JP2003040605A - 改質装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化水素系の原燃料から水素を製造する改質
装置において、そのプロセス効率を向上させる。 【解決手段】 円柱状の第１及び第２燃焼ガス通路（4
1,42）と、有底の円筒状の第３燃焼ガス通路（43）と、
燃料ノズル（46）とで燃焼器（34）を構成する。第２燃
焼ガス通路（42）と第３燃焼ガス通路（43）の間には、
円筒状の第１及び第２改質側通路（51,52）を形成す
る。第１及び第２改質側通路（51,52）には、改質器（3
1）と蒸発器（36）を設置する。このようにして、燃焼
器（34）、改質器（31）、及び蒸発器（36）を一体化す
る。また、一体化された改質器（31）等は、その周囲が
断熱材（60）によって覆われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系の原燃
料から水素を生成する改質装置、及び該改質装置で生成
した水素を燃料電池に供給して発電を行う燃料電池シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、特開平１−１８６５７０号公
報に開示されているように、炭化水素系の原燃料から水
素を生成する改質装置が知られている。この改質装置で
は、水蒸気改質反応及び部分酸化反応によって、炭化水
素を主成分とする天然ガスから水素が生成される。ま
た、水蒸気改質反応により水素を製造するには、水蒸気
（気体状態のＨ₂Ｏ）が必要となる。そこで、上記改質
装置では、水を加熱して蒸発させ、得られた水蒸気を水
蒸気改質反応に利用している。

【０００３】上記改質装置は、得られた水素主体の燃料
ガスを燃料電池の水素極側へ供給する。また、燃料電池
の酸素極側へは、空気が供給される。燃料電池は、水素
極側へ供給された水素を燃料とし、酸素極側へ供給され
た空気中の酸素を酸化剤として発電を行う。このよう
に、上記公報では、改質装置と燃料電池とを組み合わて
燃料電池システムを構成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記改
質装置において、水蒸気を発生させるための蒸気発生器
は、部分酸化反応や水蒸気改質反応が行われる反応器と
別体に形成されている。このため、蒸気発生器と反応器
との両方で放熱ロスが生じることとなり、改質装置のプ
ロセス効率を充分に向上できないという問題があった。

【０００５】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、水素を製造する改質
装置においてプロセス効率の向上を図り、併せてプロセ
ス効率の高い改質装置を備える燃料電池システムを提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明が講じた第１の解
決手段は、燃料電池（10）の水素極側のガス通路（12）
へ供給するための燃料ガスを製造する改質装置を対象と
している。そして、炭化水素系の原燃料を含む原料ガス
が供給されて部分酸化反応及び水蒸気改質反応により水
素を生成させる改質部（31）と、上記改質部（31）と一
体に形成されて該改質部（31）を加熱するために加熱用
燃料を燃焼させる燃焼部（34）と、上記改質部（31）と
一体に形成され、少なくとも改質部（31）の排熱により
水を蒸発させて得られた水蒸気を上記原料ガスへ供給す
る水蒸気供給部（36）とを設けるものである。

【０００７】本発明が講じた第２の解決手段は、上記第
１の解決手段において、改質部（31）から反応後のガス
を供給されてシフト反応により水素を生成させる変成部
（32）が、一体に形成された上記改質部（31）と燃焼部
（34）の周りを囲むように設けられるものである。

【０００８】本発明が講じた第３の解決手段は、上記第
１又は第２の解決手段において、燃焼部（34）へは、燃
料電池（10）の水素極側のガス通路（12）から排出され
た水素極排ガスが加熱用燃料として供給されるものであ
る。

【０００９】本発明が講じた第４の解決手段は、上記第
３の解決手段において、原燃料は、メタンを主体とする
ものであり、改質部（31）の入口における原料ガスは、
単位体積中における酸素分子数を炭素原子数で除して得
られる値が０よりも大きく０．５未満とされ、且つ単位
体積中における水分子数を炭素原子数で除して得られる
値が１．０以上とされるものである。

【００１０】本発明が講じた第５の解決手段は、燃料電
池システムを対象とし、上記第１，第２，第３又は第４
の解決手段に係る改質装置（30）と、上記改質装置（3
0）で生成した燃料ガスが供給される燃料電池（10）と
を設けるものである。

【００１１】−作用− 上記第１の解決手段では、改質部（31）へ原料ガスが供
給される。また、原料ガスに対しては、水蒸気供給部
（36）によって水蒸気が供給される。つまり、改質部
（31）へ導入される原料ガスには、原燃料と、部分酸化
反応に用いられる酸素と、水蒸気改質反応に用いられる
水蒸気とが含まれている。改質部（31）では、原燃料と
酸素が反応する部分酸化反応、及び原燃料と水蒸気が反
応する水蒸気改質反応により、原燃料から水素が生成す
る。その際、改質部（31）へは、吸熱反応である水蒸気
改質反応の反応熱として、加熱用燃料の燃焼熱が燃焼部
（34）から供給される。

