(57)【要約】【課題】原燃料によらず、必要燃料の増大を招くことなく、コンパクトな固体高分子型燃料電池の燃料改質装置を得ることを目的とする。【解決手段】改質用燃料と水蒸気を混合した混合燃料を、通過させることにより改質反応によって得られる一酸化炭素を含む改質ガスを外部に取出し可能な同心円筒状の改質触媒層と、該改質触媒層を包囲するように形成された流路形成部材とからなる改質器と、前記改質器の流路形成部材の外周側に配設され、該流路形成部材内の改質ガスを導く円筒状の隔壁と、該隔壁内部に配設され、管内に改質触媒層導入前の混合燃料を通過させることで管外の改質ガスを冷却する伝熱管からなる一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、を具備し、これらの全構成を一体化した固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用燃料と水蒸気を混合した混合燃料を、通過させることにより改質反応によって得られる一酸化炭素を含む改質ガスを外部に取出し可能な同心円筒状の改質触媒層と、該改質触媒層を包囲するように形成された流路形成部材とからなる改質器と、
前記改質器の流路形成部材の外周側に配設され、該流路形成部材内の改質ガスを導く円筒状の隔壁と、該隔壁内部に配設され、管内に改質触媒層導入前の混合燃料を通過させることで管外の改質ガスを冷却する伝熱管からなる一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、
を具備し、これらの全構成を一体化したことを特徴とする固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項２】
前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器に近接して配設され、外形形状が円柱に形成され、該一酸化炭素変成触媒層入口冷却器で冷却された改質ガスを流通させる第１段の一酸化炭素変成触媒層と、
前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の外周面に同心円筒状に配設された一酸化炭素変成触媒層中間冷却器 及び第２の一酸化炭素変成触媒層と、
をさらに具備し、前記改質器からの改質ガスを前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２の一酸化炭素変成触媒層の順序で流通するようにしたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項３】
前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器に近接して配設され、外形形状が円柱に形成され、該一酸化炭素変成触媒層入口冷却器で冷却された改質ガスを流通させる第１段の一酸化炭素変成触媒層と、
前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の外周面に、同心円筒状に配設され、一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び第２の一酸化炭素変成触媒層並びに一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と、
をさらに具備し、前記改質器からの改質ガスを前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器と、前記第２の一酸化炭素変成触媒層及び前記一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器の順序で流通するようにしたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項４】
前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の外周面と前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２段の一酸化炭素変成触媒層容器の内周面との間に、断熱層を形成したことを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項５】
前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の外周面と前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２段の一酸化炭素変成触媒層容器並びに前記一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器の内周面との間に、断熱層を形成したことを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項６】
前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器に近接して配設され、該一酸化炭素変成触媒層入口冷却器で冷却された改質ガスを流通させる外形形状が直方体の第１段の一酸化炭素変成触媒層と、
前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の対向する面に夫々当接するように配設され、外形形状が夫々直方体の一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と、
前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器に当接するように配設され、外形形状が直方体の第２段の一酸化炭素変成触媒層と、
前記一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器に当設するように配設され、外形形状が直方体の一酸化炭素選択酸化触媒層と、
をさらに具備し、前記改質器からの改質ガスを前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２段の一酸化炭素変成触媒層及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と一酸化炭素選択酸化触媒層の順序で流通するようにしたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項７】
前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器に近接して配設され、該一酸化炭素変成触媒層入口冷却器で冷却された改質ガスを流通させる外形形状が直方体の第１段の一酸化炭素変成触媒層と、
前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の対向する面に夫々当接するように配設され、外形形状が夫々直方体の一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と、
前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器に当接するように配設され、外形形状が直方体の第２段の一酸化炭素変成触媒層と、
前記一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器に当接するように配設され、外形形状が直方体の一酸化炭素選択酸化触媒層と、
前記一酸化炭素選択酸化触媒層に近接するように配設され、外形形状が直方体の一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器と、
をさらに具備し、前記改質器からの改質ガスを前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２の一酸化炭素変成触媒層及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と一酸化炭素選択酸化触媒層並びに一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器の順序で流通するようにしたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項８】
内部に高温の燃焼ガスが導入され、筒部を含む燃焼空間容器と、
前記燃焼空間容器内に設置され、前記燃焼ガスの熱を輻射伝熱させるための輻射伝熱部及び前記筒部との間に燃焼ガス流路を形成して対流伝熱部を構成すると共に、蒸発器設置空間を構成し、前記燃料ガスを通さず、且つ断熱作用のあるガス流路構成部材と、
前記ガス流路構成部材の蒸発器設置空間内に設置され、前記対流伝熱部を通じて流通させた高温の燃料ガスをその外周面を流通させることで、その内部を流通する水を水蒸気にする蒸発器と、
前記燃焼空間容器であって前記蒸発器の設置されている壁面を貫通するように形成され、前記蒸発器の周囲に存在する燃焼排ガスを該燃焼空間容器外部の所望の位置に導く排ガス流路と、
改質用燃料と水蒸気を混合した混合燃料を、改質触媒層に通過させることにより得られる改質反応によって得られる一酸化炭素を含む改質ガスを外部に取出し可能で外周面の少なくとも一部が円弧面に形成された改質器と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項９】
前記燃焼空間容器内であって、前記蒸発器と前記排ガス流路との間に設置され、前記ガス流路構成部材と前記燃焼空間容器の筒部の間に存在する燃料ガスを、まず前記蒸発器の周囲に導入し次に前記排ガス導管に順次導く隔壁と、
を具備したことを特徴とする請求項８記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【請求項１０】
改質用燃料と水蒸気を混合した混合燃料を、改質触媒層に通過させることにより得られる改質反応によって得られる一酸化炭素を含む改質ガスを外部に取出し可能な改質器と、
前記改質器からの一酸化炭素を取り込み、水性ガスシフト反応により一酸化炭素の濃度を下げる一酸化炭素変成器と、
一酸化炭素選択酸化触媒層と該触媒層を冷却する一酸化炭素選択酸化触媒層冷却器を備え、前記一酸化炭素変成器で一酸化炭素が低濃度に下げられた改質ガスを、該一酸化炭素選択酸化触媒層に取り込み、該改質ガスに空気又は酸素又は燃焼ガスを混入し、酸化反応させることにより、該一酸化炭素の濃度を下げる一酸化炭素選択酸化反応器と、
を具備し、
前記一酸化炭素選択酸化触媒層を少なくとも２分割し、各分割された一酸化炭素選択酸化触媒層のうち入口側及び出口側並びに該入口側と該出口側の中間位置側に配設される一酸化炭素選択酸化触媒層を冷却するための入口冷却器、出口冷却器及び中間冷却器に使用する冷却媒体として、燃料電池本体の冷却水の一部を供給することを特徴とする固体高分子型燃料電池の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置は、一例として、図２０に示すように、改質器Ａ、一酸化炭素変成器Ｂ、一酸化炭素選択酸化反応器Ｃから構成されている。
【０００３】
改質器Ａには、次のようにして得られる水蒸気６が供給される。すなわち、気液分離器２６内の水５を蒸発器（水蒸気発生器）１３に導入し、該水を一部蒸発させて得られる水・蒸気混合物４を、気液分離器２６内に導入し、ここで水７と水蒸気６とに分離する。
【０００４】
改質器Ａは、以上のようにして得られる水蒸気６と、例えば天然ガスからなる改質用燃料８とを混合して、改質触媒層１４に導入する。改質触媒層１４の中を燃料８が通過する間に、燃料８と水蒸気が反応し、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する、いわゆる改質反応を起こす。この改質反応は吸熱反応であるため、図示しない燃料電池本体の燃焼用燃料（排ガス）に残っている水素を、改質器付属の燃焼器１０で燃焼して、燃焼空間容器９内で熱を発生させ、この熱を改質器内の改質触媒層１４に伝えて改質反応を起こさせる。
【０００５】
燃焼空間容器９内には、高温燃焼ガスによるふく射伝熱部９１と、高・中温燃焼ガスによる対流伝熱部９２を構成するためのセンタープラグ１１が設置されている。
【０００６】
また、固体高分子型燃料電池の燃料改質装置においては、改質反応で生成する一酸化炭素は、極微量でも、燃料電池本体の性能を著しく低下させるため、取り除く必要がある。そのため、従来の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置では一酸化炭素変成触媒層２７と、例えば螺旋状に巻かれた伝熱管で構成される一酸化炭素変成触媒層埋込冷却器２８とからなる一酸化炭素変成器Ｂが、改質器Ａの下流に設置されている。一酸化炭素変成触媒層２７内では、一酸化炭素と水蒸気が反応し、水素と二酸化炭素とが生成する反応が起こる。この反応は発熱反応であるため、その熱を除去するための冷却器２８が触媒層２７に埋設する形で導入されている。
