(57)【要約】【課題】触媒の利用効率および反応効率が高いシフト反応器およびそのシフト反応器を備える燃料電池システムを提供する。【解決手段】第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部と、第１シフト反応触媒層の内部に先端が挿入された改質ガス導入管路と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部と、第１シフト反応触媒層の内部に配設された冷媒流通管路と、を備え、改質ガス導入口から第１シフト反応触媒層に導入された改質ガスが、改質ガス導入管路を流通する改質ガスと向流方向に第１シフト反応触媒層を流通し、さらに、連絡部を通って第２反応部に導入された改質ガスが、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスと向流方向に第２シフト反応触媒層を流通する折り返し構造のガス反応流通路を形成することを特徴とする。【選択図】図１
2009084084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料と水とを改質反応させて製造される改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器であって、
第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部と、
前記第１シフト反応触媒層の内部に先端が挿入され、前記先端に改質ガス導入口が設けられた改質ガス導入管路と、
前記第１反応部の外側の一部または全部を囲み、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部と、
前記第１反応部と前記第２反応部の間を連絡する連絡部と、
前記第１シフト反応触媒層の内部を挿通する冷媒流通管路と、
を備え、
前記改質ガス導入口から前記第１シフト反応触媒層に導入された改質ガスが、前記改質ガス導入管路を流通する改質ガスと向流方向に前記第１シフト反応触媒層を流通し、さらに、前記第１反応部から前記連絡部を通って前記第２反応部に導入された改質ガスが、前記第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスと向流方向に第２シフト反応触媒層を流通する折り返し構造のガス反応流通路を形成するようにしたことを特徴とするシフト反応器。
【請求項２】
前記改質ガス導入管路の先端が、前記先端の挿入方向に沿った前記第１シフト反応触媒層の深さの半分以上にまで挿入されていることを特徴とする請求項１に記載のシフト反応器。
【請求項３】
炭化水素原料と水とを改質反応させて製造される改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器であって、
第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部と、
前記第１反応部の一端に設けられた改質ガス導入口と、
前記第１反応部の外側の一部または全部を囲み、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部と、
前記第１反応部と前記第２反応部の間を連絡する連絡部と、
前記第１シフト反応触媒層の内部を挿通する冷媒流通管路と、
を備え、
前記改質ガス導入口から前記第１シフト反応触媒層に導入される改質ガスが、前記改質ガス導入管路を流通する改質ガスと並流方向に前記第１シフト反応触媒層を流通し、さらに、前記第１反応部から前記連絡部を通って前記第２反応部に導入された改質ガスが、前記第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスと向流方向に第２シフト反応触媒層を流通する折り返し構造のガス反応流通路を形成することを特徴とするシフト反応器。
【請求項４】
前記第１反応部の一部が、前記第２反応部と一体化または面接触していることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のシフト反応器。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか1項に記載のシフト反応器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シフト反応器および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に優しいエネルギ源として、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行う燃料電池システムの開発が進んでいる。この燃料電池システムとして、炭化水素原料を改質して水素含有量が多い改質ガスを製造し、その改質ガスを水素源として燃料電池スタックに供給して発電を行う燃料改質型の燃料電池システムが検討されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この燃料改質型の燃料電池システムは、改質器と、シフト反応器と、一酸化炭素選択酸化（ＰＲＯＸ）反応器とで構成される燃料プロセッサ、および水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタックを有する。この燃料電池システムにおいて、燃料プロセッサは、炭化水素原料と水から水素を含む改質ガスを製造し、燃料電池スタックのアノードに供給する。燃料電池スタックにおいては、アノードに供給された改質ガス中の水素と、カソードに供給された酸素（空気）との電気化学反応によって、発電が行われる。
【０００４】
この燃料電池システムにおいて、発電を行う燃料電池スタックに、水素を供給するために、炭化水素原料を改質して水素濃度が高い水素含有ガスを製造する燃料プロセッサにおいて、改質器、シフト反応器およびＰＲＯＸ反応器は、内部に、反応触媒（改質触媒、シフト反応触媒、ＰＲＯＸ反応触媒）が充填された触媒層が設けられ、その触媒層内を反応ガス（炭化水素原料＋水、改質ガス、シフトガス）が流通しながら改質反応、シフト反応およびＰＲＯＸ反応が行われる。そして、各反応器の触媒層は、改質触媒、シフト反応触媒およびＰＲＯＸ反応触媒のそれぞれの反応触媒による反応に適した所定の温度（触媒活性温度）に調整される。このとき、シフト反応器では、下記式（１）で表されるシフト反応によって発生する熱によって触媒層の温度が高くなり過ぎると、シフト反応触媒が劣化して触媒活性が低下するおそれがある。したがって、通常、定格負荷運転時には、反応触媒を冷却して所定の温度に調整される。
【化１】
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【０００５】
このシフト反応器では、導入された反応ガスのシフト反応が短時間で反応平衡に到達するためには、シフト反応触媒の温度が高いことが有利である。一方、前記式に示すとおり、反応平衡を左から右へ移動させ、ＣＯ濃度を低く、Ｈ２濃度を高くするためには、シフト反応触媒の温度が低いことが有利である。したがって、シフト反応器に内設される触媒層は、改質器から改質ガスが導入される上流側では、触媒温度が高く、ＰＲＯＸ反応器へ反応ガスが排出される下流側では、触媒温度が低い、適正な温度分布を有することが望ましい。
【特許文献１】特開２００７−１１５５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、一般に、シフト反応器では、図２２に示すように、ガス導入部２２２から改質ガスＡが導入されると、シフト反応器２２１の中央部２２３におけるシフト反応が活発に行われて温度が上昇するのに対して、シフト反応器２２１の器壁２２４に沿った外側の領域２２５は、中央部２２３に比べて低温となってしまう傾向がある。そのため、外側の領域２２５では、シフト反応触媒によるシフト反応が十分に行われず、未反応の改質ガスが素通りして、ガス導出部２２６から導出されＰＲＯＸ反応器にそのまま供給されてしまう虞がある。そのため、シフト反応器２２１内に充填されて触媒層を構成するシフト反応触媒の触媒作用を十分に活用することができず、触媒の利用効率および反応効率が悪い。また、このように、中央部２２３が高温で、外側の領域２２４が低温である温度分布となるため、上流側が高温、下流側が低温となる最適な温度分布を形成することができず、シフト反応器から導出される反応ガス（シフトガス）のＣＯ濃度を低く、Ｈ２濃度を高くすることが困難となる。
【０００７】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、シフト反応触媒層が、上流側では触媒温度が高く、下流側では触媒温度が低い、適正な温度分布となるため、触媒の利用効率および反応効率が高いシフト反応器およびそのシフト反応器を備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、炭化水素原料と水とを改質反応させて製造される改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器であって、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部と、前記第１シフト反応触媒層の内部に先端が挿入され、前記先端に改質ガス導入口が設けられた改質ガス導入管路と、前記第１反応部の外側の一部または全部を囲み、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部と、前記第１反応部と前記第２反応部の間を連絡する連絡部と、前記第１シフト反応触媒層の内部を挿通する冷媒流通管路と、を備え、前記改質ガス導入口から前記第１シフト反応触媒層に導入された改質ガスが、前記改質ガス導入管路を流通する改質ガスと向流方向に前記第１シフト反応触媒層を流通し、さらに、前記第１反応部から前記連絡部を通って前記第２反応部に導入された改質ガスが、前記第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスと向流方向に第２シフト反応触媒層を流通する折り返し構造のガス反応流通路を形成するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
このシフト反応器では、改質ガス導入口から第１シフト反応触媒層に導入された改質ガスが、改質ガス導入管路を流通する改質ガスと向流方向に第１シフト反応触媒層を流通し、さらに、第１反応部から連絡部を通って第２反応部に導入された改質ガスが、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスと向流方向に第２シフト反応触媒層を流通する折り返し構造のガス反応流通路によって、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、上流側では触媒温度が高く、下流側では触媒温度が低い、適正な温度分布を形成することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記シフト反応器において、前記改質ガス導入管路の先端が、前記先端の挿入方向に沿った前記第１シフト反応触媒層の深さの半分以上にまで挿入されていることを特徴とする。
【００１１】
このシフト反応器では、改質ガス導入管路の先端が、その先端の挿入方向に沿った第１シフト反応触媒層の深さの半分以上にまで挿入されていることによって、改質ガス導入口から第１シフト反応触媒層に導入された改質ガスが、改質ガス導入管路を流通する改質ガスと向流方向に第１シフト反応触媒層を流通し、第１シフト反応触媒層が、改質ガス導入管路を流通する改質ガスにより局所的な温度の偏りがなく均一に加熱され、シフト反応器の外側からでは加熱し難い容器内側の第１シフト反応触媒層を効率的に加熱することができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、炭化水素原料と水とを改質反応させて製造される改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器であって、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部と、前記第１反応部の一端に設けられた改質ガス導入口と、前記第１反応部の外側の一部または全部を囲み、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部と、前記第１反応部と前記第２反応部の間を連絡する連絡部と、前記第１シフト反応触媒層の内部を挿通する冷媒流通管路と、を備え、前記改質ガス導入口から前記第１シフト反応触媒層に導入される改質ガスが、前記改質ガス導入管路を流通する改質ガスと並流方向に前記第１シフト反応触媒層を流通し、さらに、前記第１反応部から前記連絡部を通って前記第２反応部に導入された改質ガスが、前記第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスと向流方向に第２シフト反応触媒層を流通する折り返し構造のガス反応流通路を形成することを特徴とする。
【００１３】
このシフト反応器では、改質ガス導入口から第１シフト反応触媒層に導入される改質ガスが、改質ガス導入管路を流通する改質ガスと並流方向に第１シフト反応触媒層を流通し、さらに、第１反応部から連絡部を通って第２反応部に導入された改質ガスが、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスと向流方向に第２シフト反応触媒層を流通する折り返し構造のガス反応流通路を形成することによって、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく均一に加熱されるとともに、上流側では触媒温度が高く、下流側では触媒温度が低い、適正な温度分布を形成することができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、前記シフト反応器において、前記第１反応部の一部が、前記第２反応部と一体化または面接触していることを特徴とする。
【００１５】
このシフト反応器では、第１反応部の一部が、第２反応部と一体化または面接触していることによって、シフト反応器の予熱時に、第２反応部の外側から加熱し易くなり、シフト反応器の起動時間が短縮される。
【００１６】
請求項５に係る発明は、前記シフト反応器を備えることを特徴とする燃料電池システムを提供するものである。
この燃料電池システムでは、燃料プロセッサを構成するシフト反応器において、シフト反応触媒の利用効率および反応効率が高いため、発電効率の向上を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のシフト反応器は、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、上流側の第１反応部では触媒温度が高く、下流側の第２反応部では触媒温度が低い、適正な温度分布を形成することができる。そのため、本発明のシフト反応器は、触媒の利用効率および反応効率が高い。また、触媒の利用効率が高いため、シフト反応触媒の使用量を少なくしても所期の反応効率を得ることができ、シフト反応器の低コスト化に有効である。
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、シフト反応触媒の利用効率および反応効率が高いため、発電効率の向上を図ることが可能となる。また、シフト反応触媒の使用量を少なくしても所期の反応効率を得ることができ、コスト削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るシフト反応器１の構造を示す模式断面図である。
【００２０】
第１実施形態に係るシフト反応器１は、図１に示すように、第１シフト反応触媒層２が内設された第１反応部３と、第２シフト反応触媒層４が内設された第２反応部５と、第１反応部３と第２反応部５の間を連絡する連絡部６と、改質ガス導入管路７と、冷媒流通管路８とを備えるものである。
【００２１】
第１反応部３は、内部に充填されたシフト反応触媒によって第１シフト反応触媒層２が形成され、隔壁３ａによって、外側の第２反応部３と画成されている。この第１反応部３は、シフト反応触媒が充填された連絡部６によって、第２反応部５と連絡されている。
【００２２】
この第１反応部３には、第１シフト反応触媒層２の内部に改質ガス導入管路７の先端が挿入され、挿入された先端に改質ガス導入口が開口して設けられている。この改質ガス導入管路７の先端は、先端の挿入方向に沿った第１シフト反応触媒層の深さＤ１の半分以上にまで挿入されている。このように改質ガス導入管路７の先端が第１シフト反応触媒層の深さＤ１の半分以上にまで挿入されていることによって、改質ガス導入口７ａから第１シフト反応触媒層２に導入された改質ガスが、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスと向流方向に第１シフト反応触媒層２を流通し、第１シフト反応触媒層２が、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスにより局所的な温度の偏りがなく均一に加熱され、シフト反応器１の外側からでは加熱し難い容器内側の第１シフト反応触媒層２を効率的に加熱することができる。
