(57)【要約】【課題】起動時にヒータを用いることなく触媒温度を適温まで速やかに昇温させることができ、発電状態においては、効率的に熱回収をすることで高い改質効率を得ることができる燃料処理装置を提供すること。【解決手段】熱交換流路が変成部または選択酸化部と、一枚の隔壁を隔てて隣接していることで、起動時は燃焼ガスにより触媒を加熱し、発電状態では冷却空気で発熱触媒を冷却し、且つ、その熱を蒸発部で回収して、高い改質効率を得ることができる燃料処理装置。【選択図】図１
2015010011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質水を蒸発させ水蒸気を生成する蒸発部と、
原料ガスおよび水蒸気から水素含有ガスを生成する改質部と、
前記改質部より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成部と、
前記変成部より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する選択酸化部と、
燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部と接続する熱交換流路と、を備える燃料処理装置において、
前記熱交換流路は、前記改質部、前記蒸発部、及び、前記変成部と前記選択酸化部の少なくとも一方と、それぞれ一枚の隔壁を介して隣接して配置され、かつ、
前記燃焼部の接続部とは異なる端部に、起動用燃焼排ガス出口と冷却用空気導入口とが設けられていること、
を特徴とする、燃料処理装置。
【請求項２】
前記熱交換流路は、前記変成部と前記選択酸化部の両方と、それぞれ一枚の隔壁を介して隣接している、
請求項１記載の燃料処理装置。
【請求項３】
原料ガスから硫黄を除去する脱硫部を備え、
前記脱硫部は、前記変成部に取り囲まれるように配置されている、
請求項１又は２に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記脱硫部は、前記変成部と一枚の隔壁を介して隣接している、
請求項３記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記熱交換流路は、前記隔壁のいずれかと平面で接している、
請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料処理装置の運転方法であって、
前記熱交換流路を、
起動時には触媒より高温の気体を通流させ、
発電状態には触媒より低温の気体を通流させること、
を特徴とする、燃料処理装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムなどに用いられ、原料ガスを用いて水素を含有する改質ガスを生成する燃料処理装置、及び、燃料処理装置の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、一般に水素を含有する改質ガスを生成する燃料処理装置と、燃料処理装置で生成された改質ガスを利用して発電する発電スタックとを有する。燃料処理装置としては、例えば、同一の軸心を有する複数の円筒体を備えた円筒式燃料処理装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、燃料処理装置は、蒸発部、改質部、変成部、選択酸化部、及び、燃焼部で構成される。蒸発部は、改質水を蒸発させて原料ガスと水蒸気を混合させる。改質部は、水蒸気と混合した原料ガスを改質触媒に通し、水蒸気改質反応により、水素含有ガスに改質させる。改質反応後の水素含有ガスには１０％程度の一酸化炭素が含まれ、そのままでは発電スタックを被毒するため、一酸化炭素除去を行う変成部と選択酸化部を具備している。
【０００４】
変成部は、水素含有ガスを変成触媒に通して、変成反応により一酸化炭素を０．５％程度まで低減させる。変成部の後、水素含有ガスは酸素を含んだ空気と混合され、選択酸化部に入る。選択酸化部は、酸素を混合した水素含有ガスを選択酸化触媒に通して、選択酸化反応により一酸化炭素を１０ｐｐｍ程度まで低減する。燃焼部は改質部を反応に適した温度にするために改質部に熱を供給する。
