(57)【要約】【課題】簡単な構造で改質装置の反応効率および熱効率を向上させることはもちろん，改質装置の運転全般に必要な熱エネルギーを容易に調節して運転効率を極大化させることができる燃料電池システムの改質装置を提供する。【解決手段】本発明による燃料電池システムの改質装置は，熱を発生させる熱源部と，前記熱源から発生した熱を利用し，燃料の改質反応によって前記燃料から水素を含有した改質ガスを発生させる改質反応部と，燃料から水素を含有した改質ガスを発生させる改質反応部と，改質反応部に連結設置され，改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部と，改質反応部および一酸化炭素低減部の外側に設置されて，改質反応部および一酸化炭素低減部に提供される熱エネルギーを調節する熱処理ユニットとを含む。【選択図】図７
2006151803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生させる熱源部と，
前記熱源から発生した熱を利用し，燃料の改質反応によって前記燃料から水素を含有した改質ガスを発生させる改質反応部と，
前記改質反応部に連結設置され，前記燃料を流動させる流路と前記改質ガスを流動させる流路とを一体に形成する流路部材と，
を含むことを特徴とする，燃料電池システムの改質装置。
【請求項２】
前記改質反応部は，
前記熱源部を囲むサラウンド領域と，
所定内部空間を有し，前記内部空間に改質触媒を形成する反応器本体と，
を含み，
前記反応器本体は，
前記燃料を注入させるための燃料注入口と，
前記改質ガスを排出させるための改質ガス排出口と，
を備えることを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項３】
前記流路部材が，前記反応器本体の外周面にコイル状に巻かれた構造であることを特徴とする，請求項２に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項４】
前記流路部材は，
前記燃料を流動させる第１流路と，
前記第１流路内の中心方向に配置され，前記改質ガスを流動させる第２流路と，
を含むことを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項５】
前記第１流路は，
一側端部に形成される燃料流入口と，
他側端部に形成される燃料流出口と，
を含み，
前記燃料流出口が前記反応器本体の燃料注入口に連結されることを特徴とする，請求項４に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項６】
前記第２流路は，
一側端部に形成される改質ガス流入口と，
他側端部に形成される改質ガス流出口と，
を含み，
前記改質ガス流入口が前記反応器本体の改質ガス排出口に連結されることを特徴とする，請求項４または５に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項７】
前記熱源部は，前記反応器本体のサラウンド領域に配置され，前記燃料を着火燃焼させて前記熱を発生させるバーナー本体を含むことを特徴とする，請求項２に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項８】
前記熱源部および前記改質反応部全体を収容する密閉空間を有し，前記熱を前記サラウンド領域から前記密閉空間に循環させるハウジングを含むことを特徴とする，請求項２〜７のいずれかに記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項９】
前記第２流路の改質ガス流出口に連結設置され，前記改質ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部を含むことを特徴とする，請求項６〜８のいずれかに記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１０】
熱を発生させる熱源部と，
前記熱源部から発生した熱を利用し，燃料の改質反応によって前記燃料から水素を含有した改質ガスを発生させる改質反応部と，
前記改質反応部に連結設置され，前記改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部と，
前記改質反応部および前記一酸化炭素低減部の外側に設置されて，前記改質反応部および前記一酸化炭素低減部に提供される熱エネルギーを調節する熱処理ユニットと，
を含むことを特徴とする，燃料電池システムの改質装置。
【請求項１１】
前記改質反応部は，所定内部空間を有し，前記内部空間に触媒を形成する第１反応器本体を含み，
前記第１反応器本体は，
前記内部空間に前記燃料を注入させるための第１注入口と，
前記内部空間から前記改質ガスを排出させるための第１排出口と，
前記熱源部を囲むサラウンド領域と，
を備えることを特徴とする，請求項１０に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１２】
前記熱源部は，複数のノズル孔を有するとともに前記サラウンド領域内に配置され，前記燃料を着火燃焼させて前記熱を発生させるバーナー本体を含むことを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１３】
前記一酸化炭素低減部は，所定内部空間を有し，前記内部空間に触媒を形成する第２反応器本体を含み，
前記第２反応器本体は，
前記内部空間に前記改質ガスを注入させるための第２注入口と，
前記内部空間から前記改質ガスを排出させるための第２排出口と，
を備えることを特徴とする，請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１４】
前記熱処理ユニットは，
前記バーナー本体と，
前記第１反応器本体と，
前記第２反応器本体全体を収容する密閉空間と，
を形成し，
前記サラウンド領域から前記密閉空間に，前記熱を循環させるハウジングを含むことを特徴とする，請求項１３に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１５】
