JP3960001B2 - 一酸化炭素除去器及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減して一酸化炭素を実質的に除去する一酸化炭素除去器と、この一酸化炭素除去器を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池システムは、都市ガスなどの原料ガスを改質して生成した水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給し、改質ガス中の水素と空気中の酸素との反応により水ができるときのエネルギーを電気に変換するように構成されている。このシステムでは、一般に、原料ガスを燃料電池へ供給する前の改質プロセスにおいて、硫黄化合物を除去した原料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するのに改質器が用いられている。
【０００３】
ここで、固体高分子からなる電解質をはさんで配置された水素極及び酸素極を有する固体高分子型燃料電池においては、燃料として用いる改質ガスに一酸化炭素が混入していると、該一酸化炭素により燃料電池の水素極の触媒が被毒して電池の発電効率が低下する。これに対し、上記改質器においては原料ガスの改質反応に伴って一酸化炭素が発生するため、上記固体高分子型燃料電池を用いたシステムでは、改質器の下流側で一酸化炭素を二酸化炭素に変成する変成器が用いられている。
【０００４】
また、この固体高分子型燃料電池では、十分な発電特性を得るためには改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下のレベルまで低減させる必要があるのに対し、上記変成器だけではこのレベルを実現することが困難である。このため、従来より一般に、改質器及び変成器で生成した改質ガスに空気を混合した後、一酸化炭素を選択的に酸化する選択酸化触媒を含んだ一酸化炭素除去器を通過させることによって、残った一酸化炭素を実質的に除去するようにしている。具体的には、上記一酸化炭素除去器において、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒の存在下で
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２＋２８２．９KJ/mol …(1)
の反応式に示される燃焼反応により除去するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一酸化炭素除去器での反応は、上記(1)式に示されるように大きな発熱を伴う反応であるが、反応の成り行きに任せて反応温度が過度（例えば２００℃以上）に上昇すると、
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋２４１．８KJ/mol …(2)
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＋２０５．８KJ/mol …(3)
ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ＋１６４．６KJ/mol …(4)
の各式に示されるような副反応が引き起こされ、燃料電池の燃料となる水素ガスが消費されることで効率が低下したり、メタンが発生したりするおそれがある。また、逆に反応温度を低くしすぎると上記(1)式の反応が進みにくくなる。以上のことから、一酸化炭素除去器での反応温度は１５０℃前後の温度域に保つことが理想的であると考えられている。
【０００６】
このような考え方を前提として、一酸化炭素除去器において上記温度域での反応を実現するために、従来より種々の技術が提案されている。例えば、特開２０００−２０３８０１号公報には、プレートやメタルハニカムに触媒層を被覆形成した熱交換可能な触媒装置（一酸化炭素除去器）が開示されており、熱交換フィンに触媒を坦持する構成が記載されている。この装置では、一酸化炭素を二酸化炭素にする際の反応熱を熱交換フィンを介して熱回収媒体に回収させて反応部の温度を下げるようにしている。
【０００７】
しかし、このように反応中に触媒を冷却する構成にした場合、触媒に温度分布が生じやすく、均一な反応温度を保つことは困難である。つまり、触媒に温度むらによるホットスポットやコールドスポットが生じてしまい、一様な酸化反応が起こりにくくなる。例えば、熱回収媒体としてフィンの周囲に水を流すようにした場合、水の近傍では触媒が低温になり、反応速度が遅くてＣＯ濃度が十分に低減されないのに対し、水から離れたところは高温になり、副反応が生じてしまう。
【０００８】
以上のように、従来の一酸化炭素除去器においては、反応温度を所定の温度域に維持することが理論的には好ましいのに対して、現実的には該温度域を維持して均一な反応が行われるようにすることは極めて困難であった。本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、一酸化炭素除去器において、過度の温度上昇による副反応を抑制するとともに性能低下も確実に防止することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反応中に触媒層(31)自体は冷却せずに、改質ガスを予め所定温度以下に冷却してから一酸化炭素除去器(30)に供給することにより、一酸化炭素除去器(30)の反応部で温度が過度に上昇するのを抑えるようにしたものである。
【００１０】
具体的に、本発明が講じた第１から第８の解決手段は、燃料電池(10)に供給される改質ガス中の一酸化炭素を、一酸化炭素選択酸化触媒の存在下で酸化除去する一酸化炭素除去器(30)を前提としている。
【００１１】
そして、第１の解決手段に係る一酸化炭素除去器(30)は、上記触媒を含む触媒層(31)の周囲を覆う断熱層(32)と、改質ガスの流路における触媒層(31)の上流側に位置して改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段(33)とを備え、この改質ガス冷却手段(33)が、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するように構成されているものである。例えば、副反応発生温度が約２００℃である場合に、改質ガスを改質ガス冷却手段(33)で約８０℃〜９０℃ないしはそれ以下の温度に冷却して触媒層(31)に投入するとよい。
【００１２】
この第１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)に流入する改質ガスは、改質ガス冷却手段(33)において冷却されてから触媒層(31)を通過する。改質ガスは、触媒層(31)を通過する際に、反応熱によって入口側から出口側に向かって温度が上昇するが、出口温度は副反応発生温度以上には上昇しない。また、触媒層(31)を周囲から断熱し、発熱反応に任せて入口側から出口側に向かって温度が上昇するようにしているが、触媒層(31)を強制的に冷却することはしていないので、改質ガスの流れ方向に直交する面において触媒層(31)の温度はほぼ均一になる。このため、ホットスポットやコールドスポットの発生は防止される。
【００１３】
また、この第１の解決手段では、改質ガス冷却手段 (33) が、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層 (31) に流入する改質ガスを、該触媒層 (31) の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するだけでなく、該触媒層 (31) における反応開始温度以下の温度に冷却するように構成されている。例えば、副反応発生温度が約２００℃で上記反応開始温度が約１００℃である場合に、改質ガスを改質ガス冷却手段(33)で約８０℃〜９０℃ないしはそれ以下の温度に冷却するとよい。
【００１４】
この第１の解決手段において、改質ガスは、改質ガス冷却手段(33)により触媒層(31)での反応開始温度以下の温度に冷却されて触媒層(31)に流入する。運転中は触媒層(31)が反応熱で温度上昇しているので、改質ガスはこの熱を吸収して反応開始温度以上に温度上昇し、反応が開始される。その後、改質ガスは副反応発生温度よりも低い温度まで温度が上昇し、触媒層(31)から流出する。
【００１５】
また、本発明が講じた第２の解決手段は、上記第１の解決手段において、触媒層(31)が改質ガスの流路の中間部で分割され、その分割部分に、第２の改質ガス冷却手段(36)が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
この第２の解決手段において、改質ガスは、触媒層(31)の上流側で所定の温度まで冷却された後に触媒層(31)に流入して温度上昇した後、触媒層(31)の中間部で第２の改質ガス冷却手段(36)で再度冷却される。そして、さらに触媒層(31)を通過した後、副反応発生温度よりも低い温度で触媒層(31)から流出する。
【００１７】
また、本発明が講じた第３の解決手段は、上記第１または第２の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、触媒層(31)に流入する改質ガスの熱を熱回収媒体に回収させる熱交換器として構成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明が講じた第４から第７の解決手段は、上記第３の解決手段の熱回収媒体を特定したものであり、第４の解決手段は、上記第３の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池冷却水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明が講じた第５の解決手段は、上記第３の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の排熱が与えられる熱媒水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。この熱媒水は、例えば給湯などに用いることができるものである。
【００２０】
また、本発明が講じた第６の解決手段は、上記第３の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の酸素極に供給される空気ないし酸素含有ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明が講じた第７の解決手段は、上記第３の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の排ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。この場合、水素極排ガスまたは酸素極排ガスの何れか一方を用いたり、これらを混合して用いたりすることが可能である。
【００２２】
上記第３から第７の解決手段において、改質ガスは、改質ガス冷却手段(33,36) として設けられた熱交換器を流れる燃料電池冷却水、熱媒水、空気ないし酸素含有ガス、あるいは電池排ガスなどの熱回収媒体により所定の温度まで冷却されて触媒層(31)に流入し、副反応発生温度よりも低い温度で触媒層(31)から流出する。
【００２３】
また、本発明が講じた第８の解決手段は、上記第１から第７の何れか１の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) と触媒層(31)とが一体のケーシング(35)内に設けられていることを特徴としている。
【００２４】
この第８の解決手段においては、一酸化炭素除去器(30)に流入する改質ガスは、一体のケーシング(35)内において、改質ガス冷却手段(33,36) で冷却されるとともに、触媒層(31)を通過する際に一酸化炭素が酸素と反応して除去される。
【００２５】
次に、本発明が講じた第９から第１７の解決手段は、燃料電池(10)に供給される改質ガス中の一酸化炭素を、一酸化炭素選択酸化触媒の存在下で酸化除去する一酸化炭素除去器(30)を備えた燃料電池システムを前提としている。
【００２６】
そして、第９の解決手段に係る燃料電池システムは、上記第１の解決手段に対応するものであり、具体的には、一酸化炭素除去器(30)が、上記触媒を含む触媒層(31)の周囲を覆う断熱層(32)と、改質ガスの流路における触媒層(31)の上流側に位置して改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段(33)とを備え、改質ガス冷却手段(33)が、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するように構成されているものである。
【００２７】
また、この第９の解決手段では、一酸化炭素除去器 (30) の改質ガス冷却手段 (33) が、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層 (31) に流入する改質ガスを、該触媒層 (31) の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するだけでなく、該触媒層 (31) における反応開始温度以下の温度に冷却するように構成されている。
【００２８】
また、本発明が講じた第１０の解決手段は、上記第２の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第９の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)が改質ガスの流路の中間部で分割され、その分割部分に、第２の改質ガス冷却手段(36)が設けられていることを特徴としている。
