(57)【要約】【課題】      エネルギーの利用効率に優れ、且つ小型化に適した燃料改質装置及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料を改質して水素を含む水素含有改質ガスを得る改質器５と、水素含有改質ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的にメタン化するＣＯ選択メタン化部８と、水素及びメタンを燃焼して得られる燃焼熱を、改質器５との間に設けられた間隙部１１を介して改質器５に供給する燃焼器６と、燃焼器６内に配置され、表面に水素及びメタンを触媒燃焼させるための貴金属触媒が担持された溝１４ａを有する流路板１２ａと、改質器５及び燃焼器６の温度を検知する温度検知器２０と、温度検知器２０の検知結果に応じて温度を制御する制御手段３０とを備える。【選択図】    図１
2008222473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して水素を含む水素含有改質ガスを得る改質器と、
前記水素含有改質ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的にメタンに転化するＣＯ選択メタン化部と、
前記水素及び前記メタンを燃焼して得られる燃焼熱を、前記改質器との間に設けられた間隙部を介して前記改質器に供給する燃焼器と、
前記燃焼器内に配置され、表面に前記水素及び前記メタンを触媒燃焼させるための貴金属触媒が担持された溝を有する流路板と、
前記改質器及び前記燃焼器の温度を検知する温度検知器と、
前記温度検知器の検知結果に応じて前記温度を制御する制御手段
とを備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
前記制御手段が、前記改質器の温度を３５０℃以下に、且つ前記燃焼器の温度を３７５℃以上に制御することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記制御手段が、前記改質器の温度が設定値以上の場合に、前記改質器に前記燃料または水を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記制御手段が、前記燃焼器の温度が設定値以上の場合に、前記燃焼器に送給する空気の流量を下げることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記溝の表面にアルミナ製の多孔質層が形成されており、前記多孔質層上に前記貴金属触媒が固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記貴金属触媒がパラジウムを含むこと特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項７】
前記間隙部と前記燃焼器との間に輻射抑制層が配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
【請求項８】
燃料を改質して水素を含む水素含有改質ガスを得る改質器と、
前記水素含有改質ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的にメタンに転化するＣＯ選択メタン化部と、
前記水素含有改質ガスを用いて発電を行う燃料電池セルと、
前記燃料電池セルから排出された排出ガス中に残存する前記水素及び前記メタンを燃焼して得られる燃焼熱を、前記改質器との間に設けられた間隙部を介して前記改質器に供給する燃焼器と、
前記燃焼器内に配置され、表面に前記水素及び前記メタンを触媒燃焼させるための貴金属触媒が担持された溝を有する流路板と、
前記改質器及び前記燃焼器の温度を検知する温度検知器と、
前記温度検知器の検知結果に応じて前記温度を制御する制御手段
とを備える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、小型化に適した燃料改質装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やビデオカメラ、コンピュータなどの各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、さらにポータブル性が要求されている。このような要求を満足するための電源として、手軽な一次電池や二次電池が従来から使用されている。しかし、一次電池や二次電池は機能上使用時間に制限があり、このような電池を用いた電子機器等では使用時間が限定される。
【０００３】
すなわち、一次電池を使用した場合、電池の放電が終わった後に電池を交換して電子機器を動かすことはできるものの、その重量に対して使用時間が短いため、ポータブルな機器には不向きである。また、二次電池では放電が終わると充電できる半面、充電のための電源が必要なため、使用場所が制限されるのみならず、充電に時間がかかる。特に、二次電池を組み込んだ電子機器等では、電池の放電が終わっても電池を交換することが困難なため、機器の使用時間の制限は免れない。各種小型機器を長時間作動させるには、従来の一次電池や二次電池の延長では対応が難しく、より長時間の作動に適した電池が要求されている。
【０００４】
小型機器を長時間作動させるための一つの解決策として、最近、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができるという利点を有するだけでなく、燃料のみ交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化ができれば、携帯用電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。
【０００５】
一般的な燃料電池の分野においては、天然ガス、ナフサ等の軽質炭化水素や、メタノール等のアルコール類を原料とし、これを改質用触媒が内部に備えられた改質器で改質して水素を含む改質ガスを生成する。そして、改質ガスを燃料電池の燃料極に供給すると共に酸化剤極に空気を供給して発電する燃料電池本体を組み合わせた燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池システムは、メタノールのような液体燃料を用いた直接型メタノール燃料電池等に比べ、出力電圧が高く高効率が得られるため、小型・高性能化が期待できる。
【０００６】
燃料としては、Ｃ-Ｃ結合を持たない燃料を用いると改質温度が低くなるため、小型化に有利である。そのような燃料としてメタノール及びジメチルエーテルといった液体燃料が検討されている。メタノールやジメチルエーテルを用いた場合は、３５０℃以下の温度で改質することが可能である。中でも、ジメチルエーテルはメタノールに比べて毒性が少なく室温で液化するため、貯蔵や運搬が容易といった点が注目されている。
【０００７】
しかしながら、メタノールやジメチルエーテルの改質反応（水蒸気改質反応）は吸熱反応であるため（２５℃）、反応に必要な熱を外部から供給する必要がある。
【０００８】
ＣＨ3ＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ３Ｈ2  ＋  ＣＯ2    −４９．４ｋＪ/ｍｏｌ
