JP2003123815A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】原料ガスを改質した改質ガスの一酸化炭素濃度
を低減することにより、燃料ガスを生成するＣＯ除去器
と、ＣＯ除去器で生成された燃料ガスと空気とを反応さ
せて起電力を発生する燃料電池と、燃料電池の排気ガス
中の未反応水素を燃焼させる燃焼器と、燃料電池を所定
温度に調整する冷却水が循環する冷却水回路とを備えた
燃料電池システムを迅速に起動する。 【解決手段】冷却水回路（60）にＣＯ除去器（35）及び
燃焼器（51）を接続する。起動制御部（71）は、起動時
に燃焼器（51）で冷却水回路（60）の冷却水を加熱し、
加熱された冷却水で燃料電池（10）を加熱すると共にＣ
Ｏ除去器（35）を起動温度まで加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、特に、起動制御対策に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、特開２０００−２５１９１４
号公報に開示されているように、原料ガスを改質装置で
改質して燃料ガスを生成し、該燃料ガスを燃料電池に供
給して電気エネルギを得る燃料電池システムが知られて
いる。改質装置には、部分酸化反応及び水蒸気改質反応
が行われる改質器と、シフト反応によりＣＯ（一酸化炭
素）を削減する変成器と、選択酸化反応によりＣＯを更
に削減するＣＯ除去器としての選択酸化反応器とが設け
られている。そして、改質装置において、メタンやメタ
ノール等の原料ガスから水素を主成分とする燃料ガスが
得られる。燃料電池は、酸素極側と水素極側とが電解質
膜で区画されて形成されるもので、その酸素極側に酸素
含有ガスが、また水素極側に燃料ガスがそれぞれ供給さ
れるようになっている。そして、燃料ガスが改質装置か
ら燃料電池の水素極側へ送られると、燃料ガスの主成分
である水素が、電極触媒（主に白金）上で酸素と反応し
て電気エネルギを得ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記開
示された燃料電池システムでは、起動時に燃焼器等によ
り改質装置の加熱を行う方法が記載されているが、従来
のものでは、変成器の予熱に使用した後のガスによって
選択酸化反応器を加熱するようにしているために、選択
酸化反応器の触媒が反応温度まで上昇して活性化するま
でに相当の時間がかかってしまっていた。例えば、図６
に示すように、改質器の温度は始動後急激に上昇し、１
０００秒以内でほぼ起動温度に達するのに対し、変成器
の温度は徐々に上昇し、選択酸化反応器の温度は始動後
１時間（３６００秒）以上経過しないと反応温度（約１
００℃）に達しない。そして、選択酸化反応器の触媒が
活性化しないうちにガスを燃料電池に送り込んでしまう
と、一酸化炭素が残存するガスが燃料電池に流入してし
まうために、燃料電池では水素極の電極触媒がＣＯ被毒
により活性を失ってしまう。したがって、選択酸化反応
器の触媒が活性化するまで燃料電池にガスを供給できな
いために、上記燃料電池システムを起動するのに起動に
相当の時間を要するという問題があった。

【０００４】本発明は、斯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．燃料電池システムに
所定の改良を施すことで、迅速な起動を行うことにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、選択酸化反応器（35）を起動時に迅速に
加熱される燃料電池（10）の冷却水等により加熱するよ
うにしたものである。

【０００６】具体的に、第１の解決手段は、原料ガスを
改質した改質ガスの一酸化炭素濃度を低減することによ
り、燃料ガスを生成する選択酸化反応器（35）と、上記
選択酸化反応器（35）で生成された燃料ガスと酸素含有
ガスとを反応させて起電力を発生する燃料電池（10）
と、上記燃料電池（10）の排気ガス中の未反応水素を燃
焼させる燃焼器（51）と、上記燃料電池（10）を所定温
度に調整する冷却水が循環する冷却水回路（60）とを備
えた燃料電池システムを前提として、上記冷却水回路
（60）には、上記選択酸化反応器（35）及び燃焼器（5
1）が接続されると共に、起動時に上記燃焼器（51）で
冷却水回路（60）の冷却水を加熱し、該加熱された冷却
水で燃料電池（10）を加熱すると共に選択酸化反応器
（35）を起動温度まで加熱する起動制御手段（71）が設
けられている。

【０００７】また、第２の解決手段は、上記第１の解決
手段において、選択酸化反応器（35）の起動温度は、燃
料電池（10）の運転温度と略同一の温度に設定され、起
動制御手段（71）は、燃料電池（10）を運転温度まで加
熱する。

【０００８】また、第３の解決手段は、原料ガスを改質
した改質ガスの一酸化炭素濃度を低減することにより、
燃料ガスを生成する選択酸化反応器（35）と、上記選択
酸化反応器（35）で生成された燃料ガスと酸素含有ガス
とを反応させて起電力を発生する燃料電池（10）と、上
記燃料電池（10）の排気ガス中の未反応水素を燃焼させ
る燃焼器（51）と、熱媒水が循環し、上記燃料電池（1
0）の排熱を回収して貯湯タンク（84）に蓄熱する熱媒
水回路（80）とを備えた燃料電池システムを前提とし
て、上記熱媒水回路（80）には、上記選択酸化反応器
（35）及び燃焼器（51）が接続されると共に、起動時に
上記熱媒水回路（80）の熱媒水を燃焼器（51）で加熱
し、該加熱された熱媒水で選択酸化反応器（35）を起動
温度まで加熱する起動制御手段（71）が設けられてい
る。

