(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、
原燃料から硫黄成分を除去する脱硫部と、
脱硫部で硫黄成分が除去された原燃料から改質ガスを生成する改質部と、
前記改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、
前記シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、
前記改質部と前記シフト変成部と前記選択酸化部とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部を収納する改質反応筒と、
原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、
前記改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きく、該改質反応筒の側面全体を覆う外筒と、
前記改質反応筒と前記外筒との間に形成され、前記改質反応筒を加熱するために前記燃焼排ガスが通過する加熱流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池用改質装置。
【請求項２】
前記燃焼手段は、前記改質反応筒の改質部側の端部に形成された燃焼室に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項３】
前記加熱流路は、前記燃焼排ガスが改質部側から選択酸化部側に向かって通過するように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項４】
前記改質部に水蒸気を供給するために前記燃焼排ガスによる加熱により水が気化される水蒸気供給路と、
前記改質反応筒の内部を通過するとともに前記脱硫部が途中に接続されており、前記改質部に昇温された原燃料を供給するために前記燃焼排ガスによる加熱により原燃料が昇温される原燃料供給路と、を更に備え、
前記脱硫部は、水素との反応で硫黄を除去する水添脱硫触媒を有し、
前記原燃料供給路は、前記水蒸気供給路と、前記脱硫部の下流側で合流していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【請求項５】
前記水蒸気供給路は、前記加熱流路の内部に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項６】
前記水蒸気供給路は、前記改質反応筒に接触するように設けられていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項７】
前記選択酸化部は、
前記シフト変成部を通過した改質ガスが前記改質反応筒の内面に沿って燃焼室側と反対側へ向かう第１流路と、該第１流路を通過した改質ガスが燃焼室側に向かうように内側に折り返された第２流路とを含む折り返し流路と、
前記第２流路に設けられている触媒層と、
を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【請求項８】
前記水蒸気供給路は、前記第１流路に接触するように設けられていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項９】
前記脱硫部は、前記改質部と前記シフト変成部との間に設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【請求項１０】
前記脱硫部は、前記改質反応筒の軸方向の位置が前記シフト変成部と重なっていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池用改質装置。
【請求項１１】
前記シフト変成部は、環状に形成されており、
前記脱硫部は、前記シフト変成部の内周部に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用改質装置。
【請求項１２】
前記脱硫部は、環状に形成されており、
前記シフト変成部は、前記脱硫部の内周部に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を、燃料電池システムにおいて使用される改質ガスに改質する燃料電池用改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、水素が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生する。実用的には、固体高分子形燃料電池の燃料となる水素は、比較的容易かつ安価に入手可能な天然ガス、ナフサ等の炭化水素系ガスまたはメタノール等のアルコール類の原燃料ガスと水蒸気とを混合して、改質器で改質することで得ている。改質により得られた水素ガスは燃料電池の燃料極に供給され、発電に用いられる。
【０００３】
一般に、改質器は、水蒸気による原燃料ガスの改質反応に必要な熱を供給するためのバーナを備える。バーナで燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを、燃焼筒から改質反応部の近傍に設けられた経路に導くことにより、燃焼ガスの熱エネルギーが改質反応に利用される（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、原燃料ガスとして用いられる都市ガスやプロパンガスは、ガス漏れを感知しやすいように付臭剤として有機硫黄成分が添加されている。有機硫黄成分を含んだ都市ガスやプロパンガス等がそのまま改質器に供給されると、改質器の触媒に有機硫黄成分が付着し、硫黄被毒により改質器の改質性能が低下することになる。そのため、脱硫器を備えた改質装置が考案されている（例えば、特許文献３、４参照）
