(57)【要約】【課題】燃料改質装置において、水蒸気改質プロセスから切り離して触媒層の温度を下げることができ、システム及び周囲に影響を与えることなく、迅速かつ安全に停止すること。【解決手段】改質器３、一酸化炭素変成器４及び一酸化炭素選択酸化器５を直列に配置してなる燃料改質装置１０において、一酸化炭素変成器４の外周に第１の冷却部６を設置し、一酸化炭素選択酸化器５の外周に第２の冷却部７を設置する。第１及び第２の冷却部６、７は水蒸気改質プロセスから独立しており、触媒層温度が熱暴走判定温度を超えた場合にコントローラ９が電磁開閉弁８ｃを開いて、冷却水タンク８から第１及び第２の冷却部６、７に冷却水を流して触媒層を冷却する。【選択図】図１
2008115058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層にて原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを得る燃料改質装置において、当該燃料改質装置の外周に水蒸気改質プロセスとは別系統の冷却構造を備え、温度上昇時に前記冷却構造に冷却水を流して前記触媒層を冷却することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
一酸化炭素変成反応によって燃料ガス中の水素濃度を高める一酸化炭素変成触媒層を備え、当該一酸化炭素変成触媒層の外周に前記冷却構造を配置したことを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
一酸化炭素選択酸化反応によって燃料ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層を備え、当該一酸化炭素選択酸化触媒層の外周に前記冷却構造を配置したことを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項４】
一酸化炭素変成反応によって燃料ガス中の水素濃度を高める一酸化炭素変成触媒層と、一酸化炭素選択酸化反応によって燃料ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層とを備え、
前記冷却構造は、前記一酸化炭素変成触媒層の外周に配置された第１の冷却部と、前記一酸化炭素選択酸化触媒層の外周に配置された第２の冷却部とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項５】
冷却水が蓄えられた冷却水タンクから供給配管を経由して前記冷却構造の冷却水供給口に接続すると共に当該冷却構造の冷却水排出口から戻り配管を経由して前記冷却水タンクに接続して冷却水循環路を形成し、前記冷却水タンクを前記冷却構造よりも上に配置し、前記供給配管又は前記戻り配管に設けられた開閉弁を開いた場合に冷却水が自然循環することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記開閉弁は、温度による変形によって開閉する弁で構成され、触媒層温度が所定温度を超えた場合に開いて冷却水を流すことを特徴とする請求項５記載の燃料改質装置。
【請求項７】
前記冷却構造は、断熱材を介して前記燃料改質装置外周に設置されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料である炭化水素ガスを水蒸気改質する燃料改質装置に係り、特に改質された水素を用いて発電する燃料電池と組み合わせて用いられる水蒸気改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高いエネルギー効率を実現するために、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池がある。良く知られた燃料電池として、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（アノード側）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに他方の電極（カソード側）に酸素を含有する酸化ガスを供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得るようにしたものが開発されている。以下に、燃料電池で起きる電気化学反応を表す式を示す。（１）はアノード側に於ける反応、（２）はカソード側に於ける反応を表し、燃料電池全体では（３）式に表す反応が進行する。
