(57)【要約】【課題】  改質ガスを生成するための反応熱（燃焼熱）の放熱を防止して，改質器の熱効率及び反応効率を向上させ，燃料電池システム全体の運転効率を向上させる。【解決手段】  燃料電池システム１００の改質器２０において，燃料を改質して水素を豊富に含有する改質ガスを発生させる改質反応部２１と，改質反応部２１を取り囲む真空領域６０を含み，改質反応部２１から発生する熱を遮断する断熱部２６とを含むように構成した。また，断熱部２６は，改質反応部２１を取り囲む内壁２７と，内壁２７から所定の距離だけ離隔されて配設されて内壁２７との間に真空領域６０を形成する外壁２８とを含むようにした。このとき，断熱部２６の真空領域６０にガラス繊維または多孔性セラミックなどから成る断熱材を更に配設することもできる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの改質器において，
燃料を改質して水素を豊富に含有する改質ガスを発生させる改質反応部と，
前記改質反応部を取り囲む真空領域を含み，前記改質反応部から発生する熱を遮断する断熱部と，
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２】
前記断熱部は，
前記改質反応部を取り囲む内壁と，
前記内壁から所定の距離だけ離隔されて配設されて前記内壁との間に真空領域を形成する外壁とを含む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】
前記内壁は，ステンレス鋼，セラミック，アルミニウムまたはジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の材料から成り，
前記外壁は，ステンレス鋼，セラミック，アルミニウムまたはジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の材料から成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】
前記内壁と前記外壁との間に，ギャップを維持するための少なくともひとつのスペーサが配設されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項５】
前記スペーサが前記内壁及び前記外壁を貫通して取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記断熱部の真空領域に断熱材が配設されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項７】
前記断熱材がガラス繊維であ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】
前記断熱材が多孔性セラミックであ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】
前記改質反応部は，
酸化触媒反応により燃料と空気を燃焼させて熱を発生させる第１反応部と，
前記第１反応部から発生する熱を吸収して，前記燃料及び水を含む混合燃料を気化させ，改質触媒反応により前記気化された燃料から水素を豊富に含有する改質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請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項１０】
前記改質反応部に連結されて，前記改質反応部により生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部を更に含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システムの改質器。
【請求項１１】
燃料電池システムにおいて，
燃料を改質して水素を豊富に含有する改質ガスを発生させる改質器と，
前記改質ガスと酸素の電気化学的反応により電気を発生させるスタックと，
前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と，
前記改質器及び前記スタックに空気を供給する空気供給部とを含み，
前記改質器は，
改質ガスを発生させる改質反応部，及び
前記改質反応部を取り囲む真空領域を含み，前記改質反応部から発生する熱を遮断する断熱部を含むこと，
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
前記断熱部は，
前記改質反応部を取り囲む内壁と，
前記内壁から所定の距離だけ離隔されて配設されて前記内壁との間に真空領域を形成する外壁とを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。
【請求項１３】
前記改質器に供給される燃料を供給する供給ライン及び前記改質器に供給される空気を供給する供給ラインは，それぞれ前記断熱部を貫通して前記改質部と連結されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記改質反応部は，
酸化触媒反応により前記燃料と前記空気を燃焼させて熱を発生させる第１反応部と，
前記第１反応部から発生する熱を吸収して，前記燃料及び水を含む混合燃料を気化させて，改質触媒反応により前記気化された燃料から改質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請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料供給部は，
水素を含有する液状燃料を貯蔵する第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１１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第１タンクの水素を含有する液状燃料を，前記改質反応部の第１反応部に供給する第１供給ラインを更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記空気供給部の空気を，前記改質反応部の第２反応部に供給する第２供給ラインを更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記第１タンクの水素を含有する液状燃料と，前記第２タンクの水との混合燃料とを，前記改質反応部の第２反応部に供給する第３供給ラインを更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記改質器は，前記改質反応部に連結されて，前記改質反応部により生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部を更に含むことを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記改質反応部と前記一酸化炭素低減部とを連結し，前記改質反応部とは前記断熱部を貫通して連結される第４供給ラインを更に含む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】
