(57)【要約】【課題】  高温部と低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、高温部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制することにより、改質装置の熱効率を向上させる。【解決手段】  ＣＯシフト部５０（高温部）と水加熱部８０（低温部）との間にＣＯシフト部５０からの改質ガスが流れる改質ガス降温部７０（中間温度層）を配置し、この改質ガス降温部７０により、ＣＯシフト部５０からの放熱を抑制しつつ、水加熱部８０を昇温する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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改質部と、該改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、供給された水を加熱して前記改質部に供給する水加熱部と、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、該冷却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、
前記改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち相対的に高い温度となる高温部と該高温部より低い温度の低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、該両部材間に前記高温部と低温部の中間温度となる中間温度層を設け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、前記中間温度層は、前記高温部から導出される気体の流路にて形成されたことを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項２において、前記高温部が触媒反応によって発熱するものであることを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、前記高温部、中間温度層および低温部を同軸的、かつその順番にて内側から外側に配置する構造としたことを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項において、前記高温部と前記中間温度層との間に第１断熱層を介在させたことを特徴とする改質装置。
【請求項６】
請求項５において、前記改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち前記高温部と低温部として採用されなかった部材を前記低温部の外側に配置し、その部材と前記低温部との間にさらに第２断熱層を介在させたことを特徴とする改質装置。
【請求項７】
請求項５において、前記第１断熱層は、内部に燃焼触媒が充填された、燃焼用空気と改質装置からの改質ガスまたは前記燃料電池の燃料極からのアノードオフガスとが供給される暖機ユニットから構成され、前記暖機ユニットは起動運転時に前記改質ガスまたは前記アノードオフガスを前記燃焼触媒によって燃焼し、定常運転時にはその燃焼を停止させることを特徴とする改質装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項において、前記高温部は一酸化シフト反応部であり、前記低温部は水加熱部であることを特徴する改質装置。
【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、メタノールなど）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。
【０００３】
改質装置としては、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改質部（改質触媒層）８と、この改質部８を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部（バーナ）１８と、供給された水を加熱し水蒸気を生成して改質部８に供給する水加熱部（加熱路）６９と、改質部８から導出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（シフト層）１０と、この一酸化炭素シフト反応部１０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（第１、第２ＣＯ除去触媒層１２、１３）とから構成されるものが知られている（特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に記載された改質装置においては、径の異なる筒体を重ね合わせ、この各筒体間に形成される隙間に中心から、改質部８、一酸化炭素シフト反応部１０、水加熱部６９および、一酸化炭素浄化部（第１、第２ＣＯ除去触媒層１２、１３）が順に並べられている。そして、水加熱部６９、改質部８、一酸化炭素シフト反応部１０および一酸化炭素浄化部（第１、第２ＣＯ除去触媒層１２、１３）の順番に直列に各筒体間の上部もしくは下部から接続されている。
【０００５】
改質装置は、耐熱性、耐食性、ガス気密性の観点から一般に金属材（例えばステンレス材）で形成されている。
【特許文献１】特開２００２−２９３５０９号公報（第４頁から第７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した改質装置は、一酸化炭素シフト反応部１０の外周に第５筒体６５を挟んで水加熱部６９を配置し、定常運転時において、一酸化炭素シフト反応部１０の触媒反応によって発生する熱を利用して改質部８に供給する水を加熱している。  
