JP6541729B2 - 燃料改質装置 - Google Patents

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Description

本発明は、炭化水素系原料を改質して水素を生成する燃料改質装置に関する。
一般に、燃料改質装置は、ＬＮＧ、ＬＰＧなどの原料ガスを改質して水素を発生させる一種の改質器であって、水蒸気改質（Steam Reforming: SR）装置が広く知られている。
水蒸気改質装置は、原料ガスを水素に変換する改質反応器と、水素と共に生成された一酸化炭素を二酸化炭素に変換して一酸化炭素の濃度を低減するシフト反応器（高温シフト（ＨＴＳ）反応器、低温シフト（ＬＴＳ）反応器）と、熱量を供給するバーナーとからなる。
例えば、メタン（ＣＨ4）を主成分とするＬＮＧが原料ガスである場合は、改質反応器でＬＮＧが水蒸気と反応して水素と一酸化炭素を生成する。しかし、一酸化炭素が燃料電池スタックに流入すると、スタックを汚染し、スタックの性能が大きく低下することがある。よって、改質反応器で生成された一酸化炭素は、高温シフト（ＨＴＳ）反応器と低温シフト（ＬＴＳ）反応器を用いて二酸化炭素に変換する。
ここで、改質反応器での作動温度は触媒の種類によって異なるが、触媒としてニッケル（Ｎｉ）を用いる場合、作動温度は通常約６００〜７００℃であり、そのシフト反応は吸熱反応であり、反応に必要な熱量はバーナーにより供給する。また、シフト反応器での作動温度も触媒の種類によって異なるが、触媒として銅−亜鉛（Ｃｕ−Ｚｎ）を用いる高温シフト反応器の場合は通常約３００〜４２０℃であり、触媒として鉄−クロム（Ｆｅ−Ｃｒ）を用いる低温シフト反応器の場合は通常約２３５〜３００℃であり、そのシフト反応は発熱反応であって反応時に熱を発散する。
一方、従来の燃料処理装置は、改質反応器とシフト反応器の配列によって、横型（又は放射型）と縦型（又は垂直型）に分けられる。
横型燃料処理装置は、改質反応器が内側に配置され、シフト反応器が外側に配置され、改質反応器の内側、すなわち燃料処理装置の最も内側にはバーナーが備えられる燃焼室が配置されている。このような横型燃料処理装置においては、燃焼過程で発生した燃焼ガスが、燃料処理装置における改質反応器と燃焼室間の流路を下方から上方に通過しながら改質反応器に熱を供給してから外部に排出される。ここで、原料ガスは、改質反応器を通過して燃料処理装置の上方から下方に移動し、その後シフト反応器を通過して燃料処理装置の下方から上方に移動しながら改質されて燃料電池スタックに供給される。
このような従来の横型燃料処理装置は、高温で作動する改質器の特性上、改質器が停止してから再起動する際には当該改質器が作動温度に達するまで長時間かかる。よって、改質器を迅速に再起動できないので、システムの運転率が低下するという問題があった。特に、相対的に高温で吸熱反応が起こる改質反応器は、シフト反応器に比べて停止時の温度低下速度が速いので、再起動時に作動温度に達するにはさらに長い時間を要する。
また、バーナーによる燃焼により発生する排気ガスは熱交換後に温度が下がり、改質反応器の末端部では温度勾配が大きいので、各位置の反応に偏りが大きいという問題もあった。
本発明の目的は、改質器の再起動時に作動温度に達する時間を短縮することにより改質器を迅速に再起動すると共にシステムの運転率を高めることのできる燃料改質装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、反応器の各位置での温度勾配を小さくすることにより改質効果を向上させることのできる燃料改質装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、バーナーが設けられた燃焼部と、前記燃焼部で発生する排気ガスが循環する排気部と、前記燃焼部又は前記排気部の周辺に備えられ、前記燃焼部と前記排気部を通過する排気ガスから熱を吸収して原料から水素を発生させる反応部とを含み、前記反応部には、前記燃焼部の作動時に熱を吸収して蓄積しておいて前記反応部に必要な熱を供給する蓄熱部材が備えられる、燃料改質装置を提供する。
本発明の態様は以下の通りである。
〔１〕 燃料改質装置であって、
バーナーが設けられた燃焼部と、
前記燃焼部で発生する排気ガスが循環する排気部と、
