(57)【要約】【課題】起動時における、各触媒の昇温を速やかに達成できる燃料改質装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の燃料改質装置は、改質触媒と、変成触媒と、選択酸化触媒と、前記改質触媒を加熱する燃焼触媒と、前記燃焼触媒に熱を供給する第１の加熱手段と、前記燃焼触媒の温度が前記原燃料ガスを燃焼可能な温度に達している際に、前記燃焼触媒に前記原燃料ガスを供給し、前記燃焼触媒における前記原燃料ガスの燃焼時に発生する熱により前記改質触媒を加熱する第２の加熱手段とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部と、前記改質触媒を加熱する燃焼触媒と、前記燃焼触媒に熱を供給する第１の加熱手段と、前記燃焼触媒の温度が前記原燃料ガスを燃焼可能な温度に達している際に、前記燃焼触媒に前記原燃料ガスを供給し、前記燃焼触媒における前記原燃料ガスの燃焼時に発生する熱により前記改質触媒を加熱する第２の加熱手段と、を備える燃料改質装置。
【請求項２】
不活性ガスを、前記改質触媒、前記変成触媒、前記選択酸化触媒の順に循環させ、当該不活性ガスにより、前記改質触媒の熱を後流の前記変成触媒及び前記選択酸化触媒に供給し、前記変成触媒及び前記選択酸化触媒を加熱する循環手段をさらに備える、請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
第１の加熱手段がバーナーである、請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部と、不活性ガスを、前記改質触媒、前記変成触媒、前記選択酸化触媒の順に循環させ、当該不活性ガスにより、前記改質触媒の熱を後流の前記変成触媒及び前記選択酸化触媒に供給し、前記変成触媒及び前記選択酸化触媒を加熱する循環手段と、を備える燃料改質装置。
【請求項５】
炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部と、前記改質触媒を加熱する燃焼触媒と、前記燃焼触媒に熱を供給する第１の加熱手段とを備える燃料改質装置の運転制御方法であって、
第１の加熱手段により、前記燃焼触媒を加熱する第１の加熱工程と、
前記燃焼触媒の温度が前記原燃料ガスを燃焼可能な温度に達した後、前記燃焼触媒に前記原燃料ガスを供給し、前記燃焼触媒における前記原料ガスの燃焼時に発生する熱により前記改質触媒を加熱する第２の加熱工程とを有する、燃料改質装置の運転制御方法。
【請求項６】
第２の加熱工程において、前記改質触媒の加熱とともに第１の加熱手段による前記燃焼触媒の加熱を行う、請求項５に記載の燃料改質装置の運転制御方法。
【請求項７】
不活性ガスを、前記改質触媒、前記変成触媒、前記選択酸化触媒の順に循環させ、当該不活性ガスの循環により、前記改質触媒の熱を後流の前記変成触媒及び前記選択酸化触媒に供給し、前記変成触媒及び前記選択酸化触媒を加熱する工程を有する、請求項５又は６に記載の燃料改質装置の運転制御方法。
【請求項８】
炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部を備える燃料改質装置の運転制御方法であって、
不活性ガスを、前記改質触媒、前記変成触媒、前記選択酸化触媒の順に循環させ、当該不活性ガスの循環により、前記改質触媒の熱を後流の前記変成触媒及び前記選択酸化触媒に供給し、前記変成触媒及び前記選択酸化触媒を加熱する工程、を有する燃料改質装置の運転制御方法。
【請求項９】
請求項１乃至３いずれかに記載の燃料改質装置と、前記燃料改質装置により生成された水素含有ガスを燃料とする燃料電池と、前記燃料電池の発電に伴って発生する熱を熱源として加熱された水を貯水する貯水タンクとを備え、第１の加熱手段は前記貯水タンク内の水を加熱する手段でもある、燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料改質装置と、前記燃料改質装置により生成された水素含有ガスを燃料とする燃料電池と、前記燃料電池の発電に伴って発生する熱を熱源として加熱された水を貯水する貯水タンクと、を備える燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記燃料改質装置は、炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部と、前記改質触媒を加熱する燃焼触媒と、前記燃焼触媒に熱を供給する第１の加熱手段とを備え、
第１の加熱手段により、前記燃焼触媒を加熱する第１の加熱工程と、
前記燃焼触媒の温度が前記原燃料ガスを燃焼可能な温度に達した後、前記燃焼触媒に前記原燃料ガスを供給し、前記燃焼触媒における前記原料ガスの燃焼時に発生する熱により前記改質触媒を加熱する第２の加熱工程と、
第１の加熱手段により、前記貯水タンク内の水を加熱する工程と、を有する燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項１１】
