JP2003089505A - 改質装置および燃料電池システム - Google Patents

改質装置および燃料電池システム

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reforming
oxygen
gas
shift
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Takashi Ishikawa
貴史 石川
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Aisin Seiki Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 停電等の不測の事態において改質装置が緊急
停止した場合でもＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止す
る。 【解決手段】 改質部２とＣＯシフト部５が設けられた
改質装置１００において、前記ＣＯシフト部５に侵入し
ようとする外気中の酸素を改質装置１００内部に残留す
る水素により除去することを特徴とする改質装置および
この改質装置１００と、改質装置１００によって改質さ
れた改質ガスを燃料ガスとして発電する燃料電池２００
が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は改質装置および燃料
電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、炭化水素系燃料やアルコール系燃
料などの改質原料から水素を主成分とする改質ガスに触
媒で改質して水素燃料として利用する方法がさかんに研
究されている。改質ガスを利用する有力な方法として燃
料電池の開発が活発化している。燃料電池は水素と酸素
を使用して電気分解の逆反応で発電する電池で、水以外
の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されてい
る。
【０００３】燃料電池の用途として、電気自動車等の移
動体用電源として使用する移動体用燃料電池、家庭や事
業所で利用する定置用燃料電池などがある。移動体用燃
料電池に使用する改質原料としては、メタノールやガソ
リンなどが研究されている。定置用燃料電池に使用する
改質原料としては、天然ガスやプロパンなどが研究され
ている。
【０００４】ガソリン、天然ガス、プロパンなどの炭化
水素系燃料の水蒸気改質法における化学反応は、一般的
に改質反応、ＣＯシフト反応、ＣＯ選択酸化反応からな
っている。それぞれを天然ガスの主成分であるメタンの
反応で説明する。改質反応は化学式（１）と（２）が起
こる。化学式（２）によってＣＯがすべて反応すればＣ
Ｏは残らないが、実際には９〜１２％程度のＣＯが残
る。
【０００５】 ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ・・・（１） ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → Ｈ２＋ＣＯ２ ・・・（２） ＣＯシフト反応は、銅−亜鉛触媒等を用いて上記化学式
（２）と同じ反応でＣＯを低減し、水素を生成する。Ｃ
Ｏシフト反応後もＣＯは約１％残る。燃料電池の場合、
ＣＯは電極触媒の被毒物質となる。このため燃料電池に
供給する改質ガス中のＣＯ濃度を１００ｐｐｍ以下、望
ましくは１０ｐｐｍ以下しなければならない。
【０００６】ＣＯ選択酸化反応において、ＣＯシフト反
応後のガスに所定量の酸素を導入し、触媒により化学式
（３）の反応を起こさせＣＯを選択的に酸化してＣＯ濃
度を低減する。
【０００７】 ＣＯ＋０．５Ｏ２ → ＣＯ２ ・・・（３） 改質反応、ＣＯシフト反応、ＣＯ選択酸化反応に用いら
れる触媒は、酸素に接触すると性能が低下する恐れがあ
る。特に、ＣＯシフト反応に用いられる銅−亜鉛等のＣ
Ｏシフト触媒は酸化雰囲気にさらされると著しく劣化す
る。
【０００８】運転停止時に改質装置の出入口をすべて遮
断しても、改質装置内に改質ガス等が残ったままの状態
にすると、内部に含まれている水蒸気の凝縮や改質装置
の温度低下により改質装置内部が負圧になり装置外の空
気が侵入する。この結果、侵入した空気中の酸素により
ＣＯシフト触媒が劣化する。
【０００９】これを防ぐためには改質装置を負圧に耐え
る構造にすると同時に、真空装置レベルのシール構造と
しなければならず、大幅にコストアップする問題があっ
た。この問題と解決するために、実験的なシステムでは
改質装置の停止時に改質装置内部に残っている改質ガス