【０００７】
ところが、一酸化炭素シフト反応部１０において触媒反応が生じる活性温度域は、約２００〜３００℃の比較的高温であるのに対し、水加熱部６９を通過する水の温度は約１００℃の比較的低温である。このため、一酸化炭素シフト反応部１０で発生する熱が第５筒体６５を介して必要以上に加熱路６９側に放出され、一酸化炭素シフト反応部１０の温度が不安定になり温度制御性（安定性）が低下し、改質装置の熱効率が悪くなり、また、安定運転が損なわれ、信頼性が低下するという問題があった。
【０００８】
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、高温部と低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、高温部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制することにより、改質装置の熱効率、および安定運転させることで信頼性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】
【０００９】
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、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改質部と、改質部を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼部と、供給された水を加熱して改質部に供給する水加熱部と、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、冷却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、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、改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち相対的に高い温度となる高温部と高温部より低い温度の低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、両部材間に高温部と低温部の中間温度となる中間温度層を設けることである。
【００１０】
また、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、中間温度層は、高温部から導出される気体の流路にて形成されたことである。
【００１１】
また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２において、高温部が触媒反応によって発熱するものであることである。
【００１２】
また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１から請求項３のいずれか一項において、高温部、中間温度層および低温部を同軸的、かつその順番にて内側から外側に配置する構造としたことである。
【００１３】
また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１から請求項４のいずれか一項において、高温部と中間温度層との間に第１断熱層を介在させたことである。
【００１４】
また、請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち高温部と低温部として採用されなかった部材を低温部の外側に配置し、その部材と低温部との間にさらに第２断熱層を介在させたことである。
【００１５】
また、請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、第１断熱層は、内部に燃焼触媒が充填された、燃焼用空気と改質装置からの改質ガスまたは燃料電池の燃料極からのアノードオフガスとが供給される暖機ユニットから構成され、暖機ユニットは起動運転時に改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼触媒によって燃焼し、定常運転時にはその燃焼を停止させることである。
【００１６】
また、請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項１から請求項７のいずれか一項において、高温部が一酸化シフト反応部であり、低温部が水加熱部であることである。
【発明の効果】
【００１７】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、高温部と低温部を隣接させて配置して両部材間にて熱交換させる場合、中間温度層が設けられていないと高温部の隣接部は低温部との直接の熱交換によってかなり降温されるが、中間温度層が設けられているので高温部の隣接部はまず中間温度層との直接の熱交換によって低温部の温度より高い中間温度に降温され、一方、低温部は中間温度層により直接昇温されるとともに高温部により間接的に昇温される。したがって、高温部の隣接部の降温をできるだけ抑制しつつ、すなわち高温部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制しつつ、低温部を昇温することができる。
【００１８】
