JP2005350345A - 改質装置及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡単な構造で反応効率及び熱効率を向上させることが可能な改質装置を提供すること。
【解決手段】 パイプ本体２１と；パイプ本体２１の内部空間に配設されて，燃料の酸化反応によって予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる熱源部２４と；パイプ本体２１の内部空間に熱源部２４と隣接して配設されて，熱エネルギーによる改質反応によって燃料から水素を発生させる改質反応部２６と；パイプ本体２１の外周に接触するように設置されて，改質反応部に供給される燃料に熱エネルギーを伝達する熱伝逹ユニット３０と；を備えることを特徴とする，改質装置が提供される。
【選択図】 図４

Description

本発明は，改質装置及び燃料電池システムに関し，特に，構造が改善された改質装置およびこれを備えた燃料電池システムに関する。
周知のように，燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は，メタノール，エタノール，天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と，酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる発電システムである。
このような燃料電池において，近来開発されている高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ，以下では便宜上「ＰＥＭＦＣ」という。）は，出力特性が優れており，作動温度が低いと共に，速い始動特性及び応答特性を有する。このため，ＰＥＭＦＣは，自動車のような移動用電源はもちろん，住宅，公共建物のような分散用電源，及び電子機器用のような小型電源など，応用範囲が広いという長所がある。
このようなＰＥＭＦＣ方式の燃料電池システムは，スタック（ｓｔａｃｋ），改質装置（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ），燃料タンク，及び燃料ポンプなどから構成される。スタックは，複数の単位セルからなる電気発生集合体で構成され，燃料ポンプは，燃料タンク内の燃料を改質装置に供給する。そして，改質装置は，燃料を改質して水素を発生させて，この水素をスタックに供給する。
この中で，改質装置は，熱エネルギーによる化学触媒反応によって燃料から水素を発生させるもので，熱エネルギーを発生させる熱源部，この熱エネルギーを吸熱して，燃料から水素を発生させる改質反応部などから構成される。
しかし，従来の燃料電池システムの改質装置は，上記のような熱源部，改質反応部などが配管によって連結されて分散配置されるため，反応部間の熱交換を直接行わない構造であった。このため，改質反応部の予熱時間が相対的に長くなる，熱伝達パスが長くなるなど，熱効率の面で非効率的であるという問題点があった。また，各反応部が分散配置されるため，システムをコンパクトに実現することができないといった問題点があった。
また，従来の燃料電池システムは，初期起動時に，別途の予熱装置を利用して改質装置に供給される燃料を予熱するため，上記燃料の予熱に伴うエネルギーの消耗によって，システム全体の性能及び熱効率が低下する問題点があった。
そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，簡単な構造で反応効率及び熱効率を向上させることが可能な，新規かつ改良された改質装置及びこれを備えた燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，パイプ本体と；パイプ本体の内部空間に配設されて，燃料の酸化反応によって予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる熱源部と；パイプ本体の内部空間に熱源部と隣接して配設されて，熱エネルギーによる改質反応によって燃料から水素を発生させる改質反応部と；パイプ本体の外周に接触するように設置されて，改質反応部に供給される燃料に熱エネルギーを伝達する熱伝逹ユニットと；を備えることを特徴とする，改質装置が提供される。
また，上記パイプ本体の一側端部には，燃料が流入する流入部が設けられ，パイプ本体の他側端部には，燃料が流出する流出部が設けられるようにしてもよい。
また，上記パイプ本体の内部空間に設置され，熱源部及び改質反応部を区画するメッシュ状のバリア部材をさらに備えるようにしてもよい。
また，上記バリア部材を基準として，パイプ本体の内部空間の流入部側に熱源部が配設され，パイプ本体の内部空間の流出部側に改質反応部が配設されるようにしてもよい。
