼型の水蒸気発生器や原料ガスと水蒸気の混合器を省略すると共に、自己酸化内部加熱型の改質器が必要とする酸化用の空気供給系統を簡素化した改質システムを提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題を解決する本発明の第１の改質システムは、自己酸化内部加熱型の改質器で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給する改質システムである。そして、燃料電池を循環する冷却系統に閉鎖型の加湿タンクを設け、前記加湿タンクの貯留水中に改質ガス生成用の原料ガスを吹き込んで供給する原料ガス供給系統と、加湿水タンクの上部空間に滞留する原料ガスと水蒸気の混合物を前記改質器に供給する原料ガス―水蒸気混合物供給系統を設けたことを特徴とする(請求項１)。
【００１９】
上記改質システムの好ましい実施形態では、前記燃料電池を、冷却水タンクで生成する原料ガスと水蒸気の混合物のスチーム／カーボンモル比（Ｓ／Ｃ）の範囲が２．５〜３になるように、加湿タンクの貯留水温度を維持できる高温型の燃料電池とすることができる(請求項２)。
【００２０】
前記課題を解決する本発明の第２の改質システムは、自己酸化内部加熱型の改質器で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給する改質システムである。そして、燃料電池のカソード排ガスを前記改質器の酸化用の空気として供給する酸化空気供給系統を設けたことを特徴とする（請求項３）。
【００２１】
上記改質システムの好ましい実施形態では、前記酸化空気供給系統にカソード排ガスの流量を調整する調整弁を設け、前記改質器の改質温度を予め設定された値に維持するように前記流量調整弁を制御する温度制御装置を設けることができる(請求項４)。
【００２２】
前記課題を解決する本発明の第３の改質システムは、自己酸化内部加熱型の改質器で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給する改質システムである。そして、燃料電池を循環する冷却系統に閉鎖型の加湿タンクを設け、前記加湿タンクの貯留水中に改質ガス生成用の原料ガスを吹き込んで供給する原料ガス供給系統と、前記加湿タンクの上部空間に滞留する原料ガスと水蒸気の混合物を前記改質器に供給する原料ガス―水蒸気混合物供給系統を設け、さらに、燃料電池のカソード排ガスを前記改質器の酸化用の空気として供給する酸化空気供給系統を設けたことを特徴とする改質システム（請求項５）。
【発明の効果】
【００２３】
第１の発明の改質システムは請求項１に記載のように、自己酸化内部加熱型の改質器で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給する改質システムにおいて、燃料電池を循環する冷却系統に閉鎖型の加湿タンクを設け、前記加湿タンクの貯留水中に改質ガス生成用の原料ガスを吹き込んで供給する原料ガス供給系統と、加湿タンクの上部空間に滞留する原料ガスと水蒸気の混合物を前記改質器に供給する原料ガス―水蒸気混合物供給系統を設けたことを特徴としている。
【００２４】
上記改質システムでは、閉鎖型の加湿タンクに燃料電池から排出される冷却水が飽和蒸気圧状態の貯留水として貯留される。その高温の貯留水中に都市ガス等の原料ガスをバブリング等により吹き込むと、前記飽和状態の貯留水が原料ガスに添加され、所定のスチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）の原料ガスと水蒸気の混合物として加湿タンクの上部空間に滞留する。すなわち加湿タンクは原料ガスの加湿器として作用する。この原料ガスと水蒸気の混合物を原料ガス―水蒸気混合物供給系統により改質器に供給することにより、燃焼型の水蒸気発生器や原料ガスと水蒸気の混合器を省略することができる。そのためシステム構成が簡単化・小型化してコスト的も有利になる。
【００２５】