また、上記のように構成した請求項２に係る発明においては、高温部から導出された気体は、高温部の温度と同等の温度を維持したまま導出されてくることから、この気体を高温部と低温部の間で通過させることにより、高温部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制し、低温部を昇温することができるので、簡単な構成により中間温度層を実現することができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、触媒反応によって発熱する部材を高温部としたので、高温部は投入する原料が増加すれば発熱量が増加して昇温するが、同時に導出される生成ガス量も増加し中間温度層を流れる気体の流速も増加することにより、中間温度層の熱伝達率が高くなり、放熱量、高温部との熱交換量も増加して高温部の温度上昇を抑制することができる。また、高温部は投入する原料が減少すれば発熱量が減少して降温するが、同時に導出される生成ガス量も減少し中間温度層を流れる気体の流速も減少することにより、中間温度層の熱伝達率が低くなり、放熱量、高温部との熱交換量も減少して高温部の温度下降を抑制することができる。
【００２０】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、高温部からの放熱は、中間温度層により抑制されつつも、高温部を取り囲む中間温度層および低温部に無駄なく伝達されることから、高温部の放熱を無駄なく利用できる。
【００２１】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、高温部と中間温度層との間が第１断熱層によって断熱されているので、中間温度層を流れるガスの温度が低下してもこれに引張られて高温部の温度が低下するのを防止することができる。
【００２２】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、改質部、燃焼部、水加熱部、一酸化炭素シフト反応部および一酸化炭素浄化部のうち高温部と低温部として採用されなかった部材を低温部の外側に配置した場合、その部材と低温部との間が第２断熱層によって断熱されているので、一方の部材の温度が低下してもこれに引張られて他方の部材の温度が低下するのを防止することができる。
【００２３】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、定常運転時には高温部と中間温度層との間は暖機ユニットによって断熱され、起動運転時には高温部は暖機ユニットによって加熱される。したがって、第１断熱層は断熱機能だけでなく暖機機能を有することとなる。
【００２４】
上記のように構成した請求項８に係る発明においては、一酸化炭素シフト反応部は、その中間温度層との隣接部においても、中間温度層との直接の熱交換によって中間温度までしか降温されない。一方、水加熱部は、中間温度層により直接昇温されるとともに、一酸化炭素シフト反応部により間接的に昇温される。したがって、一酸化炭素シフト反応部の降温ができるだけ抑制され、すなわち一酸化炭素シフト反応部からの必要以上の放熱をできるだけ抑制しつつ、水加熱部を通過する水を昇温することができる。この結果、一酸化炭素シフト反応部の熱効率が向上することにより、改質装置の熱効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
ａ）第１の実施の形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１の実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。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ＣＯ浄化部６０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。
【００２６】
改質装置２０は、改質部３０、冷却部４０、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）５０、一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という。）６０、改質ガス降温部７０、水加熱部８０燃焼部９０および蒸発部９５から構成されている。本実施の形態において、ＣOシフト部５０は高温部に相当し、改質ガス降温部７０は中間温度層に相当し、水加熱部８０は低温部に相当する。
【００２７】
改質部３０は、外部から供給された燃料（例えば天然ガス、ＬＰガス、灯油、メタノールなど）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、有底円筒状に形成されている。この改質部３０は、燃焼部９０のハウジング９１とバーナ燃焼部９２との間の環状空間に改質部３０の筒部が挿入され、環状流路９３，９４に取り囲まれるように配置されている。
【００２８】
改質部３０は後述する冷却部４０の環状マニホールド４３の上面に当接して固定されている。改質部３０の底板３１には、環状マニホールド４３と連通して燃料と水蒸気との混合ガスを導入する複数の混合ガス導入口３１ａが設けられるとともに、環状マニホールド４３の開口４３ａに臨んで設けられ改質ガスを導出する改質ガス導出口３１ｂが設けられている。また改質部３０内には筒部の空間を仕切る筒状の中仕切り３２が備えられ、混合ガス導入口３１ａから導入された混合ガスが筒部先端（上端）にて折り返して流れ、改質ガス導出口３１ｂから導出されるようになっている。
【００２９】
改質部３０内には、触媒３０ａ（例えば、Ｒｕ系、Ｎｉ系の触媒）が充填されており、混合ガス導入口３１ａから導入された燃料と水蒸気との混合ガスが触媒３０ａ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）。この改質反応は吸熱反応である。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。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。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３１ｂを通って冷却部４０に導出される。
