(57)【要約】【課題】  改質装置において、燃焼ガスにより水を加熱する蒸発部からの放熱をできるだけ抑制することにより熱効率を向上させるとともに、負荷変動時や環境変化の際にロバスト性のよい安定した制御を実現する。【解決手段】  改質装置２０は、改質部３０、燃焼部６０、燃焼ガス流路７０、断熱部７５、蒸発部８０、ＣＯ浄化部９０から構成されている。燃焼部６０は、改質部３０の内周壁内に配置され、燃焼ガス流路７０は、改質部３０内周壁に沿う内周流路７１から改質部３０外周壁の外周側に設けられた外周流路７２に折り返されて配置される折り返し流路７３を備えている。外周流路７２は、改質部３０外周壁に沿う第１流路７２ａと、この第１流路７２ａの外周に設けられた同第１流路７２ａと連通する第２流路７２ｂを備え、第２流路７２ｂの外周壁に蒸発部８０を設け、この蒸発部８０の外周壁にＣＯ浄化部９０を設けている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部と、該改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、前記燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路と、水を加熱して前記水蒸気を生成して前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料電池に供給する一酸化炭素低減部とから構成される改質装置において、
前記改質部は、筒状に形成され内部に軸線に沿って延在する改質部折り返し流路を備え、
前記燃焼部は、前記改質部の内周壁内に配置され、
前記燃焼ガス流路は、前記改質部の内周壁に沿う内周流路から前記改質部の外周壁の外周側に設けられた外周流路に折り返されて配置される折り返し流路を備え、
前記外周流路の外周壁に前記蒸発部を設け、該蒸発部の外周壁に前記一酸化炭素低減部を設けたことを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記外周流路は、前記改質部の外周壁に沿う第１流路と、該第１流路の外周に設けられた同第１流路と連通する第２流路を備え、
前記第２流路の外周壁に前記蒸発部を設け、該蒸発部の外周壁に前記一酸化炭素低減部を設けたことを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、互いに隣接する前記燃焼ガス流路の前記燃焼ガスと前記蒸発部の水または水蒸気は並流であることを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、互いに隣接する前記蒸発部の前記水または水蒸気と前記一酸化炭素低減部の改質ガスは並流であることを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２において、互いに隣接する前記燃焼ガス流路の前記燃焼ガスと前記蒸発部の水または水蒸気は向流であることを特徴とする改質装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２において、互いに隣接する前記蒸発部の前記水または水蒸気と前記一酸化炭素低減部の改質ガスは向流である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、供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
改質装置は供給された燃料（例えば天然ガス、ＬＰガス、灯油、メタノールなど）および水蒸気からいわゆる水素リッチな改質ガスを生成するものである。この改質ガスは、例えば、燃料電池の燃料極に供給される。燃料電池は、燃料極に供給された改質ガス中の水素と空気極に供給された空気中の酸素によって発電するものである。
【０００３】
改質装置としては、燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路と、水を加熱して水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料電池に供給する一酸化炭素低減部とから構成されるものが知られている（特許文献１、２参照）。
【０００４】
特許文献１に記載された水素生成装置（改質装置）においては、特許文献１の図１に示すように、燃焼室１７を取り囲むように筒状の改質器（改質部）１０が設けられており、この改質器１０の外周側に筒状の燃焼ガス流路１２が、燃焼ガス流路１２の外周側に筒状の蒸発室（蒸発部）２８が燃焼室１７と同軸上にそれぞれ設けられている。蒸発室２８は、第１蒸発室１８およびこの第１蒸発室１８と隔壁２１を隔てて設けられた第２蒸発室２２から構成されており、隔壁２１には複数の開口部２３が形成されている。
【０００５】
