(57)【要約】    【目的】電池冷却水の外部電気ヒーターによる加熱を不要とし、コージェネレーションシステムとして高い発電効率で運転可能なものとする。    【構成】原燃料を改質器２で改質したのち一酸化炭素変成器３および一酸化炭素除去器４で一酸化炭素濃度を極微量に低減して得た燃料ガスを燃料電池本体５の燃料極６に供給し、燃料電池本体５の冷却部８、電池冷却水タンク１１Ａ、電池冷却水ポンプ１２、排熱回収器１３等からなる電池冷却水系に電池冷却水を循環させて燃料電池本体５を適温に保持して運転するものにおいて、改質器２を取り囲むように電池冷却水タンク１１Ａを配置して改質器２の放熱によって電池冷却水を加熱する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガス等の炭化水素ガスを水素濃度の高い改質ガスに改質する改質手段と、この改質ガスと空気とを導入して電気化学反応により発電する燃料電池本体と、発電に伴って発熱する燃料電池本体を冷却するための電池冷却水を供給する電池冷却水供給手段とを備える燃料電池発電装置において、前記改質手段より放出される放出熱が前記電池冷却水供給手段の電池冷却水の加温に使用されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記電池冷却水供給手段が電池冷却水を貯留するタンクを備えてなり、かつ、該タンクが改質手段の外周を取り囲んで配設されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記電池冷却水供給手段が電池冷却水を通流させる配管を備えてなり、かつ、該配管が改質手段の外周を取り囲んで配設されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、天然ガス等の炭化水素ガスを改質手段によって水素を主成分とする改質ガスに改質し、この改質ガスと空気中の酸素とを固体高分子形燃料電池に導いて電気化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを、機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく、直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率を実現させることが可能である。また、燃料電池では発電に伴って発熱が生じ、改質装置等の付属処理装置でも熱が放出されるので、電気エネルギーに加えて、これらの排熱を温水等の形態の熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムでは、総合効率を更に高めることができる。
よく知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給し、もう一方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力が得られる。燃料電池で生じる電気化学反応を次式に示す。式（１）はアノード側の反応であり、式（２）はカソード側の反応である。また、燃料電池全体では、式（３）に示す反応が進行することとなる。
【０００３】
(化１)
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                   （１）
(1/2)Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ          （２）
Ｈ2＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ                 （３）
燃料電池は使用する電解質の種類により分類されるが、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池などでは、その電解質の特性から二酸化炭素を含む酸化剤ガスや炭酸ガスの使用が可能である。したがって、これらの燃料電池では、通常、空気を酸化剤ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。このため、この種の燃料電池を備える燃料電池発電装置には、改質器および一酸化炭素変成器が備えられており、これらの改質器、一酸化炭素変成器により原燃料を改質し、燃料ガスを生成している。
【０００４】
次式（４）は、メタンの改質反応の反応式である。式に見られるようにメタンの改質反応は吸熱反応であるため、あらかじめ水蒸気を添加したメタンを、燃料電池のアノード側から排出される燃料オフガスを燃焼させて600〜700℃の高温に加熱保持した粒状改質触媒層に供給することによって、水素に富む改質ガスを生成している。
