JP4204244B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置およびそれを備えた燃料電池システムに関するものであり、さらに詳しくは熱効率が向上した炭化水素系燃料を用いる燃料改質装置およびそれを備えた発電効率を向上した燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、水蒸気改質による場合の一般的な燃料改質プロセスのフローを示す説明図である。図６に示すように、近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料などを原燃料として、脱硫する脱硫器１と、水蒸気を添加して原燃料を水素に改質する改質器２とを備えた改質部３と、この改質部３で得られたガス中の一酸化炭素を変成するＣＯ変成器４と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えたＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部６とを備えた燃料改質装置７と、この燃料改質装置７で得られたＣＯ濃度を低減した水素によって発電する燃料電池８と、この燃料電池８から排出される水素ガス（オフガス）や必要に応じて追加する追加原燃料を燃焼用空気により燃焼して改質器２の改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナー９や図示しない触媒燃焼器を備えた燃料電池システム１０が提案されている。
水蒸気改質による反応は吸熱反応であり、改質反応を維持するための加熱媒体として改質器用バーナー９や触媒燃焼器が使用される。
燃料改質装置７の熱効率を向上させるためには、上記燃料改質プロセス中で最も温度の高い改質器２からの放熱を制御したり利用する必要があり、また、それによって改質器用バーナー９に投入する燃料（オフガスまたはオフガスと追加原燃料）を低減する必要がある。
【０００３】
一方、燃料改質装置７からの放熱を有効に利用するために、図７に示すように改質部３、ＣＯ低減部６などの反応器を筐体１１内に設置することが提案されている。これによって改質部３やＣＯ低減部６などの反応器から放出された熱によって暖められた空気を燃焼用空気として改質器用バーナー９に導入し、排熱の有効利用を試みるものである。
【０００４】
しかし、この場合は燃焼用空気導入のためのファンＦが筐体１１内部に設置されており、１．加熱された空気は膨張しており、燃焼に適する空気量を供給するための消費電力が、ファンＦを筐体１１外に設置した場合より多くなる、２．ファンＦの耐熱温度以上に導入空気の温度を上昇させることはできないなど、という問題点が残っていた。また、改質部３及びＣＯ低減部６それぞれから放出された熱を有効利用できず、すなわち改質部３及びＣＯ低減部６からの排熱が多く、筐体１１から放出された熱を有効利用できず、すなわち筐体１１からの排熱も大きかった。
【０００５】
そこで改質部３からの排熱を低減するために、図８に示すような燃料改質装置７が提案されている（特開平７−２４０２２４号公報）。この燃料改質装置７では、改質部３とＣＯ低減部６を一体化しているために、改質部３とＣＯ低減部６を別々に配置する図７の場合と比較して反応器の表面積が減少するため熱効率は向上するが、ＣＯ低減部６の図示しないＣＯ変成器出口において、十分にＣＯが低減できないという問題があった。そこでＣＯ変成器の触媒温度を制御するために改質反応に必要な水と熱交換する提案がなされたが（特開平８−１６５１０３号公報）、この場合、構造が複雑になるという問題があった。
【０００６】
また、改質部３とＣＯ低減部６の一体化による排熱低減は行われたが、それでもなお反応器からの排熱が大きく熱効率低下につながるという問題があった。
【０００７】
反応器表面からの排熱を制御するためには、断熱材によって周囲を完全に包み込む手段が考えられるが、断熱材の量が嵩み、形状の肥大化、コスト高につながる。
【０００８】
燃料電池システム１０の図示しないパッケージ内は、燃料電池８や図示しない補機類が収納されているが、それらからの排熱によってパッケージ内の雰囲気（空気）温度は６０℃以上となり、高温部では８０℃に達する部位も存在する。しかしこれらの熱は、液体やガスなどとの熱交換によって回収できるほどの高レベルの熱ではないため、そのまま使用せずに放出されていた。また、補機類の使用補償温度が４０℃程度の機器を使用することができなくなり、補機選択の障害にもなっていた。
【０００９】
上記のように水蒸気改質反応（吸熱反応）の場合は、原燃料と共に水を混合して導入し、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給するために改質器用バーナー９や触媒燃焼器によって熱を供給し、水蒸気改質反応を進行させるための熱源として原燃料またはオフガスを燃焼させる必要があり、そして燃焼の際には燃焼用の空気が必要であり、水素濃度７５〜８０％程度の水素が得られる。
【００１０】
図９は、部分酸化改質による場合の燃料改質プロセスのフローを示す説明図である。部分酸化改質反応（発熱反応）の場合は、図９に示すように原燃料と空気を混合して改質器２に投入して部分酸化反応により水素リッチガスを得るものであり、反応そのものに空気が必要となる。水素濃度３０〜３５％程度の水素が得られる。図９において脱硫器１と改質器２が入れ替わっても良い。
【００１１】
一方、オートサーマル方式による場合の燃料改質プロセスの基本的なフローは図９と同じだが、改質器２は、部分酸化反応器と水蒸気改質反応器から構成されていると考えられる。すなわち部分酸化反応で発生した熱を水蒸気改質反応に必要な熱として利用し、バランスさせて反応を進行させる。この場合、水蒸気改質反応の割合が多いほど（熱ロスが少なく水蒸気改質反応に有効に熱が利用されるほど）改質ガス中の水素濃度が高くなる。よって、原燃料の量は同じでも、水蒸気改質反応の割合を増した方が、水素濃度を高くすることができる。水素濃度３８〜４５％程度の水素が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、燃料改質装置の反応器から放出される熱を、改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用の空気の加熱に有効に使用することによって、熱効率を向上させた燃料改質装置を提供することであり、また、本発明の第２の目的は燃料電池システムパッケージ内における燃料電池や補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、上記のように燃料改質装置の反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置の燃焼用の空気として使用して高発電効率を有する燃料電池システムを提供することである。
【００１３】
