(57)【要約】  【課題】  熱回収率に優れ、かつ確実に動作効率の向上を図ることができる燃料電池発電システムを提供する。  【解決手段】  原料と水とを反応させて、少なくとも水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質部３、改質部３より排出される改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択酸化部１０、および一酸化炭素選択酸化部１０を空冷する冷却ファン１５、冷却筒１６および排出口１７からなる冷却手段を少なくとも有する水素生成装置と、水素生成装置の上方に設けられ、一酸化炭素選択酸化部１０から排出される水素リッチガスを用いて発電する燃料電池１２と、水素生成装置と燃料電池１２との間に設けられ、冷却手段から排出される空気の流れが衝突する衝突面を有する板１９とを備えた。【選択図】  図１
2006228664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水とを反応させて、少なくとも水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質部、前記改質部より排出される前記改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択酸化部、および前記一酸化炭素選択酸化部を空冷する冷却手段を少なくとも有する水素生成装置と、
前記水素生成装置の上方に設けられ、前記一酸化炭素選択酸化部から排出される水素リッチガスを用いて発電する燃料電池と、
前記水素生成装置と前記燃料電池との間に設けられ、前記冷却手段から排出される空気の流れが衝突する衝突面を有する板とを備えた、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記板は、前記水素生成装置の実質上直上方のみに設けられている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記一酸化炭素選択酸化部と前記燃料電池とを接続し、前記水素リッチガスが通過する水素リッチガス導入配管は、前記板の端部の近傍を通るようにして設けられている、請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記冷却手段の、前記空気を排出する排出口は、前記改質部に近い側に設けられている、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記排出口は、前記水素リッチガス導入配管と実質上対称となる位置に設けられている、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記水素生成装置は、前記改質部と前記一酸化炭素選択酸化部との間に設けられ、前記改質部より排出される前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により除去する一酸化炭素変成部をさらに備え、
前記改質部と前記一酸化炭素変成部とを接続し、前記改質ガスが通過する改質ガス通過配管が、前記板の近傍に配置されている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記改質部は、前記水をその内部で蒸発させるための蒸発部を有し、
前記蒸発部は、前記改質部内において、前記板に近接するように配置されている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記水素生成装置の下方に設けられ、前記板と、前記水素生成装置を介して対向する底板を備え、
前記板、前記底板および前記水素生成装置は一体化して、前記燃料電池発電システムから脱着可能なユニットを形成している、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系の燃料を改質した水素ガスを生成する水素生成装置を用いた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は発電効率が高いことに加えて、発電時に発生した熱が有効に利用できるため、家庭用のコージェネレーションヘの応用が期待されている。
【０００３】
家庭用途においては、装置の頻繁な起動停止への対応、装置の耐久性およびコスト低減の観点から、燃料電池発電装置は比較的低温で作動させることが望ましい。そこで、発電都として高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池の開発が進められている。
【０００４】
