(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系化合物の水蒸気改質を経て水素リッチな改質ガスを生成する改質装置であって、
前記水蒸気改質に用いる改質触媒を有する改質器と、
前記炭化水素系化合物を含む原燃料ガスを導く第１流路と、水蒸気を導く第２流路とを有し、この第１、第２の流路の末端を前記改質器に対向させ前記原材料ガスと前記水蒸気とを前記改質器に導入する導入部と、
該導入部と前記改質器とを、前記改質器におけるガスの流れ方向を中心に相対的に回転させる回転作動手段と、
前記改質器の下流に設けられ、改質器通過ガスを外部の機器に供給する供給部とを備え、
該供給部は、前記第１流路を経て前記改質器に導入されて前記改質器を通過するガスと、前記第２流路を経て前記改質器に導入されて前記改質器を通過するガスとを合流させて前記外部の機器に前記改質器通過ガスを供給する
ことを特徴とする改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の改質装置であって、
前記改質器は、前記流れ方向を中心に回転する、改質装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の改質装置であって、
前記第２流路は、前記水蒸気と共に酸素含有ガスを導く、改質装置。
【請求項４】
請求項３記載の改質装置であって、
前記第２流路は、前記改質器から水素リッチの改質ガスを燃料ガスとして供給されて発電する燃料電池のカソードオフガスを導く、改質装置。
【請求項５】
請求項１記載の改質装置であって、
前記導入部は、酸素含有ガスを導く酸素導入流路を有し、該酸素導入流路の末端を、前記第１流路の末端と前記第２の流路の末端との間に介在させている、改質装置。
【請求項６】
炭化水素系化合物の水蒸気改質を経て水素リッチな改質ガスを生成する改質装置であって、
前記水蒸気改質に用いる改質触媒を有する第１と第２の改質器と、
前記第１の改質器に、炭化水素系化合物を含む原燃料ガスと水蒸気とを交互に導く第１導入部と、
前記第２の改質器に、前記原燃料ガスと水蒸気とを交互に導く第２導入部と、
前記第１と第２の改質器からの改質ガスを合流させて下流に導く下流流路とを備え、
前記第１導入部と前記第２導入部とは、一方が前記原燃料ガスを導いている間は他方は前記水蒸気を導く
ことを特徴とする改質装置。
【請求項７】
水素リッチな燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受け、水素と酸素の電気化学反応を進行させて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
請求項１ないし請求項６いずれか記載の改質装置を備え、該改質装置の生成した水素リッチな改質ガスを前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する、燃料電池システム。
【請求項８】
炭化水素系化合物を水蒸気改質に供して水素リッチな改質ガスを生成する方法であって、
前記水蒸気改質に用いる改質触媒を有する改質器に前記炭化水素系化合物を含む原燃料ガスと水蒸気とを導くに当たり、前記改質器を前記改質器への前記原燃料ガスの導入箇所と前記水蒸気の導入箇所に分け、
前記原燃料ガスが導入されていた導入箇所への前記水蒸気の導入と、前記水蒸気が導入されていた導入箇所への前記原燃料ガスの導入とを実行する工程を繰り返し、
前記原燃料ガスの導入箇所を経て前記改質器に導入されて前記改質器を通過するガスと、前記水蒸気の導入箇所を経て前記改質器に導入されて前記改質器を通過するガスとを合流させて外部の機器に供給する
ことを特徴とする改質方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系化合物を水蒸気改質に供して水素リッチな改質ガスを生成する改質装置と改質方法、並びにこの改質ガスを用いて発電する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素系化合物を改質触媒を介した水蒸気改質に供すると、水素と二酸化炭素および水（水蒸気）を含む水素リッチな改質ガスを生成できる。この水素リッチな改質ガスは、水素リッチな燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池の燃料ガスとして用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の改質装置では、次のような問題点が未解決のまま残されている。
【０００４】
水蒸気改質の反応過程では、水蒸気と原燃料ガスの混合供給に基づき、改質触媒により多段の反応が並行して進行する。各段の反応は、水蒸気・原燃料ガス併存により複雑に推移進行するので、改質反応後の改質ガス中に、反応中間生成物としての一酸化炭素が含まれる。この一酸化炭素は数％〜十数％の割合で含有され、その含有程度は改質反応時の温度条件や原燃料ガスの供給状況等の種々の条件に左右される。