【０００７】
さらに、改質触媒層１４を出た後の燃料ガスは高温であるため、そのままでは一酸化炭素の変成反応には適さないので、一酸化炭素変成触媒層２７の前に、一酸化炭素変成器入口冷却器（一酸化炭素変成触媒層前置冷却器）１６が設置される。一酸化炭素変成触媒層２７で、反応し残った一酸化炭素をさらに除去するため、一酸化炭素選択酸化触媒層２９と一酸化炭素選択酸化触媒層埋込冷却器３０とからなる一酸化炭素選択酸化反応器Ｃが、一酸化炭素変成器Ｂの下流に設置される。
【０００８】
一酸化炭素選択酸化触媒層２９に入る前に、空気２が改質燃料に混入され、一酸化炭素選択酸化触媒層２９のなかで空気中の酸素と一酸化炭素が選択的に反応して二酸化炭素となり、一酸化炭素が１０ｐｐｍ以下の濃度まで低減される。このとき、水素も酸素と反応して水蒸気を作るが、空気量と触媒層の温度を適度な値に調整すれば触媒の作用により水素の反応は少なく抑さえることができる。
【０００９】
一酸化炭素選択酸化反応は発熱反応であり、発生した熱を除去し、温度を適正値に保つため冷却器３０が触媒層２９内に埋設する形で導入されている。また、一酸化炭素変成触媒層２７を通過したガスを、一酸化炭素選択酸化触媒層２９に直接流通すると一酸化炭素選択酸化反応に適さないため、一酸化炭素選択酸化反応触媒層２９の入口に冷却器２０が取り付けられて、温度を低下させてからのち、一酸化炭素選択酸化触媒層２９に供給される。
【００１０】
このようなシステムを一つの機器として複合一体化するための方法として、例えば特許文献１、特許文献２などに積層型構造が記載されている。これらの方法では、例えば原燃料としてメタノールを使用したような場合で、改質器及び一酸化炭素反応器が２００〜３００℃、一酸化炭素選択反応器が１５０℃、蒸発器が１００〜１５０℃とすべての機器の動作温度が低く、各要素間の温度差も小さい場合に限り、機器を燃焼器、改質器・一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化反応器と順次積層して配置することにより、蒸発器での熱回収、改質器での吸熱反応、及び一酸化炭素変成器と一酸化炭素選択酸化反応器の発熱反応を効果的に利用することができ、メタノールなどを水蒸気改質させる機能を有する改質装置を提供することが可能であった。
【特許文献１】特開平７─１２６００１号公報
【特許文献２】特開平７─１３３１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
固体高分子型燃料電池などの低温で触媒を用いて水素と酸素の反応から電気を作る本体部分は、他の燃料電池、たとえば、リン酸型燃料電池の本体部分に比べてコンパクトにでき、かつ、動作温度が低いため、家庭用発電装置や、自動販売機などへの適用が期待されている。
【００１２】
しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置では、上記のように、各反応器に必要な温度レベルが異なっているため、改質器、一酸化炭素変成器入口冷却器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化反応器入口冷却器、一酸化炭素選択酸化反応器を個別に設置し、それぞれを配管で接続していたため、装置が大きかった。
【００１３】
また、一酸化炭素選択酸化反応器は、他の燃料電池の燃料改質装置には必要のない、低温で動作させる燃料電池の燃料改質装置特有の反応器であり、一酸化炭素選択酸化反応器とその冷却装置が必要であるために、固体高分子型燃料電池の燃料改質装置は小さくすることが困難であった。
【００１４】
従って、燃料改質装置を小さくすることは、固体高分子型燃料電池の実用化の上で解決しなければならない重要課題の一つになっている。また、コンパクト化することによって固体高分子型燃料電池システムのシステム効率が下がり、同じ発電量に対して燃料が多く必要となるようなことがあってはならない。
【００１５】
前述した第１の公知例、第２の公知例などに記載された積層型構造による複合一体型燃料電池改質装置では、原燃料としてメタノールなどの液体燃料を使用することを想定している。このため、改質器及び一酸化炭素反応器は２００〜３００℃、一酸化炭素選択反応器は１５０℃、蒸発器は１００〜１５０℃であり動作温度が低く各要素間の温度差も少ない。このため、積層型構造にしてコンパクト化しても改質装置としての機能を果たすことが可能である。
【００１６】
一方、メタンやプロパン等の原燃料を水蒸気改質させる場合、反応器の動作温度は、改質器が７００〜７５０℃、一酸化炭素変成器が２００〜３００℃、一酸化炭素選択酸化反応器が１５０℃であり、改質器の動作温度が高いだけでなく、各要素間の温度差が大きい。このため、第１の公知例、第２の公知例などに記載された積層型構造では、メタンやプロパンを適用した場合、改質器から一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化反応器への熱移動量が多くなり、一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化反応器を適正な温度に保つことが困難となるおそれがあった。
【００１７】
積層型構造では、この熱移動を抑制するためには改質器と一酸化炭素変成器又は一酸化炭素選択酸化反応器との間に断熱層を設けるか、冷却のための手段を設ける必要がある。この場合、前者はコンパクト化を阻害し、後者もコンパクト化を阻害する上、方法によってはシステム効率を損なうこととなる。
【００１８】
また、前述の公知例に係る改質装置では、各反応器側面は外気と接触するため、放熱を抑制するためには断熱層が必要になる。しかしながら運転温度が７００〜７５０℃である改質反応器からの放熱を他の反応器と同レベルに抑制するためには、他の反応器に比べ数倍の断熱層を要し、コンパクト化を阻害する。かつこれらの放熱が熱回収されることはないため、熱効率を高めることは困難である。放熱は反応器が高温化するほど大きいので、特にメタンやプロパンを適用して改質反応を高温化した場合に熱効率の低下はより顕著になるおそれがある。従って、動作温度の最も高い改質器に燃料電池排ガスに含まれる水素、メタンをバーナで燃焼させて熱を供給し、バーナ排ガス残熱量で水を蒸発させる一方、改質装置プロセス側ガスは改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化反応器の順に動作温度を低下させるための冷却器を設置し、しかも効果的に冷却器で熱を回収すると共に反応器の放熱も回収してシステムの効率を上げ、かつコンパクト化が可能な技術が必要となる。
【００１９】
本発明はこのような課題を解決するためなされたもので、原燃料によらず、必要燃料の増大を招くことなく、コンパクトな固体高分子型燃料電池の燃料改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、改質用燃料と水蒸気を混合した混合燃料を、通過させることにより改質反応によって得られる一酸化炭素を含む改質ガスを外部に取出し可能な同心円筒状の改質触媒層と、該改質触媒層を包囲するように形成された流路形成部材とからなる改質器と、前記改質器の流路形成部材の外周側に配設され、該流路形成部材内の改質ガスを導く円筒状の隔壁と、該隔壁内部に配設され、管内に改質触媒層導入前の混合燃料を通過させることで管外の改質ガスを冷却する伝熱管からなる一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、を具備し、これらの全構成を一体化したことを特徴とする固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００２１】
請求項１に対応する発明によれば、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設して冷却する場合に比べて、触媒層内で局所的に高温となる部分が少なくなるので、触媒量が必要最低限で済み、装置全体をコンパクト化することができる。
【００２２】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器に近接して配設され、外形形状が円柱に形成され、該一酸化炭素変成触媒層入口冷却器で冷却された改質ガスを流通させる第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の外周面に同心円筒状に配設された一酸化炭素変成触媒層中間冷却器 及び第２の一酸化炭素変成触媒層と、をさらに具備し、前記改質器からの改質ガスを前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２の一酸化炭素変成触媒層の順序で流通するようにしたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００２３】
請求項２に対応する発明によれば、改質器、一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化反応器、一酸化炭素変成器入口冷却器、一酸化炭素選択酸化反応器入口冷却器を円筒状に複合一体化しても、一酸化炭素選択酸化反応器に空気を均一に供給することができるため、燃料改質装置をコンパクト化することができる。
【００２４】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器に近接して配設され、外形形状が円柱に形成され、該一酸化炭素変成触媒層入口冷却器で冷却された改質ガスを流通させる第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の外周面に、同心円筒状に配設され、一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び第２の一酸化炭素変成触媒層並びに一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と、をさらに具備し、前記改質器からの改質ガスを前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器と、前記第２の一酸化炭素変成触媒層及び前記一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器の順序で流通するようにしたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００２５】
請求項３に対応する発明によれば、改質器、一酸化炭素変成器  、一酸化炭素選択酸化反応器、一酸化炭素変成器入口冷却器、一酸化炭素選択酸化反応器入口冷却器を複合一体化して、高い温度レベルを持つ改質器と低い温度レベルを持つ一酸化炭素変成器を隣接して配置しても、両者間の熱移動を抑止でき、さらに、高い温度レベルの改質器と低い温度レベルの一酸化炭素変成器で生じる熱膨張による伸び差を吸収することができ熱応力を低減することができるため構造・強度上の課題も解決することができるので、燃料改質装置を小さくすることができる。
【００２６】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の外周面と前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２段の一酸化炭素変成触媒層容器の内周面との間に、断熱層を形成したことを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００２７】
請求項４に対応する発明によれば、改質ガスを冷却できると同時に、水蒸気と燃料の混合物を改質器にいれる前に加熱することになるので熱回収が実現できる。従って、燃料電池システムの発電効率を下げることなく、燃料改質系をコンパクト化することができる。
【００２８】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の外周面と前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２段の一酸化炭素変成触媒層容器並びに前記一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器の内周面との間に、断熱層を形成したことを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００２９】
