JP3467417B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電シス
テムに関し、主に、ＣＯ変成器の改良に関する技術であ
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムにおいては、通
常、燃料電池のアノードに水素リッチなガスを供給する
と共にカソ−ドに空気を供給し、電気化学的に反応させ
て発電を行う。この水素リッチなガスは、比較的容易か
つ安価に入手することができる天然ガスのような軽質炭
化水素やメタノール等のアルコール類の燃料を原料と
し、これに水蒸気を混合して、改質器で水蒸気改質を行
うことにより生成している。

【０００３】ここにおいて、改質器における水蒸気改質
反応は、改質用触媒層を高温に加熱しながら行われる
が、このとき水素と共に一酸化炭素も生成される。燃料
電池のアノードには、白金などの触媒が用いられている
が、一酸化炭素は、この触媒を劣化させて発電性能を低
下させる原因となるので、改質器の後にＣＯ変成器を設
け、下記化１式のように一酸化炭素を水蒸気で変成する
ことにより一酸化炭素の濃度を低減してから燃料電池に
供給するようにしているものが多い。

【０００４】

【化１】 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂なお、ＣＯ変成器
では、一酸化炭素の濃度を１％程度までしか低減するこ
とができないので、リン酸型や固体高分子型のように比
較的低温で作動する燃料電池に対して改質ガスを供給す
るには、更に改質ガス中の一酸化炭素の濃度を低減する
必要がある。そこで、例えば、特開平８−１３３７０１
号公報に開示されている燃料電池発電システムでは、Ｃ
Ｏ除去器を設け、改質装置で改質した改質ガスを、空気
と混合し選択酸化触媒層を通過させて下記化２式のよう
に一酸化炭素を選択的に酸化することにより一酸化炭素
を除去してから燃料電池に供給する方法がとられてい
る。

【０００５】

【化２】 ２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ このＣＯ除去器においては、選択性を良好に保つこと、
即ち、できるだけ水素を燃焼させることなく一酸化炭素
をよく燃焼させることが望まれるが、そのためには、選
択酸化触媒層を適正な温度範囲に保つことが重要であ
る。この適正な温度範囲は、触媒の種類によって異なる
が、例えば、Ｒｕ系の触媒で、適正温度が１６０℃〜２
２０℃程度のものがよく知られている。

【０００６】このような燃料電池システムにおいては起
動時に上述の各触媒を所定温度にまで昇温させる必要が
ある。従来、燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の起
動は、詳しくは説明しないが、主に、以下の方法で行っ
ていた。 （１） 反応器の周りに巻き付け設置したヒータで加熱
することで、起動させる技術（特開平７−１８３０４３
号公報）。

【０００７】（２） スチーム発生器で発生したスチー
ムを反応器に対応させて設けられた槽内に導入すること
により触媒層外部から加熱する技術。 （３） 改質器バーナ排ガスをＣＯ変成器の触媒層内部
に流通させることで起動させる技術（特開平５−３０３
９７０号公報）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記（１）の
技術では、ヒータ用の電源が別途必要になるためシステ
ムの発電効率が低下すると共に、独立運転するシステム
として使用することができない。また、前記（２）の技
術では、別途スチーム発生器を設けることになるため、
システム発電効率が低下すると共に、システムのコンパ
クト化を図るのに向いていない。

【０００９】また、前記（３）の技術では、反応器内部
から加熱するので、比較的、迅速に起動させることがで
きると思われるが、高温の燃焼排ガスを室温状態にある
触媒に急激に接触させるため、ＣＯ変成触媒の劣化によ
りＣＯ変成器の使用寿命が低下する。前記（２）の技術
に対して、燃料電池の起動用のバーナを用いて水蒸気を
生成し、これをＣＯ変成器の周囲に配設した配管に導い
てＣＯ変成器を加熱して起動させる方法が考案されてい
る（特開平８−１６２１３７号公報）。

