(57)【要約】【課題】簡単な構造で性能をより向上させることができる，燃料電池用改質器およびこれを採用した燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池システム１００は，水素と酸素との反応により電気エネルギーを発生させるスタック１０と，熱エネルギーによる化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させる改質器３０と，改質器３０に燃料を供給する燃料供給部５０と，改質器３０とスタック１０とに空気を供給する空気供給部７０とを有している。改質器３０は，チャンネルを有する反応部３１〜３５を複数含み，この反応部３１〜３５が積層形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンネルを有する反応部を複数含み，該反応部が積層されることを特徴とする，燃料電池用改質器。
【請求項２】
前記反応部の前記チャンネルは，部分的に一つのパスを形成することを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項３】
前記反応部は，熱伝導体からなることを特徴とする，請求項１または２に記載の燃料電池用改質器。
【請求項４】
前記反応部は，プレートタイプに形成されることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用改質器。
【請求項５】
前記反応部は，
燃料と空気の酸化触媒反応により熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生部と；
該熱エネルギー発生部とは別途に燃料を受けるとともに，前記熱エネルギー発生部から熱を吸収して水素ガスを生成する水素ガス生成部と；
を含むことを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用改質器。
【請求項６】
前記水素ガス生成部は，前記熱エネルギー発生部上に配置されることを特徴とする，請求項５に記載の燃料電池用改質器。
【請求項７】
前記水素ガス生成部と結合されるカバー部をさらに含むことを特徴とする，請求項５または６に記載の燃料電池用改質器。
【請求項８】
前記反応部は，
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１反応部と；
該第１反応部から発生する熱エネルギーを受けて燃料を蒸発させる第２反応部と；
該第２反応部で蒸発した燃料の改質触媒反応により水素ガスを発生させる第３反応部と；
該水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を第１次的に低減させる第４反応部と；
前記水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を第２次的に低減させる第５反応部と；
を含むことを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池用改質器。
【請求項９】
前記第１反応部を中心に置き，その上側に前記第３反応部と前記第４反応部が積層され，前記第１反応部の下側に前記第２反応部と前記第５反応部が積層されることを特徴とする，請求項８に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１０】
前記第４反応部と結合するカバー部をさらに含むことを特徴とする，請求項８または９に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１１】
前記第１反応部は，
第１本体と；，
該第１本体の上面に形成されて始端および終端を有する第１チャンネルと；
該第１チャンネルの始端に形成される流入口と；
前記第１チャンネルの終端に形成される流出口と；
前記流出口側に形成される第１通孔および第２通孔と；
を含むことを特徴とする，請求項８〜１０に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１２】
前記第２反応部は，
第２本体と；
該第２本体の上面に形成されて始端および終端を有する第２チャンネルと；
該第２チャンネルの始端に形成される流入口と；
前記第１通孔に連通する第３通孔と；
前記第２通孔に連通して前記第２チャンネルの終端に形成される第１溝と；
を含むことを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１３】
前記第３反応部は，
第３本体と；
該第３本体の上面に形成されて始端および終端を有する第３チャンネルと；
該第３チャンネルの始端に形成され，前記第２通孔に連通する第４通孔と；
前記第３チャンネルの終端に形成される第２溝と；
前記第１通孔に連通する第５通孔と；
を含むことを特徴とする，請求項１１または１２に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１４】
前記第４反応部は，
第４本体と；
該第４本体の上面に形成されて始端および終端を有する第４チャンネルと；
該第４チャンネルの始端に形成されて前記第５通孔に連通する第７通孔と；
前記第４チャンネルの終端に形成されて前記第２溝に連通する第６通孔と；
を含むことを特徴とする，請求項１３に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１５】
