(57)【要約】【課題】部分酸化改質触媒と水蒸気改質触媒との間の熱伝導効率を向上し、部分酸化改質反応の発熱を有効に利用する改質器を提供する。【解決手段】改質器１００は、炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子Ｃ１と、第１触媒粒子とは異なる成分から成り原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子Ｃ２と、が互いに物理的に接触して充填される触媒充填室１１０と、原燃料と水とを加熱して気化させ、気化させた原燃料と水とを酸素とともに触媒充填室１１０に導入する蒸発部１２０と、触媒充填室１１０において部分酸化改質反応または水蒸気改質反応により生成された水素を少なくとも含む改質燃料を送出する改質燃料送出口１３０と、を備える。【選択図】図１
2010189217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子と、前記第１触媒粒子とは異なる成分から成り前記原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子と、が互いに物理的に接触して充填された触媒充填室と、
前記原燃料と水とを加熱して気化させ、気化させた前記原燃料と前記水とを酸素とともに前記触媒充填室に導入する蒸発部と、
前記触媒充填室において前記部分酸化改質反応または前記水蒸気改質反応により生成された、水素を少なくとも含む改質燃料を送出する改質燃料送出口と、
を備えることを特徴とする改質器。
【請求項２】
請求項１に記載の改質器において、
前記第１触媒粒子と前記第２触媒粒子とが混合状態で前記触媒充填室に充填されていることを特徴とする改質器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の改質器において、
前記蒸発部は、前記触媒充填室内で前記部分酸化改質反応により発熱された熱が前記蒸発部に伝達して、前記原燃料と前記水とを加熱して気化させることを特徴とする改質器。
【請求項４】
請求項３に記載の改質器において、
前記蒸発部は、良熱伝導性の隔壁を隔てて前記触媒充填室と隣接していることを特徴する改質器。
【請求項５】
請求項４に記載の改質器において、
前記蒸発部は、その内部に前記触媒充填室を内包していることを特徴とする改質器。
【請求項６】
請求項５に記載の改質器において、
前記触媒充填室は、円筒状の第１隔壁に囲まれる空間から形成され、
前記蒸発部は、前記第１隔壁を外側から囲う円筒状の第２隔壁と前記第１隔壁とに囲まれる空間から形成されることを特徴とする改質器。
【請求項７】
請求項６に記載の改質器において、
前記第２隔壁は、前記原燃料、前記水または前記酸素が前記第２隔壁の内壁に沿って前記蒸発部に流入する流入口が設けられることを特徴とする改質器。
【請求項８】
請求項７に記載の改質器において、
前記第２隔壁は複数の前記流入口が設けられ、前記第２隔壁の内壁に沿って、隣接する前記流入口間の距離が等間隔であることを特徴とする改質器。
【請求項９】
請求項３乃至８のいずれかに記載の改質器において、
前記蒸発部の外部を被覆する断熱材をさらに有することを特徴とする改質器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の改質器において、
前記蒸発部に供給するための前記原燃料と前記酸素と前記水をそれぞれ常温で貯蔵する燃料貯蔵部を備えることを特徴とする改質器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の改質器において、
前記燃料貯蔵部は、前記蒸発部の内圧より高い貯蔵圧において前記原燃料と前記酸素と前記水を貯蔵し、前記貯蔵圧により前記原燃料と前記酸素と前記水とを前記蒸発部に供給することを特徴とする改質器。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の改質器において、
前記蒸発部は、重力方向において下方から前記原燃料と前記水とを供給されることを特徴とする改質器。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の改質器において、
前記第１触媒粒子は、アルミナを成分に含み、
前記第２触媒粒子は、銅、亜鉛、クロムまたはニッケルのうち少なくとも一種を成分に含むことを特徴とする改質器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の改質器において、
前記第２触媒粒子は、さらに白金を成分に含むことを特徴とする改質器。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の改質器において、
前記蒸発部を加熱するヒータ部と、
前記ヒータ部に加熱されて前記蒸発部の内部温度が前記原燃料の気化温度以上の所定温度を超えるとき、前記ヒータ部による前記蒸発部への加熱を抑制する制御部と、
を備えることを特徴とする改質器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の改質器において、
前記蒸発部に供給する前記原燃料、前記水および前記酸素の供給流量を調節する調節弁を備え、
前記制御部は前記調節弁による前記供給流量を制御して、
前記第１触媒粒子および第２触媒粒子の温度が部分酸化改質反応の安定作動温度以下であるとき、前記原燃料および前記酸素を前記蒸発部に供給させて、
前記第１触媒粒子および第２触媒粒子の温度が部分酸化改質反応の安定作動温度を超えているとき、前記原燃料、前記水および前記酸素を前記蒸発部に供給させること特徴とする改質器。
【請求項１７】
炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子と、前記第１触媒粒子とは異なる成分から成り前記原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子と、が互いに物理的に接触して充填される触媒充填室に、気化された前記原燃料と水とを、酸素とともに導入し、前記部分酸化改質反応により生じる熱を前記第１触媒粒子から前記第２触媒粒子に直接伝達して前記水蒸気改質反応を活性化し、前記原燃料を改質して水素を少なくとも含む改質燃料を生成するオートサーマル改質ステップと、
前記オートサーマル改質ステップにおいて生成された前記改質燃料を送出する改質燃料送出ステップと、
を備えることを特徴とする改質方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の改質方法において、
前記第１触媒粒子と前記第２触媒粒子とが混合状態で前記触媒充填室に充填されていることを特徴とする改質方法。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載の改質方法において、
前記オートサーマル改質ステップにおいて前記部分酸化改質反応により発熱される熱量が、当該オートサーマル改質ステップにおいて前記水蒸気改質反応により吸熱される熱量より大きいことを特徴とする改質方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の改質方法において、
前記オートサーマル改質ステップにおいて前記部分酸化改質反応が開始した後、当該部分酸化改質反応により発熱された熱を用いて前記原燃料と前記水とを加熱して気化させる蒸発ステップを備え、
前記オートサーマル改質ステップは、前記蒸発ステップにおいて気化された前記原燃料と前記水とを用いることを特徴とする改質方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の改質方法において、
前記オートサーマル改質ステップにおいて部分酸化改質反応により発熱される熱量が、当該オートサーマル改質ステップにおいて水蒸気改質反応により吸熱される熱量と、当該部分酸化改質反応が開始した後に蒸発ステップにおいて必要とされる熱量と、の総和より大きいことを特徴とする改質方法。
【請求項２２】
請求項１７乃至２１のいずれかに記載の改質方法において、
前記第１触媒粒子および第２触媒粒子の温度が前記部分酸化改質反応の安定作動温度以下であるとき、前記触媒充填室に前記原燃料および前記酸素を導入して、前記部分酸化改質反応により前記原燃料を改質して前記改質燃料を生成する部分酸化改質ステップを備えることを特徴とする改質方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の改質方法において、
前記オートサーマル改質ステップは、前記第１触媒粒子および第２触媒粒子の温度が部分酸化改質反応の安定作動温度を超えているとき、前記触媒充填室に前記原燃料、前記水および前記酸素を導入して、前記部分酸化改質反応および前記水蒸気改質反応により前記原燃料を改質して前記改質燃料を生成すること特徴とする改質方法。
【請求項２４】
請求項１７乃至２３のいずれかに記載の改質方法において、
前記第１触媒粒子は、アルミナを成分に含み、
前記第２触媒粒子は、銅、亜鉛、クロムまたはニッケルのうち少なくとも一種の成分を含むことを特徴とする改質方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の改質器において、
前記第２触媒粒子は、さらに白金を成分に含み、
前記触媒充填室において、水性ガスシフト反応により改質燃料中の一酸化炭素および前記水から二酸化炭素と水素を生成することを特徴とする改質方法。
【請求項２６】
炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子と、前記第１触媒粒子とは異なる成分から成り前記原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子と、が互いに物理的に接触して充填された触媒充填室と、
前記原燃料と水とを加熱して気化させ、気化させた前記原燃料と前記水とを酸素とともに前記触媒充填室に導入する蒸発部と、
前記触媒充填室において前記部分酸化改質反応または前記水蒸気改質反応により生成された、水素を少なくとも含む改質燃料を送出する改質燃料送出口と、
を含む改質器と、
前記改質器から送出された前記改質燃料を燃料として発電する燃料電池と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器および改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタノールやメタン、プロパン等の炭化水素系の燃料から水素ガスを生成する製造方法は「改質」と呼ばれ、また改質する装置は「改質器」と呼ばれる。
【０００３】
改質の方法は、大別して三つの方法がある。一つは、燃料に水蒸気を反応させて水素を得る水蒸気改質法である。水蒸気改質法は燃料から水素へ改質する効率が比較的良いという利点があるが、吸熱反応のため反応を継続するためには熱を与えなくてはならないという欠点がある。一つは、燃料に酸素を反応させて水素を得る部分酸化改質法である。部分酸化改質法は発熱反応のため一度反応が始まれば、燃料と酸素の供給が絶えるまで反応を続けるというメリットがあるが、燃料から水素へ改質する効率が比較的悪いという欠点がある。一つは、上述した水蒸気改質法および部分酸化改質法を併用して行うオートサーマル改質法（自己熱改質法）である。オートサーマル改質法は、水蒸気改質法および部分酸化改質法それぞれの利点と欠点とを互いに補うことができる。