【０００５】
ここで、改質反応は吸熱反応であり、変成反応と選択酸化反応は発熱反応である。蒸発部は、改質部に熱を与えた後の燃焼ガスからの熱と、変成部および選択酸化部の反応熱が供給されて改質水を蒸発させる。こうして装置全体で熱を回収することで、少ない入力エネルギーで多くの水素を生成し、高い改質効率を得ることができる。
【０００６】
このように、発電状態の各触媒が適切な温度に維持されるのに対して、停止時には燃料処理装置全体が略常温になる。燃料電池システムは、例えば１日に１回程度の起動、停止を行う。ここで、起動時には各触媒の温度が適切に上昇するまでは改質反応を行うことができない。そこで、反応開始前に各触媒を昇温する必要がある。
【０００７】
特許文献１のような燃料処理装置では、改質部は燃焼ガスが通る流路と一枚の隔壁を介して隣接しているため、改質触媒は燃焼による熱を与えられ、効率的に昇温することができる。しかし、変成部や選択酸化部は燃焼ガスが通る流路に対し、蒸発部を介して隣接しているため、昇温に時間がかかってしまう。
【０００８】
そこで一般には、変成部や選択酸化部の外周にヒータを巻き付け、昇温させる。これにより短時間で燃料処理装置を起動することができる。但し、ヒータには別途電気エネルギーが必要なため、起動エネルギーの消費が大きくなる。また、停電時にバッテリーなどから起動することを想定した場合、バッテリー容量が大きくなり、装置の大型化やコスト上昇の問題が発生する。そこで、起動エネルギーを抑制するため、燃焼ガスで、改質部だけでなく変成部や選択酸化部を昇温する方式の燃料処理装置が提案されている（特許文献２参照）。
【０００９】
この方式によれば、燃焼ガスが通る流路が、改質部だけなく変成部とも一枚の隔壁を介して隣接しているため、起動時に燃焼ガスにより変成部を昇温することができ、起動エネルギーの消費を抑制できる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４９５３２３１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０７７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２の構成では、以下のような問題が生じる場合がある。
【００１２】
特許文献２の構成では、変成部と蒸発部とが燃焼ガスが通る流路を隔てて配置されており、直接熱交換することができない。そのため、発電状態において、変成部の反応は発熱反応であるため、積極的に熱回収をしない場合は多くの熱エネルギーが放熱ロスとなる。よって、特許文献２の燃料処理装置では、発電状態における改質効率が低くなる。
【００１３】
また、変成部の発熱を積極的に回収できないことで、変成部の温度が上昇しやすくなり、触媒反応に適切な温度を上回り、一酸化炭素を低減する能力が不足したり、触媒自体の耐熱温度を超えて触媒が劣化したりする恐れがある。
【００１４】
一方で、特許文献２の構成では、選択酸化部と燃焼ガス流路とが蒸発部を隔てて配置されており、起動時に改質水が蒸発部に投入されていないとはいえ、燃焼ガスで選択酸化部を効率的に昇温することができない。変成温度の適正温度（例えば２５０℃）に比べると、選択酸化部の適正温度（例えば１５０℃）は低いので、多少の時間をかければ昇温は可能であるが、理想的な起動時間よりは長くなってしまう。若しくは、特許文献１の構成よりは低出力ではあるが、選択酸化部を昇温するためのヒータを設置する必要がある。このように、従来の燃料処理装置では、起動時の消費エネルギーを抑制することと、発電状態での熱回収効率を高く保つことを両立することは困難であった。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、起動時にヒータを用いることなく触媒温度を適温まで速やかに昇温させることができ、発電状態においては、効率的に熱回収をすることで高い改質効率を得ることが可能な、燃料処理装置、及び、燃料処理装置の運転方法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】
