(57)【要約】【課題】  吸熱反応が行われる改質部に効率よく燃焼熱を利用することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】  燃料電池システム（１）は、燃料電池（２）、燃料電池（２）に供給する改質ガスを生成する改質部（４）、改質部（４）を加熱する燃焼部（５）、燃焼部（５）へ燃料電池（２）のアノードオフガスを導入するアノードオフガス流路（６）とを有している。このアノードオフガス流路（６）にアノードオフガスを炭化水素化する炭化水素化処理部（７）を設ける。以上のような構成により、燃焼部（５）の入口付近でアノードオフガスが燃料する、いわゆる逆火を回避することができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
該燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質部と、
該改質部を加熱する燃焼部と、
該燃焼部へ前記燃料電池のアノードオフガスを導入するアノードオフガス流路とを有し、
前記燃焼部における燃料としてアノードオフガスを利用する燃料電池システムにおいて、
アノードオフガスから炭化水素を生成して当該炭化水素を前記燃焼部に供給する炭化水素化処理部を前記アノードオフガス流路に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記炭化水素処理部は、メタン化反応の触媒活性を有する触媒を有し、アノードオフガスをメタン化することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記炭化水素化処理部は、該炭化水素化処理部を冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却部には、冷却媒体としてエアーを流通させ、前記冷却部を流通した後の前記エアーを支燃エアーとして前記燃焼部に供給することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の燃料電池システムにおいて、アノードオフガス中のＨ２Ｏを除去するＨ２Ｏ除去部を前記炭化水素化処理部の内部及び／又は前記炭化水素化処理部の上流側に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、水素分離膜型燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを炭化水素化し、当該炭化水素を燃焼させて、改質ガスの生成を行う改質部を加熱することを特徴とする燃料電池の燃料の改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノードオフガスを燃料改質時における吸熱反応に用いる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と空気の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。ここで、燃料電池には、炭化水素燃料から水素を取り出す改質部が接続されることがある。このような改質部において改質ガスを生成する反応は吸熱反応であることから、改質器を加熱するための燃焼部を設け、改質効率を向上させるシステムの提案がされている。
【０００３】
このようなシステムとしては、例えば、特許文献１において提案されている改質反応器システムがある。この特許文献１記載の改質反応器システムは、燃料電池のアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させて得られる燃焼ガスを改質反応器に供給する燃焼器と、供給された原燃料を改質触媒に通過させて水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質触媒層および前記燃焼ガスを通過させて改質触媒層を加熱する加熱室からなる改質反応器とを備え、前記燃焼器に供給するアノードオフガスの一部を、燃焼器をバイパスするバイパス通路を介して改質反応器の加熱室に供給するようになっている。
すなわち、燃焼器に直接アノードオフガスを導入し、または、加熱室に直接アノードオフガスを導入する構成となっている。
【特許文献１】特開２００４−１８３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許公報１記載の改質反応器システムは、前記のように燃焼器に直接アノードオフガスを導入し、または、加熱室に直接アノードオフガスを導入する構成となっていることから、以下のような問題があった。
【０００５】