前記第５反応部は，
第５本体と；
該第５本体の上面に形成されて始端および終端を有する第５チャンネルと；
該第５チャンネルの始端に形成される流入口と；
前記第５チャンネルの終端に形成される流出口と；
を含むことを特徴とする，請求項８〜１４に記載の燃料電池用改質器。
【請求項１６】
水素と酸素との反応により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化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させる改質器と；
該改質器に燃料を供給する燃料供給部と；
前記改質器と前記スタックとに空気を供給する空気供給部と；
を含み，
前記改質器は，チャンネルを有する反応部を少なくとも２つ含み，該反応部が積層されていることを特徴とする，燃料電池システム。
【請求項１７】
前記改質器は，
燃料と空気との酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させる熱エネルギー発生部と；
該熱エネルギー発生部とは別途に燃料を受けるとともに，前記熱エネルギー発生部から熱を吸収して水素ガスを生成する水素ガス生成部と；
を含むことを特徴とする，請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記改質器は，
燃料と空気との酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と；
該第１反応部から発生する熱エネルギーを受けて燃料を蒸発させる第２反応部と；
該第２反応部で蒸発した燃料の改質触媒反応により水素ガスを発生させる第３反応部と；
前記水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を第１次的に低減させる第４反応部と；
前記水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を第２次的に低減させる第５反応部と；
を含んでいることを特徴とする，請求項１６または１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記反応部のチャンネルは，部分的に一つのパスを形成することを特徴とする，請求項１６〜１８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記反応部は，前記パスを形成するための通孔を有することを特徴とする，請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記反応部はプレートタイプに形成されることを特徴とする，請求項１６〜２０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記反応部は，熱伝導性を有する材質からなり，前記チャンネルが形成された本体を含むことを特徴とする，請求項１６〜２１のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記本体は，アルミニウム，銅，鉄のいずれか一つからなることを特徴とする，請求項２２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】
本発明は燃料電池用改質器およびこれを利用した燃料電池システムに係り，より詳細には，熱エネルギーによる化学触媒反応を利用した燃料電池用改質器およびこれを含む燃料電池システム関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように，燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は，酸素と，メタノール，エタノール，天然ガスのような炭化水素系列の物質内に含有されている水素との電気化学的反応によりエネルギーを発生させる発電システムである。
【０００３】
このような燃料電池のうち，近来開発されている高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ，以下便宜上ＰＥＭＦＣという）は，出力特性が卓越であり，作動温度が低く，早い始動性および応答特性を有するという特徴を備えている。このため，ＰＥＭＦＣは，自動車のような移動用電源のみならず，住宅，公共建物のような分散用電源および電子機器用のような小型電源など，その応用範囲が広いという利点が存在する。
【０００４】
このようなＰＥＭＦＣ方式を採用した燃料電池システムは，スタック（ｓｔａｃｋ），改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ），燃料タンク，および燃料ポンプなどを備えている。スタックは燃料電池の本体を形成し，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。
【０００５】
