JP2007223866A - 燃料改質装置、および発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体原料の加圧機構や機械的なポンプが不要で、触媒空間に対する液体原料の供給量を精密かつ高速に制御でき、必要な量の改質ガスを応答性高く出力できる燃料改質装置を提供する。
【解決手段】原料タンク７に貯蔵された液体原料１１は吐出部２によって改質部３に吐出されて水蒸気改質反応する。改質部３は、燃料細管２Ａと吐出部ヒータ９とを有する。燃料細管２Ａは、親和性の高い内壁面により、原料タンク７から毛細管現象で液体原料を吸い込んで自立的に充填する。制御部６は、吐出部ヒータ９をパルス状に通電して、燃料細管２Ａ内の液体原料を気化蒸発させて改質部３に勢い良く吐出させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化水素化合物を含む液体原料を触媒反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する燃料改質装置、詳しくは、改質触媒を配置した空間に液体原料を吐出する機構に関する。

デジタルカメラ、携帯電話、ノートパソコンと言った小型機器に搭載される燃料電池は、燃料として純粋な水素ガスを用いることが望ましい。しかし、純粋な水素ガスの貯蔵には、超低温を保持する魔法瓶、高耐圧大型のガスボンベ、重くて高価な水素吸蔵合金のいずれかを要する。

そこで、メタノール等の炭化水素燃料を液体状態で貯蔵し、燃料改質装置により改質して、必要な量の水素ガスを、その都度発生して燃料電池に供給する発電装置が研究されている。メタノールを改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する代表的な化学反応は、水蒸気改質反応と部分酸化反応とである。

メタノールの水蒸気改質反応は、１５０〜７００度Ｃの高温を維持した改質触媒環境で一連の反応（１）〜（２）を並列に進行させて、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する。このときの主な反応は以下のとおりである。

ここで、（１）は、メタノールの水蒸気改質反応で吸熱反応、（２）は、一酸化炭素のシフト反応で発熱反応である。しかし、（１）の反応における吸熱量が桁違いに大きいため、（１）〜（２）の反応全体としては吸熱反応である。このため、メタノールを水蒸気改質反応させる場合は、触媒空間を外部から継続的に加熱して熱供給する必要がある。メタノール以外の炭化水素化合物を水蒸気改質反応させる場合も同様である。

特許文献１では、吸熱量を相殺して必要な反応温度を維持するために、メタノールの一部を触媒燃焼させて触媒空間に熱供給している。そして、燃料供給量が少なくて発熱量が不足する場合には、電熱ヒータを補助的に作動させて必要な反応温度を確保している。

一方、メタノールの部分酸化反応は、酸素不足の触媒環境でメタノール中の炭素を選択的に酸化反応させて、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する。

ここで、（３）は、メタノールの部分酸化反応で発熱反応、（４）は、改質ガスから一酸化炭素を除去するためのシフト反応で発熱反応である。部分酸化反応は、常温で開始するので、温度上昇を待つことなく、直ちに改質ガスを発生でき、発熱反応なので、水蒸気改質反応のように外部から熱供給する必要は無い。

特許文献２には、メタノールを部分酸化反応により改質する燃料改質装置が示される。

特開２００４−９５１８９号公報 特開２００５−２００２６６号公報

特許文献１の改質装置は、機械的に動作するポンプを使ってメタノールを触媒空間に吐出している。機械的に動作するポンプは、振動や騒音を発生し、吐出量の細かい調整ができない。目的流量に達するまでの立ち上がりが遅いため、フィードバックループで制御すると、過剰応答を引き起して流量の変動が大きくなる。細かい流量調整と高速応答が可能な特殊ポンプは高価で、燃料電池を含めた発電装置の低価格化を妨げる。モーターやドライバを含めると燃料電池の小型化が難しく、改質装置の電力消費も比較的に大きくなる。

特許文献２の改質装置は、気化部に対する燃料供給量を調整するために機械的に動作するポンプが必要である。機械的に動作するポンプを採用すると、機械的なポンプに起因する同様な問題が発生する。

特許文献２の改質装置は、気化部のヒータ投入電力によって蒸発量を制御し、改質部の触媒空間に流れ込む燃料蒸気量を変化させる。しかし、気化部の蒸気圧に抵抗して気化部に液体原料を送り込むには、液体原料の供給系に加圧機構や別のポンプが必要である。改質量の変化や時間経過とともに気化部の温度が変化すると、ヒータ投入電力と蒸気発生量との対応が崩れて、改質部の触媒空間に流れ込む燃料蒸気量をうまく制御できない。

本発明は、液体原料の加圧機構や機械的なポンプが不要で、触媒空間に対する液体原料の供給量を精密かつ高速に制御でき、必要な量の改質ガスを応答性高く出力できる燃料改質装置を提供することを目的としている。これにより、部品点数が少なく、軽量、小型、安価、運転に要する消費電力も小さな発電装置を提供することを目的としている。

本発明の燃料改質装置は、炭化水素化合物を含む液体原料を触媒反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する触媒空間を備えた燃料改質装置において、前記触媒空間に前記液体原料を吐出する吐出手段を備えるものである。前記吐出手段は、前記触媒空間に連通して配置される。前記吐出手段は、前記液体原料に親和性のある内壁面が前記液体原料を充填させて充填された前記液体原料を保持させる原料保持空間と、前記原料保持空間内の圧力を急上昇させて、保持された前記液体原料を前記触媒空間に吐出させる圧力上昇手段とを有する。

本発明の燃料改質装置では、マイクロヒータ、マイクロピエゾ素子等を用いて細管内の圧力を高めてインクを吐出させるプリンタヘッドと同様な動作原理で、吐出手段が、液体原料を触媒空間に吐出供給する。

原料保持空間は、液体原料に対する壁面の高い濡れ性（親和性）によって液体原料を吸い込み、原料保持空間へ液体原料を自律的に充填する。原料保持空間は、液体原料に対する壁面の高い濡れ性（親和性）によって原料保持空間内へ液体原料を保持し、液体原料が触媒空間へ漏れ出すことを阻止する。従って、圧力タンクや機械的に動作するポンプ無しに液体原料を速やかに原料保持空間に充填でき、吸い込み弁や吐出弁構造が無い両端開放状態でも原料保持空間に液体原料を保持できる。

圧力上昇手段は、原料保持空間に保持された液体原料の圧力を急上昇させることにより、壁面による保持力に打ち勝って、圧力が急上昇した部分よりも触媒空間側に保持されていた液体原料を触媒空間へ勢いよく打ち出す。従って、機械的に動作するポンプ無しでも、微小な一定量の液体原料を再現性高く、高速、高頻度に吐出できる。そして、時間当たりの吐出回数を制御することで、１回の打ち出し量（原料保持空間の容積）を単位として、触媒空間に供給する液体原料の流量を精密に制御できる。

圧力上昇手段は、加熱蒸発による圧力上昇を利用してもよい。加熱蒸発の場合、原料保持空間を加熱して液体原料の圧力を直接高めてもよい。しかし、原料保持空間に連通した液体保持空間を加熱して液体保持空間内の液体物質を蒸発させることにより、液体原料の圧力を間接的に高めてもよい。