【００１２】本解決手段では、燃焼部（34）及び水蒸気
供給部（36）が改質部（31）と一体に形成されている。
このため、加熱用燃料の燃焼熱が、燃焼部（34）から改
質部（31）へ効率よく供給される。また、部分酸化反応
は発熱反応であり、水蒸気改質反応の反応温度も高いた
め、改質部（31）からは排熱として熱が放出される。こ
の改質部（31）からの排熱は、水蒸気供給部（36）で水
を蒸発させるのに利用される。

【００１３】上記第２の解決手段では、改質部（31）か
ら出た反応後のガスが変成部（32）へ送り込まれる。変
成部（32）へ送り込まれるガスには、改質部（31）での
反応により生じた水素や一酸化炭素と共に、改質部（3
1）で利用されなかった水蒸気が残存する。変成部（3
2）では、シフト反応（一酸化炭素変成反応）が行わ
れ、水素が生成すると同時に一酸化炭素が減少する。

【００１４】本解決手段において、変成部（32）は、一
体に形成された改質部（31）と燃焼部（34）の周りを囲
むように設けられる。ここで、一般に、シフト反応の反
応温度（２００〜４００℃程度）は、部分酸化反応や水
蒸気改質反応の反応温度（６００〜８００℃程度）より
も低温である。つまり、本解決手段において、改質部
（31）や燃焼部（34）の周囲は、改質部（31）よりも低
温の変成部（32）によって囲まれる。

【００１５】尚、本解決手段において、改質部（31）と
その周りの変成部（32）とを密着させて両者を一体に形
成する必要はない。つまり、改質部（31）と変成部（3
2）の温度差が大きいと、改質部（31）から変成部（3
2）への熱移動量が過多となる場合もある。従って、こ
のような場合には、改質部（31）と変成部（32）の間に
ある程度の間隔を置くようにしてもよい。また、改質部
（31）と変成部（32）の間に、改質部（31）から変成部
（32）への伝熱量を調節するための部材として断熱材等
を設けてもよい。

【００１６】上記第３の解決手段では、加熱用燃料とし
て水素極排ガスが用いられる。ここで、燃料電池の水素
極側のガス通路（12）では、供給された燃料ガス中の水
素が発電のために消費される。ところが、供給された水
素が全て消費されるとは限らず、通常は水素極排ガスに
未利用の水素が含まれている。そこで、燃焼部（34）
は、水素を含む水素極排ガスを燃焼させ、得られた燃焼
熱を改質部（31）へ供給する。改質部（31）では、供給
された燃焼熱が水蒸気改質反応の反応熱として利用さ
れ、吸熱反応である水蒸気改質反応が進行する。

【００１７】上記第４の解決手段では、炭化水素系の原
燃料としてメタンを主成分とするものが用いられる。つ
まり、メタン主体の原燃料を含む原料ガスが、改質部
（31）へ供給される。改質部（31）の入口における原料
ガスには、原燃料と酸素と水蒸気とが所定の割合で含ま
れている。この原料ガスは、単位体積中に含まれる炭素
原子数を酸素分子数で除して得られる値、即ちＯ₂/Ｃの
値がゼロよりも大きく０．５未満となっており、更には
単位体積中に含まれる炭素原子数を水素分子数で除して
得られる値、即ちＳ/Ｃ（スチーム/カーボン）の値が
１．０以上となっている。つまり、水蒸気供給部（36）
は、改質部（31）の入口で原料ガスの組成が上記の条件
を満たすように、所定量の水蒸気を付与している。

【００１８】尚、本解決手段では、上記Ｓ/Ｃの値の下
限値のみを規定している。これは、原料ガスの水蒸気圧
が飽和水蒸気圧に達すると原料ガスにそれ以上の水蒸気
を付与することができなくなることから、原料ガスの飽
和水蒸気圧によって上記Ｓ/Ｃの上限値も自ずと定まる
からである。

【００１９】本解決手段では、メタンと酸素と水蒸気と
を含んだ原料ガスが、改質部（31）へ導入される。改質
部（31）では、部分酸化反応と水蒸気改質反応が行わ
れ、水素と共に一酸化炭素が生成する。改質部（31）か
ら出た反応後のガスは、変成部（32）へ送られる。変成
部（32）へ導入されるガスには、水素や一酸化炭素と共
に、改質部（31）で利用されなかった水蒸気が残存す
る。変成部（32）では、シフト反応が行われ、水素が生
成すると同時に一酸化炭素が減少する。このように、水
蒸気供給部（36）では、原料ガスに対して水蒸気改質反
応及びシフト反応に必要となる量の水蒸気が供給され
る。

【００２０】上記第５の解決手段では、改質装置（30）
と燃料電池（10）とによって燃料電池システムが構成さ
れる。改質装置（30）で生成された燃料ガスは、燃料電
池（10）における水素極側のガス通路（12）へ供給され
る。また、燃料電池（10）の酸素極側のガス通路（11）
には、空気が供給される。燃料電池（10）は、燃料であ
る燃料ガス中の水素と、酸化剤である空気中の酸素とを
利用して発電を行う。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、改質装置（30）におい
て改質部（31）と燃焼部（34）と水蒸気供給部（36）と
を一体に形成しているため、改質装置（30）の放熱ロス
を削減することができる。従って、本発明によれば、放
熱ロスの削減によって、改質装置（30）のプロセス効率
を向上させることができる。