【特許文献１】特開２００７−１５９１１号公報
【特許文献２】国際公開第０３／０７８３１１号パンフレット
【特許文献３】特開２００３−１２３０２号公報
【特許文献４】特開２００２−３５６３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２記載の改質器は、バーナで燃料を燃焼して発生した燃焼排ガスを改質部の内側に流すことで、燃焼排ガスの熱エネルギーを高温の水蒸気の生成や改質部の昇温に用いているため、改質部を燃焼排ガス流路の外側に配置しなければならない。また、改質部により生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素を低減するための一酸化炭素変成部や一酸化炭素除去部が、改質部を備えている流路の更に外側に配置されているため、流路が複雑となっている。その結果、改質部の径が大径化してしまうとともに、改質装置全体の複雑化、大型化を招く一因となっている。また、このような改質器に脱硫機能を追加しようとする場合、その構造は更に複雑なものとなる。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成の燃料電池用改質装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池用改質装置は、原燃料を水素リッチな改質ガスに改質する燃料電池用改質装置であって、原燃料から硫黄成分を除去する脱硫部と、脱硫部で硫黄成分が除去された原燃料から改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部と、シフト変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化して低減する選択酸化部と、改質部とシフト変成部と選択酸化部とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部を収納する改質反応筒と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段と、改質反応筒の外周に配置され、該改質反応筒より径が大きく、該改質反応筒の側面全体を覆う外筒と、改質反応筒と外筒との間に形成され、改質反応筒を加熱するために燃焼排ガスが通過する加熱流路と、を備える。
【０００８】
この態様によると、改質部とシフト変成部と選択酸化部とがこの順番に一つの改質反応筒に収納されているとともに、更に脱硫部も収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するとともに、硫黄成分も除去すことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池用改質装置の構成を簡易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、説明の都合上、図の上下左右と対応させて各部材間の位置関係を説明するが、あくまでも相対的な位置関係でありこれに限定されるものではない。例えば、上下を反転した態様にすることも可能である。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置１０は、原燃料であるメタンやプロパン、ブタン等を水蒸気改質により水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１２】
燃料電池用改質装置１０は、原燃料から改質ガスを生成する改質部１２と、改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減するシフト変成部１４と、シフト変成部１４を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択酸化反応により選択酸化し低減する選択酸化部１６と、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とをこの順番に直線状に収納するとともに、更に脱硫部１６０を収納する改質反応筒１８と、原燃料を燃焼して燃焼排ガスを生成する燃焼手段としてのバーナ２０と、改質反応筒１８の外周に同軸に配置され、改質反応筒１８より径が大きい外筒２２と、を備える。外筒２２の周囲は、複数の配管が外部と連通している箇所を除いて断熱材２４で覆われている。
【００１３】
バーナ２０は、空気取入口２６から取り入れた空気と燃料取入口２８から取り入れた原燃料オフガスとを混合して燃焼させる。バーナ２０で原燃料ガスが燃焼することによって、１２００〜１３００℃の高温の燃焼排ガスが発生する。バーナ２０は、改質反応筒１８の改質部１２側の端部に形成された燃焼室３０に配置されているとともに、外筒２２の下部に固定されている。これにより、バーナ２０で生成された燃焼排ガスの熱をすぐに改質部１２における改質反応に用いることができるので、熱効率を向上することができる。
