(57)【要約】      （修正有）【課題】各種原料を用いて水素ガスを良好に生成できる改質ユニットおよび燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムでは、供給される水から水蒸気を生成させる熱交換装置６４０と、水蒸気と炭化水素原料を含有する原料ガスとが混合され改質ガスを生成させる改質器６２０と、改質器６２０にて改質ガスが供給されるとともに、改質ガス中のＣＯを除去する触媒を充填するＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０と、ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０のそれぞれの触媒と熱交換させた後、水を熱交換装置６４０に供給する冷却水管７７０と、ＣＯ変成触媒層８２２およびＣＯ選択酸化触媒層８３２がＣＯを除去する反応温度より低い温度で、水を熱交換装置６４０に供給する改質水内管６４１と、所定の反応温度で冷却水管７７０または改質水内管６４１に水の流通経路を切り替える制御部とを備える改質ユニット３００を具備した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される水から水蒸気を生成させる水蒸気生成手段と、前記水蒸気と炭化水素原料を含有する原料ガスとが混合され改質ガスを生成させる改質ガス生成手段と、前記改質ガス生成手段にて前記改質ガスが供給されるとともに、前記改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を除去する触媒を充填するＣＯ除去手段と、を備えた改質ユニットであって、
内部を前記水が流通可能で前記ＣＯ除去手段の触媒と熱交換させた後の前記水を前記水蒸気生成手段へ供給する流水経路と、前記水蒸気生成手段へ前記水を供給するバイパス経路と、を備え、
前記ＣＯ除去手段の触媒が水蒸気の露点より高い温度条件で、前記流水経路へ前記水を供給し、前記ＣＯ除去手段の触媒が水蒸気の露点以下の条件で、前記バイパス経路へ前記水を供給させる水供給手段を具備した
ことを特徴とした改質ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の改質ユニットであって、
前記ＣＯ除去手段は、内部に前記触媒が充填されるとともに前記水供給手段の流水経路が貫通される充填領域を有したケース体を備え、
前記水供給手段は、前記流水経路の外表面が結露しない条件で前記流水経路に前記水を流通させる
ことを特徴とした改質ユニット。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の改質ユニットであって、
前記ＣＯ除去手段は、内部に前記触媒が充填されるとともに前記水供給手段の流水経路が貫通される充填領域を有したケース体を備え、
前記水供給手段は、少なくとも前記充填領域における温度が水蒸気の露点より高い温度条件で前記流水経路に前記水を流通させる
ことを特徴とした改質ユニット。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の改質ユニットであって、
前記水供給手段は、前記ＣＯ除去手段の触媒により前記ＣＯを除去可能な温度条件で前記流水経路に前記水を流通させる
ことを特徴とした改質ユニット。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の改質ユニットであって、
前記水供給手段は、前記流水経路の内部を開閉可能に前記流水経路に設けられた第一の調整弁の上流側に、前記バイパス経路が分岐形成された
ことを特徴とした改質ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の改質ユニットであって、
前記水供給手段は、前記バイパス経路が分岐する位置より前記上流側に設けられた第一のポンプを有し、
前記水蒸気と前記炭化水素原料とが所定の水バランスとなる条件で、前記第一のポンプの駆動状態および前記第一の調整弁の開閉状態を制御する
ことを特徴とした改質ユニット。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の改質ユニットであって、
前記水供給手段は、前記流水経路に前記水を流通させる第一のポンプと、前記バイパス経路に前記水を流通させる第二のポンプと、を備えた
ことを特徴とした改質ユニット。
【請求項８】
請求項７に記載の改質ユニットであって、
前記水供給手段は、前記水蒸気と前記炭化水素原料とが所定の水バランスとなる条件で、前記第一のポンプおよび前記第二のポンプの駆動状態を制御する
ことを特徴とした改質ユニット。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の改質ユニットと、
前記改質ガスおよび酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、
を具備したことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出される水を前記水供給手段へ返送可能な返送経路を有した
ことを特徴とした燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素原料から水素ガス（Ｈ2）を含有する改質ガスを生成する改質ユニットおよび改質ユニットを備えた燃料電池システムに関する。特に、灯油などの炭化水素原料を用いる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用の電源として、水素と酸素との化学反応により発電する燃料電池が注目されており、開発が進められている。これと共に、燃料電池に供給する水素の製造装置として、灯油、天然ガス、アルコール等の炭化水素原料を改質し、水素を生成する改質ユニットが知られている。
これらの構成では、原料と水蒸気とを混合して加熱し水素ガスを主成分とする改質ガスに改質する際の熱量が最も大きい。また、例えば高分子膜を利用して発電させる燃料電池に供給する改質ガスの製造において、改質ガス中に残留するＣＯガスが燃料電池を損傷するおそれがあることから、改質ガスから残留するＣＯガスを除去する必要がある。このＣＯ除去に際しても触媒を利用してある程度の温度で反応させるために昇温が必要な場合があるので、エネルギ効率の点で、改質ガスを生成する改質器と残留するＣＯを除去するＣＯ除去器とを一体構成として、改質の時の加熱の余熱を利用する構成も採られている。また、燃料電池システムでは、エネルギ効率が重要であることから、改質時の加熱の余熱を利用して、生成された高温の改質ガスをＣＯ除去の反応の温度までに冷却したり、ＣＯ除去の反応により発生する熱を有効利用したりするなどのために、水と熱交換させて改質ガスの生成時に利用する水蒸気を生成させる構成も採られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
一方、例えば家庭において電力消費状況は、夕刻から夜半ぐらいまでがピークで、就寝時間である深夜から未明に掛けては、ほとんど電力が利用されない。このため、燃料電池システムは、１日中稼働せずに電力消費が比較的に少ない時間帯は、稼働を停止する構成が採られている。
したがって、再起動する際に、熱交換に利用する水を流通した場合、十分に暖まっていないＣＯ除去器で結露を生じ、触媒が失活して十分なＣＯ除去が得られなくなるおそれがある。一方、十分にＣＯ除去器が暖まってから熱交換に利用する水を冷却水として流通した場合、他の部位が過熱状態となり、損傷するなどのおそれもある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５６３０５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１６８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、上記従来のユニット構成では、起動時および停止時の水蒸気供給時に、ＣＯ除去器内で凝縮水が生成して、触媒が濡れることにより触媒活性を低下させてしまうおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、このような点に鑑みて、水素ガスを良好に生成できる改質ユニットおよび燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に記載の改質ユニットは、供給される水から水蒸気を生成させる水蒸気生成手段と、前記水蒸気と炭化水素原料を含有する原料ガスとが混合され改質ガスを生成させる改質ガス生成手段と、前記改質ガス生成手段にて前記改質ガスが供給されるとともに、前記改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を除去する触媒を充填するＣＯ除去手段と、を備えた改質ユニットであって、内部を前記水が流通可能で前記ＣＯ除去手段の触媒と熱交換させた後の前記水を前記水蒸気生成手段へ供給する流水経路と、前記水蒸気生成手段へ前記水を供給するバイパス経路と、を備え、前記ＣＯ除去手段の触媒が水蒸気の露点より高い温度条件で、流水経路へ前記水を供給し、前記ＣＯ除去手段の触媒が水蒸気の露点以下の条件で、前記バイパス経路へ前記水を供給させる水供給手段を具備したことを特徴とする。
この発明では、改質ガスの原料とする水蒸気を生成させる際の熱の有効利用ためにＣＯ除去手段の触媒と水とを熱交換させる流水経路に、ＣＯ除去手段の触媒が水蒸気の露点より高い温度条件で水を流通させる。一方、バイパス経路には、水蒸気の露点より低い温度条件で、水を流通させる。
このことにより、水蒸気の露点の条件で流水経路またはバイパス経路に水の流通経路を切り替えるので、ＣＯ除去手段の触媒が結露により失活することを防止でき、長期間安定して効率よく良好に改質ガスを生成できる。
さらに、この発明では、水供給手段は流水経路またはバイパス経路に完全に切り替えて水を供給する。
このことにより、水蒸気の露点を考慮しつつ流水経路に供給する水の量を調整するなどの複雑な構成を採らなくて済む。したがって、改質ユニットの構成を簡単にできるので、小型軽量化および製造性を向上させることができる。
また、起動時および停止時には、触媒の劣化防止、活性確保のため、水蒸気のみを改質器内に流す運転が必要である。その際は、流体の露点が上昇してしまうため、特に水蒸気が結露するおそれが大きくなる。したがって、結露が懸念される運転を行う際に、バイパス経路に切り替えて通水することも可能である。
【０００７】
そして、本発明では、請求項１に記載の改質ユニットであって、前記ＣＯ除去手段は、内部に前記触媒が充填されるとともに前記水供給手段の流水経路が貫通される充填領域を有したケース体を備え、前記水供給手段は、前記流水経路の外表面が結露しない条件で前記流水経路に前記水を流通させる構成とすることが好ましい。
この発明では、ＣＯ除去手段の触媒が充填される充填領域に流水経路を貫通させて触媒と水との熱交換をする構成とし、流水経路の外表面が結露しない条件、例えば結露しない温度条件、あるいは結露しない温度が維持される流量条件で水を流通させる。
このことにより、熱交換させる簡単な構成でも結露による触媒の失活を防止できる運転制御が容易に得られる。
【０００８】
また、本発明では、請求項１または請求項２に記載の改質ユニットであって、前記ＣＯ除去手段は、内部に前記触媒が充填されるとともに前記水供給手段の流水経路が貫通される充填領域を有したケース体を備え、前記水供給手段は、少なくとも前記充填領域における温度が水蒸気の露点より高い温度条件で前記流水経路に前記水を流通させる構成とすることが好ましい。
この発明では、ＣＯ除去手段の触媒が充填される充填領域に流水経路を貫通させて触媒と水との熱交換をする構成とし、充填領域の温度が水蒸気の露点より高い温度条件で流水経路に水を流通させる。
このことにより、熱交換させる簡単な構成でも結露による触媒の失活を確実に防止できる運転制御が容易に得られる。
【０００９】
さらに、本発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の改質ユニットであって、前記水供給手段は、前記ＣＯ除去手段の触媒により前記ＣＯを除去可能な温度条件で前記流水経路に前記水を流通させる構成とすることが好ましい。
この発明では、ＣＯ除去手段の触媒がＣＯを除去可能な温度すなわちＣＯを除去する反応温度以上で流水経路に水を流通させる。
このことにより、結露による触媒の失活を確実に防止できる。
【００１０】
また、本発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の改質ユニットであって、前記水供給手段は、前記流水経路の内部を開閉可能に前記流水経路に設けられた第一の調整弁の上流側に、前記バイパス経路が分岐形成された構成とすることが好ましい。
この発明では、水の流量を調整可能な第一の調整弁を設けた流水経路に、第一の調整弁より上流側に位置してバイパス経路を分岐形成している。
このことにより、例えば１つのポンプ構成で第一の調整弁の開閉状態を制御する簡単な構成で、水を水蒸気生成手段へ供給しつつ結露による触媒の失活を確実に防止できる構成が容易に得られ、装置の小型軽量化および製造性の向上とともに、運転エネルギの低減が容易に図れる。
