JP4645161B2

JP4645161B2 - 燃料の改質装置、燃料電池システム

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Publication number: JP4645161B2
Application number: JP2004325053A
Authority: JP
Inventors: 壮一郎加藤; 俊郎藤森; 薫丸田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-11-09
Also published as: JP2006131479A

Description

本発明は、燃料の改質装置等に係り、特に、小型燃焼器（マイクロコンバスタ）が発生する熱を用いて燃料の改質等を行うものに関する。

直接型燃料電池（たとえば、直接メタノール型燃料電池）では、たとえばメタノール等の水溶液を燃料電池の燃料極に直接送り込んで発電を行うようになっている。

ところで、前記直接型燃料電池では、メタノールの濃度が高いと、メタノールが燃料電池の電極間を通過する現象（クロスオーバ）が発生する。このクロスオーバにより発電に寄与しないメタノールが存在することになり、燃料電池の発電効率が下がり、また、空気極にメタノールが存在することによって、空気極側の反応が阻害され燃料電池の起電力が低下してしまう等の弊害がある。

前記クロスオーバ等の弊害を回避するために、原燃料（メタノール等）を水を用いて改質し、この改質によって得られた燃料（たとえば、水素ガス）を使用して発電する構成の燃料電池システムが知られている（たとえば特許文献１参照）。
特開平９−３１５８０１号公報

前記特許文献１に記載の従来の燃料電池システムは、水と原燃料であるメタノールとを混合したものを、バーナを用いて加熱蒸発し、この蒸発したものから改質器を用いて水素と二酸化炭素とを生成し、この生成された水素を燃料電池の燃料として使用するようになっている。

前記従来の燃料電池システムでは、水と原燃料とを加熱するための装置としてバーナを用いているので、システム全体を小型化することが困難であるという問題がある。バーナを用いた加熱装置では、バーナで安定した燃焼を行うためにバーナの燃焼領域をある程度の大きさにする必要があるので、加熱装置を小さくすることは難しいからである。

また、バーナを使用しない場合であっても、水と原燃料とを加熱するための加熱装置を小型化することは、一般的に難しい。

なお、水と原燃料とを加熱するための加熱を、たとえば電力を用いて行えば、加熱装置を小型することはできるが、前記燃料電池で発電された電力を前記加熱装置に使用するとなると、前記燃料電池で発電された電力を本来の目的に有効に使用することができなくなり、燃料電池システムの効率が悪化することになる。

前記従来の燃料電池システムでは、水と原燃料とを加熱するための加熱装置を小型化することが難しく、したがって、燃料の改質装置を小型化することが困難であるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型化が容易である燃料の改質装置等を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、燃料の改質装置において、燃焼室、第１の燃料と酸素との予混合ガスを燃焼室に供給するための予混合ガスの流路、燃焼によって生じた燃焼ガスを前記燃焼室から排出するための燃焼ガスの流路、及び前記予混合ガスの流路と前記燃焼ガスの流路の間に設けられた伝熱壁を備え、前記予混合ガスを燃焼させるマイクロコンバスタと、前記マイクロコンバスタの外側の面に当接するように設けられ、第２の燃料と水を供給するための供給流路が接続され、前記マイクロコンバスタが発生する熱を用いて、第２の燃料と水とを気化する蒸発器と、前記マイクロコンバスタの外側の面に当接するように設けられ、前記マイクロコンバスタが発生する熱と前記蒸発器から供給される水蒸気とを用いて、前記蒸発器から供給される気化した前記第２の燃料を改質する改質器と、前記蒸発器と前記改質器との間に接続され、前記蒸発器で発生した水蒸気と気化した前記第２の燃料を前記改質器へ導入するための導入路と、を有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料の改質装置において、前記蒸発器は、前記マイクロコンバスタの厚さ方向の一方の外側の面に当接しかつ重ね合うように設けられ、前記改質器は、前記マイクロコンバスタの厚さ方向の他方の外側の面に当接しかつ重ね合うように設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の燃料の改質装置において、前記予混合ガスの流路が消炎距離よりも狭く形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の燃料の改質装置において、前記燃焼室が前記マイクロコンバスタの中央部に設けられてあって、前記予混合ガスの流路及び前記燃焼ガスの流路が前記燃焼室から外周に向かって渦巻き状に形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のうちのいずれか請求項に記載の燃料の改質装置と、前記燃料の改質装置における前記改質器での改質によって生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、を有していることを特徴とする。

