JP2008290912A - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質ガスに含まれる一酸化炭素を更に効果的に浄化することができる燃料電池用改質装置を提供する。
【解決手段】燃料電池用改質装置は、改質用燃料を水蒸気改質させて改質ガスを生成させる改質部３４と、水を加熱して水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部３６と、改質部３４で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化する一酸化炭素浄化部３７とをもつ。一酸化炭素浄化部３７は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化すると共に相対的に上流となる第１浄化部３７１と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化すると共に相対的に下流となる第２浄化部３７２とをもつ。第２浄化部３７２は、第１浄化部３７１よりも蒸発部３６から離れて配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は改質用燃料と水蒸気とを反応させることにより、水素を含有する改質ガスを生成する燃料電池用改質装置に関する。

一般的には、改質装置は、改質用燃料と水蒸気とで改質ガスを生成させる改質部と、水を加熱して水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部から流出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により浄化するＣＯシフト部と、ＣＯシフト部よりも下流に配設された選択酸化用の選択酸化部とを備えている（特許文献１，２）。選択酸化部においては、ＣＯシフト部を経た改質ガスにまだ残留する一酸化炭素を酸化反応させることにより、改質ガスに残留する一酸化炭素を更に浄化する。このため、一酸化炭素を浄化させた改質ガスを燃料電池に供給することができ、燃料電池の耐久性を高めることができる。

特許文献３は、シフト部と蒸発部と熱回収部とＣＯ酸化部と液体原料加熱部とを高さ方向に積層された構造をもつ改質装置を開示している。このものによれば、蒸発部およびＣＯ酸化部は熱回収部を挟むように配置されている。

特許文献４は、３箇所のＣＯ選択酸化部が改質ガスの流れ方向に沿って直列に配置されている一酸化炭素選択酸化除去装置を開示している。
特開２００２−１２４２８６号公報 特開２００６−１４３５６４号公報 特開平１０−２３６８０２号公報 特開２００３−３１３００４号公報

産業界では、改質部において生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を更に浄化することが要望されている。殊に、一酸化炭素浄化部のうち下流に相当する部分の浄化性能を向上させることが要請されている。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、一酸化炭素浄化部のうち下流に相当する部分の浄化性能を向上させることができ、改質部において生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を更に効果的に浄化することができる燃料電池用改質装置を提供することを課題とする。

（１）様相１に係る燃料電池用改質装置は、改質用燃料を水蒸気改質させて改質ガスを生成させる改質部と、水を加熱して水蒸気を生成して改質部に供給する蒸発部と、改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化する一酸化炭素浄化部とを具備する燃料電池用改質装置において、一酸化炭素浄化部は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化すると共に相対的に上流となる第１浄化部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化すると共に相対的に下流となる第２浄化部とを具備しており、第２浄化部は第１浄化部よりも蒸発部から離れて配置されていることを特徴とする。

一酸化炭素浄化部は、改質部において生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を一酸化炭素浄化反応に基づいて低減させる部位である。一酸化炭素浄化反応は、一酸化炭素を酸化させる酸化反応、または、一酸化炭素をメタン化するメタネーション反応である。蒸発部は水を加熱して水蒸気を生成する。一般的には、水を蒸発させる蒸発部の温度は、水の気化熱（蒸発熱）の影響を受け、改質部の温度よりも低い。

第１浄化部は、一酸化炭素浄化部において相対的に上流となる部位である。第２浄化部は、一酸化炭素浄化部において相対的に下流となる部位であり、第１浄化部よりも蒸発部から距離的に離れて配置されている。このため改質装置が運転されるとき、一酸化炭素浄化部のうち下流に相当する第２浄化部における過度の冷却は、抑制される。故に、一酸化炭素浄化部の第２浄化部において過度の冷却に起因する反応速度の低下が抑制される。よって、一酸化炭素浄化部の第２浄化部における一酸化炭素浄化反応が良好に実施される。この結果、改質ガスに含有されている一酸化炭素の濃度を浄化させ易い。殊に、第２浄化部における反応活性温度が、第１浄化部における反応活性温度よりも高いときに有効である。