上記改質システムにおいて請求項２に記載のように、前記冷却水タンクで生成する原料ガスと水蒸気の混合物のスチーム／カーボンモル比（Ｓ／Ｃ）の範囲が２．５〜３になるように、加湿タンクの貯留水温度を維持できる高温型の燃料電池を採用することにより、所定Ｓ／Ｃの原料ガスと水蒸気の混合物を加湿タンク内でより容易に生成することができる。
【００２６】
第２の発明の改質システムは請求項３に記載のように、自己酸化内部加熱型の改質器で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給する改質システムにおいて、燃料電池のカソード排ガスを前記改質器の酸化用の空気として供給する酸化空気供給系統を設けたことを特徴とする。
【００２７】
上記改質システムでは、酸素を含有するカソード排ガスを自己酸化内部加熱型の改質器の酸化用に利用するので、改質器への供給するための酸化用空気の供給ブロワ等の設備を省略することができる。そのためシステム構成が簡単化・小型化してコスト的も有利になる。
【００２８】
上記改質システムにおいて請求項４に記載のように、前記酸化空気供給系統にカソード排ガスの流量を調整する調整弁を設け、前記改質器の改質温度を予め設定された値に維持するように前記流量調整弁を制御する温度制御装置を設けることができる。
【００２９】
改質システムの運転中は、燃料電池の発電量（負荷量）が変化すると、それに応じて改質器からアノード側に供給する改質ガス量とカソード側に供給する空気量を変化させる必要がある。改質反応は吸熱反応であり、その熱は酸化反応により供給される熱源とバランスする。そのため燃料電池に供給する改質ガスが増加した場合、酸化用の酸素量が一定であると改質温度は低下する。すると前記温度制御装置が作動してカソード排ガスの流量を増加させて熱バランスを回復するようになっている。
【００３０】
一方、燃料電池のカソード側への空気供給系統と、カソード側から改質器への酸化空気供給系統は互いに配管等で連通しているので、前記のように調整弁により酸化空気供給系統の流量を増加させると、それに応じて燃料電池のカソード側に供給される空気量も増加する。このようにして改質器の温度制御を行うだけで、燃料電池の負荷変動に追従できる空気供給バランスを維持することができる。
【００３１】
前記課題を解決する本発明の第３の改質システムは請求項５に記載のようには、自己酸化内部加熱型の改質器で生成する水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給する改質システムにおいて、燃料電池を循環する冷却系統に閉鎖型の加湿タンクを設け、前記加湿タンクの貯留水中に改質ガス生成用の原料ガスを吹き込んで供給する原料ガス供給系統と、前記加湿タンクの上部空間に滞留する原料ガスと水蒸気の混合物を前記改質器に供給する原料―水蒸気混合物供給系統を設け、さらに、燃料電池のカソード排ガスを前記改質器の酸化用の空気として供給する酸化空気供給系統を設けたことを特徴とする。
【００３２】
上記改質システムによれば、前記の本発明の第１の改質システムと第３の改質システムのそれぞれの効果をあわせて有し、それらの相乗効果によりシステム構成がより簡単化・小型化してコスト的も著しく有利になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
次に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は本発明の改質装置の第１の実施形態を示すプロセスフロー図である。なお、前述した図２と同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３４】
改質器１は自己酸化内部加熱型の改質器であり、例えば二重筒構造を有し、外筒に改質触媒層が配置され、内筒に改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層と、シフト触媒層が配置される。改質触媒としてはＮｉＯ−Ａ１２ＯあるいはＮｉＯ−ＳｉＯ２・Ａ１２Ｏ３などのＮｉ系、またＷＯ２−ＳｉＯ２・Ａ１２Ｏ３やＮｉＯ−ＷＯ２・ＳｉＯ２・Ａ１２Ｏ３などが用いられ、酸化触媒は白金（Ｐｔ）やロジウム（Ｒｈ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）が用いられる。
