(57)【要約】【課題】発電装置の排気ガス中に含まれる有害なＣＯから人体やペット等を保護し、かつ補機動力の低減を図る。【解決手段】炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質器と、水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気とを供給し電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、改質器における燃焼排ガスや燃料電池のオフ空気等の排気ガスを、発電装置を設置する建物の屋根部または側壁に設けたダクトもしくは煙突から導出する、あるいは、貯湯槽の上方に導出するための接続ダクトを設けたものとする。例えば、発電装置を、発電装置本体ユニット６０と貯湯槽ユニット６２と接続ダクト７２とから構成し、この接続ダクト７２を、建物の屋根８０を貫通して設けたダクト７０に接続して、排気ガス７４が屋根上方から排出されるように構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記バーナに燃焼用の燃料および空気を供給する手段とを有する改質器と、さらに、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気とを供給し、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、
前記燃焼排ガスや燃料電池のオフ空気等の排気ガスを、発電装置を設置する建物の屋根部または側壁に設けたダクトもしくは煙突から導出するための接続ダクトを設けた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、前記発電装置は、燃料電池の排熱を回収して湯として貯蔵する貯湯槽を備えるものとし、かつ、前記接続ダクトに代えて、前記貯湯槽の上方に排気ガスを導出するための接続ダクトを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池発電装置において、前記発電装置は、さらに、前記燃料電池オフ空気中の水蒸気および前記バーナにおける燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮させて凝縮水を回収する回収水タンクを備え、前記排気ガスを導出するための接続ダクトは、前記回収水タンクに接続したことを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系原燃料を触媒により水素リッチな改質ガスに変換する改質器を備えた燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス）等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採用されている（前記基本的システム構成は、例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前記改質を定常的に行なうには、所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００６】
また、燃料電池の電気化学反応では反応に伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。
【０００７】
図３は、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例を示す系統図であり、特許文献１に開示されたものに対して、電池冷却水系機器や回収水機器等々を追加して、より詳細なシステム構成を示す。
【０００８】
図３において、模式的に示した燃料電池１は、燃料極１ａと空気極１ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に、図示しない冷却管または冷却溝を有する冷却板１ｃを配設，積層することにより構成されている。
【０００９】
原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器３に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。改質用の触媒としては、貴金属系触媒またはニッケル系触媒が用いられる。
【００１０】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ  （吸熱反応）
その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器４に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度まで低減される。ＣＯ変成用触媒としては、貴金属系触媒または銅−亜鉛系触媒が用いられる。
【００１１】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２  （発熱反応）
その後、さらにＣＯ除去器５に供給され、図示しない選択酸化空気ブロアによって供給された空気によりＣＯを選択酸化する以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は１０ｐｐｍ程度まで低減された後、燃料電池の燃料極１ａに供給される。
【００１２】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２  （発熱反応）
