(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＯ除去器のＣＯ除去触媒層を低コスト且つ短時間で最適温度に昇温することができ、また、ＣＯ除去触媒層全体を均一に最適温度に維持することができる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】ＣＯ除去触媒層６２に隣接して燃焼排ガス流路６３を設け、この燃焼排ガス流路６３に改質器１１から排出されるバーナー１５の燃焼排ガスを流通させて、当該燃焼排ガスによりＣＯ除去触媒層６２を加熱昇温する構成とする。また、ＣＯ除去触媒層６２の周囲を囲むようにして冷却空気流路６４を設け、ＣＯ除去触媒層６２の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして冷却水流路６５を設ける。また、燃焼排ガス流路６３、改質ガス流路６１及び冷却空気流路６４には伝熱促進材層９１，９５，９９を設ける。燃焼排ガス流路６３及び改質ガス流路６１は、二重流路とする。また、ＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温のために電気ヒータ６６も設ける。【選択図】図２
2007335224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器で生成された改質ガスが酸化剤ガスとともに流通する改質ガス流路と、この改質ガス流路に設けたＣＯ除去触媒層とを有し、このＣＯ除去触媒層において前記改質ガス中のＣＯを選択的に酸化することより、前記改質ガスからＣＯを除去する構成のＣＯ除去器において、
前記ＣＯ除去触媒層に隣接して燃焼排ガス流路を設け、この燃焼排ガス流路に前記改質器から排出されるバーナーの燃焼排ガスを流通させることにより、当該燃焼排ガスによって前記ＣＯ除去触媒層を加熱昇温する構成としたことを特徴とするＣＯ除去器。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＯ除去器において、
前記ＣＯ除去触媒層の周囲を囲むようにして気体冷却材流路を設け、この気体冷却材流路に気体冷却材を流通させることにより、当該気体冷却材によって前記ＣＯ除去触媒層を冷却する構成とし、
且つ、前記気体冷却材流路の外側に位置するとともに前記ＣＯ除去触媒層の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして液体冷却材流路を設け、この液体冷却材流路に液体冷却材を流通させることにより、当該液体冷却材によって前記ＣＯ除去触媒層を冷却する構成としたことを特徴とするＣＯ除去器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＣＯ除去器において、
少なくとも前記燃焼排ガス流路及び前記気体冷却材流路には粒状の伝熱促進材を充填してなる伝熱促進材層を設けたことをと特徴とするＣＯ除去器。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のＣＯ除去器において、
前記燃焼排ガス流路は、第１燃焼排ガス流路とこの第１燃焼排ガス流路の周囲を囲む第２燃焼排ガス流路とを有する二重流路であって、且つ、前記第１燃焼排ガス流路の燃焼排ガス流通方向下流側と前記第２燃焼排ガス流路の燃焼排ガス流通方向上流側とが連通し、前記燃焼排ガスが当該連通部で折り返して前記第１燃焼排ガス流路側から前記第２燃焼排ガス流路側へ流入する構成であり、
前記改質ガス流路は、第１改質ガス流路と第２改質ガス流路とを有するとともに前記第２改質ガス流路が前記第２燃焼排ガス流路の周囲を囲み、前記ＣＯ除去触媒層が設けられた前記第１改質ガス流路が前記第２改質ガス流路の周囲を囲む二重流路であって、且つ、前記第１改質ガス流路の改質ガス流通方向下流側と前記第２改質ガス流路の改質ガス流通方向上流側とが連通し、前記改質ガスが当該連通部で折り返して前記第１改質ガス流路側から前記第２改質ガス流路側に流入する構成であることを特徴とするＣＯ除去器。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載のＣＯ除去器において、
前記ＣＯ除去触媒層を加熱昇温する電気ヒータを設けたことを特徴とするＣＯ除去器。
【請求項６】
改質ガスを生成する改質器と、
この改質器で生成された改質ガスからＣＯを除去する請求項１〜４の何れか１項に記載のＣＯ除去器と、
このＣＯ除去器でＣＯが除去された改質ガスが供給される燃料電池と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
改質ガスを生成する改質器と、
この改質器で生成された改質ガスからＣＯを除去する請求項５に記載のＣＯ除去器と、
このＣＯ除去器でＣＯが除去された改質ガスが供給される燃料電池と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池発電システムにおけるＣＯ除去器の昇温運転方法であって、
前記燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを流通させ、且つ、前記電気ヒータをＯＮにすることにより、前記燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温と前記電気ヒータによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温とを行う第１昇温手順と、
この第１昇温手順によって前記燃焼排ガス流路から排出される前記燃焼排ガスの温度又はＣＯ除去触媒層の温度が所定の第１温度に達したとき、前記燃焼排ガス流路への前記燃焼排ガスの流通を停止して前記燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温を終了するとともに、前記改質器で前記燃焼排ガスの加熱により生成された水蒸気を前記改質ガス流路に流通させることにより、この水蒸気と前記電気ヒータとによって前記ＣＯ除去触媒層を昇温する第２昇温手順と、
この第２昇温手順によって前記ＣＯ除去触媒層の温度が所定の第２温度に達したとき、前記電気ヒータをＯＦＦにするとともに、前記改質ガスを酸化剤ガスとともに前記改質ガス流路に流通させて前記ＣＯ除去触媒層における前記改質ガス中のＣＯの選択酸化反応を開始することにより、この選択酸化反応の発熱で前記ＣＯ除去触媒層を最適温度になるまで昇温する第３昇温手順と、
を有することを特徴とするＣＯ除去器の昇温運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質器で生成した改質ガスからＣＯを除去するためのＣＯ除去器、燃料電池発電システム及びＣＯ除去器の昇温運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）発電システムは固体高分子電解質膜を一対の電極膜（アノード側の電極膜とカソード側の電極膜）で挟んで構成されたセルを複数積層してなる燃料電池（ＰＥＦＣスタック）と、改質器と、ＣＯ除去器とを備えた構成となっている。
【０００３】
この固体高分子形燃料電池発電システムでは、燃料電池のアノード側に燃料ガスとして改質器で生成した改質ガス（水素リッチガス）を供給し、カソード側に酸化剤ガスとして酸素又は空気を供給して、これらの供給ガスを燃料電池の各セルで電気化学的に反応させることにより発電を行う。そして、このときの電気化学反応を促進させるための触媒としてアノード側の電極膜には白金が担持されているため、改質ガス中にＣＯが含まれていると、このＣＯによって白金が被毒され、その結果、発電能力が低下し、更には発電が不可能になる場合もある。このため、燃料電池の燃料ガスとしてＣＯを含む改質ガスを使用する場合には、改質ガスを燃料電池に供給する前に当該改質ガスからＣＯを除去するため燃料電池の前段にＣＯ除去器を備えることが不可欠となる。
【０００４】
ＣＯ除去器は、改質ガス中の水素は消費（酸化）せずに改質ガス中のＣＯのみを選択して酸化するＣＯ除去触媒（ＣＯ選択酸化（ＰＲＯＸ）触媒）が利用されており、このＣＯ除去触媒を担持させたセラミックボールを充填してなるＣＯ除去触媒層に改質ガスを酸化剤ガス（酸素又は空気）とともにを流通させることによって当該改質ガス中のＣＯをＣＯ2へと選択的に酸化して除去するものである。そして、このＣＯ除去触媒にはＣＯの選択酸化反応が進行し易い最適温度（例えば１３０℃）が存在する。
【０００５】
従って、起動時にはＣＯ除去触媒層の温度が低いため、当該ＣＯ除去触媒層を加熱して前記最適温度になるまで昇温する必要あるが、このＣＯ除去触媒層の加熱には従来、電気ヒータが用いられていた。一方、ＣＯ除去触媒層を前記最適温度にした後に当該ＣＯ除去触媒層に改質ガスを酸化剤ガスとともに流通させてＣＯの選択酸化反応を開始すると、この選択酸化反応が発熱反応であるため、この発熱によってＣＯ除去触媒層が加熱されるようになり、ＣＯ除去触媒層を加熱し過ぎると反応が逆に進む、即ちＣＯ2からＣＯへの還元反応が進行する、という問題が生じる。従って、このときにはＣＯ除去触媒層を冷却して前記最適温度に維持する必要がある。
【０００６】
例えば下記の特許文献１には冷却水によってＣＯ除去触媒層を最適温度に冷却するための触媒温度制御方法が開示されている。この触媒温度制御方法の概要を図８に基づいて説明する。図８は特許文献１に開示された固体高分子形燃料電池発電システムの構成図である。図８に示すように、ＣＯ除去器１はＣＯ除去触媒層（図示せず）と、内部に冷却水を流通させて当該冷却水とＣＯ除去触媒層との間で熱の授受を行う冷却室２と、ＣＯ除去触媒層に供給される空気の量を計測するマスフローセンサ３と、ＣＯ除去触媒層に入る前のガスの温度を計測する入りガス温度センサ４と、ＣＯ除去触媒層に入る前のガスのＣＯ濃度を計測する入りガスＣＯ濃度センサ５と、ＣＯ除去触媒層から送り出されるガスのＣＯ濃度をする出ガスＣＯ濃度センサ７と、冷却室２を流通する前記冷却水の流量を調整する流量制御弁７と、触媒温度制御装置６とを備えている。
【０００７】
そして、触媒温度制御装置６では、マスフローセンサ３で計測する酸素流量計測値と、入りガス温度センサ４で計測するガス温度計測値と、入りガスＣＯ濃度センサ５で計測するＣＯ濃度計測値と、出ガスＣＯ濃度センサ７で計測するＣＯ濃度計測値と、ＣＯ除去触媒層から送り出されるガスの設定流量とに基づいて、流量制御弁７を制御して前記冷却水の流量を調整することによりＣＯ除去触媒層の温度を所定値に制御する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２６１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の如く、ＣＯ除去触媒にはＣＯの選択酸化反応が進行し易い最適温度が存在するため、起動時にはＣＯ除去触媒層を最適温度に昇温してから改質ガスを酸化剤ガスとともにＣＯ除去触媒層に流通させてＣＯの選択酸化反応（ＣＯ除去）を開始する必要があり、また、その後はＣＯ選択酸化反応による発熱を除去してＣＯ除去触媒層を前記最適温度に維持する必要がある。
