(57)【要約】【課題】部品点数及び組付工数を削減してコストダウンを図ると共に、分散板の連通孔が触媒によって塞がれるのを防止した燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料ガス供給路と、水蒸気改質器と、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ変成器６と、ＣＯ変成器６を通過した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ除去器と、を備えている。ＣＯ変成器６及びＣＯ除去器のうちの少なくともいずれか一方は、燃料ガスが流入される流入口５１ａ、及び、流入口５１ａから流入した燃料ガスが流出する流出口５１ｂを有したケース体５１と、ケース体５１内の上流側及び下流側にそれぞれに架設されて連通孔５３ａ，５４ａが穿設された凹凸状の一対の分散板５３，５４と、一対の分散板５３，５４間に形成され球状粒のシフト触媒Ｓが充填される触媒反応室５９と、を備えている。【選択図】図２
2010092816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に供給される水素を含有する燃料ガスとカソード極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記アノード極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路に配置され炭化水素燃料を水蒸気と共に改質触媒で改質して前記燃料ガスを生成する水蒸気改質器と、
前記燃料ガス供給路に配置され前記水蒸気改質器で生成された前記燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ変成器と、
前記燃料ガス供給路に配置され前記ＣＯ変成器を通過した前記燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ除去器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記ＣＯ変成器及び前記ＣＯ除去器のうちの少なくともいずれか一方は、
前記燃料ガスが流入される流入口、及び、前記流入口から流入した前記燃料ガスが流出する流出口を有したケース体と、
前記ケース体内の上流側及び下流側にそれぞれに架設されて連通孔が穿設された凹凸状の一対の分散板と、
前記一対の分散板間に形成され粒状の触媒が充填される触媒反応室と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記連通孔の径は、前記触媒の粒の大きさよりも小さく形成され、
前記一対の分散板は、凹部と、凸部と、当該凹部と前記凸部とを繋ぐ中間部と、が連続した凹凸形状に形成され、
前記触媒が前記凹部より小さく前記凹部の底部に当接して支持される場合には、前記中間部に前記連通孔を設け、前記触媒が前記凹部より大きく中間部に当接して支持される場合には、前記凹部に前記連通孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記触媒は、球状粒からなり、
前記分散板は、波状に形成された波形部の谷の半径が、前記触媒の半径より大きく形成され、前記連通孔が、前記波形部の山と谷との間に穿設されてい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。
【請求項４】
前記触媒は、球状粒からなり、
前記分散板は、波状に形成された波形部の谷の半径が、前記触媒の半径より小さく形成され、前記連通孔が、前記波形部の谷に穿設されてい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。
【請求項５】
前記上流側の分散板と、
前記下流側の分散板と、
前記上流側の分散板と前記下流側の分散板とを連結した連結板と、
この連結板から前記触媒反応室側へ延設されて、この触媒反応室に配置された冷却管を支持する支持板とが、
１枚の平板材で一体形成してなる区画板によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散板を有するＣＯ（一酸化炭素）変成器及びＣＯ除去器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、灯油等の炭化水素燃料を改質器に供給して、水素を含有する燃料ガス（水素ガス）を生成し、この燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給すると共に、反応ガスとして空気を燃料電池スタックのカソード極に供給して、両電極間で水素と酸素を電気化学反応させて発電を行っている。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、例えば、高分子膜を利用して発電させる燃料電池に供給する改質ガスの製造において、改質ガス中に残留するＣＯガスが燃料電池を損傷させるおそれがあるので、改質ガスから残留するＣＯガスを除去する必要がある。
このＣＯガスを除去するＣＯ変成器としては、従来、ＣＯ除去の際に、触媒を利用して所望温度で反応させるので、改質ガスを生成する改質器と、ＣＯ除去器とを一体に構成して、改質のときの余熱を利用してエネルギー効率を図ったＣＯ変成器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図８は、従来のＣＯ変成器の内部構造を示す断面図である。
図８に示すように、従来のＣＯ変成器１００は、改質ガスが流入される流入口２１０、及び、流入口２１０から流入した改質ガスが流出される流出口２２０を有したケース体２００と、ケース体２００に内設された一対の分散板３００，４００と、この分散板３００，４００の内面に設置された金網５００，６００と、上下の分散板３００，４００及び冷却コイル８００を保持する連結板７００と、ケース体２００の開口部を閉塞する蓋体９００と、金網５００，６００間に充填される球状粒の触媒（図示省略）と、から構成されている。