前記一酸化炭素低減部と前記スタックを連結する第５供給ラインを更に含む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２２】
前記空気供給部と前記スタックを連結する第６供給ラインを更に含むことを特徴とする請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記空気供給部は，外部空気を吸入する空気ポンプを含むことを特徴とする請求項１１〜２２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記燃料電池システムは高分子電解質型燃料電池方式を採用したことを特徴とする請求項１１〜２３のいずれか１項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】
一般に，燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は，例えばメタノール，エタノール，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，酸素または酸素を含む空気とを燃料として，電気化学反応を発生させることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムである。特に，燃料電池は，従来の発電のように燃料をボイラーなどで燃焼させる過程を必要とせず，水素と酸素を燃料として供給すれば，電気化学反応により電気を生成することができるといった特徴を有する。また，水素と酸素が反応する際に生じる熱を副産物として同時に利用することができるといった特徴も有する。
【０００３】
このような燃料電池は，使用する電解質の種類によって，１５０〜２００℃で作動する燐酸型燃料電池，６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池，１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池，常温〜１００℃で作動する高分子電解質型燃料電池，及びアルカリ型燃料電池などに分類することができる。これらそれぞれの燃料電池は，根本的には同じ原理により作動するが，燃料の種類，運転温度，触媒及び電解質などが異なる。
【０００４】
上記のような燃料電池のうち，近年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（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ，またはＰｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）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，作動温度が低いだけでなく，早い始動特性及び応答特性を有する。このような，メタノール，エタノール，天然ガスなどを改質して製造した水素を燃料とする高分子電解質型燃料電池は，例えば自動車などに用いられる移動用電源として利用することができるだけでなく，住宅や公共建物などに用いられる分散用電源として，あるいは電子機器などに用いられる小型電源としても利用可能であり，その適用範囲が広いという利点を持つ。
【０００５】
上記のような高分子電解質型燃料電池は，複数の装置からなるシステムとして構成される。すなわち，高分子電解質型燃料電池は，スタック（ｓｔａｃｋ）と称される燃料電池本体（以下，便宜上スタックという），燃料タンク，及びこの燃料タンクよりスタックに燃料を供給するための燃料ポンプなどを備えて，発電システムとして作用する。このような燃料電池による発電システムは，一般的に，燃料タンクに貯蔵された燃料をスタックに供給する過程において，燃料を改質して水素ガスを発生させ，この水素ガスをスタックに供給する改質器をさらに含む。すなわち，高分子電解質型燃料電池による発電システムにおいては，燃料ポンプのポンピング力により燃料タンクに貯蔵された燃料を改質器に供給し，上記燃料を改質器によって改質させて水素ガスを発生させ，上記水素ガスと別途供給される酸素とをスタックにより電気化学的に反応させて電気エネルギーを得ることができる。
【０００６】
一方，燃料電池には，水素を含有した液状の燃料を直接スタックに供給して電気を生産することができる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）方式を採用した電池もある。かかる直接メタノール型燃料電池方式の燃料電池は高分子電解質型燃料電池とは異なり改質器を有さない。
【０００７】
上記の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，単位セルが数個から数十個積層された構造を有する。単位セルは，膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；電解質膜・電極接合体）とセパレータ（またはバイポーラプレート：Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）とからなる。膜−電極アセンブリは，電解質膜を介在してアノード電極とカソード電極が付着された構造を有する。すなわち，膜−電極アセンブリは，アノード電極とカソード電極との間に高分子電解質膜がはさまれたサンドイッチ構造を有する。そして，セパレータは，一般的には上記膜−電極アセンブリを挟んで両側に配置され，燃料電池の反応に必要な酸素と水素ガスを供給する通路の役割と，各膜−電極アセンブリ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果たす。すなわち，セパレータによって，アノード電極には水素ガスが供給され，カソード電極には酸素が供給される。この過程において，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り，この時に生成される電子の移動により電気が発生し，また，熱及び水を同時に得ることができる。
