(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料と水を反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う反応器とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
上記改質器(126) は、原料から上記改質ガスを生成するための改質触媒層(113) と、上記改質触媒層(113) を加熱するための燃焼室(112) と、上記燃焼室(112) に上記アノード(103) から排出されるアノード排ガス及びカソード排ガスを供給するためのガス供給部とを有し、
上記改質触媒層(113) 、燃焼室(112) 及びガス供給部は、それぞれ中空プレート状に設けられて、全体として３層に積層され、
上記ガス供給部は、最下層の全体を占めるカソード排ガス室(115) と、該カソード排ガス室(115) の上の中間層で上記燃焼室(112) の側方に配置されアノード排ガスを受ける燃焼触媒層(116) とにより構成され、
上記燃焼室(112) は、中間層の上記燃焼触媒層(116) の側方に配置されており、
上記改質触媒層(113) は、上記燃焼触媒層(116) 及び燃焼室(112) の上となる最上層に配置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料と水を反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う少なくとも２つの反応器と、上記改質器(126) ，各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に供給される水が流れる水流通路(141) とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
上記少なくとも２つの反応器は、それぞれ中空プレート状に設けられ、上記水流通路(141) の水が流通する中空プレート状の水容器を挟んで積層されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、変成器(127) 及び部分酸化反応器(128) であることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、水容器(147) を挟んで積層された高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、それぞれ水容器(147,146) を挟んで積層された高温変成器(127a)，低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) であることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器は、水容器(146) を挟んで積層された低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) であることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項３，５又は６に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記部分酸化反応器(128) の上には、上記水流通路(141) の水が流れる中空プレート状の水容器(145) と、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流れる中空プレート状のガス容器(183) とが積層されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項４，５又は６に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記水容器(146又は147)に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水が流通するコイルを収納してなる熱交換器(152,153) を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記水容器(145) 及びガス容器(183) に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水が流通するコイルを収納してなる熱交換器(154) を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１０】
請求項４又は５に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記改質器(126) は、中空プレート状に設けられており、
上記改質器(126) と上記高温変成器(127a)とは、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流れる中空プレート状のガス容器(181) と、上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通する中空プレート状の原料送出容器(182) とを挟んで積層されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１１】
水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料と水を反応させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う少なくとも２つの反応器と、上記改質器(126) ，各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に供給される水が流れる水流通路(141) とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