【００２３】
また、第１反応部３には、第１シフト反応触媒層２の内部を挿通する冷媒流通管路８が設けられている。この冷媒流通管路８は、シフト反応器１の外側から、第２反応部５の第２シフト反応触媒層４および隔壁３ａを貫通して第１反応部３の第１シフト反応触媒層２の改質ガス導入管路７の外側を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路８は、隔壁３ａおよび第２反応部５の第２シフト反応触媒層４を貫通して、シフト反応器１の外側に連通している。この冷媒流通管路８は、内部に水等の冷却媒体を流通させて、第１シフト反応触媒層２を冷却して温度を調整するためのものである。
【００２４】
第２反応部５は、隔壁３ａを介して、第１反応部３の外側を囲み、第１反応部３の隔壁３ａとシフト反応器１の外壁１ａとの間に充填されたシフト反応触媒によって形成された第２シフト反応触媒層４が設けられているものである。第２シフト反応触媒層４は、第１反応部３の隔壁３ａの側面と、シフト反応器１の外壁１ａの側面との間、および第１反応部３の隔壁３ａの底面と、シフト反応器１の外壁の底面との間に形成されている。また、第２反応部５の底部には、ガス導出路９が連通している。
【００２５】
第１シフト反応触媒層２、第２シフト反応触媒層４および連絡部６に充填されるシフト反応触媒は、特に制限されないが、例えば、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト反応触媒を用いることができる。
【００２６】
このシフト反応器１は、第２反応部５の外側に設けられた加熱媒体流通路１０を流通する加熱媒体１１によって、シフト反応器１の外側から加熱される。この加熱媒体１１として、燃料電池システムの改質器（図示せず）の改質触媒を加熱するためのバーナ（図示せず）の燃焼ガスを利用することができる。また、本発明のシフト反応器において、シフト反応触媒層（第１シフト反応触媒層、第２シフト反応触媒層）を加熱する加熱手段は、特に制限されない。シフト反応器１は、第２反応部５の外側に設けた加熱媒体流通路１０を流通する加熱媒体によって加熱してもよいし、シフト反応器１の外被に電熱ヒータを巻回し、この電熱ヒータによって、シフト反応器１を加熱してもよい。
【００２７】
このシフト反応器１では、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路７を通って、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入される。この改質ガスは、水素と一酸化炭素を主成分とするものである。そして、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスは、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ａの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｂの方向に第１シフト反応触媒層２を流通する。そして、第１反応部３から連絡部６を通って第２反応部５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層２を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｂの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｃの方向に第２シフト反応触媒層４を流通する。このように、シフト反応器１においては、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスの流通方向が、まず、改質ガス導入口７ａで矢印Ａの方向から矢印Ｂの方向に折返し、さらに、連絡部６で矢印Ｂの方向から矢印Ｃの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００２８】
そして、このような折り返し構造のガス反応流通路において、改質ガス導入口７ａから第１シフト反応触媒層２、連絡部６および第２シフト反応触媒層４を改質ガスが流通する間に、前記式（１）で表されるシフト反応によって、改質ガス中の一酸化炭素が反応して、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高いガス（シフトガス）が生成し、第２反応部５の底部に設けられたガス導出路９から導出される。導出されたシフトガスは、ＰＲＯＸ反応器（図示せず）に導入される。
【００２９】
このシフト反応器１において、まず、運転開始時は、シフト反応器１は、第２反応部５の外側に設けられた加熱媒体流通路１０を流通する加熱媒体１１によって低負荷運転時の所定の温度Ｔ３に加熱され、改質ガス導入口７ａから改質ガスが第１反応部３に導入されると、シフト反応が生起される。そして、第１シフト反応触媒層２は、シフト反応器１の外側から加熱されるとともに、第１反応部３は、隔壁３ａによって画成されているため、生起するシフト反応によって発生する反応熱によって昇温し、温度Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ３）となる。次に、第１反応部３から連絡部６を通って第２反応部５に導入されたガスは、第２シフト反応触媒層４において、シフト反応を継続するため、第２シフト反応触媒層４の温度はＴ２（Ｔ１＞Ｔ２≧Ｔ３）となる。すなわち、このシフト反応器１のガス反応流通路において、上流側の第１シフト反応触媒層２の温度Ｔ１と、下流側の第２シフト反応触媒層４の温度Ｔ２とは、Ｔ１の方がＴ２よりも高温（Ｔ１＞Ｔ２）に保持される。このとき、冷媒流通管路８に冷媒を流通して、第１シフト反応触媒層２の温度がシフト反応の所定の触媒活性温度に維持される。このように、シフト反応器１において、改質器から改質ガスが導入される上流側、すなわち、第１シフト反応触媒層２では、触媒の温度（Ｔ１）が高く、ＰＲＯＸ反応器へ反応ガスが導出される下流側、すなわち、第２シフト反応触媒層４では、触媒の温度（Ｔ２）が低い、温度分布が形成される。通常、第１シフト反応触媒層２の温度Ｔ１は２５０℃程度、第２シフト反応触媒層４の温度Ｔ２は２００℃程度に調整される。
【００３０】
以上のように、シフト反応器１では、折り返し構造のガス反応流通路において、第１シフト反応触媒層２に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層２が高温（Ｔ１）であるため、シフト反応が短時間で反応平衡に到達し、ＣＯ濃度が減少し、Ｈ２濃度が高くなる。そして、連絡部６を通って第２シフト反応触媒層４に導入された改質ガスは、第２シフト反応触媒層４が第１シフト反応触媒層２よりも低温（Ｔ２：Ｔ２＜Ｔ１）であるため、前記式（１）において、反応平衡が左から右へ移動し、さらに、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高くなる。また、シフト反応器１では、折り返し構造のガス反応流通路において、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高い。そのため、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。
【００３１】
また、シフト反応器１は、図１に示す形態に限定されず、各種の形態を採用することができる。そこで、次に、このシフト反応器１の変形例であるシフト反応器１２〜１４を図２〜図４に示す。
【００３２】
図２（ａ）は、シフト反応器１２の模式横断面図、図２（ｂ）は、シフト反応器１２の模式縦断面図を示す。
図２（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器１２は、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部５と、第１反応部３と第２反応部５の間を連絡する連絡部６と、改質ガス導入管路７とを備えることにおいて、前記シフト反応器１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器１２では、第１反応部３と、第２反応部５が断面矩形状の形状を有するとともに、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部３の隔壁３ａの底面に近接した位置にまで挿入されている。また、冷媒流通管路８Ａが、シフト反応器１２の上部外壁から第１反応部３の第１シフト反応触媒層の内部へ挿通され、第１反応部３の第１シフト反応触媒層に挿入された改質ガス導入管路７の外側を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路８Ａは、第１反応部３の第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器１の上部外壁から外側に連通している。
【００３３】
このシフト反応器１２においては、前記シフト反応器１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路７を通って、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入される。この改質ガスは、水素と一酸化炭素を主成分とするものである。そして、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスは、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ａの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｂの方向に第１シフト反応触媒層を流通する。そして、第１反応部３から連絡部６を通って第２反応部５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｂの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｃの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器１２においては、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスの流通方向が、まず、改質ガス導入口７ａで矢印Ａの方向から矢印Ｂの方向に折返し、さらに、連絡部６で矢印Ｂの方向から矢印Ｃの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００３４】
そして、このシフト反応器１２においては、前記シフト反応器１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器１２においては、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部３の隔壁３ａの底面に近接した位置にまで挿入され、第１反応部３の第１シフト反応触媒層に深く挿入されているため、シフト反応器１２の運転開始時にシフト反応器１２を予熱するに際して、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスによって第１シフト反応触媒層を加熱できる利点がある。また、第１反応部３内の高温に保持される第１シフト反応触媒層が、シフト反応器１２の外部温度の影響を受け難く、第１シフト反応触媒層における反応が安定化する利点がある。
【００３５】
次に、図３（ａ）は、シフト反応器１３の模式横断面図、図３（ｂ）は、シフト反応器１３の模式縦断面図を示す。
図３（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器１３は、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部５と、第１反応部３と第２反応部５の間を連絡する連絡部６と、改質ガス導入管路７とを備えることにおいて、前記シフト反応器１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器１２では、第１反応部３と、第２反応部５が断面矩形状の形状を有するとともに、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部３の隔壁３ａの底面に近接した位置にまで挿入されている。また、冷媒流通管路８Ｂが、シフト反応器１２の側部外壁から第１反応部３の第１シフト反応触媒層の内部へ挿通され、第１反応部３の第１シフト反応触媒層に挿入された改質ガス導入管路７の外側を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路８Ｂは、第１反応部３の第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器１の側部外壁から外側に連通している。
【００３６】
このシフト反応器１３においては、前記シフト反応器１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路７を通って、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入される。この改質ガスは、水素と一酸化炭素を主成分とするものである。そして、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスは、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ａの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｂの方向に第１シフト反応触媒層を流通する。そして、第１反応部３から連絡部６を通って第２反応部５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｂの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｃの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器１２においては、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスの流通方向が、まず、改質ガス導入口７ａで矢印Ａの方向から矢印Ｂの方向に折返し、さらに、連絡部６で矢印Ｂの方向から矢印Ｃの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００３７】
そして、このシフト反応器１３においては、前記シフト反応器１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器１３においては、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部３の隔壁３ａの底面に近接した位置にまで挿入され、第１反応部３の第１シフト反応触媒層に深く挿入されているため、シフト反応器１３の運転開始時にシフト反応器１３を予熱するに際して、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスによって第１シフト反応触媒層を加熱できる利点がある。また、第１反応部３内の高温に保持される第１シフト反応触媒層が、シフト反応器１３の外部温度の影響を受け難く、第１シフト反応触媒層における反応が安定化する利点がある。
【００３８】
次に、図４（ａ）は、シフト反応器１４の模式横断面図、図４（ｂ）は、シフト反応器１４の模式縦断面図を示す。
図４（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器１４は、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部５と、第１反応部３と第２反応部５の間を連絡する連絡部６と、改質ガス導入管路７とを備えることにおいて、前記シフト反応器１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器１４では、第１反応部３と、第２反応部５とが断面円形状の形状を有するとともに、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部３の隔壁３ａの底面に近接した位置にまで挿入されている。また、冷媒流通管路８Ｃが、シフト反応器１２の上部外壁から第１反応部３の第１シフト反応触媒層の内部へ挿通され、第１反応部３の第１シフト反応触媒層に挿入された改質ガス導入管路７の外側を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路８Ｃは、第１反応部３の第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器１の上部外壁から外側に連通している。
