(57)【要約】【課題】水素生成器の熱バランスを保ち、水素生成器の各反応部の温度を所定の温度に維持して安定して運転を継続することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２と、改質部３ａと、改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部とを有する水素生成器３と、燃焼用ガスを燃焼させ改質部を加熱するバーナ部３ｅと、前記燃料電池及び前記バーナ部のうちの少なくとも一方に空気供給経路を介して空気を供給する空気供給手段と、空気供給経路から分岐して改質部及び一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に空気供給手段で供給する空気の一部を流通させる冷却空気経路とを備えたことで、冷却空気経路を流通する空気の流量を調整することで、水素生成器の各反応部の温度を所定の温度に維持することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、
原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部とを有する水素生成器と、
燃焼用ガスを燃焼させ前記改質部を加熱する燃焼部と、
前記燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方に空気供給経路を介して空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させる冷却空気経路とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記一酸化炭素低減部は、前記改質部からの燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、水性ガスシフト反応を利用して低減する変成部と、メタネーション反応を利用して低減するメタネーション部及び酸化反応を利用して低減する選択酸化部のうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却空気経路は、前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させた後、前記空気供給経路との分岐点より下流の前記空気供給経路に合流することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気供給手段は、前記燃料電池に空気を供給する空気ブロワであり、前記空気供給経路は、前記燃料電池に空気を供給するカソード空気経路であり、前記冷却空気経路は、前記カソード空気経路と前記燃料電池の上流側で合流することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の温度を検知する温度センサと、前記冷却空気経路を流通する空気量を調整する調整手段と、前記温度センサで検知した温度に基づいて前記調整手段を制御する制御部とをさら備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記調整手段が、前記冷却空気経路に備えられた開閉弁であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記温度センサで検知する温度が所定温度よりも高くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に空気を流通させ、前記温度センサで検知する温度が前記所定温度よりも低くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に流通する空気を遮断することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記所定温度は第１の所定温度と、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度で構成され、前記制御部は、前記温度センサで検知する温度が前記第１の所定温度よりも高くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に空気を流通させ、前記温度センサで検知する温度が前記第２の所定温度よりも低くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に流通する空気を遮断することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記改質部と前記一酸化炭素低減部とを収納する筐体と、前記筐体の外周に配された断熱材とをさらに備え、前記冷却空気経路を前記筐体の外側で、かつ前記断熱材の内側に配したことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系の原料を改質して生成された燃料ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素や水素リッチガスを供給し（以下、水素リッチガスを供給する方をアノード側と称す）、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して（以下、酸化剤ガスを供給する方をカソード側と称す）、電気化学反応によって発電を行うものである。
【０００３】
燃料電池が発電する際には、電力と同時に熱が発生するが、燃料電池で発電した電力とともに、この熱を回収して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が近年、燃料電池システムとして注目されている。
【０００４】
燃料電池の発電に必要な水素リッチガス（以下、燃料ガスと称す）を生成する方法の一つとして、燃料電池システムでは都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスやメタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を水蒸気とともに導入して改質する改質部を有する水素生成器を備えたものが一般的である。
【０００５】
また、燃料電池は電気化学反応を促進するために電極に触媒を有しており、この触媒は一酸化炭素により被毒して性能が低下する性質を有していることが多い。そのため、水素生成器には、炭化水素系の原料を改質部で改質して燃料ガスを生成した後、この燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための一酸化炭素低減部をさらに備えているものが一般的である。
【０００６】
一酸化炭素低減部の一例としては、改質部で生成したガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応で低減するための変成触媒を有する変成部と、この変成部から送出される燃料ガス中の一酸化炭素を、別途供給した空気中の酸素によって酸化する選択酸化触媒を有する選択酸化部とを順次備えたものがある。
【０００７】
また、水素生成器には燃焼用ガスを燃焼させて改質部を加熱する燃焼部が備えられている。ここで燃焼用ガスとは、燃焼部で燃焼に利用するガスであり、原料ガス（液体の炭化水素系原料の場合は気化させたもの）や燃料ガス、さらには燃料電池で発電に利用されなかった水素を含むガス（以下、オフガスと称す）のことを指す。また、燃焼部には燃焼用ガスを導入する燃焼用ガス経路の他に、燃焼空気を導入するための燃焼空気経路が接続されており、燃焼空気ファン等の送風機によって燃焼用ガスの流量に応じた空気が燃焼部に供給されるようになっている。
【０００８】
水素生成器で燃料ガスを生成する際には、改質部に炭化水素系原料と水とを導入し、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼させることにより７００℃程度に加熱して、吸熱反応である改質反応に必要な熱を供給して改質反応を進行させる。このとき一酸化炭素が１０％程度発生するので、下流の一酸化炭素低減部で一酸化炭素濃度を低減させる。一酸化炭素低減部では、まず変成部で触媒温度を２００℃〜３００℃程度に制御して発熱反応を伴いながら水性ガスシフト反応を進行させ、一酸化炭素濃度を０．５％以下程度にまで低減させる。さらに選択酸化部では１００℃〜２００℃程度に触媒温度を制御して、少量の空気を導入して一酸化炭素を触媒上で発熱反応を伴いながら酸化反応させて、その濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する。その結果、水素生成器の出口では、水素濃度７０％〜７５％程度
