JP5496504B2 - 水素生成装置を多段に備える燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は水素生成装置を多段に備える燃料電池システムに関する。

近年、地球温暖化の原因物質の一つとして二酸化炭素が挙げられ、二酸化炭素排出量の削減が強く要望されている。このため、工場、ビル、自動車、家庭等の電力供給源として、燃焼による二酸化炭素の発生がない燃料電池の開発が進められている。燃料電池の燃料として水素が用いられるが、燃料の水素を随時供給できるように、オンサイト型の水素製造装置と燃料電池とを組み合わせた燃料電池システムの開発が活発化している。

水素の製造方法として、軽質炭化水素（例えばメタン）を原料とした水蒸気改質反応（スチームリフォーミング）、オートサーマルリフォーミング（ＡＴＲ）、部分酸化等が知られている。例えば、スチームリフォーミングは、二酸化炭素と水蒸気を軽質炭化水素に添加し、加熱炉中で改質用触媒の存在下に反応させ、水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成し、次いでこの改質ガス中の水素を分離して、水素を製造する方法である。スチームリフォーミングは吸熱反応であり、反応には８００℃以上という高い温度を必要とする。さらに、炭素析出を抑制するために過剰の水蒸気を供給しなければならない。このため、水素の製造に大きな熱エネルギーが必要となる。

ＡＴＲは軽質炭化水素の酸化反応と触媒反応を組み合わせて水素を合成する方法である。即ち、反応の第一段階で軽質炭化水素の燃焼により二酸化炭素と水蒸気が生成し、逐次反応として生成した二酸化炭素、水蒸気を用いて触媒反応部で軽質炭化水素の改質反応を行い、水素と一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成し、次いでこの改質ガス中の水素を分離して、水素を製造する方法である。ＡＴＲでは、第一段階で生成する反応熱をその場で改質反応に伝播できるため、スチームリフォーミングに比べ熱エネルギーの損失が少ないものの、反応温度が依然として高い（１０００℃以上）ことや、熱発生部において炭素生成が起こりやすく、この炭素生成により、触媒部及び触媒反応部の下流機器でのトラブルを誘発しやすい。加えて、反応には高純度の高価な酸素を必要とし、設備費用及びランニングコストが高い。

部分酸化法は、軽質炭化水素の一部をＯ_２の添加により燃焼させ、生成した高温のガスを触媒の使用なし（無触媒）で改質するものであり、エネルギー効率の面で優れた方法である。しかし、部分酸化法では、ＡＴＲよりさらに高い温度（１３００℃程度）で改質を行うこととなり、炭化物の発生が生じやすいという問題がある。加えて、冷却法は直接冷却（ダイレクトクエンチ）によらなくてはならず、運転操作が煩雑となる。さらに、高純度の高価な酸素を必要とし、設備費用及びランニングコストが高い。

上述した軽質炭化水素の改質方法で得られた生成ガス中には、水素の他、一酸化炭素、二酸化炭素が含まれている。このため、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）への水素供給を考えた場合には、さらに前記生成ガスから一酸化炭素、二酸化炭素を除去する工程が必要となる。従来、前記生成ガスから一酸化炭素、二酸化炭素を分離するには、シフト反応後の脱炭酸処理等の分離工程が必要となり、水素生成工程が複雑化すると共に、分離工程において水素の一部が消費され、水素生成の効率が低下するという問題があった。
こうした問題に対し、近年、水素透過膜を備えた水素生成装置を用い、メタンを低温で改質して高純度の水素を生成する方法が提案されている（例えば、非特許文献１）。
石原達己、外３名「Ｎｅｗ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｈ２Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ ｂｙ Ｕｓｉｎｇ Ｈ２ Ｐｅｒｍｅａｔｉｎｇ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｒｅａｃｔｏｒ」、第１５回世界水素エネルギー会議プレプリント（ＣＤ−ＲＯＭ）、講演番号；２８Ｄ−０９、２００４年６月２８日、パシフィコ横浜会議センター

しかしながら、軽質炭化水素のリフォーミングによって生成する水素を燃料電池に用いるためには、より高い純度の水素を製造する必要がある。加えて、軽質炭化水素のリフォーミングによって生成する水素を用いた燃料電池システムでは、よりエネルギー効率の高いシステムの構築が求められている。
そこで本発明は、純度の高い水素を燃料電池に供給でき、エネルギー効率の高い燃料電池システムを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、酸化触媒が充填され、該酸化触媒に可燃ガスを接触して燃焼する触媒燃焼装置と、水素透過膜により仕切られた触媒反応室と透過水素受容室とが設けられ、前記触媒反応室には炭化水素リフォーミング触媒（以下、単にリフォーミング触媒ということがある）が充填されている複数の水素生成装置と、前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を用いて軽質炭化水素を加熱する原料予熱装置と、前記原料予熱装置で加熱した軽質炭化水素を任意の前記触媒反応室に供給する手段と、前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を用いて酸素を含む流体を加熱する酸素予熱装置と、前記酸素予熱装置で加熱した酸素を含む流体を任意の前記触媒反応室に供給する手段と、前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を用いて水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置と、前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を任意の前記触媒反応室に供給する手段と、前記水素生成装置で生成した水素を前記燃料電池に供給する水素供給手段とを有し、任意の前記水素生成装置の触媒反応室で軽質炭化水素から生成された水素を前記水素透過膜で仕切られた前記透過水素受容室に透過し、前記触媒反応室に残存する残存ガスと分離し、該残存ガスを他の水素生成装置の触媒反応室に供給することを特徴とする。

前記透過水素受容室に水蒸気を供給する水蒸気供給手段を有することが好ましく、前記水蒸気供給手段は前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気の一部を前記透過水素受容室に供給することがより好ましく、前記水素供給手段は、前記透過水素受容室を減圧する減圧部を有することが好ましく、前記水素生成装置の内、最も下流に位置する水素生成装置の触媒反応室に残存する残存ガスを前記触媒燃焼装置に供給する手段を有することが好ましく、前記触媒反応室に残存する残存ガス、及び／又は、透過水素受容室に透過した水素を熱源として水蒸気を発生する水蒸気発生装置を有することが好ましく、前記透過水素受容室には、不活性粒子が充填されていることが好ましい。

本発明の燃料電池システムによれば、純度の高い水素を燃料電池に供給でき、エネルギー効率の向上を図ることができる。

本発明の燃料電池システムについて、以下に実施例を挙げて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態の燃料電池システムについて、図１、２を用いて説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式図である。図２は、燃料電池システム１０に用いる水素生成装置の一例を示す断面図である。

図１に示すとおり、燃料電池システム１０は、複合予熱器２０と触媒燃焼装置８０と第一の水素生成装置１００と第二の水素生成装置１２０と水蒸気発生装置１５０と燃料電池３００とを有している。
原料供給源１２は、配管１４により複合予熱器２０と接続されている。配管１４には配管１６が接続され、配管１６は触媒燃焼装置８０と接続されている。触媒燃焼装置８０には配管８２が接続され、配管８２は複合予熱器２０と接続されている。

空気供給源３０には配管３２が接続され、配管３２は第二空気ブロワ４２を介して、分岐４５で配管４４と配管４６とに接続されている。配管４４は触媒燃焼装置８０に接続され、配管４６は燃料電池３００のカソード３２０と接続されている。配管３２には配管３４が接続され、配管３４は第一空気ブロワ３６を介して複合予熱器２０と接続されている。

複合予熱器２０は、配管１５２により水蒸気発生装置１５０と接続されている。複合予熱器２０には、配管２３と、配管２１０と、配管２２０と、配管２４０とが接続されている。配管２１０は、複合予熱器２０で加熱した空気を流通させる流路である。配管２１０は、分岐２１１で配管２１２と配管２１４に分岐し、配管２１２は第一の水素生成装置１００の触媒反応室１１６と接続され、配管２１４は配管１１７と接続されている。配管２２０は、複合予熱器２０で加熱された軽質炭化水素を流通させる流路である。配管２２０は、配管２１２と接続されている。配管２３は、複合予熱器２０で加熱された水蒸気を流通させる流路である。配管２３は、分岐２５で配管２３０と配管２５０とに接続されている。配管２３０は分岐２３３で配管２３２と配管２３４とに接続され、配管２３２は第一の水素生成装置１００の透過水素受容室１１４と接続され、配管２３４は配管２１２と接続されている。配管２５０は配管２５２により第二の水素生成装置１２０の透過水素受容室１２４と接続されている。配管２４０は、水蒸気発生装置１５０と接続されている。

透過水素受容室１１４には配管１１５が接続され、配管１１５は配管１１８と接続されている。配管１１８は水蒸気発生装置１５０と接続されている。触媒反応室１１６には、配管１１７が接続され、配管１１７は第二の水素生成装置１２０の触媒反応室１２６と接続されている。透過水素受容室１２４には配管１２８が接続され、配管１２８は配管１３０と接続されている。配管１３０は、配管１１８と接続されている。触媒反応室１２６には配管１３２が接続され、配管１３２は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１３２には、ガスタービン１３４が設けられ、該ガスタービン１３４は図示されない発電機と接続されている。

水蒸気発生装置１５０には、配管１５２と配管１５４と配管１５６と配管１５８とが接続されている。配管１５２は分岐１５３で配管１４０に接続され、配管１４０は軟水化装置６０と接続されている。配管１４０にはスチームタービン１４２が設けられ、該スチームタービン１４２は図示されない発電機と接続されている。

