(57)【要約】【課題】起動時においても、暖機部の暖機部本体による暖機性能を確保するのに有利な改質装置を提供することを課題とする。【解決手段】改質装置は、ガス状の原料を改質させて改質ガスを生成する改質部２と、改質部２で生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減させるＣＯ低減部とを具備する。起動時に改質部２で生成された改質ガスが導入され改質ガスを燃焼させることによりＣＯ低減部３を暖機し、一酸化炭素を低減させる反応を促進させる暖機部本体５０を有する暖機部５と、起動時において暖機部５の暖機部本体５０に湿分が付着することを抑制する湿分抑制手段９とを具備する。【選択図】図１
2006225193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質原料を改質させて改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減させるＣＯ低減部とを具備する改質装置において、
前記改質装置の起動時に前記改質装置で生成された改質ガスが導入され改質ガスを燃焼させることにより前記ＣＯ低減部を暖機し、改質ガスに含まれている一酸化炭素を前記ＣＯ低減部において低減させる反応を促進させる暖機部本体を有する暖機部と、
前記改質装置の起動時に改質ガスの湿分が前記暖機部本体に付着することを抑制する湿分抑制手段とを具備することを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記暖機部の前記暖機部本体は、触媒燃焼させる触媒を備えていることを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記改質部と前記暖機部との間に冷却部が設けられており、前記冷却部は、前記改質部で改質された改質ガスが前記暖機部に導入される前に改質ガスを冷却することを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項３において、前記冷却部は、前記改質部で改質され前記暖機部に供給される改質ガスの温度を冷却すると共に、前記改質部に供給される前の改質原料を加熱する熱交換機能を有することを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記湿分低減手段は、前記暖機部の前記暖機部本体に供給される改質ガスに接触する接触部をもち、改質ガスと前記接触部との接触により、改質ガスに含まれている湿分を捕獲するガス接触部材を有することを特徴とする改質装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記暖機部において、起動時に改質ガスが前記湿分低減手段を介して流れる流路のうち前記暖機部本体の前記上流側に、前記暖機部本体に供給される改質ガスから捕獲した湿分を貯留する上流側湿分貯留部が設けらていることを特徴とする改質装置。
【請求項７】
請求項１〜６のうちのいずれか一項において、前記暖機部において、起動時に改質ガスが前記湿分低減手段を介して流れる流路のうち前記暖機部本体の前記下流側に、湿分を貯留する下流側湿分貯留部が設けられていることを特徴とする改質装置。
【請求項８】
請求項１〜７のうちのいずれか一項において、前記湿分抑制手段は、前記改質部における改質運転の終了時において、改質ガス以外のガスを前記暖機部に吹き込むことを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質原料を改質させて改質ガスを生成する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、改質装置として、改質原料を水蒸気改質させて改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減させるＣＯ低減部とを備えているものが知られている。このものでは、改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減させることができるので有益である。
【０００３】
また従来、特許文献１には、メタノールとＨ2Ｏとを反応させ、Ｈ2及びＣＯを含む改質ガスを生成する技術が開示されている。このものでは、ＣＯを含む可燃性ガスを触媒燃焼させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−０８１６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、起動時にＣＯ低減部を暖機して昇温速度を早める暖機部を設けた改質装置が本出願人により開発されている（本出願時に未公知）。このものによれば、改質部で生成された改質ガスを暖機部に導入し、暖機部で改質ガスを燃焼させて暖機部を昇温させ、これによりＣＯ低減部を暖機し、ＣＯ低減部における一酸化炭素を低減させることにしている。このものによれば、起動時に、改質ガスを燃焼させた燃焼熱を用いてＣＯ低減部を早期に昇温させることができ、起動時におけるＣＯ低減部の立ち上がりを早くすることができる。
【０００５】
しかしながら改質部で生成された改質ガスは改質されているため、湿分（水蒸気、水滴等）を有することが多い。このように湿分（水蒸気、水滴等）が改質ガスに含まれていると、湿分が暖機部本体に物理的に吸着し、暖機部本体の着火性、燃焼性、昇温性を妨げたりするおそれがある。殊に、暖機部本体が触媒燃焼用の触媒を有する場合には、触媒の反応サイトに湿分が吸着すると、触媒の活性度が低下し、暖機部本体による暖機性能が低下するおそれがある。
