(57)【要約】【課題】電気ヒーターやバーナーのような予熱装置を使用せずに簡単な構造で改質装置の初期起動を行う時の火炎を酸化触媒に拡散させることができる燃料改質装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】本発明の燃料改質装置は、酸化触媒が形成された酸化反応ユニットと、改質触媒が形成された改質反応ユニットと、改質装置の初期起動を行う時の炭化水素系燃料と酸化剤を燃焼させて前記酸化触媒を予熱するための点火ユニットと、を含み、前記酸化反応ユニットは、前記酸化触媒を介して両側にそれぞれ形成された第１セクション及び第２セクションを備え、前記第２セクションに前記点火ユニットが位置し、前記第１セクションから前記酸化触媒を通過して前記第２セクションへ流れる前記燃料と酸化剤のストリームを形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化触媒が形成された酸化反応ユニットと、
改質触媒が形成された改質反応ユニットと、
改質装置の初期起動の際に炭化水素系燃料と酸化剤を燃焼させて前記酸化触媒を予熱するための点火ユニットと、
を含み、
前記酸化反応ユニットは、前記酸化触媒を介して両側にそれぞれ形成された第１セクション及び第２セクションを備え、前記第２セクションに前記点火ユニットが位置し、前記第１セクションから前記酸化触媒を通過して前記第２セクションに流れる前記燃料と酸化剤のストリームを形成することを特徴とする、燃料改質装置。
【請求項２】
前記点火ユニットは、前記第２セクションで前記燃料と酸化剤を電気火花として燃焼させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記酸化反応ユニットは、前記改質装置の正常駆動を行う際、前記酸化触媒による前記燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記改質反応ユニットは、前記改質装置の正常駆動を行う際、前記熱エネルギーの提供を受けて前記改質触媒による燃料と水蒸気の改質反応として水素を含む改質ガスを発生させることを特徴とする、請求項３に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
第１本体及び前記第１本体内部に形成された改質触媒を含み、前記改質触媒による炭化水素系燃料と水蒸気の改質反応として水素を含む改質ガスを発生させる改質反応ユニットと、
前記第１本体を覆う第２本体及び前記第１本体と前記第２本体の間に形成された酸化触媒を含み、前記酸化触媒による炭化水素系燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させ、前記熱エネルギーを前記改質反応ユニットに提供する酸化反応ユニットと、
改質装置の初期起動の際に前記酸化触媒を反応開始温度に予熱するために前記燃料と酸化剤を燃焼させて火炎を形成する点火ユニットと、
を含み、
前記酸化反応ユニットは、
前記第２本体の両側端部にそれぞれ連結するように形成され、前記第１本体と前記第２本体の間の領域と互いに連通される第１セクション及び第２セクションを備え、
前記第２セクションに前記点火ユニットが位置し、
前記酸化触媒を通って前記第１セクションから前記第２セクションに流れる前記燃料と酸化剤のストリームを形成し、
前記火炎を前記燃料と酸化剤のストリーム方向と反対の方向に拡散させる構造に作られたことを特徴とする、燃料改質装置。
【請求項６】
前記第１本体と前記第２本体が導管形態に構成され、前記第１本体が前記第２本体の内部に配置されたことを特徴とする、請求項５に記載の燃料改質装置。
【請求項７】
前記改質触媒及び前記酸化触媒は、モノリス型の支持体に触媒物質がコーティング形成されたものであることを特徴とする、請求項５に記載の燃料改質装置。
【請求項８】
前記改質触媒及び前記酸化触媒は、ペレット形態の単位触媒で作られたことを特徴とする、請求項５に記載の燃料改質装置。
【請求項９】
前記第２本体を覆う導管形態の第３本体を有し、前記酸化反応ユニットから熱エネルギーを提供されて水を蒸発させる蒸発部をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃料改質装置。
【請求項１０】
前記蒸発部は、
前記第３本体によって前記第２本体と前記第３本体の間に形成され、前記第２セクションと互いに連通する第３セクションと、
前記第３セクションに前記第２本体の外周方向に沿ってコイル形態で形成されて前記水を通過させるパス部材と、
を含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料改質装置。
【請求項１１】
前記第２セクションと前記蒸発部の間に別途に形成された第４セクションを備え、
前記第４セクションで前記燃料及び水蒸気を混合する混合部をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料改質装置。
【請求項１２】
前記混合部は、前記燃料を前記第４セクションに注入するための燃料注入ポートを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料改質装置。
【請求項１３】
前記蒸発部は、前記第２本体と前記第３本体の間に形成された第３セクションにコイル形態で配置されて水を通過させるパス部材を含み、
前記混合部は、前記燃料を前記第４セクションに注入するための燃料注入ポートを有し、前記第４セクションと前記パス部材が互いに連通することを特徴とする、請求項１１に記載の燃料改質装置。
【請求項１４】
前記蒸発部と前記酸化反応ユニットとの間に形成されて前記混合部で混合された前記燃料と水蒸気を前記改質反応ユニットに供給する流路部をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料改質装置。
【請求項１５】
前記流路部は、前記第２本体の外周面に形成された螺旋形の溝と、前記第２本体の外周面を覆う導管形態の第４本体として形成された螺旋形の通路と、を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の燃料改質装置。
【請求項１６】
前記通路は、前記混合部及び前記改質反応ユニットと互いに連通されるように形成されることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料改質装置。
【請求項１７】
前記第３本体を覆う導管形態の第５本体を有し、前記第３セクションを経た前記燃料と酸化剤の燃焼ガスを循環させる燃焼ガス循環部をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料改質装置。
【請求項１８】
前記燃焼ガス循環部は、前記第５本体によって前記第３本体と前記第５本体の間に形成され、前記第３セクションと互いに連通する第５セクションとして形成されることを特徴とする、請求項１７に記載の燃料改質装置。
【請求項１９】
前記燃焼ガス循環部は、前記燃焼ガスを排出させるための燃焼ガス排出ポートを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の燃料改質装置。
【請求項２０】
前記第５本体を覆う導管形態の第６本体を有して前記改質ガス中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さらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載の燃料改質装置。
