(57)【要約】【課題】燃料電池システムの発電効率低下を抑制することができる改質器を提供する。【解決手段】改質器５０は、燃料電池システムに用いられ、水素含有燃料を改質して改質ガスを発生させる。改質器５０は、改質ガス生成ラインＫ及びリサイクルガスラインを備えている。改質ガス生成ラインＫは、水素含有燃料を含む流体を流通させることにより、改質ガスを生成する。リサイクルガスラインＲは、生成した水素含有ガスの少なくとも一部を、改質器５０の上流側にリサイクルガスとして循環させる。リサイクルガスラインＲは、循環させるリサイクルガスが改質ガス生成ラインＫの流体と熱交換するように配設される。これにより、リサイクルガスが保有する保有熱を改質反応の反応熱として与えて自己熱回収でき、リサイクルガスの放熱ロスを低減できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに用いられ、水素含有燃料を改質して水素含有ガスを発生させる改質器であって、
前記水素含有燃料を含む流体を流通させて前記水素含有ガスを生成する水素含有ガス生成ラインと、
前記水素含有ガス生成ラインで生成された前記水素含有ガスの少なくとも一部を、前記改質器の上流側にリサイクルガスとして循環させるリサイクルガスラインと、を備え、
前記リサイクルガスラインは、循環させる前記リサイクルガスが前記水素含有ガス生成ラインの前記流体と熱交換するように配設されている、改質器。
【請求項２】
前記リサイクルガスラインは、循環させる前記リサイクルガスの少なくとも一部が前記水素含有ガス生成ラインの前記流体に対して対向して流れるように配設されている、請求項１に記載の改質器。
【請求項３】
前記リサイクルガスラインは、前記水素含有ガス生成ラインにおいて改質触媒の改質反応終了位置から改質触媒の下流端までの間の位置に接続されている、請求項１又は２に記載の改質器。
【請求項４】
前記改質器は、燃焼部の上方に配置されて該燃焼部により加熱されるものであり、
前記リサイクルガスラインは、上方から見て前記改質器の縁部に配される、請求項１〜３の何れか一項に記載の改質器。
【請求項５】
前記改質器は、少なくとも第１階層部及び第２階層部を含む階層構造を有し、
前記第１階層部には、前記水素含有ガス生成ラインが配され、
前記第２階層部には、前記リサイクルガスラインが配されている、請求項１〜４の何れか一項に記載の改質器。
【請求項６】
前記リサイクルガスラインには、シフト触媒及びメタネータ触媒の少なくとも一方が充填されている、請求項１〜５の何れか一項に記載の改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一側面は、燃料電池システムに用いられる改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムに用いられ、水素含有燃料を改質して水素含有ガスを発生させる改質器が知られている。この種の技術として、例えば特許文献１には、燃料ガス改質装置が記載されている。特許文献１に記載された燃料ガス改質装置は、脱硫器と改質器とＣＯ変成器とＣＯ除去器とを含んで構成され、改質器とＣＯ変成器との間には、改質器で改質されたガス（水素含有ガス）の一部をリサイクルガスとして脱硫器の入口側に循環させる戻りライン（リサイクルガスライン）が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−９７００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、改質器の出口側の水素含有ガスは高温（例えば５００℃〜７００℃）であることから、水素含有ガスをリサイクルガスとして循環させる際に放熱ロスが大きくなる場合があり、その結果、燃料電池システムの発電効率が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明の一側面は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの発電効率低下を抑制することができる改質器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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一側面に係る改質器は、燃料電池システムに用いられ、水素含有燃料を改質して水素含有ガスを発生させる改質器であって、水素含有燃料を含む流体を流通させて水素含有ガスを生成する水素含有ガス生成ラインと、水素含有ガス生成ラインで生成された水素含有ガスの少なくとも一部を、改質器の上流側にリサイクルガスとして循環させるリサイクルガスラインと、を備え、リサイクルガスラインは、循環させるリサイクルガスが水素含有ガス生成ラインの流体と熱交換するように配設されている。