【００１６】
すなわち、本発明は、以下に示す燃料処理装置に関する。
【００１７】
［１］改質水を蒸発させ水蒸気を生成する蒸発部と、
原料ガスおよび水蒸気から水素含有ガスを生成する改質部と、
前記改質部より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する変成部と、
前記変成部より送出される水素含有ガス中の一酸化炭素を低減する選択酸化部と、
燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部と接続する熱交換流路と、を備える燃料処理装置において、
前記熱交換流路は、前記改質部、前記蒸発部、及び、前記変成部と前記選択酸化部の少なくとも一方と、それぞれ一枚の隔壁を介して隣接して配置され、かつ、
前記燃焼部の接続部とは異なる端部に、起動用燃焼排ガス出口と冷却用空気導入口とが設けられている、燃料処理装置。
【００１８】
［２］前記熱交換流路は、前記変成部と前記選択酸化部の両方と、それぞれ一枚の隔壁を介して隣接している、上記［１］記載の燃料処理装置。
【００１９】
［３］原料ガスから硫黄を除去する脱硫部を備え、前記脱硫部は前記変成部に取り囲まれるように配置されている、上記［１］又は［２］に記載の燃料処理装置。
【００２０】
［４］前記脱硫部は前記変成部と一枚の隔壁を介して隣接している、上記［３］記載の燃料処理装置。
【００２１】
［５］前記熱交換流路は、前記隔壁のいずれかと平面で接している、上記［１］〜［３］の何れか一項に記載の燃料処理装置。
【００２２】
［６］上記［１］〜［５］のいずれか一項に記載の燃料処理装置の運転方法であって、前記熱交換流路を、起動時には触媒より高温の気体を通流させ、発電状態には触媒より低温の気体を通流させること、を特徴とする燃料処理装置の運転方法。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、起動時にヒータを用いることなく、触媒温度を適温まで速やかに昇温させることができ、発電状態においては、効率的に熱回収をすることで高い改質効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料処理装置の縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１における起動時のガスの流れを示す図
【図３】本発明の実施の形態１における起動時のガスと熱の流れを示す概略図
【図４】本発明の実施の形態１における発電状態のガスの流れを示す図
【図５】本発明の実施の形態１における発電状態のガスと熱の流れを示す概略図
【図６】本発明の実施の形態２における燃料処理装置の縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料処理装置の縦断面図である。
【００２７】
本発明の燃料処理装置は、例えば燃料電池を用いたコージェネレーションシステムにおいて、都市ガスやＬＰＧなどの原料ガスから、水素リッチな改質ガスを生成して燃料電池の発電スタックへ供給する装置である。
【００２８】
本実施の形態の燃料処理装置１は図１に示すように、主な機能部として脱硫部１０、改質部２０、変成部３０、選択酸化部４０、燃焼部５０、蒸発部６０により構成されている。これらの機能部は、それぞれ円筒状に加工された、例えばステンレス板金などで隔壁を設けられ、空間を隔てられて構成される。円筒同士は略同一の軸を持った多重円筒構造となっている。
【００２９】
［機能部の説明］
次に本発明の燃料処理装置１の機能部について図１を用いて説明する。
【００３０】
１）脱硫部について