前記燃焼部又は前記排気部の周辺に備えられ、前記燃焼部と前記排気部を通過する排気ガスから熱を吸収して原料から水素を発生させる反応部とを備えてなり、
前記反応部が、前記燃焼部の作動時に熱を吸収して蓄積し、前記反応部に必要な熱を供給する蓄熱部材を備えてなることを特徴とする、燃料改質装置。
〔２〕 前記蓄熱部材は、表面部の内部に相変化物質（Phase Change Material: PCM）となる相変化部が内蔵されてなり、
前記相変化部は、前記表面部に比べて溶融温度が低く、かつ、潜熱が高い物質からなることを特徴とする、〔１〕に記載の燃料改質装置。
〔３〕 前記表面部が、銅（Ｃｕ）からなり、
前記相変化部が、アルミニウム（Ａｌ）合金からなることを特徴とする、〔２〕に記載の燃料改質装置。
〔４〕 前記蓄熱部材の温度を維持する温度制御部をさらに備えてなることを特徴とする、〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載の燃料改質装置。
〔５〕 前記温度制御部が、
前記反応部に排気ガスの移動方向に設けられて前記反応部の温度を検出する少なくとも１つの温度センサと、
前記温度センサにより検出された温度と前記蓄熱部材の溶融温度とを比較して、前記バーナーの作動を制御するコントローラとを備えてなることを特徴とする、〔４〕に記載の燃料改質装置。
〔６〕 前記コントローラが、前記バーナーを制御し、前記温度センサにより検出された温度のうち最低温度が前記蓄熱部材の溶融温度より高い温度を維持することを特徴とする、〔５〕に記載の燃料改質装置。
〔７〕 前記蓄熱部材が、球状に形成されてなり、前記反応部の内部に多数充填されてなることを特徴とする、〔１〕〜〔６〕の何れか一項に記載の燃料改質装置。
〔８〕 前記反応部の内部が、前記反応部を少なくとも２つの空間に分離する分離部を備えてなり、
前記反応部の少なくとも２つの空間には、前記蓄熱部材がそれぞれ配置されてなることを特徴とする、〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載の燃料改質装置。
〔９〕 前記分離部は、その内周面が前記反応部の内周面に固定されてなるか、又は、その外周面が前記反応部の外周面に固定されてなることを特徴とする、〔８〕に記載の燃料改質装置。
〔１０〕 前記分離部が前記反応部の長手方向に所定の間隔をおいて複数配置されてなり、
前記複数の分離部がジグザグ状に配置されて固定されてなることを特徴とする、〔８〕又は〔９〕に記載の燃料改質装置。
〔１１〕 前記分離部は、その内周面が前記反応部の内周面から離隔てなるか、又は、その外周面が前記反応部の外周面から離隔されてなることを特徴とする、〔８〕〜〔１０〕の何れか一項に記載の燃料改質装置。
〔１２〕 前記分離部が、前記反応部の内周面と外周面間で長手方向に配置されてなり、前記反応部を内周側空間部と外周側空間部とに分離することを特徴とする、〔８〕〜〔１１〕の何れか一項に記載の燃料改質装置。
〔１３〕 前記分離部は、複数のガス通孔が形成されてなることを特徴とする、〔８〕〜〔１２〕の何れか一項に記載の燃料改質装置。
〔１４〕 前記反応部は、前記蓄熱部材と共に触媒部材が充填されてなることを特徴とする、〔１〕〜〔１３〕の何れか一項に記載の燃料改質装置。
そして、上記目的を達成するために、本発明は、バーナーが設けられた燃焼部と、前記燃焼部で発生する排気ガスが循環する排気部と、前記燃焼部又は前記排気部の周辺に備えられ、前記燃焼部と前記排気部を通過する排気ガスから熱を吸収して原料から水素を発生させる反応部と、前記反応部に備えられ、前記燃焼部の作動時に熱を吸収して蓄積しておいて前記反応部に必要な熱を供給する蓄熱部材と、前記反応部に排気ガスの移動方向に設けられて前記反応部の温度を検出する複数の温度センサと、前記温度センサにより検出された温度と前記蓄熱部材の溶融温度とを比較して前記バーナーの作動を制御するコントローラとを含む、燃料改質装置を提供する。
本発明による燃料改質装置は、燃料改質装置又はそれを含む燃料電池システムが停止した状態でも改質反応器を適正温度に維持することができる。よって、燃料改質装置又はそれを含む燃料電池システムを再起動する際に、蓄熱部材の潜熱を利用して改質反応器を含む燃料改質装置が迅速に作動温度に達するようにすることができる。
こうすることにより、燃料改質装置での水素発生率が高くなり、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
