JP2001266924A - 固体電解質型燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】固体電解質型燃料電池システムにおいて固体電
解質型燃料電池で発生する余熱を可及的に利用する。 【解決手段】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質型
燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利用
するようにしてなることを特徴とする固体電解質型燃料
電池システム、断熱容器内に配置された固体電解質型燃
料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改
質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質
型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利
用し、且つ、該水蒸気改質器の下流側で断熱容器外に固
体高分子質型燃料電池を配置することにより、固体電解
質型燃料電池による発電とともに固体高分子型燃料電池
による発電を行うようにしてなることを特徴とするハイ
ブリッド型燃料電池システム、等。
解質型燃料電池で発生する余熱を可及的に利用する。 【解決手段】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質型
燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利用
するようにしてなることを特徴とする固体電解質型燃料
電池システム、断熱容器内に配置された固体電解質型燃
料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改
質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質
型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利
用し、且つ、該水蒸気改質器の下流側で断熱容器外に固
体高分子質型燃料電池を配置することにより、固体電解
質型燃料電池による発電とともに固体高分子型燃料電池
による発電を行うようにしてなることを特徴とするハイ
ブリッド型燃料電池システム、等。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池と炭化水素ガスの水蒸気改質器を組み合せてなる燃
料電池システム、固体電解質型燃料電池と水蒸気改質器
と固体高分子型燃料電池を組み合わせてなるハイブリッ
ド型燃料電池システム、固体電解質型燃料電池と水蒸気
改質器と固体高分子型燃料電池を組み合わせてなるハイ
ブリッド型燃料電池システムの運転方法および固体電解
質型燃料電池システムを利用した水素製造装置に関す
る。なお、本明細書中「システム」とは「装置」を意味
するものとして用いている。
電池と炭化水素ガスの水蒸気改質器を組み合せてなる燃
料電池システム、固体電解質型燃料電池と水蒸気改質器
と固体高分子型燃料電池を組み合わせてなるハイブリッ
ド型燃料電池システム、固体電解質型燃料電池と水蒸気
改質器と固体高分子型燃料電池を組み合わせてなるハイ
ブリッド型燃料電池システムの運転方法および固体電解
質型燃料電池システムを利用した水素製造装置に関す
る。なお、本明細書中「システム」とは「装置」を意味
するものとして用いている。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池はイオン伝導体すなわち電解質
に利用される物質の違いにより固体電解質型（ＳＯＦ
Ｃ）、溶融炭酸塩型、リン酸型、固体高分子型（ＰＥＦ
Ｃ）などに分類されるが、これら燃料電池はそれぞれ独
自の電池システムとして構成される。このうちＳＯＦＣ
は電解質に酸化物イオン（Ｏ2-）導電体を用いる点に特
徴を有するもので、電解質を挟んで負極（アノード＝燃
料極、以下燃料極という）及び正極（カソード＝空気極
又は酸素極、以下空気極という）の両電極を配置し、負
極側に燃料ガスを供給し、正極側に空気（酸素富化空気
を含む）又は酸素を供給して電気化学反応を起こさせる
ことにより電力が取り出される。
に利用される物質の違いにより固体電解質型（ＳＯＦ
Ｃ）、溶融炭酸塩型、リン酸型、固体高分子型（ＰＥＦ
Ｃ）などに分類されるが、これら燃料電池はそれぞれ独
自の電池システムとして構成される。このうちＳＯＦＣ
は電解質に酸化物イオン（Ｏ2-）導電体を用いる点に特
徴を有するもので、電解質を挟んで負極（アノード＝燃
料極、以下燃料極という）及び正極（カソード＝空気極
又は酸素極、以下空気極という）の両電極を配置し、負
極側に燃料ガスを供給し、正極側に空気（酸素富化空気
を含む）又は酸素を供給して電気化学反応を起こさせる
ことにより電力が取り出される。
【０００３】ＳＯＦＣには平板方式、円筒方式、あるい
は一体積層方式などがあるが、図１は平板方式の構造を
模式的に示した図である（「燃料電池発電システム」平
成５年３月１５日、オーム社発行、１５９頁）。電解質
を挟んで燃料極及び空気極が配置され、これらを挟んで
セパレータが配置される。電解質が１個の場合（単電
池）の電圧は低いため、通常、単電池を複数層積層して
構成される。これらの点は、電解質の種類が違う点を除
けば、原理的にはＰＥＦＣの場合も同様である。なお、
単電池を複数層積層した構造体を本明細書及び図面中ス
タックと指称している。
は一体積層方式などがあるが、図１は平板方式の構造を
模式的に示した図である（「燃料電池発電システム」平
成５年３月１５日、オーム社発行、１５９頁）。電解質
を挟んで燃料極及び空気極が配置され、これらを挟んで
セパレータが配置される。電解質が１個の場合（単電
池）の電圧は低いため、通常、単電池を複数層積層して
構成される。これらの点は、電解質の種類が違う点を除
けば、原理的にはＰＥＦＣの場合も同様である。なお、
単電池を複数層積層した構造体を本明細書及び図面中ス
タックと指称している。
【０００４】図２はＳＯＦＣにおける作動原理を説明す
る図である（同上１５６頁）。空気導管から供給される
空気は空気極で酸化物イオン（Ｏ2-）となり、電解質を
通って燃料極に至る。ここで燃料ガス導管から供給され
る燃料ガスと反応して電子を放出し、電気と反応生成物
である水等を生成する。燃料ガスとしてはメタン、水
素、一酸化炭素（ＣＯ）、あるいはこれらの二種以上の
混合ガスが用いられる。
る図である（同上１５６頁）。空気導管から供給される
空気は空気極で酸化物イオン（Ｏ2-）となり、電解質を
通って燃料極に至る。ここで燃料ガス導管から供給され
る燃料ガスと反応して電子を放出し、電気と反応生成物
である水等を生成する。燃料ガスとしてはメタン、水
素、一酸化炭素（ＣＯ）、あるいはこれらの二種以上の
混合ガスが用いられる。
【０００５】ところが、燃料ガスにメタン以外のエタ
ン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素、すなわ
ち炭素数Ｃ2 以上の炭化水素が含まれていると、燃料極
で炭素を生成し、これが電気化学反応を阻害して電池性
能を劣化させてしまう。都市ガス、ＬＰガス、あるいは
天然ガスなどの燃料ガスにはＣ2 以上の炭化水素が含ま
れている。例えば都市ガス１３Ａの場合、メタン８８．
５％に加え、エタン４．６％、プロパン５．４％、ブタ
ン１．５％（ｖｏｌ％、以下同じ）程度であり、主成分
であるメタンに加え、炭素数Ｃ2〜Ｃ4の炭化水素が約１
１．５％も含まれている。このため、これらをＳＯＦＣ
用の燃料とするには、それらからＣ2 以上の炭化水素を
除去した燃料ガスに改質しておく必要がある。
ン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭化水素、すなわ
