JP2001226102A - 燃料改質方法、燃料改質装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸熱反応と発熱反応を共存させた改質反応を
採用することで、加熱装置などの機器を省略または小型
にし、しかも酸化剤を空気などの気体に代えて液体と
し、システム全体の小型化およびエネルギー効率の向上
を図る。 【解決手段】 燃料改質装置１２は、メタノールと水
と過酸化水素を改質反応の原料とする。各燃料タンク２
１，２２にはメタノール水溶液と過酸化水素水溶液が燃
料原料として収容されている。制御装置２７は温度セン
サ３２の検出値に基づきポンプ２８，２９を駆動制御
し、蒸発器２３を介して改質器２４に投入される燃料原
料の投入量比率（つまり燃料組成）を制御する。改質器
２４では、メタノール水蒸気改質反応（吸熱反応）と、
メタノール過酸化水素改質反応（発熱反応）が共存し、
反応熱の収支をバランスさせるように燃料組成を制御す
るオートサーマル方式を採用している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば燃料電池な
どに供給する水素を生成するため、炭化水素やアルコー
ル類などの炭化水素系化合物を改質反応させることによ
り水素含有改質ガスを生成する燃料改質方法、燃料改質
装置及び燃料電池システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば燃料電池に水素を供給する方法と
して、メタノールや天然ガス等の炭化水素系燃料ガスの
触媒を用いた改質反応により水素含有ガスを生成する燃
料改質装置が開発されている。

【０００３】従来、メタノールを改質する反応には、 (A)水蒸気改質 ：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ→３Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ −49.8kJ/mol…(1) (B)部分酸化改質：ＣＨ₃ＯＨ＋ 0.5Ｏ₂→ ２Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ ＋192.0kJ/mol… (2) (C)オートサーマル改質： ＣＨ₃ＯＨ＋0.79Ｈ₂Ｏ＋ 0.105Ｏ₂ →2.79Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ ＋０kJ/mol…(3) などがある。(A)水蒸気改質は吸熱反応、(B)部分酸化改
質は発熱反応である。(C)オートサーマル改質（オート
サーマル方式と呼ばれる）は、水蒸気改質と部分酸化改
質の反応熱の収支をバランスさせたもので、(2) 式の改
質反応で放出される熱量を利用して、吸熱反応である
(1) 式の改質反応を同時に行う。

【０００４】水蒸気改質は吸熱反応なので、改質器に併
設してヒータやバーナを設置する必要があり、それらの
駆動エネルギーが大きく、システム全体のエネルギー効
率が低下する。一方、部分酸化改質は発熱反応であり外
部からの加熱は不要もしくは少なくて済むが、燃料電池
へ供給する水素ガスを増加するには外部への放熱が必要
となる。また、酸素はエアコンプレッサを使用して空気
（Ｎ₂ ／Ｏ₂ ）で供給するが、反応に不要な窒素Ｎ₂ も
供給するため、改質器の大型化やコンプレッサ動力の増
加に繋がり、さらに投入燃料量に対する水素生成量の点
からもエネルギー効率が悪い。

【０００５】水蒸気改質と部分酸化改質の問題を解決す
る方法として、特開平９−３１５８０１号公報にはオー
トサーマル改質装置が開示されている。オートサーマル
改質は反応熱の収支がバランスしているので、初期に改
質器の温度を設定温度に昇温すれば、改質器の加熱は少
なく済むし、急激な改質反応の増減に対応して外部から
の熱供給あるいは冷却を追従させる必要がない。

【０００６】図１８はオートサーマル方式採用の燃料改
質装置を備えた従来の燃料電池システムを示す。燃料電
池システム９０は、燃料電池９１と、燃料電池９１に水
素を供給するための燃料改質装置９２とを備える。燃料
電池９１は燃料改質装置９２から供給される水素（水素
含有ガス）とコンプレッサ９３から供給される酸素（空
気）を用いて発電する。オートサーマル方式を採用する
燃料改質装置９２は、水蒸気改質の原料であるメタノー
ルと水を収容する各タンク９４，９５、タンク９４，９
５からの原料液を蒸発器９６に投入するポンプ９７，９
８、触媒を備える改質器９９、改質器９９に空気（酸化
剤）を供給するためのコンプレッサ１００、流量調整器
１０１、及びＣＯ（一酸化炭素）低減部１０２を備え
る。蒸発器９６の温度は、温度センサ１０３の検出値に
基づき制御装置１０４によりヒータなどの加熱装置１０
５が温度制御されることで所定温度に保たれる。温度セ
ンサ１０６の検出値に基づきポンプ９７，９８と流量調
整器１０１の各流量が制御装置１０４により制御される
ことで、改質器９９内における吸熱反応と発熱反応との
共存割合が制御され、改質器９９が設定温度に保たれる
ようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のオート
サーマル方式は、部分酸化改質と同様に酸化剤として空
気（Ｎ₂ ／Ｏ₂ ）を供給するため、反応に不要な窒素ガ
スが多量に改質器９９に供給されていた。このため、改
質器９９をはじめその下流側構成部分の容積を大きくす
る必要があり、改質器９９などの大型化により燃料改質
装置９２が比較的大型であるという問題があった。ま
た、不要な窒素ガスの供給はコンプレッサ１００の動力
の増加にも繋がり、これが燃料改質装置のエネルギー効
率の低下の原因となっていた。さらにコンプレッサ１０
０は気体の圧縮を伴う圧縮式の流体輸送方式であるた
め、非圧縮式の流体輸送方式で液送に使用されるポンプ
に比べ、比較的大きな動力を必要とし、この点からもコ
ンプレッサ１００の使用が燃料改質装置のエネルギー効
率の低下の一因となっていた。このように従来のオート
サーマル方式採用の燃料改質装置においても、システム
の大型の問題や、大きな補機動力に起因してエネルギー
効率が低いという問題があった。

【０００８】また、炭化水素系燃料としてメタノールの
他にメタン、天然ガス（プロパン等）やガソリンなどを
使用する燃料改質装置も提案されているが、メタノール
以外を使用した場合も、オートサーマル方式を採用しよ
うとすれば、酸化剤として空気（気体）を導入するた
め、燃料改質装置の大型化やエネルギー効率が低いとい
う問題が同様にあった。

【０００９】燃料改質装置が燃料電池の水素供給源とし
て発電に利用される場合、発電効率を高めるためにも水
素生成のための消費エネルギーを少なくしてシステム全
体のエネルギー効率を高める必要があった。

【００１０】本発明は前記課題を解決するためになされ
たものであり、その第１の目的は、吸熱反応と発熱反応
を共存させた改質反応を採用することで、改質反応温度
に保つための加熱装置や冷却装置を省略または小型にで
き、しかも発熱反応用の酸化剤を空気（酸素）などの気
体に代えて液体で済ませることができ、システム全体の
小型化およびエネルギー効率の向上を図ることができる
燃料改質方法、燃料改質装置及び燃料電池システムを提
供することにある。

【００１１】第２の目的は、オートサーマル方式を採用
でき、しかも発熱反応用の酸化剤を空気（酸素）などの
気体に代えて液体で済ませることで、システム全体の小
型化およびエネルギー効率の向上を実現できる燃料改質
方法、燃料改質装置及び燃料電池システムを提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために請求項１に記載の発明では、燃料改質方法にお
いて、炭化水素系化合物と水と過酸化水素を燃料の必須
の原料とし、前記燃料を気化状態とした所定組成の燃料
ガスを改質反応温度にて触媒下で改質反応させて水素を
含む改質ガスを得るようにする。なお、炭化水素系化合
物は、炭素と水素のみを含む化合物に限らず、アルコー
ルのような酸素を含む化合物も含む概念である（以下、
本明細書において同様）。

【００１３】この燃料改質方法によれば、燃料ガスの改
質反応は、炭化水素系化合物の水蒸気改質反応（吸熱反
応）と、炭化水素系化合物の過酸化水素改質反応（発熱
反応）が共存して起こる。吸熱反応と発熱反応が共存す
るため、発熱反応の熱が吸熱反応に利用される。反応熱
の収支をバランスさせることで例えばオートサーマル方
式の採用も可能となる。しかも酸化剤として過酸化水素
を使用するため、従来の空気（酸素）などの気体を酸化
剤とする方式のように、反応に不要な窒素などのガスを
多量に投入しなくて済み、反応室の容積が小さく済む。
酸化剤である過酸化水素は液体で使用可能なため、酸化
剤の収容が必要でもその収容容積は小さく済む。また従
来は酸化剤である空気を供給するために使う圧縮式の補
機（コンプレッサ）に大きな動力を要したが、酸化剤に
過酸化水素を使うこの方式では、液体輸送で済むことか
ら比較的小さな動力で済む非圧縮式の補機（ポンプ）が
使用可能となる。しかも反応に不要な液の輸送はほとん
ど伴わないことからも、補機（ポンプ）の動力が小さく
済む。従って、システム全体の小型化およびエネルギー
効率の向上を図ることが可能となる。

【００１４】請求項２に記載の発明では、請求項１の燃
料改質方法において、炭化水素系化合物は水溶性であり
原料の状態で液体で使用する。この燃料改質方法によれ
ば、炭化水素系化合物が原料の状態で液体（水溶液も含
む）であるので体積が小さく済み、システム全体の小型
化が可能である。また炭化水素系化合物が水溶性である
ので、水や過酸化水素と液体状態で混合され、混合され
た液体が気化することで均一に混合された燃料ガスが得
られる。よって、燃料ガスを改質反応させるときの反応
むらが起き難く、水素採取効率が高まる。

【００１５】第２の目的を達成するために請求項３に記
載の発明では、請求項１又は２の燃料改質方法におい
て、前記燃料ガスは、前記改質反応における吸熱反応と
発熱反応の反応熱収支が釣り合うオートサーマル条件を
満たす組成とする。

【００１６】この燃料改質方法によれば、反応熱の収支
が釣り合うオートサーマル条件を満たす組成の燃料ガス
を改質反応させるので、水素生成のエネルギー効率を高
められる。

【００１７】請求項４に記載の発明では、請求項１〜３
のいずれか一項の燃料改質方法において、前記水素を含
む改質ガスを燃料電池の水素源として供給する。この燃
料改質方法によれば、燃料電池に水素を供給するための
燃料改質装置を小型化できるので、燃料電池システムを
小型化可能である。

【００１８】第１の目的を達成するために請求項５に記
載の発明では、燃料改質装置において、炭化水素系化合
物と水と過酸化水素を燃料の必須の原料とし、所定組成
比の１種の燃料原料のみを収容する、または互いに組成
が異なるとともに少なくとも混合することで全ての原料
を含む組成になる複数種の燃料原料を個別に収容する燃
料収容手段と、前記燃料収容手段から供給された燃料原
料を加熱気体状態にする気化手段と、前記気化手段から
供給された所定組成比の燃料ガスを、改質反応温度の触
媒下で改質反応させて水素を含むガスを生成させる改質
手段と、前記改質手段に供給される燃料ガスの供給制御
をする燃料供給制御手段とを備えた。

【００１９】この燃料改質装置によれば、１種または複
数種の燃料原料中に少なくとも水と過酸化水素は液体で
収容される。燃料収容手段から供給された燃料原料は気
化手段で加熱気体状態とされ、改質手段には所定組成比
の燃料ガスとして供給されて改質反応温度の触媒下でこ
の燃料ガスが改質反応することで、水素を含む改質ガス
が生成される。従って、請求項１の発明と同様の作用が
得られる。

【００２０】請求項６に記載の発明では、請求項５の燃
料改質装置において、前記炭化水素系化合物は水溶性で
あり、前記燃料収容手段に収容される原料の状態では液
体である。

【００２１】この場合、請求項５の発明の作用に加え、
請求項２の発明と同様の作用が得られる。第２の目的を
達成するために請求項７に記載の発明では、請求項５又
は６の燃料改質装置において、前記改質手段における改
質反応での吸熱反応と発熱反応の反応熱収支が釣り合う
オートサーマル条件を満たす組成の燃料ガスを前記改質
手段に投入することを要旨とする。

【００２２】この場合、請求項５又は６の発明の作用に
加え、請求項３の発明と同様の作用が得られる。請求項
８に記載の発明では、請求項５〜７のいずれか一項の燃
料改質装置において、前記燃料供給制御手段は、外部か
らの要求水素量指令に基づいて、前記改質手段に投入さ
れる燃料ガス中の炭化水素系化合物量が要求水素量に略
比例するように燃料投入量を制御する投入量制御手段を
備えている。

