JP2002025588A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギーコストを低減し得る燃料電池発電
装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池発電部Ｇから排出された排燃料
ガスの燃焼熱にて原燃料を改質処理する改質部Ｒに向け
て、燃料電池発電部Ｇからの排燃料ガスを送る排燃料ガ
ス供給経路２４に、排燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮
させるように排燃料ガスを冷却する冷却凝縮部Ｃ、及
び、その冷却凝縮部Ｃで凝縮された凝縮水を回収する凝
縮水回収部１４が設けられた燃料電池発電装置におい
て、冷却凝縮部Ｃが、燃料電池発電装置を運転するため
の運転用流体を排燃料ガスにて予熱することにより、排
燃料ガスを冷却するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電部か
ら排出された排燃料ガスの燃焼熱にて原燃料を改質処理
する改質処理部に向けて、前記燃料電池発電部からの排
燃料ガスを送る排燃料ガス供給経路に、前記排燃料ガス
に含まれる水蒸気を凝縮させるように前記排燃料ガスを
冷却する冷却凝縮部、及び、その冷却凝縮部で凝縮され
た凝縮水を回収する凝縮水回収部が設けられた燃料電池
発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる燃料電池発電装置は、燃料電池発
電部から排出された排燃料ガスを排燃料ガス供給経路に
て改質部に送り、改質部において、排燃料ガスを燃焼さ
せた燃焼熱により、炭化水素系の原燃料を水蒸気により
改質処理して、水素ガスを含むガスを生成するものであ
る。燃料電池発電部から排出された排燃料ガスには水蒸
気が含まれていて、排燃料ガスが排燃料ガス供給経路に
て改質部に送られる間に凝縮して、その凝縮水が改質部
に送られると、改質部における排燃料ガスの燃焼が不安
定となって、原燃料の改質処理に悪影響を与えるので、
排燃料ガス供給経路には、排燃料ガスに含まれる水蒸気
を冷却凝縮させる冷却凝縮部、及び、その冷却凝縮部で
凝縮された凝縮水を回収する凝縮水回収部が設けられて
いる。ちなみに、排燃料ガスには、原燃料に混合された
改質処理用の水蒸気の残留分が含まれているが、その他
に、例えば、燃料電池発電部が高分子膜を電解質とする
固体高分子型の場合は、高分子膜にイオン導電性を持た
せるために高分子膜加湿用として供給された水蒸気の残
留分が含まれている。

【０００３】従来は、冷却凝縮部における排燃料ガスの
冷却用として、冷却凝縮部に専用の冷却水を供給してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、冷却凝縮部専用の冷却水を供給しているため、電力
を得たり、電力に加えて、発電過程で発生する排熱を回
収して熱を得たりするためのエネルギーコストを低減す
る面で改善の余地があった。

【０００５】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、エネルギーコストを低減し得る
燃料電池発電装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の特徴構成は、前記冷却凝縮部が、燃料
電池発電装置を運転するための運転用流体を前記排燃料
ガスにて予熱することにより、前記排燃料ガスを冷却す
るように構成されていることにある。請求項１に記載の
特徴構成によれば、冷却凝縮部において、燃料電池発電
部を運転するための運転用流体と排燃料ガスとが熱交換
することにより、運転用流体が予熱されると共に、排燃
料ガスが冷却されて、排燃料ガスに含まれる水蒸気が凝
縮する。つまり、含有水蒸気を冷却凝縮させることがで
きるように排燃料ガスを冷却することができる量及び温
度にて存在すると共に、以降は、その存在温度よりも高
温にて用いられる運転用流体を用いて、排燃料ガスを冷
却するので、その運転用流体は排燃料ガスを冷却するこ
とにより昇温しても、燃料電池発電装置の運転に悪影響
を与えることがなく、しかも、従来必要としていた冷却
凝縮部専用の冷却水を不要にすることができるのであ
る。従って、従来必要としていた冷却凝縮部専用の冷却
水を不要にして、エネルギーコストを低減し得る燃料電
池発電装置を提供することができるようになった。又、
運転用流体が排燃料ガスを冷却することによって予熱さ
れることにより、燃料電池発電装置の運転安定性の向
上、発電効率の向上、又は、排熱回収効率の向上を図る
ことができるようになった。

【０００７】〔請求項２記載の発明〕請求項２に記載の
特徴構成は、前記運転用流体が、前記燃料電池発電部へ
供給される酸素含有ガスであることにある。請求項２に
記載の特徴構成によれば、冷却凝縮部において、酸素含
有ガスと排燃料ガスとが熱交換することにより、酸素含
有ガスが予熱されると共に、排燃料ガスが冷却されて排
燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮し、その冷却凝縮部に
て予熱された酸素含有ガスが燃料電池発電部に供給され
る。つまり、燃料電池発電部における水素と酸素との発
電反応温度は、例えば、発電反応温度が比較的低い高分
子型の燃料電池発電部においても、８０〜１００°Ｃ程
度であり、一方、燃料電池発電部において発電反応用と
して用いられる空気等の酸素含有ガスは、常温又は常温
に近い温度にて供給されるので、燃料電池発電部に供給
する酸素含有ガスを、冷却凝縮部における排燃料ガス冷
却用の運転用流体として用いることができるのである。
しかも、燃料電池発電部に供給される酸素含有ガスが予
熱されている分、燃料電池発電部を冷却する発電部冷却
用流体によって持ち出される熱量が多くなるので、発電
部冷却用流体からの排熱回収量を多くすることができ
る。従って、冷却凝縮部専用の冷却水を不要にすること
ができることに加えて、発電部冷却用流体からの排熱回
収量を多くすることができるので、エネルギーコストを
更に低減することができるできるようになった。

