JP2007106612A - 燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電運転を短時間で開始することができる燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃焼バーナ４２と、燃焼バーナ４２に隣接して配設されて燃料ガス１と水２とから水素ガスを含有する燃料ガス２を生成させる燃料改質触媒器３２と、燃焼バーナ４２に対して保温材６４を介して一体的に配設されて酸素と反応して酸化すると共に水素ガスにより還元されて酸素を離脱させる酸素除去材を内装した酸素除去器６３と、燃料改質触媒器３２で生成した燃料ガス１を酸素除去器６３に送給すると共に、酸素除去器６３を介して燃焼排ガス６を燃料改質触媒器３２に送給する吸引ファン６２等とを備えている燃料改質装置において、酸素除去器６３に隣接するように保温材６４の内側に設けられて酸素除去器６３を加熱する電熱ヒータ７１等を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムに関する。

従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成を図３に示す。

図３に示すように、燃料電池本体１１０の燃料ガス供給口には、都市ガス(メタン)のような炭化水素ガス等の水素を含有する燃料ガス１を供給する燃料ガス供給源１１１及び水２を供給する水供給源１１２が連結されている。上記燃料ガス供給源１１１及び上記水供給源１１２と前記燃料電池本体１１０との間には、開閉バルブ１２１が配設されている。開閉バルブ１２１と燃料電池本体１１０との間には、水２を気化させる蒸発器１３１が配設されている。

前記蒸発器１３１と燃料電池本体１１０との間には、燃料ガス１と水２とを反応させて一酸化炭素と水素とに改質する水蒸気改質反応（ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂）を行う燃料改質触媒器１３２が配設されている。燃料改質触媒器１３２と燃料電池本体１１０との間には、一酸化炭素と水２とを反応させて二酸化炭素と水素とに変成するＣＯ変成（ＣＯシフト）反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）を行うＣＯ変成触媒器１３３が配設されている。ＣＯ変成触媒器１３３と燃料電池本体１１０との間には、一酸化炭素と酸素とを反応させて二酸化炭素に選択酸化反応（ＣＯ＋1/2Ｏ₂→ＣＯ₂）を行うＰＲＯＸ触媒器１３４が配設されている。

前記ＰＲＯＸ触媒器１３４と前記燃料電池本体１１０との間には、凝縮器１３５が配設されている。凝縮器１３５と燃料電池本体１１０との間には開閉バルブ１２２が配設されている。燃料電池本体１１０の酸化ガス供給口には、酸化ガスである空気３を送給する送給ファン１１３が連結されている。

前記燃料電池本体１１０の燃料ガス排出口は、凝縮器１４１の受入口に連絡している。凝縮器１４１の送出口は、加熱用の燃焼バーナ１４２のガス受入口に連絡している。この燃焼バーナ１４２と凝縮器１４１との間には、開閉バルブ１２３が配設されている。燃焼バーナ１４２のガス受入口近傍には、燃焼用の空気４を送給する送給ファン１１４ａ及び都市ガス(メタン)のような炭化水素ガス等の燃焼用の燃料ガス５を送給する燃料ガス供給源１１５が連結している。

前記燃焼バーナ１４２の燃焼排ガス６の排出口は、系外へ連絡すると共に、開閉バルブ１２４を介して凝縮器１６１の受入口に連絡している。凝縮器１６１の送出口は、酸素と反応して酸化すると共に水素ガスにより還元されて酸素を離脱させる酸素除去材（例えば銅等）を内装した酸素除去器１６３の受入口に吸引ファン１６２を介して連絡している。酸素除去器１６３の送出口は、前記開閉バルブ１２１と前記蒸発器１３１の受入口との間に連絡している。

前記蒸発器１３１，前記燃料改質触媒器１３２は、前記燃焼バーナ１４２に対して一体となるように隣接して配設されている。前記酸素除去器１６３は、前記燃焼バーナ１４２に隣接する前記蒸発器１３１及び前記燃料改質触媒器１３２の周囲に配設され、当該燃焼バーナ１４２並びに当該蒸発器１３１及び当該燃料改質触媒器１３２に対して保温材１６４を介して一体的に覆われている。

前記凝縮器１３５と前記開閉バルブ１２２との間は、燃焼器１５１の受入口に開閉バルブ１２５を介して連絡している。燃焼器１５１の受入口には、燃焼用の空気４を送給する送給ファン１１４ｂが連結している。燃焼器１５１の燃焼排ガス６の排出口は、系外へ連絡している。

前記燃料電池本体１１０の燃料ガス排出口と前記凝縮器１４１との間は、前記燃焼器１５１の受入口に開閉バルブ１２６を介して連絡している。前記ＰＲＯＸ触媒器１３４と前記凝縮器１３５との間は、前記凝縮器１６１の受入口に開閉バルブ１２７を介して連絡している。燃料電池本体１１０の酸化ガス排出口は、系外へ連絡している。

