JPH07335238A

JPH07335238A - 燃料改質装置及び燃料改質装置の運転方法及び燃料電池装置

Info

Publication number: JPH07335238A
Application number: JP6127551A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Kotogami; 佳秀言上; Teruo Sugimoto; 照男椙本; Minoru Sato; 稔佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1995-12-22
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: JP3440551B2

Abstract

(57)【要約】【目的】始動性、負荷応答性に優れ、コンパクトで、
かつ水素への燃料変換効率の高い燃料改質装置を得る。【構成】炭化水素またはアルコール原料と空気の予混
合燃料２８から部分酸化反応により水素リッチの改質ガ
ス３３を生成する部分酸化反応部３２、炭化水素または
アルコール原料と水蒸気の改質原料ガス４から水蒸気改
質反応により水素リッチの改質ガス７を生成する改質反
応部２７、及び部分酸化反応部３２から改質反応部２７
へ熱を伝達する伝熱板２２から構成される燃料改質ユニ
ット３６を複数ユニット積層して燃料改質装置を構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば一般電源用の可
搬型燃料電池、あるいは電気自動車に搭載する燃料電池
等に必要な水素を生成するために用いられ、アルコール
原料または炭化水素原料を水素リッチの改質ガスに変換
する燃料改質装置に関するものであり、さらにはその運
転方法、及び燃料改質装置を含む燃料電池装置全体のシ
ステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池用メタノール改質装置の
構造を図３０（三菱電機技報 Vol.66,No.11 (1992)より
引用）に示す。図において、１はメタノール、２は水
（スチーム）、３は気化器、４は改質原料ガス、５は改
質器、６は加熱用熱媒体、７は改質ガス、８は熱媒体加
熱炉、９は電池オフガス、１０は空気、１１は燃焼排ガ
スである。

【０００３】次に動作について説明する。供給されたメ
タノール１と水２は気化器３により気化して改質原料ガ
ス４になり、改質器５に供給される。改質器５の構造に
はシェル・アンド・チューブ型熱交換器が採用され、シ
ェル（胴）側に流した加熱用熱媒体（油）６により数本
の改質反応管が加熱され、改質反応に必要な熱が供給さ
れる。改質反応管の内側には改質触媒が充填され、メタ
ノールとスチームの原料ガス４が水素リッチの改質ガス
７に変換される。熱媒体６として改質器の動作温度（２
００〜３００℃）に近い沸点をもつ液体が用いられ、別
途設置された熱媒体加熱炉８の中で電池オフガス９が空
気１０によって燃焼して、熱媒体６を加熱する。燃焼ガ
ス１１は熱媒体加熱炉８から排気される。加熱された熱
媒体６は改質器５のシェル側に供給され、改質反応管を
加熱する。このように熱媒体６が用いられるのは、熱的
安定性に優れ、改質器内の温度分布を均一にするためで
ある。

【０００４】従来、燃料電池用にメタノールを変換し、
水素リッチガスを生成する改質法には、上記例で示した
水蒸気改質法と、例えば論文（US DOE Rep. ANL-92-31
）で示す部分酸化法がある。部分酸化法は燃焼反応の
ようにメタノールと空気中の酸素を（１）式に示す反応
式により反応させ、水素リッチの改質ガスを得る方法で
ある。ＣＨ₃ＯＨ＋ 1/2Ｏ₂ → 2Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ ・・・・（１）１モルのメタノールと１／２モルの酸素を部分酸化反応
させれば、２モルの水素と１モルの二酸化炭素が生成す
る。参考のために、メタノールの燃焼反応は（２）式に
示すように、１モルのメタノールと３／２モルの酸素が
反応して、２モルの水と１モルの二酸化炭素が生成す
る。（１）式、（２）式からメタノールの部分酸化反応
が必要とする酸素は燃焼反応の１／３である。ＣＨ₃ＯＨ＋ 3/2Ｏ₂ → 2Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂ ・・・・（２）（１）式の部分酸化反応はつぎのメタノール酸化反応と
水蒸気改質反応に分けることができる。つまり、最初に
１／３モルのメタノールと酸素が（３）式で酸化反応を
生じ、つぎに生成した水蒸気と残りのメタノールが
（４）式で改質反応を生じる。（３）式の酸化反応は発
熱反応であり、（４）式の改質反応は吸熱反応である
が、全体として（１）式は発熱反応になり、部分酸化反
応の発熱量は１９２ｋＪになる（メタノールは気体状
態、温度２５℃）。メタノールの気化熱３７ｋＪを考慮
すれば、正味の発熱量は１５５ｋＪになる。 1/3ＣＨ₃ＯＨ＋ 1/2Ｏ₂ → 2/3Ｈ₂Ｏ＋ 1/3ＣＯ₂ ・・・（３） 2/3ＣＨ₃ＯＨ＋ 2/3Ｈ₂Ｏ → 2Ｈ₂ ＋ 2/3ＣＯ₂ ・・・（４）一方、水蒸気改質法は（５）式の反応式で示され、５０
ｋＪの吸熱反応である（水、メタノールは気体状態）。
水の気化熱４４ｋＪ、メタノールの気化熱３７ｋＪを考
慮すれば、正味の吸熱量は１３１ｋＪになる。ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → 3Ｈ₂ ＋ＣＯ₂ ・・・・（５）上述の反応式からわかるように部分酸化法は、水蒸気改
質法より燃料変換効率こそ低いけれども、発熱反応のた
め反応がおこりやすく、短時間で起動ができ、構造がシ
ンプルでコンパクトになる。

【０００５】ジェット推進研究所は部分酸化法を用いた
三つの触媒充填層をもつ改質器を試験している。図３１
はこのような部分酸化改質器の構造を示す断面構成図で
あり、１２は部分酸化改質器、１３は旋回混合器、１４
は低活性触媒、１５は酸化触媒、１６は改質触媒であ
る。次に動作について説明する。燃料ガス４ａは部分酸
化改質器１２に入る前に旋回混合器１３で空気１０とス
チーム（ＣＯの発生を抑制するために入れる）２とを混
合する。円筒形改質器の中に３種類の触媒が３層に充填
されている。第１層の低活性触媒１４（ＮｉＯ−ＺｒＯ
₂ ）では反応ガスを徐々に酸化させて温度を緩やかに上
昇させ、炭素析出を抑制している。第２層の酸化触媒１
５（ＮｉＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ）で燃料を酸化し、第３
層の高活性改質触媒１６（ＮｉＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭｇＯ）
で未反応の燃料を水素に改質し、改質ガス７を生成す
る。このように図３１の構成では、部分酸化反応は燃料
の酸化反応と改質反応から成っている。

【０００６】ジョンソン・マッシー・テクノロジー・セ
ンターは部分酸化法を用いた別のメタノール改質器を開
発している。図３２はこの部分酸化改質器の構造を示す
断面構成図であり、４ｂは燃料ガス（メタノール）とス
チーム（ＣＯの発生を抑制するために入れる）、４ｃは
燃料ガスとスチームと空気から成る混合ガス（予混合燃
料）、１７は混合ガス噴射管である。つぎに動作につい
て説明する。部分酸化改質器１２は二層の触媒層から構
成され、上部のメイン反応ゾーンに銅−シリカの改質触
媒１６が充填され、下部２０％には銅−シリカとパラジ
ウム−シリカ酸化触媒１５の混合物が充填されている。
パラジウムは燃料ガスを自然発火させる機能をもつ。メ
タノール、水、空気から成る混合ガス４ｃは噴射管１７
から改質触媒１６が充填されたメイン反応ゾーンの中央
部に噴射される。これよりガスの流れは触媒充填層の内
部で噴射により循環しながら出口から排出される。始動
時、メタノールは部分酸化改質器１２の出口のパラジウ
ム触媒１５で酸化され、熱伝導や流れの循環により上部
の改質触媒１６が加熱され、改質反応域が噴射口に向か
って上流側に移動する。ここではメタノール酸化反応熱
が反応ガス流れの循環による直接熱伝達により有効に改
質反応熱に供給される。

【０００７】一方、前述した水蒸気改質法を用いた改質
器として、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）用改質器
には、電池内部に改質器を内蔵させた内部改質方式と、
電池とは別個に改質器を設ける外部改質方式があり、そ
れぞれ研究開発が進められている。外部改質方式では触
媒燃焼器と改質反応器を積層したプレート・リフォーマ
（プレート形改質装置）が開発され、触媒燃焼の分散化
のため以下のような構造が公開されている（石川島播磨
技報、第３１巻第６号、平成３年１１月）。図３３はＭ
ＣＦＣ用改質器の主要部を示す断面構成図であり、図に
おいて、１８は改質室、１９は燃料室、２０は燃料分散
板、２１は燃焼室、２２は伝熱隔壁、５１は燃焼排ガ
ス、５２は燃焼触媒である。次に動作について説明す
る。炭化水素とスチーム、またはアルコールとスチーム
から成る原料ガス４は改質室１８に導入され、改質触媒
１６と接触し、改質反応により水素リッチの改質ガス７
となる。電池オフガスの燃料９はまず燃料室１９に導入
され、空気１０が燃焼室２１に導入される。燃料室１９
に導入された燃料９は燃料分散板２０を介して燃焼室２
１に分散供給され、均一な燃焼が行われる。燃焼熱は伝
熱隔壁２２を通して燃焼室２１から改質室１８に伝達さ
れ、改質反応に必要な熱が供給される。

【０００８】また、同様のプレート形改質器として燃焼
用触媒を充填した燃焼室と改質用触媒を充填した改質室
とを伝熱隔壁を挟んで一体化した構造が実公平４ー２２
８２７号公報に公告されている。図３４及び図３５にこ
のプレート形改質装置の構造を示す。改質触媒１６を充
填した改質室１８と燃焼触媒５２を充填した燃焼室２１
とを伝熱隔壁２２を介して積層し、これを１ユニットＡ
として一体化している。ユニットＡを２組用意して、各
ユニットＡの燃焼室２１が相対向するように配置して、
その間にユニットＢを挟み込む。ユニットＢは燃料室１
９とそれを表裏両面から挟持するように配置された燃料
分散板２０ａ、２０ｂとから構成される。上記ユニット
ＡがユニットＢを挟んで対称的に配置され、且つ燃料が
燃料分散板の各分散孔を通して両ユニットＡの両燃焼室
に対称的に流入して供給されるようにし、全体の上下に
ホルダー８０、８３を配置して適度の締付力で締め付
け、全体を一体化させる。

