(57)【要約】【課題】起動にかかる立ち上がり時間の短縮化及び設置にかかる省スペース化を同時に図ることが低コストで簡単にできる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池本体１０と、空気１を燃料電池本体１０の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給装置２０と、都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて水素含有ガス５を生成させると共に、水素含有ガス５を空気２と反応させて水素含有ガス５中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させた燃料ガス６を燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給装置３０とを備えた燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給されるガス中から酸素を吸着除去する酸素吸着除去装置４０を備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
酸素を含有する酸化ガスを前記燃料電池本体の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給手段と、
炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成させると共に、当該水素含有ガスを酸素含有ガスと反応させて当該水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させた燃料ガスを前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給手段と
を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給されるガス中から酸素ガスを吸着除去する酸素ガス吸着手段を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸素ガス吸着手段が、酸素ガスを吸着除去すると共に、水素ガスにより再生可能な酸化還元機能を有する酸化還元剤を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２において、
前記酸化還元剤が、銅系または銅−亜鉛系からなる
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
前記燃料ガス供給手段が、
炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成させる水蒸気改質触媒と、
前記水素含有ガスを酸素含有ガスと反応させて当該水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させるＣＯ低減触媒と
を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項４において、
前記燃料ガス供給手段が、
前記水蒸気改質触媒で改質された前記ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変性させて当該ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるＣＯ変性触媒を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
家屋等の電力供給源としての利用が検討されている従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成を図２を用いて説明する。
【０００３】
図２に示すように、従来の燃料電池発電システムは、燃料電池本体１１０と、酸素を含有する酸化ガスである空気１を前記燃料電池本体１１０の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給装置１２０と、炭化水素ガス含有ガスである都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて水素含有ガス５を生成させると共に、当該水素含有ガス５を酸素含有ガスである空気２と反応させて当該水素含有ガス５中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させた燃料ガス６を燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給装置１３０とを備えている。
【０００４】
前記燃料ガス供給装置１３０は、都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて水素含有ガス５を生成させる水蒸気改質触媒１３１と、この水蒸気改質触媒１３１で改質された前記ガス５中の一酸化炭素を二酸化炭素に変性させて当該ガス５中の一酸化炭素濃度を低減させるＣＯ変性触媒１３２と、このＣＯ変性触媒１３２で変性された水素含有ガス５を空気２と反応させて当該ガス５中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させて燃料ガス６を生成させるＣＯ低減触媒１３３と、空気２と都市ガス３とを燃焼させて発生した燃焼ガス７により上記触媒１３１〜１３３を加熱する加熱装置１３４と、上記ＣＯ低減触媒１３３で生成した燃料ガス６から余剰の水分を除去する凝縮器１３５とを備えている。
【０００５】