上記の如く、改質器３において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発電装置では、その熱源として改質器３の燃焼排ガスの顕熱，ＣＯ変成器４及びＣＯ除去器５の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、電池冷却水循環ポンプ５４にて供給される改質用水を、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５，水蒸気発生器２４の各反応器を直列に順次流すための改質用水蒸気供給ライン２５を設け、前記各反応器から熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合して、改質用水蒸気供給ライン２５から改質器３へ導入する構成としている。なお、図３においては、ＣＯ変成器４，ＣＯ除去器５への前記改質用水の通流ラインを省略している。
【００１３】
又、上記の各反応器は触媒による化学反応を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温度に予め昇温する必要がある。
各反応器の適正な温度は以下のとおりである。改質器：５００〜７００℃、ＣＯ変成器：２００〜３００℃、ＣＯ除去器：１００〜２５０℃である。
【００１４】
このため、改質器３は、燃料電池の排水素供給ライン１９から供給される水素を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで、通常時は加熱されているが、起動時には原燃料をバーナで燃焼させることにより昇温している。また、改質器の燃焼排ガスにより水蒸気発生器２４も昇温している。一方、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５とは、それぞれが個々に備える図示しない電気ヒータにより昇温している。前記バーナには、燃焼空気ブロア６により、燃焼用空気が導入される。なお、７は、燃料電池本体の空気極に反応用の空気およびＣＯ除去器におけるＣＯ選択酸化用の空気を供給するための反応空気ブロアである。
【００１５】
また、都市ガスは、都市ガス昇圧ブロア２７により、まず脱硫器２へ導入され、都市ガス内に含まれる硫黄成分が除去された後、改質器３の触媒反応器へ導入され、前記燃焼排ガスにより熱の供給を受けながら改質され、水素リッチな燃料ガスとなる。
【００１６】
次に、図３における燃料電池の冷却水系機器５０および回収水系機器３０について以下に述べる。冷却水系機器５０は、電池冷却水冷却器５１と、カソードオフガス冷却器５２と、燃焼排ガスの排ガス冷却器５３と、純水タンク５５と、電池冷却水循環ポンプ５４、その他配管等を含む。
【００１７】
燃料電池１は、前述のように約８０℃で運転され、前記電池冷却水循環ポンプ５４によって、純水タンク５５から通流される水によって冷却され、電池冷却水冷却器５１によって除熱される。電池冷却水冷却器５１には、図３には図示しない貯湯槽に接続される循環水導出ライン５６から供給される、例えば約５０℃の水が導入され、ここで電池冷却水を冷却した水は、その後、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３を経由して、例えば約６０℃に昇温されて、循環水導出ライン５７から前記貯湯槽に還流する。前記純水タンク５５には、液面計が設けてあり、液面が下限に到達した際には、後述する回収水が、水処理装置３５を介して、間歇的に補給される。
【００１８】
次に、回収水系機器３０について述べる。回収水系機器３０は、回収水タンク３１と、回収水ポンプ３３と、回収水冷却器３４等からなる。前記回収水タンク３１の上部には、カソードオフガス冷却器５２および燃焼排ガスの排ガス冷却器５３により冷却されたオフ空気および燃焼排ガスが導入され、空気およびガス中の含有水分を、上部に設けた散水装置から冷却水を散布することにより凝縮して、回収水タンク３１の下部に回収する。この回収水を、回収水冷却器３４により冷却して、前記散水装置に導入する。この散水装置の後段には、ラシヒリング等の充填層を備えた冷却水直接接触式凝縮器を設ける場合もある。
【００１９】
この場合、水蒸気を含むオフ空気と燃焼排ガスを、図３には図示しない充填層下部から上方に通流し、一方、上部から回収水冷却器３４で冷却された４０℃程度の回収水を散水して、充填層部分でガスと冷却水を直接接触させながら、空気およびガス中の水蒸気分を凝縮・回収するものであり、簡単な構造で、回収効率が向上する利点がある。
【００２０】
上記回収水は、前述のように、水処理装置で純化され補給水として用いられる。なお、回収水タンク３１の下部にも液面計が設けられ、回収水タンク内の水が不足した場合には、補給水として市水（水道水）が供給され、この市水は水処理装置で純化される。
【００２１】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２８８号公報（第２−３頁、図３）
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の燃料電池発電装置においては、下記のような問題点があった。
【００２３】
燃料電池発電装置を起動する場合、前述のように、まず原燃料を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで、その燃焼排ガスにより改質器本体および改質触媒層等を昇温する。この燃焼排ガス中には、人体やペット・家畜等に有害なＣＯが含まれており、ＣＯから保護する対策が要請される。この問題は、今後の燃料電池発電装置の普及の拡大化に伴い重要な問題となる。
【００２４】
また、燃料電池発電装置、特に家庭用固体高分子形燃料電池発電装置では、空気や都市ガス等の搬送用の補機動力をできる限り低減して、発電効率の向上を図ることが重要な課題となっている。