【０００６】
また、上記した特許文献１に係る技術によれば、改質ガスに含まれている水蒸気、水滴等による不具合についての認識、起動時における湿分への対策はなされていない。
【０００７】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、起動時においても、暖機部の暖機部本体による暖機性能を確保し、ＣＯ低減部の立ち上がりを早くするのに有利な改質装置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】
【０００８】
本発明に係る改質装置は、改質原料を改質させて改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減させるＣＯ低減部とを具備する改質装置において、
前記改質装置の起動時に改質部で生成された改質ガスが導入され改質ガスを燃焼させることによりＣＯ低減部を暖機し、改質ガスに含まれている一酸化炭素をＣＯ低減部において低減させる反応を促進させる暖機部本体を有する暖機部と、改質装置の起動時に改質ガスの湿分が暖機部本体に付着することを抑制する湿分抑制手段とを具備することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る改質装置によれば、改質部で生成された改質ガスはＣＯ低減部に供給される。そして、改質ガスに含まれている一酸化炭素はＣＯ低減部においてＣＯ低減反応により低減される。改質部の起動時においてＣＯ低減部の温度は低いため、ＣＯ低減部におけるＣＯ低減効果を高めるには限界がある。そこで、改質装置の起動時において、改質部で生成された改質ガスを暖機部本体に導入する。そして、暖機部本体において改質ガスを燃焼させることによりＣＯ低減部を早期に昇温させる。この結果、改質装置の起動時においても、ＣＯ低減部の昇温速度を早め、ＣＯ低減部において一酸化炭素を低減させる反応を促進させることができる。
【００１０】
ところで、改質で生成された改質ガスには、湿分（水蒸気、液滴等）が含まれていることが多い。湿分が暖機部本体に付着すると、暖機部本体の着火性、燃焼性、昇温性が制約される。この点について本発明に係る改質装置によれば、湿分抑制手段は、起動時において改質ガスの湿分が暖機部本体に付着することを抑制する。このため暖機部本体の昇温速度が速められる。故に、起動時において、暖機部本体はＣＯ低減部を早期に昇温することができる。この結果、改質装置の起動時に、ＣＯ低減部において一酸化炭素を低減させる反応を促進させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る改質装置によれば、湿分抑制手段は、改質装置の起動時において改質ガスに含まれている湿分が暖機部本体に付着することを抑制する。このため起動時における暖機部本体の着火性、燃焼性、昇温性が向上する。故に、起動時において、暖機部本体はＣＯ低減部を早期に昇温することができる。この結果、改質装置の起動時であっても、ＣＯ低減部において一酸化炭素を低減させる反応を促進させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る改質装置は、ガス状の原料を改質させて改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減させるＣＯ低減部とを備えている。ＣＯ低減部は、改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる機能を有するものであればよい。ＣＯ低減部は、改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるＣＯ第１低減部と、改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を更に低減させるＣＯ第２低減部とを有することができる。ＣＯ第１低減部及びＣＯ第２低減部のうちの一方は、ＣＯとＨ2Ｏとを反応させてＣＯを低減させる方式を例示することができる。ＣＯ第１低減部及びＣＯ第２低減部のうちの他方は、ＣＯとＯ2とを反応させてＣＯを低減させる方式を例示することができる。
【００１３】
暖機部の暖機部本体は、改質装置で生成された改質ガスが導入され、改質ガスを燃焼させることによりＣＯ低減部を起動時に暖機するものであり、ＣＯ低減部において改質ガス中のＣＯを低減させる反応を促進させる。暖機部本体は触媒燃焼させる触媒を備えていることが好ましい。触媒燃焼は、可燃性ガスを空気中の酸素で触媒の存在下で酸化反応させる燃焼であり、一般的には無炎燃焼（場合によっては有炎燃焼）であり、触媒を用いない通常の火炎燃焼に比較して低空燃比で燃焼できるため、燃焼温度を低くできる。この場合、触媒を担持した担体を用いても良い。
【００１４】
本発明によれば、改質部と暖機部との間に冷却部が設けられている形態を例示することができる。冷却部は、改質部で改質された改質ガスが暖機部に供給される前に高温の改質ガスを冷却する。ここで、冷却部は、改質部で改質され暖機部に供給される改質ガスの温度を冷却すると共に、改質部に供給される前の改質原料を加熱する熱交換機能を有する形態を例示することができる。
