(57)【要約】【課題】  一酸化炭素浄化部に一酸化炭素濃度が一定である改質ガスを供給することにより、改質装置の熱効率を向上させる。【解決手段】  改質装置２０は、燃料から改質ガスを生成して導出する改質部６０と、改質部６０から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯシフト部８０と、ＣＯシフト部８０から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減するＣＯ浄化部４０とから構成されている。ＣＯシフト部８０には熱交換器９１が設けられ、熱交換器９１には空気供給源に接続された空気供給管９３から分岐したバイパス管９４ａが接続され、バイパス管９４ａには電磁弁９２が設けられている。電磁弁９２が開閉制御されてＣＯシフト部８０の温度が所定範囲内となり、ＣＯシフト部８０から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定範囲内となる。【選択図】  図１
2005108651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部と、該改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、該一酸化炭素シフト反応部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池に供給する一酸化炭素浄化部とから構成される改質装置において、
前記一酸化炭素シフト反応部に該一酸化炭素シフト反応部との間で熱交換を行って降温させる熱交換器を設け、
該熱交換器に冷媒を供給する冷媒供給手段と
該冷媒供給手段に設けられて前記冷媒の供給量を調整する冷媒調整手段と、
前記一酸化炭素シフト反応部内の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記冷媒調整手段を制御して前記冷媒の供給量を調整する制御手段とをさらに備え、
前記温度検出手段によって検出された温度を所定範囲内となるように前記制御手段によって前記冷媒の供給量を調整することにより、前記一酸化炭素シフト反応部内の温度と相関関係にあり、かつ、前記一酸化炭素シフト反応部から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定範囲内となるように制御す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、前記温度検出手段は前記一酸化炭素シフト反応部に設けられた前記改質ガスを導出する改質ガス導出口付近の温度を検出し、前記温度検出手段によって検出された温度を所定範囲内となるように前記制御手段によって前記冷媒の供給量を調整することにより、前記改質ガス導出口付近の温度と相関関係にあり、かつ、前記一酸化炭素シフト反応部から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定範囲内となるように制御することを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記冷媒として前記改質装置に供給される液体または気体を採用したことを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、供給された可燃性燃料と燃焼用空気とを燃焼させて前記改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、供給された水を前記燃焼ガスによって加熱し前記水蒸気を生成して前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部から導出された前記改質ガスを前記混合ガスによって降温して導出する冷却部とをさらに備え、前記改質部、冷却部および一酸化炭素シフト反応部を一体化し内側一体構造体を形成し、前記一酸化炭素浄化部および蒸発部を筒状に形成するとともに一体化して外側一体構造体を形成し、前記一酸化炭素シフト反応部が突出するように前記外側一体構造体を前記内側一体構造体に外挿し、前記熱交換器を、前記一酸化炭素シフト反応部の外壁面に取り付けた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、供給された燃料ガスおよび水蒸気から改質ガスを生成して該改質ガスを燃料電池に供給する改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
改質装置は供給された燃料（例えば天然ガス、ＬＰガス、灯油などの炭化水素系燃料）および水蒸気からいわゆる水素リッチな改質ガスを生成してこの改質ガスを燃料電池に供給するものである。燃料電池は供給された水素と酸素との化学反応によって発電するものである。改質装置としては、供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部１０２と、この改質部１０２から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部（高温シフト部１０６と低温シフト部１１０からなる）と、この一酸化炭素シフト反応部から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に供給する一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）１１２とから構成されているものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
