(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系化合物を含む改質燃料から、水素リッチな改質済み燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料改質装置内に設けられ、前記改質済み燃料ガスとなる改質ガスが流れる改質流路と、
前記改質流路に設けられ、前記改質流路の断面内の第１の流路領域を流れる第１の改質ガスの前記断面内における流路位置と、前記改質流路の断面内の第２の流路領域を流れる第２の改質ガスの前記断面内の流路位置とを交換するように構成された少なくとも１つの流路交換部と、
を備え、
前記第１の流路領域は前記改質流路内の比較的中心側に存在し、前記第２の流路領域は前記改質流路内の比較的周辺側に存在し、
前記流路交換部は、
前記流路交換部内の流路の外周を構成する外周部材と、
前記外周部材の入口近傍に設けられ、第１の中心領域開口と第１の周辺領域開口との２つの開口を少なくとも有する第１の開口部材と、
前記外周部材の出口近傍に設けられ、第２の中心領域開口と第２の周辺領域開口との２つの開口を少なくとも有する第２の開口部材と、
前記第１の中心領域開口と前記第２の周辺領域開口とを接続する第１の接続流路と、
前記第１の周辺領域開口と前記第２の中心領域開口とを接続する第２の接続流路と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記流路交換部は、さらに、
前記第１の開口部材において前記第１の中心領域開口と前記第１の周辺領域開口との間の境界を構成する第１の境界部材に接続された壁面を有し、前記流路交換部の入口側から出口側に向けて中空部の断面積が減少する第１の中空錐状部材と、
前記第２の開口部材において前記第２の中心領域開口と前記第２の周辺領域開口との間の境界を構成する第２の境界部材と、前記外周部材の壁面との間を接続する壁面を有し、前記流路交換部の入口側から出口側に向けて中空部の断面積が減少する第２の中空錐状部材と、
前記第１の中空錐状部材の内側の第１の空間を、前記第２の中空錐状部材と前記外周部材とで挟まれた第２の空間に連通させる連通部材と、
を備えており、
前記連通部材が前記第１の接続流路を形成し、前記第１と第２の中空錐状部材の間の空間が前記第２の接続流路を形成する、燃料改質装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料改質装置であって、
前記流路交換部が前記改質流路に沿った複数の箇所に設けられている、燃料改質装置。
【請求項４】
請求項３記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記複数の流路交換部の間に反応容器がそれぞれ配置されている、燃料改質装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料改質装置であって、
前記流路交換部は、前記改質ガス全体の流れ方向に垂直な複数の断面で前記流路交換部を切断して得られる断面形状をそれぞれ有する多数の薄板を積層した薄板積層構造を有している、燃料改質装置。
【請求項６】
請求項５記載の燃料改質装置であって、
前記多数の薄板は、拡散接合によって接合されている、燃料改質装置。
【請求項７】
炭化水素系化合物を含む改質燃料から、水素リッチな改質済み燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料改質装置内に設けられ、前記改質済み燃料ガスとなる改質ガスが流れる改質流路と、
前記改質流路に設けられ、前記改質流路の断面内の第１の流路領域を流れる第１の改質ガスと、前記改質流路の断面内の第２の流路領域を流れる第２の改質ガスとを混合するように構成された少なくとも１つのガス混合部と、
を備え、
前記ガス混合部は、前記改質ガス全体の流れ方向に垂直な複数の断面で前記ガス混合部を切断して得られる断面形状をそれぞれ有する多数の薄板を積層した薄板積層構造を有している
ことを特徴とする燃料改質装置。
【請求項８】
請求項７記載の燃料改質装置であって、
前記第１の流路領域は前記改質流路内の比較的中心側に存在し、前記第２の流路領域は前記改質流路内の比較的周辺側に存在する、燃料改質装置。
【請求項９】
請求項８記載の燃料改質装置であって、
前記ガス混合部は、
前記ガス混合部内の流路の外周を構成する外周部材と、
前記ガス混合部の入口から、前記ガス混合部の入口と出口の中間の位置までの区間において前記第１の流路領域と前記第２の流路領域とを区画する壁面を有する流路区画部材と、
