JP2006143558A

JP2006143558A - 改質装置

Info

Publication number: JP2006143558A
Application number: JP2004339155A
Authority: JP
Inventors: Kouichi Kuwaha; 孝一桑葉; Hitoshi Yoshiguchi; 仁吉口
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】改質装置において、簡単な構成かつ高効率にて一酸化炭素低減部を適切に温度制御する。
【解決手段】改質装置は、燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を内部に充填された触媒によって低減して燃料電池に供給する一酸化炭素低減部（ＣＯ浄化部）９０と、低温流体が流通しＣＯ浄化部９０に隣接して設けられてＣＯ浄化部９０との間で熱交換してＣＯ浄化部９０を冷却する一酸化炭素低減部冷却部（蒸発部）８０とから構成される。ＣＯ浄化部９０は、触媒が充填されている触媒部９１と、ＣＯ浄化部９０に導入される改質ガスを導入し冷却して触媒部に導出する導入マニホールド（冷却マニホールド）９２と、を備えている。導入マニホールド９２は、蒸発部８０の外壁に当接して設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、供給された燃料および水蒸気から改質ガスを生成する改質装置に関する。

改質装置は供給された燃料（例えば天然ガス、ＬＰガス、灯油、メタノールなど）および水蒸気からいわゆる水素リッチな改質ガスを生成するものである。この改質ガスは、例えば、燃料電池の燃料極に供給される。燃料電池は、燃料極に供給された改質ガス中の水素と空気極に供給された空気中の酸素によって発電するものである。

改質装置としては、燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を内部に充填された触媒による発熱反応によって低減して燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、当該改質装置に供給される低温流体が流通し一酸化炭素低減部の外周に設けられて同一酸化炭素低減部との間で熱交換することにより冷却する一酸化炭素低減部冷却部と構成されるものが知られている（特許文献１、２参照）。

特許文献１に記載された燃料電池用ＣＯ除去装置６は、特許文献１の図１および図２に示すように、ＣＯ変成器５で大部分のＣＯが除去された改質ガスを供給する装置本体７内に、改質ガスと接触して改質ガス中のＣＯを除去するＣＯ除去触媒８を充填し、装置本体７に、ＣＯ除去反応に伴う反応熱を冷却除去する冷却管９を付設している。しかし、このＣＯ除去装置６においては、実際には特許文献１の図５に示すように、ＣＯ除去装置６の装置本体７の外壁面７ａに、ジグザグ状の上昇流路を形成するとともに密接する状態で冷却管９が取り付けられている。また、冷却管９に接続された給水管３４に予熱器１１が設けられ、その予熱器１１に、ＣＯ変成器５からＣＯ除去装置６に供給されるＣＯ変成処理後のガスを供給するガス管３５が導入され、ＣＯ変成処理後のガスを予熱用の熱源に利用するように構成されている。

また、特許文献２に記載された固体高分子型燃料電池のＣＯ除去方法及び装置においては、特許文献２の図１に示すように、ＣＯ選択酸化触媒が充填された触媒層３６ａ内を通過する冷却管２５ａ内の圧力をＣＯ選択酸化触媒の冷却に適した温度の飽和蒸気圧力に制御し、冷却管内にＣＯ選択酸化触媒の冷却に適した温度まで予熱した冷却水を加圧して供給し、冷却管内を流れる気液二相流で触媒層を冷却するようになっている。
特開２００２−２９８８９３号公報（第３，４頁、図１−５）特開２００２−１３４１４６号公報（第３−５頁、図１−３）

上述した特許文献１に記載の燃料電池用ＣＯ除去装置においては、予熱器１１において、ＣＯ変成器５からＣＯ除去装置６に供給されるＣＯ変成処理後のガス（すなわちＣＯ除去装置６へ導入前のガス）と、冷却管９に導入される前の水との間で熱交換が行われて、ＣＯ除去装置６へ導入前のガスは降温され冷却管９に導入される水は昇温される。しかし、予熱器１１からＣＯ除去装置６までのガス流路３５から放熱されるため、改質装置としては熱効率が低下するとともに、予熱器１１から冷却管９までの給水管３４からも放熱されるためせっかく予熱された水が降温し、その後ＣＯ除去装置６によって再び昇温されるが改質装置としては熱効率が低下するという問題があった。

