(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成させるための改質反応部と；
前記改質ガスから一酸化炭素を除去するＣＯ除去部と；
を有し、
前記改質反応部は、前記水素含有燃料が流入される流入口と、前記改質ガスを排出する排出口と、前記流入口と前記排出口を連結させて、前記水素含有燃料が流入される流体通路とを有し、
前記流体通路は、その断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって拡大されるように形成され、
前記流体通路は、屈曲した部分を有するように形成され、
前記流入口の前記開口面積と前記排出口の前記開口面積との比率は、１：１．５〜５で保持されることを特徴とする、燃料改質システム。
【請求項２】
前記流体通路は、その前記断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって漸進的に拡大されるテーパ形状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質システム。
【請求項３】
前記流体通路は、その前記断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって屈曲される毎に段階的に大きくなるように形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料改質システム。
【請求項４】
前記改質反応部および前記ＣＯ除去部に熱エネルギーを供給するための熱源をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項５】
前記ＣＯ除去部は、
前記改質ガスを水性シフト反応によって、前記改質ガスに含まれるＣＯの濃度を一次的に低減させる水性ガス転換部と；
前記水性ガス転換部で濃度を低減した前記ＣＯを選択的に酸化させて除去する選択的酸化部と；
から構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項６】
前記改質反応部は、平板型構造を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項７】
前記平板型構造の前記改質反応部は、複数個の前記排出口を有することを特徴とする、請求項６に記載の燃料改質システム。
【請求項８】
前記流体通路は、前記流体通路の中間部分で複数に分岐され、
複数に分岐される各々の前記流体通路は、複数の前記排出口を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項９】
前記流体通路は、前記流体通路の中間部分で複数に分岐され、
複数に分岐される各々の前記流体通路は、前記排出口側で一つに連結されて、一つの前記排出口を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料改質システム。
【請求項１０】
水素含有燃料を供給する燃料供給源と；
前記燃料供給源から供給される前記水素含有燃料を改質して、水素を生成する改質器と；
前記改質器からの水素と空気供給部からの酸化剤との電気化学反応を通して、電気を生成する発電部と；
を含み、
前記改質器は、
前記水素含有燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成させるための改質反応部と；
前記改質ガスから一酸化炭素を除去するＣＯ除去部と；
を有し、
前記改質反応部は、前記水素含有燃料が流入される流入口と、前記改質ガスを排出する排出口と、前記流入口と前記排出口を連結させて、前記水素含有燃料が流入される流体通路とを有し、
前記流体通路は、その断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって拡大されるように形成され、
前記流体通路は、屈曲した部分を有するように形成され、
前記流入口の前記開口面積と前記排出口の前記開口面積との比率は、１：１．５〜５で保持されることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１１】
前記流体通路は、その前記断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって漸進的に拡大されるテーパ形状に形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記流体通路は、その前記断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって屈曲される毎に段階的に大きくなるように形成されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記改質反応部および前記ＣＯ除去部に熱エネルギーを供給するための熱源をさらに含むことを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記ＣＯ除去部は、
前記改質ガスを水性シフト反応によって、前記改質ガスに含まれるＣＯの濃度を一次的に低減させる水性ガス転換部と；
前記水性ガス転換部で濃度を低減した前記ＣＯを選択的に酸化させて除去する選択的酸化部と；
