(57)【要約】【課題】直接熱源を供給され、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行う改質器を提供する。【解決手段】自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行い、水素含有燃料を水素に富む改質ガスに改質する改質反応部と、前記改質反応部の一側に接するように設けられ、前記改質反応部に熱源を提供する熱源部と、開閉手段を用いて前記改質反応部に選択的に空気を供給する空気供給部と、を含む。前記開閉手段は、第１弁であり、前記第１弁は、前記改質反応部の前段に設ける。【選択図】図１
2007131513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行い、水素含有燃料を水素に富む改質ガスに改質する改質反応部と、
前記改質反応部の一側に接するように設けられ、前記改質反応部に熱源を提供する熱源部と、
開閉手段を用いて前記改質反応部に選択的に空気を供給する空気供給部と、
を含むことを特徴とする改質器。
【請求項２】
前記開閉手段は、第１弁であり、前記第１弁は、前記改質反応部の前段に設けることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
【請求項３】
前記改質反応部と流体連通可能に連結され、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の改質器。
【請求項４】
前記一酸化炭素除去部は、水性ガスシフト触媒反応をする水性ガスシフト部及び選択的酸化触媒反応をする選択的酸化部からなることを特徴とする請求項３に記載の改質器。
【請求項５】
前記改質反応部で前記自己熱改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記水性ガスシフト部と前記選択的酸化部とに流動させる流路切替手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の改質器。
【請求項６】
前記改質反応部で前記水蒸気改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記選択的酸化部に流動させる流路切替手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の改質器。
【請求項７】
前記流路切替手段は、第２弁及び第３弁であり、前記第２弁は、前記選択的酸化部の前段に設けられ、前記第３弁は、前記水性ガスシフト部の前段に設けられることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の改質器。
【請求項８】
前記改質反応部に温度を感知する温度感知器が設けられることを特徴とする請求項７に記載の改質器。
【請求項９】
前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度未満である時は、前記第１弁を開放し、前記第２弁を遮断し、前記第３弁を開放し、前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度以上である時は、前記第１弁を遮断し、前記第２弁を開放し、前記第３弁を遮断する制御器をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の改質器。
【請求項１０】
前記空気供給部は、前記熱源部に空気を供給し、前記熱源部は、燃焼燃料を燃焼させて熱源を提供することを特徴とする請求項９に記載の改質器。
【請求項１１】
原燃料を貯蔵し供給する燃料供給部、
前記原燃料を使用して水素を生成する改質器、
空気を供給する送風機、
前記水素及び前記空気中に含まれた酸素を用いた電気化学反応により電気を生産する電気発生部、及び、
前記改質器に水を供給する水貯蔵容器を含むことを特徴とする燃料電池システムにおいて、前記改質器は、
自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行い、前記原燃料を用いて水素に富む改質ガスに改質する改質反応部、
前記改質反応部の一側に接するように設けられ、前記改質反応部に熱源を提供する熱源部、及び、
開閉手段を用いて前記改質反応部に選択的に空気を供給する空気供給部を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
前記開閉手段は、第１弁であり、前記第１弁は、前記改質反応部の前段に設ける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】
前記改質反応部と流体連通可能に連結され、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記一酸化炭素除去部は、水性ガスシフト触媒反応をする水性ガスシフト部及び選択的酸化触媒反応をする選択的酸化部からなることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記改質反応部で前記自己熱改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記水性ガスシフト部と前記選択的酸化部とに流動させる流路切替手段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記改質反応部で前記水蒸気改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記選択的酸化部に流動させる流路切替手段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記流路切替手段は、第２弁及び第３弁であり、前記第２弁は、前記選択的酸化部の前段に設けられ、前記第３弁は、前記水性ガスシフト部の前段に設けられることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記改質反応部に温度を感知する温度感知器が設けられることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度未満である時は、前記第１弁を開放し、前記第２弁を遮断し、前記第３弁を開放し、前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度以上である時は、前記第１弁を遮断し、前記第２弁を開放し、前記第３弁を遮断する制御器をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記空気供給部は、前記熱源部に空気を供給し、前記熱源部は、燃焼燃料を燃焼させて熱源を提供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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器に関し、特に、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを同時に行う改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。前記水素は、純水素を直接燃料電池システムに供給することもでき、メタノール、エタノール、天然ガスなどのような物質を改質して水素を供給することもできる。前記酸素は、純酸素を直接燃料電池システムに供給することもでき、空気ポンプなどを用いて通常の空気に含まれた酸素を供給することもできる。
