(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから部分酸化を含む反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質反応部（６）と、
上記改質反応部（６）にて発生した反応熱を回収する第１熱回収部（１１）と、
上記改質反応部（６）で生成された改質ガスを冷却してその排熱を回収する第２熱回収部（１２）と、
上記改質反応部（６）で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を水性ガスシフト反応により低減させるシフト反応部（７）と、
上記シフト反応部（７）で発生した反応熱を回収する第３熱回収部（１３）と、
上記シフト反応部（７）で生成された改質ガスを冷却してその排熱を回収する第４熱回収部（１４）と、
上記シフト反応部（７）で変成された改質ガス中のＣＯ濃度をＣＯ選択酸化反応によってさらに低減するＣＯ選択酸化反応部（８）と、
上記ＣＯ選択酸化反応部（８）にて発生した反応熱を回収する第５熱回収部（１５）と、
上記ＣＯ選択酸化反応部（８）で生成された改質ガスを冷却してその排熱を回収する第６熱回収部（１６）とを備え、
上記改質ガスが改質反応部（６）から第２熱回収部（１２）、シフト反応部（７）、第４熱回収部（１４）及びＣＯ選択酸化反応部（８）を経て第６熱回収部（１６）へそれぞれ直接流入するように上記改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）、並びに第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）は、配管を介在せずに直接に接続された状態でかつ上記各熱回収部（１１）〜（１６）の熱回収側が内部の外周側に位置した状態で１つの円筒状の容器（３０）内に一体的に設けられ、
上記第１熱回収部（１１）での熱回収は、原料ガスと改質反応部（６）との熱交換によって行われて、該第１熱回収部（１１）で回収した熱で原料ガスを加熱するように構成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の改質装置において、
シフト反応部（７）には、ＣＯ変成に活性を呈する触媒としてＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕの少なくともいずれか１つからなる貴金属系触媒が用いられていることを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項１の改質装置において、
シフト反応部（７）には、ＣＯ変成に活性を呈する触媒としてＰｔ／ＺｒＯ２が用いられていることを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項１の改質装置において、
改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）の少なくとも１つが各反応に活性を呈する触媒を含むハニカム体（４４）で構成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の改質装置において、
改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）がいずれもＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕの少なくともいずれか１つからなる貴金属系触媒を含むハニカム体（４４）で構成されていることを特徴とする改質装置。
【請求項６】
請求項１の改質装置において、
原料ガスの圧力が常圧とされていることを特徴とする改質装置。
【請求項７】
請求項１の改質装置において、
第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）での熱回収は、原料ガス又は熱回収流体と、各熱回収部（１２），（１４），（１６）を通過する改質ガスとの熱交換によって行われるように構成されていることを特徴とする改質装置。
【請求項８】
請求項７の改質装置において、
第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）は、反応部（６）〜（８）間の改質ガス流路（４５）に設けられた伝熱フィン（４６），（４６），…と、
上記改質ガス流路（４５）に対し隣り合った流体流路（４２）とを備えていることを特徴とする改質装置。
【請求項９】
請求項８の改質装置において、
流体は気体であり、
流体流路（４２）側に伝熱フィン（５２），（５２），…が設けられていることを特徴とする改質装置。
【請求項１０】
請求項１の改質装置において、
第３及び第５熱回収部（１３），（１５）での熱回収は、熱回収流体と、改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）との熱交換によって行われるように構成されていることを特徴とする改質装置。
【請求項１１】
請求項１０の改質装置において、
第１、第３及び第５熱回収部（１１），（１３），（１５）は、反応部（６）〜（８）外周からの輻射及び対流による熱を原料ガス側又は流体側が受け取るように構成されていることを特徴とする改質装置。
【請求項１２】
請求項１０の改質装置において、
改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）は複数の区画部（４４ａ），（４４ａ），…に分けられており、
第１、第３及び第５熱回収部（１１），（１３），（１５）は、上記区画部（４４ａ），（４４ａ），…間に配置された伝熱フィン（５０），（５０），…を備えていることを特徴とする改質装置。
【請求項１３】
請求項７又は１０の改質装置において、
熱回収流体は水であり、
上記水の漏れを検知する漏洩検知部（５１）を備えていることを特徴とする改質装置。