【００３５】
またシフト触媒としてはＣｕＯ−ＺｎＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４または酸化銅の混合物などの銅系または鉄系の卑金属系の触媒が用いられる。しかし７００℃以上で反応を行う場合にはＣｒ２Ｏ３を使用することが望ましい。原料ガスと水蒸気の混合物は外筒の改質触媒層に供給され、次いで混合触媒層とシフト触媒層を通過し、改質ガスとなって配管ｇからＣＯ低減器７に供給される。改質ガス中はＣＯ低減器７でｐｐｍオーダまでＣＯを低減されて燃料電池８に供給される。
【００３６】
本実施形態では、冷却水系統９に冷却水タンク１０とは別に加湿タンク３３が設けられている。すなわち、燃料電池８と貯湯タンク１３を接続する配管ｍに分岐制御弁３２を設け、その分岐制御弁３２から配管ｐが分岐され、配管ｐの先は冷却水タンク１０に連通するが、その途中に加湿タンク３３が設けられる。そして配管ｐを流れる冷却水と加湿タンク３３内部の貯留水が熱交換するようになっている。
【００３７】
改質器１の原料ガスとして都市ガス（１３Ａ）を使用している。１３Ａは脱硫器２で脱硫され、昇圧用のブロワ１２ａで数100mmAq程度に昇圧されて配管ａから加湿タンク３３に供給され、そこで貯留水中にバブリング等により吹き込まれる。加湿タンク３３内の水面高さは、200mmAq程度であり、システム全系のライン圧損も200mmAq程度以下に設計されているので、昇圧用ブロワ１２ａの揚程は、数100mmAq程度の低圧にて仕様を満足できる。      
【００３８】
加湿タンク３３は閉鎖型が採用される。ここで「閉鎖型」とは加湿タンク３３内に飽和水蒸気圧状態が維持されるような閉鎖構造を意味する。なお実施形態においては、配管ａ、ポンプ１２ａ及び加湿タンク３３への吹き込み部により、前記加湿タンク３３に対する原料ガス供給系統２０が構成される。
【００３９】
一方、冷却水タンク１０に貯留されている冷却水（貯留水）はポンプ１１を設けた配管ｎにより燃料電池の冷却部に供給され、そこで熱交換により加熱された冷却水が配管ｍから冷却水タンク１０に戻る。なお貯湯タンク１３は冷却水との熱交換を行い、給湯等の熱需要に供え、温水を蓄える機能を有している。
【００４０】
加湿タンク３３に吹き込まれた原料ガス１３Ａは飽和状態にある貯留水により加湿され、所定のスチーム／カーボンモル比（Ｓ／Ｃ）の原料ガスと水蒸気の混合物が加湿タンク３３の上部空間に滞留する。この原料ガスと水蒸気の混合物は配管ｅからそのまま改質器１に供給される。なお、実施形態においては、加湿タンク３３の上部空間から滞留する原料ガスと水蒸気の混合物を取り出すための前記加湿タンク３３に設けた開口部及びそれに接続された配管ｅにより、改質器１への原料ガス―水蒸気混合物供給系統２１が構成される。なお配管ａには原料ガスの流量を調整する調整弁を設けることができる。
【００４１】
燃料電池８はＰＡＦＣ（リン酸型燃料電池  Phosphoric Acid Fuel cell）やＰＥＦＣ（高分子電解質型燃料電池  Polymer Electrolyte Fuel cell）などが使用できるが、前記のように、冷却水タンクにおいて所定のスチーム／カーボンモル比（Ｓ／Ｃ）の高い原料ガスと水蒸気の混合物を得る場合は、高温領域で運転できるように設計された燃料電池が望ましいが、そのような高温型の燃料電池は既に実現されている。
【００４２】
次にスチーム／カーボンモル比（Ｓ／Ｃ）について説明する。改質器１の原料ガスとして都市ガス（１３Ａ）を使用する場合において、その原料ガズ１３Ａはメタン、エタン、プロパン、ブタンを主成分とするが、この原料ガス１３Ａを例えば４．２３ＮＬ／ｍｉｎの流量で冷却水タンクに吹き込む場合、時間当たりのカーボン（Ｃ）のモル数は計算によると０．０１１３（ｋｇ‐ｍｏｌ／ｈ）程度になる。
【００４３】