【００１５】
本発明によれば、湿分低減手段は、暖機部の暖機部本体に供給される改質ガスに接触する接触部をもち、暖機部に供給された改質ガスと接触部との接触により、改質ガスに含まれている湿分を改質ガスから捕獲するガス接触部材を有する形態を例示することができる。ガス接触部材としては、改質ガスが衝突する衝突部材を例示できる。衝突部材としては板状部材、網状部材、多孔質部材が例示される。
【００１６】
なお、接触部に接触させるにあたり、空気と合流させた後の改質ガスを接触部に接触させてもよいし、あるいは、空気と合流する前の改質ガスを接触部に接触させてもよい。
【００１７】
本発明によれば、暖機部において、起動時に改質ガスが湿分低減手段を介して流れる流路のうち暖機部本体の上流側に上流側湿分貯留部が設けられている形態を例示することができる。上流側湿分貯留部は、暖機部本体に供給される改質ガスから捕獲した湿分を貯留する。上流側湿分貯留部の底面は、暖機部本体よりも低い位置に設定されていることが好ましい。上流側湿分貯留部に貯留した湿分が暖機部本体に進入することを抑えるためである。
【００１８】
また、暖機部において、起動時に改質ガスが湿分低減手段を介して流れる流路のうち暖機部本体の下流側に下流側湿分貯留部が設けられている形態を例示することができる。下流側湿分貯留部は湿分を貯留する。下流側湿分貯留部の底面は、暖機部本体よりも低い位置に設定されていることが好ましい。下流側湿分貯留部に貯留した湿分が暖機部本体に進入することを抑えるためである。
【００１９】
本発明によれば、湿分抑制手段は、改質部における改質運転の終了時において、改質ガス以外のガス（一般的には空気）を暖機部に吹き込む形態を例示することができる。これにより暖機部に存在する湿分を飛ばして暖機部から分離させることができる。ガスの吹き込みは、暖機部本体の温度が高い状態で行うことが好ましい。湿分を水蒸気化して持ち去りやすいためである。また、暖機部に存在する改質ガスの残留ガス、または吸着したＣＯ成分を暖機部から持ち去ることができる。上記した吹き込みは例えば１〜２０分間行うことができるが、これに限定されるものではない。
【００２０】
また、改質装置の起動時において、暖機部の温度が１００℃以下の状態では、湿分低減手段は、改質ガスが湿分低減手段を介して流れる流路のうち暖機部の暖機部本体の上流側において、暖機部に繋がる通路を蛇行させることにより形成することができる。この場合、暖機部に向かう改質ガスは蛇行して流れ、改質ガスが通路の内壁面に衝突する頻度が増加するため、改質ガスに含まれている湿分を低減させるのに有利となる。
【実施例１】
【００２１】
以下、本発明の実施例１を図１〜図４を参照して具体的に説明する。本実施例に係る改質装置は燃料電池発電システムに適用したものである。図１は改質装置を模式的に示すシステム図である。図２は改質装置の要部を模式的に示す図である。図３及び図４は暖機部を示す。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池のスタック１が設けられている。スタック１は燃料電池の複数のセルを積層したものである。セルは、改質ガスが供給される燃料極１０と、酸化剤としての酸素を含む酸素含有ガスが供給される酸化剤極１１と、燃料極１０及び酸化剤極１１で挟持された電解質膜１２とを有する。
【００２３】
改質装置は、改質原料を水蒸気改質させることにより水素を主要成分とする改質ガスを生成する改質部２と、改質部２で生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減させるＣＯ低減部３Ａとを備えている。改質原料は燃料系原料及び水系原料である。燃料系原料としては炭化水素系燃料、例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油、メタノール、ジメチルエーテル等が例示される。
【００２４】
図２に示すように、改質部２は、改質反応を促進させる改質触媒２０ｃを有する改質部本体２０と、燃料系原料及び空気が供給されるバーナ２１と、燃料系原料が燃焼する燃焼帯２２と、燃焼帯２２から伝達された熱により水系原料を蒸発させる蒸発部２３とを有する。燃焼帯２２の熱は改質部本体２０及び蒸発部２３に伝達される。改質部本体２０に設けられている改質触媒２０ｃの活性温度域は、一般的には５００〜８００℃であるが、これに限られるものではない。
【００２５】
図２に示すように、バーナ２１には燃料系原料と燃焼用の空気とが供給され、燃料系原料の燃焼により改質部本体２０が高温領域に加熱される。改質部本体２０は、下記の式（１）に基づいて、改質原料（燃料系原料と水系原料）とを反応させて水蒸気改質を行い、水素を主要成分とする改質ガスを生成する。改質部本体２０で生成された改質ガスにはＣＯが副生成物として生じる。この場合、ＣＯの濃度は一般的には５〜１５％であるが、これに限られるものではない。なおＣＯの濃度はモル％を基準とする。
【００２６】
図１に示すように、ＣＯ低減部３Ａは、ＣＯ第１低減部としてのシフト部３と、ＣＯ第２低減部としてのＣＯ浄化部４とで形成されている。シフト部３は、下記の式（２）に基づいてシフト反応を促進させるシフト触媒３ｃを有する。シフト触媒３ｃの活性温度域は一般的には２００〜３００℃であるが、これに限られるものではない。シフト触媒３ｃは例えば銅−亜鉛系の触媒を主要成分とするが、これに限定されるものではない。
