(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノール、空気、水を複数の触媒部にそれぞれ供給して当該各触媒部で反応させることにより、当該各触媒部から水素含有ガスをそれぞれ生じさせる燃料改質器において、
前記各触媒部に前記メタノール、前記空気、前記水を直接供給するマニホールドを備えると共に、
前記マニホールドに送給する前記メタノールを気化するメタノール気化手段と、
前記マニホールドに送給する前記水を気化する水気化手段と
を備え、
前記マニホールドが、
前記メタノールを前記各触媒部にそれぞれ等分配して送給するメタノール分配板と、
前記空気を前記各触媒部にそれぞれ等分配して送給する空気分配板と、
前記水を前記各触媒部にそれぞれ等分配して送給する水分配板と
を備えていることを特徴とする燃料改質器。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料改質器において、
前記メタノールと前記空気とを前記触媒部に供給して反応させて当該触媒部が所定の温度以上になった後に前記水を前記触媒部に供給して反応させる
ことを特徴とする燃料改質器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料改質器において、
前記マニホールドが前記各触媒部で生じた前記水素含有ガスをまとめて外部へ送出する
ことを特徴とする燃料改質器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料改質器において、
前記マニホールドが前記各触媒部で生じた前記水素含有ガスと当該各触媒部に供給する前記メタノールとの間で熱交換を行う
ことを特徴とする燃料改質器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料改質器が燃料電池本体に接続されている
ことを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールを空気や水と反応させて水素含有ガスを生じさせる燃料改質器およびこれを利用した燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスとを電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池装置では、メタノールを空気や水と反応させて水素含有ガスを生じさせる燃料改質器が用いられている。この燃料改質器は、メタノールと空気や水とが複数の触媒部にそれぞれ供給され、当該触媒部で下記に示すような化学反応により生じた水素含有ガスを燃料ガスとして燃料電池本体に送給することができるようになっている。
【０００３】
【化１】
ＣＨ３  ＯＨ  ＋  １／２  Ｏ２    →  ２Ｈ２    ＋  ＣＯ２  （発熱反応）  （１）
ＣＨ３  ＯＨ  ＋  Ｈ２  Ｏ    →  ３Ｈ２    ＋  ＣＯ２  （吸熱反応）  （２）
【０００４】
つまり、メタノールと空気（酸素）とは発熱反応し、メタノールと水とは吸熱反応するため、空気や水の触媒部への送給量を調整することにより、触媒部を所定の温度範囲内に保持して、水素含有ガスの生成反応の安定化を図るようにしているのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような燃料改質器では、メタノールや空気や水などの各触媒部への送給量を均一にすると共に、送給したこれらが十分に混合されていないと、上記反応に伴う吸発熱量が各触媒部ごとに異なって、各触媒部の温度がバラついてしまうため、上記反応が不安定になって、水素含有ガスを安定して送給することが困難となってしまう。このため、前述したような燃料改質器を用いた燃料電池装置では、安定して電力を得ることが困難となってしまう。
【０００６】
このようなことから、本発明は、各触媒部への送給量の均一化および十分な混合化、すなわち、各触媒部の温度の均一化を容易に図ることができる燃料改質器および安定して発電することができる燃料電池装置を提供することを目的とした。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による燃料改質器は、メタノール、空気、水を複数の触媒部にそれぞれ供給して当該各触媒部で反応させることにより、当該各触媒部から水素含有ガスをそれぞれ生じさせる燃料改質器において、前記各触媒部に前記メタノール、前記空気、前記水を直接供給するマニホールドを備えると共に、前記マニホールドに送給する前記メタノールを気化するメタノール気化手段と、前記マニホールドに送給する前記水を気化する水気化手段とを備え、前記マニホールドが、前記メタノールを前記各触媒部にそれぞれ等分配して送給するメタノール分配板と、前記空気を前記各触媒部にそれぞれ等分配して送給する空気分配板と、前記水を前記各触媒部にそれぞれ等分配して送給する水分配板とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
