JP2001085039A - 燃料電池システム - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】燃料電池システムの燃料改質器５において改質
ガスのＣＯ濃度を低減するとともに、改質反応維持のた
めの外部加熱手段を不要にする。 【解決手段】燃料改質器５に原燃料の部分酸化反応に対
して活性を呈する触媒を設けるとともに、水蒸気を導入
し、この燃料改質器５内において部分酸化反応と水性ガ
スシフト反応とを生ずるようにする。
ガスのＣＯ濃度を低減するとともに、改質反応維持のた
めの外部加熱手段を不要にする。 【解決手段】燃料改質器５に原燃料の部分酸化反応に対
して活性を呈する触媒を設けるとともに、水蒸気を導入
し、この燃料改質器５内において部分酸化反応と水性ガ
スシフト反応とを生ずるようにする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムに
関する。
関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、負極に送り込む水素を燃料
とし、正極に送り込む酸素を酸化剤として、これらを電
解質を通じて反応させる発電器として一般に知られてい
る。この燃料電池に使用する水素は炭化水素又はメタノ
ールを改質することによって生成することができる。
とし、正極に送り込む酸素を酸化剤として、これらを電
解質を通じて反応させる発電器として一般に知られてい
る。この燃料電池に使用する水素は炭化水素又はメタノ
ールを改質することによって生成することができる。
【０００３】特公昭５８−５７３６１号公報には、ロジ
ウム触媒の存在下、炭化水素に、空気、又は空気と酸
素、又は空気と水蒸気を作用させ、部分酸化法によって
水素及びＣＯ（一酸化炭素）を得ることが記載されてい
る。反応温度は６９０〜９００℃である。空気及び酸素
は炭化水素の酸化剤として用いられ、水蒸気は酸化反応
で酸化されずに残る燃料から水蒸気改質反応で水素を生
成する目的に用いられている。従って、炭化水素に空気
と水蒸気とを作用させたときにロジウム触媒上で生ずる
反応は部分酸化反応と水蒸気改質反応である。
ウム触媒の存在下、炭化水素に、空気、又は空気と酸
素、又は空気と水蒸気を作用させ、部分酸化法によって
水素及びＣＯ（一酸化炭素）を得ることが記載されてい
る。反応温度は６９０〜９００℃である。空気及び酸素
は炭化水素の酸化剤として用いられ、水蒸気は酸化反応
で酸化されずに残る燃料から水蒸気改質反応で水素を生
成する目的に用いられている。従って、炭化水素に空気
と水蒸気とを作用させたときにロジウム触媒上で生ずる
反応は部分酸化反応と水蒸気改質反応である。
【０００４】特開昭５４−７６６０２号公報には、８１
５〜１９３０℃及び１〜２５０絶対気圧の条件下におい
て、炭化水素に自由酸素を含むガスを作用させ、部分酸
化によって水素とＣＯとを生成する方法が記載され、ま
た、その際に水蒸気を温度モデレータ、炭化水素燃料の
予熱、分散、移動のために添加することが記載されてい
る。
５〜１９３０℃及び１〜２５０絶対気圧の条件下におい
て、炭化水素に自由酸素を含むガスを作用させ、部分酸
化によって水素とＣＯとを生成する方法が記載され、ま
た、その際に水蒸気を温度モデレータ、炭化水素燃料の
予熱、分散、移動のために添加することが記載されてい
る。
【０００５】特開平６−９２６０３号公報には、炭化水
素と酸素含有ガスと水蒸気とを、触媒の存在下、２〜１
００バールの圧力、７５０〜１２００℃（好ましくは１
０００〜１２００℃）の温度で部分酸化反応させること
により、水素とＣＯとを生成することが記載されてい
る。
素と酸素含有ガスと水蒸気とを、触媒の存在下、２〜１
００バールの圧力、７５０〜１２００℃（好ましくは１
０００〜１２００℃）の温度で部分酸化反応させること
により、水素とＣＯとを生成することが記載されてい
る。
【０００６】特開平７−５７７５６号公報には、触媒の
存在下、炭化水素に水蒸気を作用させ、水蒸気改質反応
によって水素及びＣＯを生成する燃料改質器に、酸素を
導くことによって炭化水素の部分酸化反応を同時に起こ
させるようにした燃料電池発電システムが記載されてい
る。これは、水蒸気改質反応が吸熱反応であるから、発
熱反応である部分酸化反応を利用して水蒸気改質反応に
必要な熱を補うというものである。
存在下、炭化水素に水蒸気を作用させ、水蒸気改質反応
によって水素及びＣＯを生成する燃料改質器に、酸素を
導くことによって炭化水素の部分酸化反応を同時に起こ
させるようにした燃料電池発電システムが記載されてい
る。これは、水蒸気改質反応が吸熱反応であるから、発
熱反応である部分酸化反応を利用して水蒸気改質反応に
必要な熱を補うというものである。
【０００７】特開平１０−３０８２３０号公報には、触
媒の存在下、炭化水素を部分酸化反応によって水素に改
質する燃料改質器と、この改質の際に生成するＣＯを水
性ガスシフト反応によって酸化させるＣＯ変成器と、さ
らに残存するＣＯを選択酸化させる選択酸化器とを備え
た燃料電池発電装置が記載されている。また、上記部分
酸化反応に対して活性を呈する触媒の他に炭化水素の水
蒸気改質反応に対して活性を呈する触媒を上記燃料改質
器に充填するとともに、この改質器に炭化水素、酸素及
び水蒸気を供給することにより、炭化水素の部分酸化反
応と水蒸気改質反応とによって水素を生成することも記
載されている。
媒の存在下、炭化水素を部分酸化反応によって水素に改
質する燃料改質器と、この改質の際に生成するＣＯを水
性ガスシフト反応によって酸化させるＣＯ変成器と、さ
らに残存するＣＯを選択酸化させる選択酸化器とを備え
た燃料電池発電装置が記載されている。また、上記部分
酸化反応に対して活性を呈する触媒の他に炭化水素の水
蒸気改質反応に対して活性を呈する触媒を上記燃料改質
器に充填するとともに、この改質器に炭化水素、酸素及
び水蒸気を供給することにより、炭化水素の部分酸化反
応と水蒸気改質反応とによって水素を生成することも記
載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述の通り、炭化水素
を部分酸化反応によって水素に改質するに当たり、触媒
の存在下で炭化水素に酸素及び水蒸気を作用させること
は知られているが、その水蒸気は吸熱反応である水蒸気
改質反応を得るために、あるいは温度調節等のために添
加されている。これでは、改質反応を維持するために燃
料改質器に伝熱面積の大きな外部加熱手段を設ける必要
があるとともに、炭化水素の部分酸化反応や水蒸気改質
反応によって生成するＣＯによって燃料電池の触媒電極
が被毒することを避けるためにこのＣＯを酸化除去する
大型の変成器を必要とする。
を部分酸化反応によって水素に改質するに当たり、触媒
の存在下で炭化水素に酸素及び水蒸気を作用させること
は知られているが、その水蒸気は吸熱反応である水蒸気
改質反応を得るために、あるいは温度調節等のために添
加されている。これでは、改質反応を維持するために燃
料改質器に伝熱面積の大きな外部加熱手段を設ける必要
があるとともに、炭化水素の部分酸化反応や水蒸気改質
反応によって生成するＣＯによって燃料電池の触媒電極
が被毒することを避けるためにこのＣＯを酸化除去する
大型の変成器を必要とする。
【０００９】なお、上記特開平７−５７７５６号公報や
特開平１０−３０８２３０号公報に記載されているよう
に、水蒸気改質反応による吸熱分を部分酸化反応による
発熱で補うことにより、外部加熱手段を不要にするとい
う考え方もあるが、メタンの場合、水蒸気改質反応の反
応熱は約２０５ｋＪ／モル（吸熱）であるのに対して、
部分酸化反応の反応熱は約３６ｋＪ／モルであって、そ
の熱量差が大きい。従って、主として水蒸気改質反応を
起こさせるために水蒸気を添加するという考え方では外
部加熱手段をなくすことは実際には難しい。
特開平１０−３０８２３０号公報に記載されているよう
に、水蒸気改質反応による吸熱分を部分酸化反応による
発熱で補うことにより、外部加熱手段を不要にするとい
う考え方もあるが、メタンの場合、水蒸気改質反応の反
応熱は約２０５ｋＪ／モル（吸熱）であるのに対して、
部分酸化反応の反応熱は約３６ｋＪ／モルであって、そ
の熱量差が大きい。従って、主として水蒸気改質反応を
起こさせるために水蒸気を添加するという考え方では外
部加熱手段をなくすことは実際には難しい。