この改質器は，熱エネルギーによる化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させるものであり，熱エネルギーを発生させる熱源部と，この熱エネルギーを吸入して燃料から水素ガスを発生させる改質反応部と，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いる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで，従来の燃料電池システムの改質器は，上述したような熱源部，改質反応部，一酸化炭素除去部が，容器形態で別々に形成され，それぞれが配管を介して連結された状態で分散配置する構成となっている。このように配管を介して核反応部が連結されているので，各反応部間の熱交換が直接的に行われず，熱電圧の面で不利な構成になってしまうという問題点があった。
【０００７】
また，それぞれの反応部が分散配置されるため，全体システムをコンパクトにすることが困難であり，配管を介した連結構造の複雑も相まって生産性が低下してしまうという問題点が生じていた。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり，簡単な構造で性能をより向上させることができる燃料電池用改質器およびこれを含む燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために，本発明に係る燃料電池用改質器は，チャンネルを有する反応部を複数含み，該反応部が積層されることを特徴とする。
【００１０】
また，上記反応部の上記チャンネルが，部分的に一つのパスを形成してもよい。
さらに，上記反応部が，熱伝導体からなるものであってもよい
【００１１】
また，上記反応部が，プレートタイプに形成されていてもよい。
【００１２】
さらに，上記反応部が，燃料と空気の酸化触媒反応により熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生部と；該熱エネルギー発生部とは別途に燃料を受けるとともに，上記熱エネルギー発生部から熱を吸収して水素ガスを生成する水素ガス生成部と；を含んでいてもよい。
【００１３】
また，上記水素ガス生成部が，上記熱エネルギー発生部上に配置されていてもよい。
【００１４】
さらに，上記水素ガス生成部と結合されるカバー部をさらに含んでいるものであってもよい。
【００１５】
また，上記反応部が，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１反応部と；上記第１反応部から発生する熱エネルギーを受けて燃料を蒸発させる第２反応部と；上記第２反応部で蒸発した燃料の改質触媒反応により水素ガスを発生させる第３反応部と；上記水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を第１次的に低減させる第４反応部と；上記水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を第２次的に低減させる第５反応部と；を含んでいてもよい。
【００１６】
さらに，上記第１反応部を中心に置き，その上側に上記第３反応部と上記第４反応部が積層され，上記第１反応部の下側に上記第２反応部と上記第５反応部が積層されていてもよい。
【００１７】
また，上記第４反応部と結合するカバー部をさらに含んでいてもよい。
【００１８】
さらに，上記第１反応部が，第１本体と；該第１本体の上面に形成されて始端および終端を有する第１チャンネルと；上記第１チャンネルの始端に形成される流入口と；上記第１チャンネルの終端に形成される流出口と；上記流出口側に形成される第１通孔および第２通孔と；と含んでいてもよい。
【００１９】
また，上記第２反応部が，第２本体と；上記第２本体の上面に形成されて始端および終端を有する第２チャンネルと；上記第２チャンネルの始端に形成される流入口と；上記第１通孔に連通する第３通孔と；上記第２通孔に連通して上記第２チャンネルの終端に形成される第１溝と；を含んでいてもよい。
【００２０】
さらに，上記第３反応部が，第３本体と；上記第３本体の上面に形成されて始端および終端を有する第３チャンネルと；上記第３チャンネルの始端に形成され，上記第２通孔に連通する第４通孔と；上記第３チャンネルの終端に形成される第２溝と；上記第１通孔に連通する第５通孔と；を含んでいてもよい。
【００２１】
また，上記第４反応部が，第４本体と；上記第４本体の上面に形成されて始端および終端を有する第４チャンネルと；上記第４チャンネルの始端に形成されて上記第５通孔に連通する第７通孔と；上記第４チャンネルの終端に形成されて上記第２溝に連通する第６通孔と；を含んでいてもよい。
【００２２】
さらに，上記第５反応部が，第５本体と；上記第５本体の上面に形成されて始端および終端を有する第５チャンネルと；上記第５チャンネルの始端に形成される流入口と；上記第５チャンネルの終端に形成される流出口と；を含んでいてもよい。
【００２３】
本発明に係る燃料電池システムは，水素と酸素との反応により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化学触媒反応によって燃料から水素ガスを発生させる改質器と；上記改質器に燃料を供給する燃料供給部と；上記改質器と上記スタックとに空気を供給する空気供給部と；を含み，上記改質器は，チャンネルを有する反応部を少なくとも２つ含み，該反応部が積層されていることを特徴とする。
【００２４】
また，上記改質器が，燃料と空気との酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させる熱エネルギー発生部と；上記熱エネルギー発生部とは別途に燃料を受けるとともに，上記熱エネルギー発生部から熱を吸収して水素ガスを生成する水素ガス生成部と；を含むものであってもよい。