【００１０】この技術によれば、別途スチーム発生器を
設置する必要性はないので、それだけシステム構成をコ
ンパクトなものとするのに適ったものと言える。しか
し、この起動方法は１００℃前後の比較的低温で作動さ
れる固体高分子型燃料電池を用いた発電システムには適
用できない。本発明は、以上のような課題に鑑みてなさ
れたものであって、燃料電池の作動温度によらず、燃料
電池システム全体の構成をできるだけコンパクトなもの
としながら、かつＣＯ変成器の使用寿命を低下させるこ
となくより迅速にＣＯ変成器の起動を行えるＣＯ変成器
を備えた燃料電池発電システムを提供することを目的と
してなされたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の燃料電池発電システムは、原燃料を水蒸気
改質反応させることにより、水素リッチな改質ガスを生
成する改質器と、改質器で生成された改質ガス中の一酸
化炭素を二酸化炭素に変成させるＣＯ変成器と、ＣＯ変
成器を経た改質ガスと、酸化剤とを用いて発電を行う燃
料電池とを備えた燃料電池発電システムであって、前記
ＣＯ変成器は、ＣＯ変成触媒部と、当該ＣＯ変成触媒部
と熱伝達可能に設けられ、熱を発生する熱供給部と、前
記ＣＯ変成触媒部と前記熱供給部との間の熱伝達経路中
に介挿されてなるバッファ部とからなり、少なくとも起
動時において、前記バッファ部には、水が導入され、且
つ、前記ＣＯ変成触媒部は、前記熱供給部で生成される
熱が前記バッファ部を介して伝達されることによって加
熱されることを特徴とする。

【００１２】また、前記熱供給部は、燃料と空気とを燃
焼させる燃焼触媒を備え、少なくとも起動時において、
前記熱供給部は、前記熱触媒層に前記燃料と空気との供
給を受けることによって燃焼触媒反応を生じ、前記ＣＯ
変成触媒部に対して伝達する熱を生成することを特徴と
する。更に、前記熱供給部は、前記改質器における改質
バーナにより発生する燃焼ガスが流通する通路を備え、
少なくとも起動時において、前記熱供給部は、前記通路
を前記燃焼ガスが流通することによって、前記ＣＯ変成
触媒部に対して伝達する熱を生成することを特徴とす
る。このようにすれば、改質器を加熱するのに用いる燃
焼熱を有効利用することができる。

【００１３】また、通常運転時において、前記バッファ
部内で発生した水蒸気を改質器内に導入させる配管を有
することを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しながら本発明
に係る燃料電池発電システムについて説明する。「 実施の形態１」 〔システム全体の構成〕図１は、実施の形態に係る燃料
電池発電システム１（以下、単に「発電システム」とい
う。）の構成を示す平面図である。

【００１５】当該発電システム１は、天然ガス，都市ガ
ス等の燃料ガスを用いて発電を行うものであって、脱硫
器１００、水蒸気改質器２００、ＣＯ変成器３００、Ｃ
Ｏ除去器４００、燃料電池５００等の主要機器と、熱交
換器６００、燃料加湿器７００、空気加湿器７１０、燃
料側気水分離器８００、空気側気水分離器８１０、水タ
ンク９００、各種ファンＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、冷却
水ポンプＰ１、全体の動作を制御するシステム制御装置
１０００等から構成される。

【００１６】脱硫器１００は、燃料ガス中の硫黄成分を
除去する反応器であり、脱硫用の触媒が充填された触媒
層を備えている。用いる触媒の種類によって運転温度は
異なるが、高温用の触媒を用いる場合は、当該脱硫器を
ヒータ等で加熱しながら高温（２００〜３００℃）で運
転する。水蒸気改質器２００は、脱硫された燃料ガスを
水素リッチな改質ガスに水蒸気を用いて改質する反応器
であり、水蒸気改質反応用の触媒が充填された改質触媒
槽２１０と、高温の燃焼ガスを発生してこの改質触媒槽
を加熱するためのバーナ２２０と、バーナ２２０により
発生された燃焼ガスが通過する、改質触媒槽２１０の接
して中央部に設けられた燃焼ガス通過槽２３０とから構
成されている。ここで、燃焼ガス通過槽２３０内に導入
された燃焼ガスはここでは、そのまま外気中に排出され
る。なお、改質触媒槽２１０と燃焼ガス通過槽２３０と
の位置関係は、例えば、改質触媒槽２１０を内側として
その外周部に燃焼ガス通過槽２３０を設けても良い。