このような従来の燃料電池発電システムの作動を次に説明する。

［発電運転］
発電運転中、前記開閉バルブ１２１〜１２３は開放され、前記開閉バルブ１２４〜１２７は閉鎖されている。次に、前記送給ファン１１４ａを作動して前記燃焼バーナ１４２に空気４を送給すると共に前記燃料ガス供給源１１５から前記燃焼バーナ１４２に燃料ガス５を送給して燃焼させることにより、蒸発器１３１及び燃料改質触媒器１３２を所定の温度（５００〜７００℃）に加熱する。このとき、酸素除去器１６３は、保温材１６４を介して所定の温度（１５０〜３００℃）に加熱される。このように加熱に供された燃焼バーナ１４２の燃焼排ガス６は、系外へ排出される。

そして、前記蒸発器１３１及び前記燃料改質触媒器１３２を所定の温度（５００〜７００℃）に加熱した後、前記燃料ガス供給源１１１から蒸発器１３１に燃料ガス１を供給すると共に前記水供給源１１２から蒸発器１３１に水２を供給すると、燃料ガス１及び水２は、当該水２が蒸発器１３１で気化されて水蒸気となり、燃料改質触媒器１３２で水蒸気改質反応（ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂）を生じた後、ＣＯ変成触媒器１３３でＣＯ変成（ＣＯシフト）反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）を生じ、ＰＲＯＸ触媒器１３４で選択酸化反応（ＣＯ＋1/2Ｏ₂→ＣＯ₂）を生じて、凝縮器１３５で余剰の水分を除去されてから、燃料電池本体１１０の燃料ガス供給口へ送給することにより、送給ファン１１３から燃料電池本体１１０の酸化ガス供給口へ送給された空気３と電気化学的に反応して電力を発生する。

前記燃料電池本体１１０の燃料ガス排出口から排出された燃料ガス１は、凝縮器１４１で凝縮されて水２を除去された後、開閉バルブ１２３を介し、前記送給ファン１１４ａからの空気３及び前記燃料ガス供給源１１５からの燃料ガス１と共に燃焼バーナ１４２内に供給されて燃焼し、燃焼排ガス６となって系外へ排出される。また、燃料電池本体１１０の酸化ガス排出口から排出された空気３は、系外に排出される。

［発電運転停止］
このように発電運転を行っている際に発電運転を停止する場合には、まず、前記燃料ガス供給源１１１からの燃料ガス１の供給を停止すると共に、前記水供給源１１２からの水２の供給を停止し、前記送風ファン１１３の作動を停止する。次に、開閉バルブ１２４，１２５を開放すると共に、開閉バルブ１２１〜１２３を閉鎖（開閉バルブ１２６，１２７は閉鎖したまま）し、吸引ファン１６２を作動させると、燃焼バーナ１４２の燃焼排ガス６（窒素約７３％、二酸化炭素約８％、水約１６％、酸素約３％）は、その一部が前記開閉バルブ１２４を通って前記凝縮器１６１に送給されて凝縮され、水２を除去されてから、酸素除去器１６３に送給され、内装された酸素除去材が酸素と反応して酸化することにより（Ｃｕ＋１／２Ｏ₂→ＣｕＯ）酸素を吸着除去された後、前記蒸発器１３１を介して、燃料改質触媒器１３２，ＣＯ変成触媒器１３３，ＰＲＯＸ触媒器１３４の内部を流通して、前記凝縮器１３５，前記開閉バルブ１２５，前記燃焼器１５１を介して系外へ排出される。これにより、燃料改質触媒器１３２，ＣＯ変成触媒器１３３，ＰＲＯＸ触媒器１３４は、内部に存在する水素や水２等が窒素や二酸化炭素等の活性の低い燃焼排ガス６（パージガス）でパージされ、内部の触媒が保護される。

このようにして燃料改質触媒器１３２，ＣＯ変成触媒器１３３，ＰＲＯＸ触媒器１３４の内部のパージを所定時間行った後、前記開閉バルブ１２２，１２６を開放する一方、前記開閉バルブ１２５を閉鎖すると、燃料改質触媒器１３２，ＣＯ変成触媒器１３３，ＰＲＯＸ触媒器１３４の内部を流通した前記燃焼排ガス６は、燃料電池本体１１０の燃料極側の内部を流通して、前記開閉バルブ１２６，前記燃焼器１５１を介して系外へ排出される。これにより、燃料電池本体１１０は、燃料極側の内部に存在する水素や水２等が窒素や二酸化炭素等の活性の低い燃焼排ガス６でパージされ、燃料極側の内部の触媒が保護される。

このようにして燃料電池本体１１０の内部のパージを所定時間行ったら、前記燃料ガス供給源１１５からの燃料ガス５の送給を停止すると共に前記送給ファン１１４ａ及び吸引ファン１６２の作動を停止した後、前記開閉バルブ１２２，１２４，１２６を閉鎖することにより、運転を終了する。