前記ハウジングが断熱性を有するセラミック，ステンレス鋼およびジルコニウムからなる群より選択される素材で形成されることを特徴とする，請求項１４に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１６】
前記熱処理ユニットは，
前記第１反応器本体の外周面にコイル状に巻かれながら前記燃料を循環させる第１流路部材と，
前記第１流路部材と連通して設置され，前記第２反応器本体の外周面にコイル状に巻かれながら，前記燃料を循環させる流路と前記改質ガスを循環させる流路とを一体に形成する第２流路部材と，
を含むことを特徴とする，請求項１１〜１４のいずれかに記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１７】
前記第１流路部材は，一側端部が前記第１反応器本体の第１注入口に連結され，他側端部が前記第２流路部材と連結される第１流路を含むことを特徴とする，請求項１６に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１８】
前記第２流路部材は，
前記燃料を流動させる第２流路と，
前記第２流路内の中心方向に配置され，前記改質ガスを流動させる第３流路と，
を含むことを特徴とする，請求項１６または１７に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項１９】
前記第２流路は，
一側端部に形成される第１流入口と，
他側端部に形成される第１流出口と，
を含み，
前記第１流出口が前記第１流路の他側端部と連結されることを特徴とする，請求項１８に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項２０】
前記第３流路は，
一側端部に形成される第２流入口と，
他側端部に形成される第２流出口と，
を含み，
前記第２流入口が前記第１反応器本体の第１排出口に連結され，前記第２流出口が前記第２反応器本体の第２注入口に連結されることを特徴とする，請求項１８または１９に記載の燃料電池システムの改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムの改質装置にかかり，特に熱伝達構造を改善した燃料電池システムの改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のように，燃料電池は，炭化水素系の燃料に含まれている水素および酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに発生させる発電システムである。
【０００３】
このような燃料電池は大きく，高分子電解質型燃料電池と，直接酸化型燃料電池に区分することができる。
【０００４】
この中で高分子電解質型燃料電池は，他の燃料電池に比べて出力特性が優れており，作動温度が低く，速い始動および応答特性によって，自動車のような移動用電源はもちろん，住宅，公共建物のような分散用電源および電子機器用のような小型電源などその応用範囲が広いという長所を有する。
【０００５】
このような高分子電解質型燃料電池方式のシステムは，スタックと呼ばれる燃料電池本体（以下，便宜上“スタック”と言う）と，燃料を改質して水素を発生させ，この水素をスタックに供給する改質装置と，酸素をスタックに供給するための空気ポンプまたはファンを備える。したがって，スタックでは，改質装置から供給される水素と，空気ポンプまたはファンの稼動によって供給される酸素の電気化学的反応によって電気エネルギーを発生させる。
【０００６】
このような従来の燃料電池システムにおいて，改質装置は触媒を利用した発熱および吸熱反応特性を利用するが，所定温度範囲の熱エネルギーを発生させる熱源部と，この熱エネルギーによる改質反応によって燃料から水素を発生させる改質反応部と，水素に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部を含んで構成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで，従来技術による改質装置は，熱源部と改質反応部が分散配置されて，この熱源部から発生する熱エネルギーを改質反応部に伝達する構造になる。したがって，従来の改質装置は熱源部と改質反応部の熱交換が直接的に行われないために熱伝達の面で不利な問題点がある。特に，熱源部が改質反応部の外側からこの改質反応部へ熱エネルギーを伝達することによって，熱エネルギーが改質反応部に完全に伝達されず，外部に放出されて全改質装置の反応効率および熱効率が落ちるという問題点がある。また，従来の改質装置は熱源部と改質反応部の分散構造によって全システムの大きさをコンパクトに実現することができないという問題点がある。
【０００８】
さらに，従来技術による改質装置は，改質反応部および一酸化炭素低減部に対して，これら各々の固有な運転温度に相応する温度範囲の熱エネルギーを提供しなければ最適の運転効率を保障することができず，熱源部からこれら改質反応部および一酸化炭素低減部に伝達される熱エネルギーをコントロールすることが容易ではなく，全改質装置の運転効率を極大化させることが難しい問題がある。
【０００９】
本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，簡単な構造で改質装置の反応効率および熱効率を向上させることはもちろん，改質装置の運転全般に必要な熱エネルギーを容易に調節して運転効率を極大化させることができる燃料電池システムの改質装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，燃料電池システムの改質装置は，熱を発生させる熱源部と，前記熱源から発生した熱を利用し，燃料の改質反応によって前記燃料から水素を含有した改質ガスを発生させる改質反応部と，前記改質反応部に連結設置され，前記燃料を流動させる流路と前記改質ガスを流動させる流路とを一体に形成する流路部材とを含む。
【００１１】