【０００５】
このＣＯ変成器１００は、ケース体２００内の上流側及び下流側に、パンチング加工されて円形の連通孔３１０，４１０が穿設された分散板３００，４００を配置し、さらに、分散板３００，４００の内面側に触媒の飛散を防止するための金網を配置して、水蒸気改質器から流れて来る改質ガスを均等に触媒と反応させるようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２１６８２７号公報（図８参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図８に示すような従来のＣＯ変成器１００では、球状粒からなる触媒が、分散板３００，４００の連通孔３１０，４１０に入り込んで塞ぐので、それを回避するために、金網５００，６００を設置することが不可欠になっている。その結果、従来のＣＯ変成器１００は、上下に金網５００，６００があるので、重量、部品点数及び組付工数が増加して、コストアップの原因になっていた。
【０００７】
また、上下の金網５００，６００は、スポット溶接で分散板３００，４００に固定されている。分散板３００，４００は、上側の分散板３００と下側の分散板４００との間に連結板７００がスポット溶接で連結されて、さらに、その連結板７００がケース体２００の内壁にスポット溶接されることによって、ケース体２００内に固定されている。
このため、ＣＯ変成器１００は、スポット溶接する箇所が多いので、組付工数が増加して、コストアップの原因になると共に、強度的に弱いという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、前記問題点を解消すべく創案されたものであって、部品点数及び組付工数を削減してコストダウンを図ると共に、分散板の連通孔が触媒によって塞がれるのを防止した燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に記載の燃料電池システムは、アノード極に供給される水素を含有する燃料ガスとカソード極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、前記アノード極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に配置され炭化水素燃料を水蒸気と共に触媒で改質して前記燃料ガスを生成する水蒸気改質器と、前記燃料ガス供給路に配置され前記水蒸気改質器で生成された前記燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ変成器と、前記燃料ガス供給路に配置され前記ＣＯ変成器を通過した前記燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるＣＯ除去器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記ＣＯ変成器及び前記ＣＯ除去器のうちの少なくともいずれか一方は、前記燃料ガスが流入される流入口、及び、前記流入口から流入した前記燃料ガスが流出する流出口を有したケース体と、前記ケース体内の上流側及び下流側にそれぞれに架設されて連通孔が穿設された凹凸状の一対の分散板と、前記一対の分散板間に形成され粒状の触媒が充填される触媒反応室と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によれば、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器のうちの少なくともいずれか一方は、ケース体内の上流側及び下流側にそれぞれに架設されて連通孔を穿設した凹凸状の一対の分散板を備えて、その一対の分散板間の触媒反応室に触媒が充填される。このため、分散板は、凹凸状に曲がって形成されていることにより、触媒が連通孔に嵌合して塞ぐのを抑制することができる。その結果、燃料ガスの流れをスムーズにして、触媒反応が良好に行われ、触媒の効率を向上させることができる。また、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器は、触媒と分散板との間に、触媒が連通孔を塞ぐのを防止する金網等の部材を介在していない。このように、金網等の触媒を保持する落下防止用の部材がない構造としたことにより、部品点数及び組付工数を削減してコストダウンを図ることができる。さらに、分散板は、凹凸状に曲げて連続形成されていることによって、強度を向上させることができる。
【００１１】
請求項２に記載の燃料電池システムの発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記連通孔の径は、前記触媒の粒の大きさよりも小さく形成され、前記一対の分散板は、凹部と、凸部と、当該凹部と前記凸部とを繋ぐ中間部と、が連続した凹凸形状に形成され、前記触媒が前記凹部より小さく前記凹部の底部に当接して支持される場合には、前記中間部に前記連通孔を設け、前記触媒が前記凹部より大きく中間部に当接して支持される場合には、前記凹部に前記連通孔を設けたことを特徴とする。
ここで、触媒の粒の大きさとは、例えば、触媒の粒度であり、球状粒の場合は粒径である。
【００１２】
かかる構成によれば、連通孔の径は、触媒の粒の大きさよりも小さく形成され、一対の分散板は、凹部と、凸部と、この凹部と凸部とを繋ぐ中間部と、が連続した凹凸形状に形成されている。このため、触媒は、連通孔から脱落することがない。
また、触媒が凹部より小さく凹部の底部に当接して支持される場合には、中間部に連通孔を設けたことによって、触媒が凹部の底面に接触して中間部に当接しなくなる。このため、触媒が連通孔を塞ぐことを抑制して、燃料ガスが触媒反応室をスムーズに流れるようになる。