【００１０】
しかしながら、従来のように単に電気ヒータによってＣＯ除去触媒層を昇温する方法では、ＣＯ除去触媒層が最適温度に達するまでに時間がかかるため、短時間で改質ガスからのＣＯ除去を開始することができず、且つ、電気ヒータへ多くの電力供給を必要とするため、コストがかかる。また、ＣＯ除去触媒層に改質ガスと酸化剤ガスを流通させてＣＯを除去する場合、ＣＯ除去触媒層の改質ガス流通方向上流部では、改質ガス中に含まれるＣＯ量が多くてＣＯ選択酸化反応による発熱量も多いが、ＣＯ除去触媒層の改質ガス流通方向の下流側にいくほど改質ガス中に含まれるＣＯ量が減少してＣＯ選択酸化反応による発熱量も減少するため、従来のように単に冷却水によってＣＯ除去触媒層を冷却する方法ではＣＯ除去触媒層全体を均一に最適温度に維持することが困難であり、ＣＯ除去触媒層の改質ガス流通方向の温度分布が不均一となって触媒性能が低下してしまう。
【００１１】
従って本発明は上記の事情に鑑み、ＣＯ除去器のＣＯ除去触媒層を低コスト且つ短時間で最適温度に昇温することができ、また、ＣＯ除去触媒層全体を均一に最適温度に維持することができるＣＯ除去器及びその昇温運転方法並びに燃料電池発電システム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】
【００１２】
上記課題を解決する第１発明のＣＯ除去器は、改質器で生成された改質ガスが酸化剤ガスとともに流通する改質ガス流路と、この改質ガス流路に設けたＣＯ除去触媒層とを有し、このＣＯ除去触媒層において前記改質ガス中のＣＯを選択的に酸化することより、前記改質ガスからＣＯを除去する構成のＣＯ除去器において、前記ＣＯ除去触媒層に隣接して燃焼排ガス流路を設け、この燃焼排ガス流路に前記改質器から排出されるバーナーの燃焼排ガスを流通させることにより、当該燃焼排ガスによって前記ＣＯ除去触媒層を加熱昇温する構成としたことを特徴とする。
【００１３】
また、第２発明のＣＯ除去器は、第１発明のＣＯ除去器において、前記ＣＯ除去触媒層の周囲を囲むようにして気体冷却材流路を設け、この気体冷却材流路に気体冷却材を流通させることにより、当該気体冷却材によって前記ＣＯ除去触媒層を冷却する構成とし、且つ、前記気体冷却材流路の外側に位置するとともに前記ＣＯ除去触媒層の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして液体冷却材流路を設け、この液体冷却材流路に液体冷却材を流通させることにより、当該液体冷却材によって前記ＣＯ除去触媒層を冷却する構成としたことを特徴とする。
【００１４】
また、第３発明のＣＯ除去器は、第１又は第２発明のＣＯ除去器において、少なくとも前記燃焼排ガス流路及び前記気体冷却材流路には、粒状の伝熱促進材を充填してなる伝熱促進材層を設けたことをと特徴とする。
【００１５】
また、第４発明のＣＯ除去器は、第１〜第３発明の何れかのＣＯ除去器において、前記燃焼排ガス流路は、第１燃焼排ガス流路とこの第１燃焼排ガス流路の周囲を囲む第２燃焼排ガス流路とを有する二重流路であって、且つ、前記第１燃焼排ガス流路の燃焼排ガス流通方向下流側と前記第２燃焼排ガス流路の燃焼排ガス流通方向上流側とが連通し、前記燃焼排ガスが当該連通部で折り返して前記第１燃焼排ガス流路側から前記第２燃焼排ガス流路側へ流入する構成であり、前記改質ガス流路は、第１改質ガス流路と第２改質ガス流路とを有するとともに前記第２改質ガス流路が前記第２燃焼排ガス流路の周囲を囲み、前記ＣＯ除去触媒層が設けられた前記第１改質ガス流路が前記第２改質ガス流路の周囲を囲む二重流路であって、且つ、前記第１改質ガス流路の改質ガス流通方向下流側と前記第２改質ガス流路の改質ガス流通方向上流側とが連通し、前記改質ガスが当該連通部で折り返して前記第１改質ガス流路側から前記第２改質ガス流路側に流入する構成であることを特徴とする。
【００１６】
また、第５発明のＣＯ除去器は、第１〜第４発明の何れかのＣＯ除去器において、前記ＣＯ除去触媒層を加熱昇温する電気ヒータを設けたことを特徴とする。
【００１７】
また、第６発明の燃料電池発電システムは、改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成された改質ガスからＣＯを除去する請求項１〜４の何れか１項に記載のＣＯ除去器と、
このＣＯ除去器でＣＯが除去された改質ガスが供給される燃料電池と、を有することを特徴とする。
【００１８】
また、第７発明の燃料電池発電システムは、改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成された改質ガスからＣＯを除去する請求項５に記載のＣＯ除去器と、このＣＯ除去器でＣＯが除去された改質ガスが供給される燃料電池と、を有することを特徴とする。
【００１９】
また、第８発明のＣＯ除去器の昇温運転方法は、第７発明の燃料電池発電システムにおけるＣＯ除去器の昇温運転方法であって、前記燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを流通させ、且つ、前記電気ヒータをＯＮにすることにより、前記燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温と前記電気ヒータによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温とを行う第１昇温手順と、この第１昇温手順によって前記燃焼排ガス流路から排出される前記燃焼排ガスの温度又はＣＯ除去触媒層の温度が所定の第１温度に達したとき、前記燃焼排ガス流路への前記燃焼排ガスの流通を停止して前記燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温を終了するとともに、前記改質器で前記燃焼排ガスの加熱により生成された水蒸気を前記改質ガス流路に流通させることにより、この水蒸気と前記電気ヒータとによって前記ＣＯ除去触媒層を昇温する第２昇温手順と、この第２昇温手順によって前記ＣＯ除去触媒層の温度が所定の第２温度に達したとき、前記電気ヒータをＯＦＦにするとともに、前記改質ガスを酸化剤ガスとともに前記改質ガス流路に流通させて前記ＣＯ除去触媒層における前記改質ガス中のＣＯの選択酸化反応を開始することにより、この選択酸化反応の発熱で前記ＣＯ除去触媒層を最適温度になるまで昇温する第３昇温手順と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
第１発明のＣＯ除去器によれば、ＣＯ除去触媒層に隣接して燃焼排ガス流路を設け、この燃焼排ガス流路に改質器から排出されるバーナーの燃焼排ガスを流通させることにより、当該燃焼排ガスによってＣＯ除去触媒層を加熱昇温する構成としたため、改質器の燃焼排ガスの熱を有効に利用（カスケード利用）して効率的に低コストでＣＯ除去触媒層の加熱昇温を行うことができる。
【００２１】
第２発明のＣＯ除去器によれば、ＣＯ除去触媒層の周囲を囲むようにして気体冷却材流路を設け、この気体冷却材流路に気体冷却材を流通させることにより、当該気体冷却材によってＣＯ除去触媒層を冷却する構成とし、且つ、気体冷却材流路の外側に位置するとともにＣＯ除去触媒層の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして液体冷却材流路を設け、この液体冷却材流路に液体冷却材を流通させることにより、当該液体冷却材によってＣＯ除去触媒層を冷却する構成としたことにより、特に改質ガス中のＣＯ量が多いためにＣＯ選択酸化反応による発熱量の多いＣＯ除去触媒層の改質ガス流通方向上流部を、気体冷却材だけでなく液体冷却材でも冷却することができる。このため、ＣＯ除去触媒層全体を均一に最適温度に維持することができる。しかも、ＣＯ除去触媒層全体は比較的冷却能力の低い気体冷却材で冷却し、比較的冷却能力の高い液体冷却材は気体冷却材を介してＣＯ除去触媒層を冷却することになるため、ＣＯ除去触媒層を過度に冷却することがなく、ＣＯ除去触媒層を最適温度に維持することが容易である。
【００２２】
第３発明のＣＯ除去器によれば、少なくとも燃焼排ガス流路及び気体冷却材流路には粒状の伝熱促進材を充填してなる伝熱促進材層を設けたことにより、熱伝導率の高い伝熱促進材によって伝熱を促進することができるため、燃焼排ガスによる加熱昇温や気体冷却材による冷却などを効率的に行うことができる。しかも、燃焼排ガス及び気体冷却材は伝熱促進材の隙間を通過する際に拡散し、流速が上昇するため、このことによって伝熱促進材と燃焼排ガスや気体冷却材との間の熱伝達が促進されることから、より一層効率的に前記加熱昇温や前記冷却を行うことができる。
【００２３】
第４発明のＣＯ除去器によれば、燃焼排ガス流路は、第１燃焼排ガス流路とこの第１燃焼排ガス流路の周囲を囲む第２燃焼排ガス流路とを有する二重流路であって、且つ、第１燃焼排ガス流路の燃焼排ガス流通方向下流側と第２燃焼排ガス流路の燃焼排ガス流通方向上流側とが連通し、燃焼排ガスが当該連通部で折り返して第１燃焼排ガス流路側から第２燃焼排ガス流路側へ流入する構成であり、改質ガス流路は、第１改質ガス流路と第２改質ガス流路とを有するとともに第２改質ガス流路が第２燃焼排ガス流路の周囲を囲み、ＣＯ除去触媒層が設けられた第１改質ガス流路が第２改質ガス流路の周囲を囲む二重流路であって、且つ、第１改質ガス流路の改質ガス流通方向下流側と第２改質ガス流路の改質ガス流通方向上流側とが連通し、改質ガスが当該連通部で折り返して第１改質ガス流路側から第２改質ガス流路側に流入する構成であるため、燃焼排ガス流路及び改質ガス流路は流路面積に対して流路長が長くなり、燃焼排ガスや改質ガスのガス流れ分布を均一にすることができる。また、燃焼排ガスの熱をＣＯ除去触媒層に伝える時間を長くすることができ、第２改質ガス流路を流れる改質ガスと第１改質ガス流路のＣＯ除去触媒層とが熱交換をすることもできる。このため、より効率的に燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温を行うことができ、また、より確実にＣＯ除去触媒層全体（改質ガス流通方向の温度分布）を均一に最適温度に維持することができる。
【００２４】
第５発明のＣＯ除去器によれば、ＣＯ除去触媒層を加熱昇温する電気ヒータを設けたことにより、燃焼排ガスによる加熱昇温と電気ヒータによる加熱昇温とを同時に行うことができるため、より短時間でＣＯ除去触媒層の加熱昇温を行うことができる。
【００２５】
第６発明の燃料電池発電システムによれば、第１〜第４発明の何れかＣＯ除去器を有するため、上記第１〜第４発明の効果を奏する優れた燃料電池発電システムを実現することができる。
【００２６】
第７発明の燃料電池発電システムによれば、第５発明のＣＯ除去器を有するため、上記第５発明の効果を奏する優れた燃料電池発電システムを実現することができる。