配管１５４は熱交換装置１５５を介して気液分離装置１９０と接続されている。気液分離装置１９０には配管１９２と配管１９４が接続されている。配管１９２は配管１６と接続され、配管１９４は軟水化装置６０と接続されている。配管１５８は熱交換装置１６０と接続されている。熱交換装置１６０には、配管１６２と配管１６６と配管６８とが接続されている。配管１６２は温水貯槽１６４と接続されている。配管１６２には配管１６１が接続され、配管１６１は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１６６は、気液分離装置１７０と接続されている。配管６８は、分岐６７で配管６２と配管６６に接続されている。気液分離装置１７０には、配管１７２と配管１７４とが接続されている。配管１７２は燃料電池３００のアノード３３０と接続され、配管１７４は軟水化装置６０と接続されている。配管１５６は熱交換装置１８０と接続されている。熱交換装置１８０には、配管１８２と配管１８４と配管６６とが接続されている。配管１８２は配管１６２と接続され、配管１８４は図示されない排気口と接続されている。配管６６は、分岐６７で配管６２と配管６８とに接続されている。軟水化装置６０には配管５２と配管６２とが接続されている。配管５２は、水源５０と接続され、配管６２は分岐６３で配管６４と接続されている。

配管６４は燃料電池３００の冷却部３０２と接続されている。冷却部３０２は配管３２２と接続され、配管３２２は配管１６２と接続されている。カソード３２０には未反応の空気を排出するカソードオフガスライン３２４が接続されている。アノード３３０には、未反応の水素を再度アノード３３０に供給するためのアノードオフガスリサイクルライン３３４が接続され、アノードオフガスリサイクルライン３３４は配管１７２と接続されている。アノードオフガスリサイクルライン３３４には、アノードオフガスリサイクルブロワ３３６が設けられている。

「前記原料予熱装置で加熱した軽質炭化水素を任意の前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２２０、２１２で構成されている。「前記酸素予熱装置で加熱した酸素を含む流体を任意の前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２１０、２１２で構成されている。「前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を任意の前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２３、２３０、２３４、２１２で構成されている。「水蒸気供給手段」の一つは、配管１５２、２３、２３０、２３２と、水蒸気発生装置１５０と、複合予熱器２０とで構成されている。「水蒸気供給手段」の一つは、配管１５２、２３、２５０、２５２と、水蒸気発生装置１５０と、複合予熱器２０とで構成されている。「水素供給手段」は、配管１１５、１１８、１２８、１３０、１５８、１６６、１７２と、水蒸気発生装置１５０と、熱交換装置１６０と、気液分離装置１７０とで構成されている。「残存ガスを前記触媒燃焼装置に供給する手段」は、配管１６、１３２、１５４、１９２、ガスタービン１３４と、水蒸気発生装置１５０と、熱交換装置１５５と、気液分離装置１９０とで構成されている。

第一の水素生成装置１００は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素をリフォーミング触媒に接触させて水素を生成し、生成した水素と未反応の軽質炭化水素及び他の成分を含む残存ガスとを水素透過膜で分離するものである。第一の水素生成装置１００は、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられ、プレート型としては、例えば、図２に示すものが挙げられる。図２に示すように水素生成装置１００は、水素透過膜１１２により仕切られ、触媒反応室１１６と、触媒反応室１１６を挟持する透過水素受容室１１４とが形成された本体１１０を有する。触媒反応室１１６には配管２１２と配管１１７とが接続され、透過水素受容室１１４にはそれぞれ配管２３２と配管１１５とが接続されている。触媒反応室１１６には、リフォーミング触媒が充填されている。透過水素受容室１１４には、不活性粒子（イナート粒子）が充填されている。

水素透過膜１１２は公知の水素透過膜を用いることができ、例えば、パラジウム（Ｐｄ）合金膜等が挙げられる。市販の水素透過膜としては、田中貴金属工業株式会社製のＰｄ−Ａｇ膜、Ｐｄ−Ｃｕ（銅）膜等が挙げられる。

透過水素受容室１１４に充填する不活性粒子とは、水素に対して不活性な物質であれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等を挙げることができる。透過水素受容室１１４に不活性粒子を充填することで、触媒反応室１１６で生成し水素透過膜１１２を透過して透過水素受容室１２０に移動してきた水素は、透過水素受容室１１４に供給された水蒸気と十分に混合され、効率的に透過水素受容室１１６から流出できるためである。

触媒反応室１１６に充填するリフォーミング触媒は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素から水素を生成するものである。このようなリフォーミング触媒は、公知の触媒を使用することができ、例えば、下記（１）〜（６）式の反応が生起されるＮｉ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｒｈ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｐｔ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｆｅ／ＳｉＯ_２等のニッケル系触媒等が好適に用いられる。このようなリフォーミング触媒を用いることで、５００〜７００℃という比較的低い温度条件で、軽質炭化水素から水素を生成することができるためである。

ＣＨ_４⇒Ｃ＋２Ｈ_２ ・・・（１）
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ_２ ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ_２⇒ＣＯ ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ⇒Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（４）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ⇔３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］

第二の水素生成装置１２０は、第一の水素生成装置１００と同様に、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられる。例えば、プレート型の第二の水素生成装置１２０は、水素透過膜１１２により仕切られ、触媒反応室１２６と、触媒反応室１２６を挟持する透過水素受容室１２４とが形成されている。触媒反応室１２６には配管１１７と配管１３２とが接続され、透過水素受容室１２４にはそれぞれ配管２５２と配管１２８とが接続されている。触媒反応室１２６には、リフォーミング触媒が充填されている。透過水素受容室１２４には、不活性粒子が充填されている。透過水素受容室１２４に充填されている不活性粒子は、透過水素受容室１１４に充填されている不活性粒子と同じである。触媒反応室１２６に充填されているリフォーミング触媒は、触媒反応室１１６に充填されているリフォーミング触媒と同じである。

複合予熱器２０は、空気加熱部２２と水蒸気加熱部２４と原料加熱部２６とを有する。複合予熱器２０は、触媒燃焼装置８０で発生した燃焼熱を取り込んで、軽質炭化水素、水蒸気、酸素を含む流体（空気）をそれぞれ加熱する装置である。本発明における酸素予熱装置は空気加熱部２２が相当し、水蒸気予熱装置は水蒸気加熱部２４が相当し、原料予熱装置は原料加熱部２６が相当する。

触媒燃焼装置８０は、酸化触媒を充填した触媒層に可燃ガスを供給して燃焼させる装置である。可燃ガスは、燃料電池システム１０の定常運転時には触媒反応室１２６の残存ガスと補助燃料として用いる軽質炭化水素である。酸化触媒としては公知の酸化触媒を使用でき、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属、又はこれらの貴金属をアルミナ多孔体等の単体に担持したものが挙げられる。

水蒸気発生装置１５０は、複合予熱器２０で熱媒体として利用した触媒燃焼装置８０の燃焼ガスと、水素生成装置１００で分離された水素及び残存ガスを熱媒体とし、水蒸気を発生する装置である。このような水蒸気発生装置１５０としては、いわゆる複合ボイラ、煙道ボイラ、貫流ボイラ等が挙げられる。

燃料電池３００は、水素を燃料ガスとして発電するものであり、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のいずれを用いてもよい。燃料電池３００は、電解質３１０を挟持するようにカソード３２０とアノード３３０とが設けられている。燃料電池３００には、一対のカソード３２０とアノード３３０とを有するものの他、電解質３１０をカソード３２０とアノード３３０とで挟持し、さらにその外側をセパレータで挟持してセルを形成し、該セルを複数積層した燃料電池スタックをも含むものである。電解質３１０は、燃料電池３００の種類に応じて決定することができる。
燃料電池３００には、発電に伴い発生する熱を除去するための冷却部３０２が設けられている。冷却部３０２は、冷却水を熱媒体とする冷却板や冷却管等が挙げられる。また、燃料電池３００が燃料電池スタックである場合には、燃料電池スタックの発熱量に応じて、冷却部３０２を複数設けてもよい。

気液分離装置１７０は特に限定されず、例えば、デミスター付き気液分離装置等が挙げられる。気液分離装置１９０は、気液分離装置１７０と同様である。

軟水化装置６０は、水源５０から供給される水に含まれるＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋等のカチオン成分や、Ｃｌ⁻等のアニオン成分を除去する装置である。例えば、カチオン交換樹脂等のカチオン交換体と、アニオン交換樹脂等のアニオン交換体とを充填したイオン交換装置等が挙げられる。

空気供給源３０は酸素を含む流体を供給するものであり、例えば、空気を取り込む吸気口等が挙げられる。

燃料電池システム１０の運転動作について説明する。
水源５０の水は、配管５２を経由して軟水化装置６０に供給され、軟水化装置６０では硬度成分を除去する軟化処理がされる。軟化処理された水の一部は、配管６２、６８、熱交換装置１６０、配管１６２、配管１６１を順に経由して、水蒸気発生装置１５０に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管６２、６６を順に経由して、熱交換装置１８０に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管６２、６４を順に経由して燃料電池３００の冷却部３０２に供給される。冷却部３０２に供給された水は、燃料電池３００を冷却しながら流通し、温水となって配管３２２に流出する。配管３２２に流出した温水は、配管１６２を経由して、温水貯槽１６４に貯水される。