【請求項１４】
請求項１の改質装置において、
ＣＯ選択酸化反応部（８）の直上流側で改質ガスに対しＣＯ選択酸化反応に必要な酸素を混合するための空気導入部（４８）が設けられていることを特徴とする改質装置。
【請求項１５】
請求項１の改質装置において、
補助燃焼部又は電気ヒータからなる起動用の加熱源（５５）を備えていることを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系の原料ガスを改質して燃料電池等に供給するための水素を生成する改質装置に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、炭化水素やメタノールを改質して水素を生成することができ、このように改質によって水素を生成する燃料改質装置は、燃料電池や水素エンジン等に使用することができる。
【０００３】
このような改質装置として、従来、例えば特開平１１―６７２５６号公報に示されるように、燃料電池システムに組み込まれたものが知られている。この燃料改質装置は、部分酸化反応に対して活性を呈する触媒が充填された燃料改質器を備えており、この燃料改質器に原料ガスを導入して、その部分酸化反応によって水素を発生させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記原料ガスを改質して水素を生成するには、通常、上記改質反応部の他、改質反応部で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を水性ガスシフト反応により低減させるシフト反応部や、このシフト反応部で変成された改質ガス中のＣＯ濃度をＣＯ選択酸化反応によってさらに低減するＣＯ選択酸化反応部が備えられ、さらには、上記各反応部で発生した反応熱、或いは反応部で生成された改質ガスの排熱を回収する熱回収部が設けられる。
【０００５】
しかし、このような複数の反応部及び熱回収部を順に配管内のガス流路で接続する必要があり、その構造が複雑でなるばかりでなく、熱損失も大きくなるのは避けられない。
【０００６】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は、改質装置における複数の反応部や熱回収部に工夫を凝らすことで、改質装置をシンプルでコンパクトな構造とするとともに、その熱損失を小さくすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、この発明では、複数の反応部及び熱回収部を一体化して１つの容器内に設けるようにした。
【０００８】
具体的には、請求項１の発明では、原料ガスから部分酸化を含む反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質反応部（６）と、この改質反応部（６）にて発生した反応熱を回収する第１熱回収部（１１）と、上記改質反応部（６）で生成された改質ガスを冷却してその排熱を回収する第２熱回収部（１２）と、上記改質反応部（６）で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を水性ガスシフト反応により低減させるシフト反応部（７）と、このシフト反応部（７）で発生した反応熱を回収する第３熱回収部（１３）と、上記シフト反応部（７）で生成された改質ガスを冷却してその排熱を回収する第４熱回収部（１４）と、上記シフト反応部（７）で変成された改質ガス中のＣＯ濃度をＣＯ選択酸化反応によってさらに低減するＣＯ選択酸化反応部（８）と、このＣＯ選択酸化反応部（８）にて発生した反応熱を回収する第５熱回収部（１５）と、上記ＣＯ選択酸化反応部（８）で生成された改質ガスを冷却してその排熱を回収する第６熱回収部（１６）とを備えている。
【０００９】
そして、上記改質ガスが改質反応部（６）から第２熱回収部（１２）、シフト反応部（７）、第４熱回収部（１４）及びＣＯ選択酸化反応部（８）を経て第６熱回収部（１６）へそれぞれ直接流入するように上記改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）、並びに第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）を、配管を介在せずに直接に接続された状態でかつ上記各熱回収部（１１）〜（１６）の熱回収側が内部の外周側に位置した状態で１つの円筒状の容器（３０）内に一体的に設ける。また、上記第１熱回収部（１１）での熱回収は、原料ガスと改質反応部（６）との熱交換によって行われて、該第１熱回収部（１１）で回収した熱で原料ガスを加熱するように構成する。
【００１０】
この発明の構成によれば、改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）と、第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）とが、配管を介在せずに直接に接続された状態でかつ上記各熱回収部（１１）〜（１６）の熱回収側が外周側に位置した状態で１つの円筒状の容器（３０）内に一体的に設けられているので、改質ガスが改質反応部（６）から第２熱回収部（１２）、シフト反応部（７）、第４熱回収部（１４）及びＣＯ選択酸化反応部（８）を経て第６熱回収部（１６）へそれぞれ直接流入し、反応部（６）〜（８）と熱回収部（１１）〜（１６）とを配管で接続せずとも済み、改質装置の構造を簡単でコンパクトにすることができ、しかも、改質装置からの放熱を抑えることができる。
【００１１】
さらに、原料ガスを改質反応部（６）で部分酸化させて改質ガスを生成するので、その改質反応の発熱反応を利用でき、その発熱によって反応部（６）が所定温度（活性温度）以上に昇温すると、その後の定常運転時には外部からの熱供給が不要となる。
【００１２】