【００２７】
第８発明のＣＯ除去器の昇温運転方法によれば、燃焼排ガス流路に燃焼排ガスを流通させ、且つ、電気ヒータをＯＮにすることにより、燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温と電気ヒータによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温とを行う第１昇温手順と、この第１昇温手順によって燃焼排ガス流路から排出される前記燃焼排ガスの温度又はＣＯ除去触媒層の温度が所定の第１温度に達したとき、燃焼排ガス流路への燃焼排ガスの流通を停止して燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層の加熱昇温を終了するとともに、改質器で燃焼排ガスの加熱により生成された水蒸気を改質ガス流路に流通させることにより、この水蒸気と電気ヒータとによってＣＯ除去触媒層を昇温する第２昇温手順と、この第２昇温手順によってＣＯ除去触媒層の温度が所定の第２温度に達したとき、電気ヒータをＯＦＦにするとともに、改質ガスを酸化剤ガスとともに改質ガス流路に流通させてＣＯ除去触媒層における改質ガス中のＣＯの選択酸化反応を開始することにより、この選択酸化反応の発熱でＣＯ除去触媒層を最適温度になるまで昇温する第３昇温手順と、を有するため、効率的に短時間でＣＯ除去触媒層を最適温度まで昇温することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
＜実施の形態例１＞
図１は本発明の実施の形態例１に係る固体高分子形燃料電池発電システムの構成図、図２は本発明の実施の形態例１に係るＣＯ除去器の構成を示す断面図（図３のＢ−Ｂ線矢視断面図）、図３は図２のＡ−Ａ線矢視断面図、図４は伝熱促進材層の構成図、図５は前記ＣＯ除去器（ＣＯ除去触媒層）の昇温パターンを示す図である。
【００３０】
図１に示すように、本実施の形態例１の固体高分子形燃料（ＰＥＦＣ）電池発電システムは、改質器１１、ＣＯ除去器１２及び燃料電池１３を有しており、更にはコントローラ５３なども備えている。
【００３１】
改質器１１はバーナー１５と蒸発器１６と改質触媒層１７とを有している。改質器１１の流入側には、改質ガス戻りライン１８の下流端、燃焼用空気供給ライン１９の下流端、燃焼用燃料供給ライン２０の下流端、改質用燃料供給ライン２１の下流端及び改質用水供給ライン２２の下流端がそれぞれ接続されている。また、燃焼用空気供給ライン１９には冷却空気排出ライン２３の下流端が接続され、改質用水供給ライン２２には冷却水排出ライン２４の下流端が接続されている。燃焼用燃料供給ライン２０の上流端及び改質用燃料供給ライン２１の上流端には燃焼用及び改質用燃料供給ライン２７の下流端が接続されている。即ち、燃焼用及び改質用燃料供給ライン２７は燃焼用燃料供給ライン２０と改質用燃料供給ライン２１とに分岐して改質器１１に接続されている。
【００３２】
燃焼用燃料供給ライン２０には燃焼用燃料流量調整弁２８と燃焼用燃料流量計測制御器２９とが設けられ、改質用燃料供給ライン２１には改質用燃料流量調整弁３０と改質用燃料流量計測制御器３１とが設けられている。燃焼用燃料流量調整弁２８では、その開閉によって改質器１１のバーナー１５への燃焼用燃料の供給開始や供給停止を行い、また、その開度によってバーナー１５への燃焼用燃料の供給量を調整する。燃焼用燃料流量計測制御器２９では、改質器１１のバーナー１５への燃焼用燃料の供給流量を計測し、この計測値が所定の目標流量となるように燃焼用燃料流量調整弁２８の開度を制御する。改質用燃料流量調整弁３０では、その開閉によって改質器１１の蒸発器１６（即ち改質触媒層１７）への改質用燃料の供給開始や供給停止を行い、また、その開度によって蒸発器１６（即ち改質触媒層１７）への改質用燃料の供給量を調整する。改質用燃料流量計測制御器３１では、改質器１１の蒸発器１６（即ち改質触媒層１７）への改質用燃料の供給流量を計測し、この計測値が所定の目標流量となるように改質用燃料流量調整弁３０の開度を制御する。
【００３３】
燃焼用空気供給ライン１９の上流端は燃焼用空気供給装置（例えば燃焼用空気供給ブロア）５７に接続され、燃焼用及び改質用燃料供給ライン２７の上流端は燃焼用及び改質用燃料供給装置（例えば燃焼用及び改質用燃料供給ポンプ又はブロア）５８に接続され、改質用水供給ライン２２の上流端は改質用水供給装置（例えば改質用水供給ポンプ）５９に接続されている。一方、改質器１１の排出側には、燃焼排ガス排出ライン２５の上流端及び改質ガス排出ライン２６の上流端がそれぞれ接続されている。
【００３４】
燃焼用空気供給装置５７を起動すると、燃焼用空気供給装置５７から燃焼用空気供給ライン１９を介してバーナー１５へ空気が、燃焼用として供給される。また、燃焼用及び改質用燃料供給装置５８を起動し且つ燃焼用燃料流量調整弁２８を開くと、燃焼用及び改質用燃料供給装置５８から燃焼用及び改質用燃料供給ライン２７及び燃焼用燃料供給ライン２０（燃焼用燃料流量調整弁２８）を介してバーナー１５へ、メタノールや灯油などの液体燃料又はメタンガスなどの気体燃料が、燃焼用として供給される。そして、これらの燃焼用空気と燃焼用燃料がバーナー１５へ供給されると同時にバーナー１５を点火すると、燃焼用燃料が燃焼して燃焼排ガスが発生する。この燃焼排ガスは改質器１１の蒸発器１６や改質触媒層１７などを加熱するための熱源として利用され、温度が低下した後、燃焼排ガス排出ライン２５へと排出される。
【００３５】
なお、改質ガス戻りライン１８を介して燃料電池１３から残余の改質ガスが戻されてきたときには当該改質ガスもバーナー１５へ供給され、バーナー１５の燃焼用燃料として利用される。また、冷却空気排出ライン２３を介してＣＯ除去器１２から冷却空気が送られてきたときには、当該冷却空気も燃焼用空気供給ライン１９を介してバーナー１５へ供給され、バーナー１５の燃焼用空気として利用される。
【００３６】
燃焼用及び改質用燃料供給装置５８が作動しているときに改質用燃料流量調整弁３０を開くと、燃焼用及び改質用燃料供給装置５８から燃焼用及び改質用燃料供給ライン２７及び改質用燃料供給ライン２１（改質用燃料流量調整弁３０）を介して蒸発器１６（改質触媒層１７）へ、メタノールや灯油などの液体燃料又はメタンガスなどの気体燃料が、改質用として供給される。また、改質用水供給装置５９を起動すると、改質用水供給装置５９から改質用水供給ライン２２を介して蒸発器１６（改質触媒層１７）へ、水が改質用として供給される。これらの改質用燃料と改質用水の混合流体は蒸発器１６で前述のバーナー１５の燃焼排ガスにより加熱されるため、当該混合流体中の改質用水は水蒸気となり、当該混合流体中の改質用燃料も液体燃料である場合には蒸気となる。即ち、蒸発器１６では改質用燃料と改質用水の混合ガスが生成される。
【００３７】
そして、この混合ガスを改質触媒層１７に流通させると、改質触媒層１７では当該混合ガス中の改質用燃料の水蒸気改質反応により、水素リッチなガスである改質ガスが生成される。この改質ガスは改質器１１（改質触媒層１７）から改質ガス排出ライン２６へと排出される。
【００３８】
ＣＯ除去器１２は、ＣＯ除去触媒層６２が設けられた改質ガス流路６１、ＣＯ除去触媒層６２に隣接して設けられた燃焼排ガス流路６３、気体冷却材流路としての冷却空気流路６４、液体冷却材流路としての冷却水流路６５、電気ヒータ６６などを有している。ＣＯ除去触媒層６２には熱電対などの温度計測器５５が設けられており、この温度計測器５５によってＣＯ除去触媒層６２の温度を計測する。電気ヒータ６６は一端が直流電源６７の正極側に接続され、他端がスイッチ６８を介して直流電源６７の負極側に接続されている。なお、ＣＯ除去器１２の構成の詳細については後述する（図２，図３参照）。
【００３９】
ＣＯ除去器１２の流入側には、燃焼排ガス排出ライン２５の下流端、改質ガス排出ライン２６の下流端、冷却水供給ライン３５の下流端及び冷却空気供給ライン３６の下流端がそれぞれ接続され、ＣＯ除去器１２の排出側には、燃焼排ガス排出ライン３７の上流端及び改質ガス排出ライン３８の上流端がそれぞれ接続されている。即ち、燃焼排ガス流路６３は、上流端が燃焼排ガス排出ライン２５の下流端に接続され、下流端が燃焼排ガス排出ライン３７の上流端に接続されている。改質ガス流路６１は、上流端が改質ガス排出ライン２６の下流端に接続され、下流端が改質ガス排出ライン３８の上流端に接続されている。冷却空気流路６４は、上流端が冷却空気供給ライン３６の下流端に接続され、下流端が冷却空気排出ライン２３の上流端に接続されている。冷却水流路６５は、上流端が冷却水供給ライン３５の下流端に接続され、下流端が冷却水排出ライン２４の上流端に接続されている。
【００４０】
また、改質ガス排出ライン２６にはＰＲＯＸ用空気供給ライン３３の下流端が接続されている。ＰＲＯＸ用空気供給ライン３３の上流端はＰＲＯＸ用空気供給ブロア３４に接続されている。従って、ＰＲＯＸ用空気供給ブロア３４が作動すると、このＰＲＯＸ用空気供給ブロア３４によって吸気される周辺の大気が、ＰＲＯＸ用空気供給ライン３３及び改質ガス排出ライン２６を介してＣＯ除去器１２の改質ガス流路６１にＰＲＯＸ用空気として供給される。
【００４１】
詳細は後述するが、起動時に燃焼排ガス排出ライン２５を介して燃焼排ガス流路６３に流入したバーナー１５の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路６３を流通する間にＣＯ除去触媒層６２を昇温した後、燃焼排ガス排出ライン３７へと排出される。通常運転時には改質ガス排出ライン２６を介して供給される改質ガスと、ＰＲＯＸ用空気供給ライン３３及び改質ガス排出ライン２６を介して供給されるＰＲＯＸ用空気３４とが改質ガス流路６１に流入すると、これらの改質ガスとＰＲＯＸ用空気とが改質ガス流路６１を流通する間にＣＯ除去触媒層６２で当該改質ガス中に含まれるＣＯが選択的に酸化されることによって除去される。その結果、改質ガス排出ライン３８へと排出される改質ガスのＣＯ濃度は例えば１０ｐｐｍ以下となる。
【００４２】
燃焼排ガス排出ライン３７には三方弁である改質ガス切換弁４１が設けられており、この改質ガス切換弁４１のポートの１つには燃焼排ガスバイパスライン３２の下流端が接続されている。燃焼排ガスバイパスライン３２の上流端は燃焼排ガス排出ライン２５の途中に接続されている。改質ガス排出ライン３８には上流側から順に凝縮器４２と、三方弁である燃焼排ガス切換弁４３とが設けられている。改質ガス排出ライン３８の下流端は燃料電池１３のアノード側の流入部に接続されている。燃焼排ガス切換弁４３のポートの１つには排気ライン４４の上流端が接続されており、排気ライン４４の下流端は水素燃焼器４５の流入部に接続されている。水素燃焼器４５の排出部には排気ライン４６の下流端が接続されている。また、排気ライン４６の途中には燃焼排ガス排出ライン３７の下流端が接続されている。
【００４３】