また、特許文献２に記載された固体高分子型燃料電池のＣＯ除去方法及び装置においては、冷却管２５ａ内の圧力調整によりＣＯ選択酸化触媒の温度制御が行われているが、この制御を達成するためには十分な冷却水量を確保する必要がある。これを実現するには大流量の流体を加圧するポンプや圧力制御装置が必要となり、また構造体の耐圧性を確保する必要があり、補機動力増加による発電効率の低下、コストアップなどの問題が発生するおそれがあった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、改質装置において、簡単な構成かつ高効率にて一酸化炭素低減部を適切に温度制御することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部から供給された改質ガス中の一酸化炭素を内部に充填された触媒によって低減して燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、低温流体が流通し一酸化炭素低減部に隣接して設けられてその一酸化炭素低減部との間で熱交換してその一酸化炭素低減部を冷却する一酸化炭素低減部冷却部とから構成されている改質装置において、一酸化炭素低減部は、触媒が充填されている触媒部と、その一酸化炭素低減部に導入される改質ガスを導入し冷却して触媒部に導出する冷却マニホールドと、を備え、冷却マニホールドは、一酸化炭素低減部冷却部の外壁に当接して設けられていることである。

また、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、冷却マニホールドは、同冷却マニホールドと一酸化炭素低減部冷却部との間に形成されて熱交換が行われる伝熱部に、導入された改質ガスが直接吹き当たる構造としたことである。

また、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、冷却マニホールドは、触媒部の導入端の直前に連続して設けられていることである。

また、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、冷却マニホールドを、一酸化炭素低減部冷却部に設けた低温流体の導入口に近接させて設けることである。

また、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、低温流体は、前記改質装置もしくは前記改質装置を備えたシステムに供給される流体であることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、改質装置の作動に際して、冷却マニホールドにおいては、導入された改質ガスが一酸化炭素低減部冷却部を流通する低温流体との間で熱交換して降温されて触媒部に導出され、一方低温流体は昇温される。これにより、一酸化炭素低減部冷却部の一部を利用して触媒部に導入される前に改質ガスを適当に降温することができるので、簡単な構成かつ高効率にて一酸化炭素低減部を適切に温度制御することができる。

また、上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、冷却マニホールドと一酸化炭素低減部冷却部との間に形成されて熱交換が行われる伝熱部に、導入された改質ガスが直接吹き当たる構造としたので、改質ガスと低温流体との間の熱交換をより確実かつ高効率にて行うことができる。

また、上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、冷却マニホールドは触媒部の導入端の直前に連続して設けられているので、冷却マニホールドから触媒部までの間にて改質ガスから無駄な放熱が発生するのを確実に防止することができる。これにより、より高効率にて一酸化炭素低減部を適切に温度制御することができる。

また、上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項に係る発明において、冷却マニホールドを一酸化炭素低減部冷却部に設けた低温流体の導入口に近接させて設けるので、冷却マニホールドにおいて改質ガスをより確実に降温させることができる。

また、上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４の何れか一項に係る発明において、低温流体は、前記改質装置もしくは前記改質装置を備えたシステムに供給される流体であるので、既存の装置もしくはシステムの流体を低温流体として利用することができるため、コスト増、大型化を招くことなく、簡単な構成かつ高効率にて一酸化炭素低減部を適切に温度制御することができる。

以下、本発明による改質装置の一実施の形態を適用した燃料電池システムについて説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、燃料電池１０と燃料電池１０に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置２０を備えている。燃料電池１０の燃料極には一酸化炭素浄化部（以下、ＣＯ浄化部という。）９０から改質ガスが供給され、燃料電池１０の空気極には外部からの空気が供給され、燃料電池１０において改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。

改質装置２０は、改質部３０、冷却部４０、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）５０、燃焼部６０、燃焼ガス流路７０、断熱部７５、蒸発部８０およびＣＯ浄化部９０から構成されている。

改質部３０は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。この改質部３０は有底円筒状に形成されており、改質部３０の底板３４を後述する冷却部４０上に当接して同軸に固定されている。

