JPH08185880A

JPH08185880A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH08185880A
Application number: JP6339104A
Authority: JP
Inventors: Yujiro Sakamoto; 雄二郎坂本; Toshio Kurosaka; 俊雄黒坂; Shigeyoshi Tagashira; 成能田頭; Yoshiaki Morinishi; 義章森西; Kikuo Yamashita; 紀久夫山下
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】稼働率および総合発電効率を向上させること
ができる燃料電池発電システムを提供する。【構成】酸素富化空気を生成する空気分離装置３と、
上記酸素富化空気を用いて水蒸気と燃料ガスとを燃焼プ
ラズマの存在下で燃焼させて改質反応させることにより
改質ガスを生成する改質器１と、上記改質ガスと上記酸
素富化空気とを用いて発電する燃料電池２とを有してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料が有する化学エネ
ルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池発
電システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電システムは、一般民需用の
現状の火力発電設備を代替するものではなく、局地発電
向きと言われており、中小型の発電設備となる。発電設
備には、上記の燃料電池発電システムを適用したものの
他、原子力や蒸気タービン、ガスタービン、レシプロエ
ンジンの発電システムを適用したものがあるが、原子力
および蒸気タービンの発電システムは、大型化しないと
経済的でないため、中小型の発電設備には不向きであ
る。また、ガスタービンおよびレシプロエンジンの発電
システムは、発電効率が３０％および３８％をそれぞれ
上限としており、燃料電池発電システムの発電効率より
も劣っている。

【０００３】従って、燃料電池発電システムは、高い発
電効率でもって中小型の発電設備を構成する際の発電シ
ステムとして有望視されており、近年においては、図６
に示すように、触媒方式の改質器１０１において燃料ガ
スと水蒸気とを触媒の下で加熱して改質ガスを生成し、
この改質ガスを燃料電池１０２の燃料極１０２ａに供給
し、酸素極１０２ｂから燃料極１０２ａにＯ^2-を電荷担
体として移動させることにより発電する燃料電池発電シ
ステムが採用されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池発電システムでは、改質器１０１において
燃料ガスと水蒸気とを反応させて改質ガスを生成する際
に、この反応が激しい吸熱反応であるため、触媒の下で
の反応であっても外部から間接的に８００℃程度に加熱
する必要がある。従って、図７に示すように、１０５０
℃前後の燃焼排ガスを利用した高温の熱交換器の機能を
有するように、改質器１０１を構成する必要があり、結
果として改質器１０１のメンテナンスを高頻繁に行う必
要があるため、燃料電池発電システムの稼働率が低下す
るという問題がある。

【０００５】さらに、従来の燃料電池発電システムで
は、図６に示すように、１０５０℃前後の燃焼排ガスが
発電に直接関係しない改質ガスの生成に使用された後、
排気搭１０３から排気されるため、総合発電効率を３８
〜３９％程度以上に高めることが困難であるという問題
もある。

【０００６】従って、本発明は、稼働率および総合発電
効率を向上させることができる燃料電池発電システムを
提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、酸素富化空気を生成する空気分離装置と、上記酸素
富化空気を用いて水蒸気と燃料ガスとを燃焼プラズマの
存在下で燃焼させて改質反応させることにより改質ガス
を生成する改質器と、上記改質ガスと上記酸素富化空気
とを用いて発電する燃料電池とを有することを特徴とし
ている。

【０００８】尚、上記の改質器は、酸素富化空気と水蒸
気と燃料ガスとを吸気する吸気工程と、これらガスを圧
縮する圧縮工程と、これらガスを燃焼プラズマの存在下
で燃焼させる膨張工程と、燃焼による改質反応により生
成された改質ガスを排出する排気工程とをこの順に連続
的に繰り返すガスエンジンや、酸素富化空気と水蒸気と
燃料ガスとを旋回させながら燃焼プラズマの存在下で燃
焼させるガスタービンからなっていることが望ましい。

