JP2014203779A - ガス処理装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発生した熱を有効利用可能なガス処理装置及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ガス処理装置１０は、発電を行う燃料電池装置１から排出された可燃性ガスＧｃを燃焼させる燃焼触媒１１と、燃焼触媒１１が内部に充填された内筒１２であって、外側へ熱を放散する放熱部１２ｒを有する内筒１２と、放熱部１２ｒよりも外側に設けられた外壁１３と、覆板１４とを備える。外壁１３は、放熱部１２ｒの外表面と外壁１３の内表面との間に、可燃性ガスＧｃの流れ方向において燃焼触媒１１よりも上流に位置する受熱流路１８を形成する。覆板１４は、受熱流路１８を流れた可燃性ガスＧｃを内筒１２の内部に導く。而して、内筒１２の放熱部１２ｒから放出された熱を受熱した可燃性ガスＧｃを内筒１２の内部に流入させることで放熱を回収することができ、省エネルギーに資する。燃料電池システム１００は、ガス処理装置１０と燃料電池装置１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はガス処理装置及び燃料電池システムに関し、特に発生した熱を有効利用可能なガス処理装置及び燃料電池システムに関する。

水素含有ガスと酸素含有ガスとを導入して発電する燃料電池を設置する際、水素含有ガスを入手するためのインフラ整備が十分でないことに鑑み、炭化水素系原料を改質して水素含有ガスとする改質器が併設された燃料電池装置を構成することが多い。燃料電池装置の起動時は、燃料電池装置から排出されるガス（排ガス）の温度が低いため、排ガスに一酸化炭素が含まれる。他方、燃料電池装置の定常運転時は、水素含有ガス中の水素が燃料電池における発電に利用された後のオフガスが燃料電池装置から排出されるが、このオフガスには燃料電池における発電に利用されなかった水素が含まれている。

一酸化炭素を含む排ガスや未利用水素等の可燃分を含む排ガスを浄化するための燃焼触媒を具備した処理装置を、燃料電池装置に併設したシステムがある。このような処理装置に設けられる燃焼触媒は、一般に、ある温度に達すると浄化作用が活性化する。浄化作用を高める処理装置として、排ガスが流通可能な容器に燃焼触媒を具備した排ガス処理装置に対し、周囲に加熱手段としてヒータを貼付したもの、あるいは加熱手段を内部に設けたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−１９２２７２号公報（段落００４０−００４２等）

燃焼触媒は、ガスの燃焼が行われると燃焼熱が生じ、排ガスの浄化作用の活性に寄与する。しかしながら、特許文献１に記載された処理装置では、加熱手段による発熱及び燃焼触媒における燃焼熱の多くが容器外に放散してしまい、熱ロスが大きい。

本発明は上述の課題に鑑み、発生した熱を有効利用可能なガス処理装置及び燃料電池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、本発明の第１の態様に係るガス処理装置は、例えば図１に示すように、発電を行う燃料電池装置１から排出された可燃性ガスＧｃを燃焼させる燃焼触媒１１と；燃焼触媒１１が内部に充填された内筒１２であって、外側へ熱を放散する放熱部１２ｒを有する内筒１２と；放熱部１２ｒよりも外側に設けられた外壁１３であって、可燃性ガスの流れ方向において燃焼触媒１１よりも上流に位置する可燃性ガスＧｃの流路である受熱流路１８を、内筒１２の放熱部１２ｒの外表面と外壁１３の内表面との間に形成する外壁１３と；受熱流路１８を流れた可燃性ガスＧｃを内筒１２の内部に導く覆板１４とを備える。

このように構成すると、内筒の放熱部から放出された熱を受熱した可燃性ガスを内筒の内部に流入させることで放熱を回収することができ、省エネルギーに資する。

また、本発明の第２の態様に係るガス処理装置は、例えば図１（Ｂ）を参照して示すと、上記本発明の第１の態様に係るガス処理装置１０において、燃焼触媒１１が放熱部１２ｒに隣接して内筒１２の内部に充填され；放熱部１２ｒが、燃焼触媒１１における可燃性ガスＧｃの燃焼によって生じる熱を内筒１２の外側へ放散するように構成されている。

このように構成すると、燃焼触媒における可燃性ガスの燃焼熱を回収することができ、燃焼熱を有効に利用して熱効率を向上させることができる。

また、本発明の第３の態様に係るガス処理装置は、例えば図６に示すように、上記本発明の第１の態様に係るガス処理装置において、燃焼触媒１１が、可燃性ガスＧｃの流れ方向において燃焼触媒１１よりも上流側の内筒１２の内側に燃焼触媒１１が充填されない空間１２ｓが形成されるように、内筒１２の内部に充填され；放熱部が、空間１２ｓを形成する部分の内筒１２ｒに内筒ヒータ２２が設置されることで構成されている。

このように構成すると、内筒ヒータが燃焼触媒に直接接触していないので、過加熱による燃焼触媒の劣化や寿命低下を防ぐことができ、燃焼触媒を損傷させることなく、燃焼触媒に接する前の可燃性ガスの温度を調節することが可能になる。