また，上記バリア部材を基準として，パイプ本体の内部空間の流入部側に，酸化反応を促進するためのペレット形態の酸化触媒層が充填されて熱源部を構成し，パイプ本体の流出部側に，改質反応を促進するためのペレット形態の改質触媒層が充填されて改質反応部を構成するようにしてもよい。
また，上記熱伝逹ユニットは，パイプ本体の外周面にコイル状に巻かれ，流入部と連結されるパイプ状のパス部材からなるようにしてもよい。
また，上記パス部材は，熱源部に対応するパイプ本体の外周面に巻かれる回数が，改質反応部に対応するパイプ本体の外周面に巻かれる回数より多いようにしてもよい。
また，上記パイプ本体は，熱伝導性を有するステレンス鋼，アルミニウム，銅，及び鉄からなる群より選択される少なくとも一つの金属素材からなるようにしてもよい。
また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと；熱エネルギーによる燃料の触媒反応によって燃料から水素を発生させて，該水素をスタックに供給する改質装置と；改質装置に燃料を供給する燃料供給部と；改質装置及びスタックに酸素を供給する酸素供給部と；を備えた燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムの改質装置は，パイプ本体と，パイプ本体の内部空間に配設された酸化触媒層及び改質触媒層と，パイプ本体の外周面に設置されて熱エネルギーの供給を受けて燃料を予熱する熱伝逹ユニットとを備えることを特徴とする。
また，上記パイプ本体の内部空間に設置され，酸化触媒層及び改質触媒層を実質的に分離するメッシュ状のバリア部材をさらに備えるようにしてもよい。
また，上記酸化触媒層及び改質触媒層は，ペレット形態で内部空間に充填されるようにしてもよい。
また，上記熱伝逹ユニットは，パイプ本体の外周面にコイル状に巻かれたパイプ状のパス部材からなるようにしてもよい。
また，上記パス部材は，酸化触媒層に対応するパイプ本体の外周面に巻かれる回数が，改質触媒層に対応するパイプ本体の外周面に巻かれる回数より多いようにしてもよい。
また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと；熱エネルギーによる燃料の触媒反応によって燃料から水素を発生させて，該水素をスタックに供給する改質装置と；改質装置に燃料を供給する燃料供給部と；改質装置及びスタックに酸素を供給する酸素供給部と；を備えた燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムの改質装置は，パイプ本体と；パイプ本体の内部空間に配設されて，熱エネルギーを発生させる熱源部と；パイプ本体の内部空間に熱源部と隣接して配設されて，燃料から水素を発生させる改質反応部と；パイプ本体の外周に接触するように設置されて，改質反応部に供給される燃料に熱エネルギーを伝達する熱伝逹ユニットと；を備えることを特徴とする。
また，上記パイプ本体の一側端部には，燃料が流入する流入部が設けられ，パイプ本体の他側端部には，燃料が流出する流出部が設けられるようにしてもよい。
また，上記パイプ本体の内部空間に設置され，熱源部及び改質反応部を区画するメッシュ状のバリア部材をさらに備えるようにしてもよい。
また，上記バリア部材を基準として，パイプ本体の内部空間の流入部側に熱源部が配設され，パイプ本体の内部空間の流出部側に改質反応部が配設されるようにしてもよい。
また，上記燃料の酸化反応を促進して熱エネルギーを発生させるためのペレット形態の酸化触媒層が，内部空間の流入部側に充填されて熱源部を構成し，燃料の改質反応を促進して，燃料から水素を発生させるためのペレット形態の改質触媒層が，内部空間の流出部側に充填されて改質反応部を構成するようにしてもよい。
また，上記熱伝逹ユニットは，パイプ本体の外周面にコイル状に巻かれ，流入部と連結されるパイプ状のパス部材からなるようにしてもよい。
また，上記燃料供給部は，燃料を保存する第１タンクと，水を保存する第２タンクと，第１タンク及び第２タンクに連結される燃料ポンプと，を有するようにしてもよい。
また，上記第１タンクとパイプ本体の流入部とは，第１供給ラインによって連結され，第１供給ライン上に開閉バルブが設置されるようにしてもよい。
また，上記熱伝逹ユニットは，パイプ本体の外周面にコイル状に巻かれるパイプ状のパス部材からなり，パス部材は，流入部と，第１タンク及び２タンクとを連結するようにしてもよい。
また，上記パス部材は，熱源部に対応するパイプ本体の外周面に巻かれる回数が，改質反応部に対応するパイプ本体の外周面に巻かれる回数より多いようにしてもよい。
また，上記酸素供給部は，空気を吸入する空気ポンプを有し，空気ポンプとパイプ本体の流入部とは，第２供給ラインによって連結されるようにしてもよい。
また，上記パイプ本体の流出部とスタックとは，第３供給ラインによって連結されるようにしてもよい。
