WO2012032744A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2012032744A1
WO2012032744A1 PCT/JP2011/004909 JP2011004909W WO2012032744A1 WO 2012032744 A1 WO2012032744 A1 WO 2012032744A1 JP 2011004909 W JP2011004909 W JP 2011004909W WO 2012032744 A1 WO2012032744 A1 WO 2012032744A1
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fuel cell
gas
carbon monoxide
cell system
air
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PCT/JP2011/004909
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Inventor
龍井　洋
田口　清
佐野　秀治
Original Assignee
パナソニック株式会社
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    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system for generating power by supplying fuel gas generated by reforming a hydrocarbon-based raw material to a fuel cell.
  • a fuel cell supplies hydrogen or a hydrogen-rich gas to one of the electrodes that sandwich the electrolyte (hereinafter, the one that supplies the hydrogen-rich gas is referred to as the anode side), and supplies an oxidant gas such as oxygen-containing air to the other. (Hereinafter, the direction of supplying the oxidant gas is referred to as the cathode side), and power is generated by an electrochemical reaction.
  • a fuel cell system uses a hydrocarbon-based raw material gas such as natural gas or LPG, or a liquid such as methanol or kerosene.
  • a hydrogen generator having a reforming section for reforming by introducing a hydrocarbon-based raw material together with steam is generally used.
  • the fuel cell has a catalyst in the electrode in order to promote the electrochemical reaction, and this catalyst is often poisoned by carbon monoxide and has a property of reducing performance.
  • the hydrogen generator further includes a carbon monoxide reducing section for reducing the carbon monoxide concentration in the fuel gas after reforming the hydrocarbon-based raw material in the reforming section to generate the fuel gas. What you have is common.
  • a shift unit having a shift catalyst for reducing carbon monoxide in the gas generated in the reforming unit by a water gas shift reaction, and a fuel gas sent from the shift unit Some have a selective oxidation section having a selective oxidation catalyst that sequentially oxidizes carbon monoxide with oxygen in air supplied separately.
  • the hydrogen generator is provided with a combustion section that burns combustion gas and heats the reforming section.
  • the combustion gas is a gas that is used for combustion in the combustion section, and is not used for power generation in a raw material gas (vaporized in the case of a liquid hydrocarbon-based raw material) or fuel gas, and further in a fuel cell.
  • a gas containing hydrogen hereinafter referred to as off-gas.
  • a combustion air path for introducing combustion air is connected to the combustion section. Depending on the flow rate of the combustion gas by a blower such as a combustion air fan, etc. Air is supplied to the combustion section.
  • the hydrocarbon raw material and water are introduced into the reforming section, and the combustion gas is burned in the combustion section to be heated to about 700 ° C. Heat required for a certain reforming reaction is supplied to advance the reforming reaction. Since about 10% of carbon monoxide is generated at this time, the carbon monoxide concentration is reduced in the downstream carbon monoxide reduction unit.
  • the catalyst temperature is first controlled at about 200 ° C to 300 ° C in the transformation section, and the water gas shift reaction proceeds while accompanied by an exothermic reaction, and the carbon monoxide concentration is reduced to about 0.5% or less. Let Furthermore, in the selective oxidation part, the catalyst temperature is controlled to about 100 ° C.
  • a hydrogen-containing gas having a hydrogen concentration of about 70% to 75% is obtained at the outlet of the hydrogen generator, and this is supplied as fuel gas to the anode side of the fuel cell.
  • air is supplied to the cathode side of the fuel cell as an oxidant gas by a blower such as an air blower (hereinafter referred to as cathode air as appropriate).
  • a blower such as an air blower (hereinafter referred to as cathode air as appropriate).
  • the fuel cell system is small in size and excellent in installability, uses few devices, has a simplified configuration, and is reduced in cost. Therefore, the hydrogen generator installed in the fuel cell system is compact in size, low cost, high reforming efficiency, easy operation and control, high durability, etc. It is important from the viewpoint of improving the installation property and reducing the cost by downsizing the fuel cell system. From these viewpoints, a reforming system in which a reforming unit, a heating unit, and a carbon monoxide reduction unit are integrated in a compact manner has been developed (see, for example, Patent Document 1 or Patent Document 2).
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of a conventional hydrogen generator described in Patent Document 1.
  • the hydrogen generator 100 forms a flow path concentrically around the combustion section 100e that heats the reforming section 100a, and provides a folded portion at both ends to communicate the flow path.
  • the reforming section 100a filled with the reforming catalyst, the shift section 100b filled with the shift catalyst, and the selective oxidation section 100c filled with the selective oxidation catalyst are provided in this order from the inside.
  • the hydrogen generator 100 includes a combustion gas path 101 for supplying combustion gas to the combustion section 100e, a combustion air path 103 for supplying combustion air to the combustion section 100e by a combustion air fan 102, and a shift section 100b.
  • the selective oxidation air path 104 for supplying the selective oxidation air for performing the oxidation reaction with the selective oxidation catalyst to the upstream side of the selective oxidation unit 100c, and the raw material and water on the upstream side of the reforming unit 100a
  • a raw material introduction path 105 for supply is provided.
  • a fuel gas outlet 106 from which the fuel gas whose carbon monoxide concentration has been reduced by the selective oxidation unit 100c is discharged.
  • a fuel cell is connected.
  • an external reformer having a reforming section through which fuel gas passes, and a fuel cell stack having a power generation cell section to which the reformed fuel gas is supplied through the reforming section of the external reformer
  • the external reformer is provided with an air heat exchanging section that introduces air from an air supply source and exchanges heat with the reforming section to flow to the fuel cell stack side.
  • the stack is provided with an exhaust combustion section in which unburned fuel gas that has not been used for power generation in the power generation cell section is mixed with new air from an air supply source so as to substantially completely burn the stack.
  • the overall heat balance is lost and the temperature of each reaction section
  • the temperature may deviate from a temperature suitable for performing hydrogenation, and the function as a hydrogen generator may not be maintained.
  • the raw material and water supplied to the hydrogen generator to generate fuel gas containing the amount of hydrogen necessary for the fuel cell to generate electricity.
  • the gas composition in the fuel gas produced by the hydrogen generator changes, so that the temperature of each reaction section that is in thermal balance in each reaction section of the hydrogen generator changes or heat balance occurs. Therefore, there has been a problem that a structural design for adjusting the heat transfer amount of the structure constituting the reforming section and the carbon monoxide reduction section is required for each type of raw material.
  • a device for maintaining the thermal balance such as a separate cooling fan for cooling the carbon monoxide reduction unit, is provided to maintain the thermal balance of the hydrogen generator. If it adds to, the subject that a fuel cell system will enlarge and cost will newly generate
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and does not lead to an increase in the size and cost of the fuel cell system, and also reduces carbon monoxide without impairing efficient fuel gas generation in the hydrogen generator.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of maintaining the vessel at a predetermined temperature and easily controlling the heat balance of the hydrogen generator.
  • a fuel cell system includes a fuel cell including a fuel gas channel that supplies fuel gas to the anode and an oxidant gas channel that supplies oxidant gas to the cathode; A combustor that combusts at least one of the fuel gas and air and discharges combustion exhaust gas, and is heated by heat of the combustion exhaust gas, and generates a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction between water and the raw material.
  • a hydrogen generator comprising: a reformer that is heated by at least heat of the reformed gas, and a carbon monoxide reducer that reduces the carbon monoxide in the reformed gas to generate the fuel gas; An air supply for supplying air to the oxidant gas flow path of the fuel cell through an air path; and one of the air branched from the air path and supplied from the carbon monoxide reducer and the air supply Heat exchange with Disposed on an outer periphery of the carbon monoxide reducer to include, the oxidant gas flow path, the combustor, and a cooling air path communicating to at least one of the carbon monoxide reducer.
  • the air flowing through the cooling air path can cool the carbon monoxide reducer without adding a new device to the fuel cell system, so that the temperature of the carbon monoxide reducer can be determined relatively easily. Can be designed to keep the temperature at.
  • the temperature of the carbon monoxide reducer is maintained at a predetermined temperature without adding a new device to the fuel cell system and increasing the cost or increasing the size of the fuel cell system.
  • the heat balance of the hydrogen generator can be easily controlled.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the hydrogen generator of the fuel cell system shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a hydrogen generator mounted in the fuel cell system of the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the hydrogen generator of the fuel cell system shown in FIG.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of a conventional hydrogen generator described in Patent Document 1.
  • a fuel cell system includes a fuel cell including a fuel gas channel that supplies fuel gas to the anode and an oxidant gas channel that supplies oxidant gas to the cathode, and a raw material and fuel gas.
  • a combustor that combusts at least one of them and air and discharges combustion exhaust gas; and a reformer that is heated by the heat of the combustion exhaust gas and generates reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction between water and a raw material.
  • a hydrogen generator comprising: a carbon monoxide reducer that is heated by at least heat of the reformed gas to reduce carbon monoxide in the reformed gas to generate fuel gas; and an oxidant gas flow path of the fuel cell
  • An air supply device that supplies air through an air path, and a carbon monoxide reducer that branches from the air path and causes the carbon monoxide reducer and a part of the air supplied from the air supply device to exchange heat.
  • a combustor Placed on the outer periphery of the oxidant gas flow , A combustor, and are intended to illustrate the cooling air path communicating to at least one of carbon monoxide reducer, the embodiment comprises a.
  • the carbon monoxide reducer is a transformer for reducing carbon monoxide in the reformed gas by a water gas shift reaction, a metallation device for reducing by a metalation reaction, and a carbon monoxide remover for reducing by an oxidation reaction. It is sufficient that at least one of the devices is provided.
  • exchanging heat means exchanging sensible heat
  • the fuel cell system according to Embodiment 1 further includes a heat insulating material arranged so as to cover the outer periphery of the carbon monoxide reducer, and the cooling air path includes the outer periphery of the carbon monoxide reducer, the heat insulating material, and It may be arranged between.
  • the cooling air path may be arranged so as to be in contact with the outer periphery of the carbon monoxide reducer.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a solid line connecting the components constituting the fuel cell system indicates a path through which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow.
  • the arrows on the solid lines indicate the direction in which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow during normal operation.
  • the broken line which connects between each component has shown the input and output of the control signal.
  • FIG. 1 shows only main components necessary for explaining the present invention, and the other components are not shown.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 as a main body of the power generation unit.
  • a fuel cell 2 As the fuel cell 2, a solid polymer fuel cell is used in the present embodiment.
  • various fuel cells such as a phosphoric acid fuel cell may be used.
  • the fuel cell 2 is a fuel gas containing abundant hydrogen that is discharged from a hydrogen generator 3 to be described later and supplied to an anode channel (fuel gas channel) 2a in the fuel cell 2, and an air supply unit to be described later.
  • oxidant gas usually air
  • the cathode flow path (oxidant gas flow path) 2b in the fuel cell 2 by the air blower 17 electric power is generated so as to output predetermined power.
  • heat generated when the fuel cell 2 generates electricity is recovered by cooling water supplied to a cooling water flow path (not shown) in the fuel cell 2 and discharged outside the fuel cell 2. Is done.
  • the detailed description of the internal configuration of the fuel cell 2 is omitted here because the internal configuration of the fuel cell 2 and the internal configuration of a general polymer electrolyte fuel cell are the same.
  • the fuel cell system 1 includes a hydrogen generator 3 for generating a fuel gas containing abundant hydrogen in the fuel cell 2.
  • the detailed structure of the hydrogen generator 3 will be described later, and the description here will mainly describe the schematic configuration within the hydrogen generator 3.
  • the hydrogen generator 3 in this embodiment includes at least a reformer 3a.
  • the reformer 3a advances a steam reforming reaction by supplying a raw material gas containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen and steam into a packed bed of a reforming catalyst heated to a predetermined temperature.
  • a reformed gas containing abundant hydrogen is generated from the raw material gas.
  • a gaseous hydrocarbon-based raw material gas such as natural gas or LPG is used.
  • liquid hydrocarbon raw materials such as methanol and kerosene may be used.
  • the raw material gas includes not only a gaseous hydrocarbon raw material gas but also a gas obtained by vaporizing a liquid hydrocarbon raw material.
  • Source gases such as natural gas and LPG contain sulfur compounds added as odorants, but they are desulfurization sections (upstream from the source gas supply path 5 connected to the hydrogen generator 3) ( It is removed when passing through (not shown), and the hydrocarbon-based raw material gas after desulfurization is supplied to the hydrogen generator 3.
  • water vapor is supplied to the reformer 3a by supplying water to a water evaporation unit 3d (described later) provided on the raw material gas supply path 5 in the hydrogen generator 3, and evaporating the water to supply the raw material gas and This is done by mixing.
  • a water evaporation unit 3d (described later) provided on the raw material gas supply path 5 in the hydrogen generator 3, and evaporating the water to supply the raw material gas and This is done by mixing.
  • the hydrogen generator 3 further includes a transformer 3b for reducing carbon monoxide in the reformed gas discharged from the reformer 3a downstream from the reformer 3a, and a discharge from the transformer 3b.
  • a selective oxidizer 3c for further reducing carbon monoxide in the fuel gas is sequentially connected.
  • the transformer 3b and the selective oxidizer 3c correspond to a carbon monoxide reducer.
  • the reformer 3b is connected to the reformer 3a through a path in the hydrogen generator 3, and the reformed gas generated by the reformer 3a is introduced into the packed bed of the shift catalyst of the shifter 3b.
  • the reformed gas generated by the reformer 3a contains carbon monoxide and carbon dioxide in addition to hydrogen, and also water vapor that has not been used for the reforming reaction.