また、本発明の第４の態様に係るガス処理装置は、例えば図１（Ｂ）又は図３に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係るガス処理装置において、受熱流路１８を流れる可燃性ガスＧｃを加熱する加熱ヒータ２３（又は２８）を備える。

このように構成すると、受熱流路を流れる可燃性ガスにより多くの熱を与えることができ、昇温した可燃性ガスが燃焼触媒を通過することで、起動時に短時間で燃焼触媒を昇温させることができる。

また、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１（Ａ）に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つの態様に係るガス処理装置１０と；燃料電池装置１とを備え；燃料電池装置１から排出された可燃性ガスＧｃをガス処理装置１０で燃焼させる。

このように構成すると、燃料電池装置から排出された可燃性ガスが、ガス処理装置の内筒の放熱部から放出された熱を受熱したうえで内筒の内部に流入することとなって、放熱を回収することができ、省エネルギーに資する。

本発明によれば、内筒の放熱部から放出された熱を受熱した可燃性ガスを内筒の内部に流入させることで放熱を回収することができ、省エネルギーに資する。

（Ａ）は本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図、（Ｂ）は本発明の実施の形態に係るガス処理装置の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係るガス処理装置の分解斜視図である。 本発明の実施の形態の第１の変形例に係るガス処理装置の縦断面図である。 （Ａ）本発明の実施の形態の第２の変形例に係るガス処理装置の縦断面図、（Ｂ）は第２の変形例に係るガス処理装置が実装された燃料電池システムの概略構成図である。 （Ａ）は本発明の実施の形態の第３の変形例に係るガス処理装置の縦断面図、（Ｂ）は第３の変形例に係るガス処理装置が実装された燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態の第４の変形例に係るガス処理装置の縦断面図である。 本発明の実施の形態の第５の変形例に係るガス処理装置を示す図である。（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。

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部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係るガス処理装置１０及び本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００を説明する。図１（Ａ）は、燃料電池システム１００の概略構成図である。図１（Ｂ）は、ガス処理装置１０の縦断面図である。図１（Ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池装置１と、ガス処理装置１０とを備えている。燃料電池装置１及びガス処理装置１０は、ケース９１に収容されている。ガス処理装置１０は、一部（内筒１２）がケース９１の外に突出しいる。ガス処理装置１０のケース９１から突出した部分には、ガス処理装置１０で処理された排出ガスＧｅを燃料電池システム１００の外に導く排出管９９が接続されている。燃料電池装置１は、改質器２と燃料電池３とを有している。

改質器２は、原料を水素に富む燃料ガスに改質する装置である。原料は、改質することで燃料電池３における発電に利用可能となる程度に水素に富むガス（水素リッチガス）にできるものであり、典型的には炭化水素系燃料が用いられる。具体例として、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は、石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のもの等を適宜用いることができる。炭化水素類としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。改質器２は、原料の改質を促進させる改質触媒を内部に有している。改質触媒は、例えば、部分酸化改質触媒、水蒸気改質触媒、自己熱改質触媒等を、これらのうちの一種、又は複数種を組み合わせて用いることができる。改質器２は、原料及び必要なスチームあるいは酸化剤を導入して燃料ガスを生成するように構成されている。起動初期で改質器２が適切な温度まで昇温していない場合、生成される燃料ガスは発電に寄与せずに燃料電池装置１から排出され、このとき排出される燃料ガスには一酸化炭素が多く含まれている。この一酸化炭素を多く含む燃料ガス（以下「ＣＯ多含有燃料ガス」という。）は、可燃分としての水素を含む可燃性ガスである。

燃料電池３は、酸素を含む酸化剤ガス及び改質器２で生成された燃料ガスを導入し、燃料ガス中の水素等と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により直流の電力を発生するように構成されている。酸化剤ガスは、典型的には空気である。燃料電池３としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）あるいは固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等、主として水素と酸素との電気化学的反応により発電する種々の燃料電池を用いることができる。燃料電池３における発電のために燃料電池３に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは、そのすべてが発電に利用されるのではなく、燃料電池３の発電電流に応じた分が利用される。燃料電池３における発電のために燃料電池３に供給された燃料ガスのうち、発電に利用されなかった分は、燃料オフガスとして排出される。また、燃料電池３における発電のために燃料電池３に供給された酸化剤ガスのうち、発電に利用されなかった分は、酸化剤オフガスとして排出される。以降、燃料オフガス及び酸化剤オフガスを総称してオフガスというときもある。燃料オフガスを含むオフガスは、可燃分としての水素を含む可燃性ガスである。つまり、ＣＯ多含有ガスあるいはオフガスが、可燃性ガスＧｃとして燃料電池装置１から排出される。

図１（Ｂ）に示すように、ガス処理装置１０は、可燃性ガスＧｃを燃焼させる燃焼触媒１１と、燃焼触媒１１を収容する内筒１２と、内筒１２の一部を囲うように配置された外壁１３と、外壁１３の一端を塞ぐように配置された覆板１４と、外壁１３を加熱する外壁ヒータ２３とを備えている。