【０００７】
この改質器では、リサイクルガスが保有する保有熱を改質反応の反応熱として与えて自己熱回収することができる。これにより、リサイクルガスの放熱ロスを低減させることができ、その結果、燃料電池システムの発電効率低下を抑制することが可能となる。
【０００８】
本発明の一側面に係る改質器において、リサイクルガスラインは、循環させるリサイクルガスの少なくとも一部が水素含有ガス生成ラインの流体に対して対向して流れるように配設されていてもよい。これにより、リサイクルガスラインのリサイクルガスと水素含有ガス生成ラインの流体との間で効果的に熱交換させることができ、熱交換性能を向上することが可能となる。
【０００９】
本発明の一側面に係る改質器において、リサイクルガスラインは、水素含有ガス生成ラインにおいて改質触媒の改質反応終了位置から改質触媒の下流端までの間の位置に接続されていてもよい。これにより、完全に改質された水素含有ガスをリサイクルガスとして循環させることができる。また、リサイクルガスラインにおいてリサイクルガスが逆流した場合でも、この逆流したリサイクルガスは必ず改質触媒を介することになるため、例えば改質器の後段に配置されるセルスタック等に当該リサイクルガスが直接的に流入するのを抑制することが可能となる。
【００１０】
本発明の一側面に係る改質器は、燃焼部の上方に配置されて該燃焼部により加熱されるものであり、リサイクルガスラインは、上方から見て改質器の縁部に配されていてもよい。このように、改質器が燃焼部の上方に配置されるところ、当該改質器の縁部にリサイクルガスラインが配されることから、リサイクルガスラインのリサイクルガスが燃焼部によって加熱され過ぎるのを抑制することができる。
【００１１】
本発明の一側面に係る改質器は、少なくとも第１階層部及び第２階層部を含む階層構造を有し、第１階層部には、水素含有ガス生成ラインが配され、第２階層部には、リサイクルガスラインが配されていてもよい。これにより、リサイクルガスラインの流路面積を容易に且つ十分に確保することができる。
【００１２】
本発明の一側面に係る改質器において、リサイクルガスラインには、シフト触媒及びメタネータ触媒の少なくとも一方が充填されていてもよい。これにより、リサイクルガスのＣＯ濃度を低減することができ、リサイクルガスの安全性を向上させることができる。また、シフト反応及びメタネーション反応の少なくとも一方の発熱を改質反応の反応熱として与えることができる。さらに、シフト反応及びメタネーション反応の少なくとも一方によってリサイクルガス中の水分濃度（水分量）が減少させ得るため、リサイクルガスラインの水詰まりを抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一側面によれば、燃料電池システムの発電効率低下を抑制できる改質器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る改質器を含む燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図３】第１実施形態に係る改質器を示す斜視図である。
【図４】図３の改質器を示す平断面図である。
【図５】第２実施形態に係る改質器を示す平断面図である。
【図６】第３実施形態に係る改質器を示す平断面図である。
【図７】第４実施形態に係る改質器を示す平断面図である。
【図８】変形例に係る改質器を示す平断面図である。
【図９】他の変形例に係る改質器を示す平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、第１実施形態に係る改質器を含む燃料電池システムを示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る改質器２０は、水素含有燃料を改質して水素含有ガスを発生させるものであって、燃料電池システム１に用いられる。そこで、まず、燃料電池システム１の全体構成について説明する。
【００１７】
燃料電池システム１は、脱硫器２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部（燃焼部）６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。セルスタック５としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が採用されている。なお、セルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：MoltenCarbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。また、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略又は変更してもよい。