燃料電池システムの改質装置において，改質反応部は熱源部を囲むサラウンド領域および所定の内部空間を有し，内部空間に改質触媒を形成する反応器本体を含むことができる。この場合，反応器本体は燃料を注入させるための燃料注入口と，改質ガスを排出させるための改質ガス排出口を備えることができる。
【００１２】
燃料電池システムの改質装置は，流路部材が反応器本体の外周面にコイル状に巻かれた構造からなることができる。
【００１３】
燃料電池システムの改質装置において，流路部材は燃料を流動させる第１流路と，第１流路内の中心方向，言い換えれば，第１流路に沿った内部空間の中央部に配置されて改質ガスを流動させる第２流路を含むことができる。
【００１４】
燃料電池システムの改質装置において，第１流路は一側端部に形成される燃料流入口と，他側端部に形成される燃料流出口を含むことができる。この場合，燃料流出口は反応器本体の燃料注入口に連結することができる。
【００１５】
燃料電池システムの改質装置において，第２流路は一側端部に形成される改質ガス流入口と，他側端部に形成される改質ガス流出口を含むことができる。この場合，改質ガス流入口は反応器本体の改質ガス排出口に連結することができる。
【００１６】
燃料電池システムの改質装置において，熱源部は反応器本体のサラウンド領域に配置され，燃料を着火燃焼させて熱を発生させるバーナー本体を含むことができる。使用される燃料は，メタノール，エタノール，ＬＰＧ，ＬＮＧ，ガソリンなどのように水素を含有した液体または気体燃料を含むことができる。
【００１７】
燃料電池システムの改質装置は，熱源部および改質反応部全体を収容する密閉空間を有し，熱をサラウンド領域から密閉空間に循環させるハウジングを含むことができる。
【００１８】
燃料電池システムの改質装置は，第２流路の改質ガス流出口に連結設置されて，改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部を含むことができる。
【００１９】
また，本発明の他の実施形態による燃料電池システムの改質装置は，熱を発生させる熱源部と，熱源部から発生した熱を利用し，燃料の改質反応によって燃料から水素を含有した改質ガスを発生させる改質反応部と，改質反応部に連結設置されて改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部と，改質反応部および一酸化炭素低減部の外側，言い換えると改質反応部および一酸化炭素低減部を囲むように設置され，改質反応部および一酸化炭素低減部に提供される熱エネルギーを調節する熱処理ユニットとを含む。
【００２０】
燃料電池システムの改質装置において，改質反応部は所定の内部空間を有し，内部空間に触媒を形成する第１反応器本体を含むことができる。この場合，第１反応器本体は内部空間に燃料を注入させるための第１注入口と，内部空間から改質ガスを排出させるための第１排出口と，熱源部を囲むサラウンド領域とを備えることができる。
【００２１】
燃料電池システムの改質装置において，熱源部は複数のノズル孔を有するとともにサラウンド領域内に配置され，燃料を着火燃焼させて熱を発生させるバーナー本体を含むことができる。使用される燃料は，メタノール，エタノール，ＬＰＧ，ＬＮＧ，ガソリンなどのように水素を含有した液体または気体燃料を含むことができる。
【００２２】
燃料電池システムの改質装置において，一酸化炭素低減部は所定の内部空間を有し，内部空間に触媒を形成する第２反応器本体を含むことができる。この場合，第２反応器本体は内部空間に改質ガスを注入させるための第２注入口と，内部空間から改質ガスを排出させるための第２排出口を備えることができる。
【００２３】
燃料電池システムの改質装置において，熱処理ユニットはバーナー本体，第１反応器本体および第２反応器本体全を収容する密閉空間を形成し，サラウンド領域から密閉空間に熱を循環させるハウジングを含むことができる。この場合，ハウジングは断熱性を有するセラミック，ステンレス鋼およびジルコニウムからなる群より選択される素材で形成することができる。
【００２４】
燃料電池システムの改質装置において，熱処理ユニットは第１反応器本体の外周面にコイル状に巻かれながら燃料を循環させる第１流路部材と，第１流路部材と連通して設置され，第２反応器本体の外周面にコイル状に巻かれながら，燃料を循環させる流路と改質ガスを循環させる流路とを一体に形成する第２流路部材を含むことができる。
【００２５】
燃料電池システムの改質装置において，第１流路部材は一側端部が第１反応器本体の第１注入口に連結され，他側端部が第２流路部材と連結される第１流路を含むことができる。
【００２６】
燃料電池システムの改質装置において，第２流路部材は燃料を流動させる第２流路と，第２流路内の中心方向，言い換えれば，第２流路に沿った内部空間の中央部に配置されて改質ガスを流動させる第３流路を含むことができる。
【００２７】
燃料電池システムの改質装置において，第２流路は一側端部に形成される第１流入口と，他側端部に形成される第１流出口を含むことができる。この場合，第１流出口は第１流路の他側端部と連結することができる。
【００２８】
燃料電池システムの改質装置において，第３流路は一側端部に形成される第２流入口と，他側端部に形成される第２流出口を含むことができる。この場合，第２流入口は第１反応器本体の第１排出口に連結され，第２流出口は第２反応器本体の第２注入口に連結することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように，本発明によれば，熱源部から発生する熱エネルギーを，所定の密閉空間を通じて，改質反応部の内側から外側に循環させる改質装置を構成することによって，改質反応部の反応に必要な熱エネルギーを速かに伝達することができる。したがって，全改質装置の反応効率および熱効率をさらに向上させることができる。
【００３０】
また，本発明によれば，改質反応部が熱源部を囲む構造の改質装置を構成することによ