燃焼触媒１１は、可燃性ガスＧｃ中の可燃成分の酸化を促進させる物質で構成されており、例えば、白金、パラジウム等の貴金属系触媒や、マンガン、鉄等の卑金属系触媒等を用いることができる。燃焼触媒１１は、加熱されることで活性化し、効率よく未燃成分を浄化することができる。燃焼触媒１１は、ハニカム構造、ペレットを結合させたもの、発泡体（発泡金属）等種々の形状のものを採用することができる。

内筒１２は、燃焼触媒１１を内部に保持する筒状の部材であり、流体を通過させることができるように両端が開口している。内筒１２は、本実施の形態では、軸線が直線の筒状に形成されている。内筒１２を形成する筒は、軸線に直交する断面における形状が、円形、あるいは四角形や六角形等の多角形に形成されている。本実施の形態では、軸線が鉛直となるように内筒１２を配置したときに、内筒１２の上端と燃焼触媒１１の上面とが面一になるように、内筒１２に燃焼触媒１１が充填されている。内筒１２に充填されている燃焼触媒１１の量は、可燃性ガスＧｃの処理に必要な量となっている。燃焼触媒１１より下方の燃焼触媒１１が充填されていない内筒１２の内部は、可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１で燃焼した後の排出ガスＧｅが流れる空間になっている。内筒１２に充填された燃焼触媒１１は、支持板３１に支えられている。支持板３１は、内筒１２の内部の断面積よりも一回り小さな面積の開口が形成された平板状の部材が用いられている。ここでいう一回り小さいとは、燃焼触媒１１を支えるのに必要な範囲で、内筒１２内の流体の流通を阻害しないように、内筒１２の内部の突起が極力小さくなる大きさである。内筒１２は、支持板３１が設けられる位置で分割され、分割された内筒１２で支持板３１を挟むように構成されている。

外壁１３は、内筒１２の一部分の外表面と外壁１３の内表面との間に可燃性ガスＧｃが通過可能な受熱流路１８を形成する部材である。外壁１３は、本実施の形態では、燃焼触媒１１に隣接した内筒１２の部分の外側に設けられている。内筒１２に収容された燃焼触媒１１は、可燃性ガスＧｃが燃焼すると燃焼熱が発生するように構成されている。そして、燃焼触媒１１で発生した燃焼熱は、内筒１２を貫流して内筒１２の外側へ放散し、受熱流路１８に至るように構成されている。内筒１２のうち、受熱流路１８に隣接した部分を特に放熱部１２ｒということとする。本実施の形態では、燃焼触媒１１に隣接した内筒１２の部分が放熱部１２ｒに相当する。外壁１３は、本実施の形態では、放熱部１２ｒの外周を、間隔をあけて囲む筒状に形成されている。また、本実施の形態では、外壁１３の軸線と内筒１２の軸線とが重なるように内筒１２に対して外壁１３が配置されることで、放熱部１２ｒの外周全体に受熱流路１８が形成されている。内筒１２と外壁１３とは、軸直角断面の形状が、典型的には相似形となっているが、例えば、内筒１２が円形で外壁１３が多角形、あるいはその逆というように異なっていてもよく、換言すれば、受熱流路１８の幅が内筒１２の周方向に沿って一様でなくてもよい。内筒１２と外壁１３との間隔は、受熱流路１８を通過する可燃性ガスＧｃの流量に応じて適宜決定するとよい。

覆板１４は、外壁１３の一端を塞ぐ平板状の部材である。覆板１４は、放熱部１２ｒの外周に配置された外壁１３の、支持板３１とは反対側の端部の全体に接して配置されている。覆板１４と外壁１３とは、本実施の形態では一体に形成されている。外壁１３及び覆板１４は、比較的熱伝導率の大きな材料で形成されており、例えばアルミニウム等の金属で形成されていてもよい。外壁１３を構成する筒の長さは、放熱部１２ｒの長さと概ね同じに形成されているが、外壁１３が支持板３１に対して軸線方向で支持板３１から離れる方向にずれて配置されていることで、可燃性ガスＧｃが受熱流路１８に流入する流入部１７が外壁１３と支持板３１との間に形成され、放熱部１２ｒ及び燃焼触媒１１の端面と覆板１４との間に導入空間１９が形成されている。覆板１４が設けられていることで、受熱流路１８を通過して導入空間１９に至った可燃性ガスＧｃが、外壁１３の外側に流出せずに、内筒１２の内部に導かれるようになっている。

外壁ヒータ２３は、受熱流路１８を流れる可燃性ガスＧｃを加熱するものである。外壁ヒータ２３は、燃焼触媒１１における可燃性ガスＧｃの燃焼熱とは別の熱源であり、加熱ヒータの一形態である。外壁ヒータ２３は、本実施の形態では、外壁１３の外表面に貼付されている。このように構成されていることで、外壁ヒータ２３で発生した熱が外壁１３に伝達した後に比較的熱伝導率の高い材料で形成された外壁１３及びこれに接続された覆板１４全体に伝導し、外壁１３及び覆板１４の温度が上昇して、外壁１３及び覆板１４が伝熱板として作用するようになっている。外壁ヒータ２３は、シーズヒータやアルミ箔にコードヒータが取り付けられた構成等の、シート状に形成されたヒータを用いるとよい。