前記流路区画部材から排出された前記第１と第２の改質ガスの混合を促進する混合促進部材と、
を備える、燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずれかに記載の燃料改質装置であって、
前記ガス混合部が前記改質流路に沿った複数の箇所に設けられている、燃料改質装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記複数のガス混合部の間に反応容器がそれぞれ配置されている、燃料改質装置。
【請求項１２】
請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載の燃料改質装置であって、
前記多数の薄板は、拡散接合によって接合されている、燃料改質装置。
【請求項１３】
炭化水素系化合物を含む改質燃料から、水素リッチな改質済み燃料ガスを生成するための燃料改質装置に用いられ、前記改質済み燃料ガスとなる改質ガスが流れる改質流路に設けられる流路交換装置であって、
前記改質流路の断面内の第１の流路領域を流れる第１の改質ガスの前記断面内における流路位置と、前記改質流路の断面内の第２の流路領域を流れる第２の改質ガスの前記断面内の流路位置とを交換するように構成されており、
前記第１の流路領域は前記改質流路内の比較的中心側に存在し、前記第２の流路領域は前記改質流路内の比較的周辺側に存在し、
前記流路交換装置内の流路の外周を構成する外周部材と、
前記外周部材の入口近傍に設けられ、第１の中心領域開口と第１の周辺領域開口との２つの開口を少なくとも有する第１の開口部材と、
前記外周部材の出口近傍に設けられ、第２の中心領域開口と第２の周辺領域開口との２つの開口を少なくとも有する第２の開口部材と、
前記第１の中心領域開口と前記第２の周辺領域開口とを接続する第１の接続流路と、
前記第１の周辺領域開口と前記第２の中心領域開口とを接続する第２の接続流路と、
を備えることを特徴とする流路交換装置。
【請求項１４】
炭化水素系化合物を含む改質燃料から、水素リッチな改質済み燃料ガスを生成するための燃料改質装置に用いられ、前記改質済み燃料ガスとなる改質ガスが流れる改質流路に設けられるガス混合装置であって、
前記改質流路の断面内の第１の流路領域を流れる第１の改質ガスと、前記改質流路の断面内の第２の流路領域を流れる第２の改質ガスとを混合するように構成されており、
前記改質ガス全体の流れ方向に垂直な複数の断面で前記ガス混合装置を切断して得られる断面形状をそれぞれ有する多数の薄板を積層した薄板積層構造を有している
ことを特徴とするガス混合装置。
【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含む原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置に関し、特に、燃料改質装置内を流れる改質ガスの流路を変更する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
改質装置では、改質触媒を用いた改質反応によって、炭化水素系化合物を含む原燃料から水素リッチな燃料ガス（「改質済み燃料ガス」とも呼ぶ）を生成する。典型的な改質装置は、改質反応を行う改質部（改質反応部）や一酸化炭素浄化部を含む複数の反応容器を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、改質ガスの温度や濃度の値は、反応容器の中心近傍と周辺近傍とではかなり異なる場合がある。例えば、改質ガスの温度は、反応容器の中心近傍では比較的高く、周辺近傍では比較的低い傾向にある。また、改質ガス中の原燃料ガスの濃度は、反応容器の中心近傍では比較的低く、周辺近傍では比較的高い傾向にある。このような温度分布や濃度分布を均一化できれば、その反応容器全体としての反応の活性度を高められる可能性がある。
【０００４】
改質装置の反応容器内における反応の活性度を高める技術としては、例えば、本出願人により開示された特開平７−２６７６０３号公報に記載されたものが知られている。この技術では、改質器に供給するガスの流れ方向を反転させることによって、改質器の起動時における改質触媒の還元処理を短時間で完了することができる。
【０００５】