【０００８】
一方，上述した改質器は，水素を含有する液状の燃料と水とを，改質触媒反応により，スタックの電気生成に必要な水素ガスに転換させる装置であるが，燃料電池を被毒させて寿命を短縮させる一酸化炭素のような有害物質を除去する機能をも有する。すなわち，燃料を改質させる場合，一般的には一酸化炭素が発生するが，この一酸化炭素は高分子電解質型燃料電池において低温での反応を可能とするために用いられる例えば白金などの触媒に吸着しやすい，といった性質を持つ。このような一酸化炭素の触媒への吸着は，触媒の機能を損なわせ，燃料電池を被毒させてその寿命を短縮させるので好ましくない。したがって，改質器によって生成される水素ガスに含有される一酸化炭素の濃度は低く抑制されることが望ましい。
【０００９】
上記のような改質器は，燃料を改質して水素ガスを発生させる改質反応部と，その水素ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部とを含んで構成される。改質反応部は，燃料を，水蒸気改質，部分酸化，自熱反応などの触媒反応により，水素を豊富に含む改質ガスに転換する。一酸化炭素除去部は，水性ガス転換方法，選択的酸化方法などのような触媒反応，または分離膜によって水素を精製する方法などにより，改質ガスから一酸化炭素を除去する。
【００１０】
このような従来の燃料電池システムの改質器の改質反応部は，燃料と空気の酸化触媒反応を誘導して燃焼熱を発生させる反応部と，上記燃焼熱を受けて燃料の改質触媒反応を誘導して水素ガスを発生させる吸熱反応部とを含んで構成される。すなわち，改質反応部では，吸熱反応部が反応部から所定の反応熱を受けて，その熱により改質触媒反応が起こることにより，液状燃料と水の混合燃料から水素の豊かな改質ガスを発生させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし，従来の燃料電池システムの改質器は，改質反応部の反応部にて発生させた高温の反応熱がその外部へ流出し易い構造を有するため，均一な温度分布を有すべき改質反応部の吸熱反応部及び改質反応部全体に熱が均一に伝達されない場合がある。このような改質反応部における温度不均衡は，改質器全体の反応効率及び熱効率を低下させるという問題があった。
【００１２】
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，その目的とするところは，改質ガスを生成するための反応熱（燃焼熱）の放熱を防止して，改質器の熱効率及び反応効率を向上させ，燃料電池システム全体の運転効率を向上させることが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することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，燃料電池システムの改質器において，燃料を改質して水素を豊富に含有する改質ガスを発生させる改質反応部と，上記改質反応部を取り囲む真空領域を含み，上記改質反応部から発生する熱を遮断する断熱部と，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。
【００１４】
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，改質器の改質反応部を取り囲むように真空領域を有する断熱部を設けることにより，改質反応部で燃料と空気との酸化触媒反応により発生させた反応熱（燃焼熱）が改質反応部の外に放熱されるのを防止することができる。これにより，改質触媒反応により改質ガスを生成する際に，上記燃焼熱が損失なく吸熱されて効率良く反応が行われ，改質器全体の熱効率及び反応効率が向上する。
【００１５】
ここで，上記燃料としては，メタノール，エタノール，天然ガスなどのような炭化水素又はアルコール系列の液状燃料を使用することができる。また，上記液状の燃料と水とが混合されたものを混合燃料として使用することもできる。また，反応熱を発生させるために供給される空気としては，外部空気の他に，別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋酸素ガスを使用することもできる。
【００１６】
このとき，上記断熱部は，上記改質反応部を取り囲む内壁と，上記内壁から所定の距離だけ離隔されて配設されて上記内壁との間に真空領域を形成する外壁とを含むように構成されるのがよい。上記内壁は，ステンレス鋼，セラミック，アルミニウムまたはジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の材料から成り，上記外壁は，ステンレス鋼，セラミック，アルミニウムまたはジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の材料から成るのがよい。
【００１７】
また，上記内壁と上記外壁との間に，ギャップを維持するための少なくともひとつのスペーサが配設されるのがよい。このとき，上記スペーサは上記内壁及び上記外壁を貫通して取り付けられるのがよい。
【００１８】
また，上記断熱部の真空領域に断熱材を配設して，断熱部の断熱効果を高めることもできる。このとき，上記断熱材はガラス繊維から成ることができる。あるいは，上記断熱材は多孔性セラミックから成ることもできる。
【００１９】
一方，上記改質反応部は，酸化触媒反応により燃料と空気を燃焼させて熱を発生させる第１反応部と，上記第１反応部から発生する熱を吸収して，上記燃料及び水を含む混合燃料を気化させ，改質触媒反応により上記気化された燃料から水素を豊富に含有する改質ガスを発生させる第２反応部とを含むように構成するのがよい。ここで，上記燃料としては，メタノール，エタノール，天然ガスなどのような炭化水素又はアルコール系列の液状燃料を使用することができる。また，上記改質器の第１反応部での燃焼反応に用いられる空気のかわりに，別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋酸素ガスを使用することもできる。
【００２０】
