(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、
該蒸発部で蒸発された水蒸気に改質用燃料が混合され供給されて改質ガスを生成する改質用触媒を具備した改質部と、
前記改質部の重力方向における下方に配置され前記改質用燃料と前記水蒸気とを混合する混合部と、
前記改質用燃料の硫黄分を除去するための脱硫器を備えた改質用燃料供給管と、
前記改質用燃料供給管に一方端が接続されるとともに他方端が前記混合部に開口し前記改質用燃料供給管との接続部が前記混合部より重力方向における上方に配置された改質用燃料接続管と、
前記水蒸気とともに供給される水および／または前記水蒸気が液化した水を溜めるために前記混合部の重力方向における下方に設けられた水溜り部と、を備え、
前記改質部から前記改質ガスを導入し該改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部が前記水溜り部より重力方向における下方に配置され、前記一酸化炭素低減部の上部が前記水溜り部に当接されていることを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１において、前記改質用燃料接続管が前記混合部に開口している改質用燃料投入口が前記水溜り部より重力方向における上方に配置されていることを特徴とする改質装置。
【請求項３】
改質水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、
該蒸発部で蒸発された水蒸気に改質用燃料が混合されて供給され改質ガスを生成する改質用触媒を具備した改質部と、
前記改質部の重力方向における下方に配置され前記改質用燃料と前記水蒸気とを混合する混合部と、
前記改質用燃料の硫黄分を除去するための脱硫器を備え前記改質用燃料を前記混合部に供給する改質用燃料供給管と、
前記蒸発部で蒸発された水蒸気を前記混合部に供給する水蒸気供給管と、
該水蒸気供給管が前記混合部に開口する導入口より重力方向における上方に配置される前記改質用燃料供給管が前記混合部に開口する改質用燃料投入口と、
前記水蒸気とともに供給される水および／または前記水蒸気が液化した水を溜めるために前記混合部の重力方向における下方に設けられた水溜り部と、を備え、
前記改質部から前記改質ガスを導入し該改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部が前記水溜り部より重力方向における下方に配置され、前記一酸化炭素低減部の上部が前記水溜り部に当接されていることを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項３において、前記改質用燃料供給管が前記混合部に開口している改質用燃料投入口が前記水溜り部より重力方向における上方に配置されていることを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記改質部から前記一酸化炭素低減部に導入される前記改質ガスを冷却すると共に、前記混合部で混合され前記改質部に供給される前記改質用燃料と前記水蒸気の混合ガスを加熱する冷却部が、前記改質部と前記一酸化炭素低減部との間に設けられ、前記混合部が前記冷却部と前記一酸化炭素低減部との間に設けられてい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、改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来において改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器等が一体化して構成される燃料電池用改質装置の改質用燃料投入の一形式として、特許文献１の図１に示されているものが知られている。改質用燃料と水蒸気は一体化された燃料電池用改質装置の重力方向における上方で混合され、重力方向における下方に向かって投入されるよう構成され、この形式では構造が簡単で小型化が可能な構成となっている。
【特許文献１】特開２００４−１７１８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記システムのように、改質触媒重力方向における上方から水蒸気・改質用燃料を投入する改質器構造では、運転を停止した後、水蒸気・改質用燃料経路内で生成されたドレン水が重力方向における下方に流れ落ちて、改質触媒に流入してしまい改質触媒性能を著しく劣化させてしまう可能性がある。この課題を解決すべく、改質触媒重力方向における下方から水蒸気を投入する改質器構造とすると、改質用水が改質用燃料ラインへ流入し、改質用燃料ラインに設けられている脱硫器の性能に損傷を与え、劣化させてしまう可能性がある。
