JP2001185196A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池コージェネレーション・システムの電
力負荷追従運転を容易にする。 【解決手段】原燃料の水素への改質に部分酸化反応等の
発熱反応を採用することにより、燃料電池本体１の排ガ
スを燃料改質器５の加熱源として使用しないようにし、
燃料電池本体１で電力需要及び熱需要に応じて燃料改質
器５への原燃料の供給量及び燃料電池本体１の燃料利用
率を変更することができるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、負極に送り込む水素を燃料
とし、正極に送り込む酸素を酸化剤として、これらを電
解質を通じて反応させる発電器として一般に知られてい
る。この燃料電池に使用する水素は炭化水素又はメタノ
ールを改質することによって生成することができる。

【０００３】このような燃料電池を用いた発電システム
の一例が特開平１−１８６５７０号公報に記載されてい
る。これは、炭化水素を主成分とする原料ガスを改質器
に導入して水蒸気改質反応により水素リッチの改質ガス
を生成し、その改質ガスを燃料電池本体に供給するとい
うものである。この水蒸気改質反応は吸熱反応であり、
改質器での改質反応に必要な熱を得るために、改質器に
加熱用バーナーが付設され、このバーナーに燃料電池本
体の燃料極（水素極）から排出されるオフガスを供給し
て燃焼させるようになされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記燃料電池
システムでは、燃料電池本体の電力負荷の変動に応じて
燃料利用率を変化させると、それに改質器での改質反応
が影響される、という問題がある。

【０００５】すなわち、燃料電池本体の電力負荷が高く
なったときに、それに応じて燃料利用率を高めると、上
記オフガス中の水素濃度が下がるため、このオフガスを
燃料とする改質器加熱バーナーでは燃料不足となり、改
質反応に必要な熱を確保することができなくなる。これ
に対して、電力負荷増大時に、燃料利用率を変えずに改
質器への原料ガスの供給量を増大させることも考えられ
るが、この原料ガスの増大に見合う量の水素が直ちに供
給されるわけではないので、やはり熱不足を生じて改質
反応性が悪くなる。一方、上記電力負荷が低くなったと
きに、燃料利用率を低下させると、オフガス中の水素濃
度が高くなって改質器加熱用のバーナーに多量の水素が
供給されることになり、改質器のオーバーヒートを招
く。従って、上述の如き燃料電池システムでは原燃料供
給量及び燃料利用率を変化させない定格運転を行なうの
が一般的な使用形態である。

【０００６】上記公報では、水蒸気改質反応に部分酸化
反応を組合せ、上記電力負荷の変動に応じて改質器に空
気を供給することにより、部分酸化反応が発熱反応であ
ることを利用して改質器を内部から加熱することが提案
されているが、水蒸気改質反応との組合せであるため
に、空気供給量を制御しても部分酸化反応熱の影響が現
れるのには時間がかかるため、改質器の温度制御を実効
あるものにすることは難しい。

【０００７】また、従来からコージェネレーション・シ
ステム（電・熱併給システム）の採用も検討されている
が、改質器及び燃料電池本体との熱交換によって得られ
る熱量には限りがあるため、熱需要が大きい場合にはビ
ルや一般家庭に必要な温水を確保することは難しく、大
きな補助ボイラーが必要になる。

【０００８】そこで、本発明は、上記電力負荷の変動が
あってもこれに応答性良く対応することができる燃料電
池システムを提供することを目的とするものであり、ま
た、熱供給能力の高いコージェネレーション・システム
を構築することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段及びその作用効果】本発明
は、このような課題に対して、燃料の改質反応が全体と
しては発熱反応になるようにして、改質反応に必要な熱
の確保のためにオフガスを使用しないようにしたもので
ある。以下、具体的に説明する。

【００１０】本発明は、炭化水素類又はアルコール類の
原燃料を水素を含んだガスに改質する燃料改質手段（１
４）と、上記燃料改質手段（１４）によって改質された
ガスを燃料として発電する燃料電池本体（１）と、上記
燃料電池本体（１）の燃料極（３）から排出されるガス
を燃焼させるオフガスバーナー（１３）とを備えた燃料
電池システムにおいて、上記燃料改質手段（１４）は、
上記オフガスバーナー（１３）から燃焼熱の供給を受け
ることなく全体としては発熱反応である改質反応によっ
て上記原燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質器
（５）を備えていることを特徴とする。

【００１１】すなわち、原燃料の改質反応を全体として
は発熱反応になるようにして、改質器（５）に対しては
燃料極（３）の排ガス（オフガス）を熱源としては供給
しないようにしたものである。この燃料極（３）の排ガ
スには未反応の水素が含まれているが、これはオフガス
バーナー（１３）によって燃焼除去されることになる。
なお、本発明は、改質器（５）の起動時に該改質器
（５）を電気ヒータやバーナー等の外部加熱手段によっ
て加熱すること、或いは改質器（５）に供給される原料
ガス（原燃料、空気等）を予熱することを排除するもの
ではなく、また、改質器（５）の暖機後（起動後）にお
いても必要に応じて改質器（５）を外部加熱手段によっ
て補助的に加熱するようにしてもよい。

【００１２】そうして、燃料極（３）の水素を含有する
排ガスを改質器（５）側へ供給する必要がないというこ
とは、システムの構成（配管）が簡単になるというだけ
でなく、燃料電池本体（１）での燃料（水素）利用率
（燃料電池本体（１）に供給された水素量に対する反応
した水素量の比率）を例えば７５％以上に高めることが
できることを意味する。すなわち、従来は上記排ガスの
燃焼によって改質器（５）を加熱するから、この改質器
（５）の加熱に必要な水素が燃料電池本体（１）で消費
されないように燃料利用率を設定する必要があり、燃料
利用率を高めるにも限度があったものである。

【００１３】例えば、従来は原燃料が都市ガスの場合は
７２％程度、メタノールでは７５％程度が燃料利用率の
上限であった。これに対して、本発明では上述の如く燃
料利用率を７５％以上に高めることができるから（上限
は例えば９８％程度）、発電効率（原燃料の全てを燃焼
させたときに得られる熱量に対する発電量の比率）を高
めることができる。また、燃料利用率を９０％以上にす
ると、排ガス中の水素を改質器（５）の加熱源とする従
来の水蒸気改質の燃料電池システムと同等の発電効率を
得ることができる。

【００１４】また、本発明は、炭化水素類又はアルコー
ル類の原燃料を水素を含んだガスに改質する燃料改質手
段（１４）と、上記燃料改質手段（１４）によって改質
されたガスを燃料として発電する燃料電池本体（１）
と、上記燃料電池本体（１）の燃料極（３）から排出さ
れるガスを燃焼させるオフガスバーナー（１３）と、上
記燃料改質手段（１４）、燃料電池本体（１）及びオフ
ガスバーナー（１３）から熱回収する熱回収手段（２１
〜２３，４６）とを備え、上記燃料電池本体（１）から
の電力と上記熱回収手段（２１〜２３，４６）による回
収熱とを併給するコージェネレーションの燃料電池シス
テムにおいて、上記燃料改質手段（１４）は、上記オフ
ガスバーナー（１３）から燃焼熱の供給を受けることな
く全体としては発熱反応である改質反応によって上記原
燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質器（５）を
備えていることを特徴とする。

【００１５】すなわち、本発明によれば、上述の如く原
燃料の改質反応を全体としては発熱反応になるようにし
て、改質器（５）に対しては燃料極（３）の排ガスを熱
源としては供給しないようにしたから、この排ガスを燃
焼させるオフガスバーナー（１３）の燃焼熱をコージェ
ネレーションに利用することができるようになり、熱供
給量の増大に有利になる。

【００１６】しかも、従来は既述の如く燃料利用率を変
えると改質器（５）へ送られる加熱用排ガスの水素量が
変化し、改質反応が影響されるという問題があったが、
本発明の場合は燃料利用率の変更が改質反応に影響を及
ぼすことがないから、この燃料利用率の調節によって、
熱電比（発電量に対する熱出力の比率）を需要に合わせ
ることが可能になる。

【００１７】また、本発明は、上述の如き燃料電池シス
テムにおいて、上記燃料電池本体（１）の燃料利用率を
調節するために上記改質器（５）への原燃料の供給量を
調節する手段（３５）を備えていることを特徴とする。

【００１８】すなわち、原燃料供給量の調節手段（３
５）を備えているから、燃料供給量及び燃料利用率を所
定値とした定格運転から、例えば原燃料供給量を下げる
ことによって燃料利用率を高めれば、少ない原燃料で発
電量を多くすることになるから、それだけ発電効率が高
まることになる。

【００１９】また、オフガスバーナー（１３）の燃焼熱
を供給するようにしたコージェネレーション・システム
においては、燃料電池本体（１）で使用されなかった水
素がオフガスバーナー（１３）によって熱供給の方に使
用されることになるから、原燃料供給量の調節と燃料電
池本体（１）の出力の調節（インバーター（１６）の出
力調節）とによって、電力需要を重視した高出力運転に
したり、熱需要を重視した運転にするなど種々の運転形
態をとることが可能になる。

【００２０】すなわち、例えば定格運転から原燃料供給
量を高め且つ燃料利用率を高めるように変更することに
よって、熱供給量を変えずに発電量を多くすることがで
き、また、原燃料供給量を高めて燃料利用率を下げるよ
うに変更すると、発電量を変えずに熱供給量を多くする
ことができ、また、原燃料供給量を下げて燃料利用率を
高めるように変更すると、発電量を変えずに熱供給量を
減らすことができる。

【００２１】また、本発明は、上述の如きコージェネレ
ーションの燃料電池システムにおいて、上記改質器
（５）への原燃料の供給量を調節する手段（３５）と、
上記燃料電池本体（１）から出力される直流電力を交流
電力に変換する出力制御可能なインバーター（１６）
と、電力需要を検出する手段（３７）と、熱需要を検出
する手段（３８）と、上記電力需要と熱需要とに基づい
て目標とする原燃料供給量を求め上記原燃料供給量調節
手段（３５）の作動を制御するとともに、当該電力需要
と熱需要とに対応する熱電比となるように上記インバー
ター（１６）の出力を制御する制御手段（３６）とを備
えていることを特徴とする。