第２の加熱工程において、前記改質触媒の加熱とともに第１の加熱手段による前記燃焼触媒の加熱を行う、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等に必要な水素を生成するために用いられ、炭化水素からなる原燃料ガスを水蒸気により水素リッチの改質ガスに変換する燃料改質装置、及び当該燃料改質装置の運転制御方法に関する。さらに、燃料改質装置と当該燃料改質装置によって生成された水素を燃料とする燃料電池とを備えた燃料電池システム、及び当該燃料電池システムの運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料改質装置は、炭化水素からなる原燃料ガスを改質部にて改質触媒下で水蒸気により水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理し、その改質処理ガスを変成部にて変成触媒下で改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理し、その変成処理ガスを選択酸化部にて選択酸化触媒下で変成処理ガス中の一酸化酸素を選択酸化することにより選択酸化処理して、一酸化炭素濃度の低い水素リッチな水素含有ガスを生成するものであり、生成水素含有ガスは、例えば、燃料電池における発電反応用の燃料ガスとして用いられる。
【０００３】
燃料改質装置の運転中は、改質触媒を改質処理に適正な温度（以下、改質処理温度ともいう）、変成触媒を変成処理に適正な温度（以下、変成処理温度ともいう）、選択酸化触媒を選択酸化処理に適正な温度（以下、選択酸化温度ともいう）に維持する必要がある。尚、改質処理温度は例えば６００〜７００℃の範囲、変成処理温度は例えば１５０〜２５０℃の範囲、選択酸化処理温度は８０〜１５０℃の範囲である。
【０００４】
燃料改質装置においては、簡単な制御にて改質触媒と、変成触媒と、選択酸化触媒とをそれぞれに適正な温度に維持して運転することができる技術が望まれている。
【０００５】
従来技術として、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒を、改質触媒と選択酸化触媒との間に変成触媒が位置し、隣接するもの同士で熱伝導可能なように設け、改質触媒を改質処理に適した温度に維持するように、改質用バーナーの加熱能力を調節し、且つ、選択酸化触媒を選択酸化処理に適正な温度に維持するように、選択酸化部冷却手段の冷却能力を調節する燃料改質装置の運転制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
上記方法においては、改質触媒の熱を変成触媒及び選択酸化触媒に伝導することにより、すなわち高温部から低温部へ熱伝導することにより、熱を有効に利用できるとともに、各部を速やかに加熱できるという利点を有する。しかしながら、改質触媒の加熱を改質反応に必要な熱を与えるためのバーナーのみで行っており、装置全体を十分に加熱するための熱が足りず改質触媒を改質処理温度まで加熱するのに長時間を要した。  
【０００７】
さらに、上記方式においては通常運転においても、バーナーを用いて粒状の改質触媒の加熱を行っているので、改質部の加熱手段と改質触媒との温度差が大きかった。特許文献１の実施形態においては、改質触媒の設定温度が６４２．９℃であるのに対して、バーナーの温度が８３８．７℃であり、約２００℃の温度差があった。加熱手段（特許文献１においてはバーナー）と加熱対象（改質部）との温度差が大きい場合、各部の材質として加熱手段の温度に合わせた温度耐性を有する材質を使用する必要があり、コストが高くなるばかりではなく、製造が困難となる場合がある。また、燃料消費量が多くなり、通常運転のコストが高くなる。
【特許文献１】特開２００２−３５６３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、起動時における、各触媒の昇温を速やかに達成できる燃料改質装置及びその運転制御方法を提供することを課題とする。すなわち、起動時における改質触媒の所定温度までの昇温時間を短縮可能な燃料改質装置及びその運転制御方法を提供することを課題とする。また、燃料改質装置の各部の形状に関係なく、簡単な手段によって、各部を速やかに適正温度まで昇温可能な燃料改質装置及びその運転制御方法を提供することを課題とする。さらに、上記燃料改質と燃料電池とを備える燃料電池システム及びその運転制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料改質装置は、上記課題を達成するために、炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部と、前記改質触媒を加熱する燃焼触媒と、前記燃焼触媒に熱を供給する第１の加熱手段と、前記燃焼触媒の温度が前記原燃料ガスを燃焼可能な温度に達している際に、前記燃焼触媒に前記原燃料ガスを供給し、前記燃焼触媒における前記原燃料ガスの燃焼時に発生する熱により前記改質触媒を加熱する第２の加熱手段と、を備える構成とする。第１の加熱手段を用いて燃焼触媒を加熱し、第２の加熱手段を用いて改質触媒を加熱することにより、燃焼触媒、改質触媒の昇温速度を速くすることができる。
