(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器に導入される改質ガスを冷却する熱交換器とを一体構造とし、この熱交換器を一体としたＣＯ変成器を単一のケースに収納し、このケースの下部に燃焼装置を設け、前記ケースの内部は燃焼装置の燃焼ガスの通路を形成し、この燃焼ガスはケースの上部の排気口を通じて排気される構成とした、
ことを特徴とするＣＯ変成ユニット。
【請求項２】
前記熱交換器が水熱交換器である、ことを特徴とする請求項１記載のＣＯ変成ユニット。
【請求項３】
前記一体構造は一体スリーブ構造である、ことを特徴とする請求項１または２記載のＣＯ変成ユニット。
【請求項４】
天然ガス、都市ガス等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、水素によって発電する燃料電池とを備えた、固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
前記ＣＯ変成器と、このＣＯ変成器に導入される改質ガスを冷却する熱交換器とを一体構造とし、この熱交換器を一体としたＣＯ変成器を単一のケースに収納し、このケースの下部に燃焼装置を設け、ケースの内部は燃焼装置の燃焼ガスの通路を形成し、この燃焼ガスはケースの上部の排気口を通じて排気される構成とした、ことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記熱交換器が水熱交換器である、ことを特徴とする請求項４記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記一体構造は一体スリーブ構造である、ことを特徴とする請求項４または５記載の固体高分子型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、家庭用の小型電源システムとして好適なＣＯ変成ユニットおよび固体高分子型燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス等の燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、上記水素によって発電する燃料電池とを備えた固体高分子型燃料電池発電システムが提案されている。従来の燃料電池発電システムは、大型のものが一般的であり、上記システムの他に、その制御系と水タンクと各種ポンプ類を含む補機とを別々に収納したケースを設置するスペースが必要になり、そのまま家庭用電源システムに適用することは困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構造では、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器に導入される改質ガスを冷却する熱交換器とが別体であり、またＣＯ変成器が独立したケースを持ち、しかもそのケースに燃焼装置が付設されているので、これらの装置自体が大型化し、これを家庭用電源システムのように小形ケース内にコンパクトにまとめて収納することが困難であった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、小型コンパクト化が図れる、ＣＯ変成ユニットおよびこれを用いた固体高分子型燃料電池発電システムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器に導入される改質ガスを冷却する熱交換器とを一体構造とし、この熱交換器を一体としたＣＯ変成器を単一のケースに収納し、このケースの下部に燃焼装置を設け、前記ケースの内部は燃焼装置の燃焼ガスの通路を形成し、この燃焼ガスはケースの上部の排気口を通じて排気される構成とした、ことを特徴とするものである。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、熱交換器が水熱交換器である、ことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のものにおいて、一体構造は一体スリーブ構造である、ことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項４記載の発明は、天然ガス、都市ガス等の燃料ガスを化学反応させて水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、水素によって発電する燃料電池とを備えた、固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、ＣＯ変成器と、このＣＯ変成器に導入される改質ガスを冷却する熱交換器とを一体構造とし、この熱交換器を一体としたＣＯ変成器を単一のケースに収納し、このケースの下部に燃焼装置を設け、ケースの内部は燃焼装置の燃焼ガスの通路を形成し、この燃焼ガスはケースの上部の排気口を通じて排気される構成とした、ことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項５記載の発明は、請求項４記載のものにおいて、熱交換器が水熱交換器である、ことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項６記載の発明は、請求項４または５記載のものにおいて、一体構造は一体スリーブ構造である、ことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１において、符号１００は建家を示しており、この建家１００には低圧電灯線１０１、電力量計１０２、および分電盤１０３を経て、商用電源が供給されている。この商用電源は、細線で示した第１のケーブル１０４を経て、エアコン１０５、テレビジョン１０６等に供給されている。