このような改質装置においては、一酸化炭素シフト反応部から導出された改質ガス中の一酸化炭素濃度は成り行き任せであるため一定していない。このため、ＣＯ浄化部１１２において、最終的に燃料電池１１４のアノード１１６に供給される改質ガス（燃料ガス）中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）が許容濃度（例えば、５ｐｐｍ）以下になるように、エアポンプ１３０によるＣＯ浄化部１１２への酸化ガスの吹き込み量が調整されている。
【特許文献１】特開２００３−１５１５９９号公報（第７−９頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した改質装置においては、ＣＯ浄化部１１２に供給された改質ガス中の一酸化炭素濃度が高い場合には、一酸化炭素濃度を低くするため多量の空気すなわち酸素を投入しなければならないが、ＣＯ浄化部１１２にて下記化１、化２に示す反応が起きているので、投入された酸素は改質ガス中の水素とも反応する。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が減少するだけでなく、水素濃度も減少するため、改質装置の熱効率が低下するという問題があった。
（化１）
ＣＯ＋１／２Ｏ２ → ＣＯ２
（化２）
Ｈ２＋１／２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ
【０００５】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、一酸化炭素浄化部に一酸化炭素濃度が一定である改質ガスを供給することにより、改質装置の熱効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部と、この改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部と、この一酸化炭素シフト反応部から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に供給する一酸化炭素浄化部とから構成される改質装置において、一酸化炭素シフト反応部にこの一酸化炭素シフト反応部との間で熱交換を行って降温させる熱交換器を設け、この熱交換器に冷媒を供給する冷媒供給手段とこの冷媒供給手段に設けられて冷媒の供給量を調整する冷媒調整手段と、一酸化炭素シフト反応部内の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段によって検出された温度に基づいて冷媒調整手段を制御して冷媒の供給量を調整する制御手段とをさらに備え、温度検出手段によって検出された温度を所定範囲内となるように制御手段によって冷媒の供給量を調整することにより、一酸化炭素シフト反応部内の温度と相関関係にあり、かつ、一酸化炭素シフト反応部から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定範囲内となるように制御することである。
【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、温度検出手段は一酸化炭素シフト反応部に設けられた改質ガスを導出する改質ガス導出口付近の温度を検出し、温度検出手段によって検出された温度を所定範囲内となるように制御手段によって冷媒の供給量を調整することにより、改質ガス導出口付近の温度と相関関係にあり、かつ、前記一酸化炭素シフト反応部から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度を所定範囲内となるように制御することである。
【０００８】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、冷媒として改質装置に供給される液体または気体を採用したことである。
【０００９】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、供給された可燃性燃料と燃焼用空気とを燃焼させて改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、供給された水を燃焼ガスによって加熱し水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から導出された改質ガスを混合ガスによって降温して導出する冷却部とをさらに備え、改質部、冷却部および一酸化炭素シフト反応部を一体化し内側一体構造体を形成し、一酸化炭素浄化部および蒸発部を筒状に形成するとともに一体化して外側一体構造体を形成し、一酸化炭素シフト反応部が突出するように外側一体構造体を内側一体構造体に外挿し、熱交換器を、一酸化炭素シフト反応部の外壁面に取り付けたことである。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、一酸化炭素シフト反応部から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度は所定範囲内となっており、この一酸化炭素濃度が一定である改質ガスが一酸化炭素浄化部に供給される。したがって、一酸化炭素浄化部においては、必要以上に酸素を投入することなく一酸化炭素濃度を所定濃度に減少させることができ、さらに改質ガス中の水素の酸化反応も余分に行われないため水素濃度も必要最低限の減少に抑制することができる。これにより、無駄な水素の消費がないため、改質装置の熱効率が低下するのを防止することができる。