請求項５に対応する発明によれば、水・水蒸気の混合物を加熱して熱回収できるので、燃料電池システムの発電効率を下げることなく、燃料改質系をコンパクト化することができる。
【００３０】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器に近接して配設され、該一酸化炭素変成触媒層入口冷却器で冷却された改質ガスを流通させる外形形状が直方体の第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の対向する面に夫々当接するように配設され、外形形状が夫々直方体の一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器に当接するように配設され、外形形状が直方体の第２段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器に当設するように配設され、外形形状が直方体の一酸化炭素選択酸化触媒層と、をさらに具備し、前記改質器からの改質ガスを前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２段の一酸化炭素変成触媒層及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と一酸化炭素選択酸化触媒層の順序で流通するようにしたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００３１】
請求項６に対応する発明によれば、新たに冷却媒体を用意することなく、また同時に熱回収もできるので、燃料電池システム全体の発電効率を下げることなく、燃料改質装置をコンパクト化することができる。
【００３２】
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器に近接して配設され、該一酸化炭素変成触媒層入口冷却器で冷却された改質ガスを流通させる外形形状が直方体の第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層の対向する面に夫々当接するように配設され、外形形状が夫々直方体の一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器に当接するように配設され、外形形状が直方体の第２段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器に当接するように配設され、外形形状が直方体の一酸化炭素選択酸化触媒層と、前記一酸化炭素選択酸化触媒層に近接するように配設され、外形形状が直方体の一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器と、をさらに具備し、前記改質器からの改質ガスを前記一酸化炭素変成触媒層入口冷却器と、前記第１段の一酸化炭素変成触媒層と、前記一酸化炭素変成触媒層中間冷却器及び前記第２の一酸化炭素変成触媒層及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器と一酸化炭素選択酸化触媒層並びに一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器の順序で流通するようにしたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００３３】
前記目的を達成するため、請求項８に対応する発明は、内部に高温の燃焼ガスが導入され、筒部を含む燃焼空間容器と、前記燃焼空間容器内に設置され、前記燃焼ガスの熱を輻射伝熱させるための輻射伝熱部及び前記筒部との間に燃焼ガス流路を形成して対流伝熱部を構成すると共に、蒸発器設置空間を構成し、前記燃料ガスを通さず、且つ断熱作用のあるガス流路構成部材と、前記ガス流路構成部材の蒸発器設置空間内に設置され、前記対流伝熱部を通じて流通させた高温の燃料ガスをその外周面を流通させることで、その内部を流通する水を水蒸気にする蒸発器と、前記燃焼空間容器であって前記蒸発器の設置されている壁面を貫通するように形成され、前記蒸発器の周囲に存在する燃焼排ガスを該燃焼空間容器外部の所望の位置に導く排ガス流路と、改質用燃料と水蒸気を混合した混合燃料を、改質触媒層に通過させることにより得られる改質反応によって得られる一酸化炭素を含む改質ガスを外部に取出し可能で外周面の少なくとも一部が円弧面に形成された改質器と、を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００３４】
前記目的を達成するため、請求項９に対応する発明は、前記燃焼空間容器内であって、前記蒸発器と前記排ガス流路との間に設置され、前記ガス流路構成部材と前記燃焼空間容器の筒部の間に存在する燃料ガスを、まず前記蒸発器の周囲に導入し次に前記排ガス導管に順次導く隔壁と、を具備したことを特徴とする請求項８記載の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【００３５】
前記目的を達成するため、請求項１０に対応する発明は、改質用燃料と水蒸気を混合した混合燃料を、改質触媒層に通過させることにより得られる改質反応によって得られる一酸化炭素を含む改質ガスを外部に取出し可能な改質器と、前記改質器からの一酸化炭素を取り込み、水性ガスシフト反応により一酸化炭素の濃度を下げる一酸化炭素変成器と、一酸化炭素選択酸化触媒層と該触媒層を冷却する一酸化炭素選択酸化触媒層冷却器を備え、前記一酸化炭素変成器で一酸化炭素が低濃度に下げられた改質ガスを、該一酸化炭素選択酸化触媒層に取り込み、該改質ガスに空気又は酸素又は燃焼ガスを混入し、酸化反応させることにより、該一酸化炭素の濃度を下げる一酸化炭素選択酸化反応器と、を具備し、前記一酸化炭素選択酸化触媒層を少なくとも２分割し、各分割された一酸化炭素選択酸化触媒層のうち入口側及び出口側並びに該入口側と該出口側の中間位置側に配設される一酸化炭素選択酸化触媒層を冷却するための入口冷却器、出口冷却器及び中間冷却器に使用する冷却媒体として、燃料電池本体の冷却水の一部を供給することを特徴とする固体高分子型燃料電池の燃料改質装置である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、温度レベルの高いものを中心に、徐々に温度レベルの低い機器を周囲に配置していくことにより、各機器間の温度勾配が平準化され、各機器間の熱移動が少なくなる。このため、各機器を単独に設置し、しかも断熱材によって保温した上でこれら各機器を配管でつながなくても、機器を複合一体化してコンパクトにすることができる上、各反応器の運転温度を適正に保つことができる。しかも、内側の高温の反応器から外側に伝わる熱は、その外側の反応器の温度維持に利用されるので、熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第１の実施形態を説明するためのものであって、円筒状の装置の垂直断面を図示したものである。図１に示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置は、概略改質器Ａ、一酸化炭素変成器Ｂ、一酸化炭素選択酸化反応器Ｃ、一酸化炭素変成器入口冷却器１６、一酸化炭素選択酸化反応器入口冷却器２０から構成されている。
【００３８】
改質器Ａは、円筒体９ａの両端開口部が蓋部材９ｂ及び底面部材９ｃにより閉塞され、内部にふく射伝熱部９１及び対流伝熱部９２を構成するための燃焼空間容器９と、円筒体９ａの外周面及び蓋部材９ｂと底部材９ｃの間に配設固定された円筒状の隔壁３７と、隔壁３７の外周側であって該隔壁３７と所定の間隔を存して底部材９ｃに配設固定した円筒状の隔壁３８と、隔壁３８の内周面と隔壁３７の外周面の間に配設された円筒状の改質触媒層１４と、改質触媒層１４の下部位置及び上部に配設され、隔壁３８と隔壁３７の所定位置それぞれ配設固定された隔壁３９，４０と、改質触媒層１４の下端部側の一部に形成され、例えば天然ガスからなる改質用燃料８並びに改質用蒸気６を改質触媒層１４内に導くガス導入口４１と、隔壁４０の上方及び改質触媒層１４と隔壁３８の外周部並びに改質触媒層１４の上方（ガス導入口４１の形成されている部分と反対側）であって、蓋部材９ｂに固定され、再生流路（再生室）１５を形成するための円筒状であって一端部側開口部に内側に伸びるフランジを有する円筒状の流路形成部材３２とからなっている。
【００３９】
流路形成部材３２の外周側に間隙（断熱層）２５を形成するように配設され、円筒体の一端部開口に外周側に伸びるフランジを有し、流路形成部材３２の下端部に接合される隔壁３３と、隔壁３３の内周面の下方側に配設されると共に、例えば、螺旋状に巻かれた伝熱管などにより構成される一酸化炭素変成入口冷却器１６と、隔壁３３の内周面の上方側に配設される第１段の一酸化炭素変成触媒層１７と、一酸化炭素変成触媒層１７及び一酸化炭素変成入口冷却器１６の外周面に配設され、底部材９ｃと接合された底部材４２に一端部が固定された円筒状の隔壁３４と、隔壁３４の外周面の上方側に配設され例えば、螺旋状に巻かれた伝熱管などにより構成される一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８と、隔壁３４の外周面の下方側に配設され、円筒状の第２段の一酸化炭素変成触媒層１９と、冷却器１８及び一酸化炭素変成触媒層１９の外周面に配設され、隔壁３３のフランジに一端部が固定された円筒状の隔壁３５と、隔壁３５の外周面であって下方側から上方にかけて円筒状の一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器（一酸化炭素選択酸化触媒層前置冷却器）２０と、円筒状の第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１と、円筒状の一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２と、円筒状の第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２３と、円筒状の一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器（一酸化炭素選択酸化触媒層後置冷却器）２４と、冷却器２０と一酸化炭素選択酸化触媒層２１と一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２と一酸化炭素選択酸化触媒層２３と冷却器２４の外周面に配設され、両端部が隔壁３３のフランジ及び底部材４２にそれぞれ固定される円筒状の隔壁３６からなっている。隔壁３６の外周面には、以下に述べるように空気ヘッダ６２１，６２２が配設される。
【００４０】
なお、冷却器２０，２２，２４は、いずれも例えば螺旋状に巻かれた伝熱管などにより構成される。
【００４１】
この場合、一酸化炭素変成器Ｂは一酸化炭素変成触媒層１７及び一酸化炭素変成触媒層１９と隔壁３３，３４，３５とからなっている。また、一酸化炭素選択酸化反応器Ｃは、後述するように一酸化炭素選択酸化触媒層２１，２３及び空気ヘッダ６２１，６２２とからなっている。
【００４２】
燃焼空間容器９内には、断面コ字状のセンタープラグ１１が配設され、センタープラグ１１の下部空間には円筒状の隔壁１２並びに蒸発器（蒸気発生器）１３が配設されている。燃焼空間容器９の上部の蓋部材９ｂには、燃焼器１０が配設され、燃焼器１０により燃料電池本体の燃焼用燃料１に空気２を供給して燃焼用燃料１を燃焼した燃焼ガスをふく射伝熱部９１に供給されるようになっている。
【００４３】
また、改質冷媒層１４の導入口４１には、気液分離器２６で分離された改質用水蒸気６が改質用燃料８と共に供給され、気液分離器２６には蒸発器１３からの水４が供給されるようになっている。
【００４４】
以下、このように構成された第１の実施形態の動作について説明する。図示しない燃料電池本体の燃焼用燃料１を燃焼器１０に導入して燃焼空間容器９内で燃焼して１０００℃以上の高温の熱を発生させる。燃焼ガスは改質触媒層１４に熱を伝え、燃焼ガス自らは温度が下がった状態で排出され、蒸発器１３の熱源として利用されてから後燃焼排ガス３として排気される。
【００４５】
このとき、燃焼空間容器９内にセンタープラグ１１が設置されているので、改質器Ａへの伝熱がふく射伝熱と対流伝熱によって効果的に行われる。
【００４６】
一方、例えば天然ガスなどの改質用燃料８は気液分離器２６で発生した水蒸気６と混合された後、ほぼ大気圧の状態で改質触媒層１４に流通される。改質触媒層１４内では、先に述べた燃焼ガスの熱を受けて改質反応が起こり、燃料はほぼ１００％反応して水素、一酸化炭素、二酸化炭素が生成する。これらの成分と、反応に用いられなかった水蒸気とを含む改質ガスは高温であるため、再生流路１５を通過する間に改質触媒層１４と熱交換し、排熱が回収される。
