JP2003132919A - 燃料電池発電装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電コストを抑えつつ起動時間の短縮を行な
うことや熱の有効利用を行なうことなどができる燃料電
池発電装置及び運転方法を提供する。 【解決手段】 原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成
する燃料処理装置２０、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給
されて発電するＦＣスタック１０を有する燃料電池発電
装置１において、ＦＣスタック１０が排出する熱を、イ
ソプロパノールからアセトンと水素を生成する吸熱反応
により化学的に蓄える処理を行なう吸熱反応器５２、吸
熱反応後のアセトンと水素からイソプロパノールを生成
する発熱反応により蓄えた熱を取り出す処理を行なう発
熱反応器５４、取り出した熱を燃料処理装置２０に与え
る発熱反応器（５４）、を有する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、起動時間を短縮す
ることなどが可能な燃料電池発電装置及びその運転方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術の一例として、メタンを改質
して燃料とする改質型の燃料電池発電装置の構成を図２
に示す。図２において、符号１０１は、燃料電池発電装
置、符号１１０は燃料電池スタック（以下「ＦＣスタッ
ク」という）、符号１２０は燃料処理装置、符号１３０
は空気供給装置である。この図２において、燃料電池発
電装置１０１の中核をなすＦＣスタック１１０は、燃料
極１１１、電解膜１１２、空気極１１３、冷却器１１４
を含んで構成されており、供給される燃料ガスと空気と
から電気化学的反応により発電する発電機である。な
お、図２に示すＦＣスタック１１０は、後に説明するよ
うに単セルと呼ばれるものであり、実際には、ＦＣスタ
ック１１０は、単セルが数枚から百数十枚、或いは数百
枚積層された構造を有する。

【０００３】また、図２において、ＦＣスタック１１０
に燃料ガスを供給する燃料処理装置１２０は、蒸発器１
２１、改質器１２２、ＣＯ変成器１２３、ＣＯ選択酸化
器１２４、燃焼器１２５を含んで構成される。この燃料
処理装置１２０は、原燃料のメタンと改質用の水とでメ
タンを改質して水素リッチガスとし、さらにＣＯを除去
してＦＣスタック１１０に供給する水素リッチな燃料ガ
スとする装置である。また、図２において、ＦＣスタッ
ク１１０に酸化剤としての空気を供給する空気供給装置
１３０は、コンプレッサ１３１、加湿器１３２を含んで
構成される。なお、図２において、符号１２０Ａは改質
部、符号１２０ＢはＣＯ除去部である。また、符号１４
１は気液分離器であり、符号１４２は温水タンクであ
り、符号１４３は温水利用設備である。また、符号Ｐ１
は改質用の水を供給する改質水ポンプであり、符号Ｐ２
は冷却水ポンプ。符号Ｐ３は温水ポンプである。符号Ｃ
Ｌは冷却水用の温調器である。

【０００４】この燃料電池発電装置１０１は、燃料処理
装置１２０が、原燃料であるメタンを改質器１２２で水
蒸気と共に改質して改質ガスとし、ＣＯ変成器１２３と
ＣＯ選択酸化器１２４で改質ガスからＣＯを除去し、Ｃ
Ｏ除去後の改質ガスを燃料ガスとしてＦＣスタック１１
０の燃料極１１１に供給する。また、燃料電池発電装置
１０１は、空気供給装置１３０が、コンプレッサ１３１
から加湿器１３２で加湿した空気を、ＦＣスタック１１
０の空気極１１３に供給する。また、図示しない電流取
出手段が、ＦＣスタック１１０から電流の取り出し動作
を行なう。これにより、ＦＣスタック１１０は、燃料極
１１１の水素と空気極１１３の酸素とから電気化学的に
反応して発電する。

【０００５】発電を開始するとＦＣスタック１１０が発
熱する。この発熱は、冷却器１１４を循環する冷却水に
より除去される。そして、ＦＣスタック１１０は８０℃
前後の温度になるようにされる。ＦＣスタック１１０を
冷却した結果暖められた冷却水は、温水タンク１４２に
溜められる。また、発電の結果生成した生成水も、気液
分離器１４１を介して温水タンク１４２に溜められる。
温水タンク１４２に溜められた温水は、温水利用設備１
４３で利用される。