【０００８】〔請求項３記載の発明〕請求項３に記載の
特徴構成は、前記運転用流体が、前記改質部における原
燃料改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部に供給
される原料水であることにある。請求項３に記載の特徴
構成によれば、冷却凝縮部において、水蒸気生成部にお
ける水蒸気生成用の原料水と排燃料ガスとが熱交換する
ことにより、原料水が予熱されると共に、排燃料ガスが
冷却されて、排燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮し、そ
の冷却凝縮部にて予熱された原料水が水蒸気生成部に供
給される。つまり、水蒸気生成部における水蒸気生成用
の原料水は、常温又は常温に近い温度にて供給されるの
で、水蒸気生成部に供給する原料水を、冷却凝縮部にお
ける排燃料ガス冷却用の運転用流体として用いることが
できるのである。しかも、水蒸気生成部に供給される原
料水が予熱されているので、水蒸気生成部における水蒸
気生成が一層安定化して、改質部における原燃料の改質
処理が一層安定化し、ひいては、燃料電池発電部におけ
る発電を一層安定化することができる。従って、冷却凝
縮部専用の冷却水を不要にしてエネルギーコストを低減
することができるとともに、一層安定した発電出力を得
ることができるようになった。

【０００９】〔請求項４記載の発明〕請求項４に記載の
特徴構成は、前記排燃料ガス供給経路における前記凝縮
水回収部よりも下流側の箇所に、前記排燃料ガスを加熱
する加熱部が設けられていることにある。請求項４に記
載の特徴構成によれば、排燃料ガス供給経路における凝
縮水回収部よりも下流側の箇所にて、加熱部によって、
排燃料ガスが加熱されるので、排燃料ガス中の水蒸気が
冷却凝縮部にて凝縮されて、その凝縮水が凝縮水回収部
にて回収されるにもかかわらず、排燃料ガス中に水蒸気
が残留していたとしても、その残留水蒸気の凝縮が防止
される。従って、改質部へ凝縮水が供給されるのを可及
的に抑制することができるので、改質部における排燃料
ガスの燃焼を一層安定化させて、原燃料の改質処理を一
層安定化させることができ、ひいては、一層安定した発
電出力を得ることができるようになった。

【００１０】〔請求項５記載の発明〕請求項５に記載の
特徴構成は、前記燃料電池発電部が、高分子膜を電解質
とするように構成され、前記改質部から排出された改質
処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処
理する変成処理部と、その変成処理部から排出された変
成処理ガス中の一酸化炭素ガスを酸化する選択酸化処理
部とが設けられ、前記加熱部が、前記選択酸化処理部か
ら排出された選択酸化処理ガスにて、前記排燃料ガスを
加熱するように構成され、前記加熱部にて前記排燃料ガ
スを加熱することにより冷却された前記選択酸化処理ガ
スが、燃料ガスとして前記燃料電池発電部に供給される
ように構成されていることにある。請求項５に記載の特
徴構成によれば、加熱部において、選択酸化処理ガスと
排燃料ガスとが熱交換することにより、排燃料ガスが加
熱されると共に、選択酸化処理ガスが冷却され、そのよ
うに冷却された選択酸化処理ガスが燃料ガスとして燃料
電池発電部に供給される。つまり、電解質が高分子膜に
て構成された高分子型の燃料電池発電部における発電反
応温度は、選択酸化処理部における選択酸化処理温度よ
りも低いので、選択酸化処理部から排出された選択酸化
処理ガスを高分子型の燃料電池発電部に供給するのに適
した温度にまで冷却する必要があり、その冷却のために
選択酸化処理ガスから採取する熱量を、加熱部における
排燃料ガス加熱用として用いるのである。従って、含有
水蒸気を冷却凝縮させるために冷却した後の排燃料ガス
を再加熱することにより、原燃料の改質処理を一層安定
化させて、一層安定した発電出力が得られるという効果
を、新たなエネルギ供給を回避しながら達成することが
できるようになった。

【００１１】〔請求項６記載の発明〕請求項６に記載の
特徴構成は、前記改質部における原燃料改質処理用の水
蒸気を生成する水蒸気生成部が、前記改質部から排出さ
れた前記排燃料ガスの燃焼ガスにて原料水を加熱して水
蒸気を生成するように構成され、前記改質部から排出さ
れた改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガス
に変成処理する変成処理部と、その変成処理部から排出
された変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを酸化する選択
酸化処理部とが設けられて、その選択酸化処理部から排
出された選択酸化処理ガスが燃料ガスとして前記燃料電
池発電部に供給されるように構成され、前記水蒸気生成
部にて前記原料水を加熱した後の前記燃焼ガスにより、
前記変成処理部を冷却するように構成され、前記加熱部
が、前記変成処理部を冷却した後の前記燃焼ガスにて、
前記排燃料ガスを加熱するように構成されていることに
ある。請求項６に記載の特徴構成によれば、改質部から
排出された燃焼ガスは、水蒸気生成部において原料水の
加熱用として用いられて冷却され、そのように水蒸気生
成部にて冷却された燃焼ガスが、発熱反応である変成処
理が実行される変成処理部を冷却するために用いられ、
加熱部においては、変成処理部の冷却用として用いられ
ることにより加熱された燃焼ガスによって、排燃料ガス
が加熱される。つまり、発熱反応である変成処理が実行
される変成処理部を冷却することにより得られた熱を、
加熱部における排燃料ガス加熱用として用いるのであ
る。従って、含有水蒸気を冷却凝縮させるために冷却し
た後の排燃料ガスを再加熱することにより、原燃料の改
質処理を一層安定化させて、一層安定した発電出力が得
られるという効果を、新たなエネルギ供給を回避しなが
ら達成することができるようになった。

