JP2006093091A - 改質装置及びこれを採用した燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造で性能をさらに向上させることができる燃料電池システムの改質装置及びこれを採用した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 本発明による燃料電池システムは、水素を含有した燃料から水素を発生させる改質装置と、前記水素と酸素と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少なくとも一つの電気発生部とを含む。前記改質装置は、水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部と、前記各反応部に熱エネルギーを提供すると共に触媒を備える複数の加熱部と、前記複数の反応部及び加熱部が内部空間に設けられた本体とを含む。このとき、前記各加熱部は、前記各反応部での反応に必要な互いに異なる量の熱エネルギーを発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは改質装置の熱伝逹構造を改善した燃料電池システムに関するものである。

公知のように、燃料電池はメタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含有されている水素と酸素の電気化学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、近年開発されている高分子電解質型燃料電池（PEMFC）は出力特性が優れていて、作動温度が低く、同時に速い始動特性及び応答特性を有しており、自動車のような移動用電源としてはもちろん、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に適用可能であり、その応用範囲が広いという長所を有する。

前記PEMFCは、基本的にスタック、改質装置、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備える。スタックは複数の単位で構成された電気発生集合体を形成し、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、その水素をスタックに供給する。

この中で前記改質装置は、熱エネルギーによる化学触媒反応によって水素を含有した燃料から水素を発生させるが、前記熱エネルギーを発生させる熱源部と、この熱エネルギーを吸熱して前記燃料から水素ガスを発生させる改質反応部と、前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部を含んで成る。

しかし、従来の燃料電池システムの改質装置は、上述のような熱源部、改質反応部、一酸化炭素除去部が各々容器形態に構成され、これら各々が配管によって連結されて分散配置されており、各反応部間の熱交換が直接的に行われないため熱伝達面で不利であるという問題点があった。

また、各々の反応部が分散配置されることによって、システム全体をコンパクトに実現することができず、配管を通じた連結構造が複雑であるため生産性が低下するという問題点もあった。

本発明は上述した問題点を勘案したものであって、その目的は、簡単な構造で性能をさらに向上させることができる燃料電池システムの改質装置及びこれを採用した燃料電池システムを提供することにある。

そこで、本発明による燃料電池システムの改質装置は、水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部と、前記各反応部に対応して形成され、前記各反応部に熱エネルギーを提供すると共に触媒を備える複数の加熱部と、前記複数の反応部及び加熱部が内部空間に設けられた本体とを含む。このとき、前記各加熱部は、前記各反応部での反応に必要な互いに異なる量の熱エネルギーを発生させる。

前記各加熱部のそれぞれに設けられる触媒の量が実質的に同一であり、それぞれに異なる量の燃料が注入されて、互いに異なる量の熱エネルギーを発生させることが好ましい。

前記複数の反応部は、改質触媒反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる改質反応部及び前記改質反応部と連続的に配置されて前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭酸低減部とを含んでも良い。

前記加熱部は前記反応部の各々に対応して形成され、前記各加熱部は、燃料及び酸素が注入される注入口を備えても良い。

前記注入口の断面積は、前記各加熱部に対応して互いに異なる大きさに形成することが好ましい。このとき、前記改質反応部に熱エネルギーを提供する加熱部の注入口が、前記一酸化炭素低減部に熱エネルギーを提供する加熱部の注入口より大きく形成することが好ましい。

前記本体は、第１管路及び前記第１管路と間隔を置いて前記第１管路内部に配置される第２管路とを含み、前記第２管路の内部空間及び前記第１管路と前記第２管路との間の空間は、互いに対応する複数の空間に区画することが好ましい。

前記第２管路内部の区画された空間の各々に反応部が形成され、前記第１管路と第２管路との間の区画された空間の各々に加熱部を形成することが好ましい。

前記第１管路には、前記各加熱部に燃料及び酸素が注入される注入口を形成することが好ましい。このとき、前記注入口の断面積は、前記各加熱部に対応して互いに異なる大きさに形成することが好適であり、更に、前記改質反応部に熱エネルギーを提供する加熱部の注入口が、前記一酸化炭素低減部に熱エネルギーを提供する加熱部の注入口より大きく形成することが好ましい。

前記第２管路の内部空間は、メッシュ状のバリア部材によって複数の空間に区画することが好適であり、また、前記第１管路と第２管路との間の空間は隔壁によって互いに同一な容積を有する複数の空間に区画することが好ましい。

前記第１管路は、セラミック、ステンレス鋼及びアルミニウムからなる群より選択される少なくとも一つの材質で形成することが好適であり、また、前記第２管路はステンレス鋼、アルミニウム、銅及び鉄からなる群より選択される材質で形成することが好ましい。

前記一酸化炭素低減部は、前記水素ガスの水性ガス転換（WGS）触媒反応によって前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる反応部を含むことが好ましい。また、前記一酸化炭素低減部は、前記水素ガスと酸素との選択的酸化（PROX）触媒反応によって前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの反応部を含むことが好適であり、また、前記複数の反応部は、前記改質反応部よりも上流側に設けられ、前記燃料を気化させる気化部をさらに含むことが好ましい。