本発明による燃料改質装置の一実施形態を示す断面斜視図である。 図１に示す燃料改質装置における改質反応器の概略縦断面図である。 図２のＩ−Ｉ線断面図である。 図３に示す蓄熱部材の内部構造を説明するための図３のＡ部拡大図である。 図１に示す改質反応器の他の実施形態を示す縦断面図である。 図５ＡのＢ部拡大斜視図である。 図１に示す改質反応器のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。 図１に示す改質反応器のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。 図１に示す改質反応器のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。 図１に示す改質反応器のさらに他の実施形態を示す横断面図である。 本発明による燃料改質装置の温度制御部を示すブロック図である。 本発明による燃料改質装置における蓄熱過程を説明するための概略図である。
以下、本発明による燃料改質装置を添付図面に示す一実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による燃料改質装置の一実施形態を示す断面斜視図であり、図２は図１に示す燃料改質装置における改質反応器の概略縦断面図であり、図３は図２のＩ−Ｉ線断面図であり、図４は図３に示す蓄熱部材の内部構造を説明するための図３のＡ部拡大図であり、図５Ａは図１に示す改質反応器の他の実施形態を示す縦断面図であり、図５Ｂは図５ＡのＢ部拡大斜視図であり、図６〜図８Ｂは図１に示す改質反応器のさらに他の実施形態を示す縦断面図及び横断面図である。
図１〜図３に示すように、本実施形態による燃料改質装置は、断熱内壁を有して密封されたケーシング１０が縦方向に形成され、ケーシング１０の内部中央にはケーシング１０の長手方向に燃焼室１１０が備えられ、燃焼室１１０の内部にはガスを燃焼させて熱を発生するバーナー１１１が備えられるようにしてもよい。燃焼室１１０とバーナー１１１とは燃焼部を構成する。
ケーシング１０の下端には、バーナー１１１により燃焼させるガスを燃焼室１１０に注入するための燃焼用ガス注入口１１が備えられるようにしてもよい。また、ケーシング１０の上端には、後述する改質反応器１３１に反応物を注入するための反応物注入口１３が備えられ、さらに、後述する改質反応器１３１及びシフト反応器１３２、１３３をそれぞれ通過した反応物を排出するための反応物排出口１４がそれぞれ備えられるようにしてもよい。
バーナー１１１は、燃焼室１１０の下側に設けられてもよい。バーナー１１１としては、ガスを燃焼させて高温を得る通常のブンゼンバーナー（bunsen burner）を適用してもよく、燃焼用ガスと大気中の空気を燃料とするメタルファイバーバーナー（metal fiber burner）を適用してもよい。ここで、メタルファイバーバーナーは、ブンゼンバーナーに比べて火炎が短いので高い熱量が得られて効率的であり、負荷調整が簡単であるだけでなく、火炎の範囲が広いという利点がある。
燃焼室１１０は、ケーシング１０の中央に配置され、燃焼室１１０の外側には原料ガスから水素を発生させる反応部が設けられる。前記反応部では、メタンと水（ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ）に触媒、高温などを加えて化学反応を起こせば、水素と一酸化炭素（３Ｈ2＋ＣＯ）が発生する。このときに発生した一酸化炭素（ＣＯ）は、大気汚染を引き起こす可能性があるので、水との化学反応により二酸化炭素に変換する。
前記反応部は、内側に設けられる改質反応器１３１と、外側に設けられるシフト反応器１３２、１３３とを含んでもよい。すなわち、改質反応器１３１とシフト反応器１３２、１３３はどちらも中空円筒状に形成され、改質反応器１３１は円筒状の燃焼室１１０を囲むように設けられ、シフト反応器１３２、１３３は改質反応器１３１を囲むように設けられる。
また、改質反応器１３１とシフト反応器１３２、１３３間には、燃焼室１１０に連通して燃焼時に発生する排気ガスの排出通路となる排気流路１２０が形成されてもよい。こうすることにより、燃焼室１１０で発生する排気ガスは、ケーシング１０の上側に移動しながら改質反応器１３１に熱を供給し、また、改質反応器１３１とシフト反応器１３２、１３３間の排気流路１２０を介してケーシング１０の下側に移動しながら改質反応器１３１とシフト反応器１３２、１３３に熱を供給することになる。