から構成されることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記改質反応部は、平板型構造を有することを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記平板型構造の前記改質反応部は、複数個の前記排出口を有することを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記流体通路は、前記流体通路の中間部分で複数に分岐され、
複数に分岐される各々の前記流体通路は、複数の前記排出口を有することを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記流体通路は、前記流体通路の中間部分で複数に分岐され、
複数に分岐される各々の前記流体通路は、前記排出口側で一つに連結されて、一つの前記排出口を有することを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記改質反応部は、水蒸気改質方式、自熱改質方式または部分酸化方式からなる群より選択される一つの方式によって、前記改質ガスを生成することを特徴とする、請求項１０〜１８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記発電部から生成される水を回収するための回収タンクをさらに含むことを特徴とする、請求項１０〜１９のいずれか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、改質反応部における燃料改質効率を向上させる燃料改質システム、および燃料改質システムを具備する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池システムは、水素と酸素またはメタノール、エタノールなどのアルコール系燃料、メタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系燃料、または液化天然ガスなどの天然ガス系燃料のような水素含有燃料から得られる水素と酸素との化学的な反応によって、電気エネルギーを生成する発電装置である。燃料電池システムは、電力需要の増加に伴う電源確保の困難さと、ますます増加される地球環境問題を解決することができる代案として研究開発されている。
【０００３】
燃料電池システムは、基本的に同じ原理によって作動されるが、使用される燃料、触媒および電解質などの種類に応じて、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  ａｃｉｄ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：ｍｏｌｔｅｎ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ：ａｌｋａｌｉｎｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）などに分類される。また、燃料電池システムは、その種類に応じて使用される燃料の種類とともに、作動温度、出力範囲などによって、移動電源用、輸送用、分散発電用などの多様な応用分野に適用できる。
【０００４】
このうち、高分子電解質膜型燃料電池は、水素含有燃料を改質して作られた水素を使用して発電動作をするため、他の燃料電池に比べて、出力の特性に優れ、作動温度が低いだけでなく、速い始動および応答の特性を有する。また、自動車に用いられる移動用電源は、もちろん、住宅かつ公共建物に用いられる分散用電源および携帯用電子機器に用いられる小型用電源などで用いられるため、その応用範囲が広いという長所を備えている。
【０００５】
このような高分子電解質膜型燃料電池システムは、基本的に、燃料容器と、改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）およびスタック（ｓｔａｃｋ）を備える。改質器は、燃料容器に貯蔵された燃料を改質して水素ガスを発生させて、その水素ガスをスタックに供給する。スタックは、電気を生産する燃料電池本体（以下、便宜上、スタックと称する）である。
【０００６】
図６は、従来の平板型燃料改質器の概略図である。図６を参照すると、上記改質器と関連して、平板型燃料改質器は、予熱器１０、混合予熱器２０、反応気体入口管２１、水蒸気改質反応器３０、連結管３２、ピン３４、出口管３６、バーナー４０、空間５１、５２、５３、排気口５５およびダンパー５６を含む。予熱器１０は、外部から供給される水を予熱させる。混合予熱器２０は、予熱器１０において、予熱された水と外部から供給された炭化水素ガスとを混合して予熱させる。水蒸気改質反応器３０は、混合予熱器２０で予熱された反応気体が熱を吸収することによって、水蒸気改質反応を起こして水素を生成する。バーナー４０は、水蒸気改質反応器３０における吸熱反応のための熱を供給する。予熱器１０、混合予熱器２０、水蒸気改質反応器３０は、断熱処理された平板型燃料改質器の胴体５０の内部に、相互積層が可能な平面型に製作される。よって、予熱器１０、混合予熱器２０、水蒸気改質反応器３０は、平板型燃料改質器の胴体５０の上部から下部へ順に積設されており、水蒸気改質反応器３０の下部には、バーナー４０が設けられる。平板型燃料改質器の胴体５０の内部に順に積層される予熱器１０、混合予熱器２０、水蒸気改質反応器３０との間には、２つのガス誘導板６０、ガス誘導板７０が設けられる。２つのガス誘導板６０、ガス誘導板７０は、下部のバーナー４０から伝達される燃焼熱を各々の反応または予熱に適正な温度で保持する。上記従来の平板型燃料改質器は、特許文献１において開示されている。