ち炭素数Ｃ2 以上の炭化水素が含まれていると、燃料極
で炭素を生成し、これが電気化学反応を阻害して電池性
能を劣化させてしまう。都市ガス、ＬＰガス、あるいは
天然ガスなどの燃料ガスにはＣ2 以上の炭化水素が含ま
れている。例えば都市ガス１３Ａの場合、メタン８８．
５％に加え、エタン４．６％、プロパン５．４％、ブタ
ン１．５％（ｖｏｌ％、以下同じ）程度であり、主成分
であるメタンに加え、炭素数Ｃ2〜Ｃ4の炭化水素が約１
１．５％も含まれている。このため、これらをＳＯＦＣ
用の燃料とするには、それらからＣ2 以上の炭化水素を
除去した燃料ガスに改質しておく必要がある。
【０００６】炭化水素の水蒸気改質法は、水蒸気改質器
により最終的に水素を主成分とする改質ガスを生成する
技術である。ところが、ＳＯＦＣにおいては水素のほ
か、メタンおよびＣＯも燃料となるため、ＳＯＦＣ用の
燃料としてはＣ2 以上の炭化水素が除去されていればよ
く、水素を主成分とする改質ガスにまで改質する必要は
ない。このため、ＳＯＦＣ用燃料の製造装置としては予
備水蒸気改質器が用いられる。予備水蒸気改質器ではＣ
2 以上の炭化水素がメタン、水素、ＣＯ等に換えられる
ので、ＳＯＦＣには、通常、予備水蒸気改質器のみが用
いられる。なお、本明細書中、予備水蒸気改質器でＣ2
以上の炭化水素が除去された改質ガスを適宜粗改質ガス
と指称し、上記予備水蒸気改質器および上記水蒸気改質
器を、それぞれ、適宜略して予備改質器および改質器と
指称している。
により最終的に水素を主成分とする改質ガスを生成する
技術である。ところが、ＳＯＦＣにおいては水素のほ
か、メタンおよびＣＯも燃料となるため、ＳＯＦＣ用の
燃料としてはＣ2 以上の炭化水素が除去されていればよ
く、水素を主成分とする改質ガスにまで改質する必要は
ない。このため、ＳＯＦＣ用燃料の製造装置としては予
備水蒸気改質器が用いられる。予備水蒸気改質器ではＣ
2 以上の炭化水素がメタン、水素、ＣＯ等に換えられる
ので、ＳＯＦＣには、通常、予備水蒸気改質器のみが用
いられる。なお、本明細書中、予備水蒸気改質器でＣ2
以上の炭化水素が除去された改質ガスを適宜粗改質ガス
と指称し、上記予備水蒸気改質器および上記水蒸気改質
器を、それぞれ、適宜略して予備改質器および改質器と
指称している。
【０００７】図３は、ＳＯＦＣに予備改質器を配置し、
炭化水素ガスとして常温の都市ガス、ＬＰガス、あるい
は天然ガス等を用いる場合における態様を示した図であ
る。都市ガスやＬＰガスには付臭剤としてメルカプタン
その他の形の硫黄化合物が含まれているため、脱硫器で
脱硫した後、水蒸気とともに予備改質器に供給され、こ
こで粗改質ガスに換えられる。なお、原料炭化水素ガス
が硫黄分を含まないか、既に除去されている場合には脱
硫器は必要としない。
炭化水素ガスとして常温の都市ガス、ＬＰガス、あるい
は天然ガス等を用いる場合における態様を示した図であ
る。都市ガスやＬＰガスには付臭剤としてメルカプタン
その他の形の硫黄化合物が含まれているため、脱硫器で
脱硫した後、水蒸気とともに予備改質器に供給され、こ
こで粗改質ガスに換えられる。なお、原料炭化水素ガス
が硫黄分を含まないか、既に除去されている場合には脱
硫器は必要としない。
【０００８】水蒸気改質器での改質反応は吸熱反応であ
るため、予備改質器では３５０〜５００℃という温度が
必要であり、加熱媒体（加熱源）により間接的に加熱さ
れる。一方、ＳＯＦＣは電池としての作動時に熱を発生
する。その作動温度は７００〜１０００℃という高温で
あるため、上記加熱源としてはＳＯＦＣにおける熱を利
用することができる。これには、予備改質器をＳＯＦ
Ｃスタックの近傍に配置して伝熱により保温する、カ
ソードオフガス、アノードオフガスにより間接的に加熱
するなど適宜の方法が適用できる。
るため、予備改質器では３５０〜５００℃という温度が
必要であり、加熱媒体（加熱源）により間接的に加熱さ
れる。一方、ＳＯＦＣは電池としての作動時に熱を発生
する。その作動温度は７００〜１０００℃という高温で
あるため、上記加熱源としてはＳＯＦＣにおける熱を利
用することができる。これには、予備改質器をＳＯＦ
Ｃスタックの近傍に配置して伝熱により保温する、カ
ソードオフガス、アノードオフガスにより間接的に加熱
するなど適宜の方法が適用できる。
【０００９】また、ＳＯＦＣの動作温度は約７００〜１
０００℃であるので、そのような一定作動温度に保持す
る必要があるが、その温度に保持するために、ＳＯＦＣ
に供給する空気をＳＯＦＣから排出される利用済み燃料
（アノードオフガス）および空気（カソードオフガス）
と熱交換することが考えられる。
０００℃であるので、そのような一定作動温度に保持す
る必要があるが、その温度に保持するために、ＳＯＦＣ
に供給する空気をＳＯＦＣから排出される利用済み燃料
（アノードオフガス）および空気（カソードオフガス）
と熱交換することが考えられる。
【００１０】この場合、熱交換して温度が下がった燃料
（アノードオフガス）および空気（カソードオフガス）
は、ＳＯＦＣを例えばコージェネレーションシステムに
組み込んだ場合、そのための熱として利用することがで
きるが、一般にこれらの熱は温度が高いほどその利用形
態上の選択性が高くなる。ところが、燃料電池のうち特
にＳＯＦＣの場合、運転温度が高いにも拘らず、利用可
能な熱が熱交換によって低温になっており、利用形態上
の選択性を狭めているのが現状である。
（アノードオフガス）および空気（カソードオフガス）
は、ＳＯＦＣを例えばコージェネレーションシステムに
組み込んだ場合、そのための熱として利用することがで
きるが、一般にこれらの熱は温度が高いほどその利用形
態上の選択性が高くなる。ところが、燃料電池のうち特
にＳＯＦＣの場合、運転温度が高いにも拘らず、利用可
能な熱が熱交換によって低温になっており、利用形態上
の選択性を狭めているのが現状である。
【００１１】〈例１〉図４は、ＳＯＦＣに予備改質器を
組み込んだ例を示す図である。ＳＯＦＣスタック、予備
改質器、燃焼器、熱交換器１、２（図４中「熱交１、
２」）を含めて断熱壁で囲った容器に収容されている。
原料燃料ガスとして都市ガス（１３Ａ）を用い、ＳＯＦ
ＣのＤＣ出力１２１．１ｋＷ、運転温度７５０℃、燃料
利用率８０％、電圧０．７Ｖ、電流密度０．３Ａ/ｃｍ2
の運転例である。常温（２５℃）の空気は、熱交換器１
で熱交換し、ＳＯＦＣの運転温度７５０℃まで昇温させ
てＳＯＦＣの空気極へ供給する。加熱源としてはＳＯＦ
Ｃのアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させて
得られた燃焼ガスを用いる。この燃焼は燃焼器中で燃焼
触媒を用いた接触反応で行う。
組み込んだ例を示す図である。ＳＯＦＣスタック、予備
改質器、燃焼器、熱交換器１、２（図４中「熱交１、
２」）を含めて断熱壁で囲った容器に収容されている。
原料燃料ガスとして都市ガス（１３Ａ）を用い、ＳＯＦ
ＣのＤＣ出力１２１．１ｋＷ、運転温度７５０℃、燃料
利用率８０％、電圧０．７Ｖ、電流密度０．３Ａ/ｃｍ2
の運転例である。常温（２５℃）の空気は、熱交換器１
で熱交換し、ＳＯＦＣの運転温度７５０℃まで昇温させ
てＳＯＦＣの空気極へ供給する。加熱源としてはＳＯＦ
Ｃのアノードオフガスをカソードオフガスで燃焼させて
得られた燃焼ガスを用いる。この燃焼は燃焼器中で燃焼
触媒を用いた接触反応で行う。
【００１２】接触反応で生成した燃焼ガスは１０５０℃
程度となるが、熱交換器１で空気を加熱し、自らは降温
して熱交換器１から５３３℃程度で出る。そして熱交換
器２で常温（２５℃）の水と熱交換し、熱交換器２から
３７４℃程度の温度で排ガスとして排出される。水は１
２０℃程度に加熱され、水蒸気として予備改質器へ供給
され、常温（２５℃）で供給される都市ガスの改質用に
使用される。予備改質器での改質反応は吸熱反応である