【００２９】
また、本発明が講じた第１１の解決手段は、上記第３の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第９または第１０の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、触媒層(31)に流入する改質ガスの熱を熱回収媒体に回収させる熱交換器として構成されていることを特徴としている。
【００３０】
また、本発明が講じた第１２の解決手段は、上記第４の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第１１の解決手段において、燃料電池(10)を冷却する燃料電池冷却水が循環する燃料電池冷却水回路を備え、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池冷却水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００３１】
また、本発明が講じた第１３の解決手段は、上記第５の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第１１の解決手段において、燃料電池(10)の排熱が与えられる熱媒水が循環する温水回路を備え、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、上記熱媒水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００３２】
また、本発明が講じた第１４の解決手段は、上記第６の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第１１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の酸素極に供給される空気ないし酸素含有ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００３３】
また、本発明が講じた第１５の解決手段は、上記第７の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第１１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の排ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。この場合、水素極排ガスまたは酸素極排ガスの何れか一方を用いたり、これらを混合して用いたりすることが可能である。
【００３４】
また、本発明が講じた第１６の解決手段は、上記第８の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第９から第１５の何れか１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)が、改質ガス冷却手段(33,36) と触媒層(31)とが一体のケーシング(35)内に設けられていることを特徴としている。
【００３５】
さらに、本発明が講じた第１７の解決手段は、上記第９から第１６の何れか１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、触媒層(31)に流入する改質ガスを、システム起動後に触媒層（ 31 ）の温度が反応開始温度よりも高くなった後に冷却開始するように構成されていることを特徴としている。
【００３６】
この第１７の解決手段においては、システムの起動時には変成器(22)からの高温の改質ガスが冷却されないため、起動から所定時間経過後には触媒層(31)が反応開始温度以上に上昇し、反応が開始される。また、反応が一旦始まると、上記改質ガスは改質ガス冷却手段(33)により冷却された後、触媒層(31)での反応熱により反応開始温度以上に加熱されて反応が継続する。この際、出口温度は副反応発生温度以上には上昇しない。
【００３７】
【発明の効果】
上記第１及び第９の解決手段によれば、触媒層(31)の周囲を断熱層(32)で覆うとともに、触媒層(31)に流入する改質ガスを改質ガス冷却手段(33)で冷却するようにしている。このため、触媒層(31)の入口側から出口側に向かって温度が上昇するものの、改質ガスの流れ方向に直交する面においては温度がほぼ均一になる。したがって、ホットスポットやコールドスポットの発生を防止することができるため、ホットスポットにおいて副反応が生じたり、コールドスポットにおいてＣＯ濃度が十分に低減されないような問題の発生を防止できる。つまり、触媒層(31)を全体に均一な温度にしようとする従来の構成においては、副反応の抑制と性能低下の防止とが極めて実現困難であるのに対して、触媒層(31)を断熱した状態で入口側から出口側に向かって温度勾配を付けることを許容する構成としたことで、副反応の抑制と性能低下の防止とが実現可能となる。
【００３８】
また、以上のように、一酸化炭素除去器(30)において一酸化炭素濃度を十分に低減することで一酸化炭素を実質的に除去できるので、燃料電池(10)における触媒の被毒の発生を確実に防止できる。
【００３９】
また、改質ガスを触媒層(31)での反応開始温度よりも低い温度に冷却しておくことにより、改質ガスが副反応発生温度以上の温度に上昇することを効果的に防止でき、しかも運転中は改質ガスが反応熱で反応開始温度よりも高い温度に上昇するので、一酸化炭素除去性能が低下することも防止できる。
【００４０】
また、上記第２及び第１０の解決手段によれば、触媒層(31)の中間部に第２の改質ガス冷却手段(36)を設けているので、改質ガスが副反応発生温度以上の温度に上昇することをより効果的に防止できる。このため、一酸化炭素濃度が比較的高い改質ガスが一酸化炭素除去器(30)に投入されるシステムの場合は出口温度が副反応発生温度よりも上昇しやすいのに対して、過度の温度上昇をより確実に防止できる。
【００４１】
また、上記第３から第７の解決手段、及び第１１から第１５の解決手段によれば、燃料電池冷却水、熱媒水、空気ないし酸素含有ガス、あるいは電池排ガスなどを熱回収媒体として利用することにより、副反応の発生を抑えながら性能の低下を防止でき、構成が複雑になるのも防止できる。
【００４２】
また、上記第８及び第１６の解決手段によれば、改質ガス冷却手段(33,36) と触媒層(31)とが一体のケーシング(35)内に設けられているので、一酸化炭素除去器(30)の構造を簡単にすることができる。
【００４３】
また、上記第１７の解決手段によれば、起動時には改質ガスを冷却せず、起動から所定時間経過後に冷却を開始するようにしているので、起動時に改質ガスを加熱する手段などを設けることが不要であり、構成が複雑になるのを防止できる。また、上記各解決手段と同様、過度の温度上昇により副反応が生じたり、逆に温度が低くなって性能が低下したりすることもなく、システムを適正な状態で継続して運転することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４５】
図１は、この実施形態１に係る燃料電池システム(1) の回路ブロック図である。図示するように、この燃料電池システム(1) は、燃料電池(10)と改質装置(20)と冷却水回路(40)と貯湯回路(50)とを備えている。
【００４６】
上記燃料電池(10)は、固体高分子電解質型に構成されている。この燃料電池(10)では、例えばフッ素系の高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子を分散させて電極を形成することで、単電池が構成されている。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノード）となり、他方が酸素極（カソード）となる。上記燃料電池(10)は、バイポーラ板を介して単電池が積層されたスタック（集合電池）を構成している。なお、上述した燃料電池(10)の構造については、図１において図示を省略している。
【００４７】
上記燃料電池(10)では、バイポーラ板と電解質膜の酸素極とによって酸素極側ガス通路(11)が形成され、バイポーラ板と電解質膜の水素極とによって水素極側ガス通路(12)が形成されている。酸素極側ガス通路(11)には、その入口側に空気供給管(13)を介して空気通路(2) が接続され、その出口側に酸素極排気管(14)が接続されている。一方、水素極側ガス通路(12)には、その入口側に水素供給管(15)を介して改質ガス通路(3) が配管接続され、その出口側に水素極排気管(16)が接続されている。
【００４８】
酸素極排気管(14)と水素極排気管(16)は、燃料電池排気管(17)に接続されている。燃料電池排気管(17)は、燃焼器(18)及び電池排ガス冷却熱交換器(19)に接続され、燃料電池の排ガスを燃焼後に冷却して排出するように構成されている。燃焼器(18)は、酸素極排ガス中に残存する酸素（Ｏ２）を利用して、水素極排ガス中に残存する水素（Ｈ２）を燃焼させる。排ガス冷却熱交換器(19)は、燃焼ガスの熱量を回収し、貯湯を行う。
【００４９】
上記改質装置(20)は、改質ガス通路(3) 上に設けられ、上流側から、図では一体に示した改質器(21)及び変成器(22)と、一酸化炭素除去器(30)とを備えている。改質器(21)は、原料ガスである都市ガスの供給源に接続されている。なお、改質器(21)と都市ガス供給源の間には、都市ガス中の硫黄化合物成分を取り除く脱硫器（図示せず）が必要に応じて接続される。
【００５０】
上記改質器(21)は、例えば、脱硫された都市ガスと、図示しないタンクから供給される水（水蒸気）とをバーナーで加熱しながら改質反応させて、主として二酸化炭素と水素を含む改質ガスを生成する。改質器(21)で生成される改質ガスには一酸化炭素も含まれており、変成器(22)は、その一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。
【００５１】
上記一酸化炭素除去器(30)は、改質ガス中に一酸化炭素が残っていると燃料電池システム(1) の発電効率が低下することから、この一酸化炭素を一酸化炭素選択酸化触媒の存在下で酸化して除去するように構成されている。この一酸化炭素除去器(30)は、上記触媒を含む触媒層(31)（図ではこの触媒層のブロックには「一酸化炭素除去器」を表示している）と、少なくともこの触媒層(31)の周囲を覆う断熱層(32)（図２参照）と、触媒層(31)の上流側に位置する改質ガス冷却手段としての改質ガス冷却熱交換器(33)とを有している。この改質ガス冷却熱交換器(33)は、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するように構成されている。
【００５２】
一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)の下流側には、触媒層(31)から流出した改質ガスを燃料電池(10)への投入温度まで冷却するための補助熱交換器(34)が設けられている。上記改質ガス冷却熱交換器(33)と補助熱交換器(34)とに関し、改質ガス冷却熱交換器(33)を設けていることは本発明の特徴のひとつである一方、補助熱交換器(34)は従来より用いられているものである。
【００５３】
上記空気通路(2) は、燃料電池(10)よりも上流側の２箇所で分岐して、改質器(21)の上流側と一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)の上流側とにおいて、改質ガス通路(3) に接続されている。
【００５４】
上記冷却水回路(40)は、電池冷却水が充填された閉回路であって、この冷却水回路(40)で電池冷却水を循環させることによって、燃料電池(10)が所定の作動温度に保たれる。この冷却水回路(40)は、電池冷却水タンク(41)、燃料電池(10)、改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)、電池排ガス冷却熱交換器(19)、及び温水熱交換器(51)を順に接続することにより構成されている。また、この回路中には、図示しない冷却水ポンプが設けられている。
【００５５】
上記温水熱交換器(51)には貯湯タンク(52)が接続され、該温水熱交換器(51)と貯湯タンク(52)とにより、上記貯湯回路(50)が構成されている。この貯湯回路(50)は、改質ガス冷却熱交換器(33)、補助熱交換器(34)及び電池排ガス冷却熱交換器(19)において加熱された電池冷却水の熱を、温水熱交換器(51)において貯湯回路(50)の貯湯用水（熱媒水）に与えるものであり、回路中には、図示しない温水ポンプが設けられている。そして、貯湯タンク(52)の温水は、必要に応じて給湯に供される。
【００５６】
次に、一酸化炭素除去器(30)について具体的に説明する。図２は、一酸化炭素除去器(30)の構成を概念的に示す斜視図であり、図３，図４はその具体構成の一例を示す図である。図３において、（ａ）は一酸化炭素除去器(31)の左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は平面図であり、図４は図３（ｂ）のIV−IV線断面図である。
【００５７】
図において、一酸化炭素除去器(30)は、上記一酸化炭素選択酸化触媒を含む触媒層(31)と、この触媒層(31)の上流側に位置する改質ガス冷却熱交換器(33)と、触媒層(31)の下流側に位置する補助熱交換器(34)とを、１つのケーシング(35)内に備えている。また、ケーシング(35)内には、触媒層(31)及び両熱交換器(33,34) を全体的に覆う断熱層(32)が設けられている。なお、断熱層(32)は、便宜上、図３では省略している。この断熱層(32)は、少なくとも触媒層(31)の周囲を覆うものであればよく、両熱交換器(33,34) の周囲には必ずしも設けなくてもよい。
