(57)【要約】【課題】  起動から運転中も含め、いかなる場合においても燃料電池性能や寿命に有害な不純ガスを排除できるとともに常に最も高濃度の水素ガスを電池に供給する。【解決手段】  燃料ガスの供給部と電池との間に水素ガス分離器を設置し、更に電池アノード排出ガスを水素ガス分離器入口に導く循環経路を設け、アノード排出ガスと燃料ガスの混合ガスを循環ブロアによって搬送して水素ガス分離器に送り込み、分離後の水素ガスを電池に供給するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む供給ガスを燃料極に供給し、酸化し、排出ガスとして排出する燃料電池を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記供給ガスは、水素ガスを含む燃料ガスと、前記排出ガスの全部又は一部とを混合した混合ガスからなり、水素ガスと、その他のガスとを分離する機能を有する水素分離器を通過して、前記燃料極に供給されることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記水素分離器の上流側に圧力検知器を設けた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】
前記排出ガスを前記水素ガス分離器に導くための循環経路を設け、前記混合ガスを前記水素分離器に搬送する循環ブロアを備えた請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記排出ガスは、気体と水とを分離する機能を有する気水分離器を通過して前記燃料ガスと混合されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
燃料電池に供給するガスが、前記水素分離器を通過せずに前記燃料極に供給される経路を持つ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６】
前記燃料ガスは原燃料が炭化水素やアルコールであり、それを改質装置にて改質した水素を多く含むガス、あるいはその他の水素製造方法で生成された水素や副生物として生成された水素などを一時的に蓄える貯蔵器から随時供給される水素を多く含むガス、あるいは水素ボンベから供給される水素ガスであ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７】
前記水素ガス分離器と前記燃料電池とを結ぶ燃料ガス供給系統にＣＯ選択酸化器を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記水素ガス分離器で分離された残ガスは前記改質触媒にて改質反応を行うときの熱源として燃焼させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記燃料ガスの供給部として改質触媒部に水素ガス分離機能を備えた改質装置を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記改質装置により分離された残ガスは上記改質触媒にて改質反応を行うときの熱源として燃焼させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記改質装置により分離された残ガスをＣＯ変成器に通し、その変成器出口ガスを前記水素ガス分離機能により分離された水素に富むガスと混合し、前記水素ガス分離器に導入したあと、分離後の水素に富んだ燃料ガスを、前記水素ガス分離器と前記電池の間に設けたＣＯ選択酸化器を通すことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
燃料供給部から導かれる燃料ガスと燃料電池の燃料極から排出される排出ガスとを混合し、混合ガスを加圧して水素ガスを分離する装置に導入して、水素を分離し、水素ガスを燃料電池燃料極に供給することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