【００１１】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、一酸化炭素シフト反応部の改質ガス導出口付近の温度が所定範囲内となるように制御するため、改質ガス導出口から離れた場所の温度を所定範囲内とした場合、改質ガスの温度が改質ガス導出口に到達するまでの間に変動するのに比べて、導出される改質ガスの温度変動を抑制するので、一酸化炭素濃度が所定範囲から外れることなく改質ガスが導出され、一酸化炭素濃度が一定である改質ガスが確実に一酸化炭素浄化部に供給される。
【００１２】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、熱交換器の冷媒として改質装置に供給される液体または気体を採用したため、従来から改質装置に供給されていた液体または気体を利用できるので、これら液体または気体以外を冷媒として採用する場合のコスト高を抑制することができる。また、この冷媒は一酸化炭素シフト反応部によって昇温され予熱されるので、一酸化炭素シフト反応部の放熱を有効利用することができる。
【００１３】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、改質装置の定常運転時に高温となる改質部、冷却部および一酸化炭素シフト反応部が、これらの構成要素より低温となる蒸発部、一酸化炭素浄化部および熱交換器によって取り囲まれるので、改質部、冷却部および一酸化炭素シフト反応部からの放熱は、蒸発部、一酸化炭素浄化部および熱交換器によって吸収される。これにより、従来系外に放出されていた熱を蒸発部、一酸化炭素浄化部および熱交換器にて利用し、改質部、冷却部および一酸化炭素シフト反応部からの放熱を系外に放出するのを防止するので、改質装置の熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ａ）第１の実施の形態
以下、本発明による改質装置の第１の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図であり、図２は改質装置を示す拡大断面図である。
【００１５】
この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置２０を備えている。燃料電池１０の燃料極には、改質装置２０から改質ガスが供給され、燃料電池１０の空気極には、外部からの空気が供給され、燃料電池１０において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。
【００１６】
改質装置２０は、蒸発部３０および一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という。）４０を直接連結することにより一体化してなる外側一体構造体２１と、改質部６０、冷却部７０および一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）８０を直接連結することにより一体化してなる内側一体構造体２２とを備えている。外側一体構造体２１は基台１５に組み付け固定されている。内側一体構造体２２は、外側一体構造体の内側に配置され、外側一体構造体２１の受け部２１ａ（後述する）上に係止部２２ａ（後述する）を載置させてその接合部分にて１点支持されている。
【００１７】
蒸発部３０は、供給された水を燃焼ガスによって加熱し水蒸気を生成して後述する改質部７０に供給するものであり、主として図２に示すように、筒状（本実施の形態においては円筒状）に形成されている。蒸発部３０は、外側底板３５を基台１５上に当接させて設置固定され、改質部６０の外側に対向して空間をおいて同軸に配置されている。
【００１８】
この蒸発部３０は、外筒３１と、この外筒３１の内側に改質部６０に対向して空間をおいて同軸に配置された内筒３２と、両筒３１，３２の間に配設されて両筒３１，３２の間の空間を区画する筒状仕切り３３とを備えている。外筒３１の上端には、環状に形成された天板３４の外周端が接続されている。天板３４の下面には筒状仕切り３３が垂下している。筒状仕切り３３と内筒３２との間には、図３に示すように、筒状に形成された複数（例えば２つ）のフィン３９が両部材３３，３２に密接して同軸に嵌入されている。このフィン３９は、周方向に沿って波状に凹凸が形成されている。各フィン３９の間には、筒体３９ａが嵌入されている。
【００１９】
天板３４には筒状仕切り３３と外筒３１との間の環状部位に沿って複数の貫通孔３４ａが形成され、これら貫通孔３４ａが水を導出する水導出口である。内筒３２は天板３４から空間をおいて配置されており、この内筒３２の上端と天板３４との間によって燃焼ガスを導入する燃焼ガス導入口３２ａである。天板３４の上面には、環状に形成された受け部２１ａが固定されている。受け部２１ａは断熱材（例えばセラミック材、セラミックファイバ材）であることが好ましい。これにより、燃焼ガスの熱が冷却部７０に逃げていくのを防止することができる。
【００２０】
外筒３１、筒状仕切り３３および内筒３２の各下端には、それぞれ環状に形成された外側底板３５、環状仕切り３６および内側底板３７の外周端がそれぞれ接続されている。外側底板３５の内周端縁には、外筒３１、筒状仕切り３３および内筒３２より短い短筒３８が立設されている。短筒３８の外周壁面の上下方向中央および上端には、環状仕切り３６および内側底板３７の内周端がそれぞれ接続されている。外筒３１の下部には水を導入する水導入口３１ａが設けられている。環状仕切り３６には燃焼ガスを導出する燃焼ガス導出口３６ａが外側底板３５を貫通して設けられている。
【００２１】