脱硫部１０は、外部から供給される都市ガスやＬＰＧ等の、炭化水素系の原料ガスに含まれる硫黄成分を除去する。脱硫方式としては、例えば水添脱硫方式や吸着脱硫方式が用いられる。本実施の形態では、水添脱硫方式での脱硫を行っている。原料ガスに、燃料処理装置で生成した水素を僅かに混合した状態で、脱硫部１０に投入すると、水添脱硫反応により、原料ガス中の硫黄成分が除去される。
【００３１】
脱硫部１０は、例えばＣｕ系の水添脱硫触媒を含む。水添脱硫触媒は例えば２５０〜３００℃で良好な反応をする。脱硫部１０は周囲を変成部３０に包囲されるように配置されることにより、良好な反応をする温度に維持される。
【００３２】
脱硫方式としては、常温で用いられる吸着脱硫触媒を、燃料処理装置の外部に設置しても良い。
【００３３】
２）改質部について
改質部２０は、脱硫部１０で脱硫された原料ガスと、蒸発部６０で生成された水蒸気との混合ガスから、水蒸気改質反応によって水素を主成分とする水素含有ガスを生成する。
【００３４】
改質部２０は、例えばＮｉ系触媒やＲｕ系触媒、Ｐｔ系触媒、Ｒｈ系触媒などの金属系の改質触媒を含む。改質触媒は例えば６００℃程度で良好な反応をする。改質反応は吸熱反応であり、改質部２０は周囲を燃焼部５０に包囲されるように配置されることで、効率的に熱を与えられ、改質反応の効率を高めている。
【００３５】
３）変成部について
変成部３０は、改質部２０から送出された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度（例えば１０％）を、変成反応により低減（例えば０．５％）させる。
【００３６】
変成部３０は、例えばＣｕ系触媒を含む。変成触媒は例えば２５０℃で良好な反応をする。
【００３７】
４）選択酸化部について
選択酸化部４０は、変成部３０から送出された水素含有ガスと、外部から供給される空気とを混合し、水素含有ガス中の一酸化炭素と、空気中の酸素を選択酸化反応させ、一酸化炭素濃度を低減（たとえば１０ｐｐｍ）する。こうして一酸化炭素濃度を低減した改質ガスは、燃料処理装置１を出て、発電スタックへと向かい、発電に使われる。
【００３８】
５）燃焼部について
燃焼部５０は、発電スタックから戻ってくるオフガスもしくは原料ガスを、燃料ガスとして燃焼させる。燃焼後に、高温の燃焼ガスは熱交換流路５１に入り、触媒部や蒸発部に熱を与える。
【００３９】
６）蒸発部について
蒸発部６０は、らせん状に加工された蒸発部パイプ６１で構成されている。このパイプの内側には改質水が供給され、パイプの外側から熱を与えられ、水蒸気を生成する。生成した水蒸気は改質部２０に向かう。
【００４０】
蒸発部がらせん状になっていることで、改質水の流れる時間が長くなり、確実に改質水を蒸発させることができる。
【００４１】
［ガスの流れの説明］
本発明の燃料処理装置１におけるガスの流れについて、図２〜５を用いて説明する。
【００４２】
図２は起動時におけるガスの流れを図示したものである。起動時には燃焼部５０で燃料ガスを燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスの流れを黒塗りの矢印で表記する。
【００４３】
燃焼ガスは熱交換流路５１に流入する。第１の熱交換流路５１ａに入った燃焼ガスは改質部隔壁２１を隔てて改質部２０と隣接している。ここで熱交換を行い、改質触媒を加熱させる。
【００４４】
次に第２の熱交換流路５１ｂに流入した燃焼ガスは、蒸発部６０に改質水が供給されていないため、温度を保ったまま通過する。
【００４５】
続いて熱交換流路接続部５１ｃと発電状態用燃焼排ガス出口５２の両方に繋がった部分に到達する。このとき、起動時においては、発電状態用燃焼排ガス出口５２の先にある弁が閉じているため、燃焼ガスは熱交換流路接続部５１ｃへと向かう。
【００４６】
さらに第３の熱交換流路５１ｄを通り、第４の熱交換流路５１ｅに流入する。ここで、燃焼ガスは変成部隔壁３１を隔てて変成部３０と隣接している。ここで熱交換を行い、変成触媒を加熱させる。
【００４７】
このとき、脱硫部１０は脱硫部隔壁１１を隔てて変成部３０と隣接している。変成部３０から熱を受けて、脱硫部１０も加熱される。