【０００４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、改質触媒に水が流入する恐れを低減し、また改質用燃料ラインへも水が流入して脱硫器の性能を低下させる恐れを低減し、信頼性の高い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】
【０００５】
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、改質水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、該蒸発部で蒸発された水蒸気に改質用燃料が混合され供給されて改質ガスを生成する改質用触媒を具備した改質部と、前記改質部の重力方向における下方に配置され前記改質用燃料と前記水蒸気とを混合する混合部と、前記改質用燃料の硫黄分を除去するための脱硫器を備えた改質用燃料供給管と、前記改質用燃料供給管に一方端が接続されるとともに他方端が前記混合部に開口し前記改質用燃料供給管との接続部が前記混合部より重力方向における上方に配置された改質用燃料接続管と、前記水蒸気とともに供給される水および／または前記水蒸気が液化した水を溜めるために前記混合部の重力方向における下方に設けられた水溜り部と、を備え、前記改質部から前記改質ガスを導入し該改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部が前記水溜り部より重力方向における下方に配置され、前記一酸化炭素低減部の上部が前記水溜り部に当接されていることである。
【０００７】
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、前記改質用燃料接続管が前記混合部に開口している改質用燃料投入口が前記水溜り部より重力方向における上方に配置されていることである。
【０００９】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、改質水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部と、該蒸発部で蒸発された水蒸気に改質用燃料が混合されて供給され改質ガスを生成する改質用触媒を具備した改質部と、前記改質部の重力方向における下方に配置され前記改質用燃料と前記水蒸気とを混合する混合部と、前記改質用燃料の硫黄分を除去するための脱硫器を備え前記改質用燃料を前記混合部に供給する改質用燃料供給管と、前記蒸発部で蒸発された水蒸気を前記混合部に供給する水蒸気供給管と、前記水蒸気供給管が前記混合部に開口する導入口より重力方向における上方に配置される前記改質用燃料供給管が前記混合部に開口する改質用燃料投入口と、前記水蒸気とともに供給される水および／または前記水蒸気が液化した水を溜めるために前記混合部の重力方向における下方に設けられた水溜り部と、を備え、前記改質部から前記改質ガスを導入し該改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部が前記水溜り部より重力方向における下方に配置され、前記一酸化炭素低減部の上部が前記水溜り部に当接されていることである。
【００１１】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、前記改質用燃料供給管が前記混合部に開口している改質用燃料投入口が前記水溜り部より重力方向における上方に配置されていることである。
【００１３】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４のいずれか1項において、前記改質部から前記一酸化炭素低減部に導入される前記改質ガスを冷却すると共に、前記混合部で混合され前記改質部に供給される前記改質用燃料と前記水蒸気の混合ガスを加熱する冷却部が、前記改質部と前記一酸化炭素低減部との間に設けられ、前記混合部が前記冷却部と前記一酸化炭素低減部との間に設けられていることである。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、改質部の重力方向における下方に改質用燃料と水蒸気とを混合する混合部が配置される。また混合部に他方端が開口される改質用燃料接続管の一方端が、上流に改質用燃料の硫黄分を除去するための脱硫器が備えられた改質用燃料供給管と接続され、接続部が混合部より重力方向における上方に配置されている。これにより、改質用水が万一、混合部に開口される改質用燃料接続管の他方端から浸入しても、接続部を超えて、改質用燃料供給管へ逆流し、改質用燃料供給管の上流の脱硫器に流入する恐れが低減できる。よって水によって脱硫材に損傷が与えられる恐れが低減でき、信頼性の向上が図れる。そして水による劣化の懸念が低減されるため、改質用燃料の脱硫器の配置の自由度が増す。よって脱硫器をメンテナンス性のよい場所に自由に配置でき、商品性を向上させることができる。また改質用触媒を具備した改質部の重力方向における下方に配置される混合部に水蒸気の導入口および改質用燃料接続管の他方端の改質用燃料投入口がそれぞれ開口されるため、運転停止後に改質用燃料接続管または水蒸気供給管で生成されたドレン水が流れ落ちて、改質触媒に流入する恐れは低く、よって改質触媒は劣化する恐れが低減でき信頼性が向上される。