【０００９】

【作用】上記の構成によれば、燃焼プラズマと酸素富化
空気とを併用することにより無触媒の部分燃焼法による
改質反応が可能となり、改質中に必要となる高温および
高圧のガス（高エクセルギー）を動力として使用するこ
とができることから、触媒方式よりも耐久性に優れた改
質器により燃料電池発電システムの稼働率を向上させる
ことが可能になっていると共に、燃料電池発電システム
の総合発電効率を向上させることが可能になっている。

【００１０】

【実施例】

〔実施例１〕本発明の一実施例を図１ないし図２を用い
て説明する。本実施例に係る燃料電池発電システムは、
図１に示すように、酸素富化空気（Ｏ₂４０〜７０％）
を生成する空気分離装置３と、酸素富化空気を用いて水
蒸気と燃料ガスとを燃焼プラズマの存在下で燃焼させて
改質反応させることにより改質ガスを生成する改質器１
と、改質ガスおよび酸素富化空気を用いて発電する燃料
電池２とを有している。

【００１１】上記の改質器１は、酸素富化空気と水蒸気
と燃料ガスとを吸気する吸気工程と、これらのガス（酸
素富化空気、水蒸気、燃料ガス）を圧縮する圧縮工程
と、これらのガスを燃焼プラズマの存在下で燃焼させる
膨張工程と、燃焼による改質反応により生成された改質
ガスを排出する排気工程とをこの順に連続的に繰り返す
ガスエンジンからなっている。

【００１２】即ち、改質器１は、図２に示すように、主
燃焼室４と予燃焼室５とを有しており、予燃焼室５に
は、スパークプラグ７、主燃焼室にはプラズマ電極３０
（図１）が設けられている。スパークプラグ７は、膨張
工程時に予燃焼室５に火花を生成するようになってお
り、プラズマ用電極３０は、図１に示すように、膨張工
程時にプラズマ電源３１から電力が供給されることによ
って、燃焼プラズマを生成して改質反応時のガスの活性
不足を補うようになっている。

【００１３】さらに、図２に示すように、予燃焼室５に
は、第１吸引口５ａおよび排気口５ｂが形成されてい
る。第１吸引口５ａには、吸気工程の終了時に開栓状態
となる第１吸気弁８が設けられていると共に、ガス流量
を調整可能な配管を介して第１ガスミキサー１０が接続
されており、第１ガスミキサー１０は、第１吸気弁８が
開栓状態となったときに、酸素富化空気とＨ₂循環ガス
とを混合して酸素−水素混合ガスを予燃焼室５に供給す
るようになっている。一方、排気口５ｂには、膨張工程
時に開栓状態となる排気弁９が設けられており、排気弁
９は、膨張工程時に生成された改質ガスを予燃焼室５か
ら排出させるようになっている。

【００１４】上記の予燃焼室５は、貫通孔６を介して主
燃焼室４に連通されている。主燃焼室４には、図１の発
電機２８にクランクシャフト系２９を介して接続された
ピストン１１が摺動自在に嵌合されていると共に、第２
吸引口４ａが形成されている。第２吸引口４ａには、吸
気工程時に開栓状態となる第２吸気弁１２が設けられて
いると共に、ガス流量を調整可能な配管を介して第２ガ
スミキサー１３が接続されている。そして、第２ガスミ
キサー１３は、第２吸気弁１２が開栓状態となったとき
に、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）と燃料ガス（ＣＨ₄）とを混合し
て水蒸気−燃料混合ガスを主燃焼室４に供給するように
なっている。

【００１５】上記の改質器１に供給される燃料ガス（Ｃ
Ｈ₄）、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、酸素富化空気およびＨ₂循
環ガスは、図１に示すように、燃料ガス供給系３２、水
蒸気供給系３３、酸素富化空気供給系３４および循環ガ
ス供給系３５からそれぞれ供給されるようになってい
る。