  • the concentration of carbon monoxide in the fuel gas supplied from the reformer 3a is reduced by advancing a water gas shift reaction that generates carbon dioxide and hydrogen from the carbon monoxide and water vapor in the reformed gas.
  • the selective oxidizer 3c is connected to the transformer 3b through a path in the hydrogen generator 3.
  • the reformed gas whose carbon monoxide concentration is reduced by the transformer 3b is a packed bed of the selective oxidation catalyst of the selective oxidizer 3c.
  • a gas containing oxygen that is, generally air (hereinafter referred to as selective oxidation air) is supplied to the selective oxidizer 3 c via the selective oxidation air path 8.
  • selective oxidation air a gas containing oxygen, that is, generally air (hereinafter referred to as selective oxidation air) is supplied to the selective oxidizer 3 c via the selective oxidation air path 8.
  • the carbon monoxide in the fuel gas remaining in the transformer 3b is oxidized with oxygen in the selective oxidation air to form carbon dioxide, and the carbon monoxide concentration in the fuel gas is reduced to about 10 ppm or less. .
  • a selective oxidized air fan (not shown) capable of supplying a predetermined amount may be provided separately, and the air supplied from the air blower 17 and the combustion air fan 9 described later.
  • a predetermined amount of the selective oxidation air may be supplied to the selective oxidizer 3c.
  • the raw material gas supply path 5 in the hydrogen generator 3 includes a water evaporating unit 3d that evaporates water to generate water vapor.
  • the heat for evaporating water in the water evaporating section 3d includes reaction heat of the water gas shift reaction and selective oxidation reaction in the transformer 3b and the selective oxidizer 3c which are exothermic reactions, and a combustor 3e which is a combustion section which will be described later.
  • the heat of combustion exhaust gas generated by the combustion of this fuel gas is used.
  • Water is supplied from the reformed water tank 7 to the water evaporation unit 3d by the reforming water supply pump 6, vaporized by the water evaporation unit 3d to generate water vapor, mixed with the raw material gas, and supplied to the reformer 3a Is done.
  • the hydrogen generator 3 includes a combustor 3e that combusts a combustion gas in order to supply reaction heat necessary for the reforming reaction that is an endothermic reaction to the reformer 3a.
  • the combustor 3e includes, as a combustion gas, a gas containing hydrogen that has not been used for power generation in the fuel cell 2 (hereinafter referred to as off-gas), a fuel gas generated by the hydrogen generator 3, and a raw material gas supply device 4. At least one of the source gases supplied by the above is burned.
  • a combustion air fan 9 for supplying air necessary for combustion of combustion gas in the combustor 3e (hereinafter referred to as combustion air) is connected to the combustor 3e via a combustion air path 10. ing.
  • the fuel cell system 1 includes a raw material gas supply device 4.
  • This source gas supply device 4 is a booster pump that boosts the source gas supplied from the infrastructure such as natural gas during the power generation operation of the fuel cell system 1, and the like via the above-described source gas supply path 5. A predetermined amount of source gas is supplied to the reformer 3a.
  • the fuel cell 2 and the hydrogen generator 3 are connected at one end to the selective oxidizer 3 c of the hydrogen generator 3 in order to supply the fuel gas generated by the hydrogen generator 3 to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2.
  • the other end of the fuel cell 2 is connected to the fuel gas path 11 connected to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2.
  • the anode flow path 2a of the fuel cell 2 and the combustor 3e are connected by an off-gas path 12 having one end connected to the anode flow path 2a of the fuel cell 2 and the other end connected to the combustor 3e.
  • the fuel gas path 11 is branched into a bypass path 13 on the way, and is connected so as to merge with the middle of the offgas path 12.
  • a fuel inlet valve 14 is located closer to the fuel cell 2 than the branch point of the fuel gas path 11 with the bypass path 13, and a fuel outlet valve is located closer to the fuel cell 2 than the junction with the bypass path 13 of the offgas path 12.
  • 15 and a bypass valve 16 are provided in the bypass path 13, respectively, and are arranged so as to be arbitrarily opened or closed by a controller 22 described later.
  • the fuel inlet valve 14, the fuel outlet valve 15 and the bypass valve 16 are electromagnetic valves that can be arbitrarily switched between open and closed by the controller 22, so that the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 are closed.
  • bypass valve 16 If the bypass valve 16 is opened, the gas supplied from the selective oxidizer 3c can be supplied directly to the combustor 3e without going through the fuel cell 2, and conversely, the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 Is opened and the bypass valve 16 is closed, the fuel gas generated by the hydrogen generator 3 can be supplied to the fuel cell 2.
  • the fuel cell system 1 includes an air blower (air supply device) 17 as air supply means.
  • the air blower 17 supplies air (hereinafter referred to as cathode air) as an oxidant gas to the cathode flow path 2 b of the fuel cell 2 through a cathode air path (air path) 18.
  • the air blower 17 can adjust the amount of air supplied to the cathode air path 18 by controlling the rotation speed by a controller 22 described later.
  • An air inlet valve 20 that is an on-off valve is provided on the fuel cell 2 side of the cathode air passage 18 as a cathode air supply blocking means.
  • the air inlet valve 20 is opened or closed by a controller 22 described later. Is arbitrarily changed.
  • the cathode air passage 18 is branched from the cooling air passage 19 at a branch point X on the upstream side of the air inlet valve 20.
  • the cooling air path 19 is configured such that a part of the air supplied by the air blower 17 flows through the outside of the structure constituting the transformer 3b and the selective oxidizer 3c of the hydrogen generator 3. Yes.
  • the cooling air path 36 is configured to merge with the cathode air path 18 again at the junction Y after passing through the outside of the structure constituting the transformer 3b and the selective oxidizer 3c.
  • the air supplied by the air blower 17 is adjusted so as to be branched into the fuel cell 2 and the cooling air path 19 at a predetermined ratio by adjusting and designing a fixed orifice 19 a provided in the cooling air path 19.
  • cathode exhaust air air containing oxygen that has not been used for power generation
  • the fuel cell system 1 includes a controller 22.
  • the controller 22 appropriately controls the operation of each component (for example, the raw material gas supply device 4 and the combustion air fan 9) constituting the fuel cell system 1.
  • the controller 22 includes, for example, a storage unit, a timer unit, a central processing unit (CPU), and the like, although not particularly shown in FIG.
  • a program related to the operation of each component of the fuel cell system 1 is stored in advance in the storage unit of the controller 22, and the controller 22 operates the fuel cell system 1 based on the program stored in the storage unit. Is appropriately controlled.
  • the heat discharged from the fuel cell 2 through the cooling water, the heat of the combustion exhaust gas, the heat of the cathode exhaust air, etc. are relatively supplied from the hot water storage tank that circulates through the exhaust heat recovery path. Heat is exchanged with cold water and a heat exchanger. Accordingly, the relatively low temperature water supplied from the hot water storage tank is heated and returned to the hot water storage tank as relatively high temperature water, and hot water is stored in the hot water storage tank.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the hydrogen generator of the fuel cell system shown in FIG.
  • a first cylinder 23, a second cylinder 24, a third cylinder 25, and a fourth cylinder 26 corresponding to a casing are arranged concentrically in order from the inside.
  • a combustion exhaust gas flow path 27 is configured in the space between the first cylindrical body 23 and the second cylindrical body 24, and the first annular ring is formed in the space between the second cylindrical body 24 and the third cylindrical body 25.
  • a gas flow path 28 is formed, and an annular second gas flow path 29 is formed in the space between the third cylindrical body 25 and the fourth cylindrical body 26.
  • a combustor 3e In the internal space of the first cylindrical body 23, there are a combustor 3e, an off-gas passage 12 for supplying combustion gas to the combustor 3e, a combustion air passage 10 for supplying combustion air, and a combustion chamber 30. Is provided.
  • the combustion chamber 30 and the combustion exhaust gas flow path 27 communicate with each other via an exhaust turn-back portion 31 in the vicinity of the lower part of the hydrogen generator 3. Further, the first gas flow path 28 and the second gas flow path 29 are communicated with each other through the raw material folding portion 32 in the vicinity of the lower portion of the hydrogen generator 3.
  • the raw material gas supply path 5 is connected to the upstream side of the first gas flow path 28, from which hydrocarbon-based raw material gas and water, which are raw materials for the steam reforming reaction in the reformer 3a, are supplied. Supplied.
  • a flow path defining member 33 is spirally installed in the space upstream of the first gas flow path 28, and the second cylindrical body 24 and the third cylindrical body 25 are arranged along the flow path defining member 33. A spiral space is formed between them.
  • hydrogen is generated by the hydrogen generator 3
  • water and source gas are supplied from the source gas supply path 5, and evaporate while water flows through the spiral space to change phase with water vapor. However, it is mixed with the raw material gas.
  • This spiral space is referred to as a water evaporation section 3d.
  • the first gas flow path 28 is provided with a reformer 3a filled with a reforming catalyst.
  • a reforming catalyst a spherical catalyst in which metal ruthenium is supported on an alumina support may be used, a nickel catalyst, a platinum-based catalyst, a platinum group catalyst such as rhodium, or the like may be used. You may use the thing of a shape.
  • the second gas flow path 29 is provided with a shifter 3b filled with a shift catalyst and a selective oxidizer 3c charged with a selective oxidation catalyst.
  • the shifter 3b and the selective oxidizer 3c are connected to the reformer 3a.
  • the carbon monoxide reducer which reduces the carbon monoxide in the fuel gas discharged
  • a spherical platinum-based catalyst may be used, or a copper / zinc-based catalyst mainly composed of copper may be used. Further, a ruthenium-based spherical catalyst may be used as the selective oxidation catalyst, and a platinum-based catalyst or the like can be selected according to the purpose. Further, the shape of the shift catalyst and the selective oxidation catalyst is not limited to a spherical shape.
  • a selective oxidation air path 8 for supplying air for oxidizing carbon monoxide with a selective oxidation catalyst is connected to the upstream side of the selective oxidizer 3c.
  • the carbon monoxide reducer is configured by the transformer 3b and the selective oxidizer 3c.
  • the carbon monoxide reducer may be composed of at least one device among the transformer 3b, the selective oxidizer 3c, and the methanation device having the methanation catalyst.
  • a fuel gas path 11 through which the generated fuel gas is discharged is connected to the downstream side of the selective oxidizer 3 c of the second gas flow path 29, and the hydrogen generator 3 and the fuel are connected via the fuel gas path 11.
  • the battery 2 is connected.
  • a cooling air path 19 branched from the cathode air path 18 is disposed along the outer periphery of the fourth cylindrical body 26 outside the transformer 3b and the selective oxidizer 3c.
  • the cooling air path 19 is configured such that a part of the cathode air supplied from the air blower 17 flows by a predetermined amount through the fixed orifice 19a.
  • the cooling air path 19 is formed so as to merge in a path downstream of the branch point X of the cathode air path 18. As a result, the air flowing through the cooling air path 19 cools the transformer 3b and the selective oxidizer 3c, and then merges with the cathode air path 18 to be supplied to the cathode flow path 2b of the fuel cell 2 (FIG. 1).
  • the hydrogen generator 3 is provided with a heat insulating material 34 so as to cover the entire hydrogen generator 3 (fourth cylindrical body 26).
  • the cooling air path 19 is disposed between the outer periphery of the portion of the fourth cylindrical body 26 where the transformer 3b and the selective oxidizer 3c are formed and the heat insulating material 34. It arrange
  • the heat insulating material 34 a member formed by molding ceramic fibers may be used.
  • “at the time of start-up operation” in the present embodiment means “after the start-up command is output from the controller 22, the current is taken out from the fuel cell 2 by the power generation control unit not specifically shown in FIG. 1 of the fuel cell 2. “At the time of stop operation” means “until the operation of the entire fuel cell system 1 is completely stopped after the stop command is output from the controller 22”.
  • the first gas flow path including the reformer 3a filled with the reforming catalyst, the shifter 3b filled with the shift catalyst, and the selective oxidizer 3c filled with the selective oxidation catalyst.
  • the second gas flow path 29 (inside the hydrogen generator 3) is filled with a raw material gas in order to suppress deterioration of each reaction catalyst. This is because the activity of each catalyst may be deteriorated by receiving a history such as oxidation due to air mixing and water wetting due to condensation of residual water vapor.
  • the combustor is set so that the temperature of each catalyst charged in the reformer 3a, the shifter 3b, and the selective oxidizer 3c of the hydrogen generator 3 becomes a predetermined temperature suitable for performing each reaction.
  • the raw material gas is burned to heat each catalyst.
  • the raw material gas is supplied from the raw material gas supply device 4 to the raw material gas supply path 5 with the bypass valve 16 opened for the reasons described later and the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 closed. This raw material gas is circulated sequentially through the hydrogen generator 3, the fuel gas path 11, and the bypass path 13, and is supplied from the off-gas path 12 to the combustor 3e.
  • combustion air having a flow rate corresponding to the flow rate of the supplied raw material gas is supplied to the combustor 3e by the combustion air fan 9 via the combustion air passage 10, and the combustor 3e is driven by an ignition device (not shown) provided in the combustor 3e. Start burning.
  • the combustion exhaust gas discharged by the combustion in the combustor 3e heats the water evaporation section 3d while flowing through the combustion exhaust gas passage 27.
  • the reforming water supply pump 6 is driven.
  • supply of water from the reformed water tank 7 to the water evaporation unit 3d is started.
  • the raw material gas and the water vapor are supplied to the reformer 3a, whereby the reforming reaction is started in the reformer 3a and the reformed gas starts to be generated.
