(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルスタックと、改質器と、ＣＯ変成器と、熱交換器とを含むリン酸型燃料電池装置において、改質器、ＣＯ変成器及び熱交換器をプレート型に構成し、プレート型に構成された各機器は改質器がその他の機器に挟まれて配置される様に積層されて配管系で接続されており、プレート型に構成した前記ＣＯ変成器では、ＣＯ変成触媒の上流側にアルミナボールが充填されていることを特徴とするリン酸型燃料電池装置。
【請求項２】
改質器の上流側に脱硫器を設け、該脱硫器もプレート型に構成されており、前記改質器はその他の機器と脱硫器により挟まれて配置されている請求項１記載のリン酸型燃料電池装置。
【請求項３】
熱交換器がＣＯ変成器の上流側或いは下流側に介装されている請求項１、２のいずれか１項記載のリン酸型燃料電池装置。
【請求項４】
積層された各機器を一体的に保温材で被覆した請求項１〜３のいずれか１項記載のリン酸型燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セルスタックと、改質器と、ＣＯ変成器と、熱交換器とを含むリン酸型燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリン酸型燃料電池装置には図４に示すように、セルスタック１以外の主要機器としては、改質器２、熱交換器３、ＣＯ変成器４及び脱硫器５が設けられている。そして、それぞれが、円筒状の単体と機器として存在し、装置のパッケージの中で、それぞれ相互に管路で接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のリン酸型燃料電池装置には、次のような問題があった。
【０００４】
（１）  主要機器２〜５のそれぞれの形状が違うので、パッケージ化するときに、各機器２〜５間にデッドスペースが生じ、パッケージ全体が大型化する。
【０００５】
（２）  形状が違う各機器２〜５を個別に製作するので、コストが高くなる。
（３）  保温材が、各機器２〜５の分だけ必要でコストが高くなる。
【０００６】
（４）  各機器２〜５の間を接続する管路工事に手間がかかり、コストが高くなる。
【０００７】
（５）  各機器２〜５からの放熱があり、リン酸型燃料電池装置の効率が低下する。
【０００８】
（６）  管路長が長くなって放熱量が増大し、リン酸型燃料電池装置の効率が低下する。  本発明は、上記した問題に鑑みてなされたもので、各機器間のデッドスペースをなくしてパッケージ全体をコンパクト化し、コストを低減すると共に、装置の性能を向上するリン酸型燃料電池装置を提供することを目的としている。
【０００９】
本発明によれば、セルスタックと、改質器と、ＣＯ変成器と、熱交換器とを含むリン酸型燃料電池装置において、改質器、ＣＯ変成器及び熱交換器をプレート型に構成し、プレート型に構成された各機器は改質器がその他の機器に挟まれて配置される様に積層されて配管系で接続されており、プレート型に構成した前記ＣＯ変成器では、ＣＯ変成触媒の上流側にアルミナボールが充填されている。
【００１０】
ここで、ＣＯ変成器で用いられる触媒としては、４００℃以上でも使用可能な高温ＣＯシフト触媒と、４００℃以下で使用する低温ＣＯシフト触媒とがある。リン酸型燃料電池装置で、要求されるＣＯ濃度（約１ｖｏｌ％未満、ドライベース）にするには、少なくとも低温ＣＯシフト触媒を用いなければならない。従って、本発明で用いられるのは、低温ＣＯシフト触媒である。
【００１１】
この様に構成された本発明のリン酸型燃料電池装置によれば、各機器をプレート型に構成して積層して一体化することにより、従来技術の様に各機器を円筒形に構成した場合に比較して、所謂「デッドスペース」が無くなり、設置スペースが小さくなる。（後述する様に、図示の例では従来の約８１％程度まで小さくなった。）
また、改質器、ＣＯ変成器、熱交換器（請求項２の発明では、これに加えて脱硫器）がプレート型に構成されるため、各機器の形状が全て同一となり、各機器の製造コストが低減される。