【０００３】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                  ………（１）
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ    ………（２）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ              ………（３）
燃料電池は、使用する電解質によっていくつかの種類に分類されるが、これらの燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等では、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや炭酸ガスを使用することが可能である。通常、これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を燃料改質装置の改質器で水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。また、天然ガス等の炭化水素系の原燃料には、硫黄分が含まれているので、改質器の前段に設けた脱硫器で原燃料の脱硫を行っている。
【０００４】
式（４）は、改質器におけるメタンの改質反応について示したものである。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２＋206.14 KJ/mol………（４）
式（４）に示される通り、メタンの改質反応は吸熱反応であるため、メタンに水蒸気を添加したうえで、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスにより粒状改質触媒を６００〜７００℃に加熱することにより改質反応（水蒸気改質反応）を行わせて、水素に富んだ改質ガスを生成している。
【０００５】
改質器を出たこの改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するために一酸化炭素変成器に供給され、所定の温度に制御された一酸化炭素変成器において、一酸化炭素濃度を１％以下に低減し、燃料電池がリン酸形燃料電池(PAFC)の場合は、このガスを燃料電池の燃料極へ供給して発電を行っている。
【０００６】
図５は従来の燃料改質装置の系統図である。同図に示す燃料改質装置１は、脱硫触媒が充填された脱硫器２において原燃料に含まれる硫黄分を脱硫した後、この脱硫後の原燃料および改質用水が改質器３へ供給される。改質器３における改質反応によって生成された改質ガスが、当該改質器３の後段に設けられ一酸化炭素変成器４へ供給される。一酸化炭素変成器４では改質器３から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を１％以下に低減する。
【０００７】
一方、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、その動作温度が６０〜８０℃と低いために、改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、これが触媒毒となって性能が劣化する。そこで、一酸化炭素をさらに低減するために、一酸化炭素選択酸化器５へ供給される。一酸化炭素選択酸化器５では改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化することにより二酸化炭素とし、一酸化炭素濃度を１０ppm以下にまで低減させる。この改質ガスが、固体高分子形燃料電池(PEFC)に供給される。
【０００８】
このような燃料改質装置１は、改質器３の改質触媒温度を６００℃〜７００℃、一酸化炭素変成器４の触媒温度を２５０℃前後、一酸化炭素選択酸化器５の触媒温度を１５０℃前後に各々保ち、燃料改質反応を行っている。
【０００９】
従来、燃料改質装置を構成する各反応器（図５の改質器３、一酸化炭素変成器４、一酸化炭素選択酸化器５）の温度を適正に保つため種々の対策が採られている。例えば、特許文献１には、一酸化炭素選択酸化部に水素リッチに濃度を低減した一酸化炭素を含む混合ガスを流入し、触媒反応により残留一酸化炭素をＣＯ２にする一酸化炭素選択酸化部から出力された混合ガスを冷却すると共に、冷却された混合ガスの一部を分流した還流ガス４を、再び一酸化炭素選択酸化部に入流し、触媒反応温度の暴走温度を、ガス組成に悪影響なく速やかに制御する水素製造装置が記載されている。