［発電運転再開］
また、発電運転を再開する場合には、前記開閉バルブ１２１，１２５，１２７を開放し、前記送給ファン１１４ａを作動して前記燃焼バーナ１４２に燃焼用の空気４を送給すると共に前記燃料ガス供給源１１５から前記燃焼バーナ１４２に燃焼用の燃料ガス５を送給して燃焼させることにより、蒸発器１３１及び燃料改質触媒器１３２を所定の温度（５００〜７００℃）に加熱すると共に、保温材１６４を介して酸素除去器１６３を所定の温度（１５０〜３００℃）に加熱する。加熱に供された燃焼バーナ１４２の燃焼排ガス６は、系外へ排出される。

そして、蒸発器１３１及び燃料改質触媒器１３２を所定の温度（５００〜７００℃）に加熱すると共に、酸素除去器１６３を所定の温度（１５０〜３００℃）に加熱したら、前記吸引ファン１６２を作動して、前記燃料ガス供給源１１１から蒸発器１３１に燃料ガス１を供給すると共に前記水供給源１１２から蒸発器１３１に水２を供給すると、燃料ガス１及び水２は、前記蒸発器１３１，前記燃料改質触媒器１３２，前記ＣＯ変成触媒器１３３，前記ＰＲＯＸ触媒器１３４の内部の前記燃焼排ガス６をパージすると共に、先の発電運転の説明で述べたように、上記水２が蒸発器１３１で気化されて水蒸気となり、燃料改質触媒器１３２で水蒸気改質反応（ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂）を生じた後、ＣＯ変成触媒器１３３でＣＯ変成（ＣＯシフト）反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）を生じ、ＰＲＯＸ触媒器１３４で選択酸化反応（ＣＯ＋1/2Ｏ₂→ＣＯ₂）を生じた後、その一部が、開閉バルブ１２７を介して、凝縮器１６１に送給されて余剰の水分を除去されてから、酸素除去器１６３の内部へ送給され、内装された触媒に吸着している酸素を還元離脱（ＣｕＯ＋Ｈ₂→Ｃｕ＋Ｈ₂Ｏ）させた後、上記蒸発器１３１へ再び戻される一方、残りが、前記凝縮器１３５，前記開閉バルブ１１５を介して燃焼器１５１に送給され、燃焼用の前記送給ファン１１４ｂから送給された燃焼用の空気４と共に燃焼して、燃焼排ガス６となって系外へ排出される。これにより、酸素除去器１６３は、再生処理され、酸素吸着能が復活する。

このようにして上記蒸発器１３１，燃料改質触媒器１３２，ＣＯ変成触媒器１３３，ＰＲＯＸ触媒器１３４，酸素除去器１６３の内部の前記燃焼排ガス６をパージすると共に、当該酸素除去器１６３の再生処理を所定時間行った後、前記送給ファン１１４ｂの作動を停止し、前記送給ファン１１３を作動させ、前記開閉バルブ１２２，１２３を開放する一方、前記開閉バルブ１２５，１２７を閉鎖することにより、燃料電池本体１１０の燃料極側の内部の前記燃焼排ガス６をパージすると同時に、発電運転が再開する。

以下、上述した操作を繰り返すことにより、発電運転の停止の際に、燃料改質触媒器１３２，ＣＯ変成触媒器１３３，ＰＲＯＸ触媒器１３４，燃料電池本体１１０の燃料極側の各種触媒の劣化を抑制すると共に、発電運転の再開の際に、酸素除去器１６３の触媒を再生して、発電運転を実施することができるようになっている。

国際公開第０３／０９４２７３号パンフレット

ところで、前述した従来の燃料電池発電システムにおいては、蒸発器１３１及び燃料改質触媒器１３２を所定の温度（５００〜７００℃）に加熱できるように燃焼バーナ１４２に対して隣接させると共に、当該燃焼バーナ１４２の加熱能力を設定しているため、前記蒸発器１３１及び前記燃料改質触媒器１３２の加熱温度よりも低い温度（１５０〜３００℃）で加熱する酸素除去器１６３を上記燃焼バーナ１４２に対して保温材１６４を介して配設している。

このため、前述したような従来の燃料電池発電システムにおいては、燃焼バーナ１４２の燃焼により、蒸発器１３１及び燃料改質触媒器１３２を所定の温度（５００〜７００℃）にまで比較的短時間で加熱することができるものの、酸素除去器１６３を所定の温度（１５０〜３００℃）にまで加熱するのに、上記蒸発器１３１及び上記燃料改質触媒器１３２よりも低い温度（１５０〜３００℃）であるにもかかわらず、上記蒸発器１３１及び上記燃料改質触媒器１３２の加熱に要する時間よりも多くの時間を要してしまい、再起動させるのに時間を要してしまっている。