【００１４】
一方、本実施形態では、家庭用小型電源システムを構成する固体高分子型燃料電池発電システム（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥＦＣ装置）Ｓが、建家１００の外に設置されている。
【００１５】
この家庭用小型電源システムＳは、図２に示すように、ＰＥＦＣ装置のほかに熱回収装置を含んでいる。この熱回収装置は、貯湯タンク１１２とイオン交換樹脂１２５とを有し、このイオン交換樹脂１２５には水道管を通じて市水が供給される。この市水はイオン交換樹脂１２５で純水にされて、後述する水タンク２１（図３）に供給される。ＰＥＦＣ装置は、燃料供給装置（改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）１２１を有している。
【００１６】
この燃料供給装置１２１には天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガスが供給され、ここにはさらに後述する水タンク２１（図３）からの水が供給されて、水素が生成される。この水素は燃料電池６に供給されて、ここで水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電が行われる。１２３は発電制御を司る制御装置である。
【００１７】
この電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１２４を経て、１８０Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１１１に送られ、ここから、図１に太線で示した第２のケーブル１０７を通じて、パソコン１０８、照明１０９、冷蔵庫１１０等に供給されている。この燃料電池発電システムＳは、系統連系インバータ１１１を介して商用電源に接続されている。
【００１８】
この小型電源システムＳでは、発電の過程で熱が発生するので、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を、図２に示すように、貯湯槽１１２に蓄える。この温水は、図１に示すように、風呂１１３、キッチン１１４等に供給される。この貯湯槽１１２は、建家１００の外に設置される。
【００１９】
つぎに、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池発電システム（家庭用小型電源システム）Ｓについて、図３を参照して説明する。
【００２０】
この家庭用小型電源システムＳでは、天然ガス、都市ガス等の燃料ガス１が脱硫器２に供給され、ここで燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２を経た燃料ガスは、昇圧ポンプ１０で昇圧されて改質器３に供給される。この改質器３では、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。
【００２１】
このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。
【００２２】
このＣＯ除去器５を経た、当該一酸化炭素が除去された後の水素が、固体高分子型の燃料電池６に供給される。この燃料電池６は、燃料極（アノード）６ａと空気極（カソード）６ｂと冷却部６ｃとを備え、上記水素は、アノード６ａに供給される。この水素と、ファン１１を経て、カソード６ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。
【００２３】
上記改質器３は、バーナ１２を有し、ここにはパイプ１３を介して原燃料が供給され、ファン１４を介して空気が供給され、パイプ１５を介して、アノード６ａを経た未反応水素が供給される。
【００２４】
システム起動時には、バーナ１２に、パイプ１３を介して原燃料が供給されると共に、ファン１４を介して空気が供給され、起動後、システムが安定した場合には、原燃料の供給が断たれて、バーナ１２に、パイプ１５を介して、アノード６ａを経た未反応水素が供給される。
【００２５】
上記した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応であるので、バーナ１２によって常時加熱しながら化学反応を行う。
【００２６】
また、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、例えばＣＯ除去器５では、システム起動時のみバーナ（図示せず）を燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【００２７】
燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。
【００２８】
上記した改質器３とＣＯ変成器４間、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５間、ＣＯ除去器５と燃料電池６間および燃料電池６の排気系２６には、それぞれ熱交換器１８，１９，２０，２７が接続されている。
【００２９】