【００２３】この場合、請求項５〜７のいずれか一項の
発明の作用に加え、要求水素量指令に基づいて投入量制
御手段は改質手段に供給される燃料ガス中の炭化水素系
化合物量が要求水素量に略比例するように改質手段に投
入する燃料投入量を制御する。例えば燃料電池に水素を
含む改質ガスを供給する場合、要求発電量に応じて決ま
る要求水素量指令値に基づいて必要量の水素が燃料電池
に供給され、燃料電池が要求に応じた発電量となる。

【００２４】請求項９に記載の発明では、請求項５〜８
のいずれか一項の燃料改質装置において、前記改質手段
の下流側に未反応の過酸化水素を除去する過酸化水素除
去手段を設けた。

【００２５】この場合、請求項５〜８のいずれか一項の
発明の作用に加え、改質手段から排出される改質ガス中
に残存する未反応の過酸化水素は過酸化水素除去手段に
より除去される。

【００２６】請求項１０に記載の発明では、請求項５〜
８のいずれか一項に記載の燃料改質装置において、前記
改質手段に供給する過酸化水素を製造する過酸化水素製
造手段を設けた。

【００２７】この場合、改質手段に供給する過酸化水素
は過酸化水素製造手段により製造される。請求項１１に
記載の発明では、請求項６〜１０のいずれか一項の燃料
改質装置において、水溶性の炭化水素系化合物と水と過
酸化水素をオートサーマル条件組成の近傍範囲内の所定
組成比に混合した１液の燃料原料のみを前記燃料収容手
段に収容する１液式の燃料改質装置であって、前記改質
手段の内部温度を設定反応温度とするのに改質反応の反
応熱では過不足する熱量を、前記改質手段の加熱あるい
は冷却による熱交換によって補う温度調節手段を備えて
いる。

【００２８】この場合、請求項６〜１０のいずれか一項
の発明の作用に加え、燃料原料が１液で済み、しかもオ
ートサーマル条件の近傍範囲内の組成であるので、改質
手段の内部温度を設定反応温度とするために改質手段を
熱交換により加熱あるいは冷却する温度調節手段が小型
で済む。

【００２９】請求項１２に記載の発明では、請求項５〜
１０のいずれか一項の燃料改質装置において、前記燃料
収容手段は、炭化水素系化合物と水と過酸化水素のうち
の少なくとも１つを含む互いに組成の異なる複数種の燃
料原料で、該複数種の燃料原料の混合比率を調節するこ
とで炭化水素系化合物に対する水と過酸化水素の各割合
を調節可能な組成が設定された当該複数種の燃料原料を
個別に収容するものであり、前記燃料供給制御手段は、
前記改質手段における吸熱反応と発熱反応の反応熱収支
が釣り合うオートサーマル条件組成を含む組成制御範囲
内で、前記改質手段の内部温度を設定反応温度とするよ
うに、複数種の燃料原料の混合比率を調節して燃料ガス
の組成を制御する温度制御手段を備えている。

【００３０】この場合、請求項５〜１０のいずれか一項
の発明の作用に加え、温度制御手段によりオートサーマ
ル条件組成を含む組成制御範囲内で、複数種の燃料原料
の混合比率が調節されて改質手段に投入される燃料ガス
の組成が制御されることにより、改質手段の内部温度が
設定反応温度となるように温度制御される。改質手段に
投入される燃料ガスの組成を制御することにより改質手
段の温度制御が可能なので、例えば改質手段を加熱や冷
却をする装置の省略または小型化が可能となる。

【００３１】請求項１３に記載の発明では、請求項１２
に記載の燃料改質装置において、前記燃料収容手段に個
別に収容される燃料原料は、水溶性の炭化水素系化合物
と過酸化水素のうち少なくとも炭化水素系化合物を含む
吸熱反応組成の水溶液燃料と、水溶性の炭化水素系化合
物と過酸化水素のうち少なくとも過酸化水素を含む発熱
反応組成の水溶液燃料との２液であり、その２液の割合
を変更することによって反応温度の制御を行う２液式燃
料改質装置である。

【００３２】この場合、請求項１２の発明の作用に加
え、吸熱反応組成比の水溶液燃料と、発熱反応組成比の
水溶液燃料との混合比率の調節により燃料ガスの組成が
温度制御手段により制御されることで、改質手段の内部
温度が設定反応温度に制御される。

【００３３】請求項１４に記載の発明では、請求項１３
に記載の燃料改質装置において、前記２液の燃料原料
は、炭化水素系化合物水溶液と、炭化水素系化合物−過
酸化水素水溶液との２液であるとともに、２液混合組成
が少なくともＣＯの発生を低減するのに必要十分な水蒸
気／カーボン比の条件を満たすように選択された２液で
ある。

【００３４】この場合、請求項１３の発明の作用に加
え、炭化水素系化合物水溶液と、炭化水素系化合物−過
酸化水素水溶液との２液の燃料原料の混合比率が調節さ
れることで、温度制御手段により燃料ガスの組成制御が
なされる。ＣＯの生成を低減するのに必要十分な水蒸気
／カーボン比の条件を満たすので、必要以上の水量が確
保されてＣＯの生成が低減する。また過剰な水がほとん
どないために過剰分の水を気化させる熱の無駄な消費が
なくなり、エネルギー効率を高められる。

【００３５】請求項１５に記載の発明では、請求項１２
に記載の燃料改質装置において、前記燃料収容手段に個
別に収容される燃料原料は、水溶性の炭化水素系化合物
又はその水溶液と、過酸化水素水溶液と、水との３液で
あり、３液混合組成が少なくともＣＯの生成を低減する
のに必要十分な水蒸気／カーボン比の条件を満たすよう
に燃料ガスの組成を制御する３液式燃料改質装置であ
る。

【００３６】この場合、請求項１２の発明の作用に加
え、水溶性の炭化水素系化合物又はその水溶液と、過酸
化水素水溶液と、水との３液式燃料改質装置であるの
で、水以外の２液の混合比率に応じて水の投入量を独立
制御することで、温度制御手段は、改質手段の温度制御
のために燃料ガスの組成を水蒸気／カーボン比の条件を
満たすように制御する。従って、燃料ガスにはＣＯの生
成を低減するのに必要十分な水量が確保されるので、過
剰な水がほとんどなく過剰分の水を気化させる熱の無駄
な消費がなくなり、エネルギー効率を高められる。

【００３７】請求項１６に記載の発明では、請求項１２
〜１５のいずれか一項の燃料改質装置において、前記温
度制御手段の組成制御範囲は、前記改質手段へ投入され
る燃料ガスの組成をオートサーマル条件値を中心に増減
させられるように設定されている。

【００３８】この場合、請求項１２〜１５のいずれか一
項の発明の作用に加え、温度制御手段は燃料ガス組成を
オートサーマル条件値を中心に増減させることで、改質
手段の内部温度を設定反応温度に制御する。つまり、設
定反応温度に温度調整された後はオートサーマル条件組
成に保され、この状態から内部温度が昇温すれば降温側
に組成制御し、内部温度が降温すれば昇温側に組成制御
することで内部温度が設定反応温度に保たれる。従っ
て、温度制御上、改質手段の内部温度を設定反応温度に
保ち易くなる。

【００３９】請求項１７に記載の発明では、請求項１２
〜１６のいずれか一項に記載の燃料改質装置において、
前記温度制御手段は、起動時、停止時、要求水素量の急
速な増減時のうち少なくとも１つの条件成立時には予め
設定された投入パターンに従って所定時間あるいは所定
条件になるまで燃料ガス組成を制御をすることを要旨と
する。

【００４０】この場合、請求項１２〜１６のいずれか一
項の発明の作用に加え、起動時、停止時、要求水素量の
急速な増減時のうち少なくとも１つの条件成立時には、
予め設定された投入パターンに従って所定時間あるいは
所定条件になるまで燃料ガスの組成が制御される。起動
時、停止時、要求水素量の急速な増減時などにもその状
況に応じた適切な温度制御が可能になる。

【００４１】請求項１８に記載の発明では、請求項５〜
１７のいずれか一項の燃料改質装置において、前記気化
手段から前記改質手段の反応路上に供給する燃料ガスを
ガス流れ方向に沿う複数箇所から分散供給する複数の供
給口を有する燃料供給手段を備えている。

【００４２】この場合、請求項５〜１７のいずれか一項
の発明の作用に加え、気化手段から改質手段に燃料ガス
が送られるときは、燃料供給手段を介し、改質手段の内
部にガス流れ方向に沿う複数箇所に位置する供給口から
分散供給される。従って、改質手段の内部において反応
の起こる箇所が分散され、改質手段の反応路内の温度分
布が平均化される。

【００４３】請求項１９に記載の発明では、請求項５〜
１７のいずれか一項の燃料改質装置において、前記改質
手段の内部を仕切壁を隔てて二種の反応室に分割し、一
方の反応室に吸熱反応組成の燃料ガスを導入するととも
に、他方の反応室に発熱反応組成の燃料ガスを導入し、
前記仕切壁を介して前記二種の反応室間の熱交換を行う
ことを要旨とする。

【００４４】この場合、請求項５〜１７のいずれか一項
の発明の作用に加え、改質手段の内部の二種の反応室の
うち一方の反応室には吸熱反応組成の燃料ガスが導入さ
れて吸熱反応が起こり、他方の反応室には発熱反応組成
の燃料ガスが導入されて発熱反応が起こる。二種の反応
室間で仕切壁を介して熱交換が行われ、発熱反応の熱が
吸熱反応に利用される。このため、改質手段の温度調節
のための加熱装置や冷却装置を省略または小型にするこ
とが可能になる。例えば吸熱反応組成の燃料の改質反応
に適した触媒と、発熱反応組成の燃料の改質反応に適し
た触媒が異なる場合、それぞれの反応に合った適切な触
媒が使用可能となる。

【００４５】請求項２０に記載の発明では、請求項５〜
１７のいずれか一項の燃料改質装置において、前記改質
手段の前段に位置する前記気化手段は、過酸化水素の分
解発熱反応を促進する触媒を備え、前記改質手段に投入
される燃料の加熱あるいは気化のための熱の全て又は一
部に前記過酸化水素の分解発熱反応熱を利用する発熱部
を有する。

【００４６】この場合、請求項５〜１７のいずれか一項
の発明の作用に加え、改質手段の前段に位置する気化手
段の発熱部では触媒により過酸化水素の分解発熱反応が
促進され、その分解発熱反応の反応熱が改質手段に投入
される燃料の加熱あるいは気化のための熱の全て又は一
部に利用される。

【００４７】請求項２１に記載の発明では、燃料電池シ
ステムは、請求項５〜２０のいずれか一項の燃料改質装
置と、前記燃料改質装置から供給される水素含有ガスを
水素源として発電する燃料電池とを備えている。

【００４８】この場合、燃料電池システムでは、燃料電
池に水素を供給するために請求項５〜２０のいずれか一
項に記載の燃料改質装置が使用されるので、この燃料電
池システムによれば、燃料改質装置の小型化により燃料
電池システムを小型にすることが可能となる。その他、
請求項５〜２０のいずれか一項の発明と同様の作用が得
られる。

【００４９】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
を具体化した第１の実施形態を図１〜図４に基づいて説
明する。

【００５０】燃料電池システムは、例えば電気自動車に
搭載されたり、家庭用自家発電装置として使用される。
この実施形態を含め、以下に述べる各実施形態では、燃
料改質に使用する燃料の１つの成分として過酸化水素Ｈ
₂ Ｏ₂ を使用した点に特徴がある。炭化水素系化合物
（炭化水素系燃料）としてはメタノールを採用し、メタ
ノール−過酸化水素−水の３成分系の燃料を使用する。

【００５１】水蒸気改質の燃料に新規燃料成分である過
酸化水素を用いた３成分系燃料を使用するのは、吸熱反
応である水蒸気改質反応と、発熱反応である過酸化水素
改質反応とを共存させ、両反応の熱収支のバランスを図
ることで新方式のオートサーマル方式を採用するためで
ある。過酸化水素含有燃料の改質反応は、次式で表され
る。