このようなことから、本発明は、発電運転を短時間で開始することができる燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る燃料改質装置は、主加熱手段と、前記主加熱手段に隣接して配設され、炭化水素系の燃料と水とを当該主加熱手段からの熱で水蒸気改質反応させることにより、水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる燃料改質触媒器と、前記主加熱手段に対して保温材を介して一体的に配設されて、酸素と反応して酸化すると共に水素ガスにより還元されて酸素を離脱させる酸素除去材を内装した酸素除去器と、前記酸素除去器を介してパージガスを前記燃料改質触媒器に送給するパージガス供給手段と、前記燃料改質触媒器で生成した前記燃料ガスを前記酸素除去器に送給する酸素除去器再生手段とを備えている燃料改質装置において、前記酸素除去器に隣接するように前記保温材の内側に設けられて当該酸素除去器を加熱する補助加熱手段を備えていることを特徴とする。

第二番目の発明に係る燃料改質装置は、第一番目の発明において、前記酸素除去器の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段からの情報に基づいて、前記酸素除去器の温度を所定の範囲内に保持するように前記補助加熱手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。

第三番目の発明に係る燃料改質装置は、第一番目の発明において、前記主加熱手段が、燃焼バーナであり、前記補助加熱手段が、電熱ヒータであることを特徴とする。

第四番目の発明に係る燃料改質装置は、第一番目の発明において、前記主加熱手段が、燃焼バーナであり、前記補助加熱手段が、前記燃焼バーナからの燃焼排ガスの少なくとも一部を流通させる燃焼排ガスバイパスラインであることを特徴とする。

また、前述した課題を解決するための、第五番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第四番目の発明のいずれかの燃料改質装置と、前記燃料改質装置の前記燃料改質触媒に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料改質装置の前記燃料改質触媒に水を供給する水供給手段と、前記燃料改質装置で改質された燃料ガスが燃料極側に送給される燃料電池本体と、前記燃料電池本体の酸化極側に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムによれば、主加熱手段だけでなく補助加熱手段でも酸素除去器を加熱することができるので、酸素除去器を従来よりも短時間で所定の温度にまで加熱することができ、発電運転を短時間で開始することができる。

本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

［第一番目の実施形態］
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図である。

図１に示すように、燃料電池本体１０の燃料ガス供給口には、都市ガス(メタン)のような炭化水素ガス等の水素を含有する燃料ガス１を供給する燃料ガス供給手段である燃料ガス供給源１１及び水２を供給する水供給手段である水供給源１２が連結されている。上記燃料ガス供給源１１及び上記水供給源１２と前記燃料電池本体１０との間には、開閉バルブ２１が配設されている。開閉バルブ２１と燃料電池本体１０との間には、水２を気化させる蒸発器３１が配設されている。

前記蒸発器３１と燃料電池本体１０との間には、燃料ガス１と水２とを反応させて一酸化炭素と水素とに改質する水蒸気改質反応（ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂）を行う燃料改質触媒器３２が配設されている。燃料改質触媒器３２と燃料電池本体１０との間には、一酸化炭素と水２とを反応させて二酸化炭素と水素とに変成するＣＯ変成（ＣＯシフト）反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）を行うＣＯ変成触媒器３３が配設されている。ＣＯ変成触媒器３３と燃料電池本体１０との間には、一酸化炭素と酸素とを反応させて二酸化炭素に選択酸化反応（ＣＯ＋1/2Ｏ₂→ＣＯ₂）を行うＰＲＯＸ触媒器３４が配設されている。

前記ＰＲＯＸ触媒器３４と前記燃料電池本体１０との間には、凝縮器３５が配設されている。凝縮器３５と燃料電池本体１０との間には開閉バルブ２２が配設されている。燃料電池本体１０の酸化ガス供給口には、酸化ガスである空気３を送給する酸化ガス供給手段である送給ファン１３が連結されている。

前記燃料電池本体１０の燃料ガス排出口は、凝縮器４１の受入口に連絡している。凝縮器４１の送出口は、主加熱手段である加熱用の燃焼バーナ４２のガス受入口に連絡している。この燃焼バーナ４２と凝縮器４１との間には、開閉バルブ２３が配設されている。燃焼バーナ４２のガス受入口近傍には、燃焼用の空気４を送給する送給ファン１４ａ及び都市ガス(メタン)のような炭化水素ガス等の燃焼用の燃料ガス５を送給する燃料ガス供給源１５が連結している。

前記燃焼バーナ４２の燃焼排ガス６の排出口は、系外へ連絡すると共に、開閉バルブ２４を介して凝縮器６１の受入口に連絡している。凝縮器６１の送出口は、酸素と反応して酸化すると共に水素ガスにより還元されて酸素を離脱させる酸素除去材（例えば銅等）を内装した酸素除去器６３の受入口に吸引ファン６２を介して連絡している。酸素除去器６３の送出口は、前記開閉バルブ２１と前記蒸発器３１の受入口との間に連絡している。