【請求項２１】
前記燃焼ガス循環部は、前記燃焼ガスの熱エネルギーを前記一酸化炭素低減部に提供することを特徴とする、請求項２０に記載の燃料改質装置。
【請求項２２】
前記一酸化炭素低減部は、
前記第６本体によって前記第５本体と前記第６本体の間に形成された第６セクションと、
前記第６セクションに形成されて前記一酸化炭素の水性ガス転換反応を促進させる水性ガス転換触媒と、
を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の燃料改質装置。
【請求項２３】
前記改質反応ユニットは、前記改質ガスを排出させる第１改質ガス排出ポートを含み、
前記第１改質ガス排出ポートは、前記第６セクションと互いに連通されることを特徴とする、請求項２２に記載の燃料改質装置。
【請求項２４】
前記一酸化炭素低減部は、前記一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスを排出させる第２改質ガス排出ポートを含むことを特徴とする、請求項２３に記載の燃料改質装置。
【請求項２５】
前記炭化水素系燃料として常温で気体状態である液化ガスを使用することを特徴とする、請求項５に記載の燃料改質装置。
【請求項２６】
前記燃料は、メタン、エタン、プロパン及びブタンからなる群より選択される少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２５に記載の燃料改質装置。
【請求項２７】
請求項５に記載の酸化反応ユニット、改質反応ユニット及び点火ユニットを用いる燃料改質装置の駆動方法であって、
前記改質装置の初期起動の際に前記酸化反応ユニットの酸化触媒を予熱するために、前記第１セクションから前記酸化触媒を通過して前記第２セクションへ流れる燃料と酸化剤のストリームを形成し、
前記点火ユニットを稼動し、
前記第２セクションで前記燃料と酸化剤を前記点火ユニットとして燃焼させて火炎を形成し、
前記火炎が前記燃料と酸化剤のストリーム方向と反対方向へ拡散することを特徴とする、燃料改質装置の駆動方法。
【請求項２８】
前記酸化触媒が２５０℃以上の温度に予熱された時点で前記点火ユニットの稼動を停止させることを特徴とする、請求項２７に記載の燃料改質装置の駆動方法。
【請求項２９】
前記酸化反応ユニットが６５０〜７００℃を維持する時、前記改質装置の正常駆動が行われることを特徴とする、請求項２７に記載の燃料改質装置の駆動方法。
【請求項３０】
前記酸化反応ユニットは、前記酸化触媒による前記燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させることを特徴とする、請求項２９に記載の燃料改質装置の駆動方法。
【請求項３１】
前記改質装置の正常駆動を行う場合、前記改質反応ユニットは７００〜７５０℃を維持し、燃料と水蒸気の改質反応として改質ガスを発生させることを特徴とする、請求項２９に記載の燃料改質装置の駆動方法。
【請求項３２】
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と、
熱エネルギーによる燃料の触媒反応を通って前記燃料から水素を発生させ、当該水素を前記スタックに供給する燃料改質装置と、
を含み、
前記燃料改質装置は、
酸化触媒が形成された酸化反応ユニットと、
改質触媒が形成された改質反応ユニットと、
前記燃料改質装置の初期起動の時に炭化水素系燃料と酸化剤を燃焼させて前記酸化触媒を予熱するための点火ユニットと、
を含み、
前記酸化反応ユニットは、前記酸化触媒を介して両側にそれぞれ形成された第１セクション及び第２セクションを備え、前記第２セクションに前記点火ユニットが位置し、前記第１セクションから前記酸化触媒を通過して前記第２セクションに流れる前記燃料と酸化剤のストリームを形成することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項３３】
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と、
熱エネルギーによる燃料の触媒反応を通って前記燃料から水素を発生させ、当該水素を前記電気発生部に供給する燃料改質装置と、
を含み、
前記燃料改質装置は、
第１本体及び前記第１本体内部に形成された改質触媒を含み、前記改質触媒による炭化水素系燃料と水蒸気の改質反応として水素を含む改質ガスを発生させる改質反応ユニットと、
前記第１本体を覆う第２本体及び前記第１本体と前記第２本体の間に形成された酸化触媒を含み、前記酸化触媒による炭化水素系燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させ、前記熱エネルギーを前記改質反応ユニットに提供する酸化反応ユニットと、
改質装置の初期起動の時に前記酸化触媒を反応開始温度に予熱するために前記燃料と酸化剤を燃焼させて火炎を形成する点火ユニットと、
を含み、
前記酸化反応ユニットは、
前記第２本体の両側端部にそれぞれ連結するように形成され、前記第１本体と前記第２本体の間の領域と互いに連通される第１セクション及び第２セクションを備え、
前記第２セクションに前記点火ユニットが位置し、
前記酸化触媒を通って前記第１セクションから前記第２セクションに流れる前記燃料と酸化剤のストリームを形成し、
前記火炎を前記燃料と酸化剤のストリーム方向と反対の方向に拡散させる構造に作られたことを特徴とする、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質装置とその駆動方法及びこれを備えた燃料電池システムに関し、より詳しくは触媒による燃料の酸化反応として熱エネルギーを発生させる酸化反応器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
公知のように、燃料電池は燃料と酸化剤ガスを利用して電気エネルギーを発生させる発電装置である。燃料電池は大きく高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）と、直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に区分することができる。
【０００３】
このうち高分子電解質型燃料電池は改質装置で生成された改質ガス及びその改質ガスとは別途である酸化剤ガスの提供を受けて改質ガスと酸化剤ガスの電気化学的な反応として電気エネルギーを発生させる構造からなる。
【０００４】
改質装置は燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させるヒーターと、この熱エネルギーを利用した燃料の改質反応として改質ガスを発生させる改質反応器を備える。
【０００５】
ヒーターはメタノール、エタノールなどのような液体燃料及びＬＰＧ、ＬＮＧなどのようなガス燃料を含む燃料を直接的に燃焼させて熱エネルギーを発生させるバーナー方式と、燃料の酸化反応として熱エネルギーを発生させる酸化方式に区分することができる。
【０００６】
前者は運転が難しく、火炎によるバーナーのホット−スポット（ｈｏｔ−ｓｐｏｔ）現象によって全改質装置の寿命を短縮させる短所があり、このようなホット−スポット現象を除去するためにバーナーの空間を十分に確保する方法があるが、全装置の体積が大きくなる短所がある。
【０００７】
後者は酸化触媒による燃料の酸化方式で熱エネルギーを発生させる酸化反応器を備える。しかし、このような酸化反応器は、特にガス燃料を使用する場合には、常温では酸化触媒によるガス燃料の酸化反応を起こさないため、酸化触媒を一定の温度で予熱しなければならないという問題があった。