【００１６】上記の燃料ガス供給系３２は、脱硫反応器
１４と燃料ガス予熱器１６と燃料ガス圧送器１５とを有
しており、燃料ガス圧送器１５により圧送されて燃料ガ
ス予熱器１６で加熱された燃料ガス中の硫黄酸化物を脱
硫反応器１４により除去して改質器１に供給するように
なっている。また、水蒸気供給系３３は、燃料電池２の
発電時の熱を水の加熱に利用して水蒸気を生成する水蒸
気分離器１７を有しており、水蒸気分離器１７は、改質
器１への水蒸気の供給の他、改質器１から排出される改
質ガスを冷却する熱交換器１８と、脱硫反応器１４に供
給される燃料ガスを加熱する燃料ガス予熱器１６とに水
蒸気を熱媒体として供給するようになっている。

【００１７】また、酸素富化空気供給系３４は、空気か
ら水分を除去する除湿器２０と、空気から酸素富化空気
を生成する空気分離装置３と、酸素富化空気を圧送する
空気圧縮機１９とを有しており、空気圧縮機１９を改質
器１に接続することによって、酸素富化空気を改質器１
に供給するようになっている。さらに、空気圧縮機１９
は、燃料電池２の酸素極２ｂにも接続されており、酸素
富化空気を燃料電池２に供給するようになっている。ま
た、循環ガス供給系３５は、Ｈ₂−ＰＳＡ装置２１を有
しており、Ｈ₂−ＰＳＡ装置２１は、燃料電池２の燃料
極２ａから排出されるガスを基にＨ₂循環ガスを生成し
て改質器１に供給するようになっている。

【００１８】上記のＨ₂−ＰＳＡ装置２１から排出され
る残ガスは、燃料電池２の酸素極２ｂから排出されるガ
スと共に燃焼器４２で燃焼されてタービン２２に送出さ
れるようになっており、タービン２２は、残ガスおよび
排出ガスの燃焼ガスにより発電機２７を作動させるよう
になっている。このガスジェネレータ２２は、気水分離
器２３に接続されており、気水分離器２３は、残ガスお
よび排出ガス中のガス成分のみを外部に放出させるよう
に、気体側が排気塔２４に接続されている。一方、気水
分離器２３の液体側は、残ガスおよび排出ガスから水を
回収して再利用するように、水回収ポンプ２５および水
処理装置２６を介して水蒸気分離器１７に接続されてい
る。

【００１９】また、改質器１から排出される改質ガス
は、改質ガス供給系３６に排出されるようになってい
る。改質ガス供給系３６は、貯気槽３７、高温ＣＯ反応
器３８、低温ＣＯ反応器３９、気水分離器４０および場
合によってはＣＯ₂除去装置４１を介して燃料電池２の
燃料極２ａに接続されており、上記の機器３７〜４１に
より改質ガスから水素富化した改質ガスを生成して燃料
電池２の燃料極２ａに供給するようになっている。

【００２０】上記の構成において、燃料電池発電システ
ムの動作について説明する。

【００２１】燃料ガス供給系３２、水蒸気供給系３３、
酸素富化空気供給系３４および循環ガス供給系３５から
改質器１に対して燃料ガス、水蒸気、酸素富化空気およ
びＨ₂循環ガスがそれぞれ供給されることになる。改質
器１に供給された水蒸気および燃料ガスは、図２に示す
ように、吸気工程時において、主燃焼室４のピストン１
１が後退して第２吸気弁１２が開栓状態となったとき
に、第２ガスミキサー１３で混合されて水−燃料混合ガ
スとして例えば予熱されるため、ガス密着が小さくなる
のをカバーするため２ｋｇ／ｃｍ²ａｂ前後の高圧力で
もって主燃焼室４に導入されることになる。そして、ピ
ストン１１が下死点前後の位置まで後退して吸気工程が
終了直前になると、第２吸気弁１２が閉栓状態となって
予燃焼室５への水−燃料混合ガスの供給が停止されるこ
とになる一方、予燃焼室５の第１吸気弁８が開栓状態と
なり、酸素富化空気およびＨ₂循環ガスが第１ガスミキ
サー１０で混合されながら酸素−水素混合ガスとして例
えば６．４ｋｇ／ｃｍ²ａｂの圧力でもって予燃焼室５
に導入されることになる。