一方、触媒が凹部より大きく中間部に当接して支持される場合には、凹部に連通孔を設けたことによって、触媒と凹部の底面との間に隙間ができて、触媒が凹部の底面に当接しなくなる。このため、触媒が連通孔を塞ぐことを抑制して、燃料ガスが触媒反応室をスムーズに流れるようになる。
【００１３】
請求項３に記載の燃料電池システムの発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記触媒は、球状粒からなり、前記分散板は、波状に形成された波形部の谷の半径が、前記触媒の半径より大きく形成され、前記連通孔が、前記波形部の山と谷との間に穿設されていることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、分散板は、波状に形成された波形部の谷の半径が触媒の半径より大きく形成され、連通孔が波形部の山と谷との間に穿設されていることによって、触媒が連通孔に嵌合して連通孔を塞ぐのを防止することができる。このため、燃料ガスの流れをスムーズにして、触媒反応が良好に行われて、一酸化炭素を効率よく低減させることができる。
【００１５】
請求項４に記載の燃料電池システムの発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記触媒は、球状粒からなり、前記分散板は、波状に形成された波形部の谷の半径が、前記触媒の半径より小さく形成され、前記連通孔が、前記波形部の谷に穿設されていることを特徴とする。
【００１６】
かかる構成によれば、分散板は、波状に形成された波形部の谷の半径が触媒の半径より小さく形成され、連通孔が波形部の谷に穿設されていることによって、触媒が連通孔に嵌合して連通孔を塞ぐのを防止することができる。このため、燃料ガスの流れをスムーズにして、触媒反応が良好に行われて、一酸化炭素を効率よく低減させることができる。
【００１７】
請求項５に記載の燃料電池システムの発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記上流側の分散板と、前記下流側の分散板と、前記上流側の分散板と前記下流側の分散板とを連結した連結板と、この連結板から前記触媒反応室側へ延設されて、この触媒反応室に配置された冷却管を支持する支持板とが、１枚の平板材で一体形成してなる区画板によって構成されていることを特徴とする。
【００１８】
かかる構成によれば、上流側の分散板と下流側の分散板と連結板と支持板とが、１枚の平板材で一体形成してなる区画板によって形成されていることにより、部品点数及び組付工数を削減してコストダウンを図ることができる。さらに、区画板が１枚の部材からなることによって、溶接等による接続箇所がないため、強度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムによれば、部品点数及び組付工数を削減してコストダウンを図ると共に、分散板の連通孔が触媒によって塞がれるのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
まず、図１〜図４を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池システム１を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料改質装置の構成を示すブロック図である。なお、燃料電池システム１の各装置は、配置状態によって上下左右の方向が変化するが、便宜上、図２〜図４では燃料ガスが流れる上流側を上、下流側を下として適宜説明する。また、ＣＯ変成器６及びＣＯ除去器７内に充填されるシフト触媒Ｓは、粒状であればよく、その一例として球状粒の場合を例に挙げて説明する（図２参照）。
【００２１】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す燃料電池システム１は、例えば、燃料電池スタック１０を電源として、燃料電池スタック１０の電力で種々の電気装置（図示省略）を駆動させるために使用されるシステムである。この燃料電池システム１は、それぞれ後記する燃料電池スタック１０と、燃料供給路１１と、脱硫器２と、燃料改質装置Ａと、制御装置（図示省略）等を備えて構成されている。燃料電池システム１は、例えば、家庭用の電力を供給する小型の電源をして使用される。
【００２２】
≪燃料ガスの説明≫
燃料ガスは、図１に示すように、例えば、炭化水素燃料である灯油等の液体燃料から生成した水素ガスを使用する。燃料ガスを生成するための液体燃料は、灯油に限定されるものではなく、例えば、軽油やナフサ等の各種液体燃料であっても構わない。以下、灯油を使用する場合を例に挙げて、本発明に係る燃料電池システム１を説明する。灯油は、燃料タンク（図示省略）に貯溜され、燃料ガス原料供給路１１ａによって脱硫器２に供給される。また、灯油は、ポンプ（図示省略）及びバーナ燃料供給路１４によってバーナ９に燃料としても供給される。
【００２３】
≪燃料電池スタックの構成≫
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜の両面を触媒が担持されたアノード極及びカソード極で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）と、ＭＥＡを挟持するセパレータとからなるセル（図示省略）が、複数積層された固体高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）からなる。燃料電池スタック１０は、アノード極に燃料改質装置Ａを介して燃料ガス供給路１１ｂによって供給される水素を含有する燃料ガスと、酸化剤ガス供給路（図示省略）からカソード極に供給される加湿空気等の酸化剤ガス（空気）との反応によって電流が得られるように構成されている。