前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、少なくとも炭化水素系燃料（改質用原燃料）を水素リッチなガスに改質する改質部と、この改質部で得られたガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部を備え、改質プロセスに必要な反応器を筐体の中に収納し、前記改質部における改質用原燃料の改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用空気を、前記筐体に取り付けた空気供給器により前記筐体内に取り込んで前記反応器からの放熱により予熱した後、前記改質部に導入する燃料改質装置と、この燃料改質装置で得られた水素リッチなガスが供給される燃料電池と、それらを制御、運転するのに必要な補機類が１つのパッケージ内に配置されている燃料電池システムであって、前記筐体に取り付けた空気供給器は前記パッケージ内の上部に配置され、且つ前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口が、前記筐体内の下部に配置され、前記パッケージは下部から外気を導入し、パッケージの下部と前記空気供給器との間に前記補機類及び前記燃料電池を配置して、外気導入空気が前記補記類及び前記燃料電池の放熱により加熱されて空気供給器に取り込まれることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給器の導入空気の温度が６０〜８０℃であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムにおいて、燃料改質装置の中心部に前記改質部が配置され、断熱材を介して前記ＣＯ低減部がその周囲に配置されている燃料改質装置を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口において、導入空気温度が１００〜３００℃であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおける燃料改質装置は、燃料改質装置の反応器から放出される熱を、改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用の空気の加熱に有効に使用するので熱効率を向上できる。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムパッケージ内における燃料電池や補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、燃料改質装置の反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置の燃焼用の空気として使用するので高発電効率を達成できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
（燃料改質装置の参考の形態１）
図１は、燃料改質装置の一参考形態を模式的に説明する説明図で、配管や断熱材の一部などは省略してある。
図１に示すように、燃料改質装置７Ａは、水蒸気改質による燃料改質を行う装置であり、燃料改質装置７Ａの下方から上方に順に、原燃料中の硫黄分を脱硫する脱硫器１、水を水蒸気にする気化部１２、水蒸気改質反応を進行させる改質器２、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナー９が配設された改質部３を備え、この改質部３の周囲に断熱材１３を配置し（断熱材１３はＣＯ低減部６の温度を所定の温度に一定に維持する作用効果がある）、その周囲に改質器２で得られたガス中の一酸化炭素濃度を水性シフト反応によって低減するＣＯ低減部６を巻き付けた構造を有し（図示していないがＣＯ低減部６の外側にも断熱材が巻き付けられている。図示していない断熱材はＣＯ低減部６の温度を所定の温度に一定に維持する作用効果がある）、これらが筐体１１の内部に配置されており、そして筐体１１の下部に空気供給器１４が設置され、また筺体１１の下部にバーナー９の燃焼排ガスを排出する排気口１５が設けられている。
【００１９】
燃料改質装置７Ａの運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
【００２０】
常温の空気を空気供給器（ファン）１４により筐体１１の下部内に供給すると空気は筐体１１の内面と改質部３の外面との間を通って上昇する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。このように燃料改質装置７Ａの反応器から放出される熱を燃焼用の空気の加熱に有効に使用するので、本発明の燃料改質装置７Ａの熱効率が向上する。
【００２１】
（本発明の燃料改質装置の参考の形態２）
図２は、燃料改質装置の他の形態を模式的に説明する説明図で、配管や断熱材の一部などは省略してある。
図２に示すように、燃料改質装置７Ｂは、水蒸気改質による燃料改質を行う装置であり、燃料改質装置７Ｂの上方から下方に順に、原燃料中の硫黄分を脱硫する脱硫器１（脱硫温度：約１５０〜２００℃）、水を水蒸気にする気化部１２、水蒸気改質反応を進行させる改質器２、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナー９が配設された改質部３を備え、この改質部３の周囲に断熱材１３を配置し、その周囲に改質器２で得られたガス中の一酸化炭素濃度を水性シフト反応によって低減するＣＯ低減部６を巻き付けた構造を有し（図示していないがＣＯ低減部６の外側にも断熱材が巻き付けられている）、これらが筐体１１の内部に配置されており、そして筐体１１の上部に空気供給器１４が設置され、また筺体１１の上部にバーナー９の燃焼排ガスを排出する排気口１５が設けられている。
【００２２】
燃料改質装置７Ｂの運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
【００２３】
常温の空気を空気供給器（ファン）１４により筐体１１の上部内に供給すると空気は筐体１１の内面と改質部３の外面との間を通って下降する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。このように燃料改質装置７Ｂの反応器から放出される熱を燃焼用の空気の加熱に有効に使用するので、燃料改質装置７Ｂの熱効率が向上する。
【００２４】
（燃料改質装置の参考の形態３）
上記の参考形態２では脱硫器１の温度が約１５０〜２００℃の場合の例を示した。
しかし、脱硫器１としては常温で吸着反応により原燃料中の硫黄分を脱硫するものがある。この場合は、脱硫器１を筐体１１の外部に設置し、脱硫した原燃料を筐体１１の内部の改質部３に導入する。このようにした以外は参考の形態２と同様になっており、参考の形態２と同じ効果が得られる。
【００２５】
（燃料改質装置の参考の形態４）
上記の参考形態２および参考形態３に示した脱硫器１を組み合わせて脱硫器を２つ使用することができる。
すなわち、１つの脱硫器を筐体１１の外部に設置し、もう１つの脱硫器を筐体１１の内部に設置し、まず筐体１１の外部に設置した脱硫器で脱硫し、脱硫した原燃料をさらに筐体１１の内部に設置した脱硫器で脱硫し、２段階で脱硫して硫黄分を十分に低減した原燃料を筐体１１の内部の改質部３に導入する。このようにした以外は参考の形態２と同様になっており、参考の形態２と同じ効果が得られるとともに、筐体１１の内部に設置した脱硫器のみを用いる場合は触媒量を多くしないと硫黄分を十分に低減できる期間が短くなるが、このように２段階で脱硫すると、筐体１１の内部に設置した脱硫器の触媒量を特に多くしなくても外部に設置した脱硫器を交換することにより硫黄分を十分に低減できる期間が長くなり、改質装置ごと交換する期間を長くできる。
【００２６】
（燃料改質装置の参考の形態５）
図３は、本発明の燃料改質装置の他の実施形態を模式的に説明する説明図で、配管や断熱材の一部などは省略してある。