  • the temperature of the reforming catalyst of the reformer 3a is heated by the combustor 3e and gradually rises.
  • the reforming reaction is performed.
  • the predetermined temperature suitable for is not reached. Therefore, since the steam reforming reaction in the reformer 3a does not proceed suitably, the reformed gas discharged from the reformer 3a contains a large amount of carbon monoxide.
  • the temperature of the shift catalyst in the shift converter 3b and the temperature of the selective oxidation catalyst in the selective oxidizer 3c do not reach temperatures suitable for performing each reaction. Therefore, the fuel gas discharged from the hydrogen generator 3 contains a large amount of carbon monoxide.
  • the temperature of each catalyst of the hydrogen generator 3 reaches a predetermined temperature during start-up operation, and it is possible to generate high-quality fuel gas with a sufficiently reduced carbon monoxide concentration.
  • the controller 22 causes the fuel gas to flow on the bypass path 13 side as described above.
  • the fuel gas containing a large amount of carbon monoxide is burned together with the combustion air as the combustion gas.
  • the air blower 17 is driven by the controller 22, the supply of cathode air at a predetermined flow rate to the cathode flow path 2b of the fuel cell 2 is started, and the fuel cell system 1 starts a power generation operation.
  • off-gas containing hydrogen that has not been used for power generation in the fuel cell 2 is combusted as a combustion gas.
  • the reformer 3a, the transformer 3b, the selective oxidizer 3c, and the water evaporation unit 3d have predetermined temperatures suitable for performing each reaction. It is necessary to keep the carbon monoxide concentration in the fuel gas sufficiently reduced, and to continue supplying the fuel cell 2 with a high-quality fuel gas rich in hydrogen.
  • the reformer 3a that performs endothermic reaction is heated by the combustion heat of the offgas in the combustor 3e and the combustion exhaust gas, and is maintained at a predetermined temperature.
  • the flow rate of the off-gas burned by the combustor 3e is determined to be a predetermined flow rate in order to keep the reformer 3a at a predetermined temperature. Therefore, the supply amount of the raw material gas and the corresponding supply amount of water Will also be decided.
  • the flow rate of the combustion air is determined to be a predetermined flow rate corresponding to the flow rate of the off gas burned by the combustor 3e, the flow rate of the combustion exhaust gas is also determined to be a predetermined flow rate.
  • the transformer 3b and the selective oxidizer 3c heat is generated by an exothermic reaction, so it is necessary to remove the reaction heat.
  • a part of the reaction heat generated in the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is transferred to the fourth cylinder by flowing air through the cooling air passage 19. Heat is exchanged with the air flowing through the cooling air path 19 via the body 26. Thereby, a part of the reaction heat generated in the transformer 3b and the selective oxidizer 3c can be released from the air flowing through the cooling air path 19. Further, part of the reaction heat generated in the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is transmitted to the water evaporation section 3d via the third cylindrical body 25 inside the transformer 3b and the selective oxidizer 3c, It is used for the heat of evaporation. Note that the heat of evaporation of water uses not only the heat of reaction between the transformer 3b and the selective oxidizer 3c but also the heat of the combustion exhaust gas flowing through the combustion exhaust gas passage 27 after heating the reformer 3a.
  • the transfer of heat in the hydrogen generator 3 has a very complicated influence on each other.
  • the reaction heat in each reaction section, the flow rate of off-gas, The flow rate of water and the flow rate of combustion exhaust gas are determined. Therefore, in order to maintain the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 in a balanced state at a predetermined temperature, the cooling air path 19 is set in consideration of the heat transfer amount of the structure constituting the hydrogen generator 3. It is necessary to adjust the flow rate of the circulating cooling air.
  • the raw material gas is natural gas (in order to simplify the explanation, methane is used), as shown by the equation (1), 2 mol of water is required to produce 4 mol of hydrogen.
  • the source gas is LPG (propane for simplicity of explanation)
  • 6 mol of water is required to produce 10 mol of hydrogen, as shown by the equation (2). That is, in order to produce the same amount of hydrogen from natural gas and LPG, when the source gas is LPG, the amount of water is 1.2 times that of the case where the source gas is natural gas.
  • the raw material gas is natural gas
  • the hydrogen generator 3 if all the natural gas supplied to the hydrogen generator 3 becomes hydrogen, one fifth of the fuel gas becomes carbon dioxide.
  • the source gas is LPG and all the LPG supplied in the same way as in the case of the natural gas described above becomes hydrogen, as shown by the equation (2), three-thirds of the fuel gas becomes carbon dioxide.
  • the proportion of carbon dioxide in the fuel gas increases. Therefore, when the same amount of hydrogen is generated by the hydrogen generator 3, the amount of carbon dioxide is higher in the case where the source gas is LPG than in the case where it is natural gas, and thus the amount of fuel gas is increased. .
  • the parameter that determines the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 is changed and the temperature balance is lost, so that a high-quality fuel gas may not be generated.
  • the pressure loss of the fixed orifice 19a of the cooling air passage 19 is changed depending on the type of the raw material gas, so that it is branched from the cathode air passage 18 to the cooling air passage 19.
  • the flow rate of the flowing air is adjusted, and the configuration is designed in consideration so that the temperature of each catalyst of the hydrogen generator 3 is balanced while maintaining a predetermined temperature.
  • air is easily circulated through the cooling air passage 19 branched from the cathode air passage 18 and the flow rate of air is adjusted according to the type of gas.
  • the design can be changed, and the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 can be maintained at a predetermined temperature.
  • the thermal efficiency of the fuel cell system 1 can be improved.
  • the air supplied from the air blower 17 to the cathode air path 18 is branched into the cooling air path 19 and then merges with the cathode air path 18.
  • the fuel cell 2 is supplied.
  • the amount of air supplied from the air blower 17 can be suppressed to the minimum flow rate necessary for generating power with the fuel cell 2, and thus it is possible to suppress an increase in power consumption of the air blower 17. Become. For this reason, it can suppress that the efficiency of the fuel cell system 1 falls.
  • the cathode air supplied to the fuel cell 2 is heated. Since the heat energy obtained by heating the cathode air can be recovered through the cooling water flowing through the fuel cell 2, the heat recovery efficiency of the fuel cell system 1 can be improved.
  • the selective oxidizer 3c is used, but the present invention is not limited to this.
  • a methanator that removes carbon monoxide in the fuel gas using a methanation reaction may be used.
  • the methanation device is filled with a methanation catalyst and removes carbon monoxide in the fuel gas by using hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas to convert to methane. Is no longer necessary.
  • the temperature suitable for performing the methanation reaction may differ from the temperature suitable for performing the selective oxidation reaction, it is necessary to adjust the flow rate of the cooling air.
  • the cooling air path 19 is configured so as to surround both outer peripheries of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c, which are carbon monoxide reducers, but is not limited thereto. .
  • a configuration in which the cooling air path 19 is disposed around at least one of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c may be employed.
  • the cooling air path 19 may be configured so as to penetrate the inner peripheral side of each catalyst of the transformer 3b or the selective oxidizer 3c, or through each catalyst.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the schematic configuration of the hydrogen generator mounted in the fuel cell system of Embodiment 2.
  • the same components as those of the fuel cell system 1 shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell system 37 according to the second embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, but is implemented in the following points. This is different from the fuel cell system 1 shown in the first embodiment.
  • the hydrogen generator 38 of the fuel cell system 37 of the second embodiment includes a reformer 38a and a transformer 38b and a methanator 38c as carbon monoxide reducers.
  • the methanator 38c is provided instead of the selective oxidizer 3c of the first embodiment.
  • the methanation unit 38c is filled with a methanation catalyst, and removes carbon monoxide in the fuel gas by reacting hydrogen in the fuel gas with carbon monoxide to convert it into methane. Accordingly, since the supply of the selectively oxidized air is not necessary, the fuel cell system 37 of the second embodiment is not provided with the selectively oxidized air path.
  • a cooling air path 39 is disposed outside the fourth cylindrical body 26 that constitutes the transformer 38b and the methanator 38c.
  • the cooling air path 39 is provided with a fixed orifice 39a.
  • the cooling air path 39 is connected at the branch point X and the junction point Y of the cathode air path 18 and is configured such that a part or all of the air flowing through the cathode air path 18 flows.
  • the hydrogen generator 38 is provided with a water evaporation section 38d and a combustor 38e, similarly to the hydrogen generator 3 of the first embodiment.
  • the cathode air path 18 is connected to the combustor 38e via the combustion air path 40 so that a part of the air supplied from the air blower 17 is supplied.
  • the upstream end of the combustion air path 40 is connected to the cathode air path 18 at the branch point Z of the cathode air path 18, and the downstream end of the combustion air path 40 is connected to the combustor 38e.
  • the fuel cell system 37 since the combustion air fan for supplying the combustion air is not necessary, the fuel cell system can be downsized.
  • a fuel cell system includes a fuel cell including a fuel gas channel that supplies fuel gas to the anode and an oxidant gas channel that supplies oxidant gas to the cathode, and a raw material and fuel gas.
  • a combustor that combusts at least one of them and air and discharges combustion exhaust gas; and a reformer that is heated by the heat of the combustion exhaust gas and generates reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction between water and a raw material.
  • a hydrogen generator comprising: a carbon monoxide reducer that is heated by at least heat of the reformed gas to reduce carbon monoxide in the reformed gas to generate fuel gas; and an oxidant gas flow path of the fuel cell
  • An air supply device that supplies air through an air path, and a carbon monoxide reducer that branches from the air path and causes the carbon monoxide reducer and a part of the air supplied from the air supply device to exchange heat. It is arranged on the outer periphery of and communicates with the combustor A cooling air path that is intended to illustrate embodiments comprising a.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the basic configuration of the fuel cell system 1 according to the third embodiment is the same as that of the fuel cell system 1 according to the first embodiment, but the downstream end of the cooling air path 19 is the cathode. The difference is that it is connected not to the air path 18 but to the combustor 3e.
  • the fuel cell system 1 according to the third embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell system 1 according to the first embodiment. Further, in the fuel cell system 1 according to the third embodiment, since the combustion air fan 9 for supplying combustion air to the combustor 3e is not necessary, the fuel cell system 1 can be reduced in size.
  • a fuel cell system includes a fuel cell including a fuel gas channel that supplies fuel gas to the anode and an oxidant gas channel that supplies oxidant gas to the cathode, and a raw material and fuel gas.
  • a combustor that combusts at least one of them and air and discharges combustion exhaust gas; and a reformer that is heated by the heat of the combustion exhaust gas and generates reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction between water and a raw material.
  • a hydrogen generator comprising: a carbon monoxide reducer that is heated by at least heat of the reformed gas to reduce carbon monoxide in the reformed gas to generate fuel gas; and an oxidant gas flow path of the fuel cell
  • An air supply device that supplies air through an air path, and a carbon monoxide reducer that branches from the air path and causes the carbon monoxide reducer and a part of the air supplied from the air supply device to exchange heat.
  • Low carbon monoxide A cooling air path communicating with the vessel, is intended to illustrate embodiments comprising a.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the basic configuration of the fuel cell system 1 according to the fourth embodiment is the same as that of the fuel cell system 1 according to the first embodiment, but the cooling air path 19 is provided with the selective oxidizer 3c.
  • the difference is that it is configured to supply air.
  • the downstream end of the cooling air path 19 is connected between the transformer 3 b and the selective oxidizer 3 c in the second gas flow path 29.
  • the cooling air passage 19 supplies the selective oxidation air to the selective oxidizer 3c, the selective oxidation air passage 8 is omitted.
  • the fuel cell system 1 according to the fourth embodiment configured as described above has the same effects as the fuel cell system 1 according to the first embodiment. Further, in the fuel cell system 1 according to Embodiment 4, there is no need for a selective oxidation air supply device such as a fan for supplying the selective oxidation air to the selective oxidizer 3c, so that the fuel cell system 1 is downsized. Can do.
  • a selective oxidation air supply device such as a fan for supplying the selective oxidation air to the selective oxidizer 3c
  • the cathode air when the cathode air is not supplied to the fuel cell 2 such as during the start-up operation of the fuel cell system 1, all the air supplied by the air blower 17 is selectively closed by closing the air inlet valve 20. To be supplied. Further, when supplying the cathode air to the fuel cell 2, the pressure loss of the cooling air passage 19 is adjusted so that the selective oxidized air having a predetermined flow rate is supplied to the selective oxidizer 3c.
  • a fuel cell system includes a temperature detector that detects the temperature of the carbon monoxide reducer, a flow rate adjuster that adjusts the flow rate of air flowing through the cooling air path, and a temperature detector. And a controller configured to feedback control the flow regulator so that the temperature of the carbon monoxide reducer becomes a predetermined temperature based on the temperature detected by the .
  • the controller when the temperature detected by the temperature detector is equal to or higher than the first predetermined temperature, the controller sets the flow rate of the air flowing through the cooling air path. If the flow rate regulator is controlled to increase the temperature and the temperature detected by the temperature detector is equal to or lower than the second predetermined temperature that is lower than the first predetermined temperature, the cooling air path is passed through. The flow regulator may be controlled to reduce the flow rate of the flowing air.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the same components as those of the fuel cell system shown in Embodiments 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell system 41 according to the fifth embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, but the second embodiment is the following point. Different from the fuel cell system 1 shown in FIG.
  • the transformer 3b is provided with a temperature sensor 43 that detects the temperature of the transformer 3b, and the cooling air path 42 has a flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of the cooling air flowing through the cooling air path 42. 42a is provided.