従って、ＣＯ除去器１２の燃焼排ガス流路６３から燃焼排ガス排出ライン３７に排出された燃焼排ガスは、改質ガス切換弁４１及び排気ライン４６を介して排気される。また、改質ガス切換弁４１の流入口が燃焼排ガス排出ライン３７側から燃焼排ガスバイパスライン３２側に切り換えられると、燃焼排ガス排出ライン２５を流れる燃焼排ガスは、ＣＯ除去器１２の燃焼排ガス流路６３には流入されずに燃焼排ガスバイパスライン３２によってバイパスされ、改質ガス切換弁４１及び排気ライン４６を介して排気される。
【００４４】
燃焼排ガス排出ライン３７には、改質ガス切換弁４１の下流側の位置に熱電対などの温度計測器５６が設けられている。従って、この温度計測器５６ではＣＯ除去器出口温度、即ちＣＯ除去器１２の燃焼排ガス流路６３を流通して燃焼排ガス排出ライン３７へ排出された燃焼排ガスの温度、又は、燃焼排ガスバイパスライン３２によってＣＯ除去器１２をバイパスされた燃焼排ガスの温度を計測する。
【００４５】
一方、冷却水供給ライン３５の上流端には冷却水供給ポンプ３９が接続され、冷却空気供給ライン３６の上流端には冷却空気供給ブロア４０が接続されている。従って、冷却水供給ポンプ３９が作動すると、この冷却水供給ポンプ３９によって吸水される図示しない貯水部などの水が、冷却水供給ライン３５を介してＣＯ除去器１２の冷却水流路６５に冷却水として供給される。冷却空気供給ブロア４０が作動すると、この冷却空気供給ブロア４０によって吸気される周辺の大気が、冷却空気供給ライン３６を介してＣＯ除去器１２の冷却空気流路６４に冷却空気として供給される。
【００４６】
また、冷却水供給ライン３５の途中には分流ライン１０２の上流端が接続され、冷却空気供給ライン３６の途中には分流ライン７０の上流端が接続されている。分流ライン１０２の下流端は凝縮器４２の流入部に接続されており、凝縮器４２の排出部には排出ライン５１の上流端が接続されている。分流ライン７０の下流端は燃料電池１３のカソード側の流入部に接続されている。
【００４７】
従って、冷却空気供給ブロア４０から吐出されて冷却空気供給ライン３６を流れる空気の一部は分流ライン７０へと分流され、この分流された空気が、酸化剤ガスとして燃料電池１３のカソード側に供給される。一方、冷却水供給ポンプ３９から吐出されて冷却水供給ライン３５を流れる冷却水の一部は分流ライン１０２へと分流され、この分流された冷却水は凝縮器４２の冷却水管４２ａを流通した後、排出ライン５１を介して排水される。従って、ＣＯ除去器１２の改質ガス流路６１から改質ガス排出ライン３８に排出された改質ガスは、凝縮器４２内を流通する際に冷却水管４２ａを流通する前記冷却水によって冷却されることにより、当該改質ガス中に含まれている水分が凝縮して除去される。このときの凝縮水は凝縮器４２から排出されてドレンタンク５２に貯留される。
【００４８】
そして、凝縮器４２で水分が除去された改質ガスが、燃焼排ガス切換弁４３を介して燃料電池１３のアノード側に供給される。但し、起動時などに燃焼排ガス切換弁４３の流出口が燃料電池１３側から排出ライン４４側に切り換えられているときには、改質ガスは燃料電池１３には供給されず、燃焼排ガス切換弁４３及び排出ライン４４を介して水素燃焼器４５へ供給され、この水素燃焼器４５で当該改質ガス中の水素が燃焼された後、排出ライン４６を介して排気される。
【００４９】
また、冷却水供給ライン３５には分流ライン１０２との接続部よりも下流位置において冷却水流量調節弁４７と冷却水流量計測制御器４８とが設けられ、分流ライン７０には空気流量調節弁４９と空気流量計測制御器５０とが設けられている。冷却水流量調節弁４７では、その開閉によってＣＯ除去器１２の冷却水流路６５への冷却水の供給開始や供給停止を行い、また、その開度によって冷却水流路６５への冷却水の供給量を調整する。冷却水流量計測制御器４８では、冷却水流路６５への冷却水の供給流量を計測し、この計測値が所定の目標流量となるように冷却水流量調節弁４７の開度を制御する。空気流量調節弁４９では、その開閉によって燃料電池１３のカソード側への酸化剤ガスとしての空気の供給開始や供給停止を行い、また、その開度によって燃料電池１３のカソード側への空気の供給量を調整する。空気流量計測制御器５０では、燃料電池１３のカソード側への空気の供給量を計測し、この計測値が所定の目標流量となるように空気流量調節弁４９の開度を制御する。
【００５０】
燃料電池１３は固体高分子形のものであり、固体高分子電解質膜を一対の電極膜（アノード側の電極膜とカソード側の電極膜）で挟んで構成されたセルを複数積層してなるＰＥＦＣスタックである。アノード側の電極膜には触媒として白金が担持されている。この燃料電池１３のアノード側に燃料ガスとして改質ガス（水素リッチガス）が供給され、カソード側に酸化剤ガスとして空気が供給されると、これらの供給ガスが燃料電池１３の各セルで電気化学的に反応することにより発電を行う。この発電電力は、燃料電池１３に電気的に接続された各種の負荷（電気機器）１４に供給される。燃料電池１３の給電系統には負荷１４への出力電流（負荷電流）を計測するための出力電流計測器６０が設けられている。
【００５１】
なお、燃料電池１３で消費されずに燃料電池１３から排出された残余の改質ガスは、改質ガス戻りライン１８を介して改質器１１へ戻され、バーナー１５の燃焼用燃料として利用される。また、燃料電池１３で消費されなかった残余の空気は、空気排出ライン５４を介して燃料電池１３から排出される。
【００５２】
コントローラ５３はＣＯ除去器１２の昇温運転機能（昇温運転手段）などを有するものであり、温度計測器５５，５６の温度計測信号や出力電流計測器６０の出力電流計測信号などを入力し、これらの計測信号などに基づいて、燃焼用空気供給装置５７、燃焼用及び改質用燃料供給装置５８、改質用水供給装置５９、ＰＲＯＸ用空気供給ブロア３４、冷却水供給ポンプ３９及び冷却空気供給ブロア４０の起動停止制御及び回転数（出力）の増減制御、バーナー１５の点火制御、スイッチ６８のＯＮ・ＯＦＦ制御、改質ガス切換弁４１及び燃焼排ガス切換弁４３の切り換え制御、燃焼用燃料流量計測制御器２９、改質用燃料流量計測制御器３１、冷却水流量計測制御器４８及び空気流量計測制御器５０に対する目標流量の設定などを行う。なお、このコントローラ５３によるＣＯ除去器１２の昇温運転などの詳細については後述する。
【００５３】
ここで図２〜図４に基づき、ＣＯ除去器１２の構成について詳述する。
【００５４】
図２及び図３に示すように、ＣＯ除去器１２は内側から外側へ順に間隔を有して同心円状に配置されたステンレス等の金属製の第１円筒７１、第２円筒７２、第３円筒７３、第４円筒７４、第５円筒７５及び第６円筒７６を有し、また、一端側にステンレス等の金属製の端板７７，８２，９６，１０１、他端側にステンレス等の金属製の端板７８，８３，８４，８８，８９を有している。なお、図２ではＣＯ除去器１２を、各円筒７１〜７６の軸方向（図２中上下方向）が鉛直方向となるように設置しているが、これに限定するものではなく、例えば前記軸方向が水平方向となるようにＣＯ除去器１２を設置してもよい。
【００５５】
そして、前述のとおり、ＣＯ除去器１２は改質ガス流路６１、燃焼排ガス流路６３、冷却空気流路６４、冷却水流路６５及び電気ヒータ６６を有している。
【００５６】
燃焼排ガス流路６３は第１円筒７１と第２円筒７２と端板７７，７８とによって構成され、内側の第１燃焼排ガス流路６３Ａと外側の第２燃焼排ガス流路６３Ｂとを有する二重流路となっており、第２燃焼排ガス流路６３Ｂが第１燃焼排ガス流路６３Ａの周囲を囲むとともに第１燃焼排ガス流路６３Ａの燃焼排ガス流通方向下流側と第２燃焼排ガス流路６３Ａの燃焼排ガス流通方向上流側とが連通した構成となっている。
【００５７】
詳述すると、第１円筒７１は一端面（図示例では上端面）と他端面（図示例では下端面）が何れも開口している。第２円筒７２の一端面（図示例では上端面）は端版７７によって閉じられている。第１円筒７１は端板７７を貫通し、端板７７に溶接などによって固定されている。第２円筒７２の他端面（図示例では下端面）は端版７８によって閉じられており、端板７８と、端板７８の内側の第１円筒７１の端（図示例では下端）との間には隙間７９が確保されている。第２円筒７２は端板８２，９６，１０１を貫通し、端板８２，９６，１０１に溶接などによって固定されている。
【００５８】
そして、第１円筒７１内が第１燃焼排ガス流路６３Ａとなり、第１円筒７１の外周面と第２円筒７２の内周面との間が第２燃焼排ガス流路６３Ｂとなるとともに第１燃焼排ガス流路６３Ａの燃焼排ガス流通方向下流側（図示例では下側）と第２燃焼排ガス流路６３Ｂの燃焼排ガス流通方向上流側（図示例では下側）とが隙間７９を介して連通し、図２中に矢印で示すように燃焼排ガスが当該連通部（隙間７９）で折り返して第１燃焼排ガス流路６３Ａから第２燃焼排ガス流路６３Ｂへ流入する構成となっている。
【００５９】
第１燃焼排ガス流路６３Ａ（第１円筒７１）の上流端部（図示例では上端部）の流入口８０には燃焼排ガス排出ライン２５が接続され、第２燃焼排ガス流路６３Ｂ（第２円筒７２）の下流端部（図示例では上端部）の排出口８１には燃焼排ガス排出ライン３７が接続されている。従って、燃焼排ガス排出ライン２５を介して燃焼排ガス流路６３に供給される燃焼排ガスは、図２中に矢印で示すように流入口８０から第１燃焼排ガス流路６３Ａに流入して第１燃焼排ガス流路６３Ａを流通した後、連通部の隙間７９で折り返して第２燃焼排ガス流路６３Ｂに流入し、更に第２燃焼排ガス流路６３Ｂを流通した後、排出口８１から燃焼排ガス排出ライン３７へ排出される。
【００６０】
また、第２燃焼排ガス流路６３Ｂには伝熱促進材層９１が設けられている。図４に示すように、伝熱促進材層９１は第１円筒７１及び第２円筒７２に固定したパンチングメタルなどの多孔板９２，９３を燃焼排ガス流通方向の上流側と下流側に配設した第２燃焼排ガス流路６３Ｂに粒状（球形状等）の伝熱促進材として例えば直径５ｍｍのセラミックボール９４を、多数充填してなるものである。セラミックボールの材料としてはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）などを用いることができる。なお、第１燃焼排ガス流路６３Ａにも、伝熱促進材層を設けてもよい。
【００６１】
図２及び図３に示すように、改質ガス流路６１は燃焼排ガス流路６３の外側に位置している。改質ガス流路６１は第２円筒７２と第３円筒７３と第４円筒７４と端板７８，８２，８３，８４によって構成され、外側の第１改質ガス流路６１Ａと内側の第２改質ガス流路６１Ｂとを有する二重流路となっており、第２改質ガス流路６１Ｂが第２燃焼排ガス流路６３Ｂの周囲を囲み、且つ、第１改質ガス流路６１Ａが第２改質ガス流路６１Ｂの周囲を囲むとともに第１改質ガス流路６１Ａの改質ガス流通方向下流側と第２改質ガス流路６１Ｂの改質ガス流通方向上流側とが連通した構成となっている。
【００６２】