上記改質器(126) 及び上記変成器(127) は、中空プレート状に設けられており、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通するコイルを収納してなる熱交換器(151) を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記２つの中空プレート状ガス容器(181) 及び原料送出容器(182) に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通するコイルを収納してなる熱交換器(151) を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１３】
請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記電池本体(101) のカソード(102) の排ガスを上記改質器(126) に流すためのカソード排ガス供給路と、
上記電池本体(101) のアノード(103) の排ガスを上記改質器(126) に流すためのアノード排ガス供給路と、
上記改質器(126) の燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス排出路と、
上記カソード排ガス供給路に介設される第１ガス容器(155a)と、
上記燃焼ガス排出路に介設される第２ガス容器(155b)と、
上記アノード排ガス供給路に介設される第３ガス容器(155c)とをさらに備え、
上記第１〜第３ガス容器(155a,155b,155c)が順に積層されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記改質器(126) 、及び各反応器及び各ガス容器(155a〜155c)は、内部のガスの温度が高いものを中央部に、内部のガスの温度が低いものを外縁部に配置しながら、積層一体化されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１５】
請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
上記反応器のうち少なくともいずれか１つには、水流通路(141) に介設されるコイルが収納されていることを特徴とする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、原料ガスを改質して水素ガスを電池本体に供給するようにした燃料電池発電システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水やアルコール類などの燃料がもっている化学エネルギーを燃やして熱に変換することなしに、電池内で、燃料，酸化剤（空気，酸素など）をそれぞれカソード，アノードにおける電子をやりとりする電極反応を行わせ、全体として燃料の燃焼反応と同じ形の反応を行わせるようにした燃料電池は、高い熱交換効率を発揮することができるので、病院，学校，ビル等の施設の電力源として応用されつつある。
【０００３】
図４は、従来の固体高分子型燃料電池発電システム(100X)の構成を概略的に示す配管系統図である。同図において、(101) は電池本体を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノード(103) とが設けられている。また、(120) は取り入れた外気を圧縮して電池本体(101) 等に送り込むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はガス圧縮機(122) から送られる都市ガスと、ポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる水とを反応させて改質ガスを生成するための改質器、(127a,127b) は改質器(126) で発生した改質ガスを変成するための高温変成器及び低温変成器、(128) は変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに酸化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそれぞれ示す。また、(131) は電池冷却水を放熱させるための放熱器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(136) はカソード(102) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器、(137) はアノード(103) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(131,136,137) で生成された水は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排出されるように構成されている。
【０００４】
また、燃料電池発電システム(100X)内には改質器(126) に水を供給するための水供給系(140) が設けられている。この水供給系(140) の水流通路(141) には、ポンプ(125) と水処理装置(142) とが介設されている。
【０００５】
さらに、改質器(126) の出口に設けられた第１熱交換器(151) と、高温変成器(127a)の出口に設けられた第２熱交換器(152) と、低温変成器(127b)の出口に設けられた第３熱交換器(153) と、部分酸化反応器(128) の出口に設けられた第４熱交換器(154) とが配設されていて、各熱交換器(151,152,153,154) には、改質ガスが流れる通路に介設されたガス側熱交換コイルと、上記水流通路(141) に介設された水側熱交換コイルとが収納されている。すなわち、この水側熱交換コイルとガス側熱交換コイルとによって、改質ガスと水流通路(141) の水との熱交換を行って改質ガスの冷却と排熱の回収とを行うように構成されている。なお、(155) は電池本体(101) のアノード(103) 、カソード(102) から排出されて改質器(126) に送られるアノード排ガス及びカソード排ガスと改質器(126) から排出される燃焼排ガスとの熱交換を行うための第５熱交換器を示す。