第一空気ブロワ３６、第二空気ブロワ４２が起動される。空気は、空気供給源３０から配管３２、４６を順に経由して、カソード３２０に供給される。また、空気は、空気供給源３０から配管３２、４４を順に経由して、触媒燃焼装置８０に供給される。さらに、空気は、空気供給源３０から配管３２、３４を順に経由して、複合予熱器２０の空気加熱部２２に供給される。空気加熱部２２に供給された空気は、空気加熱部２２で加熱され予熱済空気となった後、配管２１０に流される。配管２１０に流された予熱済空気の一部は、分岐２１１から配管２１２を経由して、触媒反応室１１６に供給される。また、配管２１０に流された予熱済空気の他の一部は、分岐２１１から配管２１４に流される。

軽質炭化水素は、原料供給源１２から配管１４を経由して、複合予熱器２０の原料加熱部２６に供給される。原料加熱部２６に供給された軽質炭化水素は、原料加熱部２６で加熱され予熱済軽質炭化水素となった後、配管２２０を経由して配管２１２を流通する予熱済空気に混合される。また、補助燃料としての軽質炭化水素は、原料供給源１２から配管１４、１６を経由し、残存ガスと共に触媒燃焼装置８０に可燃ガスとして供給される。触媒燃焼装置８０に供給された可燃ガスは、触媒燃焼装置８０に充填されている酸化触媒と接触して燃焼する。この燃焼により発生した燃焼ガスは、配管８２を経由して複合予熱器２０に供給される。複合予熱器２０に供給された燃焼ガスは、空気加熱部２２、水蒸気加熱部２４、原料加熱部２６の熱源として利用された後、配管２４０を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。

水蒸気発生装置１５０で発生した水蒸気は、配管１５２を経由して水蒸気加熱部２４に供給される。水蒸気加熱部２４に供給された水蒸気は、水蒸気加熱部２４で加熱され、予熱済水蒸気となって配管２３に流される。配管２３に流された予熱済水蒸気の一部は、分岐２５から配管２３０に流され、配管２３０に流された予熱済水蒸気は分岐２３３から配管２３４に流され、配管２１２を流通する予熱済空気と混合される。また、配管２３０に流された予熱済水蒸気の一部は、分岐２３３から配管２３２に流され、透過水素受容室１１４にスイープスチームとして供給される。配管２３に流された予熱済水蒸気の他の一部は、分岐２５から配管２５０に流され、配管２５２を経由して透過水素受容室１２４に、スイープスチームとして供給される。

配管２１２では、予熱済軽質炭化水素、予熱済空気及び予熱済水蒸気が混合され、混合原料となる。該混合原料は、触媒反応室１１６に供給される。供給された混合原料は、リフォーミング触媒と接触しながら、所定の温度に調節された触媒反応室１１６内を流通する。この間、予熱済軽質炭化水素は、酸素及び水蒸気の存在下で、例えば、下記（１）〜（６）式の反応により水素を生成する。

ＣＨ_４⇒Ｃ＋２Ｈ_２ ・・・（１）
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ_２ ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ_２⇒ＣＯ ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ⇒Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（４）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ⇔３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］

触媒反応室１１６で生成した水素は、第一の水素生成装置１００の水素透過膜１１２を透過して透過水素受容室１１４に移動する。透過水素受容室１１４に移動した水素は、配管２３２を経由して透過水素受容室１１４に供給された予熱済水蒸気と混合され、配管１１５から含水素流体として流出する。そして、含水素流体は配管１１５、１１８を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。一方、水素透過膜１１２を透過できない未反応の軽質炭化水素、二酸化炭素、水等、及び、水素透過膜１１２を透過しなかった水素を含む残存ガスは、配管１１７から流出する。

流出した残存ガスは、配管２１４を流通してきた予熱済空気と混合されて混合流体となり、触媒反応室１２６に供給される。そして、混合流体に含まれる軽質炭化水素は、触媒反応室１２６で酸素及び水蒸気の存在下で、例えば上記（１）〜（６）式の反応により水素を生成する。そして、触媒反応室１２６で生成した水素は、第二の水素生成装置１２０の水素透過膜１１２を透過して透過水素受容室１２４に移動する。透過水素受容室１２４に移動した水素は、配管２５２を経由して透過水素受容室１１４に供給された予熱済水蒸気に取り込まれ、配管１２８から含水素流体として流出する。そして、含水素流体は配管１２８、１３０、１１８を順に経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。一方、第二の水素生成装置１２０の水素透過膜１１２を透過できない未反応の軽質炭化水素、二酸化炭素、水等、及び、水素透過膜１１２を透過しなかった水素を含む残存ガスは、配管１３２から流出する。触媒反応室１２６から流出した残存ガスは、配管１３２を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。この間、残存ガスは、配管１３２に設けられたガスタービン１３４を駆動して発電する。

水蒸気発生装置１５０に供給された残存ガスは、水蒸気発生装置１５０内で水と熱交換した後、配管１５４から流出する。水蒸気発生装置１５０に供給された含水素流体は、水蒸気発生装置１５０内で水と熱交換した後、配管１５８から流出する。配管２４０を経由して水蒸気発生装置１５０に供給された燃焼ガスは、水蒸気発生装置１５０内で水と熱交換した後、配管１５６から流出する。この間、水蒸気発生装置１５０内の水は水蒸気となって、配管１５２から流出する。水蒸気発生装置１５０で発生した水蒸気の内、余剰の水蒸気は配管１５２、１４０を経由してスチームタービン１４２を駆動して発電する。

配管１５４から流出した残存ガスは、熱交換装置１５５で例えば常温まで冷却された後、気液分離装置１９０で軽質炭化水素を含むガス成分と水とに分離される。分離された残存ガスのガス成分は配管１９２を経由して配管１６に至り、触媒燃焼装置８０に供給される。一方、分離された水は、配管１９４を経由して軟水化装置６０に供給され軟化処理される。ここで、残存ガスから分離したガス成分で、触媒燃焼装置８０に必要な熱量が賄える場合には、原料供給源１２からの補助燃料用の軽質炭化水素の供給を停止できる。

配管１５６から流出した燃焼ガスは、熱交換装置１８０を経由して配管１８４により図示されない排気口へ送られる。この間、熱交換装置１８０では、配管６６から供給された水と熱交換がなされる。そして、水は任意の温度（例えば、６０〜７０℃）の温水となって、配管１８２、１６２を順に経由して温水貯槽１６４に貯水される。配管１５８から流出した含水素流体は、熱交換装置１６０で配管６８から供給された水と熱交換がなされ、所定の温度に冷却された後、配管１６６により気液分離装置１７０に供給される。熱交換された水は、任意の温度（例えば、６０〜７０℃）の温水となって、配管１６２を経由して温水貯槽１６４に至る。気液分離装置１７０に供給された含水素流体は、水とガス成分である水素とに分離される。分離された水素は、配管１７２によりアノード３３０に供給される。一方、分離された水は、配管１７４により軟水化装置６０に供給され軟化処理される。

カソード３２０に空気が供給され、アノード３３０に水素が供給されると、カソード３２０では下記（７）式のような化学反応が生じ、アノード３３０では下記（８）式のような化学反応が生じて発電が行われる。

（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻⇒Ｈ_２Ｏ ・・・（７）
Ｈ_２⇒２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（８）

そして、アノードオフガスリサイクルブロワ３３６が起動され、アノード３３０内の未反応の水素は、アノードオフガスリサイクルライン３３４、配管１７２を順に経由してアノード３３０に供給される。カソード３２０で生成した水は、カソード３２０内の未反応の空気と共にカソードオフガスライン３２４から排出される。

軽質炭化水素とは、天然ガス、油田随伴ガス、ＬＰＧ等を指し、炭素数１〜５の炭化水素を示す。

複合予熱器２０の出口における予熱済軽質炭化水素の温度は、水素生成装置１００及び水素生成装置１２０に用いるリフォーミング触媒の種類や、水素透過膜１１２の種類に応じて決定することができ、３００〜５００℃とすることが好ましく、３５０〜４５０℃とすることがより好ましい。
複合予熱器２０の出口における予熱済水蒸気の温度は、水素生成装置１００及び水素生成装置１２０に用いるリフォーミング触媒の種類や、水素透過膜１１２の種類に応じて決定することができ、３００〜５００℃とすることが好ましく、３５０〜４５０℃とすることがより好ましい。
複合予熱器２０の出口における予熱済空気の温度は、水素生成装置１００及び水素生成装置１２０に用いるリフォーミング触媒の種類や、水素透過膜１１２の種類に応じて決定することができ、３００〜５００℃とすることが好ましく、３５０〜４５０℃とすることがより好ましい。

触媒反応室１１６に供給する混合原料における軽質炭化水素、水蒸気、空気の混合比は触媒反応室１１６に充填したリフォーミング触媒の種類に応じて決定することができる。例えば、混合原料中の水蒸気の混合比は、水蒸気のモル数／軽質炭化水素の炭素のモル数で表されるＳ／Ｃ比を１．０〜２．０とすることが好ましい。また、混合原料中の空気の混合比は、軽質炭化水素の炭素数を勘案して決定することができ、混合原料中の酸素のモル比／軽質炭化水素の炭素のモル比で表されるＯ／Ｃ比を０．２〜０．５とすることが好ましい。