【００２５】
さらに，上記改質器が，燃料と空気との酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させる第１反応部と；上記第１反応部から発生する熱エネルギーを受けて燃料を蒸発させる第２反応部と；上記第２反応部で蒸発した燃料の改質触媒反応により水素ガスを発生させる第３反応部と；上記水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を第１次的に低減させる第４反応部と；上記水素ガス中に含有された一酸化炭素の濃度を第２次的に低減させる第５反応部と；を含んでいてもよい。
【００２６】
また，上記反応部のチャンネルは，部分的に一つのパスを形成するものであってもよい。
【００２７】
さらに，上記反応部が，上記パスを形成するための通孔を有するものであってもよい。
【００２８】
また，上記反応部が，プレートタイプに形成されていてもよい。
【００２９】
さらに，上記反応部が，熱伝導性を有する材質からなり，上記チャンネルが形成された本体を含むものであってもよい。
【００３０】
また，上記本体が，アルミニウム，銅，鉄のいずれか一つからなるものであってもよい。
【発明の効果】
【００３１】
上述したように，本発明に係る燃料電池用改質器によれば，各反応部を積層して改質器を構成することにより，燃料電池用改質器の効率および燃料電池システムの性能をさらに向上させることができる。
【００３２】
また，本発明に係る燃料電池用改質器によれば，燃料電池用改質器の構造を単純化することができるので，全体システムの大きさをコンパクトにすることができ，これにより燃料電池用改質器の生産性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３４】
図１は，本発明の実施形態による燃料電池システム１００の全体構成を示した概略図であり，この図面に基づいて燃料電池システム１００を説明する。
【００３５】
燃料電池システム１００は，水素を含有した燃料を改質して水素ガスを発生させ，この水素ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式を採用している。
【００３６】
燃料電池システム１００において，電気を生成するための燃料には，メタノール，エタノールまたは天然ガスのように，水素を含有した液体または気体状態の燃料が含まれる。なお，本実施形態において説明する燃料は，液体燃料を意味するもとし，液体燃料と水が混合された燃料を便宜上混合燃料と定義するものとする。
【００３７】
また，本実施形態に係る燃料電池システム１００では，水素ガスと反応する酸化剤ガスとして別途の貯蔵手段に貯蔵された酸素ガスを使用することができ，さらに，酸素を含有する空気を使用することもできるが，本実施形態においては，後者の例を用いて説明を行う。
【００３８】
燃料電池システム１００は，水素と酸素との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させるスタック１０と，燃料から水素ガスを発生させてスタック１０に供給する改質器３０と，燃料を改質器３０に供給する燃料供給部５０と，空気を改質器３０とスタック１０にそれぞれ供給する空気供給部７０とを含んでいる。
【００３９】
図２は，図１に示すスタック１０の構造を示す分解斜視図である。スタック１０は，多数の電気発生部１１が連続的に配置された電気発生集合体により構成されている。
【００４０】
電気発生部１１は，膜−電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：１２を中間に置き，その両面にセパレータ（当業界では“バイポーラプレート（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）”ともいう）１６を配置することにより最小単位の燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を形成している。
【００４１】
膜−電極アセンブリ１２は，水素と酸素との電気化学反応を引き起こす所定面積の活性領域を有しており，一面に形成されるアノード電極と，他面に形成されるカソード電極と，両電極間に形成される電解質膜とを有する構造となっている。
【００４２】
アノード電極は，水素を酸化反応させることにより水素イオン（プロトン）と電子とに返還させる機能を有している。カソード電極は，水素イオンと酸素とを還元反応させて，所定温度の熱と水分を発生させる機能を有している。そして，電解質膜は，アノード電極とカソード電極とを直列に連結する伝導体の機能を備えている。
【００４３】
このように構成されるスタック１０の最外側には，複数の電気発生部１１を密着させる別途の加圧プレート１３，１３’を設けることができる。また，スタック１０は，加圧プレート１３，１３’を除去し，電気発生部１１の最外側に位置するセパレータ１６を加圧プレートの役割の代わりして構成することもできる。さらに，スタック１０は，加圧プレート１３が複数の電気発生部１１を密着させる機能のほかに，上述したようなセパレータ１６の固有機能を有する構成とすることもできる。
【００４４】