【０００３】
このような燃料電池は、常温または１００℃以下で作動する高分子電解質型及び直接メタノール型燃料電池、１５０〜２００℃付近で作動するリン酸型燃料電池、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などに分類される。前記それぞれの燃料電池は、基本的に類似の原理により作動するが、使用される燃料の種類、触媒、電解質などが互いに異なる。
【０００４】
このうち、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、メタノール、エタノール、天然ガスなどの水素を含む物質を改質して生成された水素を使用し、他の燃料電池に比べて出力特性に優れ、作動温度が低いだけでなく、迅速な始動及び応答特性を有する。したがって、自動車のような移動用電源はもちろん、住宅や公共ビルのような分散用電源及び携帯用電子機器のような小型携帯機器用電源などに用いることができ、その応用範囲が広いという長所がある。
【０００５】
基本的に、高分子電解質型燃料電池は、燃料を貯蔵する燃料容器、燃料を改質して水素を発生させる改質器、及び水素と酸素との電気化学反応により所定の電圧及び電流を発生させる電気発生部を含む。電気発生部は、電気エネルギーを発生させる少なくとも１つの単位燃料電池を含むが、複数の単位燃料電池が積層されたスタック構造を有することもできる。
【０００６】
このような構造の高分子電解質型燃料電池は、燃料容器に貯蔵された燃料を改質器に供給し、燃料を改質器で改質して水素を発生させ、電気発生部で水素と酸素とを用いて電気化学的に反応させて電気エネルギーを生産する。
【０００７】
改質器は、燃料と水との混合物を改質反応により水素に富む改質ガスに切り替えるだけでなく、改質ガスに含まれて燃料電池の触媒を被毒する一酸化炭素を除去する。したがって、通常の改質器は、燃料を改質して水素に富む改質ガスを発生させる改質反応部と、このような改質ガスに混合された一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部とを含む。前記改質反応部は、水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ：ＳＲ）、部分酸化（Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＯＸ）、自己熱改質反応（Ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）などの触媒反応により燃料を水素に富む改質ガスに切り替える。前記一酸化炭素除去部は、水性ガスシフト（Ｗａｔｅｒ  Ｇａｓ  Ｓｈｉｆｔ：ＷＧＳ）、選択的酸化（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ＣＯ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）などのような触媒反応または分離膜を用いた水素の精製などにより前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を除去する。
【０００８】
これらの触媒反応は、所定の触媒活性温度状態で生じることができ、このために、通常、改質器に別の熱源部を設けて改質器に熱源を供給する。前記水蒸気改質触媒反応は、通常６００〜８００℃の高温の触媒活性温度を要するため、長い予熱時間が必要であり、そのため、初期起動時間が長いという短所がある。しかし、前記水蒸気改質反応により生産された水素は、純度が高く、一酸化炭素などの不純物が少なく含まれるという長所がある。反面、自己熱改質触媒反応は、燃料が燃焼して反応するため、燃焼中に発生する熱を用いることができ、予熱時間が短く、初期起動時間が短いという長所がある。しかし、自己熱改質触媒反応により生成される水素は、純度が低く、一酸化炭素などの不純物が多く含まれるという短所がある。したがって、初期起動時には、前記自己熱改質触媒反応を行うことで、生産される水素の純度は低いが、予熱時間を最大限短縮することができ、改質器が充分に予熱された後には、前記水蒸気改質触媒反応を行うことで、純度の高い水素を生産できる改質器が開発されている。
【０００９】
このような改質器の一例として、特開２０００−３１９００４号公報の特許文献に改質器（図３参照）が開示されている。前記特許文献によると、改質器は、運転状況が吸熱反応である水蒸気改質反応である場合には、ガス流方向切替手段であるコントローラ５、第１弁Ａ、第２弁Ｂにより熱交換器型改質部４内で加熱ガスを燃料ガスの流れに対して並行流にして流すことにより、水蒸気改質反応を効果的に行わせる。また、運転状況が熱交換器型改質部４の燃料ガスの上流側で主に発熱反応し、燃料ガスの下流側で吸熱反応となる自己熱改質触媒反応である場合には、ガス流方向切替手段であるコントローラ５、第１弁Ａ、第２弁Ｂにより加熱ガスを燃料ガスの流れに対して対向流にして流すことにより、自己熱改質触媒反応を効果的に行わせる。前記加熱ガスは、メタノールを触媒燃焼器３で燃焼させて生成する。しかし、この場合、加熱ガスを用いて改質器を加熱するため、熱伝導効率が落ちることがあり、メタノールが燃焼した後、発生した異物により改質部が汚染されることがある。
【特許文献１】特開２０００−３１９００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前述の問題を考慮して導き出されたもので、本発明の目的は、接触して対向する熱源部から熱源を供給され、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを同時に行う改質器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の目的を達成するために、本発明による改質器は、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行い、水素含有燃料を水素に富む改質ガスに改質する改質反応部と、前記改質反応部の一側に接するように設けられ、前記改質反応部に熱源を提供する熱源部と、開閉手段を用いて前記改質反応部に選択的に空気を供給する空気供給部と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
前記開閉手段は、第１弁であり、前記第１弁は、前記改質反応部の前段に設けることができる。また、前記改質反応部と流体連通可能に連結され、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部をさらに含むことができるが、前記一酸化炭素除去部は、水性ガスシフト触媒反応をする水性ガスシフト部及び選択的酸化触媒反応をする選択的酸化部からなることができる。
【００１３】