【００２７】
ＣＯ浄化部４は、下記の式（３）に基づいてＣＯを二酸化炭素に酸化させて低減させる反応を促進させる浄化触媒４ｃ（例えばルテニウム系）を有しており、更に、浄化触媒４ｃを担持したセラミックス製の担体（例えばアルミナ系）を有する。浄化触媒４ｃの活性温度域は一般的には１００〜２００℃であるが、これに限られるものではない。
【００２８】
シフト部３で浄化された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は、一般的には０．２〜１％であるが、これに限られるものではない。ＣＯ浄化部４で浄化された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は一般的には１０ｐｐｍ以下であるが、これに限られるものではない。
式（１）…ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ
式（２）…ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
式（３）…ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2
図１に示すように、暖機部５はＣＯ低減部としてのシフト部３と改質部２との間に介在しており、改質部２に連通する入口５ｓと、シフト部３に連通する出口５ｅとを有する。暖機部５は、シフト部３を昇温させやすいように、シフト部３にこれの上流側に隣接している。
【００２９】
起動時には、暖機部５の暖機部本体５０の暖機用導入口５ｉに、改質装置で生成された改質ガス（凝縮器８７で水蒸気の多くが除去され、迂回通路８０を通過したもの）が導入される。よって暖機部本体５０は、改質ガスを燃焼させて燃焼熱を用いてシフト部３を起動時に暖機するものである。暖機により、改質ガス中の一酸化炭素をシフト部３において低減させる式（２）で示されるシフト反応を促進させる。
【００３０】
図３及び図４は上記した暖機部５の概念を示す。暖機部５は触媒燃焼機能を有するものであり、触媒燃焼させる触媒５ｃ（例えばＰｔ−Ｐｄ系）を有する。具体的には、暖機部５は、触媒燃焼用の触媒５ｃを担持したセラミックス製の担体（例えばアルミナ）を備えた複数の暖機部本体５０と、複数の改質ガス通路５１と、改質ガス通路５１を遮蔽する遮蔽部５２とを有する。暖機部本体５０は通気性を有しており、改質ガスを燃焼させつつ透過させることができる。触媒５ｃを担持する担体はペレット状でも、モノリス状でも良い。前述したように、触媒燃焼は、可燃性ガスを空気中の酸素で酸化反応させる触媒であり、一般的には無炎燃焼であり（場合によっては有炎燃焼）、通常の有炎燃焼に比較して空燃比（空気と燃料との比）を低くできるため、燃焼温度が低い。
【００３１】
図３に示すように、暖機部５の改質ガス通路５１の一端部側の入口５ｓは改質部本体２０に連通している。暖機部５の改質ガス通路５１の他端部側の出口５ｅはシフト部３に連通している。従って、改質部本体２０で生成された改質ガスは、入口５ｓ→改質ガス通路５１→出口５ｅを通過し、シフト部３に向かう。図４に示すように、暖機部５において、暖機部本体５０と改質ガス通路５１とは互いに対面している。これにより改質ガス通路５１を通過する高温の改質ガスにより、起動時における暖機部本体５０の昇温速度は高められている。
【００３２】
本実施例によれば、図１に示すように、改質部２と暖機部５との間に冷却部６が設けられている。冷却部６は、改質部２で改質された改質ガスが暖機部５に供給される前に高温の改質ガスを冷却するためのものである。ここで、図２に示すように、冷却部６は、改質部本体２０で改質された改質ガスを暖機部５の改質ガス通路５１に向けて供給するガス通路６０と、改質部本体２０に供給される前の改質原料（燃料系原料及び水系原料）を通過させる原料通路６１を有する。この結果、ガス通路６０を通過する改質ガスを冷却すると共に、原料通路６１を通過する改質原料を加熱する。このため冷却部６は、改質部２に供給される前であり温度が相対的に低い改質原料と、改質部２から吐出された後であり温度が相対的に高い改質ガスとを熱交換させる熱交換部として機能することができる。
【００３３】
図１を参照して配管系について更に説明を加える。燃料系原料を改質原料としてバーナ２１または改質部２に供給する第１通路７１が設けられている。第１通路７１には、燃料系原料を搬送するポンプ等の搬送要素７１ｍが設けられている。更に燃料系原料を搬送するポンプ等の搬送要素７１ｎが設けられている。更に、水系原料を改質原料として改質部２に供給する第２通路７２が設けられている。第２通路７２には水系原料を搬送するポンプ等の搬送要素７２ｍが設けられている。空気（酸素含有ガス）を触媒燃焼のために第１バルブ８１を介して暖機部５の暖機用導入口５ｉ側に供給する第３通路７３が設けられている。第３通路７３には空気を搬送するファン、コンプレッサ、ブロア、ポンプ等の搬送要素７３ｍが設けられている。更に、空気をバーナ２１に供給する空気通路７６が第３通路７３に連通するように設けられている。空気通路７６には、空気をバーナ２１に搬送する搬送要素７３ｘが設けられている。空気をスタック１の酸化剤極１１に供給する酸化剤通路１１ｋが第３通路７３に連通するように設けられている。酸化剤通路１１ｋには空気を燃料電池のスタック１に搬送する搬送要素７３ｗが設けられている。
【００３４】