改質反応器１３１は、内周壁１３１ａと外周壁１３１ｂ間に所定の空間部１３１ｃを有する中空円筒状に形成され、空間部１３１ｃに原料ガスの反応を促進する触媒物質１５０が充填されるようにしてもよい。通常、改質反応器１３１の空間部１３１ｃに充填される触媒物質１５０にはニッケル（Ｎｉ）が用いられ、それにより改質反応器１３１の反応温度は約６００〜７００℃となる。
ここで、触媒物質１５０は、球状に形成された複数の触媒物質であってもよく、板状の金属基材（図示せず）に複数の触媒物質を付着させたものであってもよい。本実施形態においては、後述する相変化物質１６０が球状に形成されて触媒物質１５０と共に改質反応器１３１の空間部１３１ｃに充填されるので、触媒物質１５０も球状に形成されることが好ましい。しかし、場合によっては、前記板状の金属基材に複数の触媒物質を付着させたものを改質反応器１３１の空間部１３１ｃに巻いて入れ、その触媒物質間に本実施形態による相変化物質１６０をローディングすることにより、触媒物質１５０と相変化物質１６０を充填するようにしてもよい。
相変化物質１６０は、改質反応器１３１の空間部１３１ｃ（シフト反応器１３２、１３３も可能）に充填されて排気ガスから熱を吸収して蓄積しておき、燃料改質装置が停止してから再起動する際に改質反応に必要な熱を供給する役割を果たすものであり、以下では蓄熱部材という。
前述したように、蓄熱部材１６０は、球状に形成されてもよい。
また、蓄熱部材１６０は、蓄熱部材１６０全体が同じ材質で形成されてもよいが、その場合、周辺の温度による制限があり得る。すなわち、周辺の温度が反応器の温度より高い場合は、相変化により形態を維持できなくなるので損失が生じることがある。よって、本実施形態による蓄熱部材１６０は、相対的に高温に耐える外皮の中に相変化を起こす物質が内蔵されるように形成されることが好ましい。
例えば、本実施形態による蓄熱部材１６０は、図４に示すように、外皮としての表面部１６１と、表面部１６１の内部に充填されて一種の相変化物質となる相変化部１６２とを含んでもよい。
相変化部１６２は、表面部１６１に比べて溶融温度（相変化温度）が低く、かつ潜熱が高い物質からなるようにしてもよい。
ここで、表面部１６１は、熱伝導度に優れた銅（Ｃｕ）からなるようにしてもよい。なお、銅は、相変化温度が約１１００℃であり、潜熱量が約２００ｋＪ／ｋｇである。
また、相変化部１６２は、改質反応温度と同程度の温度で相変化を起こすアルミニウム（Ａｌ）合金、より具体的にはアルミニウムシリコン合金（Ａｌ−Ｓｉ）からなるようにしてもよい。なお、アルミニウムシリコン合金は、相変化温度が約５５０℃であり、潜熱量が約５５０ｋＪ／ｋｇであり、改質反応器１３１と同程度の温度域を有する。
一方、蓄熱部材１６０が球状に形成されて改質反応器１３１の空間部１３１ｃに充填された場合、蓄熱部材１６０が触媒部材１５０間を移動して下方に偏ることがある。そうなると、改質反応器１３１の位置によって温度勾配が生じ、均一な反応温度を維持することが困難になる。
そこで、改質反応器１３１の他の実施形態においては、図５Ａに示すように、改質反応器１３１の空間部１３１ｃに蓄熱部材１６０を複数の層に分けて配置するための分離部１６５が形成される。分離部１６５は、空間部１３１ｃの中間の１箇所にのみ形成されてもよいが、場合によっては、上下方向に複数形成されてもよい。
また、分離部１６５は、複数形成される場合、各層の高さが同一になる位置に形成されてもよいが、条件によっては、各層の高さが異なる位置に形成されてもよい。例えば、蓄熱部材１６０が同一の直径を有する場合は、各層の温度を均一に維持するために、各層の高さが同一になる位置に分離部１６５を形成することが好ましい。しかし、蓄熱部材１６０が異なる直径（表面積）を有する場合は、相対的に表面積の大きい蓄熱部材１６０が配置される層の高さは低く、相対的に表面積の小さい蓄熱部材１６０が配置される層の高さは高くなるように分離部１６５を形成することが好ましい。
こうすることにより、球状に形成された蓄熱部材１６０が球状又はそれに類似した形状に形成された複数の触媒部材１５０間を移動しても、蓄熱部材１６０が下方に偏ることなく高さ方向に比較的均一に分散して配置されることになる。従って、改質反応器１３１の各位置における温度を均一に維持し、改質効果を向上させることができる。
