(57)【要約】【課題】  燃料と水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成する改質ガス生成部１０と、水素分離膜２０と、水素回収部３０で回収された水素と酸素とを反応させて電力を取り出す燃料電池発電部４０とを備えた燃料電池発電システムであって、システムの小型化や効率の向上が可能であり、また、燃料電池発電部４０の制御性が優れた燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  水素回収部３０と燃料電池発電部４０の水素極４１に水素を接触させる水素接触部４２とを、外部から閉塞された配管５０で接続することにより、発電によって水素を消費させて水素分離膜２０の前後の水素分圧差を設け、水素を燃料電池発電部４０に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成する改質ガス生成部と、改質ガスが一方の面に供給される水素分離膜と、水素分離膜の他方の面に設けられた水素回収部と、水素回収部で回収された水素と酸素とを反応させて電力を取り出す燃料電池発電部とを備えた燃料電池発電システムにおいて、水素回収部と、燃料電池発電部の水素極に水素を接触させる水素接触部とが、外部から閉塞された状態で接続され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】
水素回収部と水素接触部とを接続した空間内の気体を排出する排気手段をも備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料電池発電部の発電量に応じて排気手段の排気量を制御する排気量制御手段をも備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
水素接触部と水素回収部とを接続した空間内の水素ガスの圧力を測定する圧力検知手段と、その検出した圧力に応じて燃料電池発電部で発電する電力量を制御する電力量制御手段をも備えること特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
水素接触部と水素回収部とを接続した空間内で凝縮した液体を回収して、この空間から放出する液体回収手段をも備えること特徴とする請求項１から請求項４のいずれか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、燃料と水蒸気とを改質反応させて生成した改質ガスを、燃料電池発電部に供給して発電する燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、炭化水素系燃料等の原燃料の水蒸気改質反応によって生成された水素リッチな改質ガスに対して、水素分離膜を用いて水素を精製する水素製造装置が知られている。水素分離膜は、水素のみを選択的に透過する機能があるため、改質ガスから不純物が極めて少ない高純度な水素を製造することが可能となる。そのため最近では、一酸化炭素が電極触媒に被毒作用をもたらすため低い一酸化炭素濃度の改質ガスが必要な固体高分子型燃料電池へ、水素分離膜を用いて水素のみを選択的に透過させた改質ガスを供給して発電することが提案されている。
【０００３】
この水素分離膜は、膜の両面に水素の分圧差を生じさせることで、水素分圧の高い側から水素分圧の低い側に水素のみを透過させることで、水素を分離している。そして、従来の透過させる水素の量を増やす方法としては、水素が透過される側に水蒸気のスウィープガスと呼ばれるガスを供給することによって、水素が透過される側の水素分圧を下げて水素分離膜の水素透過速度を増大させる方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００４】
しかしながら、上記水蒸気のスウィープガスによって水素を透過させる方法の場合、燃料電池の水素極の前に、水蒸気の分圧を制御するための凝縮器等が別途必要になり、また、多量の水蒸気を生成するための燃焼器や熱交換器等が別途必要となる。このことは、比較的小規模な１ｋＷ級以下の発電システムにおいて、部品点数の増加による大型化・高コスト化や、水蒸気を生成させるための燃料消費量の上昇による発電効率の低下や、燃料電池自体の水分管理の困難さ等が、大きな課題となるという問題があった。
【特許文献１】特許第２９５５０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたものであり、その課題は、燃料と水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成する改質ガス生成部と、改質ガスが一方の面に供給される水素分離膜と、水素と酸素とを反応させて電力を取り出す燃料電池発電部とを備えた燃料電池発電システムであって、システムの小型化や効率の向上が可能であり、また、燃料電池発電部の制御性が優れた燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本願発明は、燃料と水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成する改質ガス生成部と、改質ガスが一方の面に供給される水素分離膜と、水素分離膜の他方の面に設けられた水素回収部と、水素回収部で回収された水素と酸素とを反応させて電力を取り出す燃料電池発電部とを備えた燃料電池発電システムであって、水素回収部と、燃料電池発電部の水素極に水素を接触させる水素接触部とが、外部から閉塞された状態で接続されているものである。