【００１０】
好ましくは、不活性ガスを、前記改質触媒、前記変成触媒、前記選択酸化触媒の順に循環させ、当該不活性ガスにより、前記改質触媒の熱を後流の前記変成触媒及び前記選択酸化触媒に供給し、前記変成触媒及び前記選択酸化触媒を加熱する循環手段をさらに備える、構成とする。循環される不活性ガスにより、変成触媒、選択酸化触媒の昇温が速やかに達成され、加熱により各触媒に与える負担を低くすることができる。
【００１１】
第１の加熱手段としては、例えばバーナーを用いることができる。
【００１２】
また、本発明の燃料改質装置は、炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部と、不活性ガスを、前記改質触媒、前記変成触媒、前記選択酸化触媒の順に循環させ、当該不活性ガスにより、前記改質触媒の熱を後流の前記変成触媒及び前記選択酸化触媒に供給し、前記変成触媒及び前記選択酸化触媒を加熱する循環手段と、を備える構成とする。
【００１３】
本発明の燃料改質装置の運転制御方法は、炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部と、前記改質触媒を加熱する燃焼触媒と、前記燃焼触媒に熱を供給する第１の加熱手段とを備える燃料改質装置の運転制御方法であって、第１の加熱手段により、前記燃焼触媒を加熱する第１の加熱工程と、前記燃焼触媒の温度が前記原燃料ガスを燃焼可能な温度に達した後、前記燃焼触媒に前記原燃料ガスを供給し、前記燃焼触媒における前記原料ガスの燃焼時に発生する熱により前記改質触媒を加熱する第２の加熱工程とを有する。このように制御することにより、燃焼触媒、改質触媒の昇温速度を速くすることができる。なお、第２の加熱工程において、前記改質触媒の加熱とともに第１の加熱手段による前記燃料触媒の加熱を行ってもよい。
【００１４】
好ましくは、不活性ガスを、前記改質触媒、前記変成触媒、前記選択酸化触媒の順に循環させ、当該不活性ガスの循環により、前記改質触媒の熱を後流の前記変成触媒及び前記選択酸化触媒に供給し、前記変成触媒及び前記選択酸化触媒を加熱する工程を有する。
【００１５】
また、本発明の燃料改質装置の運転制御方法は、炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部を備える燃料改質装置の運転制御方法であって、不活性ガスを、前記改質触媒、前記変成触媒、前記選択酸化触媒の順に循環させ、当該不活性ガスの循環により、前記改質触媒の熱を後流の前記変成触媒及び前記選択酸化触媒に供給し、前記変成触媒及び前記選択酸化触媒を加熱する工程を有する。
【００１６】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料改質装置と、前記燃料改質装置により生成された水素含有ガスを燃料とする燃料電池と、前記燃料電池の発電に伴って発生する熱を熱源として加熱された水を貯水する貯水タンクとを備え、第１の加熱手段は前記貯水タンク内の水を加熱する手段でもある構成とする。このような構成によると、機器点数を少なくすることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムの運転制御方法は、燃料改質装置と、前記燃料改質装置により生成された水素含有ガスを燃料とする燃料電池と、前記燃料電池の発電に伴って発生する熱を熱源として加熱された水を貯水する貯水タンクと、を備える燃料電池システムの運転制御方法であって、前記燃料改質装置は、炭化水素からなる原燃料ガスを改質触媒下で水蒸気と反応させることにより水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部と、前記改質部から供給される改質処理ガスを変成触媒下で当該改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部と、前記変成部から供給される変成処理ガスを選択酸化触媒下で当該変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部と、前記改質触媒を加熱する燃焼触媒と、前記燃焼触媒に熱を供給する第１の加熱手段とを備え、第１の加熱手段により、前記燃焼触媒を加熱する第１の加熱工程と、前記燃焼触媒の温度が前記原燃料ガスを燃焼可能な温度に達した後、前記燃焼触媒に前記原燃料ガスを供給し、前記燃焼触媒における前記原料ガスの燃焼時に発生する熱により前記改質触媒を加熱する第２の加熱工程と、第１の加熱手段により、前記貯水タンク内の水を加熱する工程と、を有する。なお、第２の加熱工程において、前記改質触媒の加熱とともに第１の加熱手段による前記燃料触媒の加熱を行ってもよい。