上記凝縮器１３５は、バルブ１４１を介して前記燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に連絡すると共に、バルブ１４２を介して水素燃焼器１４５に連絡している。上記燃料電池本体１１０の使用済み燃料ガス排出側は、前記加熱装置１３４の空気２の供給ラインに連絡している。上記燃料電池本体１１０の使用済み酸化ガス排出側は、バルブ１４４を介して上記水素燃焼器１４５に連絡すると共に、バルブ１４３を介して系外へ連絡している。
【０００６】
このような従来の燃料電池発電システムの作動を次に説明する。
まず、燃料ガス供給装置１３０の加熱装置１３４を作動して、空気２と都市ガス３とを燃焼させて生成した燃焼ガス７の熱により、前記触媒１３１〜１３３を加熱する。上記触媒１３１〜１３３を加熱した燃焼ガス７は、系外へ排出される。上記触媒１３１〜１３３が蒸気発生温度（１００℃以上）まで加熱されたら、上記触媒１３１〜１３３に水４を供給して蒸気を発生させながら当該触媒１３１〜１３３を引き続いて加熱する。
【０００７】
上記触媒１３１〜１３３が触媒作用温度まで加熱されたら、上記触媒１３１〜１３３に都市ガス３を供給すると、都市ガス３は、水蒸気改質触媒１３１により水蒸気と反応して、二酸化炭素（約２５％）や一酸化炭素（約２％）を含む水素を含有する（約７０％）水素含有ガス５に改質され、ＣＯ変性触媒１３２により一酸化炭素が二酸化炭素に変性されて減少された後（約３０００ｐｐｍ）、ＣＯ低減触媒１３３において供給された空気２中の酸素と反応して、一酸化炭素がさらに低減された（１０ｐｐｍ以下）燃料ガス６となる。
【０００８】
上記燃料ガス６は、凝縮器１３５により、降温されて余剰の水分が除去された後、燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に送給され、酸化ガス供給装置１２０から燃料電池本体１１０の酸化ガス供給側に供給された空気１と電気化学的に反応して発電を行った後、前記加熱装置１３４に送給されて、燃焼ガス７の原料に利用される。
【０００９】
ここで、生成当初の上記燃料ガス６は、一酸化炭素を十分に低減できておらず、燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に供給してしまうと、電極触媒を被毒して劣化させてしまうおそれがある。このため、燃料ガス６を生成し始めてしばらくの間は（数分間程度）、前記バルブ１４２，１４４を開放して前記バルブ１４１，１４３を閉塞することにより、当該燃料ガス６を燃料電池本体１１０に送給せずに水素燃焼器１４５に送給して、燃料電池本体１１０を介して送給されてきた前記酸化ガス供給装置１２０からの空気１と共に燃焼処理して燃焼ガス８として系外へ排出し、前記ＣＯ低減触媒１３３から送出された燃料ガス６中の一酸化炭素濃度が規定値（１０ｐｐｍ）以下となった時点で、前記バルブ１４１，１４３を開放して前記バルブ１４２，１４４を閉塞することにより、当該燃料ガス６を燃料電池本体１１０に送給して発電に供するようにしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−９３５５０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような従来の燃料電池発電システムにおいては、家屋等の電力供給源に適用するにあたって、起動にかかる立ち上がり時間の短縮化を図るため、都市ガス３の供給に先立って、ＣＯ低減触媒１３３に空気２を予め送給しておくことにより、ＣＯ低減触媒１３３から送出される燃料ガス６中の一酸化炭素濃度を規定値にまで早急に低減させることが考えられている。また、設置にかかる省スペース化を図るため、起動時等に必要なだけで定常運転時には不要な前記バルブ１４１〜１４４や水素燃焼器１４５を省略することが考えられている。
【００１２】
しかしながら、上記事項を同時に行ってしまうと、燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に規定値を超える一酸化炭素が送給されることはないものの、ＣＯ低減触媒１３３に予め送給した空気２が燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に送給されてしまい、引き続いて送給されてきた燃料ガス６の水素と空気２中の酸素とが燃焼反応を起こして燃料電池本体１１０を損傷してしまう恐れがあった。
【００１３】
このようなことから、本発明は、起動にかかる立ち上がり時間の短縮化及び設置にかかる省スペース化を同時に図ることが低コストで簡単に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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明による燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、酸素を含有する酸化ガスを前記燃料電池本体の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給手段と、炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成させると共に、当該水素含有ガスを酸素含有ガスと反応させて当該水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させた燃料ガスを前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給されるガス中から酸素ガスを吸着除去する酸素ガス吸着手段を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第二番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記酸素ガス吸着手段が、酸素ガスを吸着除去すると共に、水素ガスにより再生可能な酸化還元機能を有する酸化還元剤を備えていることを特徴とする。
