JP4305973B2 - 燃料改質装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置に関し、詳しくは、炭化水素と水蒸気とから水素リッチガスを生成する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素と水蒸気とから水素リッチガスを生成する燃料改質装置は、燃料電池に燃料ガスを供給するための装置として知られている。燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを、機械エネルギや熱エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換する装置であり、高いエネルギ効率が実現可能である。このような燃料電池は、水素を含有する燃料ガスを陰極側に供給され、酸素を含有する酸化ガスを陽極側に供給されて、両極で起きる電気化学反応によって起電力を得る。以下に、燃料電池で起こる電気化学反応を表わす式を示す。（１）式は陰極側における反応、（２）式は陽極側における反応を表わし、燃料電池全体では（３）式に示す反応が進行する。
【０００３】
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
【０００４】
種々の燃料電池のうち、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩電解質型燃料電池などでは、その電解質の性質から、二酸化炭素を含んだ酸化ガスや燃料ガスを使用することが可能である。そこで、通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、メタノールや天然ガス等の炭化水素を水蒸気改質して生成した水素リッチガスを燃料ガスとして用いている。そのため、このような燃料電池を備える燃料電池システムには、上記した燃料改質装置が設けられており、この燃料改質装置において水蒸気改質反応を行なって燃料ガスを生成している。以下に、燃料改質装置の内部で進行する改質反応について説明する。ここでは、改質反応に供する炭化水素としてメタノールを用いる場合について説明する。以下に、メタノールを水蒸気改質する反応を表わす式を示す。
【０００５】
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ →
ＣＯ₂＋３Ｈ₂−４９．５（kJ/mol） …（４）
【０００６】
上記（４）式に示すように、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質反応を進行させるためには熱エネルギを供給する必要がある。改質反応に要する熱エネルギを供給する方法としては、燃料改質装置にバーナやヒータ等を設けて外部加熱を行なう方法や、燃料改質装置内部において、水蒸気改質反応に加えて発熱反応である酸化反応を行なわせ、酸化反応で生じる熱を利用して水蒸気改質反応を進行させる方法などが知られている。これらの方法のうちで、燃料改質装置内部で水蒸気改質反応と共に酸化反応を進行させる方法について説明する。
【０００７】
ＣＨ₃ＯＨ＋（１／２）Ｏ₂
→ ＣＯ₂＋２Ｈ₂＋１８９．５（kJ/mol） …（５）
【０００８】
上記（５）式は、メタノールの酸化反応の一例（部分酸化反応）を表わす。水蒸気改質反応を行なう燃料改質装置に対して酸素を供給し、（４）式に表わす水蒸気改質反応と共にメタノールの酸化反応を行なわせるならば、酸化反応で生じた熱エネルギを、水蒸気改質反応において利用することができる。ここで、燃料改質装置に供給する酸素量を調節すれば、水蒸気改質反応で要する熱量と酸化反応で生じる熱量とを釣り合わせることができ、理論的には、水蒸気改質反応で要する熱量をすべて酸化反応で生じる熱量によって賄うことも可能となる。このような、水蒸気改質反応で要する熱量を酸化反応で生じる熱量によって賄う方法は、既述した外部加熱を行なう方法に比べて、放熱により失われるエネルギ量を減らすことができ、より高いエネルギ効率を実現することができる。さらに、外部加熱を行なう方法に比べて、燃料改質装置の構成を簡素化することができ、システム全体を小型化することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料改質装置に対してメタノールや水蒸気と共に酸素を供給し、酸化反応によって生じた熱エネルギを水蒸気改質反応で利用する上記した方法は、燃料改質装置の内部において、温度の分布状態が不均一となってしまうという問題があった。図３８は、メタノールおよび水蒸気と共に酸素を燃料改質装置に供給し、水蒸気改質反応と共に酸化反応を行なうときの、燃料改質装置内部における温度分布の様子を表わす説明図である。燃料改質装置に対して、メタノールおよび水蒸気と共に酸素を導入すると、水蒸気改質反応よりも酸化反応の方が反応速度が速いため、酸化反応で生じる熱量が水蒸気反応で要する熱量を上回り、図３８に示すように、燃料改質装置における上流側（メタノール、水蒸気および酸素を含有するガスを導入する側）では、急激に内部温度が上昇して温度分布のピークを形成する。また、酸化反応で酸素が消費された後は水蒸気改質反応だけが進行するようになるため、上記した温度分布のピークの後は、燃料改質装置の内部温度は下流側（水素リッチガスが排出される側）に向かって下降を続ける。
【００１０】
燃料改質装置内部で温度分布がピークを形成し、温度が上昇しすぎる場合には、触媒が劣化したり副生成物が生じるなどの問題を生じる。まず、触媒の劣化について説明する。例えば、メタノールの水蒸気改質反応および酸化反応を促進する触媒としてＣｕ−Ｚｎ触媒を用いる場合には、３００℃を越える高温下でこのＣｕ−Ｚｎ触媒を使用すると、触媒の耐久性が低下してシンタリングを起こしてしてしまうおそれがある。ここでシンタリングとは、担体表面に担持された触媒が凝集してしまう現象をいう。Ｃｕ−Ｚｎ触媒は通常、亜鉛粒子の表面に銅微粒子が散在する形状をしているが、シンタリングを起こすと銅微粒子が凝集して粒子が巨大化する。このような現象が生じると、銅粒子の表面積の低下に伴って触媒の活性面積が減少してしまうため燃料改質装置の性能が低下してしまう。
【００１１】
また、触媒温度が上昇しすぎることによるもう一つの問題である副生成物の発生とは、所定の高温下で改質反応が進行する際に、既述した正常な反応以外の反応が起こり、メタンが生じたり、供給した加圧空気中の窒素ガスが反応して窒素酸化物が生じたりすることをいう。これらの副生成物は、燃料改質装置における改質反応温度の範囲では分解されることがなく、そのまま燃料ガスとして燃料電池に供給されてしまう。特にメタン等の生成量が増えることは燃料ガス中の水素分圧の低下につながり好ましくない。
【００１２】
一方、燃料改質装置の下流側において内部温度が低下すると、温度の低下と共に水蒸気改質反応の活性が低下するという問題を生じる。水蒸気改質反応の活性が低下してしまうと、改質反応の完了していないガス、すなわち、メタノールが残留して水素濃度が不十分なガスが生成されてしまうおそれがある。あるいは、下流側で内部温度が低下してしまっても改質反応が完了するように、充分に大きな燃料改質装置を備えることが必要になる。
【００１３】
本発明の燃料改質装置は、こうした問題を解決し、燃料改質装置の内部温度を所定の温度範囲内で均一化することを目的としてなされ、次の構成を採った。
【００１４】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記触媒部において、前記原燃料ガスが供給される側の部分で起こる前記酸化反応で生じた熱が、充分に下流側に運ばれるように、前記原燃料ガスが導入される側の部分における前記原燃料ガスの流速を速くするガス流速調節手段と
を備えることを要旨とする。
【００１５】
以上のように構成された本発明の第１の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。このとき、前記酸化反応で生じた熱を利用して前記水蒸気改質反応が進行し、水素リッチな燃料ガスが生成されて前記触媒部から排出される。ここで、触媒部においては、前記原燃料ガスが供給される側の部分で起こる前記酸化反応で生じた熱が、充分に下流側に運ばれるように、前記原燃料ガスが導入される側の部分における前記原燃料ガスの流速が調節される。
【００１６】
このような燃料改質装置によれば、前記原燃料ガスが導入される側の部分で起こる酸化反応によって生じた熱が、充分に下流側に運ばれるため、前記原燃料ガスが導入される側の部分において温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。さらに、酸化反応で生じた熱が充分に下流側に運ばれることによって、下流側において、水蒸気改質反応の活性を充分に高くすることができ、燃料改質装置を小型化することが可能となる。
【００１７】
ここで、原燃料ガスを構成する炭化水素、水蒸気および酸素は、予めすべてを混合してから供給する必要はなく、少なくとも一つの成分あるいは原燃料ガスの一部は別個に供給することとしてもよい。予め混合しておかなくても、原燃料ガスを構成するこれらの成分が、触媒部におけるガスの流れの向きの上流側から供給されれば上記した効果を得ることができる。また、水蒸気改質反応を促進する触媒と酸化反応を促進する触媒とは、同一であっても良く、異なっていてもよい。すなわち、水蒸気改質反応と酸化反応とは、単一の触媒によって両反応が促進されることとしてもよいし、異なる触媒によってそれぞれの反応が促進されることとしてもよい。異なる触媒を用いる場合には、改質器内で両者が充分に混合されていることが望ましい。
【００１８】
上記本発明の第１の燃料改質装置において、
前記ガス流速調節手段は、前記触媒部における前記原燃料ガスが供給される側において、前記燃料ガスが排出される側よりも、前記原燃料ガスが流れる流路の断面の総面積を小さくしてなることとしてもよい。このような構成とすることによって、前記原燃料ガスが供給される側のにおける前記原燃料ガスの流速を、前記燃料ガスが排出される側よりも速くすることができ、上記した効果を得ることができる。
【００１９】
本発明の第２の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段とを備え、
前記触媒部における前記触媒は、熱伝導性の比較的高い材料で形成される触媒担体に保持される
ことを要旨とする。
【００２０】
以上のように構成された本発明の第２の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、生成した水素リッチな燃料ガスを排出する。ここで、前記触媒は、熱伝導性の比較的高い材料で形成される触媒担体に担持されるため、前記酸化反応で生じた熱は、触媒担体によって速やかに周辺部に伝えられ、前記水蒸気改質反応に利用される。
【００２１】
このような燃料改質装置によれば、酸化反応で生じた熱が速やかに拡散するため、前記原燃料ガスが供給される側であって、前記酸化反応が活発に進行する側において、温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。さらに、酸化反応で生じた熱が拡散されて下流側に伝えられることによって、下流側において、水蒸気改質反応の活性を充分に高くすることができ、燃料改質装置を小型化することが可能となる。
【００２２】
本発明の第３の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応を促進する触媒と前記酸化反応を促進する触媒とを備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記触媒部における前記酸化ガスが導入される側において、前記酸化反応の進行を抑制する酸化反応抑制手段と
を備えることを要旨とする。
【００２３】
以上のように構成された本発明の第３の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。このとき、前記酸化反応で生じた熱を利用して前記水蒸気改質反応が進行し、水素リッチな燃料ガスが生成されて前記触媒部から排出される。ここで、触媒部においては、前記酸化ガスが導入される側において、前記酸化反応の進行が抑制される。
【００２４】
このような燃料改質装置によれば、前記酸化ガスが導入される側において、前記酸化反応の進行が抑制されるため、この前記酸化ガスが導入される側において温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。さらに、前記酸化ガスが導入される側で酸化反応の進行が抑制されることによって、酸化反応が進行する領域がより下流側に広がり、これによって下流側の温度を上昇させ、水蒸気改質反応の活性を充分に高くすることができる。したがって、燃料改質装置を小型化することが可能となる。
【００２５】
上記本発明の第３の燃料改質装置において、
前記酸化反応抑制手段は、前記触媒部において、前記酸化ガスが導入される側の方が、前記燃料ガスが排出される側よりも、前記酸化反応を促進する触媒の量が小となるように形成してなることとしてもよい。
【００２６】
また、本発明の第３の燃料改質装置において、
前記水蒸気改質反応を促進する触媒と前記酸化反応を促進する触媒とは同一の触媒であり、
前記酸化反応抑制手段は、前記酸化ガスが導入される側の方が、前記燃料ガスが排出される側よりも、前記触媒の量が小となるように形成してなることとしてもよい。
【００２７】
本発明の第４の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応を促進する触媒と前記酸化反応を促進する触媒とを備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記触媒部内で進行する反応の進行状態を検出する反応状態検出手段とを備え、
前記酸化ガス供給手段は、
前記触媒部に供給する単位時間当たりの酸素量を所望の量に維持しつつ、前記反応状態検出手段が検出した前記反応の進行状態に基づいて、前記触媒部に供給する前記酸化ガス中の酸素濃度を制御する酸素濃度調節手段をさらに備える
ことを要旨とする。
【００２８】
以上のように構成された本発明の第４の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。このとき、前記酸化反応で生じた熱を利用して前記水蒸気改質反応が進行し、水素リッチな燃料ガスが生成されて前記触媒部から排出される。ここで、前記触媒部内で進行する反応の進行状態を検出し、前記触媒部に供給する単位時間当たりの酸素量を所望の量に維持しつつ、この検出した前記反応の進行状態に基づいて、前記触媒部に供給する前記酸化ガス中の酸素濃度を制御する。
【００２９】
このような燃料改質装置によれば、前記酸化ガス中の酸素濃度が制御されるため、酸化ガスが導入される側において進行する酸化反応の反応速度を制御することができ、この前記酸化ガスが導入される側において温度が上昇しすぎてしまうのを防止することができる。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。さらに、酸化ガス中の酸素濃度を制御して酸化反応の反応速度を制御することによって、酸化反応が進行する領域をより下流側に広げることができ、これによって下流側の温度を上昇させ、水蒸気改質反応の活性を充分に高くすることができる。したがって、燃料改質装置を小型化することが可能となる。
【００３０】
上記した本発明の第４の燃料改質装置において、
前記触媒部は、前記触媒を備える複数の反応部からなり、
前記酸化ガス供給手段は、前記複数の反応部のそれぞれに対して前記酸化ガスを供給することとしてもよい。このような構成とすれば、酸化ガスが供給される箇所を複数にすることによって、触媒部内部の温度を均一化する効果をさらに高めることができる。
【００３１】
本発明の第５の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記触媒部において、前記原燃料ガス供給手段から前記原燃料ガスを導入される部位と、前記燃料ガス排出手段によって前記燃料ガスを排出する部位とを入れ替え、前記触媒部におけるガスの流れを逆転させるガス供給方向変更手段と
を備えることを要旨とする。
【００３２】
以上のように構成された本発明の第５の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。このとき、前記酸化反応で生じた熱を利用して前記水蒸気改質反応が進行し、水素リッチな燃料ガスが生成されて前記触媒部から排出される。このような反応が進行する際に、前記触媒部において、前記原燃料ガスを導入される部位と、前記燃料ガスを排出する部位との入れ替えが行なわれる。
【００３３】
このような燃料改質装置によれば、前記触媒部において、前記原燃料ガスを導入される部位と、前記燃料ガスを排出する部位との入れ替えが行なわれるため、原燃料ガスが導入される特定の領域において、温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。さらに、特定の下流側において温度が低下してしまうことがなく、触媒部全体で水蒸気改質反応の活性を充分に高くすることができる。したがって、燃料改質装置を小型化することが可能となる。
【００３４】
上記した本発明の第５の燃料改質装置において、
前記触媒部において、前記原燃料ガス供給手段から前記原燃料ガスを供給される側の所定位置の温度を検出する端部温度検出手段をさらに備え、
前記ガス供給方向変更手段は、前記端部温度検出手段の検出結果に基づいて、前記原燃料ガス供給手段から前記原燃料ガスを導入される部位と、前記燃料ガス排出手段によって前記燃料ガスを排出する部位とを入れ替える
こととしてもよい。このような構成とすることによって、原燃料ガスが供給される側において温度が上昇しすぎてしまうのを、確実に防止することができる。
【００３５】
本発明の第６の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える粒子を、内部に封入してなる触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記触媒を備える粒子を、前記触媒部内で撹拌する触媒撹拌手段と
を備えることを要旨とする。
【００３６】
以上のように構成された本発明の第６の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える粒子を、内部に充填してなる触媒部に対して、炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する。その際、前記触媒部において、前記触媒を備える粒子を撹拌しながら、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。このとき、前記酸化反応で生じた熱を利用して前記水蒸気改質反応が進行し、水素リッチな燃料ガスが生成されて前記触媒部から排出される。
【００３７】
このような燃料改質装置によれば、前記触媒部において、前記触媒を備える粒子を撹拌するため、この粒子が備える触媒は、順次前記酸化反応に関わり、原燃料ガスが導入される特定の領域において温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。さらに、特定の下流側において温度が低下してしまうことがなく、触媒部全体で水蒸気改質反応の活性を充分に高くすることができる。したがって、燃料改質装置を小型化することが可能となる。
【００３８】
上記した本発明の第６の燃料改質装置において、
前記触媒撹拌手段は、前記原燃料ガス供給手段に備えられ、前記炭化水素と水蒸気と酸素とのうちの少なくとも一つを含有するガスを、前記触媒部内に噴霧して、前記触媒を備える粒子を前記触媒部内で撹拌することとしてもよい。このような構成とすれば、前記触媒部に対して、前記原燃料を構成するガスを噴霧することによって撹拌の動作を同時に行なうことができる。
【００３９】
本発明の第７の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記触媒部において、前記酸化ガス供給手段から前記酸化ガスが供給される箇所を、経時的に変化させる供給箇所変更手段と
を備えることを要旨とする。
【００４０】
以上のように構成された本発明の第７の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。このとき、前記触媒部において、前記酸化ガスが供給される箇所は、経時的に変化させる。このようにして供給された酸化ガスを用いて進行する前記酸化反応で生じた熱を利用して、前記水蒸気改質反応が進行し、水素リッチな燃料ガスが生成されて前記触媒部から排出される。
【００４１】
このような燃料改質装置によれば、前記触媒部において、前記酸化ガスが供給される箇所が、経時的に変化させるため、酸化ガスが導入される特定の領域において、温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。
【００４２】
本発明の第８の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記触媒部において、前記原燃料ガスと共に酸化ガスが供給される供給側と、前記燃料ガスが排出される排出側とを隣接し、前記供給側と前記排出側との間で熱交換を行なわせる均熱化手段と