【００２２】これにより、電力需要の変化及び熱需要の
変化に対応させて原燃料供給量及びインバーター（１
６）の出力を制御することができ、必要な電力供給及び
熱供給が可能になる。

【００２３】また、本発明は、上述の如き原燃料供給量
の調節手段（３５）及び出力制御可能なインバーター
（１６）を備えているコージェネレーションの燃料電池
システムにおいて、電力需要を検出する手段（３７）
と、熱需要を検出する手段（３８）と、上記電力需要と
熱需要とに基づいて目標とする原燃料供給量を求め上記
原燃料供給量調節手段（３５）の作動を制御する一方、
上記インバーター（１６）の出力を現在の電力需要に基
づいて且つ燃料利用率が所定の限界燃料利用率を越えな
いように制御する制御手段（３６）とを備えていること
を特徴とする。

【００２４】すなわち、当該燃料電池システムを電力負
荷に追従させて運転する場合、電力負荷は刻一刻と変化
するが、それに応じて原燃料供給量を変化させても、こ
の原燃料の変化が燃料電池本体（１）に供給される改質
ガスの変化となって現れるまでには一定の時間がかか
る。所謂応答遅れである。これに対して、インバーター
（１６）の出力は応答性よく制御することができる。従
って、原燃料供給量の変更の影響が改質ガスに現れるま
では、その原燃料供給量の変更を前提としてインバータ
ー（１６）の出力を制御しても電力負荷に対応した出力
にならない。

【００２５】そこで、本発明は、燃料改質手段（１４）
の負荷に対する追従遅れをインバーター（１６）の出力
調節によって吸収するようにしたものである。この場
合、熱需要の変化に対しては、熱回収手段（２１〜２
３，４６）によって回収された熱を蓄える貯湯タンク
（３４）を設けることによって対応することができる。
また、インバーター（１６）の出力制御により燃料利用
率が変化するが、限界燃料利用率を定めてこれを越えな
いようにするから、燃料電池本体（１）の内部異常の発
生を未然に防ぐことができる。限界燃料利用率として
は、例えば９８％前後の一定値を採用することができ、
あるいは原燃料供給量と電力需要とに基づいてその都度
設定してもよい。

【００２６】また、上記制御手段（３６）については、
上記電力需要と熱需要とに基づいて目標とする原燃料供
給量を求め上記原燃料供給量調節手段（３５）の作動を
制御する一方、該原燃料供給量調節手段（３５）の作動
から所定時間を経過するまでは、該原燃料供給量調節手
段（３５）の作動制御を中止するとともに、前回の原燃
料供給量と現在の電力需要とに基づいて目標とする燃料
利用率を求め上記この目標燃料利用率が得られるように
上記インバーター（１６）の出力を制御するものとする
ことができる。

【００２７】また、本発明は、上述の如き原燃料供給量
の調節手段（３５）及び出力制御可能なインバーター
（１６）を備えているコージェネレーションの燃料電池
システムにおいて、上記熱回収手段（２１〜２３，４
６）によって回収される熱を温水にして蓄える貯湯タン
ク（３４）と、現時点の電力需要を検出する手段（３
７）と、季節等に対応させて予め設定されて電子的に格
納された熱電比データを備え、該熱電比データから読み
込まれた熱電比と上記現時点の電力需要とに基づいて上
記原燃料供給調節手段（３５）の作動を制御するととも
に、上記熱電比が得られるように上記インバーター（１
６）の出力を制御する制御手段（３６）とを備えている
ことを特徴とする。

【００２８】すなわち、この発明は、熱電比データの採
用によって熱需要が多い時期には熱電比が大きく（燃料
利用率が小さく）なるようにすることが可能になるか
ら、熱回収手段（２１〜２３，４６）によって多量の熱
が回収されて貯湯タンク（３４）に高温の熱を多量に蓄
えることができ、熱需要の急増に対応することが容易に
なるとともに、バックアップ用の機器を省くことが可能
になる。一方、熱需要が少ない時期には熱電比が小さく
（燃料利用率が大きく）なるから、発電効率が高くな
り、省エネルギーに有利になる。

【００２９】この場合、熱電比データを季節又は時刻に
対応させて設定し、且つ季節又は時刻から予測される熱
需要が多くなるほど熱電比が大きくなるように設定して
おき、現在の季節又は時刻に基づいて上記熱電比データ
から読み込まれた熱電比と上記現時点の電力需要とに基
づいて上記原燃料供給量調節手段（３５）の作動を制御
するとともに、上記熱電比が得られるように上記インバ
ーター（１６）の出力を制御するようにすることが好ま
しい。

【００３０】また、本発明は、上述の如き燃料電池シス
テムにおいて、上記改質器（５）に上記原燃料を供給す
る原燃料供給源（８）と、上記改質器（５）に酸素を供
給する酸素供給源（４）と、上記改質器（５）に水蒸気
を供給する水蒸気供給源（３９，４２，４３）とを備
え、上記改質器（５）は、上記原燃料と酸素と水蒸気と
を含む気体の供給を受け、該原燃料の部分酸化反応によ
って水素を生成するとともに、該部分酸化反応によって
副生するＣＯと水蒸気との水性ガスシフト反応によって
水素を生成するものであり、上記燃料改質手段（１４）
は、上記改質器（５）から上記燃料電池本体（１）に供
給される改質ガス中の残存ＣＯを選択酸化反応によって
低減するＣＯ選択酸化器（７）を備えていることを特徴
とする。

【００３１】すなわち、改質器（５）に原燃料と酸素と
水蒸気とを供給することによって部分酸化反応と水性ガ
スシフト反応とを生起させて原燃料を改質するようにし
たものである。この反応式は次のようになる。

【００３２】 ＣnＨm＋(n/2)Ｏ₂→nＣＯ＋(m/2)Ｈ₂ ……（１） ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ ……（２） （１）式が部分酸化反応であり、この反応によって目的
とする水素が得られるとともに、同時に生ずるＣＯが
（２）式の水性ガスシフト反応によって酸化され、その
際に水素が発生する。原料ガスへの水蒸気の添加は
（１）の部分酸化反応における燃料転化率には大きな影
響を与えないが、その添加により（２）の水性ガスシフ
ト反応を生じ易くなる（平衡が生成側に傾く）から、水
素の収率が高くなる。

【００３３】（１）の部分酸化反応は発熱反応であり、
原燃料ＣnＨmがメタン（ＣＨ₄)の場合はΔＨ＝−３６．
０７ｋＪ／ｍｏｌである。（２）の水性ガスシフト反応
も発熱反応であって、ΔＨ＝−４１．１２ｋＪ／ｍｏｌ
である。従って、改質反応を開始させるために燃料改質
器（５）又は原料ガス（原燃料、酸素又は空気、並びに
水蒸気）を所定温度まで加熱する必要があるものの、反
応が始まった後は、反応を維持するに必要な熱が反応熱
によって得られ、外部からの加熱量を少なくすることが
でき、ひいては外部加熱を不要にすることができる。

【００３４】また、（１）の部分酸化反応によって生ず
るＣＯが（２）の水性ガスシフト反応によって酸化され
るため、当該燃料改質器（５）から燃料電池へ向けて送
られる改質ガスのＣＯ濃度が低くなる。従って、ＣＯ変
成器（６）（ＣＯを水性ガスシフト反応によって酸化さ
せる）やＣＯ選択酸化器（７）を設ける場合でも、それ
らの負担が小さくなり、それらの小型化が図れる。

【００３５】なお、改質器（５）に水蒸気を供給するこ
とから、上記部分酸化反応及び水性ガスシフト反応の他
に吸熱反応である水蒸気改質反応を生ずる可能性がある
が、この水蒸気改質反応は副反応であり、本発明はその
ような副反応があっても全体として発熱反応になればよ
い。

【００３６】また、本発明は、上述の如き燃料電池シス
テムにおいて、上記原燃料が硫黄成分を含有するもので
あり、上記改質器（５）に供給される原燃料中の硫黄成
分を常温で吸着する吸着剤（４１）を備えていることを
特徴とする。

【００３７】原燃料、例えば都市ガスにメルカプタン等
の硫黄成分が含まれている場合、従来は原燃料に水素を
供給して２００℃程度に加熱することにより、硫黄成分
を硫化水素に変え、この硫化水素を吸着剤に吸着させて
除去していたが、これでは水素供給手段及び加熱手段を
別途必要とする。そこで、本発明は原燃料中の硫黄成分
を常温で吸着する二酸化マンガン等の吸着剤（４１）を
採用したものである。従って、改質に必要な熱エネルギ
ーを低減することができるとともに、予め原燃料を加熱
する必要がないから、改質器（５）の起動性が向上する
とともに、負荷応答性が向上する、すなわち、改質器
（５）に対する原燃料供給量を増減すべきときに原燃料
を加熱する必要がないから、速やかに対応することがで
きる。

【００３８】上記改質器（５）にはハニカム形状のモノ
リス触媒を用いることが好適である。これにより、ペレ
ット型触媒に比べて単位容量当たりの触媒表面積を増大
させることが容易になり、反応性向上によって、熱エネ
ルギーの低減が図れるとともに、起動性の向上・負荷応
答性の向上が図れるので、原燃料供給量を可変にして運
転するシステムに好適である。また、通路抵抗が小さく
なるから、常圧運転が可能になり、コンプレッサーを省
くことができるから、システムの簡略化に有利になる。