請求項２の発明では、上記シフト反応部（７）には、ＣＯ変成に活性を呈する触媒としてＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕの少なくともいずれか１つからなる貴金属系触媒を用いるものとする。すなわち、改質ガスの水性ガスシフト反応を生じさせる触媒として鉄−クロム系、銅−亜鉛系等の卑金属触媒を用いると、前処理での還元時及び空気雰囲気下の酸化時に大きな発熱が生じ、しかも銅−亜鉛系等の触媒はシンタリングや硫黄被毒の影響を受け易くなるが、この発明のように貴金属系触媒を用いることで、上記卑金属のような還元処理時及び酸化処理時の大きな発熱が生じずに発熱は小さくなり、シンタリングの度合いも少なくて済む。
【００１３】
請求項３の発明では、上記シフト反応部（７）には、ＣＯ変成に活性を呈する触媒としてＰｔ／ＺｒＯ２を用いるものとする。このＰｔ／ＺｒＯ２触媒は、低温ないし中温域（２５０〜４５０℃）で上記鉄−クロム系触媒よりも高い活性度及び選択性を示し、特に中温域（３５０〜４５０℃）での活性は銅−亜鉛系触媒と同等であり、シフト反応部（７）の触媒として望ましい。
【００１４】
請求項４の発明では、上記改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）の少なくとも１つを、各反応に活性を呈する触媒を含むハニカム体（４４）で構成する。
【００１５】
また、請求項５の発明では、上記改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）をいずれもＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕの少なくともいずれか１つからなる貴金属系触媒を含むハニカム体（４４）で構成する。
【００１６】
さらに、請求項６の発明では、原料ガスの圧力を常圧とする。
【００１７】
これら発明の構成によると、上記各反応部（６）〜（８）が触媒を担持したハニカム体（４４）で構成されているので、触媒を充填する構造のものに比べて、原料ガス又は改質ガスの圧力損失を低減でき、それらガスを搬送する手段が不要となり、システムの効率が向上して、特に都市ガスを原料ガスとする場合等で効果的である。また、反応部（６）〜（８）全体の熱容量が小さくなるので、改質装置等の起動時間を短縮することができる。特に、請求項５の発明によると、各反応部（６）〜（８）で使用する触媒が貴金属系のもので統一されるので、還元処理時及び酸化処理時の発熱を小さく抑えることができる。
【００１８】
請求項７の発明では、上記第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）での熱回収は、原料ガス又は熱回収流体と、各熱回収部（１２），（１４），（１６）を通過する改質ガスとの熱交換によって行われるように構成する。
【００１９】
請求項８の発明では、上記請求項７の発明において、第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）は、反応部（６）〜（８）間の改質ガス流路（４５）に設けられた伝熱フィン（４６），（４６），…と、上記改質ガス流路（４５）に対し隣り合った流体流路（４２）とを備えているものとする。
【００２０】
請求項９の発明では、上記請求項８の発明において、流体は気体とし、流体流路（４２）側に伝熱フィン（５２），（５２），…を設ける。
【００２１】
請求項１０の発明では、上記請求項１の発明において、第３及び第５熱回収部（１３），（１５）での熱回収は、熱回収流体と、改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）との熱交換によって行われるように構成する。
【００２２】
請求項１１の発明では、上記請求項１０の発明において、第１、第３及び第５熱回収部（１１），（１３），（１５）は、反応部（６）〜（８）外周からの輻射及び対流による熱を原料ガス側又は流体側が受け取るように構成する。
【００２３】
また、請求項１２の発明では、上記請求項１０の発明において、改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）を複数の区画部（４４ａ），（４４ａ），…に分け、第１、第３及び第５熱回収部（１１），（１３），（１５）は、上記区画部（４４ａ），（４４ａ），…間に配置された伝熱フィン（５０），（５０），…を備えているものとする。
【００２４】
請求項１３の発明では、上記請求項７又は１０の発明において、熱回収流体は水とし、この水の漏れを検知する漏洩検知部（５１）を設ける。
【００２５】
以上の請求項７〜１３の発明の構成によれば、システムの効率をさらに向上させることができる。
【００２６】
請求項１４の発明では、上記請求項１の発明において、ＣＯ選択酸化反応部（８）の直上流側で改質ガスに対しＣＯ選択酸化反応に必要な酸素を混合するための空気導入部（４８）を設ける。
【００２７】
また、請求項１５の発明では、請求項１の発明において、補助燃焼部又は電気ヒータからなる起動用の加熱源（５５）を設ける。
【００２８】
これら発明の構成によれば、本発明の効果が有効に発揮される好適な具体的構成が得られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の改質装置を燃料電池システムに適用した実施形態１の全体構成を示し、（１）は燃料電池本体で、この燃料電池本体（１）は、改質ガスと、ブロア（２）から空気供給管（２ａ）を介して送給された空気とにより電極反応を行わせるものである。（３）は上記燃料電池本体（１）から排出された改質ガスを上記ブロア（２）からの空気のもとで燃焼させる燃焼バーナ、（４）は燃料電池本体（１）の出力部に接続されたインバータ、（５）は都市ガスと加湿空気とを含む原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成し上記燃料電池本体（１）に供給する改質装置である。
【００３０】