【００１４】
改質反応筒１８と外筒２２との間には、改質反応筒１８を加熱するために前述の燃焼排ガスが通過する加熱流路３２が形成されている。
【００１５】
改質部１２は、改質反応筒１８の底部に設けられている改質反応筒１８より外径の小さいケース３４と、ケース３４の下方に収納された、ニッケルやルテニウム等の金属粒子をアルミナに担持した改質触媒を含む触媒層３６とを有する。ケース３４の上面には、原燃料と水蒸気とが混合された状態で流入する開口部３８が形成されている。また、ケース３４は、触媒層３６の側面から改質ガスが通過できるように、側面に通気口が設けられている。
【００１６】
原燃料は、改質反応筒１８、外筒２２、断熱材２４とを貫通する原燃料供給路４０を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から改質部１２の触媒層３６に供給される。この際、原燃料は、加熱流路３２を流れる燃料排ガスや改質反応筒１８の内部の改質ガスにより昇温されるとともに、改質ガスの温度を低下させる。
【００１７】
また、原燃料供給路４０は、改質反応筒１８の内部を通過するとともに脱硫部１６０が途中に接続されている。脱硫部１６０は、硫黄などの不純物を含む原燃料を触媒の存在下で水素と反応させて硫黄成分を除去する、いわゆる水素化脱硫方式（水添脱硫方式ともいう）の装置である。原燃料供給路４０には、燃料電池で使用されなかった水素リッチなガスや改質ガスの一部を脱硫部１６０に戻すための戻りライン（不図示）が脱硫部１６０の上流側に接続されている。
【００１８】
脱硫部１６０は、供給される原燃料ガスと、通常その原燃料ガスの１０ｖｏｌ％の量のＨ２ガスを含むリサイクルガスとの合流ガスを脱硫する。水添脱硫触媒としてはＣｏ−Ｍｏ系やＮｉ−Ｍｏ系が用いられ、吸着剤としては酸化亜鉛系触媒が用いられる。この水添・吸着脱硫反応（ＲＣＨ２ＳＨ＋Ｈ２→ＲＣＨ３＋Ｈ２Ｓ  ＺｎＯ＋Ｈ２Ｓ→ＺｎＳ＋Ｈ２Ｏ）によって、原燃料ガスは、含まれる硫黄成分の濃度が２０〜５０ｐｐｂ程度まで脱硫される。
【００１９】
また、有機硫黄のうちＲＳＨやＣＯＳは、条件（例えば、２５０〜４００℃）によっては酸化亜鉛系触媒でも吸着されるが、一般にはＣｏ−ＭｏまたはＮｉ−Ｍｏ系の水添脱硫触媒上で一度Ｈ２Ｓに変化した後にＺｎＯで吸着されるのが普通である。触媒としては、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒、Ｎｉ−Ｚｎ系の触媒等を、その動作温度やコスト等を考慮して適宜選択してもよい。本実施の形態に係る脱硫部１６０における脱硫反応温度は３５０℃〜４００℃である。
【００２０】
また、改質部１２における改質反応に必要な水蒸気は、水蒸気供給路４２を経由して燃料電池用改質装置１０の外部から供給された改質水から生成される。外部から供給された液体である改質水は、燃焼排ガスや改質反応筒１８の内部で昇温されている改質ガスにより気化され、水蒸気として触媒層３６に供給されるとともに、シフト変成部１４や選択酸化部１６の温度を低下させる。
【００２１】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０において、原燃料供給路４０は、水蒸気供給路４２と、水蒸気供給路４２において通過する水が気化される箇所より下流側の合流部４４で合流している。換言すると、原燃料供給路４０と水蒸気供給路４２とは、脱硫部１６０の下流側で合流している。これにより、水蒸気供給路４２を通過する水や水蒸気が脱硫部１６０に混入することが防止され、脱硫部１６０の脱硫性能の低下が抑制される。水蒸気供給路４２は、外筒２２および改質反応筒１８の内部において、その一部が螺旋状に巻かれたコイル形状を有しており、表面積が増すことで水が気化しやすくなっているため、合流部４４より上流側の少なくともコイルの下端では水蒸気が生成されている。
【００２２】
本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０のように、燃焼排ガスの加熱による原燃料の昇温と水の気化とが別々の原燃料供給路４０および水蒸気供給路４２で行われた後に原燃料と水蒸気とが合流することで、各供給路における原燃料の昇温や水の気化による水蒸気の供給の制御が容易となる。
【００２３】
シフト変成部１４は、例えば、酸化銅や酸化亜鉛のペレットからなる触媒層４６と、触媒層４６を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板４８とを有する。シフト変成部１４は、触媒層４６の働きにより改質ガスに含まれる水蒸気を用いたシフト反応により一酸化炭素を低減することができる。
【００２４】
選択酸化部１６は、例えば、アルミナで担持した一酸化炭素選択酸化触媒からなる触媒層５０と、触媒層５０を担持するとともに下方から上方へ改質ガスが透過するように孔が形成されている仕切り板５２とを有する。選択酸化部１６では、触媒層５０の働きにより酸素で一酸化炭素を酸化し二酸化炭素にすることで、一酸化炭素の濃度が更に低減される。
【００２５】
シフト変成部１４と選択酸化部１６との間の領域には、選択酸化部１６で消費される酸素を供給するために、燃料電池用改質装置１０の外部と連通している空気供給路５４の先端部５６が配置されている。これにより、先端部５６から流入する空気は、シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスとともに上昇し、選択酸化部１６における反応に寄与する。