配管２１４から配管１１７に供給する空気の量は、触媒反応室１１６で生成される残存ガス中の軽質炭化水素、水蒸気の量を勘案して決定することができる。

触媒反応室１１６に供給する混合原料の圧力は、水素透過膜１１２の種類、リフォーミング触媒の種類等を勘案して決定することが好ましい。例えば、触媒反応室１１６の出口における残存ガスの圧力が７４４．３〜８４４．３ｋＰａとなるように、触媒反応室１１６に供給する混合原料の圧力を調節することが好ましい。触媒反応室１２６に供給する混合流体の圧力は、例えば、触媒反応室１２６の出口における残存ガスの圧力が７４４．３〜８４４．３ｋＰａとなるように、触媒反応室１２６に供給する混合流体の圧力を調節することが好ましい。

透過水素受容室１１４に供給する予熱済水蒸気の供給量は、触媒反応室１１６に供給される混合原料の供給量を勘案して決定することができる。例えば、（触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧）／（透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧）とで表される水素分圧比が、１．０〜１．１になるように調節することが好ましい。上記範囲内であれば、触媒反応室１１６で生成した水素が水素透過膜１１２を円滑に透過することができ、水素の生成効率が向上する。透過水素受容室１２４に供給する予熱済水蒸気の供給量は、透過水素受容室１１４に供給する予熱済水蒸気の供給量と同様である。

透過水素受容室１１４に供給する予熱済水蒸気の圧力は、水素透過膜１１２の種類や触媒反応室１３０内の圧力、前記水素分圧比を勘案して決定することができ、例えば、１１０〜２００ｋＰａの範囲で決定することが好ましい。上記範囲内であれば、透過水素受容室１１４の水素を透過水素受容室１１４から効率的に押し出して、透過水素受容室１１４内の水素分圧を適切に保つことができる。そして、触媒反応室１１６で生成した水素は水素透過膜１１２を円滑に透過することができ、水素の生成効率が向上する。透過水素受容室１２４に供給する予熱済水蒸気の圧力は、透過水素受容室１１４に供給する予熱済水蒸気の圧力と同様である。

触媒反応室１１６の温度はリフォーミング触媒の種類に応じて決定することができ、例えば、５００〜７００℃とすることが好ましく、５００〜６５０℃とすることがより好ましい。上記範囲内であれば、軽質炭化水素から水素を効率的に生成することができるためである。触媒反応室１２６の温度は、触媒反応室１１６の温度と同様である。

触媒燃焼装置８０で発生した燃焼ガスの出口温度は、複合予熱器２０の熱負荷や、軽質炭化水素、水蒸気、空気の供給量等を勘案して決定することができ、例えば、７００〜１０００℃とすることが好ましい。

水蒸気発生装置１５０で発生させる水蒸気の温度は特に限定されないが、例えば、１４０〜２００℃の範囲で調節することが好ましい。

熱交換装置１６０における冷却後の含水素流体の温度は、燃料電池３００の種類に応じて決定することができる。例えば、燃料電池３００としてＰＥＦＣを用いる場合には、含水素流体を７０〜８０℃に冷却することが好ましい。また、例えば、燃料電池３００としてＰＡＦＣを用いる場合には、含水素流体を１８０〜２１０℃に冷却することが好ましい。

上述のとおり、触媒反応と水素透過膜とを組み合わせた水素生成装置を用いるため、シフト反応、脱炭酸処理等の新たな工程を設けることなく、高純度の水素を得ることができる。そして、第一の水素生成装置で生成した残存ガスを第二の水素生成装置の触媒反応室に供給することで、軽質炭化水素から効率的に水素を生成させ、燃料電池への水素の供給量を上げることができる。

本実施形態の燃料電池システムは、水蒸気供給手段を設け透過水素受容室にスイープスチームを供給し、透過水素受容室に透過した水素を強制的に押し出すことで、触媒反応室から透過水素受容室への水素の透過速度の向上が図れる。加えて、透過水素受容室に供給するスイープスチームとして予熱済水蒸気を用いることで、水素生成装置の温度を安定させ、効率的に水素を発生させることができる。この結果、水素の生成効率を向上できる。

本実施形態の燃料電池システムは、水素生成装置で分離された残存ガスを用いて、触媒燃焼装置を運転できるため、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上を図れる。加えて、残存ガスと含水素流体とを用いて水蒸気を発生させるため熱エネルギーの有効利用ができ、燃料電池システム全体のエネルギー効率の向上が図れる。さらに、透過水素受容室に不活性粒子を充填することで、水素透過膜を透過してくる水素と透過水素受容室を流通する水蒸気とを整流し、触媒反応室内の水素分圧／透過水素受容室内の水素分圧で表される水素分圧比を適正に保つことができる。この結果、水素の生成効率を向上できる。

（第二の実施形態）
本発明の第二の実施形態の燃料電池システムについて、図３を用いて説明する。図３は、燃料電池システム５００の模式図である。なお、第一の実施形態の燃料電池システム１０と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、燃料電池システム５００において、燃料電池システム１０と異なる点は、複合予熱器２０に供給する空気を酸素供給源５１０から供給する高純度の酸素（以下、純酸素ということがある）とした点である。

燃料電池システム５００は酸素供給源５１０を有し、酸素供給源５１０は配管５１２により複合予熱器２０と接続されている。酸素供給源５１０は、純酸素を供給するものであり、例えば、空気分離装置等が挙げられる。また、例えば、隣接装置の余剰酸素を利用するために、酸素供給源５１０は余剰酸素の貯留タンク等であってもよい。供給される純酸素の酸素濃度は、９０質量％以上が好ましく、９９％以上がより好ましい。

燃料電池システム５００では、純酸素が酸素供給源５１０から配管５１２を経由して、複合予熱器２０の空気加熱部２２に供給される。供給された純酸素は、空気加熱部２２で加熱され予熱済酸素となり、配管２１０に流される。配管２１０に流された予熱済酸素の一部は、分岐２１１から配管２１２に流され、配管２２０から供給される予熱済軽質炭化水素及び配管２３４から供給される予熱済水蒸気と混合されて混合原料となる。そして、混合原料は、触媒反応室１１６に供給されて、水素生成が行われる。また、配管２１０に流された予熱済酸素の他の一部は、分岐２１１から配管２１４に流される。

複合予熱器２０の出口における予熱済酸素の温度は、第一の水素生成装置１００の触媒反応室１１６に充填したリフォーミング触媒の種類や、水素透過膜１１２の種類に応じて決定することができ、３００〜５００℃とすることが好ましく、３５０〜４５０℃とすることがより好ましい。

本実施形態の燃料電池システムによれば、触媒反応室では純酸素の存在下で触媒反応を行うため、水素生成の効率向上を図ることができる。

（第三の実施形態）
本発明の第三の実施形態の燃料電池システムについて、図４を用いて説明する。図４は、燃料電池システム６００の模式図である。

図４に示すとおり、燃料電池システム６００は、複合予熱器２０と触媒燃焼装置８０と第一の水素生成装置６２０と第二の水素生成装置６３０と水蒸気発生装置１５０と燃料電池３００と減圧部６４２とを有している。
原料供給源１２は、配管１４により複合予熱器２０と接続されている。配管１４には配管１６が接続され、配管１６は触媒燃焼装置８０と接続されている。触媒燃焼装置８０には配管８２が接続され、配管８２は複合予熱器２０と接続されている。

空気供給源３０には配管３２が接続され、配管３２は第二空気ブロワ４２を介して、分岐４５で配管４４と配管４６とに接続されている。配管４４は触媒燃焼装置８０に接続され、配管４６は燃料電池３００のカソード３２０と接続されている。配管３２には配管３４が接続され、配管３４は第一空気ブロワ３６を介して複合予熱器２０と接続されている。

複合予熱器２０は、配管１５２により水蒸気発生装置１５０と接続されている。複合予熱器２０には、配管６１０と、配管２１０と、配管２２０と、配管２４０とが接続されている。配管２１０は、分岐２１１で配管２１２と配管２１４に分岐し、配管２１２は第一の水素生成装置６２０の触媒反応室６２６と接続され、配管２１４は配管１１７と接続されている。配管２２０は、配管２１２と接続されている。配管６１０は、配管２１２と接続されている。配管２４０は、水蒸気発生装置１５０と接続されている。

透過水素受容室６２４には配管１１５が接続され、配管１１５は配管１１８と接続されている。配管１１８は水蒸気発生装置１５０と接続されている。触媒反応室６２６には、配管１１７が接続され、配管１１７は第二の水素生成装置６３０の触媒反応室６３６と接続されている。透過水素受容室６３４には配管１２８が接続され、配管１２８は配管１３０と接続されている。配管１３０は、配管１１８と接続されている。触媒反応室６３６には配管１３２が接続され、配管１３２は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１３２にはガスタービン１３４が設けられ、該ガスタービン１３４は図示されない発電機と接続されている。