の水素含有ガスが得られ、これが燃料ガスとして燃料電池のアノード側に供給されることになる。
【０００９】
また、燃料電池システムでは、燃料電池のカソード側には空気ブロワ等の送風機によって酸化剤ガスとして空気が供給されるようになっている（以下、適宜、カソード空気と称す）。
【００１０】
また、燃料電池システムは、大きさが小さくて設置性が優れていること、使用されるデバイスが少なく、構成が簡素化されて低コスト化されていることが望まれている。よって燃料電池システムに搭載される水素生成器は、大きさがコンパクトであること、低コストであること、改質効率が高いこと、操作・制御が容易であること、耐久性が高いこと、等々の要求を最大限満たすことが、燃料電池システムの小型化による設置性の向上や低コスト化の観点で重要である。これらの観点から、改質部および加熱部、一酸化炭素低減部をコンパクトに一体化した改質システムの開発が行われている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【００１１】
図９は、特許文献１に記載された従来の水素生成器の主要部の断面図である。
【００１２】
図９に示すように、水素生成器１００は改質部１００ａを加熱する燃焼部１００ｅを中心に同心円状に流路を形成し、両端部で折り返し部を設けて流路を連通させ、流路の内側から順に、改質触媒を充填した改質部１００ａ、変成触媒を充填した変成部１００ｂ、選択酸化触媒を充填した選択酸化部１００ｃを設けている。
【００１３】
そして、水素生成器１００には、燃焼部１００ｅに燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス経路１０１と、燃焼空気ファン１０２によって燃焼空気を燃焼部１００ｅに供給する燃焼空気経路１０３と、変成部１００ｂの下流側で選択酸化部１００ｃの上流側に選択酸化触媒で酸化反応を行なわせるための選択酸化空気を供給するための選択酸化空気経路１０４と、改質部１００ａの上流側に原料と水とを供給するための原料導入経路１０５とが設けられている。
【００１４】
さらに、選択酸化部１００ｃの下流側には、選択酸化部１００ｃで一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスが排出される燃料ガス出口１０６が設けられており、この先にこの燃料ガスを利用して発電する燃料電池が接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−１７１８９２号公報
【特許文献２】特開２００７−３３１９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記従来の水素生成器を搭載した燃料電池システムでは、以下のような課題があった。
【００１７】
すなわち、水素生成に関わる各反応部を集積した一体型水素生成器においては、それぞれの反応部における吸熱・発熱分に相当する熱を、反応部あるいは流路の壁面等を利用して効果的に熱交換させることによって、それぞれの反応部での反応に適切な温度を維持するようにして、水素生成器としての機能を発揮させるとともに、外部へ放散する熱を極力小さくして改質効率および燃料電池システムの効率を高くすることを目指した構成設計を行う。
【００１８】
このような水素生成器においては、吸熱反応を伴う改質部には、改質反応に必要な熱が燃焼部から供給される。一方、発熱反応を伴う一酸化炭素低減部の変成部と選択酸化部とは、周囲の構造体の伝熱量を調整することにより、変成部と選択酸化部とが所定の温度を保つように設計されている。その結果、水素生成器全体が熱的にバランスして、各反応部を目的の温度に維持することが可能となる。
【００１９】
しかしながら、水素発生器の各触媒や筐体などの構成要素や、原料、水、空気などの入力条件の何れかが変化した場合、全体の熱バランスが崩れて各反応部の温度が、各反応を行うのに適した温度からずれてしまい、水素生成器としての機能を保てなくなることがある。具体的には、例えば、燃料電池システムに供給する原料の種類が変化すると、燃料電池が発電するのに必要な水素の量を含む燃料ガスを生成するために水素生成器に供給する原料と水との比率が変化し、また、水素生成器で生成した燃料ガス中のガス組成が変化して、水素生成器の各反応部において熱バランスする各反応部の温度が変化したり、熱バランスしなくなったりするために、原料の種類ごとに改質部や一酸化炭素低減部を構成する構造体の伝熱量を調整する構成設計が必要であるという課題があった。
【００２０】
また、上記課題を解決するために、水素生成器の熱バランスを維持するための、例えば一酸化炭素低減部を冷却する冷却用の送風機を別途設けるなど、熱バランス維持用のデバイスを燃料電池システムに追加すると、燃料電池システムが大型化したり、コストが増大したりすることになるという課題が新たに発生していた。
【００２１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの大型化・コストの増加につながることなく、また、水素発生器における効率的な燃料ガス生成を損なうことなく、改質部と一酸化炭素低減部とを所定の温度に維持し、水素発生器の熱バランスを容易にコントロール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】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部とを有する水素生成器と、燃焼用ガスを燃焼させ前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方に空気供給経路を介して空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させる冷却空気経路とを備えたものである。
【００２３】
この構成にすることによって、燃料電池システムに新たなデバイスを追加することなく、冷却空気経路を流通する空気が改質部及び一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方を冷却することができるため、比較的容易に改質部、一酸化炭素低減部の温度を所定の温度に保つよう構成設計することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムに新たにデバイスを追加してコストが上昇することや燃料電池システムが大型化することなく、燃料電池システムが水素生成器の改質部と一酸化炭素低減部の温度を所定の温度に維持し、水素生成器の熱バランスを容易にコントロールすることができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図
【図２】同実施の形態１における水素生成器の主要部縦断面図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図
【図４】同実施の形態２における水素生成器の主要部縦断面図
【図５】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図
【図６】同実施の形態３における水素生成器の主要部縦断面図
【図７】本発明の実施の形態４における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図
【図８】本発明の実施の形態５における燃料電池システムの主要部の構成を示す模式図
【図９】従来の水素生成器の主要部の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
第１の発明は、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減部とを有する水素生成器と、燃焼用ガスを燃焼させ前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方に空気供給経路を介して空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させる冷却空気経路とを備えた燃料電池システムである。
【００２７】
これにより、冷却空気経路に空気を流通させることで改質部あるいは一酸化炭素低減部を冷却することが可能となり、改質部、一酸化炭素低減部の温度を所定の温度に維持し、水素生成器の熱バランスを保つことが可能となる。
【００２８】
さらには、予め使用する原料の種類によって冷却空気経路に流通する空気の流量を調整することで、水素生成器の構造体の伝熱量を調整するよりも容易に、水素生成器の各反応部の温度が所定の温度で維持するように構成設計することが可能である。
【００２９】