また、特許文献２に記載された単管円筒式改質器（改質装置）においては、特許文献２の図３に示すように、同心状に配置した複数の直立した円形筒体６１〜６６と、該円形筒体の内部にこれと中心軸を同軸にして配置された輻射筒１４と、該輻射筒１４の中心部分上部に配置されたバーナ（燃焼部）１８とを備え、円形筒体６１〜６６によって区画された間隙で、下方に向けて流路が形成された間隙に改質触媒を充填した単管円筒式改質器である。この単管円筒式改質器は、バーナ１８からの燃焼排ガスを輻射筒１４の外周を通過し、改質器２の外方に周状に形成された伝熱路（燃焼ガス流路）２７から排出する排気通路（燃焼ガス流路）８０と、改質触媒を充填した改質触媒層（改質部）８の外周に設けられ、該改質触媒層８と下端で接続し、上方に向けて流路が形成された通路５０と、通路５０の外周に設けられ、通路５０の終端から反転して下方に向けて流路が形成されたＣＯ変成触媒層（一酸化炭素低減部の一形式）１０と、円形筒体６１〜６６の上部で伝熱路２７の外周に配置され、バーナ１８の燃焼排熱により水を加熱する水加熱路３４と、ＣＯ変成触媒層１０の外周に形成され、原料ガスの流入口２６が下端に接続され、改質触媒層８の流入部に上端で接続する加熱路４８と、水加熱路（蒸発部）３４と加熱路４８の下端とを接続する連結管２５と、水加熱路３４の外周に設けたＣＯ除去触媒層（一酸化炭素低減部の一形式）１２とを備えている。
【特許文献１】特開２００３−２５２６０４号公報（第４，５頁、図１）
【特許文献２】特開２００３−３２１２０６号公報（第３−５頁、図１−３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１に記載の水素生成装置においては、蒸発室（蒸発部）２８を流通する原料Ｘおよび水Ｙは燃焼ガス流路１２を流通する燃焼ガスとの間で熱交換が行われて原料Ｘおよび水Ｙを予熱することは可能であるが、蒸発室２８が最外周に配置されているので、燃焼ガス流路１２（燃焼ガス）から外方に向けて放出されている熱は予熱分として原料Ｘおよび水Ｙに吸収される一方で、吸収された熱は蒸発室２８の外周壁から外方に放出されており、改質装置の効率低下を招いている。
【０００７】
また、特許文献２に記載された単管円筒式改質器においては、排気通路（燃焼ガス流路）８０の外周に設けた水加熱路３４の外周にＣＯ除去触媒層（一酸化炭素低減部の一形式）１２が設けられているので、排気流路８０（燃焼ガス）から外方に向けて放出されている熱が水加熱路３４の外周壁から外方に放出されるのが抑制されており、改質装置の効率低下を防止することができる。しかし、排気通路（燃焼ガス流路）８０の内側には順に加熱路４８、ＣＯ変成触媒層１０が設けられているため、排気流路８０（燃焼ガス）から内方に向けて放出されている熱が加熱路４８を流通する原料ガスに吸収され、またＣＯ変成触媒層１０に吸収される。したがって、燃焼ガスの温度が必要温度より低下して水加熱路３４において水が十分加熱されないおそれがあるため、起動時間が長くなり起動性が低下するという問題があった。これを解決するために燃焼負荷の増加または投入水量の低減などの措置が考えられるが、燃焼負荷を増加する場合は、効率低下を招き、投入水量を低減する場合は、高温となる改質触媒上のカーボン析出による劣化、転化率低下、ＣＯ変成触媒層１０での一酸化炭素濃度上昇などの問題が発生する。
【０００８】
さらに、上述のように排気流路８０（燃焼ガス）から内方に向けて放出されている熱が加熱路４８を流通する原料ガスに吸収され、またＣＯ変成触媒層１０に吸収されるので、燃焼ガスとＣＯ変成触媒層１０内を流通する改質ガスの応答性の違いから、負荷変動時に熱バランスを崩し温度上昇や温度低下による一酸化炭素濃度上昇といった問題が発生する。
【０００９】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、改質装置において、燃焼ガスによって水を加熱する蒸発部からの放熱をできるだけ抑制することにより熱効率を向上させるとともに、負荷変動時や環境変化の際にロバスト性のよい安定した制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路と、水を加熱して水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料電池に供給する一酸化炭素低減部とから構成される改質装置において、改質部は、筒状に形成され内部に軸線に沿って延在する改質部折り返し流路を備え、燃焼部は、改質部の内周壁内に配置され、燃焼ガス流路は、改質部の内周壁に沿う内周流路から改質部の外周壁の外周側に設けられた外周流路に折り返されて配置される折り返し流路を備え、外周流路の外周壁に蒸発部を設け、この蒸発部の外周壁に一酸化炭素低減部を設けたことである。
【００１１】
また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、外周流路は、改質部の外周壁に沿う第１流路と、この第１流路の外周に設けられた同第１流路と連通する第２流路を備え、第２流路の外周壁に蒸発部を設け、この蒸発部の外周壁に一酸化炭素低減部を設けたことである。
【００１２】
また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、互いに隣接する燃焼ガス流路の燃焼ガスと蒸発部の水または水蒸気は並流であることである。
【００１３】
また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、互いに隣接する蒸発部の水または水蒸気と一酸化炭素低減部の改質ガスは並流であることである。
【００１４】
また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、互いに隣接する燃焼ガス流路の燃焼ガスと蒸発部の水または水蒸気は向流であることである。