また，上記空気ポンプとスタックとは，第４供給ラインによって連結されるようにしてもよい。
また，上記スタックは，膜−電極アセンブリーと，膜−電極アセンブリーの両側に密着配置されるセパレータとからなる最少単位の電気発生部を複数備え，複数の電気発生部が隣接配置された集合体構造を有するようにしてもよい。
以上説明したように本発明によれば，熱源部で発生する熱エネルギーを改質反応部に迅速かつ直接的に伝達することができる簡単な構造の改質装置を提供できる。このため，改質装置の初期起動時間を短縮して，熱源部に対する改質反応部の熱伝達パスを短縮することができる。従って，システム全体の熱効率及び性能を向上させることができ，システム全体の大きさをコンパクトにすることができる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（第１の実施形態）
まず，本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。
図１は，本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示したブロック図である。
この図１を参照して，本実施形態にかかる燃料電池システム１００について説明する。上記燃料電池システム１００は，燃料を改質して水素を発生させて，この水素と酸素を電気化学的に反応させて，電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池方式で構成される。
このような燃料電池システム１００に使用される燃料は，メタノール，エタノール，または天然ガスなどのように水素を含む液体または気体の燃料であってよい。以下の説明では，本実施形態で使用する燃料として，便宜上，液体の燃料の例を挙げ，この液体の燃料及び水を混合燃料として説明する。
そして，燃料電池システム１００は，水素と反応する酸素として，別途の保存手段に保存された純粋な酸素を使用することができ，酸素を含む空気をそのまま使用することもできる。以下では，後者の例について説明する。
このような燃料電池システム１００は，図１に示すように，基本的に，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタック１０と，燃料から水素を発生させて，この水素をスタック１０に供給する改質装置２０と，改質装置２０に燃料を供給するための燃料供給源５０と，スタック１０及び改質装置２０に酸素を各々供給するための酸素供給源７０と，から構成される。
スタック１０は，改質装置２０及び酸素供給源７０に各々連結して設置されて，改質装置２０から水素の供給を受け，酸素供給源７０から空気の供給を受けて，水素及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる構造の燃料電池である。このようなスタック１０の構造は，図５を参照して，下記でより詳細に説明する。
本実施形態では，改質装置２０は，燃料の酸化反応によって熱エネルギーを発生させて，この熱エネルギーによる燃料の改質反応によって水素を発生させる構造である。このような改質装置２０の構造は，図２〜図４を参照して，下記でより詳細に説明する。
燃料供給源５０は，燃料を保存する第１タンク５１と，水を保存する第２タンク５３と，第１及び第２タンク５１，５３にそれぞれ連結されて，第１タンク５１に保存された燃料及び第２タンク５３に保存された水を排出する燃料ポンプ５５と，から構成される。
そして，酸素供給源７０は，所定のポンピング力で空気を吸入して，この空気をスタック１０及び改質装置２０に各々供給する空気ポンプ７１を備える。
本実施形態で，酸素供給源７０は，図１のように，単一の空気ポンプ７１によってスタック１０及び改質装置２０に空気を各々供給する構造からなっているが，かかる例に限定されず，スタック１０及び改質装置２０に各々連結して設置される一対の空気ポンプで構成することもできる。また，酸素供給源７０は，上記ような空気ポンプ７１の例に限定されず，通常の構造のファン（ｆａｎ）で構成されることもできる。
図２は，本実施形態にかかる燃料電池システム１００の改質装置２０を示した分解斜視図であり，図３は図２の結合斜視図であり，図４は図３の断面図である。
図１〜図４を参照すれば，本実施形態にかかる改質装置２０は，例えば，内部空間を有するパイプ形態を有する。この改質装置２０は，燃料の酸化反応によって予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる熱源部２４と，この熱エネルギーを利用した混合燃料の水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｅｍｉｎｇ：ＳＲ）反応によって，当該混合燃料から水素を発生させる改質反応部２６とを備える。