を備えることを要旨とする。
【００４３】
以上のように構成された本発明の第８の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。ここで、前記触媒部は、前記原燃料ガスと共に酸化ガスが供給される供給側と、前記燃料ガスが排出される排出側とを隣接して形成されているため、前記供給側と前記排出側との間で熱交換が行なわれ、前記酸化反応で生じた熱を利用して、前記水蒸気改質反応が進行し、水素リッチな燃料ガスが生成されて前記触媒部から排出される。
【００４４】
このような燃料改質装置によれば、前記触媒部において、前記原燃料ガスと共に酸化ガスが供給される供給側と、前記燃料ガスが排出される排出側との間で熱交換が行なわれるため、酸化ガスが導入される特定の領域において、温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。さらに、特定の下流側において温度が低下してしまうことがなく、触媒部全体で水蒸気改質反応の活性を充分に高くすることができる。したがって、燃料改質装置を小型化することが可能となる。
【００４５】
上記した本発明の第８の燃料改質装置において、
前記触媒部は、
各々内部に前記触媒を備え、各々の前記供給側と前記排出側とが互いに逆の位置にある少なくとも２つ以上の反応部を有し、
前記２つ以上の反応部を、一方の前記反応部の前記供給側と他方の前記供給部の前記排出側とを隣接して設けてなる
こととしてもよい。
【００４６】
また、本発明の第８の燃料改質装置において、
前記触媒部は、内部に形成される前記原燃料ガスの流路において折り返し部を有し、前記流路の入り口部と出口部とを隣接して設けてなる
こととしてもよい。
【００４７】
本発明の第９の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料改質装置を備えるシステムを構成する所定の部材において生じる熱を伝える所定の流体によって、前記酸化ガスが供給される側以外の部分を加熱する加熱手段と
を備えることを要旨とする。
【００４８】
以上のように構成された本発明の第９の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。ここで、前記触媒部において、前記酸化ガスが供給されて前記酸化反応が行なわれる領域では、前記酸化反応で生じた熱を利用して、前記水蒸気改質反応が進行する。また、前記酸化ガスが供給される側以外の部分では、前記燃料改質装置を備えるシステムを構成する所定の部材において生じる熱が、所定の流体によって伝えられ、この熱を利用して前記水蒸気改質反応が進行する。生成された水素リッチな燃料ガスは、前記触媒部から排出される。
【００４９】
このような燃料改質装置によれば、前記酸化ガスが供給される側以外の部分では、前記燃料改質装置を備えるシステムを構成する所定の部材において生じる熱を利用して前記酸化反応が進行するため、前記触媒部に供給する前記原燃料ガスの量に対して、前記触媒部に供給する前記酸化ガスの量を減らすことができ、前記酸化ガスが供給される側において、温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。さらに、前記酸化ガスが供給される側以外の部分では、前記燃料改質装置を備えるシステムを構成する所定の部材において生じる熱が伝えられるため、温度が低下することによって水蒸気改質反応の活性が低下してしまうことがない。したがって、触媒部全体で水蒸気改質反応の活性を充分に高くすることができ、燃料改質装置を小型化することが可能となる。また、前記燃料改質装置を備えるシステムを構成する所定の部材において生じる熱を利用するため、前記酸化ガスが供給される側以外の部分を加熱することによって、システム全体のエネルギ効率が低下してしまうこともない。
【００５０】
また、上記した本発明の第９の燃料改質装置において、
前記加熱手段は、前記燃料改質装置を備えるシステムを構成する所定の部材から排出される高温ガスによって、前記酸化ガスが供給される側以外の部分を加熱することとしてもよい。
【００５１】
本発明の第１０の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
前記炭化水素および水のうち少なくとも一方からなる液体を、前記原燃料ガスおよび前記酸化ガスが供給される側の部分に対して噴霧する端部冷却手段と
を備えることを要旨とする。
【００５２】
以上のように構成された本発明の第１０の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部に対して、炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを供給すると、この触媒部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。ここで、前記触媒部において、前記酸化ガスが供給されて前記酸化反応が行なわれる領域では、前記酸化反応で生じた熱を利用して、前記水蒸気改質反応が進行するが、このとき、前記原燃料ガスおよび前記酸化ガスが供給される側の部分に対して、前記炭化水素および水のうち少なくとも一方からなる液体が噴霧され、前記液体が噴霧された部分が冷却される。生成された水素リッチな燃料ガスは、前記触媒部から排出される。
【００５３】
このような燃料改質装置によれば、前記原燃料ガスおよび前記酸化ガスが供給される側の部分では、前記炭化水素および水のうち少なくとも一方からなる液体が噴霧されるため、前記酸化反応によって生じた熱の一部が気化熱として消費され、前記酸化ガスが供給される側において温度が上昇しすぎてしまうことがない。したがって、温度が上昇しすぎることによる触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じることがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。
【００５４】
本発明の第１１の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える第１の反応部と、前記水蒸気改質反応を促進する触媒を備える第２の反応部とを備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記第１の反応部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段とを備え、
前記触媒部は、前記第１の反応部と前記第２の反応部とを隣接させ、前記第１の反応部と前記第２の反応部との間で熱交換を行なわせる
ことを要旨とする。
【００５５】
以上のように構成された本発明の第１１の燃料改質装置は、水蒸気改質反応と酸化反応とを促進する触媒を備える第１の反応部に対して、炭化水素と水蒸気とを含有する原燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを供給すると、この第１の反応部において、吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行する。また、前記水蒸気反応を促進する触媒を備える第２の反応部に対して、前記原燃料ガスを供給すると、この第２の反応部において、前記水蒸気改質反応を進行する。ここで、前記第１の反応部では、前記酸化反応で生じた熱を利用して、前記水蒸気改質反応が進行するが、前記第２の反応部も、隣接する前記第１の反応部と熱交換することによって、前記第１の反応部における前記酸化反応で生じた熱を利用して前記水蒸気改質反応が進行する。生成された水素リッチな燃料ガスは、前記触媒部から排出される。
【００５６】
このような燃料改質装置によれば、前記第１の反応部において、前記酸化ガスが供給されて前記酸化反応が進行する領域では、前記酸化反応によって生じた熱は、前記第１の反応部で進行する前記水蒸気改質反応に利用される他に、隣接する第２の反応部にも伝えられて、この第２の反応部で進行する前記水蒸気改質反応にも利用される。したがって、酸化反応で生じる熱によって前記触媒部の温度が上昇しすぎて、触媒劣化や副生成物の発生といった不都合が生じてしまうことがなく、改質器の耐久性を大きく向上させることができる。
【００５７】
ここで、本発明の第１または第２の燃料改質装置、あるいは、本発明の第５ないし第１０の燃料改質装置において、
前記炭化水素はメタノールであり、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒は、単一の銅系触媒であることとしてもよい。
【００５８】
また、本発明の第３または第４の燃料改質装置において、
前記炭化水素はメタノールであり、
前記水蒸気改質反応を促進する触媒と前記酸化反応を促進する触媒とは同一の銅系触媒であることとしてもよい。
【００５９】
また、本発明の第１１の燃料改質装置において、
前記炭化水素はメタノールであり、
前記第１の反応部が備える触媒は、単一の銅系触媒であることとしてもよい。
【００６０】
このような構成の燃料改質装置では、単一の銅系触媒によって、メタノールの水蒸気改質反応とメタノールの酸化反応とが促進される。銅系触媒によってメタノールの酸化反応を促進する場合には、白金など従来知られる他の酸化触媒を用いて酸化反応を促進する場合とは異なり、進行する酸化反応のほとんどは、一酸化炭素を生じない反応となる。したがって、このような構成とすることによって、より一酸化炭素濃度が低い燃料ガスを生成することができる。
【００６１】
本発明の第１２の燃料改質装置は、
吸熱を伴う反応であって、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記炭化水素を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
前記触媒部に対して、前記炭化水素と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段とを備え、
前記触媒は、前記酸化反応として、一酸化炭素を生成する反応経路を経由しない反応を促進することを要旨とする。
【００６２】
このような燃料改質装置によれば、前記触媒が、一酸化炭素を生成する反応経路を経由しない前記酸化反応を促進することができるため、触媒部内で進行する反応によって生じる一酸化炭素量を抑え、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを生成することができる。
【００６３】
本発明の第１２の燃料改質装置において、
前記炭化水素はメタノールであり、
前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒は、単一の銅系触媒であることとしてもよい。
【００６４】
このような構成の燃料改質装置では、銅系触媒によってメタノールの酸化反応を促進するため、白金など従来知られる他の酸化触媒を用いて酸化反応を促進する場合とは異なり、進行する酸化反応のほとんどは、一酸化炭素を生じない反応となる。したがって、このような構成とすることによって、より一酸化炭素濃度が低い燃料ガスを生成することができる。また、単一の銅系触媒によって、メタノールの水蒸気改質反応とメタノールの酸化反応とが促進されるため、燃料改質装置の構成を簡素化することができる。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な第１実施例である改質器を備える燃料電池装置２０の構成を例示する概略構成図である。燃料電池装置２０は、メタノールを貯蔵するメタノールタンク２２、水を貯蔵する水タンク２４、燃焼ガスを発生するバーナ２６、空気の圧縮を行なう圧縮機２８、バーナ２６と圧縮機２８とを併設した蒸発器３２、改質反応により燃料ガスを生成する改質器３４、燃料ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を低減するＣＯ低減部３６、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４０、コンピュータにより構成される制御部５０を主な構成要素とする。まず最初に、燃料電池装置２０における発電の主体である燃料電池４０について説明する。
【００６６】
燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。図２は、燃料電池４０を構成する単セル４８の構成を例示する断面図である。単セル４８は、電解質膜４１と、カソード４２およびアノード４３と、セパレータ４４，４５とから構成されている。
【００６７】
カソード４２およびアノード４３は、電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ４４，４５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、カソード４２およびアノード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。カソード４２とセパレータ４４との間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、アノード４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐが形成されている。セパレータ４４，４５は、図２ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はカソード４２との間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるアノード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐを形成する。このように、セパレータ４４，４５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル４８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブを形成することとしてもよい。
【００６８】
ここで、電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている。
【００６９】
カソード４２およびアノード４３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、カソード４２およびアノード４３は、カーボンクロスにより形成するほか、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
【００７０】
セパレータ４４，４５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ４４，４５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、カソード４２の表面とで燃料ガス流路４４Ｐを形成し、隣接する単セルのアノード４３の表面とで酸化ガス流路４５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００７１】
以上、燃料電池４０の基本構造である単セル４８の構成について説明した。実際に燃料電池４０として組み立てるときには、セパレータ４４、カソード４２、電解質膜４１、アノード４３、セパレータ４５の順序で構成される単セル４８を複数組積層し（本実施例では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板を配置することによって、スタック構造を構成する。
【００７２】
以下、燃料電池装置２０を構成する燃料電池４０以外の構成要素およびそれらの接続関係について順次説明する。蒸発器３２は、メタノールタンク２２および水タンク２４からメタノールと水の供給を受け、これらメタノールと水とを気化させる装置である。蒸発器３２は、既述したようにバーナ２６と圧縮機２８とを併設しているが、後述するように圧縮機２８を介してバーナ２６の燃焼排ガスが導かれ、この燃焼熱が蒸発器３２の備える図示しない熱交換器に伝えられて、蒸発器３２に供給されたメタノールと水とを沸騰、気化させる。
【００７３】
メタノールタンク２２から蒸発器３２に原燃料であるメタノールを送り込むメタノール流路６０には第２ポンプ７１が設けられており、蒸発器３２に供給するメタノール量を調節可能となっている。この第２ポンプ７１は、制御部５０に接続されており、制御部５０から出力される信号によって駆動され、蒸発器３２に供給するメタノール流量を調節する。
【００７４】
水タンク２４から蒸発器３２に水を送り込む水供給路６２には第３ポンプ７２が設けられており、蒸発器３２に供給する水の量を調節可能となっている。この第３ポンプ７２は、第２ポンプ７１と同じく制御部５０に接続されており、制御部５０から出力される信号によって駆動され、蒸発器３２に供給する水量を調節する。上記メタノール流路６０と水供給路６２とは合流して第１燃料供給路６３を形成し、この第１燃料供給路６３は蒸発器３２に接続する。メタノール流量と水量とは上記第２ポンプ７１と第３ポンプ７２とによって調節されるため、所定量ずつ混合されたメタノールと水とは第１燃料供給路６３を介して蒸発器３２に供給される。
【００７５】
蒸発器３２に併設された圧縮機２８は、燃料電池装置２０の外部から空気を取り込んでこれを圧縮し、この圧縮空気を燃料電池４０の陽極側に供給するための装置である。圧縮機２８は、タービン２８ａおよびコンプレッサ２８ｂを備え、これらは羽根車型に成形されている。タービン２８ａおよびコンプレッサ２８ｂは同軸上のシャフト２８ｃで連結されており、タービン２８ａを回転駆動することにより、コンプレッサ２８ｂを回転駆動することができる。蒸発器３２にはさらにバーナ２６が併設されているが、このバーナ２６からの高温の燃焼ガスによってタービン２８ａは駆動される。タービン２８ａの回転と共にコンプレッサ２８ｂも回転し、このコンプレッサ２８ｂは、既述したように空気の圧縮を行なう。コンプレッサ２８ｂへは、空気導入路２９を介して外部から空気が取り込み可能となっており、圧縮機２８で圧縮された空気は、酸化ガス供給路６８を介して燃料電池４０に供給され、燃料電池４０における電気化学反応に供される。
【００７６】
ここで、タービン２８ａは、バーナ２６からの高温の燃焼ガスにより駆動されるので、耐熱性および耐久性を実現するために超耐熱合金やセラミックス等により形成される。本実施例では、ニッケルベースの合金（インコネル７００、インコネル社）を使用した。また、コンプレッサ２８ｂは、軽量なアルミニウム合金により形成される。
【００７７】
タービン２８ａを駆動するバーナ２６は、燃焼のための燃料を、燃料電池４０の陰極側およびメタノールタンク２２から供給される。燃料電池４０は、メタノールを改質器３４で改質して生成した水素リッチガスを燃料として電気化学反応を行なうが、燃料電池４０に供給されたすべての水素が電気化学反応において消費されるわけではなく、消費されずに残った水素を含む燃料排ガスは燃料排出路６７に排出される。バーナ２６は、この燃料排出路６７に接続して燃料排ガスの供給を受け、消費されずに残った水素を完全燃焼させて燃料の利用率の向上を図っている。通常はこのような排燃料だけではバーナ２６における燃焼反応のための燃料として不足するため、この不足分に相当する燃料、および燃料電池装置２０の起動時のように燃料電池４０から排燃料の供給を受けられないときの、バーナ２６における燃焼反応のための燃料は、メタノールタンク２２からバーナ２６に対して供給される。バーナ２６へメタノールを供給するためにメタノール分岐路６１が設けられている。このメタノール分岐路６１は、メタノールタンク２２から蒸発器３２にメタノールを供給するメタノール流路６０から分岐している。
【００７８】
ここで、バーナ２６には第１温度センサ７３が設けられており、バーナ２６での燃焼熱の温度を測定して、この測定結果を制御部５０に入力している。制御部５０は、この第１温度センサ７３からの入力結果を基に、第１ポンプ７０に駆動信号を出力して、バーナ２６に供給するメタノール量を調節し、バーナ２６での燃焼温度を所定の範囲（約８００℃から１０００℃）に保っている。このバーナ２６における燃焼ガスは、タービン２８ａを回転駆動したのち蒸発器３２に導かれる。タービン２８ａでの熱交換効率は余り高くないため（約１０％以内）、蒸発器３２に導かれる燃焼排ガスの温度は約６００〜７００℃に達し、蒸発器３２の熱源として充分となる。ここで、既述した第１燃料供給路６３を介して供給されたメタノールと水との混合溶液は、蒸発器３２に導かれたバーナ２６の高温燃焼排ガスによって気化させる。蒸発器３２で気化されたメタノールと水とからなる原燃料ガスは、第２燃料供給路６４に導かれて改質器３４に伝えられる。
【００７９】