燃料電池の多くは水素を燃料として発電する。現状ではその燃料となる水素ガスインフラが整っていないため、発電装置設置場所において、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素成分、メタノール等のアルコール、あるいはナフサ成分等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と、水とを反応させて水素を含む改質ガスを生成するための水素生成装置が併用される。また、生成した改質ガス中には、水素の他、原料に由来する二酸化炭素および一酸化炭素（以下ＣＯと示す）が副成分として含まれる。現在開発が進められている固体高分子型燃料電池は１００℃以下の低温で作動するため、電池電極触媒の活性を維持するため、改質ガスに含有するＣＯをできるだけ低減（一般的には１０〜５０ｐｐｍ以下）させる必要がある。そこで、水素生成装置では、原料および水から水素リッチな改質ガスを生成する改質部と、改質ガス中のＣＯと水をシフト反応させる一酸化炭素変成部、およびＣＯを選択的に酸化反応させる一酸化炭素選択酸化部より構成される。
【０００５】
図４に、そのような水素生成装置を有する燃料電池発電システムの構成を示す。図４において、原料供給部２１は改質反応させる原料を供給する手段であり、水供給部２２は改質反応に必要な水を供給する手段であり、ともに改質触媒を充填した改質部２３に繋がっている。
【０００６】
改質部２３には、燃料供給部２５から供給された燃料と、燃焼空気供給部２６から供給された空気とにより燃焼させ、改質部２３を加熱するバーナ２４が設置されている。また、改質部２３から送出される改質ガスは変成触媒を充填した一酸化炭素変成部２７に送られる。
【０００７】
一酸化炭素変成部２７において変成反応を経た改質ガスは、ＣＯ酸化触媒を充填しＣＯ酸化空気供給部２２６を備えた一酸化炭素選択酸化部２８に送られ、ＣＯ濃度の低い水素リッチな生成ガスとして一酸化炭素選択酸化部２８から燃料電池２９に送られる。
【０００８】
ところで、改質部２３、一酸化炭素変成部２７、および一酸化炭素選択酸化部２８にはそれぞれの反応に適した触媒体が充填されており、最も装置効率が高くかつ安定に動作する所定の温度に制御される。使用する触媒や使用条件によって最適温度は異なるが、改質部２３は５００℃〜７００℃、一酸化炭素変成部２７は１５０℃〜４００℃、一酸化炭素選択酸化部２８は１００℃〜２００℃で作動させる。改質部２３から一酸化炭素変成部２７および一酸化炭素選択酸化部２８へは高温の改質ガスが導入されるが、上記の様に、改質部２３の最適温度に比して、一酸化炭素変成部２７および一酸化炭素選択酸化部２８の最適温度は低いため、適温に保つ必要がある。
【０００９】
そこで、一酸化炭素変成部２７の温度を検知する変成温度検知部２１０と、一酸化炭素変成部２７の周囲を空気冷却できるように変成冷却ファン２１２を有する変成冷却部２１１と、変成温度検知部２１０と変成冷却ファン２１２とが繋がる変成冷却ファン制御部２１６とを設置し、変成温度検知部２１０からの信号により変成冷却ファン制御部２１６で変成冷却ファン２１２を制御し、一酸化炭素変成部２７が適温になるように調整する。
【００１０】
また、一酸化炭素選択酸化部２８の温度を検知するＣＯ酸化温度検知部２１３と、一酸化炭素選択酸化部２８の周囲を空気冷却できるようにＣＯ酸化冷却ファン２１５を有するＣＯ酸化冷却部２１４と、ＣＯ酸化温度検知部２１３とＣＯ酸化冷却ファン２１５とが繋がるＣＯ酸化冷却ファン制御部２１７を設置し、ＣＯ酸化温度検知部２１３からの信号によりＣＯ酸化冷却ファン制御部２１７でＣＯ酸化冷却ファン２１５を制御し、一酸化炭素選択酸化部２８が適温になるように調整してＣＯ濃度の低減を実現している。
【００１１】
このように、一酸化炭素変成部２７や一酸化炭素選択酸化部２８の温度調整で使用した各冷却ファンからの空気を機器外に排出している。この空気は変成冷却部２１１やＣＯ酸化冷却部２１４での熱交換により、高温状態となっている。
【００１２】
しかしながら、その空気を機器外に排出することは機器で生じた排熱を外部に放熱することになるため、熱が有効に利用されていないことになり、燃料電池発電システムの熱利用効率が低いものとなってしまう。このような不具合を解消するために、排熱を利用する技術として、以下のようなものが提案されている。
【００１３】
図５は、一酸化炭素選択酸化部２８や一酸化炭素変成部２７の冷却の際に生ずる排熱を改質部２３の効率を向上させるために再利用する構成例である（例えば、特許文献１を参照）。図５において、図４と同一または相当部には、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。また、冷却空気ダクト２２１は、変成冷却ファン２１２で送られ変成冷却部２１１を通った空気と、ＣＯ酸化冷却ファン２１５で送られＣＯ酸化冷却部２１４を通った空気を燃焼空気ファン２１８の吸気口近傍に導くための手段である。
【００１４】