を窒素などの不活性ガスで置換している。しかし、不活
性ガスで置換して封止しても温度低下に時間がかかるの
で、改質装置内部が負圧になるのを防ぐために、温度が
室温近くになるまで不活性ガスを続けなければならな
い。しかも実際のシステムにおいては窒素ボンベ等の不
活性ガスボンベを設置することはスペース、保守等の関
係から困難であった。
【００１０】従来技術１として、特開２０００−２７７
１３７号公報には、システム内で可燃性ガスを燃焼させ
て生成したパージガスを不活性ガスの代わりに使用する
残留ガスのパージ方法が開示されている。
【００１１】従来技術２として、特開２０００−２７７
１３８号公報には、改質ガスと空気を供給し、空気中の
酸素を消費させてパージガスを生成するパージガス生成
用燃料電池を設け、そのパージガスを不活性ガスの代わ
りに使用する燃料電池発電システムが開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術１は、通常の停止時には作動するが、停電などの不測
の事態において、改質装置の補機類が停止するためパー
ジガスによる置換ができない問題点がある。例え、パー
ジガス貯蔵タンクを備えていても停電によりバルブや制
御部が停止するので、パージガスによる置換は困難にな
る。
【００１３】また、パージガス生成用燃焼器、パージガ
スを貯蔵するパージガス貯蔵タンクおよびパージガス供
給を制御する制御部が必要なため、システムが大型化
し、かつコストアップする問題点がある。さらに、可燃
性ガスを完全燃焼させようとすると酸素が残留するの
で、これをパージガスとして使用するとＣＯシフト触媒
が劣化する問題点がある。一方、酸素を完全に消費させ
ようとすると可燃性ガスが残ったり、不完全燃焼となり
一酸化炭素等が生成される等の問題点がある。
【００１４】従来技術２は、パージガスをパージガスタ
ンクに貯蔵しておくことによって、システムの運転停止
が緊急に行われても対処できると記載されているが、停
電などの不測の事態において、改質装置の補機類が停止
するためパージガスによる置換は困難である。また、パ
ージガスを生成するパージガス生成用燃料電池とその制
御部が必要なため、システムが大型化し、かつコストア
ップする問題点がある。
【００１５】本発明は上記課題を解決したもので、停電
等の不測の事態において改質装置が緊急停止した場合で
もＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止できる改質装置およ
び信頼性に優れた燃料電池システムを提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
（以下、第１の技術的手段と称する。）は、改質原料か
ら水素を生成する改質部と、水蒸気と前記改質部で生成
されるガス中の一酸化炭素から水素と二酸化炭素を生成
するＣＯシフト部が設けられた改質装置において、前記
ＣＯシフト部に侵入しようとする外気中の酸素を前記改
質装置内部に残留する水素により除去することを特徴と
する改質装置である。
【００１７】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。
【００１８】すなわち、ＣＯシフト部に侵入しようとす
る外気中の酸素を改質装置内部に残留する水素により除
去することができるので、停電等の不測の事態において
改質装置が緊急停止した場合でもＣＯシフト触媒に酸素
が侵入することを防止でき、したがってＣＯシフト触媒
の酸化劣化を防止できる効果を有する。
【００１９】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技
術的手段と称する。）は、前記ＣＯシフト部から排出さ
れるガス中のＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化部が
設けられ、外気から前記ＣＯ選択酸化部の方向のみ通過
可能な一方向弁が前記ＣＯ選択酸化部に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の改質装置である。
【００２０】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。
【００２１】すなわち、停電等の不測の事態において改
質装置が緊急停止した場合、改質装置内が負圧になって
もＣＯ選択酸化部に設けられた一方弁のみを介して外気
が改質装置内に侵入し、この外気中の酸素はＣＯ選択酸
化部に残留する水素によって水になり除去されるので、
ＣＯシフト触媒に酸素が侵入することを防止でき、した
がってＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止できる効果を有
する。
【００２２】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技
術的手段と称する。）は、前記改質部に、外気から前記
改質部の方向のみ通過可能な一方向弁が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の改質装置である。
【００２３】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。
【００２４】すなわち、停電等の不測の事態において改
質装置が緊急停止した場合、改質装置内が負圧になって
も改質部に設けられた一方弁のみを介して外気が改質装
置内に侵入し、この外気中の酸素は改質部に残留する水
素によって水になり除去されるので、ＣＯシフト触媒に
酸素が侵入することを防止でき、したがってＣＯシフト
触媒の酸化劣化を防止できる効果を有する。
【００２５】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技
術的手段と称する。）は、前記改質装置の出口側に連結
された酸素除去部が設けられ、外気から前記酸素除去部
の方向のみ通過可能な一方向弁が前記酸素除去部に設け
られていることを特徴とする請求項１記載の改質装置で
ある。
【００２６】上記第４の技術的手段による効果は、以下
のようである。
【００２７】すなわち、停電等の不測の事態において改
質装置が緊急停止した場合、改質装置内が負圧になって
も改質装置の出口側に連結された酸素除去部に設けられ
た一方弁のみを介して外気が改質装置内に侵入し、この
外気中の酸素は酸素除去部に残留する水素によって水に
なり除去されるので、ＣＯシフト触媒に酸素が侵入する
ことを防止でき、したがってＣＯシフト触媒の酸化劣化
を防止できる効果を有する。
【００２８】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技
術的手段と称する。）は、前記ＣＯシフト部の入口側お
よび出口側に酸素除去部が設けられていることを特徴と
する請求項１記載の改質装置である。
【００２９】上記第５の技術的手段による効果は、以下
のようである。
【００３０】すなわち、停電等の不測の事態において改
質装置が緊急停止した場合、改質装置内が負圧になって
外気が改質装置内に侵入しても、この外気中の酸素はＣ
Ｏシフト部の入口側および出口側に設けられた酸素除去
触媒によって、ここに残留する水素と反応し水になり除
去されるので、ＣＯシフト触媒に酸素が侵入することを
防止でき、したがってＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止
できる効果を有する。
【００３１】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技
術的手段と称する。）は、請求項１〜５のいずれかに記
載の改質装置と、該改質装置によって改質された改質ガ
スを燃料ガスとして発電する燃料電池が設けられている
ことを特徴とする燃料電池システムである。
【００３２】上記第６の技術的手段による効果は、以下
のようである。
【００３３】すなわち、停電等の不測の事態において改
質装置が緊急停止した場合でもＣＯシフト触媒の酸化劣
化を防止できる改質装置が設けられているので、不測の
事態が生じても改質装置の劣化を防止でき、信頼性に優
れた燃料電池システムを提供できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】本発明者は、改質装置内部が負圧
になったときに改質装置内部に侵入してきた外気がＣＯ
シフト部に侵入する前に、改質装置およびそれに連通す
る管路に残留する水素を活用して外気中の酸素を除去す
るという技術的思想を着想した。すなわち、ＣＯシフト
部に侵入しようとする外気中の酸素を改質装置内部に残
留する水素により除去するものである。以下、本発明の
実施例について、図面に基づいて説明する。
【００３５】図１は第１実施形態の燃料電池システムの
システム図である。本システム図では本発明に係わる部
分を中心に図示し、他の補機類、制御部などは省略して
いる。本燃料電池システムは、改質装置１００と、この
改質装置１００によって改質された改質ガスを燃料ガス
として利用し発電する燃料電池２００が設けられてい
る。改質装置１００は、バーナ１、改質部２、蒸発器