前記複数の反応部及び加熱部は、各反応を促進させるペレット状またはハニカム状の触媒を備えることが好ましい。

また、本発明による燃料電池システムは、水素を含有した燃料から水素を発生させる改質装置と、前記水素と酸素と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少なくとも一つの電気発生部を含み、前記改質装置は、水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部と、前記各反応部に熱エネルギーを提供すると共に触媒を備える複数の加熱部と、前記複数の反応部及び加熱部が内部空間に設けられた本体とを含む。このとき、前記各加熱部は、前記各反応部の反応に必要な互いに異なる量の熱エネルギーを発生させる。

前記加熱部は前記反応部の各々に対応して形成され、前記各加熱部は、燃料及び酸素が注入される注入口を備えても良い。また、前記注入口の断面積は前記各加熱部に対応して互いに異なる大きさに形成することが好ましい。

本発明による燃料電池システムは、前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源と、前記改質装置及び電気発生部に酸素を供給する酸素供給源とを含むことが好適である。

前記燃料供給源は、前記燃料を保存するタンクと、前記タンクと連結設置される少なくとも一つの燃料ポンプとを含み、前記燃料タンクと前記各注入口とが、パイプ形態の供給ラインによって接続されることが好適である。このとき、前記各々の供給ラインに、前記各反応部に対応して互いに異なる容量の前記燃料ポンプが設置され、あるいは、前記燃料タンクと前記注入口とを連結する各々の供給ラインに、前記各反応部に対応して燃料調節バルブが設置され得る。

前記酸素供給源は、空気を吸入してこの空気を前記改質装置及び電気発生部に供給する少なくとも一つの空気ポンプを含み、前記空気ポンプと前記各々の注入口とを、パイプ形態の供給ラインによって接続することが好ましい。このとき、互いに異なる容量を有する前記空気ポンプが、前記各加熱部に対応して別途に設置されることが好ましく、あるいは、前記空気ポンプと前記注入口を連結する各々の供給ラインに流量調節バルブが設置されることが好ましい。

本発明の改質装置によれば、複数の反応部と複数の加熱部とが一体の構造に形成されるので、熱伝達構造を単純化することができる。その結果、システム全体の熱効率及び反応効率を最適化することができ、簡単な構造によって燃料電池システムの大きさをコンパクトにすることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本発明は種々の改変が可能であり、ここで説明する実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図であり、図２は図１に示したスタック構造を示す分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施例による燃料電池システム１００は、水素を含有した燃料を改質して水素を発生させ、この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高分子電解質型燃料電池（PEMFC）方式を採用している。

このような燃料電池システムにおいて電気を発生させるための燃料には、メタノール、エタノールまたは天然ガスなどのような水素を含有した液状または気体状態からなる燃料が含まれる。しかし、以下の説明において、後述する第６実施例及び第７実施例を除き、燃料とは液状の燃料を意味するものとする。

また、燃料電池システムでは、前記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、酸素を含有している空気を使用することもできる。しかし、以下においては後者を例として説明する。

前記燃料電池システム１００は、基本的に水素と酸素の電気化学的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る改質装置３０と、前記燃料を改質装置３０に供給する燃料供給源５０と、前記酸素を前記スタック１０と改質装置３０に各々供給する酸素供給源７０とを含んで成る。

前記スタック１０は、複数の電気発生部１１を連続配置して成る電気発生集合体で構成される。このような電池発生部１１は膜-電極アセンブリー（MEA）１２を中心に置いてその両面にセパレータ（当業界では「二極式プレート」とも言う）１６を配置して電気を発生させる最少単位の燃料電池である。

ここで、膜-電極アセンブリー１２は、水素と酸素とによる電気化学反応を起こす所定の活性領域を有しており、一面にアノード電極を備え、他の一面にカソード電極を備え、これら二つの電極の間に電解質膜を備えた構造からなる。

前記アノード電極は、水素を酸化反応させて水素イオン（プロトン）と電子に変換させる機能を果たす。前記カソード電極は、前記水素イオンと酸素を還元反応させ、所定温度の熱と水分を発生させる機能を果たす。そして電解質膜は、アノード電極で生成された水素イオンをカソード電極に移動させるイオン交換機能を果たす。

そしてセパレータ１６には水素と酸素が流される通路１７が形成されており、膜-電極アセンブリー１２に水素と酸素を供給すると同時に、前記アノード電極とカソード電極を直列に接続させる伝導体としても機能する。

このように構成されるスタック１０の最外側には、前記複数の電気発生部１１を密着させる別途の加圧プレート１３、１３’が設けられている。なお、前記加圧プレート１３、１３’を設けず、複数の電気発生部１１の最外側に位置するセパレータ１６を、前記加圧プレート１３、１３’の役割に代わるように構成させることができる。一方、加圧プレート１３、１３’が複数の電気発生部１１を密着させると共に、セパレータ１６としての機能を有するように構成することもできる。

前記加圧プレート１３、１３’のうち、一方の加圧プレート１３には、改質装置２０から発生する水素を電気発生部１１に供給するための第１注入部１３ａと酸素供給源７０から供給される空気を電気発生部１１に供給するための第２注入部１３ｂとが形成されている。また、他方の加圧プレート１３’には、電気発生部１１での反応後に残存している水素ガスを排出させるための第１排出部１３ｃと、前記電気発生部１１で水素と酸素の結合反応によって生成された水分を含有する未反応空気を排出させるための第２排出部１３ｄとが形成されている。