【００２２】特に、上記第２の解決手段では、改質部
（31）や燃焼部（34）の周りを、これら改質部（31）等
よりも低温の変成部（32）によって囲っている。このた
め、本解決手段によれば、改質部（31）や燃焼部（34）
からの放熱ロスを更に削減することができ、改質装置
（30）のプロセス効率を一層向上させることが可能とな
る。

【００２３】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００２４】図１に示すように、本実施形態１に係る燃
料電池システムは、燃料電池（10）と改質装置（30）を
備えている。

【００２５】上記燃料電池（10）は、固体高分子電解質
型に構成されている。この燃料電池（10）では、フッ素
系の高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子
を分散させて電極を形成することで、単電池が構成され
ている。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノー
ド）となり、他方が酸素極（カソード）となる。上記燃
料電池（10）は、バイポーラ板を介して単電池が積層さ
れたスタック（集合電池）を構成している。尚、上述し
た燃料電池（10）の構造についは、図１において図示を
省略する。

【００２６】上記燃料電池（10）では、バイポーラ板と
電解質膜の酸素極とによって酸素極側ガス通路（11）が
形成され、バイポーラ板と電解質膜の水素極とによって
水素極側ガス通路（12）が形成されている。酸素極側ガ
ス通路（11）には、その入口側に空気供給通路（20）が
接続され、その出口側に酸素極排気通路（13）が接続さ
れている。この酸素極排気通路（13）は、その終端が屋
外に開口している。一方、水素極側ガス通路（12）に
は、その入口側に改質装置（30）が配管接続され、その
出口側に水素極排気通路（14）が接続されている。

【００２７】上記空気供給通路（20）は、その始端が屋
外に開口し、その終端が燃料電池（10）の酸素極側ガス
通路（11）に接続されている。また、空気供給通路（2
0）の始端付近には、図示しないが、ブロワが設けられ
ている。また、空気供給通路（20）には、第１分岐通路
（21）と第２分岐通路（22）とが設けられている。

【００２８】上記改質装置（30）は、原燃料として供給
された天然ガスから水素主体の燃料ガスを製造するよう
に構成されている。この改質装置（30）には、ガスの流
れに沿って順に、改質器（31）と、変成器（32）と、Ｃ
Ｏ除去器（33）とが設けられている。

【００２９】具体的に、改質器（31）の入口側には、原
料ガス通路（23）が接続されている。この原料ガス通路
（23）には、空気供給通路（20）の第１分岐通路（21）
が接続されている。改質器（31）の出口側は、内部ガス
通路（24）を介して変成器（32）の入口側と接続されて
いる。変成器（32）の出口側は、内部ガス通路（24）を
介してＣＯ除去器（33）の入口側と接続されている。こ
の変成器（32）とＣＯ除去器（33）の間の内部ガス通路
（24）には、空気供給通路（20）の第２分岐通路（22）
が接続されている。ＣＯ除去器（33）の出口側は、燃料
ガス通路（25）を介して燃料電池（10）の水素極側ガス
通路（12）と接続されている。

【００３０】上記改質器（31）は、部分酸化反応に対し
て活性を呈する触媒と、水蒸気改質反応に対して活性を
呈する触媒とを備え、改質部を構成している。改質器
（31）では、部分酸化反応及び水蒸気改質反応によっ
て、メタン（ＣＨ₄）を主成分とする天然ガス（即ち、
原料ガス）から水素を生成させる。

【００３１】上記変成器（32）は、シフト反応（一酸化
炭素変成反応）に活性を呈する触媒を備え、変成部を構
成している。変成器（32）では、シフト反応によって、
ガス中の一酸化炭素が削減されると同時に水素が増加す
る。

【００３２】上記ＣＯ除去器（33）は、ＣＯ選択酸化反
応に活性を呈する触媒を備えている。ＣＯ除去器（33）
では、ＣＯ選択酸化反応によって、ガス中のＣＯが更に
削減される。そして、ＣＯ除去器（33）から出た水素主
体のガスが、燃料ガスとして燃料電池（10）の水素極側
ガス通路（12）へ供給される。

【００３３】上記改質装置（30）には、燃焼器（34）が
設けられている。この燃焼器（34）には、水素極排気通
路（14）の終端が接続され、水素極排ガスが加熱用燃料
として供給されている。また、燃焼器（34）には、燃焼
用空気通路（26）が接続されている。この燃焼用空気通
路（26）は、その始端が空気供給通路（20）に接続さ
れ、その終端が燃焼器（34）に接続されている。燃焼器
（34）は、空気中の酸素（Ｏ₂）を利用して水素極排ガ
ス中に残存する水素（Ｈ₂）を燃焼させ、得られた燃焼
熱を改質器（31）へ供給する。つまり、燃焼器（34）
は、燃焼部を構成している。また、燃焼器（34）には、
燃焼排ガス通路（28）の始端が接続されている。この燃
焼排ガス通路（28）は、その終端が屋外に開口してい
る。