【００１６】
第三番目の発明による燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記酸化還元剤が、銅系または銅−亜鉛系からなることを特徴とする。
【００１７】
第四番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成させる水蒸気改質触媒と、前記水素含有ガスを酸素含有ガスと反応させて当該水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させるＣＯ低減触媒とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
第五番目の発明による燃料電池発電システムは、第四番目の発明において、前記燃料ガス供給手段が、前記水蒸気改質触媒で改質された前記ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変性させて当該ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるＣＯ変性触媒を備えていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池発電システムの実施の形態を図１を用いて説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図である。
【００２０】
本実施の形態にかかる燃料電池発電システムは、図１に示すように、燃料電池本体１０と、酸素を含有する酸化ガスである空気１を前記燃料電池本体１０の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給手段である酸化ガス供給装置２０と、炭化水素ガス含有ガスである都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて水素含有ガス５を生成させると共に、当該水素含有ガス５を酸素含有ガスである空気２と反応させて当該水素含有ガス５中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させた燃料ガス６を燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給手段である燃料ガス供給装置３０とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給されるガス中から酸素を吸着除去する酸素ガス吸着手段である酸素吸着除去装置４０を備えたものである。
【００２１】
前記燃料ガス供給装置３０は、都市ガス３と水４の蒸気とを反応させて水素含有ガス５を生成させる水蒸気改質触媒３１（例えばＮｉ系やルテニウム系等）と、この水蒸気改質触媒３１で改質された前記ガス５中の一酸化炭素を二酸化炭素に変性させて当該ガス５中の一酸化炭素濃度を低減させるＣＯ変性触媒３２（例えば、微粒子化されたＣｕ−Ｚｎ系触媒等）と、このＣＯ変性触媒３２で変性された水素含有ガス５を空気２と反応させて当該ガス５中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させて燃料ガス６を生成させるＣＯ低減触媒３３（例えば、Ｐｔ系、Ｒｕ系等）と、空気２と都市ガス３とを燃焼させて発生した燃焼ガス７により上記触媒３１〜３３を加熱する加熱装置３４と、上記ＣＯ低減触媒３３で生成した燃料ガス６から余剰の水分を除去する凝縮器３５とを備えている。
【００２２】
前記酸素吸着除去装置４０は、酸素ガスを吸着除去すると共に、水素ガスにより再生可能な酸化還元機能を有する銅系や比較的粒径の大きな銅−亜鉛系等からなる酸化還元剤を備えている。
【００２３】
つまり、本実施の形態にかかる燃料電池発電システムは、図２に示したような従来用いられていた前記バルブ１４１〜１４４や水素燃焼器１４５に変えて、上記酸素吸着除去装置４０をＣＯ低減触媒３３と凝縮器３５との間に配設するようにしたのである。
【００２４】
このような本実施の形態にかかる燃料電池発電システムの作動を次に説明する。
まず、燃料ガス供給装置３０の加熱装置３４を作動して、空気２と都市ガス３とを燃焼させて生成した燃焼ガス７の熱により、前記触媒３１〜３３を加熱する。上記触媒３１〜３３を加熱した燃焼ガス７は、系外へ排出される。上記触媒３１〜３３が蒸気発生温度（１００℃以上）まで加熱されたら、上記触媒３１〜３３に水４を供給して蒸気を発生させながら当該触媒３１〜３３を引き続いて加熱する。
【００２５】
上記触媒３１〜３３が触媒作用温度、具体的には、水蒸気改質触媒３１が約６５０℃前後、ＣＯ変性触媒３２が約２５０℃前後、ＣＯ低減触媒３３が約１３０℃前後に加熱される少し前になったら（約１分前程度）、前記ＣＯ低減触媒３３内に空気２を先に送給すると、当該空気２は、ＣＯ低減触媒３３を介して前記酸素吸着除去装置４０内に流入し、酸素ガスが吸着除去され、窒素ガスのみが通過して凝縮器３５を介して燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に流入する。
【００２６】
上記触媒３１〜３３が触媒作用温度に到達したら、上記触媒３１〜３３に都市ガス３の供給を開始する。都市ガス３は、水蒸気改質触媒３１により水蒸気と反応して、二酸化炭素（約２５％）や一酸化炭素（約２％）を含む水素を含有する（約７０％）水素含有ガス５に改質され、ＣＯ変性触媒３２により一酸化炭素が二酸化炭素に変性されて減少された後（約３０００ｐｐｍ）、ＣＯ低減触媒３３において供給された空気２中の酸素と反応して、一酸化炭素がさらに低減された（１０ｐｐｍ以下）燃料ガス６となる。
【００２７】