また、水蒸気とともに供給される水および／または前記水蒸気が液化した水を溜める水溜り部が混合部の重力方向における下方に設けられている。これにより水蒸気とともに供給される水および／または水蒸気が液化した水は重力により下方に流れ落ち、混合部に溜められるので、水溜り部の重力方向における上方に配置される混合部に開口された改質用燃料接続管の他方端から、水溜り部の水が流入し、上流の改質用燃料供給配管を逆流し脱硫器に流入する恐れが低減できる。よって脱硫材に損傷が与えられる恐れが低減でき、信頼性が向上される。
さらに、改質部から改質ガスを導入し該改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部が水溜り部より重力方向における下方に配置され、一酸化炭素低減部の上部が水溜り部に当接されている。これにより一酸化炭素低減部の熱によって上部に当接された水溜り部の水が蒸発されて水蒸気を発生しやすくなり、熱交換効率の向上が図れる。また水溜り部に溜まった水によって、一酸化炭素低減部の温度を低下させやすく、一酸化炭素低減部の入り口温度をシフト反応が効率的に生ずる温度に近づけることができ、シフト反応効率を向上できる。
【００１６】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、改質用燃料接続管の他方端が混合部に開口している改質用燃料投入口が、水溜り部より重力方向における上方に配置されている。これにより、水溜り部に溜まった水が改質用燃料投入口を経て上流の改質用燃料供給配管を逆流し脱硫器に流入する恐れが低減できる。よって脱硫材に損傷が与えられる恐れが低減でき、信頼性が向上される。
【００１８】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、改質部の重力方向における下方に配置され改質用燃料と水蒸気とを混合する混合部と、改質用燃料の硫黄分を除去するための脱硫器を備え改質用燃料を混合部に供給する改質用燃料供給管と、蒸発部で蒸発された水蒸気を混合部に供給する水蒸気供給管と、を備え、改質用燃料供給管が混合部に開口する改質用燃料投入口が、水蒸気供給管が混合部に開口する導入口より重力方向における上方に配置されている。これにより、改質水が改質用燃料投入口を経て、改質用燃料供給管を逆流し、改質用燃料供給管の上流に配置される脱硫器に流入する恐れが低減される。よって水によって脱硫材が損傷を与えられる恐れが低減でき、信頼性が向上される。そして水による劣化の懸念が低減された脱硫器の配置の自由度が増すため、脱硫器をメンテナンス性のよい場所に自由に配置でき、よって商品性を向上させることができる。また改質用触媒を具備した改質部の重力方向における下方に配置される混合部に、水蒸気供給管に案内される水蒸気の導入口が開口され、水蒸気供給管の導入口の重力方向における上方に改質用燃料供給管が混合部に開口する改質用燃料投入口が配置されるため、運転停止後に改質用燃料供給管または水蒸気供給管で生成されたドレン水が流れ落ち、改質触媒に流入する恐れは低く、よって改質触媒の劣化の恐れは低減され信頼性が向上される。
また、混合部の重力方向における下方に水蒸気とともに供給される水および／または前記水蒸気が液化した水を溜める水溜り部が設けられている。これにより水蒸気とともに供給される水および／または前記水蒸気が液化した水は重力により下方に流れ落ち、混合部に溜められる。よって水溜り部の重力方向における上方に配置される混合部に開口された水蒸気供給管の導入口より、さらに重力方向における上方に配置される改質用燃料供給管が混合部に開口する改質用燃料投入口に水溜り部の水が流入し、上流の脱硫器に流入する恐れが低減できる。よって脱硫材に損傷が与えられる恐れが低減でき、信頼性が向上される。
さらに、改質部から改質ガスを導入し該改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部が水溜り部より重力方向における下方に配置され、一酸化炭素低減部の上部が水溜り部に当接されている。これにより一酸化炭素低減部の熱によって上部に当接された水溜り部の水が蒸発されて水蒸気を発生しやすくなり、熱交換効率の向上が図れる。また水溜り部に溜まった水によって、一酸化炭素低減部の温度を低下させやすく、一酸化炭素低減部の入り口温度をシフト反応が効率的に生ずる温度に近づけることができ、シフト反応効率を向上できる。
