JP2003100327A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質
装置（30）と、水素極と酸素極とを有する燃料電池（1
0）とを備え、水素極に燃料ガスを供給するとともに酸
素極に酸素含有ガスを供給して発電を行うように構成さ
れた燃料電池システムにおいて、構成を複雑化せずにコ
ストを抑えながら、ＣＯ被毒による能力の低下を防止す
る。 【解決手段】 電池電極に対する燃料ガスの流れ方向
を、運転の起動時毎に反転させ、ＣＯ被毒の度合いが少
ない部分を燃料の入口側として有効に利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原料ガスを改質し
て燃料ガスを生成し、この燃料ガス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し、特に、燃料電池
のＣＯ被毒対策に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料電池に注目が集まっている。
この燃料電池は、燃料の酸化により生じる化学的エネル
ギを、熱にすることなく直接電気エネルギに変換するも
のである。燃料電池の燃料としては、一般に水素が広く
用いられている。燃料としての水素は、改質器において
メタンやメタノール等の原燃料を改質することによって
得る場合が多い。一般に、改質器では、原燃料とＨ₂Ｏ
が反応する水蒸気改質反応や、一酸化炭素（ＣＯ）とＨ
₂Ｏが反応するシフト反応によって水素（Ｈ₂）が製造さ
れる。そして、この水素を主成分とする燃料ガスが、改
質器から燃料電池へ送られる。

【０００３】ところで、改質後の燃料ガスにＣＯが含ま
れていると、燃料電池の電極触媒にＣＯが吸着して被毒
し、電池性能が低下する。これを回避するために、例え
ば特開平８−３１４４２号公報には、ＣＯによる被毒を
検出したときに、燃料電池に供給する燃料ガスの流れ方
向を反転させる技術が開示されている。これは、燃料電
池における改質ガスの入口側において触媒が被毒しやす
いことから、被毒を検出するとガスの流れを反転させる
ことで、被毒していない部分または被毒度合いの少ない
部分を入口側として燃料ガスを供給するようにしたもの
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報の技
術では、ＣＯ被毒を検出するための検出機構が必要であ
り、構成が複雑になるとともに、コストも高くなる。

【０００５】本発明は、このような問題点に鑑みて創案
されたものであり、その目的とするところは、構成を複
雑化せずにコストを抑えながら、ＣＯ被毒による能力の
低下を防止できるようにすることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池に供
給する燃料ガスの流れ方向を、運転の停止時または起動
時、及び通常運転時の所定のタイミングで切り換えるよ
うにしたものである。

【０００７】具体的に、本発明が講じた第１〜第３の解
決手段は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質
装置（30）と、水素極と酸素極とを有する燃料電池（1
0）とを備え、燃料電池（10）の水素極に燃料ガスを供
給するとともに酸素極に酸素含有ガスを供給して発電を
行うように構成された燃料電池システムを前提としてい
る。

【０００８】そして、第１の解決手段に係る燃料電池シ
ステムは、水素極に対する燃料ガスの流れ方向を、運転
の起動時毎に反転させる切り換え手段（25a，25b，28
a，28b，SV）を備えていることを特徴としている。

【０００９】また、第２の解決手段に係る燃料電池シス
テムは、水素極に対する燃料ガスの流れ方向を、運転の
停止時毎に反転させる切り換え手段（25a，25b，28a，2
8b，SV）を備えていることを特徴としている。

【００１０】また、第３の解決手段に係る燃料電池シス
テムは、運転中の所定時間毎に、水素極に対する燃料ガ
スの流れ方向を反転させる切り換え手段（25a，25b，28
a，28b，SV）を備えていることを特徴としている。

【００１１】上記第１から第３の解決手段においては、
水素極に対する燃料ガスの流れ方向が所定のタイミング
で反転するように切り換えられる。つまり、第１の解決
手段では運転の起動時毎に切り換えられ、第２の解決手
段では運転の停止時毎に切り換えられ、第３の解決手段
では運転中に切り換えを行う。

【００１２】また、本発明が講じた第４の解決手段は、
上記第１，第２または第３の解決手段において、燃料電
池（10）の有する水素極側ガス通路（12）に水素供給管
（25）及び水素極排気管（28）が接続され、水素供給管
（25）は供給側第１，第２分岐管（25a，25b）に分岐し
て水素極側ガス通路（12）の両端に接続され、水素極排
気管（28）は、排気側第１，第２分岐管（28a，28b）に
分岐して水素極側ガス通路（12）の両端に接続され、さ
らに、各分岐管（25a，25b，28a，28b）に、燃料ガスの
流れ方向を反転させる開閉弁（SV）が設けられているこ
とを特徴としている。

【００１３】この第４の解決手段においては各分岐管
（25a，25b，28a，28b）に設けられている開閉弁（SV）
を切り換えることにより、水素極における燃料ガスの流
れ方向を容易に切り換えることが可能となる。

【００１４】また、本発明が講じた第５の解決手段は、
上記第１，第２，第３または第４の解決手段において、
燃料電池（10）の酸素極に対する酸素含有ガスの流れ方
向を反転させる第２の切り換え手段（20a，20b，24a，2
4b，SV）を備えていることを特徴としている。

【００１５】この第５の解決手段においては、水素極に
おける燃料ガスの流れ方向が切り換えられることに加え
て、酸素極における酸素含有ガスの流れ方向も適宜切り
換えられる。