【００１５】
また、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、互いに隣接する蒸発部の水または水蒸気と一酸化炭素低減部の改質ガスは向流であることである。
【発明の効果】
【００１６】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃焼ガス流路の折り返し流路と改質部折り返し流路との間において熱交換が行われ、外周流路と蒸発部との間において熱交換が行われており、そして、その蒸発部の外周に一酸化炭素低減部が設けられている。これにより、外周流路（燃焼ガス）から外方に向けて放出されている熱が蒸発部を通って同蒸発部の外周壁から外方に放出されるのが抑制されて、改質装置の熱効率低下を防止することができ、ひいては燃料電池システムの発電効率を高く維持することができる。
【００１７】
また、上記のように構成した請求項２に係る発明においては、外周流路の第２流路は外周流路の第１流路から熱を受け取ることはあっても、第１流路の方が高温であるため内方に向けて熱を放出しないので、第２流路を流通する燃焼ガスの温度が必要温度より低下することはない。したがって、蒸発部において水が十分加熱されるので、起動時間を短縮し起動性を向上させることができる。これにより、燃焼負荷の増加または投入水量の低減などの措置を取らなくてすむので、効率低下を防止し、高温となる改質触媒上のカーボン析出による劣化、転化率低下、一酸化炭素低減部での一酸化炭素濃度上昇などの各問題の発生を防止することができる。
【００１８】
さらに、第２流路から放出される熱のほとんどは蒸発部に供給されているため、蒸発部を流通する水を十分沸騰状態とし、その状態を容易かつ安定的に維持することができ、この蒸発部によって一酸化炭素低減部の温度が制御されるので、負荷変動時や環境変化の際にロバスト性のよい安定した制御を実現することができる。
【００１９】
また、上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、互いに隣接する燃焼ガス流路の燃焼ガスと蒸発部の水または水蒸気は並流であるので、燃焼ガス流路および蒸発部から導出される燃焼ガスおよび水または水蒸気の各温度はほぼ１００℃となり、導出された高温の燃焼ガスは貯湯槽と熱交換する凝縮器に供給されるので、電力よりお湯の使用を重視するユーザ先において燃料電池システムを効率よく稼働することができる。
【００２０】
また、上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、互いに隣接する蒸発部の水または水蒸気と一酸化炭素低減部の改質ガスは並流であるので、蒸発部および一酸化炭素低減部から導出される水または水蒸気および改質ガスの各温度はほぼ１００℃となり、導出された高温の改質ガスは貯湯槽と熱交換する凝縮器に供給されるので、電力よりお湯の使用を重視するユーザ先において燃料電池システムを効率よく稼働することができる。
【００２１】
また、上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、互いに隣接する燃焼ガス流路の燃焼ガスと蒸発部の水または水蒸気は向流であるので、燃焼ガス流路から導出される燃焼ガスの温度は蒸発部に導入される水の温度例えば２０℃となり、すなわち水は燃焼ガスの熱を高効率にて受け取るため、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
【００２２】
また、上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、互いに隣接する蒸発部の水または水蒸気と一酸化炭素低減部の改質ガスは向流であるので、一酸化炭素低減部から導出される改質ガスの温度は蒸発部に導入される水の温度例えば２０℃となり、すなわち水は改質ガスの熱を高効率にて受け取るため、燃料電池システムの発電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】
【００２３】
１）第１の実施の形態
以下、本発明による改質装置の第１の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置２０を備えている。燃料電池１０の燃料極には一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という。）９０から改質ガスが供給され、燃料電池１０の空気極には外部からの空気が供給され、燃料電池１０において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。
【００２４】
改質装置２０は、改質部３０、冷却部４０、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）５０、燃焼部６０、燃焼ガス流路７０、断熱部７５、蒸発部８０およびＣＯ浄化部９０から構成されている。
【００２５】
改質部３０は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。この改質部３０は有底円筒状に形成されており、改質部３０の底板３４を後述する冷却部４０上に当接して同軸に固定されている。
【００２６】