【０００８】
これを解決するために、従来は、熱線のような電気ヒーターを使用して酸化触媒を直接的または間接的に加熱したり、バーナーのように火炎を噴射して酸化触媒を直接加熱したりする予熱装置が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、電気ヒーターを使用する従来の酸化反応器は部品数が増加し、燃料電池で発生される電力を消耗しなければならないという問題がある。
【００１０】
さらに、バーナーを使用する従来の酸化反応器は運転が難しく、火炎によって酸化触媒が焼結（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）されるなど、酸化触媒が損傷する問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、電気ヒーターやバーナーのような予熱装置を使用せずに簡単な構造で改質装置の初期起動を行う際の火炎を酸化触媒に拡散させることができる燃料改質装置及びその駆動方法とこれを備え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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、酸化触媒が形成された酸化反応ユニットと、改質触媒が形成された改質反応ユニットと、改質装置の初期起動を行う時に炭化水素系燃料と酸化剤を燃焼させて前記酸化触媒を予熱するための点火ユニットと、を含み、前記酸化反応ユニットは、前記酸化触媒を介して両側にそれぞれ形成された第１セクション及び第２セクションを備え、前記第２セクションに前記点火ユニットが位置し、前記第１セクションから前記酸化触媒を通過して前記第２セクションへ流れる前記燃料と酸化剤のストリームを形成する燃料改質装置が提供される。
【００１３】
前記燃料改質装置において、前記点火ユニットは前記第２セクションで前記燃料と酸化剤を電気火花として燃焼させることができる。
【００１４】
前記燃料改質装置において、前記酸化反応ユニットは前記改質装置の正常駆動時に前記酸化触媒による前記燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させることができる。
【００１５】
前記燃料改質装置において、前記改質反応ユニットは前記改質装置の正常駆動の時、前記熱エネルギーの提供を受けて前記改質触媒による燃料と水蒸気の改質反応で水素を含む改質ガスを発生させることができる。
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の他の観点によれば、ｉ）第１本体及び、前記第１本体内部に形成された改質触媒を含み、前記改質触媒による炭化水素系燃料と水蒸気の改質反応で水素を含む改質ガスを発生させる改質反応ユニットと、ｉｉ）前記第１本体を覆う第２本体及び前記第１本体と前記第２本体の間に形成された酸化触媒を含み、前記酸化触媒による炭化水素系燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させ、前記熱エネルギーを前記改質反応ユニットに提供する酸化反応ユニットと、ｉｉｉ）改質装置の初期起動の時に前記酸化触媒を反応開始温度で予熱するために、前記燃料と酸化剤を燃焼させて火炎を形成する点火ユニットと、を含み、前記酸化反応ユニットは、前記第２本体の両側端部にそれぞれ連結されるように形成され、前記第１本体と前記第２本体の間の領域と互いに連通される第１セクション及び第２セクションを備え、前記第２セクションに前記点火ユニットが位置し、前記酸化触媒を通って前記第１セクションから前記第２セクションへ流れる前記燃料と酸化剤のストリームを形成し、前記火炎を前記燃料と酸化剤のストリーム方向と反対になる方向に拡散させる構造からなる燃料改質装置が提供される。
【００１７】
前記燃料改質装置は、前記第１本体と前記第２本体が導管形態からなり、前記第１本体が前記第２本体の内部に配置されてもよい。
【００１８】
前記燃料改質装置において、前記改質触媒及び前記酸化触媒はモノリス型の支持体に触媒物質がコーティング形成されてもよい。
【００１９】
前記燃料改質装置において、前記改質触媒及び前記酸化触媒はペレット形態の単位触媒からなってもよい。
【００２０】
前記燃料改質装置は、前記第２本体を覆う導管形態の第３本体を有し、前記酸化反応ユニットにから熱エネルギーの提供を受けて水を蒸発させる蒸発部をさらに含んでいてもよい。
【００２１】
前記燃料改質装置において、前記蒸発部は前記第３本体によって前記第２本体と前記第３本体の間に形成され、前記第２セクションと互いに連通される第３セクションと、前記第３セクションに前記第２本体の外周方向に沿ってコイル形態で形成されて前記水を通過させるパス部材を含むことができる。
【００２２】
前記燃料改質装置は、前記第２セクションと前記蒸発部の間に別途に形成された第４セクションを備え、前記第４セクションで前記燃料及び水蒸気を混合する混合部をさらに含むことができる。
【００２３】
前記燃料改質装置において、前記混合部は前記燃料を前記第４セクションに注入するための燃料注入ポートを含むことができる。
【００２４】
前記燃料改質装置において、前記混合部は前記第４セクションと前記パス部材が互いに連通されるように形成されることができる。
【００２５】
前記燃料改質装置は、前記蒸発部と前記酸化反応ユニットの間に形成されて前記混合部で混合された前記燃料と水蒸気を前記改質反応ユニットに供給する流路部をさらに含むことができる。
【００２６】
前記燃料改質装置において、前記流路部は前記第２本体の外周面に形成された螺旋形溝及び前記第２本体の外周面を覆う導管形態の第４本体として形成された螺旋形の通路を含むことができる。この場合、前記通路は前記混合部及び前記改質反応ユニットと互いに連結されるように形成することができる。
【００２７】
前記燃料改質装置は、前記第３本体を覆う導管形態の第５本体を有し、前記第３セクションを経た前記燃料と酸化剤の燃焼ガスを循環させる燃焼ガス循環部をさらに含むことができる。
【００２８】
前記燃料改質装置において、前記燃焼ガス循環部は前記第５本体によって前記第３本体と前記第５本体の間に形成され、前記第３セクションと互いに連通される第５セクションで形成されることができる。この場合、前記燃焼ガス循環部は前記燃焼ガスを排出させるための燃焼ガス排出ポートを含むことができる。
【００２９】
前記燃料改質装置は、前記第５本体を覆う導管形態の第６本体を有し、前記改質ガス中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さらに含むことができる。この場合、前記燃焼ガス循環部は前記燃焼ガスの熱エネルギーを前記一酸化炭素低減部に提供することができる。
【００３０】
前記燃料改質装置において、前記一酸化炭素低減部は前記第６本体によって前記第５本体と前記第６本体の間に形成された第６セクションと、前記第６セクションに形成されて前記一酸化炭素の水性ガス転換反応を促進させる水性ガス転換触媒を含むことができる。
前記燃料改質装置において、前記改質反応ユニットは前記改質ガスを排出させる第１改質ガス排出ポートを含み、前記第１改質ガス排出ポートは前記第６セクションと互いに連通されることができる。
【００３１】
前記燃料改質装置において、前記一酸化炭素低減部は前記一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスを排出させる第２改質ガス排出ポートを含むことができる。