【０００４】
特許文献１に記載のオートサーマル改質法を用いた改質器は、次のような特徴を有する。部分酸化改質触媒またはオートサーマル改質触媒（部分酸化改質と水蒸気改質の両方の特性を備える触媒）からなる層を内部に備える改質管であって、この改質管は、閉じられた一端が内管と外管とが連通する二重管構造をなし、内管から燃料、酸素および水蒸気を供給し、外管から水素ガスを排出する。これにより、改質管入口（内管）の発熱を改質管出口（外管）に伝達することで、改質管入口の高温化および改質管出口の低温化を抑制し、原料スリップ発生や水素ガスの水素濃度低下を防ぐことができる。
【０００５】
非特許文献１に記載のオートサーマル改質法を用いた改質器は、次のような特徴を有する。ハニカム状のセラミック担体の表面上にウォッシュコート法により白金（オートサーマル改質触媒）と酸化亜鉛とアルミナからなる担体に銅を担持した触媒（水蒸気改質触媒）を付着させた触媒層を反応槽の中に有する。そして、触媒層の出口の温度に基づいて反応槽内の温度を制御することができる。また、反応槽内への燃料流量、空気（酸素）流量および水蒸気流量も調節することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０６３０６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Rong-Fang Horng，Huann-Ming Chou, Chiou-Hwang Lee,Hsien-Te Tsai, Characteristics of hydrogen produced by partial oxidation and auto-thermal reforming in a small methanol reformer, Journal of Power Sources, 161(2006), pp.1225-1233
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら上記文献に記載の技術は、以下の改善の余地を有していた。特許文献１には、外管にはオートサーマル改質触媒を充填し、内管には外管に充填した触媒より水蒸気改質活性が低い触媒を充填することで、内管の触媒から外管の触媒へ熱を伝導する事例が挙げられている。この技術において、内管の触媒から外管の触媒への熱伝導媒体は主に改質管の隔壁と思われるが、この場合は隔壁に接触していない触媒間の熱伝導は不十分である。
【０００９】
非特許文献１に記載の触媒層は、ハニカム状セラミック担体の表面上にオートサーマル改質触媒と水蒸気改質触媒が分散されて付着されている。上述のような付着では、オートサーマル改質触媒と水蒸気改質触媒と間で直接の熱伝導はほとんどなされず、熱伝導のほとんどは担体を介してなされる。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、炭化水素系の燃料を用いたオートサーマル改質において、部分酸化改質触媒と水蒸気改質触媒との間の熱伝導効率を向上し、部分酸化改質反応の発熱を有効に利用する改質器および改質方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子と、前記第１触媒粒子とは異なる成分から成り前記原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子と、が互いに物理的に接触して充填された触媒充填室と、前記原燃料と水とを加熱して気化させ、気化させた前記原燃料と前記水とを酸素とともに前記触媒充填室に導入する蒸発部と、前記触媒充填室において前記部分酸化改質反応または前記水蒸気改質反応により生成された、水素を少なくとも含む改質燃料を送出する改質燃料送出口と、を備えることを特徴とする改質器が提供される。
【００１２】
また、本発明によれば、炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子と、前記第１触媒粒子とは異なる成分から成り前記原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子と、が互いに物理的に接触して充填される触媒充填室に、気化された前記原燃料と水とを、酸素とともに導入し、前記部分酸化改質反応により生じる熱を前記第１触媒粒子から前記第２触媒粒子に直接伝達して前記水蒸気改質反応を行い、前記原燃料を改質して水素を少なくとも含む改質燃料を生成するオートサーマル改質ステップと、前記オートサーマル改質ステップにおいて生成された前記改質燃料を送出する改質燃料送出ステップと、を備えることを特徴とする改質方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
上記発明によれば、触媒収容室の内部に、部分酸化改質触媒の粒子と水蒸気改質触媒の粒子とが、互い物理的に接触して充填されるので、各触媒粒子の接点から熱伝導が行われる。これにより、部分酸化改質触媒と水蒸気改質触媒との間の熱伝導効率がよくなり、部分酸化改質反応の発熱の損失を減少させることができる。
【００１４】
本発明によれば、炭化水素系の燃料を用いたオートサーマル改質において、部分酸化改質触媒と水蒸気改質触媒との間の熱伝導効率を向上し、部分酸化改質反応の発熱を有効に利用する改質器および改質方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態の改質器の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の改質方法のフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態の改質器の構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の改質方法のフローチャートである。