図３に示すように、燃料改質装置７Ｃは、水蒸気改質による燃料改質を行う装置であり、燃料改質装置７Ｃの下方から上方に順に、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナー９、実施の形態１で示した改質部３、この改質部３の周囲に断熱材１３を配置し、その周囲に改質部３で得られたガス中の一酸化炭素を変成するＣＯ変成器４を巻き付け（図示していないがＣＯ低減器４の外側にも断熱材が巻き付けられている）、ＣＯ変成器４の下流に選択酸化反応によってＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減するＣＯ除去器５を備え、これらが筐体１１の内部に配置されており、そして筐体１１の上部に空気供給器１４が設置され、また筺体１１の上部にバーナー９の燃焼排ガスを排出する排気口１５が設けられている。図示しないが、改質部３の上流側に原燃料中の硫黄分を脱硫する脱硫器を設置してもよい。
【００２７】
燃料改質装置７Ｃの運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
ＣＯ除去器への投入空気：Ｏ2 ／ＣＯ＝１．５
【００２８】
常温の空気を空気供給器（ファン）１４により筐体１１の上部内に供給すると空気は筐体１１の内面とＣＯ除去器５や改質部３の外面との間を通って下降する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。このように燃料改質装置７Ｃの反応器から放出される熱を燃焼用の空気の加熱に有効に使用するので、本発明の燃料改質装置７Ｃの熱効率が向上する。
【００２９】
（本発明の燃料電池システムの実施の形態１）
図４は、本発明の燃料電池システムの１実施の形態を模式的に説明する説明図である。
図４に示すように、本発明の燃料電池システム２１は、図３に示した本発明の燃料改質装置７Ｃと、燃料電池モジュール［燃料電池１７（約８０℃）、燃料電池１７を冷却するための水タンク１８（約８０℃）など、およびそれらを運転するために必要なポンプ、タンク、モータなどの補機類１９（約４０〜６０℃）、制御基盤など］を１つのパッケージ２０内の所定の箇所に配置して収納した構成になっている。
【００３０】
パッケージ２０の下方からパッケージ２０内に吸い込んだ外気を、ポンプ、タンク、モータなどの補機類１９、制御基盤、燃料電池１７、水タンク１８などの発熱体から発生する低レベルの熱を利用して約６０〜８０℃に加熱して、燃料改質器７Ｃの上部に取り付けた空気供給器１４から筐体１１内に取り入れ、筐体１１の内面とＣＯ除去器５や改質部３の外面との間を通って下降する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。
【００３１】
燃料改質装置７Ｃの運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
ＣＯ除去器への投入空気：Ｏ2 ／ＣＯ＝１．５
【００３２】
本発明の燃料電池システム２１は、パッケージ２０内における燃料電池１７や補機類１９、図示しない配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、燃料改質装置７Ｃの反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置７Ｃの燃焼用の空気として使用するので高発電効率を達成できる。パッケージ２０内に吸い込んだ外気は、ポンプ、タンク、モータなどの補機類１９や制御基盤などを冷却する効果がある。
表１に、投入電力（ｗ）、発電量（ｗ）、発電効率（％）、熱回収量（ｗ）、熱回収効率（％）、制御用電力（ｗ）、熱ロス量（ｗ）の関係を示す。
【００３３】
（燃料電池システムの参考の形態２）
図５は、燃料電池システムの参考の形態を模式的に説明する説明図である。
図５に示すように、燃料電池システム２２は、図３に示した燃料改質装置７Ｃを上下逆にして（燃料改質装置７Ｃ' ）１つのパッケージ２０内の所定の箇所に配置して収納するとともに、燃料電池モジュール［燃料電池１７（約８０℃）、燃料電池１７を冷却するための水タンク１８（約８０℃）など、およびそれらを運転するために必要なポンプ、タンク、モータなどの補機類１９（約４０〜６０℃）、制御基盤など］がパッケージ２０内の所定の箇所に配置して収納した構成になっている。
【００３４】
パッケージ２０内に吸い込んだ外気を、ポンプ、タンク、モータなどの補機類１９、制御基盤、燃料電池１７、水タンク１８などの発熱体から発生する低レベルの熱を利用して約６０〜８０℃に加熱して、燃料改質器の下部に取り付けた空気供給器１４から筐体１１内に取り入れ、筐体１１の内面とＣＯ除去器５や改質部３の外面との間を通って上昇する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。
【００３５】
燃料改質装置の運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
ＣＯ除去器への投入空気：Ｏ2 ／ＣＯ＝１．５
【００３６】
燃料電池システム２２は、パッケージ２０内における燃料電池１７や補機類１９、図示しない配管や制御盤などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、燃料改質装置の反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置の燃焼用の空気として使用するので高発電効率を達成できる。パッケージ２０内に吸い込んだ外気は、ポンプ、タンク、モータなどの補機類１９や制御基盤などを冷却する効果がある。
表１に、投入電力（ｗ）、発電量（ｗ）、発電効率（％）、熱回収量（ｗ）、熱回収効率（％）、制御用電力（ｗ）、熱ロス量（ｗ）の関係を示す。
【００３７】
（比較のための燃料改質装置の例１）
図７に、比較のための燃料改質装置を模式的に示す。
比較のための燃料改質装置７は、図７に示すように改質部３、ＣＯ低減部６などの反応器を筐体１１内に設置してある。改質部３やＣＯ低減部６などの反応器から放出された熱によって暖められた空気を燃焼用の空気として改質器用バーナー９に導入し、排熱を有効利用するものである。
【００３８】
比較のための燃料改質装置の運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
ＣＯ除去器への投入空気：Ｏ2 ／ＣＯ＝１．５
【００３９】
しかし燃焼用の空気導入のためのファンＦが筐体１１内部に設置されており、ファンＦへ導入する空気の温度を６０℃程度にしか上昇させることができない。また１．加熱された空気は膨張しており、燃焼に適する空気量を供給するための消費電力が、ファンＦを筐体１１外に設置した場合より多くなる、２．ファンＦの耐熱温度以上に導入空気の温度を上昇させることができない上、改質部３及びＣＯ低減部６それぞれから放出された熱を有効利用できず、すなわち改質部３及びＣＯ低減部６からの排熱が多く、筐体１１から放出された熱を有効利用できず、すなわち筐体１１からの排熱も大きい。
表１に、比較のための燃料改質装置の例１を用いた燃料電池発電システムについてテストした場合における、投入電力（ｗ）、発電量（ｗ）、発電効率（％）、熱回収量（ｗ）、熱回収効率（％）、制御用電力（ｗ）、熱ロス量（ｗ）の関係を示す。
【００４０】
（比較のための燃料改質装置の例２）
図８に、比較のための他の燃料改質装置を模式的に示す。
図８に示すように、燃料改質装置７は、改質部３の周囲に図示しない断熱材を配置し、その周囲に、改質部３から出たガス中のＣＯ濃度を水性シフト反応によって低減するＣＯ低減部６を巻き付けた構造を有しており図示しない筐体中に収納されている（特開平７−２４０２２４号公報、特開平８−１６５１０３号公報参照）。