ため加熱が必要であるが、加熱源としてはＳＯＦＣから
の余熱が用いられる。
程度となるが、熱交換器１で空気を加熱し、自らは降温
して熱交換器１から５３３℃程度で出る。そして熱交換
器２で常温（２５℃）の水と熱交換し、熱交換器２から
３７４℃程度の温度で排ガスとして排出される。水は１
２０℃程度に加熱され、水蒸気として予備改質器へ供給
され、常温（２５℃）で供給される都市ガスの改質用に
使用される。予備改質器での改質反応は吸熱反応である
ため加熱が必要であるが、加熱源としてはＳＯＦＣから
の余熱が用いられる。
【００１３】ＳＯＦＣスタックの温度と予備改質器で必
要な温度との温度差が大きいため、ＳＯＦＣスタックの
近傍に予備改質器を配置することで、伝熱により予備改
質器を加熱して所定温度に保持することができる。この
加熱には１２．６ｋＷ（エンタルピー換算）程度が必要
である。図４中ではこの意味で「予備改質器保温」とし
て示しているが、カソードオフガス、アノードオフガ
ス、あるいはその双方により間接的に加熱するようにし
てもよい。予備改質器からは温度３５４℃程度の粗改質
ガスが生成される。この粗改質ガスは、Ｃ2 以上の炭化
水素が除去され、その組成はメタン＝２８％、水素＝１
１％、ＣＯ＝１％、水蒸気＝５６％、ＣＯ 2＝４％程度
であり、ＳＯＦＣの燃料極へ供給される。
要な温度との温度差が大きいため、ＳＯＦＣスタックの
近傍に予備改質器を配置することで、伝熱により予備改
質器を加熱して所定温度に保持することができる。この
加熱には１２．６ｋＷ（エンタルピー換算）程度が必要
である。図４中ではこの意味で「予備改質器保温」とし
て示しているが、カソードオフガス、アノードオフガ
ス、あるいはその双方により間接的に加熱するようにし
てもよい。予備改質器からは温度３５４℃程度の粗改質
ガスが生成される。この粗改質ガスは、Ｃ2 以上の炭化
水素が除去され、その組成はメタン＝２８％、水素＝１
１％、ＣＯ＝１％、水蒸気＝５６％、ＣＯ 2＝４％程度
であり、ＳＯＦＣの燃料極へ供給される。
【００１４】このとき、ＳＯＦＣでの発電に伴い発生す
る余剰熱（余熱）は３５ｋＷ程度である。そのうち１
２．６ｋＷ程度が予備改質器での都市ガスの改質に使わ
れ、残りの２２．３ｋＷ程度が外部に熱損失（壁損失）
として放出される。供給都市ガスの総熱量は２２５．７
ｋＷ程度であるので、この２２．３ｋＷという熱損失は
システム全体の熱効率の観点からすると大きな損失とな
ってしまう。なお、このとき、熱交換器２から排出され
る排ガス温度は３７４℃程度であるが、これを１２０℃
程度まで熱回収すると、４１．８ｋＷ程度が熱利用さ
れ、本ＳＯＦＣを例えばコージェネレーションシステム
に組み込む場合には、システムで必要な熱源として利用
される。
る余剰熱（余熱）は３５ｋＷ程度である。そのうち１
２．６ｋＷ程度が予備改質器での都市ガスの改質に使わ
れ、残りの２２．３ｋＷ程度が外部に熱損失（壁損失）
として放出される。供給都市ガスの総熱量は２２５．７
ｋＷ程度であるので、この２２．３ｋＷという熱損失は
システム全体の熱効率の観点からすると大きな損失とな
ってしまう。なお、このとき、熱交換器２から排出され
る排ガス温度は３７４℃程度であるが、これを１２０℃
程度まで熱回収すると、４１．８ｋＷ程度が熱利用さ
れ、本ＳＯＦＣを例えばコージェネレーションシステム
に組み込む場合には、システムで必要な熱源として利用
される。
【００１５】〈例２〉例１のような外部への熱損失はで
き得る限り抑え必要があるが、図５は外部への該熱損失
を最小限に抑えてなる例を示す図である。本例２におい
ては、ＳＯＦＣスタックに供給される空気の温度を５８
３℃程度まで落とす。常温（２５℃）の空気を熱交換器
１（図５中「熱交１」）で熱交換して５８３℃程度まで
昇温させてＳＯＦＣの空気極へ供給する。加熱源として
はＳＯＦＣのアノードオフガスをカソードオフガスで燃
焼させて得られた燃焼ガスを用いる。この燃焼は燃焼器
で燃焼触媒を用いた接触反応で行われる。
き得る限り抑え必要があるが、図５は外部への該熱損失
を最小限に抑えてなる例を示す図である。本例２におい
ては、ＳＯＦＣスタックに供給される空気の温度を５８
３℃程度まで落とす。常温（２５℃）の空気を熱交換器
１（図５中「熱交１」）で熱交換して５８３℃程度まで
昇温させてＳＯＦＣの空気極へ供給する。加熱源として
はＳＯＦＣのアノードオフガスをカソードオフガスで燃
焼させて得られた燃焼ガスを用いる。この燃焼は燃焼器
で燃焼触媒を用いた接触反応で行われる。
【００１６】例２の場合、ＳＯＦＣによる発電に伴い発
生する余剰熱（余熱）は１１．６ｋＷ程度であり、その
うち１０．６ｋＷ程度は供給される都市ガスの改質に使
われる。残りの１．０ｋＷ程度が外部への熱損失（壁損
失）となる。このときの排ガス温度は４９８℃程度であ
り、１２０℃程度まで熱回収すると、６３．１ｋＷ程度
が熱として利用される。こうして外部への熱損失を最小
限に抑えることができる。
生する余剰熱（余熱）は１１．６ｋＷ程度であり、その
うち１０．６ｋＷ程度は供給される都市ガスの改質に使
われる。残りの１．０ｋＷ程度が外部への熱損失（壁損
失）となる。このときの排ガス温度は４９８℃程度であ
り、１２０℃程度まで熱回収すると、６３．１ｋＷ程度
が熱として利用される。こうして外部への熱損失を最小
限に抑えることができる。
【００１７】ところで、例１のケースにおいては、ＳＯ
ＦＣスタック内において発生した熱のうち２２．３ｋＷ
程度が損失となっている。これに対して、例２のケース
では、ＳＯＦＣスタックへ供給される空気温度を低くす
ることによって、ＳＯＦＣスタック内において発生する
余剰熱（余熱）と熱損失（壁損失）を抑え、排ガス温度
を高くし、熱をより多く取り出すことができる。しかし
それでも、排ガス温度は約５００℃であり、ＳＯＦＣの
運転温度７５０℃に比べて２５０℃も低い。のみなら
ず、ＳＯＦＣスタックにその運転温度より１７０℃も低
い空気を供給することによって生じる温度分布がＳＯＦ
Ｃスタックに悪影響を与えてしまう。
ＦＣスタック内において発生した熱のうち２２．３ｋＷ
程度が損失となっている。これに対して、例２のケース
では、ＳＯＦＣスタックへ供給される空気温度を低くす
ることによって、ＳＯＦＣスタック内において発生する
余剰熱（余熱）と熱損失（壁損失）を抑え、排ガス温度
を高くし、熱をより多く取り出すことができる。しかし
それでも、排ガス温度は約５００℃であり、ＳＯＦＣの
運転温度７５０℃に比べて２５０℃も低い。のみなら
ず、ＳＯＦＣスタックにその運転温度より１７０℃も低
い空気を供給することによって生じる温度分布がＳＯＦ
Ｃスタックに悪影響を与えてしまう。
【００１８】また、ＳＯＦＣを例えばコージェネレーシ
ョンシステムに組み込む場合には、熱としての利用より
も電力としての需要が多い。この場合には、発電による
電力量を可及的に大きくすることが望まれる。そしてこ
の点は、ＳＯＦＣをコージェネレーションシステム以外
の利用分野で用いる場合についても同様である。さら
に、電力に加え、余剰熱（余熱）の有効利用として例え
ば水素を製造できれば、水素はＰＥＦＣ等の燃料電池の
燃料として用いられるほか、各種利用に供し得る基礎原
料であるため非常に有用である。
ョンシステムに組み込む場合には、熱としての利用より
も電力としての需要が多い。この場合には、発電による
電力量を可及的に大きくすることが望まれる。そしてこ
の点は、ＳＯＦＣをコージェネレーションシステム以外
の利用分野で用いる場合についても同様である。さら
に、電力に加え、余剰熱（余熱）の有効利用として例え
ば水素を製造できれば、水素はＰＥＦＣ等の燃料電池の
燃料として用いられるほか、各種利用に供し得る基礎原
料であるため非常に有用である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な観点を含めて、固体電解質型燃料電池システムにおけ