水蒸気発生装置１５０には、配管１５２と配管１５４と配管１５６と配管６４０とが接続されている。配管１５２は分岐１５３で配管１４０に接続され、配管１４０は軟水化装置６０と接続されている。配管１４０にはスチームタービン１４２が設けられ、該スチームタービン１４２は図示されない発電機と接続されている。
配管１５４は、熱交換装置１５５を介して気液分離装置１９０と接続されている。気液分離装置１９０には配管１９２と配管１９４が接続されている。配管１９２は配管１６と接続され、配管１９４は軟水化装置６０と接続されている。配管６４０は、熱交換装置６４１及び減圧部６４２を介して気液分離装置１７０と接続されている。気液分離装置１７０には、配管１７２と配管１７４とが接続されている。配管１７２は燃料電池３００のアノード３３０と接続され、配管１７４は軟水化装置６０と接続されている。配管１５６は熱交換装置１８０と接続されている。熱交換装置１８０には、配管１８２と配管１８４と配管６６２とが接続されている。配管１８２は、分岐６８２で配管６８４と配管６８６とに接続されている。配管６８４は温水貯槽１６４と接続され、配管６８６は水蒸気発生装置１５０と接続されている。配管１８４は図示されない排気口と接続されている。配管６６２は、軟水化装置６０と接続されている。また、配管６６２は、分岐６６３で配管６４と接続されている。軟水化装置６０は、配管５２により、水源５０と接続されている。

配管６４は燃料電池３００の冷却部３０２と接続されている。冷却部３０２は配管３２２と接続され、配管３２２は配管６８４と接続されている。カソード３２０には未反応の空気を排出するカソードオフガスライン３２４が接続されている。アノード３３０には、未反応の水素を再度アノード３３０に供給するためのアノードオフガスリサイクルライン３３４が接続され、アノードオフガスリサイクルライン３３４は配管１７２と接続されている。アノードオフガスリサイクルライン３３４には、アノードオフガスリサイクルブロワ３３６が設けられている。

「前記原料予熱装置で加熱した軽質炭化水素を任意の前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２２０、２１２で構成されている。「前記酸素予熱装置で加熱した酸素を含む流体を任意の前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２１０、２１２で構成されている。「前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を任意の前記触媒反応室に供給する手段」は、配管２１２、６１０で構成されている。「水素供給手段」は、配管１１５、１１８、１２８、１３０、１７２、６４０と、水蒸気発生装置１５０と、気液分離装置１７０と、熱交換装置６４１と、減圧部６４２とで構成されている。「残存ガスを前記触媒燃焼装置に供給する手段」は、配管１６、１３２、１５４、１９２、ガスタービン１３４と、水蒸気発生装置１５０と、熱交換装置１５５と、気液分離装置１９０とで構成されている。

第一の水素生成装置６２０は、第一の実施形態における第一の水素生成装置１００と同様に、プレート型、固定床型、流動床型等が挙げられる。例えば、第一の水素生成装置６２０は、水素透過膜１１２により仕切られ、触媒反応室６２６と、触媒反応室６２６を挟持する透過水素受容室６２４とが形成されている。触媒反応室６２６には、リフォーミング触媒が充填されている。透過水素受容室６２４には、不活性粒子が充填されている。透過水素受容室６２４に充填されている不活性粒子は、第一の実施形態における透過水素受容室１１４に充填されている不活性粒子と同じである。

触媒反応室６２６に充填されているリフォーミング触媒は、酸素及び水蒸気の存在下で、軽質炭化水素から水素を生成するものである。このようなリフォーミング触媒は、公知の触媒を使用することができ、例えば、下記（１）〜（６）式の反応が生起されるＮｉ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｒｈ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｐｔ／ＳｉＯ_２、Ｎｉ−Ｆｅ／ＳｉＯ_２等のニッケル系触媒等が好適に用いられる。このようなリフォーミング触媒を用いることで、５００〜７００℃という比較的低い温度条件で、軽質炭化水素から水素を生成することができるためである。

ＣＨ_４⇒Ｃ＋２Ｈ_２ ・・・（１）
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２⇒ｎＣ＋（ｎ＋１）Ｈ_２ ・・・（２）
Ｃ＋（１／２）Ｏ_２⇒ＣＯ ・・・（３）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ⇒Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（４）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ⇔３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（６）
［上記（２）式中、ｎは２以上の整数である。］

第二の水素生成装置６３０は、第一の水素生成装置６２０と同様である。触媒反応室６３６に充填されているリフォーミング触媒は、触媒反応室６２６に充填されているリフォーミング触媒と同じである。透過水素受容室６３４に充填されている不活性粒子は、第一の実施形態における透過水素受容室１１４に充填されている不活性粒子と同じである。

減圧部６４２は、透過水素受容室６２４及び透過水素受容室６３４内を減圧し、水素を吸引できるものであれば特に限定されず、例えばＩＤＦ（Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｒａｆｔ Ｆａｎ：吸引ファン）等を挙げることができる。加えて、減圧部６４２は、１台のＩＤＦ等で構成してもよいし、２台以上のＩＤＦ等を直列に配置して構成してもよい。

燃料電池システム６００の運転動作について説明する。
水源５０の水は、配管５２を経由して軟水化装置６０に供給され軟化処理される。軟化処理された水の一部は、配管６６２を経由して、熱交換装置１８０に供給される。また、軟化処理された水の他の一部は、配管６６２、６４を順に経由して燃料電池３００の冷却部３０２に供給される。冷却部３０２に供給された水は、燃料電池３００を冷却しながら流通し、温水となって配管３２２から流出する。配管３２２に流出した温水は、配管６８４を経由して温水貯槽１６４に貯水される。

第一空気ブロワ３６、第二空気ブロワ４２、減圧部６４２を起動する。空気加熱部２２で加熱された予熱済空気は、配管２１０に流される。配管２１０に流された予熱済空気の一部は、分岐２１１から配管２１２に流され、他の一部は配管２１４に流される。水蒸気加熱部２４で加熱された予熱済水蒸気は配管６１０を経由して、配管２１２で予熱済空気と混合される。原料加熱部２６で加熱された予熱済軽質炭化水素は、配管２２０を経由して、配管２１２で予熱済空気と混合される。こうして、予熱済空気と予熱済水蒸気と予熱済軽質炭化水素とは、配管２１２で混合され混合原料となって配管２１２から触媒反応室６２６に供給される。触媒反応室６２６に供給された混合原料は、リフォーミング触媒と接触しながら、所定の温度に調節された触媒反応室６２６内を流通する。この間、予熱済軽質炭化水素から、例えば上記（１）〜（６）式の反応により水素が生成される。

触媒反応室６２６で生成した水素は、第一の水素生成装置６２０の水素透過膜１１２を透過して透過水素受容室６２４に移動する。透過水素受容室６２４に移動した水素は、減圧部６４２により吸引され、配管１１５、１１８を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。一方、水素透過膜１１２を透過できない未反応の軽質炭化水素、二酸化炭素、水等、及び、水素透過膜１１２を透過しなかった水素を含む残存ガスは、配管１１７から流出する。

流出した残存ガスは、配管２１４を流通してきた予熱済空気と混合されて混合流体となり、触媒反応室６３６に供給される。そして、混合流体に含まれる軽質炭化水素は、触媒反応室６３６で酸素及び水蒸気の存在下でリフォーミング触媒と接触して水素を生成する。そして、触媒反応室６３６で生成した水素は、第二の水素生成装置６３０の水素透過膜１１２を透過して透過水素受容室６３４に移動する。透過水素受容室６３４に移動した水素は、減圧部６４２により吸引され、配管１２８、１３０、１１８を順に経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。一方、第二の水素生成装置６３０の水素透過膜１１２を透過できない未反応の軽質炭化水素、二酸化炭素、水等、及び、水素透過膜１１２を透過しなかった水素を含む残存ガスは、配管１３２から流出し、配管１３２を経由して水蒸気発生装置１５０に供給される。この間、残存ガスは、配管１３２に設けられたガスタービン１３４を駆動して発電する。

水蒸気発生装置１５０に供給された水素は、水蒸気発生装置１５０内の水と熱交換した後、配管６４０に流出する。配管６４０から流出した水素は、熱交換装置６４１で所定の温度まで冷却された後、減圧部６４２を経由して気液分離装置１７０に供給される。気液分離装置１７０に供給された水素は、除湿されてアノード３３０に供給される。そして、配管４６からカソード３２０に供給された空気と、配管１７２からアノード３３０に供給された水素を利用して、燃料電池３００で発電が行われる。

触媒反応室６２６に供給する混合原料における軽質炭化水素、水蒸気、空気の混合比は触媒反応室６２６に充填したリフォーミング触媒の種類に応じて決定することができる。例えば、混合原料中の水蒸気の混合比は、水蒸気のモル数／軽質炭化水素の炭素のモル数で表されるＳ／Ｃ比を１．０〜２．０とすることが好ましい。また、混合原料中の空気の混合比は、軽質炭化水素の炭素数を勘案して決定することができ、混合原料中の酸素のモル比／軽質炭化水素の炭素のモル比で表されるＯ／Ｃ比を０．２〜０．５とすることが好ましい。

配管２１４から配管１１７に供給する空気の量は、触媒反応室１１６で生成される残存ガス中の軽質炭化水素、水蒸気の量を勘案して決定することができる。

触媒反応室６２６に供給する混合原料の圧力は、水素透過膜１１２の種類、リフォーミング触媒の種類等を勘案して決定することが好ましい。例えば、触媒反応室６２６の出口における残存ガスの圧力が２４７．３〜５２０．３ｋＰａとすることが好ましい。本実施形態においては、減圧部６４２により透過水素受容室６２４内を減圧しているため、触媒反応室６２６内の圧力を低くしても、触媒反応室６２６で生成した水素が水素透過膜１１２を円滑に透過できるためである。触媒反応室６３６に供給する混合流体の圧力は、触媒反応室６２６に供給する混合原料の圧力範囲と同様である。

