(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物を含む原料と水とを反応させ、少なくとも水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部と、前記改質部が生成した改質ガス内の前記一酸化炭素をシフト反応により低減を行う変成部を少なくとも含む一酸化炭素除去手段とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される改質ガスにより発電する燃料電池と、
前記原料を、前記一酸化炭素除去手段から出力された前記改質ガス中の水分を用いて加湿する原料加湿手段とを備え、
前記原料加湿手段は、少なくとも水分を透過する透過膜を有し、
前記透過膜は、前記改質ガスの経路と前記原料の経路との境界を形成するように設けられており、水素も透過する、燃料電池発電システム。
【請求項２】
有機化合物を含む原料と水とを反応させ、少なくとも水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部と、前記改質部が生成した改質ガス内の前記一酸化炭素をシフト反応により低減を行う変成部を少なくとも含む一酸化炭素除去手段とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される改質ガスにより発電する燃料電池と、
前記原料を、前記燃料電池からのオフガス中の水分を用いて加湿する原料加湿手段とを備え、
前記原料加湿手段は、少なくとも水分を透過する透過膜を有し、
前記透過膜は、前記オフガスの経路と前記原料の経路との境界を形成するように設けられており、水素も透過する、燃料電池発電システム。
【請求項３】
有機化合物を含む原料と水とを反応させ、少なくとも水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部と、前記改質部が生成した改質ガス内の前記一酸化炭素をシフト反応により低減を行う変成部、及び前記変成部から出力された前記改質ガス中の一酸化炭素を酸化することにより低減を行う浄化部を含む一酸化炭素除去手段とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される改質ガスにより発電する燃料電池と、
前記原料を、前記変成部から出力された前記改質ガス中の水分、または前記浄化部から出力された前記改質ガス中の水分を用いて加湿する原料加湿手段とを備え、
前記原料加湿手段は、少なくとも水分を透過する透過膜を有し、
前記透過膜は、前記変成部と前記浄化部の間の前記改質ガスの経路、または前記浄化部と前記燃料電池の間の前記改質ガスの経路と、前記原料の経路との境界を形成するように設けられており、水素も透過する、燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記原料加湿手段は、前記改質ガスと前記原料とを熱交換させる請求項１又は３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記原料加湿手段は、前記オフガスと前記原料とを熱交換させる請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系等の燃料を改質して改質ガスを生成する燃料電池システム等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を用いた燃料電池発電システムは発電効率が高いことに加えて、発電時に発生した熱が有効に利用できるため、家庭用のコージェネレーションへの応用が期待されている。
【０００３】
家庭用途においては、装置の頻繁な起動停止への対応、装置の耐久性およびコスト低減の観点から、燃料電池発電システムは比較的低温で作動させることが望ましい。そこで、発電部として高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池の開発が進められている。
【０００４】
燃料電池の多くは水素を燃料として発電する。現状ではその燃料となる改質ガスインフラが整っていないため、発電システムにおいては、燃料電池とともに、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素成分、メタノール等のアルコール、あるいはナフサ成分等の原料と、水とを反応させて水素を含む改質ガスを生成するための改質部を備えた水素生成装置が併用される。
【０００５】
改質部により生成した改質ガス中には、水素の他、燃料に由来する二酸化炭素および一酸化炭素が副成分として含まれる。現在開発が進められている固体高分子型燃料電池は１００℃以下の低温で作動するため、電池電極触媒の活性を維持するため、改質ガスに含有する一酸化炭素をできるだけ低減させる必要がある。そこで、水素生成装置は、改質ガスを生成する改質部に加えて、前改質ガス中の一酸化炭素と水をシフト反応させる変成部、および一酸化炭素を酸化反応させる浄化部で構成される一酸化炭素除去部を併用した構成を有している。
【０００６】
ところで、水素生成装置の効率は、改質部を改質反応に必要な温度まで加熱するための熱量が大きくなるほど低下する。