ＣＨ3ＯＣＨ3  ＋  ３Ｈ2Ｏ  →  ６Ｈ2  ＋２ＣＯ2  −１２１．４ｋＪ/ｍｏｌ
改質反応において必要な熱を供給するためには、発熱反応である触媒燃焼反応を利用することが小型化の観点から好ましい。具体的には、燃料電池の燃料極からの排出ガス（オフガス）中に含まれる水素やメタン等を燃焼触媒を用いて燃焼させ、その際の燃焼熱を改質器に供給することにより、水蒸気改質反応が促進される。
【０００９】
燃料電池からのオフガスを燃焼させるための燃焼触媒としては、アルミナを担体とし、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）といった貴金属を担持させた粒子状触媒が用いられている。しかしながら、粒子状の触媒を充填するタイプの反応器においては、反応器内で平均的に反応が進行するとは限らず、局所的に反応が進行し、触媒表面が局所的に高温となるホットスポットを生じ易い。その結果、触媒の活性金属の凝集、担体の焼結、活性金属の蒸発等が進行し、触媒の劣化を招く。
【００１０】
これを防ぐために、メタルハニカムに触媒成分を担持させたモノリス触媒や、アルミニウム製のコルゲートフィンの表面を陽極酸化処理した後、ＰｔやＰｄを担持させたフィン型触媒が開発されいる。
【００１１】
特許文献１には、改質部と触媒燃焼部が交互に積層された構造のフィン型反応器において、局所的に温度が過度に上昇したり、改質に必要な熱が不足したりすることを回避するため、触媒を担持した伝熱面の面積を調整して発熱反応と吸熱反応の熱収支をバランスさせるようにすることが開示されている。
【００１２】
また、特許文献２には、燃焼用シリコン基板に形成された流路内に供給された燃焼用ガスを燃焼触媒層で燃焼反応により燃焼させ、この燃焼により発生した熱エネルギーで主シリコン基板に形成された流路内を加熱し、発電用燃料を改質する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、熱エネルギーの損失を低減してエネルギーの利用効率を向上させるために、改質部と触媒燃焼層が間隙なく一体化された構成となっている。
【００１３】
しかしながら、特許文献１及び２に記載された方法では、触媒燃焼部（触媒燃焼層）の温度が直接改質部に伝わるため、熱平衡により互いに同等温度に近づいていく。そのため、改質処理と触媒燃焼とを互いに異なる温度で処理したい場合には、処理温度を制御することが難しい。特に、触媒燃焼部（触媒燃焼層）において、水素だけでなくメタンをも燃焼させて燃焼熱を得たい場合には、触媒燃焼部の温度を改質器よりも高く設定する必要があるため、改質部と触媒燃焼部（触媒燃焼層）を接触させ、一体化させる構成では、逆にエネルギーの利用効率が悪くなる。
【特許文献１】特開２００２−１４３６７５号公報
【特許文献２】特開２００３−２９０６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、エネルギーの利用効率に優れ、且つ小型化に適した燃料改質装置及び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】
【００１５】
本願発明の態様によれば、燃料を改質して水素を含む水素含有改質ガスを得る改質器と、水素含有改質ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的にメタンに転化するＣＯ選択メタン化部と、水素及びメタンを燃焼して得られる燃焼熱を、改質器との間に設けられた間隙部を介して改質器に供給する燃焼器と、燃焼器内に配置され、表面に水素及びメタンを触媒燃焼させるための貴金属触媒が担持された溝を有する流路板と、改質器及び燃焼器の温度を検知する温度検知器と、温度検知器の検知結果に応じて温度を制御する制御手段とを備える燃料改質装置が提供される。
【００１６】
本願発明の他の態様によれば、燃料を改質して水素を含む水素含有改質ガスを得る改質器と、水素含有改質ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的にメタンに転化するＣＯ選択メタン化部と、水素含有改質ガスを用いて発電を行う燃料電池セルと、燃料電池セルから排出された排出ガス中に残存する水素及びメタンを燃焼して得られる燃焼熱を、改質器との間に設けられた間隙部を介して改質器に供給する燃焼器と、燃焼器内に配置され、表面に水素及びメタンを触媒燃焼させるための貴金属触媒が担持された溝を有する流路板と、改質器及び燃焼器の温度を検知する温度検知器と、温度検知器の検知結果に応じて温度を制御する制御手段とを備える燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、エネルギーの利用効率に優れ、且つ小型化に適した燃料改質装置及び燃料電池システムが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。
【００１９】
（燃料電池システム）
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料改質装置１と燃料電池セル２とを備える。
【００２０】
燃料改質装置１は、燃料を改質して水素を含む水素含有改質ガスを得る改質器５と、水素含有改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的にメタン化するＣＯ選択メタン化部８と、水素及びメタンを触媒燃焼して得られる燃焼熱を、改質器５との間に設けられた間隙部１１を介して改質器５に供給する燃焼器６と、燃焼器６内に配置された流路板１２ａ，１２ｂ（図２参照。）と、改質器５及び燃焼器６の温度を検知する温度検知器２０と、温度検知器２０の検知結果に応じて改質器５及び燃焼器６の温度を制御する制御手段３０とを備える。
【００２１】
燃料改質装置１には、燃料供給手段３が接続されている。燃料供給手段３には燃料電池システムの燃料となる液体燃料が貯蔵されている。液体燃料としては、例えばメタノールと水の混合物、ジメチルエーテルと水の混合物、またはジメチルエーテルと水とメタノールの混合物等を用いることができる。特にジメチルエーテルと水とメタノールの混合物を用いた場合はジメチルエーテルと水の相互溶解性が向上するため好ましい。液体燃料としては、メタノールと水、ジメチルエーテルと水を、別々の容器に貯蔵し、それぞれ別々に供給してもよい。
【００２２】
燃料供給手段３には、着脱可能な容器を用いることができる。ジメチルエーテルを含むものを燃料として用いた場合、ジメチルエーテルの圧力を利用し、燃料を後述する気化器４へ送液することができる。燃料としてジメチルエーテルと水の混合物を用いた場合は、ジメチルエーテルと水の混合比（モル比）は、化学量論的には１：３が理想的である。しかし、実際の燃料電池システムでは、混合比が１：３に近いと一酸化炭素の生成量が増大してしまう。
【００２３】
余剰となった水は、後述するシフト反応や発電に用いることができるため、混合比は１．０：３．５以上とすることが好ましい。ただし、後述する気化器４において燃料を加熱・気化する際のエネルギーが増大してしまうため、混合比は１．０：５．０以下、理想的には１．０：４．０以下とすることが好ましい。
【００２４】