本発明によれば、小型化が容易である燃料の改質装置を提供することができるという効果を奏する。

［第１の実施形態］
図1は、本発明の第１の実施形態に係る燃料の改質装置１の概略構成を示す斜視図である。

燃料の改質装置（以下、単に「改質装置」という場合がある。）１は、小型の燃焼器３と、改質器５とを備えており、前記改質器５で生成された燃料が、燃料電池システムの燃料電池（図示せず）に供給され、前記燃料電池システムが発電するようになっている。

前記小型燃焼器３は、燃料と酸素との予混合ガス（たとえば、気体燃料と空気との予混合ガス）を、予め温めておくことにより、小型であっても前記予混合ガスを安定して燃焼させることが可能なようになっている。前記小型燃焼器３は、たとえば、前記予混合ガスの燃焼により生成される燃焼ガスを用いて、前記予混合ガスを予め温めるように構成されている。

前記改質器５は、前記小型燃焼器３に隣接して設けられており、前記小型燃焼器３の燃焼によって発生する熱を用いて燃料（原燃料）の例であるメタノールの改質を行うことができるようになっている。

また、前記改質装置１には、前記小型燃焼器（以下、単に「燃焼器」という場合がある。）３に隣接して蒸発器７が設けられており、この蒸発器７は、前記燃焼器３が発生する熱を用いて、水とメタノールとを気化することができるようになっている。

より詳しく説明すると、前記蒸発器７は、筐体９を備え、この筐体９の内部に供給された前記メタノールと水とが、前記筐体９の内部で気化するようになっている。

前記改質器５は、筐体１１を備え、前記蒸発器７から前記筐体１１の内部に供給された水蒸気と前記小型燃焼器３からの熱とによって、前記蒸発器７から前記筐体１１の内部に供給されたメタノール（気化したメタノール）が改質されるようになっている。前記改質を促すために、前記筐体１１の内部には、改質触媒（たとえば、メチルアルコールを水によって改質する場合、改質反応を促進する触媒金属であるＣｕ−ＺｎＳ触媒等で形成されたペレット）が設けられている場合がある。

メタノールを前記改質器５で改質することによって、水素ガスを含む燃料ガスが生成されるようになっている。なお、前記改質の化学反応は、「ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋３Ｈ_２−４９．５（ｋＪ／ｍｏｌ）」で表され、吸熱反応である。

なお、前記蒸発器７には、水とメタノールとを前記蒸発器７に供給するための供給路１３Ａ、１３Ｂが接続されている。前記供給路１３Ａの他端部は、図示しない水タンクに接続され、前記供給路１３Ｂの他端部は、図示しないメタノールタンクに接続されている。なお、水とメタノールとが予め混合されているものを前記蒸発器７に供給するようにしてもよい。

前記蒸発器７と前記改質器５との間には、前記蒸発器７で発生した水蒸気と気化したメタノールとを前記改質器５へ導入するための導入路１５が接続されている。

前記改質器５には、前記改質器５での改質によって生成された水素ガスを含む燃料ガスを、前記改質器５から次の装置の例である燃料電池に供給するための供給路１７が接続されている。

なお、メタノールの代わりに、常温では気体である原燃料（たとえばメタン）の改質を行う場合、水のみを蒸発させるために前記蒸発器７を使用し、メタンガスを、前記蒸発器７を通過させることなく前記改質器５に直接供給してもよい。

さらに、メタノール等の常温では液体である原燃料の改質を行う場合であっても、前記原燃料のみを蒸発させるために前記蒸発器７を使用し、他の装置で生成された水蒸気を、前記他の装置から前記改質器５へ直接供給してもよい。

ここで、前記燃焼器３について、例を掲げて詳しく説明する。

図２は、図１におけるＩＩＡ―ＩＩＢ断面を示す図であり、図３は、図２におけるＩＩＩＡ―ＩＩＩＢ断面を示す図である。

前記燃焼器３は、円板状に形成されており、前記燃焼器３の厚さ方向の一方の面に円板状の前記蒸発器７が設けられており、前記燃焼器３の厚さ方向の他方の面に円板状の前記改質器５が設けられている（図１参照）。

換言すれば、前記燃焼器３、前記改質器５、前記蒸発器７の各外形は、短い円柱形状（円板状）に形成されており、前記燃焼器３、前記改質器５、前記蒸発器７の各外径はほぼ等しくなっている。

