JPH10236802A - 燃料改質装置 - Google Patents

燃料改質装置

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JPH10236802A
JPH10236802A JP9045898A JP4589897A JPH10236802A JP H10236802 A JPH10236802 A JP H10236802A JP 9045898 A JP9045898 A JP 9045898A JP 4589897 A JP4589897 A JP 4589897A JP H10236802 A JPH10236802 A JP H10236802A
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佳秀 言上
Teruo Sugimoto
照男 椙本
Minoru Sato
稔 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料改質装置において、軽量コンパクト化、
改質ガス中のＣＯ濃度低減（数ｐｐｍ以下）、量産化に
適した構造、熱交換による排熱の有効利用、放熱ロスの
低減を目的とする。 【解決手段】 この発明は、燃料改質装置を構成する液
体原料加熱部１、蒸発部２、蒸気過熱部３、改質部４、
シフト部４ａ、ＣＯ酸化部５、触媒燃焼部６、熱回収部
７を内部に伝熱フィンを設けた平板で構成した後に積層
して一体化構造することで、平板要素の温度が改質、燃
焼、蒸発、シフト、ＣＯ酸化に適した温度になるように
積層方向に沿って温度分布をつける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】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る。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の燃料改質装置には、例え
ば特開平６ー５０７１４５号公報に開示されたカナダの
ＢＰＳ（バラード・パワー・システムズ）社のメタノー
ル水蒸気改質反応に適したモジュール等温反応器があ
る。図２０はモジュール等温反応器を設けた燃料改質装
置の概略構成図である。図において、５０はモジュール
等温反応器、５１はモジュール熱回収装置、５２はメタ
ノールタンク、５３は水タンク、５４は伝熱流体リザー
バ、５５は伝熱流体加熱装置、５８は改質反応流路、５
８’は改質ガス流路、５９はメタノール蒸発流路、５
９’はメタノール液体加熱流路、６０は水蒸発流路、６
０’は水液体加熱流路、６１は伝熱流体流路、６２は供
給原料バーナ、６３は蒸気過熱流路である。
【０００３】次に、この種の燃料改質装置の動作につい
て説明する。モジュール熱回収装置５１はタンク５２、
５３からのメタノールと水をそれぞれポンプＰ１，Ｐ２
でメタノール液体加熱流路５９’、水液体加熱流路６
０’に供給する。メタノールと水はモジュール等温反応
器５０から来る高温の改質ガスにより改質ガス流路５
８’で予熱される。
【０００４】予熱されたメタノールと水は、モジュール
等温反応器５０のメタノール蒸発流路５９と水蒸発流路
６０に導かれ、そこで伝熱流体流路６１を通り抜ける伝
熱流体により加熱されて蒸発する。伝熱流体は伝熱流体
リザーバー５４から伝熱流体加熱装置５５に送られる。
そこで、伝熱流体は供給原料バーナー６２が供給原料を
燃焼することで加熱される。
【０００５】加熱後、伝熱流体はモジュール等温反応器
５０に送られ、蒸発および改質反応の熱源として使用さ
れた後にリザーバ５４に戻され、再びポンプＰ３により
伝熱流体加熱装置５５に循環される。メタノールと水
は、メタノール蒸発流路５９と水蒸発流路６０で蒸発さ
れた後に混合されて蒸気過熱流路６３に供給され、最適
な改質温度までに加熱される。蒸発・加熱に必要な熱
は、蒸気流路５９、６０および蒸気過熱流路６３の両方
の側に設けた伝熱流体流路６１を通る伝熱流体によって
供給される。
【０００６】ついで、加熱されたメタノール・水の蒸気
はモジュール等温反応器５０の改質反応流路５８に供給
され、適切な改質触媒（例えばＣｕ−Ｚｎ触媒）を使用
することにより吸熱のメタノール水蒸気改質反応（ＣＨ
3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2）を行なわせる。改質反応
に必要な熱は改質反応流路５８の両方の側に設けられた
伝熱流体流路６１を通る伝熱流体により供給される。
【０００７】その後、改質ガスはモジュール熱回収装置
５１に送られ、メタノール及び水と熱交換することによ
り燃料電池に供給するのに適切な温度（通常は１００℃
未満）までに冷却される。
【０００８】このモジュール等温反応器５０の平面図を
図２１に、伝熱流体プレートの平面図を図２２に、部分
分解側面図を図２３に示す。各図において、６１は伝熱
流体流路、６１’は伝熱流体流路板、３１はシールシー
ト、２７は伝熱フィン、６６は邪魔板、６７はハウジン
グ（図中ハッチングで示す）、３３は改質触媒である。
モジュール等温反応器５１は、シールシート３１、伝熱
フィン６５を有する邪魔板６６、伝熱面の周囲を実質的
に囲むハウジング６７と内部に伝熱流体流路６１を有す
る伝熱流体流路プレート６１’から構成される。
【０００９】伝熱流体プレート６１’の内部に設けた一
連の平行な流路溝は、図２２に示すように往路と復路が
交互に現れる対象のパターンで配列し、伝熱流体流路を
形成することにより、伝熱流体プレート面内の温度分布
を平均化する。伝熱流体の熱は、伝熱フィン２７を経て
改質触媒３３に伝わり、改質反応に必要な熱を供給す
る。
【００１０】邪魔板６６、伝熱フィン２７の間には改質
触媒３３を充填し、曲がりくねった或いは入り組んだ流
路を形成して改質ガスをその流路に流す。図２１の平面
図に示すように、伝熱フィン２７は邪魔板６６上に複数
の同心円状の弓形の壁を形成している。これより、所定
の空間速度において改質ガスの流速を増大させ、結果と
して流路の壁に沿う境界層の厚さを減少し、壁から改質
ガスへの熱の移動を増加させ、メタノール改質率を向上
させている。
【００１１】メタノール水蒸気改質反応により改質ガス
を生成し、固体高分子型燃料電池を運転する場合、改質
ガス中には燃料電池の電極触媒の触媒毒となって電池寿
命を低下させるＣＯが多く含まれているので、改質ガス
中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減する必要があ
る。
【００１２】従来のこの種の燃料改質装置としては、先
程と同じＢＰＳ社により提案された水素含有ガス混合物
中の一酸化炭素を選択的に酸化する方法と装置が特開平
７ー５０２２０５号公報に開示されている。このＣＯの
酸化方法としては、酸素または酸素含有ガス混合物を等
温反応器の後部に至る途中の箇所に導入し、ＣＯを二酸
化炭素に酸化することにより低減するものである。この
発明の選択酸化反応器の横断面を図２４に示す。図にお
いて、６９はフィンブロック、７０は空気分配プレート
７０、７２は改質ガス入口部、７３は改質ガス出口部、
７４は多数の二次空気入口部である。
【００１３】このＣＯの酸化方法は、改質ガス（水素、
ＣＯ2、ＣＯを含むガス混合物）中に酸素含有ガス（例
えば空気）の一次の量を予混合し、選択酸化反応器の入
口７２に導入する。そして、改質ガスを選択酸化反応器
の中の触媒に接触させ、ＣＯの酸化を促進し、多数の２
次空気入口部を通して反応チャンバーの中に酸素または
酸素含有混合物の追加の量を導入する。
【００１４】選択酸化反応器は、空気分配プレート７０
に接するフィンブロック６９から構成され、フィンブロ
ック６９は底部から空気分配プレートの方向に広がる複
数の伝熱フィンを有し、伝熱フィンはガス分配プレート
と接合してそれらの間に曲がりくねった或いは入り組ん
だ流路（ラビリンスチャネル）を形成する。
【００１５】フィンブロック６９の底部には選択酸化反
応器の内部へ熱を供給する、あるいは選択酸化反応器か
ら熱を除去するための伝熱流体流路６１が含まれる。こ
のＣＯの酸化方法による選択酸化反応器のＣＯ濃度分布
を図２５に示す。二次空気なしのＣＯ濃度分布について
は、図の実線に示すように反応器に沿った流れの或る箇
所においてかなりの量のＣＯ濃度が増加する。
【００１６】これは逆シフト反応（Ｈ2＋ＣＯ2→ＣＯ＋
Ｈ2Ｏ）の作用によるものと考えられる。通路に沿った
二次空気の添加によりＣＯ濃度は顕著に低下し（図中の
二点鎖線に示す）、出口では１０ｐｐｍ程度の低いＣＯ
濃度を示す。
【００１７】従来の別の燃料改質装置には、例えば特開
平７ー１２６００１号公報に開示されているように改質
ガス中のＣＯ濃度を比較的低く抑える燃料改質装置があ
る。この燃料改質装置の構造を図２６に示す。この装置
では、気化部７５と改質・シフト部７６と酸化除去部７
７を、それぞれ気化層７８と加熱層７９、改質触媒層８
０と加熱層８１、酸化触媒層８２と加熱層８３の積層構
造とし、燃焼部８４と共に一体的に連接させている。
【００１８】この構成により、先の従来装置に比べて小
型化し、燃焼部８４で発生した熱源ガスの熱損失を抑
え、熱を有効に利用することができる。改質・シフト部
７６では、改質ガス中のＣＯ濃度を抑えるとともに、酸
化除去部７７でも残存ＣＯ濃度を燃料電池に供給するレ
ベルのＣＯ濃度約１００ｐｐｍにまで低減する。
【００１９】改質・シフト部７６のＣＯ濃度制御手段は
改質ガス中のＣＯ濃度に応じて、改質・シフト部７６に
導入する燃焼部からの熱源ガスの流量を制御し、改質触
媒層内の温度分布を変えて改質反応領域とシフト反応領
域の比率を変えることにより、改質ガス中のＣＯ濃度を
調整する。
【００２０】また、他の従来の燃料改質装置として、特
開平７−３３５２３８号公報に開示されているように、
改質反応部、部分酸化反応部、触媒燃焼部を設けた平板
積層型の燃料改質装置が提案されている。この装置で
は、燃料改質装置の積層構造、起動時・運転時の負荷変
動に対する運転方法、液体燃料の気化方法および改質装
置と燃料電池との一体化構造、燃料と空気の混合手段、
改質部に供給する原料ガスの流量調整手段が記載されて
いる。
【００２１】また、この装置は装置の加工性・量産性を
改善するため、各要素が伝熱フィンを用いた平板要素で
構成されている。更に、他の燃料改質装置としては、特
開平５−３１９８０１号公報に開示されているように、
積層式メタノール改質器の名称で改質セルユニットと加
熱セルを交互に積層したメタノール改質器の構造が提案
されている。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平６−５