（２）様相２に係る燃料電池用改質装置によれば、上記した様相において、第１浄化部は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素を用いて低減するよりも、酸素を用いて低減する比率が高く、且つ、第２浄化部は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素を用いて低減するよりも、水素を用いて低減する比率が高いことを特徴とする。本様相によれば、改質装置が運転されるとき、一酸化炭素浄化部の第２浄化部（改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素を用いて低減するよりも、水素を用いて低減する比率が高い反応を発生させる部位）における過度の冷却は、抑制される。故に、一酸化炭素浄化部の第２浄化部において過度の冷却に起因する一酸化炭素浄化反応（一酸化炭素を水素を用いて低減する反応、水素を用いるメタネーション反応）の速度の低下が抑制される。よって、一酸化炭素浄化部の第２浄化部において一酸化炭素浄化反応が良好に実施される。この結果、改質ガスに含有されている一酸化炭素の濃度を水素を用いて浄化させ易い。

（３）様相３に係る燃料電池用改質装置によれば、上記した様相において、第１浄化部は、第１浄化部用の触媒を担持する第１触媒担体部を備えており、第２浄化部は、第２浄化部用の触媒を担持する第２触媒担体部を備えており、高さ方向において、第１触媒担体部および第２触媒担体部は、互いに重なる高さ位置となるように隣設されていることを特徴とする。互いに重なる高さ位置となるように隣設されているとは、高さ方向において第１触媒担体部および第２触媒担体部のうちの少なくとも一部が重なっていれば良い。第１触媒担体部および第２触媒担体部のうちの一方のすべてが、他方に重なっている形態が含まれる。本様相によれば、第１触媒担体部の熱を第２触媒担体部に伝熱させ易い。このため、一酸化炭素浄化部の第２浄化部において過度の冷却に起因する反応速度の低下が抑制される。よって、一酸化炭素浄化部の第２浄化部において一酸化炭素浄化反応が良好に実施される。

（４）様相４に係る燃料電池用改質装置によれば、上記した様相において、第１浄化部と第２浄化部との間には、改質ガスの拡散を促進させる拡散促進室が形成されていることを特徴とする。拡散促進室は、改質ガスの拡散性を促進させるため、改質ガスに含まれている一酸化炭素を浄化するにあたり、ガス濃度の均一化を図り得、一酸化炭素浄化反応のバラツキ浄化に有利である。

（５）様相５に係る燃料電池用改質装置によれば、上記した様相において、改質部の中心から半径方向の外方に向けて、改質部、蒸発部、一酸化炭素浄化部がこの順に配置されていることを特徴とする。本様相によれば、半径方向において改質部の中心から一酸化炭素浄化部までの距離が確保される。このため改質装置の小型化を図りつつ、一酸化炭素浄化部の容積を増加させるのに貢献でき、一酸化炭素浄化効果を確保できる。

（６）様相６に係る燃料電池用改質装置によれば、上記した様相において、第１浄化部は蒸発部に隣設されており、第２浄化部及び蒸発部は第１浄化部を挟むように配置されていることを特徴とする。水の気化熱が奪われるため温度が比較的抑制される蒸発部に第１浄化部は隣設されている。このため、相対的に上流となる第１浄化部の過熱が抑制される。第２浄化部及び蒸発部は第１浄化部を挟むように配置されており、相対的に下流となる第２浄化部は第１浄化部よりも蒸発部から離れているため、蒸発部により第２浄化部が過度に冷却されることが抑えられる。

本発明に係る改質装置によれば、改質装置が運転されるとき、一酸化炭素浄化部のうち相対的に下流となる第２浄化部は、蒸発部から距離的に離れているため、第２浄化部における過度の冷却は抑制される。故に、一酸化炭素浄化部の第２浄化部において過度の冷却に起因する反応速度の低下が抑制される。よって、一酸化炭素浄化部の第２浄化部における一酸化炭素浄化反応が良好に実施される。この結果、改質ガスに含有されている一酸化炭素の濃度を低減させ易い。

本発明に係る燃料電池用改質装置は、改質部と、蒸発部と、一酸化炭素浄化部とを備えている。改質部は、改質用燃料と水蒸気とで改質ガスを生成させる。改質用燃料は気体状でも、液体状でも、固体状でも良い。蒸発部は、水を加熱して水蒸気を生成して改質部に供給するものであり、水蒸気生成における水の気化熱により温度が抑制されており、比較的低温に維持される。一酸化炭素浄化部は、改質部から吐出された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減する。一酸化炭素浄化部は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化する第１浄化部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化する第２浄化部とを備えている。第１浄化部は、一酸化炭素浄化部のうち上流となる部位である。第２浄化部は、一酸化炭素浄化部のうち下流となる部位である。第１浄化部として、主として選択酸化反応させる部位が例示される。第２浄化部として、主としてメタネーション反応させる部位が例示される。