【００５２】ＣＨ₃ＯＨ＋0.714 Ｈ₂Ｏ＋0.143 Ｈ₂Ｏ₂→
2.85Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ ＋０kJ/mol この３成分系燃料の供給の仕方には、１種類の燃料（３
成分混合系）を使用する方法と、複数種の燃料を使用す
る方法とがある。本実施形態は２種類の燃料を使用する
方法を採用する。複数種の燃料を使用する場合は、燃料
タンクをその種類に応じて複数個用意する必要がある
が、改質器で反応させる３成分燃料の混合組成を制御し
て吸熱反応と発熱反応の発生割合を制御することで、温
度制御ができるという利点がある。２種類の燃料を使用
するのは、温度制御が可能でしかも用意すべき燃料種類
やタンク数が少なく済むからである。

【００５３】図１は本実施形態における燃料電池システ
ムの概略構成を示す。同図に示すように、燃料電池シス
テム１０は、燃料電池１１と、燃料電池１１に水素を供
給するための水素供給システムである燃料改質装置１２
と、燃料電池１１に空気を供給するためのコンプレッサ
１３とを備えている。

【００５４】燃料電池１１は、燃料改質装置１２から供
給される改質ガス中の水素と、コンプレッサ１３から供
給される空気中の酸素とを反応させて発電をするもの
で、発電された電力は電気自動車の動力用電力、または
自家発電装置の供給電力として利用される。燃料電池１
１からは水や二酸化炭素、窒素等を含むクリーンな排出
ガスが図示しない排出管から排出される。

【００５５】燃料改質装置１２は、２つの燃料タンク２
１，２２と、気化手段としての蒸発器２３と、改質手段
としての改質器（反応器）２４と、一酸化炭素（ＣＯ）
低減部２５と、過酸化水素除去手段としての過酸化水素
（Ｈ₂ Ｏ₂ ）低減部２６と、制御装置２７とを備えてい
る。これら各構成部２３，２４，２５，２６はガス通路
を通じて直列に接続されている。また、燃料改質装置１
２は、２つの燃料タンク２１，２２と蒸発器２３とを接
続する管路上に設けられたポンプ２８，２９と、蒸発器
２３を加熱するための加熱装置（例えばヒータまたはバ
ーナ（同図ではハッチングが施された部分で模式的に示
す））３０と、蒸発器２３及び改質器２４の内部温度を
直接または間接的に計測するための温度センサ３１，３
２とを備えている。

【００５６】ＣＯ低減部２５は公知の構成であって、水
素リッチガスに含まれる微量残留ＣＯを水素に優先して
選択酸化し、燃料電池１１のアノードの触媒を劣化させ
ないようにＣＯ濃度を数ppm 以下に低減する。ＣＯ低減
部２５はＣＯをＣＯ₂ に酸化させるための酸素源（例え
ば空気）を供給するコンプレッサ（図示せず）を備え
る。

【００５７】Ｈ₂ Ｏ₂ 低減部２６は、水素リッチガスに
未反応Ｈ₂ Ｏ₂ が含まれる場合にＨ ₂ Ｏ₂ を低減する。
Ｈ₂ Ｏ₂ 低減部２６は例えばＨ₂ Ｏ₂ を吸着する吸着剤
を備え、Ｈ₂ Ｏ₂ を活性炭等の吸着剤に吸着させること
でＨ₂ Ｏ₂ 濃度を許容レベル未満に低減する。

【００５８】制御装置２７は温度センサ３１から入力し
た検出温度に基づいて加熱装置３０を制御し、温度セン
サ３２から入力した検出温度に基づいてポンプ２８，２
９を駆動制御する。制御装置２７には電気自動車や自家
用発電装置から必要となる要求電力量に応じた要求電力
指令値（要求水素量指令値）Ｓが入力される。なお、燃
料供給制御手段は、制御装置２７及びポンプ２８，２９
より構成される。

【００５９】燃料タンク２１，２２にはそれぞれ異なる
組成の燃料原料（液体）が収容されている。つまり、こ
の実施形態は２種類の燃料原料液を使用する２液式燃料
改質装置である。燃料タンク２１には、メタノール水溶
液（ＣＨ₃ ＯＨ−Ｈ₂ Ｏ系２成分組成）が収容され、燃
料タンク２２には、過酸化水素水溶液（Ｈ₂ Ｏ₂ −Ｈ ₂
Ｏ系２成分組成）が収容されている。

【００６０】メタノール水溶液の組成は、水蒸気（Stea
m)／カーボン(Carbon)比（以下、Ｓ／Ｃ比と表記）＝
１．８相当のＨ₂ Ｏを加えた水溶液である。メタノール
水溶液のＳ／Ｃ＝１．８の値は、副生成物（ＣＯなど）
の生成を抑制するために反応に必要なＨ₂ Ｏ量の理論値
以上に水を加えた水溶液組成である。メタノールの改質
反応で副生成物の生成を抑制するには、触媒や温度条件
によって異なるが概略Ｓ／Ｃ≧１．８を満たせばよい
が、水が過剰になると気化熱が大きくなってシステム全
体のエネルギー効率が下がってしまうため、過剰な水が
なるべく少なく済むようにＳ／Ｃ＝１．８を採用してい
る。また、過酸化水素水溶液はＨ₂ Ｏ₂ 濃度α mol％の
水溶液である。メタノール水溶液が吸熱反応組成であ
り、過酸化水素水溶液が発熱反応組成となる。

【００６１】図２に示すように、改質器２４は反応管３
４の内部に触媒担持材３５が充填されたものである。触
媒担持材３５には例えば触媒担持した多孔質材料やペレ
ットを使用できる。触媒には例えばＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ₃
Ｏ₂ 系触媒など公知の水蒸気改質用触媒を使用してい
る。

【００６２】図１に示す制御装置２７は、温度センサ３
１の検出温度に基づき蒸発器２３の内部温度が設定温度
（例えば２３０〜３００℃の範囲内の値）となるよう
に、加熱装置３０を制御（ヒータであれば電流値制御、
バーナであれば燃料供給量制御（火力制御））する。

【００６３】定常運転時、制御装置２７は、要求電力指
令値Ｓによりポンプ２８の吐出量を制御し、温度センサ
３２の検出温度に基づき改質器２４の内部温度（反応器
内温度）が、設定反応温度（改質反応温度）（例えば２
３０〜２８０℃の範囲内の値）となるようにポンプ２９
を駆動制御する。つまり、定常運転時には主にポンプ２
９の吐出流量を制御し、燃料タンク２２から投入される
過酸化水素水溶液の投入量比率を制御することで、改質
器２４で起こる改質反応中の吸熱反応に対する発熱反応
の割合を制御することで、改質器２４の内部温度を制御
する。ここで、設定反応温度は、所望する改質率（例え
ば９５％以上）を得ることができるように設定する。制
御装置２７は、内蔵するメモリ３３に、ポンプ２８，２
９及び加熱装置３０などを制御するための各種プログラ
ムを記憶している。例えばポンプ２８，２９を駆動制御
するためのポンプ制御用（温度制御用）プログラムとし
ては、図３に示す反応器温度制御ルーチンのプログラ
ム、要求電力指令値Ｓに応じて燃料投入量を制御する投
入量制御プログラム（図示省略）などを記憶している。

【００６４】次に図３に示す反応器温度制御ルーチンの
プログラムを説明する。ステップ（以下、Ｓと記す）１
０では、温度センサ３２から入力する検出値から得られ
る反応器内温度Ｔを読み込む。

【００６５】Ｓ２０では、反応器内温度Ｔが設定温度
（設定反応温度）Ｔs であるか否かを判断する。Ｔ＝Ｔ
s が成立すれば当ルーチンを終了し、Ｔ＝Ｔs が不成立
であればＳ３０に進む。

【００６６】Ｓ３０では、メタノール供給量に対する過
酸化水素と水の量を変更し、反応器内温度Ｔが設定温度
Ｔs に近づく方向の燃料組成となるように各ポンプ２
８，２９の吐出流量を制御する。詳しくはＴ＜Ｔs のと
きは、燃料タンク２２からの投入量の割合を増やし、メ
タノール供給量に対する過酸化水素供給量を増加させ、
Ｔ＞Ｔs のときは、燃料タンク２２からの投入量の割合
を減らし、メタノール供給量に対する過酸化水素供給量
を減少させる。温度差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔs ）からフィード
バック制御演算式（例えばＰＩＤ制御など）を用いて温
度調節に必要な反応熱Ｑが得られるように各燃料原料の
投入量比率を求める。そして各燃料タンク２１，２２か
らその投入量比率で燃料が蒸発器２３に投入されるよう
に各ポンプ２８，２９を制御する。

【００６７】また、加減速時、制御装置２７は、要求電
力指令値Ｓに基づき投入量制御プログラムを実行し、要
求電力指令値Ｓに見合った要求水素量を燃料電池１１に
供給できるように燃料投入量を制御するが、電力指令値
Ｓによってポンプ２８の吐出量だけを制御すると吸熱反
応が増加し、温度が低下し、センサ３２の信号によって
発熱反応のためのポンプ２９を駆動するとタイムラグで
温度が変動するため、２液の投入量比率（メタノール／
過酸化水素の比）を保ちつつ、要求水素量に略比例する
量のメタノールを供給できるように燃料供給量を制御す
る。つまり加減速時に制御装置２７は、要求発電量が多
いときは投入量比率を保ちつつ両ポンプ２８，２９の回
転数を上昇させ、要求発電量が少ないときは投入量比率
を保ちつつ両ポンプ２８，２９の回転数を下降させる比
例制御を優先させる。

【００６８】さらに電気自動車や自家発電装置の起動
時、停止時には改質器２４の温度を速やかに昇温・下降
させる必要がある。この実施形態では、図３のプログラ
ムとは別の温度制御用プログラムが用意されており、起
動時用、停止時用の各投入パターンのデータ（燃料組成
データ）をメモリ３３に記憶している。起動時用の投入
パターンは、制御範囲の最も発熱寄りの領域内の組成が
選択されるように設定されている。また停止時用の投入
パターンは、制御範囲の最も吸熱寄りの領域内の組成が
選択されるように設定されている。外気温などその他の
条件を計測するセンサ（図示せず）が備えられ、外気温
などをパラメータとして複数の中から投入パターンが選
択されるようになっている。また改質器２４に起動時用
や冷寒地仕様として予備加熱装置を設けてもよい。な
お、投入量制御プログラムは投入量制御手段を構成し、
反応器温度制御ルーチン及び温度制御用プログラムは温
度制御手段を構成する。

【００６９】図４に示すグラフは、改質反応における燃
料組成と反応熱との関係（論理値）を示す。横軸は、Ｃ
Ｈ₃ ＯＨ１mol に対するＨ₂ Ｏ₂ （Ｈ₂ Ｏ₂ ／ＣＨ₃ Ｏ
Ｈ）のモル比Ｘ（０≦Ｘ≦０．５）を示す。縦軸は、反
応熱Ｑ（kJ/mol）と、Ｈ₂ Ｏ／ＣＨ₃ ＯＨのモル比（水
量比）を示す。グラフ中においてＬ線が反応熱Ｑを示す
もので、その他の４本のラインは水量比を示すものであ
る。

【００７０】ＣＨ₃ ＯＨ−Ｈ₂ Ｏ₂ −Ｈ₂ Ｏ系燃料の改
質反応では、メタノール水蒸気改質反応（吸熱反応）
と、メタノール過酸化水素改質反応（発熱反応）とが共
存し、両反応の割合により改質反応全体の反応熱Ｑが決
まる。本実施形態では、制御範囲として０≦Ｘ≦０．５
を採用する。つまり燃料原料の投入量比率は、燃料組成
が０≦Ｘ≦０．５を満たす範囲内で制御される。

【００７１】Ｌ線から分かるように、反応熱Ｑが０とな
るオートサーマル条件が成立するのは理論上は、Ｈ₂ Ｏ
₂ ／ＣＨ₃ ＯＨ＝０．１４のときである。制御範囲が０
≦Ｘ≦０．５なので、この制御範囲では反応熱Ｑを、オ
ートサーマル条件を中心に吸熱側（Ｑ＜０）と発熱側
（Ｑ＞０）の両方にシフトさせる制御が可能となってい
る。なお、グラフの上側に記載のTank１およびTank２は
それぞれ燃料タンク２１，２２を指すものである。