  • the temperature sensor 43 and the flow rate adjustment valve 42a are each electrically connected to the controller 22, and the temperature detected by the temperature sensor 43 is input to the controller 22 as a signal. Further, based on the temperature detected by the temperature sensor 43, the flow rate adjustment valve 42a is controlled by the controller 22, and the flow rate of the air flowing through the cooling air path 42 is adjusted so that the temperature of the transformer 3b becomes a predetermined temperature. Is done.
  • the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 needs to be maintained at a predetermined temperature.
  • the reformer 3a that performs endothermic reaction is maintained at a predetermined temperature by the combustion heat of the off-gas in the combustor 3e and the heat of the combustion exhaust gas.
  • the transformer 3b and the selective oxidizer 3c heat is generated by an exothermic reaction. Therefore, it is necessary to remove the heat.
  • Part of the reaction heat generated in the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is transmitted to the water evaporation section 3d via the second cylindrical body 24 inside the transformer 3b and the selective oxidizer 3c, and the water is evaporated. Used for heat.
  • part of the reaction heat generated in the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is transferred to the fourth cylindrical body 26 via the fourth cylindrical body 26 constituting the outer periphery of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c. Heat is transferred to the cooling air flowing through the cooling air passage 42 disposed around.
  • the temperature of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is controlled by the controller 22 with the flow rate adjusting valve 42a, and the cooling air flowing through the cooling air path 42 By adjusting the flow rate, the temperature is adjusted to a predetermined temperature. That is, the controller 22 feedback-controls the flow rate adjustment valve 42a based on the temperature detected by the temperature sensor 43 so that the temperature of the carbon monoxide reducer (here, the transformer 3b) becomes a predetermined temperature.
  • the controller 22 sends a signal to the flow rate adjustment valve 42a so as to increase the amount of cooling air flowing through the cooling air passage 42, and conversely the temperature.
  • a signal is sent to the flow rate adjusting valve 42a so as to reduce the amount of cooling air flowing through the cooling air path 42, and the flow rate of the cooling air flowing through the cooling air path 42 is determined by the flow rate adjusting valve 42a.
  • the transformer 3b and the selective oxidizer 3c are controlled to reach a predetermined temperature.
  • the predetermined temperature can be arbitrarily set, and the predetermined temperature may be set between 200 and 300 ° C., for example, may be set at 250 ° C. As will be described later, when the temperature sensor 43 is configured to detect the temperature of the selective oxidizer 3c, the predetermined temperature may be set between 100 to 150 ° C., for example, You may set to 125 degreeC. Further, when the methanator 38c filled with a methanation catalyst is provided instead of the selective oxidizer 3c, the predetermined temperature can be set between 100 and 300 ° C., for example, 200 You may set to ° C.
  • the controller 22 controls the flow rate adjustment valve 42a so as to increase the flow rate of the air flowing through the cooling air path 42 when the temperature detected by the temperature sensor 43 is equal to or higher than the first predetermined temperature.
  • the flow rate of the air flowing through the cooling air passage 42 is decreased.
  • the flow rate adjustment valve 42a may be controlled.
  • the first predetermined temperature and the second predetermined temperature can be arbitrarily set, respectively, and the first predetermined temperature may be set to 300 ° C., and the second predetermined temperature. May be set to 200 ° C.
  • the first predetermined temperature may be set to 150 ° C.
  • the predetermined temperature may be set to 100 ° C.
  • the methanation device 38c filled with the methanation catalyst is provided instead of the selective oxidizer 3c
  • the first predetermined temperature may be set to 300 ° C.
  • the second predetermined temperature is set. The temperature of may be set to 100 ° C.
  • the cooling air that has cooled the transformer 3b and the selective oxidizer 3c joins the cathode air path 18 and is supplied to the fuel cell 2.
  • the cooling of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is controlled by controlling the amount of cooling air flowing through the cooling air path 42 by the flow rate adjusting valve 42a.
  • the amount can be adjusted. For this reason, for example, even if the temperature balance of each reaction part of the hydrogen generator 3 is changed by changing the type of the raw material gas, the amount of air flowing through the cooling air path 42 is changed by the flow rate adjustment valve 42a.
  • the reactor 3b and the selective oxidizer 3c can be maintained at a predetermined temperature, and the temperature of each reaction section of the hydrogen generator 3 can be maintained at a predetermined temperature.
  • the temperature sensor 43 is disposed in the transformer 3b to detect the temperature of the transformer 3b.
  • the present invention is not limited to this.
  • the temperature sensor 43 may be configured to detect the temperature of the selective oxidizer 3c. In these cases, the temperature of one of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c can be estimated from the temperature of the other.
  • a temperature sensor that detects the temperature of the transformer 3b and a temperature sensor that detects the temperature of the selective oxidizer 3c may be provided respectively.
  • the controller 22 controls the flow rate adjustment valve 42a to be feedback controlled so that the temperature of the carbon monoxide reducer becomes a predetermined temperature. It is not limited to this.
  • the controller 22 uses a table or map in which the relationship between the temperature of the carbon monoxide reducer and the flow rate of the air flowing through the cooling air passage 42 adjusted by the flow rate adjusting valve 42a is set in advance through experiments or the like.
  • the flow rate adjustment valve 42a may be controlled.
  • Embodiment 5 The fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention exemplifies an aspect in which the flow rate regulator is an on-off valve that opens or closes the cooling air path.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the same components as those of the fuel cell system shown in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell system 51 according to the fifth embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system shown in the other embodiments, and in particular, the fuel cell system shown in the fourth embodiment. Similar to 41. However, it differs from the fuel cell system 41 shown in Embodiment 4 in that the cooling air path 52 is provided with an on-off valve 52a that switches between the flow and shut-off of the cooling air in place of the flow rate adjustment valve 42a of Embodiment 4. .
  • the temperature of each reaction part of the hydrogen generator 3 needs to be maintained at a predetermined temperature.
  • the reformer 3a that performs endothermic reaction is maintained at a predetermined temperature by the combustion heat of the off-gas in the combustor 3e and the heat of the combustion exhaust gas.
  • the transformer 3b and the selective oxidizer 3c heat is generated by an exothermic reaction. Therefore, it is necessary to remove the heat.
  • Part of the reaction heat generated in the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is transmitted to the water evaporation section 3d via the second cylindrical body 24 inside the transformer 3b and the selective oxidizer 3c, and the water is evaporated. Used for heat.
  • part of the reaction heat generated in the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is transferred to the fourth cylindrical body 26 via the fourth cylindrical body 26 constituting the outer periphery of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c. Heat is transferred to the cooling air flowing through the cooling air path 52 disposed around.
