JP2005216615A - 燃料処理装置及び燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 運転を停止する際でもパージする必要のない燃料処理装置及び燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】 原料燃料ｍと、改質剤ｓとを供給して原料燃料ｍを改質し、改質ガスｒを生成する改質部であって改質剤ｓが改質用水又は空気の少なくともどちらか一方である改質部４と；改質部４を加熱する燃焼部５と；改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスｇを生成する一酸化炭素低減部６と；一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部６の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段９と；一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部温度検知手段９によって検知される温度に応じて電気を入切する電気ヒータ１０と；一酸化炭素低減ガスｇを、一酸化炭素低減部から導出する一酸化炭素低減ガス導出流路１７を閉止する一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段１１とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料処理装置及び燃料電池発電システムに関し、特に運転を停止する際でもパージする必要のない燃料処理装置及び燃料電池発電システムに関するものである。

都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬや灯油のような原料燃料を燃料処理装置により水素に富む燃料ガスを生成し燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の空気極に供給して電気化学的反応により発電する燃料電池発電システムや、燃料電池発電電力と燃料電池の発電排熱等の排熱を熱エネルギーとして回収して供給する燃料電池コージェネレーションシステム等では、燃料処理装置の運転方法は、燃料処理装置の寿命、ひいてはシステム全体の寿命並びに経済性や利便性にとって重要である。

例えば、燃料処理装置の停止に際して、燃料処理装置が冷えて内部の水蒸気が結露すると、改質触媒や一酸化炭素低減触媒は結露水や外部から吸入された空気に曝されることで劣化することがあった。これを防ぐために、従来の燃料処理装置では、燃料処理装置を停止する際に、例えば、窒素等の不活性ガスや、原料燃料が気体燃料の場合には原料燃料をパージガスとして用いて燃料処理装置内をパージして閉止することがあった（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２８８９３０号公報 （第６−７頁、第１−３図）

しかしながら、例えば、燃料電池システムの発電規模が２０ｋＷ以下のような小規模の燃料電池発電システムの場合、特にＤＳＳ運転（１日に１回以上の起動停止を行う運転）で運用される燃料処理装置、燃料電池発電システムや燃料電池コージェネレーションシステムの場合、いわゆる分散発電設備として広くオフィスビル、店舗や家庭に分散設置されるので、パージガスの管理や補充の面から窒素等不活性パージガスを用いる方式では、装置が大型化する等の理由で現実的とは言えない。また、例えば、原料燃料をパージガスとして用いる方式は、原料燃料が都市ガス等の気体燃料の場合用いることができるが、原料燃料が灯油等液体燃料の場合では用いることが出来ず、実用上問題を抱えていた。

そこで本発明は、運転を停止する際でもパージする必要のない燃料処理装置及び燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料処理装置は、例えば図１に示すように、原料燃料ｍと、改質剤ｓとを供給して原料燃料ｍを改質し、改質ガスｒを生成する改質部であって、改質剤ｓが改質用水又は空気の少なくともどちらか一方である改質部４と；改質部４を加熱する燃焼部５と；改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスｇを生成する一酸化炭素低減部６と；一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部６の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段９と；一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部温度検知手段９によって検知される温度に応じて電気を入切する電気ヒータ１０と；一酸化炭素低減ガスｇを、当該一酸化炭素低減部６から導出する一酸化炭素低減ガス導出流路１７を閉止する一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段１１とを備えるように構成されている。

このように構成すると、一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段１１が一酸化炭素低減ガスｇを導出する一酸化炭素低減ガス導出流路１７を閉止し、電気ヒータ１０が一酸化炭素低減部６の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段９によって検知される温度に応じて電気を入切するので、燃料処理装置が冷えて内部の水蒸気が結露したり、燃料処理装置内が空気に曝されることがなく、運転を停止する際でもパージする必要のない燃料処理装置を提供することができる。

また請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料処理装置では、例えば図２に示すように、一酸化炭素低減部６は、改質ガスｒ中の一酸化炭素を変成する変成触媒を充填した変成触媒充填層７２、７４を有する変成部７と、改質ガスｒ中の一酸化炭素を除去する選択酸化触媒を充填した選択酸化触媒充填層８２を有する選択酸化部８とを含んで構成され；選択酸化部８は、変成部７よりも低温側に配設され；一酸化炭素低減部温度検知手段９は、選択酸化触媒充填層８２の温度を検知するように取り付けられ；電気ヒータ１０は、変成触媒充填層７２、７４の略重心付近を加熱するように構成してもよい。

このように構成すると、一酸化炭素低減部温度検知手段９は相対的に低温となりやすい選択酸化部８の温度を検知し、電気ヒータ１０は変成触媒充填層７２、７４の略重心付近を加熱するするので、一酸化炭素低減部６内は満遍なく加熱され、温度分布が最適化され、よって外部への熱ロスが少ない。

また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の燃料処理装置では、例えば図１に示すように、電気ヒータ１０の電気の入切と一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段１１の開閉を制御する制御装置１２とを備え；制御装置１２は、例えば図３に示すように、原料燃料ｍと改質剤の供給を停止する際（Ｓ３００）に、一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段１１を閉とし（Ｓ３０２）、一酸化炭素低減部温度検知手段９の検知する温度が第１の温度（例えば、図４に示す電気ヒータ通電開始温度Ｔ１）まで低下した際（Ｓ３０４）に、電気ヒータを入とし（Ｓ３０６）；一酸化炭素低減部温度検知手段９の検知する温度が第１の温度（例えば、図４に示す電気ヒータ通電開始温度Ｔ１）よりも高い第２の温度（例えば、図４に示す電気ヒータ通電停止温度Ｔ２）まで上昇した際に（Ｓ３０８）電気ヒータ１０を切とする（Ｓ３１０）ように構成してもよい。

典型的には、第１の温度（例えば、図４に示す電気ヒータ通電開始温度Ｔ１）は、燃料処理装置１内部に残留するガスが、冷却されその水蒸気分圧が飽和水蒸気圧になる温度すなわち該ガスの露点温度よりもやや高い温度であり、好ましくは７０℃から１８０℃、さらに好ましくは９０℃から１２０℃である。

典型的には、第２の温度（例えば、図４に示す電気ヒータ通電停止温度Ｔ２）は、第１の温度（例えば、図４に示す電気ヒータ通電開始温度Ｔ１）よりも高い温度であり、電気ヒータ１０の性能等を考慮して、適度に電気ヒータの入切が行われる程度に設定すればよく、好ましくは第１の温度（例えば、図４に示す電気ヒータ通電開始温度Ｔ１）より１０℃から５０℃、さらに好ましくは２０℃から４０℃程度高い温度である。

上記目的を達成するために、請求項４に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料処理装置１と；一酸化炭素低減ガスｇと酸化剤ガスｔとの電気化学的反応により発電する燃料電池１３０とを備えるように構成されている。