【０００９】また、第４の解決手段は、原料ガスを改質
した改質ガスの一酸化炭素濃度を低減することにより、
燃料ガスを生成する選択酸化反応器（35）と、上記選択
酸化反応器（35）で生成された燃料ガスと酸素含有ガス
とを反応させて起電力を発生する燃料電池（10）と、上
記燃料電池（10）の排気ガス中の未反応水素を燃焼させ
る燃焼器（51）とを備えた燃料電池システムを前提とし
て、起動時に上記燃焼器（51）で生成された燃焼ガスの
熱で選択酸化反応器（35）を起動温度まで加熱する起動
制御手段（71）が設けられている。

【００１０】また、第５の解決手段は、上記第１から第
４の何れか１つの解決手段において、選択酸化反応器
（35）は、触媒を備えると共に改質ガスが導入される反
応器本体（40）と、起動時に冷却水、熱媒水又は燃焼ガ
スから吸熱して上記反応器本体（40）に導入される改質
ガスを加熱する熱交換部（39）とを備えてなる。

【００１１】すなわち、上記第１の解決手段では、起動
制御手段（71）により、起動時に冷却水回路（60）の冷
却水が燃焼器（51）で加熱され、該加熱された冷却水
は、燃料電池（10）を加熱すると共に選択酸化反応器
（35）を起動温度まで加熱する。つまり、冷却水回路
（60）に選択酸化反応器（35）及び燃焼器（51）を接続
することにより、起動後の温度上昇が早い燃焼器（51）
の熱を利用して選択酸化反応器（35）を起動温度まで加
熱する。この結果、選択酸化反応器（35）が起動温度ま
で迅速に昇温し、起動時間の短縮化を図ることができ
る。そして、選択酸化反応器（35）が起動温度に達する
と、選択酸化反応器（35）で生成された燃料ガスを燃料
電池（10）に流入させ、燃料電池（10）において酸素含
有ガスと反応させて発電を行う。燃料電池（10）は、冷
却水回路（60）を循環する冷却水によって所定温度に調
整される。

【００１２】また、上記第２の解決手段では、上記第１
の解決手段において、起動制御手段（71）により、選択
酸化反応器（35）が燃料電池（10）を運転温度と略同一
の起動温度まで加熱される。つまり、冷却水回路（60）
の冷却水を燃料電池（10）の運転温度に加熱した後に、
燃料電池（10）及び選択酸化反応器（35）に流入させる
ことで、選択酸化反応器（35）が確実に起動温度まで加
熱されることとなる。したがって、選択酸化反応器（3
5）に温度検出手段を設ける必要がなくなる。

【００１３】また、上記第３の解決手段では、起動制御
手段（71）により、起動時に熱媒水回路（80）の熱媒水
が燃焼器（51）で加熱され、該加熱された熱媒水は選択
酸化反応器（35）を起動温度まで加熱する。つまり、熱
媒水回路（80）に選択酸化反応器（35）及び燃焼器（5
1）を接続することにより、起動後の温度上昇が早い燃
焼器（51）の熱を利用して選択酸化反応器（35）を起動
温度まで加熱する。この結果、選択酸化反応器（35）が
起動温度まで迅速に昇温し、起動時間の短縮化を図るこ
とができる。そして、選択酸化反応器（35）が起動温度
に達すると、選択酸化反応器（35）で生成された燃料ガ
スと燃料電池（10）に流入させ、燃料電池（10）におい
て酸素含有ガスと反応させて発電を行う。発電中には、
燃料電池（10）の排熱を熱媒水回路（80）の熱媒水が回
収して貯湯タンク（84）に蓄熱する。

【００１４】また、上記第４の解決手段では、起動制御
手段（71）により、起動時に燃焼器（51）で生成された
燃焼ガスで選択酸化反応器（35）を起動温度まで加熱す
る。この結果、選択酸化反応器（35）が起動温度まで迅
速に昇温し、起動時間の短縮化を図ることができる。

【００１５】また、上記第５の解決手段では、上記第１
から第４の何れか１つの解決手段において、起動時に選
択酸化反応器（35）の熱交換部（39）で冷却水、熱媒水
又は燃焼ガスによって改質ガスを加熱する。選択酸化反
応器（35）は、上記加熱された改質ガスが反応器本体
（40）に導入されて、触媒が活性化する起動温度に加熱
される。

【００１６】

【発明の効果】従って、上記第１及び第５の解決手段に
よれば、起動後の温度上昇が早い燃焼器（51）の熱を冷
却水回路（60）の冷却水に回収し、この回収した排熱を
利用して選択酸化反応器（35）を起動温度まで加熱する
ようにしたために、選択酸化反応器（35）を起動温度ま
で迅速に昇温させることができて、起動時間の短縮化を
図ることができる。

【００１７】また、上記第２及び第５の解決手段によれ
ば、選択酸化反応器（35）を確実に起動温度まで加熱す
ることができると共に、選択酸化反応器（35）の温度検
出手段を不要にすることができる。

【００１８】また、上記第３及び第５の解決手段によれ
ば、起動後の温度上昇が早い燃焼器（51）の熱を熱媒水
回路（80）の熱媒水に回収し、この回収した排熱を利用
して選択酸化反応器（35）を起動温度まで加熱するよう
にしたために、選択酸化反応器（35）を起動温度まで迅
速に昇温させることができて、起動時間の短縮化を図る
ことができる。

【００１９】また、上記第４及び第５の解決手段によれ
ば、起動後にすぐに生成される高温の燃焼ガスで選択酸
化反応器（35）を起動温度まで加熱するようにしたため
に、選択酸化反応器（35）を起動温度まで迅速に昇温さ
せることができて、起動時間の短縮化を図ることができ
る。

【００２０】

【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。

【００２１】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）と
冷却水回路（60）とコントローラ（70）とを備えてい
る。

【００２２】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。この電極触媒は、主に白金が使用されている。
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、燃料電池（1
0）の構造についは、図示を省略する。

