(57)【要約】【課題】コンパクトな構成で、原燃料に接触する触媒表面積を有効に増加させることができ、改質効率を向上させることを可能にする。【解決手段】改質装置２２は、互いに積層される第１及び第２改質器１０６、１０８を備える。第１改質器１０６を構成する第１受け部材１１０の中央部に第１孔部１１４が形成される一方、第２改質器１０８を構成する第２受け部材１１２の外周縁部に複数の第２孔部１１６が形成され、これらによって蛇行する改質用通路１２０が形成される。第１及び第２受け部材１１０、１１２内には、複数の触媒ペレット１１８が単層に配設されるとともに、前記触媒ペレット１１８の両端面が前記第１及び第２受け部材１１０、１１２に略接触する。【選択図】図７
2006327836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するための改質装置であって、
互いに積層される複数の改質器を備え、
前記複数の改質器内には、前記原燃料を蛇行しながら前記改質器の積層方向に流す原燃料通路が形成され、
各改質器には、複数の改質触媒が単層に配設されるとともに、前記改質器の積層側端部と隣接する他の改質器の積層側端部との間で前記複数の改質触媒を支持することを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の改質装置において、一方の改質器は、略中央部に第１孔部を設ける第１受け部材を備えるとともに、
他方の改質器は、周辺部に第２孔部を設ける第２受け部材を備え、
前記第１孔部と前記第２孔部とが交互に連通して蛇行する前記原燃料通路が形成されることを特徴とする改質装置。
【請求項３】
請求項２記載の改質装置において、前記改質触媒は柱体状を有するとともに、前記改質触媒の両端面が前記第１受け部材の壁面と前記第２受け部材の壁面とに略接触することを特徴とする改質装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の改質装置において、前記改質器は、中心軸に対して軸対称に構成されるとともに、
前記改質触媒は、前記中心軸に対して略軸対称に配設されることを特徴とする改質装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の改質装置において、前記改質器には、単層に配置される前記複数の改質触媒を位置決めするための突起部が設けられることを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するための改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（単セル）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この場合、上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている改質器は、図１３に示すように、円筒容器１を備え、この円筒容器１の軸方向両端部には、蓋板２が固着されている。円筒容器１内には、触媒を充填して形成された触媒層３がパンチングプレート４、４ａにより押さえられている。触媒層３内には、下部に開口部を設けたバッフルプレート６と上部に開口部を設けたバッフルプレート７とが交互に配置されるとともに、前記触媒層３の上部には、クッション材８が設けられている。
【０００５】
このような構成において、触媒層３内では、ガスがバッフルプレート６、７の各開口部を通して移動することにより、前記バッフルプレート６、７間を鉛直方向にジグザグに流れている。このため、触媒層３内におけるガスのショートパスの発生を防止することができると、している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１０６５０７号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１では、触媒層３には、ガスとの接触表面積を高くするために、通常、粒子状の触媒を多数充填することが行われている。しかしながら、この種の触媒は、ガス圧等の印加によって触媒層３内で流動し易く、この触媒層３の内部にショートパスが形成されるおそれがある。これにより、触媒層３は、ガスに接触する触媒表面積を良好に維持することができず、改質効率が低下するという問題が指摘されている。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクトな構成で、原燃料に接触する触媒表面積を有効に増加させることができ、改質効率を向上させることが可能な改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するための改質装置である。改質装置は、互いに積層される複数の改質器を備え、前記複数の改質器内には、原燃料を蛇行しながら前記改質器の積層方向に流す原燃料通路が形成されている。そして、各改質器には、複数の改質触媒が単層に配設されるとともに、前記改質器の積層側端部と隣接する他の改質器の積層側端部との間で前記複数の改質触媒を支持している。
【００１０】
また、一方の改質器は、略中央部に第１孔部を設ける第１受け部材を備えるとともに、他方の改質器は、周辺部に第２孔部を設ける第２受け部材を備え、前記第１孔部と前記第２孔部とが交互に連通して蛇行する原燃料通路が形成されることが好ましい。
【００１１】
さらに、改質触媒は柱体状を有するとともに、前記改質触媒の両端面が第１受け部材の壁面と第２受け部材の壁面とに略接触することが好ましい。ここで、略接触するとは、第１及び第２受け部材間で改質触媒が面接触乃至点接触で保持された状態から、熱膨張率の相違等によって僅かに隙間が発生した状態をも含むことをいう。
【００１２】