【００１７】ＣＯ変成器３００は、ＣＯ変成反応用の触
媒が充填された変成触媒槽３１０と、その周囲に設けら
れた水が導入されるバッファ槽３２０と、更にその周囲
に設けられた所定のガスを空気と反応させて燃焼させる
ためのアルミナなどの伝熱性の高い担体に貴金属が担持
された触媒（燃焼触媒）が充填された燃焼触媒槽３３０
とからなる、近接する槽間で熱伝達が可能なように金属
製の板体により筒管状に設計した多重筒管構造の反応器
であって、変成触媒槽３１０が所定の温度範囲（１８０
℃〜２５０℃程度）に保たれて運転される。

【００１８】このＣＯ変成器３００では、改質ガスに含
まれている一酸化炭素を上記化１式のように水蒸気を用
いて二酸化炭素に変成して、一酸化炭素の濃度を１％
（１０，０００ｐｐｍ）程度まで低減させる。また、変
成触媒槽３１０におけるＣＯ変成反応によって生じる反
応熱及び燃焼触媒槽３３０における燃焼反応の反応熱に
よってバッファ槽３２０内の水を水蒸気に転換する。こ
の水蒸気は、水蒸気改質器２００に供給され、水蒸気改
質反応に用いられる。

【００１９】ＣＯ除去器４００は、改質ガス中の一酸化
炭素を、上記化２式のように選択酸化することによっ
て、更にその濃度レベルを落として燃料電池５００に供
給する。燃料電池５００は、ＣＯ除去器４００からの改
質ガスをアノード５１０に取り入れると共に空気をカソ
ード５２０に取り入れて発電を行なう固体高分子型の燃
料電池であり、このように各電極にガスが取り入れられ
る前に、改質ガスは燃料加湿器７００により、空気は空
気加湿器７１０により加湿され、燃料電池５００での発
電に供される。

【００２０】燃料電池５００から排出される未反応改質
ガスは、気水分離器８００で、ガスと水とに分離され
る。そして、分離されたガスは改質器の加熱用バーナ２
２０の燃料に使用され、水は、水タンク９００に一旦貯
蔵され、燃料電池の冷却板５３０に導入させる冷却水と
して、また水蒸気改質反応に適宜、用いられる。燃料電
池５００から排出される未反応空気は、気水分離器８１
０で、空気と水とに分離される。そして、分離された水
は、水タンク９００に一旦貯蔵される。

【００２１】なお、図示しないが燃料電池５００から気
液分離器８００、８１０にいたる配管経路には、熱交換
器が設けられていて、電池冷却用の冷却水と熱交換され
るようになっている。 〔配管系及び弁の構成〕図１に示すように、上記各要素
間には燃料ガス系、水系、空気系の配管が設けられてい
る。

【００２２】燃料ガス系の配管としては、主に以下のも
のがある。燃料ガスを脱硫器１００に導入する配管Ｌｇ
１、燃料ガスを脱硫器１００から改質器２００に導入す
るために水蒸気供給用の水系配管Ｌｗ８と合流された配
管Ｌｇ２、燃料ガスをバーナー２２０のガス取り入れ口
（不図示）に供給する配管Ｌｇ３、ＣＯ変成器３００の
燃焼触媒槽３３０の燃料取り入れ口３３０Ａに導入する
配管Ｌｇ４、燃焼触媒槽３３０で燃焼された排ガスを排
ガス取り出し口３３０Ｂから外部に導出する配管Ｌｇ
５、改質器２００からＣＯ変成器３００の燃料取り入れ
口３００Ａに熱交換器６００を経て改質ガスを導く配管
Ｌｇ６、ＣＯ変成器３００の燃料取り出し口３００Ｂか
らＣＯ除去器４００に改質ガスを導く配管Ｌｇ７、ＣＯ
除去器４００から燃料電池５００に改質ガスを加湿器７
００を経由して導く配管Ｌｇ８、燃料電池５００から排
出された未反応改質ガスを気水分離器８００に導く配管
Ｌｇ９、配管Ｌｇ８から弁Ｂｎ５を介して分岐され、改
質ガスを燃料電池５００に導入することなく気水分離器
８００に導入する配管Ｌｇ１０、及び気水分離器８００
で分離された未反応改質ガスを改質器を加温するバーナ
２２０の燃料として用いるために、バーナ２２０のガス
取り入れ口（不図示）に供給する配管Ｌｇ１１である。