【００５８】
上記各熱交換器(33,34) は、図４に示すようにプレートフィンコイル型の熱交換器であり、各熱交換器(33,34) ともフィン(33a,34a) が上下２段に配置されている。これらの熱交換器(33,34) には、上記冷却水回路(40)の配管(42)が接続されている。具体的には、補助熱交換器(34)の下段側と改質ガス冷却熱交換器(33)の下段側とが冷却水配管(42)で互いに接続されて一酸化炭素除去器(30)における冷却水の入口側に構成され、補助熱交換器(34)の上段側と改質ガス冷却熱交換器(33)の上段側とが冷却水配管(42)で互いに接続されて冷却水の出口側に構成されている。
【００５９】
触媒層(31)の上流側に位置する改質ガス冷却熱交換器(33)は、上述したように、該触媒層(31)に流入する改質ガスの熱を熱回収媒体（この実施形態１の場合は電池冷却水）に回収させて該改質ガスを所定温度に冷却する改質ガス冷却手段を構成している。具体的に、この熱交換器(33)は、周囲が断熱された触媒層(31)に流入する改質ガスを例えば９０℃に冷却することで、最も高温になる触媒層(31)の出口側でも温度が副反応発生温度（例えば２００℃）よりも低くなるようにしている。また、この実施形態１では、触媒層(31)における反応開始温度は例えば１００℃である。つまり、改質ガス冷却熱交換器(33)は、触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)における反応開始温度以下の温度に冷却している。
【００６０】
−運転動作−
次に、この燃料電池システム(1) の発電時の動作について説明する。
【００６１】
まず、改質ガス通路(3) に脱硫器を設けている場合は、該脱硫器において原料ガス中の硫黄化合物成分が取り除かれ、該ガスが空気と混合されて改質器(21)に送られる。改質器(21)では、原料ガスと、図示しないタンクから供給される水蒸気とをバーナーで加熱しながら水蒸気改質反応させて、主として二酸化炭素と水素とを含む改質ガスが生成される。
【００６２】
この改質ガスには上述したように一酸化炭素も含まれているが、該ガス中の一酸化炭素成分は変成器(22)において減少する。変成器(22)を出た改質ガスの組成は、本実施形態１においては、例えば、
ＣＨ４ ： ０．７ ％
Ｈ２Ｏ ：２６．０３％
Ｈ２ ：３５．８ ％
ＣＯ ： ０．５２％
ＣＯ２ ：１２．３９％
Ｎ２ ：２４．５７％
となり、一酸化炭素は、０．５２％まで濃度が低下している。この改質ガスは、さらに一酸化炭素除去器(30)に流れ、一酸化炭素が酸化により除去される。このとき、改質ガスには空気が混合されるが、その際のＯ２/ＣＯ（酸素と一酸化炭素の容量比）は、従来は一般に約２．０〜２．５程度であったのに対して、約１．０〜１．５に設定されている。つまり、本実施形態では、一酸化炭素除去器(30)における酸素投入量を従来よりも少なくしている。
【００６３】
一酸化炭素除去器(30)を出た改質ガスは、一酸化炭素濃度が目標値である１０ｐｐｍよりも低くなって燃料電池(10)に供給される。燃料電池(10)では、一酸化炭素除去器(30)から送られてきた改質ガス中の水素と、図示しないブロア等から空気供給管(13)を通して送られてきた空気中の酸素とが結合して、そのときに生じるイオンがカソードとアノードの電荷に変えられることで電力が発生する。
【００６４】
上記一酸化炭素除去器(30)に流入する改質ガスは、改質ガス冷却熱交換器(33)において、燃料電池(10)の冷却後の電池冷却水（約７５℃）と熱交換して約８０℃〜９０℃程度の温度に冷却される。この温度は、触媒層(31)における反応開始温度（約１００℃）よりも低い温度であり、このような温度設定をすることで、触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなるようにしている。
【００６５】
なお、燃料電池システム(1) の起動時は、改質ガス冷却熱交換器(33)による改質ガスの冷却は行われず、改質ガスは、変成器(22)から流出した高温の状態で一酸化炭素除去器(30)に供給される。このため、触媒層(31)は、起動から所定時間経過後には反応開始温度よりも温度が高くなり、反応が継続する状態となる。
【００６６】
このように、燃料電池システム(1) の運転中は、触媒層(31)は反応熱によって上記反応開始温度よりも温度が高くなっており、改質ガス冷却熱交換器(33)で冷却された改質ガスは、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に流入するとその反応熱によって温度が上昇して反応が開始される。そして、改質ガスは、触媒層(31)の入口側から出口側に向かって徐々に温度が上昇する一方、副反応が発生する温度（２００℃）よりも低い温度で触媒層(31)から流出する。
【００６７】
以上説明したように、システムの運転中には、触媒層(31)を断熱した状態において該触媒層(31)を冷却せずに、触媒層(31)に流入する改質ガスを予め冷却することにより、触媒層(31)には入口側から出口側に向かってほぼ一様な温度勾配が発生する。一方、触媒層(31)は改質ガスの流れに直交する面方向においては温度がほぼ均一となり、コールドスポットやホットスポットは生じない。したがって、全体としては安定した酸化反応が生じるとともに温度の過上昇が抑えられるため、一酸化炭素除去器(30)において副反応は発生せず、性能の低下も生じない。
【００６８】
また、触媒層(31)から流出した改質ガスは、補助冷却熱交換器(34)において、燃料電池(10)への投入温度（約８０℃）まで冷却され、燃料電池(10)の水素極側ガス通路(12)に流入する。燃料電池の水素極排ガスと酸素極排ガスは、燃料電池排気管(17)で合流し、燃焼器(18)で燃焼された後、電池排ガス冷却熱交換器(19)で電池冷却水と熱交換して冷却され、排気される。
【００６９】
一方、上記冷却水回路(40)において、改質ガス冷却熱交換器(33)から流出した電池冷却水は、電池排ガス冷却熱交換器(19)で加熱され、さらに温水熱交換器(51)で冷却された後、電池冷却水用タンク(41)に戻る。電池冷却水用タンク(41)に戻った冷却水は、燃料電池(10)を冷却した後、改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)に流れて、再度改質ガスを冷却する。
【００７０】
また、温水熱交換器(51)では、電池冷却水と給湯用水とが熱交換し、給湯用水が加熱される。この給湯用水は貯湯タンク(52)に貯蔵され、必要に応じて給湯に使用される。
【００７１】
−実施形態１の効果−
本実施形態１によれば、触媒層(31)の周囲を断熱層(32)で覆うとともに、触媒層(31)に流入する改質ガスを改質ガス冷却熱交換器(33)で冷却することにより、触媒層(31)の入口側から出口側に向かって温度が上昇するものの、改質ガスの流れ方向に直交する面方向においては温度がほぼ均一になるようにしているので、ホットスポットやコールドスポットの発生を防止することができる。したがって、ホットスポットにおいて副反応が生じたり、コールドスポットにおいてＣＯ濃度が十分に低減されないような問題の発生を防止できる。
【００７２】
つまり、触媒層(31)を全体に均一な温度にしようとする構成においては副反応の抑制と性能低下の防止とが実現困難であるのに対して、触媒層(31)を断熱した状態で入口側から出口側に向かってほぼ均一な温度勾配を付けることを許容する構成としたことで、副反応の抑制と性能低下の防止とが実現可能となる。
【００７３】
また、従来はＯ２/ＣＯ（酸素と一酸化炭素の容量比）を２．０〜２．５程度に設定する必要があったのに対して、本実施形態によれば反応が安定するためＯ２/ＣＯを１．０〜１．５程度に設定し、Ｏ２ 投入量を減らしても目標値（１０ｐｐｍ）を達成できる。この結果、水素収率が上がり、効率が向上する。
【００７４】
また、改質ガスを触媒層(31)での反応開始温度（約１００℃）よりも低い温度（約８０℃〜９０℃）に冷却するようにしているので、改質ガスが副反応発生温度（２００℃）以上の温度に上昇することを効果的に防止できる。しかも、このような温度設定にしても、運転中は改質ガスが反応熱で反応開始温度よりも高い温度に上昇するので、一酸化炭素除去性能が低下することも防止できる。
【００７５】
また、本実施形態によれば一酸化炭素除去器(30)において、副反応を抑制しながら一酸化炭素濃度を十分に低減して一酸化炭素を実質的に除去できるので、燃料電池(10)における触媒の被毒の発生を確実に防止できる。
【００７６】
さらに、本実施形態１では、触媒層にフィンを入れて触媒を冷却する複雑な構成や、触媒層を冷却するのに水を循環させたりする複雑な構造が不要であるため、構成を簡素化できる。
【００７７】
−実施形態１の変形例−
（変形例１）
図５は、一酸化炭素除去器(30)の変形例の構成を概念的に示す斜視図である。この一酸化炭素除去器(30)は、触媒層(31)が改質ガスの流路の中間部で分割され、前段の触媒層(31a) と後段の触媒層(31b)の中間部に、改質ガス冷却手段としての第２の改質ガス冷却熱交換器(36)が設けられている。つまり、この一酸化炭素除去器(30)は、実施形態１において説明した触媒層(31)の上流側の改質ガス冷却熱交換器(33)と、触媒層(31)の下流側の補助熱交換器(34)とに加えて、触媒層(31)の中間部に位置する第２の改質ガス冷却熱交換器(36)を備えている。
【００７８】
各熱交換器(33,34,36)は、実施形態１と同様に電池冷却水が流通する。そして、この電池冷却水と改質ガスとが熱交換して、改質ガスが冷却される。
【００７９】
また、この一酸化炭素除去器(30)では、触媒層(31)が分割された部分において、後段の触媒層(31b) に空気が吹き込まれるように構成されている。つまり、一酸化炭素除去器(30)に改質ガスとともに流入する酸素は前段の触媒層(31a) での反応に消費されてしまうので、後段の触媒層(31b) での反応に酸素を補給するようにしている。
【００８０】
この変形例では、改質ガスが、触媒層(31)の上流側で所定の温度まで冷却された後に前段の触媒層(31a) に流入して温度上昇した後、両触媒層(31a,31b) の中間部で第２の改質ガス冷却手段(36)により再度冷却されることにより、後段の触媒層(31b) を通過した後、副反応発生温度よりも低い温度で触媒層から流出するように温度を設定できる。このため、この一酸化炭素除去器(30)は、変成器(22)から供給される改質ガスが、例えば一酸化炭素を０．６％よりも多く含むような場合に、改質ガスが副反応発生温度以上の温度に上昇することを効果的に防止できる。つまり、一酸化炭素を０．６％よりも多く含むようなＣＯガス濃度が比較的高い改質ガスを一酸化炭素除去器(30)で処理するシステムの場合に、酸素投入量も増えるために出口温度が副反応発生温度よりも上昇しやすいのに対して、過度の温度上昇を確実に防止できる。
【００８１】
これに対して、上記実施形態１では、一酸化炭素を０．４％〜０．６％程度含む改質ガスを処理するのに適しており、この変形例と比べて構成が複雑になるのを防止できる。
【００８２】
（変形例２）
改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)は、図１及び図３では冷却水回路(40)において互いに並列に接続された構成としているが、これらの熱交換器(33,34) は直列に接続してもよい。
【００８３】
図６には両熱交換器(33,34) を直列に接続した例を示している。具体的には、補助熱交換器(34)の上段側と改質ガス冷却熱交換器(33)の下段側が中間配管で接続される一方、補助熱交換器(34)の下段側及び改質ガス冷却熱交換器(33)の上段側が、それぞれ、冷却水配管(42)に接続されて、一酸化炭素除去器(30)における冷却水の入口側及び出口側に構成されている。
【００８４】
このようにしても、図３の一酸化炭素除去器(30)と同等の効果を得ることができる。
【００８５】
【発明の実施の形態２】
本発明の実施形態２は、燃料電池の排熱が与えられる貯湯回路(50)の貯湯用水（熱媒水）を、改質ガス冷却熱交換器(33)における改質ガスからの熱回収媒体として用いるようにしたものである。
【００８６】
この実施形態２は、実施形態１の燃料電池システム(1) に対して、冷却水回路(40)と貯湯回路(50)の構成が異なる。この実施形態２において、冷却水回路(40)は、図７に示すように、電池冷却水タンク(41)と燃料電池(10)と温水熱交換器(51)とを順に接続した閉回路に構成されている。この冷却水回路(40)には、図示しない冷却水ポンプが設けられている。
【００８７】
また、貯湯回路(50)は、貯湯タンク(52)と、温水熱交換器(51)と、改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)と、電池排ガス冷却熱交換器(19)とを、順に接続した閉回路に構成されている。この貯湯回路(50)の回路中には、図示しない温水ポンプが設けられている。
【００８８】
この燃料電池システム(1) において、改質器(21)、変成器(22)、一酸化炭素除去器(30)及び燃料電池(10)など、冷却水回路(40)と貯湯回路(50)以外の部分は、実施形態１と同様に構成されている。
【００８９】
この実施形態２において、貯湯タンク(52)に溜められている貯湯用水は、温水熱交換器(51)で約７０℃に加熱される。そして、この貯湯用水が改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)を流れることにより、一酸化炭素除去器(30)を流れる改質ガスが触媒層(31)の上流側と下流側で実施形態１と同様に冷却される。改質ガスを冷却する際に加熱された貯湯用水は、電池排ガス冷却熱交換器(19)において燃焼ガスと熱交換してさらに加熱され、貯湯タンク(52)に戻される。貯湯タンク(52)に貯蔵される貯湯用水は、水の補給などによって温度が若干変動するが、約８５℃程度の温度で貯蔵されるように設定されている。