【００７２】水量比について説明すると、□印で示すラ
インがメタノール水蒸気改質反応に必要なＨ₂ Ｏ量(mo
l)を示すもので、■印で示すラインがＳ／Ｃ＝１．８の
Ｈ₂Ｏ量(mol)を示すものである。また、▲印と▼印で示
す各ラインは、２つのタンクから供給されるＨ₂ Ｏ供給
量(mol)示し、▲印が過酸化水素水溶液のＨ₂ Ｏ₂ 濃度
１mol ％とき、▼印が過酸化水素水溶液のＨ₂ Ｏ₂ 濃度
３０mol ％のときの値を示す。なお、グラフに示す各ラ
インは反応が完全に進行した場合の理論値を示す。

【００７３】Ｓ／Ｃ≧１．８の条件を満たすのは、グラ
フにおいて交点Ｐの右側の範囲である。制御範囲を０≦
Ｘ≦０．５に設定している本実施形態では、最も吸熱側
のＸ＝０に交点Ｐが位置するように、一方の燃料原料で
あるメタノール水溶液の濃度をＳ／Ｃ＝１．８を満たす
値としている。なお、メタノール水溶液の濃度は、理論
値Ｓ／Ｃ＝１．８に限定されず、副生成物を抑制できる
最小水量となる他の値に変更することができる。また過
酸化水素水溶液の濃度も１，３０mol ％に限定されな
い。

【００７４】次に燃料電池システム１０に装備された燃
料改質装置１２の動作を説明する。制御装置２７は図３
に示す反応器温度制御ルーチン等のプログラムに基づい
て各ポンプ２８，２９を回転速度制御する。電気自動車
や自家発電装置の起動時には投入パターンのデータに基
づき改質器２４の温度を設定温度まで速やかに昇温させ
る。すなわち、制御範囲の最も発熱寄りの領域（例えば
Ｘmol ＝０．４〜０．５）の燃料投入量比率となるよう
に各ポンプ２８、２９の吐出流量を制御する。その結
果、改質器２４の内部温度は速やかに設定温度まで昇温
する。

【００７５】設定温度まで昇温した後は、温度センサ３
２からの検出温度に基づいて各燃料タンク２１，２２か
らの燃料の投入量比率を改質器２４の内部温度Ｔが設定
温度ＴS に保たれるように各ポンプ２８，２９の回転速
度（吐出流量）を制御する。この際、改質器２４の内部
温度Ｔが設定温度Ｔs に安定した過程（Ｔ＝Ｔs ）で
は、Ｈ₂ Ｏ₂ ／ＣＨ₃ ＯＨのモル比Ｘがオートサーマル
条件（例えばＸ＝０．１４）となるように各ポンプ２
８，２９の回転速度が制御される。また、要求発電量に
応じて温度制御に基づくＸ値を保つ投入量比率を保った
まま投入量全体が増減される。電気自動車の加速時や自
家発電装置で大電力要求時には温度制御に基づくＸ値を
保ったまま燃料投入量全体が増加される。

【００７６】蒸発器２３に投入される前に燃料原料は液
体で混合され、その液体燃料が蒸発器２３で気化される
ことで３成分が均一に混合された燃料ガスが得られ易
い。そのため、改質器２４で反応むらがほとんどなく効
率よく改質反応が進む。このことは改質率の向上に繋が
る。従来のオートサーマル改質は、改質器に空気（酸化
剤）を送り込んで混合する方式であるため、改質器で燃
料ガスと空気との混合むらができ易くこれが高い改質率
を妨げる原因となるが、この新オートサーマル方式によ
れば液体の段階で酸化剤を混合するので、そのような問
題も解消される。

【００７７】図４のグラフに示すように制御範囲が０≦
Ｘ≦０．５なので、反応熱Ｑを吸熱側にも発熱側にも制
御でき、改質器２４の内部温度Ｔを燃料組成制御のみで
昇温させることも降温させることもできる。また制御範
囲でＳ／Ｃ≧１．８であるので、副生成物を抑制でき
る。さらに制御範囲の最も吸熱側の組成Ｘ＝０のときの
水量を副生成物を抑制できる条件Ｓ／Ｃ≧１．８のうち
水量が最少で済むメタノール水溶液濃度（Ｓ／Ｃ＝１．
８）に決めたので、蒸発器２３で必要な燃料気化熱がな
るべく少なく済み、燃料改質装置１２のエネルギー効率
が高まる。

【００７８】以上詳述したように本実施形態によれば次
の効果が得られる。 （１）液体燃料のみを使用し、従来のオートサーマル改
質のように酸化剤として空気（Ｏ₂ ＋４Ｎ₂ ）を供給す
る必要がなく、蒸発器２３や改質器２４に水素生成に寄
与しない窒素のような無駄なガスを供給する必要がない
ので、燃料改質装置１２を小型にすることができる。さ
らに燃料電池１１においても窒素を含まない高水素濃度
の改質ガスを供給できることから、燃料電池１１の水素
源供給用配管の径を小さくできて燃料電池１１の小型化
にも寄与する。

【００７９】また酸化剤を別途タンクに収容する必要が
あるものの、酸化剤（過酸化水素）が液体なので収容体
積が小さく済み、しかも酸化剤が水溶性なので燃料成分
の１つである水と混合した水溶液として収容しておける
ので、用意すべきタンク個数が少なく済み、燃料改質装
置１２を小型に維持できる。さらに従来使用されていた
エアコンプレッサは気体の圧縮に大きな動力を消費した
が、非圧縮式のポンプ２８，２９を使った送液で足りる
ので、この点からもシステム全体の小型化および高いエ
ネルギー効率を実現できる。

【００８０】（２）２種類の燃料原料を用意し、燃料原
料の投入量比率を制御することで反応系をオートサーマ
ル条件を中心に発熱側と吸熱側にシフトさせる温度制御
をすることができる。つまり吸熱反応と発熱反応の反応
熱の収支をバランスさせるオートサーマル方式を実現で
きるとともに、改質器２４の内部温度を設定反応温度に
保つ温度制御を燃料投入量比率の制御によって実現でき
る。オートサーマル方式でしかも温度制御可能なので、
改質器２４を設定反応温度に保つための加熱装置（ヒー
タやバーナ等）や冷却装置（冷却用ファン等）を不要
（または小型）にできる。またオートサーマル条件を中
心に発熱側と吸熱側の両方の制御が可能であるので、改
質器２４の内部温度の昇温・降温に迅速に対応できる。

【００８１】（３）制御範囲でＳ／Ｃ≧１．８となるよ
うに２種類の燃料原料の組成を決めたので、副生成物を
防止するための水の供給手段（水専用タンク）を別途設
けなくて済み、用意する燃料原料が２種類で済み、しか
も燃料タンクも２つで済む。

【００８２】（４）燃料原料を２種類用意するだけで済
むので、燃料電池システム１０を電気自動車に搭載する
場合、例えば燃料スタンド（燃料原料供給施設）に用意
すべき燃料の種類を２種類で済ませることができる。

【００８３】（５）１mol のＣＨ₃ ＯＨから2.85mol の
水素を生成できる。水蒸気改質３mol 、部分酸化改質２
mol 、従来のオートサーマル改質2.79mol なので、従来
のオートサーマル改質より高い水素生成率を得ることが
できる。

【００８４】（６）起動時用、停止時用、要求電力量急
変時用の各投入パターンを用意したので、起動時、停止
時、要求電力量急変時にもその時々の状況変化に応じた
適切な温度にスムーズに追随できる温度制御を実現でき
る。

【００８５】（７）水溶性である過酸化水素を原料の状
態で水に希釈した水溶液として燃料タンク２２に収容す
るので、過酸化水素を活性（反応性）を弱めた状態で燃
料タンク２２に収容したり、燃料原料供給時に活性を弱
めた状態で取り扱うことができる。

【００８６】（第２の実施形態）次に第２の実施形態を
図１〜３，５を用いて説明する。この実施形態は第１の
実施形態の変更例であり、制御範囲が前記第１の実施形
態と異なる。前記第１の実施形態では、制御範囲が広か
った（０≦Ｘ≦０．５）ため、反応を発熱側にシフトさ
せたときの水の過剰量が大きくなる傾向にあった（オー
トサーマル条件でも水量が過剰）。これに対し本実施形
態では、水量の過剰による気化熱のエネルギー消費をな
るべく小さく抑えるように制御範囲を狭く設定してい
る。燃料電池システム１０の構成は前記第１の実施形態
で示した図１と同様である。改質器２４の構成（図２）
やメモリ３３に記憶された温度制御プログラム（図３）
等も前記第１の実施形態と同様である。但し、燃料タン
ク２１，２２に収容される２種類の燃料原料の組成およ
び制御範囲が前記第１の実施形態と異なるので、これら
の違いによる温度制御プログラム上における各種設定デ
ータ（投入量比率や投入パターン等）は異なる。

【００８７】図５に示すように、制御範囲として０．１
４≦Ｘ≦０．５を採用している。起動時の昇温に発熱反
応は必ず必要であるが、停止時などの降温は自然放熱で
も対処できるので、この実施形態では反応熱Ｑ＝０から
発熱側の制御のみ可能な制御範囲としている。

【００８８】この制御範囲で、２つの燃料タンク２１，
２２からの水供給量がＳ／Ｃ≧１．８を満たすとともに
水供給量がなるべく少なく済むように、制御範囲で最も
吸熱側のオートサーマル条件組成Ｘ＝０．１４に交点Ｐ
が位置するように、２種類の燃料原料の各組成を決めて
いる。

【００８９】２種類の燃料原料のうちの１種類（Tank
１）は、ＣＨ₃ ＯＨ、Ｈ₂ Ｏ₂ 、Ｈ₂Ｏを反応熱Ｑ＝０
（Ｘ＝０．１４）となるように調製した３成分系水溶液
とする。すなわちＣＨ₃ ＯＨ１mol に対してＨ₂ Ｏ₂
０．１４mol 、Ｈ₂ Ｏ１．５４mol の組成比の燃料原料
である。他の１種類の燃料原料（Tank２）は、αmol ％
Ｈ ₂ Ｏ₂ 水溶液としている。前者の３成分系水溶液が吸
熱反応組成となり、後者の過酸化水素水溶液が発熱反応
組成となる。

【００９０】このグラフから分かるように、制御範囲は
発熱側に限定されるが、第１の実施形態に比較して反応
に関与しない過剰水量は低減できるため、蒸発器２３の
エネルギー消費量は低減される。なお、吸熱側を含まな
い制御範囲の設定であるため、温度制御プログラムにお
いて、停止時用の投入パターン及び要求電力量急変時用
のうち吸熱反応用の投入パターンは用意されていない。

【００９１】この実施形態によれば、前記第１の実施形
態で述べた（１）〜（７）の効果が同様に得られる。但
し、（２）の効果ではオートサーマル条件を含む発熱側
のみの温度制御となるものの、改質器２４の内部温度を
設定反応温度になるような温度制御は可能である。また
（６）の効果では停止時用などの降温用の投入パターン
は用意されないものの、起動時及び要求電力量急変時
（昇温時）にはスムーズに要求温度に追随できる。その
他、以下の効果が得られる。

【００９２】（８）制御範囲を０．１４≦Ｘ≦０．５に
設定して発熱側Ｑ≧０に限定したので、前記第１の実施
形態に比べ供給過剰水量を減らし、蒸発器２３で気化熱
として消費されるエネルギー消費量を小さく抑えること
ができる。よって、燃料改質装置１２のエネルギー効率
を高めることができる。

【００９３】（第３の実施形態）次に第３の実施形態を
図１〜３，６を用いて説明する。この実施形態も第１の
実施形態の変更例である。前記第２の実施形態では、制
御範囲が反応系を吸熱側にシフトできないような設定で
あったが、この実施形態では制御範囲を狭く限定しつつ
反応系を吸熱側にもシフトできる範囲に設定している。
燃料電池システム１０の構成は前記第１の実施形態で示
した図１と同様である。改質器２４の構成（図２）やメ
モリ３３に記憶された温度制御プログラム（図３）等は
前記第１の実施形態と同様である。但し、燃料タンク２
１，２２に収容される２種類の燃料原料の組成が異なる
ことに起因するプログラム上の各種設定データ（投入量
比率や投入パターン等）は異なる。