さらにまた、改質器は、中心軸に対して軸対称に構成されるとともに、改質触媒は、前記中心軸に対して略軸対称に配設されることが好ましい。また、改質器には、単層に配置される複数の改質触媒を位置決めするための突起部が設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数の改質器内には、原燃料を蛇行しながら前記改質器の積層方向に流す原燃料通路が形成されるため、前記原燃料通路を有効に長尺化することができる。従って、改質器をコンパクトに構成した状態で、改質効率を高めることが可能になる。
【００１４】
しかも、改質器に単層に配設される複数の改質触媒は、前記改質器の積層側端部と隣接する他の改質器の積層側端部との間で支持されている。これにより、改質触媒は、互いに隣接する改質器間で良好に保持され、原燃料は、前記改質触媒に確実に接触しながら均等に流れることができる。さらに、改質触媒が改質器の積層側端部に接触することで前記改質触媒への熱伝導が促進され、その結果、前記改質器の内側や外側にある改質触媒で温度分布が発生せず、改質反応の分布がなくなる。このため、改質効率が向上する。
【００１５】
さらに、原燃料が均等に流れるため、改質触媒の温度分布が小さくなる。従って、温度の高い部分に対応してＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）比を設定する必要がない。これにより、改質器のＳ／Ｃ比を小さく設定することが可能になり、水蒸気量を有効に削減することができ、改質効率の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る改質装置を組み込む燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の要部断面図である。
【００１７】
燃料電池システム１０は、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２の一方の側に配置される流体部１４と、前記燃料電池スタック１２及び前記流体部１４を収容する筐体１６とを備える。
【００１８】
図１及び図２に示すように、流体部１４は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１８と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器２０と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置２２とを備える。
【００１９】
改質装置２２は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高炭素（Ｃ2+）炭化水素を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、２００℃〜５００℃、より好ましくは、３００℃〜４００℃の作動温度に設定される。
【００２０】
筐体１６内では、燃料電池スタック１２の他方の側に、前記燃料電池スタック１２を構成する複数の燃料電池２６の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２４が配設される（図１及び図３参照）。流体部１４及び荷重付与機構２４は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。
【００２１】
燃料電池２６は、固体電解質型燃料電池である。この燃料電池２６は、図４及び図５に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。
【００２２】
燃料電池２６は、作動温度が７００℃以上と高温であり、電解質・電極接合体３６では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極３４に供給される。
【００２３】
燃料電池２６は、一対のセパレータ３８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３８間には、このセパレータ３８の中心部である燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される。燃料ガス供給連通孔４０の周囲には、酸化剤ガス供給部４１が気密に設けられる。
【００２４】
セパレータ３８は、図４に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ３８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともに、複数の円板部４２を設ける。各円板部４２のアノード電極３４に接触する面には、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる。
【００２５】
各円板部４２のカソード電極３２に接触する面には、前記カソード電極３２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる。図４及び図５に示すように、円板部４２には、燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。
【００２６】
セパレータ３８のカソード電極３２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するとともに、前記燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。セパレータ３８の外周には、使用済みの反応ガスである排ガスを排出するための排ガス排出路５９が設けられる。
【００２７】