一方、加湿タンク33に貯留される貯留水の温度と飽和蒸気圧の関係は、温度が９２℃、９４℃、９６℃の場合、それぞれ５６７ｍｍＨｇ，６１１ｍｍＨｇ，６５８ｍｍＨｇ程度になるが、それら飽和蒸気圧のもとで前記原料ガス１３Ａの流量を貯留水中に吹き込んだときの時間当たりの添加水蒸気量のモル数（Ｓ）は、温度が９２℃の場合に０．０３３３ｋｇ‐ｍｏｌ／ｈ、９４℃の場合に０．０４６４ｋｇ‐ｍｏｌ／ｈ、９６℃の場合に０．０７２８ｋｇ‐ｍｏｌ／ｈ程度となる。その結果、原料ガスと水蒸気の混合物のスチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）は、温度が９２℃の場合に２．５２、９４℃の場合に３．５２、９６℃の場合に５．５１程度となる。
【００４４】
但し、前記の飽和蒸気圧相当分１００％が前記原料ガス１３Ａに添加されるのは、理想的な状態であり、現実的には放熱による凝縮等で添加量が低下する場合が多い。このような場合は、実験的に前記加湿タンク３３の温度と添加される水蒸気量の関係を取得し、所定の添加水蒸気量に見合った補正を、前記加湿タンク３３の温度に施せば、運用上信頼性を得ることが出来る。通常、改質器に供給する原料ガスと水蒸気の混合割合（Ｓ／Ｃ）は、システム効率及び改質反応転化率を考慮すると、２．５〜３程度にすることが望ましいので、加湿タンク３３の貯留水の温度を９３℃±１℃に制御したい。
【００４５】
本発明において、「高温型の燃料電池」とは、少なくとも運転温度が９３℃以上に制御されるものになるので、燃料電池の冷却部で熱交換された冷却水も、９３℃以上に加熱され、貯湯タンク１３にて熱交換を行った後、冷却水タンク１０に戻される。一方、加湿タンク３３は、例えば抵抗温度計や熱電対を用いた温度検出部３０を配置されているので、その検出信号は、温度制御器３１に伝送される。ここで前記温度制御器３１は、温度検出部３０で検出される貯留水温度を、所定の温度、この場合９３℃に維持されるように、電池冷却水戻り側の配管ｍに配置された分岐制御弁３２を動作することにより、９３℃以上に加熱された冷却水の一部を分岐配流し、前記加湿タンク３３との熱交換を行うことで、温度制御を行う。
【００４６】
この結果、加湿タンク３３には、原料ガスに添加する水蒸気が排出されることになるので、前記加湿タンク３３内の貯留水を所定量維持するために、システム内から回収した回収水を供給させるポンプ１２を配した補給水用の配管ｏが配置されているが、一般に前記回収水は４０〜６０℃程度の低温であるので、前記貯留水の温度低下に至るが、前述した９３℃以上の高温の冷却水との熱交換を実施することで、前記加湿タンク３３は、所定の温度、この場合９３℃に制御されることになり、望ましい原料ガスと水蒸気の混合割合（Ｓ／Ｃ）＝２．５〜３．０の維持が実現できる。
【００４７】
燃料電池８のアノード側には改質器１で生成した水素リッチな改質ガスが配管ｈから供給され、カソード側にはブロワ１４を設けた配管から空気が供給される。配管ｉから流出するアノード排ガスには水素がかなり残留しているので、点線で示す燃料タンクまたは装置の加熱部等の熱利用装置２２に供給される。従来はこのアノード排ガスを水蒸気発生器に燃料として供給していたが、本実施形態によれば水蒸気発生器が不要になるので、アノード排ガスを他の設備の熱源として有効活用できる。
【００４８】
燃料電池８のカソード側に供給された空気中の酸素の一部は発電に消費されるが、配管ｆから流出するカソード排ガスには残りの酸素が含まれている。実験によれば、１ＫＷ程度の発電を行う燃料電池８の場合、カソード側に供給される空気中の酸素の消費率もしくは利用率は５０〜６０％程度であるので、酸素濃度が低下した空気はカソード排ガスとして配管ｆから排出され、そのカソード排ガス中の酸素濃度は平均７％程度になる。
【００４９】
このようにカソード排ガス中の平均酸素濃度が７％程度あれば、改質器１の酸化用空気として充分に使用可能である。そこで本実施形態では調整弁１５を設けた配管fによりカソード排ガスを改質器１に供給している。なお本実施形態においては、配管fと調整弁１５により改質器１への酸化空気供給系統２３が構成される。