前記燃料電池の排出ガス中の不純物ガス濃度が前記燃料供給部から供給される燃料ガス中の不純物ガス濃度より高い燃料電池発電システムにおいて、前記排出ガスと前記燃料ガスを混合して、前記混合ガスの不純ガス濃度を前記排出ガスにおける不純物ガス濃度よりも低くして、水素ガスを分離する装置に前記混合ガスを導入して、水素ガスを分離し、水素ガスを燃料電池燃料極に供給することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスを燃料として用い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】
近年の環境問題、特に自動車等の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、省エネでクリーンな排気及び高いエネルギ効率を可能にする燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池発電システムは水素ガス（燃料ガス）及び空気（酸化剤ガス）をそれぞれ燃料極，空気極に供給し、電気化学反応を生じさせ、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。また、電気化学反応によって生成する物質は水のみであり、有害物質を含む排気ガスやＣＯ2 は排出されない。
【０００４】
しかし、燃料として水素ガスが普及するためには水素の輸送・貯蔵技術の進展やコストの問題が残っている。現状では炭化水素に水蒸気改質反応を起こさせて水素を製造するプロセスが一般的であり、特に家庭用定置型の燃料電池発電システムは改質装置と燃料電池をパッケージ化し、灯油や都市ガスを燃料としたシステムが開発された。
【０００５】
このような化石燃料を原燃料とする燃料電池発電システムの発電効率を向上させるために水素分離技術が取り入れ始められている。
【０００６】
たとえば家庭用定置型で燃料として都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素を用いる場合の発電システムにおいては、改質触媒部に水素分離膜を設けて水素濃度の向上、及び水素発生量の増加を図るとともに電池性能に悪影響を及ぼす一酸化炭素をも除去することにより発電効率を向上させることが知られている（例えば特許文献１を参照）。
【０００７】
また、車載用を意識した燃料として純水素を用いるＰＥＦＣ発電システムにおいては、電池出口に水素分離膜を設置して電池ノード系統内で発生あるいは生成された不純ガスや水の除去に水素分離膜を使用し、アノード排出ガスから分離した未反応の水素をアノード入口へ返送して水素の有効利用を図り、燃費の向上（発電効率の向上）を図っている（例えば特許文献２を参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−５７７５８号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら特許文献１では電池入口での水素濃度向上による発電効率の向上は期待できるが、特許文献２にあるような電池出口の排出ガス中に含まれる未反応の水素の活用については配慮されていない。
【００１０】
逆に特許文献２の電池出口のアノード排出ガスから不純物を除去し、水素リッチなガスを電池入口に再循環させる方法についても、特許文献１とは逆に、電池上流側での燃料ガス中の水素濃度の向上や不純物の除去には配慮されておらず、起動時及び運転中に燃料ガス組成が不良になったり、電池にとって好ましくないガスが含まれても、起動時から運転までどのようなときにもその影響を一切受けないような配慮はなされていない。
【００１１】
そこで、これらの公知例を組み合わせた場合には、燃料電池発電システムとしては燃料電池の上流側の燃料ガス供給系統と下流側の燃料ガス排出系統にそれぞれ水素分離器を設けることにより、上記の課題は解決できると考えられるが、分離装置が２基必要になりコストアップにつながること、また分離器のうち分離膜や微細構造の多孔体などを使用している分離器では通常ガス圧力を例えば加圧したりして調整して使用するため、調圧プロセスが複雑となることなどの課題が生じる。
【００１２】