【００１０】
また特許文献２には、燃料電池より排出される空気及び燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮して回収し、この回収水を一酸化炭素変成器の燃料ガスの出口経路、改質器、一酸化炭素変成器に供給すると共に回収水の供給量を調整することで各反応器の温度を調整する固体高分子型燃料電池システムが記載されている。
【特許文献１】特開２００４−２１２１号公報
【特許文献２】特開２０００−３０７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、一酸化炭素選択酸化反応によって一酸化炭素濃度が１０ppm以下に低減される際に、改質ガス中の一酸化炭素と水素とが反応してメタンガスが生成されることがある。式（５）は一酸化炭素変成器４あるいは一酸化炭素選択酸化器５におけるメタン化反応について示したものである。
ＣＯ＋３Ｈ２  →  ＣＨ４＋Ｈ２０  ………（５）
ＣＯ２＋４Ｈ２  →  ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ
【００１２】
式（５）のメタン化反応がおきた場合、生成された水素が消費され、電池に供給する水素量が減少する。また、反応により水が生成され、かつ水素と一酸化炭素あるいは二酸化炭素が消費されガス体積が減少するため、必要以上に露点の高いガスを電池に供給することになり、燃料電池内部および電極表面で液体の水となりガスの拡散を阻害する可能性がある。
【００１３】
この反応は一酸化炭素変成器４において温度が４００℃付近またはそれ以上になった場合に発生しやすく、一酸化炭素選択酸化器５において温度が２００℃付近またはそれ以上になった場合に発生しやすい。かかる反応は発熱反応であるため、反応に伴い触媒の温度が上昇し、さらに温度が上昇して温度制御が不能な状態に陥る可能性がある。また、メタン化反応を止めるため燃料改質装置１を緊急停止させても反応が進んでしまい、温度低下操作をした後も温度を下げられず、燃料改質装置１へ過剰な温度負荷を与えることとなり、触媒または燃料改質装置１の破損又は変形を引き起こす可能性がある。
【００１４】
しかしながら、上述した従来の冷却方法は、冷却された混合ガスの一部を分流した還流ガスを再び一酸化炭素選択酸化部に入流して触媒を冷却し（特許文献１）、又は改質用水蒸気を得るための改質用水を一酸化炭素変成器の燃料ガス出口経路、一酸化炭素変成器に供給して冷却するもの（特許文献２）であり、水蒸気改質プロセスと冷却構造とが同一系統を形成して密接に関連して動作しているために、一酸化炭素変成器又は一酸化炭素選択酸化器の触媒層が熱暴走したときに、熱暴走した触媒層に対して水蒸気改質プロセスから切り離して迅速に冷却するといった対策が取れない可能性があった。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、水蒸気改質プロセスから独立した冷却構造とすることができ、どのような状況下においても触媒層の温度を下げることができ、システム及び周囲に影響を与えることなく、迅速かつ安全に停止することのできる燃料改質装置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】
本発明の燃料改質装置は、触媒層にて原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを得る燃料改質装置において、当該燃料改質装置の外周に水蒸気改質プロセスとは別系統の冷却構造を備え、温度上昇時に前記冷却構造に冷却水を流して前記触媒層を冷却することを特徴とする
。
【００１７】
この構成によれば、燃料改質装置の触媒層が所定温度以上になったとき、水蒸気改質プロセスとは別系統の冷却構造にて触媒層を冷却することができ、どのような状況下においても触媒層の温度を下げることができ、システム及び周囲に影響を与えることなく、迅速かつ安全に停止することができる。
【００１８】
また本発明は、上記燃料改質装置において、一酸化炭素変成反応によって燃料ガス中の水素濃度を高める一酸化炭素変成触媒層を備え、当該一酸化炭素変成触媒層の外周に前記冷却構造を配置したことを特徴とする。
【００１９】