【０００５】
一酸化炭素は燃料電池における触媒性能の劣化を招く被毒物質であることから、改質装置の下流に一酸化炭素の低減装置（ＣＯ低減装置）を組み込む必要があった。このため、ＣＯ低減装置を必要とする分、構造の複雑化や装置の大型化を招いていた。また、ＣＯ低減装置によるＣＯ低減効率を高めるための制御も必要であった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされ、一酸化炭素の含有を抑制した水素リッチな改質ガスを生成可能な改質装置を提供し、これを通して、改質装置下流のＣＯ低減装置の撤廃や構造の簡略化、装置の小型化を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の改質装置は、炭化水素系化合物の水蒸気改質を経て水素リッチな改質ガスを生成する改質装置であって、水蒸気改質に用いる改質触媒を有する改質器と、この改質器に原材料ガスと水蒸気を導入する導入部とを、改質器におけるガスの流れ方向を中心に相対的に回転させる。
【０００８】
この場合、導入部と改質器の両者を逆方向に回転させるほか、導入部と改質器の一方を回転させればよい。導入部を回転させる場合ではガス導入機構に回転に伴う気密対策が必要であるのに対し、改質器を回転させるようにすれば、こうした気密対策が簡略化でき、好ましい。また、改質器回転のための機構も、モータ・回転伝達機構等で済み、構成が簡便となる。
【０００９】
このように、導入部と改質器とを相対的に回転させる本発明の改質装置では、導入部は、その第１流路から炭化水素系化合物を含む原燃料ガスを改質器に導き、第２流路から改質器に水蒸気を導く。これにより、改質器では、原燃料ガスの導入を受ける原燃料ガス導入部分と水蒸気の導入を受ける水蒸気導入部分とに分かれる。
【００１０】
この原燃料ガス導入部分では、改質触媒は、水蒸気がほとんど存在しない状況下の改質反応を起こし、下記▲１▼式で示す炭化水素系化合物の分解反応を引き起こす。
【００１１】
２ＣｎＨｍ  →  ２ｎＣ  ＋  ｍＨ2    …▲１▼
【００１２】
この▲１▼式の進行により、改質器の原燃料ガス導入部分は、水素ガスを生成し、一酸化炭素をほとんど生成しない。また、生成した炭素は、改質触媒に吸着する。この場合、導入した原燃料ガスに対して▲１▼式がほぼ完全に進行させるようにするには、改質器温度等の改質器サイドの条件や導入原燃料ガス量を調整したり、水蒸気の混在を抑制すればよい。こうすれば、一酸化炭素生成をより確実に回避できる。
【００１３】
こうして水素ガス生成と炭素吸着を起こした原燃料ガス導入部分は、上記の相対的な回転に伴って、新たに水蒸気の導入を受ける。この水蒸気は、原燃料ガスがほとんど存在しない状況で改質触媒に晒されるので、この改質触媒により、吸着済み炭素と反応する。この反応は、下記▲２▼式で示される。
【００１４】
Ｃ  ＋２Ｈ2Ｏ  →ＣＯ2  ＋  ２Ｈ2    …▲２▼
【００１５】
この▲２▼式の進行により、水素ガスと二酸化炭素ガスが生成され、これらガスは、上記の▲１▼式で生成した水素ガスと合流して、改質器下流に流れる。そして、この二酸化炭素生成により、改質触媒に吸着した炭素は触媒表面から奪取され、触媒表面の再生を図る。これにより、上記の相対的な回転に伴って新たに原燃料ガスの導入を受ける際には、再生済みの改質触媒により、上記の▲１▼式は好適に進行し、触媒反応効率を高く維持できる。この場合であっても、▲２▼式がほぼ完全に進行させるようにするには、改質器温度等の条件を調整したり、原燃料ガスの混在を抑制すればよい。こうすれば、改質触媒の触媒表面の再生の確実化をもたらすことができる。
【００１６】
そして、こうしたガス生成、即ち、原燃料ガス導入部分での水素ガス生成とその後の水蒸気導入による水素ガス・二酸化炭素ガス生成とが、導入部と改質器の相対的な回転に伴って繰り返し同時に進行し、これらガス（改質ガス）は、改質器下流で合流して流れる。この結果、改質装置から得られる改質ガス（上記合流ガス）は、水素リッチであることは勿論、水素濃度についても安定したものとなると共に、一酸化炭素をほとんど含まないものとなる。換言すれば、この本発明の改質装置によれば、一酸化炭素含有が極めて低い水素リッチガスを、安定した水素濃度で連続生成できる。しかも、改質触媒の再生により、反応の安定進行・反応効率維持を図り、これによっても水素リッチガス生成効率を高めることができる。このため、生成した水素リッチガスを他の装置（例えば、燃料電池）に供給する場合であっても、改質装置下流には、一酸化炭素低減のための装置を設置する必要が無くなり、構造の簡略化、装置の小型化を図ることができる。特に、燃料電池を駆動源とする車両にあっては、改質装置・燃料電池を含むシステムの搭載にサイズ上の制約が軽減できるので、車両への適用の自由度を高めることができる。