って，全システムの大きさをコンパクトに実現することができる。さらに，熱処理ユニットによって，改質反応部および一酸化炭素低減部に，これらの固有な運転温度に相応する温度範囲の熱エネルギーを提供することができる。このような改質装置を構成することによって，全改質装置の運転効率を極大化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる燃料電池システムの改質装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３２】
（第１実施形態）
以下，添付した図面を参照して本発明の実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし，本発明は多様で相異なる形態に実現することができ，ここで説明する実施形態に限定されない。
【００３３】
図１は，第１実施形態に適用される燃料電池システムの構成を概略的に示した説明図である。
【００３４】
図１を参照すると，この燃料電池システム１００は，燃料を改質して水素を含有した改質ガスを発生させ，この改質ガスの酸化反応および酸化剤ガスの還元反応を通じて電気エネルギーを発生させる方式で構成される。
【００３５】
このような燃料電池システム１００に使用される燃料は，メタノール，エタノール，ＬＰＧ，ＬＮＧ，ガソリンなどのように水素を含有した液体または気体燃料を含むことができる。そして，燃料電池システム１００は，酸化剤ガスとして別途の保存手段に保存された酸素を使用することができ，酸素を含有している空気をそのまま使用することもできる。しかし，以下では後者を例として説明する。
【００３６】
このような燃料電池システム１００は，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタック１０と，燃料を改質して水素を含有した改質ガスを発生させ，この改質ガスをスタック１０に供給する改質装置２０と，燃料を改質装置２０に供給する燃料供給源５０と，酸素をスタック１０に供給する酸素供給源７０を含んで構成される。
【００３７】
スタック１０は,改質装置２０と酸素供給源７０に連結設置されて，この改質装置２０から改質ガスの供給を受け，酸素供給源７０から酸素の供給を受けて水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるセル単位の電気発生部１１を含む。したがって，このような電気発生部１１を複数に備え，これら電気発生部１１を連続的に配置することによって電気発生部１１の集合体構造によるスタック１０を形成することができる。
【００３８】
この電気発生部１１は,通常の膜−電極接合体（ＭＥＡ）１２を中心に置いて，その両面にセパレータ（当業界では“二極式プレート”とも言う）１６を密着配置して構成される最少単位の燃料電池で構成される。
【００３９】
このようなスタック１０の構成は，通常の高分子電解質型燃料電池のスタック構成からなることができるので，本明細書でその詳細な説明は省略する。
【００４０】
本発明の実施形態において，改質装置２０は，熱による燃料の触媒反応，例えば，水蒸気改質，部分酸化または自熱反応などの触媒反応を通じて燃料から水素を含有した改質ガスを発生させ，この改質ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる構造からなる。このような改質装置２０の構成は，図２および図３を参照して以下に説明する。
【００４１】
図２は，第１実施形態による改質装置の構成を概略的に示した斜視図であり，図３は，図２に示した第１実施形態による改質装置２０の縦断面図である。
【００４２】
このような改質装置２０に燃料を供給する燃料供給源５０は，燃料を保存する燃料タンク５１と，この燃料タンク５１に保存された燃料を排出させる燃料ポンプ５３を含んで成る。
【００４３】
そして，酸素供給源７０は，所定のポンピング力で空気を吸入し，この空気をスタック１０の電気発生部１１に供給する空気ポンプ７１を備える。ここで，酸素供給源７０はのような空気ポンプ７１を備えることに限定されず，通常の構造のファンを備えることもできる。
【００４４】
図２および図３に示したように，本実施形態による改質装置２０は，熱を利用した燃料の改質反応を通じて燃料から水素を含有した改質ガスを発生させる改質反応部２３と，この改質反応部２３に装着されて熱を発生させる熱源部２７を含んで構成される。
【００４５】
本実施形態において，改質反応部２３は内部空間を有する反応器本体２４と，この反応器本体２４の内部空間に充填形成されて燃料の改質反応を促進させる改質触媒２６を備える。反応器本体２４は，内部空間を形成するように両端が閉鎖された円筒形構造からなり，後でさらに説明する熱源部２７を装着するための装着部２５を備える。この装着部２５は反応器本体２４の一側端部から他側端部に向かって一定の深さだけ陥没されて成るサラウンド領域２５ａを形成している。
【００４６】
ここで，サラウンド領域２５ａは，熱源部２７を収容する空間であって，反応器本体２４の内側領域とも定義することができる。
【００４７】
そして，反応器本体２４の一側端部には，燃料をこの反応器本体２４の内部空間に注入させるための燃料注入口２４ａを形成している。また，反応器本体２４の他側端部には燃料の改質反応を通じて発生する改質ガスをこの反応器本体２４の内部空間から外部に排出させるための改質ガス排出口２４ｂを形成している。この時，反応器本体２４は熱源部２７から発生する熱の伝達を容易に受けられるように熱伝導性を有する金属素材，例えば，アルミニウム，銅，鉄などで形成することができる。
【００４８】
上記において，改質触媒２６は，反応器本体２４の内部空間に充填形成され，アルミナ，シリカまたはチタニアからなるペレット形態の担体に銅，ニッケル，白金のような触媒物質を担持している構造からなる。代案として，改質触媒２６は，複数の平行な貫通孔，つまり，セルを有するセラミック担体または金属担体のセル内表面に触媒物質を担持させたハニカムタイプにも形成することができる。
【００４９】
このような改質反応部２３において，改質触媒２６による燃料の改質反応が吸熱反応であるので，本実施形態による改質装置２０は，改質反応部２３の改質反応に必要な熱を発生させる熱源部２７が提供されるが，この熱源部２７は所定の燃料を空気と共に着火燃焼させることによって熱を発生させる構造からなる。