この構成により、一酸化炭素変成触媒層の外周に冷却構造を配置したので、一酸化炭素変成触媒層が所定温度以上になったときに、その触媒層を水蒸気改質プロセスから独立して冷却することができる。
【００２０】
また本発明は、上記燃料改質装置において、一酸化炭素選択酸化反応によって燃料ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層を備え、当該一酸化炭素選択酸化触媒層の外周に前記冷却構造を配置したことを特徴とする。
【００２１】
この構成により、一酸化炭素選択酸化触媒層の外周に冷却構造を配置したので、一酸化炭素選択酸化触媒層が所定温度以上になったときに、その触媒層を水蒸気改質プロセスから独立して冷却することができる。
【００２２】
また本発明は、上記燃料改質装置において、一酸化炭素変成反応によって燃料ガス中の水素濃度を高める一酸化炭素変成触媒層と、一酸化炭素選択酸化反応によって燃料ガス中の一酸化炭素を低減させる一酸化炭素選択酸化触媒層とを備え、前記冷却構造は、前記一酸化炭素変成触媒層の外周に配置された第１の冷却部と、前記一酸化炭素選択酸化触媒層の外周に配置された第２の冷却部とを有することを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、上記燃料改質装置において、冷却水が蓄えられた冷却水タンクから供給配管を経由して前記冷却構造の冷却水供給口に接続すると共に当該冷却構造の冷却水排出口から戻り配管を経由して前記冷却水タンクに接続して冷却水循環路を形成し、前記冷却水タンクを前記冷却構造よりも上に配置し、前記供給配管又は前記戻り配管に設けられた開閉弁を開いた場合に冷却水が自然循環することを特徴とする。
【００２４】
この構成により、冷却水タンクを冷却構造よりも上に配置し、開閉弁を開いた場合に冷却水が自然循環するようにしたので、ポンプなどの動力部を削減することができる。
【００２５】
また本発明は、上記燃料改質装置において、前記開閉弁は、温度による変形によって開閉する弁で構成され、触媒層温度が所定温度を超えた場合に開いて冷却水を流すことを特徴とする。
【００２６】
この構成により、触媒層温度が所定温度を超えた場合に開閉弁が開いて冷却水が流されるので、コントローラ等の電気システムが介在することなく開閉動作させることができる。
【００２７】
また本発明は、上記燃料改質装置において、前記冷却構造は、断熱材を介して前記燃料改質装置外周に設置されたことを特徴とする。
【００２８】
この構成により、冷却構造は断熱材を介して燃料改質装置外周に接するので、断熱材による断熱作用により冷却水供給開始時における突沸を防止できると共に、高温部が急冷されることによる過大な熱応力の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、水蒸気改質プロセスから独立した冷却構造とすることにより、どのような状況下においても触媒層の温度を下げることができ、システム及び周囲に影響を与えることなく、迅速かつ安全に停止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料改質装置１０の冷却構造を示す概略図である。燃料改質装置１０は、改質器３、一酸化炭素変成反応によって水素濃度を高める触媒層を有する一酸化炭素変成器４、一酸化炭素選択酸化反応によって一酸化炭素を低減させる触媒層を有する一酸化炭素選択酸化器５を直列配置した構成をなしている。
【００３１】
本実施の形態では、一酸化炭素変成器４の外周に第１の冷却装置６が配置され、一酸化炭素選択酸化器５の外周に第２の冷却装置７が配置されている。第１の冷却装置６は、一酸化炭素変成器４における触媒層の外周を囲むように配設した冷却配管６ａから構成されている。冷却配管６ａの下側の一端には冷却水供給口６ｂが設けられ、上側の一端には冷却水排出口６ｃが設けられている。第２の冷却装置７は、一酸化炭素選択酸化器５における触媒層の外周を囲むように配設した冷却配管７ａから構成されている。冷却配管７ａの下側の一端には冷却水供給口７ｂが設けられ、上側の一端には冷却水排出口７ｃが設けられている。第１及び第２の冷却装置６、７の冷却水供給口６ｂ、７ｂは冷却水供給配管８ａを介して冷却水タンク８に接続されている。冷却水タンク８は、燃料電池システムで用いる電池冷却水を蓄えるものであるが、燃料改質装置で用いる改質用水を蓄える改質用タンクを用いることもできる。但し、改質用水の系統からは切り離した別系統とする。また、冷却水排出口６ｃ、７ｃは冷却水戻り配管８ｂを介して冷却水タンク８に接続されている。このように、冷却水タンク８に蓄積されている冷却水が冷却水供給配管８ａを介して各冷却配管６ａ、７ａへ供給され、冷却配管６ａ、７ａを通過する際に一酸化炭素変成器４及び一酸化炭素選択酸化器５を冷却し、冷却配管６ａ、７ａを通過した冷却水が冷却水戻り配管８ｂを介して冷却水タンク８へ戻されるように構成されている。本実施の形態では冷却水供給配管８ａの途中にポンプを設けて、冷却水を循環させるようにしても良いが、後述するように水位差を利用した自然循環方式とすることもできる。