改質部３０の筒部は、外筒３１と、この外筒３１の内側に同軸に配置された内筒３２と、両筒３１，３２の間に同軸に配設されて両筒３１，３２の間の空間を径方向に仕切る筒状の中仕切り３３とを備えている。外筒３１は環状に形成された底板３４の外周端に立設されており、中仕切り３３は底板３４の外周端より内側に立設されている。外筒３１の上端には環状の外側天板３５の外周端が接続されており、その外側天板３５の内周端には内筒３２が垂下している。内筒３２の下端は内側天板３６によって塞がれている。中仕切り３３の上端は外側天板３５から空間をおいて配置されている。底板３４の外筒３１と中仕切り３３との間の部位には、環状マニホールド４３に連通して燃料と水蒸気との混合ガスを導入する混合ガス導入口３４ａが形成されており、底板３４の開口３４ｂは触媒３０ａを支持するフィルタで覆われており、改質ガスを導出する改質ガス導出口として機能する。これにより、改質部３０は、外筒３１と中仕切り３３との間に形成された外側流路と中仕切り３３と内筒３２との間に形成された内側流路から構成される、筒部内部に軸線に沿って延在する環状の改質部折り返し流路Ｒ１を備えることになる。
【００２７】
改質部３０の改質部折り返し流路Ｒ１内には、触媒３０ａ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガス導入口３４ａから導入された燃料と水蒸気との混合ガスが触媒３０ａによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は改質ガス導出口３４ｂを通って冷却部４０に導出される。
【００２８】
冷却部４０は、改質部３０から導出された改質ガスを燃料と水蒸気との混合ガスによって降温して導出するものであり、ＣＯシフト部５０上に同軸に固定されている。この冷却部４０は、円筒ハウジング４１、環状に形成されて改質ガス導出口４２ａを有する底板４２、円筒ハウジング４１の上部に設けられて改質ガス導入口４３ａを有する環状マニホールド４３、環状マニホールド４３の底部にそれぞれ配設された内筒４４、マニホールド４５，４６、および両マニホールド４５，４６を連通する複数の熱交換パイプ４７から構成されている。マニホールド４５には燃料と水蒸気（または水）との混合ガスを導入する導入口４５ａが設けられており、マニホールド４６には環状マニホールド４３に連通する導出口４６ａが設けられている。なお混合ガスは蒸発部８０の水導出口８０ｂから導出された水蒸気（または水）に燃料を混合したものである。
【００２９】
混合ガス導入口４５ａから導入された混合ガスは、マニホールド４５、熱交換パイプ４７、マニホールド４６、導出口４６ａ、環状マニホールド４３、および改質部３０の混合ガス導入口３４ａを通って改質部３０に導出される。一方、改質部３０の改質ガス導出口３４ｂを通って導出された改質ガスは、環状マニホールド４３の改質ガス導入口４３ａ、内筒４４および改質ガス導出口４２ａを通ってＣＯシフト部５０に導出される。この時、熱交換パイプ４７を介して混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われ、混合ガスは改質ガスによって加熱され、改質ガスは降温される。
【００３０】
ＣＯシフト部５０は、冷却部４０から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものであり、図示しない基台上に固定されている。ＣＯシフト部５０は、円柱状の筐体５１と、筐体５１内に同軸に配置された内筒５２を備えている。内筒５２は、外周端を筐体５１内周面に接続された環状の支持部材５３の内周端に上端が接続されている。筐体５１の上面には改質ガス導入口５１ａが設けられ、筐体５１の側面には改質ガス導出口５１ｂが設けられている。ＣＯシフト部５０の内筒５２内および内筒５２と筐体５１の側壁面との間には触媒５０ａ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。この触媒５０ａは外周縁を外筒５１の内周に取り付けられたフィルタを有する支持部材５４によって支持されている。
【００３１】
このように構成されたＣＯシフト部５０においては、冷却部４０から導出された改質ガスは、改質ガス導入口５１ａおよび内筒５２内を通り、折り返して内筒５２と筐体５１の側壁面との間の空間および改質ガス導出口５１ｂを通ってＣＯ浄化部９０に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒５０ａにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００３２】
燃焼部６０は、改質部３０を加熱する燃焼ガスを生成するものであり、改質部３０の内周壁内に下端部が挿入されて配置されている。この燃焼部６０は、バーナ本体６１とバーナ燃焼部６２とから構成されている。バーナ本体６１は、環状の天板６３の内周端に取り付け固定されている。天板６３の外周端は、内周端が改質部３０の底板３４の外周端に接続されかつ冷却部４０の上面に当接する環状の底板６４の外周端に下端が接続された筒体６５の上端に接続されている。バーナ本体６１は上部から燃焼用燃料、燃焼空気およびオフガスまたは改質ガスを導入し、下部に設けた着火手段（図示省略）によって上部から導入した燃焼用燃料、オフガスまたは改質ガスに着火する。バーナ燃焼部６２は、筒状に形成されており、バーナ本体６１の下部に取り付けられている。バーナ燃焼部６２内において、着火手段によって着火された燃焼用燃料、オフガスまたは改質ガスが燃焼する。