第２の発明は、第１の発明の燃料電池システムの一酸化炭素低減部が、前記改質部からの燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、水性ガスシフト反応を利用して低減する変成部と、メタネーション反応を利用して低減するメタネーション部及び酸化反応を利用して低減する選択酸化部のうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする燃料電池システムである。
【００３０】
これにより、改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減する水素生成器を搭載した燃料電池システムにおいても、冷却空気経路に空気を流通させることで改質部あるいは一酸化炭素低減部を冷却することが可能となり、各反応部を所定の温度に維持して水素生成器の熱バランスを保つことが可能である。
【００３１】
第３の発明は、第１または第２の発明の燃料電池システムの冷却空気経路が、前記空気供給経路から分岐して前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の周囲に前記空気供給手段で供給する空気の一部を流通させた後、前記空気供給経路との分岐点より下流の前記空気供給経路に合流するものである。
【００３２】
これにより、空気供給手段で供給した空気の一部が冷却空気経路に分岐されるが、再度空気供給経路に合流されるために、空気供給手段で供給する空気の流量の管理が容易となる。
【００３３】
また、空気供給手段で供給する空気の流量が増加するのを抑制することができるため、空気供給手段の消費電力が上昇するのを抑制して、燃料電池システムの効率が低下するのを抑制することができる。
【００３４】
さらに、冷却空気経路を流通する際に水素生成器によって加熱された空気が空気供給経路に合流するため、水素生成器の熱を燃料電池システムの系内で有効に活用することが可能となる。
【００３５】
第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明の燃料電池システムの空気供給手段が、前記燃料電池に空気を供給する空気ブロワであり、前記空気供給経路は、前記燃料電池に空気を供給するカソード空気経路であり、前記冷却空気経路は、前記カソード空気経路と前記燃料電池の上流側で合流するものである。
【００３６】
これにより、空気ブロワで供給した空気が全て燃料電池にカソード空気として供給されるため、燃料電池に供給するカソード空気の流量が比較的容易に制御することが可能となる。
【００３７】
さらに、燃料電池に供給される空気の一部が、冷却空気経路を流通することで加熱されるため、燃料電池に供給されるカソード空気を予め加熱することが可能であり、燃料電池を介して熱回収をすることで、燃料電池システムの排熱回収効率を上昇させることができる。
【００３８】
第５の発明は、第１から第４のいずれか１つの発明の燃料電池システムに、前記改質部及び前記一酸化炭素低減部のうちの少なくとも一方の温度を検知する温度センサと、前記冷却空気経路を流通する空気量を調整する調整手段と、前記温度センサで検知した温度に基づいて前記調整手段を制御する制御部とをさらに備えた燃料電池システムである。
【００３９】
これにより、燃料電池システムが運転中に水素生成器に設けた温度センサによって温度を監視しながら改質部と一酸化炭素低減部との温度を制御することが可能となるため、水素生成器の熱バランスを構成設計することが容易となる。さらに燃料電池システムの起動運転時や発電量を変化させる際などの過渡状態時や、水、空気、原料などの温度変化や環境温度の変化時などが発生した時、更には燃料電池システムに供給する原料の種類や組成が変わった時でも、冷却空気経路を流通する空気量を調整することで、改質部および一酸化炭素低減部の温度を所定の温度に保ち、熱バランスを維持することが可能である。
【００４０】
第６の発明は、第５の発明の燃料電池システムの調整手段が、前記冷却空気経路に備えられた開閉弁であり、温度センサで検知する温度を監視しながら冷却経路に流通させる空気を開放または遮断させることで、より簡便に各反応部の温度を適切な温度範囲に制御することが可能である。
【００４１】
第７の発明は、第５または第６の発明の燃料電池システムの制御部が、前記温度センサで検知する温度が所定温度よりも高くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に空気を流通させ、前記温度センサで検知する温度が前記所定温度よりも低くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に流通する空気を遮断するものである。これにより、より簡便に各反応部の温度を適切な温度範囲に制御することが可能である。
【００４２】
第８の発明は、第７の発明の燃料電池システムの所定温度が、第１の所定温度と、前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度で構成され、前記制御部は、前記温度センサで検知する温度が前記第１の所定温度よりも高くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に空気を流通させ、前記温度センサで検知する温度が前記第２の所定温度よりも低
くなると前記調整手段を制御して前記冷却空気経路に流通する空気を遮断するものである。
【００４３】
これにより、温度センサが検知する温度が上下しても、頻繁に冷却空気経路に流通する空気が開放または遮断を繰り返すことがなく、空気供給手段から供給する空気量が変化することがない。
【００４４】
第９の発明は、第１から第８のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、前記改質部と前記一酸化炭素低減部とを収納する筐体と、前記筐体の外周に配された断熱材とをさらに備え、前記冷却空気経路を前記筐体の外側で、かつ前記断熱材の内側に配したものである。
【００４５】
これにより、改質部、一酸化炭素低減部、および冷却空気経路からの放熱を抑制することが可能となり、燃料電池システムの熱損失を抑制することが可能となる。さらに、改質部と一酸化炭素低減部とが受ける外気温の影響を小さくすることが可能である。
【００４６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４７】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【００４８】
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図１では、本発明を説明するために必要となる主要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。
【００４９】
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、その発電部の本体としての燃料電池２を備えている。この燃料電池２としては、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池を用いている。
【００５０】
燃料電池２は、後述する水素生成器３から排出されて燃料電池２内のアノード流路２ａに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、後述する空気供給手段である空気ブロワ１７により燃料電池２内のカソード流路２ｂに供給される酸化剤ガス（通常は空気）とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。また、図示はしていないが、燃料電池２が発電する際に発生する熱は、燃料電池２内の冷却水流路（図示せず）に供給する冷却水により回収され、燃料電池２外に排出される。燃料電池２の内部構成に関する詳細な説明については、燃料電池２の内部構成と一般的な固体高分子型燃料電池の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。
【００５１】
また、図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２に水素を豊富に含む燃料ガスを生成するための水素生成器３を備えている。水素生成器３の詳細な構造についての説明は別途後述することとし、ここでの説明は主に水素生成器３内での概略の構成について説明することとする。
【００５２】
図１に示すように、本実施の形態における水素生成器３は、少なくとも改質部３ａを備