後者では、原料保持空間に保持された液体原料を液体保持空間に保持された液体物質の圧力上昇によって押し出す。液体保持空間から原料保持空間へ合流する液体物質の運動エネルギーを用いて原料保持空間の液体原料を吐出させる。液体保持空間における圧力が上昇した部分から原料保持空間との合流点を経て吐出口に至るまでの空間に存在した液体原料と液体物質とが触媒空間に打ち出される。合流する角度が触媒空間に向かう角度であるなら、原料保持空間との合流点を経て吐出口に至る流れが合流点手前の液体原料の一部も吸い出して触媒空間に吐出させる。

従って、液体原料を加熱や衝撃に晒すことなく、触媒空間に吐出させる実施形態が可能となる。液体保持空間に供給した水や液体酸化剤を用いて高濃度の炭化水素化合物を含む液体原料を加熱することなく吐出させる実施形態も可能となる。吐出される直前まで、液体原料と水や液体酸化剤とを混合することなく保持し、触媒空間へ吐出して初めて混合させる実施形態も可能となる。液体原料の炭化水素化合物濃度を高くすれば、一定量の原料タンクに充填可能な燃料成分の量が増えて、１回の燃料充填による合計発電量が増大する。

以下、本発明の燃料改質装置の一実施形態である燃料改質装置について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料改質装置は、以下に説明する実施形態の限定的な構成には限定されない。改質反応を行う触媒空間に液体原料を吐出供給する限りにおいて、各実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。

本実施形態では、高温を維持した触媒空間でメタノールを水蒸気改質反応させる実施形態を説明するが、本発明は、過酸化水素水等の酸化剤を用いてメタノールを部分酸化反応させる実施形態も可能である。本実施形態ではメタノールを燃料とした実施形態を説明するが、本発明は、その他の炭化水素化合物を燃料としてもよい。部分酸化反応に用いる酸化剤としては過酸化水素水以外の各種酸化剤も利用できる。

本実施形態の燃料改質装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な電子機器に着脱可能に装備される独立した発電装置の一部として実施できる。また、電子機器に燃料電池および燃料改質装置を一体に組み込んで、原料タンクを着脱させる形式でも実施できる。

なお、特許文献１、２に示される燃料改質装置の構造、触媒物質とその製造方法、改質反応およびシフト反応の運転条件等については、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の発電装置のシステム構成を示すブロック図、図２は吐出部の構成の説明図、図３は制御部による吐出部の制御のフローチャートである。

図１に示すように、発電装置１Ａは、原料タンク７から供給された液体原料を燃料改質装置１により改質反応させて、生成した改質ガスを燃料電池スタック８に供給する。燃料改質装置１は、改質部３生成した改質ガスをＣＯシフト部（シフト反応部）４の触媒空間に導いて、改質ガス中の一酸化炭素をシフト反応させる。ＣＯシフト部４は、補助ヒータ４Ｈによって起動時の触媒温度を確保される。

ＣＯ除去部５は、ＣＯシフト部４を通過した改質ガスに少量残存している一酸化炭素を、触媒を使って選択酸化させることにより、一酸化炭素濃度をさらに１０ｐｐｍ以下にまで低下させる。ＣＯ除去部５の触媒温度は、補助ヒータ５Ｈによって一定に維持される。

改質ガス中の一酸化炭素は、燃料電池スタック８の白金触媒の表面に化合して（白金触媒を被毒して）、正常な触媒反応を妨げる。従って、ＣＯ除去部５を通過して一酸化炭素がほぼ完全に除去された改質ガスが燃料電池スタック８に送り込まれる。燃料電池スタック８は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜を有する発電セルを積層しており、改質ガス中の水素ガスだけを発電用の燃料として消費する。

制御部６は、燃料改質装置１における液体原料の改質量を制御して、燃料電池スタック８で必要なだけの改質ガスを生成させる。制御部６は、燃料改質装置１全体の動作を制御しており、図３のフローチャートに示される原料吐出処理の制御も行う。

原料タンク７は、水素を製造するための液体原料を貯蔵している。原料タンク７中の液体原料は、予め水蒸気改質反応に適した濃度に希釈したメタノール水溶液である。しかし、原料タンク７の容量を小型化する観点からは、水分濃度の低い液体原料が望ましい。液体原料の水分濃度が低い場合は、原料タンク７と吐出部２とを接続する原料流路の途中に混合器を配置すればよい。混合器により、液体原料に水を混合して希釈し、水蒸気改質反応に適した水準まで水分濃度を高めることができる。

なお、液体原料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等がある。予め水と混合できる液体で、水蒸気改質反応により水素ガスを含む改質ガスが得られるなら、どのような化学物質でも使用できる。

吐出部２は、制御部６により制御された吐出サイクルで、原料タンク７から間歇的に液体原料を吸い込んで、改質部３に吐出する。改質部３は、吐出部２から吐出された液体原料を水蒸気改質反応させて、水素ガスを含む改質ガスを生成する。ＣＯシフト部４は、改質部３で生成された改質ガスに含まれている一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて、水素ガスと二酸化炭素とを生成する。

図２、図３を参照して、吐出部２の構造と処理とを詳細に説明する。図２に示すように、吐出部２は、原料タンク７に連通して両端が開放された中空の燃料細管２Ａの外側に吐出部ヒータ９を配置している。

燃料細管２Ａの内壁は、液体原料１１と親和性のある材料で作られている。従って、原料タンク７側から液体原料を引き寄せて自律的に燃料細管２Ａ内に満たす。燃料細管２Ａの出口部分は、液体原料１１と親和性のない材料で作られている。従って、仮に原料タンク７側から大きな加圧を受けたとしても、液体原料１１は、燃料細管２Ａに留まって改質部３の触媒空間３Ａに漏れ出さない。

メタノール５０％水溶液のように親水性の高い液体原料を用いる場合、燃料細管２Ａの内壁面は親水性の材料で構成する。吐出部２と改質部３との間には、高温の改質部３による燃料細管２Ａの過熱を避ける断熱／冷却構造が設けてある。

燃料細管２Ａおよび吐出部ヒータ９は、小さな熱容量に形成されて、短い吐出サイクルでの加熱／冷却を可能にしてある。吐出部ヒータ９は、パルス状の通電を受けて燃料細管２Ａを急速加熱して、内部の液体原料１１を瞬時に蒸発させて圧力を急上昇させる。これにより、燃料細管２Ａの出口側の液体原料１１を気化して、改質部３の触媒空間３Ａに吹き飛ばす。

第１実施形態では、蒸気圧で細管内の液体を吹き飛ばすプリンタヘッドとは異なり、吐出部２が液体原料１１の気化器を兼ねている。吐出部２の先端側の比較的に広い範囲を吐出部ヒータ９で加熱して内部の液体原料１１を瞬時に蒸発気化させ、気化した燃料ガスを改質部３に送り込む。改質部３に送り込まれた燃料ガスは、既に気化しているので改質部３で瞬時に効率よく改質される。