改質部３０の筒部は、外筒３１と、この外筒３１の内側に同軸に配置された内筒３２と、両筒３１，３２の間に同軸に配設されて両筒３１，３２の間の空間を径方向に仕切る筒状の中仕切り３３とを備えている。外筒３１は環状に形成された底板３４の外周端に立設されており、中仕切り３３は底板３４の外周端より内側に立設されている。外筒３１の上端には環状の外側天板３５の外周端が接続されており、その外側天板３５の内周端には内筒３２が垂下している。内筒３２の下端は内側天板３６によって塞がれている。中仕切り３３の上端は外側天板３５から空間をおいて配置されている。底板３４の外筒３１と中仕切り３３との間の部位には、環状マニホールド４３に連通して燃料と水蒸気との混合ガスを導入する混合ガス導入口３４ａが形成されており、底板３４の開口３４ｂは触媒３０ａを支持するフィルタで覆われており、改質ガスを導出する改質ガス導出口として機能する。これにより、改質部３０は、外筒３１と中仕切り３３との間に形成された外側流路と中仕切り３３と内筒３２との間に形成された内側流路から構成される、筒部内部に軸線に沿って延在する環状の改質部折り返し流路Ｒ１を備えることになる。

改質部３０の改質部折り返し流路Ｒ１内には、触媒３０ａ（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガス導入口３４ａから導入された燃料と水蒸気との混合ガスが触媒３０ａによって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は改質ガス導出口３４ｂを通って冷却部４０に導出される。

冷却部４０は、改質部３０から導出された改質ガスを燃料と水蒸気との混合ガスによって降温して導出するものであり、ＣＯシフト部５０上に同軸に固定されている。この冷却部４０は、円筒ハウジング４１、環状に形成されて改質ガス導出口４２ａを有する底板４２、円筒ハウジング４１の上部に設けられて改質ガス導入口４３ａを有する環状マニホールド４３、環状マニホールド４３の底部にそれぞれ配設された内筒４４、マニホールド４５，４６、および両マニホールド４５，４６を連通する複数の熱交換パイプ４７から構成されている。マニホールド４５には燃料と水蒸気（または水）との混合ガスを導入する導入口４５ａが設けられており、マニホールド４６には環状マニホールド４３に連通する導出口４６ａが設けられている。なお混合ガスは蒸発部８０の水導出口８０ｂから導出された水蒸気（または水）に燃料を混合したものである。

混合ガス導入口４５ａから導入された混合ガスは、マニホールド４５、熱交換パイプ４７、マニホールド４６、導出口４６ａ、環状マニホールド４３、および改質部３０の混合ガス導入口３４ａを通って改質部３０に導出される。一方、改質部３０の改質ガス導出口３４ｂを通って導出された改質ガスは、環状マニホールド４３の改質ガス導入口４３ａ、内筒４４および改質ガス導出口４２ａを通ってＣＯシフト部５０に導出される。この時、熱交換パイプ４７を介して混合ガスと改質ガスとの間で熱交換が行われ、混合ガスは改質ガスによって加熱され、改質ガスは降温される。

ＣＯシフト部５０は、冷却部４０から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するものであり、図示しない基台上に固定されている。ＣＯシフト部５０は、円柱状の筐体５１と、筐体５１内に同軸に配置された内筒５２を備えている。内筒５２は、外周端を筐体５１内周面に接続された環状の支持部材５３の内周端に上端が接続されている。筐体５１の上面には改質ガス導入口５１ａが設けられ、筐体５１の側面には改質ガス導出口５１ｂが設けられている。ＣＯシフト部５０の内筒５２内および内筒５２と筐体５１の側壁面との間には触媒５０ａ（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されている。この触媒５０ａは外周縁を外筒５１の内周に取り付けられたフィルタを有する支持部材５４によって支持されている。なお、ＣＯシフト部５０は前述のように一酸化炭素低減部である。