本発明で改質装置３０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。このような改質装置３０の構造については、図３及び図４を参照して、後に詳細に説明する。

前記のような改質装置３０に燃料を供給する燃料供給源５０は、液状の燃料を保存する第１タンク５１と、水を保存する第２タンク５３と、これら第１及び第２タンク５１、５３に連結設置されて各々のタンク５１、５３から前記液状の燃料と水を排出させる燃料ポンプ５５とを含んでいる。

第１及び第２タンク５１、５３は、パイプ形態の第１及び第３供給ライン９１、９３によって改質装置３０に連結設置される。改質装置３０とスタック１０の電気発生部１１とは、パイプ形態の第５供給ライン９５によって連結設置される。

酸素供給源７０は、所定のポンピング力で空気を吸入し、この空気を前記スタック１０の電気発生部１１と改質装置３０とに各々供給する少なくとも一つの空気ポンプ７１を含んでいる。前記空気ポンプ７１と改質装置３０とは、パイプ形態の第２及び第４供給ライン９２、９４によって連結設置されており、前記空気ポンプ７１とスタック１０の電気発生部１１とは、パイプ形態の第６供給ライン９６によって連結設置されている。

本発明における前記改質装置３０の実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。

図３は本発明の第１実施例による改質装置の構造を示した斜視図であり、図４は図３を中心軸線に沿って切断した断面図である。

図１乃至図４に示すように、本実施例による改質装置３０は、内部空間を有する二重の管路形態の本体３１の内部に複数の反応部３５及び加熱部３７が形成された構造を有する。

これをさらに詳しく説明すれば、前記本体３１は、第１管路３２と、この第１管路３２より小さい断面積を有し、第１管路３２の内部でこれと所定の間隔をおいて位置する第２管路３３とを備える円筒形構造とされている。第２管路３３の内部には、燃料から水素を発生させる複数の反応部３５が設置され、第１管路３２と第２管路３３との間の空間には、各反応部３５に必要な熱エネルギーを提供する複数の加熱部３７が設置されている。

具体的には、前記第１管路３２は、所定の断面積を有すると共に実質的に両端が閉鎖された円筒形のパイプ形態に形成される。このような第１管路３２は、相対的に熱伝導度の低い断熱素材、例えば、ステンレス鋼、ジルコニウムなどのような金属断熱素材またはセラミックのような非金属断熱素材で形成することができる。このように第１管路３２が断熱素材からなるので、加熱部３７で発生した熱エネルギーが、第１管路３２を通じて外部に放出されることを防止することができる。その結果、加熱部３７で発生した熱エネルギーの損失を最少化することができると共に、改質装置３０全体の反応効率及び熱效率を向上させることができる。

前記第２管路３３は、第１管路３２の断面積より相対的に小さい断面積を有しており、一方の側端部に流入部３３ａが形成されると共に、他方の側端部に流出部３３ｂが形成されており、実質的に両端が開放された円筒形のパイプ形態に形成される。つまり、第２管路３３は、前記第１管路３２の内周面と間隔をおいてその内部に配置され、その両側端部が、前記第１管路３２の両端部を貫通して外部に引出された構造を有する。このような第２管路３３は、熱伝導性を有するアルミニウム、銅、鉄などで形成することができる。

前記流入部３３ａは、パイプ形態の第３供給ライン９３によって燃料供給源５０の第１及び第２タンク５１、５３と連結設置されており、前記流出部３３ｂは、パイプ形態の第５供給ライン９５によってスタック１０の電気発生部１１と連結設置されている。

前記第２管路３３の内部空間は、バリア部材３６によって区画されており、このように区画された各空間内に各々の反応部３５が形成される。このバリア部材３６は、複数の気孔３６ａを有するメッシュ状に形成されており、第２管路３３の内部空間を実質的に区画すると共に、各々の反応部３５で発生する反応ガスを気孔３６ａを通じて流出部３３ｂ側に通過させる機能を果たしている。

本実施例では、バリア部材３６によって第２管路３３の内部空間が三つの空間に区画されており、流入部３３ａから流出部３３ｂに向かって順に、第１反応部４１、第２反応部４２、第３反応部４３が形成される。しかし、本発明がこの態様に限定されるわけではなく、第２管路３３の内部空間をさらに多くの個数に区画したり、各反応部を各々複数個設ける等、多様な変形が可能であり、これも本発明の技術的範囲に属する。

前記第１反応部４１は、燃料の水蒸気改質（SR）触媒反応によって、この燃料から水素ガスを発生させる改質反応部であり、第２反応部４２と第３反応部４３とは、前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を実質的に低減させる一酸化炭素低減部である。

前記流入部３３ａ側に配置される第１反応部４１には、第３供給ライン９３を通じて第１及び第２タンク５１、５３から燃料及び水が供給される。第１反応部４１は、水蒸気改質触媒反応を起こして前記気化された燃料から水素を発生させる。このような第１反応部４１は、前記燃料の水蒸気改質反応を促進させる触媒４１ａを備える。この触媒４１ａはペレット形態に構成され、前記第１反応部４１に対応する第２管路３３の内部空間に充填配置される。前記第１反応部４１の触媒４１ａによる改質触媒反応は吸熱反応であり、その反応温度は約３００〜６００℃である。