【０００７】
水素生成装置では、改質部において、炭化水素等の原料と、水蒸気化した水とを反応させるが、水の蒸発潜熱は著しく大きいため、改質部は水を水蒸気化するのに多量の熱量を要する。そのため、水素生成装置の効率を一定以上に高くすることは困難であった。
【０００８】
一方、改質部の下流に位置するシフト反応を行うための変成部では、シフト反応は発熱平衡反応であることから低温で改質ガスに対する水蒸気の比率が大きいほど一酸化炭素を低減しやすく、変成部の下流に位置する浄化部において反応に必要な空気供給量が少なくできるため、余分な水素消費の抑制と安定動作が可能となる。なお、水蒸気を多くして温度を高くすると、シフトの反応速度が大きくなるため、触媒容積を小さくして、変成部をさらに小型化することが可能となる。
【０００９】
しかしながら、変成部内の水蒸気は改質部によって得られるものであり、前述の様に、水蒸気を多くするためには大きな蒸発潜熱が必要となることから、改質部の加熱に要する熱量が増加し、変成部の効率化、小型化のために改質部内の水蒸気量を増加させることは改質部の効率低下を招く。
【００１０】
これを防ぐ技術として、原料ガスに別途用意した水蒸気を加えて加湿する技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。これにより、水を水蒸気にするための蒸発潜熱が低減されるので、改質器に必要な熱量を低減すると共に、変成部におけるシフト反応の効率を高めることができる。なお、一酸化炭素除去部や燃料電池の冷却水の熱を用いることにより、効率を低下させることなく加湿することができる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−３３０１０１号公報
【特許文献２】
特開平１１−１０６２０４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水素生成装置における原料ガスの加湿には、原料ガスを装置内の熱源を用いて加湿するだけであり、これでは効率向上に限界があるとともに、熱回収や加湿のための配管が複雑になる等の問題があった。
【００１３】
本発明は、上記従来の水素生成装置に関しての上記課題を解決するものであり、簡素な構成かつ低熱量で原料ガスの加湿を行い、高効率で動作する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の本発明は、
有機化合物を含む原料と水とを反応させ、少なくとも水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部（１）と、前記改質部が生成した改質ガス内の前記一酸化炭素をシフト反応により低減を行う変成部（５）を少なくとも含む一酸化炭素除去手段とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される改質ガスにより発電する燃料電池（８）と、
前記原料を、前記一酸化炭素除去手段から出力された前記改質ガス中の水分を用いて加湿する原料加湿手段（４０）とを備え、
前記原料加湿手段は、少なくとも水分を透過する透過膜（８１，９１）を有し、
前記透過膜は、前記改質ガスの経路と前記原料の経路との境界を形成するように設けられており、水素も透過する、燃料電池発電システムである。
また、第２の本発明は、
有機化合物を含む原料と水とを反応させ、少なくとも水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部（１）と、前記改質部が生成した改質ガス内の前記一酸化炭素をシフト反応により低減を行う変成部（５）を少なくとも含む一酸化炭素除去手段とを有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される改質ガスにより発電する燃料電池（８）と、
前記原料を、前記燃料電池からのオフガス中の水分を用いて加湿する原料加湿手段（３０）とを備え、
前記原料加湿手段は、少なくとも水分を透過する透過膜（８１，９１）を有し、
前記透過膜は、前記オフガスの経路と前記原料との経路との境界を形成するように設けられており、水素も透過する、燃料電池発電システム。
また、第３の本発明は、
有機化合物を含む原料と水とを反応させ、少なくとも水素および一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質部（１）と、前記改質部が生成した改質ガス内の前記一酸化炭素をシフト反応により低減を行う変成部（５）、及び前記変成部から出力された前記改質ガス中の一酸化炭素を酸化することにより低減を行う浄化部（７）を含む一酸化炭素除去手段と、を有する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される改質ガスにより発電する燃料電池（８）と、
前記原料を、前記変成部から出力された前記改質ガス中の水分、または前記浄化部から出力された前記改質ガス中の水分を用いて加湿する原料加湿手段（４０、５０）とを備え、
前記原料加湿手段は、少なくとも水分を透過する透過膜（８１、９１）を有し、