【００１２】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕以下、図１ない
し図４に基づいて、本発明の第１実施形態を説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置は、高分子膜を電
解質とする固体高分子型の燃料電池発電部Ｇ、その燃料
電池発電部Ｇに供給する燃料ガスである水素含有ガスを
生成する水素含有ガス生成部Ｐ、及び、燃料電池発電部
Ｇに反応用空気を供給するブロア２８を備えて構成して
あり、燃料電池発電部Ｇにおいて、燃料ガス中の水素と
反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するよ
うに構成してある。

【００１３】燃料電池発電部Ｇには、冷却水を通流させ
る冷却水通流部５１を設けてあり、その冷却水通流部５
１に対して、冷却水ポンプ５２を設けた冷却水循環路５
３を接続して、冷却水ポンプ５２によって、冷却水を冷
却水通流部５１に循環させて燃料電池発電部Ｇを冷却す
るように構成してある。更に、冷却水循環路５３を通流
する冷却水と排熱回収路５４を通流する水とを熱交換さ
せる排熱回収用熱交換器５５を設けてあり、その排熱回
収用熱交換器５５によって、燃料電池発電部Ｇの排熱を
回収して、排熱回収路５４を通じて温水を需要先に供給
するように構成してある。

【００１４】図１に示すように、水素含有ガス生成部Ｐ
は、天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理す
る脱硫処理部１と、水を加熱して水蒸気を生成する水蒸
気生成部Ｓと、燃料電池発電部Ｇから排出された排燃料
ガスの燃焼熱により、脱硫処理部１で脱硫処理された原
燃料ガスを水蒸気生成部Ｓで生成された水蒸気を用いて
水素ガスと一酸化炭素ガスに改質処理する改質部Ｒと、
その改質部Ｒから排出された改質処理ガス中の一酸化炭
素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する
変成処理部５と、その変成処理部５から排出された変成
処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスを選択的に酸化
する選択酸化処理部６とを備えて構成して、その選択酸
化処理部６から排出される一酸化炭素ガス濃度の低い
（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな選択酸化処理ガ
スを、燃料ガスとして燃料電池発電部Ｇに供給するよう
に構成してある。

【００１５】改質部Ｒは、改質触媒が通気自在に充填さ
れると共に、被改質ガス（脱硫原燃料ガスと水蒸気との
混合ガス）を通流させて、原燃料ガスを改質処理する改
質処理部３と、燃料電池発電部Ｇから排出された排燃料
ガスを燃焼させて改質処理部３を加熱する燃焼部４とを
備えて構成してある。

【００１６】水蒸気生成部Ｓは、改質部Ｒの燃焼部４か
ら排出された燃焼ガスを通流させる水蒸気生成用加熱通
流部１１と、供給される原料水を水蒸気生成用加熱通流
部１１による加熱にて蒸発させる蒸発処理部２とから構
成してある。

【００１７】更に、水素含有ガス生成部Ｐには、改質処
理部３から排出された高温の改質処理ガスを通流させ
て、改質処理部３を保温する保温用通流部７と、高温の
改質処理ガスにより改質処理部３に供給される被改質ガ
スを加熱する被改質ガス用熱交換器Ｅｐと、高温の改質
処理ガスにより脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを
加熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａと、変成処理部５を
冷却するために冷却用流体を通流させる変成部冷却用通
流部８と、同じく、変成処理部６を冷却するために冷却
用流体を通流させる変成部冷却用通流部９と、変成処理
部５及び選択酸化処理部６を冷却する冷却用ファン１０
とを設けてある。

【００１８】被改質ガス用熱交換器Ｅｐは、保温用通流
部７から排出された改質処理ガスを通流させる上流側改
質処理ガス通流部１２と、改質処理部３に供給する被改
質ガスを通流させる被改質ガス通流部１３とを熱交換自
在に設けて構成し、原燃料ガス用熱交換器Ｅａは、上流
側改質処理ガス通流部１２から排出された改質処理ガス
を通流させる下流側改質処理ガス通流部１５と、脱硫処
理部１に供給する原燃料ガスを通流させる原燃料ガス通
流部１６とを熱交換自在に設けて構成してある。

【００１９】燃料電池発電部Ｇからの排燃料ガスを送る
排燃料ガス供給路２４（排燃料ガス供給経路に相当す
る）に、排燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮させるよう
に排燃料ガスを冷却する冷却凝縮部Ｃ、及び、その冷却
凝縮部Ｃで凝縮された凝縮水を回収するドレントラップ
１４（凝縮水回収部に相当する）を設けてある。