燃料改質装置１内には気化器４が設けられている。気化器４は燃料供給手段３と配管等により接続されている。気化器４に送られた燃料は、加熱されて気化する。
【００２５】
改質器５は、気化器４と配管等により接続されている。改質器５の内部には、図２に示すように、燃焼器６と一体化して形成された直方体状の筐体５ａと、筐体５ａ内に収容される第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄと、蓋１３ｂとを備える。第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄは、サーペンタイン形状又は平行流路形状を有しており、微細流路の壁面には、改質触媒が設けられている。
【００２６】
改質器５に配置される改質触媒としては、γ−アルミナ担体にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種類の金属を担持したもの、あるいはそれぞれγ−アルミナ、γ−アルミナ担体にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｕ/ＺｎＯ、Ｐｄ/ＺｎＯから選ばれる少なくとも１種類を担持させたものを微細流路の隣り合う内壁面に用いることができる。改質器５にＣｕ/ＺｎＯ、Ｐｄ/ＺｎＯ等の改質触媒を配置することにより、ジメチルエーテル又はメタノール等の有機化合物燃料を燃料として用いた場合にメタンの選択率が低くなり、好ましい。特に、改質器５に改質触媒としてＰｄ/ＺｎＯを配置した場合は、ＣＯ選択率及びメタン選択率が低くなり、耐久性にも優れるため好ましい。
【００２７】
改質器５内においては、ジメチルエーテルは、まず、式（１）に示す第１段階の反応であるジメチルエーテルの加水分解によりメタノールに分解される。続いて式（２）に示す第２段階の反応であるメタノールの水蒸気改質により水素と二酸化炭素に改質される。
【００２８】
ＣＨ3ＯＣＨ3＋Ｈ2Ｏ→２ＣＨ3ＯＨ  ・・・（１）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2     ・・・（２）
第１段階の反応にはγ−アルミナの様な固体酸が有効で、第２段階の反応にはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｃｕなどの金属触媒が有効である。γ−アルミナとしては、流路をアルミニウムで構成し、その表面を陽極酸化処理することにより形成した多孔質γ−アルミナを用いることができる。
【００２９】
燃料がメタノールの場合は、改質触媒として、γ−アルミナ担体にＰｔ、Ｃｕ/ＺｎＯ、Ｐｄ/ＺｎＯから選ばれる少なくとも１種類を担持させたものを用いることができる。改質器５の耐腐食性を向上させたい場合は、第１の金属に貴金属を用いることが効果的である。なお、改質触媒の効率的な温度範囲は２００〜３５０℃であるため、改質器５内の温度は、３５０℃以下とすることが好ましい。
【００３０】
改質器５は、流路の温度が３５０℃以下となるように、後述する燃焼器６により加熱される。燃焼器６からの燃焼熱だけで加熱が十分でない場合は、図１に示すように、改質器５上に設けられたヒータ（加熱部）５ｂを用いて、改質器５を直接加熱するようにしてもよい。
【００３１】
ヒータ５ｂとしては、例えば、アルミナ基板上に高温発熱体を形成し、アルミナシートで絶縁したセラミックヒータ、又は絶縁体に高抵抗の金属を巻きつけたカートリッジヒータ等を用いることができる。ヒータ５ｂは、燃料改質装置１の外部からエネルギーの供給を受ける。例えばヒータ５ｂとしてカートリッジヒータを用いた場合は、ヒータ５ｂは、燃料改質装置１の外部から電力の供給を受ける。
【００３２】
ヒータ５ｂに供給される電力は、例えば燃料電池セル２から供給することができる。ヒータ５ｂは発熱し、改質器５を加熱する。また、後述する制御手段３０により、改質器５の温度変化に応じてフィードバック制御を行うことにより、改質器５内の温度をより精度よく制御できる。
【００３３】
改質器５の出口側には、ＣＯシフト部７が配管等を介して接続されている。改質器５にて改質され、ＣＯシフト部７に送られた改質ガス中には、水素の他に副生物として二酸化炭素や一酸化炭素、場合によってはメタンが含まれている。一酸化炭素は、燃料電池セル２のアノード触媒を劣化させ、燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このためＣＯシフト部７は、改質器５から燃料電池セル２へ水素を含む気体を供給する前に、ＣＯシフト部７にて式（３）に示す様に一酸化炭素を二酸化炭素へと転化させ、水素生成量の増加を図ることが好ましい。
【００３４】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2  ・・・（３）
ＣＯシフト部７の内部には、改質された燃料を流通させるための微細流路（図示省略）が設けられており、微細流路の内壁面には、改質ガスに含まれる一酸化炭素のシフト反応を促進するためのシフト触媒が設けられている。シフト触媒としては、γ−アルミナ担体に、Ｐｔ、レニウム（Ｒｅ）、セリウム（Ｃｅ）を担持した（Ｒｕ、Ｒｅ、Ｃｅ/γ−Ａｌ2Ｏ3）を用いることができる。
【００３５】
シフト反応の好ましい温度は、２００℃以上３００℃以下である。シフト反応の温度が２００℃未満であると、反応速度が遅くなるため、一酸化炭素の二酸化炭素への変成が十分に進まなくなる。逆に、３００℃を超えると、逆シフト反応により二酸化炭素が一酸化炭素になるため、ＣＯ濃度が逆に増加する。ＣＯシフト部７は、燃焼器６からの燃焼熱を用いて加熱される。なお、燃料電池システムの小型化を考慮した場合、ＣＯシフト部７は、省略することもできる。
【００３６】
ＣＯ選択メタン化部８は、ＣＯシフト部７と配管等により接続されている。ＣＯシフト部７にてシフト反応され、ＣＯ選択メタン化部８に送られた改質ガスは、未だ１．０モル％以下の一酸化炭素が含まれている。一酸化炭素は燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。
【００３７】
そのため、ＣＯ選択メタン化部８は、改質器５から燃料電池セル２へ水素を含む気体を供給する前に、ＣＯ選択メタン化部８にて式（４）に示す様に一酸化炭素をメタンと水へ転化させるメタン化反応をさせて、一酸化炭素の濃度が５０モルｐｐｍ以下になるまで一酸化炭素を除去する。
【００３８】
ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ    ・・・（４）
ＣＯ選択メタン化部８の内部には、改質ガスに含まれる一酸化炭素のメタン化反応を促進するための触媒が担持されている。改質ガスに含まれる一酸化炭素のメタン化反応を促進するための触媒としては、γ−アルミナ担体に、ルテニウムを担持した触媒（Ｒｕ/γ−Ａｌ2Ｏ3）を用いることができる。
【００３９】
メタン化反応は、温度が２００℃未満であると、メタン化の反応率が低くなる。逆に、温度が３００℃を超えると、式（５）に示すように、二酸化炭素のメタン化が副反応として生じるため、水素の収率が低下する。
【００４０】
ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ  ・・・（５）