【００１１】
さらに、本発明では、請求項５に記載の改質ユニットであって、前記水供給手段は、前記バイパス経路が分岐する位置より前記上流側に設けられた第一のポンプを有し、前記水蒸気と前記炭化水素原料とが所定の水バランスとなる条件で、前記第一のポンプの駆動状態および前記第一の調整弁の開閉状態を制御する構成とすることが好ましい。
この発明では、バイパス経路の分岐位置より上流側に水を流通させる第一のポンプを設け、第一のポンプの駆動状態と、第一の調整弁の開閉状態とを制御することで、水蒸気生成手段へ適量の水を供給させる。
このことにより、水蒸気を適切に供給しつつ触媒の失活を防止できる装置の小型軽量化・製造性の向上が容易に得られるとともに、運転エネルギの低減が容易に得られる。
【００１２】
また、本発明では、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の改質ユニットであって、前記水供給手段は、前記流水経路に前記水を流通させる第一のポンプと、前記バイパス経路に前記水を流通させる第二のポンプと、を備えた構成とすることが好ましい。
この発明では、第一のポンプの駆動により流水経路に水を流通させ、第二のポンプの駆動によりバイパス経路に水を流通させる。
このことにより、流水経路とバイパス経路との水の流量を独立して制御でき、結露の不都合を回避するために流水経路に水を流通できない状態でも必要量の水を水蒸気生成手段へ供給することが可能となり、好適な水の供給ができる。したがって、改質ガスの生成条件が変動しても、供給する水蒸気の量を適宜変動させることが容易にでき、適切な水蒸気と炭化水素原料との水バランスを維持でき、良好に改質ガスを生成できる。
【００１３】
さらに、本発明では、前記水供給手段は、前記水蒸気と前記炭化水素原料とが所定の水バランスとなる条件で、前記第一のポンプおよび前記第二のポンプの駆動状態を制御する構成とすることが好ましい。
この発明では、第一のポンプおよび第二のポンプの駆動状態を制御して、流水経路とバイパス経路とにそれぞれ流れる水の流量を制御して、水蒸気と炭化水素原料との水バランスを好適に設定する。
このことにより、改質ガスの生成状況に応じて良好に改質ガスを生成できる。
【００１４】
本発明に記載の燃料電池システムは、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の改質ユニットと、前記改質ガスおよび酸素含有気体を利用して発電する燃料電池と、を具備したことを特徴する。
この発明では、上述したＣＯ除去手段の触媒の結露による失活を防止して長期間安定して効率よく良好に改質ガスを生成する改質ユニットにて生成した改質ガスを用いて燃料電池にて発電させる。
このことにより、長期間安定して良好に発電できる。さらには、触媒の交換などの保守管理も容易となり、コストも低減できる。
【００１５】
そして、本発明では、請求項９に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出される水を前記水供給手段へ返送可能な返送経路を有した構成とすることが好ましい。
この発明では、燃料電池から発電により排出される水を水供給手段へ返送させる。
このことにより、水の有効利用ができ、エネルギ効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
〔燃料電池システムの構成〕
以下、本発明の燃料電池システムに係る一実施形態について説明する。
なお、本実施形態では、本発明の改質ユニットを備えた燃料電池システムの構成を例示するが、燃料電池システムに利用する構成に限らず、例えば水素ガス製造装置などとして、改質ユニット単独の構成とするなどしてもよい。また、水蒸気が混合される原料ガスとして、液体燃料を用いる構成を例示するが、液体燃料に限らず、例えば液化石油ガスや都市ガスなどの炭化水素原料ガスを用いて水蒸気を混合し原料ガスを調製する構成など、各種炭化水素原料を利用する構成にも適用できる。さらに、家庭用のシステム構成を例示するが、例えば集合住宅用や各種店舗などに利用される比較的に大型のシステム構成にも適用できる。
図１は、本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図１は、説明の都合上、改質ユニットの構成をそれぞれ別ブロック状に示す。図２は、本実施形態における改質ユニットの概略構成を示すブロック図である。
【００１７】
（全体構成）
図１において、１００は、燃料電池システムで、この燃料電池システム１００は、例えば液体燃料を原料として水素を主成分とする燃料ガスに改質し、燃料電池２００により発電させるシステムである。
この燃料電池システム１００は、液体燃料１１１、例えば灯油を貯溜する液体燃料貯溜タンク１１０を備えている。ここで、液体燃料１１１としては、灯油に限らず、軽油やナフサなどの各種液体燃料が利用できる。液体燃料貯溜タンク１１０には、液体燃料ポンプ１２１を備え、液体燃料１１１を搬送する燃料搬送経路１２０を介して、脱硫器１３０が接続されている。また、燃料搬送経路１２０から分岐された液体燃料供給管６５１Ｃは、バーナユニット１５１に接続されている。
脱硫器１３０は、液体燃料貯溜タンク１１０から燃料搬送経路１２０を介して例えば約３００［ｍｌ／時間］で供給される液体燃料１１１を脱硫処理、すなわち液相吸着法により液体燃料１１１中に含有される硫黄化合物を電気ヒータなどにて加熱しつつ吸着除去する。この脱硫器１３０には、脱硫処理された液体燃料１１１を搬送する脱硫燃料供給管７４０を介して改質ユニット３００に接続されている。
【００１８】
改質ユニット３００は、詳細は後述するが、水蒸気混合手段としての気化器、水蒸気生成手段としての熱交換装置、改質器、ＣＯ除去手段としてのＣＯ変成器およびＣＯ選択酸化器などを備えている。
【００１９】
そして、ＣＯ選択酸化器には、燃料電池２００が配管などにより接続されている。燃料電池２００は、水素と酸素とを反応させて直流電力を発生させる。この燃料電池２００は、例えば固体高分子型燃料電池で、正極２０１と、負極２０２と、正極２０１および負極２０２間に配設された図示しない高分子電解質膜と、を備えている。そして、正極２０１側には、例えば図示しない加湿器などにより適宜加湿された空気が酸素ブロワ２１０により供給され、負極２０２側には改質ユニット３００で生成された水素リッチの燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と空気中の酸素とが反応して水１８１が生成されるとともに、正極２０１および負極２０２間に直流電力が発生する。
なお、改質ユニット３００から供給される燃料ガスは、必要に応じて加湿器などを介して適宜加湿されて供給される構成としてもよい。また、加湿器としては、例えばシステム構成として独立設置したり、燃料電池２００に内蔵するユニット構成としたりするなど、各種形態で利用できる。
そして、負極２０２側は、上述したように改質器のバーナユニット１５１にオフガス導入管６５１Ｂを介して接続され、余った水素をバーナユニット１５１の燃料として供給する。また、正極２０１側には、分離器１８５が接続されている。この分離器１８５には、正極２０１側から反応に利用された空気が供給され、気相分の空気と液相分の水１８１とに分離する。なお、分離した空気は、外気に排気される。そして、分離器１８５には、水供給手段としての水供給装置１８０が接続される。水供給装置１８０は、分離した水１８１を貯留する水タンク１８０Ａと、改質ユニット３００に接続する給水経路１８３と、給水経路１８３に設けられ、水１８１をＣＯ変成冷却管、ＣＯ選択酸化冷却管、および熱交換装置へ供給する搬送ポンプ１８２とを有する。
【００２０】
また、燃料電池２００には、冷却装置１８７が設けられている。この冷却装置１８７は、燃料電池２００に付設された熱回収部１８７Ａが設けられている。この熱回収部１８７Ａには、ポンプ１８７Ｂおよび熱交換器１８７Ｃを備えた循環経路１８７Ｄを介して水タンク１８０Ａが接続されている。
この循環経路１８７Ｄは、ポンプ１８７Ｂの駆動により、熱回収部１８７Ａと水タンク１８０Ａとの間で水１８１を循環させ、発電に伴って発熱する燃料電池２００を冷却させるとともに熱を回収する。
熱交換器１８７Ｃは、循環され熱回収部１８７Ａで熱を回収した水１８１と、例えば水道水などと熱交換させる。この熱交換により温められた水道水は、例えばお風呂などの他の設備に直接供給されて有効利用される。なお、水道水との熱交換の他、熱交換により得られる熱から発電させるなど、他の設備などに有効利用してもよい。
【００２１】
そして、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御する図示しない制御装置を備えている。
この制御装置は、液体燃料１１１の流量制御、脱硫器１３０の加熱手段の加熱条件である電気ヒータへ供給する電力制御、改質器のバーナユニット１５１の燃焼制御や温度管理、発電量の管理などを実施する。
【００２２】
そして、改質ユニット３００は、図２に示すように、気化器６３０、改質器６２０、ＣＯ変成器８２０、ＣＯ選択酸化器８３０、熱交換装置６４０、および制御部を備えた一体構成である。改質ユニット３００の制御部は、熱交換装置６４０で水蒸気を生成させるための水１８１の供給量制御、すなわち搬送ポンプ１８２の駆動状態やバイパスバルブ６４１Ａおよび流水バルブ７７０Ａの開閉状態の制御などを実施する。
【００２３】
給水経路１８３は、二股に分岐される。分岐された一方は熱交換装置６４０に接続されたバイパス経路としての改質水内管６４１と、他方は流水経路としての冷却水管７７０である。改質水内管６４１は、熱交換装置６４０に接続され開閉可能な電磁弁であるバイパスバルブ６４１Ａを有する。バイパスバルブ６４１Ａは、改質ユニット３００を起動させた際に、開口して水を改質水内管６４１に流過させる。
熱交換装置６４０は、供給される水１８１により改質器６２０から排気される排ガスを冷却させるとともに水蒸気を生成させ、生成した水蒸気を気化器６３０へ供給させる。なお、水タンク１８０Ａの水は、燃料電池２００から排出された水１８１を貯溜し、水道水などが適宜給水される。
【００２４】
給水経路１８３から二股に分岐された他方の冷却水管７７０は、ＣＯ選択酸化器８３０に貫通して設けられたＣＯ選択酸化冷却管８３４と、ＣＯ選択酸化冷却管８３４の端部が連結するとともに、ＣＯ変成器８２０に貫通して設けられたＣＯ変成冷却管８２４と、を有する。ＣＯ変成冷却管８２４の端部は、熱交換装置６４０に接続されている。冷却水管７７０は、ＣＯ選択酸化冷却管８３４の上流側において開閉可能な電磁弁である第一の調整弁としての流水バルブ７７０Ａを有する。流水バルブ７７０Ａは、改質ユニット３００を起動させ、ＣＯ選択酸化器８３０、ＣＯ変成器８２０の内部の触媒がＣＯを除去可能な温度以上で、開口して水を冷却水管７７０に流過させる。
また、ＣＯ選択酸化冷却管８３４およびＣＯ変成冷却管８２４は、水蒸気生成手段としても機能し、それぞれ螺旋状に形成されている。
そして、給水経路１８３から供給される冷却水である水１８１が、ＣＯ選択酸化冷却管８３４を流通してＣＯ選択酸化触媒層８３２を適宜冷却しつつＣＯ変成冷却管８２４に流入し、さらにＣＯ変成触媒層８２２を適宜冷却しつつ熱交換により昇温されて、熱交換装置６４０へ供給される。熱交換装置６４０では、改質水内管６４１から供給される水または冷却水管７７０から供給される水の一方、あるいは両方が混合された水が加熱され、水蒸気が生成する。生成した水蒸気は、第一水蒸気接続部６３２Ａおよび第二水蒸気接続部６３２Ｂを介して気化器６３０に供給される。
気化器６３０は、脱硫器１３０に接続され、脱硫燃料供給管７４０を介して脱硫処理された液体燃料１１１が流入される。気化器６３０は、熱交換装置６４０から供給される水蒸気を脱硫器１３０から流出する液体燃料１１１と混合させて気化させ、液体燃料１１１と水蒸気との混合ガスである原料ガスとしての気化液体燃料を生成する。生成した原料ガスは、供給管６２２Ｑ１を介して改質器６２０に供給される。
【００２５】
改質器６２０は、改質触媒が充填された改質容器６２２を有し、供給管６２２Ｑ１に連続して設けられ、ＣＯ変成器８２０に接続する戻り管６２２Ｑ２が設けられている。改質器６２０の内部には改質触媒層が設けられており、供給管６２２Ｑ１は、気化器６３０からの搬送された原料ガスを改質容器６２２の改質触媒層に供給する。戻り管６２２Ｑ２は、改質触媒層を貫通し、改質触媒により改質された改質ガスをＣＯ変成器８２０に供給する。
【００２６】
改質器６２０は、脱硫され水蒸気が混合されて気化された気化液体燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する。この改質器６２０は、内部に図示しないルテニウム系触媒やニッケル系触媒などの改質触媒および加熱手段としてのバーナユニット１５１を備えている。なお、加熱装置としては、バーナユニット１５１に限らず、例えば電気ヒータなど、各種加熱装置を利用することも可能である。