そして第１反応部４１に連接して配置される第２反応部４２は、水性ガス転換（WGS）触媒反応によって、前記第１反応部４１から発生した水素ガスの中に含有された一酸化炭素の濃度を１次的に低減させる役割を果たす。このような第２反応部４２は、前記水素ガスの水性ガス転換反応を促進させる通常の触媒４２ａを備えている。この触媒４２ａはペレット形態に構成され、前記第２反応部４２に対応する第２管路３３の内部空間に充填配置される。前記第２反応部４２の触媒４２ａによる水性ガス転換反応は発熱反応であり、その反応温度は約２００〜３００℃である。

前記本体３１の流出部３３ｂ側で前記第２反応部４２に連続配置される第３反応部４３は、選択的酸化（PROX）触媒反応によって水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を２次的に低減させる役割を果たす。このような第３反応部４３は、前記水素ガスと空気の選択的酸化反応を促進させる通常の触媒４３ａを備えている。この触媒４３ａはペレット形態に形成され、前記第３反応部４３に対応する第２管路３３の内部空間に充填配置される。前記第３反応部４３の触媒４３ａによる選択的酸化反応は発熱反応であり、その反応開始温度は約１５０〜２００℃である。ここで、前記第３反応部４３は、パイプ形態の第４供給ライン９４によって酸素供給源７０の空気ポンプ７１と連結設置されている。

反応部３５に熱エネルギーを提供する加熱部３７は、第１管路３２と第２管路３３との間の空間に位置し、燃料と空気との酸化触媒反応によって熱エネルギーを発生させる構成とされている。第１管路３２と第２管路３３との間の空間は、隔壁４９によって互いに独立した複数の空間に区画される。このような隔壁４９は、第１管路３２の内周面と第２管路３３の外周面に接触して設置される環状に形成されている。

本実施例で前記隔壁４９は、所定の間隔を置いて配置され、第２管路３３内部に形成される反応部３５に対応して、第１管路３２と第２管路３３との間の空間を三つの独立した空間に区画する。このような独立した空間各々に燃料と空気の酸化反応を促進させるペレット形態の触媒３７ａが充填されて加熱部３７を構成する。

ここで、第１管路３２と第２管路３３との間の空間のうち、前記第１反応部４１を囲む空間に前記触媒３７ａが充填されて形成される加熱部を第１加熱部３７１、第１管路３２と第２管路３３との間の空間のうちの第２反応部４２を囲む空間に前記触媒３７ａが充填されて形成される第２加熱部３７２、第１管路３２と第２管路３３との間の空間のうちの第３反応部４３を囲む空間に前記触媒３７ａが充填されて形成される加熱部を第３加熱部３７３と称する。このとき、第１加熱部３７１、第２加熱部３７２及び第３加熱部３７３の各々は、第２管路３３を介して、第１反応部４１、第２反応部４２及び第３反応部４３の各々に、反応に必要な熱エネルギーを提供する。

一方、第１管路３２には、各加熱部３７１、３７２、３７３に燃料と空気を注入するための注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３と、各加熱部３７１、３７２、３７３で発生する反応ガスを排出する排出口３２ｂ１、３２ｂ２、３３ｂ３とが形成される。つまり、前記第１管路３２には、第１加熱部３７１に対応して第１注入口３２ａ１と第１排出口３２ｂ１とが形成され、第２加熱部３７２に対応して第２注入口３２ａ２と第２排出口３２ｂ２とが形成され、第３加熱部３７３に対応して第３注入口３２ａ３と第３排出口３２ｂ３とが形成される。

前記各々の注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３と第１タンク５１とは、パイプ形態の第１供給ライン９１によって連結されている。そして前記注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３と空気ポンプ７１とは、第２供給ライン９２によって連結設されている。

本実施例では、前記各加熱部３７１、３７２、３７３に同一量の触媒３７ａを充填する一方、各加熱部３７１、３７２、３７３に互いに異なる量の燃料と空気を供給することにより、前記各々の反応部３５に適切な温度範囲が維持できる量の熱エネルギーを供給する。

ここで、各加熱部３７１、３７２、３７３に実質的に同一量の触媒３７ａを充填するため、各加熱部３７１、３７２、３７３の空間は、略同一容積に形成されている。また、燃料及び空気の量を調節するために、燃料と空気とが流入される注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３の通路断面積を調節することもできる。

また、注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３通路の断面積の大きさは、第１注入口３２ａ１、第２注入口３２ａ２、第３注入口３２ａ３の順に小さくなっていく。そして、前記各々の注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３と連結される第１及び第２供給ライン９１、９２は、前記注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３各々の大きさと対応する断面積を有するように形成されている。

一般に、燃料及び空気の供給圧力が一定な場合、燃料及び空気が通過する通路の断面積が大きいほど燃料及び空気の量が増加する。本実施例では、燃料ポンプ５５及び空気ポンプ７１のポンピング圧力が実質的に一定で、第１注入口３２ａ１、第２注入口３２ａ２、第３注入口３２ａ３の順に通路の大きさが小さくされているために、第１加熱部３７１に相対的に多量の燃料と空気とが注入され、第２加熱部３７２には第１加熱部３７１より少量の燃料と空気とが注入され、第３加熱部３７３には第２加熱部３７２より更に少量の燃料と空気とが注入される。