改質部３の周囲にＣＯ低減部６を巻き付けることにより、改質部３からの熱ロスを低減できるが、全体的に放熱している熱ロス分を有効活用できていない。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１から本発明の燃料改質装置を用いた燃料電池発電システムは、発電効率が高く、熱ロス量が少ないことが判る。それに対して比較のための燃料改質装置の例１を用いた燃料電池発電システムは、発電効率が低く、熱ロス量が大きいことが判る。
【００４３】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、少なくとも炭化水素系燃料（改質用原燃料）を水素リッチなガスに改質する改質部と、この改質部で得られたガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部を備え、改質プロセスに必要な反応器を筐体の中に収納し、前記改質部における改質用原燃料の改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用空気を、前記筐体に取り付けた空気供給器により前記筐体内に取り込んで前記反応器からの放熱により予熱した後、前記改質部に導入する燃料改質装置と、この燃料改質装置で得られた水素リッチなガスが供給される燃料電池と、それらを制御、運転するのに必要な補機類が１つのパッケージ内に配置されている燃料電池システムであって、前記筐体に取り付けた空気供給器は前記パッケージ内の上部に配置され、且つ前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口が、前記筐体内の下部に配置され、前記パッケージは下部から外気を導入し、パッケージの下部と前記空気供給器との間 に前記補機類及び前記燃料電池を配置して、外気導入空気が前記補記類及び前記燃料電池の放熱により加熱されて空気供給器に取り込まれることを特徴としているので、燃料電池システムパッケージ内における燃料電池や補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、燃料改質装置の反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置の燃焼用の空気として使用するので高発電効率を達成できるという顕著な効果を奏する。
本発明の請求項１記載の燃料電池システムのパッケージ内には、燃料電池や補機類が収納されており、それらからの排熱によってパッケージ内の雰囲気（空気）温度は６０℃以上となり、高温部では８０℃に達する部位も存在するが、これら燃料電池や、制御基盤、補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するようにした結果、制御基盤、補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用盤や補機類などは冷却されるので、使用補償温度が４０℃程度の機器を使用可能になり、補機類などの選択可能範囲を拡大できるという顕著な効果を奏する。
【００４５】
本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給器の導入空気の温度が６０〜８０℃であるので、請求項１記載の燃料電池システムと同じ効果を奏する上、燃料電池や補機類の排熱によってパッケージ内の雰囲気（空気）温度が６０℃以上となり、燃料電池の作動温度が約８０℃でパッケージ内の高温部では８０℃に達する部位も存在することからすれば、燃料電池システムパッケージ内における燃料電池や補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱をより有効利用できたということになる。
【００４６】
本発明の請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、燃料改質装置の中心部に前記改質部が配置され、断熱材を介して前記ＣＯ低減部がその周囲に配置されている燃料改質装置を備えたので、請求項
１または請求項２記載の燃料電池システムと同じ効果を奏する上、ＣＯ低減部の温度を一定に維持できる上、燃料改質装置の反応器と有効に熱交換でき、熱効率をより向上できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００４７】
本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口において、導入空気温度が１００〜３００℃であるので、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムと同じ効果を奏する上、導入空気温度が１００℃未満では燃料改質装置の反応器から放出される熱を有効に使用しているとはいえない上、ＣＯ除去器を作動できる最低温度が１００℃であるのでＣＯ除去器をよく作動できなくなる恐れがあり、逆に導入空気温度が３００℃を超えるとＣＯ変成部を作動できる最高温度が３００℃であるのでＣＯ変成部をよく作動できなくなる恐れがあり、導入空気温度が１００〜３００℃であるとＣＯ除去器やＣＯ変成部を良好に作動させつつ燃料改質装置の反応器の放熱を有効に利用して熱効率をより向上できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料改質装置の一参考形態を模式的に説明する説明図である。
【図２】 燃料改質装置の他の参考形態を模式的に説明する説明図である。
【図３】 燃料改質装置の他の参考形態を模式的に説明する説明図である。
【図４】 本発明の燃料電池システムの一実施形態を模式的に説明する説明図である。
【図５】 燃料電池システムの参考形態を模式的に説明する説明図である。
【図６】 水蒸気改質による場合の一般的な燃料改質プロセスのフローを示す説明図である。
【図７】 従来の燃料改質装置の実施形態を模式的に説明する説明図である。
【図８】 従来の燃料改質装置の他の実施形態を模式的に説明する説明図である。
【図９】 部分酸化改質による場合の燃料改質プロセスのフローを示す説明図である。
【符号の説明】
１ 脱硫器
２ 改質器
３ 改質部
４ ＣＯ変成器
５ ＣＯ除去器
６ ＣＯ低減部
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｃ' 燃料改質装置
８、１７ 燃料電池
９ 改質器用バーナー
１０、２１、２２ 燃料電池システム
１１ 筐体
１２ 気化部
１３ 断熱材
１４ 空気供給器
１５ 排気口
１６ 空気導入口
１８ 水タンク
１９ 補機類
２０ パッケージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置およびそれを備えた燃料電池システムに関するものであり、さらに詳しくは熱効率が向上した炭化水素系燃料を用いる燃料改質装置およびそれを備えた発電効率を向上した燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、水蒸気改質による場合の一般的な燃料改質プロセスのフローを示す説明図である。図６に示すように、近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料などを原燃料として、脱硫する脱硫器１と、水蒸気を添加して原燃料を水素に改質する改質器２とを備えた改質部３と、この改質部３で得られたガス中の一酸化炭素を変成するＣＯ変成器４と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えたＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部６とを備えた燃料改質装置７と、この燃料改質装置７で得られたＣＯ濃度を低減した水素によって発電する燃料電池８と、この燃料電池８から排出される水素ガス（オフガス）や必要に応じて追加する追加原燃料を燃焼用空気により燃焼して改質器２の改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナー９や図示しない触媒燃焼器を備えた燃料電池システム１０が提案されている。
