JP2001223017A

JP2001223017A - 燃料電池用燃料ガスの生成システム

Info

Publication number: JP2001223017A
Application number: JP2000031501A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Aoyama; 智青山; Satoru Iguchi; 哲井口; Toshihide Nakada; 俊秀中田; Hiromichi Sato; 博道佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2001-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池用の燃料ガス生成システムにおい
て、改質用水蒸気、パージ用水蒸気を効率的に生成す
る。【解決手段】炭化水素化合物を改質して水素リッチな
燃料ガスを生成するシステムを構成する。この際、改質
時における炭素析出を回避するため、部分酸化部１１に
おいて高温下で部分酸化を行い、その後、改質部１６に
おいて水蒸気改質を行う。改質反応で生じた水素は水素
分離膜１８を利用して分離する。分離部２０にパージガ
スとして水蒸気を供給することにより水素分圧を下げ、
水素の分離効率を向上する。改質用水蒸気、パージ用水
蒸気を、部分酸化部１１から排出される高温の生成ガス
と水との熱交換によって生成する。または、その他の高
温部との熱交換、排気されるべき可燃性ガスの燃焼熱を
利用して水蒸気を生成する。こうすることにより廃熱・
廃棄物を有効活用して水蒸気を生成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素化合物か
ら燃料電池に供給される水素ガスを生成する燃料ガス生
成システムに関し、詳しくはその生成工程において水素
を分離する分離機構を有する燃料ガス生成システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】水素イオンを透過する電解質層を挟んで
水素極と酸素極とを備え、陰極（水素極）と陽極（酸素
極）でそれぞれ次の反応式で表される反応を生じさせる
ことによって、起電力を発生する燃料電池が提案されて
いる。陰極（水素極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- 陽極（酸素極）：（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- →
Ｈ₂Ｏ

【０００３】こうした燃料電池を電源として利用するシ
ステムにおいては、水素極側に水素ガスを供給する必要
がある。水素ガスの供給には、燃料として用意されたメ
タノールおよび天然ガスなどの炭化水素化合物から改質
反応により取り出された水素を利用する方法がある。天
然ガスなどの燃料は、次式に示す複数の反応によって段
階的に水素リッチな燃料ガスに分解される。

【０００４】第１段階の反応は、改質反応と呼ばれ、次
式（１）（２）で表される。式（１）の反応を水蒸気改
質、式（２）の反応を部分改質と呼ぶこともある。Ｃ_nＨ_m＋ｎＨ₂Ｏ →ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ₂ …（１）；Ｃ_nＨ_m＋ｎ／２Ｏ₂ →ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ₂ …（２）；改質反応では、一酸化炭素が生成される。

【０００５】第２段階の反応は、改質反応で生成された
一酸化炭素を水蒸気を利用して酸化するとともに水素を
生成する反応である。この反応は、シフト反応と呼ば
れ、次式（３）で表される。ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（３）；

【０００６】このように化学反応を経て生成された水素
を用いる燃料電池システムでは、供給される燃料ガス中
の水素分圧を高めるとともに、燃料ガス中に水素以外の
有害成分が含まれることを回避する目的から、水素を分
離する機構を備えるシステムが提案されている。例え
ば、水素を選択的に透過する水素透過膜を介して水素を
分離する機構を利用したシステムである。水素分離膜は
膜の表面と裏面における水素分圧の差を利用して水素を
分離するため、水素が抽出される側に水素運搬用のガス
（以下、「パージガス」と呼ぶ）を供給すれば、抽出側
の水素分圧が低下し、分離効率を向上することができ
る。パージガスとして、水蒸気を利用する技術として
は、例えば、特許第２９５５０４０号記載の技術が挙げ
られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料ガス生成システムでは、パージガスとしての水蒸気
を効率的に生成するための機構について十分な検討がな
されていなかった。また、炭化水素の原料を改質反応や
シフト反応にも水蒸気が利用されることがあるが、この
ための水蒸気を効率的に生成する機構についても十分な
検討がなされていなかった。通常、水蒸気は蒸発器を利
用して生成することができるが、蒸発器に供給する燃料
を別途用意する必要がある、水蒸気を発生するための水
タンクを別途用意する必要がある、改質用およびパージ
用の水蒸気を大量に発生するためには蒸発器が非常に大
型化するなどの種々の課題があった。これらの原因によ
り、従来の構成では、燃料ガス生成システムの大型化を
招いていた。

【０００８】近年では、燃料電池を車両などに搭載する
ことも検討されている。かかる観点からは、装置の大型
化、複雑化は特に看過し得ない課題と言える。本発明
は、上述の課題を解決するためになされたものであり、
燃料電池用の燃料ガス生成装置において、パージ用およ
び改質用の水蒸気を効率的に発生し、水素の分離効率お
よび燃料ガスの生成効率を向上する技術を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明で
は、炭化水素化合物を原料とする化学的工程により水素
を含有する混合ガスを生成する化学反応部と、一方の面
側を前記混合ガスを供給する混合ガス室、他方の面側を
前記水素が抽出される抽出室として備えられた水素分離
膜を用いて前記混合ガスから水素を分離するための分離
機構とを備え、少なくとも該分離機構によって分離され
た水素を用いて燃料電池に供給する水素リッチな燃料ガ
スを生成する燃料ガス生成システムにおいて、前記化学
反応部で生成されたガスの顕熱、前記燃料電池の排出ガ
スの顕熱、前記燃料電池の廃熱、前記分離機構で水素が
分離された後の未透過ガスの燃焼熱、前記燃料電池の排
出ガスの燃焼熱の少なくとも一部を利用して水蒸気を発
生する水蒸気発生部と、該水蒸気を前記抽出室に導入す
る導入部とを備えるものとした。化学反応部で生成され
たガスには、水素を含む混合ガス、化学反応部から分離
機構に供給され、該分離機構で分離された水素ガス、該
分離機構で水素が分離された残りのガス（以下、「未透
過ガス」と呼ぶ）、が含まれる。なお、水蒸気発生部で
発生された水蒸気は、必ずしも全てが抽出室に導入され
る必要はない。

【００１０】一般に化学反応部での化学反応および燃料
電池の運転は摂氏数百度という高温で行われるため、水
蒸気の発生に活用可能である。通常、前記化学反応部で
生成されたガスの顕熱、前記燃料電池の排出ガスの顕
熱、前記燃料電池の廃熱は、未利用のまま外部に放出さ
れることが多いが、本発明では、これを利用することに
より、効率的に水蒸気を発生することができる。また、
化学反応部では、先に式（１）〜（３）に示した反応が
行われるから未透過ガス中には一酸化炭素などの可燃成
分が含まれる。燃料電池の排出ガス中にも発電に利用さ
れなかった残水素が可燃成分として含まれる。通常、こ
れらのガスは可燃成分を外部に放出可能な状態に処理し
た上で排出されることが多いが、本発明では、この可燃
成分を有効に活用することにより効率的に水蒸気を発生
することができる。

【００１１】また、本発明では、要求される水蒸気の量
が増加する際に、水蒸気発生部で利用する顕熱、廃熱、
燃焼熱の熱量も増加する傾向にある利点がある。例え
ば、燃料ガスが多量に要求された場合を考える。このと
きは、多量に生成された水素を効率的に分離するために
運搬ガスとしての水蒸気も多量に要求されることにな
る。また、水蒸気を利用した改質反応で水素を生成して
いる場合には、改質反応用の水蒸気も多量に要求される
ことになる。一方、多量の水素が生成される場合には、
化学反応部で生成されるガスが有する総熱量も多くな
る。また、燃料電池での発電力も多くなるため、燃料電
池からの廃熱も多くなる。従って、水蒸気の発生に利用
可能な熱量も多くなる。燃料ガスの要求量が減少した場
合には、この逆の現象により、水蒸気の発生に利用可能
な熱量も少なくなる。このように本発明では、水蒸気発
生部で利用可能な熱量が、要求された水蒸気の量と同じ
傾向で増減するため、極端な過不足なく熱を利用可能と
なる利点もある。

【００１２】本発明の水蒸気発生部は、種々の構成を採
ることができ、前記燃料電池の排出ガスの燃焼熱を利用
するユニット、前記未透過ガスの燃焼熱を利用するユニ
ットというように、先に列挙した熱源のいずれか一つを
利用する機構として構成することができる。こうすれ
ば、システムの全体構成を簡略化することができる利点
がある。また、燃焼熱を利用する場合には、システムの
運転を開始した始動当初の昇温性に優れ、運転開始後、
速やかに水蒸気を発生することができる利点がある。

【００１３】一方、本発明の水蒸気発生部は、複数の熱
源を利用する態様で構成することも可能であり、例え
ば、前記化学反応部で生成されたガスの顕熱、前記燃料
電池の廃熱の少なくとも一部と水との熱交換を行う熱交
換部と、前記分離機構で水素が分離された後の未透過ガ
スの燃焼熱、前記燃料電池の排出ガスの燃焼熱の少なく
とも一部を利用して、該熱交換部を経た後の水を更に加
熱する加熱部とを備える構成を採ることができる。こう
すれば、燃焼に先立って熱交換により水の温度を高めて
おくことができるため、燃焼器の小型化を図るととも
に、水蒸気の生成効率を向上することができる。

【００１４】ここで、熱交換部は、前記化学反応部で生
成されるとともに前記分離機構で分離された水素ガスと
の熱交換を行うものとすることも好ましい。一般に化学
反応部で生成された水素ガスは燃料電池の運転温度に比
べて非常に高く、ある程度温度を低下させないと燃料電
池に供給できないことが多い。上記構成により、分離さ
れた水素ガスと水との熱交換を行うものとすれば、水素
ガスの温度を燃料電池への供給に適した温度に低下させ
るとともに、水の温度を上昇させることができ、熱の有
効活用を図ることができる。

【００１５】複数の熱源を利用した態様として、前記水
蒸気発生部は、前記化学反応部で生成されたガスの顕
熱、前記燃料電池の排出ガスの顕熱、前記燃料電池の廃
熱のうち複数を利用し、かつ、該複数の熱交換を温度の
低い順に行って水を加熱する熱交換部を備えるものとす
ることもできる。温度の低い順に熱交換することによ
り、それぞれの熱交換を効率的に行うことができる。熱
交換のみで水蒸気を発生するものとしてもよいし、熱交
換後に燃焼による過熱を行って水蒸気を発生するものと
してもよい。

【００１６】複数の熱源との熱交換を行う具体例を示
す。例えば、燃料電池の排出ガス、および化学反応部の
未透過ガスを利用する場合には、前者の温度の方が低い
のが津状であるから、燃料電池の排出ガスと熱交換を行
った後、未透過ガスとの熱交換を行うことが望ましい。

【００１７】化学反応部が、前記炭化水素を原料として
水蒸気を用いた水素生成を行うユニットである場合に
は、前記水蒸気発生部は、該水素生成に用いられる水蒸
気をも併せて生成するユニットとし、前記導入部は、前
記水蒸気発生部により生成された水蒸気を前記抽出室の
みならず前記化学反応部にも導入可能なユニットとして
もよい。つまり、水蒸気発生部で発生された水蒸気を改
質と水素の抽出の双方に利用する構成である。こうすれ
ば、単一の水蒸気発生部で双方の水蒸気を賄うことがで
き、システム構成が簡略化できる利点がある。

【００１８】これに対し、水素生成用水蒸気と抽出用の
水蒸気とを別個に発生する構成を採ることもできる。つ
まり、前記水蒸気発生部および導入部とは別に、前記化
学反応部で生成されたガスの顕熱、前記燃料電池の廃
熱、前記分離機構で水素が分離された後の未透過ガスの
燃焼熱、前記燃料電池の排出ガスの燃焼熱の少なくとも
一部を利用して前記水素生成に用いるための水蒸気を発
生する水素生成用水蒸気発生部と、該水素生成用水蒸気
発生部により生成された水蒸気を前記化学反応部に導入
する水素生成用水蒸気導入部とを備えるものとすること
もできる。水素生成用水蒸気と抽出用の水蒸気とを別個
に発生するため、それぞれに必要な量を無駄なく生成す
ることができる。

【００１９】水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気とを別
個に発生するシステムにおいて、前記未透過ガスおよび
燃料電池の排出ガスの燃焼熱を利用する場合は、これら
のガスを水蒸気発生部と水素生成用水蒸気発生部に１対
１の関係で供給する構成を採ることもできるが、これら
のガスの少なくとも一方が、前記水蒸気発生部と水素生
成用水蒸気発生部の両者に供給される構成とすることが
望ましい。こうすることにより、未透過ガスおよび排出
ガス内の可燃成分の量にムラが生じた場合でも、それぞ
れ安定して水蒸気を生成することができる。また、水蒸
気発生部と水素生成用水蒸気発生部のそれぞれで利用可
能なガスの量が増えるため、上記ガスを水蒸気発生部と
水素生成用水蒸気発生部とに１対１の関係で供給する場
合に比較して、水蒸気量を制御する際の制御幅を広げる
ことができる。なお、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸
気とを別個に発生するシステムでは、水蒸気発生部と水
素生成用水蒸気発生部とを同じ機構としてもよいし、異
なる機構としてもよい。

【００２０】水素生成用水蒸気発生部としては、熱交換
器を利用した構成、蒸発器を利用した構成など種々の構
成を適用可能であり、一例としてバブラーを備えるもの
とすることもできる。バブラーとは、原料ガスまたは空
気を温水中に通過させることにより、水蒸気を含んだ原
料ガスまたは空気を生成する周知の機構である。バブラ
ーを利用することにより、熱交換器、蒸発器が不要とな
り、コスト低減を図ることができる。この場合、バブラ
ーに原料ガスと空気を混合して通過させる構成を採るも
のとしてもよいし、原料ガスと空気とを個別に通過させ
る構成を採るものとしてもよい。前者によれば、バブラ
ーの構成を簡略化することができる利点がある。後者に
よれば、燃料と空気の混合の割合を、比較的高い応答性
で精度良く制御することができる利点がある。

【００２１】ここで、バブラーは種々の熱源により運転
可能であるが、例えば、前記分離機構で分離された透過
水素を熱源とすることが望ましい。こうすれば、透過水
素の温度を燃料電池への供給に適した温度に低下させる
ことができる。

【００２２】また、バブラーから前記化学反応部に供給
されるガスと、前記化学反応部で生成されたガスとの熱
交換を行う熱交換器を備えるものとしてもよい。こうす
れば、化学反応部に供給されるガスの温度を、化学反応
部の温度により近づけることができ、化学反応部の極端
な温度変動を抑制することができる。また、上記熱交換
を通じて、化学反応部で生成されたガス中に含まれる水
蒸気を凝縮水として回収することができ、水素生成用水
蒸気またはパージ用水蒸気の生成などに有効活用するこ
とが可能となる。