【００１７】
また、一酸化炭素低減のための装置を設置する必要が無いので、これら装置の起動制御・駆動制御が不要となる。よって、改質装置とその改質ガスを利用するシステム（例えば、燃料電池システムや車両等）の起動性向上や、制御の簡略化を図ることができる。
【００１８】
こうした水素リッチな改質ガス生成は、前記水蒸気改質に用いる改質触媒を有する改質器に前記炭化水素系化合物を含む原燃料ガスと水蒸気とを導くに当たり、前記改質器を前記改質器への前記原燃料ガスの導入箇所と前記水蒸気の導入箇所に分け、前記原燃料ガスが導入されていた導入箇所への前記水蒸気の導入と、前記水蒸気が導入されていた導入箇所への前記原燃料ガスの導入とを実行する工程を繰り返す方法であっても達成できる。
【００１９】
上記構成を有する本発明の第１の改質装置は、以下の態様を採ることもできる。
即ち、第２流路からの水蒸気導入に際し、水蒸気と共に酸素含有ガスを導くようにすることもできる。こうすれば、触媒表面に吸着した炭素の下記▲３▼式の酸化反応を酸素自体で起こして発熱を起こすことができる。よって、触媒表面の再生効率の向上と、熱による改質器昇温・吸熱反応（▲１▼式）への熱供与を図ることができるので、改質効率の向上に寄与する。
【００２０】
Ｃ  ＋Ｏ2  →ＣＯ2    …▲３▼
【００２１】
この場合、第２流路を、水素リッチの改質ガスを燃料ガスとして供給されて発電する燃料電池のカソードオフガスを導くようにすることもできる。このカソードオフガスは、発電反応生成物の水（水蒸気）と酸素を含むので、酸素含有ガス導入のための装置が不要となり、装置の簡略化を図ることができる。
【００２２】
また、導入部を、酸素含有ガスを導く酸素導入流路を有するものとし、この酸素導入流路の末端を、第１流路の末端と第２の流路の末端との間に介在させるようにすることもできる。こうすれば、導入部と改質器の相対的な回転に伴って、原燃料ガス導入部への酸素含有ガスの新たな導入、水蒸気導入部への酸素含有ガスの新たな導入を繰り返し起こすことができる。このため、両導入部での上記▲３▼式の進行を図り、触媒表面の再生・改質器昇温・熱供与をより確実なものとして、改質効率をより向上させることができる。
【００２３】
また、上記課題の少なくとも一部を達成するための本発明の第２の改質装置は、
炭化水素系化合物の水蒸気改質を経て水素リッチな改質ガスを生成する改質装置であって、
前記水蒸気改質に用いる改質触媒を有する第１と第２の改質器と、
前記第１の改質器に、炭化水素系化合物を含む原燃料ガスと水蒸気とを交互に導く第１導入部と、
前記第２の改質器に、前記原燃料ガスと水蒸気とを交互に導く第２導入部と、前記第１と第２の改質器からの改質ガスを合流させて下流に導く下流流路とを備え、
前記第１導入部と前記第２導入部とは、一方が前記原燃料ガスを導いている間は他方は前記水蒸気を導く
ことを特徴とする。
【００２４】
この構成の改質装置であっても、第１、第２の改質器では、それぞれ原燃料ガスと水蒸気が交互に導かれ、上記した▲１▼式、▲２▼式を繰り返す。そして、改質器下流では、一方の改質器での▲１▼式による生成ガスと他方の改質器での▲２▼式の生成ガスとが合流して下流に導かれる。この結果、上記した本発明の第１の改質装置と同様、一酸化炭素含有が極めて低い水素リッチガスを、安定した水素濃度で連続生成できる等の効果を奏することができる。
【００２５】
この場合、第１、第２の改質器は、別体であっても好いし、一つの改質器を第１、第２に区分けしてもよい。
【００３９】
こうした改質装置は、その改質ガスを利用するシステム、例えば、燃料電池システム、或いはこれを搭載した車両等の一構成機器として、適用できる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る改質装置の実施の形態を、この改質装置を有する燃料電池システムの実施例に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図、図２はこの燃料電池システム１０が有する改質装置２０の概略構成を説明する説明図、図３は改質装置２０を図２における３−３線に沿って断面視した概略構成を示す説明図である。
【００４１】
燃料電池システム１０は、貯蔵したメタンガスを供給するメタンガス供給装置１２と、貯留した水を水蒸気として供給する水蒸気供給装置１４と、メタンの改質反応により水素リッチの改質ガスを生成する改質装置２０と、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４０と、空気を圧縮して燃料電池４０に供給するブロワ４２と備える。
【００４２】