詳述すると、第３円筒７３の一端面（図示例では上端面）は開口している。第３円筒７３の他端面（図示例では下端面）は端板８４によって閉じられており、端板８４と、端板８４の内側の端板７８との間には間隔が保持されている。第４円筒７４の一端面（図示例では上端面）は端板８２によって閉じられており、この端板８２と第３円筒７３の端（図示例では上端）との間には隙間８５が確保されている。第４円筒７４の他端面（図示例では下端面）は端板８３によって閉じられており、端板８３と、端板８３の内側の端板８４との間には間隔が保持されている。
【００６３】
そして、第３円筒７３と第４円筒７４との間が第１改質ガス流路６１Ａとなり、第２円筒７２と第３円筒７３との間が第２改質ガス流路６１Ｂとなるとともに第１改質ガス流路６１Ａの改質ガス流通方向下流側（図示例では上側）と第２改質ガス流路６１Ｂの改質ガス流通方向上流側（図示例では上側）とが隙間８５を介して連通し、図２中に矢印で示すように改質ガスが当該連通部（隙間８５）で折り返して第１改質ガス流路６１Ａから第２改質ガス流路６１Ｂへ流入する構成となっている。
【００６４】
また、端板８３に流入管８６の一端が接続され、端板８８，８９及び断熱材９０を貫通して外に取り出された流入管８６の他端に改質ガス排出ライン２６が接続されている。端板８４には排出管８７の一端が接続され、端板８３，８８，８９及び断熱材９０を貫通して外に取り出された排出管８７の他端に改質ガス排出ライン３８が接続されている。このため、改質ガス排出ライン２６を介して改質ガス流路６１に供給される改質ガスは、図２中に矢印で示すように流入管８６から第１改質ガス流路６１Ａに流入して第１改質ガス流路６１Ａを流通した後、連通部の隙間８５で折り返して第２改質ガス流路６１Ｂに流入し、更に第２改質ガス流路６１Ｂを流通した後、排出管８７から改質ガス排出ライン３８へ排出される。
【００６５】
そして、第１改質ガス流路６１ＡにはＣＯ除去触媒（ＣＯ選択酸化（ＰＲＯＸ）触媒）を充填してなるＣＯ除去触媒層６２が設けられている。従って、第１改質ガス流路６１Ａでは改質ガスが、このＣＯ除去触媒層６２を流通することになる。ＣＯ除去触媒層６２は、例えばＣＯ除去触媒を担持させたセラミックボールなどの担体を、第３円筒７３と第４円筒７４に固定したパンチンングメタルなどの多孔板を改質ガス流通方向の上流側と下流側に配設した第１改質ガス流路６１Ｂに多数充填して構成される。
【００６６】
温度計測器５５はＣＯ除去触媒層６２の改質ガス流通方向の中央部に設けられており、当該位置でＣＯ除去触媒層６２（即ちＣＯ除去触媒）の温度を計測する。また、第２改質ガス流路６１Ｂにも、第２燃焼排ガス流路６３Ｂの伝熱促進材層と同様に粒状の伝熱促進材（セラミックボール）を多数充填してなる伝熱促進材層９５が設けられている。伝熱促進材層９５は伝熱促進材層９１の周囲を囲むようにして設けられており、ＣＯ除去触媒層６２は伝熱促進材層９５の周囲を囲むようにして設けられている。
【００６７】
冷却空気流路６４は改質ガス流路６３の外側に位置している。冷却空気流路６４は第４円筒７４、第５円筒７５及び端板８２，８３，８８，９６によって構成されており、第１改質ガス流路６１Ａの周囲を囲んだ構成となっている。
【００６８】
詳述すると、第５円筒７５の一端面（図示例では上端面）は端板９６によって閉じられており、端板９６と、端板９６の内側の端板８２との間には間隔が保持されている。第５円筒７５の他端面（図示例では下端面）は端板８８によって閉じられており、端板８８と、端板８８の内側の端板８３との間にも間隔が保持されている。そして、第４円筒７４と第５円筒７５の間、端板８２，９６間及び端板８３，８８間が冷却空気流路６４となっている。
【００６９】
第５円筒７５の一端部（図示例では上端部）に流入管９７の一端が接続され、断熱材９０及び第６円筒７６を貫通して外に取り出された流入管９７の他端に冷却空気供給ライン３６が接続されている。また、第５円筒７５の他端部（図示例では下端部）に排出管９８の一端が接続され、断熱材９０及び第６円筒７６を貫通して外に取り出された排出管９８の他端に冷却空気排出ライン２３が接続されている。従って、冷却空気供給ライン３６を介して冷却空気流路６４に供給される液体冷却材としての冷却空気は、図２中に矢印で示すように流入管９７から冷却空気流路６４に流入して冷却空気流路６４を流通した後、排出管９８から冷却空気排出ライン２３へ排出される。
【００７０】
また、冷却空気流路６４にも、第２燃焼排ガス流路６３Ｂの伝熱促進材層９１と同様に粒状の伝熱促進材（セラミックボール）を多数充填してなる伝熱促進材層９９が設けられている。この伝熱促進材層９９はＣＯ除去触媒層６２の周囲を囲むようにして設けられている。
【００７１】
冷却水流路６５は第５円筒７５の外周面の一端側寄り（図示では下端側寄り）に螺旋状に巻回されたステンレス等の金属製などの水冷パイプ１００からなるものである。即ち、この水冷パイプ１００からなる冷却空気流路６５は、ＣＯ除去触媒層６２の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして設けられている。また、第６円筒７６を貫通して外に取り出された水冷パイプ１００の一端の流入部１００ａと他端の排出部１００ｂには冷却水供給ライン３５と、冷却水排出ライン２４とがそれぞれ接続されている。
【００７２】
このため、冷却水供給ライン３５を介して水冷パイプ１００（冷却水流路６５）に供給される液体冷却材としての冷却水は、図２中に矢印で示すように流入部１００ａから水冷パイプ１００（冷却水流路６５）に流入し、水冷パイプ１００（冷却水流路６５）を螺旋状に流通した後、排出部１００ｂから冷却水排出ライン２４へ排出される。
【００７３】
電気ヒータ６６は第５円筒７５の外周面の他端側寄り（図示では上端側寄り）に螺旋状に巻回されている。即ち、電気ヒータ６６はＣＯ除去触媒層６２の周囲を囲むようにして設けられている。第６円筒７６を貫通して外に取り出された電気ヒータ６６の一端部６６ａには直流電源６７の正極側に接続され、第６円筒７６を貫通して外に取り出された電気ヒータ６６の他端部６６ｂにはスイッチ６８を介して直流電源６７の負極側に接続されている。従って、スイッチ６８をＯＮ（閉）にして直流電源６７から電気ヒータ６６へ電力が供給されると、電気ヒータ６６が発熱してＣＯ除去触媒層６２が加熱される。
【００７４】
第６円筒７６の一端面（図示例では上端面）は端板１０１によって閉じられており、端板１０１と、端板１０１の内側の端板９６との間に間隔が保持されている。第６円筒７６の他端面（図示例では下端面）は端板８９によって閉じられており、端板８９と、端板８９の内側の端板８８との間にも間隔が保持されている。そして、第５円筒７５と第６円筒７６との間、端板９６，１０１間及び端板８８，８９間にセラミックファイバ等の断熱材９０が設けられている。即ち、ＣＯ除去器１２は全体が断熱材９０で覆われている。
【００７５】
そして、上記構成のＣＯ除去器１２において改質ガスからのＣＯ除去（ＣＯ選択酸化反応）を行うためには、まず、本固体高分子形燃料電池発電システムの起動時にＣＯ除去触媒層６１（即ちＣＯ除去触媒）をＣＯ選択酸化反応が進行し易い最適温度（本実施の形態例では１３０℃）になるまで昇温し、且つ、その後はＣＯ選択酸化反応による発熱を除去してＣＯ除去触媒層６２を前記最適温度に維持する必要がある。
【００７６】
そこで、本固体高分子形燃料電池発電システムの起動時には、コントローラ５３では各機器を制御して図５に示すような昇温パターンとなるようにＣＯ除去器１２（ＣＯ除去触媒層６２）の昇温運転を行う。図５には燃焼排ガス温度と、電気ヒータ温度（ＯＮ・ＯＦＦ状態）と、ＣＯ除去触媒層温度とを示している。ここで燃焼排ガス温度とは温度計測器５６で計測されるＣＯ除去器出口の燃焼排ガス温度（ＣＯ除去器１２から排出された燃焼排ガス又はＣＯ除去器１２をバイパスした燃焼排ガスの温度）である。電気ヒータ温度とは電気ヒータ６６の発熱温度である。ＣＯ除去触媒層温度とは温度計測器５５で計測されるＣＯ除去触媒層６２の温度である。
【００７７】
詳述すると、図５に示すように、例えば手動操作による起動信号やタイマーなどの自動的な起動信号などが時刻Ｔ１にコントローラ５３へ入力されると、この起動時刻Ｔ１においてコントローラ５３では、電気ヒータ６６をＯＮ（起動）にして電気ヒータ６６によるＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温を開始し、且つ、ＣＯ除去器１２への燃焼排ガス供給を開始して燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温も開始する。
【００７８】
具体的には、スイッチ６８をＯＮにして直流電源６７から電気ヒータ６６への電力供給を開始する。その結果、電気ヒータ６６は発熱して１４０℃となる。即ち、本実施の形態例では電気ヒータ６６の発熱温度が１４０℃になるように電気ヒータ６６への供給電力量などを設定している。そして、この電気ヒータ６６の発熱が冷却空気流路６４を介してＣＯ除去触媒層６２に伝わるため、ＣＯ除去触媒層６２は加熱昇温される。
【００７９】
また、燃焼用空気供給装置５７を起動して燃焼用空気供給装置５７から改質器１１のバーナー１５への燃焼用空気の供給を開始し、更に燃焼用及び改質用燃料供給装置５８を起動するとともに燃焼用燃料流量調整弁２８を開けてバーナー１５への燃焼用燃料の供給も開始する。このとき燃焼用燃料流量調整弁２８は、バーナー１５への燃焼用燃料の供給量がコントローラ５３によって設定された目標流量となるように燃焼用燃料流量計測制御器２９が、燃焼用燃料流量調整弁２８の開度を制御することにより、適宜の開度に開けられる。そして、コントローラ５３ではバーナー１５を点火して当該燃焼用燃料の燃焼を開始する。その結果、例えば１０００℃程度の燃焼排ガスが発生する。そして、この燃焼排ガスが改質器１１の蒸発器１６や改質触媒層１７などを加熱することにより温度が低下して改質器１１から排出された後、ＣＯ除去器１２に供給されて燃焼排ガス流路６３を流通する。このとき当該燃焼排ガスの熱がＣＯ除去触媒層６２に伝わるため、ＣＯ除去触媒層６２は加熱昇温される。即ち、ＣＯ除去触媒層６２は電気ヒータ６６と燃焼排ガスの両方によって加熱昇温される。
【００８０】
なお、改質器１１から排出されてＣＯ除去器１２に供給される燃焼排ガスの温度は、起動直後には改質器１１（改質触媒層１７など）の温度が低いために例えば２０℃程度まで低下するが、その後は改質器１１（改質触媒層１７など）の温度が上昇するのに伴って徐々に１３０℃まで上昇する。従って、図５に示すようにＣＯ除去器出口の燃焼排ガス温度も、例えば起動直後の２０℃程度から徐々に上昇することになる。そして、時刻Ｔ２においてＣＯ除去器出口の燃焼排ガス温度が８０℃（所定の第１温度）に達し、この温度を温度計測器５６で計測すると、このときの温度計測器５６の計測信号に基づいてコントローラ５３では、燃焼排ガス切換弁４１のバイパス側切り換えを行う。即ち、燃焼排ガス切換弁４１の流入口を燃焼排ガス排出ライン３７側から燃焼排ガスバイパスライン３２側に切り換える。なお、ＣＯ除去器出口の燃焼排ガス温度が８０℃のときのＣＯ除去触媒層６２の温度を所定の第１温度とし、この温度を温度計測器５５が計測したときに当該計測信号に基づいてこれらの処理を行うようにしてもよい。
