(57)【要約】【課題】水素及び炭化水素を含有する原燃料を燃料ガスとして用いた、発電効率の高い燃料電池発電方法及び燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】水素と酸素との電極反応によって発電を行う燃料電池本体１０と、炭化水素を含有するガスを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質装置２０とを用い、  水素と炭化水素とを含有する原燃料と、前記改質装置によって改質された改質ガスとを前記燃料電池本体のアノード極１２に導入し、前記アノード極から排出されるアノードオフガスを前記改質装置で水蒸気改質して改質ガスとする。改質装置から吐出される改質ガスの一部を、改質装置に反応熱を供給するための燃焼装置２２に導入する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との電極反応によって発電を行う燃料電池本体と、炭化水素を含有するガスを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質装置とを用い、
水素と炭化水素とを含有する原燃料と、前記改質装置によって改質された改質ガスとを前記燃料電池本体のアノード極に導入し、
前記アノード極から排出されるアノードオフガスを前記改質装置で水蒸気改質して改質ガスとすることを特徴とする燃料電池発電方法。
【請求項２】
前記原燃料が、メタン、エタン及びプロパンから選ばれた少なくとも一種を含む副生水素である、請求項１に記載の燃料電池発電方法。
【請求項３】
前記原燃料の水素含有量が７０〜９０ｍｏｌ％である、請求項１又は２に記載の燃料電池発電方法。
【請求項４】
前記原燃料の流量に応じて、前記アノードオフガスの水蒸気改質に用いる水蒸気の供給量を比例制御する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池発電方法。
【請求項５】
前記燃料電池本体のアノード極から排出されるアノードオフガスを、ブロワを用いて昇圧して前記改質装置に送入する、請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池発電方法。
【請求項６】
前記改質装置から吐出される改質ガスの一部を、前記改質装置に反応熱を供給するための燃焼装置に導入する、請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池発電方法。
【請求項７】
前記燃焼装置に導入する改質ガスの流量を、前記原燃料中に含まれる炭素量以上の炭素量を含む量となるように制御する、請求項６に記載の燃料電池発電方法。
【請求項８】
前記燃焼装置に導入する改質ガスの流量を、前記原燃料中に含まれる炭素量以上の炭素量を含む量となるように制御する際、前記燃焼装置に導入する改質ガスの流量が、前記改質装置の温度を制御する上で過剰となる場合には、該過剰量を外部に放出する請求項７記載の燃料電池発電方法。
【請求項９】
水素と酸素との電極反応によって発電を行う燃料電池本体と、炭化水素を含有するガスを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質装置とを備え、
水素と炭化水素とを含有する原燃料を、前記燃料電池本体のアノード極に、前記改質装置を通すことなく導入する供給路と、
前記アノード極から排出されるアノードオフガスを前記改質装置に導入する供給路と、
前記改質装置によって改質された改質ガスを前記燃料電池本体のアノード極に導入する供給路とを有することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記改質装置によって改質された改質ガスの一部を、前記改質装置に反応熱を供給するための燃焼装置に導入する供給路とを更に有する請求項９記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば副生水素などの、水素と炭化水素を含有するガスを燃料ガスとして用いる燃料電池発電方法及び燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを、機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する発電装置であり、高いエネルギー効率が実現可能な発電装置である。