前記改質器は、前記改質反応部で前記自己熱改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記水性ガスシフト部と前記選択的酸化部に流動させる流路切替手段とを含むことができ、また、前記改質反応部で前記水蒸気改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記選択的酸化部に流動させる流路切替手段を含むことができる。前記流路切替手段は、第２弁及び第３弁であり、前記第２弁は、前記選択的酸化部の前段に設けられ、前記第３弁は、前記水性ガスシフト部の前段に設けられることができる。
【００１４】
前記改質器は、前記改質反応部に温度を感知する温度感知器が設けられることができるが、前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度未満である時は、前記第１弁を開放し、前記第２弁を遮断し、前記第３弁を開放し、前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度以上である時は、前記第１弁を遮断し、前記第２弁を開放し、前記第３弁を遮断する制御器をさらに備えることができる。
【００１５】
前記空気供給部は、前記熱源部に空気を供給し、前記熱源部は、燃焼燃料を燃焼させて熱源を提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による改質器によると、改質器に接して設けられた熱源部を介して前記触媒反応に必要な熱源を直接供給するため、改質器を間接加熱する時よりも改質器の予熱時間を短縮することができる。また、改質器の起動初期には、予熱時間が短い自己熱改質触媒反応を行うことにより、改質器の初期起動時から水素を生産することができ、効率的な燃料電池の運転が可能である。そして、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とにより一酸化炭素を低減する工程を別に行うことにより、効率的に高純度の水素を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を明確にするための好ましい実施例を、添付した図面に基づいて詳細に説明する。図中の同じ参照符号は、同一又は類似の構成要素を表す。
【００１８】
図１は、本発明の実施例による改質器１００を示す概略図である。
【００１９】
本発明の実施例において、燃料とは、メタノール、天然ガス、ブタンなどのように水素を含んでおり、改質過程を通じて水素を生成することができる物質を意味する。このような燃料の一部は、水または空気と混合して水素に改質される改質燃料として使用される。燃料の他の一部は、改質反応部と一酸化炭素除去部をそれぞれの触媒活性化温度まで加熱するために、熱エネルギーを供給するための燃焼燃料として使用される。特に、前記燃料としてブタンを使用する場合、ブタン燃料容器のノズルを開放すると、気化した燃料が自ら燃料容器の外部に放出されることから、別の燃料供給装置なしに、燃料電池システムに燃料を供給することができ、燃焼熱が高く、改質器の熱源を供給する燃料として同時に使用することができるという長所がある。一方、酸化剤は、別の貯蔵手段に貯蔵された純酸素または酸素含有空気を使用することができるが、以下では、通常の空気に含まれた酸素を使用する。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の実施例による改質器１００は、空気供給部１０、熱源部２０、改質反応部３０、水性ガスシフト部４０、選択的酸化部５０、制御器６０、第１弁７０、第２弁７１、第３弁７２及び温度感知器８０で構成される。
【００２１】
空気供給部１０は、熱源部２０及び改質反応部３０にそれぞれ空気を供給し、通常の空気送風機などを用いることができる。空気供給部１０は、改質器１００が作動する間、熱源部２０に空気を持続的に供給する反面、第１弁７０の制御により改質反応部３０には空気を選択的に供給することができる。
【００２２】
熱源部２０には、空気供給部１０から供給された通常の空気に含まれた酸素を用いて前記燃焼燃料を燃焼させる。前記燃焼過程で発生する燃焼熱は、改質反応部３０に伝達される。
【００２３】
改質反応部３０は、熱源部２０の一側に接して緊密に設けられる。改質反応部３０の他側には、温度感知器８０が設けられ、改質反応部３０の温度を感知する。改質反応部３０の内部には、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを同時に行うことができる触媒が設けられる。改質反応部３０が水蒸気改質触媒温度である６００℃〜８００℃未満の温度である時、改質反応部３０に前記改質燃料と水と酸素とが供給されると、前記触媒は、上記のような自己熱改質触媒反応を行う。反面、改質反応部３０が水蒸気改質触媒温度である６００℃〜８００℃以上の温度である時、改質反応部３０に前記改質燃料と水とが供給されると、前記触媒は、前記水蒸気改質触媒反応を行う。改質反応部３０には、改質器１００が作動する間、前記改質燃料と水とが持続的に混合流入する反面、上述の第１弁７０の作用により空気供給部１０を介して空気が選択的に供給される。
【００２４】
改質反応部３０は、前記自己熱改質触媒反応及び前記水蒸気改質触媒反応により前記改質燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する。前記自己熱改質触媒反応のとき、触媒活性温度に予熱する時間が短縮し、初期起動時間が短い。したがって、改質器１００を初期起動する時には、改質反応部３０に空気を供給し、前記改質燃料と水とが、空気とともに、前記自己熱改質触媒反応を生じさせる。一方、改質反応部３０は、前記自己熱改質触媒反応で発生する熱と、熱源部２０から伝達される熱により温度が持続的に上昇する。この時、温度感知器８０により改質反応部３０の温度が前述の水蒸気改質触媒反応温度まで上昇したことを感知すると、第１弁７０を遮断して空気供給部１０から改質反応部３０に供給される空気を遮断する。すると、前記改質燃料と水とが前記水蒸気改質触媒反応をして水素に富む改質ガスを生成する。
【００２５】
改質反応部３０で生成された前記改質ガスは、改質反応部３０に設けられた改質ガス流路９０を介して水性ガスシフト部４０と選択的酸化部５０とに供給される。改質ガス流路９０は分岐し、改質ガス流路９０が分岐した一側は、第２弁７１が設けられ、選択的酸化部５０と連結され、改質ガス流路９０が分岐した他側は、第３弁７２が設けられ、水性ガスシフト部４０と連結される。水性ガスシフト部４０及び選択的酸化部５０は、それぞれ水性ガスシフト触媒反応及び選択的酸化触媒反応を行う。通常、水性ガスシフト触媒反応は、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素の量を１〜５％に低減させることができ、選択的酸化触媒反応は、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素の量を５０ｐｐｍ以下に低減させることができる。したがって、前記改質ガスに一酸化炭素が比較的多量含まれている際は、まず、前記改質ガスに水性ガスシフト触媒反応を行い、一酸化炭素を一次低減させた後、さらに選択的酸化触媒反応を行い、一酸化炭素を二次低減させる。反面、前記改質ガスに一酸化炭素が比較的少量含まれている際は、前記改質ガスを選択的酸化触媒反応のみを行い、一酸化炭素を低減させる。一方、前記触媒反応に必要な熱源は、熱源部２０を介して直接間接的に供給されるか、または別の熱源（図示せず）を付加することができる。
【００２６】