【００１６】また、本発明が講じた第６の解決手段は、
上記第５の解決手段において、燃料電池（10）の有する
酸素極側ガス通路（11）に空気供給管（20）及び酸素極
排気管（24）が接続され、空気供給管（20）は供給側第
１，第２分岐管（20a，20b）に分岐して酸素極側ガス通
路（11）の両端に接続され、酸素極排気管（24）は、排
気側第１，第２分岐管（24a，24b)に分岐して酸素極側
ガス通路（11）の両端に接続され、各分岐管（20a，20
b，24a, 24b）には、酸素含有ガスの流れ方向を反転さ
せる開閉弁（SV）が設けられていることを特徴としてい
る。

【００１７】この第６の解決手段においては、各分岐管
（20a，20b，24a, 24b）に設けられている開閉弁（SV）
を切り換えることにより、酸素極における酸素含有ガス
の流れ方向を容易に切り換えることができる。このよう
にすると、酸素極側では酸素含有ガスの下流側の水蒸気
圧が高くなり、この水蒸気が水素極側に供給されること
から、水蒸気の多い部分でシフト反応（一酸化炭素と水
蒸気が二酸化炭素と水素に変化する反応）が促進され、
ＣＯ被毒が低減される。

【００１８】また、本発明が講じた第７の解決手段は、
上記第５または第６の解決手段において、第２の切り換
え手段（20a，20b，24a，24b，SV）が、水素極側での燃
料ガスの上流側部分と酸素極側での酸素含有ガスの下流
側部分とが電池電極の同一端側となるように、酸素含有
ガスの流れ方向を燃料ガスの流れ方向に対応して切り換
えるように構成されていることを特徴としている。

【００１９】この第７の解決手段においては、水素極側
での燃料ガスの上流側部分と酸素極側での酸素含有ガス
の下流側部分とが電池電極の同一端側となるため、酸素
極の下流側の水蒸気が燃料ガスの上流側に供給され、水
素極において燃料ガスの上流側部分でシフト反応が促進
される。

【００２０】また、本発明が講じた第８の解決手段は、
上記第１から第７のいずれか１の解決手段において、燃
料電池（10）に、冷却水が充填されて循環する冷却水回
路（60）が接続されるとともに、冷却水の循環方向を反
転させる冷却切り換え手段（60a，60b，60c，60d，SV）
を備えていることを特徴としている。

【００２１】この第８の解決手段においては、水素極に
おける燃料ガスの流れ方向や酸素極における酸素含有ガ
スの流れ方向が切り換えられることに加えて、冷却水回
路（60）における冷却水の循環方向も適宜切り換えられ
る。

【００２２】また、本発明が講じた第９の解決手段は、
上記第８の解決手段において、冷却切り換え手段（60
a，60b，60c，60d，SV）が、水素極に対する燃料ガスの
流れ方向を反転させるときに、冷却水の循環方向を反転
させることが可能に構成されていることを特徴としてい
る。

【００２３】この第９の解決手段においては、水素極に
対する燃料ガスの流れ方向や酸素極における酸素含有ガ
スの流れ方向が反転するときに、燃料電池（10）におけ
る発熱分布が変化するのに対して、冷却水の循環方向を
適宜反転させることにより、均一に冷却できる方向に冷
却水を流すことが可能となる。

【００２４】

【発明の効果】上記第１〜第３の解決手段によれば、燃
料電池（10）に対する改質ガスの入口側において触媒が
被毒しやすいのに対して、燃料ガスの流れ方向を所定の
タイミングで反転させるようにしているので、被毒して
いない部分を入口側として有効に利用できる。このた
め、ＣＯ被毒が均一化し、能力の低下を防止できる。ま
た、ＣＯ被毒を検出するための検出機構が不要であるた
め、構成が複雑になったり、コストが高くなったりする
問題も生じない。さらに、運転中に反応ガスの流れ方向
を切り換える場合には、わざわざ運転を停止するか、出
力を低下させる必要があるが、上記解決手段ではそのよ
うな問題も生じない。

【００２５】また、従来の被毒対策としては、燃料ガス
中の空気量を増加させることにより該ガスのＣＯ濃度を
低下させ、被毒を解消するか、その進行を抑制すること
も行われているが、空気量を過度に増やしてしまうと、
添加した空気に含まれる酸素が燃料ガス中の水素と反応
してしまい、燃料電池での発電に使用できる水素量が低
下し、発電効率が低下するおそれがあるのに対し、上記
解決手段ではそのような問題も生じない。

【００２６】さらに、燃料ガスの下流側ではガスが欠乏
してカーボン腐食が生じやすい場合があるが、燃料ガス
の流れ方向を適宜反転させることにより、ガス欠等によ
るカーボン腐食を均一化でき、劣化速度を抑えることが
できる。

【００２７】また、上記第４の解決手段によれば、簡単
な構成で水素極における燃料ガスの流れ方向を容易に切
り換えることが可能となる。

【００２８】また、上記第５の解決手段によれば、酸素
極における酸素ガスの流れ方向を切り換えることが可能
になる。

【００２９】また、上記第６の解決手段によれば、構成
を簡素化することができ、ＣＯ被毒の度合いの大きい部
分に水蒸気を多く供給することにより、ＣＯ被毒を解消
できる。

【００３０】また、上記第７の解決手段によれば、水蒸
気が水素極における燃料ガスの上流側に供給され、この
部分でシフト反応が促進されるので、ＣＯ被毒を確実に
低減することができる。

【００３１】また、上記第８及び第９の解決手段によれ
ば、燃料ガスや酸素含有ガスの流れ方向を反転させたと
きに発熱分布が変化するのに対して、冷却水の流れ方向
を切り換えることができるので、燃料電池（10）を均一
に冷却することが可能となる。