【００２３】バブラーは、前記分離機構で水素が分離さ
れた後の未透過ガスの燃焼熱、前記燃料電池の排出ガス
の燃焼熱の少なくとも一部を熱源とするものとしてもよ
い。燃焼熱は運転開始当初の昇温特性が良いため、これ
を利用することにより、速やかに水蒸気を生成すること
ができる。

【００２４】なお、水素生成用水蒸気の生成にバブラー
を利用する場合には、パージ用水蒸気を生成する水蒸気
発生部を、該バブラーに蓄積された温水を加熱して水蒸
気を発生する機構としてもよい。こうすることにより、
パージ用水蒸気発生のための熱交換器、蒸発器を小型化
することができるとともにバブラーの熱を有効活用する
ことができる。

【００２５】ここでは、水素生成用水蒸気発生部として
バブラーを適用した場合を示したが、パージ用水蒸気を
発生する部位にバブラーを利用することも可能である。
また、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気とを同時に生
成するシステム構成において、水蒸気発生部としてバブ
ラーを適用するものとしてもよい。

【００２６】本発明の燃料ガス生成システムでは、前記
化学反応部に供給される前の原料を、前記分離機構で水
素が分離された後の未透過ガスの燃焼熱、前記燃料電池
の排出ガスの燃焼熱の少なくとも一つを利用して加熱す
る原料加熱部を備えるものとしてもよい。こうすれば、
原料ガスの加熱も効率的に行うことができる。

【００２７】本発明の燃料ガス生成システムにおいて
は、前記燃料電池の水素極の排出ガスを、該燃料電池の
水素極に環流する流路を備えることも好適である。水素
極の排出ガス中には、発電に利用されなかった水素が含
まれるため、これを有効に活用することができる。ま
た、燃料電池から排出されたガスを環流させることによ
り、燃料電池に供給される燃料ガスの温度を燃料電池の
運転温度に比較的容易に近づけることができる利点もあ
る。

【００２８】本発明の燃料ガス生成システムにおいて、
前記化学反応部として前記原料の部分酸化反応を併用し
た改質部とし、前記水蒸気発生部は、前記改質部から排
出されたガスと水との熱交換を行う熱交換部を備えるも
のとすることも望ましい。

【００２９】一般に化学反応部では、炭素析出を防ぐた
めに所定以上の高温状態で反応を行う必要があることが
知られている。改質反応として発熱反応である部分酸化
反応を多く利用した場合、外部からの熱の供給が不要と
なる。従って、上記構成によれば、炭素析出なく燃料ガ
スを生成することができるとともに、部分酸化反応によ
って生じた熱を水蒸気の発生に有効活用することもでき
る。

【００３０】本発明の燃料ガス生成システムでは、水蒸
気生成用の水タンクを備えるものとしてもよいが、前記
燃料電池の生成水を抽出する生成水抽出部を備え、前記
水蒸気発生部は、前記生成水を含む水を用いて水蒸気を
発生するユニットとすることが望ましい。必要な水蒸気
を全て生成水で賄うものである必要はなく、生成水を利
用することにより、水タンクのサイズを低減することが
できる。もちろん、生成水のみならず、パージ用ガスや
未透過ガス中に含まれる水蒸気を凝縮水として回収する
機構を設け、再利用することも望ましい。

【００３１】本発明の燃料ガス生成システムにおいて、
前記化学反応部は、水蒸気を用いた改質反応またはシフ
ト反応を行うユニットである場合には、前記生成水を前
記化学反応部に噴霧する噴霧部を備えるものとしてもよ
い。一般に化学反応部は高温に維持されているから、こ
うすることにより、熱交換器や蒸発器なく改質用、シフ
ト反応用の水蒸気を生成することができる。つまり、シ
ステムの構成を簡略化することができ、コスト低減を図
ることができる。

【００３２】本発明は、上述した燃料ガス生成システム
の他、種々の態様で構成可能である。例えば、上述の燃
料ガス生成システムと、該燃料ガス生成システムで生成
された燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池とを
備える燃料電池システムとして構成してもよい。また、
別の態様として、燃料電池用の燃料ガスを生成するシス
テムにおいて、前記化学反応部で生成されたガスの顕
熱、前記燃料電池の排出ガスの顕熱、前記燃料電池の廃
熱、前記分離機構で水素が分離された後の未透過ガスの
燃焼熱、前記燃料電池の排出ガスの燃焼熱の少なくとも
一部を利用して水蒸気を発生する水蒸気発生方法として
構成してもよいし、こうして発生された水蒸気を利用し
て水素分離を行う水素分離方法として構成することもで
きる。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、実
施例に基づき以下の項目に分けて説明する。Ａ．第１実施例：Ａ１．第１実施例の変形例：Ｂ．第２実施例：Ｃ．第２実施例における変形例：Ｃ１．第２実施例の第１変形例：Ｃ２．第２実施例の第２変形例：Ｃ３．第２実施例の第３変形例：Ｃ４．第２実施例の第４変形例：Ｃ５．第２実施例の第５変形例：Ｃ６．第２実施例の第６変形例：Ｃ７．第２実施例の第７変形例：Ｃ８．第２実施例の第８変形例：Ｃ９．第２実施例の第９変形例：Ｃ１０．第２実施例の第１０変形例：Ｃ１１．第２実施例の第１１変形例：Ｃ１２．第２実施例の第１２変形例：Ｃ１３．第２実施例の第１３変形例：Ｃ１４．第２実施例の第１４変形例：Ｃ１５．第２実施例の第１５変形例：Ｃ１６．第２実施例の第１６変形例：Ｃ１７．第２実施例の第１７変形例：Ｃ１８．第２実施例の第１８変形例：Ｃ１９．第２実施例の第１９変形例：Ｄ．第３実施例：Ｅ．第３実施例における変形例：Ｅ１．第３実施例における第１変形例：Ｅ２．第３実施例における第２変形例：Ｅ３．第３実施例における第３変形例：Ｅ４．第３実施例における第４変形例：Ｅ５．第３実施例における第５変形例：Ｅ６．第３実施例における第６変形例：Ｅ７．第３実施例における第７変形例：Ｅ８．第３実施例における第８変形例：Ｅ９．第３実施例における第９変形例：Ｅ１０．第３実施例における第１０変形例：Ｅ１１．第３実施例における第１１変形例：

【００３４】Ａ．第１実施例：図１は第１実施例として
の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。こ
の燃料電池システムは、原料タンク１０に蓄えられた原
料を、分解して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料ガ
ス生成システムと、生成された燃料ガス中の水素と、空
気中の酸素とを用いた電気化学反応により起電力を得る
燃料電池２８とから構成される。

【００３５】燃料電池２８は、リン酸型や溶融炭酸塩型
など種々のタイプの燃料電池を適用可能であるが、本実
施例では、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子膜
型の燃料電池を適用した。燃料電池２８は、電解質膜、
カソード、アノード、およびセパレータとから構成され
るセルを複数積層して構成されている。電解質膜は、フ
ッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン
伝導性のイオン交換膜である。カソードおよびアノード
は、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成
されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不
透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材
により形成されている。カソードおよびアノードとの間
に燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。酸化ガス
は圧縮した空気が用いられ、燃料ガスは原料タンク１０
に貯蔵された原料から以下に説明する燃料ガス生成シス
テムにより生成される。

【００３６】原料から燃料ガスを生成するための燃料ガ
ス生成システムの概略構成は、次の通りである。原料と
しては、アルコールや炭化水素などが用いられる。原
料、空気、および水または水蒸気は、化学的工程を施す
改質部１１に供給される。改質部１１では、原料ガスに
応じて改質反応を促進する触媒が担持されており部分酸
化反応、即ち、先に式（２）で示した改質反応および水
蒸気改質反応が並行して行われる。ここでは、約７００
〜１０００℃の高温状態で改質反応が行われる。このよ
うに高温下で改質反応を行うことにより、改質時の炭素
析出を抑制することができる利点がある。また、部分酸
化反応は発熱反応であるため、改質部１１を高温状態に
維持するのに適した反応である。

【００３７】改質部１１では、式（２）で示した通り、
水素、一酸化炭素が生成される。これらのガスは、熱交
換器１２を介してシフト部１６に供給される。シフト部
１６では、先に式（１）で示したシフト反応が行われ
る。シフト部１６には、シフト改質を促進するシフト触
媒が担持されている。シフト触媒の例としては、Ｃｕ系
触媒、Ｆｅ系触媒などが知られている。熱交換器１２で
は、図中に一点鎖線で示す通り、改質部１１で生成され
た高温のガスと、燃料電池２８で生成された生成水との
熱交換が行われる。この熱交換によって、高温ガスは、
シフト部１６での反応に適した温度、本実施例では約３
００〜４００℃まで冷却される。これと同時に生成水は
加熱されて水蒸気となる。この水蒸気は、一部がシフト
部１６、残りが後述する分離部２０に供給される。な
お、シフト部１６は、水蒸気改質を行う改質部として構
成することも可能である。この場合は、改質部１１で反
応しなかった原料の改質が可能となる。水蒸気改質を行
う場合に用いられる触媒の例としては貴金属、Ｎｉなど
であり、焼く４００〜８００℃で反応が行われる。

【００３８】本実施例の燃料ガス生成システムには、生
成過程のガスから水素を分離するための機構が設けられ
ている。この機構は、シフト部１６と一体的に構成され
ており、水素分離膜１８をシフト部１６と分離部２０で
挟んだ構成となっている。水素分離膜１８は、パラジウ
ムなどの水素選択透過性を有する金属で構成された膜で
ある。シフト部１６で改質反応によって生成された水素
は、分離部２０との水素分圧差によって水素分離膜１８
を分離部２０側に通過する。水素以外のガスは水素分離
膜１８を通過し得ないため、浄化部２２に供給される。
本実施例では、分離部２０には、熱交換器１２で生成さ
れた水蒸気がパージガスとして供給され、水素の抽出を
助けている。改質反応は平衡反応であり、その反応速度
は、生成物の濃度に影響を受ける。本実施例では、シフ
ト部１６から水素を分離することにより、シフト部１６
の水素濃度を低下させることができるため、改質反応を
促進することができる利点がある。これと同時に燃料ガ
ス中の水素分圧を向上することができる利点もある。

【００３９】図２は分離機構の概略構成を示す説明図で
ある。図中にハッチングを付して示した水素分離膜１８
を挟んで、上方にシフト部１６、下方に分離部２０を示
した。シフト部１６には、図示する方向に原料ガスが供
給され、内部で改質反応が生じる。その過程で生成され
た水素は、逐次、水素分離膜１８を通って分離部２０側
に抽出される。下流側に排出された未透過ガスは、シフ
ト部１６の下流に位置する浄化部２２に供給される。

【００４０】パージガスは、シフト部１６の全圧よりも
分離部２０の全圧が高くなる条件下で加圧して供給して
もよい。但し、パージガスは水蒸気であるため、分離部
２０の水素分圧はシフト部１６よりも低い。このような
圧力条件でパージガスを供給することにより、水素分離
膜１８にピンホールが存在する場合でも、シフト部１６
で発生した一酸化炭素が分離部２０側にリークするのを
抑制することができる。また、このようなピンホールが
存在すると、分離部２０側からシフト部１６側に水蒸気
が通過し、改質反応に供される利点もある。もちろん、
シフト部１６の全圧＞パージガスの全圧という条件でパ
ージガスを供給するものとしても構わない。

【００４１】図２に示す通り、本実施例では、原料ガス
の流れ方向と、パージガスの流れ方向とを対向させるも
のとした。一般に水素分離膜１８での水素透過性能は、
改質ガスの供給面となるシフト部１６側の面と、分離部
２０側の面との水素分圧差に依存する。シフト部１６で
は、下流に行くほどシフト反応が進むため、水素分圧が
高くなる。一方、分離部２０では、上流ほどパージガス
中の水素が低くなる。従って、両者の流れを対向させ、
シフト部１６を流れる原料ガスの下流側と分離部２０を
流れるパージガスの上流側とを近傍に位置させることに
よって、この部位での水素分圧差を非常に大きくするこ
とができる。この結果、水素の分離を効率的に行うこと
が可能となる。シフト部１６は、改質反応を行う改質部
として構成することもでき、この場合も同様の水素分離
効率の向上効果が得られる。

【００４２】図１に戻り、燃料ガス生成システムの概略
構成について引き続き説明する。シフト部１６から分離
部２０に分離された水素は、凝縮器２６で余分の水蒸気
を凝縮水として取りだした後、燃料ガスとして燃料電池
２８に供給される。分離部２０で分離されずに残った未
透過ガスは、シフト部１６から浄化部２２に供給され
る。先に式（１）（２）で示した通り、改質反応では水
素の他に一酸化炭素が生成される。未透過ガスには分離
されずに残った水素の他、一酸化炭素が多く含まれるこ
とになる。浄化部２２は、この未透過ガスを燃焼または
酸化処理して水素を水に、一酸化炭素を二酸化炭素に変
換する。未透過ガスは、浄化部２２で外部環境に悪影響
を与える成分が浄化された後、排気される。

【００４３】本実施例では、さらに、燃料電池２８の水
素極の排出ガス、即ち、アノードオフガスもシフト部１
６に環流させる流路を備えている。アノードオフガスに
は、燃料電池２８での発電反応に利用されなかった水素
が若干とはいえ残留している。また、固体高分子型の燃
料電池では、水素極の加湿が通常行われるため、アノー
ドオフガスには、水蒸気も含まれている。これらのガス
をシフト部１６に環流すれば、水蒸気をシフト反応に利
用することができる利点がある。また、分離膜１８を介
してアノードオフガス中の水素を分離して再び燃料電池
２８に供給することができ、水素を無駄なく利用するこ
とができる利点もある。

【００４４】以上で説明した燃料電池システムによれ
ば、炭素析出を抑制して改質を行いつつ、改質後の高温
ガスが有する熱を有効に活用することができる利点があ
る。一般にガソリンなどの炭化水素系の燃料を改質して
水素を生成する場合、炭素析出を抑制するためには、非
常な高温環境下で改質反応を行う必要があることが知ら
れている。本実施例の燃料電池システムでは、改質反応
を行う化学反応部の一つとして発熱反応を利用した改質
部１１も用いることにより、比較的容易に高温環境下で
の改質を実現することができる。一方、このように高温
環境下で生成された高温ガスは、十分に温度を低下させ
なくては燃料電池２８に供給できない欠点があるが、本
実施例では、高温ガスと生成水との熱交換を行うことに
より、高温ガスの温度低下を行う。改質反応、水蒸気の
抽出に利用する水蒸気を生成することができる。また、
シフト反応ではなく、水蒸気改質を行う場合には、この
水蒸気を用いて改質部１１を通過したガスに対して水蒸
気改質反応を施すことにより、改質部１１で反応しなか
った原料ガスから更に水素を生成することができ、水素
の生成効率を向上することができる。上述の通り、高温
ガスとの熱交換で水蒸気を生成することができるため、
水蒸気の生成機構を簡略化することができ、システム全
体の小型化を図ることができる。

