JP2006216274A - 燃料電池用の改質器および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、炭化水素系の原燃料を水素含有量の高い改質燃料に改質する。
【解決手段】 改質器１００は、炭化水素系の原燃料２０２が導入される原燃料導入口１１４が設けられ、原燃料導入口１１４から導入された原燃料２０２を蒸発させる蒸発部１０２と、蒸発部１０２に設けられ、原燃料２０２を水素含有量の高い改質燃料に改質する改質触媒１０８を収容する触媒収容部１０４と、触媒収容部１０４上に、触媒収容部１０４に連通して設けられた水素送出口１１８と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用の改質器および燃料電池システムに関する。

燃料電池は、現在パーソナルコンピュータ等の電子機器の電源として一般的に用いられているリチウムイオン電池に比べてエネルギー密度が大きく、熱交換率が高いため、リチウムイオン電池にかわる電源として実用化が検討されている。

燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられ、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型の燃料電池の開発も盛んに行われている。

燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は、以下のようになる。
３Ｈ_２ → ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ （１）

酸化剤極での反応は、以下のようになる。
３／２Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ （２）

メタノール等の原燃料を改質して水素ガスを生成する方法としては、たとえば水蒸気改質法、部分酸化改質法、およびこれらを併用した改質法が知られている。これらの中でも、原燃料と水蒸気を反応させて水素ガスを得る水蒸気改質法の実用化が広く進められている。

水蒸気改質法における反応は、以下のようになる。
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ３Ｈ_２ （３）

特許文献１には、メタノールと空気を燃焼し高温ガスを供給する起動用燃焼器と、起動時は高温ガスから改質ガスを生成する改質器と、改質ガス中の一酸化炭素を所定濃度以下に除去する一酸化炭素除去器と、燃料電池スタックから排出される排改質ガスと排空気を燃焼する排水素燃焼器と、排水素燃焼器から排出される燃焼ガスの熱量を用いてメタノールと水を気化する蒸発器とを備えた燃料改質装置が開示されている。ここでは、燃料改質装置は、起動用燃焼器と改質器との間に設けられ、高温ガスとメタノールと空気とを混合するミキサと、起動用燃焼器とミキサとの間に設けられ、起動用燃焼器と改質器、及び起動用燃焼器と排水素燃焼器との連通を切換える切換弁と、切換弁の切換えを制御する制御装置とをさらに含み、起動用燃焼器の運転状態によって制御装置が切換弁を切換え起動用燃焼器と改質器、及び起動用燃焼器と排水素燃焼器との連通を制御するようになっている。
特開２００２−２４１１０５号公報

ところで、従来の改質器は、たとえば、原燃料を蒸発させる蒸発器や改質ガスの一酸化炭素を所定濃度まで低減するＣＯ除去器が、改質触媒を備えた改質器本体とは別個に設けられており、装置間を配管等で接続しているため、構造が複雑になるという課題があった。そのため、原燃料や改質燃料の損失が生じるということもあった。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、簡易な構成で、炭化水素系の原燃料を水素含有量の高い改質燃料に改質する技術を提供するものである。

本発明によれば、炭化水素系の原燃料が導入される原燃料導入口が設けられ、前記原燃料導入口から導入された前記原燃料を蒸発させる蒸発部と、前記蒸発部上に当該蒸発部に連通して設けられ、前記原燃料を水素含有量の高い改質燃料に改質する改質触媒を収容する触媒収容部と、前記触媒収容部上に当該触媒収容部に連通して設けられた改質燃料送出口と、を含むことを特徴とする燃料電池用の改質器が提供される。

このような構成とすることにより、蒸発部に導入された原燃料を自然対流で上方に移動させ、触媒収容部で改質することができるので、ポンプ等の駆動機構がなくても、原燃料を改質燃料に効率よく変換することができる。これにより、改質器を簡易な構成とすることができる。

本発明の改質器は、前記蒸発部および前記触媒収容部が下からこの順で鉛直方向に配置された縦型配置とすることができる。

これにより、蒸発部で蒸発させた原燃料をスムースに自然対流で触媒収容部に異動させることができる。また、蒸発部および触媒収容部が鉛直方向に配置されているので、改質器の不使用時に改質器が冷却されると、触媒収容部に異動していた未反応の原燃料が液化して下方に移動し、蒸発部に戻される。これにより、改質器内部が燃料により汚染等されるのを防ぐことができる。

本発明の改質器において、燃料の流路は、一定幅を有し、かつ直線状に形成することができる。

このように、燃料の流路を全体にわたって一定とすることにより、燃料が移動する際の損失を少なくすることができ、原燃料から改質燃料への変換効率を高めることができる。また、改質器内部が燃料により汚染等されるのを防ぐこともできる。さらに、改質器の設計を容易にすることができ、構成を簡易にすることができる。