【００２４】
その他に燃料電池スタック１０には、カソード極に酸化剤ガス（反応ガス）として空気を供給するための酸化剤ガス供給路（図示省略）と、アノード極から排出されたアノードオフガスをバーナ９の燃焼部に供給するためのアノードオフガス供給路１３と、カソード極から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１の外部に排気するためのカソードオフガス排気路(図示省略)とが接続されている。また、燃料電池スタック１０は、この燃料電池スタック１０で発電した直流電流をインバータ（図示省略）に出力するようにインバータ（図示省略）や、燃料電池スタック１０等を制御する制御装置（図示省略）に電気的に接続されている。
【００２５】
≪燃料供給路の構成≫
図１に示すように、燃料供給路１１は、燃料電池スタック１０のアノード極に灯油を燃料改質装置Ａによって改質された燃料ガスを供給するアノード極系の供給路である。燃料供給路１１は、液体燃料の灯油を送る燃料ガス原料供給路１１ａと、灯油から気化された燃料ガスを送る燃料ガス供給路１１ｂとからなる。この燃料供給路１１を構成する配管には、例えば、燃料タンク（図示省略）と、脱硫器２と、燃料改質装置Ａ等が接続されている。
【００２６】
≪脱硫器の構成≫
脱硫器２は、燃料タンク（図示省略）から供給された灯油中の硫黄を除去して脱硫する装置であり、例えば、灯油中に含有される硫黄化合物をヒータ等によって加熱しながら吸着して除去する。この脱硫器２は、燃料ガス原料供給路１１ａによって、上流側が、前記燃料タンク（図示省略）に接続され、下流側が、気化器３に接続されている。
【００２７】
≪燃料改質装置の構成≫
燃料改質装置Ａは、脱硫器２で脱硫した灯油と、水供給流路１２からの水とから主成分が水素の燃料ガス（改質ガス）を生成する装置である。燃料改質装置Ａは、それぞれ後記する気化器３と、水蒸気改質器４と、ＣＯ低減装置５と、ボイラ８と、バーナ９と、水供給流路１２と、を備えて構成されている。この燃料改質装置Ａで生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路１１ｂによって燃料電池スタック１０のアノード極に供給される。
【００２８】
≪気化器の構成≫
気化器３は、脱硫器２で脱硫した後の灯油をボイラ８からの水蒸気と混合して水蒸気混合ガスを生成し、その水蒸気混合ガスを燃料ガス供給路１１ｂから水蒸気改質器４へ供給する水蒸気混合装置である。この気化器３には、灯油や水を蒸発させる加熱手段（図示省略）が設けられている。気化器３は、上流側が、燃料ガス原料供給路１１ａによって脱硫器２に接続されて、脱硫処理された灯油が流入される。気化器３は、下流側が、燃料ガス供給路１１ｂによって水蒸気改質器４に接続されている。
【００２９】
≪水蒸気改質器の構成≫
水蒸気改質器４は、燃料ガス供給路１１ｂに配置され硫黄が除去された灯油を水蒸気と共に、アルミナ粒子等からなる改質触媒で改質して水素を主成分とする燃料ガスを生成する装置である。水蒸気改質器４では、改質触媒による吸熱反応が起こるので、灯油を改質するために、バーナ９で水蒸気改質器４内の改質触媒が約５５０℃〜７００℃の温度に加熱される。この水蒸気改質器４の下流側は、燃料ガス供給路１１ｂの配管によってＣＯ変成器６に接続されている。
【００３０】
≪ＣＯ低減装置の構成≫
ＣＯ低減装置５は、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を触媒反応させて低下させるための装置である。このＣＯ低減装置５は、それぞれ後記する１段目の一酸化炭素の除去を行うＣＯ変成器６（「シフト反応器」及び「シフト変換器」ともいう）と、２段目の一酸化炭素の除去を行うＣＯ除去器７（「選択酸化反応器」ともいう）と、ＣＯ変成器６及びＣＯ除去器７を冷却させる水供給流路１２のコイル状の冷却管１２ａ（図２参照）と、を主に備えて構成されている。ＣＯ変成器６及びＣＯ除去器７は、シフト触媒反応やプロックス触媒反応をさせるのに、必要な温度領域があるため、所定温度まで、バーナ９で加熱しなければならない。
【００３１】
≪ＣＯ変成器の構成≫
ＣＯ変成器６は、燃料ガス供給路１１ｂに配置され水蒸気改質器４で生成された燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低下させるための装置である。換言すると、ＣＯ変成器６は、水蒸気改質器４で生成された水素を多く含む燃料ガス（改質ガス）が導入され、その燃料ガス中の一酸化炭素をシフト触媒Ｓによるシフト反応によって二酸化炭素に変換し一酸化炭素を選択的に低減させるシフト反応器である。ＣＯ変成器６は、下流側が燃料ガス供給路１１ｂによってＣＯ除去器７に接続されている。また、ＣＯ変成器６には、このＣＯ変成器６内を冷却するために、水供給流路１２が螺旋状に配置されている。
【００３２】
なお、ＣＯ変成器６と後記するＣＯ除去器７とは、同じ構造のものであってもよく、次に、そのうちのＣＯ変成器６の構造を図２〜図４を参照しながら、さらに、詳細に説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器を示す中央部概略縦断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の分散板を示す拡大斜視図である。図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の区画板を示す図であり、（ａ）は拡大平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【００３３】
図２に示すように、ＣＯ変成器６は、それぞれ後記する略容器状のケース体５１と、ケース体５１内に固定され側面視してコ字状の区画板５２と、区画板５２の上下に一体に連設された分散板５３，５４間の空間からなる触媒反応室５９と、この触媒反応室５９内に充填されたシフト触媒Ｓと、触媒反応室５９内に配置された支持板５６，５６に支持された水供給流路１２の冷却管１２ａと、を備えて構成されている。