しかし、従来は、改質ガスの流路断面における特性分布（温度分布や濃度分布）の偏りを緩和することのできる技術は存在しなかった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、改質ガスの流路断面における特性分布の偏りを緩和することのできる技術を提供す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】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む改質燃料から、水素リッチな改質済み燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、前記燃料改質装置内に設けられ、前記改質済み燃料ガスとなる改質ガスが流れる改質流路と、前記改質流路に設けられ、前記改質流路の断面内の第１の流路領域を流れる第１の改質ガスの前記断面内における流路位置と、前記改質流路の断面内の第２の流路領域を流れる第２の改質ガスの前記断面内の流路位置とを交換するように構成された少なくとも１つの流路交換部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この燃料改質装置では、異なる流路領域を流れる第１と第２の改質ガスの流路が流路交換部によって交換されるので、改質ガスの流路断面における特性分布の偏りを緩和することができる。例えば、流路断面内の温度分布に大きな偏りが存在する場合には、その温度分布を均一化することができる。また、流路断面内のガス濃度分布に大きな偏りが存在する場合には、その濃度分布を均一化することができる。
【０００９】
前記第１の流路領域は前記改質流路内の比較的中心側に存在し、前記第２の流路領域は前記改質流路内の比較的周辺側に存在するものとしてもよい。
【００１０】
流路断面の中心近傍領域と周辺近傍領域とでは、温度や濃度の値がかなり異なる場合が多い。従って、これらの領域を流れるガスの流路を交換すれば、温度分布や濃度分布を均一化することができる。
【００１１】
前記流路交換部は、前記流路交換部内の流路の外周を構成する外周部材と、前記外周部材の入口に設けられ、第１の中心領域開口と第１の周辺領域開口との２つの開口を少なくとも有する第１の開口部材と、前記外周部材の出口に設けられ、第２の中心領域開口と第２の周辺領域開口との２つの開口を少なくとも有する第２の開口部材と、前記第１の中心領域開口と前記第２の周辺領域開口とを接続する第１の接続流路と、前記第１の周辺領域開口と前記第２の中心領域開口とを接続する第２の接続流路と、を備えるようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、第１と第２の改質ガスの流路を容易に交換することができる。
【００１３】
前記流路交換部は、さらに、前記第１の開口部材において前記第１の中心領域開口と前記第１の周辺領域開口との間の境界を構成する第１の境界部材に接続された壁面を有し、前記流路交換部の入口側から出口側に向けて中空部の断面積が減少する第１の中空錐状部材と、前記第２の開口部材において前記第２の中心領域開口と前記第２の周辺領域開口との間の境界を構成する第２の境界部材と、前記外周部材の壁面との間を接続する壁面を有し、前記流路交換部の入口側から出口側に向けて中空部の断面積が減少する第２の中空錐状部材と、前記第１の中空錐状部材の内側の第１の空間を、前記第２の中空錐状部材と前記外周部材とで挟まれた第２の空間に連通させる連通部材と、を備えるようにしてもよい。また、このとき、前記連通部材が前記第１の接続流路を形成し、前記第１と第２の中空錐状部材の間の空間が前記第２の接続流路を形成するようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、流路交換部内の流路が滑らかに変化するので、圧力損失の少ない流路交換部を得ることができる。
【００１５】
本発明による第２の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む改質燃料から、水素リッチな改質済み燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、前記燃料改質装置内に設けられ、前記改質済み燃料ガスとなる改質ガスが流れる改質流路と、前記改質流路に設けられ、前記改質流路の断面内の第１の流路領域を流れる第１の改質ガスと、前記改質流路の断面内の第２の流路領域を流れる第２の改質ガスとを混合するように構成された少なくとも１つのガス混合部と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