【０００３】
良く知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード極）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の電極（カソード極）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）はアノード極に於ける反応、（２）はカソード極に於ける反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進行する。
【０００４】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−    ・・・（１）
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ    ・・・（２）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ    ・・・（３）
【０００５】
通常、これらの燃料電池では、天然ガス等の炭化水素を水蒸気改質して得られる改質ガスや、コークス炉ガスを圧力スイング吸着装置などの水素分離装置を利用して分離精製して得られる水素ガスなどを燃料ガスとして用いている。そのため、燃料電池発電装置には、通常、改質装置や水素分離装置が設けられている。
【０００６】
また、燃料電池の用途の一つとして、最近、化学プラント等で副産物として発生する副生水素を有効に利用することを目的とした、いわゆる副生水素利用の燃料電池が注目されている。
【０００７】
例えば、下記特許文献１には、燃料電池の燃料ガスとして、副生水素などの高濃度水素ガスを主燃料ガスとし、炭化水素系原燃料を燃料改質器により水蒸気改質して得られる改質ガスを補助燃料ガスとして用いる燃料電池発電装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２０８４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
副生水素は、水素以外にも、メタンやエタンなどの炭化水素を含有している。水素以外の炭化水素は、燃料電池での電極反応では消費されず、そのまま排気されることから、副生水素利用の燃料電池は、燃料ガスの利用効率が低く、発電効率が不十分であった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、水素及び炭化水素を含有する原燃料を燃料ガスとして用いた、発電効率の高い燃料電池発電方法及び燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電方法は、水素と酸素との電極反応によって発電を行う燃料電池本体と、炭化水素を含有するガスを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質装置とを用い、水素と炭化水素とを含有する原燃料と、前記改質装置によって改質された改質ガスとを前記燃料電池本体のアノード極に導入し、前記アノード極から排出されるアノードオフガスを前記改質装置で水蒸気改質して改質ガスとすることを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池発電方法によれば、燃料電池本体のアノード極から排出されるアノードオフガスを改質装置で水蒸気改質することにより、アノードオフガスに含まれる二酸化炭素が改質反応の平衡上、改質装置の前段の改質器中で一酸化炭素に戻るので、改質器の出口で一酸化炭素を増加させることができる。そのため、改質装置の後段のＣＯ変成器によるＣＯ変成反応により、再び水素を生成することができる。こうして改質された水素リッチなガスを、原燃料と一緒に燃料電池本体のアノード極に導入することにより、原燃料中に含まれる水素だけでなく、原燃料中に含まれる炭化水素も水素に効率よく改質されて利用されることになるので、原燃料の消費量に対する発電効率を高めることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池発電方法においては、前記原燃料が、メタン、エタン、プロパンの少なくともいずれかの炭化水素が含まれる副生水素であることが好ましい。これらの炭化水素は、水蒸気改質し易いので、アノードオフガスから水素を効率よく発生させることができる。