本発明の改質器は、前記蒸発部および前記触媒収容部の周囲に設けられた加熱部をさらに含むことができる。

本発明の改質器は、前記触媒収容部と前記改質燃料送出口との間に設けられ、前記触媒収容部で改質された前記改質燃料中の水素含有量を高める処理を行う水素分離部をさらに含むことができる。

これにより、触媒収容部で改質された改質燃料に含まれる一酸化炭素や二酸化炭素等の不要ガスを改質燃料から除去して、改質燃料の純度を高めることができる。改質器に水素分離部を設けた場合、改質器は、蒸発部、触媒収容部、および水素分離部が下からこの順で鉛直方向に配置された縦型配置とすることができる。また、改質器において、水素分離部を含む燃料の流路を一定幅かつ直線状に形成することができる。

本発明の改質器において、前記水素分離部は、水素を選択的に透過させる水素透過膜を含むことができる。

本発明の改質器において、前記水素分離部は、触媒収容部で改質された前記改質燃料中の一酸化炭素を選択的に酸化する優先酸化触媒を含むことができる。

本発明の改質器において、前記触媒収容部は、前記改質触媒を、当該触媒収容部の壁面に略平行な面に保持する保持板を含むことができる。

これにより、原燃料が触媒収容部を移動する際に、原燃料と改質触媒との接触効率を高めることができ、原燃料の改質を効率よく行うことができる。

本発明の改質器において、前記保持板は、前記改質触媒を含む複数の塊を、互いに間隔を隔てて保持することができる。

これにより、原燃料が触媒収容部を移動する際に、原燃料と改質触媒との接触効率を高めることができ、原燃料の改質を効率よく行うことができる。ここで、保持板は、互いに間隔を隔てて複数の孔が形成された構成とすることができる。触媒収容部において、このように構成された保持板の孔にそれぞれペレット状の触媒が保持させることができる。また、たとえば孔が設けられていない保持板の表面に触媒ペーストをマトリクス状や千鳥状等のパターンに配置させてそれを固めた構成とすることもできる。

本発明の改質器において、前記蒸発部および前記触媒収容部は、二枚の平行平板を有し、底面が長方形の筐体に収容することができ、前記蒸発部で蒸発された前記原燃料の流量は、前記長方形の長い方の辺の長さにより規定することができる。

このような構成とすることにより、改質器の設計を容易にすることができる。また、改質器のサイズを適宜設計することにより、原燃料の流量を所望の値に設定することができる。

本発明の改質器において、前記蒸発部および前記触媒収容部は、円筒型の筐体に収容することができる。

これにより、改質器の強度を高めることができる。

本発明の改質器は、前記原燃料導入口に接続されるとともに、圧縮ガスおよび前記原燃料を含む原燃料収容容器をさらに含むことができる。

これにより、ポンプ等の駆動機器を設けることなく、改質器の蒸発部に原燃料を供給することができ、改質器の構成をより簡易にすることができる。ここで、原燃料収容容器は、改質器の蒸発部に直接取り付けられるようにすることもでき、また原燃料導入管等を介して取り付けられるようにすることもできる。

本発明によれば、上記いずれかに記載の改質器と、前記改質器の前記改質燃料送出口から送出される改質燃料が供給される燃料極、および酸化剤が供給される酸化剤極、を含む燃料電池と、を含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、簡易な構成で、炭化水素系の原燃料を水素含有量の高い改質燃料に改質することができる。

本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本実施の形態における改質器１００の構成を示す模式図である。
改質器１００は、蒸発部１０２と、触媒収容部１０４と、水素分離部１０６と、蒸発部１０２および触媒収容部１０４を加熱する加熱部１２０とを有する。改質器１００は、蒸発部１０２、触媒収容部１０４、および水素分離部１０６が下からこの順で鉛直方向に配置された縦型配置とされる。

蒸発部１０２は、原燃料を導入する原燃料導入口１１４を含む。原燃料導入口１１４は、原燃料導入管１５８を介して原燃料収容タンク２００と接続される。原燃料収容タンク２００は、原燃料２０２と圧縮ガス２０４とを含む。本実施の形態において、原燃料２０２は、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）と水（Ｈ_２Ｏ）の混合溶液である。混合溶液中のメタノール濃度は、たとえばメタノール：水＝１：１（モル比）、または水の含有量がメタノールに対して１以上（モル比）となるようにすることができる。なお、混合溶液中のメタノール濃度は、これに限定されず、他の条件に応じて、水の含有量がメタノールに対して１未満（モル比）とすることもできる。原燃料収容タンク２００は、たとえば、噴出口を有するスプレー缶とすることができる。この場合、原燃料導入管１５８には、原燃料収容タンク２００の取付部（不図示）が設けられ、原燃料収容タンク２００の噴出口は、原燃料収容タンク２００が原燃料導入管１５８の取付部に取り付けられると開くように構成される。原燃料収容タンク２００の噴出口が開くと、原燃料収容タンク２００内の圧縮ガス２０４の圧力により、原燃料収容タンク２００から原燃料２０２が原燃料導入管１５８に流出する。