【００９０】
この実施形態２の場合も、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)を冷却せず、改質ガスを冷却して触媒層(31)に投入することにより、触媒層(31)においてホットスポットやコールドスポットが発生しないようにすることができる。このため、副反応の発生を抑えながら、一酸化炭素除去性能の低下を防止でき、燃料電池(10)における触媒の被毒も確実に防止できる。
【００９１】
【発明の実施の形態３】
本発明の実施形態３は、燃料電池(10)の酸素極に供給される空気ないし酸素含有ガスを、改質ガス冷却熱交換器(33)における改質ガスからの熱回収媒体として用いるようにしたものである。
【００９２】
この実施形態３は、実施形態１，２の燃料電池システム(1) に対して、空気通路(2) と、冷却水回路(40)及び貯湯回路(50)の構成が異なるようにしたものである。つまり、図８に示すように、空気通路(2) は、空気を改質ガスからの熱回収媒体として改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)に供給した後に燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)に流す一方、改質ガス冷却熱交換器(33)を通った空気を改質器(21)の上流側で原料ガスと混合して改質ガス通路(3) に流すように構成されている。このように、改質器(21)へ入れる空気と燃料電池(10)へ入れる空気の両方を改質ガス冷却熱交換器(33)に流すことにより、該熱交換器(33)における空気の流量をできるだけ多くして、改質ガスに対する十分な冷却性能が得られるようにしている。
【００９３】
また、冷却水回路(40)は、電池冷却水タンク(41)と温水熱交換器(51)と燃料電池(10)とを順に接続した閉回路に構成され、この回路には図示しない冷却水ポンプが設けられている。
【００９４】
さらに、貯湯回路(50)は、貯湯タンク(52)と、温水熱交換器(51)と、電池排ガス冷却熱交換器(19)とを、順に接続した閉回路に構成されている。この貯湯回路(50)の回路中には、図示しない温水ポンプが設けられている。
【００９５】
この燃料電池システム(1) において、その他の部分は上記各実施形態１，２と同様に構成されている。
【００９６】
この実施形態３において、変成器(22)から流出した改質ガスは、改質ガス冷却熱交換器(33)において、空気通路(2) からの空気と熱交換して冷却され（約８０℃〜９０℃）、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に流入する。改質ガスは、この触媒層(31)を通過する際に副反応が発生する温度（約２００℃）よりも若干低い温度まで加熱され、触媒層(31)から流出する。改質ガスは、補助熱交換器(34)で再度冷却され（約８０℃）、燃料電池(10)に投入される。一方、空気通路(2) を流れる空気は、一部が改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)で改質ガスを冷却した後に燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)に供給され、残りが原料ガスと混合されて改質器(21)に供給される。
【００９７】
なお、電池冷却水は、温水熱交換器(51)において貯湯用水と熱交換し、さらに燃料電池(10)を流れて該燃料電池を冷却する。燃料電池(10)を冷却した電池冷却水は、電池冷却水タンク(41)に戻り、以上の循環を繰り返す。
【００９８】
また、貯湯タンク(52)に溜められている貯湯用水は、貯湯回路(50)を循環する際に温水熱交換器(51)で電池冷却水と熱交換した後、電池排ガス冷却熱交換器(19)において燃焼ガスと熱交換して加熱される。加熱された貯湯用水は、貯湯タンク(52)に戻り、以上の循環を繰り返す。
【００９９】
この実施形態３の場合も、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)を冷却せず、改質ガスを冷却して触媒層(31)に投入することにより、触媒層(31)においてホットスポットやコールドスポットが発生しないようにすることができる。このため、副反応の発生を抑えながら、一酸化炭素除去性能の低下を防止でき、燃料電池(10)における触媒の被毒も確実に防止できる。
【０１００】
【発明の実施の形態４】
本発明の実施形態４は、燃料電池(10)の排ガスを、改質ガス冷却熱交換器(33)における改質ガスからの熱回収媒体として用いるようにしたものである。
【０１０１】
この実施形態４は、実施形態３の燃料電池システム(1) に対して、空気通路(2) と、燃料電池排気管(17)の構成が異なるようにしたものである。つまり、図９に示すように、空気通路(2) は、実施形態１，２と同様、空気を燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)に供給する一方、該空気の一部を改質器(21)と一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に供給するように構成されている。また、燃料電池排気管(17)は、２つに分岐して改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)に接続された後、合流して燃焼器(18)及び電池排ガス冷却熱交換器(19)に接続されている。
【０１０２】
なお、冷却水回路(40)及び貯湯回路(50)など、その他の部分は、実施形態３と同様に構成されている。
【０１０３】
この実施形態４において、変成器(22)から流出した改質ガスは、改質ガス冷却熱交換器(33)において、燃料電池排ガスと熱交換して冷却され（約８０℃〜９０℃）、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に流入する。改質ガスは、この触媒層(31)を通過する際に副反応が発生する温度（約２００℃）よりも若干低い温度まで加熱され、触媒層(31)から流出する。改質ガスは、補助熱交換器(34)で再度冷却され（約８０℃）、燃料電池(10)に投入される。一方、空気通路(2) を流れる空気は、一部が改質器(21)に供給され、一部が一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に供給され、残りが燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)に供給される。
【０１０４】
燃料電池排ガスは、燃料電池排気管(17)を流れるときに、例えば図示しないファンにより空冷されて、約８０℃程度の温度に冷却される。そして、このように冷却された燃料電池排ガスにより、上記一酸化炭素除去器(30)を流れる改質ガスが触媒層(31)の前後で冷却される。なお、燃料電池排ガスは、単に空冷により冷却する他に、電池冷却水や貯湯用水と熱交換をさせることにより所定温度まで冷却してもよい。
【０１０５】
この実施形態４の場合も、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)を冷却せず、改質ガスを冷却して触媒層(31)に投入することにより、触媒層(31)においてホットスポットやコールドスポットが発生しないようにすることができる。このため、副反応の発生を抑えながら、一酸化炭素除去性能の低下を防止でき、燃料電池(10)における触媒の被毒も確実に防止できる。
【０１０６】
【発明のその他の実施の形態】
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【０１０７】
例えば、上記各実施形態では、改質ガス冷却手段である改質ガス冷却熱交換器(33)において、燃料電池冷却水、温水、空気ないし酸素含有ガス、あるいは電池排ガスなどを熱回収媒体として改質ガスを所定の温度まで冷却するようにしているが、その他の熱回収媒体を用いてもよい。
【０１０８】
また、改質ガス冷却手段(33)は、改質ガスを所定温度まで冷却することができるものであれば、熱交換器に限らず、ペルチェ効果素子などの他の冷却要素を用いてもよい。
【０１０９】
さらに、実施形態２から４において、実施形態１の変形例と同様に触媒層(31)を２つに分割し、その間に改質ガス冷却手段としての第２の改質ガス冷却熱交換器を設けてもよい。
【０１１０】
また、上記実施形態では、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)と改質ガス冷却熱交換器(33)とを一体に構成しているが、必ずしも一体にしなくてもよい。また、上記実施形態では、補助熱交換器(34)も触媒層(31)と一体にしているが、この補助熱交換器(34)についても触媒層(31)と一体にする必要はない。
【０１１１】
また、上記実施形態では、改質方法として水蒸気改質法を例として取り上げているが、改質方法は、水蒸気改質法以外（例えば部分酸化改質法）でもよく、特に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの回路ブロック図である。
【図２】 図１の燃料電池システムにおける一酸化炭素除去器の構成を概念的に示す斜視図である。
【図３】 図２の一酸化炭素除去器の具体構成の一例を示す外観図であり、（ａ）は一酸化炭素除去器(31)の左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は平面図である。
【図４】 図３（ｂ）のIV−IV線断面図である。
【図５】 図２の一酸化炭素除去器の変形例を示す斜視図である。
【図６】 図３の一酸化炭素除去器の変形例を示す外観図であり、（ａ）は一酸化炭素除去器(31)の左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は平面図である。
【図７】 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの回路ブロック図である。
【図８】 本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの回路ブロック図である。
【図９】 本発明の実施形態４に係る燃料電池システムの回路ブロック図である。
【符号の説明】
(1) 燃料電池システム
(10) 燃料電池
(20) 改質装置
(21) 改質器
(22) 変成器
(30) 一酸化炭素除去器
(31) 触媒層
(32) 断熱層
(33) 改質ガス冷却熱交換器（改質ガス冷却手段）
(34) 補助熱交換器
(36) 第２の改質ガス冷却熱交換器（第２の改質ガス冷却手段）
(40) 冷却水回路
(50) 貯湯回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減して一酸化炭素を実質的に除去する一酸化炭素除去器と、この一酸化炭素除去器を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池システムは、都市ガスなどの原料ガスを改質して生成した水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給し、改質ガス中の水素と空気中の酸素との反応により水ができるときのエネルギーを電気に変換するように構成されている。このシステムでは、一般に、原料ガスを燃料電池へ供給する前の改質プロセスにおいて、硫黄化合物を除去した原料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するのに改質器が用いられている。
【０００３】
ここで、固体高分子からなる電解質をはさんで配置された水素極及び酸素極を有する固体高分子型燃料電池においては、燃料として用いる改質ガスに一酸化炭素が混入していると、該一酸化炭素により燃料電池の水素極の触媒が被毒して電池の発電効率が低下する。これに対し、上記改質器においては原料ガスの改質反応に伴って一酸化炭素が発生するため、上記固体高分子型燃料電池を用いたシステムでは、改質器の下流側で一酸化炭素を二酸化炭素に変成する変成器が用いられている。
【０００４】
また、この固体高分子型燃料電池では、十分な発電特性を得るためには改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下のレベルまで低減させる必要があるのに対し、上記変成器だけではこのレベルを実現することが困難である。このため、従来より一般に、改質器及び変成器で生成した改質ガスに空気を混合した後、一酸化炭素を選択的に酸化する選択酸化触媒を含んだ一酸化炭素除去器を通過させることによって、残った一酸化炭素を実質的に除去するようにしている。具体的には、上記一酸化炭素除去器において、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒の存在下で
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２＋２８２．９KJ/mol …(1)
の反応式に示される燃焼反応により除去するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一酸化炭素除去器での反応は、上記(1)式に示されるように大きな発熱を伴う反応であるが、反応の成り行きに任せて反応温度が過度（例えば２００℃以上）に上昇すると、