【０００５】
(化２)
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2  ＋206.14［kJ/mol］    （４）
改質器を出た改質ガスは一酸化炭素変成器へと送られ、次式（５）のごとき一酸化炭素変成反応によって、一酸化炭素濃度が１％以下に低減される。式（５）に見られるように一酸化炭素変成反応は発熱反応であるので、変成反応温度である 160〜250℃に保持するためには冷却する必要がある。
【０００６】
(化３)
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2    −41.17［kJ/mol］     （５）
リン酸形燃料電池の場合には、一酸化炭素濃度が１％以下であればこのガスを燃料電池へ導入して発電を行うことができるが、固体高分子形燃料電池の場合には、その動作温度が 60〜80℃と低いために、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化する。したがって、一酸化炭素変成器で得られた改質ガスをさらに一酸化炭素除去器へと送り、次式（６）のごとき一酸化炭素の選択酸化反応を行わせて一酸化炭素濃度を 10 ppm以下に低減させる。
【０００７】
(化４)
ＣＯ＋(1/2)Ｏ2→ＣＯ2       −257.2［kJ/mol］    （６）
式（６）に見られるように一酸化炭素の選択酸化反応は発熱反応であるため、選択酸化反応温度に保持するには冷却する必要がある。
上述の改質器や、一酸化炭素変成器、一酸化炭素除去器の構成は、燃料電池発電装置によって様々であり、これら全てを独立に構成したもの（例えば、特許文献１参照）、これら全てを一体化して構成したもの、改質器と一酸化炭素変成器とを一体化し、一酸化炭素除去器を独立に構成したもの（例えば、特許文献２参照）、比較的運転温度の低い一酸化炭素変成器と一酸化炭素除去器とを一体化し、比較的運転温度の高い改質器を独立させて構成したもの等がある。
【０００８】
ところで、固体高分子形燃料電池は、電解質に固体高分子膜を用いて構成されており、所定の発電性能を得るにはこの固体高分子膜を湿潤に保持する必要があるため、反応空気を加湿して供給する方法が採られている。反応空気を加湿する方法には、例えば、加湿部において固体高分子製の膜を介して反応空気と電池冷却水を接触させる方法等が用いられており、加湿部は燃料電池本体と一体に積層されたものと、燃料電池本体から独立して設けられたものがある。いずれの場合にも、加湿部では電池冷却水から蒸発潜熱を奪うことになるため、コージェネレーションシステムとして電池冷却水系で利用できる熱エネルギーは、燃料電池本体の発熱により加温された分から、この加湿部での除熱と電池冷却水系からの放熱を差し引いた値となる。
なお、コージェネレーションシステムとして利用できる熱エネルギーは、上記の電池冷却水系のほかに燃料電池の空気極出口ガス系や改質器の燃焼排ガス系からも得られ、電池冷却水系から蒸発潜熱として奪われた上記の熱量は空気極出口ガス系に添加されるので、総量としては減少しない。しかしながら、燃料電池発電装置が部分負荷状態で運転される際には、発電に伴って生じる燃料電池本体からの発熱量が負荷に見合って減少するのに対して、電池冷却水系からの放熱はほぼ一定であるがために、電池冷却水系からの利用できる熱エネルギーが不足し、加熱しないと適切な温度に保持できない事態が生じる。したがって、従来の燃料電池発電装置では、電池冷却水系に電気ヒーターを備え、必要に応じて加熱を行っている。
【０００９】
図２は、従来のこの種の燃料電池発電装置の反応ガス系、電池冷却水系の概略フロー図である。
原燃料は、原燃料ブロワ２２により昇圧されて脱硫器１へと送られ、硫黄分が取り除かれる。硫黄分が取り除かれた原燃料は、改質器２へと送られ、式（４）に示した水蒸気改質反応によって水素リッチなガスへと改質される。改質器２より取出されたガスは、一酸化炭素変成器３に送られ、式（５）に示した一酸化炭素変成反応によって水素濃度が高められたのち、さらに、図示しない一定量の空気とともに一酸化炭素除去器４へと送られ、式（６）に示した一酸化炭素の選択酸化反応によって一酸化炭素濃度が 10 ppm以下の改質ガスに改質されたのち燃料電池本体５へと供給される。