触媒収容部１０４は、原燃料を水素含有量の高い改質燃料に改質する改質触媒１０８を収容する。改質触媒１０８は、たとえば、ＣｕＯ−Ａｌ_２Ｏ_３やＣｕＯ−ＺｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３とすることができる。

蒸発部１０２と触媒収容部１０４の周囲には、加熱部１２０が設けられる。蒸発部１０２を加熱部１２０で加熱することにより、蒸発部１０２において、原燃料導入口１１４から導入された原燃料２０２を蒸発させることができる。蒸発部１０２で蒸発された原燃料２０２は、蒸発部１０２の上部にある触媒収容部１０４に移動する。触媒収容部１０４に原燃料２０２の蒸発ガスを供給しつつ触媒収容部１０４を加熱部１２０で加熱することにより、触媒収容部１０４において、上記式（３）の水蒸気改質法の反応が起こり、原燃料２０２が二酸化炭素（ＣＯ_２）および水素（Ｈ_２）に改質される。触媒収容部１０４で改質された改質燃料は、水素分離部１０６に移動する。

加熱部１２０は、たとえば、水素送出口１１８から送出される改質燃料を一部加熱部１２０に供給するようにして水素を燃焼させることにより実現することができる。また、加熱開始時には、原燃料２０２に含まれるメタノールを加熱部１２０にも供給して燃焼させることにより、蒸発部１０２や触媒収容部１０４を加熱することができる。

また、加熱部１２０は、たとえば白金カイロにより構成することもできる。白金カイロを用いることにより、加熱のための電力の供給が不要となり、改質器１００の構成を簡易にすることができるとともに、改質器１００の使い勝手をよくすることができる。また、この場合、改質器１００に供給する原燃料や改質器１００で生成された改質燃料を用いることなく蒸発部１０２や触媒収容部１０４を加熱することができるので、改質器１００による改質燃料の生成効率を高めることもできる。

ところで、上記式（３）の水蒸気改質法では、一酸化炭素と水蒸気と二酸化炭素と水素の平衡から、以下のシフト反応が生じ得る。

（シフト反応）
ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ （４）

このシフト反応のために、触媒収容部１０４から水素分離部１０６に移動する改質燃料には微量の一酸化炭素が含まれる。改質燃料中に一酸化炭素が含まれると、燃料電池の燃料極の触媒の性能が低下してしまうため、改質燃料からは一酸化炭素を除去することが好ましい。また、改質燃料中の水素含有量を高めるために、水蒸気改質法で水素とともに生成される二酸化炭素も除去することが好ましい。水素分離部１０６は、触媒収容部１０４で生成された改質燃料から水素を選択的に分離して改質燃料中の水素含有量を高める処理を行う。

水素分離部１０６は、酸化触媒１１０と、水素透過膜１１２と、酸化触媒１１０と水素透過膜１１２の間に設けられた二酸化炭素放出口１１６と、水素送出口１１８と、を有する。酸化触媒１１０は、たとえば、一酸化炭素を選択的に酸化して二酸化炭素を生成するＰＲＯＸ（Preferential Oxidization）触媒である。また、水素透過膜１１２は、水素を選択的に透過させ、二酸化炭素を透過させない膜である。ここで、水素透過膜１１２は、たとえば、水素を透過させ、二酸化炭素を透過させないような孔が形成された多孔質の膜とすることができる。水素透過膜１１２は、たとえば金属やセラミックスにより構成することができる。

水素分離部１０６に導入された改質燃料が酸化触媒１１０を通過することにより、改質燃料中の一酸化炭素が二酸化炭素に酸化され、改質燃料中の一酸化炭素濃度を低減することができる。また、改質燃料が水素透過膜１１２を通過することにより、改質燃料中の水素含有量をさらに高めることができる。水素透過膜１１２を通過した水素含有量の高い改質燃料は、水素送出口１１８から外部に送出される。また、水素透過膜１１２を通過しない二酸化炭素等、水素以外のガスは、二酸化炭素放出口１１６から外部に放出される。