【０００７】
【特許文献１】大韓民国特許公開第２００４−３４０２６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述した従来の平板型燃料改質反応器において、流入端に流入される反応気体の流入量と、平板型燃料改質反応器より生成され、排出される改質ガスの排出量との関係を考慮することができなく、平板型燃料改質反応器から生成された改質ガスが円滑に排出できないという問題点があった。
【０００９】
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、改質反応部において生成される改質ガスが改質反応部から円滑に排出されるように構成して、改質効率を向上させることができる燃料改質システム、および燃料改質システムを具備して発電効率を向上させることができる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】
【００１０】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，水素含有燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成させるための改質反応部と、前記改質ガスから一酸化炭素を除去するＣＯ除去部とを有し、前記改質反応部は、前記水素含有燃料が流入される流入口と、前記改質ガスを排出する排出口と、前記流入口と前記排出口を連結させて、前記水素含有燃料が流入される流体通路とを有し、前記流体通路は、その断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって拡大されるように形成され、前記流体通路は、屈曲した部分を有するように形成され、前記流入口の前記開口面積と前記排出口の前記開口面積との比率は、１：１．５〜５で保持される燃料改質システムが提供される。
【００１１】
流体通路は、その前記断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって漸進的に拡大されるテーパ形状に形成されてよい。
【００１２】
流体通路は、その前記断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって屈曲される毎に段階的に大きくなるように形成されてよい。
【００１３】
本発明によれば、改質しようとする改質燃料（水素含有燃料の一部）が流入される改質反応部の流体通路の断面積を、改質燃料の流入口から改質ガスを排出する排出口側まで、漸進的および段階的に拡大するので、改質ガスをより効率良く排出することができる。従って、本発明では、改質燃料の改質効率を向上することができる改質反応部を有する燃料改質システム、および燃料改質システムを具備する燃料電池システムを提供することができる。
【００１４】
排出口の開口面積は、流入口の開口面積より大きく保持されてよい。
【００１５】
また、本発明によれば、改質反応部において、改質燃料が流入される流入口の断面積より、改質ガスを排出する排出口の断面積を大きく形成することで、改質ガスをより効率良く排出することができるので、改質反応部における改質燃料の改質効率を向上することができる。
【００１７】
改質反応部およびＣＯ除去部に熱エネルギーを供給するための熱源をさらに含むことができる。ＣＯ除去部は、改質ガスを水性シフト反応によって、改質ガスに含まれるＣＯの濃度を一次的に低減させる水性ガス転換部と、水性ガス転換部で濃度を低減したＣＯを選択的に酸化させて除去する選択的酸化部とから構成されてよい。
【００１８】
改質反応部は、平板型構造を有することができる。
【００１９】
平板型構造の改質反応部は、複数個の排出口を有することができる。
【００２０】
流体通路は、流体通路の中間部分で複数に分岐され、複数に分岐される各々の流体通路は、複数の排出口を有することができる。
【００２１】
流体通路は、流体通路の中間部分で複数に分岐され、複数に分岐される各々の流体通路は、排出口側で一つに連結されて、一つの排出口を有することができる。
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明の第２の観点によれば、水素含有燃料を供給する燃料供給源と、前記燃料供給源から供給される前記水素含有燃料を改質して、水素を生成する改質器と、前記改質器からの水素と空気供給部からの酸化剤との電気化学反応を通して、電気を生成する発電部とを含み、前記改質器は、前記水素含有燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成させるための改質反応部と、前記改質ガスから一酸化炭素を除去するＣＯ除去部とを有し、前記改質反応部は、前記水素含有燃料が流入される流入口と、前記改質ガスを排出する排出口と、前記流入口と前記排出口を連結させて、前記水素含有燃料が流入される流体通路とを有し、前記流体通路は、その断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって拡大されるように形成され、前記流体通路は、屈曲した部分を有するように形成される燃料電池システムが提供される。