このように構成された蒸発部３０においては、水導入口３１ａから導入された水は、外筒３１と筒状仕切り３３との間に形成された環状空間、すなわち供給された水が流通（通過）する流水路３０ａを通って、水導出口（複数の貫通孔３４ａ）から導出する。燃焼ガス導入口３２ａから導入された燃焼ガスは、筒状仕切り３３と内筒３２との間に形成された環状空間、すなわち燃焼部５０から供給された燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路３０ｂを通って、燃焼ガス導出口３６ａから導出する。そして、筒状仕切り３３を介して水と燃焼ガスとの間で熱交換が行われ、水は燃焼ガスによって加熱され、燃焼ガスは降温する。
【００２２】
ＣＯ浄化部４０は、ＣＯシフト部８０から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に供給するものであり、主として図２に示すように、筒状（本実施の形態においては円筒状）に形成されている。このＣＯ浄化部４０は、蒸発部３０の天板３４に同軸かつ一体的に固定され、冷却部７０に対向して空間をおいて同軸に配置されている。
【００２３】
ＣＯ浄化部４０は、蒸発部３０の外筒３１と同径であり、かつ冷却部７０に対向して空間をおいて同軸に配置された外筒４１と、この外筒４１の内側に同軸に配置された内筒４２と、両筒４１，４２の間に配設されて両筒４１，４２の間の空間を区画する筒状仕切り４３とを備えている。外筒４１および内筒４２の下端は、蒸発部３０の天板３４の上面に接続されており、両筒４１，４２は蒸発部３０の天板３４に立設されている。外筒４１および内筒４２の各上端には、環状に形成された天板４４の外周端縁および内周端縁がそれぞれ接続されている。筒状仕切り４３の上下端には、環状に形成された上下環状仕切り板４５，４６の各内周端縁が接続されている。上下環状仕切り板４５，４６の各外周端縁は、外筒４１の内周壁面に接続されている。
【００２４】
蒸発部３０の天板３４に設けた貫通孔３４ａは、蒸発部３０においては水（または水蒸気）を導出する水導出口であるが、ＣＯ浄化部４０においては、水（または水蒸気）を導入する水導入口である。外筒４１の下部には下環状仕切り板４６の接続部位より上の位置に改質ガスを導出する改質ガス導出口４１ａが設けられ、外筒４１の上部には上環状仕切り板４５の接続部位より下の位置に改質ガスを導入する改質ガス導入口４１ｂが設けられている。天板４４には水（または水蒸気）を導出する水導出口４４ａが設けられている。
【００２５】
このように構成されたＣＯ浄化部４０においては、水導入口３４ａから導入された加熱された水（または水蒸気）は、筒状仕切り４３と内筒４２との間に形成された空間、すなわち供給された水（または水蒸気）が流通（通過）する流水路４０ａを通って、水導出口４４ａから導出する。改質ガス導入口４１ｂから導入された改質ガスは、外筒４１と筒状仕切り４３との間に形成された空間、すなわちＣＯシフト部８０から供給された改質ガスと空気（酸化空気）との混合ガスが通過する改質ガス流路４０ｂを通って、改質ガス導出口４１ａから導出する。そして、筒状仕切り４３を介して水と改質ガスとの間で熱交換が行われ、水は改質ガスによってさらに加熱され、改質ガスは降温する。また、改質ガス流路４０ｂ内においては、導入された混合ガス中の一酸化炭素は、酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は、上下環状仕切り板４５，４６の間に充填された触媒４０ｃ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）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の燃料極に供給されるようになっている。
【００２６】
燃焼部５０は、改質部６０を加熱する燃焼ガスを生成するものであり、主として図２に示すように、蒸発部３０の内側に同軸に空間をおいて配置されている。この燃焼部５０は、バーナ本体５１とバーナ燃焼部５２とから構成されている。バーナ本体５１は、上下方向中央にフランジ５１ａが形成されている。このフランジ５１ａが、蒸発部３０の内側底板３７の内周端から内側に向けて凸設した環状フランジ３７ａに取り付け固定されている。これにより、バーナ本体５１の上半分が蒸発部３０の内側に挿入されて取り付けられる。バーナ本体５１の下部には燃焼用燃料、燃焼空気（燃焼用空気）およびオフガスを導入するガス導入口５１ｂが設けられ、バーナ本体５１の上部には導入された可燃性燃料（燃焼用燃料またはオフガス）に着火する着火手段である電極５１ｃが設けられている。バーナ燃焼部５２は、筒状に形成されており、バーナ本体５１の上部に外嵌され、改質部６０の凹部６０ａ内に空間をおいて内挿され、バーナ燃焼部５２の開口が改質部６０の凹部６０ａの底部（すなわち内側天板６５）に対向させて配置されている。バーナ燃焼部５２内において、着火手段によって着火された燃焼用燃料またはオフガスが燃焼する。このバーナ燃焼部５２は、耐熱性断熱材（例えば、セラミック材、セラミックファイバ材）で形成されている。
【００２７】
このように構成された燃焼部５０においては、ガス導入口５１ｂから導入された燃焼用燃料またはオフガスが燃焼されて、その燃焼ガスがバーナ燃焼部５２の開口端から導出される。そして、この燃焼ガスは、バーナ燃焼部５２と改質部６０の筒部の内壁面との間に形成された環状流路５６ａと、改質部６０の筒部の外壁面と断熱部材５５（後述する）との間に形成されて環状流路５６ａの下部と連通する環状流路５６ｂとを通って蒸発部３０の燃焼ガス流路３０ｂに導出される。