【００２３】また、水系の配管としては、以下のものが
ある。ＣＯ変成器３００におけるバッファ槽３２０の水
取り入れ口３２０Ａに水タンク９００内の水を水ポンプ
Ｐ１により導く配管Ｌｗ１、水タンク９００内の水を水
ポンプＰ１により燃料電池５００における冷却板５３０
に導く配管Ｌｗ２、冷却板５３０を経た冷却水を各加湿
器７００、７１０に導く配管Ｌｗ３、加湿器７００にお
ける過剰量の水を水タンク９００に導くＬｗ４、加湿器
７１０における過剰量の水を水タンク９００に導く配管
Ｌｗ５、気水分離器８００、８１０で分離された水を水
タンクに導く配管Ｌｗ６及びＬｗ７、ＣＯ変成器３００
におけるバッファ槽３２０で発生した水蒸気を取り出し
口３２０Ｂから熱交換器６００で配管Ｌｇ６内を流れる
改質ガスと熱交換させてから改質器２００に導く配管Ｌ
ｗ８、並びに配管Ｌｗ８から弁Ｂｎ７を介して分岐さ
れ、水タンク９００に水を導入するための配管Ｌｗ９で
ある。

【００２４】更に、空気系の配管として、改質器２００
の加熱用バーナ２２０の空気取り入れ口（不図示）に導
く配管Ｌa１、前記燃料ガス系の配管Ｌｇ４に合流し、
燃焼触媒槽３３０に燃焼用空気を送り込む配管Ｌa２、
空気ファンＦ３により発生された空気をＣＯ除去器４０
０に導入する配管Ｌａ３、空気ファンＦ４により発生さ
れた空気を加湿器７１０を経由して燃料電池のカソード
５２０に送り込む配管Ｌａ４、燃料電池で消費されなか
った未反応空気を気液分離器８１０に導く配管Ｌａ５と
がある。

【００２５】これらの配管に対して、各種弁が設けられ
ている。すなわち、配管Ｌｇ１には脱硫器１００に送る
燃料の流量を調整する弁Ｂｎ１、配管Ｌｇ３にはバーナ
２２０に送る燃料の流量を調整する弁Ｂｎ２、配管Ｌｇ
４には燃焼触媒槽３３０に送る燃料の流量を調整する弁
Ｂｎ３、配管Ｌｗ１にはバッファ槽３２０に供給する水
の流量を調整する弁Ｂｎ４、配管Ｌｇ８にはＣＯ除去器
４００からの改質ガスの流路を配管Ｌｇ１０との間で切
替えるための弁Ｂｎ５、配管Ｌｗ２には燃料電池５００
への冷却水の流量を調整する弁Ｂｎ６と、及び配管Ｌｗ
８には、ＣＯ変成器３００におけるバッファ槽３２０か
らの水或いは水蒸気の流路を配管Ｌｗ８とＬｗ９との間
で切替える弁Ｂｎ７が挿設されている。

【００２６】このような弁の開閉、各種ファン、ポンプ
等の動作がシステム制御装置１０００により統一的に制
御されて本発電システム１は、運転される。 〔運転動作〕ここで運転動作とは、起動時と発電を行う
通常運転時を含めた動作をいう。 起動時について システムの起動は以下のようにして行う。

【００２７】まず、弁Ｂｎ２を開いた状態にしてバーナ
２２０に燃料を送り込むとともに、バーナ用の空気ファ
ンＦ１を作動させてバーナ２２０に空気を送り込んで燃
料を燃焼させ、バーナ２２０の作動を開始する。また、
弁Ｂｎ３を開いた状態にしてＣＯ変成器３００の燃焼触
媒槽３３０に燃料を送り込む。それとともに、空気ファ
ンＦ２を作動させて空気を燃料に混合して送り込み、燃
焼触媒槽３３０において燃料を燃焼させる。これによ
り、変成触媒槽３１０が加熱されることになる。