前記自己熱改質触媒反応により改質反応部３０で生成された改質ガスには、相対的に一酸化炭素が多く含まれている。そのため、改質反応部３０が前記自己熱改質触媒反応をした場合には、第２弁７１を遮断し、第３弁７２を開放し、前記自己熱改質触媒反応により生成された改質ガスを、一旦、水性ガスシフト部４０に供給する。水性ガスシフト部４０は、水性ガスシフト触媒反応を行い、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を一次低減し、前記改質ガスをさらに選択的酸化部５０に供給する。すると、選択的酸化部５０では選択的酸化触媒反応を行い、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を二次低減し、一酸化炭素がほとんど除去された高純度の水素を生成することができる。
【００２７】
反面、前記水蒸気改質触媒反応により改質反応部３０で生成された改質ガスには、相対的に一酸化炭素が少なく含まれる。そのため、改質反応部３０が前記水蒸気改質触媒反応をした場合には、第２弁７１を開放し、第３弁７２を遮断し、前記水蒸気改質触媒反応により生成された改質ガスを直接選択的酸化部５０に供給する。選択的酸化部５０では選択的酸化触媒反応を行い、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を低減し、一酸化炭素がほとんど除去された純水素を生成することができる。
【００２８】
一方、制御器６０を付加して、温度感知器８０で感知された温度に応じて自動的に第１弁７０と第２弁７１と第３弁７２とを開閉することができる。すなわち、制御器６０は、温度感知器８０で感知した改質反応部３０の温度に該当する所定の信号を入力され、改質反応部３０の温度が相対的に低い改質器１００の初期起動時には、第１弁７０を開放し、第２弁７１を遮断し、第３弁７３を開放する制御信号を送出する。反面、改質反応部３０の温度が６００℃〜８００℃まで予熱されたことを温度感知器８０で感知すると、制御器６０は、第１弁７０を遮断し、第２弁７１を開放し、第３弁７３を遮断する制御信号を送出する。
【００２９】
図２は、本発明の実施例による改質器１００を採用した高分子電解質型燃料電池システムを示す概略図である。
【００３０】
図２を参照すると、本発明の実施例による改質器１００を採用した高分子電解質型燃料電池は、燃料供給部１１０、燃料混合器１２０、改質器１００、電気発生部１４０、送風機１５０、凝縮器１６０及び水貯蔵容器１７０で構成される。
【００３１】
燃料混合器１２０には、燃料供給部１１０に貯蔵された前記原燃料及び水貯蔵容器１７０に貯蔵された水が混入し、前記混合燃料を生成する。
【００３２】
改質器１００は、上述のように水蒸気改質触媒反応や自己熱改質触媒反応などにより前記混合燃料を改質して水素に富む改質ガスに変換し、水性ガスシフト触媒反応、部分酸化触媒反応などにより前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を低減し、高濃度の純水素を生成する。
【００３３】
電気発生部１４０は、改質器１００で改質された水素と、送風機１５０を用いて流入した通常の空気に含まれた酸素と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。電気発生部１４０は、水素と酸素とをそれぞれ酸化／還元させる電解質膜−電極接合体１４４と、水素と酸素とを電解質膜−電極接合体１４４に供給するためのバイポーラプレート１４５とを含むことができる。電解質膜−電極接合体１４４は、両側面をなすアノード電極１４２及びカソード電極１４３の間に電解質膜１４１が介在された通常の電解質膜−電極接合体の構造を有することができる。
【００３４】
上記の構成より、前記水素は、アノード側注入口１４６を介して電気発生部１４０に流入し、アノード電極１４２に隣接するバイポーラプレート１４５を介してアノード電極１４２に供給される。また、空気中に含まれた酸素は、カソード側注入口１４８を介して電気発生部１４０に流入し、カソード電極１４３に隣接するもう１つのバイポーラプレート１４５を介してカソード電極１４３に供給される。また、カソード電極１４３で発生した生成物は、隣接するバイポーラプレート１４５に沿って移動し、カソード側排出口１４７を介して電気発生部１４０の外部に排出される。
【００３５】
電気発生部１４０で発生する電気化学反応を反応式で表すと、下記反応式１の通りである。
【００３６】
（反応式１）
アノード電極：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−
カソード電極：（１／２）Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
全体反応式：Ｈ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  ＋  電流  ＋  熱
【００３７】
電気発生部１４０のカソード排出口１４７には、凝縮器１６０が設けられ、カソード排出口１４７から排出された高温状態の水を凝縮して水を生成し、これを水貯蔵容器１７０に移送して貯蔵する。水貯蔵容器１７０に貯蔵された水は、燃料混合器１２０に供給される。
【００３８】
以上より、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は、これに限るものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これまた、本発明の範囲に属するということは言うまでもない。
【００３９】
上記の内容は、本発明の好ましい実施例を単に例示したものであり、本発明の属する技術分野の当業者は、添付された請求範囲に記載の本発明の思想及び要旨を逸脱することなく、本発明に対する修正及び変更を加えることができるということを認識しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例による改質器を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例による改質器を採用した高分子電解質型燃料電池システムを示す概略図である。
【図３】従来の一実施例による改質器を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  空気供給部
２０  熱源部
３０  改質反応部
４０  水性ガスシフト部
５０  選択的酸化部
６０  制御器
７０、７１、７２  弁
８０  温度感知器
１４０  電気発生部
【図１】
2007131513.tif 000003
【図２】
2007131513.tif 000004
【図３】
2007131513.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年12月18日(2006.12.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行い、水素含有燃料を水素に富む改質ガスに改質する改質反応部と、
前記改質反応部の一側に接するように設けられ、前記改質反応部に熱源を提供する熱源部と、
開閉手段を用いて前記改質反応部に選択的に空気を供給する空気供給部と、
を含むことを特徴とする改質器。
【請求項２】