上記燃料ガス６は、酸素吸着除去装置４０内を流通し、水素ガス成分の一部が当該酸化還元剤に吸着している酸素と反応して水を生成することにより、当該酸化還元剤から酸素を除去して当該酸化還元剤を還元再生した後、凝縮器３５により降温されて余剰の水分を除去されてから、燃料電池本体１０の燃料ガス供給側に送給され、酸化ガス供給装置２０から燃料電池本体１０の酸化ガス供給側に供給された空気１と電気化学的に反応して発電を行った後、前記加熱装置３４に送給されて、燃焼ガス７の原料に利用される。
【００２８】
つまり、従来は、先に説明したように、バルブ１４１〜１４４を切り換えることにより、酸素や一酸化炭素を含有するガスを燃料電池本体１１０の燃料ガス供給側に流入させることなく水素燃焼器１４５で燃焼処理するようにしていたが、本実施の形態においては、酸素吸着除去装置４０により、都市ガス３の改質開始前に予め供給された空気２中の酸素ガスを吸着除去すると共に、燃料ガス６中の水素ガスにより、酸素吸着除去装置４０の酸化還元剤を還元処理して続けて再生処理するようにしたのである。
【００２９】
このため、本実施の形態においては、従来よりも容積を小さくしながらも（約５〜１０％）、都市ガス３の供給に先立って、ＣＯ低減触媒３３に空気２を予め送給して、ＣＯ低減触媒３３から送出される燃料ガス６中の一酸化炭素濃度を規定値にまで早急に低減させることと、燃料電池本体１０の燃料ガス供給側への酸素の流入を防止することとを同時に実現することができる。
【００３０】
したがって、本実施の形態によれば、起動にかかる立ち上がり時間の短縮化及び設置にかかる省スペース化を同時に図ることが低コストで簡単に実施できる。
【００３１】
また、燃料ガス６が酸素吸着除去装置４０内を流通するだけで当該酸素吸着除去装置４０の酸素除去能力が再生するので、当該酸素吸着除去装置４０の再生に手間がまったくかからなくなり、保守点検等の簡略化を図ることができる。
【００３２】
また、本実施の形態では、炭化水素ガス含有ガスとして都市ガス３を利用したが、本発明はこれに限らず、ＬＰガス等の常温常圧下でガス状をなすものはもちろんのこと、例えば、灯油等のような常温常圧下で液状をなす石油系燃料であっても、これを加熱気化させることにより、適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
第一番目の発明による燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、酸素を含有する酸化ガスを前記燃料電池本体の酸化ガス供給側に送給する酸化ガス供給手段と、炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成させると共に、当該水素含有ガスを酸素含有ガスと反応させて当該水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させた燃料ガスを前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給する燃料ガス供給手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の燃料ガス供給側に送給されるガス中から酸素ガスを吸着除去する酸素ガス吸着手段を備えているので、起動にかかる立ち上がり時間の短縮化及び設置にかかる省スペース化を同時に図ることができる。
【００３４】
第二番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記酸素ガス吸着手段が、酸素ガスを吸着除去すると共に、水素ガスにより再生可能な酸化還元機能を有する酸化還元剤を備えているので、酸素ガス吸着手段の再生にかかる手間を大幅に簡素化することができ、保守点検等の簡略化を図ることができる。
【００３５】
第三番目の発明による燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記酸化還元剤が、銅系または銅−亜鉛系からなるので、低コストで簡単に実施することができる。
【００３６】
第四番目の発明による燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、炭化水素ガス含有ガスと水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成させる水蒸気改質触媒と、前記水素含有ガスを酸素含有ガスと反応させて当該水素含有ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変質させるＣＯ低減触媒とを備えているので、燃料ガスの生成を比較的簡単に実施することができる。
【００３７】
第五番目の発明による燃料電池発電システムは、第四番目の発明において、前記燃料ガス供給手段が、前記水蒸気改質触媒で改質された前記ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変性させて当該ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるＣＯ変性触媒を備えているので、ＣＯ低減触媒での燃料ガス中の水素の消費量を抑えつつ一酸化炭素濃度を大幅に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの実施の形態の概略構成図である。
【図２】従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１，２  空気
３  都市ガス
４  水
５  水素含有ガス
６  燃料ガス
７，８  燃焼ガス
１０  燃料電池本体
２０  酸化ガス供給装置
３０  燃料ガス供給装置
３１  水蒸気改質触媒
３２  ＣＯ変性触媒
３３  ＣＯ低減触媒
３４  加熱装置
３５  凝縮器
４０  酸素吸着除去装置
【図１】
2004288418.tif 000003
【図２】
2004288418.tif 000004