る上記諸問題を解決するためになされたものであり、固
体電解質型燃料電池で発電するとともに、そこで発生す
る余熱を可及的に利用して水素を製造するようにしてな
る固体電解質型燃料電池システムを提供することを目的
とする。また、本発明は、固体電解質型燃料電池で発生
する余熱を可及的に利用して水素を製造し、この水素を
固体高分子型燃料電池の燃料として利用するようにして
なるハイブリッド型燃料電池システムおよびその運転方
法を提供することを目的とし、さらに本発明は、固体電
解質型燃料電池システムの余熱を利用した水素製造装置
を提供することを目的とする。
な観点を含めて、固体電解質型燃料電池システムにおけ
る上記諸問題を解決するためになされたものであり、固
体電解質型燃料電池で発電するとともに、そこで発生す
る余熱を可及的に利用して水素を製造するようにしてな
る固体電解質型燃料電池システムを提供することを目的
とする。また、本発明は、固体電解質型燃料電池で発生
する余熱を可及的に利用して水素を製造し、この水素を
固体高分子型燃料電池の燃料として利用するようにして
なるハイブリッド型燃料電池システムおよびその運転方
法を提供することを目的とし、さらに本発明は、固体電
解質型燃料電池システムの余熱を利用した水素製造装置
を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明は（１）断熱容器
内に配置された固体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素
ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成させる水蒸
気改質器を配置し、固体電解質型燃料電池で発生する余
熱を該水蒸気改質器の加熱に利用するようにしてなるこ
とを特徴とする固体電解質型燃料電池システムを提供す
る。
内に配置された固体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素
ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成させる水蒸
気改質器を配置し、固体電解質型燃料電池で発生する余
熱を該水蒸気改質器の加熱に利用するようにしてなるこ
とを特徴とする固体電解質型燃料電池システムを提供す
る。
【００２１】本発明は（２）断熱容器内に配置された固
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用するようにしてなること
を特徴とする固体電解質型燃料電池システムを提供す
る。
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用するようにしてなること
を特徴とする固体電解質型燃料電池システムを提供す
る。
【００２２】本発明は（３）断熱容器内に配置された固
体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主
成分とする改質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置
し、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改
質器の加熱に利用し、且つ、該水蒸気改質器の下流側で
断熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配置することに
より、固体電解質型燃料電池による発電とともに固体高
分子型燃料電池による発電を行うようにしてなることを
特徴とするハイブリッド型燃料電池システムを提供す
る。
体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主
成分とする改質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置
し、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改
質器の加熱に利用し、且つ、該水蒸気改質器の下流側で
断熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配置することに
より、固体電解質型燃料電池による発電とともに固体高
分子型燃料電池による発電を行うようにしてなることを
特徴とするハイブリッド型燃料電池システムを提供す
る。
【００２３】本発明は（４）断熱容器内に配置された固
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器
Ｂの下流側で断熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配
置することにより、固体電解質型燃料電池による発電と
ともに固体高分子型燃料電池による発電を行うようにし
てなることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システ
ムを提供する。
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器
Ｂの下流側で断熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配
置することにより、固体電解質型燃料電池による発電と
ともに固体高分子型燃料電池による発電を行うようにし
てなることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システ
ムを提供する。
【００２４】本発明は（５）断熱容器内に配置された固
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器
Ｂの下流側で断熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配
置して両燃料電池で発電することにより、固体電解質型
燃料電池の燃料利用率が変化しても、全体の発電効率の
変化を補うようにすることを特徴とするハイブリッド型
燃料電池システムの運転方法を提供する。
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器
Ｂの下流側で断熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配
置して両燃料電池で発電することにより、固体電解質型
燃料電池の燃料利用率が変化しても、全体の発電効率の
変化を補うようにすることを特徴とするハイブリッド型
燃料電池システムの運転方法を提供する。
【００２５】本発明は（６）断熱容器内に配置された固
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器
Ｂの下流側で断熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配
置して両燃料電池で発電することにより、固体電解質型
燃料電池の電流密度が変化しても、全体の発電効率の変
化を補うようにすることを特徴とするハイブリッド型燃
料電池システムの運転方法を提供する。
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器
Ｂの下流側で断熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配
置して両燃料電池で発電することにより、固体電解質型
燃料電池の電流密度が変化しても、全体の発電効率の変
化を補うようにすることを特徴とするハイブリッド型燃
料電池システムの運転方法を提供する。
【００２６】本発明は（７）断熱容器内に配置された固
体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主