【０００６】ＦＣスタック１１０の燃料極１１１から
は、未利用の水素を含む燃料排ガス（アノードオフガ
ス）が排出されるが、これは燃料処理装置１２０の燃焼
器１２５で燃焼され、蒸発器１２１での改質用の水の蒸
発や改質器１２２での改質反応の際の熱源として用いら
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
改質型の燃料電池発電装置１０１は、燃料処理装置１２
０（蒸発器１２１、改質器１２２、ＣＯ変成器１２３、
ＣＯ選択酸化器１２４、燃焼器１２５）の作動温度がＦ
Ｃスタック１１０に比べて高い。このため、燃料電池発
電装置１０１を起動するときには、燃料処理装置１２０
を昇温（暖機）するために１時間程度の起動時間を要し
ていた。ここで、起動時間を短縮しようとすれば、燃料
電池発電装置１０１の停止後に、燃料処理装置１２０を
所定の温度に保温すれば、常温から起動する場合に比べ
て起動時間の短縮が可能である。しかし、保温のために
電気ヒータを新たに設置すると、保温のための電気エネ
ルギが必要となるので、燃料電池発電装置１０１の発電
コストが高くなってしまう。また、燃焼器１２５にメタ
ンなどの燃料（補助燃料）を供給することによって保温
を行なうとすると、保温のための燃料が必要となるの
で、燃料電池発電装置１０１の発電コストが高くなって
しまう（ちなみに、未利用の水素を含む燃料排ガスは発
電を行なっていない状況では発生していない）。また、
ＦＣスタック１１０が発生する熱の有効利用が求められ
ている。

【０００８】そこで、本発明は、発電コストを抑えつつ
起動時間の短縮を行なうことや熱の有効利用を行なうこ
となどができる燃料電池発電装置及びその運転方法を提
供することを主たる目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】〔燃料電池発電装置〕前
記課題を解決した本発明（請求項１）は、原燃料から水
素リッチな燃料ガスを生成する燃料処理手段、前記燃料
ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電する燃料電池を有
する燃料電池発電装置において、前記燃料電池が排出す
る熱を、第１の化学物質から第２の化学物質を生成する
吸熱反応により、化学的に蓄える処理を行なう吸熱反応
手段、前記吸熱反応後の第２の化学物質から前記第１の
化学物質を生成する発熱反応により、前記蓄えた熱を取
り出す処理を行なう発熱反応手段、前記取り出した熱を
前記燃料処理手段及び／又は前記燃料電池に与える伝熱
手段、を有することを特徴とする。この構成では、燃料
電池の排熱は、第１の化学物質が反応して第２の化学物
質になるときに蓄えられ、第２の化学物質が反応して第
１の化学物質になるときに取り出される。取り出された
熱は、燃料処理手段や燃料電池に与えられる。

【００１０】また、本発明（請求項２）は、請求項１の
構成において、前記燃料電池発電装置の停止後に、前記
発熱反応手段の始動を指示する制御手段、をさらに有す
ることを特徴とする。これによれば、停止後に燃料処理
手段及び／又は燃料電池の保温・昇温が確実になされ
る。

【００１１】また、本発明（請求項３）は、請求項１又
は請求項２の構成において、前記吸熱反応を起こす第１
の化学物質がイソプロパノールであり、前記吸熱反応後
の第２の化学物質がアセトンと水素であることを特徴と
する。イソプロパノールの脱水素反応・水素化反応は、
副反応などによる有害物質の発生もなく、また、反応系
としての取り扱いも容易である。また、適度な反応熱を
有する。

【００１２】〔運転方法〕また、前記課題を解決した本
発明（請求項４）は、原燃料から水素リッチな燃料ガス
を生成する燃料処理手段、前記燃料ガスと酸化剤ガスと
を供給されて発電する燃料電池を有する燃料電池発電装
置の運転方法であって、発電時に前記燃料電池から排出
される熱を、第１の化学物質から第２の化学物質を生成
する吸熱反応により、化学的に蓄える第１のステップ、
前記燃料電池発電装置の停止後に前記吸熱反応後の第２
の化学物質から前記第１の化学物質を生成する発熱反応
により、前記蓄えた熱を発熱反応により取り出す第２の
ステップ、前記取り出した熱を前記燃料処理手段及び／
又は前記燃料電池に与える第３のステップ、前記発熱反
応により生成した第１の化学物質を、前記吸熱反応のた
めに貯蔵する第４のステップ、を有することを特徴とす
る。この運転方法では、燃料電池の排熱は、第１の化学
物質が反応して第２の化学物質になるときに蓄えられ、
第２の化学物質が反応して第１の化学物質になるときに
取り出される。取り出された熱は、燃料処理手段や燃料
電池に与えられる。

【００１３】また、本発明（請求項５）は、請求項４の
構成において、前記吸熱反応が、イソプロパノールが脱
水素してアセトンと水素を生成する反応であり、前記発
熱反応がアセトンと水素からイソプロパノールを生成す
る反応であること、を特徴とする。イソプロパノールの
脱水素反応・水素化反応は、副反応などによる有害物質
の発生もなく、また、反応系としての取り扱いも容易で
ある。また、適度な反応熱を有する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、図面
を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形
態にかかる改質型の燃料電池発電装置の構成を示す図で
ある。