【００２３】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り、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り、
水素極側ガス通路（12）が形成されている。また、燃料
電池（10）には、冷却水通路（13）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、
その入口側に水素供給管（21）が接続され、その出口側
に水素極排気管（25）が接続されている。

【００２４】上記空気供給管（20）は、その始端が屋外
に開口し、その下流端である終端が燃料電池（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、ブロワ
（28）とエアフィルタ（29）とが設けられている。ま
た、空気供給管（20）には、上流側から順に第１分岐管
（22）と第２分岐管（23）とが設けられている。第１分
岐管（22）は、その始端がエアフィルタ（29）の下流側
に接続されている。第２分岐管（23）は、その始端が第
１分岐管（22）の接続部と燃料電池（10）との間に接続
されている。

【００２５】上記改質装置（30）は、水素供給管（21）
に設けられ、原料ガスとして供給された都市ガスと空気
と水蒸気とから水素主体の燃料ガスを生成するように構
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、改質器（33）と、変成器
（34）と、選択酸化反応器としてのＣＯ除去器（35）と
が設けられている。また、改質装置（30）における脱硫
器（31）と改質器（33）の間には、空気供給管（20）の
第１分岐管（22）が接続されている。

【００２６】上記脱硫器（31）は、原料ガスとして供給
された都市ガスから、硫黄分を吸着除去するように構成
されている。

【００２７】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（33）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）
を主成分とする都市ガス（即ち、原料ガス）から水素を
生成する。

【００２８】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。

【００２９】上記ＣＯ除去器（35）は、ＣＯ選択酸化反
応によって、原料ガス中のＣＯを更に削減して燃料ガス
を生成するように構成されている。そして、ＣＯ除去器
（35）から出た水素主体のガスが、燃料ガスとして水素
供給管（21）を流れて、燃料電池（10）の水素極側ガス
通路（12）へ供給されるようになっている。

【００３０】上記酸素極排気管（24）には、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。水素極排気管
（25）には、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。

【００３１】上記酸素極排気管（24）及び水素極排気管
（25）は、その終端において合流して燃焼ガス管（26）
に接続されている。燃焼ガス管（26）は、その始端が酸
素極排気管（24）及び水素極排気管（25）に接続される
一方、その終端が屋外に開口されている。燃焼ガス管
（26）には、燃焼器（51）が接続されている。燃焼器
（51）は、燃焼部（52）と、燃焼ガス通路（54）及び冷
却水通路（55）が形成された熱交換部（53）とを備えて
いる。燃焼部（52）は、燃焼ガス管（26）に接続され、
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ように構成されてい
る。熱交換部（53）は、燃焼ガス通路（54）が燃焼ガス
管（26）における燃焼部（52）の下流側に接続され、冷
却水通路（55）が上記冷却水回路（60）に接続されてい
る。つまり、燃焼器（51）では、燃焼部（52）で排ガス
を燃焼させると共に、燃焼により発熱した排熱を熱交換
部（53）で後述の冷却水回路（60）を循環する冷却水に
回収するように構成されている。そして、熱交換部（5
3）で排熱が回収された燃焼ガスは、燃焼ガス管（26）
を流れて屋外へ排出されるようになっている。

【００３２】上記水素供給管（21）には、分岐管（47）
が接続されている。該分岐管（47）は、始端が水素供給
管（21）におけるＣＯ除去器（35）と燃料電池（10）と
の間に接続され、終端が燃焼ガス管（26）における燃焼
器（51）の上流側に接続されている。水素供給管（21）
における分岐管（47）の接続部と燃料電池（10）との間
には第１電磁弁（48）が設けられ、分岐管（47）には第
２電磁弁（49）が設けられている。分岐管（47）は、起
動時等にＣＯ除去器（35）から流出したガスが燃料電池
（10）をバイパスして流れるようにするためのものであ
る。

【００３３】上記冷却水回路（60）は、冷却水が充填さ
れた閉回路であって、順に、冷却水ポンプ（61）と電池
冷却水用タンク（62）と燃料電池（10）とＣＯ除去器
（35）と上記燃焼器（51）の熱交換部（53）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）が所定の運転温度に調整され
る。

【００３４】上記ＣＯ除去器（35）は、図２に示すよう
に、上下に延びる円筒状のケーシング（36）を備えてい
る。上記ケーシング（36）内は、上端の流入口から下端
の流出口に至るガス通路（37）に形成される一方、パン
チングメタル等からなる２つの隔壁（38a,38b）によ
り、上流側から順に、熱交換部（39）と、ＣＯ選択酸化
反応に活性を呈する触媒が充填された触媒層（40）と、
補助熱交換部（41）とに区画されている。上記空気供給
管（20）の第２分岐管（23）は、その下流端が触媒層
（40）の上流側端部に接続されている。

【００３５】上記熱交換部（39）は、図３にも示すよう
に、多数の伝熱フィン（42）が形成された伝熱管（43
a）が、ケーシング（36）内をガスが流れる方向と直交
方向に貫通するクロスフィン形の熱交換器に構成されて
いる。この伝熱管（43a）は、一端が燃焼器（51）の熱
交換部（53）における冷却水通路（55）と配管接続され
ている。つまり、熱交換部（39）は、触媒層に導入され
る前の改質ガスが流入すると共に、伝熱管（43a）に冷
却水回路（55）の冷却水が流入することにより、起動時
に触媒層（40）に導入される改質ガスを上記冷却水で加
熱するように構成されている。

【００３６】上記触媒層（40）には、例えば８０℃で活
性化する触媒が充填されると共に、ケーシング（36）を
取り巻くように断熱材（44）が配設されている。これに
より、触媒層（40）では迅速に触媒を活性化させて起動
時間の短縮化が有効に図られるようになっている。つま
り、触媒層（40）は、触媒を備えると共に改質ガスが導
入される反応器本体を構成している。