上記燃料電池本体（１）は、図示しないが、触媒電極である酸素極(カソード)及び水素極(アノード)を有する固体高分子電解質型のもので、この燃料電池本体（１）の酸素極にブロア（２）からの空気供給管（２ａ）が、また水素極に改質装置（５）からの改質ガス供給管（２０）がそれぞれ接続されている。
【００３１】
上記改質装置（５）は、改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）の３つの反応部と、第１〜第６の６つの熱回収部（１１）〜（１６）とを備えている。上記改質反応部（６）は、原料ガス供給管（１９）を介して改質装置（５）に供給された常圧の原料ガス（都市ガス及び加湿空気を含む）を第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）及び第１熱回収部（１１）を通過させた後に導入して、その原料ガスから部分酸化を含む反応により水素リッチな改質ガスを生成するものである。
【００３２】
また、上記シフト反応部（７）は、上記改質反応部（６）に接続されていて、該改質反応部（６）で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を水性ガスシフト反応により低減させる。さらに、このシフト反応部（７）に上記ＣＯ選択酸化反応部（８）が接続され、このＣＯ選択酸化反応部（８）はシフト反応部（７）で変成された改質ガス中のＣＯ濃度をＣＯ選択酸化反応によってさらに低減するものである。そして、このＣＯ選択酸化反応部（９）が上記燃料電池本体（１）に上記改質ガス供給管（２０）を介して接続されている。
【００３３】
上記第１熱回収部（１１）と第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）には上記の如く原料ガスが流れるもので、これらは原料ガス供給管（１９）から改質反応部（６）に向かって順に直列に接続されており、第１熱回収部（１１）は、上記改質反応部（６）にて発生した反応熱を回収する一方、第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）は、改質反応部（６）で生成された改質ガスをシフト反応部（７）でのＣＯ変成のために冷却してその排熱を回収するものである。
【００３４】
上記第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）及び第３〜第６熱回収部（１３）〜（１６）はそれぞれ順に直列に接続されていて、その内部を熱回収流体としての水が第６熱回収部（１６）から第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）に向かって流れる。尚、上記熱回収流体としては水の他、不凍液や空気等を用いることもできる。
【００３５】
上記第６熱回収部（１６）の上流端は水供給管（２１）を介して水タンク（２２）の供給部に接続され、この水供給管（２１）の途中には、水タンク（２２）内の水を吸い込んで吐出する水ポンプ（２３）と、この水ポンプ（２３）から吐出された水により燃料電池本体（１）を冷却してその排熱を回収する電池熱回収部（２４）とが順に配置されている。一方、第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）の下流端は水戻し管（２５）を介して上記水タンク（２２）の回収部に接続され、その水戻し管（２５）の途中には水を上記燃焼バーナ（３）と熱交換してその排熱を回収するバーナ熱回収部（２６）が配置されている。（２７）は水タンク（２２）に水を補給するための補給管である。
【００３６】
そして、上記第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）は、その燃料ガス側部（１２ａ）と同様に、改質反応部（６）で生成された改質ガスをシフト反応部（７）でのＣＯ変成のために冷却してその排熱を回収する。また、第３熱回収部（１３）は、上記シフト反応部（７）で発生した反応熱を回収し、第４熱回収部（１４）は、上記シフト反応部（７）で生成された改質ガスを冷却してその排熱を回収する。また、第５熱回収部（１５）は、上記ＣＯ選択酸化反応部（８）にて発生した反応熱を回収し、第６熱回収部（１６）は、上記ＣＯ選択酸化反応部（８）で生成された改質ガスを冷却してその排熱を回収するようになっている。
【００３７】
そして、上記改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）、並びに第１〜第６熱回収部（１１）〜（１６）は、改質ガスが改質反応部（６）から第２熱回収部（１２）、シフト反応部（７）、第４熱回収部（１４）及びＣＯ選択酸化反応部（８）を経て第６熱回収部（１６）へそれぞれ直接流入するように一体的に設けられている。すなわち、図２及び図３に示すように、改質装置（５）は有底円筒状の容器（３０）を有し、この容器（３０）は中心線方向に第１〜第６の６つの分割部（３１）〜（３６）に分割されていて、これら分割部（３１）〜（３６）はロウ付けや溶接等により気密状に互いに接合一体化されている（或いは各分割部（３１）〜（３６）の接合端部にフランジ部を形成して、そのフランジ部同士をＯリングを介在して締結するようにしてもよい）。
【００３８】