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明の燃料電池発電システムは、水素回収部と水素接触部とが、外部から閉塞された状態で接続されているため、燃料電池発電部に対して負荷電流を発生させて水素接触部内の水素を消費することにより、水素回収部の全圧を容易に負圧にさせることができ、発電中は、継続的に水素分離膜から水素を取り出すことが可能になる。そのため、従来の水蒸気等のスウィープガスによる掃き出し法で必要であった水蒸気分圧制御用の凝縮器等が不要となって、燃料電池発電システムの小型化、低コスト化や、水蒸気の生成のためのエネルギーが不要になることによる発電効率向上や、システムの制御性向上（電池内の水分管理の容易さ）などの効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第一の実施形態を模式的に示した図である。本発明に係る燃料電池発電システムの第一の実施の形態は、図１に示すように、燃料と水蒸気とを改質反応させて改質ガスを生成する改質ガス生成部１０と、改質ガスが一方の面に供給される水素分離膜２０と、水素分離膜２０の他方の面に接して設けられ、水素分離膜２０を通過した水素を回収する水素回収部３０と、水素回収部３０で回収された水素と酸素とを反応させて電力を取り出す燃料電池発電部４０とを備える。
【０００９】
そして、燃料電池発電部４０には、その水素極４１に水素を接触させる水素接触部４２と、その酸素極４３に空気中の酸素を接触させる酸素接触部４４が備えられており、水素回収部３０と水素接触部４２とは、壁面に穴の開いていない配管５０で接続されている。水素接触部４２は、この配管５０及び水素極４１と接続する部分以外は閉じた状態で形成されると共に、水素回収部３０は、上記配管５０及び水素分離膜２０と接続する部分以外は閉じた状態で形成されることにより、水素回収部３０と水素接触部４２とは、外部から閉塞された状態で接続されている。
【００１０】
上記改質ガス生成部１０には、ニッケル系やルテニウム系等の改質触媒が設けられており、ブタンガスやプロパンガスやメタノール等の炭化水素系の原燃料と水蒸気とによる水蒸気改質反応により、水素リッチな改質ガスが生成されるようになっている。そして、生成された改質ガスは、パラジウム又はパラジウム合金が薄膜加工されて形成された、水素ガスを選択的に透過する水素分離膜２０の原料ガス側に供給されるように接続されている。
【００１１】
本発明では、水素回収部３０と水素接触部４２とが、外部から閉塞された状態で接続されているため、燃料電池発電部４０に対して負荷電流を発生させて水素接触部４２内の水素を消費することにより、水素回収部３０の全圧を容易に負圧にさせることができる。これにより、水素分離膜２０両面の水素分圧に差を生じさせることができ、燃料電池発電部４０の発電中は、継続的に水素分離膜２０から水素を取り出すことが可能になる。
【００１２】
このように、本発明に係る燃料電池発電システムを用いれば、従来の水蒸気等のスウィープガスによる掃き出し法で必要であった水蒸気分圧制御用の凝縮器が不要となり、多量の水蒸気を発生させるのに必要な燃焼器、水回収器等も不要となる。このことから、燃料電池発電システムの小型化、低コスト化や、水蒸気の生成のためのエネルギーが不要になることによる発電効率向上や、システムの制御性向上（電池内の水分管理の容易さ）などの効果を得ることができる。
【００１３】
図２は、本発明の第二の実施形態を模式的に示した図である。本実施形態は、改質ガス生成部１０として、水素分離膜２０の原料ガス面にメンブレンリアクターを設けることにより、改質ガスを生成するように形成していること以外は、第一の実施形態と同様に形成してある。このように形成した場合、改質反応と水素分離を同時に進行させることができるので、改質反応の平衡の制約から回避することができ、第一の実施形態の場合の水蒸気改質反応温度より、低い反応温度で同等の水素転化率を得ることが可能となる。そのため、より低い反応温度による水素発生時間の短縮や改質ガス生成部１０のコンパクト化が図られ、燃料電池発電システムの起動時間の短縮や小型化に貢献できる。
【００１４】
図３は、本発明の第三の実施形態を模式的に示した図である。本実施形態は、水素回収部３０と水素接触部４２とを接続した空間内の気体を排出する排気手段としてのポンプ６０、及び、水素回収部３０と水素接触部４２とを接続した空間とポンプ６０の間に設けられた電磁弁６２とを備えて形成されていること以外は、第一の実施形態と同様に形成してある。
【００１５】