【００３２】
前記燃料改質装置は、前記炭化水素系燃料として常温で気体状態の液化ガスを使用することができる。この場合、前記燃料はメタン、エタン、プロパン及びブタンからなる群より選択される少なくとも１つを含むことができる。
【００３３】
上記課題を解決するために、本発明のさらに他の観点によれば、前記酸化反応ユニット、改質反応ユニット及び点火ユニットを用いる燃料改質装置の駆動方法であって、改質装置の初期起動時に前記酸化反応ユニットの酸化触媒を予熱するために第１セクションから前記酸化触媒を通過して第２セクションへ流れる燃料と酸化剤のストリームを形成し、前記点火ユニットを稼動し、前記第２セクションで前記燃料と酸化剤を前記点火ユニットとして燃焼させて火炎を形成し、前記火炎が前記燃料と酸化剤のストリーム方向と反対になる方向へ拡散する燃料改質装置の駆動方法が提供される。
【００３４】
前記燃料改質装置の駆動方法は、前記酸化触媒が２５０℃以上の温度で予熱された時点に前記点火ユニットの稼動をオフさせることができる。
【００３５】
前記燃料改質装置の駆動方法は、前記酸化反応ユニットが６５０〜７００℃を維持する時、前記改質装置の正常駆動が行わせることができる。
【００３６】
前記燃料改質装置の駆動方法において、前記酸化反応ユニットは前記酸化触媒による前記燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させることができる。
【００３７】
前記燃料改質装置の駆動方法において、前記改質装置の正常駆動を行う場合、前記改質反応ユニットは７００〜７５０℃を維持し、燃料と水蒸気の改質反応として改質ガスを発生させることができる。
【００３８】
上記課題を解決するために、本発明のさらに他の観点によれば、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と、前述したような燃料改質装置とを含み、前記燃料改質装置は、熱エネルギーによる燃料の触媒反応を通って前記燃料から水素を発生させ、この水素を前記スタックに供給する燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、火炎を酸化触媒に拡散させる方式で改質装置の初期起動時に酸化触媒を加熱することができるので、初期起動に必要なエネルギー（電力）を節減することができ、全装置の運転効率を向上させることができる。
【００４０】
また、本発明によれば、酸化触媒に対する火炎の拡散速度が速いので、改質装置の初期起動時間を短縮することができる。
【００４１】
また、本発明によれば、従来とは異なって火炎による酸化触媒の損傷を減らすことができ、酸化反応ユニットの熱勾配及び耐久性に有利で、全装置の寿命をさらに延長させることができる。
【００４２】
また、本発明によれば、別途の予熱装置を必要としないので、全装置の構造が簡単で体積を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
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。
【００４４】
ところで、本明細書では“覆う”という表現が度々用いられるが、基本的な意味は“黙示または明示される外壁により内部空間・内部存在物を密封する”と解釈されて、必要があれば、出入り口（ポート）を設置して物資を搬入・搬出し、密封空間で加工させ得ることを意味する。換言すれば、“外部容器壁で内部存在物の上下・前後左右を遮蔽する”と解釈できる。なお、導管形式と特記されている場合には、非常に大きい出入り口を設置したことと同じと考えてよい。
【００４５】
図１は本発明の例示的な第１実施形態による燃料改質装置を概略的に示す斜視図である。
【００４６】
図１を参照すると、本実施形態による燃料改質装置１００は燃料を改質して水素が豊富な改質ガスを発生させる、いわゆる燃料プロセッサーとして構成される。
【００４７】
燃料改質装置１００は通常の高分子電解質型燃料電池に改質ガスを提供するが、この高分子電解質型燃料電池は改質ガスの酸化反応及び空気のような酸化剤の還元反応として電気エネルギーを発生させる構造からなる。
【００４８】
ここで、燃料は所定の容器に一部液化された状態で圧縮貯蔵され、常温で気体状態で存在する液化ガスを含むことができる。このような燃料としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンなどのような炭化水素系の液化ガスのうちの少なくとも１つを使用することができる。
【００４９】
図２は図１の概略的な断面構成図である。
【００５０】
図１及び図２を参照すると、本実施形態による燃料改質装置１００は燃料と水蒸気の改質反応として改質ガスを発生させる改質反応ユニット１０と、燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させる酸化反応ユニット２０を含む。
【００５１】
本実施形態で、改質反応ユニット１０は酸化反応ユニット２０から熱エネルギーの提供を受けて触媒による燃料の水蒸気改質反応（ＳＲ：Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）を起こす構造からなる。
【００５２】
このような改質反応ユニット１０は第１本体１１と、第１本体１１内部に形成された改質触媒１２を含む。
【００５３】
第１本体１１は管路を有し、実質的に両端が密閉された円筒形の導管形態からなる。
【００５４】
改質触媒１２は燃料の水蒸気改質反応を促進させて水素を含む改質ガスを発生させる機能を果たす。この改質触媒１２はモノリス型の第１触媒整形体１２ａと、第１触媒整形体１２ａにコーティング形成された第１触媒層１２ｂを含む。
【００５５】
第１触媒整形体１２ａは第１本体１１の内部空間に配置され、セラミックまたは金属素材を圧出成形して単一体のモジュールとして製作される。第１触媒整形体１２ａは反応物の流れ方向と平行なハニカム（ｈｏｎｅｙ  ｃｏｍｂ）形状の複数の第１通路１２ｃを形成している。
【００５６】
第１触媒層１２ｂは第１触媒整形体１２ａの第１通路１２ｃ内壁面にコーティング形成される。このような第１触媒層１２ｂは燃料の水蒸気改質反応を促進させることができる通常の触媒物質、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）または白金（Ｐｔ）からなる。
【００５７】
さらに、改質反応ユニット１０は第１本体１１の一側端部に形成された第１注入ポート１４と、第１本体１１の他側端部に形成された第１排出ポート１６を含む。
【００５８】
第１注入ポート１４は第１本体１１の内部に燃料と水蒸気を注入させるためのものであり、第１排出ポート１６は改質触媒１２による燃料の水蒸気改質反応で生成された改質ガスを排出させるためのものである。
【００５９】
ここで、水蒸気は本改質装置１００と別途の水蒸発器（図示せず）から提供されることができ、燃料と共に第１注入ポート１４を通って第１本体１１の内部に注入されることができる。
【００６０】
本実施形態で酸化反応ユニット２０は触媒による燃料と酸化剤の酸化反応として熱エネルギーを発生させ、この熱エネルギーを改質反応ユニット１０に提供できる構造からなる。
【００６１】
このような酸化反応ユニット２０は第１本体１１を覆う第２本体２１と、第１本体１１と第２本体２１の間に形成された酸化触媒２２を含む。
【００６２】