なお、一酸化炭素浄化部における上流および下流は相対的なものであり、一酸化炭素浄化部の流路長を１００と相対表示するとき、第１浄化部および第２浄化部の流路長を半分づつとしても良い。あるいは、第１浄化部の流路長を１０以下、２０以下、３０以下、４０以下としても良い。第２浄化部の流路長を７０以上、６０以上としても良い。あるいは、第１浄化部の流路長を７０以上、６０以上とし、第２浄化部の流路長を３０以下、４０以下としても良い。あるいは、第１浄化部の流路長を絶対値として５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、２０ｍｍ以下としても良い。触媒が装填されている場合には、流路長は触媒が装填されている部分の流路長を意味する。

第２浄化部は、第１浄化部よりも蒸発部から距離的に離れて配置されている。距離的に離れている方向は特に限定されず、改質部が筒形状である場合等には、径方向に離間していても良いし、軸長方向に離間していても良いし、他の方向に離間していても良い。第１浄化部および第２浄化部は、厚み方向に互いに重なっている形態が例示される。

以下、本発明の実施例１について図１を参照して具体的に説明する。本実施例に係る改質装置は燃料電池システムに適用したものである。本実施例に係る改質装置は燃料電池システムに適用したものである。図１では、複雑化を避けるため、一部のハッチングを省略している。図１に示すように、改質装置２は、燃焼バーナで形成された加熱部として機能すると共に燃焼通路３２に対面する燃焼部３０と、燃焼部３０により加熱される改質部３４と、蒸発部３６と、一酸化炭素浄化部３７とをもつ。

改質部３４は、鉛直方向に沿った中心軸線Ｐ１をもつ筒形状をなしており、改質用燃料を改質させて改質ガスを生成するものである。改質部３４の内周部は燃焼通路３２に対面し、改質部３４の外周部は燃焼通路３３に対面する。更に、燃焼通路３３の回りを包囲するように、原料水を蒸発させる筒形状をなす蒸発部３６が同軸的に形成されている。蒸発部３６の回りに筒形状の一酸化炭素浄化部３７が同軸的に隣設されている。

図１に示すように、改質部３４は内通路３４ｉと外通路３４ｐと折返部３４ｍとをもつ。蒸発部３６は、燃焼通路３３を流れる燃焼ガスにより加熱される。 図１に示すように、一酸化炭素浄化部３７は、蒸発部３６を区画する壁体３６ｋの外側に配置されており、金属またはセラミックス製の筐体３７０と、筐体３７０内に配置され改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化する第１浄化部３７１と、筐体３７０内に配置され改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化する第２浄化部３７２とを備えている。第１浄化部３７１は、第２浄化部３７２に対して上流に配置されており、改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化させて浄化するものである。即ち、第１浄化部３７１は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素を用いて低減するよりも、酸素を用いて低減する比率が高い。これに対して、第２浄化部３７２は、第１浄化部３７１に対して下流に配置されており、改質部３４で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を、水素を用いてメタネーション反応により浄化するものである。即ち、第２浄化部３７２は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素を用いて低減するよりも、水素を用いて低減する比率が高い。第２浄化部３７２における反応活性温度は、第１浄化部３７１における反応活性温度よりも高い。

第１浄化部３７１は、第１浄化部３７１用の触媒３７１ｅ（例えばルテニウム系、白金系、白金−ルテニウム系等の貴金属系触媒）を担持するセラミックス体で形成された通気性をもつ第１触媒担体部３８１と、第１触媒担体部３８１の下面側のリング形状をなすガス透過部材３８３と、第１触媒担体部３８１の上面側のリング形状をなすガス透過部材３８４と、ガス透過部材３８３よりも下方の入口室３８５とをもつ。入口３７ｉはリング状の入口室３８５に連通する。

第２浄化部３７２は、第２浄化部３７２用の触媒３７２ｅ（例えばルテニウム系、白金系、白金−ルテニウム系等の貴金属系触媒）を担持するセラミックス体で形成された第２触媒担体部３８２と、第２触媒担体部３８２の下面側のリング形状をなすガス透過部材３８６と、ガス透過部材３８６の下方の出口室３８９と、第２触媒担体部３８２の上面側のリング形状をなすガス透過部材３８７とを備えている。出口３７ｐはリング状の出口室３８９に連通する。