図１及び図３に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２６の積層方向両端にエンドプレート６０ａ、６０ｂを配置する。エンドプレート６０ａには、孔部６１を中心にして同一仮想円周上に孔部６２とねじ孔６４とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる（図３参照）。孔部６２は、後述する空気通路８４に連通する。
【００２８】
筐体１６は、図１に示すように、荷重付与機構２４を収容する第１筐体部６６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部６６ｂとを備える。第１及び第２筐体部６６ａ、６６ｂ間は、エンドプレート６０ｂ及び前記エンドプレート６０ｂの第２筐体部６６ｂ側に絶縁材（図示せず）を介装してねじ６８及びナット７０により締め付けられる。
【００２９】
第２筐体部６６ｂには、流体部１４を構成する円筒状第３筐体部７２の一端部が接合されるとともに、前記第３筐体部７２の他端部には、ヘッド板７４が固着される。第３筐体部７２内には、発電に使用されて燃料電池スタック１２の排ガス排出路５９から排出される排ガスを流体部１４に流すための排ガス通路７６が設けられる。
【００３０】
図２に示すように、排ガス通路７６は、混合燃料を改質するための熱源として、排ガスを改質装置２２に供給する第１通路部７８と、酸化剤ガスを加熱するための熱源として、前記排ガスを熱交換器１８に供給する第２通路部８０と、前記第２通路部８０の下流に連通し、水を蒸発させるための熱源として、前記排ガスを蒸発器２０に供給する第３通路部８２とを有する。第１通路部７８は、壁部８１に形成された複数の孔部８１ａを介して主流路である第２通路部８０から分岐するとともに、整流孔（排ガス導出部）８３を介して改質装置２２側に開放される。
【００３１】
改質装置２２と蒸発器２０とは、燃料電池スタック１２から離間する方向（矢印Ａ１方向）に沿って順次配設されるとともに、熱交換器１８は、前記改質装置２２の外側に配設される。熱交換器１８及び改質装置２２は、燃料電池スタック１２に可及的に近接しており、この燃料電池スタック１２の排ガス排出路５９には、排ガス通路７６を構成する第２通路部８０が直接連通する。
【００３２】
この第２通路部８０は、熱交換器１８内に設けられる一方、前記熱交換器１８内には、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路８４が、前記第２通路部８０に近接して設けられる。この空気通路８４は、ヘッド板７４に接続される空気供給管８６に連通する。
【００３３】
蒸発器２０は、互いに同軸上に配設される外筒部材８８と内筒部材９０とを備えるとともに、前記外筒部材８８と前記内筒部材９０との間には、二重管９２が螺旋状に配設される。図２及び図６に示すように、二重管９２は、外管９４ａと内管９４ｂとを備え、前記外管９４ａと外筒部材８８及び内筒部材９０との間には、第３通路部８２が形成される。
【００３４】
外管９４ａと内管９４ｂとの間には、原燃料通路９６が形成される一方、前記内管９４ｂ内には、水通路９８が形成される。内管９４ｂには、蒸発器２０の下流側に位置して複数の孔部１００が形成される。孔部１００は、例えば、直径が１０μｍ〜１００μｍに設定される。
【００３５】
二重管９２の上流側端部は、ヘッド板７４を貫通して外部に延在するとともに、前記二重管９２の下流側端部は、内管９４ｂが終端して外管９４ａのみが矢印Ａ２方向に延在する。この外管９４ａには、混合燃料供給管１０１の一端が接続され、前記混合燃料供給管１０１の他端は、改質装置２２の入口部１０２に連結される（図２参照）。混合燃料供給管１０１は、燃料電池スタック１２側に延在して入口部１０２に連結されるとともに、この入口部１０２は、排ガス通路７６から分岐する第１通路部７８に連通する整流孔８３に近接して配置される。
【００３６】
図７に示すように、改質装置２２は、入口部１０２が形成される蓋１０４を備え、この蓋１０４を端部にして第１改質器１０６と第２改質器１０８とが交互に且つ中心軸に対して軸対称に積層される。第１改質器１０６及び第２改質器１０８は、略プレート状の第１受け部材１１０及び第２受け部材１１２を設ける。図７及び図８に示すように、第１受け部材１１０の中央膨出部１１３には、第１孔部１１４が形成される一方、第２受け部材１１２の外周縁部には、中央膨出部１１３を中心にして同一円周上に複数の第２孔部１１６が形成される。
【００３７】
第１及び第２改質器１０６、１０８には、複数の改質用触媒ペレット（改質触媒）１１８が単層に且つ前記第１及び第２改質器１０６、１０８の中心軸に対して略軸対称に配設される。触媒ペレット１１８は、円柱状に形成され、例えば、セラミックス化合物（例えば、酸化アルミニウム）の基台にニッケル系触媒が設けられて構成される。第１改質器１０６に収容される触媒ペレット１１８は、前記第１改質器１０６の積層側端部と第２改質器１０８の積層側端部との間で支持される。
【００３８】
具体的には、第１受け部材１１０の内壁１１０ａ及び第２受け部材１１２の内壁１１２ａに、それぞれ複数の触媒ペレット１１８が単層に配設される。第１受け部材１１０内の触媒ペレット１１８は、この第１受け部材１１０に隣接する第２受け部材１１２の外壁１１２ｂに略接触するとともに、前記第２受け部材１１２内の触媒ペレット１１８は、該第２受け部材１１２に隣接する第１受け部材１１０の外壁１１０ｂに略接触する。
【００３９】
ここで、略接触するとは、例えば、第１及び第２受け部材１１０、１１２間に触媒ペレット１１８が面接触乃至点接触で保持された状態から、熱膨張率の相違等によって僅かに隙間が発生した状態をも含むことをいう。
【００４０】
改質装置２２内には、第１受け部材１１０の第１孔部１１４と第２受け部材１１２の第２孔部１１６とを通って蛇行しながら矢印Ａ方向に延在する改質用通路（原燃料通路）１２０が形成される。改質装置２２の下流側（矢印Ａ１方向端部側）には、出口部１２２が設けられ、この出口部１２２に改質ガス供給路１２４の一端が接続される（図７参照）。改質ガス供給路１２４は、図２に示すように、改質装置２２の軸方向に沿って延在し、エンドプレート６０ａの孔部６１に嵌合されて燃料ガス供給連通孔４０に連通する。