図１に示すように、ＣＯ浄化用の空気を第２バルブ８２を介してＣＯ浄化部４に供給する第４通路７４が設けられている。シフト部３とＣＯ浄化部４を繋ぐ接続通路７７が設けられている。ＣＯ浄化部４の出口４ｐ側とスタック１の燃料極１０の入口１０ｉ側とを第３バルブ８３及び凝縮器８７’を介して繋ぐ第５通路７５が設けられている。燃料電池のスタック１の燃料極１０の出口１０ｐ側と改質部２のバーナ２１とを繋ぐ第１リターン通路７８が設けられている。第１リターン通路７８には、第４バルブ８４、凝縮器８７、第５バルブ８５が直列にスタック１からバーナ２１に向かうにつれて順に設けられている。
【００３５】
図１に示すように、スタック１を迂回するように、ＣＯ浄化部４の出口４ｐ側と凝縮器８７の入口８７ｉ側とを迂回用のバルブ７９ｖを介して繋ぐ第１迂回通路７９が設けられている。更に、凝縮器８７の出口８７ｐ側と暖機部５の暖機用導入口５ｉ側とを第６バルブ８６を介して繋ぐ第２迂回通路８０が設けられている。暖機部５の暖機用導出口５ｐ側とバーナ２１とを繋ぐ第２リターン通路７０が設けられている。改質ガスを流す第２迂回通路８０は、空気用を流す第３通路７３と合流部８０ｘで合流する。
【００３６】
更に、図２を参照して説明を加える。図２に示すように、改質部本体２０は内側部２０ｉと外側部２０ｐと折り返し部２０ｍとを有する。そして燃料電池システムの起動時、つまり、改質装置の起動時には、燃料系原料と燃焼用の空気とをバーナ２１に供給しつつバーナ２１を着火させ、燃料系原料を燃焼帯２２において燃焼させる。これにより改質部本体２０及び蒸発部２３が次第に加熱される。この状態で、燃料系原料と水系原料とが改質部本体２０に供給される。この場合、水系原料は蒸発部２３を通過するときに水蒸気化される。水蒸気と燃料系原料とは合流域７１ｓで合流し、冷却部６の原料通路６１を介して矢印Ｂ２,Ｂ３方向に流れ、改質部本体２０の外側部２０ｐに供給される。このように改質原料が冷却部６の原料通路６１を通過するとき予熱される。
【００３７】
図２において、上記した改質原料は、改質部本体２０の外側部２０ｐに流入し、外側部２０ｐにおいて矢印Ｂ４方向に進み、更に、改質部本体２０の折り返し部２０ｍにおいて矢印Ｂ５方向に折り返し、更に、改質部本体２０の内側部２０ｉを矢印Ｂ６方向に進む。このように改質原料が改質部本体２０の内部を通過するときに水蒸気改質され、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは冷却部６のガス通路６０を矢印Ｃ１方向に進み、暖機部５を経てシフト部３に至る。
【００３８】
ここで本実施例によれば、上記した式（１）に基づいて水蒸気改質が行われ、ＣＯを含む水素リッチな改質ガスが生成される。シフト部３においては、上記した式（２）のシフト反応に基づいて改質ガス中のＣＯが低減される。ＣＯ浄化部４においては、上記した式（３）に基づいて改質ガス中のＣＯが更に低減される。これによりスタック１での発電反応に適するように、改質ガス中のＣＯが低減される。
【００３９】
ところで、起動時においては、シフト部３の温度は低いためこれの活性温度域には到達しておらず、シフト部３によるＣＯ低減効果には限界があり、改質ガスをスタック１での発電に用いるには必ずしも充分ではない。このため起動時においては、改質部本体２０で生成された改質ガスをスタック１に供給することなく、スタック１を迂回させる。つまり、図１に示すように、ＣＯ浄化部４を経た改質ガスを迂回用のバルブ７９ｖ、第１迂回通路７９を介して凝縮器８７の入口８７ｉに供給し、凝縮器８７において改質ガスを冷却させて、改質ガスに含まれている湿分を凝縮させて、改質ガスに含まれている湿分を低減させる。
【００４０】
そして、凝縮器８７で湿分を低減させた改質ガスを、凝縮器８７の出口８７ｐ、第６バルブ８６、第２迂回通路８０を経て暖機部５の暖機用導入口５ｉに導入する。このとき、第１バルブ８１を開放させ、空気を第１バルブ８１を介して暖機部５の暖機用導入口５ｉに導入する。なお本実施例において、改質ガスと空気とは合流域８０ｘで、暖機部５の暖機用導入口５ｉに導入される前に合流するが、この形態に限られるものではない。
【００４１】
暖機部５の暖機用導入口５ｉに導入された改質ガスは、暖機部５の暖機用導入口５ｉに導入された空気と共に、暖機部本体５０の内部を矢印Ｅ１方向（図４参照）に通過し、暖機部本体５０において触媒５ｃにより触媒燃焼される。このため暖機部本体５０で燃焼させない方式に比較して、暖機部５の暖機部本体５０を早期に昇温させることができる。この結果、起動時において暖機部５によりシフト部３を早期に昇温することができる。
【００４２】
暖機部５で触媒燃焼された後のオフガスは、暖機部５の暖機用導出口５ｐから下流に至り、第２リターン通路７０、第１リターン通路７８を経てバーナ２１に戻される。このオフガスには燃焼成分が含まれている可能性があるが、この燃焼成分はバーナ２１で燃焼され、その後、排気される。上記したように暖機部５を触媒燃焼で暖機させるときには、第３バルブ８３、第４バルブ８４、第５バルブ８５は閉鎖されているものの、迂回用のバルブ７９ｖ、第１バルブ８１、第６バルブ８６は開放されている。なお、上記したように暖機部５で触媒燃焼させるときには、一般的には第２バルブ８２を閉鎖しておくが、必要に応じて第２バルブ８２を開放し、空気をＣＯ浄化部４に供給しても良い。
【００４３】