【００２０】そして、本発明においては、冷却凝縮部Ｃ
を、燃料電池発電装置を運転するための運転用流体を排
燃料ガスにて予熱することにより、排燃料ガスを冷却す
るように構成してあり、第１実施形態では、前記運転用
流体として、燃料電池発電部Ｇへ供給する酸素含有ガス
である反応用空気を用いるようにして、冷却凝縮部Ｃ
を、燃料電池発電部Ｇへ供給する反応用空気と排燃料ガ
スとを熱交換させる反応用空気利用熱交換器１７にて構
成してある。

【００２１】図２に示すように、水素含有ガス生成部Ｐ
は、矩形板状の偏平な容器Ｂの複数を板状形状の厚さ方
向に並べて設けて、各容器Ｂを用いて、各処理部、各通
流部、燃焼部４等を夫々構成してある。

【００２２】複数の容器Ｂのうちの一部は、一つの室を
備えるように形成した単室具備容器Ｂｍにて構成し、残
りは、区画された二つの室を備えるように形成した双室
具備容器Ｂｄにて構成してある。図４に示すように、単
室具備容器Ｂｍは、皿形状容器形成部材４１と平板状容
器形成部材４２とを周辺部を溶接接続して、一つの室を
区画形成し、図３に示すように、双室具備容器Ｂｄは、
一対の皿形状容器形成部材４１の間に平板状の仕切り部
材４３を位置させた状態で、周辺部を溶接接続して、二
つの室を区画形成してある。各単室具備容器Ｂｍや、各
双室具備容器Ｂｄには、必要に応じて、流体供給用や流
体排出用の接続ノズル４４を内部の室と連通する状態で
取り付けてある。又、図示を省略するが、必要に応じ
て、容器Ｂの室内を蛇行状流路になるように構成して、
流体の通流経路を長くしている。

【００２３】図２に示すように、本実施形態において
は、８個の双室具備容器Ｂｄと、１個の単室具備容器Ｂ
ｍを、正面視において左端から３個目に単室具備容器Ｂ
ｍを位置させた状態で横方向に並設してある。８個の双
室具備容器Ｂｄの区別が明確になるように、便宜上、双
室具備容器を示す符号Ｂｄの後に、左からの並び順を示
す符号１，２，３……………８を付す。

【００２４】左端の双室具備容器Ｂｄ１にて水蒸気生成
部Ｓを構成してあり、その双室具備容器Ｂｄ１の左側の
室を備えた部分を用いて、水蒸気生成用加熱通流部１１
を構成し、右側の室を備えた部分を用いて蒸発処理部２
を構成し、両室内にステンレスウール等からなる伝熱促
進材を通気可能な状態で充填してある。左から２個目の
双室具備容器Ｂｄ２にて改質部Ｒを構成してあり、その
双室具備容器Ｂｄ２の左側の室を備えた部分を用いて燃
焼部４を構成し、右側の室を備えた部分を用いて改質処
理部３を構成してある。燃焼部４を構成する左側の室
を、燃焼室に構成すると共に、その燃焼室内で排燃料ガ
スを燃焼するように改質用バーナ４ｂを設け、改質処理
部３を構成する右側の室には、ルテニウム、ニッケル、
白金等の改質用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒
状体の多数を通気可能な状態で充填してある。単室具備
容器Ｂｍを用いて、保温用通流部７を構成してある。

【００２５】左から３個目の双室具備容器Ｂｄ３の左側
の室を備えた部分を用いて、上流側改質処理ガス通流部
１２を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、被改質
ガス通流部１３を構成してある。両室内には、ステンレ
スウール等からなる伝熱促進材を通気可能な状態で充填
してある。

【００２６】左から４個目の双室具備容器Ｂｄ４の左側
の室を備えた部分を用いて、脱硫処理部１を構成し、右
側の室を備えた部分を用いて、原燃料ガス通流部１６を
構成してある。脱硫処理部１を構成する左側の室内に
は、脱硫用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体
の多数を通気可能な状態で充填してある。

【００２７】左から５個目の双室具備容器Ｂｄ５の左側
の室を備えた部分を用いて、下流側改質処理ガス通流部
１５を構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成処
理部５を構成してある。左から６個目の双室具備容器Ｂ
ｄ６の左側の室を備えた部分を用いて、変成処理部５を
構成し、右側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用
通流部８を構成してある。左から７個目の双室具備容器
Ｂｄ７を用いて、変成処理部５を構成してある。変成処
理部を構成する各室内には、酸化鉄又は銅亜鉛の変成反
応用触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数
を通気可能な状態で充填してある。

【００２８】左からから８個目（右端）の双室具備容器
Ｂｄ８の左側の室を備えた部分を用いて、変成部冷却用
通流部９を構成し、右側の室を備えた部分を用いて選択
酸化処理部６を構成してある。選択酸化処理部６を構成
する室内には、ルテニウムの選択酸化用触媒を保持した
セラミック製の多孔質粒状体の多数を通気可能な状態で
充填してある。