アノードオフガスには、一旦はアノードに供給され、その後未燃焼のまま排出された未利用水素が含まれているが、水素は着火性が非常に良く、気相燃焼を生じやすく、火炎の伝播速度も速い。このため、燃焼器、加熱室に導入される前にこれらの機器にアノードオフガスを導入するガス通路の上流側に火炎が逆流する、いわゆる逆火を生じることがあった。逆火を生じると燃焼器や加熱室において正常な燃焼が行われないことになり、期待する燃焼熱の効果が得られないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、吸熱反応が行われる改質部を加熱する燃焼部内で正常な燃焼が行われ、この燃焼による燃焼熱によって改質部を効率よく加熱することのできる燃料電池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】
【０００７】
かかる目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池に供給する改質燃料を生成する改質部と、当該改質部を加熱する燃焼部と、当該燃焼部へ前記燃料電池のアノードオフガスを導入するアノードオフガス流路とを有し、前記燃焼部における燃料としてアノードオフガスを利用する燃料電池システムにおいて、アノードオフガスから炭化水素を生成して当該炭化水素を前記燃焼部に供給する炭化水素化処理部を前記アノードオフガス流路に設けたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記炭化水素処理部には、メタン化反応の触媒活性を有する触媒を有し、アノードオフガスをメタン化する構成とすることができる。
【０００９】
また、前記炭化水素化処理部は、該炭化水素化処理部を冷却する冷却部を備える構成とすることが好ましく、さらに、前記冷却部には、冷却媒体としてエアーを流通させ、前記冷却部を流通した後の前記エアーを支燃エアーとして前記燃焼部に供給する構成とすることもできる。
【００１０】
このような構成の燃料電池システムにおいて、アノードオフガス中のＨ２Ｏを除去するＨ２Ｏ除去部を前記炭化水素化処理部の内部及び／又は前記炭化水素化処理部の上流側に設けることがきる。
【００１１】
以上のような燃料電池システムにおいて、燃料電池は、水素分離膜型燃料電池とすることができる。
【００１２】
また、本発明の燃料の改質方法は、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを炭化水素化し、当該炭化水素を燃焼させて、改質ガスの生成を行う改質部を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アノードから排出されるアノードオフガスが、水素よりも着火点が高い性質を有する炭化水素に変換された状態で燃焼部に導入されることになるので、燃焼部の入口付近におけるアノードから排出されたままのアノードオフガスを炭化水素に変換した後に燃焼部に導入するので、燃焼部の入口付近における、いわゆる逆火の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
まず、本発明の燃料電池システム１について図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の燃料電池システム１の概略を示す構成図である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、この燃料電池２に供給する改質ガスを生成する改質部４と、この改質部４を加熱する燃焼部５と、この燃焼部５と燃料電池２のアノード２ａとを接続し燃焼部５へアノードオフガスを導入するアノードオフガス流路６とを有している。このアノードオフガス流路６には本発明の炭化水素処理部に相当するメタン化処理部７が設けられている。このメタン化処理部７の近傍には冷却部８が取り付けられている。
【００１６】
燃料電池２のカソード２ｂはエアー導入部２ｂ１を有するとともに、カソードオフガス流路９の一端９ａが接続されている。このカソードオフガス流路９の他端９ｂは改質部４の入口側４ａに接続されている。改質部４は図示しない燃料タンクが接続されており、さらに、改質ガス流路３を介して燃料電池２のアノード２ａと接続されている。
【００１７】
また、本実施例の燃料電池２は、水素分離膜型の燃料電池である。この水素分離膜型の燃料電池は、水素透過性を有する水素透過性金属層にプロトン伝導性を有する電解質層が積層された電解質膜を有する燃料電池である。本実施例で用いた水素分離膜型の燃料電池は、水素透過性金属層をＶ（バナジウム）で構成し、プロトン伝導性の電解質膜としてペロブスカイトを採用している。このような水素分離膜型の燃料電池の基本ユニットは図３に示したような構成となる。すなわち、Ｐｂｄ（パラジウム）からなる第一Ｐｂｄ層１３ａと第二Ｐｂｄ層１３ｂとで水素透過性金属１４を挟み込んだサンドイッチ構造とし、さらに、第二Ｐｂｄ層１３ｂ上にペロブスカイト層１５が積層されている。ここで、第一Ｐｂｄ層１３ａは、改質ガス中の水素をプロトンと電子とに変換し、一方、第二Ｐｂ層１３ｂはプロトンと水素との結合を行う水素透過性金属１４と第二Ｐｄ層１３ｂとを介してプロトンをペロブスカイト層１５へ供給する。このような構成として水素透過性金属１４とペロブスカイト層１５とを接続し、ペロブスカイト層１２５側に酸素を供給すると発電される。燃料電池２は、このように構成される基本ユニットを複数積層して構成されている。