起動時から所定時間が経過すれば、シフト部３が次第に加熱され、シフト部３によりＣＯ低減効果が向上するため、暖機運転から定常運転に移行することができる。定常運転では、第３バルブ８３、第４バルブ８４、第５バルブ８５、第２バルブ８２を開放すると共に、迂回用のバルブ７９ｖ、第６バルブ８６、第１バルブ８１を閉鎖する。これにより第１迂回通路７９、第２迂回通路８０を遮断する。このため定常運転時においては、改質部本体２０で水蒸気改質された改質ガスは、冷却部６、暖機部５の改質ガス通路５１、シフト部３、接続通路７７、ＣＯ浄化部４、第３バルブ８３、第５通路７５を順に経て、スタック１の燃料極１０の入口１０ｉに供給される。更に、定常運転では酸化剤ガス（一般的には酸素含有ガス）が酸化剤通路１１ｋのバルブ１１ｖを介してスタック１の酸化剤極１１に供給される。これによりスタック１において発電反応が発生し、電気エネルギが生成される。発電に使用された改質ガスのオフガスは、スタック１の燃料極１０の出口１０ｐ側から、第１リターン通路７８、凝縮器８７、第５バルブ８５を経てバーナ２１に供給される。発電に使用された改質ガスのオフガスには燃焼成分が含まれ得るため、この燃焼成分はバーナ２１で燃焼された後、排気される。
【００４４】
上記した改質装置の起動時においては、暖機部５の暖機部本体５０の温度は低く、暖機部５がシフト部３を暖機させる機能も必ずしも充分ではない。そこで起動時においては改質ガスを暖機部５の暖機部本体５０に供給して燃焼触媒により燃焼させて暖機部５を早期に昇温させるものである。このように暖機部５を昇温させるときにおいて、暖機部５の暖機用導入口５ｉに供給される改質ガスは湿分を有することが多い。改質ガスは水蒸気改質を経ているためである。このため  改質ガスは飽和蒸気圧相当の湿分を有する可能性がある。更に、凝縮器８７から暖機部５に向かう第２迂回通路８０において改質ガスが冷却されるため、暖機部５の暖機用導入口５ｉに供給される改質ガスには湿分が水滴として含まれていることがある。
【００４５】
そこで本実施例によれば、図３及び図４に示すように、暖機部５において暖機部本体５０の暖機用導入口５ｉ側には、第１ガス接触部材９が設けられている。ここで、暖機部本体５０の暖機用導入口５ｉは、起動時において改質ガスが第１ガス接触部材９（湿分低減手段）を介して流れる流路のうち、暖機部本体５０よりも上流に位置している。また暖機部本体５０の暖機用導出口５ｐは、起動時において改質ガスが第１ガス接触部材９（湿分低減手段）を介して流れる流路のうち、暖機部本体５０よりも下流に位置している。
【００４６】
第１ガス接触部材９は、暖機運転時において、暖機部５の暖機部本体５０に供給される改質ガスが衝突して接触する接触部９０をもつ邪魔板機能を奏するように板状をなしている。第１ガス接触部材９は、凝縮器８７の出口８７ｐから第２迂回通路８０を経て供給された改質ガスが流れる通路部分８０ａに対向している。具体的には、図４に示すように、第１ガス接触部材９は、第２迂回通路８０のうち暖機部５の暖機用導入口５ｉに繋がる通路部分８０ａの軸線Ｐ１に対して交差する方向に指向している。つまり、第１ガス接触部材９は第２迂回通路８０のうち暖機部５に繋がる通路部分８０ａの軸線Ｐ１に対して直交する方向に指向している。
【００４７】
従って、上記したように改質装置の起動時において、つまり、暖機部５を昇温させる暖機運転時において、改質ガスが暖機部５の暖機用導入口５ｉに導入するとき、その改質ガスは第１ガス接触部材９の接触部９０に衝突する。従って、改質ガスに含まれている湿分（水蒸気、水滴等）は、第１ガス接触部材９の接触部９０に捕獲され、改質ガスから除去される。殊に本実施例によれば、改質ガスが第１ガス接触部材９の接触部９０に衝突する衝突角度θ１及びθ２は９０度または９０度に近いため、衝突性が高く、改質ガスに含まれている水滴の捕獲に有利である。改質ガスが飽和状態の水蒸気を含むときには、衝突時の衝撃により液化が進行しやすい。本実施例では、第１ガス接触部材９は、起動時において改質ガスの湿分が暖機部５の暖機部本体５０に付着することを抑制する湿分抑制手段として機能することができる。
【００４８】
このような本実施例によれば、起動時に、改質ガスに含まれている湿分（水蒸気、水滴等）が暖機部５の暖機部本体５０、殊に、暖機部本体５０の構成要素である触媒５ｃの反応サイトに付着することは抑制される。故に、起動時において、触媒燃焼を行う暖機部本体５０における着火性、燃焼性、昇温性を高めることができる。つまり、暖機部本体５０による触媒燃焼を早期に立ち上げ、暖機部本体５０を早期に昇温させることができる。ひいてはシフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。更に第１ガス接触部材９は、暖機部５において複数の改質ガス通路５１に改質ガスを分散させる機能も奏する。
【００４９】
起動時において、第２迂回通路８０を経て暖機部５の暖機用導入口５ｉに流入する改質ガスの温度をＴ１とし、第３通路７３及び第１バルブ８１を経て暖機部５の暖機用導入口５ｉに流入する空気の温度をＴ２とすると、Ｔ１＞Ｔ２，Ｔ１＜Ｔ２，Ｔ１≒Ｔ２，Ｔ１=Ｔ２のいずれの形態でも良い。
【００５０】
なお、Ｔ１＞Ｔ２の場合には、相対的に温度が高い改質ガスの温度を空気によって低下させ得るので、改質ガスに含まれる水蒸気の凝縮化を進行させ、暖機部５への導入前に改質ガスの湿分を低減させる作用を期待できる。また、凝縮器８７を経た改質ガスの温度が低すぎるときには、Ｔ１＜Ｔ２にし、空気で改質ガスを暖めることができる。