そして，上記燃料電池システムの改質器は，上記改質反応部に連結されて，上記改質反応部により生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部をさらに含むことができる。かかる一酸化炭素低減部を設けることにより，燃料電池が一酸化炭素により被毒されるのを抑制することができ，燃料電池の寿命短縮を防止することができる。
【００２１】
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，燃料電池システムにおいて，燃料を改質して水素を豊富に含有する改質ガスを発生させる改質器と，上記改質ガスと酸素の電気化学的反応により電気を発生させるスタックと，上記改質器に燃料を供給する燃料供給部と，上記改質器及び上記スタックに空気を供給する空気供給部とを含み，上記改質器は，改質ガスを発生させる改質反応部，及び上記改質反応部を取り囲む真空領域を含み，上記改質反応部から発生する熱を遮断する断熱部を含むこと，を特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００２２】
このような本発明にかかる燃料電池システムによれば，改質器の改質反応部を取り囲むように真空領域を有する断熱部を設けることにより，改質反応部で燃料と空気との酸化触媒反応により発生させた反応熱（燃焼熱）が改質反応部の外に放熱されるのを防止することができる。これにより，改質触媒反応により改質ガスを生成する際に，上記燃焼熱が損失なく吸熱されて効率良く反応が行われ，改質器全体の熱効率及び反応効率が向上する。そして，その結果，燃料電池システム全体としての運転効率も向上する。
【００２３】
ここで，上記燃料供給部から供給される燃料としては，メタノール，エタノール，天然ガスなどのような炭化水素又はアルコール系列の液状燃料を使用することができる。また，上記液状の燃料と水とが混合されたものを使用することもできる。また，上記空気供給部から供給される空気としては，外部空気の他に，別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋酸素ガスを使用することもできる。
【００２４】
このとき，上記断熱部は，上記改質反応部を取り囲む内壁と，上記内壁から所定の距離だけ離隔されて配設されて上記内壁との間に真空領域を形成する外壁とを含むように構成されるのがよい。
【００２５】
そして，上記改質器に供給される燃料を供給する供給ライン及び上記改質器に供給される空気を供給する供給ラインは，それぞれ上記断熱部を貫通して上記改質部と連結されるようにするのがよい。
【００２６】
ここで，上記改質反応部は，酸化触媒反応により上記燃料と上記空気を燃焼させて熱を発生させる第１反応部と，上記第１反応部から発生する熱を吸収して，上記燃料及び水を含む混合燃料を気化させて改質触媒反応により上記気化された燃料から改質ガスを発生させる第２反応部とを含むように構成するのがよい。
【００２７】
そして，上記燃料供給部は，水素を含有する液状燃料を貯蔵する第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するのがよい。
【００２８】
上記燃料電池システムは，上記第１タンクの水素を含有する液状燃料を，上記改質反応部の第１反応部に供給する第１供給ラインを更に含むことができる。また，上記燃料電池システムは，上記空気供給部の空気を，上記改質反応部の第２反応部に供給する第２供給ラインを更に含むことができる。そして，上記燃料電池システムは，上記第１タンクの水素を含有する液状燃料と，上記第２タンクの水との混合燃料とを，上記改質反応部の第２反応部に供給する第３供給ラインを更に含むことができる。
【００２９】
そして，上記改質器は，上記改質反応部に連結されて，上記改質反応部により生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部を更に含むことができる。かかる一酸化炭素低減部を設けることにより，燃料電池が一酸化炭素により被毒されるのを抑制することができ，燃料電池の寿命短縮を防止することができる。
【００３０】
そして，上記改質反応部と上記一酸化炭素低減部とを連結し，上記改質反応部とは上記断熱部を貫通して連結される第４供給ラインを更に含むようにするのがよい。また，上記一酸化炭素低減部と上記スタックを連結する第５供給ラインを更に含むようにするのがよい。
【００３１】
また，上記燃料電池システムは，上記空気供給部と上記スタックを連結する第６供給ラインを更に含むのがよい。また，上記空気供給部は，外部空気を吸入する空気ポンプを含むように構成するのがよい。
【００３２】
ここで，上記燃料電池システムは高分子電解質型（固体高分子型）燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ，またはＰｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）方式を採用した燃料電池であるのがよい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば，改質器の改質反応部を取り囲む真空領域を含んだ断熱部を設けることにより，改質反応部で発生させた燃焼熱の放熱を効果的に防止す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。かかる断熱部を有する改質器は，熱効率及び反応効率が向上され，また，かかる改質器を採用した燃料電池システムは運転効率が向上される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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。
【００３５】
本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムは，水素を含有した燃料を改質して水素を豊富に含む改質ガスを生成し，上記生成された改質ガスと酸素とを電気化学的に反応させて発生する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高分子電解質型（固体高分子型）燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ，またはＰｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）方式を採用した燃料電池システムである。
【００３６】