【００３９】
このシフト反応器１４においては、前記シフト反応器１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路７を通って、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入される。そして、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスは、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ａの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｂの方向に第１シフト反応触媒層を流通する。そして、第１反応部３から連絡部６を通って第２反応部５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｂの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｃの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器１４においては、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスの流通方向が、まず、改質ガス導入口７ａで矢印Ａの方向から矢印Ｂの方向に折返し、さらに、連絡部６で矢印Ｂの方向から矢印Ｃの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００４０】
そして、このシフト反応器１４においては、前記シフト反応器１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器１４においては、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部３の隔壁３ａの底面に近接した位置にまで挿入され、第１反応部３の第１シフト反応触媒層に深く挿入されているため、シフト反応器１３の運転開始時にシフト反応器１３を予熱するに際して、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスによって第１シフト反応触媒層を加熱できる利点がある。また、第１反応部３内の高温に保持される第１シフト反応触媒層が、シフト反応器１４の外部温度の影響を受け難く、第１シフト反応触媒層における反応が安定化する利点がある。さらに、このシフト反応器１４は、製作性が高く、組み立てが簡単である、という利点を有する。
【００４１】
また、図５（ａ）〜（ｃ）は、シフト反応器１，１２，１３における第１反応部３の取り付け構造の具体例を示す模式横断面図を示す。
図５（ａ）に示すシフト反応器１５Ａは、第１反応部３の隔壁３ａと、第２反応部５（シフト反応器１５Ａ）の外壁５ａとの間に架設された支持部材５１ａ，５１ｂによって、第１反応部３が支持・固定されている。支持部材５１ａ，５１ｂは、第１反応部３の隔壁３ａと、第２反応部５（シフト反応器１５Ａ）の外壁５ａとに、それぞれ溶接されている。これによって、第１反応部３を、シフト反応器１５Ａの外壁５ａに確実に固定することができる。
【００４２】
図５（ｂ）に示すシフト反応器１５Ｂは、第１反応部３の隔壁３ａと、第２反応部５（シフト反応器１５Ｂ）の外壁５ａとの間に架設された仕切板部材５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄによって、第１反応部３が支持・固定されている。これによって、第１反応部３を、シフト反応器１５Ａの外壁５ａに固定することができる。また、この第１反応部３の支持・固定構造は、組み立て易い利点がある。
【００４３】
図５（ｃ）に示すシフト反応器１５Ｃは、第１反応部３の隔壁３ａと、第２反応部５（シフト反応器１５Ｃ）の外壁５ａとの間に、第１反応部３の隔壁３ａを延設して形成された支持部５３ａ，５３ｂによって、第１反応部３が支持・固定されている。支持部５３ａ，５３ｂの端部５４ａ，５４ｂは、第２反応部５（シフト反応器１５Ａ）の外壁５ａに溶接されている。これによって、第１反応部３を、シフト反応器１５Ａの外壁５ａに確実に固定することができる。また、シフト反応器１５Ｃの運転開始時にシフト反応器１５Ｃを予熱するに際して、支持部５３ａ，５３ｂを通じて、シフト反応器１５Ｃの外側から第１反応部３に熱が伝導し易いため、予熱時間が短縮できる利点がある。
【００４４】
次に、本発明の第２実施形態に係るシフト反応器について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係るシフト反応器６１の構造を示す模式縦断面図である。
図６に示す第２実施形態に係るシフト反応器６１は、第１シフト反応触媒層２が内設された第１反応部６３と、第２シフト反応触媒層４が内設された第２反応部６５と、第１反応部６３と第２反応部６５の間を連絡する連絡部６と、改質ガス導入管路７と、冷媒流通管路８とを備えるものである。そして、第１反応部６３の一部（隔壁６３ａの一部）が、第２反応部６５の一部（外壁６５ａの一部）と一体化している構造を有する。すなわち、第２反応部６５の外壁６５ａが、第１反応部６３の隔壁６３ａの側部６３ｂを形成している。
【００４５】
第１反応部６３は、内部に充填されたシフト反応触媒によって第１シフト反応触媒層２が形成され、隔壁６３ａによって、外側の第２反応部６５と画成されている。そして、第１反応部６３は、シフト反応触媒が充填された連絡部６によって、第２反応部６５と連絡されている。
【００４６】
この第１反応部６３には、第１シフト反応触媒層２の内部に改質ガス導入管路７の先端が挿入され、挿入された先端に改質ガス導入口７ａが開口して設けられている。この改質ガス導入管路７の先端は、先端の挿入方向に沿った第１シフト反応触媒層の深さＤ１の半分以上にまで挿入されている。このように、改質ガス導入管路７の先端が第１シフト反応触媒層２の深さＤ１の半分以上にまで挿入されていることによって、改質ガス導入口７ａから第１シフト反応触媒層２に導入された改質ガスが、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスと向流方向に第１シフト反応触媒層２を流通し、第１シフト反応触媒層２が、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスにより局所的な温度の偏りがなく均一に加熱され、シフト反応器６１の外側からでは加熱し難い容器内側の第１シフト反応触媒層２を効率的に加熱することができる。
【００４７】
また、第１反応部６３には、第１シフト反応触媒層２の内部を挿通する冷媒流通管路８が設けられている。この冷媒流通管路８は、シフト反応器１の外側から、シフト反応器６１の外壁（隔壁６３ａ）を貫通して第１反応部６３の第１シフト反応触媒層２の改質ガス導入管路７の外側を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路８は、シフト反応器６１の外壁（隔壁６３ａ）を貫通して、シフト反応器６１の外側に連通している。この冷媒流通管路８は、内部に水等の冷却媒体を流通させて、第１シフト反応触媒層２を冷却して温度を調整するためのものである。
【００４８】
第２反応部６５は、隔壁６３ａを介して、第１反応部６３の片側の外周を囲み、第１反応部６３の隔壁６３ａとシフト反応器６１の外壁６１ａとの間に充填されたシフト反応触媒によって形成された第２シフト反応触媒層４が設けられているものである。第２シフト反応触媒層４は、第１反応部６３の隔壁６３ａの側面と、シフト反応器６１の外壁６１ａの側面との間、および第１反応部３の隔壁３ａの底面と、シフト反応器１の外壁の底面との間に形成されている。また、第２反応部６５の側部には、ガス導出路６９が連通している。
【００４９】
第１シフト反応触媒層２、第２シフト反応触媒層４および連絡部６に充填されるシフト反応触媒は、特に制限されないが、例えば、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト反応触媒を用いることができる。
【００５０】
このシフト反応器６１は、シフト反応器６１の外側に設けられた加熱媒体流通路１０を流通する加熱媒体１１によって、シフト反応器１の外側から加熱される。この加熱媒体１１として、燃料電池システムの改質器（図示せず）の改質触媒を加熱するためのバーナ（図示せず）の燃焼ガスを利用することができる。また、シフト反応器６１において、シフト反応触媒層（第１シフト反応触媒層、第２シフト反応触媒層）を加熱する加熱手段は、特に制限されない。シフト反応器１は、第２反応部５の外側に設けた加熱媒体流通路１０を流通する加熱媒体によって加熱してもよいし、シフト反応器１の外被に電熱ヒータを巻回し、この電熱ヒータによって、シフト反応器６１を加熱してもよい。
【００５１】
このシフト反応器６１では、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路７を通って、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入される。この改質ガスは、水素と一酸化炭素を主成分とするものである。そして、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入された改質ガスは、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ａの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｂの方向に第１シフト反応触媒層２を流通する。そして、第１反応部３から連絡部６を通って第２反応部６５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層２を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｂの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｃの方向に第２シフト反応触媒層４を流通する。このように、シフト反応器６１においては、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスの流通方向が、まず、改質ガス導入口７ａで矢印Ａの方向から矢印Ｂの方向に折返し、さらに、連絡部６で矢印Ｂの方向から矢印Ｃの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００５２】
そして、このような折り返し構造のガス反応流通路において、改質ガス導入口７ａから第１シフト反応触媒層２、連絡部６および第２シフト反応触媒層４を改質ガスが流通する間に、前記式（１）で表されるシフト反応によって、改質ガス中の一酸化炭素が反応して、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高いガス（シフトガス）が生成し、第２反応部５の底部に設けられたガス導出路６９から導出される。導出されたシフトガスは、ＰＲＯＸ反応器（図示せず）に導入される。
【００５３】
このシフト反応器６１において、まず、運転開始時は、シフト反応器６１は、シフト反応器６１の外側に設けられた加熱媒体流通路１０を流通する加熱媒体１１によって低負荷運転時の所定の温度Ｔ３に加熱され、改質ガス導入口７ａから改質ガスが第１反応部３に導入されると、シフト反応が生起される。そして、第１シフト反応触媒層２は、シフト反応器６１の外側から加熱されるとともに、第１反応部６３は、隔壁６３ａによって画成されているため、生起するシフト反応によって発生する反応熱によって昇温し、温度Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ３）となる。次に、第１反応部６３から連絡部６を通って第２反応部６５に導入されたガスは、第２シフト反応触媒層４において、シフト反応を継続するため、第２シフト反応触媒層４の温度はＴ２（Ｔ１＞Ｔ２≧Ｔ３）となる。すなわち、このシフト反応器１のガス反応流通路において、上流側の第１シフト反応触媒層２の温度Ｔ１と、下流側の第２シフト反応触媒層４の温度Ｔ２とは、Ｔ１の方がＴ２よりも高温（Ｔ１＞Ｔ２）に保持される。このとき、冷媒流通管路８に冷媒を流通して、第１シフト反応触媒層２の温度がシフト反応の所定の触媒活性温度に維持される。このように、シフト反応器６１において、改質器から改質ガスが導入される上流側、すなわち、第１シフト反応触媒層２では、触媒の温度（Ｔ１）が高く、ＰＲＯＸ反応器へ反応ガスが導出される下流側、すなわち、第２シフト反応触媒層４では、触媒の温度（Ｔ２）が低い、温度分布が形成される。通常、第１シフト反応触媒層２の温度Ｔ１は２５０℃程度、第２シフト反応触媒層４の温度Ｔ２は２００℃程度に調整される。
【００５４】
以上のように、シフト反応器６１では、折り返し構造のガス反応流通路において、第１シフト反応触媒層２に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層２が高温（Ｔ１）であるため、シフト反応が短時間で反応平衡に到達し、ＣＯ濃度が減少し、Ｈ２濃度が高くなる。そして、連絡部６を通って第２シフト反応触媒層４に導入された改質ガスは、第２シフト反応触媒層４が第１シフト反応触媒層２よりも低温（Ｔ２：Ｔ２＜Ｔ１）であるため、前記式（１）において、反応平衡が左から右へ移動し、さらに、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高くなる。また、シフト反応器６１では、折り返し構造のガス反応流通路において、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高い。そのため、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。また、第１反応部６３の一部が、第２反応部６５と一体化していることによって、シフト反応器６１の予熱時に、第２反応部６５の外側から加熱し易くなり、シフト反応器６１の起動時間が短縮される利点がある。
【００５５】
また、シフト反応器６１は、図６に示す形態に限定されず、各種の形態を採用することができる。そこで、次に、このシフト反応器６１の変形例であるシフト反応器６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃを図７〜図９に示す。
【００５６】
図７（ａ）は、シフト反応器６１Ａの模式横断面図、図７（ｂ）は、シフト反応器６１Ａの模式縦断面図を示す。
図７（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器６１Ａは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部６３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部６５と、第１反応部６３と第２反応部６５の間を連絡する連絡部６と、改質ガス導入管路７とを備え、第１反応部６３の一部（隔壁６３ａの一部）が、第２反応部６５の一部（外壁６５ａの一部）と一体化している構造を有することにおいて、前記シフト反応器６１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器６１Ａでは、第１反応部６３と、第２反応部６５が断面矩形状の形状を有するとともに、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部３の隔壁３ａの底面に近接した位置にまで挿入されている。また、冷媒流通管路６８Ａが、シフト反応器６１Ａの上部外壁から第１反応部６３の第１シフト反応触媒層の内部へ挿通され、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層に挿入された改質ガス導入管路７の外側を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路６８Ａは、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器６１Ａの上部外壁から外側に連通している。
【００５７】