【０００６】
さらに、(134) は脱硫器(121) を経た都市ガスと水流通路(141) の水とを混合させるための混合器、(135) は空気圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(127b)から出るガスとを混合させるための混合器をそれぞれ示す。また、改質器(126) 内には、アノード排ガスとカソード排ガスとを受け入れるための排ガス室(111) と、アノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させるための燃焼室(112) と、混合器(134) から送られる都市ガス及びスチームとの混合ガスを反応させて改質ガスを生成するための改質触媒層(113) とが設けられている。上記排ガス室(111) 、燃焼室(112) 及び改質触媒層(113) により、改質器用燃焼器(110X)が構成されている。
【０００７】
次に、上記燃料電池発電システム(100X)における動作を説明する。
【０００８】
まず、水供給系(140) において、タンク(124) から排出される水が、水処理装置(142) 、第４熱交換器(154) 、第３熱交換器(153) 、第２熱交換器(152) 、第１熱交換器(151) を順に経て加熱されスチームとなって、混合器(134) に送られる。混合器(134) では、ガス圧縮機(122) から送られる脱硫された都市ガスと、水供給系(140) から送られるスチームとが混合され、改質器(126) 内の改質器用燃焼器(110X)に入る。一方、電池本体(101) のアノード(103) からは水素ガスを含むアノードガスが送られ、カソード(102) からは水蒸気及び空気を含むカソード排ガスが送られ、両者が排ガス室(111) で混合される。そして、改質器用燃焼器(110X)において、燃焼室(112) で排ガスが燃焼され、改質触媒層(113) 内で触媒の存在の下で都市ガス及びスチームが加熱されて、主としてＣＯ2 ガスと水素ガスとを含む改質ガスが生成される。
【０００９】
その後、この改質ガスが、高温変成器(127a)、低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) を経るにつれて、ＣＯガス成分を減じられた後、電池本体(101) に送られる。ただし、部分酸化反応器(128) において、低温変成器(127b)から出る改質ガスに空気圧縮機(120) から送られる空気を混合させてＣＯガスをさらに酸化させている。そして、電池本体(101) で、部分酸化反応器(128) から送られる水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池発電システムでは、改質器(126) ，高温変成器(127a)，低温変成器(127b)，部分酸化反応器(128) 等の反応器が互いに分離して配置されている。これは、各反応器(126,127a,127b,128) における反応温度が異なるために当然の構成である。
【００１１】
しかしながら、このように各反応器(126,127a,127b,128) が互いに分離しているために、各反応器(126,127a,127b,128) を個別に断熱材で覆う必要があるなど、燃料電池発電システム全体の容量が大きくなり、しかも熱損失も大きいという問題があった。
【００１２】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、各反応器間の反応に悪影響を及ぼすことなく各反応器を集約させうる手段を講ずることにより、全体としてコンパクト化され熱損失も小さい燃料電池発電システムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明が講じた手段は、改質器や各反応器を中空プレート状に形成して、これらを積層するようにしたものである。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池発電システムは、請求項１に記載されているように、水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で燃焼させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う反応器とを備えた燃料電池発電システムを前提とする。そして、上記改質器(126) は、原料から上記改質ガスを生成するための改質触媒層(113) と、上記改質触媒層(113) を加熱するための燃焼室(112) と、上記燃焼室(112) に上記アノード(103) から排出されるアノード排ガス及びカソード排ガスを供給するためのガス供給部とを有し、上記改質触媒層(113) 、燃焼室(112) 及びガス供給部は、それぞれ中空プレート状に設けられて、全体として３層に積層されている。
【００１５】
請求項１の発明特定事項は、図２に記載されている。請求項１により、改質器(126) が全体として３層の積層構造になっているので、内部における伝熱効率が高くなり、熱損失が小さくなる。したがって、燃料電池システム全体としてもコンパクト化されるとともに、発電効率が向上する。
【００１６】
また、請求項１に記載の燃料電池発電システムでは、上記ガス供給部を、最下層の全体を占めるカソード排ガス室(115) と、該カソード排ガス室(115) の上の中間層で上記燃焼室(112) の側方に配置されアノード排ガスを受ける燃焼触媒層(116) とにより構成し、上記燃焼室(112) を中間層の上記燃焼触媒層(116) の側方に配置し、上記改質触媒層(113) を上記燃焼触媒層(116) 及び燃焼室(112) の上となる最上層に配置している。