【００１５】一実施形態の燃料電池発電装置１は、メタ
ンを改質して燃料とする改質型の燃料電池発電装置であ
る。このため、図１に示すように、この燃料電池発電装
置１は、発電器としてのＦＣスタック（燃料電池）１
０、ＦＣスタック１０に燃料ガスを供給する燃料処理装
置（燃料処理手段）２０、ＦＣスタック１０に酸化剤ガ
スとしての空気を供給する空気供給装置３０、その他の
補助機器（ＦＣスタック１０の冷却を行なう構成など）
を有する。また、一実施形態の燃料電池発電装置１は、
発電時にＦＣスタック１０の排熱を蓄熱し、燃料電池発
電装置１の運転の停止後に燃料処理装置２０の保温を行
なう。このため、図１に示すように、この燃料電池発電
装置１は、保温装置５０を有する。以下、燃料電池発電
装置１を説明する。なお、燃料電池発電装置１（燃料処
理装置２０）の保温にかかる部分については、最後に説
明する。

【００１６】〔ＦＣスタック（Fuel Cell Stack）〕図
１に示すＦＣスタック１０は、電解膜１２を挟んで燃料
極１１と空気極１３を有する。燃料極１１は、燃料処理
装置２０から供給される燃料ガス中の水素をプロトン
（水素イオン）にする白金系の触媒を有した電極であ
る。電解膜１２は、高いプロトン導伝性（水素イオン導
伝性）を有する固体高分子材料である。空気極１３は、
電解膜１２を介して燃料極１１から供給されるプロトン
と空気供給装置３０から供給される空気中の酸素の反応
を促進する白金系の触媒を有した電極である。また、燃
料極１１及び空気極１３には、燃料ガスや空気を均一に
電極１１，１３に供給するための多孔性かつ電気導伝性
のある図示しない拡散層を有する。この燃料極１１（及
び拡散層）、電解膜１２、空気極１３（及び拡散層）の
構造体は、膜電極構造体（ＭＥＡ；Membrane Electrode
Assembly）と呼ばれる。

【００１７】また、このＦＣスタック１０は、冷却器１
４を有する。冷却器１４は、電気導伝性を有するセパレ
ータの内部に構成される。なお、膜電極構造体（燃料極
１１、電解膜１２、空気極１３）とこの冷却器１４（セ
パレータ）の構造体は、単セルと呼ばれる。ＦＣスタッ
ク１０は、この単セルが数枚から数百枚直列に積層され
た積層構造を有する。換言すると、ＦＣスタック１０
は、ＭＥＡと呼ばれる膜電極構造体が冷却器１４を有す
るセパレータにサンドイッチされた単セルの積層構造を
有する。ちなみに、このタイプのＦＣスタック１０、或
いは燃料電池発電装置１は、ＰＥＭ型の燃料電池と呼ば
れる（ＰＥＭ；Polymer Electrode Membrane，Proton E
xchange Membrane）。

【００１８】ここで、ＦＣスタック１０の燃料極１１で
は下記の（１）式の反応が起こり、空気極１３では下記
の（２）式の反応が起こる。また、ＦＣスタック１０で
の全電池反応は、下記の（３）式のようになる。 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- … （１） ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋１／２・Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ … （２） Ｈ₂ ＋ １／２・Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ … （３） ちなみに、燃料極１１における（１）式で生成した電子
は外部の負荷を経由して空気極１３に供給され、生成し
たプロトン（水素イオン）は電解膜１２を介して空気極
１３に供給される。そして、（２）式の反応で利用され
るようになっている。

【００１９】なお、ＦＣスタック１０の燃料極１１での
水素利用率は、局部的な水素不足によるセルの劣化（い
わゆるガス欠による電解膜１２の損傷）を避けるため、
８０％程度に抑えられている。このため、燃料極１１か
らは未反応の水素を含む燃料排ガスが排出される。ま
た、空気極１３からは、（２）式の反応により生じた生
成水が多量に含まれる排空気が排出される。

【００２０】〔燃料処理装置〕図１に示す燃料処理装置
２０は、蒸発器２１、改質器２２、ＣＯ変成器２３、Ｃ
Ｏ選択酸化器２４、燃焼器２５などを含んで構成される
水素リッチな燃料ガス発生装置である。なお、本実施形
態では、蒸発器２１、改質器２２、ＣＯ変成器２３、Ｃ
Ｏ選択酸化器２４は、この順に上流から下流に向けて配
されているが、これに限定されるものではない。

【００２１】蒸発器２１は、原燃料のメタンと改質用の
水が供給されて、メタンと水蒸気が充分混合された原燃
料蒸気を発生する蒸発器である。この蒸発器２１には、
後記する燃焼器２５から蒸発用の熱が供給される。ここ
で、メタンは、例えば都市ガスなどから供給されるよう
になっている。また、改質用の水は、温水タンク４２か
ら改質水ポンプＰ１を介して蒸発器２１に供給（図示し
ないインジェクタにより噴射）されるようになってい
る。

