(57)【要約】【課題】  簡単な構造により，水素ガスを発生させるための反応効率及び熱効率を向上させる。【解決手段】  燃料電池ステムの改質器を，少なくとも二重の多重管路により相互に独立した内部空間が形成されて，それぞれの内部空間を水素を含有した燃料が通過する構造とし，水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部２３と，上記熱エネルギーによる改質反応により水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部２７とを備える構成とした。そして，上記多重管路は，第１管路２１と，第１管路２１の断面積より小さい断面積を有して第１管路２１の内部に同心状に配置される第２管路２２とを含み，第１反応部２３は，酸化触媒層２４が第２管路２２の内部空間に設けられた構造を有し，第２反応部２７は，改質触媒層２８が第１管路２１と第２管路２２との間の空間に設けられた構造を有するようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二重の多重管路により相互に独立した内部空間が形成されて，前記それぞれの内部空間を水素を含有した燃料が通過する構造を有し，
前記水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と，
前記熱エネルギーによる改質反応により，前記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部と，
を含むことを特徴とする燃料電池ステムの改質器。
【請求項２】
前記多重管路は，第１管路と，前記第１管路の断面積より小さい断面積を有して前記第１管路の内部に同心状に配置される第２管路とを含み，
前記第１反応部は，前記酸化反応を促進させる酸化触媒層が前記第２管路の内部空間に設けられた構造を有す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器。
【請求項３】
前記第２反応部は，前記改質反応を促進させる改質触媒層が前記第１管路と前記第２管路との間の空間に設けられた構造を有す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器。
【請求項４】
前記第２反応部は，前記第１管路と前記第２管路との間の空間に，前記改質反応を促進させて前記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層と，前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層とが設けられた構造を有す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器。
【請求項５】
少なくとも二重の多重管路により相互に独立した内部空間が形成されて，前記それぞれの内部空間を水素を含有した燃料が通過する構造を有し，
前記水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と，
前記熱エネルギーによる改質反応により，前記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部と，
前記第２反応部に供給される前記水素を含有した燃料に前記熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットと，
を含むことを特徴とする燃料電池ステムの改質器。
【請求項６】
前記多重管路は，第１管路と，前記第１管路の断面積より小さい断面積を有して前記第１管路の内部に同心状に配置される第２管路とを含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項７】
前記第１反応部は，前記第２管路の内部空間に，前記酸化反応を促進させる酸化触媒層が設けられた構造を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項８】
前記第２反応部は，前記第１管路と前記第２管路との間の空間に，前記改質反応を促進させる改質触媒層が設けられた構造を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項９】
前記第２反応部は，前記第１管路と前記第２管路との間の空間に，前記改質反応を促進させて前記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層と，前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層とが設けられた構造を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項１０】
前記熱伝達ユニットは，
前記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられて，その一端が前記第２管路の内部に連通する管状の第１パス部材と，
前記第１パス部材と接触するように前記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられて，その一端が前記第１管路と前記第２管路との間の空間に連通する管状の第２パス部材とを含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項１１】
第１管路と，前記第１管路の断面積より小さい断面積を有して前記第１管路の内部に同心状に配置される第２管路とを含む，二重の管路を有し，
水素を含有した燃料の酸化反応により所定の熱エネルギーを発生させる酸化触媒層が，前記第２管路の内部空間に設けられた第１反応部と，
前記熱エネルギーによる改質反応により前記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層が，前記第１管路と前記第２管路との間の空間に設けられた第２反応部と，
前記第２反応部に供給される前記水素を含有した燃料に前記熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットと，
を含むことを特徴とする燃料電池システムの改質器。
【請求項１２】
前記第１反応部は，前記第２管路の一端部に結合される，注入口が形成された第１キャップと，前記第２管路の他端部に結合される，排出口が形成された第２キャップとを有し，
前記第２反応部は，前記第１管路の一端部に結合される，注入口が形成された第３キャップと，前記第１管路の他端部に結合される，排出口が形成された第４キャップとを有する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器。
【請求項１３】
前記第３キャップは，前記第２管路が貫通する第２管路貫通孔を有し，前記第３キャップの注入口は複数個形成され，前記複数個の注入口は前記第２管路貫通孔を中心としてその周囲に管状に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項１４】
前記熱伝達ユニットは，
その一端が前記第２キャップの排出口に連結され，前記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられた管状の第１パス部材と，
その一端が前記第３キャップの注入口に連結され，前記第１管路の外周面に前記第１パス部材と接触するようにコイル状に巻き付けられた管状の第２パス部材とを含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項１５】
前記第２反応部には，
前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層が前記第１管路と前記第２管路との間の空間に設けられ，
前記水性ガス転換触媒層は，前記第１管路と第２管路との間の空間における混合燃料の流れに沿った前記改質触媒層の下流側に前記改質触媒層に連続して配置され，前記第４キャップの排出口側に位置することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項１６】
前記第１管路及び前記第２管路は円形管状に形成され，熱伝導性を有するステンレス鋼，アルミニウム，銅，または鉄からなる群より選択された材質からなる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器。
【請求項１７】
前記第１反応部及び前記第２反応部の全体を取り囲むように設けられる断熱部をさらに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器。
【請求項１８】
前記断熱部は，
内壁と，前記内壁から所定の距離だけ離隔されて前記内壁を取り囲むように設けられる外壁とを含み，
前記内壁と前記外壁との間の空間は真空であることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項１９】
前記内壁及び前記外壁は，セラミックまたはステンレスからなる群より選択される少なくとも１種の材質からな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器。
【請求項２０】
前記断熱部は，
一端部が閉鎖され他端部が開放された円筒状の本体と，
前記本体の他端部に結合されて前記本体の内部空間を密封する密封キャップとを含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項２１】
第１管路と，前記第１管路の内部に前記第１管路と同軸状に配置されて，その断面積が前記第１管路よりも小さい第２管路と，を含む二重管路の構造からなり，
水素を含有した燃料の酸化反応により所定の熱エネルギーを発生させる酸化触媒層が，前記第２管路の内部空間に設けられた第１反応部と，
前記熱エネルギーによる改質反応により前記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層が，前記第１管路と前記第２管路との間の空間に設けられた第２反応部と，
前記熱エネルギーを前記第２反応部及び前記第２反応部に供給される前記水素を含有した燃料に伝達する熱伝達ユニットとを含み，
前記熱伝達ユニットは，
その一端が前記第２管路の内部と連通し，前記第１管路の外周面に接触状態に設けられる管状の第１パス部材と，その一端が前記第１管路と前記第２管路との間の空間と連通し，前記第１管路の外周面に接触状態に設けられる管状の第２パス部材とを含み，
前記第１パス部材及び前記第２パス部材は，前記第１管路の外周面に相互に接触するように交互に配置されてコイル状に巻き付けられること，
を特徴とする燃料電池システムの改質器。
【請求項２２】
前記第２管路には，前記水素を含有した燃料の酸化反応により生じた高温の燃焼ガスの排出口となる貫通孔が形成され，前記第１パス部材の一端は前記第２管路の貫通孔に連結されることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項２３】
前記第１管路には，前記水素を含有した燃料の注入口となる貫通孔が形成され，前記第２パス部材の一端は前記第１管路の貫通孔に連結されることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項２４】
熱エネルギーによる化学触媒反応により，水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質器と，
前記水素ガスと酸素の電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部とを含み，
前記改質器は，少なくとも二重の多重管路の構造からなり，前記水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と，前記熱エネルギーによる改質反応により前記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部とを含むこと，
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２５】
前記改質器は，
第１管路と，
