JP2001023671A - 燃料電池用触媒反応器および燃料電池システム、並びに坦体 - Google Patents

燃料電池用触媒反応器および燃料電池システム、並びに坦体

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JP2001023671A
JP2001023671A JP11189756A JP18975699A JP2001023671A JP 2001023671 A JP2001023671 A JP 2001023671A JP 11189756 A JP11189756 A JP 11189756A JP 18975699 A JP18975699 A JP 18975699A JP 2001023671 A JP2001023671 A JP 2001023671A
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catalyst
fuel cell
catalytic reactor
reactor
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JP11189756A
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Hiroaki Ohara
宏明 大原
Hiroyuki Kamata
博之 鎌田
Katsumi Takahashi
克巳 高橋
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Original Assignee
IHI Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒反応器内温度を適正に保つことができ、
かつ振動が加わる条件下でも触媒量の減少が起こること
がない燃料電池用触媒反応器および燃料電池システムを
提供する。 【解決手段】 一酸化炭素酸化触媒を担持した坦体13
を有する触媒反応器本体14aと、この触媒反応器本体
を冷却または加熱する熱交換手段15を備え、坦体13
が、ハニカム状構造物である燃料電池用触媒反応器1
4。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車などに用い
られる燃料電池用触媒反応器および燃料電池システムに
関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池システムでは、炭化水素(メタ
ノールなど)を、式(1)に示す反応等により水蒸気改
質して得られた水素リッチの燃料ガスが用いられる。 CH3OH+H2O → 3H2+CO2 ・・・ (1) 得られた燃料ガスを燃料電池に供給する際、ガス中に一
酸化炭素(CO)が含まれていると、このCOが燃料電
池の電極に吸着してこの電極の触媒機能を低下させ、ア
ノード反応である水素の酸化反応を阻害して燃料電池の
性能を低下させることが知られている。このため、CO
酸化触媒を担持させた触媒反応器を用い、燃料ガス中の
COを酸化除去した後に燃料電池に供給することができ
るようにした燃料電池システムが用いられている。
【0003】図7は、COの酸化除去に用いられる触媒
反応器の一例を示すもので、ここに示す触媒反応器30
は、貴金属触媒などをアルミナなどからなる粒状ペレッ
ト表面に担持させた粒状触媒31を充填した充填層32
を外容器33内に設けたものである。この触媒反応器3
0を使用するには、燃料ガスを図中矢印方向に触媒反応
器30内に流し、燃料ガスを粒状触媒31に接触させ、
上記CO酸化反応を進行させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の触媒反応器では、反応器内で起きる反応の反応熱に
より反応器内が高温となり、これによって、反応効率が
低下してしまうことがあった。また、上記触媒反応器を
自動車に搭載して用いる場合には、走行時の振動により
粒状触媒どうしが擦れあうことにより粒状触媒が摩耗
し、充填量が減少して反応効率の低下を招くことがあっ
た。本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、触媒