【００４７】
再生流路１５を通過した直後の改質ガスは、まだ４００℃〜５００℃程度の高温であるため、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７に入る前に、冷却器１６の周囲を通過し、２００℃〜３００℃に冷却される。冷却されて温度の下がった改質ガスは、一酸化炭素変成触媒層１７に流通され、この内部で改質触媒層１４で発生した一酸化炭素と水蒸気が反応して、二酸化炭素と水素が生成するいわゆるシフト反応が生じる。この反応は発熱反応であるため、触媒層を通過する間に改質ガスは温度が上昇し、一酸化炭素変成触媒層１７を出る時には、反応はほぼ平衡状態に達する。
【００４８】
第１段の一酸化炭素変成触媒層１７を通過した改質ガスは、冷却器１８の周囲を通過する間に冷却されて、温度が下がり、再びシフト反応に適した状態となる。冷却された改質ガスは、温度低下に伴い平衡濃度が下がるので、その後、第２段の一酸化炭素変成触媒１９を流通する間に再びシフト反応が進行し、温度上昇しつつ、一酸化炭素濃度が低下し、５０００ｐｐｍ程度の濃度になる。その後、改質ガスには空気導入ヘッダ６２から細孔６４を通して微量の空気が混入された後、冷却器２０の周囲を通過して温度が低下した状態で、第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１に流入する。
【００４９】
一酸化炭素選択酸化触媒層２１を通過する間に改質ガス中の一酸化炭素は空気中の酸素と反応して二酸化炭素となる。この反応は発熱量の大きい反応であり、改質ガスは急激に温度上昇する。その後、冷却器２２によって冷却された後、空気導入ヘッダ６２２から再び微量の空気が混入された後、第２段の一酸化炭素選択酸化触媒２３を流通する間に再び選択酸化反応が進み、温度上昇しつつ一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ以下となる。その後、改質ガスは、冷却器２４により冷却されて図示しない燃料電池本体に供給される。
【００５０】
以上述べた第１の実施形態によれば、燃焼空間容器９を中心に、改質触媒層１４、再生流路１５、断熱層２５、一酸化炭素変成触媒層１７、１９、一酸化炭素選択酸化触媒層２１、２３の順に外側に向かって並べると、温度の高いものが中心にあり、周囲に向かって次第に温度が低くなるようになるので、他の並べ方にした場合に比べて各要素間の温度差が最小となるので、要素間の熱リークが最小となり、各要素を隣接して設置しても各触媒層における反応効率が最大となる温度レベルを確保することができ、燃料の改質機能を保持できる。この結果として、燃料改質装置を一体化でき、コンパクト化することができる。
【００５１】
またこのような構成にすることにより、一番外側に最も温度の低い要素である一酸化炭素選択酸化反応器（一酸化炭素選択酸化触媒層２１、２３、空気ヘッダ６２１、６２２）Ｃが設置されるので、熱損失を最小限にとどめることができ、よって、固体高分子型燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００５２】
さらに、図１に示される通り、燃焼空間容器９内のセンタープラグ１１の一部を切り取ってあいた部分に例えば螺旋状の伝熱管などからなる蒸発器（蒸気発生器）１３を設置することもできる。この場合には、蒸発器１３も含めて一体化されるので装置全体をさらにコンパクトにすることができる。
【００５３】
また、図１に示される通り、燃焼空間容器９内のセンタープラグ１１の下部に空間を形成し、この空間に円筒状の隔壁１２を設置すると共に、隔壁１２外周面とセンタープラグ１１の間に、図示のように蒸発器１３を設置すれば、改質器Ａへの伝熱を阻害するとなく、改質性能は維持されるので、装置全体をコンパクト化した上に、固体高分子型燃料電池の発電効率を上げることができる。
【００５４】
さらに、図１に示される通り、一酸化炭素変成触媒層として第１段及び第２段の一酸化炭素変成触媒層１７及び１９に分けてその中間に冷却器１８を配置することにより、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設する必要がなくなり、触媒層幅を狭くすることができるので、固体高分子型燃料電池の燃料改質装置を小さくすることができる。このとき、触媒層をさらに細かく分割して、冷却器をそれぞれの中間に設けても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００５５】
また、図１に示される通り、一酸化炭素選択酸化触媒として第１段及び第２段の一酸化炭素選択酸化触媒２１及び２３に分けて冷却器２２をその中間に配置することにより、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設して冷却する場合に比べて、触媒層内で局所的に高温となる部分が少なくなるので、触媒量が必要最低限で済み、装置全体をコンパクト化することができる。このとき、触媒層をさらに細かく分割して冷却器をそれぞれの中間に設ければ、さらに局所的な高温部が少なくなることはいうまでもない。
【００５６】
さらに、図１に示す通り、一酸化炭素選択酸化触媒層２３の下流に冷却器２４を配置することにより、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設して冷却する場合に比べて、触媒層内で局所的に高温となる部分が少なくなるので、触媒量が必要最低限で済み、装置全体をコンパクト化することができる。
【００５７】
また、図１に示す通り、改質器Ｃと一酸化炭素変成器Ｂとの間に間隙（断熱層）２５が形成されているので、通常５００℃〜１０００℃の高温となる改質器部分と、他の１００℃から３００℃程度の温度の一酸化炭素変成器Ｂや一酸化炭素選択酸化反応器Ｃを隣接して設置しても、両者を熱的に分離できるので、熱リークによる冷却器１６、１８、２０、２２、２４の負荷増加がなく、冷却器を小さくすることができる。さらに、高い温度レベルの改質器と低い温度レベルの一酸化炭素変成器Ｂで生じる隔壁の熱膨張による伸び差を吸収することができ、熱応力を低減することができるため、構造・強度上の課題も解決することができるので、燃料改質装置を小さくすることができる。
【００５８】
さらに、図１に示す実施形態において、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７の上流の冷却器１６の内部に、改質用燃料８と改質用蒸気６の混合物を流通することもできる。このような構成にすることによって改質ガスを冷却するとともに熱回収を行うこともできるので、燃料電池システムのシステム効率を高めることができる
また、図１に示す実施形態において、一酸化炭素変成触媒層に中間に設置された冷却器１８の内部に、例えば蒸発器１３を出たあとの気液混合物を流通することもできる。このような構成にすることによって改質ガスを冷却すると共に、熱回収も行うことができるので燃料電池システムのシステム効率を高めることができる。
【００５９】
さらに、図１に示す実施形態において、一酸化炭素選択酸化触媒層の冷却器２０、２２、２４を一本の伝熱管で一体に構成することもでき、その内部には例えば、電池本体の冷却水の一部を用いることもできる。このような構成にすることによって、新たに冷却媒体を用意することなく、冷却と同時に熱回収することができるので燃料電池システムの発電効率を上げることができる。
【００６０】
図２は、図１の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置における一酸化炭素選択酸化反応器Ｃへの空気導入ヘッダ部分６２のみの水平断面を描いた概略図で、図では第２段の一酸化炭素変成触媒層１９の含まれる流路より内側の部分は省略してある。空気２は空気導入管６８により空気導入ヘッダ６２に１箇所から導入される。空気ヘッダ６２と一酸化炭素選択酸化触媒層を含む円環状流路６５との間の空気ヘッダ内壁（隔壁）６３には、少なくとも８箇所の細孔６４が設けられる構成となっている。
【００６１】
空気ヘッダ外壁６１の一部に貫通固定された空気導入管６８から通空気ヘッダ６２に導入された空気は、空気ヘッダ６２から細孔６４を通って円環状流路６５に入り、第２段の一酸化炭素変成触媒層を通過してきた改質ガスに混入される。混入されたのち、空気は改質ガス中を拡散しつつ、図１の冷却器２０の外周を通過しながら第１段目の一酸化炭素選択酸化触媒層２１に流入する。
【００６２】
このとき、細孔６４の数が少ないと、空気の改質ガス中の拡散がすすまず、空気の不均一な分布ができてしまい、一酸化炭素選択酸化触媒での反応が触媒層内で一様に起こらず、トータルとして、一酸化炭素濃度が所定量以下に下がらない可能性がある。
【００６３】
そこで、空気の改質ガスへの拡散を十分に行わせる必要があり、そのためには、空気導入管６８から一酸化炭素選択酸化触媒までの距離を長くとる方法もある。しかし、この方法では装置が大きくなってしまう。
【００６４】
ところが、本発明の実施形態の構成によれば、拡散距離が短くても空気を改質ガス中に十分に拡散させることができる。図３はその理由を示す解析結果の一例である。図３は、図１の実施形態について、細孔６４の数を変えて、空気中の酸素の拡散の様子を計算した結果である。図３において横軸は環状流路中の位置を示す角度、縦軸は一酸化炭素選択酸化触媒層２２の入口での酸素濃度を表している。図３Ａは細孔６４を１箇所にした場合、図３Ｂは細孔６４を２箇所にした場合、図３Ｃは細孔６４を４箇所にした場合、図３Ｄは細孔６４を８箇所にした場合である。図から明らかなように、細孔６４を８箇所開けるとほぼ一様に拡散することが可能である。
【００６５】
従って、本実施形態の構成によれば、空気と改質ガスの混合距離が短くても、空気が改質ガス中に一様に拡散するので、固体高分子型燃料電池の燃料改質装置をコンパクト化することができる。
【００６６】
以上第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１への空気導入法について説明したが、第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２３への空気導入法も第１段の場合と全く同様である。
【００６７】
図４は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第２の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。      
これは、改質器の円弧面を有する円筒体９ａの外周面に近接して同心円状に配設され、前記改質器からの一酸化炭素を取り込み冷却する円筒状の一酸化炭素変成器入口冷却器１６と、
冷却器１６の外周面の略中央位置に配設され、円筒状の一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器１８と、冷却器１６の外周面の略中央位置を除く上下位置に夫々配設された円筒状の第１段及び第２段の一酸化炭素変成触媒層１７，１９とを具備している。
【００６８】
また、一酸化炭素変成触媒層１９に近接し、一酸化炭素選択酸化触媒層前置冷却器、第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１、一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２、第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２３、一酸化炭素選択酸化触媒層後置冷却器２４が順次配設されている。
【００６９】
図４のような構成のものにおいて、同心円筒形に構成された改質触媒層１４には、改質用燃料８が改質用蒸気６とともに供給され、炭化水素から水素リッチな改質ガスを生成する改質反応が起こる。改質用燃料がメタンである場合を例にとると、
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
改質反応は吸熱反応であり、反応の進行と反応温度の維持のためには熱の供給が必要であり、そのために改質触媒層の内側には燃焼空間容器９が配置される。
【００７０】
燃焼用燃料１は空気２と共に燃焼器１０に送られ、燃焼空間容器９の中で燃焼されて高温の燃焼ガスとなる。燃焼用燃料１としては改質用燃料と同組成の物質のほか、燃料電池での反応で消費されなかった可燃性ガスも使用されうる。
【００７１】
燃焼ガスは輻射伝熱部９１、対流伝熱部９２を通過する間に隔壁を通して改質触媒層１４と熱交換し、改質反応で必要となる熱を補う。
【００７２】