【００３９】上記改質器（５）、ＣＯ変成器（６）及び
ＣＯ選択酸化器（７）の触媒としては貴金属系のものが
好ましい。これは、貴金属系の場合、他の遷移金属とは
違って、硫黄被毒が少ないので、原燃料供給量を可変に
して運転するシステムに好適である。また、使用時に還
元処理をする必要がなく、また、廃棄時に触媒の酸化反
応を生じることがなく、廃棄処理も容易であるからであ
る。例えば、改質器（５）用の触媒としてＲｈ若しくは
Ｒｕ単独、又はＲｈ若しくはＲｕを主成分とする合金な
いしは複酸化物等の化合物、ＣＯ変成器（６）用の触媒
としてはＰｔ単独又はＰｔを主成分とする合金（例えば
Ｐｔ−Ｒｕ合金）ないしは複酸化物等の化合物、ＣＯ選
択酸化器（７）用の触媒としてはＲｕ若しくはＰｔ単
独、又はＲｕ若しくはＰｔを主成分とする合金ないしは
複酸化物等の化合物を採用することが高活性が得られ好
ましい。

【００４０】また、本発明は、上述の如き部分酸化反応
と水性ガスシフト反応とによって原燃料の改質を行なう
ようにした燃料電池システムにおいて、上記水蒸気供給
源は、上記燃料電池本体（１）より排出されるガスから
水蒸気透過膜によって水蒸気を分離する水蒸気分離器
（４２，４３）であることを特徴とする。

【００４１】すなわち、燃料電池本体（１）の空気極
（２）（酸素極ないしは酸化剤極）では電解質を通過し
た水素イオンと酸素との反応によって水蒸気が発生する
から、この空気極（２）の排ガスには水蒸気が含まれ
る。また、固体高分子電解質膜を用いる場合、その加湿
のために改質ガスに水蒸気が添加されるし、空気極
（２）側から水蒸気の一部が燃料極（３）側に戻るか
ら、この燃料極（３）の排ガスにも水蒸気が含まれる。

【００４２】そこで、本発明は、この空気極（２）及び
燃料極（３）の少なくとも一方の排ガスから水蒸気透過
膜によって水蒸気を分離し、これを改質器（５）に供給
するようにしたものである。これにより、水蒸気供給源
を別途設ける必要がなくなるとともに、その水質管理が
不要になり、或いは水蒸気供給源を別途設けるとしても
補助的な小型のもので賄うことができる。また、従来は
燃料電池本体（１）の排ガスから水を凝縮させて、それ
を改質器（５）に導入する前に蒸発させていたが、その
ような凝縮・蒸発が不要になるから、改質器（５）に対
する原燃料供給量の増減に対して応答させ易くなる。

【００４３】また、本発明は、上述の如き部分酸化反応
と水性ガスシフト反応とによって原燃料の改質を行なう
ようにした燃料電池システムにおいて、上記燃料電池本
体（１）の空気極（２）より排出されるガスから水蒸気
透過膜によって水蒸気を分離し、上記改質器（５）に供
給する第１水蒸気分離器（４２）と、上記燃料電池本体
（１）の燃料極（３）より排出されるガスから水蒸気透
過膜によって水蒸気を分離し、上記燃料電池本体（１）
の空気極（２）に供給する第２水蒸気分離器（４３）と
を備えていることを特徴とする。

【００４４】すなわち、燃料利用率を高めた場合、それ
だけ空気極（２）の排ガス中に含まれる水蒸気量が多く
なる。そこで、本発明は、比較的多くの水蒸気を必要と
する改質器（５）に対しては空気極（２）の排ガスから
水蒸気を分離して供給するようにし、改質ガスと共に燃
料電池本体（１）に供給する加湿用の水蒸気は燃料極
（３）の排ガスから分離して得るようにしたものであ
る。

【００４５】また、本発明は、上述の如き部分酸化反応
と水性ガスシフト反応とによって原燃料の改質を行なう
ようにした燃料電池システムにおいて、上記燃料電池本
体（１）の空気極（２）から排出される水蒸気及び酸素
を含むガスを上記改質器（５）に供給する通路（４４）
を備えていることを特徴とする。

【００４６】これにより、水蒸気供給源を別途設ける必
要がなくなり、或いは設けるとしても補助的な小型のも
ので賄うことができ、さらには改質器（５）に対して空
気を別途供給する必要がなくなり、或いはその供給量を
少なくすることができる。また、水蒸気透過膜を要する
ことなく空気極（２）の排ガス中の水蒸気を改質器
（５）に利用することができ、また、水蒸気の供給に伴
う改質器（５）の温度変化を少なくする上でも有利にな
る。この場合、空気極（２）の排ガスの全部を改質器
（５）に供給するようにしても、その一部のみを供給す
るようにしてもよい。

【００４７】また、本発明は、上述の如き空気極（２）
の排ガスを改質器（５）に供給する燃料電池システムに
おいて、上記燃料電池本体（１）の燃料極（３）より排
出されるガスから水蒸気透過膜によって水蒸気を分離
し、上記燃料電池本体（１）の空気極（２）に供給する
水蒸気分離器（４３）を備えていることを特徴とする。

【００４８】これにより、燃料極（３）の排ガス中の水
蒸気も有効に利用することができる。

【００４９】また、本発明は、上述の如き部分酸化反応
と水性ガスシフト反応とによって原燃料の改質を行なう
ようにするとともに、燃料電池本体（１）の空気極
（２）より排出されるガスを改質器（５）の水蒸気源と
した燃料電池システムにおいて、上記燃料電池本体
（１）の空気利用率が５０％以上の所定値となるように
上記燃料電池本体（１）の空気極（２）に供給する空気
流量を制御する制御手段（３６）を備えていることを特
徴とする。

【００５０】すなわち、空気利用率を高めると、それだ
け空気極（２）の排ガスは残存空気量が少なくなるから
水蒸気の分圧が高くなり、上記水蒸気透過膜による水蒸
気の分離効率が高まる。よって、水蒸気供給量を高める
上で有利になる。また、空気極（２）の排ガスを改質器
（５）に直接導入するものにあっては、空気利用率を高
めることで酸素の供給量に対する水蒸気の供給量の比を
高めることができ、有利である。上記空気流量の制御
は、酸素供給源としての空気ブロア（４）の回転数の変
更により、或いは酸素供給源と空気極（２）との間の空
気供給通路（１０）に流量調節手段（４０）を設けてこ
れを調節することにより、行なうことができる。

【００５１】また、上述のような手段で改質器（５）、
燃料極（３）又は空気極（２）に水蒸気を導入する場合
においても、主に起動時や部分負荷運転時に一時的な水
蒸気切れを生じないようにするために、これらの各機器
に対して別に補助加湿手段を設けるようにしてもよい。
そのような補助加湿手段は、燃料電池本体（１）の冷却
水又は給湯用の温水、すなわち、熱回収用の水を水蒸気
源とすることが好ましい。燃料電池本体（１）の排ガス
から水を凝縮・蒸発させて補助加湿をするよりもシステ
ム構成が簡略になるためである。

【００５２】また、本発明は、上述のコージェネレーシ
ョンの燃料電池システムにおいて、上記熱回収手段（４
６）は、上記燃料改質手段（１４）、燃料電池本体
（１）及びオフガスバーナー（１３）から水を媒体とし
て燃料電池本体（１）、燃料改質手段（１４）、オフガ
スバーナー（１３）の順で熱回収することを特徴とす
る。

【００５３】すなわち、機器の温度は上記燃料電池本体
（１）、燃料改質手段（１４）、オフガスバーナー（１
３）の順で高くなる。そこで、本発明は、熱回収効率を
高めるために、当該順序で熱を回収するようにしたもの
である。これにより、熱回収用の水の温度を例えば７５
℃以上に高めることが容易になる。

【００５４】また、本発明は、上述の如き順序で熱回収
を行なうようにした燃料電池システムにおいて、上記燃
料改質手段（１４）は、上記改質器（５）と、該改質器
（５）から送られる改質ガス中のＣＯを水性ガスシフト
反応によって低減するＣＯ変成器（６）と、該ＣＯ変成
器（６）から送られる改質ガス中の残存ＣＯを選択酸化
反応によって低減するＣＯ選択酸化器（７）とを備え、
上記熱回収手段（４６）は、上記燃料改質手段（１４）
からの熱回収をＣＯ変成器（６）及びＣＯ選択酸化器
（７）についてＣＯ選択酸化器（７）、ＣＯ変成器
（６）の順で行なうものであり、上記改質器（５）の廃
熱を回収して該改質器（５）に供給されるガスを予熱す
る予熱手段（５３）を備えていることを特徴とする。

【００５５】これにより、改質器（５）の廃熱を原燃料
の改質のために有効に利用することができる。

【００５６】また、本発明は、上述の如き改質器（５）
の廃熱を予熱に利用するようにした燃料電池システムに
おいて、上記ＣＯ変成器（６）の入口又は出口のガス温
度を検出する手段と、上記検出手段の出力に基づいて上
記ガス温度が所定温度になるように上記熱回収手段（４
６）の水流量を調節する流量調節手段（５２）とを備え
ていることを特徴とする。

【００５７】すなわち、ＣＯ変成器（６）、ＣＯ選択酸
化器（７）及び燃料電池本体（１）のうちではＣＯ変成
器（６）の温度が最も高くなるが、このＣＯ変成器
（６）の入口又は出口が適正温度になれば、その下流側
のＣＯ選択酸化器（７）や燃料電池本体（１）の入口温
度も適正値からのずれが小さくなる。

【００５８】また、本発明は、上述の如き燃料電池シス
テムにおいて、上記改質器（５）に原燃料の部分酸化反
応のための空気を供給する手段（４）と、上記改質器
（５）に対する原燃料の供給量に応じて、該原燃料の炭
素のモル数に対する酸素のモル数の比Ｏ₂ ／Ｃが０．４
５以上の所定値になるように上記空気供給手段（４）の
作動を制御する制御手段（３６）とを備えていることを
特徴とする。

【００５９】すなわち、上記部分酸化反応におけるＯ₂
／Ｃ量論比は、上記（１）式から明らかなように０．５
であるから、上記比Ｏ₂ ／Ｃが０．４５以上であるとい
うことは、換言すればこの比Ｏ₂ ／Ｃが部分酸化反応に
おけるＯ₂ ／Ｃ量論比の０．９倍以上であるということ
である。これにより、当該改質器（５）に供給する原料
ガスの流速（空間速度）が高い場合でも、燃料転化率
（改質率）を高いものにすることができる。