加圧プレート１３，１３’のうち一側方の加圧プレート１３には，水素ガスを電気発生部１１に供給するための第１注入部１３ａと，空気を電気発生部１１に供給するための第２注入部１３ｂとが形成されている。一方，加圧プレート１３，１３’のうち他側方の加圧プレート１３’には，電気発生部１１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，上記電気発生部１１で水素と酸素との結合反応により生成される水分，および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とが形成されている。第２注入部１３ｂは，図１に示すように，第６供給ライン８６を介して空気供給部７０と連結可能となっている。
【００４５】
改質器３０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，この水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる機能を有している。改質器３０の詳細な構造は，図３および図４を参照して後に詳細に説明する。
【００４６】
改質器３０に燃料を供給する燃料供給部５０は，液状燃料を貯蔵する第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および第２タンク５３に連結されて第１タンク５１および第２タンク５３から液状の燃料および水を排出させる燃料ポンプ５５とを含んでいる。
【００４７】
空気供給部７０は，所定のポンピング力で空気を吸入し，この空気を改質器３０とスタック１０の電気発生部１１とにそれぞれ供給する空気ポンプ７１を含んでいる。なお，本実施形態に用いた空気供給部７０は，図面１に示すように，単一空気ポンプ７１を用いてスタック１０と改質器３０とに空気を供給する構造となっているが，本実施形態に係る空気供給部はこの構造に限定されるものではなく，スタック１０と改質器３０とにそれぞれ連結される一対の空気ポンプを備える構造等であってもよい。
【００４８】
このように構成された本実施形態のシステム１００を動作させて，改質器３０から発生する水素ガスをスタック１０に供給し，空気ポンプ７１を用いて空気を上記スタック１０に供給すると，スタック１０において，水素と酸素との電気化学的な反応が起こるため，既設定の出力量の電気エネルギーと水と熱とを発生させることができる。
【００４９】
なお，本実施形態による燃料電池システム１００は，別に設けられた通常のマイコンタイプのコントロールユニット（図示せず）を用いることによって，システムの全般的な駆動，例えば燃料供給部５０，空気供給部７０などの駆動を実質的に制御することも可能である。
【００５０】
次に，上記改質器３０の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００５１】
図３は，本発明の実施形態による改質器の構造を示す分解斜視図であり，図４は図３に示した分解斜視図を結合させた結合斜視図である。
【００５２】
改質器３０は，図面３に示すように，多数の反応部３１，３２，３３，３４，３５が積層された構造を有している。反応部３１，３２，３３，３４，３５は，燃料と空気との酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させ，この熱エネルギーによる各種触媒反応によって，混合燃料から水素ガスを発生させ，この水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を低減させる機能を備えている。
【００５３】
具体的に改質器３０は，熱エネルギーを発生させる第１反応部３１と，熱エネルギーを受けて混合燃料を蒸発させる第２反応部３２と，水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ：ＳＲ）触媒反応により，蒸発された混合燃料から水素ガスを発生させる第３反応部３３と，水素ガスの水性ガス転換（Ｗａｔｅｒ−Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＷＧＳ）触媒反応により，水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を１次に低減させる第４反応部３４と，水素ガスと空気の選択的酸化（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＣＯ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）触媒反応により，水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を２次に低減させる第５反応部３５とを有している。
【００５４】
上記改質器３０は，第１反応部３１を中心に置き，その上側に第３反応部３３および第４反応部を順次積層し，第１反応部３１の下側に第２反応部３２および第５反応部３５を順次積層して構成することが可能となっている。そして，それぞれの反応部３１〜３５には，燃料，空気，水素ガスなどの流動を許容するチャンネルと，各チャンネルを互いに連結する手段とが設けられている。各反応部の構造については，後により詳細に説明する。
【００５５】
改質器３０の最上側に位置する第４反応部３４の上面には，プレートタイプのカバー部３６を結合することが可能となっている。また，反応部３１〜３５は，所定の幅および長さを有する四角形のプレート形状を呈しており，熱伝導性を有する金属素材，例えばアルミニウム，銅，または鉄などからなる本体を形成している。
【００５６】