【００２１】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、改質用燃料供給管が混合部に開口している改質用燃料投入口が水溜り部より重力方向における上方に配置されている。これにより、水溜り部に溜まった水が改質用燃料投入口を経て上流の改質用燃料供給配管を逆流し脱硫器に流入する恐れが低減できる。よって脱硫材に損傷が与えられる恐れが低減でき、信頼性が向上される。
【００２３】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、改質部から一酸化炭素低減部に導入される改質ガスを冷却すると共に、混合部で混合され改質部に供給される改質用燃料と水蒸気の混合ガスを加熱する冷却部が、改質部と一酸化炭素低減部との間に設けられ、混合部が冷却部と一酸化炭素低減部との間に設けられている。これにより、反応温度が比較的高温（たとえば４００℃〜９００℃）である改質部に供給する、改質用燃料と水蒸気との混合ガスの温度を、比較的高温の改質ガスで加熱し、反応温度が比較的低温（たとえば１５０℃〜２５０℃、望ましくは１７０℃〜２２０℃）の一酸化炭素低減部に供給する改質ガスの温度を、比較的低温の改質用燃料と水蒸気との混合ガスで冷却するシステムが、簡単な構成で形成でき、コスト低減が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る改質装置の第１の実施の形態について説明する。図１はこの改質装置を備えた燃料電池システムの概要を示す図である。この燃料電池システムは燃料電池１０と、この燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質装置２０を備えている。
【００２５】
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。
【００２６】
改質装置２０は、改質用燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、改質部２１、冷却部２２、一酸化炭素低減部２３（以下、ＣＯシフト部という）および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４、燃焼部２５、および蒸発部２６から構成されている。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
【００２７】
改質部２１は、改質水が蒸発部２６にて加熱され生成された水蒸気に、改質用燃料が投入され混合された混合ガスが導入されて、改質ガスが生成され導出されるものである。この改質部２１は有底円筒状に形成されており、環状筒部内に軸線に沿って延在する環状の折り返し流路２１ａを備えている。
【００２８】
改質部２１の折り返し流路２１ａ内には、触媒２１ｂ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、改質用燃料と水蒸気供給管５１から導入された水蒸気との混合ガスが冷却部２２で加熱されて導入され、触媒２１ｂ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）は冷却部（熱交換部）２２に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００２９】
冷却部２２は、改質部２１とＣＯシフト部２３の間に配置され、改質部２１で生成され導出された改質ガスと、改質用燃料と改質水（水蒸気）との混合ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器（熱交換部）であって、高温である改質ガスを低温である混合ガスによって冷却してＣＯシフト部２３に導出するとともに混合ガスを改質ガスによって加熱して改質部２１に導出するようになっている。
【００３０】