えている。この改質部３ａは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスと水蒸気とを所定の温度に加熱した改質触媒の充填層中に供給することにより、水蒸気改質反応を進行させ、原料ガスから水素を豊富に含む燃料ガスを生成するものである。改質部３ａに供給する原料ガスとしては、典型的には、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの気体の炭化水素系原料ガスが用いられる。また、メタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を用いてもよい。ただし、液体の原料を用いる場合は、改質部３ａに供給する前に気化させることが好ましい。以下の説明において原料ガスとは、気体の炭化水素系原料ガスだけでなく、液体の炭化水素系原料を気化させたものを含むものとする。
【００５３】
改質部３ａへの原料ガスの供給は、後述の原料ガス供給装置４によって原料ガス供給経路５を介して行われる。都市ガスやＬＰＧなどの原料ガスは、付臭剤として添加される硫黄化合物を含むが、それらは原料ガス供給経路５が水素生成器３と接続されるよりも上流側に設置された脱硫部（図示せず）を通過するときに除去され、脱硫後の炭化水素系原料ガスが水素生成器３に供給される。
【００５４】
また、改質部３ａへの水蒸気の供給は、水素生成器３内の原料ガス供給経路５上に設けられた後述の水蒸発部３ｄにプロセス水を供給し、このプロセス水を蒸発させて原料ガスと混合させることによって行われる。
【００５５】
また、さらに水素生成器３には、上記改質部３ａの下流に、改質部３ａから排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成部３ｂと、変成部３ｂから排出される燃料ガス中の一酸化炭素をさらに低減するための選択酸化部３ｃとが順次接続されている。この変成部３ｂと選択酸化部３ｃとが一酸化炭素低減部に相当する。
【００５６】
変成部３ｂは、改質部３ａと水素生成器３内の経路で接続されており、改質部３ａで生成した燃料ガスが、変成部３ｂの変成触媒の充填層中に導入される。この改質部３ａで生成した燃料ガス中には、水素のほかに一酸化炭素と二酸化炭素、さらには改質反応に使われなかった水蒸気が含まれているが、変成部３ｂでは、導入された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とから、二酸化炭素と水素とを生成させる水性ガスシフト反応を進行させて、改質部３ａから供給される燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる。
【００５７】
選択酸化部３ｃは、変成部３ｂと水素生成器３内の経路で接続されており、変成部３ｂで一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスが、選択酸化部３ｃの選択酸化触媒の充填層中に導入される。さらに選択酸化部３ｃには、酸素を含有するガス、すなわち一般的には空気（以下、選択酸化空気と称す）が、選択酸化空気経路８を介して供給される。選択酸化部３ｃでは、変成部３ｂで残存した燃料ガス中の一酸化炭素を、選択酸化空気中の酸素で酸化させて二酸化炭素とし、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度まで低減する。ここで、選択酸化空気を供給する手段としては、所定量が供給できる選択酸化空気ファン（図示せず）を別途設けても良く、また、後述の空気ブロワ１７や燃焼空気ファン９から供給する空気の一部を分岐して、選択酸化部に所定量の選択酸化空気が供給されるようにしても良い。
【００５８】
また、水素生成器３内の原料ガス供給経路５には、プロセス水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発部３ｄを備えている。水蒸発部３ｄでプロセス水を蒸発させるための熱には、発熱反応である変成部３ｂおよび選択酸化部３ｃにおける水性ガスシフト反応および選択酸化反応の反応熱と、後述する燃焼部であるバーナ部３ｅでの燃料ガスの燃焼で生成した、燃焼排ガスの熱が利用される。水蒸発部３ｄには、プロセス水供給ポンプ６によってプロセス水タンク７からプロセス水が供給され、水蒸発部３ｄで蒸発させて水蒸気を生成し、原料ガスと混合されて改質部３ａに供給される。
【００５９】
また、水素生成器３は、吸熱反応である改質反応に必要な反応熱を改質部３ａに供給するために、燃焼用ガスを燃焼させる燃焼部であるバーナ部３ｅを備えている。このバーナ部３ｅは、燃焼用ガスとして、燃料電池２で発電に利用されなかった水素を含むガス（以下、オフガスと称す）、水素生成器３で生成される燃料ガス、および原料ガス供給装置４により供給される原料ガスの内、少なくともいずれか１つを燃焼させる。また、このバーナ部３ｅには、バーナ部３ｅでの燃焼用ガスの燃焼に必要な空気（以下、燃焼空気と称す）を供給するための燃焼空気ファン９が燃焼空気経路１０を介して接続されている。
【００６０】
また、図１に示すように、この燃料電池システム１は、原料ガス供給装置４を備えている。この原料ガス供給装置４は、燃料電池システム１の発電運転時等において、都市ガス等のインフラストラクチャーから供給される原料ガスを昇圧する昇圧ポンプであり、上述した原料ガス供給経路５を介して、改質部３ａに所定量の原料ガスを供給する。
【００６１】
また、燃料電池２と水素生成器３とは、水素生成器３で生成した燃料ガスを燃料電池２のアノード流路２ａに供給するために、一端が水素生成器３の選択酸化部３ｃと接続され、他端が燃料電池２のアノード流路２ａに接続された燃料ガス経路１１とで接続されている。さらに、燃料電池２のアノード流路２ａとバーナ部３ｅとは、一端が燃料電池２のアノード流路２ａに接続され、他端がバーナ部３ｅに接続されたオフガス経路１２で接続されている。
【００６２】
また、燃料ガス経路１１は途中でバイパス経路１３に分岐されており、オフガス経路１２の途中と合流するように接続されている。
【００６３】
燃料ガス経路１１のバイパス経路１３との分岐点よりも燃料電池２側には、燃料入弁１４が、オフガス経路１２のバイパス経路１３との合流点よりも燃料電池２側には、燃料出弁１５が、バイパス経路１３にはバイパス弁１６が、それぞれ設けられており、後述の制御部２２によって任意に開放または閉止が可能なように配設されている。燃料入弁１４，燃料出弁１５およびバイパス弁１６は制御部２２によって開放および閉止を任意に切り替えることが可能な電磁弁であり、これにより、燃料入弁１４と燃料出弁１５を閉止した状態でバイパス弁１６を開放すれば、選択酸化部３ｃから供給されるガスを、燃料電池２を介さずに直接バーナ部３ｅに供給することができ、逆に、燃料入弁１４と燃料出弁１５を開放してバイパス弁１６を閉止すれば、燃料電池２に水素生成器３で生成した燃料ガスを供給することが可能である。
【００６４】
また、図１に示すように、この燃料電池システム１は、空気の供給手段として空気ブロワ１７を備えている。この空気ブロワ１７は、燃料電池２のカソード流路２ｂにカソード空気経路１８を介して酸化剤ガスとしての空気（以下、カソード空気と称す）を供給するものである。空気ブロワ１７は、後述する制御部２２によって回転数を制御することにより、空気ブロワ１７から供給する空気量を調整することが可能であるように配設されている。
【００６５】
また、カソード空気経路１８の燃料電池２側には、カソード空気供給遮断手段として開閉弁である空気入弁２０が配設されており、後述の制御部２２によって開放または閉止を任意に変更することが可能なようにされている。
【００６６】
また更に、カソード空気経路１８は、空気入弁２０の上流側の分岐点Ｘで冷却空気経路１９と分岐されている。この冷却空気経路１９は、空気ブロワ１７で供給した空気の一部が、水素生成器３の変成部３ｂおよび選択酸化部３ｃを構成する構造体の外側を経由して流通するように構成されている。空気ブロワ１７で供給した空気は、冷却空気経路１９に設けた固定オリフィス１９ａを調整設計することによって、所定の割合で燃料電池２と冷
却空気経路１９とに分岐されるように調整されている。
【００６７】
また、発電に利用されなかった酸素を含む空気（以下、カソード排空気と称す）は、燃料電池２のカソード流路２ｂに接続されたカソード排空気経路２１から燃料電池システム１の系外に排気される。
【００６８】