前記透過膜は、前記変成部と前記浄化部の間の前記改質ガスの経路、または前記浄化部と前記燃料電池の間の前記改質ガスの経路と、前記原料の経路との境界を形成するように設けられおり、水素も透過する、燃料電池発電システムである。
また、第４の本発明は、前記原料加湿手段は、前記改質ガスと前記原料とを熱交換させる第１又は３の本発明の燃料電池発電システムである。
また、第５の本発明は、前記原料加湿手段は、前記オフガスと前記原料とを熱交換させる第２の本発明の燃料電池発電システムである。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明に関連する発明の参考の形態１〜５、及び本発明にかかる実施の形態１、２について、図面を参照しつつ説明を行う。
【００２９】
（本発明に関連する発明の参考の形態１）
はじめに、図１を参照しながら、本発明に関連する発明の参考の形態における燃料電池発電システムの構成について説明する。なお、図１は、本実施の形態における水素生成装置の構成を示す概略縦断面図である。
【００３０】
図１において、１は改質部、２は改質部を加熱するための加熱部、３は改質部１に原料を供給するための原料供給部、４は改質部１に水を供給する改質水供給部である。改質部１，原料供給部３および改質水供給部４は本発明の改質部を構成する。改質部１の下流側には、本発明の変成部に相当するＣＯ変成部５、ＣＯ変成部５の下流側には、空気供給部６と、本発明の一酸化炭素除去手段の一部に相当するＣＯ浄化部７が設置されている。ＣＯ変成部５およびＣＯ浄化部７は本発明の一酸化炭素除去手段を構成する。ＣＯ浄化部７の下流側には、本発明の燃料電池に相当する燃料電池発電部８が設置されている。９は本発明に関連する発明の原料加湿手段に相当する原料加湿部、１０は本発明に関連する発明の循環手段に相当する、燃料電池発電部８に冷却水を流通させるための冷却水循環部である。本発明に関連する発明の水熱担持体の一例である冷却水の温度は、冷却水温度検知器１１で検知する。１２は加熱部に燃焼用ガスを供給するための燃焼ガス供給部である。なお、改質部１内部にはＲｕをアルミナに担持した改質触媒体、ＣＯ変成部５内部には銅−亜鉛からなる変成触媒体、ＣＯ浄化部７内部にはＰｔをアルミナに担持したＣＯ浄化触媒体をそれぞれ充填されている。これらの触媒は、水素生成装置において一般的に用いられる触媒であり、同様な機能を有する他の触媒を用いても本発明による効果は変わらない。例えば、改質触媒としてはＮｉ触媒、ＣＯ変成触媒としてはＰｔ触媒やＦｅ−Ｃｒ触媒、ＣＯ浄化触媒としてはＲｕ触媒等も用いられる。
【００３１】
次に、本実施の形態における燃料電池発電システムの動作について説明する。
【００３２】
改質部１に供給する原料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがあり、改質方法も、水蒸気を加える水蒸気改質、空気を加えておこなう部分改質などがあるが、ここでは、天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを得る場合について述べる。
【００３３】
原料である天然ガスは原料供給部３から改質部１に供給する。水は改質水供給部４から改質部１に供給し、改質部１内で蒸発して水蒸気化する。水蒸気は原料と混合し、改質部１内に充填された改質触媒体に接触させる。
【００３４】
改質触媒体は７００℃前後の温度になるように加熱し、原料と水蒸気を反応させて水素を主成分とする改質ガスに転換する。生成した改質ガスの組成は、改質触媒体の温度によって多少変化するが、水蒸気を除いた平均的な値として、水素が約８０％、二酸化炭素、一酸化炭素がそれぞれ約１０％含まれる。この改質ガスのＣＯ濃度を、改質部１の下流側に設置されたＣＯ変成部５において、シフト反応により０．５％程度まで低減し、次に浄化用空気供給部６から供給された空気中の酸素とＣＯを反応させることで、さらに１０ｐｐｍ以下まで低下させる。
【００３５】
こうしてＣＯを除去された改質ガスは燃料電池発電部８に供給される。発電時には電気と同時に熱も発生するため、冷却水循環部１０によって供給される冷却水によって燃料電池発電部８を冷却し、一定温度に制御する。燃料電池発電部８の温度は冷却水温度検知器１１によって検知される温度が一定になるように、冷却水を増減させることによって制御される。
【００３６】
加熱された冷却水は原料加湿部９に送られ、原料供給部３から供給された原料の加湿に使用される。原料加湿部９では原料と水が充分に接触するようにしており、冷却水温度における露点まで加湿される。この加湿された原料は改質部１に送られるが、通常、冷却水温度は燃料電池発電部８が高い特性を示す６５℃〜９０℃に設定するため、原料加湿部９通過後のＳ／Ｃ（水蒸気／原料中の炭素）は０．５〜２程度である。従って、改質部１でＳ／Ｃが２．５〜３．５となるように改質水供給部４によって水を追加供給する。冷却水温度が充分に高温であれば、必要量の水蒸気が原料に混合できるため、改質水供給部４から改質部１に水を供給する必要はなくなる。なお、冷却水温度検知器１１によって検知された冷却水温度によって原料の加湿量を算出し、改質水供給部４から追加供給する水量を制御することによって、装置起動時や燃料電池発電部の温度を変えて運転するような場合にも対応できるようになる。