【００４８】
最後に燃焼ガスは第５の熱交換流路５１ｆに流入する。ここで、燃焼ガスは選択酸化部隔壁４１を隔てて選択酸化部４０と隣接している。ここで熱交換を行い、選択酸化触媒を加熱させる。
【００４９】
全ての熱交換を終えて、燃焼ガスは起動用燃焼排ガス出口５３から燃料処理装置１の外へと排出される。
【００５０】
こうして、全ての触媒が所要の温度に達した時点で、原料ガスと改質水を投入し、水素の生成を開始する。このように燃焼ガスを流通させることで、各触媒を反応に適切な温度まで昇温させることができ、燃料処理装置１を速やかに起動させることができる。
【００５１】
図３は起動時における概略構成を示した模式図である。燃焼ガスの流れを黒塗りの矢印、熱の流れを白抜きの矢印で表現している。
【００５２】
続いて起動が完了し、水素が生成されて発電スタックで発電が行われている状態について説明する。
【００５３】
図４は発電状態におけるガスの流れを図示したものである。図２と同様に燃焼ガスの流れを黒塗りの矢印で表記する。
【００５４】
燃焼部５０で発生した燃焼ガスは熱交換流路５１に流入する。第１の熱交換流路５１ａに入った燃焼ガスは、改質部隔壁２１を隔てて改質部２０と隣接している。ここで熱交換を行い、吸熱反応を行っている改質触媒に熱を与える。
【００５５】
次に第２の熱交換流路５１ｂに流入した燃焼ガスは、蒸発部パイプ６１（隔壁に相当する）を隔てて蒸発部６０と接している。このとき蒸発部６０は改質水が供給されているので、燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、改質水を蒸発させるための熱を与える。
【００５６】
続いて熱交換流路接続部５１ｃと発電状態用燃焼排ガス出口５２の両方に繋がった部分に到達する。このとき、発電状態においては、発電状態用燃焼排ガス出口５２の先にある弁が開放されているため、燃焼ガスは発電状態用燃焼排ガス出口５２から燃料処理装置１の外へと排出される。
【００５７】
また、発電状態においては、冷却用空気導入口５４から、冷却空気が流入している。冷却空気の流れを灰色の矢印で表記する。
【００５８】
冷却空気は、起動時の燃焼ガスとは逆の流れを辿って行く。
【００５９】
まず、第５の熱交換流路５１ｆに流入する。ここで選択酸化部隔壁４１を介して、発熱反応を行っている選択酸化部４０から熱を吸収する。ここで、起動用燃焼排ガス出口５３の先にある弁が閉じているため、冷却空気が排出されることはない。
【００６０】
次に、第４の熱交換流路５１ｅに流入する。ここで変成部隔壁３１を介して、発熱反応を行っている変成部３０から熱を吸収する。また、発電状態においては、変成部３０は脱硫部１０にも、脱硫部隔壁１１を介して熱を与えている。
【００６１】
続いて、第３の熱交換流路５１ｄで、改質ガス流路隔壁２３を介して改質ガス流路２２から熱を吸収する。
【００６２】
さらに、熱交換流路接続部５１ｃを通過して第２の熱交換流路５１ｂに流入する。そこで蒸発部パイプ６１を介して蒸発部６０に熱を与え、改質水を蒸発させる。
【００６３】
こうして、熱交換流路５１を、起動時とは逆に辿った冷却空気は、一度高温に上昇するが、最後には熱を回収されて低温になり、発電状態用燃焼排ガス出口５２から、燃焼ガスと共に燃料処理装置１の外へと排出される。
【００６４】
このように、発電状態においては、冷却空気を投入することで、発熱反応を行っている変成部３０と選択酸化部４０から熱を吸収し、蒸発部６０に与えることで、触媒反応に適切な温度に保つと共に、燃料処理装置１からの放熱ロスを抑制することができ、高い改質効率を得ることができる。
【００６５】
図５は発電状態における概略構成を示した模式図である。燃焼ガスの流れを黒塗りの矢印、冷却空気の流れを灰色の矢印、熱の流れを白抜きの矢印で表現している。
【００６６】
このように、実施の形態１における燃料処理装置１は、熱交換流路５１を起動時と発電状態で切り替えて使っている。起動時においては、熱交換流路５１全体に燃焼ガスを流し、改質触媒と変成触媒、選択酸化触媒を加熱している。また、変成触媒を介して、脱硫触媒も加熱している。こうすることで、本実施の形態の燃料処理装置１はヒータを用いることなく、原料ガスのエネルギーだけで、速やかに起動し、水素を生成することができる。