熱交換装置６４１における冷却後の含水素流体の温度は、燃料電池３００の種類に応じて決定することができる。例えば、燃料電池３００としてＰＥＦＣを用いる場合には、含水素流体を７０〜８０℃に冷却することが好ましい。また、例えば、燃料電池３００としてＰＡＦＣを用いる場合には、含水素流体を１８０〜２１０℃に冷却することが好ましい。

減圧部６４２による透過水素受容室６２４の減圧の程度は、（触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧）／（透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧）とで表される水素分圧比が、１．０〜１．１となるように調節することが好ましい。上記範囲内であれば、触媒反応室６２６で生成した水素が水素透過膜１１２を円滑に透過することができ、水素の生成効率が向上する。減圧部６４２による透過水素受容室６３４の減圧の程度は、透過水素受容室６２４の減圧の程度と同様に、水素生成装置６３０における前記水素分圧比が１．０〜１．１となるように調節することが好ましい。
また、減圧部６４２の二次側の吐出圧力は、燃料電池３００の運転条件に応じて決定することが好ましい。

触媒反応室６２６の温度は、５００〜７００℃が好ましく、５５０〜６００℃がより好ましい。触媒反応室６３６の温度は、触媒反応室６２６と温度範囲と同様である。

上述のように、本実施形態は減圧部により透過水素受容室の水素を吸引することで、（触媒反応室の出口の残存ガスの水素分圧）／（透過水素受容室の出口の含水素流体の水素分圧）とで表される水素分圧比を適正に保つことができる。加えて、スイープスチームを発生するための熱エネルギーが不要となり、燃料電池システムの発電効率の向上が図れる。さらに、スイープスチームが不要なため、水蒸気発生装置の小型化でき、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

（第四の実施形態）
本発明の第四の実施形態の燃料電池システムについて、図５を用いて説明する。図５は、燃料電池システム７００の模式図である。なお、第三の実施形態の燃料電池システム６００と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、燃料電池システム７００において、燃料電池システム６００と異なる点は、複合予熱器２０に供給する空気を酸素供給源５１０から供給する高純度の酸素（以下、純酸素ということがある）とした点である。即ち、燃料電池システム７００は酸素供給源５１０を有し、酸素供給源５１０は配管５１２により複合予熱器２０と接続されている。

燃料電池システム７００では、純酸素が酸素供給源５１０から配管５１２を経由して、複合予熱器２０の空気加熱部２２に供給される。供給された純酸素は、空気加熱部２２で加熱され予熱済酸素となり、配管２１０に流される。配管２１０に流された予熱済酸素の一部は、分岐２１１から配管２１２に流され、配管２２０から供給される予熱済軽質炭化水素及び配管６１０から供給される予熱済水蒸気と混合されて混合原料となる。そして、混合原料は、触媒反応室６２６に供給されて、水素生成が行われる。また、配管２１０に流された予熱済酸素の他の一部は、分岐２１１から配管２１４に流される。

本実施形態の燃料電池システムによれば、触媒反応室では純酸素の存在下で触媒反応を行うため、水素生成の効率向上を図ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
第一〜第四の実施形態では、透過水素受容室には不活性粒子が充填されているが、該不活性粒子は充填されていなくてもよい。ただし、透過水素受容室内での水素及び水蒸気を整流し、水素の生成効率の向上を図る観点からは、不活性粒子を透過水素受容室に充填することが好ましい。

第一〜第四の実施形態では、第二の水素生成装置の二次側にガスタービンが設けられているが、該ガスタービンが設けられていなくてもよい。
第一〜第四の実施形態では、配管１４０にスチームタービンが設けられているが、該スチームタービンが設けられていなくてもよい。

第一〜第四の実施形態は、水素生成装置で生成した含水素流体、残存ガス及び触媒燃焼装置で発生し複合予熱器を経由した燃焼ガスを熱源として水蒸気を発生しているが、水蒸気発生装置に用いる熱源は前述の含水素流体、残存ガス、燃焼ガスのいずれかのみであってもよい。

第一〜第四の実施形態では、原料予熱装置と酸素予熱装置と水蒸気予熱装置とが一体化した複合予熱器を有しているが、原料予熱装置と酸素予熱装置と水蒸気予熱装置とは個別に設けられていてもよい。

第一〜第四の実施形態では、２つの水素生成装置が直列に接続されているが、３つ以上の水素生成装置が直列に接続されていてもよい。

第一〜第四の実施形態では、水蒸気供給手段として複合予熱器で加熱した予熱済水蒸気をスイープスチームとして透過水素受容室に供給する手段が設けられている。しかし、本発明はこれに限られず、水蒸気供給手段は水蒸気発生装置で発生した水蒸気を加熱せずに透過水素受容室に供給する構成としてもよい。水素生成装置の触媒反応室の温度を安定させ、効率的に水素を発生させる観点から、水蒸気供給手段は水蒸気加熱部で加熱した予熱済水蒸気をスイープスチームとして透過水素受容室に供給する手段であることが好ましい。

第一、第二の実施形態では、減圧部が設けられていないが、第一、第二の実施形態にさらに減圧部が設けられていてもよい。またあるいは、第三、第四の実施形態において、透過水素受容室にスイープスチームとして水蒸気を供給してもよい。

第三、第四の実施形態では、一箇所に減圧部が設けられているが、二箇所以上に減圧部が設けられていてもよい。加えて、減圧部は、水素供給手段のいずれの位置に設けられていてもよい。例えば、気液分離装置１７０の出口ラインである配管１７２（図３、４）に設けられていてもよい。

以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明するが、実施例に限定されるものではない。

（製造例１）リフォーミング触媒１の製造
前述の非特許文献１の記載に従い、リフォーミング触媒１の全体質量の１０質量％となるように、ＮｉをＳｉＯ_２に担持したＮｉ／ＳｉＯ_２を製造した。Ｎｉの供給源には硝酸ニッケルを用い、単体にはアエロジル社のＳｉＯ_２（表面積：３８０ｍ^２／ｇ）を用い、公知の含浸法により調製した。ＳｉＯ_２に硝酸ニッケル水溶液を含浸させ乾燥させた後、３００℃で４時間焼結し、さらに４００℃で５時間加熱して、リフォーミング触媒１を得た。

（実施例１）
図１に示す燃料電池システム１０と同一の構成からなる、燃料電池システムＡを製作し発電試験を行った。
燃料電池としてＰＥＦＣの燃料電池スタックを採用し、試験設備の容量は、発電端出力（直流）で１．２２３ｋＷ、送電端出力（交流）として１ｋＷ級とした。第一の水素生成装置及び第二の水素生成装置は図２に示す水素生成装置１００と同様の構造を有するプレートタイプとした。第一の水素生成装置の水素透過膜は、市販のＰｄ−Ａｇ膜（田中貴金属工業株式会社製）を用い、その透過面積は０．１２０ｍ^２とした。第二の水素生成装置の水素透過膜は、市販のＰｄ−Ａｇ膜（田中貴金属工業株式会社製）を用い、その透過面積は０．０５６ｍ^２とした。第一の水素生成装置の触媒反応室には、リフォーミング触媒１を２．３４Ｌ充填した。第二の水素生成装置の触媒反応室には、リフォーミング触媒１を１．１８Ｌ充填した。第一の水素生成装置の透過水素受容室には、不活性粒子（アルミナ、質量平均粒子径：５ｍｍφ、株式会社チップトン製）を３．６０Ｌ充填した。第二の水素生成装置の透過水素受容室には、不活性粒子を１．６８Ｌ充填した。触媒燃焼装置は固定床式とし、酸化触媒としてパラジウム触媒（炭化水素酸化触媒、ズードケミー触媒株式会社製）を５．４Ｌ充填した。水蒸気発生装置には、複合ボイラを用いた。

原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガスを複合予熱器で４００℃に加熱後、０．２７６Ｎｍ^３／ｈで第一の水素生成装置の触媒反応室に供給した。空気を複合予熱器で４００℃に加熱後、０．４０６Ｎｍ^３／ｈで予熱済空気を第一の水素生成装置の触媒反応室に供給し、０．１８７Ｎｍ^３／ｈで予熱済空気を第二の水素生成装置の触媒反応室に供給した。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１７０．６℃、圧力８０３．３ｋＰａ）を複合予熱器で４００℃に加熱後、０．４１５Ｎｍ^３／ｈで予熱済水蒸気をプロセススチームとして第一の水素生成装置の触媒反応室に供給し、０．８２８Ｎｍ^３／ｈで予熱済水蒸気をスイープスチームとして第一の水素生成装置の透過水素受容室に供給し、０．５８３Ｎｍ^３／ｈで予熱済水蒸気を第二の水素生成装置の透過水素受容室に供給した。
また、触媒燃焼装置に供給された補助燃料としての天然ガス流量は０．０４２Ｎｍ^３／ｈであり、酸化触媒の燃焼ガス基準ＳＶは、１８４８（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔであり、複合予熱器への伝熱量は１１４３ｋＪ／ｈ（２７３ｋｃａｌ／ｈ）であった。
その他のプロセス条件は表１に示す値とした。なお、「Ｎｍ^３」とは、「ｍ^３（標準状態）」を表す（以降において同じ）。「燃焼ガス基準ＳＶ」とは、酸化触媒の単位体積（ｍ^３−Ｃａｔ）当たりにおける、１時間当たりの燃焼ガス発生量（ｍ^３／ｈ）であり、単位（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔで表される値である（以降において同じ）。