【００１３】
また、前記原燃料の水素含有量が７０〜９０ｍｏｌ％であることが好ましい。原燃料の水素含有量が９０ｍｏｌ％を超える場合には、アノードオフガス中に含まれる炭化水素含量が少ないので、これを改質反応させても原燃料の消費量に対する発電効率の向上効果がそれほど期待できない。また、原燃料の水素含有量が７０ｍｏｌ％未満では、アノードオフガスの量が増えるので、改質装置での圧力損失が大きくなり、アノードオフガスを昇圧するブロワ等の動力が増えるので、発電効率の向上効果は少ない。
【００１４】
また、本発明の燃料電池発電方法においては、前記原燃料の流量に応じて、前記アノードオフガスの水蒸気改質に用いる水蒸気の供給量を比例制御することが好ましい。燃料電池での電極反応では、炭化水素は消費されないので、原燃料の流量に応じて、アノードオフガスの水蒸気改質に用いる水蒸気の供給量を比例制御することで、スチーム・カーボン比（Ｓ／Ｃ）が所定の範囲となるように改質装置へ炭化水素と水蒸気とを供給でき、アノードオフガスを効率よく改質することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池本体のアノード極から排出されるアノードオフガスを、ブロワを用いて昇圧して前記改質装置に送入することが好ましい。この態様によれば、アノード極から排出されるアノードオフガスを、効率よく改質装置へ送入することができる。
【００１６】
更に、本発明の燃料電池発電方法においては、前記改質装置から吐出される改質ガスの一部を、前記改質装置に反応熱を供給するための燃焼装置に導入することが好ましい。この態様によれば、改質ガスを、改質装置を加熱する際の熱源として有効利用できる。
【００１７】
この場合、前記燃焼装置に導入する改質ガスの流量を、前記原燃料中に含まれる炭素量以上の炭素量を含む量となるように制御することが好ましい。改質ガスをリサイクルガスとして原燃料と一緒に燃料電池本体のアノード極に供給して系内を循環させても、燃料電池本体では水素は消費されるが、原燃料中の炭素は消費されない。このため、燃焼装置に導入する改質ガスの流量を、原燃料中に含まれる炭素量（正確には炭素原子数）以上の炭素量を含む量となるように制御することにより、循環ガスの系内に炭素が蓄積しまうことを防止することが望ましいのである。
【００１８】
更に、前記燃焼装置に導入する改質ガスの流量を、前記原燃料中に含まれる炭素量以上の炭素量を含む量となるように制御する際、前記燃焼装置に導入する改質ガスの流量が、前記改質装置の温度を制御する上で過剰となる場合には、該過剰量を外部に放出することが好ましい。燃焼装置に導入する改質ガスの流量を、原燃料中に含まれる炭素量以上の炭素量を含む量となるように制御した場合、燃焼装置に導入する改質ガスの流量が、改質装置の温度を制御する上で過剰になってしまう場合もあり得る。その場合には、過剰量の改質ガスを外部に放出することにより、循環ガスの系内に炭素が蓄積しまうことを防止しつつ、改質装置の温度も適切に制御することができる。
【００１９】
一方、本発明の燃料電池発電装置は、水素と酸素との電極反応によって発電を行う燃料電池本体と、炭化水素を含有するガスを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する改質装置とを備え、水素と炭化水素とを含有する原燃料を前記燃料電池本体のアノード極に直接導入する供給路と、前記アノード極から排出されるアノードオフガスを前記改質装置に供給する供給路と、前記改質装置によって改質された改質ガスを前記燃料電池本体のアノード極に導入する供給路とを有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の燃料電池発電装置によれば、アノード極から排出されるアノードオフガスを改質装置に導入して水蒸気改質し、この改質ガスを原燃料ガスと共にアノード極に導入するようにしたので、原燃料中に含まれる水素だけでなく、原燃料中に含まれる炭化水素も水素に効率よく改質されて利用されることになるので、原燃料の消費量に対する発電効率を高めることができる。