そして、図１及び図３に明確に示されるように、前記燃焼器３の厚さ方向の一方の側に存在している円形状の外側の面の全面に、前記蒸発器７の厚さ方向の一方の側に存在している円形状の面の全面が当接しかつ重ね合うように、前記蒸発器７が設けられており、前記燃焼器３の厚さ方向の他方の側に存在している円形状の外側の面の全面に、前記改質器５の厚さ方向の一方の側に存在している円形状の面の全面が当接しかつ重ね合うように、前記改質器５が設けられている。

したがって、前記燃焼器３に前記蒸発器７と前記改質器５とを設置した装置の外径は、円柱形状に形成されていることになる。

また、図２に示すように、前記燃焼器３は、小さな燃焼室１９と、燃料と空気との予混合ガスとを前記燃焼室１９に供給するための予混合ガスの流路２１と、燃焼により生じたガスを前記燃焼室１９から排出するための排ガスの流路２３とを備えている。なお、前記燃焼器３の外部で予め圧縮された予混合ガスを、前記予混合ガスの流路２１に供給することにより、前記予混合ガスの流路２１内を、予混合ガスが圧送されるようになっている。

前記予混合ガスの流路２１は、詳しくは後述する消炎距離よりも狭く形成されており、また、前記予混合ガスの流路２１を流れる前記予混合ガスが、前記燃焼室１９に至るまでに、前記排ガスの流路（燃焼ガスの流路）２３を流れる排ガス（燃焼ガス）によって、前記燃焼室１９での燃焼を継続して行うことが可能な温度まで温められるように構成されている。

前記燃焼器３によれば、燃料と空気との予混合ガスを燃焼室１９で燃焼させ、この燃焼によって生成される高温の燃焼ガスで前記予混合ガスを温めている。前記予混合ガスが温まっていることにより、小さな燃焼室１９であっても前記予混合ガスを安定した状態で継続して燃焼させることができる。

たとえば、前記予混合ガスが、理論混合比の１／３程度の希薄ガス（燃料が希薄なガス）であっても、安定した燃焼が可能である。

また、前記予混合ガスの流路２１が、消炎距離よりも狭く形成されているので、前記燃焼室１９から前記予混合ガスの流路へ炎が逆流することを防止でき、燃焼器３の安全性が高くなっている。

さらに、前記燃焼ガスで前記予混合ガスを温めているので、前記排ガスの流路２３の出口２３Ａにおける前記燃焼ガスの温度は低くなっており、したがって、燃焼ガスが有していた熱エネルギーが効率良く利用されており、前記燃焼器３全体の効率が良くなっている。すなわち、前記予混合ガスが持っている化学エネルギーに対する、前記燃焼器３の筐体（燃焼ガス以外の部位）から放出される熱エネルギーの割合が大きくなっている。

前記燃焼器３についてさらに詳しく説明する。

図２や図３に示すような前記燃焼器３は、いわゆるスイスロール型の燃焼器（マイクロコンバスタ）と呼ばれる場合がある。

前記マイクロコンバスタ３の外径は、前述したように、短い円柱状に形成されており、中央部に前記燃焼室１９が設けられている。なお、この燃焼室１９には、始動のための点火栓（図示せず）が設けられている。

図２に示すように、前記円柱状のマイクロコンバスタ３の軸方向（側面の延伸方向；底面と上面を結ぶ方向）から前記マイクロコンバスタ３を眺めた場合、前記燃焼室１９から前記マイクロコンバスタ３の外周に向かって、前記予混合ガスの流路２１と前記燃焼ガスの流路２３とが渦巻き状に延伸して設けられている。

また、前記燃焼室１９と前記予混合ガスの流路２１と前記燃焼ガスの流路２３とは、渦巻き状に形成されている保温壁２５および伝熱壁２７と、前記円柱状のマイクロコンバスタ３の上面の壁を構成している円板状の上部板２９（図３参照）と、前記円柱状のマイクロコンバスタ３の底面の壁を構成している円板状の下部板３１（図３参照）とによって形成されている。

前記保温壁２５や前記伝熱壁２７は、薄い板状であって長い長方形状の素材をこの長さ方向に湾曲させることにより渦巻き状に形成されている。

また、前記保温壁２５の上端部（前記素材の幅方向の一端部に相当する部位）と、前記伝熱壁２７の上端部（前記素材の幅方向の一端部に相当する部位）とが、ほぼ同一平面上に存在するように、また、前記保温壁２５の下端部（前記素材の幅方向の他端部に相当する部位）と、前記伝熱壁２７の下端部（前記素材の幅方向の他端部に相当する部位）とが、ほぼ同一平面上に存在するように、前記保温壁２５と前記伝熱壁２７とが配置されている。