【００３２】

【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。

【００３３】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。また、この燃料電池システムは、水循環路
（65）を備えており、いわゆるコジェネレーションシス
テムを構成している。

【００３４】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）の構造については、図１において図示
を省略する。

【００３５】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管（20）が接
続され、その出口側に酸素極排気管（24）が接続されて
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）及び水素供給管（25）が配管接続さ
れ、その出口側に水素極排気管（28）が接続されてい
る。

【００３６】また、燃料電池（10）には、冷却水回路
（60）が接続されている。この冷却水回路（60）は、冷
却水が充填された閉回路であって、冷却水ポンプ（61）
と第１熱交換器（71）とが接続されている。冷却水回路
（60）で冷却水を循環させることによって、燃料電池
（10）が所定の作動温度に保たれる。

【００３７】上記空気供給管（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。空気供給管（20）には、そ
の始端から終端に向かって順に、ブロア（23）と、ガス
加熱器（52）と、第１加湿器（40）とが設けられてい
る。

【００３８】また、空気供給管（20）には、分岐管（2
1）が設けられている。分岐管（21）は、その始端がブ
ロア（23）とガス加熱器（52）の間に接続されている。

【００３９】上記第１加湿器（40）は、水蒸気透過膜
（41）を備えている。水蒸気透過膜（41）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
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（41）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。

【００４０】上記第１加湿器（40）には、第１被加湿側
通路（42）と第１排ガス通路（43）とが区画形成されて
いる。第１被加湿側通路（42）と第１排ガス通路（43）
は、上記水蒸気透過膜（41）によって仕切られている。
第１被加湿側通路（42）には、空気供給管（20）が接続
されており、酸化剤ガス（酸素含有ガス）としての空気
が導入される。第１排ガス通路（43）には、酸素極排気
管（24）が接続されており、燃料電池（10）の酸素極側
ガス通路（11）から電池排ガスとして排出された酸素極
排ガスが導入される。

【００４１】上記改質装置（30）は、原料ガスとして供
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、脱硫器（31）と、ガス加熱器（52）
と、第２加湿器（45）と、本体部（32）とが設けられて
いる。また、改質装置（30）における脱硫器（31）とガ
ス加熱器（52）の間には、空気供給管（20）の分岐管
（21）が接続されている。

【００４２】上記脱硫器（31）は、原料ガスとして供給
された天然ガスから、硫黄分を吸着除去するように構成
されている。

【００４３】上記第２加湿器（45）は、水蒸気透過膜
（46）を備えている。この水蒸気透過膜（46）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（46）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。

【００４４】上記第２加湿器（45）は、原料ガス加湿部
を構成している。この第２加湿器（45）には、第２被加
湿側通路（47）と第２排ガス通路（48）とが区画形成さ
れている。第２被加湿側通路（47）と第２排ガス通路
（48）は、上記水蒸気透過膜（46）によって仕切られて
いる。第２被加湿側通路（47）は、改質装置（30）にお
けるガス加熱器（52）と本体部（32）の間に設けられ、
原料ガスが導入される。第２排ガス通路（48）には、水
素極排気管（28）が接続されており、燃料電池（10）の
水素極側ガス通路（12）から電池排ガスとして排出され
た水素極排ガスが導入される。

【００４５】上記本体部（32）には、ガスの流れに沿っ
て順に、改質器（33）と、変成器（34）と、ＣＯ除去器
（35）とが設けられている。上記改質器（33）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ている。改質器（3
3）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。その際、改質器（33）
は、発熱反応である部分酸化反応の反応熱を、吸熱反応
である水蒸気改質反応の反応熱として利用する。

【００４６】上記変成器（34）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ている。変成
器（34）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。

【００４７】上記ＣＯ除去器（35）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（35）
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（35）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。

【００４８】上記改質装置（30）には、燃焼器（51）が
設けられている。この改質装置（30）では、燃焼部であ
る燃焼器（51）と、熱交換部であるガス加熱器（52）と
が加熱手段（50）を構成している。

【００４９】上記燃焼器（51）には、酸素極排気管（2
4）の終端と、水素極排気管（28）の終端とが接続され
ている。この燃焼器（51）は、酸素極排ガス中に残存す
る酸素（Ｏ₂）を利用して、水素極排ガス中に残存する
水素（Ｈ₂）を燃焼させるように構成されている。ま
た、燃焼器（51）には、燃焼ガス管（26）の始端が接続
されている。燃焼ガス管（26）は、その終端が屋外に開
口すると共に、その途中にガス加熱器（52）が設けられ
ている。水素極排ガスの燃焼によって生成した高温の燃
焼ガスは、この燃焼ガス管（26）を流れて屋外へ排出さ
れる。

【００５０】酸素極排気管（24）には、熱回収部（27）
が設けられていて、改質装置（30）の本体部（32）から
排熱を回収するようにしている。この熱回収部（27）
は、本体部（32）の改質器（33）、変成器（34）、及び
ＣＯ除去器（35）の近傍に形成されたガスの通路であっ
て、酸素極排気管（24）における第１加湿器（40）と燃
焼器（51）の間に設けられている。