メタンガス供給装置１２は、流路１３に図示しないバルブを備え、このバルブ開度を図示しない電子制御装置からの制御信号に基づき調整して、改質装置２０へのメタンガス供給量を調整する。このメタンガス供給装置１２は、精製済みのメタンガスを貯蔵・供給するものとして構成できるほか、天然ガスを貯蔵し、その天然ガスから硫黄分を除去して精製したメタンガスを供給するように構成することもできる。
【００４３】
水蒸気供給装置１４は、貯留した水を図示しない加熱・蒸発部に送り込んで昇温した水蒸気とし、この水蒸気を流路１５を経て改質装置２０に供給する。この水蒸気供給装置１４にあっては、加熱・蒸発部への水供給を図る図示しない水ポンプや、流路１５に設けた図示しないバルブを、電子制御装置からの制御信号に基づき駆動制御することで、改質装置２０への水蒸気供給量を調整する。
【００４４】
なお、水蒸気供給装置１４が有する加熱・蒸発器は、燃焼触媒を備えており、水を気化させるのに要する熱を燃焼反応によって発生する。この燃焼反応のために用いる燃料としては、メタンガス供給装置１２に貯蔵するメタンガスと、燃料電池４０のアノード側から排出されるアノードオフガスとを用いている。
【００４５】
図２に示すように、改質装置２０は、ガス導入を受けるガス導入部２２と、改質反応を起こす改質器２４とを有する。ガス導入部２２は、その内部が区画壁２３により上下の流路末端部２２ａ、２２ｂを区画して備え、各流路末端部に、既述した流路１３と流路１５を連通させている。つまり、ガス導入部２２は、メタンの流路１３の末端となる流路末端部２２ａと、水蒸気の流路１５の末端となる流路末端部２２ｂとを、改質器２４に対向させ、メタンと水蒸気とを区分けして改質器２４に導入する。この場合、流路１３、１５の末端部を拡張形成等することで、流路末端そのものを流路末端部２２ａ、２２ｂとすることもできる。
【００４６】
改質器２４は、ガス流路をいわゆるハニカム状に形成して構成されている。よって、流路末端部２２ａからのメタンは、この流路末端部２２ａに対向する部分のハニカム状ガス流路を通過し、改質器下流に到る。流路末端部２２ｂからの水蒸気は、この流路末端部２２ｂに対向する部分のハニカム状ガス流路を通過し、改質器下流に到る。つまり、改質器２４は、メタンガスの導入を受けるメタン導入部分と、水蒸気の導入を受ける水蒸気導入部分とに分かれる。そして、改質器２４の下流では、流路末端部２２ａに対向する部分のハニカム状ガス流路を通過したガスと、流路末端部２２ｂに対向する部分のハニカム状ガス流路を通過したガスとが合流して、改質器下流の燃料電池４０に供給される。
【００４７】
改質器２４のうち流路末端部２２ａに対向する部分のハニカム状ガス流路（メタン導入部分）では、水蒸気がほとんど存在しない状況下でメタンガスがハニカム状ガス流路を通過する。よって、改質器２４は、このガス通過の際に下記（１）式で表される分解反応を起こし得る改質触媒（例えば、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）およびこれらの合金等の改質触媒）を、ハニカム状ガス流路それぞれに担持させている。
【００４８】
ＣＨ4  →  Ｃ  ＋  ２Ｈ2     …（１）
【００４９】
その一方、流路末端部２２ｂに対向する部分のハニカム状ガス流路（メタン導入部分）では、水蒸気が通過する。本実施例では、上記（１）式で触媒表面に析出・吸着された炭素を、この水蒸気により触媒表面から離脱させる下記（２）式で表される反応を起こすようにした。
【００５０】
Ｃ  ＋２Ｈ2Ｏ  →ＣＯ2  ＋  ２Ｈ2    …（２）
【００５１】
従って、流路末端部２２ｂに対向する部分のハニカム状ガス流路（水蒸気導入部分）にあっても、流路末端部２２ａに対向する部分のハニカム状ガス流路（メタン導入部分）と同じ改質触媒を担持させた。つまり、改質器２４は、その有するハニカム状ガス流路それぞれに、上記の改質触媒を担持させている。
【００５２】
改質装置２０は、上記したガス導入部２２と改質器２４とを気密に連結させて有すると共に、改質器２４を回転駆動させる駆動装置２６を有する。駆動装置２６は、電子制御装置からの信号を受けて回転駆動するモータ（図示略）と、モータ回転を改質器２４に伝達する伝達機構（図示略）を備え、改質器２４におけるガスの流れ方向を中心にこの改質器２４を回転駆動させる。これにより、上記（１）、（２）式の反応を起こす改質器２４とメタン・水蒸気のガス導入部２２とは、改質器２４におけるガスの流れ方向を中心に相対的に回転することになり、それまでメタンガスの導入を受けていた改質器２４のメタン導入部分には、水蒸気が新たに導入されることになる。それまで水蒸気の導入を受けていた改質器２４の水蒸気導入部分には、メタンガスが新たに導入されることになる。そして、燃料電池４０へは、メタン導入部分・水蒸気導入部分からのガスが混合した混合ガス（改質ガス）が供給され、燃料電池４０は、このガス中の水素とブロワ４２からの空気中の酸素とで電気化学反応を起こし、発電する。
【００５３】