【００５１】
更に本実施例によれば、図３に示すように、暖機部５の暖機部本体５０の上流である暖機用導入口５ｉ側には、上流側湿分貯留部５３が設けられている。上流側湿分貯留部５３は、暖機部本体５０に供給される改質ガスから捕獲した湿分を貯留する空間５３ｒをもつ。上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄには第１ガス接触部材９が立設されている。上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄは、暖機部本体５０の底面５０ｄよりも低い位置に設定されている。従って、第１ガス接触部材９の接触部９０に付着した湿分が水滴として流下したとしても、上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄに溜まるものの、暖機部本体５０に進入することは抑えられる。この意味においても、暖機部本体５０を早期に昇温させて、暖機部本体５０による暖機作用を早期に立ち上げることができ、シフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。
【００５２】
また第２リターン通路７０で凝縮した水滴が流下して暖機部５の下流側に進入するおそれがある。この点について本実施例によれば、図３に示すように、暖機部５の暖機部本体５０の下流側である暖機用導出口５ｐ側には、湿分を貯留する空間５５ｒをもつ下流側湿分貯留部５５が設けられている。下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄは、暖機部本体５０の底面５０ｄよりも低い位置に設定されている。このため下流側湿分貯留部５５に湿分が液体として貯留されたとしても、その湿分が暖機部本体５０に進入することを抑えることができる。この意味においても、暖機部本体５０を早期に昇温させて、暖機部本体５０による暖機作用を早期に立ち上げることができ、シフト部３を早期に昇温させて立ち上げることができる。暖機用導出口５ｐは、起動時において改質ガスが第１ガス接触部材９（湿分低減手段）を介して流れる流路において暖機部本体５０よりも下流に位置している。
【００５３】
なお、湿分が上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄ、下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄに液体として溜まるとしても、多量ではない（例えば３〜１５ｃｃ程度）。起動時から燃料電池発電システムの定常運転に移行すれば、暖機部５の上流側湿分貯留部５３及び下流側湿分貯留部５５は、かなり昇温される。例えば１００〜３００℃程度に昇温される。このため、起動時に上流側湿分貯留部５３の底面５３ｄ、下流側湿分貯留部５５の底面５５ｄに湿分が溜まったとしても、その湿分は、定常運転時において蒸気化して消失する。故に、湿分が暖機部本体５０に進入することを抑えるのに一層有利となる。
【００５４】
なお、図３及び図４に示すように、暖機部本体５０の下流に設けられている下流側湿分貯留部５５には板状の第２ガス接触部材９５が立設されている。第２ガス接触部材９５は、第２リターン通路７０から流下した水が暖機部本体５０に進入することを抑制する。
【００５５】
また、上記した燃料電池発電システムの定常運転を停止させるときには、つまり、改質装置の改質運転の終了させるときには、改質ガスを冷却部６を介して暖機部５に供給することを停止する。この状態において、第１バルブ８１を開放させることにより、空気を第３通路７３から暖機部５の暖機用導入口５ｉに所定時間吹き込む。この場合においては、この空気は、触媒５ｃを有する暖機部本体５０の内部を通過する。なお第２迂回通路８０から改質ガスは暖機部５の暖機用導入口５ｉに供給されない。
【００５６】
上記したように改質ガスを暖機部５に供給することを停止した状態において、空気を暖機部５の暖機用導入口５ｉに吹き込むことにより、暖機部５に存在する湿分、暖機部本体５０に存在する湿分、暖機部５に繋がる配管に存在する湿分をそれぞれ持ち去り、暖機部５及び配管から分離させることができる。
【００５７】
従って、暖機部本体５０の触媒燃焼用の触媒５ｃに存在している湿分（水蒸気、水滴等）を効率よく飛ばして分離させ、触媒５ｃの触媒活性を高めることができる。空気の吹き込みは暖機部本体５０の温度が高い状態で行えば、湿分を水蒸気化させて持ち去りやすい。また、暖機部５の暖機部本体５０に存在する改質ガスの残留ガス及びＣＯ成分を暖機部５の暖機部本体５０から除去することができ、触媒５ｃの触媒活性を高めるのに有利となる。
【００５８】
更に、未燃の改質ガス及びＣＯガスが暖機部本体５０の触媒燃焼用の触媒５ｃに存在していることは好ましくない。殊に触媒燃焼用の触媒５ｃにＣＯが吸着されると、次回の着火性が低下する。このようなときであっても、運転終了時において空気を第３通路７３から暖機部５の暖機用導入口５ｉに所定時間吹き込めば、暖機部本体５０が高温であれば、これらを燃焼させて除去することも期待できる。従って、燃料電池発電システムを次回に起動させるときに、ＣＯガスの吸着による暖機部本体５０の着火性低下を抑制することができる。
【実施例２】
【００５９】