【００２２】蒸発器２１の下流に位置する改質器２２
は、内部にニッケル・アルミナ触媒或いはルテニウム・
アルミナ触媒が充填された反応容器である。改質器２２
の触媒上では、下記の（４）式に示すメタンの水蒸気改
質反応により、蒸発器２１から供給されたメタンと水蒸
気から、ＦＣスタック１０での電池反応に必要な水素を
含む水素リッチな改質ガスが生成される。 ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ → ３Ｈ₂ ＋ ＣＯ … （４） なお、改質器２２では、４００〜７００℃の温度領域で
効率よく反応が行なわれるように、後記する燃焼器２５
により温度調整がなされる。

【００２３】改質器２２の下流に位置するＣＯ変成器２
３は、内部に銅−亜鉛系の触媒が充填された反応容器で
ある。ＣＯ変成器２３の触媒上では、下記の（５）式に
示す水性シフト反応が起こり、改質器２２から供給され
た改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、改質
ガス中の一酸化炭素濃度を１％以下にする。このように
一酸化炭素を二酸化炭素に変成することで、水素リッチ
ガス中の水素濃度が高められる。また、ＣＯ濃度を低く
することができる。 ＣＯ ＋ Ｈ₂０ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ … （５） なお、ＣＯ変成器２３では、１８０〜２５０℃の温度領
域で効率よく反応が行なわれる。ちなみに、この（５）
式の水性シフト反応は発熱反応であるので、反応によっ
て発生した熱は、熱を必要とする蒸発器２１や改質器２
２で有効利用することができる。

【００２４】ＣＯ変成器２３の下流に位置するＣＯ選択
酸化器２４は、内部にルテニウム・アルミナ触媒が充填
された反応容器である。ＣＯ選択酸化器２４の触媒上で
は、下記（６）式に示すＣＯの選択酸化反応が起こり、
改質ガス中の一酸化炭素濃度を、ＣＯ酸化用空気を利用
して１００ｐｐｍ以下まで低減して燃料ガスとする。こ
のように、一酸化炭素濃度を低減するのは、ＦＣスタッ
ク１０の燃料極１１の触媒がＣＯにより被毒されて機能
しなくなるのを防止するためである。 ＣＯ ＋１／２・Ｏ₂ → ＣＯ₂ … （６） なお、ＣＯ選択酸化器２４では、１２０〜１６０℃の温
度領域で効率よく反応が行なわれる。ちなみに、この
（６）式のＣＯ選択酸化反応も水性シフト反応と同様に
発熱反応であるので、反応によって発生した熱は、熱を
必要とする蒸発器２１や改質器２２で有効利用すること
ができる。

【００２５】燃焼器２５は、火炎バーナ或いは触媒燃焼
器から構成され、発生した熱を伝導、対流、輻射などに
より、蒸発器２１や改質器２２に供給する（与える）。
この触媒燃焼器２５の燃料は、ＦＣスタック１０の燃料
極１１から排出される未反応の水素を含む燃料排ガスで
ある。なお、燃焼器２５は、燃料電池発電装置１の起動
時には都市ガスなどの補助燃料を供給されて熱を発生
し、燃料処理装置２０（蒸発器２１、改質器２２、ＣＯ
変成器２３、ＣＯ選択酸化器２４）を昇温（暖機）する
ようになっている。なお、後記するように、本発明では
燃料電池発電装置１の停止後（燃料処理装置２０の停止
後）は、保温装置５０により燃料処理装置２０が保温さ
れるようになっているので、燃料処理装置２０の暖機を
短期間に行なうことができる（つまり燃料電池発電装置
１の起動を短時間に行なうことができる）。同時に、起
動時の補助燃料の使用量を効果的に削減することができ
る。

【００２６】〔空気供給装置〕図１に示す空気供給装置
３０は、コンプレッサ３１、加湿器３２などを含んで構
成される。コンプレッサ３１は、図示しないモータによ
り駆動されるスーパチャージャなどである。また、加湿
器３２は、排空気に含まれる水分とＦＣスタック（空気
極１３）に供給される空気の水分交換を行ない、空気極
１３に供給される空気の露点を高める中空糸膜式の加湿
装置などである。なお、電解膜１２は、加湿されるとプ
ロトン導伝性が向上する。

【００２７】〔その他〕気液分離器４１は、空気極１３
から排出される排空気に含まれる水分を分離する分離器
である。分離された水分は、温水タンク４２に溜めら
れ、空気は排空気として系外に排出される。温水タンク
４２は、ＦＣスタックの冷却器１４に供給する冷却水を
溜め置く貯槽である。温調器ＣＬは、冷却水を温調する
ための熱交換器である。冷却水ポンプＰ２は、冷却水を
循環するためのポンプである。なお、冷却器１４、温水
タンク４２、温調器ＣＬ、冷却水ポンプＰ２で、燃料電
池発電装置１（ＦＣスタック１０）の冷却系を構成す
る。