さらに、前記保温壁２５の上端部と前記伝熱壁２７の上端部とに前記上部板２９が一体的に設けられ、前記保温壁２５の下端部と前記伝熱壁２７の下端部とに前記下部板３１が一体的に設けられている。

また、前記保温壁２５と前記上部板２９と前記下部板３１とで、前記予混合ガスの流路２１と前記燃焼ガスの流路２３との基になる流路が形成されており、前記伝熱壁２７は、前記基になる流路を仕切って、前記予混合ガスの流路２１と前記燃焼ガスの流路２３とを形成するような位置に配置されている。

つまり、前記伝熱壁２７によって、前記基になる流路が、この幅方向で２つの流路（前記予混合ガスの流路２１、前記燃焼ガスの流路２３）に仕切られている。そして、前記伝熱壁２７を間にして、前記予混合ガスの流路２１と前記燃焼ガスの流路２３とが、前記燃焼室１９から前記マイクロコンバスタ３の外周に向かって、渦巻き状に長く並進して形成されている。

このように、前記伝熱壁２７を境にして、前記予混合ガスの流路２１と前記燃焼ガスの流路２３とが渦巻き状に長く並進して形成されているので、前記予混合ガスと前記燃焼ガスとが対向流になり、前記予混合ガスと前記燃焼ガスとの間で十分な熱交換が行われると共に、前記予混合ガスの流路２１と前記燃焼ガスの流路２３とを渦巻き状に形成したことにより、前記マイクロコンバスタ３の大きさを小さくすることが容易になっている。

さらに、前記予混合ガスと前記燃焼ガスとが対向流になっているので、前記燃焼ガスの温度は、前記燃焼室１９から遠ざかるにしたがって徐々に低くなり、一方、前記予混合ガスの温度は、前記燃焼室１９に近づくにしたがって徐々に高くなり、前記燃焼室１９の近傍では、前記予混合ガスの温度が前記燃焼室１９から出た直後の燃焼ガスの温度に近くなり、温度の高くなった予混合ガスが前記燃焼室１９に供給され、前記燃焼室１９での燃焼が安定する。

次に、前述した消炎距離について簡単に説明する。

一般に燃焼は空気中の酸素と燃料とが反応して燃焼ガスを生成する発熱反応であるが、燃料がガス体だと酸素を反応して火炎になる。

火炎は、高温でラジカルになった酸素と燃料ガスが急激に反応して起こる現象であり、連鎖反応を起こして急激に伝播する。しかし、ラジカルは固体壁に当たると失活するので、火炎は狭い固体壁の隙間を通ることができない。

このように、火炎の通れない限界の隙間の距離を消炎距離といい、図４は、予混合ガスの燃焼速度と消炎距離との関係を示す表である。

なお、図４に示す消炎距離Ｄ１は、予混合ガス流路の延伸方向に直角な平面による断面が円形である場合における前記予混合ガス流路の直径を示している。

前記予混合ガスの流路の断面形状（前記予混合ガスの流路の延伸方向に直角な平面による前記予混合ガスの流路の断面形状）が、円形ではない場合には、次に示す式ｆ１によって、相当径Ｄ３を求め、この求めた相当径Ｄ３が、消炎距離Ｄ１以下になっていれば、前記予混合ガスの流路が、消炎距離よりも狭く形成されていることになる。

相当径Ｄ３＝ガスの流路の断面積Ｓ１×４／ガスの流路の周辺長Ｌ１・・・式ｆ１。

なお、すでに理解されるように、前記予混合ガスの流路２１の断面は、矩形状に形成されているので、ガスの流路の断面積Ｓ１は、図４に示すガスの流路の幅Ｂ１×ガスの流路の高さＨ１で求めることができ、前記ガスの流路の周辺長Ｌ１は、ガスの流路の幅Ｂ１×２＋ガスの流路の高さＨ１×２で求めることができる（図３参照）。

前記保温壁２５、前記伝熱壁２７、前記上部板２９、前記下部板３１には、たとえば、ＳＵＳ３１６やＳＵＳ３１０などの耐熱性ステンレス鋼やインコネルなどの耐熱性合金が使用されている。