上述の燃料改質器において、前記メタノールと前記空気とを前記触媒部に供給して反応させて当該触媒部が所定の温度以上になった後に前記水を前記触媒部に供給して反応させることを特徴とする。
【００１０】
上述の燃料改質器において、前記マニホールドが前記各触媒部で生じた前記水素含有ガスをまとめて外部へ送出することを特徴とする。
【００１１】
上述の燃料改質器において、前記マニホールドが前記各触媒部で生じた前記水素含有ガスと当該各触媒部に供給する前記メタノールとの間で熱交換を行うことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による燃料電池装置は、上述の燃料改質器が燃料電池本体に接続されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料改質器およびこれを利用した燃料電池装置の実施の形態を図１，２を用いて説明する。なお、図１は、その燃料電池装置の燃料ガス（水素）送給系統部分の概略構成図、図２は、図１の要部の抽出拡大図である。
【００１４】
図１に示すように、空気１０１を送給するコンプレッサ１の取入口には、エアフィルタ２が連結されている。コンプレッサ１の送出口は、空気１０１の流量を調整する流量調整器３の受入口に連結されている。流量調整器３の送出口には、空気受給管４の一端が連結されている。
【００１５】
図１に示すように、水１０２を貯蔵するタンク５に連結されたポンプ６の送出口は、インジェクタ７の受入口に連結されている。インジェクタ７の送出口は、水１０２をグロープラグ８ａにより気化する水気化手段である水気化装置８の受入口に連結されている。水気化装置８の送出口には、水受給管９の一端が連結されている。
【００１６】
図１に示すように、メタノール１０３を貯蔵するタンク１０に連結されたポンプ１１の送出口は、インジェクタ１２の受入口に連結されている。インジェクタ１２の送出口は、メタノール１０３をグロープラグ１３ａにより気化するメタノール気化手段であるメタノール気化装置１３の受入口に連結されている。メタノール気化装置１３の送出口には、メタノール受給管１４の一端が連結されている。
【００１７】
図１，２に示すように、前記空気受給管４の他端は、Ｔ字型管継手１５の対向する組の一方の接続口１５ａに連結されている。このＴ字型管継手１５の対向する組の他方の接続口１５ｂには、空気供給管１６の一端が連結されている。一方、前記水受給管９の他端は、上記Ｔ字型管継手１５の残りの接続口１５ｃから上記接続口１５ｂを介して上記空気供給管１６の内部の他端側に位置しており、当該水受給管９の外周面と当該Ｔ字型管継手１５の上記接続口１５ｃとの間は密閉されている。つまり、水受給管９は、Ｔ字型管継手１５を介して空気供給管１６の内部に挿入されて、当該空気供給管１６と二重管構造を形成しているのである。
【００１８】
一方、図２に示すように、前述した（１），（２）式に基づいて前記空気１０１、水１０２、メタノール１０３から水素含有ガス１０４を発生させる複数の触媒部１９は、上記空気１０１、水１０２、メタノール１０３を当該各触媒部１９にそれぞれ等分配して直接供給すると共に当該各触媒部１９で生じた上記水素含有ガス１０４を外部にまとめて送出するマニホールド本体２０に連結されている。
【００１９】
上記マニホールド本体２０は、前記空気供給管１６の他端が連結されて当該空気供給管１６からの空気１０１を等分配する空気分配板２１と、前記水受給管９の他端が連結されて当該水受給管９からの水１０２を等分配する水分配板２２と、前記メタノール受給管１４の他端が連結されて当該メタノール受給管１４からのメタノール１０３を等分配すると共に各触媒部１９で生じた水素含有ガス１０４を水素送給管１８にまとめて送出するメタノール分配板２３とを備えてなり、上記空気分配板２１と上記メタノール分配板２３とで上記水分配板２２を挟むようにこれら分配板２１〜２３が配列されてボルト２０ａで固定されている。上記分配板２１〜２３は、その構造が次のようになっている。
【００２０】
空気分配板２１は、前記空気供給管１６の他端が空気受入孔２１ａに連結され、当該空気受入孔２１ａからの空気１０１を前記触媒部１９にそれぞれ分配する複数の接続孔２１ｃに空気流路２１ｂを介して送給することができるようになっている。
【００２１】
水分配板２２は、上記空気分配板２１を貫通する前記水受給管９の他端が水受入孔２２ａに連結され、当該水受入孔２２ａからの水１０２を前記触媒部１９にそれぞれ分配する複数の接続孔２２ｃに水流路２２ｂを介して送給することができるようになっている。
【００２２】
メタノール分配板２３は、メタノール受入孔２３ａに前記メタノール受給管１４の他端が連結され、当該メタノール受入孔２３ａからのメタノール１０３を前記触媒部１９にそれぞれ分配する複数の接続孔２３ｃにメタノール流路２３ｂを介して送給することができると共に、水素送出孔２３ｆに前記水素送給管１８の一端が連結され、上記各触媒部１９で生じた水素含有ガス１０４を当該水素送出孔２３ｆに水素受入孔２３ｄから水素流路２３ｅを介して送給することができるようになっている。