【００２６】
選択酸化部１６の上方の、改質反応筒１８の上面には、開口部５８が形成されている。開口部５８には、一酸化炭素が十分低減された改質ガスを不図示の燃料電池の燃料極へ送出する改質ガス送出管６０が接続されている。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０の動作について説明する。バーナ２０で生成された燃焼排ガスは、改質反応筒１８の下面を加熱した後に加熱流路３２を上昇しながら改質反応筒１８を側面から加熱する。この際、触媒層３６は、改質反応筒１８を介して改質反応に必要な温度、例えば、６００〜７００℃の範囲に加熱される。また、水蒸気供給路４２は、直接的または改質反応筒１８を介して間接的に燃料排ガスにより加熱され、内部を通る改質水が気化される。一方、燃料排ガスは、加熱流路３２を上昇するに従い水蒸気供給路４２により冷却され徐々に温度が低下する。なお、加熱流路３２を通過した燃焼排ガスは、外筒２２の上部に形成された排出口６２から外部へ排出される。
【００２８】
水蒸気供給路４２で気化された水蒸気と原燃料供給路４０で昇温された原燃料とは合流部４４で混合され、ケース３４の内部を下方に送り出される。水蒸気を含む原燃料ガスは、触媒層３６の内部を通過する際に燃焼排ガスの熱により徐々に加熱され、改質反応により水素リッチな改質ガスに変化する。
【００２９】
原燃料ガスを改質することにより得られた改質ガスは、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を上昇し、シフト変成部１４に到達する。ここで、改質部１２における改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気供給路４２の熱回収により温度が低下した改質ガスがシフト変成部１４に到達することになる。シフト変成部１４におけるシフト反応は、例えば、２００〜３００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても適度な温度を維持することが可能である。これにより、改質ガスはシフト変成部１４において一酸化炭素が低減される。
【００３０】
なお、シフト変成部１４における温度が適温とならない装置の場合、バーナ２０での原燃料の燃料量を調整したり、シフト変成部１４近傍の水蒸気供給路４２のコイルの巻き数を増減させたりすることで調整可能である。
【００３１】
シフト変成部１４で一酸化炭素が低減された改質ガスは更に、供給される原燃料ガスの流れによって改質反応筒１８の内部を整流板６４に流れを規制されながら上昇し、選択酸化部１６に到達する。その際、空気供給路５４から供給された空気も改質反応筒１８内を上昇し、選択酸化部１６に到達する。
【００３２】
選択酸化部１６は、水蒸気供給路４２の流入口６６近傍に配置されているため、改質ガスの温度は改質水による冷却によりシフト変成部１４における改質ガスの温度より低温となっている。選択酸化部１６における選択酸化反応は、シフト変成部１４におけるシフト反応より低温な、例えば、７０〜２００℃の範囲で行われ、水蒸気供給路４２の熱回収で熱バランスをとっているので、特段の温度制御をしなくても改質ガスを適度な温度に維持することが可能である。これにより、改質ガスは選択酸化部１６において更に一酸化炭素が低減される。
【００３３】
上述のように、燃料電池用改質装置１０は、改質部１２とシフト変成部１４と選択酸化部１６とがこの順番に一つの改質反応筒１８に収納されているとともに、更に脱硫部１６０も収納されているため、複雑な形状の流路を形成することなく、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するとともに、硫黄成分も除去することができる。しかも、脱硫部を装置の外部に設ける場合と比較して、改質反応筒の内部に脱硫器を備えることで装置全体をコンパクトにすることができる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過するので、改質反応筒１８の内部の改質部１２における改質反応に必要な熱を供給することができ、ヒータ等の加熱手段が不要となる。また、改質反応筒１８と外筒２２との間を加熱流路３２とすることで、折り返しや多くの筒を要する流路を必要とせずに簡素な構成で燃料電池用改質装置１０を実現することができる。
【００３４】
換言すると、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０においては、折り返しや多くの筒を要する流路が設けられていないため、部品点数の低減や製造工程の簡素化によりコストが低減される。また、外筒２２の外周部を断熱材２４で覆うことで装置全体の断熱性を容易に確保することができるので、断熱材２４を装着する際の工程を簡素化することができる。
【００３５】
また、加熱流路３２は、燃焼排ガスが改質部１２側から選択酸化部１６側に向かって通過するように形成されているので、燃焼排ガスは、改質反応筒１８や水蒸気供給路４２と熱交換をしながら徐々に温度が低下する。そのため、燃焼排ガスは、反応温度が高い改質部から反応温度の低い選択酸化部へと適度に温度が低下しながら加熱流路３２の内部を通過することになる。そのため、流路の折り返しや新たな加熱手段を設けずに加熱流路３２を直線的に形成することが可能となる。