なお、ここでは図示していないが、改質器１００の原燃料導入口１１４、二酸化炭素放出口１１６、水素送出口１１８は、改質器１００の不使用時に外部の空気等が改質器１００内に入り込まないように、逆流防止弁等が設けられた構成とすることができる。

（第一の実施の形態）
図２は、本実施の形態における改質器の構成を示す図である。
図２（ａ）は、改質器１００の正面断面図である。図２（ｂ）は、改質器１００の側面断面図である。

本実施の形態において、改質器１００は、蒸発部１０２、触媒収容部１０４、および水素分離部１０６をそれぞれ収容する第一筐体１３０、第二筐体１３４、および第三筐体１３８を含む。第一筐体１３０、第二筐体１３４、および第三筐体１３８は、底面が長方形の形状を有し、前記長方形の長い方の辺は、短い方の辺に対して充分長く、蒸発部１０２で蒸発される原燃料２０２の流量が長い方の辺の長さで規定されるようにすることができる。図２（ａ）は、長方形の長い方の辺を示し、図２（ｂ）は、長方形の短い方の辺を示す。

本実施の形態において、第一筐体１３０、第二筐体１３４、および第三筐体１３８は、それぞれ別個の筐体により構成され、第一筐体１３０と第二筐体１３４、および第二筐体１３４と第三筐体１３８は、それぞれ、留め具１４４により連結される。第一筐体１３０の底部には支持板１３２が設けられており、支持板１３２により、第一筐体１３０、第二筐体１３４、および第三筐体１３８が縦型配置される。また、第三筐体１３８の上方には、水素送出口１１８が設けられた上部板１４２が配置されている。第三筐体１３８と上部板１４２の間には水素透過膜１１２が配置され、これらは留め具１４４により固定される。

触媒収容部１０４には、改質触媒１０８を保持する保持板１３６が配置されている。ここで、保持板１３６は、改質触媒１０８を、触媒収容部１０４の壁面に略平行な面に保持する。これにより、原燃料２０２が触媒収容部１０４を移動する際に、原燃料２０２と改質触媒１０８との接触効率を高めることができ、原燃料２０２の改質を効率よく行うことができる。

また、保持板１３６には複数の孔がマトリクス状に形成されている。保持板１３６は、たとえばステンレスにより構成することができる。ここで、保持板１３６の各孔には、ペレット状の改質触媒１０８が差し込まれている。保持板１３６は、複数の改質触媒１０８の塊を互いに間隔を隔てて保持する。そのため、原燃料２０２が触媒収容部１０４を移動する際に、原燃料２０２と改質触媒１０８との接触効率をさらに高めることができ、原燃料２０２の改質を効率よく行うことができる。

水素分離部１０６において、触媒収容部１０４との境界領域には、ペレット状の酸化触媒１１０を保持する多孔質シート１４０が配置される。これにより、酸化触媒１１０を水素分離部１０６内に収容しておくことができる。

次に、本実施の形態における改質器１００の動作を説明する。
図３は、本実施の形態における改質器１００で改質された改質燃料が燃料電池３０２に供給される様子を示す模式図である。以下、図２および図３を参照して説明する。

改質器１００に原燃料収容タンク２００を取り付け、原燃料収容タンク２００から改質器１００の蒸発部１０２に原燃料２０２を供給する。このとき、加熱部１２０により改質器１００の蒸発部１０２および触媒収容部１０４を加熱する。これにより、蒸発部１０２に供給された原燃料２０２が蒸発して、蒸発部１０２の上方に位置する触媒収容部１０４に移動する。蒸発した原燃料２０２は、そのまま上方に移動していく。ここで、触媒収容部１０４も加熱されているため、触媒収容部１０４において、原燃料２０２が保持板１３６に保持された改質触媒１０８の間を通過する間に上記式（３）の水蒸気改質法の反応が起こる。これにより、原燃料２０２が二酸化炭素（ＣＯ_２）および水素（Ｈ_２）に改質される。

触媒収容部１０４で改質された改質燃料は、さらに上方に移動し、触媒収容部１０４の上方に位置する水素分離部１０６に導入される。改質触媒１０８により改質された改質燃料には、微量の一酸化炭素が含まれるが、改質燃料が多孔質シート１４０上に配置された酸化触媒１１０の間を通過する間に、一酸化炭素が選択的に酸化されて二酸化炭素となる。これにより、改質燃料中の一酸化炭素が除去される。改質燃料はさらに上方に移動し、改質燃料中の水素が選択的に水素透過膜１１２を透過し、水素送出口１１８から外部に取り出される。水素透過膜１１２を透過しないガスは、二酸化炭素放出口１１６から外部に放出される。本実施の形態において、二酸化炭素放出口１１６の開口径は、蒸発部１０２で蒸発される原燃料２０２の流量や水素透過膜１１２の水素分離能に応じて、酸化触媒１１０を通過してきた改質燃料中の水素が二酸化炭素放出口１１６から外部に放出されてしまうことがないように、適宜設計することができる。