吐出部２の内面は、改質部３の直前までが液体原料１１と親和性のある表面なので、液体原料１１の気化熱で冷却された燃料細管２Ａは、浸透圧で液体原料１１を自律的に吸い込んでさらに冷却される。吐出部ヒータ９は、図１の制御部６によって電気的に制御されて、高速で吐出部ヒータ９のＯＮ、ＯＦＦを繰り返し行うことができる。

改質部３の触媒空間３Ａには、Ｎｉ等の改質触媒がモノリス構造（多孔質セラミック組織）で担持される。触媒空間３Ａの外側に周辺から熱供給して改質反応温度を一定に保つ改質部ヒータ１０が配置される。吐出部２から触媒空間３Ａに吐出された燃料ガスは、改質部ヒータ１０によって高温に保持された改質触媒の働きにより、効率良く水蒸気改質反応して改質ガス１２に改質される。

改質部３の触媒空間３Ａで起こる水蒸気改質反応は、上述したように吸熱反応なので、改質部ヒータ１０は、改質部３の温度を所定の温度に保つように、改質部３を加熱する。改質部ヒータ１０は、触媒空間３Ａの外壁温度を検知する温度センサの出力をフィードバックして不図示の独立した温度制御集積回路により投入電力を調整される。

ここで、制御部６、改質部ヒータ１０等で消費される制御用電力を燃料電池スタック８で発電した電力の２３％とし、燃料電池スタック８の水素利用効率を８７％とする。このとき、燃料電池スタック８で１Ｗの端子間電力（外部に取り出せる電力）を発生させるために必要な水素の量は、毎分１５ｍｌ程度である。

メタノール５０％水溶液の液体原料１１を用いた場合、１μｌの液体原料１１を水蒸気改質反応させて約０．８ｍｌの水素ガスを生成できる。従って、０．１Ｗの発電のためには、吐出部２は、改質部３へ毎分２μｌの原料を吐出する必要がある。吐出サイクル（吐出部ヒータ９の毎秒作動回数）を１００Ｈｚとすると、吐出１回当たり必要な液体原料１１の吐出量は３３ｐｌである。３３ｐｌを吐出するためには、吐出部２の内径を１００μｍ、吐出部ヒータ９の端（改質部３から遠いほうの端）から吐出部２先端までの長さを、４０μｍとすればよい。

図３に示すように、燃料改質装置１の動作が開始すると、制御部６は、燃料電池スタック６の発電状態（端子電圧）等の情報をもとに、必要な水素供給流量を算出する。そして、必要な水素供給量をもとに、改質部３に供給する原料供給流量ｑ（μｌ／ｓｅｃ）を算出する（Ｓ０１）。

次に、吐出部２の一回の吐出量ａ（μｌ）から、原料供給流量ｑ（μｌ／ｓｅｃ）だけ吐出するために必要な吐出回数Ｎを算出し、吐出回数Ｎ（／ｓｅｃ）から吐出間隔Ｔ（ｓｅｃ）を算出する（Ｓ０２）。吐出間隔Ｔ（ｓｅｃ）は、以下のように求められる。

Ｎ ＝ ｑ／ａ ：小数点以下を切り上げた整数
Ｔ ＝ １／Ｎ

次に、吐出部ヒータ９を加熱時間Δｔ（ｓｅｃ）でパルス状に加熱する（Ｓ０３）。これにより、液体原料１１を気化して改質部３へ吐出する（Ｓ０４）。

吐出部ヒータ９の加熱により、吐出部ヒータ９に隣接している部分の燃料が蒸発気化する。その結果、周りの液体原料１１に圧力がかかる。しかし、原料タンク７側に比べて、改質部３側の液体原料１１の質量は、極めて小さいため、液体原料１１が気化したときに発生する圧力で、改質部３の方に向けて勢い良く、吐出部２先端の液体原料１１とともに気化した燃料ガスが吐出する。

次に、吐出部ヒータ９の加熱時間をΔｔ（ｓｅｃ）としたとき、吐出間隔Ｔを実現するために、休止時間ｔだけ休止する（Ｓ０５）。

ｔ ＝ Ｔ − Δｔ（ｓｅｃ）

吐出部２は、燃料細管２Ａで構成されているので、休止時間ｔの間に、毛細管現象により液体原料１１が原料タンク７から吐出部２に吸い込まれ、吐出部２内部は、再び液体原料１１で充填される。

次に、燃料改質装置１の動作終了か否かをチェックし（Ｓ０６）、終了の場合（Ｓ０６のＹ）は、本処理を終了する。終了でない場合（Ｓ０６のＮ）は、原料供給流量ｑ（μｌ／ｓｅｃ）を算出して（Ｓ０１）、ステップＳ０１〜Ｓ０６の処理を繰り返す。

第１実施形態の発電装置１Ａでは、液体原料１１を改質部３に供給する部分を燃料細管２Ａで構成し、燃料細管２Ａの一部を加熱して管内の液体原料１１を蒸発させる。そして、このときの発生する力を利用して、液体原料１１を改質部３に送り込むことにより、ポンプを使わずに液体原料１１を送液する。また、送液のために液体原料１１を蒸発させているので、そのエネルギー分だけ、燃料改質装置１で使用するエネルギーが節約でき、発電装置１Ａ全体として効率良いシステムが構築できる。さらに、吐出部２の燃料細管２Ａが十分細ければ、吐出部ヒータ９の加熱で燃料細管２Ａ内の液体原料１１がすばやく加熱されるので、１００Ｈｚというプリンタヘッド並みの高速の吐出応答で液体原料１１の供給を制御できる。

＜第２実施形態＞
図４は第２実施形態における吐出部と改質部との構成の説明図、図５は制御部による吐出部の制御のフローチャートである。第２実施形態では、図１に示す発電装置１Ａのシステム構成における吐出部２、改質部３をそれぞれ図４に示す吐出部１３、改質部１６に置き換えている。これ以外の構成は第１実施形態と同じなので、発電装置１Ａのシステムの詳細な説明は省略する。

第１実施形態における吐出部２は、１本の燃料細管２Ａで構成され、液体原料１１の吐出量は、吐出間隔Ｔを縮めて増やすことができる。しかし、吐出部ヒータ９で加熱して液体原料１１を吐出させた後、毛細管現象で再び吐出部２に原料が充填されるまでの休止時間ｔは、最低限待つ必要があり、それ以上の短い間隔では吐出できない。従って、多量の水素ガスを出力する必要がある場合、液体原料１１の吐出量が不足することがある。第２実施形態では、この点を改善して、多量の水素ガスを出力する必要がある場合においても、それを生成するのに十分な液体原料１１を改質部１６に供給できる吐出部１３の構造を示す。

図４に示すように、第２実施形態における吐出部１３は、改質部１６と接続する部分が、複数の燃料細管（吐出細管）１４で構成されている。従って、毎秒吐出量に応じた２本以上の燃料細管１４から液体原料１１を同時に吐出させることで、吐出間隔Ｔに吐出される液体原料１１を本数倍に高める。