冷却部２２と、ＣＯシフト部２３との間に混合部９２が配置されている。混合部９２には、蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続され、開口されて蒸発部２６から水蒸気および水が供給される。また混合部９２には一方端が燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４１と接続された改質用燃料接続管９３の他方端が接続され、改質用燃料投入口８８が開口され、改質用燃料投入口８８から改質用燃料が供給されて改質用燃料と水蒸気が混合される。混合部９２の重力方向における下部には蒸発部２６から水蒸気供給管５１を通って水蒸気とともに供給される水を溜めるための水溜り部９１が設けられている。水溜り部９１の高さは、溜る水の最大量を実証データより求め、得られたデータの最大量を貯水できる体積から高さが求められ設定される。水溜り部９１は、改質用触媒を具備した改質部２１の重力方向における下方に配置される混合部９２の底部から重力方向における下方に突設されている。図２に示すように、混合部９２および水溜り部９１は改質部２１で生成された改質ガスが、ＣＯシフト部２３へ導出されるための重力方向における上下に貫通する空間９８を中央部に備えている。貫通する空間９８の周縁部周囲に環状に形成される環状空間の重力方向における上方部分が混合部９２を構成し、下方部分が水溜り部９１を構成してＣＯシフト部２３と当接している。
【００３１】
水蒸気供給管５１と混合部９２との接続位置は水蒸気供給管５１が混合部９２に開口する開口部の重力方向における下端が水溜り部９１の上端（２点鎖線）９７より重力方向における上方になるよう接続される。改質用燃料接続管９３と混合部９２との接続位置は、水蒸気供給管５１とほぼ同じ高さに接続され、改質用燃料接続管９３が混合部９２に開口する改質用燃料投入口８８の重力方向における下端が水溜り部９１の上端（２点鎖線）９７より重力方向における上方になるよう接続される（図２）。そして混合部９２で混合された水蒸気と改質用燃料の混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給される。
【００３２】
改質用燃料接続管９３は混合部９２との接続部から冷却部２２の中心軸から離れる方向に水平に所定距離延在されたのち直角に重力方向における上方に屈曲されて所定の距離延在され重力方向における上方に接続部９４を開口して、開口部に改質用燃料供給管４１が接続されている。このとき接続部９４は混合部９２より重力方向における上方に配置される。ここで改質用燃料接続管９３はもう一度水平方向に屈曲され、水平方向に接続部９４を開口させて改質用燃料供給管４１と接続させてもよい。改質用燃料接続管９３と改質用燃料供給管４１は接続部９４で図示しない所定の手段によって改質用燃料漏れのないように接続される。改質用燃料供給管４１の上流には、燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去する脱硫器４６が設けられている。
【００３３】
ＣＯシフト部２３は、改質部２１から冷却部２２で冷却されて混合部９２および水溜り部９１の中央部空間９８を通って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る。ＣＯシフト部２３は、内部に重力方向における上下方向に沿って延在する折り返し流路２３ａを備えている。折り返し流路２３ａ内には触媒２３ｂ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。ＣＯシフト部２３においては、冷却部２２から導入された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が、触媒２３ｂ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。
【００３４】
ＣＯ選択酸化部２４は、ＣＯシフト部２３から接続管８９を通って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。ＣＯ選択酸化部２４は、円筒状に形成されて、蒸発部２６の外周壁を覆って当接して設けられている。ＣＯ選択酸化部２４の内部には、触媒２４ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。またＣＯ選択酸化部２４に供給される改質ガスには酸化用空気が混合されるようになっており、酸化用空気がＣＯシフト部２３からの改質ガスに混合されてＣＯ選択酸化部２４に供給される。
【００３５】
したがって、ＣＯ選択酸化部２４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応（酸化）して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒２４ａ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１１に供給される。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管７２を介して燃焼部２５が接続されている。バイパス管７３は燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、カソード用空気供給管が接続され、空気極１２の導出口には、排気管が接続されている。