成分とする改質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し
て、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改
質器の加熱に利用するようにしてなることを特徴とする
固体電解質型燃料電池の余熱を利用した水素製造装置を
提供する。
体電解質型燃料電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主
成分とする改質ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し
て、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改
質器の加熱に利用するようにしてなることを特徴とする
固体電解質型燃料電池の余熱を利用した水素製造装置を
提供する。
【００２７】本発明は（８）断熱容器内に配置された固
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用するようにしてなること
を特徴とする固体電解質型燃料電池の余熱を利用した水
素製造装置を提供する。
体電解質型燃料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化
水素を除去した粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質
器Ａを配置するとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、
固体電解質型燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解
質型燃料電池で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよ
び水蒸気改質器Ｂの加熱に利用するようにしてなること
を特徴とする固体電解質型燃料電池の余熱を利用した水
素製造装置を提供する。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明においては、断熱容器内に
配置された固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の近傍に
炭化水素ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成さ
せる水蒸気改質器を併置する。ＳＯＦＣの近傍に同じく
断熱容器内に配置された水蒸気改質器を併置すること
で、ＳＯＦＣの余熱が伝熱により該水蒸気改質器へ伝え
られる。これにより、ＳＯＦＣによる発電を行うととも
に、ＳＯＦＣの余熱を水蒸気改質器により効率的に利用
して水素を製造する。
配置された固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の近傍に
炭化水素ガスから水素を主成分とする改質ガスを生成さ
せる水蒸気改質器を併置する。ＳＯＦＣの近傍に同じく
断熱容器内に配置された水蒸気改質器を併置すること
で、ＳＯＦＣの余熱が伝熱により該水蒸気改質器へ伝え
られる。これにより、ＳＯＦＣによる発電を行うととも
に、ＳＯＦＣの余熱を水蒸気改質器により効率的に利用
して水素を製造する。
【００２９】また、本発明においては、上記構成に加え
て、水蒸気改質器の下流側で且つ断熱容器外に固体高分
子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を設置する。これによりＳＯ
ＦＣによる発電を行うとともに、ＰＥＦＣでも発電す
る。これによれば、炭化水素ガスのエネルギーを可及的
に電力に変換できるため、発電システム全体としての発
電効率を格段に向上させることができる。水蒸気改質器
には改質触媒、例えばアルミナ等の担体にＮｉ、Ｒｕ等
の金属を担持した触媒が充填される。
て、水蒸気改質器の下流側で且つ断熱容器外に固体高分
子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を設置する。これによりＳＯ
ＦＣによる発電を行うとともに、ＰＥＦＣでも発電す
る。これによれば、炭化水素ガスのエネルギーを可及的
に電力に変換できるため、発電システム全体としての発
電効率を格段に向上させることができる。水蒸気改質器
には改質触媒、例えばアルミナ等の担体にＮｉ、Ｒｕ等
の金属を担持した触媒が充填される。
【００３０】炭化水素ガスとしては各種炭化水素ガスを
用いることができるが、好ましくは都市ガス、ＬＰガス
あるいは天然ガスなどが用いられる。前述のとおり、Ｓ
ＯＦＣ用の燃料は、Ｃ2 以上の炭化水素を除去しておく
必要があるため、都市ガス、ＬＰガスあるいは天然ガス
などを燃料とする場合には予備水蒸気改質器により粗改
質ガスに改質して用いる。この熱源としてＳＯＦＣの余
熱を用いることができる。炭化水素ガスが、例えばＣ2
以上の炭化水素を含まないメタンガスの場合には、予備
改質器に代えて熱交換器を用いる。この場合にも、その
熱源としてＳＯＦＣの余熱を利用することができる。
用いることができるが、好ましくは都市ガス、ＬＰガス
あるいは天然ガスなどが用いられる。前述のとおり、Ｓ
ＯＦＣ用の燃料は、Ｃ2 以上の炭化水素を除去しておく
必要があるため、都市ガス、ＬＰガスあるいは天然ガス
などを燃料とする場合には予備水蒸気改質器により粗改
質ガスに改質して用いる。この熱源としてＳＯＦＣの余
熱を用いることができる。炭化水素ガスが、例えばＣ2
以上の炭化水素を含まないメタンガスの場合には、予備
改質器に代えて熱交換器を用いる。この場合にも、その
熱源としてＳＯＦＣの余熱を利用することができる。
【００３１】以下、本発明の具体的態様を実施例ととも
にさらに説明する。なお、関連する図において、各流体
の配管には適宜弁等が配置されるが、図中での記載は省
略している。
にさらに説明する。なお、関連する図において、各流体
の配管には適宜弁等が配置されるが、図中での記載は省
略している。
【００３２】《実施例１》図６は、ＳＯＦＣ（電解質に
は安定化ジルコニアを使用した）に対して、炭化水素ガ
ス（都市ガス、脱硫済み）の予備改質器Ａに加えて、水
蒸気改質器Ｂ（図６中「改質器Ｂ」）を併置した例を示
す図である。ＳＯＦＣスタックの仕様は図６中に記載の
とおりである。図６のとおり、断熱容器Ｗ内にＳＯＦＣ
のスタック、触媒燃焼器（図６中「燃焼器」）、熱交換
器１〜３（図６中「熱交１〜３」）、シフト反応器等
（図６中「シフト反応等」。なお、シフト反応だけでは
水素中のＣＯを除去できない場合には、選択酸化器等を
つけ加える）、予備改質器Ａおよび改質器Ｂを配置す
る。断熱容器Ｗの器壁は断熱材を充填した２重層として
構成した。触媒燃焼器にはＰｔ等の貴金属触媒（本実施
例１ではアルミナにＰｄを担持した触媒を用いた。実施
例２も同じ）が充填され、予備改質器Ａおよび改質器Ｂ
にはアルミナ等の担体にＮｉ、Ｒｕ等の金属を担持した
触媒が充填されている（本実施例１ではアルミナにＮｉ
を担持した触媒を用いた。実施例２も同じ）。
は安定化ジルコニアを使用した）に対して、炭化水素ガ
ス（都市ガス、脱硫済み）の予備改質器Ａに加えて、水
蒸気改質器Ｂ（図６中「改質器Ｂ」）を併置した例を示
す図である。ＳＯＦＣスタックの仕様は図６中に記載の
とおりである。図６のとおり、断熱容器Ｗ内にＳＯＦＣ
のスタック、触媒燃焼器（図６中「燃焼器」）、熱交換
器１〜３（図６中「熱交１〜３」）、シフト反応器等
（図６中「シフト反応等」。なお、シフト反応だけでは
水素中のＣＯを除去できない場合には、選択酸化器等を
つけ加える）、予備改質器Ａおよび改質器Ｂを配置す
る。断熱容器Ｗの器壁は断熱材を充填した２重層として
構成した。触媒燃焼器にはＰｔ等の貴金属触媒（本実施
例１ではアルミナにＰｄを担持した触媒を用いた。実施
例２も同じ）が充填され、予備改質器Ａおよび改質器Ｂ