第一の水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は０．５１４Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．４６５Ｎｍ^３／ｈであり、水素透過フラックスは０．１７３ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２であった。第二の水素生成装置で生成した水素は０．２５８Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．２１７Ｎｍ^３／ｈであり、水素透過フラックスは０．１７３ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２であった。第一の水素生成装置及び第二の水素生成装置で得られた水素は、合計０．６８２Ｎｍ^３／ｈであった。また、第一の水素生成装置におけるリフォーミング触媒１の生成水素基準Ｗ／Ｆの値は、２６．２ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。第二の水素生成装置におけるリフォーミング触媒１のＷ／Ｆの値は、２４．２ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。なお、「水素透過フラックス」とは、透過膜単位面積（ｍ^２）における１時間当たりの透過水素流量（ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ）である（以降において同じ）。「Ｗ／Ｆ」とは、１時間当たりの水素生成量（ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２）当たりの触媒量（ｋｇ−Ｃａｔ）であり、ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２で表される（以降において同じ）。

上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、第一の水素生成装置では５４．５％、第二の水素生成装置では２１．２％、合計７５．７％に相当するものであった。また、下記（９）式で定義される冷ガス効率の第一の水素生成装置と第二の水素生成装置との合計は７１．２％であった。なお、下記（９）式においてＬＨＶ（ｋＪ／Ｎｍ^３）は低位発熱量を示す。

冷ガス効率＝（生成Ｈ_２＋ＣＯ（Ｎｍ^３／ｈ）のＬＨＶ）／（供給天然ガス（Ｎｍ^３／ｈ）のＬＨＶ）×１００ ・・・（９）

こうして、燃料電池システムＡの運転を行い、燃料電池システムＡの発電効率を測定し、その結果を表１に示す。

（実施例２）
図３に示す燃料電池システム５００と同一の構成からなる、燃料電池システムＢを製作し発電試験を行った。燃料電池、第一の水素生成装置、第二の水素生成装置、触媒燃焼装置、水蒸気発生装置はいずれも実施例１と同じ仕様とした。

原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガス０．２７２Ｎｍ^３／ｈを複合予熱器で４００℃に加熱後、第一の水素生成装置の触媒反応室に供給した。純酸素（純度：９９．９％以上）を複合予熱器で４５０℃に加熱後、０．０８４Ｎｍ^３／ｈで予熱済酸素を第一の水素生成装置の触媒反応室に供給し、０．０３７Ｎｍ^３／ｈで予熱済酸素を第二の水素生成装置の触媒反応室に供給した。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１７０．６℃、圧力８０３．３ｋＰａ）を複合予熱器で４５０℃に加熱後、０．４０９Ｎｍ^３／ｈで予熱済水蒸気をプロセススチームとして第一の水素生成装置の触媒反応室に供給し、０．３２３Ｎｍ^３／ｈで予熱済水蒸気をスイープスチームとして第一の水素生成装置の透過水素受容室に供給し、０．１５６Ｎｍ^３／ｈで予熱済水蒸気をスイープスチームとして第二の水素生成装置の透過水素受容室に供給した。また、補助燃料としての触媒燃焼装置への天然ガスの供給は行わなかった。触媒燃焼装置における燃焼ガス基準ＳＶは、１０３４（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔであり、複合予熱器への伝熱量は７４１ｋＪ／ｈ（１７７ｋｃａｌ／ｈ）であった。その他のプロセス条件は表１に示す値とした。

第一の水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は０．５３１Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．４７９Ｎｍ^３／ｈであり、水素透過フラックスは０．１７８ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２であった。第二の水素生成装置で生成した水素は０．２４７Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．２０３Ｎｍ^３／ｈであり、水素透過フラックスは０．１６１ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２であった。第一の水素生成装置及び第二の水素生成装置で得られた水素は、合計０．６８２Ｎｍ^３／ｈであった。また、第一の水素生成装置におけるリフォーミング触媒１のＷ／Ｆの値は、２５．４ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。第二の水素生成装置におけるリフォーミング触媒１のＷ／Ｆの値は、２５．４ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。

上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、第一の水素生成装置では５６．８％、第二の水素生成装置では２０．４％、合計７７．２％に相当するものであった。また、前記（９）式で定義される冷ガス効率の第一の水素生成装置と第二の水素生成装置との合計は７３．６％であった。こうして、燃料電池システムＢの運転を行い、燃料電池システムＢの発電効率を測定し、その結果を表１に示す。

（実施例３）
図４に示す燃料電池システム６００と同一の構成からなる、燃料電池システムＣを製作し発電試験を行った。減圧部には、２台のターボＩＤＦ（以下、単にＩＤＦという）を直列に設置した。２台のＩＤＦの内、上流側を第一のＩＤＦ、下流側を第二のＩＤＦとした。燃料電池、第一の水素生成装置、第二の水素生成装置、触媒燃焼装置、水蒸気発生装置はいずれも実施例１と同じ仕様とした。

原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガス０．２７４Ｎｍ^３／ｈを複合予熱器で４００℃に加熱後、第一の水素生成装置の触媒反応室に供給した。空気を複合予熱器で４００℃に加熱後、０．４０２Ｎｍ^３／ｈで予熱済酸素を第一の水素生成装置の触媒反応室に供給し、０．１８１Ｎｍ^３／ｈで予熱済酸素を第二の水素生成装置の触媒反応室に供給した。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１７０．６℃、圧力８０３．３ｋＰａ）を複合予熱器で４００℃に加熱後、０．４１１Ｎｍ^３／ｈで予熱済水蒸気をプロセススチームとして第一の水素生成装置の触媒反応室に供給した。また、補助燃料としての触媒燃焼装置への天然ガスの供給は行わなかった。触媒燃焼装置における燃焼ガス基準ＳＶは、１２０８（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔであり、複合予熱器への伝熱量は５９９ｋＪ／ｈ（１４３ｋｃａｌ／ｈ）であった。その他のプロセス条件は表２に示す値とし、第一のＩＤＦ及び第二のＩＤＦを起動し、第一の水素生成装置の透過水素受容室及び第二の水素生成装置の透過水素受容室を減圧しながら燃料電池システムＣの運転を行った。

第一の水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は０．５２３Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．４７２Ｎｍ^３／ｈであり、水素透過フラックスは０．１７５ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２であった。第二の水素生成装置で生成した水素は０．２５２Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．２１０Ｎｍ^３／ｈであり、水素透過フラックスは０．１６７ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２であった。第一の水素生成装置及び第二の水素生成装置で得られた水素は、合計０．６８２Ｎｍ^３／ｈであった。また、第一の水素生成装置におけるリフォーミング触媒１のＷ／Ｆの値は、２５．８ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。第二の水素生成装置におけるリフォーミング触媒１のＷ／Ｆの値は、２４．９ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。

上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、第一の水素生成装置では５５．６％、第二の水素生成装置では２０．６％、合計７６．２％に相当するものであった。また、前記（９）式で定義される冷ガス効率の第一の水素生成装置と第二の水素生成装置との合計は７４．４％であった。こうして、燃料電池システムＣの運転を行い、燃料電池システムＣの発電効率を測定し、その結果を表２に示す。なお、表２中、「付属機器消費動力」の内、第一空気ブロワ及び第二空気ブロワの消費動力は、合計値を「空気ブロア」として記載した。また、第一のＩＤＦ及び第二のＩＤＦの消費動力は、合計値を「ＩＤＦ」として記載した（実施例４において同じ）。

（実施例４）
図５に示す燃料電池システム７００と同一の構成からなる、燃料電池システムＤを製作し発電試験を行った。減圧部には、２台のＩＤＦを直列に設置した。２台のＩＤＦの内、上流側を第一のＩＤＦ、下流側を第二のＩＤＦとした。燃料電池、第一の水素生成装置、第二の水素生成装置、触媒燃焼装置、水蒸気発生装置はいずれも実施例１と同じ仕様とした。

原料の軽質炭化水素として、天然ガスを用いた。原料天然ガス０．２６６Ｎｍ^３／ｈを複合予熱器で４００℃に加熱後、第一の水素生成装置の触媒反応室に供給した。純酸素を複合予熱器で４５０℃に加熱後、０．０８２Ｎｍ^３／ｈで予熱済酸素を第一の水素生成装置の触媒反応室に供給し、０．０３４Ｎｍ^３／ｈで予熱済酸素を第二の水素生成装置の触媒反応室に供給した。水蒸気発生装置で発生した水蒸気（温度１７０．６℃、圧力８０３．３ｋＰａ）を複合予熱器で４５０℃に加熱後、０．４００Ｎｍ^３／ｈで予熱済水蒸気をプロセススチームとして第一の水素生成装置の触媒反応室に供給した。また、補助燃料としての触媒燃焼装置への天然ガスの供給は行わなかった。触媒燃焼装置における燃焼ガス基準ＳＶは、１０５３（ｍ^３／ｈ）／ｍ^３−Ｃａｔであり、複合予熱器への伝熱量は５０７ｋＪ／ｈ（１２１ｋｃａｌ／ｈ）であった。その他のプロセス条件は表２に示す値とし、第一のＩＤＦ及び第二のＩＤＦを起動し、第一の水素生成装置の透過水素受容室及び第二の水素生成装置の透過水素受容室を減圧しながら燃料電池システムＤの運転を行った。