【００３７】上記補助熱交換部（41）は、熱交換部（3
9）と同様に、クロスフィン形の熱交換器に構成されて
いる。補助熱交換部（41）の伝熱管（43b）は、一端が
熱交換部（39）の伝熱管（43a）の一端と接続管（45）
を介して接続され、他端が燃料電池（10）の冷却水通路
（13）と配管接続されている。つまり、両熱交換部（3
9,41）の伝熱管（43a,43b）は、冷却水回路（60）の一
部を構成している。

【００３８】上記コントローラ（70）は、起動制御手段
である起動制御部（71）を備えている。上記起動制御部
（71）は、起動時に、第１電磁弁（48）を閉鎖すると共
に、第２電磁弁（49）を開放して運転を行う起動運転制
御を行うように構成されている。起動運転制御では、燃
焼器（51）の燃焼部（52）において、改質装置（30）を
通過したガスと燃焼ガス管（26）を通して供給された空
気とを反応させ、この反応熱を利用して冷却水回路（6
0）の冷却水を加熱し、この加熱された冷却水によって
燃料電池（10）が運転温度（例えば８０℃）になるよう
に加熱すると共に、ＣＯ除去器（35）を起動温度（例え
ば８０℃）まで加熱するようになっている。つまり、Ｃ
Ｏ除去器（35）の起動温度と燃料電池（10）の運転温度
とが略同一の温度に設定されると共に、燃料電池（10）
が運転温度になるように調整して加熱し、この加熱に利
用した冷却水をＣＯ除去器（35）に流入させるために、
ＣＯ除去器（35）を確実に起動温度まで加熱することが
できる。したがって、ＣＯ除去器（35）には、触媒温度
を検出する温度検出手段が不要となる。

【００３９】上記起動制御部（71）は、ＣＯ除去器（3
5）の温度が起動温度に達すると、第１電磁弁（48）を
開放すると共に第２電磁弁（49）を閉鎖して運転を行う
発電運転制御に移行するように構成されている。発電運
転制御では、燃料電池（10）内において燃料ガス中の水
素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として発電運転が
行われる。

【００４０】−運転動作− 上記燃料電池システムの起動運転制御及び発電運転制御
における運転動作について説明する。

【００４１】先ず、起動運転制御の運転動作について説
明する。起動運転制御では、分岐管（47）に設けられた
第２電磁弁（49）が開放されると共に、水素供給管（2
1）に設けられた第１電磁弁（48）が閉鎖される。そし
て、ブロワ（28）の駆動により空気供給管（20）には水
蒸気を含んだ空気が酸化剤ガスとして流入し、水素供給
管（21）には原料ガスが流入する。原料ガスとして、メ
タンを主成分とする都市ガスが使用されている。

【００４２】空気供給管（20）に流入した空気は、一部
が第１分岐管（22）及び第２分岐管（23）に分流する一
方、残りの空気が燃料電池（10）の酸素極側ガス通路
（11）に流入する。酸素極側ガス通路（11）から流出し
た空気は、酸素極排気管（24）及び燃焼ガス管（26）を
流れて燃焼器（51）の燃焼部（52）に流入する。

【００４３】一方、水素供給管（21）に流入した原料ガ
スは、脱硫器（31）へ導入され、原料ガスに含まれる硫
黄分が除去される。そして、第１分岐管（22）から流入
した空気と合流した後、改質器（33）、変成器（34）及
びＣＯ除去器（35）を順に通過する。

【００４４】改質器（33）では、都市ガスの部分酸化反
応と水蒸気改質反応とが行われ、水素と一酸化炭素と二
酸化炭素とが生成する。改質器（33）内は発熱反応とな
るために急激に温度上昇する。

【００４５】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。

【００４６】 Ｃ_nＨ_2n+2＋ｎ/２Ｏ₂ → ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ₂ … 部分酸化反応 Ｃ_nＨ_2n+2＋ｎＨ₂Ｏ → ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）３Ｈ₂ … 水蒸気改質反応 改質器（33）から流出した反応後の改質ガスは、変成器
（34）へ送られる。この改質ガスには、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（3
4）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。

【００４７】 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ … シフト反応 変成器（34）から出た改質ガスは、ＣＯ除去器（35）へ
導入され、第２分岐管（23）から流入した空気と合流
し、ＣＯ除去器（35）へ送られる。この改質ガスは、熱
交換部（39）に流入し、起動運転制御では、伝熱管（43
a）を流れる冷却水から吸熱して加熱される。この冷却
水は、後述するように燃焼器（51）で加熱されている。
熱交換部（39）で加熱された改質ガスは、触媒層（40）
に導入されて触媒を加熱した後、補助熱交換部（41）を
経てＣＯ除去器（35）から流出する。

【００４８】低温（約８０℃）で活性化する触媒が充填
されると共に後述するように燃焼器（51）で回収した熱
を利用した加熱が行われるために、起動運転制御におい
てＣＯ除去器（35）が迅速に昇温される。変成器（34）
からＣＯ除去器（35）へ導入された改質ガスは、水素が
主成分となっているものの、一酸化炭素を含んでいる。
そして、触媒が活性化することにより、一酸化炭素を削
減するＣＯ選択酸化反応が行われるようになる。ＣＯ選
択酸化反応の反応式は、次の通りである。