反応器内温度を適正に保つことができ、かつ振動が加わ
る条件下でも触媒量の減少が起こることがない燃料電池
用触媒反応器および燃料電池システムを提供することを
目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池用触媒
反応器は、一酸化炭素酸化触媒を担持した坦体を有する
触媒反応器本体と、この触媒反応器本体を冷却または加
熱する熱交換手段を備え、前記坦体が、ハニカム状構造
物であることを特徴とする。熱交換手段は、触媒反応器
本体を挟み込むように設けるのが好ましい。坦体は、金
属からなるものとするのが好ましい。また本発明の坦体
は、燃料電池用触媒反応器に用いられる坦体であって、
ハニカム状構造物であることを特徴とするものである。
本発明の燃料電池システムは、炭化水素を水蒸気改質す
る炭化水素改質部と、この炭化水素改質部にて得られた
燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素除
去部と、この一酸化炭素除去部を経た燃料ガスを用いて
発電を行う燃料電池を備え、一酸化炭素除去部が、燃料
ガス中の一酸化炭素を酸化する燃料電池用触媒反応器を
有し、この燃料電池用触媒反応器が、一酸化炭素酸化触
媒を担持した坦体を有する触媒反応器本体と、この触媒
反応器本体を冷却または加熱する熱交換手段を備え、前
記坦体が、ハニカム状構造物であることを特徴とするも
のである。本発明では、前記坦体として、伝熱特性に優
れたハニカム状構造物を用いることによって、触媒反応
器本体内での酸化反応により発生した熱が直ちに熱交換
手段に伝えられるようになる。
【0006】
【発明の実施の形態】図1ないし図3は、本発明の燃料
電池システムの一実施形態を示すもので、ここに示す燃
料電池システムは、メタノールなどの炭化水素の供給源
である炭化水素供給部1と、水の供給源である水供給部
2と、これら供給部1、2から供給された炭化水素およ
び水を加熱により気化させる気化部3と、気化部3を経
た炭化水素を水によって改質し水素リッチの燃料ガスを
生成させる燃料改質部4と、燃料改質部4にて得られた
燃料ガスと空気などの酸素含有ガスとを用いて発電を行
う燃料電池5を備えて構成されている。
【0007】燃料改質部4は、炭化水素供給部1からの
炭化水素を水供給部2からの水によって改質し水素リッ
チの燃料ガスを生成させる炭化水素改質部6と、炭化水
素改質部6にて得られた燃料ガス中のCOを選択的に酸
化除去するCO選択酸化部7(CO除去部)からなるも
のである。
【0008】図3に示すように、炭化水素改質部6は、
炭化水素供給部1からの炭化水素を水の存在下で改質す
る炭化水素改質触媒、例えばCu−Zn触媒などをアル
ミナなどからなるバインダを介して坦体8の表面に担持
させた触媒反応器9を備えている。坦体8は、平板材1
1と波板材12とを交互に積層したハニカム状構造物で
ある。
【0009】本明細書において、ハニカム状構造物と
は、一定方向に沿って配置された複数の板材を、これら
板材間に隙間ができるように組み合わせた形状を有する
構造物をいう。
【0010】平板材11と波板材12の材料としては、
金属、例えばステンレス鋼(Fe−Cr−Al系、Fe
−Cr−Ni−Al系など)、アルミニウム、銅、これ
らの合金などが好適である。特に、アルミニウムを含む
ものを用いると、上記アルミナバインダが担持されやす
くなり、触媒が担持されやすくなるため好ましい。なか
でも特に、アルミニウムを含むステンレス鋼は、燃料ガ
スに対する耐食性に優れるため好ましい。
【0011】触媒反応器9は、気化部3を経た炭化水素
および水を、平板材11と波板材12の隙間に、図中矢
印方向に流し、これら板材11、12の表面に担持され
た上記炭化水素改質触媒に接触させることができるよう
になっている。触媒反応器9には、熱交換手段(図示
略)が設けられており、この熱交換手段と触媒反応器9
との間の熱交換により触媒反応器9を加熱または冷却す
ることができるようになっている。
【0012】図1および図2に示すように、CO選択酸
化部7は、表面にCO酸化触媒を担持した坦体13を有
する触媒反応器本体14aと、触媒反応器本体14aを
冷却する冷却部15(熱交換手段)とを有する燃料電池
用触媒反応器14を備えたものである。