このように構成されたＣＯシフト部５０においては、冷却部４０から導出された改質ガスは、改質ガス導入口５１ａおよび内筒５２内を通り、折り返して内筒５２と筐体５１の側壁面との間の空間および改質ガス導出口５１ｂを通ってＣＯ浄化部９０に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒５０ａにより反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃焼部６０は、改質部３０を加熱する燃焼ガスを生成するものであり、改質部３０の内周壁内に下端部が挿入されて配置されている。この燃焼部６０は、バーナ本体６１とバーナ燃焼部６２とから構成されている。バーナ本体６１は、環状の天板６３の内周端に取り付け固定されている。天板６３の外周端は、内周端が改質部３０の底板３４の外周端に接続されかつ冷却部４０の上面に当接する環状の底板６４の外周端に下端が接続された筒体６５の上端に接続されている。バーナ本体６１は上部から燃焼用燃料、燃焼空気およびオフガスまたは改質ガスを導入し、下部に設けた着火手段（図示省略）によって上部から導入した燃焼用燃料、オフガスまたは改質ガスに着火する。バーナ燃焼部６２は、筒状に形成されており、バーナ本体６１の下部に取り付けられている。バーナ燃焼部６２内において、着火手段によって着火された燃焼用燃料、オフガスまたは改質ガスが燃焼する。

このように構成された燃焼部６０は、バーナ本体６１の上部から導入された燃焼用燃料、オフガスまたは改質ガスを燃焼して、その燃焼ガスをバーナ燃焼部６２の開口端から導出する。そして、この燃焼ガスは、燃焼ガス流路７０を流通して天板６３に設けた燃焼ガス導出口６３ａを通って排気される。この燃焼ガス流路７０は、改質部３０の内周壁および外周壁に沿って折り返され当接して配置される環状の折り返し流路７１と、この折り返し流路７１の外周に設けられて同折り返し流路７１と連通する環状流路７２を備えている。折り返し流路７１は、燃焼部６０の外周壁と改質部３０の内周壁との間に形成される環状流路７１ａと、改質部３０の外周壁と断熱部７５との間に形成される環状流路７１ｂと、両環状流路７１ａ，７１ｂの上部を連結する連結流路７１ｃとから構成されている。また、環状流路７２は、断熱部７５と筒体６５との間に形成されている。

断熱部７５は、折り返し流路７０を覆うように配置されており、上部断熱部７５ａと側部断熱部７５ｂを備えている。上部断熱部７５ａは、天板６３の下面に沿って平行に取り付けられており、連絡流路７１ｃを覆っている。側部断熱部７５ｂは、天板６３の下面から垂下されて取り付けられており、環状流路７１ｂを覆っている。したがって、改質装置２０の上部は、燃焼部６０を中心に、外側に向けて順に燃焼ガス流路７１ａ、改質部３０、燃焼ガス流路７１ｂ、側部断熱部７５ｂおよび環状流路７２が同軸に並設されている。

断熱部７５は、環状流路７１ｂと連絡流路７１ｃから外側に熱が放出されるのを防ぎ、熱の放出を内側すなわち改質部３０に集中させ効率よく熱交換させており、また環状流路７２から内側に熱が放出されるのを防ぎ、熱の放出を外側すなわち蒸発部８０に集中させ効率よく熱交換させている。

蒸発部８０は、水を加熱して水蒸気を生成して冷却部４０を介して改質部３０に供給するものであり、円筒状に形成されて、環状流路７２の外周壁を覆って当接して設けられている。この蒸発部８０は、側壁面下部および側壁面上部に水導入口８０ａおよび水導出口８０ｂがそれぞれ設けられており、水導入口８０ａから導入された水が蒸発部８０内を流通し水導出口８０ｂから導出するようになっている。このとき、互いに隣接する環状流路７２と蒸発部８０においては、それぞれを流通する燃焼ガスおよび水または水蒸気は並流となるようになっている。これにより、導入時低温であった水（例えば２０℃）は、環状流路７２を流通する燃焼ガスと熱交換して昇温されて沸騰状態（１００℃）となりその温度で導出され、燃焼ガスは水導出口８０ｂの温度近くまで（すなわち沸騰状態である温度（１００℃）まで）降温されて導出される。

この蒸発部８０は、当該改質装置２０を備えた燃料電池システムに供給される低温流体である水が流通し一酸化炭素低減部であるＣＯ浄化部９０の外周に当接して設けられて同一酸化炭素低減部との間で熱交換することにより冷却する一酸化炭素低減部冷却部である。

ＣＯ浄化部９０は、ＣＯシフト部５０から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池１０に供給するものでありすなわち一酸化炭素低減部であり、略円筒状に形成されて、蒸発部８０の外周壁を覆って当接して設けられている。このＣＯ浄化部９０は、触媒９０ａ（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている触媒部９１と、ＣＯ浄化部９０に導入される改質ガスを導入し冷却して触媒部９１に導出する冷却マニホールドである導入マニホールド９２と、触媒部９１を通過して一酸化炭素が低減された改質ガスを導出する導出マニホールド９３を備えている。