このような構成としたことにより、変成冷却ファン２１２やＣＯ酸化冷却ファン２１５により供給され、変成冷却部２１１やＣＯ酸化冷却部２１４を通過した、排熱を担持した空気は、燃焼空気ファン２１８の吸い込み口近傍に排出される。燃焼空気ファン２１８はこの温度上昇した空気を吸い込みバーナ２４に供給する。バーナ２４では燃焼して火炎を形成するが、燃焼空気の温度が上昇した分だけ、火炎温度が上昇し、バーナ２４による改質部２３の加熱量が増加し、改質部２３の加熱をより効率的に行うことができる。これにより、排熱が危機の外に逃げることによる熱のロスをなくすことができ、冷却部の熱をより有効に利用することができる。
【特許文献１】特開２００３−２１２５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、図５に示す従来の燃料電池発電システムにおいては、以下のような課題があった。すなわち、バーナ２４の動作においては、燃焼空気温度が変わると燃焼空気の体積は変化するため、燃焼空気ファン２１８で同じ回転数でも供給される一定温度換算の空気量は変化する。そのため、燃焼ファン制御部２２０において、燃料供給部２５からの信号による燃料供給量からバーナ２４での燃焼に必要な空気量と、燃焼空気温度検知部２１９からの燃焼空気温度とから、必要な燃焼空気ファン２１８の回転数を算出して制御するようにしている。
【００１６】
このとき、燃焼空気ファン２１８が回収する空気は、実際には外気と、一酸化炭素選択酸化部２８および一酸化炭素変成部２７からの排熱を担持した、変成冷却ファン２１２およびＣＯ酸化冷却ファン２１５からの排気との混合気となっている。一酸化炭素選択酸化部２８および一酸化炭素変成部２７の動作状態によって、各冷却ファンからの排気の温度、体積は変動するので、上記混合気の温度、体積もリアルタイムで変動することになる。したがって、燃焼ファン制御部２２０は、この変動に追従して行うこととなり、有効となる回転数の算出が困難となる恐れがあり、バーナ２４を効率よく動作させることは実際には難しい。また、燃焼空気温度検知部２１９の設置、およびそれに対応した燃焼ファン制御部２２０の構成が、システム全体を高コストなものとしてしまっていた。
【００１７】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、より簡易な構成で、熱回収率に優れ、かつ、確実に動作効率の向上を図ることができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、原料と水とを反応させて、少なくとも水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質部、前記改質部より排出される前記改質ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素選択酸化部、および前記一酸化炭素選択酸化部を空冷する冷却手段を少なくとも有する水素生成装置と、
前記水素生成装置の上方に設けられ、前記一酸化炭素選択酸化部から排出される水素リッチガスを用いて発電する燃料電池と、
前記水素生成装置と前記燃料電池との間に設けられ、前記冷却手段から排出される空気の流れが衝突する衝突面を有する板とを備えた、燃料電池発電システムである。
【００１９】
また、第２の本発明は、前記板は、前記水素生成装置の実質上直上方のみに設けられている、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２０】
また、第３の本発明は、前記一酸化炭素選択酸化部と前記燃料電池とを接続し、前記水素リッチガスが通過する水素リッチガス導入配管は、前記板の端部の近傍を通るようにして設けられている、第２の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２１】
また、第４の本発明は、前記冷却手段の、前記空気を排出する排出口は、前記改質部に近い側に設けられている、第１から第３のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。
【００２２】
また、第５の本発明は、前記排出口は、前記水素リッチガス導入配管と実質上対称となる位置に設けられている、第４の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２３】
また、第６の本発明は、前記水素生成装置は、前記改質部と前記一酸化炭素選択酸化部との間に設けられ、前記改質部より排出される前記改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応により除去する一酸化炭素変成部をさらに備え、
前記改質部と前記一酸化炭素変成部とを接続し、前記改質ガスが通過する改質ガス通過配管が、前記板の近傍に配置されている、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２４】
また、第７の本発明は、前記改質部は、前記水をその内部で蒸発させるための蒸発部を有し、