【００１７】
これにより、アノード排ガスが燃焼触媒層(116) で燃焼して高温になってから燃焼室(112) に供給されるので、燃焼室(112) 内での燃焼をスムーズに行わせる機能を有する改質器(126) をコンパクトに構成することが可能になる。
【００１８】
本発明の第２の燃料電池発電システムは、請求項２に記載されているように、水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で燃焼させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う少なくとも２つの反応器と、上記改質器(126) ，各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に供給される水が流れる水流通路(141) とを備えた燃料電池発電システムを前提とする。そして、上記少なくとも２つの反応器は、それぞれ中空プレート状に設けられ、上記水流通路(141) の水が流通する中空プレート状の水容器を挟んで積層されている。
【００１９】
請求項２〜７の発明特定事項は、図１及び図２に記載されている。請求項２により、各反応器を個別に断熱材で覆う必要がないので、燃料電池発電システム全体がコンパクト化される。また、伝熱効率も向上するので、水流通路(141) を利用した排熱の回収効率及び改質ガスの冷却効果が共に増大する。
【００２０】
上記反応器については、以下の請求項３〜６のような態様がある。
【００２１】
請求項３に記載されているように、請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器を、変成器(127) 及び部分酸化反応器(128) とすることができる。
【００２２】
請求項４に記載されているように、請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器を、水容器(147) を挟んで積層された高温変成器(127a)及び低温変成器(127b)とすることができる。
【００２３】
請求項５に記載されているように、請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器を、それぞれ水容器(147,146) を挟んで積層された高温変成器(127a)，低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) とすることができる。
【００２４】
請求項６に記載されているように、請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器を、水容器(146) を挟んで積層された低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) とすることができる。
【００２５】
請求項７に記載されているように、請求項３，５又は６に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記部分酸化反応器(128) の上に、上記水流通路(141) の水が流れる中空プレート状の水容器(145) と、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流れる中空プレート状のガス容器(183) とが積層することができる。
【００２６】
これにより、電池本体(101) に供給される改質ガスの冷却を行いながら、部分酸化反応器(128) の反応熱を回収することができる。
【００２７】
請求項８に記載されているように、請求項４，５又は６に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記水容器(146又は147)に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水が流通するコイルを収納してなる熱交換器(152,153) を設けてもよい。
【００２８】
請求項９に記載されているように、請求項７に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記水容器(145) 及びガス容器(183) に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水が流通するコイルを収納してなる熱交換器(154) を設けてもよい。
【００２９】
請求項１０に記載されているように、請求項４又は５に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記改質器(126) を中空プレート状に設け、上記改質器(126) と上記高温変成器(127a)とを、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流れる中空プレート状のガス容器(181) と、上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通する中空プレート状の原料送出容器(182) とを挟んで積層することができる。
【００３０】
これにより、燃料電池発電システム全体がさらにコンパクトになる。
【００３１】
本発明の第３の燃料電池発電システムは、請求項１１に記載されているように、水素と酸素とをアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された電池本体(101) と、原料を水の存在下で燃焼させて水素を含む改質ガスを発生するための改質器(126) と、上記改質器(126) から出る改質ガス中のＣＯガスを減ずるための反応を行う少なくとも２つの反応器と、上記改質器(126) ，各反応器及び電池本体(101) を順にガス配管で接続して構成されるガス流通路(180) と、上記改質器(126) に供給される水が流れる水流通路(141) とを備えた燃料電池発電システムを前提とする。そして、上記改質器(126) 及び上記変成器(127) は中空プレート状に設けられており、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通するコイルを収納してなるを備えている。