【００８１】
つまり、ＣＯ除去触媒層６２の温度が１００℃に近づいてくると、燃焼排ガス流路６３を流通する燃焼排ガスによる加熱昇温の効果は小さく、むしろ電気ヒータ６６の熱が燃焼排ガスに奪われることによる影響が大きくなるため、この時点で燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層６２の昇温は終了する。なお、ＣＯ除去器１２に流入前の燃焼排ガスの温度に比べてＣＯ除去器１２から排出された燃焼排ガスの温度は例えば２０〜３０℃程度（本実施の形態例では３０℃）低いため、バイパス側切り換えを行ったときのＣＯ除去器出口の燃焼排ガス温度は図５に示すように８０℃から１１０℃に上昇する。そして、同時にコントローラ５３では、このときの温度計測器５６の計測信号に基づいて改質用水供給装置５９を起動することにより、改質用水供給装置５９から改質器１１の蒸発器１６への改質用水の供給を開始する。但し、この時点では、まだ、改質用燃料の供給は行わない。
【００８２】
蒸発器１６に供給された改質用水は燃焼排ガスによって加熱されることにより、１００℃の水蒸気となる。そして、この水蒸気が改質器１１から排出されて改質ガス排出ライン２６を流通した後、時刻Ｔ３においてＣＯ除去器１２に達し、ＣＯ除去器１２の改質ガス流路６１に供給されて改質ガス流路６１のＣＯ除去触媒層６２を流通し始めると、ＣＯ除去触媒層６２の温度は当該水蒸気によって図５に示すように急激に１００℃まで上昇する。
【００８３】
その後、電気ヒータ６６によって加熱され続けても時刻Ｔ４までは水蒸気は飽和蒸気（潜熱領域）のままであり、水蒸気の温度は飽和温度（１００℃）のままであるため、図５に示すようにＣＯ除去触媒層６２の温度も１００℃のままである。そして時刻Ｔ４で水蒸気が過熱蒸気となって再び当該水蒸気の温度が上昇し始めると、これに伴って図５に示すようにＣＯ除去触媒層６２の温度の再び上昇し始める。
【００８４】
そして、時刻Ｔ５においてＣＯ除去触媒層６２の温度が１２０℃（所定の第２温度）に達し、この温度を温度計測器５５が計測すると、このときの温度計測器５５の計測信号に基づいてコントローラ５３では、電気ヒータ６６をＯＦＦ（停止）にして電気ヒータ６６によるＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温を終了するとともに改質用燃料、ＰＲＯＸ用空気、冷却水及び冷却空気の供給を開始する。
【００８５】
具体的には、スイッチ６８をＯＦＦにして直流電源６７から電気ヒータ６６への電力供給を停止する。また、改質用燃料流量調整弁３０を開けて改質器１１の蒸発器１６への改質用燃料の供給を開始する。このとき改質用燃料流量調整弁３０は、蒸発器１６への改質用燃料の供給量がコントローラ５３によって設定された目標流量となるように改質用燃料流量計測制御器３１が、改質用燃料流量調整弁３０の開度を制御することにより、適宜の開度に開けられる。蒸発器１６へ供給された改質用燃料は改質用水と混合され、この混合流体が蒸発器１６で燃焼排ガスにより加熱されて蒸発することにより混合ガスとなり、この混合ガスが改質触媒層１７を流通する際に当該混合ガス中の改質用燃料が水蒸気改質されて改質ガスが生成される。そして、この改質ガスが、改質ガス排出ライン２６を介してＣＯ除去器１２の改質ガス流路６１に供給される。同時にＰＲＯＸ用空気供給ブロア３４を起動することにより、ＰＲＯＸ用空気もＰＲＯＸ用空気供給ライン３３及び改質ガス排出ライン２６を介して改質ガス流路６１に供給される。
【００８６】
かくして第１改質ガス流路６１ＡのＣＯ除去触媒層６２には改質ガスとＰＲＯＸ用空気の混合ガスが流通し始めるため、ＣＯ除去触媒層６２では当該混合ガス中の改質ガスに含まれているＣＯの選択酸化反応が開始される。このＣＯ選択酸化反応は発熱反応であり、以後は、この発熱によってＣＯ除去触媒層６２が昇温することになるため、上記の如く電気ヒータ６６による加熱はこの時点で終了する。また、同時に冷却空気供給用ブロア４０を起動することによって冷却空気流路６４への冷却空気の流通を開始するとともに、冷却水供給用ポンプ３９を起動するとともに冷却水流量調節弁４７を開けて冷却水流路６５への冷却水の供給も開始する。このとき冷却水流量調節弁４７は、冷却水流路６５への冷却水の供給量がコントローラ５３によって設定された目標流量となるように燃焼用燃料流量計測制御器２９が、燃焼用燃料流量調整弁２８の開度を制御することにより、適宜の開度に開けられる。
【００８７】
なお、このときにはまだＣＯ除去触媒層６２の温度が最適温度の１３０℃に達しておらず、十分なＣＯ除去が行われていないため、改質ガス切換弁４３の流入口を排出ライン４４側（水素燃焼器４５側）とし、ＣＯ除去器１２から排出された改質ガスは水素燃焼器４５で燃焼して排気する。
【００８８】
その後、時刻Ｔ６においてＣＯ除去触媒層６２の温度が１３０℃に達し、この温度を温度計測器５５で計測すると、このときの温度計測器５５の計測信号に基づいてコントローラ５３では、改質ガス切換弁燃料電池側切換、空気供給開始及びＣＯ除去触媒層温度制御開始を行う。
【００８９】
具体的には、改質ガス切換弁４３の流入口を排出ライン４４側から燃料電池１３側へ切り換える。その結果、燃料電池１３のアノード側への改質ガスの供給が開始される。また、空気流量調節弁４９を開けることにより、燃料電池１３のカソード側への空気供給も開始する。このとき空気流量調節弁４９は、燃料電池１３への空気の供給量がコントローラ５３によって設定された目標流量となるように空気流量計測制御器５０が、空気流量調節弁４９の開度を制御することにより、適宜の開度に開けられる。かくして燃料電池１３では、これらの供給ガスが電気化学的に反応することにより、発電を開始する。
【００９０】
更に、コントローラ５３ではＣＯ除去触媒層６２を最適温度（１３０℃）に維持するため、温度計測器５５の温度計測値と最適温度目標値（１３０℃）との偏差に基づき、ＰＩＤ制御などの適宜の制御手法によって、冷却水供給用ポンプ３９の回転数制御や冷却水流量調節弁４７の開度制御（冷却水流量計測制御器４８に対する目標値の設定）を行うことによって冷却水流路６５への冷却水の供給量を制御し、且つ、冷却空気供給用ブロア４０の回転数制御を行うことによって冷却空気流路６４への冷却空気の供給量を制御する。即ち、温度計測値が最適温度目標値よりも高くなったときには、冷却水供給用ポンプ３９の回転数や冷却水流量調節弁４７の開度を増加させて冷却水の供給量を増加させることや、冷却空気供給用ブロア４０の回転数を増加させて冷却空気の供給量を増加させることにより、ＣＯ除去触媒層６２の温度を下げて温度計測値を最適温度目標値に一致させ、逆に温度計測値が最適温度目標値よりも低くなったときには、冷却水供給用ポンプ３９の回転数や冷却水流量調節弁４７の開度を減少させて冷却水の供給量を減少させることや、冷却空気供給用ブロア４０の回転数を減少させて冷却空気の供給量を減少させることにより、ＣＯ除去触媒層６２の温度を上げて温度計測値を最適温度目標値に一致させる。かかる温度制御によってＣＯ除去触媒層６２の温度を例えば最適温度１３０±５℃の範囲に維持することができる。
【００９１】
なお、冷却空気供給用ブロア４０から冷却空気流路６４へ供給される冷却空気の温度は例えば３０℃程度である。冷却空気流路６４はＣＯ除去触媒層６２の全長に亘ってＣＯ除去触媒層６２の周囲を囲んでいるため、この冷却空気流路６４を流通する冷却空気によってＣＯ除去触媒層６２全体が冷却される。冷却空気流路６４から排出される冷却空気の温度は例えば５０〜６０℃程度である。冷却水供給用ポンプ３９から冷却水流路６５（水冷パイプ１００）へ供給される冷却水の温度は例えば２０℃程度であり、冷却水流路６５はＣＯ除去触媒層６２の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして設けられているため、この冷却水流路６５を流通する冷却水によって主にＣＯ除去触媒層６２の改質ガス流通方向上流部が冷却されることになる。冷却水流路６５から排出される冷却水の温度は例えば５０〜６０℃程度である。なお、その他の部分の温度例について説明すると、改質器１１から排出されてＣＯ除去器１２に供給される改質ガスの温度は１３０℃、ＣＯ除去器１２から排出される改質ガスの温度は１２０℃、凝縮器４２から排出されて燃料電池１３へ供給される改質ガスの温度は７０℃、燃料電池１３から排出される改質ガスの温度は７０℃である。
【００９２】
なお、コントローラ５３では、通常、燃料電池１３の発電電力が一定値となるように各計測制御器２９，３１，４８，５０に目標流量を与えてバーナー１５への燃焼用燃料供給量、蒸発器１６（改質触媒層１７）への改質用燃料供給量、ＣＯ除去器１２への冷却水供給量及び燃料電池１３への空気供給量を制御し、また、ＰＲＯＸ用空気供給用ブロア３４、冷却水供給用ポンプ３９及び冷却空気供給用ブロア４０の回転数などを調整するが、これに限らず、出力電流計測器６０による燃料電池１３の出力電流（負荷電流）の計測値に基づいて、各計測制御器２９，３１，４８，５０に与える目標流量を調整することにより、前記燃焼用燃料供給量、前記改質用燃料供給量、前記冷却水供給量及び空気供給量を調整し、また、冷却水供給用ポンプ３９及び冷却空気供給用ブロア４０の回転数などを調整するようにしてもよい。
【００９３】
以上のことから、本実施の形態例１によれば、次のような効果を得ることができる。
【００９４】
即ち、本実施の形態例１のＣＯ除去器１２によれば、ＣＯ除去触媒層６２に隣接して燃焼排ガス流路６３を設け、この燃焼排ガス流路６３に改質器１１から排出されるバーナー１５の燃焼排ガスを流通させることにより、当該燃焼排ガスによってＣＯ除去触媒層６２を加熱昇温する構成としたため、改質器１１の燃焼排ガスの熱を有効に利用（カスケード利用）して効率的に低コストでＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温を行うことができる。
【００９５】
また、本実施の形態例１のＣＯ除去器１２によれば、ＣＯ除去触媒層６２の周囲を囲むようにして冷却空気流路６４を設け、この冷却空気流路６４に冷却空気を流通させることにより、当該冷却空気によってＣＯ除去触媒層６２を冷却する構成とし、且つ、冷却空気流路６４の外側に位置するとともにＣＯ除去触媒層６２の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして冷却水流路６５を設け、この冷却水流路６５に冷却水を流通させることにより、当該冷却水によってＣＯ除去触媒層６２を冷却する構成としたことにより、特に改質ガス中のＣＯ量が多いためにＣＯ選択酸化反応による発熱量の多いＣＯ除去触媒層６２の改質ガス流通方向上流部を、冷却空気だけでなく冷却水でも冷却することができる。このため、ＣＯ除去触媒層６２全体を均一に最適温度に維持することができる。しかも、ＣＯ除去触媒層６２全体は比較的冷却能力の低い冷却空気で冷却し、比較的冷却能力の高い冷却水は冷却空気を介してＣＯ除去触媒層６２を冷却することになるため、ＣＯ除去触媒層６２を過度に冷却することがなく、ＣＯ除去触媒層６２を最適温度に維持することが容易である。