３、熱交換器４、ＣＯシフト部５、ＣＯ選択酸化部６な
どから構成されている。
【００３６】有底中空円筒状のバーナ１は、改質部２を
加熱するために燃焼用ガス（１３Ａ：天然ガス）を燃焼
させる装置である。バーナ１には燃焼用ガスと燃焼用空
気を導入されるとともに、燃料電池２００のアノードオ
フガスが導入され、燃焼される。
【００３７】改質部２はバーナ１の周りに同軸的に設け
られている。すなわち、改質器２は、内部にバーナ１の
火炎が円筒状に形成されるように同軸的に配設された有
底中空円筒体の内壁部材２１と、中空円筒体の外壁部材
２２と、内壁部材２１と外壁部材２２との間に中空円筒
体の仕切部材２３とからなり、内部に改質用触媒２ａ
（Ｒｕ触媒）が充填されている。 外壁部材２２の周り
には同軸的に、中空円筒体の排気ガス通路部１４が設け
られ、その外周には熱交換パイプ７が巻かれている。
【００３８】蒸発部３は、バーナ１の排気ガスによって
水を蒸発させ水蒸気を生成する装置である。蒸発部３は
シェル＆チューブ型の熱交換器で、一方はバーナ１の排
気ガスが通過し、他方はシャットバルブＶ１、熱交換パ
イプ７を介して供給された水が通過するように構成され
ている。
【００３９】熱交換器４は、改質部２から排出されるガ
スの熱によってシャットバルブＶ２を介して供給された
改質原料と蒸発部３で蒸発された水蒸気を予め加熱する
ための装置である。熱交換器４は対向流型のプレートフ
ィン熱交換器で、一方は改質部２から排出されるガスが
通過し、他方は改質原料と水蒸気が通過するように構成
されている。熱交換器４の改質原料と水蒸気が供給され
る入口側にはシャットバルブＶ５を介して窒素が供給可
能なように構成されている。改質部２から排出されたガ
スが配管を経由することなく熱交換器４に導入されるよ
うに、熱交換器４の入口と改質部２の出口は直結されて
いる。
【００４０】ＣＯシフト部５は円筒中空容器で形成さ
れ、ＣＯシフト触媒（Ｃｕ−Ｚｎ触媒）が充填されてい
る。ＣＯシフト部５の入口は熱交換器４と直結され、Ｃ
Ｏシフト部５の出口はＣＯ選択酸化部６に直結されてい
る。
【００４１】ＣＯ選択酸化部６にはＣＯ選択酸化触媒
（Ｒｕ触媒）が充填され、ＣＯシフト部５からのガスが
供給されるとともに、シャットバルブＶ３を介して空気
が供給されるように構成されている。ＣＯ選択酸化部６
の出口はシャットバルブＶ４を介して燃料電池２００の
アノード側と連結されている。燃料電池２００のカソー
ド側には空気が供給される。燃料電池２００のアノード
オフガスはバーナ１に供給される。
【００４２】ＣＯ選択酸化部６の出口とシャットバルブ
Ｖ４の間の管路９には一方向弁８が設けられている。一
方向弁８は外気から管路９の方向のみ通過可能なように
設けられている。すなわち、一方向弁８は外気からＣＯ
選択酸化部６の方向のみ通過可能である。
【００４３】シャットバルブＶ１〜Ｖ５のバルブは、い
ずれも通電されたときだけ開となり、非通電時には自動
的に閉となるノーマルクローズのバルブを使用してい
る。
【００４４】バーナ１が着火されると、バーナ１の上端
より燃焼火炎が、バーナ１と改質器２の内壁２１との間
に形成される空間内に排出され、改質部２に充填されて
いる改質用触媒２ａを加熱する。燃焼火炎の排気ガスは
排気ガス通路部１４から蒸発部３を介して外部に排出さ
れる。排気ガスは排気ガス通路部１４で改質用触媒２ａ
を加熱すると同時に、熱交換パイプ７を通過する水を予
熱する。また、排気ガスは蒸発部３で熱交換パイプ７を
介して供給された水を蒸発させて熱交換器４の入口側に
供給する。
【００４５】熱交換器４の入口側では、シャットバルブ
Ｖ２を介して供給される改質原料と、蒸発器３で蒸発さ
れた水蒸気が混合される。改質原料と水蒸気の混合物は
熱交換器４で約５００℃前後まで予熱されたのち、外壁
部材２２と仕切部材２３で形成される改質部２の空間に
供給される。供給された改質原料と水蒸気は、外壁部材
２２と仕切部材２３の間を下方に流れ、その下端部で内
壁部材２１と仕切部材２３の間の空間に供給されて、そ
の空間を上方に流れて改質部２から排出される。
【００４６】改質原料と水蒸気は改質部２を通過してい
る間に改質触媒により化学式（１）と（２）の反応で水
素を主成分とするガスに改質され、熱交換器４に供給さ
れる。改質部２から排出されるガスの温度が約６５０℃
になるようにバーナ１の燃焼量が調節されている。
【００４７】熱交換器４では、改質部２から供給された
ガスは、改質原料と水蒸気の混合物を加熱しながら、自
らは約２００〜２５０℃まで冷却されたのちＣＯシフト
部５に供給される。このときのガス中のＣＯ濃度は９〜
１２％である。ＣＯシフト部５では、ＣＯシフト触媒に