図１は，本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。同図に示すように，本実施形態にかかる燃料電池システム１００は，基本的には，改質器２０と，スタック１０と，燃料供給部３０と，空気供給部４０とを含んで構成される。
【００３７】
改質器２０は，水素を含有した燃料を改質して，水素を豊富に含有する（水素リッチな）改質ガスを生成する。スタック１０は，改質器２０により生成された改質ガスと酸素との化学反応による化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換して電気を生産する。燃料供給部３０は，燃料を改質器２０に供給する。空気供給部４０は，外部空気をスタック１０及び改質器２０に供給する。
【００３８】
本実施形態にかかる燃料電池システム１００において，電気を生成するための燃料としては，メタノール，エタノール，天然ガスなどのような炭化水素又はアルコール系列の液状燃料を使用することができる。また，このほかの燃料として水を更に含むこともできる。ここで，上記液状の燃料と水とが混合された燃料を，以下の説明では便宜上混合燃料と定義する。
【００３９】
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を使用することができる。あるいは，酸素を含有した空気を使用することもできる。しかし，以下に説明する本実施形態においては，電気生成に必要な酸素として後者の外部空気をそのまま使用することとするが，別途に貯蔵された酸素ガスを使用するように構成することも可能である。
【００４０】
燃料供給部３０は，水素を含有した液状燃料，すなわちメタノール，エタノール，天然ガスなどの炭化水素又はアルコール系列の水素燃料を貯蔵する第１タンク３１と，水を貯蔵する第２タンク３２と，第１タンク３１及び第２タンク３２にそれぞれ連結される燃料ポンプ３３とを含む。そして，空気供給部４０は，外部空気を吸入する空気ポンプ４１を含む。
【００４１】
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１００に適用される改質器２０は，燃料供給部３０から水素を含有した燃料を受け，この燃料を改質して水素を豊富に含有する改質ガスを生成し，生成された改質ガスをスタック１０に供給する。図２は，図１に示す燃料電池システムの改質器の構造を示す断面図である。
【００４２】
図１及び図２に示すように，本実施形態にかかる燃料電池システム１００に適用される改質器２０は，所定の触媒反応により，上記混合燃料から水素を豊富に含有する改質ガスを発生させる改質反応部２１を含んで構成される。
【００４３】
改質反応部２１は，水素を含有した液状燃料と空気を燃焼させて所定温度の反応熱を発生させる第１反応部２２と，上記反応熱を用いて水素を豊富に含有する改質ガスを発生させる第２反応部２３とを含む。
【００４４】
第１反応部２２は，改質ガスの生成に必要な熱源を供給するための発熱部であり，液状の燃料と外部の空気とを酸化触媒反応により燃焼させて熱を発生させる構造を有する。すなわち，第１反応部２２は，第１タンク３１から供給される水素を含有した液状燃料と空気供給部４０から供給される外部空気とを，その内部で酸化触媒反応させて熱を発生させる。したがって，第１反応部２２は，上記水素を含有した液状燃料と空気とがその内部で流体流動することが可能な，例えば，流路チャンネル（図示せず）を形成するプレートタイプに形成されることが好ましい。すなわち，第１反応部２２の形状は板状の薄い形状であることが好ましく，その内部は液状燃料と外部空気とが流体流動可能な経路が形成される構造を有するのがよい。
【００４５】
上記流路チャンネルには，燃料と空気の酸化触媒反応を促進させる，酸化触媒層（図示せず）が設けられる。酸化触媒層は，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役割りを果たす。このような酸化触媒層としては，一般的に使用される酸化触媒層を用いることができる。
【００４６】
第１反応部２２と燃料供給部３０の第１タンク３１は第１供給ライン５１を介して連結される。そして，第１反応部２２と空気供給部４０は第２供給ライン５２を介して連結される。また，第１反応部２２には，酸化触媒反応により燃焼された燃焼ガスと，反応しないで残った燃料及び空気を改質器２０の外部へ排出可能な所定の排出ライン５９を連結することができる。
【００４７】
第２反応部２３は，第１反応部２２で発生した反応熱を吸収して，混合燃料を蒸発（気化）させる機能を有する。更に，第２反応部２３は，水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｅｒ：ＳＲ）触媒反応により，上記気化された流体から水素の豊かな改質ガスを発生させる機能を有する。すなわち，第２反応部２３には，第１タンク３１から供給される水素を含有した液状燃料と第２タンク３２からから供給される水とが混合燃料として供給され，上記混合燃料が第１反応部２２で発生した反応熱を吸収することにより気化されて，上記気化された混合燃料が改質触媒反応により水素を豊富に含む改質ガスに改質される。
【００４８】
第２反応部２３は，上記のような改質触媒反応に必要な混合燃料の流体流動を可能にする流路チャンネル（図示せず）を形成するプレートタイプに形成され，第１反応部２２に密接するように取り付けられることが好ましい。すなわち，第２反応部２３の形状は板状の薄い形状であることが好ましく，その内部は水素を含有した液状燃料と水との混合燃料が流体流動可能な経路が形成される構造を有するのがよい。また，第２反応部２３は，第１反応部２２で発生した反応熱を効率的に吸収するよう，第１反応部２２に密接するように取り付けられることが好ましい。
【００４９】
上記流路チャンネルには，混合燃料の改質反応を促進させる，改質触媒層（図示せず）が設けられる。改質触媒層は，混合燃料の改質反応，すなわち混合燃料の分解反応を促進させて，上記混合燃料から水素ガスを発生させる役割りを果たす。このような改質触媒層としては，一般的に使用される改質触媒層を用いることができる。
【００５０】
第２反応部２３と燃料供給部３０の第１タンク３１及び第２タンク３２とは，第３供給ライン５３を介して連結される。また，第２反応部２３には，改質ガスを外部へ排出，または後述する一酸化炭素低減部２４へ供給する第４供給ライン５４を連結することができる。
【００５１】