さらに前記マイクロコンバスタ３の外径は、たとえば１０ｍｍ〜５０ｍｍ、厚さは、３ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、前記保温壁２５の厚さは１ｍｍ程度になっており、前記伝熱壁２７の厚さは、０．３ｍｍ程度になっている。前記保温壁２５と前記伝熱壁２７とが熱伝導率がほぼ等しい材質で構成されている場合には、前記保温壁２５の厚さを前記伝熱壁２７の厚さよりも厚く形成してある。

前記マイクロコンバスタ３の燃料としては、アルコール類、パラフィン系炭化水素等の炭化水素等の液体燃料、メタン、エタン、一酸化炭素、水素、アセチレン等の気体燃料が使用される。なお、液体燃料を使用する場合には、前記予混合ガスの流路２１の入口２１Ａで前記液体燃料が気化していることが望ましい。

また、前記マイクロコンバスタ３は、小型であるので、円柱状のムクの素材から削りだしによって前記下部板３１と前記保温壁２５と前記伝熱壁２７とを一体的に形成し、この形成されたものの上部を前記上部板２９で塞ぐようにして前記マイクロコンバスタ３を形成することが望ましい。なお、前記上部板２９は、溶接やロウ付け等によって接合されるものである。

さらには、前記下部板３１と前記保温壁２５と前記伝熱壁２７とを、鋳造によって一体的に形成し、この形成されたものの上部を前記上部板２９で塞ぐようにして前記マイクロコンバスタ３を形成してもよいし、前記下部板３１と前記保温壁２５と前記伝熱壁２７と前記上部板２９とを鋳造によって一体的に形成してもよい。

次に、前記改質装置１の動作について説明する。

前記燃焼器３に予混合ガスを供給し、前記点火栓によって予混合ガスに点火すると、前記燃焼室１９で前記予混合ガスが燃焼する。

この燃焼によって生成された燃焼ガスが前記マイクロコンバスタ３の外部に排出される際に、前記伝熱壁２７を介して、前記予混合ガスが温められる。

前記マイクロコンバスタ３での燃焼熱によって、前記マイクロコンバスタ３の下面側に設けられている蒸発器７が加熱され、この蒸発器７に供給されたメタノールと水とが蒸発する。

前記蒸発したメタノールと水とが前記改質器５に供給され、前記マイクロコンバスタ３の上面側に設けられ前記マイクロコンバスタ３によって加熱される前記改質器５によって改質され、この改質によって生成された水素を多く含むガスが燃料電池に供給され、前記燃料電池が前記水素ガスを用いて発電する。

燃料の改質装置１によれば、原燃料を改質するための加熱装置として、小型燃焼器３を用いているので、燃料の改質装置１の小型化が容易になっている。

なお、前記小型燃焼器３は、前記予混合ガスの燃焼により生成される燃焼ガスを用いて、前記予混合ガスを予め温めるように構成されているので、前記予混合ガスを温めるための熱を外部から供給する必要がなくなる。

また、燃料の改質装置１によれば、蒸発器７を用いて改質前の原燃料と水とを、改質のために蒸発させているので、前記改質装置１に供給される原燃料が気体ではなく液体であり、また、水蒸気ではなく水であっても、原燃料を改質することができる。

さらに、燃料の改質装置１によれば、板状に形成されている小型燃焼器３の厚さ方向の一方の外側の面に蒸発器７を設け、前記小型燃焼器３の厚さ方向の他方の外側の面に改質器５を設けてあるので、前記小型燃焼器３で発生した熱が効率良く前記蒸発器７と前記改質器５とに伝達されるようになっている。

また、燃料電池システムによれば、この燃料電池システムの燃料電池が、改質された燃料（たとえば水素）を使用しているので、前述した直接型燃料電池（たとえば、直接メタノール型燃料電池）のようなクロスオーバが発生せず、したがって、燃料電池システムの発電効率が下がることを防ぐことができると共に、燃料電池システムの起電力が低下するおそれを回避することができる。

また、燃料電池システムによれば、小型の改質装置１で改質された燃料を用いて、燃料電池が発電するので、この燃料電池を小型化すれば、燃料電池システム自体の小型化が容易になっている。

また、燃料電池システムを小型することができれば、この小型化された燃料電池システムを携帯機器（ノートパソコン等）の電源として使用することができ、前記携帯機器自体の小型化をはかることが容易になる。

ところで、図２では、マイクロコンバスタ３の厚さ方向から眺めた場合、予混合ガスの入口２１Ａと、燃焼ガスの出口２３Ｂとが形成されている部位では、段差が形成されているので、前記マイクロコンバスタ３は、正確な円形に形成されているわけではないが、円形状に形成されていると言える。