【００３６】
燃焼部２５は、改質部２１を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものであり、改質部２１の内周壁内に下端部が空間をおいて挿入されている。この燃焼ガスは、燃焼ガス流路２７を流通し、排気管を通って燃焼排ガスとして排気される。これにより、燃焼ガスは改質部２１および蒸発部２６をこの順番で加熱する。燃焼ガス流路２７は、改質部２１の内周壁に沿って形成され、折り返されて改質部２１の外周壁と断熱部２８の内周壁との間に形成されて、折り返され断熱部２８の外周壁と蒸発部２６の内周壁との間に形成された流路である。
【００３７】
この燃焼部２５には、燃焼用燃料が供給されるようになっている。また燃焼部２５には燃料電池１０の起動運転時に改質装置２０から改質ガスが供給され、燃料電池１０の定常運転時に燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料極１１にて未使用な水素や改質部で未改質な改質用燃料などを含んだ改質ガス）が供給されるようになっている。さらに燃焼部２５には、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼用酸化ガスである燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼部２５が着火されると、燃焼部２５に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。
【００３８】
また、発電運転中に、改質ガスやアノードオフガスによる燃焼熱量では改質部を所定温度に加熱するのに足りない場合には、その不足分の燃焼熱量に相当する量の燃焼用燃料を追加供給して補うようにしている。このように、燃焼部２５においてアノードオフガスだけでなく不足熱量を燃焼用燃料で補うシステムを追い焚きシステムという。なお、燃料電池システムには、この追い焚きシステム以外に、発電運転中に、アノードオフガスのみ燃焼部２５に供給し、追い焚きシステムのように燃焼用燃料などの可燃ガスを追加供給しない、追い焚きレスシステムがある。本発明は追い焚きシステムだけでなく追い焚きレスシステムにも適用可能である。
【００３９】
蒸発部２６は、円筒状に形成されて燃焼ガス流路２７の外周壁を形成しており、上部には水蒸気供給管５１が接続されている。改質水タンクから導入された改質水は、蒸発部２６内を流通する途中にて燃焼ガスからの熱およびＣＯ選択酸化部２４からの熱によって加熱されて、水蒸気となって水蒸気供給管５１および冷却部２２を介して改質部２１へ導出されるようになっている。
【００４０】
次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。起動運転が開始されると、制御装置の指令によって、燃焼部２５に、燃焼用空気および燃焼用燃料が供給され燃焼される。そして、蒸発部２６に所定量の水が供給された後、一旦、水の供給が停止される。その後、蒸発部２６の温度が所定値（例えば、１００℃）以上になったら水蒸気が発生したと判断し、蒸発部２６に再度、所定流量の水が供給開始される。蒸発部２６に導入された改質水は蒸発部２６の上部に接続されている水蒸気供給管５１の接続部よりも重力方向における下方に水面上端が位置するように供給され、蒸発部２６の改質水界面で蒸発され水蒸気が発生する。蒸発部２６で蒸発された水蒸気が、沸騰により飛散された水とともに水蒸気供給管５１に案内され、冷却部２２の重力方向における下方の混合部９２に導入され、水溜り部９１には水が溜められる。ここで水溜り部９１は蒸発部としての機能を持つこととなり、水溜り部９１に溜まった水の界面からも改質水が蒸発して冷却部に導出されていく。このとき、水蒸気供給管５１および改質用燃料接続管９３が混合部９２に開口する各開口部の重力方向における下端は、水溜り部９１の上端９７より重力方向における上方に配置されているため、改質水が水蒸気供給管５１に逆流する恐れは低く、また改質用燃料接続管９３に流入する恐れも低い。また万一、改質用燃料接続管９３に改質水が流入しても改質用燃料接続管９３は冷却部２２の中心軸から離れる方向に所定距離水平に延在された後、重力方向における上方に直角に屈曲されて、所定距離延在されたのち混合部９２より重力方向における上方になるよう接続部９４が開口され改質用燃料供給管４１と接続されているため、改質用燃料供給管４１に改質水が流入し改質用燃料供給管４１の上流に設けられている脱硫器４６に改質水が入る恐れは低い。
【００４１】