前記蒸発部は、前記改質部内において、前記板に近接するように配置されている、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【００２５】
また、第８の本発明は、前記水素生成装置の下方に設けられ、前記板と、前記水素生成装置を介して対向する底板を備え、
前記板、前記底板および前記水素生成装置は一体化して、前記燃料電池発電システムから脱着可能なユニットを形成している、第１の本発明の燃料電池発電システムである。
【発明の効果】
【００２６】
以上のような本発明によれば、簡易な構成で、熱回収率に優れ、かつ、確実に動作の向上を図ることができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの構成図である。図１に示すように、原料供給部１は改質反応させる原料を供給する手段であり、水供給部２は改質反応に必要な水を供給する手段であり、ともに改質触媒を充填した改質部３に繋がっている。改質部３は改質反応により水素および一酸化炭素（以下ＣＯ）を含む改質ガスを生成する手段であって、その底面には、燃料供給部４から供給された燃料と、燃焼空気供給部５から供給された空気とにより燃焼させ、改質部３を加熱するバーナ６が設置されている。また、改質部３の内部には水供給部２から供給された水を蒸発させるための蒸発部７が設けられている。なお、図１中においては蒸発部７を示すために、改質部３を模式的な透過図として示している。
【００２９】
一酸化炭素変成部８は、改質部３で生成された改質ガスから変成反応によってＣＯを除去する手段であり、改質部３と改質ガス通過配管９により接続されている。
【００３０】
一酸化炭素選択酸化部１０は、ＣＯ酸化触媒を充填しＣＯ酸化空気供給部１１を有し、酸化反応によって一酸化炭素変成部８から排出された改質ガスから、さらにＣＯを除去する手段である。一酸化炭素選択酸化部１０から排出された改質ガスは、ＣＯ濃度が十分低下した水素リッチな生成ガスとして燃料電池１２に送られる。燃料電池１２と一酸化炭素選択酸化部１０とは水素リッチガス導入配管１３により接続されている。
【００３１】
また、燃料電池１２から排出されたオフガスをバーナ６へ帰還させるためのオフガス帰還配管１４が、燃料電池１２とバーナ６とを接続するように設けられている。なお、オフガス帰還配管１４は燃料供給部４と合流している。
【００３２】
さらに、一酸化炭素選択酸化部１０の最適温度を保つための冷却手段が設けられており、この冷却手段は、外気を導入する冷却ファン１５、冷却ファン１５が吸入した外気を一酸化炭素選択酸化部１０の周囲に流れるようにする冷却筒１６、および冷却筒１６から排出される空気を外部へ放出するための排出口１７から構成されている。なお、冷却ファン１５は従来例のように、一酸化炭素選択酸化部の温度を検知することにより制御されるが、そのための構成は図示を省略した。なお冷却ファンの制御方法はＯＮ−ＯＦＦ制御、ＰＩＤ制御等、ファンの種類によって最適な方法を選択すれば良い。
【００３３】
図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池発電システムにおいては、改質部３、一酸化炭素変成部８、一酸化炭素選択酸化部１０およびそれらを接続する各配管は水素生成装置を構成し、燃料電池１２はこの水素生成装置の上部に位置するようになっている。水素生成装置と燃料電池１２とは、筐体１８によってパッケージされる。筐体１８はその底部が開口しており、筐体１８の内部と外部とは連通している。冷却ファン１５等、水素生成装置において外気の流入が必要な各手段は、筐体１８の底部を介して、外気を取り入れるようになっている。なお、図中において、筐体１８の外部に示す太い矢印は、燃料電池発電システムの設置状態の天地関係を示す。また、筐体１８内に示す細い矢印は、燃料電池発電システムが動作しているときの、原料、改質ガス等の流れの方向を示す。
【００３４】
本実施の形態１の燃料電池発電システムにおいては、水素生成装置と燃料電池１２との間に板１９を設けたことを特徴とする。図２は、燃料電池発電システムの模式的上面図である。図２において、図１と同一または相当部には、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。また、簡単のために必要な構成のみを図示した。
【００３５】
以下、図１および図２を用いてさらに説明する。板１９はアルミ、鉄板、非鉄金属等の熱伝導性を有する材料から構成され、筐体１８内において、燃料電池１２が配置されている空間と、水素生成装置が配置されている空間とを隔絶するように配置される。ただし、板１９は、実質上水素生成装置の直上方にのみ配置されるようにすればよい。すなわち、図２に示すように、板１９の面積は筐体１８の上面の面積より小さく、改質部３、一酸化炭素変成部８および一酸化炭素選択酸化部１０の各容器の上部を覆う程度の大きさとなっている。これにより、燃料電池１２が配置されている空間と水素生成装置が配置されている空間とは連通し、燃料電池発電システム内部全体が外部との連通を維持できる。