【００６０】なお、改質器（５）において水性ガスシフ
ト反応を生起させるために水蒸気を供給しているとき
は、Ｏ₂ ／Ｃ比の下限を上記量論比よりも低くすると、
原燃料の一部が水蒸気改質反応を起こし易くなるが、そ
の割合は僅かであり、主反応たる部分酸化反応に及ぼす
熱的影響（温度低下）は問題にならない。

【００６１】水蒸気改質反応をできるだけ生じないよう
にするには、当該比を上記量論比よりも大きく、すなわ
ち、０．５よりも大きくすればよい。但し、当該比が大
きくなり過ぎると、完全酸化反応を生じ易くなって水素
の収率が低下するから、当該比の上限は上記Ｏ₂ ／Ｃ量
論比の１．５倍、すなわち、０．７５程度にすることが
好ましい。

【００６２】上述の空気供給量の調節、また、先に説明
した熱回収用水流量の調節には、回転数可変の直流モー
タで駆動するブロア又はポンプを用い、この直流モータ
の電力としては燃料電池本体（１）の交流に変換される
前の直流電力を利用するようにすればよい。これによ
り、直流→交流→直流と二重の変換を行なう必要がなく
なり、エネルギー損失を少なくすることができる。

【００６３】また、本発明は、上述のコージェネレーシ
ョンの燃料電池システムにおいて、補助バーナー（５
５）を備え、上記熱回収手段（４６）が上記燃料改質手
段（１４）、燃料電池本体（１）及びオフガスバーナー
（１３）から熱を回収した後に上記補助バーナー（５
５）の燃焼熱を回収することを特徴とする。

【００６４】すなわち、補助バーナー（５５）を設ける
ことによって、熱需要が高くなった場合でもこれに対応
することができ、例えばお湯切れを防止することができ
る。

【００６５】また、オフガスバーナー（１３）とは別に
補助バーナー（５５）を設けるのではなく、このオフガ
スバーナー（１３）に燃料電池本体（１）の排ガスとは
別に燃料を供給する手段を設け、熱需要が高くなったと
きにオフガスバーナー（１３）に燃料を供給して対応す
るようにしてもよい。

【００６６】上記オフガスバーナー（１３）や補助バー
ナー（５５）については触媒を用いて排ガス又は燃料を
燃焼させる触媒燃焼方式を採用することが好ましい。す
なわち、火炎バーナーの場合は、燃料を絞った状態で安
定した火炎を形成することが難しいが、触媒燃焼であれ
ば、部分負荷でも安定した燃焼が可能である。特に使用
頻度が低い補助バーナー（５５）については負荷の変動
幅が大きくなるので、触媒燃焼を採用することが好まし
い。触媒としては例えばＲｕ系のものを採用することが
できる。

【００６７】また、以上で説明した燃料電池システムに
おいて、上記炭化水素類又はアルコール類の原燃料とし
ては、上記メタンの他、プロパン、天然ガス（ＬＮＧを
含む）、ナフサ、灯油、液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市
ガス、メタノール等を採用することができ、灯油、アル
コール類等の液体燃料の場合は気化器を用いるようにす
ればよい。

【００６８】また、空気利用率については、例えば３０
〜６０％の範囲で熱需要が少なくなるほど低くなるよう
に制御するようにしてもよい。すなわち、燃料電池本体
（１）に供給する空気量を増大させて空気利用率を下げ
ると、この燃料電池本体（１）からの熱回収率は低下す
るが、そのことは熱需要が少ないときには問題になら
ず、逆に空気利用率の低下によって発電効率が高くなる
からである。

【００６９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００７０】＜実施形態１＞図１に示す燃料電池システ
ム構成において、１は触媒電極である空気極（カソー
ド）２と同じく触媒電極である燃料極（アノード）３と
を有する固体高分子電解質型の燃料電池本体であり、空
気極２には直流モータで駆動される回転数可変の空気ブ
ロア（酸素供給源）４が空気供給通路１０によって接続
され、燃料極３には燃料改質器５が改質ガス供給通路２
０によって接続されている。改質ガス供給通路２０に
は、ＣＯ変成器６及びＣＯ選択酸化器７が燃料電池本体
１に向かって順に設けられている。この燃料改質器５、
ＣＯ変成器６及びＣＯ選択酸化器７が燃料改質手段１４
を構成している。なお、空気ブロア４に代えてコンプレ
ッサーを用いてもよい。

【００７１】燃料改質器５には原燃料源（都市ガス）８
が原料ガス供給通路３０によって接続されている。ま
た、燃料改質器５には、上記空気ブロア４から部分酸化
反応用の空気を供給すべく上記空気供給通路１０から分
岐した通路１０ａが接続されている。そうして、燃料電
池本体１の空気極２及び燃料極３の各排気口は排ガス通
路１１，１２によってオフガスバーナー１３に接続され
ている。燃料改質器５には起動用の電気ヒータ（図示省
略）が設けられている。

【００７２】燃料電池本体１の出力部は電圧調節器１５
を介して出力制御可能なインバーター１６に接続され、
このインバーター１６に電力負荷（電気負荷）１７が接
続されている。

【００７３】上記燃料改質器５には部分酸化反応に活性
を呈する触媒（Ｒｈ又はＲｕをＡｌ ₂Ｏ₃に担持させてな
る触媒）をハニカム担体に担持させてなるハニカム触媒
が設けられ、ＣＯ変成器６には水性ガスシフト反応に活
性を呈する触媒（Ｐｔ又はＰｔ−ＲｕをＡｌ₂Ｏ₃に担持
させてなる触媒）をハニカム担体に担持させてなるハニ
カム触媒が設けられ、ＣＯ選択酸化器７にはＣＯの選択
酸化反応に活性を呈する触媒（Ｒｕ又はＰｔをＡｌ₂Ｏ₃
又はゼオライトに担持させてなる触媒）をハニカム担体
に担持させてなるハニカム触媒が設けられ、オフガスバ
ーナー１３には燃焼触媒（Ｐｔ系、Ｐｄ系又はＲｕをＡ
ｌ₂Ｏ₃に担持させてなる触媒）が設けられている。

【００７４】上記燃料電池システムにおいては、その起
動時には燃料改質器５の温度が低いために電気ヒータが
作動されて触媒が活性を呈する温度になるまで、例えば
４６０℃程度まで加熱される。起動後は電気ヒータは停
止される。原料ガス（原燃料、及び空気の混合ガス）
は、Ｏ₂ ／Ｃ比が０．４５〜０．７５になるように、原
燃料及び空気の供給量が調整され、また、燃料改質器５
の出口ガス温度は８００℃以上に上昇しないように別途
調整される。最も好ましい操作条件は、上記Ｏ₂／Ｃ比
が０．５２〜０．６０（好ましくは０．５６）、燃料改
質器５の出口ガス温度が７２０℃、燃料改質器５の出口
ガスのＣＯ₂／ＣＯ比が０．４というものである。

【００７５】燃料改質器５の触媒上では原燃料の部分酸
化反応が起こり、水素とＣＯとが生成する（（１）式参
照）。燃料改質器５を出た改質ガスは、ＣＯ変成器６へ
送られ、そこの触媒上で生ずる水性ガスシフト反応によ
ってＣＯ濃度が低下する。ＣＯ変成器６を出た改質ガス
はＣＯ選択酸化器７へ送られ、そこの触媒上で生ずるＣ
Ｏの選択酸化反応によってＣＯ濃度がさらに低下する。
ＣＯ選択酸化器７を出た改質ガスは燃料電池本体１の燃
料極３に入る。

【００７６】燃料電池１では燃料極３の電極表面で２Ｈ
₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-、空気極２の電極表面でＯ₂＋４Ｈ⁺＋
４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏの電池反応を起こす。従って、空気極２
の排ガスには電池反応に使われなかった余剰空気と電池
反応によって生じた水蒸気とが含まれる。一方、燃料極
３の排ガスには電池反応に使用されなかった水素、未改
質の原燃料、空気及び水蒸気が含まれる。

【００７７】燃料極３の排ガスには上述の如く未反応水
素及び未改質の原燃料が含まれるから、これらがオフガ
スバーナー１３において触媒燃焼により除去される。

【００７８】以上のように、燃料改質器５においては、
発熱反応である部分酸化反応によって原燃料の改質が行
なわれるから、この反応によって燃料改質器５はその触
媒が活性を呈する温度に維持され、外部加熱、すなわ
ち、燃料極３の排ガス燃焼による加熱は行なわない。従
って、電力需要の変化に応じて燃料電池本体１での水素
利用率を変更しても、燃料改質器５での改質反応には何
の影響も及ばず、また、燃料利用率を例えば７５〜９８
％という大きな値にすることができる。

【００７９】−燃料利用率の変更について−図２は燃料
電池本体１の電流密度ｉと電池電圧Ｅ、電力Ｐとの関係
を示す。燃料電池本体１を運転して電流を取り出すと、
分極現象のため電池電圧Ｅは、開路電圧Ｅ^* よりも過電
圧ηだけ低下する。すなわち、Ｅ＝Ｅ^* −ηである。こ
の過電圧のうち抵抗過電圧は燃料電池本体の抵抗Ｒと電
流密度ｉとの積であり、従って、電流密度ｉが大きくな
るに従って過電圧ηが大きくなり、電池電圧Ｅは図２で
示すように低下する。換言すれば、電流密度ｉを定めれ
ば、電池電圧Ｅ、つまり出力電圧Ｅが定まる。一方、電
力Ｐは電流値と電圧Ｅとの積であるから、図２に示すよ
うな特性になる。