そして、各熱交換器１８，１９，２０には水タンク２１の水が、ポンプ２３，２４，２５を介して循環し、これらの水で、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５を経たガスがそれぞれ冷却される。熱交換器２７には上記貯湯タンク１１２（図２）の水が、ポンプ２８を介して循環する。
【００３０】
燃料電池６の冷却部６ｃには、ポンプ４８を介して、水タンク２１の水が循環し、この水で、燃料電池６が冷却される。
【００３１】
上記改質器３の排気系３１には、熱交換器１７が接続され、水タンク２１の水が、ポンプ２２を介して供給されると、この熱交換器１７で水蒸気化し、この水蒸気が、原燃料と混合して改質器３に供給される。
【００３２】
上記の排気系３１には、熱交換器１７の他に、さらに別の熱交換器３２が接続され、この熱交換器３２には、上記貯湯タンク１１２の水が、ポンプ３３を介して循環し、廃熱回収が行われる。
【００３３】
本システムでは、プロセスガス（ＰＧ）バーナ３４を備える。
【００３４】
本システムの起動時には、改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５を経た改質ガスが安定していないので、それが安定するまでは、このガスを燃料電池６に供給することができない。そこで、各反応器が安定するまでは、不安定な状態にあるガスを、このＰＧバーナ３４に導いて燃焼させる。そして、各反応器が安定した後、燃料電池６に導入して発電を行う。燃料電池６での発電に使用できなかった未反応ガスは、当初ＰＧバーナ３４に導いて燃焼し、本システムの系が安定した後、改質器３のバーナ１２に導入して燃焼させる。
【００３５】
ＰＧバーナ３４の制御系を説明すると、本システムの起動後、各反応器が温度的に安定するまでは、開閉弁９１が閉じられて、改質ガスは管路３５および開閉弁３６を通じてＰＧバーナ３４に供給される。各反応器が温度的に安定した場合、今度は、燃料電池６の温度が安定するまで、開閉弁９１が開かれ、開閉弁９２が閉じられて、改質ガスが管路３８および開閉弁３９を通じてＰＧバーナ３４に供給され、そこで燃焼される。燃料電池６の温度が安定し、連続して発電が行われる場合、開閉弁９１，９２が開かれ、開閉弁３６，３９が閉じられて、燃料電池６を経た未反応ガスは管路１５を経てバーナ１２に供給される。
【００３６】
ＰＧバーナ３４の排気系４５には、熱交換器４６が接続され、この熱交換器４６には、ポンプ４７を介して、貯湯タンク１１２の水が循環する。
【００３７】
水タンク２１と貯湯タンク１１２間には、熱交換器４１が接続され、この熱交換器４１には、ポンプ４２を介して水タンク２１の水が循環し、ポンプ４３を介して貯湯タンク１１２の水が循環する。
【００３８】
この熱交換器４１での熱交換によって、貯湯タンク１１２の水の温度が上昇し、水タンク２１の水の温度が低下する。
【００３９】
以上の構成では、家庭用小型電源システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギの有効活用が図られる。
【００４０】
従って、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【００４１】
図４は、改質器３、ＣＯ変成器４およびＣＯ除去器５の構造を示す。
【００４２】
この改質器３には、昇圧ポンプ１０（図３）で昇圧された燃料ガスと、ポンプ２２（図３）で圧送され、熱交換器１７で水蒸気化した水蒸気とが、混合して供給される。この供給されたガスは、改質器本体３０１の予熱部３０１Ａに入り、この予熱部３０１Ａの一方の管路３０２Ａを経て予熱された後、つぎの改質部３０１Ｂに入る。この改質部３０１Ｂに入ったガスは、そこに充填された触媒層３０３で活性化されて改質ガスとなり、この改質ガスは、予熱部３０１Ａの他方の管路３０２Ｂを経て、下流に排出される。バーナ１２への燃料供給系、空気供給系は、上述した通りであるので説明を省略する。
【００４３】
この改質器３を経て改質された燃料ガスは、下流のＣＯ変成ユニット６０およびＣＯ除去ユニット８０に順に流入する。
【００４４】
本実施形態のＣＯ変成ユニット６０は、ＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４に導入される改質ガスを冷却する熱交換器１８とを軸方向に上下に連接して、これらをステンレス製スリーブ６１によって一体化し、このステンレス製スリーブ６１を、単一のケース６２に収納して構成される。
【００４５】
ステンレス製スリーブ６１の内側には、金網または多数の孔のあいた一対の支持板６３，６４が設けられ、これら一対の支持板６３，６４間には、例えば銅系の触媒層６５が充填されている。
【００４６】
スリーブ６１の内側において、触媒層６５の上方には広い空間６６をあけて熱交換器１８が設けられている。この熱交換器１８は改質ガスを冷却する。
【００４７】
このケース６２の下部には燃焼装置７８が設けられ、ケース６２の内部は燃焼装置７８の燃焼ガスの通路を形成し、この燃焼ガスは当該ケース６２の上部の排気口７９を通じて排気される。
【００４８】
上記熱交換器１８を経て冷却された改質ガスは、上述した広い空間６６で均圧化されてＣＯ変成器４の触媒層６５に入る。ここでは改質ガス中に含まれる一酸化炭素が水蒸気と反応して二酸化炭素に変成され、改質ガス中の一酸化炭素濃度は１％程度に低減される。触媒層６５の入口では活性反応が急激であり、入口の温度が高いとＣＯ変成器４の制御が困難になる。
【００４９】
この実施形態では、広い空間６６に温度センサ（図示せず）が設けられ、ここでの温度が例えば２００℃程度になるように、熱交換器１８に供給される冷却水の水量が調整される。ＣＯ変成器４を経た改質ガスは、管路５０を通じて、上述したＣＯ除去ユニット８０に送られる。