【００４９】 ＣＯ＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ₂ … ＣＯ選択酸化反応 ＣＯ除去器（35）から出たガスは、分岐管（47）を経て
燃焼ガス管（26）に流入し、燃料電池（10）の酸素極側
ガス通路（11）から流出した空気と合流して、燃焼器
（51）の燃焼部（52）へ送られる。燃焼部（52）では、
空気中の酸素を利用して改質装置（30）から流出したガ
ス中の水素が燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。燃
焼部（52）で生成された燃焼ガスは、熱交換部（53）の
燃焼ガス通路（54）に流入し、冷却水通路（55）を流れ
る冷却水を加熱した後、屋外に排出される。

【００５０】一方、燃焼ガスによって加熱された冷却水
は、冷却水ポンプ（61）及び電池冷却水用タンク（62）
を通過した後、燃料電池（10）の冷却水通路（13）に流
入する。冷却水通路（13）に流入した冷却水は、燃料電
池（10）を加熱する。この冷却水により、燃料電池（1
0）は運転温度（例えば、８０℃）になるように加熱さ
れる。

【００５１】燃料電池（10）を加熱した冷却水は、ＣＯ
除去器（35）の補助熱交換部（41）に流入した後、接続
管（45）を経由して熱交換部（39）に流入し、ＣＯ除去
器（35）を加熱する。したがって、高温の燃焼ガスによ
って加熱された冷却水によってＣＯ除去器（35）を加熱
しているために、ＣＯ除去器（35）が迅速に昇温する。
さらに、燃料電池（10）が運転温度になるように調整さ
れて加熱され、この加熱に利用された冷却水をＣＯ除去
器（35）に流入させるために、ＣＯ除去器（35）に温度
センサを設けなくても、ＣＯ除去器（35）を約８０℃に
制御可能となっている。

【００５２】そして、ＣＯ除去器（35）の温度が起動温
度に達すると、起動運転制御を終了し、発電運転制御に
切り換わる。

【００５３】発電運転制御において、水蒸気を含み、空
気供給管（20）に流入した空気は、その一部が第１分岐
管（22）及び第２分岐管（23）を通じて改質装置（30）
へ送られ、残りの空気が酸化剤ガスとして燃料電池（1
0）の酸素極側ガス通路（11）に流入する。

【００５４】一方、水素供給管（21）に流入した原料ガ
スは、脱硫器（31）で原料ガスに含まれる硫黄分が除去
され、第１分岐管（22）からの空気が混入された後に、
改質器（33）へ導入され、都市ガスの部分酸化反応と水
蒸気改質反応とにより、水素と一酸化炭素と二酸化炭素
とが生成される。改質器（33）から流出した反応後のガ
スは、変成器（34）へ送られ、シフト反応により、一酸
化炭素が減少すると同時に水素が増加する。変成器（3
4）から出たガスは、ＣＯ除去器（35）へ導入されて第
２分岐管（23）からの空気と合流し、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。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。

【００５５】発電運転制御において、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。

【００５６】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、こ
の酸素極排ガスは、燃焼器（51）へ送り込まれる。酸素
極排ガスには、電池反応に使われなかった余剰酸素及び
電池反応によって生じた水蒸気が含まれている。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、この水素極排ガ
スは、燃焼器（51）へ送り込まれる。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。

【００５７】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され
る。この燃焼ガスは、燃焼ガス管（26）を流れて屋外へ
排気される。

【００５８】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）が所定の運転温度（例えば、８０℃程度）に保たれ
る。燃料電池（10）で吸熱した冷却水は、ＣＯ除去器
（35）へ導入され、ＣＯ除去器（35）内を流れる改質ガ
スから吸熱する。この冷却水の吸熱により、ＣＯ除去器
（35）のガス入口側温度及びガス出口側温度が所定の温
度に保たれる。ガス入口側温度は、例えば８０℃に保た
れ、ガス出口側温度は、例えば２００℃に保たれる。

【００５９】ＣＯ除去器（35）で吸熱した冷却水は、燃
焼器（51）の熱交換部（53）を通過した後、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。

【００６０】−実施形態１の効果−本実施形態１によれ
ば、起動後の温度上昇が早い燃焼器（51）の熱を冷却水
回路（60）の冷却水に回収し、この回収した排熱を利用
してＣＯ除去器（35）を起動温度まで加熱するようにし
たために、ＣＯ除去器（35）を起動温度まで迅速に昇温
させることができて、起動時間の短縮化を図ることがで
きる。

【００６１】また、ＣＯ除去器（35）の運転温度と燃料
電池（10）の運転温度とを略同一の温度に設定したため
に、ＣＯ除去器（35）を確実に起動温度まで加熱するこ
とができると共に、ＣＯ除去器（35）の温度検出手段を
不要にすることができる。

【００６２】

【発明の実施の形態２】本発明の実施形態２に係る燃料
電池システムは、図４に示すように、熱媒水回路である
水循環路（80）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。尚、ここでは、実施形態
１と同一箇所には同一符号を付し、実施形態１と異なる
ところについてのみ説明する。

【００６３】上記水循環路（80）は、熱媒水が充填され
た閉回路であって、熱媒水が流れる方向に順に冷却水熱
交換器（81）と、貯湯タンク（84）と、熱媒水ポンプ
（85）と、上記燃焼器（51）の熱交換部（53）と、ＣＯ
除去器（35）の熱交換部（39）及び補助熱交換部（41）
とが接続されている。熱交換部（39）と補助熱交換部
（41）とは、燃焼器（51）の熱交換部（53）に対し、互
いに並列に接続されている。つまり、燃焼器（51）の熱
交換部（53）における冷却水通路（55）の下流端に接続
する配管が分岐して、それぞれＣＯ除去器（35）の熱交
換部（39）の上流端又は補助熱交換部（41）の上流端に
接続されている。そして、熱交換部（39）の下流端及び
補助熱交換部（41）の下流端は、それぞれ接続されて上
記冷却水熱交換器（81）に接続されている。