【００３７】
次に本実施の形態の動作原理について説明する。燃料電池発電システムを使ったコージェネレーションシステムは、発電時に発生した熱も有効に利用するものであるが、一般家庭における電力と熱の需要バランスの点から、電力比率を高く、すなわち発電効率を高くする必要がある。発電効率を高めるためには、水素生成装置の効率を上げる工夫が必要であり、改質部を加熱する燃焼部排ガスの熱の有効利用や水素生成装置からの放熱ロス低減等の工夫が一般的になされている。
【００３８】
しかしながら、低温排熱の回収には広い熱交換面積が必要であり、装置の大型化につながるため、現実的にはある一定以上の効率上昇は困難であった。特に改質反応で原料と反応させるための水の蒸発潜熱は大きく、効率上昇の妨げとなっていた。また、燃料電池発電部では発電時に発生する熱を冷却水によって冷却し、６５〜９０℃程度の一定温度になるように運転することが一般的になされている。この熱は一般的に、給湯に用いられる。
【００３９】
これに対し、本実施の形態では、燃料電池発電部８で発生した熱の一部を原料の加湿に用い、加湿された原料から、改質部１にて必要な水蒸気の一部を取り出すことができるため、水素生成装置に供給する水の蒸発に用いる加熱量を抑制することができる。水を大気圧下で効率よく蒸発させる場合、１００℃以上の温度が必要であるが、原料と１００℃未満の水とを接触させることによって、燃料電池発電部８のような低温熱源からも効率よく熱を回収することができ、水を蒸発させる場合より小さい加熱量で効率的に水蒸気を得ることができ、水素生成装置の効率を上昇させることができる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、原料加湿部９として、冷却水を蓄えるタンク中に原料ガスを流通させる構成のものを用いたが、本発明に関連する発明の原料加湿手段は、冷却水と原料ガスが効率よく接触する構成であればよい。また、冷却水と熱交換して加熱された水と原料を接触させる構成でもよい。また、本発明に関連する発明の水熱担持体は、熱および水分を直接原料に供給する冷却水であるとして説明を行ったが、この代わりにエチレングリコール等の熱媒体を用い、この熱媒体によって水を加熱し、この加熱された水によって原料を加湿することもできる。このとき熱媒体は原料に対し間接的に熱及び水分を供給することになる。
【００４１】
また、一般的に燃料電池発電部８は、貴金属を担持したカーボンをコーティングした平板電極で高分子型電解質を挟み込み、これらをカーボンや金属製のセパレーターで仕切り、積層することによって構成されている。本実施の形態では、前記セパレーターに冷却水の流路をつくって水を流通させるようなものとしたが、冷却部の構成は、燃料電池発電部８の電極で発生する熱を効率的に取り除くようになっていればよい。
【００４２】
（本発明に関連する発明の参考の形態２）
次に本発明に関連する発明の参考の形態２について述べる。本実施の形態は、図２（ａ）に示すように、燃料電池発電部８の下流側に、本発明に関連する発明の原料加湿手段に相当する全熱交換器３０を設けたこと以外は参考の形態１と類似である。したがって図２（ａ）には図１と同一部または相当部には同一符号を付し、詳細な説明は省略し、異なる点を中心に本実施の形態を説明するとともに、これにより、本発明に関連する発明の水素生成装置、水素生成方法の一実施例の説明を行う。
【００４３】
図２（ａ）は本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略断面図である。水素生成装置で生成した改質ガスが燃料電池発電部８に供給され、大部分の水素が発電によって消費されオフガスとして排出される。このオフガスは、まだ水素を含有するため、改質部１を加熱するための加熱部２で燃焼ガス供給部１２で供給された加熱用の燃料と一緒に燃焼させる。
【００４４】
オフガス中には水蒸気が多量に含まれており、そのまま加熱部２で燃焼させると火炎温度が低下し、改質部１の効率は低下する。
【００４５】
これに対し、本実施の形態では全熱交換部３０において、前記オフガスと原料供給部３から供給された原料を全熱交換する。さらに、図２（ｂ）に示すように、全熱交換部３０にはオフガスと原料とを仕切り、両経路の境界を形成する水透過膜３０ａが設けられており、この水透過膜３０ａを通じてオフガス中の水蒸気が原料に移動して原料を加湿する。
【００４６】
こうして、原料を加湿して、そこから改質用の水蒸気の一部を得るようにすることによって、参考の形態１と同様に、改質水供給部４から改質器１へ供給する水を少なくすることができ、改質部１における加熱量を抑制することができる。また、オフガス中の水蒸気も同時に除去するため、加熱部２における火炎温度の低下が押さえられるため、水素生成装置の効率がさらに上昇する。
【００４７】
なお、本実施の形態においては、本発明に関連する発明の透過膜の一例として水透過膜を用い、高分子型燃料電池で用いている電解質膜を用いたが、本発明に関連する発明の透過膜は、水が透過する膜（水透過性の高分子膜等）であれば特に限定はなく、ゼオライトのように水を通過させることのできる材料で形成された膜であっても、同様の効果が得られる。