改質器１００の水素送出口１１８から送出される改質燃料は、供給管等を介して燃料電池３０２の燃料極に供給される。また、燃料電池３０２の酸化剤極には、空気が供給される。これにより、燃料電池３０２の燃料極および酸化剤極において、上記式（１）および（２）の反応がそれぞれ行われ、燃料電池３０２から電力を取り出すことができる。

図４は、本実施の形態における改質器１００の使用例を示す模式図である。ここでは、ノートパソコン３００に組み込まれた燃料電池３０２の燃料を改質器１００から供給する例を示す。

改質器１００は、水平な場所に縦型配置しておくことができる。改質器１００の使用時には、改質器１００に原燃料収容タンク２００を取り付け、改質器１００の蒸発部１０２に原燃料２０２を供給する。また、改質器１００の水素送出口１１８から送出される改質燃料が燃料電池３０２の燃料極に供給されるように、改質器１００と燃料電池３０２とを接続する。このような状態で、改質器１００の加熱部１２０による加熱を開始すると、蒸発部１０２に導入された原燃料２０２が蒸発して上方に移動し、それとともに、上述した水蒸気改質法や水素分離処理が行われる。上述したように、本実施の形態における改質器１００において、蒸発部１０２、触媒収容部１０４、および水素分離部１０６が鉛直方向に配置されている。そのため、原燃料２０２や改質燃料が自然対流で上方に移動していくので、駆動機器がなくても、原燃料２０２を改質燃料に改質することができる。つづいて、改質器１００で生成された水素含有量の高い改質燃料が燃料電池３０２の燃料極に供給される。燃料電池３０２の酸化剤極には、空気が供給され、これにより、燃料電池３０２の電池反応が起き、ノートパソコン３００に電力が供給される。

改質器１００の不使用時には、加熱部１２０による加熱が停止される。改質器１００が冷却されると、改質器１００の上方に移動していた未反応の原燃料２０２が液化する。ここで、改質器１００は、縦型配置されているため、液化した原燃料２０２は、下方に移動し、蒸発部１０２内に戻される。ここで、改質器１００において、燃料の流路は一定幅かつ直線状に形成されている。そのため、触媒収容部１０４や水素分離部１０６に未反応の原燃料２０２が滞留することがなく、原燃料２０２が損失なく蒸発部１０２に戻される。また、未反応の原燃料２０２が水素分離部１０６や触媒収容部１０４に滞留しないので、未反応の原燃料２０２による改質器１００内の汚染を防ぐことができる。

本実施の形態における改質器１００によれば、簡易な構成で燃料電池３０２の燃料を生成することができる。改質器１００を所望の位置に配置することにより、コンセント等の商用電源がない場所でも、ノートパソコン３００等の電気機器への電源を供給することができ、利用者の利便性が高まる。

（第二の実施の形態）
図５は、本実施の形態における改質器の構成を示す図である。
図５（ａ）は、改質器１００の外観図である。図５（ｂ）は、改質器１００の断面図である。

本実施の形態においても、改質器１００は、蒸発部１０２、触媒収容部１０４、および水素分離部１０６をそれぞれ収容する第一筐体１３０、第二筐体１３４、および第三筐体１３８を含む。本実施の形態において、第一筐体１３０、第二筐体１３４、および第三筐体１３８は、円筒型に形成される。このような構成とすることにより、改質器１００の強度を高めることができる。

図６は、本実施の形態における改質器１００の内部構成を示す斜視図である。ここで、蒸発部１０２と触媒収容部１０４の間、および触媒収容部１０４と水素分離部１０６との間には、それぞれ、メッシュ１５０およびメッシュ１５２が配置される。これにより、触媒収容部１０４に収容される改質触媒１０８が蒸発部１０２や水素分離部１０６に移動しないようにすることができる。また、水素分離部１０６に収容される酸化触媒１１０が触媒収容部１０４に移動しないようにすることもできる。

本実施の形態において、保持板１３６は、円筒型に形成することができる。図７は、保持板１３６の構成を示す図である。図７（ａ）は、保持板１３６の構成を示す斜視図である。ここでは、大、中、小の三つの保持板１３６を示す。大の保持板１３６の内部に中の保持板１３６が、中の保持板１３６の内部に小の保持板１３６が配置されている。各保持板１３６には、複数の孔１５６がマトリクス状に形成されている。これらの孔１５６は、ペレット状の改質触媒１０８を保持する大きさに形成される。

