(57)【要約】【課題】容器全体をコンパクトにして放熱量を少なくさせ、発電効率を高めるとともに起動時間を短くさせた燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素変成器及び一酸化炭素選択酸化器は、複数の反応器胴体２７ａ，２７ｂ内のそれぞれにメタルモノリス触媒２６ａ，２６ｂを収容して固設させるとともに、各反応器胴体２７ａ，２７ｂ内を接続させる一方、接続させた反応器胴体２７ａ，２７ｂ内の両端に燃料改質ガス入口ノズル２９と燃料改質ガス出口ノズル３０のそれぞれを備えた。なお、接続された反応器胴体２７ａ，２７ｂ内のそれぞれのメタルモノリス触媒２６ａとメタルモノリス触媒２６ｂとの間、および燃料改質ガス入口ノズル２９、燃料改質ガス出口ノズル３０とメタルモノリス触媒２６ａ，２６ｂの間にはガス混合のための空間領域２８，３１ａ，３１ｂを設けた。【選択図】  図３
2004193013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料改質系と、この燃料改質系からの燃料改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器から構成される一酸化炭素処理系と、この一酸化炭素処理系から出た燃料改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させ、その際に発生する電力を取り出す発電系とを備えた燃料電池発電装置において、前記一酸化炭素変成器または一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一方の反応器胴体内に触媒活性成分を担持してなるメタルハニカムを配置した構造体を複数個接続して構成され、前記メタルハニカム間に空間領域が設けられていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
炭化水素系原燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料改質系と、この燃料改質系からの燃料改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器から構成される一酸化炭素処理系と、この一酸化炭素処理系から出た燃料改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させ、その際に発生する電力を取り出す発電系とを備えた燃料電池発電装置において、一酸化炭素処理系は、第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器を燃料改質ガスの流れに沿って順に直列設置する構成にするとともに、前記第１段一酸化炭素変成器と前記第２段一酸化炭素変成器との間に一酸化炭素変成器用中間冷却器を備える一方、前記一酸化炭素選択酸化器の入口側と出口側とのそれぞれに一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器と一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器とを備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、セル密度の異なるメタルハニカムに触媒活性成分を担持させたメタルモノリス触媒を複数収容させたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、触媒活性成分の担持量の異なる複数のメタルモノリス触媒を収容させたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、複数のメタルモノリス触媒を収容させるとともに、前記複数のメタルモノリス触媒間、およびその入口側および出口側のそれぞれに空間領域を形成したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記一酸化炭素処理系は、第１段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第２段一酸化炭素変成器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にしたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
請求項６における一酸化炭素変成器用中間冷却器は、第１段一酸化炭素変成器出口の改質ガスを冷却して第２段一酸化炭素変成器へ供給するとともに、改質用水蒸気を確保するため、燃料改質系に設けた蒸気発生器で加熱された水を、さらに加熱することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記一酸化炭素処理系は、第１段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第２段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にしたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項９】
請求項８における一酸化炭素選択酸化器前置冷却器は、第２段一酸化炭素変成器の出口改質ガスを冷却して一酸化炭素選択酸化器へ供給するとともに、改質用水蒸気を確保するため、蒸気発生器および一酸化炭素変成器用中間冷却器で加熱された水を、さらに加熱することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記一酸化炭素処理系は、第１段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第２段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器、一酸化炭素選択酸化器、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にしたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項１１】