触媒３７ａの量が同一である場合、燃料及び空気の量が増加すれば、より多くの熱エネルギーを発生させることができる。したがって、第１加熱部３７１が最も多くの熱エネルギーを発生し、第２加熱部３７２が第１加熱部３７１より少量の熱エネルギーを発生し、第３加熱部３７３が第２加熱部３７２より少量の熱エネルギーを発生する。

その結果、第１反応部４１をその反応温度に対応する３００〜６００℃の温度に維持することができ、第２反応部４２をその反応温度に対応する２００〜３００℃の温度に維持することができ、第３反応部４３をその反応温度に対応する１５０〜２００℃の温度に維持することができる。

つまり、前述のような構造を有する改質装置３０は、複数の反応部３５と複数の加熱部３７とを一体に形成し、各加熱部３７に提供される燃料の量を調節して互いに異なる量の熱エネルギーを発生させることができる。これにより、各反応部３５が、各反応に必要な反応温度を維持することができる。したがって、改質装置の構造を単純化させることができ、そのために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、改質装置の熱伝達構造を単純化してシステム全体の熱効率及び反応効率を最適化することができる。

次に、前記のように構成される本発明の実施例による燃料電池システムの動作を説明する。

まず、燃料ポンプ５５を駆動し、第１タンク５１に保存された液状の燃料を、第１供給ライン９１を通じて第１管路３２と第２管路３３との間に位置する第１加熱部３７１、第２加熱部３７２及び第３加熱部３７３の各々に供給する。これと同時に、空気ポンプ７１を駆動し、空気を、第２供給ライン９２を通じて前記各加熱部３７１、３７２、３７３に供給する。その結果、前記各加熱部３７１、３７２、３７３では、触媒３７ａによる燃料と空気との酸化反応によって所定温度の熱エネルギーが発生させる。

このとき、前記燃料ポンプ５５及び空気ポンプ７１の予め設定されたポンピング力により、各加熱部３７１、３７２、３７３に連通する注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３が互いに異なる断面積を有するので、各々の加熱部３７１、３７２、３７３には、それぞれに異なる量の燃料と空気とが供給される。各加熱部３７１、３７２、３７３には同一量の触媒３７ａが充填されるので、それぞれに異なる量の燃料と空気とが供給されることによって、各加熱部３７１、３７２、３７３は、互いに異なる量の熱エネルギーを発生させる。

つまり、前記第１注入口３２ａ１、第２注入口３２ａ２、第３注入口３２ａ３の順に通路断面積が小さくなっているため、第１加熱部３７１には最も多くの量の燃料と空気とが注入され、第２加熱部３７２には第１加熱部３７１に注入される量より相対的に少量の燃料と空気とが注入され、第３加熱部３７３には第２加熱部３７２注入される量より相対的に更に少量の燃料と空気とが注入される。その結果、第１加熱部３７１は、第１反応部４１の改質触媒反応に必要な約３００〜６００℃の温度を維持できる熱エネルギーを発生させ、これを第１反応部４１に提供する。第２加熱部３７２は、第２反応部４２の水性ガス転換触媒反応に必要な約２００〜３００℃の温度を維持することができる熱エネルギーを発生させ、これを第２反応部４２に提供する。第３加熱部３７３は、第３反応部４３の選択的酸化触媒反応に必要な約１５０〜２００℃の熱エネルギーを発生させ、これを第３反応部４３に提供する。

この状態で、燃料ポンプ５５の駆動によって、第１タンク５１に保存された液状の燃料と第２タンク５３に保存された水とを第３供給ライン９３を通じて反応部３５に供給する。

その結果、第１反応部４１では、水蒸気改質反応によって燃料から水素ガスが発生される。この水素ガスには、水蒸気改質触媒反応によって不必要な生成物である一酸化炭素が含有されている。この発生した水素ガスは、バリア部材３６の気孔３６ａを通じて第２反応部４２に供給される。第２反応部４２では、水性ガス転換反応によって前記水素ガスから追加の水素を発生させ、この水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を１次的に低減させる。この水素ガスは、バリア部材３６の気孔３６ａを通じて第３反応部４３に供給され、これと同時に空気ポンプ７１の駆動によって、空気が第４供給ライン９４を通じて第３反応部４３に供給される。その後、第３反応部４３では、水素ガスと空気との選択的酸化反応によって、前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を２次的に低減させる。

このように発生した水素は、第３反応部４３を通って第２管路３３の流出部３３ｂを通じて排出される。一方、前記各加熱部３７１、３７２、３７３で、燃料と空気との酸化反応によって発生した反応ガスは、前記各加熱部３７１、３７２、３７３に対応する排出口３２ｂ１、３２ｂ２、３２ｂ３を通じて排出される。

次に、前記流出部３３ｂから排出される水素は、第５供給ライン９５を通じてスタック１０の電気発生部１１に供給される。これと同時に、空気ポンプ７１の駆動によって、空気が第６供給ライン９６を通じて前記電気発生部１１に供給される。その後、前記水素は、電気発生部１１のセパレータ１６を通じて膜-電極アセンブリー１２のアノード電極に供給される。そして空気は、前記セパレータ１６を通じて膜-電極アセンブリー１２のカソード電極に供給される。