【００３６】
また、燃料電池用改質装置１０は、改質反応筒１８と外筒２２との間の加熱流路３２を燃焼排ガスが通過することで脱硫部１６０における脱硫反応に必要な熱が供給されるので、脱硫部１６０を装置の外部に設けた場合と比較してヒータ等の加熱手段が不要となり、装置全体の熱効率が向上する。また、脱硫部１６０を装置の外部に設ける場合と比較して、原燃料供給路４０の流路を短くすることができる。
【００３７】
また、図１に示すように、脱硫部１６０は、改質部１２とシフト変成部１４との間に設けられている。これにより、改質部１２を加熱した燃焼排ガスや、改質ガスにより脱硫反応に必要な熱が供給される。そのため、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０は、装置の動作時における定常温度まで脱硫部を効率よく昇温することができる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１１０の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る燃料電池用改質装置１１０は、脱硫部１６２が、改質反応筒１８の軸方向の位置がシフト変成部１６４と重なる位置に配置されている。これにより、改質反応筒１８の縦方向がコンパクトになり、燃料電池用改質装置１１０を小型化することができる。また、シフト変成部１６４は、環状に形成されており、脱硫部１６２は、シフト変成部１６４の内周部に設けられている。これにより、燃料電池用改質装置１１０は、起動時にシフト変成部１６４の温度を効率よく昇温することができる。
【００３９】
また、本実施の形態に係る脱硫部１６２は、脱硫反応温度が２００℃〜３００℃程度になるように設定されているとよい。一般的に、シフト変成部１６４におけるシフト反応温度は２００℃〜３００℃程度となっている。また、脱硫部１６２における硫黄成分は数ｐｐｍ程度であるため、脱硫反応による発熱も僅かである。そのため、シフト反応により発熱する触媒層４６を水で冷却しながら熱バランスをとっているシフト変成部１６４と脱硫部１６２とが接するよう構成することで、脱硫部１６２をシフト反応温度と同程度の２００℃〜３００℃の温度に維持することが容易となる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
上述の各実施の形態に係る燃料電池用改質装置では、水蒸気供給路４２が改質反応筒１８の内部を通過するとともにシフト変成部１４の触媒層４６や選択酸化部１６の触媒層５０を貫通するように設けられている。そのため、水蒸気供給路４２が触媒層５０に直接接触している部分では触媒温度が必要以上に低下し、反応が充分行われない可能性がある。そこで、本実施の形態では、水蒸気供給路の配置を工夫することで触媒層の温度が必要以上に低下することを防止している。
【００４１】
図３は、第３の実施の形態に係る燃料電池用改質装置２１０の構成を示す断面図である。燃料電池用改質装置２１０は、第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置１０と比較して、水蒸気供給路１４２が加熱流路３２の内部に設けられている点が大きく異なる。このような構成により、シフト変成部１４の触媒層４６や選択酸化部１６の触媒層５０は、改質反応筒１８を介して水蒸気供給路１４２により間接的に冷却されるため、各触媒層の一部の温度が極端に低下することが抑制される。その結果、例えば、選択酸化部１６において一酸化炭素が十分に反応せずに未反応の一酸化炭素が燃料電池の燃料極へ送出されることが抑制される。また、水蒸気供給路１４２は、改質反応筒１８に接触するように設けられていてもよい。これにより、燃焼排ガスからの熱回収だけでなく、触媒層４６，５０における反応熱をより多く回収するとともに、触媒層４６，５０をより冷却することが可能となる。また、改質反応筒１８内部の改質ガスをより冷却することも可能となる。
【００４２】
また、上述の各実施の形態に係る燃料電池用改質装置のように、選択酸化部１６の触媒層５０が円柱形状の場合、触媒層５０の直径が大きくなったとき、触媒層の中心部分の除熱が充分に行われない可能性がある。このような場合、触媒層５０の中心部分が高温となり正常で効率のよい反応が困難となる。特に、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置２１０のように水蒸気供給路１４２を改質反応筒１８の外側に配置した場合、除熱が不十分となる傾向が強い。そのため、例えば、選択酸化部１６の触媒層５０の温度が適正な温度範囲を超えると、改質ガス中の水素を酸化する副反応が生じてしまう可能性がある。
【００４３】
そこで、本実施の形態に係る燃料電池用改質装置２１０においては、選択酸化部１６の触媒層１５０は、リング状に形成されている。これにより、触媒層５０は、適正な温度範囲の制御が困難な中心部が中空となっているため、望ましくない副反応の発生が抑制される。
【００４４】
（第４の実施の形態）
図４は、第４の実施の形態に係る燃料電池用改質装置３１０の構成を示す断面図である。前述のように選択酸化部における触媒反応は、適正な温度範囲で行われる必要がある。通常、選択酸化部の触媒層においては改質ガスが流入する入口側で最も反応が起こるため、触媒層の温度も入口側が高く出口側が低くなる傾向がある。そのため、選択酸化部の触媒層に流入する改質ガスの温度が高すぎると、触媒層の入口近傍における反応温度が適正な温度範囲を超えて高くなる可能性がある。