【図５】本発明の第３の実施形態の改質器を備える燃料電池システムの構成図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の改質器に含まれる蒸発部および触媒充填室の上面図、正面図および断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
〔第１の実施形態〕
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態の改質器１００の構成図である。本実施形態の改質器１００は、炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子Ｃ１と、第１触媒粒子とは異なる成分から成り原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子Ｃ２と、が互いに物理的に接触して充填された触媒充填室１１０を備える。また、改質器１００は、原燃料と水とを加熱して気化させ、気化させた原燃料と水とを酸素とともに触媒充填室１１０に導入する蒸発部１２０を備える。さらに、改質器１００は、触媒充填室１１０において部分酸化改質反応または水蒸気改質反応により生成された、水素を少なくとも含む改質燃料を送出する改質燃料送出口１３０を備える。
【００１８】
触媒充填室１１０は、その内部で第１触媒粒子Ｃ１からなる層と第２触媒粒子Ｃ２からなる層とが分離して、一方の層の下面と他方の層の上面に位置する第１触媒粒子Ｃ１と第２触媒粒子Ｃ２とが互いに物理的に接触して充填されていてもよい。ただし、第１触媒粒子Ｃ１と第２触媒粒子Ｃ２とが混合状態で触媒充填室１１０に充填されている方がより好ましい。前者の充填方法と比べて後者の充填方法が、第１触媒粒子Ｃ１と第２触媒粒子Ｃ２との接触点が増えるので、互いの熱伝導効率が良くなり、改質器１００の転化率が向上する。
【００１９】
触媒充填室１１０に充填される、第１触媒粒子Ｃ１および第２触媒粒子Ｃ２の形状は粒状であればいずれでもよく、球状やペレット状であってもよい。
【００２０】
第１触媒粒子Ｃ１および第２触媒粒子Ｃ２は、相対的に前者が部分酸化改質活性が高い触媒であって、また相対的に後者が水蒸気改質活性が高い触媒であればよい。
【００２１】
例えば、第１触媒粒子Ｃ１は、アルミナを成分に含んでもよい。また、第１触媒粒子Ｃ１は、アルミナを担体としてルテニウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、白金、鉄またはコバルトのうち少なくとも一種の成分を担持してもよい。
【００２２】
また、第２触媒粒子Ｃ２は銅、亜鉛、クロムまたはニッケルのうち少なくとも一種を成分に含んでもよい。特に、第２触媒粒子Ｃ２が銅を担持する銅系触媒の場合、その担体はアルミナ、シリカ、ゼオライト等比表面積が大きなものを用いるのが好ましいとともに、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化セリウム等助触媒的なものを用いるのも好ましい。これにより、水蒸気改質反応をより起こし易くすることができる。
【００２３】
また、第２触媒粒子Ｃ２は、上述に記載の成分の少なくとも一種に加えて白金を成分に含んでもよい。これにより、触媒充填室１１０において、水性ガスシフト反応により改質燃料中の一酸化炭素および水から二酸化炭素と水素を生成することができる。これにより、改質器１００の転化率が向上する。
【００２４】
本実施形態の蒸発部１２０は上段と下段に分かれる。蒸発部１２０の下段内部は多孔質板１２１を内包している。また、蒸発部１２０の上段内部はステンレス球１２２を充填している。さらに、蒸発部１２０の上下段は、その周囲にヒータ部１２３を設けており、ヒータ部１２３は蒸発部１２０を加熱する。さらに、蒸発部１２０は、触媒充填室１１０に導入する混合ガス（原燃料と水と空気）の温度を計測する蒸発温度計１２４をその上段の上部に設ける。
【００２５】
蒸発部１２０は、その下段の下部に設ける下段流入口１２５から原燃料と水とが供給される。蒸発部１２０は、下部（重力方向において下方）から原燃料と水とを供給される構造とすることが好ましい。これにより、原燃料と水とが液化した場合、蒸発部１２０の下部に落ちて再度ヒータ部１２３により加熱されて気化する。これにより、上部で液化した原燃料と水とを再び気化して利用することができる。
【００２６】
本実施形態において原燃料はメタノールを用いる。そして、蒸発部１２０は下段において原燃料と水とを加熱して気化させる。多孔質板１２１は表面積が大きく、液体状態の原燃料および水との接触点が多い。これにより、液体状態の原燃料および水への伝達効率がよくなる。
【００２７】
蒸発部１２０は上段と下段の境目に設ける上段流入口１２６から空気（酸素）が供給される。
【００２８】
蒸発部１２０は、気化された原燃料と水と空気とを、その上段において混合する。蒸発部１２０の上段に充填されるステンレス球１２２は、その間を原燃料と水と空気とを通すことで、それぞれを撹拌する役割を果たす。また、ステンレス球１２２は、ヒータ部１２３から発熱される熱を原燃料と水と空気とに効率良く伝達する役割も果たす。
【００２９】
蒸発部１２０で気化されて混合された混合ガス（原燃料と水と空気）は、ヒータ部１２３の加熱等で生じる対流により触媒充填室１１０に導入される。触媒充填室１１０は、蒸発部１２０から導入された混合ガスが、触媒充填室１１０の内部に充填した第１触媒粒子Ｃ１および第２触媒粒子Ｃ２に接触して部分酸化改質反応または水蒸気改質反応が活性化することにより、原燃料を改質して改質燃料を生成する。部分酸化改質反応および水蒸気改質反応の反応式は以下（反応式１）のように表すことができる。