前記蒸発器３１，前記燃料改質触媒器３２は、前記燃焼バーナ４２に対して一体となるように隣接して配設されている。前記酸素除去器６３は、前記燃焼バーナ４２に隣接する前記蒸発器３１及び前記燃料改質触媒器３２の周囲に配設され、当該燃焼バーナ４２並びに当該蒸発器３１及び当該燃料改質触媒器３２に対して保温材６４を介して一体的に覆われている。

前記凝縮器３５と前記開閉バルブ２２との間は、燃焼器５１の受入口に開閉バルブ２５を介して連絡している。燃焼器５１の受入口には、燃焼用の空気４を送給する送給ファン１４ｂが連結している。燃焼器５１の燃焼排ガス６の排出口は、系外へ連絡している。

前記燃料電池本体１０の燃料ガス排出口と前記凝縮器４１との間は、前記燃焼器５１の受入口に開閉バルブ２６を介して連絡している。前記ＰＲＯＸ触媒器３４と前記凝縮器３５との間は、前記凝縮器６１の受入口に開閉バルブ２７を介して連絡している。燃料電池本体１０の酸化ガス排出口は、系外へ連絡している。

そして、図１に示すように、前記保温材６４の内側には、前記酸素除去器６３に隣接するようにして補助加熱手段である電熱ヒータ７１が配設されている。前記酸素除去器６３には、当該酸素除去器６３の温度を検知する温度検知手段である温度センサ７２が設けられている。この温度センサ７２は、制御手段である制御装置７３の入力部に電気的に接続している。この制御装置７３は、出力部が前記電熱ヒータ７１に電気的に接続しており、前記温度センサ７２からの情報に基づいて、酸素除去器６３の温度を所定の範囲（１５０〜３００℃）とするように前記電熱ヒータ７１を制御することができるようになっている。

なお、本実施形態では、主加熱手段を兼ねる燃焼バーナ４２、凝縮器６１、吸引ファン６２等によりパージガス供給手段を構成し、凝縮器６１、吸引ファン６２等により酸素除去器再生手段を構成し、前記主加熱手段、前記パージガス供給手段、前記酸素除去器再生手段、蒸発器３１、燃料改質触媒器３２、ＣＯ変成触媒器３３、ＰＲＯＸ触媒器３４、酸素除去器６３、保温材６４、電熱ヒータ７１、温度センサ７２、制御装置７３等により、燃料改質装置を構成している。

このような本実施形態に係る燃料改質装置を利用する燃料電池発電システムの作動を次に説明する。

［発電運転］
発電運転中、前記開閉バルブ２１〜２３は開放され、前記開閉バルブ２４〜２７は閉鎖されている。次に、前記送給ファン１４ａを作動して前記燃焼バーナ４２に空気４を送給すると共に前記燃料ガス供給源１５から前記燃焼バーナ４２に燃料ガス５を送給して燃焼させることにより、蒸発器３１及び燃料改質触媒器３２を所定の温度（５００〜７００℃）に加熱する。このとき、酸素除去器６３は、保温材６４を介して所定の温度（１５０〜３００℃）に加熱される。このように加熱に供された燃焼バーナ４２の燃焼排ガス６は、系外へ排出される。

そして、前記蒸発器３１及び前記燃料改質触媒器３２を所定の温度（５００〜７００℃）に加熱した後、前記燃料ガス供給源１１から蒸発器３１に燃料ガス１を供給すると共に前記水供給源１２から蒸発器３１に水２を供給すると、燃料ガス１及び水２は、当該水２が蒸発器３１で気化されて水蒸気となり、燃料改質触媒器３２で水蒸気改質反応（ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂）を生じた後、ＣＯ変成触媒器３３でＣＯ変成（ＣＯシフト）反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂+Ｈ₂）を生じ、ＰＲＯＸ触媒器３４で選択酸化反応（ＣＯ＋1/2Ｏ₂→ＣＯ₂）を生じて、凝縮器３５で余剰の水分を除去されてから、燃料電池本体１０の燃料ガス供給口へ送給することにより、送給ファン１３から燃料電池本体１０の酸化ガス供給口へ送給された空気３と電気化学的に反応して電力を発生する。

前記燃料電池本体１０の燃料ガス排出口から排出された燃料ガス１は、凝縮器４１で凝縮されて水２を除去された後、開閉バルブ２３を介し、前記送給ファン１４ａからの空気３及び前記燃料ガス供給源１５からの燃料ガス１と共に燃焼バーナ４２内に供給されて燃焼し、燃焼排ガス６となって系外へ排出される。また、燃料電池本体１０の酸化ガス排出口から排出された空気３は、系外に排出される。