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋２４１．８KJ/mol …(2)
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＋２０５．８KJ/mol …(3)
ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ＋１６４．６KJ/mol …(4)
の各式に示されるような副反応が引き起こされ、燃料電池の燃料となる水素ガスが消費されることで効率が低下したり、メタンが発生したりするおそれがある。また、逆に反応温度を低くしすぎると上記(1)式の反応が進みにくくなる。以上のことから、一酸化炭素除去器での反応温度は１５０℃前後の温度域に保つことが理想的であると考えられている。
【０００６】
このような考え方を前提として、一酸化炭素除去器において上記温度域での反応を実現するために、従来より種々の技術が提案されている。例えば、特開２０００−２０３８０１号公報には、プレートやメタルハニカムに触媒層を被覆形成した熱交換可能な触媒装置（一酸化炭素除去器）が開示されており、熱交換フィンに触媒を坦持する構成が記載されている。この装置では、一酸化炭素を二酸化炭素にする際の反応熱を熱交換フィンを介して熱回収媒体に回収させて反応部の温度を下げるようにしている。
【０００７】
しかし、このように反応中に触媒を冷却する構成にした場合、触媒に温度分布が生じやすく、均一な反応温度を保つことは困難である。つまり、触媒に温度むらによるホットスポットやコールドスポットが生じてしまい、一様な酸化反応が起こりにくくなる。例えば、熱回収媒体としてフィンの周囲に水を流すようにした場合、水の近傍では触媒が低温になり、反応速度が遅くてＣＯ濃度が十分に低減されないのに対し、水から離れたところは高温になり、副反応が生じてしまう。
【０００８】
以上のように、従来の一酸化炭素除去器においては、反応温度を所定の温度域に維持することが理論的には好ましいのに対して、現実的には該温度域を維持して均一な反応が行われるようにすることは極めて困難であった。本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、一酸化炭素除去器において、過度の温度上昇による副反応を抑制するとともに性能低下も確実に防止することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反応中に触媒層(31)自体は冷却せずに、改質ガスを予め所定温度以下に冷却してから一酸化炭素除去器(30)に供給することにより、一酸化炭素除去器(30)の反応部で温度が過度に上昇するのを抑えるようにしたものである。
【００１０】
具体的に、本発明が講じた第１から第８の解決手段は、燃料電池(10)に供給される改質ガス中の一酸化炭素を、一酸化炭素選択酸化触媒の存在下で酸化除去する一酸化炭素除去器(30)を前提としている。
【００１１】
そして、第１の解決手段に係る一酸化炭素除去器(30)は、上記触媒を含む触媒層(31)の周囲を覆う断熱層(32)と、改質ガスの流路における触媒層(31)の上流側に位置して改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段(33)とを備え、この改質ガス冷却手段(33)が、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するように構成されているものである。例えば、副反応発生温度が約２００℃である場合に、改質ガスを改質ガス冷却手段(33)で約８０℃〜９０℃ないしはそれ以下の温度に冷却して触媒層(31)に投入するとよい。
【００１２】
この第１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)に流入する改質ガスは、改質ガス冷却手段(33)において冷却されてから触媒層(31)を通過する。改質ガスは、触媒層(31)を通過する際に、反応熱によって入口側から出口側に向かって温度が上昇するが、出口温度は副反応発生温度以上には上昇しない。また、触媒層(31)を周囲から断熱し、発熱反応に任せて入口側から出口側に向かって温度が上昇するようにしているが、触媒層(31)を強制的に冷却することはしていないので、改質ガスの流れ方向に直交する面において触媒層(31)の温度はほぼ均一になる。このため、ホットスポットやコールドスポットの発生は防止される。
【００１３】
また、この第１の解決手段では、改質ガス冷却手段 (33) が、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層 (31) に流入する改質ガスを、該触媒層 (31) の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するだけでなく、該触媒層 (31) における反応開始温度以下の温度に冷却するように構成されている。例えば、副反応発生温度が約２００℃で上記反応開始温度が約１００℃である場合に、改質ガスを改質ガス冷却手段(33)で約８０℃〜９０℃ないしはそれ以下の温度に冷却するとよい。
【００１４】
この第１の解決手段において、改質ガスは、改質ガス冷却手段(33)により触媒層(31)での反応開始温度以下の温度に冷却されて触媒層(31)に流入する。運転中は触媒層(31)が反応熱で温度上昇しているので、改質ガスはこの熱を吸収して反応開始温度以上に温度上昇し、反応が開始される。その後、改質ガスは副反応発生温度よりも低い温度まで温度が上昇し、触媒層(31)から流出する。
【００１５】
また、本発明が講じた第２の解決手段は、上記第１の解決手段において、触媒層(31)が改質ガスの流路の中間部で分割され、その分割部分に、第２の改質ガス冷却手段(36)が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
この第２の解決手段において、改質ガスは、触媒層(31)の上流側で所定の温度まで冷却された後に触媒層(31)に流入して温度上昇した後、触媒層(31)の中間部で第２の改質ガス冷却手段(36)で再度冷却される。そして、さらに触媒層(31)を通過した後、副反応発生温度よりも低い温度で触媒層(31)から流出する。
【００１７】
また、本発明が講じた第３の解決手段は、上記第１または第２の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、触媒層(31)に流入する改質ガスの熱を熱回収媒体に回収させる熱交換器として構成されていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明が講じた第４から第７の解決手段は、上記第３の解決手段の熱回収媒体を特定したものであり、第４の解決手段は、上記第３の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池冷却水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明が講じた第５の解決手段は、上記第３の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の排熱が与えられる熱媒水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。この熱媒水は、例えば給湯などに用いることができるものである。
【００２０】
また、本発明が講じた第６の解決手段は、上記第３の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の酸素極に供給される空気ないし酸素含有ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明が講じた第７の解決手段は、上記第３の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の排ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。この場合、水素極排ガスまたは酸素極排ガスの何れか一方を用いたり、これらを混合して用いたりすることが可能である。
【００２２】
上記第３から第７の解決手段において、改質ガスは、改質ガス冷却手段(33,36) として設けられた熱交換器を流れる燃料電池冷却水、熱媒水、空気ないし酸素含有ガス、あるいは電池排ガスなどの熱回収媒体により所定の温度まで冷却されて触媒層(31)に流入し、副反応発生温度よりも低い温度で触媒層(31)から流出する。
【００２３】
また、本発明が講じた第８の解決手段は、上記第１から第７の何れか１の解決手段において、改質ガス冷却手段(33,36) と触媒層(31)とが一体のケーシング(35)内に設けられていることを特徴としている。
【００２４】
この第８の解決手段においては、一酸化炭素除去器(30)に流入する改質ガスは、一体のケーシング(35)内において、改質ガス冷却手段(33,36) で冷却されるとともに、触媒層(31)を通過する際に一酸化炭素が酸素と反応して除去される。
【００２５】
次に、本発明が講じた第９から第１７の解決手段は、燃料電池(10)に供給される改質ガス中の一酸化炭素を、一酸化炭素選択酸化触媒の存在下で酸化除去する一酸化炭素除去器(30)を備えた燃料電池システムを前提としている。
【００２６】
そして、第９の解決手段に係る燃料電池システムは、上記第１の解決手段に対応するものであり、具体的には、一酸化炭素除去器(30)が、上記触媒を含む触媒層(31)の周囲を覆う断熱層(32)と、改質ガスの流路における触媒層(31)の上流側に位置して改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段(33)とを備え、改質ガス冷却手段(33)が、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するように構成されているものである。
【００２７】
また、この第９の解決手段では、一酸化炭素除去器 (30) の改質ガス冷却手段 (33) が、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層 (31) に流入する改質ガスを、該触媒層 (31) の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するだけでなく、該触媒層 (31) における反応開始温度以下の温度に冷却するように構成されている。
【００２８】
また、本発明が講じた第１０の解決手段は、上記第２の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第９の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)が改質ガスの流路の中間部で分割され、その分割部分に、第２の改質ガス冷却手段(36)が設けられていることを特徴としている。
【００２９】
また、本発明が講じた第１１の解決手段は、上記第３の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第９または第１０の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、触媒層(31)に流入する改質ガスの熱を熱回収媒体に回収させる熱交換器として構成されていることを特徴としている。
【００３０】
また、本発明が講じた第１２の解決手段は、上記第４の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第１１の解決手段において、燃料電池(10)を冷却する燃料電池冷却水が循環する燃料電池冷却水回路を備え、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池冷却水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００３１】
また、本発明が講じた第１３の解決手段は、上記第５の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第１１の解決手段において、燃料電池(10)の排熱が与えられる熱媒水が循環する温水回路を備え、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、上記熱媒水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００３２】
また、本発明が講じた第１４の解決手段は、上記第６の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第１１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の酸素極に供給される空気ないし酸素含有ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。
【００３３】
また、本発明が講じた第１５の解決手段は、上記第７の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第１１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、燃料電池(10)の排ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴としている。この場合、水素極排ガスまたは酸素極排ガスの何れか一方を用いたり、これらを混合して用いたりすることが可能である。
【００３４】