【００４５】Ａ１．第１実施例の変形例：図３は第１実
施例の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示
す説明図である。第１実施例と各ユニット自体の構成は
同一であるが、生成水の供給先、供給方法およびアノー
ドオフガスの供給先が第１実施例と相違する。

【００４６】変形例では、アノードオフガスを分離部２
０にパージガスとして供給する。パージガスによる作用
は、第１実施例と同じである。生成水は図示する通り、
改質部１１、改質部１１から排出された高温ガス中、お
よび分離部２０に供給されるアノードオフガス中にそれ
ぞれ噴霧される。既に説明した通り、改質部１１、高温
ガスはそれぞれ約８００℃であり、分離部２０は約３０
０〜４００℃である。従って、これらの中に噴霧された
生成水は、直ちに蒸発して水蒸気となる。改質部１１お
よび高温ガス中で生成された水蒸気はシフト部１６での
反応に利用され、分離部２０で生成された水蒸気はパー
ジガスの一部として利用される。

【００４７】変形例の燃料電池システムによれば、熱交
換器１２を用いることなく水蒸気を生成することができ
る。従って、システムを更に簡略化するとともに、小型
化を図ることができる。水蒸気を生成する際の気化熱に
よって改質部１１から排出される高温ガスを冷却するこ
ともできる他、第１実施例における利点と同等の利点が
ある。

【００４８】Ｂ．第２実施例：図４は第２実施例として
の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第
１実施例では、改質部１１から排出される高温ガスの熱
を利用して水蒸気を発生する場合を例示した。第２実施
例では、蒸発器によって水蒸気を生成する場合のシステ
ム構成を例示する。

【００４９】この燃料電池システムは、第１実施例と同
様、炭化水素などの原料ガスから改質反応によって水素
を生成するシフト部１６を備える。シフト部１６は、原
料ガス、空気および水蒸気の供給を受けて、先に式
（１）で示した水蒸気改質および部分酸化改質を行う。
これと並行して、シフト反応も一部で生じる。シフト部
１６で生成された水素は水素分離膜１８によって分離さ
れ分離部２０に抽出される。シフト部１６、水素分離膜
１８、分離部２０の各構成は、第１実施例と同様であ
る。分離部２０にはパージガスとして水蒸気が供給され
る。改質およびパージ用の水蒸気の生成については後述
する。

【００５０】分離部２０に抽出された水素は、凝縮器２
６で余剰の水分が凝縮水として除去されるとともに燃料
ガスへの供給に適した温度にまで冷却された後、燃料ガ
スとして燃料電池２８に供給される。燃料電池２８は、
第１実施例と同様、固体高分子型の燃料電池を適用し
た。その他、種々の形式の燃料電池を適用可能であるこ
とは言うまでもない。

【００５１】第２実施例において改質用およびパージ用
水蒸気を生成する構成について説明する。第２実施例で
は、水タンク３０から供給された水を蒸発器３２で気化
させて水蒸気を生成する。蒸発器３２からは、生成され
た水蒸気をシフト部１６，分離部２０にそれぞれ供給す
るための流路が形成されている。第２実施例では、改質
用およびパージ用の水蒸気を単一の蒸発器３２で発生す
るのである。蒸発器３２の加熱は、燃焼器３４により行
う。燃焼器３４には、シフト部１６で生成されたガスの
うち分離部２０に分離されなかった未透過ガス、および
燃料電池２８のアノードオフガスが供給される。未透過
ガスにはシフト部１６で生成された一酸化炭素や原料中
に含まれるメタンなどの炭化水素が可燃成分として含ま
れている。アノードオフガスには発電に利用されなかっ
た残水素が可燃成分として含まれている。燃焼器３４で
はこれらの可燃成分を含むガスを燃焼することにより、
蒸発器３２を加熱することができる。

【００５２】以上で説明した第２実施例の燃料電池シス
テムによれば、アノードオフガスや未透過ガスに含まれ
る可燃成分を有効活用することにより改質用およびパー
ジ用の水蒸気を効率的に生成することができる。未透過
ガスやアノードオフガスのように可燃成分、特に一酸化
炭素を含むガスは、環境への影響や安全性を考慮して可
燃性の成分を不燃性の成分に変換する浄化処理を施した
後、排気されるのが通常である。本実施例では、かかる
浄化処理に伴って発生する熱を水蒸気の発生に利用する
ことにより、水蒸気の効率的な生成を可能としている。

【００５３】第２実施例のシステムは、アノードオフガ
スと未透過ガスの双方を燃焼器３４に供給することによ
り、未透過ガス中の成分を効率的に燃焼し、十分に浄化
することができる利点もある。先に説明した通り、未透
過ガスには可燃成分としてメタンなどの炭化水素が含ま
れているが、一般には、これらの可燃成分は、水素など
に比較して燃焼しにくい性質がある。炭化水素が不完全
燃焼した場合、有害な一酸化炭素が発生することがあ
る。本実施例では、未透過ガスに併せて非常に燃焼しや
すい水素を燃焼器３４に供給することにより、炭化水素
の燃焼を助け、一酸化炭素などの有害な成分が発生する
ことを回避するとともに、未透過ガスの燃焼効率を向上
することができる。

【００５４】本実施例では、単一の蒸発器３２で改質用
およびパージ用の水蒸気を生成する構成を適用してい
る。このため、蒸発器３２の数を低減することができ、
流路構成を簡素化できる利点もある。

【００５５】Ｃ．第２実施例における変形例：第２実施
例では、蒸発器３２、燃焼器３４を用いて水蒸気を発生
する場合を例示した。燃焼熱を利用して水蒸気を発生す
るシステム構成は、これにとどまらず、種々の変形例が
可能である。以下、こうした変形例について説明する。

【００５６】図５は第２実施例における変形例の一覧を
示す説明図である。水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気
を生成する態様を横方向に、水蒸気の生成に用いられる
熱源による分類を縦方向にとって示した。水蒸気を生成
する態様としては、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気
を同時に生成する場合、個別に生成する場合が挙げられ
る。個別に生成する場合においては更に、水素生成用水
蒸気を生成するための蒸発器および燃焼器に個別のガス
を供給する場合、共通のガスを供給する場合が挙げられ
る。

【００５７】水蒸気の生成に用いられる熱源として、こ
こでは最終的に燃焼器で加熱される蒸発器を用いて水蒸
気を生成する場合を例示した。第２実施例では、水を蒸
発器で直接気化させる場合を例示したが、この他、何ら
かの熱源との熱交換により、蒸発器に供給される水の温
度を事前に加熱しておくシステムも考えられる。従っ
て、変形例では、蒸発器での加熱前の熱交換の有無、さ
らに熱交換を行う場合にはその熱源の種類によってシス
テム構成を分類した。

【００５８】以上の分類に従えば、第２実施例に例示し
たシステムは燃焼前の熱交換を伴わないシステムにおい
て、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気を同時に生成す
るシステムという分類になる。この他、燃焼前の熱交換
を伴わないシステムについては、水素生成用水蒸気、パ
ージ用水蒸気を個別に生成するシステムが考えられ、そ
れぞれの蒸発器に個別のガスを供給するシステム（第１
変形例）、共通のガスを供給するシステム（第２変形
例）とが考えられる。

【００５９】また、第２実施例のシステムに対し、蒸発
器への供給前に何らかの熱交換によって水を加熱してお
くシステムが変形例として考えられる。この場合、熱交
換を行う熱源として、燃料電池のオフガス（第３変形
例）、改質部の未透過ガス（第４変形例）、燃料ガス
（第５変形例）、燃料電池の冷却水（第６変形例）など
が考えられる。また、これらの熱源のうち複数との熱交
換を伴うシステムも考えられる（第７変形例〜第９変形
例）。さらに、これらの変形例について、水素生成用水
蒸気とパージ用水蒸気とを個別に生成する各変形例を構
成することができることはもちろんである（図中の○で
示した構成に相当する）。

【００６０】以下、各変形例について説明する。Ｃ１．第２実施例の第１変形例：図６は第２実施例の第
１変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す説
明図である。第１変形例のシステムは、蒸発器での加熱
前における熱交換を伴わず、水素生成用水蒸気とパージ
用水蒸気とを２つの蒸発器で個別に生成するシステムに
おいて、双方の蒸発器に個別のガスを供給するシステム
に相当する。

【００６１】第１変形例としての燃料電池システムは、
水蒸気を生成するための蒸発器、燃焼器を２組有する点
で第２実施例のシステムと相違する。パージ用水蒸気を
生成するための蒸発器３２Ａ、燃焼器３４Ａと、水素生
成用水蒸気を生成するための蒸発器３３，燃焼器３５の
二組である。蒸発器３２Ａで生成された水蒸気は分離部
２０に供給され、蒸発器３３で生成された水蒸気はシフ
ト部１６に供給されるよう流路が構成されている。２つ
の燃焼器３４Ａ、３５には別々の可燃性ガスが供給され
る。ここでは、燃焼器３４Ａには、シフト部１６から排
出される未透過ガスが供給され、燃焼器３５にはアノー
ドオフガスが供給される場合を例示した。もちろん、未
透過ガスを燃焼器３５に供給し、アノードオフガスを燃
焼器３４Ａに供給するものとしても構わない。

【００６２】第１変形例の燃料電池システムによれば、
未透過ガス、アノードオフガスといういわゆる廃棄物を
有効活用して水蒸気を生成することができる点で第２実
施例と同様の利点を有している。第１変形例の燃料電池
システムでは、蒸発器、燃焼器が二組必要であるもの
の、これによって、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気
の量をそれぞれ精度良く制御することが可能となる利点
がある。空気の混合比率などの燃焼条件を、各燃焼部に
供給されるガスの種類、可燃成分の含有量などに応じて
個別に制御することができ、各燃焼器の燃焼効率を向上
しやすいという利点もある。

【００６３】Ｃ２．第２実施例の第２変形例：図７は第
２実施例の第２変形例としての燃料電池システムの概略
構成を示す説明図である。第２変形例のシステムは、蒸
発器での加熱前における熱交換を伴わず、水素生成用水
蒸気とパージ用水蒸気とを２つの蒸発器で個別に生成す
るシステムにおいて、双方の蒸発器に共通のガスを供給
するシステムに相当する。

【００６４】第２変形例の各構成要素は、第１変形例と
同じである。蒸発器および燃焼器を二組備える点でも第
１変形例と共通である。第２変形例では、２つの燃焼器
３４Ａ、３５に可燃性のガスを供給する流路構成が第１
変形例と相違する。第２変形例では、シフト部１６から
排出される未透過ガス、燃料電池２８のアノードオフガ
スのそれぞれが燃焼器３４Ａ，３５の双方に供給される
よう流路が構成されている。

【００６５】第２変形例の燃料電池システムによれば、
第１変形例と同様の利点に加えて、水素生成用水蒸気、
パージ用水蒸気の量の制御範囲が広くなる利点を有して
いる。水素生成用水蒸気の量を一定に保ちつつ、パージ
用水蒸気の量を制御する場合を例にとって説明する。パ
ージ用水蒸気を大量に発生するためには、燃焼器３４Ａ
への可燃性ガスの供給量を増大し、加熱量を増大する必
要がある。ここで、第２変形例では、燃焼器３４Ａに未
透過ガス、アノードオフガスの２種類が供給されてい
る。従って、水素生成用水蒸気を発生するために必要と
されるアノードオフガスの量に対し、実際に供給可能な
アノードオフガスの量に余裕がある場合には、余剰のア
ノードオフガスをパージ用水蒸気の生成に利用すること
ができる。これに対し、第１変形例のように燃焼器３４
Ａには未透過ガスのみを供給するシステム構成を採った
場合には、未透過ガスの最大供給量の範囲でパージ用水
蒸気の生成量が制限されることになる。このように第２
変形例では、水素生成用水蒸気、パージ用水蒸気の要求
量に応じて、燃焼器３４Ａ，３５に供給される可燃性ガ
スの供給量を幅広く制御することができる。

【００６６】Ｃ３．第２実施例の第３変形例：図８は第
２実施例の第３変形例としての燃料電池システムの概略
構成を示す説明図である。第３変形例のシステムは、蒸
発器での加熱前に燃料電池のオフガスとの熱交換を伴う
とともに、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気とを一つ
の蒸発器で同時に生成するシステムに相当する。

【００６７】第３変形例は、熱交換器４０を備える点を
除いて、第２実施例とほぼ同じシステム構成である。水
蒸気を生成するための蒸発器３２，燃焼器３４は第２実
施例と同様、一組だけ備えられている。蒸発器３２で生
成された水蒸気は、シフト部１６および分離部２０にそ
れぞれ供給される。

【００６８】熱交換器４０では、水タンク３０の水と燃
料電池２８のアノードオフガスとの熱交換が行われる。
燃料電池２８の運転温度は数百℃であるため、この顕熱
を利用して水を加熱することができる。加熱された水は
蒸発器３２に供給され、気化されて水蒸気が発生する。
熱交換された後のアノードオフガスは、第２実施例と同
様、燃焼器３４に供給される。燃焼器３４には、第２実
施例と同様、未透過ガスも供給される。熱交換器４０で
アノードオフガスは冷却されるため、その中に含まれて
いる水蒸気は凝縮水として抽出される。この凝縮水は水
タンク３０に供給され、水蒸気発生に利用される。

【００６９】第３変形例の燃料電池システムによれば、
第２実施例における利点に加えて、熱効率を向上するこ
とができる利点がある。燃料電池２８のオフガスが有す
る顕熱は通常、廃熱として外部に放出されてしまうが、
第３変形例では、この顕熱を水蒸気の発生に有効活用す
ることができる。この結果、第３変形例では、蒸発器３
２での加熱量を低減することができるため、蒸発器３
２，燃焼器３４を小型化することができ、システム全体
の小型化を図ることができる。

【００７０】なお、ここでは、アノードオフガスと熱交
換するものとして説明したが、カソードオフガスと熱交
換するものとしてもよい。燃料電池２８において、カソ
ードオフガス中には発電時の反応によって生成された生
成水が含有されているため、カソードオフガスと熱交換
するものとすれば、より多くの水蒸気を凝縮水として抽
出することができる利点がある。この場合でも、燃焼器
３４には可燃性成分を含むアノードオフガスを供給する
必要がある。カソードオフガスと水との熱交換を行うシ
ステムにおいては、アノードオフガスを熱交換器４０を
経て燃焼器３４に供給するものとしてもよいし、熱交換
器４０を経ないで供給するものとしてもよい。

【００７１】第３変形例において、蒸発器、燃焼器およ
び可燃性ガスを供給する流路の構成として第１変形例、
第２変形例に準じた構成を適用することも可能である。

【００７２】Ｃ４．第２実施例の第４変形例：図９は第
２実施例の第４変形例としての燃料電池システムの概略
構成を示す説明図である。第４変形例のシステムは、蒸
発器での加熱前に未透過ガスとの熱交換を伴うととも
に、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気とを一つの蒸発
器で同時に生成するシステムに相当する。