【００１８】
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。
【００１９】
具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
【００２０】
脱硫器２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫器２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫器２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式（水添脱硫方式とも称される）が採用される。脱硫器２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。
【００２１】
水気化部３は、水を加熱し気化させることによって水蒸気を生成するものであり、改質器２０に含まれている。水気化部３における水の加熱は、オフガス燃焼部６による熱が利用される。なお、水気化部３における水の加熱は、例えば、排ガスの熱等の燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよいし、別途ヒータやバーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
【００２２】
水素発生部４は、水素含有燃料を用いて水素リッチガスである改質ガス（水素含有ガス）を発生させるものであり、改質器２０に含まれている。水素発生部４は、発生させた改質ガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。また、水素発生部４は、発生させた改質ガスの少なくとも一部を、リサイクルガスラインＲを介して脱硫器２の上流側にリサイクルガスとして循環させる。
【００２３】
水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。水素発生部４には、脱硫器２から水素含有燃料が供給されると共に、必要に応じて、空気等の酸化剤や水気化部３から水蒸気が供給される。水素発生部４において改質ガスの発生に用いられる熱は、オフガス燃焼部６の熱が利用される。なお、水素発生部４に用いられる熱は、例えば、排ガスの熱等の燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよいし、別途ヒータやバーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。
【００２４】
なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される改質ガスの性状によって、他の構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、改質ガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部及び選択酸化反応部）を有する。
【００２５】
セルスタック５は、水素発生部４からの改質ガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、改質ガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった改質ガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。
【００２６】
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６は、セルスタック５上に形成されている。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水気化部３に供給されて水蒸気の生成に用いられると共に、水素発生部４へ供給されて改質ガスの発生に用いられる。
【００２７】
水素含有燃料供給部７は、脱硫器２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動される。
【００２８】
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