【０００９】今、下部ホルダー８０の空気供給流路８１
から空気１０を供給すると共に燃料供給流路８２から燃
料９１を供給する。燃料９１は燃料供給室１９に入った
後、両側の各燃料分散板２０ａ、２０ｂの多数の分散孔
２００を通って図３５の矢印Ｃで示す如く各ユニットの
上下の燃焼室２１に別々にかつ同時に分散されて入る。
上下の各燃焼室内には、燃焼用触媒５２があり、ここに
入った燃料９１は、空気供給流路８１より各燃焼室２１
に供給された空気１０によって燃焼させられ、各燃焼室
ごとに燃焼室全域で均一に燃焼を行わせることができ
る。一方、上部ホルダー８３の改質原料ガス供給流路８
４から改質原料ガス（ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ）を供給すると、Ｃ
Ｈ₄＋Ｈ₂Ｏは各ユニットＡの改質室１８に各々入り、改
質反応を生じた後、改質ガス（Ｈ₂、ＣＯ₂）が上部ホル
ダー８３の排出流路８５より排気される。この装置で
は、ユニットＡを燃料供給室１９と燃料分散板２０ａ、
２０ｂとを挟んで上下に対称形とし、燃料供給室１９か
ら燃料９１が燃料分散板２０ａと２０ｂで分散されて上
下の燃焼室２１に入るようにして同時に燃焼が行われる
ので、各燃焼室２１から各改質室１８への熱伝達を効率
良く行うことができる。なお、燃焼排ガス５１は排出流
路８６より排出される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
燃料改質装置における改質技術は大きく部分酸化法と水
蒸気改質法に二分されていた。水蒸気改質法において、
熱媒体による間接加熱を用いた場合、改質器の他に熱媒
体加熱炉や熱媒体循環系統が必要になり、装置全体が大
形化するとともに、起動に長時間を要するという問題が
あった。また、図３０に示すように気化器も燃料改質器
と別個に設置されているため、装置が大形化するという
問題があった。これらは、コンパクト性と短時間起動が
要求される電気自動車用や可搬型の燃料改質装置の要求
に反するものであった。また、部分酸化法を用いれば比
較的コンパクトな構造で起動時間を短くすることができ
るが、燃料の気化に際しては、上記と同様、燃料改質器
と別個に設置されているため、装置の小型化に問題があ
った。

【００１１】なお、部分酸化法を用いた場合には、水素
への変換効率が水蒸気改質法に比べて低く、従来方式で
は反応の制御が困難なため触媒層の入口付近で急激に反
応が起こり、均一な温度分布や熱バランスを得ることも
難しかった。

【００１２】また、従来の気化器は蒸発した燃料やスチ
ームが途中の配管または燃料改質装置で凝縮し、部分酸
化反応部や改質反応部に供給されにくくなる問題や液体
燃料を気化させるために余分の熱エネルギーが必要にな
る問題もあった。

【００１３】また、図３３に示すように従来のプレート
・リフォーマに用いられる触媒燃焼器は、燃料のみを分
散板から触媒燃焼部に分散供給し、触媒燃焼部に燃焼用
空気を直接供給するので、燃料と空気の混合が悪くなっ
たり、空気が燃焼室に逆流したりして、触媒燃焼が不安
定になる問題点が生じた。また、触媒燃焼器に導入する
前に、燃料と空気の予混合器を設ければ設置スペースや
余分の配管が必要となるばかりか、燃料と空気の混合気
が予混合器まで逆火する危険性があった。

【００１４】また、従来のプレート形改質器の構造で
は、燃焼触媒と改質触媒がほぼ同量充填されているの
で、負荷に対して燃焼触媒量が過剰になりやすいという
問題があった。本来、燃焼触媒の反応速度は、改質触媒
の反応速度に比べてはるかに速く、充填量も少量ですむ
はずである。また、図３４の構成では、触媒燃焼器を改
質器の中央に設け、改質室をその外側に設けているの
で、改質室は外部への放熱による温度低下を被りやすい
という問題があった。

【００１５】本発明はこのような問題点を解消するため
になされたものであり、第１の目的は一つの燃料改質装
置の中に、始動性や負荷応答性、コンパクトさで有利な
部分酸化反応部と、水素への燃料変換効率で有利な改質
反応部の両方を設け、部分酸化反応部と改質反応部の両
方の長所を取り入れた燃料改質装置を得るものであり、
さらにはこのような装置を用いて燃料装置を効率よく運
転する方法を提供するものである。

【００１６】また、本発明の第２の目的は、平板形の気
化器を提案し、よりコンパクトな燃料改質装置、及び気
化器と改質器と燃料電池を含むよりコンパクトな燃料電
池装置を得るものである。

【００１７】また、本発明の第３の目的は、改質反応部
と触媒燃焼部から成る燃料改質装置において、予混合器
を別個に設けずに、安定な触媒燃焼を達成するとともに
予混合気の逆火を防止できる、コンパクトで、かつ安定
した触媒燃焼が得られる燃料改質装置を提案するもので
ある。

【００１８】本発明の第４の目的は、改質反応部と触媒
燃焼部から成る燃料改質装置において、燃焼触媒と改質
触媒の負荷のアンバランスを適切にするとともに、触媒
燃焼部から改質反応部への熱供給を確実にし、コンパク
トな装置で多量の改質ガスを発生させることのできる燃
料改質装置を提案するものである。また、外部への放熱
による改質反応部の温度低下をキャンセルするような燃
料改質装置の構造を提案するものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
燃料改質装置は、部分酸化反応により水素を生成する部
分酸化反応部、水蒸気改質反応により水素を生成する改
質反応部、及び部分酸化反応部から改質反応部へ熱を伝
達する伝熱板を備え、部分酸化反応部と改質反応部を伝
熱板を介して積層したものである。

【００２０】本発明の請求項２に係る燃料改質装置は、
上記改質反応部が、原料ガス供給室、原料ガス分散板、
及び改質反応室から成り、上記改質反応室を積層方向に
フィンを有する伝熱フィン、及び上記フィンの両側に装
填した改質触媒により構成し、上記部分酸化反応部が、
反応ガス供給室、反応ガス分散板、及び部分酸化反応室
から成り、上記部分酸化反応室を積層方向にフィンを有
する伝熱フィン、上記反応ガス分散板に面した上記フィ
ンの片側に装填した酸化触媒、及び上記伝熱板に面した
上記フィンの片側に装填した改質触媒により構成した、
あるいは上記部分酸化反応室を積層方向にフィンを有す
る伝熱フィン、及び上記フィンの両側に装填し、酸化反
応と水蒸気改質反応に有効な成分を両方とも含有する部
分酸化触媒により構成したものである。

【００２１】本発明の請求項３に係る燃料改質装置の運
転方法は、上記燃料改質装置で生成した水素を燃料とし
て燃料電池を運転する際に、燃料改質装置の起動時に
は、部分酸化反応部に炭化水素またはアルコール原料と
空気の予混合燃料を供給し、部分酸化反応部から水素を
燃料電池に供給し、燃料電池の最大出力運転時、及び負
荷変動運転時には、部分酸化反応の発熱により改質反応
部を改質反応の動作温度まで加熱・昇温させて、改質反
応部に改質原料ガスを供給し、改質反応と部分酸化反応
を同時に生じさせて、改質反応部と部分酸化反応部の両
方から水素を供給し、燃料電池の定格運転時には、部分
酸化反応部に電池オフガスと空気を供給し、触媒燃焼さ
せて改質反応に必要な熱を電池オフガスの触媒燃焼によ
り供給し、改質反応部だけで燃料電池の定格運転時に必
要な水素を生成するものである。

【００２２】本発明の請求項４に係る燃料改質装置は、
液体燃料を面内に分散させる液体燃料分岐マニホール
ド、液体燃料分岐マニホールドから液体燃料を噴出させ
る複数の液体燃料供給小孔、液体燃料供給小孔と接して
配置され、液体燃料を蒸発させる、発泡金属または金属
メッシュから成る蒸発促進体、蒸発促進体と接して配置
され、蒸発に必要な熱を蒸発促進体に伝達する金属また
は合金から成る均熱板、均熱板に接して配置され、蒸発
に必要な熱を供給する熱供給源、及び蒸発促進体の面内
で発生した蒸気を、燃料改質器の改質反応部または部分
酸化反応部に分散供給するように平面内に複数の小孔を
有した蒸気分散板を有する平板型燃料気化器を備えたも
のである。

【００２３】本発明の請求項５に係る燃料改質装置は、
液体燃料を面状に気化させる平板型燃料気化器、及び改
質反応部と部分酸化反応部、または改質反応部と触媒燃
焼部または部分酸化反応部から成る燃料改質器で構成さ
れ、上記平板型燃料気化器と上記燃料改質器を一体化
し、部分酸化反応部または触媒燃焼部から発生する余剰
熱を液体燃料の気化に利用するようにしたものである。

【００２４】本発明の請求項６に係る燃料電池装置は、
液体燃料を面状に気化させる平板型燃料気化器、気化し
た燃料を用いて水素を発生させる燃料改質器、及び上記
水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを
発生させる燃料電池で構成され、上記平板型燃料気化器
と上記燃料電池を一体化し、燃料電池から発生する余剰
熱を液体燃料の気化に利用するとともに、燃料気化器に
流れる液体燃料流量を調節して燃料電池の温度を制御す
るようにしたものである。