バーナユニット１５１は、液体燃料供給管６５１Ｃを介して液体燃料貯溜タンク１１０から液体燃料１１１が供給されるとともに、後述する燃料電池２００から排出される燃料ガスが供給される。そして、バーナユニット１５１は、送気ブロワ１７０により空気供給管７５０を介して供給される空気により、液体燃料１１１および燃料ガスを燃焼させ、この燃焼による熱にて気化液体燃料を水素リッチの燃料ガスに水蒸気改質する。
このバーナユニット１５１の燃焼による高温の排ガスは、熱交換装置６４０に供給され、水との熱交換により冷やされて排気風路外管６４２を介して外気中に排気される。
【００２７】
また、改質器６２０には、ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０が直列状に接続されている。
ＣＯ変成器８２０は、ＣＯ変成触媒が充填され、改質器６２０から流出する水素リッチの燃料ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を変成する。
ＣＯ変成器８２０は、中空の略矩形状に形成されたＣＯ変成容器８２１を有しており、ＣＯ変成容器８２１は、改質器６２０の戻り管６２２Ｑ２に連結され、内部には、螺旋状のＣＯ変成冷却管８２４が配設されている。さらに、ＣＯ変成容器８２１には、ＣＯ変成処理された改質ガスと空気とを送気ブロワ１７０により混合するＴ字状の空気導入部８２６が接続されている。
【００２８】
ＣＯ選択酸化器８３０は、ＣＯ選択酸化触媒が充填され、ＣＯ変成器８２０で変成されずに残ったＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化させ、燃料ガス中のＣＯを除去する。
ＣＯ選択酸化器８３０は、中空の略矩形状に形成されたＣＯ選択酸化容器８３１を有している。ＣＯ選択酸化容器８３１は、空気導入部８２６に連通され、内部には、螺旋状のＣＯ選択酸化冷却管８３４およびＣＯ選択酸化触媒層が設けられている。そして、ＣＯ選択酸化容器８３１には、ＣＯ選択酸化処理された改質ガスを燃料電池２００に搬送する燃料ガス流出管７６０が接続されている。
【００２９】
（改質ユニット）
次に、上述した燃料電池システム１００における改質ユニット３００の構成を詳細に説明する。
図３は、改質ユニットの概略構成を示す側面断面図である。図４は、改質ユニットの改質部の改質外装ケース内の概略構成を示す側面断面図である。図５は、改質部を示す底面図である。図６は、改質部の燃焼室部の概略構成を示す側面断面図である。図７は、整流管を示す側面断面図である。図８は、外側筒状体に取り付けられた保持リング部を示す平面図である。図９は、熱交換装置を示す側面図である。図１０は、配管外装ケースを示す側面断面図である。図１１は、配管外装ケースを示す平面断面図である。図１２は、ユニット本体部の配管部における配管状態を示す一部を切り欠いた平面図である。図１３は、ＣＯ除去外装ケースを示す側面断面図である。図１４は、ＣＯ変成器を示す側面図である。図１５は、ＣＯ変成器を示す一部を切り欠いた正面図である。図１６は、ＣＯ変成器を示す平面図である。図１７は、ＣＯ選択酸化器を示す側面図である。図１８は、ＣＯ選択酸化器を示す一部を切り欠いた正面図である。図１９は、ＣＯ選択酸化器を示す平面図である。図２０は、ＣＯ選択酸化器の区画板を示す平面図である。なお、図３ないし図５および図１２は、説明の都合上、一部の配管を省略して示す。また、図１２は、説明の都合上、改質外装ケースの支持台座部から鉛直方向における下方側を示す。
【００３０】
改質ユニット３００は、上述したように、気化器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ選択酸化器、および熱交換装置を備えた一体構成である。
この改質ユニット３００は、図３に示すように、ユニット本体部４００と、このユニット本体部４００を覆う断熱部５００と、を備えている。また、ユニット本体部４００は、改質部６００と、配管部７００と、ＣＯ除去部８００と、にて構成されている。そして、ユニット本体部４００は、燃料電池システム１００を収容する図示しないケース体の底部に載置固定されるＣＯ除去部８００に対して、鉛直方向における上方に配管部７００を介して改質部６００が一体的に連結されて構成される。
【００３１】
改質部６００は、改質外装ケース６１０を備えている。この改質外装ケース６１０は、上面を開口する下部ケース６１１と、この下部ケース６１１の上面を覆って一体に取り付けられる上部ケース６１２と、下部ケース６１１の下面を略覆って一体に取り付けられる支持台座部６１３と、を備えている。
下部ケース６１１は、例えば鋼板などにて略円筒状に形成、より具体的には管材である鋼板の板巻き管を用いて形成されている。そして、下部ケース６１１の軸方向における一端となる上端には、内方に向けて鍔状に一連に突出する上部連結フランジ６１１Ａが設けられている。この上部連結フランジ６１１Ａは、外周縁が略円筒状に折曲されて例えば溶接により接合される形状に形成されている。すなわち、いわゆるフランジアップした形状としている。また、下部ケース６１１の軸方向における他端となる下端には、図示しない連結取付部材としてのねじが貫通されて支持台座部６１３が一体的に取り付けられる下部ねじ孔６１１Ｂが設けられている。
【００３２】
上部ケース６１２は、例えば鋼板などにて、下部ケース６１１の径寸法より径小の略円筒状に形成、より具体的には管材である鋼板の板巻き管を用いて形成されている。そして、上部ケース６１２の軸方向における一端となる上端には、内方に向けて鍔状に一連に突出する天板フランジ６１２Ａが設けられている。この天板フランジ６１２Ａの内周縁には、円筒状のバーナ連結部６１２Ｂが溶接などにより一体に設けられている。さらに、バーナ連結部６１２Ｂの軸方向における一端となる上端には、外方に向けて鍔状に一連に突出するバーナ連結フランジ６１２Ｃが設けられている。このバーナ連結フランジ６１２Ｃには、バーナ取付部材としての例えば取付ボルト６１２Ｄが挿通されるボルト挿通孔６１２Ｅが開口形成されている。そして、上部ケース６１２の軸方向における他端となる下端外周面が、下部ケース６１１の上部連結フランジ６１１Ａの略円筒状に折曲された内周縁に溶接などにより、段差状に一体に連結されている。すなわち、下部ケース６１１の上部連結フランジ６１１Ａと上部ケース６１２との接合部分、さらには上部ケース６１２の天板フランジ６１２Ａの接合部分も、いわゆるフランジアップした形状としている。
【００３３】
支持台座部６１３は、図３および図４に示すように、下部ケース６１１の軸方向における下端を略閉塞する状態に、例えば鋼板などにて略有底円筒状に形成されている。この支持台座部６１３は、外形寸法が下部ケース６１１の内径寸法と略同寸法の円筒状に形成された底接合部６１３Ａを有している。この底接合部６１３Ａの軸方向における一端となる下端には、内方に向けて鍔状に突出する仕切底部６１３Ｂが一連に設けられている。そして、底接合部６１３Ａには、下部ケース６１１の下部ねじ孔６１１Ｂに対応してねじ止めされる取付雌ねじ部６１３Ｃが設けられている。この底接合部６１３Ａと下部ケース６１１との接合部分は、例えば耐熱コーキング材などにてシールすることが好ましい。そして、支持台座部６１３は、下部ケース６１１の軸方向の他端に、軸方向の一部が下部ケース６１１の他端から突出する状態にねじ止めされて一体的に連結される。また、支持台座部６１３の仕切底部６１３Ｂには、略円形の熱交換孔６１３Ｄが開口形成されている。さらに、支持台座部６１３には、図５に示すように、仕切底部６１３Ｂに複数、例えば３箇所の支柱取付ねじ孔６１３Ｅが設けられている。
【００３４】
そして、改質外装ケース６１０内には、図３および図４に示すように、改質器６２０と、水蒸気生成手段としての熱交換装置６４０と、が配設されている。
改質器６２０は、燃焼室部６２１と、バーナユニット１５１と、改質容器６２２と、を備えている。
【００３５】
燃焼室部６２１は、図３および図６に示すように、例えば鋼板などにて、上部ケース６１２のバーナ連結部６１２Ｂより若干径小の円筒状に形成された燃焼筒部６２１Ａを有している。この燃焼筒部６２１Ａには、軸方向の一端となる上端側の所定の位置に、内方に向けて膨出する状態に位置決めダボ６２１Ｂが設けられている。また、燃焼筒部６２１Ａの軸方向の一端となる上端には、バーナ連結フランジ６１２Ｃと同様に、外方に向けて鍔状に一連に突出する支持フランジ６２１Ｃが設けられている。この支持フランジ６２１Ｃには、バーナ連結フランジ６１２Ｃと同様に、取付ボルト６１２Ｄが挿通されるボルト挿通孔６１２Ｅが開口形成されている。
また、燃焼室部６２１には、火炎整流部６２１Ｆが一体的に配設されている。この火炎整流部６２１Ｆは、外径が燃焼筒部６２１Ａの内径と略同寸法で、燃焼筒部６２１Ａの上端側に位置して溶接などにより一体的に取り付けられる取付円筒部６２１Ｆ１を有している。また、取付円筒部６２１Ｆ１の軸方向における一端となる下端には、先端側にしたがって次第に径小となる漏斗状の整流筒部６２１Ｆ２が一連に設けられている。そして、火炎整流部６２１Ｆは、燃焼筒部６２１Ａの位置決めダボ６２１Ｂにて位置決めされ、取付円筒部６２１Ｆ１が溶接などにより燃焼筒部６２１Ａの内周側の所定の位置に一体的に取り付けられている。
【００３６】
バーナユニット１５１は、例えば、図３に示すように、鋳造形成されたバーナ本体部６５１と、燃料である液体燃料１１１および燃料電池２００の負極２０２から排出される燃料ガスであるオフガスを燃焼させて火炎を生成する複数の図示しない燃焼口を有するバーナ部６５２と、を有している。
バーナ本体部６５１には、送気ブロワ１７０から供給される空気が一次空気として導入される第一空気導入部６５１Ａと、供給される空気が二次空気として導入される図示しない第二空気導入部と、オフガスを導入して燃焼させるオフガス導入部６５１Ｂと、などが設けられている。また、第一空気導入部６５１Ａには液体燃料１１１が供給される液体燃料供給管６５１Ｃが接続され、供給される液体燃料１１１は一次空気と混合されてバーナ本体部６５１に供給されて十分に気化され、燃焼される。この液体燃料供給管６５１Ｃの接続構造として、略Ｌ字状に屈曲形成した第一空気導入部６５１Ａの屈曲部分に液体燃料供給管６５１Ｃを接続することが好ましい。さらに、バーナ本体部６５１には、液体燃料１１１を蒸発気化させるための予熱用電気ヒータ６５１Ｄと、図示しない点火電極とが配設されている。なお、予熱用電気ヒータ６５１Ｄは、起動時のみ使用され、一度燃焼が開始されると液体燃料１１１を蒸発気化させるための熱は周囲から得られるため、予熱用電気ヒータ６５１Ｄへの通電はオフされる。
【００３７】
そして、バーナユニット１５１は、バーナ本体部６５１に鍔状に設けられた取付フランジ６５１Ｅが、重なり合う上部ケース６１２のバーナ連結フランジ６１２Ｃおよび燃焼室部６２１の支持フランジ６２１Ｃにさらに重なる状態に支持されて、取付ボルト６１２Ｄが螺着される。この状態で、改質外装ケース６１０の上部ケース６１２の上端部が閉塞されて、一体的にバーナユニット１５１が配設される。
なお、バーナユニット１５１の取付状態は、バーナ部６５２の下端部が、燃焼室部６２１の火炎整流部６２１Ｆの整流筒部６２１Ｆ２内に略位置するとともに、改質容器６２２の上端部に略対応する位置となっている。
【００３８】
改質容器６２２は、図３および図４に示すように、径寸法が異なり中心軸が略一致する内側筒状体６２２Ａおよび外側筒状体６２２Ｂを有し、これら内側筒状体６２２Ａおよび外側筒状体６２２Ｂ間に略環状空間の改質室６２２Ｃを区画形成する略環状筒形状に形成され、上部ケース６１２内に位置する状態で配設されている。
また、改質容器６２２には、内側筒状体６２２Ａおよび外側筒状体６２２Ｂの軸方向の一端側となる上端側に、略リング状に形成されて改質室６２２Ｃを区画する改質容器上閉塞板６２２Ｄが設けられている。さらに、改質容器６２２には、外側筒状体６２２Ｂの軸方向の他端側となる下端側に、周縁が外側筒状体６２２Ｂの下端部を嵌合して閉塞する略円板状の改質容器下閉塞板６２２Ｅが設けられている。
また、改質容器下閉塞板６２２Ｅには、周縁が内側筒状体６２２Ａの下端部を嵌合し、改質容器下閉塞板６２２Ｅとにより内側筒状体６２２Ａの下端部を閉塞する改質容器仕切板６２２Ｆが同心状に積層して一体的に設けられている。
【００３９】
そして、改質容器６２２の区画された改質室６２２Ｃ内には、改質触媒が充填されて改質触媒層６２２Ｇが形成されている。なお、改質触媒層６２２Ｇとして、軸方向の下端側に、アルミナ粒子が充填されて改質触媒層６２２Ｇを略均一に水蒸気混合ガスが流通する状態に充填層を設けるなどしてもよい。
【００４０】
さらに、改質容器６２２には、内側筒状体６２２Ａの下端部の内周側を閉塞して取り付けられ、改質容器６２２の内周側に燃焼室部６２１を内包する加熱室６２２Ｈを区画する加熱室区画板６２２Ｉが設けられている。この加熱室区画板６２２Ｉには、一面側となる上面側の略中央には、先端部の外周面に雄ねじ６２２Ｊ１が設けられた連結ねじ部６２２Ｊが一体的に突設されている。
また、加熱室区画板６２２Ｉの上面側には、図３に示すように、連結ねじ部を嵌挿する状態に扁平リング状に形成された耐火断熱材６２２Ｋが配設されている。なお、耐火断熱材６２２Ｋは、連結ねじ部６２２Ｊの雄ねじ６２２Ｊ１が突出する状態に配設、すなわち加熱室区画板６２２Ｉより下面側の温度が所定温度、例えば５００℃程度を超えない温度にするための耐火断熱材６２２Ｋが配設された状態でも、連結ねじ部６２２Ｊの雄ねじ６２２Ｊ１が突出する状態に連結ねじ部６２２Ｊが形成されている。