なお、図５（マイクロコンバスタ３の変形例を示す図であり、図１のＩＩＡ−ＩＩＢ断面に対応する図）に示すように、マイクロコンバスタ３の外形を、短い円柱形に形成してもよい。この場合、予混合ガスの入口２１Ａと燃燃焼ガスの出口２３Ａとは、マイクロコンバスタ３の側面に設けられることになる。

また、マイクロコンバスタ３が、必ずしも円形状である必要はなく、四角形状等の多角形状に形成されていてもよい。そして、マイクロコンバスタ３が多角形状に形成された場合には、このマイクロコンバスタ３の形状に応じて、前記蒸発器７や前記改質器５の形状も多角形状に形成することが望ましい。

さらに、前記マイクロコンバスタ３や前記蒸発器７、前記改質器５が、板状以外の形状に形成されていてもよい。

ところで、前記改質装置１で生成された燃料ガスのうちで、水素ガス以外のガスであって燃料として使用可能なガス（たとえば一酸化炭素ガス）を分離可能な分離手段を、前記改質装置１に設け、前記分離手段で分離された燃料として使用可能なガスを、前記小型燃焼器３の燃料として使用するように構成してもよい。

このように構成することにより、前記分離手段で分離された燃料として使用可能なガスを、前記小型燃焼器３の燃料として使用で、前記改質装置１での改質によって生成されたガスの有効利用をはかることができる。

また、前記燃料として使用可能なガスが、燃料電池の極を被毒するガスである場合、前記燃料として使用可能なガスを前記分離手段で分離することができるので、前記燃料の改質装置で改質された燃料を、燃料電池に供給したときに、前記燃料電池の極が被毒するおそれを回避することができる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係る改質装置１ａの概略構成を示す斜視図である。

本発明の第２の実施形態に係る改質装置１ａは、改質器と蒸発器との設置形態が、前記第１の実施形態に係る改質装置１と異なり、その他の点は、前記第１の実施形態に係る改質装置１とほぼ同様に構成されほぼ同様の効果を奏する。

すなわち、前記改質装置１ａでは、小型燃焼器３の厚さ方向の両面に各改質器５ａが設けられており、前記小型燃焼器３の厚さ方向で前記各改質器５ａの外側に各蒸発器７ａが設けられている。

より、詳しく説明すると、前述したように、前記小型の燃焼器３、前記改質器５、前記蒸発器７の各外形は、短い円柱形状（円板形状）に形成されており、前記小型の燃焼器３、前記改質器５、前記蒸発器７の各外径はほぼ等しくなっている。

そして、前記小型燃焼器３の厚さ方向の一方の側に存在している円形状の面の全面に、１つ目の前記改質器５ａの厚さ方向の一方の側に存在している円形状の面の全面が当接するように、前記１つ目の改質器５ａが設けられており、前記小型燃焼器３の厚さ方向の他方の側に存在している円形状の面の全面に、２つ目の前記改質器５ａの厚さ方向の一方の側に存在している円形状の面の全面が当接するように、前記２つ目の改質器５ａが設けられている。

また、前記１つ目の改質器５ａの厚さ方向の他方の側に存在している円形状の面の全面に、同様に、前記２つ目の蒸発器７ａが設けられている。

したがって、前記小型の燃焼器３に前記各蒸発器７ａと前記各改質器５ａとを設置した装置の外径は、円柱形状に形成されていると共に、最も外側に２つの蒸発器７ａ、この２つの蒸発器７ａの内側に２つの改質器５ａ、この２つの改質器５ａの内側に１つの小型燃焼器３が設けられていることになる。

ところで、燃料の改質装置では、一般的に、改質器のほうが、蒸発器よりも高い温度を必要とする。前記燃料の改質装置１ａでは、最も内側に燃焼器３を設け、この燃焼器３を各改質器５ａで挟み、これらの改質器５ａを蒸発器７ａで挟み込んでいるので、前記各改質器５ａを前記各蒸発器７ａよりも高温に保つことが容易になっており、原燃料の改質を効率良く行うことができる。

［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態に係る改質装置１ｂの概略構成を示す斜視図である。

本発明の第３の実施形態に係る改質装置１ｂは、改質器と蒸発器との設置形態が、前記第１の実施形態に係る改質装置１と異なり、その他の点は、前記第１の実施形態に係る改質装置１とほぼ同様に構成されほぼ同様の効果を奏する。