【００２２】次に、ピストン１１の進出により圧縮工程
が開始され、予燃焼室５の圧力が６．４ｋｇ／ｃｍ²ａ
ｂ以上になると、第１吸気弁８が閉栓状態となり、密閉
状態となった予燃焼室５および主燃焼室４には、両燃焼
室４・５が貫通孔６を介して連通されているため、酸素
−水素混合ガスおよび水蒸気−燃料混合ガスがそれぞれ
主成分ガスとして存在することになる。従って、予燃焼
室５に存在する水蒸気−燃料混合ガスは、主成分ガスの
状態を維持しながら圧縮されることになる。これによ
り、主燃焼室４の水蒸気−燃料混合ガスは、例えば圧力
比を７とすると、２ｋｇ／ｃｍ²ａｂから１４ｋｇ／ｃ
ｍ²ａｂまで断熱圧縮されてガス温度も上昇することに
なるが、予燃焼室５の酸素−水素混合ガスは、６．４ｋ
ｇ／ｃｍ²ａｂ弱（例えば平均５ｋｇ／ｃｍ²ａｂ）で
吸引されているため、１４／５＝２．８の圧力比とな
り、予燃焼室５の圧力比よりも小さな圧力比での断熱圧
縮となり、圧縮によるガス温度の上昇が抑制されて爆発
が防止されることになる。

【００２３】この後、圧縮工程の終了直前にスパークプ
ラグ７が点火されることによって、予燃焼室５の酸素−
水素混合ガス（Ｏ₂、Ｎ₂、Ｈ₂、Ｈ₂Ｏ）が燃焼しな
がら貫通孔６を介して主燃焼室４に流入することにな
る。これにより、主燃焼室４のガス温度がさらに上昇す
ることによって、水−燃料混合ガスが改質反応を起こす
ことになる。即ち、膨張工程の初期時に水−燃料混合ガ
スが改質反応を開始し、膨張仕事をしながら改質反応を
終了するようになっている。また、上記の膨張工程時に
おいては、図１のプラズマ電極３０により燃焼プラズマ
が生成されており、この燃焼プラズマがガス活性の不足
を補うことによって、改質反応が良好なものになってい
る。

【００２４】上記の膨張工程が終了すると、生成された
改質ガスを排出する排気工程が開始されることになる。
そして、予燃焼室５から改質ガスを２ｋｇ／ｃｍ²ａｂ
で排気すると、次の吸気工程が開始されることになり、
常に改質ガスの一部を残留させながら改質反応が繰り返
されることによって、改質ガスが生成されることにな
る。

【００２５】上記の改質器１において生成された改質ガ
スは、図１に示すように、改質ガス供給系３６に排出さ
れることになる。改質ガス供給系３６の改質ガスは、高
温ＣＯ反応器３８および低温ＣＯ反応器３９によって、
改質ガス中のＣＯがＣＯ₂とＨ₂にされた後、気水分離
器４０により気水分離されることになる。場合によって
は、ＣＯ₂除去装置４１によりＣＯ₂が除去されること
によって、高濃度の水素富化ガスとされた後、燃料電池
２の燃料極２ａに送出されることになる。そして、燃料
電池２に供給された水素富化ガスは、酸素富化空気供給
系３４から燃料電池２に供給されている酸素富化空気と
共に燃料電池２の発電に使用されることになる。

【００２６】燃料電池２から排出された水素富化ガスの
排ガスは、Ｈ₂−ＰＳＡ装置２１に送出され、一部がＨ
₂循環ガスとして改質器１に供給されることになる。残
りのガスは、燃料電池２から排出された酸素富化空気の
排ガスと共に燃焼器４２で燃焼され、燃焼ガスがタービ
ン２２を回転させて発電機２７を作動させることにな
る。この後、気水分離器２３により気体分が排気塔２４
から排出される一方、水が水蒸気分離器１７に送出され
て改質器１等に供給される水蒸気に再使用されることに
なる。