請求項１０における一酸化炭素選択酸化器後置冷却器は、一酸化炭素選択酸化器出口の改質ガスを冷却して発電系の燃料電池アノードに供給し、改質用水蒸気を確保するため燃料改質系の蒸気発生器への供給水を予熱することを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質系の改質器から生成された水素リッチな燃料に含まれている一酸化炭素（ＣＯ）を処理する一酸化炭素処理装置を備えた燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用電源、自動車用動力源、商業用電源等として開発が進められている燃料電池発電装置では、原燃料として例えば炭化水素系燃料を用い、この炭化水素系燃料を水蒸気改質、部分酸化またはオートサーマル等の手法を用いて水素リッチな燃料改質ガスに改質させている。
【０００３】
このような手法を用いて生成される水素リッチな燃料改質ガスには、燃料電池アノード極の被毒成分である一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれており、燃料電池本体での発電の際、電池性能を低下させる要因になっている。
【０００４】
このため、燃料電池発電装置、例えば固体高分子型燃料電池発電装置では、一酸化炭素処理装置、具体的には一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器を用い、一酸化炭素変成器で、触媒の下、一酸化炭素と水蒸気によるシフト反応により一酸化炭素濃度を１％以下に低減させ、さらに一酸化炭素選択酸化器で、触媒の下、空気等の酸化剤と選択酸化させて二酸化炭素を生成し、一酸化炭素濃度を数ｐｐｍのレベルまで低減させた後、燃料電池本体に供給し、ここで、触媒の下、水素リッチガスと酸素とを反応させ、電気を発生させている。
【０００５】
ところで、一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化器には、通常、触媒によって一酸化炭素濃度を低減させるため、球状または円柱状等の粒状触媒が用いられている。
【０００６】
しかし、これら粒状触媒は、その活性を支配する表面積を大きくすることに限界があり、必然的に反応容器自体の容積が大きくなる傾向にあった。
【０００７】
また、触媒担体として主に用いられるアルミナやシリカ等の無機材料は、伝熱特性が低いために昇温速度が遅く、このため起動時間が比較的長く要する等の不具合、不都合があった。
【０００８】
一方、自動車排ガス浄化用には、メタルハニカムに活性成分である触媒を担持させたメタルモノリス触媒が、開発されている。
【０００９】
しかし、このメタルモノリス触媒は、活性成分を担持できるメタルハニカム担体の長さ（燃料ガスの流れ方向の長さ）が、例えば１７０ｍｍ以上にも長くなり、触媒を均等に担持させることが難しくなる等の問題を抱えていた。
【００１０】
また、燃料電池発電装置用においても従来から使用している粒状の触媒に変えて、例えば、ハニカム構造、発泡体構造、あるいはコルゲート構造の担持体に触媒を担持させた発明として、例えば、特開２０００−２６４６０３号公報が開示されているが、その具体的な構造については述べられていない。
【００１１】
このため、燃料電池発電装置には、構造がコンパクトで、放熱量が少なく、起動特性の優れた一酸化炭素処理装置の実現が求められているものの、未だ、摸索の段階であるといえる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、家庭用に適用される燃料電池発電装置は、週単位、月単位の連続運転よりもむしろ、朝、起動させ、夜、停止させる等の１日単位での頻繁な起動と停止との繰り返し運転が想定されることから、起動特性がきわめて重要になっている。例えば、スイッチをＯＮすると、発電がすぐさま開始される等、対応の迅速化が切望されている。
【００１３】
また、産業用と較べて家庭用の燃料電池発電装置は、電気出力が小さいため、相対的に一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化器からの放熱量が大きくなっており、装置の発電効率を下げる原因となっている。この点からも反応器をコンパクトにして放熱量を少なくさせる一方、触媒の接触表面積をより広く確保させて発電効率を向上させることが必要とされる。
【００１４】
本発明は、このような背景技術に照らしてなされたもので、一酸化炭素変成器や一酸化炭素選択酸化器に代表される一酸化炭素処理装置の触媒表面積をより広く確保させるとともに、装置全体をコンパクトにして放熱量を少なくさせ、起動時間をより一層短くさせる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、炭化水素系原燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料改質系と、この燃料改質系からの燃料改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器から構成される一酸化炭素処理系と、この一酸化炭素処理系から出た燃料改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させ、その際に発生する電力を取り出す発電系とを備えた燃料電池発電装置において、前記一酸化炭素変成器または一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一方の反応器胴体内に触媒活性成分を担持してなるメタルハニカムを配置した構造体を複数個接続して構成され、前記メタルハニカム間に空間領域が設けられているものである。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、炭化水素系原燃料を水素リッチなガスに改質させる燃料改質系と、この燃料改質系からの燃料改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器から構成される一酸化炭素処理系と、この一酸化炭素処理系から出た燃料改質ガス中の水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させ、その際に発生する電力を取り出す発電系とを備えた燃料電池発電装置において、一酸化炭素処理系は、第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器を燃料改質ガスの流れに沿って順に直列設置する構成にするとともに、前記第１段一酸化炭素変成器と前記第２段一酸化炭素変成器との間に一酸化炭素変成器用中間冷却器を備える一方、前記一酸化炭素選択酸化器の入口側と出口側とのそれぞれに一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器と一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器とを備えたものである。