改質器３４は、供給されたメタノールと水とからなる原燃料ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する。この改質器３４の構成および改質器３４で行なわれる改質反応は本発明の要部に対応するものであり、後に詳述する。なお、改質器３４にメタノールと水とからなる原燃料ガスを供給する第２燃料供給路６４には、第２温度センサ７４が設けられており、改質器３４に供給されるメタノールと水とからなる原燃料ガスの温度を測定している。この原燃料ガスの温度に関する測定結果は、制御部５０に入力される。制御部５０は、既述した第１温度センサ７３からの入力結果に基づいて第１ポンプ７０に駆動信号を出力する際に、この第２温度センサ７４からの信号を基にして、上記第１ポンプ７０の駆動量を補正し、バーナ２６に供給するメタノール量を調節する。このようにしてバーナ２６での燃焼ガスの温度を制御することによって、蒸発器３２で気化された上記原燃料ガスの温度を調節する。蒸発器３２から供給される原燃料ガスは、通常約２５０℃に昇温している。
【００８０】
また、後述するように改質器３４における改質反応では酸素が関与するが、この改質反応に必要な酸素を供給するために、改質器３４にはブロワ３８が併設されている。ブロワ３８は、外部から空気を取り込んでこれを圧縮し、取り込んだ空気を空気供給路３９を介して改質器３４に供給する。本実施例では、空気供給路３９は第２燃料供給路６４に接続しており、ブロワ３８が取り込んだ空気は、蒸発器３２から供給される原燃料ガスと共に改質器３４に供給される。ブロワ３８は制御部５０に接続されており、制御部５０によってその駆動状態が制御される。
【００８１】
ＣＯ低減部３６は、第３燃料供給路６５を介して改質器３４から供給された燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる装置である。メタノールの一般的な改質反応はすでに（４）式に示したが、実際に改質反応が行なわれるときにはこれらの式に表わしたように理想的に反応が進行するわけではなく、改質器３４で生成された燃料ガスは所定量の一酸化炭素を含んでいる。そこで、ＣＯ低減部３６を設けることで、燃料電池４０に供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減を図っている。
【００８２】
本実施例の燃料電池４０は固体高分子型の燃料電池であって、電池反応を促進する白金または白金と他の金属とからなる触媒を備えているが（本実施例では白金触媒を電解質膜４１の表面に塗布した）、燃料ガス中に一酸化炭素が含まれる場合には、この一酸化炭素が白金触媒に吸着して触媒としての機能を低下させ、（１）式に示したアノードにおける反応を阻害して燃料電池の性能を低下させてしまう。そのため、燃料電池４０のような固体高分子型の燃料電池を用いて発電を行なうためには、供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定量以下に低減して電池性能の低下を防ぐことが必須となる。なお、このような固体高分子型燃料電池において、供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度としての許容濃度は、通常は数ｐｐｍ程度以下である。
【００８３】
ＣＯ低減部３６に供給される燃料ガスは、上記したように所定量の一酸化炭素を含有する水素リッチガスであり、ＣＯ低減部３６においては、燃料ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化が行なわれる。ＣＯ低減部３６には、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。このＣＯ低減部３６で処理された燃料ガス中の一酸化炭素濃度は、ＣＯ低減部３６の運転温度、供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度、ＣＯ低減部３６への単位触媒体積当たりの燃料ガスの供給流量等によって定まる。ＣＯ低減部３６には図示しない一酸化炭素濃度センサが設けられており、この測定結果に基づいてＣＯ低減部３６の運転温度や供給する燃料ガス流量を調節し、処理後の燃料ガス中の一酸化炭素濃度が数ｐｐｍ以下となるように制御している。
【００８４】
ＣＯ低減部３６で上記のように一酸化炭素濃度が下げられた燃料ガスは、第４燃料供給路６６によって燃料電池４０に導かれ、陰極側における電池反応に供される。燃料電池４０で電池反応に用いられた後の燃料排ガスは、既述したように燃料排出路６７に排出されてバーナ２６に導かれ、この燃料排ガス中に残っている水素が燃焼のための燃料として消費される。一方、燃料電池４０の陽極側における電池反応に関わる酸化ガスは、既述したように、圧縮機２８から酸化ガス供給路６８を介して圧縮空気として供給される。電池反応に用いられた残りの酸化排ガスは、酸化排ガス路６９を介して外部に排出される。
【００８５】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５４と、ＣＰＵ５４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ５８と、既述した各種温度センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵ５４での演算結果に応じて既述した各種ポンプやブロワ３８などに駆動信号を出力する入出力ポート５２等を備える。
【００８６】
次に、本発明の要部に対応する改質器３４の構成について説明する。図３は、改質器３４の構成の概略を模式的に表わす説明図である。本実施例の改質器３４は、第２燃料供給路６４に接続する側の端部より原燃料ガスおよび空気の供給を受け、これら原燃料ガスおよび空気は、改質器３４の内部を通過しながら水蒸気改質反応および酸化反応（部分酸化反応）に供される。改質器３４内において、（４）式に示す水蒸気改質反応および（５）式に示す酸化反応によって生成された水素リッチな燃料ガスは、もう一方の端部より第３燃料供給路６５に排出される。この改質器３４は、その内部に、第１反応部８０および第２反応部８１を備えている。これら第１反応部８０および第２反応部８１は、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持したメタルハニカムとして構成されており、上流側（第２燃料供給路６４との接続部に近い側）に形成された第１反応部８０は、下流側（第３燃料供給路６５との接続部に近い側）に形成された第２反応部８１よりも、後述するセル数が少なくなるように形成されている。
【００８７】
図４は、第１反応部８０および第２反応部８１を形成するメタルハニカムの横断面の一部を表わす模式図である。メタルハニカムは、ステンレス板８２，８３を積層して形成されている。すなわち、平板状のステンレス板８２と、波状に折り曲げたステンレス板８３とを交互に配設して、メタルハニカムは形成されている。ステンレス板８３は、１ｍｍ間隔で波状に折り曲げられているため、このステンレス板８３と平板状のステンレス板８２とを交互に積層することで、１辺の長さが１ｍｍである略正方形の断面を有するセルからなるハニカムを形成することができる。
【００８８】
ここで、第１反応部８０と第２反応部８１とでは、メタルハニカムを形成するために用いたステンレス板８２，８３の厚みが異なっており、これによって、第１反応部８０と第２反応部８１とは、それぞれが備えるセル数が異なって形成される。第１反応部８０は、厚さが０．１ｍｍのステンレス板８２，８３によって形成されたハニカムからなり、第２反応部８１は、厚さが０．０３ｍｍのステンレス板８２，８３によって形成されるハニカムからなる。したがって、第１反応部８０は、その断面積１ｃｍ² あたり約７５個のセルを備え、第２反応部８１は、同じく１ｃｍ² あたり約９１個のセルを備えることになる。改質器３４全体では断面積は一定であるため、上記したように厚みの異なるステンレス板によってハニカムを構成することによって、第１反応部８０におけるガス流路の断面の総面積（第１反応部８０を構成する各セルの断面積の総和）は、第２反応部８１におけるガス流路の断面の総面積（第２反応部８１を構成する各セルの断面積の総和）よりも小さくなる。
【００８９】
第１反応部８０および第２反応部８１は、それぞれを構成するハニカム表面に触媒を担持しているため、上流側から原燃料ガスを供給すると、原燃料ガスは、上記ハニカム表面を通過する間に水蒸気改質反応および酸化反応に供されて水素リッチな燃料ガスとなる。本実施例では、ハニカム表面に担持させる触媒は、銅と酸化亜鉛とを用いて共沈法によって製造した。共沈法によって得たＣｕ−Ｚｎ触媒は、これを粉砕してさらにアルミナゾル等のバインダを加え、ハニカム上に塗布する等の方法により、ハニカム上に担持させることができる。
【００９０】
以上のように構成された改質器３４に原燃料ガスを供給すると、原燃料ガスは、まず、セル数の少ない、すなわちガス流路断面の総面積が小さい第１反応部８０内を通過し、次に、セル数の多い、すなわちガス流路断面の総面積が大きい第２反応部８１内を通過する。このように、所定量の原燃料ガスが、ガス流路断面の総面積が小さいハニカム内を通過した後、ガス流路断面の総面積が大きいハニカム内を通過するため、改質器３４内を通過する原燃料ガスの流速は、第１反応部８０内を通過するときの方が、第２反応部８１内を通過するときよりも速くなる。
【００９１】
したがって、第１実施例の改質器３４によれば、上流側における原燃料ガスの流速を速くすることによって、上流側における急激な温度上昇を抑え、改質器３４内全体の温度分布状態を、改質反応に適した温度範囲である２５０〜３００℃の温度範囲内で均一化するという効果を奏する。図５は、ハニカム断面積が一定である従来知られる改質器と、本実施例の改質器３４とについて、ガスの流れ方向に関する内部の温度分布状態を表わした説明図である。既述したように、酸化反応は水蒸気改質反応よりも反応速度が速いため、従来の改質器では、原燃料ガスの入り口部付近で酸化反応が活発に進行し、この入り口部付近の温度が４００℃程度に上昇してしまう。これに対し、本実施例の改質器３４では、上流側での原燃料ガスの流速が速いため、上流側で進行した酸化反応によって生じた熱が、速いガスの流れによって速やかに下流側に運ばれる。また、上流側での原燃料ガスの流速が速いため、上流側の狭い領域で酸化反応が終了してしまうことがなく、酸化反応が活発に進行する領域がより下流側に広がる。したがって、入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがない。さらに、上流側に配設された第１反応部８０は、厚いステンレス板を用いて形成したハニカムを備えているため、大きな熱容量を有しており、酸化反応で生じた熱は、このハニカムに伝えられてハニカムを昇温させる前に、ガスの流れによって下流側に伝えられ易くなっている。
【００９２】
このように、改質器３４は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。触媒の劣化が抑えられることによって改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となり、従来の改質器が使用時間２００時間程度の耐久性であったのに対し、本実施例の改質器３４は、５０００時間以上の使用が可能になった。
【００９３】
また、上記したように、酸化反応が進行する領域が下流側に広がると共に、上流側で進行した酸化反応で生じた熱が速やかに下流側に運ばれることによって、本実施例の改質器３４では、その下流側で従来の改質器のように温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器の下流側においても、水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、下流側が備える触媒も充分に利用することができると共に、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。このように、下流側での水蒸気改質反応の活性が高められることによって、改質器をよりコンパクトにすることが可能となる。
【００９４】
上記した第１実施例では、改質器３４が備えるハニカムはメタルハニカムとしたが、セラミックハニカムを用いることとしてもよい。メタルハニカムを用いた構成を、第１実施例の変形例として以下に示す。この変形例における改質器も、第１実施例の改質器３４と同様に、第１反応部８０と第２反応部８１とからなる。セラミックハニカムによって形成した第１反応部８０および第２反応部８１の断面の模式図を図６に示す。図６（Ａ）は、セラミックハニカムで構成する第１反応部８０の一例、図６（Ｂ）は、同じく第１反応部８０の他の例、図６（Ｃ）は、セラミックハニカムで構成する第２反応部８１を表わす。
【００９５】
図６（Ａ）では、ハニカムを構成する各セルの断面積をそれぞれ小さく形成し、図６（Ｂ）では、ハニカムを構成するセルの総数を少なくすることによって、図６（Ｃ）のハニカムに比べてガスの流路断面の総面積を小さくしている。したがって、図６（Ａ）と図６（Ｂ）のいずれの第１反応部８０を用いる場合にも、図６（Ｃ）に表わした第２反応部８１と組み合わせて改質器３４を構成することによって、既述した第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００９６】
また、上記実施例では、改質器３４の内部を第１反応部８０と第２反応部８１の２つに分割して、前半部と後半部とで内部を通過する原燃料ガスの流速が異なる構成としたが、改質器の内部を３つ以上に分割する構成としてもよい。この場合にも、上流側のガス流速が下流側よりも速くなる構成とすることによって、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。
【００９７】
既述した実施例では、改質器の上流側に配設されたハニカムにおいて、単位断面積当たりのセルの数を少なくしたり、各セルの断面積を小さく形成することによって、上流側におけるガス流路断面の総面積を下流側に比べて小さくしている。上流側のガス流速が下流側よりも速くなる改質器の構成としては、既述した構成の他に、改質器全体の断面積を、上流側でより小さくなるように形成する構成を挙げることができる。このような改質器３４Ａの構成を図７に示す。改質器３４Ａは、総断面積の異なる３つのハニカムから構成されており、上流側ほど総断面積の小さなハニカムによって形成されている。このような構成とすれば、上流側のガス流速が下流側よりも速くなるため、既述した実施例と同様の効果を得ることができる。図５に、改質器３４Ａにおける内部の温度分布状態を示す。上記改質器３４Ａのように、改質器全体の総断面積を次第に大きくする構成とするならば、単位断面積当たりのセル数および各単セルの断面積は同じであってもよい。また、改質器を総断面積が異なる複数の部位によって構成する際には、３つ以外の複数の部位からなることとしてもよく、上流側ほど流路断面の総面積が小さくなる構成とするならば、既述した効果を得ることができる。
【００９８】
次に、改質器の上流部で進行する酸化反応によって生じた熱を積極的に下流側に伝達する他の構成として、水蒸気改質反応および酸化反応を促進する触媒を、熱伝導性の比較的高い材料で形成される担体で保持する構成を、第２実施例として以下に説明する。図８は、第２実施例の改質器９０の構成を模式的に表わす説明図である。第２実施例の改質器９０は、図１の燃料電池装置２０と同様の構成の燃料電池装置に備えられている。図８に示すように、改質器９０は、ハニカムによって構成された単一の反応部９２からなる。この反応部９２を構成するハニカムの断面の一部を表わす断面模式図を図９（Ａ）に、また、図９（Ａ）に示したハニカムの表面の一部（図９（Ａ）中に領域Ｂとして円で囲んだ範囲）をさらに拡大した様子を模式的に表わす図を図９（Ｂ）に示す。
【００９９】
本実施例の改質器９０は、第１実施例の改質器３４と同様に、メタルハニカムによって構成されている。なお、本実施例では、厚さが０．０５ｍｍのステンレス板９４を用いてハニカムを形成した。このステンレス板９４の表面には、水蒸気改質反応および酸化反応を促進する触媒を含有し、厚さが約０．０５ｍｍの触媒層９６が形成されている。触媒層９６では、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を構成する銅分子と酸化亜鉛分子とが、熱伝導性の高いバインダ中に分散した状態で担持されている。
【０１００】
ここで、触媒層９６の調製方法について説明する。まず、触媒原料として、周知の共沈法によりＣｕＯ・ＺｎＯ粉末を作製し、これにバインダとしてアルミナゾル５％と、さらに、酸化アルミニウムに比べて熱伝導性の高い物質を添加する。ここで用いる熱伝導性の高い物質としては、窒化物である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化チタン（ＴｉＮ）、あるいは炭化物である炭化シリコン（ＳｉＣ）や炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）、 あるいはグラファイトなどを挙げることができ、添加量としては５〜３０％が好ましい。例えば、上記した熱伝導性の高い物質の中で、ＡｌＮは、０．０７ｃａｌ／ｃｍ／ｓ／℃の熱伝導率を示し、ＳｉＣは０．１ｃａｌ／ｃｍ／ｓ／℃、グラファイトは０．３０．１ｃａｌ／ｃｍ／ｓ／℃の熱伝導率を示し、いずれも、従来用いられてきた酸化アルミニウム（０．０２ｃａｌ／ｃｍ／ｓ／℃）に比べて高い熱伝導率を示す。
【０１０１】
これらを水で希釈してボールミルで粉砕混合し、ステンレス板９４上に塗布し、さらに加熱処理および還元処理を行なう。このような処理によって、上記触媒原料は、銅分子と酸化亜鉛分子とからなるＣｕ−Ｚｎ触媒となり、これらのＣｕ−Ｚｎ触媒は、熱伝導性の高い物質を含有するバインダ中に分散して担持された状態で、触媒層９６を形成する。
【０１０２】
以上のように構成した改質器９０を燃料電池装置２０に適用し、改質器９０に対して原燃料ガスを供給すると、既述したように、酸素が供給される上流側では酸化反応が活発に行なわれて多くの熱が生じる。このように酸化反応によって生じた熱は、上流側で進行する水蒸気改質反応で利用される他に、既述した熱伝導性の高い物質を含有するバインダ中を速やかに伝えられる。このようにバインダ中を伝えられる熱のうちの所定量は、熱伝導性の高いステンレスによって形成されたハニカム基材にさらに伝えられる。ステンレスからなるハニカム基材に伝えられた熱は、このハニカム基材を介して下流側に伝えられる。また、ハニカム基材に伝えられない残りの熱は、そのままバインダ中を下流側に伝えられる。このように改質器９０の下流側に伝えられた熱は、下流側で進行する水蒸気改質反応で利用される。
【０１０３】
したがって、本実施例の改質器９０によれば、熱伝導性の高いバインダ中に触媒が担持されているため、上流側で酸化反応のために生じた熱が速やかに下流側に伝えられ、上流側における急激な温度上昇を抑えることができる。図１０は、上記熱導電性の高い物質を含まないバインダを用いた従来知られる改質器と、本実施例の改質器９０とついて、ガスの流れ方向に関する内部の温度分布状態を表わした説明図である。本実施例の改質器９０は、従来の改質器とは異なり、上流側で進行する酸化反応で生じた熱が速やかに下流側に伝えられるため、上流側が急激に昇温されることなく、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。このように、改質器９０は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。触媒の劣化が抑えられることによって改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となり、従来の改質器が使用時間２００時間程度の耐久性であったのに対し、本実施例の改質器９０は、５０００時間以上の使用が可能になった。
【０１０４】
また、上記したように、上流側で進行した酸化反応によって生じた熱が速やかに下流側に伝えられるため、本実施例の改質器９０では、その下流領域で従来の改質器のように温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器の下流側においても、水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、下流側が備える触媒も充分に利用することができると共に、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。そのため、改質器をよりコンパクトにすることが可能となる。
【０１０５】
上記第２実施例では、熱伝導性に優れたステンレス板を基材とするハニカム上に、熱伝導性の高い物質を含有するバインダを用いた触媒層９６を形成したため、上流から下流への熱伝導は、触媒層９６自身によるものと、ステンレス板９４を介するものの両方が行なわれ、高い効率で伝熱を行なうことができ、特に優れた効果を得ることができた。ここで、触媒層９６を、セラミックハニカム上に形成したり、触媒を熱伝導性の高いバインダとともにペレット状に成形し、改質器内に充填する構成としても、上流側から下流側への熱伝導性が向上することによる所定の効果を得ることができる。
【０１０６】
次に、第３実施例として、改質器内の上流側が担持する触媒量を下流側に比べて少なくすることによって、上流側において酸化反応の活性を抑えた構成を以下に示す。図１１は、第３実施例の改質器１００の構成を模式的に表わす説明図である。この改質器１００は、図１の燃料電池装置２０と同様の構成の燃料電池装置に備えられている。図１１に示すように、改質器１００は、第１反応部１０１と第２反応部１０２とを備えている。これら第１反応部１０１および第２反応部１０２は、同様の形状のハニカムによって構成されており、このハニカム表面に、既述した実施例と同様のＣｕ−Ｚｎ触媒が担持されているが、ハニカム上に担持された触媒の量が、第１反応部１０１よりも第２反応部１０２の方が多くなっている。すなわち、第１反応部１０１は、５０ｇ／ｌ（ハニカムの単位体積当たりの触媒量）の割合でＣｕ−Ｚｎ触媒を担持しているのに対し、第２反応部１０２は、１８０ｇ／ｌの割合でＣｕ−Ｚｎ触媒を担持している。