【００４８】
（本発明に関連する発明の参考の形態３）
次に本発明に関連する発明の参考の形態３について述べる。本実施の形態は、図３に示すように、本発明に関連する発明の原料加湿手段に相当する全熱交換器４０が、ＣＯ浄化部３７と燃料電池発電部３８との間に設けられたこと以外は参考の形態２と類似である。したがって、図３には、図２（ａ）と同一部または相当部には同一符号を付し、詳細な説明は省略して、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。また、全熱交換器４０は、全熱交換器３０と同様、ＣＯ浄化部７から排出された改質ガスと原料とを仕切り、両者の経路の境界を形成する水透過膜を有している。
【００４９】
図３は本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略断面図である。本実施の形態では全熱交換部４０において、ＣＯ浄化部７を通過した後の改質ガスと原料を全熱交換し、水透過膜によって、改質ガス内の水蒸気を原料に移動させることにより原料を加湿する。原料を加湿することによって、参考の形態１と同様に、改質水供給部４から供給する水が少なくでき、改質部１における加熱量を抑制することができる。
【００５０】
また、通常ＣＯ浄化部７通過後の改質ガスは１００℃以上で、燃料電池発電部８の作動温度よりも高温であるため、本実施の形態のように、ＣＯ浄化部７と燃料電池発電部８の中間で改質ガスに含まれる水蒸気および熱を回収することによって、改質部１の効率を上げるだけでなく、改質ガス温度を燃料電池発電部８の温度まで効率よく下げ、同時にＣＯ浄化部７と燃料電池発電部８の間の配管内での水凝縮を抑制することができる。
【００５１】
（本発明に関連する発明の参考の形態４）
次に本発明に関連する発明の参考の形態４について述べる。本実施の形態は、図４に示すように、本発明に関連する発明の原料加湿手段に相当する全熱交換器５０をＣＯ変成部５とＣＯ浄化部７の間に設けるとともに、ＣＯ変成部５の上流側にＣＯ変成部５に水を供給する変成水供給部５１を設けたこと以外は参考の形態２と類似である。したがって、図４には、図２（ａ）と同一部または相当部には同一符号を付し、詳細な説明は省略し、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。また、全熱交換器５０は、全熱交換器３０、４０と同様、ＣＯ変成部５から排出された改質ガスと原料とを仕切り、両者の経路の境界を形成する水透過膜を有している。
【００５２】
図４は本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略断面図である。
【００５３】
参考の形態３では、ＣＯ浄化部７の下流で、改質ガスに含まれる水蒸気および熱を回収するようにしていたが、変成部で水蒸気量を多くした場合に、変成部の下流に位置する浄化部での反応性が過剰の水蒸気によって低下したり、浄化部の下流に位置する燃料電池発電部において水蒸気量が過剰となるため電極面に水が凝縮しやすくなり、発電効率が低下する恐れがあるという不具合があった。
【００５４】
これに対し、本実施の形態では全熱交換部５０において、原料とＣＯ変成部５通過後の改質ガスを全熱交換するとともに、水透過膜によって改質ガス内の水蒸気を原料に移動させることにより原料を加湿するが、ＣＯ変成部４５通過後の改質ガスから水蒸気および熱を回収するため、ＣＯ浄化部７の反応性が過剰の水蒸気によって低下したり、燃料電池発電部８の電極面に水が凝縮するような事態を防ぐ。したがって、水素生成装置の効率を低下させることなく、ＣＯ変成部の容積を小さくできるとともに、安定にＣＯ濃度を低減することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、本発明に関連する発明の原料加湿手段として全熱交換部５０を用いたが、ＣＯ変成部５から出力された改質ガスから水分が回収できる構成であれば特に限定はなく、例えば、改質水供給部４や変成水供給部５１が改質部１やＣＯ変成部５に供給する水で冷却して、改質ガス内の水分を凝縮させることによって気液分離するような方法でもかまわない。また、変成水供給部５１は省いた構成としてもよい。
【００５６】
（本発明に関連する発明の参考の形態５）
次に、本発明に関連する発明の参考の形態５について述べる。本実施の形態は、図５に示すように、原料供給部３と改質部１との間に、太陽光によって加熱される水をその内部に蓄えた原料加湿部６９を設けたこと以外は参考の形態１と類似である。したがって、同一部または相当部には同一符号を付し、詳細な説明は省略して、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
【００５７】
図５は本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略断面図である。参考の形態１では、原料加湿部９内の水を、燃料電池発電部８の熱を用いて加熱するようにしていたが、燃料電池発熱部８の廃熱を利用した給湯の効率が低下するという不具合があった。