【００２１】
本発明の燃料電池発電装置においては、前記改質装置によって改質された改質ガスの一部を、前記改質装置に反応熱を供給するための燃焼装置に導入する供給路とを更に有することが好ましい。この態様によれば、改質ガスを、改質装置を加熱する際の熱源として有効利用できると共に、改質ガス中に含まれる炭素を燃焼除去することによって、循環ガスの系内に炭素が蓄積しまうことを防止することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池発電装置は、アノード極から排出されるアノードオフガスを改質装置に導入して水蒸気改質し、この改質ガスを原燃料ガスと共にアノード極に導入するようにしたので、原燃料中に含まれる水素だけでなく、原燃料中に含まれる炭化水素も水素に効率よく改質されて利用されることになるので、原燃料の消費量に対する発電効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。図１には、本発明の燃料電池発電装置の一実施形態の概略構成図が示されている。
【００２４】
なお、本発明において、アノード電極１２ａとは、燃料電池本体１０のアノード側の電極そのものを意味し、アノード極１２とは、アノード電極１２ａの改質ガスが流通する側を意味する。また、カソード電極１３ａとは、燃料電池本体１０のカソード側の電極そのものを意味し、カソード極１３とは、カソード電極１３ａの酸化剤ガスが流通する側を意味する。
【００２５】
燃料電池本体１０は、電解質１１と、この両側に配置されたアノード電極１２ａ及びカソード電極１３ａと、これらからなる単位セルの複数個を重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却水系１４とで主に構成されている。
【００２６】
冷却水系１４は、水蒸気分離器１５から伸びた配管Ｌ９が接続しており、冷却水循環ポンプ１６を作動させて、冷却器２７にて冷却水を所定の温度にいったん冷却してから冷却水系１４に冷却水を供給し、燃料電池本体１０を冷却した後の冷却水を再度水蒸気分離器１５に導入し、水蒸気と冷却水に分離している。
【００２７】
アノード極１２の燃料ガス導入側には、配管Ｌ１が接続している。この配管Ｌ１には、原燃料源から伸びた流量計Ｆ１及び弁Ｖ１の配置された配管Ｌ２と、配管Ｌ３が接続している。弁Ｖ１は、制御装置４０からの出力によって開度を調整できるように構成されている。また、流量計Ｆ１は、配管Ｌ１を流通する原燃料の流量を測定して、測定結果を制御装置４０に出力できるように構成されている。上記配管Ｌ２及び配管Ｌ１が、本発明における「原燃料を、燃料電池本体のアノード極に、改質装置を通すことなく導入する供給路」を構成している。
【００２８】
アノード極１２のアノードオフガス排出側からは、アノードオフガスブロワ１７の配置された配管Ｌ４が伸び、改質装置２０の改質器２１に接続している。配管Ｌ４には、水蒸気分離器１５から伸びた配管Ｌ５が接続しており、配管Ｌ５には、流量計Ｆ２及び弁Ｖ２が配置されている。弁Ｖ２は、制御装置４０からの出力によって開度を調整できるように構成されている。また、流量計Ｆ２は、配管Ｌ５を流通する水蒸気の流量を測定して、測定結果を制御装置４０に出力できるように構成されている。
【００２９】
カソード極１３の酸化剤ガス導入側には、カソード空気ブロワ１８から伸びた配管Ｌ６が接続している。
【００３０】
カソード極１３のカソードオフガス排出側からは、配管Ｌ７が伸びて凝縮装置３０に接続しており、カソード極１３から排出されるカソードオフガス中の水分を凝縮して凝縮水を回収し、ガス分は外部へ排気できるように構成されている。この凝縮装置３０からは、凝縮水排出ポンプ３１が配置された配管Ｌ８が伸びて配管Ｌ９に接続している。
【００３１】
改質装置２０は、改質器２１と燃焼装置２２とＣＯ変成器２３とで主に構成されている。
【００３２】
改質器２１は、炭化水素から水蒸気改質反応により水素を主体とした改質ガスを生成させる反応器である。この改質器２１には、触媒層の温度を計測する温度計Ｔ１が配置されており、計測結果を制御装置４０に出力できるように構成されている。そして、改質器２１には、改質触媒の充填された改質触媒層を加熱して、改質反応を行うための反応熱を供給する燃焼装置２２が併設されている。