【００３０】
【化１】
2010189217.tif 000003
【００３１】
また、触媒充填室１１０は断熱材１１２で被覆される。本実施形態において、断熱材１１２で被覆するとは、触媒充填室１１０の外壁の全部を断熱材１１２で被覆することも含んでもよく、断熱材１１２の一部に穴が空いており、触媒充填室１１０の外壁の大部分が被覆されていることも含んでもよい。触媒充填室１１０を断熱材１１２で被覆することにより、改質器１００は、触媒充填室１１０の内部温度を保持することができる。
【００３２】
さらに、触媒充填室１１０は、その内部温度を計測する触媒温度計１１１を有する。
【００３３】
触媒充填室１１０において生成された改質燃料は、改質燃料送出口１３０から送出される。改質燃料送出口１３０から送出された改質燃料は、他装置に利用されてもよいし、圧縮処理または液化処理等を行い貯蔵してもよい。
【００３４】
図２は、本実施形態の改質方法のフローチャートである。本実施形態の改質方法は、炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子Ｃ１と、第１触媒粒子Ｃ１とは異なる成分から成り原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子Ｃ２と、が互いに物理的に接触して充填された触媒充填室１１０に、気化された原燃料と水とを、酸素とともに導入し、部分酸化改質反応により生じる熱を第１触媒粒子から第２触媒粒子に直接伝達して水蒸気改質反応を活性化し、水素を少なくとも含む改質燃料を生成するオートサーマル改質ステップ（ステップＳ１０３）を備える。さらに、この改質方法は、オートサーマル改質ステップ（ステップＳ１０３）において生成された改質燃料を送出する改質燃料送出ステップ（ステップＳ１０４）を備える。
【００３５】
ここで、オートサーマル改質ステップ（ステップＳ１０３）において部分酸化改質反応により発熱される熱量が、当該オートサーマル改質ステップ（ステップＳ１０３）において水蒸気改質反応により吸熱される熱量より大きければ、蒸発ステップ（ステップＳ１０２）において部分酸化改質反応による発熱のみで水蒸気改質反応に要する熱量を供給することも可能となる。
【００３６】
また、この改質方法は、オートサーマル改質ステップ（ステップＳ１０３）に用いられる原燃料と水と空気（酸素）を供給する原燃料供給ステップ（ステップＳ１０１）と、原燃料供給ステップ（ステップＳ１０１）において供給される原燃料と水とを加熱して気化させる蒸発ステップ（ステップＳ１０２）と、を備える。
【００３７】
なお、この改質方法は、原燃料供給を停止しない（ステップＳ１０５のＮＯ）間は、部分酸化改質反応または水蒸気改質反応のいずれかが継続する。これは、触媒充填室１１０の内部温度（触媒温度計１１１の計測温度）と触媒充填室１１０に導入される原燃料等の温度（蒸発温度計１２４の計測温度）が理想的に制御され、原燃料等が触媒充填室１１０に適当な温度で供給されることを前提としている。
【００３８】
当然、原燃料供給を停止するとき（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、この改質方法のフローは終了する。
【００３９】
本実施形態の効果を説明する。まず、第１触媒粒子Ｃ１で発熱された熱が互いの接点を通じて直接第２触媒粒子Ｃ２に伝達されるので、触媒粒子間に何かを介して熱伝達するよりも効率をよくすることができる。また、触媒充填室１１０に触媒粒子を充填することにより、各触媒粒子は互いの接点を三次元のいずれの方向にも有することができる。よって、担体の表面に付着させた触媒よりも、互いの接点を多くすることが可能であり、より熱伝達効率を向上することができる。すなわち、第１触媒粒子Ｃ１における部分酸化改質反応による発熱を、第２触媒粒子Ｃ２における水蒸気改質反応に有効利用し、その損失量を減少させることができる。
【００４０】
また、第１触媒粒子Ｃ１と第２触媒粒子Ｃ２との熱伝達効率を向上することにより、全体の改質反応（オートサーマル改質反応）における転化率の向上を図ることができる。
【００４１】
さらに、第１触媒粒子Ｃ１と第２触媒粒子Ｃ２とが同室内に充填され、互いの熱伝達用の付帯設備を設ける必要がないので、装置の簡素化および小型化を図ることができる。
〔第２の実施形態〕
【００４２】
図３は、本発明の第２の実施形態の改質器２００の構成図である。本実施形態の改質器２００に備えられる触媒充填室２１０、蒸発部２２０および改質燃料送出口２３０は、それぞれ第１の実施形態の触媒充填室１１０、蒸発部１２０および改質燃料送出口１３０と同様の構成を含んでいる。さらに、触媒充填室２１０は、第１の実施形態の触媒温度計１１１、断熱材１１２と同様の触媒温度計２１１、断熱材２１２を有している。そして、蒸発部２２０は、第１の実施形態の多孔質板１２１、ステンレス球１２２、ヒータ部１２３、蒸発温度計１２４、下段流入口１２５および上段流入口１２６と同様の多孔質板２２１、ステンレス球２２２、ヒータ部２２３、蒸発温度計２２４、下段流入口２２５および上段流入口２２６を有している。
【００４３】
また、改質器２００は、蒸発部２２０に供給するための原燃料を少なくとも貯蔵する原燃料貯蔵部２４０と、蒸発部２２０に供給するための水を少なくとも貯蔵する水貯蔵部２５０と、蒸発部２２０に供給するための酸素を少なくとも貯蔵する酸素貯蔵部２６０と、を備える。なお、原燃料貯蔵部２４０、水貯蔵部２５０および酸素貯蔵部２６０は、それぞれ原燃料、水、酸素以外の成分を含んでもよく、圧縮貯蔵方式や液化貯蔵方式等のいずれの貯蔵方式を用いてもよい。
【００４４】