アノード電極では、酸化反応によって水素ガスを電子とプロトン（水素イオン）に分解する。そしてプロトンが電解質膜を通じてカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通じて移動されずにセパレータ１６または別途の端子部（図示せず）を通じて隣接するセパレータ１６に移動する。このような電子の流れで電流が発生し、付随的に熱と水が発生する。

次に、本発明の他の実施例による燃料電池システムについて詳細に説明する。この実施例は、前述した第１実施例と基本的な構成は同一であるので、その部分については説明を省略し、前述した第１実施例と異なる部分について詳細に説明する。また、図面において、第１実施例と実質的に同一な構成要素については同一の参照符号を使用し、説明と直接的に関係ない部分については図示を省略している。

図５は、本発明の第２実施例による燃料電池システムの一部を示した概略図である。

図５に示すように、本実施例による燃料電池システム２００では、各々の注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３と第１タンク５１とを連結する各々の第１供給ライン９１に、それぞれに異なる容量の燃料ポンプ５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃが接続される。そして、各々の第２供給ライン９２に、それぞれに異なる容量を有する空気ポンプ７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃが接続される。

このような燃料ポンプ５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ、及び、空気ポンプ７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃとして、別途の制御手段によってポンプ自体のポンピング力を調節することができる通常のダイヤフラムポンプを用いることができる。このようなダイヤフラムポンプは、カム機構などにより、モータの回転をダイヤフラムの直線往復運動に変換し、燃料及び空気をポンピングするポンプであって、排出流量の変動が小さいために流体の定量供給を可能にする。

このとき、前記各々の注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３は、それらの断面積が互いに同一に形成されることが好ましい。

本実施例によれば、燃料ポンプ５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃと空気ポンプ７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃとのポンピング力を調節して、各加熱部３７１、３７２、３７３に、それぞれに異なる量の燃料と空気を供給することができる。したがって、前記各加熱部３７１、３７２、３７３における燃料と空気の酸化反応によって互いに異なる量の熱エネルギーを発生させ、各々の反応部４１、４２、４３に提供することができ、その結果、各反応部４１、４２、４３は各反応に必要な温度に維持される。

図６は、本発明の第３実施例による燃料電池システムの一部を示した概略図である。

図６に示すように、本実施例による燃料電池システム３００には、各々の注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３と第１タンク５１とを連結する各々の第１供給ライン９１に、第１流量調節バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３が接続される。そして、各々の注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３と空気ポンプ７１とを連結する各々の第２供給ライン９２に、第２流量調節バルブＶ４、Ｖ５、Ｖ６が接続される。このような各々の第１流量調節バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３及び第２流量調節バルブＶ４、Ｖ５、Ｖ６として、スロットルバルブを用いることができる。

このとき、前記各々の注入口３２ａ１、３２ａ２、３２ａ３は、それらの断面積が互いに同一に形成され、前記燃料ポンプ５５と空気ポンプ７１とは、各加熱部３７１、３７２、３７３に対して実質的に同一なポンピング力を提供するこのが好ましい。

本実施例によれば、各々の第１流量調節バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３及び第２流量調節バルブＶ４、Ｖ５、Ｖ６を通じて、各加熱部３７１、３７２、３７３に供給される燃料と空気の流量を調節することができ、これによって互いに異なる量の熱エネルギーを各々の反応部４２、４３、４４に提供することができる。

図７は、本発明の第４実施例による燃料電池システムにおける改質装置の構造を概略的に示した断面図である。

図７に示すように、本実施例で改質装置３０Ａの各々の反応部３５Ａ、つまり、第１反応部４１Ａ、第２反応部４２Ａ及び第３反応部４３Ａは、ハニカム状に形成されている。各々の反応部３５Ａには、複数の平行な貫通孔４１ｃ、４２ｃ、４３ｃが形成されており、セルを有するセラミックまたは金属担体のセル内部表面に触媒４１ｂ、４２ｂ、４２ｃを担持させた構造とされている。このとき、前記貫通孔４１ｃ、４２ｃ、４３ｃは燃料を通過させる通路を構成し、これら通路の内表面に各々の反応部３５Ａの固有反応を促進させる触媒４１ｂ、４２ｂ、４３ｂが設けられる。

図８は、本発明の第５実施例による燃料電池システムにおける改質装置の構造を概略的に示した断面図である。

図８に示すように、本実施例で改質装置３０Ｂの反応部３５Ｂは、第１反応部４１及び少なくとも二つ以上の第３反応部４３を含む。このとき、第２管路３３の流入部３３ａ側から流出部３３ｂに向かって、第１反応部４１と少なくとも二つ以上の第３反応部４３とが連続的に配置される。前記第３反応部４３は、第１反応部４１から発生する水素ガスと酸素との選択的酸化触媒反応によって、この水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる役割を果たす。