  • the temperatures of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c are controlled by the temperature sensor 43, the controller 22, and the on-off valve 52a.
  • the temperature sensor 43 detects the temperature of the transformer 3b, and sends the detected temperature to the controller 22 as a signal.
  • a signal is sent from the controller 22 to the on-off valve 52a to open the on-off valve 52a so that the cooling air flows through the cooling air passage 52.
  • a signal is sent from the controller 22 to the on-off valve 52a to close the on-off valve 52a so that the cooling air does not flow into the cooling air passage 52.
  • the temperature of the transformer 3b and the selective oxidizer 3c is controlled by controlling the on-off valve 52a while monitoring the temperature of the transformer 3b with the temperature sensor 43 and circulating / blocking the cooling air flowing through the cooling air passage 52. Can be controlled to be within a predetermined temperature range, and the heat balance of the hydrogen generator 3 can be maintained.
  • the cooling air path 52 branched from the cathode air path 18 is disposed around the transformer 3b and the selective oxidizer 3c, and the cooling air path 52 further includes cooling air.
  • the on-off valve 52a that circulates or shuts off the cooling air, the cooling air flowing through the cooling air passage 52 can be circulated or shut off. Even if the temperature changes, the transformer 3b and the selective oxidizer 3c can be maintained within a predetermined temperature range, and the heat balance of the hydrogen generator 3 can be maintained.
  • the transformer 3b and the selective oxidizer 3c can be maintained within a predetermined temperature range, and the heat balance of the hydrogen generator 3 can be maintained.
  • the fuel cell system of the present invention maintains the carbon monoxide reducer at a predetermined temperature without increasing the size and cost of the system and without impairing efficient fuel gas generation in the hydrogen generator. Since the heat balance of the hydrogen generator can be easily controlled, it is useful in the field of fuel cells.

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Abstract

　本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池（２）と、原料及び燃料ガスのうちの少なくとも一方と空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼器（３ｅ）と、燃焼排ガスの熱で加熱され、水と原料との改質反応により水素含む改質ガスを生成する改質器（３ａ）と、少なくとも改質ガスの熱で加熱され、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスを生成する一酸化炭素低減器と、を備える水素生成装置（３）と、燃料電池（２）の酸化剤ガス流路（２ｂ）に空気経路（１８）を介して空気を供給する空気供給器（１７）と、空気経路（１８）から分岐し、一酸化炭素低減器と空気供給器（１７）から供給される空気の一部とを熱交換させるように一酸化炭素低減器の外周に配置され、酸化剤ガス流路（２ｂ）、燃焼器（３ｅ）、及び一酸化炭素低減器のうちの少なくとも１つに連通する冷却空気経路（１９）と、を備える。

Description

燃料電池システム
　本発明は、炭化水素系の原料を改質して生成された燃料ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関するものである。
　燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素や水素リッチガスを供給し（以下、水素リッチガスを供給する方をアノード側と称す）、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して（以下、酸化剤ガスを供給する方をカソード側と称す）、電気化学反応によって発電を行うものである。
　燃料電池が発電する際には、電力と同時に熱が発生するが、燃料電池で発電した電力とともに、この熱を回収して熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが近年、燃料電池システムとして注目されている。
　燃料電池の発電に必要な水素リッチガス（以下、燃料ガスと称す）を生成する方法の一つとして、燃料電池システムでは天然ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスやメタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を水蒸気とともに導入して改質する改質部を有する水素生成器を備えたものが一般的である。
　また、燃料電池は電気化学反応を促進するために電極に触媒を有しており、この触媒は一酸化炭素により被毒して性能が低下する性質を有していることが多い。そのため、水素生成器には、炭化水素系の原料を改質部で改質して燃料ガスを生成した後、この燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための一酸化炭素低減部をさらに備えているものが一般的である。
　一酸化炭素低減部の一例としては、改質部で生成したガス中の一酸化炭素を水性ガスシフト反応で低減するための変成触媒を有する変成部と、この変成部から送出される燃料ガス中の一酸化炭素を、別途供給した空気中の酸素によって酸化する選択酸化触媒を有する選択酸化部とを順次備えたものがある。
　また、水素生成器には燃焼用ガスを燃焼させて改質部を加熱する燃焼部が備えられている。ここで燃焼用ガスとは、燃焼部で燃焼に利用するガスであり、原料ガス（液体の炭化水素系原料の場合は気化させたもの）や燃料ガス、さらには燃料電池で発電に利用されなかった水素を含むガス（以下、オフガスと称す）のことを指す。また、燃焼部には燃焼用ガスを導入する燃焼用ガス経路の他に、燃焼空気を導入するための燃焼空気経路が接続されており、燃焼空気ファン等の送風機によって燃焼用ガスの流量に応じた空気が燃焼部に供給されるようになっている。
　水素生成器で燃料ガスを生成する際には、改質部に炭化水素系原料と水とを導入し、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼させることにより７００℃程度に加熱して、吸熱反応である改質反応に必要な熱を供給して改質反応を進行させる。このとき一酸化炭素が１０％程度発生するので、下流の一酸化炭素低減部で一酸化炭素濃度を低減させる。一酸化炭素低減部では、まず変成部で触媒温度を２００℃～３００℃程度に制御して発熱反応を伴いながら水性ガスシフト反応を進行させ、一酸化炭素濃度を０．５％以下程度にまで低減させる。さらに選択酸化部では１００℃～２００℃程度に触媒温度を制御して、少量の空気を導入して一酸化炭素を触媒上で発熱反応を伴いながら酸化反応させて、その濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する。その結果、水素生成器の出口では、水素濃度７０％～７５％程度の水素含有ガスが得られ、これが燃料ガスとして燃料電池のアノード側に供給されることになる。
　また、燃料電池システムでは、燃料電池のカソード側には空気ブロワ等の送風機によって酸化剤ガスとして空気が供給されるようになっている（以下、適宜、カソード空気と称す）。
　また、燃料電池システムは、大きさが小さくて設置性が優れていること、使用されるデバイスが少なく、構成が簡素化されて低コスト化されていることが望まれている。よって燃料電池システムに搭載される水素生成器は、大きさがコンパクトであること、低コストであること、改質効率が高いこと、操作・制御が容易であること、耐久性が高いこと、等々の要求を最大限満たすことが、燃料電池システムの小型化による設置性の向上や低コスト化の観点で重要である。これらの観点から、改質部および加熱部、一酸化炭素低減部をコンパクトに一体化した改質システムの開発が行われている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
　図９は、特許文献１に記載された従来の水素生成器の主要部の断面図である。
　図９に示すように、水素生成器１００は改質部１００ａを加熱する燃焼部１００ｅを中心に同心円状に流路を形成し、両端部で折り返し部を設けて流路を連通させ、流路の内側から順に、改質触媒を充填した改質部１００ａ、変成触媒を充填した変成部１００ｂ、選択酸化触媒を充填した選択酸化部１００ｃを設けている。
　そして、水素生成器１００には、燃焼部１００ｅに燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス経路１０１と、燃焼空気ファン１０２によって燃焼空気を燃焼部１００ｅに供給する燃焼空気経路１０３と、変成部１００ｂの下流側で選択酸化部１００ｃの上流側に選択酸化触媒で酸化反応を行なわせるための選択酸化空気を供給するための選択酸化空気経路１０４と、改質部１００ａの上流側に原料と水とを供給するための原料導入経路１０５とが設けられている。
　さらに、選択酸化部１００ｃの下流側には、選択酸化部１００ｃで一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスが排出される燃料ガス出口１０６が設けられており、この先にこの燃料ガスを利用して発電する燃料電池が接続される。
　また、燃料ガスを通す改質部を有する外部改質器およびこの外部改質器の改質部を通過して改質された燃料ガスが供給される発電セル部を有する燃料電池スタックを備えた発電装置において、外部改質器には、空気供給源から空気を導入して改質部との間で熱の授受を行わせて燃料電池スタック側に流す空気熱交換部を設けると共に、燃料電池スタックには、発電セル部での発電に使用されなかった未燃焼の燃料ガスに空気供給源からの新たな空気を混合させて略完全燃焼させる排気燃焼部を設けたことを特徴とする発電装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００４－１７１８９２号公報 特開２００７－３３１９５１号公報 特開２００４－８７１６９号公報
　しかしながら、上記特許文献１又は特許文献２に記載の水素生成器を搭載した燃料電池システムでは、以下のような課題があった。
　すなわち、水素生成に関わる各反応部を集積した一体型水素生成器においては、それぞれの反応部における吸熱・発熱分に相当する熱を、反応部あるいは流路の壁面等を利用して効果的に熱交換させることによって、それぞれの反応部での反応に適切な温度を維持するようにして、水素生成器としての機能を発揮させるとともに、外部へ放散する熱を極力小さくして改質効率および燃料電池システムの効率を高くすることを目指した構成設計を行う。
　このような水素生成器においては、吸熱反応を伴う改質部には、改質反応に必要な熱が燃焼部から供給される。一方、発熱反応を伴う一酸化炭素低減部の変成部と選択酸化部とは、周囲の構造体の伝熱量を調整することにより、変成部と選択酸化部とが所定の温度を保つように設計されている。その結果、水素生成器全体が熱的にバランスして、各反応部を目的の温度に維持することが可能となる。
　しかしながら、水素生成器の各触媒や筐体などの構成要素や、原料、水、空気などの入力条件の何れかが変化した場合、全体の熱バランスが崩れて各反応部の温度が、各反応を行うのに適した温度からずれてしまい、水素生成器としての機能を保てなくなることがある。具体的には、例えば、燃料電池システムに供給する原料の種類が変化すると、燃料電池が発電するのに必要な水素の量を含む燃料ガスを生成するために水素生成器に供給する原料と水との比率が変化し、また、水素生成器で生成した燃料ガス中のガス組成が変化して、水素生成器の各反応部において熱バランスする各反応部の温度が変化したり、熱バランスしなくなったりするために、原料の種類ごとに改質部や一酸化炭素低減部を構成する構造体の伝熱量を調整する構成設計が必要であるという課題があった。
　また、上記課題を解決するために、水素生成器の熱バランスを維持するための、例えば一酸化炭素低減部を冷却する冷却用の送風機を別途設けるなど、熱バランス維持用のデバイスを燃料電池システムに追加すると、燃料電池システムが大型化したり、コストが増大したりすることになるという課題が新たに発生していた。
　本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの大型化・コストの増加につながることなく、また、水素生成装置における効率的な燃料ガス生成を損なうことなく、一酸化炭素低減器を所定の温度に維持し、水素生成装置の熱バランスを容易にコントロールできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスをアノードに供給する燃料ガス流路と酸化剤ガスをカソードに供給する酸化剤ガス流路とを備える燃料電池と、原料及び前記燃料ガスのうちの少なくとも一方と空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼器と、前記燃焼排ガスの熱で加熱され、水と前記原料との改質反応により水素含む改質ガスを生成する改質器と、少なくとも前記改質ガスの熱で加熱され、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して前記燃料ガスを生成する一酸化炭素低減器と、を備える水素生成装置と、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路に空気経路を介して空気を供給する空気供給器と、前記空気経路から分岐し、前記一酸化炭素低減器と前記空気供給器から供給される空気の一部とを熱交換させるように前記一酸化炭素低減器の外周に配置され、前記酸化剤ガス流路、前記燃焼器、及び前記一酸化炭素低減器のうちの少なくとも１つに連通する冷却空気経路と、を備える。
　これにより、燃料電池システムに新たなデバイスを追加することなく、冷却空気経路を流通する空気が一酸化炭素低減器を冷却することができるため、比較的容易に一酸化炭素低減器の温度を所定の温度に保つように設計することができる。
　本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムに新たにデバイスを追加してコストが上昇することや燃料電池システムが大型化することなく、一酸化炭素低減器の温度を所定の温度に維持し、水素生成装置の熱バランスを容易にコントロールすることができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムの水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 図４は、本実施の形態２の燃料電池システムに搭載した水素生成装置の概略構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図９は、特許文献１に記載された従来の水素生成器の主要部の断面図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
　（実施の形態１）
　本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、燃料ガスをアノードに供給する燃料ガス流路と酸化剤ガスをカソードに供給する酸化剤ガス流路とを備える燃料電池と、原料及び燃料ガスのうちの少なくとも一方と空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼器と、燃焼排ガスの熱で加熱され、水と原料との改質反応により水素含む改質ガスを生成する改質器と、少なくとも改質ガスの熱で加熱され、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスを生成する一酸化炭素低減器と、を備える水素生成装置と、燃料電池の酸化剤ガス流路に空気経路を介して空気を供給する空気供給器と、空気経路から分岐し、一酸化炭素低減器と空気供給器から供給される空気の一部とを熱交換させるように一酸化炭素低減器の外周に配置され、酸化剤ガス流路、燃焼器、及び一酸化炭素低減器のうちの少なくとも１つに連通する冷却空気経路と、を備える態様を例示するものである。