【００３４】上記改質装置（30）には、凝縮器（35）と
蒸発器（36）とが設けられている。凝縮器（35）は、酸
素極排気通路（13）と水素極排気通路（14）とに１つず
つ設置され、酸素極排ガスや水素極排ガスに含まれる水
蒸気を凝縮させている。この凝縮器（35）には、水供給
通路（27）が接続されている。凝縮器（35）において得
られた液体状態の水は、水供給通路（27）を通じて蒸発
器（36）へ供給される。一方、蒸発器（36）は、水蒸気
供給部を構成している。つまり、この蒸発器（36）は、
凝縮器（35）から供給された水を改質器（31）や燃焼器
（34）の排熱により蒸発させ、得られた水蒸気を原料ガ
ス通路（23）の内部へ送り込んでいる。

【００３５】図２に示すように、上記改質装置（30）で
は、改質器（31）と燃焼器（34）と蒸発器（36）とが一
体に形成されている。

【００３６】上記燃焼器（34）は、第１燃焼ガス通路
（41）と、第２燃焼ガス通路（42）と、第３燃焼ガス通
路（43）とを備えている。第１燃焼ガス通路（41）は、
燃焼器（34）の中心軸に沿って上下に延びる円柱状に形
成されている。第１燃焼ガス通路（41）の下部には、燃
料ノズル（46）が突出して設けられている。燃料ノズル
（46）は、水素極排気通路（14）に接続されており、加
熱用燃料として供給された水素極排ガスを第１燃焼ガス
通路（41）内へ噴出させる。また、第１燃焼ガス通路
（41）の下端部には、燃焼用空気通路（26）が接続され
ている。

【００３７】第２燃焼ガス通路（42）は、第１燃焼ガス
通路（41）の外側に沿って円筒状に形成されている。ま
た、第２燃焼ガス通路（42）は、その上端部において第
１燃焼ガス通路（41）の上端部と連通している。

【００３８】第３燃焼ガス通路（43）は、有底の円筒状
に形成され、第１及び第２燃焼ガス通路（41,42）の周
りを囲むように設けられている。具体的に、第３燃焼ガ
ス通路（43）は、円筒部分（44）と底部分（45）とによ
って構成されている。上記円筒部分（44）は、上下に延
びる円筒状に形成され、第２燃焼ガス通路（42）の側方
を囲むように配置されている。また、上記円筒部分（4
4）は第２燃焼ガス通路（42）よりも大径であり、この
円筒部分（44）と第２燃焼ガス通路（42）との間には所
定幅の隙間が形成されている。更に、この円筒部分（4
4）の上端部には、燃焼排ガス通路（28）が接続されて
いる。上記底部分（45）は、平板状で且つドーナツ状に
形成されている。この底部分（45）は、その外周部にお
いて円筒部分（44）の下端部と連通し、その内周部にお
いて第２燃焼ガス通路（42）の下端部と連通している。

【００３９】上記燃焼器（34）における第２燃焼ガス通
路（42）と第３燃焼ガス通路（43）の円筒部分（44）と
の間には、これらと中心軸が一致する姿勢で、第１改質
側通路（51）及び第２改質側通路（52）が区画形成され
ている。そして、上記改質器（31）及び蒸発器（36）
は、この第１改質側通路（51）と第２改質側通路（52）
に亘って設けられている。また、第１改質側通路（51）
及び第２改質側通路（52）には、熱回収器（37）が設け
られている。尚、図１では、熱回収器（37）の図示を省
略している。

【００４０】第２改質側通路（52）は、燃焼器（34）の
第３燃焼ガス通路（43）よりも縦長の円筒状に形成され
ている。この第２改質側通路（52）は、その概ね下半分
が燃焼器（34）の第２燃焼ガス通路（42）の外周に密着
するように設けられている。つまり、第２改質側通路
（52）は、第２燃焼ガス通路（42）の外側を囲むように
配置されている。また、第２改質側通路（52）の上端部
には、変成器（32）に向かって延びる内部ガス通路（2
4）が接続されている。

【００４１】第１改質側通路（51）は、第２改質側通路
（52）よりも僅かに短い円筒状に形成されている。この
第１改質側通路（51）は、その内周が第２改質側通路
（52）の外周に密着すると共に、その外周が第３燃焼ガ
ス通路（43）の円筒部分（44）の内周に密着するように
設けられている。第１改質側通路（51）の上端部には、
水供給通路（27）が接続されている。また、第１改質側
通路（51）には、水供給通路（27）よりもやや下方に原
料ガス通路（23）が接続されている。更に、第１改質側
通路（51）は、その下端部が第２改質側通路（52）の下
端部と連通している。