【００１０】すなわち、本発明の課題は、上述の燃料改
質反応を維持するために要求される外部加熱量を少なく
すること、ひいては零にすることを課題の一つとする。
質反応を維持するために要求される外部加熱量を少なく
すること、ひいては零にすることを課題の一つとする。
【００１１】また、本発明は、燃料の改質によって生ず
るＣＯ量を極力低減すること、そして、このことにより
ＣＯ変成器の負担を軽減することも課題の一つとする。
るＣＯ量を極力低減すること、そして、このことにより
ＣＯ変成器の負担を軽減することも課題の一つとする。
【００１２】また、本発明は、燃料電池システム全体と
して熱の有効利用を図ること、そして、システム構成の
簡素化を図ることも課題とする。
して熱の有効利用を図ること、そして、システム構成の
簡素化を図ることも課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題に対して、部分酸化反応と水性ガスシフト反応とを逐
次的に進行させようにしている。
題に対して、部分酸化反応と水性ガスシフト反応とを逐
次的に進行させようにしている。
【００１４】すなわち、本発明は、炭化水素系の原燃料
を改質して水素を生成するための燃料改質器（５）と、
この燃料改質器（５）によって生成された水素を燃料と
して発電する燃料電池とを備える燃料電池システムにお
いて、上記燃料改質器（５）には、上記原燃料の部分酸
化反応に対して活性を呈する触媒（２７）が設けられ、
上記燃料改質器（５）内において上記部分酸化反応によ
って生成するＣＯを反応物として水性ガスシフト反応を
生ずるように当該改質器（５）に水蒸気を供給する水蒸
気供給手段（３５，４０）を備えていることを特徴とす
る。
を改質して水素を生成するための燃料改質器（５）と、
この燃料改質器（５）によって生成された水素を燃料と
して発電する燃料電池とを備える燃料電池システムにお
いて、上記燃料改質器（５）には、上記原燃料の部分酸
化反応に対して活性を呈する触媒（２７）が設けられ、
上記燃料改質器（５）内において上記部分酸化反応によ
って生成するＣＯを反応物として水性ガスシフト反応を
生ずるように当該改質器（５）に水蒸気を供給する水蒸
気供給手段（３５，４０）を備えていることを特徴とす
る。
【００１５】上記逐次反応を式で表せば次のようにな
る。
る。
【００１６】 ＣnＨm＋(n/2)Ｏ2→nＣＯ＋(m/2)Ｈ2 ……（１） ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 ……（２） （１）式が部分酸化反応であり、この反応によって目的
とする水素が得られるとともに、同時に生ずるＣＯが
（２）式の水性ガスシフト反応によって酸化され、その
際に水素が発生する。原料ガスへの水蒸気の添加は
（１）の部分酸化反応における燃料転化率には大きな影
響を与えないが、その添加により（２）の水性ガスシフ
ト反応を生じ易くなる（平衡が生成側に傾く）から、水
素の収率が高くなる。
とする水素が得られるとともに、同時に生ずるＣＯが
（２）式の水性ガスシフト反応によって酸化され、その
際に水素が発生する。原料ガスへの水蒸気の添加は
（１）の部分酸化反応における燃料転化率には大きな影
響を与えないが、その添加により（２）の水性ガスシフ
ト反応を生じ易くなる（平衡が生成側に傾く）から、水
素の収率が高くなる。
【００１７】（１）の部分酸化反応は発熱反応であり、
原燃料ＣnＨmがメタン（ＣＨ4)の場合はΔＨ＝−３６．
０７ｋＪ／ｍｏｌである。（２）の水性ガスシフト反応
も発熱反応であって、ΔＨ＝−４１．１２ｋＪ／ｍｏｌ
である。従って、改質反応を開始させるために燃料改質
器（５）又は原料ガス（原燃料、酸素又は空気、並びに
水蒸気）を所定温度まで加熱する必要があるものの、反
応が始まった後は、反応を維持するに必要な熱が反応熱
によって得られ、外部からの加熱量を少なくすることが
でき、ひいては外部加熱を不要にすることができる。
原燃料ＣnＨmがメタン（ＣＨ4)の場合はΔＨ＝−３６．
０７ｋＪ／ｍｏｌである。（２）の水性ガスシフト反応
も発熱反応であって、ΔＨ＝−４１．１２ｋＪ／ｍｏｌ
である。従って、改質反応を開始させるために燃料改質
器（５）又は原料ガス（原燃料、酸素又は空気、並びに
水蒸気）を所定温度まで加熱する必要があるものの、反
応が始まった後は、反応を維持するに必要な熱が反応熱
によって得られ、外部からの加熱量を少なくすることが
でき、ひいては外部加熱を不要にすることができる。
【００１８】また、（１）の部分酸化反応によって生ず
るＣＯが（２）の水性ガスシフト反応によって酸化され
るため、当該燃料改質器（５）から燃料電池へ向けて送
られる改質ガスのＣＯ濃度が低くなる。従って、ＣＯ変
成器（ＣＯを水性ガスシフト反応によって酸化させる）
やＣＯ選択酸化反応器を設ける場合でも、それらの負担
が小さくなり、それらの小型化が図れる。
るＣＯが（２）の水性ガスシフト反応によって酸化され
るため、当該燃料改質器（５）から燃料電池へ向けて送
られる改質ガスのＣＯ濃度が低くなる。従って、ＣＯ変
成器（ＣＯを水性ガスシフト反応によって酸化させる）
やＣＯ選択酸化反応器を設ける場合でも、それらの負担
が小さくなり、それらの小型化が図れる。
【００１９】上記燃料改質器（５）の出口ガス中のＣＯ
に対するＣＯ2 の比であるＣＯ2 ／ＣＯ比が０．２以上
となるように上記水性ガスシフト反応を調整すれば、水
素の収率を高め、かつ後段のＣＯ変成器の負荷を減らす
ことができる。
に対するＣＯ2 の比であるＣＯ2 ／ＣＯ比が０．２以上
となるように上記水性ガスシフト反応を調整すれば、水
素の収率を高め、かつ後段のＣＯ変成器の負荷を減らす
ことができる。
【００２０】この点は後述する実施例でさらに明らかに
なるが、ＣＯ2 ／ＣＯ比が高いということは、水性ガス
シフト反応が進んでいるということであり、それによ
り、水素が発生するからである。
なるが、ＣＯ2 ／ＣＯ比が高いということは、水性ガス
シフト反応が進んでいるということであり、それによ
り、水素が発生するからである。
【００２１】上記ＣＯ2 ／ＣＯ比の増大、すなわち、水
性ガスシフト反応の進行には、上記燃料改質器（５）に
対する原燃料と水蒸気との供給割合が関係し、原燃料の
炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比Ｈ2Ｏ ／Ｃが
０．５以上となるようにすることが好ましい。
性ガスシフト反応の進行には、上記燃料改質器（５）に
対する原燃料と水蒸気との供給割合が関係し、原燃料の
炭素のモル数に対する水蒸気のモル数の比Ｈ2Ｏ ／Ｃが
０．５以上となるようにすることが好ましい。
【００２２】本発明では水蒸気は水性ガスシフト反応の
ために添加されるものであり、Ｈ2Ｏ ／Ｃ比が高くなる
と、それによって水性ガスシフト反応が良く進行するこ
とになる。当該比が０．５未満であれば、水性ガスシフ
ト反応が十分に促進されず、得られるガスのＣＯ濃度が
高くなるため、ＣＯ変成器の小型化が図れない。また、
水素の収率も向上しない。
ために添加されるものであり、Ｈ2Ｏ ／Ｃ比が高くなる
と、それによって水性ガスシフト反応が良く進行するこ
とになる。当該比が０．５未満であれば、水性ガスシフ
ト反応が十分に促進されず、得られるガスのＣＯ濃度が
高くなるため、ＣＯ変成器の小型化が図れない。また、
水素の収率も向上しない。
【００２３】また、このように当該Ｈ2Ｏ ／Ｃ比を０．
５以上にすることにより、水性ガスシフト反応によって
改質ガスのＣＯ濃度が確実に低下するから、ＣＯ変成器
の過昇温を防止することができる。すなわち、改質ガス
中のＣＯ濃度が高い場合、該変成器はそこでの水性ガス
シフト反応によって温度が過度に上昇し（例えば、変成
器入口ガス温度よりも１００Ｋ以上高温になり）、触媒
のシンタリングないしは早期劣化を招くことがあるが、
これが防止される。
５以上にすることにより、水性ガスシフト反応によって
改質ガスのＣＯ濃度が確実に低下するから、ＣＯ変成器
の過昇温を防止することができる。すなわち、改質ガス
中のＣＯ濃度が高い場合、該変成器はそこでの水性ガス
シフト反応によって温度が過度に上昇し（例えば、変成
器入口ガス温度よりも１００Ｋ以上高温になり）、触媒
のシンタリングないしは早期劣化を招くことがあるが、
これが防止される。
【００２４】上記Ｈ2Ｏ ／Ｃ比は３以下であることが好
ましい。この比を高めること、すなわち、水蒸気量を多