図１に示すように、筒形状をなす第１浄化部３７１は、第２浄化部３７２の内周側に配置されており、第２浄化部３７２よりも蒸発部３６に近くなるように配置されている。従って、第１浄化部３７１は蒸発部３６に隣設されている。筒形状をなす第２浄化部３７２は、第１浄化部３７１の外周側に配置されており、第１浄化部３７１の外方への放熱を抑制している。即ち第２浄化部３７２は、改質部３４の半径方向（矢印Ｒ方向）において、第１浄化部３７１よりも蒸発部３６から距離的に離れて配置されている。第２浄化部３７２及び蒸発部３６は、半径方向（矢印Ｒ方向）において、第１浄化部３７１を挟むように配置されている。

図１に示すように、高さ方向（矢印Ｈ方向）において、第２触媒担体部３８２および第１触媒担体部３８１は、互いに重なるような高さ位置に設定されている。従って、第１触媒担体部３８１における反応で発生した熱は、第２触媒担体部３８２に効果的に伝達される。殊に、第１触媒担体部３８１と第２触媒担体部３８２との間には、伝熱性をもつ金属で形成されたリング形状をなす仕切部材３９０が配置されている。このため、第１浄化部３７１の第１触媒担体部３８１における反応で発生した熱は、仕切部材３９０を介して第２浄化部３７２の第２触媒担体部３８２に伝達され、第２浄化部３７２の温度を高温に維持し易い。更に第２浄化部３７２の外周側（外面側）には断熱材３９が筒状に配置されているため、第２浄化部３７２の放熱が抑えられ、第２浄化部３７２の温度を高温に維持し易い。ただし仕切部材３９０はセラミックス材としても良い。

図１に示すように、第１浄化部３７１と第２浄化部３７２との間には、改質ガスの拡散を促進させるリング状の拡散促進室３９２が形成されている。拡散促進室３９２は、第１触媒担体部３８１の出口側（上面側）に配置されたリング状の内側空間３９３と、第２触媒担体部３８２の入口側（上面側）に配置されたリング状の外側空間３９４とで形成されている。拡散促進室３９２が設けられているため、第１浄化部３７１の選択酸化反応を終えた改質ガスは、拡散促進室３９２において拡散され、ガス濃度の均一性が高まる。このように濃度の均一性が高くなった改質ガスが第２浄化部３７２に供給されて浄化される。従って第２浄化部３７２における反応均一性の向上に貢献できる。

図１に示すように、改質部の中心軸線Ｐ１から半径方向（矢印Ｒ方向）の外方に向けて、改質部３４、蒸発部３６、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１、一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２が、この順に配置されている。改質部３４、蒸発部３６、第１浄化部３７１、第２浄化部３７２は、改質部３４の中心軸線Ｐ１に対してほぼ同芯的に配置されており、小型化が図られている。

蒸発部３６の外周部と一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１の内周部とは、互いに熱交換される。改質装置２の運転中においては、一般的に、液相状態の水が蒸発する蒸発部３６の温度よりも、一酸化炭素浄化部３７の温度が高い。このため、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１は、蒸発部３６に熱を与える。

上記した改質部３４は、改質反応を促進させる改質触媒３４ｅ（例えばニッケル系、ルテニウム系）を担持する担体を有する。改質触媒３４ｅの活性温度域は一般的には５００〜８００℃であるが、これに限定されるものではない。改質部３４の温度がこれの活性温度域から大きく外れると、改質部３４の改質反応が損なわれるおそれがある。改質部３４は下記の式（１）に基づいて、改質用燃料と水蒸気とに基づいて水蒸気改質を行い、水素を主要成分として（４０モル％以上）含有する改質ガスを生成する。改質ガスは一酸化炭素を含む。なお改質部３４では下記の式（２）のシフト反応も発生している。

更に、図１に示すように、改質装置２は、改質部３４の重力方向下方に配置された熱交換部４と、熱交換部４の下方に配置された一酸化炭素低減部として機能するＣＯシフト部５と、ＣＯシフト部５と熱交換部４との間に配置された電気式のヒータをもつ暖機部４７とを備えている。ここで、蒸発部３６の下流に熱交換部４が設けられ、熱交換部４の下流にＣＯシフト部５が設けられている。