このように構成すると、運転を停止する際でもパージする必要のない燃料電池発電システムを提供することができる。

以上のように本発明によれば、原料燃料ｍと、改質剤ｓとを供給して原料燃料ｍを改質し、改質ガスｒを生成する改質部であって、改質剤ｓが改質用水又は空気の少なくともどちらか一方である改質部４と；改質部４を加熱する燃焼部５と；改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスｇを生成する一酸化炭素低減部６と； 一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部６の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段９と；一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部温度検知手段９によって検知される温度に応じて電気を入切する電気ヒータ１０と；一酸化炭素低減ガスｇを、当該一酸化炭素低減部６から導出する一酸化炭素低減ガス導出流路１７を閉止する一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段１１とを備えるので、運転を停止する際でもパージする必要のない燃料処理装置及び燃料電池発電システムを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１中、破線は制御信号を表す。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００を説明するブロック図である。燃料電池発電システム１００は、図２で詳細に構成を説明する本発明の第２の実施の形態に係る燃料処理装置１と、燃料処理装置１によって生成される一酸化炭素低減ガスｇと酸化剤ガスｔとの電気化学的反応により発電する燃料電池１３０とを備える。

燃料処理装置１は、都市ガス、灯油などの原料燃料ｍを供給する原料燃料供給部２と、原料燃料ｍを燃焼するための燃焼空気ａを供給する燃焼空気供給部３と、原料燃料ｍと改質剤、本実施の形態では改質用水ｓを供給して原料燃料ｍを改質し、水素に富む改質ガスｒを生成する改質部４と、改質部４を加熱する燃焼部５と、改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスｇを水素に富む燃料ガスとして生成する一酸化炭素低減部６とを備えている。

燃料処理装置１は、さらに、一酸化炭素低減部６に取り付けられ、一酸化炭素低減部６の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段としての温度測定器９と、一酸化炭素低減部６に取り付けられ、温度測定器９によって検知される温度に応じて電気を入切する電気ヒータ１０と、一酸化炭素低減ガスｇを当該一酸化炭素低減部６から導出する一酸化炭素低減ガス導出流路１７を閉止する一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段としての一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１と、温度測定器９によって検知される温度に基づいて電気ヒータ１０の電気の入切と一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１の開閉とを制御する制御装置１２を備える。なお、本実施の形態では、制御装置１２は、電気ヒータ１０、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１の制御の他にも、燃料電池発電システム１００を構成する各部分の制御も行うように構成されており、これにより燃料電池発電システム１００をより合理的な構成とすることができる。

原料燃料供給部２は、都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬや灯油のような原料燃料ｍを定量的に供給するように構成されている。原料燃料ｍを貯蔵するタンクを備えていてもよいし、原料燃料ｍを系外から導入してもよい。都市ガスやＬＰＧのように供給元の気体の圧力が高く維持されている場合には、流量調節弁を備える。供給元の圧力が高くない場合には、ブロワを備え、原料燃料を改質部４内へ供給するための圧力を確保する。また、ＧＴＬや灯油のように原料燃料ｍが液体の場合には、定量ポンプを備えてもよいし、流量調節機能を有さないポンプと流量調節弁とを備えてもよい。原料燃料供給部２は、典型的には、制御装置１２からの指示信号ｉ１により、その原料燃料供給量の増減を制御されている。

燃焼空気供給部３は、燃焼部５での燃焼で消費される酸素を供給する装置である。ブロワにより大気を燃焼空気ａとして送り込む構成でよく、大気中の浮遊物の混入を防止するためのフィルターを有するのが好適である。また、燃焼空気ａの供給量を調整するための流量調整弁を有するのが好適である。燃料電池発電システム１００では、配管１４を介して燃焼部５と接続されているが、燃焼部５に直接接続されていてもよい。

改質部４は、原料燃料ｍと改質用水ｓから改質反応により水素に富む改質ガスｒを生成するように構成されている。改質反応は、高温下において改質触媒（不図示）により原料燃料ｍ中の炭化水素と水分とから、水素と二酸化炭素、一酸化炭素を生成する反応である。改質反応は、吸熱反応であり、改質反応のために外部より熱を供給する必要がある。改質部４は、改質触媒を収容した略円筒形状とするのが、強度的にも製造上も好適である。ただし、高温に保つために、その内部に、後述する燃焼部５が配置されているとよい。

燃焼部５は、灯油、都市ガス、ＬＰＧなどの原料燃料ｍ、あるいは燃料電池１３０のアノードオフガスｐと多種の燃料に対応できるバーナーノズルを有している。あるいはそれぞれ異なるバーナーノズルを有していてもよい。燃焼部５は、定常運転時には、燃料電池１３０のアノード極のオフガスであるアノードオフガスｐを燃料として燃焼空気ａと共に燃焼させて、改質部４を加熱するように構成されている。原料燃料ｍが灯油などの液体であるときに備え、好適には気化器を有している。燃焼部５は、改質部４を加熱する装置であるので、改質部４と一体で形成されることが好ましく、改質部４の中央に配置され、燃焼部５で燃焼することにより周囲の改質部４を加熱する構成としてもよいし、燃焼部５で燃焼した高温ガスが改質部の周囲に流れ改質部４を加熱する構成としてもよく、改質部４を加熱すればどのような構成であってもよい。なお、典型的に、燃焼部５は、起動時には、原料燃料ｍ、一酸化炭素が充分に減じられずに一酸化炭素低減部６から送出される燃焼用ガス（不図示）を燃料として燃焼空気ａと共に燃焼させて、改質部４を加熱するように構成されている。

一酸化炭素低減部６は、図２で後述するように、改質ガスｒ中の一酸化炭素を変成する変成触媒を充填した変成触媒充填層７２、７４（図２参照）を有する変成部７（図２参照）と、改質ガスｒ中の一酸化炭素を除去する選択酸化触媒を充填した選択酸化触媒充填層８２（図２参照）を有する選択酸化部８（図２参照）とを含んで構成されている。変成部７（図２参照）は、一酸化炭素低減部６の前段部として、改質ガスｒ中の一酸化炭素を改質ガスｒ中の水分との変成反応により二酸化炭素と水素を生成するように構成されている。ここで、変成部７により改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減したガスを、特に断りのない限り変成ガスという。選択酸化部８（図２参照）は、一酸化炭素低減部６の後段部として、変成ガス中の一酸化炭素を外部より供給される空気中の酸素との一酸化炭素選択酸化反応により、さらに低減・除去するように構成されている。ここで、変成部７により改質ガスｒ中の一酸化炭素を低減した変成ガス及び選択酸化部８により変成ガス中の一酸化炭素をさらに低減・除去した選択酸化ガスを、特に断りのない限り広義に一酸化炭素低減ガスｇといい、本実施の形態では、燃料電池１３０等の燃料ガスとして用いていることとしている。