０７１４５号公報に開示された従来の燃料改質装置にお
けるモジュール等温反応器では、伝熱流体により間接的
にモジュール等温反応器を加熱するため、リザーバ、ポ
ンプ、伝熱流体加熱器、等の付属装置や配管が必要にな
り、システム全体の構成が複雑になるという問題点があ
った。
【００２３】また、反応器の内部には邪魔板、シールシ
ート、伝熱フィン（複数の弓形の壁）を設けて改質ガス
の線速度を増大させ、壁から改質ガスへの熱の移動を増
加させているが、部材の構成、形状等が複雑で量産化に
適した加工性が得られないという問題があった。
【００２４】また、特開平７−５０２２０５号公報に開
示された改質ガス中のＣＯ選択酸化方法と装置では、等
温反応器の後部への途中の箇所に二次空気を導入し、Ｃ
Ｏ酸化反応を促進しているが、二次空気の導入のため図
２４に示すような多数の二次空気入口部を必要とし、入
口部と同じ数の流量制御装置が必要になる。
【００２５】また、燃料改質装置とは別に等温反応器を
設け、等温反応器を等温条件で動作させるために加熱お
よび冷却流体が必要になり、システム全体の構成が複雑
で量産化に適した構造が得られないという問題があっ
た。
【００２６】更に、特開平７−１２６００１号公報に開
示された燃料改質装置では、改質ガス中のＣＯ濃度が約
１００ｐｐｍと、固体高分子型燃料電池を運転するには
依然高濃度のレベルにあり、さらなるＣＯ濃度の低減が
必要となる。
【００２７】ＣＯ濃度の制御手段は改質ガス中のＣＯ濃
度に応じて、改質・シフト部に導入する燃焼部からの熱
源ガスの流量を制御しているが、燃焼部に流す熱源ガス
の流量は改質反応および液体原料の気化に必要な熱によ
り決まるべきもので、任意に変えうるものではない。従
って、この構成で熱源ガスの流量を独立に制御すること
は困難である。
【００２８】また、ＣＯ酸化は発熱反応であり、ＣＯ酸
化部の入口温度をＣＯ酸化に適した温度（２５０℃以
下）に維持するためには、２００℃以下の吸熱源となる
部分が必要になる。
【００２９】更に、また特開平５−３１９８０１号およ
び特開平７ー３３５２３８号公報に開示された燃料改質
装置では、小型化は達成されるものの改質ガス中のＣＯ
低減に関して何ら手段が講じられていないので、固体高
分子型燃料電池に用いる燃料改質装置としては不十分で
ある。
【００３０】この発明は上記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、改質部、触
媒燃焼部、蒸発部、ＣＯ低減部等の異なる機能を平板要
素で構成し、それらを積層一体化してコンパクトな平板
積層型の燃料改質装置を提供し、装置外部の熱交換器を
不要にするためのものである。また、平板の内部にプレ
ス加工に適した軽合金製の伝熱フィンを用い、平板の外
周部に打ち抜き加工に適したマニホールドを用いて平板
要素の流路を構成し、量産化に適した燃料改質装置を提
供することである。
【００３１】また、この発明の第２の目的は、改質およ
び蒸発に必要な熱を間接的に供給するための伝熱流体を
使用せず、燃料電池オフガス（燃料電池に使用後、燃料
極から排出される水素の希薄なガス）の触媒燃焼により
直接的な熱供給を行い、燃焼ガスの排熱およびＣＯ酸化
による発熱を液体原料の気化（加熱、蒸発、過熱）に有
効に利用するとともに、装置外部への放熱を減少するた
めの燃料改質装置を提供するものである。
【００３２】更に、この発明の第３の目的は、改質ガス
中のＣＯ濃度を燃料電池の許容値、例えば数ｐｐｍ以下
にまで低減するため、ＣＯ酸化部の温度分布をＣＯ濃度
レベルに応じた最適なＣＯ酸化の温度範囲に設定すると
ともに、量産化に適した簡単な構造で、複雑な制御機構
を伴わずにＣＯ酸化用空気を分散供給することが可能な
燃料改質装置を提供するものである。
【００３３】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る燃
料改質装置は、水とアルコールまたは炭化水素からなる
液体原料を加熱する液体原料加熱部、加熱した液体原料
を蒸発させて改質原料ガスを生成する蒸発部、この改質
原料ガスを蒸発温度から改質温度までに過熱する蒸気過
熱部、過熱した改質原料ガスから水素リッチの改質ガス
を改質触媒により生成する改質部、触媒燃焼により改質
熱を上記改質部に、蒸発熱を蒸発部および蒸気過熱部に
供給する触媒燃焼部、上記改質部で生成された改質ガス
中のＣＯをシフト触媒により低減するシフト部、このシ
フト部を出た改質ガス中のＣＯを触媒の酸化により低減
するＣＯ酸化部、上記触媒燃焼による高温の燃焼ガスに
よる排熱を上記蒸気過熱部および蒸発部の熱源とする熱
回収部の各要素を、周囲に給気・排気を行うマニホール
ド、内部に伝熱フィンを有した軽合金製の平板状の平板
要素を形成し、これら平板要素を高温側から低温側へ触
媒燃焼部、改質部、蒸気過熱部、熱回収部、シフト部、
蒸発部、ＣＯ酸化部、液体原料加熱部の順序で互いに近
接させて積層して一体化構造にしたものである。
【００３４】請求項２の発明に係る燃料改質装置は、触
媒燃焼部を複数個に分割して改質部と蒸気過熱部との間
に挿入し、触媒燃焼部の燃料部と改質部を接して積層し
たものである。
【００３５】請求項３の発明に係る燃料改質装置は、触
媒燃焼部を複数個に分割してシフト部と蒸発部との間に
挿入し、触媒燃焼部の燃料部と蒸発部を接して積層した
ものである。
【００３６】請求項４の発明に係る燃料改質装置は、熱
回収部を複数個に分割して蒸発部とＣＯ酸化部との間に
挿入し、熱回収部と蒸発部を接して積層したものであ
る。
【００３７】請求項５の発明に係る燃料改質装置は、熱
回収部を複数個に分割して蒸発部とシフト部との間に挿
入し、熱回収部と蒸発部を接して積層したものである。
【００３８】請求項６の発明に係る燃料改質装置は、触
媒燃焼部、改質部、蒸気過熱部、熱回収部、シフト部、
蒸発部、ＣＯ酸化部、液体原料加熱部の平板要素を積層
する際、上記改質部および触媒燃焼部の少なくとも１つ
を積層体の中央に設け、その他の平板要素を上記改質部
あるいは触媒燃焼部の上層、下層に対称に配置するもの
である。
【００３９】請求項７の発明に係る燃料改質装置は、Ｃ
Ｏ酸化部、改質部、シフト部のそれぞれは、内部に固定
した伝熱フィンの内側にＣＯ酸化触媒、改質触媒、ある
いはシフト触媒を充填した平板要素で構成し、上記熱回
収部および蒸気過熱部は伝熱フィンのみで燃焼ガスおよ
び蒸気の流路を形成した平板要素で構成し、上記各伝熱
フィンの内側に燃焼ガス、液体原料の蒸気、あるいは改
質ガス等の流体を流通させたときに上記平板要素の端部
で上記流体の流れが反転するように上記平板要素の積層
方向に流体の折返し流路を１回以上設けて上記各平板要
素を複数積層したものである。
【００４０】請求項８の発明に係る燃料改質装置は、Ｃ
Ｏ酸化部を１回またはそれ以上の折り返し流路を設けた
平板要素とすると共に、改質ガスが流入する上記ＣＯ酸
化部の入口の平板要素に接して蒸発部、上記改質ガスが
流出する上記ＣＯ酸化部の出口の平板要素に接して液体
原料加熱部、上記改質ガスと液体原料・蒸気の流れが対
向流となる境界面には熱良導体、上記改質ガスと液体原
料・蒸気の流れが並行流となる境界面には熱絶縁体を設
け、上記ＣＯ酸化部の積層方向および上記改質ガスと液
体原料・蒸気の流れ方向に入口部分が高温で出口部分が
低温となる温度分布をつけるようにしたものである。
【００４１】請求項９の発明に係る燃料改質装置は、Ｃ
Ｏ酸化部は、改質ガス室とＣＯ酸化用空気室の折返し流
路を交互に複数積層して改質ガスとＣＯ酸化用空気の流
れを並行流とすると共に、上記改質ガス室とＣＯ酸化用
空気室の平板要素の間に多数の分散孔を配列したＣＯ酸
化用空気分散板を設けて積層方向の空気流量分布を分散
孔の形状と分散孔に至る流体流路の流路抵抗により制御
して、ＣＯ酸化部の流れ方向に沿ったＣＯ濃度分布に応
じてＣＯ酸化用空気を分散供給するものである。
【００４２】請求項１０の発明に係る燃料改質装置は、
熱回収部の平面内を蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収
部に面分割して構成した面分割熱回収部を蒸発部の上、
あるいは下に近接して設け、上記蒸発部の蒸発面上の蒸
気の流れに沿って上記蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回
収部を面上に交互に配置したものである。
【００４３】請求項１１の発明に係る燃料改質装置は、
面分割熱回収部における蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱
回収部の面積割合を変えて液体原料に応じた蒸発温度を
設定するものである。
【００４４】請求項１２の発明に係る燃料改質装置は、
蒸発部を２段化して液体原料蒸発部と水蒸発部を構成す
ると共に、熱回収部の平面内を蒸発用触媒燃焼部と燃焼
ガス熱回収部に割して面分割熱回収部を形成し、且つこ
の面分割熱回収部に上記液体原料蒸発部と水蒸発部をそ
れぞれに近接して設け、また上記液体原料蒸発部と水蒸
発部との間およびこの液体原料蒸発部と水蒸発部の外側
にそれぞれＣＯ酸化部を積層したものである。
【００４５】請求項１３の発明に係る燃料改質装置は、
燃焼ガス熱回収部に対する蒸発用触媒燃焼部の面積割合
を蒸発温度の低い液体原料蒸発部の近接部分では小さく
し、蒸発温度の高い水蒸発部の近接部分では大きくした
ものである。
【００４６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．以下、この発明に係る燃料改質装置の実
施の形態１を、液体原料をメタノールと水とした場合で
説明する。図１中の左側のブロック図は本実施の形態に
係る燃料改質装置の全体を示す構成図であり、構成要素
の基本的な配置を示す。また、図１中の右側のグラフは
燃料改質装置の各平板要素の積層方向の温度分布を示す
図である。図１において、液体原料加熱部１は供給され
たメタノールと水の液体原料を隣接するＣＯ酸化部５を
流れる改質ガスと熱交換することで予熱される。
【００４７】予熱された液体原料は蒸発部２において低
温熱回収部７ａの燃焼ガス排熱およびＣＯ酸化部５の発
熱により蒸発する。更に、液体原料の蒸気は高温熱回収
部７ｂと触媒燃焼部６ａを熱源とする蒸気過熱部３で３
００℃までに過熱され、この過熱蒸気を改質部４に供給
する。改質部４は触媒燃焼部６ａ，６ｂより供給された
熱により、メタノールとスチームの蒸気を改質反応によ
り二酸化炭素および少しの一酸化炭素と水素に変換す
る。
【００４８】改質部４を出た改質ガスはシフト部４ａに
導入されてスチームと一酸化炭素が二酸化炭素と水素に
変換された後に、残りのＣＯが酸化によりＣＯ2に変換