【００５０】
具体的に，熱源部２７は，反応器本体２４の装着部２５に装着されるバーナー本体２８を備える。このバーナー本体２８は，ほぼ円形のパイプ形態で構成され，装着部２５のサラウンド領域２５ａ内に配置される。バーナー本体２８は，図面に仮想線で示した支持ブラケット６０によって，反応器本体２４に装着することができる。バーナー本体２８は，反応器本体２４のサラウンド領域２５ａを形成する内側壁面に離隔して配置し，内側壁面に囲まれるように反応器本体２４に装着してもよい。
【００５１】
そして，バーナー本体２８には，燃料と空気を着火させるための通常の点火プラグ２８ｂを設置している。そしてバーナー本体２８には，燃料と空気が燃焼する時に発生する高温の燃焼ガスを，反応器本体２４のサラウンド領域２５ｂに噴射させるための複数のノズル孔２８ａを形成している。この時，燃料と空気が燃焼しながら発生する熱は，燃料の種類によってその温度範囲が互いに異なって現れるが，液体燃料（例:メタノール，エタノール）を使用する場合には，約２００℃〜３５０℃の温度範囲を示し，気体燃料（例:ＬＰＧ，ＬＮＧ）を使用する場合には，約７５０℃〜８００℃の温度範囲を示す。しかし，以下では，熱源部２７が気体燃料と空気を燃焼させて熱を発生させる例を説明する。
【００５２】
上記のように構成される改質装置２０において，本実施形態による流路部材３０が提供されるが，この流路部材３０は，熱源部２７から発生する熱および改質ガス自体の熱を改質反応部２３に供給される燃料で伝達するためのものである。この時，使用される燃料は燃料供給源５０の燃料タンク５１に保存された燃料で，液体燃料を意味する。
【００５３】
本実施形態において，流路部材３０は，燃料と改質ガスを流通させる各々の流路を一体に形成する。この流路部材３０は改質反応部２３の反応器本体２４に連結設置され，この反応器本体２４の外周面にコイル状に巻かれた二重の管路形態で構成される。
【００５４】
具体的に，流路部材３０は燃料を流動させる第１流路３１と，第１流路３１の内部中心方向，言い換えれば，第１流路に沿った内部空間の中央部に配置されて改質反応部２３から排出される改質ガスを流動させる第２流路３２を含む。
【００５５】
第１流路３１は，一側端部に第１流入口３１ａを形成し，他側端部に第１流出口３１ｂを形成している。ここで，第１流入口３１ａはパイプ形態の配管によって燃料供給源５０の燃料タンク５１と連結される。そして第１流出口３１ｂは反応器本体２４の燃料注入口２４ａに連結される。
【００５６】
第２流路３２は一側端部に第２流入口３２ａを形成し，他側端部に第２流出口３２ｂを形成している。ここで，第２流入口３２ａは反応器本体２４の改質ガス排出口２４ｂに連結される。そして第２流出口３２ｂはパイプ形態の配管によってスタック１０（図１）の電気発生部１１（図１）と連結される。
【００５７】
以上のように構成される本発明の実施形態による改質装置２０が作用する時，ＬＰＧ，ＬＮＧなどのような気体燃料および空気をバーナー本体２８に供給する。
【００５８】
このような状態で点火プラグ２８ｂを作動させて気体燃料と空気を着火させる。その結果，バーナー本体２８では燃料と空気が燃焼しながら既に設定された温度範囲の熱および燃焼ガスを発生させる。この時，燃焼ガスはバーナー本体２８のノズル孔２８ａを通じて熱と共に反応器本体２４のサラウンド領域２５ａに噴出される。
【００５９】
したがって，熱は，反応器本体２４およびこの反応器本体２４内部の改質触媒２６に提供される。この時，本実施形態による流路部材３０が反応器本体２４の外周面にコイル状に巻かれて設置されているために，この流路部材３０の第１流路３１は，熱の伝達を受けて所定温度に加熱される。
【００６０】
このような過程を経た後，燃料ポンプ５３の稼動によって燃料タンク５１に保存された燃料を，第１流路３１を通じて改質反応部２３の反応器本体２４内部に供給する。この時，燃料は，第１流路３１に沿って螺旋形方向に流動しながら，第１流路３１に伝達された熱の提供を受けるが，これによって燃料は所定温度に予熱された状態で反応器本体２４の燃料注入口２４ａを通じてこの反応器本体２４の内部空間に供給される。
【００６１】
（第１実施形態の効果）
したがって，改質反応部２３では，熱および改質触媒２６による燃料の改質反応を通じて水素を含有した改質ガスを発生させる。その結果，改質ガスは，反応器本体２４の改質ガス排出口２４ｂを通じて排出され，流路部材３０の第２流路３２を通じてスタック１０の電気発生部１１に供給される。この時，改質ガスは，本実施形態による流路部材３０が二重管路形態に構成されることによって，第２流路３２に沿って螺旋形方向に流動しながら，第１流路３１に沿って流動する比較的に低い温度の燃料によって冷却されてスタック１０の固有な運転温度に相応する温度範囲を維持する。
【００６２】
これと同時に，空気ポンプ７１の稼動によって空気をスタック１０の電気発生部１１に供給する。
【００６３】
その結果，スタック１０の電気発生部１１では改質ガスの酸化反応，および空気中に含まれている酸素の還元反応を通じて既に設定された容量の電気エネルギーを出力させる。
【００６４】
（第２実施形態）
図４は，第２実施形態による改質装置の構造を概略的に示した断面図である。
【００６５】
図４に示したように，本実施形態による改質装置２０Ａは第３実施形態の構造を基本としながら，熱源部２７から発生する熱エネルギーの効率をさらに極大化させるために熱エネルギーを改質反応部２３のサラウンド領域２５ａを通じてこの改質反応部２３の外側に循環させる構造からなる。
【００６６】
このために本実施形態による改質装置２０Ａは，熱源部２７および改質反応部２３全体を内装させるハウジング２２を備えている。このハウジング２２は改質反応部２３が収容できるように図面に“Ａ”と表示した密閉空間を形成している。この時，ハウジング２２はその内壁面と改質反応部２３の反応器本体２４外壁面が，一定間隔離隔するように設置されることが好ましい。熱源部２７から発生する熱源が反応器本体２４のサラウンド領域２５ａからこの反応器本体２４の外側に循環されるようにする流動経路を形成するためである。さらに，ハウジング２２には密閉空間Ａ内で循環する燃焼ガスを排出させるための排出口（図示せず）を形成することができる。