【００３０】
冷却部４０は、改質部３０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、改質部３０と同軸に配置されている。冷却部４０は、円筒ハウジング４１、環状に形成された底板４２、円筒ハウジング４１の上部に設けられた環状マニホールド４３、環状マニホールド４３の底部にそれぞれ配設された内筒４４、マニホールド４５，４６、および両マニホールド４５，４６を連通する複数の熱交換パイプ４７から構成されている。マニホールド４５には燃料と水蒸気（または水）との混合ガスを導入する導入口４５ａが設けられており、マニホールド４６には環状マニホールド４３に連通する貫通孔４６ａが設けられている。
【００３１】
混合ガス導入口４５ａから導入された混合ガスは、マニホールド４５、熱交換パイプ４７、マニホールド４６、貫通孔４６ａ、環状マニホールド４３、および改質部３０の混合ガス導入口３１ａを通って改質部３０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４３の開口４３ａから導入された改質ガスは、内筒４４および環状の底板４２の開口４２ａを通ってＣＯシフト部５０に導出される。この時、熱交換パイプ４７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。
【００３２】
ＣＯシフト部５０は、冷却部４０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り、冷却部４０に同軸に固定されている。ＣＯシフト部５０は、外筒５１と、外筒５１と同軸に配置された内筒５２を備えている。外筒５１および内筒５２の各上端縁には環状に形成された天板５３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。天板５３の開口５３ａは冷却部４０からの改質ガスを導入する導入口である。外筒５１の下端縁には円板状に形成された底板５５が一体的に取り付け固定されている。底板５５と内筒５２の下端との間には隙間が形成されている。外筒５１の外周上部には改質ガスが導出される改質ガス導出口５１ａが設けられている。天板５３の上面には、天板５３の開口５３ａの内周縁（すなわち内筒５２の上端開口周縁）から連結部５６が立設されており、この連結部５６の上端は、冷却部４０の底板４２上の開口４２ａの内周縁に取り付け固定されている。ＣＯシフト部５０の内筒５２内および内筒５２と外筒５１との間には触媒５０ａ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。この触媒５０ａは外周縁を外筒５１の内周に取り付けられたフィルタを有する支持部材５４によって支持されている。
【００３３】
このように構成されたＣＯシフト部５０においては、改質ガス導入口である開口５３ａから導入された改質ガスは、内筒５２内を通り、折り返して内筒５２と外筒５１との間の空間を通って改質ガス導出口５１ａから改質ガス降温部７０に導出される。このとき、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５０ａ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】
このＣＯシフト部５０の外周には、外側に向かって順番に改質ガス降温部７０、水加熱部８０および、ＣＯ浄化部６０が同軸的に、かつ互いに隣接されて配置されている。これらＣＯシフト部５０、改質ガス降温部７０、水加熱部８０および、ＣＯ浄化部６０は、底板５５を共通の底板としている。
【００３５】
改質ガス降温部７０は、ＣＯシフト部５０の外筒５１と、底板５５上に立設されて外筒５１の外側に同軸的に配置された筒体７１および、外周端を筒体７１の上端に接続され内周端を外筒５１の上端に接続された環状の天板７２とによって形成される環状空間からなる。天板７２には、酸化空気を導入するための空気導入ロ７１ａが形成されている。この空気導入ロ７１ａは、ＣＯシフト部５０の改質ガス導出口５１ａに接近した位置にあり、これによりＣＯシフト部５０から改質ガス降温部７０に導出された改質ガスは、改質ガス降温部７０に導入された直後に酸化空気と混合されるようになっている。筒体７１の下部には、ＣＯ浄化部６０に連通する連通路７３の一端に開口する改質ガス導出口７３ａが形成されている。
【００３６】
このように構成された改質ガス降温部７０においては、ＣＯシフト部５０の改質ガス導出口５１ａから改質ガスが導出され、空気導入口７１ａから酸化空気が供給され、これらの改質ガスと酸化空気が外筒５１と筒体７１の間を通って改質ガス導出ロ７３ａからＣＯ浄化部６０に導出される。
【００３７】
水加熱部８０は、改質ガス降温部７０の筒体７１と、底板５５上に立設されて筒体７１の外側に同軸的に配置された筒体８１および、外周端を筒体８１の上端に接続され内周端を筒体７１の上端に接続された環状の天板８２によって形成される環状空間からなる。筒体８１の上部には、後述する蒸発部９５の水導出口９６ｂから水を導入するための水導入ロ８１ａが形成されている。天板８２には、水導出口８２ａが形成されている。
【００３８】
このように構成された水加熱部８０においては、水導入口８１ａから導入された水が筒体７１と筒体８１の間を通って水導出口８２ａから導出される。このとき、通過する水は加熱される。そして、導出された水は、外部から供給される燃料と混合されて混合ガスが生成されたのち、混合ガスが冷却部４０の導入口４５ａに導入される。