　ここで、一酸化炭素低減器は、改質ガス中の一酸化炭素を、水性ガスシフト反応により低減する変成器、メタレーション反応により低減するメタレーション器、及び酸化反応により低減する一酸化炭素除去器のうちの少なくとも１の機器を備えていればよい。
　また、熱交換させるとは、顕熱を交換させることをいう。
　また、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、一酸化炭素低減器の外周を覆うように配置されている断熱材をさらに備え、冷却空気経路は一酸化炭素低減器の外周と断熱材との間に配置されていてもよい。
　さらに、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、冷却空気経路は、一酸化炭素低減器の外周と接触するように配置されていてもよい。
　以下、本実施の形態１に係る燃料電池システムの一例について、図１を参照しながら詳細に説明する。
　［燃料電池システムの構成］
　図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図１において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図１では、本発明を説明するために必要となる主要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。
　図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、その発電部の本体としての燃料電池２を備えている。この燃料電池２としては、本実施の形態では、固体高分子形燃料電池を用いている。なお、燃料電池２としては、リン酸形燃料電池等の各種の燃料電池を用いてもよい。
　燃料電池２は、後述する水素生成装置３から排出されて燃料電池２内のアノード流路（燃料ガス流路）２ａに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、後述する空気供給手段である空気ブロワ１７により燃料電池２内のカソード流路（酸化剤ガス流路）２ｂに供給される酸化剤ガス（通常は空気）とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。また、図示はしていないが、燃料電池２が発電する際に発生する熱は、燃料電池２内の冷却水流路（図示せず）に供給する冷却水により回収され、燃料電池２外に排出される。燃料電池２の内部構成に関する詳細な説明については、燃料電池２の内部構成と一般的な固体高分子形燃料電池の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。
　また、図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２に水素を豊富に含む燃料ガスを生成するための水素生成装置３を備えている。水素生成装置３の詳細な構造についての説明は別途後述することとし、ここでの説明は主に水素生成装置３内での概略の構成について説明することとする。
　図１に示すように、本実施の形態における水素生成装置３は、少なくとも改質器３ａを備えている。この改質器３ａは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料ガスと水蒸気とを所定の温度に加熱した改質触媒の充填層中に供給することにより、水蒸気改質反応を進行させ、原料ガスから水素を豊富に含む改質ガスを生成するものである。改質器３ａに供給する原料ガスとしては、典型的には、天然ガス、ＬＰＧなどの気体の炭化水素系原料ガスが用いられる。また、メタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を用いてもよい。ただし、液体の原料を用いる場合は、改質器３ａに供給する前に気化させることが好ましい。以下の説明において原料ガスとは、気体の炭化水素系原料ガスだけでなく、液体の炭化水素系原料を気化させたものを含むものとする。
　改質器３ａへの原料ガスの供給は、後述の原料ガス供給装置４によって原料ガス供給経路５を介して行われる。天然ガスやＬＰＧなどの原料ガスは、付臭剤として添加される硫黄化合物を含むが、それらは原料ガス供給経路５が水素生成装置３と接続されるよりも上流側に設置された脱硫部（図示せず）を通過するときに除去され、脱硫後の炭化水素系原料ガスが水素生成装置３に供給される。
　また、改質器３ａへの水蒸気の供給は、水素生成装置３内の原料ガス供給経路５上に設けられた後述の水蒸発部３ｄに水を供給し、この水を蒸発させて原料ガスと混合させることによって行われる。
　また、さらに水素生成装置３には、上記改質器３ａの下流に、改質器３ａから排出される改質ガス中の一酸化炭素を低減するための変成器３ｂと、変成器３ｂから排出される燃料ガス中の一酸化炭素をさらに低減するための選択酸化器３ｃとが順次接続されている。この変成器３ｂと選択酸化器３ｃとが一酸化炭素低減器に相当する。
　変成器３ｂは、改質器３ａと水素生成装置３内の経路で接続されており、改質器３ａで生成した改質ガスが、変成器３ｂの変成触媒の充填層中に導入される。この改質器３ａで生成した改質ガス中には、水素のほかに一酸化炭素と二酸化炭素、さらには改質反応に使われなかった水蒸気が含まれているが、変成器３ｂでは、導入された改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とから、二酸化炭素と水素とを生成させる水性ガスシフト反応を進行させて、改質器３ａから供給される燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる。
　選択酸化器３ｃは、変成器３ｂと水素生成装置３内の経路で接続されており、変成器３ｂで一酸化炭素濃度を低減した改質ガスが、選択酸化器３ｃの選択酸化触媒の充填層中に導入される。さらに選択酸化器３ｃには、酸素を含有するガス、すなわち一般的には空気（以下、選択酸化空気と称す）が、選択酸化空気経路８を介して供給される。選択酸化器３ｃでは、変成器３ｂで残存した燃料ガス中の一酸化炭素を、選択酸化空気中の酸素で酸化させて二酸化炭素とし、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下程度まで低減する。ここで、選択酸化空気を供給する手段としては、所定量が供給できる選択酸化空気ファン（図示せず）を別途設けても良く、また、後述の空気ブロワ１７や燃焼空気ファン９から供給する空気の一部を分岐して、選択酸化器３ｃに所定量の選択酸化空気が供給されるようにしても良い。
　また、水素生成装置３内の原料ガス供給経路５には、水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸発部３ｄを備えている。水蒸発部３ｄで水を蒸発させるための熱には、発熱反応である変成器３ｂおよび選択酸化器３ｃにおける水性ガスシフト反応および選択酸化反応の反応熱と、後述する燃焼部である燃焼器３ｅでの燃料ガスの燃焼で生成した、燃焼排ガスの熱が利用される。水蒸発部３ｄには、改質水供給ポンプ６によって改質水タンク７から水が供給され、水蒸発部３ｄで蒸発させて水蒸気を生成し、原料ガスと混合されて改質器３ａに供給される。
　また、水素生成装置３は、吸熱反応である改質反応に必要な反応熱を改質器３ａに供給するために、燃焼用ガスを燃焼させる燃焼器３ｅを備えている。この燃焼器３ｅは、燃焼用ガスとして、燃料電池２で発電に利用されなかった水素を含むガス（以下、オフガスと称す）、水素生成装置３で生成される燃料ガス、および原料ガス供給装置４により供給される原料ガスの内、少なくともいずれか１つを燃焼させる。また、この燃焼器３ｅには、燃焼器３ｅでの燃焼用ガスの燃焼に必要な空気（以下、燃焼空気と称す）を供給するための燃焼空気ファン９が燃焼空気経路１０を介して接続されている。
　また、図１に示すように、この燃料電池システム１は、原料ガス供給装置４を備えている。この原料ガス供給装置４は、燃料電池システム１の発電運転時等において、天然ガス等のインフラストラクチャーから供給される原料ガスを昇圧する昇圧ポンプであり、上述した原料ガス供給経路５を介して、改質器３ａに所定量の原料ガスを供給する。
　また、燃料電池２と水素生成装置３とは、水素生成装置３で生成した燃料ガスを燃料電池２のアノード流路２ａに供給するために、一端が水素生成装置３の選択酸化器３ｃと接続され、他端が燃料電池２のアノード流路２ａに接続された燃料ガス経路１１とで接続されている。さらに、燃料電池２のアノード流路２ａと燃焼器３ｅとは、一端が燃料電池２のアノード流路２ａに接続され、他端が燃焼器３ｅに接続されたオフガス経路１２で接続されている。
　また、燃料ガス経路１１は途中でバイパス経路１３に分岐されており、オフガス経路１２の途中と合流するように接続されている。
　燃料ガス経路１１のバイパス経路１３との分岐点よりも燃料電池２側には、燃料入弁１４が、オフガス経路１２のバイパス経路１３との合流点よりも燃料電池２側には、燃料出弁１５が、バイパス経路１３にはバイパス弁１６が、それぞれ設けられており、後述の制御器２２によって任意に開放または閉止が可能なように配設されている。燃料入弁１４，燃料出弁１５およびバイパス弁１６は制御器２２によって開放および閉止を任意に切り替えることが可能な電磁弁であり、これにより、燃料入弁１４と燃料出弁１５を閉止した状態でバイパス弁１６を開放すれば、選択酸化器３ｃから供給されるガスを、燃料電池２を介さずに直接燃焼器３ｅに供給することができ、逆に、燃料入弁１４と燃料出弁１５を開放してバイパス弁１６を閉止すれば、燃料電池２に水素生成装置３で生成した燃料ガスを供給することが可能である。
　また、図１に示すように、この燃料電池システム１は、空気の供給手段として空気ブロワ（空気供給器）１７を備えている。この空気ブロワ１７は、燃料電池２のカソード流路２ｂにカソード空気経路（空気経路）１８を介して酸化剤ガスとしての空気（以下、カソード空気と称す）を供給するものである。空気ブロワ１７は、後述する制御器２２によって回転数を制御されることにより、カソード空気経路１８に供給する空気量を調整することができる。
　また、カソード空気経路１８の燃料電池２側には、カソード空気供給遮断手段として開閉弁である空気入弁２０が配設されており、空気入弁２０は、後述の制御器２２によって開放または閉止を任意に変更される。
　また更に、カソード空気経路１８は、空気入弁２０の上流側の分岐点Ｘで冷却空気経路１９と分岐されている。この冷却空気経路１９は、空気ブロワ１７で供給した空気の一部が、水素生成装置３の変成器３ｂおよび選択酸化器３ｃを構成する構造体の外側を経由して流通するように構成されている。また、冷却空気経路３６は、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとを構成する構造体の外側を経由した後、再び合流点Ｙでカソード空気経路１８と合流するように構成されている。空気ブロワ１７で供給した空気は、冷却空気経路１９に設けた固定オリフィス１９ａを調整設計することによって、所定の割合で燃料電池２と冷却空気経路１９とに分岐されるように調整されている。
　また、発電に利用されなかった酸素を含む空気（以下、カソード排空気と称す）は、燃料電池２のカソード流路２ｂに接続されたカソード排空気経路２１から燃料電池システム１の系外に排気される。
　さらに、燃料電池システム１は、制御器２２を備えている。この制御器２２は、燃料電池システム１を構成する各構成要素（例えば、原料ガス供給装置４や燃焼空気ファン９など）の動作を適宜制御する。ここで、この制御器２２は、例えば、図１では特に図示しないが、記憶部、計時部、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。燃料電池システム１の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御器２２の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御器２２が燃料電池システム１の動作を適宜制御する。
　また、燃料電池２から冷却水を介して排出された熱や、燃焼排ガスの熱、カソード排空気の熱などは、図示はしないが、排熱回収経路を流通する貯湯タンクから供給された比較的低温の水と熱交換器によって熱交換をする。これにより、貯湯タンクから供給される比較的低温の水は加熱されて比較的高温の水として貯湯タンクに戻され、貯湯タンクにお湯が蓄えられる。
　［水素生成装置の構成］
　次に、水素生成器の構成について、図２を参照しながらさらに詳細に説明する。
　図２は、図１に示す燃料電池システムの水素生成装置の概略構成を示す模式図である。
　図２に示すように、水素生成装置３は、内側から順に第１円筒体２３、第２円筒体２４、第３円筒体２５、そして筐体に相当する第４円筒体２６が同心円上に配置されている。そして、第１円筒体２３と第２円筒体２４との間の空間で燃焼排ガス流路２７が構成され、第２円筒体２４と第３円筒体２５との間の空間で環状の第１のガス流路２８が構成され、第３円筒体２５と第４円筒体２６との空間で環状の第２のガス流路２９が構成されている。また、第１円筒体２３の内部空間には、燃焼器３ｅと、燃焼器３ｅに燃焼用ガスを供給するオフガス経路１２と、燃焼空気を供給する燃焼空気経路１０と、燃焼室３０と、が設けられている。
　燃焼室３０と燃焼排ガス流路２７とは、水素生成装置３の下部近傍で排気折り返し部３１を介して連通している。また、第１のガス流路２８と第２のガス流路２９とは、水素生成装置３の下部近傍で原料折り返し部３２を介して連通している。
　第１のガス流路２８の上流側には、原料ガス供給経路５が接続されており、ここから改質器３ａでの水蒸気改質反応の原料である炭化水素系の原料ガスと水とが供給される。そして、第１のガス流路２８の上流側の空間には、流路規定部材３３がらせん状に設置されていて、流路規定部材３３に沿って第２円筒体２４と第３円筒体２５との間にらせん状の空間を形成している。水素生成装置３で水素を生成する際には、原料ガス供給経路５から水と原料ガスとが供給されるが、前記のらせん状空間を水が流通する間に蒸発して水蒸気と相変化しながら原料ガスと混合されることになる。この前記らせん状の空間を水蒸発部３ｄとする。
　第１のガス流路２８には、改質触媒を充填した改質器３ａが設けられている。改質触媒はアルミナ担体に金属ルテニウムを担持した球状の触媒を使用してもよく、ニッケル触媒、白金系触媒、ロジウム等の白金族系触媒等を用いてもよく、また形状もペレット状やハニカム形状のものを用いてもよい。
　第２のガス流路２９には、変成触媒を充填した変成器３ｂと選択酸化触媒を充填した選択酸化器３ｃとが設けられていて、変成器３ｂと選択酸化器３ｃが、改質器３ａから排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減器を構成する。
　変成触媒としては、球状の白金系触媒を用いてもよく、銅を主体とした銅／亜鉛系触媒等を用いてもよい。また、選択酸化触媒として、ルテニウム系の球状触媒を用いてもよく、白金系触媒等も目的に応じて選択することが可能である。また、変成触媒及び選択酸化触媒の形状についても球状には限らない。また、選択酸化器３ｃの上流側には、選択酸化触媒で一酸化炭素を酸化反応させるための空気を供給する選択酸化空気経路８が接続されている。
　なお、本実施の形態１においては、変成器３ｂと選択酸化器３ｃで一酸化炭素低減器を構成したが、これに限定されない。一酸化炭素低減器は、変成器３ｂ、選択酸化器３ｃ、及びメタネーション触媒を有するメタネーション器のうち、少なくとも１の機器で構成されていればよい。
　第２のガス流路２９の選択酸化器３ｃの下流側には、生成した燃料ガスが排出される燃料ガス経路１１が接続されており、燃料ガス経路１１を介して、水素生成装置３と燃料電池２とが接続されている。
　また、変成器３ｂと選択酸化器３ｃの外側には、カソード空気経路１８から分岐された冷却空気経路１９が第４円筒体２６の外周に沿って配設されている。冷却空気経路１９は、空気ブロワ１７から供給されたカソード空気の一部が、固定オリフィス１９ａにより、所定量だけ通流するように構成されている。そして、冷却空気経路１９は、カソード空気経路１８の分岐点Ｘよりも下流側の経路で合流するように形成されている。これにより、冷却空気経路１９を通流する空気は、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとを冷却した後、カソード空気経路１８と合流し、燃料電池２のカソード流路２ｂに供給される（図１参照）。
　水素生成装置３には、水素生成装置３（第４円筒体２６）全体を覆うように断熱材３４が設けられている。なお、本実施の形態１においては、冷却空気経路１９を第４円筒体２６の変成器３ｂと選択酸化器３ｃを形成する部分の外周と断熱材３４との間に配置されていて、第４円筒体２６の外周と接触するように配置されている。断熱材３４としては、セラミックファイバーを成形した部材を用いてもよい。
　［燃料電池システムの動作］
　次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１の動作について説明する。
　ここで、本実施の形態における「起動運転時」とは、「制御器２２から起動指令が出力されてから燃料電池２の図１では特に図示しない発電制御部により電流が燃料電池２から取り出される迄」を指し、「停止運転時」とは、「制御器２２から停止指令が出力されてから燃料電池システム１全体の動作が完全に停止する迄」を指す。
　燃料電池システム１の起動運転前には、改質触媒を充填した改質器３ａ、変成触媒を充填した変成器３ｂ、選択酸化触媒を充填した選択酸化器３ｃを含めた第１のガス流路２８、第２のガス流路２９（水素生成装置３の内部）には、反応用の各触媒の劣化を抑制するために原料ガスが充填されている。これは、各触媒は空気の混入による酸化、残留水蒸気の凝縮による水濡れ等の履歴を受けることにより活性の劣化が起こることがあるためである。
　燃料電池システム１の起動運転時には、制御器２２の制御によって以下の動作が行われる。
　まず、水素生成装置３の改質器３ａ、変成器３ｂ、及び選択酸化器３ｃに充填された各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した所定の温度になるように、燃焼器３ｅで原料ガスを燃焼させて各触媒を加熱する。具体的には、後述する理由によりバイパス弁１６を開放し、燃料入弁１４と燃料出弁１５とを閉止した状態で原料ガスを原料ガス供給装置４から原料ガス供給経路５に供給する。この原料ガスは、水素生成装置３、燃料ガス経路１１、バイパス経路１３を順次流通して、オフガス経路１２から燃焼器３ｅに供給される。同時に、供給した原料ガスの流量に対応した流量の燃焼空気を燃焼空気ファン９によって燃焼空気経路１０を介して燃焼器３ｅに供給し、燃焼器３ｅに設けた図示しない着火装置によって燃焼器３ｅでの燃焼を開始する。
　燃焼器３ｅでの燃焼によって排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２７を流通する間に水蒸発部３ｄを加熱する。水蒸発部３ｄの温度が水を蒸発させることが可能な温度に昇温し、かつ各触媒の温度が１００℃以上の水蒸気が凝縮しない温度に昇温すると、改質水供給ポンプ６を駆動して、改質水タンク７から水蒸発部３ｄに水の供給を開始する。これにより、原料ガスと水蒸気とが改質器３ａに供給されることにより、改質器３ａにおいて改質反応が開始され、改質ガスが生成され始める。