【００３３】
このように構成された燃焼部６０は、バーナ本体６１の上部から導入された燃焼用燃料、オフガスまたは改質ガスを燃焼して、その燃焼ガスをバーナ燃焼部６２の開口端から導出する。そして、この燃焼ガスは、燃焼ガス流路７０を流通して天板６３に設けた燃焼ガス導出口６３ａを通って排気される。この燃焼ガス流路７０は、改質部３０の内周壁に沿う内周流路７１から改質部３０の外周壁の外周側に設けられた外周流路７２に折り返されて配置される折り返し流路７３を備えている。外周流路７２は、改質部３０の外周壁に沿う第１流路７２ａと、この第１流路７２ａの外周に設けられた同第１流路７２ａと連通する第２流路７２ｂを備えている。なお、本実施の形態において、内周流路７１、第１流路７２ａ、第２流路７２ｂは環状の流路である。内周流路７１および第１流路７２ａは各上端部で連通されており、第１流路７２ａおよび第２流路７２ｂは各下端部で連通されている。また、第２流路７２ｂは、断熱部７５と筒体６５との間に形成されている。
【００３４】
断熱部７５は、内周流路７１と第１流路７２ａを覆うように配置されており、上部断熱部７５ａと側部断熱部７５ｂを備えている。上部断熱部７５ａは、天板６３の下面に沿って平行に取り付けられており、内周流路７１および第１流路７２ａの連通流路を覆っている。側部断熱部７５ｂは、天板６３の下面から垂下されて取り付けられており、第１流路７２ａを覆っている。したがって、改質装置２０の上部は、燃焼部６０を中心に、外側に向けて順に内周流路７１、改質部３０、第１流路７２ａ、側部断熱部７５ｂおよび第２流路７２ｂが同軸に並設されている。
【００３５】
断熱部７５は、第１流路７２ａと、内周流路７１および第１流路７２ａの連通流路から外側に熱が放出されるのを防ぎ、熱の放出を内側すなわち改質部３０に集中させ効率よく熱交換させており、また第２流路７２ｂから内側に熱が放出されるのを防ぎ、熱の放出を外側すなわち蒸発部８０に集中させ効率よく熱交換させている。
【００３６】
蒸発部８０は、水を加熱して水蒸気を生成して冷却部４０を介して改質部３０に供給するものであり、円筒状に形成されて、第２流路７２ｂの外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部８０は、側壁面下部および側壁面上部に水導入口８０ａおよび水導出口８０ｂがそれぞれ設けられており、水導入口８０ａから導入された水が蒸発部８０内を流通し水導出口８０ｂから導出するようになっている。このとき、互いに隣接する第２流路７２ｂを流通する燃焼ガスと蒸発部８０を流通する水または水蒸気は並流となるようになっている。これにより、導入時低温であった水（例えば２０℃）は、第２流路７２ｂを流通する燃焼ガスと熱交換して昇温されて沸騰状態（１００℃）となりその温度で導出され、燃焼ガスは水導出口８０ｂの温度近くまで（すなわち沸騰状態である温度（１００℃）まで）降温されて導出される。
【００３７】
ＣＯ浄化部９０は、ＣＯシフト部５０から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部であり、円筒状に形成されて、蒸発部８０の外周壁を覆って当接して設けられている。このＣＯ浄化部９０は、側壁面下部および側壁面上部に改質ガス導入口９０ａおよび改質ガス導出口９０ｂがそれぞれ設けられ、内部に触媒９０ｃ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されており、改質ガス導入口９０ａから導入された改質ガスがＣＯ浄化部９０内を流通し改質ガス導出口９０ｂから導出するようになっている。また、改質ガス導入口９０ａに供給される改質ガスは、ＣＯシフト部５０から導出された改質ガスに酸化空気が混合されたものである。
【００３８】
したがって、ＣＯ浄化部９０内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒９０ｃによって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池１０の燃料極に供給されるようになっている。
【００３９】
また、互いに隣接する蒸発部８０を流通する水または水蒸気とＣＯ浄化部９０を流通する改質ガス（混合ガス）は並流となるようになっている。これにより、導入時低温であった水（例えば２０℃）は、ＣＯ浄化部９０を流通する改質ガス（混合ガス）とも熱交換して昇温されて沸騰状態（１００℃）となりその温度で導出され、改質ガス（混合ガス）は水導出口８０ｂの温度近くまで（すなわち沸騰状態である温度（１００℃）まで）降温されて導出される。具体的には、ＣＯ浄化部９０に導入された改質ガス（混合ガス）は２００℃弱であり、ＣＯ浄化部９０の通過中に一酸化炭素の酸化発熱反応によって昇温する一方で、蒸発部８０との熱交換によって降温され、最終的に１００℃付近で導出される。
【００４０】