第２本体２１は第１本体１１より相対的に大きな管路断面積を有し、実質的に両端が開放された円筒形の導管形態からなる。この場合、第１本体１１はその外周面と第２本体２１の内周面が一定の間隔で離隔されるように第２本体２１の内部中心方向（同軸方向）に配置される。
【００６３】
酸化触媒２２は燃料と酸化剤の酸化反応を促進させて熱エネルギーを発生させる機能をする。この酸化触媒２２はモノリス型の第２触媒整形体２２ａと、第２触媒整形体２２ａにコーティング形成された第２触媒層２２ｂを含む。
【００６４】
第２触媒整形体２２ａは第１本体１１と第２本体２１の間の領域に配置され、セラミックまたは金属素材を圧出成形して単一体のモジュールとして製作される。第２触媒整形体２２ａは反応物の流れ方向と平行なハニカム形状の第２通路２２ｃを形成している。
【００６５】
第２触媒層２２ｂは第２触媒整形体２２ａの第２通路２２ｃ内壁面にコーティング形成される。このような第２触媒層２２ｂは燃料と酸化剤の酸化反応を促進させることができる通常の触媒物質、例えば、白金（Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕ）からなる。
【００６６】
このような燃料改質装置１００は初期起動を行う時、常温で燃料と酸化剤が酸化触媒２２によって酸化反応を起こすことができないので、燃料と酸化剤の酸化反応が開始される温度、ほぼ２５０℃以上の熱エネルギーを酸化触媒２２に提供する必要がある。
【００６７】
このために、本実施形態による燃料改質装置１００は点火ユニット３０と、ストリーム形成ユニット４０を含む。
【００６８】
本実施形態で、点火ユニット３０は改質装置１００の初期起動の時に燃料と酸化剤を燃焼させて酸化触媒２２を固有の反応開始温度範囲に予熱するためである。
【００６９】
点火ユニット３０は後述するストリーム形成ユニット４０に設置され、電気的なスパークとして火炎を発生させる通常の点火装置で構成される。この点火ユニット３０は電源の印加を受けて電気火花を発生させる電気火花発生部３１を備えている。
【００７０】
このような点火ユニット３０は当業界で幅広く使用される通常の点火装置の構成からなるので、本明細書でその詳しい説明は省略する。
【００７１】
本実施形態で、ストリーム形成ユニット４０は燃料と酸化剤が酸化触媒２２を通過した後、点火ユニット３０によって燃焼できるように酸化触媒２２を通過する燃料と酸化剤のストリームを形成するためのものである。
【００７２】
さらに、ストリーム形成ユニット４０は点火ユニット３０によって燃焼されながら形成された火炎と熱エネルギーを燃料と酸化剤のストリーム方向と反対になる方向へ拡散させる機能もする。
【００７３】
ストリーム形成ユニット４０は第２本体２１の一側端部に空間として形成される第１セクション４１と、第２本体２１の他側端部に空間として形成される第２セクション４２を含む。
【００７４】
第１セクション４１は図面を基準にする時、第２本体２１の下段部に一体で連結されるように形成される。第１セクション４１は第１本体１１と第２本体２１の間の領域と互いに連通される内部空間を形成する。
【００７５】
第１セクション４１には燃料と酸化剤を前記内部空間に注入するための第２注入ポート４３を形成している。
【００７６】
第２セクション４２は図面を基準にする時、第２本体２１の上端部に一体で連結されるように形成される。第２セクション４２は第１本体１１と第２本体２１の間の領域と互いに連通される内部空間を形成する。
【００７７】
第２セクション４２の内部空間には上述した点火ユニット３０が設置されている。そして第２セクション４２には点火ユニット３０によって燃焼された燃料と酸化剤の燃焼ガスを排出させるための第２排出ポート４４を形成している。
【００７８】
以下、前記のように構成される本発明の例示的な実施形態による燃料改質装置の駆動方法を詳しく説明する。
【００７９】
図３は本発明の例示的な実施形態による燃料改質装置の作用を説明するための概略的な断面構成図である。
【００８０】
図３を参照すると、まず、改質装置１００の初期起動を行う時、燃料と酸化剤は第２注入ポート４３を通って第１セクション４１の内部空間に注入される。
【００８１】
燃料と酸化剤は第１セクション４１及び第２セクション４２が第１本体１１と第２本体２１の間の領域と互いに連通するので、図面に実線矢印で示したように第１セクション４１から酸化触媒２２を通過して第２セクション４２に流れる。
【００８２】
つまり、燃料と酸化剤は第１セクション４１の内部空間で酸化触媒２２の第２通路２２ｃを通って第２セクション４２の内部空間へ流動される。
【００８３】
ここで、燃料と酸化剤は前述のように第１セクション４１の内部空間に同時に注入されてもよく、任意の時間差をおいてそれぞれ別途に注入されてもよい。
【００８４】
このような過程を経る間に点火ユニット３０は電気火花を発生させて第２セクション４２の内部空間に導入された燃料と酸化剤を燃焼させる。
【００８５】
このように燃料と酸化剤が点火ユニット３０によって燃焼することによって、この時に発生する火炎は酸化触媒２２の上部、つまり、酸化触媒２２の第２セクション４２側端部を加熱する。したがって、酸化触媒２２の上部は前記火炎によって温度が急上昇する。
【００８６】
この後、火炎は図面に点線矢印で示したように酸化触媒２２の第２通路２２ｃを通って燃料と酸化剤のストリーム方向と反対になる方向へ拡散する。したがって、酸化触媒２２の上部に作用する熱エネルギーは酸化触媒２２の下部側に次第に移動する。
【００８７】
その結果、火炎と熱エネルギーは酸化触媒２２を通って第２セクション４２から第１セクション４１方向へ拡散され、短時間に酸化触媒２２全体を加熱する。
【００８８】
このような過程を経て酸化触媒２２は燃料と酸化剤の酸化反応を起こせる反応開始温度、好ましくは２５０℃以上に加熱される。この時、燃料と酸化剤の燃焼ガスは第２排出ポート４４を通じて排出する。
【００８９】
次いで、本改質装置１００の正常駆動が行われる時点で、酸化触媒２２の温度が２５０℃以上の温度に予熱された時点に点火ユニット３０はその稼動が停止する。この時、燃料と酸化剤は第２注入ポート４３を通って第１セクション４１の内部空間に継続して注入される状態にある。ここで、改質反応においては、固有の反応開始温度範囲に予熱をした後、実質的に燃料を改質するのが一般的である。ここでいう、「正常駆動」とは、予熱をする区間以外の実質的に燃料を改質する区間における駆動を意味する。
【００９０】
次に、酸化反応ユニット２０では酸化触媒２２による燃料と酸化剤の酸化反応が本格的に進められながら、６５０〜７００℃の熱エネルギーを発生させる。この熱エネルギーは第１本体１１を通って改質反応ユニット１０の改質触媒１２に伝達される。したがって、改質反応ユニット１０は水蒸気改質反応に必要な７００〜７５０℃の温度範囲を維持する。
【００９１】
次いで、燃料と水蒸気は改質反応ユニット１０の第１注入ポート１４を通って第１本体１１の内部に注入される。その結果、改質反応ユニット１０では改質触媒１２による燃料の水蒸気改質反応（吸熱反応）として水素を含有している改質ガスを発生させる。
【００９２】
したがって、改質ガスは第１排出ポート１６を通って排出され、その改質ガスは燃料電池に供給される。燃料電池は改質ガス中に含まれた水素の酸化反応及び別途に提供された酸化剤の還元反応として電気エネルギーを発生させる。
【００９３】
図４は本発明の例示的な第２実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【００９４】
図４を参照すると、本実施形態による燃料改質装置２００は前記実施形態の構造を基本としながら、酸化反応ユニット１２０で発生する熱エネルギーの提供を受け、その熱エネルギーとして水を蒸発させることができる蒸発部１５０をさらに含む。