図２に、ガス処理装置１０の構成を別の視点から示す。図２は、ガス処理装置１０の分解斜視図である。図２（Ａ）は内筒１２及び外壁１３の軸直角断面並びに覆板１４が円形の例、図２（Ｂ）は内筒１２及び外壁１３の軸直角断面並びに覆板１４が正方形の例を示している。外壁１３には、覆板１４が設置された側とは反対側の端部に、脚部１３ｓが設けられている。脚部１３ｓは、外壁１３を構成する筒の周方向に間隔をあけて複数（典型的には３〜４個）設けられている。脚部１３ｓの高さは、流入部１７の高さに相当する。脚部１３ｓの幅は、支持板３１への伝熱を抑制する観点から、外壁１３（及び覆板１４）を支持することができる範囲で極力狭くするとよい。外壁１３（及び覆板１４）は、脚部１３ｓが支持板３１に載置されたうえで接続されることで、内筒１２及び燃焼触媒１１に対する位置が決まるように構成されている。

再び図１（Ｂ）に戻ってガス処理装置１０の説明を続ける。上述のように構成されたガス処理装置１０は、支持板３１がケース９１に接して固定されていることで、ケース９１に固定されている。このとき、内筒１２は、放熱部１２ｒがケース９１の内部に配置され、放熱部１２ｒ以外の部分がケース９１の外側に配置されている。ケース９１の外側に配置された内筒１２の端部には、排出管９９が接続されている。また、ケース９１の内部には、燃料電池装置１（図１（Ａ）参照）から排出された可燃性ガスＧｃが流入部１７に円滑に導かれるように、仕切板３４が配設されている。仕切板３４は、支持板３１との間に外壁１３及び覆板１４を挟むように、かつ、覆板１４に対して近接しつつ距離をあけて、支持板３１に平行に配設されている。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１００及びガス処理装置１０の作用を説明する。なお、ガス処理装置１０の作用は、燃料電池システム１００の作用の一環として説明する。燃料電池装置１では、原料及び必要なスチームあるいは酸化剤が改質器２に供給されることで、改質器２において原料の改質が行われ、燃料ガスが生成される。燃料電池装置１の起動初期は、改質器２の温度が、原料の適切な改質が可能な程度に上昇していないため、ＣＯ多含有燃料ガスが生成される。ＣＯ多含有燃料ガスは、燃料電池３における発電に寄与せずに燃料電池装置１から排出される。他方、改質器２の温度が上昇し、燃料電池３における発電に適した燃料ガスが生成されるようになると、生成された燃料ガスは燃料電池３における発電用に使用される。このとき、燃料電池３の酸化剤極（不図示）には酸化剤ガスが供給されている。燃料ガス及び酸化剤ガスが導入された燃料電池３では、燃料ガス中の水素等と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応による発電が行われる。燃料電池３に導入された燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電に利用された後にオフガスとして排出され、燃料電池装置１から排出される。燃料電池装置１から排出されたＣＯ多含有燃料ガス又はオフガスは、可燃性ガスＧｃとしてガス処理装置１０に導入される。

可燃性ガスＧｃは、仕切板３４と支持板３１との間を通り、流入部１７から受熱流路１８に流入する。流入部１７に向かう可燃性ガスＧｃのうち、外壁１３の外側あるいは外壁ヒータ２３の脇を通る可燃性ガスＧｃは、外壁１３からの放熱あるいは外壁ヒータ２３の放熱によって温度が上昇したうえで受熱流路１８に流入する。受熱流路１８に流入した可燃性ガスＧｃは、導入空間１９を経由して内筒１２の内部に流入する。このとき、外壁１３及び覆板１４が外壁ヒータ２３によって昇温されているので、内筒１２の内部に流入する可燃性ガスＧｃは、受熱流路１８を流れる際に外壁から受熱し、導入空間１９では覆板１４から受熱して、昇温する。外壁ヒータ２３（加熱ヒータ）は、燃焼触媒１１に直接接触していないので、燃焼触媒１１の過加熱を防いで燃焼触媒１１の劣化や寿命低下を防ぎ、さらには燃焼触媒１１の損傷を防止することができる。また、昇温した可燃性ガスＧｃが内筒１２の内部に流入することで、燃焼触媒１１を均一に加熱することが可能となり、燃焼触媒１１の温度上昇に伴い活性を高めることができる。昇温して内筒１２の内部に流入した可燃性ガスＧｃは、燃焼触媒１１において可燃分が燃焼されて浄化され、排出ガスＧｅとなって燃焼触媒１１から排出される。燃焼触媒１１では、可燃性ガスＧｃが燃焼されたときに燃焼熱が生じる。発生した燃焼熱は、放熱部１２ｒの外側、つまり受熱流路１８に放散される。受熱流路１８に放散された燃焼熱は、導入空間１９に向かって受熱流路１８を流れる可燃性ガスＧｃを昇温する。つまり、受熱流路１８を流れる可燃性ガスＧｃは、外壁ヒータ２３からの発熱のほか、燃焼触媒１１における燃焼熱も受熱する。このようにして、燃焼触媒１１で発生した燃焼熱が、処理される前の可燃性ガスＧｃに回収されるため、熱が有効に利用されて省エネルギーに資する。また、受熱流路１８で昇温された可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１に供給されるため、燃焼触媒１１の活性を高めるのに寄与することとなる。このように、燃焼触媒１１に導入される前の可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１における燃焼熱を回収し、燃焼熱を回収して昇温した可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１に供給されて燃焼触媒１１の活性を高めるため、熱効率の向上及び省エネルギーの相乗効果を奏することとなる。浄化処理されて生成された排出ガスＧｅは、排出管９９を流れて燃料電池システム１００の外に排出される。