よる化学式（２）の反応によりＣＯ濃度が約１％まで低
減され、ＣＯ選択酸化部６に供給される。
【００４８】ＣＯ選択酸化部６にはシャットバルブＶ３
を介して空気が供給されており、ＣＯ選択酸化触媒によ
る化学式（３）の反応によりＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下
に低減され、改質ガスとして管路９に排出される。改質
ガスの主成分は水素で、ほかに炭酸ガス、水蒸気が含ま
れている。
【００４９】管路９に排出された改質ガスは、燃料電池
２００の燃料ガスとして燃料電池２００のアノード側に
供給される。燃料電池２００のカソード側には空気が酸
化剤ガスとして供給されている。燃料電池２００は、燃
料ガス中の水素を使用したアノード極の電極反応と空気
中の酸素を使用したカソード極の電極反応により発電す
る。燃料ガス中の水素はアノード極の電極反応で１００
％と使用されることはなく、アノードオフガス中に水素
が含まれている。アノードオフガスはバーナ１に供給さ
れ燃焼される。
【００５０】燃料電池システムを停止するときは、図示
しない制御装置によりバーナ１に供給されている燃焼用
ガスと燃焼用空気が遮断され、燃焼が停止されるととも
に、シャットバルブＶ１〜Ｖ３を遮断する。同時にシャ
ットバルブＶ５（運転時は常に閉状態）を開けて窒素ガ
スを改質装置１００内に導入し窒素パージする。予め決
められた所定時間経過後、シャットバルブＶ４とＶ５が
遮断される。
【００５１】このときの所定時間は、改質装置１００内
部とくにＣＯシフト部５の温度が十分冷却されるまでの
時間で決められている。なお、窒素パージの時間は、予
め決められた時間でなく、ＣＯシフト部５の温度を検出
することにより決めてもよい。ＣＯシフト部５の温度の
検出は、直接検出せずに改質装置１００内部の他の部分
の温度から推算してもよい。
【００５２】停電等の不測の事態において燃料電池シス
テムを緊急停止した場合、シャットバルブＶ１〜Ｖ５へ
の電力供給がカットされ、シャットバルブＶ１〜Ｖ５は
自動的に遮断される。これにより、改質装置１００は外
部と完全に遮断された状態となり、内部には改質された
ガス（主成分：水素）が残留した状態になっている。
【００５３】改質装置１００内部は、温度低下や水蒸気
の凝縮により負圧になる。改質装置１００内部が負圧に
なると、一方弁８から空気（外気）が微量づつ管路９を
介してＣＯ選択酸化部６に入ってくる。ＣＯ選択酸化部
６に入ってきた空気中の酸素は、ＣＯ選択酸化触媒によ
り内部に残留されているガス中の水素と反応し水になり
除去された後、ＣＯシフト部５に拡散していく。ＣＯシ
フト部５に拡散されたガス中には酸素が存在しないの
で、ＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止できる。
【００５４】改質装置１００内部が負圧になった場合、
外気は一方弁８から優先的に改質装置１００内部に侵入
するので、改質装置１００の他の部分から侵入すること
はない。したがって、停電等の不測の事態において改質
装置１００が緊急停止した場合、改質装置１００内が負
圧になってもＣＯ選択酸化部６の出口側に設けられた一
方弁のみを介して外気が改質装置１００内に侵入し、こ
の外気中の酸素はＣＯ選択酸化部６に残留する水素によ
って水になり除去されるので、ＣＯシフト触媒の酸化劣
化を防止できる。本燃料電池システム、停電等の不測の
事態において燃料電池システムが緊急停止した場合でも
ＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止できる改質装置１００
が設けられているので、信頼性に優れたシステムであ
る。
【００５５】なお、本実施形態において、一方弁８はＣ
Ｏ選択酸化部６の出口側の管路９に設けられているが、
シャットバルブＶ３を介してＣＯ選択酸化部６に空気を
供給する管路に設けたり、ＣＯ選択酸化部６に直接連結
して設けてもよい。ＣＯ選択酸化部６の出口側の管路９
に一方弁８を設ければ、一方弁８から侵入した外気がＣ
Ｏ選択酸化部６内で長い経路を通ってＣＯシフト部５に
拡散されていくので、侵入した外気中の酸素を確実に除
去できる。
【００５６】図２は第２実施形態の燃料電池システムの
システム図である。本システム図では第１実施形態と同
じ部位には同じ符号を付けるとともに説明は省略する。
また本システム図でも第１実施形態と同様に、本発明に
係わる部分を中心に図示し、他の補機類、制御部などは
省略している。
【００５７】第２実施形態では、シャットバルブＶ２と
熱交換器４を結ぶ管路に一方弁１１が設けられている。