そこで本発明では、燃料電池上流側での燃料組成の変化や不純物混入に対して常に電池に有害な物質の除去と高い水素濃度を維持することと、電池出口における未反応の水素を回収して、電池入口側に返送することを同時に達成でき、構成がシンプルで運転操作も容易な燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
水素を含む供給ガスを燃料極に供給し、酸化し、排出ガスとして排出する燃料電池を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記供給ガスは、水素ガスを含む燃料ガスと、前記排出ガスの全部又は一部とを混合した混合ガスからなり、水素ガスと、その他のガスとを分離する機能を有する水素分離器を通過して、前記燃料極に供給されることを特徴とする燃料電池発電システムである。
【発明の効果】
【００１４】
燃料電池上流のガス組成変化や戻りガス中に含まれる不純物が増加しても、起動から運転中も含め、いかなる場合においても電池に有害な不純ガスを排除できるとともに高濃度の水素ガスを電池に供給でき、更には燃料の利用率が高い運転を継続できるため、発電効率の高いシンプルな発電システムとして提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本実施形態にかかる燃料電池は、水素ガスを酸化する燃料極と、酸素ガスを還元する空気極とを介して固体高分子電解質膜が形成される単セルを積層した固体高分子型燃料電池である。
【００１６】
本実施形態にかかる燃料電池システムは、水素を含むガスを供給ガスとして燃料極に供給する燃料供給口と、燃料極を経た供給ガスを排出ガスとして排出する排出口を有する燃料電池を有する。
【００１７】
そして、供給ガスは、水素ボンベや、改質器を経て生成される水素リッチなガスからなる燃料ガスと、排出ガスとを混合した混合ガスである。
【００１８】
混合ガスは、水素ガスと、その他不純物のガスを含むガスであるので、水素とその他のガスを分離する機能を有する水素ガス分離器を通した後、供給ガスとして燃料極に供給する。
【００１９】
水素ガス分離器はナノサイズの微細孔を有するセラミックスの水素分離膜にガスを通過させることで、水素と、不純物ガスとを分離している。このため、水素ガス以外の不純物ガスの濃度が高すぎると効率よく水素ガスを分離することができない。そこで、水素濃度の高い（不純物ガスの濃度が低い）燃料ガスと、燃料極にて水素を消費した水素濃度が比較的低い（不純物ガスの濃度が高い）排気ガスとを混合して、水素ガス分離器を通過させることは、水素ガスと不純物ガスとを効率よく分離するために効果がある。
【００２０】
このとき混合ガスの圧力は、排出ガスの圧力と燃料ガスの圧力とで決まるが、水素分離器を通過するガス圧が水素ガス分離器が効率よく水素ガスとその他のガスを分離しうる適正な圧力とするために水素ガス分離器の上流側に圧力検知器を設け、水素分離器を通過する混合ガスの圧力を検知し、適正な値となるように適宜調整することにより、簡便で、より効率よく水素と不純物ガスとを分離し、水素ガス濃度の高い供給ガスを燃料極に供給することができる。
【００２１】
以下、本発明を適用した燃料電池発電システムの具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明の実施例を示す。本実施例の燃料電池発電システムは燃料供給部として圧力の高い水素を含む燃料ガスを貯蔵した水素貯蔵器１，燃料ガス中の水素ガスを発電燃料として用いて発電する燃料電池２，燃料電池２から排出される排出ガスと、燃料ガスを混合する混合器３，混合器を出た混合ガスから水素ガスを分離する水素ガス分離器４，混合ガスを加圧して水素ガス分離器４に圧送する循環ブロア５から構成されている。
【００２３】
図１の燃料電池発電システムの作用を以下に示す。
【００２４】
図示しない空気フィルタ等で脱塵された空気は、空気供給装置７によって、圧縮され、空気配管１０を介して加湿器８に送られる。加湿器８で加湿された空気は、燃料電池２の空気極入口に供給される。燃料電池の空気極出口には、空気調圧弁２０が備わり、調圧弁の開度と空気供給装置７の駆動力により、空気極の圧力が調整される。空気調圧弁２０は、空気排出管１１を介して排空気を系外に排出する。