燃料電池本体５は、燃料極６、空気極７、冷却部８、および空気加湿部９からなり、上記の改質ガスは燃料極６へと供給される。電気化学反応によって発電に寄与したのち燃料極６から排出された燃料オフガスは、燃焼空気ブロワ２３によって採り込まれた燃焼空気とともに改質器２のバーナー２ａへと送られて燃焼され、改質器２の水蒸気改質反応の温度維持に用いられる。一方、空気極７へは反応空気ブロワ１０によって送り込まれた空気が供給されるが、空気極７への供給に先立って空気加湿部９を通流させ、固体高分子製の膜を介して電池冷却水に接触させることによって空気の加湿がおこなわれ、空気極７へは加湿された空気が供給される。このように加湿された空気を供給することによって固体高分子電解質膜は湿潤に保持され、所定の電池特性が得られることとなる。なお、本図に示した燃料電池発電装置では空気加湿部９が燃料電池本体５に一体に組み込まれているが、空気加湿部が独立に構成される場合もある。
【００１０】
発電に伴って生じる発熱は、燃料電池本体５の冷却部８、電池冷却水タンク１１、電池冷却水ポンプ１２、排熱回収器１３、温度調節弁１４等からなる電池冷却水系を循環する電池冷却水を排熱回収器１３において外部から供給された温水と熱交換させて、温水の温度を高めるのに利用される。燃料電池本体５の温度は電池冷却水によって約80 ℃に保持する必要があるので、温度計１６の検出温度により温度調節弁１４の開度を調整することによって、電池冷却水タンク１１内の電池冷却水の温度が適温に調整される。なお、排熱回収器１３において温水は、電池冷却水のほか、燃料電池本体５の空気極７から排出された空気極オフガス、および改質器２のバーナー２ａから排出された燃焼排ガスによっても加温される。
【特許文献１】特開2003―77504号公報
【特許文献２】特開2003―86210号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来、固体高分子電解質形の燃料電池発電装置は上記のごとく構成されているが、燃料電池本体５に供給する反応空気をあらかじめ空気加湿部９に通流させ、固体高分子製の膜を介して電池冷却水に接触させて加湿しているため、加湿のために電池冷却水系から蒸発潜熱を奪うこととなる。燃料電池本体５の発熱は、おおよそ発電電力と同等で、例えば１ｋＷを発電している燃料電池本体５からはおおよそ１ｋＷの発熱がある。これに対して、加湿のために電池冷却水系から奪われる熱量は、燃料電池本体５の発熱量に比べると小さく、例えば１ｋＷを発電する燃料電池発電装置の場合には約60 ％に相当し、燃料電池本体５の発熱量で賄われることとなる。しかしながら、電池冷却水系には放熱による熱損失があるので熱利用に使用可能なエネルギー量はさらに小さくなる。特に、燃料電池発電装置が部分負荷状態で運転される際には、燃料電池本体５からの発熱量が負荷に見合って減少し、加湿のために必要な熱量も減少するが、電池冷却水系からの放熱による熱損失はほぼ一定であるがために、電池冷却水系からの利用できる熱エネルギーが不足し、加熱しないと適切な温度に保持できない事態が生じる。したがって、従来の燃料電池発電装置では、電池冷却水系に備えた電気ヒーター１５を投入して加熱し、不足する熱エネルギーを補っている。このように電気ヒーター１５を投入して運転すれば、燃料電池本体５が適温に保持されて安定した発電運転が確保されるが、コージェネレーションシステムとしての燃料電池発電装置の発電効率が低下するという難点がある。
【００１２】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、従来装置に付設されていたごとき電気ヒーターによる加熱を行わなくとも、燃料電池本体が常時適温に保持され、コージェネレーションシステムとして高い発電効率で運転可能な燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
天然ガス等の炭化水素ガスを水素濃度の高い改質ガスに改質する改質手段と、この改質ガスと空気とを導入して電気化学反応により発電する燃料電池本体と、発電に伴って発熱する燃料電池本体を冷却するための電池冷却水を供給する電池冷却水供給手段とを備える燃料電池発電装置において、例えば、上記の電池冷却水供給手段に備えた電池冷却水を貯留するタンク、あるいは電池冷却水を通流させる配管を上記の改質手段の外周を取り囲んで配設することによって、改質手段より放出される放出熱を電池冷却水供給手段の電池冷却水の加温に使用することとする。
【発明の効果】
【００１４】