このシフト反応器６１Ａにおいては、前記シフト反応器６１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路７を通って、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入される。この改質ガスは、水素と一酸化炭素を主成分とするものである。そして、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入された改質ガスは、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ａの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｂの方向に第１シフト反応触媒層を流通する。そして、第１反応部６３から連絡部６を通って第２反応部６５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｂの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｃの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器１２においては、改質ガス導入口７ａから第１反応部３に導入された改質ガスの流通方向が、まず、改質ガス導入口７ａで矢印Ａの方向から矢印Ｂの方向に折返し、さらに、連絡部６で矢印Ｂの方向から矢印Ｃの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００５８】
そして、このシフト反応器６１Ａにおいては、前記シフト反応器６１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器６１Ａにおいては、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部６３の隔壁６３ａの底面に近接した位置にまで挿入され、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層に深く挿入されているため、シフト反応器６１Ａの運転開始時にシフト反応器６１Ａを予熱するに際して、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスによって第１シフト反応触媒層を加熱できる利点がある。また、第１反応部６３の一部が、第２反応部６５と一体化していることによって、シフト反応器６１Ａの予熱時に、第２反応部６５の外側から加熱し易くなり、シフト反応器６１Ａの起動時間が短縮される利点がある。さらにまた、第１反応部６３の温度をシフト反応器６１Ａの外側から計測できるため、温度測定のための構造を簡素化できる利点もある。
【００５９】
次に、図８（ａ）は、シフト反応器６１Ｂの模式横断面図、図８（ｂ）は、シフト反応器６１Ｂの模式縦断面図を示す。
図８（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器６１Ｂは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部６３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部６５と、第１反応部６３と第２反応部６５の間を連絡する連絡部６と、改質ガス導入管路７とを備え、第１反応部６３の一部（隔壁６３ａの一部）が、第２反応部６５の一部（外壁６５ａの一部）と一体化している構造を有することにおいて、前記シフト反応器６１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器６１Ｂでは、第１反応部６３と、第２反応部６５が断面矩形状の形状を有するとともに、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部６３の隔壁６３ａの底面に近接した位置にまで挿入されている。また、冷媒流通管路６８Ｂが、シフト反応器６３の側部外壁から第１反応部６３の第１シフト反応触媒層の内部へ挿通され、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層に挿入された改質ガス導入管路７の外側を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路６８Ｂは、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器６３の側部外壁から外側に連通している。
【００６０】
このシフト反応器６１Ｂにおいては、前記シフト反応器６１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路７を通って、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入される。この改質ガスは、水素と一酸化炭素を主成分とするものである。そして、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入された改質ガスは、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ａの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｂの方向に第１シフト反応触媒層を流通する。そして、第１反応部６３から連絡部６を通って第２反応部６５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｂの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｃの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器６３においては、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入された改質ガスの流通方向が、まず、改質ガス導入口７ａで矢印Ａの方向から矢印Ｂの方向に折返し、さらに、連絡部６で矢印Ｂの方向から矢印Ｃの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００６１】
そして、このシフト反応器６１Ｂにおいては、前記シフト反応器６１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器６１Ｂにおいては、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部６３の隔壁６３ａの底面に近接した位置にまで挿入され、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層に深く挿入されているため、シフト反応器６１Ｂの運転開始時にシフト反応器６１Ｂを予熱するに際して、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスによって第１シフト反応触媒層を加熱できる利点がある。また、第１反応部６３の一部が、第２反応部６５と一体化していることによって、シフト反応器６１Ｂの予熱時に、第２反応部６５の外側から加熱し易くなり、シフト反応器６１Ｂの起動時間が短縮される利点がある。さらにまた、第１反応部６３の温度をシフト反応器６１Ｂの外側から計測できるため、温度測定のための構造を簡素化できる利点もある。
【００６２】
次に、図９（ａ）は、シフト反応器６１Ｃの模式横断面図、図９（ｂ）は、シフト反応器６１Ｃの模式縦断面図を示す。
図４（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器６１Ｃは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部６３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部６５と、第１反応部６３と第２反応部６５の間を連絡する連絡部６と、改質ガス導入管路７とを備え、第１反応部６３の一部（隔壁６３ａの一部）が、第２反応部６５の一部（外壁６５ａの一部）と一体化している構造を有することにおいて、前記シフト反応器６１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器６１Ｃでは、第１反応部６３と、第２反応部６５とが断面円形状の形状を有するとともに、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部６３の隔壁６３ａの底面に近接した位置にまで挿入されている。また、冷媒流通管路６８Ｃが、シフト反応器６１Ｃの上部外壁から第１反応部６３の第１シフト反応触媒層の内部へ挿通され、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層に挿入された改質ガス導入管路７の外側を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路６８Ｃは、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器６１Ｃの上部外壁から外側に連通している。
【００６３】
このシフト反応器６１Ｃにおいては、前記シフト反応器６１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路７を通って、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入される。そして、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入された改質ガスは、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ａの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｂの方向に第１シフト反応触媒層を流通する。そして、第１反応部６３から連絡部６を通って第２反応部６５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｂの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｃの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器６１Ｃにおいては、改質ガス導入口７ａから第１反応部６３に導入された改質ガスの流通方向が、まず、改質ガス導入口７ａで矢印Ａの方向から矢印Ｂの方向に折返し、さらに、連絡部６で矢印Ｂの方向から矢印Ｃの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００６４】
そして、このシフト反応器６１Ｃにおいては、前記シフト反応器６１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器６１Ｃにおいては、改質ガス導入管路７の先端が、第１反応部６３の隔壁６３ａの底面に近接した位置にまで挿入され、第１反応部６３の第１シフト反応触媒層に深く挿入されているため、シフト反応器６１Ｃの運転開始時にシフト反応器６１Ｃを予熱するに際して、改質ガス導入管路７を流通する改質ガスによって第１シフト反応触媒層を加熱できる利点がある。また、第１反応部６３の一部が、第２反応部６５と一体化していることによって、シフト反応器６１Ｃの予熱時に、第２反応部６５の外側から加熱し易くなり、シフト反応器６１Ｃの起動時間が短縮される利点がある。さらに、このシフト反応器６１Ｃは、製作性が高く、組み立てが簡単である、という利点を有する。
【００６５】
また、図１０（ａ）〜（ｃ）は、シフト反応器６１Ｄ，６１Ｅ，６１Ｆにおける第１反応部６３の取り付け構造の具体例を示す模式横断面図を示す。
図１０（ａ）に示すシフト反応器６１Ｄは、第１反応部６３の隔壁６３ａと、第２反応部６５（シフト反応器６１Ｄ）の外壁６５ａとの間に架設された支持部材６９ａ，６９ｂによって、第１反応部６３が支持されている。支持部材６９ａ，６９ｂは、第１反応部６３の隔壁６３ａと、第２反応部６５（シフト反応器６１Ｄ）の外壁６５ａとに、それぞれ溶接されている。これによって、第１反応部６３を、第１反応部６３の一部（隔壁６３ａの一部）が、第２反応部６５の一部（外壁６５ａの一部）と接触させるとともに、シフト反応器６１Ｄの外壁６５ａに確実に固定することができる。
【００６６】
図１０（ｂ）に示すシフト反応器６１Ｅは、第１反応部６３の隔壁６３ａと、第２反応部６５（シフト反応器６１Ｅ）の外壁６５ａとの間に架設された仕切板部材６９ａ，６９ｂｄによって、第１反応部６３が支持・固定されている。これによって、第１反応部６３の一部（隔壁６３ａの一部）が、第２反応部６５の一部（外壁６５ａの一部）と接触させるとともに、第１反応部６３を、シフト反応器６１Ｅの外壁６５ａに固定することができる。また、この第１反応部６３の支持・固定構造は、組み立て易い利点がある。
【００６７】
図１０（ｃ）に示すシフト反応器６１Ｆは、第１反応部６３の隔壁６３ａの側面６３ｂが、第２反応部６５（シフト反応器６１Ｆ）の外壁６５ａに、溶接によって固定されている。これによって、第１反応部６３を、シフト反応器６１Ｆの外壁６５ａに確実に固定することができる。また、シフト反応器６１Ｆの運転開始時にシフト反応器６１Ｆを予熱するに際して、シフト反応器６１Ｆの外側から第１反応部６３に熱が伝導し易いため、予熱時間が短縮できる利点がある。
【００６８】
次に、本発明の第３実施形態に係るシフト反応器について説明する。
図１１（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るシフト反応器７１の模式横断面図、図１１（ｂ）は、シフト反応器７１の模式縦断面図である。
第３実施形態に係るシフト反応器７１は、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１シフト反応触媒層７２が内設された第１反応部７３と、第２シフト反応触媒層７４が内設された第２反応部７５と、第１反応部７３の底部に開口され、第１反応部７３と第２反応部７５の間を連絡する連絡部７６と、第１反応部７３の上端に設けられた改質ガス導入口７７と、冷媒流通管路７８とを備えるものである。
【００６９】
第１反応部７３は、内部に充填されたシフト反応触媒によって第１シフト反応触媒層７２が形成され、隔壁７３ａによって、外側の第２反応部７３と画成されている。この第１反応部７３は、隔壁７３ａの底面に開口された連絡部７６によって、第２反応部７５と連絡されている。
この第１反応部７３には、上端に改質ガス導入口７７が開口して設けられている。
【００７０】
また、第１反応部７３には、第１シフト反応触媒層７２の内部を挿通する冷媒流通管路７８が設けられている。この冷媒流通管路７８は、シフト反応器７１の外側上端から、第１反応部７３の第１シフト反応触媒層７２に挿通し、第１シフト反応触媒層７２の内部を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路７８は、第１シフト反応触媒層７２を貫通して、シフト反応器７１１の外側に連通している。この冷媒流通管路７８は、内部に水等の冷却媒体を流通させて、第１シフト反応触媒層２を冷却して温度を調整するためのものである。
【００７１】
第２反応部７５は、隔壁７３ａを介して、第１反応部７３の外側を囲み、第１反応部７３の隔壁７３ａとシフト反応器７１の外壁７５ａとの間に充填されたシフト反応触媒によって形成される第２シフト反応触媒層７４が内設されているものである。第２シフト反応触媒層７４は、第１反応部７３の隔壁７３ａの側面と、シフト反応器７１の外壁７５ａの側面との間、および第１反応部７３の隔壁７３ａの底面と、シフト反応器７１の外壁７５ａの底面との間に形成されている。また、第２反応部７５の上部には、ガス導出路７９が連通している。
【００７２】
第１シフト反応触媒層７２および第２シフト反応触媒層７４に充填されるシフト反応触媒は、特に制限されないが、例えば、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト反応触媒を用いることができる。
【００７３】
このシフト反応器７１は、第２反応部７５の外側に設けられた加熱媒体流通路（図示せず）を流通する加熱媒体によって、シフト反応器７１の外側から加熱される。この加熱媒体として、燃料電池システムの改質器（図示せず）の改質触媒を加熱するためのバーナ（図示せず）の燃焼ガスを利用することができる。また、シフト反応器７１において、シフト反応触媒層（第１シフト反応触媒層、第２シフト反応触媒層）を加熱する加熱手段は、特に制限されない。シフト反応器７１は、第２反応部７５の外側に設けた加熱媒体流通路を流通する加熱媒体によって加熱してもよいし、シフト反応器７１の外被に電熱ヒータを巻回し、この電熱ヒータによって、シフト反応器７１を加熱してもよい。
【００７４】
このシフト反応器７１では、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入される。そして、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入され、第１シフト反応触媒層７２を流通する改質ガスは矢印Ｄの方向に流通する。さらに、第１反応部７３から連絡部７６を通って第２反応部７５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層７２を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｄの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｆの方向に第２シフト反応触媒層７４を流通する。このように、シフト反応器７１においては、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入された改質ガスの流通方向（矢印Ｄの方向）が、連絡部７６を通って矢印Ｅの方向から矢印Ｆの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００７５】