前記第１管路の内部に前記第１管路と同軸状に配置されて，その断面積が前記第１管路よりも小さい第２管路とを含むことを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記第１反応部は，前記酸化反応を促進させる酸化触媒層が前記第２管路の内部空間に設けられた構造を有することを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記第２反応部は，前記改質反応を促進させる改質触媒層が前記第１管路と前記第２管路との間の空間に設けられた構造を有することを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記第２反応部は，前記第１管路と前記第２管路との間の空間に，前記改質反応を促進させる改質触媒層，及び前記改質反応により生成された水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層が設けられた構造を有することを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
熱エネルギーによる化学触媒反応により，水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質器と，
前記水素ガスと酸素の電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部とを含み，
前記改質器は，少なくとも二重の多重管路の構造からなり，前記水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と，前記熱エネルギーにより改質反応により前記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部と，前記第２反応部に供給される燃料に前記第１反応部で発生した熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットとを含むこと，
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３０】
前記改質器は，第１管路と，前記第１管路の内部に前記第１管路と同軸状に配置されて，その断面積が前記第１管路よりも小さい第２管路とを含み，
前記第１反応部は，前記酸化反応を促進させる酸化触媒層が前記第２管路の内部空間に設けられた構造を有することを特徴とする請求項２９に記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
前記第２反応部は，前記改質反応を促進させる改質触媒層が前記第１管路と前記第２管路間の空間に設けられた構造を有することを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項３２】
前記第２反応部は，前記第１管路と前記第２管路との間の空間に，前記改質反応を促進させて前記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層と，前記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層とが設けられた構造を有することを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記熱伝達ユニットは，
前記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられて，その一端が前記第２管路の内部と連通する管状の第１パス部材と，
前記第１パス部材と接触するように前記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられて，その一端が前記第１管路と前記第２管路との間の空間と連通する管状の第２パス部材とを含むことを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項３４】
前記第１反応部は，前記第２管路の一端部に結合される，注入口が形成された第１キャップと，前記第２管路の他端部に結合される，排出口が形成された第２キャップとを有し，
前記第２反応部は，前記第１管路の一端部に結合される，注入口が形成された第３キャップと，前記第１管路の他端部に結合される，排出口が形成された第４キャップとを有することを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項３５】
前記熱伝達ユニットは，
その一端が前記第２キャップの排出口に連結され，前記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられた管状の第１パス部材と，
その一端が前記第３キャップの注入口に連結され，前記第１管路の外周面に前記第１パス部材と接触するようにコイル状に巻き付けられた管状の第２パス部材とを含むことを特徴とする請求項３４に記載の燃料電池システム。
【請求項３６】
前記改質器は，前記第１反応部及び前記第２反応部の全体を取り囲むように設けられる断熱部をさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の燃料電池システム。
【請求項３７】
前記断熱部は，
内壁と，前記内壁から所定の距離だけ離隔されて前記内壁を取り囲むように設けられる外壁とを含み，
前記内壁と前記外壁との間の空間が真空であることを特徴とする請求項３６に記載の燃料電池システム。
【請求項３８】
前記断熱部は，
一端部が閉鎖され他端部が開放された円筒状の本体と，
前記本体の他端部に結合され，前記本体の内部空間を密封する密封キャップとを含むことを特徴とする請求項３７に記載の燃料電池システム。
【請求項３９】
前記改質器に燃料を供給する燃料供給源を含み，
前記燃料供給源は，
水素を含有した燃料を貯蔵する第１タンクと，
水を貯蔵する第２タンクと，
前記第１タンク及び前記第２タンクに連結される燃料ポンプとを含むことを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項４０】
前記第１タンクと前記第２管路とが第１供給ラインにより連結されることを特徴とする請求項３９に記載の燃料電池システム。
【請求項４１】
前記第１タンク及び第２タンクと前記第１管路とが第２供給ラインにより連結されることを特徴とする請求項４０に記載の燃料電池システム。
【請求項４２】
前記改質器と前記電気生成部に酸素を供給する酸素供給源を含み，
前記酸素供給源は，空気を供給する空気ポンプを含むことを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池システム。
【請求項４３】
前記空気ポンプと前記第２管路とが第３供給ラインにより連結されることを特徴とする請求項４２に記載の燃料電池システム。
【請求項４４】
前記第１管路と前記電気生成部とが第４供給ラインにより連結されることを特徴とする請求項４３に記載の燃料電池システム。
【請求項４５】
前記電気生成部と前記空気ポンプとが第５供給ラインにより連結されることを特徴とする請求項４４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，燃料電池システムの改質器及びこれを採用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように，燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は，例えばメタノール，エタノール，または天然ガスなどの炭化水素系列の物質内に含有されている水素と酸素とを化学的に反応させることにより生じる化学反応エネルギーを，電気エネルギーに変換させる発電システムである。
【０００３】
この燃料電池は，使用される電解質の種類によって，燐酸型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池，固体酸化物型燃料電池，高分子電解質型燃料電池，アルカリ型燃料電池などに分類される。これらそれぞれの燃料電池は根本的に同じ原理により作動するが，使用される燃料の種類，運転温度，触媒，及び電解質などが異なる。
【０００４】
このような燃料電池のうち，最近盛んに開発が進められているのが，高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ，またはＰＥＭＦＣ：Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ，以下ＰＥＦＣとする）である。高分子電解質型燃料電池は，ほかの燃料電池と比較すると，出力特性が卓越しており，作動温度が低く，早い始動特性及び応答特性を有する。作動温度が低いと，発電可能な温度に達するまでの時間が短いため短時間でのスタートが可能であり，また，耐熱性が高くない安価な材料を使用できるのでコストパフォーマンスも優れる。更に，高分子電解質型燃料電池は，例えば自動車などの移動用電源として用いられるだけでなく，例えば住宅，公共建物などの分散用電源として利用したり，例えば電子機器などに用いられる小型電源としても適用可能であり，その応用範囲が広いという利点を有する。
【０００５】
このようなＰＥＦＣは，スタック（ｓｔａｃｋ），改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ），燃料タンク，及び燃料ポンプなどの複数の装置を備え，装置全体としてシステムを構成する。燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を改質器に供給する。改質器は燃料を改質して水素ガスを発生させ，その水素ガスをスタックに供給する。そして，スタックは燃料電池の本体を形成する。すなわち，ＰＥＦＣは，燃料ポンプを作動させることにより燃料タンク内の燃料を改質器に供給し，上記燃料を改質器にて改質して得られた水素ガスをスタックに供給し，スタックにて上記水素ガスと酸素とを電気化学的に反応させることにより，電気エネルギーを発生させる。
【０００６】
上述したような燃料電池システムにおいて，電気を実質的に発生させるスタックは，電極−電解質合成体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とその両面に密着するセパレータからなる単位セルが，数個から数十個積層された構造を有する。電極−電解質合成体は，間に電解質膜を介在して，電解質膜の一方の面にアノード電極が，他方の面にカソード電極が付着された構造を有する。セパレータは，電極−電解質合成体を相互に分離するものであり，バイポーラプレートとも呼ばれる。セパレータは，燃料電池の反応に必要な水素ガスと酸素を電極−電解質合成体のアノード電極とカソード電極に供給する通路の役割と，各電極−電解質合成体のアノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の役割とを同時に担う。すなわち，セパレータを介して，アノード電極には水素ガスが供給され，一方でカソード電極には酸素が供給される。これにより，アノード電極では水素ガスの酸化反応が起こり，カソード電極では酸素の還元反応が起こる。この際に生成される電子の移動により電気が発生し，同時に熱と水分も併せて発生する。
【０００７】
前述した改質器は，熱エネルギーによる化学触媒反応により，水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる装置である。通常，改質器は，熱エネルギーを発生させ，燃料から水素ガスを発生させる改質反応部と，上記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部とを含んで構成される。
【０００８】
従来の燃料電池システムの改質器において，改質反応部は，触媒による発熱及び吸熱反応特性を用いて水素ガスを発生させている。具体的に説明すると，改質反応部は，燃料と空気との酸化触媒反応により反応熱を発生させる発熱部と，上記反応熱を受けて燃料の改質触媒反応により水素ガスを発生させる吸熱部とからなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが，従来の改質器は，上述したような発熱部と吸熱部とをそれぞれ別個に設けて，発熱部にて発生させた熱を吸熱部に伝達する構造となっている。このような構造においては，発熱部と吸熱部との間の熱交換が直接的に行われないため，熱を伝達する際の熱損失が大きく，水素ガスを発生させるための反応効率及び熱効率が低下するといった問題があった。また，発熱部と吸熱部とを別個に設ける構造のため，システム全体の大きさをコンパクトにすることができず，小型化が難しいといった問題もあった。さらに，従来の燃料電池システムには，初期駆動の際に改質器に供給される燃料を予熱するものがあるが，この予熱のために伴うエネルギーの消耗により，全体システムの性能及び効率が低下するといった問題もあった。
【００１０】