上記第１分割部（３１）は有底円筒状のもので、この第１分割部（３１）の内部にはその底側（図３で左側）に円筒状の熱移動量制御用の耐火性断熱材からなる壁部（３８）が、また開口側に第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）がそれぞれ同心にかつ分割部（３１）内面と間隔をあけて収容されている。また、上記壁部（３８）の内部に改質反応部（６）が設けられ、壁部（３８）及び第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）と、分割部（３１）との間に原料ガス流路（３９）が形成されている。上記改質反応部（６）は、後述するシフト反応部（７）やＣＯ選択酸化反応部（８）の構造と同様に、セラミックやアルミニウム等の担体にＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕの少なくともいずれか１つからなる貴金属系の触媒を担持してなるハニカム体（４４）で構成されている（図４参照）。一方、第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）は、後述する第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）等と同様に、リング状の壁部（４１）に多数の伝熱フィン（４６），（４６），…を架設した構造のもので（図５参照）、その熱回収は、原料ガス流路（３９）の原料ガスと、第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）内の改質ガス通路（４５）を通過する改質ガスとの熱交換によって行われる。そして、第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）に対応する第１分割部（３１）には上記原料ガス供給管（１９）が接続される原料ガス供給口（４０）が開口されており、この原料ガス供給口（４０）から第１分割部（３１）内の原料ガス流路（３９）に供給された原料ガスと、改質反応部（６）で生成された改質ガスとを第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）で熱交換させることで、原料ガスを冷却してその排熱を回収する。
【００３９】
また、第１熱回収部（１１）は、上記改質反応部（６）のハニカム体（４４）外周からの輻射及び対流による熱を原料ガス流路（３９）の原料ガス側が受け取ることで、その第１熱回収部（１１）での熱回収が原料ガスと改質反応部（６）との熱交換によって行われるように構成されている。
【００４０】
上記第２〜第６分割部（３２）〜（３６）の内部にはそれぞれ上記第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）の外径と略同径の内径を有するリング状の壁部（４１）が装填され、この壁部（４１）は容器（３０）における第２〜第６分割部（３２）〜（３６）毎に分割され、それらは気密状に接合一体化されている。また、壁部（４１）には、容器（３０）の中心軸線方向に沿って平行に延びる複数（図示例では６つ）の流体流路（４２），（４２），…が略等間隔をあけて貫通形成され、これら複数の流体流路（４２），（４２），…の上流端はそれぞれ容器（３０）の端面を貫通して上記水供給管（２１）に接続されている。一方、流体流路（４２）の下流端は第２分割部（３２）の壁部（４１）内において１つに集合され、この集合の流体流路（４２）は第２分割部（３２）に開口した流体戻し口（４３）に連通され、この流体戻し口（４３）に上記水戻し管（２５）が接続されている。
【００４１】
上記第２分割部（３２）内には上記第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）が、また第４分割部（３４）内には第４熱回収部（１４）が、さらに第６分割部（３６）内には第６熱回収部（１６）がそれぞれ収容されている。また、第３分割部（３３）内に上記シフト反応部（７）が、また第５分割部（３５）内にＣＯ選択酸化反応部（８）がそれぞれ設けられている。この２つの反応部（７），（８）はいずれも同じ構造のもので、図４に示すように壁部（４１）内に装填された円柱状のハニカム体（４４）を有し、このハニカム体（４４）において容器（３０）の軸線方向に貫通する多数の貫通孔が改質ガス流路（４５）とされている。上記ハニカム体（４４）は例えばセラミックやアルミニウム等からなる担体にＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕの少なくともいずれか１つからなる貴金属系の触媒を担持したものである。特に、上記シフト反応部（７）では、ＣＯ変成に活性を呈する触媒として、上記の如きＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕ等の貴金属系触媒が用いるのがよく、その中でもＰｔ／ＺｒＯ２を用いるのが望ましい。
【００４２】
そして、上記第３及び第５熱回収部（１３），（１５）は、それぞれシフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）の各ハニカム体（４４）外周からの輻射及び対流による熱を壁部（４１）の各流体流路（４２）内の熱回収流体（水）側が受け取るようになっており、このことで、その第３及び第５熱回収部（１３），（１５）での熱回収は熱回収流体（水）と、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）との熱交換によって行われる。
【００４３】
一方、上記第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）、第４及び第６熱回収部（１４），（１６）の３つの熱回収部はいずれも同じ構造のもので、図５に示すように、各々の壁部（４１）内には例えばアルミニウムやステンレス等からなる複数の金属製の伝熱フィン（４６），（４６），…が平行に配置され、この各伝熱フィン（４６）は壁部（４１）の内周面に伝熱可能に接合され、壁部（４１）内の伝熱フィン（４６），（４６），…間が改質ガス流路（４５）とされている。すなわち、この第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）、第４及び第６熱回収部（１４），（１６）は、隣接する反応部（６）〜（８）間の改質ガス流路（４５）に設けられた伝熱フィン（４６），（４６），…と、壁部（４１）内に設けられていて上記改質ガス流路（４５）に対し隣り合った流体流路（４２）（水流路）とを備えてなり、これら第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）、第４及び第６熱回収部（１４），（１６）での熱回収は、熱回収流体（水）と、各々の熱回収部（１２ｂ），（１４），（１６）の伝熱フィン（４６），（４６），…間の改質ガス流路（４５）を通過する改質ガスとの熱交換によって行われるように構成されている。