【００２９】
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
【００３０】
図２は、図１の燃料電池システムの構成を示す概略図である。図２に示すように、燃料電池システム１において、改質器２０は、オフガス燃焼部６により加熱されるものであり、オフガス燃焼部６で発生する燃焼熱を受熱可能な位置に配されている。ここでの改質器２０は、オフガス燃焼部６の上方においてセルスタック５に対向するよう配置されている。オフガス燃焼部６は、例えばセルスタック５のアノード出口を改質器２０側に開放することにより、改質器２０とセルスタック５との間に画成される。オフガス燃焼部６からの排気ガスは、例えば排気触媒を介して外部へ排気される。ここでのセルスタック５は、所定間隔で２列に並ぶように立設されている（図３参照）。
【００３１】
脱硫器２は、改質器２０及びセルスタック５を収容する筐体１５に当接するように設けられ、これにより、当該筐体１５内の熱が脱硫器２へ伝熱可能とされている。脱硫器２には、種々公知の脱硫触媒が充填されている。脱硫器２は、リサイクルガスラインＲで循環するリサイクルガスを利用し、水素含有燃料に水素を添加した水添脱硫を行うことで、その脱硫触媒の長寿命化を図ることができる。なお、脱硫器２、セルスタック５及び改質器２０の周囲には、断熱材（不図示）が適宜設けられている。
【００３２】
リサイクルガスラインＲは、脱硫器２にリサイクルガスを循環させるものである。ここでのリサイクルガスラインＲは、その戻り側が、水素含有燃料を供給するフィードライン１６において水素含有燃料供給部７と逆止弁等の圧力調整部３１との間に接続されており、これらの間にリサイクルガスを戻している。リサイクルガスラインＲには、水分を除去するドレーナ３２、キャピラリ３３、逆止弁等の圧力調整部３４及び遮断弁３５が、リサイクルガスの上流から下流に向かう方向にこの順で設けられている。フィードライン１６において圧力調整部３１の上流側には、遮断弁３６及び流量計３７が設けられている。なお、リサイクルガスラインＲには、ポンプ等がさらに設けられていてもよい。
【００３３】
次に上述の改質器２０について具体的に説明する。図３は第１実施形態に係る改質器を示す斜視図であり、図４（ａ）は図３の改質器の第１階層部を示す平断面図であり、図４（ｂ）は図３の改質器の第２階層部を示す平断面図である。
【００３４】
図３及び図４に示すように、改質器２０は、上方から見てＵ字状外形を有しており、互いに平行な一対の直線部２１がその端部で連続する形状とされている。一対の直線部２１は、並列された２列のセルスタック５（図２参照）の各上方にそれぞれ配されており、当該２列のセルスタック５それぞれに対面するように設けられている。
【００３５】
改質器２０は、階層構造（積層構造）を有し、その内部が上下に区切られて成る第１階層部２０Ａ及び第２階層部２０Ｂを含んでいる。図４に示すように、第１階層部２０Ａには、水気化部３及び水素発生部４が設けられ、水素含有燃料を含む流体を流通させて改質ガスを生成する改質ガス生成ライン（水素含有ガス生成ライン）Ｋが配されている。改質ガス生成ラインＫを流通する流体とは、供給される水素含有燃料に加え、供給される水、水気化部３で生成される水蒸気、及び水素発生部４で生成される改質ガスの少なくとも何れかを含んでいる。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、改質ガス生成ラインＫは、流体を第１階層部２０Ａの外形に倣うように流通させる。具体的には、改質ガス生成ラインＫは、一方の直線部２１ａの端部側から他方の直線部２１ｂの端部側へＵ字状に折り返すように流体を流通させる。第１階層部２０Ａにおいて改質ガス生成ラインＫの上流側の一端には、改質器導入部２２が設けられている。改質器導入部２２は、改質器２０に水素含有燃料及び水を導入する入口であって、例えば配管が接続されて構成されている。第１階層部２０Ａにおいて改質ガス生成ラインＫの下流側端部には、改質器導出部２３が設けられている。改質器導出部２３は、生成した改質ガスを導出する出口であって、例えば下方に開口する開口にダクトパイプが接続されて構成されている。
【００３７】
この第１階層部２０Ａ内では、改質ガス生成ラインＫの上流側部分に、供給された水を気化させる空間が上記水気化部３として画設されている。ここでの水気化部３は、生成した水蒸気を水素含有燃料と混合させる混合部としても機能する。また、第１階層部２０Ａ内では、水気化部３から改質ガス生成ラインＫの下流側端部までの領域に、改質触媒２４が充填されて上記水素発生部４が配設されている。すなわち、このような改質ガス生成ラインＫは、混合部としての機能も有する水気化部３、改質触媒２４（水素発生部４）、供給される水素含有燃料を流通させるライン、供給される水を流通させるライン、生成される水蒸気を流通させるライン、及び、生成される改質ガスを流通させるラインを少なくとも含んで構成される。