【００４１】
さらに、連結ねじ部６２２Ｊには、整流管６２２Ｌが連結されている。整流管６２２Ｌは、図３および図７に示すように、軸方向の一端が閉塞板６２２Ｌ１にて略閉塞された略有底円筒状に形成されている。この整流管６２２Ｌは、軸方向が改質触媒層６２２Ｇに略対応する長さ寸法で、外径が燃焼室部６２１の燃焼筒部６２１Ａの内径より径小で、外周面が燃焼筒部６２１Ａの内周面に所定の間隙を介して対向する状態に形成されている。そして、整流管６２２Ｌの閉塞板６２２Ｌ１の略中央には、連結ねじ部６２２Ｊの雄ねじ６２２Ｊ１が嵌挿されて図示しないナットが螺着される雄ねじ嵌挿孔６２２Ｌ２が設けられている。さらに、整流管６２２Ｌには、外周面に細長鋼材にて中心軸に対して螺旋状に配設された乱流部６２２Ｌ３が一体的に設けられている。この乱流部６２２Ｌ３は、燃焼筒部６２１Ａの内周面に当接することなく、かつ、整流管６２２Ｌの外周面と燃焼筒部６２１Ａの内周面との間を流通するバーナユニット１５１の燃焼ガスが、中心軸に対して螺旋状に流通する状態に形成されている。なお、図７は、説明の都合上、１本の細長鋼材にて形成した乱流部６２２Ｌ３を示すが、複数本に形成したり、例えば断面が波形状となるように整流管６２２Ｌの外周面から突出、あるいはリブ状に膨出する状態に設けたり、これらと細長鋼材との組み合わせなど、各種形状に形成できる。
【００４２】
なお、整流管６２２Ｌの閉塞板６２２Ｌ１は、バーナユニット１５１の燃焼ガスが流通不可能な板状を例示して説明するが、例えば、燃焼ガスの一部を流通可能な孔を有したもの、メッシュ状のものなど、各種形態とすることができる。すなわち、閉塞板６２２Ｌ１は、整流管６２２Ｌ内をバーナユニット１５１側から他端側へ流れようとする燃焼ガスに対して流通抵抗を付し、バーナユニット１５１からの燃焼ガスの少なくとも一部が整流管６２２Ｌの外周側と、燃焼筒部６２１Ａの内周側との間を流れるように機能する。したがって、完全に閉塞されていることが好ましいが、整流管６２２Ｌと燃焼筒部６２１Ａとの間の流通抵抗の大きさや、整流管６２２Ｌや燃焼筒部６２１Ａの加熱度合いなどに応じて、燃焼ガスの一部が閉塞板６２２Ｌ１を通過可能な孔などを設けるようにしてもよい。
そして、燃焼筒部６２１Ａおよび整流管６２２Ｌにより、バーナユニット１５１の燃焼ガスは、整流管６２２Ｌ内から整流管６２２Ｌの外周面および燃焼筒部６２１Ａの内周面間を流過する。さらに、燃焼ガスは、燃焼筒部６２１Ａの外周面と改質容器６２２の内側筒状体６２２Ａの内周面との間から、改質容器６２２の外側筒状体６２２Ｂの外周面と上部ケース６１２の内周面との間を通って、下部ケース６１１の内面側と支持台座部６１３の上面側との間に流れる。
【００４３】
さらに、改質容器６２２には、図３および図４に示すように、外側筒状体６２２Ｂの軸方向の上端側に位置して、リング状の保持リング部６２２Ｍが嵌合固定されている。この保持リング部６２２Ｍは、図８に示すように、内周側に向けて舌片状に突出し嵌挿保持孔６２２Ｍ１を有する複数の保持片部６２２Ｍ２が、周方向で略等間隔に複数突設されている。
さらに、改質容器６２２には、図３、図４および図８に示すように、外側筒状体６２２Ｂの外周面に、周方向で略等間隔、例えば３箇所で、かつ軸方向で所定間隔、例えば２箇所に位置決め突起部６２２Ｎが設けられている。これら位置決め突起部６２２Ｎは、先端が上部ケース６１２の内面にそれぞれ略当接し、改質容器６２２と上部ケース６１２とを略同軸上に位置する状態に位置決めする形状に設けられている。なお、位置決め突起部６２２Ｎは、例えば鋼板を折曲して鉛直方向における平面視で略三角形を構成する形状、すなわち、鉛直方向でのバーナユニット１５１の燃焼ガスが流通可能に形成している。そしてさらに、改質容器６２２には、改質触媒層６２２Ｇの温度を検出する図示しない温度センサが配設されるセンサ保護管６２２Ｏが、軸方向で３箇所設けられている。
【００４４】
また、改質容器６２２には、流通部６２２Ｐが設けられている。この流通部６２２Ｐは、改質容器６２２に原料ガスを流入させるとともに、生成した改質ガスを流出すなわち回収するものである。この流通部６２２Ｐは、図３および図４に示すように、供給管６２２Ｑ１と、この供給管６２２Ｑ１内に略同軸上に嵌挿された戻り管６２２Ｑ２とを有し、改質容器６２２の軸方向の端部である下端に接続されて下部ケース６１１内に位置する二重管構造の複数の二重管部６２２Ｑを備えている。
供給管６２２Ｑ１は、軸方向の一端となる上端が改質容器６２２の改質容器下閉塞板６２２Ｅの外周縁近傍、すなわち改質触媒層６２２Ｇに対応する位置に周方向で略等間隔に、内周側が改質触媒層６２２Ｇに連通する状態に複数配設されている。
戻り管６２２Ｑ２は、軸方向の一端となる上端側が改質触媒層６２２Ｇを貫通して改質室６２２Ｃ内の軸方向の一端側である上端側内で改質ガスが流入可能に開口し、改質容器６２２の保持リング部６２２Ｍの嵌挿保持孔６２２Ｍ１に嵌挿固定され、軸方向の他端が供給管６２２Ｑ１から所定量で突出する状態に配設されている。
【００４５】
このように、二重管部６２２Ｑは、軸方向の一端が改質容器６２２の改質容器下閉塞板６２２Ｅの外周縁近傍、すなわち改質触媒層６２２Ｇに対応する位置に周方向で略等間隔に複数接続されている。なお、図８は、説明の都合上、二重管部６２２Ｑの戻り管６２２Ｑ２を１６本接続保持する構成を示すが、本発明は１６本に限られるものではない。また、二重管部６２２Ｑとしては、３本以上３２本以下で設けることが好ましい。
二重管部６２２Ｑが２本以下では、熱交換率が大幅に低下するとともに、流入する原料ガスが偏流し改質触媒との良好な接触効率が得られなくなり、効率よく良好に改質ガスを生成できなくなるおそれがある。一方、二重管部６２２Ｑが３３本以上では、特に家庭用に用いる小型の改質ユニット３００として構造が複雑となり、製造性が低下するおそれがある。このことにより、二重管部６２２Ｑは、３本以上３２本以下が好ましい。
【００４６】
また、二重管部６２２Ｑの供給管６２２Ｑ１における軸方向の他端となる下端には、図３および図４に示すように、略円板状の流通円板部６２２Ｒ１が設けられている。すなわち、流通円板部６２２Ｒ１の外周縁近傍に、周方向で略等間隔となる状態に、複数の供給管６２２Ｑ１が接続されている。
さらに、二重管部６２２Ｑの戻り管６２２Ｑ２における軸方向の他端となる下端には、略円板状の流通仕切部６２２Ｒ２が設けられている。この流通仕切部６２２Ｒ２は、周縁が流通円板部６２２Ｒ１の外周を略気密に嵌合する略円筒状に形成され、略中央が周縁と反対側に略円筒状に形成されている。また、流通仕切部６２２Ｒ２には、略中央を閉塞する仕切閉塞板６２２Ｒ３が一体的に設けられている。
そして、これら流通円板部６２２Ｒ１、流通仕切部６２２Ｒ２および仕切閉塞板６２２Ｒ３により、戻り管６２２Ｑ２の外周面と供給管６２２Ｑ１の内周面との間を介して改質触媒層６２２Ｇに連通する略柱状空間を区画形成する原料ガス供給部６２２Ｒが設けられる。
【００４７】
さらに、仕切閉塞板６２２Ｒ３には、略中央近傍に位置して、原料ガス供給部６２２Ｒの内部空間に連通し、原料ガス供給部６２２Ｒへ水蒸気混合ガスを供給する原料ガス供給管６２２Ｓが接続されている。
原料ガス供給管６２２Ｓは、図３ないし図５に示すように、水蒸気混合手段としての気化器６３０を有している。この気化器６３０は、脱硫器１３０で脱硫された液体燃料１１１が供給される脱硫燃料供給管７４０（図１２参照）が接続される液体燃料接続部６３１と、熱交換装置６４０で生成された水蒸気が供給される図示しない第一水蒸気供給管および第二水蒸気供給管がそれぞれ接続される第一水蒸気接続部６３２Ａ，第二水蒸気接続部６３２Ｂを有した水蒸気接続部６３２と、を有した略Ｔ管状に形成されている。すなわち、気化器６３０は、供給される液体燃料１１１と水蒸気とを合流させて混合させ、気化液体燃料を生成させる。
【００４８】
さらに、原料ガス供給管６２２Ｓには、原料ガス供給部６２２Ｒとの接続位置となる一端と気化器６３０との間に位置して、原料戻し管７３０（図１２参照）が接続される原料戻し部６２２Ｓ２が設けられている。この原料戻し部６２２Ｓ２は、原料戻し管７３０における改質ユニット３００外に延設された位置に設けられた図示しない安全弁の動作により、戻される気化液体燃料や改質ガス、あるいは生成された気化液体燃料を、原料戻し管７３０を介して改質ユニット３００外へ流出させる。すなわち、安全弁は、通常時は閉止し、原料戻し管７３０の流れは無く、例えば改質触媒層６２２Ｇの閉塞などにより原料ガス供給部６２２Ｒ内の内圧が所定値以上に達すると、原料ガス供給部６２２Ｒ内の気化液体燃料ガスや改質ガスなどの気相成分などを原料ガス供給管６２２Ｓから原料戻し管７３０を経て改質ユニット３００外へ流出させる動作をする。
【００４９】
なお、原料戻し管７３０は、流出させるものとして気相成分のみならず、例えば起動当初などで十分に加熱されずに水蒸気とならなかった純水１８１である液相分の凝縮水など、液相分も流出可能な構成となっている。また、流出される気化液体燃料など、改質ユニット３００外へ気相成分の流出により気相成分から凝縮した成分は、別途設けられた受け部などに回収するとよい。そして、この受け部には、回収して凝縮した脱硫燃料である液体燃料１１１や水などが目視可能な窓を設けたり、センサなどにて回収した旨を検出可能としたりして、安全弁が機能したことを検出できるようにするとよい。なお、受け部は、気相成分の凝縮成分である液相分のみを貯溜する構成のみならず、気相成分自体をも貯留する構成としてもよい。
【００５０】
ここで、原料ガス供給管６２２Ｓの気化器６３０の液体燃料接続部６３１の内径Ａと、安全弁により戻される原料ガス供給管６２２Ｓから原料戻し管７３０への流路の内径Ｂとの関係は、Ｂ／Ａ＝１〜１５に設定することが好ましい。ここで、Ｂ／Ａ＜１の関係となると、原料ガス供給部６２２Ｒ内の圧力が良好に下がらなくなるおそれがある。一方、Ｂ／Ａ＞１５の関係としても気化液体燃料などの流出抵抗の低減が望めず、装置が大型化する不都合が生じるおそれがある。このため、Ｂ／Ａ＝１〜１５に設定することが好ましい。また、液体燃料接続部６３１の断面積Ｃと、原料ガス供給管６２２Ｓから原料戻し管７３０への流路の断面積Ｄとの関係は、Ｄ／Ｃ＝１〜２２０に設定することが好ましい。この断面積の関係についても同様に、気化液体燃料などの流出抵抗と、装置の大型化の観点とから、Ｄ／Ｃ＝１〜２２０に設定されることが好ましい。なお、本実施例における家庭用の燃料電池システム１００においては、Ｂ／Ａ＝２．０、Ｄ／Ｃ＝４．０に設定している。
【００５１】
さらに、原料ガス供給部６２２Ｒを構成する流通仕切部６２２Ｒ２には、図３および図４に示すように、周縁が流通仕切部６２２Ｒ２の外周を嵌合する略円筒状に形成され、略中央に流通仕切部６２２Ｒ２の略円筒状に形成された内周縁を嵌合する略円筒状に形成された仕切筒状部６２２Ｔ１が設けられている。この仕切筒状部６２２Ｔ１は、改質外装ケース６１０の支持台座部６１３の仕切底部６１３Ｂに積層されて仕切底部６１３Ｂの内周縁を閉塞する状態に、支持台座部６１３に一体的に溶接などにより取り付けられる。
そして、仕切筒状部６２２Ｔ１と、流通仕切部６２２Ｒ２とにより、戻り管６２２Ｑ２に連通する略環状空間を区画形成し、改質触媒層６２２Ｇで改質されて生成され戻り管６２２Ｑ２を流通する改質ガスが流入される改質ガス流出部６２２Ｔが設けられる。
また、仕切筒状部６２２Ｔ１には、支持台座部６１３の仕切底部６１３Ｂの内周縁より中心側に位置して、改質ガス流出部６２２Ｔを仕切筒状部６２２Ｔ１の外部へ連通させる改質ガス排出管部６２２Ｔ２が設けられている。
【００５２】
熱交換装置６４０は、二重管構造に構成されている。この熱交換装置６４０は、図３、図４および図９に示すように、純水１８１が流通される改質水内管６４１と、この改質水内管６４１を嵌挿する排気風路外管６４２と、を備えている。
排気風路外管６４２は、軸方向の一端が開放され、軸方向の他端が支持台座部６１３の熱交換孔６１３Ｄに溶接などにより嵌合固定され、下部ケース６１１の内径より径小の所定の曲率半径で螺旋状に形成されている。すなわち、排気風路外管６４２は、支持台座部６１３の上面側および下面側を連通する状態に配設され、改質器６２０の加熱室６２２Ｈを流通するバーナユニット１５１にて燃焼された燃焼ガスが、支持台座部６１３の上面側から排気風路外管６４２内を介して支持台座部６１３の下面側に流通する状態となっている。そして、排気風路外管６４２は、図３および図４に示すように、例えば鋼板にて略鼓状に形成されたスペーサ６４２Ａが外在されて所定の間隔で螺旋形状が維持されている。
【００５３】