［発電運転停止］
このように発電運転を行っている際に発電運転を停止する場合には、まず、前記燃料ガス供給源１１からの燃料ガス１の供給を停止すると共に、前記水供給源１２からの水２の供給を停止し、前記送風ファン１３の作動を停止する。次に、開閉バルブ２４，２５を開放すると共に、開閉バルブ２１〜２３を閉鎖（開閉バルブ２６，２７は閉鎖したまま）し、吸引ファン６２を作動させると、燃焼バーナ４２の燃焼排ガス６（窒素約７３％、二酸化炭素約８％、水約１６％、酸素約３％）は、その一部が前記開閉バルブ２４を通って前記凝縮器６１に送給されて凝縮され、水２を除去されてから、酸素除去器６３に送給され、内装された酸素除去材が酸素と反応して酸化することにより（Ｃｕ＋１／２Ｏ₂→ＣｕＯ）酸素を吸着除去された後、前記蒸発器３１を介して、燃料改質触媒器３２，ＣＯ変成触媒器３３，ＰＲＯＸ触媒器３４の内部を流通して、前記凝縮器３５，前記開閉バルブ２５，前記燃焼器５１を介して系外へ排出される。これにより、燃料改質触媒器３２，ＣＯ変成触媒器３３，ＰＲＯＸ触媒器３４は、内部に存在する水素や水２等が窒素や二酸化炭素等の活性の低い燃焼排ガス（パージガス）６でパージされ、内部の触媒が保護される。

このようにして燃料改質触媒器３２，ＣＯ変成触媒器３３，ＰＲＯＸ触媒器３４の内部のパージを所定時間行った後、前記開閉バルブ２２，２６を開放する一方、前記開閉バルブ２５を閉鎖すると、燃料改質触媒器３２，ＣＯ変成触媒器３３，ＰＲＯＸ触媒器３４の内部を流通した前記燃焼排ガス６は、燃料電池本体１０の燃料極側の内部を流通して、前記開閉バルブ２６，前記燃焼器５１を介して系外へ排出される。これにより、燃料電池本体１０は、燃料極側の内部に存在する水素や水２等が窒素や二酸化炭素等の活性の低い燃焼排ガス６でパージされ、燃料極側の内部の触媒が保護される。

このようにして燃料電池本体１０の内部のパージを所定時間行ったら、前記燃料ガス供給源１５からの燃料ガス５の送給を停止すると共に前記送給ファン１４ａ及び吸引ファン６２の作動を停止した後、前記開閉バルブ２２，２４，２６を閉鎖することにより、運転を終了する。

［発電運転再開］
また、発電運転を再開する場合には、前記開閉バルブ２１，２５，２７を開放し、前記送給ファン１４ａを作動して前記燃焼バーナ４２に燃焼用の空気４を送給すると共に前記燃料ガス供給源１５から前記燃焼バーナ４２に燃焼用の燃料ガス５を送給して燃焼させることと併せて、前記制御装置７３及び前記電熱ヒータ７１を作動させると、蒸発器３１及び燃料改質触媒器３２は、燃焼バーナ４２の熱により所定の温度（５００〜７００℃）に加熱される一方、酸素除去器６３は、保温材６４を介した燃焼バーナ４２の熱により加熱されるだけでなく、保温材６４内で隣接した前記電熱ヒータ７１によっても加熱される。このため、酸素除去器６３は、所定の温度（１５０〜３００℃）に比較的短時間で加熱される。加熱に供された燃焼バーナ４２の燃焼排ガス６は、系外へ排出される。

そして、蒸発器３１及び燃料改質触媒器３２が所定の温度（５００〜７００℃）に加熱されると共に、酸素除去器６３が所定の温度（１５０〜３００℃）に加熱されたら、前記吸引ファン６２を作動して、前記燃料ガス供給源１１から蒸発器３１に燃料ガス１を供給すると共に前記水供給源１２から蒸発器３１に水２を供給すると、燃料ガス１及び水２は、前記蒸発器３１，前記燃料改質触媒器３２，前記ＣＯ変成触媒器３３，前記ＰＲＯＸ触媒器３４の内部の前記燃焼排ガス６をパージすると共に、先の発電運転の説明で述べたように、上記水２が蒸発器３１で気化されて水蒸気となり、燃料改質触媒器３２で水蒸気改質反応（ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂）を生じた後、ＣＯ変成触媒器３３でＣＯ変成（ＣＯシフト）反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）を生じ、ＰＲＯＸ触媒器３４で選択酸化反応（ＣＯ＋1/2Ｏ₂→ＣＯ₂）を生じた後、その一部が、開閉バルブ２７を介して、凝縮器６１に送給されて余剰の水分を除去されてから、酸素除去器６３の内部へ送給され、内装された酸素除去材と水素が反応して当該酸素除去材を還元することにより（ＣｕＯ＋Ｈ₂→Ｃｕ＋Ｈ₂Ｏ）当該酸素除去材から酸素を離脱させた後、上記蒸発器３１へ再び戻される一方、残りが、前記凝縮器３５，前記開閉バルブ１５を介して燃焼器５１に送給され、燃焼用の前記送給ファン１４ｂから送給された燃焼用の空気４と共に燃焼して、燃焼排ガス６となって系外へ排出される。これにより、酸素除去器６３は、再生処理され、酸素吸着能が復活する。