触媒部９１は、ほぼ円筒状に形成された本体９１ａを備えており、この本体９１ａ内に触媒９０ａが充填されている。本体９１ａの環状の底面および天面に環状の開口９１ａ１，９１ａ２がそれぞれ形成され、両開口９１ａ１，９１ａ２にはフィルタを有する環状の支持部材９１ｂ，９１ｃが設けられている。

導入マニホールド９２は、触媒部９１の導入端の直前に連続して設けられている。この導入マニホールド９２は、環状に形成されており、一酸化炭素低減部冷却部である蒸発部８０の外周壁に当接して設けられている。この当接部すなわち導入マニホールド９２の内周壁が、導入マニホールド９２と蒸発部８０との間に形成されて熱交換が行われる伝熱部９２ａである。伝熱部９２ａでは、導入マニホールド９２の一つの壁面が全面にわたって伝熱可能に蒸発部８０と当接して設けられている。導入マニホールド９２は、改質ガス導入口９２ｂから導入された改質ガスが伝熱部９２ａに直接吹き当たる構造となっている。具体的には、導入マニホールド９２の内周壁である伝熱部９２ａに対向する外周壁に改質ガス導入口９２ｂが設けられている。改質ガス導入口９２ｂは、改質ガスの噴出し方向が伝熱部９２ａとなるような構造（例えば伝熱部９２ａに向けたノズルを設ける）とすることが好ましい。また、改質ガスの噴出し方向は、伝熱部９２ａに対して垂直方向ではなく、できるだけ接線方向となるようにするのが好ましい。これによれば、放出された改質ガスが導入マニホールド９２内を旋回して触媒部９１に流入するため、導入マニホールド９２内での改質ガスの経路（蒸発部８０との接触距離）が垂直方向に当たる場合に比べて飛躍的に長くなるので、効率よく熱交換することができる。なお、改質ガス導入口９２ｂは一箇所だけでなく複数箇所に設けるようにしてもよい。これによれば、旋回距離が短く一周に満たない場合でも、導入マニホールド９２の全周を無駄なく使用して効率よく熱交換することができる。さらに、改質ガス導入口９２ｂは導入マニホールド９２のできるだけ下部に設けるのが好ましい。これによれば、導入マニホールド９２内での改質ガスの経路が長くなるので、効率よく熱交換することができる。

また、導入マニホールド９２は、蒸発部８０に設けた低温流体である水の水導入口８０ａに近接させて設けるのが好ましい。すなわち、水導入口８０ａ付近においては、燃焼ガスとの熱交換が行われても水は低温であるためすぐには加熱されて昇温しないが、水導入口８０ａの下流においても熱交換は行われているので、水は徐々に加熱されて水導入口８０ａから所定距離離れると沸騰状態となる。したがって、導入マニホールド９２を最も低温である蒸発部８０の水導入口８０ａ付近に設けることにより改質ガスをより確実に降温させることができる。

また、導入マニホールド９２は、導入した改質ガスが所定温度（例えば１００℃）以下とならない構造となっている。この所定温度は、一酸化炭素低減部の触媒活性温度によって決められるものである。実施の形態の場合、触媒部９１の触媒９０ａの触媒活性温度が１００〜２００℃であり、その最低温度により設定している。必ずしも触媒活性温度の最低温度に設定する必要はないが、最低温度もしくは最低温度近く（最低温度の１１０％、１２０％などが使用される）に設定することが好ましい。これは高効率な触媒反応を実現するためである。

具体的には、伝熱部９２ａの面積、導入マニホールド９２内の改質ガスの流速に基づいて導入マニホールド９２の構造が設定される。すなわち、伝熱部９２ａの面積が大きくなるほど、または改質ガスの流速が早くなるほど、熱交換の効率がよくなり改質ガスの降温度合いが大きくなる。したがって、これを考慮して導入した改質ガスが所定温度以下とならないように、伝熱部９２ａの軸方向の長さおよび半径が設定され、導入マニホールド９２の径方向の幅が設定される。なお、伝熱部９２ａから径方向に立設に延在する複数のフィンを設けるようにしてもよい。このフィンは、導入した改質ガスを旋回させない場合には、軸方向に延在する方形状に形成され、導入した改質ガスを旋回させる場合には、径方向に延在する環状に形成されている。