【0013】坦体13は、上記炭化水素改質部6に用い
られる坦体8と同様に、平板材11と波板材12とを交
互に積層したハニカム状構造物である。この触媒反応器
14においては、坦体13が、平板材11と波板材12
とを積層したハニカム状構造物であるため、これら板材
11、12が互いに長さ方向(図1(a)中上下方向)
にわたる大きな接触面積で接触している。このため、伝
熱特性に優れたものとなっている。これに対し、従来の
粒状触媒充填層を有する触媒反応器では、粒状触媒が互
いに点接触するため互いの接触面積が比較的小さく、伝
熱特性の点で劣る。
【0014】触媒反応器本体14aとしては、例えば厚
さ50〜500μmの平板材11、波板材12を用いた
坦体13にCO酸化触媒を担持させた幅1〜15cm、
高さ1〜15cm、奥行20〜50cmのものを使用す
ることができる。波板材12としては、例えば凸部分の
高さが1〜3mm、ピッチが2〜6mmであるものを用
いることができる。
【0015】図4は、ハニカム状構造物である坦体13
を用いた触媒反応器14(図1)と、粒状触媒充填層3
2を有する従来の触媒反応器30(図7)とを、熱伝導
率の点で比較したグラフである。なおこのグラフにおい
て、横軸は触媒反応器の幅方向の距離(図1、図7中符
号x)を示し、縦軸は熱伝導率を示す。この図より、ハ
ニカム状構造物である坦体13を用いた触媒反応器14
の熱伝導率(符号A)が、幅方向に均一であるのに対
し、粒状触媒充填層32を有する触媒反応器30におけ
る熱伝導率(符号B)は、不均一であり、しかも最大値
が触媒反応器14の熱伝導率にほぼ等しく、平均値が触
媒反応器14の熱伝導率よりも低い値となることがわか
る。
【0016】上記CO酸化触媒としては、例えばアルミ
ナなどからなる坦体の表面にRu、Ptなどの貴金属触
媒等を担持させたものを用いることができる。
【0017】冷却部15(熱交換手段)は、触媒反応器
本体14aを冷却しその内部を適正な温度に保つための
もので、冷却媒体ライン15aを通してその内部に油、
空気、水などの冷却媒体を流通させ、この冷却媒体と触
媒反応器本体14aとの間の熱交換により触媒反応器本
体14aを冷却することができるようになっている。冷
却部15は、上記触媒反応器本体14aを挟み込むよう
に設けられ、触媒反応器本体14aを両側から冷却する
ことができるようになっている。
【0018】CO選択酸化部7には、触媒反応器本体1
4a内に空気などの酸素含有ガスを供給する酸素含有ガ
ス供給ライン16が接続されている。
【0019】燃料電池5としては、従来公知の固体高分
子型燃料電池、すなわちフッ素樹脂などの固体高分子材
料からなる電解質膜と、この電解質膜を挟持するアノー
ドおよびカソードと、これらアノード、カソードを両側
から挟み込み、これらアノード、カソードとの間に燃料
ガスおよび酸素含有ガスの流路を形成するセパレータを
有するものが使用できる。燃料電池5には、該燃料電池
5内に空気などの酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス
供給ライン17が接続されている。
【0020】上記燃料電池システムは、次のようにして
使用することができる。まず、炭化水素供給部1から供
給された炭化水素と、水供給部2から供給された水とを
気化部3において加熱し気化した後に、燃料改質部4の
炭化水素改質部6に導く。炭化水素改質部6に導かれた
炭化水素および水蒸気は、触媒反応器9内を流れ、この
間に坦体8表面に担持された炭化水素改質触媒に接触す
る。この触媒表面においてこの触媒により式(1)の反
応が進行し、水素リッチの燃料ガスが生成する。 CH3OH+H2O → 3H2+CO2 ・・・ (1) 触媒反応器9内の温度は、200〜500℃とするのが
好ましい。この温度が上記範囲未満、または上記範囲を
越える場合には、反応効率の低下が起きる可能性がある
ため、必要に応じて触媒反応器9を上記熱交換手段によ
って加熱または冷却し、触媒反応器9内を適正温度に保
つのが好ましい。
【0021】次いで、得られた燃料ガスと、酸素含有ガ
ス供給ライン16から供給された空気などの酸素含有ガ
スとをCO選択酸化部7の触媒反応器14に導く。触媒
反応器14に導かれた燃料ガスは、触媒反応器本体14