【００３２】
これにより、ガス容器(181) を流れる改質ガスと、熱交換器(151) のコイルを流れる原料及び水との間で効率の高い熱交換が行われるので、改質器(126) から出てくる高温の改質ガスが冷却されるとともに、原料及び水が予備加熱され改質器(126) 内における改質反応が促進される。
【００３３】
請求項１２に記載されているように、請求項１０に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記２つの中空プレート状ガス容器(181) 及び原料送出容器(182) に代えて、上記ガス流通路(180) の改質ガスが流通する中空プレート状の容器内に上記水流通路(141) の水及び原料ガスが流通するコイルを収納してなる熱交換器(15１) を設けることができる。
【００３４】
請求項１３に記載されているように、請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記電池本体(101) のカソード(102) の排ガスを上記改質器(126) に流すためのカソード排ガス供給路と、上記電池本体(101) のアノード(103) の排ガスを上記改質器(126) に流すためのアノード排ガス供給路と、上記改質器(126) の燃焼排ガスを排出するための燃焼排ガス排出路と、上記カソード排ガス供給路に介設される第１ガス容器(155a)と、上記燃焼ガス排出路に介設される第２ガス容器(155b)と、上記アノード排ガス供給路に介設される第３ガス容器(155c)とをさらに設け、上記第１〜第３ガス容器(155a,155b,155c)を順に積層することができる。
【００３５】
これにより、電池本体(101) の排ガスを改質反応用の加熱源として利用する際に、排ガス供給系を積層体に組み込んで燃焼排ガスの熱を熱源の一部として利用することが可能となる。
【００３６】
請求項１４に記載されているように、請求項１３に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記改質器(126) 、及び各反応器及び各ガス容器(155a〜155c)を、内部のガスの温度が高いものを中央部に、内部のガスの温度が低いものを外縁部に配置しながら、積層一体化することが好ましい。
【００３７】
これにより、燃料電池システム全体が極めてコンパクトにまとめられ、しかも熱損失が小さくなって発電効率も極めて高くなる。
【００３８】
請求項１５に記載されているように、請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１又は１２に記載の燃料電池発電システムにおいて、上記反応器のうち少なくともいずれか１つには、水流通路(141) に介設されるコイルを収納することができる。
【００３９】
これにより、各反応器内をより確実に冷却して所望の温度に制御することが可能になる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池発電システム(100A)の構成を概略的に示す斜視図である。図１には、電池本体及びその周辺の部材の図示が省略されているが、図４に示すと同様の部材が設けられている。
【００４１】
図１において、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(134) はガス圧縮機(122) から送られる都市ガスとタンク(124) から水流通路(141) を介して送られる水とを混合するための混合器、(126) は混合器(134) から送られる都市ガスとスチームとを反応させて改質ガスを生成するための改質器、(127a,127b) は改質器(126) で生成された改質ガス中のＣＯガスを減ずるための高温変成器及び低温変成器、(128) は低温変成器(127b)から出る改質ガス中のＣＯガスをさらに酸化させた後、電池本体(101) に送るための部分酸化反応器をそれぞれ示す。また、(135) は空気圧縮機(120) から送られる外気と低温変成器(127b)から出るガスとを混合させるための混合器、(145,146,147) は、それぞれ水流通路(141) に介設された第１〜第３水容器、(181) 及び(183) は改質ガス流通路(180) に介設された改質ガス受入容器及び改質ガス送出容器、(182) は改質器(126) に供給される都市ガス及びスチームが流通する原料送出容器をそれぞれ示す。
【００４２】
ここで、本実施形態の第１の特徴は、上記改質ガス受入容器(181)、原料送出容器(182) 、高温変成器(127a)、第３水容器(147) 、低温変成器(127b)、第２水容器(146) 、部分酸化反応器(128) 、第１水容器(147) 及び改質ガス送出容器(183) はいずれも中空のプレート状容器であり、それぞれ下から順に積層された一体型構造をしている点である。
【００４３】
また、本実施形態の第２の特徴は、第５熱交換器(155) が図４に示すような熱交換コイルを容器内に収納して構成されているのではなく、を積層して構成されている点である。ただし、第２燃焼排ガス容器(155d)はなくてもよい。第１燃焼排ガス容器(155b)のみでも、排熱の回収は可能だからである。
【００４４】
なお、改質器(126) の構造は、上記図４に示す従来の燃料電池発電システム(100X)における改質器(126) と同じである。
【００４５】