【００３８】
図４（ｂ）に示すように、第２階層部２０Ｂには、改質ガス生成ラインＫで生成した改質ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして循環させる上記リサイクルガスラインＲが配されている。このように、リサイクルガスラインＲは、改質ガス生成ラインＫが配された第１階層部２０Ａに隣接する第２階層部２０Ｂに配されることで、改質ガス生成ラインＫに対して熱伝達可能に隣接ひいては当接され、これにより、リサイクルガスは改質ガス生成ラインＫの流体と熱交換可能とされる。
【００３９】
リサイクルガスラインＲでは、リサイクルガスの少なくとも一部が改質ガス生成ラインＫの流体に対して対向するように流通される。具体的には、リサイクルガスラインＲは、他方の直線部２１ｂの端部側から一方の直線部２１ａの端部へＵ字状に折り返すようにリサイクルガスの少なくとも一部を流通させる。
【００４０】
第２階層部２０ＢにおいてリサイクルガスラインＲの下流側の一端には、リサイクルガス導出部２６が設けられている。リサイクルガス導出部２６は、改質器２０からリサイクルガスを導出する出口であって、例えば配管が接続されて構成されている。第２階層部２０ＢにおいてリサイクルガスラインＲの上流側の所定部分を除く領域には、ＣＯ変成触媒であるシフト触媒２７が充填されている。
【００４１】
図４に示すように、第１階層部２０Ａ及び第２階層部２０Ｂの間には、これらを連通する貫通孔がリサイクルガス抜出部２８として形成されている。リサイクルガス抜出部２８は、リサイクルガスラインＲを改質ガス生成ラインＫに接続し、改質ガス生成ラインＫからリサイクルガスラインＲへリサイクルガスを抜き出すものである。
【００４２】
リサイクルガス抜出部２８は、改質ガス生成ラインＫにおいて改質触媒２４の改質反応終了位置から改質触媒２４の下流端までの間の位置に接続されている。改質触媒２４の改質反応終了位置としては、特に限定されるものではないが、例えば性能、仕様、劣化性又は耐久性等の点から、改質触媒２４の中流部分とすることができる。ここでは、リサイクルガス抜出部２８は、改質触媒２４における下流側端部に位置されている。
【００４３】
以上に説明した改質器２０では、水供給部８及び脱硫器２（図１参照）から水及び水素含有燃料が改質器導入部２２を介して第１階層部２０Ａにそれぞれ導入されると、改質ガス生成ラインＫにおいて、水気化部３によって水蒸気が生成されると共に当該水蒸気が水素含有燃料と混合され、水素発生部４の改質触媒２４によって改質されて改質ガスが生成される。そして、生成された改質ガスは、改質器導出部２３から改質器２０外へ導出され、セルスタック５へ供給される。
【００４４】
これに併せ、改質ガス生成ラインＫで生成された改質ガスの一部は、リサイクルガス抜出部２８を介して第２階層部２０ＢのリサイクルガスラインＲにリサイクルガスとして流入する。このリサイクルガスは、リサイクルガスラインＲにおいて、改質ガス生成ラインＫの流体と対向するように流れつつ、シフト触媒２７のシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）によってＣＯ濃度が十数％から５０００ｐｐｍ程度まで低下されると共に、その水分濃度が低下され、且つ、水素純度が向上される。
【００４５】
このとき、リサイクルガスにあっては、改質ガス生成ラインＫの流体との間で熱交換を行い、その熱を水気化部３の水気化熱及び水素発生部４の改質反応の反応熱として与えながら、リサイクルガスラインＲを流通する。そして、当該リサイクルガスは、リサイクルガス導出部２６から改質器２０外へ導出され、水素含有燃料供給部７の上流側に循環されることとなる。
【００４６】
以上、本実施形態の改質器２０によれば、生成した改質ガスの少なくとも一部を、リサイクルガスラインＲによってリサイクルガスとして流通させながら改質触媒２４及び水気化部３と熱交換させ、脱硫器２の上流側に抜き出すことができる。これにより、リサイクルガスが保有する保有熱を改質反応の反応熱及び水気化熱として与えて自己熱回収することができ、リサイクルガスの放熱ロスを低減させることができる。その結果、燃料電池システム１の発電効率低下を抑制することが可能となる。
【００４７】
本実施形態の改質器２０では、循環させるリサイクルガスが改質ガス生成ラインＫの流体に対して対向して流れることから、リサイクルガスラインＲのリサイクルガスと改質ガス生成ラインＫの流体との間で効果的に熱交換でき、熱交換性能を向上することが可能となる。