【０１０７】
以上のように構成した改質器１００によれば、上流側の第１反応部１０１が担持する触媒量が少ないため、原燃料ガスおよび空気の導入側での酸化反応の進行が抑えられる。したがって、改質器の上流側で急激に酸化反応が進行してしまうことがなく、酸化反応が行なわれる領域がより下流側に広がる。したがって、上流側における急激な温度上昇を抑えることができる。
【０１０８】
図１２は、上流側も下流側と同量の触媒を担持するハニカムを備えた従来知られる改質器と、本実施例の改質器１００とについて、ガスの流れ方向に関する内部の温度分布状態を表わした説明図である。本実施例の改質器１００は、従来の改質器とは異なり、上流側では酸化反応の進行が抑えられるため、上流側が急激に昇温されることなく、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。このように、改質器１００は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。触媒の劣化が抑えられることによって改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となり、従来の改質器が使用時間２００時間程度の耐久性であったのに対し、本実施例の改質器１００は、５０００時間以上の使用が可能になった。
【０１０９】
また、上記したように、発熱を伴う酸化反応が進行する領域がより下流側に広がるため、本実施例の改質器１００では、その下流領域で従来の改質器のように温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器の下流側においても、水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、下流側が備える触媒も充分に利用することができると共に、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。そのため、改質器をよりコンパクトにすることが可能となる。
【０１１０】
なお、上記第３実施例では、改質器１００において、担持する触媒量を２段階に変化させることにしたが、３段階以上に変化させることとしてもよく、上流側の触媒担持量を減らすことによって、上記した所定の効果を得ることができる。ここで、上流側ほど触媒の担持量を減らす構成とし、触媒の担持量を変化させる段階の数を調節することによって、改質器内部の温度をより均一化させることが可能となり、既述した効果を高めることができる。
【０１１１】
また、上記第３実施例では、水蒸気改質反応と酸化反応とは、同一のＣｕ−Ｚｎ触媒によって促進することとしたが、水蒸気改質反応と酸化反応とを異なる触媒によって促進することとしてもよい。このような場合には、改質器の上流側と下流側とで触媒の総担持量を変える代わりに、酸化反応を促進する触媒の担持量だけを、上流側で少なくすればよい。
【０１１２】
次に、第４実施例として、改質器に供給するガス中の酸素濃度を下げることによって、上流側での酸化反応の活性を抑えると共に、供給するガスの流速を速めて上流側における酸化反応で生じた熱を下流側に伝える構成を示す。図１３は、第４実施例の改質器１１０の構成を模式的に表わす説明図である。この改質器１１０は、図１の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成の燃料電池装置に備えられており、共通する部材には同じ部材番号を付して以下の説明を行なう。
【０１１３】
ここで、既述した実施例では、ブロワ３８から改質器に空気を供給する空気供給路３９は一旦第２燃料供給路６４と合流しており、原燃料ガスは、空気を混合された上で改質器に供給されていたが、第４実施例の改質器１１０を備える燃料電池装置では、上記空気供給路３９は、改質器１１０に直接接続している。また、本実施例の改質器１１０を備える燃料電池装置では、燃料電池４０から酸化排ガス路６９に排出される酸化排ガスもまた、ブロワ３８から取り込まれる空気と共に、改質器１１０に供給可能となっている。通常の空気には約２０％の酸素が含有されているが、燃料電池から排出される酸化排ガスは、燃料電池における電気化学反応で所定量の酸素が消費されているため、含有する酸素量は空気より少ない。酸化排ガス中の酸素濃度は、燃料電池に供給される酸化ガスにおける空気過剰率（実際に供給した空気中の酸素量と理論上必要とされる酸素量との割合）などによって変わるが、本実施例の燃料電池装置では、酸化排ガス中の酸素濃度は、約１０％となる。したがって、改質器１１０に対して、空気と酸化排ガスとを混合して供給可能とすることによって、改質器１１０に供給する空気中の酸素濃度を、約１０％〜約２０％の範囲内で調節することが可能となる。
【０１１４】
図１３に基づいて、改質器１１０の構成を詳しく説明する。改質器１１０は、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒が担持されたハニカムによって構成される単一の反応部１１１を備える。また、上記空気供給路３９および酸化排ガス路６９は、合流して第２空気供給路１１５となり、この第２空気供給路１１５は、改質器１１０において、第２燃料供給路６４から原燃料ガスが供給される上流側に対して、空気と酸化排ガスとの混合気体（以下、混合空気と呼ぶ）を供給する。空気供給路３９には、第２空気供給路１１５への合流部の付近にマスフロコントローラ１１２が設けられており、第２空気供給路１１５側に供給する空気量を調節可能になっている。また、酸化排ガス路６９には、同じく第２空気供給路１１５への合流部の付近にマスフロコントローラ１１３が設けられており、第２空気供給路１１５側に供給する酸化排ガス量を調節可能になっている。これらマスフロコントローラ１１２，１１３は、既述した制御部５０に接続されており、制御部５０によって、空気供給路３９から供給される空気と、酸化排ガス路６９から供給される酸化排ガスとが混合される際の混合量が制御される。さらに、第２空気供給路１１５には酸素濃度センサ１１４が設けられている。この酸素濃度センサ１１４もまた制御部５０に接続されており、混合空気中の酸素濃度に関する情報が、制御部５０に入力可能となっている。また、反応部１１１内部において、その上流側の端部から所定の位置には、温度センサ１１７が設けられている。この温度センサ１１７も制御部５０に接続されており、反応部１１１内の温度に関する情報が、制御部５０に入力可能となっている。
【０１１５】
本実施例の改質器１１０は、所定量の酸素を含有する混合空気を改質器１１０に供給する際に、この混合空気中の酸素濃度を低下させると共に、反応部１１１内を通過するガス全体の流速を増加させ、改質器１１０の上流部で温度が急激に上昇してしまうのを抑える。すなわち、改質器１１０に供給する混合空気中の酸素濃度を低下させることによって、反応部１１１内を通過するガス中の酸素濃度も低下し、それによって上流側での酸化反応の活性が抑えられ、急激な温度上昇を防ぐことができる。また、所定量の酸素を含有する混合空気中の酸素濃度を低下させることによって、反応部１１１に供給される混合空気量が増大し、反応部１１１内を通過するガスの流速が速まる。それによって、上流側で進行する酸化反応で酸素が使い果たされる前に、より下流側に酸素が運ばれ、酸化反応が進行する領域をより下流側に広げることができる。さらに、反応部１１１内を通過するガスの流速を速めることによって、上流側で進行する酸化反応で生じた熱は速やかに下流側に伝えられ、反応部の上流側が昇温しすぎるのを防ぐことができる。
【０１１６】
図１４は、本実施例の改質器１１０を備える燃料電池装置で実行される空気混合量制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、改質器１１０を備える燃料電池装置において、図示しない所定のスタートスイッチを操作することによってこの燃料電池装置の始動が指示された後に、改質器１１０内部が充分に昇温して定常状態に達したと判断されると、所定の時間毎に実行される。
【０１１７】
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ５４は、まず、メタノール流路６０に設けられた第２ポンプ７１の駆動量を基に、改質器１１０に供給される原燃料ガス中のメタノール量の読み込みを行なう（ステップＳ２００）。次に、このメタノール量に基づいて、改質器１１０に供給すべき酸素量を求め、必要量の酸素を供給可能となるように、マスフロコントローラ１１２，１１３を駆動する（ステップＳ２１０）。すなわち、改質器に供給されるメタノール量が決定されれば、水蒸気改質反応で要する熱量と酸化反応で生じる熱量とを釣り合わせるために必要な酸素量を決定することができるため、この決定した酸素量を含有する空気が改質器１１０に供給されるように、マスフロコントローラ１１２，１１３を駆動する。ここで、供給すべき酸素量が決定されたときに、供給すべき酸素量を供給するために各マスフロコントローラを駆動する駆動量は、基準駆動量として、それぞれの供給酸素量に対して予め決定されて制御部５０内に記憶されている。
【０１１８】
マスフロコントローラ１１２，１１３を駆動して、必要量の酸素を含有する混合空気を改質器１１０に対して供給し始めると、次に、温度センサ１１７から、反応部１１１における上流側の内部温度Ｔ1 を読み込む（ステップＳ２２０）。次に、この内部温度Ｔ1 を、所定の基準温度Ｔａと比較する（ステップＳ２３０）。ここで、所定の基準温度Ｔa とは、上流側の内部温度Ｔ1 の上限として予め設定して制御部５０に記憶させておいた値であり、本実施例では３００℃とした。
【０１１９】
ステップＳ２３０において、上流側の内部温度Ｔ1 が上記所定の基準温度Ｔａよりも小さい場合には、反応部１１１の上流側の内部温度Ｔ1 は充分に低い温度であると判断されて、そのまま本ルーチンは終了される。上流側の内部温度Ｔ1 が上記所定の基準温度Ｔａ以上である場合には、マスフロコントローラ１１２の駆動量を減らすと共に、マスフロコントローラ１１３の駆動量を増やす。すなわち、改質器１１０に供給する混合空気において、単位時間当たりに供給する酸素量を変えることなく、酸化排ガスの割合を増加させる（ステップＳ２４０）。このステップＳ２４０における酸化排ガスの割合の変化量、すなわち、改質器１１０に供給する混合空気中の酸素濃度の変化量は、本実施例では、予め最小単位の変化量を定めておき、この最小単位毎に酸素濃度を低下させることとした。あるいは、内部温度Ｔ1 が基準温度Ｔａを越える量に応じて調節することとしてもよい。酸化排ガスの割合を増加させることによって、改質器１１０に供給されるガス全体での酸素濃度が低下するため、上流側で進行する酸化反応が抑えられる。また、単位時間当たりに供給する酸素量を変えることなく酸化排ガスの割合を増加させることで、改質器１１０に供給される混合空気量が増加し、改質器１１０内を通過するガスの流速が速まり、上流側で進行する酸化反応で生じた熱がより速やかに下流側に運ばれるようになる。したがって、ステップＳ２４０を実行することによって、反応部１１１の上流側の内部温度Ｔ1 を下げることができる。
【０１２０】
ステップＳ２４０において酸化排ガスの割合を変えると、次に、再びステップＳ２２０に戻って、内部温度Ｔ1 の読み込みおよびこの内部温度Ｔ1 と所定の基準温度Ｔａとの比較の動作を繰り返す。ステップＳ２３０において内部温度Ｔ1 が所定の基準温度Ｔａよりも低くなると、改質器１１０に供給される混合空気中の酸化排ガスの割合が適当となり、反応部１１１の上流側の内部温度Ｔ1 は充分に低くなったと判断されて、本ルーチンを終了する。
【０１２１】
なお、本実施例の改質器１１０を備える燃料電池装置は、既述したように酸素濃度センサ１１４を第２空気供給路１１５に備えており、その検出結果に基づいて、改質器１１０に供給する混合空気中の酸素濃度を補正する。すなわち、上記空気混合量制御処理ルーチンにおけるステップＳ２１０あるいはステップＳ２４０において、マスフロコントローラを駆動したときには、改質器１１０に供給する混合空気中の酸素濃度を酸素濃度センサ１１４によって検出し、その結果に基づいてマスフロコントローラの駆動量を補正している。
【０１２２】
以上のように構成された第４実施例の改質器１１０を備える燃料電池装置によれば、改質器１１０に供給される混合空気中の酸素濃度を制御することができるため、上記混合空気中の酸素濃度を低くすることによって、原燃料ガスおよび混合空気の導入側において酸化反応が進行するのを抑えることができる。したがって、上流側における急激な温度上昇を抑えることができる。さらに、単位時間当たり所定量の酸素を改質器１１０に供給しながら混合空気中の酸素濃度を下げることによって、混合空気の流量が増大し、反応部１１１内部を通過するガスの流速が速まる。したがって、上流側で進行する酸化反応で生じた熱は速やかに下流側に伝えられて、上流側で温度が上昇しすぎるのを抑えることができる。
【０１２３】
また、上記したように上流側において酸化反応が抑えられることによって、酸化反応が進行する領域がより下流側に広がるため、本実施例の改質器１１０では、その下流領域で従来の改質器のように温度が低下しすぎることがない。さらに、反応部１１１内部を通過するガスの流速が速まることによって、上流側で生じた熱が下流側に伝えられ易くなるため、下流領域での温度低下がさらに抑えられる。したがって、改質器１１０では、その下流側においても水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、下流側が備える触媒も充分に利用することができると共に、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。そのため、改質器をよりコンパクトにすることが可能となる。
【０１２４】
上記第４実施例では、メタノール流路６０に設けられた第２ポンプ７１の駆動量を基に、改質器１１０に供給される原燃料ガス中のメタノール量を読み込み、また、温度センサ１１７の検出結果を基に、上流側において酸化反応が過剰に進行していないかどうかを判断している。改質器１１０に供給されるメタノール量や、改質器１１０における酸化反応と水蒸気改質反応との進行状態に関するこのような判断は、上記以外の測定量によって、あるいは、上記以外の測定量をさらに利用して行なうこととしてもよい。例えば、改質器１１０内における水蒸気改質反応と酸化反応との進行状態を判断するために、第３燃料供給路６５に、第３燃料供給路６５を通過するガス中の成分を分析可能な機器を配設し、改質器１１０から排出される燃料ガス中のメタノール、水素、二酸化炭素、酸素などの量を測定し、この測定結果をさらに利用して、改質器１１０内における水蒸気改質反応および酸化反応の進行状態を判断することとしてもよい。
【０１２５】
上記第４実施例では、混合空気は、改質器１１０の上流側だけから供給する構成としたが、複数箇所から混合空気を供給する構成も好ましい。このような構成を、第４実施例の変形例として以下に示す。図１５は、第４実施例の変形例である改質器１１０Ａの構成を模式的に表わす説明図である。改質器１１０Ａは、２つの反応部１１１Ａ、１１１Ｂを備えており、それぞれの反応部に対して混合酸素が供給される。ここで、改質器１１０Ａに供給される原燃料ガスは、反応部１１１Ａ、１１１Ｂの順で通過する。また、改質器１１０Ａに対して空気および酸化排ガスを供給する空気供給路３９および酸化排ガス路６９は、それぞれ、空気分岐路３９Ａ，３９Ｂ、酸化排ガス分岐路６９Ａ，６９Ｂに分岐する。空気分岐路３９Ａと酸化排ガス分岐路６９Ａとは合流して第２空気供給路１１５Ａとなり、上流側に配設された反応部１１１Ａに対して混合空気を供給する。空気分岐路３９Ｂと酸化排ガス分岐路６９Ｂとは合流して第２空気供給路１１５Ｂとなり、下流側に配設された反応部１１１Ｂに対して混合空気を供給する。それぞれの反応部に供給される混合空気中の酸素量および酸素濃度は、第４実施例と同様に、改質器１１０Ａに供給されるメタノール量や、各反応部の上流側の温度などに基づいて、マスフロコントローラ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１３Ａ，１１３Ｂの駆動量を調節することによって制御される。
【０１２６】
以上のように構成された改質器１１０Ａによれば、混合空気を分割して供給しているため、一度に供給する混合ガス中の酸素量を減らすことができ、局所的に温度が上昇しすぎてしまうのを防ぐ効果をさらに高めることができる。さらに、改質器内部を複数の反応部に分割し、各反応部ごとに混合空気を供給することによって、改質器内部の温度分布をより精度よく制御することが可能となり、より容易に改質器の内部全体を望ましい温度範囲に保つことができる。
【０１２７】
図１６は、酸化反応で要する酸素源として、改質器に対しては通常の空気だけを供給する従来知られる改質器と、上述した改質器１１０Ａとついて、ガスの流れ方向に関する内部の温度分布状態を表わした説明図である。改質器１１０Ａは、従来の改質器とは異なり、上流側における酸化反応の進行が抑えられるため、上流側が急激に昇温されることなく、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。以上説明したように、本実施例の改質器１１０および１１０Ａは、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。したがって、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。
【０１２８】
また、既述した実施例の改質器１１０および１１０Ａは、ハニカムによって構成された反応部を備えることとしたが、改質器の内部に、触媒を担持したペレットを充填する構成としてもよい。この場合にも、酸化反応に要する酸素源として、改質器に供給する混合空気中の酸素濃度を制御可能とすることによる同様の効果を得ることができる。
【０１２９】
上記第３および第４実施例では、改質器の上流側で進行する酸化反応の活性を抑えることによって、上流側で急激な温度上昇が起こらないようにしたが、触媒部内部において、酸化反応が活発に進行する領域と、酸化反応の進行が不活発な領域とを変更可能とすることによって、熱が生じる領域を変更し、局所的に温度が上昇しすぎるのを防ぐことも可能である。以下に、このような構成として、原燃料ガスおよび酸素が導入される入り口部と、水素リッチな燃料ガスが排出される出口部とが切り替え可能な改質器を、第５実施例として説明する。
【０１３０】
図１７は、第５実施例の改質器１２０の構成を模式的に表わす説明図である。この改質器１２０は、図１の燃料電池装置２０と同様の構成の燃料電池装置に備えられている。図１７に示すように、改質器１２０は、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持するハニカムによって構成された単一の反応部１２１を備える。この反応部１２１は、その両端部の内部温度を測定する温度センサ１２２および温度センサ１２３を備えている。これらの温度センサは、既述した制御部５０に接続されており、反応部１２１の両端部における内部温度に関する情報は、制御部５０に入力される。
【０１３１】
また、本実施例では、第２燃料供給路６４は、第１供給分岐路１２４と第２供給分岐路１２５とに分岐しており、それぞれの分岐路は、改質器１２０のそれぞれの端部に接続する。ここで、改質器１２０の一端は、上記第１供給分岐路１２４と接続するほかに、第１排出分岐路１２６とも接続している。また、改質器１２０の他端は、上記第２供給分岐路１２５と接続するほかに、第２排出分岐路１２７と接続している。これらの第１排出分岐路１２６と第２排出分岐路１２７とは、合流して第３燃料供給路６５となり、ＣＯ低減部３６に接続する。さらに、上記第１供給分岐路１２４，第２供給分岐路１２５，第１排出分岐路１２６，第２排出分岐路１２７には、それぞれ、電磁弁１２８，１２９，１２８Ａ，１２９Ａが設けられている。これらの電磁弁１２８，１２９，１２８Ａ，１２９Ａは、制御部５０に接続されており、制御部５０によってその開閉状態が制御される。
【０１３２】
このような改質器１２０では、通常は、上記電磁弁の開閉状態は、電磁弁１２８と１２８Ａが開状態、電磁弁１２９と１２９Ａが閉状態となる第１の状態と、電磁弁１２９と１２９Ａが開状態、電磁弁１２８と１２８Ａが閉状態となる第２の状態のいずれかとなる。電磁弁の開閉状態が上記第１の状態となるときには、第２燃料供給路６４から供給される原燃料ガスは、反応部１２１内において、図１３中向かって左側から右側に向かって通過する。また、電磁弁の開閉状態が上記第２の状態となるときには、原燃料ガスは、反応部１２１内において、図１３中向かって右側から左側に向かって通過する。
【０１３３】
図１８は、改質器１２０において上記したようなガスの入り口部の切り替えが行なわれる際に、燃料電池装置２０で実行されるガス入り口切り替え処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池装置２０において、図示しない所定のスタートスイッチを操作することによって燃料電池装置２０の始動が指示されると、所定の時間毎に実行される。