以上で説明したように、本実施の形態に係るガス処理装置１０によれば、燃焼触媒１１に導入される前の可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１における燃焼熱を回収し、燃焼熱を回収して昇温した可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１に供給されて燃焼触媒１１の活性を高めるため、熱効率の向上及び省エネルギーの相乗効果を奏することができる。

次に図３を参照して、本発明の実施の形態の第１の変形例に係るガス処理装置１１０を説明する。図３は、ガス処理装置１１０の縦断面図である。ガス処理装置１１０は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）と比較して、以下の点が異なっている。ガス処理装置１１０は、外壁１３が仕切板３４に直接接続されており、外壁１３に囲まれた仕切板３４の部分が覆板として機能する覆板部３４ｃとなっている。したがって、ガス処理装置１１０では、仕切板３４とは別体の覆板を有していない。また、加熱ヒータとして、外壁１３に貼付された外壁ヒータ２３（図１（Ｂ）参照）ではなく、内筒１２と外壁１３との間、すなわち受熱流路１８に配設された流路ヒータ２８を有している。ガス処理装置１１０の上記以外の構成は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）と同様である。ガス処理装置１１０は、典型的には燃料電池システム１００のガス処理装置１０に代えて設けられる。

上述のように構成されたガス処理装置１１０では、流入部１７から受熱流路１８に流入した可燃性ガスＧｃが、受熱流路１８を流れる際、燃焼触媒１１で発生した燃焼熱と共に流路ヒータ２８からの発熱を受熱する。流路ヒータ２８は、燃焼触媒１１に直接接触していないので、燃焼触媒１１の過加熱を防いで燃焼触媒１１の劣化や寿命低下を防ぎ、さらには燃焼触媒１１の損傷を防止することができる。このように、ガス処理装置１１０においても、燃焼触媒１１に導入される前の可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１における燃焼熱を回収するため、熱が有効に利用されて省エネルギーに資する。また、受熱流路１８で昇温された可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１に供給されるため、燃焼触媒１１の活性を高めるのに寄与することとなる。

次に図４を参照して、本発明の実施の形態の第２の変形例に係るガス処理装置２１０を説明する。図４（Ａ）は、ガス処理装置２１０の縦断面図、図４（Ｂ）はガス処理装置２１０が実装された燃料電池システム１０２の概略構成図である。ガス処理装置２１０は、図４（Ｂ）に示すように、ケース９１の外側に取り付けられている。ガス処理装置２１０は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）と比較して、以下の点が異なっている。ガス処理装置２１０は、燃焼触媒１１を支える支持板２３１に、内筒１２に近い内側とケース９１に接続される外側とで段差が形成されている。支持板２３１の段差の深さＤは、放熱部１２ｒ並びに外壁１３及び覆板１４を段差の中に収容できる距離になっている。支持板２３１に段差が形成され、段差の中に外壁１３等が収容されることで、外壁１３の外側で、外壁１３と支持板２３１との間に、可燃性ガスＧｃが通る外接流路１６が形成されている。段差（外接流路１６）の周囲の支持板２３１に、熱の放散を抑制する断熱材（不図示）を巻いてもよい。また、ガス処理装置２１０は、外壁ヒータ２３が、外壁１３の外側ではなく、外壁１３の内側に貼付されている。ガス処理装置２１０の上記以外の構成は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）と同様である。

上述のように構成されたガス処理装置２１０では、可燃性ガスＧｃが、流入部１７から受熱流路１８に流入する前の外接流路１６を流れる際に、外壁ヒータ２３によって加熱されて伝熱板として作用する外壁１３から受熱するため、熱を受ける流路の距離が長くなり、より多くの熱を受けることができる。なお、ガス処理装置２１０でも、外壁ヒータ２３が燃焼触媒１１に直接接触していないので燃焼触媒１１の過加熱を防ぐことができ、燃焼触媒１１に導入される前の可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１における燃焼熱を回収し、燃焼熱を回収して昇温した可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１に供給されて燃焼触媒１１の活性を高めるため、熱効率が向上すると共に省エネルギーに資することはいうまでもない。