【００２９】８個の双室具備容器Ｂｄと１個の単室具備
容器Ｂｍを含む複数の容器Ｂを並べるに当たっては、伝
熱させる必要のあるもの同士は互いに密着させた状態
で、且つ、伝熱量を調節する必要のあるもの同士の間に
伝熱量調節用の断熱材１９を介在させた状態で、並べて
ある。つまり、左端の双室具備容器Ｂｄ１と左から２個
目の双室具備容器Ｂｄ２との間に断熱材１９を配置し、
左から２個目の双室具備容器Ｂｄ２と単室具備容器Ｂｍ
とを密接配置し、単室具備容器Ｂｍと左から３個目の双
室具備容器Ｂｄ３との間に断熱材１９を配置し、左から
３個目の双室具備容器Ｂｄ３と左から４個目の双室具備
容器Ｂｄ４との間に断熱材１９を配置し、並びに、左か
ら４個目から８個目（右端）の双室具備容器Ｂｄ４〜Ｂ
ｄ８を互いに密接配置してある。

【００３０】つまり、複数の容器Ｂを並設した状態にお
いて、最も高温維持が要求される改質部Ｒを構成する双
室具備容器Ｂｄ２を、並設方向の略中間部に配置し、そ
の改質部Ｒを構成する双室具備容器Ｂｄ２の一方側に断
熱材１９を、他方側に保温用通流部７を構成する単室具
備容器Ｂｍ及び断熱材１９を配置し、それらの並設方向
両側夫々に、処理温度が概ね低くなる順になるように、
各処理部等を構成する容器Ｂを並べ、並びに、並設方向
端部には冷却が要求される選択酸化処理部６を構成する
双室具備容器Ｂｄ８を配置することにより、放熱損失を
可及的に抑制しながら、各処理部等を適切な温度に制御
できるようにしてある。

【００３１】改質処理部３においては、メタンガスを主
成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、例えば
７００〜７５０°Ｃ程度の加熱下でメタンガスと水蒸気
とが下記の反応式にて改質反応して、水素ガスと一酸化
炭素ガスを含むガスに改質処理される。

【００３２】

【化１】ＣＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂

【００３３】変成処理部５においては、改質処理ガス中
の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、例えば２００°Ｃ程度
の反応温度にて下記の反応式にて変成反応して、一酸化
炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。

【００３４】

【化２】ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋Ｈ₂

【００３５】選択酸化処理部６においては、ルテニウム
の触媒作用によって、１００°Ｃ程度の反応温度にて、
変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化
される。

【００３６】図１及び図２において、白抜き線矢印にて
示すように、原燃料ガス供給路２１を原燃料ガス用熱交
換器Ｅａの原燃料ガス通流部１６に接続し、並びに、原
燃料ガス通流部１６、脱硫処理部１、被改質ガス用熱交
換器Ｅｐの被改質ガス通流部１３、改質処理部３、保温
用通流部７、被改質ガス用熱交換器Ｅｐの上流側改質処
理ガス通流部１２、原燃料ガス用熱交換器Ｅａの下流側
改質処理ガス通流部１５、各変成処理部５、選択酸化処
理部６の順に流れるガス処理経路を形成するように、そ
れらをガス処理用流路２２にて接続してある。最後段の
変成処理部５と選択酸化処理部６とを接続するガス処理
用流路２２には、変成処理ガスから凝縮水を除去するド
レントラップ３４を設けてある。

【００３７】そして、原燃料ガス供給路２１から供給さ
れる原燃料ガスを脱硫処理部１で脱硫処理し、その脱硫
原燃料ガスと後述する水蒸気路２６からの水蒸気とを混
合して、改質処理部３に供給して改質処理し、その改質
処理ガスを４段の変成処理部５に順次供給して、一酸化
炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理し、その変成処理
ガスを選択酸化処理部６に供給して一酸化炭素ガスを選
択的に酸化処理する。

【００３８】その選択酸化処理部６から排出された選択
酸化処理ガスを燃料ガスとして、燃料ガス路２３を通じ
て燃料電池発電部Ｇに供給し、燃料電池発電部Ｇから排
出された排燃料ガスを排燃料ガス路２４を通じて、改質
部Ｒの改質用バーナ４ｂに供給する。尚、選択酸化処理
部６から排出された選択酸化処理ガスの温度は１１０°
Ｃ程度であり、高分子型の燃料電池発電部Ｇの動作温度
は８０°Ｃ程度であるので、燃料ガス路２３には、選択
酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガスを、燃料
電池発電部Ｇの動作温度付近にまで冷却する燃料ガス冷
却用熱交換器３３を設けてある。

【００３９】図１及び図２において、実線矢印にて示す
ように、水蒸気生成用の原料水を供給する原料水供給路
２５を蒸発処理部２に接続し、蒸発処理部２にて生成さ
れた水蒸気を送出する水蒸気路２６を、脱硫処理部１と
被改質ガス通流部１３とを接続するガス処理用流路２２
に接続して、ガス処理用流路２２を通流する脱硫原燃料
ガスに改質用の水蒸気を混合させるように構成してあ
る。

【００４０】原料水供給路２５の途中には、原料水を蛇
行状に流す蛇行状通流部１８を設け、その蛇行状通流部
１８を、水素含有ガス生成部Ｐの外壁部のうちの、改質
部Ｒの燃焼部４を覆う箇所に、熱伝導可能に当て付けて
設けて、水素含有ガス生成部Ｐの外壁部からの伝導熱及
び輻射熱にて、蛇行状通流部１８を通流する原料水を予
熱するように構成してある。