【００９５】
本実施形態で、蒸発部１５０は酸化反応ユニット１２０の周縁外側に形成される。この蒸発部１５０は第２本体１２１を覆う第３本体１５１と、第３本体１５１によって第２本体１２１と第３本体１５１の間に形成された第３セクション１５３と、第３セクション１５３に設けられたパス部材１５５を含む。
【００９６】
第３本体１５１は第２本体１２１より相対的に大きな管路断面積を有する円筒形の導管形態からなる。この場合、第２本体１２１はその外周面と第３本体１５１の内周面が一定の間隔で離隔されるように第３本体１５１の内部中心方向（同軸方向）に配置される。
【００９７】
第３セクション１５３は第３本体１５１によって第２本体１２１と第３本体１５１の間に密閉空間として形成される。
【００９８】
第３セクション１５３は第２セクション１４２と互いに連通する。このために第３本体１５１の一側端部（図面からの上端部）には第２セクション１４２と第３セクション１５３を互いに連通させるための複数の連通口１５４を形成している。
【００９９】
従って、本装置２００の初期起動時に点火ユニット１３０によって燃料と酸化剤が燃焼されたり、正常駆動時に酸化触媒１２２による燃料と酸化剤の酸化反応で発生する火炎の一部は連通口１５４を通って第２セクション１４２から第３セクション１５３に進入する。
【０１００】
ここで、燃料と酸化剤が点火ユニット１３０または酸化触媒１２２によって燃焼されながら発生する燃焼ガスは連通口１５４を通って第２セクション１４２から第３セクション１５３に流入する。これに、第３本体１５１の他側端部には第２セクション１４２から第３セクション１５３に流入した燃焼ガスを排出するための複数の第２排出ポート１４４を形成している。
【０１０１】
本実施形態で、パス部材１５５は第２本体１２１の外周方向に沿って巻かれたコイル形態からなり、水を通過させることができるパスを形成する。
【０１０２】
パス部材１５５は第３セクション１５３に作用する熱エネルギーの提供を受けて水を蒸発させるためのもので、熱伝導性を有する金属素材のパイプからなる。この場合、パス部材１５５は一側端部が水供給ユニット（図面に図示せず）と連結され、他側端部は図面に点線矢印で示したように改質反応ユニット１１０の第１注入ポート１１４と連結される。
【０１０３】
ここで、パス部材１５５は第２本体１２１の外周面に接触せず、その外周面から離れた状態で第２本体１２１の外周方向に沿って巻かれている。これは第３セクション１５３に作用する熱エネルギーをパス部材１５５にさらに容易に伝達するためである。
【０１０４】
その結果、本実施形態では水を蒸発させるためのユニットを本装置と別途に備えずに酸化反応ユニット１２０の外側に形成される蒸発部１５０を備えることで全装置の部品数及び体積を減らすことができる。
【０１０５】
前記のように構成される本実施形態による燃料改質装置２００の作用によると、点火ユニット１３０または酸化触媒１２２によって燃料と酸化剤が燃焼する時に発生する火炎と燃焼ガスは連通口１５４を通って第２セクション１４２から第３セクション１５３に進入する。
【０１０６】
したがって、パス部材１５５に水が注入されると、第３セクション１５３に作用する熱エネルギーがパス部材１５５に伝達され、そのパス部材１５５を通過する水は前記熱エネルギーによって蒸発する。この時、燃焼ガスは第２排出ポート１４４を通じて排出される。
【０１０７】
このように水が蒸発しながら発生する水蒸気は改質反応ユニット１１０の第１注入ポート１１４を通って第１本体１１１の内部に注入される。この場合、燃料は第１注入ポート１１４を通じて第１本体１１１の内部に別途注入されることもできる。
【０１０８】
したがって、改質反応ユニット１１０では改質触媒１１２による燃料と水蒸気の改質反応として改質ガスを発生させる。この改質ガスは改質反応ユニット１１０の第１排出ポート１１６を通って排出される。
【０１０９】
本実施形態による燃料改質装置２００の他の構成及び作用は前記第１実施形態と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【０１１０】
図５は本発明の例示的な第３実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【０１１１】
図５を参照すると、本実施形態による燃料改質装置３００は前記第２実施形態の構造を基本でしながら燃料と水蒸気を混合し、前記混合された燃料と水蒸気を改質反応ユニット２１０に供給できる混合部２６０をさらに含む。
【０１１２】
混合部２６０は第２セクション２４２と蒸発部２５０の間に別途に区画形成された第４セクション２６１及び第４セクション２６１に燃料を注入するための第３注入ポート２６３を備える。
【０１１３】
第４セクション２６１は図面を基準にする時、蒸発部２５０の上側に位置し、第２セクション２４２と蒸発部２５０の第３セクション２５３の間に独立的に区画された空間として形成される。
【０１１４】
本実施形態で、第４セクション２６１はパス部材２５５の一側端部と連結され、そのパス部材２５５のパスと互いに連通する。
【０１１５】
第３注入ポート２６３は第４セクション２６１と連通され、第２セクション２４２を貫くパイプと連結される。
【０１１６】
ここで、第４セクション２６１と改質反応ユニット２１０の第１注入ポート２１４はパイプ（図面に図示せず）によって互いに連結される。つまり、第４セクション２６１で混合された燃料と水蒸気は前記パイプを通って流動され、第１注入ポート２１４を通って第１本体２１１内部に供給される。
【０１１７】
その結果、本実施形態では燃料と水蒸気を混合するためのユニットを本装置と別途に備えず、第２セクション２４２と蒸発部２５０の間に区画形成された混合部２６０を備えることで全装置の部品数及び体積を減らすことができる。
【０１１８】
前記のように構成される本実施形態による燃料改質装置３００の作用によると、燃料は第３注入ポート２６３を通って第４セクション２６１に注入される。
【０１１９】
これと同時に、前記第２実施形態のように水がパス部材２５５を通過しながら蒸発された水蒸気は第４セクション２６１に注入され、第４セクション２６１で前記燃料と混合される。
【０１２０】
したがって、前記混合された燃料と水蒸気は第４セクション２６１から排出され、パイプを通って流動され、改質反応ユニット２１０の第１注入ポート２１４を通って第１本体２１１の内部に供給される。
【０１２１】
その結果、改質反応ユニット２１０では改質触媒２１２による燃料と水蒸気の改質反応として改質ガスを発生させる。
【０１２２】
本実施形態による燃料改質装置３００の他の構成及び作用は前記実施形態と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【０１２３】
図６は本発明の例示的な第４実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【０１２４】
図６を参照すると、本実施形態による燃料改質装置４００は前記第３実施形態の構造を基本でしながら、混合部３６０で混合された燃料と水蒸気を改質反応ユニット３１０に供給できる流路部３７０をさらに含む。
【０１２５】
流路部３７０は蒸発部３５０と酸化反応ユニット３２０の間に形成される。この流路部３７０は前記混合された燃料と水蒸気を流通させるための流路で、混合部３６０の第４セクション３６１及び改質反応ユニット３１０の第１本体３１１と互いに連通されるように形成される。
【０１２６】