【００６４】水循環路（80）では、発電運転時において
燃焼器（51）の熱交換部（53）及び冷却水熱交換器（8
1）で加熱されて温水となった熱媒水が貯湯タンク（6
7）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。

【００６５】上記冷却水熱交換器（81）には、冷却水通
路（82）と熱媒水通路（83）とが形成されている。冷却
水通路（82）は冷却水回路（60）に接続され、熱媒水通
路（83）は水循環路（80）に接続されている。

【００６６】実施形態１と異なり、冷却水回路（60）に
は、冷却水が流れる方向に順に、冷却水ポンプ（61）
と、電池冷却水用タンク（62）と、燃料電池（10）の冷
却水通路（13）と、冷却水熱交換器（81）の冷却水通路
（82）とが接続されている。

【００６７】コントローラ（70）の起動制御部（71）
は、起動運転制御において水循環路（80）の熱媒水を循
環させると共に、燃焼器（51）で燃焼ガスから吸熱した
熱媒水をＣＯ除去器（35）の両熱交換部（39,41）に導
入することにより、ＣＯ除去器（35）を起動温度（例え
ば８０℃）まで加熱するように構成されている。起動制
御部（71）は、起動運転制御において、燃焼ガスから吸
熱して燃焼器（51）から流出する熱媒水の温度が８０℃
になるように熱媒水の流量制御を行うように構成されて
いる。

【００６８】−運転動作− 起動運転制御では、分岐管（47）に設けられた第２電磁
弁（49）が開放されると共に、水素供給管（21）に設け
られた第１電磁弁（48）が閉鎖される。また、冷却水ポ
ンプ（61）及び熱媒水ポンプ（85）が駆動する。そし
て、空気供給管（20）に流入した空気は、一部が第１分
岐管（22）及び第２分岐管（23）に分流する一方、残り
の空気が燃料電池（10）の酸素極側ガス通路（11）に流
入する。

【００６９】一方、水素供給管（21）に流入した原料ガ
スは、脱硫器（31）を通過して、第１分岐管（22）から
流入した空気と合流した後、改質器（33）、変成器（3
4）及びＣＯ除去器（35）を順に通過する。ＣＯ除去器
（35）では、ガス通路（37）のガスが、両熱交換部（3
9,41）において燃焼器（51）の燃焼ガスから吸熱した水
循環路（80）の熱媒水から吸熱する。燃焼器（51）から
流出した熱媒水が８０℃に調整されているために、ＣＯ
除去器（35）は、迅速に且つ確実に起動温度（例えば８
０℃）まで加熱されることとなる。

【００７０】ＣＯ除去器（35）から出たガスは、分岐管
（47）を経て燃焼ガス管（26）に流入し、燃料電池（1
0）の酸素極側ガス通路（11）から流出した空気と合流
して、燃焼器（51）の燃焼部（52）へ送られる。燃焼部
（52）では、空気中の酸素を利用して改質装置（30）か
ら流出したガス中の水素が燃焼して燃焼ガスが生成され
る。燃焼部（52）で生成された燃焼ガスは、熱交換部
（53）の燃焼ガス通路（54）に流入し、熱媒水通路（5
5）を流れる熱媒水を加熱した後、屋外に排出される。
燃焼器（51）では、熱媒水通路（55）から流出した熱媒
水が８０℃になるように調整されている。

【００７１】一方、燃焼ガスによって加熱された熱媒水
は、分流した後、ＣＯ除去器（35）の熱交換部（39）又
は補助熱交換部（41）に流入し、上述の如くガス通路
（37）の改質ガスを加熱する。ＣＯ除去器（35）で改質
ガスに放熱した熱媒水は、冷却水熱交換器（81）の熱媒
水通路（83）に流入する。冷却水熱交換器（81）では、
熱媒水が冷却水通路（82）を流れる冷却水に放熱して該
冷却水を加熱する。冷却水に放熱した熱媒水は、冷却水
熱交換器（81）から流出して貯湯タンク（84）に貯留さ
れる。

【００７２】冷却水熱交換器（81）で加熱された冷却水
は、電池冷却水用タンク（62）に貯留される。電池冷却
水用タンク（62）を流出した冷却水は、燃料電池（10）
の冷却水通路（13）に流入して燃料電池（10）を加熱し
た後、冷却水熱交換器（81）で加熱される。冷却水回路
（60）ではこの循環が繰り返される。

【００７３】そして、ＣＯ除去器（35）の温度が起動温
度に達すると、起動運転制御を終了し、発電運転制御に
切り換わる。

【００７４】発電運転制御では、変成器（34）で高温に
加熱された改質ガスがＣＯ除去器（35）に流入する。こ
の改質ガスは、燃焼器（51）から流出して８０℃に調整
された熱媒水によって吸熱される。ＣＯ除去器（35）で
吸熱した熱媒水は、冷却水熱交換器（81）において冷却
水回路（60）の冷却水から更に吸熱した後、貯湯タンク
（84）の貯留される。冷却水回路（60）では、冷却水熱
交換器（81）において熱媒水に放熱した冷却水が電池冷
却水用タンク（62）を経由して燃料電池（10）に流入す
る。燃料電池（10）は、この冷却水によって運転温度に
保たれる。

【００７５】−実施形態２の効果− 本実施形態２によれば、起動後の温度上昇が早い燃焼器
（51）の熱を熱媒水回路（80）の熱媒水に回収し、この
回収した熱を利用してＣＯ除去器（35）を起動温度まで
加熱するようにしたために、ＣＯ除去器（35）を起動温
度まで迅速に昇温させることができて、起動時間の短縮
化を図ることができる。