改質装置２０は，例えば，実質的に両端が閉鎖された円筒形のパイプ構造からなり，一側端部に流入部２２が設置され，他側端部に流出部２３が設置されるパイプ本体２１を備える。このパイプ本体２１は，熱伝導性を有する通常のステンレス鋼，アルミニウム，銅，鉄などからなることができる。
ここで，パイプ本体２１の流入部２２と第１タンク５１とは，配管等で構成された第１供給ライン８１によって連結される。また，流入部２２と空気ポンプ７１とは，配管等で構成された第２供給ライン８２によって連結される。この時，例えば，第１供給ライン８１上には，この供給ラインの流路を選択的に開閉させるための開閉バルブ９９が設置されている。そして，第１供給ライン８１及び第２供給ライン８２は，単一の合流ライン９１に互いに合流されて，この合流ライン９１によってパイプ本体２１の流入部２２に連結される。また，パイプ本体２１の流入部２２と第１，２タンク５１，５３とは，後述するパス部材３１によって連結される。
このような改質装置２０において，熱源部２４は，パイプ本体２１の内部空間に設置され，改質反応部２６は，パイプ本体２１の内部空間に，上記熱源部２４と連続するように隣接して設置される。この時，熱源部２４は，パイプ本体２１の内部空間における上流側，即ち，流入部２２側に形成される。そして，改質反応部２６は，パイプ本体２１の内部空間における下流側，即ち，流出部２３側に形成される。
このために，パイプ本体２１の内部には，熱源部２４と改質反応部２６とを分離するメッシュ形態のバリア部材２８が設置されている。バリア部材２８は，例えば，複数の気孔２９が貫通形成された円盤形状を有する。このバリア部材２８は，パイプ本体２１の内部空間において熱源部２４と改質反応部２６を分離させる機能の他に，熱源部２４で燃料の酸化反応によって発生する熱エネルギー及び反応ガスを上記気孔２９を通じて改質反応部２６に通過させる機能も有する。
本実施形態にかかる熱源部２４は，バリア部材２８を基準として，パイプ本体２１の内部空間における流入部２２側に充填形成される酸化触媒層２５を備える。この酸化触媒層２５は，燃料及び空気の酸化反応を促進して，予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させるためのものである。この酸化触媒層２５は，例えば，アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），シリカ（ＳｉＯ２），またはチタニア（ＴｉＯ２）等からなるペレット（ｐｅｌｌｅｔ）形態の担体に，白金（Ｐｔ），ルテニウム（Ｒｕ）等の触媒物質を担持している構造である。
本実施形態にかかる改質反応部２６は，バリア部材２８を基準として，パイプ本体２１の内部空間における流出部２３側に充填形成される改質触媒層２７を備える。この改質触媒層２７は，混合燃料の水蒸気改質反応を促進して，この混合燃料から水素を発生させるためのものである。この改質触媒層２７は，例えば，アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），シリカ（ＳｉＯ２），またはチタニア（ＴｉＯ２）等からなるペレット形態の担体に，銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），白金（Ｐｔ）等の触媒物質を担持している構造である。
また，本実施形態にかかる改質装置２０は，熱源部２４から発生する熱エネルギーの効率を極大化させるために，この熱エネルギーを改質反応部２６に供給される燃料に伝達することができる熱伝逹ユニット３０を備える。
熱伝逹ユニット３０は，パイプ本体２１の外周面に接触するように設置され，改質反応部２６に供給される混合燃料に，熱源部２４で発生する熱エネルギーを伝達することができる構造からなる。これは，熱源部２４で発生する熱エネルギーがパイプ本体２１に伝達されるために可能である。
この熱伝逹ユニット３０は，パイプ本体２１の外周面に巻回されるパイプ状のパス部材３１からなる。このパイプ状のパス部材３１は，一側端部が第１，２タンク５１，５３と連結され，他側端部がパイプ本体２１の流入部２２と連結設置される。
パス部材３１は，パイプ本体２１の外周面に対してコイルのように巻かれた構造である。本実施形態で，パス部材３１は，熱源部２４に対応するパイプ本体２１の外周面に対して巻かれた回数が，改質反応部２６に対応するパイプ本体２１の外周面に対して巻かれた回数より大きい構造からなる。言い換えると，パス部材３１は，パイプ本体２１の外周面全体に対して巻かれる間隔が，熱源部２４に対応するパイプ本体２１の外周面で狭く，改質反応部２６に対応するパイプ本体２１の外周面で広い。