次に図５を参照して、本発明の実施の形態の第３の変形例に係るガス処理装置３１０を説明する。図５（Ａ）はガス処理装置３１０の縦断面図、図５（Ｂ）はガス処理装置３１０が実装された燃料電池システム１０３の概略構成図である。ガス処理装置３１０は、図５（Ｂ）に示すように、ケース９１に接続された配管９８に取り付けられている。ガス処理装置３１０は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）と比較して、外壁ヒータ２３が取り付けられている位置が異なっている。ガス処理装置３１０では、外壁ヒータ２３が、ガス処理装置２１０（図４（Ａ）参照）と同様に、外壁１３の外側ではなく、外壁１３の内側に貼付されている。ガス処理装置３１０は、配管９８の中に外壁１３及び覆板１４（外壁１３内の放熱部１２ｒを含む）が収容されることで、外壁１３の外側で、外壁１３と配管９８との間に、ガス処理装置２１０（図４（Ａ）参照）と同様の、可燃性ガスＧｃが通る外接流路１６が形成されている。配管９８の外周（特に外接流路１６が形成されている部分の配管９８の外周）に、熱の放散を抑制する断熱材（不図示）を巻いてもよい。ガス処理装置３１０の上記以外の構成は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）と同様である。他方、燃料電池システム１０３は、燃料電池装置１から排出された可燃性ガスＧｃを流す配管９８が、ケース９１に接続されている。燃料電池システム１０３では、ガス処理装置３１０が、配管９８と排出管９９とに挟まれている。燃料電池システム１０３の上記以外の構成は、燃料電池システム１００（図１参照）と同様である。燃料電池システム１０３に設けられたガス処理装置３１０は、ガス処理装置２１０（図４（Ａ）参照）と同様の作用・効果を奏する。

次に図６を参照して、本発明の実施の形態の第４の変形例に係るガス処理装置４１０を説明する。図６は、ガス処理装置４１０の縦断面図である。ガス処理装置４１０は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）と比較して、以下の点が異なっている。ガス処理装置４１０は、軸線が鉛直となるように内筒１２を配置したときに、内筒１２の下端と燃焼触媒１１の下面とが面一になるように、内筒１２に燃焼触媒１１が充填されている。この構造に起因して、支持板３１Ａが、内筒１２の下端に設けられている。燃焼触媒１１より上方の内筒１２の内部は空間となっており、以下、この空間を上流空間１２ｓということとする。上流空間１２ｓは、可燃性ガスＧｃの流れ方向で、燃焼触媒１１の上流側に形成された空間である。内筒１２には、内筒１２の軸線に直交する方向に広がる取付板３２が、内筒１２の外周に設けられている。取付板３２は、燃焼触媒１１と上流空間１２ｓとの境界に対応する位置に設けられている。取付板３２は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）の支持板３１がケース９１に取り付けられる要領で、ケース９１に取り付けられている。燃焼触媒１１が充填されている内筒１２の部分、換言すれば取付板３２よりもケース９１外側にある部分に、燃焼熱の放散を抑制する断熱材（不図示）を巻いてもよい。

上流空間１２ｓが形成されている内筒１２の部分、換言すれば取付板３２よりもケース９１内側にある内筒１２の部分には、外表面に内筒ヒータ２２が貼付されている。内筒ヒータ２２として、外壁ヒータ２３（図１（Ｂ）参照）と同様の構造のものを採用することができる。なお、内筒ヒータ２２は、内筒１２の内表面に貼付されていてもよい。取付板３２よりもケース９１内側にある内筒１２の部分は、内筒ヒータ２２で発生して伝達された熱が伝導し、伝熱板として作用するように構成されている。この、取付板３２よりもケース９１内側にある内筒１２の部分は、内筒ヒータ２２と一体化して、内筒１２の内側及び外側へ熱を放散することで、本変形例では放熱部１２ｒを構成している。放熱部１２ｒの外側には、ガス処理装置１１０（図３参照）と同様の要領で、外壁１３及び仕切板３４が設けられている。つまり、ガス処理装置４１０は、外壁１３が仕切板３４に直接接続され、外壁１３に囲まれた仕切板３４の部分が覆板として機能する覆板部３４ｃとなっており、仕切板３４とは別体の覆板を有していない。ガス処理装置４１０の上記以外の構成は、ガス処理装置１０（図１（Ｂ）参照）と同様である。ガス処理装置４１０は、典型的には燃料電池システム１００（図１（Ａ）参照）のガス処理装置１０に代えて設けられる。

上述のように構成されたガス処理装置４１０では、流入部１７から受熱流路１８に流入した可燃性ガスＧｃが、受熱流路１８を流れる際、内筒ヒータ２２及び放熱部１２ｒからの発熱を受熱する。内筒ヒータ２２は、燃焼触媒１１に直接接触していないので、燃焼触媒１１の過加熱を防いで燃焼触媒１１の劣化や寿命低下を防ぎ、さらには燃焼触媒１１の損傷を防止することができる。受熱流路１８を流れた可燃性ガスＧｃは、覆板部３４ｃによって上流空間１２ｓに導かれ、ここで再び放熱部１２ｒから熱を受けると共に、燃焼触媒１１で発生した燃焼熱を受熱する。このように、ガス処理装置４１０においても、燃焼触媒１１に導入される前の可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１における燃焼熱を回収するため、熱が有効に利用されて省エネルギーに資する。また、受熱流路１８で昇温された可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１に供給されるため、燃焼触媒１１の活性を高めるのに寄与することとなる。