ＣＯシフト部５は、下記の（２）式に基づいて、水蒸気を利用するシフト反応を促進させ、改質ガスに含まれているＣＯを浄化する。ＣＯシフト部５はシフト触媒５ｅ（例えば銅−亜鉛系触媒）を担持する担体を有する。シフト触媒５ｅの活性温度域は一般的には１６０〜３００℃であるが、これに限定されるものではない。ＣＯシフト部５の温度がこれの活性温度域から大きく外れると、ＣＯシフト部５のシフト反応が損なわれ、一酸化炭素が充分に低減されないおそれがある。ＣＯシフト部５で低減された改質ガスに含まれているＣＯの濃度は、改質用燃料にもよるが、一般的にはモル比で０．２〜１％であるが、これに限られるものではない。

図１に示すように、ＣＯシフト部５の出口５ｐと一酸化炭素浄化部３７の入口３７ｉとは、浄化通路４００で接続されている。ＣＯシフト部５の出口５ｐから吐出された改質ガス（水素を主要成分とし、一酸化炭素を含有）は、浄化通路４００を上向きに矢印Ｗ２方向に流れ、第２合流域Ｍ２を経て一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１の入口３７ｉに供給される。なお、入口３７ｉは、一酸化炭素浄化部３７の高さ方向の下部側に形成されているが、これに限定されるものではない。

図１に示すように、前記した一酸化炭素浄化部３７は、ＣＯシフト部５の下流に配置されており、ＣＯシフト部５で浄化された改質ガスに含まれているＣＯを主に下記の式（３）に基づいて、主に酸化させて浄化する選択酸化反応を促進させるものである。酸素含有雰囲気において、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１の触媒３７１ｅの活性温度域は、一般的には１００〜２００℃であり、改質部３４に担持されている改質触媒３４ｅ（例えばニッケル系、ルテニウム系）の活性温度域よりも低くされている。従って、改質部３４の近傍に配置されている一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１については、蒸発部３６により積極的に冷却する構造が採用されている。

ここで、酸素含有雰囲気において一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１の温度がこれの活性温度域から大きく外れると、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１における選択酸化反応が損なわれるおそれがある。そこで本実施例によれば、蒸発部３６の外周側に一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１を隣設させた状態で接近した状態に配置し、蒸発部３６により一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１を冷却し、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１における過剰高温化を抑え、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１における選択酸化反応（式（３））を効果的に行うことにしている。
式（１）…ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
式（２）…ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
式（３）…ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２
なお、ＣＯシフト部５は一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１の上流に配置されているため、改質装置２の運転時には、ＣＯシフト部５における式（２）→第１浄化部３７１における式（３）の順に実行される。

次に改質装置２を起動させるときについて説明する。燃焼用空気通路７３を介して燃焼用空気を燃焼部３０に供給する。また燃焼用燃料通路６２ａを介してガス状の燃焼用燃料（燃焼性燃料）を燃焼部３０に供給する。これにより燃焼部３０が着火されて加熱され、ひいては改質部３４が改質反応に適するように加熱される。改質部３４と共に蒸発部３６および一酸化炭素浄化部３７も、高温に加熱される。

その後、改質水通路８２から改質水（改質反応前の水）が蒸発部３６の入口３６ｉに供給される。改質水は、改質装置２の高温の蒸発部３６において水蒸気化される。生成された水蒸気は、蒸発部３６の出口３６ｐから水蒸気通路３００を経て第１合流域Ｍ１に到達する。第１合流域Ｍ１は、水蒸気通路３００を流れる気相または液相または気液混合状態の水と、改質用燃料通路６２ｃを流れる改質用燃料とが合流する領域である。これにより改質用燃料は改質用燃料通路６２ｃおよび第１合流域Ｍ１を経て熱交換部４の入口４ｉに供給される。第１合流域Ｍ１において、改質用燃料通路６２ｃの改質用燃料と水蒸気通路３００の気相または液相または気液混合状態の水とが合流して混合される。合流した混合流体が熱交換部４の入口４ｉに供給される。混合流体は熱交換部４の低温側の第１通路４ａを通過する。このとき熱交換部４の高温側の第２通路４ｃを流れる高温の改質ガスと熱交換する。このため、改質反応前の混合流体が加熱される。混合流体は改質部３４の外通路３４ｐに流入し、矢印Ａ１方向に流れ、折返部３４ｍを経て内通路３４ｉに流入し、矢印Ａ２方向に流れる。このとき水蒸気および改質用燃料が混合した混合流体は、上記した（１）に示す改質反応により、水素リッチな改質ガスとなる。この改質ガスは一酸化炭素を含む。