【００１２】
さらに本発明によれば、各機器をプレート型に構成して積層して一体化しているので、各機器を接続している配管系の長さが短くなり、配管施工コストが低減する。これに加えて、配管における放熱量が低減するので、リン酸型燃料電池装置の効率が向上する。
【００１３】
これに加えて本発明によれば、他の機器に比較して高温となる改質器を、その他の機器により挟む様に積層しているので、放熱量が減少してリン酸型燃料電池装置の効率が向上するのである。
【００１４】
本発明の実施に際して、改質器の上流側に脱硫器を設け、該脱硫器もプレート型に構成されており、前記改質器はその他の機器と脱硫器により挟まれて配置されている様に構成することが好ましい。リン酸型燃料電池装置の燃料（天然ガス）には、臭い付けのために硫黄が混入されているが、この硫黄がそのままリン酸型燃料電池装置に供給されると、改質器内の触媒が劣化してしまう。そのため脱硫器を設けて、燃料ガスから硫黄を除去するのが好ましいのである。
ここで、脱硫器もプレート型に構成されているので、上述した通り、リン酸型燃料電池装置の小形化及び高効率化を妨げることは無い。
【００１５】
また、プレート型に構成した前記ＣＯ変成器では、ＣＯ変成触媒の上流側にアルミナボールが充填されているのが好ましい。この様に構成すれば、触媒入口温度が低下するため、ＣＯ変成器前段の熱交換器が不要となるからである。
より詳細に説明すれば、通常、リン酸型燃料電池の改質器の出口温度は約４５０℃〜７００℃位なので、低温ＣＯシフト触媒の使用温度の上限以下に冷却しなければならず、改質器とＣＯ変成器との間に熱交換器を介装する必要性が存在する。これに対して、上述した様に、ＣＯ変成器のＣＯ変成触媒の上流側、すなわち変成器の反応ガス入口部分に触媒の代わりとしてアルミナボールを充填しておけば、該アルミナボールによる熱交換で温度の低下した反応ガスがＣＯ変成触媒に接触することとなる。そのため、改質器とＣＯ変成器との間に熱交換器を介装しなくても、ＣＯ変成触媒が高熱によりダメージを受けることが無い。
【００１６】
本発明において、アルミナボールを充填せずに熱交換器を介装するのであれば、改質器から出たガスの温度（通常は約４５０℃）を下げて、ＣＯ変成器内部の触媒の焼結を防止出来る様な位置に介装する必要がある。
【００１７】
また、ＣＯ変成器の冷却側の出口部分にアルミナボールを充填すれば、ＣＯ変成器内の熱伝達率を不均一にして理想的な温度プロフィルを得ることも可能である。これにより、触媒の充填量も削減でき、システムが小型化される。またコストが低減する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１には、本発明の一実施の形態の模式図が示されており、リン酸型燃料電池装置には、セルスタック１（図４）と、脱硫器１１、改質器１２及びＣＯ変成器１７とが設けられている。
【００２０】
前記脱硫器１１、改質器１２及びＣＯ変成器１７は、同一平面形状のプレート型に構成され、下方から順に脱硫器１１、改質器１２及びＣＯ変成器１７の順に、すなわち、改質器１２が脱硫器１１とＣＯ変成器１７とに挟まれるように積層されている。
【００２１】
その改質器１２には、下側の改質部１３と上側の触媒燃焼部１４とが画成され、それぞれ改質触媒１５と燃焼触媒１６とが充填されている。
【００２２】
前記ＣＯ変成器１７には、下側のＣＯ変成器冷却側１８と上側のＣＯ変成器改質側１９とが画成されている。そのＣＯ変成器改質側１９の後記する上流側には、アルミナボール２１が充填され、下流側には、触媒２２が充填されている。また、ＣＯ変成器冷却側１８の後記する下流側には、アルミナボール２０が充填されている。
【００２３】
前記脱硫器１１の一端には、都市ガス供給管Ｐ１が接続され、他端は、管路Ｐ２により改質器１２の改質部１３の一端に接続されており、その管路Ｐ２の途中には、水蒸気供給管Ｐ３が合流されている。前記改質部１３の他端は、管路Ｐ４によりＣＯ変成器改質側１９の一端に接続され、ＣＯ変成器改質側１９の他端は、管路Ｐ５によりセルスタック１の図示しない燃料極入口に接続されている。また、燃料極出口は、管路Ｐ６によりＣＯ変成器冷却側１８の一端に接続され、ＣＯ変成器１８の他端は、管路Ｐ７により改質器１２の燃焼部１４の一端に接続されている。その管路Ｐ７の途中には、空気供給管Ｐ８が合流され、燃焼部１４の他端には、排ガス管Ｐ９が接続されている。