【００２８】〔燃料電池発電装置の動作〕次に、図１を
参照して、以上説明した構成にかかる部分の燃料電池発
電装置１の動作を説明する。なお、保温装置５０にかか
る部分は後に説明する。

【００２９】燃料電池発電装置１の起動時は、ＦＣスタ
ック１０からの燃料排ガスがないので、補助燃料が空気
と共に燃焼器２５に供給され、ここで燃焼され、燃料処
理装置２０を昇温する。燃料処理装置２０の各部分が所
定の温度になると、蒸発器２１にはメタンと水（改質用
の水）が供給され、メタンと水蒸気が混合された所定温
度の原燃料蒸気にされる。なお、原燃料蒸気を発生させ
る熱は、燃焼器２５から供給される。

【００３０】原燃料蒸気は改質器２２に供給されて、触
媒の存在下、前記した（４）式の水蒸気改質反応によ
り、水素リッチな改質ガスを生成する。ここでの反応は
吸熱反応であるので、必要な熱は燃焼器２５から供給さ
れる。

【００３１】次に、水素リッチな改質ガスはＣＯ変成器
２３に供給されて、触媒の存在下、前記した（５）式の
水性シフト反応により一酸化炭素を低減する（水素は増
加される）。なお、ここでの反応は発熱反応であるの
で、発生した熱は、適宜蒸発器２１や改質器２２に供給
される。続いて、ＣＯが低減された水素リッチガスは、
ＣＯ選択酸化器２４にＣＯ酸化用の空気と共に供給さ
れ、触媒の存在下、一酸化炭素の濃度が１００ｐｐｍ以
下にされる。なお、ここでの反応も発熱反応であるの
で、発生した熱は、適宜蒸発器２１や改質器２２に供給
される。そして、一酸化炭素の濃度が１００ｐｐｍ以下
にされた水素リッチガスは燃料ガスとして、ＦＣスタッ
ク１０の燃料極１１に供給される。

【００３２】一方、ＦＣスタック１０の空気極１３に
は、空気供給装置３０（コンプレッサ３１、加湿器３
２）から所定の露点の空気が供給される。

【００３３】外部の負荷がＦＣスタック１０に接続され
た状態でＦＣスタック１０の燃料極１１に燃料ガスが供
給され、空気極１３に空気が供給されると、ＦＣスタッ
ク１０は発電を開始する。この際、燃料極１１では
（１）式に示した反応が進行する。一方、空気極１３で
は（２）式に示した反応が進行する。ＦＣスタック１０
の全体としては、（３）式に示した反応が進行する。ち
なみに、ＦＣスタック１０に負荷が接続されていない状
態、或いは負荷が接続されていてもＦＣスタック１０か
ら電流が取り出されない状態では、ＦＣスタック１０は
発電しない。つまり、ＦＣスタック１０は、電流を取り
出さないと供給された水素を消費しない。

【００３４】発電を開始すると、前記したとおり水素利
用率が８０％程度に抑えられているため、燃料極１１か
らは、未利用水素を含む燃料排ガスが発生する。一方、
空気極１３からは、生成水を含む排空気が発生する。さ
らに、ＦＣスタック１０は、発電により熱（排熱）を発
生する。

【００３５】燃料排ガスは、燃焼器２５に供給されて燃
焼器２５の燃料とされ、原燃料蒸気を連続的に発生させ
る燃料とされる。一方、排空気は、加湿器３２で水分が
分離（図示外）され、さらに気液分離器４１でも水分が
分離され、系外に排出される。また、気液分離器４１に
溜まった生成水は、温水タンク４２に導かれ、改質用の
水として使用される。

【００３６】また、ＦＣスタック１０の発電により発生
した熱（排熱）は、冷却器１４と温水タンク４２を循環
する冷却水により除去される。ＦＣスタック１０を冷却
して温度上昇（７０℃前後）した冷却水は、温水タンク
４２に溜められる。そして、温水タンク４２に溜められ
た冷却水は、温水タンク４２から、温調器ＣＬを介して
冷却水ポンプＰ２により循環される。これにより、ＦＣ
スタック１０は、適切な温度で発電を続けることができ
る。

【００３７】〔保温装置〕次に、図１を参照して、発電
時にＦＣスタック１０の排熱を蓄熱し、燃料電池発電装
置１の停止後（停止時）に燃料処理装置２０の保温を行
なう保温装置５０を説明する。なお、ここでの停止は、
ＦＣスタック１０及び燃料処理装置２０の双方が発電も
燃料ガスの生成もしておらず、起動していない状態をい
うものとする。