このようにして上記蒸発器３１，燃料改質触媒器３２，ＣＯ変成触媒器３３，ＰＲＯＸ触媒器３４，酸素除去器６３の内部の前記燃焼排ガス６をパージすると共に、当該酸素除去器６３の再生処理を所定時間行った後、前記送給ファン１４ｂの作動を停止し、前記送給ファン１３を作動させ、前記開閉バルブ２２，２３を開放する一方、前記開閉バルブ２５，２７を閉鎖することにより、燃料電池本体１０の燃料極側の内部の前記燃焼排ガス６をパージすると同時に、発電運転が再開する。

以下、上述した操作を繰り返すことにより、発電運転の停止の際に、燃料改質触媒器３２，ＣＯ変成触媒器３３，ＰＲＯＸ触媒器３４，燃料電池本体１０の燃料極側の各種触媒の劣化を抑制すると共に、発電運転の再開の際に、酸素除去器６３の酸素除去材を再生して、発電運転を実施することができる。

つまり、本実施形態は、保温材６４を介した燃焼バーナ４２の熱により酸素除去器６３を加熱するだけでなく、保温材６４内で隣接した前記電熱ヒータ７１によっても加熱するようにしたのである。

このため、酸素除去器６３を所定の温度（１５０〜３００℃）にまで従来よりも短時間で加熱することができ、再起動させるのに要する時間を従来よりも大幅に削減することができる。

したがって、本実施形態によれば、発電運転を短時間で開始することができる。

また、制御装置７３が、温度センサ７２からの情報に基づいて、酸素除去器６３の温度を所定の範囲（１５０〜３００℃）とするように電熱ヒータ７１を制御することから、例えば、発電運転を停止して、即時に発電運転を再開する場合等のように、酸素除去器６３の温度が発電運転再開の際に既に所定の範囲（１５０〜３００℃）内にある場合には、電熱ヒータ７１を作動させないようにすることができるので、電熱ヒータ７１に要する熱エネルギの無駄を削減することができ、ランニングコストの低減を図ることができる。

なお、本実施形態では、発電運転再開の際に、燃焼バーナ４２の作動と電熱ヒータ７１の作動とを同時に行うようにしたが、例えば、発電運転再開時刻等を含めた発電運転スケジュールが予め定まっている場合には、発電運転再開時刻のよりも前に、電熱ヒータ７１を先に作動させて、発電運転再開時刻には、酸素除去器６３を所定の温度範囲（１５０〜３００℃）となるように制御装置７３で電熱ヒータ７１を制御することも可能である。

［第二番目の実施形態］
本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図２に基づいて説明する。図２は、燃料電池発電システムの概略構成図である。なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を図面に付すことにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。

図２に示すように、前記保温材６４の内側には、一端側を燃焼バーナ４２の燃焼排ガス６の排出口に連絡させた補助加熱手段である燃焼排ガスバイパスライン８１が酸素除去器６３に隣接するようにして配設されている。この燃焼排ガスバイパスライン８１の他端側は、系外に連絡すると共に、流量調整弁８１ａを有している。制御装置７３は、出力部が前記流量調整弁８１ａに電気的に接続しており、温度センサ７２からの情報に基づいて、酸素除去器６３の温度を所定の範囲（１５０〜３００℃）とするように前記流量調整弁８１ａを制御することができるようになっている。

なお、本実施形態では、主加熱手段、パージガス供給手段、酸素除去器再生手段、蒸発器３１、燃料改質触媒器３２、ＣＯ変成触媒器３３、ＰＲＯＸ触媒器３４、酸素除去器６３、保温材６４、燃焼排ガスバイパスライン８１、温度センサ７２、制御装置７３等により、燃料改質装置を構成している。

このような本実施形態に係る燃料改質装置を利用する燃料電池発電システムの作動を次に説明する。

［発電運転］
前述した第一番目の実施形態の場合と同様に作動させることにより、燃料電池本体１０において、改質された燃料ガス１と空気３と電気化学的に反応させて電力を得ることができる。

［発電運転停止］
前述した第一番目の実施形態の場合と同様に作動させることにより、燃料改質装置及び燃料電池本体１０を燃焼排ガス６でパージして発電運転を停止することができる。

［発電運転再開］
発電運転を再開する場合には、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、開閉バルブ２１，２５，２７を開放し、送給ファン１４ａを作動して燃焼バーナ４２に燃焼用の空気４を送給すると共に燃料ガス供給源１５から燃焼バーナ４２に燃焼用の燃料ガス５を送給して燃焼させることと併せて、前記制御装置７３を作動させると、燃焼排ガスバイパスライン８１の前記流量調整弁８１ａを調整して、上記燃焼バーナ４１からの燃焼排ガス６を燃焼排ガスバイパスライン８１に流通させる。