そして、このような折り返し構造のガス反応流通路において、改質ガス導入口７７から第１シフト反応触媒層７２、連絡部７６および第２シフト反応触媒層７４を改質ガスが流通する間に、前記式（１）で表されるシフト反応によって、改質ガス中の一酸化炭素が反応して、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高いガス（シフトガス）が生成し、第２反応部７５の上端に設けられたガス導出路７９から導出される。導出されたシフトガスは、ＰＲＯＸ反応器（図示せず）に導入される。
【００７６】
このシフト反応器７１において、まず、運転開始時は、シフト反応器７１は、第２反応部７５の外側に設けられた加熱媒体流通路を流通する加熱媒体によって低負荷運転時の所定の温度Ｔ３に加熱され、改質ガス導入口７７から改質ガスが第１反応部７３に導入されると、シフト反応が生起される。そして、第１シフト反応触媒層７２は、シフト反応器７１の外側から加熱されるとともに、第１反応部７３は、隔壁７３ａによって画成されているため、生起するシフト反応によって発生する反応熱によって昇温し、温度Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ３）となる。次に、第１反応部７３から連絡部７６を通って第２反応部７５に導入されたガスは、第２シフト反応触媒層７４において、シフト反応を継続するため、第２シフト反応触媒層７４の温度はＴ２（Ｔ１＞Ｔ２≧Ｔ３）となる。すなわち、このシフト反応器７１のガス反応流通路において、上流側の第１シフト反応触媒層７２の温度Ｔ１と、下流側の第２シフト反応触媒層７４の温度Ｔ２とは、Ｔ１の方がＴ２よりも高温（Ｔ１＞Ｔ２）に保持される。このとき、冷媒流通管路７８に冷媒を流通して、第１シフト反応触媒層７２の温度がシフト反応の所定の触媒活性温度に維持される。このように、シフト反応器７１において、改質器から改質ガスが導入される上流側、すなわち、第１シフト反応触媒層７２では、触媒の温度（Ｔ１）が高く、ＰＲＯＸ反応器へ反応ガスが導出される下流側、すなわち、第２シフト反応触媒層７４では、触媒の温度（Ｔ２）が低い、温度分布が形成される。通常、第１シフト反応触媒層７２の温度Ｔ１は２５０℃程度、第２シフト反応触媒層７４の温度Ｔ２は２００℃程度に調整される。
【００７７】
以上のように、シフト反応器７１では、折り返し構造のガス反応流通路において、第１シフト反応触媒層７２に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層７２が高温（Ｔ１）であるため、シフト反応が短時間で反応平衡に到達し、ＣＯ濃度が減少し、Ｈ２濃度が高くなる。そして、連絡部７６を通って第２シフト反応触媒層７４に導入された改質ガスは、第２シフト反応触媒層７４が第１シフト反応触媒層７２よりも低温（Ｔ２：Ｔ２＜Ｔ１）であるため、前記式（１）において、反応平衡が左から右へ移動し、さらに、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高くなる。また、シフト反応器７１では、折り返し構造のガス反応流通路において、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高い。そのため、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。また、シフト反応器７１は、第１実施形態および第２実施形態のシフト反応器１，６１のように改質ガス導入管路７が第１反応部３の内部に挿入された形態ではなく、改質ガス導入口７７が第１反応部７３の上端に開口された形態を有するものであるため、良好な製作性を有する利点がある。
【００７８】
また、シフト反応器７１は、図１に示す形態に限定されず、各種の形態を採用することができる。そこで、次に、このシフト反応器７１の変形例であるシフト反応器７１Ａ〜７１Ｃを図１２〜図１４に示す。
【００７９】
図１２（ａ）は、シフト反応器７１Ａの模式横断面図、図１２（ｂ）は、シフト反応器７１Ａの模式縦断面図を示す。
図１２（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器７１Ａは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部７３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部７５と、第１反応部７３と第２反応部７５の間を連絡する連絡部７６と、改質ガス導入口７７とを備えることにおいて、前記シフト反応器７１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器７１Ａでは、第１反応部７３と、第２反応部７５が断面円形状の形状を有する。また、冷媒流通管路７８が、シフト反応器７１Ａの外側上端から、第１反応部７３の第１シフト反応触媒層７２に挿通し、第１シフト反応触媒層７２の内部を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路７８は、第１シフト反応触媒層７２を貫通して、シフト反応器７１Ａの外側に連通している。
【００８０】
このシフト反応器７１Ａにおいては、前記シフト反応器７１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入される。そして、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入され、第１シフト反応触媒層７２を流通する改質ガスは、矢印Ｄの方向に流通する。さらに、第１反応部７３から連絡部７６を通って第２反応部７５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層７２を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｄの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｆの方向に第２シフト反応触媒層７４を流通する。このように、シフト反応器７１Ａにおいては、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入された改質ガスの流通方向（矢印Ｄの方向）が、連絡部７６を通って矢印Ｅの方向から矢印Ｆの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００８１】
そして、このような折り返し構造のガス反応流通路において、改質ガス導入口７７から第１シフト反応触媒層７２、連絡部７６および第２シフト反応触媒層７４を改質ガスが流通する間に、前記式（１）で表されるシフト反応によって、改質ガス中の一酸化炭素が反応して、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高いガス（シフトガス）が生成し、第２反応部７５の上端に設けられたガス導出路７９から導出される。導出されたシフトガスは、ＰＲＯＸ反応器（図示せず）に導入される。
【００８２】
そして、このシフト反応器７１Ａにおいては、前記シフト反応器７１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器７１Ａにおいては、改質ガス導入口７７が第１反応部７３の上端に開口された形態を有するものであるため、良好な製作性を有する利点がある。
【００８３】
次に、図１３（ａ）は、シフト反応器７１Ｂの模式横断面図、図１３（ｂ）は、シフト反応器７１Ｂの模式縦断面図を示す。
図１３（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器７１Ｂは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部７３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部７５と、第１反応部７３と第２反応部７５の間を連絡する連絡部７６と、改質ガス導入口７７とを備えることにおいて、前記シフト反応器７１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器７１Ａでは、第１反応部７３と、第２反応部７５が断面矩形状の形状を有するとともに、第１反応部７３の隔壁７３ａがシフト反応器７１Ｂの上端面７５ｂと底面７５ｃの間に架設され、連絡路７６が、前記底面７５ｃに近接した隔壁７３ａに開口されている。また、冷媒流通管路７８が、シフト反応器７１Ａの外側上端から、第１反応部７３の第１シフト反応触媒層７２に挿通し、第１シフト反応触媒層７２の内部を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路７８は、第１シフト反応触媒層７２を貫通して、シフト反応器７１Ｂの外側に連通している。
【００８４】
このシフト反応器７１Ｂにおいては、前記シフト反応器７１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入される。そして、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入され、第１シフト反応触媒層７２を流通する改質ガスは矢印Ｄの方向の方向に流通する。さらに、第１反応部７３から連絡部７６を通って第２反応部７５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層７２を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｄの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｆの方向に第２シフト反応触媒層７４を流通する。このように、シフト反応器７１においては、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入された改質ガスの流通方向（矢印Ｄの方向）が、連絡部７６を通って矢印Ｅの方向から矢印Ｆの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００８５】
そして、このシフト反応器７１Ｂにおいては、前記シフト反応器７１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器７１Ａにおいては、改質ガス導入口７７が第１反応部７３の上端に開口された形態を有するものであるため、良好な製作性を有する利点がある。
【００８６】
次に、図１４（ａ）は、シフト反応器７１Ｃの模式横断面図、図１４（ｂ）は、シフト反応器７１Ｃの模式縦断面図を示す。
図１４（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器７１Ｃは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部７３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部７５と、第１反応部７３と第２反応部７５の間を連絡する連絡部７６と、改質ガス導入口７７とを備えることにおいて、前記シフト反応器７１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器７１Ｃでは、第１反応部７３と、第２反応部７５が断面円形状の形状を有するとともに、第１反応部７３の隔壁７３ａがシフト反応器７１Ｃの上端面７５ｂと底面７５ｃの間に架設され、連絡路７６が、前記底面７５ｃに近接した隔壁７３ａに開口されている。また、冷媒流通管路７８が、シフト反応器７１Ａの外側上端から、第１反応部７３の第１シフト反応触媒層７２に挿通し、第１シフト反応触媒層７２の内部を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路７８は、第１シフト反応触媒層７２を貫通して、シフト反応器７１Ｃの外側に連通している。
【００８７】
このシフト反応器７１Ｃにおいては、前記シフト反応器７１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入される。そして、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入され、第１シフト反応触媒層７２を流通する改質ガスは矢印Ｄの方向の方向に流通する。さらに、第１反応部７３から連絡部７６を通って第２反応部７５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層７２を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｄの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｆの方向に第２シフト反応触媒層７４を流通する。このように、シフト反応器７１においては、改質ガス導入口７７から第１反応部７３に導入された改質ガスの流通方向（矢印Ｄの方向）が、連絡部７６を通って矢印Ｅの方向から矢印Ｆの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００８８】
そして、このシフト反応器７１Ｃにおいては、前記シフト反応器７１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱される。そのため、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高く、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。さらに、このシフト反応器７１Ａにおいては、改質ガス導入口７７が第１反応部７３の上端に開口された形態を有するものであるため、良好な製作性を有する利点がある。
【００８９】
次に、本発明の第４実施形態に係るシフト反応器について説明する。
図１５は、本発明の第４実施形態に係るシフト反応器９１の構造を示す模式縦断面図である。
図１５に示す第４実施形態に係るシフト反応器９１は、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部９３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部９５と、第１反応部９３の底面に開口され、第１反応部９３と第２反応部９５の間を連絡する連絡部９６と、第１反応部９３の上端に設けられた改質ガス導入口９７と、冷媒流通管路９８とを備えるものである。そして、第１反応部９３の一部（隔壁９３ａの一部）が、第２反応部９５の一部（外壁９５ａの一部）と一体化している構造を有する。すなわち、第２反応部９５の外壁９５ａが、第１反応部９３の隔壁９３ａの側部９３ｂを形成している。
【００９０】
第１反応部９３は、内部に充填されたシフト反応触媒によって第１シフト反応触媒層が内設され、隔壁９３ａによって、外側の第２反応部９５と画成されている。そして、第１反応部９３は、第１反応部９３の底面に開口された連絡部９６によって、第２反応部９５と連絡されている。
この第１反応部９３には、上端に改質ガス導入口９７が開口して設けられている。
【００９１】
また、第１反応部９３には、第１反応部９３の第１シフト反応触媒層の内部を挿通する冷媒流通管路９８が設けられている。この冷媒流通管路９８は、シフト反応器９１の外側上端から、第１反応部９３の第１シフト反応触媒層に挿通し、第１シフト反応触媒層の内部を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路９８は、第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器９１の外側に連通している。この冷媒流通管路９８は、内部に水等の冷却媒体を流通させて、第１シフト反応触媒層を冷却して温度を調整するためのものである。
【００９２】
第２反応部９５は、隔壁９３ａを介して、第１反応部９３の外側を囲み、第１反応部９３の隔壁９３ａとシフト反応器９１の外壁９５ａとの間に充填されたシフト反応触媒によって形成される第２シフト反応触媒層が内設されているものである。第２シフト反応触媒層は、第１反応部９３の隔壁９３ａの側面と、シフト反応器９１の外壁９５ａの側面との間、および第１反応部９３の隔壁９３ａの底面と、シフト反応器９１の外壁９５ａの底面との間に形成されている。また、第２反応部９５の上部には、ガス導出路９９が連通している。
【００９３】