【００３３】
燃焼装置２２の燃焼源導入部には、燃焼空気ブロワ２４から伸びた配管Ｌ１０と、流量計Ｆ３の配置された配管Ｌ１１とが接続している。配管Ｌ１１の途中から配管Ｌ１２が分岐して伸びており、この配管Ｌ１２には、制御装置４０からの出力によって開度を調整できるように構成されている弁Ｖ３が配置されている。
【００３４】
燃焼装置２２の燃焼排ガス排出側からは、燃焼排ガスを排気するための配管Ｌ１３が伸びて、凝縮装置３０に接続している。
【００３５】
改質器２１の出口側には、ＣＯ変成器２３が配置されている。ＣＯ変成器２３は、改質ガス中のＣＯを、水蒸気と反応させて、水素とＣＯ２に変成（水性ガスシフト反応；発熱反応）させる装置である。
【００３６】
ＣＯ変成器２３の出口側には、冷却器２５が配置されている。冷却器２５では、ＣＯ変成器２３から吐出される改質ガスを冷却して改質ガス中の水分を除去し、水分の除去された改質ガスを配管Ｌ１４から取出し、冷却器２５内に貯留した水分は、配管Ｌ１５から系外へ排水するように構成されている。
【００３７】
配管Ｌ１４は、配管Ｌ３と配管Ｌ１１とに分岐して伸びている。そして、配管Ｌ３と配管Ｌ１１の分岐点には、制御装置４０からの出力によって開度を調整できるように構成されている三方弁２６が配置されている。配管Ｌ３は、前記配管Ｌ１に接続され、改質ガスをアノード極１２に導入するようになっており、上記配管Ｌ１４、Ｌ３、Ｌ１が、本発明における「改質装置によって改質された改質ガスを前記燃料電池本体のアノード極に導入する供給路」を構成している。また、配管Ｌ１１は、改質装置２０の燃焼装置２２に接続されており、上記配管Ｌ１４、Ｌ１１が、本発明における「改質装置によって改質された改質ガスの一部を、改質装置に反応熱を供給するための燃焼装置に導入する供給路」を構成している。
【００３８】
次に、上記燃料電池発電装置を用いた、本発明の燃料電池発電方法の一実施形態を説明する。なお、本発明において、原燃料とは、水素及び炭化水素を含有するガスを意味し、化学工場などから排出される副生水素などが好ましく挙げられる。
【００３９】
原燃料源から供給される原燃料は、配管Ｌ２，Ｌ１を通ってアノード極１２に供給される。また、後述する改質装置２０にて水蒸気改質された改質ガスの一部が、配管Ｌ１４、Ｌ３、Ｌ１を通って、アノード極１２に供給される。そして、燃料電池本体１０に供給された原燃料及び改質ガスは、配管Ｌ６を通ってカソード極１３に供給される酸素を主体とする酸化剤ガスと、電解質１１の両界面で反応して発電がなされ、この発電出力がインバータユニット５０にて所定電圧の交流電力に変換され、電力系統に供給される。
【００４０】
カソード極１３から排出されるカソードオフガスは、配管Ｌ７を通って凝縮装置３０に導入される。そして、カソードオフガスに含まれる水分が凝縮装置３０で凝縮回収されて、冷却水系１４に供する冷却水として利用され、ガス分は系外へ排気される。
【００４１】
アノード極１２から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガスブロワ１７によって、２０〜３０ｋＰａ程度に昇圧される。そして、スチームセパレータ１５から、配管Ｌ５を通って供給される水蒸気と混合して、改質器２１に供される。
【００４２】
原燃料には、水素の他にメタン，エタン，プロパンなどの炭化水素が含まれているが、電極反応ではこれらの炭化水素は消費されないので、流量計Ｆ１と、流量計Ｆ２の測定値との比が設定範囲となるように、弁Ｖ１，Ｖ２の開度を調節してアノード極１２への原燃料の供給量や、改質器２１への水蒸気の供給量を調節することで、改質器２１に所定のＳ／Ｃで、炭化水素と水蒸気とを供給することができる。
【００４３】
改質器２１では、アノードオフガスが水蒸気改質反応されて、水素に富む改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、燃焼装置２２に、配管Ｌ１０から燃焼用空気を供給すると共に、後述する改質装置２０から配管Ｌ１４，Ｌ１１を通して改質ガスの一部を供給し、これらを燃焼して改質器２１の触媒層を加熱する。
【００４４】