【００４８】
本実施形態の改質器２０では、改質ガス生成ラインＫにおいて改質触媒２４の改質反応終了位置から改質触媒２４の下流端までの間の位置に、リサイクルガスラインＲが接続されている。これにより、完全に改質された改質ガスをリサイクルガスとして循環させることができる。また、リサイクルガスラインＲにおいてリサイクルガスが逆流した場合でも、この逆流したリサイクルガスは必ず改質触媒２４を介することになるため、当該リサイクルガスが例えば後段のセルスタック５に直接的に流入するのを抑制することが可能となる。
【００４９】
本実施形態のリサイクルガスラインＲには、シフト触媒２７が充填されている。これにより、リサイクルガスのＣＯ濃度を低減でき、例えばリサイクルガスの漏えい時等においてリサイクルガスの安全性を高めることができる。またこの場合、水分濃度を低減できることから、リサイクルガスラインＲの水詰まり（水分によるライン閉塞）を抑制することができる。さらにこの場合、水素純度を向上することも可能となる。
【００５０】
本実施形態の改質器２０は、第１階層部２０Ａ及び第２階層部２０Ｂを含む階層構造を有し、第１階層部２０Ａには、改質ガス生成ラインＫが配され、第２階層部２０Ｂには、リサイクルガスラインが配されている。これにより、リサイクルガスラインＲの流路面積を容易且つ十分に確保することができる。
【００５１】
次に、第２実施形態に係る改質器について説明する。第２実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。
【００５２】
図５は、第２実施形態に係る改質器を示す平断面図である。図５に示すように、本実施形態において、改質器４０内には改質ガス生成ラインＫが配されている。また、改質器４０内には、リサイクルガスラインＲを形成するリサイクルガス抜出管４１が配されている。リサイクルガス抜出管４１は、改質触媒２４における下流側の端部から上流側に向かって、改質器４０の外形に倣ってＵ字状に延びた後、改質器導入部２２内を通って改質器４０外に延設されている。リサイクルガス抜出管４１では、その上流側の管端がリサイクルガス抜出部２８を構成し、その下流側の端部がリサイクルガス導出部２６を構成する。
【００５３】
このような改質器４０では、水及び水素含有燃料が改質器導入部２２を介して導入されると、改質ガス生成ラインＫにおいて、水気化部３によって水蒸気が生成された後、改質触媒２４によって水素含有燃料が改質されて改質ガスが生成され、この改質ガスが改質器導出部２３から改質器４０外へ導出される。併せて、リサイクルガス抜出部２８を介してリサイクルガス抜出管４１（リサイクルガスラインＲ）にリサイクルガスが流入する。
【００５４】
リサイクルガスは、リサイクルガスラインＲにおいて、改質ガス生成ラインＫの流体と対向するように流れ、シフト触媒２７のＣＯ変成反応によってＣＯ濃度及び水分濃度が低下されると共に水素濃度が向上された後、リサイクルガス導出部２６から改質器４０外へ導出される。このとき、当該リサイクルガスにあっては、改質ガス生成ラインＫの流体との間で熱交換を行い、その熱を水気化部３の水気化熱及び水素発生部４の改質反応の反応熱として与えながら、リサイクルガスラインＲを流通する。
【００５５】
以上、本実施形態においても、リサイクルガスが保有する保有熱を改質反応の反応熱及び水気化熱として与えて自己熱回収でき、リサイクルガスの放熱ロスを低減でき、燃料電池システム１の発電効率低下を抑制することが可能となる。
【００５６】
次に、第３実施形態に係る改質器について説明する。第３実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。
【００５７】
図６は、第３実施形態に係る改質器を示す平断面図である。図６に示すように、本実施形態の改質器５０は、上方から見て、Ｕ字状外形を有する本体部５０Ａと、本体部５０Ａの外側に隣接して設けられたＵ字状外形を有する縁部５０Ｂと、を具備している。
【００５８】
本体部５０Ａには、改質ガス生成ラインＫが配され、その上流側の一端に改質器導入部２２が設けられていると共に、その下流側端部に改質器導出部２３が設けられている。本体部５０Ａの改質ガス生成ラインＫの上流側部分には、水気化部３が画設されている。本体部５０Ａの水気化部３から下流側端部までの領域には、改質触媒２４が充填されて水素発生部４が配設されている。
【００５９】