【００４１】
ヘッド板７４には、蒸発器２０の第３通路部８２に連通する主排気管１２６と、前記蒸発器２０の中央部に位置して改質装置２２の外周に沿って矢印Ａ１方向に移動する排ガスを排出するための排気管１２８とが接続される。
【００４２】
蒸発器２０を構成する外筒部材８８の外周には、筒状カバー１２９が配設される。この筒状カバー１２９と外筒部材８８との間には、閉塞された断熱層１２９ａが形成されるとともに、前記断熱層１２９ａには、第２通路部８０に連通して排ガスの一部が充填される。
【００４３】
図１に示すように、荷重付与機構２４は、燃料ガス供給連通孔４０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１３０ａと、電解質・電極接合体３６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１３０ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。
【００４４】
第１締め付け部１３０ａは、図１及び図３に示すように、エンドプレート６０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔６４、６４に螺合する短尺な第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａを備える。第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａは、燃料電池２６の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１３４ａに係合する。第１押圧プレート１３４ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔４０を覆ってセパレータ３８の中央部に係合する。
【００４５】
第２締め付け部１３０ｂは、長尺な第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂを備え、前記第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂは、エンドプレート６０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔６４、６４に螺合する。第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１３４ｂを貫通し、この端部にナット１３６が螺合する。前記第２押圧プレート１３４ｂの各円弧状部には、燃料電池２６の円板部４２に配置される各電解質・電極接合体３６に対応してスプリング１３８及び台座１４０が配設される。スプリング１３８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。
【００４６】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４７】
図２及び図６に示すように、蒸発器２０を構成する二重管９２の原燃料通路９６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給されるとともに、前記二重管９２の水通路９８には、水が供給される。さらに、空気供給管８６には、酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
【００４８】
蒸発器２０では、原燃料が二重管９２内の原燃料通路９６に沿って螺旋状に移動するとともに、水が水通路９８に沿って螺旋状に移動する一方、第３通路部８２には、後述する排ガスが流通している。このため、水通路９８を移動する水が、内管９４ｂの下流側に形成されている複数の孔部１００から原燃料通路９６に水蒸気化されて噴出される。
【００４９】
その際、原燃料通路９６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、外管９４ａに連結された混合燃料供給管１０１を介して改質装置２２の入口部１０２に供給される。図７に示すように、入口部１０２から改質装置２２内に供給される混合燃料は、第１受け部材１１０の第１孔部１１４を通って第１及び第２受け部材１１０、１１２間に挟持されている複数の触媒ペレット１１８によって水蒸気改質される。さらに、この混合燃料は、第２受け部材１１２の外周縁部に形成された第２孔部１１６から次なる触媒ペレット１１８に供給される。
【００５０】
これにより、混合燃料は、改質装置２２内を蛇行する改質用通路１２０に沿って移動しながら水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、改質装置２２の出口部１２２に連通する改質ガス供給路１２４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４０に供給される。
【００５１】
図４及び図５に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、円板部４２の燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極３４の略中央に供給され、前記燃料ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする該燃料ガスは、燃料ガス通路４６に沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【００５２】