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、セル密度の異なるメタルモノリス触媒を担持させた複数の担持体を収容させたものである。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、触媒活性成分の担持量の異なる複数のメタルモノリス触媒を収容させたものである。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器および一酸化炭素選択酸化器のうち、少なくとも一つ以上の反応器胴体内には、複数のメタルモノリス触媒を収容させるとともに、前記複数のメタルモノリス触媒間、およびその入口側および出口側のそれぞれに空間領域を形成したものである。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記一酸化炭素処理系は、第１段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第２段一酸化炭素変成器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にしたものである。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、一酸化炭素変成器用中間冷却器は、第１段一酸化炭素変成器出口の改質ガスを冷却して第２段一酸化炭素変成器へ供給するとともに、改質用水蒸気を確保するため、燃料改質系に設けた蒸気発生器で加熱された水を、さらに加熱するものである。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、前記一酸化炭素処理系は、第１段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第２段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にしたものである。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、一酸化炭素選択酸化器前置冷却器を、第２段一酸化炭素変成器の出口改質ガスを冷却して一酸化炭素選択酸化器へ供給するとともに、改質用水蒸気を確保するため、蒸気発生器および一酸化炭素変成器用中間冷却器で加熱された水を、さらに加熱するものである。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、前記一酸化炭素処理系は、第１段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第２段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器、一酸化炭素選択酸化器、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器を一つのブロック体として一体集合させ、一体集合させたブロック体に断熱材で被覆させる構成にするものである。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池発電装置は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、一酸化炭素選択酸化器後置冷却器は、一酸化炭素選択酸化器出口の改質ガスを冷却して発電系の燃料電池アノードに供給し、改質用水蒸気を確保するため燃料改質系の蒸気発生器への供給水を予熱するものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池発電装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る燃料電池発電装置の実施形態を示す概略系統図である。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、原燃料Ｆを水素リッチな燃料ガスに改質させる燃料改質系１と、この燃料改質系１で改質された燃料改質ガスに含まれている一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を低減化させる一酸化炭素処理系２と、この一酸化炭素処理系２からの燃料改質ガス中の水素と空気中の酸素を反応させ、その際、発生する電気を取り出す発電系３とで構成されている。
【００２９】
燃料改質系１は、脱硫器４、予熱器５、改質器６、蒸気発生器７、空気供給装置８を備え、起動運転時、脱硫器４で炭化水素系の原燃料Ｆの硫黄を脱硫後、その一部を起動用燃料供給系９を介して改質器６の起動用バーナ１０に供給し、ここで、空気供給装置８の起動用空気を混合させて燃焼ガスを生成し、改質器６内を加熱させる一方、脱硫後の残りの原燃料Ｆに水蒸気供給系１１からの水蒸気を加えて、予熱器５で加熱させた後、改質器６の改質触媒１２に供給し、ここで水蒸気改質させて水素リッチな燃料改質ガスを生成し、生成した燃料改質ガスは予熱器５に供給され、上述水蒸気を加えた燃料ガスと熱交換され、一酸化炭素処理系２に供給する構成になっている。
【００３０】
なお、改質器６内を加熱させた燃焼ガスは、排ガス系１３を介して蒸気発生器７に熱源として供給され、給水供給系１４からの水を水蒸気にした後、大気に排ガスとして放出される。
【００３１】
また、一酸化炭素処理系２は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８、一酸化炭素選択酸化器１９、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器２０を燃料改質ガスの流れに沿って順に直列設置し、予熱器５で原燃料Ｆと熱交換した改質器６の改質触媒１２からの水素リッチな燃料改質ガスのうち、燃料改質ガスに含まれる一酸化炭素を第１段一酸化炭素変成器１５の貴金属系または銅亜鉛系の触媒の下、一酸化炭素濃度を２％程度に低減させる。