第一の水素生成装置の触媒反応室で生成した水素は０．５５２Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．４９７Ｎｍ^３／ｈであり、水素透過フラックスは０．１８５ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２であった。第二の水素生成装置で生成した水素は０．２３２Ｎｍ^３／ｈ、生成した水素の内、水素透過受容室に透過した水素は０．１８５Ｎｍ^３／ｈであり、水素透過フラックスは０．１４８ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２／ｍ^２であった。第一の水素生成装置及び第二の水素生成装置で得られた水素は、合計０．６８２Ｎｍ^３／ｈであった。また、第一の水素生成装置におけるリフォーミング触媒１のＷ／Ｆの値は、２４．４ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。第二の水素生成装置におけるリフォーミング触媒１のＷ／Ｆの値は、２７．１ｋｇ−Ｃａｔ／ｋｇ−ｍｏｌ／ｈ−Ｈ_２であった。

上記生成水素の値は、原料天然ガス転換率として、第一の水素生成装置では５９．３％、第二の水素生成装置では１８．５％、合計７７．８％に相当するものであった。また、前記（９）式で定義される冷ガス効率の第一の水素生成装置と第二の水素生成装置との合計は７５．２％であった。こうして、燃料電池システムＤの運転を行い、燃料電池システムＤの発電効率を測定し、その結果を表２に示す。

表１の実施例１の結果に示すように、燃料電池システムＡに投入されたエネルギーは、原料天然ガス＋補助燃料天然ガスであり、その熱量は３．６２７ｋＷであった。燃料電池システムＡのＰＥＦＣ燃料電池スタックからの発電端出力（直流）は１．２２３ｋＷであり、インバーター（直流→交流変換器）ロスは０．１２２ｋＷであった。また、燃料電池システムＡを構成する空気ブロワ等の付属機器の消費動力は０．０９３ｋＷ、回収動力（ガスタービン）は０．１０２ｋＷであった。以上のバランスにより、燃料電池システムＡの送電端出力（交流）として１．１０９ｋＷが得られ、燃料電池システムＡの送電端効率は３０．６％であった。ＰＥＦＣ燃料電池スタック、含水素流体及び残存ガスを冷却することにより生産された温水（６５℃）は３２．２８ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で１．５７２ｋＷに相当し、温水生産効率として４３．３％であった。従って、総合熱効率（送電端効率＋温水生産率）の値として７３．９％が得られた。

表１の実施例２の結果に示すように、燃料電池システムＢに投入されたエネルギーは、原料天然ガスであり、その熱量は３．１００ｋＷであった。燃料電池システムＢのＰＥＦＣ燃料電池スタックからの発電端出力（直流）は１．２２３ｋＷであり、インバーター（直流→交流変換器）ロスは０．１２２ｋＷであった。また、燃料電池システムＢを構成する空気ブロワ等の付属機器の消費動力は０．０２６ｋＷ、回収動力（ガスタービン及びスチームタービン）は０．０７９ｋＷであった。以上のバランスにより、燃料電池システムＢの送電端出力（交流）として１．１５３ｋＷが得られ、燃料電池システムＢの送電端効率は３７．２％であった。ＰＥＦＣ燃料電池スタック、含水素流体及び残存ガスを冷却することにより生産された温水（６５℃）は２０．３８ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で０．９９１ｋＷに相当し、温水生産効率として３２．０％であった。従って、総合熱効率（送電端効率＋温水生産率）の値として６９．２％が得られた。

表２の実施例３の結果に示すように、燃料電池システムＣに投入されたエネルギーは、原料天然ガスであり、その熱量は３．１１７ｋＷであった。燃料電池システムＣのＰＥＦＣ燃料電池スタックからの発電端出力（直流）は１．２２３ｋＷであり、インバーター（直流→交流変換器）ロスは０．１２２ｋＷであった。また、燃料電池システムＣを構成する空気ブロワ、ＩＤＦ等の付属機器の消費動力は０．１４２ｋＷ、回収動力（ガスタービン及びスチームタービン）は０．１３８ｋＷであった。以上のバランスにより、燃料電池システムＣの送電端出力（交流）として１．０９７ｋＷが得られ、燃料電池システムＣの送電端効率は３５．２％であった。ＰＥＦＣ燃料電池スタック、水素及び残存ガスを冷却することにより生産された温水（６５℃）は１７．４７ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で０．８５５ｋＷに相当し、温水生産効率として２７．４％であった。従って、総合熱効率（送電端効率＋温水生産率）の値として６２．６％が得られた。

表２の実施例４の結果に示すように、燃料電池システムＤに投入されたエネルギーは、原料天然ガスであり、その熱量は３．０３１ｋＷであった。燃料電池システムＤのＰＥＦＣ燃料電池スタックからの発電端出力（直流）は１．２２３ｋＷであり、インバーター（直流→交流変換器）ロスは０．１２２ｋＷであった。また、燃料電池システムＤを構成する空気ブロワ、ＩＤＦ等の付属機器の消費動力は０．０９２ｋＷ、回収動力（ガスタービン及びスチームタービン）は０．０７７ｋＷであった。以上のバランスにより、燃料電池システムＤの送電端出力（交流）として１．０８５ｋＷが得られ、燃料電池システムＤの送電端効率は３５．８％であった。ＰＥＦＣ燃料電池スタック、水素及び残存ガスを冷却することにより生産された温水（６５℃）は１６．６７ｋｇ／ｈであり、この値は熱量換算で０．８２１ｋＷに相当し、温水生産効率として２７．１％であった。従って、総合熱効率（送電端効率＋温水生産率）の値として６２．９％が得られた。

上述のとおり、実施例１〜４はいずれも送電端効率が３０％を超えており、燃料電池システムＡ〜Ｄはエネルギー効率の高いシステムであるといえる。加えて、実施例１に比べ実施例２の方が送電端効率が高く、実施例３に比べて実施例４の方が送電端効率が高いことから、触媒反応室に送る空気を純酸素に換えることで、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図れることが判った。さらに、実施例１に比べて実施例３は６５℃温水生産効率が低く、実施例２に比べて実施例４は６５℃温水生産効率が低いことから、減圧部により透過水素受容室を減圧することで、温水製造に利用されるエネルギーを低減できることが判った。即ち、燃料電池システムのエネルギーの需要パターン（送電端効率又は温水生産効率）に応じて、実施例１〜４の内、最適なシステムを適用できることが判った。

本発明の第一の実施形態にかかる燃料電池システムを示す模式図である。 本発明の燃料電池システムに用いる水素生成装置の一例を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態にかかる燃料電池システムを示す模式図である。 本発明の第三の実施形態にかかる燃料電池システムを示す模式図である。 本発明の第四の実施形態にかかる燃料電池システムを示す模式図である。

符号の説明

１０、５００、６００、７００ 燃料電池システム
１６、２３、１１５、１１８、１２８、１３０、１３２、１５４、１５８、１６６、１７２、１９２、２１０、２１２、２２０、２３０、２３２、２３４、２５０、２５２、６１０、６４０ 配管
２０ 複合予熱器
２２ 空気加熱部
２４ 水蒸気加熱部
２６ 原料加熱部
８０ 触媒燃焼装置
１００、６２０ 第一の水素生成装置
１１２ 水素透過膜
１１４、１２４、６２４、６３４ 透過水素受容室
１１６、１２６、６２６、６３６ 触媒反応室
１２０、６３０ 第二の水素生成装置
１３４ ガスタービン
１５０ 水蒸気発生装置
１５５、１６０ 熱交換装置
１７０、１９０ 気液分離装置
３００ 燃料電池
６４２ 減圧部

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   水蒸気発生装置と、
   酸化触媒が充填され、該酸化触媒に可燃ガスを接触して燃焼する触媒燃焼装置と、
   水素透過膜により仕切られた触媒反応室と透過水素受容室とが設けられ、前記触媒反応室には炭化水素リフォーミング触媒が充填されている複数の水素生成装置と、
   前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を熱媒体として、軽質炭化水素を加熱する原料予熱装置と、
   前記原料予熱装置で加熱した軽質炭化水素を任意の前記触媒反応室に供給する手段と、
   前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を熱媒体として、酸素を含む流体を加熱する酸素予熱装置と、
   前記酸素予熱装置で加熱した酸素を含む流体を任意の前記触媒反応室に供給する手段と、
   前記触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を熱媒体として、前記水蒸気発生装置で生じた水蒸気を加熱する水蒸気予熱装置と、
   前記水蒸気予熱装置で加熱した水蒸気を任意の前記触媒反応室及び前記透過水素受容室に供給する手段と、
   前記水素生成装置で生成した水素を前記燃料電池に供給する水素供給手段とを有し、
   任意の前記水素生成装置の触媒反応室で軽質炭化水素から生成された水素を前記水素透過膜で仕切られた前記透過水素受容室に透過し、前記触媒反応室に残存する残存ガスと分離し、該残存ガスを他の水素生成装置の触媒反応室に供給し、
   前記水蒸気発生装置は、前記水素生成装置の内、最も下流に位置する水素生成装置の触媒反応室に残存する残存ガス、前記水素生成装置の内、最も下流に位置する水素生成装置の透過水素受容室に透過した水素、並びに、前記原料予熱装置、前記酸素予熱装置及び前記水蒸気予熱装置で熱媒体として利用された前記の触媒燃焼装置で生じた燃焼熱を熱媒体として、水蒸気を発生することを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記水素供給手段は、前記透過水素受容室を減圧する減圧部を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水蒸気発生装置で熱媒体として用いられた残存ガスを前記触媒燃焼装置に供給する手段を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記透過水素受容室には、不活性粒子が充填されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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