そして、改質器２１で生成された改質ガスは、ＣＯ変成器２３にてＣＯ濃度を１％以下まで低減させた後、冷却器２５で５０℃以下に冷却して水分を除去し、配管Ｌ１４，Ｌ３，Ｌ１を通って、原燃料源から供給される原燃料と混合されて、アノード極１２に燃料ガスとして供給される。
【００４５】
また、改質ガス中には、炭化水素や二酸化炭素が含まれているので、改質ガスの全量をアノード極１２への燃料ガスとして使用すると、循環するガスの系内に炭化水素や二酸化炭素が蓄積する。このため、改質ガスの一部は、三方弁２６から配管Ｌ１１を通って燃焼装置２２に供給し、熱源として利用することが好ましい。
【００４６】
この場合、燃焼装置２２に供給する改質ガスの流量は、原燃料中に含まれる炭素量（正確には炭素原子数）以上の炭素量を含む量となるように制御することが好ましく、それによって循環するガスの系内に炭化水素や二酸化炭素が蓄積することを確実に防止できる。
【００４７】
以下、系内に炭化水素や二酸化炭素が蓄積しないようにするための運転の一例を示す。
【００４８】
アノード極１２に供給する原燃料は、組成がわかり、また、炭素原子数も把握することができるので、原燃料（図１の配管Ｌ２を流通するガス）の炭素原子数をＣ２（個／Ｎｍ３）とし、原燃料の流量（流量計Ｆ１の値）をＦ１とすると、系内に供給される原燃料中の炭素原子数は、Ｆ１×Ｃ２（個／ｈ）となる。
【００４９】
また、ＣＯ変成器２３で処理された改質ガス（図１の配管Ｌ１４のガス）の炭素原子数をＣ１４（個／Ｎｍ３）とし、燃焼装置２２に導入される改質ガスの流量（流量計Ｆ３の値）をＦ３とすると、燃料装置２２に供給される改質ガス中の炭素原子数はＦ３×Ｃ１４（個／ｈ）となる。なお、改質ガスの組成は、改質器２１の温度の関数として推測することができ、ＣＯ変成器２３で処理された改質ガスの組成も、ＣＯ変成器２３の温度の関数として推定できるので、ＣＯ変成器２３で処理された改質ガスの組成は、推測することができる。
【００５０】
そして、系内に、炭化水素や二酸化炭素が蓄積しないようにするためには、系内に供給される原燃料中の炭素原子数（Ｆ１×Ｃ２）よりも、燃焼装置２２に供給される炭素原子数（Ｆ３×Ｃ１４）を多くすればよいため、Ｆ３×Ｃ１４  ＞  Ｆ１×Ｃ２となるように、三方弁２６を調整する。例えば、Ｆ３×Ｃ１４＝（１．０５〜１．１）×（Ｆ１×Ｃ２）となるように、三方弁２６の開口２６ａの開度を調整する。このようにすることで、炭化水素や二酸化炭素の蓄積を防止できる。
【００５１】
ただし、燃焼装置２２に供給する改質ガスの流量を上記のように制御すると、燃焼装置２２に導入される改質ガスの流量が、改質装置の温度を制御する上で過剰になってしまう場合もあり得る。そこで、温度計Ｔ１にて改質器２１の触媒層の温度を計測しながら、温度計Ｔ１による測定値に基づき、三方弁２６の開口２６ａの開度を調整すると共に、配管Ｌ１２の弁Ｖ３の開度を調節して、燃焼装置２２への改質ガスの供給量を調節することが好ましい。また、過剰な改質ガスは、配管Ｌ１２を通して必要とされる処理を施した後、外部へ放出してもよい。
【００５２】
ここで、炭化水素がメタンの場合、水蒸気改質反応は、下記（４）、（５）式の反応が主に行われる。
【００５３】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ＋３Ｈ２    ・・・（４）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２    ・・・（５）
また、上式（５）の平衡定数Ｋｐは、下式（６）で表される。
【００５４】
【数１】
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【００５５】
（上記式中、ＰＣＯ２はＣＯ２の分圧（全圧にＣＯ２のｍｏｌ％を掛けた値）を意味し、ＰＨ２はＨ２の分圧（全圧にＨ２のｍｏｌ％を掛けた値）を意味し、ＰＣＯはＣＯの分圧（全圧にＣＯのｍｏｌ％を掛けた値）を意味し、ＰＨ２ＯはＨ２Ｏの分圧（全圧にＨ２Ｏのｍｏｌ％を掛けた値）を意味する。）
【００５６】
上記平衡定数Ｋｐは、反応温度が６８０℃の時で１．６９、反応温度の時で２５０℃では８３．９であり、温度が高い場合は、ＣＯ、Ｈ２Ｏが生成される方向に反応が進み、温度が低い場合は、ＣＯ２、Ｈ２が生成される方向に反応が進む。
【００５７】