なお、図８では、前記第３反応部４３を二つ設けているが、二つ以上としても構わない。

図９は、本発明の第６実施例による燃料電池システムにおける改質装置の構造を概略的に示した断面図である。

図９に示すように、本実施例で改質装置３０Ｃの反応部は、気化部４５、第１反応部４１、第２反応部４２及び第３反応部４３を含む。このとき、第２管路３３内で流入部３３ａ側から流出部３３ｂに向かって、気化部４５、第１反応部４１、第２反応部４２及び第３反応部４３が連続的に配置される。

前記気化部４５は、流入部３３ａを通じて流入される燃料を気化させて第１反応部４１に供給する役割を果たし、約７００℃の温度で前記燃料を気化させる。

従って、本実施例による加熱部３７Ｃは、気化部４５に対応する加熱部３７５と、第１、第２及び第３反応部４１、４２、４３のそれぞれに対応する加熱部３７１、３７２、３７３とを含む。前記各加熱部３７１、３７２、３７３、３７５には、同一量の触媒３７ａが設けられると共に、それぞれに異なる量の燃料と空気が流入され、互いに異なる量の熱エネルギーを、前記気化部４５及び各々の反応部４１、４２、４３に提供する構造とされている。

図１０は、本発明の第７実施例による燃料電池システムにおける改質装置の構造を概略的に示した断面図である。

図１０に示すように、本実施例で改質装置３０Ｄの反応部は、気化部４５、第１反応部４１及び少なくとも二つ以上の第３反応部４３を含む。このとき、第２管路３３の流入部３３ａ側から流出部３３ｂに向かって、気化部４５、第１反応部４１、及び少なくとも二つ以上の第３反応部４３が連続的に配置される。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施ことができ、これも本発明の技術的範囲に属する。

本発明の第１実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。 図１に示したスタック構造を示す分解斜視図である。 本発明の第１実施例による改質装置の構造を示した斜視図である。 図３を中心軸線に沿って切断した断面図である。 本発明の第２実施例による燃料電池システムの一部を示した概略図である。 本発明の第３実施例による燃料電池システムの一部を示した概略図である。 本発明の第４実施例による燃料電池システムにおける改質装置の構造を概略的に示した断面図である。 本発明の第５実施例による燃料電池システムにおける改質装置の構造を概略的に示した断面図である。 本発明の第６実施例による燃料電池システムにおける改質装置の構造を概略的に示した断面図である。 本発明の第７実施例による燃料電池システムにおける改質装置の構造を概略的に示した断面図である。

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）
１３，１３’ 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
１７ 通路
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ 改質装置
３１ 本体
３２ 第１管路
３２ａ１ 第１注入口
３２ａ２ 第２注入口
３２ａ３ 第３注入口
３２ｂ１ 第１排出口
３２ｂ２ 第２排出口
３２ｂ３ 第３排出口
３３ 第２管路
３３ａ 流入部
３３ｂ 流出部
３５，３５Ａ，３５Ｂ 反応部
３６ａ 気孔
３７ 加熱部
３７ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａ，４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ 触媒
４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ 貫通孔
４１，４１Ａ 第１反応部
４２，４２Ａ 第２反応部
４３，４３Ａ 第３反応部
５０ 燃料供給源
５１ 第１タンク
５３ 第２タンク
５５，５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ 燃料ポンプ
７０ 酸素供給源
７１，７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ 空気ポンプ
９１ 第１供給ライン
９２ 第１供給ライン
９３ 第３供給ライン
９４ 第４供給ライン
９５ 第５供給ライン
９６ 第６供給ライン
１００，２００，３００ 燃料電池システム
３７１ 第１加熱部
３７２ 第２加熱部
３７３ 第３加熱部

Claims (32)