次に、上記した構成を有する燃料電池システム１０の改質装置２０がもたらす改質ガスの性状について説明する。図４は改質装置２０の改質器２４の回転動作と（１）式、（２）式の反応の様子とを関連付けて説明する説明図である。
【００５４】
ガス導入部２２は、その流路末端部２２ａからメタンガスを改質器２４に常時供給し、流路末端部２２ｂから水蒸気を改質器２４に常時供給する。今、こうしたガス供給と並行して駆動装置２６により改質器２４を回転させているある時刻ｔ０を想定する。この時刻ｔ０では、改質器２４は、ガス導入部２２の区画壁２３と対向する部分を中心に上下の導入部、即ち、流路末端部２２ａからメタンガスの導入を受けるメタン導入部分２４ａと、水蒸気の導入を受ける水蒸気導入部分２４ｂとに分かれる。なお、改質器２４をこうした上下の導入部分に区分けする部分を、便宜上、区画線とし、各時刻との対応をとって区画線２５ｔ０〜２５ｔ４のように示す。時刻ｔ０の時の区画線２５ｔ０については、図において太線で示すこととする。また、各時刻におけるメタン導入部分２４ａ、水蒸気導入部分２４ｂについては、時刻との対応をとると共に、実線でメタン導入を、波線で水蒸気導入を表すこととし、時刻ｔ０でのこの実線・波線は、描画したままとした。
【００５５】
この時刻ｔ０では、メタン導入部分２４ａにおいて、既述した（１）式の反応が進行する。これにより、改質器２４は、メタンから水素ガスと炭素を生成し、水素を改質器下流に流し、炭素を改質触媒に吸着させる。この（１）式から判るように、こうした水素生成に際して、一酸化炭素をほとんど生成しない。
【００５６】
本実施例では、メタンの供給量を電子制御装置からの制御信号に基づき調整するので、（１）式をほぼ完全に進行させるようにした。よって、水素ガスを確実に生成できると共に、一酸化炭素の確実な生成回避をも図ることができる。
【００５７】
こうして水素ガス生成と炭素吸着を起こしたメタン導入部分２４ａｔ０は、改質器２４自体の回転に伴い、徐々にガス導入部２２の流路末端部２２ｂに重なり、水蒸気の導入を受ける。つまり、メタン導入部分２４ａｔ０が流路末端部２２ｂと重なって新たに水蒸気の導入を受ける水蒸気推移部分２６ａは、図４に示すように徐々に増え、時刻ｔ４では、メタン導入部分２４ａｔ０の総てがこの水蒸気推移部分２６ａとなる。水蒸気推移部分２６ａでは、それまでのメタン導入により炭素を触媒表面に吸着させた状態で、水蒸気が改質触媒に晒されることになる。よって、この水蒸気推移部分２６ａでは、改質触媒により、吸着済み炭素と水蒸気が既述した（２）式の反応を起こし、二酸化炭素と水素の生成と、触媒表面からの炭素離脱並びに触媒再生とを起こす。そして、こうして生成された水素と二酸化炭素は、改質器下流に流れ、上記のメタン導入部分２４ａで生成された水素と合流して燃料電池４０に供給される。こうした水蒸気推移部分２６ａでの反応に際しても、（２）から判るように、一酸化炭素をほとんど生成しない。
【００５８】
その一方、時刻ｔ０の時点から水蒸気の導入を受けていた水蒸気導入部分２４ｂｔ０は、改質器２４自体の回転に伴い、徐々にガス導入部２２の流路末端部２２ａに重なり、メタンの導入を受ける。つまり、水蒸気導入部分２４ｂｔ０が流路末端部２２ａと重なって新たにメタンの導入を受けるメタン推移部分２６ｂは、図４に示すように徐々に増え、時刻ｔ４では、水蒸気導入部分２４ｂｔ０の総てがこのメタン推移部分２６ｂとなる。メタン推移部分２６ｂでは、それまでの水蒸気導入により触媒表面からの炭素離脱と触媒再生を経た状態で、メタンが改質触媒に晒されることになる。よって、このメタン推移部分２６ｂでは、再生済み改質触媒により、既述した（１）式の反応を起こし、水素生成と触媒表面への炭素吸着とを起こす。そして、こうして生成された水素は、既述したように改質器下流の燃料電池４０に供給される。
【００５９】
このように、本実施例では、メタン導入部分２４ａやメタン推移部分２６ｂでの水素ガス生成と、水蒸気導入部分２４ｂや水蒸気推移部分２６ａでの水蒸気導入による水素ガス・二酸化炭素ガス生成とを、改質器２４の回転に伴って繰り返し同時に進行させる。そして、これらガス（改質ガス）を、改質器２４の下流で合流させて燃料電池４０に供給する。これらガス生成は、上記の（１）式、（２）式に基づくものであることから、その反応過程で一酸化炭素をほとんど発生さない。この結果、改質装置２０から燃料電池４０に供給する改質ガス（上記合流ガス）は、水素リッチであることは勿論、水素濃度についても安定したものとなると共に、一酸化炭素をほとんど含まないものとなる。よって、本実施例の改質装置２０によれば、一酸化炭素含有が極めて低い水素リッチガスを、安定した水素濃度で連続生成して燃料電池４０に供給できる。しかも、改質触媒の再生により、反応の安定進行・反応効率維持を図り、これによっても水素リッチガス生成効率を高めることができる。このため、改質装置２０と燃料電池４０との間に、一酸化炭素低減のための装置を設置する必要が無くなり、構造の簡略化、装置の小型化を図ることができる。よって、機器搭載にサイズ上の制約を受ける車両であっても、本実施例の燃料電池システム１０を容易に搭載でき、車両への燃料電池システム１０の適用の自由度を高めることができる。具体的には、小型車にも燃料電池システム１０を搭載できる。