また、ＣＯ浄化部９０は、蒸発部８０の温度が一定で安定した部分に取り付けられるのが好ましい。例えば、蒸発部８０の水導入口８０ａから所定距離だけ離して設ければよい。理由は次のとおりである。ＣＯ浄化部９０は一酸化炭素を低減する際に発熱するが、蒸発部８０は、これを冷却して触媒９０ｃの活性温度域に維持するものであり、冷却手段としてその冷媒温度が安定することが重要であるからである。なお、所定距離は、蒸発部８０の水導入口８０ａの周りは水が低温であるので、導入された水が１００℃付近となる部分までの距離として設定される。
【００４１】
そして、ＣＯ浄化部９０と燃料電池１０の間には切替え装置９１が設けられており、この切替え装置９１は定常運転時にはＣＯ浄化部９０を燃料電池１０に連通し、起動運転時には一酸化炭素濃度が高い改質ガスを燃料電池１０に供給しないようにするためＣＯ浄化部９０を燃焼部６０に連通するように切替えられている。これにより、起動運転時には、外部からの燃焼用燃料またはＣＯ浄化部９０から導出された改質ガスが燃焼部６０に供給されて燃焼され、定常運転時には、ＣＯ浄化部９０から導出された改質ガスが燃料電池１０の燃料極に供給され、その燃料極から排出された未使用の水素ガスを含むアノードオフガスが燃焼部６０に供給されて燃焼される。
【００４２】
上述のように構成された改質装置２０の作動について説明する。燃焼部６０は燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスは、内周流路７１および第１流路７２ａを流通しそのとき改質部３０との間で熱交換し改質部３０を加熱し、その後第２流路７２ｂを流通しそのとき蒸発部８０との間で熱交換し蒸発部８０を加熱し、その後排気される。一方、蒸発部８０に供給された水は、蒸発部８０において第２流路７２ｂを流れる燃焼ガスによって加熱され、冷却部４０のマニホールド４５に導出される。このとき、加熱されて高温となった水（または水蒸気）には燃料が混合され、冷却部４０のマニホールド４５には、これらが混合された混合ガスが導入されている。
【００４３】
冷却部４０においては、導入された混合ガスが上述したように環状マニホールド４３へ到達する間に、改質部３０から供給されて内筒４４内を流れる改質ガスによって加熱され完全に気体化されて、改質部３０に導出される。改質部３０においては、導入された混合ガスが改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部４０の内筒４４に導出される。冷却部４０の内筒４４内においては、改質ガスが内筒４４を通過する間に熱交換パイプ４７を介して混合ガスとの間で行われる熱交換によって降温され、ＣＯシフト部５０に導出される。
【００４４】
ＣＯシフト部５０においては、冷却部４０から供給された改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気が触媒５０ａにより発熱反応である一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、ＣＯシフト部５０は昇温するが、触媒５０ａの活性温度域となるように温度制御されている。そして、ＣＯ浄化部９０においては、ＣＯシフト部５０から導出された改質ガスに酸化空気が混合されて供給され、この混合ガス中の一酸化炭素が発熱反応である酸化反応が生じている。これにより、ＣＯ浄化部９０は昇温するが、一方で、蒸発部８０との間で熱交換が行われるので、触媒９０ｃの活性温度域となるように温度制御されている。
【００４５】
なお、定常運転状態の改質装置２０においては、燃焼部５０の温度は約１０００℃であり一番高く、改質部３０は５００〜７００℃であり、冷却部４０は２００〜６００℃であり、ＣＯシフト部５０は２００〜３００℃であり、ＣＯ浄化部９０は１００〜２００℃であり、蒸発部８０は約１００℃である。
【００４６】
上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、燃焼ガス流路７０の折り返し流路７３（内周流路７１と第１流路７２ａ）と改質部折り返し流路Ｒ１との間において熱交換が行われ、外周流路７２（第２流路７２ｂ）と蒸発部８０との間において熱交換が行われており、そして、その蒸発部８０の外周に一酸化炭素低減部であるＣＯ浄化部９０が設けられている。これにより、外周流路７２（燃焼ガス）から外方に向けて放出されている熱が蒸発部８０を通って同蒸発部８０の外周壁から外方に放出されるのが抑制されて、改質装置２０の熱効率低下を防止することができ、ひいては燃料電池システムの発電効率を高く維持することができる。
【００４７】
また、断熱部７５がない場合であっても、外周流路７２の第２流路７２ｂは外周流路７２の第１流路７２ａから熱を受け取ることはあっても、第１流路７２ａの方が高温であるため内方に向けて熱を放出しないので、第２流路７２ｂを流通する燃焼ガスの温度が必要温度より低下することはない。したがって、蒸発部８０において水が十分加熱されるので、起動時間を短縮し起動性を向上させることができる。これにより、燃焼負荷の増加または投入水量の低減などの措置を取らなくてすむので、効率低下を防止し、高温となる改質触媒上のカーボン析出による劣化、転化率低下、一酸化炭素低減部での一酸化炭素濃度上昇などの各問題の発生を防止することができる。
【００４８】
さらに、第２流路７２ｂから放出される熱のほとんどは蒸発部８０に供給されているため、蒸発部８０を流通する水を十分沸騰状態とし、その状態を容易かつ安定的に維持することができ、この蒸発部８０によって一酸化炭素低減部であるＣＯ浄化部９０の温度が制御されるので、負荷変動時や環境変化の際にロバスト性のよい安定した制御を実現することができる。