次に図７を参照して、本発明の実施の形態の第５の変形例に係るガス処理装置５１０を説明する。図７はガス処理装置５１０を示す図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。ガス処理装置５１０は、典型的には燃料電池システム１０３（図５（Ｂ）参照）のガス処理装置３１０に代えて設けられる。ガス処理装置５１０は、燃焼触媒１１と、燃焼触媒１１を収容する内筒５１２と、内筒５１２の一部を囲うように配置された外壁５１３と、覆板５１４と、外壁５１３を加熱する外壁ヒータ５２３とを備えている。ガス処理装置５１０は、外観形状が概ね直方体に形成されている。そのため、内筒５１２は、軸直角断面が矩形（正方形又は長方形）の筒状に形成されている。ガス処理装置５１０は、軸線が鉛直となるように内筒５１２を配置したときに、内筒５１２の下端と燃焼触媒１１の下面とが面一になるように、内筒５１２に燃焼触媒１１が充填されている。燃焼触媒１１は、内筒５１２の上部に下流空間５１２ｄが形成されるように内筒５１２に充填されている。内筒５１２の下端には、燃焼触媒１１を支える支持板５３１が下端の全体を覆うように設けられている。支持板５３１として、典型的にはメッシュあるいは多孔板が用いられる。内筒５１２の上端は、排出ガスＧｅの流出を防ぐ蓋部５３５で閉塞されている。

外壁５１３は、軸直角断面（図７（Ｂ）参照）が矩形に形成された内筒５１２の一辺との間に受熱流路５１８を形成するように、当該内筒５１２の一辺の外側に設けられている。本変形例では、受熱流路５１８に隣接する当該内筒５１２の一辺全体が放熱部５１２ｒに相当する。外壁５１３は、縦断面（図７（Ａ）参照）において、内筒５１２よりも上下に延びている。軸直角断面が矩形に形成された内筒５１２の、受熱流路５１８に隣接する辺以外の３つの辺には、縦断面において内筒５１２よりも上方に延びた上流延長壁５１５ｐと、内筒５１２よりも下方に延びた下流延長壁５１５ｑとが設けられている。上流延長壁５１５ｐは外壁５１３の上端と同じ高さまで、下流延長壁５１５ｑは外壁５１３の下端と同じ高さまで、それぞれ延びている。外壁５１３及び上流延長壁５１５ｐによって形成される筒状の端部は、閉塞部５３６で閉塞されている。閉塞部５３６と蓋部５３５との間には、導入部５１５ｓが形成されている。導入部５１５ｓは空間となっている。閉塞部５３６には、配管９８が接続されている。他方、外壁５１３及び下流延長壁５１５ｑによって形成される筒状の端部は、覆板５１４で塞がれている。覆板５１４と支持板５３１との間には、導入空間５１９が形成されている。

内筒５１２の内部には、排出ガス管５３９が配設されている。排出ガス管５３９は、一端が下流空間５１２ｄで開口しており、他端が支持板５３１及び覆板５１４を貫通して覆板５１４の外側まで延びている。排出ガス管５３９は、本変形例では、内筒５１２の軸線上に配設されている。排出ガス管５３９は、覆板５１４の外側の端部が、排出管９９に接続されている。外壁ヒータ５２３は、外壁５１３の外面に取り付けられている。本変形例では、外壁５１３がガス処理装置５１０の最外部に位置しているため、外壁ヒータ５２３を容易に設置することができる。外壁ヒータ５２３としては、外壁ヒータ２３（図１（Ｂ）参照）と同様の構造のシート状に形成されたヒータ等、種々のヒータを用いることができる。ガス処理装置５１０では、外壁ヒータ５２３を含む側面の全周に、熱の放散を抑制する断熱材（不図示）を巻いてもよい。

上述のように構成されたガス処理装置５１０では、可燃性ガスＧｃが、配管９８から導入部５１５ｓに導入される。導入部５１５ｓに導入された可燃性ガスＧｃは、受熱流路５１８及び導入空間５１９を経た後、支持板５３１を通過して燃焼触媒１１が充填された内筒５１２の内部に流入する。可燃性ガスＧｃは、受熱流路５１８を流れる際、外壁ヒータ５２３からの発熱及び燃焼触媒１１における燃焼熱を受熱して昇温する。なお、起動初期で燃焼触媒１１における燃焼熱の発生がない場合は、外壁ヒータ５２３からの発熱で可燃性ガスＧｃが昇温する。内筒５１２の内部に流入した可燃性ガスＧｃは、燃焼触媒１１において可燃分が燃焼されて浄化され、排出ガスＧｅとなって燃焼触媒１１から排出され、下流空間５１２ｄに至る。下流空間５１２ｄの排出ガスＧｅは、排出ガス管５３９及び排出管９９を流れて燃料電池システム１０３（図５（Ｂ）参照）の外に排出される。このように、ガス処理装置５１０においても、燃焼触媒１１に導入される前の可燃性ガスＧｃが燃焼触媒１１における燃焼熱を回収するため、熱が有効に利用されて省エネルギーに資する。また、受熱流路５１８で昇温された可燃性ガスＧｃが内筒５１２の内部に流入することで、燃焼触媒１１を均一に加熱することが可能となり、燃焼触媒１１の温度上昇に伴い燃焼触媒１１の活性を高めることができる。また、外壁ヒータ５２３が燃焼触媒１１に直接接触していないので、燃焼触媒１１の過加熱を防いで燃焼触媒１１の劣化や寿命低下を防ぎ、さらには燃焼触媒１１の損傷を防止することができる。