すなわち、前記改質装置１ｂでは、蒸発器７ｂと改質器５ｂとが互いに隣接して設けられている。

より、詳しく説明すると、前記小型の燃焼器３は短い円柱状（円板状）に形成されており、前記蒸発器７ｂや前記改質器５ｂが板状に形成されている。

ただし、前記蒸発器７ｂや前記改質器５ｂのそれぞれはたとえば半円板状に形成されており、前記蒸発器７ｂと前記改質器５ｂとの弦を互いに隣接させて結合することにより、前記蒸発器７ｂと前記改質器５ｂとで構成された装置が円板状（前記小型燃焼器３の外径とほぼ同じ径を有する円板状）に形成されるようになっている。

そして、前記小型燃焼器３の厚さ方向の一方の側に存在している円形状の面の全面に、前記蒸発器７ｂと前記改質器５ｂとで形成された円板状の装置の厚さ方向の一方の全面が当接するように、前記蒸発器７ｂと前記改質器５ｂとが設けられている。

また、前記小型燃焼器３の厚さ方向の他の側にも、前記蒸発器７ｂと前記改質器５ｂとが同様に設けられている。

改質装置１ｂによれば、前記蒸発器７ｂと前記改質器５ｂとは互いに隣接して設けられているので、前記蒸発器７ｂで蒸発した原燃料と水蒸気とが、前記改質器５ｂに到達するまでに冷めにくくなっており、したがって、原燃料の改質を効率良く行うことができる。

［第４の実施形態］
図８は、本発明の第４の実施形態に係る改質装置１ｃの概略構成を示す斜視図である。

本発明の第４の実施形態に係る改質装置１ｃは、改質器５と蒸発器７との設置形態が、前記第１の実施形態に係る改質装置１と異なり、その他の点は、前記第１の実施形態に係る改質装置１とほぼ同様に構成されほぼ同様の効果を奏する。

すなわち、前記改質装置１ｃでは、改質器５ｃが、前記小型燃焼器３の部位のうちで温度が高い部位に設けられており、蒸発器７ｃが、前記小型燃焼器３の部位のうちで温度が低い部位に設けられている。

より、詳しく説明すると、小型の燃焼器３が、たとえば円板状に形成されており、中央部に燃焼室１９を備えているとする。前記改質器５ｃは、外径が前記小型燃焼器３の外径よりも小さい円板状に形成され、また、前記小型燃焼器３の厚さ方向の一方の面のほぼ中央部で、前記改質器５ｃの厚さ方向の一方の面が前記小型燃焼器３厚さ方向の一方の面に当接するように、前記改質器５ｃが設けられている。

さらに、蒸発器７ｃは、内径が前記改質器５ｃの外径とほぼ等しく外径が前記小型燃焼器３の外径とほぼ等しい中空円板状に形成されており、前記小型燃焼器３の厚さ方向の一方の面で、前記改質器５ｃを囲むように設けられている。

また、前記小型燃焼器３の厚さ方向の他の側にも、前記蒸発器７ｃと前記改質器５ｃとが同様に設けられている。

改質装置１ｃによれば、小型燃焼器３の部位のうちで温度が高い部位に改質器５ｃが設けられており、小型燃焼器３の部位のうちで温度が低い部位に蒸発器７ｃが設けられているので、前記改質器５ｃの温度を前記蒸発器７ｃの温度よりも高めることができ、効率良く原燃料の改質を行うことができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る改質装置は、燃料と酸素とを別々に、または、燃料と空気とを別々に予め温めておくことにより、小型であっても前記燃料を前記酸素または前記空気を用いて安定して燃焼させることが可能な小型燃焼器を用いて、燃料の改質を行なっている点が、前記第１〜第４の各実施形態に係る改質装置とは異なり、その他の点は、前記第１〜第４の各実施形態に係る改質装置とほぼ同様に構成されほぼ同様の効果を奏する。

第５の実施形態に係る改質器の小型燃焼器について詳しく説明すると、前記小型燃焼器は、燃焼室と、燃料を前記燃焼室に供給するための燃料流路と、酸素または空気を前記燃料とは別個に前記燃焼室に供給するための酸素流路と、燃焼により生じたガスを前記燃焼室から排出するための排ガスの流路とを有し、前記燃料流路および前記酸素流路は消炎距離よりも狭く形成されており、前記燃料流路を流れる燃料が、前記燃焼室に至るまでに、前記排ガスの流路を流れる排ガスによって温められるように構成されており、前記酸素流路を流れる酸素または空気が、前記燃焼室に至るまでに、前記排ガスの流路を流れる排ガスによって温められるように構成されている。