次に，それぞれの反応部３１〜３５をより具体的に説明する。第１反応部３１は燃料の改質に必要な熱エネルギーを発生させて改質器３０の全体を予熱する発熱部であって，酸化触媒反応により燃料と空気とを燃焼させる機能を有している。
【００５７】
第１反応部３１は，四角形のプレートタイプになった第１本体３１ｐを有し，この第１本体３１ｐには，燃料と空気との流れを可能にする第１チャンネル３１ａが形成されている。この第１チャンネル３１ａは，第１本体３１ｐの上面に形成されており，その端部には始端と終端とが形成されている。また，第１チャンネル３１ａの内表面には，燃料と空気との酸化反応を促進するために一般的な（通常の）触媒層（図示せず）が形成されている。
【００５８】
第１本体３１ｐには，燃料と空気とを第１チャンネル３１ａに供給するための第１流入口３１ｂと，燃料と空気とが第１チャンネル３１ａを通過しながら燃焼されるときに発生する燃焼ガスを排出させるための第１流出口３１ｃとが形成されている。第１流入口３１ｂは，第１チャンネル３１ａの始端に形成されている。また，第１流出口３１ｃは，第１チャンネル３１ａの終端に形成され，第１流出口３１ｃ側には第１通孔３１ｄおよび第２通孔３１ｅが形成されている。
【００５９】
また，図１に示すように，第１流入口３１ｂと燃料供給部５０の第１タンク５１とは，第１供給ライン８１を介して連結され，第１流入口３１ｂと空気供給部７０の空気ポンプ７１とは，第２供給ライン８２を介して連結されている。
【００６０】
第２反応部３２は，燃料供給部５０から混合燃料を受ける部分であって，第１反応部３１から発生する熱エネルギーを受けて上記混合燃料を蒸発させる機能を有している。
【００６１】
第２反応部３２は四角形のプレートタイプになった第２本体３２ｐを有し，この第２本体３２ｐには，混合燃料の流れを可能にする第２チャンネル３２ａが形成されている。第２チャンネル３２ａは，第２本体３２ｐの上面に形成されており，その端部には始端と終端とが形成されている。また，第２チャンネル３２ａの内表面には，混合燃料の蒸発を促進するために一般的な（通常の）触媒層（図示せず）が形成されている。
【００６２】
第２本体３２ｐには，混合燃料を第２チャンネル３２ａに供給するための第２流入口３２ｂが形成されている。第２流入口３２ｂは，第２チャンネル３２ａの始端に形成されている。第２本体３２ｐには，第１反応部３１の第１通孔３１ｄに連通する第３通孔３２ｃと，第２通孔３１ｅに連通して第２チャンネル３２ａの終端に形成される第１溝３２ｄとが設けられている。
【００６３】
また。図１に示すように，第２流入口３２ｂと燃料供給部５０の第１タンク５１および第２タンク５３とは，第３供給ライン８３を介して連結されている。
【００６４】
第３反応部３３は，水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｅｒ：ＳＲ）触媒反応により，第２反応部３２で蒸発された混合燃料から水素ガスを発生させる機能を有している。
【００６５】
第３反応部３３は，四角形のプレートタイプになった第３本体３２ｐを有し，この第３本体３３ｐには，混合燃料の流れを可能にする第３チャンネル３３ａが形成されている。第３チャンネル３３ａは，第３本体３３ｐの上面に形成されており，その端部には始端と終端とが形成されている。また，第３チャンネル３３ａの内表面には，蒸発された混合燃料の改質反応を促進するために一般的な（通常の）触媒層（図示せず）が形成されている。
【００６６】
第３本体３３ｐには，第２反応部３２で蒸発された混合燃料を受けるように，第３チャンネル３３ａの始端に形成されて第１反応部３１の第２通孔３１ｅに連通する第４通孔３３ｂと，第３チャンネル３３ａの終部に形成される第２溝３３ｃと，第１反応部３１の第１通孔３１ｄに連通する第５通孔３３ｄとが形成されている。
【００６７】
第４反応部３４は，第３反応部３３で発生する水素ガスの水性ガス転換（Ｗａｔｅｒ−Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＷＧＳ）触媒反応により追加の水素ガスを生成し，この水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を第１段階として（第１次的に）低減させる機能を有している。
【００６８】
第４反応部３４は，四角形のプレートタイプになった第４本体３４ｐを有し，この第４本体３４ｐには，水素ガスの流れを可能にする第４チャンネル３４ａが形成されている。第４チャンネル３４ａは，第４本体３４ｐの上面に形成されており，その端部には始端と終端とが形成されている。また，第４チャンネル３４ａには，水性ガス転換反応を促進するための一般的な（通常の）触媒層（図示せず）が形成されている。
【００６９】
第４反応部３４には，第４チャンネル３４ａの始端に形成されて第３反応部３３の第２溝３３ｃに連通する第６通孔３４ｂと，第４チャンネル３４ａの終端に形成されて第３反応部３３の第５通孔３３ｄに連通する第７通孔３４ｃとが形成されている。
【００７０】
第５反応部３５は，第４反応部３４から発生する水素ガスと空気との選択的酸化（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＣＯ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）触媒反応により，水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を第２段階として（第２次的に）低減させる機能を有している。