【００５１】上記ガス加熱器（52）には、空気流路（5
3）と、原料ガス流路（54）と、燃焼ガス流路（55）と
が区画形成されている。ガス加熱器（52）は、その空気
流路（53）が空気供給管（20）に接続され、その原料ガ
ス流路（54）が改質装置（30）における脱硫器（31）と
第２加湿器（45）の間に接続され、その燃焼ガス流路
（55）が燃焼ガス管（26）に接続されている。このガス
加熱器（52）は、燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスと空気
流路（53）の空気とを熱交換させて酸化剤ガスとしての
空気を加熱すると同時に、燃焼ガス流路（55）の燃焼ガ
スと原料ガス流路（54）の原料ガスとを熱交換させて原
料ガスを加熱するように構成されている。

【００５２】上記水循環路（65）は、熱媒水が充填され
た閉回路である。この水循環路（65）には、熱媒水の循
環方向において、循環ポンプ（66）と、第１熱交換器
（71）と、第２熱交換器（74）と、貯湯タンク（67）と
が順に設けられている。水循環路（65）を循環する熱媒
水は、第１熱交換器（71）及び第２熱交換器（74）で加
熱され、温水となって貯湯タンク（67）に蓄えられる。
そして、貯湯タンク（67）の温水は、必要に応じて給湯
に供される。

【００５３】上記第１熱交換器（71）には、冷却水流路
（72）と水流路（73）とが区画形成されている。第１熱
交換器（71）は、その冷却水流路（72）が冷却水回路
（60）に接続され、その水流路（73）が水循環路（65）
に接続されている。この第１熱交換器（71）は、冷却水
流路（72）の冷却水と水流路（73）の熱媒水とを熱交換
させるように構成されている。

【００５４】上記第２熱交換器（74）には、燃焼ガス流
路（75）と水流路（76）とが区画形成されている。第２
熱交換器（74）は、その燃焼ガス流路（75）が燃焼ガス
管（26）に接続され、その水流路（76）が水循環路（6
5）に接続されている。この第２熱交換器（74）は、燃
焼ガス流路（75）の燃焼ガスと水流路（76）の熱媒水と
を熱交換させるように構成されている。

【００５５】本実施形態の特徴として、水素供給管（2
5）及び水素極排気管（28）は、燃料電池（10）の水素
極側ガス通路（12）における燃料ガスの流れ方向を反転
させることが可能に構成されている。具体的には、水素
供給管（25）が水素極側ガス通路の上流側で分岐して、
供給側第１，第２分岐管（25a，25b）が水素極側ガス通
路（12）の両端に接続されている。また、水素極排気管
（28）が水素極側ガス通路の下流側で分岐して、排気側
第１，第２分岐管（28a，28b）が水素極側ガス通路（1
2）の両端に接続されている。

【００５６】これら４本の分岐管（25a，25b，28a，28
b）には、それぞれ切り換え手段として電磁弁（開閉
弁）（SV）が設けられている。そして、各電磁弁（SV）
は、供給側第１分岐管（25a）と排気側第１分岐管（28
a）とが開通するときに供給側第２分岐管（25b）と排気
側第２分岐管（28b）とが閉鎖され、供給側第１分岐管
（25a）と排気側第１分岐管（28a）とが閉鎖されるとき
に供給側第２分岐管（25b）と排気側第２分岐管（28b）
とが開通するように、開閉状態が制御される。

【００５７】また、本実施形態において、運転の起動時
ごとに電磁弁（SV）の開閉状態が切り換えられ、そのと
きに燃料電池（10）の水素極側ガス通路（12）における
燃料ガスの流れ方向が反転するように構成されている。

【００５８】−運転動作− 上記燃料電池システムの運転動作を説明する。

【００５９】まず、起動時には、例えば、水素供給管
（25）の供給側第１分岐管（25a）と水素極排気管（2
8）の排気側第１分岐管（28a）とが開通し、供給側第２
分岐管（25b）と排気側第２分岐管（28b）とが閉塞され
るように、各電磁弁（SV）の開閉状態が制御される。

【００６０】ブロア（23）を運転すると、空気供給管
（20）に空気が取り込まれる。この空気は、その一部が
分岐管（21）を通じて改質装置（30）へ送られ、残りが
酸化剤ガスとしてガス加熱器（52）の空気流路（53）へ
導入される。この酸化剤ガス（空気）は、空気流路（5
3）を流れる間に燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスから吸
熱する。

【００６１】ガス加熱器（52）において加熱された酸化
剤ガスは、続いて第１加湿器（40）の第１被加湿側通路
（42）へ流入する。一方、第１加湿器（40）の第１排ガ
ス通路（43）には、酸素極排ガスが導入されている。そ
して、第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガス（空気）に
は、水蒸気透過膜（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、この第１加湿器（40）で
は、燃料電池（10）から排出された水蒸気が酸化剤ガス
（空気）に回収される。

【００６２】その際、第１被加湿側通路（42）へは、ガ
ス加熱器（52）で予め加熱された酸化剤ガス（空気）が
流入する。この第１加湿器（40）において、第１排ガス
通路（43）の酸素極排ガスが冷却されて水蒸気透過膜
（41）の表面で結露が生じることはない。また、放熱に
よって第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガスの温度が露
点温度よりも低くなることはなく、第１被加湿側通路
（42）の側においても水蒸気透過膜（41）の表面で結露
が生じることはない。

【００６３】第１加湿器（40）において加湿された酸化
剤ガス（空気）は、燃料電池（10）の酸素極側ガス通路
（11）へ導入される。このように、酸素極側ガス通路
（11）へ導入される酸化剤ガス（空気）を第１加湿器
（40）で加湿しておくことで、燃料電池（10）における
電解質膜の乾燥を防止している。