前記開閉手段は、第１弁であり、前記第１弁は、前記改質反応部の前段に設けることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
【請求項３】
前記改質反応部と流体連通可能に連結され、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の改質器。
【請求項４】
前記一酸化炭素除去部は、水性ガスシフト触媒反応をする水性ガスシフト部及び選択的酸化触媒反応をする選択的酸化部からなることを特徴とする請求項３に記載の改質器。
【請求項５】
前記改質反応部で前記自己熱改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記水性ガスシフト部と前記選択的酸化部とに流動させる流路切替手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の改質器。
【請求項６】
前記改質反応部で前記水蒸気改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記選択的酸化部に流動させる流路切替手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の改質器。
【請求項７】
前記流路切替手段は、第２弁及び第３弁であり、前記第２弁は、前記選択的酸化部の前段に設けられ、前記第３弁は、前記水性ガスシフト部の前段に設けられることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の改質器。
【請求項８】
前記改質反応部に温度を感知する温度感知器が設けられることを特徴とする請求項７に記載の改質器。
【請求項９】
前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度未満である時は、前記第１弁を開放し、前記第２弁を遮断し、前記第３弁を開放し、前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度以上である時は、前記第１弁を遮断し、前記第２弁を開放し、前記第３弁を遮断する制御器をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の改質器。
【請求項１０】
前記空気供給部は、前記熱源部に空気を供給し、前記熱源部は、燃焼燃料を燃焼させて熱源を提供することを特徴とする請求項９に記載の改質器。
【請求項１１】
原燃料を貯蔵し供給する燃料供給部、
前記原燃料を使用して水素を生成する改質器、
空気を供給する送風機、
前記水素及び前記空気中に含まれた酸素を用いた電気化学反応により電気を生産する電気発生部、及び、
前記改質器に水を供給する水貯蔵容器を含むことを特徴とする燃料電池システムにおいて、前記改質器は、
自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行い、前記原燃料を用いて水素に富む改質ガスに改質する改質反応部、
前記改質反応部の一側に接するように設けられ、前記改質反応部に熱源を提供する熱源部、及び、
開閉手段を用いて前記改質反応部に選択的に空気を供給する空気供給部を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
前記開閉手段は、第１弁であり、前記第１弁は、前記改質反応部の前段に設ける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】
前記改質反応部と流体連通可能に連結され、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記一酸化炭素除去部は、水性ガスシフト触媒反応をする水性ガスシフト部及び選択的酸化触媒反応をする選択的酸化部からなることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記改質反応部で前記自己熱改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記水性ガスシフト部と前記選択的酸化部とに流動させる流路切替手段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記改質反応部で前記水蒸気改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記選択的酸化部に流動させる流路切替手段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記流路切替手段は、第２弁及び第３弁であり、前記第２弁は、前記選択的酸化部の前段に設けられ、前記第３弁は、前記水性ガスシフト部の前段に設けられることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記改質反応部に温度を感知する温度感知器が設けられることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度未満である時は、前記第１弁を開放し、前記第２弁を遮断し、前記第３弁を開放し、前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度以上である時は、前記第１弁を遮断し、前記第２弁を開放し、前記第３弁を遮断する制御器をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記空気供給部は、前記熱源部に空気を供給し、前記熱源部は、燃焼燃料を燃焼させて熱源を提供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】
改質反応部に燃料、水及び酸素含有空気を含む反応物質を供給しながら自己熱改質触媒反応によって水素を生成する段階と、
改質触媒反応を遂行するために前記酸素含有空気の供給を遮断する段階と、
からなることを特徴とする改質器の運転方法。
【請求項２２】
前記遮断段階は、前記改質反応部の温度が基準温度以上のとき遂行されることを特徴とする請求項２１に記載の改質器の運転方法。
【請求項２３】
前記基準温度は、水蒸気改質触媒の活性温度であることを特徴とする請求項２２に記載の改質器の運転方法。
【請求項２４】
前記遮断段階は、前記改質器を６００〜８００℃で予熱するための一定時間が経過した後に遂行されることを特徴とする請求項２１に記載の改質器の運転方法。
【請求項２５】
前記遮断段階以前に生成される水素を水生ガス転換部を経由して選択的酸化部に供給する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の改質器の運転方法。
【請求項２６】
前記遮断段階以後に生成される水素を選択的酸化部に供給する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の改質器の運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器に関し、特に、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行う改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。前記水素は、純水素を直接燃料電池システムに供給することもでき、メタノール、エタノール、天然ガスなどのような物質を改質して水素を供給することもできる。前記酸素は、純酸素を直接燃料電池システムに供給することもでき、空気ポンプなどを用いて通常の空気に含まれた酸素を供給することもできる。