【００７３】第４変形例は、熱交換器４１を備える点を
除いて、第２実施例とほぼ同じシステム構成である。水
蒸気を生成するための蒸発器３２，燃焼器３４は第２実
施例と同様、一組だけ備えられている。蒸発器３２で生
成された水蒸気は、シフト部１６および分離部２０にそ
れぞれ供給される。

【００７４】熱交換器４１では、水タンク３０の水と未
透過ガスとの熱交換が行われる。改質反応は訳３００〜
４００℃で行われ、未透過ガスも同程度の高温ガスであ
るため、この顕熱を利用して水を加熱することができ
る。こうして加熱された水が蒸発器３２に供給され、気
化されて水蒸気が生成される。燃焼器３４には、第２実
施例と同様、燃料電池２８のアノードオフガスおよび未
透過ガスが供給される。熱交換器４１で未透過ガスは冷
却されるため、その中に含まれている水蒸気は凝縮水と
して抽出される。この凝縮水は水タンク３０に供給さ
れ、水蒸気発生に利用される。

【００７５】第４変形例の燃料電池システムによれば、
第３変形例と同様、未透過ガスの顕熱を有効活用するこ
とにより、熱効率を向上することができる利点がある。
この結果、第４変形例では、蒸発器３２での加熱量を低
減することができるため、蒸発器３２，燃焼器３４を小
型化することができ、システム全体の小型化を図ること
ができる。

【００７６】第４変形例において、蒸発器、燃焼器およ
び可燃性ガスを供給する流路の構成として第１変形例、
第２変形例に準じた構成を適用することも可能である。

【００７７】Ｃ５．第２実施例の第５変形例：図１０は
第２実施例の第５変形例としての燃料電池システムの概
略構成を示す説明図である。第５変形例のシステムは、
蒸発器での加熱前に燃料ガスとの熱交換を伴うととも
に、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気とを一つの蒸発
器で同時に生成するシステムに相当する。

【００７８】第５変形例は、熱交換器４２を備える点を
除いて、第２実施例とほぼ同じシステム構成である。水
蒸気を生成するための蒸発器３２，燃焼器３４は第２実
施例と同様、一組だけ備えられている。蒸発器３２で生
成された水蒸気は、シフト部１６および分離部２０にそ
れぞれ供給される。

【００７９】熱交換器４２では、水タンク３０の水と分
離部２０に抽出された水素ガス、即ち、燃料ガスとの熱
交換が行われる。改質反応は約４００〜７００℃で行わ
れ、分離された燃料ガスも同程度の高温ガスであるた
め、この顕熱を利用して水を加熱することができる。こ
うして加熱された水が蒸発器３２に供給され、気化され
て水蒸気が生成される。燃焼器３４には、第２実施例と
同様、燃料電池２８のアノードオフガスおよび未透過ガ
スが供給される。熱交換器４２で燃料ガスは冷却される
ため、その中に含まれている水蒸気は凝縮水として抽出
される。この凝縮水は水タンク３０に供給され、水蒸気
発生に利用される。

【００８０】第５変形例の燃料電池システムによれば、
第４変形例と同様、燃料ガスの顕熱を有効活用すること
により、熱効率を向上することができる利点がある。固
体高分子型の燃料電池２８は運転温度が８０℃程度であ
るため、約４００〜７００℃で生成された燃料ガスを、
燃料電池２８の運転温度近くまで冷却することもでき
る。つまり、冷却の必要性がある燃料ガスの熱を利用し
て水を加熱する点で非常に効率的に水蒸気を生成するこ
とができる。第５変形例では、蒸発器３２での加熱量を
低減することができるため、蒸発器３２，燃焼器３４を
小型化することができ、システム全体の小型化を図るこ
とができる。

【００８１】第５変形例において、蒸発器、燃焼器およ
び可燃性ガスを供給する流路の構成として第１変形例、
第２変形例に準じた構成を適用することも可能である。

【００８２】Ｃ６．第２実施例の第６変形例：図１１は
第２実施例の第６変形例としての燃料電池システムの概
略構成を示す説明図である。第６変形例のシステムは、
蒸発器での加熱前に燃料電池の冷却水との熱交換を伴う
とともに、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸気とを一つ
の蒸発器で同時に生成するシステムに相当する。

【００８３】第６変形例は、熱交換器４３を備える点を
除いて、第２実施例とほぼ同じシステム構成である。水
蒸気を生成するための蒸発器３２，燃焼器３４は第２実
施例と同様、一組だけ備えられている。蒸発器３２で生
成された水蒸気は、シフト部１６および分離部２０にそ
れぞれ供給される。

【００８４】熱交換器４３では、水タンク３０の水と燃
料電池２８の冷却水との熱交換が行われる。燃料電池２
８は８０℃程度で運転され、冷却水も相当高温となって
いるため、この熱を利用して水を加熱することができ
る。こうして加熱された水が蒸発器３２に供給され、気
化されて水蒸気が生成される。燃焼器３４には、第２実
施例と同様、燃料電池２８のアノードオフガスおよび未
透過ガスが供給される。

【００８５】第６変形例の燃料電池システムによれば、
燃料電池２８の廃熱を有効活用して水蒸気を生成するた
め、熱効率を向上することができる利点がある。この結
果、第６変形例では、蒸発器３２での加熱量を低減する
ことができるため、蒸発器３２，燃焼器３４を小型化す
ることができ、システム全体の小型化を図ることができ
る。

【００８６】ここでは冷却水との熱交換を伴う場合を例
示したが、燃料電池２８の廃熱を利用して水を加熱した
後、蒸発器３２に供給する種々の構成が適用可能であ
る。例えば、水タンク３０からの水を利用して燃料電池
２８を冷却し、その冷却水を直接蒸発器３２に供給する
構成を採ってもよい。なお、第６変形例において、蒸発
器、燃焼器および可燃性ガスを供給する流路の構成とし
て第１変形例、第２変形例に準じた構成を適用すること
も可能である。

【００８７】Ｃ７．第２実施例の第７変形例：図１２は
第２実施例の第７変形例としての燃料電池システムの概
略構成を示す説明図である。第７変形例のシステムは、
蒸発器での加熱前に燃料電池のオフガスおよび未透過ガ
スとの熱交換を伴うとともに、水素生成用水蒸気とパー
ジ用水蒸気とを一つの蒸発器で同時に生成するシステム
に相当する。

【００８８】第７変形例は、熱交換器４０、４１を備え
る点を除いて、第２実施例とほぼ同じシステム構成であ
る。水蒸気を生成するための蒸発器３２，燃焼器３４は
第２実施例と同様、一組だけ備えられている。蒸発器３
２で生成された水蒸気は、シフト部１６および分離部２
０にそれぞれ供給される。

【００８９】熱交換器４０では、第３の変形例と同様、
水タンク３０の水と燃料電池２８のアノードオフガスと
の熱交換が行われる。熱交換器４１では、第４変形例と
同様、未透過ガスとの熱交換が行われる。これらの熱交
換器４０，４１を経た後、水は蒸発器３２に供給され、
気化されて水蒸気が発生する。これらの熱交換器４０，
４１で抽出された凝縮水は、第３変形例および第４変形
例と同様、水タンク３０に供給され、水蒸気の生成に利
用される。

【００９０】蒸発器３２への供給前に２段階の熱交換に
より水を加熱するとともに、熱交換は熱源の温度が低い
順に行われる点が第７変形例の特徴である。固体高分子
型の燃料電池においては、燃料電池２８のオフガスの温
度の方が未透過ガスの温度よりも低い。従って、オフガ
ス、未透過ガスの順に水との熱交換を行うことにより、
それぞれの熱交換を効率的に行うことができ、オフガス
および未透過ガスの顕熱を有効活用することができる。
このように第７変形例の燃料電池システムによれば、水
蒸気の生成効率を更に向上することができる利点があ
る。また、蒸発器３２，燃焼器３４を更に小型化するこ
とができ、システム全体の小型化を図ることができる。

【００９１】第７変形例において、蒸発器、燃焼器およ
び可燃性ガスを供給する流路の構成として第１変形例、
第２変形例に準じた構成を適用することも可能である。

【００９２】Ｃ８．第２実施例の第８変形例：図１３は
第２実施例の第８変形例としての燃料電池システムの概
略構成を示す説明図である。第８変形例のシステムは、
蒸発器での加熱前に燃料電池のオフガスおよび燃料ガス
との熱交換を伴うとともに、水素生成用水蒸気とパージ
用水蒸気とを一つの蒸発器で同時に生成するシステムに
相当する。

【００９３】第８変形例は、熱交換器４０、４２を備え
る点を除いて、第２実施例とほぼ同じシステム構成であ
る。水蒸気を生成するための蒸発器３２，燃焼器３４は
第２実施例と同様、一組だけ備えられている。蒸発器３
２で生成された水蒸気は、シフト部１６および分離部２
０にそれぞれ供給される。

【００９４】熱交換器４０では、第３の変形例と同様、
水タンク３０の水と燃料電池２８のアノードオフガスと
の熱交換が行われる。熱交換器４２では、第５変形例と
同様、燃料ガスとの熱交換が行われる。これらの熱交換
器４０，４２を経た後、水は蒸発器３２に供給され、気
化されて水蒸気が発生する。これらの熱交換器４０，４
２で抽出された凝縮水は、第３変形例および第５変形例
と同様、水タンク３０に供給され、水蒸気の生成に利用
される。また、二つの熱交換器４０，４２における熱交
換は、第７変形例と同様、熱源の温度が低い順に行われ
る。第８変形例では、アノードオフガス、燃料ガスの順
に熱交換が行われる。

【００９５】第８変形例の燃料電池システムによれば、
アノードオフガス、燃料ガスの熱を有効活用して効率的
に水蒸気を生成することができる。第５変形例と同様、
燃料ガスの温度を燃料電池の運転温度に近づけることも
できる利点もある。第７変形例と同様、２つの熱交換器
を有することにより、熱をより有効活用できるととも
に、熱源の温度が低い順に熱交換することにより、効率
的に熱交換をすることができる利点もある。この結果、
第８変形例のシステムでは、蒸発器３２，燃焼器３４を
更に小型化することができ、システム全体の小型化を図
ることができる。

【００９６】第８変形例において、蒸発器、燃焼器およ
び可燃性ガスを供給する流路の構成として第１変形例、
第２変形例に準じた構成を適用することも可能である。
第７変形例および第８変形例に示した以外に、未透過ガ
スおよび燃料ガスとの熱交換を行う場合、燃料電池の冷
却水と未透過ガス、または燃料ガスとの熱交換を行う場
合など、顕熱を利用可能な２つの熱源を種々の組み合わ
せで熱交換に利用することが可能である。

【００９７】Ｃ９．第２実施例の第９変形例：図１４は
第２実施例の第９変形例としての燃料電池システムの概
略構成を示す説明図である。第９変形例のシステムは、
蒸発器での加熱前に燃料電池のオフガス、燃料ガス、お
よび未透過ガスとの熱交換を伴うとともに、水素生成用
水蒸気とパージ用水蒸気とを一つの蒸発器で同時に生成
するシステムに相当する。

【００９８】第９変形例は、熱交換器４０，４１，４２
を備える点を除いて、第２実施例とほぼ同じシステム構
成である。水蒸気を生成するための蒸発器３２，燃焼器
３４は第２実施例と同様、一組だけ備えられている。蒸
発器３２で生成された水蒸気は、シフト部１６および分
離部２０にそれぞれ供給される。

【００９９】熱交換器４０では、第３の変形例と同様、
水タンク３０の水と燃料電池２８のアノードオフガスと
の熱交換が行われる。熱交換器４２では、第５変形例と
同様、燃料ガスとの熱交換が行われる。熱交換器４１で
は、第４変形例と同様、未透過ガスとの熱交換が行われ
る。これらの熱交換器４０，４１，４２を経た後、水は
蒸発器３２に供給され、気化されて水蒸気が発生する。
これらの熱交換器４０，４１，４２で抽出された凝縮水
は、第３ないし第５変形例と同様、水タンク３０に供給
され、水蒸気の生成に利用される。

【０１００】熱交換器４０，４１，４２における熱交換
は、第７および８変形例と同様、熱源の温度が低い順に
行われる。第９変形例では、アノードオフガス、燃料ガ
ス、未透過ガスの順に熱交換が行われる。燃料ガスと未
透過ガスとは、ともにシフト部１６で生成されるため、
同程度の温度ではあるが、燃料ガスはパージ用の水蒸気
を供給して抽出されるため、未透過ガスよりも若干温度
が低い。従って、未透過ガスよりも先に燃料ガスとの熱
交換を行う方が効率が良い。また、燃料ガスの冷却とい
う観点からも燃料ガスとの熱交換を未透過ガスよりも先
に行う方が好ましい。先に説明した通り、燃料ガスは燃
料電池２８の運転温度に近づけるため、冷却する必要が
ある。第９変形例では、熱交換器４２で燃料ガスの冷却
を行うのであるが、熱交換の対象となる水の温度が低い
方が冷却効率が高くなるのは当然である。かかる観点か
ら、未透過ガスとの熱交換による水の温度上昇を避ける
ため、未透過ガスよりも燃料ガスを先に熱交換する方が
好ましい。

【０１０１】第９変形例の燃料電池システムによれば、
アノードオフガス、燃料ガス、未透過ガスの熱を有効活
用して効率的に水蒸気を生成することができる。それぞ
れ第３変形例ないし第５変形例で説明した利点もある。
熱源の温度が低い順に熱交換することにより、効率的に
熱交換をすることができる利点もある。この結果、第９
変形例のシステムでは、蒸発器３２，燃焼器３４を更に
小型化することができ、システム全体の小型化を図るこ
とができる。

【０１０２】第９変形例において、蒸発器、燃焼器およ
び可燃性ガスを供給する流路の構成として第１変形例、
第２変形例に準じた構成を適用することも可能である。
第９変形例に加えて、燃料電池の冷却水との熱交換を行
うものとしてもよい。

【０１０３】第３変形例ないし第９変形例では、蒸発器
での加熱に先立って熱交換により水を加熱するシステム
構成を例示した。これらのシステムにおいて熱交換のみ
で十分に水蒸気を生成可能である場合には、蒸発器を省
略しても構わない。なお、第３ないし第９変形例に示し
たシステム構成は、例示に過ぎない。熱交換の効率を若
干、犠牲にしても構わない場合には、上述の例示と異な
る順序で熱交換するものとしても差し支えない。