なお、複数の燃料細管１４から順次吐出させて、１つの燃料細管１４の休止時間ｔにも、ほぼ連続的に液体原料１１を改質部１６に供給させることにより、液体原料１１の毎秒吐出量を増加させてもよい。

吐出部ヒータ１５は、燃料細管１４ごとに独立して通電／加熱が可能で、制御部６（図１）によって燃料細管１４ごとに独立に加熱を制御される。改質部１６は、吐出部１４の燃料細管１４とそれぞれ連結した構造になっており、内部に改質触媒であるＮｉ触媒がモノリス構造で担持されている。

第１実施形態と同様に、吐出部ヒータ１５の加熱によって、吐出部１４からは、液体原料１１が気化状態で改質部１６に吐出される。改質部１６に吐出された燃料ガスが改質部１６を通過する間に、改質触媒によって効率良く水蒸気改質反応される。改質部ヒータ１７は、改質部１６を一体に覆って配置され、改質部１６の燃料細管１４内の触媒空間を加熱して水蒸気改質反応に必要な所定の温度に保つ。改質部ヒータ１７と吐出部１３の間には、不図示の断熱／冷却構造を設けて、吐出部１３の液体原料１１を不必要に過熱させない。

第２実施形態では、制御部６（図１）が図５のフローチャートに従って液体原料１１の吐出処理を行う。図５に示すように、燃料改質装置１の動作が開始すると、制御部６は、燃料電池スタック８の発電状態等の情報をもとに、必要な水素供給流量を算出する。そして、水素供給流量をもとに、改質部１３に供給する液体原料１１の原料供給流量ｑ（μｌ／ｓｅｃ）を算出する（Ｓ１１）。

次に、一本の燃料細管１４から吐出できる最大原料流量ｆ（μｌ／ｓｅｃ）をもとに、吐出に必要な燃料細管１４の本数Ｍを算出する（Ｓ１２）。本数Ｍ本の燃料細管１４を用いるので、１本の燃料細管１４に割り当てられる原料供給流量ｑ１（μｌ／ｓｅｃ）は、
ｑ１＝ｑ／Ｍ
となる。１本の燃料細管１４が吐出する１回の吐出量ａ（μｌ／ｓｅｃ）を用いて、１本の燃料細管１４の吐出間隔Ｔを算出する（Ｓ１３）。

Ｎ ＝ ｑ１／ａ ＝ ｑ／（Ｍ×ａ） ：小数点以下を切り上げた整数
Ｔ ＝ １／Ｎ

次に、吐出部１３に備わっている複数の燃料細管１４の中から、吐出に使用する本数Ｍの燃料細管１４を選択する（Ｓ１４）。決定方法は、燃料細管１４および吐出部ヒータ１５の耐久性の観点から、個々の燃料細管１４の使用頻度が全ての燃料細管１４にわたって一様になるように、複数の燃料細管１４を順番に割り当てる。なお、乱数を用いた抽選演算によって本数Ｍの燃料細管１４を選択してもよい。

次に、選択された燃料細管１４の吐出部ヒータ１５だけを同時にパルス状に通電して選択的に加熱する（Ｓ１５）。これにより、それらの燃料細管１４中の液体原料１１を吐出する（Ｓ１６）。この加熱により、吐出部ヒータ１５に隣接している燃料細管１４内の液体原料１１が蒸発気化する。その結果、周りの液体原料１１に圧力がかかる。しかし、原料タンク７側に比べて改質部１６側の液体原料１１の質量は、極めて小さいため、液体原料１１が気化したときに発生する圧力で、吐出部１３先端の液体原料１１とともに気化した燃料ガスが改質部１６に向けて勢い良く吐出する。

次に、吐出部ヒータ９の加熱時間をΔｔ（ｓｅｃ）としたとき、吐出間隔Ｔを実現するために、休止時間ｔだけ休止する（Ｓ１７）。

ｔ ＝ Ｔ − Δｔ（ｓｅｃ）

吐出部２は、燃料細管２Ａで構成されているので、休止時間ｔの間に、毛細管現象により液体原料１１が原料タンク７から燃料細管１４に吸い込まれて、吐出部１３内部は、再び液体原料１１で充填される。

次に、燃料改質装置１の動作終了か否かをチェックし（Ｓ１８）、終了の場合（Ｓ１８のＹ）は、本処理を終了する。終了でない場合（Ｓ１８のＮ）は、ステップＳ１１〜Ｓ１８の処理を繰り返す。

第２実施形態によれば、複数の燃料細管１４を用いることにより、１本の燃料細管１４では供給できない多量の液体原料１１についても、効率的に気化して改質部１６に供給して効率的に水蒸気改質反応させることが可能となる。

＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態の発電装置のシステム構成を示すブロック図、図７は吐出部の構成の説明図、図８は制御部による吐出部の制御のフローチャートである。第３実施形態の発電装置１Ｂは、水タンク１９から供給した水１８を用いて液体原料の吐出を行うための構成以外は、第１実施形態と同様に構成されている。従って、第１実施形態と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、原料タンク７は、水素を製造するための液体原料を貯蔵している。燃料電池スタック８は、燃料改質装置１Ｂで製造した水素ガスを使用して発電する。水タンク１９は、燃料電池スタック８で発電に伴って生成された水１８を、水回収装置２０により回収して、貯蔵している。水素を製造するための原料としては、ガソリン等の炭化水素、メタノール、エタノール、ブタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等がある。水蒸気改質反応により水素混合ガスが得られるものなら、どのような化学物質でも使用できる。水タンク１９の水は、後述の吐出部２２で、液体原料と混合され、液体原料を、水蒸気改質反応に適した濃度の水溶液にする。

改質部３は、内部にＮｉ等の改質触媒を担持し、改質部ヒータ１０で周辺から加熱されて、水蒸気改質反応に適した温度に維持される。改質部３は、吐出部２２から吐出された液体原料１１を水蒸気改質反応させて、水素ガスと二酸化炭素等とを含む改質ガス１２を生成する。

ＣＯシフト部４は、改質部３で生成された改質ガス１２に含まれる一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて水素を生成する。ＣＯ除去部５は、ＣＯシフト部４を通過した改質ガスに残存している一酸化炭素を、触媒を使って選択酸化し、一酸化炭素の濃度を１０ｐｐｍ程度以下まで低下させる。

ＣＯ除去部５で一酸化炭素が除去された改質ガス１２は、燃料電池スタック８に送り込まれて、発電用の燃料として使用される。制御部６は、発電装置１Ｂ全体の動作と、図８のフローチャートで詳述する液体原料１１の吐出処理の制御とを行う。水回収装置２０は、燃料電池スタック８で発電したとき発生する水１８を、周知の技術を用いて、水タンク１９に回収する。水回収装置２０を用いて水１８を循環利用することにより、予め水タンク１９に貯蔵しておく水１８の量を削減している。