改質反応部２１は，上述したように，第１反応部２２及び第２反応部２３がそれぞれ流路チャンネルを有しながら互いに密接するプレートタイプに構成されるのが好ましい。すなわち，第２反応部が第１反応部の熱を効率的に吸収できるように，第１反応部２２及び第２反応部２３は相互に密接する板状の直方体に形成されることが好ましい。そして，第２反応部と第１反応部とが接する面は，板状の直方体の面のうち最も広い面積を有する面であることがより好ましい。
【００５２】
このとき，第１反応部２２及び第２反応部２３の形状は上記のようなプレートタイプに限定されるものではない。例えば，改質反応部２１を円筒状に構成することもできる。すなわち，第１反応部２２を，円筒状の反応容器の内部に酸化触媒層が設けられるように構成し，第２反応部２３を，円筒状の反応容器の内部に改質触媒層が設けられるように構成する。そして，第２反応部２３の反応容器が第１反応部２２の反応容器内に位置するように配置させて改質反応部２１を製造する。すなわち，改質反応部２１は，円筒状の第２反応部２３が円筒状の第１反応部２２の内部に挿入された二重管の構造を有する反応容器として構成することができる。
【００５３】
本実施形態にかかる改質器２０は，スタック１０と改質反応部２１との間に，改質ガスの一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部２４を配置することもできる。一酸化炭素の濃度を低減させる方法としては，水性ガス転換（Ｗａｔｅｒ−Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＷＧＳ，またはシフト反応）触媒反応または選択的一酸化炭素酸化（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＣＯ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）触媒反応などがある。かかる一酸化炭素低減部を設けることにより，燃料電池が一酸化炭素により被毒されるのを抑制することができ，燃料電池の寿命が短縮されるのを防止することができる。
【００５４】
一酸化炭素低減部２４は，改質反応部２１に連結される円筒形の反応容器２５と，反応容器２５の内部に形成される通常の水性ガス転換触媒層（図示せず）又は一酸化炭素選択酸化触媒層（図示せず）とを含んで構成される。
【００５５】
反応容器２５は，改質反応部２１から排出される改質ガスが容器の内部空間に流入するようにする流入口２５ａと，上記内部空間で触媒層による触媒反応により一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスをスタック１０に排出する流出口２５ｂとを有する。ここで，反応容器２５の流入口２５ａと改質反応部２１の第２反応部２３は第４供給ライン５４を介して連結される。そして，反応容器２５の流出口２５ｂとスタック１０は第５供給ライン５５を介して連結される。
【００５６】
次に，本実施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３は，図１に示すスタックの構造を示す分解斜視図である。
【００５７】
図１及び図３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，上記のような構造の改質器２０により改質された改質ガスと空気との酸化反応及び還元反応を誘導して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。
【００５８】
電気生成部１１は，電気を発生させる最小単位セルであり，改質ガスと空気中の酸素を酸化／還元させる膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；または電解質膜・電極接合体）１２と，改質ガスと空気を膜−電極アセンブリ１２に供給するためのセパレータ１６とを含んで構成される。かかる電気生成部１１は，膜−電極アセンブリ１２を介在して両側にセパレータ１６がそれぞれ配置された構造を有する。そして，この単位セルである電気生成部１１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電気生成部１１の両端部には，エンドプレート１３を配設することができる。
【００５９】
電気生成部１１の膜−電極アセンブリ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が介在された，一般的なＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；電解質膜・電極接合体）の構造を有する。
【００６０】
膜−電極アセンブリ１２のアノード電極は，セパレータ１６を介して改質ガスを受ける部分で，改質ガスを電子と水素イオンとに分解する酸化反応を促進させる触媒層と，電子と改質ガスを円滑に移動させるための気体拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＧＤＬ；またはガス拡散層）とからなる。また，気体拡散層は，酸化反応により生成された電子を円滑に移動させて取出せるようにする機能のほかにも，電気生成部１１に供給された改質ガスを拡散させる機能も有する。すなわち，気体拡散層で改質ガスが充分に拡散されることによって，表面に触媒層を有する電解質層に効率よく改質ガスを供給することができる。
【００６１】
膜−電極アセンブリ１２のカソード電極は，セパレータ１６を介して空気を受ける部分で，アノード電極から受けた電子，水素イオン及び空気中の酸素を反応させて水を生成する触媒層と，酸素を円滑に移動させるための気体拡散層とからなる。つまり，カソード電極では，アノード電極で生成された水素イオン及び電子と，外部から供給された酸素（空気）とが還元反応により水に変換されるが，触媒層はかかる還元反応を促進させる役割りも果たす。また，気体拡散層は，電気生成部１１に供給された酸素（空気）を拡散させる機能も有し，気体拡散層で酸素が充分に拡散されることによって，表面に触媒層を有する電解質層に効率よく酸素を供給することができる。
【００６２】
膜−電極アセンブリ１２の電解質膜は厚さ５０〜２００μｍの固体ポリマー電解質であって，アノード電極の触媒層で生成された水素イオンをカソード電極の触媒層に移動させるイオン交換の機能を有する。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する。一方，アノード電極で生成された電子は外部回路を通じてカソード電極へ移動し，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。