さらに、改質器２００は、蒸発部２２０に供給する原燃料、水および酸素の供給流量を調節する調節弁２４１、２５１、２６１を備える。そして、触媒温度計２１１の計測温度または蒸発温度計２２４の計測温度に基づいてヒータ部２２３または調節弁２４１、２５１、２６１を制御する制御部２７０を備える。なお、制御部２７０はヒータ部２２３を制御することにより、ヒータ部２２３から蒸発部２２０への加熱量を変化させることができる。また、制御部２７０は調節弁２４１、２５１、２６１を制御することにより蒸発部２２０に供給される原燃料、水および酸素の供給流量を個別に制御することができる。
【００４５】
制御部２７０は、蒸発部２２０の内部温度（蒸発温度計２２４の計測温度）が原燃料の気化温度以上の所定温度Ｔ１に達するまで、ヒータ部２２３により蒸発部２２０を加熱する。そして、制御部２７０は、蒸発部２２０の内部温度が所定温度Ｔ１を超えるとき、ヒータ部２２３による蒸発部２２０への加熱を抑制する。ここで、ヒータ部２２３による蒸発部２２０への加熱を抑制するとは、ヒータ部２２３による加熱を停止することを含んでもよい。
【００４６】
また、制御部２７０は調節弁２４１、２５１、２６１による供給流量を制御して、第１触媒粒子Ｃ１および第２触媒粒子Ｃ２の温度（触媒温度計２１１の計測温度）が部分酸化改質反応の安定作動温度Ｔ２以下であるとき、原燃料および酸素を蒸発部２２０に供給させる。そして、制御部２７０は調節弁２４１、２５１、２６１による供給流量を制御して、第１触媒粒子Ｃ１および第２触媒粒子Ｃ２の温度が部分酸化改質反応の安定作動温度Ｔ２を超えたとき、原燃料、水および酸素を蒸発部２２０に供給させる。ここで、安定作動温度Ｔ２とは部分酸化改質反応が安定的に作動する温度を意味する。すなわち、改質器２００は、触媒充填室２１０内において部分酸化改質反応が安定的に作動するまでは、触媒充填室２１０に原燃料と酸素とが導入されるので部分酸化改質反応のみで原燃料の改質が行われる。さらに、改質器２００は、触媒充填室２１０内において部分酸化改質反応が安定的に作動した後には、触媒充填室２１０に原燃料と水と酸素とが導入されるので部分酸化改質反応および水蒸気改質反応を併用して原燃料の改質が行われる。
【００４７】
図４は、本発明の第２の実施形態の改質方法のフローチャートである。本実施形態の改質方法は、原燃料と空気とが供給される原燃料供給ステップ（ステップＳ２０１）と、原燃料を加熱して気化させる蒸発ステップ（ステップＳ２０２）と、を備える。
【００４８】
そして、この改質方法は、蒸発ステップ（ステップＳ２０２）において加熱された原燃料の温度（図３の蒸発温度計２２４の計測温度）が原燃料の気化温度以上の所定温度Ｔ１になるまで（ステップＳ２０３のＮＯ）、図３のヒータ部２２３により原燃料を加熱しながら、原燃料供給ステップ（ステップＳ２０１）と蒸発ステップ（ステップＳ２０２）とを繰り返す。
【００４９】
また、この改質方法は、加熱された原燃料の温度が所定温度Ｔ１を超えて（ステップＳ２０３のＹＥＳ）、第１触媒粒子Ｃ１および第２触媒粒子Ｃ２の温度（図３の触媒温度計２１１の計測温度）が部分酸化改質反応の安定作動温度Ｔ２以下であるとき（ステップＳ２０４のＮＯ）、触媒充填室２１０に原燃料および酸素を導入して、部分酸化改質反応により原燃料を改質して改質燃料を生成する部分酸化改質ステップ（ステップＳ２０５）を備える。また、この改質方法は、部分酸化改質ステップ（ステップＳ２０５）に移行するとともに、図３のヒータ部２２３による加熱を抑制する（ステップＳ２０６）。
【００５０】
さらに、第１触媒粒子Ｃ１および第２触媒粒子Ｃ２の温度が部分酸化改質反応の安定作動温度Ｔ２を超えているとき（ステップＳ２０４のＹＥＳ）、原燃料および酸素に加えて、さらに水を供給する（ステップＳ２０７）。供給された水は、部分酸化改質反応による発熱または図３のヒータ部２２３により加熱されて気化される。そして、この改質方法は、第１触媒粒子Ｃ１および第２触媒粒子Ｃ２の温度が部分酸化改質反応の安定作動温度Ｔ２を超えているとき、触媒充填室２１０に原燃料、水および酸素を導入して、部分酸化改質反応および水蒸気改質反応により原燃料を改質して改質燃料を生成するオートサーマル改質ステップ（ステップＳ２０８）に移行する。
【００５１】
さらに、この改質方法は、部分酸化改質ステップ（ステップＳ２０５）またはオートサーマル改質ステップ（ステップＳ２０８）において生成された改質燃料を送出する改質燃料送出ステップ（ステップＳ２０９）を備える。
【００５２】
なお、この改質方法は、原燃料供給を停止しない（ステップＳ２１０のＮＯ）間は、部分酸化改質反応または水蒸気改質反応のいずれかが継続する。そして、原燃料供給を停止するとき（ステップＳ２１０のＹＥＳ）、この改質方法のフローは終了する。
【００５３】
本実施形態の効果を説明する。まず、本実施形態のヒータ部２２３は、加熱された原燃料の温度（図３の蒸発温度計２２４の計測温度）が原燃料の気化温度Ｔ１を超えたとき、原燃料の加熱を抑制するので、部分酸化改質反応が開始した後は、ヒータ部２２３が消費する全体のエネルギー量が減少する。例えば、ヒータ部２２３が電力により稼動する場合、消費電力が減少する。また、ヒータ部２２３が改質器２００が生成する水素を燃焼して稼動する場合、水素の消費量が減少する。
【００５４】
また、本実施形態は部分酸化改質反応が安定するまで、水を供給しないので、部分酸化改質反応からオートサーマル改質反応への移行を安定させることができる。
〔第３の実施形態〕
【００５５】