【００３６】
また、水素リッチガス導入配管１３の両端はいずれも板１９の面内に位置するように配置されている。したがって、水素リッチガス導入配管１３は、板１９の端部を回り込み、折り返すようにして燃料電池１２と一酸化炭素選択酸化部１０とを接続している。
【００３７】
さらに、冷却手段を構成する排出口１７は、板１９の主面と対向するように開口されている。
【００３８】
以上のような構成を有する本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの動作は、基本的には従来例と同様である。すなわち、燃料供給部４から供給された燃料と、燃焼空気供給部５とから供給された空気とによりバーナ６が改質部３を加熱し、原料供給部１から原料が、また水供給部２から水がそれぞれ改質部３に供給され、改質器は水素及びＣＯを含んだ改質ガスを生成する。改質部３から送出される改質ガスは、改質ガス通過配管９をへて一酸化炭素変成部８に送られる。改質ガス中のＣＯ濃度は、一酸化炭素変成部８では変成反応により低減され、さらに一酸化炭素選択酸化部２８では、酸化反応により低減される。一酸化炭素選択酸化部１０から、ＣＯ濃度の低い水素リッチガスが燃料ガスとして燃料電池１２に導入される。燃料電池１２は水素リッチガス及び酸化ガス（供給元は図示省略）により発電を行い、排出されたオフガスは、オフガス帰還配管１４を通過してバーナ６へ帰還し、燃焼用ガスとして再利用される。
【００３９】
上記の動作において、従来例と同様、一酸化炭素選択酸化部１０を改質部３より低い最適温度で動作させるために、冷却ファン１５を動作させてシステムの底部から導入した外気を冷却筒１６内に通過させることで、一酸化炭素選択酸化部１０を空冷する。
【００４０】
このとき、一酸化炭素選択酸化部１０から生じた排熱（８０℃〜１００℃）を担持した空気は排出口１７から排出されるが、排出口１７は板１９の主面と対向するように設けられているため、排出された空気の流れは板１９の主面を衝突面として衝突し、これに沿って端部まで移動した後、燃料電池１２が配置された空間内に放散する。
【００４１】
これにより、排熱を担持した空気は水素生成装置の上部にて高温の空気層を形成することになる。図１に示すように、改質部３、一酸化炭素変成部８の天蓋部分はこの空気層に曝されることになる。さらに、改質部３と一酸化炭素変成部８とを接続する改質ガス通過配管９は、両端の接続部が改質部３および一酸化炭素変成部８の上面に配置されているため、同じように高温空気層に曝されることとなる。これは、以下のような効果を生ずる。すなわち、改質部３等の水素生成装置を構成する各部は、内部保温および外部への放熱を防ぐためにその外壁を断熱材で覆った構造を有しているが、それでも外部との温度差が大きいため、外部への放熱が生じてしまう。
【００４２】
これに対し、本実施の形態によれば、冷却手段からの排熱を利用して外気の温度自体を上げることによって、水素生成装置の配置される雰囲気を高温にできる。これにより、改質部３等の内部と外部との温度差をより小さくして、外部への放熱を防ぐことができる。
【００４３】
また、同じ放熱量であれば断熱材を少なく出来るため、装置をよりコンパクトにすることができる。
【００４４】
さらに、板１９自体も熱伝導性を有するため、排出口１７から排出された空気に曝されて加熱されることで放射熱が生じる。これによる加熱効果も同時に得ることができる。
【００４５】
特に、改質ガス通過配管９は改質部３や一酸化炭素変成部８と比して体積が小さいため、断熱材を多く利用することができなかったため、必要以上の放熱が生じてしまう恐れがあったが、本実施の形態によって、その抑制が可能となる。
【００４６】
また、板１９の端部から回り込んで上部に達した空気によって、燃料電池１２および水素リッチガス導入配管１３も高温の雰囲気に置かれる。この場合、板１９への伝熱及び空間への拡散によって、燃料電池１２へ達する空気の温度は低下しており、燃料電池１２は７０℃前後の温度で加熱又は保温されることになる。
【００４７】
燃料電池１２は発電時に発熱し、その熱は冷却水を通じて給湯に用いられるため、燃料電池を加熱又は保温することによって、より多くの熱を給湯に用いることができる。また、外部の温度と燃料電池１２の作動温度を近づけることにより、燃料電池１２内の温度分布を減少し、燃料電池の加湿状態をより均一にできる。
【００４８】