【００３４】
＜ケース体の構成＞
ケース体５１は、ＣＯ変成器６の筐体を形成する部材であり、例えば、外面が直方体に形成された中空の金属製容器からなる。ケース体５１は、いわゆる弁当箱型の容器であって、一側面に形成された開口部５１ｄが蓋体５８で閉塞されている。ケース体５１は、上流側の上端部の中央部に燃料ガスがこのケース体５１内に流入される流入口５１ａを有し、下流側の下端部の中央部に流入口５１ａから流入した燃料ガスを流出させる流出口５１ｂを有している。ケース体５１内には、流入口５１ａと流出口５１ｂとの間に、燃料ガスが流れる方向に対して直交して架設された一対の分散板５３，５４が設置されている。さらに、ケース体５１内には、蓋体５８に対向する内壁に、前記一対の分散板５３，５４を連結した連結板５５が固定されている。
【００３５】
＜流入口及び流出口の構成＞
流入口５１ａは、燃料ガス供給路１１ｂ（図１参照）の配管が接続されて水蒸気改質器４（図１参照）に連通されている。流出口５１ｂは、燃料ガス供給路１１ｂ（図１参照）の配管が接続されてＣＯ除去器７（図１参照）に連通されている。
【００３６】
＜ガス拡散室及びガス収束室の構成＞
ガス拡散室５１ｅは、流入口５１ａからケース体５１内に入った燃料ガスが均等に広がって連通孔５３ａを介して触媒層５７内に入るように形成されている上流側の空間である。ガス拡散室５１ｅは、ケース体５１内において、流入口５１ａ側の内壁と、上流側の分散板５３との間に形成された空間である。
ガス収束室５１ｆは、触媒層５７内の燃料ガスが、後記する多数の連通孔５４ａを均等に通過した後に収束して流出口５１ｂから排出されるように形成された下流側の空間である。ガス収束室５１ｆは、ケース体５１内において、流出口５１ｂ側の内壁と、下流側の分散板５４との間に形成された空間である。
【００３７】
＜区画板の構成＞
図２に示すように、前記区画板５２は、ケース体５１内を、ガス拡散室５１ｅと、ガス収束室５１ｆと、ガス拡散室５１ｅとガス収束室５１ｆとの間に形成された触媒反応室５９と、の３つの空間に区分けするための板部材である。この区画板５２は、上流側の分散板５３と、下流側の分散板５４と、２つの分散板５３の端部を連結した連結板５５と、この連結板５５の左右端部から開口部５１ｄ側（触媒反応室５９側）に延設された一対の支持板５６と、の４つの板部材を１枚の平板金属板で側面視してコ字状に一体にプレス形成してなる（図３参照）。
【００３８】
＜分散板の構成＞
前記分散板５３，５４は、水蒸気改質器４から燃料ガス供給路１１ｂを介して流れ来る燃料ガスを均等にシフト触媒Ｓと反応させるために、シフト触媒Ｓが触媒反応室５９に充填された触媒層５７を形成する天井板及び底板となる一対の平板部材からなる。分散板５３，５４は、ケース体５１内の上部（上流側）及び下部（下流側）にそれぞれ水平に架設されて、多数の連通孔５３ａ，５４ａが穿設されている。分散板５３，５４には、谷５３ｃ，５４ｃ（凹部）と、山５３ｄ，５４ｄ（凸部）と、この谷５３ｃ，５４ｃと山５３ｄ，５４ｄとを繋ぐ中間部５３ｅ，５４ｅと、が連続して波状（凹凸形状）に形成された波形部５３ｂ，５４ｂが、プレス加工によって形成されている（図３参照）。
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、分散板５３，５４は、例えば、波状に形成された波形部５３ｂ，５４ｂの谷５３ｃ，５４ｃの半径ｒ１が、シフト触媒Ｓの半径Ｒより大きく形成されている。
【００３９】
連通孔５３ａ，５４ａは、例えば、球粒状に形成されたシフト触媒Ｓの直径２Ｒ（粒の大きさ）より小さな直径２Ｒ（径）の丸い孔に形成されて、シフト触媒Ｓがこの連通孔５３ａ，５４ａを通過不可能な大きさにパンチング加工されている。つまり、連通孔５３ａ，５４ａは、触媒反応室５９内のシフト触媒Ｓがこの連通孔５３ａ，５４ａから落下しない大きさに形成されている。シフト触媒Ｓが谷５３ｃ，５４ｃ（凹部）より小さく谷５３ｃ，５４ｃの底面に当接して支持される場合には、連通孔５３ａ，５４ａが、波形部５３ｂ，５４ｂの山５３ｄ，５４ｄと谷５３ｃ，５４ｃとの間の中間部５３ｅ，５４ｅに穿設される。このため、球状粒のシフト触媒Ｓが、谷５３ｃ，５４ｃの底面に接触して支持されて、連通孔５３ａ，５４ａに係合せず、連通孔５３ａ，５４ａを塞ぐのを抑制するようになっている。その連通孔５３ａ，５４ａは、燃料ガスが、その分散板５３，５４の板面を均等に通過できるように、分散板５３，５４の板面全体に略均等な適宜な間隔で多数穿設されている。
なお、前記シフト触媒Ｓの半径Ｒは、例えば、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度である。波形部５３ｂ，５４ｂの谷５３ｃ，５４ｃの半径ｒ１は、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍ程度である。また、連通孔５３ａ，５４ａの直径は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度であって、シフト触媒Ｓが落下しない大きさとする。
【００４０】
波形部５３ｂ，５４ｂは、シフト触媒Ｓが連通孔５３ａ，５４ａに係合して塞ぐのを防止するために形成されたものであって、側面視して凹凸状に連設して折曲成形されている。この波形部５３ｂ，５４ｂは、触媒反応室５９内のシフト触媒Ｓに対して凹んだ部位を形成する谷５３ｃ，５４ｃと、触媒反応室５９内のシフト触媒Ｓに対して膨らんだ部位を形成する山５３ｄ，５４ｄとを連続形成してなる。
【００４１】
＜連結板、支持板及び蓋体の構成＞