【００３２】
また、冷却水供給配管８ａの途中であって冷却水供給口７ｂよりも冷却水タンク８側の位置に電磁開閉弁８ｃが設けられている。電磁開閉弁８ｃは、コントローラ９からの開閉指令により開閉動作する。コントローラ９は、一酸化炭素変成器４及び一酸化炭素選択酸化器５の各触媒層温度を検出する温度センサ（不図示）から温度検出信号を取り込み、各触媒層温度が所定値を超えた場合に電磁開閉弁８ｃを開く開指令を出力する。なお、上述したように、式（５）のメタン化反応がおきる温度は、一酸化炭素変成器４と一酸化炭素選択酸化器５とで異なるので、電磁開閉弁８ｃの開閉判断に使用する閾値は異なることになる。本実施の形態ではＯＲ条件で判断してどちらか一方の条件が成立したら電磁開閉弁８ｃを開いて冷却水を供給するように設定している。
【００３３】
但し、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、例えば第１及び第２の冷却装置６、７に対して独立に冷却水を供給する配管構成とし、第１及び第２の冷却装置６、７に対して個別に、冷却水供給経路に電磁開閉弁をそれぞれ設ける。そしてコントローラ９が該当触媒層の検出温度に基づいて各電磁開閉弁を個別に開閉制御するようにして構成する。
【００３４】
以上のように、本実施の形態の燃料改質装置１０は、上記のような式（５）のメタン化反応の発熱による熱暴走時の対応策として、高温の発熱箇所となる一酸化炭素変成器４における触媒層の外周、並びに一酸化炭素選択酸化器５における触媒層の外周に、水蒸気改質プロセスから独立した第１及び第２の冷却装置６，７を備え、熱暴走時又はそのまま放置すれば熱暴走の可能性があるといった緊急時に水蒸気改質プロセスとは全く別系統で冷却水を循環させて発熱部位の温度を低下させるようにした。
【００３５】
図２は燃料改質装置１０の模式的概略構成図である。燃料改質装置１０の中心軸上には、一体に形成された燃焼空気筒１１と燃焼筒１２とから成り、内部に下向きに火炎を形成するバーナ１４を備える燃焼器１３が配置されている。燃焼空気筒１１とその内側の燃焼空気筒内筒１５との間の環状の空間は燃焼空気供給路１６を形成しており、燃焼空気供給路１６の下部はバーナカップ１７に形成された孔に連通している。燃焼空気筒内筒１５の内部には、バーナ１４へ燃焼用燃料を供給するバーナ燃料供給路１８が貫通しており、バーナ燃料供給路１８の上端はバーナ燃料供給口１９を有している。
【００３６】
上記の構成を備えた燃焼器１３の外側には、燃焼器１３よりも径が大きく底面を有する内筒２０を配置し、燃焼器１３と内筒２０との間の間隙により燃焼排ガス流路２１を形成している。
【００３７】
内筒２０の底板と燃焼筒１２の下端との間は、燃焼排ガス中の水分が凝縮して底部に溜まっても、燃焼排ガスが燃焼筒１２の先端で折り返して燃焼排ガス流路２１に流入する際に、この凝縮水を巻き込んで流路が閉塞しない適度の距離を設けている。底部に溜まった
凝縮水は、燃焼部が十分加熱されると気化して燃焼排ガスとともに外部に排出される。
【００３８】
燃焼空気筒内筒１５と、燃焼空気筒１１及び内筒２０は、各々の上端付近に形成されたフランジ部２２にガスケットを挟んで重ねたのちボルトで固定されている。
【００３９】
内筒２０のさらに外側には、同じく底面を有する外筒２３が内筒２０との間に間隙を設けて配置されている。そして、内筒２０と外筒２３との間には隔壁２４が設けられ、内筒２０と外筒２３との間を同心円状の２つの環状空間に区分されていると共に、両環状空間は外筒２３の底面と隔壁２４下端との間に設けられた間隙を介して連通している。なお、隔壁２４は、燃焼空気筒１１の外周部分に位置する径の小さい上部仕切筒２４ａと、これよりも径が大きく燃焼筒１２の外周部分に位置する下部仕切筒２４ｂと、上部仕切筒２４ａ下端と下部仕切筒２４ｂ上端との間に径の差によって生じる隙間を塞ぐ環状の水平板とにより構成されている。
【００４０】