より詳しく説明すると、図２に示す小型燃焼器（第１〜第４の実施形態に係る改質器に使用される小型燃焼器）３では、予混合ガスの流路２１、排ガスの流路２３という２つの渦巻き状の流路が形成されているが、第５の実施形態に係る改質装置の小型燃焼器では、図２に示す小型燃焼器３において、渦巻き状の流路をさらに１つ増やして３つの流路を形成し、１つ目の流路を燃料流路とし、２つ目の流路を空気または酸素の流路とし、３つ目の流路を排ガスの流路とすることによって、燃料と酸素もしくは燃料と空気をそれぞれ個別に予熱し、この予熱されたものを燃焼室内で混合して燃焼するようになっている。このように構成された小型燃焼器を拡散型燃焼器という場合がある。

なお、前記拡散型燃焼器では、燃焼室において、空気もしくは酸素と燃料とを混合しているが、燃焼室に至る経路（流路）の途中で燃料と空気もしくは酸素とを混合してもよい。

また、前記酸素流路、前記燃料流路のうちのいずれか一方の流路を廃して、燃焼室の壁に小さな貫通孔を設け、この貫通孔から、前記燃焼室へ、空気もしくは酸素、燃料のいずれかを供給するようにしてもよい。

たとえば、燃料流路を廃し、燃焼室の壁に小さな貫通孔を設け、この貫通孔から、前記燃焼室へ、燃料を供給するようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料の改質装置の概略構成を示す斜視図である。図１におけるＩＩＡ―ＩＩＢ断面を示す図である。図２におけるＩＩＩＡ―ＩＩＩＢ断面を示す図である。予混合ガスの燃焼速度と消炎距離との関係を示す表である。マイクロコンバスタの変形例を示す図であり、図１のＩＩＡ−ＩＩＢ断面に対応する図である。本発明の第２の実施形態に係る改質装置の概略構成を示す斜視図である。本発明の第３の実施形態に係る改質装置の概略構成を示す斜視図である。本発明の第４の実施形態に係る改質装置の概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１燃料の改質装置
３小型燃焼器
５改質器
７蒸発器
１９燃焼室
２１予混合ガスの流路
２３排ガスの流路

Claims

燃料の改質装置において、
燃焼室、第１の燃料と酸素との予混合ガスを燃焼室に供給するための予混合ガスの流路、燃焼によって生じた燃焼ガスを前記燃焼室から排出するための燃焼ガスの流路、及び前記予混合ガスの流路と前記燃焼ガスの流路の間に設けられた伝熱壁を備え、前記予混合ガスを燃焼させるマイクロコンバスタと、
前記マイクロコンバスタの外側の面に当接するように設けられ、第２の燃料と水を供給するための供給流路が接続され、前記マイクロコンバスタが発生する熱を用いて、第２の燃料と水とを気化する蒸発器と、
前記マイクロコンバスタの外側の面に当接するように設けられ、前記マイクロコンバスタが発生する熱と前記蒸発器から供給される水蒸気とを用いて、前記蒸発器から供給される気化した前記第２の燃料を改質する改質器と、
前記蒸発器と前記改質器との間に接続され、前記蒸発器で発生した水蒸気と気化した前記第２の燃料を前記改質器へ導入するための導入路と、を有することを特徴とする燃料の改質装置。
請求項１に記載の燃料の改質装置において、
前記蒸発器は、前記マイクロコンバスタの厚さ方向の一方の外側の面に当接しかつ重ね合うように設けられ、前記改質器は、前記マイクロコンバスタの厚さ方向の他方の外側の面に当接しかつ重ね合うように設けられていることを特徴とする燃焼の改質装置。
請求項１又は請求項２に記載の燃料の改質装置において、
前記予混合ガスの流路が消炎距離よりも狭く形成されていることを特徴とする燃料の改質装置。
請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の燃料の改質装置において、
前記燃焼室が前記マイクロコンバスタの中央部に設けられてあって、前記予混合ガスの流路及び前記燃焼ガスの流路が前記燃焼室から外周に向かって渦巻き状に形成されていることを特徴とする燃料の改質装置。
請求項１から請求項４のうちのいずれか請求項に記載の燃料の改質装置と、
前記燃料の改質装置における前記改質器での改質によって生成された燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、を有していることを特徴とする燃料電池システム。