さらに、燃料電池システム１は、制御部２２を備えている。この制御部２２は、燃料電池システム１を構成する各構成要素（例えば、原料ガス供給装置４や燃焼空気ファン９など）の動作を適宜制御する。ここで、この制御部２２は、例えば、図１では特に図示しないが、記憶部、計時部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。燃料電池システム１の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御部２２の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御部２２が燃料電池システム１の動作を適宜制御する。
【００６９】
また、燃料電池２から冷却水を介して排出された熱や、燃焼排ガスの熱、カソード排空気の熱などは、図示はしないが、排熱回収経路を流通する貯湯タンクから供給された比較的低温の水と熱交換器によって熱交換をする。これにより、貯湯タンクから供給される比較的低温の水は加熱されて比較的高温の水として貯湯タンクに戻され、貯湯タンクにお湯が蓄えられる。
【００７０】
次に、本発明の特徴となる水素生成器の構成について、図を用いて説明する。
【００７１】
図２は、本実施の形態１の燃料電池システムに搭載した水素生成器の主要部縦断面図である。
【００７２】
図２に示すように、水素生成器３は、内側から順に第１円筒体２３、第２円筒体２４、第３円筒体２５、そして筐体に相当する第４円筒体２６が同心円上に配置されている。そして第１円筒体２３と第２円筒体２４との間の空間で燃焼排ガス流路２７を構成し、第２円筒体２４と第３円筒体２５との間の空間で環状の第１のガス流路２８を構成し、第３円筒体２５と第４円筒体２６との空間で環状の第２のガス流路２９を構成し、第１円筒体２３の内空間にバーナ部３ｅと、バーナ部３ｅに燃焼用ガスを供給するオフガス経路１２と、燃焼空気を供給する燃焼空気経路１０と燃焼室３０とが接続されている。
【００７３】
燃焼室３０と燃焼排ガス流路２７とは、端部近傍で排気折り返し部３１を介して連通している。また、第１のガス流路２８と第２のガス流路２９とは、端部近傍で原料折り返し部３２を介して連通している。
【００７４】
そして、第１のガス流路２８には、改質触媒を充填した改質部３ａを設けている。改質触媒はここではアルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の触媒を使用しているが、このほかにニッケル触媒、白金系触媒、ロジウム等の白金族系触媒等を用いることができ、また形状もペレット状やハニカム形状のものを用いることができる。
【００７５】
第２のガス流路２９には、変成触媒を充填した変成部３ｂと選択酸化触媒を充填した選択酸化部３ｃとを設け、改質部３ａから排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部を構成している。
【００７６】
ここでは、変成触媒には、球状の白金系触媒を用いているが、銅を主体とした銅／亜鉛系触媒等を用いることも当然できる。また、選択酸化触媒はルテニウム系の球状触媒を用いているが、白金系触媒等も目的に応じて選択することが可能である。また、形状についても球状には限らない。また、選択酸化部３ｃの上流側には、選択酸化触媒で一酸化炭素
を酸化反応させるための空気を供給する選択酸化空気経路８が接続されている。
【００７７】
選択酸化部３ｃの下流側には、生成した燃料ガスが排出される燃料ガス経路１１が接続されており、燃料ガス経路１１で水素生成器３と燃料電池２とが接続されている。
【００７８】
第１のガス流路２８の上流側には、原料ガス供給経路５が接続されており、ここから改質部３ａでの水蒸気改質反応の原料である炭化水素系の原料ガスとプロセス水とが供給される。そして、第１のガス流路２８の上流側には、流路規定部材３３をらせん状に設置し、流路規定部材３３に沿って第２円筒体２４と第３円筒体２５との間にらせん状の空間を形成している。水素生成器３で水素を生成する際には、原料ガス供給経路５からプロセス水と原料ガスとが供給されるが、前記のらせん状空間をプロセス水が流通する間に蒸発して水蒸気と相変化しながら原料ガスと混合されることになる。この前記らせん状の空間を水蒸発部３ｄとする。
【００７９】
また、変成部３ｂと選択酸化部３ｃの外側には、カソード空気経路１８から分岐された冷却空気経路１９が第４円筒体２６の外周を沿って配設されており、空気ブロワ１７で供給したカソード空気の一部が所定量だけ変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを冷却した後、燃料電池システム１の系外に排出されるように構成されている。
【００８０】
水素生成器３には、水素生成器３全体を覆うように断熱材３４が設けられている。断熱材３４の材料として、本実施の形態１の燃料電池システム１の水素生成器３ではセラミックファイバーを成形した部材を用いているが、これに限られるものではない。
【００８１】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１の動作について説明する。
【００８２】
ここで、本実施の形態における「起動運転時」とは、「制御部２２から起動指令が出力されてから燃料電池２の図１では特に図示しない発電制御部により電流が燃料電池２から取り出される迄」を指し、「停止運転時」とは、「制御部２２から停止指令が出力されてから燃料電池システム１全体の動作が完全に停止する迄」を指す。
【００８３】
燃料電池システム１の起動運転前には、改質触媒を充填した改質部３ａ、変成触媒を充填した変成部３ｂ、選択酸化触媒を充填した選択酸化部３ｃを含めた第１のガス流路２８、第２のガス流路２８（いわゆる水素生成器３の内部）には、反応用の各触媒の劣化を極力防止するために原料ガスが充填されている。これは、各触媒は空気の混入による酸化、残留水蒸気の凝縮による水濡れ等の履歴を受けることにより活性の劣化が起こることがあるためである。
【００８４】
燃料電池システム１の起動運転時には、制御部２２の制御によって以下の動作を行う。
【００８５】
まず、水素生成器３の改質部３ａ，変成部３ｂ，選択酸化部３ｃに充填された各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した所定の温度になるように、バーナ部３ｅで原料ガスを燃焼させて各触媒を加熱する。具体的には、後述する理由によりバイパス弁１６を開放し、燃料入弁１４と燃料出弁１５とを閉止した状態で原料ガスを原料ガス供給装置４から原料ガス供給経路に供給する。この原料ガスは、水素生成器３、燃料ガス経路１１、バイパス経路１３を順次流通して、オフガス経路１２からバーナ部３ｅに供給される。同時に、供給した原料ガスの流量に対応した流量の燃焼空気を燃焼空気ファン９によって燃焼空気経路１０を介してバーナ部３ｅに供給し、バーナ部３ｅに設けた図示しない着火装置によってバーナ部３ｅでの燃焼を開始する。
【００８６】
バーナ部３ｅでの燃焼によって排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２７を流通す
る間に水蒸発部３ｄを加熱する。水蒸発部３ｄの温度が水を蒸発させることが可能な温度に昇温し、かつ各触媒の温度が１００℃以上の水蒸気が凝縮しない温度に昇温すると、プロセス水供給ポンプ６を駆動して、プロセス水タンク７から水蒸発部３ｄにプロセス水の供給を開始する。これにより、原料ガスと水蒸気とが改質部３ａに供給されることにより、改質部３ａにおいて改質反応が開始され、燃料ガスが生成され始める。
【００８７】
燃料電池システム１の起動運転の初期段階では、改質部３ａの改質触媒の温度は、バーナ部３ｅにより加熱されて緩やかに温度上昇するが、起動運転の初期においては、改質反応を行うのに適した所定の温度に到達していない。そのため、改質部３ａにおける水蒸気改質反応が好適に進行しないので、改質部３ａから排出される燃料ガスには、大量の一酸化炭素が含まれている。また、同様に変成部３ｂの変成触媒の温度、および選択酸化部３ｃの選択酸化触媒の温度も、各反応を行うのに適した温度に到達していない。よって、水素生成器３から排出される燃料ガス中には、大量の一酸化炭素が含まれている。そこで、本実施の形態１の燃料電池システムでは、起動運転時には水素生成器３の各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、制御部２２により、前述のようにバイパス経路１３側を燃料ガスが流れるようにしておく。
【００８８】
この間は、バーナ部３ｅでは燃焼用ガスとして、一酸化炭素が多く含まれた燃料ガスが燃焼用空気と共に燃焼される。
【００８９】
また、選択酸化部３ｃの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行うのに適した所定の温度に到達すると、選択酸化空気経路８を介して選択酸化部３ｃに所定量の選択酸化空気の供給を開始する。