【００４２】第１改質側通路（51）の下部と第２改質側
通路（52）の下部には、部分酸化反応に活性を有する触
媒と水蒸気改質反応に活性を有する触媒とが充填されて
いる。そして、第１改質側通路（51）及び第２改質側通
路（52）の下部が、改質器（31）を構成している。この
ように、本実施形態１では、燃焼器（34）の第２燃焼ガ
ス通路（42）の周りを囲むように改質器（31）が設けら
れている。

【００４３】熱回収器（37）は、第１改質側通路（51）
と第２改質側通路（52）に跨って、改質器（31）の上方
に配置されている。この熱回収器（37）は、改質器（3
1）へ向かって第１改質側通路（51）を流れる原料ガス
と、改質器（31）から出て第２改質側通路（52）を流れ
るガスとを熱交換させ、原料ガスを予熱するように構成
されている。

【００４４】蒸発器（36）は、第１改質側通路（51）と
第２改質側通路（52）に跨って、熱回収器（37）の上方
に配置されている。この蒸発器（36）は、水供給通路
（27）から供給された液体の水と第２改質側通路（52）
を流れるガスとを熱交換させ、水を蒸発させることで水
蒸気を発生させるように構成されている。また、蒸発器
（36）は、得られた水蒸気を、原料ガス通路（23）から
第１改質側通路（51）へ流入する原料ガスに対して供給
するように構成されている。

【００４５】上記燃焼器（34）、及び第１，第２改質側
通路（51,52）は、断熱材（60）によって包まれてい
る。つまり、第２改質側通路（52）の内側にも、断熱材
（60）が設けられている。

【００４６】−運転動作− 上記燃料電池システムの運転動作を説明する。

【００４７】原料ガス通路（23）を通じて供給される天
然ガスには、空気供給通路（20）の第１分岐通路（21）
からの空気と、蒸発器（36）からの水蒸気とが供給さ
れ、天然ガス、空気、及び水蒸気の混合物である原料ガ
スが得られる。その際、第１分岐通路（21）からは、天
然ガスの流量に対応した所定流量の空気が供給されてい
る。また、蒸発器（36）からは、天然ガスの流量に対応
した所定流量の水蒸気が供給されている。このため、原
料ガスにおいては、単位体積中の酸素分子数を炭素原子
数で除して得られる値（Ｏ₂/Ｃ）が０＜（Ｏ₂/Ｃ）＜
０．５となり、単位体積中の水分子数を炭素原子数で除
して得られる値（Ｓ/Ｃ）が１．０≦（Ｓ/Ｃ）となって
いる。この原料ガスは、第１改質側通路（51）を流れ、
熱回収器（37）で予熱された後に改質器（31）へ導入さ
れる。

【００４８】改質器（31）では、部分酸化反応と水蒸気
改質反応が行われ、水素と一酸化炭素とが生成する。部
分酸化反応と水蒸気改質反応の反応式は、次に示す通り
である。 ＣＨ₄＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ＋２Ｈ₂ … 部分酸化反応 ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂ … 水蒸気改質反応

【００４９】水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改
質器（31）で水蒸気改質反応を行うには、その反応熱を
供給する必要がある。そこで、改質器（31）に対して
は、燃焼器（34）によって水蒸気改質反応の反応熱が供
給される。改質器（31）から出たガスは、第２改質側通
路（52）を流れる間に熱回収器（37）及び蒸発器（36）
で放熱する。そして、放熱後のガスは、内部ガス通路
（24）を通じて変成器（32）へ送られる。

【００５０】変成器（32）へ導入されるガスには、水素
と一酸化炭素とが含まれると共に、加湿器により供給さ
れた水蒸気が残存している。変成器（32）では、シフト
反応が行われ、一酸化炭素が減少すると同時に水素が増
加する。シフト反応の反応式は、次に示す通りである。 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ … シフト反応

【００５１】変成器（32）から流出したガスは、空気供
給通路（20）の第２分岐通路（22）を通じて供給された
空気と混合された後にＣＯ除去器（33）へ導入される。
ここで、変成器（32）から流出したガスは、水素が主成
分となっているものの、未だに一酸化炭素を含んでい
る。この一酸化炭素は、燃料電池（10）の触媒電極の触
媒毒となる。そこで、ＣＯ除去器（33）は、ＣＯ選択酸
化反応によってガス中の一酸化炭素を更に削減する。Ｃ
Ｏ選択酸化反応の反応式は、次に示す通りである。 ＣＯ＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ₂ … ＣＯ選択酸化反応 ＣＯ除去器（33）で一酸化炭素を削減された水素主体の
ガスは、燃料ガスとして燃料ガス通路（25）を流れ、燃
料電池（10）の水素極側ガス通路（12）へ供給される。

【００５２】燃料電池（10）には、水素極側ガス通路
（12）へ燃料ガスが供給され、酸素極側ガス通路（11）
へ空気が供給される。燃料電池（10）は、燃料ガス中の
水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電を行
う。具体的に、燃料電池（10）では、水素極及び酸素極
の電極表面において下記の電池反応が行われる。 水素極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- 酸素極：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ この電池反応により、燃料ガスに含まれる水素の燃焼反
応の化学エネルギが電気エネルギに変換される。