したがって，本発明は前述したような問題点に鑑みてなされたもので，その目的は，簡単な構造により，水素ガスを発生させるための反応効率及び熱効率を向上させ得る構造を有する燃料電池システムの改質器及びこれを採用した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，少なくとも二重の多重管路により相互に独立した内部空間が形成されて，上記それぞれの内部空間を水素を含有した燃料が通過する構造を有し，上記水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と，上記熱エネルギーによる改質反応により，上記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部と，を含むことを特徴とする燃料電池ステムの改質器が提供される。
【００１２】
このような本発明にかかる燃料電池ステムの改質器によれば，燃料と空気との酸化触媒反応により反応熱を発生させる発熱部と，上記反応熱を受けて燃料の改質触媒反応により水素ガスを発生させる吸熱部とを，少なくとも二重の多重管路により形成される空間内に相互に隣接して設けているため，発熱部と吸熱部との間の熱交換が直接的に行われ，改質器の熱効率及び反応効率を向上させることができる。すなわち，上記改質器においては，少なくとも２本の中空の円筒を，口径の大きい外管の内部に口径の小さい内管が位置するように配設することにより，内管の内側の空間と，内管と外管との間の空間の，少なくとも２つの相互に独立した内部空間が形成される。そして，上記内部空間の一方を，水素を含有した燃料を通過させることにより酸化反応が生じて熱エネルギーを発生させる第１反応部とし，もう一方を，水素を含有した燃料の通過と上記第１反応部からの熱エネルギーとにより改質反応が生じて水素ガスを発生させる第２反応部としている。このとき，第２反応部は，上記多重管路内において第１反応部と隣り合っているため第１反応部で発生した熱エネルギーを直接受けることができるので，かかる改質器は熱効率に優れ，その結果反応効率も向上される。また，改質器の構造を，発熱部である第１反応部と吸熱部である第２反応部とが一体となった多重管路構造としたため，システム全体の大きさをコンパクトにすることができるといったメリットもある。
【００１３】
ここで，上記多重管路は，第１管路と，上記第１管路の断面積より小さい断面積を有して上記第１管路の内部に同心状に配置される第２管路とを含み，上記第１反応部は，上記酸化反応を促進させる酸化触媒層が上記第２管路の内部空間に設けられた構造を有するように構成される。すなわち，上に述べた少なくとも二重の多重管路は，口径の異なる管路を同軸上に配置することにより形成され，内管の内側の空間である第１反応部において熱エネルギーを発生させる構造となっている。
【００１４】
そして，上記第２反応部は，上記改質反応を促進させる改質触媒層が上記第１管路と上記第２管路との間の空間に設けられた構造を有するように構成されるので，上記第２反応部内で改質反応が行われる際には，内側に配置された第２管路すなわち第１反応部で発生した熱エネルギーを伝達て反応が行われるので，反応効率が良くなる。
【００１５】
ここで，上記第２反応部は，上記第１管路と上記第２管路との間の空間に，上記改質反応を促進させて上記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層と，上記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層とが設けられた構造を有する。かかる構成とすることにより，上記燃料が改質触媒層を通過した際に副生成物として生成された一酸化炭素が，水性ガス転換触媒層を通過することにより二酸化炭素及び水素に変換されるので，第２反応部より最終的に放出されるガスの一酸化炭素の濃度を低減させることが可能となる。
【００１６】
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，少なくとも二重の多重管路により相互に独立した内部空間が形成されて，上記それぞれの内部空間を水素を含有した燃料が通過する構造を有し，上記水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と，上記熱エネルギーによる改質反応により，上記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部と，上記第２反応部に供給される上記水素を含有した燃料に上記熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットと，を含むことを特徴とする燃料電池ステムの改質器が提供される。
【００１７】
このような本発明にかかる燃料電池ステムの改質器によれば，燃料と空気との酸化触媒反応により反応熱を発生させる発熱部と，上記反応熱を受けて燃料の改質触媒反応により水素ガスを発生させる吸熱部とを，少なくとも二重の多重管路により形成される空間内に相互に隣接して設けているため，発熱部と吸熱部との間の熱交換が直接的に行われ，改質器の熱効率及び反応効率を向上させることができる。すなわち，上記改質器においては，少なくとも２本の中空の円筒を，口径の大きい外管の内部に口径の小さい内管が位置するように配設することにより，内管の内側の空間と，内管と外管との間の空間の，少なくとも２つの相互に独立した内部空間が形成される。そして，上記内部空間の一方を，水素を含有した燃料を通過させることにより酸化反応が生じて熱エネルギーを発生させる第１反応部とし，もう一方を，水素を含有した燃料の通過と上記第１反応部からの熱エネルギーとにより改質反応が生じて水素ガスを発生させる第２反応部としている。このとき，第２反応部は，上記多重管路内において第１反応部と隣り合っているため第１反応部で発生した熱エネルギーを直接受けることができるので，かかる改質器は熱効率に優れ，その結果反応効率も向上される。そして更に，第２反応部に供給される燃料に第１反応部で発生した熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットを備えるので，予め予熱された燃料が第２反応部に供給されることになり，改質器の反応効率はより一層向上される。また，改質器の構造を，発熱部である第１反応部と吸熱部である第２反応部とが一体となった多重管路構造としたため，システム全体の大きさをコンパクトにすることができるといったメリットもある。
【００１８】
ここで，上記多重管路は，第１管路と，上記第１管路の断面積より小さい断面積を有して上記第１管路の内部に同心状に配置される第２管路とを含むように構成される。すなわち，上に述べた少なくとも二重の多重管路は，口径の異なる管路を同軸上に配置することにより形成される。
【００１９】
そして，上記第１反応部は，上記第２管路の内部空間に，上記酸化反応を促進させる酸化触媒層が設けられた構造を有する。すなわち，上に述べた少なくとも二重の多重管路により形成される空間のうち，内管の内側の空間が熱エネルギーを発生させる発熱部である第１反応部となる。
【００２０】
そして，上記第２反応部は，上記第１管路と上記第２管路との間の空間に，上記改質反応を促進させる改質触媒層が設けられた構造を有する。すなわち，上に述べた少なくとも二重の多重管路により形成される空間のうち，内管とその外側の管との間の空間が熱エネルギーを吸収して改質反応が行われる吸熱部である第２反応部となる。
【００２１】
このとき，上記第２反応部は，上記第１管路と上記第２管路との間の空間に，上記改質反応を促進させて上記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層と，上記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層とが設けられた構造を有するようにすることもできる。かかる構成とすることにより，上記燃料が改質触媒層を通過した際に副生成物として生成された一酸化炭素が，水性ガス転換触媒層を通過することにより二酸化炭素及び水素に変換されるので，第２反応部より最終的に放出されるガスの一酸化炭素の濃度を低減させることが可能となる。
【００２２】
そして，上記熱伝達ユニットは，上記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられて，その一端が上記第２管路の内部に連通する管状の第１パス部材と，上記第１パス部材と接触するように上記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられて，その一端が上記第１管路と上記第２管路との間の空間に連通する管状の第２パス部材とを含む如く構成される。すなわち，上記第１パス部材は第１反応部にて発生した熱エネルギーの放出経路となり，一端が第２管路に連通し，上記一端から延長される部分が第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられる構成を有する。一方，上記第２パス部材は第２反応部に供給される燃料の供給経路となり，一端が第１管路に連通し，上記一端から延長される部分が第１管路の外周面に上記第１パス部材と接触しつつコイル状に巻き付けられる構成を有する。従って，上記第２パス部材を経由して第２反応部に供給される燃料は，第２パス部材と接触する第１パス部材内を流れる高温のガスから熱エネルギーを伝達されるので，予め熱された状態で第２反応部に供給される。このように燃料を予め熱しておくことにより改質反応の効率は向上される。また，燃料の予熱に第１反応部で発生した熱エネルギーを利用することにより，予熱に要するエネルギーを節約することができ，改質器システム全体の性能及び効率を向上させることもできる。
【００２３】
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，第１管路と，上記第１管路の断面積より小さい断面積を有して上記第１管路の内部に同心状に配置される第２管路とを含む，二重の管路を有し，水素を含有した燃料の酸化反応により所定の熱エネルギーを発生させる酸化触媒層が，上記第２管路の内部空間に設けられた第１反応部と，上記熱エネルギーによる改質反応により上記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層が，上記第１管路と上記第２管路との間の空間に設けられた第２反応部と，上記第２反応部に供給される上記水素を含有した燃料に上記熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットと，を含むことを特徴とする燃料電池システムの改質器が提供される。
【００２４】
このような本発明にかかる燃料電池ステムの改質器によれば，燃料と空気との酸化触媒反応により反応熱を発生させる発熱部と，上記反応熱を受けて燃料の改質触媒反応により水素ガスを発生させる吸熱部とを，二重管路により形成される空間内に相互に隣接して設けているため，発熱部と吸熱部との間の熱交換が直接的に行われ，改質器の熱効率及び反応効率を向上させることができる。すなわち，上記改質器においては，口径の異なる２本の管路を同軸上に配置することにより，内管の内側の空間と，内管と外管との間の空間の，２つの相互に独立した内部空間が形成される。そして，内管の内側の空間を，燃料を通過させて酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部とし，内管と外管との間の空間を，燃料を通過させて上記第１反応部からの熱エネルギーを受けて改質反応により水素ガスを発生させる第２反応部としている。このとき，第２反応部は第１反応部と隣り合っているため，第１反応部で発生した熱エネルギーを直接受けることができるので，かかる改質器は熱効率に優れ，その結果反応効率も向上される。そして更に，第２反応部に供給される燃料に第１反応部で発生した熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットを備えるので，予め予熱された燃料が第２反応部に供給されることになり，改質器の反応効率はより一層向上される。また，改質器の構造を，発熱部である第１反応部と吸熱部である第２反応部とが一体となった多重管路構造としたため，システム全体の大きさを小型化することが可能になるといったメリットもある。
【００２５】
このとき，上記第１反応部は，上記第２管路の一端部に結合される，注入口が形成された第１キャップと，上記第２管路の他端部に結合される，排出口が形成された第２キャップとを有し，上記第２反応部は，上記第１管路の一端部に結合される，注入口が形成された第３キャップと，上記第１管路の他端部に結合される，排出口が形成された第４キャップとを有するように構成されるのがよい。すなわち，上記二重管路により形成される第１反応部と第２反応部とは，それぞれその両端がキャップにより封鎖されて密閉された空間となり，該キャップに形成された注入口または排出口を通じて燃料の供給または生成物の排出が行われる。