くすることは上記水性ガスシフト反応を促進する上では
有利になるが、水蒸気量を増やすためにはそれだけ多く
の熱量を必要とし、システム全体としてみたときのエネ
ルギー効率が低下する。そのために、当該比を３以下に
するものである。
ましい。この比を高めること、すなわち、水蒸気量を多
くすることは上記水性ガスシフト反応を促進する上では
有利になるが、水蒸気量を増やすためにはそれだけ多く
の熱量を必要とし、システム全体としてみたときのエネ
ルギー効率が低下する。そのために、当該比を３以下に
するものである。
【００２５】上記燃料改質器（５）の出口ガス温度は８
００℃以下であることが好ましい。上述の如く部分酸化
反応及び水性ガスシフト反応は発熱反応であるから、吸
熱反応である水蒸気改質反応の場合とは違って当該反応
温度が高くなり過ぎると、反応の進行に不利になるため
である。当該出口ガス温度の下限は４５０℃程度が好ま
しい。これよりも低温になると、部分酸化反応及び水性
ガスシフト反応が進み難くなるためである。
００℃以下であることが好ましい。上述の如く部分酸化
反応及び水性ガスシフト反応は発熱反応であるから、吸
熱反応である水蒸気改質反応の場合とは違って当該反応
温度が高くなり過ぎると、反応の進行に不利になるため
である。当該出口ガス温度の下限は４５０℃程度が好ま
しい。これよりも低温になると、部分酸化反応及び水性
ガスシフト反応が進み難くなるためである。
【００２６】上記燃料改質器（５）に対する原燃料と酸
素との供給割合は、原燃料の炭素のモル数に対する酸素
のモル数の比Ｏ2 ／Ｃが上記部分酸化反応におけるＯ2
／Ｃ量論比の０．９倍以上となるようにすることが好ま
しい。
素との供給割合は、原燃料の炭素のモル数に対する酸素
のモル数の比Ｏ2 ／Ｃが上記部分酸化反応におけるＯ2
／Ｃ量論比の０．９倍以上となるようにすることが好ま
しい。
【００２７】ここで、上記部分酸化反応におけるＯ2 ／
Ｃ量論比は、上記（１）式から明らかなように０．５で
あるから、当該Ｏ2 ／Ｃ比は０．４５以上ということに
なる。これにより、当該燃料改質器（５）に供給する原
料ガスの流速（空間速度）が高い場合でも、燃料転化率
（改質率）を高いものにすることができる。
Ｃ量論比は、上記（１）式から明らかなように０．５で
あるから、当該Ｏ2 ／Ｃ比は０．４５以上ということに
なる。これにより、当該燃料改質器（５）に供給する原
料ガスの流速（空間速度）が高い場合でも、燃料転化率
（改質率）を高いものにすることができる。
【００２８】なお、当該比の下限を上記量論比よりも低
くすると、原燃料の一部が水蒸気改質反応を起こす可能
性があるが、その割合は僅かであり、主反応たる部分酸
化反応に及ぼす熱的影響（温度低下）は問題にならな
い。
くすると、原燃料の一部が水蒸気改質反応を起こす可能
性があるが、その割合は僅かであり、主反応たる部分酸
化反応に及ぼす熱的影響（温度低下）は問題にならな
い。
【００２９】水蒸気改質反応をできるだけ生じないよう
にするには、当該比を上記量論比よりも大きく、すなわ
ち、０．５よりも大きくすればよい。但し、当該比が大
きくなり過ぎると、完全酸化反応を生じ易くなって水素
の収率が低下するから、当該比の上限は上記Ｏ2 ／Ｃ量
論比の１．５倍、すなわち、０．７５程度にすることが
好ましい。
にするには、当該比を上記量論比よりも大きく、すなわ
ち、０．５よりも大きくすればよい。但し、当該比が大
きくなり過ぎると、完全酸化反応を生じ易くなって水素
の収率が低下するから、当該比の上限は上記Ｏ2 ／Ｃ量
論比の１．５倍、すなわち、０．７５程度にすることが
好ましい。
【００３０】上記炭化水素系の原燃料としては、上記メ
タンの他、プロパン、天然ガス（ＬＮＧを含む）、ナフ
サ、灯油、液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市ガス等を採用
することができる。
タンの他、プロパン、天然ガス（ＬＮＧを含む）、ナフ
サ、灯油、液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市ガス等を採用
することができる。
【００３１】部分酸化反応に対して活性を呈する触媒
（２７）の触媒金属としては、ロジウム及びルテニウム
が好ましい。これらの触媒金属は、担体（サポート）に
対して金属単体の形で担持させても合金の形で担持させ
ても、化合物、例えば酸化物の形で担持させたものであ
ってもよい。また、２種以上の触媒金属（例えばロジウ
ムとルテニウムの２種）を同じ担体に担持させたもので
あっても、それぞれ別個の担体に担持された２種以上の
触媒金属の混合物であってもよい。
（２７）の触媒金属としては、ロジウム及びルテニウム
が好ましい。これらの触媒金属は、担体（サポート）に
対して金属単体の形で担持させても合金の形で担持させ
ても、化合物、例えば酸化物の形で担持させたものであ
ってもよい。また、２種以上の触媒金属（例えばロジウ
ムとルテニウムの２種）を同じ担体に担持させたもので
あっても、それぞれ別個の担体に担持された２種以上の
触媒金属の混合物であってもよい。
【００３２】担体としては、比表面積の大きな無機多孔
質体が好ましく、例えばアルミナが好ましい。
質体が好ましく、例えばアルミナが好ましい。
【００３３】上記担体に触媒金属を担持させてなる触媒
（２７）は、ペレット状で燃料改質器（５）に充填する
ことができ、また、バインダによってモノリス担体、例
えばハニカム状のものに担持させるようにすることがで
きる。
（２７）は、ペレット状で燃料改質器（５）に充填する
ことができ、また、バインダによってモノリス担体、例
えばハニカム状のものに担持させるようにすることがで
きる。
【００３４】上記原料ガスのうち酸素（又は空気）及び
水蒸気は、各々の供給源を別個に設けて燃料改質器
（５）に供給することができるが、燃料電池の排ガスを
それらに利用することもできる。すなわち、燃料電池の
酸素極から排出されるガスには、電池反応に使用されな
かった酸素と、電池反応によって生成する水蒸気とが含
まれている。そこで、この酸素極の排ガスを上記燃料改
質器（５）に対して供給する排ガス供給手段を設けるよ
うにすれば、上記酸素（又は空気）供給源、水蒸気供給
源及びそれらの供給管を省略することが可能になり、燃
料電池システムの構成が簡素になる。但し、酸素（又は
空気）や水蒸気の補給手段を別に設けて、上記酸素極の
排ガスに補給するようにしてもよい。
水蒸気は、各々の供給源を別個に設けて燃料改質器
（５）に供給することができるが、燃料電池の排ガスを
それらに利用することもできる。すなわち、燃料電池の
酸素極から排出されるガスには、電池反応に使用されな
かった酸素と、電池反応によって生成する水蒸気とが含
まれている。そこで、この酸素極の排ガスを上記燃料改
質器（５）に対して供給する排ガス供給手段を設けるよ
うにすれば、上記酸素（又は空気）供給源、水蒸気供給
源及びそれらの供給管を省略することが可能になり、燃
料電池システムの構成が簡素になる。但し、酸素（又は
空気）や水蒸気の補給手段を別に設けて、上記酸素極の
排ガスに補給するようにしてもよい。
【００３５】また、上記燃料電池の出力電流を調節する
出力電流調節手段を設ければ、それによって上記燃料改
質器（５）に供給される排ガスの酸素濃度及び水蒸気濃
度を所定範囲になるように調節することができる。
出力電流調節手段を設ければ、それによって上記燃料改
質器（５）に供給される排ガスの酸素濃度及び水蒸気濃
度を所定範囲になるように調節することができる。
【００３６】すなわち、燃料電池における燃料（水素）
利用率及び酸素（空気）利用率は、該燃料電池の負荷
（電力使用量）によって変動する。つまり、燃料電池に
対する燃料流入量及び酸素流入量を一定にしたとき、該
電池の出力電流値を変化させれば、電池反応によって消
費される水素及び酸素の量が変化し、それに伴って発生
する水蒸気量も変化する。従って、この出力電流値を調
節することにより、燃料改質に適した所定酸素濃度及び
水蒸気濃度の排ガスを燃料改質器（５）に供給すること
ができる。
利用率及び酸素（空気）利用率は、該燃料電池の負荷
（電力使用量）によって変動する。つまり、燃料電池に
対する燃料流入量及び酸素流入量を一定にしたとき、該
電池の出力電流値を変化させれば、電池反応によって消
費される水素及び酸素の量が変化し、それに伴って発生
する水蒸気量も変化する。従って、この出力電流値を調