【００９４】図６に示すように、この実施形態では制御
範囲の最も吸熱側に設定される交点Ｐが、反応熱Ｑの吸
熱範囲０＜Ｘ＜０．１４内に位置するようにメタノール
水溶液（Tank１）の組成を決めている。他の１種類の燃
料（Tank２）は、αmol ％Ｈ ₂ Ｏ₂ 水溶液の燃料として
いる。メタノール水溶液が吸熱反応組成となり、過酸化
水素水溶液が発熱反応組成となる。

【００９５】グラフから分かるように、最も発熱側が
０．１４＜Ｘ＜０．５の範囲内に位置することを条件と
し、実際の温度制御で必要となる昇温勾配や降温勾配を
考慮して必要な範囲だけに限定して制御範囲を決めてい
る。制御範囲をオートサーマル条件値（Ｘ＝０．１４）
を含む範囲で狭く設定することで、過剰分の水をなるべ
く少なく抑えて改質器２４の前段に位置する蒸発器２３
のエネルギー消費量を小さく抑えられ、しかもオートサ
ーマル条件を中心に発熱側と吸熱側の両方にシフトさせ
る温度制御を実現できるようにしている。

【００９６】この実施形態によれば、前記第１の実施形
態で述べた（１）〜（７）の効果が同様に得られる。そ
の他、以下の効果が得られる。 （９）制御範囲をオートサーマル条件を中心に吸熱側と
発熱側の両方にシフトできる範囲で狭く限定したので、
水過剰供給量を減らすことができて蒸発器２３のエネル
ギー消費量を少なくすることができる。要求温度にスム
ーズに追随できる温度制御性を確保しつつ燃料改質装置
１２のエネルギー効率を高めることができる。

【００９７】（第４の実施形態）次に第４の実施形態を
図１〜３，７を用いて説明する。前記各実施形態では制
御範囲の最も吸熱側（交点Ｐ）より発熱側にシフトさせ
ようとしたときに水が過剰になっていたが、この実施形
態は水の過剰分を理論上無くすように２種類の燃料原料
の各組成を設定した例である。

【００９８】燃料電池システム１０の構成（図１）、改
質器２４の構成（図２）、メモリ３３に記憶された温度
制御プログラム（図３）等は前記第１の実施形態と同様
である。但し、燃料タンク２１，２２に収容される２種
類の燃料原料の組成が異なることに起因するプログラム
上の各種設定データ（投入量比率や投入パターン等）は
異なる。

【００９９】図７に示すように、燃料タンク２１，２２
から供給される総燃料原料中の水供給量が、Ｓ／Ｃ＝
１．８を満たすように２種類の燃料原料の組成が決めら
れている。２種類の燃料のうち１種類は、ＣＨ₃ ＯＨ：
Ｈ₂ Ｏ＝１．０：１．８の組成とし、最も吸熱側（Ｑ＝
−４９．８kJ/mol）になるように調製したメタノール水
溶液（Tank1 ）とする。他の１種類は、ＣＨ₃ ＯＨ：Ｈ
₂ Ｏ₂ ：Ｈ₂ Ｏ＝１．０：０．５：０．９の組成とし、
最も発熱側（Ｑ＝１２３．９kJ/mol）になるように調製
した３成分系水溶液（Tank2 ）とする。これら２種類の
燃料原料はＳ／Ｃ＝１．８を満たすようにそれぞれ調製
されている。前者のメタノール水溶液が吸熱反応組成と
なり、後者の３成分系水溶液が発熱反応組成となる。な
お、２種類の燃料原料組成は、副生成物を確実に抑えら
れるようにＳ／Ｃ値が１．８より若干大きな値となるよ
うに設定することもできる。

【０１００】このグラフから分かるように、制御範囲０
≦Ｘ≦０．５で温度制御が可能で、しかも制御範囲にお
いて必要十分（必要最小限）な水量が供給されて過剰供
給水をほぼ無くすことができるようになっている。この
ため、蒸発器２３で無駄に気化熱を消費することがな
く、蒸発器２３のエネルギー消費量がほぼ最小に抑えら
れる。

【０１０１】この実施形態によれば、前記第１の実施形
態で述べた（１）〜（７）の効果に加え、以下の効果が
得られる。 （１０）制御範囲において水供給過剰を理論上無くすこ
とができ、蒸発器２３のエネルギー消費量を最も少なく
抑えることができる。また２種類の燃料原料組成をＳ／
Ｃ値が１．８より若干大きくなる値に設定した場合は、
水過剰供給量を制御範囲でかなり低いレベルに抑えるこ
とができ、蒸発器２３のエネルギー消費量をかなり低い
レベルに抑えることができる。よって、燃料改質装置１
２のエネルギー効率を一層高めることができる。

【０１０２】（第５の実施形態）次に第５の実施形態を
図８，９を用いて説明する。この実施形態は３種類の燃
料原料液を使用する３液式燃料改質装置である。制御範
囲においてＳ／Ｃ＝１．８となるように３液の投入量比
率を制御する例である。

【０１０３】図８に示すように、燃料電池システム１０
の基本構成は前記各実施形態（図１）と同様で、３種類
の燃料原料を使用することに起因する構成のみが異な
る。燃料改質装置４２は、３つの燃料タンク４３，４
４，４５と、各燃料タンク４３，４４，４５から蒸発器
２３に燃料原料を投入するための各管路上に設けられた
３つのポンプ４６，４７，４８とを備えている。蒸発器
２３、改質器２４、一酸化炭素低減部２５、過酸化水素
低減部２６及び制御装置２７などその他の構成は、前記
各実施形態と同様である。

【０１０４】燃料タンク４３，４４，４５にそれぞれ収
容される３種類の燃料原料は、メタノール（ＣＨ₃ Ｏ
Ｈ）と、水（Ｈ₂ Ｏ）と、過酸化水素水溶液（Ｈ₂ Ｏ₂
ａｑ）である。また過酸化水素水溶液はＨ₂ Ｏ₂ ：Ｈ₂
Ｏ＝０．５：０．９(mol比)の組成である。

【０１０５】制御装置２７は、温度センサ３２の検出温
度に基づき改質器２４の内部温度が設定反応温度（例え
ば２４０〜２８０℃の範囲内の値）となるように、ポン
プ４６，４７，４８を駆動制御する。制御装置２７が内
蔵するメモリ３３に記憶された温度制御プログラム（図
３）等は基本的に前記第１の実施形態と同様である。異
なるのはＳ３０において３種類の燃料原料の投入量比率
を決める組成調整に関する制御内容のみで、温度差ΔＴ
に見合った反応熱Ｑが得られるように各燃料原料の混合
比率を求める基本的な考え方は同様である。制御装置２
７はその混合比率で燃料原料が投入されるように各ポン
プ４６，４７，４８を回転速度制御する。

【０１０６】各タンク４３，４４，４５からの投入量比
率は次のように設定する。 タンク４３からの供給量 １．０mol （ＣＨ₃ ＯＨ） タンク４４からの供給量 １．８Ｚmol （Ｈ₂ Ｏ） タンク４５からの供給量 ０．５（１−Ｚ）mol （Ｈ₂ Ｏ₂ ） 但し、０（発熱）≦Ｚ≦１（吸熱） この投入方法によれば図９のグラフに示すように、制御
範囲０≦Ｘ≦０．５で温度制御（組成制御）が可能であ
るとともに、この制御範囲で反応に必要十分（必要最小
限）な水量となる組成（Ｓ／Ｃ＝１．８を満たす組成）
に燃料組成制御が可能である。このため、過剰供給水量
をほぼ無くすことが可能である。なお、制御範囲におい
てＳ／Ｃ＝１．８を満たす組成に制御できる組合せなら
ば、３液の燃料原料は上記各組成に限定されない。

【０１０７】また、タンク４３はメタノールで可燃性で
あるので、例えば蒸発器２３を加熱するための加熱装置
３０をバーナーとし、このバーナーの燃料としてメタノ
ールを利用する。また、改質器２４に予備加熱用のバー
ナーを設け、起動時などの予備加熱としてメタノールを
利用することもできる。なお、メタノールを可燃燃料と
して利用する場合、メタノールは可燃であれば多少水分
を含んでもよい。

【０１０８】この実施形態によれば、前記第１の実施形
態で述べた（１），（２），（５）〜（７）の効果に加
え、以下の効果が得られる。 （１１）制御範囲で水供給量を過不足なしに制御できる
ので、蒸発器２３のエネルギー消費量を最も少なくする
ことができる。よって燃料改質装置１２のエネルギー効
率を一層高めることができる。また第４の実施形態（図
７）に比べ、組成制御の自由度が高いので、副生成物を
発生させないように装置１２ごとにその装置に合った組
成設定の変更をすることができる。このため、例えば外
気温やその他の使用条件（燃料原料組成のばらつきを含
む）が変わっても、副生成物を発生させない条件下で燃
料改質装置１２を使用することができる。

【０１０９】（第６の実施形態）次に第６の実施形態を
図１０，１１を用いて説明する。この実施形態は１種類
の燃料原料を使用する１液式燃料改質装置である。燃料
組成を制御することによる反応熱Ｑを利用した温度制御
はしない例である。

【０１１０】図１１に示すように、燃料電池システム１
０の基本構成は図１と同じであり、１種類の燃料原料を
使用することに起因する構成のみが異なる。燃料改質装
置５２は、１つの燃料タンク５３と、燃料タンク５３か
らの燃料原料を蒸発器２３に投入するための管路上に設
けられた１つのポンプ５４とを備えている。蒸発器２
３、一酸化炭素低減部２５、過酸化水素低減部２６及び
制御装置２７などその他の構成は、前記各実施形態と同
様である。

【０１１１】燃料タンク５３に収容される１種類の燃料
原料は、ＣＨ₃ ＯＨ−Ｈ₂ Ｏ₂ −Ｈ ₂ Ｏの３成分系燃料
である。この燃料原料の組成はオートサーマル条件を満
たす組成であり、ＣＨ₃ ＯＨ：Ｈ₂ Ｏ₂ ：Ｈ₂ Ｏ＝1.0
：0.143 ：0.714 (mol比)の組成である。Ｓ／Ｃ値は
１．８でもよいが、副生成物を確実に抑制するために
１．８より若干大きな値を設定することもできる。な
お、燃料原料の組成はオートサーマル条件の理論値では
なく、改質器２４からの放熱等を考慮して外部からの加
熱が不要な実質的なオートサーマル条件組成とすること
ができる。

【０１１２】図１０に示すように、改質器５５は反応管
３４の内部に触媒担持材３５が充填されたものであるこ
とは前記各実施形態と同様であるが、燃料原料が１種類
のみで組成制御による温度制御ができないので、温度制
御用の加熱装置としてヒータ５６を備える。加熱装置は
メタノールや燃料電池１１のオフガスを燃焼させるバー
ナーや、熱媒を循環させる装置など公知の装置を使用で
きる。また温度制御のために冷却が必要であれば冷却用
機器を設けることもできる。

【０１１３】制御装置２７は、温度センサ３２の検出温
度に基づき改質器２４の内部温度が設定反応温度（例え
ば２４０〜２８０℃の範囲内の値）となるようにヒータ
５６を制御する。制御装置２７が内蔵するメモリ３３に
は、ヒータ５６の温度制御用プログラムと、要求電力量
に応じた燃料投入量とするためのポンプ制御用プログラ
ムとが記憶されている。

【０１１４】この実施形態によれば、前記第１の実施形
態で述べた（１），（７）の効果に加え、以下の効果が
得られる。 （１２）改質器２４ではオートサーマル条件で改質反応
が進むので、起動時や急激な昇温が必要なときのみ加熱
装置（ヒータ５６）を補助的に使用するだけで済む。こ
のため、加熱装置５６が必要であるものの、従来のオー
トサーマル改質に比べ小型で済む。また、加熱装置５６
は改質器２４の内部温度を設定反応温度に昇温する際に
一時的に使用される程度で、加熱装置５６で消費される
エネルギーが少なく済む。さらに燃料原料がＳ／Ｃ＝
１．８またはこれより若干大きな値の組成であって過剰
供給水量を低く抑えることができるので、蒸発器２３に
おける気化熱消費エネルギーを低く抑えることができ
る。よって、燃料改質装置５２を比較的エネルギー効率
の高いものとすることができる。