【００７１】
第５反応部３５は，四角形のプレートタイプになった第５本体３５ｐを有し，この第５本体３５ｐには，第４反応部３４で発生する水素ガスの流れを可能にする第５チャンネル３５ａが形成されている。第５チャンネル３５ａは，第５本体３５ｐの上面に形成されており，その端部には始端と終端とが形成されている。また，第５チャンネル３５ａには，選択的酸化反応を促進するために一般的な（通常の）触媒層（図示せず）が形成されている。
【００７２】
第５本体３５ｐには，空気を第５チャンネル３５ａに供給するための第３流入口３５ｂと，第５チャンネル３５ａを通過しながら一酸化炭素の濃度が低減した水素ガスを排出させるための第２流出口３５ｃとが形成されている。第３流入口３５ｂは，第５チャンネル３５ａの始端に形成されている。また，第２流出口３５ｃは，第５チャンネル３５ａの終端に形成されている。
【００７３】
また，第３流入口３５ｂと空気供給部７０の空気ポンプ７１とは，第４供給ライン８４を介して連結可能となっており，第２流出口３５ｃとスタック１０の第１注入部１３ａとは，第５供給ライン８５を介して連結可能となっている（図１参照）。
【００７４】
第１反応部３１〜第５反応部３５が積層構成されると，第１通孔３１ｄ，第３通孔３２ｃ，第５通孔３３ｄ，第７通孔３４ｃ，および第３流入口３５ｂは，互いに連通されるように配列される。また，第２通孔３１ｅ，第４通孔３３ｂ，および第１溝３３ｃは，互いに連通されるように配列される。さらに，第６通孔３４ｂおよび第２溝３３ｃは，互いに連通されるように配列される。このような配列関係により，第１反応部３１〜〜第５反応部３５は，部分的に（第２反応部から第５反応部まで）各々のチャンネルを一つのパスで連結することが可能となっている。なお，本実施形態においては，各反応部に形成された通孔または溝によりパスを構成しているが，本実施形態の構成は上述したものに限定されるものではない。
【００７５】
次に，上述した燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
【００７６】
まず，燃料ポンプ５５を駆動させて，第１タンク５１に貯蔵された燃料を，第１供給ライン８１を介して第１反応部３１に供給する。これと同時に，空気ポンプ７１を駆動させて，空気を，第２供給ライン８２を介して第１反応部３１の第１流入口３１ｂに供給する。
【００７７】
すると，燃料と空気とは，第１反応部３１の第１チャンネル３１ａを通過しながら酸化触媒反応を引き起こす。第１反応部３１は，燃料と空気との酸化反応により燃料と空気とを燃焼させ，既設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる。
【００７８】
第１反応部３１から発生する熱エネルギーは，第２反応部３２，第３反応部３３，第４反応部３４および第５反応部３５に順次伝達され，改質器３０の全体が予熱される。
【００７９】
改質器３０の予熱が完了した状態で，燃料ポンプ５５の駆動によって第１タンクに貯蔵された燃料と第２タンクに貯蔵された水とを，第３供給ライン８３を介して第２反応部３２の第２流入口３２ｂに供給する。
【００８０】
供給された燃料と水との混合燃料は，第２反応部３２の第２チャンネル３２ａに沿って流れながら気化する。気化した混合燃料は，第２反応部３２の第１溝３２ｄ，第１反応部３１の第２通孔３１ｅ，および第３反応部３３の第４通孔３３ｂを順次通過して，第３反応部３３の第３チャンネル３３ａに沿って流れる。
【００８１】
この過程で，第３反応部３３は，水蒸気改質触媒反応によって混合燃料から水素ガスを発生する。しかしながら，第３反応部３３は，改質触媒反応を完全に行うことが難しいため，副生成物としての一酸化炭素が微量含有された水素ガスを生成する。
【００８２】
次に，水素ガスが第４反応部３４に供給される。これは，第３反応部３３の第２溝３３ｃ，および第４反応部３４の第６通孔３４ｂを通してなされる。水素ガスは，第４反応部３４の第４チャンネル３４ａに沿って流れる。
【００８３】
この過程で第４反応部３４は，水素ガスの水性ガス転換触媒反応により追加の水素ガスを発生させ，この水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度をまず１段階として（第１次的に）低減させる。
【００８４】
その後，水素ガスは第５反応部３５に供給される。すなわち水素ガスは，第４反応部３４の第７通孔３４ｃ，第３反応部３３の第５通孔３３ｄ，第１反応部３１の第１通孔３１ｄ，および第２反応部３２の第３通孔３２ｃを通過し，第５反応部３５の第５チャンネル３５ａに沿って流れる。
【００８５】
これと同時に，空気ポンプ７１の駆動により，空気が第４供給ライン８４を介して第５反応部３５に供給される。第５反応部３５は，水素ガスと空気との選択的酸化触媒反応により，水素ガスに含有された一酸化炭素の濃度を２次に低減させる。また，一酸化炭素の濃度が低減された水素ガスは，第５反応部３５の第２流出口３５ｃを介して排出される。
【００８６】
次に，水素ガスは，第５供給ライン８５を介してスタック１０の第１注入部１３ａに供給される。これと同時に，空気ポンプ７１の駆動により，空気が第６供給ライン８６を介してスタック１０の第２注入部１３ｂに供給される。
【００８７】