【００６４】改質装置（30）へは、原料ガスとしてメタ
ンを主成分とする天然ガスが供給される。この原料ガス
は、先ず脱硫器（31）へ導入される。脱硫器（31）で
は、原料ガスに含まれる硫黄分が除去される。脱硫器
（31）から出た原料ガスは、分岐管（21）からの空気が
混入された後に、ガス加熱器（52）の原料ガス流路（5
4）へ導入される。この原料ガスは、原料ガス流路（5
4）を流れる間に燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスから吸
熱する。

【００６５】ガス加熱器（52）において加熱された原料
ガスは、続いて第２加湿器（45）の第２被加湿側通路
（47）へ流入する。一方、第２加湿器（45）の第２排ガ
ス通路（48）には、水素極排ガスが導入されている。そ
して、第２被加湿側通路（47）の原料ガスには、水蒸気
透過膜（46）を透過した水素極排ガス中の水蒸気が供給
される。この第２加湿器（45）では、改質器（33）にお
ける水蒸気改質反応、及び変成器（34）におけるシフト
反応に必要な量の水蒸気が、原料ガスに対して付与され
る。

【００６６】その際、第２被加湿側通路（47）へは、ガ
ス加熱器（52）で予め加熱された原料ガスが流入する。
したがって、第２排ガス通路（48）の水素極排ガスが冷
却されて、水蒸気透過膜（46）の表面で結露が生じるこ
とはない。また、放熱によって第２被加湿側通路（47）
の原料ガスの温度が露点温度よりも低くなることはな
く、第２被加湿側通路（47）の側においても水蒸気透過
膜（46）の表面で結露が生じることはない。

【００６７】第２加湿器（45）で加湿された原料ガス
は、改質器（33）へ導入される。つまり、改質器（33）
に対しては、天然ガス、空気、及び水蒸気の混合物であ
る原料ガスが供給される。改質器（33）では、メタン
（ＣＨ₄）の部分酸化反応と水蒸気改質反応とが行わ
れ、水素（Ｈ₂）と一酸化炭素（ＣＯ）が生成する。改
質器（33）における部分酸化反応及び水蒸気改質反応の
反応式は、次に示す通りである。

【００６８】 ＣＨ₄＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ＋２Ｈ₂ … 部分酸化反応 ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂ … 水蒸気改質反応 改質器（33）から流出した反応後のガスは、変成器（3
4）へ送られる。変成器（34）へ導入されるガスには、
改質器（33）で生成した水素と一酸化炭素が含まれてい
る。また、このガスには、第２加湿器（45）において供
給されたものの水蒸気改質反応に用いられなかった水蒸
気が残存している。変成器（34）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、次の通りである。

【００６９】 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ … シフト反応 変成器（34）から出たガスは、ＣＯ除去器（35）へ導入
される。ここで、変成器（34）からＣＯ除去器（35）へ
送られるガスは、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、水素
極の触媒毒となる。そこで、ＣＯ除去器（35）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。ＣＯ選択酸化反応の反応式は、次の通りである。

【００７０】 ＣＯ＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ₂ … ＣＯ選択酸化反応 そして、ＣＯ除去器（35）で一酸化炭素を削減されたガ
スは、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。

【００７１】上述のように、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）へ酸化剤ガス（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、酸化剤ガ
ス（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。

【００７２】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。

【００７３】燃料電池（10）の酸素極側ガス通路（11）
からは、電池排ガスとして酸素極排ガスが排出される。
この酸素極排ガスには、電池反応に使われなかった余剰
酸素が含まれている。また、酸素極排ガス中には、電池
反応によって生じたＨ₂Ｏが水蒸気の状態で存在してい
る。この酸素極排ガスは、酸素極排気管（24）を通じて
第１加湿器（40）の第１排ガス通路（43）へ導入され
る。上述のように、酸素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気
透過膜（41）を透過して第１被加湿側通路（42）の酸化
剤ガス（空気）へ供給される。第１加湿器（40）におい
て水蒸気を奪われた酸素極排ガスは、熱回収部（27）へ
送られる。熱回収部（27）では、改質器（33）、変成器
（34）、及びＣＯ除去器（35）から放出された排熱を、
酸素極排ガスが吸熱する。そして、酸素極排ガスは、熱
回収部（27）で吸熱した後に燃焼器（51）へ導入され
る。

【００７４】一方、燃料電池（10）の水素極側ガス通路
（12）からは、電池排ガスとして水素極排ガスが排出さ
れる。この水素極排ガスには、電池反応に使われなかっ
た水素が残存している。また、水素極排ガス中には、電
池反応によって生じたＨ₂Ｏが水蒸気の状態で存在して
いる。この水素極排ガスは、水素極排気管（28）を通じ
て第２加湿器（45）の第２排ガス通路（48）へ導入され
る。上述のように、水素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気
透過膜（46）を透過して第２被加湿側通路（47）の原料
ガスへ供給される。第２加湿器（45）において水蒸気を
奪われた水素極排ガスは、燃焼器（51）へ送り込まれ
る。

【００７５】燃焼器（51）は、酸素極排ガス中の酸素を
利用して、水素極排ガス中の水素を燃焼させる。この水
素極排ガスの燃焼によって、高温の燃焼ガスが生成す
る。この燃焼ガスは、燃焼ガス管（26）を流れて第２熱
交換器（74）の燃焼ガス流路（75）へ導入される。第２
熱交換器（74）では、燃焼ガス流路（75）の燃焼ガスが
水流路（76）の熱媒水に対して放熱する。