【００２４】
このように、各機器１１、１２及び１７を積層し、各管路Ｐ１〜Ｐ９で接続して一体化した状態で、外側は、保温パッケージ３４（図２）で覆われている。
【００２５】
次に、作用について説明する。
【００２６】
各機器１１、１２及び１７をプレート型に構成して積層して一体化することにより、従来の円筒形に構成した場合に比較してデッドスペースがなくなり、設置スペースが小さくなる。後記する図２の例では、従来の約８１％程まで設置スペースが小さくなる。
【００２７】
また、各機器１１、１２及び１７の平面形状が同一で、製造コストが低減される。
【００２８】
また、各配管Ｐ１〜Ｐ９の長さが短くなり、配管工コストが低減し、更に、放熱量が低減し、リン酸型燃料電池装置の効率が向上する。
【００２９】
また、他の機器と比べて高温となる改質器１２が脱硫器１１とＣＯ変成器１７との間に挟まれているので、放熱量が減少してリン酸型燃料電池装置の効率が向上する。
【００３０】
また、ＣＯ変成器１７において、ＣＯ変成器改質側１９の入口側にはアルミナボール２１が充填されている。このアルミナボール２１は、改質部１３からの反応ガスと熱交換を行い、その温度を比較的低い温度（３００℃前後）に抑える。そのため、触媒２２は高温ガスにより焼結してしまうことが防止される。換言すれば、アルミナボール２１を充填することにより、改質部１３とＣＯ変成器改質側１９との間に熱交換器を介装する必要が存在しなくなり、機器全体のコンパクト化に寄与出来るのである。
【００３１】
また、ＣＯ変成器冷却側１８の出口側に充填されたアルミナボール２０は、ＣＯ変成器１７内の熱伝導率を不均一にし、理想的な温度プロフィルを得ることを可能ならしめている。したがって、触媒充填量を削減できコストが低減する。
【００３２】
図２及び図３には、本発明の別の実施の形態が示されており、下部フレーム３０と上部フレーム３１との間に、スペーサ３２ａ〜３２ｄを介して下方から順に、ＣＯ変成器１７、熱交換器３５及び改質器１２が積層されて４本のボルト３３でセットされ、外側は保温パッケージ３４で覆われている。なお、上板３１の内部には、脱硫器設置用スペースＳが設けられ、図１とは天地逆の配置となっている。この形態でも図１と同じ作用効果がある。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、各機器間のデッドスペースをなくしてパッケージ全体をコンパクト化し、コストを低減すると共に、装置の性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す模式図。
【図２】本発明の別の実施の形態を示す正面図。
【図３】図２の側面図。
【図４】従来のリン酸燃料電池装置を示す模式図。
【符号の説明】
１・・・セルスタック
２、１２・・・改質器
３・・・熱交換器
４、１７・・・ＣＯ変成器
５、１１・・・脱硫器
１３・・・改質部
１４・・・燃焼部
１５・・・改質触媒
１６・・・燃焼触媒
１８・・・ＣＯ変成器冷却側
１９・・・ＣＯ変成器改質側
２０、２１・・・アルミナボール
２２・・・触媒
３０・・・下部フレーム
３１・・・上部フレーム
３２ａ〜３２ｄ・・・スペーサ
３３・・・ボルト
３４・・・保温パッケージ
３５・・・熱交換器
Ｐ１・・・都市ガス供給管
Ｐ２、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７・・・管路
Ｐ３・・・水蒸気供給管
Ｐ８・・・空気供給管
Ｐ９・・・排ガス管
Ｓ・・・脱硫器設置用スペース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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