第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層に充填されるシフト反応触媒は、特に制限されないが、例えば、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト反応触媒を用いることができる。
【００９４】
このシフト反応器９１は、第２反応部９５の外側に設けられた加熱媒体流通路（図示せず）を流通する加熱媒体によって、シフト反応器９１の外側から加熱される。この加熱媒体として、燃料電池システムの改質器（図示せず）の改質触媒を加熱するためのバーナ（図示せず）の燃焼ガスを利用することができる。また、シフト反応器９１において、シフト反応触媒層（第１シフト反応触媒層、第２シフト反応触媒層）を加熱する加熱手段は、特に制限されない。シフト反応器９１は、第２反応部９５の外側に設けた加熱媒体流通路を流通する加熱媒体によって加熱してもよいし、シフト反応器９１の外被に電熱ヒータを巻回し、この電熱ヒータによって、シフト反応器９１を加熱してもよい。
【００９５】
このシフト反応器９１では、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入される。そして、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入され、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスは矢印Ｇの方向に流通する。さらに、第１反応部９３から連絡部９６を通って第２反応部９５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｇの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｉの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器９１においては、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入された改質ガスの流通方向（矢印Ｇの方向）が、連絡部９６を通って矢印Ｈの方向から矢印Ｉの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【００９６】
そして、このような折り返し構造のガス反応流通路において、改質ガス導入口９７から第１反応部９３の第１シフト反応触媒層、連絡部９６および第２反応部９５の第２シフト反応触媒層を改質ガスが流通する間に、前記式（１）で表されるシフト反応によって、改質ガス中の一酸化炭素が反応して、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高いガス（シフトガス）が生成し、第２反応部９５の上端に設けられたガス導出路９９から導出される。導出されたシフトガスは、ＰＲＯＸ反応器（図示せず）に導入される。
【００９７】
このシフト反応器９１において、まず、運転開始時は、シフト反応器９１は、第２反応部９５の外側に設けられた加熱媒体流通路を流通する加熱媒体によって低負荷運転時の所定の温度９３に加熱され、改質ガス導入口９７から改質ガスが第１反応部９３に導入されると、シフト反応が生起される。そして、第１反応部９３の第１シフト反応触媒層は、シフト反応器９１の外側から加熱されるとともに、第１反応部９３は、隔壁９３ａによって画成されているため、生起するシフト反応によって発生する反応熱によって昇温し、温度Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ３）となる。次に、第１反応部９３から連絡部９６を通って第２反応部９５に導入されたガスは、第２反応部９５の第２シフト反応触媒層において、シフト反応を継続するため、第２シフト反応触媒層の温度はＴ２（Ｔ１＞Ｔ２≧Ｔ３）となる。すなわち、このシフト反応器９１のガス反応流通路において、上流側の第１シフト反応触媒層の温度Ｔ１と、下流側の第２シフト反応触媒層の温度Ｔ２とは、Ｔ１の方がＴ２よりも高温（Ｔ１＞Ｔ２）に保持される。このとき、冷媒流通管路９８に冷媒を流通して、第１シフト反応触媒層の温度がシフト反応の所定の触媒活性温度に維持される。このように、シフト反応器９１において、改質器から改質ガスが導入される上流側、すなわち、第１シフト反応触媒層では、触媒の温度（Ｔ１）が高く、ＰＲＯＸ反応器へ反応ガスが導出される下流側、すなわち、第２シフト反応触媒層では、触媒の温度（Ｔ２）が低い、温度分布が形成される。通常、第１シフト反応触媒層の温度Ｔ１は２５０℃程度、第２シフト反応触媒層の温度Ｔ２は２００℃程度に調整される。
【００９８】
以上のように、シフト反応器９１では、折り返し構造のガス反応流通路において、第１シフト反応触媒層に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層が高温（Ｔ１）であるため、シフト反応が短時間で反応平衡に到達し、ＣＯ濃度が減少し、Ｈ２濃度が高くなる。そして、連絡部９６を通って第２シフト反応触媒層に導入された改質ガスは、第２シフト反応触媒層が第１シフト反応触媒層よりも低温（Ｔ２：Ｔ２＜Ｔ１）であるため、前記式（１）において、反応平衡が左から右へ移動し、さらに、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高くなる。また、シフト反応器９１では、折り返し構造のガス反応流通路において、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高い。そのため、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。また、シフト反応器９１は、第１実施形態および第２実施形態のシフト反応器１，６１のように改質ガス導入管路７が第１反応部３の内部に挿入された形態ではなく、改質ガス導入口９７が第１反応部７３の上端に開口された形態を有するものであるため、良好な製作性を有する利点がある。さらに、第１反応部９３の一部が、第２反応部９５と一体化していることによって、シフト反応器９１の予熱時に、第２反応部９５の外側から加熱し易くなり、シフト反応器９１の起動時間が短縮される利点がある。さらにまた、第１反応部９３の温度をシフト反応器９１の外側から計測できるため、温度測定のための構造を簡素化できる利点、さらに、このシフト反応器９１は、製作性が高く、組み立てが簡単である、という利点を有する。
【００９９】
また、シフト反応器９１は、図１に示す形態に限定されず、各種の形態を採用することができる。そこで、次に、このシフト反応器７１の変形例であるシフト反応器９１Ａ〜９１Ｃを図１６〜図１８に示す。
【０１００】
図１６（ａ）は、シフト反応器９１Ａの模式横断面図、図１６（ｂ）は、シフト反応器９１Ａの模式縦断面図を示す。
図１６（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器９１Ａは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部９３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部９５と、第１反応部９３の底面に開口され、第１反応部９３と第２反応部９５の間を連絡する連絡部９６と、改質ガス導入口９７とを備え、第１反応部９３の一部（隔壁９３ａの一部）が、第２反応部９５の一部（外壁９５ａの一部）と一体化している構造を有することにおいて、前記シフト反応器９１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器９１Ａでは、第１反応部９３と、第２反応部９５が断面円形状の形状を有する。また、冷媒流通管路９８は、シフト反応器９１の外側上端から、第１反応部９３の第１シフト反応触媒層に挿通し、第１シフト反応触媒層の内部を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路９８は、第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器９１の外側に連通している。
【０１０１】
このシフト反応器９１Ａにおいては、前記シフト反応器９１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入される。そして、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入され、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスは矢印Ｇの方向に流通する。さらに、第１反応部９３から連絡部９６を通って第２反応部９５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｇの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｉの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器９１においては、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入された改質ガスの流通方向（矢印Ｇの方向）が、連絡部９６を通って矢印Ｈの方向から矢印Ｉの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【０１０２】
そして、このシフト反応器９１Ａにおいては、前記シフト反応器９１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、折り返し構造のガス反応流通路において、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高い。そのため、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。また、シフト反応器９１は、第１実施形態および第２実施形態のシフト反応器１，６１のように改質ガス導入管路７が第１反応部３の内部に挿入された形態ではなく、改質ガス導入口９７が第１反応部７３の上端に開口された形態を有するものであるため、良好な製作性を有する利点がある。さらに、第１反応部９３の一部が、第２反応部９５と一体化していることによって、シフト反応器９１の予熱時に、第２反応部９５の外側から加熱し易くなり、シフト反応器９１の起動時間が短縮される利点がある。さらに、このシフト反応器９１は、製作性が高く、組み立てが簡単である、という利点を有する。
【０１０３】
次に、図１７（ａ）は、シフト反応器９１Ｂの模式横断面図、図１７（ｂ）は、シフト反応器９１Ｂの模式縦断面図を示す。
図１７（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器９１Ｂは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部９３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部９５と、第１反応部９３と第２反応部９５の間を連絡する連絡部９６と、改質ガス導入口９７とを備えることにおいて、前記シフト反応器９１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器９１Ｂでは、第１反応部９３と、第２反応部９５が断面矩形状の形状を有するとともに、第１反応部９３の隔壁９３ａがシフト反応器９１Ｂの上端面９５ｂと底面９５ｃの間に架設され、連絡路９６が、前記底面９５ｃに近接した隔壁９３ａに開口されている。また、冷媒流通管路９８が、シフト反応器９１Ｂの外側上端から、第１反応部９３の第１シフト反応触媒層に挿通し、第１シフト反応触媒層の内部を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路９８は、第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器９１Ｂの外側に連通している。
【０１０４】
このシフト反応器９１Ｂにおいては、前記シフト反応器９１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入される。そして、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入され、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスは矢印Ｇの方向に流通する。さらに、第１反応部９３から連絡部９６を通って第２反応部９５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｇの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｉの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器９１においては、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入された改質ガスの流通方向（矢印Ｇの方向）が、連絡部９６を通って矢印Ｈの方向から矢印Ｉの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【０１０５】
そして、このシフト反応器９１Ｂにおいては、前記シフト反応器９１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、折り返し構造のガス反応流通路において、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高い。そのため、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。また、シフト反応器９１Ｂは、第１実施形態および第２実施形態のシフト反応器１，６１のように改質ガス導入管路７が第１反応部３の内部に挿入された形態ではなく、改質ガス導入口９７が第１反応部９３の上端に開口された形態を有するものであるため、良好な製作性を有する利点がある。さらに、第１反応部９３の一部が、第２反応部９５と一体化していることによって、シフト反応器９１Ｂの予熱時に、第２反応部９５の外側から加熱し易くなり、シフト反応器９１Ｂの起動時間が短縮される利点がある。さらにまた、第１反応部９３の温度をシフト反応器９１の外側から計測できるため、温度測定のための構造を簡素化できる利点、さらに、このシフト反応器９１は、製作性が高く、組み立てが簡単である、という利点を有する。
【０１０６】
次に、図１８（ａ）は、シフト反応器９１Ｃの模式横断面図、図１８（ｂ）は、シフト反応器９１Ｃの模式縦断面図を示す。
図１８（ａ）および（ｂ）に示すシフト反応器９１Ｃは、第１シフト反応触媒層が内設された第１反応部９３と、第２シフト反応触媒層が内設された第２反応部９５と、第１反応部９３と第２反応部９５の間を連絡する連絡部９６と、改質ガス導入口９７とを備えることにおいて、前記シフト反応器９１と同様の構造を有するものである。そして、このシフト反応器９１Ｃでは、第１反応部９３と、第２反応部９５が断面円形状の形状を有するとともに、第１反応部９３の隔壁９３ａがシフト反応器９１Ｂの上端面９５ｂと底面９５ｃの間に架設され、連絡路９６が、前記底面９５ｃに近接した隔壁９３ａに開口されている。また、冷媒流通管路９８が、シフト反応器９１Ｃの外側上端から、第１反応部９３の第１シフト反応触媒層に挿通し、第１シフト反応触媒層の内部を螺旋状に巻回している。さらに、冷媒流通管路９８は、第１シフト反応触媒層を貫通して、シフト反応器９１Ｃの外側に連通している。
【０１０７】
このシフト反応器９１Ｃにおいては、前記シフト反応器９１と同様に、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入される。そして、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入され、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスは矢印Ｇの方向に流通する。さらに、第１反応部９３から連絡部９６を通って第２反応部９５に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層を流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｇの方向）に対して向流方向、すなわち、矢印Ｉの方向に第２シフト反応触媒層を流通する。このように、シフト反応器９１Ｃにおいては、改質ガス導入口９７から第１反応部９３に導入された改質ガスの流通方向（矢印Ｇの方向）が、連絡部９６を通って矢印Ｈの方向から矢印Ｉの方向に折返す、折り返し構造のガス反応流通路が形成される。
【０１０８】