改質水内管６４１は、軸方向の一端側が排気風路外管６４２の開放する一端から延出するとともに、軸方向の他端側が支持台座部６１３に接続する排気風路外管６４２の他端から延出して、排気風路外管６４２内に嵌挿されて配設されている。なお、詳細は後述するが、純水１８１と燃焼ガスとの熱交換効率の点で、改質水内管６４１は略同軸上に排気風路外管６４２内に嵌挿されて配設することが好ましいが、同軸上に位置させるための配管やスペーサなどの別部材を設けるなどの点で、単に嵌挿して配設する構成でよい。そして、改質水内管６４１は、詳細は後述するが、熱交換により発生する水蒸気の流出側に相当する端部となる軸方向の一端側が、支持台座部６１３を貫通して支持台座部６１３の下面側に延出する状態に配設されている。なお、改質水内管６４１の支持台座部６１３の貫通部分、すなわち改質水内管６４１に接続される図示しない蒸気接続管の支持台座部６１３の貫通部分は、略気密に溶接やロウ付けなどによりシールされる。また、改質水内管６４１における支持台座部６１３の下面側に延出する軸方向の他端側には、改質水としての純水１８１が供給される改質水供給管７２０（図１２参照）が接続され、改質水内管６４１内に純水１８１が流通される。さらに、改質水内管６４１の支持台座部６１３の下面側に延出する先端部には、改質器６２０に設けられた原料ガス供給管６２２Ｓの気化器６３０における第二水蒸気接続部６３２Ｂに接続される図示しない第二水蒸気供給管が接続されている。すなわち、改質水内管６４１は、排気風路外管６４２内を流通するバーナユニット１５１による燃焼ガスの流通により、純水１８１が熱交換されて水蒸気を生成し、この生成した水蒸気を気化器６３０へ第二水蒸気供給管を介して供給する。そして、改質水内管６４１は、熱交換装置６４０よりも上流側において図示しないバイパスバルブを有する。
【００５４】
改質ユニット３００の配管部７００は、図３ないし図５に示すように、配管外装ケース７１０を備えている。この配管外装ケース７１０は、配管覆い部７１１と、連結筒部７１２と、を備えている。
配管覆い部７１１は、図３ないし図５、図１０および図１１に示すように、改質外装ケース６１０の下部ケース６１１と略同径の円筒状に形成、より具体的には管材である鋼板の板巻き管を用いて形成されている。この配管覆い部７１１は、軸方向の一端である上端側が、改質部６００の支持台座部６１３の底接合部６１３Ａを嵌合して溶接やロウ付けなどにより一体的に連結される。そして、配管覆い部７１１には、図１２に示すように、改質水供給管７２０、原料戻し管７３０、脱硫燃料供給管７４０、空気供給管７５０、燃料ガス流出管７６０および冷却水管７７０がそれぞれ嵌挿される配管孔７１１Ａ，７１１Ｂ，７１１Ｃ，７１１Ｄ，７１１Ｅ，７１１Ｆが穿設されている。また、配管覆い部７１１には、内包に膨出する位置決めダボ７１１Ｇが周方向で複数、例えば４箇所設けられている。
【００５５】
連結筒部７１２は、軸方向の一端側である上端側が配管覆い部７１１の軸方向の他端である下端側に嵌合可能な径寸法の略円筒状に形成、より具体的には管材である鋼板の板巻き管を用いて形成されている。また、連結筒部７１２の軸方向の他端側は、若干縮径する状態に形成されている。そして、連結筒部７１２には、軸方向の上端縁に配管覆い部７１１の位置決めダボ７１１Ｇが係合して位置決めされる凹状に切欠形成された係合凹部７１２Ａが位置決めダボ７１１Ｇに対応して複数、例えば４箇所設けられている。そして、連結筒部７１２は、軸方向の上端側が配管覆い部７１１に嵌合して位置決めダボ７１１Ｇに係合凹部７１２Ａが係合し位置決めされて溶接などにより、配管覆い部７１１から軸方向の他端側が露出する状態に連結される。さらに、連結筒部７１２には、配管覆い部７１１から露出する軸方向の他端側となる下端部には、連結取付部材としての図示しない例えばねじ部材が螺着される連結雌ねじ孔７１２Ｂが複数設けられている。
【００５６】
ＣＯ除去部８００は、図３に示すように、ＣＯ除去外装ケース８１０と、このＣＯ除去外装ケース８１０内に配設されるＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０と、を備えている。そして、改質外装ケース６１０と、配管外装ケース７１０と、ＣＯ除去外装ケース８１０とにより、本発明の筐体が構成される。
ＣＯ除去外装ケース８１０は、図３および図１３に示すように、改質外装ケース６１０の下部ケース６１１および配管外装ケース７１０の配管覆い部７１１と略同径の略円筒状の下部胴体部８１１を有している。この下部胴体部８１１は、例えば鋼板などにて略円筒状に形成、より具体的には管材である鋼板の板巻き管を用いて形成されている。このＣＯ除去外装ケース８１０と、上述した改質外装ケース６１０および配管外装ケース７１０とにより、ユニット本体部４００の外装ケースが構成される。
下部胴体部８１１の軸方向の一端側となる上端側には、配管外装ケース７１０の連結筒部７１２の連結雌ねじ孔７１２Ｂに対応してねじ止めされる連結ねじ孔８１１Ａが設けられている。この下部胴体部８１１と、連結筒部７１２との接合部分は、例えば耐熱コーキング材などにてシールすることが好ましい。さらに、下部胴体部８１１の軸方向の他端側となる下端側には、ねじ貫通孔８１１Ｂが複数設けられている。また、下部胴体部８１１の軸方向の下端側には、内部を外部に連通させる排ガス口８１１Ｃが開口形成されている。
【００５７】
また、下部胴体部８１１の下端側には、外周面に外方へ鍔状に突出し断熱部５００を載置支持する断熱材支持部８１２が設けられている。この断熱材支持部８１２は、内径が下部胴体部８１１の外径と略同寸法の取付筒状部８１２Ａと、この取付筒状部８１２Ａの軸方向の一端となる上端に外方に向けてフランジ状に突出するフランジ部８１２Ｂと、このフランジ部８１２Ｂの外周縁に取付筒状部８１２Ａに対して反対側に円筒状で取付筒状部８１２Ａと略同軸上に形成された円筒保持部８１２Ｃとを有している。そして、断熱材支持部８１２は、図３に示すように、下部胴体部８１１のねじ貫通孔８１１Ｂに対応して取付筒状部８１２Ａに設けられたねじ嵌挿孔８１２Ａ１に取付部材としての図示しないねじが嵌挿されて下部胴体部８１１に一体的に取り付けられている。この取り付けられた状態では、断熱材支持部８１２のフランジ部８１２Ｂが下部胴体部８１１の排ガス口８１１Ｃの開口縁に略一致する状態となっている。また、断熱材支持部８１２の円筒保持部８１２Ｃには、図１３に示すように、下部胴体部８１１の排ガス口８１１Ｃに軸方向の一端が例えば溶接やロウ付けなどにより取り付けられ下部胴体部８１１内の排ガスを排ガス口８１１Ｃから改質ユニット３００外へ排気させる排ガス管８４０が係合可能に切欠形成された切欠部８１２Ｃ１が設けられている。
【００５８】
また、下部胴体部８１１の軸方向の他端側となる下端側には、図３に示すように、例えば鋼板などにて略円板状に形成された底板部８１３が設けられている。この底板部８１３は、略円板状の底板８１３Ａと、この底板８１３Ａの周縁から外径が下部胴体部８１１の内径と略同寸法の円筒状に一連に形成された底板連結部８１３Ｂとを有している。そして、底板部８１３の底板連結部８１３Ｂには、下部胴体部８１１のねじ貫通孔８１１Ｂに対応しねじ貫通孔８１１Ｂに貫通されるねじが螺着される取付雌ねじ孔８１３Ｂ１が設けられ、底板部８１３は下部胴体部８１１の下端側を閉塞する状態に取り付けられる。さらに、底板部８１３の底板８１３Ａには、詳細は後述する温度センサが配設されるＣＯ変成用センサ保護管８２５（図１５参照）およびＣＯ選択酸化用センサ保護管８３５（図１８参照）がそれぞれ貫通される２つの図示しないセンサ用貫通孔が設けられている。
さらに、底板部８１３の底板８１３Ａの上面には、図３に示すように、ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０を位置決め載置保持する位置決め保持台座部８１４が設けられている。この位置決め保持台座部８１４には、上端縁にＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０がそれぞれ係合される２対の切欠凹部８１４Ａが設けられている。
【００５９】
さらに、底板部８１３の底板８１３Ａには、改質外装ケース６１０の支持台座部６１３の支柱取付ねじ孔に対応して図示しない支柱ねじ孔が設けられている。そして、底板部８１３と改質外装ケース６１０の支持台座部６１３との間には、図３および図１２に示すように、長手方向の両端部がそれぞれ支柱ねじ孔および支持台座部６１３の支柱取付ねじ孔６１３Ｅにねじ止めされ、底板部８１３と支持台座部６１３とを連結する複数、例えば３つの支柱部８１５が取り付けられている。
【００６０】
ＣＯ変成器８２０は、図３および図１４ないし図１６に示すように、中空の略矩形状に形成されたケース体としてのＣＯ変成容器８２１を有している。
ＣＯ変成容器８２１は、図１４ないし図１６に示すように、一面が開口する略箱状のＣＯ変成容器本体部８２１Ａと、このＣＯ変成容器本体部８２１Ａの一面を閉塞して例えば溶接やロウ付けなどにより取り付けられるＣＯ変成容器蓋部８２１Ｂとを有している。ＣＯ変成容器蓋部８２１Ｂには、改質容器６２２の流通部６２２Ｐの改質ガス排出管部６２２Ｔ２に連結され、改質ガス排出管部６２２Ｔ２から供給される改質ガスをＣＯ変成容器８２１内へ供給する図示しない流入口に連結する改質ガス流入管８２１Ａ１が、一縁となる上縁近傍の略中央に設けられている。また、ＣＯ変成容器蓋部８２１Ｂには、ＣＯ変成容器本体部８２１Ａの改質ガス流入管８２１Ａ１が設けられる側に対して反対側となる下縁近傍の略中央に、内部に流入された改質ガスを排出する流出口としての改質ガス流出口８２１Ｂ１が開口形成されている。さらに、ＣＯ変成容器蓋部８２１Ｂの略中央には、補強用板金８２１Ｂ２が設けられている。なお、補強用板金８２１Ｂ２を設ける構成に限らず、例えば、ＣＯ変成容器本体部８２１Ａと接合させる周縁以外の部分を波形状などの凹凸状に形成するなど、各種補強の構成を適用できる。
【００６１】
そして、ＣＯ変成容器８２１内には、改質ガス流入管８２１Ａ１に連通するガス拡散領域８２３Ａと、改質ガス流出口８２１Ｂ１に連通するガス収束領域８２３Ｂと、ガス拡散領域８２３Ａおよびガス収束領域８２３Ｂとの間に燃料ガスが連通可能に区画されＣＯ変成触媒が充填されてＣＯ変成触媒層８２２を形成するＣＯ変成反応領域８２３Ｃと、が互いに燃料ガスを流通可能に区画形成されている。これらガス拡散領域８２３Ａ、ガス収束領域８２３ＢおよびＣＯ変成反応領域８２３Ｃは、例えばメッシュ状に形成された一対のＣＯ変成区画板８２３Ｄにより区画形成される。なお、ＣＯ変成区画板８２３Ｄは、メッシュ状部材にて形成する構成のほか、鋼板に複数の孔が設けられたものなど、燃料ガスが流通可能ないずれの構成を適用できる。さらには、ＣＯ変成区画板８２３Ｄを用いずにアルミナ粒子などをガス拡散領域８２３Ａやガス収束領域８２３Ｂに対応する部分に充填するなどしてもよい。
【００６２】
さらに、ＣＯ変成容器８２１内には、螺旋状に形成された水蒸気生成手段としても機能するＣＯ変成冷却管８２４が、冷却管取付板８２１Ｃにより保持されて配設されている。このＣＯ変成冷却管８２４は、軸方向の一端が、ＣＯ変成容器本体部８２１Ａの改質ガス流入管８２１Ａ１が設けられた一側面から、改質容器６２２の原料ガス供給管６２２Ｓの第一水蒸気接続部６３２Ａおよび第二水蒸気接続部６３２Ｂに接続される熱交換装置６４０と連結可能に気密に延設されている。また、ＣＯ変成冷却管８２４の軸方向の他端は、ＣＯ変成容器蓋部８２１ＢにおけるＣＯ変成容器本体部８２１Ａの改質ガス流入管８２１Ａ１が設けられる側に対して反対側となる下縁近傍を気密に貫通して延設されている。
また、ＣＯ変成容器８２１には、ＣＯ変成容器本体部８２１Ａの改質ガス流入管８２１Ａ１が設けられる一側面に対して反対側の他側面に、ＣＯ除去外装ケース８１０の底板部８１３の図示しないセンサ用貫通孔に対応して設けられた図示しないセンサ用嵌挿孔に気密に嵌挿され、図示しない温度センサが配設されるＣＯ変成用センサ保護管８２５が設けられている。
【００６３】
さらに、ＣＯ変成容器８２１には、ＣＯ変成容器蓋部８２１Ｂの改質ガス流出口８２１Ｂ１に、ＣＯ変成容器８２１内の改質ガスに空気を混入するための空気導入部８２６が接続されている。この空気導入部８２６は、空気供給管７５０が接続され、改質ガス流出口８２１Ｂ１から流出されて流通する改質ガスに空気供給管７５０からの空気を混合する略Ｔ管状に形成されている。
また、ＣＯ変成容器８２１には、軸方向の両端がＣＯ変成容器８２１の上面および下面にそれぞれ開口する状態に、軸方向が鉛直方向に略沿った熱交換管８２７が貫通形成されている。この熱交換管８２７は、例えば略円筒状の鋼管などにて形成されている。なお、熱交換管８２７は、略円筒形に限らず、多角筒状や楕円筒状、星形筒状などとしてもよい。さらには、外周面にＣＯ変成触媒との熱交換効率を向上するための複数のフィン状の突起を設けてもよい。また、直管状に限らず、多少螺旋状に屈曲する形状としてもよい。すなわち、軸方向が鉛直方向に略沿い、ＣＯ除去外装ケース８１０内の熱気が熱交換管８２７を流通する対流状態が得られる構成であればよい。
【００６４】
ＣＯ選択酸化器８３０は、図３および図１７ないし図１９に示すように、中空の略矩形状に形成されたケース体としてのＣＯ選択酸化容器８３１を有している。