また、本発明が講じた第１６の解決手段は、上記第８の解決手段に対応するものであり、具体的には、上記第９から第１５の何れか１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)が、改質ガス冷却手段(33,36) と触媒層(31)とが一体のケーシング(35)内に設けられていることを特徴としている。
【００３５】
さらに、本発明が講じた第１７の解決手段は、上記第９から第１６の何れか１の解決手段において、一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) が、触媒層(31)に流入する改質ガスを、システム起動後に触媒層（ 31 ）の温度が反応開始温度よりも高くなった後に冷却開始するように構成されていることを特徴としている。
【００３６】
この第１７の解決手段においては、システムの起動時には変成器(22)からの高温の改質ガスが冷却されないため、起動から所定時間経過後には触媒層(31)が反応開始温度以上に上昇し、反応が開始される。また、反応が一旦始まると、上記改質ガスは改質ガス冷却手段(33)により冷却された後、触媒層(31)での反応熱により反応開始温度以上に加熱されて反応が継続する。この際、出口温度は副反応発生温度以上には上昇しない。
【００３７】
【発明の効果】
上記第１及び第９の解決手段によれば、触媒層(31)の周囲を断熱層(32)で覆うとともに、触媒層(31)に流入する改質ガスを改質ガス冷却手段(33)で冷却するようにしている。このため、触媒層(31)の入口側から出口側に向かって温度が上昇するものの、改質ガスの流れ方向に直交する面においては温度がほぼ均一になる。したがって、ホットスポットやコールドスポットの発生を防止することができるため、ホットスポットにおいて副反応が生じたり、コールドスポットにおいてＣＯ濃度が十分に低減されないような問題の発生を防止できる。つまり、触媒層(31)を全体に均一な温度にしようとする従来の構成においては、副反応の抑制と性能低下の防止とが極めて実現困難であるのに対して、触媒層(31)を断熱した状態で入口側から出口側に向かって温度勾配を付けることを許容する構成としたことで、副反応の抑制と性能低下の防止とが実現可能となる。
【００３８】
また、以上のように、一酸化炭素除去器(30)において一酸化炭素濃度を十分に低減することで一酸化炭素を実質的に除去できるので、燃料電池(10)における触媒の被毒の発生を確実に防止できる。
【００３９】
また、改質ガスを触媒層(31)での反応開始温度よりも低い温度に冷却しておくことにより、改質ガスが副反応発生温度以上の温度に上昇することを効果的に防止でき、しかも運転中は改質ガスが反応熱で反応開始温度よりも高い温度に上昇するので、一酸化炭素除去性能が低下することも防止できる。
【００４０】
また、上記第２及び第１０の解決手段によれば、触媒層(31)の中間部に第２の改質ガス冷却手段(36)を設けているので、改質ガスが副反応発生温度以上の温度に上昇することをより効果的に防止できる。このため、一酸化炭素濃度が比較的高い改質ガスが一酸化炭素除去器(30)に投入されるシステムの場合は出口温度が副反応発生温度よりも上昇しやすいのに対して、過度の温度上昇をより確実に防止できる。
【００４１】
また、上記第３から第７の解決手段、及び第１１から第１５の解決手段によれば、燃料電池冷却水、熱媒水、空気ないし酸素含有ガス、あるいは電池排ガスなどを熱回収媒体として利用することにより、副反応の発生を抑えながら性能の低下を防止でき、構成が複雑になるのも防止できる。
【００４２】
また、上記第８及び第１６の解決手段によれば、改質ガス冷却手段(33,36) と触媒層(31)とが一体のケーシング(35)内に設けられているので、一酸化炭素除去器(30)の構造を簡単にすることができる。
【００４３】
また、上記第１７の解決手段によれば、起動時には改質ガスを冷却せず、起動から所定時間経過後に冷却を開始するようにしているので、起動時に改質ガスを加熱する手段などを設けることが不要であり、構成が複雑になるのを防止できる。また、上記各解決手段と同様、過度の温度上昇により副反応が生じたり、逆に温度が低くなって性能が低下したりすることもなく、システムを適正な状態で継続して運転することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４５】
図１は、この実施形態１に係る燃料電池システム(1) の回路ブロック図である。図示するように、この燃料電池システム(1) は、燃料電池(10)と改質装置(20)と冷却水回路(40)と貯湯回路(50)とを備えている。
【００４６】
上記燃料電池(10)は、固体高分子電解質型に構成されている。この燃料電池(10)では、例えばフッ素系の高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子を分散させて電極を形成することで、単電池が構成されている。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノード）となり、他方が酸素極（カソード）となる。上記燃料電池(10)は、バイポーラ板を介して単電池が積層されたスタック（集合電池）を構成している。なお、上述した燃料電池(10)の構造については、図１において図示を省略している。
【００４７】
上記燃料電池(10)では、バイポーラ板と電解質膜の酸素極とによって酸素極側ガス通路(11)が形成され、バイポーラ板と電解質膜の水素極とによって水素極側ガス通路(12)が形成されている。酸素極側ガス通路(11)には、その入口側に空気供給管(13)を介して空気通路(2) が接続され、その出口側に酸素極排気管(14)が接続されている。一方、水素極側ガス通路(12)には、その入口側に水素供給管(15)を介して改質ガス通路(3) が配管接続され、その出口側に水素極排気管(16)が接続されている。
【００４８】
酸素極排気管(14)と水素極排気管(16)は、燃料電池排気管(17)に接続されている。燃料電池排気管(17)は、燃焼器(18)及び電池排ガス冷却熱交換器(19)に接続され、燃料電池の排ガスを燃焼後に冷却して排出するように構成されている。燃焼器(18)は、酸素極排ガス中に残存する酸素（Ｏ２）を利用して、水素極排ガス中に残存する水素（Ｈ２）を燃焼させる。排ガス冷却熱交換器(19)は、燃焼ガスの熱量を回収し、貯湯を行う。
【００４９】
上記改質装置(20)は、改質ガス通路(3) 上に設けられ、上流側から、図では一体に示した改質器(21)及び変成器(22)と、一酸化炭素除去器(30)とを備えている。改質器(21)は、原料ガスである都市ガスの供給源に接続されている。なお、改質器(21)と都市ガス供給源の間には、都市ガス中の硫黄化合物成分を取り除く脱硫器（図示せず）が必要に応じて接続される。
【００５０】
上記改質器(21)は、例えば、脱硫された都市ガスと、図示しないタンクから供給される水（水蒸気）とをバーナーで加熱しながら改質反応させて、主として二酸化炭素と水素を含む改質ガスを生成する。改質器(21)で生成される改質ガスには一酸化炭素も含まれており、変成器(22)は、その一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。
【００５１】
上記一酸化炭素除去器(30)は、改質ガス中に一酸化炭素が残っていると燃料電池システム(1) の発電効率が低下することから、この一酸化炭素を一酸化炭素選択酸化触媒の存在下で酸化して除去するように構成されている。この一酸化炭素除去器(30)は、上記触媒を含む触媒層(31)（図ではこの触媒層のブロックには「一酸化炭素除去器」を表示している）と、少なくともこの触媒層(31)の周囲を覆う断熱層(32)（図２参照）と、触媒層(31)の上流側に位置する改質ガス冷却手段としての改質ガス冷却熱交換器(33)とを有している。この改質ガス冷却熱交換器(33)は、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却するように構成されている。
【００５２】
一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)の下流側には、触媒層(31)から流出した改質ガスを燃料電池(10)への投入温度まで冷却するための補助熱交換器(34)が設けられている。上記改質ガス冷却熱交換器(33)と補助熱交換器(34)とに関し、改質ガス冷却熱交換器(33)を設けていることは本発明の特徴のひとつである一方、補助熱交換器(34)は従来より用いられているものである。
【００５３】
上記空気通路(2) は、燃料電池(10)よりも上流側の２箇所で分岐して、改質器(21)の上流側と一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)の上流側とにおいて、改質ガス通路(3) に接続されている。
【００５４】
上記冷却水回路(40)は、電池冷却水が充填された閉回路であって、この冷却水回路(40)で電池冷却水を循環させることによって、燃料電池(10)が所定の作動温度に保たれる。この冷却水回路(40)は、電池冷却水タンク(41)、燃料電池(10)、改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)、電池排ガス冷却熱交換器(19)、及び温水熱交換器(51)を順に接続することにより構成されている。また、この回路中には、図示しない冷却水ポンプが設けられている。
【００５５】
上記温水熱交換器(51)には貯湯タンク(52)が接続され、該温水熱交換器(51)と貯湯タンク(52)とにより、上記貯湯回路(50)が構成されている。この貯湯回路(50)は、改質ガス冷却熱交換器(33)、補助熱交換器(34)及び電池排ガス冷却熱交換器(19)において加熱された電池冷却水の熱を、温水熱交換器(51)において貯湯回路(50)の貯湯用水（熱媒水）に与えるものであり、回路中には、図示しない温水ポンプが設けられている。そして、貯湯タンク(52)の温水は、必要に応じて給湯に供される。
【００５６】
次に、一酸化炭素除去器(30)について具体的に説明する。図２は、一酸化炭素除去器(30)の構成を概念的に示す斜視図であり、図３，図４はその具体構成の一例を示す図である。図３において、（ａ）は一酸化炭素除去器(31)の左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は平面図であり、図４は図３（ｂ）のIV−IV線断面図である。
【００５７】
図において、一酸化炭素除去器(30)は、上記一酸化炭素選択酸化触媒を含む触媒層(31)と、この触媒層(31)の上流側に位置する改質ガス冷却熱交換器(33)と、触媒層(31)の下流側に位置する補助熱交換器(34)とを、１つのケーシング(35)内に備えている。また、ケーシング(35)内には、触媒層(31)及び両熱交換器(33,34) を全体的に覆う断熱層(32)が設けられている。なお、断熱層(32)は、便宜上、図３では省略している。この断熱層(32)は、少なくとも触媒層(31)の周囲を覆うものであればよく、両熱交換器(33,34) の周囲には必ずしも設けなくてもよい。
【００５８】
上記各熱交換器(33,34) は、図４に示すようにプレートフィンコイル型の熱交換器であり、各熱交換器(33,34) ともフィン(33a,34a) が上下２段に配置されている。これらの熱交換器(33,34) には、上記冷却水回路(40)の配管(42)が接続されている。具体的には、補助熱交換器(34)の下段側と改質ガス冷却熱交換器(33)の下段側とが冷却水配管(42)で互いに接続されて一酸化炭素除去器(30)における冷却水の入口側に構成され、補助熱交換器(34)の上段側と改質ガス冷却熱交換器(33)の上段側とが冷却水配管(42)で互いに接続されて冷却水の出口側に構成されている。
【００５９】
触媒層(31)の上流側に位置する改質ガス冷却熱交換器(33)は、上述したように、該触媒層(31)に流入する改質ガスの熱を熱回収媒体（この実施形態１の場合は電池冷却水）に回収させて該改質ガスを所定温度に冷却する改質ガス冷却手段を構成している。具体的に、この熱交換器(33)は、周囲が断熱された触媒層(31)に流入する改質ガスを例えば９０℃に冷却することで、最も高温になる触媒層(31)の出口側でも温度が副反応発生温度（例えば２００℃）よりも低くなるようにしている。また、この実施形態１では、触媒層(31)における反応開始温度は例えば１００℃である。つまり、改質ガス冷却熱交換器(33)は、触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)における反応開始温度以下の温度に冷却している。
【００６０】
−運転動作−
次に、この燃料電池システム(1) の発電時の動作について説明する。
【００６１】
まず、改質ガス通路(3) に脱硫器を設けている場合は、該脱硫器において原料ガス中の硫黄化合物成分が取り除かれ、該ガスが空気と混合されて改質器(21)に送られる。改質器(21)では、原料ガスと、図示しないタンクから供給される水蒸気とをバーナーで加熱しながら水蒸気改質反応させて、主として二酸化炭素と水素とを含む改質ガスが生成される。
【００６２】
この改質ガスには上述したように一酸化炭素も含まれているが、該ガス中の一酸化炭素成分は変成器(22)において減少する。変成器(22)を出た改質ガスの組成は、本実施形態１においては、例えば、
ＣＨ４ ： ０．７ ％
Ｈ２Ｏ ：２６．０３％
Ｈ２ ：３５．８ ％
ＣＯ ： ０．５２％
ＣＯ２ ：１２．３９％
Ｎ２ ：２４．５７％
となり、一酸化炭素は、０．５２％まで濃度が低下している。この改質ガスは、さらに一酸化炭素除去器(30)に流れ、一酸化炭素が酸化により除去される。このとき、改質ガスには空気が混合されるが、その際のＯ２/ＣＯ（酸素と一酸化炭素の容量比）は、従来は一般に約２．０〜２．５程度であったのに対して、約１．０〜１．５に設定されている。つまり、本実施形態では、一酸化炭素除去器(30)における酸素投入量を従来よりも少なくしている。