一方向弁１１は外気から熱交換器４の方向のみ通過可能
なように設けられている。すなわち、一方向弁１１は外
気から改質部２の方向のみ通過可能である。
【００５８】燃料電池システムを正常に停止するとき
は、第１実施形態と同様に行う。停電等の不測の事態に
おいて燃料電池システムを緊急停止する場合も、第１実
施形態と同様に燃焼が停止されるとともに、シャットバ
ルブＶ１〜Ｖ４を遮断する。これにより、改質装置１０
０は外部と完全に遮断された状態となり、内部には改質
されたガス（主成分：水素）が残留した状態になってい
る。
【００５９】改質装置１００内部は、温度低下や水蒸気
の凝縮により負圧になる。改質装置１００内部が負圧に
なると、一方弁１１から空気（外気）が微量づつ熱交換
器４を介して改質部２に入ってくる。改質部２に入って
きた空気中の酸素は、改質触媒により内部に残留されて
いるガス中の水素と反応し水になり除去された後、熱交
換器４を介してＣＯシフト部５に拡散していく。ＣＯシ
フト部５に拡散されたガス中には酸素が存在しないの
で、ＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止できる。
【００６０】改質装置１００内部が負圧になった場合、
外気は一方弁１１から優先的に改質装置１００内部に侵
入するので、改質装置１００の他の部分から侵入するこ
とはない。したがって、停電等の不測の事態において改
質装置１００が緊急停止した場合、改質装置１００内が
負圧になっても改質部２の入口側に設けられた一方弁の
みを介して外気が改質装置１００内に侵入し、この外気
中の酸素は改質部２に残留する水素によって水になり除
去されるので、ＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止でき
る。本燃料電池システム、停電等の不測の事態において
燃料電池システムが緊急停止した場合でもＣＯシフト触
媒の酸化劣化を防止できる改質装置１００が設けられて
いるので、信頼性に優れたシステムである。
【００６１】なお、本実施形態において、一方弁１１は
シャットバルブＶ２と熱交換器４を結ぶ管路に設けられ
ているが、熱交換器４と改質部２を結ぶ管路に設けた
り、改質部２に直接連結して設けてもよい。シャットバ
ルブＶ２と熱交換器４を結ぶ管路や熱交換器４と改質部
２を結ぶ管路に一方弁１１を設ければ、一方弁１１から
侵入した外気が改質部２内で長い経路を通ってＣＯシフ
ト部５に拡散されていくので、侵入した外気中の酸素を
確実に除去できる。
【００６２】図３は第３実施形態の燃料電池システムの
システム図である。本システム図では第１実施形態と同
じ部位には同じ符号を付けるとともに説明は省略する。
また本システム図でも第１実施形態と同様に、本発明に
係わる部分を中心に図示し、他の補機類、制御部などは
省略している。
【００６３】第３実施形態では、管路９に酸素除去部１
２が設けられ、この酸素除去部１２に一方弁１３が設け
られている。一方向弁１３は外気から酸素除去部１２の
方向のみ通過可能なように設けられている。図４は第３
実施形態の酸素除去部１２の断面図である。酸素除去部
１２は、円筒状の外套部１２ａの内部に設けられ、酸素
除去触媒（Ｐｔ触媒）が充填されている触媒層部１２
ｂ、外套部１２ａの一方端に設けられた入口部１２ｃお
よび外套部１２ａの他方端に設けられた出口部１２ｄか
ら構成されている。入口部１２ｃは一方向弁１３に連結
され、出口部１２ｄは管路９に連結されている。出口部
１２ｄは両端開放中空円筒で形成されているが、入口部
１２ｃは有底中空円筒で形成されている。入口部１２ｃ
の触媒層部１２ｂ側が有底になっており、その近くの側
面に直径０．２ｍｍの小径穴１２ｅが２個設けられてい
る。この構造により、急激な外気の流入を防止してい
る。
【００６４】燃料電池システムを正常に停止するとき
は、第１実施形態と同様に行う。停電等の不測の事態に
おいて燃料電池システムを緊急停止する場合も、第１実
施形態と同様に燃焼が停止されるとともに、シャットバ
ルブＶ１〜Ｖ４を遮断する。これにより、改質装置１０
０は外部と完全に遮断された状態となり、内部には改質
されたガス（主成分：水素）が残留した状態になってい
る。酸素除去部１２内の改質装置１００から排出された
改質ガスで充満された状態になっている。
【００６５】改質装置１００内部は、温度低下や水蒸気
の凝縮により負圧になる。改質装置１００内部が負圧に
なると、一方弁１３から空気（外気）が微量づつ酸素除
去部１２に入ってくる。酸素除去部１２に入ってきた空
気中の酸素は、酸素除去部１２の内部に充填されている