対流伝熱部９２を通過した後の燃焼ガスは数百℃の高温を保っている。そのため、輻射伝熱部９１の下方、対流伝熱部９２の内側に蒸発器１３を設置し、ここで熱回収を行ってもよい。
【００７３】
図４で燃焼ガスの流れを例示すると、対流伝熱部９２を下方に流れた燃焼ガスは、反転して上方に流れ、蒸発器１３で水もしくは水・蒸気混合物と熱交換する。熱交換後さらに反転して下方に流れ、複合反応器の外に出る。
【００７４】
このような構成を取る場合、輻射伝熱部９１及び対流伝熱部９２と蒸発器１３の間にはセンタープラグ１１を配して、改質触媒層と熱交換する途中の燃焼ガスからの放熱を止め、かつ隔壁１２を配して蒸発器１３での熱交換前の熱い燃焼ガスから熱交換後の冷えた燃焼ガスへの放熱を提言することが望ましい。
【００７５】
一方、改質触媒層１４を通過した改質ガスは再生流路１５に入る。図４で例示すると、改質触媒層１４を下から上に通過した改質ガスは、反転して再生流路１５に入り、下降する。図４で例示されている構成では、燃焼反応が上部で起こるため、改質触媒層１４出口の温度が入口及び中途より高い。
【００７６】
そのため、改質触媒層１４と隣接する再生流路１５に改質触媒層出口から出た高温のガスを通過させることにより、改質触媒層への熱回収を行うことができる。熱回収後の改質ガスは、図４で例示すると上側に反転し、  一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６で熱交換する。一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６の冷媒としては、改質触媒層１４に導入される前の改質用燃料８と改質用蒸気６が挙げられるが、このように一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６を改質用燃料８の予熱器として使用することにより、熱効率を上げることができる。
【００７７】
上記に記述した機器のうち、熱交換の必要上、燃焼空間容器９は改質触媒層１４の内側に、再生流路１５は改質触媒層１５の外側に配されることが望ましい。かつ燃焼空間容器９は内部に存在する火炎から容器壁面までの距離が均一であることが熱伝導の均一性に資するので円筒状であることが望ましく、改質触媒層１４及び再生流路１５はその周囲にアニュラス状に構成して一体化することが望ましい。かつ、蒸発器１３は外部に設置することもできるが、図４に示すように燃焼空間容器９の内側に設置するほうが、占有空間を低減できるのでなお望ましい。また、一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６は、改質用燃料８の予熱器として使用する場合には可能な限り改質触媒層１４の近傍に設置されていることが望ましいので、図４に例示するごとく再生流路１５の外側にアニュラス状に配置することが望ましい。但し、再生流路１５を通過する改質ガスは、一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６より高温であり、隣接していると改質触媒層１４に回収するべき品位の高い熱が一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６に伝わり、熱効率を低下させる恐れがあるため、間に断熱層２５を設けて断熱する必要がある。
【００７８】
一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６で冷却された改質ガスは第１段の一酸化炭素変成触媒層１７に入り、下記の一酸化炭素変成反応により、十％前後のＣＯ濃度を数％程度にまで低下させる。
【００７９】
ＣＯ＋Ｈ２→ＣＯ２＋Ｈ２
この反応は温度が高いほど反応速度が速く、少ない触媒量で反応を起こすことができるが、発熱の平衡反応であるので、ＣＯ濃度には下限があり、温度が高いほど下限ＣＯ濃度は高い。一酸化炭素変成反応が起こるとＨ２が発生するので、効率上昇のためにはＣＯ濃度が低いことが望ましいが、高温の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７だけではＣＯ濃度を十分低下させることはできない。
【００８０】
そのため、更に下流に一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８を配して温度を低下させ、第２段の一酸化炭素変成触媒層１９でＣＯ濃度を  数千ｐｐｍレベルにまで低減する。低温であるため反応速度は遅いが、第１段で数％程度まで低下させているので反応量としては少なく、第２段の温度条件だけで一酸化炭素変成反応を起こす場合に比べて格段に少ない触媒量で反応を完結させることができる。
【００８１】
上記第１段の一酸化炭素変成触媒層１７、一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８、第２段の一酸化炭素変成触媒層１９は機器をコンパクトにするため、アニュラス状に構成された一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６の更に外周にアニュラス状に構成されるとよい。
【００８２】
第２段の一酸化炭素変成触媒層１９出口のＣＯ濃度は  ．数千ｐｐｍレベルであるが、低温で動作する固体高分子型燃料電池に供給するためにはＣＯレベルは数〜数十ｐｐｍレベルである必要がある。この目的を達成する手段として、改質ガスに微量の酸素もしくは空気を混入し、一酸化炭素選択酸化触媒を通過させてＣＯを酸化させる方法が知られている。
【００８３】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２
但し、触媒層が高温になるほど副反応として
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
の反応が起こり、燃料電池で使用するべきＨ２が消費され、効率上不利になる。従って、酸素または空気と混合された改質ガスは、一酸化炭素選択酸化触媒に適温に冷却された状態で導入される必要がある。
【００８４】
図４の例では、第２段の一酸化炭素変成触媒層１９の出口で２００℃以上の改質ガスは、一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０で１００〜１５０℃の適温まで冷却される。        酸素もしくは空気は一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０の入口側出口側どちらで混入してもよいが、入口側で混入した方が一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０内でのかき混ぜ効果が期待できるのでより望ましい。適温に冷却された改質ガスは第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１にてＯ２による酸化反応により、数〜数百ｐｐｍレベルまでＣＯ濃度を低減される。その後一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２にて再び１００〜１５０℃の適温まで冷却された後、酸素もしくは空気とともに第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２３に送られ、Ｏ２による酸化反応により、数〜十数ｐｐｍレベルまでＣＯ濃度を低減される。酸素もしくは空気は一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２３の入口側出口側どちらで混入してもよいが、入口側で混入した方が一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２３内でのかき混ぜ効果が期待できるのでより望ましい。選択酸化反応後のガスは酸化反応により１００〜２５０℃の高温であるので、一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器２４にて固体高分子型燃料電池の運転温度程度である５０〜９０℃程度まで温度を低下させ、固体高分子型燃料電池での温度バランスが崩れることを防ぐ。
【００８５】
図５は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第３の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。
【００８６】
この実施形態は、図４に比べ、一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６の外側、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７、一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８及び第１段の一酸化炭素変成触媒層１９の内側に間隙からなる断熱層４７を設け、高温である内側から低温である外側への熱リークを防止する。
【００８７】
特に一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６で最も高温である入口部分と、第２段の一酸化炭素変成触媒層１９の出口は隣接しており、断熱層４７を設けないと一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６で回収されるべき熱が、第２段の一酸化炭素変成触媒層１９の出口ガスに伝わり、同心円状に形成された複合改質装置から外部に出て熱効率を低下させる。このように当該部分に設けられた断熱層４７は、熱効率の向上に寄与する。
【００８８】
図６は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第４の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。
【００８９】
この実施形態は、図４に比べ、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７を一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６と同じアニュラス部に設置される。これにより第２段の一酸化炭素変成触媒層１９の量をふやすことができる。第２段の一酸化炭素変成触媒層はＣＯ濃度低下のために低温で運用されるが、低温では反応速度は低下するため一般に第１段より多量の触媒が必要となる。図６の構成は第２段の一酸化炭素変成触媒層の量を増やし、より低いレベルのＣＯ濃度を達成することができる。
【００９０】
図７は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第５の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。
【００９１】
この実施形態は、図６に比べ、一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６及び第１段の一酸化炭素変成触媒層１７の外側、一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８及び第１段の一酸化炭素変成触媒層１９の内側に断熱層を設け、高温である内側から低温である外側への熱リークを防止する。このメリットは図５の実施形態で説明したものと同じである。
【００９２】
図８は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第６の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。
【００９３】
この実施形態は、改質器の外周面に近接して同心円筒状に一酸化炭素変成器入口冷却器１６が配設されたものに、一酸化炭素変成触媒層１７と、一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８と、第２段の一酸化炭素変成触媒層１９を次のように配設したものである。すなわち、外形が円柱状の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７の外周面であって夫々同心円状でかつ軸方向に並設され、円筒状の一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８及び円筒状の第２段の一酸化炭素変成触媒層を収納した円筒状の一酸化炭素変成容器１９を配設したものである。
【００９４】