【００６０】
また、一酸化炭素低減のための装置を設置する必要が無いので、これら装置の起動制御・駆動制御が不要となる。よって、燃料電池システム１０全体としての起動性向上や、制御の簡略化を図ることができる。
【００６１】
また、本実施例では、改質器２４を回転させるようにし、ガス導入部２２については固定させた。よって、ガス導入部２２を回転させる場合にはメタン・水蒸気通気に際しての気密対策を要するのに対し、本実施例では、こうした気密対策を要せず、その分、構成の簡略化を図ることができる。また、改質器２４の回転には、駆動源としてのモータと、ベルト・ギヤ等の回転伝達機を用意すれば済むので、簡便で安価な構成で済み、好ましい。
【００６２】
なお、メタン・水蒸気通気に際しての気密対策をとった上で、ガス導入部２２だけを回転させたり、ガス導入部２２と改質器２４の両者を正逆回転するようにすることもできる。
【００６３】
また、改質器２４を回転させるに当たっても、所定の回転速度で定常的に回転させるほか、改質器２４の半回転を所定時間起きに実行するよう間欠的な回転を行うようにすることもできる。具体的に説明すると、図４の時刻ｔ０の状態で改質器２４を所定時間停止させ、その後、速やかに時刻ｔ４の状態に反転させる。この反転後の時刻ｔ４の状態で所定時間経過後に、速やかに時刻ｔ０の状態に反転させ、これを繰り返す。こうすれば、メタン導入部分２４ａは、そのほぼ総ての領域がメタンに次いで水蒸気の導入を受け、水蒸気導入部分２４ｂは、その頬総ての領域が水蒸気に次いでメタンの導入を受けるようになる。
【００６４】
ここで、上記の実施例の変形例について説明する。図５は変形例の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
図示するように、この変形例では、原燃料ガスを、ＣｎＨｍで表される炭化水素系化合物であって炭素数が６〜７を越える化合物（例えば、ベンゼン等）とするものであり、メタンガス供給装置１２に代えて供給装置５０を備え、ガス導入部２２に到る流路１３に予備改質器５１を有する。この予備改質器５１には、クラッキング触媒（例えば、ゼオライト、アモルファスシリカアルミナ等）が充填されている。こうすれば、炭素数が多いベンゼン等の重質な炭化水素系化合物を、上記の触媒により炭素数の少ないものとした上で、ガス導入部２２を経て改質器２４に供給できる。そして、上記したように、この炭素数の少ない炭化水素系化合物の改質反応（式（１）、▲１▼）と、水素・二酸化炭素生成並びに触媒再生の反応（式（２）、▲２▼）とを、改質器２４の回転に伴い並行実施して、水素リッチな改質ガスを、上記実施例と同様に生成する。また、改質ガス中の一酸化炭素含有も極めて低いものとできる。
【００６５】
この変形例では、改質に用いる炭化水素系化合物の適用範囲を、重質なものにまで広げることができるので、燃料選択の自由度が高まり、燃料電池システム１０の普及・適用を推進できる。
【００６６】
このように予備改質器５１を流路１３に設けるほか、次のようにすることもできる。即ち、ガス導入部２２において炭化水素系化合物が流入する流路末端部２２ａをハニカム状ガス流路とし、その流路に上記したゼオライト等の触媒を担持するようにすることもできる。また、改質器２４の上流側部分を、ゼオライト等の触媒担持部分とし、その下流を改質触媒担持部分とするようにすることもできる。こうすれば、このゼオライト等の触媒担持部分にあっても、改質器２４の回転に伴って水蒸気導入を受けるので、この水蒸気による触媒再生を図ることもできる。よって、重質な炭化水素系化合物を炭素数の少ないものとする触媒機能の再生を通して、改質ガス性状の安定化をもたらすことができる。
【００６７】
また、次のように変形することもできる。図６はまた別の変形例の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
図示するように、この変形例は、燃料電池４０のカソード側排気流路４４を、バルブ４５を介して流路１５に接続して備える。こうすれば、水蒸気供給装置１４からの水蒸気導入に際し、この水蒸気とカソードオフガスを混合して改質器２４に導入できる。カソードオフガスは、燃料電池４０での発電反応生成物の水（水蒸気）と酸素を含むので、改質器２４における水蒸気導入部分２４ｂには、水蒸気と共に酸素を導くようにできる。よって、メタン導入部分２４ａが改質器２４の回転に伴って新たに水蒸気の導入を受ける際には、この水蒸気に加えて酸素の導入も受けることになる。このため、触媒表面に吸着した炭素を、酸素により下記（３）式に示すように酸化させ、発熱を起こすことができる。この結果、触媒表面の再生効率を向上できると共に、熱による改質器昇温・吸熱反応（（１）式）への熱供与を図ることができるので、改質効率の向上に寄与する。