水蒸気改質による反応は吸熱反応であり、改質反応を維持するための加熱媒体として改質器用バーナー９や触媒燃焼器が使用される。
燃料改質装置７の熱効率を向上させるためには、上記燃料改質プロセス中で最も温度の高い改質器２からの放熱を制御したり利用する必要があり、また、それによって改質器用バーナー９に投入する燃料（オフガスまたはオフガスと追加原燃料）を低減する必要がある。
【０００３】
一方、燃料改質装置７からの放熱を有効に利用するために、図７に示すように改質部３、ＣＯ低減部６などの反応器を筐体１１内に設置することが提案されている。これによって改質部３やＣＯ低減部６などの反応器から放出された熱によって暖められた空気を燃焼用空気として改質器用バーナー９に導入し、排熱の有効利用を試みるものである。
【０００４】
しかし、この場合は燃焼用空気導入のためのファンＦが筐体１１内部に設置されており、１．加熱された空気は膨張しており、燃焼に適する空気量を供給するための消費電力が、ファンＦを筐体１１外に設置した場合より多くなる、２．ファンＦの耐熱温度以上に導入空気の温度を上昇させることはできないなど、という問題点が残っていた。また、改質部３及びＣＯ低減部６それぞれから放出された熱を有効利用できず、すなわち改質部３及びＣＯ低減部６からの排熱が多く、筐体１１から放出された熱を有効利用できず、すなわち筐体１１からの排熱も大きかった。
【０００５】
そこで改質部３からの排熱を低減するために、図８に示すような燃料改質装置７が提案されている（特開平７−２４０２２４号公報）。この燃料改質装置７では、改質部３とＣＯ低減部６を一体化しているために、改質部３とＣＯ低減部６を別々に配置する図７の場合と比較して反応器の表面積が減少するため熱効率は向上するが、ＣＯ低減部６の図示しないＣＯ変成器出口において、十分にＣＯが低減できないという問題があった。そこでＣＯ変成器の触媒温度を制御するために改質反応に必要な水と熱交換する提案がなされたが（特開平８−１６５１０３号公報）、この場合、構造が複雑になるという問題があった。
【０００６】
また、改質部３とＣＯ低減部６の一体化による排熱低減は行われたが、それでもなお反応器からの排熱が大きく熱効率低下につながるという問題があった。
【０００７】
反応器表面からの排熱を制御するためには、断熱材によって周囲を完全に包み込む手段が考えられるが、断熱材の量が嵩み、形状の肥大化、コスト高につながる。
【０００８】
燃料電池システム１０の図示しないパッケージ内は、燃料電池８や図示しない補機類が収納されているが、それらからの排熱によってパッケージ内の雰囲気（空気）温度は６０℃以上となり、高温部では８０℃に達する部位も存在する。しかしこれらの熱は、液体やガスなどとの熱交換によって回収できるほどの高レベルの熱ではないため、そのまま使用せずに放出されていた。また、補機類の使用補償温度が４０℃程度の機器を使用することができなくなり、補機選択の障害にもなっていた。
【０００９】
上記のように水蒸気改質反応（吸熱反応）の場合は、原燃料と共に水を混合して導入し、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給するために改質器用バーナー９や触媒燃焼器によって熱を供給し、水蒸気改質反応を進行させるための熱源として原燃料またはオフガスを燃焼させる必要があり、そして燃焼の際には燃焼用の空気が必要であり、水素濃度７５〜８０％程度の水素が得られる。
【００１０】
図９は、部分酸化改質による場合の燃料改質プロセスのフローを示す説明図である。部分酸化改質反応（発熱反応）の場合は、図９に示すように原燃料と空気を混合して改質器２に投入して部分酸化反応により水素リッチガスを得るものであり、反応そのものに空気が必要となる。水素濃度３０〜３５％程度の水素が得られる。図９において脱硫器１と改質器２が入れ替わっても良い。
【００１１】
一方、オートサーマル方式による場合の燃料改質プロセスの基本的なフローは図９と同じだが、改質器２は、部分酸化反応器と水蒸気改質反応器から構成されていると考えられる。すなわち部分酸化反応で発生した熱を水蒸気改質反応に必要な熱として利用し、バランスさせて反応を進行させる。この場合、水蒸気改質反応の割合が多いほど（熱ロスが少なく水蒸気改質反応に有効に熱が利用されるほど）改質ガス中の水素濃度が高くなる。よって、原燃料の量は同じでも、水蒸気改質反応の割合を増した方が、水素濃度を高くすることができる。水素濃度３８〜４５％程度の水素が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、燃料改質装置の反応器から放出される熱を、改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用の空気の加熱に有効に使用することによって、熱効率を向上させた燃料改質装置を提供することであり、また、本発明の第２の目的は燃料電池システムパッケージ内における燃料電池や補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、上記のように燃料改質装置の反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置の燃焼用の空気として使用して高発電効率を有する燃料電池システムを提供することである。
【００１３】
前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、少なくとも炭化水素系燃料（改質用原燃料）を水素リッチなガスに改質する改質部と、この改質部で得られたガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部を備え、改質プロセスに必要な反応器を筐体の中に収納し、前記改質部における改質用原燃料の改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用空気を、前記筐体に取り付けた空気供給器により前記筐体内に取り込んで前記反応器からの放熱により予熱した後、前記改質部に導入する燃料改質装置と、この燃料改質装置で得られた水素リッチなガスが供給される燃料電池と、それらを制御、運転するのに必要な補機類が１つのパッケージ内に配置されている燃料電池システムであって、前記筐体に取り付けた空気供給器は前記パッケージ内の上部に配置され、且つ前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口が、前記筐体内の下部に配置され、前記パッケージは下部から外気を導入し、パッケージの下部と前記空気供給器との間に前記補機類及び前記燃料電池を配置して、外気導入空気が前記補記類及び前記燃料電池の放熱により加熱されて空気供給器に取り込まれることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給器の導入空気の温度が６０〜８０℃であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムにおいて、燃料改質装置の中心部に前記改質部が配置され、断熱材を介して前記ＣＯ低減部がその周囲に配置されている燃料改質装置を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口において、導入空気温度が１００〜３００℃であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおける燃料改質装置は、燃料改質装置の反応器から放出される熱を、改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用の空気の加熱に有効に使用するので熱効率を向上できる。