　燃料電池システム１の起動運転の初期段階では、改質器３ａの改質触媒の温度は、燃焼器３ｅにより加熱されて緩やかに温度上昇するが、起動運転の初期においては、改質反応を行うのに適した所定の温度に到達していない。そのため、改質器３ａにおける水蒸気改質反応が好適に進行しないので、改質器３ａから排出される改質ガスには、大量の一酸化炭素が含まれている。また、同様に変成器３ｂの変成触媒の温度、および選択酸化器３ｃの選択酸化触媒の温度も、各反応を行うのに適した温度に到達していない。よって、水素生成装置３から排出される燃料ガス中には、大量の一酸化炭素が含まれている。そこで、本実施の形態１の燃料電池システムでは、起動運転時には水素生成装置３の各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで（所定の運転条件を満足するまで）は、制御器２２により、前述のようにバイパス経路１３側を燃料ガスが流れるようにしておく。
　この間は、燃焼器３ｅでは燃焼用ガスとして、一酸化炭素が多く含まれた燃料ガスが燃焼用空気と共に燃焼される。
　また、選択酸化器３ｃの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行うのに適した所定の温度に到達すると、選択酸化空気経路８を介して選択酸化器３ｃに所定量の選択酸化空気の供給を開始する。
　起動運転が進行して水素生成装置３の各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した温度に到達し、水素生成装置３で良質の燃料ガスが生成されだすと、燃料入弁１４と燃料出弁１５とを開放し、同時にバイパス弁１６を閉止することにより、燃料電池２のアノード流路２ａに燃料ガスの供給が開始される。
　また、同時に空気ブロワ１７が制御器２２によって駆動され、燃料電池２のカソード流路２ｂに所定流量のカソード空気の供給が開始され、燃料電池システム１が発電運転を開始する。
　燃料電池システムが発電運転を開始した後は、燃焼器３ｅでは、燃料電池２での発電に利用されなかった水素を含むオフガスが燃焼用ガスとして燃焼される。
　ところで、燃料電池システム１が安定的に発電運転を継続するためには、改質器３ａ、変成器３ｂ、選択酸化器３ｃ、及び水蒸発部３ｄが各反応を行うのに適した所定の温度範囲に保たれ、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が十分に低減され、水素リッチな良質の燃料ガスが燃料電池２に供給され続ける必要がある。
　吸熱反応する改質器３ａは、燃焼器３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスによって加熱され、所定の温度に保たれる。このとき、燃焼器３ｅで燃焼させるオフガスの流量は、改質器３ａを所定の温度に保つために所定の流量に決まってくるため、原料ガスの供給量と、それに対応して水の供給量も決まってくる。また、燃焼空気の流量も、燃焼器３ｅで燃焼させるオフガスの流量に対応して所定の流量に決まってくるため、燃焼排ガスの流量も所定の流量に決まってくる。一方、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとは、それぞれ発熱反応によって熱が発生するため、その反応熱を取り去ってやる必要がある。
　そこで、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、冷却空気経路１９に空気を通流させることにより、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとで発生した反応熱の一部を、第４円筒体２６を介して、冷却空気経路１９を通流する空気と熱交換させる。これにより、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとで発生した反応熱の一部を、冷却空気経路１９を通流する空気を放熱することができる。また、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの内側にある第３円筒体２５を介して水蒸発部３ｄに伝わり、水の蒸発熱に利用される。なお、水の蒸発熱は、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの反応熱だけでなく、改質器３ａを加熱した後に燃焼排ガス流路２７を流通する燃焼排ガスの熱も利用されている。
　以上のように、水素生成装置３での熱の授受は非常に複雑に互いに影響を与えているが、再度、整理して簡単に記すと、各反応部での反応熱と、オフガスの流量、水の流量、そして燃焼排ガスの流量は決まってくる。よって、水素生成装置３の各反応部の温度を、それぞれ所定の温度でバランスさせて維持するためには、水素生成装置３を構成する構造体の伝熱量を考慮して、冷却空気経路１９を流通する冷却空気の流量を調整する必要がある。
　ところで、原料ガスの種類が異なると、同量の水素を水素生成装置３で生成するために必要となる水の量と、同量の水素を含んだ燃料ガス中の二酸化炭素の量とが異なってくる。
　具体的には、例えば、原料ガスが天然ガス（説明を簡略化するためにメタンとする）の場合は（１）式で示すように、４ｍｏｌの水素を作るためには、２ｍｏｌの水が必要であるのに対し、原料ガスがＬＰＧ（説明を簡略化するためにプロパンとする）の場合は（２）式で示すように、１０ｍｏｌの水素を作るために６ｍｏｌの水が必要となる。すなわち、同量の水素を天然ガスとＬＰＧとから作るためには、原料ガスがＬＰＧの場合、原料ガスが天然ガスの場合に比べて水の量が１．２倍必要となる。
　また、原料ガスが天然ガスの場合、（１）式で示すように、水素生成装置３に供給した天然ガスが全て水素となったとすると、燃料ガス中の５分の１が二酸化炭素となるのに対し、原料ガスがＬＰＧで、前述の天然ガスの時と同様に供給したＬＰＧが全て水素となったとすると、（２）式で示すように、燃料ガス中の１３分の３が二酸化炭素となり、燃料ガス中の二酸化炭素の割合が多くなる。よって、水素生成装置３で同量の水素を生成させた場合、原料ガスがＬＰＧである場合の方が天然ガスである場合よりも、二酸化炭素の割合が多い分、燃料ガスの量が多くなる。
ＣＨ４　＋　２Ｈ２Ｏ　→ＣＯ２　＋　４Ｈ２　・・・（１）式
Ｃ３Ｈ８　＋　６Ｈ２Ｏ　→　３ＣＯ２　＋　１０Ｈ２　・・・（２）式
　燃料電池２で発電によって消費される水素の量は、原料ガスの種類によって異なることはないため、オフガス中の水素量も、原料ガスの種類のよって異なることはない。よって、燃焼器３ｅでオフガス中の水素を燃焼させるのに必要な燃焼空気の量も、原料ガスの種類によって異なることはない。従って、燃焼排ガスの量は、原料ガスがＬＰＧの場合のほうが、天然ガスの場合よりも多くなる。
　以上のように、原料ガスの種類が変わると、水素生成装置３の各反応部の温度を決めるパラメータが変化して温度バランスが崩れてしまい、良質な燃料ガスを生成できないことがある。
　しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、原料ガスの種類によって、冷却空気経路１９の固定オリフィス１９ａの圧力損失を変えることで、カソード空気経路１８から分岐されて冷却空気経路１９に流通する空気の流量を調整して、水素生成装置３の各触媒の温度が所定の温度を維持してバランスするように配慮して構成設計している。
　以上のように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、カソード空気経路１８から分岐した冷却空気経路１９に空気を流通させ、ガスの種類によって空気の流量を調整することで、容易に設計変更することが可能であり、水素生成装置３の各反応部の温度を所定の温度に維持することが可能である。
　また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、水素生成装置３を断熱材３４で覆うことにより、水素生成装置３の各反応部が受ける外気温の影響を小さく抑えることが可能となり、また、水素生成装置３からの放熱量が少なくなることで、燃料電池システム１の熱効率を向上させることが可能である。
　さらに、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、空気ブロワ１７からカソード空気経路１８に供給された空気は、冷却空気経路１９に分岐された後、カソード空気経路１８と合流するため、全て燃料電池２に供給される。これにより、空気ブロワ１７から供給する空気量を燃料電池２で発電するのに必要な最低限の流量に抑えることができるため、空気ブロワ１７の消費電力が上昇するのを抑制することが可能となる。このため、燃料電池システム１の効率が低下するのを抑制することができる。
　また、冷却空気経路１９を流通した（冷却）空気は、水素生成装置３と熱交換することで加熱されるため、燃料電池２に供給されるカソード空気が加熱される。カソード空気を加熱した熱エネルギーは、燃料電池２を流通する冷却水を介して回収することが可能であるため、燃料電池システム１の熱回収効率を向上させることが可能となる。
　なお、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、選択酸化器３ｃを用いたが、これに限定されない。選択酸化器３ｃに代えて、メタネーション反応を利用して燃料ガス中の一酸化炭素を除去するメタネーション器を用いてもよい。メタネーション器は、メタネーション触媒が充填され、燃料ガス中の水素と一酸化炭素とを利用してメタンに変えることで燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものであり、選択酸化空気の供給は不要となる。ただし、メタネーション反応を行うのに適した温度は、選択酸化反応を行うのに適した温度と異なる場合があるため、冷却空気の流量を調整する必要がある。
　また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、冷却空気経路１９を一酸化炭素低減器である変成器３ｂと選択酸化器３ｃの両外周を囲むように構成したが、これに限定されない。冷却空気経路１９を変成器３ｂ及び選択酸化器３ｃのうちの少なくとも一方の周囲に配設する構成を採用してもよい。また、冷却空気経路１９は、変成器３ｂ又は選択酸化器３ｃの各触媒の内周側や、各触媒中を貫通するように構成されていてもよい。
　（実施の形態２）
　次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
　図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図であり、図４は、本実施の形態２の燃料電池システムに搭載した水素生成装置の概略構成を示す模式図である。図３および図４において、実施の形態１で示した燃料電池システム１の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
　図３および図４に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム３７は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態１で示した燃料電池システム１と異なる。
　すなわち、本実施の形態２の燃料電池システム３７の水素生成装置３８は、改質器３８ａと、一酸化炭素低減器として変成器３８ｂとメタネーション器３８ｃとを備えている。メタネーション器３８ｃは実施の形態１の選択酸化器３ｃの代わりに備えられている。メタネーション器３８ｃは、メタネーション触媒が充填されており、燃料ガス中の水素と一酸化炭素とを反応させてメタンに変えることで燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものである。よって、選択酸化空気の供給は不要となるため、本実施の形態２の燃料電池システム３７には選択酸化空気経路が備えられていない。
　また、変成器３８ｂとメタネーション器３８ｃとを構成する第４円筒体２６の外側には、冷却空気経路３９が配置されている。この冷却空気経路３９には、固定オリフィス３９ａが設けられている。また、冷却空気経路３９は、カソード空気経路１８の分岐点Ｘおよび合流点Ｙで接続され、カソード空気経路１８を通流する空気の一部又は全部が、通流するように構成されている。
　また、水素生成装置３８には、実施の形態１の水素生成装置３と同様に、水蒸発部３８ｄと燃焼器３８ｅが備えられている。本実施の形態３の燃料電池システム３７では、燃焼器３８ｅには、空気ブロワ１７から供給される空気の一部が供給されるように、燃焼空気経路４０を介して、カソード空気経路１８が接続されている。具体的には、燃焼空気経路４０の上流端が、カソード空気経路１８の分岐点Ｚでカソード空気経路１８と接続されていて、燃焼空気経路４０の下流端が燃焼器３８ｅと接続されている。
　なお、燃料電池システム３７の起動運転時など、燃料電池２にカソード空気の供給を行わないときには、空気入弁２０を閉止しておくことで、空気ブロワ１７で供給した空気が全て燃焼器３８ｅに供給される。また、燃料電池２にカソード空気を供給する際には、所定の流量の燃焼空気が燃焼器３８ｅに供給されるように、燃焼空気経路４０の圧力損失が調整されている。
　このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム３７であっても、実施の形態１の燃料電池システム１と同様に、原料ガスの種類が変わっても、比較的簡単な設計変更で水素生成装置の温度を所定の温度にバランスさせ、良質の燃料ガスを生成させることで、燃料電池システムの運転を安定させることが可能である。
　また、本実施の形態２に係る燃料電池システム３７では、燃焼空気を供給するための燃焼空気ファンが必要ないため、燃料電池システムを小型化することができる。
　（実施の形態３）
　本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、燃料ガスをアノードに供給する燃料ガス流路と酸化剤ガスをカソードに供給する酸化剤ガス流路とを備える燃料電池と、原料及び燃料ガスのうちの少なくとも一方と空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼器と、燃焼排ガスの熱で加熱され、水と原料との改質反応により水素含む改質ガスを生成する改質器と、少なくとも改質ガスの熱で加熱され、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスを生成する一酸化炭素低減器と、を備える水素生成装置と、燃料電池の酸化剤ガス流路に空気経路を介して空気を供給する空気供給器と、空気経路から分岐し、一酸化炭素低減器と空気供給器から供給される空気の一部とを熱交換させるように一酸化炭素低減器の外周に配置され、燃焼器に連通する冷却空気経路と、を備える態様を例示するものである。
　以下、本実施の形態３に係る燃料電池システムの一例について、図５を参照しながら詳細に説明する。
　図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
　図５に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１と基本的構成は同じであるが、冷却空気経路１９の下流端が、カソード空気経路１８ではなく、燃焼器３ｅに接続されている点が異なる。
　このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム１であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態３に係る燃料電池システム１では、燃焼器３ｅに燃焼空気を供給するための燃焼空気ファン９が必要ないため、燃料電池システム１を小型化することができる。
　なお、燃料電池システム１の起動運転時など、燃料電池２にカソード空気の供給を行わないときには、空気入弁２０を閉止しておくことで、空気ブロワ１７で供給した空気が全て燃焼器３ｅに供給される。また、燃料電池２にカソード空気を供給する際には、所定の流量の燃焼空気が燃焼器３ｅに供給されるように、冷却空気経路１９の圧力損失が調整されている。
　（実施の形態４）
　本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムは、燃料ガスをアノードに供給する燃料ガス流路と酸化剤ガスをカソードに供給する酸化剤ガス流路とを備える燃料電池と、原料及び燃料ガスのうちの少なくとも一方と空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼器と、燃焼排ガスの熱で加熱され、水と原料との改質反応により水素含む改質ガスを生成する改質器と、少なくとも改質ガスの熱で加熱され、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスを生成する一酸化炭素低減器と、を備える水素生成装置と、燃料電池の酸化剤ガス流路に空気経路を介して空気を供給する空気供給器と、空気経路から分岐し、一酸化炭素低減器と空気供給器から供給される空気の一部とを熱交換させるように一酸化炭素低減器の外周に配置され、一酸化炭素低減器に連通する冷却空気経路と、を備える態様を例示するものである。
　以下、本実施の形態４に係る燃料電池システムの一例について、図６を参照しながら詳細に説明する。
　図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
　図６に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１と基本的構成は同じであるが、冷却空気経路１９が、選択酸化器３ｃに空気を供給するように構成されている点が異なる。具体的には、冷却空気経路１９の下流端が、第２のガス流路２９における変成器３ｂと選択酸化器３ｃの間に接続されている。また、冷却空気経路１９が、選択酸化器３ｃに選択酸化空気を供給するため、選択酸化空気経路８が省略されている。
　このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池システム１であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態４に係る燃料電池システム１では、選択酸化器３ｃに選択酸化空気を供給するためのファン等の選択酸化空気供給器が必要ないため、燃料電池システム１を小型化することができる。
　なお、燃料電池システム１の起動運転時など、燃料電池２にカソード空気の供給を行わないときには、空気入弁２０を閉止しておくことで、空気ブロワ１７で供給した空気が全て選択酸化器３ｃに供給される。また、燃料電池２にカソード空気を供給する際には、所定の流量の選択酸化空気が選択酸化器３ｃに供給されるように、冷却空気経路１９の圧力損失が調整されている。
　（実施の形態５）