【００４４】
上記第６分割部（３６）は改質ガス供給口（４７）が開口された有底円筒状のもので、その改質ガス供給口（４７）は上記燃料電池本体（１）に接続されている。
【００４５】
また、上記第４分割部（３４）にはその第４熱回収部（１４）内の改質ガス流路（４５）に連通する空気導入口（４８）が開口され、この空気導入口（４８）は上記空気供給管（２ａ）に分岐接続されており、上記ブロア（２）から供給された空気の一部を第４熱回収部（１４）内の改質ガス流路（４５）、つまりＣＯ選択酸化反応部（８）の直上流側で改質ガスに供給して、その空気によりＣＯ選択酸化反応に必要な酸素を混合するようにしている。尚、図中、塗り潰しの矢符は熱の移動状態を示している。
【００４６】
したがって、この実施形態においては、燃料電池システムの定常運転時、水タンク（２２）内の熱回収流体としての水が水ポンプ（２３）により圧送され、この水は電池熱回収部（２４）で加熱された後に改質装置（５）の容器（３０）内に供給され、その後に容器（３０）の複数の流体流路（４２），（４２），…を経て流体戻し口（４３）から排出された後に水タンク（２２）に戻る。
【００４７】
また、常圧の原料ガスが改質装置（５）の容器（３０）の原料ガス供給口（４０）に入り、その第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）及び第１熱回収部（１１）で加熱された後に改質反応部（６）に流入し、この改質反応部（６）において原料ガスから部分酸化を含む反応により水素リッチな改質ガスが生成され、この改質ガスは第２熱回収部（１２）を経てシフト反応部（７）に送られる。そして、上記改質反応部（６）にて発生した反応熱が上記第１熱回収部（１１）により、また改質反応部（６）からシフト反応部（７）に送られる改質ガスの熱が第２熱回収部（１２）によりそれぞれ回収され、第１熱回収部（１１）及び第２熱回収部（１２）の燃料ガス側部（１２ａ）により回収された熱は後から供給される原料ガスの加熱に供される。また、第２熱回収部（１２）の回収流体側部（１２ｂ）により回収された熱は上記流体流路（４２）の水を加熱して、その水に回収される。
【００４８】
また、上記シフト反応部（７）に供給された改質ガスは、そのシフト反応部（７）を通る間に改質ガス中のＣＯ濃度が水性ガスシフト反応により低減され、この改質ガスは第４熱回収部（１４）を経てＣＯ選択酸化反応部（８）に供給され、この第４熱回収部（１４）において空気導入口（４８）から供給された空気（酸素）が改質ガスに混合される。そして、上記シフト反応部（７）にて水性ガスシフト反応により発生した反応熱が上記第３熱回収部（１３）により、またシフト反応部（７）からＣＯ選択酸化反応部（８）に送られる改質ガスの熱が第４熱回収部（１４）によりそれぞれ回収され、これらの回収熱は上記流体流路（４２）の水を加熱して、その水に回収される。
【００４９】
さらに、上記ＣＯ選択酸化反応部（８）に供給された改質ガスは、そのＣＯ選択酸化反応部（８）を通る間に改質ガス中のＣＯ濃度がＣＯ選択酸化反応によってさらに低減され、この改質ガスは第６熱回収部（１６）を経て改質ガス供給口（４７）から容器（３０）外に送出され、燃料電池本体（１）に供給される。上記ＣＯ選択酸化反応部（８）にてＣＯ選択酸化反応により発生した反応熱は上記第５熱回収部（１５）により、またＣＯ選択酸化反応部（８）から燃料電池本体（１）にに送られる改質ガスの熱が第６熱回収部（１６）によりそれぞれ回収され、これらの回収熱は上記流体流路（４２）の水を加熱して、その水に回収される。
【００５０】
このとき、上記改質装置（５）の改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）と、第１〜第６熱回収部（１１）〜（１６）とが一体的に設けられて、改質ガスが改質反応部（６）から第２熱回収部（１２）、シフト反応部（７）、第４熱回収部（１４）及びＣＯ選択酸化反応部（８）を経て第６熱回収部（１６）へそれぞれ直接流入するので、各反応部（６）〜（８）と各熱回収部（１１）〜（１６）とを配管で接続せずとも済み、改質装置（５）の構造を簡単でコンパクトにすることができる。また、改質装置（５）からの放熱を抑えることができる。
【００５１】
また、原料ガスを改質反応部（６）で部分酸化させて改質ガスを生成するので、その改質反応の発熱反応を利用でき、その発熱によって反応部が所定温度（活性温度）以上に昇温すると、その後の定常運転時には外部からの熱供給が不要となる。
【００５２】
また、上記各反応部（６）〜（８）が触媒を担持したハニカム体（４４）で構成されているので、触媒を充填する構造に比べて、原料ガス又は改質ガスの圧力損失を低減でき、それら原料ガス又は改質ガスを搬送する手段が不要となり、燃料電池システムの効率が向上し、特に都市ガスを原料ガスとする場合等で効果的である。また、反応部（６）〜（８）全体の熱容量が小さくなるので、改質装置（５）延いては燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。特に、各反応部（６）〜（８）で使用する触媒が貴金属系のもので統一されるので、還元処理時及び酸化処理時の発熱を小さく抑えることができる。
【００５３】