ＣＯ選択酸化容器８３１は、図１７ないし図１９に示すように、一面が開口する略箱状のＣＯ選択酸化容器本体部８３１Ａと、このＣＯ選択酸化容器本体部８３１Ａの一面を閉塞して例えば溶接などにより取り付けられるＣＯ選択酸化容器蓋部８３１Ｂとを有している。ＣＯ選択酸化容器蓋部８３１Ｂには、ＣＯ変成器８２０の改質ガス流出口８２１Ｂ１に空気導入部８２６を介して連通され、改質ガス流出口８２１Ｂ１から供給される空気が混合された改質ガスをＣＯ選択酸化容器８３１内へ供給する図示しない流入口に連結する改質ガス導入管８３１Ｂ１が、一縁となる下縁近傍の略中央に設けられている。ＣＯ選択酸化容器本体部８３１Ａには、改質ガス導入管８３１Ｂ１に対して反対側となる上端面の略中央に、内部に流入されてＣＯが除去された改質ガスである燃料ガスをＣＯ選択酸化容器８３１外へ流出する図示しない流出口に連結する燃料ガス導出管８３１Ａ１が設けられている。この燃料ガス導出管８３１Ａ１は、燃料ガス流出管７６０に連結され、この燃料ガス流出管７６０を介して改質ユニット３００外へ燃料ガスを流出する。
【００６５】
そして、ＣＯ選択酸化容器８３１内には、改質ガス導入管８３１Ｂ１に連通する拡散領域８３１Ｃ１と、不活性充填材としての例えばアルミナ粒子が充填される充填材領域８３１Ｃ２と、ＣＯ選択酸化触媒が充填されてＣＯ選択酸化触媒層８３２を形成する反応領域８３１Ｃ３と、燃料ガス導出管８３１Ａ１に連通する収束領域８３１Ｃ４と、が互いに燃料ガスを流通可能に区画形成されている。拡散領域８３１Ｃ１と充填材領域８３１Ｃ２とは区画板８３１Ｄ１にて区画され、充填材領域８３１Ｃ２と反応領域８３１Ｃ３との間、および、反応領域８３１Ｃ３と収束領域８３１Ｃ４との間には、例えばメッシュ状に形成された区画壁としてのＣＯ選択酸化区画板８３１Ｄ２によりそれぞれ区画形成される。区画板８３１Ｄ１は、図２０に示すように、拡散領域８３１Ｃ１と充填材領域８３１Ｃ２とを連通する複数の連通孔８３１Ｄ３が開口形成されている。これら連通孔８３１Ｄ３は、改質ガス導入管８３１Ｂ１から流入する空気が混合されて拡散領域８３１Ｃ１に流入した改質ガスを充填材領域８３１Ｃ２へ略均一に流通可能に、例えば０．３ｍｍ以上６ｍｍ以下で複数開口形成されている。
【００６６】
なお、ＣＯ変成容器８２１と同様に、区画板８３１Ｄ１やＣＯ選択酸化区画板８３１Ｄ２を用いずに、アルミナ粒子などを拡散領域８３１Ｃ１や収束領域８３１Ｃ４に対応する部分に充填するなどしてもよい。また、区画板８３１Ｄ１やＣＯ選択酸化区画板８３１Ｄ２としては、メッシュ状部材にて形成する構成や鋼板に複数の孔が設けられたものなど、燃料ガスが相互に流通可能ないずれの構成を適用できる。
また、充填材領域８３１Ｃ２に充填される不活性充填材は、ＣＯ選択酸化触媒と略同径の略球状の粒状物が好ましい。取扱性や物性の安定性、入手容易性などの点で特にアルミナ粒子が好ましいが、例えばシリカやムライトなど、熱や水分、燃料ガスに対して安定なセラミックスである各種無機酸化物を用いることができる。さらに、不活性充填材として、粒状物を用いる構成に限らず、例えばファイバ状などを充填する構成とするなどしてもよい。また、ＣＯ選択酸化触媒層８３２に対して鉛直方向で下方に充填材領域８３１Ｃ２が区画形成される本実施形態の構成では、アルミナ粒子がＣＯ選択酸化触媒より比重が重いため、ＣＯ選択酸化区画板８３１Ｄ２を設けなくてもよいが、ＣＯ選択酸化区画板８３１Ｄ２にて充填材領域８３１Ｃ２と反応領域８３１Ｃ３とを区画して、外部からの振動、特にＣＯ選択酸化器８３０を組み付ける際に、互いに混じり合わないようにすることが好ましい。一方、ＣＯ選択酸化触媒層８３２に対して鉛直方向で上方に充填材領域８３１Ｃ２が区画形成される構成では、例えば多孔質にするなど、不活性充填材がＣＯ選択酸化触媒より比重を軽く形成し、ＣＯ選択酸化区画板８３１Ｄ２を設けないようにしてもよい。
【００６７】
さらに、ＣＯ選択酸化容器８３１内には、内部を純水１８１が流通可能に管材にて螺旋状に形成された水蒸気生成手段としても機能する流水手段としてのＣＯ選択酸化冷却管８３４が、ＣＯ選択酸化容器８３１内にリブ状に設けられた冷却管保持板８３１Ｅにより保持されて配設されている。このＣＯ選択酸化冷却管８３４は、軸方向の一端が、充填材領域８３１Ｃ２の下部に対応するＣＯ選択酸化容器８３１の下部側面から、冷却水管７７０と連結可能に気密に延設されている。また、ＣＯ選択酸化冷却管８３４の軸方向の他端は、ＣＯ選択酸化容器本体部８３１Ａの燃料ガス導出管８３１Ａ１が設けられた上端面から延設され、ＣＯ変成器８２０のＣＯ変成冷却管８２４に連結されている。そして、冷却水管７７０から供給される冷却水である純水１８１が、ＣＯ選択酸化冷却管８３４を流通してＣＯ選択酸化触媒層８３２を適宜冷却しつつＣＯ変成冷却管８２４に流入し、さらにＣＯ変成触媒層８２２を適宜冷却しつつ熱交換により水蒸気となって、原料ガス供給管６２２Ｓの気化器６３０へ供給される。
【００６８】
このＣＯ選択酸化冷却管８３４は、純水１８１の流通する上流側となる充填材領域８３１Ｃ２の領域では、螺旋ピッチが他の領域での螺旋ピッチより細かく形成されている。なお、図３、図１７および図１８は、都合上、螺旋ピッチを等間隔で示す。  また、ＣＯ選択酸化容器８３１には、ＣＯ選択酸化容器本体部８３１Ａの下端面に、ＣＯ除去外装ケース８１０の底板部８１３の図示しないセンサ用貫通孔に対応して設けられた図示しないセンサ用嵌挿孔に気密に嵌挿されるとともに、図２０に示すような区画板８３１Ｄ１に穿設されたセンサ挿通孔８３１Ｄ４に嵌挿され、図示しない温度センサが配設されるＣＯ選択酸化用センサ保護管８３５が設けられている。
なお、ＣＯ選択酸化冷却管８３４およびＣＯ変成冷却管８２４へ供給する冷却水としての純水１８１は、熱交換装置６４０へも供給する経路となる搬送ポンプ１８２を有した給水経路１８３から給水経路１８３の一部を構成する冷却水管７７０に供給する構成を例示するが（図１参照）、熱交換装置６４０とは別経路、あるいは一部分岐させて供給する経路から供給するなどとしてもよい。さらには、液体燃料１１１と混合させる水蒸気に利用する構成とせず、例えば冷却装置１８７のように、ＣＯ変成およびＣＯ選択酸化の熱を回収する構成として水道水などの冷媒を循環させるなどしてもよい。
【００６９】
断熱部５００は、図３に示すように、下部断熱部５１０と、中間断熱部５２０と、上部断熱部５３０と、シェル５４０と、を備えている。なお、断熱部５００は、シェル５４０を有しない構成としてもよい。
下部断熱部５１０は、例えば断熱材５１１Ｂが平面視で半円弧状に設けられて形成された対をなす下部ブロック体５１１が接合されて略円筒状に構成されている。そして、下部断熱部５１０は、内径がＣＯ除去部８００のＣＯ除去外装ケース８１０の外径と略同寸法に形成され、内周側にＣＯ除去部８００を内包して断熱可能に形成されている。また、下部断熱部５１０は、厚さ寸法がＣＯ除去外装ケース８１０の断熱材支持部８１２の円筒保持部８１２Ｃの内径と略同寸法に形成され、断熱材支持部８１２上に載置可能に形成されている。さらに、下部断熱部５１０の軸方向の一端側となる上端面には、配管部７００に配管された改質水供給管７２０、原料戻し管７３０、脱硫燃料供給管７４０、空気供給管７５０、冷却水管７７０および燃料ガス流出管７６０に対応する位置に、凹状の配管下凹部５１２が設けられている。また、下部断熱部５１０の軸方向の他端側となる下端面には、排ガス管８４０に対応する位置に、凹状の図示しない排ガス管用凹部が設けられている。なお、下部断熱部５１０は、対をなす下部ブロック体５１１にて構成する他、例えば断熱ウール材や粉粒体の断熱材などをシェル５４０とＣＯ除去外装ケース８１０などとの間に充填するなど、各種断熱材を用いて形成することができる。
【００７０】
中間断熱部５２０は、例えば下部断熱部５１０と同様に、断熱材５１１Ｂにて略半円弧状に形成された中間ブロック体５２１が接合されて、下部断熱部５１０と略同径の略円筒状に形成されている。そして、この中間断熱部５２０の軸方向の長さ寸法は、断熱材支持部８１２上に載置された下部断熱部５１０上に積み上げられた状態で、上端面が改質外装ケース６１０の下部ケース６１１の上端縁が中間断熱部５２０の上端面から突出しない状態となっている。すなわち、中間断熱部５２０は、上端面が下部ケース６１１の上端縁より所定の寸法となる改質外装ケース６１０などの熱膨張の寸法分以上で上方に位置する状態となる軸方向の長さ寸法に形成されている。また、中間断熱部５２０の軸方向における下部断熱部５１０側の端面には、下部断熱部５１０の配管下凹部５１２に対応して、凹状の配管上凹部５２２が設けられている。なお、下部断熱部５１０の配管下凹部５１２と中間断熱部５２０の配管上凹部５２２とにより構成され、改質水供給管７２０、原料戻し管７３０、脱硫燃料供給管７４０、空気供給管７５０、冷却水管７７０および燃料ガス流出管７６０が配管される開口は、図示しない断熱材が充填されて閉塞される。なお、中間断熱部５２０についても、下部断熱部５１０と同様に、各種断熱材を用いて形成することができる。
【００７１】
上部断熱部５３０は、例えば断熱材５１１Ｂにて略円筒状に形成されている。なお、下部断熱部５１０と同様に、略半円弧状に形成したブロック体にて略円筒状に構成するなどしてもよい。また、上部断熱部５３０についても各種断熱材を用いて形成することができる。この上部断熱部５３０は、外径が下部断熱部５１０および中間断熱部５２０と略同寸法で、内径が改質外装ケース６１０の上部ケース６１２の外径と略同寸法に形成されている。また、上部断熱部５３０は、軸方向の長さ寸法が、配置された中間断熱部５２０上に積み上げられた状態で、上端が上部ケース６１２の上端部に略位置する状態に形成されている。
シェル５４０は、軸方向で積み重ねられた下部断熱部５１０、中間断熱部５２０および上部断熱部５３０の外周面を包むように、例えば鋼板などにて略円筒状に形成されている。このシェル５４０は、積み上げられた下部断熱部５１０、中間断熱部５２０および上部断熱部５３０の外周面をくるむ状態に鋼板が巻装され、ねじ止めや接着、テープ止めなどにより円筒状に形成される。このシェル５４０は、例えば、下端部が下部断熱部５１０の外周面と断熱材支持部８１２の円筒保持部８１２Ｃとの間に介在され、円筒保持部８１２Ｃからねじ止めなどにより固定される。
【００７２】
〔燃料電池システムの動作〕
（改質ユニットの組立動作）
次に、上述した燃料電池システム１００における改質ユニット３００の組立動作について、説明する。
【００７３】
まず、改質容器６２２に流通部６２２Ｐを一体的に設けて改質触媒を充填しておく。また、支持台座部６１３に熱交換装置６４０を一体的に取り付けておく。そして、熱交換装置６４０が取り付けられた支持台座部６１３に、改質容器６２２と連結した流通部６２２Ｐの仕切筒状部６２２Ｔ１とを例えば溶接などにより連結する。さらに、熱交換装置６４０の改質水内管６４１における支持台座部６１３を貫通する水蒸気の流出側となる一端部を、原料ガス供給管６２２Ｓの第一水蒸気接続部６３２Ａおよび第二水蒸気接続部６３２Ｂに接続して配管する。
この後、支持台座部６１３に配管外装ケース７１０を溶接やロウ付けなどを施すとともに、配管外装ケース７１０の配管覆い部７１１の各配管孔７１１Ａ，７１１Ｂ，７１１Ｃ，７１１Ｄ，７１１Ｅ，７１１Ｆに、改質水供給管７２０、原料戻し管７３０、脱硫燃料供給管７４０、空気供給管７５０、冷却水管７７０および燃料ガス流出管７６０を嵌挿して溶接などして配管する。そして、改質水供給管７２０を熱交換装置６４０の改質水内管６４１に接続し、原料戻し管７３０を原料ガス供給管６２２Ｓの原料戻し部６２２Ｓ２に接続し、脱硫燃料供給管７４０を原料ガス供給管６２２Ｓの液体燃料接続部６３１に接続し、配管する。
【００７４】
また、底板部８１３の位置決め保持台座部８１４に、ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０を位置決め保持させて一体的に取り付けておく。この底板部８１３とＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０との取り付けに際しては、ＣＯ変成器８２０に一体的に取り付けた空気導入部８２６とＣＯ選択酸化器８３０の改質ガス導入管８３１Ｂ１とを連結するとともに、ＣＯ変成器８２０のＣＯ変成容器蓋部８２１Ｂから延設するＣＯ変成冷却管８２４とＣＯ選択酸化器８３０のＣＯ選択酸化容器本体部８３１Ａから延設するＣＯ選択酸化冷却管８３４とを連結し、ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０を一体的に組み付ける。
そして、底板部８１３に支柱部８１５の一端を取り付けるとともに、支柱部８１５の他端を上述した配管外装ケース７１０を取り付けた支持台座部６１３に取り付けて連結する。
この状態で、ＣＯ変成器８２０のＣＯ変成冷却管８２４を熱交換装置６４０に連結するとともに、ＣＯ選択酸化器８３０のＣＯ選択酸化冷却管８３４を冷却水管７７０に連結し、配管する。また、ＣＯ変成器８２０の改質ガス流入管８２１Ａ１を改質容器６２２の流通部６２２Ｐの改質ガス排出管部６２２Ｔ２に連結し、配管する。さらに、ＣＯ選択酸化器８３０の燃料ガス導出管８３１Ａ１を燃料ガス流出管７６０に連結し、配管する。
【００７５】
この後、断熱材支持部８１２を外周側に位置させた下部胴体部８１１内に、底板部８１３側から挿入し、下部胴体部８１１と配管外装ケース７１０の連結筒部７１２を当接させる。そして、底板部８１３の底板連結部８１３Ｂの取付雌ねじ孔８１３Ｂ１と、下部胴体部８１１のねじ貫通孔８１１Ｂに対応しねじ貫通孔８１１Ｂおよび断熱材支持部８１２の取付筒状部８１２Ａのねじ嵌挿孔８１２Ａ１とを連通させて、ねじを螺着して一体的に組み付ける。このねじ止めの際、耐熱コーキング材などにて接合部分をシールする。さらに、下部胴体部８１１の排ガス口８１１Ｃに排ガス管８４０を溶接などにより接続する。なお、底板部８１３と組み付ける下部胴体部８１１に排ガス管８４０をあらかじめ接続しておいてもよい。