【００６７】
本実施形態において，ハウジング２２は，通常熱伝導度の低い断熱素材，例えば，ステンレス鋼，セラミック，ジルコニウムなどのような金属または非金属断熱素材で形成することができる。代案として，このハウジング２２は，その内壁面に形成される別途の断熱層（図示せず）を備えることもできる。
【００６８】
さらに，本実施形態による改質装置２０Ａは，第１実施形態と同様に熱エネルギーの流動経路上に流路部材３０を設置している。このような流路部材３０は二重管路形態の第１流路３１と第２流路３２を備える第１実施形態と同一であるので，詳細な説明は省略する。
【００６９】
上記のように構成される本実施形態による改質装置２０Ａが作用する時，熱源部２７から発生する熱の一部は，サラウンド領域２５ａの内側壁面を通じて反応器本体２４，およびこの反応器本体２４内部の改質触媒２６に伝達され，残りの熱はサラウンド領域２５ａを通じてハウジング２２の密閉空間Ａに循環される。この時，流路部材３０は，反応器本体２４の外周面にコイル状に巻かれて設置されているために，この流路部材３０の第１流路３１は，反応器本体２４に提供された熱エネルギーおよび密閉空間Ａに循環される熱エネルギーの提供を同時に受けて所定の温度に加熱された状態にある。
【００７０】
このような過程を経た後，燃料ポンプ５３（図１）を稼動させて燃料タンク５１（図１）に保存された燃料を，流路部材３０の第１流路３１を通じて改質反応部２３の反応器本体２４内部に供給する。この時，燃料は第１流路３１に沿って流動する途中，第１流路３１に伝達された熱の提供を受けて所定温度に予熱された状態で反応器本体２４の内部空間に供給される。
【００７１】
（第２実施形態の効果）
したがって，改質反応部２３では，改質触媒２６による燃料の改質反応を通じて水素を含有した改質ガスを発生させる。その結果，改質ガスは流路部材３０の第２流路３２を通じてスタック１０（図１）の電気発生部１１（図１）に供給される。この時，改質ガスは，流路部材３０が二重管路形態に構成されることによって，第２流路３２に沿って流動しながら第１流路３１に沿って流動する比較的に低温の燃料によって冷却されて，スタック１０の固有な運転温度に相応する温度範囲を維持する。
【００７２】
（第３実施形態）
図５は，第３実施形態による改質装置の構造を概略的に示した断面図である。
【００７３】
図５に示したように，本実施形態による改質装置２０Ｂは，第２実施形態の構造を基本としながら，改質反応部２３から発生する改質ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部２９をさらに含むことができる。
【００７４】
この一酸化炭素低減部２９は，改質反応部２３とスタック１０（図１）に各々連結設置される。具体的に，一酸化炭素低減部２９は，流路部材３０の第２流路３２に連結設置されるが，第２流路３２の第２流出口３２ｂと連結されて改質反応部２３の反応器本体２４から排出される改質ガスの供給を受ける。そして一酸化炭素低減部２９は，スタック１０と連結設置されて一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスをスタック１０に供給する。
【００７５】
このような一酸化炭素低減部２９は，例えば，改質ガスに含まれている一酸化炭素の水性ガス転換（ＷＧＳ）反応によって一酸化炭素の濃度を低減させながら追加的に水素を生成する水性ガス転換反応部（図示せず）を備えることができる。そして，一酸化炭素低減部２９は他の例として，改質ガスに含まれている一酸化炭素と酸素の選択的酸化（ＰＲＯＸ）反応によってこの一酸化炭素の濃度を低減させる選択的酸化反応部（図示せず）を備えることもできる。
【００７６】
本実施形態において，一酸化炭素低減部２９は，上記のような水性ガス転換反応部と選択的酸化反応部の中で選択されるいずれか一つからなることができ，このような水性ガス転換反応部と選択的酸化反応部の組合わせによって構成されても良い。
【００７７】
（第２実施形態の効果）
上記のように構成される本実施形態による改質装置２０Ｂが作用する時，改質反応部２３で発生する改質ガスを流路部材３０の第２流路３２を通じて一酸化炭素低減部２９に供給すれば，一酸化炭素低減部２９は，水性ガス転換触媒反応または選択的酸化反応を通じて改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させ，このような改質ガスをスタック１０に供給する。
【００７８】
（第４実施形態）
図６は，第４実施形態による改質装置の構造を概略的に示した斜視図であり，図７は，図６に示した第４実施形態による改質装置１２０の縦断面図である。
【００７９】
図６および図７に示したように，本実施形態による改質装置１２０は，熱を利用した燃料の改質反応を通じてこの燃料から水素を含有した改質ガスを発生させる改質反応部１２３と，熱を発生させる熱源部１２７と，改質ガス中に含まれている一酸化炭素の触媒反応を通じて一酸化炭素の濃度を低減させ，この改質ガスをスタック１０（図１）の電気発生部１１（図１）に供給する一酸化炭素低減部１２９と，改質反応部１２３および一酸化炭素低減部１２９に提供される熱エネルギーを調節する熱処理ユニット１４０を含んで構成される。
【００８０】
改質反応部１２３は，内部空間を有する第１反応器本体１２４と，第１反応器本体１２４の内部空間に充填形成されて燃料の改質反応を促進させる改質触媒１２６を備える。
【００８１】
ここで，第１反応器本体１２４は，内部空間を形成するように両端が閉鎖された円筒形構造からなり，熱源部１２７を装着するための装着部１２５を備える。この装着部１２５は，第１反応器本体１２４の一側端部から他側端部に向かって一定の深さだけ陥没して構成されるサラウンド領域１２５ａを形成している。このサラウンド領域１２５ａは，熱源部１２７を収容する空間で，第１反応器本体１２４の内側領域とも定義することができる。そして，第１反応器本体１２４の一側端部には，燃料をこの第１反応器本体１２４の内部空間に注入させるための第１注入口１２４ａを形成している。第１反応器本体１２４の他側端部には，燃料の改質反応を通じて発生する改質ガスを第１反応器本体１２４の内部空間から外部に排出させるための第１排出口１２４ｂを形成している。