【００４１】図１及び図２において、破線矢印にて示す
ように、改質部Ｒの燃焼部４から排出された燃焼ガス
を、水蒸気生成用加熱通流部１１、変成部冷却用通流部
８の順に流すように、それら燃焼部４、水蒸気生成用加
熱通流部１１、変成部冷却用通流部８を燃焼ガス路２７
にて接続して、水蒸気生成用加熱通流部１１において
は、燃焼ガスによって蒸発処理部２を加熱し、変成部冷
却用通流部８においては、燃焼ガスによって、発熱反応
である変成反応が行われる変成処理部５を冷却するよう
に構成してある。尚、水蒸気生成用加熱通流部１１から
排出された燃焼ガスの温度は１２０°Ｃ程度であり、そ
の燃焼ガスが変成部冷却用通流部８を通流して変成処理
部５を冷却するので、変成部冷却用通流部８から排出さ
れた燃焼ガスの温度は１５０°Ｃ程度に上がっている。

【００４２】図１及び図２において、一点鎖線矢印にて
示すように、ブロア２８からの空気を燃焼用空気とし
て、変成部冷却用通流部９を通流させてから改質部Ｒの
改質用バーナ４ｂに供給するように、ブロア２８、変成
部冷却用通流部９、改質用バーナ４ｂを燃焼用空気路２
９にて接続すると共に、燃焼用空気を変成部冷却用通流
部９を迂回させて通流させるように、燃焼用空気路２９
に燃焼用空気バイパス路３０を接続し、ブロア２８から
の空気を酸化用空気として選択酸化処理部６に供給する
ように、ブロア２８に接続した酸化用空気供給路３１
を、最後段の変成処理部５と選択酸化処理部６とを接続
するガス処理用流路２２に接続し、更に、ブロア２８か
らの空気を反応用空気として燃料電池発電部Ｇに供給す
るように、ブロア２８に接続した反応用空気路３２を燃
料電池発電部Ｇに接続してある。

【００４３】改質用バーナ４ｂに対して、燃焼用空気を
変成部冷却用通流部９を通流させて供給する状態と、変
成部冷却用通流部９を迂回させて燃焼用空気バイパス路
３０を通じて供給する状態とに切り換えるために、開閉
弁３５，３６を設けてある。尚、通常は、開閉弁３５，
３６を、燃焼用空気が燃焼用空気バイパス路３０を通流
する状態に切り換えるが、変成処理部５の冷却能力が不
足するとき、例えば、夏期の高気温時には、開閉弁３
５，３６を、燃焼用空気が変成部冷却用通流部９を通流
する状態に切り換えて、燃焼用空気にて変成処理部５を
冷却する。

【００４４】反応用空気利用熱交換器１７は、排燃料ガ
ス供給路２４を通流する排燃料ガスと、反応用空気路３
２を通流する反応用空気とを熱交換させるように設けて
あり、排燃料ガス供給路２４における反応用空気利用熱
交換器１７よりも下流側の箇所に、ドレントラップ１４
を設けてある。そして、反応用空気利用熱交換器１７に
おいて、反応用空気と排燃料ガスとが熱交換することに
より、反応用空気が予熱されると共に、排燃料ガスが冷
却されて排燃料ガスに含まれる水蒸気が凝縮し、その凝
縮水がドレントラップ１４にて除去されて、そのように
凝縮水が除去された排燃料ガスが改質用バーナ４ｂに供
給され、並びに、反応用空気利用熱交換器１７にて予熱
された反応用空気が燃料電池発電部Ｇに供給される。

【００４５】従って、反応用空気利用熱交換器１７にて
予熱された反応用空気が燃料電池発電部Ｇに供給される
ことから、冷却水循環路５３を通流する冷却水によって
燃料電池発電部Ｇから持ち出される熱量が多くなるの
で、排熱回収用熱交換器５５において、冷却水からの排
熱回収量を多くすることができる。

【００４６】以下、本発明の第２〜第４の各実施形態を
説明するが、第１実施形態と同じ構成要素や同じ作用を
有する構成要素については、重複説明を避けるために、
同じ符号を付すことにより説明を省略し、主として、第
１実施形態と異なる構成を説明する。

【００４７】〔第２実施形態〕以下、図５に基づいて第
２実施形態を説明する。第２実施形態においては、冷却
凝縮部Ｃを、改質部Ｒにおける原燃料改質処理用の水蒸
気を生成する水蒸気生成部Ｓに供給される原料水と排燃
料ガスとを熱交換させるにて構成してある。つまり、第
２実施形態では、冷却凝縮部Ｃにおいて排燃料ガスにて
予熱する運転用流体として、水蒸気生成部Ｓに供給され
る原料水を用いるように構成してある。