節することにより、燃料改質に適した所定酸素濃度及び
水蒸気濃度の排ガスを燃料改質器（５）に供給すること
ができる。
【００３７】上記燃料電池は、その酸素利用率が０．４
〜０．７５（供給酸素量の４０〜７５％）となるように
出力電流を調節することが好ましい。これにより、燃料
改質器（５）の原料ガスの Ｈ2Ｏ／Ｃ比を０．６７〜
３．０程度に調節することができる。
〜０．７５（供給酸素量の４０〜７５％）となるように
出力電流を調節することが好ましい。これにより、燃料
改質器（５）の原料ガスの Ｈ2Ｏ／Ｃ比を０．６７〜
３．０程度に調節することができる。
【００３８】すなわち、燃料電池では理論的には酸素消
費量の２倍の水蒸気が発生するから（Ｏ2＋２Ｈ2→２Ｈ
2Ｏ）、酸素利用率が０．４のときは、その倍の０．８
相当の水蒸気が発生し、残存酸素量は０．６相当量にな
る。従って、当該排ガスのＨ 2Ｏ／Ｏ2比は（０．８／
０．６）となる。この排ガスの燃料改質器（５）への供
給量を原料ガスのＯ2 ／Ｃ比が化学量論比である０．５
となるように調節すれば、この原料ガスのＨ2Ｏ／Ｃ比
は次のようになる。
費量の２倍の水蒸気が発生するから（Ｏ2＋２Ｈ2→２Ｈ
2Ｏ）、酸素利用率が０．４のときは、その倍の０．８
相当の水蒸気が発生し、残存酸素量は０．６相当量にな
る。従って、当該排ガスのＨ 2Ｏ／Ｏ2比は（０．８／
０．６）となる。この排ガスの燃料改質器（５）への供
給量を原料ガスのＯ2 ／Ｃ比が化学量論比である０．５
となるように調節すれば、この原料ガスのＨ2Ｏ／Ｃ比
は次のようになる。
【００３９】Ｈ2Ｏ／Ｃ比＝０．５×（０．８／０．
６）＝約０．６７ 同様に酸素利用率０．７５の場合を計算すると、次のよ
うになる。
６）＝約０．６７ 同様に酸素利用率０．７５の場合を計算すると、次のよ
うになる。
【００４０】 Ｈ2Ｏ／Ｃ比＝０．５×（１．５／０．２５）＝３ 上述の如く上記燃料改質器によれば、ＣＯ濃度の低い改
質ガスが得られるが、そのＣＯ濃度をさらに低下させる
ために、ＣＯ高温変成器、ＣＯ低温変成器及びＣＯ部分
酸化反応器のうちの少なくとも１つを設け、それを通過
させて燃料電池に供給するようにすることができる。
質ガスが得られるが、そのＣＯ濃度をさらに低下させる
ために、ＣＯ高温変成器、ＣＯ低温変成器及びＣＯ部分
酸化反応器のうちの少なくとも１つを設け、それを通過
させて燃料電池に供給するようにすることができる。
【００４１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、燃料改質
器（５）と燃料電池とを備える燃料電池システムにおい
て、燃料改質器（５）には炭化水素系原燃料の部分酸化
反応に対して活性を呈する触媒（２７）を設けるととも
に、この燃料改質器（５）内において当該部分酸化反応
によって生成するＣＯを反応物として水性ガスシフト反
応を生ずるように当該改質器（５）に水蒸気を供給する
水蒸気供給手段を備えているから、部分酸化反応と水性
ガスシフト反応によって水素の収率を高めることができ
るとともに、燃料の改質反応を維持するための外部加熱
手段を小型にすることができ、若しくはこの外部加熱手
段を省略することができ、しかも、改質ガス中のＣＯ濃
度が低下し、ＣＯ濃度低減のための後処理装置の小型化
が図れる。
器（５）と燃料電池とを備える燃料電池システムにおい
て、燃料改質器（５）には炭化水素系原燃料の部分酸化
反応に対して活性を呈する触媒（２７）を設けるととも
に、この燃料改質器（５）内において当該部分酸化反応
によって生成するＣＯを反応物として水性ガスシフト反
応を生ずるように当該改質器（５）に水蒸気を供給する
水蒸気供給手段を備えているから、部分酸化反応と水性
ガスシフト反応によって水素の収率を高めることができ
るとともに、燃料の改質反応を維持するための外部加熱
手段を小型にすることができ、若しくはこの外部加熱手
段を省略することができ、しかも、改質ガス中のＣＯ濃
度が低下し、ＣＯ濃度低減のための後処理装置の小型化
が図れる。
【００４２】また、上記燃料改質器（５）の出口ガス中
のＣＯ2 ／ＣＯ比が０．２以上となるように上記水性ガ
スシフト反応を調整すれば、水素の収率を高める上で有
利になり、上記燃料改質器（５）に供給するＨ2Ｏ ／Ｃ
比を０．５以上となるようにするものによれば、水性ガ
スシフト反応を起こして水素収率を高める上で有利にな
る。
のＣＯ2 ／ＣＯ比が０．２以上となるように上記水性ガ
スシフト反応を調整すれば、水素の収率を高める上で有
利になり、上記燃料改質器（５）に供給するＨ2Ｏ ／Ｃ
比を０．５以上となるようにするものによれば、水性ガ
スシフト反応を起こして水素収率を高める上で有利にな
る。
【００４３】また、上記燃料改質器（５）の出口ガス温
度を８００℃以下にすれば、部分酸化反応及び水性ガス
シフト反応を効率良く進める上で有利になる。
度を８００℃以下にすれば、部分酸化反応及び水性ガス
シフト反応を効率良く進める上で有利になる。
【００４４】上記燃料改質器（５）に供給する原料ガス
のＯ2 ／Ｃ比を上記部分酸化反応におけるＯ2 ／Ｃ量論
比の０．９倍以上となるようにすれば、燃料転化率（改
質率）を高いものにする上で有利になる。
のＯ2 ／Ｃ比を上記部分酸化反応におけるＯ2 ／Ｃ量論
比の０．９倍以上となるようにすれば、燃料転化率（改
質率）を高いものにする上で有利になる。
【００４５】また、上記Ｈ2Ｏ ／Ｃ比の上限を３．０に
すれば、エネルギーロスを少なくすることができ、上記
Ｏ2 ／Ｃ比を上記Ｏ2 ／Ｃ量論比の１．５倍以下にすれ
ば、原燃料が完全燃焼することを防止し、燃料の改質効
率を高く維持する上で有利になる。
すれば、エネルギーロスを少なくすることができ、上記
Ｏ2 ／Ｃ比を上記Ｏ2 ／Ｃ量論比の１．５倍以下にすれ
ば、原燃料が完全燃焼することを防止し、燃料の改質効
率を高く維持する上で有利になる。
【００４６】上記燃料改質器（５）の触媒（２７）とし
て、ロジウム又はルテニウムを含有するものを用いれ
ば、上記部分酸化反応を進める上で有利になる。
て、ロジウム又はルテニウムを含有するものを用いれ
ば、上記部分酸化反応を進める上で有利になる。
【００４７】燃料電池の酸素極の排ガスを上記燃料改質
器（５）に改質用ガスとして供給すれば、酸素（又は空
気）の供給源、水蒸気供給源及びそれらの供給管を省略
することが可能になり、燃料電池システムの構成を簡素
なものにする上で有利になる。その場合、燃料電池の出
力電流を調節する出力電流調節手段を設ければ、上記燃
料改質器（５）に供給される排ガスの酸素濃度及び水蒸
気濃度を燃料改質に適した所定範囲になるように調節す
ることが容易になる。
器（５）に改質用ガスとして供給すれば、酸素（又は空
気）の供給源、水蒸気供給源及びそれらの供給管を省略
することが可能になり、燃料電池システムの構成を簡素
なものにする上で有利になる。その場合、燃料電池の出
力電流を調節する出力電流調節手段を設ければ、上記燃
料改質器（５）に供給される排ガスの酸素濃度及び水蒸
気濃度を燃料改質に適した所定範囲になるように調節す
ることが容易になる。
【００４８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。
に基づいて説明する。
【００４９】＜燃料電池システムの全体説明＞図１に示
す燃料電池システム構成において、１は触媒電極である
酸素極（カソード）２と同じく触媒電極である水素極
（アノード）３とを有する固体高分子電解質型の燃料電
池であり、酸素極２には空気圧縮機４が空気供給管１０
によって接続され、水素極３には燃料改質器５が改質ガ
ス供給管２０によって接続されている。改質ガス供給管
２０には、第１熱交換器６、ＣＯ高温変成器７、第２熱
交換器８、ＣＯ低温変成器９、第３熱交換器１１、ＣＯ
選択酸化反応器１２及び第４熱交換器１３が、燃料電池
１に向かって順に設けられている。
す燃料電池システム構成において、１は触媒電極である
酸素極（カソード）２と同じく触媒電極である水素極
（アノード）３とを有する固体高分子電解質型の燃料電
池であり、酸素極２には空気圧縮機４が空気供給管１０
によって接続され、水素極３には燃料改質器５が改質ガ
ス供給管２０によって接続されている。改質ガス供給管
２０には、第１熱交換器６、ＣＯ高温変成器７、第２熱
交換器８、ＣＯ低温変成器９、第３熱交換器１１、ＣＯ
選択酸化反応器１２及び第４熱交換器１３が、燃料電池
１に向かって順に設けられている。