これにより、蒸発器３１及び燃料改質触媒器３２は、燃焼バーナ４２の熱により所定の温度（５００〜７００℃）に加熱される一方、酸素除去器６３は、保温材６４を介した燃焼バーナ４２の熱により加熱されるだけでなく、保温材６４内で隣接した前記燃焼排ガスバイパスライン８１内を流通する燃焼排ガス６によっても加熱される。このため、酸素除去器６３は、所定の温度（１５０〜３００℃）に比較的短時間で加熱されるようになる。

以下、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に作動させることにより、酸素除去器６３を再生処理すると共に燃料改質装置及び燃料電池本体１０内の燃焼排ガス６をパージして、発電運転を再開することができる。

つまり、前述した第一番目の実施形態では、電熱ヒータ７１を用いて電力により酸素除去器６３を加熱するようにしたが、本実施形態では、燃焼排ガスバイパスライン８１を用いて燃焼バーナ４２の燃焼排ガス６により酸素除去器６３を加熱するようにしたのである。

したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、発電運転を短時間で開始することができると共に、制御装置７３が、温度センサ７２からの情報に基づいて、酸素除去器６３の温度を所定の範囲（１５０〜３００℃）とするように燃焼排ガスバイパスライン８１の流量調整弁８１ａを制御することから、例えば、発電運転を停止して、即時に発電運転を再開する場合等のように、酸素除去器６３の温度が発電運転再開の際に既に所定の範囲（１５０〜３００℃）内にある場合には、焼排ガスバイパスライン８１に燃料排ガス６を流通させないようにすることができるので、酸素除去器６３が所定の温度範囲を超えて過剰に加熱してしまうことを防止することができる。

［他の実施形態］
なお、前述した第一，二番目の実施形態では、燃料改質装置を燃料電池発電システムに利用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、都市ガスやガソリンやメタノール等の炭化水素系の燃料を水と水蒸気改質反応させることにより、水素を含有する燃料ガスを製造して貯蔵する水素ステーション等で利用することも可能である。

本発明に係る燃料改質装置及びこれを利用する燃料電池発電システムは、発電運転を短時間で開始することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

本発明に係る燃料改質装置を利用する燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係る燃料改質装置を利用する燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の概略構成図である。 従来の燃料電池発電システムの一例の概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料ガス
２ 水
３ 空気
４ 空気（燃焼用）
５ 燃料ガス（燃焼用）
６ 燃焼排ガス
１０ 燃料電池本体
１１ 燃料ガス供給源
１２ 水供給源
１３ 送給ファン
１４ａ，１４ｂ 送給ファン（燃焼用）
１５ 燃料ガス供給源（燃焼用）
２１〜２７ 開閉バルブ
３１ 蒸発器
３２ 燃料改質触媒器
３３ ＣＯ変成触媒器
３４ ＰＲＯＸ触媒器
３５ 凝縮器
４１ 凝縮器
４２ 燃焼バーナ
５１ 燃焼器
６１ 凝縮器
６２ 吸引ファン
６３ 酸素除去器
６４ 保温材
７１ 電熱ヒータ
７２ 温度センサ
７３ 制御装置
８１ 燃焼排ガスバイパスライン
８１ａ 流量調整弁

Claims (5)

1. 主加熱手段と、
   前記主加熱手段に隣接して配設され、炭化水素系の燃料と水とを当該主加熱手段からの熱で水蒸気改質反応させることにより、水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる燃料改質触媒器と、
   前記主加熱手段に対して保温材を介して一体的に配設されて、酸素と反応して酸化すると共に水素ガスにより還元されて酸素を離脱させる酸素除去材を内装した酸素除去器と、
   前記酸素除去器を介してパージガスを前記燃料改質触媒器に送給するパージガス供給手段と、
   前記燃料改質触媒器で生成した前記燃料ガスを前記酸素除去器に送給する酸素除去器再生手段と
   を備えている燃料改質装置において、
   前記酸素除去器に隣接するように前記保温材の内側に設けられて当該酸素除去器を加熱する補助加熱手段を備えている
   ことを特徴とする燃料改質装置。
2. 請求項１において、
   前記酸素除去器の温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段からの情報に基づいて、前記酸素除去器の温度を所定の範囲内に保持するように前記補助加熱手段を制御する制御手段と
   を備えていることを特徴とする燃料改質装置。
3. 請求項１において、
   前記主加熱手段が、燃焼バーナであり、
   前記補助加熱手段が、電熱ヒータである
   ことを特徴とする燃料改質装置。
4. 請求項１において、
   前記主加熱手段が、燃焼バーナであり、
   前記補助加熱手段が、前記燃焼バーナからの燃焼排ガスの少なくとも一部を流通させる燃焼排ガスバイパスラインである
   ことを特徴とする燃料改質装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかの燃料改質装置と、
   前記燃料改質装置の前記燃料改質触媒に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料改質装置の前記燃料改質触媒に水を供給する水供給手段と、
   前記燃料改質装置で改質された燃料ガスが燃料極側に送給される燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の酸化極側に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。

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