【００８０】電池電解質における水素イオンの移動量は
電流密度ｉに依存するから、電流密度ｉが定まれば、燃
料電池本体１に供給される水素量のうち電池反応に使用
される水素量、つまりは水素イオンとなる量が定まるこ
とになる。従って、燃料利用率を変更するには、燃料電
池本体１に対する水素供給量ひいては改質器５に対する
原燃料の供給量、又はインバーター１６の出力を変更す
ればよいことになる。

【００８１】＜実施形態２＞本実施形態については、図
３に示されており、コージェネレーション・システムに
するために、水を媒体として廃熱等を回収する第１〜第
３の熱回収手段２１〜２３を設けた点が実施形態１と相
違する。

【００８２】第１熱回収手段２１は、燃料改質手段１４
から廃熱を回収するものであり、燃料改質器５、ＣＯ変
成器６及びＣＯ選択酸化器７から廃熱を熱交換によって
回収する熱交換部２４を有する冷却水通路２５と、冷却
水を循環させるポンプ２６を備えている。第２熱回収手
段２２は、燃料電池本体１から廃熱を回収するものであ
り、この廃熱を熱交換によって回収する熱交換部２７を
有する冷却水通路２８と、冷却水を循環させるポンプ２
９を備えている。第３熱回収手段２３は、オフガスバー
ナー１３から燃焼熱を回収するものであり、この燃焼熱
を熱交換によって回収する熱交換部３１を有する冷却水
通路３２と、冷却水を循環させるポンプ３３を備えてい
る。これらの熱回収手段２１〜２３によって回収された
熱は温水としてタンク３４に蓄えられ、暖房、給湯に使
用される。

【００８３】従って、オフガスバーナー１３の燃焼熱を
回収することによって回収熱量が全体として多くなり、
例えば７５℃以上の高温水を得ることが容易になる。

【００８４】なお、図示は省略するが、燃料電池本体１
から熱回収するための冷却水の水質を保持するために、
燃料電池本体１からの熱回収流路を別途設け、この流路
と上記冷却水通路との間で熱交換をさせることにより、
燃料電池本体１の廃熱を回収するようにしてもよい。

【００８５】＜実施形態３＞本実施形態は図４〜図７に
示されており、燃料改質器５に対する原燃料の供給量を
調節する流量調節弁３５を原料ガス供給通路３０に設
け、この流量調節弁３５及びインバーター１６の出力を
電力需要、熱需要等に応じて制御手段（マイクロコンピ
ュータ）３６によって制御するようにした点が実施形態
２と異なる。電力需要の検出手段３７は電力負荷から電
力需要量を検出するものであり、熱需要の検出手段３８
は貯湯タンク（３４）の残熱量から熱需要量を検出する
ものである。

【００８６】すなわち、流量調節弁３５による原燃料供
給量の調節により、燃料電池本体１に対する水素供給量
Ｑinが変化する。従って、この水素供給量Ｑinを変化さ
せ、燃料利用率を変化させることにより、電力需要、熱
需要に応じた熱電比にすることができる。ここに発電量
（Ｗ）及びオフガスバーナー１３による発熱量（Ｗ）と
は次のようになる。

【００８７】発電量＝２Ｆ・Ｅ・Ｑus／１０００ 発熱量＝（１−ηｆ）Ｑin Ｆ；ファラデー定数（Ａｓ／ｍｏｌ） Ｅ；セル電圧（Ｖ） Ｑus；燃料電池本体１での水素使用量 Ｑin；燃料電池本体１に対する水素供給量のエンタルピ
ー量 ηｆ；燃料利用率（＝Ｑus／Ｑin） そこで、発電量一定（電力需要一定）で熱需要に応じて
上記原燃料供給量及び燃料利用率を変化させる操作例
１，２、電力需要及び熱需要が少ないときの操作例３に
ついて表１を参照しながら説明する。

【００８８】−定格運転− 所定の燃料供給量（熱量３１２０Ｗ）において燃料利用
率を８０％にして運転する場合を定格とする。

【００８９】−操作１− 定格運転から、燃料供給量を２倍の２００％にして水素
供給量Ｑinを２倍にし、発電量一定であるから燃料利用
率は半分の４０％になる。これにより、燃料電池本体１
で使用されずに排出される水素量が６０％に増大するの
で、オフガスバーナー１３での熱回収量が増大する。

【００９０】すなわち、表１に示すように、この操作例
の場合、燃料供給量が定格運転からみて２倍になってい
るために、第２熱回収手段２２による燃料電池本体１か
らの回収熱の割合は相対的に低くなるが、燃料利用率の
低下により、第１及び第３の各熱回収手段２１，２３に
よる燃料改質手段１４及びオフガスバーナー１３からの
回収熱の割合が６１％というように相対的に高くなり、
熱電比は４．６に高まる。従って、熱需要が多い冬期や
廃熱を冷房に利用する夏期の日中の運転に有利である。

【００９１】−操作例２− 定格運転から、燃料供給量を８４％にし、発電量一定で
あるから燃料利用率は９５％にする。これにより、燃料
電池本体１で使用されずに排出される水素量が５％に減
少するので、オフガスバーナー１３での熱回収量が少な
くなる。

【００９２】すなわち、表１に示すように、この操作例
の場合、燃料供給量が定格運転からみて少なくなってい
るために、第２熱回収手段２２による燃料電池本体１か
らの回収熱の割合は相対的に高くなるが、燃料利用率の
増大により、第１及び第３の各熱回収手段２１，２３に
よる燃料改質手段１４及びオフガスバーナー１３からの
回収熱の割合が２２％というように相対的に低くなり、
熱電比は１．４に下がる。従って、熱需要の少ない夏期
や中間期（春・秋）に有利になる。

【００９３】−操作例３− 定格運転から、燃料供給量を５０％にし燃料利用率を９
５％にする。これにより、電流密度が低下するのでセル
電圧が若干上昇し、表１に示すように回収熱量は少なく
なるが、発電効率は高くなる。従って、電力需要及び熱
需要が少ないときに有利である。

【００９４】

【表１】

【００９５】次に電力需要、熱需要に基づく燃料供給
量、燃料利用率の制御例について説明する。

【００９６】−制御例１− 図５に示すように、スタート後のステップＳ１で、電力
負荷、貯湯タンクの残熱量を読み込む。続くステップＳ
２において、電力負荷及び残熱量に基づいて発電量Ｐ及
び熱電比Ｑ／Ｐを決定する。なお、Ｑは熱出力、すなわ
ち、熱回収手段２１〜２３による回収熱量である。続く
ステップＳ３において、上記発電量Ｐ及び熱電比Ｑ／Ｐ
に基づいて燃料供給量Ｆ（＝Ｐ＋Ｑ＋α）を求め、この
燃料供給量Ｆと発電量Ｐとに基づいて燃料利用率ηｆを
求める。なお、αは損失熱量である。

【００９７】続くステップＳ４において、上記燃料供給
量Ｆが得られるように流量調節弁３５の開度を設定し、
空気ブロア４の回転数を所定のＯ₂ ／Ｃ比（例えば０．
５６）となるように設定し、それぞれ実行する。そし
て、ステップＳ５において、上記燃料利用率ηｆとなる
ようにインバーター１６の出力を調整する。

【００９８】従って、この制御は電力需要・熱需要追従
制御ということができる。

【００９９】−制御例２− 図６に示す制御例は季節・時刻対応制御であって、熱需
要は、上記残熱量に基づいて検出されるとともに、季節
・時刻・外気温に基づいて検出（予測）される。すなわ
ち、制御手段３６は、季節・時刻に対応させて予め設定
し電子的に格納された熱電比データを備えている。この
熱電比データは、季節・時刻から予測される熱需要が多
くなるほど熱電比が大きくなるように設定されたもので
あり、具体的には夏期の日中及び冬期は高い熱電比が設
定され、中間期（春・秋）には低い熱電比が設定されて
いる。この熱電比データから得られる熱電比が上記残熱
量及び外気温に基づいて補正されることになる。

【０１００】まず、スタート後のステップＳＡ１におい
て、月日、時刻、電力負荷、貯湯タンクの残熱量、外気
温を読み込む。続くステップＳＡ２において上記電力負
荷に基づいて発電量Ｐを決定し、ステップＳＡ３におい
て上記月日及び時刻に基づいて熱電比Ｑ／Ｐを設定す
る。次に、ステップＳＡ４において上記月日及び時刻に
基づく熱電比Ｑ／Ｐを残熱量及び外気温に基づいて補正
する。この補正は、例えば残熱量が少ないほど熱電比Ｑ
／Ｐが高くなるように、また、夏期は外気温が高いほど
熱電比Ｑ／Ｐが高くなるように、冬期は外気温が低いほ
ど熱電比Ｑ／Ｐが高くなるようにするというものであ
る。

【０１０１】そうして、ステップＳＡ５において、上記
発電量Ｐ及び熱電比Ｑ／Ｐに基づいて燃料供給量Ｆ（＝
Ｐ＋Ｑ＋α）を求め、この燃料供給量Ｆと発電量Ｐとに
基づいて燃料利用率ηｆを求める。続くステップＳＡ６
において、上記燃料供給量Ｆが得られるように流量調節
弁３５の開度を設定し、空気ブロア４の回転数を所定の
Ｏ₂ ／Ｃ比（例えば０．５６）となるように設定し、そ
れぞれ実行する。そして、ステップＳＡ７において、上
記燃料利用率ηｆとなるようにインバーター１６の出力
を調整する。

【０１０２】従って、この制御例によれば、冬期等の熱
需要が多い時期には熱電比が大きくなるから、換言すれ
ば燃料利用率が小さくなるから、実際の熱需要が少ない
場合でも熱回収手段２１〜２３によって多量の熱が回収
されて貯湯タンクに高温の熱を多量に蓄えることがで
き、熱需要の急増に対応することが容易になるととも
に、バックアップ用の機器を省くことが可能になる。但
し、貯湯タンク３４の残熱量が多くなると、冬期であっ
ても熱電比を小さくすることができ、省エネルギーに有
利になる。一方、熱需要が少ない時期には上記熱電比が
小さく（燃料利用率が大きく）なるから、発電効率が高
くなり、省エネルギーに有利になる。