【００２８】この際、弁Ｂｎ４を開いた状態にして、水
ポンプＰ１によりバッファ槽３２０に水を導入し、弁Ｂ
ｎ７の状態を配管Ｌｗ９が流路として選択されるように
しておく。これにより、燃焼触媒槽３３０の燃焼熱は、
バッファ槽３２０内の水を介して変成触媒槽３１０に伝
達されるので、燃焼触媒槽３３０での燃焼熱が直接的に
変成触媒槽３１０に伝達されず、水が緩衝剤として働
く。従って、高温に急激に晒されることによる変成触媒
の劣化を防止できる。

【００２９】脱硫器１００においては、設置された図示
しないバーナを作動させる。このようにして、脱硫器１
００、改質器２００、ＣＯ変成器３００の各反応に供さ
れる部位の加熱を開始する。次に、ＣＯ変成器３００の
変成触媒槽３１０の温度が所定温度（１００度付近）に
達すれば、弁Ｂｎ１を開いた状態にして、脱硫器１００
に原燃料を導入する。また、弁Ｂｎ７の状態を配管Ｌｗ
８が流路として選択されるようにする。

【００３０】これにより、改質触媒槽２１０で改質が開
始され、水蒸気を含んだ改質ガスが改質器２００から、
ＣＯ変成器３００、ＣＯ除去器４００の触媒層内部に送
り込まれることになる。従って、改質ガスは、反応上流
側の熱を反応下流側に伝達する熱媒体として働く。即
ち、上流側のシステム要素の中でも改質器２００が６５
０℃〜７５０℃ともっとも高温で作動されるが、起動時
にもこのシステム要素は最も高温に昇温させることにな
るので、この改質器２００のバーナ２２０により発生さ
れる熱が、下流側のＣＯ変成器３００、ＣＯ除去器４０
０の触媒に伝達され、迅速に昇温される。

【００３１】ＣＯ変成器３００の加熱昇温に関しては、
燃焼触媒槽３３０内で燃料を燃焼させて発生させた熱に
より１００℃程度にまで予め熱した後に、改質器２００
を経由した改質ガスを変成触媒槽３１０内に供給するの
で、触媒が急激に高温に晒されることがなく、触媒の劣
化を防止できるという利点がある。加えて、変成触媒槽
３１０内で改質ガス中の水蒸気が凝集しないという利点
もある。

【００３２】なお、この起動初期には、各システム要素
の昇温が不十分なため、改質ガス中の水素濃度が低く、
また一酸化炭素も十分に低減されていないので、このま
までは燃料電池５００の発電に供することはできない。
従って、弁Ｂｎ５は配管Ｌｇ１０が選択される状態に設
定しておき、燃料電池５００へは、高温の水蒸気を含む
改質ガスが流入しないようにする。

【００３３】なお、燃焼触媒槽３３０へ燃料を供給し、
変成触媒外部からも同時に加熱すれば、起動をより迅速
に行えるので、ここでは、起動初期における予熱が完了
しても、弁Ｂｎ３は開いたままの状態にして燃焼触媒槽
３３０への燃料の供給を継続するようにしてある。 通常運転時について このようにして、各要素の昇温が完了すれば、次に、通
常運転に入る。

【００３４】通常運転時には、改質触媒槽２１０は６５
０〜７５０℃に保たれ、ＣＯ除去器４００は空気量調整
による温度制御によって、その触媒層は１８０〜２５０
℃に保たれ、燃料電池５００は、弁Ｂｎ６の状態の制御
によって冷却水の流量を調整することで所定の温度（例
えば、７０〜８０℃）で運転を行い、燃料電池５００か
ら外部負荷（不図示）への電力供給を行う。なお、通常
運転中は、弁Ｂｎ５はＣＯ除去器４００から燃料電池５
００へ到る配管Ｌｇ８が流路として選択されるようにそ
の状態を切替える。