【００６７】
また、発電状態においては、熱交換流路５１の一部は燃焼ガス、一部は冷却空気を流す。燃焼ガスで改質触媒を加熱すると共に、冷却空気で選択酸化触媒と変成触媒を冷却している。また、これらの燃焼ガスと冷却空気は最終的に蒸発部６０に熱を与え、改質水を蒸発させることで、熱エネルギーを回収している。
【００６８】
上記のような構成により、本実施の形態の燃料処理装置１は各触媒を適切な温度に保つと共に、効率的に熱回収をすることで高い改質効率を得ることができる。
【００６９】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における燃料処理装置２の縦断面図である。本実施の形態は先行例や実施の形態１とは異なり、同一の軸心を有する複数の円筒体を備えた構成ではない。本実施の形態の燃料処理装置２は、略直方体形状を組み合わせた外形をしており、この縦断面図を断面に垂直な方向に延伸したような形状をしている。
【００７０】
本実施の形態では、ガスの流れに着目しているため、縦断面図のみで説明を完了し、平面図や側面図を省略する。
【００７１】
また、図６において、上述の実施の形態１の燃料処理装置１と同等の構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する。
【００７２】
［機能部の説明］
燃料処理装置２は中央板７０に対し、一面に触媒と流路を形成する皿状の容器を重ね合わせて接合している。また、もう一面には蒸発部６０や燃焼部５０、熱交換流路５５を構成する要素が接合されている。
【００７３】
触媒が配置される面には、中央板７０から順に以下の要素が配置されている。まず、皿状の容器により、改質部２０が形成されている。次に、断熱材を挟んで複数の容器で流路が形成されている。
【００７４】
続いて、複数の容器で、脱硫部第一層１０ａ、脱硫部第二層１０ｂ、脱硫部第三層１０ｃが形成されている。その外には、第３の熱交換流路５５ｃが形成されている。さらに、変成部第一層３０ａと変成部第二層３０ｂ、選択酸化部４０が形成されており、最外周にも流路が形成されている。このように、本実施の形態の燃料処理装置２は中央板７０から触媒層と流路を順に形成することで、少ない部品点数で所要の触媒層と流路を形成することができる。また、触媒層同士や触媒層と流路の隔壁が広い平面で接することができるので、効率的に熱交換をさせることができる。
【００７５】
また、円筒状の流路の場合、流量や温度が周方向でばらつくという欠点がある。しかし、流路が平面形状となることで、このばらつきが低減され、一定の熱交換をすることができる。その結果、触媒層の温度ばらつきが抑制され、より効率的な温度制御をするとができる。
【００７６】
もう一面にも中央板７０から順に以下の要素が配置されている。まず、平面に蛇行した流路を成形した容器である蒸発部隔壁６２を接合することで、蒸発部６０が形成される。次に、皿状の容器により、第１の熱交換流路５５ａ、第２の熱交換流路５５ｂが形成される。続いて、あらかじめ皿状の容器と他の部品を接合し、中央板７０に接合することで、燃焼部５０が形成される。
【００７７】
中央板７０は構造を保持する役割に加え、各部に穴が空いており、流路を接続する役割も果たしている。例えば、皿状の形状を持つ流路形成板７１を接合することで、原料ガスが最外周を辿ってきた流路と、脱硫部第一層１０ａとの間を繋ぐバイパス流路を形成することができる。
【００７８】
こうすることで、パイプなどで流路間を繋ぐ場合に比べ、広い流路を構成することができ、圧力損失を小さくできる。また、パイプで繋ぐ場合には、両端をそれぞれ溶接などで接合する必要があるが、このように、皿状の形状を持つ流路形成板７１を用いることで、接合を１回で済ませることができ、より製造が容易になる。
【００７９】