図７に示すように、吐出部２２は、液体原料１１を保持する燃料細管２２Ａと、燃料細管２２Ａに合流させた水細管２２Ｂと、水細管２２Ｂを加熱する水細管ヒータ２９とを有する。燃料細管２２Ａは、中空の細い管でできており、管の内壁は、液体原料１１と親和性のある材料で作られている。例えば、ガソリンのように、疎水性の高い原料を用いた場合は、管の内壁は疎水性の材料で構成する。水細管２２Ｂは、中空の細い管でできており、燃料細管２２Ａが改質部３と接続する近傍で、燃料細管２２Ａと接続しており、内部は、燃料細管２２Ａと連通している。水細管２２Ｂの内壁は、親水性の材料で作られている。

水細管ヒータ２９は、電気的に制御されて水細管２２Ｂを加熱するもので、パルス状に通電されて高速でＯＮ、ＯＦＦを繰り返し行うことができる。改質部３は、内部に水蒸気改質反応用の改質触媒がモノリス構造で担持されている。改質部ヒータ１０が改質部の温度を所定の温度に保つように改質部を加熱する。改質部３で起こる水蒸気改質反応は吸熱反応なので、改質部ヒータ１０は、改質触媒に熱供給して、反応温度を所定の温度に保つ。これにより、吐出部２２から吐出された水蒸気と液体原料１１との混合物が改質部３を通過すると、改質触媒の働きにより効率良く、改質ガス１２に改質される。

燃料電池スタック８の水素利用効率を８７％、発電装置１Ｂ内部の制御用に使用する電力を、燃料電池スタック８で発電した電力の２３％とする。このとき、燃料電池スタック８で１Ｗの端子間電力（外部に取り出せる電力）を発生させるために必要な水素の量は、毎分１５ｍｌ程度である。

液体原料１１としてメタノール（１００％濃度）を用いた場合、水蒸気改質反応では、５０％の水溶液に希釈する必要がある。メタノールの５０％水溶液１μｌから約０．８ｍｌの水素を生成することができるので、０．１Ｗの発電のためには、毎分２μｌのメタノール５０％水溶液を改質部３に吐出することになる。つまり、１分間あたり１μｌのメタノール（１００％濃度）と１μｌの水１８が必要である。

水細管ヒータ２９による水吐出サイクルを、１００Ｈｚとすると、１回当たりに必要な水１８の吐出量は１７ｐｌである。この量を吐出するためには、水細管２２Ｂの内径を１００μｍ、水細管ヒータ２９の端（燃料細管２２Ａと接続している個所から遠いほうの端）から燃料細管２２Ａとの接続個所までの長さを、２０μｍとすればよい。

また、燃料細管２２Ａの内径を１００μｍとすると、水細管２２Ｂと接続している個所から改質部３と接続している個所までの長さを２０μｍとすればよい。水細管２２Ｂから吐出された水蒸気は、燃料細管２２Ａ内の液体原料１１を押して、液体原料１１とともに改質部３に吐出される。上記の構成で、毎分２μｌのメタノール５０％水溶液が改質部３に吐出される。

第３実施形態では、水細管２２Ｂの先端部を水細管ヒータ２９で加熱し、水１８を蒸発気化させ、気化した水蒸気で燃料細管２２Ａの液体原料１１を押し、水蒸気と液体原料１１とを一緒に改質部３に送り込む。

従って、吐出のために、水細管ヒータ２９で直接加熱されるのは、水１８だけであり、液体原料１１は直接加熱されないので、炭化水素化合物を加熱すると発生しがちな焦げ付きにより燃料細管２２Ａが詰まる心配がない。水細管２２Ｂおよび燃料細管２２Ａの内面は、それぞれ水１８および液体原料１１と親和性のある表面で形成されており、水１８および液体原料１１は浸透圧で再充填される。

ここで、原料タンク７から燃料細管２２Ａに液体原料１１が流れる際の抵抗と、水タンク１９から水細管２２Ｂに水１８が流れる際の抵抗とを調節して、水細管２２Ｂの水１８の方が、燃料細管２２Ａの液体原料１１よりも早く再充填されるようにしてある。水細管２２Ｂの先端（燃料細管２２Ａとの接続個所）に気泡を残さないためである。

また、水細管２２Ｂが燃料細管２２Ａと接続する位置を調節して、水１８を吐出し、水１８と液体原料１１との混合物を改質部３に送り込む際の水１８／液体原料１１混合比を、液体原料１１に応じて水蒸気改質反応に最適な混合比にしてある。

さらに、液体原料１１を予め水１８と混合しておく必要が無いので、水１８に難溶性の液体原料１１でも、改質反応させる燃料として利用できる。

図６、図７を参照して図８に示すように、燃料改質装置１の動作が開始すると、制御部６は、燃料電池スタック８の発電状態等の情報をもとに、必要な水素供給流量を算出する。そして、水素供給流量をもとに、改質部３に供給する液体原料１１と水１８との混合物供給流量ｑ（μｌ／ｓｅｃ）を算出する（Ｓ２１）。

次に、混合物供給流量ｑ（μｌ／ｓｅｃ）だけ吐出するために必要な１秒間あたり吐出回数Ｎを算出し、吐出回数Ｎから吐出間隔Ｔ（ｓｅｃ）を算出する（Ｓ２２）。ここで、水細管２２Ｂを水細管ヒータ２９で１回加熱したときに改質部３に吐出される液体原料１１と水１８との混合物吐出量ａ（μｌ：溶液状態の体積）とする。吐出間隔Ｔは、以下のように求められる。

Ｎ ＝ ｑ／ａ ：小数点以下を切り上げた整数
Ｔ ＝ １／Ｎ

次に、水細管ヒータ２９を加熱して（Ｓ２３）、水１８の吐出を行う（Ｓ２４）。水細管ヒータ２９の加熱により、水細管ヒータ２９に隣接している水細管２２Ｂ内の水１８が蒸発気化する。その結果、周りの水１８及び水細管２２Ｂと連通している燃料細管２２Ａの液体原料１１に圧力がかかる。しかし、水タンク７側にくらべて、改質部３側への経路中の液体質量（水１８と液体原料１１）は、極めて小さいため、水１８が気化したときに発生する圧力で、改質部３の方にむけて、水蒸気は、燃料細管２２Ａの液体原料１１とともに勢い良く吐出する。

次に、水細管ヒータ２９の加熱時間をΔｔ（ｓｅｃ）としたとき、吐出間隔Ｔを実現するために、休止時間ｔだけ休止する（Ｓ２５）。

ｔ ＝ Ｔ − Δｔ（ｓｅｃ）

水細管２２Ｂは細い管で構成されているので、休止時間ｔの間に、毛細管現象により水１８が水タンク１９から水細管２２Ｂに吸い込まれ、水細管２２Ｂの内部は、再び水１８で充填される。同様に、燃料細管２２Ａも細い管で構成されているので、休止時間ｔの間に、毛細管現象により液体原料１１が原料タンク７から燃料細管２２Ａに吸い込まれ、吐出部２２内部は、再び液体原料１１で充填される。

次に、燃料改質装置１の動作終了か否かをチェックし（Ｓ２６）、終了の場合（Ｓ２６のＹ）は、本処理を終了する。終了でない場合（Ｓ２６のＮ）は、ステップＳ２１〜Ｓ２６の処理を繰り返す。