複数の層に分離する分離部１６５は、図５Ｂに示すように、原料ガスを円滑に通過させるための複数のガス通孔１６５ａが形成されてもよく、孔のない板状に形成されてもよい。
図６及び図７を参照すると、分離部１６５が孔のない板状に形成される場合、原料ガスを円滑に通過させるために、改質反応器１３１の内周壁１３１ａの外周面と分離部１６５の内周面間又は改質反応器１３１の外周壁１３１ｂの内周面と分離部１６５の外周面間に所定の間隔ｔ１、ｔ２が生じるように、分離部１６５の幅方向の断面積を改質反応器１３１の幅方向の断面積より小さくすることが好ましい。また、図５Ｂを参照すると、分離部１６５にガス通孔１６５ａが形成される場合、ガス通孔１６５ａは、触媒部材１５０や蓄熱部材１６０が通過しない範囲で最大限大きく形成されることが好ましい。
また、分離部１６５は、改質反応器１３１の内周面又は外周面に固定設置されてもよい。この場合は、触媒部材１５０や蓄熱部材１６０のローディング作業を考慮すると、図６に示すように、分離部１６５が改質反応器１３１の内周面又は外周面にジグザグ状に固定設置されることが好ましい。
しかし、分離部１６５は、改質反応器１３１の内周壁１３１ａ又は外周壁１３１ｂに固定設置されるのではなく、分離して設置されてもよい。この場合は、図７に示すように、触媒部材１５０や蓄熱部材１６０のローディング作業を行う際に、所定の間隔をおいて中間に予め作製された分離部１６５を挿入して適切な位置に配置してもよい。
また、分離部１６５は、改質反応器１３１の空間部１３１ｃの形状に合わせて環状に形成されてもよいが、場合によっては、円弧状に形成されてもよい。
また、分離部１６５は、安定性の面で、蓄熱部材１６０より溶融温度が高い材質で形成されることが好ましい。
また、分離部１６５は、改質反応器１３１の高さ方向（長手方向）に所定の間隔をおいて配置されてもよいが、場合によっては、図８Ａに示すように、横方向分離部１６５ｂに加え、改質反応器１３１の内側壁１３１ａと外周壁１３１ｂ間に縦方向分離部１６５ｃがさらに備えられて空間部１３１ｃを内周側空間部１３１ｄと外周側空間部１３１ｅに横方向に区画するようにしてもよい。縦方向分離部１６５ｃが備えられた場合、空間部１３１ｃに配置される蓄熱部材１６０は、内周側空間部１３１ｄと外周側空間部１３１ｅとに同じ規格、同じ量でローディングされるようにしてもよいが、場合によっては、内周側空間部１３１ｄと外周側空間部１３１ｅとに異なる規格、異なる量でローディングされるようにしてもよい。
例えば、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、内周側空間部１３１ｄの幅Ｄ１が外周側空間部１３１ｅの幅Ｄ２より小さくなるようにしてもよい。すなわち、排気ガスが内周側空間部１３１ｄに先に接触する点に鑑み、同じ円周長を有する内周側空間部１３１ｄと外周側空間部１３１ｅとを比較すると、外周側空間部１３１ｅに配置された蓄熱部材１６０の全表面積が内周側空間部１３１ｄに配置された蓄熱部材１６０の全表面積より大きくなるようにしてもよい。こうすることにより、改質反応器１３１を再起動する際に、外周側空間部１３１ｅの温度が内周側空間部１３１ｄの温度より遅く上昇しても、外周側空間部１３１ｅに配置された蓄熱部材１６０の表面積が内周側空間部１３１ｄに配置された蓄熱部材１６０の表面積より大きいので、蓄熱部材１６０から外周側空間部１３１ｅの方にさらに多くの熱が供給され、外周側空間部１３１ｅにおいても内周側空間部１３１ｄと同程度の時間で作動温度に達することになる。
一方、本発明による燃料改質装置は、蓄熱部材の潜熱を利用できるように蓄熱部材の相変化に必要な熱を適宜供給するための温度制御部をさらに含んでもよい。図９は本発明による燃料改質装置の温度制御部を示すブロック図であり、図１０は本発明による燃料改質装置における蓄熱過程を説明するための概略図である。
例えば、前記温度制御部は、図２及び図９に示すように、改質反応器１３１の温度を検出するための温度センサ１７１ａ〜１７１ｃと、温度センサ１７１ａ〜１７１ｃにより検出された温度と設定温度とを比較してバーナー１１１の作動を制御するコントローラ１７２とからなるようにしてもよい。