この燃料改質装置では、異なる流路領域を流れる第１と第２の改質ガスがガス混合部によって混合されるので、改質ガスの流路断面における特性分布の偏りを緩和することができる。例えば、流路断面内の温度分布に大きな偏りが存在する場合には、その温度分布を均一化することができる。また、流路断面内のガス濃度分布に大きな偏りが存在する場合には、その濃度分布を均一化することができる。
【００１７】
なお、前記第１の流路領域は前記改質流路内の比較的中心側に存在し、前記第２の流路領域は前記改質流路内の比較的外周側に存在するようにしてもよい。
【００１８】
また、前記ガス混合部は、前記ガス混合部内の流路の外周を構成する外周部材と、前記ガス混合部の入口から、前記ガス混合部の入口と出口の中間の位置までの区間において前記第１の流路領域と前記第２の流路領域とを区画する壁面を有する流路区画部材と、前記流路区画部材から排出された前記第１と第２の改質ガスの混合を促進する混合促進部材と、を備えるようにしてもよい。
【００１９】
この構成によれば、第１と第２の改質ガスの混合を容易にかつ効率良く実現することができる。
【００２０】
なお、上述した流路交換部やガス混合部を、前記改質流路に沿った複数の箇所に設けるようにしてもよい。
【００２１】
この構成では、改質ガスの特性分布の偏りの緩和をより促進することができる。
【００２２】
また、複数の流路交換部の間や、複数のガス混合部の間に、反応容器がそれぞれ配置されているようにしてもよい。
【００２３】
この構成では、各反応容器における改質ガスの特性分布の偏りを緩和することができる。
【００２４】
上述した流路交換部やガス混合部は、前記改質ガス全体の流れ方向に垂直な複数の断面で前記流路交換部を切断して得られる断面形状をそれぞれ有する多数の薄板を積層した薄板積層構造を有していてもよい。
【００２５】
この構成によれば、流路交換部やガス混合部のサイズを小さく抑えることができる。従って、燃料改質装置全体を小型化することが可能である。
【００２６】
なお、前記多数の薄板は、拡散接合によって接合されていることが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、多数の薄板を強固に接合することが可能である。
【００２８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、流路交換装置、ガス混合装置、流路交換装置またはガス混合装置を備える燃料改質装置、これらの装置の製造方法、その燃料改質装置を備える燃料電池システム、および、その燃料電池システムを備える車両や移動体、等の形態で実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A．全体構成：
B．流路交換部を備えたシフト部の実施例：
C．流路交換部の他の実施例：
D．ガス混合部の実施例：
E．変形例：
【００３０】
A．全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料改質装置を搭載した電気自動車の概略構成図である。この電気自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）の車輪駆動機構は、モータ２０と、トルクコンバータ３０と、変速機４０とを有している。モータ２０の回転軸１３は、トルクコンバータ３０に結合されている。トルクコンバータの出力軸１４は、変速機４０に結合されている。変速機４０の出力軸１５は、ディファレンシャルギヤ１６を介して車輪１８の車軸１７に結合されている。
【００３１】
モータ２０は、ロータ２２と、ステータ２４とを備える三相の同期モータである。ロータ２２の外周面には、複数個の永久磁石が設けられている。また、ステータ２４には、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されている。モータ２０は、ロータ２２に備えられた永久磁石による磁界と、ステータ２４の三相コイルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動する。また、ロータ２２が外力によって回転させられる場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生じさせる。この場合には、モータ２０は発電機として機能する。
【００３２】
モータ２０には、主電源としての燃料電池システム６０と、補助電源としてのバッテリ（２次電池）５０と、の２つの電源が備えられている。バッテリ５０は燃料電池システム６０が故障した場合や、車両の始動時等のように燃料電池システム６０から十分な電力を出力することができない場合などに、不足する電力をモータ２０に供給する。バッテリ５０の電力は、さらに、車両の制御を行う制御ユニット７０や、照明装置などの電力機器（図示せず）にも供給される。