更に、改質反応を経た高温の改質ガスは、改質部３４から熱交換部４に流入する。即ち、高温の改質ガスは、改質部３４から熱交換部４の高温側の第２通路４ｃを通過することにより、低温側の第１通路４ａの混合流体を加熱する。更に、改質ガスは、暖機部４７を経て、ＣＯシフト部５の入口５ｉからＣＯシフト部５の内部に流入する。ＣＯシフト部５においては、上記した式（２）に示すように、水蒸気を利用したシフト反応が行われる。これにより改質ガスに含まれている一酸化炭素が低減され、改質ガス中のＣＯ濃度は低減される。

更に、ＣＯシフト部５においてＣＯ濃度が低減された改質ガスは、ＣＯシフト部５の出口５ｐから浄化通路４００を経て矢印Ｗ２方向に流れ、第２合流域Ｍ２に至る。更に改質ガスは、酸化用空気通路７５（酸素供給部）の酸化用空気（酸素成分，一酸化炭素浄化部３７における選択反応に使用される選択酸化用空気）と第２合流域Ｍ２において合流する。従って、第２合流域Ｍ２は、浄化通路４００を流れる改質ガスと、酸化用空気通路７５を流れる酸化用空気（酸素成分）とが合流する領域である。そして、合流した改質ガスは、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１の下部に形成されている入口３７ｉから、入口室３８５を介して、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１内に上向きに流入する。一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１においては、上記した式（３）に示すように、酸素を利用した選択酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２）が主として行われる。この結果、改質ガスに含まれているＣＯが浄化されて更に浄化される。選択酸化反応は発熱を伴う。

このように第１浄化部３７１において選択酸化反応により浄化された改質ガスは、拡散空間室３９２で拡散が促進されてガス濃度のバラツキが浄化された後、一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２に流入し、第２浄化部３７２を下向きに流れる。第２浄化部３７２において主としてメタネーション反応により更に浄化される。その後、改質ガスは、出口室３８９から出口３７ｐを介して、アノードガスとして、アノードガス通路１００を経て燃料電池に供給される。カソードガスとして機能する空気は、燃料電池の酸化剤極の入口に供給される。これにより燃料電池において発電反応が発生し、電気エネルギが生成される。アノードガスの発電反応後のオフガス（燃料電池から排出されたガス）は、発電反応が行われなかった水素を含むことがある。このためオフガスはオフガス通路１１０を経て燃焼部３０に供給されて燃焼され、燃焼部３０の熱源となる。

本実施例によれば、一酸化炭素浄化部３７のうち相対的に下流となる第２浄化部３７２は、改質部３４から吐出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をＣＯ浄化反応（主として、水素を用いるメタネーション反応）により浄化する。かかるＣＯ浄化反応を効果的に行うため、改質装置２の運転中において、一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２は、蒸発部３６によって過度に冷却されないことが好ましい。そこで、一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２を蒸発部３６から第１浄化部３７１よりも距離的に離している。具体的には、改質部３４の径方向（矢印Ｒ方向）において距離的に離している。このため改質装置２が運転されるとき、一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２における過度の冷却は抑制される。故に、上記した第２浄化部３７２におけるＣＯ浄化反応（主として、一酸化炭素をメタン化するメタネーション反応）が良好に実施される。

更に説明を加える。図１に示すように、一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１においては、酸化用空気が供給される入口３７ｉに近いため、酸素濃度が相対的に高い。これに対して第２浄化部３７２では第１浄化部３７１よりも酸素濃度が相対的に低い。従って、第１浄化部３７１では、酸素が消費される選択酸化反応（発熱反応）が発生し易く、その反応活性温度は一般的には１００〜２００℃である。これに対して、酸素が消費された側である相対的に下流に位置する第２浄化部３７２では、酸素を用いる選択酸化反応よりも、水素を用いるメタネーション反応（発熱反応）が発生し易い。メタネーション反応も、選択酸化反応と同様に、一酸化炭素浄化反応である。
選択酸化反応：ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２
メタネーション反応：ＣＯ＋３Ｈ_２→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ
ところで、上記した蒸発部３６は水を水蒸気化する。このため、蒸発部３６の運転温度は水の気化熱の影響を受けて、一酸化炭素浄化部３７の温度よりも低く、１００℃前後となる。即ち、蒸発部３６は、水の気化熱の影響により、比較的低温となりやすい。一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２が蒸発部３６により過度に冷却されると、上記した第２浄化部３７２におけるメタネーション反応が損なわれるおそれがある。特に、メタネーション反応は、良好な反応活性温度域が１５０〜３００℃であり、蒸発部３６の運転温度（約１００℃）との温度差が大きいため、過度の冷却は、良好なメタネーション反応を損なうおそれがあり、一酸化炭素の浄化に不利である。この点本実施例によれば、一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２は、第１浄化部３７１よりも蒸発部３６よりも距離的に離れて配置されている。よって一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２から蒸発部３６への熱の移動が抑制される。