【００３２】
第１段一酸化炭素変成器１５で一酸化炭素濃度を２％程度に低減された燃料改質ガスは、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６で蒸気発生器７からの水蒸気で冷却され、温度約２００℃程度にして第２段一酸化炭素変成器１７に供給され、ここで貴金属系等の触媒の下、一酸化炭素濃度１％以下に低減される。
【００３３】
第２段一酸化炭素変成器１７で一酸化炭素濃度を１％以下に低減された燃料改質ガスは、例えばブロアで大気から吸込んだ空気が空気供給系２１を介して加えられ、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８で上述一酸化炭素変成器用中間冷却器１６から供給される水蒸気により温度１２０℃程度に冷却された後、一酸化炭素選択酸化器１９で一酸化炭素濃度が数ｐｐｍ程度に低減される。
【００３４】
一酸化炭素選択酸化器１９で一酸化炭素濃度を数ｐｐｍ程度に低減された燃料改質ガスは、例えば一般の市水または発電系３からポンプ３２を介して一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器２０に供給される冷却水で冷却される。燃料改質ガスを冷却させた冷却水は、給水供給系１４を介して燃料改質系１の蒸気発生器７に供給される。
【００３５】
なお、第１段一酸化炭素変成器１５、第２段一酸化炭素変成器１７および一酸化炭素選択酸化器１９のそれぞれは、触媒の下、発熱反応により一酸化炭素濃度を低減させている。
【００３６】
また、発電系３は、燃料電池本体２３とアノードオフガス系２４とを備え、一酸化炭素処理系２からの一酸化炭素濃度を低減させた水素リッチなガスを燃料電池本体２３の燃料電池アノードへ供給し、燃料電池カソード（ともに図示せず）に流した空気中の酸素と化学反応させ、電気を発生させる一方、アノード極で未反応となった燃料改質ガス（アノードオフガス）を、アノードオフガス系２４を介して改質器６のメインバーナ２５に供給する。
【００３７】
そして、メインバーナ２５は、燃料電池本体３の発電が開始されると、燃料電池本体２３での未反応の燃料改質ガス（アノードオフガス）に、空気供給装置８からの空気が加えられ、燃焼ガスを生成する。なお、アノードオフガスによる燃焼が開始された後、起動用燃料供給系９を介して改質器６の起動用バーナ１０に供給されていた原燃料Ｆは停止される。
【００３８】
このように、本実施形態は、一酸化炭素処理系２を第１段一酸化炭素変成器１５、第２段一酸化炭素変成器１７および一酸化炭素選択酸化器１９に区分けし、各変成器１５、１７および選択酸化器１９に直列設置して構成するとともに、各変成器１５、１７および選択酸化器１９の中間および前後に一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器２０を設置し、各冷却器１６、１８、２０で燃料改質ガスを冷却させ、各変成器１５、１７および選択酸化器１９のそれぞれに収容する触媒が最も高い性能を発揮できるように反応器温度を維持させたので、燃料改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度をより一層低濃度化させることができる。
【００３９】
図２は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置２に適用する第１段一酸化炭素変成器１５、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器１９を構成する一体成型された反応器胴体とメタルモノリス触媒層の概念図である。
【００４０】
本実施形態に係る構造体は、ハニカム構造に形成され、ハニカム構造の壁面部に貴金属系触媒、例えば白金、ルテニウム等の触媒をコーティングした、いわゆるメタルモノリス触媒２６である。
【００４１】
このメタルモノリス触媒２６は、筒状の反応器胴体２７にハニカム構造の担持体を収容固定した後、ハニカム構造の壁面部に触媒活性成分が担持される。このとき、メタルモノリス触媒２６は軸方向の長さ（燃料改質ガスの流れ方向）は１７０ｍｍ以下、セル密度６００ｃｐｓｉ（セル数／平方インチ）以上においては、１００ｍｍ以下にしてある。
【００４２】
これは、ハニカム構造の担持体の壁面部に触媒活性成分をコーティングするとき、むらが出て均質に担持できなくなることを考慮したものである。
【００４３】
第１段一酸化炭素変成器１５、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器１９は、このように形成されたメタルモノリス触媒２６を、図３に示すように、円筒の両端を例えば溶接で接続し、長筒状の反応器胴体２７に収容固定された構造とする。具体的には、長筒状の反応器胴体２７は、予め別体で作製した複数のメタルハニカムに、第１反応器胴体２７ａおよび第２反応器胴体２７ｂを巻き付け、例えばロウ付けで一体固設した後、触媒活性成分を担持し、それぞれの胴体の端面を例えば溶接部Ｅの線に沿って溶接接続して一体の反応器胴体２７として形成する。なお、反応器胴体２７には、第１メタルモノリス触媒２６ａの入口側に、燃料改質ガス入口ノズル２９が、第２メタルモノリス触媒２６ｂの出口側に、燃料改質ガス出口ノズル３０がそれぞれ設けられている。
【００４４】
そして、第１反応器胴体２７ａに、例えばロウ付けで一体固設した第１メタルモノリス触媒２６ａと第２反応器胴体２７ｂに、例えばロウ付けで一体固設した第２メタルモノリス触媒２６ｂとの間に空間領域２８を形成するとともに、第１メタルモノリス触媒２６ａと第１反応器胴体２７ａの燃料改質ガス入口ノズル２９との間、および第２メタルモノリス触媒２６ｂと第２反応器胴体２７ｂの燃料改質ガス出口ノズル３０との間には、それぞれ空間領域３１ａ、３１ｂが形成される。
【００４５】
なお、空間領域３１ａ、３１ｂを反応器胴体２７に形成するのは、燃料改質ガスが各メタルモノリス触媒２６ａ、２６ｂを通過するとき、混合ができなくなるので、これらの領域３１ａ、３１ｂで燃料改質ガスを混合させて、流れに偏流をさせないようにするためである。