燃料電池１３０として、例えば固体高分子形燃料電池を用いると、燃料ガス中の一酸化炭素により、アノード極（燃料極）のプラチナＰｔ触媒が被毒し、発電効率の低下が起こるという問題がある。そこで、一酸化炭素に対する選択酸化性が高い選択酸化触媒を用いて、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化するのである。なお、本実施の形態では、燃料処理装置１は変成部７と選択酸化部８とを備え、一酸化炭素を低減・除去しているが、いずれか一つだけを備える構成としても、一酸化炭素濃度が低減・除去されればよい。ただし、変成部７と選択酸化部８とを備えることにより、変成部７で、一酸化炭素濃度が低減させられると共に、燃料としての水素濃度が高められ、さらに、選択酸化部８で一酸化炭素濃度が充分に低下させられるので、好適である。

温度測定器９は、例えば熱電対、サーミスタ、赤外式温度計等を用い、典型的には選択酸化触媒充填層８２（図２参照）の温度を検知するように取り付けられている。温度測定器９には、検知した温度を温度信号ｉ３として制御装置１２に伝達する信号ケーブルが配線され、温度測定器９は、当該温度信号ｉ３を制御装置１２に送信するように構成されている。

電気ヒータ１０は、例えば、抵抗率が大きく、融点が高く、酸化しにくい抵抗線に電流を通し、電気エネルギーを熱エネルギーに変えてその発熱を利用し、典型的には変成触媒充填層７２、７４（図２参照）を加熱するように取り付けられている。電気ヒータ１０には、温度信号ｉ３に基づいて制御装置１２から送信される電気ヒータ通電信号ｉ２を伝達する信号ケーブルが配線され、電気ヒータ１０は、当該電気ヒータ通電信号ｉ２を受信し、電気を入切するように構成されている。

一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１は、ソレノイドあるいはモータ駆動により作動し、一酸化炭素低減ガス導出流路１７を閉止することで、一酸化炭素低減ガス導出流路１７を介して一酸化炭素低減部６から導出する一酸化炭素低減ガスｇの流れを停止させるように構成されている。一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１には、制御装置１２から送信される弁開閉信号ｉ４を伝達する信号ケーブルが配線され、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１は、当該弁開閉信号ｉ４を受信し、開閉することにより一酸化炭素低減ガス導出流路１７を閉止・開放するように構成されている。

燃料電池１３０は、水素に富む一酸化炭素低減ガスｇを燃料ガスとしてアノード極（不図示）に導入し、酸化剤ガスｔとしての空気等をカソード極（不図示）に導入して発電を行う装置で、例えば固形高分子形燃料電池が好適に用いられるが、他の形の燃料電池であってもよい。アノード極に導入された一酸化炭素低減ガスｇ中の水素は、カソード極の酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して、水蒸気となるが、水素が総て消費されることはなく、残留水素を含むアノードオフガスｐを排出する。燃料電池１３０で発電された電力は、電力ケーブル１３１を通じて、外部の電気需要（不図示）に供給される。燃料電池１３０は、典型的には、制御装置からの制御信号ｉ５により、その発電電流量の増減を制御されている。

制御装置１２は、上述したように温度信号ｉ３に基き電気ヒータ１０に電気ヒータ通電信号ｉ２を、燃料電池発電システム１００、燃料処理装置１の停止の際に一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１に弁開閉信号ｉ４をそれぞれ送信するように構成されている。典型的には、制御装置１２は、原料燃料供給部２が供給する原料燃料を停止する旨の指示信号ｉ１を原料燃料供給部２に送信する際、好ましくは略同時に一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１を閉止する旨の弁開閉信号ｉ４を送信するように構成されている。

なお、上述した各部は配管、流路等により適宜接続されている。原料燃料供給部２から改質部４に改質原料注入流路１３が、燃焼空気供給部３から燃焼部５に前述した配管１４が敷設される。また、燃焼部５には、燃焼した後の排ガスを放出するための配管１５が接続される。改質部４と一酸化炭素低減部６との間には連結流通管１６が敷設される。一酸化炭素低減部６に接続された前述の一酸化炭素低減ガス導出流路１７は一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１に接続し、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１からは燃料電池１３０に至る配管１８が敷設される。配管１９は、燃料電池１３０と燃焼部５との間に敷設され、燃料電池１３０のアノード極のオフガスであるアノードオフガスｐは、配管１９を介して燃焼部５に供給される。さらに、改質部４には、改質反応に用いられる水分である改質用水ｓを供給する第１改質用水注入流路２０も接続される。
以下では燃料処理装置１の具体的な構成について詳細に説明する。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料処理装置１の具体的な構成を説明するための縦断面図であり、特に改質部４、燃焼部５、一酸化炭素低減部６の構成を示す部分縦断面図である。

改質部４は、略円筒形状に形成された改質部内側円筒体４１と、改質部内側円筒体４１の外側に間隔をあけて改質部内側円筒体４１と同軸に配置された改質部外側円筒体４２と、改質部内側円筒体４１と改質部外側円筒体４２とによって画成された改質触媒充填層４３とを含んで構成されている。改質触媒充填層４３は、当該画成された空間に、略円環体状に改質触媒が充填されている。改質触媒充填層４３に充填される改質触媒は、改質反応を促進するものであれば何でもよく、例えば触媒の種類としてＮｉ系改質触媒やＲｕ系改質触媒などが用いられる。また、改質触媒の形状は、効率的に反応を行うために粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状とするとよい。

燃焼部５は、改質部内側円筒体４１と同軸に配置され、供給される燃料を燃焼させるバーナー５１と、バーナー５１と同軸に配置された燃焼円筒体５２と、燃焼円筒体５２によって周壁が形成される燃焼室５３と、燃焼円筒体５２と改質部内側円筒体４１とによって画成される燃焼ガス流路５４とを含んで構成されている。

燃焼円筒体５２と改質部外側円筒体４２との間隙には、バッフル板２００と燃焼ガス流路５４の出口２０１が設けられている。出口２０１は、上述の燃焼した後の排ガスを放出するための配管１５（図１参照）に接続されている。バッフル板２００は、燃焼ガス流路５４での燃焼ガスの流れ分布を均一化させるもので、その構造は円環状で、多数の孔が形成されている。さらに、改質部内側円筒体４１のバーナー５１が取り付けられている面と対向する面には隔壁５７が取り付けられている。隔壁５７は、燃焼ガス流路５４と改質ガス流路４４とを隔離するもので、耐熱性の高い金属材料等で形成されている。さらに、燃焼室５３と隔壁５７の間には、断熱材５８が配設されている。断熱材５８は、改質部４を出た改質ガスと燃焼ガスとの間の熱伝達を抑制する。なお、バーナー５１の詳細に関する図示は省略している。