【００２５】
水素貯蔵器１より供給された水素ガスを含む燃料ガスは開閉弁２１，圧力調整弁２２を介して、所定の運転圧力に調整されて、流量設定器３０により流量設定されて、燃料供給配管１５を介して混合器３に供給される。
【００２６】
また、燃料電池２の燃料極出口から排出される排出ガスは排出ガス循環配管１３を介して気水分離器６に送られ、排出ガスに含まれている水が分離されるドレン排出管１８を通って系外に排出される。なお、排出ガス中の水は加湿水や電池反応によって生じる生成水が燃料電池２の内部流路内で凝縮したものである。気水分離器６を出た排出ガスは排出ガス循環配管１３を介して混合器３に供給される。混合器３にて排出ガスと燃料ガスとが混合する。混合ガスは混合ガス配管１４に備わる循環ブロア５によって水素ガス分離器４に送られる。水素ガス分離器４は例として内部に水素を透過する微細孔を有する多孔質膜から成り立っており、ここで、水素ガスとそれ以外の第２ガスとに分離される。水素の分離性能を最適化するために水素ガス分離器４の上流側に圧力検知器３１を備え、水素ガス分離器４にとって最適な圧力になるように、圧力調整弁２２と循環ブロア５の駆動力が調整される。分離後の水素ガスには混合ガス中に含まれていた不活性ガスを始めとする不要なあるいは電池に有害なガス成分が除去されており、ほぼ１００％に近い水素濃度を有する水素ガスである。水素ガスは、燃料電池２に供給され、発電によって電池内で水素を消費し、燃料電池２の燃料極出口から排出される。先述したように排出ガスには未反応の水素の他に水や不活性ガス等のその他不純物ガスが混じっている。
【００２７】
なお、水素ガス分離器から分離された不活性ガスを始めとする不要なあるいは電池に有害なガス成分が含まれる第２ガスは開閉弁２３を介して常時、あるいは水素ガス分離器４を通るガス量や圧力検知器３１の圧力値に応じて間歇的に排出管１２から系外へ排出される。
【００２８】
また、起動時や運転停止時の混合ガス配管の循環流量調整や圧力調整のためパージ弁
２５による開閉操作が行われパージ配管１６から残ガスが排出される。排出された残ガスは図示しないが、空気で希釈されてから系外に排出される。
【００２９】
また、停止操作時に水素ガス以外のガス例えば窒素ガスなどを燃料極に流すことを想定して水素ガス分離器４をバイパスするバイパス配管１７を設けてバイパス弁２４を開にすることにより燃料電池に水素以外のガスも供給できるような配慮がなされている。
【００３０】
本実施例によれば燃料極出口からの排出ガスと水素貯蔵器１の燃料ガスにそれぞれ含まれる不純ガスや電池に有害な物質を起動時から除去できるため、電池の劣化を防止でき、更に燃料電池の供給ガスの入口で高い水素濃度が得られるために燃料極における水素分圧が高くなりセル電圧が向上する他、水素ガス分離器４と循環ブロア５により、燃料極出口排出ガス中の未反応水素を常に循環させているため、電池に新たに供給する水素は電池反応によって消費される分だけでよく、したがって燃料の利用率を１００％近くにできるために発電効率が向上する。
【００３１】
また、排出ガスと燃料ガスという二つの異なるガス流体からの水素分離を一基の水素ガス分離器４で行うため、システムの簡素化が図られる。更に水素ガス分離に必要な分離部でのガス昇圧に関しても、燃料ガスと排出ガスを混合してから排出ガスの循環搬送を兼ねたブロア５に送り込むことになるため、水素ガス分離器４と同様に昇圧循環ブロア５も一台でまかなえることによりシステムの簡素化が図られる。
【００３２】
水素貯蔵器１から供給される燃料ガスが高純度の水素の場合でも、排出ガスを混合してから水素ガス分離器４に送り込むことにより、排出ガスに何らかの原因で電池性能を阻害するガス（例えば窒素，水，炭化水素）が混在していても阻害ガスの濃度が高純度の水素と混合器３にて混合することにより、薄められ、より低濃度となるため、分離後の水素ガス中に含まれる阻害ガスの濃度も従来のように電池出口に水素ガス分離器を設けたシステムに比べて非常に低濃度にすることができ、電池の性能劣化を抑制し、より寿命が向上する。
【００３３】