そのため、ＣＯ選択メタン化部８は、温度が２００℃以上３００℃以下となるように、燃焼器６からの燃焼熱を用いて加熱されるのが好ましい。ＣＯ選択メタン化部８から排出された改質ガスは、燃料電池セル２に供給される。
【００４１】
燃料電池セル２は、図１に示すように、燃料極２ａ、酸化剤極２ｂ、及び燃料極２ａと酸化剤極２ｂとの間に挟み込まれた電解質膜２ｃとを備える。燃料極２ａは、Ｐｔが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シート等が好適である。酸化剤極２ｂは、Ｐｔが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シート等が好適である。電解質膜２ｃは、スルホン酸基またはカルボン酸基などの陽イオン交換基を有するフルオロカーボン重合体、例えばNafion（Du Pont社の登録商標）等からなるプロトン導電性を有する膜が好適である。なお、燃料極２ａ又は酸化剤極２ｂに用いられる多孔質シートは、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体や、その重合体で被覆された微粒子を含んでも構わない。
【００４２】
ＣＯ選択メタン化部８から排出された一酸化炭素を除去した改質ガスは、燃料極２ａに送られる。燃料極２ａに供給された水素は、燃料極２ａで（６）式に従って反応する。
【００４３】
Ｈ2→２Ｈ＋２ｅ-  ・・・（６）
一方、酸化剤極２ｂには、ポンプ（図示せず）を介して空気が供給され、空気中の酸素が、酸化剤極２ｂで（７）式に従って反応する。
【００４４】
１／２Ｏ2＋２Ｈ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ  ・・・（７）
燃料極２ａから排出された排出ガスは、燃焼器６に供給される。
【００４５】
燃焼器６は燃料電池セル２と配管等により接続されている。燃料電池セル２では水素と酸素が反応して水が生成されるが、燃料電池セル２からの排出ガスには未反応の水素、二酸化炭素及びメタンが含まれている。燃焼器６はこの未反応の水素とメタンを、ポンプ９を用いて供給される大気中の酸素を用いて燃焼させる。
【００４６】
このとき、燃焼の際に発生する燃焼熱を利用し、気化器４、改質器５、ＣＯシフト部７及びＣＯ選択メタン化部８を加熱するようにする。加熱の効率、温度の均一化及び周囲の電子回路等の耐熱性の低い部品の保護のため、気化器４、改質器５、ＣＯシフト部７、ＣＯ選択メタン化部８、燃焼器６は断熱部１０により周囲を覆われている。
【００４７】
図１に示すように、燃焼器６と改質器５との間には、間隙部１１が設けられている。間隙部１１には、図２に示すように、複数の間隙穴１１ａ，１１ｂ，・・・が配置されている。間隙穴１１ａ，１１ｂ，・・・の内部は空気が流通するようになっている。間隙部１１の間隙穴１１ａ，１１ｂ，・・・の穴の大きさや数を変更することにより、熱伝導の度合いを調節することができる。このため、図１及び図２に示す燃料電池システムによれば、間隙部１１内に空気の層が設けられることにより、空気の層を「断熱材」として機能させることができるため、改質器５と燃焼器６とをそれぞれ異なる温度で運転させることが容易となる。
【００４８】
一般的に、改質器５は、その内部で行われる改質反応は吸熱反応である。そのため、燃焼器６で得られた燃焼熱を改質器５へ効率よく伝達できるように改質器５と燃焼器６とを接触させたり、あるいは改質器５の筐体５ａと燃焼器６の筐体６ａを一体化したりする場合が多い。
【００４９】
しかし、改質器５と燃焼器６とを接触させると、燃焼器６の燃焼熱が改質器５に奪われ、熱平衡により、改質器５と燃焼器６の温度が同等程度になっていくため、改質器５と燃焼器６の温度を好適な温度に制御することが困難になる。特に、排出ガス中に含まれるメタン等を燃焼器６内において効率よく燃焼させるためには、燃焼器６内の温度を改質器５内よりも数十℃程度高く維持することが必要となる。
【００５０】
図１に示す燃料改質装置１及び燃料電池システムにおいては、間隙部１１内に空気の層が設けられているため、改質器５と燃焼器６とを接触させた場合に比べて、改質器５と燃焼器６との間に温度差を設けることが容易となり、且つ、排出ガスの燃焼により得られる熱エネルギーを有効に使うことができる。また、間隙部１１に配置された「空気」は、オイル等の「流体」等を使う場合に比べて断熱能力が高いため、燃焼器６内の燃焼熱が改質器５に過度に伝わるのを抑制できる。なお、間隙部１１内に空気を配置する代わりに間隙部１１内を真空にしてもよい。燃焼器６上には、ヒータ（加熱部）６ｂを設けてもよい。ヒータ６ｂは、改質器５上のヒータ５ｂと同様なものを用いることができる。
【００５１】
図２に示すように、燃焼器６は、改質器５と一体化して形成された直方体状の筐体６ａと、筐体６ａ内に収容される第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂと、蓋１３とを備える。筐体６ａは、第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂが収容される嵌め込み部６ｃと、嵌め込み部６ｃと連通するように設けられたガス供給口６ｄと、ガス供給口６ｄの反対側の側面に嵌め込み部６ｃと連通するように設けられたガス排出口６ｅとを備える。
【００５２】
筐体６ａは母材を加工して形成される。母材としては、その少なくとも一部にアルミニウム、銅、アルミニウム合金、銅合金及びステンレス合金から選択される少なくとも１種類の材料を使用することが望ましい。母材の少なくとも一部に熱伝導率の高い素材を用いることにより、触媒反応時の伝熱特性を向上させることができる。
【００５３】
アルミニウム、銅、アルミニウム合金、銅合金は、熱伝導率が高いばかりでなく、加工性も優れている。特に望ましいのは、ステンレス合金である。ステンレス合金を含む母材は、燃料改質装置１が長期にわたって使用された際に、筐体６ａがその内部の圧力により変形するのを回避することができるため、耐久性を向上できる。
【００５４】
筐体６ａの嵌め込み部６ｃには、第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂが収容される。第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂは、図３（ａ）に示すように、溝部１４ａと溝部１４ｂとを少しずらして対向させ、図３（ｂ）に示すように、溝部１４ａと溝部１４ｂとを嵌め合わせて配置することにより、図２の嵌め込み部６ｃ内にコンパクトに収納できる。また、第１の流路板１２ａと第２の流路板１２ｂを嵌め合わせることにより、図３（ｂ）に示すように、溝部１４ａ内に排出ガスを流通させるための微細流路１７が形成される。
【００５５】
微細流路１７の幅は、５００μｍ以下とすることが好ましい。５００μｍ以下とすることにより、排出ガスが微細流路１７の壁面へ拡散する際の拡散抵抗や、排ガスが流路に拡散するための拡散抵抗を無視できるようになるため、排出ガスの燃焼反応が促進され、転化率が向上する。また、図２の嵌め込み部６ｃに粒子状触媒を充填する場合に比べて圧力損失を小さくし、単位面積当たりの表面積を大きくすることができるので、小型化にも有利である。なお、圧力損失が大きくなるのを回避する観点から、微細流路１７の下限値は５０μｍ程度にすることが望ましい。