また、改質部外側円筒体４２のバーナー５１と対向する面には、外側円筒体底面４５が配設されており、外側円筒体底面４５は中央部に連結流通管１６に通じる開口部を有している。連結流通管１６は、改質部４の外側円筒体底面４５と、次に説明する一酸化炭素低減部６の第１変成部円筒体７１の外側円筒体底面４５と対向する面に配設される第１変成部円筒体上面７５とを連結するもので、例えば連結流通管１６の軸方向に伸縮するコルゲート形伸縮管を用いる。連結流通管１６にコルゲート形伸縮管を用いると、伸縮管の軸方向の変形によって改質部４と一酸化炭素低減部６の熱伸縮を吸収可能なので、外側円筒体底面４５と第１変成部円筒体上面７５には剛性の高い材料を用いても良い。

一酸化炭素低減部６は、上述したように変成部７と選択酸化部８とを含んで構成されている。本実施の形態では、変成部７は、略円柱状に形成された第１変成触媒充填層７２を収容した第１変成部円筒体７１と、第２変成触媒充填層７４を収容した第２変成部円筒体７３とを含んで構成されている。第１変成部円筒体７１、第１変成触媒充填層７２、第２変成部円筒体７３及び第２変成触媒充填層７４は、ともに改質部内側円筒体４１等と略同軸に配置されている。

また、一酸化炭素低減部６は、第１変成触媒充填層７２が配置されている側、すなわち第１変成部円筒体上面７５側で連結流通管１６を介して改質部４に接続されている。第１変成部円筒体上面７５と第１変成触媒充填層７２の間隙には、ガス分散板２０２が配設されている。ガス分散板２０２は、連結流通管１６から流れてくる改質ガスが均一に第１変成触媒充填層７２に流れるように多孔板が用いられる。第２変成部円筒体７３の第１変成部円筒体上面７５と反対側の面には、第２変成部円筒体底面７６が配設されている。

さらに、第２変成部円筒体７３、第２変成触媒充填層７４の円形部の半径は、第２変成部円筒体７３の外周に沿って次に説明する選択酸化部８が配置されているため、第１変成部円筒体７１、第１変成触媒充填層７２にと比べてやや短くなっている。

第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４にはそれぞれ第１変成触媒、第２変成触媒が充填されている。第１変成触媒充填層７２に用いる第１変成触媒としては、例えばＦｅ−Ｃｒ系の高温変成触媒やＰｔ系の中高温変成触媒などがある。第２変成触媒充填層７４に用いる第２変成触媒としては、例えばＣｕ−Ｚｎ系低温変成触媒やＰｔ系低温変成触媒などがある。第１変成触媒充填層７２と第２変成触媒充填層７４に用いられる触媒の形状としては、粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。

第１変成触媒充填層７２と第２変成触媒充填層７４との間隙には、円環状バッフル板２０３が設置されており、当該円環状バッフル板２０３は円環の中心部にガス分散板２０４が設けられている。ガス分散板２０４は、ガス分散板２０２と同様に、第１変成触媒充填層７２から流れてくる変成ガスが均一に第２変成触媒充填層７４に流れるように多孔板が用いられる。

選択酸化部８は、第２変成部円筒体７３の外周に沿って同軸円筒状に位置し、略円筒形状に形成された選択酸化部円筒体８１と、選択酸化部円筒体８１に収容され、略円環状に形成された選択酸化触媒充填層８２とを含んで構成されている。選択酸化部円筒体８１は、典型的には第１変成部円筒体７１と連続的に形成されており、第１変成部円筒体上面７５と反対側の面には、選択酸化部円筒体底面８３が配設されている。選択酸化部円筒体底面８３は、中央部から若干ずれた位置に、上述した一酸化炭素低減ガス導出流路１７に通じる開口部を有している。また、選択酸化部円筒体８１の選択酸化部円筒体底面８３と対向する面は、円環状バッフル板２０３によって蓋をされたように構成されている。

なお、選択酸化触媒充填層８２は、典型的には選択酸化部円筒体８１とさらに内側に形成される壁とによって画成され、本実施の形態では選択酸化部円筒体８１と第２変成部円筒体７３とによって画成されている。

また、選択酸化触媒充填層８２には選択酸化触媒が充填されており、選択酸化触媒充填層８２に用いる選択酸化触媒としては、ＣＯに対する選択酸化性が高いものであれば何でもよく、例えばＰｔ系選択酸化触媒、Ｒｕ系選択酸化触媒やＰｔ−Ｒｕ系選択酸化触媒などがある。選択酸化触媒充填層８２に用いられる触媒の形状として粒状、円柱状、ハニカム状やモノリス状などが挙げられる。

第２変成部円筒体７３の内側には、略円筒形状に形成され、第２変成部円筒体７３と軸方向を同じくする内円筒体２０５が配設されている。内円筒体２０５は、軸方向と直交する方向では、選択酸化部円筒体底面８３の一酸化炭素低減ガス導出流路１７に通じる開口部とほぼ等しい位置に配設されている。内円筒体２０５は、第２変成触媒充填層７４を貫通し、第２変成部円筒体７３内の第２変成部円筒体底面７６側と選択酸化部円筒体８１内の円環状バッフル板２０３側とを、内円筒体２０５に対して直交するように形成された管路２０６を介して接続するように構成されている。内円筒体２０５、管路２０６によって形成された空間である変成ガス流路２０７は、第２変成触媒充填層７４を通過した変成ガスを選択酸化触媒充填層８２に導入する流路として機能する。

選択酸化触媒充填層８２の上流側にはガス分散板２１１が配設されている。ガス分散板２１１は、ガス分散板２０２と同様に、第２変成触媒充填層７４から流れてくる変成ガスが均一に選択酸化触媒充填層８２に流れるように多孔板が用いられる。また、選択酸化部８は、選択酸化部円筒体８１の内周面、第２変成部円筒体７３の外周面、第２変成部円筒体底面７６、選択酸化部円筒体底面８３、並びに一酸化炭素低減ガス導出流路１７の内周面によって形成される選択酸化ガス導出流路８４を備えている。選択酸化ガス導出流路８４は、選択酸化触媒充填層８２を通過した選択酸化ガスを一酸化炭素低減ガス導出流路１７に導く構成となっている。

一酸化炭素低減ガス導出流路１７の選択酸化ガス出口には、上述した一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１が取り付けられており、起動時、停止時には閉止されると共に、定常運転時には開放にされ、選択酸化触媒充填層８２を通過した選択酸化ガスを燃料ガスとして燃料電池１３０（図１参照）に導入するように構成されている。