されるＣＯ酸化部５に導かれる。ＣＯ酸化部５の入口で
蒸気や燃焼ガスと熱交換し、出口で液体原料を熱交換
し、ＣＯ酸化に適切な温度分布が維持された後に、燃料
電池の許容レベル以下のＣＯ濃度に低減されて燃料電池
の燃料極に供給される。図中、実線は液体原料、過熱蒸
気の流れを示し、破線は改質ガスの流れ、一点鎖線は燃
焼ガスの流れを示す。
【００４９】次に、本実施の形態に係る燃料改質装置の
動作について説明する。メタノールと水の液体原料は液
体原料加熱部１に供給される。そして、メタノールと水
の割合は所定のスチーム・カーボン比（例えば１．５）
になるように、それぞれの流量を予め調節して設定す
る。メタノールと水は液体原料加熱部１において隣接す
るＣＯ酸化部５を流れる改質ガスと熱交換されることに
より予熱される。
【００５０】予熱された液体原料は蒸発部２で蒸発され
る。この蒸発に必要な熱は主に低温熱回収部７ａの燃焼
ガス排熱およびＣＯ酸化部５の発熱により供給される。
蒸発に必要な温度は１５０〜２００℃であり、従ってＣ
Ｏ酸化部５の入口温度は２４０℃、低温熱回収部７ａの
燃焼ガス温度も２５０℃以上になるので、低温熱回収部
７ａの燃焼ガス排熱およびＣＯ酸化部５の発熱は液体原
料蒸発の熱源として十分高い温度レベルである。また、
シフト部４ａを流れる改質ガスの温度も２００〜２５０
℃と十分高く、蒸発熱の一部として利用できる。
【００５１】蒸気過熱部３ではメタノール・水の蒸気を
改質温度３００℃にまで過熱する。そのため、蒸気過熱
部３の両側には加熱源として高温熱回収部７ｂと触媒燃
焼部６ａを設ける。触媒燃焼部６ａの燃焼ガス温度は３
００℃以上の高温であり、蒸気を３００℃まで過熱する
のに十分な熱を保有する。過熱蒸気は改質部４に供給さ
れてメタノールとスチームを改質反応により水素と二酸
化炭素に変換される。改質反応に必要な熱は、改質部４
の上層、下層に設けた触媒燃焼部６ａ，６ｂより供給さ
れる。
【００５２】触媒燃焼部６ａ，６ｂでは、燃料電池の燃
料極から排気され、未利用の水素を含んだ電池オフガス
（以下オフガスと称する）を燃焼用空気で燃焼させて、
改質反応の加熱源とする。改質部４の温度は、改質ガス
中のＣＯ濃度が後のシフト部４ａ、ＣＯ酸化部５で燃料
電池の許容レベル以下まで低減でき、かつ、生成する改
質ガス流量に対して高い改質率（９９％以上）を確保で
きる温度（約３００℃）とする。改質部４の温度を適切
な温度にするため、触媒燃焼部６ａ，６ｂの燃焼空気量
（空気比）を調節することにより触媒燃焼部６ａ，６ｂ
の温度を設定する。
【００５３】改質部４を出た改質ガスはシフト部４ａに
導入され、改質ガス中のＣＯとスチームはシフト反応に
より二酸化炭素と水素に変換される。シフト反応は化学
平衡上温度が低いほど二酸化炭素側に進む。銅−亜鉛系
のシフト触媒を用いた場合、十分な反応速度を確保する
ため２００〜２５０℃の温度が必要とされるので、シフ
ト部４ａを蒸発部２（２００℃）と高温熱回収部７ｂ
（２５０℃）の間に設ける。
【００５４】シフト部４ａを出た改質ガスはＣＯ酸化部
５に入る前に、ＣＯ酸化用空気が導入される。ＣＯ酸化
用空気の流量は、改質ガス中のＣＯを酸化するのに必要
な量以上の量（理論空気量に対して３〜４倍）相当の流
量を供給する。ＣＯ酸化部５の温度は、発明者らが実験
により求めたＣＯ酸化に適切な温度範囲１１０〜２４０
℃になるように、ＣＯ酸化部５を液体原料加熱部１と低
温熱回収部７ａ、蒸発部２の間に設ける。
【００５５】ＣＯ酸化部５の改質ガスは、入口で１５０
〜２００℃の蒸気や２５０℃の燃焼ガスと熱交換し、出
口で低温の液体原料と熱交換することにより、ＣＯ酸化
に適切な温度分布が維持される。ＣＯ酸化部５の出口で
燃料電池の許容レベル以下までＣＯ濃度を低減した改質
ガスは、燃料改質装置から燃料電池の燃料極へと供給さ
れる。
【００５６】なお、図１では、改質部４と蒸気過熱部３
の間に複数個に分割した平板要素の触媒燃焼部６ａを設
け、蒸発部２とＣＯ酸化部５の間に複数個に分割した平
板要素の低温熱回収部７ａを設けているが、平板要素の
積層順序は図１に限定されるものではなく、各平板要素
で適切な温度分布が実現されれば、分割した触媒燃焼部
６ａ、低温熱回収部７ａを設置しない構成としても良
い。
【００５７】また、平板要素の積層方向のある位置で熱
が不足し、平板要素の機能に対して適切な温度より低い
温度が生じた場合は、その平板要素に隣接させて加熱側
に平板要素（触媒燃焼部６ａ、熱回収部７ａ，７ｂ、Ｃ
Ｏ酸化部５）を設けることにより、積層方向に連続して
滑らかな温度分布を形成することができる。
【００５８】つぎに、本実施の形態に係る燃料改質装置
の原料、ガス、空気の給排気を行う上端板について説明
する。上端板２３の構造を図２、図３に示す。図２は上
端板２３の平面図、図３は図２のＡ−Ａ’断面を表した
断面図である。上端板２３の内部には給排管１２〜１６
及びこれら給排管１２〜１６に対応するマニホールド１
７〜２１が以下のような配置関係で設けられている。
【００５９】上端板２３内部の左縁に沿って長手方向に
形成した断面矩形状の開口部、及びこの開口部より送ら
れた改質ガスを上端板２３の略中央において縮流するよ
うに配置された複数のガイド部より改質ガス出口マニホ
ールド１８が構成され、また縮流された改質ガスを改質
ガス出口マニホールド１８より上端板２３の外部に排気
する改質ガス排気管１２が設けられている。
【００６０】改質ガス排気管１２に対して同一線状に所
定間隙を設けて配置され、上端板２３の外部より内部に
ＣＯ酸化用空気を供給するＣＯ酸化用空気供給管１６、
及び上端板２３の内部の右縁に沿って長手方向に形成し
た断面矩形状の開口部、およびこの開口部に対してＣＯ
酸化用空気供給管１６より供給されたＣＯ酸化用空気が
末広がり均一に流れように放射線状に配置した複数のガ
イド部より構成されたＣＯ酸化用空気マニホールド１９
が設けられている。
【００６１】更に、上端板２３の内部には、上縁に沿っ
て長手方向に形成した断面矩形状の開口部、及びこの開
口部より送られた燃焼ガスを、上端板２３の略中央にお
いて縮流するように配置された複数のガイド部より燃焼
ガス排気マニホールド２２が構成され、また縮流された
燃料ガスを燃料ガス排気マニホールド２２より上端板２
３の外部に排気する燃焼ガス排気管１５が設けられてい
る。
【００６２】改質ガス排気管１２の下方には、上端板２
３の外部より内部にオフガスを供給するオフガス供給管
１３が、そして上端板２３の内部の下縁に沿って長手方
向に形成した断面矩形状の開口部、及びこの開口部に対
してオフガス供給管１３より供給されたオフガスが末広
がりに均一に流れように放射線状に配置した複数のガイ
ブ部より構成されたオフガス供給用マニホールド２０が
設けられている。
【００６３】オフガス供給管１３と同一線状に所定間隙
で上端板２３の外部より内部に燃焼用空気を供給する燃
焼空気供給管１４が、そして上端板２３の内部の下縁に
沿って長手方向に形成した断面矩形状の開口部、および
この開口部に対して供給された燃焼用空気が末広がりに
均一に流れように放射線状に配置した複数のガイド部よ
り構成された燃焼用空気供給マニホールド２１が設けら
れている。
【００６４】上端板２３の外部には内部に向けて液体原
料供給管１１が立設されている。また、上端板２３の外
部には各辺に沿って所定間隔で取付用支柱の取付孔１７
が空けられている。
【００６５】次に、この燃料改質装置のガスの給排気に
ついて説明する。上端板２３は、液体原料、改質ガス、
オフガス、空気、燃焼ガス等の流体の給排気を一括して
行い、これら流体に対する給排管１２〜１６を上端板２
３の中央部分に集約する。上端板２３の内部には各供給
管１３，１６，１４から周囲の各マニホールド２０，１
９，２１に向かって空気、オフガスが末広がりに広がる
部分と、周囲のマニホールド１８、１７から改質ガス、
燃焼ガスが排気管１２、１５に縮流する部分を設ける。
【００６６】マニホールド１７〜２１は、上端板２３の
中央部に位置する反応有効面積にガスの給排気が確実に
行われるように上端板２３周囲の四辺（図２参照）に設
ける。また、マニホールド１７〜２１内の流れが均一化
されるように幅を十分広げたり、マニホールド１７〜２
１内に流れを均一化する穴あき板２４ａ，２４ｂ（図３
参照）を設けても良い。
【００６７】上端板２３の周辺部分にはその他に、下部
の平板構成要素を締め付け、平板要素間のシール性を確
保するための支柱取付穴１７をあけ、締め付け用支柱、
押え金具（バネ、ナット、ベアリング、等）を設ける。
締め付け用支柱は平板の四隅とマニホールドの内部に取
り付け、平板要素の有効反応面積への面圧が均等になる
ように締め付け荷重を調整する。
【００６８】次に、燃料改質装置の平板要素の構造を液
体原料加熱部１とＣＯ酸化部５について説明する。本実
施の形態に係る燃料改質装置の液体原料加熱部１と隣接
するＣＯ酸化部５の構造を図４に示す。液体原料加熱部
１の内部には供給された液体原料を導入する液体流路６
が複数本の細長い流路より形成されている。そして導入
された液体原料は液体流路６を通って蒸発部２に送り出
される。液体原料加熱部１の底面には液体原料と改質ガ
スを仕切るための仕切板３０が設けられている。
【００６９】また、ＣＯ酸化部５の表面には、液体原料
加熱部１に熱を伝える伝熱フィン２７、改質ガスを液体
原料加熱部１の改質ガス出口に送り出す改質ガス出口マ
ニホールド１８、改質ガスや液体原料、およびマニホー
ルドを通じて流れる空気、オフガス、燃焼ガスが外部あ
るいは他の部分に漏れるのを防止するシールシート３
１、蒸発部２に予熱された液体原料を供給する液体供給
口３２が配置または形成されている。
【００７０】この液体原料加熱部１とＣＯ酸化部５の動
作について説明する。メタノールと水とからなる液体原
料は、上端板から液体原料加熱部１に供給され、そして
隣接するＣＯ酸化部５の出口部分を流れる改質ガスと熱
交換されることにより予熱される。液体原料加熱部１
は、平面内に液体原料が流れる細い液体流路２６を面内
に多数本設けた構造とする。液体流路２６の溝幅は面内
の流れを均一化するため調整される。
【００７１】予熱された液体原料は、ＣＯ酸化部５の隅
にある液体原料供給口３２から蒸発部２に供給される。
液体原料加熱部１の平板の周囲には改質ガス、オフガ
ス、空気、燃焼ガスのマニホールドを設けている。ＣＯ
酸化部５は、図４に示すように平面内に積層方向にオフ
セット断続面フィンを有する伝熱フィン２７を設け、伝
熱フィン２７の内側にＣＯ酸化触媒（図４中、図示せ
ず）を充填する。
【００７２】ＣＯ酸化触媒としては、アルミナ担体の白
金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム等の触媒を使用