【００２６】
ここで，上記第３キャップは，上記第２管路が貫通する第２管路貫通孔を有し，上記第３キャップの注入口は複数個形成され，上記複数個の注入口は上記第２管路貫通孔を中心としてその周囲に管状に配置されるように構成される。すなわち，第１管路に結合される第３キャップはリング型である。そして，第１管路の内側に設けられる第２管路は，その端部が上記第３キャップのリングの穴である第２管路貫通孔から第１管路の外部に突出するように配設される。そして，第３キャップのリングの面には，上記第２管路貫通孔を囲んで複数の注入口が形成される。
【００２７】
そして，上記熱伝達ユニットは，その一端が上記第２キャップの排出口に連結され，上記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられた管状の第１パス部材と，その一端が上記第３キャップの注入口に連結され，上記第１管路の外周面に上記第１パス部材と接触するようにコイル状に巻き付けられた管状の第２パス部材とを含むように構成されるのがよい。すなわち，第１反応部にて発生した熱エネルギーは，第２キャップの排出口から排出されて第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられた第１パス部材を通じて放出される。一方，第２反応部に供給される燃料は第１管路の外周面に上記第１パス部材と接触しつつコイル状に巻き付けられた第２パス部材を経由して，第３キャップの注入口から第２反応部に供給される。従って，上記第２パス部材を通過する燃料は，第２パス部材と接触する第１パス部材内を流れる高温のガスから熱エネルギーを伝達されるので，予め熱された状態で第２反応部に供給される。このように燃料を予め熱しておくことにより改質反応の効率は向上される。また，燃料の予熱に第１反応部で発生した熱エネルギーを利用することにより，予熱に要するエネルギーを節約することができ，改質器システム全体の性能及び効率を向上させることもできる。
【００２８】
また，上記第２反応部には，上記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層が上記第１管路と上記第２管路との間の空間に設けられ，上記水性ガス転換触媒層は，上記第１管路と第２管路との間の空間における混合燃料の流れに沿った上記改質触媒層の下流側に上記改質触媒層に連続して配置され，上記第４キャップの排出口側に位置するように構成することもできる。かかる構成とすることにより，上記燃料が改質触媒層を通過した際に副生成物として生成された一酸化炭素が，水性ガス転換触媒層を通過することにより二酸化炭素及び水素に変換されるので，第２反応部より最終的に放出されるガスの一酸化炭素の濃度を低減させることが可能となる。
【００２９】
また，上記第１管路及び上記第２管路は円形管状に形成され，熱伝導性を有するステンレス鋼，アルミニウム，銅，または鉄からなる群より選択された材質からなることが望ましい。
【００３０】
そして，燃料電池システムの改質器は，上記第１反応部及び上記第２反応部の全体を取り囲むように設けられる断熱部をさらに含むように構成することができる。かかる断熱部を備えることにより，第１反応部で発生した熱エネルギーが改質反応に利用される過程において，熱エネルギーが改質器の外部に放出されるのを防止することができる。
【００３１】
このとき，上記断熱部は，内壁と，上記内壁から所定の距離だけ離隔されて上記内壁を取り囲むように設けられる外壁とを含み，上記内壁と上記外壁との間の空間は真空となるように構成すれば，より高い断熱性を得ることができる。
【００３２】
そして，上記内壁及び上記外壁は，セラミックまたはステンレスからなる群より選択される少なくとも１種の材質からなることが望ましい。また，上記断熱部は，一端部が閉鎖され他端部が開放された円筒状の本体と，上記本体の他端部に結合されて上記本体の内部空間を密封する密封キャップとを含むように構成することができる。
【００３３】
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，第１管路と，上記第１管路の内部に上記第１管路と同軸状に配置されて，その断面積が上記第１管路よりも小さい第２管路と，を含む二重管路の構造からなり，水素を含有した燃料の酸化反応により所定の熱エネルギーを発生させる酸化触媒層が，上記第２管路の内部空間に設けられた第１反応部と，上記熱エネルギーによる改質反応により上記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層が，上記第１管路と上記第２管路との間の空間に設けられた第２反応部と，上記熱エネルギーを上記第２反応部及び上記第２反応部に供給される上記水素を含有した燃料に伝達する熱伝達ユニットとを含み，上記熱伝達ユニットは，その一端が上記第２管路の内部と連通し，上記第１管路の外周面に接触状態に設けられる管状の第１パス部材と，その一端が上記第１管路と上記第２管路との間の空間と連通し，上記第１管路の外周面に接触状態に設けられる管状の第２パス部材とを含み，上記第１パス部材及び上記第２パス部材は，上記第１管路の外周面に相互に接触するように交互に配置されてコイル状に巻き付けられること，を特徴とする燃料電池システムの改質器が提供される。
【００３４】
このような本発明にかかる燃料電池システムの改質器によれば，酸化触媒反応により反応熱を発生させる発熱部と，上記反応熱を受けて改質触媒反応により水素ガスを発生させる吸熱部とを，二重管路により形成される空間内に相互に隣接して設けているため，発熱部と吸熱部との間の熱交換が直接的に行われ，改質器の熱効率及び反応効率を向上させることができる。すなわち，上記改質器においては，口径の異なる２本の管路を同軸上に配置し，内管の内側の空間を酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部とし，内管と外管との間の空間を改質反応により水素ガスを発生させる第２反応部としている。このとき，第２反応部は第１反応部と隣り合っているため改質器の熱効率及び反応効率は優れる。また，改質器は第１反応部と第２反応部とが一体となった二重管路構造のため，システム全体の大きさをコンパクトにすることができる。そして更に，第２反応部に供給される燃料に第１反応部で発生した熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットを備えるので，予め予熱された燃料が第２反応部に供給されることになり，改質器の反応効率はより一層向上される。
【００３５】
このとき，上記第２管路には，上記水素を含有した燃料の酸化反応により生じた高温の燃焼ガスの排出口となる貫通孔が形成され，上記第１パス部材の一端は上記第２管路の貫通孔に連結されるようにするのがよい。また，上記第１管路には，上記水素を含有した燃料の注入口となる貫通孔が形成され，上記第２パス部材の一端は上記第１管路の貫通孔に連結されるようにするのがよい。
【００３６】
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，熱エネルギーによる化学触媒反応により，水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質器と，上記水素ガスと酸素の電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部とを含み，上記改質器は，少なくとも二重の多重管路の構造からなり，上記水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と，上記熱エネルギーによる改質反応により上記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部とを含むこと，を特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００３７】
このような本発明にかかる燃料電池システムによれば，改質器の発熱部及び吸熱部が少なくとも二重の多重管路により形成されるため，発熱部と吸熱部との間の熱交換が直接的に行われ，改質器の熱効率及び反応効率，更には燃料電池システム全体の電気の生成効率を向上させることができる。すなわち，上記改質器は，少なくとも２本の中空の円筒を，口径の大きい外管の内部に口径の小さい内管が位置するように配設した多重管路構造を有する。そして，多重管路により形成される隣り合う内部空間の一方を酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部とし，もう一方を改質反応により水素ガスを発生させる第２反応部としている。このように，第１反応部と第２反応部とが隣り合った一体化された構造を有する改質器は熱効率に優れる。そして，かかる改質器を備える燃料電池システムは，反応効率及び電気生成効率に優れ，システムの小型化も可能である。
【００３８】
このとき，上記改質器は，第１管路と，上記第１管路の内部に上記第１管路と同軸状に配置されて，その断面積が上記第１管路よりも小さい第２管路とを含むように構成されることが望ましい。
【００３９】
そして，上記第１反応部は，上記酸化反応を促進させる酸化触媒層が上記第２管路の内部空間に設けられた構造を有するようにするのがよい。また，上記第２反応部は，上記改質反応を促進させる改質触媒層が上記第１管路と上記第２管路との間の空間に設けられた構造を有するようにするのがよい。あるいは，上記第２反応部は，上記第１管路と上記第２管路との間の空間に，上記改質反応を促進させる改質触媒層，及び上記改質反応により生成された水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層が設けられた構造を有するようにするのがよい。
【００４０】
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，熱エネルギーによる化学触媒反応により，水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる改質器と，上記水素ガスと酸素の電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部とを含み，上記改質器は，少なくとも二重の多重管路の構造からなり，上記水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と，上記熱エネルギーにより改質反応により上記水素を含有した燃料から水素ガスを発生させる第２反応部と，上記第２反応部に供給される燃料に上記第１反応部で発生した熱エネルギーを伝達する熱伝達ユニットとを含むこと，を特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００４１】
このような本発明にかかる燃料電池システムによれば，改質器の発熱部及び吸熱部が二重管路により形成されるため，発熱部と吸熱部との間の熱交換が直接的に行われ，改質器の熱効率及び反応効率，更には燃料電池システム全体の電気の生成効率を向上させることができる。すなわち，上記改質器は，少なくとも２本の中空の円筒を，口径の大きい外管の内部に口径の小さい内管が位置するように配設した二重管路構造を有する。そして，二重管路により形成される隣り合う内部空間の一方を酸化反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部とし，もう一方を改質反応により水素ガスを発生させる第２反応部としている。このように，第１反応部と第２反応部とが隣り合った一体化された構造を有する改質器は熱効率に優れる。そして，かかる改質器を備える燃料電池システムは，反応効率及び電気生成効率に優れ，システムの小型化も可能である。
【００４２】
このとき，上記改質器は，第１管路と，上記第１管路の内部に上記第１管路と同軸状に配置されて，その断面積が上記第１管路よりも小さい第２管路とを含み，上記第１反応部は，上記酸化反応を促進させる酸化触媒層が上記第２管路の内部空間に設けられた構造を有するように構成するのがよい。すなわち，上記二重管路構造を有する改質器は，内管の内側の空間が熱エネルギーを発生させる発熱部としての第１反応部になる。
【００４３】