導出マニホールド９３は、触媒部９１の導出端の直後に連続して設けられている。この導出マニホールド９３は、環状に形成されており、一酸化炭素低減部冷却部である蒸発部８０の外周壁に当接して設けられている。導出マニホールド９３は、触媒部９１から一酸化炭素が低減された改質ガスを導入し燃料電池１０に導出する改質ガス導出口９３ａが設けられている。

上述した導入マニホールド９２および導出マニホールド９３の外径は触媒部９１の外径より小さくしている。これによれば、一酸化炭素低減部冷却部である蒸発部８０の外周壁と導入マニホールド９２の内周壁との空間を小さくできるため、その空間を流れる改質ガスの流速を早くすることができ、蒸発部８０と改質ガスとの熱交換効率を向上することができる。

このように構成したＣＯ浄化部９０に供給される改質ガスは、ＣＯシフト部５０から導出された改質ガスに酸化空気が混合されたものである。この混合ガスは、改質ガス導入口９２ｂから導入マニホールド９２内に導入され、伝熱部９２ａを介して蒸発部８０との間での熱交換により降温され、支持部材９１ｂを通って触媒部９１に直接導出される。触媒部９１においては、改質ガス中の一酸化炭素が、酸化空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒９０ａによって促進される。これにより、改質ガスは、同改質ガス中の一酸化炭素が低減されて（１０ｐｐｍ以下）、支持部材９１ｃを通って導出マニホールド９３に直接導出され、そして、改質ガス導出口９３ａを通って燃料電池１０の燃料極に供給されるようになっている。

また、互いに隣接する蒸発部８０とＣＯ浄化部９０においては、それぞれを流通する水または水蒸気および改質ガス（混合ガス）は並流となるようになっている。これにより、導入時低温であった水（例えば２０℃）は、ＣＯ浄化部９０を流通する改質ガス（混合ガス）とも熱交換して昇温されて沸騰状態（１００℃）となりその温度で導出され、改質ガス（混合ガス）は水導出口８０ｂの温度近くまで（すなわち沸騰状態である温度（１００℃）まで）降温されて導出される。具体的には、ＣＯ浄化部９０に導入された改質ガス（混合ガス）は２００℃弱であり、ＣＯ浄化部９０の通過中に一酸化炭素の酸化発熱反応によって昇温する一方で、蒸発部８０との熱交換によって降温され、最終的に１００℃付近で導出される。

また、ＣＯ浄化部９０の触媒部９１は、蒸発部８０の温度が一定で安定した部分に取り付けられるのが好ましい。例えば、蒸発部８０の水導入口８０ａから所定距離だけ離して設ければよい。理由は次のとおりである。ＣＯ浄化部９０は一酸化炭素を低減する際に発熱するが、蒸発部８０は、これを冷却して触媒９０ａの活性温度域に維持するものであり、冷却手段としてその冷媒温度が安定することが重要であるからである。なお、所定距離は、蒸発部８０の水導入口８０ａの周りは水が低温であるので、導入された水が１００℃付近となる部分までの距離として設定される。

そして、ＣＯ浄化部９０と燃料電池１０の間には切替え装置９５が設けられており、この切替え装置９５は定常運転時にはＣＯ浄化部９０を燃料電池１０に連通し、起動運転時には一酸化炭素濃度が高い改質ガスを燃料電池１０に供給しないようにするためＣＯ浄化部９０を燃焼部６０に連通するように切替えられている。これにより、起動運転時には、外部からの燃焼用燃料またはＣＯ浄化部９０から導出された改質ガスが燃焼部６０に供給されて燃焼され、定常運転時には、ＣＯ浄化部９０から導出された改質ガスが燃料電池１０の燃料極に供給され、その燃料極から排出された未使用の水素ガスを含むアノードオフガスが燃焼部６０に供給されて燃焼される。