にはアルミナ等の担体にＮｉ、Ｒｕ等の金属を担持した
触媒が充填されている（本実施例１ではアルミナにＮｉ
を担持した触媒を用いた。実施例２も同じ）。
【００３３】図６中、ＸはＳＯＦＣスタックを配置した
部分と触媒燃焼器、熱交換器１〜３およびシフト反応器
等を収容した部分とを隔てる隔壁、ＹはＳＯＦＣスタッ
クを配置した部分と予備改質器Ａを収容した部分とを隔
てる隔壁、ＺはＳＯＦＣスタックを配置した部分と改質
器Ｂを収容した部分とを隔てる隔壁である。隔壁Ｙおよ
びＺは、それぞれ、ＳＯＦＣスタックの熱を予備改質器
Ａおよび改質器Ｂへ伝える必要があるため、熱伝導率の
良好な材料、例えば銅（合金を含む）製、アルミニウム
（合金を含む）製、あるいは鉄（ステンレス鋼等その合
金を含む）製等の材料で構成される（本実施例１ではス
テンレス鋼を用いた。実施例２も同じ）。
部分と触媒燃焼器、熱交換器１〜３およびシフト反応器
等を収容した部分とを隔てる隔壁、ＹはＳＯＦＣスタッ
クを配置した部分と予備改質器Ａを収容した部分とを隔
てる隔壁、ＺはＳＯＦＣスタックを配置した部分と改質
器Ｂを収容した部分とを隔てる隔壁である。隔壁Ｙおよ
びＺは、それぞれ、ＳＯＦＣスタックの熱を予備改質器
Ａおよび改質器Ｂへ伝える必要があるため、熱伝導率の
良好な材料、例えば銅（合金を含む）製、アルミニウム
（合金を含む）製、あるいは鉄（ステンレス鋼等その合
金を含む）製等の材料で構成される（本実施例１ではス
テンレス鋼を用いた。実施例２も同じ）。
【００３４】前記例１〜２の場合と同様、ＳＯＦＣをＤ
Ｃ出力１２１．１ｋＷ（この値から本システムで必要な
エアーブロワーその他の補機動力等に要する電力量を差
し引いた電力量がＳＯＦＣの発電量に相当する）、運転
温度７５０℃、発電効率４４．３％とし、操作上の設定
条件として、燃料利用率８０％、電圧０．７Ｖ、電流密
度０．３Ａ/ｃｍ2、供給する都市ガスのうち（予備改質
器Ａを経由して）８０％をＳＯＦＣスタックに供給し、
２０％を改質器Ｂに供給した。発電に伴い発生する余剰
熱は３２．３ｋＷ、そのうち１３．５ｋＷが予備改質器
Ａの温度保持に使われ、１７．７ｋＷがスタックに隣接
する改質器Ｂの温度保持に使われる。
Ｃ出力１２１．１ｋＷ（この値から本システムで必要な
エアーブロワーその他の補機動力等に要する電力量を差
し引いた電力量がＳＯＦＣの発電量に相当する）、運転
温度７５０℃、発電効率４４．３％とし、操作上の設定
条件として、燃料利用率８０％、電圧０．７Ｖ、電流密
度０．３Ａ/ｃｍ2、供給する都市ガスのうち（予備改質
器Ａを経由して）８０％をＳＯＦＣスタックに供給し、
２０％を改質器Ｂに供給した。発電に伴い発生する余剰
熱は３２．３ｋＷ、そのうち１３．５ｋＷが予備改質器
Ａの温度保持に使われ、１７．７ｋＷがスタックに隣接
する改質器Ｂの温度保持に使われる。
【００３５】そして、残りの１．１ｋＷが外部への熱損
失となる（３２．３−１３．５−１７．７＝１．１ｋ
Ｗ）。この熱損失は例２の場合とほぼ同等であるが、本
実施例１ではスタックからの熱を１７．７ｋＷだけ利用
することで、６６．１ｋＷの水素を得ることができる。
こうして得られた水素は、不飽和結合への水素添加用、
酸水素炎用その他各種用途に使用されるが、ＰＥＦＣ用
の燃料としても使用することができる。
失となる（３２．３−１３．５−１７．７＝１．１ｋ
Ｗ）。この熱損失は例２の場合とほぼ同等であるが、本
実施例１ではスタックからの熱を１７．７ｋＷだけ利用
することで、６６．１ｋＷの水素を得ることができる。
こうして得られた水素は、不飽和結合への水素添加用、
酸水素炎用その他各種用途に使用されるが、ＰＥＦＣ用
の燃料としても使用することができる。
【００３６】《実施例２》図７は、実施例１のようにし
て得られた水素をＰＥＦＣ用の燃料として使用した例で
ある。改質器Ｂに続きＰＥＦＣを連結する。実施例１
（前記例１〜２も同じ）の場合と同様、ＳＯＦＣをＤＣ
出力１２１．１ｋＷ、運転温度７５０℃、発電効率４
４．３％とし、操作上の設定条件として、燃料利用率８
０％、電圧０．７Ｖ、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2、供給
する都市ガスのうち（予備改質器Ａを経由して）８０％
をＳＯＦＣスタックに供給し、２０％を改質器Ｂに供給
した。
て得られた水素をＰＥＦＣ用の燃料として使用した例で
ある。改質器Ｂに続きＰＥＦＣを連結する。実施例１
（前記例１〜２も同じ）の場合と同様、ＳＯＦＣをＤＣ
出力１２１．１ｋＷ、運転温度７５０℃、発電効率４
４．３％とし、操作上の設定条件として、燃料利用率８
０％、電圧０．７Ｖ、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2、供給
する都市ガスのうち（予備改質器Ａを経由して）８０％
をＳＯＦＣスタックに供給し、２０％を改質器Ｂに供給
した。
【００３７】図７のとおり、改質器Ｂから熱交換器１
（図７中「熱交１」）、シフト反応器等を経て１８０℃
の水素が得られるが、これをＰＥＦＣでの発電に利用す
る。ＰＥＦＣの作動温度は７０〜１００℃程度であるた
め、熱交換器４（図７中「熱交４」）によりその作動温
度に冷却し、ＰＥＦＣの燃料極に供給する。空気極へ供
給する空気としては順次シフト反応器等、熱交換器１お
よび熱交換器２（図７中「熱交２」）により加熱された
７３２℃程度の空気を用いる。例えばコージェネレーシ
ョンシステムなどでは、熱としての利用よりも電力とし
ての需要が多いが、本実施例２によれば発電による電力
量を可及的に大きくすることができる。
（図７中「熱交１」）、シフト反応器等を経て１８０℃
の水素が得られるが、これをＰＥＦＣでの発電に利用す
る。ＰＥＦＣの作動温度は７０〜１００℃程度であるた
め、熱交換器４（図７中「熱交４」）によりその作動温
度に冷却し、ＰＥＦＣの燃料極に供給する。空気極へ供
給する空気としては順次シフト反応器等、熱交換器１お
よび熱交換器２（図７中「熱交２」）により加熱された
７３２℃程度の空気を用いる。例えばコージェネレーシ
ョンシステムなどでは、熱としての利用よりも電力とし
ての需要が多いが、本実施例２によれば発電による電力
量を可及的に大きくすることができる。
【００３８】本実施例２でのＳＯＦＣの都市ガスベース
の発電効率は４４．３％である。改質器Ｂにより得られ
る水素は燃焼熱に換算して６６．１ｋＷである。したが
って、ＰＥＦＣでの水素ベースの発電効率が５５％の場
合、３６．３ｋＷの発電ができる。すなわち、例２（図
５）のようにＳＯＦＣのみの運転と比べると、ＳＯＦＣ
の発電効率を変えずに、その余剰熱（余熱）を利用して
３６．３ｋＷの発電ができる。このときＳＯＦＣとＰＥ
ＦＣを合わせた発電能力は１３５．３ｋＷであり、都市
ガスベースの発電効率は４８．３％にも及んでいる。
の発電効率は４４．３％である。改質器Ｂにより得られ
る水素は燃焼熱に換算して６６．１ｋＷである。したが
って、ＰＥＦＣでの水素ベースの発電効率が５５％の場
合、３６．３ｋＷの発電ができる。すなわち、例２（図
５）のようにＳＯＦＣのみの運転と比べると、ＳＯＦＣ
の発電効率を変えずに、その余剰熱（余熱）を利用して
３６．３ｋＷの発電ができる。このときＳＯＦＣとＰＥ
ＦＣを合わせた発電能力は１３５．３ｋＷであり、都市
ガスベースの発電効率は４８．３％にも及んでいる。
【００３９】以上は、全都市ガスのうち２０％を改質器
Ｂに通した場合であるが、表１は、改質比率、燃料利用
率、空気利用率、電流密度等の各種運転条件を変動させ
た場合の効果を示したものである。表１には実施例１に
おける諸条件も併せて記載している。表１のとおり、全
都市ガスのうち改質器Ｂに回す比率、すなわち改質比率
を１０％から２０％、３０％、４０％へと増やすと、Ｓ
ＯＦＣとＰＥＦＣの個別の発電効率はそれぞれ４４．３
％、５５．０％と変わらないが、ＰＥＦＣでの発電量が