【００２３】
流体通路は、その前記断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって漸進的に拡大されるテーパ形状に形成されてよい。
【００２４】
流体通路は、その前記断面積が前記流入口側から前記排出口側に向かって屈曲される毎に段階的に大きくなるように形成されてよい。
【００２５】
排出口の開口面積は、流入口の開口面積より大きく保持されてよい。
【００２７】
改質反応部およびＣＯ除去部に熱エネルギーを供給するための熱源をさらに含むことができる。
【００２８】
ＣＯ除去部は、改質ガスを水性シフト反応によって、改質ガスに含まれるＣＯの濃度を一次的に低減させる水性ガス転換部と、水性ガス転換部で濃度を低減したＣＯを選択的に酸化させて除去する選択的酸化部とから構成されてよい。
【００２９】
改質反応部は、平板型構造を有することができる。
【００３０】
平板型構造の改質反応部は、複数個の排出口を有することができる。
【００３１】
流体通路は、流体通路の中間部分で複数に分岐され、複数に分岐される各々の流体通路は、複数の排出口を有することができる。
【００３２】
流体通路は、流体通路の中間部分で複数に分岐され、複数に分岐される各々の流体通路は、排出口側で一つに連結されて、一つの排出口を有することができる。
【００３３】
改質反応部は、水蒸気改質方式、自熱改質方式または部分酸化方式からなる群より選択される一つの方式によって、改質ガスを生成することができる。
【００３４】
発電部から生成される水を回収するための回収タンクをさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように本発明によれば、改質燃料を改質して水素が豊富な改質ガスを生成する改質反応部において、改質しようとする改質燃料が流入する流体通路の断面積を改質燃料の流入口から改質ガスが排出される排出口側まで、漸進的かつ段階的に拡大させるおよび／または改質燃料が流入される流入口の開口面積に比べて、改質ガスが排出される排出口の開口面積をさらに大きく形成することによって、改質ガスを改質反応部の排出口を通して円滑に排出することができるので、改質反応部における内圧増加を防止することによって改質反応部の改質効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
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。
【００３７】
本明細書において、これに限られないが、水素含有燃料は、メタノール、エタノールなどのアルコール系燃料、メタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素系燃料、または液化天然ガスなどの天然ガス系燃料のような燃料を意味する。
【００３８】
図１は、本発明の実施形態に係る平板型改質反応部を有する燃料電池システムの概略図である。図１を参照すると、燃料電池システムは、燃料供給源１１０と、改質器１２０と、スタック１３０とを有する。燃料供給源１１０は、供給しようとする水素含有燃料を貯蔵する。改質器１２０は、燃料供給源１１０から供給される水素含有燃料を改質して水素を生成する。スタック１３０は、改質器１２０から供給される水素と酸化剤との電気化学反応を通して、電気を生成する。スタック１３０に供給される酸化剤は、別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋酸素または酸素含有空気から構成され、このような酸化剤は、空気供給部１４０からスタック１３０へ供給される。ここで、スタック１３０は、発電部であってもよい。
【００３９】
燃料供給源１１０に貯蔵されている水素含有燃料の一部は、改質燃料として改質器１２０の改質反応部１２２へ流入され、水素含有燃料の他の一部は、燃焼燃料として改質器１２０の熱源１２６へ流入される。
【００４０】
本発明の実施形態によると、改質器１２０は、改質反応部１２２と、ＣＯ除去部１２４と、熱源１２６とを備える。改質反応部１２２は、燃料供給源１１０から供給される改質燃料から水素成分が主成分である改質ガスを生成することができる。ＣＯ除去部１２４は、改質反応部１２２に流体疎通が可能となるように連結され、改質ガスに含まれている一酸化炭素を除去することができる。熱源１２６は、改質反応部１２２およびＣＯ除去部１２４それぞれに熱エネルギーを供給することができる。ここで、燃料改質システムは、改質反応部１２２と、ＣＯ除去部１２４と、熱源１２６とを備える改質器１２０であり、本発明の実施形態の燃料電池システムの構成要素である。
【００４１】