a内において平板材11と波板材12の隙間を流れ、こ
の間に板材11、12表面に担持されたCO酸化触媒に
接触する。この触媒表面において、燃料ガス中のCO
は、上記酸素含有ガス中の酸素により酸化されCO2
なり、燃料ガス中のCO濃度は低下する。
【0022】触媒反応器本体14a内の温度は、高すぎ
ても低すぎても反応効率の低下が起きるため、触媒反応
器本体14a内の温度を、100〜150℃に保つのが
好ましい。このため、必要に応じて冷却部15内に冷却
媒体を流し、触媒反応器本体14aを冷却する。
【0023】上記COの酸化反応は発熱反応であるた
め、反応時には反応熱により坦体13が加熱されるが、
上述のように、坦体13は伝熱特性に優れたハニカム状
構造物であるため、発生した熱は直ちに冷却部15に伝
えられ、触媒反応器本体14a内は適正温度に保たれ
る。
【0024】触媒反応器14内においてCO濃度が減少
した燃料ガスは、燃料電池5内に導かれる。燃料電池5
では、この燃料ガスと、酸素含有ガス供給ライン17か
らの酸素含有ガスの供給を受けて発電が行われる。
【0025】本実施形態の燃料電池システムにあって
は、CO選択酸化部7に用いられる触媒反応器14が、
CO酸化触媒を担持した坦体13を有する触媒反応器本
体14aと、この触媒反応器本体14aを冷却する冷却
部15を備え、坦体13が、伝熱特性に優れたハニカム
状構造物であるので、触媒反応器本体14a内での酸化
反応により発生した熱は直ちに冷却部15に伝えられ
る。従って、触媒反応器本体14a内の温度が過度に上
昇するのを防ぎ、触媒反応器本体14a内を適正温度に
保ち、CO選択酸化部7におけるCO酸化反応の効率を
高く維持することができる。
【0026】また、触媒反応器本体14aの伝熱特性が
優れているため、冷却部15の冷却能力を低く設定した
り、冷却部15の数を少なくすることが可能となる。こ
のため、触媒反応器14の小型化を図ることができ、省
スペース化が可能となる。よって、上記燃料電池システ
ムは、設置スペースが小さく限定される用途である自動
車搭載用として好適に用いることができる。
【0027】また、坦体13は、平板材11と波板材1
2とが大きな接触面積で互いに接触した状態で積層配置
されたものであるため、振動を加えた場合でもこれら板
材11、12間の摩擦によりこれら板材11、12の相
対位置のずれが起こりにくい。このため、自動車に搭載
して用いる場合においても、走行時の振動に起因する板
材11、12どうしの擦れ合いによる触媒の摩耗が起こ
りにくい。従って、触媒量の減少を防ぐことができ、C
O酸化反応効率の低下を防ぐことができる。
【0028】さらには、冷却部15が、触媒反応器本体
14aを挟み込むように設けられているので、触媒反応
器本体14aを両側から冷却することができる。このた
め、冷却効率を高め、触媒反応器本体14a内の温度を
確実に適正温度に保ち、CO酸化反応の効率を高く維持
することができる。
【0029】また、坦体13が熱伝導率が高い物質であ
る金属からなるものであるので、触媒反応器本体14a
の伝熱特性が高く、触媒反応器本体14a内の温度を確
実に適正温度に保ち、CO酸化反応効率を高く維持する
ことができる。
【0030】また、坦体13がハニカム構造物であるた
め、従来の粒状触媒充填層を有する触媒反応器を用いた
場合に比べ、燃料ガスの流通路、すなわち板材11、1
2間の隙間の断面積を大きく確保することができ、燃料
ガスの流量を大きく設定できる。このため、処理量を向
上させることができる。
【0031】また本発明の燃料電池システムでは、CO
選択酸化部7の触媒反応器14に代えて、図5に示す触
媒反応器20を用いることもできる。触媒反応器20
は、触媒反応器本体20aが、コージェライトなどのセ
ラミックからなる坦体21の表面にCO酸化触媒を担持
させたものである点で、上記触媒反応器14と異なる。
坦体21は、ガス流通方向に沿って配置された平板材が
格子状に組み合わされた形状を有するハニカム状構造物
である。
【0032】坦体21としては、例えば厚さ0.1〜
0.2mmの板材を、0.5〜2mmのピッチで格子状
に組み合わせた形状の構造物を用いることができる。
【0033】上記触媒反応器20を用いた燃料電池シス
テムにあっては、触媒坦体として、伝熱特性に優れたハ