【００５０】燃料改質器５には原燃料源（都市ガス）１
４が原料ガス供給管３０によって接続されている。この
原料ガス供給管３０にはガス圧縮機１５及び脱硫器１６
が燃料改質器５に向かって順に設けられている。また、
燃料改質器５には、上記空気圧縮機４から部分酸化反応
用の空気を供給すべく上記空気供給管１０から分岐した
管が接続されているとともに、水性ガスシフト反応用の
水蒸気を得るための水を噴霧供給すべく水タンク１７が
供給管４０によって接続されている。水供給管４０には
ポンプ１８が設けられている。
４が原料ガス供給管３０によって接続されている。この
原料ガス供給管３０にはガス圧縮機１５及び脱硫器１６
が燃料改質器５に向かって順に設けられている。また、
燃料改質器５には、上記空気圧縮機４から部分酸化反応
用の空気を供給すべく上記空気供給管１０から分岐した
管が接続されているとともに、水性ガスシフト反応用の
水蒸気を得るための水を噴霧供給すべく水タンク１７が
供給管４０によって接続されている。水供給管４０には
ポンプ１８が設けられている。
【００５１】原燃料源１４からの原燃料、空気圧縮機４
からの空気及び水タンク１７からの水蒸気は燃焼器１９
によって加熱して燃料改質器５に供給できるようになっ
ている。また、改質ガス供給管２０の第１熱交換器６の
上流部位には水性ガスシフト反応用の水蒸気を得るため
の水を噴霧供給すべく上記水供給管４０から分岐した管
が接続されている。改質ガス供給管２０の第３熱交換器
１１の上流部位には選択酸化反応器１２のための空気を
供給すべく上記空気供給管１０から分岐した管が接続さ
れている。
からの空気及び水タンク１７からの水蒸気は燃焼器１９
によって加熱して燃料改質器５に供給できるようになっ
ている。また、改質ガス供給管２０の第１熱交換器６の
上流部位には水性ガスシフト反応用の水蒸気を得るため
の水を噴霧供給すべく上記水供給管４０から分岐した管
が接続されている。改質ガス供給管２０の第３熱交換器
１１の上流部位には選択酸化反応器１２のための空気を
供給すべく上記空気供給管１０から分岐した管が接続さ
れている。
【００５２】燃料電池１の酸素極２の排ガス及び水素極
３の排ガスは、気水分離器２１，２２に通した後に合流
させて燃焼用ガスとしてガス管５０により燃焼器１９に
送るように構成されている。酸素極２の排ガスは弁２３
によって大気に適宜排出できるようになっている。上記
ガス管５０は、上記第４熱交換器１３、第３熱交換器１
１及び第２熱交換器８を順に通るように配管されてお
り、排ガスは各熱交換器における改質ガスとの熱交換に
よって加熱されて燃焼器１９に供給されるようになって
いる。従って、改質ガスは逆に各熱交換器で冷却されて
燃料電池１に送られることになる。第１熱交換器６には
別の冷却水管２４が通されていて、改質ガスはその冷却
水との熱交換によって冷却されるようになっている。
３の排ガスは、気水分離器２１，２２に通した後に合流
させて燃焼用ガスとしてガス管５０により燃焼器１９に
送るように構成されている。酸素極２の排ガスは弁２３
によって大気に適宜排出できるようになっている。上記
ガス管５０は、上記第４熱交換器１３、第３熱交換器１
１及び第２熱交換器８を順に通るように配管されてお
り、排ガスは各熱交換器における改質ガスとの熱交換に
よって加熱されて燃焼器１９に供給されるようになって
いる。従って、改質ガスは逆に各熱交換器で冷却されて
燃料電池１に送られることになる。第１熱交換器６には
別の冷却水管２４が通されていて、改質ガスはその冷却
水との熱交換によって冷却されるようになっている。
【００５３】上記燃料改質器５には部分酸化反応に活性
を呈する触媒（Ｒｕ又はＲｈをＡｌ2Ｏ3に担持させてな
る触媒）が充填され、ＣＯ高温変成器７には高温（４０
０℃前後）での水性ガスシフト反応に活性を呈する触媒
（Ｆｅ2Ｏ3，Ｃｒ2Ｏ3）が充填され、ＣＯ低温変成器９
には低温（１８０℃前後）での水性ガスシフト反応に活
性を呈する触媒（ＣｕＯ，ＺｎＯ）が充填され、ＣＯ選
択酸化反応器１２にはＣＯの選択酸化反応に活性を呈す
る触媒（Ｒｕ又はＰｔをＡｌ2Ｏ3又はゼオライトに担持
させてなる触媒）が充填され、燃焼器１９には燃焼触媒
が充填されている。また、燃料改質器５には予熱用の電
気ヒータが設けられている。
を呈する触媒（Ｒｕ又はＲｈをＡｌ2Ｏ3に担持させてな
る触媒）が充填され、ＣＯ高温変成器７には高温（４０
０℃前後）での水性ガスシフト反応に活性を呈する触媒
（Ｆｅ2Ｏ3，Ｃｒ2Ｏ3）が充填され、ＣＯ低温変成器９
には低温（１８０℃前後）での水性ガスシフト反応に活
性を呈する触媒（ＣｕＯ，ＺｎＯ）が充填され、ＣＯ選
択酸化反応器１２にはＣＯの選択酸化反応に活性を呈す
る触媒（Ｒｕ又はＰｔをＡｌ2Ｏ3又はゼオライトに担持
させてなる触媒）が充填され、燃焼器１９には燃焼触媒
が充填されている。また、燃料改質器５には予熱用の電
気ヒータが設けられている。
【００５４】図２は燃料改質器５と燃焼器１９とを一体
にした反応装置２５を示す。同図の反応装置２５におい
ては、上部の燃料改質器５と下部の燃焼器１９との間に
電気ヒータ２６が組み込まれている。燃料改質器５の部
位にはハニカム状のモノリス担体に触媒を担持させたハ
ニカム触媒２７が装填されている。燃焼器１９の部位に
は燃焼触媒２８が充填されており、この燃焼器１９の触
媒充填部を貫通するように原料ガス通路２９が下端の原
料ガス入口３１から電気ヒータ配設部に延びている。ま
た、同図において、３２は改質ガスの出口、３３は燃料
電池１からの排ガスの入口、３４は燃焼排ガスの出口で
ある。
にした反応装置２５を示す。同図の反応装置２５におい
ては、上部の燃料改質器５と下部の燃焼器１９との間に
電気ヒータ２６が組み込まれている。燃料改質器５の部
位にはハニカム状のモノリス担体に触媒を担持させたハ
ニカム触媒２７が装填されている。燃焼器１９の部位に
は燃焼触媒２８が充填されており、この燃焼器１９の触
媒充填部を貫通するように原料ガス通路２９が下端の原
料ガス入口３１から電気ヒータ配設部に延びている。ま
た、同図において、３２は改質ガスの出口、３３は燃料
電池１からの排ガスの入口、３４は燃焼排ガスの出口で
ある。
【００５５】上記燃料電池システムにおいては、その起
動時には燃料改質器５の温度が低いために電気ヒータが
作動されて触媒が活性を呈する温度になるまで、例えば
４６０℃程度まで加熱される。起動後は電気ヒータは停
止され、原料ガス（原燃料、空気及び水蒸気の混合ガ
ス）が燃焼器１９で予熱されるだけになる。原料ガス
は、Ｈ2Ｏ ／Ｃ比が０．５〜３になるように、Ｏ2 ／Ｃ
比が０．４５〜０．７５になるように、原燃料、空気及
び水蒸気の供給量が調整され、また、燃料改質器５の出
口ガス温度は８００℃以上に上昇しないように別途調整
される。最も好ましい操作条件は、上記Ｈ2Ｏ ／Ｃ比が
１．０、Ｏ2 ／Ｃ比が０．５２〜０．６０（好ましくは
０．５６）、燃料改質器５の出口ガス温度が７２０℃、
燃料改質器５の出口ガスのＣＯ2／ＣＯ比が０．４とい
うものである。
動時には燃料改質器５の温度が低いために電気ヒータが
作動されて触媒が活性を呈する温度になるまで、例えば
４６０℃程度まで加熱される。起動後は電気ヒータは停
止され、原料ガス（原燃料、空気及び水蒸気の混合ガ
ス）が燃焼器１９で予熱されるだけになる。原料ガス
は、Ｈ2Ｏ ／Ｃ比が０．５〜３になるように、Ｏ2 ／Ｃ
比が０．４５〜０．７５になるように、原燃料、空気及
び水蒸気の供給量が調整され、また、燃料改質器５の出
口ガス温度は８００℃以上に上昇しないように別途調整
される。最も好ましい操作条件は、上記Ｈ2Ｏ ／Ｃ比が
１．０、Ｏ2 ／Ｃ比が０．５２〜０．６０（好ましくは
０．５６）、燃料改質器５の出口ガス温度が７２０℃、
燃料改質器５の出口ガスのＣＯ2／ＣＯ比が０．４とい
うものである。
【００５６】原燃料は脱硫された後に空気及び噴霧水と
共に電気ヒータ又は燃焼器１９によって加熱されて燃料
改質器５の触媒に供給される。この加熱によって噴霧水
は水蒸気になる。燃料改質器５の触媒上では原燃料の部
分酸化反応が起こり、水素とＣＯとが生成する（（１）
式参照）。この燃料改質器５内には水蒸気が存在するた
め、同時に水性ガスシフト反応が起こって水素と二酸化
炭素とが生成し、ＣＯ濃度が低下する（（２）式参
照）。
共に電気ヒータ又は燃焼器１９によって加熱されて燃料
改質器５の触媒に供給される。この加熱によって噴霧水
は水蒸気になる。燃料改質器５の触媒上では原燃料の部