【００１８】
メタン化処理部７は、アノードオフガスから炭化水素の一種であるメタンを生成するものであるから炭化水素化処理部の一形態である。本実施例ではＲｕ（ルテニウム）を充填してメタン化処理部７を形成している。この炭化水素化処理部に充填する触媒としては、本実施例で採用したＲｕの他、Ｎｉ（ニッケル）に代表されるメタン化反応の触媒活性を有する触媒を選択することができる。
【００１９】
冷却部８は上流側に冷却媒体の導入口８ａを有する。また、冷却部８の下流側には支燃エアー流路１０が接続されており、この支燃エアー流路１０の他端は、メタン化処理部７の下流側でアノードオフガス流路６に合流している。
【００２０】
次に、このような概略構成を有する燃料電池システム２の動作につき、各構成要素の機能、働きを説明しつつ詳述する。
【００２１】
まず、燃料電池２であるが、図３に示したような基本ユニットを有する水素分離膜型の燃料電池２の作動温度は、４００℃〜５００℃程度であり、排出されるアノードオフガスも４００℃〜５００℃程度の温度を保って排出される。
【００２２】
燃料電池２のアノード２ａから排出されたアノードオフガスには、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｎ２、Ｈ２Ｏが含まれており、このアノードオフガスは改質部４を加熱する燃焼部５の燃料として利用される。
【００２３】
ここで、燃料電池２のアノード２ａから排出されるアノードオフガスは直接燃焼部５に導入するのではなく、アノードオフガス流路６を通じて一旦メタン化処理部７へ導入する。
【００２４】
メタン化処理部７では、以下の化学反応が行われてメタン（ＣＨ４）が生成される。
３Ｈ２＋ＣＯ→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ
４Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ
メタン化処理部７には、前記のように触媒としてＲｕが充填されているが、このＲｕは４００℃〜５００℃程度の温度範囲で触媒活性が高まる。
【００２５】
ここで、メタン化処理部７に導入されるアノードオフガスの温度は、４００℃〜５００℃である。これは、水素分離膜型の燃料電池２の作動温度が４００℃〜５００℃程度であることに起因する。一方、触媒としてメタン化処理部７に充填されたＲｕの触媒活性が高まる温度も前記のように４００℃〜５００℃程度である。
すなわち、アノード２ａから排出された状態のアノードオフガスをそのままの温度状態でメタン化処理部７へ導入すれば、Ｒｕの触媒活性を高めることができる。例えば、固体高分子型の燃料電池であると、作動温度が８０℃〜１００℃程度であるから、触媒の触媒活性を高めるためには別途アノードオフガスの温度調節機構を設ける等の措置を講じる必要があるが、水素分離膜型の燃料電池２であれば触媒活性を高めるための温度調節機構を設ける必要がなくなり、燃料電池システム１をコンパクトに構成することができる。
【００２６】
このようにして、メタン化処理部７において生成されたメタン（ＣＨ４）は、アノードオフガス中のＣＯ、ＣＯ２、Ｎ２、Ｈ２Ｏと共にアノードオフガス流路９を通じて燃焼部５へ供給される。
【００２７】
メタン化処理部７の近傍には、メタン化処理部７を冷却する冷却部８が取り付けられている。メタン化処理部７では、前記のような化学反応が行われている。
これらの化学反応は、発熱反応であるが、化学平衡の観点からは低温であるほどメタン化反応、すなわち、左辺から右辺へ移行する反応が進行しやすい。そこで、この冷却部８は、メタン化反応が進行しやすいようにメタン化処理部７の冷却を行う役割を有する。
但し、前記のように、メタン化処理部７に充填された触媒Ｒｕの触媒活性温度が４００℃〜５００℃程度である。このため、メタン化反応の化学平衡と触媒活性の双方の観点から、冷却部８が機能することによって化学反応による発熱分を取り去り、メタン化処理部７内の温度が４００℃〜５００℃の温度に調節されることが望ましい。
【００２８】
ここで、本実施例では、図１に示すように冷却部８の上流側に設けた導入口８ａよりエアーを導入する構成とし、冷却部８を通過した後のエアーは、支燃エアー流路１０を通じて、支燃エアーとして燃焼部５に導入される。このように冷却媒体としてエアーを選択し、冷却後に用いた後のエアーを支燃エアーとして利用すれば、冷却部８における冷却作用によってエアーが得た熱を燃焼部５における燃焼反応に利用することができる。すなわち、その後に熱回収でき、熱効率の向上を図ることができる。冷却部８における冷却媒体としては、アノードオフガス燃焼用の支燃エアーに代えて、例えば、カソードガス、燃料電池冷却ガス等を利用することができる。
【００２９】