【０１３４】
本ルーチンが実行されると、まず、ＣＰＵ５４は、既述した各電磁弁の開閉状態から、電磁弁の開閉状態が第１の状態であるか否かを判断する（ステップＳ３００）。第１の状態であると判断された場合には、ガスが供給される上流側の端部における内部温度Ｔ1 を、温度センサ１２２から読み込む（ステップＳ３１０）。次に、この内部温度Ｔ1 を、予め設定した所定の基準温度Ｔ0 と比較する（ステップＳ３２０）。ここで、所定の基準温度Ｔ0 とは、反応部１２１の内部温度が非所望の状態にまで昇温しつつあることを示す基準となる温度として予め制御部５０内に記憶させた値であって、本実施例では、３００℃に設定した。ステップＳ３２０において内部温度Ｔ1 が基準温度Ｔ0 に達していないときには、ステップＳ３１０に戻り、内部温度Ｔ1 が基準温度Ｔ0 に達するまで、上記した内部温度の読み込みと比較の動作を繰り返す。
【０１３５】
ステップＳ３２０において内部温度Ｔ1 が基準温度Ｔ0 以上であると判断されると、次に、すべての電磁弁を閉状態にすると共に、制御部５０に備えられた図示しない所定のタイマにより経過時間ｔの測定を開始する（ステップＳ３３０）。ステップＳ３３０においてすべての弁を閉状態にすることによって、改質器１２０におけるガスの出入りは停止され、反応部１２１内では、残留する原燃料ガスを用いた水蒸気改質反応および酸化反応がそのまま続行される。次に、経過時間ｔを、予め設定した所定の基準時間ｔ0 と比較する（ステップＳ３４０）。ここで、所定の基準時間ｔ0 とは、上記したようにすべての弁を閉状態としたときに、改質器１２０内部に残留する原燃料ガスを用いた水蒸気改質反応および酸化反応が完了するのに要する時間として、予め制御部５０内に記憶させた値であって、本実施例では１ｓｅｃに設定した。ステップＳ３４０において経過時間ｔが基準時間ｔ0 に達していないときには、基準時間ｔ0 が経過するまでステップＳ３４０の動作を繰り返す。ステップＳ３４０において、経過時間ｔが基準時間ｔ0 に達したときには、所定の電磁弁に駆動信号を出力して電磁弁の開閉状態を第２の状態にして（ステップＳ３５０）、本ルーチンを終了する。
【０１３６】
また、ステップＳ３００において、第１の状態でないと判断されたときには、改質器１２０は第２の状態であると判断され、ガスが供給される上流側の端部における内部温度Ｔ2 を、温度センサ１２３から読み込む（ステップＳ３６０）。その後は、ステップＳ３７０〜ステップＳ３９０まで、既述したステップＳ３２０〜ステップＳ３４０までと同様の処理を行なう。すなわち、酸化反応の進行と共に内部温度Ｔ2 が所定の基準値Ｔ0 （本実施例では３００℃）に達すると、所定の時間（本実施例では１ｓｅｃ）すべての弁を閉状態とし、その後電磁弁の開閉状態を第１の状態にして（ステップＳ４００）、本ルーチンを終了する。
【０１３７】
なお、上記したガス入り口切り替え処理ルーチンは、既述したように、図示しない所定のスタートスイッチを操作することによって燃料電池装置２０の始動が指示されると、所定時間毎に実行されることとしたが、燃料電池装置２０の始動が指示された最初の状態としては、各電磁弁の開閉状態は、上記した第１の状態または第２の状態となるようにしておけばよい。例えば、前回に燃料電池装置２０を停止したときと同じ状態で、次回に燃料電池装置２０を始動することとしてもよいし、燃料電池装置２０の始動時には各電磁弁の開閉状態が上記第１の状態あるいは第２の状態になるように設定しておいてもよい。
【０１３８】
以上のように構成された第５実施例の改質器１２０を備える燃料電池装置によれば、改質器１２０に供給する混合空気中の供給箇所を上流側と下流側とで切り替え、反応部１２１内のガスの流れの方向を逆転させることができるため、酸化反応で生じる熱によって、改質器の一方の端部だけが昇温しすぎることがない。したがって、上流側における急激な温度上昇を抑えることができる。ここで、ガスの流れの方向の切り替えは、反応部１２１の端部の温度に基づいて行なうため、反応部１２１の端部の温度が上昇しすぎてしまうのをより確実に防ぐことが可能となる。
【０１３９】
また、上記したようにガスの流れの方向を切り替えることによって、反応部１２１の両端が上流側となり得るため、従来の改質器のように特定の下流側で温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器１２０では、その両側で水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、反応部１２１全体が備える触媒を充分に利用することができると共に、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。そのため、改質器をよりコンパクトにすることが可能となる。
【０１４０】
図１９は、内部のガスの流れの方向が一定である従来知られる改質器と、上述した改質器１２０とついて、一端側から他端側への内部の温度分布状態を表わした説明図である。改質器１２０は、従来の改質器とは異なり、特定の端部側において酸化反応が進行しすぎるのが抑えられ、また、両端部側が上流側となり得るため、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。以上説明したように、本実施例の改質器１２０は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。したがって、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。
【０１４１】
なお、本実施例の改質器１２０は、ハニカムによって構成された反応部を備えることとしたが、改質器の内部に、触媒を担持したペレットを充填する構成としてもよい。この場合にも、改質部内を通過するガスの流れの方向を切り替えることによる同様の効果を得ることができる。
【０１４２】
また、本実施例の改質器１２０は、反応部１２１の端部の温度に基づいて、ガスの流れの方向を切り替えることとしたが、切り替えのタイミングは、他の要因に基づくこととしても良い。反応部１２１の端部温度に基づく場合には、改質器１２０に供給される原燃料ガスの量が変動して、改質器１２０内部で進行する水蒸気改質反応と酸化反応との量が変動する場合にも、内部温度を所定の範囲内に保つ上で高い効果が得られるという利点があるが、例えば、改質器に供給される原燃料ガス量の変動が小さい場合には、所定の時間毎にガスの流れの方向を切り替えることとしてもよい。
【０１４３】
次に、第６実施例として、改質器内部に封入した触媒粒子を撹拌することによって、改質器内の特定の上流側だけが昇温しすぎてしまうのを防ぐ構成を示す。図２０は、第６実施例の改質器１３０およびこの改質器１３０と接続される部材の構成を模式的に表わす説明図である。本実施例の改質器１３０は、図１の燃料電池装置２０と同様の構成の燃料電池装置に備えられているため、以下の説明では、共通する部材については同じ部材番号を付して詳しい説明を省略する。
【０１４４】
改質器１３０は、既述したＣｕ−Ｚｎ触媒からなる粒子を内部に封入されている。この触媒は、周知の共沈法により作製したＣｕ−Ｚｎ触媒を、約５００μｍの粒径となるように造粒したものである。あるいは、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を、所定の溶媒に分散させた上でスプレードライヤ装置に供給し、噴霧することによって上記した粒径の微粒子を作製することとしてもよい。また、触媒粒子の粒径は、上述するようにこの触媒粒子を封入する改質器内にガスを噴射する際に、このガスによって充分に撹拌されうる大きさであればよく、例えば、１００μｍ〜数ｍｍの粒径とすることが好ましい。また、触媒粒子の形状はいかなるものであってもよいが、後述する撹拌の効率を考えると、球状に近い方が好ましい。
【０１４５】
改質器１３０は、既述した実施例と同様に、メタノールおよび水蒸気からなる原燃料ガスが蒸発器３２から供給されると共に、ブロワ３８から空気が供給されるが、本実施例では、これらの原燃料ガスおよび空気は、調圧弁１３２および噴射ノズル１３４を介して改質器１３０内に供給される。蒸発器３２では、メタノールおよび水が気化・昇温されるため、蒸発器３２からは所定の温度と圧力を有する状態で原燃料ガスが排出される。この原燃料ガスは、空気供給路３９から供給される空気と混合された後、調圧弁１３２および噴射ノズル１３４を介して改質器１３０内に噴射される。改質器１３０内には、上記したように触媒粒子が封入されているため、空気を含有する原燃料ガスを噴射することによって触媒粒子は、図２０中矢印で示すように改質器１３０内で流動し、撹拌される。ここで、本実施例の改質器１３０では、空気を含有する原燃料の噴射は７カ所から行なうこととしたが、改質器内で触媒粒子を充分に撹拌可能であれば噴射箇所の数は異なる構成としてもよい。また、改質器１３０内部の容積は、所定量の触媒粒子が、所定の流量、所定の圧力で供給されるガス（酸素を含む原燃料ガス）によって、充分に撹拌され得る大きさであればよい。
【０１４６】
改質器１３０において、噴射ノズルが接続する端部と反対側の端部には、発泡ニッケルによって形成されたフィルタ１３６が設けられている。このフィルタ１３６は、充分に目の細かいメッシュ状に形成されているため、改質器１３０内に封入された触媒粒子が外部に漏れるのは妨げるが、改質器１３０内で生成された燃料ガスがＣＯ低減部３６側に供給されるのは妨げない。フィルタ１３６を通過した燃料ガスは、ＣＯ低減部３６に供給されて一酸化炭素濃度が低減された後、燃料電池４０に供給される。
【０１４７】
以上のように構成された改質器１３０を備える燃料電池装置によれば、改質器１３０内に封入された触媒粒子は、空気を含有する原燃料ガスによって常に撹拌されるため、高濃度の酸素を含む原燃料ガスが供給される位置に存在する触媒粒子が常に入れ替わり、酸化反応で生じる熱によって触媒の特定の領域だけが昇温しすぎてしまうことがない。ここで、触媒粒子を撹拌するために改質器内に噴射するガスは、改質器内で進行する水蒸気改質反応および酸化反応に供するためのガス（空気を含有する原燃料ガス）であるため、改質器１３０に原燃料を供給する動作と、触媒粒子を撹拌する動作とを同時に行なうことができる。また、改質器内にガスを噴射することによって、改質器内の反応や燃料電池における電気化学反応が影響を受けることがない。
【０１４８】
また、改質器１３０内における触媒粒子の撹拌によって、酸化反応で生じた熱も改質器１３０内に分散されるため、従来の改質器のように特定の下流側で温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器１３０では、触媒粒子全体において水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。
【０１４９】
図２１は、内部のガスの流れの方向が一定である従来知られる改質器と、上述した改質器１３０とについて、一端側から他端側への内部の温度分布状態を表わした説明図である。ここで、改質器１３０に供給するガスは、温度２５０℃、流量６７０ｌ／ｍｉｎの原燃料ガスと、流量１４０ｌ／ｍｉｎの空気とを混合し、５気圧にて噴射ノズル１３４から改質器１３０内に噴射した。改質器１３０は、従来の改質器とは異なり、特定の端部側において酸化反応が進行しすぎることがなく、また、内部の触媒粒子が均等な状態で反応に関わるため、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。以上説明したように、本実施例の改質器１３０は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。したがって、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。
【０１５０】
なお、上記第６実施例では、撹拌のために改質器１３０内に噴射するガスとして、空気を含有する原燃料ガスを用いたが、メタノールガス、水蒸気、空気のうち少なくともいずれか一つからなるガスを用いることとしてもよい。この場合には、触媒の撹拌のために改質器内に噴射するのに用いなかった残りの成分は、改質器の所定の位置（上記噴射位置に近い上流側であることが望ましい）から、改質器内に対して、触媒粒子が封入された状態を維持しつつ供給することとすればよい。
【０１５１】
また、上記第６実施例では、改質器１３０内に高圧のガスを噴射することによって、改質器１３０内に封入した触媒粒子を撹拌しているが、ガスの噴射以外の手段によって触媒粒子を撹拌することとしてもよい。例えば、改質器内に、内部の触媒粒子を撹拌可能な機械的な手段を設けることとしてもよい。
【０１５２】
次に、第７実施例として、触媒部において、酸化反応に供する空気が供給される箇所を経時的に変化させる構成を示す。図２２は、第７実施例の改質器１４０の構成を模式的に示す説明図である。この改質器１４０は、図１の燃料電池装置２０と同様の構成の燃料電池装置に備えられている。図２２に示すように、改質器１４０は、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持するハニカムによって構成された単一の反応部１４１を備え、略円筒形状に形成されている。また、改質器１４０は、図示しない所定のモータによって回転可能となっている。ここで、改質器１４０は、既述した実施例と同様に、第２燃料供給路６４から原燃料ガスが供給されると共に、生成した燃料ガスを第３燃料供給路６５へ排出するが、これら第２燃料供給路６４および第３燃料供給路６５は、改質器１４０の略円形をした断面の略中心部に接続している。上記したモータを駆動することによって、改質器１４０は、上記断面の中心部を中心として、毎秒１回転の速度で回転する。
【０１５３】
また、改質器１４０には、第２燃料供給路６４から原燃料ガスが供給されると共に、空気供給路３９から空気が供給されるが、本実施例では、この空気供給路３９における改質器１４０との接続側の端部は、第２燃料供給路６４内に形成されている。第２燃料供給路６４内に形成された空気供給路３９の端部は、改質器１４０において反応部１４１の上流側に設けられた空間内で湾曲し、その後吹き出し口１４２として開口している。この吹き出し口１４２は、反応部１４１の上流側の端部に対面して開口しており、その開口する位置は、本実施例では、反応部１４１の端部断面の中心点と、同じく端部断面の円周部との中間付近とした。空気供給路３９から供給される空気を、この吹き出し口１４２から吹き出すことによって、反応部１４１を構成するハニカムの各セルのうち、吹き出し口１４２の全面にあるセルを中心として、約半数のセルに対して空気を供給することができる。
【０１５４】
したがって、本実施例の改質器１４０を用いると、吹き出し口１４２から空気の供給を受けるセルにおいては、水蒸気改質反応と酸化反応との両方が進行し、空気の供給を受けないセルにおいては、水蒸気改質反応だけが進行する。このとき、改質器１４０は、既述したように回転し、吹き出し口１４２の位置は改質器１４０の回転の状態に関わらず変化しないため、空気の供給を受けるセルは経時的に変化する。
【０１５５】
以上のように構成された第７実施例の改質器１４０によれば、空気の供給を受けて酸化反応を進行するセルが経時的に変化するため、特定のセルの上流部において温度が上昇しすぎてしまうことがない。空気の供給を受けて酸化反応が進行し、上流側が昇温しかかったセルでは、直ちに空気の供給を受けない状態となって酸化反応が停止し、生じた熱は水蒸気改質反応で消費されるため、それ以上温度が上昇することがない。また、空気の供給を受けずに水蒸気反応によって熱が消費されたセルでは、直ちに空気が供給されて酸化反応によって熱が生じるため、温度が低下しすぎてしまうことがない。
【０１５６】
なお、改質器１４０において、供給されるメタノール量と空気量との比は、既述した実施例と同様に、改質器内で進行する水蒸気改質反応で要する熱量と、酸化反応で生じる熱量とから定まるため一定である。ここで、本実施例の改質器１４０では、空気の供給を受けるセルは、常に、ハニカムを構成するセル全体の約半分である。したがって、各セルが空気の供給を受ける際には、メタノール量に対して通常よりも過剰な量の酸素を供給されることになり、供給されたメタノールを水蒸気改質するのに要する熱以上の熱を生じる酸化反応が起こる。しかしながら、上述したように、これらのセルは直ちに空気の供給が停止されるため、空気が供給された上流側で温度が上昇しすぎることがない。また、酸素が過剰な状態で空気と原燃料ガスが供給されるため、通常の濃度の酸素を供給する場合より、酸化反応が起きる領域がより下流側にまで広がる。したがって、従来の改質器のように下流側で温度が低下しすぎることがない。このように、改質器１４０では、反応部全体を所定の温度範囲に保ち、水蒸気改質反応の活性を高い状態に保つと共に、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。
【０１５７】
図２３は、ハニカムを構成するセル全体に、常に所定の割合の酸素を供給する従来知られる改質器と、上述した改質器１４０とついて、上流側から下流側への内部の温度分布状態を表わした説明図である。この温度分布状態の測定は、改質器１４０に供給するガスにおいて、ＬＨＳＶ（一時間に処理するメタノール体積／触媒体積）＝３、酸素／メタノールの比が１１％となる空気、水／メタノールの比が２となる水を含む条件において行なった。改質器１４０は、従来の改質器とは異なり、上流側で温度が上昇しすぎてしまうことがなく、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。したがって、本実施例の改質器１４０は、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができ、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。なお、上記した条件において改質器１４０を用いて燃料ガスを生成すると、Ｈ₂ ＝５０％、ＣＯ₂ ＝２３％、Ｈ₂Ｏ ＝１７．５％、Ｎ₂ ＝９％、ＣＯ＝０．５％となる燃料ガスが得られ、良好に作動することが確かめられた。
【０１５８】
以上説明した第７実施例の改質器１４０は、空気が供給される吹き出し口１４２が固定され、改質器１４０が回転する構成としたが、吹き出し口が回転し、改質器が固定された構成とすることもできる。このような構成の改質器を、第７実施例の変形例として以下に示す。図２４は、第７実施例の変形例である改質器１４０Ａの構成を模式的に表わす説明図である。改質器１４０Ａは、改質器１４０とほぼ同様の構成を備えており、対応する部材には同一の番号に符号Ａを付して説明する。この改質器１４０Ａにおいては、改質器１４０Ａは回転することがない。また、空気供給路３９における吹き出し口１４２Ａに至る端部側において設けられた既述した湾曲部には、所定の回転機構１４４が設けられている。この回転機構１４４によって、吹き出し口１４２Ａを備えた空気供給路３９の端部は回転し、反応部１４１Ａの上流側端部面において、吹き出し口１４２Ａから空気が供給される領域が経時的に変化する。
【０１５９】
このように構成された改質器１４０Ａを用いる場合にも、第７実施例の改質器１４０と同様の効果を奏することができる。なお、空気供給路３９の端部付近に設けられた回転機構１４４は、吹き出し口１４２Ａを備える端部部材１４３と、空気供給路３９の基部とを回転自在に支持する構成とし、上記端部部材１４３は、吹き出し口１４２Ａから空気が吹き出される反力によって回転することとしてもよいし、外部から供給される所定の動力を用いて回転力を発生することとしてもよい。
【０１６０】
なお、上記実施例では、空気の吹き出し口と改質器とのうちのいずれかを回転させることとしたが、改質器の上流部に複数の空気供給口を設け、実際に空気が供給される空気供給口を経時的に切り替える構成としてもよく、反応部において空気が供給される部位を経時的に変化させることができればよい。また、上記改質器１４０および改質器１４０Ａは、ハニカムによって構成された反応部を有することとしたが、それぞれの反応部は、触媒を担持するペレットを充填することによって構成してもよい。この場合にも、反応部において空気が供給される部位を経時的に変化させることによって、実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１６１】
さらに、既述した第６実施例および第７実施例の改質器は、上記した効果の他に、始動時において内部でより多くの酸化反応を進行させ、改質器をより速く定常状態にまで昇温させることができるという効果をも奏する。始動時には改質器の温度が室温付近にまで低下しているため、速やかに昇温させて定常状態にする必要がある。ここで、メタノールおよび酸素を大量に供給して積極的に酸化反応を起こさせ、改質器を内部から加熱する方法が考えられるが、従来の改質器では、多量の空気を供給して酸化反応を起こさせると、改質器全体の温度が低い場合であっても、上流の特定領域だけが昇温しすぎてしまうおそれがあった。上記第６および第７実施例の改質器によれば、酸化反応が活発に進行する領域（酸素が高い濃度で供給される触媒部位）が経時的に変化するため、多量の酸素を供給して積極的に酸化反応を行なわせても、特定部位だけが昇温しすぎることがなく、速やかに改質器を昇温させることが可能となる。