さらに、シフト反応部（７）において改質ガスの水性ガスシフト反応を生じさせる触媒として貴金属系触媒が用いられているので、鉄−クロム系や銅−亜鉛系等の卑金属触媒を用いる場合のように前処理での還元時及び空気雰囲気下の酸化時に大きな発熱が生じたり、銅−亜鉛系等の触媒の如きシンタリングや硫黄被毒の影響を受けたりすることはなくなり、還元処理時及び酸化処理時の発熱を小さくし、シンタリングの度合いも抑制できる。
【００５４】
特に、上記シフト反応部（７）の触媒としてＰｔ／ＺｒＯ２を用いると、低温ないし中温域（２５０〜４５０℃）で鉄−クロム系触媒よりも高い活性度及び選択性が得られ、中温域（３５０〜４５０℃）での活性が銅−亜鉛系触媒と同等となって、シフト反応部（７）の触媒として望ましい。
【００５５】
（変形例）
上記各反応部（６）〜（８）や熱回収部（１１）〜（１６）の構造を図６〜図９に示すように変更することもできる。すなわち、図６及び図７は反応部（６）〜（８）の変形例を示し、図６に示す例では、改質反応部（６）、シフト反応部（７）及びＣＯ選択酸化反応部（８）のハニカム体（４４）が容器（３０）の軸心方向から見て断面矩形状の複数の区画部（４４ａ），（４４ａ），…に分けられている。そして、この複数の区画部（４４ａ），（４４ａ），…間に縦横に交差して容器（３０）の軸心方向に延びるアルミニウムやステンレス等の金属からなる伝熱フィン（５０），（５０），…が挿通され、この伝熱フィン（５０）の端部は壁部（４１）（又は（３８））に伝熱可能に接合されている。つまり、第１、第３及び第５熱回収部（１１），（１３），（１５）は、それぞれ対応する改質反応部（６）、シフト反応部（７）ＣＯ選択酸化反応部（８）の各ハニカム体（４４）の区画部（４４ａ），（４４ａ），…間に配置された伝熱フィン（５０），（５０），…を備えている。こうすると、第１、第３及び第５熱回収部（１１），（１３），（１５）での熱回収効率を高めることができる。
【００５６】
一方、図７に示す例では、反応部（７），（８）の壁部（４１）（改質反応部（６）の壁部（３８）でもよい）において各流体流路（４２）の半径方向内側に空洞からなる漏洩検知部（５１），（５１），…が流体流路（４２）と平行に貫通形成されており、この各漏洩検知部（５１）により、流体流路（４２）を流れる水がハニカム体（４４）側に漏洩するのを検知するようにしている。つまり、漏洩検知部（５１）への水の有無を検知することで、水の漏洩を検知できる。
【００５７】
図８及び図９は上記第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）の変形例を示す。図８に示す例では、壁部（４１）間に架設する伝熱フィン（４６），（４６），…を図５に示すように平行に配置するのではなく、縦横格子状に配置したものである。この場合も第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）での熱回収効率を高めることができる。
【００５８】
図９に示す例では、改質装置（５）の容器（３０）内に供給する熱回収流体を水から空気（気体）に変え、壁部（４１）における各流体流路（４２）の周囲内壁面に多数の伝熱フィン（５２），（５２），…を突設したものである。この場合、流体流路（４２）内の空気と壁部（４１）との熱交換性を高めて、第２、第４及び第６熱回収部（１２），（１４），（１６）での熱回収効率を高めることができる。
【００５９】
（実施形態２）
図１０は実施形態２を示し、改質装置（５）の容器（３０）全体を断熱材（５４）で覆ったものである。こうすると、容器（３０）が断熱されるので、改質装置（５）からの放熱をさらに抑制して小さくすることができる。
【００６０】
また、この実施形態では、上記断熱材（５４）において容器（３０）の第１分割部（３１）の底壁部に対向して電気ヒータからなる起動用ヒータ（５５）を起動用の加熱源として埋め込んだものである（図１に仮想線にて示す）。このことで、改質装置（５）（燃料電池システム）の起動時にヒータ（５５）への通電によって原料ガスを加熱することができ、改質装置（５）ないしは燃料電池システムの起動時間をさらに短縮することができる。尚、電気ヒータ（５５）に代えて補助燃焼部を設けてもよい。
【００６１】
（実施形態３）
図１１〜図１３は実施形態３を示し、改質装置（５）の容器（３０）を２重壁構造としたものである。すなわち、この実施形態では、図１１及び図１２に示すように、容器（３０）の第２〜第６分割部（３２）〜（３６）に相当する部分は一体のものとされ、その部分は円筒状の外壁部（５７）と、この外壁部（５７）内に同心に配置された同形状の内壁部（５８）との２重壁構造とされ、両壁部（５７），（５８）間の空間が流体流路（４２）とされている。その他の構成は上記実施形態１と同様である。この実施形態でも実施形態１と同様の作用効果が得られる。
【００６２】
尚、この実施形態３において、図１３に示すように、容器（３０）の外壁部（５７）及び内壁部（５８）間の流体流路（４２）に伝熱フィン（５９）を配置し、この伝熱フィン（５９）を外壁部（５７）及び内壁部（５８）に伝熱可能に接合してもよい。
【００６３】
また、本発明は、上記各実施形態の如き燃料電池システム以外に用いられる改質装置にも適用できるのはいうまでもない。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によると、原料ガスから部分酸化を含む反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質反応部と、この改質反応部で生成された改質ガス中のＣＯ濃度を水性ガスシフト反応により低減させるシフト反応部と、このシフト反応部で変成された改質ガス中のＣＯ濃度をＣＯ選択酸化反応によってさらに低減するＣＯ選択酸化反応部と、これら各反応部にて発生した反応熱を回収する第１、第３及び第５熱回収部と、各反応部で生成された改質ガスを冷却して排熱を回収する第２、第４及び第６熱回収部とを備えた改質装置に対し、改質ガスが改質反応部から第２熱回収部、シフト反応部、第４熱回収部及びＣＯ選択酸化反応部を経て第６熱回収部へそれぞれ直接流入するように各反応部と、第２、第４及び第６熱回収部とを、配管を介在せずに直接に接続された状態でかつ各熱回収部の熱回収側が内部の外周側に位置した状態で１つの円筒状の容器内に一体的に設け、その第１熱回収部での熱回収を原料ガスと改質反応部との熱交換によって行って、その回収した熱で原料ガスを加熱するようにしたことにより、各反応部と熱回収部とが配管で接続されず、改質装置の構造の簡単化及びコンパクト化を図るとともに、改質装置からの放熱の低減を図ることができる。また、改質反応部において発熱反応する部分酸化により改質ガスを生成するので、定常運転時の外部からの熱供給の不要化を図ることができる。