【００７６】その他の構成、作用及び効果は実施形態１
と同様である。

【００７７】

【発明の実施の形態３】本発明の実施形態３に係る燃料
電池システムは、図５に示すように、実施形態２と異な
り、燃焼器（51）で生成された燃焼ガスが直接ＣＯ除去
器（35）の両熱交換部（39,41）に導入されるように構
成されている。

【００７８】ＣＯ除去器（35）の両熱交換部（39,41）
は、改質ガスが流れる改質ガス通路（91,94）と、燃焼
ガスが流れる燃焼ガス通路（92,95）とが形成されてい
る。

【００７９】燃焼ガス管（26）は、燃焼器（51）の下流
側において上流側から順に、ＣＯ除去器（35）の熱交換
部（39）と燃焼熱交換器（86）とが接続されている。熱
交換部（39）は、その燃焼ガス通路（92）が燃焼ガス管
（26）に接続されている。

【００８０】上記燃焼熱交換器（86）には、燃焼ガス通
路（87）と熱媒水通路（88）とが形成されている。燃焼
ガス通路（87）は燃焼ガス管（26）に接続され、熱媒水
通路（88）は水循環路（80）に接続されている。

【００８１】上記燃焼ガス管（26）は、分岐燃焼ガス管
（97）が接続されている。分岐燃焼ガス管（97）は、そ
の上流端が燃焼ガス管（26）における燃焼器（51）とＣ
Ｏ除去器（35）の熱交換部（39）との間に接続され、そ
の下流端が熱交換部（39）と燃焼熱交換器（86）との間
に接続されている。分岐燃焼ガス管（97）は、ＣＯ除去
器（35）の補助熱交換部（41）における燃焼ガス通路
（95）が接続されている。

【００８２】冷却水回路（60）は、冷却水が流れる方向
に順に、冷却水ポンプ（61）と電池冷却水用タンク（6
2）と燃料電池（10）の冷却水通路（13）とが接続され
ている。

【００８３】上記水循環路（80）は、熱媒水が充填され
た閉回路であって、熱媒水の流れる方向に順に、熱媒水
ポンプ（85）と燃焼熱交換器（86）の熱媒水通路（88）
と貯湯タンク（84）とが接続されている。

【００８４】コントローラ（70）の起動制御部（71）
は、起動運転制御において燃焼器（51）の燃焼ガスをＣ
Ｏ除去器（35）の両熱交換部（39,41）に導入すること
により、ＣＯ除去器（35）を起動温度（例えば８０℃）
まで加熱するように構成されている。

【００８５】−運転動作− 起動運転制御では、空気供給管（20）に流入した空気
は、一部が第１分岐管（22）及び第２分岐管（23）に分
流する一方、残りの空気が燃料電池（10）の酸素極側ガ
ス通路（11）に流入する。

【００８６】一方、水素供給管（21）に流入した原料ガ
スは、脱硫器（31）を通過して、第１分岐管（22）から
流入した空気と合流した後、改質器（33）、変成器（3
4）及びＣＯ除去器（35）を順に通過する。ＣＯ除去器
（35）では、ガス通路（37）のガスが、両熱交換部（3
9,41）において燃焼器（51）から流出した燃焼ガスから
吸熱する。したがって、ＣＯ除去器（35）が迅速に起動
温度まで加熱される。

【００８７】ＣＯ除去器（35）から出たガスは、分岐管
（47）を経て燃焼ガス管（26）に流入し、燃料電池（1
0）の酸素極側ガス通路（11）から流出した空気と合流
して、燃焼器（51）の燃焼部（52）へ送られる。燃焼部
（52）では、空気中の酸素と改質ガスの水素とが反応し
て燃焼ガスが生成される。燃焼部（52）で生成された燃
焼ガスは、ＣＯ除去器（35）の両熱交換部（39,41）を
流れる改質ガスに放熱し、燃焼熱交換器（86）に流入す
る。この燃焼ガスは、燃焼熱交換器（86）において熱媒
水通路（88）の熱媒水に放熱した後、屋外に排出され
る。

【００８８】そして、ＣＯ除去器（35）の温度が起動温
度に達すると、起動運転制御を終了し、発電運転制御に
切り換わる。

【００８９】発電運転制御では、変成器（34）で高温に
加熱された改質ガスがＣＯ除去器（35）に流入する。こ
の改質ガスは、燃焼器（51）から流出した燃焼ガスによ
って吸熱される。ＣＯ除去器（35）で吸熱した燃焼ガス
は、燃焼熱交換器（86）において熱媒水通路（88）の熱
媒水に放熱した後、屋外に排出される。燃焼熱交換器
（86）で吸熱した熱媒水は、貯湯タンク（84）に貯留さ
れる。

【００９０】−実施形態３の効果− 本実施形態３によれば、起動後にすぐに生成される高温
の燃焼ガスでＣＯ除去器（35）を起動温度まで加熱する
ようにしたために、ＣＯ除去器（35）を起動温度まで迅
速に昇温させることができて、起動時間の短縮化を図る
ことができる。

【００９１】その他の構成、作用及び効果は実施形態２
と同様である。

【００９２】

【発明のその他の実施の形態】上記実施形態１につい
て、ＣＯ除去器（35）は、冷却水が下流側熱交換部（4
1）から上流側熱交換部（39）に流入する構成に代え、
実施形態２及び３と同様に、両熱交換部（39,41）の伝
熱管（43a,43b）が冷却水回路（60）に互いに並列に接
続される構成にしてもよい。この場合において、各伝熱
管（43a,43b）に接続される配管にそれぞれ開閉機構を
設け、起動運転制御において、触媒層（40）に導入され
る前の改質ガスが流入する熱交換部（39）のみに加熱さ
れた冷却水を流入させる構成にしてもよい。