また、水素貯蔵器１からの水素ガスにおいて、何らかの原因で水素以外のガスの割合が増えたり、電池に有害なガスが混在するような事態が生じても燃料電池２に導入される前に水素ガス分離器４でそれらを排除できるため、起動時も含め常時電池に供給される水素ガスには不純物の少ない水素ガスを供給でき、信頼性の高い発電システムを提供できる。
【００３４】
図２は図１の変形例として水素貯蔵器が高圧の貯蔵器の場合に適するもので、混合器３と循環ブロア５のかわりにエゼクター２６を設けたものである。水素貯蔵器１より供給された水素ガスを含む燃料ガスは開閉弁２１，圧力調整弁２２を介して、所定の運転圧力に調整されて、エゼクター２６のノズルに供給される。エゼクター２６はノズルに供給される新規な燃料ガスを駆動流として、吸込み口に接続された排出ガス循環配管１３からの電池排出ガスを吸込み、燃料ガスと排出ガスとの混合ガスをディフューザから吐出する。混合ガスが水素ガス分離器４に供給される。図１の循環ブロアがないため、その駆動力分のエネルギが減ることにより、補機損失が低減し、システムの発電効率を高くする効果が得られる。
【実施例２】
【００３５】
図３に本発明の他の実施の形態として、燃料供給部が従来型の外部加熱方式の改質装置であり、改質装置周辺の構成が異なるが、それ以外の構成，作用は図１とほぼ同様である。改質装置４０には上流から下流に向かって改質反応部４１，ＣＯ変成器４２，ＣＯ選択酸化器４３を順次有しており、また、改質反応部に反応に必要な熱を供給するための燃焼部４４を備えている。改質装置出口配管５０での改質ガス中の水素濃度はドライベースで７５％程度であり、また改質ガスの温度が高い場合は冷却器２７にておおよそ７０℃〜
９０℃の範囲に調節される。原燃料である都市ガスやＬＰＧ，天然ガスなどの炭化水素やメタノールなどのアルコール、あるいは灯油の気化ガスなどが原燃料供給部２８から原燃料供給配管５１を介して改質装置の改質反応部４１に蒸気配管５２を介して導入される水蒸気と一緒に供給され、改質触媒上で水蒸気改質反応により水素を主とした改質ガスを生成する。このとき改質ガスには水素の他にＣＯやＣＯ2 ，残メタンなどの炭化水素が存在する。改質ガスは後流のＣＯ変成器４２にてシフト触媒により、改質ガス中のＣＯが水素に転換される。更にわずかに残った改質ガス中のＣＯをＣＯ選択酸化器４３にてＣＯを空気供給管５３を介して空気を導入してＣＯ選択酸化触媒により、選択的に酸化させ、約
１０ppm 以下にすることが望ましいとされている。ただし、ＣＯを完全にゼロにすることは難しく、またＣＯ選択酸化器に備わる選択酸化触媒の活性が落ちたり、作動温度が許容範囲をはずれてＣＯ濃度が増加する場合が生じると、電池の性能や運転に悪影響を与える結果となるが、本システムでは後流に水素ガス分離器４が備わっているため、ここでＣＯが分離されることにより、燃料電池２には極微量のＣＯのみが流れるため、電池性能や安定性を阻害しない信頼性のあるシステムを提供できる。
【００３６】
なお、水素ガス分離器４で分離された水素ガス以外の第２ガスには改質装置４０で水素に転換できなかった未反応の炭化水素が含まれているが、気水分離器２９にて水を除去したあと、第２ガスは改質装置４０の燃焼部に第２ガス戻り配管５７を介して送られ、燃焼用空気供給管５４によって供給される空気で燃焼し、その燃焼熱５５が改質反応部４１での改質反応の熱源の一部として使われる。なお、熱量が不足する場合は原燃料供給部２８から一部原燃料を燃焼用に用いるため、燃焼用原燃料供給配管５６を備えることも可能である。また、起動時や運転停止時の混合ガス配管の循環流量調整や圧力調整のためパージ弁２５による開閉操作が行われパージ配管１６から残ガスが排出される。排出された残ガスは図示しないが、空気で希釈されてから系外に排出される場合や、本図に示すように燃焼部４４に導いて燃焼ガスとして系外に排出する。
【００３７】
本実施例のシステムによれば、第２ガスに含まれる残炭化水素やＣＯなどの燃焼熱の活用により、熱の有効利用が図られ、発電効率の向上にも寄与する。
【実施例３】
【００３８】
図４に本発明の他の実施の形態として、図３の改質装置４０の構成要素を改質反応部
４１と燃焼部４４だけにした場合の燃料電池発電システムを示す。
【００３９】