一方、図２に示すように、空気供給管８６から熱交換器１８に供給される空気は、この熱交換器１８の空気通路８４に沿って移動する際、第２通路部８０に沿って移動する後述する燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器１８で加温された空気は、図４及び図５に示すように、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給部４１に供給され、電解質・電極接合体３６の内側周端部と円板部４２の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入する。従って、空気は、酸化剤ガス通路５０に沿って電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の内側周端部から外側周端部に向かって流動する。
【００５３】
これにより、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４に沿って燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２に沿って空気が供給され、電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体３６の外周部に排出される排ガスは、排ガス排出路５９を介して積層方向に移動し、排ガス通路７６に導入される。
【００５４】
排ガス通路７６に導入された高温（７００℃前後）の排ガスは、図２に示すように、一部が孔部８１ａを介して第１通路部７８に分岐され、壁部８１の整流孔８３から改質装置２２の入口部１０２に供給される。改質装置２２の入口部１０２を集中的に加熱した排ガスは、蒸発器２０の内側を通って排気管１２８から外部に排出される。
【００５５】
その際、改質装置２２では、水蒸気改質が行われており、特に、入口部１０２の近傍で温度低下が惹起し易い。このため、入口部１０２を高温の排ガスにより集中して加熱することによって、改質装置２２の温度低下を抑制することができる。これにより、改質装置２２の温度を安定させることができ、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン）比を一定に設定することが可能になるという効果がある。
【００５６】
一方、排ガス通路７６の第２通路部８０に供給された排ガスは、熱交換器１８内を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。この排ガスは、一部が断熱層１２９ａに充填されるとともに、残余の部分が第２通路部８０に連通する第３通路部８２に導入される。この第３通路部８２は、蒸発器２０を構成する二重管９２と外筒部材８８及び内筒部材９０との間に形成されており、排ガスは前記二重管９２の水通路９８を通過する水を蒸発させる。従って、原燃料通路９６には、原燃料に水蒸気が混合された混合燃料を確実に生成することができる。なお、蒸発器２０を通過した排ガスは、主排気管１２６を介して外部に排出される。
【００５７】
この場合、第１の実施形態では、図７に示すように、第１改質器１０６と第２改質器１０８とが交互に積層された改質装置２２内には、第１及び第２孔部１１４及び１１６を通って蛇行する改質用通路１２０が形成されている。そして、原燃料と水蒸気との混合燃料は、改質用通路１２０に沿って蛇行しながら積層方向に流動している。このため、改質用通路１２０を有効に長尺化することができ、改質装置２２全体をコンパクトに構成した状態で、混合燃料の改質効率を高めることが可能になる。
【００５８】
第２改質器１０８に形成した第２孔部１１６により原燃料と水蒸気との混合燃料の流れが絞られることで、前記第２孔部１１６における混合燃料の流速を一定にすることができる。一定の流速となった混合燃料が第１改質器１０６に供給されると、この第１改質器１０６内における混合燃料の流速が均一になり、触媒ペレット１１８に均一に混合燃料を分布することが可能になる。このため、触媒反応に対する負荷を均等にすることができ、改質効率や触媒ペレット１１８の耐久性が向上する。
【００５９】
しかも、第１改質器１０６に単層に配設される複数の触媒ペレット１１８は、隣接する第２改質器１０８の積層側端部に支持されている。一方、第２改質器１０８に単層に配設される複数の触媒ペレット１１８は、隣接する他の第１改質器１０６の積層側端部に支持されている。
【００６０】
これにより、触媒ペレット１１８は、互いに隣接する第１及び第２改質器１０６、１０８間で保持され、混合燃料は前記触媒ペレット１１８に良好に接触しながら均等に流れることができる。従って、混合燃料と触媒ペレット１１８との接触面積が有効に増大し、改質効率が大幅に向上するという効果が得られる。さらに、第１及び第２改質器１０６、１０８では、熱伝導性が良好な金属製の第１及び第２受け部材１１０、１１２の外壁１１０ｂ、１１２ｂに、触媒ペレット１１８が接触するため、前記外壁１１０ｂ、１１２ｂを通して前記触媒ペレット１１８への熱伝導が促進され、前記第１及び第２改質器１０６、１０８の内側や外側にある触媒ペレット１１８で温度分布が発生しない。このため、水蒸気改質反応が行われたとしても、新たに熱が速やかに供給されて改質反応の分布がなくなり、改質効率が向上する。
【００６１】
さらに、第１及び第２改質器１０６、１０８は、中心軸に対して軸対称に構成されるとともに、触媒ペレット１１８は、前記中心軸に対して略軸対称に配設されている。このため、第１及び第２改質器１０６、１０８内で温度が均一化され、熱応力や熱歪が発生し難く、耐久性が向上するという利点がある。
【００６２】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る改質装置１５１を組み込む流体部１５０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６３】