その後、改質部２１が所定の温度に上昇すると、改質用燃料が改質用燃料供給管４１と改質用燃料接続管９３を通って混合部９２に供給され、水蒸気と混合される。改質用燃料と水蒸気との混合ガスが冷却部２２で加熱され、改質部２１に導出され、上述した水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成される。そして、改質部２１から導出された高温の改質ガスは冷却部２２を介してＣＯシフト部２３に供給され、改質ガス中の一酸化炭素濃度が低減される。さらに改質ガスは、ＣＯシフト部２３を通過後、ＣＯ選択酸化部２４にて、改質用燃料が供給開始されたのと同時にＣＯ選択酸化部２４に供給が開始される酸化用空気によって、一酸化炭素を低減されて導出される。
【００４２】
燃料電池システムの起動から発電開始までは、改質装置２０からの一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、改質ガスは燃料電池１０を通らずにバイパス管７３を通って、燃焼部２５に供給される。発電開始後の運転時には、バイパス管７３が閉じられ、改質ガス供給管７１と燃料電池１０とオフガス供給管７２と燃焼部２５が連通される。このとき燃料電池１０には改質装置２０から改質ガスが供給され、アノードオフガスがオフガス供給管７２を通って燃焼部２５に供給される。また燃料電池１０の空気極１２にはカソード用空気供給管から空気が供給される。
【００４３】
上述の説明から明らかなように、第1の実施形態においては、改質用燃料接続管９３は混合部９２との接続部から冷却部２２の中心軸から離れる方向に水平に所定距離延在されたのち直角に重力方向における上方に屈曲されて所定の距離延在されたのち混合部９２より重力方向における上方になるよう一方端である接続部９４が開口され改質用燃料供給管４１と接続されている。よって改質用燃料供給管４１に改質水が流入し改質用燃料供給管４１の上流に設けられている脱硫器４６に改質水が入り、脱硫材に損傷を与える恐れは低く、信頼性の向上を図ることができる。
【００４４】
また、上述のように改質水は改質用燃料供給管４１の上流に設けられている脱硫器４６に流入して損傷を与える恐れが低いため、脱硫器４６の配置の自由度が増す。よって脱硫器４６は、メンテナンス性のよい場所に配置することができ、商品性の向上を図ることができる。
【００４５】
さらに、第1の実施形態においては、改質用触媒を具備した改質部２１は改質用燃料と水蒸気の混合部９２より重力方向における上方に配置されているため、運転停止後に水蒸気供給管５１、改質用燃料接続管９３で生成されたドレン水が改質部２１および改質触媒に流入する恐れが低減され、改質触媒を劣化させる恐れは低く、信頼性の向上を図ることができる。
【００４６】
そして第1の実施形態においては、改質部２１から改質ガスを導入し同改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減部２３が水溜り部９１より重力方向における下方に配置され、一酸化炭素低減部２３の上部が水溜り部に当接されている。これにより一酸化炭素低減部２３の熱によって上部に当接された水溜り部９１の水が蒸発されて水蒸気を発生しやすくなり、熱交換効率の向上が図れる。また水溜り部９１に溜まった水によって、一酸化炭素低減部２３の温度を低下させやすく、一酸化炭素低減部２３の入り口温度をシフト反応が効率的に生ずる温度に近づけることができ、シフト反応効率を向上できる。
【００４７】
また、改質部２１から一酸化炭素低減部２３に導入される改質ガスを冷却すると共に、混合部９２で混合され改質部２１に供給される改質用燃料と水蒸気の混合ガスを加熱する冷却部２２が、改質部２１と一酸化炭素低減部２３との間に設けられ、混合部９２が冷却部２２と一酸化炭素低減部２３との間に設けられている。これにより、反応温度が比較的高温（たとえば４００℃〜９００℃）である改質部２１に供給する、改質用燃料と水蒸気との混合ガスの温度を、比較的高温の改質ガスで加熱し、反応温度が比較的低温（たとえば１５０℃〜２５０℃、望ましくは１７０℃〜２２０℃）の一酸化炭素低減部２３に供給する改質ガスの温度を、比較的低温の改質用燃料と水蒸気との混合ガスで冷却するシステムが、簡単な構成で形成でき、コスト低減が図れる。
【００４８】
次に本発明に係る改質装置の第２の実施の形態について説明する。上記第１の実施の形態とは一部のみ異なるため、異なる部分のみ説明し同様の部分には同一の符号を付し、重複する詳細な説明は省略する。
【００４９】