先の図３のシステム構成と上記改質装置を除いて異なる点は、水素ガス分離器４と燃料電池２の間にＣＯ選択酸化器４３とその温度制御のための熱交換器４５をその後段に設置したことと、改質反応部４１と混合器３間の改質装置出口配管５０上に改質ガスの冷却と水蒸気発生のための熱交換器４６を備えたことである。原燃料は改質反応部４１にて改質され、改質ガスは図３にて説明したように水素の他に高濃度なＣＯ，ＣＯ2 などのガスを含む。改質ガスは改質装置４０の出口で６００℃以上の高温であるため、熱交換器４６にて冷媒体１００より冷却されたのち、改質装置出口配管５０を介して混合器３に導入され、排出ガス循環配管１３を介して混合器３に導入された燃料電池出口排出ガスと混合し、水素ガス分離器４にて水素ガスとそれ以外の第２ガスに分離される。なお、冷媒体１００としては改質反応に必要な水蒸気を発生させるための水や、その他予熱が必要な原燃料や燃焼部４４に送られる燃焼用空気などが用いられる。
【００４０】
水素ガスには水素ガス分離器４の分離性能にも依存するが、改質ガスに含まれるＣＯが高濃度なため、分離器出口でも分離膜を透過した水素ガスにはＣＯが含まれることになる。先述したようにＣＯは電池に悪影響を及ぼすため、できるだけ排除することが望ましい。このため、本実施例では水素ガス分離器４の後段に熱交換器４５を設けて、さらにその下流側に設けられたＣＯ選択酸化器４３のための温度調整を冷媒体１０１を流すことによって行い、ＣＯ選択酸化器に空気供給管５３より供給される空気によってＣＯをＣＯ2 に酸化している。なお、図３と同様に水素ガス分離器４で分離された水素ガス以外の第２ガスは気水分離器２９にて水を除去したあと、改質装置４０の燃焼部４４に送られ、燃焼してその燃焼熱５５を改質反応部４１での改質反応の熱源の一部として使われる。
【００４１】
本実施例によれば、従来必要であったＣＯシフト変成器が削除でき、シフト変成器に備わるシフト触媒の昇温や触媒温度維持のための運転制御も不要となる。この結果、システム起動時間の短縮や起動時のエネルギ消費量が減少し、その分発電効率が向上するとともに、運転制御面での信頼性が非常に向上する。
【実施例４】
【００４２】
図５に本発明の他の実施の形態として、図４の改質装置４０の構成要素の中の改質反応部４１が水素分離機能を有する改質装置である場合の燃料電池発電システムを示す。
【００４３】
図４のシステムと異なる点は、改質装置４０の改質反応部４１に隣接する形で水素分離機能として、たとえば水素分離膜４８を含む水素分離器４７が設けられており、改質反応で生成された水素１０２が順次隣接する水素分離膜４８を透過して水素側チャンバー49ａに流入し、未透過の残ったＣＯを始めとする炭化水素などの可燃ガス成分を含んだガスが、残ガス側チャンバー４９ｂから残ガス戻り配管５８を介して燃焼部４４に送られて、燃焼し、改質反応の熱源として使われる点にある。従来の水素分離機能を持たない改質装置を用いた先の図３の実施例と比べると水素分離機能を持つ改質装置を有した本システムは水素の発生量はほぼ同等であるが、燃焼部４４に送られる残ガスの発熱量が高いため、改質反応に必要な熱源として補助的に燃焼部４４に燃焼用原燃料供給配管５６を介して供給している助燃用燃料がその分少なくて済むため、改質プロセス効率が向上し、発電効率がより高くなる。
【００４４】
また同じく改質装置に水素分離機能を持たない先の図４と比べると、この場合は水素の発生量において大きく本実施例が勝るため、その結果、発電効率においても大きな開きとなる。
【実施例５】
【００４５】
図６は本発明の他の実施の形態として、図５と同様に改質装置４０の構成要素の中の改質反応部４１が水素分離機能を有する改質装置である場合の燃料電池発電システムを示す。先の図５のシステムと異なる点は、水素分離膜４８を未透過の残ったＣＯを始めとする炭化水素などの可燃ガス成分を含んだ可燃ガスを残ガス供給配管５９に設けたＣＯ変成器４２に送り、Ｈ2ＯとＣＯをシフト反応によってＨ2とＣＯ2 に変換し、変換後の本ガスを残ガス供給配管５９を介して混合器３に導いた点にある。ＣＯ変成器４２でのシフト反応を適切に行わせるため、水素分離器４７とＣＯ変成器４２の間に冷却器６０を設けて適切な温度に調節することにより、改質装置を用いた本実施例のシステムの中では最も水素の発生量が多く、この結果、改質プロセス効率が向上し、最も発電効率の高いシステムを提供することができる。