【００３８】図１に示すように保温装置５０は、イソプ
ロパノールタンク５１、吸熱反応器５２、アセトン・水
素タンク５３、発熱反応器５４、ポンプＰ４，Ｐ５、バ
ルブＶ１〜Ｖ４、制御手段ＣＵを含んで構成される。

【００３９】イソプロパノールタンク５１は、イソプロ
パノール（第１の化学物質）を貯蔵するタンクである。
吸熱反応器（吸熱反応手段）５２は、バルブＶ１、ポン
プＰ４を介して供給されるイソプロパノールを蒸発させ
ると共に、イソプロパノールを、触媒の存在下で下記の
（７）式の脱水素反応（吸熱反応）を行なわせてアセト
ンと水素（第２の化学物質）に分解する反応容器である
（アセトンと水素を生成する反応容器）。 （ＣＨ₃）₂ＣＨＯＨ → （ＣＨ₃）₂ＣＯ ＋ Ｈ₂ … （７） なお、イソプロパノールを蒸発する熱及び（７）式の吸
熱反応を進行する熱は、温水タンク４２から温水ポンプ
Ｐ３を介して吸熱反応器５２に循環供給される熱により
賄われる。ちなみに、温水タンク４２の冷却水は、吸熱
反応器５２の反応により冷却されることになる。

【００４０】アセトン・水素タンク５３は、吸熱反応器
５２で生成されたアセトンと水素を貯蔵するタンクであ
る。なお、このアセトン・水素タンク５３は、アセトン
と水素を同じ空間内に貯蔵するものでも、別々の空間内
に貯蔵するものでもよい。

【００４１】発熱反応器（発熱反応手段）５４は、バル
ブＶ３とポンプＰ５を介して供給されるアセトンと水素
を、触媒の存在下で下記の（８）式の水素化反応（発熱
反応）を行なわせてイソプロパノールと反応熱を生成す
る反応容器である。 （ＣＨ₃）₂ＣＯ ＋ Ｈ₂ → （ＣＨ₃）₂ＣＨＯＨ … （８） また、この発熱反応器５４で発生した熱は、発熱反応器
５４に付設された図示しない伝熱手段（又は伝熱手段を
兼ねる発熱反応器５４）により、燃料処理装置２０に与
えられるように（供給されるように）なっている。ま
た、生成したイソプロパノールは、イソプロパノールタ
ンク５１に貯蔵されるようになっている。ちなみに、こ
の発熱反応器５４は、（８）式の水素化反応により、１
５０〜２００℃に達する熱を得ることができる。つま
り、熱の質を高めることができる。

【００４２】制御手段ＣＵは、図示しないＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、ＲＡＭ、バス、入出力インタフェイスなど、及びポ
ンプＰ４，Ｐ５やバルブＶ１〜Ｖ４の駆動信号を生成す
る回路などを含んで構成される。また、ＲＯＭには、燃
料電池発電装置１の発電時と停止後（停止時）に、下記
の動作を行なうプログラムが記憶されている。発電時、
バルブＶ１，Ｖ２を開、バルブＶ３，Ｖ４を閉、ポンプ
Ｐ４を駆動、ポンプＰ５を停止するプログラム。停止
時、バルブＶ１，Ｖ２を閉、バルブＶ３，Ｖ４を開、ポ
ンプＰ４を停止、ポンプＰ５を駆動するプログラム（燃
料電池発電装置の停止後に発熱反応手段の始動を指示す
る制御手段）。なお、このプログラムは、制御手段ＣＵ
の動作時には、ＲＯＭから読み出されてＣＰＵ及びＲＡ
Ｍに展開される。

【００４３】〔保温装置の動作〕以下、保温装置５０の
動作（燃料電池発電装置１の運転方法）を、図１を参照
して説明する。燃料発電装置１の発電時は、バルブＶ
１，Ｖ２が開き、バルブＶ３，Ｖ４が閉じ、ポンプＰ４
が駆動し、ポンプＰ５が停止する。従って、イソプロパ
ノールタンク５１に貯蔵されたイソプロパノールは、バ
ルブＶ１、ポンプＰ４を介して吸熱反応器５２に供給さ
れる。吸熱反応器５２では、イソプロパノールが蒸発さ
れると共に、前記した（７）式の吸熱反応が触媒の存在
下に行なわれる。この際、吸熱反応器５２で必要となる
熱は、ＦＣスタック１０が発電したときに発生した熱
（排熱）が、温水タンク４２を介して供給される。従っ
て、吸熱反応器５２における吸熱反応は安定して進行
し、イソプロパノールが脱水素してアセトンと水素を生
成する。生成されたアセトンと水素は、アセトン・水素
タンク５３に貯蔵される。これにより、ＦＣスタック１
０の排熱が吸熱反応により化学的に蓄えられる（第１の
ステップ）。