【００２５】本発明の請求項７に係る燃料改質装置は、
炭化水素またはアルコール原料と水蒸気から水蒸気改質
反応により水素を生成する改質反応部、及び燃焼用空気
により燃料ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼部から成る燃
料改質装置において、上記触媒燃焼部を、ガス供給平
板、燃料と空気を混合させるガス混合部、混合気を触媒
燃焼部に分散供給する混合気分散板、混合気を触媒燃焼
させる触媒燃焼室で構成し、上記ガス供給平板は、内部
に燃料ガス分岐マニホールドと燃焼用空気分岐マニホー
ルドを有し、平板表面に複数の燃料供給小孔と空気供給
小孔を配置して、燃料ガスと燃焼用空気を面内に分散供
給するようにし、上記混合気分散板は、平板表面に複数
の混合気供給小孔を配置し、上記混合気を面内に分散供
給するようにし、さらに上記燃料供給小孔、上記空気供
給小孔、及び上記混合気供給小孔を面内で相互に対称に
連続して配置するとともに、上記ガス混合部の内部に、
供給される燃料ガスと燃料ガス間、または燃焼用空気と
燃焼用空気間の混合を遮断するバッフル板を、上記燃料
供給小孔と隣の燃料供給小孔の間、または上記空気供給
小孔と隣の空気供給小孔の間に設け、上記燃料供給小孔
と上記空気供給小孔の間に上記混合気供給小孔を配置し
たものである。

【００２６】本発明の請求項８に係る燃料改質装置は、
炭化水素またはアルコール原料と水蒸気から水蒸気改質
反応により水素を生成する改質反応部、及び燃焼用空気
により燃料ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼部から成る燃
料改質装置において、改質反応部の上下端に上記触媒燃
焼部を設け、上記改質反応部は、原料ガス供給室、原料
ガス分散板、改質反応室、仕切板から成る改質反応ユニ
ットを複数個積層した多層構成とするとともに、上記原
料ガス供給室の流路高さを調節する、あるいは上記原料
ガス供給室に粒子を充填して充填粒子量を調節すること
により、各改質反応室に供給する原料ガス流量を調節す
るものである。

【００２７】

【作用】請求項１の発明では、改質反応部に炭化水素ま
たはアルコール原料と水蒸気を供給し、吸熱反応である
改質反応を生じさせ、部分酸化反応部に炭化水素または
アルコール原料と空気を供給し、発熱反応である部分酸
化反応を生じさせる。部分酸化反応による発熱は、伝熱
板により改質反応部に伝えられ、反応熱の効率的な供給
が行われる。これにより改質反応に必要な熱が熱媒体加
熱炉や熱媒体循環系統を用いないで供給されるので装置
が小型化する。さらに、改質反応部、部分酸化反応部の
両方から水素が生成されるので、容積当たりの水素生成
量を増加させることができる。

【００２８】請求項２の発明では、改質反応部で原料ガ
スを原料ガス室から原料ガス分散板を介して改質反応室
に分散供給し、平面上に配置した改質触媒により改質反
応を生じさせるので、面内で均一な改質反応分布を得
る。また、部分酸化反応部で反応ガスを反応ガス室から
反応ガス分散板を介して部分酸化反応室に分散供給し、
平面上に配置した燃焼触媒と改質触媒により部分酸化反
応を生じさせるので、面内で均一な反応分布を得る。し
たがって、吸熱反応、発熱反応がともに面内で均一にな
れば、面内の温度分布もほぼ均一になる。また、部分酸
化反応室、及び改質反応室ともに、積層方向にフィンを
有する伝熱フィンを設け、フィンの両側に各触媒を装填
して構成するので、伝熱フィンにより伝熱が促進され、
積層方向の温度差が低減される。

【００２９】請求項３の発明では、燃料改質装置を起動
するときには、部分酸化反応部に炭化水素またはアルコ
ールと空気を供給し、部分酸化反応により燃料電池を起
動するための水素を発生させる。また、燃料電池を最大
出力で運転したり、負荷を時間的に変化させて運転した
りするときには、改質反応と部分酸化反応を同時に生じ
させて、改質反応部と部分酸化反応部の両方から水素リ
ッチの改質ガスを燃料電池に供給する。さらに、燃料電
池を一定出力で定格運転するときには、部分酸化反応部
に電池オフガスと空気を供給し、触媒燃焼させて改質反
応に必要な熱を電池オフガスの触媒燃焼により供給し、
改質反応部だけで燃料電池の定格運転時に必要な水素を
生成する。この様にすることにより、効率の良い運転が
可能になる。

【００３０】請求項４の発明では、気化器を液体燃料分
岐マニホールド、蒸発促進体、均熱板、熱供給源、及び
蒸気分散板から構成し、改質器と一体化しやすいように
平板化する。また、この平板型気化器においては、液体
燃料は液体燃料分岐マニホールドを経て、面内に分散し
た小孔から蒸発促進体に分散供給され、発泡金属または
金属メッシュから成る蒸発促進体の空隙に液体燃料が充
満し、均熱板の熱伝導により液体燃料の気化に必要な熱
が供給される。この気化熱は熱供給源により供給する。
発生した蒸気は平面内に多数の小孔を有した蒸気分散板
から蒸気が必要とされる部分に均一に供給される。

【００３１】請求項５の発明では、平板型気化器と改質
器を一体化して構成することにより、小型の装置を得、
さらに発生した蒸気を速やかに部分酸化反応部及び改質
反応部に供給して、蒸気の凝縮を確実に防止する。ま
た、改質器の部分酸化反応部、あるいは触媒燃焼部から
発生する余剰熱を液体燃料の気化に有効利用する。

【００３２】請求項６の発明では、平板型気化器と燃料
電池を一体化して構成することにより燃料電池装置全体
のシステムを小型化し、また燃料電池で発生する余剰熱
を液体燃料の気化に有効に利用する。また、気化器に流
れる液体燃料の流量を制御して、燃料電池の温度を制御
する。

【００３３】請求項７の発明では、ガス供給平板の内部
に設けられた燃料ガス分岐マニホールドと空気分岐マニ
ホールドから多数の燃料ガス供給小孔、及び空気供給小
孔に燃料ガスと空気が分散して供給される。上記小孔か
ら噴射する空気と燃料ガスはバッフル板により同じガス
間の混合が遮断され、異なるガスの混合が促進される。
混合気分散板の混合気供給小孔は、燃料供給小孔と空気
供給小孔の間に配置され、両方の流れが衝突し、混合が
促進された後、混合気が触媒燃焼室に分散して供給され
る。これにより、燃料と空気を平面内で確実に混合して
供給できるので、安定した燃焼が行なえ、独立した予混
合器の設置スペースも節約でき、また燃料供給小孔と空
気供給小孔は孔径が小さく、孔の長さが充分長いので、
混合ガスが逆流せず、たとえ逆流しても火炎が消失して
逆火を防止する。

【００３４】請求項８の発明では、改質反応部の上下端
に触媒燃焼部を設けて、燃焼熱を改質反応部に確実に供
給するとともに、改質反応部を多層化することにより改
質触媒の充填量を増加させ、本来反応速度の大きい燃焼
触媒との負荷の差を適切にする。それぞれの改質反応部
は原料ガス供給室、原料ガス分散板、改質反応室から構
成し、原料ガス分散板の分散孔から原料ガスを改質反応
室に均一に分散させて供給することにより改質反応の均
一化を図る。また、原料ガス供給室、原料ガス分散板、
改質反応室、仕切板から成る改質反応ユニットを複数個
積層し、複数の原料ガス供給室に供給する原料ガスの流
量を原料ガス供給室の高さを変える、あるいは原料ガス
供給室に充填する充填粒子の量を変えることにより調節
する。即ち、触媒燃焼部に近い改質反応部には、熱が伝
わりやすいので原料ガス流量を多くし、触媒燃焼部から
遠い改質反応部には、熱が伝わりにくいので原料ガス流
量を少なくする。このようにすることにより小型の装置
で、多量の改質ガスをより効率よく発生させることがで
きる。

【００３５】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例を図について説明す
る。図１は請求項１の発明に係る燃料改質装置の基本的
構成を示す構成図である。図において、２８は炭化水素
またはアルコール原料と空気の予混合燃料、３２は部分
酸化反応部、３３は部分酸化反応による改質ガス、４は
炭化水素またはアルコール原料と水蒸気から成る改質原
料ガス、２７は改質反応部、７は改質ガス、２２は伝熱
板、３５ａは部分酸化反応部３２と改質反応部２７を伝
熱板２２を介して積層した燃料改質ユニットであり、こ
のような燃料改質ユニット３５ａを複数ユニット積層し
て燃料改質装置が構成されている。

【００３６】次にこの燃料改質装置の動作について説明
する。予混合燃料２８が部分酸化反応部３２に供給さ
れ、部分酸化反応により水素リッチの改質ガス３３に変
換される。部分酸化反応は発熱反応であり、発生した熱
は伝熱板２２により隣合う改質反応部２７に伝達され
る。一方、気化した改質原料ガス４が改質反応部２７に
供給され、水蒸気改質反応により水素リッチの改質ガス
７に変換される。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反
応に必要な熱は部分酸化反応部３２から伝熱板２２を通
って伝えられる。部分酸化反応部と改質反応部を伝熱板
を介して積層することにより、発熱と吸熱のバランスが
とれ、面内の均一な温度分布が維持できるとともに、両
方から水素リッチの改質ガスを生成することができる。
この結果、装置が小型化するとともに、容積当たりの水
素生成量も増加させることができる。

【００３７】なお、上記実施例では燃料改質ユニット３
５ａを複数ユニット積層して燃料改質装置が構成されて
いたが、燃料改質ユニット３５ａの単層であっても同様
の効果がある。

【００３８】実施例２．請求項２の発明に係る燃料改質
装置の具体的構成と作用を図２により説明する。図２は
燃料改質装置の改質反応部と部分酸化反応部の断面構成
を示す図である。図において、２３は原料ガス供給室、
２４は原料ガス分散板、２５は改質反応室、２６は図３
（ａ）に示されるようなオフセット断続面フィンを積層
方向に有する伝熱コルゲートフィン、２７は原料ガス供
給室２３、原料ガス分散板２４、改質反応室２５からな
る改質反応部、２９は反応ガス供給室、３０は部分酸化
反応室、３１は反応ガス分散板、３２は反応ガス供給室
２９、部分酸化反応室３０、反応ガス分散板３１からな
る部分酸化反応部である。なお、原料ガス供給室２３、
改質反応室２５、部分酸化反応室３０、反応ガス供給室
２９は伝熱コルゲートフィン２６を原料ガス分散板２
４、伝熱板２２、反応ガス分散板３１を介して積層して
構成されている。