【００４５】
そこで、燃料電池用改質装置３１０において、選択酸化部１１６は、折り返し流路１１８と折り返し流路１１８の途中に設けられたリング状の触媒層２５０とを有する。折り返し流路１１８は、シフト変成部１４を通過した改質ガスが改質反応筒１８の内面に沿って燃焼室３０側と反対側へ向かう第１流路１２０と、第１流路１２０を通過した改質ガスが燃焼室３０側に向かうように内側に折り返された第２流路１２２とからなる。また、触媒層２５０は、第２流路１２２に設けられている。
【００４６】
これにより、改質ガスは、触媒層２５０の入口側に到達する前に、第１流路１２０においてその外周に配置されている水蒸気供給路１４２を流れる低温の改質水によって熱が奪われる。したがって、触媒層２５０の入口側における反応温度を適正な温度範囲まで低減することが可能となる。また、水蒸気供給路１４２は、第１流路１２０に接触するように設けられていてもよい。これにより、触媒層２５０の入口側に流入する改質ガスの温度をより低減することが可能となる。
【００４７】
また、第１流路１２０と第２流路１２２は並んで配置されているため、触媒層２５０における反応熱を改質ガスを介して回収することも可能である。また、改質ガスは、第２流路において触媒層２５０を燃焼室３０側に向かって流れるため、触媒層２５０の出口側における反応熱が少ない場合でも第１流路１２０に流入する改質ガスにより温度の低下を抑制することができる。その結果、触媒層２５０において入口側の反応温度より低くくなる傾向の出口側の反応温度の低下が抑制され、触媒層２５０全体が触媒反応に適正な温度範囲に維持される。
【００４８】
ここで、触媒層２５０の反応温度は、１００〜２００℃の範囲に維持されているとよい。好ましくは、１２０〜１８０℃の範囲に維持されているとよい。より好ましくは、１３０〜１７０℃の範囲に維持されているとよい。温度が低すぎる領域では反応が不十分となる。また、温度が高すぎる領域では必要のない副反応が先行してしまう。
【００４９】
なお、本実施の形態のように折り返し流路１１８を設けることで、選択酸化部１１６の触媒層２５０の入口側を、選択酸化部１１６のシフト変成部１４より離れた側に配置することが可能となる。したがって、シフト変成部１４と選択酸化部１１６との距離を長くしなくても、換言すれば改質反応筒１８の長手方向を伸ばさなくても、実質的にシフト変成部１４を通過した改質ガスが選択酸化部１１６の触媒層２５０に到達するまでの距離が長くなるため、触媒層２５０の入口側に到達する改質ガスの温度を下げることができる。その結果、燃料電池用改質装置３１０の長手方向をコンパクトにすることが可能となる。
【００５０】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００５１】
上述の燃料電池用改質装置は、ガスと水との熱交換部において、ガス側の伝熱を促進させるために、ガス側通路にアルミナボールやマクマホンパッキン等の拡散により伝熱性を上げる物を充填してもよい。例えば、改質部１２とシフト変成部１４との間、シフト変成部１４と選択酸化部１６（１１６）との間、選択酸化部１６（１１６）の上部、水蒸気供給路４２の入口側における燃焼排ガスとの熱交換部、等に伝熱促進物が充填されていてもよい。
【００５２】
上述の燃料電池用改質装置１１０は、脱硫部１６２がシフト変成部１６４の内周部に設けられているが、シフト変成部１６４が脱硫部１６２の内周部に設けられていてもよい。これにより、燃料電池用改質装置１１０は、起動時に脱硫部１６２の温度を効率よく昇温することができる。
【００５３】
また、上述の燃料電池用改質装置に用いられる原燃料としては、例示されているメタンやプロパン、ブタン等に限られるものではない。例えば、天然ガス、プロパン・ブタンを主成分とするＬＰＧ、ナフサ、灯油等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、ジメチルエーテル等のエーテル類、等を、原燃料として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【図２】第２の実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【図３】第３の実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【図４】第４の実施の形態に係る燃料電池用改質装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  燃料電池用改質装置、  １２  改質部、  １４  シフト変成部、  １６  選択酸化部、  １８  改質反応筒、  ２０  バーナ、  ２２  外筒、  ３２  加熱流路、  ４０  原燃料供給路、  ４２  水蒸気供給路、  １１０  燃料電池用改質装置、  １６０  脱硫部、  １６２  脱硫部、  １６４  シフト変成部。  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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