図３、図４に示すように、本発明に係る第２の実施形態においては、冷却部２２と、ＣＯシフト部２３との間に混合部９６が形成され、混合部９６には重力方向における下方側に第1混合室９６ａ、そして第1混合室９６ａの上端（２点鎖線）３６の上方に第２混合室９６ｂとが構成されている。第1混合室９６ａには、蒸発部２６に接続された水蒸気供給管５１が接続され、開口されて蒸発部２６から水蒸気および水が供給される。第２混合室９６ｂには燃料供給源（例えば都市ガス管）に接続された改質用燃料供給管４２が改質用燃料接続管９３を介さずに直接接続され改質用燃料投入口９５が開口される。そして改質用燃料投入口９５から改質用燃料が供給され混合部９６において改質用燃料と水蒸気が混合される。混合部９６の重力方向における下部には蒸発部２６から水蒸気供給管５１を通って水蒸気とともに供給される水を溜めるための水溜り部９１が設けられている。水溜り部９１の高さは、第1の実施形態と同様に溜る水の最大量を実証データより求め、得られたデータの最大量を貯水できる体積から高さが求められ設定される。水溜り部９１は、改質用触媒を具備した改質部２１の重力方向における下方に配置される混合部９６の混合室９６ａの底部から重力方向における下方に突設されている。図４に示すように、混合部９６および水溜り部９１は改質部２１で生成された改質ガスが、ＣＯシフト部２３へ導出されるための上下に貫通する空間９９を中央部に備えている。貫通する空間９９の周縁部周囲に環状に形成される環状空間の重力方向における上方部分が混合部９６の混合室９６ａおよび混合室９６ｂを構成し、重力方向における下方部分が水溜り部９１を構成してＣＯシフト部２３と当接している。
【００５０】
水蒸気供給管５１と混合部９６の混合室９６ａとの接続位置は水蒸気供給管５１が混合室９６ａに開口する開口部の重力方向における下端が水溜り部９１の上端（２点鎖線）９７より重力方向における上方になるよう接続される。改質用燃料供給管４２が混合部９６の混合室９６ｂに開口する改質用燃料投入口９５は、水蒸気供給管５１が混合室９６ａに開口する開口部より重力方向において上方になるように接続される（図４）。そして混合部９６（混合室９６ａおよび混合室９６ｂ）で混合された水蒸気と改質用燃料の混合ガスが冷却部２２を通って改質部２１に供給される。
【００５１】
上述の説明から明らかなように、第２の実施形態においては、改質用燃料供給管４２が混合部９６ｂに開口する改質用燃料投入口９５が、水蒸気供給管５１が混合部９６ａに開口する導入口より重力方向における上方に配置されているので改質水は改質用燃料投入口９５を経て改質用燃料供給管４２に流入する恐れは低い。よって改質用燃料投入口９５の上流部分すなわち改質用燃料供給管４２はどのように配管されても、改質用燃料供給管４２に改質水が逆流する恐れは低く、改質用燃料供給管４２の上流に設けられている脱硫器４７に改質水が流入して脱硫材に損傷を与え、脱硫器を劣化させる恐れは低減され、信頼性の向上を図ることができる。
【００５２】
上述のように改質水は改質用燃料供給管４２に設けられている脱硫器４７に流入して損傷を与える恐れは低い。よって水による劣化の懸念が低いため、脱硫器４７の配置の自由度が増し脱硫器４７は、メンテナンス性のよい場所に配置することができ、商品性の向上を図ることができる。
【００５３】
また、第２の実施形態においては、改質用触媒を具備した改質部２１の重力方向における下方に水蒸気の導入口および改質用燃料投入口９５が配置されているので、運転停止後に水蒸気供給管５１および改質用燃料供給管４２で生成されたドレン水が改質部２１および改質触媒に流入し、改質触媒を劣化させる恐れは低く、信頼性の向上を図ることができる。その他についても第１の実施形態と同様の効果が期待できる。
【００５４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第1の実施形態概要を示す概要図。
【図２】第1の実施形態に係る図１Ａ部の拡大断面図。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態概要を示す概要図。
【図４】第２の実施形態に係る図３Ｂ部の拡大断面図。
【符号の説明】
【００５６】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質装置、２１…改質部、２２…冷却部（熱交換部）、２３…一酸化炭素低減部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…燃焼部、２６…蒸発部、４１…改質用燃料供給管、４２…改質用燃料供給管、４６…脱硫器、４７…脱硫器、５１…水蒸気供給管、８８…改質用燃料投入口、９１…水溜り部、９２…混合部、９３…改質用燃料接続管、９４…接続部、９５…改質用燃料投入口、９６…混合部、９６ａ…第１混合室、９６ｂ…第２混合室、９８…空間、９９…空間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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