そして，上記第２反応部は，上記改質反応を促進させる改質触媒層が上記第１管路と上記第２管路間の空間に設けられた構造を有するように構成するのがよい。あるいは，上記第２反応部は，上記第１管路と上記第２管路との間の空間に，上記改質反応を促進させて上記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層と，上記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる水性ガス転換触媒層とが設けられた構造を有するように構成するのがよい。すなわち，上記二重管路構造を有する改質器は，内管と外管との間の空間が熱エネルギーを吸収して改質反応が行われる吸熱部としての第２反応部になる。
【００４４】
また，上記熱伝達ユニットは，上記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられて，その一端が上記第２管路の内部と連通する管状の第１パス部材と，上記第１パス部材と接触するように上記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられて，その一端が上記第１管路と上記第２管路との間の空間と連通する管状の第２パス部材とを含むように構成されるのがよい。かかる構成とすることにより，第１反応部で発生した熱エネルギーがその内部を通過する第１パス部材から，第２パス部材を通過して第２反応部に供給される燃料が熱伝達を受けるので，第２反応部には予め熱された燃料が供給されるようになる。従って，改質器の反応効率はより一層向上され，燃料電池システム全体の発電効率も向上させることができる。
【００４５】
ここで，上記第１反応部は，上記第２管路の一端部に結合される，注入口が形成された第１キャップと，上記第２管路の他端部に結合される，排出口が形成された第２キャップとを有し，上記第２反応部は，上記第１管路の一端部に結合される，注入口が形成された第３キャップと，上記第１管路の他端部に結合される，排出口が形成された第４キャップとを有するように構成されるのがよい。このようにして，上記二重管路により形成される第１反応部と第２反応部とは，それぞれその両端がキャップにより封鎖されて密閉された空間となり，該キャップに形成された注入口または排出口を通じて燃料の供給または生成物の排出が行われる。
【００４６】
そして，上記熱伝達ユニットは，その一端が上記第２キャップの排出口に連結され，上記第１管路の外周面にコイル状に巻き付けられた管状の第１パス部材と，その一端が上記第３キャップの注入口に連結され，上記第１管路の外周面に上記第１パス部材と接触するようにコイル状に巻き付けられた管状の第２パス部材とを含むように構成されるのがよい。
これにより，第１反応部にて発生した熱エネルギーは，第２キャップの排出口から第１パス部材を通じて放出される一方で，第２反応部に供給される燃料は上記第１パス部材と接触する第２パス部材を経由して，第３キャップの注入口から第２反応部に供給される。従って，上記第２パス部材を通過する燃料は第１パス部材内を流れる高温のガスにより暖められてから第２反応部に供給される。このように燃料を予め熱しておくことにより改質反応の効率及び燃料電池システムの発電効率は向上される。また，燃料の予熱に第１反応部で発生した熱エネルギーを利用することにより，予熱に要するエネルギーを節約することができ，改質器システム全体の性能及び効率を向上させることもできる。
【００４７】
そして，上記改質器は，上記第１反応部及び上記第２反応部の全体を取り囲むように設けられる断熱部をさらに含むように構成することができる。かかる断熱部を備えることにより，第１反応部で発生した熱エネルギーが改質反応に利用される過程において，熱エネルギーが改質器の外部に放出されるのを防止することができる。
【００４８】
このとき，上記断熱部は，内壁と，上記内壁から所定の距離だけ離隔されて上記内壁を取り囲むように設けられる外壁とを含み，上記内壁と上記外壁との間の空間が真空となるように構成されるのがよい。また，上記断熱部は，一端部が閉鎖され他端部が開放された円筒状の本体と，上記本体の他端部に結合され，上記本体の内部空間を密封する密封キャップとを含むように構成することができる。
【００４９】
また，上記燃料電池システムは，上記改質器に燃料を供給する燃料供給源を含み，上記燃料供給源は，水素を含有した燃料を貯蔵する第１タンクと，水を貯蔵する第２タンクと，上記第１タンク及び上記第２タンクに連結される燃料ポンプとを含むように構成されることが望ましい。
【００５０】
そして，上記第１タンクと上記第２管路とは第１供給ラインにより連結することができる。また，上記第１タンク及び第２タンクと上記第１管路とは第２供給ラインにより連結することができる。
【００５１】
また，上記燃料電池システムは，上記改質器と上記電気生成部に酸素を供給する酸素供給源を含み，上記酸素供給源は，空気を供給する空気ポンプを含むように構成されることが望ましい。
【００５２】
そして，上記空気ポンプと上記第２管路とは第３供給ラインにより連結することができる。また，上記第１管路と上記電気生成部とは第４供給ラインにより連結することができる。更に，上記電気生成部と上記空気ポンプとは第５供給ラインにより連結することができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば，改質器を二重管路構造としたことにより，水素ガスを発生させるための反応効率及び熱効率を向上させることのできる燃料電池システムの改質器及びこれを採用した燃料電池システムを提供できるものである。すなわち，改質器を二重管路構造とし，内側の管路の内部では水素を含有した燃料の酸化反応により熱エネルギーを発生させ，外側と内側の管路の間では上記熱エネルギーによる改質反応により水素を含有した燃料から水素ガスを発生させるようにしたことにより，改質反応に必要な熱エネルギーが迅速に伝達されるようになる。更に，改質反応に利用する熱エネルギーが外部に放出されないように断熱する構造としたので，改質器の熱効率が向上し，その結果反応効率も向上し，システム全体の性能も向上する。
【００５４】
また，二重管路構造としたことにより，改質器及び燃料電池システム全体の大きさを小型化することができる。
【００５５】
更に，上記内側の管路の内部で発生した熱エネルギーにより，改質器に供給される燃料を予熱する構造としたので，燃料電池システム全体の熱効率及び運転性能をさらに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，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。
【００５７】
先ず，本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムにおける，燃料及び酸素について以下に説明する。
【００５８】
燃料電池システムにおける，電気を生成するための燃料としては，メタノール，エタノール，または天然ガスのような水素を含有した狭義の燃料の他にも，広義の燃料として水及び酸素をさらに含むことができる。しかし，以下に説明する実施の形態においては，燃料として上記狭義の燃料を使用することとする。ここで更に，上記燃料は，取り扱いの面などで液状であることが，便宜上好ましい。また，上記液状の燃料と水とが混合された燃料を混合燃料と定義する。
【００５９】
そして，燃料電池システムにおける，水素と反応する酸素としては，別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋酸素ガス，または酸素を含有した空気を使用することができる。しかし，以下に説明する実施の形態においては，酸素として後者の空気を使用することとする。
【００６０】
先ず，本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの全体的な構成について説明する。図１は，本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの全体の構成を概略的に示した図である。
【００６１】
本実施形態にかかる燃料電池システム１００は，電解質に高分子膜を用いた高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ，またはＰＥＭＦＣ：Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。このような高分子電解質型の燃料電池システムは，改質器により上述した混合燃料から水素ガスを発生させ，この燃料から発生させた水素ガスをスタックに供給して，水素と酸素の電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる。
【００６２】
本実施形態にかかる燃料電池システム１００は，上記液状の燃料から水素ガスを発生させる改質器２０と，発生された水素ガスと酸素の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させて電気を生産するスタック１０と，改質器２０に燃料を供給する燃料供給源５０と，スタック１０及び改質器２０に酸素を供給する酸素供給源７０と，を含んで構成される。
【００６３】
燃料供給源５０は，液状の燃料を貯蔵する第１タンク５１と，水を貯蔵する第２タンク５３と，第１タンク５１及び第２タンク５３に共に連結された燃料ポンプ５５と，を含んで構成される。また，酸素供給源７０は，所定のポンプ力または圧力で空気を供給する空気ポンプ７１を含んで構成される。
【００６４】
次に，本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの改質器の構成について説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムの改質器２０は，燃料供給源５０から燃料を受け，この燃料から水素ガスをスタック１０に供給する。図２は，本実施形態による改質器の構造を示す分解斜視図である。図３は，図２の構成要素が部分的に結合された斜視図である。図４は，図２または図３の構成要素が結合された際の断面図である。
【００６５】
本実施形態にかかる改質器２０は，互いに独立した内部空間を有する少なくとも二重管路の形態に形成されるもので，第１反応部２３と，第２反応部２７とを備える。第１反応部２３は，液状の燃料と空気の酸化反応により熱エネルギーを発生させる。第２反応部２７は，上記熱エネルギーによる改質反応により混合燃料から水素ガスを発生させ，更に上記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる。
【００６６】
上述した第１反応部２３と第２反応部２７とを備える改質器２０の具体的な構造として，改質器２０は，第１管路２１と，第１管路２１の内部に位置する第２管路２２とを含んで構成される。第１管路２１は，所定の断面積を有し，その形状は実質的に，両端が開放された円形管状に形成される。第２管路２２は，第１管路２１の断面積より小さい断面積を有し，その形状は実質的に，両端が開放された円形管状に形成される。ここで，第２管路２２は，その外周面と第１管路２１の内周面が均一な間隔を有するように，第１管路２１と同心状に配設される。すなわち，改質器２０は，口径の異なる管路を同軸上に配置した二重またはそれ以上の多重の管路構造を有する。
【００６７】
第１管路２１及び第２管路２２の材質としては，熱伝導性を有するステンレス鋼，アルミニウム，銅，または鉄などを使用することができる。上記ステンレス鋼（ステンレススチール）としては，例えば日本工業規格（ＪＩＳ）で定められた材料表記記号がＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ
Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）であるものを用いることができる。
【００６８】
第１反応部２３は，上記構造を有する改質器２０において，第２管路２２と，第２管路２２の内部空間に充填される酸化触媒層２４と，第２管路２２の一端部に形成される注入口２５ａと，第２管路２２の他端部に形成される排出口２６ａとを含んで構成される。
【００６９】
ここで，注入口２５ａは，液状燃料と空気を第２管路２２の内部空間に注入可能にする孔として形成される。また，排出口２６ａは，液状燃料と空気の酸化反応によって発生した燃焼ガスを第２管路２２の内部空間から外部へ排出可能にする孔として形成される。すなわち，第１反応部２３は，一端部に注入口２５ａを有する第１キャップ２５が結合され，他端部に排出口２６ａを有する第２キャップ２６が結合されて形成された第２管路２２内の空間に，酸化触媒層２４を設けることにより形成される。
【００７０】