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムパッケージ内における燃料電池や補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、燃料改質装置の反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置の燃焼用の空気として使用するので高発電効率を達成できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
（燃料改質装置の参考の形態１）
図１は、燃料改質装置の一参考形態を模式的に説明する説明図で、配管や断熱材の一部などは省略してある。
図１に示すように、燃料改質装置７Ａは、水蒸気改質による燃料改質を行う装置であり、燃料改質装置７Ａの下方から上方に順に、原燃料中の硫黄分を脱硫する脱硫器１、水を水蒸気にする気化部１２、水蒸気改質反応を進行させる改質器２、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナー９が配設された改質部３を備え、この改質部３の周囲に断熱材１３を配置し（断熱材１３はＣＯ低減部６の温度を所定の温度に一定に維持する作用効果がある）、その周囲に改質器２で得られたガス中の一酸化炭素濃度を水性シフト反応によって低減するＣＯ低減部６を巻き付けた構造を有し（図示していないがＣＯ低減部６の外側にも断熱材が巻き付けられている。図示していない断熱材はＣＯ低減部６の温度を所定の温度に一定に維持する作用効果がある）、これらが筐体１１の内部に配置されており、そして筐体１１の下部に空気供給器１４が設置され、また筺体１１の下部にバーナー９の燃焼排ガスを排出する排気口１５が設けられている。
【００１９】
燃料改質装置７Ａの運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
【００２０】
常温の空気を空気供給器（ファン）１４により筐体１１の下部内に供給すると空気は筐体１１の内面と改質部３の外面との間を通って上昇する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。このように燃料改質装置７Ａの反応器から放出される熱を燃焼用の空気の加熱に有効に使用するので、本発明の燃料改質装置７Ａの熱効率が向上する。
【００２１】
（本発明の燃料改質装置の参考の形態２）
図２は、燃料改質装置の他の形態を模式的に説明する説明図で、配管や断熱材の一部などは省略してある。
図２に示すように、燃料改質装置７Ｂは、水蒸気改質による燃料改質を行う装置であり、燃料改質装置７Ｂの上方から下方に順に、原燃料中の硫黄分を脱硫する脱硫器１（脱硫温度：約１５０〜２００℃）、水を水蒸気にする気化部１２、水蒸気改質反応を進行させる改質器２、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナー９が配設された改質部３を備え、この改質部３の周囲に断熱材１３を配置し、その周囲に改質器２で得られたガス中の一酸化炭素濃度を水性シフト反応によって低減するＣＯ低減部６を巻き付けた構造を有し（図示していないがＣＯ低減部６の外側にも断熱材が巻き付けられている）、これらが筐体１１の内部に配置されており、そして筐体１１の上部に空気供給器１４が設置され、また筺体１１の上部にバーナー９の燃焼排ガスを排出する排気口１５が設けられている。
【００２２】
燃料改質装置７Ｂの運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
【００２３】
常温の空気を空気供給器（ファン）１４により筐体１１の上部内に供給すると空気は筐体１１の内面と改質部３の外面との間を通って下降する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。このように燃料改質装置７Ｂの反応器から放出される熱を燃焼用の空気の加熱に有効に使用するので、燃料改質装置７Ｂの熱効率が向上する。
【００２４】
（燃料改質装置の参考の形態３）
上記の参考形態２では脱硫器１の温度が約１５０〜２００℃の場合の例を示した。
しかし、脱硫器１としては常温で吸着反応により原燃料中の硫黄分を脱硫するものがある。この場合は、脱硫器１を筐体１１の外部に設置し、脱硫した原燃料を筐体１１の内部の改質部３に導入する。このようにした以外は参考の形態２と同様になっており、参考の形態２と同じ効果が得られる。
【００２５】
（燃料改質装置の参考の形態４）
上記の参考形態２および参考形態３に示した脱硫器１を組み合わせて脱硫器を２つ使用することができる。
すなわち、１つの脱硫器を筐体１１の外部に設置し、もう１つの脱硫器を筐体１１の内部に設置し、まず筐体１１の外部に設置した脱硫器で脱硫し、脱硫した原燃料をさらに筐体１１の内部に設置した脱硫器で脱硫し、２段階で脱硫して硫黄分を十分に低減した原燃料を筐体１１の内部の改質部３に導入する。このようにした以外は参考の形態２と同様になっており、参考の形態２と同じ効果が得られるとともに、筐体１１の内部に設置した脱硫器のみを用いる場合は触媒量を多くしないと硫黄分を十分に低減できる期間が短くなるが、このように２段階で脱硫すると、筐体１１の内部に設置した脱硫器の触媒量を特に多くしなくても外部に設置した脱硫器を交換することにより硫黄分を十分に低減できる期間が長くなり、改質装置ごと交換する期間を長くできる。
【００２６】
（燃料改質装置の参考の形態５）
図３は、本発明の燃料改質装置の他の実施形態を模式的に説明する説明図で、配管や断熱材の一部などは省略してある。
図３に示すように、燃料改質装置７Ｃは、水蒸気改質による燃料改質を行う装置であり、燃料改質装置７Ｃの下方から上方に順に、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナー９、実施の形態１で示した改質部３、この改質部３の周囲に断熱材１３を配置し、その周囲に改質部３で得られたガス中の一酸化炭素を変成するＣＯ変成器４を巻き付け（図示していないがＣＯ低減器４の外側にも断熱材が巻き付けられている）、ＣＯ変成器４の下流に選択酸化反応によってＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に低減するＣＯ除去器５を備え、これらが筐体１１の内部に配置されており、そして筐体１１の上部に空気供給器１４が設置され、また筺体１１の上部にバーナー９の燃焼排ガスを排出する排気口１５が設けられている。図示しないが、改質部３の上流側に原燃料中の硫黄分を脱硫する脱硫器を設置してもよい。
【００２７】
燃料改質装置７Ｃの運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
ＣＯ除去器への投入空気：Ｏ2 ／ＣＯ＝１．５
【００２８】