【００５６】
第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂは、母材を一般的な機械加工方法や成型方法により加工して形成される。母材の少なくとも一部にアルミニウム、またはアルミニウムを含む合金を用いることが望ましい。
【００５７】
一般的な機械加工の例として、ワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）が挙げられる。ワイヤカットは細い金属線を工具電極とし、電極または被加工物を目的の形状に移動しながら放電加工を行う方法である。また、ワイヤカットの他にダイヤモンド等の砥粒をレジン等にて円盤状に固めたブレードを用い、砥粒加工を用いることも可能である。砥粒加工は、ブレードを高速回転させて被加工物上に接触させながら移動し、ブレードの軌跡の部分が砥粒によって研磨、除去されて目的の形状に加工するものである。ワイヤカットや砥粒加工は、溝部１４ａ、１４ｂのような溝を短時間で加工するのに適している。
【００５８】
一般的な成型方法の例として、鍛造加工が挙げられる。鍛造加工は、棒または塊状の金属素材に工具を用いて圧力を加え、鍛錬効果を与えて材料の機械的性質を改善すると同時に、金属素材を目的の形状に成形する加工法である。また、鍛造加工の他に鋳造加工を用いることも可能である。鋳造加工は、目的の形状の空洞を有する型へ、溶融した金属を流し込み、冷却した後に型を除去し、目的の形状に加工するものである。鍛造や鋳造は、第１，第２の流路板１２ａ，１２ｂの様な複雑な形状の加工をするのに適している。
【００５９】
第１及び第２の流路板１２ａ，１２ｂを図２の嵌め込み部６ｃ内に収容する場合は、第１及び第２の流路板１２ａ，１２ｂを、図２のガス供給口６ｄ及びガス排出口６ｅが配置された面の内壁から離して収納する。これにより、微細流路１７の一端とガス供給口６ｄとの間、微細流路１７の他端とガス排出口６ｅとの間に、微細流路１７の長手方向と直交し、且つ全ての微細流路１７と連通する２つの流路（図示省略）を設けることができる。この２つの流路のうち、筐体６ａのガス供給口６ｄと連通している流路は、微細流路１７へのガス供給流路として機能する。また、筐体６ａのガス排出口６ｅと連通している流路は、微細流路１７からのガス排出流路として機能する。
【００６０】
筐体６ａの嵌め込み部６ｃを蓋１３にて封止することにより、ガス供給口６ｄ、ガス排出口６ｅがそれぞれ入口、出口となる微細流路１７を有する燃焼器６が形成される。すなわち、蓋１３により嵌め込み部６ｃが封止されると、ガス供給口６ｄより供給された流体が微細流路１７を通過した後にガス排出口６ｅから排出される。
【００６１】
蓋１３は、アルミニウム、銅、アルミニウム合金、銅合金及びステンレス合金から選択される少なくとも１種類を少なくとも一部に含む母材から形成することが望ましい。アルミニウム、銅、アルミニウム合金、銅合金は、蓋１３の熱伝導率を向上することができる。特に望ましいのは、ステンレス合金である。ステンレス合金を含む母材は、水素発生装置が長期にわたって使用された際に蓋１３が燃焼器６内の圧力により変形するのを回避することができるため、燃料改質装置１の耐久性を向上することができる。
【００６２】
図４に、第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂの表面構造の詳細を示す。第１の流路板１２ａは、基材部１２１ａと、基材部１２１ａの表面に形成されたアルミナ製の多孔質層１２１ｂと、多孔質層１２１ｂの内部及び表面上に固定された貴金属触媒層１２１ｃとを備える。第２の流路板１２ｂは、基材部１２２ａと、基材部１２２ａの表面に形成されたアルミナ製の多孔質層１２２ｂと、多孔質層１２２ｂの内部及び表面上に固定された貴金属触媒層１２２ｃとを備える。
【００６３】
基材部１２１ａ，１２２ａは、アルミニウム又はアルミニウムを含む合金で形成されている。多孔質層１２１ｂ，１２２ｂは、基材部１２１ａ，１２２ａの表面を陽極酸化することにより形成された多数の微細孔を有する層である。基材部１２１ａ，１２２ａの表面から測った場合の多孔質層１２１ｂ，１２２ｂの厚さは、３０μｍ〜１００μｍの範囲が好ましい。１００μｍを超えると、担持した触媒の利用率が低下する恐れがある。多孔質層１２１ｂ，１２２ｂの好ましい厚さ範囲は、４０μｍ以上８０μｍ以下である。
【００６４】
多孔質層１２１ｂ，１２２ｂは、第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂを酸性水溶液またはアルカリ性水溶液を用いて陽極酸化し、基材部１２１ａ，１２２ａの表面に微細口が形成された皮膜を形成する。この後、酸性水溶液等により、皮膜に形成された微細口を大きくし、水和処理を行う。さらに、必要に応じて３５０℃以上で１時間以上、好ましくは４５０〜５５０℃で焼成を行うことにより、図４に示すようなγ−アルミナ製の多孔質層１２１ｂ，１２２ｂが形成される。陽極酸化及び酸性水溶液による処理条件は、多孔質層１２１ｂ，１２２ｂの表面の平均細孔径が三方粒径で約５ｎｍ以上、約１０ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【００６５】
貴金属触媒層１２１ｃ，１２２ｃに用いられる触媒としては、Ｐｄ、及び必要に応じて他の添加物が担持されたものが好適である。具体的には、Ｐｄの他、ＰｄとＰｔ，Ｐｄとセリウム（Ｃｅ）などの金属触媒を用いることができる。貴金属触媒層１２１ｃ，１２２ｃは、微細孔を有する多孔質層１２１ｂ，１２２ｂの表面に含浸法を用いて触媒を担持することにより形成される。Ｐｄ担持量の好ましい範囲は、蛍光Ｘ線分析装置による分析で、３ｗｔ％から２０ｗｔ％の範囲である。
【００６６】
Ｐｄを含浸法により担持する場合は、例えば酢酸パラジウム（Ｐｄ（Ｃ2Ｈ3Ｏ2）2）などのパラジウム有機塩や、硝酸パラジウム（Ｐｄ（ＮＯ3）2）や塩化パラジウム（ＰｄＣｌ2）のパラジウム塩と、例えばアセトン（ＣＨ3ＣＯＣＨ3）、アセチルアセトン（ＣＨ3ＣＯＣＨ2ＣＯＣＨ3）、またはテトラヒドロフラン（（ＣＨ2）3ＣＨ2Ｏ）等の有機溶媒を用いるのが好ましい。
【００６７】
パラジムを含浸法により担持する場合、塩化パラジウム水溶液を用いて触媒を多孔質層１２１ｂ，１２２ｂ中に含浸させることもできるが、塩化パラジウムの方が酸性度が高いため、基材部１２１ａ，１２２ａのアルミニウム部分と塩化パラジウムとが反応し、多孔質層１２１ｂ，１２２ｂが剥離する場合がある。歩留まりやプロセスマージンを考慮すると、パラジウム塩と有機溶媒を用いて、パラジウムを多孔質層１２１ｂ，１２２ｂ中に含浸させる方が好ましい。
【００６８】
図１に示すように、改質器５と燃焼器６には、温度検知器２０が接続されている。温度検知器２０は、改質器５と燃焼器６の温度を検知し、検知結果を制御手段３０に出力する。温度検知器２０としては、例えば白金測温抵抗体等の温度センサを用いることができる。温度検知器２０は、改質器５及び燃焼器６内の微細流路１７中に設けることができる。ただし、例えば燃焼器６内の微細流路１７の幅が５００μｍ以下と小さく、燃焼器６の内部に温度センサを設けることが困難な場合は、燃焼器６の外壁面に白金測温抵抗体等の温度検知器２０を設けることによって、改質器５及び燃焼器６の温度を間接的に測定してもよい。