本実施形態で、流路部３７０は酸化反応ユニット３２０の第２本体３２１の外周面に形成された螺旋形溝３７１及びその外周面を覆う導管形態の第４本体３７３によって形成された螺旋形の通路３７５を備える。
【０１２７】
溝３７１は第２本体３２１の外周面に螺旋形方向に形成され、第４本体３７３はその内周面が第２本体３２１の外周面と接触するように配置される。
【０１２８】
通路３７５は前記溝３７１と第４本体３７３によって燃料と水蒸気を螺旋形方向に流動させることができる流路として形成される。
【０１２９】
このように通路３７５を第２本体３２１の外周面側に螺旋形として形成する理由は、燃料と水蒸気の滞留時間を増やし、酸化反応ユニット３２０で発生する熱エネルギーを燃料と水蒸気に容易に提供するためである。
【０１３０】
通路３７５は一側端部が混合部３６０の第４セクション３６１と連通され、他側端部は改質反応ユニット３１０の第１注入ポート３１４と連通される。この時、通路３７５の他側端部と第１注入ポート３１４は図面に点線矢印で示されたパイプによって連結できる。
【０１３１】
前記のように構成される本実施形態による燃料改質装置４００の作用によると、前記第３実施形態でのように混合部３６０の第４セクション３６１で混合された燃料と水蒸気は通路３７５に沿って螺旋形方向に流動される。
【０１３２】
したがって、燃料と水蒸気は通路３７５に沿って流動される間に酸化反応ユニット３２０で発生する熱エネルギーの提供を受ける。
【０１３３】
前記燃料と水蒸気は改質反応ユニット３１０の第１注入ポート３１４を通って第１本体３１１内部に供給される。
【０１３４】
したがって、改質反応ユニット３１０では改質触媒３１２による燃料と水蒸気の改質反応として改質ガスを発生させる。
【０１３５】
これによって本実施形態では酸化反応ユニット３２０で発生する熱エネルギーを燃料と水蒸気に提供できる流路部３７０を備えることで燃料と水蒸気の改質反応に要求される熱エネルギーの伝達効率を極大化させ、結果的には全装置の熱効率をさらに向上させることができる。
【０１３６】
本実施形態による燃料改質装置４００の他の構成及び作用は前記実施形態と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【０１３７】
図７は本発明の例示的な第５実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【０１３８】
図７を参照すると、本実施形態による燃料改質装置５００は前記実施形態の構造を基本としながら、燃料と酸化剤の燃焼ガスを循環させるための燃焼ガス循環部４８０及び改質反応ユニット４１０で生成された改質ガス中の一酸化炭素を低減させるための一酸化炭素低減部４９０をさらに含む。
【０１３９】
本実施形態で、燃焼ガス循環部４８０は蒸発部４５０を経た燃料と酸化剤の燃焼ガスを循環させ、その燃焼ガス自らの熱エネルギーを一酸化炭素低減部４９０に提供するためのものである。
【０１４０】
燃焼ガス循環部４８０は蒸発部４５０の第３本体４５１を覆う第５本体４８１を備え、第５本体４８１によって第３本体４５１と第５本体４８１の間に形成された第５セクション４８３として構成される。
【０１４１】
第５本体４８１は前記第４実施形態に開示された改質装置の全体を覆うハウジング形態を取る。第５本体４８１は第３本体４５１より相対的に大きな管路断面積を有する円筒形の導管形態からなる。
【０１４２】
ここで、第３本体４５１はその外周面と第５本体４８１の内周面が一定の間隔で離隔されるように第５本体４８１の内部中心方向（同軸方向）に配置される。
【０１４３】
第５セクション４８３は第５本体４８１によって第３本体４５１と第５本体４８１の間に密閉空間として形成される。
【０１４４】
第５セクション４８３は蒸発部４５０の第３セクション４５３と互いに連通される。このために第３本体４５１の一側端部（図面で下端部）には第３セクション４５３と第５セクション４８３を互いに連通させるための少なくとも１つの連通口４８５を形成している。
【０１４５】
したがって、蒸発部４５０の第３セクション４５３に流入された燃料と酸化剤の燃焼ガスは連通口４８５を通って第５セクション４８３へ循環する。
【０１４６】
ここで、第５セクション４８３を循環する燃焼ガスは第５本体４８１の一側端部（図面で下端部）に形成された複数の第２排出ポート４４４を通って排出できる。
【０１４７】
これによって、本実施形態では燃料と酸化剤の燃焼ガスを循環させるための燃焼ガス循環部４８０を備えることで燃焼ガス自らの熱エネルギーを一酸化炭素低減部４９０に提供し、その一酸化炭素低減部４９０を反応開始温度として予熱することができる。
【０１４８】
本実施形態で、一酸化炭素低減部４９０は改質反応ユニット４１０で生成された改質ガス（以下、“第１改質ガス“と言う）の提供を受け、第１改質ガスに含まれた一酸化炭素の水性ガス転換（ＷＧＳ：Ｗａｔｅｒ  Ｇａｓ  Ｓｈｉｆｔ）反応として一酸化炭素の濃度が低減した改質ガス（以下、”第２改質ガス“と言う）を発生させるためのものである。
【０１４９】
一酸化炭素低減部４９０は第５本体４８１を覆う第６本体４９１と、第５本体４８１と第６本体４９１の間に形成された水性ガス転換触媒４９２を含む。
【０１５０】
第６本体４９１は第５本体４８１より相対的に大きな管路断面積を有する円筒形が導管形態からなる。第６本体４９１は図面でのように第５本体４８１の下面を除いた残り部分を覆うハウジング形態を取る。
【０１５１】
この場合、第５本体４８１はその外周面と第６本体４９１の内周面が一定の間隔で離隔されるように第６本体４９１の内部中心方向（同軸方向）に配置される。つまり、第５本体４８１と第６本体４９１の間には水性ガス転換触媒４９２を収容するための第６セクション４９３を形成している。
【０１５２】
水性ガス転換触媒４９２は一酸化炭素の水性ガス転換反応を促進させる機能をする。この水性ガス転換触媒４９２はモノリス型の第３触媒整形体４９２ａと、第３触媒整形体４９２ａにコーティング形成された第３触媒層４９２ｂを含む。
【０１５３】
第３触媒整形体４９２ａは第６セクション４９３に配置され、セラミックまたは金属素材を圧出成形して単一体のモジュールとして製作される。第３触媒整形体４９２ａは第１改質ガスの流れ方向と平行なハニカム形状の第３通路４９２ｃを形成している。
【０１５４】
第３触媒層４９２ｂは第３触媒整形体４９２ａの第３通路４９２ｃ内壁面にコーティング形成される。このような第３触媒層４９２ｂは一酸化炭素の水性ガス転換反応を促進させることができる通常の触媒物質、例えば、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）またはクロム（Ｃｒ）からなる。
【０１５５】
一方、改質反応ユニット４１０は第１改質ガスを排出させるための第１排出ポート４１６を備えるが、第１排出ポート４１６は第６セクション４９３と互いに連通されるように構成される。
【０１５６】
一酸化炭素低減部４９０は第２改質ガスを排出させるための第２排出ポート４９４を形成している。第２排出ポート４９４は第６セクション４９３と連通されるように第６本体４９１に形成される。
【０１５７】
前記のように構成される本実施形態による燃料改質装置５００の作用によると、前記第２実施形態でのように蒸発部４５０の第３セクション４５３に流入された燃料と酸化剤の燃焼ガスは連通口４８５を通って第５セクション４８３に循環する。
【０１５８】
一酸化炭素低減部４９０は第５セクション４８３を循環する燃焼ガス自体の熱エネルギーの提供を受け、固有の反応開始温度、例えば、２３０〜２８０℃の温度範囲として予熱される。
【０１５９】