第３実施形態の発電装置１Ｂでは、液体原料１１を供給する燃料細管２２Ａを改質部３に接続する。その接続個所の直前で水１８を供給する水細管２２Ｂを液体原料１１を供給する燃料細管２２Ａに内部が連通するように接続する。そして、水１８を供給する水細管２２Ｂの一部を加熱して内部の水を蒸発気化させ、このとき発生する力を利用して水１８と液体原料１１とを改質部３に送り込む。これにより、液体原料１１を改質部３に供給するための機械的動作のポンプを不要にし、かつ水１８と難溶性の液体原料１１でも水蒸気改質できる。

さらに、送液のために水１８を蒸発させているので、そのエネルギー分だけ、改質部３で使用するエネルギーが節約でき、エネルギー効率の良いシステムが構築できる。

また、水細管２２Ｂが細いため、水細管ヒータ２９の加熱で水細管２２Ｂ中の水１８は素早く加熱され、液体原料１１と水１８との混合物が改質部３に吐出される応答が速く、水素ガスの生成量を素早く制御できる。

＜第４実施形態＞
図９は第４実施形態における吐出部と改質部との構成の説明図、図１０は制御部による吐出部の制御のフローチャートである。第４実施形態では、図６に示す発電装置１Ｂのシステム構成における吐出部２２、改質部３をそれぞれ図４に示す吐出部２３、改質部２６に置き換えている。これ以外の構成は第３実施形態と同じなので、発電装置１Ｂのシステムの詳細な説明は省略する。

第３実施形態における吐出部２２は、１本ずつの細管２２Ａ、２２Ｂで構成され、液体原料１１の吐出量は、吐出間隔Ｔを縮めて増やすことができる。しかし、吐出部ヒータ２９で加熱して液体原料１１を吐出させた後、毛細管現象で再び吐出部２２に原料が充填されるまでの休止時間ｔは、最低限待つ必要があり、それ以上の短い間隔では吐出できない。従って、多量の水素ガスを出力する必要がある場合、液体原料１１の吐出量が不足することがある。第４実施形態では、この点を改善して、多量の水素ガスを出力する必要がある場合においても、それを生成するのに十分な液体原料１１を改質部２６に供給できる吐出部２３の構造を示す。

第４実施形態における吐出部２３は、吐出用の燃料細管２４と水細管２８とを複数組有しており、複数組の燃料細管２４、水細管２８から並列に吐出させることにより、液体原料１１と水１８との混合物の吐出量を増加させる。吐出部２３は、複数の燃料細管２４のそれぞれに水細管２８を合流配置している。燃料細管２４と水細管２８との位置関係は第３実施形態と同じである。

燃料細管２４は、中空の細い管でできており、改質部２６と連結している。燃料細管２４の内壁は、液体原料１１と親和性のある材料で作られている。例えば、ガソリンのように、疎水性の高い液体原料１１を用いた場合は、管の内壁は疎水性の材料で構成する。

水細管２８は、中空の細い管でできており、燃料細管２４が改質部２６と接続する近傍で、燃料細管２４と接続しており、内部は、燃料細管２４と連通している。水細管２８の内壁は、親水性の材料で作られている。複数の水細管ヒータ２５は、制御部６によって電気的に制御されて、吐出させる水細管２８を加熱するもので、それぞれ独立に高速でＯＮ、ＯＦＦを繰り返し行うことができる。

改質部２６は、吐出部２３の燃料細管２４と連結した構造になっており、内部に水蒸気改質反応用のＮｉ触媒がモノリス構造で担持されている。改質部ヒータ２７は、複数の改質部２６を一体に加熱して、改質部２６の温度を水蒸気改質反応に必要な所定の温度に保つ。これにより、燃料細管２４から吐出された水蒸気と液体原料１１との混合物が通過する間に、効率よく水蒸気改質反応されて改質ガス１２が生成される。

図６、図９を参照して図１０に示すように、燃料改質装置１Ｂの動作が開始すると、制御部６は、燃料電池スタック８の発電状態等の情報をもとに、必要な水素供給流量を算出する。そして、水素供給流量をもとに、改質部２６に供給する液体原料１１と水１８との混合物供給流量ｑ（μｌ／ｓｅｃ）を算出する（Ｓ３１）。

次に、吐出に必要な燃料細管２４（水細管２８）の本数Ｍを算出する（Ｓ３２）。水細管２８を水細管ヒータ２５で１回加熱したときに改質部２６に吐出される液体原料１１と水１８との混合物吐出量ａ（μｌ：溶液状態の体積）とする。

Ｍ本の燃料細管２４を用いるので、１本の燃料細管２４あたりの、液体原料１１と水１８との混合物の吐出量は、１秒間あたりｑ／Ｍ （μｌ／ｓｅｃ）となる。このときの吐出間隔Ｔと回数Ｎとを、混合物吐出量ａ（μｌ／ｓｅｃ）から、以下の式に従って算出する（Ｓ３３）。回数Ｎは、１秒間あたり１本の燃料細管２４が吐出する回数である。

Ｎ ＝ ｑ／（Ｍ×ａ） ：小数点以下を切り上げた整数
Ｔ ＝ １／Ｎ

次に、吐出部２３に備わっている燃料細管２４のなかから、１回の吐出に使用するＭ本の燃料細管２４を決定する（Ｓ３４）。決定の仕方は、乱数を用いたり、順番に使用するなどどのような方法でも良いが、燃料細管１４および水細管２８の耐久性の観点からは、燃料細管２４の使用頻度が全ての燃料細管２４にわたって一様になるのが好ましい。

次に、決定した燃料細管２４に接続している水細管２８の水細管ヒータ２５だけを選択的に加熱して（Ｓ３５）、水１８の吐出を行う（Ｓ３６）。水細管ヒータ２５の加熱により、水細管ヒータ２５に隣接している水細管２８内の水１８が蒸発気化する。その結果、周りの水１８及び水細管２８と連通している燃料細管２４の液体原料１１に圧力がかかる。しかし、水タンク１９側に比べて、改質部２６側への経路中の液体（水１８と液体原料１１）の質量は、極めて小さいため、水１８が気化したときに発生する圧力で、改質部２６の方に向けて、水蒸気は、燃料細管２４内の液体原料１１とともに勢い良く吐出する。

次に、吐出部ヒータ９の加熱時間をΔｔ（ｓｅｃ）としたとき、吐出間隔Ｔを実現するために、休止時間ｔだけ休止する（Ｓ３７）。

ｔ ＝ Ｔ − Δｔ（ｓｅｃ）

水吐出細管２８は細い管で構成されているので、この休止時間ｔの間に、毛細管現象により水１８が水タンク１９から水細管２８に吸い込まれ、水細管２８内部は、再び水１８で充填される。同様に、燃料細管２４も細い管で構成されているので、休止時間ｔの間に、毛細管現象により液体原料１１が原料タンク７から原料細管２４に吸い込まれ、燃料細管２４内部は、再び液体原料１１で充填される。