【００３５】通常運転時においてＣＯ変成器３００は、
改質器２００での水蒸気改質反応に必要な水蒸気を生成
する水蒸気発生装置として機能する。つまり、弁Ｂｎ４
を開いた状態にして、水をバッファ槽３２０に供給す
る。そして、変成触媒槽３１０内での変成反応により生
じる反応熱を利用して、バッファ槽３２０内の水を水蒸
気に転換する。このとき熱量が不足する場合には、変成
触媒槽３１０の温度が最適温度（１８０〜２５０℃）よ
りも低くなる。そこで、弁Ｂｎ３を開いた状態にして燃
料と、空気ファンＦ２を作動させて空気とを燃焼触媒槽
３３０に供給し、燃焼反応を生じさせることにより、変
成触媒槽３１０を最適温度に維持すると共に水蒸気発生
の熱源を得る。これにより、変成触媒槽３１０での変成
反応により生じる反応熱及び燃焼触媒槽３３０での燃料
の燃焼熱を利用してバッファ槽３２０内の水を水蒸気に
転換して改質器２００に供することができる。

【００３６】システム制御装置１０００は、燃料電池５
００の負荷値を監視しており、予め設定された負荷値に
応じた量の改質ガスを得るために必要な原燃料と水蒸気
とを改質器２００に供給する。つまり、負荷値に応じ
て、弁Ｂｎ１の状態を制御して、システムで用いる原燃
料の供給量を調整する。一方、その原燃料を用いて改質
ガスを得るのに好ましい量の水蒸気を改質器２００に供
給するため、弁Ｂｎ４の状態を制御してバッファ槽３２
０に供給する水の流量を調整する。これにより、必要量
の水蒸気を生成して改質器２００に供給する。

【００３７】システム制御装置１０００は、変成触媒槽
３１０内の温度をも監視しており、例えば、水蒸気発生
のための熱量の不足や、水の冷却効果が増す等の理由に
より、この温度範囲から外れこの範囲より低下すると、
弁Ｂｎ３の状態を制御して、燃焼触媒槽３３０への燃料
の流量を増やす。或いは、空気ファンＦ２を制御して空
気流量を増やす。これによりバッファ槽３２０内での水
蒸気生成を補い、かつ、変成触媒槽３１０を適正な温度
範囲に維持する。一方、この範囲よりも高くなれば、弁
Ｂｎ３の状態を制御して、燃焼触媒槽３３０に供給する
燃料量を減少させたり、空気ファンＦ２を制御して空気
流量を減少させることにより、燃焼触媒槽３３０内で発
生する燃焼熱を抑える。

【００３８】「実施の形態２」 別な実施の形態に係る発電システム２の構成を、図２に
示す。この図に示すように、本発電システム２の基本的
な構成は、上記実施の形態１の発電システム１と同様で
あり、説明の便宜のため、差分のみ説明する。なお、図
２において図１と同一の番号は、同一の要素を表す。

【００３９】この発電システム２では、上記発電システ
ム１では排気していた改質器２００におけるバーナ燃焼
ガスを配管Ｌｇ１２によって、ＣＯ変成器３００の前記
燃焼触媒槽３３０に代えて設けられた触媒が充填されて
いない燃焼ガス流通槽３５０内に導入する構成であり、
配管Ｌｇ１２には、外気中への燃焼ガス排気量と燃焼ガ
ス流通槽３５０への流量との比率を調整する弁Ｂｎ８が
挿設されている。

【００４０】これにより、以下のようにシステムは作動
される。 起動時について 上記したように、システム起動時には、改質器２００は
バーナ２２０の作動により加熱昇温されるが、この時の
バーナ燃焼ガスを配管Ｌｇ１２を経由させて、ＣＯ変成
器３００の燃焼ガス流通槽３５０に導く。これによりバ
ーナ２２０の燃焼ガスを有効に利用して改質器２００の
みならずＣＯ変成器３００も同時に加熱昇温させられ
る。

【００４１】なお、燃焼ガス流通槽３５０の燃焼熱が、
バッファ槽３２０内の水を介して変成触媒槽３１０に伝
達されるように、起動させる動作については上記同様で
ある。 通常運転時について 通常運転時は、ＣＯ変成器３００は、上記同様に一酸化
炭素の濃度を低減する反応を担うとともに、水蒸気改質
反応に必要な水蒸気を生成する機能を担う。

【００４２】生成する水蒸気量の制御は、上記発電シス
テム１と同様に、バッファ槽３２０に供給する水量及び
燃焼ガス流通槽３５０での熱量を制御することにより行
う。一方、水蒸気生成のための熱量の制御は、改質器の
加熱のために適宜発生されるバーナ２２０の燃焼ガスの
燃焼ガス流通槽３５０への流量を、弁Ｂｎ８の状態を制
御して調整することにより行う。