分酸化反応が起こり、水素とＣＯとが生成する（（１）
式参照）。この燃料改質器５内には水蒸気が存在するた
め、同時に水性ガスシフト反応が起こって水素と二酸化
炭素とが生成し、ＣＯ濃度が低下する（（２）式参
照）。
【００５７】燃料改質器５を出た改質ガスは、第１熱交
換器６によって４００℃程度まで温度が下がってＣＯ高
温変成器７へ送られ、そこの触媒上で生ずる水性ガスシ
フト反応によってさらにＣＯ濃度が低下する。ＣＯ高温
変成器７を出た改質ガスは第２熱交換器８によって１８
０℃程度まで温度が下がってＣＯ低温変成器９へ送ら
れ、そこの触媒上で生ずる水性ガスシフト反応によって
さらにＣＯ濃度が低下する。ＣＯ低温変成器９を出た改
質ガスは第３熱交換器１１によって１４０℃程度まで温
度が下がってＣＯ選択酸化反応器１２へ送られ、そこの
触媒上で生ずるＣＯの選択酸化反応によってＣＯ濃度が
さらに低下する。ＣＯ選択酸化反応器１２を出た改質ガ
スは第４熱交換器１３によって８０℃程度まで温度が下
がって燃料電池１の水素極３に入る。
換器６によって４００℃程度まで温度が下がってＣＯ高
温変成器７へ送られ、そこの触媒上で生ずる水性ガスシ
フト反応によってさらにＣＯ濃度が低下する。ＣＯ高温
変成器７を出た改質ガスは第２熱交換器８によって１８
０℃程度まで温度が下がってＣＯ低温変成器９へ送ら
れ、そこの触媒上で生ずる水性ガスシフト反応によって
さらにＣＯ濃度が低下する。ＣＯ低温変成器９を出た改
質ガスは第３熱交換器１１によって１４０℃程度まで温
度が下がってＣＯ選択酸化反応器１２へ送られ、そこの
触媒上で生ずるＣＯの選択酸化反応によってＣＯ濃度が
さらに低下する。ＣＯ選択酸化反応器１２を出た改質ガ
スは第４熱交換器１３によって８０℃程度まで温度が下
がって燃料電池１の水素極３に入る。
【００５８】燃料電池１では水素極３の電極表面で２Ｈ
2→４Ｈ+＋４ｅ-、酸素極２の電極表面でＯ2＋４Ｈ+＋
４ｅ-→２Ｈ2Ｏの電池反応を起こす。従って、酸素極２
の排ガスには電池反応に使われなかった余剰空気と電池
反応によって生じた水蒸気とが含まれる。一方、水素極
３の排ガスには電池反応に使用されなかった水素、未改
質の原燃料、空気及び水蒸気が含まれる。
2→４Ｈ+＋４ｅ-、酸素極２の電極表面でＯ2＋４Ｈ+＋
４ｅ-→２Ｈ2Ｏの電池反応を起こす。従って、酸素極２
の排ガスには電池反応に使われなかった余剰空気と電池
反応によって生じた水蒸気とが含まれる。一方、水素極
３の排ガスには電池反応に使用されなかった水素、未改
質の原燃料、空気及び水蒸気が含まれる。
【００５９】酸素極２及び水素極３の各排ガスは気水分
離器２１，２２を通って合流し、第４熱交換器１３、第
３熱交換器１１及び第２熱交換器８によって熱交換によ
り加熱されて燃焼器１９に送られる。この排ガスには含
まれている水素及び酸素は、燃焼器１９において燃焼触
媒の作用によって反応し、その反応熱が原料ガスの予熱
源となり、また、この排ガスに含まれている未改質の原
料も同時に燃焼して予熱源となる。
離器２１，２２を通って合流し、第４熱交換器１３、第
３熱交換器１１及び第２熱交換器８によって熱交換によ
り加熱されて燃焼器１９に送られる。この排ガスには含
まれている水素及び酸素は、燃焼器１９において燃焼触
媒の作用によって反応し、その反応熱が原料ガスの予熱
源となり、また、この排ガスに含まれている未改質の原
料も同時に燃焼して予熱源となる。
【００６０】＜Ｈ2Ｏ／Ｃ比とＣＯ2／ＣＯ比と水素収量
比との関係＞図３には燃料改質器５に導入される原料ガ
スのＨ2Ｏ／Ｃ比（原燃料の炭素のモル数に対する水蒸
気のモル数の比）と、燃料改質器５から出る改質ガスの
ＣＯ 2／ＣＯ比（改質器出口ガス中のＣＯに対するＣＯ
2 の比）と、該燃料改質器５による水素収量比（Ｈ2Ｏ
／Ｃ比が０．５であるときの水素収量を１とする比）と
の関係が示されている。燃料改質器５の運転条件は、そ
の入口ガス温度が４６０℃、Ｏ2／Ｃ比（原燃料の炭素
のモル数に対する酸素のモル数の比）が０．５６、ガス
圧が１５０ｋＰａというものである。
比との関係＞図３には燃料改質器５に導入される原料ガ
スのＨ2Ｏ／Ｃ比（原燃料の炭素のモル数に対する水蒸
気のモル数の比）と、燃料改質器５から出る改質ガスの
ＣＯ 2／ＣＯ比（改質器出口ガス中のＣＯに対するＣＯ
2 の比）と、該燃料改質器５による水素収量比（Ｈ2Ｏ
／Ｃ比が０．５であるときの水素収量を１とする比）と
の関係が示されている。燃料改質器５の運転条件は、そ
の入口ガス温度が４６０℃、Ｏ2／Ｃ比（原燃料の炭素
のモル数に対する酸素のモル数の比）が０．５６、ガス
圧が１５０ｋＰａというものである。
【００６１】同図によれば、Ｈ2Ｏ／Ｃ比が増大するに
つれてＣＯ2／ＣＯ比が増大している。ＣＯ2／ＣＯ比が
大きいということは燃料改質器５においてＣＯがＣＯ2
に変化しているということである。この変化の原因とし
ては、原燃料の完全酸化反応とＣＯの水性ガスシフト反
応とが考えられるが、Ｈ2Ｏ／Ｃ比の増大、すなわち、
水蒸気量が増えることによって完全酸化反応が進み易く
なることは考えられないから、燃料改質器５において水
蒸気の添加により水性ガスシフト反応が効率良く進んだ
ことがわかる。
つれてＣＯ2／ＣＯ比が増大している。ＣＯ2／ＣＯ比が
大きいということは燃料改質器５においてＣＯがＣＯ2
に変化しているということである。この変化の原因とし
ては、原燃料の完全酸化反応とＣＯの水性ガスシフト反
応とが考えられるが、Ｈ2Ｏ／Ｃ比の増大、すなわち、
水蒸気量が増えることによって完全酸化反応が進み易く
なることは考えられないから、燃料改質器５において水
蒸気の添加により水性ガスシフト反応が効率良く進んだ
ことがわかる。
【００６２】そうして、同図から、Ｈ2Ｏ／Ｃ比を０．
５以上にすれば水素収量が増大すること、また、この水
素収量の増大のためにはＣＯ2／ＣＯ比が０．２以上に
なるように、燃料改質器５における水性ガスシフト反応
を調整すればよいこと、つまり原料ガス組成、反応温度
等を調整すればよいことがわかる。
５以上にすれば水素収量が増大すること、また、この水
素収量の増大のためにはＣＯ2／ＣＯ比が０．２以上に
なるように、燃料改質器５における水性ガスシフト反応
を調整すればよいこと、つまり原料ガス組成、反応温度
等を調整すればよいことがわかる。
【００６３】＜燃料改質器の触媒の種類が改質ガス組成
に与える影響＞燃料改質器５に使用する触媒の種類を変
えて燃料改質を行なったときの燃料改質器５の入口ガス
組成（原料ガス組成）と出口ガス組成（改質ガス組成）
との関係を表１に示す。触媒の種類は、Ｎｉ−Ａｌ2Ｏ3
（ＮｉをＡｌ2Ｏ3に担持させてなる触媒）、Ｒｈ−Ａｌ
2Ｏ3（ＲｈをＡｌ2Ｏ3に担持させてなる触媒）及びＲｕ
−Ａｌ2Ｏ3（ＲｕをＡｌ2Ｏ3に担持させてなる触媒）の
３種である。
に与える影響＞燃料改質器５に使用する触媒の種類を変
えて燃料改質を行なったときの燃料改質器５の入口ガス
組成（原料ガス組成）と出口ガス組成（改質ガス組成）
との関係を表１に示す。触媒の種類は、Ｎｉ−Ａｌ2Ｏ3
（ＮｉをＡｌ2Ｏ3に担持させてなる触媒）、Ｒｈ−Ａｌ
2Ｏ3（ＲｈをＡｌ2Ｏ3に担持させてなる触媒）及びＲｕ
−Ａｌ2Ｏ3（ＲｕをＡｌ2Ｏ3に担持させてなる触媒）の
３種である。
【００６４】
【表１】
【００６５】同表によれば、Ｒｈ−Ａｌ2Ｏ3触媒及びＲ
ｕ−Ａｌ2Ｏ3触媒ではメタンの水素への転化率が高い
が、Ｎｉ−Ａｌ2Ｏ3触媒ではその転化率が低い。これか
ら、燃料改質器５にはＲｈ−Ａｌ2Ｏ3触媒又はＲｕ−Ａ
ｌ2Ｏ3触媒を用いることが好ましいことがわかる。
ｕ−Ａｌ2Ｏ3触媒ではメタンの水素への転化率が高い
が、Ｎｉ−Ａｌ2Ｏ3触媒ではその転化率が低い。これか
ら、燃料改質器５にはＲｈ−Ａｌ2Ｏ3触媒又はＲｕ−Ａ
ｌ2Ｏ3触媒を用いることが好ましいことがわかる。
【００６６】＜Ｒｈ−Ａｌ2Ｏ3触媒においてＨ2Ｏ／Ｃ
比が改質ガス組成に与える影響＞燃料改質器５にＲｈ−
Ａｌ2Ｏ3触媒を採用し、Ｈ2Ｏ／Ｃ比を変えて燃料改質
を行なったときの燃料改質器５の入口ガス組成（原料ガ
ス組成）と出口ガス組成（改質ガス組成）との関係を表
２に示す。
比が改質ガス組成に与える影響＞燃料改質器５にＲｈ−
Ａｌ2Ｏ3触媒を採用し、Ｈ2Ｏ／Ｃ比を変えて燃料改質
を行なったときの燃料改質器５の入口ガス組成（原料ガ
ス組成）と出口ガス組成（改質ガス組成）との関係を表
２に示す。
【００６７】
【表２】
【００６８】同表によれば、Ｈ2Ｏ／Ｃ比が大きくなる