酸素除去触媒により内部に残留されているガス中の水素
と反応し水になり除去された後、管路９、ＣＯ選択酸化
部６を介してＣＯシフト部５に拡散していく。ＣＯシフ
ト部５に拡散されたガス中には酸素が存在しないので、
ＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止できる。水素の拡散係
数は、酸素の拡散係数より大きいので、拡散だけを考え
た場合、水素が残留している限り酸素が水素領域に侵入
することはない。この作用は他の実施形態でも同様に作
用する。
【００６６】改質装置１００内部が負圧になった場合、
外気は一方弁１３から優先的に改質装置１００内部に侵
入するので、改質装置１００の他の部分から侵入するこ
とはない。したがって、停電等の不測の事態において改
質装置１００が緊急停止した場合、改質装置１００内が
負圧になっても、改質装置１００の出口側に連結された
酸素除去部１２に設けられた一方弁１３のみを介して外
気が改質装置１００内に侵入し、この外気中の酸素は酸
素除去部１２に残留する水素によって水になり除去され
るので、ＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止できる。本燃
料電池システム、停電等の不測の事態において燃料電池
システムが緊急停止した場合でもＣＯシフト触媒の酸化
劣化を防止できる改質装置１００が設けられているの
で、信頼性に優れたシステムである。
【００６７】本実施形態では、万一、酸素除去部１２で
酸素が完全に除去できなくても、ＣＯ選択酸化部６にお
いて第１実施形態と同様に外気中の酸素がＣＯ選択酸化
部６に残留する水素と反応して除去される。なお、本実
施形態において、酸素除去部１２はＣＯ選択酸化部６の
出口側の管路９に設けられているが、ＣＯ選択酸化部６
に直接連結して設けてもよい。
【００６８】図５は第４実施形態の燃料電池システムの
システム図である。本システム図では第１実施形態と同
じ部位には同じ符号を付けるとともに説明は省略する。
また本システム図でも第１実施形態と同様に、本発明に
係わる部分を中心に図示し、他の補機類、制御部などは
省略している。
【００６９】第４実施形態では、ＣＯシフト部５の入口
側に酸素除去部１５が設けられ、ＣＯシフト部５の出口
側に酸素除去部１６が設けられている。ＣＯシフト部５
は円筒中空容器で形成されており、酸素除去部１５、１
６はＣＯシフト部５と同じ直径を有する円盤状で、それ
ぞれＣＯシフト部５の入口側、出口側の全面にわたるよ
うに、すなわち酸素除去部１５、１６を通過することな
しにはガスが侵入できないように設けられている。ＣＯ
シフト部５と酸素除去部１５または酸素除去部１６の接
合部はガスケットでシールされている。酸素除去部１
５、１６には酸素除去触媒（Ｐｔ触媒）が充填されてい
る。
【００７０】燃料電池システムを正常に停止するとき
は、第１実施形態と同様に行う。停電等の不測の事態に
おいて燃料電池システムを緊急停止する場合も、第１実
施形態と同様に燃焼が停止されるとともに、シャットバ
ルブＶ１〜Ｖ４を遮断する。これにより、改質装置１０
０は外部と完全に遮断された状態となり、内部には改質
されたガス（主成分：水素）が残留した状態になってい
る。
【００７１】改質装置１００内部は、温度低下や水蒸気
の凝縮により負圧になる。改質装置１００内部が負圧に
なると、改質装置１００の各部の結合部分等から空気
（外気）が微量づつ改質装置１００内部に入ってくる。
改質装置１００内部に入ってきた空気中は徐々に酸素除
去部１５または酸素除去部１６に拡散していく。酸素除
去部１５または酸素除去部１６に侵入してきた空気中の
の酸素は、酸素除去触媒により内部に残留されているガ
ス中の水素と反応し水になり除去された後、ＣＯシフト
部５に拡散していく。ＣＯシフト部５に拡散されたガス
中には酸素が存在しないので、ＣＯシフト触媒の酸化劣
化を防止できる。
【００７２】したがって、停電等の不測の事態において
改質装置１００が緊急停止した場合、改質装置１００内
が負圧になって外気が改質装置１００内に侵入しても、
この外気中の酸素はＣＯシフト部５の入口側および出口
側に設けられた酸素除去部１５、１６中の酸素除去触媒
によって、ここに残留する水素と反応し水になり除去さ
れるので、ＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止できる。本
燃料電池システム、停電等の不測の事態において燃料電
池システムが緊急停止した場合でもＣＯシフト触媒の酸
化劣化を防止できる改質装置１００が設けられているの
で、信頼性に優れたシステムである。