【００４３】また、変成触媒槽３１０の温度が変動し、
変成触媒槽３１０の温度が適正な温度範囲（１８０℃〜
２５０℃）内になければ、弁Ｂｎ８の状態を制御して、
ＣＯ変成器３００に導入される燃焼ガス量を増加或いは
減少させることで、温度制御を行う。「 実施の形態３」 更に別な実施の形態に係る発電システム３の構成を、図
３に示す。

【００４４】この図に示すように、本発電システム３の
基本的な構成は、上記実施の形態１の発電システム１と
発電システム２とを組みあわせたシステム構成となって
いる。なお、図３において図１、図２と同一の番号は、
同一の要素を表す。上記発電システム２では、改質器２
００のバーナ２２０の燃焼ガスは、触媒層を配していな
い燃焼ガス流通槽３５０に導入したが、本発電システム
３では、発電システム１と同様の燃焼触媒を有した燃焼
触媒槽３３０に、配管Ｌｇ１２を経由させてバーナ２２
０の燃焼ガスを導入する構成となっている。

【００４５】上記発電システム２では通常運転時のＣＯ
変成器３００の温度の制御、特に加熱は弁Ｂｎ８の状態
を制御することだけで行うので、バーナ２２０の追い炊
きはできない。バーナ２２０を追い炊きすると、改質器
２００の触媒層の温度も上がってしまうからである。従
って、改質器２００は加熱するべき状態でなく、ＣＯ変
成器３００のみを加熱するべき状態にある場合には、シ
ステム要素は相反する状態におかれることになり、好ま
しい温度制御ができない。

【００４６】しかし、この発電システムではＣＯ変成器
３００において燃焼触媒槽３３０を設けて、これに燃焼
用燃料と空気とを供給して、燃焼させて燃焼熱が得られ
るようにしてあるので、このような相反する状態であっ
ても、ＣＯ変成器３００のみを対象に温度制御すること
ができる。なお、上記した各実施の形態において、ＣＯ
変成器３００の構成は、図１から図３に示した構成に限
られず、図４に示すような構成とすることもできる。

【００４７】つまり、中心部分に燃焼触媒槽（或いは燃
焼ガス流通槽）３３０を、その近接周囲にバッファ槽３
２０を、更に当該バッファ槽３２０の近接周囲に変成触
媒槽３１０を設けた多重円筒管構造である。また、上記
実施の形態では、改質器とＣＯ変成器とは別体であった
が、これを一体型にした円筒管構造とすることもでき
る。具体的には、中央部に改質器を設け、その周囲に上
記した３つの槽からなるＣＯ変成器を設けた構成とす
る。これにより、改質器の加熱用のバーナの動作による
燃焼ガスと燃焼触媒槽で発生される燃焼ガスとによって
変成触媒槽を加熱することができるので、より迅速にシ
ステムの起動を行うことができる。また、システム全体
をよりコンパクトなものとすることができる。

【００４８】なお、上記各実施の形態においてシステム
起動に、ＣＯ変成器３００の変成触媒槽３１０がある程
度加熱されると、当該触媒槽３１０内部には高温の改質
器２００の熱を受けた水蒸気を含む改質ガスを導入し
て、触媒槽内部からも加熱させより迅速に起動させた
が、このようにすることなく燃焼触媒槽３３０での燃焼
反応の反応熱のみ、あるいは、バーナ２２０の燃焼ガス
のみで変成触媒槽の外部から加熱することもできる。こ
の場合には、内部に高温の原燃料と水蒸気との混合物を
導入して加熱するのに比べてやや起動時間は増すが、従
来のヒータで加熱する場合と比べて迅速に起動を完了す
ることができる。