ニカム状坦体21が用いられているので、上記触媒反応
器14を用いた場合と同様に、CO選択酸化部7におけ
るCO酸化反応の効率を高く維持することができる。
【0034】なお、上記実施形態において、上記冷却媒
体が触媒反応器本体14aを過度に冷却してしまうのを
防ぐために、予め冷却媒体を加熱することが必要となる
場合には、加熱のための熱源として炭化水素改質部6を
利用することができる。また、上記実施形態では、冷却
部15に、触媒反応器本体14aを冷却する冷却媒体を
流通させることを想定したが、触媒反応器本体14a内
の温度が、目的とする温度より低い場合には、触媒反応
器本体14aよりも高温の加熱媒体を流通させ、触媒反
応器本体14aを加熱することもできる。
【0035】
【実施例】(実施例1)図1ないし図3に示す燃料電池
システム作製した。CO選択酸化部7に用いる触媒反応
器本体14aとしては、厚さ50μmのステンレス鋼板
(Fe−Cr−Al系ステンレス鋼製)である平板材1
1、波板材12を用いた坦体13に、Ru触媒を担持さ
せたもの(幅3cm、高さ15cm、奥行35cm)を
使用した。波板材12としては、凸部分の高さが1.5
mm、ピッチが3mmであるものを用いた(図6中には
金属ハニカムと記載)。
【0036】炭化水素としてメタノールを用い、これを
水蒸気とともに炭化水素改質部6にに供給して生成した
燃料ガスを、CO選択酸化部7の触媒反応器14に供給
し、燃料ガス中のCOの酸化除去を試みた。触媒反応器
本体14a内におけるガス流通方向の各位置における燃
料ガス温度、および坦体13の温度(図6中には触媒層
温度と記載)を測定した結果を図6に示す。
【0037】(実施例2)CO選択酸化部7の触媒反応
器14に代えて、図5に示す触媒反応器20を用いるこ
と以外は実施例1と同様にして燃料電池システムを作製
した。坦体21としては、コージェライト製の厚さ0.
1mmの板材からなる格子状構造物(ピッチ1mm)を
用いた(図6中にはセラミックハニカムと記載)。
【0038】実施例1と同様にして燃料ガス中のCOの
酸化除去を試み、触媒反応器20内におけるガス流通方
向の各位置における燃料ガス温度、および坦体21の温
度(図6中には触媒層温度と記載)を測定した結果を図
6に併せて示す。
【0039】(比較例)CO選択酸化部7の触媒反応器
14に代えて、図7に示す触媒反応器30(幅3cm、
高さ15cm、奥行35cm)を用いること以外は実施
例1と同様にして燃料電池システムを作製した。粒状触
媒31としては、アルミナからなる坦体粒子の表面にR
u触媒を担持させたもの(粒径0.5〜3mm)を用い
た。
【0040】実施例1と同様にして燃料ガス中のCOの
酸化除去を試み、触媒反応器30内におけるガス流通方
向の各位置における燃料ガス温度、および充填層32温
度(図6中には触媒層温度と記載)を測定した結果を図
6に併せて示す。
【0041】上記試験の結果より、触媒反応器14、2
0を用いた実施例1、2では、従来の触媒反応器30を
用いた比較例に比べ、触媒反応器内の温度を低く抑える
ことができたことがわかる。また、金属からなる坦体1
3を用いた触媒反応器14を用いる実施例1では、触媒
反応器の温度をより低く抑えることができたことがわか
る。
【0042】
【発明の効果】本発明の燃料電池システムにあっては、
燃料ガス中のCO濃度を低減させるCO除去部に用いら
れる燃料電池用触媒反応器が、CO酸化触媒を担持した
坦体を有する触媒反応器本体と、この触媒反応器本体を
冷却または加熱する熱交換手段を備え、前記坦体が、伝
熱特性に優れたハニカム状構造物であるので、触媒反応
器本体内での酸化反応により発生した熱は直ちに熱交換
手段に伝えられる。従って、触媒反応器本体内の温度が
過度に上昇するのを防ぎ、触媒反応器本体内を適正温度
に保ち、CO除去部におけるCO酸化反応の効率を高く
維持することができる。また、坦体の構成部材どうしの
ずれが起こりにくく、自動車に搭載して用いる場合にお
いても、振動による構成部材どうしの擦れ合いによる触
媒の摩耗を防ぎ、触媒量の減少を防ぎ、反応効率の低下
を防ぐことができる。
【0043】また、熱交換手段を、触媒反応器本体を挟
み込むように設けることによって、触媒反応器本体を両
側から冷却または加熱することができる。このため、熱