１６．２ｋＷ、３６．３ｋＷ、６２．３ｋＷ、９６．９
ｋＷと増えるため、全体としての発電効率を高くするこ
とができる。
Ｂに通した場合であるが、表１は、改質比率、燃料利用
率、空気利用率、電流密度等の各種運転条件を変動させ
た場合の効果を示したものである。表１には実施例１に
おける諸条件も併せて記載している。表１のとおり、全
都市ガスのうち改質器Ｂに回す比率、すなわち改質比率
を１０％から２０％、３０％、４０％へと増やすと、Ｓ
ＯＦＣとＰＥＦＣの個別の発電効率はそれぞれ４４．３
％、５５．０％と変わらないが、ＰＥＦＣでの発電量が
１６．２ｋＷ、３６．３ｋＷ、６２．３ｋＷ、９６．９
ｋＷと増えるため、全体としての発電効率を高くするこ
とができる。
【００４０】
【表 １】
【００４１】一方、ＳＯＦＣの燃料利用率を、例えば９
０％から８０％へ、８０％から７０％へと低くすると、
ＳＯＦＣでの発電効率は４９．８％から４４．３％へ、
４４．３％から３８．８％へと低くなり、ともに５．５
％低くなるが、ＳＯＦＣとＰＥＦＣを合わせた全体の発
電効率（総発電量）は全都市ガスベースで５２．８％か
ら４８．３％へ、４８．３％から４３．９％へと、それ
ぞれ４．５％、４．４％しか下がらない。このようにＳ
ＯＦＣに合わせて改質器Ｂ、その下流側にＰＥＦＣを設
置することにより、ＳＯＦＣの運転条件による発電効率
の変化を補い、緩和させることができる。
０％から８０％へ、８０％から７０％へと低くすると、
ＳＯＦＣでの発電効率は４９．８％から４４．３％へ、
４４．３％から３８．８％へと低くなり、ともに５．５
％低くなるが、ＳＯＦＣとＰＥＦＣを合わせた全体の発
電効率（総発電量）は全都市ガスベースで５２．８％か
ら４８．３％へ、４８．３％から４３．９％へと、それ
ぞれ４．５％、４．４％しか下がらない。このようにＳ
ＯＦＣに合わせて改質器Ｂ、その下流側にＰＥＦＣを設
置することにより、ＳＯＦＣの運転条件による発電効率
の変化を補い、緩和させることができる。
【００４２】また、取り出す電流密度を０．２Ａ／ｃｍ
2から０．３Ａ／ｃｍ2へ、０．３Ａ／ｃｍ2から０．４
Ａ／ｃｍ2へと上げると、ＳＯＦＣの発電効率が５０．
６％から４４．３％へ、４４．３％から３８．０％へ
と、それぞれ６．３％、６．３％下がるのに対し、全体
の発電効率は５１．２％から４８．３％へ、４８．３％
から４６．４％へと、それぞれ２．９％、１．９％しか
下がらない。このように、取り出す電流密度を変動させ
ることにより、燃料利用率の場合と同じように、ＳＯＦ
Ｃの運転条件による発電効率の変化を補い、緩和させる
ことができる。このときには、改質器Ｂへ回す燃料を４
％から２０％へ、２０％から３２％へと増加させ、ＳＯ
ＦＣスタックへ導入する空気温度を一定に保っている。
このように、ＳＯＦＣと改質器Ｂとの燃料供給量の比率
を調節することにより、スタックへ導入する空気温度を
制御し、システム全体としての発電効率および熱効率を
最適化することができる。
2から０．３Ａ／ｃｍ2へ、０．３Ａ／ｃｍ2から０．４
Ａ／ｃｍ2へと上げると、ＳＯＦＣの発電効率が５０．
６％から４４．３％へ、４４．３％から３８．０％へ
と、それぞれ６．３％、６．３％下がるのに対し、全体
の発電効率は５１．２％から４８．３％へ、４８．３％
から４６．４％へと、それぞれ２．９％、１．９％しか
下がらない。このように、取り出す電流密度を変動させ
ることにより、燃料利用率の場合と同じように、ＳＯＦ
Ｃの運転条件による発電効率の変化を補い、緩和させる
ことができる。このときには、改質器Ｂへ回す燃料を４
％から２０％へ、２０％から３２％へと増加させ、ＳＯ
ＦＣスタックへ導入する空気温度を一定に保っている。
このように、ＳＯＦＣと改質器Ｂとの燃料供給量の比率
を調節することにより、スタックへ導入する空気温度を
制御し、システム全体としての発電効率および熱効率を
最適化することができる。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、固体電解質型燃料電池
に対して炭化水素ガスの水蒸気改質器を併置することに
より、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を可及的に
利用して水素を製造することができる。また、該水素を
製造する改質器の下流側に該水素を利用する固体高分子
型燃料電池を併置することにより発電量を可及的に増加
させることができ、また固体電解質型燃料電池の運転条
件による総合発電効率の変化を補い、緩和させることが
できる。
に対して炭化水素ガスの水蒸気改質器を併置することに
より、固体電解質型燃料電池で発生する余熱を可及的に
利用して水素を製造することができる。また、該水素を
製造する改質器の下流側に該水素を利用する固体高分子
型燃料電池を併置することにより発電量を可及的に増加
させることができ、また固体電解質型燃料電池の運転条
件による総合発電効率の変化を補い、緩和させることが
できる。
【図１】ＳＯＦＣの構造を模式的に示した図（平板方
式）。
式）。
【図２】ＳＯＦＣの作動原理を説明する図。
【図３】ＳＯＦＣに予備改質器を配置し、炭化水素ガス
として常温の都市ガス、ＬＰガス等を用いる場合におけ
る態様を示した図。
として常温の都市ガス、ＬＰガス等を用いる場合におけ
る態様を示した図。
【図４】ＳＯＦＣに予備改質器を組み込んでなる例を示
す図。
す図。
【図５】図４において外部への損失熱を最小限に抑えて
なる例を示す図。
なる例を示す図。
【図６】ＳＯＦＣに対して炭化水素ガスの予備改質器Ａ
に加えて水蒸気改質器Ｂを併置した例を示す図（本発明
の例）。
に加えて水蒸気改質器Ｂを併置した例を示す図（本発明
の例）。
【図７】図６のようにして得られた水素をＰＥＦＣの燃
料として使用する例を示す図（本発明の例）。
料として使用する例を示す図（本発明の例）。
【符号の説明】 Ｗ：断熱容器 Ｘ：ＳＯＦＣスタックを配置した部分と燃焼器、熱交換
器１〜３およびシフト反応器を収容した部分とを隔てる
隔壁 Ｙ：ＳＯＦＣスタックを配置した部分と予備改質器Ａを
収容した部分とを隔てる隔壁 Ｚ：ＳＯＦＣスタックを配置した部分と改質器Ｂを収容
した部分とを隔てる隔壁
器１〜３およびシフト反応器を収容した部分とを隔てる
隔壁 Ｙ：ＳＯＦＣスタックを配置した部分と予備改質器Ａを
収容した部分とを隔てる隔壁 Ｚ：ＳＯＦＣスタックを配置した部分と改質器Ｂを収容
した部分とを隔てる隔壁
Claims (11)
- 【請求項１】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質型
燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利用
するようにしてなることを特徴とする固体電解質型燃料
電池システム。 - 【請求項２】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化水素を除去した
粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質器Ａを配置する
とともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、固体電解質型燃
料電池の近傍に水素を主成分とする改質ガスを生成させ
る水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解質型燃料電池で
発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよび水蒸気改質器
Ｂの加熱に利用するようにしてなることを特徴とする固
体電解質型燃料電池システム。 - 【請求項３】上記炭化水素ガスが都市ガス、ＬＰガス又
は天然ガスである請求項１〜２のいずれかに記載の固体
電解質型燃料電池システム。 - 【請求項４】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器を配置し、固体電解質型
燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利用
し、且つ、該水蒸気改質器の下流側で断熱容器外に固体
高分子質型燃料電池を配置することにより、固体電解質
型燃料電池による発電とともに固体高分子型燃料電池に
よる発電を行うようにしてなることを特徴とするハイブ
リッド型燃料電池システム。 - 【請求項５】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化水素を除去した
粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質器Ａを配置する
とともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、固体電解質型燃
料電池の近傍に水素を主成分とする改質ガスを生成させ
る水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解質型燃料電池で
発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよび水蒸気改質器
Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器Ｂの下流側で断
熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配置することによ
り、固体電解質型燃料電池による発電とともに固体高分
子型燃料電池による発電を行うようにしてなることを特
徴とするハイブリッド型燃料電池システム。 - 【請求項６】上記炭化水素ガスが都市ガス、ＬＰガス又
は天然ガスである請求項４〜５のいずれかに記載のハイ
ブリッド型燃料電池システム。 - 【請求項７】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化水素を除去した
粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質器Ａを配置する
とともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、固体電解質型燃
料電池の近傍に水素を主成分とする改質ガスを生成させ
る水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解質型燃料電池で
発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよび水蒸気改質器
Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器Ｂの下流側で断
熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配置して両燃料電
池で発電することにより、固体電解質型燃料電池の燃料
利用率が変化しても、全体の発電効率の変化を補うよう
にすることを特徴とするハイブリッド型燃料電池システ
ムの運転方法。 - 【請求項８】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化水素を除去した
粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質器Ａを配置する
とともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、固体電解質型燃
料電池の近傍に水素を主成分とする改質ガスを生成させ
る水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解質型燃料電池で
発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよび水蒸気改質器
Ｂの加熱に利用し、且つ、水蒸気改質器Ｂの下流側で断
熱容器外に固体高分子質型燃料電池を配置して両燃料電
池で発電することにより、固体電解質型燃料電池の電流
密度が変化しても、全体の発電効率の変化を補うように
することを特徴とするハイブリッド型燃料電池システム
の運転方法。 - 【請求項９】断熱容器内に配置された固体電解質型燃料
電池の近傍に炭化水素ガスから水素を主成分とする改質
ガスを生成させる水蒸気改質器を配置して、固体電解質
型燃料電池で発生する余熱を該水蒸気改質器の加熱に利
用するようにしてなることを特徴とする固体電解質型燃
料電池の余熱を利用した水素製造装置。 - 【請求項１０】断熱容器内に配置された固体電解質型燃
料電池に炭化水素ガスからＣ2 以上の炭化水素を除去し
た粗改質ガスを生成させる予備水蒸気改質器Ａを配置す
るとともに、予備水蒸気改質器Ａに続き、固体電解質型
燃料電池の近傍に水素を主成分とする改質ガスを生成さ
せる水蒸気改質器Ｂを併置して、固体電解質型燃料電池
で発生する余熱を予備水蒸気改質器Ａおよび水蒸気改質
器Ｂの加熱に利用するようにしてなることを特徴とする
固体電解質型燃料電池の余熱を利用した水素製造装置。 - 【請求項１１】上記炭化水素ガスが都市ガス、ＬＰガス
又は天然ガスである請求項９〜１０のいずれかに記載の
固体電解質型燃料電池の余熱を利用した水素製造装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000085233A JP3781942B2 (ja) | 2000-03-24 | 2000-03-24 | 固体電解質型燃料電池システム |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000085233A JP3781942B2 (ja) | 2000-03-24 | 2000-03-24 | 固体電解質型燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001266924A true JP2001266924A (ja) | 2001-09-28 |
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ID=18601597
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
| JP (1) | JP3781942B2 (ja) |
Cited By (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1302998A1 (en) * | 2001-10-16 | 2003-04-16 | Mes-Dea S.A. | Combined system comprising electric batteries and solid oxide fuel cell apparatus |
| WO2003038934A1 (fr) * | 2001-11-01 | 2003-05-08 | Osaka Gas Co., Ltd. | Systeme de pile a combustible |
| JP2003282118A (ja) * | 2002-01-15 | 2003-10-03 | Osaka Gas Co Ltd | エネルギー併給システム |
| JP2005019036A (ja) * | 2003-06-24 | 2005-01-20 | Mitsubishi Materials Corp | 燃料電池 |
| JP2005044572A (ja) * | 2003-07-25 | 2005-02-17 | Kansai Electric Power Co Inc:The | ハイブリッド型燃料電池システム |
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