【００３３】
２つの電源５０，６０からの電力は、それぞれの駆動回路５１，５２と、切替スイッチ８０とを介してモータ２０に供給される。切替スイッチ８０は、バッテリ５０と、燃料電池システム６０と、モータ２０の３者間の接続状態を任意に切り替えることができる。ステータ２４は、切替スイッチ８０および第１の駆動回路５１を介してバッテリ５０に電気的に接続され、また、切替スイッチ８０および第２の駆動回路５２を介して燃料電池システム６０に接続される。２つの駆動回路５１，５２は、それぞれトランジスタインバータで構成されており、モータ２０の三相それぞれに対して、ソース側とシンク側の２つを一組としてトランジスタが複数備えられている。これらの駆動回路５１，５２は、制御ユニット７０と電気的に接続されている。
【００３４】
制御ユニット７０は、シフトレバー７２と、アクセルペダル７４と、ブレーキペダル７６とから与えられる運転者の指令に基づいて、車両のための各種の制御を実行する。制御ユニット７０が駆動回路５１，５２の各トランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御すると、バッテリ５０および燃料電池システム６０を電源とする擬似三相交流がステータ２４の三相コイルに流れ、回転磁界が形成される。モータ２０は、このような回転磁界の作用によって、先に説明した通り電動機または発電機として機能する。
【００３５】
なお、制御ユニット７０の各種の制御動作は、制御ユニット７０に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御ユニット７０が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００３６】
図２は、燃料電池システム６０の内部構成を示す説明図である。この燃料電池システム６０は、ガソリンなどの原燃料を供給するための原燃料供給部１１０と、水を供給するための水供給部１２０と、空気を供給するための空気供給部１３０と、原燃料と水と空気とを含む改質原料から改質反応により燃料ガスＨＲＧを生成する改質器１４０と、燃料電池１５０とを備えている。
【００３７】
原燃料供給部１１０は、原燃料を貯蔵する原燃料タンク１１２と、ポンプ１１４と、原燃料供給用の配管系と、を有している。本実施例においては、原燃料としてガソリンが利用されている。水供給部１２０は、水を貯蔵する水タンク１２２と、ポンプ１２４と、水供給用の配管系と、を有している。空気供給部１３０は、エアポンプ１３２と、空気供給用の配管系とを有している。
【００３８】
改質器１４０は、蒸発部１４１と、改質触媒を利用した改質反応を行うための改質部１４２（「改質反応部」とも呼ぶ）と、熱交換部１４３と、シフト部１４４と、ＣＯ浄化部１４５と、を有している。
【００３９】
原燃料（ガソリン）と水と空気は、蒸発部１４１において気化され、混合されて、改質原料ガスとなる。この気化に必要な熱は、蒸発部１４１内において改質原料流路とは別個に設けられた燃焼通路内における触媒燃焼反応によって発生する。この触媒燃焼反応に使用される燃料としては、燃料電池１５０からの燃料排ガスＥＸＧが主として利用される。燃料排ガスＥＸＧのみでは発熱量が不足する場合には、図示しない供給路を介して原燃料タンク１１２から原燃料が蒸発部１４１に供給される。
【００４０】
なお、本明細書においては、改質器１４０に入る３種類の改質原料の混合ガスを「改質原料ガス」と呼ぶ。また、改質原料ガスと、改質器１４０から取り出される燃料ガスＨＲＧとの中間状態にある混合気体を、「改質ガス」と呼ぶ。また、改質器１４０内の改質ガスの流路を「改質流路」と呼ぶ。
【００４１】
改質原料ガスは、改質部１４２と、シフト部１４４と、ＣＯ浄化部１４５とにおける化学反応によって水素ガスリッチな燃料ガスＨＲＧに変換される。まず、改質部１４２では、改質触媒を利用した改質反応が行われる。シフト部１４４は、シフト反応によって一酸化炭素濃度を低減するとともに、水素濃度を増大させる。ＣＯ浄化部１４５は、一酸化炭素の選択酸化反応を利用して一酸化炭素濃度をさらに低減する。シフト部１４４とＣＯ浄化部１４５は、いずれも一酸化炭素濃度を低減するための反応器なので、これらを合わせて「一酸化炭素低減部」と呼ぶことができる。なお、シフト部１４４やＣＯ浄化部１４５内に熱交換器を設けて、水や原燃料を昇温するとともに改質ガスを冷却するようにしてもよい。このような熱交換器の設置は、燃料電池システム全体の熱効率を向上させるという利点を有している。