【００９３】上記実施形態２について、各熱交換部（3
9,41）に接続される配管にそれぞれ開閉機構を設け、起
動運転制御において、触媒層（40）に導入される前の改
質ガスが流入する熱交換部（39）のみに加熱された熱媒
水を流入させる構成にしてもよい。

【００９４】上記実施形態２について、熱媒水を分流し
てＣＯ除去器（35）の両熱交換部（39,41）に流入させ
る構成に代え、実施形態１と同様に、熱媒水を下流側熱
交換部（41）から上流側熱交換部（39）に流入させる構
成にしてもよい。

【００９５】上記実施形態３について、各熱交換部（3
9,41）に接続される配管にそれぞれ開閉機構を設け、起
動運転制御において、触媒層（40）に導入される前の改
質ガスが流入する熱交換部（39）のみに燃焼ガスを流入
させる構成にしてもよい。

【００９６】上記実施形態３について、燃焼ガスを分流
してＣＯ除去器（35）の両熱交換部（39,41）に流入さ
せる構成に代え、燃焼ガスを下流側熱交換部（41）から
上流側熱交換部（39）に流入させる構成にしてもよい。

【００９７】上記実施形態１，２及び３について、ＣＯ
除去器（35）は、補助熱交換部（41）を省略する構成で
あってもよい。この場合には、上記実施形態１において
熱交換部（39）の伝熱管（43a）の両端が冷却水回路（6
0）に接続される構成となる。また、実施形態２では、
燃焼器（51）の熱交換部（53）における冷却水通路（5
5）の下流端に接続する配管が分岐することなくＣＯ除
去器（35）の熱交換部（39）に接続される構成となる。
また、上記実施形態３では、分岐燃焼ガス管（97）が省
略される構成となる。

【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全体構成
を示す配管系統図である。

【図２】実施形態１におけるＣＯ除去器の構成を示す正
面図である。

【図３】図２のII−II線における断面図である。

【図４】実施形態２に係る燃料電池システムの全体構成
を示す配管系統図である。

【図５】実施形態３に係る燃料電池システムの全体構成
を示す配管系統図である。

【図６】従来の燃料電池システムにおける起動時の温度
変化を示す特性図である。

【符号の説明】

（10） 燃料電池 （35） ＣＯ除去器 （39） 熱交換部 （40） 触媒層 （51） 燃焼器 （60） 冷却水回路 （71） 起動制御部 （80） 水循環路 （84） 貯湯タンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大久保 英作 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 BA09 BA17 CC06 DD06 KK48 MM16

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガスを改質した改質ガスの一酸化炭
   素濃度を低減することにより、燃料ガスを生成する選択
   酸化反応器（35）と、 上記選択酸化反応器（35）で生成された燃料ガスと酸素
   含有ガスとを反応させて起電力を発生する燃料電池（1
   0）と、 上記燃料電池（10）の排気ガス中の未反応水素を燃焼さ
   せる燃焼器（51）と、 上記燃料電池（10）を所定温度に調整する冷却水が循環
   する冷却水回路（60）とを備えた燃料電池システムにお
   いて、 上記冷却水回路（60）には、上記選択酸化反応器（35）
   及び燃焼器（51）が接続されると共に、 起動時に上記燃焼器（51）で冷却水回路（60）の冷却水
   を加熱し、該加熱された冷却水で燃料電池（10）を加熱
   すると共に選択酸化反応器（35）を起動温度まで加熱す
   る起動制御手段（71）が設けられていることを特徴とす
   る燃料電池システム。
2. 【請求項２】 請求項１において、 選択酸化反応器（35）の起動温度は、燃料電池（10）の
   運転温度と略同一の温度に設定され、 起動制御手段（71）は、燃料電池（10）を運転温度まで
   加熱することを特徴とする燃料電池システム。
3. 【請求項３】 原料ガスを改質した改質ガスの一酸化炭
   素濃度を低減することにより、燃料ガスを生成する選択
   酸化反応器（35）と、 上記選択酸化反応器（35）で生成された燃料ガスと酸素
   含有ガスとを反応させて起電力を発生する燃料電池（1
   0）と、 上記燃料電池（10）の排気ガス中の未反応水素を燃焼さ
   せる燃焼器（51）と、 熱媒水が循環し、上記燃料電池（10）の排熱を回収して
   貯湯タンク（84）に蓄熱する熱媒水回路（80）とを備え
   た燃料電池システムにおいて、 上記熱媒水回路（80）には、上記選択酸化反応器（35）
   及び燃焼器（51）が接続されると共に、 起動時に上記熱媒水回路（80）の熱媒水を燃焼器（51）
   で加熱し、該加熱された熱媒水で選択酸化反応器（35）
   を起動温度まで加熱する起動制御手段（71）が設けられ
   ていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 【請求項４】 原料ガスを改質した改質ガスの一酸化炭
   素濃度を低減することにより、燃料ガスを生成する選択
   酸化反応器（35）と、 上記選択酸化反応器（35）で生成された燃料ガスと酸素
   含有ガスとを反応させて起電力を発生する燃料電池（1
   0）と、 上記燃料電池（10）の排気ガス中の未反応水素を燃焼さ
   せる燃焼器（51）とを備えた燃料電池システムにおい
   て、 起動時に上記燃焼器（51）で生成された燃焼ガスの熱で
   選択酸化反応器（35）を起動温度まで加熱する起動制御
   手段（71）が設けられていることを特徴とする燃料電池
   システム。
5. 【請求項５】 請求項１から４の何れか１項において、 選択酸化反応器（35）は、触媒を備えると共に改質ガス
   が導入される反応器本体（40）と、起動時に冷却水、熱
   媒水又は燃焼ガスから吸熱して上記反応器本体（40）に
   導入される改質ガスを加熱する熱交換部（39）とを備え
   てなることを特徴とする燃料電池システム。