常温の空気を空気供給器（ファン）１４により筐体１１の上部内に供給すると空気は筐体１１の内面とＣＯ除去器５や改質部３の外面との間を通って下降する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。このように燃料改質装置７Ｃの反応器から放出される熱を燃焼用の空気の加熱に有効に使用するので、本発明の燃料改質装置７Ｃの熱効率が向上する。
【００２９】
（本発明の燃料電池システムの実施の形態１）
図４は、本発明の燃料電池システムの１実施の形態を模式的に説明する説明図である。
図４に示すように、本発明の燃料電池システム２１は、図３に示した本発明の燃料改質装置７Ｃと、燃料電池モジュール［燃料電池１７（約８０℃）、燃料電池１７を冷却するための水タンク１８（約８０℃）など、およびそれらを運転するために必要なポンプ、タンク、モータなどの補機類１９（約４０〜６０℃）、制御基盤など］を１つのパッケージ２０内の所定の箇所に配置して収納した構成になっている。
【００３０】
パッケージ２０の下方からパッケージ２０内に吸い込んだ外気を、ポンプ、タンク、モータなどの補機類１９、制御基盤、燃料電池１７、水タンク１８などの発熱体から発生する低レベルの熱を利用して約６０〜８０℃に加熱して、燃料改質器７Ｃの上部に取り付けた空気供給器１４から筐体１１内に取り入れ、筐体１１の内面とＣＯ除去器５や改質部３の外面との間を通って下降する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。
【００３１】
燃料改質装置７Ｃの運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
ＣＯ除去器への投入空気：Ｏ2 ／ＣＯ＝１．５
【００３２】
本発明の燃料電池システム２１は、パッケージ２０内における燃料電池１７や補機類１９、図示しない配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、燃料改質装置７Ｃの反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置７Ｃの燃焼用の空気として使用するので高発電効率を達成できる。パッケージ２０内に吸い込んだ外気は、ポンプ、タンク、モータなどの補機類１９や制御基盤などを冷却する効果がある。
表１に、投入電力（ｗ）、発電量（ｗ）、発電効率（％）、熱回収量（ｗ）、熱回収効率（％）、制御用電力（ｗ）、熱ロス量（ｗ）の関係を示す。
【００３３】
（燃料電池システムの参考の形態２）
図５は、燃料電池システムの参考の形態を模式的に説明する説明図である。
図５に示すように、燃料電池システム２２は、図３に示した燃料改質装置７Ｃを上下逆にして（燃料改質装置７Ｃ' ）１つのパッケージ２０内の所定の箇所に配置して収納するとともに、燃料電池モジュール［燃料電池１７（約８０℃）、燃料電池１７を冷却するための水タンク１８（約８０℃）など、およびそれらを運転するために必要なポンプ、タンク、モータなどの補機類１９（約４０〜６０℃）、制御基盤など］がパッケージ２０内の所定の箇所に配置して収納した構成になっている。
【００３４】
パッケージ２０内に吸い込んだ外気を、ポンプ、タンク、モータなどの補機類１９、制御基盤、燃料電池１７、水タンク１８などの発熱体から発生する低レベルの熱を利用して約６０〜８０℃に加熱して、燃料改質器の下部に取り付けた空気供給器１４から筐体１１内に取り入れ、筐体１１の内面とＣＯ除去器５や改質部３の外面との間を通って上昇する間に反応器から放出される熱により加熱されて約３００℃になり、空気導入口１６を経てバーナー９に原燃料の燃焼用の空気として供給される。
【００３５】
燃料改質装置の運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
ＣＯ除去器への投入空気：Ｏ2 ／ＣＯ＝１．５
【００３６】
燃料電池システム２２は、パッケージ２０内における燃料電池１７や補機類１９、図示しない配管や制御盤などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、燃料改質装置の反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置の燃焼用の空気として使用するので高発電効率を達成できる。パッケージ２０内に吸い込んだ外気は、ポンプ、タンク、モータなどの補機類１９や制御基盤などを冷却する効果がある。
表１に、投入電力（ｗ）、発電量（ｗ）、発電効率（％）、熱回収量（ｗ）、熱回収効率（％）、制御用電力（ｗ）、熱ロス量（ｗ）の関係を示す。
【００３７】
（比較のための燃料改質装置の例１）
図７に、比較のための燃料改質装置を模式的に示す。
比較のための燃料改質装置７は、図７に示すように改質部３、ＣＯ低減部６などの反応器を筐体１１内に設置してある。改質部３やＣＯ低減部６などの反応器から放出された熱によって暖められた空気を燃焼用の空気として改質器用バーナー９に導入し、排熱を有効利用するものである。
【００３８】
比較のための燃料改質装置の運転条件を次に示す。
［運転条件］
Ｓ／Ｃ＝３．０
原燃料：天然ガス（主成分：メタン）
改質器の温度：約７００℃
ＣＯ除去器への投入空気：Ｏ2 ／ＣＯ＝１．５
【００３９】
しかし燃焼用の空気導入のためのファンＦが筐体１１内部に設置されており、ファンＦへ導入する空気の温度を６０℃程度にしか上昇させることができない。また１．加熱された空気は膨張しており、燃焼に適する空気量を供給するための消費電力が、ファンＦを筐体１１外に設置した場合より多くなる、２．ファンＦの耐熱温度以上に導入空気の温度を上昇させることができない上、改質部３及びＣＯ低減部６それぞれから放出された熱を有効利用できず、すなわち改質部３及びＣＯ低減部６からの排熱が多く、筐体１１から放出された熱を有効利用できず、すなわち筐体１１からの排熱も大きい。
表１に、比較のための燃料改質装置の例１を用いた燃料電池発電システムについてテストした場合における、投入電力（ｗ）、発電量（ｗ）、発電効率（％）、熱回収量（ｗ）、熱回収効率（％）、制御用電力（ｗ）、熱ロス量（ｗ）の関係を示す。
【００４０】
（比較のための燃料改質装置の例２）
図８に、比較のための他の燃料改質装置を模式的に示す。
図８に示すように、燃料改質装置７は、改質部３の周囲に図示しない断熱材を配置し、その周囲に、改質部３から出たガス中のＣＯ濃度を水性シフト反応によって低減するＣＯ低減部６を巻き付けた構造を有しており図示しない筐体中に収納されている（特開平７−２４０２２４号公報、特開平８−１６５１０３号公報参照）。
改質部３の周囲にＣＯ低減部６を巻き付けることにより、改質部３からの熱ロスを低減できるが、全体的に放熱している熱ロス分を有効活用できていない。
【００４１】
【表１】
表１から本発明の燃料改質装置を用いた燃料電池発電システムは、発電効率が高く、熱ロス量が少ないことが判る。それに対して比較のための燃料改質装置の例１を用いた燃料電池発電システムは、発電効率が低く、熱ロス量が大きいことが判る。