図２は、本発明の実施形態における燃料電池システムの第１実施形態の平板型改質反応部の平面図である。図２を参照すると、改質反応部１２２は、改質燃料、即ち水素含有燃料の一部が流入される流体通路１２２ａを備える。改質反応部１２２の流体通路１２２ａには、改質触媒（図示せず）が提供される。改質反応部１２２は、これに限られないが、水蒸気改質方式（ＳＲ：ｓｔｅａｍ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、自熱改質方式（ＡＴＲ：ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）および部分酸化方式（ＰＯＸ：ｐａｒｔｉａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）からなる群より選択される一つの方式を用いて水素含有燃料を改質させることができる。部分酸化方式と自熱改質方式は、初期始動および負荷変動に応じる応答の特性に優れる反面、水蒸気改質方式は、水素生産効率の側面からみて優秀であるという長所がある。
【００４２】
水蒸気改質方式は、触媒の存在下で、水素含有燃料と水蒸気との化学反応、即ち吸熱反応によって水素を主成分とする改質ガスを得ることができる。このような水蒸気改質方式において、上記吸熱反応を行うために、外部から多量のエネルギーを必要とするが、改質ガスの供給が安定的であるため、相対的に高濃度の水素が得られるので、最も普遍的に使用される。
【００４３】
したがって、改質反応部１２２が、例えば、水蒸気改質方式を採用している場合に、燃料供給源１１０から供給される水素含有燃料の一部、即ち改質燃料は、回収タンク１５０から供給される水とともに、改質触媒による水蒸気改質反応を通して、水素が豊富な改質ガスに改質される。この際、改質触媒としては、担体に金属を担持したものが例に挙げられる。担持金属は、ルテニウム、ロジウム、ニッケルなどがある。担体としては、二酸化ジルコニウム、アルミナ、シリカゲル、活性アルミナ、二酸化チタン、ゼオライト、活性炭などが使用される。上述した改質ガスには、水素とともに微量の二酸化炭素、メタンガスおよび一酸化炭素も含まれる。一酸化炭素は、特にスタック１３０の電極として一般に用いられる白金触媒を被毒させて、燃料電池システムの性能を低下させるため、一酸化炭素を除去する必要がある。
【００４４】
したがって、一酸化炭素を除去するためのＣＯ除去部１２４は、水性ガス転換触媒反応が行われる水性ガス転換部（図示せず）と、選択的酸化触媒反応が行われる選択的酸化部（図示せず）とを含む。上記水性ガス転換部には、シフト触媒（図示せず）が提供され、選択的酸化部（図示せず）には、酸化触媒（図示せず）が提供される。そして、上記選択的酸化部には、選択的酸化反応に必要な酸化剤が空気供給部１４０によって供給される。
【００４５】
また、改質器１２０は、燃料供給源１１０から供給される水素含有燃料の他の一部、即ち燃焼燃料を燃焼させて熱エネルギーを生成する熱源１２６を備える。熱源１２６には、空気供給部１４０からの酸化剤が供給される。熱源１２６から生成される熱エネルギーは、改質反応部１２２およびＣＯ除去部１２４に供給され、改質反応部１２２およびＣＯ除去部１２４をそれぞれの触媒活性化温度まで加熱させる。
【００４６】
本発明の実施形態によると、改質反応部１２２は、平板型構造で製作される。このような平板型改質反応部１２２は、図２に示したように、流入口ａ１と、排出口ｂ１と、流体通路１２２ａを備える。流入口ａ１には、燃料供給源１１０からの改質燃料が流入され、排出口ｂ１は、平板型改質反応部１２２における水蒸気改質反応によって生成された改質ガスを排出する。流体通路１２２ａは、流入口ａ１と排出口ｂ１との間において、流体疎通を可能になるように、流入口ａ１および排出口ｂ１を連結する。
【００４７】
一方、水蒸気改質方式おいて、水素含有燃料、例えば、メタノールは、下記反応式によって改質され、水素を生成する。
0004545118.tif 000002
【００４８】
上記改質反応は、可逆反応であり、１モルのメタノール（ＣＨ３ＯＨ）当り３モルの水素（３Ｈ２）を生成することができる。理想気体の状態方程式によると、気体のモル数と体積は、互いに比例し、かつ気体の体積は、温度に比例する。
【００４９】
上述した内容を整理すれば、改質反応が進行するにつれて、全体として気体の体積が増加する。これは、一定の体積の平板型改質反応部１２２の流体通路１２２ａにおいて、圧力の増加を誘発させる。このような圧力の増加は、温度が高いほど大きく現れる。結果として、上記反応式の改質反応において、圧力の増加は、逆反応をもたらし、水素の発生量を低減させる。
【００５０】
例えば、下記表１には、流入口ａ１を通して流入される常温（本実施形態では、３００Ｋとする）の改質燃料、即ちメタノールの流入量と、このような改質燃料が改質反応部１２２の流体通路１２２ａに沿って移動する間、改質触媒による水蒸気改質反応によって生成される改質ガスの生成量が示されている。この際、熱源１２６から供給される熱エネルギーによって、改質反応部１２２の流体通路１２２ａは、加熱された状態で保持されているため、このような流体通路１２２ａを通過する改質ガスは、常温以上の温度で保持され、下記表１には、例えば、改質ガスの温度が８２０Ｋと１０５８Ｋである場合のみを示した。
【００５１】
【表１】
0004545118.tif 000003
【００５２】