すなわち、本実施形態では、改質ガス受入容器(181) 及び原料送出容器(182) により、図４に示す第１熱交換器(151) と同じ機能が得られる。また、第１水熱交換器(145) 及び改質ガス送出容器(183) により図４に示す第４熱交換器(154) と同じ機能が得られる。さらに、第２水容器(146) 及び第３水容器(147) は高温変成器(127a)、低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) 内の改質ガスと熱交換を行うものであり、改質ガスを冷却すると共に排熱回収を行うという点で上記第２熱交換器(152) 及び第３熱交換器(153) と同じ機能を有するとともに、各反応器(127a,127b,128) を冷却する機能をも有する。
【００４６】
次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム(100A)の作動について、説明する。
【００４７】
まず、水流通路(141) においては、タンクからの水が第１水熱交換器(145) 〜第３水熱交換器(157) を経て混合器(134) でガス圧縮機(122) から供給される都市ガスと混合された後、原料送出器(182) から改質器(126) に供給される。その間、各反応器(127a,127b,128) 等の改質ガスとの熱交換により、水はほぼスチーム状態となっている。一方、アノード排ガス容器(155a)を介して供給されるアノード排ガスと、カソード排ガス容器(155c)を介して供給されるカソード排ガスとが、排ガス室(111) で混合された後、燃焼室(112) で燃焼する。この燃焼によって、改質器(126) の改質触媒層(113) に入った都市ガスとスチームとが加熱されて、水素を多く含む改質ガスが生成される。その後、この改質ガスが、高温変成器(127a)、低温変成器(127b)及び部分酸化反応器(128) を経るにつれて、ＣＯガス成分を減じられた後、電池本体(101) に送られる。この基本的なガスの流れは上記従来の燃料電池発電システム(100X)におけるガスの流れと同じである。
【００４８】
また、改質器(126) の燃焼排ガスは、第５熱交換器(155) でアノード排ガス及びカソード排ガスとの熱交換によって冷却された後、タンクに貯溜される。
【００４９】
この点も上記従来の燃料電池発電システム(100X)における燃焼排ガスの流れと同じである。
【００５０】
本実施形態では、各反応器(127a,127b,128) 及び水容器(145,146,147) を積層した構造を有することにより、以下の効果を発揮することができる。
【００５１】
第１に、各反応器(127a,127b,128) の周囲を個別に断熱材で覆う必要がなくなるので、装置全体がコンパクトになる。
【００５２】
第２に、従来のようなコイルで熱交換を行うものに比べて、伝熱面積が拡大されるので、熱交換効率が向上し、装置の立ち上げ時間の短縮と装置全体のコンパクト化が可能である。
【００５３】
第３に、冷却能力の大きい水で反応器(127a,127b,128) を冷却できるので、反応器(127a,127b,128) の過昇温を確実に防止しながら、排熱回収の効率が極めて高くなる。
【００５４】
また、第５熱交換器(155) をもプレート状部材の積層構造としているので、伝熱面積の増大によって熱交換効率が拡大することで、アノード排ガス及びカソード排ガスによる燃焼排ガスの排熱回収効率が向上するとともに、装置全体をよりコンパクトにできる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システム(100B) の構造を概略的に示す斜視図である。
【００５６】
図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池発電システム(100B)は、上述の第１の実施形態に係る各反応器(127a,127b,128) 及び水容器(145,146,147) の積層体及び第５熱交換器(155) の積層体に加えて、改質器(126) をも積層構造として、全体を１つの積層体で構成したものである。
【００５７】
すなわち、本実施形態の改質器(126) は、３層の積層構造を有している。最下層には、カソードからの窒素，酸素，水蒸気を主成分とするガスを受け入れるためのカソード排ガス室(115) が設けられている。中間層には、燃焼触媒層(116) と燃焼室(112) とが設けられている。また、最上層には、改質触媒層(113) が設けられている。そして、上記カソード排ガス室(115) の天井部には、カソード排ガスを上方の燃焼室(112) に供給するための多数の小孔が設けられている。この多数の小孔は、燃焼触媒層(116) に近い領域では密に燃焼触媒層(116) から離れた領域では粗に形成されている。つまり、改質触媒層(113) への都市ガス及びスチームの混合ガスの入口に近いほどカソード排ガスの供給量を多くして、多くの燃焼熱を発生させ吸熱と発熱のバランスをとるように構成されている。
【００５８】
本実施形態の燃料電池システム(100B)におけるガスの流れ及び水の流れは上記第１の実施形態と同じである。ただし、本実施形態では、改質器(126) 内における電池本体(101) からのアノード排ガスとカソード排ガスの流れが第１の実施形態と異なる。
【００５９】
電池本体(101) のカソード(102) からは空気（酸素，窒素）及び水蒸気を含むカソード排ガスが、カソード排ガス室(115) に送り込まれる。また、燃焼触媒層(116) には、アノード(103) から水素ガスを含むアノード排ガスが送られるとともに、図示しないが途中のガス配管で微量のカソード排ガス又は空気がアノード排ガスに添加される。ただし、この微量の空気の添加は必ずしも必要でない。そして、燃焼触媒層(116) で触媒の存在下アノード排ガスが燃焼して高温になって燃焼室(112) に供給される。一方、燃焼室(112) には、カソード排ガス室(115) から小孔を介してカソード排ガスが供給され、燃焼室(112) 内で両者が混合されて燃焼する。その結果、改質触媒層(113) 内で、改質触媒の存在の下で都市ガスが加熱されて、主としてＣＯ2 ガスと水素ガスとを含む改質ガスが生成される。
【００６０】