【００９０】
起動運転が進行して水素生成器３の各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した温度に到達し、水素生成器３で良質の燃料ガスが生成されだすと、燃料入弁１４と燃料出弁１５とを開放し、同時にバイパス弁１６を閉止することにより、燃料電池２のアノード流路２ａに燃料ガスの供給が開始される。
【００９１】
また、同時に空気ブロワ１７が制御部２２によって駆動され、燃料電池２のカソード流路２ｂに所定流量のカソード空気の供給が開始され、燃料電池システム１が発電運転を開始する。
【００９２】
燃料電池システムが発電運転を開始した後は、バーナ部３ｅでは、燃料電池２での発電に利用されなかった水素を含むオフガスが燃焼用ガスとして燃焼される。
【００９３】
燃料電池システム１が安定的に発電運転を継続するためには、改質部３ａ，変成部３ｂ，選択酸化部３ｃおよび水蒸発部３ｄが各反応を行うのに適した所定の温度範囲に保たれ、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が十分に低減され、水素リッチな良質の燃料ガスが燃料電池２に供給され続ける必要がある。
【００９４】
吸熱反応する改質部３ａは、バーナ部３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスによって加熱され、所定の温度に保たれる。このとき、バーナ部３ｅで燃焼させるオフガスの流量は、改質部３ａを所定の温度に保つために所定の流量に決まってくるため、原料ガスの供給量と、それに対応してプロセス水の供給量も決まってくる。また、燃焼空気の流量も、バーナ部３ｅで燃焼させるオフガスの流量に対応して所定の流量に決まってくるため、燃焼排ガスの流量も所定の流量に決まってくる。
【００９５】
一方、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとは、それぞれ発熱反応によって熱が発生するため
、その反応熱を取り去ってやる必要がある。変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの外周を形成する第４円筒体２６に伝達し、第４円筒体２６の周囲に配設された冷却空気経路１９を流れる冷却空気に放熱される。さらに、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの内側にある第３円筒体２５を介して水蒸発部３ｄに伝わり、プロセス水の蒸発熱に利用される。以上、２つの冷却構成により、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの反応熱が取り去られ、それぞれ所定の温度に保たれる。
【００９６】
ここで、プロセス水の蒸発熱は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの反応熱だけでなく、改質部３ａを加熱した後に燃焼排ガス流路２７を流通する燃焼排ガスの熱も利用されている。
【００９７】
以上のように、水素生成器３での熱の授受は非常に複雑に互いに影響を与えているが、再度、整理して簡単に記すと、各反応部での反応熱と、オスガスの流量、プロセス水の流量、そして燃焼排ガスの流量は決まってくる。よって、水素生成器３の各反応部の温度を、それぞれ所定の温度でバランスさせて維持するためには、水素生成器３を構成する構造体の伝熱量を考慮して、冷却空気経路１９を流通する冷却空気の流量を調整する必要がある。
【００９８】
ところで、原料ガスの種類が異なると、同量の水素を水素生成器３で生成するために必要となるプロセス水の量と、同量の水素を含んだ燃料ガス中の二酸化炭素の量とが異なってくる。
【００９９】
具体的には、例えば、原料ガスが都市ガス（説明を簡略化するためにメタンとする）の場合は（１）式で示すように、「４」の水素を作るためには「２」のプロセス水が必要であるのに対し、原料ガスがＬＰＧ（説明を簡略化するためにプロパンとする）の場合は（２）式で示すように、「１０」の水素を作るために「６」のプロセス水が必要となる。すなわち、同量の水素を都市ガスとＬＰＧとから作るためには、原料ガスがＬＰＧの場合、原料ガスが都市ガスの場合に比べてプロセス水の量が１．２倍必要となる。
【０１００】
また、原料ガスが都市ガスの場合、（１）式で示すように、水素生成器３に供給した都市ガスが全て水素となったとすると、燃料ガス中の５分の１が二酸化炭素となるのに対し、原料ガスがＬＰＧで、前述の都市ガスの時と同様に供給したＬＰＧが全て水素となったとすると、（２）式で示すように、燃料ガス中の１３分の３が二酸化炭素となり、燃料ガス中の二酸化炭素の割合が多くなる。よって、水素生成器３で同量の水素を生成させた場合、原料ガスがＬＰＧである場合の方が都市ガスである場合よりも、二酸化炭素の割合が多い分、燃料ガスの量が多くなる。
ＣＨ４  ＋  ２Ｈ２Ｏ    →ＣＯ２  ＋  ４Ｈ２    ・・・（１）式
Ｃ３Ｈ８  ＋  ６Ｈ２Ｏ  →  ３ＣＯ２  ＋  １０Ｈ２  ・・・（２）式
燃料電池２で発電によって消費される水素の量は、原料ガスの種類によって異なることはないため、オフガス中の水素量も、原料ガスの種類のよって異なることはない。よって、バーナ部３ｅでオフガス中の水素を燃焼させるのに必要な燃焼空気の量も、原料ガスの種類によって異なることはない。従って、燃焼排ガスの量は、原料ガスがＬＰＧの場合のほうが、都市ガスの場合よりも多くなる。
【０１０１】
以上のように、原料ガスの種類が変わると、水素生成器３の各反応部の温度を決めるパラメータが変化して温度バランスが崩れてしまい、良質な燃料ガスを生成できないことがある。
【０１０２】
しかしながら、本実施の形態１の燃料電池システムでは、原料ガスの種類によって、冷
却空気経路１９の固定オリフィス１９ａの圧力損失を変えることで、カソード空気から分岐されて冷却空気経路１９に流通する冷却空気の流量を調整して、水素生成器３の各触媒の温度が所定の温度を維持してバランスするように配慮して構成設計している。
【０１０３】
以上のように、本実施の形態１の燃料電池システムでは、カソード空気から分岐した冷却空気を冷却空気経路１９に流通させ、ガスの種類によって冷却空気の流量を調整することで、容易に変更設計することが可能であり、水素生成器３の各反応部の温度を所定の温度に維持することが可能である。
【０１０４】
また、本実施の形態１の燃料電池システム１では、水素生成器３を断熱材３４で覆うことにより、水素生成器３の各反応部が受ける外気温の影響を小さく抑えることが可能となり、また、水素生成器からの放熱量が少なくなることで、燃料電池システムの熱効率を向上させることが可能である。
【０１０５】
なお、本実施の形態１の燃料電池システムでは、選択酸化部を用いたが、これはメタネーション反応を利用して燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものを利用することも可能である。これは、選択酸化触媒に変えてメタネーション触媒を充填し、燃料ガス中の水素と一酸化炭素とを利用してメタンに変えることで燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものであり、選択酸化空気の供給は不要となる。ただし、メタネーション反応を行うのに適した温度は、選択酸化反応を行うのに適した温度と異なる場合があるため、冷却空気の流量を調整する必要がある。
【０１０６】
また、なお、本実施の形態１の燃料電池システムでは、冷却空気経路を一酸化炭素低減部である変成部と選択酸化部との両外周に流通させたが、これは、水素生成器の各反応部の温度が所定の温度でバランスさせることが可能であれば、どちらか片方の外周でも良く、また改質部を冷却するように構成しても良い。さらには、冷却空気経路は、水素生成器の各触媒の内周側や、各触媒中を貫通する流路であっても良い。
【０１０７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【０１０８】
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図であり、図４は本実施の形態２の燃料電池システムに搭載した水素生成器の主要部縦断面図である。また、図３においても、図１と同様に、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図３でも、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。また、図３および図４において、実施の形態１で示した燃料電池システム１の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１０９】