図７（ｂ）は、保持板１３６の孔１５６に改質触媒１０８が保持された状態を示す上面図である。各保持板１３６の内側および外側には、改質触媒１０８を保持板１３６の孔１５６に保持するメッシュ１５４が設けられる。このように、保持板１３６の内側および外側にメッシュ１５４を配置することにより、改質触媒１０８が保持板１３６の孔１５６から取れてしまうのを防ぐことができる。

図７（ｃ）は、保持板１３６の孔１５６に改質触媒１０８が保持された状態を示す正面図である。このように、複数のペレット状の改質触媒１０８をマトリクス状に保持することにより、触媒の利用効率を高めることができる。

図１０は、本実施の形態における改質器１００の他の例を示す図である。
図１０（ａ）は、改質器１００の上面模式図、図１０（ｂ）は、改質器１００の側面図である。ここでは、円筒型筐体１７０の内部を断面図で示す。

ここでは、加熱部１２０が円筒型の円筒型筐体１７０の中心に配置されており、その外周部に蒸発部１０２、触媒収容部１０４、および水素分離部１０６が設けられる。加熱部１２０は、内部管１２０ａおよびその外周に配置された外部管１２０ｂとを含む。水素分離部１０６において、酸化触媒１１０と水素透過膜１１２との間には、ガス放出口１７５が設けられ、酸化触媒１１０を通過した改質燃料の一部や二酸化炭素が燃料循環管１７６に放出される。燃料循環管１７６は、加熱部１２０の内部管１２０ａに接続される。内部管１２０ａには、水素燃焼触媒１８６が配置されており、導入された改質燃料である水素を燃焼させることにより、内部管１２０ａ内のガスが加熱される。また、内部管１２０ａを通過したガスは、その上部から外部管１２０ｂに放出され、外部管１２０ｂ内にも加熱されたガスが導入される。これにより、触媒収容部１０４や蒸発部１０２が加熱される。

原燃料収容タンク２００および円筒型筐体１７０は、支持台１７２の上に配置される。原燃料導入管１５８には、バルブ１７４が設けられており、バルブ１７４を開閉することにより、原燃料収容タンク２００中の原燃料を蒸発部１０２に供給することができる。

図１１は、本実施の形態における改質器１００のまた他の例を示す図である。
ここでも、改質器１００は、図１０に示した改質器１００と同様の構成を有する。本例では、加熱部１２０の加熱源としてアルコールランプ１８０を用いる点で図１０に示した例と異なる。

本例では、円筒型筐体１７０の下方にアルコールランプ１８０が配置される。アルコールランプ１８０は、加熱部１２０の内部管１２０ａ直下に配置され、内部管１２０ａ内の空気を加熱する。内部管１２０ａで加熱された空気はその上部から外部管１２０ｂに放出され、外部管１２０ｂ内にも加熱された空気が導入される。これにより、触媒収容部１０４や蒸発部１０２が加熱される

また、水素分離部１０６において、酸化触媒１１０と水素透過膜１１２との間には、二酸化炭素放出口１１６が設けられ、酸化触媒１１０を通過した二酸化炭素がガス排出管１８２を介して外部に放出される。ガス排出管１８２には、バルブ１８４が設けられており、バルブ１８４を開閉することにより、ガスの排出量を制御することができる。

本実施の形態における改質器１００も、第一の実施の形態で説明したのと同様に用いることができる。

また、本実施の形態における改質器１００も、第一の実施の形態で説明したのと同様の効果を有する。さらに、本実施の形態における改質器１００は、円筒型に形成されるので、強度を高めることができる。とくに、水素分離部１０６に水素透過膜１１２を設けた場合、改質器１００内を高圧にして改質燃料を水素送出口１１８から送出する必要があるが、そのような場合でも、充分な強度耐性を有する。

図８は、実施例で用いた改質器の構成を示す図である。改質器１００は、第一の実施の形態において、図２を参照して説明した改質器１００と同様の構成を有するが、水素分離部１０６を有しない点で異なる。また、蒸発部１０２および触媒収容部１０４の上部には、それぞれ、温度等を測定するための観察用窓が設けられている。

以下の実施例において、改質触媒１０８としては、ペレット状のＣｕＯ−ＺｎＯ−Ａｌ_２Ｏ_３（ＭＤＣ−３、ズードケミー触媒株式会社製）を１５個×１５個のマトリクス状に配置して用いた。蒸発部１０２の高さｈ_１＝６３ｍｍ、触媒収容部１０４の高さｈ_２＝１１８ｍｍとした。また、図８（ａ）の改質器１００の幅（長い方の辺）ｄ_１＝７６．５ｍｍとし、図８（ｂ）の改質器１００の幅（短い方の辺）ｄ_２＝９．５ｍｍとした。ここでは図示していないが、蒸発部１０２および触媒収容部１０４の周囲にリボンヒータを巻き、蒸発部１０２および触媒収容部１０４を、それぞれ、約１５０℃および約３００℃に加熱した。