することができる。改質ガスは面内の伝熱フィン２７と
ＣＯ酸化触媒の間を流れ、改質ガス出口マニホールド１
８から排気される。改質ガス出口マニホールド１８は上
端板２３と通じている。このように、改質ガスは、液体
原料と熱交換し、燃料電池の動作温度である８０℃近く
まで冷却される。液体原料加熱部１とＣＯ酸化部５の間
には、仕切板３０とシールシート３１を設ける。仕切板
３０は液体原料と改質ガスを仕切るためのものである。
【００７３】また、改質ガスから液体原料への伝熱性を
良くするため、液体原料加熱部１を上端板２３の支柱に
よりＣＯ酸化部５に締め付け、仕切板３０と伝熱フィン
２７の表面を密着して接触させ、熱抵抗を少なくする。
シール・シート３１は、外周平面から伝熱フィン（反応
有効面積）およびマニホールドの部分を抜き取った形状
で、締め付け荷重により平板の外周部分と密着し、改質
ガスや液体原料、およびマニホールドを通じて流れる空
気、オフガス、燃焼ガスが外部あるいは他の部分に漏れ
るのを防止する。
【００７４】シール・シート３１の材質には例えばテフ
ロン等を用いているが、テフロン等と同等以上のシール
性が保たれれば、テフロンに限定されるものではない。
また、液体原料加熱部１、ＣＯ酸化部５、伝熱フィン２
７、仕切板３０を構成する平板要素の材質は、熱伝導性
が良く軽量のアルミニウム、あるいはアルミニウム合金
であるのが望ましいが、アルミニウムと同等の熱伝導
性、軽量化が達成されれば、アルミニウム以外の材質、
例えば銅、真鍮、等の合金を使用することもできる。さ
らに、平板要素は周囲にマニホールド、内部に伝熱フィ
ンを有したプレス加工、打ち抜き加工に適した形状に
し、加工性、量産性を向上させる。
【００７５】本実施の形態に係る燃料改質装置の蒸発部
２の構造を部分斜視図を用いて図５に示す。蒸発部２は
液体原料滴下板２４と蒸発板２９を積層して構成してい
る。蒸発部２はメタノールと水が平面内で均一に蒸発す
る構造を採用する。本実施の形態は流体分散板として液
体原料滴下板２４を用い、平面内に供給する流量を分散
し、蒸発および蒸発に伴う吸熱分布を均一化する。蒸発
部２は液体原料滴下板２４および蒸発板２９の２つの要
素で構成する。
【００７６】液体原料滴下板２４には、液体原料加熱部
１およびＣＯ酸化部５を通して供給された予熱された液
体原料の供給口である液体原料供給口３２、液体原料供
給口３２より供給された液体原料を平面に均一に導入
し、下方の蒸発板２９の平面内に液体原料を滴下する分
散滴下孔３９ａ、各分散孔３９ａに向かう液体原料の流
量を調整する流路４０が形成されている。
【００７７】蒸発の面内均一化、滴下量の分散均一化を
行うため、蒸発部２の液体原料滴下板２４は液体流路４
０の溝幅、および分散孔３９ａの孔径を調整し、滴下量
分布をほぼ均一化する。本実施の形態では、液体原料滴
下板２４は原料が滴下する分散孔３９ａを面内に２５個
（５列×５個）設けた構造であり、液体原料の液滴は下
部に設置した蒸発板２９上で蒸発し、面内の蒸発が均一
化される。
【００７８】また、蒸発板２９の面内には多数の凹凸を
有した拡大伝熱面を持った平面突起を設け、突起の間の
原料滴下孔から液体原料を滴下させ、蒸発の促進を図
る。蒸発に必要な熱は、蒸発部２と隣接するＣＯ酸化部
５や熱回収部７ａから供給し、蒸発板２９内の多数の平
面突起を通って蒸発面に供給する。
【００７９】本実施の形態に係る燃料改質装置の多層改
質部４と触媒燃焼部６ａ，６ｂについて説明する。燃料
改質装置の多層改質部４，触媒燃焼部６ａ，６ｂの構造
を図６、図７に示す。図６は多層改質部４におけるメタ
ノール・水の蒸気、改質ガス流れを表し、図７は触媒燃
焼部６ａ，６ｂにおけるオフガス、空気、燃焼ガス流れ
を表す。
【００８０】多層改質部４おいて、１８ａは過熱蒸気供
給マニホールドであり、この過熱蒸気供給マニホールド
１８より供給された液体原料は伝熱フィン２７で個々に
囲まれた複数の改質触媒３３を通して改質ガス排気マニ
ホールド１９ａへと改質ガスが抜ける。
【００８１】また、多層改質部４は、伝熱フィン２７の
内側に改質触媒３３を充填し、積層方向に重ねた伝熱フ
ィン２７の間に仕切板３０を設けた平板要素を複数積層
して構成する。改質触媒３３として、アルミナ、あるい
は酸化クロム担体の銅、亜鉛系触媒等を使用することが
できる。過熱蒸気供給マニホールド１８ａからメタノー
ル・水の過熱蒸気を多層改質部４に供給する。メタノー
ル・水の過熱蒸気は、メタノールと水蒸気を改質触媒の
作用により水素と二酸化炭素に変換し、水素リッチの改
質ガスにする。
【００８２】本実施の形態では改質ガスを入口である過
熱蒸気供給マニホールド１８ａから多層改質部４の各層
にパラレルに流し、出口である排気マニホールド１９ａ
で合流させた後、つぎのシフト部４ａへ供給する。改質
反応に必要な熱は、多層改質部４の上下に設けた触媒燃
焼６ａ，６ｂから供給され、伝熱フィン２７を介して改
質触媒３３に伝える。多層改質部４を触媒燃焼部により
両側から加熱するので、多層改質部４の積層方向温度分
布は触媒燃焼部６ａ，６ｂに隣接する上下端で温度が高
く、中央部で低くなる。
【００８３】積層方向の温度分布が大きいと、改質反応
が不均一になり、改質率が低下する原因となるので、伝
熱フィン２７、仕切板３０に熱伝導性の良いアルミニウ
ムおよびその合金等を使用し、フィンの伝熱効率を高く
することにより、積層方向温度分布を小さくする。多層
改質部４の積層数は、上下の触媒燃焼部６ａ，６ｂで十
分改質反応熱を供給することができ、かつ、改質率を低
下させない程度に積層方向温度分布を小さくすることが
可能な積層数とすれば良い。
【００８４】触媒燃焼部６ａは図７に示すように、オフ
ガスを供給する燃料室３４ａ、空気を供給する空気室３
５ａより構成する。燃料室３４ａと空気室３５ａの間に
分散板３７を設置し、分散板３７を介してオフガスと燃
焼用空気を燃焼部面内に分散供給する。各室３４ａ，３
５ａ内には伝熱フィン２７を設け、伝熱フィン２７の内
側に燃焼触媒３６を充填する。
【００８５】燃焼触媒３６としては、アルミナ担体の白
金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム等の触媒を使用
することができる。オフガス燃焼に必要な電池オフガス
と空気は、それぞれの供給マニホールドから別個に燃料
室３４ａ、空気室３５ａに供給し、分散板３７の分散孔
を介して面内で相互に拡散させながら燃焼を行わせる。
【００８６】触媒燃焼部６ａ，６ｂの燃料室３４ａと空
気室３５ａの温度は、水素濃度が高い燃料室の温度が高
くなるので、燃焼熱を改質熱に有効に伝達するため、触
媒燃焼部６ａ，６ｂと多層改質部４を積層する場合は、
燃料室３４ａと改質部４が接するように配置する。オフ
ガスと空気はそれぞれ上下２つの触媒燃焼部６ａ，６ｂ
に分配され、多層改質部４を両側から加熱する。下部の
触媒燃焼部６ｂは燃料室３４ｂと空気室３５ｂから構成
する。
【００８７】次に本実施の形態に係る触媒燃焼部６ａ，
６ｂについて説明する。図８は触媒燃焼部の分散板の構
造、および分散孔のパターンの一例を示す。図におい
て、３７は分散板、３６は燃焼触媒、３９は分散孔であ
る。この例の分散板３７には燃焼触媒１個の周囲にΦ
１．０ｍｍの分散孔３９を４個開けている。発明者らの
試験によると、燃焼触媒３６と分散孔３９との位置は、
燃焼触媒３６により分散孔３９が閉塞されるのを防ぐた
め、燃焼触媒３６が接触する分散板位置には分散孔３９
を設けず、その周囲に分散孔３９を設ける必要がある。
【００８８】燃焼触媒３６により分散孔３９が閉塞され
ると、オフガスと空気が互いに混合拡散せず、高い燃焼
率を達成することができない。分散孔３９を燃焼触媒３
６の周囲に設ける構造にすれば、空気とオフガスが分散
孔３９を通って互いに拡散・混合しながら、燃焼触媒３
６の表面に供給されるため、高い燃焼率を達成すること
ができる。また、分散板３７によりオフガスと空気を相
互に拡散させながら燃焼することにより、入口部分での
過度の燃焼反応による過熱を抑え、均一な燃焼を達成す
る。なお、分散孔３９の大きさに面内分布をもたせ、燃
焼の発熱分布を改質部４の吸熱分布に合わせることによ
り面内温度分布を均一化することもできる。
【００８９】尚、本実施の形態では、触媒燃焼部を触媒
燃焼部（上）６ａと触媒燃焼部（下）６ｂに分割し、触
媒燃焼部（上）６ａを蒸気過熱部３と改質部４の間に挿
入したが、触媒燃焼部（上）６ａを蒸発部２とシフト部
４ａの間に挿入して蒸発部２ａにおける蒸発をより促進
すると共に蒸発を安定化しても良い。
【００９０】また、本実施の形態では、熱回収部を熱回
収部７ａと熱回収部７ｂに分割し、熱回収部７ａをＣＯ
酸化部５と蒸発部２の間に挿入したが、熱回収部７ａを
蒸発部２とシフト部４ａの間に挿入して蒸発部２ａにお
ける蒸発をより促進すると共に蒸発を安定化しても良
い。
【００９１】実施の形態２．次に、この発明の実施の形
態２に係る燃料改質装置の構成を図９により説明する。
図９は各平板要素からなる積層体を対称面を境にして上
下対称に２体組み合わせた燃料改質装置の構成を模式的
に示す全体構成図である。図において、燃料改質装置を
形成する第１の積層体、第２の積層体の各両側面に断熱
材４４が設けられている。図中の一点鎖線は平板要素を
対称に配置する場合の対称面を表す。
【００９２】この燃料改質装置は、図９に示すように第
１の積層体は上端板、液体原料加熱板、ＣＯ酸化部、熱
回収部、蒸発部、シフト部、蒸気過熱部、触媒燃焼部、
改質部の平板要素から構成し、また第２の積層体は第１
の積層面との対称面を境に改質部、触媒燃焼部、シフト
部、蒸気過熱板、蒸発部、熱回収部、ＣＯ酸化部、液体
原料加熱部、下端板の平板要素から構成する。即ち、対
称面を境に一対の改質部あるいは触媒燃焼部を中央に積
層しけ、その他の平板要素を積層体の上下に対称に積層
し、各平板要素から成る第１の積層体、第２の積層体の
各両側面には断熱材４４を設ける。
【００９３】この構成により、上下面あるいは側面から
の放熱を少なくし、熱損失となっていた熱を燃料や空気
の予熱として有効に利用することができる。なお、本実
施の形態では液体原料の供給、改質ガスの排気を両端板
より行っているが、どちらかの端板にまとめ、内部マニ
ホールドから各平板要素に分岐・合流させても良い。図
９にはオフガス、空気、燃焼ガスの供給・排気を図示し
ていないが、改質ガスと同様に両端板に独立に設けても
良いし、どちらかの端板にまとめても良い。
【００９４】実施の形態３．次に、この発明の実施の形
態３に係る燃料改質装置について説明する。本実施の形
態における燃料改質装置は各平板要素の積層方向に流体