そして、このシフト反応器９１Ｃにおいては、前記シフト反応器９１と同様に、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができるとともに、折り返し構造のガス反応流通路において、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高い。そのため、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。また、シフト反応器９１Ｃは、第１実施形態および第２実施形態のシフト反応器１，６１のように改質ガス導入管路７が第１反応部３の内部に挿入された形態ではなく、改質ガス導入口９７が第１反応部９３の上端に開口された形態を有するものであるため、良好な製作性を有する利点がある。さらに、第１反応部９３の一部が、第２反応部９５と一体化していることによって、シフト反応器９１Ｃの予熱時に、第２反応部９５の外側から加熱し易くなり、シフト反応器９１Ｃの起動時間が短縮される利点がある。さらに、このシフト反応器９１Ｃは、製作性が高く、組み立てが簡単である、という利点を有する。
【０１０９】
また、図１９（ａ）〜（ｄ）は、シフト反応器１，１２〜１４，６１，６２，６６，６７における改質ガス導入管路７の改質導入口７ａの他の構造例を示す模式縦断面図を示す。なお、図１９（ａ）〜（ｄ）においては、冷媒流通管路、第２反応部等を省略し、第１反応部と改質ガス導入管路のみを図示する。
【０１１０】
図１９（ａ）に示す改質ガス導入管路１０７Ａは、先端が第１反応部１０３Ａに内設された第１シフト反応触媒層の内部に挿入され、先端の改質ガス導入口１０８Ａの外周と、第１反応部１０３Ａの隔壁１０３ａとの間に、分散板１０４が架設されているものである。そして、分散板１０４には、改質ガスが流通する流通孔１０４ａが穿設されている。
【０１１１】
この図１９（ａ）に示す第１反応部１０３Ａにおいては、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路１０７Ａを通って改質ガス導入口１０８ａから第１反応部１０３Ａに導入される。そして、改質ガス導入口１０８ａから第１反応部１０３Ａに導入された改質ガスは、改質ガス導入管路１０７Ａを流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｋの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｌの方向に第１反応部１０３Ａの第１シフト反応触媒層を流通する。このとき、改質ガス導入口１０８ａから第１反応部１０３Ａに導入される改質ガスは、分散板１０４に穿設された流通孔１０４ａによって、第１反応部１０３Ａの上部１０９の第１シフト反応触媒層を均一に分散されて流通する。これによって、第１反応部１０３Ａの上部１０９の第１シフト反応触媒層におけるシフト反応が、効率良く行われることとなる。また、図１９（ａ）に示す改質ガス導入管路１０７Ａと分散板１０４を組み合わせた構造は、組み立てが容易である利点がある。
【０１１２】
また、図１９（ｂ）に示す改質ガス導入管路１０７Ｂは、先端が第１反応部１０３Ｂに内設された第１シフト反応触媒層の内部に挿入され、先端の底端が閉塞され、側端に複数の改質ガス導入孔１１０Ｂが穿設されているものである。
【０１１３】
この図１９（ｂ）に示す第１反応部１０３Ｂにおいては、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路１０７Ｂを通って改質ガス導入孔１１０Ｂから第１反応部１０３Ｂに導入される。そして、改質ガス導入孔１１０Ｂから第１反応部１０３Ｂに導入された改質ガスは、改質ガス導入管路１０７Ｂを流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｋの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｌの方向に第１反応部１０３Ｂの第１シフト反応触媒層を流通する。この図１９（ｂ）に示す改質ガス導入管路１０７Ｂを有する構造は、少ない部品点数で構成することができる利点がある。
【０１１４】
さらに、図１９（ｃ）に示す改質ガス導入管路１０７Ｃは、先端が第１反応部１０３Ｃに内設された第１シフト反応触媒層の内部に挿入され、先端面が第１反応部１０３Ｃの底面に当接され、側端に複数の改質ガス導入孔１１０Ｃが穿設されているものである。
【０１１５】
この図１９（ｃ）に示す第１反応部１０３Ｃにおいては、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路１０７Ｃを通って改質ガス導入孔１１０Ｃから第１反応部１０３Ｃに導入される。そして、改質ガス導入孔１１０Ｃから第１反応部１０３Ｃに導入された改質ガスは、改質ガス導入管路１０７Ｃを流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｋの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｌの方向に第１反応部１０３Ｃの第１シフト反応触媒層を流通する。この図１９（ｃ）に示す改質ガス導入管路１０７Ｃを有する構造は、少ない部品点数で構成することができるとともに、組み立てが容易である利点がある。
【０１１６】
また、図１９（ｄ）に示す改質ガス導入管路１０７Ｄは、先端が第１反応部１０３Ｄに内設された第１シフト反応触媒層の内部に挿入され、先端に設けられた改質ガス導入口１１２に網状体１１１を有するものである。
【０１１７】
この図１９（ｄ）に示す第１反応部１０３Ｄにおいては、炭化水素原料と水とを改質器（図示せず）で改質反応させて製造された改質ガスが、改質ガス導入管路１０７Ｄを通って改質ガス導入口１１２の網状体１１１を通って第１反応部１０３Ｄに導入される。そして、改質ガス導入口１１２から第１反応部１０３Ｄに導入された改質ガスは、改質ガス導入管路１０７Ｄを流通する改質ガスの流通方向（矢印Ｋの方向）と向流方向、すなわち、矢印Ｌの方向に第１反応部１０３Ｄの第１シフト反応触媒層を流通する。この図１９（ｄ）に示す改質ガス導入管路１０７Ｄを有する構造は、単純な構造であるため、製作が容易で、組み立てが容易である利点がある。
【０１１８】
次に、図２０（ａ）〜（ｆ）は、本発明のシフト反応器における冷媒流通管路の変形例を示す模式縦断面図である。図２０（ａ）〜（ｃ）においては、図１に示すシフト反応器１における冷媒流通管路の変形例、図２０（ｄ）〜（ｆ）においては、図１１に示すシフト反応器７１における冷媒流通管路の変形例をそれぞれ示すが、これらの変形例は、本発明の他のシフト反応器についても、同様に適用可能である。
【０１１９】
図２０（ａ）に示す冷媒流通管路１２８Ａは、改質ガス導入管路７が挿入された第１反応部３と、第１反応部３の外側を囲む第２反応部５とを備えるシフト反応器１において、第２反応部５（シフト反応器１）の外壁５ａの底面５ｂから第２反応部５の内部に挿入された冷媒入口部１２９ａと、第２反応部５内で折れ曲がった折曲部１２９ｂとを有する。また、折曲部１２９ｂに続いて折曲部１２９ｂから上方に屈曲して、第１反応部３内に挿入し、改質ガス導入管路７の外周を螺旋状に巻回する巻回部１２９ｃと、巻回部１２９ｃから上方にシフト反応器１の上部に貫通する冷媒出口部１２９ｄとを有する。
【０１２０】
この冷媒流通管路１２８Ａにおいて、冷媒は、冷媒入口部１２９ａ→折曲部１２９ｂ→巻回部１２９ｃ→冷媒出口部１２９ｄの順に流通する。このとき、流通する冷媒は、折曲部１２９ｂにおいて、第２反応部５の第２シフト反応触媒層を冷却した後、巻回部１２９ｃにおいて、第１反応部３の第１シフト反応触媒層を冷却する。このように、第１反応部３の第１シフト反応触媒層よりも先に、第２反応部５の第２シフト反応触媒層を冷却することによって、前記のとおり、第１シフト反応触媒層の温度と、第２シフト反応触媒層の温度との温度差を大きくし、第２シフト反応触媒層の温度が、第１シフト反応触媒層の温度よりも低い温度分布を形成することができる。これによって、シフト反応器１において、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができる温度分布を確実に形成することができる。
【０１２１】
図２０（ｂ）に示す冷媒流通管路１２８Ｂは、改質ガス導入管路７が挿入された第１反応部３と、第１反応部３の外側を囲む第２反応部５とを備えるシフト反応器１において、第２反応部５（シフト反応器１）の外壁５ａの底面５ｂから第２反応部５の内部に挿入された冷媒入口部１２９ａと、第２反応部５内で折れ曲がった折曲部１２９ｂとを有する。また、折曲部１２９ｂに続いて折曲部１２９ｂからシフト反応器１の外壁５ａを貫通してシフト反応器１の外側を上方に屈曲して、シフト反応器１の上部外壁５ｃを貫通する外側折曲部１２９ｅと、第１反応部３内を挿通し、第１反応部３の底部まで垂直に貫通する下向部１２９ｆと、改質ガス導入管路７の外周を螺旋状に巻回する巻回部１２９ｃと、巻回部１２９ｃから上方にシフト反応器１の上部に貫通する冷媒出口部１２９ｄとを有する。
【０１２２】
この冷媒流通管路１２８Ｂにおいて、冷媒は、冷媒入口部１２９ａ→折曲部１２９ｂ→外側折曲部１２９ｅ→下向部１２９ｆ→巻回部１２９ｃ→冷媒出口部１２９ｄの順に流通する。このとき、流通する冷媒は、折曲部１２９ｂにおいて、第２反応部５の第２シフト反応触媒層を冷却した後、下向部１２９ｆおよび巻回部１２９ｃにおいて、第１反応部３の第１シフト反応触媒層を冷却する。このように、第１反応部３の第１シフト反応触媒層よりも先に、第２反応部５の第２シフト反応触媒層を冷却することによって、前記のとおり、第１シフト反応触媒層の温度と、第２シフト反応触媒層の温度との温度差を大きくし、第２シフト反応触媒層の温度が、第１シフト反応触媒層の温度よりも低い温度分布を形成することができる。これによって、シフト反応器１において、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができる温度分布を確実に形成することができる。
【０１２３】
図２０（ｃ）に示す冷媒流通管路１２８Ｃは、改質ガス導入管路７が挿入された第１反応部３と、第１反応部３の外側を囲む第２反応部５とを備えるシフト反応器１において、第２反応部５（シフト反応器１）の外壁５ａを巻回する外壁巻回部１２９ｇと、外壁巻回部１２９ｇからシフト反応器１の外側を上方に屈曲して、シフト反応器１の上部外壁５ｃを貫通する外側折曲部１２９ｅと、第１反応部３内を挿通し、第１反応部３の底部まで垂直に貫通する下向部１２９ｆと、改質ガス導入管路７の外周を螺旋状に巻回する巻回部１２９ｃと、巻回部１２９ｃから上方にシフト反応器１の上部に貫通する冷媒出口部１２９ｄとを有する。
【０１２４】
この冷媒流通管路１２８Ｃにおいて、冷媒は、外壁巻回部１２９ｇ→外側折曲部１２９ｅ→下向部１２９ｆ→巻回部１２９ｃ→冷媒出口部１２９ｄの順に流通する。このとき、流通する冷媒は、外壁巻回部１２９ｇにおいて、第２反応部５の外側から第２シフト反応触媒層を冷却した後、下向部１２９ｆおよび巻回部１２９ｃにおいて、第１反応部３の第１シフト反応触媒層を冷却する。このように、第１反応部３の第１シフト反応触媒層よりも先に、第２反応部５の第２シフト反応触媒層を冷却することによって、前記のとおり、第１シフト反応触媒層の温度と、第２シフト反応触媒層の温度との温度差を大きくし、第２シフト反応触媒層の温度が、第１シフト反応触媒層の温度よりも低い温度分布を形成することができる。これによって、シフト反応器１において、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができる温度分布を確実に形成することができる。
【０１２５】
図２０（ｄ）に示す冷媒流通管路１３８Ａは、改質ガス導入管路７７が挿入された第１反応部７３と、第１反応部７３の外側を囲む第２反応部７５とを備えるシフト反応器７１において、第２反応部７５（シフト反応器７１）の上部外壁５ｃから第２反応部５の内部に挿入された冷媒入口部１３９ａと、第２反応部５内で折れ曲がって第１反応部７３内に貫通する折曲部１３９ｂとを有する。また、折曲部１３９ｂに続いて折曲部１３９ｂから下方に第１反応部７３内を螺旋状に巻回する巻回部１３９ｃと、巻回部１３９ｃから上方に第１反応部７３を貫通してシフト反応器７１の上部外壁７５ｃを貫通する冷媒出口部１３９ｄとを有する。
【０１２６】
この冷媒流通管路１３８Ａにおいて、冷媒は、冷媒入口部１３９ａ→折曲部１３９ｂ→巻回部１３９ｃ→冷媒出口部１３９ｄの順に流通する。このとき、流通する冷媒は、冷媒入口部１３９ａおよび折曲部１３９ｂにおいて、第２反応部７５の第２シフト反応触媒層を冷却した後、第１反応部７３内の折曲部１３９ｂ、巻回部１３９ｃおよび冷媒出口部１３９において、第１シフト反応触媒層を冷却する。このように、第１反応部７３の第１シフト反応触媒層よりも先に、第２反応部７５の第２シフト反応触媒層を冷却することによって、前記のとおり、第１シフト反応触媒層の温度と、第２シフト反応触媒層の温度との温度差を大きくし、第２シフト反応触媒層の温度が、第１シフト反応触媒層の温度よりも低い温度分布を形成することができる。これによって、シフト反応器７１において、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができる温度分布を確実に形成することができる。
【０１２７】
図２０（ｅ）に示す冷媒流通管路１３８Ｂは、改質ガス導入管路７７が挿入された第１反応部７３と、第１反応部７３の外側を囲む第２反応部７５とを備えるシフト反応器７１において、第２反応部７５（シフト反応器７１）の上部外壁５ｃから第２反応部５の内部に挿入された冷媒入口部１３９ａと、第２反応部５内で折れ曲がって第１反応部７３内に貫通する折曲部１３９ｂとを有する。また、折曲部１３９ｂに続いて折曲部１３９ｂから第２反応部７５を経由してシフト反応器７１の上部外壁７５ｃから外側に貫通し、さらに、シフト反応器７１の上部外壁から第１反応部７３の内部に貫通する戻り部１３９ｅと、下方に第１反応部７３内を螺旋状に巻回する巻回部１３９ｃと、巻回部１３９ｃから上方に第１反応部７３を貫通してシフト反応器７１の上部外壁７５ｃを貫通する冷媒出口部１３９ｄとを有する。
【０１２８】
この冷媒流通管路１３８Ｂにおいて、冷媒は、冷媒入口部１３９ａ→戻り部１３９ｅ→折曲部１３９ｂ→巻回部１３９ｃ→冷媒出口部１３９ｄの順に流通する。このとき、流通する冷媒は、冷媒入口部１３９ａおよび折曲部１３９ｂ、さらに、第２反応部７５内の戻り部１３９ｅにおいて、第２反応部７５の第２シフト反応触媒層が冷却され、第１反応部７３内の折曲部１３９ｂ、巻回部１３９ｃおよび冷媒出口部１３９において、第１シフト反応触媒層が冷却される。このように、第１反応部７３の第１シフト反応触媒層よりも先に、第２反応部７５の第２シフト反応触媒層を冷却することによって、前記のとおり、第１シフト反応触媒層の温度と、第２シフト反応触媒層の温度との温度差を大きくし、第２シフト反応触媒層の温度が、第１シフト反応触媒層の温度よりも低い温度分布を形成することができる。これによって、シフト反応器１において、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができる温度分布を確実に形成することができる。
【０１２９】
図２０（ｆ）に示す冷媒流通管路１３８Ｃは、改質ガス導入管路７７が挿入された第１反応部７３と、第１反応部７３の外側を囲む第２反応部７５とを備えるシフト反応器７１において、シフト反応器７１の外壁７５ａを巻回する外壁巻回部１３９ｆと、外壁巻回部１３９ｆからシフト反応器７１を貫通して、第１反応部７３内を下方に螺旋状に巻回する巻回部１３９ｃと、巻回部１３９ｃから上方に第１反応部７３を貫通してシフト反応器１の上部外壁７５ｃを貫通する冷媒出口部１３９ｄとを有する。
【０１３０】
この冷媒流通管路１３８Ｃにおいて、冷媒は、外壁巻回部１３９ｆ→巻回部１３９ｃ→冷媒出口部１３９ｄの順に流通する。このとき、流通する冷媒は、外壁巻回部１３９ｆにおいて、シフト反応器７１の外側から第２反応部７５の第２シフト反応触媒層が冷却され、第１反応部７３内の巻回部１３９ｃおよび冷媒出口部１３９において、第１シフト反応触媒層が冷却される。このように、第１反応部７３の第１シフト反応触媒層よりも先に、第２反応部７５の第２シフト反応触媒層を冷却することによって、前記のとおり、第１シフト反応触媒層の温度と、第２シフト反応触媒層の温度との温度差を大きくし、第２シフト反応触媒層の温度が、第１シフト反応触媒層の温度よりも低い温度分布を形成することができる。これによって、シフト反応器１において、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高い改質ガス（シフトガス）を得ることができる温度分布を確実に形成することができる。
【０１３１】
次に、本発明のシフト反応器を備える燃料電池システムの実施形態について説明する。
図２１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムＦＣの主要構成を示すブロック図である。
この燃料電池システムＦＣは、前記図１に示す脱硫器４１と、改質器４２と、シフト反応器４３と、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化反応器４４と、燃料電池スタック４５とを備えるものである。改質器４２と、シフト反応器４３と、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化反応器４４とで、炭化水素原料と水から水素を含む改質ガスを製造して燃料電池スタック４４に供給する燃料プロセッサ４０が構成される。