【００２８】
なお、蒸発部３０と改質部６０との間には蒸発部３０の内壁面、すなわち蒸発部３０の内筒３２の内周壁面および内側底板３７の上面を覆うように断熱部材５５が配置されている。断熱部材５５は、筒体５５ａと、筒体５５ａの下端に外周端が接続された環状底板５５ｂとが一体形成されたものである。環状底板５５ｂの内周端はバーナ燃焼部５２の下端に気密に密接している。
【００２９】
改質部６０は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものであり、主として図２に示すように、有底円筒状に形成されている。この改質部６０は、燃焼部５０のバーナ燃焼部５２と断熱部材５５の筒体５５ａとの間の環状空間に改質部６０の筒部が挿入され、蒸発部３０に取り囲まれるように配置されている。この改質部６０は、後述する冷却部７０の環状マニホールド７３の底板７３ｂに一体的に固定されている。
【００３０】
改質部６０の筒部は、外筒６１と、この外筒６１の内側に同軸に配置された内筒６２と、両筒６１，６２の間に配設されて両筒６１，６２の間の空間を仕切る筒状の中仕切り６３とを備えている。外筒６１および中仕切り６３は、冷却部７０の環状マニホールド７３の底板７３ｂから垂下している。冷却部７０の底板７３ｂに形成された貫通孔７３ｂ１は、燃料と水蒸気との混合ガスを導入する混合ガス導入口である。外筒６１の下端には環状に形成された底板６４の外周端が接続されている。底板６４の内周端縁には、内筒６２が立設されている。内筒６２の上端開口は内側天板６５によって覆蓋されている。中仕切り６３の下端は底板６４から空間をおいて配置されている。外筒６１と中仕切り６３との間には環状押さえ板６６が嵌着され、内筒６２には中央に開口６７ａが形成されている環状仕切り板６７が嵌着されている。開口６７ａはフィルタ６８で覆われている。開口６７ａは、改質ガスを導出する改質ガス導出口である。
【００３１】
環状押さえ板６６と環状仕切り板６７との間の改質部６０内には、触媒６０ａ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガス導入口７３ｂ１から導入された燃料と水蒸気との混合ガスが触媒６０ａ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）は改質ガス導出口６７ａを通って冷却部７０に導出される。
【００３２】
冷却部７０は、改質部６０から導出された改質ガスを燃料と水蒸気との混合ガスによって降温して導出するものであり、主として図２に示すように、改質部６０と同軸に固定されている。冷却部７０は、蒸発部３０に設けた受け部２１ａに係止部２２ａとしての環状マニホールド７３の下部周縁が載置されて支持されている。冷却部７０は、ＣＯ浄化部４０の内部に空間をおいて対向させて配置され、すなわちＣＯ浄化部４０に取り囲まれるように配置されている。
【００３３】
冷却部７０は、円筒ハウジング７１を備えている。円筒ハウジング７１の上端および下端には、それぞれ環状マニホールド７２，７３の外周端が接続されている。環状マニホールド７２は、それぞれ環状に形成された天板７２ａおよび底板７２ｂと、天板７２ａおよび底板７２ｂの外周端に上下端が接続された外筒７２ｃと、天板７２ａおよび底板７２ｂの内周端に上下端が接続された内筒７２ｄとから構成されている。天板７２ａには、燃料と水蒸気との混合ガスを導入する混合ガス導入口７２ａ１が設けられている。底板７２ｂには、後述するマニホールド７６と連通する貫通孔７２ｂ１が設けられている。環状マニホールド７３も、環状マニホールド７２と同様に、それぞれ環状に形成された天板７３ａおよび底板７３ｂ、外筒７３ｃおよび内筒７３ｄから構成されている。天板７３ａには、後述するマニホールド７５と連通する貫通孔７３ａ１が設けられている。底板７３ｂには、改質部６０の外筒６１と中仕切り６３との間の環状部位に沿って複数の貫通孔７３ｂ１が形成されている。
【００３４】
両環状マニホールド７２，７３の開口７２ｅ，７３ｅの各周縁には断面方形状の内筒７４の上下端が接続されている。内筒７４の互いに対向する一対の側壁の外壁面には、縦長の箱状に形成された一対のマニホールド７５，７６が設けられている。両マニホールド７５，７６の上下端は環状マニホールド７２，７３にそれぞれ密着固定されている。内筒７４内には、両マニホールド７５，７６を連通する複数の熱交換パイプ７７が設けられている。熱交換パイプ７７の外周には表面積を大きくして熱伝達効果を向上するためのフィン７７ａが設けられている。
【００３５】
このように構成された冷却部７０においては、混合ガス導入口７２ａ１から導入された燃料と水蒸気の混合ガスは、環状マニホールド７２、貫通孔７２ｂ１、マニホールド７６、熱交換パイプ７７、マニホールド７５、貫通孔７３ａ１、環状マニホールド７３、および貫通孔７３ｂ１を通って改質部６０に導出される。一方、改質ガス導入口である環状マニホールド７３の開口７３ｅから導入された改質ガスは、内筒７４および環状マニホールド７２の開口７２ｅを通ってＣＯシフト部８０に導出される。そして、熱交換パイプ７７を介して混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われ、混合ガスは改質ガスによって加熱され、改質ガスは降温する。
【００３６】