すると，水素ガスは，電気発生部１１のセパレータ１６を介して膜−電極アセンブリ１２のアノード電極に供給される。そして，空気は電気発生部１１のセパレータ１６を介して膜−電極アセンブリ１２のカソード電極に供給される。
【００８８】
アノード電極においては，水素の酸化反応により，水素を電子とプロトン（水素イオン）とに分解する。プロトンは膜−電極アセンブリ１２の電解質膜を介してカソード電極に移動する。また，電子は，電解質膜を介して移動せずに，セパレータ１６または別途の端子部（図示せず）を介して隣接した膜−電極アセンブリ１２のカソード電極に移動する。この電子の流れによって，電流が発生する。そして，カソード電極において，電解質膜を介してカソード電極に移動した水素イオンと，空気中に含有された酸素との還元反応により，所定温度の熱および水分が発生する。
【００８９】
燃料電池システム１００は，このような一連の過程を経ることによって，既設定された出力量の電気エネルギーを，所定の装置，例えばノートブック，ＰＤＡのような携帯用電子機器，移動通信端末機器等に出力させることが可能となる。
【００９０】
図５は本発明の他の実施形態による改質器を示す分解斜視図である。
【００９１】
図５に示す改質器４０は，上述した実施形態の改質器３０と同様に，多数の反応部を積層することによって構成されている。
【００９２】
改質器４０は，上述した実施形態の第１反応部３１に対応する熱エネルギー発生部４２と，上述した実施形態の第３反応部３３に対応する水素ガス生成部４４とを含んでいる。
【００９３】
ここで，熱エネルギー発生部４２および水素ガス生成部４４は，上述した実施形態の反応部３１〜３５のように積層されており，この積層構造によって改質器４０が形成されている。具体的に，図５に示す改質器４０において，水素ガス生成部４４は熱エネルギー発生部４２上に載置されており，この水素ガス生成部４４上には水素ガス生成部４４に結合されるカバー部４６が配置されている。
【００９４】
また，熱エネルギー発生部４２と水素ガス生成部４４とは，上述した実施形態の反応部３１〜３５と同様に，プレートタイプに形成されており，それぞれチャンネル４２ａ，４４ａが形成された本体４２ｐ，４４ｐを有している。
【００９５】
それぞれの本体４２ｐ，４４ｐには，始端に流入口４２ｂ，４４ｂが形成され，終端に排出口４２ｃ，４４ｃが形成されている。
【００９６】
熱エネルギー発生部４２のチャンネル４２ａには，燃料と空気の酸化反応を促進するために触媒層（図示せず）が形成され，水素ガス生成部４４のチャンネルには，混合燃料の改質反応を促進するために一般的な（通常の）触媒層（図示せず）が形成されている。
【００９７】
改質器４０は，熱エネルギー発生部４２がその流入口４２ｂを介して燃料と空気とを受けると，燃料と空気とを酸化反応で燃焼させて，既設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる。この温度範囲は，水素ガス生成部４４に提供された水と燃料との混合燃料が水素ガス生成部４４を通るときにすぐ気化し得る程度の範囲に維持される。
【００９８】
水素ガス生成部４４は，その流入口４４ａを介して水および燃料の混合燃料を受けると，熱エネルギー発生部４２が提供する熱エネルギーを用いて混合燃料を気化させ，水蒸気改質触媒反応によって，混合燃料から水素ガスを発生させる。この水素ガスは，水素ガス生成部４４の排出口４４ｃを介してスタックに提供される。
【００９９】
このように，図５に示した実施形態においては，改質器４０を構成する熱エネルギー発生部４２と水素ガス生成部４４とを積層して構成し，改質器の構成要素を最小にすることによって，改質器４０の構造的な利点を一層強化させることができる。
【０１００】
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いうまでもない。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】
【０１０１】
本発明は，簡単な構造で性能をより向上させることができる燃料電池用改質器およびこれを含む燃料電池システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】図１に示すスタックの分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による改質器の分解斜視図である。
【図４】図３に示す改質器の結合斜視図である。
【図５】本発明の他の実施形態による改質器の分解斜視図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０    スタック
１１    電気発生部
１２    膜−電極アセンブリ
１３，１３’    加圧プレート
１３ａ    第１注入部
１３ｂ    第２注入部
１３ｃ    第１排出部
１３ｄ    第２排出部
１６    セパレータ
３０，４０    改質器（燃料電池用改質器）
３１，３２，３３，３４，３５    反応部
３６    カバー部
５０    燃料供給部
５１    第１タンク
５３    第２タンク
５５    燃料ポンプ
７０    空気供給部
７１    空気ポンプ
８６    第６供給ライン
１００    燃料電池システム
【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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