このようにパイプ本体２１の外周面全体に対してパス部材３１が巻かれる回数を異にする理由は，熱源部２４での酸化反応が発熱反応であり，改質反応部２６での改質反応が吸熱反応であるので，熱源部２４側では混合燃料に対する熱伝逹率を大きくし，改質反応部２６側では混合燃料に対する熱伝逹率を小さくするためである。つまり，熱源部２４から改質反応部２６に移動した熱エネルギーに関して混合燃料の熱伝逹率を小さくし，熱源部２４で発生する熱エネルギーに関して混合燃料の熱伝逹率を大きくして，改質装置２０全体に関して各反応部で要求される温度を，予め設定された所定の温度範囲に維持するためである。
図５は図１に示したスタック１０の構造を示した分解斜視図である。
図１及び図５を参照すれば，本実施形態にかかるスタック１０は，改質装置２０によって提供される水素と，空気ポンプ７１によって提供される空気中の酸素とを，電気化学的に反応させて，予め設定された容量の電気エネルギーを発生させるためのものである。
このようなスタック１０は，膜−電極アセンブリー（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ，以下ではＭＥＡとする）１２を中心に配置し，このＭＥＡ１２の両面にセパレータ（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ）（当業界では，二極式プレート（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）という。）１６がそれぞれ配置された電気発生部１１から構成される。この電気発生部１１は，電気エネルギーを発生させる最少単位である。従って，本実施形態では，複数の上記電気発生部１１を連続的に隣接配置することによって，複数の電気発生部１１の集合体構造を有するスタック１０を形成することができる。
上記セパレータ１６の間におかれるＭＥＡ１２は，一面にアノード電極が形成され，他面にカソード電極（図示せず）が形成され，これら二つの電極の間に電解質膜（図示せず）が形成されている。ここで，アノード電極は水素を電子及び水素イオンに分離し，電解質膜は水素イオンをカソード電極に移動させ，カソード電極はアノード電極側から受けた電子，水素イオン，及び空気中に含まれている酸素を反応させて，水を生成する機能をする。
そして，セパレータ１６は，ＭＥＡ１２の両面に各々密着されている。一方のセパレータ１６は，改質装置２０から供給される水素をＭＥＡ１２のアノード電極に供給する。他方のセパレータ１６は，空気ポンプ７１によって提供される空気をＭＥＡ１２のカソード電極に供給する機能をする。また，これらセパレータ１６は，ＭＥＡ１２のアノード電極及びカソード電極を直列に接続する伝導体としての機能も有する。
このように電気発生部１１の集合体構造からなるスタック１０の最外側には，上記複数の電気発生部１１を密着させるための別途の加圧プレート１３を設置することもできる。
そして，加圧プレート１３には，水素を電気発生部１１に供給するための第１注入部１３ａと，空気を電気発生部１１に供給するための第２注入部１３ｂと，この電気発生部１１で反応して残った水素を排出するための第１排出部１３ｃと，電気発生部１１で水素及び酸素の結合反応によって生成される水と共に未反応の空気を排出するための第２排出部１３ｄとが形成されている。この第１注入部１３ａとパイプ本体２１の流出部２３とは，配管等で構成された第３供給ライン８３によって連結されている。また，第２注入部１３ｂと空気ポンプ７１とは，配管等で構成された第４供給ライン８４によって連結されている。
次に，上記のように構成された本実施形態にかかる燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
まず，本システム１００の初期起動時に，燃料ポンプ５５を稼動させて，第１タンク５１に保存された燃料を，第１供給ライン８１を通じてパイプ本体２１の内部空間に供給する。この時，第１供給ライン８１は，開閉バルブ９９の操作によって流路が開放された状態を維持している。
これと同時に，空気ポンプ７１を稼動させて，酸素供給源７０からの空気を，第２供給ライン８２を通じてパイプ本体２１の内部空間に供給する。この時，第１供給ライン８１を通過する燃料と第２供給ライン８２を通過する空気は，合流ライン９１によって合流されて，パイプ本体２１の内部空間に注入される。
この結果，上記のように供給された燃料及び空気は，パイプ本体２１の内部空間に対して流入部２２側に位置する熱源部２４の酸化触媒層２５を通過しながら，酸化反応を起こすようになる。
このような過程を経る間に，熱源部２４では，酸化触媒層２５によって燃料と空気とが酸化反応して，当該燃料及び空気が燃焼しながら予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる。そうすると，この熱エネルギーは，パイプ本体２１に伝達されるようになり，このパイプ本体２１は，熱エネルギーによって所定の温度に加熱された状態を維持するようになる。そして，熱源部２４で発生する比較的高い温度の反応ガスは，バリア部材２８の気孔２９を通過して，改質反応部２６に供給される。したがって，改質反応部２６の改質触媒層２７は，反応ガス自体の熱エネルギーによって所定の温度に予熱された状態になる。