以上の説明では、図１（Ｂ）に示すガス処理装置１０は、外壁ヒータ２３が、外壁１３の外表面に貼付されていることとしたが、外壁１３の内表面に貼付されていてもよい。また、図４（Ａ）に示すガス処理装置２１０及び図５（Ａ）に示すガス処理装置３１０は、外壁ヒータ２３が、外壁１３の内表面に貼付されていることとしたが、外壁１３の外表面に貼付されていてもよい。なお、これらのガス処理装置１０、２１０、３１０は、外壁ヒータ２３に代えて、流路ヒータ２８を備えていてもよい。他方、図３に示すガス処理装置１１０は、流路ヒータ２８を備えることとしたが、流路ヒータ２８に代えて、外壁１３の外表面又は内表面に貼付された外壁ヒータ２３を備えていてもよい。

以上の説明では、ガス処理装置４１０（図６参照）を除き、外壁ヒータ２３、５２３あるいは流路ヒータ２８の加熱ヒータを備えることとしたが、加熱ヒータがなくても燃焼触媒１１において可燃性ガスＧｃの浄化ができる場合は、加熱ヒータを設けなくてもよい。他方、ガス処理装置４１０（図６参照）は、内筒ヒータ２２に加えて、加熱ヒータ（外壁ヒータ２３又は流路ヒータ２８）を備えていてもよい。

以上で説明した外壁ヒータ２３、５２３、及び流路ヒータ２８は、燃料電池システム１００、１０２、１０３の起動時に通電を開始（ＯＮ）し、燃焼触媒１１が可燃性ガスＧｃを適切に処理できる状態になったときに通電を遮断（ＯＦＦ）するように、ＯＮ−ＯＦＦ制御として、制御を簡素化するとよい。ＯＦＦにする契機として、ＯＮしてから燃焼触媒１１が適切な温度に昇温するまでに要する時間が経過したとき、あるいは燃焼触媒１１の温度が適切な温度に昇温したことを検知したときとすることができる。燃焼触媒１１の温度を検知する場合は、温度検知器を燃焼触媒１１に設置するとよい。

以上の説明では、図７に示すガス処理装置５１０は、外観形状が概ね直方体に形成されているとしたが、外観形状が概ね円柱状等の直方体以外の形状に形成されていてもよい。外観形状が概ね円柱状に形成される場合、円筒状の内筒５１２の全周を囲うように円筒状の外壁５１３を設け、内筒５１２の外周全体にわたって受熱流路５１８が形成されることとしてもよい。

以上の説明では、燃料電池システム１００が、図１（Ａ）中において、燃料電池装置１の下方にガス処理装置１０が配置された向きで示されているが、実際に設置する際は、図１（Ａ）に示された向きのほか、図１（Ａ）に示された向きに対して、上下反対の向きで設置してもよく、横向きに設置してもよい。燃料電池システム１０２（図４（Ｂ）参照）及び燃料電池システム１０３（図５（Ｂ）参照）においても同様である。

１ 燃料電池装置
１０ ガス処理装置
１１ 燃焼触媒
１２ 内筒
１２ｒ 放熱部
１２ｓ 上流空間
１３ 外壁
１４ 覆板
１８ 受熱流路
２２ 内筒ヒータ
２３ 外壁ヒータ
２８ 流路ヒータ
１００ 燃料電池システム
Ｇｃ 可燃性ガス

Claims (5)

1. 発電を行う燃料電池装置から排出された可燃性ガスを燃焼させる燃焼触媒と；
   前記燃焼触媒が内部に充填された内筒であって、外側へ熱を放散する放熱部を有する内筒と；
   前記放熱部よりも外側に設けられた外壁であって、前記可燃性ガスの流れ方向において前記燃焼触媒よりも上流に位置する前記可燃性ガスの流路である受熱流路を、前記内筒の前記放熱部の外表面と前記外壁の内表面との間に形成する外壁と；
   前記受熱流路を流れた前記可燃性ガスを前記内筒の内部に導く覆板とを備える；
   ガス処理装置。
2. 前記燃焼触媒が前記放熱部に隣接して前記内筒の内部に充填され；
   前記放熱部が、前記燃焼触媒における前記可燃性ガスの燃焼によって生じる熱を前記内筒の外側へ放散するように構成された；
   請求項１に記載のガス処理装置。
3. 前記燃焼触媒が、前記可燃性ガスの流れ方向において前記燃焼触媒よりも上流側の前記内筒の内側に前記燃焼触媒が充填されない空間が形成されるように、前記内筒の内部に充填され；
   前記放熱部が、前記空間を形成する部分の前記内筒に内筒ヒータが設置されることで構成された；
   請求項１に記載のガス処理装置。
4. 前記受熱流路を流れる前記可燃性ガスを加熱する加熱ヒータを備える；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガス処理装置。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガス処理装置と；
   前記燃料電池装置とを備え；
   前記燃料電池装置から排出された前記可燃性ガスを前記ガス処理装置で燃焼させる；
   燃料電池システム。

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