【００８２】
熱源部１２７は，気体燃料を空気と共に着火燃焼させる構造からなり，第１反応器本体１２４の装着部１２５に装着されるバーナー本体１２８を備える。このバーナー本体１２８は，複数のノズル孔１２８ａを有する円形のパイプ形態に構成され，装着部１２５のサラウンド領域１２５ａ内に配置される。
【００８３】
以上のような改質反応部１２３および熱源部１２７の構成は，第１実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００８４】
一酸化炭素低減部１２９は，第１反応器本体１２４およびスタック１０（図１）に連結設置されるが，第１反応器本体１２４から排出される改質ガスの供給を受け，改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させた状態で，この改質ガスをスタック１０に供給する機能をする。
【００８５】
このような一酸化炭素低減部１２９は，内部空間を形成している第２反応器本体１２９ａと，この内部空間に充填形成される触媒１２９ｂを備える。ここで，触媒１２９ｂは，改質ガス中に含まれている一酸化炭素の触媒反応，例えば，水性ガス転換（ＷＧＳ）反応または選択的酸化（ＰＲＯＸ）反応を促進させるためのものである。
【００８６】
第２反応器本体１２９ａは，内部空間を形成するように両端が閉鎖された円筒形構造からなる。第２反応器本体１２９ａは，第１反応器本体１２４から排出される改質ガスを内部空間に注入させるための第２注入口１２９ｃと，触媒１２９ｂにより一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスを排出させるための第２排出口１２９ｄを形成している。ここで，第２排出口１２９ｄはパイプ形態の配管によってスタック１０（図１）の電気発生部１１（図１）と連結することができる。
【００８７】
本実施形態において，熱処理ユニット１４０は，熱源部１２７から発生する熱を第１反応器本体１２４のサラウンド領域１２５ａを通じて第１反応器本体１２４および第２反応器本体１２９ａの外側に循環させるためのハウジング１２２を含む。
【００８８】
このハウジング１２２は，熱源部１２７，第１反応器本体１２４および第２反応器本体１２９ａ全体を収容するように図面に“Ｂ”と表示した密閉空間を形成している。この時，ハウジング１２２は，その内壁面と第１反応器本体１２４の外壁面，および，その内壁面と第２反応器本体１２９ａの外壁面が一定間隔離隔するように設置してもよい。そして，ハウジング１２２は断熱性を有する通常の金属または非金属断熱素材，例えば，セラミック，ステンレス鋼，ジルコニウムなどで形成することができる。
【００８９】
したがって，熱源部１２７で発生する熱は，第１反応器本体１２４のサラウンド領域１２５ａからハウジング１２２の密閉空間Ｂを通じて，第１反応器本体１２４および第２反応器本体１２９ａの外側に循環する。
【００９０】
さらに，本実施形態による熱処理ユニット１４０は，燃料を第１反応器本体１２４および第２反応器本体１２９ａの外周面側に循環させ，第１反応器本体１２４から排出される改質ガスを第２反応器本体１２９ａの外周面側に循環させるための第１流路部材１４１および第２流路部材１４２をさらに含む。
【００９１】
第１流路部材１４１は，燃料供給源５０（図１）の燃料タンク５１（図１）から供給される燃料を流動させるパスを形成する。第１流路部材１４１は，第１反応器本体１２４の外周面に接触して設置され，この外周面に対してコイル状に巻かれたパイプ形態になる。つまり，第１流路部材１４１は，第１反応器本体１２４の外周面に対して燃料を螺旋形方向に流動させるパスを形成することができる。このような第１流路部材１４１は，一側端部が第１反応器本体１２４の第１注入口１２４ａと連結され，他側端部が第２流路部材１４２と連結される単管形態の第１流路１４３を備える。
【００９２】
第２流路部材１４２は，燃料と改質ガスを流動させる各々の流路を一体に形成する。第２流路部材１４２は，第２反応器本体１２９ａの外周面に接触して設置され，この外周面に対してコイル状に巻かれた二重管路形態で構成される。
【００９３】
このような第２流路部材１４２は，燃料を流動させる第２流路１４４と，第２流路１４４の内部中心方向，言い換えれば，第２流路に沿った内部空間の中央部に配置されて第１反応器本体１２４から排出される改質ガスを流動させる第３流路１４５を備える。
【００９４】
第２流路１４４は，一側端部に形成される第１流入口１４４ａと，他側端部に形成される第１流出口１４４ｂを備えている。ここで，第１流入口１４４ａはパイプ形態の配管によって燃料供給源５０（図１）の燃料タンク５１（図１）と連結される。そして，第１流出口１４４ｂは，第１流路１４３の他側端部と連結される。
【００９５】
第３流路１４５は，一側端部に形成される第２流入口１４５ａと，他側端部に形成される第２流出口１４５ｂを形成している。ここで，第２流入口１４５ａは，第１反応器本体１２４の第１排出口１２４ｂと連結され，第２流出口１４５ｂは，第２反応器本体１２９ａの第２注入口１２９ｃと連結される。
【００９６】
上記のように構成される本実施形態による改質装置１２０が作用する時，熱源部１２７で発生する熱エネルギーの一部は第１反応器本体１２４のサラウンド領域１２５ａを通じてこの第１反応器本体１２４，およびこの第１反応器本体１２４内部の改質触媒１２６に提供され，残りの熱エネルギーはサラウンド領域１２５ａからハウジング１２２の密閉空間Ｂに循環する。
【００９７】
この過程で，第１流路部材１４１の第１流路１４３は，第１反応器本体１２４の外周面にコイル状に巻かれて設置されているために，第１反応器本体１２４に提供された熱エネルギーとハウジング１２２の密閉空間Ｂに循環される熱エネルギーの伝達を受けて所定温度に加熱される。そして第２流路部材１４２の第２流路１４４は，第２流路部材１４２が第２反応器本体１２９ａの外周面にコイル状に巻かれて設置されているために，ハウジング１２２の密閉空間Ｂに循環される熱エネルギーの伝達を受けて所定温度に加熱される。