【０００３】
このような燃料電池は、常温または１００℃以下で作動する高分子電解質型及び直接メタノール型燃料電池、１５０〜２００℃付近で作動するリン酸型燃料電池、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などに分類される。前記それぞれの燃料電池は、基本的に類似の原理により作動するが、使用される燃料の種類、触媒、電解質などが互いに異なる。
【０００４】
このうち、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、メタノール、エタノール、天然ガスなどの水素を含む物質を改質して生成された水素を使用し、他の燃料電池に比べて出力特性に優れ、作動温度が低いだけでなく、迅速な始動及び応答特性を有する。したがって、自動車のような移動用電源はもちろん、住宅や公共ビルのような分散用電源及び携帯用電子機器のような小型携帯機器用電源などに用いることができ、その応用範囲が広いという長所がある。
【０００５】
基本的に、高分子電解質型燃料電池は、燃料を貯蔵する燃料容器、燃料を改質して水素を発生させる改質器、及び水素と酸素との電気化学反応により所定の電圧及び電流を発生させる電気発生部を含む。電気発生部は、電気エネルギーを発生させる少なくとも１つの単位燃料電池を含むが、複数の単位燃料電池が積層されたスタック構造を有することもできる。
【０００６】
このような構造の高分子電解質型燃料電池は、燃料容器に貯蔵された燃料を改質器に供給し、燃料を改質器で改質して水素を発生させ、電気発生部で水素と酸素とを用いて電気化学的に反応させて電気エネルギーを生産する。
【０００７】
改質器は、燃料と水との混合物を改質反応により水素に富む改質ガスに切り替えるだけでなく、改質ガスに含まれて燃料電池の触媒を被毒する一酸化炭素を除去する。したがって、通常の改質器は、燃料を改質して水素に富む改質ガスを発生させる改質反応部と、このような改質ガスに混合された一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部とを含む。前記改質反応部は、水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ：ＳＲ）、部分酸化（Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＯＸ）、自己熱改質反応（Ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）などの触媒反応により燃料を水素に富む改質ガスに切り替える。前記一酸化炭素除去部は、水性ガスシフト（Ｗａｔｅｒ  Ｇａｓ  Ｓｈｉｆｔ：ＷＧＳ）、選択的酸化（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ＣＯ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＰＲＯＸ）などのような触媒反応または分離膜を用いた水素の精製などにより前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を除去する。
【０００８】
これらの触媒反応は、所定の触媒活性温度状態で生じることができ、このために、通常、改質器に別の熱源部を設けて改質器に熱源を供給する。前記水蒸気改質触媒反応は、通常６００〜８００℃の高温の触媒活性温度を要するため、長い予熱時間が必要であり、そのため、初期起動時間が長いという短所がある。しかし、前記水蒸気改質反応により生産された水素は、純度が高く、一酸化炭素などの不純物が少なく含まれるという長所がある。反面、自己熱改質触媒反応は、燃料が燃焼して反応するため、燃焼中に発生する熱を用いることができ、予熱時間が短く、初期起動時間が短いという長所がある。しかし、自己熱改質触媒反応により生成される水素は、純度が低く、一酸化炭素などの不純物が多く含まれるという短所がある。
【０００９】
このような改質器の一例として、特開２０００−３１９００４号公報の特許文献に改質器（図３参照）が開示されている。前記特許文献によると、改質器は、運転状況が吸熱反応である水蒸気改質反応である場合には、ガス流方向切替手段であるコントローラ５、第１弁Ａ、第２弁Ｂにより熱交換器型改質部４内で加熱ガスを燃料ガスの流れに対して並行流にして流すことにより、水蒸気改質反応を効果的に行わせる。また、運転状況が熱交換器型改質部４の燃料ガスの上流側で主に発熱反応し、燃料ガスの下流側で吸熱反応となる自己熱改質触媒反応である場合には、ガス流方向切替手段であるコントローラ５、第１弁Ａ、第２弁Ｂにより加熱ガスを燃料ガスの流れに対して対向流にして流すことにより、自己熱改質触媒反応を効果的に行わせる。前記加熱ガスは、メタノールを触媒燃焼器３で燃焼させて生成する。しかし、この場合、加熱ガスを用いて改質器を加熱するため、熱伝導効率が落ちることがあり、メタノールが燃焼した後、発生した異物により改質部が汚染されることがある。
【特許文献１】特開２０００−３１９００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前述の問題を考慮して導き出されたもので、本発明の目的は、接触して対向する熱源部から熱源を供給され、流入される反応燃料の種類によって自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行う改質器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の目的を達成するために、本発明による改質器は、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行い、水素含有燃料を水素に富む改質ガスに改質する改質反応部と、前記改質反応部の一側に接するように設けられ、前記改質反応部に熱源を提供する熱源部と、開閉手段を用いて前記改質反応部に選択的に空気を供給する空気供給部と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
前記開閉手段は、第１弁であり、前記第１弁は、前記改質反応部の前段に設けることができる。また、前記改質反応部と流体連通可能に連結され、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部をさらに含むことができるが、前記一酸化炭素除去部は、水性ガスシフト触媒反応をする水性ガスシフト部及び選択的酸化触媒反応をする選択的酸化部からなることができる。
【００１３】
前記改質器は、前記改質反応部で前記自己熱改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記水性ガスシフト部と前記選択的酸化部に流動させる流路切替手段とを含むことができ、また、前記改質反応部で前記水蒸気改質触媒反応をする場合、前記改質ガスを前記選択的酸化部に流動させる流路切替手段を含むことができる。前記流路切替手段は、第２弁及び第３弁であり、前記第２弁は、前記選択的酸化部の前段に設けられ、前記第３弁は、前記水性ガスシフト部の前段に設けられることができる。