【００２７】〔実施例２〕次に、本発明の他の実施例を
図３ないし図４を用いて説明する。尚、実施例１と同一
の部材には同一の符号を付記してその説明を省略する。

【００２８】本実施例にかかる燃料電池発電システム
は、図３に示すように、酸素富化空気と水蒸気と燃料ガ
スとを旋回させながら燃焼プラズマの存在下で燃焼させ
るガスタービン式の改質器５１を有している。この改質
器５１は、図４に示すように、中空筒形状に形成された
外壁体５４と、外壁体５４の内部に中空筒形状に形成さ
れた内壁体５５とを有している。内壁体５５は、帯板を
環状に形成した複数のライナ５５ｃ…の集合体からなっ
ており、各ライナ５５ｃ・５５ｃ間の接続部が内壁体５
５の外側と内側とを連通させるように開口されている。
そして、外壁体５４および内壁体５５は、両軸芯が一致
するように配置されており、外壁体５４および内壁体５
５の両端には、供給口５４ａ・５５ａおよび排出口５４
ｂ・５５ｂがそれぞれ形成されている。

【００２９】上記の外壁体５４の供給口５４ａには、第
１外壁配管６０ａが接合されている。第１外壁配管６０
ａ内には、内壁体５５の供給口５５ａに接合された内壁
配管５６が内挿されている。そして、第１外壁配管６０
ａおよび内壁配管５６間には、図３の水蒸気分離器１７
から水蒸気が供給されるようになっており、この水蒸気
は、外壁体５４と内壁体５５とで形成された空間部を流
動しながら内壁体５５を冷却するようになっていると共
に、一部が内壁体５５内に進入して改質ガスの生成に使
用されるようになっている。

【００３０】また、内壁配管５６内には、主燃料ノズル
５７が内挿されており、内壁配管５６および主燃料ノズ
ル５７間には、酸素富化空気と水蒸気との混合ガス（以
下、酸素蒸気混合ガスと称する）が供給されるようにな
っている。また、内壁配管５６および主燃料ノズル５７
間の出口側には、スワーラ５９が設けられており、スワ
ーラ５９は、上記の酸素蒸気混合ガスを旋回噴流させて
内壁体５５内に導入させるようになっている。さらに、
主燃料ノズル５７内には、アノード電極５８が内挿され
ており、主燃料ノズル５７およびアノード電極５８間に
は、燃料ガスと水蒸気との混合ガス（以下、燃料蒸気混
合ガスと称する）が供給されるようになっている。

【００３１】一方、外壁体５４の排出口５４ｂには、第
２外壁配管６０ｂが接合されている。第２外壁配管６０
ｂ内には、改質ガス配管６２が内挿されており、第２外
壁配管６０ｂおよび改質ガス配管６２間の空間部には、
上述の内壁体５５の冷却に使用された水蒸気が流動する
ようになっている。また、第２外壁配管６０ｂおよび改
質ガス配管６２には、冷却水が流動される冷却水配管６
３および燃料ガス配管６４が貫設されており、冷却水配
管６３および燃料ガス配管６４は、内壁体５５内に配設
された副燃料ノズル６５に接続されている。この副燃料
ノズル６５は、アノード電極５８に対する対向面にカソ
ード電極６６を有しており、カソード電極６６は、アノ
ード電極５８とで内壁体５５内に燃焼プラズマを生成さ
せるようになっている。カソードとアノードは、場合に
よっては逆転させることもあり得る。

【００３２】上記の改質器５１に供給される酸素蒸気混
合ガスは、図３に示すように、発電機２８を作動させる
第２タービン５３を介して供給されるようになってお
り、この酸素蒸気混合ガスは、酸素富化空気供給系３４
と水蒸気供給系３３とを合流させることにより生成され
ている。また、改質器５１に供給される燃料蒸気混合ガ
スは、燃料ガス供給系３２と水蒸気供給系３３とを合流
させることにより生成されており、改質器５１により生
成された改質ガスは、上記の第２タービン５３に直列接
続された第１タービン５２に送出された後、改質ガス供
給系３６を介して燃料電池２・２の燃料極２ａ・２ａに
供給されるようになっている。その他の構成は、実施例
１と同一であるため、その説明を省略する。