選択酸化用の空気を導入するための選択酸化用空気導入管２０８は、選択酸化部円筒体底面８３に一酸化炭素低減ガス導出流路１７ともに二重管状に設けられている。選択酸化用空気導入管２０８の端面であって第２変成部円筒体７３の内側に位置する端面である導入口２０９は、内円筒体２０５の端面であって選択酸化部円筒体底面８３側に位置する端面である開口部２１０の近傍に配置されている。導入口２０９は、好ましくは、開口部２１０の内側に若干挿入された態様で配置されているとよい。選択酸化用の空気の導入口２０９が、開口部２１０の近傍に設置されているので、変成部７にて変成された変成ガスと選択酸化用の空気とが適切に混合されて、選択酸化部８での選択酸化反応が効果的に進行する。

このように第２変成触媒充填層７４と選択酸化触媒充填層８２を同心円状に構成すると、ガスの流れる量が多くなりがちな中心部に第２変成触媒充填層７４が位置しているので、第２変成触媒充填層７４の外周縁部に位置する選択酸化触媒充填層８２に対して改質ガスが均一に流れ、選択酸化反応が均一に進行する。そこで、選択酸化触媒充填層８２に充填される選択酸化触媒の量が最適化されると共に、温度分布も最適化される。

さらに、燃料処理装置１は、連結流通管１６によって連結される改質部４と一酸化炭素低減部６を一体に収容する容器２１２とを備えている。容器２１２は、略円筒形状に形成され、底面には改質用水を燃料処理装置１内に導入するための第１改質用水注入口２１３と一酸化炭素低減ガス導出流路１７と接続するノズルが形成されている。容器２１２は、典型的には、略円筒状の改質部内側円筒体４１、第１変成部円筒体７１等に対して同軸に配設されている。容器２１２の外周及び改質部４、燃焼部５の上面には断熱層２１４が配設されており、断熱層２１４には、例えば真空断熱層が好適である。

改質部外側円筒体４２の外周、第１変成部円筒体７１の外周及び選択酸化部円筒体８１の外周（上述したように第１変成部円筒体７１と選択酸化部円筒体８１とは連続、一体に形成されている）と、容器２１２の内周との間隙には、第１改質用水流路２１５が形成されている。第１改質用水注入口２１３には、前述した第１改質用水注入流路２０（図１参照）が接続されている。第１改質用水注入流路２０は、流量調整弁２１６と第１改質用水注入口２１３を経由して、第１改質用水流路２１５に改質用水を供給する配管である。ドレン電磁弁２１７は、起動時に開放されて第１改質用水流路２１５を改質用水又は水蒸気が逆流することを可能とし、定常運転時には閉止されて、第１改質用水流路２１５に供給された改質用水が外部に洩れないようにする。

第１改質用水流路２１５の第１改質用水注入口２１３とは反対側の端部には混合室２１８が形成されている。混合室２１８は、略円環状に形成され、略円筒状の改質部内側円筒体４１、第１変成部円筒体７１等に対して同軸に配設されている。さらに、混合室２１８は、第１改質用水流路２１５、第２改質用水流路２１９、改質原料流路２２０並びに改質部入口ガス流路２２１が連通しており、定常運転時には改質用水と改質原料が供給されて、改質用水と改質原料の混合されたガスを改質部４に送出するように構成されている。

第２改質用水流路２１９は、混合室２１８と連通されるように設けられているもので、例えば円環状をしている。第２改質用水流路２１９には、分散板２２２と注入口２２３が設けられ、第２改質用水注入流路２２４に設けられた流量調整弁２２５を介して改質用水が供給される。第２改質用水注入流路２２４は、典型的には、第１改質用水注入流路２０（図１参照）と共通のものとするとよい。改質原料流路２２０は、混合室２１８に連通されるように設けられている円環状の流路であり、分散板２２６と注入口２２７が設けられる管路であり、注入口２２７には上述した改質原料注入流路１３（図１参照）が接続されている。

外側円筒体底面４５と第１変成部円筒体上面７５との間隙には、円環状バッフル板２２８が配設されている。円環状バッフル板２２８は、第１改質用水流路２１５の流れを邪魔して、連結流通管１６側に改質用水の流れを導くことで、改質用水の外側円筒体底面４５と第１変成部円筒体上面７５との熱交換を効率良くさせている。熱交換部２２９は、外側円筒体底面４５、第１変成部円筒体上面７５、円環状バッフル板２２８並びに連結流通管１６によって形成される円環状の空間で、改質ガスと第１改質用水との熱交換が行われる。

温度測定器９は、容器２１２の底面、第１改質用水流路２１５、選択酸化ガス導出流路８４を順に貫通し、温度測定器９の先端が選択酸化触媒充填層８２内に位置するように取り付けられている。温度測定器９は、選択酸化触媒充填層８２の温度を測定し、上述のように温度信号ｉ３を制御装置１２に送信する。選択酸化部８は、一酸化炭素低減部６の中でも比較的低温側、典型的には、変成部７よりも相対的に低温側に配設されている。ここで、低温側とは、容器２１２内のバーナー５１から離れた側で、容器２１２の外周部付近、外気に近い側のことをいい、すなわち、選択酸化部８は、変成部７と比較して容器２１２内のバーナー５１から離れた位置で、容器２１２の外周部付近、外気に近い位置に配置される。つまり、温度測定器９は、一酸化炭素低減部６の中でも、比較的に低温となりやすい選択酸化部８の選択酸化触媒充填層８２の温度を検知するように取り付けられるのである。

電気ヒータ１０は、容器２１２の底面、第１改質用水流路２１５、選択酸化ガス導出流路８４、第２変成触媒充填層７４を順に貫通し、電気ヒータ１０の先端が第１変成触媒充填層７２内のガス分散板２０２付近に位置するように取り付けられている。さらに、電気ヒータ１０は、略円柱状に形成されており、第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４と同軸に配置されている。すなわち、電気ヒータ１０は、第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４の略重心付近を加熱するように構成される。ここで、略重心付近とは、物体に働く重力の合力が通る物体内の固定点付近のことをいい、本実施の形態では、電気ヒータ１０は、略重心付近を含む略軸芯を加熱するように構成される。電気ヒータ１０は、前述のように制御装置１２から電気ヒータ通電信号ｉ２を受信し、電気を入切するように構成されている。電気ヒータ１０によって第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４の略軸芯が加熱されるように構成されていることで、図３で後述するように燃料処理装置１の運転が停止され電気ヒータ１０が通電される際に、熱が触媒等を伝熱して一酸化炭素低減部６内を満遍なく温めることができ、温度分布が最適化される。

制御装置１２は、上述したように指示信号ｉ１、電気ヒータ通電信号ｉ２、温度信号ｉ３、弁開閉信号ｉ４等に基き、電気ヒータ１０、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１を制御するように構成されており、さらに、制御装置１２は、以上のように構成される燃料処理装置１の各部を制御するように構成されている。以下では制御装置１２によって制御される燃料処理装置１の運転方法を説明する。