【００１４】
前記改質器は、前記改質反応部に温度を感知する温度感知器が設けられることができるが、前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度未満である時は、前記第１弁を開放し、前記第２弁を遮断し、前記第３弁を開放し、前記温度感知器で感知された温度が前記水蒸気改質触媒反応温度以上である時は、前記第１弁を遮断し、前記第２弁を開放し、前記第３弁を遮断する制御器をさらに備えることができる。
【００１５】
前記空気供給部は、前記熱源部に空気を供給し、前記熱源部は、燃焼燃料を燃焼させて熱源を提供することができる。
【００１６】
本発明の他の実施例によれば、改質器の運転方法は改質反応部に燃料、水及び酸素含有空気を含む反応物質を供給しながら自己熱改質触媒反応によって水素を生成する段階と、改質触媒反応を遂行するために前記酸素含有空気の供給を遮断する段階と、からなることを特徴とする。
【００１７】
また、前記遮断段階は、前記改質反応部の温度が基準温度以上のとき遂行されることを特徴とする。
【００１８】
また、前記基準温度は、水蒸気改質触媒の活性温度であることを特徴とする。
【００１９】
前記遮断段階は、所定時間が経過した後に遂行されることを特徴とする。
【００２０】
また、前記遮断段階以前に生成される水素を水生ガス転換部を経由して選択的酸化部に供給する段階をさらに含むことを特徴とする。
【００２１】
また、前記遮断段階以後に生成される水素を選択的酸化部に供給する段階をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による改質器によると、改質器に接して設けられた熱源部を介して前記触媒反応に必要な熱源を直接供給するため、改質器を間接加熱する時よりも改質器の予熱時間を短縮することができる。また、改質器の起動初期には、予熱時間が短い自己熱改質触媒反応を行うことにより、改質器の初期起動時から水素を生産することができ、効率的な燃料電池の運転が可能である。そして、自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とにより一酸化炭素を低減する工程を別に行うことにより、効率的に高純度の水素を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を明確にするための好ましい実施例を、添付した図面に基づいて詳細に説明する。図中の同じ参照符号は、同一又は類似の構成要素を表す。
【００２４】
図１は、本発明の実施例による改質器１００を示す概略図である。
【００２５】
本発明の実施例において、燃料とは、メタノール、天然ガス、ブタンなどのように水素を含んでおり、改質過程を通じて水素を生成することができる物質を意味する。このような燃料の一部は、水または空気と混合して水素に改質される改質燃料として使用される。燃料の他の一部は、改質反応部と一酸化炭素除去部をそれぞれの触媒活性化温度まで加熱するために、熱エネルギーを供給するための燃焼燃料として使用される。特に、前記燃料としてブタンを使用する場合、ブタン燃料容器のノズルを開放すると、気化した燃料が自ら燃料容器の外部に放出されることから、別の燃料供給装置なしに、燃料電池システムに燃料を供給することができ、燃焼熱が高く、改質器の熱源を供給する燃料として同時に使用することができるという長所がある。一方、酸化剤は、別の貯蔵手段に貯蔵された純酸素または酸素含有空気を使用することができるが、以下では、通常の空気に含まれた酸素を使用する。
【００２６】
図１を参照すると、本発明の実施例による改質器１００は、空気供給部１０、熱源部２０、改質反応部３０、水性ガスシフト部４０、選択的酸化部５０、制御器６０、第１弁７０、第２弁７１、第３弁７２及び温度感知器８０で構成される。
【００２７】
空気供給部１０は、熱源部２０及び改質反応部３０にそれぞれ空気を供給し、通常の空気送風機などを用いることができる。空気供給部１０は、改質器１００が作動する間、熱源部２０に空気を持続的に供給する反面、第１弁７０の制御により改質反応部３０には空気を選択的に供給することができる。
【００２８】
熱源部２０には、空気供給部１０から供給された通常の空気に含まれた酸素を用いて前記燃焼燃料を燃焼させる。前記燃焼過程で発生する燃焼熱は、改質反応部３０に伝達される。
【００２９】
改質反応部３０は、熱源部２０の一側に接して緊密に設けられる。改質反応部３０の他側には、温度感知器８０が設けられ、改質反応部３０の温度を感知する。改質反応部３０の内部には、流入される反応物質によって自己熱改質触媒反応と水蒸気改質触媒反応とを行うことができる触媒が設けられる。
【００３０】
水素含有燃料、水及び空気は反応物質としてＡＴＲ触媒反応に利用されることができ、反面、水素含有燃料及び水は反応物質としてＳＲ触媒反応に利用されることができる。このような触媒は白金ＰｔまたはパラジウムＰｄのような担持金属を含む。さらに、前述の触媒は単一触媒または少なくとも二つの触媒等の混合物を含むことができる。
【００３１】
改質反応部３０が水蒸気改質触媒温度である６００℃〜８００℃未満の温度である時、改質反応部３０に前記改質燃料と水と酸素とが供給されると、前記触媒は、上記のような自己熱改質触媒反応を行う。反面、改質反応部３０が水蒸気改質触媒温度である６００℃〜８００℃以上の温度である時、第１弁７０を閉鎖して改質反応部３０に前記改質燃料と水とが供給されると、前記触媒は、前記水蒸気改質触媒反応を行う。改質反応部３０には、改質器１００が作動する間、前記改質燃料と水とが持続的に混合流入する反面、上述の第１弁７０の開閉作用により空気供給部１０を介して空気が選択的に供給される。
【００３２】
改質反応部３０は、前記自己熱改質触媒反応及び前記水蒸気改質触媒反応により前記改質燃料を改質して水素に富む改質ガスを生成する。前記自己熱改質触媒反応のとき、触媒活性温度に予熱する時間が短縮し、初期起動時間が短い。したがって、改質器１００を初期起動する時には、改質反応部３０に空気を供給し、前記改質燃料と水とが、空気とともに、前記自己熱改質触媒反応を生じさせる。一方、改質反応部３０は、前記自己熱改質触媒反応で発生する熱と、熱源部２０から伝達される熱により温度が持続的に上昇する。この時、温度感知器８０により改質反応部３０の温度が前述の水蒸気改質触媒反応温度まで上昇したことを感知すると、第１弁７０を遮断して空気供給部１０から改質反応部３０に供給される空気を遮断する。すると、前記改質燃料と水とが前記水蒸気改質触媒反応をして水素に富む改質ガスを生成する。
【００３３】
改質反応部３０で生成された前記改質ガスは、改質反応部３０に設けられた改質ガス流路９０を介して水性ガスシフト部４０と選択的酸化部５０とに供給される。改質ガス流路９０は分岐し、改質ガス流路９０が分岐した一側は、第２弁７１が設けられ、選択的酸化部５０と連結され、改質ガス流路９０が分岐した他側は、第３弁７２が設けられ、水性ガスシフト部４０を経由して選択的酸化部５０と連結される。水性ガスシフト部４０及び選択的酸化部５０は、それぞれ水性ガスシフト触媒反応及び選択的酸化触媒反応を行う。通常、水性ガスシフト触媒反応は、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素の量を１〜５％に低減させることができ、選択的酸化触媒反応は、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素の量を５０ｐｐｍ以下に低減させることができる。したがって、前記改質ガスに一酸化炭素が比較的多量含まれている際は、まず、前記改質ガスに水性ガスシフト触媒反応を行い、一酸化炭素を一次低減させた後、さらに選択的酸化触媒反応を行い、一酸化炭素を二次低減させる。反面、前記改質ガスに一酸化炭素が比較的少量含まれている際は、前記改質ガスを選択的酸化触媒反応のみを行い、一酸化炭素を低減させる。一方、前記触媒反応に必要な熱源は、熱源部２０を介して直接間接的に供給されるか、または別の熱源部（図示せず）を通じて供給されることができる。