【００２３】
つまり、図２に示すように、各触媒部１９の流入口１９ａには、上記各分配板２１〜２３の各接続路２１ｃ〜２３ｃが一直線状に連通して接続し、各触媒部１９の流出口１９ｂには、メタノール分配板２３の各水素受入孔２３ｄが接続する一方、水受給管９は、空気分配板２１を貫通して水分配板２２の前記水受入孔２２ａに連結し、メタノール受給管１４は、前記水素送給管１８とで二重管を構成するように当該水素送給管１８内を貫通しているのである。
なお、図２中、２０ｂはＯリングである。
【００２４】
図１，２に示すように、水素送給管１８の他端は、Ｔ字型管継手１７の対向する組の一方の接続口１７ａに連結している。このＴ字型管継手１７の対向する組の他方の接続口１７ｂには、水素供給管２４の一端が連結されている。一方、上記水素送給管１８内を貫通する前記メタノール受給管１４は、上記Ｔ字型管継手１７の残りの接続口１７ｃを介して前記メタノール気化装置１３に至っており、当該メタノール受給管１４の外周面と当該Ｔ字型管継手１７の上記接続口１７ｃとの間は密閉されている。つまり、メタノール受給管１４は、Ｔ字型管継手１７を介して水素送給管１８から分岐する、言い換えれば、水素送給管１８の内部に二重管を構成するように挿入されているのである。
【００２５】
図１に示すように、水素供給管２４の他端側は、冷却ファン２６を有する熱交換器２５の受入口に連結されている。熱交換器２５の送出口は、一酸化炭素除去装置２７の受入口に連結されている。一酸化炭素除去装置２７の送出口は、燃料電池本体３０の燃料ガス受入部分に連結されている。
【００２６】
また、図１，２に示すように、各触媒部１９には、熱電対２８がそれぞれ設けられている。これら熱電対２８は、コントローラ２９の入力部にそれぞれ電気的に接続されている。当該コントローラ２９の出力部には、前記流量調整器３および前記各インジェクタ７，１２がそれぞれ電気的に接続されている。つまり、コントローラ２９は、熱電対２８からの信号に基づいて上記流量調整器３および上記各インジェクタ７，１２をそれぞれ調整することができるようになっているのである。
【００２７】
このような本実施の形態では、コンプレッサ１、エアフィルタ２、流量調整器３などにより空気供給手段を構成し、タンク５、ポンプ６、インジェクタ７などにより水供給手段を構成し、タンク１０、ポンプ１１、インジェクタ１２などによりメタノール供給手段を構成し、流量調整器３、インジェクタ７，１２、熱電対２８、コントローラ２９などにより供給量調整手段を構成し、空気受給管４、水受給管９、メタノール受給管１４、Ｔ字型管継手１５，１７、空気供給管１６、水素送給管１８、マニホールド本体２０（空気分配板２１、水分配板２２、メタノール分配板２３等）、水素供給管２４などによりマニホールドを構成している。
【００２８】
このようにして構成された燃料改質器の作用を次に説明する。
コンプレッサ１からの空気１０１は、流量調整器３により所定の流量に調整されながら空気受給管４、Ｔ字型管継手１５、空気供給管１６を介してマニホールド本体２０の空気分配板２１内に流入して等分配され、各触媒部１９の流入口１９ａから当該触媒部１９の内部に各々流入する一方、タンク１０内のメタノール１０３は、ポンプ１１を介してインジェクタ１２でメタノール気化装置１３内に所定量送給されてグロープラグ１３ａで気化された後、メタノール受給管１４を介してマニホールド本体２０のメタノール分配板２３内に流入して等分配され、各触媒部１９の流入口１９ａから当該触媒部１９の内部に各々流入する。
【００２９】
各触媒部１９内に流入した空気１０１およびメタノール１０３は、当該触媒部１９で前述した（１）式の反応（部分酸化反応）を起こして発熱しながら水素含有ガス１０４を発生する。各触媒部１９で発生した水素含有ガス１０４は、各触媒部１９の送出口１９ｂからマニホールド本体２０のメタノール分配板２３の水素流路２３ｅ等を介して水素送給管１８内にまとめて一括して送り出され、Ｔ字型管継手１７、水素供給管２４を介して熱交換器２５に送られて冷却された後、一酸化炭素除去装置２７で一酸化炭素を除去されてから燃料電池本体３０に供給される。
【００３０】
一方、上述したようにして空気１０１とメタノール１０３とを反応させて触媒部１９が所定の温度以上になると、熱電対２８からの信号に基づいて、コントローラ２９が前記流量調整器３および前記インジェクタ７を制御して空気１０１およびメタノール１０３の触媒部１９への供給量を調整すると共に、前記インジェクタ７を制御することにより、前記タンク５内の水１０２をポンプ６を介して水気化装置８内に所定量送給する。当該水１０２は、水気化装置８でグロープラグ１３ａにより気化（水蒸気化）された後、水受給管９を介してマニホールド本体２０の水分配板２２内に流入して等分配され、各触媒部１９の流入口１９ａから当該触媒部１９の内部に各々流入する。
【００３１】