【００１８】
ここで、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒、燃焼触媒の材料は、好ましくは、銅、クロム、マンガン、ニッケル、鉄、コバルト、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金、金、銀、マグネシウム、カルシウム、ランタン、チタン、ジルコニウム、イットリウム及びセリウムから選択される金属またはこれらの金属の酸化物の中から選択される。各触媒は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼および銅等の材料からなる板、チューブ、フィン付きチューブ、波板およびフィン付き板のいずれかの形状の金属基材に上記触媒材料が担持された構成（以下、まとめてプレート型触媒という）であっても良いし、上記触媒材料からなる粒状物を充填したものであっても良い。なお、燃焼触媒と改質触媒は、これらを隣接して配置し、燃焼触媒で発生する熱を改質触媒に効率良く伝導できるためには、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒、及び燃焼触媒としてプレート型触媒を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、燃料改質装置において、改質触媒の所定温度への加熱を、短時間で達成することが可能となる。また、変成触媒、選択酸化触媒の所定温度への加熱を、速やかに達成することができる。
【００２０】
本発明によると、燃料電池システムにおいて、燃料改質装置に使用する加熱手段と、燃料電池に使用する加熱手段とを兼用することができるので、機器点数を少なくすることができる。また、燃料改質装置からの燃料の供給が起動後短時間で達成されるので、燃料電池による迅速な電気の供給が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
【００２２】
（第１の実施形態）
以下、図面に基づいて、第１の実施形態の燃料電池システムを説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システムを示すフローシートである。燃料電池システムは、燃料改質装置１、燃料電池６０、貯水タンク１９等を備える。
【００２３】
図１に示すように、燃料改質装置１は、供給される炭化水素からなる原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部１５と、供給される蒸留水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部３０と、脱硫原燃料ガスを蒸発部３０で生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質部２０と、改質部２０から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成部４０と、その変成部４０から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化部５０と、不図示の制御部とを備え、一酸化炭素ガス濃度の低い水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成されている。
【００２４】
燃料電池６０は、高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池である。燃料改質装置１によって生成された水素含有ガスは、燃料電池６０のアノード６１に燃料ガスとして供給される。燃料ガス中の一酸化炭素は、燃料電池の電極触媒の触媒毒となって電池寿命を低下させる要因となるので、燃料改質装置１は、上記のように、一酸化炭素ガス濃度の低い水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成されている。
【００２５】
脱硫部１５においては、例えば１５０〜２７０℃の範囲の脱硫処理温度で、脱硫触媒にて原燃料ガス中の硫黄化合物が水素化され、その水素化物が酸化亜鉛に吸着されて脱硫される。脱硫部１５における脱硫反応は発熱反応である。尚、本明細書において「〜」は以上、以下という意味であり、上記「１５０〜２７０℃」とは、１５０℃以上２７０℃以下という意味である。本実施形態では、供給される全ての原燃料ガスが脱硫部１５を通過する構成としたが、改質用の原燃料ガスのみ脱硫部１５を通過するように構成しても良い。
【００２６】
改質部２０においては、改質触媒２２の触媒作用により、例えば６００〜７００℃の範囲の改質処理温度で、バルブＶ２を介して供給される原燃料ガスと蒸発処理部３２から供給される水蒸気とが改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。改質部２０における改質反応は吸熱反応である。原燃料ガスがメタンガスである場合、改質反応は下記の化学反応式（１）で表される。