交換効率を高め、触媒反応器本体内の温度を確実に適正
温度に保ち、CO酸化反応の効率を高く維持することが
できる。
【0044】また、坦体を金属からなるものとすること
によって、触媒反応器本体の伝熱特性を高め、触媒反応
器本体内の温度を確実に適正温度に保ち、CO酸化反応
効率を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の燃料電池用触媒反応器の一実施形態
を示すもので、(a)は全体斜視図、(b)は平面図で
ある。
【図2】 本発明の燃料電池システムの一実施形態を示
す構成図である。
【図3】 図2に示す燃料電池システムに用いられる触
媒反応器を示すもので、(a)は全体斜視図、(b)は
平面図である。
【図4】 試験結果を示すグラフである。
【図5】 本発明の燃料電池用触媒反応器の他の実施形
態を示す平面図である。
【図6】 試験結果を示すグラフである。
【図7】 従来の燃料電池用触媒反応器の一例を示す斜
視図である。
【符号の説明】
1・・・炭化水素供給部、2・・・水供給部、4・・・燃料改質
部、5・・・燃料電池、6・・・炭化水素改質部、7・・・CO
選択酸化部(CO除去部)、13・・・坦体、14・・・触媒
反応器、14a・・・触媒反応器本体、15・・・冷却部(熱
交換手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 克巳 神奈川県横浜市磯子区新中原町1番地 石 川島播磨重工業株式会社機械・プラント開 発センター内 Fターム(参考) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB14 EB23 EC01 EC08 5H027 BA01 BA16

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭化水素を水蒸気改質して得た燃料電池
    用燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる燃料電池用
    触媒反応器であって、 燃料ガス中の一酸化炭素を酸化する一酸化炭素酸化触媒
    を担持した坦体(13)を有する触媒反応器本体(14
    a)と、この触媒反応器本体を冷却または加熱する熱交
    換手段(15)を備え、 前記坦体が、ハニカム状構造物であることを特徴とする
    燃料電池用触媒反応器(14)。
  2. 【請求項2】 熱交換手段は、触媒反応器本体を挟み込
    むように設けられていることを特徴とする請求項1記載
    の燃料電池用触媒反応器(14)。
  3. 【請求項3】 坦体は、金属からなるものであることを
    特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用触媒反応
    器(14)。
  4. 【請求項4】 炭化水素を水蒸気改質して得た燃料電池
    用燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる燃料電池用
    触媒反応器に用いられ、燃料ガス中の一酸化炭素を酸化
    する一酸化炭素酸化触媒を担持した坦体であって、ハニ
    カム状構造物であることを特徴とする坦体(13)。
  5. 【請求項5】 炭化水素を水蒸気改質する炭化水素改質
    部(6)と、この炭化水素改質部にて得られた燃料ガス
    中の一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素除去部
    (7)と、この一酸化炭素除去部を経た燃料ガスを用い
    て発電を行う燃料電池(5)を備えた燃料電池システム
    であって、 一酸化炭素除去部は、燃料ガス中の一酸化炭素を酸化す
    る燃料電池用触媒反応器(14)を有し、この燃料電池
    用触媒反応器は、一酸化炭素酸化触媒を担持した坦体
    (13)を有する触媒反応器本体(14a)と、この触
    媒反応器本体を冷却または加熱する熱交換手段(15)
    を備え、前記坦体が、ハニカム状構造物であることを特
    徴とする燃料電池システム。
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