1. 水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部と、
   前記各反応部に対応して形成され、前記各反応部に熱エネルギーを提供すると共に触媒を備える複数の加熱部と、
   前記複数の反応部及び加熱部が内部空間に設けられた本体とを含み、
   前記各加熱部は、前記各反応部での反応に必要な互いに異なる量の熱エネルギーを発生させる燃料電池システムの改質装置。
2. 前記各加熱部のそれぞれに設けられる触媒の量が実質的に同一であり、それぞれに異なる量の燃料が注入されて、互いに異なる量の熱エネルギーを発生させる、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
3. 前記複数の反応部は、改質触媒反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる改質反応部と、前記改質反応部と連続的に配置されて前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部とを含む、請求項２に記載の燃料電池システムの改質装置。
4. 前記加熱部は前記反応部の各々に対応して形成され、前記各加熱部は、燃料及び酸素が注入される注入口を備える、請求項３に記載の燃料電池システムの改質装置。
5. 前記注入口の断面積は、前記各加熱部に対応して互いに異なる大きさに形成される、請求項４に記載の燃料電池システムの改質装置。
6. 前記改質反応部に熱エネルギーを提供する加熱部の注入口が、前記一酸化炭素低減部に熱エネルギーを提供する加熱部の注入口より大きく形成される、請求項５に記載の燃料電池システムの改質装置。
7. 前記本体は、第１管路及び前記第１管路と間隔を置いて前記第１管路内部に配置される第２管路とを含み、
   前記第２管路の内部空間及び前記第１管路と前記第２管路との間の空間は、互いに対応する複数の空間に区画される、請求項３に記載の燃料電池システムの改質装置。
8. 前記第２管路内部の区画された空間の各々に反応部が形成され、前記第１管路と第２管路との間の区画された空間の各々に加熱部が形成される、請求項７に記載の燃料電池システムの改質装置。
9. 前記第１管路には、前記各加熱部に燃料及び酸素が注入される注入口が形成される、請求項８に記載の燃料電池システムの改質装置。
10. 前記注入口の断面積は、前記各加熱部に対応して互いに異なる大きさに形成される、請求項９に記載の燃料電池システムの改質装置。
11. 前記改質反応部に熱エネルギーを提供する加熱部の注入口が、前記一酸化炭素低減部に熱エネルギーを提供する加熱部の注入口より大きく形成される、請求項１０に記載の燃料電池システムの改質装置。
12. 前記第２管路の内部空間は、メッシュ状のバリア部材によって複数の空間に区画される、請求項７に記載の燃料電池システムの改質装置。
13. 前記第１管路と第２管路との間の空間は、隔壁によって互いに同一容積を有する複数の空間に区画される、請求項７に記載の燃料電池システムの改質装置。
14. 前記第１管路は、セラミック、ステンレス鋼及びアルミニウムからなる群より選択される少なくとも一つの材質で形成される、請求項７に記載の燃料電池システムの改質装置。
15. 前記第２管路は、ステンレス鋼、アルミニウム、銅及び鉄からなる群より選択される材質で形成される、請求項７に記載の燃料電池システムの改質装置。
16. 前記一酸化炭素低減部は、前記水素ガスの水性ガス転換（WGS）触媒反応によって前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる反応部を含む、請求項３に記載の燃料電池システムの改質装置。
17. 前記一酸化炭素低減部は、前記水素ガスと酸素との選択的酸化（PROX）触媒反応によって前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの反応部を含む、請求項３に記載の燃料電池システムの改質装置。
18. 前記複数の反応部は、前記改質反応部よりも上流側に設けられ、前記燃料を気化させる気化部をさらに含む、請求項３に記載の燃料電池システムの改質装置。
19. 前記複数の反応部及び加熱部は、各反応を促進させるペレット状またはハニカム状の触媒を備える、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
20. 水素を含有した燃料から水素を発生させる改質装置と、
    前記水素と酸素と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少なくとも一つの電気発生部とを含み、
    前記改質装置は、水素を含有した燃料から水素を発生させる複数の反応部と、前記各反応部に熱エネルギーを提供すると共に触媒を備える複数の加熱部と、前記複数の反応部及び加熱部が内部空間に設けられた本体とを含み、
    前記各加熱部は、前記各反応部での反応に必要な互いに異なる量の熱エネルギーを発生させる燃料電池システム。
21. 前記各加熱部のそれぞれに設けられる触媒の量が実質的に同一であり、それぞれに異なる量の燃料が注入されて、互いに異なる量の熱エネルギーを発生させる、請求項２０に記載の燃料電池システム。
22. 前記複数の反応部は、改質触媒反応によって前記燃料から水素ガスを発生させる改質反応部と、前記改質反応部と連続的に配置されて前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部とを含む、請求項２１に記載の燃料電池システム。
23. 前記加熱部は前記反応部の各々に対応して形成され、前記各加熱部は、燃料及び酸素が注入される注入口を備える、請求項２２に記載の燃料電池システム。
24. 前記注入口の断面積は、前記各加熱部に対応して互いに異なる大きさに形成される、請求項２３に記載の燃料電池システム。
25. 前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源と、前記改質装置及び電気発生部に酸素を供給する酸素供給源とを含む、請求項２３に記載の燃料電池システム。
26. 前記燃料供給源は、前記燃料を保存するタンクと、前記タンクと連結設置される少なくとも一つの燃料ポンプとを含み、
    前記燃料タンクと前記各注入口とが、パイプ形態の供給ラインによって接続される、請求項２５に記載の燃料電池システム。
27. 前記燃料タンクと前記各注入口とを連結する各々の供給ラインに、前記各反応部に対応して互いに異なる容量の前記燃料ポンプが設置される、請求項２６に記載の燃料電池システム。
28. 前記燃料タンクと前記各注入口とを連結する各々の供給ラインに、前記各反応部に対応して燃料調節バルブが設置される、請求項２６に記載の燃料電池システム。
29. 前記酸素供給源は、空気を吸入して、この空気を前記改質装置及び電気発生部に供給する少なくとも一つの空気ポンプを含み、
    前記空気ポンプと前記各々の注入口とが、パイプ形態の供給ラインによって接続される、請求項２５に記載の燃料電池システム。
30. 互いに異なる容量を有する前記空気ポンプが、前記各加熱部に対応して別途に設置される、請求項２９に記載の燃料電池システム。
31. 前記空気ポンプと前記各々の注入口とを連結する各々の供給ラインに、流量調節バルブが設置される、請求項２９に記載の燃料電池システム。
32. 前記本体は、第１管路及び前記第１管路と間隔を置いて前記第１管路内部に配置される第２管路とを含み、前記第２管路の内部空間及び前記第１管路と前記第２管路との間の空間は、互いに対応する複数の空間に区画され、
    前記第２管路内部の区画された空間の各々に反応部が形成され、前記第１管路と第２管路との間の区画された空間の各々に各加熱部が形成される、請求項２０に記載の燃料電池システム。

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