【００６８】
Ｃ  ＋Ｏ2  →ＣＯ2    …（３）
【００６９】
バルブ４５は電子制御装置により開閉制御され、カソードオフガスの導入・停止が行われる。例えば、起動直後のように改質器２４が十分昇温していない場合には、カソードオフガスを導入して上記（３）式の発熱反応を起こすようにすれば、改質器昇温を通して、改質反応の活性化を図ることができ好ましい。なお、（３）式によっても、一酸化炭素の生成を抑制することができるので、既述した実施例同様、改質装置２０下流には一酸化炭素含有が極めて低い改質ガスを供給でき、装置の小型化等の効果を奏することができる。なお、カソードオフガスは、運転条件に応じてその一部を導入してもよいし、全量を導入してもよい。
【００７０】
カソードオフガス導入に代えて、酸素含有ガス（例えば、空気）を導入するようにすることもできる。例えば、ブロワを別途設け、このブロワからの流路をバルブ４５に接続するようにすることもできる。なお、上記したようにカソードオフガスを導入する場合には、こうしたブロワ設置が不要であることから、装置の小型化、構成の簡略化の点で有利である。
【００７１】
また、次のように変形することもできる。図７は他の変形例の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図、図８はガス導入部２２から改質器２４へのガス導入の様子を説明するための説明図である。
【００７２】
図示するように、この変形例は、改質装置２０のガス導入部２２に、ブロワ５５からの流路５６を有する。ガス導入部２２は、図８に示すように、その内部に、区画壁２３ａ、２３ｂを交差して備え、導入部内部を４つの区画部５７ａ〜５７ｄに区画する。そして、ガス導入部２２は、各区画部に流路１３と流路１５および流路５６を連通させ、区画部５７ａをメタンの流路１３の末端に、区画部５７ｃを水蒸気の流路１５の末端に、区画部５７ｂと区画部５７ｄをブロワ５５からの空気の流路５６の末端にしている。つまり、ガス導入部２２は、空気の流路末端を、メタンの流路１３の末端と水蒸気の流路１５の末端との間に介在させ、各区画部から、メタン、水蒸気、酸素を個別に改質器２４に導入させる。
【００７３】
従って、各区画部からのメタン・水蒸気・酸素の個別導入を行いつつ改質器２４を回転させると、この回転に伴って、それまでメタン導入を受けていた改質器部分には、空気・水蒸気の順にこれらを導入できる。それまで水蒸気の導入を受けていた改質器部分には、空気・メタンの順にこれらを導入できる。これらは、改質器２４の回転に伴って繰り返される。
【００７４】
空気の導入を受けた改質器では、既述した（３）式の反応（炭素の酸化反応）が起き、既述した触媒再生と発熱による改質器昇温をもたらす。よって、この変形例によっても、既述した実施例と同様、改質効率の向上を図ることができると共に、一酸化炭素低減を通した装置の小型化等の効果を奏することができる。
【００７５】
このように空気を供給するに当たり、次のように変形することもできる。図９は空気導入を併用する場合の変形例を説明するための説明図である。
図示するように、この変形例では、ガス導入部２２は、平行な区画壁２３ａ、２３ｂで導入部内部を３つの区画部５７ａ〜５７ｃに区画し、区画部５７ａをメタンの流路１３の末端に、区画部５７ｃを水蒸気の流路１５の末端に、区画部５７ｂをブロワ５５からの空気の流路５６の末端とする。こうしても、改質器２４の回転に伴って、それまでメタン導入を受けていた改質器部分には空気・水蒸気の順に、それまで水蒸気の導入を受けていた改質器部分には、空気・メタンの順にこれらを導入できる。なお、図中に点線で示す範囲にあっては、改質器２４は、空気の導入しか受けない。しかし、当該範囲は、改質器２４の回転軸受け等に利用され、空気通気が起きないようになるので、支障はない。
【００７６】
次に、他の実施例について説明する。この実施例は、メタンと水蒸気の交互導入を別々の改質器に対して行い、この交互導入のタイミングを改質器同士で異なるものとした点に特徴がある。図１０は第２実施例の燃料電池システム１０Ａの概略構成を示す説明図、図１１はこの燃料電池システム１０Ａにおけるメタン・水蒸気の導入の様子を説明する説明図である。
【００７７】
この実施例の燃料電池システム１０Ａは、改質装置の構成が相違する。即ち、この実施例の改質装置２０Ａは、ガス分配部６０と第１改質器６１と第２改質器６２とを有する。ガス分配部６０は、メタンガス供給装置１２と水蒸気供給装置１４からのメタン・水蒸気の導入先を第１改質器６１と第２改質器６２に切り換えるバルブ機構を内蔵し、第１、第２の改質器へのガス分配を行う。第１改質器６１と第２改質器６２は、共に、先の実施例と同様に、（１）式で表される分解反応を起こし得る改質触媒（例えば、ロジウム触媒）をハニカム状ガス流路に担持させている。