【００５３】燃料電池（10）の酸素極側ガス通路（11）
からは、酸素極排ガスが排出される。また、燃料電池
（10）の水素極側ガス通路（12）からは、水素極排ガス
が排出される。酸素極排ガスと水素極排ガスは、それぞ
れ凝縮器（35）へ導入される。凝縮器（35）では、酸素
極排ガスや水素極排ガスに含まれる水蒸気が凝縮する。
凝縮器（35）で得られた液体状態の水は、水供給通路
（27）を通じて蒸発器（36）へ送られる。酸素極排気通
路（13）の凝縮器（35）で水分を奪われた酸素極排ガス
は、その後に屋外へ排気される。一方、水素極排気通路
（14）の凝縮器（35）で水分を奪われた水素極排ガス
は、その後に燃焼器（34）へ供給される。

【００５４】燃焼器（34）へ供給された水素極排ガス
は、燃料ノズル（46）から第１燃焼ガス通路（41）内へ
吹き出される。この水素極排ガスに含まれる水素は、燃
焼用空気通路（26）からの空気と混合されて燃焼する。
この水素の燃焼によって、高温の燃焼ガスが生成する。
燃焼ガスは、第１燃焼ガス通路（41）、第２燃焼ガス通
路（42）、第３燃焼ガス通路（43）を順に流れ、その間
に改質器（31）に対して放熱する。そして、放熱後の燃
焼ガスは、燃焼排ガス通路（28）を流れて屋外へ排気さ
れる。

【００５５】−改質装置のプロセス効率− 改質装置（30）のプロセス効率について説明する。プロ
セス効率とは、燃料電池（10）で利用される水素の低発
熱量を改質装置（30）に供給される原燃料の低発熱量で
除して得られる値を、百分率で表したものである。

【００５６】ここでは、本実施形態１で原燃料として用
いている天然ガスの主成分がメタンである点を考慮し、
原燃料をメタンと仮定して説明する。また、下記の反応
式,に示すように、メタンの低発熱量は８０３kJ/mo
lであり、水素の低発熱量は２４２kJ/molである。尚、
以下の反応式において、Ｈ₂Ｏ(gas)は水蒸気を意味し、
Ｈ₂Ｏ(liq)は液体である水を意味する。 ＣＨ₄＋２Ｏ₂ → ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ(gas)＋８０３kJ/mol … Ｈ₂＋１/２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ(gas)＋２４２kJ/mol …

【００５７】本実施形態１では、改質器（31）におい
て、部分酸化反応と水蒸気改質反応が行われる。反応熱
を表示する場合、部分酸化反応は下記の反応式で示さ
れ、水蒸気改質反応は下記の反応式で示される。 ＣＨ₄＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ＋２Ｈ₂＋３６kJ/mol … ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ(gas) → ＣＯ＋３Ｈ₂−２０７kJ/mol …

【００５８】改質器（31）へ供給されたメタン１molの
うち、ｘ molが部分酸化反応に用いられて、(ｘ−１)mo
lが水蒸気改質反応に用いられるとすると、改質器（3
1）における反応は、下記の反応式のように表され
る。 ＣＨ₄＋ｘ/２Ｏ₂＋(１−ｘ)Ｈ₂Ｏ(gas) → ＣＯ＋(３−ｘ)Ｈ₂＋[３６ｘ−２０７(１−ｘ)]kJ/mol …

【００５９】ここで、変成器（32）では、シフト反応が
行われる。このため、反応式の右辺のＣＯがＨ₂Ｏと
反応し、更に水素が生成する。反応熱を表示する場合、
シフト反応は下記の反応式で示される。 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４１kJ/mol …

【００６０】また、水の蒸発潜熱は、４４kJ/molであ
る。従って、水が蒸発する過程は、下記の反応式のよ
うに表される。 Ｈ₂Ｏ(liq) → Ｈ₂Ｏ(gas)−４４kJ/mol …

【００６１】上記反応式,,の辺々を足しあわせる
と、改質器（31）、変成器（32）及び蒸発器（36）にお
ける反応が１つの反応式で表示される。この反応式は、
下記の通りである。 ＣＨ₄＋ｘ/２Ｏ₂＋(２−ｘ)Ｈ₂Ｏ(liq) → ＣＯ₂＋(４−ｘ)Ｈ₂ ＋[３６ｘ−２０７(１−ｘ)＋４１−４４(２−ｘ)]kJ/mol …

【００６２】上記反応式で示される反応が吸熱反応の
場合、即ち３６ｘ−２０７(１−ｘ)＋４１−４４(２−
ｘ)＝２８６ｘ−２５３＜０の場合には、燃焼器（34）
で水素を燃焼させて改質器（31）に反応熱を供給する必
要がある。その場合、燃焼器（34）で燃焼させなければ
ならない水素の量は、上記反応式より、(２８６ｘ−
２５３)／２４２ molとなる。従って、燃料電池（10）
において利用できる水素量は、上記反応式の反応熱が
正か負かによって異なり、下記のように表される。 ・２８６ｘ−２５３＜０の場合 (４−ｘ)−(２８６ｘ−２５３)／２４２ mol ・２８６ｘ−２５３≧０の場合 (４−ｘ) mol