　本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムは、一酸化炭素低減器の温度を検出する温度検出器と、冷却空気経路を通流する空気の流量を調整する流量調整器と、温度検出器が検出した温度に基づいて、一酸化炭素低減器の温度が所定の温度になるように流量調整器をフィードバック制御するように構成されている制御器と、をさらに備える態様を例示するものである。
　また、本実施の形態５に係る燃料電池システムでは、制御器は、温度検出器が検出した温度が第１の所定の温度以上である場合には、冷却空気経路を通流する空気の流量を増加させるように、流量調整器を制御し、温度検出器が検出した温度が第１の所定の温度よりも低い温度である第２の所定の温度以下である場合には、冷却空気経路を通流する空気の流量を減少させるように、流量調整器を制御してもよい。
　以下、本実施の形態５に係る燃料電池システムの一例について、図７を参照しながら詳細に説明する。
　［燃料電池システムの構成］
　図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図７おいて、実施の形態１～４で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
　図７に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム４１は、実施の形態１で示した燃料電池システム１と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態２で示した燃料電池システム１と異なる。
　すなわち、変成器３ｂには、該変成器３ｂの温度を検出する温度センサ４３が備えられていて、冷却空気経路４２には、冷却空気経路４２を流通する冷却空気の流量を調整する流量調整弁４２ａが備えられている。
　温度センサ４３と流量調整弁４２ａとは、それぞれ、制御器２２と電気的に接続されており、温度センサ４３で検知した温度は、信号として制御器２２に入力される。さらに温度センサ４３で検知した温度に基づいて、流量調整弁４２ａが制御器２２によって制御され、変成器３ｂの温度が所定の温度になるように冷却空気経路４２に流通される空気の流量が調整される。
　［燃料電池システムの動作］
　次に、以上のように構成された燃料電池システム４１の動作について説明する。燃料電池システム４１の起動運転時の動作については、他の実施の形態の燃料電池システムと同じであるため、説明を省略する。
　燃料電池システムが安定して発電運転するためには、水素生成装置３の各反応部の温度が所定の温度に維持されている必要がある。吸熱反応する改質器３ａは、燃焼器３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスの熱とによって所定の温度に１保たれる。一方、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとは、発熱反応によって熱が発生するため、その熱を取り去ってやる必要がある。変成器３ｂと選択酸化器３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの内側にある第２円筒体２４を介して水蒸発部３ｄに伝わり、水の蒸発熱に利用される。さらに、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの外周を構成する第４円筒体２６を介して、第４円筒体２６の周囲に配設された冷却空気経路４２を流れる冷却空気に伝熱される。
　変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの温度は、温度センサ４３で検知された変成器３ｂの温度に基づいて、制御器２２で流量調整弁４２ａを制御して、冷却空気経路４２に流れる冷却空気の流量を変化させることで所定の温度になるように調整される。すなわち、制御器２２は、温度センサ４３が検出した温度に基づいて、一酸化炭素低減器（ここでは、変成器３ｂ）の温度が所定の温度になるように流量調整弁４２ａをフィードバック制御する。具体的には、制御器２２は、温度センサ４３で検知した温度が所定温度より高いときは、冷却空気経路４２を流れる冷却空気量を増やすように流量調整弁４２ａに信号を送り、逆に温度センサ４３の温度が所定温度より低いときは、冷却空気経路４２を流れる冷却空気量を減らすように流量調整弁４２ａに信号を送り、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる冷却空気の流量を制御して、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとが所定温度になるようにコントロールする。
　なお、所定の温度は任意に設定することができ、所定の温度は、２００～３００℃の間で設定してもよく、例えば、２５０℃に設定してもよい。なお、後述するように、温度センサ４３が、選択酸化器３ｃの温度を検出するように構成されている場合には、所定の温度は１００～１５０℃の間で設定してもよく、例えば、１２５℃に設定してもよい。さらに、選択酸化器３ｃに代えてメタネーション触媒が充填されたメタネーション器３８ｃが設けられている場合には、所定の温度は、１００～３００℃の間で設定することができ、例えば、２００℃に設定してもよい。
　また、制御器２２は、温度センサ４３が検出した温度が第１の所定の温度以上である場合には、冷却空気経路４２を通流する空気の流量を増加させるように流量調整弁４２ａを制御し、温度センサ４３が検出した温度が第１の所定の温度よりも低い温度である第２の所定の温度以下である場合には、冷却空気経路４２を通流する空気の流量を減少させるように流量調整弁４２ａを制御してもよい。
　ここで、第１の所定の温度及び第２の所定の温度は、それぞれ任意に設定することができ、第１の所定の温度は、３００℃に設定してもよく、第２の所定の温度は、２００℃に設定してもよい。また、後述するように、温度センサ４３が、選択酸化器３ｃの温度を検出するように構成されている場合には、第１の所定の温度は１５０℃に設定してもよく、第２の所定の温度は、１００℃に設定してもよい。さらに、選択酸化器３ｃに代えてメタネーション触媒が充填されたメタネーション器３８ｃが設けられている場合には、第１の所定の温度は、３００℃に設定してもよく、第２の所定の温度は、１００℃に設定してもよい。
　なお、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとを冷却した冷却空気は、カソード空気経路１８に合流し、燃料電池２に供給される。
　以上のように、本実施の形態４の燃料電池システム４１においては、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる冷却空気の量を制御することによって、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの冷却量を調整することができる。このため、例えば、原料ガスの種類を変えることで、水素生成装置３の各反応部の温度バランスが変化しても、流量調整弁４２ａで冷却空気経路４２を流れる空気量を変化させて、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとを所定の温度に維持し、水素生成装置３の各反応部の温度を、それぞれ所定の温度に保つことができる。
　なお、本実施の形態４に係る燃料電池システム４１では、変成器３ｂに温度センサ４３を配設して変成器３ｂの温度を検知したが、これに限定されない。例えば、温度センサ４３を選択酸化器３ｃの温度を検知するように構成してもよい。これらの場合、変成器３ｂ又は選択酸化器３ｃのどちらか一方の温度によって、他方の温度を推測することができる。また、変成器３ｂの温度を検知する温度センサと、選択酸化器３ｃの温度を検知する温度センサと、を、それぞれに配設しても良い。
　また、本実施の形態４に係る燃料電池システム４１では、制御器２２は、流量調整弁４２ａをフィードバック制御することにより、一酸化炭素低減器の温度を所定の温度になるように制御したが、これに限定されない。例えば、制御器２２は、一酸化炭素低減器の温度と流量調整弁４２ａにより調整する冷却空気経路４２を通流する空気の流量との関係を予め実験等により設定したテーブル又はマップを用いて、流量調整弁４２ａを制御してもよい。
　（実施の形態５）
　本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムは、流量調整器が、冷却空気経路を開放又は閉止を行う開閉弁である態様を例示するものである。
　以下、本実施の形態５に係る燃料電池システムの一例について、図８を参照しながら詳細に説明する。
　図８は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図８おいて、実施の形態１から４で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
　図８に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム５１は、他の実施の形態で示した燃料電池システムと概ね同一の構成を示し、特に実施の形態４で示した燃料電池システム４１と類似している。しかしながら、冷却空気経路５２に、実施の形態４の流量調整弁４２ａに代わって冷却空気の流通と遮断を切り替える開閉弁５２ａを備えている点で実施の形態４で示した燃料電池システム４１と異なる。
　次に、以上のように構成された燃料電池システム５１の動作について説明する。燃料電池システム５１の起動運転時の動作については、他の実施の形態の燃料電池システムと同じであるため、説明を省略する。
　燃料電池システムが安定して発電運転するためには、水素生成装置３の各反応部の温度が所定の温度に維持されている必要がある。吸熱反応する改質器３ａは、燃焼器３ｅでのオフガスの燃焼熱と燃焼排ガスの熱とによって所定の温度に１保たれる。一方、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとは、発熱反応によって熱が発生するため、その熱を取り去ってやる必要がある。変成器３ｂと選択酸化器３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの内側にある第２円筒体２４を介して水蒸発部３ｄに伝わり、水の蒸発熱に利用される。さらに、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとで発生した反応熱の一部は、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの外周を構成する第４円筒体２６を介して、第４円筒体２６の周囲に配設された冷却空気経路５２を流れる冷却空気に伝熱される。
　変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの温度は、温度センサ４３と制御器２２と開閉弁５２ａとで制御する。温度センサ４３で変成器３ｂの温度を検出し、その検出した温度を信号で制御器２２に送る。変成器３ｂの温度が所定温度より高いときは制御器２２から開閉弁５２ａに信号を送り、開閉弁５２ａを開放して、冷却空気経路５２に冷却空気が流れるようにする。また、変成器３ｂの温度が所定温度より低いときは、制御器２２から開閉弁５２ａに信号を送り、開閉弁５２ａを閉止させ、冷却空気経路５２に冷却空気が流れないようにする。
　このように温度センサ４３で変成器３ｂの温度を監視しながら開閉弁５２ａを制御し、冷却空気経路５２を流れる冷却空気を流通／遮断させることにより、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの温度を、所定の温度範囲になるように制御し、水素生成装置３の熱バランスを維持することができる。
　以上のように、本実施の形態５においては、カソード空気経路１８から分岐した冷却空気経路５２を、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとの周囲に配設し、さらに冷却空気経路５２に冷却空気を流通または遮断する開閉弁５２ａを設けることにより、冷却空気経路５２を流れる冷却空気を流通または遮断させることができるため、例えば、環境温度が変化して冷却空気経路５２に供給される冷却空気の温度が変化しても、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとを所定の温度範囲で維持し、水素生成装置３の熱バランスを保つことができる。
　また、原料ガスの種類が変わっても、変成器３ｂと選択酸化器３ｃとを所定の温度範囲で維持し、水素生成装置３の熱バランスを保つことができる。
　本発明の燃料電池システムは、システムの大型化・コストの増加につながることなく、また、水素生成装置における効率的な燃料ガス生成を損なうことなく、一酸化炭素低減器を所定の温度に維持し、水素生成装置の熱バランスを容易にコントロールできるため、燃料電池の分野で有用である。
　１　燃料電池システム
　２　燃料電池
　２ａ　アノード流路
　２ｂ　カソード流路
　３　水素生成装置
　３ａ　改質器
　３ｂ　変成器
　３ｃ　選択酸化器
　３ｄ　水蒸発部
　３ｅ　燃焼器
　４　原料ガス供給装置
　５　原料ガス供給経路
　６　改質水供給ポンプ
　７　改質水タンク
　８　選択酸化空気経路
　９　燃焼空気ファン
　１０　燃焼空気経路
　１１　燃料ガス経路
　１２　オフガス経路
　１３　バイパス経路
　１４　燃料入弁
　１５　燃料出弁
　１６　バイパス弁
　１７　空気ブロワ
　１８　カソード空気経路
　１９　冷却空気経路
　１９ａ　固定オリフィス
　２０　空気入弁
　２２　制御器
　２３　第１円筒体
　２４　第２円筒体
　２５　第３円筒体
　２６　第４円筒体
　２７　燃焼排ガス流路
　２８　第１のガス流路
　２９　第２のガス流路
　３０　燃焼室
　３１　排気折り返し部
　３２　原料折り返し部
　３３　流路規定部材
　３４　断熱材
　３５　燃料電池システム
　３６　冷却空気経路
　３６ａ　固定オリフィス
　３７　燃料電池システム
　３８　水素生成装置
　３８ａ　改質器
　３８ｂ　変成器
　３８ｃ　メタネーション器
　３８ｄ　水蒸発部
　３８ｅ　燃焼器
　３９　冷却空気経路
　３９ａ　固定オリフィス
　４０　燃焼空気経路
　４１　燃料電池システム
　４２　冷却空気経路
　４２ａ　流量調整弁
　４３　温度センサ
　５１　燃料電池システム
　５２　冷却空気経路
　５２ａ　開閉弁
　１００　水素生成器
　１００ａ　改質部
　１００ｂ　変成部
　１００ｃ　選択酸化部
　１００ｅ　燃焼部
　１０１　燃焼用ガス経路
　１０２　燃焼空気ファン
　１０３　燃焼空気経路
　１０４　選択酸化空気経路
　１０５　原料導入経路
　１０６　燃料ガス出口

Claims (11)

  1. 　燃料ガスをアノードに供給する燃料ガス流路と酸化剤ガスをカソードに供給する酸化剤ガス流路とを備える燃料電池と、
    　原料及び前記燃料ガスのうちの少なくとも一方と空気とを燃焼し、燃焼排ガスを排出する燃焼器と、前記燃焼排ガスの熱で加熱され、水と前記原料との改質反応により水素含む改質ガスを生成する改質器と、少なくとも前記改質ガスの熱で加熱され、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して前記燃料ガスを生成する一酸化炭素低減器と、を備える水素生成装置と、
    　前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路に空気経路を介して空気を供給する空気供給器と、
    　前記空気経路から分岐し、前記一酸化炭素低減器と前記空気供給器から供給される空気の一部とを熱交換させるように前記一酸化炭素低減器の外周に配置され、前記酸化剤ガス流路、前記燃焼器、及び前記一酸化炭素低減器のうちの少なくとも１つに連通する冷却空気経路と、を備える、燃料電池システム。
  2. 　前記冷却空気経路は、少なくとも前記酸化剤ガス流路に連通するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記燃料電池は、高分子電解質膜を備えた固体高分子形燃料電池である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記一酸化炭素低減器は、前記改質器からの燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、水性ガスシフト反応を利用して低減する変成器、メタネーション反応を利用して低減するメタネーション器、及び酸化反応を利用して低減する選択酸化器のうちの少なくとも一つを備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記一酸化炭素低減器は、酸化反応を利用して一酸化炭素濃度を低減する選択酸化器を備え、
    　前記冷却空気経路は、少なくとも前記一酸化炭素除去器に連通するよう構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記冷却空気経路は、少なくとも前記燃焼器に連通するように構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記一酸化炭素低減器の温度を検出する温度検出器と、
    　前記冷却空気経路を通流する空気の流量を調整する流量調整器と、
    　前記温度検出器が検出した温度に基づいて、前記一酸化炭素低減器の温度が所定の温度になるように前記流量調整器をフィードバック制御するように構成されている制御器と、をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 　前記一酸化炭素低減器の温度を検出する温度検出器と、
    　前記冷却空気経路を通流する空気の流量を調整する流量調整器と、
    　前記温度検出器が検出した温度が第１の所定の温度以上である場合には、前記冷却空気経路を通流する空気の流量を増加させるように、前記流量調整器を制御し、前記温度検出器が検出した温度が第１の所定の温度よりも低い温度である第２の所定の温度以下である場合には、前記冷却空気経路を通流する空気の流量を減少させるように、前記流量調整器を制御する制御器と、をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 　前記流量調整器は、前記冷却空気経路を開放又は閉止を行う開閉弁である、請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
  10. 　前記一酸化炭素低減器の外周を覆うように配置されている断熱材をさらに備え、
    　前記冷却空気経路は、前記一酸化炭素低減器の外周と前記断熱材との間に配置されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  11. 　前記冷却空気経路は、前記一酸化炭素低減器の外周と接触するように配置されている、請求項１０に記載の燃料電池システム。
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