このため改質装置２が運転されるとき、一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２における過度の冷却は抑制される。よって一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２における一酸化炭素浄化反応（主としてメタネーション反応）が良好に実施される。殊に、第２浄化部３７２における反応活性温度（例えば１５０〜３００℃）は、第１浄化部３７１における反応活性温度（例えば１００〜２００℃）よりも高いため、比較的低温となる蒸発部３６から第２浄化部３７２を距離的に離すことは有意義である。このように第２浄化部３７２では、酸素濃度が減少しているため、酸素が消費されない一酸化炭素浄化反応（主としてメタネーション反応）が発生し易い。これにより改質ガスに含有されている一酸化炭素が効率よく浄化される。

以下、本発明の実施例２について図２を参照して具体的に説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。共通する機能を発揮する部位には、共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。図２に示すように、改質ガスを一酸化炭素浄化部３７の第１浄化部３７１に供給する入口３７ｉは、筒状をなす第１浄化部３７１の周方向において複数設けられている。一酸化炭素が浄化された改質ガスを一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２から吐出する出口３７ｐは、筒状をなす第２浄化部３７２の周方向において複数設けられている。これにより第１浄化部３７１に対する改質ガスの供給ムラが浄化され、且つ、第２浄化部３７２から吐出される改質ガスの吐出ムラが浄化される。このため第１浄化部３７１および第２浄化部３７２における反応ムラの浄化に貢献でき、一酸化炭素の浄化に有利である。

以下、本発明の実施例３について図３を参照して具体的に説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。共通する機能を発揮する部位には、共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。図３に示すように、第１浄化部３７１の第１触媒担体部３８１の底面３８１ｖと、第２浄化部３７２の第２触媒担体部３８２の底面３８２ｖとは、ほぼ同じ高さとされている。このため第１浄化部３７１の第１触媒担体部３８１における選択酸化反応で発生した熱を、第２浄化部３７２の第２触媒担体部３８２に伝達させ易い。従って反応活性温度が高い第２浄化部３７２の第２触媒担体部３８２における過剰な冷却を抑えるのに有利となる。よって反応活性温度が高い第２触媒担体部３８２を高温に維持させるのに有利となり、第２浄化部３７２におけるメタネーション反応が良好に行われる。

以下、本発明の実施例４について図４を参照して具体的に説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。共通する機能を発揮する部位には、共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。図４に示すように、第１浄化部３７１は筒形状をなしており、蒸発部３６を区画する壁体３６ｋの外周側において、蒸発部３６に隣設されている。第２浄化部３７２は筒形状をなしており、改質部３４の軸長方向（矢印Ｈ方向）において第１浄化部３７１に同軸的に隣設して配置されている。第２浄化部３７２は第１浄化部３７１よりも上側に配置されている。換言すると、第１浄化部３７１は、第１浄化部用の触媒３７１ｅを担持する第１触媒担体部３８１を備えている。第２浄化部３７２は、第２浄化部用の触媒３７２ｅを担持する第２触媒担体部３８２を備えている。高さ方向において、第２触媒担体部３８２および第１触媒担体部３８１は、互いに重複しないように異なる高さ位置となるように、隣設されている。ここで、前述したように、第２浄化部３７２は、主としてメタネーション反応で一酸化炭素を浄化する。第１浄化部３７１は、主として選択酸化反応で一酸化炭素を浄化する。上記した構造が採用されているため、第２浄化部３７２は、改質部３４の軸長方向（矢印Ｈ方向）において、第１浄化部３７１よりも蒸発部３６から距離的に離れて配置されている。なお、第２浄化部３７２の内周部は改質部３４に対向していない。

改質装置２が運転されるとき、一酸化炭素浄化部３７の第２浄化部３７２は蒸発部３６から離間しているため、第２浄化部３７２における過度の冷却は抑制される。よって第２浄化部３７２における一酸化炭素浄化反応（主としてメタネーション反応）が良好に実施される。殊に、第２浄化部３７２における反応活性温度（例えば１５０〜３００℃）は、第１浄化部３７１における反応活性温度（例えば１００〜２００℃）よりも高いため、比較的低温となる蒸発部３６から第２浄化部３７２を距離的に離すことは有意義である。