【００６３】
一酸化炭素除去器(30)を出た改質ガスは、一酸化炭素濃度が目標値である１０ｐｐｍよりも低くなって燃料電池(10)に供給される。燃料電池(10)では、一酸化炭素除去器(30)から送られてきた改質ガス中の水素と、図示しないブロア等から空気供給管(13)を通して送られてきた空気中の酸素とが結合して、そのときに生じるイオンがカソードとアノードの電荷に変えられることで電力が発生する。
【００６４】
上記一酸化炭素除去器(30)に流入する改質ガスは、改質ガス冷却熱交換器(33)において、燃料電池(10)の冷却後の電池冷却水（約７５℃）と熱交換して約８０℃〜９０℃程度の温度に冷却される。この温度は、触媒層(31)における反応開始温度（約１００℃）よりも低い温度であり、このような温度設定をすることで、触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなるようにしている。
【００６５】
なお、燃料電池システム(1) の起動時は、改質ガス冷却熱交換器(33)による改質ガスの冷却は行われず、改質ガスは、変成器(22)から流出した高温の状態で一酸化炭素除去器(30)に供給される。このため、触媒層(31)は、起動から所定時間経過後には反応開始温度よりも温度が高くなり、反応が継続する状態となる。
【００６６】
このように、燃料電池システム(1) の運転中は、触媒層(31)は反応熱によって上記反応開始温度よりも温度が高くなっており、改質ガス冷却熱交換器(33)で冷却された改質ガスは、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に流入するとその反応熱によって温度が上昇して反応が開始される。そして、改質ガスは、触媒層(31)の入口側から出口側に向かって徐々に温度が上昇する一方、副反応が発生する温度（２００℃）よりも低い温度で触媒層(31)から流出する。
【００６７】
以上説明したように、システムの運転中には、触媒層(31)を断熱した状態において該触媒層(31)を冷却せずに、触媒層(31)に流入する改質ガスを予め冷却することにより、触媒層(31)には入口側から出口側に向かってほぼ一様な温度勾配が発生する。一方、触媒層(31)は改質ガスの流れに直交する面方向においては温度がほぼ均一となり、コールドスポットやホットスポットは生じない。したがって、全体としては安定した酸化反応が生じるとともに温度の過上昇が抑えられるため、一酸化炭素除去器(30)において副反応は発生せず、性能の低下も生じない。
【００６８】
また、触媒層(31)から流出した改質ガスは、補助冷却熱交換器(34)において、燃料電池(10)への投入温度（約８０℃）まで冷却され、燃料電池(10)の水素極側ガス通路(12)に流入する。燃料電池の水素極排ガスと酸素極排ガスは、燃料電池排気管(17)で合流し、燃焼器(18)で燃焼された後、電池排ガス冷却熱交換器(19)で電池冷却水と熱交換して冷却され、排気される。
【００６９】
一方、上記冷却水回路(40)において、改質ガス冷却熱交換器(33)から流出した電池冷却水は、電池排ガス冷却熱交換器(19)で加熱され、さらに温水熱交換器(51)で冷却された後、電池冷却水用タンク(41)に戻る。電池冷却水用タンク(41)に戻った冷却水は、燃料電池(10)を冷却した後、改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)に流れて、再度改質ガスを冷却する。
【００７０】
また、温水熱交換器(51)では、電池冷却水と給湯用水とが熱交換し、給湯用水が加熱される。この給湯用水は貯湯タンク(52)に貯蔵され、必要に応じて給湯に使用される。
【００７１】
−実施形態１の効果−
本実施形態１によれば、触媒層(31)の周囲を断熱層(32)で覆うとともに、触媒層(31)に流入する改質ガスを改質ガス冷却熱交換器(33)で冷却することにより、触媒層(31)の入口側から出口側に向かって温度が上昇するものの、改質ガスの流れ方向に直交する面方向においては温度がほぼ均一になるようにしているので、ホットスポットやコールドスポットの発生を防止することができる。したがって、ホットスポットにおいて副反応が生じたり、コールドスポットにおいてＣＯ濃度が十分に低減されないような問題の発生を防止できる。
【００７２】
つまり、触媒層(31)を全体に均一な温度にしようとする構成においては副反応の抑制と性能低下の防止とが実現困難であるのに対して、触媒層(31)を断熱した状態で入口側から出口側に向かってほぼ均一な温度勾配を付けることを許容する構成としたことで、副反応の抑制と性能低下の防止とが実現可能となる。
【００７３】
また、従来はＯ２/ＣＯ（酸素と一酸化炭素の容量比）を２．０〜２．５程度に設定する必要があったのに対して、本実施形態によれば反応が安定するためＯ２/ＣＯを１．０〜１．５程度に設定し、Ｏ２ 投入量を減らしても目標値（１０ｐｐｍ）を達成できる。この結果、水素収率が上がり、効率が向上する。
【００７４】
また、改質ガスを触媒層(31)での反応開始温度（約１００℃）よりも低い温度（約８０℃〜９０℃）に冷却するようにしているので、改質ガスが副反応発生温度（２００℃）以上の温度に上昇することを効果的に防止できる。しかも、このような温度設定にしても、運転中は改質ガスが反応熱で反応開始温度よりも高い温度に上昇するので、一酸化炭素除去性能が低下することも防止できる。
【００７５】
また、本実施形態によれば一酸化炭素除去器(30)において、副反応を抑制しながら一酸化炭素濃度を十分に低減して一酸化炭素を実質的に除去できるので、燃料電池(10)における触媒の被毒の発生を確実に防止できる。
【００７６】
さらに、本実施形態１では、触媒層にフィンを入れて触媒を冷却する複雑な構成や、触媒層を冷却するのに水を循環させたりする複雑な構造が不要であるため、構成を簡素化できる。
【００７７】
−実施形態１の変形例−
（変形例１）
図５は、一酸化炭素除去器(30)の変形例の構成を概念的に示す斜視図である。この一酸化炭素除去器(30)は、触媒層(31)が改質ガスの流路の中間部で分割され、前段の触媒層(31a) と後段の触媒層(31b)の中間部に、改質ガス冷却手段としての第２の改質ガス冷却熱交換器(36)が設けられている。つまり、この一酸化炭素除去器(30)は、実施形態１において説明した触媒層(31)の上流側の改質ガス冷却熱交換器(33)と、触媒層(31)の下流側の補助熱交換器(34)とに加えて、触媒層(31)の中間部に位置する第２の改質ガス冷却熱交換器(36)を備えている。
【００７８】
各熱交換器(33,34,36)は、実施形態１と同様に電池冷却水が流通する。そして、この電池冷却水と改質ガスとが熱交換して、改質ガスが冷却される。
【００７９】
また、この一酸化炭素除去器(30)では、触媒層(31)が分割された部分において、後段の触媒層(31b) に空気が吹き込まれるように構成されている。つまり、一酸化炭素除去器(30)に改質ガスとともに流入する酸素は前段の触媒層(31a) での反応に消費されてしまうので、後段の触媒層(31b) での反応に酸素を補給するようにしている。
【００８０】
この変形例では、改質ガスが、触媒層(31)の上流側で所定の温度まで冷却された後に前段の触媒層(31a) に流入して温度上昇した後、両触媒層(31a,31b) の中間部で第２の改質ガス冷却手段(36)により再度冷却されることにより、後段の触媒層(31b) を通過した後、副反応発生温度よりも低い温度で触媒層から流出するように温度を設定できる。このため、この一酸化炭素除去器(30)は、変成器(22)から供給される改質ガスが、例えば一酸化炭素を０．６％よりも多く含むような場合に、改質ガスが副反応発生温度以上の温度に上昇することを効果的に防止できる。つまり、一酸化炭素を０．６％よりも多く含むようなＣＯガス濃度が比較的高い改質ガスを一酸化炭素除去器(30)で処理するシステムの場合に、酸素投入量も増えるために出口温度が副反応発生温度よりも上昇しやすいのに対して、過度の温度上昇を確実に防止できる。
【００８１】
これに対して、上記実施形態１では、一酸化炭素を０．４％〜０．６％程度含む改質ガスを処理するのに適しており、この変形例と比べて構成が複雑になるのを防止できる。
【００８２】
（変形例２）
改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)は、図１及び図３では冷却水回路(40)において互いに並列に接続された構成としているが、これらの熱交換器(33,34) は直列に接続してもよい。
【００８３】
図６には両熱交換器(33,34) を直列に接続した例を示している。具体的には、補助熱交換器(34)の上段側と改質ガス冷却熱交換器(33)の下段側が中間配管で接続される一方、補助熱交換器(34)の下段側及び改質ガス冷却熱交換器(33)の上段側が、それぞれ、冷却水配管(42)に接続されて、一酸化炭素除去器(30)における冷却水の入口側及び出口側に構成されている。
【００８４】
このようにしても、図３の一酸化炭素除去器(30)と同等の効果を得ることができる。
【００８５】
【発明の実施の形態２】
本発明の実施形態２は、燃料電池の排熱が与えられる貯湯回路(50)の貯湯用水（熱媒水）を、改質ガス冷却熱交換器(33)における改質ガスからの熱回収媒体として用いるようにしたものである。
【００８６】
この実施形態２は、実施形態１の燃料電池システム(1) に対して、冷却水回路(40)と貯湯回路(50)の構成が異なる。この実施形態２において、冷却水回路(40)は、図７に示すように、電池冷却水タンク(41)と燃料電池(10)と温水熱交換器(51)とを順に接続した閉回路に構成されている。この冷却水回路(40)には、図示しない冷却水ポンプが設けられている。
【００８７】
また、貯湯回路(50)は、貯湯タンク(52)と、温水熱交換器(51)と、改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)と、電池排ガス冷却熱交換器(19)とを、順に接続した閉回路に構成されている。この貯湯回路(50)の回路中には、図示しない温水ポンプが設けられている。
【００８８】
この燃料電池システム(1) において、改質器(21)、変成器(22)、一酸化炭素除去器(30)及び燃料電池(10)など、冷却水回路(40)と貯湯回路(50)以外の部分は、実施形態１と同様に構成されている。
【００８９】
この実施形態２において、貯湯タンク(52)に溜められている貯湯用水は、温水熱交換器(51)で約７０℃に加熱される。そして、この貯湯用水が改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)を流れることにより、一酸化炭素除去器(30)を流れる改質ガスが触媒層(31)の上流側と下流側で実施形態１と同様に冷却される。改質ガスを冷却する際に加熱された貯湯用水は、電池排ガス冷却熱交換器(19)において燃焼ガスと熱交換してさらに加熱され、貯湯タンク(52)に戻される。貯湯タンク(52)に貯蔵される貯湯用水は、水の補給などによって温度が若干変動するが、約８５℃程度の温度で貯蔵されるように設定されている。
【００９０】
この実施形態２の場合も、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)を冷却せず、改質ガスを冷却して触媒層(31)に投入することにより、触媒層(31)においてホットスポットやコールドスポットが発生しないようにすることができる。このため、副反応の発生を抑えながら、一酸化炭素除去性能の低下を防止でき、燃料電池(10)における触媒の被毒も確実に防止できる。
【００９１】
【発明の実施の形態３】
本発明の実施形態３は、燃料電池(10)の酸素極に供給される空気ないし酸素含有ガスを、改質ガス冷却熱交換器(33)における改質ガスからの熱回収媒体として用いるようにしたものである。
【００９２】
この実施形態３は、実施形態１，２の燃料電池システム(1) に対して、空気通路(2) と、冷却水回路(40)及び貯湯回路(50)の構成が異なるようにしたものである。つまり、図８に示すように、空気通路(2) は、空気を改質ガスからの熱回収媒体として改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)に供給した後に燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)に流す一方、改質ガス冷却熱交換器(33)を通った空気を改質器(21)の上流側で原料ガスと混合して改質ガス通路(3) に流すように構成されている。このように、改質器(21)へ入れる空気と燃料電池(10)へ入れる空気の両方を改質ガス冷却熱交換器(33)に流すことにより、該熱交換器(33)における空気の流量をできるだけ多くして、改質ガスに対する十分な冷却性能が得られるようにしている。
【００９３】
また、冷却水回路(40)は、電池冷却水タンク(41)と温水熱交換器(51)と燃料電池(10)とを順に接続した閉回路に構成され、この回路には図示しない冷却水ポンプが設けられている。
【００９４】
さらに、貯湯回路(50)は、貯湯タンク(52)と、温水熱交換器(51)と、電池排ガス冷却熱交換器(19)とを、順に接続した閉回路に構成されている。この貯湯回路(50)の回路中には、図示しない温水ポンプが設けられている。
【００９５】
この燃料電池システム(1) において、その他の部分は上記各実施形態１，２と同様に構成されている。
【００９６】