【実施例６】
【００４６】
図７は水素ガス分離器の構造の概略を示したものである。実施例として本図は矩形の形状の水素ガス分離器を示しており、燃料ガスと電池排出ガスの混合ガス１０３が分離器４の分離器入口１１０から流入する。ナノサイズの微細孔を有するセラミックスの分離膜
１０６が混合ガスの流入方向に対して斜めの方に設置されている。更に斜め方向に沿って混合ガスが流れるようにガイド板１０７が設けられており流路１０８を形成する。更に混合ガス流れの最終部１１２近傍においてガイド板が垂直に立って混合ガスは排出孔１０９から排出される。混合ガス１０３中の水素は分離膜１０６を透過して、水素ガス１０４として分離器出口１１１から排出される。
【００４７】
本実施例では分離膜１０６を斜めに配置し、更にガイド板１０７を設けて流路１０８を構築することにより、分離膜１０６と混合ガス１０３とのコンタクト時間と面積を稼ぐようにすると共に残ガス１０５の排出もガイド板１０７によってスムーズに流れることにより効率よく水素を分離することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
家庭用コージェネの燃料電池あるいは車載用を始め、移動用の燃料電池発電システムに対して多様な燃料に利用可能であり、本発明の一部はガス分離装置にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一実施例であるシステム構成を示した説明図である。（実施例１）
【図２】本発明の燃料電池発電システムの一実施例であるシステム構成の変形例を示した説明図である。（実施例１）
【図３】本発明の燃料電池発電システムの一実施例であるシステム構成を示した説明図である。（実施例２）
【図４】本発明の燃料電池発電システムの一実施例であるシステム構成を示した説明図である。（実施例３）
【図５】本発明の燃料電池発電システムの一実施例であるシステム構成を示した説明図である。（実施例４）
【図６】本発明の燃料電池発電システムの一実施例であるシステム構成を示した説明図である。（実施例５）
【図７】本発明の燃料電池発電システムに用いることのできる水素ガス分離器構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…水素貯蔵器、２…燃料電池、３…混合器、４…水素ガス分離器、５…循環ブロア、６…気水分離器、７…空気供給装置、８…加湿器、１０…空気配管、１１…空気排出管、１２…排出管、１３…排出ガス循環配管、１４…混合ガス配管、１５…燃料供給配管、
１６…パージ配管、１７…バイパス配管、１８…ドレン排出管、２０…空気調圧弁、２１，２３…開閉弁、２２…圧力調整弁、２４…バイパス弁、２５…パージ弁、２６…エゼクター、２７…冷却器、２８…原燃料供給部、２９…気水分離器、３０…流量設定器、３１…圧力検知器、４０…改質装置、４１…改質反応部、４２…ＣＯ変成器、４３…ＣＯ選択酸化器、４４…燃焼部、４５，４６…熱交換器、４７…水素分離器、４８…水素分離膜、４９ａ…水素側チャンバー、４９ｂ…残ガス側チャンバー、５０…改質装置出口配管、
５１…原燃料供給配管、５２…蒸気配管、５３…空気供給管、５４…燃焼用空気供給管、５５…燃焼熱、５６…燃焼用原燃料供給配管、５７…第２ガス戻り配管、５８…残ガス戻り配管、５９…残ガス供給配管、１００，１０１…冷媒体、１０３…混合ガス、１０４…水素ガス、１０５…残ガス、１０６…分離膜、１０７…ガイド板、１０８…流路、１０９…排出孔、１１０…分離器入口、１１１…分離器出口。
【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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【図６】
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【図７】
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