［化１］
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２        （１）
変成部４０においては、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、変成触媒４１の触媒作用により、例えば１５０〜２５０℃の範囲の変成処理温度の下で、下記の化学反応式（２）にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。
［化２］
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２          （２）
変成触媒４１での化学反応式（２）の反応は発熱反応である。従って、変成部４０は、変成触媒４１を適正な温度に保つため冷却部４２を備える。冷却部４２では、外部から供給される空気により空冷を行う。
【００２７】
選択酸化部５０においては、選択酸化触媒５１の触媒作用によって、例えば８０〜１５０℃の選択酸化処理温度の下で、変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスがバルブＶ７を介して供給される空気中の酸素により下記の化学反応式（３）にて選択酸化される。
［化３］
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２      （３）
選択酸化触媒５１での化学反応式（３）の反応は発熱反応である。従って、選択酸化部５０は、選択酸化触媒５１を適正な温度に保つための冷却部５２を備える。冷却部５２では、外部から供給される空気による空冷を行う。尚、変成部４０の冷却部４２及び選択酸化部５０の冷却部５２ともに、その冷却方法は空冷に限定されない。変成触媒４１、選択酸化触媒５１それぞれを、適正な温度に維持可能な冷却方法であれば良い。
【００２８】
燃料改質装置１により生成された水素含有ガスは燃料ガスとして、燃料電池６０に供給される。燃料電池６０は、燃料改質装置１からアノード６１に供給される水素ガスと、ブロア（図示せず）からカソード６２に供給される反応用空気中酸素との電気化学反応により水の生成と同時に発電する構成である。燃料電池６０での反応は、下記の化学反応式（４）で示される。
［化４］
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ    （４）
燃料電池６０で発生した電気は外部に取り出される（不図示）。また、燃料電池６０内部では、わずかながら電気抵抗があるため熱エネルギーが発生し、内部が昇温する。従って、燃料電池６０は、熱回収部６３において、水循環ポンプ７を介して供給される蒸留水により熱回収し、昇温部分を冷却するように構成されている。熱回収部６３から排出された温水は、熱交換部７０に供給され、ここで給湯用の水に熱伝導し、給湯用の水を加熱する。加熱された給湯水は、貯水タンク１９に貯水され、必要に応じて外部に取り出されて使用される。また、カソード６２からは、燃料電池６０での電気化学反応により生じた水が排気に混じって排出され、かかる排気は熱交換部７０に送られる。排気中の水は、熱交換部７０にて蒸留水として回収される。貯水タンク１９内の給湯水は、熱交換器８２を介して、バーナー１１により加熱される。ここで加熱される水量は、ポンプ８１により調整される。
【００２９】
バーナー１１では、バルブＶ１を介して供給される原燃料ガスと、空気ブロアー１２からバルブＶ６，Ｖ４を介して供給される空気中の酸素との下記化学反応式（５）に示す燃焼反応により高温の燃焼ガスが発生する。バーナー１１による加熱は、高温の燃焼ガスを熱媒体とするものである。
［化５］
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ      （５）
改質触媒２２、変成触媒４１、選択酸化触媒５１は、起動運転時に加熱され、通常運転時には、上述の適正温度に保持される。各触媒の起動運転時の加熱方法について説明する。改質触媒２２は、隣接する燃焼触媒２１から熱伝導され、加熱される。変成触媒４１、選択酸化触媒５１の加熱は、循環ブロアー１３によって、改質触媒２２、変成触媒４１、選択酸化触媒５１の順に循環される不活性ガスを熱媒体として加熱される（循環手段）。改質触媒２２が燃焼触媒２１により加熱されると昇温し、改質触媒２２から送出される不活性ガスも昇温する。かかる不活性ガスを熱媒体として加熱される変成触媒４１、選択酸化触媒５１は、改質触媒２２の昇温に伴って昇温する。尚、変成触媒４１、選択酸化触媒５１の加熱手段として、さらに他の加熱手段を備える構成であっても良い。
【００３０】