【００６９】
制御手段３０は、温度検知器２０、ヒータ５ｂ，６ｂ及びポンプ９にそれぞれ接続されている。制御手段３０は、予め設定された温度設定値に基づいて、改質器５及び燃焼器６内がそれぞれ最適な温度となるように制御する。
【００７０】
図５に、貴金属触媒としてＰｄを含む触媒を燃焼器６に収容した場合の反応温度[℃]とメタンの反応率（メタン転化率Ｒ）[％]の関係を示す。図５において、メタンの反応率（メタン転化率Ｒ）は、下記式により算出した。
【００７１】
Ｒ[％]  ＝  ｛（Ｃ１−Ｃ２）／Ｃ１｝×１００
ここで、Ｃ１は、燃焼器６入口のＣＨ４流量、Ｃ２は燃焼器６出口のＣＨ４流量である。ＣＨ４流量の入口、出口流量の測定には、ガスクロマトグラフ装置（カラム：モレキュラーシーブ５Ａ、キャリアガス：ヘリウム）を使用し、Ｎ２ガスを内部標準物質として定量した。例えば、メタンの反応率が１００％のときは、燃料器６においてメタンが完全に燃焼したことを示している。
【００７２】
図５によれば、燃焼器６内の反応温度が例えば３２５℃の場合、メタンの反応率は約４５％であるが、反応温度が３５０℃の場合は約８５％まで上昇し、３７５℃の場合では約１００％になることがわかる。したがって、燃焼器６の反応温度は、３５０℃以上、より好ましくは３７５〜４００℃程度とするのが好ましい。一方、改質器５の反応温度は、３５０℃未満、より好ましくは２００℃以上３５０℃未満である。
【００７３】
実施の形態に係る燃料電池システムによれば、改質器５及びＣＯ選択メタン化部８で生成され、燃料極２ａで消費されなかった水素及びメタン等の未反応ガスを、燃焼器６内において高効率で燃焼させることができるとともに、燃焼器６で発生した熱を間隙部１１を介して供給できるため、燃料から得られるエネルギーを有効に利用できる。また、燃焼器６内に溝を有する第１及び第２の流路板１２ａ，１２ｂを配置することにより、粒子状の触媒を充填した場合に比べて、圧力損失が少なく高効率で触媒燃焼反応を進めることができ、小型化が実現できる。
【００７４】
（燃料電池システムの制御方法）
図６に示すフローチャートを用いて、図１に示す燃料電池システムの制御方法の一例を説明する。
【００７５】
ステップＳ１１において、改質器５及び燃焼器６の反応温度の設定値が設定され、制御手段３０の記憶手段（図示省略）に記憶される。設定値は、燃料電池システムの構成によって適宜変更可能であるが、例えば、メタノール、ジメチルエーテルを用いた改質型燃料電池システムの場合は、改質器５の温度を３５０℃以下、燃焼器６の温度を３７５℃以上とすることができる。
【００７６】
ステップＳ１２において、図１の燃料電池システムの運転が開始される。例えば、制御手段３０が、必要に応じてヒータ５ｂ，６ｂにより改質器５及び燃焼器６の温度を好適な温度まで上昇させて運転を開始させ、燃料電池セル２において発電する。
【００７７】
ステップＳ１３において、温度検知器２０が、改質器５及び燃焼器６の温度を検知する。検知結果は、制御手段３０に出力される。検知するタイミングは、リアルタイムで制御手段３０に出力してもよいし、予め設定された時間間隔で温度を検知するようにしてもよい。
【００７８】
ステップＳ１４において、温度検知器２０からの検知結果の出力を受けて、制御手段３０が、改質器５及び燃焼器６の温度が設定値以上であるか否かを判定する。例えば、改質器５の温度が設定値以上の場合には、ステップＳ１５へ進み、制御手段３０が改質器５に燃料または水を供給させ、改質器５の温度を下げるようにする。例えばステップＳ１４において、燃焼器６の温度が設定値以上の場合には、ステップＳ１５において、制御手段３０がポンプ９の流量を制御し、燃焼器６に送給する空気の流量を下げることにより、燃焼器６の触媒燃焼による温度上昇を抑える。なお、ポンプ９から送給される空気の一部を図示しない配管を介して間隙部１１へ送給し、間隙部１１を冷却させることを補助的に行ってもよい。
【００７９】
（変形例）
図７に示すように、実施の形態の変形例に係る燃料電池システムは、改質器５と燃焼器６が一体化されているが、燃焼器６の上面全面に、空気を介在させるための間隙部１１が設けられている。間隙部１１は、改質器５と燃焼器６の境界部を機械加工により刳り貫いた後、開口面を溶接する等により塞ぐことによって形成されている。間隙部１１の大きさを調整することにより、燃焼器６と改質器５の間の断熱能力を調整できる。
【００８０】
燃焼器６からの輻射による伝熱を抑制するために、間隙部１１の内部には、輻射抑制層１８を設けられている。輻射抑制層１８としては、銅箔、アルミ箔、銀めっき板などを用いることができる。他は、図１に示す燃料電池システムと実質的に同様であるので記載を省略する。
【００８１】
実施の形態の変形例によれば、輻射抑制層１８により燃焼器６からの輻射熱が抑制されるため、図２に示す燃料電池システムに比べてより改質器５及び燃焼器６の温度をより制御し易くできる。
【００８２】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。
【００８３】
図６のステップＳ１５においては、燃焼器６の反応温度を下げるために、ポンプ９から送給する空気の流量を下げる例を説明したが、燃焼器６に送給される排出ガス中に水素が多量に混入している場合には、水素を含むガスが外部に排出されると爆発等の危険性が高くなる。これに対し、図８に示すように、燃焼器６の下流側の配管に補助燃焼器４０を設け、補助燃焼器４０で残存する水素を完全燃焼させるようにすれば、未反応の水素を除去した排出ガスを外部に排出できるため、安全性が向上する。
【００８４】
上述した実施の形態に係る燃料改質装置１及び燃料電池システムは、種々の用途で用いられる水素の製造、発電に利用可能であり、ポータブル電源の他、ノート型パソコンといった携帯用や小型の電子機器に用いる電源として極めて有用である。
【００８５】
このように、本発明は、この開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。例えば実施形態に示される全構成から幾つかの構成を削除することもでき、異なる実施形態にわたる構成を適宜組み合わせてもよい。
【００８６】
（実施例）
次に、本発明を更に詳しく説明するために、以下に実施例を挙げるが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【実施例１】
【００８７】
燃焼触媒としてＰｄを備えた図２に示す燃焼器６を試作した。まず、アルミニウムからなる金属部材を機械加工することにより、溝幅５００μｍ、溝の深さ６．５ｍｍの溝１４ａを有する流路部材を形成した。溝１４ａの表面を陽極酸化し、溝１４ａの表面にγ−アルミナの多孔質層１２１ｂ，１２２ｂを形成した。陽極酸化処理は以下の方法で行った。まず、２５℃のシュウ酸水溶液（３ｗｔ％）に電流密度５０Ａ／ｍ2で１８時間陽極酸化処理した。これを３５０℃で焼成した後、２５℃のシュウ酸水溶液（３ｗｔ％）に４時間浸漬して細孔拡大処理を行った。更に３５０℃で焼成した後、８５℃のイオン交換水に２時間浸漬する熱水処理を行い、陽極酸化被膜をベーマイト化させた。ベーマイト化させた後、５００℃以上で３時間の焼成を行い、ベーマイト化した陽極酸化皮膜をγ−アルミナ層とした。