【０１１５】（実験結果）以下、実験結果を図１２、１
３を用いて説明する。図１２に示す実験用の１液式燃料
改質装置６１を使用し、本発明の改質反応の実験を行っ
た。蒸発器（加熱気化部）６２は、管内にφ4.5mm のＳ
ＵＳボール６４を充填した約２０mm径のＳＵＳ管６３の
外側にマントルヒータ６５を設置した構成であり、蒸発
器６２の管内途中まで約６mm径のＳＵＳ管６６が挿入さ
れている。

【０１１６】燃料には、メタノール：水：過酸化水素＝
１：1.8 ：0.14のモル比に調製した水溶液を使用した。
また、比較燃料として水蒸気改質組成（メタノール：水
＝１：1.8 のモル比）に調製した水溶液を使用した。燃
料液はポンプ（図示省略）によってＳＵＳ管６６を通じ
て１．８ml/minの流量で蒸発器６２に送った。

【０１１７】改質器６７は、市販のメタノール水蒸気改
質触媒ペレット（Ｃｕ−ＺｎＯ−Ａｌ₂ Ｏ3 ペレット
（東洋ＣＣＩ製ＭＤＣ−３；φ３×ｈ３円柱状））６８
が充填された約２０mm径のＳＵＳ管６９の外側にマント
ルヒータ７０を設置した構成である。熱電対７１，７２
を用いて改質器６７の反応管外壁温度と反応管内部温度
をそれぞれ測定した。改質器６７の反応管外壁温度が１
００〜３００℃の範囲の所定温度になるようにマントル
ヒータ７０を加熱制御した。蒸発器６２の内部温度は、
燃料液がほぼ完全に気化するように１００℃以上の温度
範囲で改質器６７の反応管外壁温度が所定温度となるよ
うに温度調節した。

【０１１８】蒸発器６２のＳＵＳ管６３にはＡｒキャリ
アガスを一定流量で導入し、蒸発器６２で気化した燃料
ガスをＡｒキャリアガスとともに改質器６７に送るよう
にした。メタノール改質反応により生成した改質ガスを
シリンジで採取して、ガスクロマトグラフィー（ヤナコ
製Ｇ２８００／検出器；ＴＣＤ／カラム；モレキュラー
シーブ）にて分析した。

【０１１９】図１３に実験結果を示す。このグラフは、
触媒反応管の加熱温度（反応管外壁温度）（℃）を横軸
とし、この横軸に対して、反応温度（反応管内部温度）
（℃）と、水素濃度（％）を縦軸に示したものである。
反応温度については、□印が過酸化水素含有オートサー
マル改質反応、○印が水蒸気改質反応の各プロット点を
示す。過酸化水素含有オートサーマル改質反応（実線）
では、吸熱反応である水蒸気改質反応（鎖線）に比べ、
同一触媒下かつ同一反応管加熱温度において反応温度が
高く、過酸化水素による発熱反応が起きていることが分
かる。過酸化水素含有オートサーマル改質反応のライン
（実線）が、オートサーマル条件理論値のライン（破
線）から傾きが小さい側に若干くずれているが、これは
改質器６７の入口付近で発熱反応が優先して反応管内に
温度勾配（温度分布）ができたこと、放熱による降温、
改質器内部までの加熱不十分などが原因と推定される。

【０１２０】また水素濃度については、■印が過酸化水
素含有オートサーマル改質反応、△印が水蒸気改質反応
の各プロット点を示す。水素濃度について見ると、過酸
化水素含有オートサーマル改質反応は、水蒸気改質反応
に比べ、反応温度の低温域での水素生成濃度が高かっ
た。過酸化水素含有オートサーマル改質反応では、反応
温度約１８０℃以上で水素濃度約５０％以上の水素が生
成した。このことは、所望する改質率（例えば９５％以
上）を得るための設定反応温度を低温側に下げることが
可能であることを意味する。反応温度の低温下は、改質
ガス中のＣＯ濃度を低減させることに寄与し、例えばＣ
Ｏ低減部２５の構成簡素化に繋がる。

【０１２１】（第７の実施形態）次に第７の実施形態を
図１４を用いて説明する。この実施形態は改質器の変更
例である。改質器以外の構成は前記各実施形態と同様で
ある。１液式と２液式と３液式のいずれの燃料改質装置
においても使用できる。ここでは２液式燃料改質装置を
例に説明する。

【０１２２】図１４に示すように、改質器２４は反応管
３４の内部に触媒担持材３５が充填されたもので、反応
管３４には燃料供給手段としての燃料分散供給管７５が
挿入されている。反応管３４にはメタノール水溶液が収
容された燃料タンク２１に接続される管路７６が接続さ
れ、燃料分散供給管７５は管路７６内に挿通された状態
で、過酸化水素水溶液が収容された燃料タンク２２と接
続されている。燃料分散供給管７５は反応管３４内の反
応路長さ方向ほぼ全域に亘って反応路の中心部を延びる
状態で挿入され、反応管３４内におけるガス流れ方向に
沿う複数箇所の位置に供給口７５ａを有している。

【０１２３】ＣＨ₃ ＯＨ−Ｈ₂ Ｏガスは管路７６を通っ
て改質器２４の反応路上に導入され、Ｈ₂ Ｏ₂ −Ｈ₂ Ｏ
ガスは改質器２４の反応路中心部に挿入された燃料分散
供給管７５を通って複数の供給口７５ａから反応路のガ
ス流れ方向に沿う複数箇所にて分散供給される。

【０１２４】反応速度は、吸熱反応よりも発熱反応の方
が一般に速いので、前記各実施形態では図１４中の温度
分布図に鎖線で描いた温度分布曲線Ｔ１で示すように、
改質器２４の入口付近に発熱反応が優先することによる
高温域ができ、触媒担持材３５上の触媒の劣化速度を速
める心配があった。しかし、本実施形態では、改質器２
４の反応路上の複数箇所で発熱反応が分散して起こるの
で、図１４の温度分布図に実線で示す温度分布曲線Ｔ２
のように改質器２４の反応路上の温度分布を所定範囲内
に収めることができる。もちろん３液式燃料改質装置に
適用することもでき、燃料分散供給管７５を過酸化水素
水溶液の燃料タンク４５に接続し、管路７６を他の２つ
の燃料タンク４３，４４に接続した構成とすることもで
きる。

【０１２５】また、蒸発器２３の前段で液体混合された
燃料原料混合液を蒸発器２３で気化させた燃料ガスの全
てを燃料分散供給管７５に導入し、燃料分散供給管７５
を通じて改質器２４の反応路上に燃料ガスを分散供給す
ることもできる。例えば蒸発器２３から延びる管路７６
をそのまま燃料分散供給管７５（但し、管路径は同図の
ものより太くする）として改質器２４の反応路上に挿入
する。この場合も、発熱反応が反応路上で分散されるの
で、温度分布を均一に近づけることができる。また、こ
の構成であれば、２液式や３液式に限らず、１液式の燃
料改質装置にも適用可能である。

【０１２６】この実施形態によれば、前記各実施形態で
述べた効果の他、次の効果が得られる。 （１３）改質器２４の反応路上に温度分布ができ難くな
るので、触媒担持材３５上の触媒の劣化速度が速まる不
具合を抑えることができる。

【０１２７】（第８の実施形態）次に第８の実施形態を
図１５を用いて説明する。この実施形態は改質器の変更
例である。改質器以外の構成は前記各実施形態と同様で
ある。２液式と３液式のいずれの燃料改質装置において
も使用できる。ここでは、例えば第４の実施形態（図
７）で示した燃料原料組成の２液式燃料改質装置を例に
説明する。

【０１２８】図１５に示すように、改質器２４を構成す
る円筒状の反応管３４の内部には、反応管３４より小径
（例えば半分程度の径）な円筒状の仕切壁７７が同心円
状に配置されている。この仕切壁７７によって改質器２
４の内部は、内周側の反応室７８と外周側の反応室７９
との二室に区画されている。内周側の反応室７８は吸熱
反応系の室であって、管路８０を通じて吸熱反応組成
（例えばＣＨ₃ ＯＨ＋1.8 Ｈ₂ Ｏ）の燃料原料が収容さ
れる燃料タンク２１に接続されている。外周側の反応室
７９は発熱反応系の室であって、管路８１を通じて発熱
反応組成（例えばＣＨ₃ ＯＨ＋0.5 Ｈ₂ Ｏ₂ ＋0.9 Ｈ₂
Ｏ）の燃料原料が収容される燃料タンク２２に接続され
ている。反応室７８には吸熱反応組成に適した触媒が担
持された触媒担持材３５ａが充填され、反応室７９には
発熱反応組成に適した触媒が担持された触媒担持材３５
ｂが充填されている。

【０１２９】反応室７８には吸熱反応組成の燃料ガスが
導入され、反応室７８では吸熱反応に適した触媒担持材
３５ａによって反応が促進される。一方、反応室７９に
は発熱反応組成の燃料ガスが導入され、反応室７９では
発熱反応に適した触媒担持材３５ｂによって反応が促進
される。外周側の反応室７９で起こる発熱反応の反応熱
は、仕切壁７７を通じた熱交換により内周側の反応室７
８に同図矢印に示すように伝達され、２つの反応室７
８，７９間の熱交換を通じて熱が有効利用される。２つ
の反応室７８，７９に導入される燃料原料の投入量比率
を制御して両反応室７８，７９の各反応熱の収支のバラ
ンスを図るようにすれば、仕切壁７７の熱交換を介した
オートサーマル改質を実現できる。

【０１３０】この実施形態によれば、前記各実施形態で
述べた効果の他、次の効果が得られる。 （１４）仕切壁７７で区画された各反応室７８，７９に
おける発熱反応系と吸熱反応系との間で、仕切壁７７を
介した熱交換により熱の受給を可能とし、発熱反応の熱
を吸熱反応に利用できるので、例えばオートサーマル改
質を実現できるとともに、過酸化水素含有燃料改質反応
と水蒸気改質反応とのそれぞれに好適な異なる触媒を使
用するこができる。

【０１３１】（第９の実施形態）次に第９の実施形態を
図１６を用いて説明する。この実施形態は改質器の変更
例である。改質器以外の構成は前記各実施形態と同様で
ある。１液式と２液式と３液式のいずれの燃料改質装置
においても使用できる。

【０１３２】図１６に示すように、改質器２４の前段に
位置する蒸発器２３は、改質器２４の入口部に隣接する
状態に配置されている。蒸発器２３には１個（１液式の
場合）または複数個（２液式以上の場合）の燃料タンク
と接続された燃料供給管８３が挿入されている。蒸発器
２３には過酸化水素の分解反応を促進する触媒（過酸化
水素高活性分解触媒）が担持された発熱部としての触媒
担持材８４が設けられており、燃料供給管８３から排出
された燃料（燃料ガス）は触媒担持材８４を通るように
なっている。過酸化水素高活性分解触媒としては、例え
ば銀ワイヤメッシュに酸化サマリウム（Ｓｍ₂ Ｏ₃ ）を
結合した触媒が挙げられる。触媒担持材８４により燃料
ガス中の過酸化水素は次式で示される分解反応をする。

【０１３３】Ｈ₂ Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ＋１／２Ｏ₂ ＋105.5kJ/
mol過酸化水素の分解反応は発熱反応であるため、分解
反応熱が燃料の加熱あるいは気化のための熱として利用
される。また蒸発器２３に設けられたヒータ８５は、前
記各実施形態のものより発熱量の小さい小型なもので、
分解反応熱だけでは不足する熱量をヒータ８５の熱によ
り補うようにしている。改質器２４では、高熱水蒸気＋
メタノール蒸気＋酸素で改質反応（オートサーマル改
質）が起こるようになっている。なお、ヒータ８５に代
えてバーナや熱媒を用いた加熱装置を使用してもよい。
また過酸化水素の分解反応熱だけで燃料の気化・加熱が
十分可能であれば、ヒータ８５などの加熱装置を起動時
などの予備加熱用とする構成も可能である。

【０１３４】この実施形態によれば、前記各実施形態で
述べた効果の他、次の効果が得られる。 （１５）過酸化水素の分解反応熱を、燃料の気化・加熱
のための熱の一部または全てに利用するので、蒸発器２
３に備えるヒータ８５などの加熱装置を小型化できる。
また蒸発器２３でのエネルギー消費が減るので、燃料改
質装置のエネルギー効率を高めることができる。