ことによってＣＯ2／ＣＯ比が増大し、また、水素収量
が増えている。これは図３に示す結果と符合する。
ことによってＣＯ2／ＣＯ比が増大し、また、水素収量
が増えている。これは図３に示す結果と符合する。
【００６９】＜燃料電池システムの別の実施形態＞図４
には燃料電池システムの別の実施形態が示されている。
先のシステムとの相違点は、燃料改質器５に対して空気
圧縮機４の空気及び水タンク１７の水を導入することに
代えて酸素極２の排ガスを供給管３５によって供給する
点、電気負荷３６に対して燃料電池１と別の電源３７と
を並列に接続し、燃料電池１の出力電流値を調節する電
力調節器３８を設けた点、空気供給管１０から原料ガス
供給管３０に向かって延設した分岐管に流量調節弁３９
を設けて空気補給手段を構成した点である。
には燃料電池システムの別の実施形態が示されている。
先のシステムとの相違点は、燃料改質器５に対して空気
圧縮機４の空気及び水タンク１７の水を導入することに
代えて酸素極２の排ガスを供給管３５によって供給する
点、電気負荷３６に対して燃料電池１と別の電源３７と
を並列に接続し、燃料電池１の出力電流値を調節する電
力調節器３８を設けた点、空気供給管１０から原料ガス
供給管３０に向かって延設した分岐管に流量調節弁３９
を設けて空気補給手段を構成した点である。
【００７０】すなわち、上述の如く酸素極２の排ガスに
は水蒸気及び未使用の空気が含まれているから、この排
ガスを燃料改質器５に原燃料改質用のガスとして用い、
この排ガスの組成を燃料改質に適するものにするために
電力調節器３８を設けたものである。電力調節器３８に
よる燃料電池１の出力電流値の調節により、この燃料電
池１の水素及び空気の利用率が変わり、酸素極２の排ガ
スの酸素濃度及び水蒸気濃度が変化することになる。こ
の調節によって不足する電力は別の電源３７によって補
われることになる。
は水蒸気及び未使用の空気が含まれているから、この排
ガスを燃料改質器５に原燃料改質用のガスとして用い、
この排ガスの組成を燃料改質に適するものにするために
電力調節器３８を設けたものである。電力調節器３８に
よる燃料電池１の出力電流値の調節により、この燃料電
池１の水素及び空気の利用率が変わり、酸素極２の排ガ
スの酸素濃度及び水蒸気濃度が変化することになる。こ
の調節によって不足する電力は別の電源３７によって補
われることになる。
【００７１】燃料電池１における水素の使用量が１Ｌ／
min.（０℃，１気圧）のときにその利用率が１００％で
あるとすると、そのときの出力電流値Ａは理論的には次
のようになる。
min.（０℃，１気圧）のときにその利用率が１００％で
あるとすると、そのときの出力電流値Ａは理論的には次
のようになる。
【００７２】 Ａ＝２ｎＦ ＝１４３（アンペア） （Ａ；Ｃ（クーロン）／sec，ｎ：モル／sec，Ｆ：ファ
ラデー定数） 従って、出力電流値を上記理論値よりも下げると水素利
用率（燃料利用率）及び空気利用率が低下することにな
る。この場合、空気利用率は例えば０．４〜０．７５の
範囲で調節することになる。
ラデー定数） 従って、出力電流値を上記理論値よりも下げると水素利
用率（燃料利用率）及び空気利用率が低下することにな
る。この場合、空気利用率は例えば０．４〜０．７５の
範囲で調節することになる。
【００７３】また、空気利用率を高めた場合に不足する
空気は空気圧縮機４からの空気を流量調節弁３９によっ
て導入して補うことになる。
空気は空気圧縮機４からの空気を流量調節弁３９によっ
て導入して補うことになる。
【００７４】＜燃料利用率と燃料転化率との関係＞図５
は原燃料源１４から供給される原燃料のうち未改質の原
燃料及び未使用の水素を燃料ガスの予熱に使用する燃料
電池システムにおいて、エネルギー効率が最も高くな
る、燃料電池１の燃料利用率と燃料改質器５の燃料転化
率との関係をグラフにしたものである。
は原燃料源１４から供給される原燃料のうち未改質の原
燃料及び未使用の水素を燃料ガスの予熱に使用する燃料
電池システムにおいて、エネルギー効率が最も高くな
る、燃料電池１の燃料利用率と燃料改質器５の燃料転化
率との関係をグラフにしたものである。
【００７５】例えば、燃料転化率は０．９４のときに最
もエネルギー効率の高い燃料利用率は０．９８となる。
この例では原燃料のうちの改質されなかった残り６％の
原燃料と、改質ガス中の電池反応に利用されなかった残
り２％の水素とが原料ガスの予熱に利用されることにな
る。
もエネルギー効率の高い燃料利用率は０．９８となる。
この例では原燃料のうちの改質されなかった残り６％の
原燃料と、改質ガス中の電池反応に利用されなかった残
り２％の水素とが原料ガスの予熱に利用されることにな
る。
【００７６】なお、上記各実施形態では、燃焼器１９を
設けて、燃料電池１の排ガスを原料ガスの予熱に利用す
るようにしたが、燃焼器１９を省略し、この排ガスを触
媒で燃焼させて他の熱源とすることができる。燃料改質
器５で生ずる部分酸化反応及び水性ガスシフト反応がい
ずれも発熱反応であるから、起動時に電気ヒータによっ
て燃料改質器５を反応温度まで高めた後は、それらの反
応熱で反応温度が維持されるからである。
設けて、燃料電池１の排ガスを原料ガスの予熱に利用す
るようにしたが、燃焼器１９を省略し、この排ガスを触
媒で燃焼させて他の熱源とすることができる。燃料改質
器５で生ずる部分酸化反応及び水性ガスシフト反応がい
ずれも発熱反応であるから、起動時に電気ヒータによっ
て燃料改質器５を反応温度まで高めた後は、それらの反
応熱で反応温度が維持されるからである。
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構
成図。
成図。
【図２】同システムの燃料改質器及び燃焼器の構造を示
す断面図。
す断面図。
【図３】原料ガスのＨ2Ｏ／Ｃ比と改質ガスのＣＯ2／Ｃ
Ｏ比と水素収量比との関係を示すグラフ図。
Ｏ比と水素収量比との関係を示すグラフ図。
【図４】本発明の別の実施形態に係る燃料電池システム
の構成図。
の構成図。
【図５】燃料電池システムのエネルギー効率が最も高く
なる燃料利用率と燃料転化率との関係を示すグラフ図。
なる燃料利用率と燃料転化率との関係を示すグラフ図。
【符号の説明】 １ 燃料電池 ２ 酸素極 ３ 水素極 ４ 空気圧縮機（空気源） ５ 燃料改質器 ７ ＣＯ高温変成器 １４ 水タンク（水蒸気源） ２７ 触媒 ３５ 排ガス供給管（排ガス供給手段） ３８ 電力調節器（出力電流調節手段） ３９ 流量調節弁（空気補給手段） ４０ 水供給管（水蒸気供給手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 康令 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 (72)発明者 米本 和生 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内 Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EB03 EB16 EB32 EB43 EC03 5H027 AA06 BA01 BA05 BA09 BA10 BA16 BA17 MM01 MM26
Claims (14)
- 【請求項１】 炭化水素系の原燃料を改質して水素を生
成するための燃料改質器（５）と、この燃料改質器
（５）によって生成された水素を燃料として発電する燃
料電池（１）とを備える燃料電池システムにおいて、 上記燃料改質器（５）には、上記原燃料の部分酸化反応
に対して活性を呈する触媒（２７）が設けられ、 上記燃料改質器（５）内において上記部分酸化反応によ
って生成するＣＯを反応物として水性ガスシフト反応を
生ずるように当該改質器（５）に水蒸気を供給する水蒸
気供給手段（３５，４０）を備えていることを特徴とす
る燃料電池システム。 - 【請求項２】 請求項１に記載されている燃料電池シス
テムにおいて、 上記燃料改質器（５）の出口ガス中のＣＯに対するＣＯ
2 の比であるＣＯ2 ／ＣＯ比が０．２以上となるように
上記水性ガスシフト反応が調整されていることを特徴と
する燃料電池システム。 - 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載されている
燃料電池システムにおいて、 上記燃料改質器（５）に対する原燃料と水蒸気との供給