まず起動時における運転方法を説明すると、バーナー５１を着火し、バーナー５１の着火が確認されたら、第２改質用水注入口２２３より起動時熱媒としての第２改質用水を注入し始める。着火後高温の燃焼ガスが、燃焼円筒体５２の底部で折り返し、燃焼ガス流路５４を通過しながら改質触媒充填層４３を予熱すると共に、第２改質用水流路２１９と混合室２１８を流過する起動時熱媒としての第２改質用水を蒸発し過熱する。起動時には一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１を閉に、第１改質用水流路のドレン電磁弁２１７を開にしているので、発生した過熱蒸気が第１改質用水流路２１５を逆流し、一酸化炭素低減部６を予熱する。

改質触媒充填層４３の温度が一定の温度に到達したら、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１を開に、ドレン電磁弁２１７を閉に切り替える。そして、燃料注入口２２７と選択酸化用空気導入管２０８の導入口２０９から、定格負荷時の３０〜５０％程度の原料燃料及び選択酸化用の空気をそれぞれ供給し、燃料の改質を開始する。燃料の改質が始まると、後述する変成反応及び選択酸化反応は発熱反応なので、第１変成触媒充填層７２と第２変成触媒充填層７４と選択酸化触媒充填層８２とが自らの反応発熱によって昇温する。

第２変成触媒充填層７４の温度が一定温度に到達したら、第１改質用水注入口２１３より第１改質用水の注入を開始し、燃料及び選択酸化用空気の導入量を定格流量まで徐々に増加させて、起動状態を終了して定常状態に移行する。

次に、定常運転時における運転状態を説明する。第１改質用水注入口２１３より注入される第１改質用水は、一酸化炭素低減部６の内部を流れるガスと対向流で第１改質用水流路２１５を流過する。第１改質用水流路２１５を流れる第１改質用水は、選択酸化部８、変成部７を冷却すると同時に蒸発し、熱交換部２２９にて改質部４を出た高温の改質ガスによって過熱され、混合室２１８に導かれる。燃料注入口２２７から注入される原料燃料は、灯油など液体燃料の場合には混合室２１８にて第１改質用水の過熱蒸気によって気化され、都市ガスなど気体燃料の場合には予熱される。

一方、第２改質用水注入口２２３より注入される第２改質用水は、第２改質用水流路２１９を流過しながら燃焼ガスによって加熱されて蒸発し、混合室２１８にて第２改質用水及び改質原料の混合ガスと合流し、改質部入口ガス流路２２１を経て改質触媒充填層４３に導かれる。改質触媒充填層４３において主に燃料の水蒸気改質反応が行われる。例えば改質原料がメタンの場合、次式による水蒸気改質反応が行われる。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ ・・・（１）
なお、改質触媒充填層４３への改質反応熱の供給は、燃焼室５３でのバーナー燃料の燃焼熱を熱源として、燃焼円筒体５２からの熱輻射と、燃焼ガス流路５４を流過する燃焼ガスからの熱伝達とによって行われる。

改質部４を出た改質ガスが熱交換部２２９にて減温された後、変成部７の第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４に導かれ、下式の変成反応が行われる。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ ・・・（２）
この変成反応は発熱反応なので、反応温度を低くすれば、有利な点として変成後の改質ガスのＣＯ濃度が低くなる点があり、不利な点として反応速度が遅くなる点がある。そこで、本実施形態では比較的反応温度の高い第１変成触媒充填層７２と、反応温度の低い第２変成触媒充填層７４とを設け、第１変成触媒充填層７２にて反応速度を早くし、第２変成触媒充填層７４にてガスのＣＯ濃度を低くすることで、総合的な変成反応の効率を高めている。

第２変成触媒充填層７４を出た変成ガスは、変成ガス流路２０７等を介して選択酸化触媒充填層８２に導かれ、選択酸化用空気導入管２０８の導入口２０９から導入された選択酸化用の空気との間で下式のＣＯ選択酸化反応が行われる。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ_２ ・・・（３）
選択酸化用空気中の酸素は、反応式（３）により変成ガス中のＣＯを酸化して除去する他に、改質ガス中の水素をも酸化し消費するので、燃料処理装置の水素製造効率、即ち熱効率を高くする上で酸素と水素との酸化反応を抑制することが重要である。

選択酸化触媒充填層８２を通過した選択酸化ガスは、一酸化炭素低減ガス導出流路１７、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１、配管１８（図１参照）を介してを燃料ガスとして燃料電池１３０（図１参照）に導入され、発電に用いられる。一般に、炭化水素の改質ガスを燃料とする燃料電池発電の場合、改質ガス中の水素の７０〜８０％が消費され、残りの水素がアノードオフガスｐ（図１参照）として排出される。本実施の形態では、燃料電池１３０のアノードオフガスｐをバーナー燃料として用いることができる。

次に、図３は、制御装置１２による燃料処理装置１の停止制御について示した流れ図である。本図を参照して燃料処理装置１の運転停止について説明する。なお、構成の符号に関しては適宜図１又は図２を参照するものとする。

燃料処理装置１の運転停止では、まず、制御装置１２は、原料燃料供給部２が供給する原料燃料を停止する旨の指示信号ｉ１を原料燃料供給部２に送信して原料燃料と改質用水の供給を停止する（Ｓ３００）。典型的には、原料燃料と改質用水の供給は略同時に停止され、選択酸化用の空気の供給停止、バーナー５１の消火も実行される。さらに、制御装置１２は、原料燃料と改質用水の供給を停止する際、典型的には指示信号ｉ１を原料燃料供給部２に送信するのと略同時に、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１に、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１を閉止する旨の弁開閉信号ｉ４を送信し、一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１を閉止する（Ｓ３０２）。

原料燃料と改質用水の供給を停止するのと略同時に一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１を閉止し燃料処理装置１と外部との流通を遮断することで、外気が燃料処理装置１へ漏れ込むことを防ぐことができる。さらに、触媒が酸素によって酸化され、徐々に劣化することがなくなる。燃料処理装置１内部には、外部に導出されなかった水素リッチなガスが閉じ込められ、これにより燃料処理装置１内部が非酸化性あるいは還元性雰囲気に維持される。その結果、改質触媒、変成触媒、選択酸化触媒の劣化を防ぎ、また、運転中酸化した各触媒が、燃料処理装置１内部に残留する水素リッチな改質ガスによって還元され、効率的に触媒活性を回復することが出来る。