このような過程を経る間に、改質反応ユニット４１０で生成した第１改質ガスは第１排出ポート４１６を通って排出され、第１排出ポート４１６と第６セクション４９３が互いに連通するために第６セクション４９３に流入する。
【０１６０】
したがって、一酸化炭素低減部４９０は第１改質ガスに含まれた一酸化炭素の水性ガス転換反応が水性ガス転換触媒４９２として加速化されながら、前記一酸化炭素の濃度を低減させる。
【０１６１】
前記一酸化炭素の濃度が低減された第２改質ガスは第２排出ポート４９４を通って排出される。第２改質ガスは別途のパイプを通って燃料電池に供給される。
【０１６２】
本実施形態による燃料改質装置５００の他の構成及び作用は前記実施形態と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【０１６３】
図８は本発明の例示的な第６実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【０１６４】
図８を参照すると、本実施形態による燃料改質装置６００は前記実施形態の構造を基本としながら改質触媒５１２、酸化触媒５２２及び水性ガス転換触媒５９２がペレット形態の単位触媒からなる改質反応ユニット５１０、酸化反応ユニット５２０及び一酸化炭素低減部５９０をそれぞれ構成することができる。
【０１６５】
つまり、改質触媒５１２は改質反応ユニット５１０の第１本体５１１内部に充填された単位触媒５１２ａからなり、酸化触媒５２２は第１本体５１１と第２本体５２１の間の領域に充填された単位触媒５２２ａからなり、水性ガス転換触媒５９２は第６セクション５９３に充填された単位触媒５９２ａからなる。
【０１６６】
このような単位触媒（５１２ａ、５２２ａ、５９２ａ）はアルミナからなる所定形態の支持体表面に触媒物質がコーティングされた構造からなる。
【０１６７】
本実施形態による燃料改質装置６００の他の構成及び作用は前記実施形態と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【０１６８】
図９は、本発明の実施形態による燃料改質装置が備えられる燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【０１６９】
図９を参照すれば、燃料電池システム７００は燃料を改質して水素を含む改質ガスを発生させ、この改質ガスを酸化反応及び酸化剤ガスの還元反応を通って電気エネルギーを発生させる方式で構成される。
【０１７０】
そして、前記燃料電池システム７００は、酸化剤ガスとして別途の貯蔵手段に貯蔵された酸素を用いることができ、酸素を含有している空気をそのまま用いることもできる。
【０１７１】
このような燃料電池システム７００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７１０と、燃料を改質して水素を含む改質ガスを発生させ、この改質ガスをスタック７１０に供給する燃料改質装置７２０と、燃料を燃料改質装置７２０に供給する燃料供給源７５０と、酸素をスタック７１０に供給する酸素供給源７７０とを含んで構成される。
【０１７２】
スタック７１０は、燃料改質装置７２０と酸素供給源７７０に連結設置され、この燃料改質装置７２０から改質ガスの供給を受け、酸素供給源７７０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７１１を含む。従って、このような電気発生部７１１を複数に備え、これら電気発生部７１１を連続的に配置することによって電気発生部７１１の集合体構造によるスタック７１０を形成することができる。
【０１７３】
この電気発生部７１１は、通常の膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）７１２を中心に置いて、その両面にセパレータ７１６を密着するように配置してなる最小単位の燃料電池として構成される。
【０１７４】
このようなスタック７１０の構成は、通常の高分子電解質形燃料電池のスタック構成でなることができるので、本明細書ではその詳しい説明を省略する。
【０１７５】
一方、前記燃料改質装置７２０としては、先に説明した本発明の多様な実施形態による燃料改質装置が選択的に用いられることができる。
【０１７６】
前記燃料改質装置７２０に燃料を供給する燃料供給源７５０は、燃料を貯蔵する燃料タンク７５１と、この燃料タンク７５１に貯蔵された燃料を排出させる燃料ポンプ７５３を含んでいる。
【０１７７】
そして、酸素供給源７７０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７１０の電気発生部７１１に供給する空気ポンプ７７１を備える。ここで、酸素供給源７７０は、前記のような空気ポンプ７７１を備えるものに限らず、通常の構造のファンを備えることもできる。
【０１７８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】本発明の例示的な第１実施形態による燃料改質装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の概略的な断面構成図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による燃料改質装置の駆動方法を説明するための概略的な断面構成図である。
【図４】本発明の例示的な第２実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【図５】本発明の例示的な第３実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【図６】本発明の例示的な第４実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【図７】本発明の例示的な第５実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【図８】本発明の例示的な第６実施形態による燃料改質装置を概略的に示す断面構成図である。
【図９】本発明の実施形態による燃料改質装置が備えられる燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１８０】
１０  改質反応ユニット
１１、２１１、３１１  第１本体
１２  改質触媒
２０  酸化反応ユニット
２１、１２１、３２１  第２本体
２２  酸化触媒
３０  点火ユニット
３１  電気火花発生部
４０  ストリーム形成ユニット
４１  第１セクション
４２  第２セクション
８３  第５セクション
９２  水性ガス転換触媒
１５０  蒸発部
１５１、４５１  第３本体
１５３  第３セクション
１５５  パス部材
２６０  混合部
２６１  第４セクション
３２０  酸化反応ユニット
３７０  流路部
３７１  溝
３７３  第４本体
３７５  通路
４８０  燃焼ガス循環部
４８１  第５本体
４９０  一酸化炭素低減部
４９１  第６本体
４９３  第６セクション
５１２ａ、５２２ａ、５９２ａ  単位触媒
７００  燃料電池システム
７１０  スタック
７１１  電気発生部
７１２  膜−電極接合体
７１６  セパレータ
７２０  燃料改質装置
７５０  燃料供給源
７７０  酸素供給源
７７１  空気ポンプ
【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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