改質ガス生成部１０で生成した改質ガス中には、一般的に、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気等の不純物が含まれている。燃料電池発電システムの運転を続けると、これらの不純物は、水素分離膜２０の接合部等から水素回収部３０側にリークしてしまう場合がある。本発明では、水素回収部３０と水素接触部４２が外部から閉塞されているので、その空間内に不純物が次第に蓄積してしまう。特に一酸化炭素は、燃料電池発電部４０の電極に対して被毒作用があるために、定期的に系外に放出して、空間内の水素純度を高く維持する必要がある。
【００１６】
そこで、本実施形態では、燃料電池発電部４０の水素接触部４２側の空間に、電磁弁６２とポンプ６０を接続することによって、ある一定の時間が経過した場合に、一時的に電磁弁６２を開き、ポンプ６０によって上記空間内の不純物含有水素を系外に放出することが可能なようになっている。なお、系外に放出された不純物含有ガスを、改質ガス生成部１０を加熱する燃焼器に供給し燃焼による後処理を施すことで、大気汚染の問題を回避することも可能である。
【００１７】
このように、不純物の排気手段を設けることにより、常に高純度な水素が燃料電池発電部４０の水素極４１に供給されるので、燃料電池発電部４０の発電安定性、長期運転性が確保できる。
【００１８】
また、電磁弁６２を閉じた場合には、水素回収部３０と水素接触部４２が外部から閉塞された状態で発電が可能であるため、第一の実施形態と同様に、燃料電池発電システムの小型化、低コスト化や、水蒸気の生成のためのエネルギーが不要になることによる発電効率向上や、システムの制御性向上（電池内の水分管理の容易さ）などの効果を得ることが可能となる。
【００１９】
なお、上記の実施の形態は、一定の時間が経過した場合に、一時的に電磁弁６２を開き、ポンプ６０によって上記空間内の不純物含有水素を系外に放出するように形成したが、燃料電池発電部４０の発電量に応じて電磁弁６２の開閉を制御することにより、排気手段（ポンプ６０）の排気量を制御するようにしても良い。この場合、不純物の影響で燃料電池発電部４０の電位が低下した場合などに、燃料電池発電部４０の状態を素早く回復させることができ、燃料電池発電部４０の発電安定性をさらに高めることが可能である。
【００２０】
図４は、本発明の第四の実施形態を模式的に示した図である。本実施形態は、水素回収部３０に水素の圧力を計測できる圧力検知手段としての圧力センサー３２を接続すると共に、圧力センサー３２で検出した圧力に応じて燃料電池発電部４０で発電する電力量を制御する電力量制御手段を備えて形成していること以外は、第三の実施形態と同様に形成してある。
【００２１】
水素回収部３０の圧力は、水素分離膜２０を透過する水素量に対応する。もし、水素回収部３０の水素分圧が高く、つまり、透過する水素量が少ない状態で燃料電池発電部４０で発電を行うと、過負荷により燃料電池発電部４０が破損する可能性がある。そのため、本燃料電池発電システム以外から電気を供給すること等により、燃料電池発電部４０の負荷を下げる制御を行なう。このように、水素回収部３０に設けた圧力センサー３２の計測値に対応して、発電量を制御すると、過負荷による燃料電池発電部４０の破損等を回避することが可能となる。
【００２２】
図５は、本発明の第五の実施形態を模式的に示した図である。本実施形態は、水素回収部３０と水素接触部４２とを接続する配管５０に、水素接触部４２と水素回収部３０とを接続した空間内で凝縮した水等の液体不純物を回収する気液分離器５２を設けると共に、気液分離器５２の底面と接続した電磁弁５４とを設けて形成した液体回収手段を備えること以外は、第一の実施形態と同様に形成してある。そして、一定の時間が経過した場合に、一時的に電磁弁５４を開き、気液分離器５２内の液体不純物を系外に放出する。なお、気液分離器５２と電磁弁５４の設置場所は、水素接触部４２と接続して設けても良い。
【００２３】
改質ガス中に含まれる不純物のうち、水蒸気は、水素回収部３０と水素接触部４２との間や、水素接触部４２で凝縮して液体の水となりやすいため、高純度の水素を維持するためには、この空間外に放出することが必要になる。このように、液体不純物を系外に放出するよう形成すると、液体不純物による燃料電池発電部４０への影響が回避されるので、発電の安定性が一層確保される。なお、液体不純物を放出する時期は、ある一定の時間が経過した場合でも良いし、気液分離器５２の水位がある液面まで到達した場合に放出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一の実施形態を模式的に示した図である。
【図２】本発明の第二の実施形態を模式的に示した図である。
【図３】本発明の第三の実施形態を模式的に示した図である。
【図４】本発明の第四の実施形態を模式的に示した図である。
【図５】本発明の第五の実施形態を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  改質ガス生成部
２０  水素分離膜
３０  水素回収部
４０  燃料電池発電部
４２  水素接触部
５０  配管
【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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