図２に示すように、連結板５５は、垂直な平板部材からなり、ケース体５１の内側壁にスポット溶接等によって密着した状態に固定されている。連結板５５には、貫通孔５５ａが複数穿設されて、燃料ガスが貫通孔５５ａ（図３参照）内を流れるようにしている。前記分散板５３，５４は、この連結板５５の上端部及び下端部を直角に折曲して、蓋体５８側へ水平方向に延設されている。
支持板５６，５６は、この連結板５５の左右の両端部を直角に折曲して、開口部５１ｄ側へ垂直方向に延設されている。前記支持板５６，５６は、コイル状の冷却管１２ａを保持する円弧状あるいは爪状のフック５６ａが一体形成された板部材である。
蓋体５８は、区画板５２、冷却管１２ａ及びシフト触媒Ｓが内設されたケース体５１の開口部５１ｄを閉塞するための平板部材である。
【００４２】
＜触媒反応室及び触媒層の構成＞
触媒反応室５９は、シフト触媒Ｓが充填されて、充填されたシフト触媒Ｓの隙間を燃料ガスが通過することによってシフト反応で一酸化炭素が除去される空間である。この触媒反応室５９は、上下内壁面を形成する分散板５３，５４と、前後内壁面を形成するケース体５１の内壁と、左右内壁面を形成する連結板５５及び蓋体５８とによって形成された直方体の空間からなる。
なお、触媒層５７は、触媒反応室５９内にシフト触媒Ｓが充填された状態の触媒反応室５９内をいう。
【００４３】
＜シフト触媒の構成＞
シフト触媒Ｓ（図４（ｂ）参照）は、触媒反応室５９内に充填された球状粒からなる触媒であり、燃料ガスにシフト反応する材質のものからなる。シフト触媒Ｓは、例えば、鉄−クロムや、銅−酸化物等の触媒が挙げられる。なお、シフト触媒Ｓは、特許請求の範囲に記載の「触媒」に相当する。
【００４４】
＜冷却管の構成＞
図２に示すように、コイル状の冷却管１２ａは、ＣＯ変成器６及びＣＯ除去器７において、触媒反応によって発生した熱を冷却させる冷却水を流して熱交換を行うための配管であり、後記する水供給流路１２の熱交換が行われる部位をいう。冷却管１２ａは、触媒反応室５９内を下流側から上流側に向かって螺旋状に配置されている。
【００４５】
＜ＣＯ除去器の構成＞
ＣＯ除去器７は、図１に示すように、燃料ガス供給路１１ｂに配置されＣＯ変成器６を通過した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度をプロックス触媒の触媒反応でさらに低下させる装置である。このＣＯ除去器７は、触媒が相違するだけで、前記したＣＯ変成器６と同じ構造（類似構造）である。プロックス触媒としては、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｒｕ等が挙げられる。
【００４６】
＜水供給流路の構成＞
水供給流路１２は、貯水タンク（図示省略）に貯溜された純水あるいは浄化された水道水等の水を、ＣＯ除去器７及びＣＯ変成器６に送って、それらを冷却する冷却水として使用させた後、さらに、ボイラ８に送って水蒸気に蒸気化させて、気化器３に送るための流路である。この水供給流路１２は、上流側が、貯水タンク（図示省略）に接続され、下流側が、ＣＯ除去器７、ＣＯ変成器６及びボイラ８を介して気化器３に接続されている。
【００４７】
＜ボイラの構成＞
ボイラ８は、水供給流路１２から送られて来た水を加熱させて水蒸気を生成するための加熱装置である。ボイラ８は、上流側が、ＣＯ変成器６及びＣＯ除去器７に接続されて、ＣＯ変成器６及びＣＯ除去器７で熱交換した冷却水が流れて来るようになっている。ボイラ８の下流側は、気化器３に接続されている。
【００４８】
＜バーナの構成＞
バーナ９は、気化器３、水蒸気改質器４、ボイラ８、ＣＯ変成器６及びＣＯ除去器７を燃焼ガスによって加熱する燃焼装置である。このバーナ９は、灯油と、空気と、改質ガスと、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスと、が供給されるように配管が接続されて、燃料電池システム１の制御に合わせて制御装置（図示省略）によって選択された燃料を燃焼させるようになっている。バーナ９には、灯油が供給されるバーナ燃料供給路１４と、空気が供給される空気供給路１５と、アノードオフガスが供給されるアノードオフガス供給路１３と、ＣＯ除去器７を通過した改質ガスが供給される改質ガス供給路１６とが、接続されている。
【００４９】
＜インバータ及び制御装置の構成＞
インバータ（図示省略）は、燃料電池スタック１０で発電された直流電流を交流電流に変換する装置である。
制御装置（図示省略）は、燃料電池システム１の各部の動作を制御する装置である。制御装置は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成されている。なお、制御装置には、水蒸気改質器４内の触媒が灯油を改質可能な所定温度が記憶されていると共に、燃料ガスが燃料電池スタック１０で発電可能なＣＯ濃度以下に達した状態において、水蒸気改質器４、ＣＯ変成器６、ＣＯ除去器７から排出される燃料ガスの各温度が記憶されて、制御できるようになっている。
【００５０】
≪燃料電池スタックの動作≫
図１を参照して燃料電池スタック１０の動作を説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１において、灯油は、燃料タンク（図示省略）から燃料供給路１１に設置された脱硫器２を介して気化器３に流れて気化される。さらに、灯油は、水蒸気改質器４、ＣＯ変成器６、ＣＯ除去器７によって改質されて、一酸化炭素が除去された燃料ガス（水素）なる。燃料電池スタック１０は、その燃料ガスと、酸化剤ガス供給路から供給される酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって電力及び熱を発生する。
【００５１】
≪ＣＯ変成器の動作≫
さらに、前記ＣＯ変成器６の動作について詳述する。
図２に示すＣＯ変成器６を起動させる際には、加熱手段（図示省略）によって、シフト触媒Ｓを加熱し、それぞれの反応開始に適した温度まで昇温させる。
【００５２】