上記表１を参照すれば、改質反応部１２２の流入口ａ１を通して流入される改質燃料の流量は、２８００ｃｃである反面、流体通路１２２ａから生成される改質ガスの流量は、８２０Ｋの温度で８８５６．９０であり、１０５８Ｋの温度で１３０４１．００であって、温度が増加することにつれて、改質ガスの流量も増加することがわかる。
【００５３】
しかし、改質反応部１２２の流入口ａ１の開口面積と排出口ｂ１の開口面積とを同一に保持した場合、排出口ｂ１を通して排出される改質ガスの排出量が制限され、結果として、改質反応部１２２から生成される改質ガスが流体通路１２２ａで停滞される現象が起きる。これは、改質反応部１２２における内圧増加をもたらして、改質反応が逆反応に進行し、これによって、改質反応部１２２で生成される水素ガスの量が低減され、改質反応部１２２での改質燃料に対する改質効率の低下をもたらす。これは、表１の結果より、１０５８Ｋの改質ガスにおいて、ＭＥＯＨおよびＨ２Ｏの８２０Ｋからの増加率（８２．７％）に比べて、Ｈ２およびＣＯ２の８２０Ｋからの増加率（２３％）が低いので、上記水蒸気改質反応方式の逆反応が進行していることがわかる。
【００５４】
（第１実施形態）
図２を参照して、本発明の第１実施形態によると、改質しようとする改質燃料が流入される流体通路１２２ａの断面積を、改質反応部１２２の流入口ａ１側から改質ガスの排出口ｂ１側まで、拡大する。例えば、流体通路１２２ａの断面積は、改質反応部１２２の流入口ａ１側から改質ガスの排出口ｂ１側に向かって、漸進的かつ段階的に拡大して形成される。特に、排出口ｂ１の開口面積を増大させるために、改質反応部１２２の流入口ａ１の開口面積と排出口ｂ１の開口面積との比率を少なくとも１：１．５〜５で保持し、好ましくは、１：１．５〜３で保持する。これは、流入口ａ１および排出口ｂ１において、流入口ａ１に対する排出口ｂ１の開口面積の比率が、１．５未満であれば、上述したように、流体通路１２２ａで改質ガスの停滞現象が生じ、５超過であれば、改質燃料が完全に改質化される前に排出されて燃料消耗量を増加させる。ここで、流体通路１２２ａは、流入口ａ１から排出口ｂ１に向かって、例えば、コ字形状で屈曲した部分を複数有して形成されてもよい。この時、流入口ａ１から排出口ｂ１に向かって、流体通路１２２ａの断面積は、漸進的に拡大して形成される、例えば、流体通路１２２ａを流入口ａ１から排出口ｂ１に向かって拡大されるテーパ形状に形成してもよい。また、流体通路１２２ａが、流入口ａ１から排出口ｂ１に向かって、コ字形状で屈曲される毎に、流体通路１２２ａの断面積は、段階的に大きくなるように形成されてもよい。
【００５５】
したがって、改質ガスによる内圧増加現象を除去するために、図２に示したように改質反応部１２２において、流入口ａ１の開口面積に比べて、大きい開口面積を有する排出口ｂ１を形成し、なお流体通路１２２ａの断面積を流入口ａ１から排出口ｂ１に向かって、拡大させる。次に、本発明の実施形態における燃料電地システムの平板型改質反応部の第２〜第４実施形態について、説明する。
【００５６】
（第２実施形態）
図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの第２実施形態の平板型改質反応部の平面図である。なお、図３に示したように、改質反応部２２２において、流入口ａ２の開口面積と類似もしくは、これより大きな開口面積を有する排出口ｂ２を複数個（図３には、図示の簡略化のため２個のみが示されている）形成する。流体通路２２２ａは、流入口ａ２と排出口ｂ２とを流体疎通を可能にするために連結する。複数個の排出口ｂ２を備えることによって、改質ガスを効率良く排出できる。
【００５７】
（第３実施形態）
図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの第３実施形態の平板型改質反応部の平面図である。また、図４に示したように、改質反応部３２２において、流入口ａ３と排出口ｂ３との間の流体通路３２２ａは、流体通路３２２ａの所定の部分、例えば、中間部分から分岐する。例えば、流入口ａ３に繋がる一つのメイン流体通路は、メイン流体通路の中間部分から２つのサブ流体通路で分岐され、サブ流体通路は、排出口ｂ３をそれぞれ有する。これに加えて、それぞれのサブ流体通路は、複数個の排出口ｂ３を有することができる。メイン流体通路は、二つ以上に分岐されてもよい。複数個の排出口ｂ３を備えることによって、改質ガスを効率良く排出できる。
【００５８】
（第４実施形態）
図５は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの第４実施形態の平板型改質反応部の平面図である。一方、図５を参照すれば、改質反応部４２２において、流入口ａ４に繋がる一つの流体通路４２２ａは、流体通路４２２ａの所定の部分、例えば、中間部分から複数個のサブ流体通路に分岐され、このような複数個のサブ流体通路は、排出口ｂ４に繋がる一つのメイン流体通路に合体する、つまり、排出口ｂ４側で一つに連結されることもあり得る。この場合、合体されたメイン流体通路は、一つの排出口ｂ４を有する。
【００５９】
以上本発明の実施形態によれば、改質しようとする改質燃料（水素含有燃料の一部）が流入される流体通路の断面積を、改質燃料の流入口から改質ガスの排出口側まで、漸進的かつ段階的に拡大させることによって、および／または、改質燃料が流入される流入口の開口面積に比べて、改質された改質ガスが排出される排出口の開口面積をさらに大きく保持することによって、流体通路内における改質ガスの内圧増加に伴う改質反応部の改質効率低下を防ぐことができる。