【００３３】上記の構成において、燃料電池発電システ
ムの動作について説明する。

【００３４】燃料ガス供給系３２、水蒸気供給系３３、
酸素富化空気供給系３４から改質器５１に対して燃料蒸
気混合ガスおよび酸素蒸気混合ガスが供給されると、こ
れらのガスは、図４に示すように、内壁体５５の供給口
５５ａ側から内壁体５５内に導入されることになる。内
壁体５５内に導入されたガスは、主燃料ノズル５７側に
逆流して旋回流となり、旋回流の存在する主燃焼領域Ａ
・Ａにおいて混合され、流速の遅い部分の保炎機能によ
り高温で燃焼されることになる。尚、主燃焼領域Ａ・Ａ
には、当量比が１前後となるように、燃料ガスと酸素富
化空気と水蒸気とが供給されている必要がある。この燃
料ガスは、燃料電池排ガスのＨ₂を分離してその一部を
導入することもＣＨ₄とＨ₂の混合ガスとすることもで
きる。

【００３５】また、燃料蒸気混合ガスの一部は、燃料ガ
ス配管６４を介して副燃料ノズル６５から主燃焼領域Ａ
・Ａ方向に大きな渦を形成するように噴出されている。
そして、この燃料蒸気混合ガスは、主燃焼領域Ａ・Ａで
高温となった高い活性のガスと混合されることになり、
主燃焼領域Ａ・Ａにおいて改質反応を生じさせて改質ガ
スを生成させることになる。この際、内壁体５５内に
は、アノード電極５８およびカソード電極６６により燃
焼プラズマが生成されており、燃焼プラズマは、改質反
応の吸熱による活性の低下を防止するようになっている
と共に、主燃焼領域Ａ・Ａをさらに昇温させるようにな
っている。従って、主燃焼領域Ａ・Ａにおいて改質反応
が良好に継続されることによって、改質ガスが連続的に
生成されながら内壁体５５内から改質ガス配管６２に排
出されることになる。副燃料ノズルにも、Ｈ₂ガスが混
合されることもあり得る。

【００３６】上記の改質ガスは、図３に示すように、第
１タービン５２に送出され、第１タービン５２を介して
発電機２８を作動させた後、改質ガス供給系３６に送出
されることになる。そして、改質ガス供給系３６に送出
された改質ガスは、高温ＣＯ反応器３８やＣＯ₂除去装
置４１等により高濃度の水素富化空気とされた後、燃料
電池２の燃料極２ａに送出され、空気分離装置３により
生成された酸素富化空気と共に燃料電池２の発電に使用
されることになる。この後、改質ガスおよび酸素富化空
気が燃料電池２の発電に使用されて排出されると、これ
らの排出ガスは、燃焼器４２により燃焼されて発電機２
７の発電に利用された後、気水分離器２３により水が回
収されて再使用されることになる。その他の動作は、実
施例１と同一であるため、その説明を省略する。

【００３７】以上のように、本実施例１・２において説
明した燃料電池発電システムは、酸素富化空気を生成す
る空気分離装置と、上記酸素富化空気を用いて水蒸気と
燃料ガスとを燃焼プラズマの存在下で燃焼させて改質反
応させることにより改質ガスを生成する改質器と、上記
改質ガスと上記酸素富化空気とを用いて発電する燃料電
池とを有した構成になっている。燃料電池排ガス中のＨ
₂を分離して、改質器で燃焼させることもある。

【００３８】上記の構成によれば、水蒸気と燃料ガスと
の改質反応により改質ガスを生成するスチームリホーミ
ング反応は、ガス相では反応速度が触媒使用時と比較し
て低いため、より高温度にして反応を活性化させること
が必要になるが、燃焼プラズマの存在下で改質反応させ
ると、燃焼プラズマが触媒と同等以上の反応活性作用を
生じさせるため、極めて高温度にしなくても反応速度を
高めることが可能になっている。また、酸素富化空気を
改質反応に使用することによって、改質ガス中のＮ₂濃
度を減少させ、Ｈ₂やＣＯの濃度を高めることが可能に
なっていると共に、空気流量軽減により圧縮動力が減少
すると共にガス温度の上昇時に熱容量軽減により温度上
昇させ易くなっている。