【０１３２】
脱硫器４１は、改質器４２における改質触媒の機能を阻害する硫黄分を除去するため、改質器４２に供給する炭化水素原料を脱硫する装置である。この脱硫器４１は、特に制限されず、炭化水素原料の性状、硫黄含有量、脱硫負荷、処理量等に応じて、適宜選択される。脱硫触媒としては、例えば、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系の脱硫触媒が用いられる。
【０１３３】
脱硫器４１によって脱硫された後、改質器４２に供給される炭化水素原料は、改質器４２における改質反応によって水素を製造できるものであれば、特に制限されない。例えば、灯油、軽油、重油、アスファルテン、オイルサンド油、メタノール、ナフサ、石炭液化油、石炭系重質油、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、ＬＰＧ等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。液状の炭化水素原料は、脱硫器４１に供給する前に加熱し気化させて脱硫装置に供給すればよい。これらの中でも、灯油は、水素源としてのエネルギ密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富むため、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用の炭化水素原料として好適である。また、用いる炭化水素原料が、硫黄分が少なく、改質器４２における改質反応に供給可能なものであれば、脱硫器４１を省略して、改質器４２に、直接、気体状の炭化水素原料と水とを供給することができる。
【０１３４】
改質器４２は、改質触媒の存在下に、例えば６００〜７００℃の範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応によって、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（以下、「改質ガス」という）を生成するための装置である。この改質器は、後記のとおり、炭化水素分と水蒸気との反応が行なわれる反応部と、その反応部に炭化水素原料を供給するための炭化水素原料供給流路と、水蒸気を供給するための水供給流路とを備える装置である。
用いられる改質触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属系触媒等が挙げられ、これらの触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に担持され、改質器４２内に、その多孔質粒状体が充填されて触媒層を形成している。
【０１３５】
この改質器４２は、吸熱反応である炭化水素分と水蒸気の反応の生起のために熱を供給するバーナ４２ａを備える。バーナ４２ａには、燃料として、燃料電池スタック４５のアノードから排出された未反応の水素を含むオフガスと、炭化水素原料とが供給されると共に、それらの燃料を燃焼させるための空気が供給される。そして、改質器４２における反応温度は、例えば、改質器４２の出口における改質ガスの温度を検出し、その温度に基づいて、炭化水素原料の供給量および空気の供給量を調整することによって制御される。
【０１３６】
シフト反応器４３は、前記に説明した本発明のシフト反応器である。このシフト反応器４３は、改質器４２で生成した改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された水素含有ガス（以下、「シフトガス」という）を生成する。これによって、燃料電池システムＦＣに供給される炭化水素原料および水蒸気が含む水素が、燃料電池スタック４５のアノード４５ａに供給される発電用水素資源として有効利用される。
【０１３７】
一酸化炭素選択酸化反応器４４は、燃料電池スタック４５の電極の被毒の問題を回避するため、シフト反応器４３から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた水素含有ガスを燃料電池スタック４５に供給するための装置である。通常、この一酸化炭素選択酸化反応器４４において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。一酸化炭素選択酸化反応器４４における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系触媒の存在下に、８０〜２００°Ｃの範囲の温度で行なわれる。
【０１３８】
また、気化器４６は、脱硫器１から供給される脱硫された炭化水素原料と、水（改質用水）とを気化させて気体とするための装置である。この気化器４６においては、バーナ４２ａの燃焼ガスまたは電熱ヒータによって、脱硫済みの炭化水素原料と水を加熱し、気体とするものである。
【０１３９】
燃料電池スタック４５は、前記一酸化炭素選択酸化反応器４４から供給される水素含有ガスをアノード４５ａに導入し、加湿器（図示せず）によって加湿された空気をカソード４５ｂに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電を行うものである。この燃料電池スタック４５は、触媒を含むアノード４５ａとカソード４５ｂの間に固体高分子電解質膜等の電解質膜を挟装し、アノード４５ａに供給される水素含有ガス中の水素と、カソード４５ｂに供給される空気中の酸素との反応によって水を生成する反応によって発電を行なうものである。
【０１４０】
この燃料電池スタック４５は、用いる炭化水素原料等に応じて、その形式、構造等が選択される。この水素と酸素の電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池スタック４５に冷却水を通じて、発生した熱を回収して、給湯等に有効利用することができる。
また、燃料電池スタック４５における水素と酸素の電気化学的反応は、発電効率の観点から、通常、反応効率８０％程度で行なわれるため、燃料電池スタック４５のアノード４５ａから排出されるオフガスには、未反応の水素が含まれている。そのため、オフガスを、前記のバーナ４２ａに供給することによって、含有する水素を燃料として有効利用して、燃料電池システム全体の熱効率の向上を図ることができる。
【０１４１】
次に、図４に示す本発明の実施形態に係る燃料電池システムＦＣの運転について説明する。
図４に示す燃料電池システムＦＣにおいて、炭化水素原料は、脱硫器４１によって脱硫された後、気化器４６によって、水とともに気体となって改質器４２に供給される。改質器４２においては、改質触媒の存在下に、例えば６００〜７００°Ｃの範囲の改質処理温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応（炭化水素＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ）によって、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガス（以下、「改質ガス」という）が生成される。改質器４２で生成した改質ガスは、シフト反応器４３に供給され、一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加されたシフトガスを生成する。シフト反応器４３で生成するシフトガスは、一酸化炭素選択酸化反応器４４に供給され、シフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度を更に低減させた水素含有ガスが生成される。そして、この水素含有ガスを、燃料電池スタック４５のアノード４５ａに導入するとともに、加湿器（図示せず）によって加湿された空気をカソード４５ｂに導入して、水素と酸素の電気化学的反応によって発電が行なわれる。
【０１４２】
この燃料電池システム１における発電に際して、燃料プロセッサ４０の改質器４２によって、製造された水素ガスと一酸化炭素ガスを含む改質ガスが、シフト反応器４３に供給され、シフト反応によって、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高いシフトガスが生成される。このとき、シフト反応器４３は、前記のとおり、折り返し構造のガス反応流通路において、第１シフト反応触媒層２に導入された改質ガスは、第１シフト反応触媒層２が高温（Ｔ１）であるため、シフト反応が短時間で反応平衡に到達し、ＣＯ濃度が減少し、Ｈ２濃度が高くなる。そして、連絡部６を通って第２シフト反応触媒層４に導入された改質ガスは、第２シフト反応触媒層４が第１シフト反応触媒層２よりも低温（Ｔ２：Ｔ２＜Ｔ１）であるため、前記式（１）において、反応平衡が左から右へ移動し、さらに、ＣＯ濃度が低く、Ｈ２濃度が高くなる。また、シフト反応器１では、折り返し構造のガス反応流通路において、シフト反応器内の第１シフト反応触媒層および第２シフト反応触媒層が、局所的な温度の偏りがなく、均一に加熱されるとともに、改質ガスが、各触媒層を均一かつ十分に流通して、触媒層を形成するシフト反応触媒に行渡って、シフト反応するため、触媒の利用効率が高い。そのため、シフト反応触媒の使用量を従来より少なくしても所期の反応効率を得ることができる。これによって、シフト反応触媒の利用効率および反応効率が高いため、燃料電池システムＦＣにおける発電効率の向上を図ることが可能となる。また、シフト反応触媒の使用量を少なくしても所期の反応効率を得ることができ、コスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】第１実施形態に係るシフト反応器の構造を示す模式断面図である。
【図２】（ａ）は、第１実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図３】（ａ）は、第１実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図４】（ａ）は、第１実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、シフト反応器における第１反応部の取り付け構造の具体例を示す模式横断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るシフト反応器の構造を示す模式縦断面図である。
【図７】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図８】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、シフト反応器における第１反応部取り付け構造の具体例を示す模式横断面図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るシフト反応器の模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図１２】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図１３】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図１４】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図１５】本発明の第４実施形態に係るシフト反応器の構造を示す模式縦断面図である。
【図１６】（ａ）は、本発明の第４実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図１７】（ａ）は、本発明の第４実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図１８】（ａ）は、本発明の第４実施形態に係るシフト反応器の変形例を示す模式横断面図、（ｂ）は、そのシフト反応器の模式縦断面図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）は、改質ガス導入管路の改質導入口の他の構造例を示す模式縦断面図である。
【図２０】本発明のシフト反応器における冷媒流通管路の変形例を示す模式縦断面図である。
【図２１】燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２２】従来のシフト反応器のシフト反応触媒層の温度分布を説明する概念図である。
【符号の説明】
【０１４４】
１      シフト反応器
１ａ    外壁
２      第１シフト反応触媒層
３      第１反応部
３ａ    隔壁
４      第２シフト反応触媒層
５      第２反応部
５ａ    外壁
６      連絡部
７      改質ガス導入管路
７ａ    改質ガス導入口
８      冷媒流通管路
９      ガス導出路
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ    冷媒流通管路
１２      シフト反応器
１５Ａ，５Ｂ，１５Ｃ    シフト反応器
５１ａ，５１ｂ    支持部材
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ    仕切板部材
５３ａ，５３ｂ    支持部
５４ａ，５４ｂ    端部
６１，６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ      シフト反応器
６３      第１反応部
６３ａ    隔壁
６３ｂ    側部
６５      第２反応部
６５ａ    外壁
６８ａ，６８ｂ，６８Ｃ    冷媒流通管路
６９ａ，６９ｂ    支持部材
７１、７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ      シフト反応器
７２      第１シフト反応触媒層
７３      第１反応部
７３ａ    隔壁
７４      第２シフト反応触媒層
７５      第２反応部
７５ａ    外壁
７６      連絡部
７７      改質ガス導入口
７８      冷媒流通管路
７９      ガス導出路
９１，９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ    シフト反応器
９３      第１反応部
９３ａ    隔壁
９３ｂ    側部
９５      第２反応部
９５ａ    外壁
９６      連絡部
９７      改質ガス導入口
９８      冷媒流通管路
１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ    第１反応部
１０３ａ    隔壁
１０４      分散板
１０４ａ    流通孔
１０７Ａ，１０７Ｂ，１０７Ｃ，１０７Ｄ    改質ガス導入管路
１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃ，１１２    改質ガス導入口
１０９      上部
１１０Ｂ，１１０Ｃ    改質ガス導入孔
１１１      網状体
１２８Ａ，１２８Ｂ、１２８Ｃ    冷媒流通管路
１２９ａ    冷媒入口部
１２９ｂ    折曲部
１２９ｃ    巻回部
１２９ｄ    冷媒出口部
１２９ｅ    外側折曲部
１２９ｆ    下向部
１２９ｇ    外壁巻回部
１３９ａ    冷媒入口部
１３９ｂ    折曲部
１３９ｃ    巻回部
１３９ｄ    冷媒出口部
１３９ｅ    戻り部
１３９ｇ    外壁巻回部
２２１    シフト反応器
２２２    ガス導入部
２２３    中央部
２２４    器壁
２２５    外側の領域
２２６    ガス導出部
【図１】
2009084084.tif 000004
【図２】
2009084084.tif 000005
【図３】
2009084084.tif 000006
【図４】
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【図５】
2009084084.tif 000008
【図６】
2009084084.tif 000009
【図７】
2009084084.tif 000010
【図８】
2009084084.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2009084084.tif 000013
【図１１】
2009084084.tif 000014
【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】
2009084084.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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