【０１３５】（第１０の実施形態）次に第１０の実施形
態を図１７を用いて説明する。この実施形態は、燃料改
質装置に過酸化水素製造装置を搭載した例である。過酸
化水素供給源の構成が異なるだけで他の構成は前記各実
施形態と同様であるので、過酸化水素製造装置について
のみ説明する。なお、１液式と２液式と３液式のいずれ
の燃料改質装置においても使用できる。

【０１３６】図１７に示すように、過酸化水素製造手段
としての過酸化水素製造装置８６は自動酸化法によるシ
ステムであって、水素と酸素（空気）を原料として、ア
ルキルアントラキノンを作動液として触媒の存在下で過
酸化水素水溶液を製造する。過酸化水素製造装置８６
は、水素添加装置（水添装置）８６ａ、酸化装置８６
ｂ、抽出装置８６ｃおよび精製器８６ｄを備える。水添
装置８６ａでは、作動液に触媒（ニッケル系またはパラ
ジウム系触媒）の存在下で水素を添加し、ヒドロアント
ラキノン（作動液）を生成する。この作動液は酸化装置
８６ｂに送られ、酸化装置８６ｂでは作動液に空気（酸
素）を吹き込む。この酸化により作動液中には過酸化水
素が生成する。この作動液は抽出装置８６ｃに送られ、
抽出装置８６ｃでは作動液中の過酸化水素を純水で抽出
する。抽出で得られた過酸化水素水溶液は精製器８６ｄ
に送られ、抽出処理後の作動液は水添装置８６ａに戻さ
れて循環使用される。精製器８６ｄは吸着剤（活性炭，
活性アルミナ，粒状ポリエチレン等）を備え、過酸化水
素水溶液から有機物等の不純物を除去する。精製器８６
ｄで精製された過酸化水素水溶液はタンク８７に一時貯
蔵され、改質反応のための燃料原料の一部として使用さ
れる。すなわちポンプ８８によって流量制御されなが
ら、他の燃料原料（例えばメタノールや水）との間で所
定組成比を満たす条件で蒸発器２３へ供給される。但
し、１液式の場合は、メタノール及び水と所定組成比に
混合された混合液が蒸発器２３に供給されることにな
る。過酸化水素製造装置８６ではタンク８８中の貯蔵量
が設定量確保されるように過酸化水素水溶液が逐次製造
される。このため、過酸化水溶液を多量に貯蔵する必要
がない。なお、水添装置８６ａに供給する水素は、例え
ば燃料電池１１で使用されなかった水素を循環して使用
する。

【０１３７】過酸化水素を直接搭載する方式（タンク貯
蔵方式）では、貯蔵された過酸化水素の化学的安全性確
保のため貯蔵液が組成や濃度の点で制約を受けたり、過
酸化水素を輸送するためのインフラ上の問題がある。こ
れに対し過酸化水素製造装置８６を搭載する方式は、過
酸化水素の貯蔵量が極めて少なく済むので、上記の各種
制約を受け難い。

【０１３８】上記の製造方法は、過酸化水素を製造する
のに加熱などのエネルギーを消耗することや、燃料電池
１１の燃料源である水素を用いるので、システム効率を
低下させる要因となる。このため、上記の製造手段を用
いた燃料改質システムは、例えば過酸化水素製造工場
や、発電所や工場などの廃熱を利用した過酸化水素製造
が可能な施設に適用するのが好ましい。もちろん車載の
システムにおいても、過酸化水素製造装置を搭載するこ
とはできる。

【０１３９】なお、実施形態は、上記に限定されず例え
ば次の態様でも実施できる。 ○ 炭化水素系化合物（炭化水素系燃料）はメタノール
に限定されない。天然ガス（メタンＣＨ₃）、ＬＰガス
（プロパンＣ₃ Ｈ₈ ）、ガソリン（n-，i-オクタンＣ₈
Ｈ₁₈）、軽油（n-セタンＣ₁₆Ｈ₃₄）を使用することがで
きる。その他、水蒸気改質に使用される公知の炭化水素
系化合物を使用することができる。

【０１４０】これらの炭化水素系化合物は水蒸気改質反
応が吸熱反応となり、過酸化水素改質反応が発熱反応と
なるので、炭化水素系化合物−水−過酸化水素系の燃料
を使用することでオートサーマル改質を実現できる。し
かも従来のオートサーマル改質では酸化剤として空気
（Ｏ₂ ＋４Ｎ₂ ）を用いていたのに対し、酸化剤として
液体（水溶液）である過酸化水素を使用できる。よっ
て、水素の生成に関与しない無駄な窒素が供給されず導
入ガス体積を小さくすることができるので、燃料改質装
置のシステム全体の小型化を図ることができる。また酸
化剤を別途タンクに収容する必要はあるが、酸化剤（過
酸化水素）が液体なので収容体積が小さく済むため、燃
料改質装置のシステムを小型に維持できる。さらに従来
使用されていたエアコンプレッサが不要で、非圧縮式の
ポンプによる送液で足りるので、システム全体の小型化
およびエネルギー効率の向上を実現できる。

【０１４１】○ 前記各実施形態では、複数種の燃料原
料を液体状態で混合した後、蒸発器２３で気化させる構
成であったが、複数種の燃料原料を蒸発器で個別に気化
させ、各燃料原料をガス状態で混合して改質器２４に導
入する構成でもよい。また改質器に各燃料原料ガスを個
別に投入する方式でも構わない。

【０１４２】○ 燃料改質装置は燃料電池に水素含有ガ
スを供給するための用途に限定されない。例えば他の用
途のために水素含有ガスを利用するものであってもよ
い。この場合、水素含有ガス中のＣＯ等の副生成物があ
る程度の濃度で混入しても構わない場合、燃料改質装置
は、ＣＯ低減部２５とＨ₂ Ｏ₂ 低減部２６のうち少なく
とも一方を廃止した構成とすることができる。

【０１４３】例えば燃料改質装置で生成した水素含有ガ
ス中の水素を水素吸蔵合金に吸蔵させ、この水素吸蔵合
金に吸蔵された水素を燃料電池に供給する構成を採用す
ることができる。また燃料改質装置で生成した水素含有
ガスから水素のみを選択回収し、回収した水素を例えば
液化水素または高圧水素ガスとして保存し、必要に応じ
てこの水素を燃料電池供給用に使用する構成を採用する
こともできる。例えば電気自動車に水素（燃料）を供給
する燃料スタンドに、水素製造用に燃料改質装置を設置
してもよい。

【０１４４】○ 水溶性の炭化水素系化合物はメタノー
ルに限定されない。水蒸気改質反応に利用可能な水溶性
炭化水素系化合物であれば足りる。例えばエチルアルコ
ールを使用することができる。

【０１４５】○ 複数種の燃料原料の投入量比率を制御
して改質器の温度制御を行う各実施形態において、改質
器２４に予備加熱用の加熱装置の他に、停止時用や要求
水素量（要求電力量）の急変時の降温制御に対処できる
ように冷却装置を設けても構わない。このような構成で
も、冷却装置は補助的に使用するのみなので、燃料改質
装置を小型でしかも高いエネルギー効率に維持できる。

【０１４６】○ オートサーマル方式を採用しなくても
よい。発熱反応と吸熱反応が共存して発熱反応の熱を吸
熱反応に利用できれば、改質器における加熱装置や冷却
装置の省略または小型化を図り、しかも燃料改質装置の
エネルギー効率の向上を図ることは可能である。

【０１４７】○ 改質器で改質反応させる燃料は３成分
に限定されない。炭化水素系燃料（メタノール等）と水
と過酸化水素の３成分を必須とする４成分以上からなる
燃料を用いた改質反応を採用することもできる。

【０１４８】○ 燃料改質装置は１液式〜３液式に限定
されない。４液式以上であっても構わない。 ○ 燃料原料供給方式はタンクから供給するタンク供給
方式に限定されない。例えばパイプラインを通じて各家
庭に設置された自家発電装置の燃料改質装置に燃料原料
を供給する構成であってもよい。またメタンを使用する
場合、都市ガスのガス管を通じて例えば自家発電装置の
燃料改質装置に燃料原料を供給する方式を採用すること
ができる。

【０１４９】○ 燃料電池システムを搭載対象は、電気
自動車や自家発電装置に限定されない。燃料電池システ
ムは発電を必要とする全てを対象に利用することができ
る。前記実施形態及び別例から把握できる請求項以外の
技術思想を記載する。

【０１５０】（１）請求項１〜２１のいずれか一項にお
いて、前記炭化水素系化合物と水と過酸化水素のみを燃
料原料とする。この場合、請求項１〜２１のいずれか一
項の発明と同様の効果が得られる。

【０１５１】（２）請求項１〜２１及び前記技術思想
（１）のいずれか一項において、前記炭化水素系化合物
は、水素含有改質ガス生成のための水蒸気改質反応で使
用される炭化水素系化合物である。この場合、請求項１
〜２１のいずれか一項の発明と同様の効果が得られる。

【０１５２】（３）請求項１、３〜５、７〜２１及び前
記技術思想（１），（２）のいずれか一項において、前
記炭化水素系化合物は、アルコール類又は炭化水素であ
る。この場合、請求項１、３〜５、７〜２１のいずれか
一項の発明と同様の効果が得られる。

【０１５３】（４）請求項１、３〜５、７〜２１及び前
記技術思想（１）〜（３）のいずれか一項において、前
記炭化水素系化合物は、メタノール、メタン、プロパ
ン、オクタン、セタンのうちから選択される１つであ
る。この場合、請求項１、３〜５、７〜２１のいずれか
一項の発明と同様の効果が得られる。

【０１５４】（５）請求項２又は６において、前記水溶
性の炭化水素系化合物は、アルコール類である。この場
合、請求項２又は６の発明と同様の効果が得られる。 （６）請求項２又は６及び前記技術思想（５）のいずれ
か一つにおいて、前記過酸化水素は原料の状態では水溶
液として収容（使用）される。この場合、過酸化水素は
水に希釈された状態で収容（使用）されるので、原料の
状態で反応性（活性）を弱めた状態で取り扱うことがで
きる。

【０１５５】（７）請求項２又は６及び前記技術思想
（５），（６）のいずれか一つにおいて、前記炭化水素
系化合物と水と過酸化水素は液体で混合されてから気化
手段により気化される。この場合、燃料原料が液体で混
合されてから気化されるので、均一に混合された燃料ガ
スが改質手段に供給されることになり、改質反応で反応
むらが起き難く、例えば反応むらによる温度分布の高温
箇所での触媒の早期劣化や改質率の低下が避けられる。

【０１５６】（８）請求項５〜請求項２０のいずれか一
項において、前記燃料改質装置は、燃料電池に水素含有
改質ガスを供給するために使用されるものである。この
場合、燃料電池に水素含有改質ガスを供給する燃料改質
装置において、請求項５〜２０のいずれか一項の発明と
同様の効果が得られる他、燃料改質装置の小型化により
燃料電池システムの小型化に寄与でき、しかも燃料電池
に供給する水素の製造時のエネルギー消費効率を低減で
きる。

【０１５７】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜２１の発
明によれば、吸熱反応と発熱反応を共存させた改質反応
を採用することにより、改質手段を反応温度に保つため
の加熱装置や冷却装置を省略または小型化でき、しかも
酸化剤を空気（酸素）などの気体の代えて液体で済ませ
ることができ、システム全体の小型化およびエネルギー
効率の向上を図ることができる。

【０１５８】請求項２、６等の発明によればさらに、炭
化水素系化合物が水溶性であり原料の状態で液体である
ので容積をとらずシステムの小型化に寄与し、また燃料
の必須原料全てを液体混合してから気化させるようにす
れば均一な燃料混合ガスが得られるため、改質反応がむ
らなく進み、例えば水素採取率（改質率）の向上に寄与
する。

【０１５９】請求項３〜４、７〜２１の発明によれば、
オートサーマル方式を採用でき、しかも発熱反応用の酸
化剤を空気（酸素）などの気体に代えて液体で済ませる
ことで、従来のオートサーマル方式に比べシステム全体
の小型化およびエネルギー効率の向上を実現できる。

【０１６０】請求項４の発明によれば、燃料電池に水素
を供給する燃料改質装置を小型化できるので、燃料電池
システムを小型化できる。請求項９の発明によれば、請
求項５〜８のいずれか一項の発明の効果に加え、未反応
の過酸化水素を除去する過酸化水素除去手段を設けたの
で、例えば燃料電池用の燃料改質装置として使用する場
合、燃料電池の触媒を劣化させる恐れのある比較的活性
なガスが燃料電池に供給されることを防止できる。