各触媒部１９内に流入した水１０２（水蒸気）は、当該触媒部１９で前記メタノール１０３と共に前述した（２）式の反応（水蒸気改質反応）を起こして吸熱し、前述した空気１０１とメタノール１０３との反応に伴う熱を奪って触媒部１９の温度上昇を抑えながら水素含有ガス１０４を発生する。この水素含有ガス１０４は、空気１０１とメタノール１０３との反応で生じた前記水素含有ガス１０４と共に各触媒部１９の送出口１９ｂからマニホールド本体２０のメタノール分配板２３の水素流路２３ｅ等を介して水素送給管１８内にまとめて一括して送り出され、上述と同様にして燃料電池本体３０に供給される。
【００３２】
したがって、このような燃料改質器によれば、次のような効果を得ることができる。
【００３３】
▲１▼空気１０１、水１０２、メタノール１０３をコンプレッサ１やポンプ６，１１により加圧した状態でマニホールド本体２０まで送給するので、空気１０１や水１０２やメタノール１０３の等分配において相互に影響を受けにくく、また、空気１０１、水１０２、メタノール１０３を各触媒部１９に直接供給して反応を起こさせるので、成分濃度の不均一がなくなるため、各触媒部１９の温度のバラツキを抑えることができ、反応の安定性を向上させることができると共に、供給量をそれぞれ個別に調整でき、運転制御を容易に行うことができる。
【００３４】
▲２▼水素送給管１８とメタノール受給管１４との間およびマニホールド本体２０のメタノール分配板２３において、水素含有ガス１０４とメタノール１０３との間で熱交換を行う、すなわち、水素含有ガス１０４の熱でメタノール１０３を加熱するようにしたので、メタノール気化装置１３のグロープラグ１３ａの熱容量を小さくすることができると共に、冷却ファン２６の能力を小さくすることができ、消費電力の低減を図ることができる一方、熱交換器２５の容量も小さくすることができ、装置の大きさを抑えることができる。また、メタノール１０３が触媒部１９に液体状態で供給されると、転化率の低下や水素含有ガス１０４中の一酸化炭素濃度の増加を生じてしまうものの、メタノール１０３の気化に上記熱を有効に利用するので、前記反応の安定化を図ることができる。
【００３５】
このため、このような燃料改質器を燃料電池本体３０に接続した燃料電池装置では、水素含有ガス１０４が安定して供給されるようになるので、安定して発電することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明による燃料改質器では、メタノール、空気、水を複数の触媒部にそれぞれ供給して当該各触媒部で反応させることにより、当該各触媒部から水素含有ガスをそれぞれ生じさせる燃料改質器において、前記各触媒部に前記メタノール、前記空気、前記水を直接供給するマニホールドを設けたので、複数の触媒部における濃度成分の不均一がなくなり、複数の触媒部の温度の均一性および反応の安定性を図ることができ、運転制御を容易に行うことができる。
【００３７】
また、前記マニホールドが前記メタノール、前記空気、前記水を前記各触媒部にそれぞれ等分配して供給するので、上述した効果をさらに確実に得ることができる。
【００３８】
また、前記マニホールドに送給する前記メタノールを気化するメタノール気化手段と、前記マニホールドに送給する前記水を気化する水気化手段とを設けたので、反応の際の転化率を向上させることができると共に、生成する一酸化炭素の濃度を低減することができる。
【００３９】
また、前記マニホールドが前記各触媒部で生じた前記水素含有ガスをまとめて外部へ送出するので、全体をコンパクトに抑えることができ、小型化を図ることができる。
【００４０】
また、前記マニホールドが前記各触媒部で生じた前記水素含有ガスと当該各触媒部に供給する前記メタノールとの間で熱交換を行うので、メタノールの気化を効率的に行うことができ、全体の小型化や反応の安定性の向上をさらに図るこができる。
【００４１】
一方、本発明による燃料電池装置では、上述の燃料改質器が燃料電池本体に接続されているので、水素含有ガスが燃料電池本体に安定して供給されるようになり、発電安定性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池装置の燃料ガス（水素）送給系統部分の概略構成図である。
【図２】図１の要部の抽出拡大図である。
【符号の説明】
１  コンプレッサ
２  エアフィルタ
３  流量調整器
４  空気受給管
５  タンク
６  ポンプ
７  インジェクタ
８  水気化装置
９  水受給管
１０  タンク
１１  ポンプ
１２  インジェクタ
１３  メタノール気化装置
１４  メタノール受給管
１５  Ｔ字型管継手
１６  空気供給管
１７  Ｔ字型管継手
１８  水素送給管
１９  触媒部
２０  マニホールド本体
２１  空気分配板
２２  水分配板
２３  メタノール分配板
２４  水素供給管
２５  熱交換器
２６  冷却ファン
２７  一酸化炭素除去装置
２８  熱電対
２９  コントローラ
３０  燃料電池本体
１０１  空気
１０２  水
１０３  メタノール
１０４  水素含有ガス
【図１】
0003631880.tif 000002
【図２】
0003631880.tif 000003