本実施形態によると、改質器(126) をも積層体に構成して、全体を１つの積層体としたことで、上記第１の実施形態と同じ効果をより顕著に発揮できるのに加えて、以下の効果を得ることができる。
【００６１】
すなわち、改質器(126) が３つの層を重ねて形成されており、最下層にはカソード排ガス室(115) が、中間層には燃焼触媒層(116) 及び燃焼室(115) が、最上層に改質触媒層(113) がそれぞれ設けられているので、改質触媒層(113) を加熱する際の伝熱効果が大幅に大きくなる。したがって、従来のような容器内に燃焼器を設置した構造に比べ、改質器(126) における改質反応の効率が大幅に向上する。しかも、改質器(126) の構造は、ほとんど図４に示す従来の改質器(126) 内の改質器用燃焼器(110X)として機能する部分のみからなり、極めてコンパクトな構造とすることができる。
【００６２】
ただし、本実施形態における燃焼触媒層(116) は必ずしも必要ではなく、従来のような排ガス室(111) 、燃焼室(112) 及び改質触媒層(113) をプレート状部材にして３者を積層したものでもよい。
【００６３】
また、改質器(126) における反応温度は８００℃程度であり、高温変成器(127a)における反応温度は４００℃程度であり、低温変成器(127b)における反応温度は２００℃程度であり、部分酸化反応器(128) における反応温度は１４０℃程度である。つまり、積層体の中心部には高温で反応する反応器を配置し、低温で反応する反応器を外縁部に配置するようにしているので、熱損失が極めて小さくなり、燃料電池発電システムの発電効率の大幅な向上を図ることができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
【００６５】
図３（ａ）は、上記第１，第２の実施形態における水容器(145,146,147) に代えて熱交換器として機能するプレート状部材を設けた例を示す。すなわち、改質ガスが流れるガス流通路(180) に介設される中空のプレート状容器内に水流通路(141) に介設される水コイルを収納して、全体として従来の図４に示す第１〜第４熱交換器(151,152,153,154) として機能させるようにした例である。ただし、図３（ａ），（ｂ）には、コイルにフィンが設けられているが、このフィンは必ずしもなくてもよい。
【００６６】
図３（ｂ）は、プレート状に形成された各反応器(127a,127b,128) 内に水流通路(141) に介設されるコイルを収納した例を示す。
【００６７】
上記第１又は第２の実施形態における水容器(145,146,147) を図３（ａ）に示す構造とすることにより、各反応器(126,127a,127b,128) を出た改質ガスと水との熱交換によって、排熱回収と改質ガスの冷却とを行うことができる。
【００６８】
また、反応器(127a,127b,128) を図３（ｂ）に示す構造とすることにより、反応器(127a,127b,128) 内で水と改質ガスとの熱交換が行われるので、反応器(127a,127b,128) をより効果的に冷却でき、ＣＯガスの過昇温に起因する水素ガスの酸化反応等の無駄な発熱及び燃料電池の原料物質の無駄な消費を確実に抑制できる。したがって、コンパクトな構造でありながら、発電効率が特に高い燃料電池発電システムを構成することができる。
【００６９】
なお、上記各実施形態において、変成器は必ずしも高温変成器(127a)と低温変成器(127b)とにより構成されている必要はなく、単一の変成器で構成されていてもよいものとする。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１〜１５によれば、改質器，反応器，電池本体等を備えた燃料電池システムにおいて、各反応器や改質器を中空プレート状に設けてこれらを積層する構造としたので、燃料電池システムのコンパクト化と、熱損失の低減による発電効率の向上とを図ることができる。
【００７１】
特に、改質器に改質反応用の水を供給する水流通路に介設されるプレート状の水容器を各反応器間に介在させるようにしたので、改質ガスの排熱の回収と改質ガスや反応器の冷却とを効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を概略的に示す配管系統図である。
【図２】  第２の実施形態に係る改質器用燃焼室の構造を概略的に示す斜視図である。
【図３】  第３の実施形態に係るプレート部材の構造を示す断面図である。
【図４】  従来の燃料電池発電システムの構成を概略的に示す配管系統図である。
【符号の説明】
100   燃料電池発電システム
101   電池本体
102   カソード
103   アノード
110   改質器用燃焼器
111   排ガス室
112   燃焼室
113   改質触媒層
115   カソード排ガス室
116   燃焼触媒層
120   空気圧縮機
121   脱硫器
122   ガス圧縮機
123   ポンプ
124   タンク
125   ポンプ
126   改質器
126a  バーナー
127   変成器
128   部分酸化反応器
131   放熱器
132   凝縮器
136   凝縮器
137   凝縮器
140   水供給系
141   水流通路
142   水処理装置
145   第１水容器
146   第２水容器
147   第３水容器
151   第１熱交換器
152   第２熱交換器
153   第３熱交換器
154   第４熱交換器
155   第５熱交換器
155a  カソード排ガス容器
155b  第１燃焼排ガス容器
155c  アノード排ガス容器
155d  第２燃焼排ガス容器
181   改質ガス受入容器
182   原料送出容器
183   改質ガス送出容器
【図１】
0003743119.tif 000002
【図２】
0003743119.tif 000003
【図３】
0003743119.tif 000004
【図４】
0003743119.tif 000005