以下、一般的な副生水素を原燃料として用いて電極反応を行った時のアノードオフガスの組成と、改質器２１の出口側のガス組成を表１に記す。
【００５８】
【表１】
2009048888.tif 000004
【００５９】
表１に示すように、一般的な副生水素からなる原燃料中には、ＣＯ２は含有されていないが、燃料電池本体１０のアノード極１２には改質ガスも供給するので、アノードオフガス中のＣＯ２含有量は高くなる。
【００６０】
改質器２１における水蒸気改質反応における反応温度は約６８０℃であるので、改質器２１では、アノードオフガスの水蒸気改質反応によって、炭化水素から水素が生成すると共に、上式（５）は、ＣＯ、Ｈ２Ｏが生成される方向に反応が進むため、アノードオフガス中に含まれるＣＯ２は、改質反応の平衡上、ＣＯに変換されてＣＯ含有量が増加する。次に、ＣＯ変成器２３でのＣＯ変成反応の反応温度は、約２５０℃で行われることから、上式（５）は、ＣＯ２、Ｈ２が生成される方向に反応が進むので、ＣＯ含有量の高い改質ガスをＣＯ変成反応に供するので、水素を効率よく発生させることができる。
【００６１】
このように、本発明によれば、アノードオフガスを改質装置２０に通すことにより、より効果的に水素を生成させて、この改質ガスを、原燃料と合一して配管Ｌ１から燃料電池本体１０のアノード極１２に供給する燃料ガスとして用いるので、原燃料の使用量を低減でき、燃料電池発電装置の発電効率が良好になる。
【００６２】
また、本発明において、原燃料に含まれる炭化水素としては、メタン、エタン、プロパンが好ましく挙げられる。これらの炭化水素は、水蒸気改質しやすいので、改質ガス中の水素含有量をより高めることができ、原燃料の使用量を低減できる。
【００６３】
ここで、原燃料中の水素含有量は、７０〜９０ｍｏｌ％であることが好ましく、７５〜８５ｍｏｌ％がより好ましい。原燃料の水素含有量が９０ｍｏｌ％を超える場合には、アノードオフガス中に含まれる炭化水素含量が少ないので、これを改質反応させても原燃料の消費量に対する発電効率の向上効果がそれほど期待できない。また、原燃料の水素含有量が７０ｍｏｌ％未満では、アノードオフガスの量が増え、改質装置での圧力損失が大きくなり、アノードオフガスを昇圧するブロワの動力が増えるので、発電効率の向上効果は少ない。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の効果について実施例を用いて具体的に説明する。なお、以下の例では、ガス組成が水素８０ｍｏｌ％、炭化水素１９ｍｏｌ％、その他１ｍｏｌ％である副生水素を用いた。
【００６５】
（実施例１）
図１に示す燃料電池発電装置を用い、アノードオフガスを改質して得られる改質ガスの一部を配管Ｌ３，Ｌ１を通してアノード極１２に供給して１００ｋＷの発電を行ったところ、副生水素の消費量は４２．６ｍ３／ｈであった。なお、アノード極１２に供給する改質ガス量は、燃焼装置２２に供給する改質ガス量を原燃料中に含まれる炭素量（正確には炭素原子数）以上の炭素量を含む量となるように制御して、その残部とした。
【００６６】
（比較例１）
副生水素のみを燃料ガスとして用いて１００ｋＷの発電を行ったところ、副生水素の消費量は１０５．１ｍ３／ｈであった。
【００６７】
（比較例２）
副生水素を水蒸気改質して得られる改質ガスのみを燃料ガスとして用いて１００ｋＷの発電を行ったところ、副生水素の消費量は４８．３ｍ３／ｈであった。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の一実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０：燃料電池本体
１１：電解質
１２：アノード極
１２ａ：アノード電極
１３：カソード極
１３ａ：カソード電極
１４：冷却水系
１５：水蒸気分離器
１６：冷却水循環ポンプ
１７：アノードオフガスブロワ
１８：カソード空気ブロワ
２０：改質装置
２１：改質器
２２：燃焼装置
２３：ＣＯ変成器
２４：燃焼空気ブロワ
２５：冷却器
２６：三方弁
２７：冷却器
３０：凝縮装置
３１：凝縮水排出ポンプ
４０：制御装置
５０：インバータユニット
Ｆ１〜Ｆ３：流量計
Ｌ１〜Ｌ１５：配管
Ｔ１：温度計
Ｖ１〜Ｖ３：弁
【図１】
2009048888.tif 000005