内筒２０と上部仕切筒２４ａとの間の環状空間は、上端部に改質用水と原燃料ガスとを併せて供給する原燃料ガス供給口２５が接続されていると共に、上部仕切筒２４ａに相対する内筒２０の外壁には、螺旋状に板または棒状の部材により形成された螺旋状ガイド２６が溶接されており、原燃料ガス供給口２５から供給された改質用水が螺旋状ガイド２６上を伝って内筒２０の表面に接して流れる間に加熱され、気化する水蒸気発生部２７を構成している。
【００４１】
内筒２０と下部仕切筒２４ｂとの間の環状空間は、下端に触媒が落ちないように触媒直径よりも小さく、かつガスが通過する際に過度の圧損とならない程度の径の孔が形成された板底を有しており、その上に改質触媒が充填され改質部３が形成されている。改質触媒としてはルテニウム系やニッケル系の水蒸気改質触媒が用いられる。改質触媒の上にはアルミナボールを充填したアルミナボール層２９が形成されており、これにより、アルミナボール層２９を通過する原燃料ガスが、その内側を通流する燃焼排ガスと外側を通流する改質ガスからの熱を回収して昇温され、一方、改質ガスは降温される。また万が一、未気化の改質水が流れ込んできた場合には、アルミナボール層２９における熱交換で水が蒸発するので、水のまま改質部３に流入することで触媒を劣化させるのを防ぐことができる。
【００４２】
水蒸気発生部２７とアルミナボール層２９との間には、気化せずに水蒸気発生部２７の下端へ到達した改質用水を受け止め、気体のみを改質部３へ通流させるための水受け部３０が設けられている。これにより、改質用水が液体の状態で改質部３に入ることを防ぎ、これにより触媒の割れや剥がれが発生することを防止するとともに、改質用水の急激な気化による急激な体積変化によって圧力変動が発生し、原燃料ガス量や蒸気量が変動して改質反応が不安定になるのを防止し、さらには、急激な気化によって改質部の温度が不安定になるのを防止している。
【００４３】
下部仕切筒２４ｂと外筒２３との間の環状空間は改質ガス流路３１を構成している。上部仕切筒２４ａと外筒２３との間の環状空間には、その上端部近傍に一酸化炭素選択酸化触媒が充填された一酸化炭素選択酸化器５が、その下方に一酸化炭素変成触媒を充填した一酸化炭素変成器４が形成されている。一酸化炭素変成入口マニホールド３３と一酸化炭素変成器４との間には、アルミナボールを充填したアルミナボール層２９を設けて原料ガスと改質ガスとの熱交換により一酸化炭素変性部３４の入口温度が一酸化炭素変性反応に適した３００〜３５０℃になるようにしている。なお、一酸化炭素選択酸化触媒としては貴金属系触媒が、一酸化炭素変成触媒としては、貴金属系触媒または銅−亜鉛触媒などが用いられる。また、一酸化炭素選択酸化器５と一酸化炭素変成器４との間は環状の水平板で仕切られており、一酸化炭素変成出口マニホールド３５に接続された一酸化炭素変成ガス排出口３６から導出した一酸化炭素変成後の改質ガスに、狭い配管内で選択酸化用空気を混合した後、選択酸化空気混合ガス入口３７を介して選択酸化空気混合後マニホールド３８に戻すことによって、改質ガスに対し均一に空気を混合するようにしている。
【００４４】
一酸化炭素選択酸化器５の上部の一酸化炭素選択酸化器出口マニホールド３９には、一酸化炭素選択酸化後の改質ガスを燃料改質装置１０の外に取り出すための改質ガス排出口４０が接続されている。
【００４５】
また、一酸化炭素変成器４の外周に配設された第１の冷却装置６は、冷却配管６ａと一酸化炭素変成器４の外壁との間に断熱材５１が設けられている。同様に、一酸化炭素選択酸化器５の外周に配設された第２の冷却装置７は、冷却配管７ａと一酸化炭素選択酸化器５の外壁との間に断熱材５２が設けられている。この断熱材５１，５２による断熱作用により、高温状態の冷却配管６ａ、７ａへ冷却水を供給した際の突沸を防止することができる。また、当該燃料改質装置１０の高温部が冷却水で急冷されると過大な熱応力が発生するので、断熱材５１，５２による断熱作用により、急冷を抑えて過大な熱応力が発生するのを防止することができる。なお、燃料改質装置１０の全周囲を燃料改質装置１０からの放熱を防ぐために断熱材で覆うようにしても良い。
【００４６】
次に、上述のように構成された本発明の燃料改質装置１０を作動した場合の各流体の流れについて、燃料電池と組み合わせて運転する場合を例に説明する。なお、図２中の矢印は、各流体の通流方向を示す。
【００４７】