【００４８】原料水利用熱交換器３７は、排燃料ガス供
給路２４を通流する排燃料ガスと、原料水供給路２５を
通流する原料水とを熱交換させるように設けてあり、排
燃料ガス供給路２４における原料水利用熱交換器３７よ
りも下流側の箇所に、ドレントラップ１４を設けてあ
る。そして、原料水利用熱交換器３７において、原料水
と排燃料ガスとが熱交換することにより、原料水が予熱
されると共に、排燃料ガスが冷却されて排燃料ガスに含
まれる水蒸気が凝縮し、その凝縮水がドレントラップ１
４にて除去されて、そのように凝縮水が除去された排燃
料ガスが改質用バーナ４ｂに供給され、並びに、原料水
利用熱交換器３７にて予熱された原料水が、更に、蛇行
状通流部１８にて予熱された後、水蒸気生成部Ｓの蒸発
処理部に供給される。

【００４９】〔第３実施形態〕以下、図６に基づいて、
第３実施形態を説明する。第３実施形態においては、冷
却凝縮部Ｃは、第１実施形態と同様の反応用空気利用熱
交換器１７にて構成すると共に、排燃料ガス供給路２４
におけるドレントラップ１４よりも下流側の箇所に、排
燃料ガスを加熱する加熱部Ｈを設けてある。そして、第
３実施形態においては、加熱部Ｈは、燃料ガス路２３を
流れる選択酸化処理ガスと、排燃料ガス供給路２４にお
けるドレントラップ１４よりも下流側の箇所を流れる排
燃料ガスとを熱交換させるように設けた選択酸化処理ガ
ス利用熱交換器３８にて構成してあり、選択酸化処理部
６から排出された選択酸化処理ガスにて排燃料ガスを加
熱するように構成してある。

【００５０】選択酸化処理ガス利用熱交換器３８は、排
燃料ガス供給路２４において、ドレントラップ１４より
も下流側で、しかもドレントラップ１４にできるだけ近
い箇所に設けて、ドレントラップ１４を流出した排燃料
ガスが選択酸化処理ガス利用熱交換器３８に至る経路を
極力短くして、ドレントラップ１４を流出した排燃料ガ
スが選択酸化処理ガス利用熱交換器３８に至るまでの間
に冷却されるのを極力抑制して、水蒸気の凝縮を防止し
ている。

【００５１】選択酸化処理ガス利用熱交換器３８におい
て、選択酸化処理ガスと排燃料ガスとが熱交換すること
により、排燃料ガスが加熱されると共に、選択酸化処理
ガスが冷却され、そのように冷却された選択酸化処理ガ
スが燃料ガスとして燃料電池発電部Ｇに供給される。
尚、選択酸化処理部６から排出された１１０°Ｃ程度の
温度の選択酸化処理ガスを、選択酸化処理ガス利用熱交
換部３７において、燃料電池発電部Ｇの動作温度付近に
まで冷却するので、第１実施形態において設けた燃料ガ
ス冷却用熱交換器３３は省略してある。

【００５２】〔第４実施形態〕以下、図７に基づいて、
第４実施形態を説明する。第４実施形態においては、冷
却凝縮部Ｃは、第１実施形態と同様の反応用空気利用熱
交換器１７にて構成すると共に、排燃料ガス供給路２４
におけるドレントラップ１４よりも下流側の箇所に、排
燃料ガスを加熱する加熱部Ｈを設けてある。そして、第
３実施形態においては、加熱部Ｈは、燃焼ガス路２７に
おける変成部冷却用通流部８よりも下流側の箇所を流れ
る燃焼ガスと、排燃料ガス供給路２４におけるドレント
ラップ１４よりも下流側の箇所を流れる排燃料ガスとを
熱交換させるように設けた燃焼ガス利用熱交換器３９に
て構成してあり、変成処理部５を冷却した後の燃焼ガス
にて、排燃料ガスを加熱するように構成してある。

【００５３】燃焼ガス利用熱交換器３９は、排燃料ガス
供給路２４において、ドレントラップ１４よりも下流側
で、しかもドレントラップ１４にできるだけ近い箇所に
設けて、ドレントラップ１４を流出した排燃料ガスが燃
焼ガス利用熱交換器３９に至る経路を極力短くして、ド
レントラップ１４を流出した排燃料ガスが燃焼ガス利用
熱交換器３９に至るまでの間に冷却されるのを極力抑制
して、水蒸気の凝縮を防止している。

【００５４】〔別実施形態〕次に別実施形態を説明す
る。 （イ） 冷却凝縮部Ｃにおいて排燃料ガスにて予熱する
運転用流体としては、上記の実施形態において例示し
た、燃料電池発電部Ｇへ供給する反応用空気及び水蒸気
生成部Ｓに供給する原料水に限定されるものではなく、
例えば、原燃料、燃焼部４に供給する燃焼用空気等を用
いることができる。

【００５５】又、加熱部Ｈにおいて排燃料ガスを加熱す
るための熱源は、上記の実施形態において例示した、選
択酸化処理部６から排出された選択酸化処理ガス及び変
成処理部５を冷却した後の燃焼ガスに限定されるもので
はなく、例えば、変成処理部５から排出された変成処理
ガスを用いることができる。つまり、変成処理部５から
排出された変成処理ガスの温度は２００°Ｃ程度であ
り、選択酸化処理部６における反応温度は１００°Ｃ程
度であるので、変成処理ガスを選択酸化処理部６におけ
る反応温度付近の温度にまで冷却するために回収した熱
量を、排燃料ガスの加熱に用いるのである。