変成触媒４１、選択酸化触媒５１の昇温の程度は、各触媒の構成、不活性ガスの流量等の条件によって異なる。本実施形態では、改質触媒２２が６００〜７００℃に維持されている状態で、選択酸化触媒５１が８０〜１５０℃となるように制御可能であり、かかる状態において変成触媒４１が１５０〜２５０℃となるように、各触媒を構成し、各条件を設定する。したがって、循環ブロアー１３を通過する不活性ガスは１５０℃以下であるので、循環ブロアー１３は１５０℃の熱耐性を有する構成であれば良い。
【００３１】
循環ブロアー１３によって循環される不活性ガスとしては、好ましくは窒素ガスを用いる。燃料改質装置１の運転停止時は、改質触媒２２を空気中の酸素から隔離するため、改質触媒２２、変成触媒４１、選択酸化触媒５１そして改質触媒２２を結ぶ流路をバルブＶ７を介して供給される不活性ガスで満たしておくようにする。したがって、起動運転時は、停止時に満たされている不活性ガスを循環ブロアー１３で循環させるのみであり、新たな不活性ガスの供給は不要である。通常運転時において、上記流路は改質触媒２２から送出される改質ガスの流路等となるので、通常運転への移行の際に、上記流路中の不活性ガスをバルブＶ８，Ｖ９，Ｖ１０、燃焼触媒３１，２１を経由して熱回収部３３の後部の排気口より排気する。
【００３２】
燃焼触媒２１は、起動運転時に、バーナー１１により加熱される（第１の加熱手段）。バーナー１１は、貯水タンク１９内の給湯水を加熱するためのバーナーであり、都市ガス等の燃料を使うため大容量のものとできる。したがって、少ない機器点数でありながら、燃焼触媒２１を短時間で昇温させることができる。また、燃焼触媒２１が原燃料ガスを燃焼可能な温度（例えば、６００〜７００℃）に達した際は、バルブＶ３を介して原燃料ガスを供給し、燃焼触媒２１においても上記化学反応式（５）に示す燃焼反応が起こり、かかる燃焼反応により生じる燃焼熱が、改質触媒２２の加熱に寄与することとなる（第２の加熱手段）。第１の加熱手段と第２の加熱手段による加熱によって、改質触媒２２の加熱を促進することができる。
【００３３】
通常運転時の改質触媒２２の加熱は、燃焼触媒２１でのアノードオフガスの燃焼と、原燃料ガスの燃焼とによる。アノードオフガスは、燃料電池６０から排出されて、バルブ１０を介して供給される水素ガスである。アノードオフガスの燃焼反応は下記の化学反応式（６）で表される。
［化６］
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ      （６）
アノードオフガスの燃焼熱のみでは、改質触媒２２を適正な温度に保持するために十分でない場合は、バルブＶ３を介して原燃料ガスを供給し、上記化学反応式（５）で表される燃焼反応を促進する。尚、触媒がプレート型触媒であれば燃焼触媒２１による改質触媒２２の加熱において、加熱手段（燃焼触媒）と加熱対象（改質触媒）との温度差を低いものとすることができる。例えば、燃焼触媒２１の温度が７１０℃で、改質触媒２２の温度を７００℃に維持できる構成が可能である。従って、温度を低く設定できるので、燃料消費量を低減させることができる。
【００３４】
蒸発部３０は、改質部２０の燃焼触媒２１から排出された燃焼ガスの熱を回収する熱回収部３３と、燃料電池６０から排出されて、バルブＶ１０を介して供給される水素ガスであるアノードオフガスをガス燃料として燃焼させる燃焼触媒３１と、熱回収部３３と燃焼触媒３１による加熱にて水供給ポンプ１４より供給される原料水を蒸発させる蒸発処理部３２とから構成される。
【００３５】
バルブＶ８は、起動運転時は選択酸化触媒５１と循環ブロアー１３を結ぶ流路を開状態とし（図１に示す状態）、通常運転時は選択酸化触媒５１とバルブＶ９を結ぶ流路を開状態とする。バルブＶ９は、起動運転移行直後は、一酸化炭素濃度が十分に低減されていないので、バルブＶ８とバルブＶ１０を結ぶ流路を開状態（バルブＶ９の「第１の状態」とする）とし、改質処理ガスが燃料電池６０に供給されないように制御し、選択酸化触媒５１から送出される水素含有ガスの一酸化炭素濃度が所定値以下となったら、バルブＶ８と燃料電池６０のアノード６１を結ぶ流路を開状態（バルブＶ９の「第２の状態」とする）とする。バルブＶ９が第１の状態にあるとき、バルブＶ１０は、バルブＶ９と燃焼触媒３１とを結ぶ流路を開状態とする。一方、バルブＶ９が第２の状態にあるとき、バルブＶ１０は、アノード６１と燃焼触媒３１を結ぶ流路を開状態とし、アノードオフガスが燃焼触媒３１に供給されるようにする。
【００３６】
運転制御方法
以下、図１に示す燃料電池システムの運転制御方法とともに、各要素の動作を説明する。以下では、原料ガスとしてメタンを用いた場合について説明する。まず、起動時の運転制御方法を説明する。元バルブＶ６を開け、バルブＶ４で一定ガス流量となるように制御し、バーナー１１、燃焼触媒２１、熱回収部３３に空気ブロアー１２からの空気を流通する。
【００３７】
メタンをバルブＶ１からバーナー１１に供給し、バーナー１１に着火して、高温（８００〜８５０℃）の燃焼ガスを生成する。バーナー１１からの高温の燃焼ガスを、燃焼触媒２１、熱回収部３３に流通し、高温の燃焼ガスを熱媒体として、燃焼触媒２１、熱回収部３３が加熱される（第１の加熱工程）。燃焼触媒２１の熱は、改質触媒２２に伝導され、改質触媒２２は加熱される。