通常運転時には、燃料電池から反応に利用されずに排出された電池オフガスがバーナ燃料としてバーナ燃料供給口１９を介してバーナ燃料供給路１８に、また、空気が燃焼空気供給路１６に供給されて、各々鉛直方向下向きに流れ、バーナ１４で燃焼する。
【００４８】
一方、燃料改質装置１０の起動時には、バーナ燃料供給口１９に改質用の原燃料ガスを供給するが、これに代えて、改質原燃料として原燃料ガス供給口２５から供給され各反応部を通流後、改質ガス排出口４０から排出されたガスを再びバーナ燃料供給口１９に送る配管（図示せず）から循環供給することとしても良い。また、起動後、通常運転に入るまでの調整運転の段階では、改質ガス排出口４０から排出された改質ガスの全量をバーナ燃料供給口１９から燃焼バーナ１４に送って燃焼させる。
【００４９】
燃焼によって発生した高温の燃焼排ガスは、燃焼筒１２下端の開口部から内筒２０に排出され、燃焼排ガス流路２１を下から上へと流れる。一方、原燃料ガス供給口２５から導入された原燃料ガスと改質用水とは、水蒸気発生部２７の上方から下方へと向かって流れるが、改質用水は上述したように、螺旋状ガイド２６上を伝って内筒２０表面を旋回しながら流れるので、内筒２０の内側を流れる燃焼排ガスの熱が有効に伝熱され水蒸気となって、改質部３へ原燃料ガスとともに供給される。改質部３は内側を流れる燃焼排ガスにより４００℃〜６５０℃程度に加熱される。改質部３を出た改質ガスは、下部仕切筒２４ｂの下端で折り返して流れの方向を変え、改質ガス流路３１を上昇しながら内側に隣接する改質部３に熱を与え、３００℃〜３５０℃程度となって一酸化炭素変成器４へ導入される。
【００５０】
一酸化炭素変成器４での反応は発熱反応であり、この反応熱が内側の水蒸気発生部２７を通流する改質用水または水蒸気と原燃料ガスに与えられ、改質ガスは２００℃程度となって一酸化炭素変成器４を出る。選択酸化用空気が混合された改質ガスは１５０℃〜１００℃程度となって一酸化炭素選択酸化器５に導入されるが、ここでも改質ガスの熱は水蒸気発生部２７へ伝えられ、一酸化炭素選択酸化器５を出る改質ガスの温度は１００℃程度まで低下する。
【００５１】
次に、第１及び第２の冷却装置６，７が動作する場合について説明する。
燃料改質装置１０の運転期間中は、常に、一酸化炭素変成器４の触媒層の温度及び一酸化炭素選択酸化器５の触媒層の温度がコントローラ９に取り込まれる。コントローラ９には一酸化炭素変成器４の熱暴走判定温度として４００℃〜４５０℃が設定され、一酸化炭素選択酸化器５の熱暴走判定温度（閾値）として２００℃〜２５０℃が設定されている。コントローラ９に取り込まれる一酸化炭素変成器４の触媒層温度が熱暴走判定温度（４００℃〜４５０℃）を越えたか否か判定し、熱暴走判定温度越えていれば電磁開閉弁８ｃに開指令を与える。また、一酸化炭素選択酸化器５の触媒層温度が熱暴走判定温度（２００℃〜２５０℃）を越えたか否か判定し、熱暴走判定温度越えていれば電磁開閉弁８ｃに開指令を与える。本実施の形態では一酸化炭素変成器４又は一酸化炭素選択酸化器５のずれかの反応器で熱暴走判定温度を超えたと判定されると、燃料改質装置１０を停止し、電磁開閉弁８ｃを開いて第１及び第２の冷却装置６，７に冷却水を供給する。
【００５２】
第１及び第２の冷却装置６，７の冷却配管６ａ，７ａに冷却水を通水して一酸化炭素変成器４及び一酸化炭素選択酸化器５の触媒層温度を下げる。通水初期は、冷却配管６ａ，７ａが高温になっているので冷却水が沸騰して冷却水配管６ａ，７ａの圧力が高くなり冷却水を通水しづらい状態となるが、冷却水と触媒層との間で熱交換が進めば、徐々に触媒層温度を低下させることができる。コントローラ９は、熱暴走の起こらない触媒槽温度に達したと判断したら電磁開閉弁８ｃに閉指令を与えて冷却水の供給を停止させる。
【００５３】
以上のように本実施の形態によれば、燃料改質装置１０において高温の発熱箇所となる一酸化炭素変成器４の触媒層外周、並びに一酸化炭素選択酸化器５の触媒層外周に、水蒸気改質プロセスから独立した第１及び第２の冷却装置６，７を備え、各触媒槽温度が熱暴走判定温度を超えた場合に第１及び第２の冷却装置６，７に冷却水を流して外側から触媒層を冷却するようにしたので、一酸化炭素変成器４及び又は一酸化炭素選択酸化器５の熱暴走時又はそのまま放置すれば熱暴走の可能性がある場合に、水蒸気改質プロセスとは全く別系統で冷却水を循環させて発熱部位の温度を低下させることができる。この結果、燃料改質装置１０の容器の破損や変形を防ぐことができ、重大事故を防止することができる。
【００５４】