【００４９】これは、燃焼触媒槽３３０或いは燃焼ガス
流通槽３５０は、変成触媒槽３１０の壁面ほぼ全面と対
応するように設けられているため、ヒータなどのように
触媒槽の壁面で局所的に接触する場合に比べて伝熱効率
が高いからだと考えられる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の燃料
電池発電システムによれば、ＣＯ変成器を経た改質ガス
と、酸化剤とを用いて発電を行う燃料電池とを備えた燃
料電池発電システムであって、前記ＣＯ変成器は、ＣＯ
変成触媒部と、当該ＣＯ変成触媒部と熱伝達可能に設け
られ、熱を発生する熱供給部と、ＣＯ変成触媒部と熱供
給部との間の熱伝達経路中に介挿されてなるバッファ部
とからなり、少なくとも起動時において、バッファ部に
は、水が導入され、且つ、ＣＯ変成触媒部は、熱供給部
で生成される熱がバッファ部を介して伝達されることに
よって加熱されるので、燃料電池の作動温度によらず、
燃料電池システム全体の構成をできるだけコンパクトな
ものとしながら、かつＣＯ変成器の使用寿命を低下させ
ることなくより迅速にＣＯ変成器の起動を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一の実施の形態に係る燃料電池発電システムの
構成を示す平面図である。

【図２】別な実施の形態に係る燃料電池発電システムの
構成を示す平面図である。

【図３】更に別な実施の形態に係る燃料電池発電システ
ムの構成を示す平面図である。

【図４】ＣＯ変成器の構成の変形例を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

1、２、３ 燃料電池発電システム １００ 脱硫器 ２００ 水蒸気改質器 ２２０ バーナ ３００ ＣＯ変成器 ３１０ 変成触媒槽 ３２０ バッファ槽 ３３０ 燃焼触媒槽 ３５０ 燃焼ガス流通槽 ４００ ＣＯ除去器 ５００ 燃料電池（固体高分子型） １０００ システム制御装置 Lｇ１、Lｇ２、Lｇ３、Lｇ４、Lｇ５、Lｇ６、Lｇ７、L
ｇ８、Lｇ９、Lｇ１０、Lｇ１１、Lｇ１２燃料ガス系配
管 Lｗ１、Lｗ２、Lｗ３、Lｗ４、Lｗ５、Lｗ６、Lｗ７、L
ｗ８、Lｗ９、Lｗ１０水系配管 Ｂｎ１、Ｂｎ２、Ｂｎ３、Ｂｎ４、Ｂｎ５、Ｂｎ６、Ｂ
ｎ７、Ｂｎ８弁 Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４空気ファン Ｐ１水ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−217605（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−303970（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−232202（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−298228（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−92319（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−162137（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−40942（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原燃料を水蒸気改質反応させることによ
   り、水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、 改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭
   素に変成させるＣＯ変成器と、 ＣＯ変成器を経た改質ガスと、酸化剤とを用いて発電を
   行う燃料電池とを備えた燃料電池発電システムであっ
   て、 前記ＣＯ変成器は、ＣＯ変成触媒部と、当該ＣＯ変成触
   媒部と熱伝達可能に設けられ、熱を発生する熱供給部
   と、前記ＣＯ変成触媒部と前記熱供給部との間の熱伝達
   経路中に介挿されてなるバッファ部とからなり、 少なくとも起動時において、前記バッファ部には、水が
   導入され、且つ、前記ＣＯ変成触媒部は、前記熱供給部
   で生成される熱が前記バッファ部を介して伝達されるこ
   とによって加熱される ことを特徴とする燃料電池発電シ
   ステム。
2. 【請求項２】 前記熱供給部は、燃料と空気とを燃焼さ
   せる燃焼触媒を備え、少なくとも起動時において、前記熱供給部は、前記熱触
   媒層に前記燃料と空気との供給を受けることによって燃
   焼触媒反応を生じ、前記ＣＯ変成触媒部に対して伝達す
   る熱を生成する ことを特徴とする請求項１記載の燃料電
   池発電システム。
3. 【請求項３】 前記熱供給部は、前記改質器における改
   質バーナにより発生する燃焼ガスが流通する通路を備
   え、少なくとも起動時において、前記熱供給部は、前記通路
   を前記燃焼ガスが流通することによって、前記ＣＯ変成
   触媒部に対して伝達する熱を生成する ことを特徴とする
   請求項１記載の燃料電池発電システム。
4. 【請求項４】 通常運転時において、前記バッファ部内
   で発生した水蒸気を改質器内に導入させる配管を有する
   ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料
   電池発電システム。