【０１０３】−制御例３− 図７に示す制御例は燃料改質手段１４の電力負荷の変動
に対する応答遅れに対策したものである。

【０１０４】すなわち、スタート後のステップＳＢ１に
おいて、電力負荷、貯湯タンクの残熱量を読み込む。続
くステップＳＢ２において、電力負荷及び残熱量に基づ
いて発電量Ｐ(k) 及び熱電比Ｑ(k)／Ｐ(k)を決定する。
(k) は今回読み込んだデータから値を意味し、後に出て
くる(k-1) は前回読み込んだデータからの値を意味す
る。

【０１０５】続くステップＳＢ３において、フラグが
「１」か否かを確認し、ＮＯの場合はステップＳＢ４に
進み、ＹＥＳの場合はステップＳＢ９に進む。このフラ
グは燃料改質手段１４の設定変更の効果が実際に燃料電
池本体１に現れる状態になったか否かを確認するための
ものであり、その設定については後述する。

【０１０６】今が燃料改質手段１４の設定変更の制御が
まだ行なわれていない時であれば、フラグは「０」であ
り、ステップＳＢ３の判別はＮＯになるから、ステップ
ＳＢ４に進み、上記発電量Ｐ(k)及び熱電比Ｑ(k)／Ｐ
(k)に基づいて燃料供給量Ｆ(k)（＝Ｐ(k)＋Ｑ(k)＋α）
を求める。

【０１０７】続くステップＳＢ５において上記燃料供給
量Ｆ(k) が得られるように流量調節弁３５の開度を設定
し、空気ブロア４の回転数を所定のＯ₂ ／Ｃ比（例えば
０．５６）となるように設定しそれぞれ実行する。併せ
て、タイマーＴをリセットして零からカウントを開始す
るとともに、フラグのセット（フラグ＝１）を行なう
（ステップＳＢ６，ＳＢ７）。このタイマーＴは燃料供
給量Ｆ(k) に基づく流量調節弁３５及び空気ブロア４の
制御が実行されてからの経過時間をカウントするもので
ある。

【０１０８】続くステップＳＢ８においてタイマーＴが
所定時間Ｔｏに達しているか否かを確認し、達していな
ければそのままリターンし、達していればフラグを
「０」にしてリターンする（ステップＳＢ８→ＳＢ１
１）。この所定時間Ｔｏは燃料改質手段１４の設定変更
が行なわれてから、その効果が実際に燃料電池本体１に
現れるまでの時間に相当する。

【０１０９】今が燃料改質手段１４の設定変更の制御が
行なわれて直ぐの時であれば、ステップＳＢ８の判別は
ＮＯになり、フラグは「１」にセットされたままである
ため、次にステップＳＢ３に進んだときの判別がＹＥＳ
になってステップＳＢ９に進み燃料利用率ηｆを算出す
る。この算出は燃料供給量の前回値Ｆ(k-1)と発電量の
今回値Ｐ(k)とに基づいて行なわれる。すなわち、ηｆ
＝Ｐ(k)／Ｆ(k-1)である。続くステップＳＢ１０におい
て上記燃料利用率ηｆとなるようにインバーター１６の
出力を調整する。

【０１１０】このように所定時間Ｔｏを経過するまでは
ステップＳＢ９による燃料供給量の前回値Ｆ(k-1) に基
づく燃料利用率ηｆの算出が継続される。所定時間Ｔｏ
を経過すると、ステップＳＢ８の判別がＹＥＳとなって
ステップＳＢ１１に進み、フラグが「０」になるから、
ステップはＳＢ３からＳＢ４に進み、再び燃料供給量Ｆ
(k) の算出及びその制御が行なわれる。

【０１１１】従って、この制御例によれば、電力需要又
は熱需要の変化によって燃料供給量の変更制御が行なわ
れた場合、その変更制御の影響が燃料電池本体１に供給
される改質ガスに現れるようになるまでの所定時間は、
燃料利用率ηｆが変更制御前の燃料供給量に基づいて設
定され実行されることになる。すなわち、燃料供給量制
御の応答遅れを見越して、応答性の良い燃料利用率につ
いては実際に燃料電池本体１に供給されている水素量に
基づいて制御するようにしたものであり、このため、電
力需要の変動に対して確実に追従できることになる。

【０１１２】なお、熱需要が刻一刻と変動する場合に
は、この変動に対して厳密には追従できないことになる
が、熱需要がそのように変動することは少なく、また、
そのような変動があっても、貯湯タンク３４によって吸
収することができる。

【０１１３】＜実施形態４＞本実施形態は図８に示され
ており、空気を加湿器（水蒸気供給源）３９によって加
湿して燃料電池本体１及び燃料改質器５に供給する、つ
まり水蒸気を供給するようにした点が実施形態３と異な
る。加湿器３９としては、例えば水を蒸発させるような
加湿器、或いは排ガス中の水蒸気を凝縮させて蒸発させ
るような加湿器を採用することができる。

【０１１４】従って、本実施形態の場合は、燃料改質器
５の触媒上では原燃料の部分酸化反応が起こって水素と
ＣＯとが生成し、同時に水蒸気の存在によって水性ガス
シフト反応が起こって水素と二酸化炭素とが生成し、水
素の収率が高くなるとともに、ＣＯ濃度が低下する。こ
の水性ガスシフト反応も発熱反応であるから、燃料改質
器５は部分酸化反応と水性ガスシフト反応とによってそ
の触媒が活性を呈する温度に維持され、外部加熱、すな
わち、燃料極３の排ガス燃焼による加熱は不要である。

【０１１５】上記加湿はＨ₂Ｏ ／Ｃ比、すなわち、原燃
料の炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比が０．５
〜３になるように行なわれる。最も好ましいＨ₂Ｏ ／Ｃ
比は１．０である。

【０１１６】また、加湿器３９から燃料電池本体１の空
気極２に供給される水蒸気はこの燃料電池本体１の電解
質膜を濡らし、水素イオンの移動性を高める。

【０１１７】＜実施形態５＞本実施形態は図９に示され
ており、燃料改質器５に供給する原燃料中の硫黄成分を
除去する常温脱硫器４１を設けた点が実施形態４と異な
る。この常温脱硫器４１は、二酸化マンガンを吸着剤と
して詰めたものであり、原燃料中の硫黄成分（メルカプ
タン等）はこの二酸化マンガンに常温で吸着される。

【０１１８】従って、本実施形態によれば、従来の脱硫
器のような水素の供給及び原燃料の加熱は不要となり、
エネルギー効率が高くなるとともに、燃料改質器の起動
性、負荷応答性が向上する。

【０１１９】＜実施形態６＞本実施形態は図１０に示さ
れており、燃料電池本体１及び燃料改質器５に水蒸気を
供給するために、燃料電池本体１の排ガス中の水蒸気を
利用するようにした点が実施形態５と異なる。この利用
のために、本実施形態では、空気極２及び燃料極３の各
排ガス通路１１，１２に水蒸気透過膜を有する水蒸気分
離器４２，４３が設けられている。なお、電圧調節器、
インバーター、電力負荷、制御系及び熱回収系の図示は
省略した。

【０１２０】すなわち、水蒸気分離器４２，４３は、水
蒸気透過膜によって隔てられた除湿側の室４２ａ，４３
ａと加湿側の室４２ｂ，４３ｂとを有する。そうして、
除湿側の室４２ａは、空気極２からの排ガスがその室を
通るように空気極排ガス通路１１に配置され、除湿側の
室４３ａは、燃料極３からの排ガスがその室を通るよう
に燃料極排ガス通路１２に配置されている。一方、加湿
側の室４２ｂは、空気ブロア４から燃料電池本体１の空
気極２へ向かう空気がその室を通るように空気供給通路
１０に配置され、加湿側の室４３ｂは、空気ブロア４か
ら燃料改質器５へ向かう空気がその室を通るように分岐
通路１０ａに配置されている。

【０１２１】従って、この実施形態によれば、例えば水
を蒸発させるような加湿器、或いは排ガス中の水蒸気を
凝縮させて蒸発させるような加湿器は不要となる。

【０１２２】＜実施形態７＞本実施形態は図１１に示さ
れており、空気極２の排ガスから水蒸気を分離する水蒸
気分離器４２の加湿側の室４２ｂを、空気ブロア４から
燃料改質器５へ向かう空気がその室を通るように分岐通
路１０ａに配置し、燃料極３の排ガスから水蒸気を分離
する水蒸気分離器４３の加湿側の室４３ｂを、空気ブロ
ア４から燃料電池本体１の空気極２へ向かう空気がその
室を通るように空気供給通路１０に配置した点が実施形
態６と異なる。なお、電圧調節器、インバーター、電力
負荷、制御系及び熱回収系の図示は省略した。

【０１２３】従って、この実施形態によれば、水蒸気量
が多い空気極２の排ガスを利用して比較的多くの水蒸気
を必要とする燃料改質器５に水蒸気を供給することがで
きることになる。

【０１２４】＜実施形態８＞本実施形態は、図１２に示
されており、燃料電池本体１に空気を供給する空気供給
通路１０に空気流量調節弁４０を設け、この空気流量調
節弁４０を制御手段により空気利用率が５０％以上所定
値、例えば６０％となるように電力負荷に応じて制御す
るようにした点が実施形態７と異なる。なお、電圧調節
器、インバーター、電力負荷、制御系及び熱回収系の図
示は省略した。

【０１２５】従って、本実施形態によれば、空気利用率
が高くなることによって、空気極２の排ガスの残存空気
量が少なくなり、その結果、該排ガスの水蒸気分圧が高
くなって、水蒸気分離器４２の水蒸気透過膜による水蒸
気分離効率が高まり、燃料改質器５に比較的多量の水蒸
気を供給することができるようになる。