【００３９】
ＣＯ浄化部６０は、改質ガス降温部７０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る。ＣＯ浄化部６０は、水加熱部８０の筒体８１と、底板５５上に立設されて筒体８１の外側に同軸的に配置された筒体６１および、外周端を筒体６１の上端に接続され内周端を筒体８１の上端に接続された環状の天板６２とによって形成される環状空間からなる。ＣＯ浄化部６０の内部には、触媒６０ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。ＣＯ浄化部６０は、筒体８１の下部に形成された改質ガス導入口６１ａが連通路７３の一端に開口し、この連通路７３によって改質ガス降温部７０の改質ガス導出ロ７３ｂと連通している。筒体６１の上部には改質ガスを燃料電池１０に導出する改質ガス導出口６１ｂが形成されている。
【００４０】
このように構成されたＣＯ浄化部６０においては、改質ガス導入口６１ａから導入された改質ガスと酸化空気との混合ガスが供給され、この導入された混合ガス中の一酸化炭素と酸素が触媒６０ａの触媒反応によって二酸化炭素になる。この触媒反応は発熱反応である。
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。
【００４１】
燃焼部９０は、改質部３０を加熱する燃焼ガスを生成するものである。この燃焼部９０は、ハウジング９１とこのハウジング９１の上部中央に下方に向けて突設されたバーナ燃焼部９２とから構成されている。バーナ燃焼部９２の上部には燃焼用燃料、燃焼空気およびオフガスを導入するガス導入口９２ａが設けられ、バーナ燃焼部９２の下部には導入された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（図示省略）が設けられている。バーナ燃焼部９２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。その燃焼ガスがバーナ燃焼部９２の下部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９２と改質部３０の筒部の内壁面との間に形成された環状流路９３と、改質部３０の筒部の外壁面とハウジング９１との間に形成されて環状流路９３の上部と連通する環状流路９４とを通って外部に排気される。
【００４２】
蒸発部９５は、水（水蒸気）と燃焼ガスとの間で熱交換する熱交換器であり、供給された水を燃焼部９０からの燃焼ガスによって加熱し水加熱部８０に供給するものであり、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９５は、燃焼部９０の外周に同軸に配置されている。  この蒸発部９５は、ハウジング９１、外筒９６、天板９７および底板９８を備えている。外筒９６は、ハウジング９１の外側に空間をおいて同軸に配置され、外筒９６の上端には、環状に形成された天板９７の外周端が接続され、天板９７の内周縁はハウジング９１の上端外周縁に接続されている。また、外筒９６の下端には、環状に形成された底板９８の外周端が接続され、底板９８の内周縁はハウジング９１の外周に接続されている。蒸発部９５は、外筒９６の上部に外部から水を導入する水導入口９６ａが形成され、外筒９６の下部に水加熱部８０の水導入口８１ａに連通する水導出口９６ｂが形成されている。
【００４３】
このように構成された蒸発部９５においては、水導入口９６ａから導入された水は、ハウジング９１と外筒９６との間に形成された環状空間を通って、水導出口９６ｂから導出される。このとき、蒸発部９５を通過する水は、環状流路９４を通って排気される燃焼ガスとの間でハウジング９１を介して熱交換を行い、水は燃焼ガスによって加熱され、燃焼ガスは降温する。
【００４４】
ＣＯ浄化部６０と燃料電池１０の間には切替え装置１００が設けられており、定常運転時にはＣＯ浄化部６０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６０を燃焼部９０のガス導入口９２ａに連通するように切替えられている。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６０から導出された改質ガスがガス導入口９２ａに供給されて燃焼され、定常運転時には、燃料電池１０の燃料極に供給され、その燃料極から排出された水素ガスを含むアノードオフガスがガス導入口９２ａに供給されて燃焼される。
【００４５】
次に上述のように構成された改質装置２０の動作について説明する。定常運転状態の改質装置２０において、燃焼部９０の環状流路９３の温度は約８００〜１４００℃であり一番高く、改質部３０は５００〜７００℃であり、冷却部４０は１５０〜７００℃であり、ＣＯシフト部５０は２００〜３００℃であり、ＣＯ浄化部６０は１００〜２００℃であり、水加熱部８０は８０℃〜１１０℃である。
【００４６】