【００３８】
燃焼触媒２１の温度を計測し、メタンの着火温度（６００〜７００℃）に達した時点で、燃焼触媒２１にもバルブＶ３から原燃料ガスとなるメタンを供給し、燃焼させる（第２の加熱工程）。このとき、燃焼触媒２１では、燃焼反応（化学反応式（５）で示される）により熱を発生する。発生した熱により改質触媒２２の昇温がさらに加速する。メタンの燃焼熱による改質触媒２２の加熱とともに、起動時からのバーナー１１による燃焼触媒２１の加熱も継続し、改質触媒２２が改質処理温度に達するまで燃焼触媒２１を加熱する。
【００３９】
バルブＶ８は、起動運転時及び停止動作時には、選択酸化触媒５１と循環ブロアー１３を結ぶ流路を開状態とする（図１に示す状態）。循環ブロアー１３は、改質触媒２２が所定の温度に達するまで初期流量で運転し、改質触媒２２の焼き付きを防止するとともに、改質触媒２２の熱を後流の変成触媒４１、選択酸化触媒５１に供給する。改質触媒２２を空気中の酸素から隔離するため、停止時に窒素パージしているので、循環されるガスは窒素ガスである。窒素パージのための窒素の導入は、バルブＶ７を介して行う。
【００４０】
改質触媒２２が所定の温度（７００℃）に達したときに、改質触媒２０の温度を所定の温度に維持するよう、循環する窒素ガス量を増加し、改質触媒２２の昇温を防ぐとともに、改質触媒２２内で加熱された窒素ガスを熱媒体として、後流の変成触媒４１、選択酸化触媒５１を加熱する。選択酸化触媒５１の温度が選択酸化処理温度である８０〜１５０℃に達した時点で、バーナー１１での燃焼反応と循環ブロアー１３による窒素の循環を停止する。このとき、変成触媒４１の温度は１５０〜２５０℃である。
【００４１】
次に、通常運転に移行する。以下、通常運転時の運転制御方法を説明する。通常運転時は、蒸留水を気体の状態で供給するととともに、改質触媒２２にバルブＶ２を介して原燃料ガスを供給する。蒸留水の生成は、蒸発部３０で行われる。まず、水供給ポンプ１４から蒸留水を蒸発部３０内の蒸発処理部３２に供給する。蒸発処理部３２は、熱回収部３３によって蒸留水を気化可能な温度に加熱されているため、蒸発処理部３２に供給された蒸留水は気化する。その後、気化した蒸留水が改質触媒２２へ供給される。尚、蒸発の熱量が不足した場合は、燃焼触媒３１でのアノードオフガス中に含まれる水素の燃焼反応により不足の熱量を補う。燃焼触媒３１での燃焼反応は、バルブＶ５を介して供給される空気量を調節することにより発熱量を調整する。
【００４２】
改質触媒２２において、供給される水蒸気とメタンの比率が所定の範囲内となるように、改質触媒２２へのメタンの供給がなされる。改質触媒２２へ原燃料ガスが供給されると上記の化学反応式（１）で示す改質処理反応が起こる。
【００４３】
通常運転時の改質触媒２２の加熱には、温度管理をしやすく、低温度で反応でき、バーナーよりもコンパクトな燃焼触媒２１を使う。改質触媒２２の温度が一定になるようにバルブＶ３から燃焼触媒２１に入れる原燃料ガスの供給量を変動させる。
【００４４】
改質触媒２２から出た改質ガスは変成触媒４１に送られ、上記化学反応式（２）で示される変成処理がなされた後バルブＶ７より空気を供給し、選択酸化触媒５１では、上記化学反応式（３）で示される一酸化炭素の選択酸化処理がなされる。変成部４０、選択酸化部５０での処理により一酸化炭素濃度の低い水素含有ガスが生成される。尚、変成部４０及び選択酸化部５０では、上記変成処理及び選択酸化処理を行うとともに、冷却部４２、５２による触媒４１、５１の冷却を行う。
【００４５】
バルブＶ８は、起動運転から通常運転への移行時に、選択酸化触媒５１とバルブＶ９を結ぶ流路が開状態となるように切り替えられる。また、通常運転移行直後は、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が高いので、バルブＶ９はバルブＶ１０とを結ぶバイパスライン５が開状態となる（図１に示す状態）ように制御され、水素含有ガスがアノード６１に供給されないようにする。そして、通常運転移行後、水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が所定の値以下となったら、バルブＶ９およびバルブＶ１０を切り替えてバルブＶ８とアノード６１を結ぶ流路を開状態とし、アノード６１への水素含有ガスの供給を開始する。
【００４６】
アノード６１への水素含有ガスの供給と同時に、カソード６２への空気の供給を開始し、また、水循環ポンプ７を介した熱回収部６３への蒸留水の供給を開始し、燃料電池６０での電気化学反応を促進する。燃料電池６０で発生した電気は、外部へ取り出される。熱交換部７０においては、熱回収部６３から排出された加熱された蒸留水を熱源として給湯用の水が加熱され、貯水タンク１９に貯水される。貯水タンク１９中の温水は必要に応じて取り出されて使用される。例えば、家庭用の風呂水として使用される。貯水タンク１９中の温水は、必要に応じてバーナー１１により加熱される。
【００４７】