【００６０】
以下、本発明の実施形態の改質反応部の有する改質器を備える燃料電池システムの発電動作を説明する。
【００６１】
まず、燃料供給源１１０から供給される水素含有燃料の他の一部、即ち燃焼燃料が熱源１２６に供給されて、この際に生成される熱エネルギーが改質反応部１２２と、ＣＯ除去部１２４とに提供される。改質反応部１２２およびＣＯ除去部１２４は、それぞれの触媒活性化温度まで加熱される。その後、燃料供給源１１０から水素含有燃料の一部、即ち改質燃料が改質器１２０の改質反応部１２２に供給される。
【００６２】
水と共に、改質反応部１２２の流入口ａ１を通して流入された改質燃料は、流体通路１２２ａを流動する間に、改質触媒による水蒸気改質反応を通して改質される。生成される改質ガスは、排出口ｂ１を通して、ＣＯ除去部１２４に流動するようになる。流体通路１２２ａは、流入口ａ１側から排出口ｂ１側へ向かって、漸進的かつ段階的に拡大されており、なお排出口ｂ１の開口面積が、流入口ａ１の開口面積に比べて、大きく形成されているため、改質ガスは、流体通路１２２ａの内部で倍圧に作用せず、円滑に排出口ｂ１を通して排出されることができる。
【００６３】
結果として、流体通路１２２ａにおける改質ガスによる内圧増加を防止して、改質反応が順方向に進行することによって、改質燃料に対する改質効率を向上させることができる。
【００６４】
改質ガスがＣＯ除去部１２４に流入された後に、改質ガスに含まれている一酸化炭素は、上記水性ガス転換部のシフト触媒で一次的に濃度を低減され、除去された後、上記選択的酸化部の酸化触媒で選択的に酸化されて除去される。したがって、ＣＯ除去部１２４から排出される水素に含まれる一酸化炭素の含有量は、目標含有量、例えば、少なくとも１０ｐｐｍ以下となる。
【００６５】
このような高純度の水素は、スタック１３０に供給されて、スタック１３０における発電動作が行われる。即ち、高純度の水素は、スタック１３０のアノード電極（図示せず）に流入され、酸素含有空気は、空気供給部１４０からスタック１３０のカソード電極（図示せず）に供給される。スタック１３０のＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；図示せず）を通して、水素イオンの伝達結果、水素と酸素との化学反応によって電気が生成される。そして、スタック１３０内での化学反応結果で生成される水は、回収タンク１５０に回収された後に再活用される。
【００６６】
本発明の実施形態は、改質燃料を改質して水素が豊富な改質ガスを生成する改質反応部において、改質しようとする改質燃料が流入される流体通路の断面積を、改質燃料の流入口から改質ガスの排出口側まで、漸進的かつ段階的に拡大させるおよび／または改質燃料が流入される流入口の開口面積に比べて、改質ガスが排出される排出口の開口面積をさらに大きく形成することによって、改質ガスを改質反応部の排出口を通して円滑に排出することができるので、改質反応部における内圧増加を防止できる。従って、本発明の実施形態によると、改質反応部における改質反応が順方向に効率良く行われるので、改質反応部で生成される水素の量を増加することができるため、改質反応部の改質効率を向上させることができる。よって、本発明の実施形態の燃料改質システムを具備する燃料電池システムは、その発電効率を向上することができる。
【００６７】
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】
【００６８】
【図１】本発明の実施形態に係る平板型改質反応部を有する燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る平板型改質反応部の平面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る平板型改質反応部の平面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る平板型改質反応部の平面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る平板型改質反応部の平面図である。
【図６】従来技術の平板型燃料改質器の概略図である。
【符号の説明】
【００６９】
１１０      燃料供給源
１２０      改質器
１３０      スタック
１４０      空気供給部
１５０      回収タンク
１２２      改質反応部
１２４      ＣＯ除去部
１２６      熱源
１２２ａ      流体通路
ａ１      流入口
ｂ１      排出口
【図１】
0004545118.tif 000004
【図２】
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【図３】
0004545118.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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