【００７６】第２熱交換器（74）で放熱した燃焼ガス
は、続いてガス加熱器（52）の燃焼ガス流路（55）へ導
入される。ガス加熱器（52）では、燃焼ガス流路（55）
の燃焼ガスが、空気流路（53）の酸化剤ガス（空気）及
び原料ガス流路（54）の原料ガスに対して更に放熱す
る。その後、燃焼ガスは、燃焼ガス流路（55）から出て
屋外へ排気される。

【００７７】冷却水ポンプ（61）を運転すると、冷却水
回路（60）において冷却水が循環する。冷却水ポンプ
（61）から吐出された冷却水は、燃料電池（10）へ送ら
れて吸熱する。この冷却水の吸熱により、燃料電池（1
0）が所定の作動温度（例えば、８５℃程度）に保たれ
る。燃料電池（10）で吸熱した冷却水は、第１熱交換器
（71）の冷却水流路（72）へ導入される。この冷却水
は、冷却水流路（72）を流れる間に水流路（73）の熱媒
水に対して放熱する。第１熱交換器（71）において放熱
した冷却水は、冷却水ポンプ（61）に吸入される。そし
て、冷却水ポンプ（61）が放熱後の冷却水を再び燃料電
池（10）へ向けて送り出し、この循環が繰り返される。

【００７８】循環ポンプ（66）を運転すると、水循環路
（65）において熱媒水が循環する。貯湯タンク（67）の
底部から流出した熱媒水は、循環ポンプ（66）によって
第１熱交換器（71）の水流路（73）へ送り込まれる。第
１熱交換器（71）において、熱媒水は、水流路（73）を
流れる間に冷却水流路（72）の冷却水から吸熱する。つ
まり、燃料電池（10）の排熱が、熱媒水に回収される。

【００７９】その後、熱媒水は、第２熱交換器（74）の
水流路（76）へ導入される。第２熱交換器（74）におい
て、熱媒水は、水流路（76）を流れる間に燃焼ガス流路
（75）の燃焼ガスから吸熱する。つまり、水素極排ガス
中に残存する水素の燃焼熱が、熱媒水に回収される。そ
して、第２熱交換器（74）から出た熱媒水は、貯湯タン
ク（67）へ送り返され、温水として貯留される。貯湯タ
ンク（67）に温水として蓄えられた熱媒水は、給湯に利
用される。

【００８０】以上の状態で運転を行っているときに、原
料ガスは、改質装置（30）側から、供給側第１分岐管
（25a）を通って燃料電池（10）の水素極側ガス通路（1
2）を通過し、更に排気側第１分岐管（28a）を通って、
第２加湿器（45）、燃焼機（51）及び加熱手段（50）を
経て排気される。この状態での運転が続くと、燃料電池
（10）の電極の水素極側では、特に燃料ガスの入口側に
おいて電極触媒がＣＯ被毒し、発電性能が低下すること
がある。これは、変成器（34）やＣＯ除去器（35）で燃
料ガスからＣＯを除去するようにはしているものの、Ｃ
Ｏが燃料ガス中にある程度は残存してしまうためであ
る。

【００８１】そこで本実施形態では、燃料電池システム
の起動時ごとに各分岐管（25a，25b，28a，28b）の開閉
状態を切り換え、水素極側ガス通路（12）における燃料
ガスの流れ方向を反転させるようにしている。具体的に
は、運転を停止し、次に起動するときには、前回の運転
時とは逆に、水素供給管（25）の供給側第２分岐管（25
b）と水素極排気管（28）の排気側第２分岐管（28b）と
が開通し、供給側第１分岐管（25a）と排気側第１分岐
管（28a）とが閉塞されるように、各電磁弁（SV）の開
閉状態が制御されるようにしている。

【００８２】このようにすると、運転を継続していると
きには燃料電池の水素極側において燃料ガスの入口側が
ＣＯ被毒を受けやすいこととなるが、起動時毎に電磁弁
（SV）を切り換えて流れ方向を反転させることにより、
被毒の少ない側を入口側として反応に有効に利用でき、
発電効率の低下を抑えられる。

【００８３】−実施形態１の効果− 本実施形態１では、運転の起動時毎に、燃料電池（10）
の水素極側ガス通路（12）における燃料ガスの流れ方向
を切り換えるようにしている。このため、電池電極の被
毒が均一化するため、性能の低下が生じにくく、ＣＯ被
毒を検出するための検出機構が不要であるので構成が複
雑になることも抑えられる。また、運転中に反応ガスの
流れ方向を切り換える場合には、わざわざ運転を停止す
るか、出力を低下させる必要があるが、本実施形態１で
はそのような問題も生じない。

【００８４】また、燃料ガスの下流側ではガスが欠乏し
てカーボン腐食が生じやすい場合があるが、燃料ガスの
流れ方向を適宜反転させることにより、ガス欠等による
カーボン腐食を均一化でき、劣化速度を抑えることもで
きる。

【００８５】

【発明の実施の形態２】本発明の実施形態２は、実施形
態１の燃料電池システムにおいて、燃料電池（10）の酸
素極側ガス通路（11）において、酸化剤ガスの流れ方向
を反転可能にしたものである。具体的には、空気供給管
（20）と酸素極排気管（24）とがそれぞれ分岐して、空
気供給管（20）の供給側第１，第２分岐管（20a，20b）
が酸素極側ガス通路（11）の両端に接続されるととも
に、酸素極排気管（24）の排気側第１，第２分岐管（24
a，24b)も水素極側ガス通路（12）の両端に接続されて
いる。