【００５８】
これに対し、本実施の形態では原料加湿部６９内の水を太陽光で加熱するため、給湯効率を低下させることなく、改質部１の効率を向上させることができる。
【００５９】
なお、太陽光の代わりに温泉地等では地熱を利用することによって、同様の効果を得ることができる。
【００６０】
（実施の形態１）
次に本実施の形態１について述べる。本実施の形態は、水透過膜３０ａを有する全熱交換器３０の代わりとして、水素も透過する水−水素透過膜を用いた原料加湿部８０を用いること以外は参考の形態２と類似である。したがって詳細な説明は省略し、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
【００６１】
図６は本実施の形態に係る燃料電池発電システムの原料加湿部８０の概略断面図であり、水透過膜３０ａが配置されていた位置には、水分と共に水素を透過する水−水素透過膜８１を設けている。
【００６２】
参考の形態２では、全熱交換部３０内の水透過膜３０ａにより、オフガス中の水分を移動させて原料の加湿を行っていたが、オフガス中の水素はすべて加熱部２に供給されていた。これに対し、本実施の形態では、オフガス中の水素の一部を水−水素透過膜８１から透過させて原料に戻すため、燃料電池発電部８にて反応しなかった水素を再び燃料電池発電に用いることができ、発電効率が向上する。
【００６３】
水−水素透過膜８１としては、高分子型燃料電池で用いている高分子電解質膜を用いている。高分子電解質膜を水素が透過することは公知である。しかしながら、燃料電池部では発電に寄与せずに透過した水素はカソード側で酸素と反応して発電効率が低下したり、膜を損傷したりするため、抑制するための様々検討がなされている。一般的に水素は流通するガスの露点が低く膜が乾燥気味になった場合に透過しやすい。本実施の形態では原料ガス入口８４寸近の原料ガスとオフガス出口８３付近のオフガスの露点が低くなっているため水素が透過しやすくなっている。
【００６４】
水−水素透過膜としては、高分子電解質膜以外に、シリコンゴム、またはオフガス中の二酸化炭素と水素のうち水素のみを透過することのできる細孔径をもったゼオライトを膜状に成形したもの、ポリイミドの様な耐熱性の高分子膜にリン酸塩の様な親水性の化合物を混ぜ込んだもの等を用いることができる。
【００６５】
水素透過の駆動力はオフガスと原料の水素分圧の差であり、膜に充分な面積を確保すれば、駆動力、すなわち膜の両面の水素濃度差がなくなるまでは水素回収は可能であるが、これについてはコストと設置空間の点から装置の設計者が自由に選択することができる。
また、水−水素透過膜８１の面積を稼ぐために、膜を積層して、それぞれの膜の両面にオフガスと原料ガスを交互に流通すると小さい体積で水素と水分の原料への回収が実現できる。
【００６６】
(実施の形態２)
次に本実施の形態２について述べる。本実施の形態は、図７に示すように、燃料電池発電部８の下流側に、本発明に関連する発明の原料加湿手段に相当する原料加湿部９０を設けてあり、原料加湿部９０は、固体高分子型燃料電池と同じく、プロトン導電膜９１の両面に白金を担持したカーボンの電極９２を具備した構成であること以外は参考の形態２と類似である。したがって詳細な説明は省略し、異なる点を中心に本実施の形態を説明する。
【００６７】
図７は本実施の形態に係る燃料電池発電システムの原料加湿部９０の概略断面図である。水透過膜３０ａが配置されていた位置には、オフガスの流れに面する電極９２ａと、原料の流れに面する電極９２ｂが配置されたプロトン導電膜９１が設けられている。電極９２ａ、９２ｂは、外部の電圧制御器９３に接続されており、電圧制御器９３から印加される電圧により原料加湿部９０内に電位差を発生させる。
【００６８】
実施の形態１では、原料加湿部８０内の水−水素透過膜８１により、オフガス中の水分と水素を成り行きで透過させ、原料の加湿を行っていた。
【００６９】
これに対し、本実施の形態では、オフガス中の水素をプロトン導電膜９１の両側に設置した電極９２ａ、９２ｂに電圧を印加することによって透過させるため、水素の透過量を制御することができるとともに、水素イオンが水分子も引き連れて移動するため、より効率的に水と水素を透過させることができる。このとき電極９２ａと電極９２ｂとの電位差は、電極９２ｂ側のほうが電極９２ａ側よりも高くなるようにする。
【００７０】
原料加湿部９０と類似の構成を有する固体高分子型燃料電池では、水素電極（改質ガス電極）と酸素電極（空気電極）で構成されるが、本実施の形態では酸素電極側で酸素の代わりに原料ガスを流通させている。原料ガスは酸化剤として機能しないため、窒素等の不活性ガスと同様の役目をする。すなわち水素極で解離した水素がイオンとなって膜を透過し、原料ガス側の電極で再び結合して水素分子になる。原料加湿部９０は、両電極の水素の濃度差によって濃淡電池として機能するため、両極をショートすると水素は移動する。また、さらに電圧を加えると水素の移動量を増加させることができる。
【００７１】
また、オフガス出口８３の下流側に改質部１を加熱する加熱部２がある場合、水素の透過量を制御することによって、改質部１の温度を制御することができる。水素の透過量の制御は、上記の原理によりプロトン導電膜９１の両面に具備した電極９２ａ、電極９２ｂに加える電圧を制御する事によって行うことができる。