このとき，第１反応部２３には，注入口２５ａを通じて，燃料供給源５０の第１タンク５１に貯蔵された液状の燃料が管状の第１供給ライン８１を通じて供給され，酸素供給源７０の空気ポンプ７１からの空気が管状の第３供給ライン８３を通じて供給される。すなわち，第１キャップ２５の注入口２５ａと第１タンク５１は管状の第１供給ライン８１により連結され，注入口２５ａと空気ポンプ７１は管状の第３供給ライン８３により連結される。このとき，第１供給ライン８１及び第３供給ライン８３は，合流されて単一合流ライン９１となってから第１キャップ２５の注入口２５ａに連結されることが望ましいが，それぞれ別々に第２管路２２の内部と連結される構成とすることも可能である。合流ライン９１を注入口２５ａに連結させるためには，合流ライン９１を後述する断熱部３６及び第１管路２１を貫通させてから注入口２５ａに連結させるようにする。このため，第１管路２１には，合流ライン９１を連通させる第１貫通孔２１ａが形成される。このように，第１反応部２３に燃料または空気を供給するには，断熱部３６，第１管路２１，及び第１キャップ２５を貫通させて供給ラインを設けなければならないため，第１供給ライン８１と第３供給ライン８３を予め合流させて一本のラインとしておけば，構成を単純化することができる。
【００７１】
そして，酸化触媒層２４は，第２管路２２の内部空間に充填されて，液状燃料と空気の酸化反応を促進させて，所定温度の熱源を発生させる。このような酸化触媒層２４は，例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３），シリカ（ＳｉＯ２）またはチタニア（ＴｉＯ２）などからなるペレット形態の担体に，白金（Ｐｔ），ルテニウム（Ｒｕ）などの触媒物質を担持させた構造を有する。
【００７２】
第２反応部２７は，上記構造を有する改質器２０において，第１管路２１と，第１管路２１と第２管路２２との間の空間に充填される改質触媒層２８と，第１管路２１の一端部に形成される注入口３１ａと，第１管路２１の他端部に形成される排出口３２ａとを含んで構成される。
【００７３】
ここで，注入口３１ａは，液状燃料と水の混合燃料を第１管路２１と第２管路２２との間の内部空間に注入可能にする孔として形成される。また，排出口３２ａは，混合燃料の改質反応により発生する水素ガスを上記内部空間から外部へ排出させる孔として形成される。すなわち，第２反応部２７は，第１管路２１と第２管路２２との間の空間の各端部に第３キャップ３１と第４キャップ３２とを設けて形成された密閉空間に改質触媒層２８を設けて構成されるものである。そして，混合燃料は第３キャップ３１に形成された注入口３１ａから注入され，生成された水素ガス及び副生成物は第４キャップ３２に形成された排出口３２ａから排出される。
【００７４】
この際，第３キャップ３１は，第２管路２２が貫通する第２管路貫通孔３１ｂが形成された環状のフランジからなる。そして，上記環状のフランジには，第２管路貫通孔３１ｂの周囲に，注入口３１ａが放射状に形成される。すなわち，上記環状のフランジには，複数の注入口３１ａが，第２管路貫通孔３１ｂを中心とした円周上に配設される。このように注入口３１ａが複数個形成されるのは，第１管路２１と第２管路２２との間に形成される長いリング状の空間に混合燃料を均一に注入するためである。そして，均一な燃料の注入のためには，注入口３１ａは第２管路貫通孔３１ｂを中心とした円周上に等間隔で配設されることがより望ましい。また，注入口３１ａを一個だけ配設して第２パス部材３５も一本だけ設ける構成とすることも可能であるが，改質反応の効率を上げるためには，注入口３１ａを複数個配設した構成の方が好ましい。
【００７５】
このとき，第２反応部２７の注入口３１ａには，燃料供給源５０の第１タンク５１に貯蔵された液状の燃料及び第３タンク５３に貯蔵された水が，管状の第２供給ライン８２を通じて供給される。すなわち，第３キャップ３１の注入口３１ａと第１タンク５１及び第２タンク５３は，管状の第２供給ライン８２を介して互いに連結される。具体的には，第２供給ライン８２は，後述する熱伝達ユニット３３の第２パス部材３５を通じて注入口３１ａと連結される。ここで，注入口３１ａが複数存在する場合は，第２供給ライン８２は複数のラインに分割されてそれぞれの注入口３１ａに連結される。すなわち，第２供給ランイ８２から第２パス部材３５を経て注入口３１ａに到達するまでの経路において，第２供給ライン８２は注入口３１ａの数に対応するように分岐されるが，上記分岐の方法や，第２パス部材３５の本数は特に限定されるものではない。
【００７６】
そして，第２反応部２７の排出口３２ａからは，混合燃料の改質反応により生成された水素ガスが，管状の第４供給ライン８４を通じてスタック１０の電気生成部１１に送られる。すなわち，第４キャップ３２の排出口３２ａと後述するスタック１０の電気生成部１１は，管状の第４供給ライン８４を介して互いに連結される。この場合，第４供給ライン８４は，後述する断熱部３６を貫通して電気生成部１１と排出口３２ａとを互いに連結するようにすることができる。
【００７７】
そして，改質触媒層２８は，第１管路２１と第２管路２２との間の空間に充填されて，混合燃料の改質反応，すなわち混合燃料の分解反応及び一酸化炭素の変性反応を促進させて，上記混合燃料から水素ガスを発生させる。このような改質触媒層２８は，アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），シリカ（ＳｉＯ２）またはチタニア（ＴｉＯ２）からなるペレット形態の担体に，銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），白金（Ｐｔ）などの触媒物質を担持させた構造を有する。
【００７８】
また，第２反応部２７は，図１及び図４に図示されたように，第１管路２１と第２管路２２との間の空間に，改質触媒層２８に続いて位置する水性ガス転換触媒層２９をさらに含むこともできる。水性ガス転換触媒層２９は，改質触媒層２８により生成された水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を，水性ガス転換反応（Ｗａｔｅｒ−Ｇａｓ  Ｓｈｉｆｔ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＷＧＳ，またはシフト反応）により，低減させる機能を有する。すなわち，水性ガス転換触媒層２９においては，混合燃料の改質反応により副生された一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とになるので，水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させることができる。
【００７９】
ここで，混合燃料は，第３キャップ３１の注入口３１ａを介して第１管路２１と第２管路２２との間の空間に注入され，改質触媒層２８を通過しながら水素ガスに転換された状態で第４キャップ３２の排出口３２ａを介して排出される。このような混合燃料が水素ガスに転換される際の経路において，水性ガス転換触媒層２９は，第１管路２１と第２管路２２との間の空間における第４キャップ３２の排出口３２ａ側に位置することが望ましい。すなわち，水性ガス転換触媒層２９は，第１管路２１と第２管路２２との間の空間における混合燃料の流れに沿った改質触媒層２８の下流側に配置される。かかる水性ガス転換触媒層２９は，アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），シリカ（ＳｉＯ２）またはチタニア（ＴｉＯ２）からなるペレット形態の担体に，銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），鉄（Ｆｅ），クロム（Ｃｒ）などの触媒物質を担持させた構造を有する。
【００８０】
ここで，本実施形態にかかる改質器２０は，第１反応部２３にて発生した熱エネルギーの利用効率を高めるために，上記熱エネルギーを第２反応部２７及び第２反応部２７に供給される燃料に伝達する熱伝達ユニット３３を備える。
【００８１】
熱伝達ユニット３３は，管状の第１パス部材３４と管状の第２パス部材３５とにより構成される。第１パス部材３４は，第２管路２２の排出口２６ａを介して排出される比較的高温の燃焼ガスを第１管路２１の外周方向，すなわち第１管路２１の外周面に伝達する役割りを果たす。そして，第２パス部材３５は，第１パス部材３４と接触するように配設されて，その内部を第２反応部２７に供給される混合燃料が流れるようにすることにより，第１パス部材３４の管内の熱エネルギーを第１管路２１の注入口３１ａに供給される混合燃料に伝達する役割りを果たす。
【００８２】
熱伝達ユニット３３の第１パス部材３４は管状であり，その一端部は第２管路２２の排出口２６ａ，つまり第２キャップ２６の排出口２６ａに連結され，上記一端部から延長された管は第１管路２１の外周面にコイル状に巻き付けられる構造を有する。ここで，第１パス部材３４の他端部は，後述する断熱部３６の内部からこの断熱部３６を貫通して外部へ引き出される。
【００８３】
熱伝達ユニット３３の第２パス部材３５は管状であり，その一端部は第１管路２１の注入口３１ａ，つまり第３キャップ３１に放射状に形成された複数の注入口３１ａにそれぞれ連結される。そして，上記一端部から延長された管は，第１パス部材３４と接触しつつ第１管路２１の外周面にコイル状に巻き付けられる構造を有する。ここで，第２パス部材３５の他端部は，後述する断熱部３６の内部からこの断熱部３６を貫通して外部へ引き出され，上述した第２供給ライン８２を介して第１タンク５１及び第２タンク５３に連結される。
【００８４】
上述したように，熱伝達ユニット３３は，第１管路２１の外周面に相互に接触しつつコイル状に巻き付けられる管状の第１パス部材３４及び第２パス部材３５からなる。このとき，第１パス部材３４内には第１反応部２３から排出される高温の燃焼ガスが流れるので，その熱は第１パス部材３４に接して設けられた第２パス部材３５に伝達される。そして，第２パス部材３５内には第２反応部２７に供給される液状の燃料及び水が流れるので，第２反応部２７には第２パス部材３５の管路内で予熱された液状の燃料及び水が供給されることになる。
【００８５】
しかしながら，このような，構造では，第１パス部材３４の熱エネルギーが改質器２０の外部にも放出されてしまい，第１反応部２３から発生する熱エネルギーの全てを第２反応部２７に伝達することができない。このような場合，改質器２０の第２反応部２７には，温度むらの発生及び熱効率の低下が生じ，改質反応の効率を低下させる原因となる。したがって，本実施形態にかかる改質器２０は，第１反応部２３から発生する熱エネルギーが外部へ放出されないように断熱する断熱部３６を備える。
【００８６】
断熱部３６は，図４に示すように，熱伝達ユニット３３を含む第１管路２１の全体を取り囲むように一端部が閉鎖され他端部が開放された円柱状の本体３７と，本体３７の他端部に結合されて本体３７の内部空間を実質的に密封する密封キャップ３８とを含んで構成される。
【００８７】
本体３７は，第１管路２１の全体を取り囲む内壁３７ａと，内壁３７ａから所定の間隔だけ離隔されて内壁３７ａを支持しながら内壁３７ａの全体を取り囲む外壁３７ｂとを含む。この際，内壁３７ａと外壁３７ｂとの間の空間は真空状態であることが望ましい。そして，内壁３７ａ及び外壁３７ｂは相対的に熱伝導度の小さい断熱素材，例えばステンレス鋼，ジルコニウムなどの金属断熱素材，又はセラミックなどの非金属断熱素材から成ることができる。上記ステンレス鋼（ステンレススチール）としては，例えば日本工業規格（ＪＩＳ）で定められた材料表記記号がＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ
Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）であるものを用いることができる。
【００８８】
密封キャップ３８は，本体３７の他端部にネジ締結方式または圧力嵌め方式によって結合されることができる。このとき，密封キャップ３８には，合流ライン９１が貫通して注入口２５ａに連結できるようにする第２貫通孔３８ａと，複数の第２パス部材３５が貫通して本体３７の内部空間の外部へ引き出されるようにする複数の第３貫通孔３８ｂと，第４供給ライン８４が貫通して排出口３２ａに連結できるようにする第４貫通孔３８ｃと，第１パス部材３４が貫通して本体３７の内部空間の外部へ引き出されるようにする第５貫通孔３８ｄとが形成される。
【００８９】
詳細に説明すると，液状の燃料と空気を第２管路２２の内部空間，すなわち第１反応部２３に供給するための合流ライン９１は，密封キャップ３８と第１管路２１を貫通して，第２管路２２の注入口２５ａに連結される。
【００９０】