図５は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例では、暖機部本体５０の上流の暖機用導入口５ｉ側には、湿分低減手段として機能する第１ガス接触部材９Ｂが設けられている。第１ガス接触部材９Ｂは、表面に凹凸部を有するように、断面で波板状をなしている。波板状であるため、改質ガスの衝突性を高めることができる。この場合、改質ガスに含まれている湿分（水滴等）を改質ガスから除去するのに有利である。
【実施例３】
【００６０】
図６は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例では、暖機部本体５０の上流の暖機用導入口５ｉ側には、湿分低減手段として機能する第１ガス接触部材９Ｃが設けられている。第１ガス接触部材９Ｃは、改質ガスに含まれている湿分を捕獲し易いように、複数の細孔を有する多孔質体で形成されている。定常運転時には、暖機部５の高温が維持されるため、多孔質体に保持された湿分は消失する。従って次回の起動時には多孔質体は改質ガスの湿分を捕獲し易い。
【実施例４】
【００６１】
図７は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例では、暖機部本体５０の上流には、湿分低減手段として機能する第１ガス接触部材９Ｄが設けられている。第１ガス接触部材９Ｄは網状体をなしている。第２迂回通路８０から暖機部５の暖機用導入口５ｉに導入された改質ガスが第１ガス接触部材９Ｄに衝突するときにおけるガス分散性を高めるべく、第１ガス接触部材９Ｄの網目は細かくされていることが好ましい。定常運転時には、暖機部５の高温が維持されるため、網状体に保持された湿分は消失する。従って次回の起動時には網状体は改質ガスの湿分を捕獲し易い。
【実施例５】
【００６２】
図８は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例では、第１ガス接触部材９Ｅは例えば千鳥配列状に複数に分散して配置されており、改質ガスとの接触面積が確保されている。
【実施例６】
【００６３】
図９は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。本実施例では、改質ガスと空気とが合流する合流域８０ｘの上流に第１ガス接触部材９Ｆが設けられている。空気と合流する前の湿度が高い改質ガスを第１ガス接触部材９Ｆに衝突させるため、改質ガスから湿分を捕獲するのに有利となる。
【００６４】
（その他）
上記した燃料電池発電システムは定置用でも車載用でも良い。上記した実施例は改質装置は燃料電池発電システムに適用したものであるが、これに限らず、他のシステムに適用してもよい。
【００６５】
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）改質原料を改質させて改質ガスを生成する改質部と、改質部で生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減させるＣＯ低減部と、ＣＯ低減部を経た改質ガスが供給される燃料電池とを具備する燃料電池発電システムにおいて、改質装置の起動時に改質装置で生成された改質ガスが導入され改質ガスを燃焼させることによりＣＯ低減部を暖機し、改質ガスに含まれている一酸化炭素をＣＯ低減部において低減させる反応を促進させる暖機部本体を有する暖機部と、改質装置の起動時に改質ガスの湿分が暖機部の暖機部本体に付着することを抑制する湿分抑制手段とを具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は水素製造システム等に利用することができ、例えば水素製造システムを有する燃料電池発電システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】燃料電池発電システムを示す概念図である。
【図２】改質装置を模式的に示す構成図である。
【図３】暖機部を模式的に示す構成図である。
【図４】暖機部を異なる方向から模式的に示す構成図である。
【図５】実施例２に係り、暖機部を模式的に示す構成図である。
【図６】実施例３に係り、暖機部を示す構成図である。
【図７】実施例４に係り、暖機部を示す構成図である。
【図８】実施例５に係り、暖機部を示す構成図である。
【図９】実施例６に係り、暖機部を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６８】
１はスタック、１０は燃料極、１１は酸化剤極、２は改質部、２０は改質部本体、２１はバーナ、２２は燃焼帯、３はシフト部、４はＣＯ浄化部、５は暖機部、５０は暖機部本体、５１は改質ガス通路、６は冷却部、６０はガス通路、６１は原料通路、８７は凝縮器、７９は第１迂回通路、８７及び８７’は凝縮器、９は第１ガス接触部材（湿分抑制手段）、９０は接触部、５３は上流側湿分貯留部、５５は下流側湿分貯留部を示す。
【図１】
2006225193.tif 000003
【図２】
2006225193.tif 000004
【図３】
2006225193.tif 000005
【図４】
2006225193.tif 000006
【図５】
2006225193.tif 000007
【図６】
2006225193.tif 000008
【図７】
2006225193.tif 000009
【図８】
2006225193.tif 000010
【図９】
2006225193.tif 000011