【００３９】次にこの燃料改質装置の動作について説明
する。気化した改質原料ガス４（メタノールとスチー
ム、または炭化水素とスチーム）が原料ガス室２３に供
給される。原料ガス室２３は金属製の伝熱コルゲートフ
ィン２６から成り、原料ガス４は伝熱コルゲートフィン
２６からの熱伝達により改質反応の動作温度まで予熱さ
れる。金属製の伝熱コルゲートフィン２６は部分酸化反
応部３２と改質反応部２７が積層されるときの機械的強
度を保つ支持部材でもある。原料ガス４は原料ガス室２
３から原料分散板２４を経て、改質反応室２５に分散供
給される。原料分散板２４には平板に小孔が配置されて
いる。小孔の配置パターンや孔径は伝熱コルゲートフィ
ン２６の形状により、原料ガス４が改質反応室２５に均
一に供給されるように配置する。改質反応室２５は、伝
熱コルゲートフィン２６のフィンの両側に改質触媒１６
を装填し、流れた原料ガス４が水蒸気改質反応により水
素リッチの改質ガス７に変換される。改質反応は吸熱反
応であり、反応に必要な熱は部分酸化反応部３２から伝
熱板２２により供給され、伝熱コルゲートフィン２６を
経て改質触媒１６に伝達される。

【００４０】一方、部分酸化反応ガスとなる予混合燃料
２８（メタノールと空気、または炭化水素と空気）を反
応ガス室２９に供給する。反応ガス室２９は金属製の伝
熱コルゲートフィン２６から成り、反応ガス２８を伝熱
コルゲートフィン２６からの熱伝達により反応温度まで
予熱する。反応ガス２８は反応ガス室２９から反応ガス
分散板３１により部分酸化反応室３０に分散して供給さ
れる。反応ガス分散板３１には平板に小孔が配置されて
いる。部分酸化反応室３０は伝熱コルゲートフィン２６
で構成され、分散板３１に面した片側に酸化触媒１５を
装填し、伝熱板に面した片側に改質触媒１６を装填す
る。図３（ｂ）は図２の部分酸化反応部３０のＡ−Ａ断
面を上から透視した図で、反応ガス分散板３１の小孔３
１ａから反応ガスが噴射し、酸化触媒１５を通った後、
改質触媒１６に流れる様子を示したものである。このよ
うに、反応ガス分散板３１から供給された部分酸化反応
ガス２８はまず酸化触媒１５を通り、供給メタノールの
１／３が酸化することにより改質反応に必要な水蒸気が
生成される。つぎに、部分的に酸化された反応ガスがつ
ぎの改質触媒１６を通って、残りのメタノールが水蒸気
改質反応により水素リッチの改質ガス３３に改質され
る。部分酸化反応では供給したメタノールの１／３が酸
化反応に消費され、残りが改質反応に消費される。これ
は、供給メタノールの１／３を酸化させる酸素を含んだ
空気を供給し、供給メタノール／空気比を精密にコント
ロールすることにより達成される。部分酸化反応では、
反応ガス２８が部分的に酸化し、酸化反応の発熱により
高温になった反応ガスが再び吸熱の改質反応に利用され
るので、同じ反応ガスによる直接的な熱伝達が行われ
る。したがって、間接的な伝熱媒体を用いた方式に比べ
て格段に伝熱性能が良くなり、部分酸化反応部３０の酸
化触媒１５で発生した熱は、つぎの改質触媒１６の改質
反応で有効に利用される。このような酸化反応と改質反
応を合わせた部分酸化反応は全体として発熱反応であ
り、余剰の熱は周囲の伝熱コルゲートフィン２６を経て
伝熱板２２により改質反応部２５に有効に供給され、積
層方向の温度分布を小さくすることができる。

【００４１】実施例３．請求項１及び請求項２の発明に
係る燃料改質装置の他の実施例を図４により説明する。
実施例２では部分酸化反応部３０を酸化触媒と改質触媒
に分けて構成したが、本実施例は部分酸化触媒を単独で
用いている。図４は部分酸化触媒を用いた燃料改質装置
の構造を示す断面図であり、３７は部分酸化触媒であ
る。一般に改質触媒としては銅ー亜鉛、または銅ークロ
ム系の触媒が使用され、酸化触媒としてはアルミナ、コ
ージェライト担体の白金、パラジウム触媒が使用され
る。実施例３では一つの触媒粒子に改質反応を起こす成
分と燃焼反応を起こす成分の両方を含有させ、包括した
部分酸化反応を生じさせる一種類の触媒３７で部分酸化
反応部３０を構成する。この例では部分酸化反応が触媒
充填部で均一に進行するので、発熱分布はより均一にな
り、触媒の最高温度を下げることができる。伝熱板、改
質反応部の構成と作用は、実施例２と同じである。

【００４２】実施例４．請求項１及び請求項２の発明に
係る燃料改質装置の他の実施例を図５により説明する。
この実施例は伝熱コルゲートフィン２６に改質触媒１
６、部分酸化触媒３７をコーティングして一体化させた
例である。この実施例では、熱は伝熱コルゲートフィン
２６の壁面から直接的に固体内の熱伝導によりコーティ
ングされた触媒に伝わるので、充填層の触媒の対流熱伝
達、輻射熱伝達に比べて極めて速く熱が伝達される。触
媒作用やガスの流れについては実施例２、３と同様であ
る。伝熱コルゲートフィン２６と触媒を一体化させる方
法にはつぎのようなものがある。通常、改質触媒１６や
酸化触媒１５はアルミナ、マグネシア、コージェライト
などのセラミック多孔質体に、銅、亜鉛、ルテニウム、
白金、パラジウムなどのような触媒活性物質を担持させ
たもので構成される。一方、伝熱フィン２６の材質には
鋼とニッケル、クロムの合金であるステンレス鋼やイン
コネルが使用される。伝熱コルゲートフィン２６の表面
に触媒膜を形成させるためには、例えば、触媒の担体に
なるアルミナ、マグネシア、コージェライトなどの物質
をプラズマ溶射等の溶射法により0.5〜1.0mm程度の厚さ
になるように伝熱フィン２６の表面に固定する。触媒の
担体物質を固定した伝熱フィン２６を触媒活性のある
銅、亜鉛、ニッケルなどの金属塩の水溶液中に浸漬さ
せ、活性金属を例えば担体の２〜３０重量％付着させた
後、乾燥、熱分解の工程をとるという方法を用いること
ができる。また、伝熱フィン２６の表面に通常の触媒粉
末を溶射した後、活性化することもできる。また、電気
泳動法により多孔質性担体層を形成した後、活性金属を
含む溶液に浸漬し、活性金属を付着させた後、活性化を
行った触媒や、改質触媒として一般に用いられるラネー
触媒（例えばニッケル含有量30〜50％のニッケルーアル
ミニウム合金層を伝熱コルゲートフィン２６の表面に設
け、しかる後にアルミニウムを展開することにより得ら
れる表面積の大きなラネーニッケル触媒）など、伝熱フ
ィン２６の表面に形成される適当な活性を持った触媒で
あれば、同等の効果をあげる触媒として使用することが
できる。

【００４３】実施例５．請求項３の発明に係る燃料改質
装置の運転方法を図６（ａ）〜（ｃ）により説明する。
図において、３４は燃料電池、３５は燃料改質装置であ
る。まず、図６（ａ）に示すように、燃料改質装置の起
動時には燃料ガスとしてメタノール１を用いる。予熱・
混合したメタノール１と空気１０の混合気２８（量論比
はメタノール１モルと酸素０．５モルの割合）を部分酸
化反応部３２に供給する。メタノールの酸化反応は白金
またはパラジウム系の触媒を用いれば、室温に近い温度
で容易に行われ、後続の改質触媒により残りのメタノー
ルが水素に改質される。部分酸化反応は全体として発熱
反応なので、燃料電池３４に必要な水素を迅速に供給し
ながら、燃料改質装置３５全体を均一に加熱することが
できる。

【００４４】燃料改質装置３５の改質反応部２７が水蒸
気改質反応の動作温度まで上昇した時、図６（ｂ）に示
すように、改質原料ガス４を改質反応部２７に供給す
る。ここでは水蒸気改質触媒により原料ガス４から水素
を生成する。水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、部
分酸化反応による発熱とバランスし、燃料改質装置３５
全体は適切な動作温度に維持される。このように改質反
応と部分酸化反応を同時に生じさせた時、この改質器の
水素製造能力を増加させることができ、燃料電池３４の
最大負荷が要求する水素が供給される。

【００４５】燃料電池３４の負荷が減少し、改質反応部
２７だけで電池に必要な水素を供給できるときには、部
分酸化反応部３２に供給したメタノール／空気に替えて
電池オフガス９を反応ガス室に供給し、燃焼用の空気１
０を別に供給する。このとき部分酸化反応部３２は電池
オフガス９の触媒燃焼部３６に置き替わり、改質反応に
必要な熱を供給する役割だけを果たす。水蒸気改質反応
は部分酸化反応よりも水素の変換効率が高いので、効率
の良い運転が実現できる。この様に、起動時や、燃料電
池の最大出力時、負荷変動時には部分酸化反応を用いて
起動時間の短縮や良好な負荷応答性を達成するととも
に、一定負荷で効率を重視する場合には、部分酸化反応
を燃料電池オフガスの触媒燃焼に切り替え、改質反応部
だけで燃料電池の定格運転時に必要な水素を生成するこ
とにより、効率の良い運転が可能になる。

【００４６】実施例６．請求項４の発明に係る燃料改質
装置の基本的構成と作用を図７により説明する。図７に
おいて、３８は炭化水素またはアルコール等の液体燃
料、３９は細管で分岐網を形成して小孔から液体燃料を
噴出する液体燃料分岐マニホールド、４０は金属メッシ
ュから成る蒸発促進体、４１は発生した蒸気を改質反応
部または部分酸化反応部に供給する蒸気分散板、４２は
高熱伝導性の金属から成り蒸発に必要な熱を伝達する均
熱板、４３は蒸発熱を供給する電熱ヒータ、４４は電熱
ヒータ下部に設けられた断熱材、４５は平板型燃料気化
器である。なお、本実施例で示す燃料改質装置は図７に
示されるように平板型燃料気化器４５と一体化されるこ
とにより原料ガスや反応ガスが面内で均一に得られ、か
つ小型の装置となるので特に有効である。