その後，このような状態で，本実施形態にかかる改質装置２０の正常な駆動が行われる時点で，燃料ポンプ５５が稼動されて，第１タンク５１に保存された燃料及び第２タンク５３に保存された水を，パス部材３１を通じてパイプ本体２１の内部空間に供給する。この時，パス部材３５が所定の温度に加熱されたパイプ本体２１の外周面にコイル状に接触した状態を維持しているため，パス部材３１を通過する燃料及び水の混合燃料は，熱源部２４で発生する熱の伝達を受けて所定の温度に予熱されるようになる。したがって，このように予熱された混合燃料は，パイプ本体２１の流入部２２を通じてこのパイプ本体２１の内部空間に供給されるようになる。
この過程で，パス部材３１は，改質反応部２６に対応するパイプ本体２１の外周面に対して巻かれた回数より，熱源部２４に対応するパイプ本体２１の外周面に対して巻かれた回数が大きいため，熱源部２４側では混合燃料との間の熱伝逹率が大きく，改質反応部２６側では混合燃料との間の熱伝逹率が小さくなる。したがって，改質装置２０は，このようなパス部材３１が巻かれる構造によって，各反応部，即ち，熱源部２４と改質反応部２６で要求される所定の温度範囲を一定に維持することができるようになる。
一方，このように改質装置２０の正常な駆動が行われた後に，パス部材３１を介して燃料及び水が供給されている間は，第１供給ライン８１は，開閉バルブ９９の操作によって流路が閉鎖された状態を維持している。したがって，燃料は，第１供給ライン８１を通じて熱源部２４に供給されないようになる。そして，空気は，空気ポンプ７１の継続的な稼動によって第２供給ライン８２を通じて熱源部２４に供給されている状態にある。
したがって，混合燃料及び空気は，パイプ本体２１の内部空間に供給されて，熱源部２４の酸化触媒層２５を通過しながら，燃料の一部及び空気が酸化触媒層２５によって部分酸化反応を起こすようになる。これにより，熱源部２４では，このような燃料及び空気の部分酸化反応によって少量の水素及び熱エネルギーを発生させると共に，この熱エネルギーを改質反応部２６の改質触媒層２７に伝達する。
このような過程を経た後，残りの混合燃料は，バリア部材２８の気孔２９を通過して改質反応部２６に供給される。そうすると，改質反応部２６では，混合燃料が改質触媒層２７を通過しながら，熱源部２４から伝達された熱エネルギーを吸熱して，改質触媒層２７による混合燃料の水蒸気改質反応を起こすようになる。したがって，改質反応部２６は，上記水蒸気改質反応によって混合燃料から水素を発生させて，この水素を，第３供給ライン８３を通じてスタック１０の第１注入部１３ａに供給する。
これと同時に，空気ポンプ７１の稼動によって空気を第４供給ライン８４を通じてスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。
したがって，スタック１０では，電気発生部１１による水素及び酸素の電気化学的な反応によって，予め設定された容量の電気エネルギーを出力するようになる。
その後，混合燃料及び空気をパイプ本体２１の内部に供給し続ければ，初期起動時のように熱源部２４に燃料及び空気を供給して熱エネルギーを発生させる必要なく，熱源部２４の酸化触媒層２５による混合燃料及び空気の部分酸化反応によって熱エネルギーを発生させながら，改質反応部２６の改質触媒層２７による混合燃料の水蒸気改質反応によってこの混合燃料から水素を発生させるようになる。
以上説明したように，本実施形態にかかる改質装置２０によれば，熱源部２４で発生する熱エネルギーを改質反応部２６に，迅速かつ直接的に伝達することができる簡単な構造の改質装置を提供できる。このため，改質装置２０の初期起動時間を短縮して，熱源部２４に対する改質反応部２６の熱伝達パスを短縮することができる。従って，システム全体の熱効率及び性能を向上させることができ，システム全体の大きさをコンパクトにすることができる。
また，熱源部２４で発生する熱エネルギーを利用して，改質反応部２６に供給される燃料を予熱することができ，混合燃料及び空気の部分酸化及び改質反応によって，外部加熱なしでも，改質装置２０の稼動が可能であるので，改質装置２０の性能及び熱効率を向上させることができる。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体的な構造を概略的に示すブロック図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの改質装置を示す分解斜視図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの改質装置を示す結合斜視図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの改質装置を示す断面図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムのスタックの構造を示す分解斜視図である。