また、水素リッチガス導入配管１３が高温の雰囲気下に置かれることで、以下のような効果も得られる。すなわち、上述のように、一酸化炭素選択酸化部１０内の最適温度は１００℃〜２００℃であり、排出される水素リッチガスも同程度（１００℃）の高温となっているが、燃料電池１２へは通常７０℃前後で供給される。外部の温度が低い場合、一酸化炭素選択酸化部１０内では水蒸気として水素リッチガス内に含まれていた水分が凝結し、水素リッチガス導入配管１３で結露する。この結露する水分の量が多くなると、水分が一酸化炭素選択酸化部１０へ逆流し、その内部で突沸してしまう。これは一酸化炭素選択酸化部１０の動作不良や燃料電池１２を通過した後のオフガスを利用するバーナ６の燃焼異常を招く恐れがあった。これに対し、本実施の形態は、水素リッチガス導入配管１３の周囲を高温の雰囲気に置くことにより、水素リッチガス導入配管１３内の温度を高めて、水素リッチガスの通過時に内部で生じる結露を抑制することが可能となる。また、一酸化炭素選択酸化部１０の温度が高い場合でも、適温（燃料電池１２の作動温度付近）に保たれるように、図１，図２に示すように、板１９を貫通せずに迂回して長く設けることがより望ましい。
【００４９】
さらに、板１９は、水素生成装置の直上方に平板状部材として設けられていることから、排出口１７から放出された空気の流れは図２に示す板１９の主面に沿って面状に拡散する。これにより、筐体１８内における排熱の温度分布を均一に近づけて、局所的な過熱を防ぐことができる。
【００５０】
また、蒸発部７は、図１に示すように改質部３内でその天井近傍に設けられるようにしているが、この配置も板１９に近接して設けることが望ましい。これにより、板１９からの放射熱を利用して、蒸発部７の水分を予熱することが可能となる。改質部３上部の保温効果と相まって、改質部３の内部をより高温で維持できるので、バーナ６の燃焼に用いるエネルギー（燃料供給部４からの燃料量、燃焼空気供給部５の動力等）を低減できる効果がある。
【００５１】
また、冷却手段においては、排出口１７は改質部３に近い側に設けている。これにより、もっとも加熱、保温の対象としている改質部３側へ、排出される空気を効率よく行き渡らせることができる。また排出口１７が設けられている冷却筒１６および一酸化炭素選択酸化部１０は同軸上に配置された二重円筒構造を有しているが、冷却筒１６における排出口１７の配置と、一酸化炭素選択酸化部１０における水素リッチガス導入配管１３の接続位置とは点対称とし、少なくとも排出口１７と上記接続部とが近接しないように配置する。これにより、水素リッチガス導入配管１３が、排出空気の直接加熱によって過熱され、必要以上に高温となった水素リッチガスが燃料電池１２へ導入されることを防ぐ。
【００５２】
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムによれば、筐体１８内の上部に燃料電池１２を、下部に改質部３等からなる水素生成装置をそれぞれ配置し、両者の間に板１９を設けることにより、一酸化炭素選択酸化部１０の冷却手段からの排出空気により改質部３を中心とする水素生成装置、燃料電池１２および水素リッチガス導入配管１３を加熱、保温することにより、これら各部の温度条件を好適化させ、システム全体の動作効率を高めることができる。特に、排出空気が形成する高温雰囲気および板１９からの放射熱により得られる温度変化は比較的静的なものとして得られるため、改質部３、一酸化炭素変成部８、一酸化炭素選択酸化部１０の温度状態に基づくバーナ６の制御条件、冷却ファン１５その他のファン、加熱手段等の制御のために、排出空気の温度変化を考慮した特別のセンサを設置したり、新たなアルゴリズムを設定する必要がなく、結果として低コストなシステムの構築を実現できる。また、燃焼空気供給部５、冷却ファン１５、ＣＯ酸化空気供給部１１等はいずれも筐体１８の下方に設けたため、水素生成装置や燃料電池の発熱の影響を受けずに、恒温状態の外気を取り入れることができ、システムに安定した動作を行わせることも可能である。
【００５３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの構成図である。図３において、図１と同一または相当部には、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施の形態の燃料電池発電システムは、水素生成装置を構成する原料供給部１、水供給部２、改質部３、燃料供給部４、燃焼空気供給部５、バーナ６、一酸化炭素選択酸化部１０およびその冷却手段、一酸化炭素変成部８、およびこれらを接続する各配管の下方に、板１９と対向するように配置された底板２０と、板１９と底板２０とを接続する接続部材３０を備えた点が異なる。板１９、接続部材３０および底板２０は、水素生成装置を構成する各部を収納するための籠状部材として機能し、水素生成装置、板１９、接続部材３０および底板２０は、一体的に固定されたユニット３１を構成している。なお、図示は省略したが、底板２０は筐体１８内の壁面と接続しておればよく、燃料電池発電システムが設置されている状態で、設置場所と接触する必要はない。
【００５４】