【００４７】次に上記平板型燃料気化器４５の動作につ
いて説明する。液体燃料３８を液体燃料分岐マニホール
ド３９に供給する。図８に分岐マニホールドの一例を示
す。この例では分岐マニホールド３９は１本の主配管３
９ａと数本の分岐管３９ｂから成る。主配管３９ａに供
給された液体燃料３８は、分岐管３９ｂに分岐して流
れ、主配管３９ａと分岐管３９ｂ上の多数の液体燃料供
給小孔３９ｃから蒸発促進体４０の上に滴下する。滴下
した液体燃料は蒸発促進体４０の金属メッシュの細孔に
充満し、均一に分散する。蒸発に必要な熱は電熱ヒータ
４３から供給される。電熱ヒータ４３と蒸発促進体４０
の間には例えばアルミニウムなどの高熱伝導性金属から
成る均熱板４２を設け、電熱ヒータ４３の熱を蒸発促進
体４０に均一に伝達する。均熱板４２から伝達された熱
は蒸発促進体４０の金属メッシュから液体燃料３８に伝
えられ蒸発を生じる。発生した蒸気は平面内に多数の小
孔が配置された蒸気分散板４１を通って、燃料改質装置
３５の改質反応部または部分酸化反応部に供給される。
以上のように、本実施例の平板型燃料気化器は、平板の
面内に均一に蒸発を生じさせるとともに、電熱ヒータか
ら伝達される熱が液体燃料の気化に有効に使われる。

【００４８】図９に液体燃料分岐マニホールド３９を形
成する別の分岐網を示す。図９は直管３９ｂを交差させ
分岐網を形成して例で、交差箇所で管を少し曲げて交差
させ、分岐網の溶接箇所を減らしている。また、他の管
と交差しない箇所に小孔３９ｃを設け、すべての小孔３
９ｃの水平位置を同じにすることにより液体燃料３８が
それぞれの小孔３９ｃから同時に噴射するようにした。
図１０は直管を交差せず、継手３９ｄを用いて分岐網を
形成した例である。継手３９ｄと直管３９ｂを連結する
ため、溶接あるいは継手を加熱した締まりバメを施す。

【００４９】実施例７．上記実施例６では主配管と分岐
管から分岐網を形成したが、平板の内部に分岐網が形成
されるように平板に穴明け加工を施工する方法もある。
図１１に平板内部に分岐網３９を形成した例を示す。ド
リルを使って平板を穴明け加工することにより容易に分
岐網３９を形成することができる。また、分岐網３９を
形成する芯材を鋳型で形成し、平板に溶融金属を流し込
み、後に芯材のみを除去して分岐網３９を形成する方法
もある。内部に分岐網３９を形成した平板は、小孔３９
ｃを配置した表面に蒸発促進体４０を設け液体燃料を蒸
発させる。また、平板内部に電熱ヒータと蒸気溜まりを
設け、内部で蒸発させることも考えられる。この場合、
分岐網の小孔３９ｃは蒸気分散板となり、この平板上に
燃料改質装置の改質反応部または触媒燃焼部を直接設け
れば良い。

【００５０】実施例８．改質反応にはメタノールと水の
蒸気が必要であるが、部分酸化反応にはメタノール蒸気
と空気の混合気が必要になる。そこで、メタノールを蒸
発させながら空気と混合する方法について述べる。図１
２は内部に液体燃料分岐マニホールドと空気分岐マニホ
ールドをもつ平板を上から見た図で、図で３９は液体燃
料分岐マニホールド、４６は空気分岐マニホールドであ
る。平板側面の両端から液体燃料３８と空気１０を供給
し、液体燃料分岐マニホールド３９と空気分岐マニホー
ルド４６の通路を平面内で交互に配置する。燃料３８と
空気１０が噴射する小孔３９ｃ、４６ｃを配置した平面
上に伝熱コルゲートフィン２６を図１２に示すように設
け、空気１０と燃料３８を混合する。燃料蒸気が噴射す
る小孔３９ｃと空気が噴射する小孔４６ｃは、伝熱コル
ゲートフィン２６の形状に合わせて千鳥に配置する。図
１３に平板型燃料気化器の蒸気噴射小孔３９ｃと空気噴
射小孔４６ｃと伝熱コルゲートフィン２６を合わせた断
面構成を示す。伝熱コルゲートフィン２６は実施例２で
使用したオフセット断続面形状のものを用いる。このコ
ルゲートフィンの片面に燃料蒸気３８ａと空気１０を噴
射させる。噴射した燃料蒸気３８ａと空気１０はコルゲ
ートフィン２６の側壁と平行方向に流れ、蒸気の流れと
空気の流れが衝突することにより両者の均一な混合が促
進される。混合気はコルゲートフィンの片面に流れ込
み、ここから分散板を通って部分酸化反応部に供給され
る。

【００５１】実施例９．次に請求項５に係る燃料改質装
置について述べる。本実施例は平板型燃料気化器を、改
質反応部と部分酸化反応部から成る積層型燃料改質器と
一体化し、かつ部分酸化反応部から発生する余剰熱を液
体燃料の気化に利用するようにしたものである。平板型
燃料気化器を改質器の上下に設置したものの部分断面構
成図を図１４に示す。図において、４５ａはメタノール
１と水２の気化器であり、この燃料改質装置は上から順
に、メタノール１と水２の気化器４５ａ、改質反応部２
７、部分酸化反応部３２、メタノール気化／空気混合器
４５ｂから構成される。供給されたメタノール１と水２
は気化器４５ａの平面内で均一に蒸発する。蒸発に必要
な熱は部分酸化反応の発熱により伝熱板２２、伝熱コル
ゲートフィン２６を伝わって供給される。発生したメタ
ノールと水の蒸気は分散板４１を通って、改質反応部２
７に分散して供給され、ここで水素リッチの改質ガス７
に改質される。一方、下部のメタノール気化／空気混合
器４５ｂには空気１０とメタノール３８を別々に供給
し、メタノール３８を蒸発させるとともに発生した蒸気
を空気１０と均一に混合させる。蒸発熱は部分酸化反応
の発熱により伝熱コルゲートフィン２６を伝わって供給
される。メタノールと空気の混合気２８は分散板を通っ
て、部分酸化反応部３２に分散して供給され、水素リッ
チの改質ガス３３に改質される。このように一体化する
ことにより、配管や空間を節約でき、コンパクトな構造
を実現することができるとともに、蒸気の凝縮を確実に
防止することができる。また、部分酸化反応部の発熱を
液体燃料の気化に有効に使うことができる。

【００５２】なお、上記実施例では平板型燃料気化器
を、改質反応部と部分酸化反応部から成る積層型燃料改
質器と一体化したが、改質反応部と触媒燃焼部から成る
燃料改質器と一体化し、触媒燃焼部から発生する余剰熱
を液体燃料の気化に利用するようにしてもよい。あるい
は、平板型燃料気化器を、部分酸化反応部から成る燃料
改質器と一体化し、部分酸化反応部から発生する余剰熱
を液体燃料の気化に利用するようにしてもよい。

【００５３】実施例１０．次に請求項６に係る燃料電池
装置について述べる。本実施例は平板型燃料気化器を燃
料電池と一体化し、燃料電池から発生する余剰熱を液体
燃料の気化に利用するとともに、平板型燃料気化器と燃
料電池を交互に複数個積層し、それぞれの燃料気化器に
流れる液体燃料流量を独立に調節して燃料電池スタック
の温度を制御するようにしたものである。本実施例の基
本的構成と動作を図１５に示す。積層された複数の燃料
電池（燃料電池スタック）６０の間に複数個（この場合
は３個）の平板型燃料気化器６１を配置する。液体燃料
（アルコールと水）３８は液体燃料ポンプ６２により燃
料気化器６１に供給される。それぞれの燃料気化器に入
る前に、流量調整弁６３を設け、燃料気化器に流れる液
体燃料流量をそれぞれ独立に制御する。燃料改質装置が
起動し、水素リッチの改質ガスが燃料電池６０に供給さ
れ、発電が行われる。電池反応による発熱により燃料電
池スタック全体が加熱され、電池の動作温度内に実際の
電池スタック温度をコントロールする必要性が生じる。
各燃料電池の温度をモニターし、高温部分に近い燃料気
化器に多くの液体燃料を流すような信号を発生させ、そ
の信号を流量調整弁６３に送信し、液体流量を制御する
ことにより各電池の温度を動作温度の範囲内に各々独立
にコントロールする。固体高分子型燃料電池の場合、動
作温度は８０〜１００℃の範囲でコントロールしなけれ
ばならない。液体燃料がメタノールと水の混合溶液の場
合、蒸発温度は６５℃〜１００℃であり、混合液の蒸発
を利用して燃料電池温度を動作温度範囲に収めることは
可能である。

【００５４】なお、上記実施例では平板型燃料気化器と
燃料電池を交互に複数個積層し、それぞれの燃料気化器
に流れる液体燃料流量を独立に調節して燃料電池スタッ
クの温度を制御するようにしたが、一組の平板型燃料気
化器と燃料電池を一体化し、燃料電池から発生する余剰
熱を液体燃料の気化に利用するとともに、燃料気化器に
流れる液体燃料流量を調節して燃料電池の温度を制御す
るようにしたものであってもよい。

【００５５】実施例１１．請求項７の発明に係る燃料改
質装置の基本的構成と動作を図１６、図１７により説明
する。本実施例は水蒸気改質反応により水素を生成する
改質反応部と触媒燃焼部から成る燃料改質装置に対する
ものであり、特に触媒燃焼部に関する実施例である。図
１６、１７において、４７は燃料ガスであり、この場
合、燃料電池の未利用の水素を含む電池オフガスであ
る。１０は燃焼用空気、４８は燃料ガス分岐マニホール
ド、４６は空気分岐マニホールド、４８ｃは燃料ガス供
給小孔、４６ｃは空気供給小孔、４９は混合気分散板、
４９ｃは混合気供給小孔である。また、５０はバッフル
板、５１は燃焼排ガス、５２は燃焼触媒、５３は触媒燃
焼室、５４はガス供給平板、５５はガス混合部である。
なお、図１７は燃料供給小孔、空気供給小孔、混合気供
給小孔とバッフル板５０の配置を示したものである。