【０１６２】
次に、第８実施例として、改質器内に複数の反応部を設け、これらの反応部の一部について残りの反応部とはガスの流れを逆向きにすることによって、隣接する反応部の間で、原燃料ガスおよび空気が供給される上流側と、燃料ガスが排出される下流側とで熱交換させる構成を示す。図２５は、第８実施例の改質器１５０の構成を表わす断面模式図である。改質器１５０は、図１の燃料電池装置２０と同様の燃料電池装置に備えられている。この改質器１５０は、略円柱状に形成されており、その内壁に沿って環状に反応部１５２を備え、反応部１５２の内側に反応部１５１を備えており、２重管状の構造を有している。反応部１５１は、その一端側（図２５中向かって左側）から原燃料ガスおよび空気の供給を受け、他端側（図２５中向かって右側）において燃料ガスを排出する。反応部１５２も一方の端部側から原燃料ガスおよび空気の供給を受け、他方の端部において燃料ガスを排出するが、それぞれの位置は反応部１５１とは逆である。したがって、反応部１５１と反応部１５２では、内部のガスの流れの方向が逆向きになる。ここで、それぞれの反応部１５１および反応部１５２は、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持するハニカムによって構成してもよいし、Ｃｕ−Ｚｎ触媒からなるペレットを充填して形成してもよい。
【０１６３】
以上のように構成された第８実施例の改質器１５０によれば、内側に設けた反応部１５１の上流側と外側に設けた反応部１５２の下流側、および、反応部１５１の下流側と反応部１５２の上流側とが隣接した状態となるため、それぞれ、上流側と下流側との間で熱交換を行なうことが可能となる。したがって、一方の反応部の上流側において酸化反応のために生じた熱は、隣接する他方の反応部の下流側に伝えられ（図２５中の点線矢印参照）、原燃料ガスと共に空気を供給される上流側で温度が上昇しすぎてしまうことがない。
【０１６４】
また、改質器１５０を構成する各反応部の下流側では、上述したように、隣接する反応部の上流側から熱が供給されるため、従来の改質器のように下流側で温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器１５０では、各反応部全体において水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。
【０１６５】
図２６は、改質器が備える反応部において内部のガスの流れの方向が一定である従来知られる改質器と、上述した改質器１５０とについて、一端側から他端側への内部の温度分布状態を、各反応部ごとに表わした説明図である。改質器１５０は、従来の改質器とは異なり、特定の上流側において酸化反応で生じた熱によって昇温しすぎることがなく、また、特定の下流側において内部の温度が低下しすぎることがないため、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。以上説明したように、本実施例の改質器１５０は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。したがって、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。
【０１６６】
以上説明した第８実施例の改質器１５０は、内側に形成された反応部１５１と外側に形成された反応部１５２とを備える２重管タイプとし、それぞれの反応部においてガスの流れの方向が逆になる構成としたが、改質器を複数の反応部によって構成し、それらのうち、一部の反応部において、残りの反応部とはガスの流れの方向が逆になる構成とすれば、発熱量が多い上流側と熱の消費量が多い下流側との間で熱交換を行なうことができ、上記第８実施例と同様の所定の効果を得ることができる。例えば、改質器を２重管タイプとする代わりに、複数個の薄型の反応部を積層した積層タイプとし、これら積層した各反応部について交互にガスの流れの方向が逆向きになる構成としてもよい。このような場合にも、隣接する反応部間において、上流側と下流側とで熱交換を行ない、内部温度を均熱化することができる。
【０１６７】
次に、第９実施例として、所定の反応部が形成する流路において途中で折り返し部を形成し、この所定の反応部において上流側と下流側とを隣接させて熱交換を行なわせる構成を示す。図２７は、第９実施例の改質器１６０の構成を表わす断面模式図である。改質器１６０は、図１の燃料電池装置２０と同様の燃料電池装置に備えられている。この改質器１６０は、第８実施例の改質器１５０と同様に略円柱状に形成されており、その内部は内側部１６１と外側部１６２とに分かれた２重管構造となっている、これら内側部１６１および外側部１６２は連続した構造として形成されており、両者は単一の反応部１６３を構成している。
【０１６８】
第２燃料供給路６４は内側部１６１の一端に接続されており、第２燃料供給路６４から供給される原燃料ガスおよび空気は、内側部１６１において一端側から他端側に向かって移動する。内側部１６１の他端では、内側部１６１は外側部１６２と接続しており、内側部１６１内を通過するガスは、上記他端において外側部１６２に導入される（図２７中の実線矢印参照）。外側部１６２内に導入されたガスは、そのまま外側部１６２内を通過して、内側部１６１における上記一端側に対応する端部において第３燃料供給路６５に接続し、反応部１６３内をガスが通過する際に生成した燃料ガスを、この第３燃料供給路６５に排出する。なお、反応部１６３を構成する内側部１６１および外側部１６２は、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を担持するハニカムによって構成してもよいし、Ｃｕ−Ｚｎ触媒からなるペレットを充填して形成してもよい。
【０１６９】
以上のように構成された第９実施例の改質器１６０によれば、内側に設けた内側部１６１と外側に設けた外側部１６２とが隣接した状態となるため、これら内側部１６１と外側部１６２との間で熱交換を行なうことが可能となる。内側部１６１は、反応部１６３では上流側に相当し、酸化反応が活発に行なわれて多くの熱が生じる。また、外側部１６２は、反応部１６３では下流側に相当し、主として水蒸気改質反応だけが行なわれて熱を要する。改質器１６０では、多くの熱を生じる内側部１６１から、熱を要する外側部１６２に対して熱が伝えられるため、（図２７中の点線矢印参照）上流側に相当する内側部１６１において温度が上昇しすぎてしまうことがない。
【０１７０】
また、改質器１６０において、下流側に相当する外側部１６２では、上述したように、隣接する内側部１６１から熱が供給されるため、従来の改質器のように下流側で温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器１６０では、各反応部全体において水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。
【０１７１】
図２８は、改質器が備える反応部において内部のガスの流れの方向が一定である従来知られる改質器と、上述した改質器１６０とについて、第２燃料供給路６４との接続側から他端側への内部の温度分布状態を表わした説明図である。改質器１６０は、従来の改質器とは異なり、上流側において酸化反応で生じた熱によって昇温しすぎることがなく、また、下流側において内部の温度が低下しすぎることがないため、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。以上説明したように、本実施例の改質器１６０は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。したがって、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。
【０１７２】
以上説明した第９実施例の改質器１６０は、内側に形成された内側部１６１と外側に形成された外側部１６２とを備える２重管タイプとし、内側部１６１と外側部１６２とでガスの流れの方向が逆になる構成としたが、改質器を上記２重管以外の構成としてもよい。原燃料ガスおよび空気が通過する流路において途中で折り返し部を設け、上流側と下流側とを隣接させて両者の間で熱交換が可能な構成とすれば、上記第９実施例と同様の所定の効果を得ることができる。例えば、改質器を２重管タイプとする代わりに、所定の流路を２つに折り畳んだ形状とし、上流側と下流側とでガスの流れの方向が逆向きになる構成としてもよい。このような構成の改質器１６０Ａを図２９に示す。このような場合にも、隣接する上流側から下流側へ熱が伝えられ（図２９中の矢印参照）、内部温度を均熱化することができる。
【０１７３】
次に、第１０実施例として、蒸発器３２から排出される高温の燃焼排ガスを用いて、改質器の下流側を加熱する構成を示す。図３０は、第１０実施例の改質器１７０の構成を表わす断面模式図である。改質器１７０は、図１の燃料電池装置２０と同様の燃料電池装置に備えられている。この改質器１７０は、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持するハニカムによって構成された２つの反応部１７１，１７２を備えている。このように改質器１７０内部を２つの反応部に分割することによって、上流側の反応部１７１においてハニカムの各セルによって分離されたガスを、途中で混合し直すことができ、反応部１７０内を通過するガスの状態をより均一にすることができる。改質器１７０は、空気供給路３９から空気を供給される第２燃料供給路６４と接続し、空気を含有する原燃料ガスの供給を受ける。空気を含有し第２燃料供給路６４から供給された原燃料ガスは、反応部１７１，１７２の順で通過し、水素リッチな燃料ガスとなって第３燃料供給路６５に排出される。
【０１７４】
また、反応部１７１，１７２には、温度センサ１７３，１７４がそれぞれ設けられている。これら温度センサ１７３，１７４は制御部５０に接続されており、反応部１７１，１７２の内部温度に関する情報は、制御部５０に伝えられる。後述するように、温度センサ１７３の検出結果は、反応部１７１の内部温度が上昇しすぎるのを防ぐために用いられ、温度センサ１７４の検出結果は、反応部１７２の内部温度が低下しすぎるのを防ぐために用いられる。したがって、温度センサ１７３は、反応部１７１のより上流側に、温度センサ１７４は、反応部１７２のより下流側に設けることが望ましい。
【０１７５】
また、改質器１７０において、反応部１７２が設けられている位置に対応する外周部には、既述した蒸発器３２から排出される燃焼排ガスが導入される排ガス導入部１７５が設けられている。蒸発器３２では、既述したように、圧縮機２８を経由して、燃焼排ガスがバーナ２６から供給され、この燃焼排ガスの有する熱量を利用してメタノールおよび水を昇温・気化させる。このようにメタノールおよび水を昇温・気化させた後に圧縮機２８から排出される燃焼排ガスは、蒸発器３２で熱量を消費した後であっても所定の熱量を有しており、本実施例の改質器１７０では、この燃焼排ガスを上記排ガス導入部１７５に導入することによって、下流側に設けた反応部１７２を加熱している。
【０１７６】
本実施例の改質器１７０を備える燃料電池装置には、蒸発器３２から排出される燃焼排ガスを排ガス導入部１７５に供給する燃焼排ガス路１７６が設けられており、この燃焼排ガス路１７６には、排ガス導入部１７５に供給する燃焼排ガスの量を調節するマスフロコントローラ１７７が設けられている。マスフロコントローラ１７７は、制御部５０に接続されており、制御部５０によって、排ガス導入部１７５に供給される燃焼排ガス量が制御可能となっている。ここで、蒸発器３２から排ガス導入部１７５に供給される燃焼排ガスの温度は、約３００℃程度であり、マスフロコントローラ１７７の駆動状態を制御して、排ガス導入部１７５に供給する燃焼排ガス量を調節することによって、反応部１７２の内部温度を制御することができる。上記したように排ガス導入部１７５に導入された燃焼排ガスは、反応部１７２を加熱した後、燃料電池装置の外部に排出される。
【０１７７】
本実施例の改質器１７０における上流側の反応部１７１では、この反応部１７１で進行する水蒸気改質反応に要する熱量は、酸化反応で生じた熱量によって賄っている。これに対し、下流側の反応部１７２では、この反応部１７２で進行する水蒸気改質反応に要する熱量としては、上流側で進行する酸化反応で生じた熱量に加えて、排ガス導入部１７５に供給される上記燃焼排ガスの有する熱が用いられる。ここで、本実施例の改質器１７０を備える燃料電池装置において、制御部５０は、改質器１７０に供給する空気を取り込むブロワ３８の駆動量を、温度センサ１７３の検出結果に基づいて制御しており、反応部１７１の内部温度が３００℃を越えないように、改質器１７０に供給する空気量を調節している。また、同じく本実施例の燃料電池装置において、制御部５０は、上記マスフロコントローラ１７７の駆動量を、温度センサ１７４の検出結果に基づいて制御しており、反応部１７２の内部温度が２５０℃以上となるように、排ガス導入部１７５に供給する燃焼排ガス量を調節している。
【０１７８】
以上のように構成された第１０実施例の改質器１７０によれば、下流側の反応部１７２は、既述した燃焼排ガスによって加熱されるため、改質器１７０内で進行する水蒸気改質反応で要する熱量のすべてを酸化反応で生じる熱量によって賄う必要はなく、酸化反応に供するために改質器１７０に供する空気の量を減らし、上流側で進行する酸化反応の量を減らすことができる。ここで、改質器１７０に供給する空気量は、反応部１７１の内部温度に基づいて調節されるため、酸化反応が活発に行なわれる反応部１７１において温度が上昇しすぎてしまうことがない。
【０１７９】
また、改質器１７０において、下流側の反応部１７２では、上述したように、排ガス導入部１７５に導入される燃焼排ガスから熱が供給されるため、従来の改質器のように下流側で温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器１７０では、各反応部全体において水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。さらに、反応部１７２を加熱するために、従来廃棄されていた燃料排ガスの熱を利用しているため、反応部１７２を加熱することによってエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【０１８０】
図３１は、水蒸気改質反応で要する熱量の略全体を、酸化反応で生じる熱によって賄う従来知られる改質器と、上述した改質器１７０とについて、空気を含む原燃料ガスが供給される上流側から下流側への内部の温度分布状態を表わした説明図である。改質器１７０は、従来の改質器とは異なり、上流側において酸化反応で生じた熱によって昇温しすぎることがなく、また、下流側において内部の温度が低下しすぎることがないため、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。以上説明したように、本実施例の改質器１７０は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。したがって、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。
【０１８１】
以上説明した第１０実施例の改質器１７０は、ハニカムによって構成された２つの反応部１７１，１７２を備えることとしたが、ハニカムを用いる代わりに、触媒を担持したペレットを内部に充填する構成としてもよい。この場合には、改質器内部を２つに分けることなく、改質器内部に均一にペレットを充填することとしても差し支えない。
【０１８２】
また、下流側を加熱するために、蒸発器３２から排出される燃焼排ガス以外の高温ガスを用いることとしてもよい。例えば、本実施例の改質器１７０を備える燃料電池装置において、蒸発器３２で要する熱を供給する熱源と、燃料電池４０の陰極側に圧縮空気を供給するための圧縮機２８の駆動源が異なる場合には、上記熱源と上記駆動源のうち、いずれから排出される排ガスを用いることとしてもよい。また、燃料電池装置を構成する他の高温部から排出されるガスを用いることとしてもよく、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲に保つために使用可能なエネルギを有していればよい。あるいは、高温の部材から排出される高温の排ガスを用いる代わりに、高温の部材と改質器との間に所定の流体を循環させ、この流体によって高温の部材の熱エネルギを改質器に供給することとしてもよい。
【０１８３】
次に、第１１実施例として、改質器の上流側において原燃料の一部を液体の状態で供給する構成を示す。図３２は、第１１実施例の改質器１８０の構成の概要を表わす説明図である。改質器１８０は、図１の燃料電池装置２０と同様の燃料電池装置に備えられている。この改質器１８０は、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持するハニカムによって構成された単一の反応部１８１を備えている。ここで、改質器１８０は、第２燃料供給路６４と接続して原燃料ガスの供給を受けるが、その他に、メタノールと水との混合液（以下、液体原燃料と呼ぶ）の供給を受ける。液体原燃料は、既述したように、第１燃料供給路６３を介して蒸発器３２に供給されるが、この第１燃料供給路６３は途中で分岐して原燃料分岐路１８２となり、改質器１８０に対しても液体原燃料が供給可能となっている。さらに、本実施例では、空気供給路３９は、第２燃料供給路６４とは合流せずに、上記原燃料分岐路１８２と合流して原燃料路１８３となる。この原燃料路１８３は、改質器１８０の上流側端部に接続しており、空気を混合された液体原燃料が改質器１８０に供給可能となっている。
【０１８４】
なお、空気供給路３９にはマスフロコントローラ１８４が、原燃料分岐路１８２にはマスフロコントローラ１８５が設けられており、改質器１８０に供給する空気量および液体原燃料の量を制御可能となっている。これらのマスフロコントローラ１８４，１８５は制御部５０に接続されており、制御部５０によってその駆動量が制御される。また、改質器１８０内部において、反応部１８１の上流側端部の近傍には、原燃料路１８３の端部構造として噴射ノズル１８７が設けられている。上記したように空気を混合された液体原燃料は、この噴射ノズル１８７から、空気の圧力を利用して反応部１８１の端部に向かって噴射され、反応部１８１の端部断面に対して広い範囲で供給される。なお、噴射ノズル１８７は、液体を広い範囲に噴射可能な形状であればよく、ノズル状以外の形状としても構わない。さらに、改質器１８０において、反応部１８１の上流側端部付近には、温度センサ１８６が設けられている。この温度センサ１８６は、制御部５０に接続されており、反応部１８１の上流側の温度に関する情報が制御部５０に入力される。
【０１８５】
既述したように、改質器に対して原燃料ガスと共に空気を供給すると、酸素の濃度が高い上流側では、酸化反応が活発に進行して温度が上昇するが、本実施例では、反応部１８１の上流側に対して液体原燃料を噴射することによって、この上流側の温度を制御している。すなわち、所定の高温となっている反応部１８１に対して液体原燃料を噴射すると、液体原燃料は、噴射された反応部１８１から熱を奪って気化・昇温する。したがって、この液体原燃料の供給量を調節することによって、反応部１８１の上流側の温度を所定の温度以下に制御することができる。
【０１８６】
このような構成の改質器１８０を用いて水素リッチな燃料ガスの生成を行なう際には、温度センサ１８６が検出した反応部１８１内の温度に基づいて、改質器１８０に対して液体原燃料量を供給するかどうか、あるいはその供給量が制御される。改質器１８０に供給されるメタノールの総量は、燃料電池４０に接続される負荷の大きさ、すなわち、燃料電池４０に供給すべき燃料ガス量に基づいて決定されるが、温度センサ１８６の検出結果に基づいて、第１燃料供給路６３から液体のまま改質器１８０に供給されるメタノール量が調節される。具体的には、反応部１８１の温度が所定の温度（本実施例では３００℃）を越えると、噴射ノズル１８７から液体原燃料の噴射を行なうようになり、反応部１８１の温度が上記所定の温度以下となるように、噴射ノズル１８７から供給する液体原燃料の量を調節する。なお、反応部１８１の温度が上記所定の温度以下の場合には、噴射ノズル１８７からは、空気だけが噴射される。
【０１８７】
以上のように構成された第１１実施例の改質器１８０によれば、改質器１８０内で液体を噴射して気化させることによって、反応部１８１の上流部を冷却することができるため、酸化反応で生じる熱のために反応部１８１の上流部の温度が上昇しすぎてしまうのを防ぐことができる。ここで、反応部１８１の上流部を冷却するために改質器１８０中で噴射する液体は、改質器１８０内で進行する水蒸気改質反応および酸化反応で利用される原燃料からなるため、このような液体噴射の操作を行なうことによって、改質器１８０内で進行する反応が影響を受けることがない。
【０１８８】