割合は、原燃料の炭素のモル数に対する水蒸気のモル数
の比Ｈ2Ｏ ／Ｃが０．５以上となるようにされているこ
とを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項４】 請求項３に記載されている燃料電池シス
テムにおいて、 上記Ｈ2Ｏ ／Ｃ比が３以下であることを特徴とする燃料
電池システム。 - 【請求項５】 請求項１乃至請求項４のいずれか一に記
載されている燃料電池システムにおいて、 上記燃料改質器（５）の出口ガス温度が８００℃以下で
あることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれか一に記
載されている燃料電池システムにおいて、 上記燃料改質器（５）に対する原燃料と酸素との供給割
合は、原燃料の炭素のモル数に対する酸素のモル数の比
Ｏ2 ／Ｃが上記部分酸化反応におけるＯ2 ／Ｃ量論比の
０．９倍以上となるようにされていることを特徴とする
燃料電池システム。 - 【請求項７】 請求項１乃至請求項５のいずれか一に記
載されている燃料電池システムにおいて、 上記燃料改質器（５）に対する原燃料と酸素との供給割
合は、原燃料の炭素のモル数に対する酸素のモル数の比
Ｏ2 ／Ｃが上記部分酸化反応におけるＯ2 ／Ｃ量論比よ
りも大になるようにされていることを特徴とする燃料電
池システム。 - 【請求項８】 請求項６又は請求項７に記載されている
燃料電池システムにおいて、 上記Ｏ2 ／Ｃ比が上記Ｏ2 ／Ｃ量論比の１．５倍以下で
あることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれか一に記
載されている燃料電池システムにおいて、 上記触媒（２７）の活性点がロジウム及びルテニウムの
少なくとも一方によって形成されていることを特徴とす
る燃料電池システム。 - 【請求項１０】 請求項９に記載されている燃料電池シ
ステムにおいて、 上記触媒（２７）がハニカム状のモノリス担体に担持さ
れていることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１１】 請求項１乃至請求項１０のいずれか一
に記載されている燃料電池システムにおいて、 上記水蒸気供給手段として、上記燃料電池の酸素極から
排出されるガスを上記燃料改質器（５）に対して供給す
る排ガス供給手段（３５）を備えていることを特徴とす
る燃料電池システム。 - 【請求項１２】 請求項１１に記載されている燃料電池
システムにおいて、 上記燃料改質器（５）に供給される排ガスの酸素濃度及
び水蒸気濃度が所定範囲になるように上記燃料電池の出
力電流を調節する出力電流調節手段（３８）を備えてい
ることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１３】 請求項１１に記載されている燃料電池
システムにおいて、 上記燃料電池の酸素利用率が０．４〜０．７５となるよ
うに該燃料電池の出力電流を調節する出力電流調節手段
を備えていることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１４】 請求項１１に記載されている燃料電池
システムにおいて、 上記燃料改質器（５）に空気を補給する空気補給手段
（３９）を備えていることを特徴とする燃料電池システ
ム。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25718699A JP2001085039A (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 燃料電池システム |
| PCT/JP2000/006075 WO2001019727A1 (fr) | 1999-09-10 | 2000-09-06 | Appareil de production de gaz hydrogene et dispositif de pile a combustible |
| KR1020017005883A KR20010075696A (ko) | 1999-09-10 | 2000-09-06 | 수소가스 생성장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 |
| EP00956985A EP1148024A4 (en) | 1999-09-10 | 2000-09-06 | DEVICE FOR PRODUCING HYDROGEN-GAS AND USE THIS GAS IN A FUEL CELL SYSTEM |
| CN00801930A CN1321136A (zh) | 1999-09-10 | 2000-09-06 | 氢气发生装置及使用该装置的燃料电池 |
| US11/347,305 US20060143983A1 (en) | 1999-09-10 | 2006-02-06 | Apparatus for producing hydrogen gas and fuel cell system using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25718699A JP2001085039A (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 燃料電池システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001085039A true JP2001085039A (ja) | 2001-03-30 |
Family
ID=17302884
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25718699A Pending JP2001085039A (ja) | 1999-09-10 | 1999-09-10 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001085039A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003272682A (ja) * | 2002-03-14 | 2003-09-26 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料改質型燃料電池システム |
| JP2004531447A (ja) * | 2001-04-19 | 2004-10-14 | ヴェーエス リフォーマー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | コンパクトな蒸気リフォーマー |
| JP2005235583A (ja) * | 2004-02-19 | 2005-09-02 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 燃料電池システム及びその制御方法 |
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| WO1999019249A1 (en) * | 1997-10-14 | 1999-04-22 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | A process for the preparation of hydrogen and carbon monoxide |
-
1999
- 1999-09-10 JP JP25718699A patent/JP2001085039A/ja active Pending
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| KR101693714B1 (ko) | 2010-01-22 | 2017-01-09 | 한국생산기술연구원 | 가스 연료 개질기 |
| US8268266B2 (en) | 2010-08-10 | 2012-09-18 | General Electric Company | System for heat integration within a gas processing section |
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