以下に、燃料改質装置１及び燃料電池６０の運転を停止させる方法を説明する。燃料改質装置１の運転を停止する際には、バルブＶ１、Ｖ２を閉め、原燃料ガスの供給を停止させる。また、水供給ポンプ１４を停止させる。バルブＶ９、Ｖ１０を図１に示す状態として、バルブＶ８を図１に示す状態としてバルブＶ７を介して窒素ガスを導入し、循環ブロアー１３を用いて、改質触媒２２、変成触媒４１、選択酸化触媒５１そして改質触媒２２を結ぶ流路を窒素パージする。燃料電池６０においては、水循環ポンプ７からの蒸留水の供給を停止させる。燃料改質装置１内の温度が十分に低下するまで空気ブロアー１２は運転し、バルブＶ４、Ｖ５を開として改質触媒２２を冷却する。燃料改質装置１内の温度が十分に低下したら、空気ブロアー１２を停止し、元バルブＶ６を閉める。
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の燃料電池システムを示すフローシートである。第１の実施形態の燃料電池システムと同じ構成要素には同じ番号を付して説明を省略する。
【００４８】
脱硫部１５は、改質触媒２２及び燃焼触媒２１に供給される原燃料ガスの脱硫処理を行うように構成されている。改質部２０において、起動運転時の改質触媒２２の加熱は、バーナー１１での燃焼反応によって生じる高温の燃焼ガスから熱回収を行う熱回収部２３によってなされる。尚、熱回収部２３は、改質触媒２２の加熱とともに、燃焼触媒２１の加熱も行う。通常運転時の改質触媒２２の加熱は、燃焼触媒２１によってなされる。通常運転時は、燃焼触媒２１におけるアノードオフガスである水素ガスの燃焼反応によって、燃焼触媒２１が改質触媒２２へ改質処理可能な温度に維持される。また、熱が不足するときには、バルブＶ３よりメタン等の燃料を加えて調整する。したがって、燃焼触媒２１から改質触媒２２へ熱伝導され、改質触媒２２が改質処理可能な温度に維持される。
（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態の燃料電池システムを示すフローシートである。第１の実施形態の燃料電池システムと同じ構成要素には同じ番号を付して説明を省略する。
【００４９】
本実施形態の燃料電池システムは、改質部２０の温度分布を少なくするために、熱交換器８３により、燃焼触媒２１から排出されるガスと、燃焼触媒２１に導入されるガスとの熱交換がなされ、熱交換器８４により、改質触媒２２から排出されるガスと、改質触媒２２に導入されるガスとの熱交換がなされる。その他の構成は、第１の実施形態の燃料電池システムと同じである。
（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態の燃料電池システムを示すフローシートである。第１の実施形態の燃料電池システムと同じ構成要素には同じ番号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システムは、改質部２０の温度分布を少なくするために、熱交換器８５により、熱回収部２３から排出されるガスと、燃焼触媒２１に導入されるガスとの熱交換がなされ、熱交換器８６により、改質触媒２２から排出されるガスと、改質触媒２２に導入されるガスとの熱交換がなされる。その他の構成は、第２の実施形態の燃料電池システムと同じである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の燃料改質装置は、水素ガスを燃料として使用する燃料電池等に有用である。水素含有ガスを供給するまでの起動時間を短くすることができるので、特に、家庭用の燃料電池への水素含有ガスの供給用途等、常時供給をつづける状態にない使用において、必要時に迅速な燃料の供給が可能となり有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムのフローシートを示す図。
【図２】第２の実施形態の燃料電池システムのフローシートを示す図。
【図３】第３の実施形態の燃料電池システムのフローシートを示す図。
【図４】第４の実施形態の燃料電池システムのフローシートを示す図。
【符号の説明】
【００５３】
１    燃料改質装置
５    バイパスライン
７    水循環ポンプ
１１  バーナー
１２  空気ブロアー
１３  循環ブロアー（循環手段）
１４  水供給ポンプ
１９  貯水タンク
２０  改質部
２１  燃焼触媒
２２  改質触媒
２３  熱回収部
３０  蒸発部
３１  燃焼触媒
３２  蒸発処理部
３３  熱回収部
４０  変成部
４１  変成触媒
５０  選択酸化部
５１  選択酸化触媒
６０  燃料電池
６１  アノード
６２  カソード
６３  熱回収部
【図１】
2005166580.tif 000003
【図２】
2005166580.tif 000004
【図３】
2005166580.tif 000005
【図４】
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