の流れの折返し流路を設けて平板要素を複数積層した構
造である。この構造は燃焼ガス熱回収部とメタノール・
水の蒸気過熱部、ＣＯ酸化部および改質部、シフト部に
適用できる。燃焼ガスの排熱を回収する方式には、本実
施の形態の「流路折返し方式」の他に、排熱回収部と触
媒燃焼部を面内に分割した「面分割方式」がある。
【００９５】「流路折返し式」の熱回収部７の構成を図
１０に示す。図において、２７は伝熱フィンの断面を示
し、この伝熱フィン２７の表面により燃焼ガス流路を形
成する。３０は上下の燃焼ガス流路を仕切る仕切板、２
８は一方の燃焼ガス流路を流れて来た燃焼ガスを上方の
燃焼ガス流路に積層方向に折り返して流す燃焼ガス流路
折返し孔である。図中、燃焼ガスの流れを一点鎖線で示
す。
【００９６】本実施の形態は燃焼ガス流路を燃焼ガス流
路折返し孔２８で積層方向に折返し、折り返した燃焼ガ
ス流路内に設けた伝熱フィン２７の内側に燃焼ガスを流
して熱回収を行う。燃焼ガスを各積層順に何回も折り返
すことにより、燃焼ガスが熱回収する機会を増加する。
さらに、伝熱フィン２７の形状にオフセット断続フィン
（図４の伝熱フィン２７を参照）を用いて、伝熱フィン
表面に形成した境界層を次のオフセット・フィンで破断
することにより燃焼ガスと伝熱フィンの対流熱伝達を促
進する。
【００９７】熱回収部７は下部の蒸気過熱部や上部の蒸
発部とで熱交換し、蒸発や蒸気過熱に必要な熱を供給す
る。本実施の形態では、燃焼ガスの折返し部を６枚の平
板要素で構成したが、熱回収部の積層方向温度分布は、
下端の温度が適切な蒸気過熱温度に近い温度になるよう
に、かつ、上端の温度がシフト反応に適切な温度や蒸発
温度に近い温度になるように積層数および伝熱フィンの
形状を調整する。
【００９８】高温の燃焼ガスは熱回収部７に流れ、メタ
ノール・水の蒸気と熱交換し、液体原料の気化に有効に
使われる。熱回収部の構造は、平板要素の内部に伝熱フ
ィン２７を設けて積層したもので、燃焼ガスの高温排熱
は伝熱フィン２７を介して隣接する蒸発部や蒸気過熱部
に伝わる。
【００９９】熱回収部７を出た低温の燃焼ガスは、平板
要素内部の一辺に設けられたマニホールド２２を通り、
低温熱回収部を経て、上端板２３（図２、３参照）に取
り付けられた燃焼ガス排気管１５より排気する。本実施
の形態では、熱回収部７の折返し流路を６枚の平板要素
で積層したが、６枚に限定する必要はなく、熱回収量に
見合った枚数で良い。また、燃焼ガスと蒸気を有効に熱
交換するため、燃焼ガスの平板要素の間に交互に過熱蒸
気部あるいは蒸発部の平板要素を配置しても良い。
【０１００】実施の形態４．次にこの発明の実施の形態
７に係る「流路折返し式」の蒸気過熱部とシフト部の構
造を図１１に示す。図において、４ａはシフト部、３は
蒸気過熱部、３８はシフト触媒、２７は伝熱フィンであ
る。
【０１０１】本実施の形態では、上下２つのの過熱蒸気
流路で低温シフト部４ａの改質ガス流路を挟み、メタノ
ール＋水の蒸気と改質ガスの折返し流路を用いて熱交換
を行わせる。低温シフト部４ａは内部に伝熱フィン２７
を設けた平板要素から構成し、伝熱フィン２７の内側に
シフト触媒３８を充填する。シフト触媒としてＣｕ−Ｚ
ｎ系、Ｆｅ2Ｏ3−Ｃｒ2Ｏ3系、Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3触媒等を
使用し、改質ガス中の一酸化炭素とスチームをシフト反
応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）により二酸化炭素と水
素に変換する。
【０１０２】シフト反応に伴う発熱は伝熱フィン２７を
通って、上下の蒸気過熱部３に伝わり、蒸気の過熱に用
いる。低温シフト部４ａの適切な温度を設定するため、
積層数あるいは伝熱フィン２７の形状（ピッチ、フィン
厚さ）を調節する、または仕切板３０の材質をアルミニ
ウムとは熱伝導率の異なる材質に変える。これらの方法
で適切な温度に設定できない場合、例えば低温シフト部
４ａの温度が高すぎる場合は、上部の蒸気過熱部３を除
去して低温シフト部４ａを直接蒸発部に接触させる構成
にする。
【０１０３】低温シフト部４ａでは改質ガスが触媒層を
通過するにしたがってシフト反応が進行するように入口
から出口にかけて温度を低下させる。このような温度分
布を実現するため、改質ガスとメタノール・水の蒸気の
流れは図１１に示すように対向流とする。改質ガスは低
温（約２００℃）の蒸気と熱交換することにより、シフ
ト部の出口温度をシフト反応に適切な温度（２００〜２
５０℃）に設定する。
【０１０４】実施の形態５．次にこの発明の実施の形態
５に係る燃料改質装置の多層改質部の構成を図１２によ
り説明する。図において、４は折返し流路の多層改質部
であり、この多層改質部４は、図６に示す多層改質部４
と同様に触媒燃焼部（上）６ａ、触媒燃焼部（下）６
ｂ、メタノール＋水の蒸気供給マニホールド１８ｂ、伝
熱フィン２７、仕切板３０、改質触媒３３、３６は燃焼
触媒３６、改質ガス出口マニホールド１９ｂより構成さ
れている。図中、メタノール＋水の蒸気の流れを実線
で、改質ガスの流れを破線で示す。
【０１０５】本実施の形態の流路折返しの多層改質部４
は６層（上下二組）の平板要素より構成され、上下二組
の平板要素は対称形を成す。（メタノール＋水）の蒸気
を蒸気供給マニホールド１８ｂから多層改質部４の最上
層と最下層に供給し、改質ガスを積層方向に折り返して
多層改質部４の中央部二層から改質ガス出口マニホール
ド１９ｂに流す。このような構造により原料・改質ガス
の流れについても対称形を成す。燃焼触媒３６で発生し
た熱は、伝熱フィン２７、仕切板３０を介して改質触媒
３３に伝わる。
【０１０６】多層改質部４の最上層と最下層は触媒燃焼
部６ａ，６ｂに隣接し、多層改質部４の中では最も温度
が高い。高温の多層改質部４の最上下層でより多くの改
質反応を起こすことにより、触媒燃焼による発熱を改質
反応の吸熱に一層有効に利用することができる。また、
触媒燃焼部６ａ，６ｂから離れた低温の多層改質部４中
央部から改質ガスを出すことにより改質ガス中のＣＯ濃
度が低減する。
【０１０７】実施の形態６．次にこの発明の実施の形態
６に係る燃料改質装置の構成を図１３により説明する。
図１３は液体原料加熱部、ＣＯ酸化部、蒸発部の配置を
示す模式図である。図において、５は流路折返しを設け
た多層ＣＯ酸化部、２は蒸発部、１は液体原料加熱部で
ある。多層ＣＯ酸化部５は改質ガスの折返し流路を設け
た平板要素を積層して構成する。図中、実線は原料メタ
ノール・水の流れ、破線は改質ガスの流れを示す。シフ
ト部４ａを出た改質ガスにはＣＯ酸化用空気を導入す
る。
【０１０８】改質ガス中のＣＯ酸化にはＣＯ濃度に応じ
た適切な温度範囲があり、高濃度のＣＯ酸化には高い温
度が必要になる。また、数ｐｐｍ以下の低ＣＯ濃度を達
成するには、改質ガス中の水素と二酸化炭素が反応して
一酸化炭素と水が生成する逆シフト反応（Ｈ2＋ＣＯ2→
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ）を抑制するため、低い温度が必要にな
る。
【０１０９】従って、発明者らの試験によると、多層Ｃ
Ｏ酸化部５の温度分布はＣＯ濃度の高い入口部分を約２
４０℃、ＣＯ濃度の低い出口部分を約１１０℃に設定す
れば、数ｐｐｍ以下のＣＯ濃度を達成できる。また、多
層ＣＯ酸化部５の入口温度を２５０℃以上にすると、Ｃ
Ｏ酸化用の酸素のほとんどが水素の酸化に消費され、Ｃ
Ｏ酸化が行われなくなる。
【０１１０】本実施の形態では図１３に示すように多層
ＣＯ酸化部５の入口部分を蒸発部２と隣接して配置し、
出口部分を液体原料加熱部１と隣接して配置することに
より、多層ＣＯ酸化部５の温度分布をＣＯ酸化に適切な
温度範囲に設定する。また、多層ＣＯ酸化部５の入口部
分ではＣＯ酸化による発熱を蒸発に利用するとともに、
発熱による入口部分の温度上昇を２５０℃以下に抑え
る。
【０１１１】多層ＣＯ酸化部５の出口部分では改質ガス
と液体原料の熱交換により、改質ガスを燃料電池の動作
温度に近い温度（約１１０℃）まで下げるとともに、液
体原料を予熱する。このように、多層ＣＯ酸化部５に入
口が高温で出口が低温になるように積極的に温度分布を
つけることにより、高温の入口では反応速度を増加させ
て高いＣＯ濃度の酸化を促進し、低温の出口では逆シフ
ト反応によるＣＯ生成を抑制して改質ガス中のＣＯ濃度
を低減する。これより、温度分布をつけた多層ＣＯ酸化
部５は、等温のＣＯ酸化反応器に比べてより一層のＣＯ
濃度の低減が可能になる。
【０１１２】本実施の形態における流路折返し多層ＣＯ
酸化部５の断面構造を図１４に示す。図において、２５
はＣＯ酸化触媒、２７は伝熱フィンである。図中、実線
の矢印は改質ガスの流れを示す。図では改質ガスの流れ
を図示するため、一部のＣＯ酸化触媒と伝熱フィンだけ
を示し、他の部分を省略したが、有効反応部の全面と積
層方向の全ての平板要素にＣＯ酸化触媒２５と伝熱フィ
ン２７を設けている。
【０１１３】ＣＯ酸化触媒として、アルミナ担体の白
金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム等の触媒を用い
ることができる。図のように本実施の形態の多層ＣＯ酸
化部は積層方向に伝熱フィン２７を有し、伝熱フィン２
７の内側にＣＯ酸化触媒２５を充填した複数の折り返し
流路を積層して構成したので、ＣＯ酸化による発熱は伝
熱フィン２７を通って、隣接する蒸発板に伝わり蒸発に
必要な熱として利用されるとともに、積層数を調整する
ことによりＣＯ酸化に適切な温度分布をつけ、出口ＣＯ
濃度を許容レベル数ｐｐｍ以下にまで低減できる。
【０１１４】実施の形態７．次に、この発明の実施の形
態７に係る燃料改質装置の他の構成のＣＯ酸化部を図１
５の（ａ）により説明する。同図（ａ）は液体原料加熱
部、ＣＯ酸化部、熱良導体、熱絶縁体、蒸発部の配置を
示す模式図である。図において、５ａ，５ｂ，５ｃはＣ
Ｏ酸化部、２は蒸発部、１ａ，１ｂは液体原料加熱部、
４５は熱良導体（図中ハッチングで示す）、４６は熱絶
縁体である。図中、実線は液体原料であるメタノール・
水の流れ、破線は改質ガスの流れを示す。
【０１１５】本実施の形態では、ＣＯ酸化部５ａ，５
ｂ，５ｃの積層方向および流れ方向に温度分布をスムー
ズにつけるため、同図（ａ）に示すように多層化したＣ
Ｏ酸化部５ａ，５ｂ，５ｃの間に液体原料加熱部１ａ，
１ｂ、蒸発部２を配置し、熱交換を促進する境界面の改
質ガスと液体原料・蒸気の流れを対向流にする。
【０１１６】ＣＯ酸化部出口５ａでは改質ガスが液体原
料と熱交換し、燃料電池の動作温度に近い温度まで下げ
る必要がある。このため、熱交換を促進したい液体原料