【００７８】
ガス分配部６０によるガス分配の様子は次の通りである。
図１１に示すように、ガス分配部６０は、第１改質器６１と第２改質器６２のそれぞれに、メタンと水蒸気を交互に導入する。よって、こうしたガス素導入を受ける第１改質器６１と第２改質器６２のそれぞれは、先の実施例と同様に、（１）式・（２）式を繰り返し、（１）式の反応に基づく水素・二酸化炭素生成と炭素吸着、（２）式の反応に基づく水素生成・炭素離脱（触媒再生）を繰り返す。
【００７９】
ところで、図１１から明らかなように、第１改質器６１にメタン導入が行われている間は、第２改質器６２には水蒸気が導入され、第１改質器６１に水蒸気導入が行われている間は、第２改質器６２にはメタンが導入されている。従って、第１改質器６１で（１）式の反応に基づく水素・二酸化炭素生成と炭素吸着が行われている間は、第２改質器６２では（２）式の反応に基づく水素生成・炭素離脱（触媒再生）が行われ、改質器下流の燃料電池４０へは、（１）式に基づく水素・二酸化炭素と（２）式の反応に基づく水素とが合流したガス（改質ガス）が供給される。第１改質器６１で（２）式の反応が起こり、第２改質器６２で（１）式の反応が起きている場合も同様である。この結果、この実施例の燃料電池システム１０Ａによっても、第１実施例と同様、一酸化炭素含有が極めて低い水素リッチガスを、安定した水素濃度で連続生成できるといった種々の効果を奏することができる。
【００８０】
なお、この実施例では、第１改質器６１と第２改質器６２を別体としたが、一つの改質器を、第１改質器６１に相当する改質器部分と、第２改質器６２に相当する改質器部分に区分けするようにしてもよい。また、図６に示したように水蒸気供給装置１４からの水蒸気に、カソードオフガスや空気を混入したりすることもできる。
【００８１】
また、この実施例では、第１改質器６１へのメタン導入と第２改質器６２へのメタン導入とを、その導入周期が半周期だけずれるようにし、水蒸気導入も同様である。こうしたので、改質器下流で合流ガスの水素濃度を最も安定なものとでき好ましい。しかし、この水素濃度のある程度の上下変動を許容できる場合は、上記の導入周期のずれを必ずしも半周期とする必要はない。そして、水素濃度許容幅に応じて、導入周期の位相差を調整するようにすることもできる。
【０１１２】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施例の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】  この燃料電池システム１０が有する改質装置２０の概略構成を説明する説明図である。
【図３】  改質装置２０を図２における３−３線に沿って断面視した概略構成を示す説明図である。
【図４】  改質装置２０の改質器２４の回転動作と（１）式、（２）式の反応の様子とを関連付けて説明する説明図である。
【図５】  変形例の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図６】  また別の変形例の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図７】  他の変形例の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図８】  ガス導入部２２から改質器２４へのガス導入の様子を説明するための説明図である。
【図９】  空気導入を併用する場合の変形例を説明するための説明図である。
【図１０】  第２実施例の燃料電池システム１０Ａの概略構成を示す説明図である。
【図１１】  この燃料電池システム１０Ａにおけるメタン・水蒸気の導入の様子を説明する説明図である。
【符号の説明】
１０〜１０Ａ…燃料電池システム
１２…メタンガス供給装置
１３…流路
１４…水蒸気供給装置
１５…流路
２０〜２０Ａ…改質装置
２２…ガス導入部
２２Ｌ、２２Ｒ…ガス導入部
２２ａ…流路末端部
２２ｂ…流路末端部
２３…区画壁
２３ａ、２３ｂ…区画壁
２４…改質器
２４ａ…メタン導入部分
２４ｂ…水蒸気導入部分
２４ａｂ…混合ガス導入部分
２４ｂｂ…パージガス導入部分
２５ｔ０…区画線
２６…駆動装置
２６ａ…水蒸気推移部分
２６ｂ…メタン推移部分
４０…燃料電池
４２…ブロワ
４４…カソード側排気流路
４５…バルブ
５０…供給装置
５１…予備改質器
５５…ブロワ
５６…流路
５７ａ…区画部
５７ａ〜５７ｄ…区画部
６０…ガス分配部
６１…第１改質器
６２…第２改質器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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