上述のように構成された改質装置２０の作動について説明する。燃焼部６０は燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスは、折り返し流路７１を流通しそのとき改質部３０との間で熱交換し改質部３０を加熱し、その後環状流路７２を流通しそのとき蒸発部８０との間で熱交換し蒸発部８０を加熱し、その後排気される。一方、蒸発部８０に供給された水は、蒸発部８０において環状流路７２を流れる燃焼ガスによって加熱され、冷却部４０のマニホールド４５に導出される。このとき、加熱されて高温となった水（または水蒸気）には燃料が混合され、冷却部４０のマニホールド４５には、これらが混合された混合ガスが導入されている。

冷却部４０においては、導入された混合ガスが上述したように環状マニホールド４３へ到達する間に、改質部３０から供給されて内筒４４内を流れる改質ガスによって加熱され完全に気体化されて、改質部３０に導出される。改質部３０においては、導入された混合ガスが改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は冷却部４０の内筒４４に導出される。冷却部４０の内筒４４内においては、改質ガスが内筒４４を通過する間に熱交換パイプ４７を介して混合ガスとの間で行われる熱交換によって降温され、ＣＯシフト部５０に導出される。

ＣＯシフト部５０においては、冷却部４０から供給された改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気が触媒５０ａにより発熱反応である一酸化炭素シフト反応が生じている。これにより、ＣＯシフト部５０は昇温するが、触媒５０ａの活性温度域となるように温度制御されている。また、ＣＯシフト部５０は、改質ガス中の一酸化炭素を低減して導出している。

ＣＯ浄化部９０の導入マニホールド９２においては、ＣＯシフト部５０から導出された改質ガスに酸化空気が混合された混合ガスが、伝熱部９２ａを介して蒸発部８０との間での熱交換により適切に降温され、支持部材９１ｂを通って触媒部９１に直接導出される。伝熱部９２ａに隣接する蒸発部８０においては、流通する水が混合ガスとの間での熱交換により昇温されている。

そして、ＣＯ浄化部９０の触媒部９１においては、適切な温度に降温された混合ガスが供給され、この混合ガス中の一酸化炭素は発熱反応である酸化反応により二酸化炭素となり低減される。これにより、ＣＯ浄化部９０の触媒部９１は昇温するが、反応前の混合ガスの温度が、ＣＯシフト部５０から直接供給された場合と比べて低く抑えられているので、触媒部９１の温度も低く抑えることができる。一方、蒸発部８０との間で熱交換が行われるので、触媒９０ａの活性温度域となるように温度制御されている。このため、蒸発部８０によって容易に温度制御することができる。また、触媒部９１に隣接する蒸発部８０においては、流通する水が混合ガスとの間での熱交換によってより昇温されている。したがって、水は、燃焼ガスのみならずＣＯ浄化部９０との熱交換によっても酸化反応相当分の熱量を受け取るので、系内の熱を有効に回収でき効率向上に寄与している。なお、ＣＯ浄化部９０は、改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して導出している。

なお、定常運転状態の改質装置２０においては、燃焼部５０の温度は約１０００℃であり一番高く、改質部３０は５００〜７００℃であり、冷却部４０は２００〜６００℃であり、ＣＯシフト部５０は２００〜３００℃であり、ＣＯ浄化部９０は１００〜２００℃であり、蒸発部８０は約１００℃である。

上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、改質装置の作動に際して、導入マニホールド（冷却マニホールド）９２においては、導入された改質ガスが一酸化炭素低減部冷却部である蒸発部８０を流通する低温流体である水との間で熱交換して降温されて触媒部９１に導出され、一方低温流体は昇温される。これにより、蒸発部８０の一部を利用して触媒部９１に導入される前に改質ガスを適当に降温することができるので、簡単な構成かつ高効率にて一酸化炭素低減部であるＣＯ浄化部９０を適切に温度制御することができる。

また、導入マニホールド９２と蒸発部８０との間に形成されて熱交換が行われる伝熱部９２ａに、導入された改質ガスが直接吹き当たる構造としたので、改質ガスと低温流体である水との間の熱交換をより確実かつ高効率にて行うことができる。

また、導入マニホールド９２は触媒部９１の導入端の直前に連続して設けられているので、導入マニホールド９２から触媒部９１までの間にて改質ガスから無駄な放熱が発生するのを確実に防止することができる。これにより、より高効率にてＣＯ浄化部９０を適切に温度制御することができる。