【０１０４】Ｃ１０．第２実施例の第１０変形例：以上
で説明した種々の変形例では、シフト部１６、分離膜１
８、分離部２０の構成および未透過ガス、アノードオフ
ガスを燃焼器に供給する流路構成がほぼ共通していた。
これらの構成要素について様々な変形例を適用した燃料
電池システムを構成することも可能である。以下、最初
に上記構成のバリエーションの分類について概要を説明
した後、各システム構成を第１０ないし第１９変形例と
して説明する。なお、水素生成用水蒸気とパージ用水蒸
気とを個別の蒸発器で生成する構成を基本構成として変
形例を説明する。

【０１０５】図１５は第１０ないし第１９変形例の燃料
電池システムの一覧を示す説明図である。上述の通り、
ここでは改質部近傍の構成、および未透過ガス、アノー
ドオフガスの流路構成、即ち、これらのガスの供給先を
観点として分類した。図示する通り、改質部近傍の構成
としては、大きく分けて２つの構成が考えられる。即
ち、改質部と分離部とが一体的に構成されている場合
と、改質部と分離部とが独立のユニットとして構成され
ている場合である。先に説明した第２実施例および第１
〜第９変形例は、シフト部１６、分離膜１８、分離部２
０が一体的に構成されている場合に相当する。

【０１０６】一方、未透過ガスの供給態様としては、凝
縮器を経て燃焼系に供給される場合、凝縮器を経ること
なく直接燃焼系に供給される場合、燃料ガスに合流され
る場合の３つが考えられる。燃焼系とは、蒸発器に備え
られた燃焼器および改質部を加熱するための燃焼器など
の総称である。アノードオフガスの供給態様としては、
燃焼系に供給される場合、燃料ガスに環流される場合、
改質部に供給される場合が考えられる。なお、第１０〜
第１９変形例では、これらの複数の燃焼器に共通のガス
を供給する場合を例示するが、先に第１変形例で示した
ように各燃焼器に個別のガスを供給する態様を採ること
も可能である。従って、実際には未透過ガスおよびアノ
ードオフガスをいずれの燃焼器に供給するかによって、
更に多様なシステム構成が可能である。以下、第１０〜
第１９変形例の各システム構成について具体的に説明す
る。

【０１０７】図１６は第２実施例の第１０変形例として
の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。分
離部が一体的に構成された場合において、未透過ガスは
凝縮器を経て燃焼系に供給され、アノードオフガスも燃
焼系に供給されるシステム構成に相当する。

【０１０８】第１０変形例の燃料電池システムは、原料
タンク１０に蓄えられた炭化水素系の原料、および水タ
ンク３０に蓄えられた水を蒸発器３３で気化させた後、
シフト部１６に供給する。シフト部１６では、水蒸気改
質反応が行われる。生成された水素は、水素を選択的に
透過する分離膜１８で分離され、分離部２０に抽出され
る。分離部２０には水タンク３０の水を用いて蒸発器３
２Ａで生成された水蒸気がパージ用ガスとして供給され
ている。シフト部１６、分離膜１８、分離部２０の構成
は、第２実施例と同じである。なお、シフト部１６の温
度を反応に適した温度に維持するために、シフト部１６
には燃焼部１４が隣接して備えられている。第２実施
例、第１〜第９変形例では改質部の改質反応は、部分酸
化改質と水蒸気改質反応の２つを行い、外部加熱を必要
としない場合で示した。これに対し、第１０変形例で
は、水蒸気改質のみを行う場合で示した。つまり、改質
部の加熱用に燃焼部１４を備えている場合を例示した。

【０１０９】分離部２０に抽出された水素は、第２実施
例と同様、凝縮器２６で余分な水蒸気が凝縮水として抽
出された後、燃料電池２８に供給される。抽出された凝
縮水は水タンク３０に供給され、水素生成用水蒸気およ
びパージ用水蒸気の生成に利用される。

【０１１０】シフト部１６で分離されずに残った未透過
ガスは、燃料電池２８から排出されるアノードオフガス
とともに凝縮器１７で含有されている水蒸気が凝縮水と
して抽出された後、燃焼系、即ち、蒸発器３３，３２Ａ
に隣接して設けられている燃焼器および燃焼部１４に供
給される。凝縮器１７で抽出された凝縮水は、水タンク
３０に供給される。

【０１１１】第１０変形例の燃料電池システムによれ
ば、未透過ガスおよびアノードオフガスを利用して効率
的に水素生成用水蒸気、パージ用水蒸気の生成およびシ
フト部１６の加熱を行うことができる。即ち、先に説明
した第２変形例と同等の利点を有している。蒸発器３３
では原料も併せて加熱・気化するため、第１０変形例の
システムでは、原料の加熱も効率的の行うことができ
る。かかる利点に加えて、第１０変形例では、未透過ガ
スについて凝縮器１７を経た後に燃焼系に供給するた
め、未透過ガスなかの水蒸気を凝縮水として抽出し、水
素生成用水蒸気およびパージ用水蒸気の生成に有効活用
することができる利点もある。このため、第１０変形例
の燃料電池システムでは、水タンク３０の容量をより小
型化でき、システム全体の小型化を図ることができる利
点がある。なお、第１０変形例では、アノードオフガ
ス、カソードオフガスについても凝縮器を設け、凝縮水
を抽出する構成を採ることも望ましい。

【０１１２】Ｃ１１．第２実施例の第１１変形例：図１
７は第２実施例の第１１変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が一体的に構
成された場合において、未透過ガスは凝縮器を経て燃焼
系に供給され、アノードオフガスは燃料ガスに環流され
るシステム構成に相当する。

【０１１３】第１１変形例の燃料電池システムの構成
は、アノードオフガスの供給先を除いて第１０変形例の
燃料電池システムの構成と同じである。第１１変形例の
システム構成は、アノードオフガスを燃焼系ではなく、
燃料ガスに環流する点で第１０変形例のシステム構成と
相違する。

【０１１４】アノードオフガスには、既に説明した通
り、燃料電池２８での発電反応に利用されなかった残水
素が残っている。第１１変形例のシステム構成によれ
ば、アノードオフガスを燃料ガスに環流することによ
り、残水素を再び燃料電池２８に供給することができ、
水素を有効活用することができる。第１１変形例のシス
テムは、燃料ガスの温度を燃料電池２８の運転温度に比
較的容易に近づけることができる利点もある。分離部２
０に抽出された燃料ガスは、かなりの高温状態にあるた
め、燃料電池２８に供給する前に冷却する必要がある
が、燃料電池２８から排出されたオフガス、即ち、燃料
電池２８の運転温度に近い温度にあるガスを混合するこ
とにより、燃料ガスの温度を燃料電池２８の運転温度に
近づけることができる。第１１変形例のシステム構成で
は、燃料ガスの温度が十分に低減できない場合を考え
て、凝縮器２６を設けたが、アノードオフガスの混合に
よって十分に冷却可能である場合には、凝縮器２６を省
略したシステム構成も可能である。

【０１１５】なお、第１１変形例では、図示の都合上、
アノードに供給されたガスは一切排出されないかのよう
な構成となっているが、実際にはアノード側の圧力の過
度な上昇を回避するため、水素分離膜を通過させること
によって水素のみを燃料ガスに環流する構成や、所定以
上の圧力で開くバルブを設けた構成を適用することはい
うまでもない。

【０１１６】Ｃ１２．第２実施例の第１２変形例：図１
８は第２実施例の第１２変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が一体的に構
成された場合において、未透過ガスは凝縮器を経て燃焼
系に供給され、アノードオフガスは改質部に供給される
システム構成に相当する。

【０１１７】第１２変形例の燃料電池システムの構成
は、アノードオフガスの供給先を除いて第１０変形例の
燃料電池システムの構成と同じである。第１２変形例の
システム構成は、アノードオフガスを燃焼系ではなく、
シフト部１６に供給する点で第１０変形例のシステム構
成と相違する。

【０１１８】アノードオフガス中には発電に利用されな
かった残水素および水蒸気が含まれている。アノードオ
フガスをシフト部１６に供給すれば、残水素を分離膜１
８で分離して再び燃料電池２８に供給することができ
る。また、アノードオフガス中に含まれる水蒸気を改質
反応に有効活用することができる。このように第１２変
形例のシステム構成によれば、アノードオフガスの成分
を有効に活用し、燃料ガスの生成および利用の効率を向
上することができる。

【０１１９】Ｃ１３．第２実施例の第１３変形例：図１
９は第２実施例の第１３変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が一体的に構
成された場合において、未透過ガスは凝縮器を経ずに直
接燃焼系に供給され、アノードオフガスも燃焼系に供給
されるシステム構成に相当する。

【０１２０】第１３変形例の燃料電池システムの構成
は、凝縮器を介さずに未透過ガスを燃焼系に供給する点
を除いて第１０変形例の燃料電池システムの構成と同じ
である。かかるシステム構成とすることにより、未透過
ガス中の水蒸気を凝縮水として抽出することはできない
ものの、システム構成が簡素化し、システム全体の小型
化を図ることができる利点がある。

【０１２１】Ｃ１４．第２実施例の第１４変形例：図２
０は第２実施例の第１４変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が一体的に構
成された場合において、未透過ガスは凝縮器を経ずに直
接燃焼系に供給され、アノードオフガスは燃料ガスに環
流されるシステム構成に相当する。

【０１２２】第１４変形例の燃料電池システムの構成
は、凝縮器を介さずに未透過ガスを燃焼系に供給する点
を除いて第１１変形例の燃料電池システムの構成と同じ
である。かかるシステム構成とすることにより、未透過
ガス中の水蒸気を凝縮水として抽出することはできない
ものの、システム構成が簡素化し、システム全体の小型
化を図ることができる利点がある。

【０１２３】Ｃ１５．第２実施例の第１５変形例：図２
１は第２実施例の第１５変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が一体的に構
成された場合において、未透過ガスは凝縮器を経ずに直
接燃焼系に供給され、アノードオフガスは改質部に供給
されるシステム構成に相当する。

【０１２４】第１５変形例の燃料電池システムの構成
は、凝縮器を介さずに未透過ガスを燃焼系に供給する点
を除いて第１２変形例の燃料電池システムの構成と同じ
である。かかるシステム構成とすることにより、未透過
ガス中の水蒸気を凝縮水として抽出することはできない
ものの、システム構成が簡素化し、システム全体の小型
化を図ることができる利点がある。

【０１２５】Ｃ１６．第２実施例の第１６変形例：図２
２は第２実施例の第１６変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が一体的に構
成された場合において、未透過ガスは燃料ガスに合流さ
れ、アノードオフガスが燃焼系に供給されるシステム構
成に相当する。

【０１２６】第１６変形例の燃料電池システムの構成
は、未透過ガスおよびアノードオフガスの供給先を除い
て第１０変形例の燃料電池システムの構成と同じであ
る。第１６変形例では、未透過ガスが燃料ガスに合流さ
れ、アノードオフガスが燃焼系に供給されるシステム構
成を採る。

【０１２７】こうすることにより、未透過ガス中に含ま
れる水蒸気を凝縮器２６で抽出することができ、簡略な
システム構成で水の有効活用が可能となる。なお、シフ
ト部１６で生成されたガスを、分離することなく直接凝
縮器２６に供給する構成を採ることも可能ではあるが、
先に説明した通り、分離膜１８で生成された水素を分離
することにより、シフト部１６での改質反応を促進する
ことができ、水素を効率的に生成することができる利点
がある。

【０１２８】なお、改質反応では先に式（１）（２）に
示した通り、一酸化炭素が併せて生成される。一酸化炭
素は、燃料電池２８の電極に悪影響を与える成分として
知られている。燃料ガスへの合流前に未透過ガス中の一
酸化炭素を浄化するユニットをシフト部１６の下流側に
設ける構成を採ることも望ましい。

【０１２９】Ｃ１７．第２実施例の第１７変形例：図２
３は第２実施例の第１７変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が独立ユニッ
トとして構成された場合において、未透過ガスは凝縮器
を経ずに直接燃焼系に供給され、アノードオフガスも燃
焼系に供給されるシステム構成に相当する。

【０１３０】第１７変形例における燃料電池システムの
構成は、シフト部１６Ａ、およびそこで生成されたガス
から水素を分離する機構を除いて第１３変形例と同じ構
成である。第１７変形例では、シフト部１６Ａは独立し
たユニットとして構成されている。即ち、シフト部１６
Ａには水蒸気改質反応に適した触媒が担持されている点
では第１０変形例のシフト部１６と同じであるが、シフ
ト部１６Ａには第１０変形例における分離膜１８は設け
られていない点で第１３変形例の構成と相違する。第１
７変形例では、シフト部１６Ａで生成された混合ガス
は、全て下流側に位置する改質ガス室１９に供給され
る。この混合ガス中には、改質反応で生成された水素、
一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気などが含まれる。

【０１３１】図示する通り、改質ガス室１９には隣接し
て分離膜１８Ａおよび分離部２０Ａが設けられている。
改質ガス室１９、分離膜１８Ａ、分離部２０Ａの構成
は、第１実施例における分離機構（図２参照）と同じで
ある。改質ガス室１９に供給されたガス中の水素は、分
離膜１８Ａで分離されて分離部２０Ａに抽出される。改
質ガス室１９では、水素を生成する反応を行う構成とは
なっておらず、分離に適した圧力、速度で混合ガスが流
れる構成となっている。分離部２０Ａには、水素の抽出
を助けるパージガスとして水蒸気が供給されている。パ
ージガス用の水蒸気は、第１３変形例と同様、水タンク
３０の水を利用して蒸発器３２Ａで生成される。

【０１３２】改質ガス室１９で水素が分離された残りの
未透過ガスは、第１３変形例と同様、燃焼系に供給され
る。第１０変形例のように凝縮器を介して水を抽出した
後、燃焼系に供給する構成としてもよい。分離部２０Ａ
に分離された水素は、凝縮器２６で水が抽出されるとと
もに、冷却されて燃料電池２８に供給される。その他の
構成については、第１３変形例と同じであるため説明を
省略する。

【０１３３】第１７変形例の燃料電池システムは、第１
３変形例とほぼ同等の利点を有している。シフト部１６
Ａと分離機構とを独立のユニットとして構成することに
より、各ユニットの設計自由度が高くなる利点もある。
第１７変形例では、分離機構における改質ガス室１９で
何ら反応が起きない場合を例示した。改質ガス室１９に
触媒を担持し、シフト反応を行う構成を採ることも可能
である。

【０１３４】Ｃ１８．第２実施例の第１８変形例：図２
４は第２実施例の第１８変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が独立ユニッ
トとして構成された場合において、未透過ガスは凝縮器
を経ずに直接燃焼系に供給され、アノードオフガスは燃
料ガスに環流されるシステム構成に相当する。

【０１３５】第１８変形例における燃料電池システムの
構成は、シフト部１６Ａ、およびそこで生成されたガス
から水素を分離する機構が独立したユニットとして構成
されている点を除いて第１４変形例におけるシステム構
成と同じである。シフト部１６Ａの構成、および分離機
構、即ち、改質ガス室１９、分離膜１８Ａ、分離部２０
Ａの構成は、第１７変形例と同じである。第１１変形例
と同様、改質ガス室１９から排出された未透過ガスにつ
いて凝縮器を介した後、燃焼系に供給する構成を採るこ
とも可能である。