図３および図４に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム３５は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、カソード空気経路１８と分岐点Ｘで分岐した冷却空気経路３６が、一酸化炭素低減部である変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを構成する構造体の外側を経由した後、再び合流点Ｙでカソード空気経路１８と合流している点で実施の形態１で示した燃料電池システム１と異なる。
【０１１０】
また、冷却空気経路３６には、実施の形態１の燃料電池システム１と同様に、空気ブロ
ワ１７で供給した空気の一部所定量を冷却空気経路３６に分流するために圧力損失を調整された固定オリフィス３６ａが設けてある。
【０１１１】
以上のように構成された燃料電池システム３５では、空気ブロワ１７で供給した空気が、一旦、冷却空気経路３６に分岐されるものの、再度、カソード空気と合流して、全て燃料電池２に供給されることになる。
【０１１２】
よって、空気ブロワ１７から供給する空気量を燃料電池２で発電するのに必要な最低限の流量に抑えることができるため、空気ブロワ１７の消費電力が上昇するのを抑制することが可能であるため、燃料電池システムの効率が低下するのを抑制することができる。
【０１１３】
また、冷却空気経路３６を流通した冷却空気は、水素生成器３と熱交換することで加熱されるため、燃料電池２に供給されるカソード空気が加熱される。これにより、燃料電池２を流通する冷却水を介して熱回収することが可能となるため、燃料電池システムの熱回収効率を向上させることが可能となる。
【０１１４】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【０１１５】
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図であり、図６は本実施の形態３の燃料電池システムに搭載した水素生成器の主要部縦断面図である。図５および図６において、実施の形態１および２で示した燃料電池システム１および３５の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１１６】
図５および図６に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム３７は、実施の形態２で示した燃料電池システム３５と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態２で示した燃料電池システム３５と異なる。
【０１１７】
すなわち、本実施の形態３の燃料電池システム３７の水素生成器３８は、改質部３８ａと、一酸化炭素低減部として変成部３８ｂとメタネーション部３９ｃとを備えている。メタネーション部３９ｃは実施の形態２の選択酸化部３ｃの代わりに備えられている。メタネーション部３９ｃは、選択酸化触媒に変えてメタネーション触媒が充填されており、燃料ガス中の水素と一酸化炭素とを反応させてメタンに変えることで燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものである。よって、選択酸化空気の供給は不要となるため、本実施の形態３の燃料電池システム３７には選択酸化空気経路が備えられていない。
【０１１８】
また、変成部３８ｂとメタネーション部３９ｃとを構成する構造体の外側には、冷却空気経路３９が備えられている。この冷却空気経路３９には、固定オリフィス３９ａが備えられ、また、カソード空気経路１８と分岐点Ｘおよび合流点Ｙで接続され、空気ブロワ１７で供給した空気の一部所定量が流通するように構成されている。
【０１１９】
また、水素生成器３８には、実施の形態１および２の水素生成器３と同様に、水蒸発部３８ｄとバーナ部３８ｅが備えられている。
【０１２０】
また、本実施の形態３の燃料電池システム３７では、バーナ部３８ｅには、空気ブロワ１７から供給される空気の一部または全部が供給されるように、カソード空気経路と燃焼空気経路４０とが分岐点Ｚで接続されている。燃料電池システム３７の起動運転時など、燃料電池２にカソード空気の供給を行わないときには、空気入弁２０を閉止しておくこと
で、空気ブロワ１７で供給した空気が全てバーナ部３８ｅに供給され、燃料電池２にカソード空気を供給する際には、所定の流量の燃焼空気がバーナ部３８ｅに供給されるように、燃焼空気経路の圧力損失が調整されている。
【０１２１】
以上のように構成された燃料電池システム３７では、燃焼空気を供給するための燃焼空気ファンが必要ないため、燃料電池システムを小型化することができる。
【０１２２】
また、冷却空気経路によって一酸化炭素低減部を冷却するため、実施の形態１の燃料電池システムと同様に、原料ガスの種類が変わっても、比較的簡単な変更設計で水素生成器の温度を所定の温度にバランスさせ、良質の燃料ガスを生成させることで、燃料電池システムの運転を安定させることが可能である。
【０１２３】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【０１２４】
図７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図７おいて、実施の形態１から３で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１２５】
図７に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム４１は、実施の形態２で示した燃料電池システム３５と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態２で示した燃料電池システム３５と異なる。
【０１２６】
すなわち、変成部３ｂには温度を検出する温度センサ４３を備え、冷却空気経路４２には、冷却空気経路４２を流通する冷却空気の流量を調整する流量調整弁４２ａをさらに備えている。
【０１２７】
温度センサ４３と流量調整弁４２ａとは、それぞれ、制御部２２と電気的に接続されており、温度センサ４３で検知した温度は、信号として制御部２２に入力される。さらに温度センサ４３で検知した温度に基づいて、流量調整弁４２ａが制御部２２によって制御され、変成部３ｂの温度が所定の温度になるように冷却空気経路４２に流通される空気の流量が調整される。
【０１２８】
次に、以上のように構成された燃料電池システム４１の動作について説明する。燃料電池システム４１の起動運転時の動作については、他の実施の形態の燃料電池システムと同じであるため、説明を省略する。
【０１２９】
燃料電池システムが安定して発電運転するためには、水素生成器３の各反応部の温度が所定の温度に維持されている必要がある。吸熱反応する改質部３ａは、バーナ部３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスの熱とによって所定の温度に１保たれる。一方、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとは、発熱反応によって熱が発生するため、その熱を取り去ってやる必要がある。変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの内側にある第２円筒体２４を介して水蒸発部３ｄに伝わり、プロセス水の蒸発熱に利用される。さらに、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの外周を構成する第４円筒体２６を介して、第４円筒体２６の周囲に配設された冷却空気経路４２を流れる冷却空気に伝熱される。
【０１３０】
変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの温度は、温度センサ４３で検知された変成部３ｂの温度に基づいて、制御部２２で流量調整弁４２ａを制御して、冷却空気経路４２に流れる冷
却空気の流量を変化させることで所定の温度になるように調整される。すなわち、温度センサ４３で検知した温度が所定温度より高いときは、冷却空気経路４２を流れる冷却空気量を増やすように流量調整弁４２ａに信号を送り、逆に温度センサ４３の温度が所定温度より低いときは、冷却空気経路４２を流れる冷却空気量を減らすように流量調整弁４２ａに信号を送り、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる冷却空気の流量を制御して、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとが所定温度になるようにコントロールする。