図３３は、所望の量の燃料ガスを生成するために要するメタノールの全量を、蒸発器３２を経由して供給される従来知られる改質器と、上述した改質器１８０とについて、空気を含む原燃料ガスが供給される上流側から下流側への内部の温度分布状態を表わした説明図である。改質器１８０は、従来の改質器とは異なり、上流側において酸化反応で生じた熱によって昇温しすぎることがないため、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。このように、本実施例の改質器１８０は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。したがって、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。
【０１８９】
なお、改質器１８０の上流側の温度が上昇しすぎて噴射ノズル１８７から噴射する液体原燃料量を増やした際に、燃料電池４０に接続される負荷における所要電力が減少すると、改質器１８０に供給するメタノール量が過剰となって、必要量以上の燃料ガスが生成される場合がある。本実施例の改質器１８０を備える燃料電池装置では、燃料電池４０から排出される燃料排ガスは、既述したようにバーナ２６における燃焼のための燃料として利用されるため、上記した場合であっても、システム全体のエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【０１９０】
また、本実施例の改質器１８０では、反応部１８１の上流部を冷却するために噴射ノズル１８７から噴射するのは、メタノールと水との混合液としたが、メタノールあるいは水だけを噴射する構成としてもよい。この場合には、第１燃料供給路６３の代わりに、メタノール流路６０あるいは水供給路６２において分岐路を設け、この分岐路によって、噴射ノズル１８７と同様のノズルに対してメタノールあるいは水を供給することとすればよい。このような構成としても、反応部１８１の上流部において、噴射された液体が気化する際に熱を奪うため、上記第１１実施例の改質器１８０と同様の効果を得ることができる。
【０１９１】
次に、第１２実施例として、水蒸気改質反応と酸化反応との両方が進行する反応部と、水蒸気改質反応だけが進行する反応部とを隣接して設け、両者の間で熱交換を行なわせて、酸化反応で生じる熱によって過度の温度上昇が引き起こされるのを防止する構成を示す。図３４は、第１２実施例の改質器１９０の構成の概要を表わす説明図である。改質器１９０は、図１の燃料電池装置２０と同様の燃料電池装置に備えられている。この改質器１９０は、略円柱状に形成されており、ハニカムによって構成された３つの反応部１９１，１９２，１９３を備えている。改質器１９０の内壁に沿って、環状に反応部１９３が形成されており、この反応部１９３の内側に、反応部１９１，１９２が形成されている。ここで、反応部１９１は上流側、反応部１９２は下流側に設けられており、両者の間には所定の空間２００が形成されている。
【０１９２】
この改質器１９０において、反応部１９１，１９２，１９３は、いずれも、既述したＣｕ−Ｚｎ触媒を表面に担持している。ここで、反応部１９３は、第２燃料供給路６４と接続しており、原燃料ガスを供給されるが、空気の供給は受けないため、反応部１９３においては水蒸気改質反応は行なわれる、酸化反応は行なわれない。第２燃料供給路６４は、上記反応部１９３の他に反応部１９１にも接続しており、反応部１９１に供給された原燃料ガスは、反応部１９１、反応部１９２の順で内部を通過する。また、空気供給路３９は、途中で空気分岐路１９４，１９５に分岐し、これらの空気分岐路は、それぞれ反応部１９１および反応部１９２の上流側に接続する。これらの空気分岐路１９４，１９５は、それぞれの反応部に対して空気を供給する。したがって、反応部１９１および反応部１９２では、水蒸気改質反応と共に酸化反応が進行する。反応部１９１，１９２における水蒸気改質反応および酸化反応によって生じた水素リッチガスと、反応部１９３における水蒸気改質反応によって生じた水素リッチガスとは、第３燃料供給路６５へ排出されてＣＯ低減部３６に供給される。
【０１９３】
また、空気供給路３９から分岐する空気分岐路１９４，１９５には、それぞれマスフロコントローラ１９６，１９７が設けられており、反応部１９１，１９２に供給する空気量を調節可能となっている。これらマスフロコントローラ１９６，１９７は制御部５０に接続されており、制御部５０によって、各反応部に供給されれる空気量が制御される。また、反応部１９１，１９２それぞれの上流側には、各反応部の内部温度を検出する温度センサ１９８，１９９が設けられている。これらの温度センサ１９８，１９９は制御部５０に接続されており、各反応部の内部温度を検出した結果は制御部５０に入力される。制御部５０は、各温度センサから入力される上記検出結果に基づいて、各反応部に供給する空気量を制御する。
【０１９４】
本実施例の改質器１９０における反応部１９１、１９２では、内部で進行する水蒸気改質反応に要する熱量は、同じく内部で進行する酸化反応で生じた熱量によって賄っている。これに対し、外周部に設けた反応部１９３では、この反応部１９３で進行する水蒸気改質反応に要する熱は、内側に隣接する反応部１９１，１９２における酸化反応で生じた熱を利用している（図３４中の点線矢印参照）。ここで、本実施例の改質器１９０を備える燃料電池装置において、制御部５０は、反応部１９１，１９２に供給する空気量を調節するマスフロコントローラ１９６，１９７の駆動量を、温度センサ１９８，１９９の検出結果に基づいて制御しており、反応部１９１，１９２の内部温度が３００℃を越えないように、供給する空気量を調節している。
【０１９５】
以上のように構成された第１２実施例の改質器１９０によれば、反応部１９１，１９２で進行する酸化反応で生じた熱は、隣接する反応部であって吸熱反応だけが進行する反応部１９３においても消費される。したがって、酸化反応が活発に進行する反応部１９１，１９２の上流部において、過度に温度が上昇してしまうのを防ぐことができる。ここで反応部１９１，１９２に供給する空気量は、各反応部の内部温度に基づいて調節されるため、各反応部の内部温度を所定の温度以下に保つよう制御することができる。
【０１９６】
また、本実施例の改質器１９０では、反応部１９１，１９２のそれぞれに対して空気を供給しているため、反応部１９１の下流側に位置する反応部１９２においても発熱反応である酸化反応を行なわせることができ、従来の改質器のように下流側で温度が低下しすぎることがない。したがって、改質器１９０では、各反応部全体において水蒸気改質反応の活性が高い状態に保たれ、水蒸気改質反応の速度を向上させることができる。
【０１９７】
図３５は、水蒸気改質反応と酸化反応との両方を進行させる反応部によってのみ構成された従来知られる改質器と、上述した改質器１９０とについて、原燃料ガスが供給される上流側から下流側への内部の温度分布状態を表わした説明図である。改質器１９０は、従来の改質器とは異なり、上流側において酸化反応で生じた熱によって昇温しすぎることがなく、また、下流側において内部の温度が低下しすぎることがないため、改質器の内部温度を２５０〜３００℃の温度範囲で均一化することができる。以上説明したように、本実施例の改質器１９０は、その入り口部付近で温度が急激に上昇してしまうことがないため、温度上昇に起因する既述した触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止することができる。したがって、既述した実施例と同様に、改質器の耐久性を大きく向上させることが可能となる。
【０１９８】
なお、上記第１２実施例の改質器１９０では、内側に設けられて水蒸気改質反応と酸化反応との両方を進行する反応部１９１，１９２において、それぞれに対して空気を供給する構成としたため、下流側において温度が低下するのを抑える効果を大きくすることができたが、空気の供給を上流側だけから行なう場合にも、上流側における過度の温度上昇を抑える所定の効果を得ることができる。
【０１９９】
上記第１２実施例の改質器１９０は、水蒸気改質反応と酸化反応との両方を行なう反応部と、水蒸気改質反応だけを行なう反応部とは、内側と外周部とに分かれており、２重管型に形成したが、以下に、第１２実施例の変形例として、上記２種類の反応部を交互に積層する積層型の構成を示す。図３６は、第１２実施例の変形例である改質器１９０Ａの構成の概略を模式的に示す説明図である。改質器１９０Ａは、改質器１９０と同様に図１の燃料電池装置２０と同様の燃料電池装置に備えられており、改質器１９０と共通する部材には部材番号に符号Ａを付して以下の説明を行なう。
【０２００】
改質器１９０Ａは、それぞれ平板型に形成された反応部１９１Ａと反応部１９３Ａとを交互に複数個積層した構造を有している。これらの反応部１９１Ａおよび１９３Ａは、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持したハニカムによって構成されており、各反応部に対しては、第２燃料供給路６４から原燃料ガスが供給される。また、空気供給路３９は、分岐してそれぞれの反応部１９１Ａの上流部に接続し、各反応部１９１Ａに対して空気を供給する。複数の反応部１９１Ａに対して供給する空気量は、空気供給路３９に設けられたマスフロコントローラ１９６Ａによって制御されるが、この制御は、第１２実施例と同様に、各反応部１９１Ａの上流部に設けた温度センサ（図示せず）による検出結果に基づいて行なわれる。
【０２０１】
以上のように構成された第１２実施例の変形例である改質器１９０Ａによれば、第１２実施例の改質器１９０と同様に、酸化反応で生じた熱は隣接する反応部で進行する水蒸気改質反応で消費されるため、酸化反応が活発に進行する上流部の温度が過度に上昇してしまうことがない。したがって、改質器１９０と同様に、触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止し、改質器の耐久性を大きく向上させることができるという効果を得ることができる。
【０２０２】
次に、第１２実施例の第２の変形例として、多管挿入型の改質器１９０Ｂを示す。図３７は、第１２実施例の第２の変形例である改質器１９０Ｂの構成の概略を表わす断面模式図である。図３７（Ａ）は、改質器１９０Ｂの縦断面図、図３７（Ｂ）は、図３７（Ａ）のＢ−Ｂ線における横断面図である。改質器１９０Ｂは、改質器１９０と同様に図１の燃料電池装置２０と同様の燃料電池装置に備えられており、改質器１９０と共通する部材には部材番号に符号Ｂを付して以下の説明を行なう。
【０２０３】
改質器１９０Ｂは、略円柱状に形成されており、その内部に反応部１９１Ｂと反応部１９３Ｂとを備えている。反応部１９１Ｂは、底面の直径が短い略円柱状に形成されており、改質器１９０Ｂ内に７個が形成されている。改質器１９０Ｂ内において、反応部１９１Ｂが形成されていない空間は、反応部１９３Ｂを構成している。これらの反応部１９１Ｂおよび１９３Ｂは、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持したハニカムによって構成されており、各反応部に対しては、第２燃料供給路６４から原燃料ガスが供給される。また、空気供給路３９は、分岐してそれぞれの反応部１９１Ｂの上流部に接続し、各反応部１９１Ｂに対して空気を供給する。複数の反応部１９１Ｂに対して供給する空気量は、空気供給路３９に設けられたマスフロコントローラ１９６Ｂによって制御されるが、この制御は、第１２実施例と同様に、各反応部１９１Ｂの上流部に設けた温度センサ（図示せず）による検出結果に基づいて行なわれる。
【０２０４】
以上のように構成された第１２実施例の変形例である改質器１９０Ｂによれば、第１２実施例の改質器１９０と同様に、酸化反応で生じた熱は隣接する反応部で進行する水蒸気改質反応で消費されるため、酸化反応が活発に進行する上流部の温度が過度に上昇してしまうことがない。したがって、改質器１９０と同様に、触媒劣化や副生成物の発生といった不都合を防止し、改質器の耐久性を大きく向上させることができるという効果を得ることができる。
【０２０５】
上記した改質器１９０，１９０Ａ，１９０Ｂでは、酸化反応を限られた反応部において行なわせている。改質器内で進行する水蒸気改質反応で要する熱が一定である場合に、酸化反応が進行する領域を小さくすると、供給した酸素量に比べて触媒量が不足した状態となり、酸素が供給される領域における酸化反応の速度を抑えることができる。したがって、酸化反応が進行する領域をより下流側に広げることができ、改質器の下流側において温度が低下しすぎるのを抑える効果をより大きくすることができる。
【０２０６】
なお、上記した第１２実施例の変形例である改質器１９０Ａ，１９０Ｂにおいて、改質器１９０と同様に、改質器の上流側に加えてその中程でも空気を供給する構成としてもよい。このような構成とすれば、改質器の下流側で温度が下降しすぎるのを防ぐことができる。また、上記改質器１９０，１９０Ａ，１９０Ｂのそれぞれを構成する各反応部は、ハニカムによって構成したが、触媒を担持したペレットを充填する構成としても構わない。この場合にも、水蒸気改質反応と共に酸化反応を進行する反応部と、水蒸気改質反応だけを進行する反応部とを隣接させることによって、反応部の上流側で温度が上昇しすぎてしまうのを防ぐことができる。
【０２０７】
既述した第１ないし第１２実施例では、それぞれの改質器が備える触媒として、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を用いているため、単一の触媒によって、（４）式に示した水蒸気改質反応と（５）式に示した酸化反応との両方を促進させることができる。もとより、水蒸気改質反応と酸化反応との両方を促進可能なＣｕ−Ｚｎ触媒以外の触媒（例えばＰｄ−Ｚｎ触媒など）を用いることとしてもよい。このような触媒を用いる場合にも、この触媒を既述した実施例の改質器に備えさせることによって、改質器内部の一部の領域で内部温度が上昇しすぎてしまうのを抑える既述した効果を得ることができる。
【０２０８】
また、上記それぞれの実施例において、水蒸気改質反応と酸化反応とを単一の触媒によって促進する代わりに、それぞれの反応を異なる触媒を用いて促進する構成としてもよい。あるいは、Ｃｕ−Ｚｎ触媒に対して、酸化反応を促進する他の触媒をさらに加えて用いることとしても良い。このように、複数の種類の触媒を用いる場合にも、改質器内でのこれらの触媒の混在状態が充分であり、酸素が供給されている領域において、（５）式に示した酸化反応と（４）式に示した水蒸気改質反応との両方が充分な効率で進行可能となるならば、それぞれの実施例の構成において、改質器内部の一部の領域で内部温度が上昇しすぎてしまうのを抑える既述した効果を得ることができる。ここで、酸化反応を促進可能な他の触媒としては、例えば、パラジウム、白金、ニッケル、ロジウム、クロム、タングステン、レニウム、金、銀、鉄などの金属、あるいはこれらの金属と他の金属との合金等を挙げることができる。
【０２０９】
また、既述した実施例では、原燃料としてメタノールを用いることとしたが、他種の炭化水素を原燃料として用い、この原燃料を水蒸気改質反応および酸化反応に供することとしても良い。このようにメタノール以外の原燃料を用いる場合にも、用いる原燃料に応じた触媒を、既述した実施例の構成を有する改質器に備えさせることによって、改質器内部の一部の領域で内部温度が上昇しすぎてしまうのを抑える既述した効果を得ることができる。
【０２１０】
なお、既述した第１ないし第１２実施例の改質器において備えられたＣｕ−Ｚｎ触媒は、メタノールの水蒸気改質反応を促進する触媒としては周知の触媒である。既述したように、Ｃｕ−Ｚｎ触媒は、３００℃を超える高温下では劣化してしまうため、水蒸気改質反応が進行する反応温度が高い炭化水素を原燃料とする場合には、水蒸気改質反応を促進する触媒として用いることはできないが、他の炭化水素に比べて水蒸気改質反応の際の反応温度が低いメタノールを原燃料として用いる場合には、この反応を促進する触媒として良好に働く。しかしながら、このＣｕ−Ｚｎ触媒を酸化触媒として用いる使用方法は従来知られていなかった。すなわち、Ｃｕ−Ｚｎ触媒は容易に酸化される性質を持っており（銅が酸化劣化する）、酸素の存在下では速やかに酸化されて触媒活性が損なわれてしまうため、通常は酸化触媒として用いることができない。これに対して、このＣｕ−Ｚｎ触媒をメタノールの存在下で用いると、酸化自由エネルギ差から、銅よりもメタノールの方が酸化され易いため、触媒自身は酸化されてしまうことなく、上記両反応を促進する触媒として有効に働くことができる。
【０２１１】
このように、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を用いることによって、単一の触媒で、メタノールの水蒸気改質反応と酸化反応との両方を促進させることができ、改質器の構成を簡素化できるという効果が得られるが、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を用いてメタノールの酸化反応を促進することにより、改質器で生成される水素リッチな燃料ガス中の一酸化炭素濃度をより低くすることができるという効果を、さらに得ることができる。ここで、改質器内で生じる一酸化炭素について説明する。Ｃｕ−Ｚｎ触媒は、二酸化炭素と水素の存在下では、以下に示す（６）式の反応を僅かに進行させる活性を有する。
【０２１２】
ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ → ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ … （６）
【０２１３】
Ｃｕ−Ｚｎ触媒によって、メタノールの水蒸気改質反応、あるいはこれと同時にメタノールの酸化反応を促進させると、既述したように水素と二酸化炭素が生成されるが、水素と二酸化炭素の生成量が増えるに従って、上記（６）式の反応が僅かに進行して一酸化炭素が生成される。その結果、改質器で生成される燃料ガス中には、所定量の一酸化炭素が含有されることになる。
【０２１４】
このように、メタノールを改質するためにＣｕ−Ｚｎ触媒を用いることは、所定量の一酸化炭素の生成を伴ってしまうが、既述した実施例のように、水蒸気改質反応と同時に進行するメタノールの酸化反応を促進する触媒としてＣｕ−Ｚｎ触媒を用いる場合には、この酸化反応が進行する際に一酸化炭素が生成されないため、燃料ガス中の一酸化炭素濃度の上昇が抑えられる。Ｃｕ−Ｚｎ触媒によって促進されるメタノールの酸化反応は、既述した（５）式に表わしたが、この反応は、主として、以下の（７）式および（８）式に示す反応からなっており、全体として（５）式の反応が進行する。
【０２１５】
ＣＨ₃ＯＨ ＋ （１／２）Ｏ₂ → ＨＣＨＯ＋Ｈ₂Ｏ … （７）
ＨＣＨＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋２Ｈ₂ … （８）
【０２１６】
（７）式および（８）式に示すように、Ｃｕ−Ｚｎ触媒によって促進されるメタノールの酸化反応は、主として、一酸化炭素を生じない反応経路を経由する。これに対し、既述した従来知られる酸化触媒、例えば白金触媒によって促進される酸化反応は、主として、以下の（９）式および（１０）式に示す反応からなっており、全体として（５）式の反応が進行するため、反応の途中で一酸化炭素が生じてしまう。したがって、白金触媒のような従来知られる酸化触媒を用いてメタノールの酸化反応を促進する場合には、このようにして生じた一酸化炭素の一部が、改質器内で生成される燃料ガス中に残留し、燃料ガス中の一酸化炭素濃度をさらに引き上げてしまう。
【０２１７】
ＣＨ₃ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ₂ … （９）
ＣＯ ＋ （１／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂ … （１０）
【０２１８】
既述した実施例のように、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を用いてメタノールの水蒸気改質反応と酸化反応の両方を促進する場合には、その酸化反応は、一酸化炭素を生成しない反応経路を経由するため、従来知られる白金などの酸化触媒を用いてメタノールの酸化反応を促進し、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を用いて水蒸気改質反応を促進する場合に比べて、生成される燃料ガス中の一酸化炭素濃度をはるかに低くすることが可能となる。従来知られる白金などの酸化触媒を改質器内に備えさせ、Ｃｕ−Ｚｎ触媒によってメタノールの水蒸気改質反応を、上記酸化触媒によってメタノールの酸化反応を進行させた場合には、通常は１．５〜２％以上の一酸化炭素が燃料ガス中に残留してしまう。これに対し、Ｃｕ−Ｚｎ触媒だけを用いてメタノールの水蒸気改質反応と酸化反応とを進行させた場合には、燃料ガス中に残留する一酸化炭素濃度を０．５％程度に抑えることが可能となる。
【０２１９】