次に、燃料改質装置１の動作終了か否かをチェックし（Ｓ３８）、終了の場合（Ｓ３８のＹ）は、本処理を終了する。終了でない場合（Ｓ３８のＮ）は、ステップＳ３１〜Ｓ２８の処理を繰り返す。

以上の処理により、複数組の燃料細管２４、水細管２８を用いて、第３実施形態の１組の燃料細管２２Ａ、水細管２２Ｂでは供給できない多量の液体原料１１についても支障無く供給して、効率良く改質ガス１２を生成することが可能となる。

＜比較例の燃料改質装置＞
燃料電池は、水素ガスやメタノールなどの燃料と酸素とを化学反応させて得られる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、高い発電効率を得ることができる。また、機械的な駆動部が少ないため騒音が非常に小さく、小型化も可能であるという特徴がある。

小型の燃料電池としては、固体高分子型の燃料電池が挙げられ、ノートパソコンや携帯電話等、携帯用機器の電源として使用するものが考案されている。これは、アルカリ電池等の一次電池や、ニッケルイオン電池等の二次電池の代わりに使うもので、電気機器に搭載して使用できる。

燃料電池用の燃料としては、水素ガスや、メタノールが利用されている。水素ガスを燃料とした場合は、発電効率が良く、小型で大出力の燃料電池を作ることができる。小型の容器に水素を貯蔵する方法として水素吸蔵合金が広く使用されている。しかし、水素吸蔵合金は貯蔵できる水素の量が少なく（室温で水素貯蔵合金に貯蔵される水素の量は水素吸蔵合金の重さ当たり１％程度）、体積当たり、および重量当たりのエネルギー密度が小さいという問題がある。

燃料としてメタノールを用いた場合、原料タンクの体積エネルギー密度、重量エネルギー密度は大きくなる。しかし、ダイレクトメタノール方式でメタノールを直接燃料電池の燃料に利用した場合は、メタノールの発電効率が悪く、大きな出力を得るためには燃料電池の発電部を大型にする必要がある。

そこで、最近、メタノールを水素製造の原料として使用し、小型改質器を利用してメタノールから水素を生成し、その水素を燃料電池に使用する技術開発がすすめられている。

炭化水素系化合物から、水素を生成する方法として、水蒸気改質法がある。これは、ガソリン等の炭化水素、メタノール、エタノール、ブタノール等のアルコール類など、少なくとも炭素と水素を含有する化合物に、水を加えて触媒中で反応させて、水素ガスを生成させるものである。炭化水素の水蒸気改質では、化合物の種類に応じて１５０℃から７００℃程度の高温で、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を主成分とする改質ガスが得られる。

特許文献１には、メタノールを水素製造の原料として利用し、機械的に動作するポンプを使って原料を、改質器におくり、改質器で水素に改質した後、燃料電池に利用する技術が開示されている。しかし、特許文献１の発明を利用して、小型の燃料電池をつくろうとすると、原料燃料供給のためのポンプが必要となり、燃料電池が大型化する問題がある。さらに、ポンプを動かすためには、電力が必要であるが、その電力は、原料を改質部に送り込むためだけに利用されており、原料の気化等、原料の改質反応のためには、何ら有効に利用されていない。

これに対して、第１実施形態では、液体原料１１を改質部３に供給する部分を燃料細管２Ａで構成し、燃料細管２Ａの一部を加熱して管内の液体原料１１を蒸発気化させ、このときの発生する力を利用して液体原料１１を改質部３に送り込む。これにより、液体原料１１を改質部３に供給するための機械的動作のポンプを不要にした燃料改質装置１Ａを提供する。

また、水蒸気改質反応させる場合は、液体原料１１に前もって水１８を加えて、水溶液にする必要があるので、原料としてガソリン等、水１８と混合しにくいものは使えない。

これに対して、第３実施形態では、液体原料１１を供給する細管２２Ａを改質部３に接続する。その接続個所の直前で水を供給する水細管２２Ｂを液体原料１１を供給する燃料細管２２Ａに内部が連通するように接続する。そして、水１８を供給する水細管２２Ｂの一部を加熱し、内部の水を蒸発気化させ、このときの発生する力を利用して水１８と液体原料１１とを改質部３に送り込む。これにより、液体原料１１を改質部３に供給するための機械的動作のポンプを不要にし、かつ水１８と難溶性の液体原料１１でも水蒸気改質できる。

＜発明との対応＞
燃料改質装置１は、炭化水素化合物を含む液体原料を触媒反応させて、水素ガスを含む改質ガスを生成する改質部３を備えた燃料改質装置において改質部３に液体原料を吐出する吐出部２を備えたものである。吐出部２は、改質部３に連通して配置され、液体原料に親和性のある内壁面が、液体原料を充填させて、充填された液体原料を保持させる燃料細管２ａと、燃料細管２ａ内の圧力を急上昇させて、保持された液体原料を改質部３に吐出させる吐出部ヒータ９とを有する。

燃料改質装置１では、マイクロヒータ、マイクロピエゾ素子等を用いて細管内の圧力を高めてインクを吐出させるプリンタヘッドと同様な動作原理で、吐出部２が、液体原料を改質部３に吐出供給する。

燃料細管２ａは、液体原料に対する壁面の高い濡れ性（親和性）によって液体原料を吸い込み、燃料細管２ａへ液体原料を自律的に充填する。燃料細管２ａは、液体原料に対する壁面の高い濡れ性（親和性）によって、燃料細管２ａ内へ液体原料を保持し、液体原料が改質部３へ漏れ出すことを阻止する。従って、圧力タンクや機械的に動作するポンプ無しに液体原料を速やかに燃料細管２ａに充填でき、吸い込み弁や吐出弁構造が無い両端開放状態でも燃料細管２ａに液体原料を保持できる。

吐出部ヒータ９は、燃料細管２ａに保持された液体原料の圧力を急上昇させることにより、壁面による保持力に打ち勝って、圧力が急上昇した部分よりも改質部３側に保持されていた液体原料を改質部３へ勢いよく打ち出す。従って、機械的に動作するポンプ無しでも、微小な一定量の液体原料を再現性高く、高速、高頻度に吐出できる。そして、時間当たりの吐出回数を制御することで、１回の打ち出し量（燃料細管２ａの容積）を単位として、改質部３に供給する液体原料の流量を精密に制御できる。

燃料改質装置１における吐出部ヒータ９は、燃料細管２ａをパルス状に加熱して燃料細管２ａに保持された液体燃料の少なくとも一部を蒸発させる。

第２実施形態の燃料改質装置１は、燃料細管２２ａに連通して配置される。そして、液体原料に混合される液体物質に親和性のある内壁面が液体物質を充填させて充填された液体物質を保持する水細管２２Ｂと、水細管２２Ｂをパルス状に加熱して水細管２２Ｂに保持された液体物質の少なくとも一部を蒸発させる吐出部ヒータ９とを有する。