【００５６】次にこの触媒燃焼部の動作を説明する。燃
料ガス４７と燃焼用空気１０がガス供給平板５４に別々
に分散供給され、それぞれの分岐マニホールド４６、４
８からガス供給小孔４６ｃ、４８ｃに供給される。分岐
マニホールドとして図１１に示したものが用いられる。
ガス供給小孔４６ｃ、４８ｃから噴射した燃料ガス４７
と空気１０は、ガス混合部５５内でバッフル板５０に沿
って流れ、混合気供給小孔４９ｃの周囲で燃料ガスと空
気の流れが衝突することにより混合される。図１７で
は、隣合う空気供給小孔４６ｃの間と燃料供給小孔４８
ｃの間にバッフル板５０を設け、空気と空気または燃料
と燃料が混合するのを遮断し、燃料ガス４７と燃焼用空
気１０の混合を促進している。混合気は混合気分散板４
９の供給小孔４９ｃから触媒燃焼室５３に供給され、触
媒燃焼室５３で燃焼触媒５２により燃焼し、燃焼熱が水
蒸気改質反応の熱源として有効に利用される。燃焼触媒
５２としてはアルミナなどの担体に担持された白金、パ
ラジウム触媒を使用することができる。燃焼後の排ガス
５１は触媒燃焼室５３から側面の排気管を通って排気さ
れる。これにより、燃料と空気を平面内で確実に混合し
て供給できるので、安定した燃焼が行なえ、独立した予
混合器の設置スペースも節約できる。また、可燃性混合
気の逆火についてはガス供給平板５４の燃料供給小孔４
８ｃと空気供給小孔４６ｃの孔径を小さく、孔の長さを
充分長くすることにより可燃性混合気の逆流を防ぐこと
ができる。また、混合気が供給小孔に逆流しても、火炎
が小孔にて消火されることにより逆火を防止する。

【００５７】実施例１２．この実施例ではガス供給小孔
とバッフル板の他の配置例を示す。図１８は燃料供給小
孔４８ｃとバッフル板５０、空気供給小孔４６ｃとバッ
フル板５０の位置を混合気供給小孔４９ｃの中心からｓ
の距離だけずらした例である。

【００５８】空気供給小孔４６ｃから噴射した空気１０
はバッフル板５０に沿って平行に流れ、混合気供給小孔
４９ｃの円周方向を旋回する。燃料供給小孔４８ｃから
噴射した燃料ガス４７は同様にバッフル板５０に沿って
平行に流れ、混合気供給小孔４９ｃの円周方向を空気１
０と一緒に旋回しながら混合し、混合気供給小孔４９ｃ
から触媒燃焼室５３に供給される。この例では、対向し
て流れてきた燃料ガス４７と空気１０が混合気供給小孔
４９ｃの円周方向を旋回することにより燃料ガス４７と
空気１０の混合が促進される。

【００５９】前述した例では、燃料ガスと空気が衝突し
た後、即座に混合気供給小孔に供給されるため、燃料と
空気の混合が不十分になる場合も考えられる。燃料ガス
と空気を充分混合させるためには、衝突してから混合気
供給小孔に至るまでの距離を長くするのが望ましい。そ
こで、燃料ガスと空気の衝突空間と混合気の供給空間を
別に設けることにする。図１９は混合気供給小孔４９ｃ
をバッフル板５０で隔離された隣の部屋に設けた例であ
る。空気供給小孔４６ｃから噴射した空気１０と燃料供
給小孔４８ｃから噴射した燃料ガス４７は衝突により混
合しながら隣の部屋に流れ込み、混合気供給小孔４９ｃ
から触媒燃焼室に供給される。この例では、燃料ガス４
７と空気１０が衝突してから混合気供給小孔４９ｃに到
達するまでの距離が長いので、燃料ガスと空気のより均
一な混合を行うことができる。

【００６０】実施例１３．実施例１１及び実施例１２で
は燃料ガスと空気の混合を促進するため、流路にバッフ
ル板を設けたが、燃料ガスと空気の供給小孔と混合気の
供給小孔の配置を考慮することにより、バッフル板を設
けなくても燃料ガスと空気を混合することができる。図
２０は、本実施例の燃料ガス、燃焼用空気、混合気の供
給小孔の配置を示したものである。図２０において、４
８ｃは燃料ガスの供給小孔、４６ｃは燃焼用空気の供給
小孔、４９ｃは混合気の供給小孔である。

【００６１】この実施例の動作について説明する。図２
０では２つの空気供給小孔４６ｃと２つの燃料供給小孔
４８ｃを正方形に配置し、正方形の中心に混合気供給小
孔４９ｃを配置する。燃料供給小孔４８ｃから噴射した
燃料ガス４７は中心の混合気供給小孔４９ｃに向かって
流れる。一方、空気供給小孔４６ｃから噴射した空気１
０も中心の混合気供給小孔４６ｃに向かって流れ、燃料
ガス４７と空気１０は混合気供給小孔４９ｃの上で衝突
し、燃料ガス４７と空気１０が混合される。

【００６２】図２１は燃料ガス、空気、混合気の供給小
孔の別の配置パターンを示す例である。図２１では４つ
の空気供給孔４６ｃを正方形に配置し、正方形の中心に
燃料供給小孔４８ｃを配置する。混合気供給小孔４９ｃ
は環状の４つの部分から成り、それぞれが空気供給小孔
４６ｃと燃料供給小孔４８ｃの間に位置する。空気供給
小孔４６ｃから噴射した空気１０は、正方形の中心に向
かって流れる。一方、燃料供給孔４８ｃから噴射した燃
料ガス４７は、中心から半径方向に広がって流れ、混合
気供給小孔４９ｃの上で空気１０と衝突してガス燃料４
７と空気１０が混合される。混合気は環状の供給小孔４
９ｃを通って触媒燃焼室に供給される。触媒燃焼室で
は、１つの燃焼触媒粒子５２が４つの環状の供給小孔４
９ｃの内側に置かれ、混合気５５は、図２１（ｂ）（図
２１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図）に示すように燃
焼触媒５２の外表面を通って触媒の有効な反応サイトへ
供給される。これより燃焼触媒５２には充分に混合され
た燃料ガス４７と空気１０が供給され、安定した燃焼が
行われる。この例では混合気５５の供給小孔４９ｃは４
つの環状部分から成り、やや複雑な形状をしているが、
混合気分散板をアルミニウムやステンレスの薄板から製
作し、打ち抜き加工または化学的なエッチング処理によ
り比較的容易に薄板の平面に複雑な形状の孔明け加工を
実施することができる。

【００６３】実施例１４．請求項８の発明に係る燃料改
質装置の基本的構成を図２２に示す。図において、７１
は燃料ガス供給平板、７２は燃料ガス分散板、７３は空
気供給平板（燃料空気混合平板）、７４は混合気分散
板、７５は触媒燃焼平板であり、これらにより触媒燃焼
部３６が構成される。また、７６は改質反応平板、７７
は原料ガス分散板、７８は原料ガス供給平板、７９は仕
切板であり、これらにより改質反応ユニット７０が構成
されている。本実施例では上下両端の触媒燃焼部３６の
間に改質反応ユニット７０を多層積層して多層改質反応
部２７とし、全体の燃料改質装置を構築する。

【００６４】上記燃料改質装置の具体的構成を図２３に
示す。図において、６５は燃料ガス供給管、６６は空気
供給管、６７は燃焼ガス排気管、６８は原料ガス供給
管、６９は改質ガス排気管、４８は燃料ガス供給マニホ
ールド、４６は空気供給マニホールド、９２は燃焼ガス
排気マニホールド、９３は原料ガス供給マニホールド、
９４は改質ガス排気マニホールド、９５は上端板、９６
は下端板である。

【００６５】図２４、図２５、図２６は各々上記燃料改
質装置の原料ガス−改質ガス、空気−燃焼ガス、燃料ガ
ス−燃焼ガスの流れの様子を示したものである。図２４
は図２３のＡ−Ａ線での断面、図２５はＢ−Ｂ線での断
面、図２６はＣ−Ｃ線での断面を示す。

【００６６】つぎに本実施例の動作について説明する。
図２４において、改質原料ガス４は上端板９５に取り付
けられた原料ガス供給管６８に供給される。原料ガス４
は原料ガス供給マニホールド９３の内部を下方に流れ、
それぞれの改質反応部の原料ガス供給室７８ａ、７８ｂ
に分配された後、原料ガス分散板７７を通って改質反応
室７６ａ、７６ｂに流れる。原料ガスは改質反応室に充
填された改質触媒１６により水素リッチの改質ガスにな
る。それぞれの改質反応室の改質ガスは、改質ガス排気
マニホールド９４に集められ、下方に流れて、下端板９
６に取り付けられた改質ガス排気管６９から排出され、
燃料電池の燃料極に供給される。

【００６７】図２５において、燃焼用の空気１０は下端
板９６に取り付けられた空気供給配管６６に供給され
る。空気１０は下端板９６の空気供給室７３ａに供給さ
れる分と空気供給マニホールド４６を上方に流れ、上端
板の空気供給室７３ｂに供給される分とに分岐する。上
下の端板の空気供給室７３ａ、７３ｂでは、空気１０と
燃料分散板７２を通ってきた燃料ガスが混合し、混合気
を形成する。混合気は混合気分散板７４を通って触媒燃
焼室７５ａ、７５ｂに供給され、燃焼触媒１５により燃
焼する。下側の触媒燃焼室７５ａの燃焼ガス５１は燃焼
ガス排気マニホールド９２の中を上方に流れ、マニホー
ルドの上部で上側の触媒燃焼室７５ｂの燃焼ガス５１と
合流し、上端板９５に取り付けられた燃焼ガス排気管６
７から排出される。

【００６８】一方、図２６において、燃料電池で利用さ
れた後の燃料ガス４７は、下端板９６に取り付けられた
燃料ガス供給配管６５に供給される。燃料ガス４７は下
端板９６の中にある燃料ガス供給室７１ａに供給される
分と燃料ガス供給マニホールド４８を上方に流れ、上端
板９５の中にある燃料ガス供給室２１ｂに供給される分
に分岐する。なお、燃料ガス供給マニホールド４８は空
気供給マニホールド４６の隣に位置する。上下の端板９
５、９６の燃料ガス供給室２１ａ、２１ｂに供給された
燃料ガスは、燃料分散板７２を通って空気供給室７３
ａ、７３ｂに供給され、空気と混合し混合気を形成す
る。