（その他）
上記した実施例１では、第１浄化部３７１と第２浄化部３７２との間には、改質ガスの拡散を促進させるリング状の拡散促進室３９２が形成されているが、拡散促進室３９２を形成せず、第１浄化部３７１と第２浄化部３７２とを直接繋いでも良い。上記した実施例１では、改質部３４、蒸発部３６、第１浄化部３７１、第２浄化部３７２は、改質部３４は筒状とされているが、これに限らず、半筒状でも良い。改質部３４、蒸発部３６、第１浄化部３７１、第２浄化部３７２を高さ方向に積層させても良い。ＣＯシフト部５は熱交換部４を介して改質部３４に連設されているが、これに限らず、ＣＯシフト部５は改質部３４や一酸化炭素浄化部３７から離間していても良い。第１浄化部３７１および第２浄化部３７２において、異なる触媒や異なる触媒担体を使用しても良い。第２浄化部３７２においてメタネーション反応に適したものを使用しても良い。図４に示す実施形態によれば、高さ方向において第１触媒担体部３８１および第２触媒担体部３８２は互いに重複しないように異なる高さ位置となるように設定されているが、これに限らず、高さ方向において第１触媒担体部３８１および第２触媒担体部３８２は一部重複するものの、一部重複しない構成に設定できる。その他、本発明は上記しかつ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。上記した記載から次の技術的思想が把握される。
・各請求項において、前記第１浄化部は、前記第１浄化部用の触媒を担持する第１触媒担体部を備えており、前記第２浄化部は、前記第２浄化部用の触媒を担持する第２触媒担体部を備えており、高さ方向において、前記第１触媒担体部および前記第２触媒担体部は隣設されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。この場合、高さ方向において、第１触媒担体部および第２触媒担体部は互いに重複しないように隣設されていてもよいし、一部重複して隣設されていてもよい。

本発明は燃料電池システム等に使用される改質装置に利用することができる。

実施例１に係り、改質装置のシステム図である。 実施例２に係り、改質装置のシステム図である。 実施例３に係り、改質装置のシステム図である。 実施例４に係り、改質装置のシステム図である。

符号の説明

１は燃料電池、２は改質装置、３０は燃焼部、３４は改質部、３６は蒸発部、３７は一酸化炭素浄化部、３７１は第１浄化部、３７２は第２浄化部、４は熱交換部、５はＣＯシフト部を示す。

Claims (8)

1. 改質用燃料を水蒸気改質させて改質ガスを生成させる改質部と、水を加熱して水蒸気を生成して前記改質部に供給する蒸発部と、前記改質部で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化する一酸化炭素浄化部とを具備する燃料電池用改質装置において、
   前記一酸化炭素浄化部は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化すると共に相対的に上流となる第１浄化部と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を浄化すると共に相対的に下流となる第２浄化部とを具備しており、
   前記第２浄化部は前記第１浄化部よりも前記蒸発部から離れて配置されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
2. 請求項１において、前記第２浄化部における反応活性温度は、前記第１浄化部における反応活性温度よりも高いことを特徴とする燃料電池用改質装置。
3. 請求項１または２において、前記第１浄化部は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素を用いて低減するよりも、酸素を用いて低減する比率が高く、且つ、前記第２浄化部は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸素を用いて低減するよりも、水素を用いて低減する比率が高いことを特徴とする燃料電池用改質装置。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記第１浄化部は、前記第１浄化部用の触媒を担持する第１触媒担体部を備えており、前記第２浄化部は、前記第２浄化部用の触媒を担持する第２触媒担体部を備えており、高さ方向において、前記第２触媒担体部および前記第１触媒担体部は、互いに重なる高さ位置となるように隣設されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記第１浄化部と前記第２浄化部との間には、改質ガスの拡散を促進させる拡散促進室が形成されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
6. 請求項１〜５のうちの一項において、前記改質部の中心から半径方向の外方に向けて、前記改質部、前記蒸発部、前記一酸化炭素浄化部がこの順に配置されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
7. 請求項１〜６のうちの一項において、前記第１浄化部は前記蒸発部に隣設されており、前記第２浄化部及び前記蒸発部は前記第１浄化部を挟むように配置されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
8. 請求項１〜７のうちの一項において、前記一酸化炭素浄化部の外側には断熱材が配置されていることを特徴とする燃料電池用改質装置。

Images