燃料細管２２Ａに保持された液体原料を水細管２２Ｂに保持された液体物質の圧力上昇によって押し出す。水細管２２Ｂから燃料細管２２Ａへ合流する液体物質の運動エネルギーを用いて燃料細管２２Ａの液体原料を吐出させる。水細管２２Ｂにおける圧力が上昇した部分から燃料細管２２Ａとの合流点を経て吐出口に至るまでの空間に存在した液体原料と液体物質とが改質部３に打ち出される。合流する角度が改質部３に向かう角度（鋭角）なので、燃料細管２２Ａとの合流点を経て吐出口に至る流れが合流点手前の液体原料の一部も吸い出して改質部３に吐出させる。

従って、液体原料を加熱や衝撃に晒すことなく、改質部３に吐出させる実施形態が可能となる。水細管２２Ｂに供給した水や液体酸化剤を用いて高濃度の炭化水素化合物を含む液体原料を加熱することなく吐出させる実施形態も可能となる。吐出される直前まで、液体原料と水や液体酸化剤とを混合することなく保持し、改質部３へ吐出して初めて混合させる実施形態も可能となる。液体原料の炭化水素化合物濃度を高くすれば、一定量の原料タンクに充填可能な燃料成分の量が増えて、１回の燃料充填による合計発電量が増大する。

燃料改質装置１は、吐出部ヒータ９による時間当たり加熱回数を制御して、改質部３に対する液体原料の流量を調整する制御部６を備える。

第２実施形態の燃料改質装置１は、並列に配置された複数の燃料細管１４を備える。そして、制御部６は、パルス状に加熱される燃料細管１４の数と時期との少なくとも一方を制御して、改質部３に対する液体原料の供給量を１つの燃料細管１４に依存する場合よりも増大させる。

第２実施形態の燃料改質装置１は、制御部６が、複数の燃料細管１４のそれぞれの加熱回数を調整して、複数の燃料細管１４における吐出回数差を減らす。

第１実施形態の燃料改質装置１における液体原料１１は、常温で液体の炭化水素化合物に水を混合したものである。改質部３は、炭化水素化合物を水蒸気改質反応させる触媒を有する。

しかし、部分酸化反応で改質を行う実施形態も可能である。例えば、第１実施形態、第２実施形態の原料タンク７に貯蔵させる液体原料１１を、常温で液体の炭化水素化合物に液体の酸化剤を混合したものとする。このとき、改質部３は、炭化水素化合物を部分酸化反応させる触媒を有する。

また、第３実施形態、第４実施形態の原料タンク７に貯蔵される液体原料をメタノールとし、水タンク１９に貯蔵される水を過酸化水素水とする。これにより、メタノールと過酸化水素水とが吐出部２２、２３で混合した瞬間に部分酸化反応の改質部３に供給されることになる。

第１実施形態の発電装置１Ａは、液体原料１１を貯蔵する原料タンク７と、原料タンク７から導いた液体原料１１を改質反応させる燃料改質装置１と、燃料改質装置１で生成した水素ガスを用いて発電する燃料電池スタック８とを備える。

第３実施形態の燃料改質装置１は、発電に伴って生成された水１８を燃料電池スタック８から回収して燃料改質装置１に再循環させる再循環装置２０を備える。

第１実施形態の発電装置のシステム構成を示すブロック図である。 吐出部の構成の説明図である。 制御部による吐出部の制御のフローチャートである。 第２実施形態における吐出部と改質部との構成の説明図である。 制御部による吐出部の制御のフローチャートである。 第３実施形態の発電装置のシステム構成を示すブロック図である。 吐出部の構成の説明図である。 制御部による吐出部の制御のフローチャートである。 第４実施形態における吐出部と改質部との構成の説明図である。 制御部による吐出部の制御のフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料改質装置
１Ａ、１Ｂ 発電装置
２、１３、２２、２３ 吐出手段（吐出部）
３、１６、２６ 触媒空間（改質部）
４ ＣＯシフト部
５ ＣＯ除去部
６ 制御手段（制御部）
７ 原料タンク
８ 燃料電池スタック
９、１５、２５、２９ 圧力上昇手段、加熱手段（吐出部ヒータ、水細管ヒータ）
１０、１７ 改質部ヒータ
１１ 液体原料
１２ 改質ガス
１４、２Ａ、２２Ａ、２４ 原料保持空間（燃料細管）
１８ 水
１９ 水タンク
２０ 再循環手段（水回収装置）
２２Ｂ、２８ 液体保持空間（水細管）

Claims (10)

1. 炭化水素化合物を含む液体原料を触媒反応させて、水素ガスを含む改質ガスを生成する触媒空間を備えた燃料改質装置において、
   前記触媒空間に前記液体原料を吐出する吐出手段を備え、
   前記吐出手段は、
   前記触媒空間に連通して配置され、前記液体原料に親和性のある内壁面が、前記液体原料を充填させて、充填された前記液体原料を保持させる原料保持空間と、
   前記原料保持空間内の圧力を急上昇させて、保持された前記液体原料を前記触媒空間に吐出させる圧力上昇手段と、を有することを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記圧力上昇手段は、前記原料保持空間をパルス状に加熱して前記原料保持空間に保持された前記液体燃料の少なくとも一部を蒸発させる加熱手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
3. 前記圧力上昇手段は、
   前記原料保持空間に連通して配置され、前記液体原料に混合される液体物質に親和性のある内壁面が、前記液体物質を充填させて、充填された前記液体物質を保持する液体保持空間と、
   前記液体保持空間をパルス状に加熱して前記液体保持空間に保持された前記液体物質の少なくとも一部を蒸発させる加熱手段と、を有することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
4. 前記加熱手段による時間当たり加熱回数を制御して、前記触媒空間に対する前記液体原料の流量を調整する制御手段を備えたことを特徴とする請求項２または３記載の燃料改質装置。
5. 並列に配置された複数の前記吐出手段を備え、
   前記制御手段は、パルス状に加熱される前記吐出手段の数と時期との少なくとも一方を制御して、前記触媒空間に対する前記液体原料の供給量を１つの前記吐出手段に依存する場合よりも増大させることを特徴とする請求項４記載の燃料改質装置。
6. 前記制御手段は、複数の前記吐出手段におけるそれぞれの加熱回数を調整して、複数の前記吐出手段における吐出回数差を減らすことを特徴とする請求項５記載の燃料改質装置。
7. 前記液体原料は、常温で液体の前記炭化水素化合物に水を混合したものであって、
   前記触媒空間は、前記炭化水素化合物を水蒸気改質反応させる触媒を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料改質装置。
8. 前記液体原料は、常温で液体の前記炭化水素化合物に液体の酸化剤を混合したものであって、
   前記触媒空間は、前記炭化水素化合物を部分酸化反応させる触媒を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料改質装置。
9. 前記液体原料を貯蔵する原料タンクと、
   前記原料タンクから導いた前記液体原料を改質反応させる請求項１乃至８いずれか１項記載の燃料改質装置と、
   前記燃料改質装置で生成した水素ガスを用いて発電する燃料電池と、を備えたことを特徴とする発電装置。
10. 発電に伴って生成された水を前記燃料電池から回収して前記燃料改質装置に再循環させる再循環手段を備えたことを特徴とする請求項９記載の発電装置。
    

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