このように構成することにより、次のような作用効果が得られる。すなわち、一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６で冷却された改質ガスは、円筒状の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７に入り、十％前後のＣＯ濃度を数％程度にまで低下させた後、その外側にアニュラス状に構成された一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８に入って冷却される。その後第２段の一酸化炭素変成触媒層１９にてＣＯが数千ｐｐｍ程度まで低減された後、一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０に送られる。一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０から後の機器の作用及び効果は、図４の実施形態と同じである。
【００９５】
図４〜図７の例では、同心円状に配置されるため、直径が大きく、特に図５や図７の構成では占有体積が増大する傾向にある。このため、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７から第２段の一酸化炭素変成触媒層１９までを別機器に構成することで、むしろ占有体積を減少させることができる。
【００９６】
かつ、これに加えて一般に触媒層の設計上、触媒層長は代表径の３倍以上必要とされるが、図４〜図７の例で外周に位置する触媒層特に第２段の一酸化炭素変成触媒層１９では、幅は狭くとも断面積としては大きくなるため、触媒層長をキープすることが困難な場合がある。
【００９７】
図８のように構成にすることで触媒層長と代表径の比を一定以上にキープすることができる。また、高温の再生流路１５からの熱移動がないので、温度制御がより簡単になる。
【００９８】
図９は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第７の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。
【００９９】
この実施形態は、図８の実施形態の一酸化炭素変成触媒層１７に、さらに一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０が一体化されている。
【０１００】
これにより、更に機器の占有体積を減少させることができ、かつ一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０と前後の配管での放熱を減らすことができる。
【０１０１】
図１０は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第８の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。
【０１０２】
（７）図１０の説明
図８に比べ、円筒状の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７とその外側にアニュラス状に構成された一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８及び第２段の一酸化炭素変成触媒層１９の間に間隙からなる断熱層４９が形成されている。
【０１０３】
断熱層４９は中央部の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７から外側の一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８及び第２段の一酸化炭素変成触媒層１９への伝熱を遮断する。この断熱層４９は、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７を望ましい高温に保ち、第２段の一酸化炭素変成触媒層１９を望ましい低温に保つ効果を有する。
【０１０４】
図１１は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第９の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。
【０１０５】
図９の実施形態において、円筒状の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７とその外側にアニュラス状に構成された一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８及び第２段の一酸化炭素変成触媒層１９の間に間隙からなる断熱層５０が形成されている。
【０１０６】
断熱層５０の効果は、図１０の実施形態と同様である。
【０１０７】
図１２は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第１０の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。この実施形態は、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７と、一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８と、第２段の一酸化炭素変成触媒層１９と、一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０と、一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂを夫々外形形状を直方体に形成し、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７の両側面に一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８及び一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０を夫々当接させ、一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８に第２段の一酸化炭素変成触媒層１９を当接させ、一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０に一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂを当接させたものである。
【０１０８】
図１２のように構成することにより、次のような作用効果が得られる。すなわち、一酸化炭素変成触媒層入口冷却器１６で冷却された改質ガスは、直方体状の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７に導入され、十％前後のＣＯ濃度を数％程度にまで低下させた後、接続配管を通じて直方体状に構成された一酸化炭素変成触媒層中間冷却器１８に入って冷却される。    
その後直方体状に構成された第２段の一酸化炭素変成触媒層１９にてＣＯが数千ｐｐｍ程度まで低減された後、直方体状に構成された一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０に送られ、冷却される。酸素若しくは空気と混合された改質ガスを、直方体状に構成され、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７を挟んで第２段の一酸化炭素変成触媒層１９の反対側に設置された一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂに導入し、ＣＯを酸化させてＣＯ濃度を数〜数十ｐｐｍレベルにまで低減する。改質ガスに混入する酸素若しくは空気は、一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０の入口側もしくは出口側いずれで混入しても良いが、入口側で混入することがより望ましい。
【０１０９】
ＣＯ濃度が低減された改質ガスは、一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器２４にて固体高分子型燃料電池の運転温度程度である５０〜９０℃程度まで温度を低下させ、固体高分子型燃料電池での温度バランスが崩れることを防ぐ。
【０１１０】
図８〜図１１の例では、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７から第２段の一酸化炭素変成触媒層１９もしくは一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器２０までは円筒形に一体化されているが、これらを直方体状に構成して一体化し、併せて後段の一酸化炭素選択酸化触媒層を一体化することで機器全体の占有体積を低減する。
【０１１１】
また、最も高温の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７を、それより低温の第２段の一酸化炭素変成触媒層１９と一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂで挟んだ位置に配置することで、放熱を最小限に抑えることができる。
【０１１２】
図１３は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第１１の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。この実施形態は、図１２に実施形態の一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂに、外形形状が直方体の一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器２４を当接させ、これらの各構成要素を一体化したものである。これにより、更に機器全体の占有体積を減少させることができる。
【０１１３】
図１４は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第１２の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。この実施形態は、図１２に比べ、一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂが二分割されて第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１及び第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２３となり、中間の一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２が追加され、それぞれ直方体状に構成されて一体化されている。
【０１１４】
酸素もしくは空気は、第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１及び一酸化炭素選択酸化触媒層２３の夫々の上流において改質し且つ混入される。これに対応する酸素もしくは空気は、一酸化炭素選択酸反応器入口冷却器２０の入口側もしくは出口側のいずれ出混入してもよいが、入口側に混入する方がより望ましい。同様に、第２段に対応する酸素もしくは空気は、一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２の入口側もしくは出口側のいずれかで混入してもよいが、入口側で流入することがより望ましい。
【０１１５】
このように一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂを分割することは、占有体積の面では不利だが、一酸化炭素選択酸化触媒の温度上昇を抑制し易く、副反応で消費されるＨ２の量を減らす効果がある。
【０１１６】
なお、占有体積の面で不利となるが、第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２３は、２分割を超え３，４分割し、該分割段の間に、中間冷却器を設置してもよい。
【０１１７】
図１５は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第１３の実施形態を説明するための垂直概略断面図である。この実施形態は、図１３に比べ、一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂが二分割されて第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１及び第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２３となり、中間の一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２が追加され、それぞれ直方体状に構成されて一体化されている。