【００４４】一方、燃料電池発電装置１の停止時（停止
後）は、バルブＶ１，Ｖ２が閉じ、バルブＶ３，Ｖ４が
開き、ポンプＰ４が停止し、ポンプＰ５が駆動する。従
って、アセトン・水素タンク５３に貯蔵されたアセトン
と水素は、バルブＶ３、ポンプＰ５を介して発熱反応器
５４に供給される。発熱反応器５４では、アセトンと水
素からイソプロパノールを生成する（８）式の水素化反
応が行なわれ、前記蓄えられた熱が取り出されて発熱す
る（第２のステップ）。ちなみに、ここで取り出される
熱は、ＦＣスタック１０における７０℃程度の排熱では
なく、１５０〜２００℃の質のよい利用価値のある熱で
ある。発生した熱は、発熱反応器５４から図示しない伝
熱手段により燃料処理装置２０に与えられる（供給され
る、第３のステップ）。これにより、燃料処理装置２０
が保温される。また、生成したイソプロパノールは、イ
ソプロパノールタンク５１に貯蔵される（第４のステッ
プ）。

【００４５】よって、燃料電池発電装置１を停止後、再
起動するときに、起動時間を短縮することができる。し
かも、外部からエネルギを与えられることなく、化学的
に蓄えておいたエネルギを使用して保温するので、保温
のための電気エネルギなどを必要としない。もちろん、
電気ヒータなどは必要ではない。また、起動時に補助燃
料を使用するとすれば、その使用量を削減することがで
きる。よって、ランニングコストの上昇を伴うことな
く、燃料電池発電装置１の起動時間の短縮を行なうこと
ができる。また、イソプロパノールの分解と生成反応
を、発電時と停止時に繰り返すだけなので、有害物質の
発生に伴う環境に対する悪影響もない。もちろん、ＦＣ
スタック１０から発生した熱を、従来例の図２で示され
る温水利用設備１４３で使用するようにすることもでき
る。ちなみに、本実施形態の燃料電池発電装置１は、停
止、起動を繰り返すような使用態様に好適に適用するこ
とができる。

【００４６】なお、以上説明した本発明は、前記した実
施形態に限定されることなく幅広く変形実施することが
できる。例えば、次の表に示すようなケミカルヒートポ
ンプに用いる化学反応を利用することができる。なお、
この表１は、各種の気相有機水素化反応の転換温度と反
応熱を示す表である。

【００４７】

【表１】

【００４８】ちなみに、化学反応としては、可逆反応で
あること、適度の反応熱を有すること、副反応がない又
は少ないこと、取り扱う反応過程が複雑でないこと、な
どの視点で選択される。

【００４９】また、燃料処理装置２０（図１参照）が、
水蒸気改質反応により改質ガス（燃料ガス）を生成する
こととして説明したが、例えばオートサーマル反応など
により改質ガス（燃料ガス）を生成することとしてもよ
い。また、メタンの改質を例に説明したが、メタンは、
例えばメタノールやガソリンなどの炭化水素系の化学物
質に置き換えることができる。また、ＦＣスタック１０
（図１参照）をプロトン導伝型として説明したが、例え
ば酸素イオン導伝性の電解膜（１２）を利用する酸素イ
オン導伝型でもよい。また、ＦＣスタック１０は、固体
高分子の電解膜１２を用いるものに限定されるものでも
ない。つまり、ＦＣスタック１０は、ＰＥＭ型に限定さ
れるものではない。また、燃料電池発電装置の用途は、
オンサイト用でも、ＦＣＥＶ（Fuel Cell Electric Veh
icle）のパワープラント用などとしてのオンボード用で
も構わない。

【００５０】また、蒸発器２１、改質器２２、ＣＯ変成
器２３、ＣＯ選択酸化器２４から構成される燃料処理装
置２０を保温することとして説明したが（図１参照）、
必ずしも燃料処理装置２０を構成するこれらのすべての
要素を保温する必要はなく、これらの要素のうち少なく
とも一つ以上の保温を行なえばよい。また、燃料処理装
置２０の構成が異なる場合、例えば図１のＣＯ選択酸化
器２４がなく、ＣＯ除去にかかる構成が、ＣＯ変成器２
３のみである場合においても、本発明を適用することが
可能である。