【０１３６】第１８変形例の燃料電池システムによれ
ば、第１４変形例とほぼ同等の利点を有している。シフ
ト部１６Ａと分離機構とを独立のユニットとして構成す
ることにより、各ユニットの設計自由度が高くなる利点
もある。第１８変形例では、分離機構における改質ガス
室１９で何ら反応が起きない場合を例示した。改質ガス
室１９に触媒を担持し、シフト反応を行う構成を採るこ
とも可能である。

【０１３７】Ｃ１９．第２実施例の第１９変形例：図２
５は第２実施例の第１９変形例としての燃料電池システ
ムの概略構成を示す説明図である。分離部が独立ユニッ
トとして構成された場合において、未透過ガスは凝縮器
を経ずに直接燃焼系に供給され、アノードオフガスは改
質部に供給されるシステム構成に相当する。

【０１３８】第１９変形例における燃料電池システムの
構成は、シフト部１６Ａ、およびそこで生成されたガス
から水素を分離する機構が独立したユニットとして構成
されている点を除いて第１５変形例におけるシステム構
成と同じである。シフト部１６Ａの構成、および分離機
構、即ち、改質ガス室１９、分離膜１８Ａ、分離部２０
Ａの構成は、第１７変形例と同じである。第１２変形例
と同様、改質ガス室１９から排出された未透過ガスにつ
いて凝縮器を介した後、燃焼系に供給する構成を採るこ
とも可能である。

【０１３９】第１９変形例の燃料電池システムによれ
ば、第１５変形例とほぼ同等の利点を有している。シフ
ト部１６Ａと分離機構とを独立のユニットとして構成す
ることにより、各ユニットの設計自由度が高くなる利点
もある。第１９変形例では、分離機構における改質ガス
室１９で何ら反応が起きない場合を例示した。改質ガス
室１９に触媒を担持し、シフト反応を行う構成を採るこ
とも可能である。

【０１４０】第１０〜第１９変形例では、水素生成用水
蒸気、パージ用水蒸気を個別に生成するとともに、各蒸
発器に備えられた燃焼器には共通の可燃性ガスを供給す
る場合を例示した。また、水を直接蒸発器に供給する場
合を例示した。これらの要素については、第２実施例お
よび第１〜第９変形例で示した種々の構成を適用可能で
ある。第１０〜第１９変形例では、図１５に示した一覧
の一部を例示した。この他にも図１５中に「○」で示し
た構成など、種々の態様で燃料電池システムを構成する
ことが可能である。なお、未透過ガスおよびアノードオ
フガスのいずれも燃焼系に供給されない構成は、可燃性
ガスを別途供給することを避けるため、熱交換によって
水素生成用水蒸気およびパージ用水蒸気を十分に生成可
能な場合に適用することが望ましい。

【０１４１】Ｄ．第３実施例：第１実施例、第２実施例
および変形例では、蒸発器を利用して水蒸気を生成する
システム構成を例示した。水蒸気を生成する基本的なユ
ニットとしては、蒸発器の他にバブラーが知られてい
る。バブラーとは、容器に蓄えられた温水中に空気ある
いは特定のガスをバブリングすることにより、水蒸気を
含んだガスを生成する機構である。

【０１４２】図２６は第３実施例としての燃料電池シス
テムの概略構成を示す説明図である。第３実施例のシス
テムでは、燃料電池２８の冷却系の熱によって加熱され
るバブラー５０が設けられている。バブラーには、燃料
電池２８の廃熱で加熱された温水が蓄えられている。そ
の他の構成は、第２実施例とほぼ同じである。

【０１４３】炭化水素系の原料および空気をバブラー５
０にバブリングすることにより、原料および空気は水蒸
気を含んだ原料ガスとなる。この原料ガスはシフト部１
６に供給される。シフト部１６は第２実施例と同様、水
蒸気改質反応を促進する触媒が担持されており、水蒸気
改質反応が生じる。シフト部１６には、第２実施例と同
様、分離膜１８および分離部２０が設けられており、シ
フト部１６で生成された水素のみが分離膜１８によって
分離部２０に抽出される。分離部２０にはパージガスと
しての水蒸気が供給される。パージ用の水蒸気は、第２
実施例と同様、蒸発器３２で生成される。蒸発器３２
は、シフト部１６で水素が分離された残りの未透過ガス
および燃料電池２８のアノードオフガスを燃焼器３４で
燃焼させて得られる熱で加熱される。分離部２０に分離
された水素は、第２実施例と同様、凝縮器２６で水分が
抽出されるとともに冷却されて燃料電池２８に供給され
る。抽出された凝縮水はパージ用水蒸気の生成に利用さ
れる。なお、炭化水素系燃料が液体の場合には、バブラ
ーを通さず燃料は別途改質部に供給される構成を採る必
要がある。さらに、この場合、改質部には空気を混合す
ることになるため、改質部１６では発熱反応である部分
酸化反応が生じることになる。従って、改質部の外部加
熱を行う燃焼器が不要となる。

【０１４４】以上で説明した第３実施例の燃料電池シス
テムによれば、バブラーを利用して水蒸気を生成する際
において、燃料電池２８の廃熱を利用することができ、
効率よく水素生成用水蒸気を生成することができる。ま
た、バブラーを利用することにより、水素生成用水蒸気
を生成するための蒸発器が不要となり、システムのコス
トを低減させることができる。第３実施例では、水素生
成用水蒸気とパージ用水蒸気とを個別に生成するシステ
ムに相当するため、水素生成用水蒸気、パージ用水蒸気
の量を必要に応じて制御しやすい利点、蒸発器３２の小
型化を図ることができる利点など、先に説明した第２実
施例の第１変形例、第２変形例と同様の利点もある。

【０１４５】Ｅ．第３実施例における変形例：第３実施
例において、パージ用ガスを生成する機構の構成は、第
２実施例で説明した種々の変形例を適用可能である。例
えば、蒸発器３２に供給される水を事前に熱交換で加熱
するものとしてもよい。第３実施例では、凝縮器２６を
一カ所に設けた場合を例示したが、未透過ガスの水分を
抽出する凝縮器など、複数箇所に凝縮器を設けるものと
してもよい。第３実施例では、水素生成用水蒸気をバブ
ラーで生成し、パージ用水蒸気を蒸発器３２で生成する
場合を例示した。これに対し、両者を共通または個別の
バブラーで生成するものとしてもよいし、パージ用水蒸
気をバブラーで、水素生成用水蒸気を蒸発器で生成する
ものとしてもよい。第２実施例およびその変形例に示さ
れたいずれかの蒸発器をバブラーに置換することによ
り、第３実施例は種々の変形例を構成することができ
る。

【０１４６】こうして考えられる種々の変形例の他に、
バブラーの加熱方法の相違による変形例も構成可能であ
る。以下では、かかる変形例について、最初に加熱方法
の相違による構成の分類について概要を説明し、その
後、各変形例について具体的に説明する。なお、以下で
は第３実施例におけるシステム構成、即ち、水素生成用
水蒸気をバブラーで生成し、パージ用水蒸気を蒸発器３
２で生成する場合を基本構成として変形例を示す。

【０１４７】図２７は第３実施例の変形例の一覧を示す
説明図である。バブラーを加熱する熱源としては、燃料
電池の冷却系、未透過ガス、燃料ガス、燃焼器が挙げら
れる。また、これらの熱源を複数組み合わせて加熱する
構成も可能である。図２７の縦方向には、バブラーを加
熱する熱源による分類を示した。それぞれの構成におい
ては、バブラーの温水を水素生成用水蒸気の生成にのみ
利用する場合と、水素生成用水蒸気のみならずパージ用
水蒸気の生成にも利用する場合とが挙げられる。図２７
の縦方向には熱源の分類ごとに、温水の利用態様による
分類も示した。

【０１４８】図２７の横方向にはバブラーの加熱方法に
よる分類を示した。加熱方法としては、大きく熱交換器
を介して加熱する場合と熱交換器を介さずに加熱する場
合とが挙げられる。さらに、それぞれの加熱方法につい
て、燃料と空気とを混合してバブリングする場合と、個
別にバブリングする場合とが挙げられる。燃料が液体の
場合には、先に説明した通り、バブラーを介さずに燃料
を別途改質部に供給する構成を適用する必要がある。

【０１４９】第３実施例（図２６）に示した構成は、熱
源を介さずに加熱する構成において、燃料、空気を混合
してバブリングする構成に相当する。また、熱源として
は燃料電池の冷却系を利用し、温水は水素生成用水蒸気
の生成にのみ利用される場合に相当する。第３実施例に
ついては、図２７に示す通り、上述の分類に従って、種
々の変形例を構成することができる。以下、第３実施例
について、図２７中に示す第１〜第１１変形例について
説明する。第１〜第１１変形例は例示に過ぎず、この
他、図２７中に「○」で示したシステム構成を適用する
ことももちろん可能である。

【０１５０】Ｅ１．第３実施例における第１変形例：図
２８は第３実施例における第１変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池の冷
却系を熱源とし、熱交換器を介さずに加熱するシステム
構成において、燃料、空気を個別にバブリングし、バブ
ラーの温水を水素生成用水蒸気の生成にのみ利用するシ
ステム構成に相当する。

【０１５１】第１変形例の燃料電池システムの構成は、
バブラーの構成およびバブラーを通過したガスをシフト
部１６に供給する流路構成を除いて第３実施例の燃料電
池システムの構成と同じである。第１変形例のバブラー
５０Ａは、図示する通り、原料をバブリングする第１バ
ブリング室５１Ａと、空気をバブリングする第２バブリ
ング室５２Ａとに分けられている。第１バブリング室５
１Ａと第２バブリング室５２Ａとを区切る壁５３Ａは、
温水部分と気相部分で異なる構造を有している。温水部
分は、二つのバブリング室の温水が相互に行き来可能な
多孔質体で形成されている。気相部分は、二つのバブリ
ング質の気体が混合されない材質で形成されている。

【０１５２】原料は第１バブリング質５１Ａにバブリン
グされ、水蒸気を含んだ状態でシフト部１６に供給され
る。空気は、原料とは別に第２バブリング質５２Ａに供
給され、水蒸気を含んだ状態でシフト部１６に供給され
る。原料と空気とをシフト部１６に供給する流路は、そ
れぞれ個別に形成されている。

【０１５３】第１変形例によれば、バブラーを利用する
ことにより、第３実施例と同様の利点を有する。第１変
形例では、第３実施例よりも若干バブラーの構造が複雑
になるものの、原料と空気とを別々にバブリングし、シ
フト部１６に供給することにより、シフト部１６に供給
されるまでの過程において原料と空気との間で不要な反
応が生じることを抑制できる利点がある。第１変形例で
は、原料と空気とを個別にバブリングするため、原料、
空気の混合比率を運転状態に応じて柔軟に、かつ精度良
く制御することが可能となる利点もある。この結果、第
１変形例のシステム構成によれば、改質反応を効率的に
行うことが可能となる。

【０１５４】Ｅ２．第３実施例における第２変形例：図
２９は第３実施例における第２変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池の冷
却系を熱源とし、熱交換器を介さずに加熱するシステム
構成において、燃料、空気を個別にバブリングし、バブ
ラーの温水を水素生成用水蒸気のみならずパージ用水蒸
気の生成にも利用するシステム構成に相当する。

【０１５５】第２変形例における燃料電池システムの構
成は、蒸発器３２への水の供給経路を除いて第３実施例
における燃料電池システムの構成と同じである。第２変
形例では、水タンク３０の水をバブラー５０の中に供給
し、パージ用水蒸気を生成するための蒸発器３２には、
バブラー５０の温水を供給する。

【０１５６】第２変形例によれば、第３実施例の有する
利点に加えて、バブラーの温水、即ち、比較的高温の状
態で水を蒸発器３２に供給することにより、パージ用水
蒸気を効率的に生成することができる利点がある。蒸発
器３２での加熱量が少なくて済むため、蒸発器３２の小
型化、ひいてはシステム全体の小型化を図ることができ
る利点もある。

【０１５７】Ｅ３．第３実施例における第３変形例：図
３０は第３実施例における第３変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。第３変形例以
降は、バブラーの温水を水素生成用水蒸気の生成にのみ
利用するシステム構成を例示する。第３変形例は、かか
る構成において、未透過ガスを熱源とし、熱交換器を介
して加熱するシステム構成において、燃料、空気を混合
してバブリングするシステム構成に相当する。

【０１５８】第３変形例の燃料電池システムの構成は、
バブラーを加熱するユニットの構成を除いて第３実施例
におけるシステムの構成とほぼ同様の構成である。第３
変形例では、水タンク３０の水を熱交換器４０で燃料電
池のオフガスと熱交換して加熱した後、蒸発器３２に供
給される場合を例示した。蒸発器３２に水を供給する機
構の構成は必ずしも熱交換器４０を備える必要はなく、
先に第２実施例で示した種々の構成が適用可能である。
熱交換器４０を一切経由しないで蒸発器３２に水を供給
する構成としてもよいし、燃料電池２８のオフガスの
他、未透過ガスなどとの熱交換を伴う構成としてもよ
い。

【０１５９】第３変形例におけるバブラー５０Ｂは原料
および空気をバブリングするバブリング室５１Ｂとバブ
ラー５０Ｂを加熱するための熱交換器５２Ｂとを備え
る。熱交換器５２Ｂでは、シフト部１６から排出される
未透過ガスの熱でバブラー５０Ｂを加熱する熱交換が行
われる。シフト部１６での改質反応は約３００℃以上の
高温状態で行われるから、バブラー５０Ｂを十分加熱す
ることができる。

【０１６０】第３変形例では、第３実施例と同様、原料
および空気はまとめてバブリングされる。原料、空気は
所定の混合比でバブリング室５１Ｂに供給された後、水
蒸気を含んだ状態でシフト部１６に供給される。

【０１６１】第３変形例によれば、未透過ガスの顕熱を
利用してバブラー５０Ｂを加熱することができ、水素生
成用水蒸気を効率的に生成することができる。第３変形
例によれば、バブラー５０Ｂとシフト部１６とを近接し
て配置しやすくなるため、熱の損失を抑制しやすくなる
とともにシステム構成の簡略化、小型化を図りやすいと
いう利点もある。

【０１６２】Ｅ４．第３実施例における第４変形例：図
３１は第３実施例における第４変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。第４変形例も
第３変形例と同様、未透過ガスを熱源とし、熱交換器を
介して加熱するシステム構成において、燃料、空気を混
合してバブリングするシステム構成に相当する。