複数の温度センサ１７１ａ〜１７１ｃは、改質反応器１３１の内周面又は外周面に、排気ガスの移動方向（長手方向、上下方向）に所定の間隔をおいて設けられてもよい。なお、図２においては、温度センサ１７１ａ〜１７１ｃが改質反応器１３１の内周面に３段で設けられた例を示す。
コントローラ１７２は、温度センサ１７１ａ〜１７１ｃに電気的に接続されて温度センサ１７１ａ〜１７１ｃからの検出温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が入力される入力部１７２ａと、入力部１７２ａに入力された検出温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）と保存された設定温度（Ｔｓ）とを比較してバーナー１１１を作動させるか否かを判断する判断部１７２ｂと、判断部１７２ｂの判断に基づいてバーナー１１１に作動信号又は停止信号を伝達する出力部１７２ｃとからなるようにしてもよい。
判断部１７２ｂは、検出温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が設定温度（Ｔｓ）より低い場合は、バーナー１１１が作動するように出力部１７２ｃに作動信号を伝達し、検出温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が設定温度（Ｔｓ）より高い場合は、バーナー１１１が停止した状態を維持するように出力部１７２ｃに停止信号を伝達するようにしてもよい。
ここで、設定温度（Ｔｓ）は、特定の温度、すなわち相変化部１６２の相変化温度にしてもよく、相変化温度よりも所定範囲内で高いか又は低い温度にしてもよい。また、設定温度（Ｔｓ）は、相変化温度に特定の温度を加減した温度にしてもよい。
また、温度センサ１７１ａ〜１７１ｃが複数の場合、すなわち検出温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が複数の場合は、いずれか１つの温度センサにより検出された温度を検出温度にしてもよく、複数の温度センサにより検出された温度の平均温度を検出温度にしてもよい。
例えば、図２に示すように、３つの温度センサ１７１ａ〜１７１ｃが改質反応器１３１の下部、中間部及び上部に設けられた場合、各温度センサ１７１ａ〜１７１ｃが改質反応器１３１の各部位の温度を検出し、そのうち最も低い検出温度と設定温度（Ｔｓ）とを比較してバーナー１１１を作動させるか否かを決定するようにしてもよい。
ここで、設定温度（Ｔｓ）は、蓄熱部材１６０の相変化温度に許容差（図１０では１０℃）を加算した温度であってもよい。よって、検出温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）と設定温度（Ｔｓ）とを比較し、比較の結果、検出温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が設定温度（Ｔｓ）より高い場合は、現在の改質反応器１３１の温度でも蓄熱部材１６０の相変化による潜熱を十分に利用できると判断し、バーナー１１１の停止状態を維持するか又はバーナー１１１の火力を下げ、それに対し、検出温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が設定温度（Ｔｓ）より低い場合は、現在蓄熱部材１６０の潜熱を利用できない条件であるので、バーナー１１１を作動させるか又はバーナー１１１の火力を上げて蓄熱部材１６０の相変化部１６２が相変化を起こすようにしてもよい。
前述した実施形態においては、温度センサにより改質反応器の温度をリアルタイムで検出してその結果に基づいてバーナーを作動させるか否かを判断するが、他の実施形態として、温度センサを設けるのではなく、タイマーを用いて所定時間毎にバーナーを作動させることで蓄熱部材が相変化温度を維持できるようにしてもよい。
以上のように、本発明においては、燃料改質装置又はそれを含む燃料電池システムが停止した状態でも改質反応器を適正温度に維持することができる。よって、燃料改質装置又はそれを含む燃料電池システムを再起動する際に、蓄熱部材の潜熱を利用して改質反応器を含む燃料改質装置が迅速に作動温度に達するようにすることができる。こうすることにより、燃料改質装置での水素発生率が高くなり、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