【００５１】また、蓄えた熱を、燃料電池発電装置１
（図１参照）の起動時にＦＣスタック１０の昇温に用い
るようにしてもよい。また、寒冷地におけるＦＣスタッ
ク１０の凍結による損傷を防止するために、停止時に、
蓄えた熱でＦＣスタック１０を保温するようにしてもよ
い。また、保温・昇温を例に説明したが、ＦＣスタック
１０（図１参照）の冷却水の冷却（温水タンク４２に溜
まっている温水の冷却）に用いることができる。また、
燃焼器２５の熱の補助（増熱）などにも本発明を適用す
ることができる（７０℃程度の排熱を水素化反応により
１５０〜２００℃に上昇することができるので熱として
の利用価値を上昇できる）。また、保温・昇温は、燃料
電池発電装置１（図１参照）の停止直後に開始するので
はなく、起動時間の所定時間前から保温・昇温するよう
にしてもよい。また、所定温度以下になると保温・昇温
するようにしてもよい。また、吸熱反応器５２、発熱反
応器５４（図１参照）は、触媒が反応器５２，５４の壁
面に担持されている管壁型反応器や触媒粒子を反応器５
２，５４に充填されている充填層型反応器を用いること
ができるが、これらに限定されるものではない。また、
吸熱反応器５２、発熱反応器５４の呼び名は、反応器５
２，５４の中で吸熱反応又は発熱反応のいずれかが起き
るかによって決められるのであり、反応器５２，５４の
形状や構造によって決定されるものではない。これらの
点は、改質器２２やＣＯ変成器２３なども同じである。

【００５２】

【発明の効果】以上説明した本発明のうち、請求項１に
記載の発明によれば、燃料電池発電装置の発電コストを
抑えつつ起動時間の短縮を行なうことや熱の有効利用を
行なうことなどができる。しかも、熱の質を高めること
も可能である（燃料電池の排熱の温度よりも高い温度の
熱を得ることも可能である）。また、請求項２に記載の
発明によれば、燃料電池発電装置の停止後に燃料処理手
段及び／又は燃料電池の保温・昇温が確実になされ、も
って、燃料電池発電装置の発電コストを抑えつつ起動時
間の短縮を行なうことや熱の有効利用を行なうことなど
ができる。また、請求項３に記載の発明よれば、確実に
燃料電池が排出する熱を蓄え、これを必要なときに必要
な場所で放出することができる。また、請求項４に記載
の発明によれば、発電コストを抑えつつ燃料電池発電装
置の起動時間の短縮を行なうことや熱の有効利用を行な
うことなどができる燃料電池発電装置の運転方法とする
ことができる。また、請求項５に記載の発明によれば、
確実に燃料電池が排出する熱を蓄え、これを必要なとき
に必要な場所で放出することができる燃料電池発電装置
の運転方法とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態にかかる改質型の燃料電
池発電装置の構成を示す図である。

【図２】 従来例にかかる改質型の燃料電池発電装置の
構成を示す図である。

【符号の説明】

１ … 燃料電池発電装置 １０ … ＦＣスタック（燃料電池） ２０ … 燃料処理装置（燃料処理手段） ５２ … 吸熱反応器（吸熱反応手段） ５４ … 発熱反応器（発熱反応手段、伝熱手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA16 BA17 CC06 MM16

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成す
   る燃料処理手段、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを供給さ
   れて発電する燃料電池を有する燃料電池発電装置におい
   て、 前記燃料電池が排出する熱を、第１の化学物質から第２
   の化学物質を生成する吸熱反応により、化学的に蓄える
   処理を行なう吸熱反応手段、 前記吸熱反応後の第２の化学物質から前記第１の化学物
   質を生成する発熱反応により、前記蓄えた熱を取り出す
   処理を行なう発熱反応手段、 前記取り出した熱を前記燃料処理手段及び／又は前記燃
   料電池に与える伝熱手段、を有することを特徴とする燃
   料電池発電装置。
2. 【請求項２】前記燃料電池発電装置の停止後に、前記発
   熱反応手段の始動を指示する制御手段、をさらに有する
   ことを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】前記吸熱反応を起こす第１の化学物質がイ
   ソプロパノールであり、前記吸熱反応後の第２の化学物
   質がアセトンと水素であることを特徴とする請求項１又
   は請求項２に記載の燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成す
   る燃料処理手段、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを供給さ
   れて発電する燃料電池を有する燃料電池発電装置の運転
   方法であって、 発電時に前記燃料電池から排出される熱を、第１の化学
   物質から第２の化学物質を生成する吸熱反応により、化
   学的に蓄える第１のステップ、 前記燃料電池発電装置の停止後に前記吸熱反応後の第２
   の化学物質から前記第１の化学物質を生成する発熱反応
   により、前記蓄えた熱を発熱反応により取り出す第２の
   ステップ、 前記取り出した熱を前記燃料処理手段及び／又は前記燃
   料電池に与える第３のステップ、 前記発熱反応により生成した第１の化学物質を、前記吸
   熱反応のために貯蔵する第４のステップ、を有すること
   を特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
5. 【請求項５】前記吸熱反応が、イソプロパノールが脱水
   素してアセトンと水素を生成する反応であり、前記発熱
   反応がアセトンと水素からイソプロパノールを生成する
   反応であること、を特徴とする請求項４に記載の燃料電
   池発電装置の運転方法。