【００４２】
ガソリンを改質原料として用いた場合には、改質部１４２における改質ガスの温度は約６５０℃程度であり、シフト部１４４における改質ガス温度は約２５０℃である。熱交換部１４３は、水と改質ガスとの熱交換を行って、改質ガスをシフト反応に適した温度まで冷却するとともに、水を加熱する。熱交換部１４３で加熱された水は、水蒸気改質反応用の水として蒸発部１４１に供給される。
【００４３】
B．流路交換部を備えたシフト部の実施例：：
図３は、シフト部１４４の内部構成を示す説明図である。シフト部１４４は、３つの流路交換部３０２，３０４，３０６と３つのシフト反応室４０２，４０４，４０６とが、改質ガスの流れ方向に沿って交互に配置された構成を有している。なお、これらの６つの流路室３０２，４０２，３０４，４０４，３０６，４０６は互いに接続されて連続した流路を形成しているが、図３では図示の便宜上、それぞれの流路室の間に隙間が描かれている。
【００４４】
図４は、シフト部１４４内の６つの流路室を通る改質ガスの流れの様子を示す説明図である。第１の流路交換部３０２は、中心流路領域３１０と周辺流路領域３２０とを有している。第１の流路交換部３０２は、その入口において中心流路領域３１０に流入した改質ガスが、出口では周辺流路領域から排出されるように構成されている。一方、第１の流路交換部３０２の入口において周辺流路領域３２０に流入した改質ガスは、出口では中心流路領域から排出される。他の流路交換部３０４，３０６も、第１の流路交換部３０２と同一の構成を有している。流路交換部３０２の具体的な構成については後述する。
【００４５】
シフト部１４４に流入する改質ガスの温度は、図４に示したように、流路断面の中心近傍において比較的高く、周辺近傍において比較的低い傾向にある。この理由は、改質部１４２（図２）内において、中心近傍では反応が比較的活発で温度が高く、周辺近傍では反応が比較的不活発で温度が低いためである。
【００４６】
改質ガス流路の中心近傍を流れる改質ガスと周辺近傍を流れる改質ガスは、第１の流路交換部３０２内において互いの位置を交換するので、第１のシフト反応室４０２の中心近傍には比較的低温の改質ガスが導入され、その周辺近傍には比較的高温の改質ガスが導入される。ところで、通常は、第１のシフト反応室４０２においても、その中心近傍の方が周辺近傍よりも反応が活発であり、中心近傍の方が周辺近傍よりも温度が高くなる傾向にある。本実施例では、第１のシフト反応室４０２の中心近傍に導入されるガスの方が温度が高いので、第１のシフト反応室４０２内の流路断面における温度分布が均一化される。第２と第３のシフト反応室４０４，４０６においても、同様に、その流路断面における温度分布が均一化される。従って、シフト部１４４の全体を通して、改質ガス流路断面における温度分布が均一化されることが理解できる。
【００４７】
ところで、一般に、反応容器内における反応の活性度は温度に強く依存する。本実施例によれば、シフト部１４４内の改質ガス流路断面における温度分布が均一化されるので、反応の活性度も改質ガス流路断面内でより均一化される。この結果、シフト部１４４全体としての反応の活性度を高めることができる可能性がある。
【００４８】
なお、反応が活発な領域では、改質ガス中の原燃料ガスがより多く消費される傾向にある。従って、改質ガスの濃度も、改質ガス流路の中心近傍では低くなり、逆に、周辺近傍では高くなる傾向にある。本実施例の流路交換部３０２，３０４，３０６は、このようなガスの濃度分布も均一化することができる。
【００４９】
図５は、流路交換部の構成を説明するための概念図である。この流路交換部３００は、３つの流路交換部３０２，３０４，３０６の概略構成とその機能を説明するためのものであり、正確な構成は後述する流路交換部３０２，３０４，３０６の構成とは多少異なっている。なお、図５では、図示の便宜上、流路交換部４００の入口側を下とし、出口側を上とした状態が描かれている。
【００５０】
図５に示した流路交換部３００は、流路の外周を構成する中空円筒状の外周部材５００と、流路の入口を構成する入口部材５１０と、流路の出口を構成する出口部材５２０と、を有している。入口部材５１０は、外周リング５１２と内周リング５１４とを有している。内周リング５１４は、入口における中心領域開口ＣＯ１と周辺領域開口ＰＯ１との境界を構成する境界部材である。出口部材５２０も、同様に、外周リング５２２と内周リング５２４とを有している。この内周リング５２４は、出口における中心領域開口ＣＯ２と周辺領域開口ＰＯ２との境界を構成する境界部材である。