【０１２６】図２の例では空気流量調節弁４０により空
気利用率が５０％以上となるように燃料電池本体１に対
する空気供給量を調節するようにしたが、そのような流
量調節弁を設けずに、空気供給通路１０及び分岐通路１
０ａを互いの通路抵抗に差があるものに設計することに
より、当該排ガスの水蒸気分圧を高くし、結果として燃
料改質器５に比較的多量の水蒸気を供給することができ
るようにしてもよい。

【０１２７】＜実施形態９＞本実施形態は図１３に示さ
れており、燃料電池本体１の空気極２の排ガスの一部を
燃料改質器５に供給するようにしたものであり、そのた
めに、空気極排ガス通路１１から分岐して空気供給通路
１０の分岐通路１０ａに接続する還流通路４４を設け、
オフガスバーナー１３に対しては別途空気を供給するよ
うにした点が実施形態７と異なる。なお、電圧調節器、
インバーター、電力負荷、制御系及び熱回収系の図示は
省略した。

【０１２８】従って、燃料改質器５での水性ガスシフト
反応のために水蒸気供給源を別途設ける必要がなくな
り、また、水蒸気の供給に伴う改質器の温度変化を少な
くする上でも有利になる。

【０１２９】なお、空気極２の排ガスの全部を燃料改質
器５に供給するようにしてもよい。また、燃料極３の排
ガスで空気極２に供給する空気を加湿するための水蒸気
分離器４３は設けない場合もある。

【０１３０】＜実施形態１０＞本実施形態は図１４に示
されており、燃料改質器５に空気を供給する空気供給通
路１０の分岐通路１０ａに補助加湿器４５を設け、上記
還流通路４４の下流端を補助加湿器４５よりも上流側に
接続した点が実施形態７と異なる。なお、電圧調節器、
インバーター、電力負荷、制御系及び熱回収系の図示は
省略した。

【０１３１】従って、例えば燃料改質器５に対する燃料
供給量が一時的に増大し、多量の水蒸気を必要とすると
きに補助加湿器４５を作動させて必要量を賄うようにす
ることができる。

【０１３２】＜実施形態１１＞本実施形態は図１５に示
されており、空気供給通路１０から燃料改質器５への分
岐通路をなくし、燃料電池本体１の空気極２の排ガスを
全て燃料改質器５に供給するように排ガス通路１１から
の還流通路４４を燃料改質器５に接続する一方、上記空
気供給通路１０に補助加湿器４５を設けた点が実施形態
７と異なる。これにより、燃料改質器５及び燃料電池本
体１が加湿不足になることを防止することができる。な
お、電圧調節器、インバーター、電力負荷、制御系及び
熱回収系の図示は省略した。

【０１３３】＜実施形態１２＞本実施形態は図１６に示
されており、空気供給通路１０から燃料改質器５への分
岐通路をなくし、燃料電池本体１の空気極２の排ガスを
全て燃料改質器５に供給するように排ガス通路１１から
の還流通路４４を燃料改質器５に接続するとともに、こ
の還流通路５に補助加湿器４５を設けた点が実施形態７
と異なる。これにより、燃料改質器５が加湿不足になる
ことを防止することができる。なお、電圧調節器、イン
バーター、電力負荷、制御系及び熱回収系の図示は省略
した。

【０１３４】＜実施形態１３＞本実施形態は図１７に示
されており、燃料改質手段１４、燃料電池本体１及びオ
フガスバーナー１３の各々に熱回収手段を設けるのでは
なく、これらの機器全てから順に熱回収を行なう熱回収
手段４６を設けた点が実施形態２と異なる。なお、電圧
調節器、インバーター、電力負荷及び制御系の図示は省
略した。

【０１３５】すなわち、熱回収手段４６は、水を媒体と
して熱回収を行なうものであって、燃料電池本体１から
廃熱を熱交換によって回収する第１熱交換部４７、燃料
改質手段１４から廃熱を熱交換によってＣＯ選択酸化器
７、ＣＯ変成器６、燃料改質器５の順で回収する第２熱
交換部４８、及びオフガスバーナー１３から燃焼熱を熱
交換によって回収する第３熱交換部４９を有する冷却水
通路５１、並びに冷却水を循環させるポンプ５２を備
え、燃料電池本体１、燃料改質手段１４、オフガスバー
ナー１３の順で熱を回収するように構成されている。回
収された熱は温水としてタンク３４に蓄えられ、暖房、
給湯に使用される。

【０１３６】従って、本実施形態によれば、熱を効率良
く回収することができ、得られる温水の温度を例えば７
５℃以上の高温にすることが容易になる。

【０１３７】＜実施形態１４＞本実施形態は、図１８及
び図１９に示されており、熱回収手段４６の第２熱交換
部４８がＣＯ選択酸化器７及びＣＯ変成器６のみから熱
を回収するように構成されている点、燃料改質器５に供
給される原燃料を該燃料改質器５の廃熱で予熱する予熱
手段５３を設けた点、ＣＯ変成器６の入口ガス温度を検
出する温度センサ５４を設け、該温度センサ５４で検出
される温度が所定範囲（例えば４００±１０℃）となる
ようにポンプ５２の駆動を制御するようにした点が実施
形態１３と異なる。なお、電圧調節器、インバーター、
電力負荷及び制御系の図示は省略した。

【０１３８】予熱手段５３は、燃料改質器５の下流側の
改質ガス供給通路２０から廃熱を熱交換によって原燃料
に与えるように構成されている。また、ポンプ５２及び
空気ブロア４は直流モータで駆動される回転数可変のも
のであり、且つ燃料電池本体１のインバーター１６で変
換される前の直流で駆動されるものである。

【０１３９】制御のフローは図１９に示されており、ス
タート後のステップＳＣ１においてＣＯ変成器６の入口
ガス温度Ｔを読込み、この温度Ｔが所定の上限温度Ｔ１
よりも高いときにはポンプ５２による水流量を増大させ
る（ステップＳＣ２，ＳＣ３）。上記入口ガス温度Ｔが
所定の下限温度Ｔ２よりも低いときにはポンプ５２によ
る水流量を低減させ（ステップＳＣ４，ＳＣ５）、入口
ガス温度ＴがＴ１〜Ｔ２の範囲にあるときには水流量を
変更することなくリターンさせる。

【０１４０】従って、本実施形態によれば、燃料改質器
５の廃熱で原燃料を予熱することができ、その改質に有
利になる。また、ＣＯ変成器６に導入される改質ガスが
熱回収手段４６の水流量の制御によってこのＣＯ変成に
適切な温度に調整されるから、このＣＯ変成器６による
改質ガス中のＣＯ濃度の低減に有利になるとともに、Ｃ
Ｏ選択酸化器７に導入される改質ガス、燃料電池本体１
に導入される改質ガスもそれぞれ略適正な温度になり、
ＣＯ濃度の低減、発電効率の向上に有利になる。

【０１４１】＜実施形態１５＞本実施形態は、図２０に
示されており、追焚バーナー（補助バーナー）５５を設
けた点、熱回収手段４６にオフガスバーナー１３から熱
を回収した後に追焚バーナー５５から熱を回収する第４
熱交換部５６を設けた点が実施形態１３と異なる。な
お、電圧調節器、インバーター、電力負荷及び制御系の
図示は省略した。

【０１４２】従って、熱需要が急に多くなったときでも
追焚バーナー５５によってこれに対応することができ、
お湯切れを避けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの
構成図。

【図２】燃料電池本体の放電特性を示すグラフ図。

【図３】本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの
構成図。

【図４】本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの
構成図。

【図５】同形態の制御例１を示すフロー図。

【図６】同形態の制御例２を示すフロー図。

【図７】同形態の制御例３を示すフロー図。

【図８】本発明の実施形態４に係る燃料電池システムの
構成図。

【図９】本発明の実施形態５に係る燃料電池システムの
構成図。

【図１０】本発明の実施形態６に係る燃料電池システム
の構成図。

【図１１】本発明の実施形態７に係る燃料電池システム
の構成図。

【図１２】本発明の実施形態８に係る燃料電池システム
の構成図。

【図１３】本発明の実施形態９に係る燃料電池システム
の構成図。

【図１４】本発明の実施形態１０に係る燃料電池システ
ムの構成図。

【図１５】本発明の実施形態１１に係る燃料電池システ
ムの構成図。

【図１６】本発明の実施形態１２に係る燃料電池システ
ムの構成図。

【図１７】本発明の実施形態１３に係る燃料電池システ
ムの構成図。

【図１８】本発明の実施形態１４に係る燃料電池システ
ムの構成図。

【図１９】同形態の制御例を示すフロー図。

【図２０】本発明の実施形態１５に係る燃料電池システ
ムの構成図。

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ２ 空気極 ３ 燃料極 ４ 空気ブロア ５ 燃料改質器 ６ ＣＯ変成器 ７ ＣＯ選択酸化器 ８ 原燃料源 １３ オフガスバーナー １４ 燃料改質手段 １５ 電圧調節器 １６ インバーター ２１〜２３ 熱回収手段 ３４ 貯湯タンク ３５ 原燃料流量調節弁 ３６ 制御手段 ３７ 電力需要検出手段 ３８ 熱需要検出手段 ３９ 加湿器 ４０ 空気流量調節弁 ４１ 常温脱硫器 ４２，４３ 水蒸気分離器 ４２ａ，４３ａ 除湿側の室 ４２ｂ，４３ｂ 加湿側の室 ４４ 還流通路 ４５ 補助加湿器 ４６ 熱回収手段 ５３ 予熱手段 ５４ 温度センサ ５５ 追焚バーナー（補助バーナー）

フロントページの続き (72)発明者 池上 周司 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者 米本 和生 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 AA06 BA01 BA17 DD06 KK41 KK51 MM02 MM04 MM12 MM16 MM27