ＣＯ変成器６を平常運転させると、燃料ガスが流入口５１ａに供給されて、ガス拡散室５１ｅ内に分散するように広がる。ガス拡散室５１ｅ内の燃料ガスは、上流側の分散板５３のそれぞれの連通孔５３ａから触媒反応室５９内にシフト触媒Ｓが充填された触媒層５７内に略均一に入り込み、シフト触媒Ｓと反応して一酸化炭素が低減される。
【００５３】
この際、燃料ガスは、約２００〜３００℃の温度でケース体５１内に供給され、シフト反応により発熱する。触媒層５７内には、冷却管１２ａが配管されて、その中を水が流動している。このため、発熱した熱は、冷却管１２ａによって熱交換されて、約２００℃の温度に冷却される。この冷却された燃料ガスは、下流側の分散板５４の連通孔５４ａからガス収束室５１ｆに出て、流出口５１ｂから排出されてＣＯ除去器７に送られる。
【００５４】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、シフト触媒Ｓは、波状に形成された波形部５３ｂ，５４ｂの谷５３ｃ，５４ｃの半径ｒ１が、このシフト触媒Ｓの半径Ｒより大きく形成されていることよって、谷５３ｃ，５４ｃの底部に当接した状態に配置される。これに対して、連通孔５３ａ，５４ｂは、波形部５３ｂ，５４ｂの山５３ｄ，５４ｄと谷５３ｃ，５４ｃとの間の中間部５３ｅ，５４ｅに穿設されていることによって、球状粒のシフト触媒Ｓが、連通孔５３ａ，５４ａに当接せず、係合して連通孔５３ａ，５４ａを塞ぐことが抑制される。
このため、燃料ガスは、分散板５３，５４を通過する際に、連通孔５３ａ，５４ａがシフト触媒Ｓによって塞がれることがないので、連通孔５３ａ，５４ａ及び触媒層５７（図２参照）をスムーズに通過できる。その結果、シフト反応が良好に行われて、一酸化炭素が効率よく除去される。
【００５５】
図２に示すＣＯ変成器６から排出された燃料ガスは、ＣＯ除去器７（図１参照）によって、ＣＯ変成器６と同様に一酸化炭素がプロックス触媒で除去されると共に、冷却管１２ａにより熱交換されて、さらに、冷却された状態で燃料電池スタック１０に送られる。なお、ＣＯ除去器７（図１参照）は、ＣＯ変成器６と触媒が相違するだけで、内部構造が前記したＣＯ変成器６を同じであるため、燃料ガス中の一酸化炭素が前記同様に効率よく除去される。
【００５６】
このように、燃料電池システム１は、波状の分散板５３，５４を内設したＣＯ変成器６及びＣＯ除去器７を連設して、二度にわたって燃料ガス中の一酸化炭素の除去が効率よく行われると共に、燃料ガスの流れが良好である。このため、冷却管１２ａによる熱交換も良好に行われて、冷却効率を上昇させることができる。
【００５７】
≪第１変形例≫
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造及び変更が可能であり、本発明はこれら改造及び変更された発明にも及ぶことは勿論である。
【００５８】
前記実施形態では、図２に示すように、シフト触媒Ｓを、谷５３ｃ，５４ｃより小さく形成して、谷５３ｃ，５４ｃの底部に当接して支持されるようにすると共に、中間部５３ｅ，５４ｅに連通孔５３ａ，５４ａを設けた場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００５９】
図５は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の区画板の第１変形例を示す図であり、（ａ）は拡大平面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
【００６０】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、波状に形成された分散板５３Ａ，５４Ａは、波形部５３Ａｂ，５４Ａｂの谷５３Ａｃ，５４Ａｃの半径ｒ２を、シフト触媒Ｓの半径Ｒより小さく形成したものでもよい。この場合、連通孔５３Ａａ，５４Ａａは、谷５３Ａｃ，５４Ａｃの底部に設ける。また、連通孔５３Ａａ，５４Ａａは、波形部５３Ａｂ，５４Ａｂの谷５４Ａｃ，５４Ａｃに適宜な間隔で多数穿設させてもよい。この場合、連通孔５３Ａａ，５４Ａａの直径は、シフト触媒Ｓの直径２Ｒより小さく形成する。
【００６１】
このようにすれば、球状粒のシフト触媒Ｓは、シフト触媒Ｓは、中間部５３Ａｅ，５４Ａｅに当接して支持されると共に、シフト触媒Ｓの下端部と谷５３Ａｃ，５４Ａｃの底との間に隙間ができるため、燃料ガスの流動性が損なわれることがない。球状粒のシフト触媒Ｓが、連通孔５３Ａａ，５４Ａａに合致するように係合して、連通孔５３Ａａ，５４Ａａを塞ぐのを抑制することができる。
【００６２】
≪第２変形例≫
前記実施形態及び前記第１変形では、図４（ａ）、（ｂ）及び図５（ａ）、（ｂ）に示すように、連通孔５３ａ，５３Ａａ，５４ａ，５４Ａａを分散板５３，５３Ａ，５４，５４Ａに規則正しく並設した場合を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００６３】
図６は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの第２変形例を示すＣＯ変成器の中央縦断面図である。前記実施形態で説明したものは、同一符号を付してその説明を省略する。
図６に示すように、連通孔５３Ｂａ，５４Ｂａは、例えば、略均等な間隔で無作為に分散板５３Ｂ，５４Ｂの適宜な位置に多数穿設してもよい。つまり、連通孔５３Ｂａ，５４Ｂａは、波形部５３Ｂｂ，５４Ｂｂの谷５３Ｂｃ，５４Ｂｃと、山５３Ｂｄ，５４Ｂｄと、中間部５３Ｂｅ，５４Ｂｅと、にそれぞれ穿設してもよい。
【００６４】
このようにしても、燃料ガスは、前記分散板５３Ｂ，５４Ｂを通過する際に、連通孔５３Ｂａ，５４Ｂａが、波状の分散板５３Ｂ，５４Ｂの各所に形成されていることによって、球状粒のシフト触媒Ｓが連通孔５３Ｂａ，５４Ｂａに僅かに係合するものの、大部分のシフト触媒Ｓが、連通孔５３Ｂａ，５４Ｂａに係合しない。このため、殆どの連通孔５３Ｂａ，５４Ｂａが、シフト触媒Ｓによって塞がれないので、燃料ガスが連通孔５３Ｂａ，５４Ｂａ及び触媒層５７をスムーズに通過する。このため、シフト反応が良好に行われて、一酸化炭素が効率よく除去される。