【００５６】（ロ） 排燃料ガス供給路２４に、反応用
空気利用熱交換器１７及び原料水利用熱交換器３７の両
方を設けても良い。あるいは、排燃料ガス供給路２４
に、選択酸化処理ガス利用熱交換器３８及び燃焼ガス利
用熱交換器３９の両方を設けても良い。

【００５７】（ハ） 上記の第３及び第４の各実施形態
において、反応用空気利用熱交換器１７に代えて、原料
水利用熱交換器３７を設けても良い。

【００５８】（ニ） 加熱部Ｈの熱源として、バーナや
電気ヒータを用いても良いが、上記の第３及び第４の各
実施形態において例示したように、選択酸化処理部６か
ら排出された選択酸化処理ガスや、変成処理部５を冷却
した後の燃焼ガスを利用する方が、エネルギーコスト低
減の面で好ましい。

【００５９】（ホ） 上記の実施形態においては、水素
含有ガス生成部Ｐは、それを構成する各部を一体的に組
み付けて一体物として構成する場合について例示した
が、必要に応じて、分割するようにしても良い。

【００６０】（ヘ） 本発明は、上記の実施形態におい
て例示した如き固体高分子型以外に、リン酸型、固体電
解質型、溶融炭酸塩型等、種々の型式の燃料電池発電部
Ｇを備えたものに適用することができる。

【００６１】（ト） 燃料ガス生成用の炭化水素系の原
燃料としては、上記の実施形態において例示した天然ガ
ス以外に、プロパンガス、ナフサ、灯油や、メタノール
等のアルコール類等、種々の原燃料を用いることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態にかかる燃料電池発電装置の系統
図

【図２】第１実施形態にかかる燃料電池発電装置におけ
る水素含有ガス生成部の縦断面図

【図３】水素含有ガス生成部を構成する双室具備容器の
斜視図

【図４】水素含有ガス生成部を構成する単室具備容器の
斜視図

【図５】第２実施形態にかかる燃料電池発電装置の系統
図

【図６】第３実施形態にかかる燃料電池発電装置の系統
図

【図７】第４実施形態にかかる燃料電池発電装置の系統
図

【符号の説明】

５ 変成処理部 ６ 選択酸化処理部 １４ 凝縮水回収部 ２４ 排燃料ガス供給経路 Ｃ 冷却凝縮部 Ｇ 燃料電池発電部 Ｈ 加熱部 Ｒ 改質部 Ｓ 水蒸気生成部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池発電部から排出された排燃料ガ
   スの燃焼熱にて原燃料を改質処理する改質部に向けて、
   前記燃料電池発電部からの排燃料ガスを送る排燃料ガス
   供給経路に、前記排燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮さ
   せるように前記排燃料ガスを冷却する冷却凝縮部、及
   び、その冷却凝縮部で凝縮された凝縮水を回収する凝縮
   水回収部が設けられた燃料電池発電装置であって、 前記冷却凝縮部が、燃料電池発電装置を運転するための
   運転用流体を前記排燃料ガスにて予熱することにより、
   前記排燃料ガスを冷却するように構成されている燃料電
   池発電装置。
2. 【請求項２】 前記運転用流体が、前記燃料電池発電部
   へ供給される酸素含有ガスである請求項１記載の燃料電
   池発電装置。
3. 【請求項３】 前記運転用流体が、前記改質部における
   原燃料改質処理用の水蒸気を生成する水蒸気生成部に供
   給される原料水である請求項１記載の燃料電池発電装
   置。
4. 【請求項４】 前記排燃料ガス供給経路における前記凝
   縮水回収部よりも下流側の箇所に、前記排燃料ガスを加
   熱する加熱部が設けられている請求項１〜３のいずれか
   １項に記載の燃料電池発電装置。
5. 【請求項５】 前記燃料電池発電部が、高分子膜を電解
   質とするように構成され、 前記改質部から排出された改質処理ガス中の一酸化炭素
   ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部と、そ
   の変成処理部から排出された変成処理ガス中の一酸化炭
   素ガスを酸化する選択酸化処理部とが設けられ、 前記加熱部が、前記選択酸化処理部から排出された選択
   酸化処理ガスにて、前記排燃料ガスを加熱するように構
   成され、 前記加熱部にて前記排燃料ガスを加熱することにより冷
   却された前記選択酸化処理ガスが、燃料ガスとして前記
   燃料電池発電部に供給されるように構成されている請求
   項４記載の燃料電池発電装置。
6. 【請求項６】 前記改質部における原燃料改質処理用の
   水蒸気を生成する水蒸気生成部が、前記改質部から排出
   された前記排燃料ガスの燃焼ガスにて原料水を加熱して
   水蒸気を生成するように構成され、 前記改質部から排出された改質処理ガス中の一酸化炭素
   ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成処理部と、そ
   の変成処理部から排出された変成処理ガス中の一酸化炭
   素ガスを酸化する選択酸化処理部とが設けられて、その
   選択酸化処理部から排出された選択酸化処理ガスが燃料
   ガスとして前記燃料電池発電部に供給されるように構成
   され、 前記水蒸気生成部にて前記原料水を加熱した後の前記燃
   焼ガスにより、前記変成処理部を冷却するように構成さ
   れ、 前記加熱部が、前記変成処理部を冷却した後の前記燃焼
   ガスにて、前記排燃料ガスを加熱するように構成されて
   いる請求項４記載の燃料電池発電装置。