【００６３】
セパレータ１６は，膜−電極アセンブリ１２の両側にそれぞれ配置され，膜−電極アセンブリ１２のアノード電極及びカソード電極に密着して配設される。そして，各セパレータ１６の膜−電極アセンブリ１２のアノード電極に密着する密着面には，アノード電極に改質ガスを供給する流路チャンネル１７が形成される。また，各セパレータ１６の膜−電極アセンブリ１２のカソード電極に密着する密着面にも，カソード電極に空気を供給するための流路チャンネル１７が形成されている。かかる流路チャンネル１７は，一般的には，セパレータ１６の表面に溝を設けることにより形成される。
【００６４】
エンドプレート１３は，スタック１０の最外側，すなわち積層された複数の電気生成部１１の両端部にそれぞれ配置され，複数の電気生成部１１を密着させる機能を有する。また，エンドプレート１３には，第１供給管１３ａ，第２供給管１３ｂ，第１排出管１３ｃ及び第２排出管１３ｄが設けられる。第１供給管１３ａは，セパレータ１６の流路チェンネル１７に改質器２０で生成された改質ガスを注入する。このとき，第１供給管１３ａは，第５供給ライン５５により一酸化炭素低減部２４と連結されるように構成することができ，これによりスタック１０には一酸化炭素が低減された改質ガスが供給される。第２供給管１３ｂは，流路チャンネル１７に空気を注入する。このとき，第２供給管１３ｂは，第６供給ライン５６により空気供給部４０と連結されるように構成することができ，これによりスタック１０には空気供給部４０から空気が供給される。第１排出管１３ｃは，複数の電気生成部１１で最終的に反応しないで残った水素ガスを排出させる。第２排出管１３ｄは，電気生成部１１で最終的に反応しないで残った空気を排出させる。
【００６５】
上記のような構造を有する燃料電池システム１００においては，動作時，改質反応部２１の第１反応部２２で発生する反応熱の一部が第２反応部２３に伝達されずに外部へ放熱される場合がある。このような外部への放熱が生じると，第２反応部２３への熱伝達効率が低下し，また第２反応部２３に温度不均衡が生じるので，改質反応の反応効率が低下してしまう。
【００６６】
したがって，上記のような外部への放熱を防止するために，本発明の実施の形態にかかる改質器２０は，改質反応部２１にて発生させた反応熱が外部へ流出（放熱）するのを防止する断熱部２６を備える。
【００６７】
図２に示すように，断熱部２６は，改質反応部２１の全体を取り囲む内壁２７と，内壁２７から所定の距離だけ離隔されて配設されて内壁２７を取り囲む外壁２８とを含んで構成される。このような構成により，内壁２７と外壁２８との間には空間が形成される。そして，上記空間は真空処理されて真空領域６０をなす。したがって，真空領域６０は改質反応部２１の周囲を取り囲むように配置されることになる。
【００６８】
内壁２７及び外壁２８の材質には，ステンレス鋼，アルミニウム（Ａｌ），あるいはジルコニウムなどの金属断熱素材，またはセラミックなどの非金属断熱素材のうち少なくとも１種を用いることができる。ここで，ステンレス鋼としては，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。この際，内壁２７と外壁２８は同一の材質で形成することも，相互に異なる材質で形成することもできる。また，内壁２７と外壁２８は同一の厚さまたは相互に異なる厚さを有するように形成することができる。
【００６９】
断熱部２６には，第１供給ライン５１及び第２供給ライン５２が外壁２８と内壁２７を貫通して第１反応部２２に連結されるようにする第１連結具２９ａ及び第２連結具２９ｂと，第３供給ライン５３及び第４供給ライン５４が外壁２８と内壁２７を貫通して第２反応部２３に連結されるようにする第３連結具２９ｃ及び第４連結具２９ｄとが設けられる。また更に，断熱部２６には，排出ライン５９が外壁２８と内壁２７を貫通して第１反応部２２に連結されるようにする第５連結具２９ｅが設けられる。
【００７０】
ここで，第１連結具２９ａ，第２連結具２９ｂ，第３連結具２９ｃ，第４連結具２９ｄ及び第５連結具２９ｅは，各供給ラインまたは排出ラインを改質反応部２１に連結させる連結部材としての役割りを果たすだけでなく，内壁２７及び外壁２８に貫通して支持されて，内壁２７と外壁２８との間のギャップ（間隔）を維持するスペーサとしての役割りも果たす。ここで，スペーサは，必ずしも上記のような連結具の構成に限定されるものではなく，内壁２７及び外壁２８の両側に支持されるビード，リブまたはブロックなどの形態を有することもできる。
【００７１】
上記のように構成された本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの動作を以下に詳細に説明する。
【００７２】
まず，燃料ポンプ３３を駆動することで，第１タンク３１に貯蔵された水素を含有した液状の燃料を第１供給ライン５１を介して第１反応部２２に供給する。これと同時に，空気ポンプ４１を駆動して，外部空気を第２供給ライン５２を介して第１反応部２２に供給する。すると，第１反応部２２では，液状の燃料と空気の酸化触媒反応により所定温度の反応熱が発生する。この際，第１反応部２２で発生した燃焼ガス，反応しないで残った燃料及び空気は排出ライン５９を介して改質器２０の外部へ排出される。
【００７３】
次いで，燃料ポンプ３３を駆動して，第１タンク３１に貯蔵された液状の燃料及び第２タンク３２に貯蔵された水を第３供給ライン５３を介して第２反応部２３に供給する。この際，第２反応部２３は，第１反応部２２から発生する反応熱を受けて所定温度に予熱された状態を維持している。
【００７４】
上記燃料及び水の供給を受けて，第２反応部２３では，水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｅｒ：ＳＲ）触媒反応により混合燃料（液状の燃料と水）の分解反応と一酸化炭素の変性反応が同時に進行して，二酸化炭素と水素を含有した改質ガスが生成される。この際，第２反応部２３では，一酸化炭素の変性反応を完全に行うことが難しいため，改質ガスには副生成物として微量の一酸化炭素が含有された状態になる。
【００７５】
上記のような改質ガス生成過程においては，改質反応部２１で発生する反応熱は改質反応部２１を囲む（カバーする）真空領域６０のみならず，内壁２７及び外壁２８によっても断熱される。このように，改質器２０は，断熱部２６を備えることにより，改質反応部２１から発生する反応熱の損失を防止することができ，その結果，改質反応部２１の反応効率及び熱効率が向上される。