【００４９】
また、第２流路７２ｂと第１流路７２ａとの間に断熱部７５ｂが介装されているので、第２流路７２ｂを流通する燃焼ガスの熱が断熱部７５ｂのある内方に放出するのを確実に防止し、燃焼ガスの熱が蒸発部８０のある外方にのみ放出される。したがって、他の部材と熱交換することなく効率よく熱交換するとともに、確実に蒸発部８０を沸騰状態に維持することができる。
【００５０】
また、互いに隣接する燃焼ガス流路７０の第２流路７２ｂの燃焼ガスと蒸発部８０の水または水蒸気は並流であるので、第２流路７２ｂおよび蒸発部８０から導出される燃焼ガスおよび水または水蒸気の各温度はほぼ１００℃となり、導出された高温の燃焼ガスは貯湯槽（図示しない）と熱交換する凝縮器（図示しない）に供給されるので、電力よりお湯の使用を重視するユーザ先において燃料電池システムを効率よく稼働することができる。
【００５１】
また、互いに隣接する蒸発部８０の水または水蒸気と一酸化炭素低減部であるＣＯ浄化部９０の改質ガスは並流であるので、蒸発部８０およびＣＯ浄化部９０から導出される水または水蒸気および改質ガスの各温度はほぼ１００℃となり、導出された高温の改質ガスは貯湯槽（図示しない）と熱交換する凝縮器（図示しない）に供給されるので、電力よりお湯の使用を重視するユーザ先において燃料電池システムを効率よく稼働することができる。
【００５２】
２）第２の実施の形態
次に、本発明による改質装置の第２の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図２は第２の実施の形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。本第２の実施の形態は、上述した第１の実施の形態と同様に、改質部、冷却部、ＣＯシフト部、燃焼部、燃焼ガス流路、断熱部、蒸発部およびＣＯ浄化部から構成されているが、主としてＣＯシフト部の取り付け場所および構造が異なっている。なお、第１の実施の形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
本第２の実施の形態のＣＯシフト部１５０は、冷却部４０の下ではなく、蒸発部８０の外周壁にＣＯ浄化部９０と並設されている。ＣＯシフト部１５０は、上述したように一酸化炭素低減部であり、円筒状に形成されて、蒸発部８０の外周壁を覆って熱抵抗体１５１を介して設けられている。このＣＯシフト部１５０は、側壁面下部および上部に改質ガス導入口１５０ａおよび改質ガス導出口１５０ｂがそれぞれ設けられ、内部に触媒５０ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されており、改質ガス導入口１５０ａから導入された改質ガスがＣＯシフト部１５０内を流通し改質ガス導出口１５０ｂから導出するようになっている。なお、ＣＯ浄化部９０の改質ガス導入口９０ａは側壁面下部ではなく下部に設けられている。また、熱抵抗１５１は断熱材例えばセラミック材で形成されている。
【００５４】
また、互いに隣接する蒸発部８０とＣＯシフト部１５０においては、それぞれを流通する水または水蒸気および改質ガスは並流となるようになっている。これにより、導入時低温であった水（例えば２０℃）は、ＣＯシフト部１５０を流通する改質ガスとも熱交換して昇温されて沸騰状態（１００℃）となりさらに下流に（蒸発部の上半分に）流通する。具体的には、ＣＯシフト部１５０に導入された改質ガスは３００℃弱であり、ＣＯシフト部１５０の通過中に一酸化炭素の酸化発熱反応によって昇温する一方で、蒸発部８０との熱交換によって降温され、最終的に２００℃付近で導出される。
【００５５】
また、ＣＯシフト部１５０およびＣＯ浄化部９０は蒸発部８０の高温度側（水導出口８０ｂ側）および低温度側（水導入口８０ａ側）にそれぞれ配置するのが好ましい。これによれば、蒸発部８０は熱バランスよくＣＯシフト部１５０およびＣＯ浄化部９０と熱交換することができるとともに、設置する熱抵抗１５１を小型化して装置全体を小型化することができる。
【００５６】
ＣＯシフト部１５０の改質ガス導出口１５０ｂは、環状の連結部１５２を介してＣＯ浄化部９０の改質ガス導入口９０ａに連通されている。この連結部１５２には酸化空気が供給されており、その酸化空気がＣＯシフト部１５０から導出された改質ガスに混合されてＣＯ浄化部９０に導入されるようになっている。
【００５７】
ＣＯシフト部１５０においては、冷却部４０から供給された改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気が触媒５０ａにより発熱反応である一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、ＣＯシフト部１５０は昇温するが、一方で、蒸発部８０との間で熱抵抗１５１を介して熱交換が行われるので、触媒５０ａの活性温度域となるように温度制御されている。
【００５８】
また、ＣＯシフト部１５０は、蒸発部８０の温度が一定で安定した部分に取り付けられるのが好ましい。例えば、蒸発部８０の水導入口８０ａから所定距離だけ離して設ければよい。理由は次のとおりである。ＣＯシフト部１５０は一酸化炭素を低減する際に発熱するが、蒸発部８０は、これを冷却して触媒５０ａの活性温度域に維持するものであり、冷却手段としてその冷媒温度が安定することが重要であるからである。なお、所定距離は、蒸発部８０の水導入口８０ａの周りは水が低温であるので、導入された水が１００℃付近となる部分までの距離として設定される。