【００８８】
次いで、酢酸パラジウム１．０ｇをアセチルアセトン３０ｍｌに溶かした飽和溶液に、多孔質層１２１ｂ，１２２ｂが形成された流路部材（１５０ｃｍ2）を含浸させた。
【００８９】
１６時間後に流路部材を溶液中から取り出し、５００℃で３時間焼成した。自然放冷により冷却後、酢酸パラジウム１．０ｇをアセチルアセトン３０ｍｌに溶かした飽和溶液に、流路部材を再び含浸させた。１６時間後に流路部材を溶液中から取り出し、５００℃で３時間焼成することにより、貴金属触媒としてパラジウムを担持させた第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂを作製した。この第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂをステンレス製の筐体６ａ内に嵌め込み、蓋１３をレーザー溶接することにより気密封入し、燃焼器６とした。
【００９０】
この燃焼器６に、流量が１Ｌ／分（２５℃、１０１．３ｋＰａ）の水素とメタンを含む模擬反応ガス（Ｈ2/ＣＯ2/ＣＨ4/ＣＯ/Ｈ2Ｏ/Ｎ2＝４０/１５/４/１/２５/１５（Ｎ2は内部標準物質））を、流量２．５Ｌ／分（２５℃、１０１．３ｋＰａ）の空気と共に供給し、燃焼試験を行い、図５に示す結果を得た。図５に示すように、メタンの燃焼反応は３００℃付近から始まり、３７５℃において反応率がほぼ１００％となり、メタンが燃焼することが確認できた。
【実施例２】
【００９１】
図１に示す燃料電池システムを構成した。図２に示すように、改質器５と一体化して形成された直方体状の筐体６ａと、筐体６ａ内に収容される第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂと、蓋１３ａとを備える燃焼器６を作製した。また、筐体６ａ内に収容される第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄと、蓋１３ｂとを備える改質器５を作製した。筐体６ａおよび蓋１３ａ、１３ｂの材質はステンレス（ＳＵＳ３１６）とし、第１の流路板１２ａ、１２ｃ及び第２の流路板１２ｂ、１２ｄの材質はアルミニウム（Ａ１０５０材）を用いた。
【００９２】
・燃焼器６
第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂにおいて、溝部１４ａ、１４ｂを形成するため、ワイヤー放電加工を行った。溝部１４ａ、１４ｂの幅は０．６ｍｍ、溝の深さ４ｍｍである。また、第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂを嵌め合わせることにより形成される微細流路１７の幅は、０．１５ｍｍ（１５０μｍ）である。また、この第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂの触媒担持される部分の幾何面積は２００ｃｍ2である。
【００９３】
第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂの表面には、実施例１と同様にして陽極酸化処理により８０μｍの膜厚を有するγ−アルミナ層（多孔質層１２１ｂ、１２２ｂ）を形成した。
【００９４】
次いで、作製した多孔質層１２１ｂ、１２２ｂに、パラジウム（Ｐｄ）を含浸法により担持した。まず、酢酸パラジウム１．５ｇをアセチルアセトン４０ｍｌに溶かした飽和溶液に、多孔質層１２１ｂ、１２２ｂが形成された流路部材を含浸させた。１６時間後に流路部材を溶液中から取り出し、５００℃で３時間焼成した。
【００９５】
自然放冷により冷却後、酢酸パラジウム１．５ｇをアセチルアセトン４０ｍｌに溶かした飽和溶液に、流路部材を再び含浸させた。１６時間後に流路部材を溶液中から取り出し、５００℃で３時間焼成することにより、貴金属触媒としてパラジウムを担持させた第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂを作製した。
【００９６】
この第１の流路板１２ａ及び第２の流路板１２ｂをステンレス製の筐体６ａ内に嵌め込み、蓋１３ａをレーザー溶接することにより気密封入し、燃焼器６とした。
【００９７】
・改質器５
第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄにおいて、溝部部の幅は０．６ｍｍ、溝の深さ１０ｍｍである。また、第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄを嵌め合わせることにより形成される微細流路１７の幅は、０．１５ｍｍ（１５０μｍ）である。また、この第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄの触媒担持される部分の幾何面積は５００ｃｍ2である。
【００９８】
第１の流路板１２ｃおよび第２の流路板１２ｄの表面には、実施例１と同様にして陽極酸化処理により８０μｍの膜厚を有するγ−アルミナ層（多孔質層）を形成した。
【００９９】
次いで、作製した多孔質層に、白金（Ｐｔ）を含浸法により担持した。まず、塩化白金酸溶液（Ｈ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏ）にアンモニア溶液（３５％）を加え、ｐＨを１１．４に調整した溶液（Ｐｔ濃度として１．０ｇ−Ｐｔ/Ｌ）に、第１の流路板１２ｃを４時間浸漬し、１２０℃で１時間乾燥後、５００℃で２時間焼成した。さらに第１の流路板１２ｃを同溶液に２時間浸漬し、同条件にて乾燥、焼成を行い、貴金属触媒として白金を担持させた第１の流路板１２ｃを作製した。
【０１００】
第２の流路板１２ｄには、白金（Ｐｔ）の他、レニウム（Ｒｅ）を担持した。担持方法の詳細を以下に示す。  塩化白金酸六水和物（Ｈ２ＰｔＣｌ６・６Ｈ２Ｏ）を約１０ｍｇ/ｍｌの水溶液とし、アンモニア水を加えてｐＨを約１１．４とした。これに更にＮＨ４ＲｅＯ４を５０ｍｇ/ｍｌの濃度となるように溶解させた。この混合溶液に、第２の流路板１２ｄを１６時間浸漬し、含浸させた。その後、１２０℃で１時間乾燥した後、５℃/分で４００℃まで昇温し、３時間保持して焼成した後、自然放冷させることにより、Ｐｔ、Ｒｅ触媒を担持した第２の流路板１２ｄを作製した。
【０１０１】
この第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄを嵌め合わせた後、ステンレス製の筐体６ａ内に嵌め込み、蓋１３ｂをレーザー溶接することにより気密封入し、改質器５とした。
【０１０２】
・間隙部１１
燃焼器６と改質器５の間に、図２に示すような複数の間隙穴１１を配置した。
【０１０３】
・ＣＯシフト部７
アルミニウムからなる第１の流路部材と第２の流路部材を準備した。第１の流路部材及び第２の流路部材を嵌め合わせることにより形成される微細流路１７の幅は、０．１５ｍｍ（１５０μｍ）である。また、この第１の流路部材及び第２の流路部材の触媒担持される部分の幾何面積は６００ｃｍ2である。
【０１０４】
第１の流路部材と第２の流路部材の表面には、実施例１と同様にして陽極酸化処理により８０μｍの膜厚を有するγ−アルミナ層（多孔質層）を形成した。
【０１０５】