【００４３】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、少なくとも炭化水素系燃料（改質用原燃料）を水素リッチなガスに改質する改質部と、この改質部で得られたガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部を備え、改質プロセスに必要な反応器を筐体の中に収納し、前記改質部における改質用原燃料の改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用空気を、前記筐体に取り付けた空気供給器により前記筐体内に取り込んで前記反応器からの放熱により予熱した後、前記改質部に導入する燃料改質装置と、この燃料改質装置で得られた水素リッチなガスが供給される燃料電池と、それらを制御、運転するのに必要な補機類が１つのパッケージ内に配置されている燃料電池システムであって、前記筐体に取り付けた空気供給器は前記パッケージ内の上部に配置され、且つ前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口が、前記筐体内の下部に配置され、前記パッケージは下部から外気を導入し、パッケージの下部と前記空気供給器との間 に前記補機類及び前記燃料電池を配置して、外気導入空気が前記補記類及び前記燃料電池の放熱により加熱されて空気供給器に取り込まれることを特徴としているので、燃料電池システムパッケージ内における燃料電池や補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するとともに、燃料改質装置の反応器から放出される熱も有効に使用して燃焼用の空気を加熱し、それを燃料改質装置の燃焼用の空気として使用するので高発電効率を達成できるという顕著な効果を奏する。
本発明の請求項１記載の燃料電池システムのパッケージ内には、燃料電池や補機類が収納されており、それらからの排熱によってパッケージ内の雰囲気（空気）温度は６０℃以上となり、高温部では８０℃に達する部位も存在するが、これら燃料電池や、制御基盤、補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用の空気を加熱するようにした結果、制御基盤、補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱も有効利用して燃焼用盤や補機類などは冷却されるので、使用補償温度が４０℃程度の機器を使用可能になり、補機類などの選択可能範囲を拡大できるという顕著な効果を奏する。
【００４５】
本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給器の導入空気の温度が６０〜８０℃であるので、請求項１記載の燃料電池システムと同じ効果を奏する上、燃料電池や補機類の排熱によってパッケージ内の雰囲気（空気）温度が６０℃以上となり、燃料電池の作動温度が約８０℃でパッケージ内の高温部では８０℃に達する部位も存在することからすれば、燃料電池システムパッケージ内における燃料電池や補機類、配管などの発熱体から発生する低レベルの熱をより有効利用できたということになる。
【００４６】
本発明の請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、燃料改質装置の中心部に前記改質部が配置され、断熱材を介して前記ＣＯ低減部がその周囲に配置されている燃料改質装置を備えたので、請求項
１または請求項２記載の燃料電池システムと同じ効果を奏する上、ＣＯ低減部の温度を一定に維持できる上、燃料改質装置の反応器と有効に熱交換でき、熱効率をより向上できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００４７】
本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口において、導入空気温度が１００〜３００℃であるので、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムと同じ効果を奏する上、導入空気温度が１００℃未満では燃料改質装置の反応器から放出される熱を有効に使用しているとはいえない上、ＣＯ除去器を作動できる最低温度が１００℃であるのでＣＯ除去器をよく作動できなくなる恐れがあり、逆に導入空気温度が３００℃を超えるとＣＯ変成部を作動できる最高温度が３００℃であるのでＣＯ変成部をよく作動できなくなる恐れがあり、導入空気温度が１００〜３００℃であるとＣＯ除去器やＣＯ変成部を良好に作動させつつ燃料改質装置の反応器の放熱を有効に利用して熱効率をより向上できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料改質装置の一参考形態を模式的に説明する説明図である。
【図２】 燃料改質装置の他の参考形態を模式的に説明する説明図である。
【図３】 燃料改質装置の他の参考形態を模式的に説明する説明図である。
【図４】 本発明の燃料電池システムの一実施形態を模式的に説明する説明図である。
【図５】 燃料電池システムの参考形態を模式的に説明する説明図である。
【図６】 水蒸気改質による場合の一般的な燃料改質プロセスのフローを示す説明図である。
【図７】 従来の燃料改質装置の実施形態を模式的に説明する説明図である。
【図８】 従来の燃料改質装置の他の実施形態を模式的に説明する説明図である。
【図９】 部分酸化改質による場合の燃料改質プロセスのフローを示す説明図である。
【符号の説明】
１ 脱硫器
２ 改質器
３ 改質部
４ ＣＯ変成器
５ ＣＯ除去器
６ ＣＯ低減部
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｃ' 燃料改質装置
８、１７ 燃料電池
９ 改質器用バーナー
１０、２１、２２ 燃料電池システム
１１ 筐体
１２ 気化部
１３ 断熱材
１４ 空気供給器
１５ 排気口
１６ 空気導入口
１８ 水タンク
１９ 補機類
２０ パッケージ
Claims (4)
- 少なくとも炭化水素系燃料（改質用原燃料）を水素リッチなガスに改質する改質部と、この改質部で得られたガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部を備え、改質プロセスに必要な反応器を筐体の中に収納し、前記改質部における改質用原燃料の改質反応を維持するために必要な熱量を供給する燃焼用空気を、前記筐体に取り付けた空気供給器により前記筐体内に取り込んで前記反応器からの放熱により予熱した後、前記改質部に導入する燃料改質装置と、この燃料改質装置で得られた水素リッチなガスが供給される燃料電池と、それらを制御、運転するのに必要な補機類が１つのパッケージ内に配置されている燃料電池システムであって、前記筐体に取り付けた空気供給器は前記パッケージ内の上部に配置され、且つ前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口が、前記筐体内の下部に配置され、前記パッケージは下部から外気を導入し、パッケージの下部と前記空気供給器との間に前記補機類及び前記燃料電池を配置して、外気導入空気が前記補記類及び前記燃料電池の放熱により加熱されて空気供給器に取り込まれることを特徴とする燃料電池システム。
- 前記空気供給器の導入空気の温度が６０〜８０℃であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 燃料改質装置の中心部に前記改質部が配置され、断熱材を介して前記ＣＯ低減部がその周囲に配置されている燃料改質装置を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記空気供給器により前記筐体内に取り込まれた空気が前記改質部に導入される空気導入口において、導入空気温度が１００〜３００℃であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
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