ＣＯシフト部８０は、冷却部７０から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８０は、主として図２に示すように、冷却部７０上に同軸に固定されており、ＣＯシフト部８０が外側一体構造体２１から突出するように設けられている。ＣＯシフト部８０は、外筒８１と、外筒８１と同軸に配置された内筒８２を備えている。外筒８１および内筒８２の各下端縁には環状に形成された底板８３の外周縁および内周縁が一体的に取り付け固定されている。外筒８１の上端縁には円板状に形成された天板８４の外周縁が一体的に取り付け固定されている。天板８４と内筒８２の上端との間には隙間が形成されている。外筒８１の外周下部には改質ガスが導出される改質ガス導出口８１ａが設けられている。内筒８２の下方への延長部８２ａは、冷却部７０の環状マニホールド７２の天板７２ａ上に一体的に取り付け固定されている。延長部８２ａは冷却部７０から導出された改質ガスを導入する改質ガス導入口である。
【００３７】
ＣＯシフト部８０の内筒８２の下部には、円板状に形成されて多数の孔を有する第１支持部材８５が取り付けられ、この第１支持部材８５により内筒８２に充填された触媒８０ａ（例えば、Ｃｕ、Ｚｎ系の触媒）が支持されている。また、外筒８１と内筒８２の間の下方にも底板８３から距離を置いて環状円板に形成されて多数の孔を有する第２支持部材８６が取り付けられ、この第２支持部材８６により外筒８１と内筒８２との間に充填された触媒８０ａが支持されている。
【００３８】
この触媒８０ａ内であって改質ガス導出口８１ａ付近には、この付近の温度を検出する温度センサ８０ａ１が設けられている。温度センサ８０ａ１の検出結果は後述する制御装置９５に送信されている。温度センサ８０ａ１は外筒８１と内筒８２との間の触媒８０ａ内であれば任意の場所に設けることができる。
【００３９】
このように構成されたＣＯシフト部８０においては、改質ガス導入口８２ａから導入された改質ガスは、内筒８２、および内筒８２と外筒８１との間の空間を通って改質ガス導出口８１ａから導出する。このとき、下記化３に示すように、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒８０ａ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。
【００４０】
（化３）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ⇔ Ｈ２＋ＣＯ２＋Ｑ
【００４１】
この反応は可逆反応であり、触媒の温度によって所定の平衡状態となる。すなわち、ある平衡状態において温度を下げると、温度を下げないように上記化３の反応は右に進むが、下がった温度にて平衡状態となる。このとき、化３の反応は右に進むので一酸化炭素濃度は減少する。また、ある平衡状態において温度を上げると、温度を上げないように上記化３の反応は左に進むが、上がった温度にて平衡状態となる。このとき、化３の反応は左に進むので一酸化炭素濃度は増加する。したがって、触媒８０ａの温度すなわちＣＯシフト部８０内の温度と、ＣＯシフト部８０内の改質ガス中の一酸化炭素濃度との間には相関関係がある。特に、改質ガス導出口８１ａ付近の温度と、改質ガス導出口８１ａ付近を通過する改質ガス中の一酸化炭素濃度との相関関係を示すグラフを図５に示す。なお、この相関関係は、改質装置２０に供給される水と燃料との比であるスチーム・カーボン比（Ｓ／Ｃ）が決まれば、一義的に決定されるものである。図５に、Ｓ／Ｃ比が２．７５、３．００、３．２５の場合の相関関係をそれぞれ示すグラフを示す。
【００４２】
ＣＯシフト部８０の天板８４上には、ＣＯシフト部８０との間で熱交換を行ってＣＯシフト部８０を降温させる熱交換器９１が当接して設けられている。この熱交換器９１は、図２に示すように、ハウジング９１ａと、ハウジング９１ａ内に冷媒を導入する冷媒導入口９１ｂと、ハウジング９１ａから冷媒を導出する冷媒導出口９１ｃと、ハウジング９１ａ内を区画して冷媒が流れる冷媒流路９１ｄを形成する仕切り９１ｅから構成されている。冷媒流路９１ｄは冷媒導入口９１ｂと冷媒導出口９１ｃを連通しており、ハウジング９１ａ内で折り返されて配置されている。
【００４３】
冷媒導入口９１ｂには、図１に示すように、図示しない空気供給源と燃焼部５０のバーナ本体とを連通する空気供給管９３から分岐したバイパス管９４ａが接続されている。冷媒導出口９１ｃには、空気供給管９３に再び合流するバイパス管９４ｂが接続されている。バイパス管９４ａにはこのバイパス管９４ａを開閉する冷媒調整手段としての電磁弁９２が設けられており、電磁弁９２は制御装置９５によって開閉されて冷媒の供給量を調整するものである。これにより、電磁弁９２が開いているときには、空気供給源から供給された空気の一部がバイパス管９４ａを通って熱交換器９１に供給され、バイパス管９４ｂを通って空気供給管９３に再び合流してバーナ本体に供給される。なお、電磁弁９２は開閉弁に限らず、流量調整弁で構成するようにしてもよい。この場合にも、電磁弁９２は制御装置９５の指令によって制御されて冷媒の供給量を調整する。
【００４４】
制御装置９５には、図５に示すように、温度センサ８０ａ１、電磁弁９２および切替え装置９０（後述する）が接続されている。制御装置９５は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図６のフローチャートに対応したプログラムを実行して、入力されたＣＯシフト部８０の温度に基づいて冷媒の供給量を調整して同温度を所定範囲内に制御するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものであり、ＲＡＭは制御に関する演算値を一時的に記憶するものである。
【００４５】