【００９８】
その後，燃料供給源５０（図１）によって燃料を第２流路１４４に供給すれば，この燃料は第２流路１４４に沿って螺旋形方向に流動し，第１流路１４３に沿って螺旋形方向に流動する。その結果，燃料は，第１流路１４３および第２流路１４４が加熱された状態を維持しているために，熱エネルギーの提供を受けて所定の温度で予熱され，このような状態で第１反応器本体１２４の内部空間に供給される。したがって，改質反応部１２３は熱エネルギーおよび改質触媒１２６による燃料の改質反応を通じて水素を含有した改質ガスを発生させる。
【００９９】
（第４実施形態の効果）
このような改質ガスは，第１反応器本体１２４の第１排出口１２４ｂを通じて排出され，第２流路部材１４２の第３流路１４５を通じて流動しながら，第２反応器本体１２９ａの第２注入口１２９ｃを通じて，第２反応器本体１２９ａの内部空間に流入される。この時，改質ガスは，本実施形態による第２流路部材１４２が，二重管路形態に構成されることによって，第３流路１４５に沿って螺旋形方向に流動しながら，第２流路１４４に沿って流動する比較的に低温の燃料によって冷却されてスタック１０（図１）の固有な運転温度に相応する温度範囲を維持する。
【０１００】
したがって，一酸化炭素低減部１２９は，改質ガス中に含まれている一酸化炭素の水性ガス転換触媒反応または選択的酸化反応を通じて一酸化炭素の濃度を低減させ，このような改質ガスを第２反応器本体１２９の第２排出口１２９ｄを通じて排出させることによってスタック１０（図１）の電気発生部１１（図１）に供給する。
【０１０１】
以上，本実施形態による改質装置１２０の作用を気体燃料と共に空気を着火燃焼させて熱を発生させる熱源部１２７を例として具体的に説明すれば，この熱源部１２７は，約７５０℃〜８００℃の熱エネルギーを発生させる。このような熱エネルギーの一部は改質反応部１２３に伝達され，残りは本実施形態による熱処理ユニット１４０によって改質反応部１２３に供給される燃料に伝達される。
【０１０２】
したがって，燃料は改質反応部１２３の固有な運転温度に相応する温度範囲，約４５０℃〜５００℃の温度に予熱された状態を維持する。その結果，改質反応部１２３では，改質触媒１２６による燃料の改質反応を通じて，約６００℃〜７００℃の温度範囲を維持する改質ガスを発生させる。そして，改質反応部１２３から排出される改質ガスは，熱処理ユニット１４０によって一酸化炭素低減部１２９の固有な運転温度，約２００℃程度の温度を維持しながら一酸化炭素低減部１２９に供給される。
【０１０３】
その結果，一酸化炭素低減部１２９は，水性ガス転換触媒反応または選択的酸化反応を通じて，改質ガス中に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させ，このような改質ガスをスタック１０（図１）に供給する。
【０１０４】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる燃料電池システムの改質装置の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明の燃料電池システムの改質装置によれば，簡単な構造で改質装置の反応効率および熱効率を向上させることはもちろん，改質装置の運転全般に必要な熱エネルギーを容易に調節して運転効率を極大化させることができることは，燃料電池システムの改質装置の分野で広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】第１実施形態に適用される燃料電池システムの構成を概略的に示した説明図図である。
【図２】第１実施形態による改質装置の構成を概略的に示した斜視図である。
【図３】図２に示した第１実施形態による改質装置２０の縦断面図である。
【図４】第２実施形態による改質装置の構造を概略的に示した断面図である。
【図５】第３実施形態による改質装置の構造を概略的に示した断面図である。
【図６】第４実施形態による改質装置の構造を概略的に示した斜視図である。
【図７】図６に示した第４実施形態による改質装置１２０の縦断面図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０  スタック
１１  電気発生部
１２  膜−電極接合体（ＭＥＡ）
１６  セパレータ
２０  改質装置
２０Ａ  改質装置
２０Ｂ  改質装置
２２  ハウジング
２３  改質反応部
２４  反応器本体
２４ａ  燃料注入口
２４ｂ  改質ガス排出口
２５  
２５ａ  サラウンド領域
２６  改質触媒
２７  熱源部
２８  バーナー本体
２８ａ  ノズル孔
２８ｂ  点火プラグ
２９  一酸化炭素低減部
３０  流路部材
３１  第１流路
３１ａ  第１流入口
３１ｂ  第１流出口
３２  第２流路
３２ａ  第２流入口
３２ｂ  第２流出口
５０  燃料供給源
５１  燃料タンク
５３  燃料ポンプ
６０  支持ブラケット
７０  酸素供給源
７１  空気ポンプ
１００  燃料電池システム
１２０  改質装置
１２２  ハウジング
１２３  改質反応部
１２４  第１反応器本体
１２４ａ  第１注入口
１２４ｂ  第１排出口
１２５  装着部
１２５ａ  サラウンド領域
１２６  改質触媒
１２７  熱源部
１２８  バーナー本体
１２９  一酸化炭素低減部
１２９ａ  第２反応器本体
１２９ｂ  触媒
１２９ｃ  第２注入口
１２９ｄ  第２排出口
１４０  熱処理ユニット
１４１  流路部材
１４１  第１流路
１４２  第２流路部材
１４４  第２流路
１４５  第３流路
１４５ａ  第２流入口
１４５ｂ  第２流出口
Ａ  密閉空間
Ｂ  密閉空間
【図１】
2006151803.tif 000003
【図２】
2006151803.tif 000004
【図３】
2006151803.tif 000005
【図４】
2006151803.tif 000006
【図５】
2006151803.tif 000007
【図６】
2006151803.tif 000008
【図７】
2006151803.tif 000009