【００３９】これにより、燃焼プラズマと酸素富化空気
とを併用することにより無触媒の部分燃焼法による改質
反応が可能となり、改質中に必要となる高温および高圧
のガス（高エクセルギー）を動力として使用することが
できることから、触媒方式よりも耐久性に優れた改質器
により燃料電池発電システムの稼働率を向上させること
が可能になっていると共に、燃料電池発電システムの総
合発電効率を向上させることが可能になっている。

【００４０】また、本実施例１・２の燃料電池発電シス
テムに用いられている改質器は、部分燃焼による改質反
応が可能となっているため、触媒方式の改質器において
必要な触媒粒子の充填槽や間接熱交換の構成が不要とな
り、反応室の容積を極めて小さくすることが可能になっ
ている。また、エンジンの一部に改質炉として組み込む
ことも可能になっている。

【００４１】尚、本実施例１・２における空気分離装置
３には、図５に示すように、空気から窒素を吸収する吸
着材７９を収容した吸着室７０と、第１ピストン７６に
より容積が増減されるシリンダ室７５との間に、第１ピ
ストン７６によりシリンダ室７５が所定の圧力以上に昇
圧したときに開栓するダブルアクション弁７２が設けら
れた構成の以下のレシプロケージングガスセパレータが
用いられていることが望ましい。そして、この場合に
は、改質器１・５１および燃料電池２に供給される酸素
富化空気を安価に作成することができるため、燃料電池
発電システムの発電コストを低減させることが可能にな
る。

【００４２】

【発明の効果】本発明は、以上のように、酸素富化空気
を生成する空気分離装置と、上記酸素富化空気を用いて
水蒸気と燃料ガスとを燃焼プラズマの存在下で燃焼させ
て改質反応させることにより改質ガスを生成する改質器
と、上記改質ガスと上記酸素富化空気とを用いて発電す
る燃料電池とを有する構成である。

【００４３】これにより、燃焼プラズマと酸素富化空気
とを併用することにより無触媒の部分燃焼法による改質
反応が可能となり、改質中に必要となる高温および高圧
のガス（高エクセルギー）を動力として使用することが
できることから、触媒方式よりも耐久性に優れた改質器
により燃料電池発電システムの稼働率を向上させること
が可能であると共に、燃料電池発電システムの総合発電
効率を向上させることが可能であるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電システムの構成図であ
る。

【図２】改質器の動作状態を示す説明図である。

【図３】本発明の燃料電池発電システムの構成図であ
る。

【図４】改質器の動作状態を示す説明図である。

【図５】空気分離装置の概略構成図である。

【図６】従来の燃料電池発電システムの構成図である。

【図７】改質器の動作状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１改質器２燃料電池３空気分離装置４主燃焼室５予燃焼室１１ピストン１７水蒸気分離器３０プラズマ電極３２燃料ガス供給系３３水蒸気供給系３４酸素富化空気供給系３５循環ガス供給系３６改質ガス供給系５１改質器５４外壁体５５内壁体５６内壁配管５７主燃料ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森西義章兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者山下紀久夫兵庫県神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号株式会社神戸製鋼所神戸本社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素富化空気を生成する空気分離装置
と、上記酸素富化空気を用いて水蒸気と燃料ガスとを燃焼プ
ラズマの存在下で燃焼させて改質反応させることにより
改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスと上記酸素富化空気とを用いて発電する燃
料電池とを有することを特徴とする燃料電池発電システ
ム。
【請求項２】上記改質器は、酸素富化空気と水蒸気と
燃料ガスとを吸気する吸気工程と、これらガスを圧縮す
る圧縮工程と、これらガスを燃焼プラズマの存在下で燃
焼させる膨張工程と、燃焼による改質反応により生成さ
れた改質ガスを排出する排気工程とをこの順に連続的に
繰り返すガスエンジンからなってい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。
【請求項３】上記改質器は、酸素富化空気と水蒸気と
燃料ガスとを旋回させながら燃焼プラズマの存在下で燃
焼させるガスタービンからなってい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。