この実施形態３において、変成器(22)から流出した改質ガスは、改質ガス冷却熱交換器(33)において、空気通路(2) からの空気と熱交換して冷却され（約８０℃〜９０℃）、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に流入する。改質ガスは、この触媒層(31)を通過する際に副反応が発生する温度（約２００℃）よりも若干低い温度まで加熱され、触媒層(31)から流出する。改質ガスは、補助熱交換器(34)で再度冷却され（約８０℃）、燃料電池(10)に投入される。一方、空気通路(2) を流れる空気は、一部が改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)で改質ガスを冷却した後に燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)に供給され、残りが原料ガスと混合されて改質器(21)に供給される。
【００９７】
なお、電池冷却水は、温水熱交換器(51)において貯湯用水と熱交換し、さらに燃料電池(10)を流れて該燃料電池を冷却する。燃料電池(10)を冷却した電池冷却水は、電池冷却水タンク(41)に戻り、以上の循環を繰り返す。
【００９８】
また、貯湯タンク(52)に溜められている貯湯用水は、貯湯回路(50)を循環する際に温水熱交換器(51)で電池冷却水と熱交換した後、電池排ガス冷却熱交換器(19)において燃焼ガスと熱交換して加熱される。加熱された貯湯用水は、貯湯タンク(52)に戻り、以上の循環を繰り返す。
【００９９】
この実施形態３の場合も、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)を冷却せず、改質ガスを冷却して触媒層(31)に投入することにより、触媒層(31)においてホットスポットやコールドスポットが発生しないようにすることができる。このため、副反応の発生を抑えながら、一酸化炭素除去性能の低下を防止でき、燃料電池(10)における触媒の被毒も確実に防止できる。
【０１００】
【発明の実施の形態４】
本発明の実施形態４は、燃料電池(10)の排ガスを、改質ガス冷却熱交換器(33)における改質ガスからの熱回収媒体として用いるようにしたものである。
【０１０１】
この実施形態４は、実施形態３の燃料電池システム(1) に対して、空気通路(2) と、燃料電池排気管(17)の構成が異なるようにしたものである。つまり、図９に示すように、空気通路(2) は、実施形態１，２と同様、空気を燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)に供給する一方、該空気の一部を改質器(21)と一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に供給するように構成されている。また、燃料電池排気管(17)は、２つに分岐して改質ガス冷却熱交換器(33)及び補助熱交換器(34)に接続された後、合流して燃焼器(18)及び電池排ガス冷却熱交換器(19)に接続されている。
【０１０２】
なお、冷却水回路(40)及び貯湯回路(50)など、その他の部分は、実施形態３と同様に構成されている。
【０１０３】
この実施形態４において、変成器(22)から流出した改質ガスは、改質ガス冷却熱交換器(33)において、燃料電池排ガスと熱交換して冷却され（約８０℃〜９０℃）、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に流入する。改質ガスは、この触媒層(31)を通過する際に副反応が発生する温度（約２００℃）よりも若干低い温度まで加熱され、触媒層(31)から流出する。改質ガスは、補助熱交換器(34)で再度冷却され（約８０℃）、燃料電池(10)に投入される。一方、空気通路(2) を流れる空気は、一部が改質器(21)に供給され、一部が一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)に供給され、残りが燃料電池(10)の酸素極側ガス通路(11)に供給される。
【０１０４】
燃料電池排ガスは、燃料電池排気管(17)を流れるときに、例えば図示しないファンにより空冷されて、約８０℃程度の温度に冷却される。そして、このように冷却された燃料電池排ガスにより、上記一酸化炭素除去器(30)を流れる改質ガスが触媒層(31)の前後で冷却される。なお、燃料電池排ガスは、単に空冷により冷却する他に、電池冷却水や貯湯用水と熱交換をさせることにより所定温度まで冷却してもよい。
【０１０５】
この実施形態４の場合も、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)を冷却せず、改質ガスを冷却して触媒層(31)に投入することにより、触媒層(31)においてホットスポットやコールドスポットが発生しないようにすることができる。このため、副反応の発生を抑えながら、一酸化炭素除去性能の低下を防止でき、燃料電池(10)における触媒の被毒も確実に防止できる。
【０１０６】
【発明のその他の実施の形態】
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【０１０７】
例えば、上記各実施形態では、改質ガス冷却手段である改質ガス冷却熱交換器(33)において、燃料電池冷却水、温水、空気ないし酸素含有ガス、あるいは電池排ガスなどを熱回収媒体として改質ガスを所定の温度まで冷却するようにしているが、その他の熱回収媒体を用いてもよい。
【０１０８】
また、改質ガス冷却手段(33)は、改質ガスを所定温度まで冷却することができるものであれば、熱交換器に限らず、ペルチェ効果素子などの他の冷却要素を用いてもよい。
【０１０９】
さらに、実施形態２から４において、実施形態１の変形例と同様に触媒層(31)を２つに分割し、その間に改質ガス冷却手段としての第２の改質ガス冷却熱交換器を設けてもよい。
【０１１０】
また、上記実施形態では、一酸化炭素除去器(30)の触媒層(31)と改質ガス冷却熱交換器(33)とを一体に構成しているが、必ずしも一体にしなくてもよい。また、上記実施形態では、補助熱交換器(34)も触媒層(31)と一体にしているが、この補助熱交換器(34)についても触媒層(31)と一体にする必要はない。
【０１１１】
また、上記実施形態では、改質方法として水蒸気改質法を例として取り上げているが、改質方法は、水蒸気改質法以外（例えば部分酸化改質法）でもよく、特に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの回路ブロック図である。
【図２】 図１の燃料電池システムにおける一酸化炭素除去器の構成を概念的に示す斜視図である。
【図３】 図２の一酸化炭素除去器の具体構成の一例を示す外観図であり、（ａ）は一酸化炭素除去器(31)の左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は平面図である。
【図４】 図３（ｂ）のIV−IV線断面図である。
【図５】 図２の一酸化炭素除去器の変形例を示す斜視図である。
【図６】 図３の一酸化炭素除去器の変形例を示す外観図であり、（ａ）は一酸化炭素除去器(31)の左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は平面図である。
【図７】 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの回路ブロック図である。
【図８】 本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの回路ブロック図である。
【図９】 本発明の実施形態４に係る燃料電池システムの回路ブロック図である。
【符号の説明】
(1) 燃料電池システム
(10) 燃料電池
(20) 改質装置
(21) 改質器
(22) 変成器
(30) 一酸化炭素除去器
(31) 触媒層
(32) 断熱層
(33) 改質ガス冷却熱交換器（改質ガス冷却手段）
(34) 補助熱交換器
(36) 第２の改質ガス冷却熱交換器（第２の改質ガス冷却手段）
(40) 冷却水回路
(50) 貯湯回路
Claims (17)
- 燃料電池(10)に供給される改質ガス中の一酸化炭素を、一酸化炭素選択酸化触媒の存在下で酸化除去する一酸化炭素除去器であって、
上記触媒を含む触媒層(31)の周囲を覆う断熱層(32)と、触媒層(31)の上流側に位置して改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段(33)とを備え、
改質ガス冷却手段(33)は、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却し、かつ、該触媒層 (31) における反応開始温度以下の温度に冷却するように構成されていることを特徴とする一酸化炭素除去器。 - 触媒層 (31) が改質ガスの流路の中間部で分割され、その分割部分に、第２の改質ガス冷却手段 (36) が設けられていることを特徴とする請求項１記載の一酸化炭素除去器。
- 改質ガス冷却手段 (33,36) は、触媒層 (31) に流入する改質ガスの熱を熱回収媒体に回収させる熱交換器として構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の一酸化炭素除去器。
- 改質ガス冷却手段(33,36) は、燃料電池冷却水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴とする請求項３記載の一酸化炭素除去器。
- 改質ガス冷却手段(33,36) は、燃料電池(10) の排熱が与えられる熱媒水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴とする請求項３記載の一酸化炭素除去器。
- 改質ガス冷却手段(33,36) は、燃料電池(10)の酸素極に供給される空気ないし酸素含有ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴とする請求項３記載の一酸化炭素除去器。
- 改質ガス冷却手段(33,36) は、燃料電池(10)の排ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴とする請求項３記載の一酸化炭素除去器。
- 改質ガス冷却手段(33,36) と触媒層 (31) とが一体のケーシング (35) 内に設けられていることを特徴とする請求項１から７の何れか１記載の一酸化炭素除去器。
- 燃料電池(10)に供給される改質ガス中の一酸化炭素を、一酸化炭素選択酸化触媒の存在下で酸化除去する一酸化炭素除去器(30)を備えた燃料電池システムであって、
上記一酸化炭素除去器(30)が、上記触媒を含む触媒層(31)の周囲を覆う断熱層(32)と、触媒層(31)の上流側に位置して改質ガスを冷却する改質ガス冷却手段(33)とを備え、
改質ガス冷却手段(33)は、触媒層 (31) の温度が反応開始温度よりも高くなっている状態で、触媒層(31)に流入する改質ガスを、該触媒層(31)の出口温度が副反応発生温度よりも低くなる温度に冷却し、かつ、該触媒層 (31) における反応開始温度以下の温度に冷却するように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 一酸化炭素除去器 (30) の触媒層 (31) が改質ガスの流路の中間部で分割され、その分割部分に、第２の改質ガス冷却手段 (36) が設けられていることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
- 一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) は、触媒層(31)に流入する改質ガスの熱を熱回収媒体に回収させる熱交換器として構成されていることを特徴とする請求項９または１０記載の燃料電池システム。
- 燃料電池 (10) を冷却する燃料電池冷却水が循環する燃料電池冷却水回路を備え、
一酸化炭素除去器 (30) の改質ガス冷却手段 (33,36) は、燃料電池冷却水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。 - 燃料電池 (10) の排熱が与えられる熱媒水が循環する温水回路を備え 、
一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) は、上記熱媒水を改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。 - 一酸化炭素除去器 (30) の改質ガス冷却手段 (33,36) は、燃料電池 (10) の酸素極に供給される空気ないし酸素含有ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。
- 一酸化炭素除去器 (30) の改質ガス冷却手段 (33,36) は、燃料電池 (10) の排ガスを改質ガスからの熱回収媒体とする熱交換器であることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。
- 一酸化炭素除去器(30)は、改質ガス冷却手段 (33,36) と触媒層 (31) とが一体のケーシング (35) 内に設けられていることを特徴とする請求項９から１５の何れか１記載の燃料電池システム。
- 一酸化炭素除去器(30)の改質ガス冷却手段(33,36) は、触媒層 (31) に流入する改質ガスを、システム起動後に触媒層（ 31 ）の温度が反応開始温度よりも高くなった後に冷却開始するように構成されていることを特徴とする請求項９から１６の何れか１記載の燃料電池システム。
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