一酸化炭素が残留する燃料ガスを燃料電池に供給すると、この一酸化炭素は、電解質膜上に設けられた白金を含有する触媒層に吸着し、電気化学反応の進行を阻害してしまう。既述した実施例の燃料電池装置では、改質器の下流にＣＯ低減部を設け、燃料電池に供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減しているが、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を用いてメタノールの酸化反応と水蒸気改質反応とを促進し、改質器で生成される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減することによって、ＣＯ低減部に要求される処理量（ＣＯ低減部で酸化すべき一酸化炭素量）が少なくなる。したがって、ＣＯ低減部をより小型化しても、充分に一酸化炭素濃度が低い燃料ガスを燃料電池に供給することが可能となる。なお、改質器で生成される燃料ガス中の一酸化炭素濃度が充分に低ければ、ＣＯ低減部を設けないこととしても良い。このように、Ｃｕ−Ｚｎ触媒を用いて、メタノールの水蒸気改質反応とメタノールの酸化反応との両方を促進することによって、改質器で生成される燃料ガス中の一酸化炭素濃度をより低くし、この改質器を備える燃料電池装置全体をコンパクト化することができる。
【０２２０】
なお、上記した実施例のＣｕ−Ｚｎ触媒では、この触媒を製造する材料として酸化銅（ＣｕＯ）と酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いたが、これらを共沈させる際に、他の物質をさらに加えることとしても良い。例えば、酸化銅と酸化亜鉛を共沈させてＣｕ−Ｚｎ触媒を製造する際に、アルミナを２〜５％程度加えてもよく、このような構成とすれば、Ｃｕ−Ｚｎ触媒の耐熱性を向上させ、触媒を形成する銅と酸化亜鉛とのばらつき状態を向上させることができる。
【０２２１】
また、上記した説明では、メタノールの水蒸気改質反応とメタノールの酸化反応との両方を促進する触媒として、酸化銅と酸化亜鉛を材料とするＣｕ−Ｚｎ触媒を用いることとしたが、Ｃｕ−Ｚｎ以外の銅系触媒を用いても、メタノールの水蒸気改質反応と酸化反応とを促進し、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを生成できるという効果を得ることができる。例えば、酸化銅と酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）を材料として用いたり、酸化銅と酸化ケイ素（ＳｉＯ₂） を材料として用いたり、あるいは酸化銅と他の金属酸化物を材料として用いても、既述した両反応を促進可能な触媒を得ることができる。このとき、これらの銅系触媒を製造する方法としては、既述した共沈法の他、含浸法や混練法、あるいはイオン交換法など、用いる材料に応じた製造方法を採ればよい。
【０２２２】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池装置２０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】燃料電池４０が備える単セル４８の構成を表わす断面模式図である。
【図３】改質器３４の構成を模式的に表わす説明図である。
【図４】改質器３４を構成するハニカムの断面を模式的に表わす説明図である。
【図５】改質器３４および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図６】第１実施例の変形例におけるハニカム断面の様子を表わす説明図である。
【図７】第１実施例の他の変形例である改質器の構成を模式的に表わす説明図である。
【図８】第２実施例の改質器９０の構成を模式的に表わす説明図である。
【図９】（Ａ）は、反応部９２を構成するハニカムの断面の一部を表わす断面模式図、（Ｂ）は、ハニカムの表面の一部をさらに拡大した様子を表わす模式図である。
【図１０】改質器９０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図１１】第３実施例の改質器１００の構成を模式的に表わす説明図である。
【図１２】改質器１００および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図１３】第４実施例の改質器１１０の構成を模式的に表わす説明図である。
【図１４】改質器１１０を備える燃料電池装置で実行される空気混合量制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１５】第４実施例の変形例である改質器１１０Ａの構成を模式的に表わす説明図である。
【図１６】改質器１１０Ａおよび従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図１７】第５実施例の改質器１２０の構成を模式的に表わす説明図である。
【図１８】燃料電池２０において実行されるガス入り口切り替え処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１９】改質器１２０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図２０】第６実施例の改質器１３０およびこの改質器１３０と接続される部材の構成を模式的に表わす説明図である。
【図２１】改質器１３０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図２２】第７実施例の改質器１４０の構成を模式的に表わす説明図である。
【図２３】改質器１４０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図２４】第７実施例の変形例である改質器１４０Ａの構成を模式的に表わす説明図である。
【図２５】第８実施例の改質器１５０の構成を表わす断面模式図である。
【図２６】改質器１５０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図２７】第９実施例の改質器１６０の構成を表わす断面模式図である。
【図２８】改質器１６０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図２９】第９実施例の変形例である改質器１６０Ａの構成を模式的に表わす説明図である。
【図３０】第１０実施例の改質器１７０の構成を表わす断面模式図である。
【図３１】改質器１７０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図３２】第１１実施例の改質器１８０の構成を模式的に表わす説明図である。
【図３３】改質器１８０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図３４】第１２実施例の改質器１９０の構成を模式的に表わす説明図である。
【図３５】改質器１９０および従来知られる改質器における内部の温度分布状態を表わす説明図である。
【図３６】第１２実施例の変形例である改質器１９０Ａの構成を模式的に表わす説明図である。
【図３７】第１２実施例の変形例である改質器１９０Ｂの構成を模式的に表わす説明図である。
【図３８】従来の燃料改質装置内部における温度分布の様子を表わす説明図である。
【符号の説明】
２０…燃料電池装置
２２…メタノールタンク
２４…水タンク
２６…バーナ
２８…圧縮機
２８ａ…タービン
２８ｂ…コンプレッサ
２８ｃ…シャフト
２９…空気導入路
３２…蒸発器
３４，３４Ａ…改質器
３６…ＣＯ低減部
３８…ブロワ
３９…空気供給路
３９Ａ，３９Ｂ…空気分岐路
４０…燃料電池
４１…電解質膜
４２…カソード
４３…アノード
４４，４５…セパレータ
４４Ｐ…燃料ガス流路
４５Ｐ…酸化ガス流路
４８…単セル
５０…制御部
５２…入出力ポート
５４…ＣＰＵ
５６…ＲＯＭ
５８…ＲＡＭ
６０…メタノール流路
６１…メタノール分岐路
６２…水供給路
６３…第１燃料供給路
６４…第２燃料供給路
６５…第３燃料供給路
６６…第４燃料供給路
６７…燃料排出路
６８…酸化ガス供給路
６９…酸化排ガス路
６９Ａ，６９Ｂ…酸化排ガス分岐路
７０…第１ポンプ
７１…第２ポンプ
７２…第３ポンプ
７３…第１温度センサ
７４…第２温度センサ
８０…第１反応部
８１…第２反応部
８２，８３…ステンレス板
９０…改質器
９２…反応部
９４…ステンレス板
９６…触媒層
１００…改質器
１０１…第１反応部
１０２…第２反応部
１１０…改質器
１１０Ａ…改質器
１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ…反応部
１１２，１１２Ａ，１１２Ｂ…マスフロコントローラ
１１３，１１３Ａ，１１３Ｂ…マスフロコントローラ
１１４…酸素濃度センサ
１１５，１１５Ａ，１１５Ｂ…第２空気供給路
１１７…温度センサ
１２０…改質器
１２１…反応部
１２２…温度センサ
１２３…温度センサ
１２４…第１供給分岐路
１２５…第２供給分岐路
１２６…第１排出分岐路
１２７…第２排出分岐路
１２８，１２９，１２８Ａ，１２９Ａ…電磁弁
１３０…改質器
１３２…調圧弁
１３４…噴射ノズル
１３６…フィルタ
１４０，１４０Ａ…改質器
１４１，１４１Ａ…反応部
１４２，１４２Ａ…吹き出し口
１４３…端部部材
１４４…回転機構
１５０…改質器
１５１…反応部
１５２…反応部
１６０，１６０Ａ…改質器
１６１…内側部
１６２…外側部
１６３…反応部
１７０…改質器
１７１，１７２…反応部
１７１，１７２…反応部
１７３，１７４…温度センサ
１７５…排ガス導入部
１７６…燃焼排ガス路
１７７…マスフロコントローラ
１８０…改質器
１８１…反応部
１８２…原燃料分岐路
１８３…原燃料路
１８４，１８５…マスフロコントローラ
１８６…温度センサ
１８７…噴射ノズル
１９０，１９０Ａ，１９０Ｂ…改質器
１９１，１９２，１９３…反応部
１９１Ａ，１９３Ａ…反応部
１９１Ｂ、１９３Ｂ…反応部
１９４，１９５…空気分岐路
１９６，１９７…マスフロコントローラ
１９６Ａ，１９６Ｂ…マスフロコントローラ
１９８，１９９…温度センサ

Claims (20)

1. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
   前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
   前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
   前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
   前記触媒部において、前記原燃料ガスが供給される側の部分で起こる前記酸化反応で生じた熱が、充分に下流側に運ばれるように、前記原燃料ガスが導入される側の部分における前記原燃料ガスの流速を、前記ガスが排出される側よりも速くするガス流速調節手段と
   を備える燃料改質装置。
2. 前記ガス流速調節手段は、前記触媒部における前記原燃料ガスが供給される側において、前記燃料ガスが排出される側よりも、前記原燃料ガスが流れる流路の断面の総面積を小さくしてなる
   請求項１記載の燃料改質装置。
3. 請求項１または２記載の燃料改質装置であって、
   前記原燃料はメタノールであり、
   前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒は、単一の銅系触媒である
   燃料改質装置。
4. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
   前記水蒸気改質反応を促進する触媒と前記酸化反応を促進する触媒とを備える触媒部と、
   前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
   前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
   前記触媒部内で進行する反応の進行状態を検出する反応状態検出手段とを備え、
   前記酸化ガス供給手段は、
   前記触媒部に供給する単位時間当たりの酸素量を所望の量に維持しつつ、前記反応状態検出手段が検出した前記反応の進行状態に基づいて、前記触媒部に供給する前記酸化ガス中の酸素濃度を制御する酸素濃度調節手段をさらに備える
   燃料改質装置。
5. 請求項４記載の燃料改質装置であって、
   前記触媒部は、前記触媒を備える複数の反応部からなり、
   前記酸化ガス供給手段は、前記複数の反応部のそれぞれに対して前記酸化ガスを供給する
   燃料改質装置。
6. 請求項４または５記載の燃料改質装置であって、
   前記原燃料はメタノールであり、
   前記水蒸気改質反応を促進する触媒と前記酸化反応を促進する触媒とは同一の銅系触媒である
   燃料改質装置。
7. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
   前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
   前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
   前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
   前記触媒部において、前記原燃料ガス供給手段から前記原燃料ガスを導入される部位と、前記燃料ガス排出手段によって前記燃料ガスを排出する部位とを入れ替え、前記触媒部におけるガスの流れを逆転させるガス供給方向変更手段と
   を備える燃料改質装置。
8. 請求項７記載の燃料改質装置であって、
   前記触媒部において、前記原燃料ガス供給手段から前記原燃料ガスを供給される側の所定位置の温度を検出する端部温度検出手段をさらに備え、
   前記ガス供給方向変更手段は、前記端部温度検出手段の検出結果に基づいて、前記原燃料ガス供給手段から前記原燃料ガスを導入される部位と、前記燃料ガス排出手段によって前記燃料ガスを排出する部位とを入れ替える
   燃料改質装置。
9. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
   前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える粒子を、内部に封入してなる触媒部と、
   前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気と酸素とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
   前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
   前記触媒を備える粒子を、前記触媒部内で攪拌する触媒攪拌手段と
   を備える燃料改質装置。
10. 請求項９記載の燃料改質装置であって、
    前記触媒攪拌手段は、前記原燃料ガス供給手段に備えられ、前記原燃料と水蒸気と酸素とのうちの少なくとも一つを含有するガスを、前記触媒部内に噴霧して、前記触媒を備える粒子を前記触媒部内で攪拌する
    燃料改質装置。
11. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
    前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
    前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
    前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
    前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
    前記触媒部において、前記酸化ガス供給手段から前記酸化ガスが供給される箇所を、経時的に変化させる供給箇所変更手段と
    を備える燃料改質装置。
12. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
    前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
    前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
    前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
    前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
    前記触媒部において、前記原燃料ガスと共に酸化ガスが供給される供給側と、前記燃料ガスが排出される排出側とを隣接し、前記供給側と前記排出側との間で熱交換を行なわせる均熱化手段と
    を備え、
    前記触媒部は、内部に形成される前記原燃料ガスの流路において折り返し部を有し、前記流路の入り口部と出口部とを隣接して設けてなる
    燃料改質装置。
13. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
    前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
    前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
    前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
    前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
    前記燃料改質装置を備えるシステムを構成する所定の部材において生じる熱を伝える所定の流体によって、前記酸化ガスが供給される側以外の部分を加熱する加熱手段と
    を備え、
    前記加熱手段は、前記燃料改質装置を備えるシステムを構成する所定の部材から排出される高温ガスによって、前記酸化ガスが供給される側以外の部分を加熱する
    燃料改質装置。
14. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
    前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える触媒部と、
    前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
    前記触媒部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
    前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段と、
    前記原燃料および水のうち少なくとも一方からなる液体を、前記原燃料ガスおよび前記酸化ガスが供給される側の部分に対して噴霧する端部冷却手段と
    を備える燃料改質装置。
15. 請求項７ないし１４いずれか記載の燃料改質装置であって、
    前記原燃料はメタノールであり、
    前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒は、単一の銅系触媒である
    燃料改質装置。
16. 吸熱を伴う反応であって、炭化水素またはメタノールから成る原燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応と、発熱を伴う反応であって前記原燃料を酸化する酸化反応とを進行し、前記水蒸気改質反応を進行する際に、前記酸化反応で生じた熱を利用する燃料改質装置であって、
    前記水蒸気改質反応と前記酸化反応とを促進する触媒を備える第１の反応部と、前記水蒸気改質反応を促進する触媒を備える第２の反応部とを備える触媒部と、
    前記触媒部に対して、前記原燃料と水蒸気とを含有する原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給手段と、
    前記第１の反応部に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
    前記触媒部で進行する前記水蒸気改質反応および前記酸化反応の結果生じた水素リッチな燃料ガスを、前記触媒部から排出する燃料ガス排出手段とを備え、
    前記触媒部は、前記第１の反応部と前記第２の反応部とを、ガス流れ方向に沿って各々の前記反応部の壁面が接するように配置し、前記第１の反応部と前記第２の反応部との間で熱交換を行なわせる
    燃料改質装置。
17. 請求項１６記載の燃料改質装置であって、
    前記触媒部は、該触媒部の外周部に配置された前記第２の反応部と、該第２の反応部の内側に配置された前記第１の反応部とから成る２重管型構造を有している
    燃料改質装置。
18. 請求項１６記載の燃料改質装置であって、
    前記触媒部は、複数の前記第１の反応部と複数の前記第２の反応部とを備え、前記第１の反応部と前記第２の反応部とを交互に積層した積層型構造を有している
    燃料改質装置。
19. 請求項１６記載の燃料改質装置であって、
    前記触媒部は、複数の前記第１の反応部を内部に備え、前記触媒部内において、前記複数の第１の反応部が配置されていない空間によって、前記第２の反応部が形成された多管挿入型構造を有している
    燃料改質装置。
20. 請求項１６ないし１９いずれか記載の燃料改質装置であって、
    前記原燃料はメタノールであり、
    前記第１の反応部が備える触媒は、単一の銅系触媒である
    燃料改質装置。

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