本発明の思想及び必須の特徴を逸脱しない範囲で本発明を他の特定の形態に具体化できることは当業者にとって自明である。よって、本発明の詳細な説明は例示的なものであり、あらゆる面で制限的に解釈されてはならない。本発明の範囲は添付の請求の範囲の合理的解釈により定められるべきであり、本発明の等価的範囲内での全ての変更が本発明の範囲に含まれる。
１１０ 燃焼室
１１１ バーナー
１２０ 排気流路
１３１ 改質反応器
１３１ａ 内周壁
１３１ｂ 外周壁
１３１ｃ 空間部
１３１ｄ 内周側空間部
１３１ｅ 外周側空間部
１３２、１３３ シフト反応器
１５０ 触媒部材
１６０ 蓄熱部材（相変化物質）
１６１ 表面部
１６２ 相変化部
１６５ 分離部
１６５ａ ガス通孔
１６５ｂ 横方向分離部
１６５ｃ 縦方向分離部
１７１ａ〜１７１ｃ 温度センサ
１７２ コントローラ

Claims (9)

  1. 燃料改質装置であって、
    バーナーが設けられた燃焼部と、
    前記燃焼部で発生する排気ガスが循環する排気部と、
    前記燃焼部又は前記排気部の周辺に備えられ、前記燃焼部と前記排気部を通過する排気ガスから熱を吸収して原料から水素を発生させる反応部とを備えてなり、
    前記反応部が、原料の反応を促進する複数の触媒部材、及び前記燃焼部の作動時に熱を吸収して蓄積し、前記反応部に必要な熱を供給する複数の蓄熱部材を備えてなり、
    前記燃料改質装置が、前記蓄熱部材の温度を維持する温度制御部をさらに備えてなり、
    前記温度制御部が、
    前記反応部に排気ガスの移動方向に設けられて前記反応部の温度を検出する複数の温度センサと、
    前記複数の温度センサにより検出された温度と前記蓄熱部材の溶融温度とを個別に比較するか、又は、前記複数の温度センサにより検出された温度の平均温度と前記蓄熱部材の溶融温度とを比較して、前記バーナーの作動を制御するコントローラとを備えてなり、
    前記コントローラが、前記バーナーを制御し、前記温度センサにより検出された温度のうち最低温度が前記蓄熱部材の溶融温度より高い温度を維持し、
    前記触媒部材及び前記蓄熱部材が、それぞれ球状に形成されて前記反応部に充填されることを特徴とする、燃料改質装置。
  2. 前記蓄熱部材は、表面部の内部に相変化物質（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ：ＰＣＭ）となる相変化部が内蔵されてなり、
    前記相変化部は、前記表面部に比べて溶融温度が低く、かつ、潜熱が高い物質からなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質装置。
  3. 前記表面部が、銅（Ｃｕ）からなり、
    前記相変化部が、アルミニウム（Ａｌ）合金からなることを特徴とする、請求項２に記載の燃料改質装置。
  4. 前記反応部の内部が、前記反応部を少なくとも２つの空間に分離する分離部を備えてなり、
    前記反応部の少なくとも２つの空間には、前記蓄熱部材がそれぞれ配置されてなることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料改質装置。
  5. 前記分離部は、その内周面が前記反応部の内周面に固定されてなるか、又は、その外周面が前記反応部の外周面に固定されてなることを特徴とする、請求項４に記載の燃料改質装置。
  6. 前記分離部が前記反応部の長手方向に所定の間隔をおいて複数配置されてなり、
    前記複数の分離部がジグザグ状に配置されて固定されてなることを特徴とする、請求項４又は５に記載の燃料改質装置。
  7. 前記分離部は、その内周面が前記反応部の内周面から離隔てなるか、又は、その外周面が前記反応部の外周面から離隔されてなることを特徴とする、請求項４〜６の何れか一項に記載の燃料改質装置。
  8. 前記分離部が、前記反応部の内周面と外周面間で長手方向に配置されてなり、前記反応部を内周側空間部と外周側空間部とに分離することを特徴とする、請求項４〜７の何れか一項に記載の燃料改質装置。
  9. 前記分離部は、複数のガス通孔が形成されてなることを特徴とする、請求項４〜８の何れか一項に記載の燃料改質装置。
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