【００５０】
本実施形態のＣＯ除去ユニット８０は、上記熱交換器１９とＣＯ除去器５とを一体スリーブ構造８８とし、この一体スリーブ構造８８を単一のケース８１に収納して構成される。このケース８１内にて、ＣＯ除去器５は上部に位置し、ＣＯ除去器５に導入される改質ガスを冷却する熱交換器１９が下部に配置され、これらは軸方向に連接され一体化されている。
【００５１】
上記熱交換器１９には、ポンプ２４（図３）を介して冷却水を流し、ＣＯ除去器５に入る改質ガスを冷却する。
【００５２】
ＣＯ除去器５の内部には金網または多数の孔のあいた一対の支持板８２，８３が設けられ、一対の支持板８２，８３間には、例えば貴金属・ルテニウム系の触媒層８４が充填されている。
【００５３】
このＣＯ除去器５にあっても、触媒層８４の入口では活性反応が急激であり、入口の温度が高いとＣＯ除去器５が暴走する。
【００５４】
これを防止するため、例えばＣＯ除去器５の入口空間８５に温度センサ（図示せず）を設け、ここでの温度が所定温度になるように、熱交換器１９に供給される冷却水の水量を調整することが望ましい。
【００５５】
このケース８１の下部には燃焼装置９１が設けられ、ケース８１の内部は燃焼装置９１の燃焼ガスの通路を形成し、この燃焼ガスは当該ケース８１の上部の排気口９２を通じて排気される。
【００５６】
つぎに、ＣＯ除去器５の動作を説明する。本実施形態では、熱交換器１９の上流にエアーポンプ５５（図３）を介して空気が導入される。
【００５７】
この空気はＣＯ変成器４を経た改質ガスと混合し、熱交換器１９で冷却されて、ＣＯ除去器５の触媒層８４に入る。ここでは、改質ガス中の一酸化炭素が選択酸化反応（発熱反応）により二酸化炭素に転換され、この改質ガスの一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程度に低減される。この一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは管路９３を通り、燃料電池６に送られる。
【００５８】
なお、上述したＣＯ処理はいずれも発熱反応であるので、各バーナ７８，９１はシステム起動時にのみ燃焼される。システム起動時には、各バーナ７８，９１に、燃料供給源１（図３）からの燃料が供給され、各触媒層６５，８４に設置された温度センサ（図示せず）によって検出される温度が、２００〜３００℃に到達するまで、燃料供給が行われる。
【００５９】
上記構成において、これらを家庭用の小型電源システムＳに適用する場合、改質器３と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器４と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５と、水素によって発電する燃料電池６と、その制御系と、水タンク２１と、各種熱交換器１８，１９やポンプ類を含む補機とを、図２に示すように、一つの外装ケース内にまとめて収納することが望ましい。
【００６０】
本実施形態では、ＣＯ変成ユニット６０が、ＣＯ変成器４と熱交換器１８とを軸方向に連接し、これらをスリーブ６１によって一体化し、このスリーブ６１を単一のケース６２に収納して構成されるので、ＣＯ変成ユニット６０の小型コンパクト化が図れる。また、ＣＯ除去ユニット８０が、熱交換器１９を一体としたＣＯ除去器５を、単一のケース８１に収納して構成されるので、ＣＯ除去ユニット８０の小型コンパクト化が図れる。従って、熱交換器１８とＣＯ変成器４、熱交換器１９とＣＯ除去器５を外装ケースに効率よく収納でき、家庭用小型電源システムＳをコンパクトに設計することができる。
【００６１】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは明らかである。
【００６２】
【発明の効果】
本発明では、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器に導入される改質ガスを冷却する熱交換器とを一体構造とし、この熱交換器を一体としたＣＯ変成器を単一のケースに収納し、このケースの下部に燃焼装置を設け、前記ケースの内部は燃焼装置の燃焼ガスの通路を形成し、この燃焼ガスはケースの上部の排気口を通じて排気される構成としたから、これらの小型コンパクト化が図れる。
【００６３】
従って、熱交換器とＣＯ変成器を例えば外装ケースに効率よく収納でき、家庭用小型電源システムの小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子型燃料電池発電システムを家庭に設置した場合の系統図である。
【図２】図１の屋外部分を示す図である。
【図３】固体高分子型燃料電池発電システムの一実施形態を示す回路図である。
【図４】改質器、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の構造を示す図である。
【符号の説明】
３  改質器
４  ＣＯ変成器
５  ＣＯ除去器
１８，１９  水熱交換器
６０  ＣＯ変成ユニット
６１  スリーブ
６２  ケース
７８  燃焼装置
７９  排気口
８０  ＣＯ除去ユニット
８１  ケース
９１  燃焼装置
９２  排気口
Ｓ  固体高分子型燃料電池発電システム
【図１】
0003789706.tif 000002
【図２】
0003789706.tif 000003
【図３】
0003789706.tif 000004
【図４】
0003789706.tif 000005