また、導入マニホールド９２を蒸発部８０に設けた水導入口８０ａに近接させて設けるので、導入マニホールド９２において改質ガスをより確実に降温させることができる。

また、一酸化炭素低減部冷却部である蒸発部８０を流通する低温流体は、改質装置２０もしくは改質装置２０を備えたシステムに供給される流体（改質水として供給される水）であるので、既存の装置もしくはシステムの流体を低温流体として利用することができるため、コスト増、大型化を招くことなく、簡単な構成かつ高効率にて一酸化炭素低減部を適切に温度制御することができる。

また、導入マニホールド９２を導入した改質ガスが所定温度以下とならない構造としているので、触媒部９１が過冷却となるのを確実に防止することができる。

なお、上述した実施の形態においては、本発明を、ＣＯ浄化部９０に設けた導入マニホールド（冷却マニホールド）９２を、ＣＯ浄化部９０を冷却する蒸発部８０の外周壁に当接した改質装置に適用したが、ＣＯ浄化部９０に代えて他の一酸化炭素低減部であるＣＯシフト部に設けた導入マニホールド（冷却マニホールド）を、ＣＯシフト部を冷却する一酸化炭素低減部冷却部の外周壁に当接した改質装置に適用するようにしてもよい。

なお、一酸化炭素低減部冷却部の低温流体を水または水蒸気とした場合、ＣＯシフト部が冷却されすぎることを防止するため、ＣＯシフト部と一酸化炭素低減部冷却部の間に熱抵抗（例えば、ステンレス板などの金属板等）を設けることが望ましい。また、ＣＯシフト部の場合、冷却マニホールドを触媒部に導入する改質ガスが２００℃、２２０℃、２４０℃以下にならない構造とすることが望ましい。

また、上述した各実施の形態においては、一酸化炭素低減部冷却部として蒸発部を採用するようにしたが、これに限らず、改質装置を備えた燃料電池システムに供給される低温流体（水、燃焼用空気、回収改質水、酸化空気、カソード用空気）が流通し一酸化炭素低減部の外周に設けられて同一酸化炭素低減部との間で熱交換することにより冷却する構成部材を一酸化炭素低減部冷却部として採用するようにしてもよい。

本発明による改質装置による一実施の形態を適用した燃料電池システムの概要を示す概要図である。図１に示すＣＯ浄化部を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、２０…改質装置、３０…改質部、３０ａ…触媒、４０…冷却部、５０…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、５０ａ…触媒、６０…燃焼部、７０…燃焼ガス流路、７５…断熱部、８０…蒸発部、９０…一酸化炭素浄化部（ＣＯ浄化部）、９０ａ…触媒、９１…触媒部、９２…導入マニホールド（冷却マニホールド）、９２ａ…伝熱部、９３…導出マニホールド。

Claims

燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出する改質部から供給された前記改質ガス中の一酸化炭素を内部に充填された触媒によって低減して燃料電池に供給する一酸化炭素低減部と、低温流体が流通し前記一酸化炭素低減部に隣接して設けられて該一酸化炭素低減部との間で熱交換して該一酸化炭素低減部を冷却する一酸化炭素低減部冷却部とから構成されている改質装置において、
前記一酸化炭素低減部は、前記触媒が充填されている触媒部と、該一酸化炭素低減部に導入される前記改質ガスを導入し冷却して前記触媒部に導出する冷却マニホールドと、を備え、
前記冷却マニホールドは、前記一酸化炭素低減部冷却部の外壁に当接して設けられていることを特徴とする改質装置。
請求項１において、前記冷却マニホールドは、同冷却マニホールドと前記一酸化炭素低減部冷却部との間に形成されて熱交換が行われる伝熱部に、導入された改質ガスが直接吹き当たる構造としたことを特徴とする改質装置。
請求項１または請求項２において、前記冷却マニホールドは、前記触媒部の導入端の直前に連続して設けられていることを特徴とする改質装置。
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記冷却マニホールドを、前記一酸化炭素低減部冷却部に設けた前記低温流体の導入口に近接させて設けることを特徴とする改質装置。
請求項１乃至請求項４の何れか一項において、前記低温流体は、前記改質装置もしくは前記改質装置を備えたシステムに供給される流体であることを特徴とする改質装置。