次いで、作製した多孔質層に、改質器５において示した方法と同様な方法により、Ｐｔ、ＲｅからなるＣＯシフト触媒成分を担持した。
【０１０６】
この第１の流路部材及び第２の流路部材を嵌め合わせた後、ステンレス製の筐体内に嵌め込み、蓋をレーザー溶接することにより気密封入し、ＣＯシフト部７とした。
【０１０７】
・ＣＯ選択メタン化部８
アルミニウムからなる第１の流路部材と第２の流路部材を準備した。第１の流路部材及び第２の流路部材を嵌め合わせることにより形成される微細流路１７の幅は、０．１５ｍｍ（１５０μｍ）である。また、この第１の流路部材及び第２の流路部材の触媒担持される部分の幾何面積は６００ｃｍ2である。
【０１０８】
第１の流路部材と第２の流路部材の表面には、実施例１と同様にして陽極酸化処理により８０μｍの膜厚を有するγ−アルミナ層（多孔質層）を形成した。
【０１０９】
次いで、作製した多孔質層に、ルテニウム（Ｒｕ）を含浸法により担持した。その後、空気中で焼成することにより触媒成分を形成させた。
【０１１０】
この第１の流路部材及び第２の流路部材を嵌め合わせた後、ステンレス製の筐体内に嵌め込み、蓋をレーザー溶接することにより気密封入し、ＣＯ選択メタン化部８とした。
【０１１１】
・改質試験
上記の燃焼器６と一体化して形成した改質器５、ＣＯシフト部７、ＣＯ選択メタン化部８を接続し、図１に示す燃料電池システムを構成した。この燃料電池システムに、メタノールと水を供給し、改質試験を行った。メタノールの流量は１１ミリモル／分とし、水は１５ミリモル／分となるように供給した。改質器５、ＣＯシフト部７、ＣＯ選択メタン化部８の外壁面の温度は、それぞれ３５０℃、２７５℃、２５０℃に制御した。
【０１１２】
得られた改質ガスを、設計出力５０Ｗの固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）２の燃料極２ａに供給し、酸化剤極２ｂに空気を供給した。また、燃料極２からの排出ガス（アノードオフガス）を大気中の空気とともに燃焼部６に供給し、燃焼させた。この時、燃焼器６の外壁面の温度を、３７５℃になるように制御した。発電試験の結果、設計通りの出力（５０Ｗ）が得られた。
【０１１３】
燃焼器６の出口ガスを、ガスクロマトグラフ装置（カラム：モレキュラーシーブ５Ａ、キャリアガス：ヘリウム）を使用して測定した。その結果、燃焼器６の出口ガス中にはメタンは検出されず、燃焼器６においてメタンが完全燃焼していることが確認できた。
【実施例３】
【０１１４】
・改質器５
実施例２と同じ第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄを準備した。第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄの表面には、実施例１と同様にして陽極酸化処理により８０μｍの膜厚を有するγ−アルミナ層（多孔質層）を形成した。
【０１１５】
次いで、作製した多孔質層に、パラジウム（Ｐｄ）と亜鉛（Ｚｎ）を含浸法により担持し、空気中で焼成することにより、触媒成分としてＰｄ／ＺｎＯを形成させた。
【０１１６】
この第１の流路板１２ｃ及び第２の流路板１２ｄを嵌め合わせた後、ステンレス製の筐体６ａ内に嵌め込み、蓋１３ｂをレーザー溶接することにより気密封入し、改質器５とした。
【０１１７】
・改質試験
上記の燃焼器６と一体化して形成した改質器５、ＣＯ選択メタン化部８を接続し、図１に示す燃料電池システムを構成した。なお、ＣＯシフト部７は使用しなかった。この燃料電池システムにメタノールと水を供給し、改質試験を行った。メタノールの流量は１１ミリモル／分とし、水は１５ミリモル／分となるように供給した。改質器５、ＣＯ選択メタン化部８の外壁面の温度は、それぞれ３００℃、２５０℃に制御した。
【０１１８】
得られた改質ガスを、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）２の燃料極２ａに供給し、酸化剤極２ｂに空気を供給した。また、燃料極２からの排出ガス（アノードオフガス）を大気中の空気とともに燃焼部６に供給し、燃焼させた。この時、燃焼器６の外壁面の温度を、３７５℃になるように制御した。発電試験の結果、設計通りの出力（５０Ｗ）が得られた。
【０１１９】
燃焼器６の出口ガスを、ガスクロマトグラフ装置を使用して測定した。その結果、燃焼器６の出口ガス中にはメタンは検出されず、燃焼器６においてメタンが完全燃焼していることが確認できた。
【０１２０】
（比較例１）
間隙部１１を形成しなかったこと以外は、実施例２と同様な燃料電池システムを構成した。この燃料電池システムにメタノールと水を供給し、実施例２と同条件で改質試験を行った。以下、実施例２と同様にして、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）による発電試験を行った。発電試験の結果、設計通りの出力（５０Ｗ）が得られた。
【０１２１】
しかしながら、改質器５と燃焼器６の外壁面の温度は、間隙部１１が存在しないため、同一温度（３５０℃）となった。この時の燃焼器６の出口ガスを、ガスクロマトグラフ装置を用いて測定したところ、数％程度の未反応メタンが検出された。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料改質装置及び燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃焼器の内部構造の一例を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る流路板の配置例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る流路板の表面構造の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る燃焼器に好適な反応温度とメタンの反応率との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態の変形例に係る燃料改質装置及び燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【図８】本発明のその他の実施の形態に係る燃料改質装置及び燃料電池システムの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１…燃料改質装置
２…燃料電池セル
３…燃料供給手段
４…気化器
５…改質器
５ｂ，６ｂ…ヒータ
６…燃焼器
６ａ…筐体
６ｂ…ヒータ
６ｃ…嵌め込み部
６ｄ…ガス供給口
６ｅ…ガス排出口
７…ＣＯシフト部
８…ＣＯ選択メタン化部
９…ポンプ
１０…断熱部
１１…間隙部
１１ａ，１１ｂ，…間隙穴
１２ａ…第１の流路板
１２ａ…第２の流路板
１３…蓋
１４ａ，１４ｂ…溝部
１７…微細流路
１８…輻射抑制層
２０…温度検知器
３０…制御手段
４０…補助燃焼器
１２１ａ，１２２ａ…基材部
１２１ｂ，１２２ｂ…多孔質層
１２１ｃ，１２２ｃ…貴金属触媒層
【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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