【００３４】
前記自己熱改質触媒反応により改質反応部３０で生成された改質ガスには、相対的に一酸化炭素が多く含まれている。そのため、改質反応部３０が前記自己熱改質触媒反応をした場合には、第２弁７１を遮断し、第３弁７２を開放し、前記自己熱改質触媒反応により生成された改質ガスを、一旦、水性ガスシフト部４０に供給する。水性ガスシフト部４０は、水性ガスシフト触媒反応を行い、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を一次低減し、前記改質ガスをさらに選択的酸化部５０に供給する。すると、選択的酸化部５０では選択的酸化触媒反応を行い、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を二次低減し、一酸化炭素がほとんど除去された高純度の水素を生成することができる。
【００３５】
反面、前記水蒸気改質触媒反応により改質反応部３０で生成された改質ガスには、相対的に一酸化炭素が少なく含まれる。そのため、改質反応部３０が前記水蒸気改質触媒反応をした場合には、第２弁７１を開放し、第３弁７２を遮断し、前記水蒸気改質触媒反応により生成された改質ガスを直接選択的酸化部５０に供給する。選択的酸化部５０では選択的酸化触媒反応を行い、前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を低減し、一酸化炭素がほとんど除去された純水素を生成することができる。
【００３６】
一方、制御器６０を付加して、温度感知器８０で感知された温度に応じて自動的に第１弁７０と第２弁７１と第３弁７２とを開閉することができる。すなわち、制御器６０は、温度感知器８０で感知した改質反応部３０の温度に該当する所定の信号を入力され、改質反応部３０の温度が相対的に低い改質器１００の初期起動時には、第１弁７０を開放し、第２弁７１を遮断し、第３弁７３を開放する制御信号を送出する。反面、改質反応部３０の温度が６００℃〜８００℃まで予熱されたことを温度感知器８０で感知すると、制御器６０は、第１弁７０を遮断し、第２弁７１を開放し、第３弁７３を遮断する制御信号を送出する。
【００３７】
一方、前述の制御器６０は改質器６００〜８００℃で予熱するための一定時間が経過した後に第１弁７０、第２弁７１、第３弁７２を制御するように設けることができる。
【００３８】
図２は、本発明の実施例による改質器１００を採用した高分子電解質型燃料電池システムを示す概略図である。
【００３９】
図２を参照すると、本発明の実施例による改質器１００を採用した高分子電解質型燃料電池は、燃料供給部１１０、燃料混合器１２０、改質器１００、電気発生部１４０、送風機１５０、凝縮器１６０及び水貯蔵容器１７０で構成される。
【００４０】
燃料混合器１２０には、燃料供給部１１０に貯蔵された前記原燃料及び水貯蔵容器１７０に貯蔵された水が混入し、前記混合燃料を生成する。
【００４１】
改質器１００は、上述のように水蒸気改質触媒反応や自己熱改質触媒反応などにより前記混合燃料を改質して水素に富む改質ガスに変換し、水性ガスシフト触媒反応、部分酸化触媒反応などにより前記改質ガスに含まれた一酸化炭素を低減し、高濃度の純水素を生成する。
【００４２】
電気発生部１４０は、改質器１００で改質された水素と、送風機１５０を用いて流入した通常の空気に含まれた酸素と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。電気発生部１４０は、水素と酸素とをそれぞれ酸化／還元させる電解質膜−電極接合体１４４と、水素と酸素とを電解質膜−電極接合体１４４に供給するためのバイポーラプレート１４５とを含むことができる。電解質膜−電極接合体１４４は、両側面をなすアノード電極１４２及びカソード電極１４３の間に電解質膜１４１が介在された通常の電解質膜−電極接合体の構造を有することができる。
【００４３】
上記の構成より、前記水素は、アノード側注入口１４６を介して電気発生部１４０に流入し、アノード電極１４２に隣接するバイポーラプレート１４５を介してアノード電極１４２に供給される。また、空気中に含まれた酸素は、カソード側注入口１４８を介して電気発生部１４０に流入し、カソード電極１４３に隣接するもう１つのバイポーラプレート１４５を介してカソード電極１４３に供給される。また、カソード電極１４３で発生した生成物は、隣接するバイポーラプレート１４５に沿って移動し、カソード側排出口１４７を介して電気発生部１４０の外部に排出される。
【００４４】
電気発生部１４０で発生する電気化学反応を反応式で表すと、下記反応式１の通りである。
【００４５】
（反応式１）
アノード電極：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−
カソード電極：（１／２）Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
全体反応式：Ｈ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  ＋  電流  ＋  熱
【００４６】
電気発生部１４０のカソード排出口１４７には、凝縮器１６０が設けられ、カソード排出口１４７から排出された高温状態の水を凝縮して水を生成し、これを水貯蔵容器１７０に移送して貯蔵する。水貯蔵容器１７０に貯蔵された水は、燃料混合器１２０に供給される。
【００４７】
以上より、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は、これに限るものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これまた、本発明の範囲に属するということは言うまでもない。
【００４８】
上記の内容は、本発明の好ましい実施例を単に例示したものであり、本発明の属する技術分野の当業者は、添付された請求範囲に記載の本発明の思想及び要旨を逸脱することなく、本発明に対する修正及び変更を加えることができるということを認識しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施例による改質器を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例による改質器を採用した高分子電解質型燃料電池システムを示す概略図である。
【図３】従来の一実施例による改質器を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  空気供給部
２０  熱源部
３０  改質反応部
４０  水性ガスシフト部
５０  選択的酸化部
６０  制御器
７０、７１、７２  弁
８０  温度感知器
１４０  電気発生部