流体部１５０は、熱交換器１８と改質装置１５１と蒸発器１５２とを備える。この流体部１５０は、燃料電池スタック１２の一方の側に配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配置される。流体部１５０では、改質装置１５１の外側に蒸発器１５２が配設されるとともに、この蒸発器１５２の外側に熱交換器１８が配設される。
【００６４】
このように構成される第２の実施形態では、熱交換器１８の内側に蒸発器１５２及び改質装置１５１が配設されており、この改質装置１５１を前記熱交換器１８からの輻射熱で温めることができるとともに、前記蒸発器１５２の断熱性が有効に向上し、水蒸気を発生し易くなるという効果が得られる。しかも、流体部１５０は矢印Ａ方向の寸法が有効に短尺化され、燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。
【００６５】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る改質装置１６０の一部断面説明図であり、図１１は、前記改質装置１６０の要部分解斜視図である。
【００６６】
改質装置１６０は、第１改質器１６２と第２改質器１６４とを積層して構成される。第１改質器１６２を構成する第１受け部材１１０及び第２改質器１６４を構成する第２受け部材１１２には、それぞれ内壁１１０ａ、１１２ａから上方に突出して複数の位置決め用突起部１６６ａ、１６６ｂが設けられる。突起部１６６ａ、１６６ｂは、中央膨出部１１３を中心に同一円周上に配置されるとともに、第２孔部１１６間に２つずつ設けられ、単層に配設される複数の触媒ペレット１１８の中、最外周に配置される前記触媒ペレット１１８に係合する（図１０及び図１２参照）。
【００６７】
このように構成される第３の実施形態では、第１改質器１６２内において、複数の触媒ペレット１１８が第１孔部１１４を設ける中央膨出部１１３と複数の突起部１６６ａとの間に位置決め保持されている。一方、第２改質器１６４内において、複数の触媒ペレット１１８が中央膨出部１１３と複数の突起部１６６ｂとの間に位置決め保持されている。さらに、触媒ペレット１１８の両端面は、第１及び第２受け部材１１０、１１２に略接触している。
【００６８】
これにより、複数の触媒ペレット１１８は、第１及び第２改質器１６２、１６４内で所望の配置状態に確実に保持され、混合燃料は、前記触媒ペレット１１８の周面に良好に接触しながら均等に流れることができる。従って、改質効率が有効に向上する等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る改質装置を組み込む燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池システムを構成する蒸発器の要部斜視説明図である。
【図７】前記改質装置の一部断面説明図である。
【図８】前記改質装置の要部分解斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る改質装置を組み込む流体部の要部断面説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る改質装置の一部断面説明図である
【図１１】前記改質装置の要部分解斜視図である。
【図１２】前記改質装置の図１０中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】特許文献１の改質器の断面説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…燃料電池システム                    １２…燃料電池スタック
１４、１５０…流体部                      １６…筐体
１８…熱交換器                            ２０、１５２…蒸発器
２２、１５１、１６０…改質装置            ２４…荷重付与機構
２６…燃料電池                            ３０…電解質
３２…カソード電極                        ３４…アノード電極
３６…電解質・電極接合体                  ３８…セパレータ
５９…排ガス排出路                        ６０ａ、６０ｂ…エンドプレート
６１、６２、１００、１１４、１１６…孔部  ６６ａ、６６ｂ、７２…筐体部
７６…排ガス通路                          ７８、８０、８２…通路部
８３…整流孔                              ８４…空気通路
８６…空気供給管                          ８８…外筒部材
９０…内筒部材                            ９２…二重管
９６…原燃料通路                          ９８…水通路
１０１…混合燃料供給管                    １０２…入口部
１０６、１０８、１６２、１６４…改質器    １１０、１１２…受け部材
１１０ａ、１１２ａ…内壁                  １１０ｂ、１１２ｂ…外壁
１１３…中央膨出部                        １１８…触媒ペレット
１２０…改質用通路                        １２２…出口部
１２４…改質ガス供給路                    １２６…主排気管
１２８…排気管                            １６６ａ、１６６ｂ…突起部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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