【００５９】
この第２の実施の形態によっても、上述した第１の実施の形態と同様な作用・効果を得ることができる。
【００６０】
３）第３の実施の形態
次に、本発明による改質装置の第３の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図３は第３の実施の形態にかかる燃料電池システムの概要を示す概要図である。本第３の実施の形態は、上述した第２の実施の形態と同様に、改質部、冷却部、ＣＯシフト部、燃焼部、燃焼ガス流路、断熱部、蒸発部およびＣＯ浄化部から構成されているが、主としてＣＯ浄化部の取り付け場所および構造が異なっている。なお、第２の実施の形態と同一の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。
【００６１】
本第３の実施の形態においては、蒸発部８０の外周壁にはＣＯシフト部１５０のみが設けられており、ＣＯ浄化部が蒸発部８０の外周壁以外の場所に設けられている。このＣＯ浄化部１９０は、形状は特に限定されず、ＣＯシフト部１５０から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯ浄化部１９０は、改質ガス導入口１９０ａおよび改質ガス導出口１９０ｂがそれぞれ設けられ、内部に触媒９０ｃが充填されており、改質ガス導入口１９０ａから導入された改質ガスがＣＯ浄化部１９０内を流通し改質ガス導出口１９０ｂから導出するようになっている。また、改質ガス導入口１９０ａに供給される改質ガスは、ＣＯシフト部１５０から導出された改質ガスに酸化空気が混合されたものである。なお、ＣＯ浄化部１９０を冷却する冷却手段を設けることが好ましい。この第３の実施の形態によっても、上述した第１の実施の形態と同様な作用・効果を得ることができる。
【００６２】
なお、上述した各実施の形態においては、ＣＯ浄化部９０またはＣＯシフト部１５０を円筒状に形成するようにしたが、その一部を切り欠いた形状としてもよいし、複数の断面円弧状の筒体を距離をおいて周方向に並べるようにしてもよい。
【００６３】
また、上述した各実施の形態においては、互いに隣接する燃焼ガス流路７０の第２流路７２ｂの燃焼ガスと蒸発部８０の水または水蒸気は並流となるように配置したが、燃焼ガスおよび水または水蒸気は向流となるように配置してもよい。これにより、燃焼ガス流路７０の第２流路７２ｂから導出される燃焼ガスの温度は蒸発部８０に導入される水の温度例えば２０℃まで降温可能となり、すなわち水は並流の場合と比べて燃焼ガスの熱を高効率にて受け取るため、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
【００６４】
また、上述した各実施の形態においては、互いに隣接する蒸発部８０の水または水蒸気と一酸化炭素低減部であるＣＯ浄化部９０（またはＣＯシフト部１５０）の改質ガスは並流となるように配置したが、水または水蒸気および改質ガスは向流となるように配置してもよい。これにより、一酸化炭素低減部から導出される改質ガスの温度は蒸発部８０に導入される水の温度例えば２０℃まで降温可能となり、すなわち水は並流の場合と比べて改質ガスの熱を高効率にて受け取るため、燃料電池システムの発電効率を向上させることができる。
【００６５】
なお、上述した各実施の形態においては、本発明を水蒸気改質反応を行う改質部を備えた改質装置に適用したが、部分酸化改質反応を行う改質部を備えた改質装置に適用することもできる。
【００６６】
また、上述した各実施の形態においては、改質部折り返し流路Ｒ１、燃焼ガス流路７０の内周流路７１、第１流路７２ａ、第２流路７２ｂを円筒状、環状に形成したが、これに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による改質装置による第１の実施の形態を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【図２】本発明による改質装置による第２の実施の形態を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【図３】本発明による改質装置による第３の実施の形態を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…燃料電池、２０…改質装置、３０…改質部、３０ａ…触媒、４０…冷却部、５０，１５０…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、５０ａ…触媒、６０…燃焼部、７０…燃焼ガス流路、７１…内周流路、７２…外周流路、７２ａ…第１流路、７２ａ…第２流路、７３…折り返し流路、７５…断熱部、８０…蒸発部、９０，１９０…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、９０ｃ…触媒。
【図１】
2006143564.tif 000003
【図２】
2006143564.tif 000004
【図３】
2006143564.tif 000005