【００４６】
また、第１メタルモノリス触媒２６ａと第２メタルモノリス触媒２６ｂとの間に空間領域２８を形成したのは、第１反応器胴体２７ａと第２反応器胴体２７ｂとを溶接接続する際、溶接熱の第１メタルモノリス触媒２６ａ、第２メタルモノリス触媒２６ｂへの影響を与えないためでもある。
【００４７】
このように、本実施形態は、触媒を担持する担持体をハニカム構造にし、ハニカム構造の壁面部に触媒をコーティングする、いわゆる第１および第２メタルモノリス触媒２６ａ，２６ｂとし、触媒の表面積をより大きく確保させたので、燃料改質ガスを触媒で効率よく反応させることができ、従来の粒状またはペレット状の触媒に較べて触媒体積を少なくして熱容量を小さくすることができ、これに伴って反応器胴体２７から外部への放熱を少なくすることができるとともに起動に伴う昇温速度を速めることができ、起動時間をより一層短くすることができる。
【００４８】
図４は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置２に適用する第１段一酸化炭素変成器１５等の第２実施形態を示す概念図である。
【００４９】
第１段一酸化炭素変成器１５、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器１９を備える一酸化炭素処理装置２は、反応器胴体２７にメタルモノリス触媒２６を収容固定させる際、空間領域２８、３１ａ、３１ｂを形成して第１メタルモノリス触媒２６ａと第２メタルモノリス触媒２６ｂとの複数に区分けして挿着する。
【００５０】
この場合、第１メタルモノリス触媒２６ａと第２メタルモノリス触媒２６ｂとは、ハニカム構造の担持体のセル密度またはコーティングする触媒の担持量を互いに異ならしめている。
【００５１】
従来、一酸化炭素処理装置２は、燃料改質ガスを触媒に反応させる際、入口側で急激な触媒反応が起るため、触媒の温度が急上昇し、長年の使用の結果、性能劣化、損耗の要因になっていた。
【００５２】
本実施形態は、このような点を考慮したもので、第１メタルモノリス触媒２６ａと第２メタルモノリス触媒２６ｂの担持体としてのハニカムのセル密度またはハニカムにコーティングする触媒の担持量を変化させたもので、例えば第１メタルモノリス触媒２６ａの触媒反応を第２メタルモノリス触媒２６ｂに較べて緩やかにし、触媒入口側の急激な温度上昇を抑制したものである。
【００５３】
このように、本実施形態は、一酸化炭素処理装置２の反応器胴体２７に収容する第１メタルモノリス触媒２６ａと第２メタルモノリス触媒２６ｂの担持体としてのハニカムのセル密度またはハニカムにコーティングする触媒の担持量を異ならしめて触媒反応の際、温度上昇を抑制する構成にしたので、一酸化炭素処理装置２に寿命の長い安定した触媒反応を行わせることができる。なお、選択酸化反応の場合、一酸化炭素選択酸化器１９は、触媒を低温にしておくと、一酸化炭素反応率が高くなるので、比較的少ない酸化剤で一酸化炭素を酸化することができ、ひいては酸化剤投入量を少なくして燃料電池効率を向上させることができる点で有効である。
【００５４】
図５は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第１実施形態を示す概念図である。
【００５５】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置２は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８、一酸化炭素選択酸化器１９、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器２０のうち、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７を適用対象にしている。
【００５６】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置２は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７を一つのブロック体３２ａとして一体集合させ、一体集合させたブロック体３２ａに、例えば分割したセラミックス等の断熱材３３で被覆させたものである。なお、破線で示す符号ＦＧは、燃料改質ガスの流れを示している。
【００５７】
このように、本実施形態は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７を一つのブロック体３２ａとして一体集合させ、一体集合させたブロック体３２ａに断熱材３３で被覆させたので、一酸化炭素処理装置２の設置面積をより一層少なくさせることができ、各機器から発生する発熱反応に伴う外部への放熱をより一層少なくさせることができる。
【００５８】
図６は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第２実施形態を示す概念図である。
【００５９】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置２は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８、一酸化炭素選択酸化器１９、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器２０のうち、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８を適用対象にしている。
【００６０】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置２は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８を一つのブロック体３２ｂとして一体集合させ、一体集合させたブロック体３２ｂに、例えば分割したセラミックス等の断熱材３３で被覆させたものである。なお、破線で示す符号ＦＧは、燃料改質ガスの流れを示している。
【００６１】