加熱部１ａとＣＯ酸化部５ａの境界には熱良導体４５を
設ける。一方、一度熱交換して高温になった液体原料加
熱部１ｂがＣＯ酸化部５ａと熱交換を避けるため、液体
原料加熱部１ｂとＣＯ酸化部５ａの境界には熱絶縁体４
６を設ける。
【０１１７】予熱された液体原料加熱部１ｂはその直下
のＣＯ酸化部５ｂとの熱交換を促進するため、その境界
に熱良導体４５を設ける。このように、熱絶縁体４６と
熱良導体４５をＣＯ酸化部５ａと液体原料加熱部１ａの
境界で交互に配置することにより、熱を上から下に効率
良く移動させ、ＣＯ酸化部５の積層方向にスムーズな温
度分布をつける。
【０１１８】更に、流れ方向にも効率の良い熱交換を行
わせるため、熱交換を促進したい境界（熱良導体）で改
質ガスの流れを液体原料・蒸気の流れに対して対向流に
する。一方、熱交換を避けたい境界（熱絶縁体）で改質
ガスの流れを液体原料・蒸気の流れに対して並行流にす
る。なお、境界面に設ける熱良導体４５として、熱伝導
性の良いアルミニウムおよびアルミニウム合金、銅等の
仕切板を用いることができる。境界面に設ける熱絶縁体
４６としては、テフロンシート、ステンレスの仕切板、
金属表面に絶縁性に優れた樹脂をコーティングした部材
等を用いることができる。
【０１１９】同図（ｂ）に簡略化したＣＯ酸化部の構成
を示す。同図（ａ）の様に複雑にしなくてもＣＯ酸化部
を折り返し部２層で構成し、上下に液体原料加熱部蒸発
部を設けた簡略化した構成で、境界部に熱良導体４５と
熱絶縁体４６を設けることにより、ＣＯ酸化部の積層方
向にスムーズな目的の温度分布をつけることができる。
【０１２０】実施の形態８．次にこの発明の実施の形態
８に係る燃料改質装置に係るＣＯ酸化部５の空気導入方
法について説明する。図１６はＣＯ酸化用空気分散板を
設けたＣＯ酸化部の構成を示す模式図である。図におい
て、４８ａ〜４８ｃは改質ガス室、４８ａ〜４７ｃはＣ
Ｏ酸化用空気室、４９は分散板である。図中、実線はＣ
Ｏ酸化用空気の流れ、破線は改質ガスの流れを示す。
【０１２１】本実施の形態のＣＯ酸化部５は、改質ガス
が主に流れる改質ガス室４８ａ〜４８ｃ、ＣＯ酸化用空
気が主に流れるＣＯ酸化用空気室４７ａ〜４７ｃ、改質
ガスと空気が分散孔を通って相互に拡散する分散板４９
ａ〜４９ｃを複数積層して構成する。改質ガスをＣＯ酸
化部５の改質ガス室４８ａに導入し、空気をＣＯ酸化用
空気室４７ａに導入する。
【０１２２】改質ガスと空気は分散板４９ａを通って互
いに拡散・混合しながら、ＣＯ酸化部面内に分散供給
し、ＣＯ酸化触媒により改質ガス中のＣＯを酸化する。
改質ガスとＣＯ酸化用空気の流れを並行流とし、改質ガ
スの流れに沿ってＣＯ酸化用空気を供給し、ＣＯ濃度が
高いＣＯ酸化部入口で酸素濃度を高くする。改質ガスは
平板要素でなる改質ガス室４８ａの端部のマニホールド
で上方に流れ、改質ガス室４８ｂの入口では反転して改
質ガス室４８ａと逆方向に流れる。
【０１２３】空気は平板要素４７ａの端部で反転して、
上部に折り返し、分散板４９ｂを通って改質ガスと相互
に拡散・混合する。このように、ＣＯ酸化用空気は平板
要素の端部にて折り返し、分散板を介して改質ガスと隣
接する面にて、相互に拡散・混合することにより、改質
ガスの流れ方向に入口が高濃度で、出口が低濃度になる
酸素濃度の分布をもたせ、改質ガス中のＣＯを効率よく
酸化する。
【０１２４】本実施の形態は、改質ガス中にＣＯ酸化用
空気を分散供給する手段について説明するものである
が、ＣＯ酸化部５の温度分布との関連について以下に述
べる。実施の形態７で述べたようにＣＯ酸化部５には入
口が高温で出口が低温の温度分布をつけるのが望まし
い。
【０１２５】改質ガスがＣＯ酸化部５に入る前に全ての
空気を改質ガスと予混合し、ＣＯ酸化部５での空気の分
散供給を止めてしまうと、温度の高い入口部分でほとん
どの酸素が消費され、出口部分ではＣＯ酸化に必要な酸
素が欠乏し、改質ガス中の低ＣＯ濃度を達成することが
できなくなる。高温の入口部分で消費される酸素は、Ｃ
Ｏ酸化よりも水素酸化に多く消費され、水素損失の原因
にもなる。
【０１２６】従って、温度分布をつけたＣＯ酸化部５に
は、等温反応器以上にＣＯ酸化用空気を分散させ、低温
の出口部分にも確実にＣＯ酸化用空気（酸素）を供給す
る必要がある。流れ方向のＣＯ酸化用空気の流量分布
は、例えば、反応速度の温度依存性（アレニウス・プロ
ットの活性化エネルギー）により温度に応じた反応速度
に見合う空気流量を一定の空気比で供給する方法があ
る。
【０１２７】あるいは、低温の出口部分で触媒表面上に
酸素を確実に供給するため、ＣＯ濃度に対する空気比を
入口より出口で高く設定する方法もある。例えば、図１
７に示すようにＣＯ酸化部入口では５，０００ｐｐｍの
ＣＯ濃度に対して酸素濃度１０，０００ｐｐｍ（空気比
μ＝４）になるように設定し、かつ、ＣＯ酸化部出口近
くでは数ｐｐｍのＣＯ濃度に対して酸素濃度１００ｐｐ
ｍ程度（空気比μ＝１０以上）に設定する方法もある。
【０１２８】設定した流れ方向の空気流量分布は、分散
板に設ける分散孔の孔径を変化させることにより、比較
的容易に調節することができる。分散孔の孔径は、分散
板４９ａ〜４９ｅのＣＯ酸化部の入口から出口に向けて
小さくなるように分布をもたせる。分散孔の平面配置は
実施の形態１の触媒燃焼部の分散板の孔パターン（図８
参照）で示したようにＣＯ酸化触媒により分散孔が閉塞
されない配置とする。
【０１２９】このように、本実施の形態をＣＯ酸化部の
空気導入部に適用すれば、Ｂ．Ｐ．Ｓ社により提案され
た従来の二次空気分散手段に比べてシンプルな構造で、
しかも複雑な流量の制御を伴うことなく、ＣＯ酸化用空
気を確実に分散供給し、かつ、分散孔の調整により流れ
方向のＣＯ濃度に見合った適切な空気比を任意に設定す
ることができる。
【０１３０】実施の形態９．次に、この発明の実施の形
態９に係る燃料改質装置の蒸発部および面分割熱回収部
の構造を図１８により説明する。図１８は熱回収部の平
面内を蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収部に面分割し
た面分割熱回収部および蒸発部の構造を模式的に示す斜
視図である。図において、４１は面分割熱回収部、４２
は燃焼ガス熱回収部、４３は蒸発用触媒燃焼部、２９は
蒸発板、２９ａは蒸発面である。
【０１３１】図中、面分割熱回収部内部の実線の矢印は
触媒燃焼部に供給する空気の流れを示し、破線の矢印は
電池オフガスの流れを示す。一点鎖線の矢印は燃焼ガス
の流れを示し、ここには上流側の触媒燃焼部で発生した
燃焼ガスを流す。また、蒸発部の蒸発面２９ａの面上の
大きな矢印で蒸気の流れを示す。
【０１３２】本実施の形態の面分割熱回収部４１は図１
８に示すように面内を５分割し、面内の３／５を蒸発用
触媒燃焼部４３に、面内の残り２／５を燃焼ガス熱回収
部４２に割り当てた。蒸発用触媒燃焼部４３と燃焼ガス
熱回収部４２は内部に伝熱フィンを設けた平板要素で構
成し、分割した蒸発用触媒燃焼部４３と燃焼ガス熱回収
部４２の間にシール部分を設け、それぞれの燃焼ガスを
出口のマニホールドで合流させる。
【０１３３】燃焼ガス熱回収部４２には改質用触媒燃焼
部の燃焼ガスを流し、排熱を回収する。また、合流した
燃焼ガスは、これより下流の他の熱回収部に流れ、そこ
で低い温度の排熱が回収される。一方、液体原料を蒸発
部に供給し、蒸発面上で蒸発させる。液体原料の蒸発
は、液体の種類（水、メタノール、その他アルコール、
およびアルコール水溶液）により、蒸発に適した温度が
異なることが知られている。
【０１３４】したがって、本実施の形態における面分割
熱回収部４１は蒸発用触媒燃焼部４３と燃焼ガス熱回収
部４２の面積割合を液体原料の種類に応じて蒸発温度が
適切な温度になるように設定することができる。本実施
の形態では、平面内を５分割し、蒸発用触媒燃焼部４３
の面積割合を３／５にしているが、蒸発温度の低い液体
では蒸発用触媒燃焼部４３の面積割合を小さくし、蒸発
温度の高い液体では蒸発用触媒燃焼部４３の面積割合を
大きくすれば良い。
【０１３５】また、蒸発部の蒸気の流れと面分割熱回収
部４１の蒸発用触媒燃焼部４３と燃焼ガス熱回収部４２
の位置関係は、図１８に示すように蒸気の流れに沿って
蒸発用触媒燃焼部４３と燃焼ガス熱回収部４２が面上に
交互に現れるように配置する。これにより、燃焼ガス熱
回収部４２の蒸発面上で熱回収だけでは十分に蒸発しな
い液滴が蒸気の流れに沿って蒸発用触媒燃焼部４３の蒸
発面上に移動し、燃焼熱により確実な蒸発が行われる。
【０１３６】実施の形態１０．次に、この発明の実施の
形態１０に係る燃料改質装置の蒸発部、面分割熱回収部
及びＣＯ酸化部の構成を図１９により説明する。本実施
の形態は液体原料がメタノールの場合で、蒸発部をメタ
ノールと水を別個に蒸発させるように２段構成とする。
図１９は２段化した蒸発部（液体原料蒸発部、水蒸発
部）の直ぐ下に面分割熱回収部を設け、２段化した蒸発
部の間と各蒸発部の両側にＣＯ酸化部を３段化して設け
た構成を示す模式図である。図において、２ａはメタノ
ール（液体原料）蒸発部、４１ａはメタノール蒸発部２
ａの真下に設けた２段目面分割熱回収部、２ｂは水蒸発
部、４１ｂは水蒸発部２ｂの真下に設けた１段目面分割
熱回収部である。
【０１３７】図では近接する他の平板要素の配置も示
す。これら平板要素の積層順序としては、１は液体原料
加熱部、５ｃはＣＯ酸化部３段目、５ｂはＣＯ酸化部２
段目、５ａはＣＯ酸化部１段目、４ａはシフト部、３は
蒸気過熱部である。ＣＯ酸化部２段目５ｂはメタノール
（液体原料）蒸発部２ａと水蒸発部２ｂとの間に、そし
てＣＯ酸化部２段目５ｃはメタノール（液体原料）蒸発
部２ａの上方に、ＣＯ酸化部２段目５ａは１段目面分割
熱回収部４１ｂを介して水蒸発部２ｂの下方に積層され
ている。
【０１３８】以下、本実施の形態の動作について説明す
る。メタノールを水とは別個に液体原料加熱部１に供給
され、予熱後メタノール蒸発部２ａに導入される。そし
て、液体メタノールは、メタノール蒸発部２ａにおいて
平板内に分散供給し滴下させて、面内で均一な蒸発を行
わせる。メタノールの気化温度は６５℃であるが、発明
者らがメタノールの液滴を蒸発面上に滴下させ、液滴が
蒸発・消滅する時間を測定した結果、メタノールの蒸発
を短時間で終了させるには１００℃の温度が必要である
ことが分かった。
【０１３９】メタノール蒸発部２ａの温度を蒸発に適切
な温度に設定するため、蒸発に必要な熱を供給し、かつ
温度を設定する機能を持った平板要素が必要になる。本
実施の形態では、メタノール蒸発部２ａの直ぐ下に実施
の形態９で述べた２段目面分割熱回収部４１ａを設け、
蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収部の面積割合を調整