【００７６】
ここで，本発明の実施の形態の変更例として，真空領域６０内に断熱材をさらに設けて，上記断熱効果を一層高めるようにすることもできる。上記断熱材は，図４に示すように，内壁２７を取り囲むように設けることができる。また，その材質はガラス繊維６２などからなることができる。
【００７７】
また，本発明の実施の形態の別の変更例として，真空領域６０内に設ける断熱材を，図５に示すように，多孔性セラミック６４などの材質からなるようにして，内壁２７を取り囲むように設けることもできる。
【００７８】
一方，上記断熱効果を向上させるために，外壁２７の内面に反射層をコートして処理するか，または外壁２７の内面を粗く形成して，改質反応部２１から発生した反応熱を反射させるようにすることもできる。
【００７９】
このようにして改質ガスが生成されると，上記改質ガスは第４供給ライン５４を介して一酸化炭素低減部２４の反応容器２５に供給される。このとき，改質ガスは燃料ポンプ３３のポンピング力により反応容器２５に供給される。反応容器２５では，水性ガス転換（Ｗａｔｅｒ−Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＷＧＳ）触媒反応または選択的一酸化炭素酸化（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＣＯ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）触媒反応により，改質ガスの一酸化炭素濃度を低減させる。
【００８０】
次いで，上記改質ガスは第５供給ライン５５を介してスタック１０の第１供給管１３ａに供給される。このとき，改質ガスは，燃料ポンプ３３のポンピング力により第１供給管１３ａに供給される。これと同時に，空気ポンプ４１を駆動させて，外部空気を第６供給ライン５６を介してスタック１０の第２供給管１３ｂに供給する。
【００８１】
このようにして，改質ガスが第１供給管１３ａを介して供給され，外部空気が第２供給管１３ｂを介して供給されると，スタック１０では以下の反応式１に示すような反応により，電気，熱及び水が生成される。
【００８２】
（反応式１）
陽極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ―
陰極反応：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ―→Ｈ２Ｏ
全体反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋電流＋熱
【００８３】
反応式１に示すように，セパレータ１６を介して膜−電極アセンブリ１２のアノード電極に改質ガスが供給され，カソード電極に空気が供給される。そして，改質ガスがアノード電極に流れると，触媒層で水素が電子とプロトン（水素イオン）に分解される。上記プロトンは電解質膜を通過してカソード電極へと移動する。このとき，アノード電極で生成された電子は電解質膜を通過することができないため，外部回路を介してカソード電極に移動する。カソード電極では，やはり触媒の助けにより，外部回路を介して移動した電子，酸素及び移動したプロトンとが合わせられて水が生成される。このような過程により，電気，水及び熱を生成することができる。
【００８４】
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】
【００８５】
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】
【００８６】
【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を示す概略図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの改質器の構造を示す断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムのスタックの構造を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態の変更例による改質部の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の別の変更例による改質部の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０        スタック
１１        電気生成部
１２        膜−電極アセンブリ
１３        エンドプレート
１３ａ      第１供給管
１３ｂ      第２供給管
１３ｃ      第１排出管
１３ｄ      第２排出管
１６        セパレータ
１７        流路チャンネル
２０        改質器
２１        改質反応部
２２        第１反応部
２３        第２反応部
２４        一酸化炭素低減部
２５        反応容器
２５ａ      流入口
２５ｂ      流出口
２６        断熱部
２７        内壁
２８        外壁
２９ａ      第１連結具
２９ｂ      第２連結具
２９ｃ      第３連結具
２９ｄ      第４連結具
２９ｅ      第５連結具
３０        燃料供給部
３１        第１タンク
３２        第２タンク
３３        燃料ポンプ
４０        空気供給部
４１        空気ポンプ
５１        第１供給ライン
５２        第２供給ライン
５３        第３供給ライン
５４        第４供給ライン
５５        第５供給ライン
５６        第６供給ライン
５９        排出ライン
６０        真空領域
６２        ガラス繊維
６４        多孔性セラミック
１００      燃料電池システム
【図１】
2005243647.tif 000003
【図２】
2005243647.tif 000004
【図３】
2005243647.tif 000005
【図４】
2005243647.tif 000006
【図５】
2005243647.tif 000007