そして，混合燃料を第１管路２１と第２管路２２との間の空間に供給するための第２パス部材３５は，本体３７の内部空間から密封キャップ３８を貫通して本体３７の内部空間の外部へ引き出すことができる。すなわち，第１タンク５１及び第２タンク５３からの混合燃料は，第２供給ライン８２を経て複数の第２パス部材３５に供給される。そして，複数の第２パス部材３５は密封キャップ３８を貫通して第１管路２１の外周面に巻き付けられてから複数の注入口３１ａに連結されて，これにより加熱された混合燃料が第２反応部２７に供給される。
【００９１】
また，後述するスタック１０の電気生成部１１に連結される第４供給ライン８４は，密封キャップ３８を貫通して第１管路２１の排出口３２ａに連結することができる。すなわち，第２反応部２７で生成された水素ガスは，密封キャップ３８を貫通する第４供給ライン８４を通じて本体３７の外部に設けられるスタック１０の電気生成部１１に供給される。
【００９２】
そして，第２管路２２の内部空間で発生した液状の燃料と空気の燃焼ガスを排出させるための第１パス部材３４は，本体３７の内部空間から密封キャップ３８を貫通して本体３７の内部空間の外部へ引き出すことができる。すなわち，第１反応部２３から排出される高温の燃焼ガスは，排出口２６ａから第１パス部材３４へと排出される。そして，第１パス部材３４は第１管路２１の外周面に巻き付けられてから密封キャップ３８を貫通して本体３７の外部に引き出される。
【００９３】
次に，本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムに設けられるスタックについて説明する。図５は，図１に示したスタックの構造を詳細に示す分解斜視図である。
【００９４】
図１及び図５に示すように，本実施形態にかかる燃料電池システム１００に適用されるスタック１０は，改質器２０により生成された水素ガスと空気中の酸素との酸化還元反応により電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部１１を含んで構成される。
【００９５】
電気生成部１１は，電気を発生させる最小単位のセルであり，電極−電解質合成体１２を中間に置いて，その両側にセパレータ１６が配置された構造を有する。そして，この単位セルが複数個直列に接続されて本実施形態に示す積層構造のスタック１０を形成する。スタック１０の最外側面，すなわち積層された複数のセルの両端部となる層の外側には，複数の電気生成部１１を密着させる別途の加圧プレート１３を配設することができる。また，スタック１０は，加圧プレート１３を省略した構成とすることもできる。この場合，電気生成部１１の最外側面に位置するそれぞれのセパレータ１６が，加圧プレート１３に代わって複数の電気生成部１１を密着させる役割を果たすように構成される。また，加圧プレート１３は，複数の電気生成部１１を密着させる機能の他に，後述するセパレータ１６の固有機能を有するように構成することもできる。
【００９６】
電気生成部１１の電極−電解質合成体１２は，一方の面にアノード電極を備え，他方の面にカソード電極を備え，両電極の間に電解質膜を備える構造を有する。アノード電極側には水素ガスが供給され，カソード電極側には酸素を含んだ空気が供給される。アノード電極は，水素ガスを酸化反応させ，水素イオンと電子とに分解する。ここで，電解質膜は，アノード電極から生成された水素イオンをカソード電極に移動させるイオン交換を可能にするので，水素イオンはアノード電極から電荷質膜を介してカソード電極に移動する。一方，変換された電子は外部の回路に引き出され，この電子の流れにより電流が発生する。カソード電極は，上記水素イオン，電子及び酸素を還元反応させて水に変換させる。すなわち，電解質膜はイオンしか通さないため，アノード電極で生成された水素イオン及び電子のうち，水素イオンのみが電解質膜を通過してカソード電極へ移動し，電子は外部回路を通じてカソード電極へ移動する。このように電子が外部回路を流れることにより，電気を発生させることができる。
【００９７】
電気生成部１１のセパレータ１６は，電極−電解質合成体１２の酸化／還元反応に必要な水素ガスと空気をアノード電極とカソード電極に供給する通路の機能を有し，アノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の機能も有する。より具体的に説明すると，セパレータ１６は，電極−電解質合成体１２のアノード電極に密着される面に，アノード電極に水素ガスを供給するための水素通路を有する。同時に，電極−電解質合成体１２のカソード電極に密着する面に，カソード電極に空気を供給するための空気通路を形成する流露チャンネル１７が設けられる。
【００９８】
加圧プレート１３には，水素ガスをセパレータ１６の水素通路に供給するための第１注入部１３ａと，空気をセパレータ１６の空気通路に供給するための第２注入部１３ｂと，電極−電解質合成体１２のアノード電極で反応して残った水素ガスを排出させるための第１排出部１３ｃと，電極−電解質合成体１２のカソード電極で水素と酸素の結合反応により生成された水分と水素と反応して残った空気を排出させるための第２排出部１３ｄとが設けられる。ここで，第１注入部１３ａは，前述した第４供給ライン８４により，改質器２０の第１管路２１の排出口３２ａと連結される。また，第２注入部１３ｂは，管状の第５供給ライン８５により，空気ポンプ７１と連結することができる。更に，第１排出部１３ｃを，別途の管路（図示せず）を介して，改質器２０の第２管路２２の注入口２５ａに連結するようにして，アノード電極で反応して残った水素ガスを改質器２０に戻して再利用することもできる。
【００９９】
次に，上述したような構成を有する本発明の実施の形態による燃料電池システムの改質器の組立手順を詳細に説明する。
【０１００】
本実施形態による改質器２０の組立手順は，先ず，第２管路２２の一端部に第１キャップ２５を結合させる。次に，第２管路２２を第１管路２１の内部空間に位置させる。この際，第２管路２２は第１管路２１と同心方向に配置されることが望ましい。また，第２管路２２の第１キャップ２５が設けられる一端が，第１管路２１の第４キャップ３２が設けられる一端と同じ側になるように配置する。
【０１０１】
次いで，第１タンク５１及び空気ポンプ７１に連結される合流ライン９１を，密封キャップ３８の第２貫通孔３８ａを通過させ，更に第１管路２１の第１貫通孔２１ａを通過させてから，第１キャップ２５の注入口２５ａに連結する。
【０１０２】
その後，第１管路２１の一端部に第４キャップ３２を結合させる。そして，スタック１０の第１注入部１３ａに連結される第４供給ライン８４を，密封キャップ３８の第４貫通孔３８ｃに通過させてから，第４キャップ３２の排出口３２ａに連結する。
【０１０３】
次に，第１管路２１と第２管路２２間の空間に水性ガス転換触媒層２９及び改質触媒層２８を順次充填する。そして，第３キャップ３１の第２管路貫通孔３１ｂに第２管路の他端部を通過させた状態で，第３キャップ３１を第１管路２１の他端部に結合される位置まで移動させて第３キャップ３１を第１管路２１に装着する。
【０１０４】
次に，第２管路２２の内部空間に酸化触媒層２４を充填する。そして，第２管路２２の他端部に第２キャップ２６を結合させる。
【０１０５】
次いで，第２キャップ２６の排出口２６ａに第１パス部材３４の一端部を連結させる。そこから，第１パス部材３４を第１管路２１の外周面に沿って螺旋状に巻き付けて，他端部は密封キャップ３８の第５貫通孔３８ｄに通過させる。
【０１０６】
その後，第３キャップ３１の複数の注入口３１ａに複数の第２パス部材３５の一端部をそれぞれ連結し，各第２パス部材３５を第１管路２１の外周面に沿って螺旋状に巻き付ける。このように構成することにより，各第２パス部材３５は，既に第１管路２１の外周面に巻き付けられている第１パス部材３４と接触することになる。そして，第２パス部材３５の他端部を，密封キャップ３８の複数の第３貫通孔３８ｂに通過させる。
【０１０７】
このような状態で，断熱部３６を構成する本体３７の内部空間に，第２管路２２が内部に配設された第１管路２１全体を挿入する。そして，断熱部３６の本体３７の端部に各孔にそれぞれの管が挿通された密封キャップ３８を結合させて，本体３７の内部空間を密封する。
【０１０８】
上に述べたように，本実施形態にかかる燃料電池システムの改質器は，第１管路２１及び第２管路２２の両端，及び断熱部の一端が，それぞれキャップで密閉される構造となっている。このような構造とすることにより，改質器の組み立てが容易になる。特に，組み立て作業における酸化触媒層２４，改質触媒層２８，及び水性ガス転換触媒層２９の充填が容易になる。また，メンテナンスの際にも，改質器２０は分解可能なため，部品の交換や内部の清浄などを容易に行うことができる。
【０１０９】
次に，上述したような構成を有する本発明の実施の形態による燃料電池システムのシステム全体の動作を詳細に説明する。
【０１１０】
先ず，燃料ポンプ５５を稼動させると，第１タンク５１に貯蔵された液状燃料が第１供給ライン８１を介して第２管路２２の内部空間に供給される。同時に，空気ポンプ７１を稼動させると，空気が第３供給ライン８３を介して第２管路２２の内部空間に供給される。このとき，第１供給ライン８１を通過する液状燃料と第３供給ライン８３を通過する空気は，合流ライン９１により合流された状態で，第２管路２２の内部空間に注入される。
【０１１１】
上記液状燃料と空気は，第２管路２２内部の酸化触媒層２４を通過するが，その際に酸化触媒反応が生じる。このような過程において，第２管路２２の内部，すなわち第１反応部２３では，液状燃料と空気が酸化触媒反応により燃焼しながら所定温度の反応熱が発生する。そして，この反応熱は第２管路２２を介して第１管路２１と第２管路２２との間の空間，すなわち第２反応部２７に伝達される。
【０１１２】
次に，第２管路２２の内部で発生する比較的高温の燃焼ガスは第１パス部材３４を介して排出される。すると，第１パス部材３４はその内部を通過する上記燃焼ガスの熱により所定温度に加熱される。
【０１１３】
このような状態で，燃料ポンプ５５を稼動させると，第１タンク５１に貯蔵された液状燃料と第２タンク５３に貯蔵された水が第２供給ライン８２を介して第２パス部材３５に供給される。この際，第２パス部材３５を通過する液状燃料及び水の混合燃料は，第２パス部材３５が所定温度に加熱された第１パス部材３４と接触しているため，第１パス部材３４から発生する熱を受けて所定温度に予熱される。
【０１１４】
したがって，このように予熱された混合燃料は第２パス部材３５を介して第１管路２１と第２管路２２との間の空間，すなわち第２反応部２７に注入され，この空間に位置する改質触媒層２８を通過する。この際，改質触媒層２８を通過する混合燃料は，第２管路２２から更に熱エネルギーを吸収する。この過程において，第１管路２１と第２管路２２との間の内部空間では，改質触媒層２８による混合燃料の分解反応が起こり，水素及び二酸化炭素を含有する水素ガスが発生する。またこの際，第１管路２１と第２管路２２との間の空間では，改質触媒反応による副生成物としての一酸化炭素が含有された水素ガスが生成される。
【０１１５】
次いで，上記水素ガス及び副生成物は水性ガス転換触媒層２９を通過する。すると，第１管路２１の排出口３２ａ側では，水性ガス転換触媒反応により，混合燃料の改質反応により副生された一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とになる。このようにして追加の水素ガスが発生するので，第２反応部２７で生成される水素ガスに含有される一酸化炭素の濃度を低減させることができる。
【０１１６】
上述したような，第１反応部２３での酸化触媒反応による反応熱，すなわち第２管路２２の内部空間で発生する反応熱は，本実施形態においては，断熱部３６により遮断されるので外部へ放出されない。すなわち，第１反応部２３から発生する熱エネルギーを第２反応部２７及び熱伝達ユニット３３に伝達する過程において，上記熱エネルギーは，断熱部３６の本体３７の内壁３７ａによって一次的に断熱され，内壁３７ａと外壁３７ｂとの間の真空空間及び外壁３７ｂによって２次的に断熱される。したがって，断熱部３６により，第１反応部２３から発生する熱エネルギーの損失を防止することができるので，改質器２０の反応効率及び熱効率を向上させることができる。
【０１１７】
次に，このように一酸化炭素の濃度が低減した水素ガスを第４供給ライン８４を介してスタック１０の第１注入部１３ａに供給する。同時に，空気ポンプ７１を稼動させることで，空気を第５供給ライン８５を介してスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。すると，上記水素ガスはセパレータ１６の水素通路に沿って電極−電解質合成体１２のアノード電極に供給される。そして，空気はセパレータ１６の空気通路に沿って電極−電解質合成体１２のカソード電極に供給される。