して、最適なメタノール蒸発温度を設定する。図では面
内を５分割し、蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収部を
２：３の割合で配分した。
【０１４０】また、燃焼ガス熱回収部の蒸発面上で十分
に蒸発しないメタノール液滴を蒸気の流れに沿って蒸発
用触媒燃焼部の蒸発面上に移動させ、蒸発が確実に行わ
れるように面内では燃焼ガス熱回収部と蒸発用触媒燃焼
部を交互に配置する。蒸発したメタノールは平板要素の
端部に設けた蒸気マニホールドを通って、蒸気過熱部３
に流れる。本実施の形態では、メタノール水蒸気改質に
必要な水をメタノールとは別個に水蒸発部２ｂに供給す
る。
【０１４１】燃料電池と連携したメタノール改質システ
ムでは、水は燃料電池の内部で生成されるので、システ
ムの外から供給する必要はなく、液体原料としてメタノ
ールだけをタンクに貯蔵することにより、タンクの容量
を小さくすることができる。電池で生成した水は、電池
の動作温度８０℃近くまで予熱されており、そのまま水
蒸発部２ｂに供給し、水の蒸発を行わせる。
【０１４２】水の気化温度は１００℃であるが、発明者
らが行った蒸発時間の測定によれば、１８０℃以上の温
度が必要であった。水蒸発部２ｂの温度を水の蒸発に適
切な温度に設定するため、メタノール蒸発部と同様に水
蒸発部２ｂの直ぐ下に１段目面分割熱回収部４１ｂを設
ける。図１９では、蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収
部の面積割合を３：２に配分し、２段目面分割熱回収部
４１ａに比べて蒸発用触媒燃焼部の面積割合を増加し
て、水の蒸発温度を１８０℃に設定する。
【０１４３】なお、蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収
部の分割数、面積割合は、本実施の形態に限定するもの
ではなく、安定した蒸発が得られるようにその割合を変
えても良い。面分割熱回収部の面内配置は、面内で蒸発
用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収部を交互に配置し、水蒸
気の流れに沿って燃焼ガス熱回収部と蒸発用触媒燃焼部
の蒸発面が交互に現れ、残った水滴を確実に蒸発するよ
うに配置する。蒸発した水蒸気は平板要素の端部に設け
た蒸気マニホールドでメタノール蒸気と混合し、蒸気過
熱部３へと導かれる。
【０１４４】本実施の形態のＣＯ酸化部５ａ〜５ｃは、
図１９に示すように３段構成とし、２段化した蒸発部２
ａ，２ｂの間、および蒸発部２ａ，２ｂの両側に設け
る。構成図の横には積層方向の温度分布を示す。蒸気過
熱部３との熱交換によりシフト部４ａの温度を２５０℃
に設定し、面分割熱回収部４１ｂ，４１ａを用いて水蒸
発部温度を１８０℃、メタノール蒸発部温度を１００℃
に設定する。
【０１４５】改質ガスはシフト部４ａからＣＯ酸化部１
段目５ａを通り、その温度分布は図に示すようにシフト
部温度と水蒸発部温度が所定の温度に設定されれば、２
５０〜１８０℃の温度に収まる。つぎに、改質ガスはＣ
Ｏ酸化部２段目５ｂを通る。ここの温度分布も水蒸発温
度とメタノール蒸発温度の間１８０〜１００℃の温度に
収まる。改質ガスはＣＯ酸化部３段目５ｃに流れ、ここ
の温度分布も１００℃〜６０℃程度の温度に収まる。
【０１４６】このように、本実施の形態の構成ではメタ
ノールと水の蒸発部の２段化により、２種類の液体（メ
タノールと水）の蒸発現象を利用した異なった２つの温
度レベルをＣＯ酸化の適切な温度範囲の中で設定可能に
なり、ＣＯ酸化部の全体の温度分布の中にＣＯ酸化に適
切な温度範囲を確実に収めることができる。さらに、負
荷変動などによりメタノール流量や改質ガス流量に変化
が生じた場合でも、熱容量が大きい２つの蒸発部がＣＯ
酸化部の内部に存在することによりＣＯ酸化部の安定し
た温度分布の設定が可能になる。
【０１４７】上記各実施の形態では、液体原料を水とア
ルコールで説明したが、液体原料を水と炭化水素にして
もよい。
【０１４８】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、液体原料加熱
部、ＣＯ酸化部、蒸発部、熱回収部、シフト部、蒸気過
熱部、改質部、触媒燃焼部の平板要素を一体化し、平板
要素の積層順序を決めて積層方向に沿って連続して滑ら
かな温度分布をつけることで、低温の液体原料、過熱蒸
気、燃焼用空気と、高温の改質ガス、燃焼ガスとを伝熱
フィンを介して有効に熱交換できると共に、各平板要素
の機能に適した積層方向温度分布を実現することができ
るという効果がある。
【０１４９】また、液体原料加熱部、ＣＯ酸化部、蒸発
部、熱回収部、シフト部、蒸気過熱部、改質部、触媒燃
焼部の平板要素を一体化しことにより、改質ガス、燃焼
ガスと液体原料の有効な熱交換が可能になり、外部の熱
交換器を不要にして、装置全体の大巾なコンパクト化を
達成することができ、更に、周囲にマニホールド、内部
に伝熱フィンを有した平板要素はプレス・打ち抜き加工
に適したアルミニウム等の合金製にできることで、加工
性、量産性に適した燃料改質装置を提供することができ
という効果がある。
【０１５０】請求項２の発明によれば、触媒燃焼部を複
数個に分割し、改質部と蒸気過熱部の間に挿入し、改質
部を触媒燃焼部の燃料室と接して積層したので、安定し
た蒸気の供給、安定した蒸気過熱を確実に行い、改質部
へ触媒燃焼部の熱を有効に伝達することができるという
効果がある。
【０１５１】請求項３の発明によれば、触媒燃焼部を複
数個に分割し、蒸発部とシフト部の間に挿入し、蒸発部
を触媒燃焼部の燃料室と接して積層したので、安定した
蒸気の供給、安定した蒸気過熱を確実に行い、蒸発部へ
触媒燃焼部の熱を有効に伝達することができるという効
果がある。
【０１５２】請求項４の発明によれば、熱回収部を複数
個に分割し、蒸発部とＣＯ酸化部の間に挿入し積層した
ので、安定した蒸気の供給を行うとともに、ＣＯ酸化部
の過冷却を避けてＣＯ酸化部を適切な温度に保つことが
できるという効果がある。
【０１５３】請求項５の発明によれば、熱回収部を複数
個に分割し、蒸発部とシフト部の間に挿入し積層したの
で、安定した蒸気の供給、安定した蒸気過熱を確実に行
い、蒸発部へ熱回収部部の熱を有効に伝達することがで
きるという効果がある。
【０１５４】請求項６の発明によれば、触媒燃焼部、改
質部、蒸気過熱部、熱回収部、シフト部、ＣＯ酸化部、
液体原料過熱部の平板要素を積層し、改質部あるいは改
質用触媒燃焼部を積層体の中央に設け、その他の平板要
素を改質部あるいは改質用触媒燃焼部の上層、下層に一
対ずつ対称形に配置し、積層体の各側面に断熱材を設け
たので、上下面あるいは側面からの放熱ロスを少なくす
ることができるという効果がある。
【０１５５】請求項７の発明によれば、熱回収部、ＣＯ
酸化部および改質部を改質・燃焼ガスの流れに沿って折
返し流路を設けた平板要素を複数積層して構成したの
で、伝熱および反応のために有効な面積を拡大すること
ができるため、燃焼ガス排熱の有効利用が可能にでき、
且つ、反応に必要かつ十分な触媒量を確保し反応率を向
上させることができるという効果がある。
【０１５６】また、折り返し流路を設けた改質部では、
高温の触媒燃焼部に隣接する改質部の両端部に最初にメ
タノール＋水蒸気を流すことにより、高温部分で多くの
改質反応を生じさせ、触媒燃焼による発熱を改質反応の
吸熱に一層有効に利用することができる共に、低温の改
質部中央部から改質ガスを流出することにより改質ガス
中のＣＯ濃度を低減することができるという効果があ
る。
【０１５７】請求項８の発明によれば、ＣＯ酸化部に入
口が高温で出口が低温になる温度分布をつけることによ
り、高温の入口では反応速度を増加させてＣＯの酸化を
促進し、また低温の出口では逆シフト反応によるＣＯ生
成を抑えて一層の低ＣＯ濃度化を達成することができる
という効果がある。
【０１５８】また、改質ガスと液体原料の境界面には流
れに応じて熱の良導体および絶縁体を設け、一度熱交換
して高温になった液体原料が再び、改質ガスと熱交換し
て改質ガスが温度上昇するのを阻止することができるた
め、改質ガスの熱交換を促進させてＣＯ酸化部に有効に
温度分布をつけることができるという効果がある。
【０１５９】請求項９の発明によれば、ＣＯ酸化用空気
の流れ方向流量分布を制御するため、ＣＯ酸化部の内部
に多数の分散孔を配列した空気分散板を設け、積層方向
に空気と改質ガスの相互拡散を行わせ、積層方向のガス
通過量分布を分散孔の形状と分散孔に至る流体流路の抵
抗により制御ことで、ＣＯ酸化部流れ方向の全域に渡っ
てＣＯ酸化に必要な空気を確実に供給し、改質ガス中の
ＣＯ濃度を燃料電池の許容レベルまで低減することがで
きるという効果がある。
【０１６０】請求項１０の発明によれば、平面内を蒸発
用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収部に面分割して構成した
ので、燃焼ガスの排熱を液体原料の蒸発に有効に利用で
きるという効果がある。また、蒸発面上の蒸気の流れに
沿って蒸発用触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収部が面上に交
互に現れるように配置したので、液体原料を安定して確
実に蒸発できるという効果がある。また、上流の触媒燃
焼部の燃焼ガスをまとめて燃焼ガス熱回収部に供給する
ことで有効な熱回収を行うことができるという効果があ
る。
【０１６１】請求項１１の発明によれば、面分割熱回収
部における蒸発用触媒燃焼部と燃焼用ガス回収部の面積
割合を変えて液体原料に応じた蒸発温度を設定すること
で、液体原料の種類に応じた適切な蒸発温度を設定する
ことができるという効果がある。
【０１６２】請求項１２の発明によれば、蒸発部を液体
原料と水の２段構成としたので、各々適切な蒸発温度を
設定でき、液体原料と水の蒸発を安定して行わせること
ができる。また、ＣＯ酸化部を３段構成にし、２段の蒸
発部の間とその両側にＣＯ酸化部を設けることにより、
ＣＯ酸化部全体の温度分布の中にＣＯ酸化に適切な温度
範囲を確実に設定し、負荷変動などにより流量に急激な
変化が生じた場合でも、熱容量の大きい２つの蒸発部が
ＣＯ酸化部の内部に存在するためＣＯ酸化部の安定した
温度分布の設定が可能になり、且つ、低ＣＯ濃度の改質
ガスを安定して燃料電池に供給することができるという
効果がある。
【０１６３】請求項１３の発明によれば、燃焼ガス回収
部に対する蒸発用触媒燃焼部の面積割合を蒸発温度の低
い液体原料蒸発部の近接部分で小さくし、蒸発温度の高