図５は、本発明の第３の実施形態の改質器３００を備える燃料電池システム１０００の構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０００は、改質器３００とともに改質器３００から送出された改質燃料を燃料として発電する燃料電池４００を備える。本実施形態の改質器３００は、炭化水素系の原燃料の部分酸化改質反応に用いられる第１触媒粒子Ｃ１と、第１触媒粒子とは異なる成分から成り原燃料の水蒸気改質反応に用いられる第２触媒粒子Ｃ２と、が互いに物理的に接触して充填される触媒充填室３１０を含む。また、改質器３００は、原燃料と水とを加熱して気化させ、気化させた原燃料と水とを酸素とともに触媒充填室３１０に導入する蒸発部３２０を含む。さらに、改質器３００は、触媒充填室３１０において部分酸化改質反応または水蒸気改質反応により生成された、水素を少なくとも含む改質燃料を送出する改質燃料送出口３３０を含む。
【００５６】
なお、触媒充填室３１０および蒸発部３２０は一体となっている。そして、触媒充填室３１０および蒸発部３２０は、その周囲に触媒充填室３１０およびを加熱するヒータ部３２１を有する。
【００５７】
さらに、改質器３００は、改質燃料送出口３３０から送出された改質燃料から水素以外の成分を除去する分離膜部３４１、３４２を備える。分離膜部３４１、３４２に用いられる分離膜３４３、３４４にはパラジウム銀の金属膜等が適している。これにより、改質器３００は、燃料電池４００により水素純度の高い改質燃料を送出することができる。
【００５８】
さらに、蒸発部３２０（触媒充填室３１０）は、その外部を断熱材３６０で被覆される。断熱材３６０は、改質燃料送出口３３０および分離膜部３４１、３４２の周囲も被覆する。
【００５９】
さらに、改質器３００は、蒸発部３２０に供給するための原燃料と酸素と水を常温で貯蔵する燃料貯蔵部３５０を備える。この燃料貯蔵部３５０は、蒸発部３２０の内圧より高い貯蔵圧において原燃料と酸素と水を貯蔵し、当該貯蔵圧により原燃料と酸素と水とを蒸発部３２０に供給する。この場合、蒸発部３２０は、燃料貯蔵部３５０の内圧に押し出された原燃料と酸素と水とを供給される。
【００６０】
さらに、蒸発部３２０は、重力方向において下方から原燃料と水とを供給される。改質反応終了後、液化して蒸発部３２０の下部に落ちた原燃料と水とを再び気化して利用することができる。
【００６１】
図６は、本発明の第３の実施形態の改質器３００に含まれる蒸発部３２０および触媒充填室３１０の上面図、正面図および断面図である。図６（Ａ）が上面図、図６（Ｂ）が正面図、図６（Ｃ）がＣ―Ｃの断面図、図６（Ｄ）がＤ−Ｄの断面図である。本実施形態の蒸発部３２０は、触媒充填室３１０内で部分酸化改質反応により発熱された熱が蒸発部３２０に伝達して、原燃料と水とを加熱して気化させるため、以下のような特徴を有する。
【００６２】
蒸発部３２０は、良熱伝導性の隔壁を隔てて触媒充填室３１０と隣接している。ここで、良熱伝導性の素材の例としては、アルミニウムや銅等の金属や窒化アルミニウム等のセラミック等が挙げられる。また、蒸発部３２０が隔壁を隔てて触媒充填室３１０と隣接しているとは、蒸発部３２０と触媒充填室３１０とが共通の隔壁を有していることを意味している。
【００６３】
さらに、蒸発部３２０は、その内部に触媒充填室３１０を内包している。ここで内包とは、図６に示すとおり、触媒充填室３１０の一部が蒸発部３２０の外側に出ていてもよい。
【００６４】
上記の触媒充填室３１０と蒸発部３２０の構造をより詳細に説明する。触媒充填室３１０は、円筒状の第１隔壁３１１に囲まれる空間から形成され、蒸発部３２０は、第１隔壁３１１を外側から囲う円筒状の第２隔壁３２２と第１隔壁３１１とに囲まれる空間から形成される。
【００６５】
また、第２隔壁３２２は、原燃料、水または酸素が第２隔壁３２２の内壁に沿って蒸発部３２０に流入する流入口３２４、３２５が設けられる。流入口３２４、３２５は、それぞれ第２隔壁３２２の内壁に沿って延在する管路に接続されてもよい。これにより、蒸発部３２０内で内壁に沿って対流が起こる。
【００６６】
第２隔壁３２２に複数の流入口３２４、３２５が設けらる場合、第２隔壁３２２の内壁に沿って、隣接する流入口３２４、３２５間の距離が等間隔であることが望ましい。これにより、気化した原燃料等が混合する。流入口３２４、３２５は局所的に設けるより、等間隔で設けた方が対流の動きがよくなる。
【００６７】
さらに、第１隔壁３１１の下段には、第１の改質燃料送出口３３１と第２の改質燃料送出口３３２とが設けられる。触媒充填室３１０において生成された改質燃料は、蒸発部３２０内で起こった対流によって、第１の改質燃料送出口３３１と第２の改質燃料送出口３３２とから送出される。
【００６８】
図７は、本実施形態の燃料電池システム１０００の動作手順を示すフローチャートである。この燃料電池システム１０００の動作手順は、常温で貯蔵された原燃料と水とを供給する原燃料供給ステップ（ステップＳ３０１）を備える。ここで、原燃料供給ステップ（ステップＳ３０１）は、蒸発部３２０の内圧より高い圧力で貯蔵された原燃料と水とを、当該内圧で押し出して蒸発部３２０に供給する。
【００６９】
また、この燃料電池システム１０００の動作手順は、（ステップＳ３０１）において、蒸発部３２０に供給された原燃料と水とを加熱して気化させる蒸発ステップ（ステップＳ３０２）を備える。さらに、蒸発ステップ（ステップＳ３０２）において気化された原燃料と水とを、酸素とともに導入して原燃料を改質し、水素を少なくとも含む改質燃料を生成するオートサーマル改質ステップ（ステップＳ３０３）を備える。
【００７０】
ここで、蒸発ステップ（ステップＳ３０２）は、オートサーマル改質ステップ（ステップＳ３０３）において部分酸化改質反応が開始した後、当該部分酸化改質反応により発熱された熱を用いて原燃料と水とを加熱して気化させることができる。
【００７１】