定常運転時には、図１に示すように、冷却部４０のマニホールド４５に、蒸発部９５および水加熱部８０によって予熱された水と燃料が混合され導入される。冷却部４０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４３へ到達する間に、改質部３０から供給されて内筒４４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３０の混合ガス導入口３１ａに導出される。そして、触媒３０ａを通過する間に水蒸気改質反応によって改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成される。また、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る。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部４０の内筒４４に導出される。冷却部４０の内筒４４内においては、改質ガスが内筒４４を通過する間に降温され、ＣＯシフト部５０に導出される。そして、ＣＯシフト部５０においては、触媒５０ａの触媒反応により冷却部４０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改質ガス降温部７０に導出される。改質ガス降温部７０に導入された改質ガスは、改質ガス降温部７０に導入された直後に、空気導入口７１ａから導入された酸化空気と混合される。このとき改質ガスの温度は酸化空気によって降温される。そして、この酸化空気と混合された改質ガスは、改質ガス降温部７０を通過中において、外筒５１を挟んで隣接するＣＯシフト部５０との間ではＣＯシフト部５０の放熱を受ける一方、筒体７１を挟んで隣接する水加熱部８０に放熱し、水加熱部８０を通る水を加熱する。このため、改質ガス降温部７０を通過する改質ガスは、水加熱部８０とＣＯシフト部５０の中間温度を維持したままＣＯ浄化部６０に導出される。
【００４７】
また、改質ガス降温部７０において、空気導入ロ７１ａとＣＯシフト部５０の改質ガス導出口５１ａとが改質ガス降温部７０の経路前半の接近した位置にあることから、改質ガス降温部７０に導入された直後に、空気導入口７１ａから導入された酸化空気と混合され改質ガス降温部７０を通過し、改質ガス導入口６１ａからＣＯ浄化部６０に導出される。このため、改質ガス降温部７０を通過中に酸化空気と改質ガスは十分均一に拡散するだけの距離と時間を与えられるので、均一に混合されてＣＯ浄化部６０に供給される。また、さらに酸化空気と改質ガスの均一性向上のため、以下の２つを用いる。
【００４８】
（１）シフト部５０出口から改質ガス降温部７０入口への流路、すなわち改質ガス導出口５１ａを絞り、空気導入口７１ａから導入された酸化空気との混合性を向上させる。
【００４９】
（２）改質ガス降温部７０の出口からＣＯ浄化部６０の入口での流路、すなわち、連通路７３を絞り、混合性を向上させる。
【００５０】
これにより、ＣＯ浄化部６０での触媒６０ａによる触媒反応が良好となり、この触媒反応によって改質ガスは、一酸化炭素濃度がさらに低減されてＣＯ浄化部６０から導出されたのち、燃料電池１０の燃料極に供給される。
【００５１】
なお、上述の実施の形態では、冷却部４０に供給される水は、蒸発部９５から水加熱部８０の順番に通過させるようにしたが、水加熱部８０から蒸発部９５の順番で通過させるようにしてもよい。
【００５２】
また、上述の実施の形態においては、蒸発部９５を燃焼部９０の環状流路９４の外周に隣接して配置するようにしたが、図２に示すように、改質装置２０とは独立して蒸発部９５ａを配置してもよい。この場合、燃焼部９０から排出された排気ガスを配管９５ｂによって蒸発部９５ａに導入し、配管９５ｃによって蒸発部９５ａに導入された水との間で熱交換を行わせて水を加熱する。
【００５３】
上述の説明から明らかなように、定常運転時にＣＯシフト部５０は、触媒５０ａの触媒反応によって高熱となっている。また、ＣＯシフト部５０と外筒５１を挟んで隣接する改質ガス降温部７０では、ＣＯシフト部５０から導出された改質ガスが中間温度を維持しながら通過している。また、改質ガス降温部７０と筒体７１を挟んで隣接する水加熱部８０には、外部から供給された低温の水、または、蒸発部９５（９５ａ）を通過後の１００℃程度の水、水蒸気が通過している。このため、ＣＯシフト部５０は、その改質ガス降温部７０と隣接する外筒５１の内側付近においても、改質ガス降温部７０を通過する改質ガスとの直接の熱交換によって中間温度までしか降温されない。一方、水加熱部８０は、改質ガス降温部７０を通過する改質ガスにより直接昇温されるとともに、ＣＯシフト部５０により間接的に昇温される。したがって、ＣＯシフト部５０の降温ができるだけ抑制され、すなわちＣＯシフト部５０からの必要以上の放熱をできるだけ抑制しつつ、水加熱部８０を通過する水を昇温することができる。この結果、ＣＯシフト部５０の熱効率が向上することにより、改質装置２０の熱効率を向上できる。
【００５４】
また、触媒反応によって発熱するＣＯシフト部５０は供給される改質ガスが増加すれば触媒反応による発熱量が増加して昇温するが、同時に改質ガス降温部７０に導出される改質ガスの量も増加し、改質ガス降温部７０を流れる改質ガスの流速も増加することにより、改質ガス降温部７０の熱伝達率が高くなり、放熱量、ＣＯシフト部５０との熱交換量も増加してＣＯシフト部５０の温度上昇を抑制することができる。また、ＣＯシフト部５０は供給される改質ガスが減少すれば触媒反応による発熱量が減少して降温するが、同時に導出される改質ガスの量も減少し改質ガス降温部７０を流れる改質ガスの流速も減少することにより、改質ガス降温部７０の熱伝達率が低くなり、放熱量、改質ガス降温部７０との熱交換量も減少してＣＯシフト部５０の温度下降を抑制することができる。
【００５５】
また、ＣＯシフト部５０と水加熱部８０とを隣接させ、ＣＯシフト部５０を高温部とし、水加熱部８０を低温部としたとき、高温部であるＣＯシフト部５０から導出された改質ガスが通過する改質ガス降温部７０を中間温度層として用いていることから、簡単な構成により中間温度層を実現することができる。
【００５６】
また、水加熱部８０は、ＣＯ浄化部６０での発熱反応によるＣＯ浄化部６０の昇温を抑制、冷却する役目もあり、ＣＯ浄化部６０を１００〜２００℃の温度に維持しやすくする効果もある。同時に水加熱部８０は、ＣＯ浄化部６０からの熱を吸収し、ＣＯ浄化部６０での放熱を抑制することで、改質装置２０の熱効率を向上できる。