縁部５０Ｂは、本体部５０Ａにおいて、改質触媒２４の下流側端部から上流側の一端まで延設されている。縁部５０Ｂには、リサイクルガスラインＲが配され、その下流側の一端にリサイクルガス導出部２６が設けられている。縁部５０Ｂの上流側端部（換言すると、改質触媒２４の下流側端部）には、リサイクルガス抜出部２８が形成されている。縁部５０Ｂ内のリサイクルガスラインＲには、シフト触媒２７が充填されている。この縁部５０Ｂは、上方から見てセルスタック５（図２参照）と重ならない部分、つまり、セルスタック５の直上に位置しない部分を有している。
【００６０】
このような改質器５０では、本体部５０Ａに水及び水素含有燃料が改質器導入部２２を介して導入されると、改質ガス生成ラインＫにおいて、水気化部３によって水蒸気が生成された後、改質触媒２４によって水素含有燃料が改質されて改質ガスが生成され、この改質ガスが改質器導出部２３から改質器２０外へ導出される。併せて、リサイクルガス抜出部２８を介して縁部５０Ｂ（リサイクルガスラインＲ）にリサイクルガスが流入する。
【００６１】
リサイクルガスは、リサイクルガスラインＲにおいて、改質ガス生成ラインＫの流体と対向するように流れ、シフト触媒２７のＣＯ変成反応によってＣＯ濃度及び水分濃度が低下されると共に水素濃度が向上された後、リサイクルガス導出部２６から改質器２０外へ導出される。このとき、当該リサイクルガスにあっては、改質ガス生成ラインＫの流体との間で熱交換を行い、その熱を水気化部３の水気化熱及び水素発生部４の改質反応の反応熱として与えながら、リサイクルガスラインＲを流通する。
【００６２】
以上、本実施形態においても、リサイクルガスが保有する保有熱を改質反応の反応熱及び水気化熱として与えて自己熱回収でき、リサイクルガスの放熱ロスを低減でき、燃料電池システム１の発電効率低下を抑制することが可能となる。
【００６３】
特に、本実施形態では、改質器５０がオフガス燃焼部６の上方に配置されているところ、リサイクルガスラインＲが上方から見て改質器５０の縁部５０Ｂに配されることから、リサイクルガスラインＲをオフガス燃焼部６に対して好適な位置関係となるように離間させることができる。これにより、リサイクルガスラインＲのリサイクルガスがオフガス燃焼部６によって加熱され過ぎるのを抑制することができる。
【００６４】
次に、第４実施形態に係る改質器について説明する。第４実施形態の説明では、上記第２実施形態と異なる点について主に説明する。
【００６５】
図７は、第４実施形態に係る改質器を示す平断面図である。図７に示すように、本実施形態の改質器６０は、リサイクルガス抜出管４１（図５参照）に代えてリサイクルガス抜出管６１を備えている。リサイクルガス抜出管６１は、改質触媒２４における下流側の端部から改質器６０外へ一旦突き出た後、改質器６０の上流側の端部（水気化部３）内に進入し、改質器導入部２２内を通って改質器６０外に延設されている。換言すると、リサイクルガス抜出管６１は、直線部２１ｂの端部から直線部２１ａの端部まで直線的に跨ぐように延びた後、改質器導入部２２に内挿されている。
【００６６】
このような改質器６０では、リサイクルガス抜出部２８を介してリサイクルガス抜出管６１（リサイクルガスラインＲ）に流入したリサイクルガスは、シフト触媒２７のＣＯ変成反応によってＣＯ濃度及び水分濃度が低下されると共に水素濃度が向上された後、リサイクルガス導出部２６から改質器２０外へ導出される。このとき、当該リサイクルガスは、改質ガス生成ラインＫにおける水気化部３の流体との間で特に熱交換を行い、その熱を水気化部３の水気化熱ひいては水素発生部４の改質反応の反応熱として与えながら、リサイクルガスラインＲを流通する。
【００６７】
以上、本実施形態においても、リサイクルガスが保有する保有熱を改質反応の反応熱及び水気化熱として与えて自己熱回収でき、リサイクルガスの放熱ロスを低減でき、燃料電池システム１の発電効率低下を抑制することが可能となる。
【００６８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００６９】
例えば、上記実施形態では、リサイクルガスラインＲにシフト触媒２７を充填したが、これに代えて若しくは加えて、メタネータ触媒を充填してもよい。この場合、リサイクルガスは、シフト反応に代えて若しくは加えてメタネーション反応（ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ）によって、リサイクルガスのＣＯ濃度及び水分濃度を低減できる。
【００７０】
上記実施形態では、リサイクルガスラインＲにより水素含有燃料供給部７の上流側にリサイクルガスを循環させたが、脱硫器２と水素含有燃料供給部７との間にリサイクルガスを循環させてもよく、要は、改質器２０，４０，５０，６０の上流側にリサイクルガスを循環させればよい。また、上記実施形態において、リサイクルガスが改質ガス生成ラインＫの流体と対向するように流れるとは、リサイクルガスの少なくとも一部が当該流体に対して対向流となっていればよい（対向流となる箇所を含んでいればよい）。