メタノールと水とを混合した原燃料をポンプを用いて改質器１００の蒸発部１０２に供給した。水蒸気改質法では、式（３）に示したように、メタノールと水とが１：１（モル）で反応する。以下の各実施例において、メタノールと水の混合比を変化させて、原燃料を水蒸気改質法により改質した。メタノールと水との混合比は、実際の混合比を理論混合比（＝１、ＳＴの添字で示す）で除したφで示す。

φ＝（（メタノール流量［ｍｏｌ／ｓ］／水流量［ｍｏｌ／ｓ］）／（メタノール流量［ｍｏｌ／ｓ］／水流量［ｍｏｌ／ｓ］）_ＳＴ）

ここで、φ＜１であれば、メタノール濃度が希薄であり、φ＞１であれば、メタノール濃度が過濃である。

（実施例１）
φ＝１となるようにメタノール流量および水流量を設定した。このような条件で、原燃料を水蒸気改質法により改質した。触媒収容部１０４の上部から送出される改質燃料中に含まれる水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）および窒素（Ｎ_２）の含有量を測定した。その結果を図９（ａ）に示す。

（実施例２）
φ＝０．９１となるようにメタノール流量および水流量を設定した。このような条件で、原燃料を水蒸気改質法により改質した。触媒収容部１０４の上部から送出される改質燃料中に含まれる水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）および窒素（Ｎ_２）の含有量を測定した。その結果を図９（ｂ）に示す。

（実施例３）
φ＝０．８３となるようにメタノール流量および水流量を設定した。このような条件で、原燃料を水蒸気改質法により改質した。触媒収容部１０４の上部から送出される改質燃料中に含まれる水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）および窒素（Ｎ_２）の含有量を測定した。その結果を図９（ｃ）に示す。

いずれの場合にも、改質燃料中の水素含有量を高くすることができるとともに、一酸化炭素の含有量を低くすることができた。とくに、実施例３に示したように、理論混合比に比べて水流量を多くすると、改質燃料中の一酸化炭素濃度を５％以下に抑えることができた。これは、原燃料中の水蒸気濃度を高めることにより、式（４）に示したシフト反応を右に移動させることができたためと考えられる。

また、いずれの実施例においても、この後、水素分離部１０６で処理することにより、改質燃料中の水素含有量をより高くすることができるとともに、一酸化炭素濃度をさらに低減することができると考えられる。

以上、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

以上の実施の形態において、触媒収容部１０４では、保持板１３６に複数の孔がマトリクス状に形成された例を示したが、複数の孔は、たとえば千鳥状等、マトリクス状以外のパターンに形成することもできる。また、改質触媒１０８は、複数の孔が設けられた保持板とペレット状の触媒との組み合わせだけでなく、たとえば孔が設けられていない保持板の表面に触媒ペーストをマトリクス状や千鳥状等のパターンに配置させてそれを固めて形成することもできる。

本発明において、原燃料として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、またはメチルエチルエーテル等の酸素含有炭化水素、あるいはこれらの混合物と、水との混合溶液を用いることができる。

なお、以上の形態では、蒸発部１０２、触媒収容部１０４、水素分離部１０６がそれぞれ個別の筐体に含まれる例を示した。このようにすることにより、いずれかの部分でたとえば目詰まり等の故障が生じた場合に、分解等して容易に修理することができる。一方、上述したように、本発明の改質器１００においては、改質器１００不使用時には、未反応の原燃料２０２等が触媒収容部１０４や水素分離部１０６に滞留せず、蒸発部１０２に戻される。そのため、未反応の原燃料２０２等が原因の目詰まり等の故障は生じにくい。従って、蒸発部１０２、触媒収容部１０４、および水素分離部１０６を一つの筐体内に含めるようにすることもできる。

また、第一の実施の形態において、図４を参照して、改質器１００から送出される改質燃料をノートパソコン３００に組み込まれた燃料電池３０２に供給する例を示したが、改質器１００は、備え付けの装置とともに設置することもできる。たとえば、自動販売機に燃料電池を組み込んでおき、自動販売機とともに改質器１００を設置し、改質器１００から送出される改質燃料を自動販売機の燃料電池に供給することもできる。

本発明に係る改質器は、簡易な構成で炭化水素系の原燃料を水素含有量の高い改質燃料に改質することができる。このため、水素を燃料とする燃料電池を備えた電気機器への燃料を供給する改質器として好適に用いることができる。また、このような改質器を組み込んだ燃料電池システムに好適に適用できる。