燃料処理装置２に投入された原料ガスは最外周の流路を通り予熱される。その後、バイパス流路を通り、脱硫部第一層１０ａ、脱硫部第二層１０ｂ、脱硫部第三層１０ｃを順に通過して、硫黄成分を除去する。続いて蒸発部６０で生成した水蒸気を混合され、改質部２０を通り、水素含有ガスへと改質される。続いて、バイパス流路を通り、変成部第一層３０ａと変成部第二層３０ｂを通過し、酸素を含む空気と混合し、選択酸化部４０を通過することで、一酸化炭素を低減される。こうして製造された改質ガスは、燃料処理装置２を出て、発電スタックへと向かい、発電に使われる。
【００８０】
［ガスの流れの説明］
本実施の形態の燃料処理装置２のガスの流れについて、図６を用いて説明する。
【００８１】
まず、起動時のガスの流れを説明する。燃焼部５０で生成された高温の燃焼ガスは熱交換流路５５に流入する。まず、第１の熱交換流路５５ａに入り、改質部隔壁２１を隔てて隣接している改質部２０に熱を与える。起動時には、発電状態用燃焼排ガス出口５２の先にある弁が閉じているため、燃焼ガスは第３の熱交換流路５５ｃに流入する。第３の熱交換流路５５ｃは変成部隔壁３１を介して変成部第一層３０ａと接している。
【００８２】
また、脱硫部隔壁１１を介して脱硫部第三層１０ｃと接している。燃焼ガスは変成部第一層３０ａと脱硫部第三層１０ｃにそれぞれ熱を与え、触媒を昇温させる。脱硫部第三層１０ｃはさらに脱硫部第二層１０ｂ、脱硫部第一層１０ａに順に熱を与え、触媒を昇温させる。熱を与え終わった燃焼ガスは、起動用燃焼排ガス出口５３から外部へ排出される。
【００８３】
こうして、全ての触媒が所要の温度に達した時点で、原料ガスと改質水を投入し、水素の生成を開始する。このように燃焼ガスを流通させることで、各触媒を反応に適切な温度まで昇温させることができ、燃料処理装置２を速やかに起動させることができる。
【００８４】
次に発電状態でのガスの流れを説明する。燃焼部５０で発生した高温の燃焼ガスは熱交換流路５５に流入する。第１の熱交換流路５５ａに入った燃焼ガスは、改質部２０と熱交換をし、吸熱反応を行っている改質触媒に熱を与える。次に第２の熱交換流路５５ｂに流入する。
【００８５】
一方で、冷却用空気導入口５４から冷却空気が流入する。第３の熱交換流路５５ｃに入った冷却空気は変成部第一層３０ａおよび脱硫部第三層１０ｃから熱を吸収し、触媒を冷却させる。その後、高温になった冷却空気は、第２の熱交換流路５５ｂに流入し、燃焼ガスと合流する。
【００８６】
こうして、第２の熱交換流路５５ｂには燃焼ガスと高温になった冷却空気が流入し、蒸発部６０に熱を与え、改質水を蒸発させる。熱が回収され、低温になった燃焼ガスと冷却空気は発電状態用燃焼排ガス出口５２から外部へ排出される。
【００８７】
このように、発電状態においては、冷却空気を投入することで、変成部第一層３０ａと脱硫部第三層１０ｃから熱を回収し、温度をコントロールすることができる。また、回収した熱は蒸発部６０に与えられ、回収することができ、燃料処理装置２からの放熱ロスを抑制することができ、高い改質効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の燃料処理装置は、起動エネルギーの消費が小さく、発電状態での改質効率が高い燃料処理装置であり、本装置を用いた燃料電池システム等に有用である。
【符号の説明】
【００８９】
１，２  燃料処理装置
１０  脱硫部
２０  改質部
３０  変成部
４０  選択酸化部
５０  燃焼部
５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｄ，５１ｅ，５１ｆ，５５，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ  熱交換流路
６０  蒸発部
６１  蒸発部パイプ
【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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