このように、燃焼部５では、アノードオフガス流路６中を流れてきたメタン（ＣＨ４）が支燃エアーとともに燃焼する。このため、本発明の本実施例では、アノードオフガスが燃焼部５に直接導入されることはなく、アノードオフガス中のＨ２（水素）が燃焼部５の入口付近で燃焼するいわゆる逆火を回避することができる。メタン（ＣＨ４）は、Ｈ２（水素）と比較して着火点が高く、燃焼部５へ導入される以前に着火することはなく、確実に燃焼部５内に導入されてから燃焼する。これにより改質部４を効率よく加熱することができる。
【００３０】
改質部４では、燃料タンクから供給された燃料を水素リッチな改質ガスに変換する改質反応が行われる。この改質反応は吸熱反応であるが、燃焼部５において発熱反応を行い、この熱を利用して改質部４を加熱することにより改質部４における改質反応が継続、促進される。なお、改質部４には、カソード２ｂから排出されるＨ２Ｏ、Ｎ２、Ｏ２を含んだカソードオフガスがカソードオフガス流路９を通じて供給され、新たに供給される燃料と共に改質反応に供せられる。
【００３１】
以上、説明した本実施例の特徴とをまとめると以下の如くである。
（１）  アノードオフガスを燃焼部５へ供給する以前に、一旦、メタン化処理部７へ導入し、生成した炭化水素（メタン）を燃焼部５へ導入するようにしたので、燃焼部５の入口付近で導入ガスが燃焼する、いわゆる逆火を回避することができる。
（２）  燃料電池２として水素分離膜型の燃料電池を採用したので、メタン化処理部７に充填したメタン化反応の触媒（Ｒｕ、Ｎｉ等）の触媒活性温度と、燃料電池２の作動温度とがほぼ一致している。これにより、排出されたアノードオフガスを触媒活性温度付近まで温度調節する温度調節機構を別途設ける必要がない。
（３）  メタン化処理部７の近傍に冷却部８を設けたので低温ほど反応が進むメタン化反応を促進することができる。
（４）  冷却部８の冷却媒体としてエアーを採用し、冷却部８を通過した後のエアーを支燃エアーとして燃焼部５に導入するようにしたので熱回収を行うことができ、熱効率が高い。
【００３２】
なお、本発明の燃料電池の燃料の改質方法は、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを炭化水素化し、当該炭化水素を燃焼させて、改質ガスの生成を行う改質部を加熱するものである。このような改質方法は、前記のように構成した燃料電池システムを稼動させることによっても、実現可能である。
【実施例２】
【００３３】
次に本発明の実施例２について図２を参照しつつ説明する。図１は、本発明の燃料電池システム１１の概略を示す構成図である。実施例１の燃料電池システム１と異なる点は、本実施例の燃料電池システム１１がＨ２Ｏ除去部１２を備えている点である。なお、他の構成要素は実施例１の燃料電池システム１と異なる点はないため、同一の構成要素については図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
Ｈ２Ｏ除去部１２は、メタン化処理部７において行われるメタン化反応に供するＨ２Ｏ（水）を除去するもので、本実施例では図２に示すようにアノードオフガス流路６のメタン化処理部７の上流側に設置している。このＨ２Ｏ除去部１２としては、加湿モジュール等を利用することができる。
【００３５】
メタン化処理部７では実施例１で説明したメタン化反応が行われている。ここで、Ｈ２Ｏは右辺側であるので、アノードオフガス中のＨ２Ｏ（水）が少ないほどメタン化反応、すなわち、左辺から右辺へ移行する反応が進行しやすい。そこで、このＨ２Ｏ除去部１２は、メタン化反応が進行しやすいようにアノードオフガスからＨ２Ｏ（水）を除去する役割を有する。以上のような構成とすることにより、メタン化反応を促進することができる。
【００３６】
なお、本実施例では、Ｈ２Ｏ除去部１２はアノードオフガス流路６のメタン化処理部７の上流側に設置しているが、メタン化処理部７の内部に設ける構成としてメタン化反応の促進を図ることもできる。
【００３７】
また、本実施例では冷却部８とＨ２Ｏ除去部１２の双方を設置して、メタン化反応の促進を図っているが、冷却部８を設置せず、Ｈ２Ｏ除去部１２だけを設置する構成とすることもできる。
【００３８】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施例の概略を示す構成図である。
【図２】本発明の燃料電池システムのＨ２Ｏ除去部を設置した実施例の概略を示す構成図である。
【図３】本発明の燃料電池システムに用いた水素分離膜型の燃料電池の基本ユニットの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１、１１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  改質ガス流路
４  改質部
５  燃焼部
６  アノードオフガス流路
７  メタン化処理部
８  冷却部
９  カソードオフガス流路
１０  支燃エアー流路
１２  Ｈ２Ｏ除去部
１３ａ  第一Ｐｂｄ層
１３ｂ  第二Ｐｄｂ層
１４  水素透過性金属層
１５  ペロブスカイト層
【図１】
2005332725.tif 000003
【図２】
2005332725.tif 000004
【図３】
2005332725.tif 000005