【００５７】
なお、上述の実施の形態においては、高温部をＣＯシフト部５０とし、低温部を水加熱部８０とし、このＣＯシフト部５０と水加熱部８０とを隣接させた構成を説明した。しかし、高温部および低温部は、この組み合わせに限られず、改質装置２０を構成する燃焼部９０、改質部３０、ＣＯシフト部５０、ＣＯ浄化部６０、水加熱部８０の中から、隣接して配置する２つの構成部材の温度を比較し、相対的に高温の構成部材を高温部とし、相対的に低温の構成部材を低温部として採用し、これら採用した高温部と低温部の間に中間温度層を設けるようにしてもよい。
【００５８】
ｂ）第２の実施の形態
以下、本発明による改質装置２０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３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のみ説明する。
【００５９】
上述した第１の実施の形態において、ＣＯシフト部５０と改質ガス降温部７０の間に第１断熱層１１０を介在させるようにしてもよい。この場合、第１断熱層１１０は、例えばセラミック、多孔質材等の断熱材を介在するか、ＣＯシフト部５０と改質ガス降温部７０の間に気体（例えば、空気）で満たした空間を形成し、気体によって断熱すればよい。
【００６０】
これによれば、改質ガス降温部７０を流れる改質ガスの温度が低下してもこれに引張られてＣＯシフト部５０の温度が低下するのを防止できる。
【００６１】
ｃ）第３の実施の形態
以下、本発明による改質装置２０の第３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４はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第２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。
【００６２】
上述した第２の実施の形態において、水加熱部８０とＣＯ浄化部６０の間に第２断熱層１２０をさらに設けるようにしてもよい。この場合、第２断熱層１２０には、第１断熱層１１０の断熱材と同様の構造材を使用することができる。
【００６３】
これによれば、第２断熱層１２０によって、ＣＯ浄化部６０と水加熱部８０のうちの一方の温度が低下してもこれに引張られて他方の温度が低下するのを防止できる。
【００６４】
ｄ）第４の実施の形態
以下、本発明による改質装置２０の第４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５はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。第３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。
【００６５】
上述した第２の実施の形態において、ＣＯシフト部５０と改質ガス降温部７０の間に第１断熱層１１０を設け、その第１断熱層１１０を断熱材または、気体で満たすようにしたが、これに代えて第１断熱層を暖機ユニット１３０によって構成するようにしてもよい。この暖機ユニット１３０は、触媒１３０ａ（Ｐｄ、Ｐｔ系触媒等）を充填し、アノードオフガスと、これとは別に外部からの空気が暖機ユニット１３０に供給されるようになっている。さらに、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスまたはＣＯ浄化部６０から導出された改質ガスが燃焼部３０に供給される流路の途中には、燃焼部３０と暖機ユニット１３０に選択的にアノードオフガスまたは改質ガスを供給するための切替え装置１４０を設けている。
【００６６】
これによれば、改質装置２０の起動時における暖機運転時には、切替え装置１４０を操作して暖機ユニット１３０にアノードオフガスまたは改質ガスを供給し、暖機ユニット１３０の触媒燃焼によってＣＯシフト部５０を暖気する。また、定常運転時には、暖機ユニット１３０へのアノードオフガスおよび空気の供給を停止し、暖機ユニット１３０の触媒１３０ａ充填部を断熱材として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【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】本発明による改質装置による第１の実施の形態の変形例を示す概要図である。
【図３】本発明による改質装置による第２の実施の形態の概要を示す概要図である。
【図４】本発明による改質装置による第３の実施の形態の概要を示す概要図である。
【図５】本発明による改質装置による第４の実施の形態の概要を示す概要図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…燃料電池、２０…改質装置、３０…改質部、３０ａ…触媒、４０…冷却部、５０…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部：高温部）、５０ａ…触媒、６０…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、６０ａ…触媒、７０…改質ガス降温部（中間温度層）、８０…水加熱部（低温部）、９０…燃焼部、９５，９５ａ…蒸発部、１１０…第１断熱層、１２０…第２断熱層、１３０…暖機ユニット、１３０ａ…触媒。
【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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