図３は第１及び第２の冷却装置を冷却配管に代えて冷却水容器とした変形例を示す図である。なお、図１に示す燃料改質装置と同一部分には同一符号を付している。一酸化炭素変成器４の触媒層外周に第１の冷却装置５３を設置し、一酸化炭素選択酸化器５の触媒層外周に第２の冷却装置５４を設置している。第１の冷却装置５３は触媒層外周に面接触する円筒状の冷却水容器５３ａで構成されている。冷却水容器５３ａには、燃料電池システム側の冷却水タンクから冷却水が供給される冷却水供給口６ｂと、冷却水容器５３ａから冷却水タンクへ戻す冷却水を取り出すための冷却水排出口６ｃとが設けられている。第２の冷却装置５４は触媒層外周に面接触する円筒状の冷却水容器５４ａで構成されており、冷却水容器５３ａと同様に、冷却水供給口７ｂと冷却水排出口７ｃとが設けられている。
【００５５】
図４は第１及び第２の冷却装置６又は７（５３又は５４）と冷却水タンク８との配置関係の一例を示す模式図である。燃料改質装置１０の冷却装置６又は７（５３又は５４）よりも冷却水タンク８の液面５５を上方に配置している。また、冷却水タンク８内に挿入された冷却水戻り配管８ｂの先端を、冷却水タンク８内における液面５５よりも上に突き出している。または冷却水タンク８内に挿入された冷却水戻り配管８ｂの先端を、冷却水タンク８における冷却水取出し口５６よりも上になるようにしている。
【００５６】
このような配置関係とすることで、冷却装置６又は７（５３又は５４）と冷却水タンク８との間の水位差Ｌ１と、冷却配管６ａ，７ａ内での熱交換による沸騰でできた水蒸気ガスのドリフトとにより、ポンプを設けることなく、自然に冷却水を冷却装置経由で循環させることができ、ポンプのような動力が不要となる。もちろん、冷却水供給配管８ａ又は冷却水戻り配管８ｂにポンプを設けることにより自然循環よりも高速に冷却水を循環させるようにしても良い。
【００５７】
また、上記電磁開閉弁８ｃに代えて、バイメタルのように温度によって変形して作動する弁を用いることができる。例えば、各冷却水供給口６ｂ、７ｂの近傍の冷却配管６ａ，７ａに温度によって変形して作動する熱変形開閉弁をそれぞれ設置し、各熱変形開閉弁を各々対応する触媒層温度が熱暴走判定温度になったときに熱変形して弁を開き、冷却水を供給するように構成する。熱変形開閉弁が開動作する設定温度は、触媒層から離れるほど低い温度に設定可能であるが、触媒層温度が正しく伝わる範囲に設置することが望ましい。
【００５８】
このように、上記電磁開閉弁８ｃに代えて、温度によって変形して作動する熱変形開閉弁を用いることにより、コントローラ９から開閉指令を与える必要が無くなり、構成を簡略化することができる。
【００５９】
以上の説明では、燃料改質装置１０において高温の発熱箇所となる一酸化炭素変成器４の触媒層外周、並びに一酸化炭素選択酸化器５の触媒層外周に第１及び第２の冷却装置を備えているが、本発明は必ずしも上記２箇所に冷却装置を設けなくても良い。燃料改質装置１０の外周に水蒸気改質プロセスとは全く別系統で冷却水を循環させて発熱部位の温度を低下させることができる冷却装置であれば、上記構成に限定されるものではなく、冷却装置は１台でも良く又は３台以上であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料改質装置の冷却構造を示す模式図
【図２】上記実施の形態に係る燃料改質装置の断面構造を示す模式図
【図３】上記実施の形態に係る燃料改質装置の変形例の冷却構造を示す模式図
【図４】上記実施の形態における冷却水の自然循環原理を示す原理説明図
【図５】従来の燃料改質装置の概略構成図
【符号の説明】
【００６１】
１、１０…燃料改質装置
２…脱硫器
３…改質器
４…一酸化炭素変成器
５…一酸化炭素選択酸化器
６、５３…第１の冷却装置
６ａ…冷却配管（第１の冷却装置）
６ｂ…冷却水供給口（第１の冷却装置）
６ｃ…冷却水排出口（第１の冷却装置）
７、５４…第２の冷却装置
７ａ…冷却配管（第２の冷却装置）
７ｂ…冷却水供給口（第２の冷却装置）
７ｃ…冷却水排出口（第２の冷却装置）
８…冷却水タンク
８ａ…冷却水供給配管
８ｂ…冷却水戻り配管
８ｃ…電磁開閉弁
９…コントローラ
５３ａ…冷却水容器（第１の冷却装置）
５４ａ…冷却水容器（第２の冷却装置）
５５…液面
５１、５２…断熱材
【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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