【００５０】
改質器１の改質温度は例えば抵抗温度計や熱電対を用いた温度検出部１８で検出され、その検出信号が温度制御器１７に伝送される。温度制御器１７は温度検出部１８で検出される改質温度が予め設定された値に維持できるように調整弁１５を制御する。例えば検出された改質温度が予め設定された値より低い場合は、温度制御器１７は調整弁１５の開度を大きくする制御を行い、逆に改質温度が予め設定された値より高くなった場合は、温度制御器１７は調整弁１５の開度を小さする制御を行う。なお本実施形態において、温度検出部１８と温度制御器１７により温度制御装置１６が構成される。
【００５１】
上記のように改質温度制御により改質器１へ供給されるカソード排ガスの流量を調整すると、燃料電池８のカソード側に空気を供給する配管ｋとカソード排ガスが流れる配管ｅはカソード側を介して互いに連通しているので、カソード排ガスの流量増減に追従してカソード側に供給される空気流量が自動的に変化することになる。
【００５２】
しかし前述のように、燃料電池８の負荷変動とカソード側への空気供給量、改質器１から供給する改質ガス流量と酸化空気量は、互いに比例関係にあるので、燃料電池８の負荷変動を基準とすると、負荷変動―改質ガス流量変動―酸化空気流量（カソード排ガス流量）変動―カソード側へ供給する空気量の変動のように連携し、それらは前記温度制御により互いにバランスすることになり、仮に一時的もしくは過渡的にそれらの関係に或る程度のアンバランスが生じたとしても、通常の燃料電池の運転許容範囲に充分に納まる。
【００５３】
図２は本発明の改質装置の第２の実施形態を示すプロセスフロー図である。本実施形態が図１の第１の実施形態と異なる部分は、冷却水系統９に設けられた冷却水タンク１０を冷却水タンクと加湿器３３を兼用させたことであり、そのほかは同様に構成される。従って、同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
本実施形態では、燃料電池８の冷却部出口側の配管ｍが冷却水タンクを兼用する加湿タンク３３に連通し、貯湯タンク１３は制御弁３４とポンプ３５を設けた循環用の配管ｑを備え、配管ｑを流れる水は途中で加湿タンク３３と熱交換して加熱するようになっている。加湿タンク３３には温度検出部３０で検出され、その検出温度が予め設定された温度になるように、温度制御部３１が配管ｑを流れる水の循環量を制御する。このように本実施形態では貯湯タンク１３の水循環量、すなわち、貯湯タンク１３への加熱量を制御することにより、加湿タンク３３の温度を一定に制御している。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の改質システムは、改質器で水素リッチな改質ガスを生成し、燃料電池に供給するシステムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の改質システムの第１の実施形態を示すプロセスフロー図。
【図２】本発明の改質システムの第１の実施形態を示すプロセスフロー図。
【図３】従来の改質システムのプロセスフロー図。
【符号の説明】
【００５７】
１  改質装置
２  脱硫器
３  水蒸気発生器
４  ポンプ
５  ブロワ
６  混合器
７  ＣＯ低減器
８  燃料電池
９  冷却水系統
【００５８】
１０  冷却水タンク
１１  ポンプ
１２  ポンプ
１２ａ  ブロワ
１３  貯湯タンク
１４  ブロワ
１５  調整弁
１６  温度制御装置
１７  温度制御器
１８  温度検出部
【００５９】
２０  原料ガス供給系統
２１  原料ガス−水蒸気混合物供給系統
２２  熱利用装置
２３  酸化空気供給系統
ａ〜ｑ  配管
３０  加湿タンクの温度検出部
３１  加湿タンクの温度制御部
３２  分岐制御弁
３３  加湿タンク
３４  制御弁
３５  ポンプ
【図１】
2010073407.tif 000003
【図２】
2010073407.tif 000004
【図３】
2010073407.tif 000005