このような構成を有する本実施の形態２の燃料電池発電システムの動作および効果は、実施の形態１と同様であるが、さらに、燃料電池１２との接続に必要な水素リッチガス導入配管１３およびオフガス帰還配管１４との接続を解除することで、ユニット３１全体を筐体１８から取り外すことができる。これにより、燃料電池発電システムにおける水素生成装置のみの可搬性を高めて、メンテナンス、交換等を容易に行うことができる。
【００５５】
なお、上記の各実施の形態において、改質部３は本発明の改質部に相当し、一酸化炭素変成部８は本発明の一酸化炭素変成部に相当し、一酸化炭素選択酸化部１０は本発明の一酸化炭素選択酸化部に相当し、燃料電池１２は本発明の燃料電池に相当し、蒸発部７は本発明の蒸発部に相当する。また、冷却ファン１５、冷却筒１６、および排出口１７から構成される冷却手段は、本発明の空冷による冷却を行う冷却手段に相当する。また板１９は本発明の板に相当する。
【００５６】
しかしながら、本発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではない。例えば、実施の形態１において、水素生成装置は改質部３、一酸化炭素変成部８および一酸化炭素選択酸化部１０を主要部として示したが、本発明の水素生成装置は、少なくとも改質部３と、一酸化炭素選択酸化部１０およびその冷却手段とを備えておればよく、一酸化炭素変成部８は省略して、改質部３と一酸化炭素選択酸化部１０とを直結した構成としてもよい。また、一酸化炭素変成部８は、冷却手段を持たないものとして説明したが、一酸化炭素選択酸化部１０と同様の構成の、空冷による冷却手段を設けてもよい。この場合も吸気用のファンは筐体１８の下方に配置し、また、排出口からの排出空気は板１９に衝突するような構成とすることが望ましい。
【００５７】
また、実施の形態１において、図１に示すように、本発明の衝突面として、排出口１７から排出される空気の流れが衝突する板１９の主面は、排出口１７と対向しており、空気の流れは実質上直角に衝突するものとしたが、排出口１７の開口面を板１９に対して斜交させて、排出空気の流れを板１９の主面に対して斜めに衝突させるようにしてもよい。具体的には、配管を斜めにする、配管の切り口を斜めにする、等によって、排出口１７を形成すればよい。
【００５８】
また、板１９は、図２に示すように、改質部３、一酸化炭素変成部８および一酸化炭素選択酸化部１０の上面を覆う程度の大きさであって、筐体１８の内壁との間に間隙を有する矩形上の平板として説明を行ったが、板は、本発明の水素生成装置を構成できる各手段の実質上直上方に設けられ、燃料電池が配置された空間と水素生成装置が配置された空間とを連通可能なように隔絶できるものであればよく、その材質、形状、大きさによって限定されるものではない。また、空気の流れを調整するため、一部に貫通孔を備えた構成であってもよいし、表面に保温力を高めるためや空気流を整流するためのフィンを備えた構成としてもよい。波板で構成されていてもよい。セラミック等の非金属材料を用いてもよいし、熱伝導性の低い材料を用いてもよい。要するに、冷却手段から排出される空気を整流、拡散できるような構成であればよい。
【００５９】
また、実施の形態３においては、図３に示すように、燃料電池発電システムにおいて、ユニット３１は、燃料電池１２以外の各部を全て含むものとして示したが、本発明の水素生成装置は少なくとも改質部３、一酸化炭素選択酸化部１０、冷却ファン１５、冷却筒１６、および排出口１７から構成されていればよいから、他の部分、すなわち原料供給部１、水供給部２等はユニット３１から除外して、筐体１８側に固定した構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、簡易な構成で、熱回収率に優れ、かつ、確実に動作効率の向上を図ることができる効果を有し、特に燃料電池発電システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムの主要部の模式的平面図である。
【図３】本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムの構成図である。
【図４】従来の技術による燃料電池発電システムの構成図である。
【図５】従来の技術による燃料電池発電システムの他の例の構成図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  原料供給部
２  水供給部
３  改質部
４  燃料供給部
５  燃焼空気供給部
６  バーナ
７  蒸発部
８  一酸化炭素変成部
９  改質ガス通過配管
１０  一酸化炭素選択酸化部
１１  ＣＯ酸化空気供給部
１２  燃料電池
１３  水素リッチガス導入配管
１４  オフガス帰還配管
１５  冷却ファン
１６  冷却筒
１７  排出口
１８  筐体
１９  板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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