さらに、オートサーマル改質ステップ（ステップＳ３０３）において部分酸化改質反応により発熱される熱量が、当該オートサーマル改質ステップ（ステップＳ３０３）において水蒸気改質反応により吸熱される熱量と、当該部分酸化改質反応が開始した後に蒸発ステップ蒸発ステップ（ステップＳ３０２）において必要とされる熱量と、の総和より大きければ、部分酸化改質反応が開始した後にヒータ部３２１による蒸発部３２０の加熱を停止することも可能である。
【００７２】
さらに、この燃料電池システム１０００の動作手順は、改質燃料から水素以外の成分を除去する除去ステップ（ステップＳ３０４）と、除去ステップ（ステップＳ３０４）において水素以外の成分を除去された改質燃料を燃料電池に送出する改質燃料送出ステップ（ステップＳ３０５）と、を備える。
【００７３】
さらに、この燃料電池システム１０００の動作手順は、改質燃料送出ステップ（ステップＳ３０５）において送出された水素を用いて発電する発電ステップ（ステップＳ３０６）を備える。
【００７４】
なお、この燃料電池システム１０００の動作手順も、原燃料供給を停止しない（ステップＳ３０７のＮＯ）間は、部分酸化改質反応または水蒸気改質反応のいずれかが継続する。そして、原燃料供給を停止するとき（ステップＳ３０７のＹＥＳ）、この燃料電池システム１０００の動作手順は終了する。
【００７５】
ここで、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の改質器３００は、部分酸化改質反応により発熱された熱を用いて蒸発部３２０を加熱するので、部分酸化改質反応により生じた熱により原燃料や水を気化することができる。これにより、ヒータ部３２１の消費エネルギー量が減少する。
【００７６】
また、蒸発部３２０および触媒充填室３１０の内部温度を断熱材３６０で保持することができるので、蒸発部３２０および触媒充填室３１０に供給する熱量を減少させることができる。
【００７７】
原燃料、水および空気を改質器３００の内部に常温で貯蔵するので、改質器３００の設置場所は利用者の任意とすることができる。
【００７８】
また、蒸発部３２０の内圧より高い圧力で貯蔵された原燃料と水とを、当該内圧で押し出して蒸発部３２０に供給するので、ポンプ設備を必要としない。これにより、改質器３００の小型化を図ることができる。
【００７９】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００８０】
例えば、本発明の実施形態において、原燃料はメタノールとしたが、炭化水素系の燃料であればいずれでもよい。例えば、原燃料はエタノールまたはジメチルエーテル等でもよい。
【００８１】
また、第３の実施形態において、改質器３００と燃料電池４００とから構成される燃料電池システムについて説明したが、本発明の改質器の使用用途は燃料電池に限定されるものではない。
【００８２】
さらに、本発明の実施形態において、原燃料と水と酸素は、原燃料貯蔵部等から供給されるように説明したが、これに限らなくてもよい。例えば、原燃料、水または酸素の少なくとも一つは蒸発部１２０（２２０、３２０）に予め封入されているものを利用してもよい。
【００８３】
さらに、第３の実施形態の改質器３００は、第２の実施形態において説明した制御部２７０と同様の制御が実行可能な制御部（図示せず）を備えてもよい。このとき、蒸発部３２０または触媒充填室３１０は、その内部温度を計測する温度計を有してもよい。
【００８４】
なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一つの構成要素として形成されていること、一つの構成要素が複数の構成要素で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。
【００８５】
また、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各構成要素の機能などを具体的に説明したが、その機能などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１００    改質器
１１０    触媒充填室
１１１    触媒温度計
１１２    断熱材
１２０    蒸発部
１２１    多孔質板
１２２    ステンレス球
１２３    ヒータ部
１２４    蒸発温度計
１２５    下段流入口
１２６    上段流入口
１３０    改質燃料送出口
２００    改質器
２１０    触媒充填室
２１１    触媒温度計
２１２    断熱材
２２０    蒸発部
２２１    多孔質板
２２２    ステンレス球
２２３    ヒータ部
２２４    蒸発温度計
２２５    下段流入口
２２６    上段流入口
２３０    改質燃料送出口
２４０    原燃料貯蔵部
２４１    調節弁
２５０    水貯蔵部
２５１    調節弁
２６０    酸素貯蔵部
２６１    調節弁
２７０    制御部
３００    改質器
３１０    触媒充填室
３１１    第１隔壁
３２０    蒸発部
３２１    ヒータ部
３２２    第２隔壁
３２４    流入口
３２５    流入口
３３０    改質燃料送出口
３３１    第１の改質燃料送出口
３３２    第２の改質燃料送出口
３４１    分離膜部
３４２    分離膜部
３４３    分離膜
３４４    分離膜
３５０    燃料貯蔵部
３６０    断熱材
４００    燃料電池
１０００  燃料電池システム
【図１】
2010189217.tif 000004
【図２】
2010189217.tif 000005
【図３】
2010189217.tif 000006
【図４】
2010189217.tif 000007
【図５】
2010189217.tif 000008
【図６】
2010189217.tif 000009
【図７】
2010189217.tif 000010