次に、制御装置１２は、温度測定器９から送信される温度信号ｉ３を受信して、選択酸化触媒充填層８２の温度が第１の温度としての電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下したか否かを判定する（Ｓ３０４）。電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下していなければ、再び温度信号ｉ３を受信して判定を繰り返し、電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下したと判定されたら次段に移行する。ここで、電気ヒータ通電開始温度Ｔ１は、燃料処理装置１内部に残留するガスが、冷却されその水蒸気分圧が飽和水蒸気圧になる温度すなわち該ガスの露点温度よりもやや高い温度であり、これ以下の温度以下になると、水蒸気が凝縮し水滴（結露）ができる。電気ヒータ通電開始温度Ｔ１は、好ましくは７０℃から１８０℃、さらに好ましくは９０℃から１２０℃、最も好ましくは約９０℃程度である。

制御装置１２は、選択酸化触媒充填層８２の温度が電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下したと判定すると、通電を開始する旨の電気ヒータ通電信号ｉ２を電気ヒータ１０に送信し、電気ヒータ１０が入状態となるよう通電を開始する（Ｓ３０６）。電気ヒータ１０は、第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４を中心として、熱が触媒等を伝熱して一酸化炭素低減部６内を満遍なく加熱し、燃料処理装置１内の温度を水蒸気の露点温度以上に維持する。これにより燃料処理装置１内に残留する水蒸気が結露することを防止することができ、例えば、停止時に水分が触媒の表面凹凸部に吸収され、燃料処理装置１の再起動時の温度上昇による水分の蒸発膨張により触媒を崩壊し、触媒が粉化することがなくなる。

次に、制御装置１２は、再び温度測定器９から送信される温度信号ｉ３を受信して、選択酸化触媒充填層８２の温度が第２の温度としての電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇したか否かを判定する（Ｓ３０８）。電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇していなければ、再び温度信号ｉ３を受信して判定を繰り返し、電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇したと判定されたら次段に移行する。ここで、電気ヒータ通電停止温度Ｔ２は、電気ヒータ通電開始温度Ｔ１よりも高い温度であり、電気ヒータ１０の性能等を考慮して、適度に電気ヒータの入切が行われる程度に設定すればよい。電気ヒータ通電開始温度Ｔ１よりも、好ましくは１０℃から５０℃、さらに好ましくは２０℃から４０℃、最も好ましくは約３０℃程度高い温度である。

制御装置１２は、選択酸化触媒充填層８２の温度が電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇したと判定すると、通電を停止する旨の電気ヒータ通電信号ｉ２を電気ヒータ１０に送信し、電気ヒータ１０が切状態となるよう通電を停止する（Ｓ３１０）。その後再びＳ３０４に戻り、以降燃料処理装置１が再起動されるまでＳ３０４からＳ３１０までを繰り返し実行する。これにより、燃料処理装置１内の温度を水蒸気の露点温度以上に維持しつつも、余計な電力を消費することがなく、燃料処理装置１内を過度に加熱してしまうこともなく、経済的にも効果的である。

図４は、本発明による燃料処理装置１の停止時における選択酸化触媒充填層８２の温度の経時変化の一例を示すグラフである。本図では、縦軸を選択酸化触媒充填層８２の温度、横軸を経過時間としている。原料燃料、改質用水供給の停止及び一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁１１の閉止（Ｓ３００、Ｓ３０２）がなされると、定常運転時の温度Ｔ５にあった選択酸化触媒充填層８２の温度は徐々に下降していく。電気ヒータ通電開始温度Ｔ１まで低下すると、電気ヒータ１０への通電を開始し、一酸化炭素低減部６（図３参照）が加熱され、上向きに転じる（Ｓ３０４、Ｓ３０６）。電気ヒータ通電停止温度Ｔ２まで上昇すると、電気ヒータ１０への通電を停止し、選択酸化触媒充填層８２の温度は、再び下向きに転じる（Ｓ３０８、Ｓ３１０）。電気ヒータ１０の入切は、燃料処理装置１が再起動されるまで繰り返される。本図中では、グラフが波線状を示している部分がこれに該当し、谷状部が電気ヒータ１０の通電開始、山状部が停止を示している。なお、図中、Ｔ３は停止時の燃料処理装置１内部ガスの露点温度、Ｔ４は停止時の環境温度を示しており、電気ヒータ通電開始温度Ｔ１は、停止時の燃料処理装置１内部ガスの露点温度Ｔ３よりも若干高い温度となっている。

以上で説明した本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００及び燃料処理装置１によれば、燃料処理装置１内を非酸化性あるいは還元性雰囲気に保ち、さらに燃料処理装置１内の温度を水蒸気の露点温度以上に維持するため、窒素等不活性パージガス等によるパージをすることなく触媒の劣化を防ぐことができ、また、原料燃料が気体燃料、液体燃料いずれの場合にも適用することができる。

また、以上で説明した本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００及び燃料処理装置１によれば、パージをする必要がないため、パージガスの管理や補充をする煩わしさがなく、装置も小型化することができるので、いわゆる分散発電設備として広くオフィスビル、店舗や家庭に分散設置する場合にも適しており、また、設置作業も容易に行うことができる。

さらに、以上で説明した本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００及び燃料処理装置１によれば、通常、起動時間及び起動時消費熱量は、燃料処理装置、また燃料処理装置の中でも一酸化炭素低減部６の昇温条件によって支配されるが、停止時に電気ヒータ１０により一酸化炭素低減部６の温度が露点温度以上に維持されているため、再起起動時間が短く、再起動時の昇温に使われる熱量も少なくてすむ。これにより利便性も向上する。

また、以上で説明した本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム１００及び燃料処理装置１によれば、家庭やオフィスビルに設置されＤＳＳ方式で運用される場合、停止状態がほとんど深夜時間帯にあるので、燃料処理装置１の電気ヒータ１０が通電状態になった時に、消費する電力が価格の非常に安い深夜電力で、またその消費電力の大部分をもって翌日起動時の消費熱量が減ることから、システムの経済性も高い。

なお、以上で説明した本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係る燃料電池発電システム及び燃料処理装置は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。

以上の説明では、燃料処理装置の改質方式は、改質用水を用いて改質する水蒸気改質方式として説明したが、部分改質方式あるいは自己熱改質方式（オートサーマル方式）とすることができる。部分改質方式は、原料燃料と改質剤としての空気とを混合し、原料燃料を部分燃焼させて水素に富む改質ガスを得る方式である。部分改質方式では、例えば（４）式で示される部分酸化反応が起こる。
ＣＨ_４＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ＋２Ｈ_２ ・・・（４）
原料燃料を直接燃焼させる方式であるため水素発生までの時間を短縮することができる。また、原料燃料と空気のモル比が一定以上であると（５）式で示される反応が起こることがある。
ＣＨ_４＋Ｏ_２→ＣＯ＋Ｈ_２＋Ｈ_２Ｏ・・・（５）
すなわち一酸化炭素、水素に加えて水も生成されるのであるが、この場合でも運転停止時には、電気ヒータ１０による加熱によって燃料処理装置１内の温度を水蒸気の露点温度以上に維持されるため、パージをしなくとも触媒を劣化させることはない。