【００６３】上記の関係から、燃料電池（10）で利用さ
れる水素の低発熱量は、改質装置（30）へ供給されるメ
タン１molあたりの値として、下記のように表される。 ・２８６ｘ−２５３＜０の場合 ２４２(４−ｘ)−(２８６ｘ−２５３) kJ ・２８６ｘ−２５３≧０の場合 ２４２(４−ｘ) kJ

【００６４】上記の関係を用い、ｘの値をゼロから１ま
で変化させた場合のプロセス効率を算出してグラフに表
すと、図３に示すようになる。尚、図３の横軸は上記Ｏ
₂/Ｃであり、Ｏ₂/Ｃ＝ｘ/２の関係が成立する。

【００６５】つまり、Ｏ₂/Ｃ＝０．４４の場合に２８６
ｘ−２５３＝０となり、そのときのプロセス効率は９
３.８％となる。また、２８６ｘ−２５３＜０の領域で
はＯ₂/Ｃの値が小さいほどプロセス効率が低下する一
方、２８６ｘ−２５３＞０の領域ではＯ₂/Ｃの値が大き
いほどプロセス効率が低下する。そして、０＜（Ｏ₂/
Ｃ）＜０.５とすると、Ｏ₂/Ｃ＝０の場合、即ち水蒸気
改質反応のみで水素を製造する場合のプロセス効率８
９.０％に比べて、高いプロセス効率が得られる。従っ
て、本実施形態１では、改質器（31）へ供給される原料
ガスについて、０＜（Ｏ ₂/Ｃ）＜０.５とするのが望ま
しく、更にはＯ₂/Ｃ＝０．４４とするのが一層望まし
い。

【００６６】−実施形態１の効果− 本実施形態１によれば、改質装置（30）において改質器
（31）と燃焼器（34）と蒸発器（36）とを一体に形成し
ているため、改質装置（30）の放熱ロスを削減すること
ができる。従って、本実施形態１によれば、放熱ロスの
削減によって、改質装置（30）のプロセス効率を向上さ
せることができる。また、本実施形態１では、改質器
（31）へ供給する原料ガスについて、そのＯ₂/Ｃの値と
Ｓ/Ｃの値とを所定値としている。従って、このことに
よっても改質装置（30）のプロセス効率を向上させるこ
とができる。

【００６７】

【発明の実施の形態２】本発明の実施形態２は、上記実
施形態１において、改質装置（30）の構成を変更したも
のである。ここでは、本実施形態２について、上記実施
形態１と異なる点について説明する。

【００６８】図４に示すように、本実施形態２の改質装
置（30）では、変成器（32）が改質器（31）及び燃焼器
（34）の周りを囲むように設置されている。具体的に、
本実施形態２の変成器（32）は、シフト反応に活性を有
する触媒を第３改質側通路（53）に充填することで形成
されている。第３改質側通路（53）は、上下に延びる円
筒状に形成され、一体に形成された改質器（31）及び燃
焼器（34）の側方を囲むように配置されている。

【００６９】また、第３改質側通路（53）は、その内径
が燃焼器（34）の第３燃焼ガス通路（43）の外径よりも
大きくなるように形成されている。従って、この第３改
質側通路（53）と燃焼器（34）の第３燃焼ガス通路（4
3）との間には、所定幅の隙間が形成されている。尚、
本実施形態２において、断熱材（60）は、第３改質側通
路（53）と第３燃焼ガス通路（43）との間にも設置され
ている。

【００７０】第３改質側通路（53）の上端部は、内部ガ
ス通路（24）を介して第２改質側通路（52）の上端部と
接続されている。一方、第３改質側通路（53）の下端部
は、内部ガス通路（24）を介してＣＯ除去器（33）と接
続されている。

【００７１】ここで、変成器（32）におけるシフト反応
の反応温度は２００〜４００℃程度である。一方、改質
器（31）や燃焼器（34）の温度は、６００〜８００℃程
度である。従って、変成器（32）の温度は、改質器（3
1）や燃焼器（34）の温度よりも低くなる。つまり、本
実施形態２では、一体に形成された改質器（31）及び燃
焼器（34）の周囲が、これら改質器（31）等よりも低温
の変成器（32）によって囲まれることとなる。従って、
改質器（31）や燃焼器（34）からの放熱ロスを一層削減
することができ、改質器（31）のプロセス効率を更に向
上させることが可能となる。

【００７２】

【発明のその他の実施の形態】上記の各実施形態では、
燃焼用空気通路（26）を通じて燃焼器（34）へ空気を供
給し、酸素極排ガスを屋外へ排気するようにしていた
が、これに代えて、次のような構成としてもよい。