【０１６３】第４変形例の燃料電池システムの構成は、
バブラーを除いて第３変形例のシステム構成と同じであ
る。第４変形例では、水タンク３０の水を熱交換器４０
で燃料電池２８のオフガスと熱交換した後、蒸発器３２
に供給する場合を例示したが、熱交換器の有無、および
位置について、第２実施例で例示した種々の構成が適用
可能である点も第３変形例と同じである。

【０１６４】第４変形例のバブラー５０Ｃは、原料およ
び空気をバブリングする第１バブリング室５１Ｃと、未
透過ガスをバブリングする第２バブリング室５３Ｃとを
備え、二つのバブリング室に挟まれた状態で熱交換器５
２Ｃを備える。未透過ガスは、非常に高温のガスである
ため、未透過ガスをバブリングすることにより、第２バ
ブリング室５３Ｃの温水は加熱される。この熱は熱交換
器５２Ｃを介して第１バブリング室５１Ｃの温水を加熱
する。原料および空気は、第１バブリング室５１Ｃにバ
ブリングされることによって、水蒸気を含んだガスとな
ってシフト部１６に供給される。第２バブリング室５３
Ｃにバブリングされた未透過ガスは水蒸気を含んだ状態
でパージ用水蒸気を生成するための蒸発器３２を加熱す
る燃焼器３４に供給される。

【０１６５】第４変形例の燃料電池システムによれば、
未透過ガスの熱を利用して効率的に水素生成用水蒸気を
生成することができる。第４変形例では、バブリングす
ることによって未透過ガスの熱を回収するため、第３変
形例のように熱交換器のみで熱を回収する場合に比較し
て、そうちの小型化が可能となる利点もある。なお、第
４変形例では、燃焼器３４に供給される未透過ガス中に
は多量の水蒸気が含まれることになるから、燃焼器３４
への供給経路に凝縮器を設け、水蒸気を凝縮水として抽
出する構成を適用することも好ましい。

【０１６６】Ｅ５．第３実施例における第５変形例：図
３２は第３実施例における第５変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。第５変形例
は、未透過ガスを熱源とし、熱交換器を介さずに加熱す
るシステム構成において、燃料、空気を混合してバブリ
ングするシステム構成に相当する。

【０１６７】第５変形例の燃料電池システムの構成は、
バブラーを除いて第３変形例のシステム構成と同じであ
る。第５変形例では、水タンク３０の水を熱交換器４０
で燃料電池２８のオフガスと熱交換した後、蒸発器３２
に供給する場合を例示したが、熱交換器の有無、および
位置について、第２実施例で例示した種々の構成が適用
可能である点も第３変形例と同じである。

【０１６８】第５変形例のバブラー５０Ｃは、原料およ
び空気をバブリングする第１バブリング室５１Ｄと、未
透過ガスをバブリングする第２バブリング室５２Ｄとを
備える。二つのバブリング室の間は、第１変形例で示し
たのと同様、温水は互いに行き来可能であり、気相は十
分に隔離された壁で仕切られている。未透過ガスをバブ
リングすることにより加熱された第２バブリング室５３
Ｃの温水は、この壁を通って第１バブリング室５１Ｄと
行き来するため、バブラー５０Ｄの温水全体が未透過ガ
スによって加熱される。原料および空気は、第１バブリ
ング室５１Ｄにバブリングされることによって、水蒸気
を含んだガスとなってシフト部１６に供給される。第２
バブリング室５２Ｄにバブリングされた未透過ガスは水
蒸気を含んだ状態でパージ用水蒸気を生成するための蒸
発器３２を加熱する燃焼器３４に供給される。

【０１６９】第５変形例の燃料電池システムは、第４変
形例と同様の利点を有する。未透過ガスの熱を利用して
効率的に水素生成用水蒸気を生成することができる。第
５変形例では、未透過ガスの熱が熱交換器を介さずに第
１バブリング室５１Ｄに供給されるため、加熱の効率を
より向上することができる利点もある。バブラー５０Ｄ
の構成が、第４変形例のように熱交換器を有する場合に
比較して簡略化される利点もある。なお、第４変形例で
は、燃焼器３４に供給される未透過ガス中には多量の水
蒸気が含まれることになるから、燃焼器３４への供給経
路に凝縮器を設け、水蒸気を凝縮水として抽出する構成
を適用することも好ましい。

【０１７０】Ｅ６．第３実施例における第６変形例：図
３３は第３実施例における第６変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。第６変形例も
第５変形例と同様、未透過ガスを熱源とし、熱交換器を
介さずに加熱するシステム構成において、燃料、空気を
混合してバブリングするシステム構成に相当する。

【０１７１】第６変形例の燃料電池システムの構成は、
バブラー５０Ｄを通過した後の未透過ガスを燃焼器３４
に供給する経路の構成を除いて第５変形例における構成
と同じである。第６変形例では、バブラー５０Ｄを通過
した未透過ガスが、凝縮器２６で、分離部２０に分離さ
れた燃料ガスとの熱交換が行われ、凝縮器４６で蒸発器
３２に供給される水との熱交換を行われた後、燃焼器３
４に供給される。シフト部１６から排出された状態での
未透過ガスと燃料ガスとは同等の温度であるが、バブラ
ー５０Ｄによって未透過ガスの温度は低下するため、凝
縮器２６で燃料ガスとの熱交換が十分可能である。凝縮
器２６では燃料ガス中の水蒸気が凝縮水として抽出さ
れ、凝縮器４６では未透過ガス中の水蒸気が凝縮水とし
て抽出される。得られた凝縮水はそれぞれ水タンク３０
に供給され、パージ用水蒸気の生成に利用される。

【０１７２】第６変形例によれば、未透過ガスの顕熱で
バブラー５０Ｄの加熱を行う点について第５変形例と同
様の利点を有している。第６変形例では、燃料ガスに含
まれる水蒸気、およびバブラー５０Ｄを通過した後の未
透過ガスに含まれる水蒸気を凝縮器で抽出するため、水
分を有効活用することができ、水タンク３０の小型化を
図ることができる利点もある。第６変形例では、凝縮器
２６で燃料ガスを燃料電池２８への供給に適した温度に
冷却することができる利点もある。

【０１７３】Ｅ７．第３実施例における第７変形例：図
３４は第３実施例における第７変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。第７変形例
は、燃料ガスを熱源とし、熱交換器を介して加熱するシ
ステム構成において、燃料、空気を混合してバブリング
するシステム構成に相当する。

【０１７４】第７変形例の燃料電池システムの構成は、
バブラーを加熱するユニットの構成を除いて第３実施例
におけるシステムの構成とほぼ同様の構成である。第７
変形例では、水タンク３０の水を熱交換器４０で燃料電
池のオフガスと熱交換し、熱交換器４１で未透過ガスと
熱交換して加熱した後、蒸発器３２に供給する場合を例
示した。蒸発器３２に水を供給する機構の構成は必ずし
も熱交換器４０、４１を備える必要はなく、先に第２実
施例で示した種々の構成が適用可能である。熱交換器４
０、４１を一切経由しないで蒸発器３２に水を供給する
構成、いずれか一方と熱交換する構成、燃料ガスや燃料
電池の冷却系統とも熱交換を伴う構成など種々の構成を
適用可能である。

【０１７５】第７変形例におけるバブラー５０Ｅは原料
および空気をバブリングするバブリング室５１Ｅとバブ
ラー５０Ｅを加熱するための熱交換器５２Ｅとを備え
る。熱交換器５２Ｅでは、燃料ガスの熱でバブラー５０
Ｅを加熱する熱交換が行われる。シフト部１６での改質
反応は約４００℃以上の高温状態で行われ、分離部２０
に分離された燃料ガスも同等の温度であるから、バブラ
ー５０Ｅを十分加熱することができる。

【０１７６】第７変形例では、第３実施例と同様、原料
および空気はまとめてバブリングされる。原料、空気は
所定の混合比でバブリング室５１Ｅに供給された後、水
蒸気を含んだ状態でシフト部１６に供給される。

【０１７７】第７変形例によれば、未透過ガスの顕熱を
利用してバブラー５０Ｅを加熱することができ、水素生
成用水蒸気を効率的に生成することができる。第７変形
例では、熱交換器５２Ｅで燃料ガスが冷却されるため、
燃料ガスの熱を有効活用しつつ、燃料ガス自体を燃料電
池２８に供給するのに適した温度にすることができる利
点がある。第７変形例では、水タンク３０の水を、熱交
換器４０，４１で加熱した後、蒸発器３２に供給してい
るため、蒸発器３２の小型化を図ることができる利点、
未透過ガス、燃料電池２８のオフガス中の水蒸気を凝縮
水として抽出することができる利点も有している。

【０１７８】Ｅ８．第３実施例における第８変形例：図
３５は第３実施例における第８変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。第８変形例
は、燃料ガスを熱源とし、熱交換器を介さずに加熱する
システム構成において、燃料、空気を混合してバブリン
グするシステム構成に相当する。

【０１７９】第８変形例の燃料電池システムの構成は、
バブラーを除いて第７変形例のシステム構成と同じであ
る。第８変形例では、水タンク３０の水を熱交換器４０
で燃料電池２８のオフガスと熱交換した後、蒸発器３２
に供給する場合を例示したが、熱交換器の有無、および
位置について、第２実施例で例示した種々の構成が適用
可能である点も第７変形例と同じである。

【０１８０】第８変形例のバブラー５０Ｆは、原料およ
び空気をバブリングする第１バブリング室５１Ｆと、燃
料ガスをバブリングする第２バブリング室５２Ｆとを備
える。二つのバブリング室の間は、第１変形例で示した
のと同様、温水は互いに行き来可能であり、気相は十分
に隔離された壁で仕切られている。燃料ガスをバブリン
グすることにより加熱された第２バブリング室５３Ｆの
温水は、この壁を通って第１バブリング室５１Ｄと行き
来するため、バブラー５０Ｄの温水全体が燃料ガスによ
って加熱される。原料および空気は、第１バブリング室
５１Ｄにバブリングされることによって、水蒸気を含ん
だガスとなってシフト部１６に供給される。第２バブリ
ング室５２Ｄにバブリングされた燃料ガスは水蒸気を含
んだ状態で燃料電池２８に供給される。

【０１８１】第８変形例の燃料電池システムは、第７変
形例と同様の利点を有する。第７変形例では、燃料ガス
の熱が熱交換器を介さずに第１バブリング室５１Ｄに供
給されるため、加熱の効率をより向上することができる
利点もある。バブラー５０Ｄの構成が、第７変形例のよ
うに熱交換器を有する場合に比較して簡略化される利点
もある。なお、第８変形例では、バブラー５０Ｆを通過
した燃料ガス中には多量の水蒸気が含まれることになる
から、燃料電池２８への供給前に凝縮器を設け、水蒸気
を凝縮水として抽出する構成を適用することも好まし
い。

【０１８２】Ｅ９．第３実施例における第９変形例：図
３６は第３実施例における第９変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。第９変形例も
第８変形例と同様、燃料ガスを熱源とし、熱交換器を介
さずに加熱するシステム構成において、燃料、空気を混
合してバブリングするシステム構成に相当する。

【０１８３】第９変形例における燃料電池システムの構
成は、バブラー５０Ｆを通過した後の原料および空気を
シフト部１６に供給する経路を除いて第８変形例の構成
と同じである。第９変形例では、バブラー５０Ｆを通過
した後の原料および空気について、熱交換器４７で未透
過ガスとの熱交換を行った後、シフト部１６に供給す
る。未透過ガスは、熱交換器４１で熱交換された後、
蒸発器３２を加熱する燃焼器３４に供給される。

【０１８４】第９変形例によれば、熱交換器４７での熱
交換により、バブラー５０Ｆを通過した後の原料を更に
加熱することができ、シフト部１６での反応を促進する
ことができる。このように原料を十分に加熱した状態で
シフト部１６に供給することにより、シフト部１６の温
度を反応に適した温度に維持しやすくなる利点もある。

【０１８５】Ｅ１０．第３実施例における第１０変形
例：図３７は第３実施例における第１０変形例としての
燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第１
０変形例は、燃料ガスと未透過ガスとを熱源とし、熱交
換器を介さずに加熱するシステム構成において、燃料、
空気を混合してバブリングするシステム構成に相当す
る。

【０１８６】第１０変形例におけるバブラー５０Ｇは、
原料および空気をバブリングする第１バブリング室５１
Ｇ、燃料ガスをバブリングする第２バブリング室５２
Ｇ、未透過ガスをバブリングする第３バブリング室５３
Ｇを備える。バブラー５０Ｇの３つのバブリング室は、
それぞれ第１変形例と同じ構成の壁で仕切られている。
即ち、温水部分は各バブリング室同士で互いに行き来可
能であり、気相部分は十分に隔離された壁で仕切られて
いる。

【０１８７】燃料ガスおよび未透過ガスは高温のガスで
あるため、これらのガスを第２バブリング室５２Ｇ、第
３バブリング室５３Ｇにバブリングすることにより、バ
ブラー５０Ｇの温水全体を加熱することができる。原料
および空気はこうして加熱された温水を蓄えた第１バブ
リング室５１Ｇにバブリングされ、水蒸気を含んだ状態
でシフト部１６に供給される。バブラー５０Ｇを通過し
た燃料ガスは燃料電池２８のアノードに供給され発電に
利用された後、パージ用水蒸気を生成する蒸発器３２を
加熱するための燃焼器３４に供給される。未透過ガスは
凝縮器２６Ｇにより含有されている水蒸気が凝縮水とし
て抽出された後、燃焼器３４に供給される。抽出された
水は水タンク３０に供給され、パージ用水蒸気の生成に
利用される。

【０１８８】なお、バブラー５０Ｇを通過した後の燃料
ガス中の水分を凝縮器で抽出する構成を適用してもよ
い。凝縮器２６Ｇに代えて水タンク３０から蒸発器３２
に供給される水と未透過ガスとの熱交換を行う熱交換器
を備える構成を採ることも望ましい。

【０１８９】第１０変形例によれば、燃料ガス、未透過
ガスの熱を有効活用して水素生成用水蒸気を効率的に生
成することができる。第１０変形例は、燃料ガスをバブ
ラー５０Ｇに通過させることにより、燃料ガスの温度を
燃料電池２８への供給に適した温度に冷却することがで
きる利点もある。特に、第１０変形例では、バブラー５
０Ｇにおいて第１バブリング室５１Ｇと第２バブリング
室５２Ｇとを隣接させることによって燃料ガスの冷却を
効率的に行うことができる。原料および空気がバブリン
グされる第１バブリング室５１Ｇはバブラー５０Ｇに備
えられる３つのバブリング室の中で最も温水の温度が低
くなる部位であり、燃料ガスがバブリングされる第２バ
ブリング室５２Ｇとの温度差を大きくすることができる
からである。なお、第１０変形例では、第１バブリング
室５１Ｇ、第２バブリング室５２Ｇ、第３バブリング室
５３Ｇの順に隣接して配置された状態を例示したが、各
バブリング室はこれと異なる順序で配置してもよい。こ
の際、燃料ガスの冷却効率を向上するためには、第１０
変形例と同様、第１バブリング室５１Ｇ、第２バブリン
グ室５２Ｇが隣接する状態とすることが望ましい。