自己熱改質方式は、原料燃料と水蒸気の混合ガスに空気を混合する方法である。すなわち、改質剤として改質用水と空気の両方を用いる方法であり、触媒の存在下で原料燃料を部分燃焼させて熱を得て、水蒸気改質反応によって水素を得る方式である。この自己熱改質方式によれば、水蒸気改質反応で必要とされる熱を原料燃料の部分酸化反応による燃焼熱で賄うため、バーナー５１等を必要としない燃料処理装置を構成することが可能となり、燃料処理装置、燃料電池発電システムのさらなる小型化に資することとなる。つまり、第１、第２の実施の形態では、燃焼部は、バーナー５１によって燃料を燃焼させることで改質部を加熱するものとして説明したが、ここでの燃焼部は、原料燃料の部分酸化反応によって発生する燃焼熱により、水蒸気改質反応を行う改質部を加熱するように構成されている。

以上の説明では、温度測定器９は、運転停止時に、一酸化炭素低減部６内で相対的に低温となりやすい、つまり一酸化炭素低減部６内で最もはやく露点温度以下となりやすい選択酸化触媒充填層８２（図２参照）の温度を検知するように取り付けられるものとして説明したが、一酸化炭素低減部６の温度を検知すればどこでもよく、変成触媒充填層７２、７４の温度を検知するように構成してもよいし、複数箇所に設けてもよい。

以上の説明では、電気ヒータ１０は、略円筒形状の第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４の略軸芯を加熱するものとして説明したが、例えば、第１変成触媒充填層７２、第２変成触媒充填層７４が略円筒形状ではなく、軸を有さない形状であったとしても、一酸化炭素低減部６内を満遍なく温めるように略重心付近を加熱するとよい。

以上の説明では、一酸化炭素低減部６は、変成部７と選択酸化部８とを含んで構成されるものとして説明したが、改質ガス中の一酸化炭素を十分に低減できるような構成であればよく、例えば選択酸化部８を備えない構成とすることができる。この場合、装置をよりコンパクトな構成とすることができる。

以上の説明では、変成部７は、比較的反応温度の高い第１変成触媒充填層７２と、反応温度の低い第２変成触媒充填層７４とを設け、第１変成触媒充填層７２にて反応速度を早くし、第２変成触媒充填層７４にて改質ガスのＣＯ濃度を低くすることで、総合的な変成反応の効率を高めているが、例えば第２変成触媒充填層７４を設けない構成とすることもでき、この場合も装置をコンパクトな構成とすることができる。

以上の説明では、選択酸化触媒充填層８２は、第２変成部円筒体７３の外周に略円環状に形成されるものとして説明したが、第２変成触媒充填層７４の下流側に直列的に形成してもよく、この場合、装置をより簡明な構成とすることができる。

以上の説明では、燃料処理装置１の改質部４と一酸化炭素低減部６とが互いに連結されており、一酸化炭素低減部６の温度が改質部４の温度より２００〜５００℃程度低いため、運転停止後の自然冷却において一酸化炭素低減部６の温度が改質部４の温度よりも先に燃料処理装置１内に封入されているガスの露点温度に低下することから、温度測定器９及び電気ヒータ１０は、一酸化炭素低減部６のみに設けるものとして説明したが、一酸化炭素低減部６だけでなく改質部４にも電気ヒータを配設してもよいことはいうまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムを説明するブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料処理装置の具体的な構成を説明するための部分縦断面図である。 制御装置による燃料処理装置の停止制御について示した流れ図である。 本発明による燃料処理装置の停止時における選択酸化触媒充填層の温度の経時変化の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 燃料処理装置
２ 原料燃料供給部
３ 燃焼空気供給部
４ 改質部
５ 燃焼部
６ 一酸化炭素低減部
７ 変成部
８ 選択酸化部
９ 温度測定器
１０ 電気ヒータ
１１ 一酸化炭素低減ガス導出流路開閉弁
１２ 制御装置
１７ 一酸化炭素低減ガス導出流路
４３ 改質触媒充填層
７２ 第１変成触媒充填層
７４ 第２変成触媒充填層
８２ 選択酸化触媒充填層
１００ 燃料電池発電システム
１３０ 燃料電池
Ｔ１ 電気ヒータ通電開始温度
Ｔ２ 電気ヒータ通電停止温度
Ｔ３ 露点温度
ｇ 一酸化炭素低減ガス
ｒ 改質ガス
ｓ 改質用水
ｔ 酸化剤ガス

Claims (4)

1. 原料燃料と、改質剤とを供給して原料燃料を改質し、改質ガスを生成する改質部であって、前記改質剤が改質用水又は空気の少なくともどちらか一方である改質部と；
   前記改質部を加熱する燃焼部と；
   前記改質ガス中の一酸化炭素を低減して一酸化炭素低減ガスを生成する一酸化炭素低減部と；
   前記一酸化炭素低減部に取り付けられ、前記一酸化炭素低減部の温度を検知する一酸化炭素低減部温度検知手段と；
   前記一酸化炭素低減部に取り付けられ、前記一酸化炭素低減部温度検知手段によって検知される温度に応じて電気を入切する電気ヒータと；
   前記一酸化炭素低減ガスを、当該一酸化炭素低減部から導出する一酸化炭素低減ガス導出流路を閉止する一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段とを備える；
   燃料処理装置。
2. 前記一酸化炭素低減部は、前記改質ガス中の前記一酸化炭素を変成する変成触媒を充填した変成触媒充填層を有する変成部と、前記改質ガス中の前記一酸化炭素を除去する選択酸化触媒を充填した選択酸化触媒充填層を有する選択酸化部とを含んで構成され；
   前記選択酸化部は、前記変成部よりも低温側に配設され；
   前記一酸化炭素低減部温度検知手段は、前記選択酸化触媒充填層の温度を検知するように取り付けられ；
   前記電気ヒータは、前記変成触媒充填層の略重心付近を加熱する；
   請求項１に記載の燃料処理装置。
3. 前記電気ヒータの電気の入切と前記一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段の開閉とを制御する制御装置を備え；
   前記制御装置は、前記原料燃料と前記改質剤の供給を停止する際に、前記一酸化炭素低減ガス導出流路閉止手段を閉とし、前記一酸化炭素低減部温度検知手段の検知する温度が第１の温度まで低下した際に、前記電気ヒータを入とし；
   前記一酸化炭素低減部温度検知手段の検知する温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度まで上昇した際に前記電気ヒータを切とするよう構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料処理装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料処理装置と；
   前記一酸化炭素低減ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える；
   燃料電池発電システム。
   

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