【００７２】
【実施例】
以下に、参考例１〜５及び実施例１、２について説明する。
（参考例１）
図１の燃料電池発電システムにおいて、改質部１には０．２ＬのＲｕ触媒、ＣＯ変成部５に２Ｌの銅亜鉛触媒、ＣＯ浄化部７には０．２ＬのＰｔ触媒をそれぞれ充填した。原料供給部３より、１分当たり７Ｌのメタンを原料加湿部９で加湿し、さらにＳ／Ｃが３となるように改質水供給部４で水を追加し、改質部１に供給した。改質部１内のＲｕ触媒が７００℃となるように加熱部２の燃焼量を調節し、改質ガスを生成させ、燃料電池発電部８に供給した。燃料電池発電部８において直流電力が２ｋＷとなるように発電させた。冷却水温度検知部１１で検知される温度が８０℃となるように冷却水の流量を調節し、原料供給部３と加熱部２に供給されたメタンの総発熱量と直流電力２ｋＷから算出される発電効率を求めたところ、３７％であった。
【００７３】
（参考例２）
図２の燃料電池発電システムにおいて、参考例１と同様に、改質部１とＣＯ変成部５とＣＯ浄化部７にそれぞれ触媒を充填した。原料供給部３より、１分当たり７Ｌのメタンを全熱交換部３０で加湿して、さらにＳ／Ｃが３となるように改質水供給部４で水を追加し、改質部１に供給した。改質部１内のＲｕ触媒が７００℃となるように加熱部２の燃焼量を調節し、改質ガスを生成させ、燃料電池発電部８に供給した。燃料電池発電部８において直流電力が２ｋＷとなるように発電させた。原料供給部３と加熱部２に供給されたメタンの総発熱量と直流電力２ｋＷから算出される発電効率を求めたところ、３８％であった。
【００７４】
（参考例３）
図３の燃料電池発電システムにおいて、参考例１と同様に、改質部１とＣＯ変成部５とＣＯ浄化部７にそれぞれ触媒を充填した。原料供給部３より、１分当たり７Ｌのメタンを全熱交換部４０で加湿し、さらにＳ／Ｃが３となるように改質水供給部４で水を追加し、改質部１に供給した。改質部１内のＲｕ触媒が７００℃となるように加熱部２の燃焼量を調節し、改質ガスを生成させ、燃料電池発電部８に供給した。燃料電池発電部８において直流電力が２ｋＷとなるように発電させた。原料供給部３と加熱部２に供給されたメタンの総発熱量と直流電力２ｋＷから算出される発電効率を求めたところ、３８．５％であった。
【００７５】
（参考例４）
図４の燃料電池発電システムにおいて、ＣＯ変成部５には１Ｌの銅亜鉛触媒を充填した。改質部１とＣＯ浄化部７には参考例１と同量の触媒をそれぞれ充填した。原料供給部３より、１分当たり７Ｌのメタンを全熱交換部５０で加湿し、さらにＳ／Ｃが３となるように改質水供給部５４で水を追加し改質部１に供給した。改質部１内のＲｕ触媒が７００℃となるように加熱部２の燃焼量を調節し、改質ガスを生成させた。ＣＯ変成部７の上流側の変成水供給部５１で水を供給し、Ｓ／Ｃが５となるように調節した。燃料電池発電部８において直流電力が２ｋＷとなるように発電させた。原料供給部３と加熱部２に供給されたメタンの総発熱量と直流電力２ｋＷから算出される発電効率を求めたところ、３９％であった。
【００７６】
（参考例５）
図５の燃料電池発電システムにおいて、参考例１と同様に、原料供給部３より、１分当たり７Ｌのメタンを原料加湿部６９で加湿して、改質部１に供給した。原料加湿部９は黒色塗装してあり、太陽光が充分に当たるようにした。原料加湿部６９の中の水温を加湿水温度検知部７１で測定したところ、９３℃であった。原料加湿部６９通過後のガスの水蒸気量を測定したところ、Ｓ／Ｃが３．１となっていたので、改質水供給部４では水を追加しなかった。改質部１内のＲｕ触媒が７００℃となるように加熱部２の燃焼量を調節し、改質ガスを生成させ、燃料電池発電部８に供給した。燃料電池発電部８において直流電力が２ｋＷとなるように発電させた。原料供給部３と加熱部２に供給されたメタンの総発熱量と直流電力２ｋＷから算出される発電効率を求めたところ、４１％であった。
【００７７】
（実施例１）
図２の燃料電池発電システムにおいて、参考例１と同様に、改質部１とＣＯ変成部５とＣＯ浄化部７にそれぞれ触媒を充填した。全熱交換部３０の代わりに図６に示した原料加湿部８０を設置した。原料供給部３より、１分当たり７Ｌのメタンを原料加湿部８０で加湿して、さらにＳ／Ｃが３となるように改質水供給部４で水を追加し、改質部１に供給した。改質部１内のＲｕ触媒が７００℃となるように加熱部２の燃焼量を調節し、改質ガスを生成させ、燃料電池発電部８に供給し発電させた。原料供給部３と加熱部２に供給されたメタンの総発熱量と発電された直流電力から算出される発電効率を求めたところ、４１．５％であった。
【００７８】
（実施例２）
図２の燃料電池発電システムにおいて、参考例１と同様に、改質部１とＣＯ変成部５とＣＯ浄化部７にそれぞれ触媒を充填した。全熱交換部３０の代わりに図７に示した原料加湿部９０を設置した。原料供給部３より、１分当たり７Ｌのメタンを原料加湿部８０で加湿して、さらにＳ／Ｃが３となるように改質水供給部４で水を追加し、改質部１に供給した。改質部１内のＲｕ触媒が７００℃となるように加熱部２の燃焼量を調節し、改質ガスを生成させ、燃料電池発電部８に供給し発電させた。プロトン導電膜９１の両面の電極９２ａ、９２ｂには２００ｍｖの電圧を印加した。原料供給部３と加熱部２に供給されたメタンの総発熱量と発電された直流電力から算出される発電効率を求めたところ、４２％であった。