このように、本実施形態は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８を一つのブロック体３２ｂとして一体集合させ、一体集合させたブロック体３２ｂに断熱材３３で被覆させたので、一酸化炭素処理装置２の設置面積をより一層少なくさせることができ、各機器から発生する発熱反応に伴う外部への放熱をより一層少なくさせることができる。
【００６２】
図７は、本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第３実施形態を示す概念図である。
【００６３】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置２は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８、一酸化炭素選択酸化器１９、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器２０で構成されたすべての機器を適用対象としている。
【００６４】
本実施形態に係る一酸化炭素処理装置２は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８、一酸化炭素選択酸化器１９、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器２０を一つのブロック体３２ｃとして一体集合させ、一体集合させたブロック体３２ｃに、例えば分割したセラミックス等の断熱材３３で被覆させたものである。なお、破線で示す符号ＦＧは、燃料改質ガスの流れを示している。
【００６５】
このように、本実施形態は、第１段一酸化炭素変成器１５、一酸化炭素変成器用中間冷却器１６、第２段一酸化炭素変成器１７、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器１８、一酸化炭素選択酸化器１９、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器２０を一つのブロック体３２ａとして一体集合させ、一体集合させたブロック体３２ｃに断熱材３３で被覆させたので、一酸化炭素処理装置２の設置面積をより一層少なくさせることができ、各機器から発生する発熱反応に伴う外部への放熱をより一層少なくさせることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃料電池発電装置は、一酸化炭素処理装置を、第１段一酸化炭素変成器、一酸化炭素変成器用中間冷却器、第２段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器、一酸化炭素選択酸化器、一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器で構成し、第１段一酸化炭素変成器、第２段一酸化炭素変成器、一酸化炭素選択酸化器のそれぞれに収容する少なくとも一つ以上のメタルモノリス触媒をハニカム構造の担持体として構成するとともに、各担持体のセル密度や触媒担持量を異ならしめたので、燃料改質ガスとの反応温度を低く抑えて反応温度の急激な上昇を抑制することができると同時に、燃料改質ガスとの反応面積をより広く確保することができるため触媒容積を小さくすることができる。
【００６７】
また、各機器を一体集合させ、一体集合させた一酸化炭素処理装置を断熱材で被覆させたので、設置面積をより一層少なくさせることができ、一酸化炭素処理装置の触媒の反熱反応に伴う熱の外部への放熱がより一層少なくなるので、燃料電池の発電効率を高めることができるとともに、起動時間も短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池発電装置の実施形態を示す概略系統図。
【図２】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置のうち、容器にメタルモノリス触媒を収容したことを示す概念図。
【図３】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置に含まれる反応器の第１実施形態を示す概念図。
【図４】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置に含まれる反応器の第２実施形態を示す概念図。
【図５】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第１実施形態を示す概念図。
【図６】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第２実施形態を示す概念図。
【図７】本発明に係る燃料電池発電装置の一酸化炭素処理装置の第３実施形態を示す概念図。
【符号の説明】
１  燃料改質系
２  一酸化炭素処理系
３  発電系
４  脱硫器
５  予熱器
６  改質器
７  蒸気発生器
８  空気供給装置
９  起動用燃料供給系
１０  起動用バーナ
１１  水蒸気供給系
１２  改質触媒
１３  排ガス系
１４  給水供給系
１５  第１段一酸化炭素変成器
１６  一酸化炭素変成器用中間冷却器
１７  第２段一酸化炭素変成器
１８  一酸化炭素選択酸化器用前置冷却器
１９  一酸化炭素選択酸化器
２０  一酸化炭素選択酸化器用後置冷却器
２１  空気供給系
２２  ポンプ
２３  燃料電池本体
２４  アノードオフガス系
２５  メインバーナ
２６  メタルモノリス触媒
２６ａ  第１メタルモノリス触媒
２６ｂ  第２メタルモノリス触媒
２７  反応器胴体
２７ａ  第１反応器胴体
２７ｂ  第２反応器胴体
２８  空間領域
２９  燃料改質ガス入口ノズル
３０  燃料改質ガス出口ノズル
３１ａ，３１ｂ  空間領域
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ  ブロック体
３３  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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【図６】
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【図７】
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