【００９６】
また、本実施の形態例１のＣＯ除去器１２によれば、燃焼排ガス流路６３、改質ガス流路６１及び冷却空気流路６４にはセラミックボール９４を充填してなる伝熱促進材層９１，９５，９９を設けたことにより、熱伝導率の高いセラミックボール９４によって伝熱を促進することができるため、燃焼排ガスによる加熱昇温や冷却空気による冷却などを効率的に行うことができる。しかも、燃焼排ガス及び冷却空気はセラミックボール９４の隙間を通過する際に拡散し、流速が上昇するため、このことによってセラミックボール９４と燃焼排ガスや冷却空気との間の熱伝達が促進されることから、より一層効率的に前記加熱昇温や前記冷却を行うことができる。
【００９７】
また、本実施の形態例１のＣＯ除去器１２によれば、燃焼排ガス流路６３は、第１燃焼排ガス流路６３Ａとこの第１燃焼排ガス流路６３Ａの周囲を囲む第２燃焼排ガス流路６３Ｂとを有する二重流路であって、且つ、第１燃焼排ガス流路６３Ａの燃焼排ガス流通方向下流側と第２燃焼排ガス流路６３Ｂの燃焼排ガス流通方向上流側とが連通し、燃焼排ガスが当該連通部で折り返して第１燃焼排ガス流路６３Ａ側から第２燃焼排ガス流路６３Ｂ側へ流入する構成であり、改質ガス流路６１は、第１改質ガス流路６１Ａと第２改質ガス流路６１Ｂとを有するとともに第２改質ガス流路６１Ｂが第２燃焼排ガス流路６３Ｂの周囲を囲み、ＣＯ除去触媒層６２が設けられた第１改質ガス流路６１Ａが第２改質ガス流路６１Ｂの周囲を囲む二重流路であって、且つ、第１改質ガス流路６１Ａの改質ガス流通方向下流側と第２改質ガス流路６１Ｂの改質ガス流通方向上流側とが連通し、改質ガスが当該連通部で折り返して第１改質ガス流路６１Ａ側から第２改質ガス流路６１Ｂ側に流入する構成であるため、燃焼排ガス流路６３及び改質ガス流路６１は流路面積に対して流路長が長くなり、燃焼排ガスや改質ガスのガス流れ分布を均一にすることができる。また、燃焼排ガスの熱をＣＯ除去触媒層６２に伝える時間を長くすることができ、第２改質ガス流路６１Ｂを流れる改質ガスと第１改質ガス流路６１ＡのＣＯ除去触媒層６２とが熱交換をすることもできる。このため、より効率的に燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温を行うことがしき、また、より確実にＣＯ除去触媒層６２全体（改質ガス流通方向の温度分布）を均一に最適温度に維持することができる。
【００９８】
また、本実施の形態例１のＣＯ除去器１２によれば、ＣＯ除去触媒層６２を加熱昇温する電気ヒータ６６を設けたことにより、燃焼排ガスによる加熱昇温と電気ヒータ６６による加熱昇温とを同時に行うことができるため、より短時間でＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温を行うことができる。
【００９９】
また、本実施の形態例１の固体高分子形燃料電池発電システムによれば、上記のようなＣＯ除去器１２を有するため、上記のような効果を奏する優れた燃料電池発電システムを実現することができる。
【０１００】
また、本実施の形態例１のＣＯ除去器１２の昇温運転方法によれば、燃焼排ガス流路６３に燃焼排ガスを流通させ、且つ、電気ヒータ６６をＯＮにすることにより、燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温と電気ヒータ６６によるＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温とを行う第１昇温手順と、この第１昇温手順によって燃焼排ガス流路６３から排出される燃焼排ガスの温度が所定の第１温度（８０℃）に達したとき又はＣＯ除去触媒層１２の温度が所定の第１温度に達したとき、燃焼排ガス流路６３への燃焼排ガスの流通を停止して燃焼排ガスによるＣＯ除去触媒層６２の加熱昇温を終了するとともに、改質器１１で燃焼排ガスの加熱により生成された水蒸気を改質ガス流路６１に流通させることにより、この水蒸気と電気ヒータ６６とによってＣＯ除去触媒層６２を昇温する第２昇温手順と、この第２昇温手順によってＣＯ除去触媒層６２の温度が所定の第２温度（１２０℃）に達したとき、電気ヒータ６６をＯＦＦにするとともに、改質ガスを酸化剤ガス（ＰＲＯＸ用空気）とともに改質ガス流路６１に流通させてＣＯ除去触媒層６２における改質ガス中のＣＯの選択酸化反応を開始することにより、この選択酸化反応の発熱でＣＯ除去触媒層６２を最適温度になるまで昇温する第３昇温手順と、を有するため、効率的に短時間でＣＯ除去触媒層６２を最適温度まで昇温することができる。
【０１０１】
＜実施の形態例２＞
図６は本発明の実施の形態例２に係るＣＯ除去器の構成を示す断面図（図７のＤ−Ｄ線矢視断面図）、図７は図６のＣ−Ｃ線矢視断面図である。本実施の形態例２においても、固体高分子形燃料電池発電システムの構成は上記実施の形態例１（図１参照）と同様である。即ち、本実施の形態例２では図１の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、ＣＯ除去器１２に代わりに図６及び図７に示すＣＯ除去器１５０を用いる。図６において図１，図２と同様の部分には同一の符号を付している。
【０１０２】
図６及び図７に示すように、ＣＯ除去器１２は内側から外側へ順に間隔を有して同心円状に配置されたステンレス等の金属製の第１円筒１５１、第２円筒１５２、第３円筒１５３及び第４円筒１５４を有し、また、一端側にステンレス等の金属製の端板１５５，１５６，１５７、他端側にステンレス等の金属製の端板１５８，１５９，１６０を有している。なお、図２ではＣＯ除去器１５０を、各円筒１５１〜１５４の軸方向（図６中上下方向）が鉛直方向となるように設置しているが、これに限定するものではなく、例えば前記軸方向が水平方向となるようにＣＯ除去器１５０を設置してもよい。
【０１０３】
そして、ＣＯ除去器１５０は改質ガス流路１６１、燃焼排ガス流路１６２、冷却空気流路１６３、冷却水流路１６４及び電気ヒータ１６５を有している。
【０１０４】
燃焼排ガス流路１６２は第１円筒１５１によって構成されている。即ち、第１円筒１５１は一端面（図示では上端面）と他端面（図示例では下端面）が何れも開口しており、その内部が燃焼排ガス流路１６２となっている。第１円筒７１は端板１５５，１５８を貫通し、これらの端板１５５，１５８に溶接などによって固定されている。燃焼排ガス流路１６２（第１円筒１５１）の上流端（図示例では上端）の流入口１６６に燃焼排ガス排出ライン２５が接続され、燃焼排ガス流路１６２（第１円筒１５１）の下流端（図示例では下端）の排出口１６７に燃焼排ガス排出ライン３７が接続されている。従って、燃焼排ガス排出ライン２５を介して燃焼排ガス流路１６２に供給される燃焼排ガスは、図６中に矢印で示すように流入口１６６から燃焼排ガス流路１６２に流入して燃焼排ガス流路１６２を流通した後、排出口８１から燃焼排ガス排出ライン３７へ排出される。
【０１０５】
また、燃焼排ガス流路１６２には伝熱促進材層１６８が設けられている。この伝熱促進材層１６８も、図４の伝熱促進材層９１と同様に粒状（球形状等）の伝熱促進材としてのセラミックボールを多数充填してなるものである。
【０１０６】
改質ガス流路１６１は燃焼排ガス流路１６２の外側に位置している。改質ガス流路１６１は第１円筒１５１と第２円筒１５２と端板１５５，１５８によって構成され、燃焼排ガス流路１６２の周囲を囲んだ構成となっている。即ち、第２円筒１５２の一端面（図示例では上端面）は端板１５５によって閉じられ、第２円筒１５２の他端面（図示例では下端面）は端板１５８によって閉じられており、この第２円筒１５２内が改質ガス流路１６１となっている。
【０１０７】
また、改質ガス流路１６１（第２円筒１５２）の上流端部（図示例では下端部）の流入口１６９には改質ガス排出ライン２６が接続され、改質ガス流路１６１（第２円筒１５２）の下流端部（図示例では上端部）の排出口１７０には改質ガス排出ライン３８が接続されている。このため、改質ガス排出ライン２６を介して改質ガス流路１６１に供給される改質ガスは、図６中に矢印で示すように流入口１６９から改質ガス流路１６１に流入して改質ガス流路１６１を流通した後、排出口１７０から改質ガス排出ライン３８へ排出される。
【０１０８】
そして、改質ガス流路１６１にはＣＯ除去触媒（ＣＯ選択酸化（ＰＲＯＸ）触媒）を充填してなるＣＯ除去触媒層１７１が設けられている。従って、改質ガス流路１６１では改質ガスが、このＣＯ除去触媒層１７１を流通することになる。ＣＯ除去触媒層１７１は燃焼排ガス流路１６２（伝熱促進材層１６８）の周囲を囲むようにして設けられている。ＣＯ除去触媒層１７１は図２のＣＯ除去触媒層６２と同様に例えばＣＯ除去触媒を担持させたセラミックボールなどの担体を、第１円筒１５１と第２円筒１５２に固定したパンチンングメタルなどの多孔板を改質ガス流通方向の上流側と下流側に配設した改質ガス流路１６１に多数充填して構成される。
【０１０９】
温度計測器１７２はＣＯ除去触媒層１７１の改質ガス流通方向の中央部に設けられており、当該位置でＣＯ除去触媒層１７１（即ちＣＯ除去触媒）の温度を計測する。本実施の形態例２では図２の温度計測器５５の計測信号に代えて、この温度計測器１７２の計測信号がコントローラ５３に入力される。
【０１１０】
冷却空気流路１６３は改質ガス流路１６１の外側に位置している。冷却空気流路１６３は第２円筒１５２、第３円筒１５３及び端板１５７，１６０によって構成されており、改質ガス流路１６１の周囲を囲んだ構成となっている。即ち、第３円筒１５３の一端面（図示例では上端面）は端板１５７によって閉じられている。第３円筒１５３の他端面（図示例では下端面）は端板１６０によって閉じられている。そして、第２円筒１５２と第３円筒１５３の間が冷却空気流路１６３となっている。
【０１１１】
第３円筒１５３の一端部（図示例では上端部）に流入管１７３の一端が接続され、断熱材１７５及び第４円筒１５４を貫通して外に取り出された流入管１７３の他端に冷却空気供給ライン３６が接続されている。また、第３円筒７５の他端部（図示例では下端部）に排出管１７４の一端が接続され、断熱材１７５及び第４円筒１５４を貫通して外に取り出された排出管１７４の他端に冷却空気排出ライン２３が接続されている。従って、冷却空気供給ライン３６を介して冷却空気流路１６３に供給される気体冷却材としての冷却空気は、図６中に矢印で示すように流入管１７３から冷却空気流路１６３に流入して冷却空気流路１６３を流通した後、排出管１７４から冷却空気排出ライン２３へ排出される。
【０１１２】
また、冷却空気流路１６３にも、図４の伝熱促進材層９１と同様に粒状（球形状等）の伝熱促進材としてのセラミックボールを多数充填してなる伝熱促進材層１７６が設けられている。この伝熱促進材層１７６はＣＯ除去触媒層１７１の周囲を囲むようにして設けられている。