【０１１８】
したがって，アノード電極では，酸化反応により水素ガスが電子とプロトン（水素イオン）とに分解される。そして，プロトンは電解質膜を介してカソード電極に移動する。一方，電子は電解質膜を介して移動することができないため，セパレータ１６を介して隣り合う電極−電解質合成体１２のカソード電極に移動することになる。この際，電子の流れにより電流が発生する。また更に，熱及び水も発生する。
【０１１９】
次に，上述した本発明の実施の形態の変更例について説明する。本実施形態の変更例による燃料電池システムの改質器１２０は，上述した実施の形態と同様の燃料を使用し，また，燃料電池システム全体の構成も上述した実施の形態と同様である。したがって，本実施形態の変更例による燃料電池システムの改質器１２０は，燃料供給源５０から燃料を受け，この燃料から発生させた水素ガスをスタック１０に供給する。
【０１２０】
図６は，本発明の実施の形態の変更例による改質器の構造を示す斜視図である。図７は，図６の断面図である。
【０１２１】
本発明の実施の形態の変更例による改質器１２０は，上述した実施の形態と同様に，互いに独立した内部空間を有する少なくとも二重管路の形態に形成されるもので，第１反応部１２３と，第２反応部１２７とを備える。第１反応部１２３は，液状の燃料と空気の酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させる。第２反応部１２７は，上記熱エネルギーによる改質反応により混合燃料から水素ガスを発生させ，更に上記水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる。
【０１２２】
上述した第１反応部１２３と第２反応部１２７とを備える改質器１２０の具体的な構造として，改質器１２０は，第１管路１２１と，第１管路１２１の内部に位置する第２管路１２２とを含んで構成される。すなわち，改質器１２０は，口径の異なる管路を同軸上に配置した二重またはそれ以上の多重の管路構造を有する。
【０１２３】
第１反応部１２３は，第２管路１２２と，第２管路１２２の内部空間に充填される酸化触媒層１２４と，第２管路１２２の一端部に形成される注入部１２５と，第２管路１２２の他端部に形成される排出部１２６とを含んで構成される。ここで，注入部１２５は，液状燃料と空気を第２管路１２２の内部空間に注入する部分である。また，排出部１２６は，液状燃料と空気の酸化触媒反応により燃焼される燃焼ガスを上記内部空間から外部へ排出させる部分である。
【０１２４】
第２管路１２２の注入部１２５側には，上記燃料と空気を供給するための管状の供給ライン１９１が連結される。ここで，供給ライン１９１は第１管路１２１を貫通して注入部１２５に連結される。このため，第１管路１２１には，供給ライン１９１が貫通する第１貫通孔１２１ａが形成される。
【０１２５】
第２反応部１２７は，第１管路１２１と，第１管路１２１と第２管路１２２との間の空間に充填される改質触媒層１２８と，第１管路１２１の一端部に形成される注入部１３１と，第１管路１２１の他端部に形成される排出部１３２とを含んで構成される。注入部１３１は，液状燃料及び水の混合燃料を第１管路１２１と第２管路１２２との間の空間に注入する部分である。また，排出部１３２は，混合燃料の改質触媒反応により発生する水素ガスを上記内部空間から外部へ排出させる部分である。そして，第１管路１２１の排出部１３２には，上記水素ガスを排出するための管状の排出ライン１８４が連結される。
【０１２６】
また，第２反応部１２７は，図７に示されたように，第１管路１２１と第２管路１２２との間の空間に，改質触媒層１２８に続いて位置する水性ガス転換触媒層１２９をさらに含むこともできる。水性ガス転換触媒層１２９は，改質触媒層１２８により生成された水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を，水性ガス転換反応（Ｗａｔｅｒ−Ｇａｓ  Ｓｈｉｆｔ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＷＧＳ，またはシフト反応）により，低減させる機能を有する。
【０１２７】
ここで，改質器１２０は，上述した本発明の実施の形態と同様に，第１反応部１２３にて発生した熱エネルギーを，第２反応部１２７及び第２反応部１２７に供給される混合燃料に伝達するための熱伝達ユニット１３３を備える。
【０１２８】
熱伝達ユニット１３３は，第１管路１２１の外周面にそれぞれコイル状に巻き付けられた管状の第１パス部材１３４と第２パス部材１３５とにより構成される。第１パス部材１３４は，酸化触媒層１２４による燃料及び空気の酸化反応によって生成されて第２管路１２２の排出部１２６を介して排出される比較的高温の燃焼ガスを第１管路１２１の外周方向，すなわち第１管路１２１の外周面に伝達する役割りを果たす。そして，第２パス部材１３５は，混合燃料を，第１管路１２１の注入部１３１を介して，第１管路１２１と第２管路１２２との間の内部空間に供給することにより，上記燃焼ガスの熱エネルギーを上記混合燃料に伝達する。すなわち，第２パス部材１３５は，第１パス部材１３４と接触するように配設されて，その内部を第２反応部１２７に供給される混合燃料が流れるようにすることにより，第１パス部材１３４の管内を通じて移動する熱エネルギーを，第１管路１２１の注入部１３１に供給される混合燃料に伝達する役割りを果たす。
【０１２９】
具体的には，第１パス部材１３４は，第２管路１２２の内部と連通し，第１管路１２１の外周面に接触するように設けられる。そして，第１パス部材１３４の一端は，第２管路１２２の排出部１２６側に穿設された第２貫通孔１２２ａに連結される。すなわち，第１パス部材１３４は，一方の端部が第２貫通孔１２２ａに連結され，上記一方の端部から延長される管路が第１管路１２１の外周面にコイル状に巻き付けられる構造を有する。
【０１３０】
また，第２パス部材１３５は，第１管路１２１と第２管路１２２との間の空間と連通し，第１管路１２１の外周面に接触するように設けられる。そして，第２パス部材１３５の一端は，第１管路１２１の注入部１３１側に穿設された第３貫通孔１２１ｂに連結される。すなわち，第１パス部材１３５は，一方の端部が第３貫通孔１２１ｂに連結され，上記一方の端部から延長される管路が第１管路１２１の外周面に，第１パス部材１３４と交互にコイル状に巻き付けられる構造を有する。
【０１３１】
ここで，第２パス部材１３５を，上述した実施の形態と同様に，複数本設けることも可能である。その場合，第１管路１２１の注入部１３１側には，各第２パス部材１３５がそれぞれ連結される複数の第３貫通孔１２１ｂが穿設される。また，このように構成される上記変更例による改質器１２０には，実施の形態と同様に，熱伝達ユニット１３３を含む第１管路１２１の全体を取り囲むように，一端部が閉鎖され他端部が開放された断熱部を設けることもできる。
【０１３２】
このように構成される上記変更例による改質器の動作は先の実施の形態と同様であるため，以下にその概略について説明し，詳細な説明は省略することとする。
【０１３３】
先ず，第１タンク５１に貯蔵された液状燃料と，空気ポンプ７１により送り出される空気とが，第１供給ライン８１と第３供給ライン８３とが合流された合流ライン１９１を介して供給される。上記液状燃料と空気は，第１管路１２１に形成された第１貫通孔１２１ａを通じて第２管路１２２の内部空間に注入される。
【０１３４】
第２管路１２２内部に注入された液状燃料と空気が酸化触媒層１２４を通過すると，酸化触媒反応が生じ，液状燃料と空気が燃焼して所定温度の反応熱が発生する。この際，上記反応熱は，第２管路１２２を囲む第２反応部１２７に伝達される。また，第２管路１２２の内部で発生した比較的高温の燃焼ガスは，第２管路１２２の排出部１２６側に穿設された第２貫通孔１２２ａに連結された第１パス部材１３４を介して排出される。この際，第２反応部１２７の外周に巻きつけられている第１パス部材１３４は，その内部を通過する上記燃焼ガスの熱により所定温度に加熱される。
【０１３５】
このような状態で，燃料ポンプ５５を稼動させると，第１タンク５１に貯蔵された液状燃料と第２タンク５３に貯蔵された水が第２供給ライン８２を介して第２パス部材１３５に供給される。このとき，第２パス部材１３５は第１パス部材１３４と接触しつつ第２反応部１２７の外周に巻きつけられているため，第１パス部材１３４の熱は第２パス部材１３５に伝達される。従って，第２パス部材１３５の内部を通過する液状燃料及び水の混合燃料は，所定温度に予熱された状態で，第１管路１２１の注入部１３１側に穿設された第３貫通孔１２１ｂを通じて第２反応部１２３に注入される。
【０１３６】
第２反応部２７に注入された混合燃料は，第２管路１２２からの熱エネルギーを吸収しつつ改質触媒層１２８を通過することにより分解反応し，水素ガス及び副生成物としての二酸化炭素及び一酸化炭素が生成される。そして，上記水素ガス及び副生成物が水性ガス転換触媒層１２９を通過すると，水性ガス転換触媒反応により，一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とになり，その結果，第２反応部２７で生成される水素ガスに含有される一酸化炭素の濃度を低減させることができる。このようにして生成された水素ガスは，第１管路２１の排出口３２ａを通じて排出ライン１８４へと送られ，その先のスタック１０に供給される。
【０１３７】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，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】
【０１３８】
本発明は，燃料電池システムの改質器及びこれを採用した燃料電池システムに適用可能であり，特に高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ，またはＰＥＭＦＣ：Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）システムの改質器及びこれを採用した燃料電池システムに適用可能でである。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる改質器の構造を示す分解斜視図である。
【図３】図２の部分結合斜視図である。
【図４】図３の結合断面図である。
【図５】図１に示したスタックの構造を詳細に示す分解斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態の変更例による改質器の構造を示す斜視図である。
【図７】図６の断面図である。
【符号の説明】
【０１４０】
１０        スタック
１１        電気生成部
１２        電極−電解質合成体
１３        加圧プレート
１６        セパレータ
２０，１２０    改質器
２１，１２１    第１管路
２２，１２２    第２管路
２３，１２３    第１反応部
２４，１２４    酸化触媒層
２５        第１キャップ
２５ａ      注入口
２６        第２キャップ
２６ａ      排出口
２７，１２７    第２反応部
２８，１２８    改質触媒層
２９，１２９    水性ガス転換触媒層
３１        第３キャップ
３１ａ      注入口
３１ｂ      第２管路貫通孔
３２        第４キャップ
３２ａ      排出口
３３，１３３    熱伝達ユニット
３４，１３４    第１パス部材
３５，１３５    第２パス部材
３６        断熱部
３７        本体
３８        密封キャップ
５０        燃料供給源
５１        第１タンク
５３        第２タンク
５５        燃料ポンプ
７０        酸素供給源
７１        空気ポンプ
８１        第１供給ライン
８２        第２供給ライン
８３        第３供給ライン
８４        第４供給ライン
８５        第５供給ライン
９１        合流ライン
１００      燃料電池システム
１２５      注入部
１２６      排出部
１３１      注入部
１３２      排出部
１８４      排出ライン
１９１      供給ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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