実施の形態における改質器の構成を示す模式図である。 実施の形態における改質器の構成を示す図である。 実施の形態における改質器で改質された改質燃料が燃料電池に供給される様子を示す模式図である。 実施の形態における改質器の使用例を示す模式図である。 実施の形態における改質器の構成を示す図である。 実施の形態における改質器の内部構成を示す斜視図である。 保持板の構成を示す図である。 実施例で用いた改質器の構成を示す図である。 実施例の結果を示す図である。 実施の形態における改質器を示す図である。 実施の形態における改質器を示す図である。

符号の説明

１００ 改質器
１０２ 蒸発部
１０４ 触媒収容部
１０６ 水素分離部
１０８ 改質触媒
１１０ 酸化触媒
１１２ 水素透過膜
１１４ 原燃料導入口
１１６ 二酸化炭素放出口
１１８ 水素送出口
１２０ 加熱部
１３０ 第一筐体
１３２ 支持板
１３４ 第二筐体
１３６ 保持板
１３８ 第三筐体
１４０ 多孔質シート
１４２ 上部板
１４４ 留め具
１５０ メッシュ
１５２ メッシュ
１５４ メッシュ
１５６ 孔
１５８ 原燃料導入管
１７０ 円筒型筐体
１７２ 支持台
１７４ バルブ
１７６ 燃料循環管
１８０ アルコールランプ
１８２ ガス排出管
１８４ バルブ
１８６ 水素燃焼触媒
２００ 原燃料収容タンク
２０２ 原燃料
２０４ 圧縮ガス
３００ ノートパソコン
３０２ 燃料電池

Claims (13)

1. 炭化水素系の原燃料が導入される原燃料導入口が設けられ、前記原燃料導入口から導入された前記原燃料を蒸発させる蒸発部と、
   前記蒸発部上に当該蒸発部に連通して設けられ、前記原燃料を水素含有量の高い改質燃料に改質する改質触媒を収容する触媒収容部と、
   前記触媒収容部上に当該触媒収容部に連通して設けられた改質燃料送出口と、
   を含むことを特徴とする燃料電池用の改質器。
2. 請求項１に記載の改質器において、
   前記蒸発部および前記触媒収容部が下からこの順で鉛直方向に配置された縦型配置であることを特徴とする改質器。
3. 請求項１または２に記載の改質器において、
   燃料の流路は、一定幅を有し、かつ直線状に形成されたことを特徴とする改質器。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の改質器において、
   前記蒸発部および前記触媒収容部の周囲に設けられた加熱部をさらに含むことを特徴とする改質器。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の改質器において、
   前記触媒収容部と前記改質燃料送出口との間に設けられ、前記触媒収容部で改質された前記改質燃料中の水素含有量を高める処理を行う水素分離部をさらに含むことを特徴とする改質器。
6. 請求項５に記載の改質器において、
   前記水素分離部は、水素を選択的に透過させる水素透過膜を含むことを特徴とする改質器。
7. 請求項５または６に記載の改質器において、
   前記水素分離部は、前記触媒収容部で改質された前記改質燃料中の一酸化炭素を選択的に酸化する優先酸化触媒を含むことを特徴とする改質器。
8. 請求項１乃至７いずれかに記載の改質器において、
   前記触媒収容部は、前記改質触媒を、当該触媒収容部の壁面に略平行な面に保持する保持板を含むことを特徴とする改質器。
9. 請求項８に記載の改質器において、
   前記保持板は、前記改質触媒を含む複数の塊を、互いに間隔を隔てて保持することを特徴とする改質器。
10. 請求項１乃至９いずれかに記載の改質器において、
    前記蒸発部および前記触媒収容部は、二枚の平行平板を有し、底面が長方形の筐体に収容され、前記蒸発部で蒸発された前記原燃料の流量は、前記長方形の長い方の辺の長さにより規定されることを特徴とする改質器。
11. 請求項１乃至１０いずれかに記載の改質器において、
    前記蒸発部および前記触媒収容部は、円筒型の筐体に収容されたことを特徴とする改質器。
12. 請求項１乃至１１いずれかに記載の改質器において、
    前記原燃料導入口に接続されるとともに、圧縮ガスおよび前記原燃料を含む原燃料収容容器をさらに含むことを特徴とする改質器。
13. 請求項１乃至１２いずれかに記載の改質器と、
    前記改質器の前記改質燃料送出口から送出される改質燃料が供給される燃料極、および酸化剤が供給される酸化剤極、を含む燃料電池と、
    を含むことを特徴とする燃料電池システム。
    

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