【００７３】先ず、図５に示すように、酸素極排気通路
（13）の終端を水素極排気通路（14）における凝縮器
（35）の下流側に接続すると共に、燃焼用空気通路（2
6）を省略してもよい。本変形例において、燃焼器（3
4）へは、水素極排ガスと酸素極排ガスとの混合ガスが
供給される。燃焼器（34）は、酸素極排ガス中に残存す
る酸素を利用して、水素極排ガス中に残存する水素を燃
焼させる。

【００７４】次に、図６に示すように、水蒸気の凝縮器
（35）を水素極排気通路（14）にだけ設置し、酸素極排
気通路（13）に水蒸気回収器（70）を設置してもよい。
尚、本変形例においても、上記の変形例と同様に、酸素
極排気通路（13）の終端は、水素極排気通路（14）にお
ける凝縮器（35）の下流側に接続される。

【００７５】上記水蒸気回収器（70）は、水蒸気透過膜
（71）を備えている。水蒸気透過膜（71）は、水蒸気が
透過可能な膜であって、例えばポリビニルアルコール膜
や、アルグン酸膜等の親水性の膜により構成されてい
る。尚、この水蒸気透過膜（71）としては、スルホン酸
基を持つポリマー膜、例えばパーフルオロスルホン酸ポ
リマー膜を用いてもよい。

【００７６】上記水蒸気回収器（70）には、被加湿側流
路（72）と排ガス流路（73）とが区画形成されている。
被加湿側流路（72）と排ガス流路（73）は、上記水蒸気
透過膜（71）によって仕切られている。被加湿側流路
（72）には、空気供給通路（20）が接続されている。排
ガス流路（73）には、酸素極排気通路（13）が接続され
ている。

【００７７】上記水蒸気回収器（70）において、被加湿
側流路（72）へは、燃料電池（10）の酸素極側ガス通路
（11）へ向けて流れる空気が導入される。一方、排ガス
流路（73）へは、燃料電池（10）の酸素極側ガス通路
（11）から排出された酸素極排ガスが導入される。この
酸素極排ガスには、電池反応により生成した水蒸気が多
量に含まれている。そして、被加湿側流路（72）を流れ
る空気には、水蒸気透過膜（71）（41）を透過した酸素
極排ガス中の水蒸気が供給される。つまり、この水蒸気
回収器（70）では、燃料電池（10）から排出された水蒸
気が、燃料電池（10）に供給される空気へ回収される。
水蒸気回収器（70）で水蒸気を奪われた酸素極排ガス
は、水素極排ガスと混合されて燃焼器（34）へ送られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成
図である。

【図２】実施形態１に係る改質装置の要部を示す概略断
面図である。

【図３】改質装置におけるＯ₂/Ｃとプロセス効率の関係
図である。

【図４】実施形態２に係る改質装置の要部を示す概略断
面図である。

【図５】その他の実施形態に係る燃料電池システムの概
略構成図である。

【図６】その他の実施形態に係る燃料電池システムの概
略構成図である。

【符号の説明】

（10） 燃料電池 （12） 水素極側ガス通路 （30） 改質装置 （31） 改質器（改質部） （32） 変成器（変成部） （34） 燃焼器（燃焼部） （36） 蒸発器（水蒸気供給部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松井 伸樹 大阪府堺市築港新町３丁12番地 ダイキン 工業株式会社堺製作所臨海工場内 (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） 4G040 EA03 EA06 EB12 EB14 EB32 EB43 EB44 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA01 BA05 BA09 BA10 BA17 KK31

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池（10）の水素極側のガス通路
   （12）へ供給するための燃料ガスを製造する改質装置で
   あって、 炭化水素系の原燃料を含む原料ガスが供給されて部分酸
   化反応及び水蒸気改質反応により水素を生成させる改質
   部（31）と、 上記改質部（31）と一体に形成されて該改質部（31）を
   加熱するために加熱用燃料を燃焼させる燃焼部（34）
   と、 上記改質部（31）と一体に形成され、少なくとも改質部
   （31）の排熱により水を蒸発させて得られた水蒸気を上
   記原料ガスへ供給する水蒸気供給部（36）とを備えてい
   る改質装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の改質装置において、 改質部（31）から反応後のガスを供給されてシフト反応
   により水素を生成させる変成部（32）が、一体に形成さ
   れた上記改質部（31）と燃焼部（34）の周りを囲むよう
   に設けられている改質装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の改質装置におい
   て、 燃焼部（34）へは、燃料電池（10）の水素極側のガス通
   路（12）から排出された水素極排ガスが加熱用燃料とし
   て供給されている改質装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の改質装置において、 原燃料は、メタンを主体とするものであり、 改質部（31）の入口における原料ガスは、単位体積中に
   おける酸素分子数を炭素原子数で除して得られる値が０
   よりも大きく０．５未満とされ、且つ単位体積中におけ
   る水分子数を炭素原子数で除して得られる値が１．０以
   上とされている改質装置。
5. 【請求項５】 請求項１，２，３又は４記載の改質装置
   （30）と、 上記改質装置（30）で生成した燃料ガスが供給される燃
   料電池（10）とを備えている燃料電池システム。