上記のごとく改質手段より放出される放出熱を電池冷却水供給手段の電池冷却水の加温に使用することとすれば、電池冷却水は、燃料電池本体の発熱に加えて、従来利用されないまま外部へ放出されていた改質手段からの放熱による加熱が可能となる。例えば発電電力が１ｋＷの燃料電池発電装置では、燃料電池本体の発熱が、既に述べたごとく約１ｋＷであるのに対して、改質手段からの放出熱は約500Ｗであるため、電池冷却水の加温に使用可能な熱量は定格運転状態において従来の装置の約1.5  倍に上昇する。また、発電電力の低下に伴って燃料電池本体の発熱量が減少する部分負荷運転状態においても、改質手段の温度は定格運転状態と同一の高い温度レベルに保持されるので、改質手段からの放出熱は約500Ｗに維持される。したがって、電池冷却水は、従来装置のごとき電気ヒーターの投入を行わなくとも所定の運転温度に保持できるので、効率のよい発電運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の燃料電池発電装置の最良の実施形態は、天然ガス等の炭化水素ガスを水素濃度の高い改質ガスに改質する改質手段と、この改質ガスと空気とを導入して電気化学反応により発電する燃料電池本体と、発電に伴って発熱する燃料電池本体を冷却するための電池冷却水を供給する電池冷却水供給手段とを備える燃料電池発電装置において、電池冷却水供給手段に電池冷却水を貯留するタンクを備え、そのタンクを改質手段の外周を取り囲んで配設し、改質手段より放出される放出熱を電池冷却水供給手段の電池冷却水の加温に使用するよう構成した形態にある。
【実施例】
【００１６】
図１は、本発明の燃料電池発電装置の実施例の反応ガス系、電池冷却水系の概略フロー図である。本フロー図に示した構成部品のうち、図２に示した従来例の構成部品と同一機能を有する構成部品には同一符号を付して、重複する説明は省略する。
本実施例の構成の従来例との相違点は、燃料電池本体５を所定温度に保持するための電池冷却水系を構成する電池冷却水のタンク１１Ａの配置にあり、従来例の構成では独立に配置されていたが、本実施例の構成では筒状の改質器２の外周を、断熱層１７を介して取り巻くように配置されている。本構成では、バーナー２ａによって高温に保持された改質器２からの放熱の大部分が、断熱層１７を介して電池冷却水タンク１１Ａへと伝熱されるので、電池冷却水は燃料電池本体５の発熱および改質器２からの放熱により加温される。したがって、燃料電池本体５の発熱量が低下する部分負荷状態においても電池冷却水の加温に使用可能な熱量は十分に賄われることとなるので、電池冷却水タンク１１Ａ中へ設置した電気ヒーター１５を投入することなく発電運転することができる。なお、本構成の電池冷却水系においても、電池冷却水の温度は、温度計１６の検出温度により温度調節弁１４の開度を調整し、排熱回収器１３へ送る流量を調整することによって制御される。
【００１７】
なお、本実施例では、電池冷却水系の電池冷却水タンク１１Ａを改質器２の外側に配置して改質器２の放熱で電池冷却水を加温するよう構成しているが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、電池冷却水系の配管、例えば排熱回収器より電池冷却水タンクに至る配管の一部を改質機の外側に巻回して、この部分を流れる電池冷却水を改質器の放熱で加温するよう構成してもよい。
また、本実施例は、一酸化炭素変成器や一酸化炭素除去器とは独立に配置された改質器の外側に電池冷却水タンクを配置して電池冷却水を改質器の放熱で加温するよう構成したものであるが、改質器は一酸化炭素変成器や一酸化炭素除去器と一体に構成されたものでもよく、例えばその最外層に電池冷却水タンク、あるいは配管を配設して、改質器の放熱により電池冷却水を加温する構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
以上述べたように、燃料電池発電装置を本発明のごとく構成すれば、燃料電池本体の発熱量が低下する部分負荷状態においても電池冷却水が改質器の放熱により効果的に加熱されるので、従来のごとき外部からの熱エネルギーの注入の必要がなく、効率のよい発電運転が可能となる。したがって、本発明は、固体高分子形燃料電池を用いた家庭用の据え付け形燃料電池発電装置等の各種の燃料電池発電装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の実施例の反応ガス系、電池冷却水系の概略フロー図
【図２】従来のこの種の燃料電池発電装置の反応ガス系、電池冷却水系の概略フロー図
【符号の説明】
【００２０】
２    改質器
２ａ    バーナー
５    燃料電池本体
６    燃料極
７    空気極
８    冷却部
９    空気加湿部
１１Ａ    電池冷却水タンク
１２    電池冷却水ポンプ
１３    排熱回収器
１５    電気ヒーター
１６    温度計
１７    断熱層
【図１】
2005158442.tif 000003
【図２】
2005158442.tif 000004