上記のように構成した改質装置のＣＯシフト部８０の温度制御を図６のフローチャートに沿って説明する。制御装置９５は、改質装置２０が起動されると、上記フローチャートに対応したプログラムを所定の短時間毎に実行する。制御装置９５は、図２のステップ１００にてプログラムの実行を開始する度に、ステップ１０２にて、ＣＯシフト部８０の温度Ｔを検出する。そして、制御装置９５は、検出した温度Ｔに基づいて電磁弁９２を開閉制御して冷媒の供給量を調整する。具体的には、検出した温度Ｔが上限温度Ｔhigh（例えば、２２０℃）以上であれば、制御装置９５は電磁弁９２を開いて熱交換器９１に冷媒を供給してＣＯシフト部８０を降温する（ステップ１０４，１０６）。検出した温度Ｔが下限温度Ｔlow（例えば、２００℃）以下であれば、制御装置９５は電磁弁９２を閉じて熱交換器９１への冷媒の供給を停止してＣＯシフト部８０を昇温する（ステップ１０４，１１０，１１２）。これにより、ＣＯシフト部８０の温度が所定範囲（例えば、２００〜２２０℃）内となり、この温度と相関関係にあるＣＯシフト部８０から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度が所定範囲（例えば、０．３〜０．４％）となる。
【００４６】
上述のように構成された改質装置の定常運転時には、図１に示すように、蒸発部３０に供給された水は、流水路３０ａにおいて燃焼ガス流路３０ｂを流れる燃焼ガスによって加熱され、ＣＯ浄化部４０の流水路４０ａに導出される。ＣＯ浄化部４０の流水路４０ａに供給された水（または水蒸気）は、この流水路４０ａにおいてＣＯシフト部８０から供給されて改質ガス流路４０ｂを流れる改質ガスによって加熱され、冷却部７０のマニホールド７６に導出される。このとき、水（または水蒸気）には燃料が混合され、冷却部７０のマニホールド７６には、これらが混合された混合ガスが導出されている。
【００４７】
冷却部７０においては、導入された混合ガスが上述したように環状マニホールド７３へ到達する間に、改質部６０から供給されて内筒７４内を流れる改質ガスによって加熱され完全に気体化されて、改質部６０に導出される。改質部６０においては、導入された混合ガスが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。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７０の内筒７４に導出される。冷却部７０の内筒７４内においては、改質ガスが内筒７４を通過する間に降温され、ＣＯシフト部８０に導出される。
【００４８】
そして、ＣＯシフト部８０においては、冷却部７０から供給された改質ガスがその中に含まれる一酸化炭素を低減されてその濃度が所定範囲となってＣＯ浄化部４０の改質ガス流路４０ｂに導出される。このとき、改質ガスには酸化反応用空気が混合され、ＣＯ浄化部４０の改質ガス流路４０ｂには、これらが混合された混合ガスが導出されている。ＣＯ浄化部４０の改質ガス流路４０ｂにおいては、混合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導出され、燃料電池１０の燃料極に供給されている。
【００４９】
また、ＣＯ浄化部４０と燃料電池１０の間には切替え装置９０が設けられており、定常運転時にはＣＯ浄化部４０を燃料電池１０に連通し、起動運転時には一酸化炭素濃度が高い改質ガスを燃料電池１０に供給しないようにするためＣＯ浄化部４０を燃焼部５０のバーナ本体５１に連通するように切り替えられている。これにより、起動運転時には、外部からの燃焼用燃料またはＣＯ浄化部４０から導出された改質ガスの少なくともどちらか一方がバーナ本体５１に供給されて燃焼され、定常運転時には、燃料電池１０で未使用の水素ガス（オフガス）がバーナ本体５１に供給されて燃焼される。
【００５０】
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、ＣＯシフト部８０から導出される改質ガス中の一酸化炭素濃度は所定範囲内となっており、この一酸化炭素濃度が一定である改質ガスがＣＯ浄化部４０に供給される。したがって、ＣＯ浄化部４０においては、必要以上に酸素を投入することなく一酸化炭素濃度を所定濃度（１０ｐｐｍ以下）に減少させることができ、さらに改質ガス中の水素の酸化反応も余分に行われないため水素濃度も必要最低限の減少に抑制することができる。これにより、無駄な水素の消費がないため、改質装置２０の熱効率が低下するのを防止することができる。
【００５１】
また、ＣＯシフト部８０の改質ガス導出口８１ａ付近の温度が所定範囲内となるように制御するため、改質ガス導出口８１ａから離れた場所の温度を所定範囲内とした場合、改質ガスの温度が改質ガス導出口８１ａに到達するまでの間に変動するのに比べて、導出される改質ガスの温度変動を抑制するので、一酸化炭素濃度が所定範囲から外れることなく改質ガスが導出され、一酸化炭素濃度が一定である改質ガスが確実にＣＯ浄化部４０に供給される。
【００５２】
また、熱交換器９１の冷媒として改質装置２０に供給される燃焼空気を採用したため、従来から改質装置に供給されていた液体または気体を利用できるので、これら液体または気体以外を冷媒として採用する場合のコスト高を抑制することができる。また、この冷媒はＣＯシフト部４０によって昇温され予熱されるので、ＣＯシフト部４０の放熱を有効利用することができる。
【００５３】
また、改質装置２０の定常運転時に高温となる改質部６０、冷却部７０およびＣＯシフト部８０が、これらの構成要素より低温となる蒸発部３０、ＣＯ浄化部４０および熱交換器９１によって取り囲まれるので、改質部６０、冷却部７０およびＣＯシフト部８０からの放熱は、蒸発部３０、ＣＯ浄化部４０および熱交換器９１によって吸収される。これにより、従来系外に放出されていた熱を蒸発部３０、ＣＯ浄化部４０および熱交換器９１にて利用し、改質部６０、冷却部７０およびＣＯシフト部８０からの放熱を系外に放出するのを防止するので、改質装置２０の熱効率を向上させることができる。