【００２５】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、発電装置の排気ガス中に含まれる有害なＣＯから人体やペット等を保護し、かつ補機動力の低減を図った燃料電池発電装置を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明においては、炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記バーナに燃焼用の燃料および空気を供給する手段とを有する改質器と、さらに、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気とを供給し、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、前記燃焼排ガスや燃料電池のオフ空気等の排気ガスを、発電装置を設置する建物の屋根部または側壁に設けたダクトもしくは煙突から導出するための接続ダクトを設けたものとする（請求項１の発明）。
【００２７】
上記構成により、発電装置の排気ガス中に含まれる有害なＣＯは、接続ダクトを介して建物の上方に排出されるので、人体やペット等にとって安全となる。また、ダクト等のドラフト作用により、ブロア等（図３に示した燃焼空気ブロア６，反応空気ブロア７，都市ガス昇圧ブロア２７等）の補機動力の低減を図ることができる。
【００２８】
また、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記発電装置は、燃料電池の排熱を回収して湯として貯蔵する貯湯槽を備えるものとし、かつ、前記接続ダクトに代えて、前記貯湯槽の上方に排気ガスを導出するための接続ダクトを設けたもの（請求項２の発明）としてもよい。この構成によれば、建物のダクト等との接続をせずに燃料電池発電装置のみで、前記と同様の機能を果たすことができる利点がある。
【００２９】
さらに、前記請求項１または２の発明の実施態様としては、下記請求項３の発明が好ましい。即ち、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置において、前記発電装置は、さらに、前記燃料電池オフ空気中の水蒸気および前記バーナにおける燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮させて凝縮水を回収する回収水タンクを備え、前記排気ガスを導出するための接続ダクトは、前記回収水タンクに接続したものとする（請求項３の発明）。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００３１】
図１は、この発明の実施例に関わる模式的説明図である。図１に示す実施例においては、全装置は大別して、発電装置本体ユニット６０と貯湯槽ユニット６２と接続ダクト７２とから構成され、前記接続ダクト７２は、建物の屋根８０を貫通して設けたダクト７０に接続されて、排気ガス７４が屋根上方に排出されるように構成されている。
【００３２】
発電装置本体ユニット６０には、前記図３に示した系統図の全コンポーネントが収納され、図３に示す回収水タンク３１の上方から排気ガスが導出され、前記接続ダクト７２に接続されて屋根上方に排出される。
【００３３】
上記構成によれば、図１の右側に示すように、人間の背丈は、貯湯槽ユニット６２の高さより小であり、かつ前記排気ガス７４の排出部より十分小であるので、人体やペット等にとって安全となる。また、ダクト等のドラフト作用により、ブロア等の補機動力の低減を図ることができる。
【００３４】
次に、図２に示す請求項２の発明に係る実施例について述べる。図２の実施例において、発電装置は、発電装置本体ユニット６０と貯湯槽ユニット６２と接続ダクト７２ａとから構成され、前記接続ダクト７２ａは、貯湯槽ユニット６２の上方に排気ガスを導出するように構成される。この実施例によれば、ダクト等のドラフト作用は、図１の実施例に比較して低下するものの、ほぼ同様の機能が、建物のダクト等との接続をせずに構成できる。従って、発電装置として独立的に構成でき、構成が簡略化されてコストも低減できる。
【００３５】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒層と、燃焼排ガスにより前記改質触媒を加熱するバーナと、前記バーナに燃焼用の燃料および空気を供給する手段とを有する改質器と、さらに、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気とを供給し、電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、前記燃焼排ガスや燃料電池のオフ空気等の排気ガスを、発電装置を設置する建物の屋根部または側壁に設けたダクトもしくは煙突から導出する、あるいは、貯湯槽の上方に導出するための接続ダクトを設けたものとしたので、
発電装置の排気ガス中に含まれる有害なＣＯから人体やペット等を保護し、かつ補機動力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に関わる燃料電池発電装置の模式的説明図
【図２】この発明の図１とは異なる実施例に関わる燃料電池発電装置の鳥瞰図
【図３】従来の燃料電池発電装置の一例を示す概略システム系統図
【符号の説明】
１：燃料電池、３：改質器、４：ＣＯ変成器、５：ＣＯ除去器、６：燃焼空気ブロワ、７：反応空気ブロワ、２７：都市ガス昇圧ブロア、３１：回収水タンク、６０：発電装置本体ユニット、６２：貯湯槽ユニット、７０：ダクト、７２，７２ａ：接続ダクト、７４：排気ガス。
【図１】
2005063697.tif 000003
【図２】
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【図３】
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