【００６５】
請求項２の発明によると、上記シフト反応部での触媒を貴金属系触媒としたことにより、還元処理時及び酸化処理時の発熱を小さくし、シンタリングを抑えることができる。
【００６６】
請求項３の発明によると、シフト反応部の触媒として、低温ないし中温域で高い活性度及び選択性を示すＰｔ／ＺｒＯ２を用いたことにより、シフト反応部での望ましい触媒が得られる。
【００６７】
請求項４の発明では、上記３つの反応部の少なくとも１つを、触媒を含むハニカム体で構成した。また、請求項５の発明では、３つの反応部をいずれもＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕの少なくともいずれか１つからなる貴金属系触媒を含むハニカム体で構成した。さらに、請求項６の発明では、原料ガスの圧力を常圧とした。これら発明によると、ガスの圧力損失を低減でき、原料ガス又は改質ガスを搬送する手段が不要となり、システムの効率が向上して、特に都市ガスを原料ガスとする場合等に有効となるとともに、反応部全体の熱容量が小さくなって、改質装置等の起動時間の短縮化を図ることができる。特に、請求項５の発明によると、各反応部の触媒が貴金属系のものであるので、還元処理時及び酸化処理時の発熱を小さく抑えることができる。
【００６８】
請求項７の発明では、上記第２、第４及び第６熱回収部での熱回収を、原料ガス又は熱回収流体と、各熱回収部を通過する改質ガスとの熱交換によって行うようにした。また、請求項８の発明では、請求項７の発明において、第２、第４及び第６熱回収部は、反応部間のガス流路に設けられた伝熱フィンと、上記ガス流路に対し隣り合った流体流路とを備えているものとした。請求項９の発明では、請求項８の発明において、流体は気体とし、流体流路側に伝熱フィンを設けた。請求項１０の発明では、請求項１の発明において、第３及び第５熱回収部での熱回収は、熱回収流体と各反応部との熱交換によって行うようにした。請求項１１の発明では、請求項１０の発明において、第１、第３及び第５熱回収部は、反応部外周からの輻射及び対流による熱を原料ガス側又は流体側が受け取るものとした。請求項１２の発明では、請求項１０の発明において、各反応部を複数の区画部に分け、第１、第３及び第５熱回収部は、区画部間に配置された伝熱フィンを備えているものとした。請求項１３の発明では、請求項７又は１０の発明において、熱回収流体は水とし、この水の漏れを検知する漏洩検知部を設けた。これら請求項７〜１３の発明によれば、システムの効率をさらに向上させることができる。
【００６９】
請求項１４の発明では、請求項１の発明において、ＣＯ選択酸化反応部の直上流側で改質ガスに対しＣＯ選択酸化反応に必要な酸素を混合するための空気導入部を設けた。また、請求項１５の発明では、請求項１の発明において、起動時の加熱源として補助燃焼部又は電気ヒータを設けた。これら発明の構成によれば、本発明の効果が有効に発揮される好適な具体的構成が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１に係る改質装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】  実施形態１に係る改質装置の全体構成を示す斜視図である。
【図３】  改質装置の全体構成を示す断面図である。
【図４】  反応部の断面図である。
【図５】  熱回収部の断面図である。
【図６】  反応部の変形例１を示す図４相当図である。
【図７】  反応部の変形例２を示す図４相当図である。
【図８】  熱回収部の変形例１を示す図５相当図である。
【図９】  熱回収部の変形例２を示す図５相当図である。
【図１０】  実施形態２を示す図３相当図である。
【図１１】  実施形態３を示す図３相当図である。
【図１２】  実施形態３の熱回収部を示す図５相当図である。
【図１３】  熱回収部の変形例を示す図５相当図である。
【符号の説明】
（５）  改質装置
（６）  改質反応部
（７）  シフト反応部
（８）  ＣＯ選択酸化反応部
（１１）  第１熱回収部
（１２）  第２熱回収部
（１３）  第３熱回収部
（１４）  第４熱回収部
（１５）  第５熱回収部
（１６）  第６熱回収部
（３０）  容器
（３９）  原料ガス流路
（４２）  流体流路
（４４）  ハニカム体
（４４ａ）  区画部
（４５）  改質ガス流路
（４６），（５０），（５２）  伝熱フィン
（４８）  空気導入口（空気導入部）
（５１）  漏洩検知部
【図１】
0004644892.tif 000002
【図２】
0004644892.tif 000003
【図３】
0004644892.tif 000004
【図４】
0004644892.tif 000005
【図５】
0004644892.tif 000006
【図６】
0004644892.tif 000007
【図７】
0004644892.tif 000008
【図８】
0004644892.tif 000009
【図９】
0004644892.tif 000010
【図１０】
0004644892.tif 000011
【図１１】
0004644892.tif 000012
【図１２】
0004644892.tif 000013
【図１３】
0004644892.tif 000014