【０１６１】請求項１０〜２１に記載の発明によれば、
請求項５〜８のいずれか一項の発明の効果に加え、改質
手段に供給する過酸化水素を過酸化水素製造手段により
製造することができる。例えば多量の過酸化水素を貯蔵
しなくて済む。

【０１６２】請求項１１の発明によれば、請求項５〜１
０のいずれか一項の発明の効果に加え、燃料タンクが１
つで済むので燃料収容手段が小型で済み、しかも水素製
造のために使用する燃料を１種類用意するだけで済む。

【０１６３】請求項１２〜１６の発明によれば、請求項
５〜９のいずれか一項の発明の効果に加え、改質手段へ
の燃料投入量比率を制御することで改質手段を温度制御
するので、改質手段の温度を制御するための加熱装置や
冷却装置の省略または小型化を一層図り易い。

【０１６４】請求項１４、１５の発明によれば、投入量
比率によらず常に燃料ガスが所定の水蒸気／カーボン比
を満たす組成となり必要十分な水量が確保されるので、
過剰分の水を気化させる熱の無駄な消費がなくなり、エ
ネルギー効率を高めることができる。

【０１６５】請求項１７の発明によれば、請求項１２〜
１６のいずれか一項の発明の効果に加え、起動時、停止
時、要求水素量急変時には、予め設定された投入パター
ンに従って適切な温度制御を実現できる。

【０１６６】請求項１８の発明によれば、請求項５〜１
７のいずれか一項の発明の効果に加え、改質手段の反応
路において反応の起こる箇所が分散され、温度分布を平
均化できる。

【０１６７】請求項１９の発明によれば、請求項５〜１
７のいずれか一項の発明の効果に加え、吸熱反応組成燃
料と発熱反応組成燃料に適した触媒が異なる場合、それ
ぞれの反応に適切な触媒を使用できる。

【０１６８】請求項２０の発明によれば、請求項５〜１
７のいずれか一項の発明の効果に加え、過酸化水素の分
解発熱反応熱を燃料の加熱あるいは気化のための熱に利
用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの概
略構成図。

【図２】改質器の模式側断面図。

【図３】反応器温度制御ルーチンのフローチャート。

【図４】燃料組成と反応熱の関係を示すグラフ。

【図５】第２の実施形態における燃料組成と反応熱の関
係を示すグラフ。

【図６】第３の実施形態における燃料組成と反応熱の関
係を示すグラフ。

【図７】第４の実施形態における燃料組成と反応熱の関
係を示すグラフ。

【図８】第５の実施形態における燃料電池システムの概
略構成図。

【図９】同じく燃料組成と反応熱との関係を示すグラ
フ。

【図１０】第６の実施形態における改質器の模式側断面
図。

【図１１】同じく燃料電池システムの概略構成図。

【図１２】実験装置の模式側断面図。

【図１３】加熱温度と反応温度と水素濃度との関係を示
すグラフ。

【図１４】第７の実施形態における改質器の模式側断面
図。

【図１５】第８の実施形態における改質器を示し、
（ａ）は模式側断面図、（ｂ）は模式正断面図。

【図１６】第９の実施形態における蒸発器と改質器の模
式側断面図。

【図１７】第１０の実施形態における過酸化水素製造装
置の模式図。

【図１８】従来の燃料電池システムの概略構成図。

【符号の説明】

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１２…燃料
改質装置、２１，２２…燃料収容手段を構成する燃料タ
ンク、２３…気化手段としての蒸発器、２４…改質手段
として改質器、２６…過酸化水素低減手段としての過酸
化水素低減部、２７…燃料供給制御手段、投入量制御手
段及び温度制御手段を構成する制御装置、２８，２９，
４６，４７，４８…燃料供給制御手段、投入量制御手段
及び温度制御手段を構成するポンプ、３２…温度制御手
段を構成する温度センサ、３５，３５ａ，３５ｂ…触媒
担持材、４３，４４，４５…燃料収容手段を構成する燃
料タンク、５３…燃料収容手段としての燃料タンク、５
４…燃料供給制御手段及び投入量制御手段を構成するポ
ンプ、５６…温度調節手段としてのヒータ、７５…燃料
供給手段としての燃料分散供給管、７５ａ…供給口、７
７…仕切壁、７８，７９…反応室、８４…発熱部として
の触媒担持材、８６…過酸化水素製造手段としての過酸
化水素製造装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EA08 EB03 EB14 EB18 EB22 EB33 EB43 FA04 FB01 FC07 FE04 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 CC06

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化水素系化合物と水と過酸化水素を燃
   料の必須の原料とし、前記燃料を気化状態とした所定組
   成の燃料ガスを改質反応温度にて触媒下で改質反応させ
   て水素を含む改質ガスを得る燃料改質方法。
2. 【請求項２】 炭化水素系化合物は水溶性であり原料の
   状態で液体で使用する請求項１に記載の燃料改質方法。
3. 【請求項３】 前記燃料ガスは、前記改質反応における
   吸熱反応と発熱反応の反応熱収支が釣り合うオートサー
   マル条件を満たす組成とする請求項１又は２に記載の燃
   料改質方法。
4. 【請求項４】 前記水素を含む改質ガスを燃料電池の水
   素源として供給する請求項１〜３のいずれか一項に記載
   の燃料改質方法。
5. 【請求項５】 炭化水素系化合物と水と過酸化水素を燃
   料の必須の原料とし、所定組成比の１種の燃料原料のみ
   を収容する、または互いに組成が異なるとともに少なく
   とも混合することで全ての原料を含む組成になる複数種
   の燃料原料を個別に収容する燃料収容手段と、 前記燃料収容手段から供給された燃料原料を加熱気体状
   態にする気化手段と、 前記気化手段から供給された燃料ガスを、改質反応温度
   の触媒下で改質反応させて水素を含むガスを生成させる
   改質手段と、 前記改質手段に供給される燃料ガスの供給制御をする燃
   料供給制御手段とを備えた燃料改質装置。
6. 【請求項６】 前記炭化水素系化合物は水溶性であり、
   前記燃料収容手段に収容される原料の状態では液体であ
   る請求項５に記載の燃料改質装置。
7. 【請求項７】 請求項５又は６に記載の燃料改質装置に
   おいて、 前記改質手段における改質反応での吸熱反応と発熱反応
   の反応熱収支が釣り合うオートサーマル条件を満たす組
   成の燃料ガスを前記改質手段に投入する燃料改質装置。
8. 【請求項８】 請求項５〜７のいずれか一項に記載の燃
   料改質装置において、 前記燃料供給制御手段は、外部からの要求水素量指令に
   基づいて、前記改質手段に投入される燃料ガス中の炭化
   水素系化合物量が要求水素量に略比例するように燃料投
   入量を制御する投入量制御手段を備えている燃料改質装
   置。
9. 【請求項９】 請求項５〜８のいずれか一項に記載の燃
   料改質装置において、 前記改質手段の下流側に未反応の過酸化水素を除去する
   過酸化水素除去手段を設けた燃料改質装置。
10. 【請求項１０】 請求項５〜８のいずれか一項に記載の
    燃料改質装置において、 前記改質手段に供給する過酸化水素を製造する過酸化水
    素製造手段を設けた燃料改質装置。
11. 【請求項１１】 請求項６〜１０のいずれか一項に記載
    の燃料改質装置において、 水溶性の炭化水素系化合物と水と過酸化水素をオートサ
    ーマル条件組成の近傍範囲内の所定組成比に混合した１
    液の燃料原料のみを前記燃料収容手段に収容する１液式
    の燃料改質装置であって、 前記改質手段の内部温度を設定反応温度とするのに改質
    反応の反応熱では過不足する熱量を、前記改質手段の加
    熱あるいは冷却による熱交換によって補う温度調節手段
    を備えている燃料改質装置。
12. 【請求項１２】 請求項５〜１０のいずれか一項に記載
    の燃料改質装置において、 前記燃料収容手段は、炭化水素系化合物と水と過酸化水
    素のうちの少なくとも１つを含む互いに組成の異なる複
    数種の燃料原料で、該複数種の燃料原料の混合比率を調
    節することで炭化水素系化合物に対する水と過酸化水素
    の各割合を調節可能な組成が設定された当該複数種の燃
    料原料を個別に収容するものであり、 前記燃料供給制御手段は、前記改質手段における吸熱反
    応と発熱反応の反応熱収支が釣り合うオートサーマル条
    件組成を含む組成制御範囲内で、前記改質手段の内部温
    度を設定反応温度とするように、複数種の燃料原料の混
    合比率を調節して燃料ガスの組成を制御する温度制御手
    段を備えている燃料改質装置。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の燃料改質装置にお
    いて、 前記燃料収容手段に個別に収容される燃料原料は、水溶
    性の炭化水素系化合物と過酸化水素のうち少なくとも炭
    化水素系化合物を含む吸熱反応組成の水溶液燃料と、水
    溶性の炭化水素系化合物と過酸化水素のうち少なくとも
    過酸化水素を含む発熱反応組成の水溶液燃料との２液で
    あり、その２液の割合を変更することによって反応温度
    の制御を行う２液式燃料改質装置であることを特徴とす
    る燃料改質装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の燃料改質装置にお
    いて、 前記２液の燃料原料は、炭化水素系化合物水溶液と、炭
    化水素系化合物−過酸化水素水溶液との２液であるとと
    もに、２液混合組成が少なくともＣＯの生成を低減する
    のに必要十分な水蒸気／カーボン比の条件を満たすよう
    に選択された２液であることを特徴とする燃料改質装
    置。
15. 【請求項１５】 請求項１２に記載の燃料改質装置にお
    いて、 前記燃料収容手段に個別に収容される燃料原料は、水溶
    性の炭化水素系化合物又はその水溶液と、過酸化水素水
    溶液と、水との３液であり、 ３液混合組成が少なくともＣＯの生成を低減するのに必
    要十分な水蒸気／カーボン比の条件を満たすように燃料
    ガスの組成を制御する３液式燃料改質装置であることを
    特徴とする燃料改質装置。
16. 【請求項１６】 請求項１２〜１５のいずれか一項に記
    載の燃料改質装置において、 前記温度制御手段の組成制御範囲は、前記改質手段へ投
    入される燃料ガスの組成をオートサーマル条件値を中心
    に増減させられるように設定されている燃料改質装置。
17. 【請求項１７】 請求項１２〜１６のいずれか一項に記
    載の燃料改質装置において、 前記温度制御手段は、起動時、停止時、要求水素量の急
    速な増減時のうち少なくとも１つの条件成立時には予め
    設定された投入パターンに従って所定時間あるいは所定
    条件になるまで燃料ガス組成を制御をすることを特徴と
    する燃料改質装置。
18. 【請求項１８】 請求項５〜１７のいずれか一項に記載
    の燃料改質装置において、 前記気化手段から前記改質手段の反応路上に供給する燃
    料ガスをガス流れ方向に沿う複数箇所から分散供給する
    複数の供給口を有する燃料供給手段を備えている燃料改
    質装置。
19. 【請求項１９】 請求項５〜１７のいずれか一項に記載
    の燃料改質装置において、 前記改質手段の内部を仕切壁を隔てて二種の反応室に分
    割し、一方の反応室に吸熱反応組成の燃料ガスを導入す
    るとともに、他方の反応室に発熱反応組成の燃料ガスを
    導入し、前記仕切壁を介して前記二種の反応室間の熱交
    換を行うことを特徴とする燃料改質装置。
20. 【請求項２０】 請求項５〜１７のいずれか一項に記載
    の燃料改質装置において、 前記改質手段の前段に位置する前記気化手段は、過酸化
    水素の分解発熱反応を促進する触媒を備え、前記改質手
    段に投入される燃料の加熱あるいは気化のための熱の全
    て又は一部に前記過酸化水素の分解発熱反応熱を利用す
    る発熱部を有することを特徴とする燃料改質装置。
21. 【請求項２１】 請求項５〜２０のいずれか一項に記載
    の燃料改質装置と、前記燃料改質装置から供給される水
    素含有ガスを水素源として発電する燃料電池とを備えて
    いる燃料電池システム。