【００７３】なお、ＣＯシフト部５と酸素除去部１５ま
たは酸素除去部１６の接合部はガスケットでシールして
いるが、ＣＯシフト部５、酸素除去部１５、酸素除去部
１６を一つの中空円筒の中に形成してもよい。シールす
る構造では製造が容易で、かつ保守性に優れている。一
つの中空円筒の場合はＣＯシフト部５と酸素除去部１５
または酸素除去部１６の間から外気が侵入する恐れが全
くない。
【００７４】第１〜４実施形態では、改質触媒としてＲ
ｕ触媒を、ＣＯシフト触媒としてＣｕ−Ｚｎ触媒を、Ｃ
Ｏ選択酸化触媒としてＰｔ触媒を、酸素除去触媒として
Ｐｔ触媒を使用しているが、特に限定されず、それぞれ
の機能を奏するものを適宜利用できる。例えば、改質触
媒としてＲｈ触媒、Ｎｉ合金触媒などが、ＣＯシフト触
媒としてＮｉ合金触媒が、ＣＯ選択酸化触媒としてＲｕ
触媒、Ｐｔ触媒などが、酸素除去触媒としてＰｄ触媒、
Ｒｈ触媒、Ｒｕ触媒などが利用できる。
【００７５】また、第１〜４実施形態で示した改質装置
の具体的な構造だけでなく、本発明の技術的思想を実現
できる改質装置および燃焼電池システムには、すべて利
用可能である。例えば、改質部、ＣＯシフト部、ＣＯ選
択酸化部が直結していない構造にも利用できる。また、
ＣＯシフト部でＣＯが十分低減できたり、燃料電池の耐
被毒性が向上した場合には、第１実施形態を除いて、Ｃ
Ｏ選択酸化部が存在しない構造にも利用できる。
【００７６】
【発明の効果】以上のように、本発明は、改質原料から
水素を生成する改質部と、水蒸気と前記改質部で生成さ
れるガス中の一酸化炭素から水素と二酸化炭素を生成す
るＣＯシフト部が設けられた改質装置において、前記Ｃ
Ｏシフト部に侵入しようとする外気中の酸素を前記改質
装置内部に残留する水素により除去することを特徴とす
る改質装置およびこの改質装置と、該改質装置によって
改質された改質ガスを燃料ガスとして発電する燃料電池
が設けられていることを特徴とする燃料電池システムで
あるので、停電等の不測の事態において改質装置が緊急
停止した場合でもＣＯシフト触媒の酸化劣化を防止で
き、信頼性に優れた改質装置および燃料電池システムを
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムのシステム
図。
【図２】第２実施形態の燃料電池システムのシステム
図。
【図３】第３実施形態の燃料電池システムのシステム
図。
【図４】第３実施形態の酸素除去部の断面図。
【図５】第４実施形態の燃料電池システムのシステム
図。
【符号の説明】
２…改質部 ５…ＣＯシフト部 ６…ＣＯ選択酸化部 ８、１１、１３…一方向弁 １２、１５、１６…酸素除去部 １００…改質装置 ２００…燃料電池

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 改質原料から水素を生成する改質部と、
    水蒸気と前記改質部で生成されるガス中の一酸化炭素か
    ら水素と二酸化炭素を生成するＣＯシフト部が設けられ
    た改質装置において、前記ＣＯシフト部に侵入しようと
    する外気中の酸素を前記改質装置内部に残留する水素に
    より除去することを特徴とする改質装置。
  2. 【請求項２】 前記ＣＯシフト部から排出されるガス中
    のＣＯを選択的に酸化するＣＯ選択酸化部が設けられ、
    外気から前記ＣＯ選択酸化部の方向のみ通過可能な一方
    向弁が前記ＣＯ選択酸化部に設けられていることを特徴
    とする請求項１記載の改質装置。
  3. 【請求項３】 前記改質部に、外気から前記改質部の方
    向のみ通過可能な一方向弁が設けられていることを特徴
    とする請求項１記載の改質装置。
  4. 【請求項４】 前記改質装置の出口側に連結された酸素
    除去部が設けられ、外気から前記酸素除去部の方向のみ
    通過可能な一方向弁が前記酸素除去部に設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の改質装置。
  5. 【請求項５】 前記ＣＯシフト部の入口側および出口側
    に酸素除去部が設けられていることを特徴とする請求項
    １記載の改質装置。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の改質装
    置と、該改質装置によって改質された改質ガスを燃料ガ
    スとして発電する燃料電池が設けられていることを特徴
    とする燃料電池システム。
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