さらに、改質容器６２２の加熱室６２２Ｈ内の加熱室区画板６２２Ｉ上に耐火断熱材６２２Ｋを載置するとともに、連結ねじ部６２２Ｊに整流管６２２Ｌの閉塞板６２２Ｌ１を螺着させて整流管６２２Ｌを組み付ける。
この後、露出する改質容器６２２に改質外装ケース６１０を被せるように取り付け、改質外装ケース６１０の下部ケース６１１を配管外装ケース７１０に当接させる。この状態で、下部ケース６１１の下部ねじ孔６１１Ｂを嵌挿させたねじを、支持台座部６１３の取付雌ねじ部６１３Ｃに螺着して一体的に組み付ける。さらに、燃焼室部６２１を加熱室６２２Ｈ内に嵌挿し、燃焼室部６２１の支持フランジ６２１Ｃを改質外装ケース６１０の上部ケース６１２のバーナ連結フランジ６１２Ｃに重ね合わせて吊り下げ支持する状態とする。
この後、断熱材支持部８１２上に下部断熱部５１０を載置固定し、さらに下部断熱部５１０上に同軸上に中間断熱部５２０を積み重ねて接合し、さらに上部断熱部５３０を積み重ねる。そして、積み上げられた下部断熱部５１０、中間断熱部５２０および上部断熱部５３０の外周面をくるむ状態にシェル５４０を巻装させ、断熱部５００を構成させる。さらに、バーナユニット１５１を上部ケース６１２上に載置させ、取付ボルト６１２Ｄにて上部ケース６１２と、燃焼室部６２１と、バーナユニット１５１とを一体的に組み付け、改質ユニット３００を組立形成する。
【００７６】
(燃料電池システムの発電動作)
次に、上述した燃料電池システム１００における発電動作について、図１および図２を参照して説明する。なお、本実施形態では、液体燃料１１１を主要原料として用いて燃料電池２００で発電させる構成を例示する。
【００７７】
改質ユニット３００の制御部は、発電要求に関する信号を取得すると、バイパスバルブ６４１Ａおよび流水バルブ７７０Ａが閉状態であることを確認する。
ここで、改質容器６２２、ＣＯ変成容器８２１、およびＣＯ選択酸化容器８３１には、改質ガスが充填されている。そして、バーナユニット１５１に液体燃料１１１および空気を供給して改質器６２０を、例えば５００℃以上に加熱させる。また、ＣＯ変成器８２０のＣＯ変成用電気ヒータおよびＣＯ選択酸化器８３０のＣＯ選択酸化用電気ヒータにてＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０を適宜加熱する。なお、ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０はバーナユニット１５１からの燃焼ガスにより適宜加熱されるような構成としてもよい。ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０がある程度加熱された状態で、バイパスバルブ６４１Ａを開状態とする。そして、搬送ポンプ１８２を駆動させて水タンク１８０Ａに貯溜する水１８１を、給水経路１８３から改質水内管６４１を介して、熱交換装置６４０に供給する。
熱交換装置６４０に供給された水は、排気風路外管６４２を流れる燃焼ガスと熱交換することにより、水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、脱硫燃料と混合されることなく、供給管６２２Ｑ１および戻り管６２２Ｑ２を介して、ＣＯ変成容器８２１、およびＣＯ選択酸化容器８３１に供給される。水蒸気の供給により、ＣＯ変成容器８２１、およびＣＯ選択酸化容器８３１に充填されていた改質ガスが燃料ガス流出管７６０に流出される。
ＣＯ変成触媒層８２２およびＣＯ選択酸化触媒層８３２がそれぞれの触媒がＣＯを除去可能な温度以上、で流水バルブ７７０Ａを開状態とする。また、これと同時にバイパスバルブ６４１Ａを閉状態とする。これにより、水タンク１８０Ａに貯溜される水１８１は、給水経路１８３から冷却水管７７０を介して、ＣＯ選択酸化器８３０のＣＯ選択酸化冷却管８３４、ＣＯ変成器８２０のＣＯ変成冷却管８２４に順次流通し、熱交換装置６４０に供給される。
【００７８】
また、脱硫器１３０へ液体燃料１１１の供給を開始する。供給された液体燃料１１１は、脱硫剤容器内に流入し、脱硫剤容器に脱硫触媒が充填されて形成された図示しない脱硫触媒層の断面における流速分布が略均一な状態で加熱されつつ脱硫処理される。そして、脱硫処理された液体燃料１１１は、気化器６３０で供給される水蒸気と混合されて気化され、気化液体燃料として改質容器６２２へ供給される。そして、気化液体燃料は、改質器６２０で水素リッチな燃料ガスに改質される。
ここで、改質器６２０におけるバーナユニット１５１の燃焼ガスの流通において、加熱された整流管６２２Ｌは、輻射熱により燃焼筒部６２１Ａを介して改質容器６２２を例えば７００℃程度まで加熱させる。なお、整流管６２２Ｌが改質容器６２２の改質触媒層６２２Ｇの下端部に位置しない、すなわち整流管６２２Ｌの閉塞板６２２Ｌ１が改質容器６２２の改質触媒層６２２Ｇの下端部より上方に位置する状態に配設しているので、整流管６２２Ｌの輻射熱による改質触媒層６２２Ｇの上流側の加熱に寄与する割合が少ない状態となる。このため、改質触媒層６２２Ｇにおける原料ガスが流入する下端は上端より多少温度が低い状態となり、過熱が抑制され、改質触媒部６２２Ｇのコーキングを防止できる。したがって、改質触媒層６２２Ｇの下端に流入した気化液体燃料は、改質触媒層６２２Ｇにおける軸方向の略全域で改質処理され、効率よく安定して処理される。
【００７９】
そして、改質器６２０で改質処理された燃料ガスは、戻り管６２２Ｑ２からＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０へ順次流通する状態に供給される。そして、これらＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０により、燃料ガス中のＣＯが変成・除去され、改質ユニット３００の燃料ガス流出管７６０を介して燃料電池２００へ供給される。
【００８０】
さらに、燃料電池２００へ供給される燃料ガスは、燃料電池２００の負極２０２側に供給される。この負極２０２側に供給された燃料ガスの水素は、必要に応じて適宜加湿されて燃料電池２００の正極２０１側に供給された空気中の酸素と反応して水を生成するとともに、正極２０１および負極２０２間に直流電力を発生させる。
なお、負極２０２側の余った水素を含む燃料ガスは、例えば改質器６２０のバーナユニット１５１に供給されて燃焼される。
【００８１】
一方、発電動作などの際に、例えば改質容器６２２の改質触媒層６２２Ｇが閉塞した場合などには、原料ガス供給部６２２Ｒ内の内圧が所定値以上に達し、原料ガス供給管６２２Ｓに接続された原料戻し管７３０の安全弁が動作する。そして、安全弁は、原料ガス供給部６２２Ｒ内の気化液体燃料ガスや改質ガスなどの気相成分などを原料ガス供給管６２２Ｓから原料戻し管７３０を介して改質ユニット３００外へ流出させる。また、気化器６３０で生成される気化液体燃料も原料ガス供給部６２２Ｒへ供給されずに、原料戻し管７３０を介して改質ユニット３００外へ流出させる。なお、流出される気化液体燃料などは、別途設けられた受け部などに回収してもよい。
【００８２】
〔燃料電池システムの作用効果〕
上記実施形態の燃料電池システム１００では、改質ユニット３００は、供給される水から水蒸気を生成させる熱交換装置６４０と、水蒸気と炭化水素原料を含有する原料ガスとが混合され改質ガスを生成させる改質器６２０と、改質器６２０にて改質ガスが供給されるとともに、改質ガス中のＣＯを除去する触媒を充填するＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０と、ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０のそれぞれの触媒と熱交換させた後、水を熱交換装置６４０に供給する冷却水管７７０と、ＣＯ変成触媒層８２２およびＣＯ選択酸化触媒層８３２がＣＯを除去する反応温度より低い温度で、水を熱交換装置６４０に供給する改質水内管６４１と、所定の反応温度で冷却水管７７０または改質水内管６４１に水の流通経路を切り替える制御部とを備える。
このことにより、改質ユニット３００の制御部が所定の反応温度で冷却水管７７０または改質水内管６４１に水の流通経路を切り替えるので、ＣＯ変成触媒層８２２およびＣＯ選択酸化触媒層８３２のそれぞれの触媒が結露により失活することを防止でき、長期間安定して効率よく良好に改質ガスを生成できる。また、結露による触媒の失活を確実に防止できる。
さらに、制御部は冷却水管７７０または改質水内管６４１に完全に切り替えて水を供給するので、水蒸気の露点を考慮しつつ冷却水管７７０に供給する水の量を調整するなどの複雑な構成を採らなくて済む。したがって、改質ユニット３００の構成を簡単にできるので、小型軽量化および製造性を向上させることができる。
また、起動時および停止時には、触媒の劣化防止、活性確保のため、水蒸気のみを改質器ユニット３００に流す運転が必要である。その際は、流体の露点が上昇してしまうため、特に水蒸気が結露するおそれが大きくなる。したがって、結露が懸念される運転を行う際に、改質水内管６４１に切り替えて通水することも可能である。
【００８３】
さらに、改質水内管６４１には、バイパスバルブ６４１Ａが設けられ、冷却水管７７０には、流水バルブ７７０Ａが設けられている。ＣＯ変成触媒層８２２およびＣＯ選択酸化触媒層８３２のそれぞれの触媒がＣＯを除去可能な温度以上になった際、バイパスバルブ６４１Ａは開口状態から閉口状態に切り替わり、流水バルブ７７０Ａは閉口状態から開口状態に切り替わる。
このことにより、改質水内管６４１にバイパスバルブ６４１を設けるとともに冷却水管７７０に流水バルブ７７０Ａを設ける簡単な構成で水の流通経路の切り替えを容易に図れる。
【００８４】
また、改質ユニット３００には、水供給装置１８０に連通する給水経路１８３が接続され、給水経路１８３には、搬送ポンプ１８２が設けられている。
このことにより、搬送ポンプ１８２により水の供給量を制御する簡単な構成で、水を熱交換装置６４０へ供給しつつ結露による触媒の失活を確実に防止できる構成が容易に得られ、改質ユニット３００の小型軽量化および製造性の向上とともに、運転エネルギの低減が容易に図れる。
【００８５】
さらに、改質ユニット３００は、水蒸気と炭化水素原料とが所定の水バランスとなる条件で、搬送ポンプ１８２の駆動状態、バイパスバルブ６４１Ａおよび流水バルブ７７０Ａの開閉状態を制御する制御装置部を備える。
このことにより、水蒸気を適切に供給しつつ触媒の失活を防止できる装置の小型軽量化・製造性の向上が容易に得られるとともに、運転エネルギの低減が容易に得られる。
【００８６】
また、燃料電池システム１００は、燃料電池２００の正極２０１と水供給装置１８０とに接続され、燃料電池２００から排出された水を水供給装置１８０へ返送可能な分離器１８５を有する。そして、給水経路１８３は、水供給装置１８０へ返送された水を熱交換装置６４０、ＣＯ変成冷却管８２４およびＣＯ選択酸化冷却管８３４に供給する。
このことにより、搬送ポンプ１８２は燃料電池２００から排出された水を再利用できるので、エネルギ効率が向上する。
【００８７】
また、燃料電池システム１００は、改質ユニット３００と、改質ガスおよび酸素含有気体を利用して発電する燃料電池２００とを具備する。
このことにより、改質ユニット３００で生成した改質ガスと、酸素含有気体とにより、燃料電池２００にて発電する。
このため、ＣＯを除去する触媒の失活を防止したシステム構成を提供でき、触媒が長寿命化するので、触媒を交換する手間が省けるとともに、触媒の交換によるコストを抑えることができる。
【００８８】
〔実施の形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。また、本発明を実施する際における具体的な構造および形状などは、本発明の目的および効果を達成できる範囲内において、他の構成などとしても問題はない。
【００８９】
すなわち、改質ユニット３００の制御部は、ＣＯ変成触媒層８２２およびＣＯ選択酸化触媒層８３２のそれぞれの触媒がＣＯを除去する反応温度以上で流水バルブ７７０Ａを開口してＣＯ選択酸化冷却管８３４およびＣＯ変成冷却管８２４に水を流通させる構成としたがこれに限られない。例えば、ＣＯ変成冷却管８２４およびＣＯ選択酸化冷却管８３４の外表面が結露しない条件で冷却水管７７０に水を流通させる構成としてもよい。
この場合では、流水経路の外表面が結露しない条件、例えば結露しない温度条件、あるいは結露しない温度が維持される流量条件で水を流通させるので、熱交換させる簡単な構成でも結露による触媒の失活を防止できる運転制御が容易に得られる。
また、改質ユニット３００の制御部は、少なくともＣＯ変成触媒層８２２およびＣＯ選択酸化触媒層８３２における温度が水蒸気の露点より高い温度条件で冷却水管７７０に水を流通させる構成としてもよい。
この場合では、熱交換させる簡単な構成でも結露による触媒の失活を確実に防止できる運転制御が容易に得られる。
【００９０】