【００７１】
上記実施形態では、改質器２０，４０，５０，６０が上方から見てＵ字状外形を有しているが、本発明の改質器の外形形状は特に限定されず、例えば以下に例示するように、断面矩形の直方体外形を有していてもよい。
【００７２】
図８（ａ）は、第１変形例に係る改質器を示す平断面図である。図８（ａ）に示すように、第１変形例に係る改質器７０は、断面矩形の直方体外形を有し、その内部に改質ガス生成ラインＫが配される。この改質器７０では、改質器導入部２２を介して水及び水素含有燃料が導入されると、水気化部３により水蒸気が生成され、改質触媒２４によって改質ガスが生成され、この改質ガスが下流側端部７１の改質器導出部２３を介して導出される。
【００７３】
改質器７０には、リサイクルガスラインＲを形成するリサイクルガス抜出管７２が設けられている。リサイクルガス抜出管７２は、改質器導入部２２、水気化部３、改質触媒２４を通るように延設され、下流側端部７１内に開口する管端をリサイクルガス抜出部２８として有している。これにより、リサイクルガスは、下流側端部７１内から改質ガス生成ラインＫの流体と対向するように流通され、リサイクルガス導出部２６から改質器７０外へ導出されると共に、改質ガス生成ラインＫの流体との間で熱交換され、その熱が水気化部３の水気化熱及び水素発生部４の改質反応の反応熱として付与される。
【００７４】
図８（ｂ）は、第２変形例に係る改質器を示す平断面図である。図８（ｂ）に示すように、第２変形例に係る改質器８０は、断面矩形の直方体外形を有する本体部８０Ａと、本体部の外側に隣接して設けられた矩形枠状外形を有する枠部８０Ｂと、を具備している。本体部８０Ａには、改質ガス生成ラインＫが配され、改質器導入部２２を介して水及び水素含有燃料が導入されると、水気化部３により水蒸気が生成され、改質触媒２４によって改質ガスが生成され、この改質ガスが改質器導出部２３を介して導出される。
【００７５】
枠部８０Ｂは、リサイクルガスラインＲを形成し、本体部８０Ａの下流側端部に連通するリサイクルガス抜出部２８を有している。枠部８０Ｂの下流側には、リサイクルガス導出部２６が改質器導入部２２に並ぶようにして設けられている。これにより、リサイクルガスは、本体部８０Ａの下流側端部から、本体部８０Ａの外側を囲いつつ改質ガス生成ラインＫの流体と対向するように流通され、リサイクルガス導出部２６から改質器７０外へ導出されると共に、改質ガス生成ラインＫの流体との間で熱交換されて、その熱が水気化部３の水気化熱及び水素発生部４の改質反応の反応熱として付与される。
【００７６】
図９は、第３変形例に係る改質器を示す平断面図である。図９に示すように、第３変形例に係る改質器９０は、断面矩形の直方体外形を有し、その内部に改質ガス生成ラインＫが配される。この改質器９０では、上記改質器７０と同様に、改質器導入部２２を介して水及び水素含有燃料が導入されると、水気化部３により水蒸気が生成され、改質触媒２４によって改質ガスが生成され、この改質ガスが下流側端部７１の改質器導出部２３を介して導出される。
【００７７】
改質器９０には、リサイクルガスラインＲを形成するリサイクルガス抜出管９２が設けられている。リサイクルガス抜出管９２は、改質器導入部２２、水気化部３、改質触媒２４を通るように延設され、下流側端部７１内に開口する管端をリサイクルガス抜出部２８として有している。これにより、リサイクルガスは、下流側端部７１内から改質ガス生成ラインＫの流体と対向するように流通され、リサイクルガス導出部２６から改質器７０外へ導出されると共に、改質ガス生成ラインＫの流体との間で熱交換され、その熱が水気化部３の水気化熱及び水素発生部４の改質反応の反応熱として付与される。このとき、リサイクルガス抜出管９２はシフト触媒２７が充填された触媒部９３をさらに有することから、シフト触媒２７のＣＯ変成反応によってリサイクルガスのＣＯ濃度及び水分濃度が低下されると共に水素濃度が向上される。
【符号の説明】
【００７８】
１…燃料電池システム、６…オフガス燃焼部（燃焼部）、２０，４０，５０，６０，７０，８０，９０…改質器、２０Ａ…第１階層部、２０Ｂ…第２階層部、２４…改質触媒、２７…シフト触媒、５０Ｂ…縁部、Ｋ…改質ガス生成ライン（水素含有ガス生成ライン）、Ｒ…リサイクルガスライン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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