【０１３１】
変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを冷却した冷却空気は、カソード空気経路１８に合流し、燃料電池２に供給される。
【０１３２】
以上のように、本実施の形態４の燃料電池システム４１においては、カソード空気経路１８から分岐した冷却空気経路４２を、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの周囲に配設し、冷却空気経路４２を流通する空気量の調整を行う流量調整弁４２ａと、温度センサ４３により得られた温度により流量調整弁４２ａを制御する制御部２２とを設けた構成にしていることにより、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる冷却空気の量を制御することによって、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの冷却量を調整することができるため、例えば、原料ガスの種類を変えることで、水素生成器３の各反応部の温度バランスが変化しても、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる空気量を変化させて、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを所定の温度に維持し、水素生成器の各反応部の温度を、それぞれ所定の温度に保つことができる。
【０１３３】
なお、本実施の形態４の燃料電池システムでは、変成部に温度センサを配設して変成部の温度を検知したが、これは選択酸化部の温度を検知する温度センサとしても良く、変成部と選択酸化部とのどちらか一方の温度によって、他方の温度を推測するものである。また、変成部と選択酸化部との両方の温度を検知する温度センサを、それぞれに配設しても良い。
【０１３４】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【０１３５】
図８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図８おいて、先の実施の形態１から４で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１３６】
図８に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム５１は、他の実施の形態で示した燃料電池システムと概ね同一の構成を示し、特に実施の形態４で示した燃料電池システム４１と類似している。しかしながら、冷却空気経路５２に、実施の形態４の流量調整弁４２ａに代わって冷却空気の流通と遮断を切り替える開閉弁５２ａを備えている点で実施の形態４で示した燃料電池システム４１と異なる。
【０１３７】
次に、以上のように構成された燃料電池システム５１の動作について説明する。燃料電池システム５１の起動運転時の動作については、他の実施の形態の燃料電池システムと同じであるため、説明を省略する。
【０１３８】
燃料電池システムが安定して発電運転するためには、水素生成器３の各反応部の温度が所定の温度に維持されている必要がある。吸熱反応する改質部３ａは、バーナ部３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスの熱とによって所定の温度に１保たれる。一方、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとは、発熱反応によって熱が発生するため、その熱を取り去ってやる必要がある。変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選
択酸化部３ｃとの内側にある第２円筒体２４を介して水蒸発部３ｄに伝わり、プロセス水の蒸発熱に利用される。さらに、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの外周を構成する第４円筒体２６を介して、第４円筒体２６の周囲に配設された冷却空気経路５２を流れる冷却空気に伝熱される。
【０１３９】
変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの温度は、温度センサ４３と制御部２２と開閉弁５２ａとで制御する。温度センサ４３で変成部３ｂの温度を検出し、その検出した温度を信号で制御部２２に送る。変成部３ｂの温度が所定温度より高いときは制御部２２から開閉弁５２ａに信号を送り、開閉弁５２ａを開放して、冷却空気経路５２に冷却空気が流れるようにする。また、変成部３ｂの温度が所定温度より低いときは、制御部２２から開閉弁５２ａに信号を送り、開閉弁５２ａを閉止させ、冷却空気経路５２に冷却空気が流れないようにする。
【０１４０】
このように温度センサ４３で変成部３ｂの温度を監視しながら開閉弁５２ａを制御し、冷却空気経路５２を流れる冷却空気を流通／遮断させることにより、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの温度を、所定の温度範囲になるように制御し、水素生成器３の熱バランスを維持することができる。
【０１４１】
以上のように、本実施の形態５においては、カソード空気経路１８から分岐した冷却空気経路５２を、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとの周囲に配設し、さらに冷却空気経路５２に冷却空気を流通または遮断する開閉弁５２ａを設けたことにより、冷却空気経路５２を流れる冷却空気を流通または遮断させることができるため、例えば、環境温度が変化して冷却空気経路５２に供給される冷却空気の温度が変化しても、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを所定の温度範囲で維持し、水素生成器３の熱バランスを保つことができる。
【０１４２】
また、原料ガスの種類が変わっても、変成部３ｂと選択酸化部３ｃとを所定の温度範囲で維持し、水素生成器３の熱バランスを保つことができる。
【０１４３】
なお、実施の形態１から５において、冷却空気経路を変成部と選択酸化部またはメタネーション部の周囲に配設しているが、改質部の周囲に配設して改質部を冷却する構成や、冷却空気経路を変成部と、選択酸化部またはメタネーション部と、さらには改質部の周囲に配設して、各反応部を冷却する構成として各反応部の温度を所定の温度にバランスさせることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、天然ガスやＬＰＧ等の炭化水素系原料を水蒸気改質して利用する燃料電池システムの用途に適用できる。
【符号の説明】
【０１４５】
１，３５，３７，４１，５１  燃料電池システム
２  燃料電池
２ａ  アノード流路
２ｂ  カソード流路
３，３８  水素生成器
３ａ，３８ａ  改質部
３ｂ，３８ｂ  変成部
３ｃ  選択酸化部
３ｄ，３８ｄ  水蒸発部
３ｅ，３８ｅ  バーナ部
４  原料ガス供給装置
５  原料ガス供給経路
６  プロセス水供給ポンプ
７  プロセス水タンク
８  選択酸化空気経路
９  燃焼空気ファン
１０，４０  燃焼空気経路
１１  燃料ガス経路
１２  オフガス経路
１３  バイパス経路
１４  燃料入弁
１５  燃料出弁
１６  バイパス弁
１７  空気ブロワ
１８  カソード空気経路
１９，３６，３９，４２，５２  冷却空気経路
１９ａ，３６ａ，３９ａ  固定オリフィス
２０  空気入弁
２１  カソード排空気経路
２２  制御部
２３  第１円筒体
２４  第２円筒体
２５  第３円筒体
２６  第４円筒体
２７  燃焼排ガス流路
２８  第１のガス流路
２９  第２のガス流路
３０  燃焼室
３１  排気折り返し部
３２  原料折り返し部
３３  流路規定部材
３４  断熱材
４２ａ  流量調整弁
４３  温度センサ
５２ａ  開閉弁
Ｘ，Ｚ  分岐点
Ｙ  合流点
【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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【図８】
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【図９】
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