【００６５】
＜その他の変形例＞
図７は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の分散板のその他の変形例を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は四角形の凹凸形状の分散板を示す要部拡大断面図、（ｃ）は三角形の凹凸形状の分散板を示す要部拡大断面図、（ｄ）は歯形状の分散板を示す要部拡大断面図である。
図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、分散板５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５４Ｃ，５４Ｄ，５４Ｅ，５４Ｆの波形部５３Ｃｂ，５３Ｄｂ，５３Ｅｂ，５３Ｆｂ，５４Ｃｂ，５４Ｄｂ，５４Ｅｂ，５４Ｆｂは、谷５３Ｃｃ，５３Ｄｃ，５３Ｅｃ，５３Ｆｃ，５４Ｃｃ，５４Ｄｃ，５４Ｅｃ，５４Ｆｃ及び山５３Ｃｄ，５３Ｄｄ，５３Ｅｄ，５３Ｆｄ，５４Ｃｄ，５４Ｄｄ，５４Ｅｄ，５４Ｆｄの形成が、三角形や四角形の形成された鋸刃や歯形状の凹凸であっても構わない。
つまり、波形部５３Ｃｂ，５３Ｄｂ，５３Ｅｂ，５３Ｆｂ，５４Ｃｂ，５４Ｄｂ，５４Ｅｂ，５４Ｆｂは、波状のものに限定されるものではなく、凹凸状であればよい。図７（ａ）〜（ｄ）に示すように形成しても、シフト触媒Ｓが、分散板５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５４Ｃ，５４Ｄ，５４Ｅ，５４Ｆに点接触して隙間ができるため、燃料ガスの通気性を良好に保つことができる。
【００６６】
なお、前記実施形態で説明した連通孔５３ａ，５４ａは、丸孔に限定されるものではなく、四角形や六角形や八角形等の多角形や、長孔や、その他の形状の孔であっても構わない。
シフト触媒Ｓも、球粒状に限定されるものではなく、粒状であればその他の形状のものであっても構わない。例えば、シフト触媒Ｓは、楕円球、扁平球、円柱状、円筒状、不定形の球状、一部に球面を有する粒状のものであっても構わない。
また、前記実施形態では、燃料改質装置Ａに供給する燃料として液体燃料である灯油の場合を例に挙げて説明したが、灯油に限定されず、例えば、都市ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）等の炭化水素燃料であっても対応が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料改質装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器を示す中央部概略縦断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の区画板の第１変形例を示す拡大斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の区画板を示す図であり、（ａ）は拡大平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の区画板の第１変形例を示す図であり、（ａ）は拡大平面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの第２変形例を示すＣＯ変成器の中央縦断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＣＯ変成器の分散板のその他の変形例を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は四角形の凹凸形状の分散板を示す要部拡大断面図、（ｃ）は三角形の凹凸形状の分散板を示す要部拡大断面図、（ｄ）は歯形状の分散板を示す要部拡大断面図である。
【図８】従来のＣＯ変成器の内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１      燃料電池システム
４      水蒸気改質器
６      ＣＯ変成器
７      ＣＯ除去器
１０    燃料電池スタック
１１    燃料ガス供給路
１１ａ  燃料ガス原料供給路
１１ｂ  燃料ガス供給路
１２    水供給流路
１２ａ  冷却管
５１    ケース体
５１ａ  流入口
５１ｂ  流出口
５２    区画板
５３，５３Ａ〜５３Ｆ，５４，５４Ａ〜５４Ｆ  分散板
５３ａ，５３Ａａ，５３Ｂａ，５４ａ，５４Ａ，５４Ｂａ  連通孔
５３ｂ，５３Ａｂ，５３Ｂｂ，５３Ｃｂ，５３Ｄｂ，５３Ｅｂ，５３Ｆｂ，５４ｂ，５４Ａｂ，５４Ｂｂ，５４Ｃｂ，５４Ｄｂ，５４Ｅｂ，５４Ｆｂ  波形部（凹凸部）
５３ｃ，５３Ａｃ，５３Ｂｃ，５３Ｃｃ，５３Ｄｃ，５３Ｅｃ，５３Ｆｃ，５４ｃ，５４Ａｃ，５４Ｂｃ，５４Ｃｃ，５４Ｄｃ，５４Ｅｃ，５４Ｆｃ  谷（凹部）
５３ｄ，５３Ａｄ，５３Ｂｄ，５３Ｃｄ，５３Ｄｄ，５３Ｅｄ，５３Ｆｄ，５４ｄ，５４Ａｄ，５４Ｂｄ，５４Ｃｄ，５４Ｄｄ，５４Ｅｄ，５４Ｆｄ  山（凸部）
５５    連結板
５６    支持板
５９    触媒反応室
ｒ１，ｒ２  谷の半径
Ｒ      触媒の半径
Ｓ      シフト触媒（触媒）
【図１】
2010092816.tif 000003
【図２】
2010092816.tif 000004
【図３】
2010092816.tif 000005
【図４】
2010092816.tif 000006
【図５】
2010092816.tif 000007
【図６】
2010092816.tif 000008
【図７】
2010092816.tif 000009
【図８】
2010092816.tif 000010