【００７９】
（比較例１）
参考例１で、原料供給部３より、１分当たり７Ｌのメタンを原料加湿部９で加湿せずに、直接改質部１に供給した。参考例１と同様に、燃料電池発電部８において直流電力が２ｋＷとなるように発電させた。冷却水温度検知部１１で検知される温度が８０℃となるように冷却水の流量を調節し、原料供給部３と加熱部２に供給されたメタンの総発熱量と直流電力２ｋＷから計算される発電効率を求めたところ、３３％であった。
【００８０】
なお、上記の各実施の形態においては、燃料電池発電部８を含めた燃料電池発電システムとして説明を行ったが、本発明は燃料電池発電部８を省いた、水素生成装置単体として実現してもよい。
【００８１】
また、上記の各実施の形態においては、燃料電池発電システムは、燃料電池発電部８から排出されたオフガスを改質部１の加熱部２に供給するサイクルを形成していたが、燃料電池発電部８から排出されたオフガスは、他の外部手段に用いるようにしてもよく、本発明の燃料電池発電システムは、サイクルを形成しなくとも良い。
【００８２】
また、上記の各実施の形態においては、原料の加湿は、改質部１から出力された改質ガスであったり、燃料電池発電部８から出力されたオフガスにより行なうものとしたが、本発明の原料加湿手段の改質ガス中の水分を間接的に用いるとは、燃料電池発電システムにおいて、改質部１から直接出力された改質ガス以外のガスで原料を加湿するものであればよい。
【００８３】
また、上記参考の形態５において、本発明に関連する発明の外部手段は太陽光もしくは地熱により熱を供給される原料加湿部６９であるとしたが、外部手段はこれに限定されるものではなく、燃料電池発電システムとは独立したボイラーや冷凍機など、原料に対して熱源および水分の供給源となる装置であればよい。
【００８４】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、改質部において、水蒸発に必要な加熱量が抑制できる。
【００８５】
また、燃料電池発電部通過後のオフガスと原料を全熱交換することによって、水蒸発に必要な加熱量が抑制されるだけでなく、オフガス中の水蒸気を除去でき、加熱部での火炎温度の低下を抑制できる。
【００８６】
また、ＣＯ浄化部通過後の改質ガスと原料を全熱交換することによって、水蒸発に必要な加熱量が抑制されるだけでなく、改質ガス温度を燃料電池発電部の作動温度まで、効率よく下げ、同時に配管内での水凝縮を抑制することができる。
【００８７】
また、ＣＯ変成部通過後の改質ガスと原料を全熱交換することによって、水蒸発に必要な加熱量が抑制されるだけでなく、ＣＯ変成部の容積を小さくできるとともに、安定にＣＯ濃度を低減することができる。
【００８８】
また、原料加湿部を太陽光で加熱することによって、給湯効率を低下させることなく、水素生成部の効率を向上させることができる。
【００８９】
このように、本発明によると高い発電効率を持つ燃料電池発電システムを提供することができる。
【００９０】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明によれば、水素生成装置の効率が向上し、ＣＯ変成部の触媒容積を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に関連する発明の参考の形態１に係る燃料電池発電装置の構成を示す概略縦断面図である。
【図２】  （ａ）本発明に関連する発明の参考の形態２に係る燃料電池発電装置の構成を示す概略縦断面図である。
（ｂ）本発明に関連する発明の参考の形態２に係る燃料電池発電装置の原料加湿部の構成を示す概略縦断面図である。
【図３】  本発明に関連する発明の参考の形態３に係る燃料電池発電装置の構成を示す概略縦断面図である。
【図４】  本発明に関連する発明の参考の形態４に係る燃料電池発電装置の構成を示す概略縦断面図である。
【図５】  本発明に関連する発明の参考の形態５に係る燃料電池発電装置の構成を示す概略縦断面図である。
【図６】  本発明にかかる実施の形態１に係る燃料電池発電装置の原料加湿部の構成を示す概略縦断面図である。
【図７】  本発明にかかる実施の形態２に係る燃料電池発電装置の原料加湿部の構成を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
１  改質部
２  加熱部
３  原料供給部
４  改質水供給部
５  ＣＯ変成器
６  空気供給部
７  ＣＯ浄化部
８  燃料電池発電部
９、６９  原料加湿部
１０  冷却水循環部
１１  冷却水温度検知部
１２  燃焼ガス供給部
３０、４０、５０  全熱交換部
５１  変成水供給部
７１  加湿水温度検知部
【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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