【００５４】
ｂ）第２の実施の形態
以下、本発明による改質装置の第２の実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図７はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第１の実施の形態と同一の構成部分については同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。
【００５５】
上述した第１の実施の形態においては、熱交換器９１に供給する冷媒として燃焼用空気を採用したが、これに代えて、冷媒として燃料を採用するようにしてもよい。この場合、冷媒導入口９１ｂには、図示しない燃料供給源と冷却部７０とを連通する燃料供給管９６から分岐したバイパス管９７ａが接続されている。冷媒導出口９１ｃには、燃料供給管９６に再び合流するバイパス管９７ｂが接続されている。バイパス管９７ａにはこのバイパス管９７ａを開閉する電磁弁９２が設けられており、電磁弁９２は制御装置９５によって開閉されて冷媒の供給量を調整するものである。これにより、電磁弁９２が開いているときには、燃料供給源から供給された燃料の一部がバイパス管９７ａを通って熱交換器９１に供給され、バイパス管９７ｂを通って燃料供給管９６に再び合流して冷却部７０に供給される。
【００５６】
これによっても、熱交換器９１の冷媒として改質装置２０に供給される燃料を採用したため、従来から改質装置に供給されていた液体または気体を利用できるので、これら液体または気体以外を冷媒として採用する場合のコスト高を抑制することができる。また、この冷媒はＣＯシフト部４０によって昇温され予熱されるので、ＣＯシフト部４０の放熱を有効利用することができる。
【００５７】
なお、熱交換器９１に供給する冷媒として改質装置に供給される水を採用してもよい。
【００５８】
なお、上述した各実施の形態においては、熱交換器９１をＣＯシフト部８０の上面に設けるようにしたが、外壁面であれば上面以外の場所例えば外周面に設けるようにしてもよい。
【００５９】
また、上述した各実施の形態においては、冷媒調整手段として電磁弁を採用するようにしたが、これに代えて、ポンプを採用するようにしてもよい。この場合、ポンプの吐出量が制御装置９５の指令によって制御されるようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明による改質装置による第１の実施の形態を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す改質装置の拡大断面図である。
【図３】図２の３−３線に沿った断面図である。
【図４】図１に示すＣＯシフト部内の温度と一酸化炭素濃度との相関を示す図である。
【図５】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図６】図５に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図７】本発明による改質装置による第２の実施の形態を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池、１５…基台、２０…改質装置、２１…外側一体構造体、２１ａ，２２ｂ…受け部、２１ｂ，２２ａ…係止部、２２…内側一体構造体、３０…蒸発部、３０ａ…流水路、３０ｂ…燃焼ガス流路、３１…外筒、３１ａ…水導入口、３２…内筒、３２ａ…燃焼ガス導入口、３３…筒状仕切り、３４…天板、３４ａ…貫通孔（水導出口）、３５…外側底板、３６…環状仕切り、３６ａ…燃焼ガス導出口、３７…内側底板、３８…短筒、３９…波状フィン、４０…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、４０ａ…流水路、４０ｂ…改質ガス流路、４０ｃ…触媒、４１…外筒、４１ａ…改質ガス導出口、４１ｂ…改質ガス導入口、４２…内筒、４３…筒状仕切り、４４…天板、４４ａ…水導出口、４５，４６…上下環状仕切り板、５０…燃焼部、５１…バーナ本体、５１ｂ…ガス導入口、５２…バーナ燃焼部、５５…断熱部材、５６ａ，５６ｂ…環状流路、６０…改質部、６０ａ…触媒、６０ｂ…凹部、６１…外筒、６２…内筒、６３…中仕切り、６４…底板、６５…内側天板、６６…環状押さえ板、６７…環状仕切り板、６７ａ…開口、７０…冷却部、７１…円筒ハウジング、７２，７３…環状マニホールド、７４…内筒、７５，７６…マニホールド、７７…熱交換パイプ、７７ａ…フィン、８０…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、８０ａ…触媒、８０ａ１…温度センサ、８１…外筒、８１ａ…改質ガス導出口、８２…内筒、８２ａ…延長部（改質ガス導入口）、８３…底板、８４…天板、９０…切替え装置、９１…熱交換器、９２…電磁弁、９３…空気供給管、９４ａ，９４ｂ，９７ａ，９７ｂ…バイパス管、９６…燃料供給管。
【図１】
2005108651.tif 000003
【図２】
2005108651.tif 000004
【図３】
2005108651.tif 000005
【図４】
2005108651.tif 000006
【図５】
2005108651.tif 000007
【図６】
2005108651.tif 000008
【図７】
2005108651.tif 000009