【０１９０】Ｅ１１．第３実施例における第１１変形
例：図３８は第３実施例における第１１変形例としての
燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第１
１変形例は燃焼器によってバブラーを加熱し、熱交換器
を介さずに加熱するシステム構成において、燃料、空気
を混合してバブリングするシステム構成に相当する。

【０１９１】第１１変形例はバブラー５０Ｈを備え、原
料および空気はバブラー５０Ｈにバブリングされ、水蒸
気を含んだ状態でシフト部１６に供給される。シフト部
１６は第３実施例と同じ構成を有しており、水蒸気改質
反応によって水素を生成する。生成された水素は、第３
実施例と同様、分離膜１８によって分離部２０に分離さ
れる。分離部２０にはパージガスとして水蒸気が供給さ
れている。分離された水素を含む燃料ガスは、凝縮器２
６で冷却され、水分を抽出された後、燃料電池２８のア
ノードに供給される。アノードから排出されたオフガス
は、パージ用の水蒸気を生成するための蒸発器３２を加
熱する燃焼器３４に供給される。パージ用の水蒸気生成
に利用される水は、熱交換器４０で燃料電池２８のオフ
ガスと熱交換され、熱交換器４１で未透過ガスと熱交換
されて加熱された後、蒸発器３２に供給される。

【０１９２】バブラー５０Ｈは、燃料電池２８の冷却系
統によって加熱される他、隣接して備えられた燃焼器５
１Ｈによって加熱される。燃焼器５１Ｈには、可燃性ガ
スである未透過ガスが供給される。

【０１９３】第１１変形例によれば、燃料電池２８の廃
熱および未透過ガスの燃焼熱を利用して効率的に改質用
の水蒸気を生成することができる。バブラー５０Ｈの加
熱用に燃焼器５１Ｈを備えることにより、水蒸気生成の
応答性を向上することができる利点もある。燃焼器５１
Ｈを利用してバブラー５０Ｈを速やかに加熱することが
できるからである。

【０１９４】第１１変形例において、パージ用水蒸気を
生成する燃焼器３４にはアノードオフガスに代えて未透
過ガスを供給し、バブラー５０Ｈを加熱するための燃焼
器５１Ｈには未透過ガスに代えてアノードオフガスを供
給するものとしてもよい。また、二つの燃焼器３４，５
１Ｈに個別の可燃性ガスを供給するのではなく、両者に
共通の可燃性ガスを供給するものとしてもよい。即ち、
アノードオフガス、未透過ガスを燃焼器４３，５１Ｈの
それぞれに供給するものとしてもよい。

【０１９５】第２〜第１１の変形例では、それぞれ原料
と空気を混合してバブリングする場合を例示した。各変
形例において、第１変形例に示したように原料と空気と
を個別にバブリングする構成を採ることも可能である。
第２〜第１１変形例では、水素生成用水蒸気のみをバブ
ラーで生成する場合を例示したが、パージ用水蒸気のみ
をバブラーで生成する構成、水素生成用水蒸気とパージ
用水蒸気の両者をバブラーで生成する構成なども適用可
能である。

【０１９６】Ｆ．その他の変形例：以上で説明した第１
〜第３実施例およびその変形例は、それぞれ適宜組み合
わせて適用可能である。例えば、改質部１１とシフト部
１６とを備える第１実施例において、水素生成用水蒸気
またはパージ用水蒸気の少なくとも一方を第２実施例、
第３実施例およびそれらの変形例で例示した構成により
生成するものとしてもよい。以上、本発明の種々の実施
例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採る
ことができることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例としての燃料電池システムの概略構
成を示す説明図である。

【図２】分離機構の概略構成を示す説明図である。

【図３】第１実施例の変形例としての燃料電池システム
の概略構成を示す説明図である。

【図４】第２実施例としての燃料電池システムの概略構
成を示す説明図である。

【図５】第２実施例における変形例の一覧を示す説明図
である。

【図６】第２実施例の第１変形例としての燃料電池シス
テムの概略構成を示す説明図である。

【図７】第２実施例の第２変形例としての燃料電池シス
テムの概略構成を示す説明図である。

【図８】第２実施例の第３変形例としての燃料電池シス
テムの概略構成を示す説明図である。

【図９】第２実施例の第４変形例としての燃料電池シス
テムの概略構成を示す説明図である。

【図１０】第２実施例の第５変形例としての燃料電池シ
ステムの概略構成を示す説明図である。

【図１１】第２実施例の第６変形例としての燃料電池シ
ステムの概略構成を示す説明図である。

【図１２】第２実施例の第７変形例としての燃料電池シ
ステムの概略構成を示す説明図である。

【図１３】第２実施例の第８変形例としての燃料電池シ
ステムの概略構成を示す説明図である。

【図１４】第２実施例の第９変形例としての燃料電池シ
ステムの概略構成を示す説明図である。

【図１５】第１０ないし第１９変形例の燃料電池システ
ムの一覧を示す説明図である。

【図１６】第２実施例の第１０変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図１７】第２実施例の第１１変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図１８】第２実施例の第１２変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図１９】第２実施例の第１３変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図２０】第２実施例の第１４変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図２１】第２実施例の第１５変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図２２】第２実施例の第１６変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図２３】第２実施例の第１７変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図２４】第２実施例の第１８変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図２５】第２実施例の第１９変形例としての燃料電池
システムの概略構成を示す説明図である。

【図２６】第３実施例としての燃料電池システムの概略
構成を示す説明図である。

【図２７】第３実施例の変形例の一覧を示す説明図であ
る。

【図２８】第３実施例における第１変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図２９】第３実施例における第２変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３０】第３実施例における第３変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３１】第３実施例における第４変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３２】第３実施例における第５変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３３】第３実施例における第６変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３４】第３実施例における第７変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３５】第３実施例における第８変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３６】第３実施例における第９変形例としての燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３７】第３実施例における第１０変形例としての燃
料電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図３８】第３実施例における第１１変形例としての燃
料電池システムの概略構成を示す説明図である。

【符号の説明】

１０…原料タンク１１…改質部１２…熱交換器１４…燃焼部１６、１６Ａ…改質部１７…凝縮器１８，１８Ａ…分離膜１９…改質ガス室２０，２０Ａ…分離部２２…浄化部２６…凝縮器２６Ｇ…凝縮器２８…燃料電池３０…水タンク３２，３２Ａ…蒸発器３３…蒸発器３４，３４Ａ…燃焼器３５…燃焼器４０，４１，４２，４３…熱交換器４６…凝縮器４７…熱交換器５０，５０Ａ〜５０Ｈ…バブラー５１Ａ…第１バブリング質５１Ｂ…バブリング室５１Ｃ…第１バブリング室５１Ｄ…第１バブリング室５１Ｅ…バブリング室５１Ｆ…第１バブリング室５１Ｇ…第１バブリング室５１Ｈ…燃焼器５２Ａ…第２バブリング質５２Ｂ…熱交換器５２Ｃ…熱交換器５２Ｄ…第２バブリング室５２Ｅ…熱交換器５２Ｆ…第２バブリング室５２Ｇ…第２バブリング室５３Ａ…壁５３Ｃ…第２バブリング室５３Ｇ…第３バブリング室５３Ｆ…第２バブリング室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中田俊秀愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者佐藤博道愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB04 EB14 EB33 5H027 AA06 BA01 BA09 BA16 BA17 BA19 CC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素化合物を原料とする化学的工程
により水素を含有する混合ガスを生成する化学反応部
と、一方の面側を前記混合ガスを供給する混合ガス室、
他方の面側を前記水素が抽出される抽出室として備えら
れた水素分離膜を用いて前記混合ガスから水素を分離す
るための分離機構とを備え、少なくとも該分離機構によ
って分離された水素を用いて燃料電池に供給する水素リ
ッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成システムであっ
て、前記化学反応部で生成されたガスの顕熱、前記燃料電池
の排出ガスの顕熱、前記燃料電池の廃熱、前記分離機構
で水素が分離された後の未透過ガスの燃焼熱、前記燃料
電池の排出ガスの燃焼熱の少なくとも一部を利用して水
蒸気を発生する水蒸気発生部と、該水蒸気を前記抽出室に導入する導入部とを備える燃料
ガス生成システム。
【請求項２】前記水蒸気発生部は、前記燃料電池の排
出ガスの燃焼熱を利用するユニットである請求項１記載
の燃料ガス生成システム。
【請求項３】前記水蒸気発生部は、前記未透過ガスの
燃焼熱を利用するユニットである請求項１記載の燃料ガ
ス生成システム。
【請求項４】請求項１記載の燃料ガス生成システムで
あって、前記水蒸気発生部は、前記化学反応部で生成されたガスの顕熱、前記燃料電池
の廃熱の少なくとも一部と水との熱交換を行う熱交換部
と、前記分離機構で水素が分離された後の未透過ガスの燃焼
熱、前記燃料電池の排出ガスの燃焼熱の少なくとも一部
を利用して、該熱交換部を経た後の水を更に加熱する加
熱部とを備える燃料ガス生成システム。
【請求項５】請求項４記載の燃料ガス生成システムで
あって、前記熱交換部は、前記化学反応部で生成されるとともに
前記分離機構で分離された水素ガスとの熱交換を行う機
構である燃料ガス生成システム。
【請求項６】請求項１記載の燃料ガス生成システムで
あって、前記水蒸気発生部は、前記化学反応部で生成されたガス
の顕熱、前記燃料電池の排出ガスの顕熱、前記燃料電池
の廃熱のうち複数を利用し、かつ、該複数の熱交換を温
度の低い順に行って水を加熱する熱交換部を備える燃料
ガス生成システム。
【請求項７】請求項１記載の燃料ガス生成システムで
あって、前記化学反応部は、前記炭化水素を原料として水蒸気を
用いた水素生成を行うユニットであり、前記水蒸気発生部は、該水素生成に用いられる水蒸気を
も併せて生成するユニットであり、前記導入部は、前記水蒸気発生部により生成された水蒸
気を前記抽出室のみならず前記化学反応部にも導入可能
なユニットである燃料ガス生成システム。
【請求項８】請求項１記載の燃料ガス生成システムで
あって、前記化学反応部は、前記炭化水素を原料として水蒸気を
用いた水素生成を行うユニットであり、前記水蒸気発生部および導入部とは別に、前記化学反応
部で生成されたガスの顕熱、前記燃料電池の廃熱、前記
分離機構で水素が分離された後の未透過ガスの燃焼熱、
前記燃料電池の排出ガスの燃焼熱の少なくとも一部を利
用して前記水素生成に用いるための水蒸気を発生する水
素生成用水蒸気発生部と、該水素生成用水蒸気発生部により生成された水蒸気を前
記化学反応部に導入する水素生成用水蒸気導入部とを備
える燃料ガス生成システム。
【請求項９】請求項８記載の燃料ガス生成システムで
あって、前記未透過ガスおよび燃料電池の排出ガスの少なくとも
一方が、前記水蒸気発生部と水素生成用水蒸気発生部の
両者に供給されることを特徴とする燃料ガス生成システ
ム。
【請求項１０】前記水素生成用水蒸気発生部は、バブ
ラーを備える請求項８記載の燃料ガス生成システム。
【請求項１１】前記バブラーは、前記分離機構で分離
された透過水素を熱源とする請求項１０記載の燃料ガス
生成システム。
【請求項１２】前記バブラーから前記化学反応部に供
給されるガスと、前記化学反応部で生成されたガスとの
熱交換を行う熱交換器を備える請求項１１記載の燃料ガ
ス生成システム。
【請求項１３】前記バブラーは、前記分離機構で水素
が分離された後の未透過ガスの燃焼熱、前記燃料電池の
排出ガスの燃焼熱の少なくとも一部を熱源とすることを
特徴とする請求項１０記載の燃料ガス生成システム。
【請求項１４】前記水蒸気発生部は、前記水素生成用
水蒸気発生部に備えられた前記バブラーに蓄積された温
水を加熱して水蒸気を発生する機構を備える請求項１０
記載の燃料ガス生成システム。
【請求項１５】請求項１記載の燃料ガス生成システム
において、前記化学反応部に供給される前の原料を、前記分離機構
で水素が分離された後の未透過ガスの燃焼熱、前記燃料
電池の排出ガスの燃焼熱の少なくとも一つを利用して加
熱する原料加熱部を備える燃料ガス生成システム。
【請求項１６】請求項１記載の燃料ガス生成システム
であって、前記燃料電池の水素極の排出ガスを、該燃料電池の水素
極に環流する流路を備える燃料ガス生成システム。
【請求項１７】請求項１記載の燃料ガス生成システム
であって、前記化学反応部として前記原料の部分酸化反応を併用し
た改質部を備え、前記水蒸気発生部は、前記改質部から排出されたガスと
水との熱交換を行う熱交換部を備える燃料ガス生成シス
テム。
【請求項１８】請求項１記載の燃料ガス生成システム
であって、前記燃料電池の生成水を抽出する生成水抽出部を備え、前記水蒸気発生部は、前記生成水を含む水を用いて水蒸
気を発生するユニットである請求項１記載の燃料ガス生
成システム。
【請求項１９】請求項１８記載の燃料ガス生成システ
ムであって、前記化学反応部は、水蒸気を用いた改質反応またはシフ
ト反応を行うユニットであり、前記生成水を前記化学反応部に噴霧する噴霧部を備える
燃料ガス生成システム。
【請求項２０】請求項１ないし請求項１９いずれか記
載の燃料ガス生成システムと、該燃料ガス生成システム
で生成された燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電
池とを備える燃料電池システム。
【請求項２１】炭化水素化合物を原料とする化学的工
程により水素を含有する混合ガスを生成する化学反応部
と、一方の面側を前記混合ガスを供給する混合ガス室、
他方の面側を前記水素が抽出される抽出室として備えら
れた水素分離膜を用いて前記混合ガスから水素を分離す
るための分離機構とを備え、少なくとも該分離機構によ
って分離された水素を用いて燃料電池に供給する水素リ
ッチな燃料ガスを生成する燃料ガス生成システムにおい
て、前記分離機構で水素を分離するための水素分離方法
であって、（ａ）前記化学反応部で生成されたガスの
顕熱、前記燃料電池の排出ガスの顕熱、前記燃料電池の
廃熱、前記分離機構で水素が分離された後の未透過ガス
の燃焼熱、前記燃料電池の排出ガスの燃焼熱の少なくと
も一部を利用して水蒸気を発生する工程と、（ｂ）前
記抽出室に分離された水素を運搬するためのガスとし
て、該水蒸気を前記抽出室に導入する工程とを備える水
素分離方法。