符号の説明
１０ スタック
１１ 電気発生部
１２ 膜−電極アセンブリー（ＭＥＡ）
１３ 加圧プレート
１３ａ 第１注入部
１３ｂ 第２注入部
１３ｃ 第１排出部
１３ｄ 第２排出部
１６ セパレータ
２０ 改質装置
２１ パイプ本体
２２ 流入部
２３ 流出部
２４ 熱源部
２５ 酸化触媒層
２６ 改質反応部
２７ 改質触媒層
２８ バリア部材
２９ 気孔
３０ 熱伝達ユニット
３１ パス部材
５０ 燃料供給源
５１ 第１タンク
５３ 第２タンク
５５ 燃料ポンプ
７０ 酸素供給源
７１ 空気ポンプ
８１，８２，８３，８４ 供給ライン
９１ 合流ライン
９９ 開閉バルブ
１００ 燃料電池システム

Claims (27)

  1. パイプ本体と；
    前記パイプ本体の内部空間に配設されて，燃料の酸化反応によって予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる熱源部と；
    前記パイプ本体の内部空間に前記熱源部と隣接して配設されて，前記熱エネルギーによる改質反応によって前記燃料から水素を発生させる改質反応部と；
    前記パイプ本体の外周に接触するように設置されて，前記改質反応部に供給される前記燃料に前記熱エネルギーを伝達する熱伝逹ユニットと；
    を備えることを特徴とする，改質装置。
  2. 前記パイプ本体の一側端部には，前記燃料が流入する流入部が設けられ，前記パイプ本体の他側端部には，前記燃料が流出する流出部が設けられることを特徴とする，請求項１に記載の改質装置。
  3. 前記パイプ本体の内部空間に設置され，前記熱源部及び前記改質反応部を区画するメッシュ状のバリア部材をさらに備えることを特徴とする，請求項２に記載の改質装置。
  4. 前記バリア部材を基準として，前記パイプ本体の内部空間の前記流入部側に前記熱源部が配設され，前記パイプ本体の内部空間の前記流出部側に前記改質反応部が配設されることを特徴とする，請求項３に記載の改質装置。
  5. 前記バリア部材を基準として，前記パイプ本体の内部空間の流入部側に，前記酸化反応を促進するためのペレット形態の酸化触媒層が充填されて前記熱源部を構成し，
    前記パイプ本体の流出部側に，前記改質反応を促進するためのペレット形態の改質触媒層が充填されて前記改質反応部を構成することを特徴とする，請求項３または４に記載の改質装置。
  6. 前記熱伝逹ユニットは，
    前記パイプ本体の外周面にコイル状に巻かれ，前記流入部と連結されるパイプ状のパス部材からなることを特徴とする，請求項２〜５のいずれかに記載の改質装置。
  7. 前記パス部材は，前記熱源部に対応する前記パイプ本体の外周面に巻かれる回数が，前記改質反応部に対応する前記パイプ本体の外周面に巻かれる回数より多いことを特徴とする，請求項６に記載の改質装置。
  8. 前記パイプ本体は，熱伝導性を有するステレンス鋼，アルミニウム，銅，及び鉄からなる群より選択される少なくとも一つの金属素材からなることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の改質装置。
  9. 水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと；
    熱エネルギーによる燃料の触媒反応によって前記燃料から水素を発生させて，該水素を前記スタックに供給する改質装置と；
    前記改質装置に前記燃料を供給する燃料供給部と；
    前記改質装置及び前記スタックに酸素を供給する酸素供給部と；
    を備え，
    前記改質装置は，パイプ本体と，前記パイプ本体の内部空間に配設された酸化触媒層及び改質触媒層と，前記パイプ本体の外周面に設置されて前記熱エネルギーの供給を受けて前記燃料を予熱する熱伝逹ユニットとを備えることを特徴とする，燃料電池システム。
  10. 前記パイプ本体の内部空間に設置され，前記酸化触媒層及び前記改質触媒層を実質的に分離するメッシュ状のバリア部材をさらに備えることを特徴とする，請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記酸化触媒層及び前記改質触媒層は，ペレット形態で前記内部空間に充填されることを特徴とする，請求項９または１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記熱伝逹ユニットは，
    前記パイプ本体の外周面にコイル状に巻かれたパイプ状のパス部材からなることを特徴とする，請求項９〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