【００８６】これら４本の分岐管（20a，20b，24a, 24
b）には、第２の切り換え手段としてそれぞれ電磁弁
（開閉弁）（SV）が設けられている。そして、各電磁弁
（SV）は、供給側第１分岐管（20a）と排気側第１分岐
管（24a）とが開通するときに供給側第２分岐管（20b）
と排気側第２分岐管（24b）とが閉鎖され、供給側第１
分岐管（20a）と排気側第１分岐管（24a）とが閉鎖され
るときに供給側第２分岐管（20b）と排気側第２分岐管
（24b）とが開通するように、開閉状態が制御される。

【００８７】そして、本実施形態において、運転の起動
時毎に電磁弁（SV）の開閉状態が切り換えられ、そのと
きに燃料電池（10）の水素極側ガス通路（12）における
燃料ガスの流れ方向が反転するように構成されている。

【００８８】このように構成すると、水素側ガス通路
（12）において起動時毎に燃料ガスの流れ方向を反転さ
せることに加えて、酸化剤ガスの流れ方向も容易に切り
換えることができる。ここで、酸素極側では、酸化剤ガ
スの下流側において、反応時の水蒸気圧が高くなり、こ
の水蒸気が電解質膜を透過して水素極側に供給されるこ
とから、水蒸気の多い部分でシフト反応が促進され、Ｃ
Ｏ被毒が低減される。

【００８９】特に、第２の切り換え手段は、水素極にお
ける燃料ガスの上流側部分と酸素極における酸化剤ガス
の下流側部分とが電池電極の同一端側となるように、酸
化剤ガスの流れ方向を燃料ガスの流れ方向に対応して切
り換えるように構成するとよい。そうすることにより、
酸素極の下流側で多く発生している水蒸気が燃料ガスの
上流側に供給され、水素極において燃料ガスの上流側部
分でシフト反応が促進される。したがって、ＣＯ被毒の
度合いの大きい部分に水蒸気が多く供給されることにな
り、ＣＯ被毒を確実に低減することができる。

【００９０】

【発明の実施の形態３】本発明の実施形態３は、実施形
態２の燃料電池システムにおいて、冷却水回路（60）に
おける冷却水の循環方向を反転させることができるよう
に構成したものである。

【００９１】冷却水回路（60）は、冷却水ポンプ（61）
の吐出側配管と吸入側配管がそれぞれ分岐し、吐出側第
１，第２分岐管（60a，60b）と、吸入側第１，第２分岐
管（60c，60d）とが設けられている。吐出側第１分岐管
（60a）は燃料電池（10）の酸素極側冷却水配管（60e）
に接続され、吐出側第２分岐管（60b）は燃料電池（1
0）の水素極側冷却水配管（60f）に接続されている。ま
た、吸入側第１分岐管（60c）は燃料電池（10）の水素
極側冷却水配管（60f）に接続され、吸入側第２分岐管
（60d）は燃料電池（10）の酸素極側冷却水配管（60e）
に接続されている。上記吐出側第１，第２分岐管（60
a，60b）と、吸入側第１，第２分岐管（60c，60d）に
は、それぞれ、開閉弁である電磁弁（SV）が設けられて
いる。

【００９２】上記吐出側第１，第２分岐管（60a，60
b）、吸入側第１，第２分岐管（60c，60d）、及び各電
磁弁（SV）により、冷却切り換え手段（60a，60b，60
c，60d，SV）が構成されている。そして、各電磁弁（S
V）は、吐出側第１分岐管（60a）と吸入側第１分岐管
（60c）とが開通するときに吐出側第２分岐管（60b）と
吸入側第２分岐管（60d）とが閉鎖され、吐出側第１分
岐管（60a）と吸入側第１分岐管（60c）とが閉鎖される
ときに吐出側第２分岐管（60b）と吸入側第２分岐管（6
0d）とが開通するように、開閉状態が制御される。

【００９３】この実施形態３では、燃料ガスと酸化剤ガ
スの流れ方向が切り替わったときに、これらの電磁弁
（SV）の開閉状態が切り換えられ、冷却水回路（60）に
おける冷却水の循環方向が反転するように構成されてい
る。

【００９４】このように構成すると、水素極に対する燃
料ガスの流れ方向と酸素極に対する酸素含有ガスの流れ
方向が反転するときに、燃料電池（10）における発熱分
布が変化するのに対して、冷却水の循環方向を適宜反転
させることにより、燃料電池（10）を均一に冷却できる
方向に冷却水を流すことができ、冷却効果を高めること
が可能となる。

【００９５】また、一般に燃料ガス上流側が下流側より
も発熱量が大きいため、燃料ガスの流れ方向を反転させ
た場合、高温側が燃料ガスの上流側にシフトするが、こ
の実施形態３によれば、燃料電池の内部構造によっては
燃料ガスの上流側と冷却水の入口側を一致させることも
可能であり、その場合には燃料電池（10）をより均一に
冷却することが可能となる。

【００９６】

【発明のその他の実施の形態】本発明は、上記実施形態
について、以下のような構成としてもよい。

【００９７】例えば、上記実施形態では、起動時ごとに
燃料ガスの流れ方向を切り換えるように構成している
が、燃料ガスの流れ方向は、運転の停止時に反転させる
ようにしてもよい。この場合でも、出力の低下などが問
題となることはない。