い水蒸発部の近接部分では大きくしたことで、それぞれ
の液体に適切な蒸発温度を設定できるという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１による燃料改質装置の
基本的構成を示す構成図と積層方向の温度分布を示す図
である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る燃料改質装置の
上端板を上から見た平面図である。
【図３】 本発明の実施の形態１による燃料改質装置の
上端板を示す断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態１に係る液体原料加熱部
とＣＯ酸化部（出口部分）の平板要素の構造を示す斜視
図である。
【図５】 本発明の実施の形態１に係る蒸発部の構造を
示す斜視図である。
【図６】 本発明の実施の形態１に係る改質部の構造と
改質ガスの流れを示す模式図である。
【図７】 本発明の実施の形態４に係る触媒燃焼部の構
造とオフガス、空気、燃焼ガスの流れを示す模式図であ
る。
【図８】 本発明の実施の形態１に係る触媒燃焼部の分
散板の形状を示す図である。
【図９】 本発明の実施の形態２に係る燃料改質装置の
上下対称配置を示す模式図である。
【図１０】 本発明の実施の形態３による燃焼ガス熱回
収部の構造を示す断面図である。
【図１１】 本発明の実施の形態４によるシフト部の構
造を示す断面図である。
【図１２】 本発明の実施の形態５による折返し改質部
の構造と改質ガスの流れを示す断面図である。
【図１３】 本発明の実施の形態６による液体原料・蒸
気および改質ガスの流れを示す模式図である。
【図１４】 本発明の実施の形態６によるＣＯ酸化部の
構造を示す断面図である。
【図１５】 本発明の実施の形態７によるＣＯ酸化部の
熱良導体と熱絶縁体の配置、および熱の流れを示す模式
図である。
【図１６】 本発明の実施の形態８によるＣＯ酸化部の
空気導入方法、およびＣＯ酸化用空気および改質ガスの
流れを示す模式図である。
【図１７】 本発明の実施の形態８によるＣＯ酸化部流
れ方向のＣＯ濃度分布および酸素濃度分布を示す図であ
る。
【図１８】 本発明の実施の形態９による面分割熱回収
部、蒸発部の構造と空気、オフガス、燃焼ガスおよび蒸
気の流れを示す斜視図である。
【図１９】 本発明の実施の形態１０による２段化蒸発
部と３段化ＣＯ酸化部の配置および積層方向温度分布を
示す模式図である。
【図２０】 従来のモジュール等温反応器、モジュール
熱回収装置を示すシステム構成図である。
【図２１】 従来のモジュール等温反応器の断面図で
ある。
【図２２】 従来のモジュール等温反応器の伝熱流体
流路の断面図である。
【図２３】 従来のモジュール等温反応器の積層方向組
立図である。
【図２４】 従来の選択性酸化反応器の組み立てた状
態での横断面図である。
【図２５】 従来の選択性酸化反応器の触媒床の長さに
沿った改質ガス中のＣＯ濃度を示す。
【図２６】 従来のメタノール改質器の構造を示す模式
図である。
【符号の説明】
１ 液体原料加熱板、２ 蒸発部、２ａ 液体原料蒸発
部、２ｂ 水蒸発部、３ 蒸気過熱部、４ 改質部、６
触媒燃焼部、４ａ シフト部、５ ＣＯ酸化部、７
熱回収部、１８ａ，１９ａ，２０，２１，２２ 給気・
排気マニホールド、２７ 伝熱フィン、２５ ＣＯ酸化
触媒、３６ 燃焼触媒、３８ シフト触媒、３３ 改質
触媒、３９ 分散孔、４１ 面分割熱回収部、４２ 燃
焼ガス熱回収部、４３ 蒸発用触媒燃焼部、４５ 熱良
導体、４６ 熱絶縁体、４７ ＣＯ酸化用空気室、４８
改質ガス室、４９ ＣＯ酸化用空気分散板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 椙本 照男 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 佐藤 稔 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水とアルコール或いは炭化水素からなる
    液体原料を加熱する液体原料加熱部、 加熱した液体原料を蒸発させて改質原料ガスを生成する
    蒸発部、 この改質原料ガスを蒸発温度から改質温度までに過熱す
    る蒸気過熱部、 過熱した改質原料ガスから水素リッチの改質ガスを改質
    触媒により生成する改質部、 触媒燃焼により改質熱を上記改質部に、蒸発熱を蒸発部
    および蒸気過熱部に供給する触媒燃焼部、 上記改質部で生成された改質ガス中のＣＯをシフト触媒
    により低減するシフト部、 このシフト部を出た改質ガス中のＣＯを触媒の酸化によ
    り低減するＣＯ酸化部、 上記触媒燃焼による高温の燃焼ガスによる排熱を上記蒸
    気過熱部および蒸発部の熱源とする熱回収部の各要素
    を、周囲に給気・排気を行うマニホールド、内部に伝熱
    フィンを有した軽合金製の平板状の平板要素に形成し、
    これら平板要素を高温側から低温側へ触媒燃焼部、改質
    部、蒸気過熱部、熱回収部、シフト部、蒸発部、ＣＯ酸
    化部、液体原料加熱部の順序で互いに近接させて積層し
    て一体化構造にすることを特徴とする燃料改質装置。
  2. 【請求項２】 上記触媒燃焼部を複数個に分割して改質
    部と蒸気過熱部との間に挿入し、上記触媒燃焼部の燃料
    部と改質部を接して積層することを特徴とする請求項１
    に記載の燃料改質装置。
  3. 【請求項３】 上記触媒燃焼部を複数個に分割してシフ
    ト部と蒸発部との間に挿入し、上記触媒燃焼部の燃料部
    と蒸発部を接して積層することを特徴とする請求項１ま
    たは２に記載の燃料改質装置。
  4. 【請求項４】 上記熱回収部を複数個に分割して蒸発部
    とＣＯ酸化部との間に挿入し、上記熱回収部と蒸発部を
    接して積層したことを特徴とする請求項１ないし３のい
    ずれかに記載の燃料改質装置
  5. 【請求項５】 上記熱回収部を複数個に分割して蒸発部
    とシフト部との間に挿入し、上記熱回収部と蒸発部を接
    して積層したことを特徴とする請求項１ないし４のいず
    れかに記載の燃料改質装置
  6. 【請求項６】 上記触媒燃焼部、改質部、蒸気過熱部、
    熱回収部、シフト部、蒸発部、ＣＯ酸化部、液体原料加
    熱部の平板要素を積層する際、上記改質部および触媒燃
    焼部の少なくとも１つを積層体の中央に設け、その他の
    平板要素を上記改質部あるいは触媒燃焼部の上層、下層
    に対称に配置することを特徴とする請求項１ないし５の
    いずれかに記載の燃料改質装置。
  7. 【請求項７】 上記ＣＯ酸化部、改質部、シフト部のそ
    れぞれは、内部に固定した伝熱フィンの内側にＣＯ酸化
    触媒、改質触媒、あるいはシフト触媒を充填した平板要
    素で構成し、上記熱回収部および蒸気過熱部は伝熱フィ
    ンのみで燃焼ガスおよび蒸気の流路を形成した平板要素
    で構成し、上記各伝熱フィンの内側に燃焼ガス、液体原
    料の蒸気、あるいは改質ガス等の流体を流通させたとき
    に上記平板要素の端部で上記流体の流れが反転するよう
    に上記平板要素の積層方向に流体の折返し流路を１回以
    上設けて上記各平板要素を複数積層したことを特徴とす
    る請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料改質装置。
  8. 【請求項８】 上記ＣＯ酸化部を１回またはそれ以上の
    折り返し流路を設けた平板要素とすると共に、改質ガス
    が流入する上記ＣＯ酸化部の入口の平板要素に接して蒸
    発部、上記改質ガスが流出する上記ＣＯ酸化部の出口の
    平板要素に接して液体原料加熱部、上記改質ガスと液体
    原料・蒸気の流れが対向流となる境界面には熱良導体、
    上記改質ガスと液体原料・蒸気の流れが並行流となる境
    界面には熱絶縁体を設け、上記ＣＯ酸化部の積層方向お
    よび上記改質ガスと液体原料・蒸気の流れ方向に入口部
    分が高温で出口部分が低温となる温度分布をつけること
    を特徴とする請求項７に記載の燃料改質装置。
  9. 【請求項９】 上記ＣＯ酸化部は、改質ガス室とＣＯ酸
    化用空気室の折返し流路を交互に複数積層して改質ガス
    とＣＯ酸化用空気の流れを並行流とすると共に、上記改
    質ガス室とＣＯ酸化用空気室の平板要素の間に多数の分
    散孔を配列したＣＯ酸化用空気分散板を設けて積層方向
    の空気流量分布を分散孔の形状と分散孔に至る流体流路
    の流路抵抗により制御して、ＣＯ酸化部の流れ方向に沿
    ったＣＯ濃度分布に応じてＣＯ酸化用空気を分散供給す
    ることを特徴とする請求項７に記載の燃料改質装置。
  10. 【請求項１０】 熱回収部の平面内を蒸発用触媒燃焼部
    と燃焼ガス熱回収部に面分割して構成した面分割熱回収
    部を蒸発部の上、あるいは下に近接して設け、上記蒸発
    部の蒸発面上の蒸気の流れに沿って上記蒸発用触媒燃焼
    部と燃焼ガス熱回収部を面上に交互に配置したことを特
    徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
  11. 【請求項１１】 上記面分割熱回収部における蒸発用触
    媒燃焼部と燃焼ガス熱回収部の面積割合を変えて液体原
    料に応じた蒸発温度を設定することを特徴とする請求項
    １０に記載の燃料改質装置。
  12. 【請求項１２】 蒸発部を２段化して液体原料蒸発部と
    水蒸発部を構成すると共に、熱回収部の平面内を蒸発用
    触媒燃焼部と燃焼ガス熱回収部に割して面分割熱回収部
    を形成し、且つこの面分割熱回収部に上記液体原料蒸発
    部と水蒸発部をそれぞれに近接して設け、また上記液体
    原料蒸発部と水蒸発部との間およびこの液体原料蒸発部
    と水蒸発部の外側にそれぞれＣＯ酸化部を積層したこと
    を特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料改質装
    置。
  13. 【請求項１３】 上記燃焼ガス熱回収部に対する蒸発用
    触媒燃焼部の面積割合を蒸発温度の低い液体原料蒸発部
    の近接部分では小さくし、蒸発温度の高い水蒸発部の近
    接部分では大きくしたことを特徴とする請求項１２に記
    載の燃料改質装置。
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