  13. 前記パス部材は，前記酸化触媒層に対応する前記パイプ本体の外周面に巻かれる回数が，前記改質触媒層に対応する前記パイプ本体の外周面に巻かれる回数より多いことを特徴とする，請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと；
    熱エネルギーによる燃料の触媒反応によって前記燃料から水素を発生させて，該水素を前記スタックに供給する改質装置と；
    前記改質装置に前記燃料を供給する燃料供給部と；
    前記改質装置及び前記スタックに酸素を供給する酸素供給部と；
    を備え，
    前記改質装置は，
    パイプ本体と；
    前記パイプ本体の内部空間に配設されて，前記熱エネルギーを発生させる熱源部と；
    前記パイプ本体の内部空間に前記熱源部と隣接して配設されて，前記燃料から水素を発生させる改質反応部と；
    前記パイプ本体の外周に接触するように設置されて，前記改質反応部に供給される前記燃料に前記熱エネルギーを伝達する熱伝逹ユニットと；
    を備えることを特徴とする，燃料電池システム。
  15. 前記パイプ本体の一側端部には，前記燃料が流入する流入部が設けられ，前記パイプ本体の他側端部には，前記燃料が流出する流出部が設けられることを特徴とする，請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 前記パイプ本体の内部空間に設置され，前記熱源部及び前記改質反応部を区画するメッシュ状のバリア部材をさらに備えることを特徴とする，請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記バリア部材を基準として，前記パイプ本体の内部空間の前記流入部側に前記熱源部が配設され，前記パイプ本体の内部空間の前記流出部側に前記改質反応部が配設されることを特徴とする，請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記燃料の酸化反応を促進して前記熱エネルギーを発生させるためのペレット形態の酸化触媒層が，前記内部空間の前記流入部側に充填されて前記熱源部を構成し，
    前記燃料の改質反応を促進して，前記燃料から水素を発生させるためのペレット形態の改質触媒層が，前記内部空間の前記流出部側に充填されて前記改質反応部を構成することを特徴とする，請求項１６または１７に記載の燃料電池システム。
  19. 前記熱伝逹ユニットは，
    前記パイプ本体の外周面にコイル状に巻かれ，前記流入部と連結されるパイプ状のパス部材からなることを特徴とする，請求項１５〜１８のいずれかに記載の燃料電池システム。
  20. 前記燃料供給部は，
    前記燃料を保存する第１タンクと；
    水を保存する第２タンクと；
    前記第１タンク及び前記第２タンクに連結される燃料ポンプと；
    を有することを特徴とする，請求項１４〜１９のいずれかに記載の燃料電池システム。
  21. 前記第１タンクと前記パイプ本体の流入部とは，第１供給ラインによって連結され，
    前記第１供給ライン上に開閉バルブが設置されることを特徴とする，請求項２０に記載の燃料電池システム。
  22. 前記熱伝逹ユニットは，
    前記パイプ本体の外周面にコイル状に巻かれるパイプ状のパス部材からなり，
    前記パス部材は，前記流入部と，前記第１タンク及び前記２タンクとを連結することを特徴とする，請求項２０または２１に記載の燃料電池システム。
  23. 前記パス部材は，前記熱源部に対応する前記パイプ本体の外周面に巻かれる回数が，前記改質反応部に対応する前記パイプ本体の外周面に巻かれる回数より多いことを特徴とする，請求項１９または２２に記載の燃料電池システム。
  24. 前記酸素供給部は，空気を吸入する空気ポンプを有し，
    前記空気ポンプと前記パイプ本体の前記流入部とは，第２供給ラインによって連結されることを特徴とする，請求項１５〜２３のいずれかに記載の燃料電池システム。
  25. 前記パイプ本体の前記流出部と前記スタックとは，第３供給ラインによって連結されることを特徴とする，請求項２４に記載の燃料電池システム。
  26. 前記空気ポンプと前記スタックとは，第４供給ラインによって連結されることを特徴とする，請求項２４または２５に記載の燃料電池システム。
  27. 前記スタックは，
    膜−電極アセンブリーと，前記膜−電極アセンブリーの両側に密着配置されるセパレータとからなる最少単位の電気発生部を複数備え，
    前記複数の電気発生部が隣接配置された集合体構造を有することを特徴とする，請求項１４〜２６のいずれかに記載の燃料電池システム。
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