そして、改質ユニット３００には、搬送ポンプ１８２が接続される構成を示したがこれに限られない。例えば、冷却水管７７０に水を流通させる第一のポンプと、改質水内管６４１に水を流通させる第二のポンプと、を備えた構成としてもよい。
この場合では、冷却水管７７０と改質水内管６４１との水の流量を独立して制御でき、結露の不都合を回避するために冷却水管７７０に水を流通できない状態でも必要量の水を熱交換装置６４０へ供給することが可能となり、好適な水の供給ができる。したがって、改質ガスの生成条件が変動しても、供給する水蒸気の量を適宜変動させることが容易にでき、適切な水蒸気と炭化水素原料との水バランスを維持でき、良好に改質ガスを生成できる。
さらに、この場合では、改質ユニット３００の制御部は、水蒸気と炭化水素原料とが所定の水バランスとなる条件で、第一のポンプおよび第二のポンプの駆動状態を制御する構成としてもよい。
この場合では、第一のポンプおよび第二のポンプの駆動状態を制御して、冷却水管７７０と改質水内管６４１とにそれぞれ流れる水の流量を制御して、水蒸気と炭化水素原料との水バランスを好適に設定する。このことにより、改質ガスの生成状況に応じて良好に改質ガスを生成できる。
【００９１】
さらに、改質ユニット３００には、バイパスバルブ６４１Ａと流水バルブ７７０Ａの両方を備えた構成を示したがこれに限られない。例えば、バイパスバルブ６４１Ａを備えずに、流水バルブ７７０Ａのみを備えた構成としてもよい。
この場合、改質水内管６４１の圧損を構造的に予め適切な値となるように配管径などを設定しておけば、流水バルブ７７０Ａを閉状態とすれば、結露の不都合を回避するために冷却水管７７０に水を流通できない状態でも必要量の水を熱交換装置６４０へ供給することが可能となり、好適な水の供給ができると共に、流水バルブ７７０Ａを開状態とすれば、一定の比率で改質水が改質水内管６４１と冷却水管７７０に分配されて流通させることができる。
【００９２】
さらに、本発明の改質ユニット３００としては、上述したように、燃料電池システム１００に利用する形態で説明したが、燃料電池システム１００に利用する例えば水素ガス製造装置などとして、適用してもよい。
また、ユニット構成としては、上述したように、熱交換装置６４０、気化器６３０、ＣＯ変成器８２０、ＣＯ選択酸化器８３０の全てを組み込む構成に限られない。
さらに、ＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０を対向する状態に配設したが、例えばＣＯ変成器８２０およびＣＯ選択酸化器８３０が上下方向に位置する状態に配設したり、いずれか一方を円柱状に形成していずれか他方を一方の外周側に環状に配設される状態に形成したりするなどしてもよい。
【００９３】
そして、ＣＯ選択酸化器８３０に不活性充填材を充填する構成を例示したが、ＣＯ変成器８２０に不活性充填材を充填してもよい。特に、ＣＯ選択酸化器８３０を用いずＣＯ変成後に燃料電池２００へ燃料ガスを供給しても損傷しない燃料電池２００を用いる場合、ＣＯ変成器８２０におけるＣＯ変成冷却管８２４の上流側で結露を生じるおそれがあることから、この領域に不活性充填材を充填する構成に特に有効である。
なお、ＣＯ選択酸化冷却管８３４を有するＣＯ選択酸化器８３０を設ける場合、純水１８１は既に結露を生じない温度まで加熱されてＣＯ変成器８２０に流入するので、ＣＯ変成器８２０に設ける必要はない。
そして、ＣＯ選択酸化器８３０を設けない構成で、ＣＯ変成器８２０のＣＯ変成冷却管８２４に鉛直方向の下部から上部へ純水１８１が流通する構成とし、このＣＯ変成冷却管８２４における上流側に対応する位置に不活性充填材を充填するとよい。すなわち、不活性充填材を充填する領域をＣＯ変成触媒が充填される領域より鉛直方向の下方に位置させるとよい。この構成により、仮に結露が発生しても水分がＣＯ変成触媒に滴下して失活させてしまう不都合を防止でき、より確実に結露による触媒失活を防止できる。さらには、一般的にＣＯ変成触媒の比重よりアルミナ粒子の比重が重いため、ＣＯ変成区画板８２３Ｄを設けずとも、外部からの振動が加わってＣＯ変成触媒と不活性充填材とが混合してしまう不都合も防止できる。したがって、区画する部材を省略でき、構成の簡略化が容易に得られ、製造性の向上およびコストの低減が容易に得られる。
なお、ＣＯ選択酸化器８３０を設けるがＣＯ選択酸化冷却管８３４を設けない構成でも同様である。すなわち、ＣＯ変成器８２０における純水１８１の流通する上流側に対応する位置では結露を生じるおそれがあることから、この領域に不活性充填材を充填する。
【００９４】
また、ＣＯ選択酸化器８３０のＣＯ選択酸化冷却管８３４に鉛直方向の下部から上部へ純水１８１を流通させる構成を例示したが、上部から下部へ流通する状態に配管してもよい。この構成によれば、冷却水管７７０、ＣＯ選択酸化冷却水８３４およびＣＯ変成冷却管８２４の配管取り回しが容易となり、組立製造性を向上できる。
【００９５】
そして、ＣＯ選択酸化冷却管８３４を純水１８１の流通する上流側となる充填材領域８３１Ｃ２の領域で螺旋ピッチが他の領域での螺旋ピッチより細かく形成したが、同ピッチに形成してもよい。
【００９６】
さらに、上記各実施形態において、改質容器６２２への原料ガスの供給および改質容器６２２からの改質ガスの流出の構成として、二重管構造の流通部６２２Ｐを用いることなく、例えば、改質容器６２２の軸方向の一端側から原料ガスを供給させ、他端側から改質ガスを回収するなど、いずれの構成も利用できる。
【００９７】
また、整流管６２２Ｌを設けた構成としたが、設けずに燃焼筒部６２１Ａの加熱による輻射熱を利用するなどしてもよい。
さらに、乱流部６２２Ｌ３を設けなくてもよい。また、乱流部６２２Ｌ３を整流管６２２Ｌの外周面に設けたが、例えば、燃焼筒部６２１Ａの内周面に設けたり、整流管６２２Ｌの外周面と燃焼筒部６２１Ａの内周面との間に配設したりするなどしてもよい。
【００９８】
そして、改質ユニット３００の上端部に位置してバーナユニット１５１を設けて説明したが、上端に限らず、例えば上部ケース６１２の周面となる上部に位置して配設するなどしてもよい。
また、下方に向けて燃焼ガスを噴出する状態にバーナユニット１５１を配設したが、外周側から内周側に噴出させたり、外周側から周方向に渦流となるように噴出させたりするなどしてもよい。
同様に、排ガス口８１１ＣをＣＯ除去外装ケース８１０の下部胴体部８１１に開口形成したが、例えばＣＯ除去外装ケース８１０の底板部８１３に開口形成して排ガス管８４０を下部胴体部８１１の底板部８１３より下端側から延設させるなどしてもよい。すなわち、温度センサの配線のために底板部８１３にて上げ底状となっている部分を利用してもよい。
そして、外装ケースを構成する改質外装ケース６１０、配管外装ケース７１０およびＣＯ除去外装ケース８１０を管材にて形成したが、管材にて形成する構成に限らず、例えば鋳造形成したもの、鋼板からプレス加工したものなど、各種構成を利用できる。
さらに、外装ケースとしては、改質外装ケース６１０、配管外装ケース７１０およびＣＯ除去外装ケース８１０にて構成する他に、例えば改質外装ケース６１０、配管外装ケース７１０およびＣＯ除去外装ケース８１０が一連となる一体構成としたり、２つあるいは４つ以上の部材を連結して構成したりするなどしてもよい。
また、各配管として、改質水供給管７２０、原料戻し管７３０、脱硫燃料供給管７４０、空気供給管７５０、燃料ガス流出管７６０および冷却水管７７０を鉛直方向の中間部である配管部７００に集めた構成としたが、下部や上部など、底面から配管しない構成であればよい。さらには、各配管を中間部に集める構成に限らず、例えば排ガス管８４０のように、上部や下部に適宜配管してもよい。
【００９９】
また、液体燃料１１１を主要原料として発電する構成を例示したが、例えば原料ガスを主要原料として用い、例えば災害などで都市ガスが供給されない状態やＬＰＧのボンベ残量が少ないなどにより原料ガスの供給が得られない場合に、制御装置がその旨を流量計や圧力計などにより検出し、適宜バルブを切り替えて原料ガスに代えて液体燃料１１１を供給して上述したように発電させてもよい。
さらに、利用者の手動切替により、液体燃料１１１と原料ガスとを適宜切り替えて供給させ発電させたり、液体燃料１１１と原料ガスとの燃料費と発電量とに基づいて、制御装置が自動的に供給させる原料を切り替えたりしてもよい。
【０１００】
そして、原料ガス供給管６２２Ｓに気化器６３０と原料戻し部６２２Ｓ２を設けて、液体燃料１１１と炭化水素原料ガスとの改質容器６２２への供給経路が一部共通する構成としたが、例えば水蒸気混合ガスの改質容器６２２への供給経路と、安全弁が作動して改質容器６２２内の気相成分を流出させる原料戻し管７３０を有する経路とが、それぞれ別々の配管構成としてもよい。なお、原料ガス供給管６２２Ｓの一部共通により、より構成の簡略化が得られるとともに、異なる原料でも水蒸気を混合させる構成が容易に得られ、構成の簡略化による小型化や製造性の向上なども容易に得られるので好ましい。
【０１０１】
また、下部断熱部５１０の配管下凹部５１２と、中間断熱部５２０の配管上凹部５２２とにて、配管のための開口を設ける構成を例示したが、例えば下部断熱部５１０または中間断熱部５２０のいずれかに配管のための凹部を設ける構成としてもよい。なお、いずれか一方に設ける場合には、組立性の点で、中間断熱部５２０に設ける構成とすることが好ましい。
【０１０２】
また、水供給装置１８０は、供給する水が燃料電池２００から収集された水を含有するとしたが、水道水など、燃料電池２００以外から収集された水でもよい。
【０１０３】
さらに、改質ユニットには、ＣＯ除去手段としてＣＯ変成器３２０およびＣＯ選択酸化器３３０を設ける構成を示したが、ＣＯを吸着除去するなどの装置を別途設けたり、ＣＯ変成器３２０およびＣＯ選択酸化器３３０に代えてＣＯを吸着除去する装置を設けたりするなどしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明は、灯油などの液体燃料や液化石油ガスなどの炭化水素原料を用いて発電させる燃料電池システムにおいて、改質ユニットを起動させる際の充填処理に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】図１は、本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本実施形態における改質ユニットの概略構成を示すブロック図である。
【図３】前記燃料電池システムにおける改質ユニットの概略構成を示す側面断面図である。
【図４】前記改質ユニットの改質部の改質外装ケース内の概略構成を示す側面断面図である。
【図５】前記改質ユニットの改質部を示す底面図である。
【図６】前記改質部の燃焼室部の概略構成を示す側面断面図である。
【図７】前記改質部の整流管を示す側面断面図である。
【図８】前記改質容器の外側筒状体に取り付けられた保持リング部を示す平面図である。
【図９】前記改質ユニットの熱交換装置を示す側面図である。
【図１０】前記改質ユニットの配管部の配管外装ケースを示す側面断面図である。
【図１１】前記配管外装ケースを示す平面断面図である。
【図１２】前記改質ユニットのユニット本体部の配管部における配管状態を示す一部を切り欠いた平面図である。
【図１３】前記改質ユニットのＣＯ除去部のＣＯ除去外装ケースを示す側面断面図である。
【図１４】前記ＣＯ除去部のＣＯ変成器を示す側面図である。
【図１５】前記ＣＯ変成器を示す一部を切り欠いた正面図である。
【図１６】前記ＣＯ変成器を示す平面図である。
【図１７】前記ＣＯ除去部のＣＯ選択酸化器を示す側面図である。
【図１８】前記ＣＯ選択酸化器を示す一部を切り欠いた正面図である。
【図１９】前記ＣＯ選択酸化器を示す平面図である。
【図２０】前記ＣＯ選択酸化器の区画板を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１００……燃料電池システム
１１１……炭化水素原料である液体燃料
１５１……加熱手段としてのバーナユニット
２００……燃料電池
２１０……酸素含有気体供給手段としてのブロワ
３００……改質ユニット
５００……断熱材としての断熱部
６１０……ケース体を構成する改質外装ケース
６１１……第２の分割ケースを構成する下部ケース
６１１Ａ…連結フランジとしての上部連結フランジ
６１２……第２の分割ケースとしても機能する第１の分割ケースとしての上部ケース
６１２Ａ…連結フランジとしての天板フランジ
６１２Ｂ…第１の分割ケースとしてのバーナ連結部
６２０……改質器
６３０……水蒸気混合手段としての気化器
６４０……水蒸気生成手段としての熱交換装置
６４１……バイパス経路としての改質水内管
７１０……ケース体および第２の分割ケースを構成する配管外装ケース
７７０……流水経路としての冷却水管
７７０Ａ…第一の調整弁としての流水バルブ
８１０……ケース体および第２の分割ケースを構成するＣＯ除去外装ケース
８２０……ＣＯ変成器
８２４……水蒸気生成手段としても機能するＣＯ変成冷却管
８３０……ＣＯ選択酸化器
８３４……水蒸気生成手段としても機能するＣＯ選択酸化冷却管
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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