【００６９】本実施例では、上下に配置した触媒燃焼部
３６の間に多層の改質反応部２７を設けている。これよ
り、燃焼触媒に比べて改質触媒を多く充填することがで
きる。燃焼触媒の反応速度は、改質触媒の反応速度に比
べて一桁以上大きく、本来、燃焼触媒量は改質触媒量の
数分の一で充分である。改質触媒を多層構造にすること
により、燃焼触媒と改質触媒の間の負荷のバランスを適
切にすることができ、小型の装置で、多量の改質ガスを
より効率よく発生させることができる。また、多層改質
反応部２７の（上下）両面から触媒燃焼部３６により改
質反応部２７を加熱するので、改質反応に必要な熱を確
実に伝えることができる。なお、多層改質反応部２７の
積層数は積層方向の温度分布が触媒の動作温度範囲に収
まるように設計する必要がある。また、本実施例では一
つの改質反応ユニット７０には、二つの改質反応室とそ
の間に原料ガス分散板と原料ガス供給室を設け、原料ガ
スを流れ方向に分散させる空間を共有することにより、
原料ガス供給室の空間を節約して、より小型の装置を実
現している。

【００７０】実施例１５．請求項８の発明に係る燃料改
質装置の他の実施例を図２７に示す。本実施例では、改
質反応ユニット７０を一つの改質反応平板７６と原料ガ
ス供給平板７８、その間の原料ガス分散板７７から構成
した。実施例１４に比べると改質反応平板７６に対する
原料ガス供給平板７８の空間の割合が増加するので、触
媒充填量が減少するが、流路構成はシンプルになる。た
だし、原料ガス流路の高さを実施例１４に比べて半分に
して、改質反応ユニット７０をもう一層追加すれば、全
体の積層高さは同じで同量の改質触媒量を確保すること
ができる。触媒燃焼部の構造、燃料ガス、空気、燃焼ガ
スの流れについては実施例１４と同様である。

【００７１】実施例１６．請求項８の発明に係る燃料改
質装置のさらに他の実施例を図２８に示す。実施例１
４、１５は原料ガス供給平板７８に何も充填せず、原料
ガス供給流路の高さも同じにし、それぞれの改質反応ユ
ニット７０に原料ガス４が均等に分配されるように考慮
した。本実施例では、図２８に示すように各改質反応ユ
ニットの原料ガス供給流路に反応に関与しないアルミ
ナ、シリカ等の充填粒子１００を充填し、流路の圧力損
失を調節することにより各改質反応ユニットに流れる原
料ガス流量を調節可能にした。即ち、図２８において、
上から順に改質反応ユニットを７０１、７０２、７０３
とし、各改質反応ユニットにそれぞれ充填粒子１００を
重量がｗ₁〉ｗ₂〉ｗ₃ となるように充填すると、各改質
反応ユニット７０１、７０２、７０３に流れる原料ガス
流量Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃ は、Ｑ₁〈Ｑ₂〈Ｑ₃ となり、触媒燃
焼部３６に近い部分の改質反応ユニットに原料ガスが多
く流れるようにする。従って温度の高い部分、即ち改質
触媒の反応速度が高い部分により多くの原料ガスが供給
され、動作温度に応じた改質触媒の性能を有効に発揮す
ることができる。

【００７２】なお、原料ガス流路の高さを変えることで
もガス流量を調節することができる。図２９はこのよう
な実施例を示すものであり、触媒燃焼部３６に近い部分
の改質反応ユニットに原料ガスが多く流れるように、流
路高さｈを触媒燃焼部３６に近いほど大きくしている
（ｈ₁〈ｈ₂〈ｈ₃）。

【００７３】以上のように、原料ガスが原料ガス供給室
に均等に分配され、さらに原料ガス分散板の分散孔から
改質反応室に均一に供給されれば、多層改質反応部の全
域にわたって均一な反応分布、即ち吸熱分布を維持する
ことができる。改質器全体の温度分布は、主に多層改質
反応部の吸熱分布と触媒燃焼部の発熱分布により決定さ
れ、発熱分布と吸熱分布の両方とも、面内で均一化され
ていれば、均一な面内温度分布を実現することができ
る。また、積層方向の温度分布は、発熱量と吸熱量、触
媒と反応ガス、伝熱壁面の間の熱伝達に大きく依存す
る。概して、多層改質反応部では触媒燃焼部に近い部分
が高温になり、中央部で低温になる。本来、高温部分の
改質触媒は低温部分の改質触媒より反応速度が高く、よ
り多くの流量の原料ガスを改質する能力がある。したが
って、多層改質反応部分では各改質反応部に原料ガスを
均等に分配するのではなく、高温部分により多くの原料
ガスを供給するのがより有効な手段である。従って上述
したように充填粒子や流路高さの調整によって、多層改
質反応部における原料ガス流量を調整し、温度の高い部
分、即ち改質触媒の反応速度が高い部分により多くの原
料ガスを供給すれば、動作温度に応じた改質触媒の性能
を有効に発揮することができる。

【００７４】

【発明の効果】本発明の請求項１の発明によれば、部分
酸化反応部と改質反応部を伝熱板を介して積層したの
で、装置が小型化するとともに、両方から水素リッチの
改質ガスを生成することができる。

【００７５】本発明の請求項２の発明によれば、上記部
分酸化反応部と上記改質反応部を各々積層方向にフィン
を有する伝熱フィンを用いて構成するとともに、フィン
の両側に改質触媒、または部分酸化触媒等を配置して構
成したので、部分酸化反応部から改質反応部への伝熱が
促進され、積層方向の温度分布を小さくすることができ
る。

【００７６】本発明の請求項３の発明によれば、燃料電
池の起動時や最大出力時及び負荷変動時には部分酸化反
応を用いて起動時間の短縮や良好な負荷応答性を達成す
るとともに、一定負荷で効率を重視する場合には、部分
酸化反応を燃料電池オフガスの触媒燃焼に切り替えるこ
とにより効率の良い運転が可能になる。

【００７７】本発明の請求項４の発明によれば、燃料気
化器を液体燃料分岐マニホールド、蒸発促進体、均熱
板、熱供給源、及び蒸気分散板から構成したので、改質
器と一体化しやすくなり、コンパクトな燃料改質装置が
得られる。また、平板の面内に均一に蒸発を生じさせ、
蒸気を燃料改質装置の改質反応部または部分酸化反応部
に均一に供給することができる。

【００７８】本発明の請求項５の発明によれば、平板型
気化器と改質器を一体化し、部分酸化反応部または触媒
燃焼部から発生する余剰熱を液体燃料の気化に利用する
ようにしたので、コンパクトな構造を実現することがで
きるとともに、蒸気の凝縮を確実に防止することができ
る。また、部分酸化反応部や触媒燃焼部の発熱を液体燃
料の気化に有効に使うことができる。

【００７９】本発明の請求項６の発明によれば、平板型
気化器と燃料電池を一体化し、燃料電池から発生する余
剰熱を液体燃料の気化に利用するとともに、燃料気化器
に流れる液体燃料流量を調節して燃料電池の温度を制御
するようにしたので、コンパクトな構造を実現すること
ができるとともに、電池反応による発熱を液体燃料の気
化に有効に使うことができる。また、燃料電池の温度を
コントロールすることができる。

【００８０】本発明の請求項７の発明によれば、燃料改
質装置の触媒燃焼部において、ガス供給平板の内部に燃
料分岐マニホールドと空気分岐マニホールドを設け、面
内に配置した燃料供給小孔と空気供給小孔から燃料ガス
と空気を分散して供給し、平面内で混合した後、混合気
分散板から触媒燃焼室に混合気を供給するので、安定し
た燃焼を行うとともに、独立した予混合器の設置スペー
スを節約し、小型の燃料改質装置を得ることができる。

【００８１】本発明の請求項８の発明によれば、改質反
応部の上下端に触媒燃焼部を設けるとともに、上記改質
反応部は、原料ガス供給室、原料ガス分散板、改質反応
室、仕切板から成る改質反応ユニットを複数個積層した
多層構成とし、さらに上記原料ガス供給室の流路高さを
調節する、あるいは上記原料ガス供給室に粒子を充填し
て充填粒子量を調節するようにしたので、改質触媒の充
填量が増加し、燃焼触媒との負荷の差が適切にでき、小
型の装置で、多量の改質ガスをより効率よく発生させる
ことができる。また、多層改質反応部の原料ガスの分配
流量を調節し、高温部分に多くの原料ガスを供給するこ
とにより動作温度に応じた改質触媒の性能を発揮させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による燃料改質装置の基本的
構成を示す構成図である。