【０１１３】
冷却水流路１６４は第４円筒１５４の外周面の一端側寄り（図示では下端側寄り）に螺旋状に巻回されたステンレス等の金属製などの水冷パイプ１７７からなるものである。即ち、この水冷パイプ１７７からなる冷却空気流路１６４は、ＣＯ除去触媒層１７１の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして設けられている。また、第４円筒１５４を貫通して外に取り出された水冷パイプ１７７の一端の流入部１７７ａと他端の排出部１７７ｂには冷却水供給ライン３５と、冷却水排出ライン２４とがそれぞれ接続されている。
【０１１４】
このため、冷却水供給ライン３５を介して水冷パイプ１７７（冷却水流路１６４）に供給される液体冷却材としての冷却水は、図６中に矢印で示すように流入部１７７ａから水冷パイプ１７７（冷却水流路１６４）に流入し、水冷パイプ１７７（冷却水流路１６４）を螺旋状に流通した後、排出部１７７ｂから冷却水排出ライン２４へ排出される。
【０１１５】
電気ヒータ１６５は第３円筒１５３の外周面の他端側寄り（図示では上端側寄り）に螺旋状に巻回されている。即ち、電気ヒータ１６５はＣＯ除去触媒層１７１が設けられた改質ガス流路１６１の周囲を囲むようにして設けられている。第４円筒１５４を貫通して外に取り出された電気ヒータ１６５の一端部１６５ａには直流電源１７８の正極側に接続され、第４円筒１５４を貫通して外に取り出された電気ヒータ１６５の他端部１６５ｂにはスイッチ１７９を介して直流電源１７８の負極側に接続されている。従って、スイッチ１７９をＯＮ（閉）にして直流電源１７８から電気ヒータ１６５へ電力が供給されると、電気ヒータ１６５が発熱してＣＯ除去触媒層１７１が加熱される。
【０１１６】
第４円筒１５４の一端面（図示例では上端面）は端板１５６によって閉じられており、端板１５６と、端板１５６の内側の端板１５７との間に間隔が保持されている。第４円筒１５４の他端面（図示例では下端面）は端板１５９によって閉じられており、端板１５９と、端板１５９の内側の端板１６０との間にも間隔が保持されている。そして、第３円筒１５３と第４円筒１５４との間、端板１５６，１５７間及び端板１５９，１６０間にセラミックファイバ等の断熱材１７５が設けられている。即ち、ＣＯ除去器１５０は全体が断熱材１７５で覆われている。
【０１１７】
なお、コントローラ５３によるＣＯ除去器１５の昇温運転については、上記実施の形態例２のコントローラ５３によるＣＯ除去器１２の昇温運転と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【０１１８】
本実施の形態例２のＣＯ除去器１５０によれば、ＣＯ除去触媒層６２に隣接して燃焼排ガス流路１６２を設け、この燃焼排ガス流路１６２に改質器１１から排出されるバーナー１５の燃焼排ガスを流通させることにより、当該燃焼排ガスによってＣＯ除去触媒層１７１を加熱昇温する構成としたため、改質器１１の燃焼排ガスの熱を有効に利用（カスケード利用）して効率的に低コストでＣＯ除去触媒層１７１の加熱昇温を行うことができる。
【０１１９】
また、本実施の形態例２のＣＯ除去器１５０によれば、ＣＯ除去触媒層１７１の周囲を囲むようにして冷却空気流路１６３を設け、この冷却空気流路１６３に冷却空気を流通させることにより、当該冷却空気によってＣＯ除去触媒層１７１を冷却する構成とし、且つ、冷却空気流路１６３の外側に位置するとともにＣＯ除去触媒層１７１の改質ガス流通方向上流部の周囲を囲むようにして冷却水流路１６４を設け、この冷却水流路１６４に冷却水を流通させることにより、当該冷却水によってＣＯ除去触媒層１７１を冷却する構成としたことにより、特に改質ガス中のＣＯ量が多いためにＣＯ選択酸化反応による発熱量の多いＣＯ除去触媒層１７１の改質ガス流通方向上流部を、冷却空気だけでなく冷却水でも冷却することができる。このため、ＣＯ除去触媒層１７１全体を均一に最適温度に維持することができる。しかも、ＣＯ除去触媒層１７１全体は比較的冷却能力の低い冷却空気で冷却し、比較的冷却能力の高い冷却水は冷却空気を介してＣＯ除去触媒層１７１を冷却することになるため、ＣＯ除去触媒層１７１を過度に冷却することがなく、ＣＯ除去触媒層１７１を最適温度に維持することが容易である。
【０１２０】
また、本実施の形態例２のＣＯ除去器１５０によれば、燃焼排ガス流路１６２及び冷却空気流路１６３にはセラミックボールを充填してなる伝熱促進材層１６８，１７６を設けたことにより、熱伝導率の高いセラミックボールによって伝熱を促進することができるため、燃焼排ガスによる加熱昇温や冷却空気による冷却などを効率的に行うことができる。しかも、燃焼排ガス及び冷却空気はセラミックボールの隙間を通過する際に拡散し、流速が上昇するため、このことによってセラミックボールと燃焼排ガスや冷却空気との間の熱伝達が促進されることから、より一層効率的に前記加熱昇温や前記冷却を行うことができる。
【０１２１】
また、本実施の形態例２のＣＯ除去器１５０によれば、ＣＯ除去触媒層１７１を加熱昇温する電気ヒータ１６５を設けたことにより、燃焼排ガスによる加熱昇温と電気ヒータ１６５による加熱昇温とを同時に行うことができるため、より短時間でＣＯ除去触媒層１７１の加熱昇温を行うことができる。
【０１２２】
また、本実施の形態例２の固体高分子形燃料電池発電システムによれば、上記のようなＣＯ除去器１５０を有するため、上記のような効果を奏する優れた燃料電池発電システムを実現することができる。
【０１２３】
また、本実施の形態例２のＣＯ除去器１５０の昇温運転方法においても、上記実施の形態例１におけるＣＯ除去器１２の昇温運転と同様の手順とすることにより、上記実施の形態例１と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は改質器で生成した改質ガスからＣＯを除去するためのＣＯ除去器、燃料電池発電システム及びＣＯ除去器の昇温運転方法に関するものであり、固体高分子形燃料電池発電システムなどのＣＯ除去器におけるＣＯ除去触媒層を低コスト且つ短時間で最適温度に昇温し、且つ、ＣＯ除去触媒層全体を均一に最適温度に維持する場合に適用して有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明の実施の形態例１に係る固体高分子形燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態例１に係るＣＯ除去器の構成を示す断面図（図３のＢ−Ｂ線矢視断面図）である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図４】伝熱促進材層の構成図である。
【図５】前記ＣＯ除去器（ＣＯ除去触媒層）の昇温パターンを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態例２に係るＣＯ除去器の構成を示す断面図（図７のＤ−Ｄ線矢視断面図）である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【図８】従来の固体高分子形燃料電池発電システムの構成図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１１  改質器
１２  ＣＯ除去器
１３  燃料電池
１４  負荷
１５  バーナー
１６  蒸発器
１７  改質触媒層
１８  改質ガス戻りライン
１９  燃焼用空気供給ライン
２０  燃焼用燃料供給ライン
２１  改質用燃料供給ライン
２２  改質用水供給ライン
２３  冷却空気排出ライン
２４  冷却水排出ライン
２５  燃焼排ガス排出ライン
２６  改質ガス排出ライン
２７  燃焼用及び改質用燃料供給ライン
２８  燃焼用燃料流量調整弁
２９  燃焼用燃料流量計測制御器
３０  改質用燃料流量調整弁
３１  改質用燃料流量計測制御器
３２  燃焼排ガスバイパスライン
３３  ＰＲＯＸ用空気供給ライン
３４  ＰＲＯＸ用空気供給用ブロア
３５  冷却水供給ライン
３６  冷却空気供給ライン
３７  燃焼排ガス排出ライン
３８  改質ガス排出ライン
３９  冷却水供給用ポンプ
４０  冷却空気供給用ブロア
４１  燃焼排ガス切換弁
４２  凝縮器
４２ａ  冷却水管
４３  改質ガス切換弁
４４  排出ライン
４５  水素燃焼器
４６  排出ライン
４７  冷却水流量調節弁
４８  冷却水流量計測制御器
４９  空気流量調節弁
５０  空気流量計測制御器
５１  排出ライン
５２  ドレンタンク
５３  コントローラ
５４  空気排出ライン
５５，５６  温度計測器
５７  燃焼用空気供給装置
５８  燃焼用及び改質用燃料供給装置
５９  改質用水供給装置
６０  出力電流計測器
６１  改質ガス流路
６１Ａ  第１改質ガス流路
６１Ｂ  第２改質ガス流路
６２  ＣＯ除去触媒層
６３  燃焼排ガス流路
６３Ａ  第１燃焼排ガス流路
６３Ｂ  第２燃焼排ガス流路
６４  冷却空気流路
６５  冷却水流路
６６  電気ヒータ
６６ａ  一端部
６６ｂ  他端部
６７  直流電源
６８  スイッチ
７０  分流ライン
７１  第１円筒
７２  第２円筒
７３  第３円筒
７４  第４円筒
７５  第５円筒
７６  第６円筒
７７，７８  端板
７９  隙間
８０  流入口
８１  排出口
８２，８３，８４  端板
８５  隙間
８６  流入管
８７  排出管
８８，８９  端板
９０  断熱材
９１  伝熱促進材層
９２，９３  多孔板
９４  セラミックボール
９５  伝熱促進材層
９６  端板
９７  流入管
９８  排出管
９９  伝熱促進材層
１００  水冷パイプ
１００ａ  流入部
１００ｂ  排出部
１０１  端板
１０２  分流ライン
１５０  ＣＯ除去器
１５１  第１円筒
１５２  第２円筒
１５３  第３円筒
１５４  第４円筒
１５５，１５６，１５７，１５８，１５９，１６０  端板
１６１  改質ガス流路
１６２  燃焼排ガス流路
１６３  冷却空気流路
１６４  冷却水流路
１６５  電気ヒータ
１６６  流入口
１６７  排出口
１６８  伝熱促進材層
１６９  流入口
１７０  排出口
１７１  ＣＯ除去触媒層
１７２  温度計測器
１７３  流入管
１７４  排出管
１７５  断熱材
１７６  伝熱促進材層
１７７  水冷パイプ
１７７ａ  流入部
１７７ｂ  排出部
１７８  直流電源
１７９  スイッチ
【図１】
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【図２】
2007335224.tif 000004
【図３】
2007335224.tif 000005
【図４】
2007335224.tif 000006
【図５】
2007335224.tif 000007
【図６】
2007335224.tif 000008
【図７】
2007335224.tif 000009
【図８】
2007335224.tif 000010