【０１１８】
一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ｂが２２分割されることにより、図１４で説明した効果と同様の効果、すなわち、副反応で消費されるＨ２の量を減らすが得られる。
【０１１９】
図１６及び図１７は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第１４の実施形態を説明するためのものであって、図１６はその垂直断面図、図１７は図１６の１７─１７線に沿って切断し矢印方向に見た水平断面図を示したものである。
【０１２０】
図１６及び図１７に示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置は、以下に述べる構成の改質器Ａ、一酸化炭素変成器Ｂ、一酸化炭素選択酸化反応器Ｃ、一酸化炭素変成器入口冷却器１６、一酸化炭素選択酸化反応器入口冷却器２０を直方体形状に構成し、改質器Ａ、一酸化炭素変成器Ｂ、一酸化炭素選択酸化反応器Ｃの順に並べて配置して、該各機器全体を複合一体化したものである。
【０１２１】
改質器Ａは、四角筒体９ｄの両端開口部が蓋部材９ｅ及び底面部材９ｆにより閉塞され、内部にふく射伝熱部９１及び対流伝熱部９２を構成するための燃焼空間容器９と、四角筒体９ｄの１側面（図の右側側面）に金属板４３の外周面に断熱材４４を配置し側面部材９ｆ及びを配置固定し、四角筒体９ｄの他側面（図の左側側面）であって四角筒体９ｄ及び底部材９ｆに固定した板状の隔壁３７Ａと、隔壁３７Ａと所定間隔を存して配置し底部材９ｆに固定した板状の隔壁３８Ａと、隔壁３７Ａと隔壁３８Ａの間に配設された板状の改質触媒層１４Ａと、改質触媒層１４Ａの下部位置及び上部に配設され、隔壁３８Ａと隔壁３７Ａの所定位置それぞれ配設固定された隔壁３９Ａ，４０Ａと、改質触媒層１４の下端部側の一部に形成され、例えば天然ガスからなる改質用燃料８並びに改質用蒸気６を改質触媒層１４Ａ内に導くガス導入口４１と、隔壁４０Ａの上方及び改質触媒層１４Ａと隔壁３８Ａの外周部並びに改質触媒層１４Ａの上方（ガス導入口４１の形成されている部分と反対側）であって、蓋部材９ｅに固定され、再生流路１５Ａを形成するためのものであって一端部側にＬ字のフランジを有する変形Ｌ型の流路形成部材３２Ａとからなっている。
【０１２２】
流路形成部材３２Ａの外側に直方体状の間隙（断熱層）２５Ａを形成するように配設され、一端側にＬ字のフランジを有し、流路形成部材３２Ａの下端部に接合される変形Ｌ型の隔壁３３Ａと、隔壁３３Ａの下方側に配設されると共に、例えば、例えば箱形に構成された冷却ジャケットなどの冷却器１６Ａと、隔壁３３Ａの上方側に配設される例えば板状の第１段の一酸化炭素変成触媒層１７Ａと、一酸化炭素変成触媒層１７Ａ及び一酸化炭素変成入口冷却器１６Ａの側面に配設され、底部材９ｆと接合された底部材４２Ａに一端部が固定された板状の断熱材４５と、断熱材４５の上方側に配設され例えば、箱形に構成された冷却ジャケットなどの冷却器１８Ａと、断熱材４５の下方側に配設され例えば板状の第２段の一酸化炭素変成触媒層１９Ａと、冷却器１８Ａ及び一酸化炭素変成触媒層１９Ａの側面に配設され隔壁３３Ａのフランジと接合された固定された板状の断熱材４６と、断熱材４６の側面であって下方側から上方にかけて直方体状の一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器（一酸化炭素選択酸化触媒層前置冷却器）２０Ａと、直方体状の第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１Ａと、直方体状の一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２Ａと、直方体状の第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ａと、直方体状の一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器（一酸化炭素選択酸化触媒層後置冷却器）２４Ａと、冷却器２０Ａと一酸化炭素選択酸化触媒層２１Ａと一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器２２Ａと一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ａと冷却器２４Ａの側面に配設され、両端部が隔壁３３Ａのフランジ及び底部材４２Ａにそれぞれ固定される板状の隔壁３６Ａからなっている。隔壁３６Ａの外周面には、以下に述べるように空気ヘッダ６２１Ａ，６２２Ａが配設される。
【０１２３】
この第１４の実施形態の動作は、第１の実施形態と同様で、まず、図示しない燃料電池本体の燃焼用燃料１を燃焼器１０に導入して燃焼空間容器９内で燃焼して１０００℃以上の高温の熱を発生させる。燃焼ガスは改質触媒層１４Ａに熱を伝え、改質触媒層１４Ａ自らは温度が下がった状態で燃焼排ガス３として排出され、蒸発器１３の熱源として利用されてから後排気される。
【０１２４】
このとき、燃焼空間容器９内に、センタープラグ１１が設置されているので、改質器へのふく射伝熱と対流伝熱が効果的に行われる一方、改質用燃料８は気液分離器２６で発生した水蒸気６と混合されたあと、ほぼ大気圧の状態で改質触媒層１４に流通される。改質触媒層１４Ａ内では、先に述べた燃焼ガスの熱を受けて改質反応が起こり、燃料はほぼ１００％反応して水素、一酸化炭素、二酸化炭素が生成する。これらの成分と、反応に用いられなかった水蒸気とを含む改質ガスは高温であるため、再生流路１５Ａを通過する間に改質触媒層１４と熱交換し、排熱が回収される。
【０１２５】
再生流路１５Ａを通過した直後の改質ガスは、まだ４００℃〜５００℃程度の高温であるため、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７Ａに入る前に、冷却器１６の周囲を通過し、２００℃〜３００℃に冷却される。冷却されて温度の下がった改質ガスは、一酸化炭素変成触媒層１７Ａに流通され、この内部において改質触媒層で発生した一酸化炭素と水蒸気が反応して、二酸化炭素と水素が生成するいわゆるシフト反応が生じる。
【０１２６】
この反応は発熱反応であるため、触媒層を通過する間に改質ガスは温度が上昇し、一酸化炭素変成触媒層１７Ａを出る時には、反応はほぼ平衡状態に達する。第１段の一酸化炭素変成触媒層１７Ａを通過した改質ガスは冷却器１８Ａの周囲を通過する間に冷却されて、温度が下がり、再びシフト反応に適した状態となる。冷却された改質ガスは、温度低下に伴い平衡濃度が下がるので、その後、第２段の一酸化炭素変成触媒１９Ａを流通する間に再びシフト反応が進行し、温度上昇しつつ、一酸化炭素濃度が低下し、５０００ｐｐｍ程度の濃度になる。
【０１２７】
その後、改質ガスには空気導入ヘッダ６２１Ａから空気が混入された後、冷却器２０の周囲を通過して温度が低下した状態で、第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１に流入する。一酸化炭素選択酸化触媒層２１Ａを通過する間に改質ガス中の一酸化炭素は空気中の酸素と反応して二酸化炭素となる。この反応は発熱量の大きい反応であり改質ガスは急激に温度上昇する。
【０１２８】
その後、冷却器２２Ａによって冷却されてから後、空気ヘッダ６２２Ａから再び微量の空気が混入されたのち、第２段の一酸化炭素選択酸化触媒２３Ａを流通する間にふたたび選択酸化反応が進み、温度上昇しつつ一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ以下となる。その後、改質ガスは冷却器２４Ａにより冷却されて燃料電池本体に供給される。
【０１２９】
以上述べた第１４の実施形態によれば、図１６に示すような構成することにより、装置全体が矩形となり、第１の実施形態に示す円筒型と同様燃料改質装置をコンパクト化することができる。
【０１３０】
また、第１の実施形態と同様に本実施形態においても、図１６に示される通り、一酸化炭素変成触媒層として第１段及び第２段の一酸化炭素変成触媒層１７Ａ及び１９Ａに分けてその中間に冷却器１８Ａを配置することにより、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設する必要がなくなり、触媒層幅を狭くすることができるので、固体高分子型燃料電池の燃料改質装置を小さくすることができる。このとき、触媒層をさらに細かく分割して、冷却器をそれぞれの中間に設けても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【０１３１】
さらに、第１の実施形態と同様に本実施形態においても、図１６に示される通り、一酸化炭素選択酸化触媒として第１及び第２段の一酸化炭素選択酸化触媒２１Ａ及び２３Ａに分けて冷却器２２Ａをその中間に配置することにより、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設して冷却する場合に比べて、触媒層内で局所的に高温となる部分が少なくなるので、触媒量が必要最低限で済み、装置全体をコンパクト化することができる。このとき、触媒層をさらに細かく分割して冷却器をそれぞれの中間に設ければ、さらに局所的な高温部が少なくなることはいうまでもない。
【０１３２】
また、第１の実施形態と同様に本実施形態においても、図１６に示す通り、一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ａの下流に冷却器２４Ａを配置することにより、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設して冷却する場合に比べて、触媒層内で局所的に高温となる部分が少なくなるので、触媒量が必要最低限で済み、装置全体をコンパクト化することができる。
【０１３３】
さらに、第１の実施形態と同様に本実施形態においても、図１６に示す通り、間隙（断熱層）２５Ａが設置されることにより、通常５００℃〜１０００℃の高温となる改質器部分と、他の１００℃から３００℃程度の温度の一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化反応器を隣接して設置しても、両者を熱的に分離できるので、熱リークによる冷却器１６Ａ、１８Ｂ、２０Ｂ、２２Ｂ、２４Ｂの負荷を低減できる。また、高い温度レベルの改質器と低い温度レベルの一酸化炭素変成器で生じる隔壁の熱膨張による伸び差を吸収することができ、熱応力を低減することができるため、構造・強度上の課題も解決することができるので、燃料改質装置を小さくすることができる。
【０１３４】
また、第１の実施形態と同様に本実施形態においても、第１段の一酸化炭素変成触媒層の上流の冷却器１６Ａの内部に、改質用燃料８と水蒸気６の混合物を流通することもできる。このような構成にすることによって改質ガスを冷却するとともに熱回収を行うこともできるので、燃料電池システムのシステム効率を高めることができる
さらに、第１の実施形態と同様に本実施形態においても、一酸化炭素変成触媒層に中間に設置された冷却器１８Ａの内部に、例えば蒸発器１３を出た後の気液混合物を流通することもできる。このような構成にすることによって改質ガスを冷却すると共に、熱回収も行うことができるので燃料電池システムのシステム効率を高めることができる。
【０１３５】
図１８及び図１９は本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置に係る第１５の実施形態を説明するための図であって、図１８はその垂直断面図、図１９は図１８の１９─１９線に沿って切断し矢印方向に見た水平断面図を示したものである。
【０１３６】
第１５の実施形態は、概略改質器Ａは第１の実施形態と同様に円筒状に構成し、また改質器Ａ以外の機器は第１４の実施形態と同様に直方体形状に構成したものである。すなわち一酸化炭素変成器Ｂ、一酸化炭素選択酸化反応器Ｃ、一酸化炭素変成器入口冷却器１６Ａ、一酸化炭素選択酸化反応器入口冷却器２０Ａを直方体形状に構成し、改質器Ａ、一酸化炭素変成器Ｂ、一酸化炭素選択酸化反応器Ｃの順に並べて配置して、該各機器全体を複合一体化したものである。
【０１３７】
このように構成された第１５の実施形態装置の動作は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様で、まず、燃料電池本体の燃焼用燃料１を燃焼器１０に導入して燃焼空間容器９内で燃焼して１０００℃以上の高温の熱を発生させる。燃焼ガスは改質触媒層１４に熱を伝え、改質触媒層１４自らは温度が下がった状態で燃焼排ガス３として排出され、蒸発器１３の熱源として利用されてからのち排気される。