【図２】本発明の実施例２による燃料改質装置の主要部
を示す断面構成図である。

【図３】本発明の実施例２に係る伝熱コルゲートフィン
の構造を示す斜視図、及び部分酸化反応部の触媒配置と
ガスの流れを示す説明図である。

【図４】本発明の実施例３による燃料改質装置の主要部
を示す断面構成図である。

【図５】本発明の実施例４による燃料改質装置の主要部
を示す断面構成図である。

【図６】本発明の実施例５による燃料改質装置の運転方
法を説明する説明図である。

【図７】本発明の実施例６による燃料改質装置の基本的
構成を示す斜視構成図である。

【図８】本発明の実施例６に係る液体燃料分岐マニホー
ルドの一例を示す斜視図である。

【図９】本発明の実施例６に係る液体燃料分岐マニホー
ルドの他の例を示す斜視図である。

【図１０】本発明の実施例６に係る液体燃料分岐マニホ
ールドの他の例を示す斜視図である。

【図１１】本発明の実施例７に係る液体燃料分岐マニホ
ールドの一例を示す斜視図である。

【図１２】本発明の実施例８に係る平板型燃料気化器に
おける燃料及び空気の噴射小孔の配置を示す平面構成図
である。

【図１３】本発明の実施例８に係る平板型燃料気化器に
おける燃料及び空気の噴射小孔と伝熱コルゲートフィン
の配置を示す断面構成図である。

【図１４】本発明の実施例９による燃料改質装置の基本
的構成を示す断面構成図である。

【図１５】本発明の実施例１０による燃料電池装置の構
成を示す構成図である。

【図１６】本発明の実施例１１に係る燃料改質用触媒燃
焼部の基本的構成と作用を示す構成図である。

【図１７】本発明の実施例１１に係る燃料改質用触媒燃
焼部における燃料ガス、空気、及び混合気の供給小孔と
バッフル板の配置を示す説明図である。

【図１８】本発明の実施例１２に係る燃料改質用触媒燃
焼部における燃料ガス、空気、及び混合気の供給小孔と
バッフル板の配置を示す説明図である。

【図１９】本発明の実施例１２に係る燃料改質用触媒燃
焼部における燃料ガス、空気、及び混合気の供給小孔と
バッフル板の他の配置を示す説明図である。

【図２０】本発明の実施例１３に係る燃料改質用触媒燃
焼部における燃料ガス、空気、及び混合気の供給小孔の
配置を示す説明図である。

【図２１】本発明の実施例１３に係る燃料改質用触媒燃
焼部における燃料ガス、空気、及び混合気の供給小孔の
他の配置を示す説明図である。

【図２２】本発明の実施例１４による燃料電池装置の構
成を示す構成図である。

【図２３】本発明の実施例１４による燃料電池装置の具
体的構成を示す斜視構成図である。

【図２４】本発明の実施例１４による燃料電池装置の原
料ガスの流れを模式的に示す断面構成図である。

【図２５】本発明の実施例１４による燃料電池装置の空
気の流れを模式的に示す断面構成図である。

【図２６】本発明の実施例１４による燃料電池装置の燃
料ガスの流れを模式的に示す断面構成図である。

【図２７】本発明の実施例１５による燃料電池装置の構
成を示す断面構成図である。

【図２８】本発明の実施例１６による燃料電池装置の構
成を示す断面構成図である。

【図２９】本発明の実施例１６による燃料電池装置の他
の構成を示す構成図である。

【図３０】従来のメタノール改質装置を示す構成図であ
る。

【図３１】部分酸化法をもちいた従来の改質器を示す断
面構成図である。

【図３２】部分酸化法をもちいた従来の他の改質器を示
す断面構成図である。

【図３３】従来の溶融炭酸塩型燃料電池用のプレート・
リフォーマの構造を示す部分断面構成図である。

【図３４】従来の溶融炭酸塩型燃料電池用のプレート形
改質装置の構成部品を示す斜視構成図である。

【図３５】従来の溶融炭酸塩型燃料電池用のプレート形
改質器の構造を示す部分断面構成図である。

【符号の説明】

１メタノール２水４改質原料ガス７改質ガス９電池オフガス１０空気１５酸化触媒１６改質触媒２２伝熱板２３、７８ａ、７
８ｂ原料ガス供給室２４、７７原料ガス分散板２５、７６ａ、７
６ｂ改質反応室２６伝熱コルゲートフィン２７改質反応部２８予混合燃料２９反応ガス供
給室３０部分酸化反応室３１反応ガス分
散板３２部分酸化反応部３３改質ガス３４燃料電池３５燃料改質装
置３５ａ燃料改質ユニット３６触媒燃焼部３７部分酸化触媒３８液体燃料３９液体燃料分岐マニホールド３９ｃ液体燃料
供給小孔４０蒸発促進体４１蒸気分散板４２均熱板４３電熱ヒータ４５平板型燃料気化器４６空気分岐マ
ニホールド４６ｃ空気供給小孔４７燃料ガス４８燃料ガス分岐マニホールド４８ｃ燃料ガス
供給小孔４９混合気分散板４９ｃ混合気供
給小孔５０バッフル板５２燃焼触媒５３触媒燃焼室５４ガス供給平
板５５ガス混合部６０燃料電池６１燃料気化器７０改質反応ユ
ニット７９仕切板１００充填粒子７０１、７０２、７０３改質反応ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素またはアルコール原料と空気の
予混合燃料から部分酸化反応により水素を生成する部分
酸化反応部、炭化水素またはアルコール原料と水蒸気の
改質原料ガスから水蒸気改質反応により水素を生成する
改質反応部、及び上記部分酸化反応部から上記改質反応
部へ熱を伝達する伝熱板を備え、上記部分酸化反応部と
上記改質反応部を上記伝熱板を介して積層した燃料改質
装置。
【請求項２】請求項１記載の改質反応部は、原料ガス
供給室、原料ガス分散板、及び改質反応室から成り、上
記改質反応室を積層方向にフィンを有する伝熱フィン、
及び上記フィンの両側に装填した改質触媒により構成
し、部分酸化反応部は、反応ガス供給室、反応ガス分散
板、及び部分酸化反応室から成り、上記部分酸化反応室
を積層方向にフィンを有する伝熱フィン、上記反応ガス
分散板に面した上記フィンの片側に装填した酸化触媒、
及び上記伝熱板に面した上記フィンの片側に装填した改
質触媒により構成した、あるいは上記部分酸化反応室を
積層方向にフィンを有する伝熱フィン、及び上記フィン
の両側に装填し、酸化反応と水蒸気改質反応に有効な成
分を両方とも含有する部分酸化触媒により構成した燃料
改質装置。
【請求項３】請求項１または２記載の燃料改質装置で
生成した水素を燃料として燃料電池を運転する際に、上
記燃料改質装置の起動時には、部分酸化反応部に炭化水
素またはアルコール原料と空気の予混合燃料を供給し、
上記部分酸化反応部から水素を上記燃料電池に供給し、
上記燃料電池の最大出力運転時、及び負荷変動運転時に
は、部分酸化反応の発熱により改質反応部を改質反応の
動作温度まで加熱・昇温させて、上記改質反応部に改質
原料ガスを供給し、改質反応と部分酸化反応を同時に生
じさせて、上記改質反応部と上記部分酸化反応部の両方
から水素を供給し、上記燃料電池の定格運転時には、上
記部分酸化反応部に電池オフガスと空気を供給し、触媒
燃焼させて改質反応に必要な熱を上記電池オフガスの触
媒燃焼により供給し、上記改質反応部だけで上記燃料電
池の定格運転時に必要な水素を生成するようにした燃料
改質装置の運転方法。
【請求項４】液体燃料を面内に分散させる液体燃料分
岐マニホールド、上記液体燃料分岐マニホールドから上
記液体燃料を噴出させる複数の液体燃料供給小孔、上記
液体燃料供給小孔と接して配置され、上記液体燃料を蒸
発させる、発泡金属または金属メッシュから成る蒸発促
進体、上記蒸発促進体と接して配置され、蒸発に必要な
熱を上記蒸発促進体に伝達する金属または合金から成る
均熱板、上記均熱板に接して配置され、蒸発に必要な熱
を供給する熱供給源、及び上記蒸発促進体の面内で発生
した蒸気を、燃料改質器の改質反応部または部分酸化反
応部に分散供給するように平面内に複数の小孔を有した
蒸気分散板で構成された平板型燃料気化器を備えた燃料
改質装置。
【請求項５】液体燃料を面状に気化させる平板型燃料
気化器、及び改質反応部と部分酸化反応部、または改質
反応部と触媒燃焼部、または部分酸化反応部から成る燃
料改質器で構成され、上記平板型燃料気化器と上記燃料
改質器を一体化し、上記部分酸化反応部または上記触媒
燃焼部から発生する余剰熱を上記液体燃料の気化に利用
するようにした燃料改質装置。
【請求項６】液体燃料を面状に気化させる平板型燃料
気化器、気化した燃料を用いて水素を発生させる燃料改
質器、及び上記水素と酸素を電気化学的に反応させて電
気エネルギーを発生させる燃料電池で構成され、上記平
板型燃料気化器と上記燃料電池を一体化し、上記燃料電
池から発生する余剰熱を上記液体燃料の気化に利用する
とともに、上記燃料気化器に流れる液体燃料流量を調節
して上記燃料電池の温度を制御するようにした燃料電池
装置。
【請求項７】炭化水素またはアルコール原料と水蒸気
の改質原料ガスから水蒸気改質反応により水素を生成す
る改質反応部、及び燃焼用空気により燃料ガスを触媒燃
焼させる触媒燃焼部から成る燃料改質装置において、上
記触媒燃焼部は、内部に燃料ガス分岐マニホールドと燃
焼用空気分岐マニホールドを有し、平板表面に複数の燃
料供給小孔と空気供給小孔を配置し、燃料ガスと燃焼用
空気を面内に分散供給するガス供給平板、このガス供給
平板より供給された燃料と空気を混合させるガス混合
部、混合気を触媒燃焼させる触媒燃焼室、上記ガス混合
部と上記触媒燃焼室の間に設けられ、平板表面に複数の
混合気供給小孔を配置し、上記混合気を面内に分散供給
する混合気分散板で構成し、上記燃料供給小孔、上記空
気供給小孔、及び上記混合気供給小孔を面内で相互に対
称に連続して配置するとともに、上記ガス混合部の内部
に、供給される燃料ガスと燃料ガス間、または燃焼用空
気と燃焼用空気間の混合を遮断するバッフル板を、上記
燃料供給小孔と隣の燃料供給小孔の間、または上記空気
供給小孔と隣の空気供給小孔の間に設け、上記燃料供給
小孔と上記空気供給小孔の間に上記混合気供給小孔を配
置することを特徴とする燃料改質装置。
【請求項８】炭化水素またはアルコール原料と水蒸気
の改質原料ガスから水蒸気改質反応により水素を生成す
る改質反応部、及び燃焼用空気により燃料ガスを触媒燃
焼させる触媒燃焼部からなる燃料改質装置において、上
記改質反応部の上下端に上記触媒燃焼部を設け、上記改
質反応部は、原料ガス供給室、原料ガス分散板、改質反
応室、仕切板から成る改質反応ユニットを複数個積層し
た多層構成とし、上記原料ガス供給室の流路高さを調節
する、あるいは上記原料ガス供給室に粒子を充填して充
填粒子量を調節することにより、各上記改質反応室に供
給する原料ガス流量を調節することを特徴とする燃料改
質装置。