【００９８】また、運転中の所定時間ごとに水素極に対
する燃料ガスの流れ方向を反転させるようにしてもよ
く、その場合に運転効率の低下などが問題となることは
ない。

【００９９】また、上記実施形態３では、水素極に対す
る燃料ガスの流れ方向を反転させる切り換え手段（25
a，25b，28a，28b，SV）と、酸素極に対する酸素含有ガ
スの流れ方向を反転させる第２の切り換え手段（20a，2
0b，24a，24b，SV）とを備えた実施形態２の燃料電池シ
ステムにおいて、冷却水回路（60）における冷却水の循
環方向を反転させるようにしているが、酸素極に対する
酸素含有ガスの流れ方向を反転させる第２の切り換え手
段（20a，20b，24a，24b，SV）を備えていない実施形態
１の燃料電池システムにおいて、冷却水回路（60）にお
ける冷却水の循環方向を反転させるようにしてもよい。

【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２に係る燃料電池システムの概略構成
図である。

【図３】実施形態３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 （11） 酸素極側ガス通路 （12） 水素極側ガス通路 （20） 空気供給管 （20a） 供給側第１分岐管（切り換え手段） （20b） 供給側第２分岐管（切り換え手段） （24） 酸素極排気管 （24a） 排気側第１分岐管（切り換え手段） （24b） 排気側第２分岐管（切り換え手段） （25） 水素供給管 （25a） 供給側第１分岐管（切り換え手段） （25b） 供給側第２分岐管（切り換え手段） （28） 水素極排気管 （28a） 排気側第１分岐管（切り換え手段） （28b） 排気側第２分岐管（切り換え手段） （30） 改質装置 （60） 冷却水回路 （61） 冷却水ポンプ （60a） 吐出側第１分岐管（切り換え手段） （60b） 吐出側第２分岐管（切り換え手段） （60c） 吸入側第１分岐管（切り換え手段） （60d） 吸入側第２分岐管（切り換え手段） （SV） 電磁弁（切り換え手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 MM02

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する
   改質装置（30）と、水素極と酸素極とを有する燃料電池
   （10）とを備え、燃料電池（10）の水素極に燃料ガスを
   供給するとともに酸素極に酸素含有ガスを供給して発電
   を行うように構成された燃料電池システムであって、 水素極に対する燃料ガスの流れ方向を、運転の起動時毎
   に反転させる切り換え手段（25a，25b，28a，28b，SV）
   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】 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する
   改質装置（30）と、水素極と酸素極とを有する燃料電池
   （10）とを備え、燃料電池（10）の水素極に燃料ガスを
   供給するとともに酸素極に酸素含有ガスを供給して発電
   を行うように構成された燃料電池システムであって、 水素極に対する燃料ガスの流れ方向を、運転の停止時毎
   に反転させる切り換え手段（25a，25b，28a，28b，SV）
   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】 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する
   改質装置（30）と、水素極と酸素極とを有する燃料電池
   （10）とを備え、燃料電池（10）の水素極に燃料ガスを
   供給するとともに酸素極に酸素含有ガスを供給して発電
   を行うように構成された燃料電池システムであって、 運転中の所定時間毎に、水素極に対する燃料ガスの流れ
   方向を反転させる切り換え手段（25a，25b，28a，28b，
   SV）を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 【請求項４】 燃料電池（10）の有する水素極側ガス通
   路（12）に水素供給管（25）及び水素極排気管（28）が
   接続され、水素供給管（25）は供給側第１，第２分岐管
   （25a，25b）に分岐して水素極側ガス通路（12）の両端
   に接続され、水素極排気管（28）は、排気側第１，第２
   分岐管（28a，28b）に分岐して水素極側ガス通路（12）
   の両端に接続され、 各分岐管（25a，25b，28a，28b）に、燃料ガスの流れ方
   向を反転させる開閉弁（SV）が設けられていることを特
   徴とする請求項１，２または３記載の燃料電池システ
   ム。
5. 【請求項５】 燃料電池（10）の酸素極に対する酸素含
   有ガスの流れ方向を反転させる第２の切り換え手段（20
   a，20b，24a，24b，SV）を備えていることを特徴とする
   請求項１，２，３または４記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】 燃料電池（10）の有する酸素極側ガス通
   路（11）に空気供給管（20）及び酸素極排気管（24）が
   接続され、空気供給管（20）は供給側第１，第２分岐管
   （20a，20b）に分岐して酸素極側ガス通路（11）の両端
   に接続され、酸素極排気管（24）は、排気側第１，第２
   分岐管（24a，24b)に分岐して酸素極側ガス通路（11）
   の両端に接続され、 各分岐管（20a，20b，24a, 24b）には、酸素含有ガスの
   流れ方向を反転させる開閉弁（SV）が設けられているこ
   とを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】 第２の切り換え手段（20a，20b，24a，2
   4b，SV）は、水素極側での燃料ガスの上流側部分と酸素
   極側での酸素含有ガスの下流側部分とが電池電極の同一
   端側となるように、酸素含有ガスの流れ方向を燃料ガス
   の流れ方向に対応して切り換えるように構成されている
   ことを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池シス
   テム。
8. 【請求項８】 燃料電池（10）には、冷却水が充填され
   て循環する冷却水回路（60）が接続され、 冷却水の循環方向を反転させる冷却切り換え手段（60
   a，60b，60c，60d，SV）を備えていることを特徴とする
   請求項１から７のいずれか１記載の燃料電池システム。
9. 【請求項９】 冷却切り換え手段（60a，60b，60c，60
   d，SV）は、水素極に対する燃料ガスの流れ方向を反転
   させるときに、冷却水の循環方向を反転させることが可
   能に構成されていることを特徴とする請求項８記載の燃
   料電池システム。