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化水素類又はアルコール類の原燃料を
   水素を含んだガスに改質する燃料改質手段（１４）と、 上記燃料改質手段（１４）によって改質されたガスを燃
   料として発電する燃料電池本体（１）と、 上記燃料電池本体（１）の燃料極（３）から排出される
   ガスを燃焼させるオフガスバーナー（１３）とを備え、 上記燃料改質手段（１４）は、上記オフガスバーナー
   （１３）から燃焼熱の供給を受けることなく全体として
   は発熱反応である改質反応によって上記原燃料から水素
   を含む改質ガスを生成する改質器（５）を備えているこ
   とを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 炭化水素類又はアルコール類の原燃料を
   水素を含んだガスに改質する燃料改質手段（１４）と、 上記燃料改質手段（１４）によって改質されたガスを燃
   料として発電する燃料電池本体（１）と、 上記燃料電池本体（１）の燃料極（３）から排出される
   ガスを燃焼させるオフガスバーナー（１３）と、 上記燃料改質手段（１４）、燃料電池本体（１）及びオ
   フガスバーナー（１３）から熱回収する熱回収手段（２
   １〜２３，４６）とを備え、 上記燃料電池本体（１）からの電力と上記熱回収手段
   （２１〜２３，４６）による回収熱とを併給するコージ
   ェネレーションの燃料電池システムにおいて、 上記燃料改質手段（１４）は、上記オフガスバーナー
   （１３）から燃焼熱の供給を受けることなく全体として
   は発熱反応である改質反応によって上記原燃料から水素
   を含む改質ガスを生成する改質器（５）を備えているこ
   とを特徴とする燃料電池システム。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載されている
   燃料電池システムにおいて、 上記燃料電池本体（１）が燃料利用率７５％以上で運転
   されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２に記載されている
   燃料電池システムにおいて、 上記燃料電池本体（１）の燃料利用率を調節するために
   上記改質器（５）への原燃料の供給量を調節する手段
   （３５）を備えていることを特徴とする燃料電池システ
   ム。
5. 【請求項５】 請求項２に記載されている燃料電池シス
   テムにおいて、 上記改質器（５）への原燃料の供給量を調節する手段
   （３５）と、 上記燃料電池本体（１）から出力される直流電力を交流
   電力に変換する出力制御可能なインバーター（１６）
   と、 電力需要を検出する手段（３７）と、 熱需要を検出する手段（３８）と、 上記電力需要と熱需要とに基づいて目標とする原燃料供
   給量を求め上記原燃料供給量調節手段（３５）の作動を
   制御するとともに、当該電力需要と熱需要とに対応する
   熱電比となるように上記インバーター（１６）の出力を
   制御する制御手段（３６）とを備えていることを特徴と
   する燃料電池システム。
6. 【請求項６】 請求項２に記載されている燃料電池シス
   テムにおいて、 上記改質器（５）への原燃料の供給量を調節する手段
   （３５）と、 上記燃料電池本体（１）から出力される直流電力を交流
   電力に変換する出力制御可能なインバーター（１６）
   と、 電力需要を検出する手段（３７）と、 熱需要を検出する手段（３８）と、 上記電力需要と熱需要とに基づいて目標とする原燃料供
   給量を求め上記原燃料供給量調節手段（３５）の作動を
   制御する一方、上記インバーター（１６）の出力を現在
   の電力需要に基づいて且つ所定の限界燃料利用率を越え
   ないように制御する制御手段（３６）とを備えているこ
   とを特徴とする燃料電池システム。
7. 【請求項７】 請求項２に記載されている燃料電池シス
   テムにおいて、 上記改質器（５）への原燃料の供給量を調節する手段
   （３５）と、 上記燃料電池本体（１）から出力される直流電力を交流
   電力に変換する出力制御可能なインバーター（１６）
   と、 上記熱回収手段（２１〜２３，４６）によって回収され
   る熱を温水にして蓄える貯湯タンク（３４）と、 現時点の電力需要を検出する手段（３７）と、 季節等に対応させて予め設定されて電子的に格納された
   熱電比データを備え、該熱電比データから読み込まれた
   熱電比と上記現時点の電力需要とに基づいて上記原燃料
   供給調節手段（３５）の作動を制御するとともに、上記
   熱電比が得られるように上記インバーター（１６）の出
   力を制御する制御手段（３６）とを備えていることを特
   徴とする燃料電池システム。
8. 【請求項８】 請求項１又は請求項２に記載されている
   燃料電池システムにおいて、 上記改質器（５）に上記原燃料を供給する原燃料供給源
   （８）と、 上記改質器（５）に酸素を供給する酸素供給源（４）
   と、 上記改質器（５）に水蒸気を供給する水蒸気供給源（３
   ９，４２，４３）とを備え、 上記改質器（５）は、上記原燃料と酸素と水蒸気とを含
   む気体の供給を受け、該原燃料の部分酸化反応によって
   水素を生成するとともに、該部分酸化反応によって副生
   するＣＯと水蒸気との水性ガスシフト反応によって水素
   を生成するものであり、 上記燃料改質手段（１４）は、上記改質器（５）から上
   記燃料電池本体（１）に供給される改質ガス中の残存Ｃ
   Ｏを選択酸化反応によって低減するＣＯ選択酸化器
   （７）を備えていることを特徴とする燃料電池システ
   ム。
9. 【請求項９】 請求項１又は請求項２に記載されている
   燃料電池システムにおいて、 上記原燃料が硫黄成分を含有するものであり、 上記改質器（５）に供給される原燃料中の硫黄成分を常
   温で吸着する吸着剤（４１）を備えていることを特徴と
   する燃料電池システム。
10. 【請求項１０】 請求項１又は請求項２に記載されてい
    る燃料電池システムにおいて、 上記改質器（５）は、ハニカム形状のモノリス担体に改
    質用触媒を担持させてなるハニカム触媒を備えているこ
    とを特徴とする燃料電池システム。
11. 【請求項１１】 請求項８に記載されている燃料電池シ
    ステムにおいて、 上記水蒸気供給源は、上記燃料電池本体（１）より排出
    されるガスから水蒸気透過膜によって水蒸気を分離する
    水蒸気分離器（４２，４３）であることを特徴とする燃
    料電池システム。
12. 【請求項１２】 請求項８に記載されている燃料電池シ
    ステムにおいて、 上記燃料電池本体（１）の空気極（２）より排出される
    ガスから水蒸気透過膜によって水蒸気を分離し、上記改
    質器（５）に供給する第１水蒸気分離器（４２）と、 上記燃料電池本体（１）の燃料極（３）より排出される
    ガスから水蒸気透過膜によって水蒸気を分離し、上記燃
    料電池本体（１）の空気極（２）に供給する第２水蒸気
    分離器（４３）とを備えていることを特徴とする燃料電
    池システム。
13. 【請求項１３】 請求項８に記載されている燃料電池シ
    ステムにおいて、 上記燃料電池本体（１）の空気極（２）から排出される
    水蒸気及び酸素を含むガスを上記改質器（５）に供給す
    る通路（４４）を備えていることを特徴とする燃料電池
    システム。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載されている燃料電池
    システムにおいて、 上記燃料電池本体（１）の燃料極（３）より排出される
    ガスから水蒸気透過膜によって水蒸気を分離し、上記燃
    料電池本体（１）の空気極（２）に供給する水蒸気分離
    器（４３）を備えていることを特徴とする燃料電池シス
    テム。
15. 【請求項１５】 請求項１１乃至請求項１４のいずれか
    一に記載されている燃料電池システムにおいて、 上記燃料電池本体（１）の空気利用率が５０％以上の所
    定値となるように上記燃料電池本体（１）の空気極
    （２）に供給する空気流量を制御する制御手段（３６）
    を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
16. 【請求項１６】 請求項２に記載されている燃料電池シ
    ステムにおいて、 上記熱回収手段（４６）は、上記燃料改質手段（１
    ４）、燃料電池本体（１）及びオフガスバーナー（１
    ３）から水を媒体として燃料電池本体（１）、燃料改質
    手段（１４）、オフガスバーナー（１３）の順で熱回収
    することを特徴とする燃料電池システム。
17. 【請求項１７】 請求項１６に記載されている燃料電池
    システムにおいて、 上記燃料改質手段（１４）は、上記改質器（５）と、該
    改質器（５）から送られる改質ガス中のＣＯを水性ガス
    シフト反応によって低減するＣＯ変成器（６）と、該Ｃ
    Ｏ変成器（６）から送られる改質ガス中の残存ＣＯを選
    択酸化反応によって低減するＣＯ選択酸化器（７）とを
    備え、 上記熱回収手段（４６）は、上記燃料改質手段（１４）
    からの熱回収をＣＯ変成器（６）及びＣＯ選択酸化器
    （７）についてＣＯ選択酸化器（７）、ＣＯ変成器
    （６）の順で行なうものであり、 上記改質器（５）の廃熱を回収して該改質器（５）に供
    給されるガスを予熱する予熱手段（５３）を備えている
    ことを特徴とする燃料電池システム。
18. 【請求項１８】 請求項１７に記載されている燃料電池
    システムにおいて、 上記ＣＯ変成器（６）の入口又は出口のガス温度を検出
    する手段と、 上記検出手段の出力に基づいて上記ガス温度が所定温度
    になるように上記熱回収手段（４６）の水流量を調節す
    る流量調節手段（５２）とを備えていることを特徴とす
    る燃料電池システム。
19. 【請求項１９】 請求項１又は請求項２に記載されてい
    る燃料電池システムにおいて、 上記改質器（５）に原燃料の部分酸化反応のための空気
    を供給する手段（４）と、 上記改質器（５）に対する原燃料の供給量に応じて、該
    原燃料の炭素のモル数に対する酸素のモル数の比Ｏ₂ ／
    Ｃが０．４５以上の所定値になるように上記空気供給手
    段の作動を制御する制御手段（３６）とを備えているこ
    とを特徴とする燃料電池システム。
20. 【請求項２０】 請求項２に記載されている燃料電池シ
    ステムにおいて、 補助バーナー（５５）を備え、 上記熱回収手段（４６）が上記燃料改質手段（１４）、
    燃料電池本体（１）及びオフガスバーナー（１３）から
    熱を回収した後に上記補助バーナー（５５）の燃焼熱を
    回収することを特徴とする燃料電池システム。