【０１３８】
このとき、燃焼空間容器９内にセンタープラグ１１が設置されているので、改質器Ａへの伝熱がふく射伝熱と対流伝熱によって効果的に行われる。
【０１３９】
一方、改質用燃料８は気液分離器２６で発生した水蒸気６と混合された後、ほぼ大気圧の状態で改質触媒層１４に流通される。改質触媒層１４内では、先に述べた燃焼ガスの熱を受けて改質反応が起こり、燃料はほぼ１００％反応して水素、一酸化炭素、二酸化炭素が生成する。これらの成分と、反応に用いられなかった水蒸気とを含む改質ガスは高温であるため、再生流路１５を通過する間に改質触媒層１４と熱交換し、排熱が回収される。
【０１４０】
再生流路１５を通過した直後の改質ガスは、まだ４００℃〜５００℃程度の高温であるため、第１段の一酸化炭素変成触媒層１７Ａに入る前に、冷却器１６Ａの周囲を通過し、２００℃〜３００℃に冷却される。冷却されて温度の下がった改質ガスは、一酸化炭素変成触媒層１７Ａに流通され、この内部で改質触媒層で発生した一酸化炭素と水蒸気が反応して、二酸化炭素と水素が生成するいわゆるシフト反応が生じる。この反応は発熱反応であるため、触媒層を通過する間に改質ガスは温度が上昇し、一酸化炭素変成触媒層１７Ａを出る時には、反応はほぼ平衡状態に達する。
【０１４１】
第１段の一酸化炭素変成触媒層１７Ａを通過した改質ガスは冷却器１８Ａの周囲を通過する間に冷却されて、温度が下がり、再びシフト反応が起こりうる状態となる。冷却された改質ガスは、温度低下に伴い平衡濃度が下がるので、その後、第２段の一酸化炭素変成触媒１９Ａを流通する間に再びシフト反応が進行し、温度上昇しつつ、一酸化炭素濃度が低下し、５０００ｐｐｍ程度の濃度になる。
【０１４２】
その後、改質ガスには空気導入ヘッダ６２１Ａ，６２２Ａから空気が混入された後、冷却器２０Ａの周囲を通過して温度が低下した状態で、第１段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１Ａに流入する。一酸化炭素選択酸化触媒層２１Ａを通過する間に改質ガス中の一酸化炭素は空気中の酸素と反応して二酸化炭素となる。この反応は発熱量の大きい反応であり、改質ガスは急激に温度上昇する。
【０１４３】
その後、冷却器２２Ａによって冷却されてからのち、空気ヘッダ６２２から微量の空気が混入され、第２段の一酸化炭素選択酸化触媒２３Ａを流通する間にふたたび選択酸化反応が進み、温度上昇しつつ一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ以下となる。その後、改質ガスは冷却器２４Ａにより冷却されて燃料電池本体に供給される。
【０１４４】
第１５の実施形態に示す通り、燃焼空間容器９と、改質触媒層１４Ａ、再生流路１５を円筒状に構成することにより、燃焼空間容器９で発生する熱を効率よく触媒層に伝えることができるので、消費燃料を節約できる。
【０１４５】
また、それとは別に一酸化炭素変成触媒層１７Ａ、１９Ａ、冷却器１６Ａ、１８Ａ、２０Ａ、２２Ａ、２４Ａ、一酸化炭素選択酸化触媒層２１Ａ、２３Ａを直方体状に構成することにより、第１、第２の実施形態と同様に、燃料改質装置をコンパクト化することができる。
【０１４６】
さらに、改質器Ａと、これ以外の一酸化炭素変成器Ｂ、一酸化炭素選択酸化反応器Ｃ等の機器を配管３１で接続することにより、５００℃〜１０００℃の高温レベルの部分と１００℃〜３００℃程度の中温レベルの部分を、断熱層などの工夫をなんらすることなく、熱的に分離できる。熱的に分離できることにより、高温の改質器Ａ側から、中温の一酸化炭素変成器への熱リークを抑えることができるので冷却器を小型化することができる。
【０１４７】
また、第１、第１４の実施形態と同様に本実施形態においても、図１８に示される通り、一酸化炭素変成触媒層として第１及び第２の一酸化炭素変成触媒層１７Ａ及び１９Ａに分けてその中間に冷却器１８Ａを配置することにより、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設する必要がなくなり、触媒層幅を狭くすることができるので、固体高分子型燃料電池の燃料改質装置を小さくすることができる。このとき、触媒層をさらに細かく分割して、冷却器をそれぞれの中間に設けても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【０１４８】
さらに、第１、第１４の実施形態と同様に本実施形態においても、図１８に示される通り、一酸化炭素選択酸化触媒層として第１段及び第２段の一酸化炭素選択酸化触媒層２１Ａ及び２３Ａに分けて冷却器２２Ａをその中間に配置することにより、従来のように触媒層内に伝熱管を埋設して冷却する場合に比べて、触媒層内で局所的に高温となる部分が少なくなるので、触媒量が必要最低限で済み、装置全体をコンパクト化することができる。このとき、触媒層をさらに細かく分割して冷却器をそれぞれの中間に設ければ、さらに局所的な高温部が少なくなることはいうまでもない。
【０１４９】
また、第１、第１４の実施形態と同様に本実施形態においても、図１８に示す通り、一酸化炭素選択酸化触媒層２３Ａの下流に冷却器２４Ａを配置することにより、従来の伝熱管を一酸化炭素選択酸化触媒層の内部に伝熱管を埋設して冷却する方法よりも、触媒層内で局所的に高温となる部分が少なくなるので、装置全体をコンパクト化することができる。
【０１５０】
さらに、第１、第１４の実施形態と同様に本実施形態においても、第１段の一酸化炭素変成触媒層の上流の冷却器１６Ａの内部に、改質用燃料８と水蒸気６の混合物を流通することもできる。このような構成にすることによって改質ガスを冷却するとともに熱回収を行うこともできるので、燃料電池システムのシステム効率を高めることができる
また、第１、第１４の実施形態と同様に本実施形態においても、一酸化炭素変成触媒層に中間に設置された冷却器１８Ａの内部に、例えば蒸発器１３を出た後の気液混合物を流通することもできる。このような構成にすることによって改質ガスを冷却すると共に、熱回収も行うことができるので燃料電池システムのシステム効率を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置は、各種電源例えば車載用電源や定置用電源としても利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】図１は本発明による第１の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直断面図。
【図２】図２は本発明による第１の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の空気導入ヘッダ部分のみの水平断面を描いた概略図。
【図３Ａ】図３Ａは本発明による一酸化炭素選択酸化反応用空気の導入孔の数と酸素の拡散度合いを示すグラフ。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明による一酸化炭素選択酸化反応用空気の導入孔の数と酸素の拡散度合いを示すグラフ。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明による一酸化炭素選択酸化反応用空気の導入孔の数と酸素の拡散度合いを示すグラフ。
【図３Ｄ】図３Ｄは本発明による一酸化炭素選択酸化反応用空気の導入孔の数と酸素の拡散度合いを示すグラフ。
【図４】図４は本発明による第２の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図５】図５は本発明による第３の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図６】図６は本発明による第４の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図７】図７は本発明による第５の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図８】図８は本発明による第６の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図９】図９は本発明による第７の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図１０】図１０は本発明による第８の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図１１】図１１は本発明による第９の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図１２】図１２は本発明による第１０の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図１３】図１３は本発明による第１１の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図１４】図１４は本発明による第１２の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図１５】図１５は本発明による第１３の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直概略断面図。
【図１６】図１６は本発明による第１４の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直断面図。
【図１７】図１７は図１６の１７─１７線に沿って切断し矢印方向に見た水平断面図。
【図１８】図１８は本発明による第１５の実施形態を示す固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の垂直断面図。
【図１９】図１９は図１８の１９─１９線に沿って切断し矢印方向に見た水平断面図。
【図２０】図２０は従来の固体高分子型燃料電池の燃料改質装置の一例を示す概略図。
【符号の説明】
【０１５３】
Ａ…改質器、Ｂ…一酸化炭素変成器、Ｃ…一酸化炭素選択酸化反応器、
１…燃焼用燃料、２…空気、３…燃焼排ガス、４…水、５…再生流路、６…改質用水蒸気
、７…水、８…改質用燃料、９…燃焼空間容器、９ａ…円筒体、９ｂ…蓋部材、９ｃ…底面部材、９ｄ…四角筒体、９ｅ…蓋部材、９ｆ…底面部材、９ｆ…側面部材、９ｆ…底部材、１０…燃焼器、１１…センタープラグ、１２…隔壁、１３…蒸発器、１４…改質触媒層、１４Ａ…改質触媒層、１５…再生流路、１５Ａ…再生流路、１６…一酸化炭素変成触媒層入口冷却器、１６Ａ…一酸化炭素変成器入口冷却器、１７…一酸化炭素変成触媒層、１９…一酸化炭素変成触媒層、１７Ａ…第２の一酸化炭素変成触媒層、１８…一酸化炭素変成触媒層中間冷却器、１９Ａ…一酸化炭素変成触媒層、２０…一酸化炭素選択酸化反応器入口冷却器、２０Ａ…一酸化炭素選択酸化触媒層入口冷却器、２１…一酸化炭素選択酸化触媒層、２３…一酸化炭素選択酸化触媒層、２１Ａ…一酸化炭素選択酸化触媒層、２３Ａ…一酸化炭素選択酸化触媒層、２２…一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器、２２Ａ…一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器、２３…一酸化炭素選択酸化触媒層中間冷却器、２３Ｂ…一酸化炭素選択酸化触媒層、２３Ａ…一酸化炭素選択酸化触媒層、２４…一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器、２４Ａ…一酸化炭素選択酸化触媒層出口冷却器、２５…間隙（断熱層）、２６…気液分離器、２７…一酸化炭素変成触媒層、２８…一酸化炭素変成触媒層埋込冷却器、２９…一酸化炭素選択酸化触媒層、３０…一酸化炭素選択酸化触媒層埋込冷却器、３１…配管、３２…流路形成部材、３２Ａ…流路形成部材、３３…隔壁、３４…隔壁、３３Ａ…隔壁、３４…隔壁、３５…隔壁、３６…隔壁、３６Ａ…隔壁、３７…隔壁、３７Ａ…隔壁、３８…隔壁、３８Ａ…隔壁、３９、４０…隔壁、３９Ａ、４０Ａ…隔壁、４１…ガス導入口、４２…底部材、４２Ａ…底部材、４３…金属板、４４…断熱材
、４５…断熱材、４６…断熱材、４７…断熱層、４９…断熱層、５０…断熱層、６１…空気ヘッダ外壁、６２…空気導入ヘッダ、６３…空気ヘッダ内壁、６４…細孔、６５…円環状流路、６８…空気導入管、９１…射伝熱部、９２…対流伝熱部  ６２１、６２２…空気ヘッダ、６２１Ａ、６２２Ａ…空気ヘッダ。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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