【００５１】
外周部材５００の内側には、さらに、第１の中空錐状部材５３０と、第２の中空錐状部材５４０と、２つの連通部材５５０とが設けられている。第１の中空錐状部材５３０は、入口部材５１０の内周リング５１４に接続された壁面を有してており、流路交換部３００の入口側から出口側に向けて中空部の断面積が次第に減少する形状を有している。また、第１の中空錐状部材５３０は、その上流側では開放されており、下流側は閉鎖されている。第２の中空錐状部材５４０は、外周部材５００の内壁の中央付近の位置と、出口部材５２０の内周リング５２２とを接続する壁面を有している。第２の中空錐状部材５４０も、流路交換部３００の入口側から出口側に向けて中空部の断面積が減少する形状を有している。また、第２の中空錐状部材５４０は、上流側も下流側も開放されている。連通部材５５０は、第１の中空錐状部材５３０の内側の空間と、第２の中空錐状部材５４０と外周部材５００とで挟まれた空間とを連通するものである。
【００５２】
図５において下側から流れてくる改質ガスは、入口部材５１０において、中心領域開口ＣＯ１に導入されるガスと、周辺領域開口ＰＯ１に導入されるガスとに分離される。入口の周辺領域開口ＰＯ１に導入された改質ガスは、第１と第２の中空錐状部材５３０，５４０の壁面の間の空間を流れて、出口の中心領域開口ＣＯ２から排出される。一方、入口の中心領域開口ＣＯ１に導入された改質ガスは、第１の中空錐状部材５３０の内側の空間と、連通部材５５０の内部空間とを経由して、外周部材５００と第２の中空錐状部材５４０との間の空間に導かれ、出口の周辺領域開口ＰＯ２から排出される。なお、後述する流路交換部３０２の具体的な構成では、連通部材５５０の形状が図５よりも大きいが、これは、図５では理解を容易にするために連通部材５５０を小さく描いたためである。
【００５３】
このように、図５に示す流路交換部３００は、改質流路の断面内の中心領域を流れる改質ガスの流路位置と、周辺領域を流れる第２の改質ガスの流路位置とを交換するように構成されている。従って、図４で説明したように、流路断面におけるガスの温度分布や濃度分布を均一化することができる。
【００５４】
図６は、流路交換部３０２の具体的な構成を示す斜視図である。また、図７は、図６のＡ−Ａ縦断面図である。図７では、図５で説明した外周部材５００と、入口部材５１０（外周リング５１２および内周リング５１４）と、出口部材５２０（外周リング５２２および内周リング５２４）と、第１の中空錐状部材５３０と、第２の中空錐状部材５４０とが見えている。なお、図５の連通部材５５０に相当する部材は、図７では見えていない。
【００５５】
図８は、図７のａ〜ｊで示す位置における横断面図である。図８（ｊ）に示す入口部材５１０は、内周リング５１４と外周リング５１２とを接続する接続部材５１６を有しており、これによって、入口部材５１０全体が一体として構成されている。同様に、図８（ａ）に示す出口部材５２０も、内周リング５２４と外周リング５２２とを接続する接続部材５２６を有しており、これによって出口部材５２０全体が一体として構成されている。他の図８（ｂ）〜（ｉ）においても同様に、各断面を構成する部材同士が互いに接続されていることが理解できる。
【００５６】
ここで、改質ガスの流れの様子を流路交換部３０２の入口側（図８（ｊ））から出口側（図８（ａ））に順に辿ると、以下の通りである。図８（ｊ）に示すように、流路交換部３０２の入口の開口部は、内周リング５１４によって中心領域開口ＣＯ１と周辺領域開口ＰＯ１とに区分されている。図８（ｊ）では、中心領域開口ＣＯ１を通る第１の改質ガスＧ１が黒丸で代表されており、周辺領域開口ＰＯ１を通る第２の改質ガスＧ２が白丸で代表されている。
【００５７】
図８（ｉ）は、図８（ｊ）よりもやや出口側の断面図であり、ここでは、第１の中空錐状部材５３０の壁面と、連通部材５５０の壁面とが現れている。第１の改質ガスＧ１は、この連通部材５５０の内側にも進入できるが、そのほとんどは流路の中心付近を通過すると考えられる。また、第２の改質ガスＧ２は、周辺領域の流路を通過する。
【００５８】
図８（ｈ）の断面では、第１の中空錐状部材５３０の内部空間がやや狭くなっており、一方、連通部材５５０の内部空間がやや広くなっている。この傾向は、図８（ｇ）の断面においても続いている。
【００５９】
図８（ｆ）の断面では、第２の中空錐状部材５４０の壁面が現れている。また、第２の中空錐状部材５４０と外周部材５００とに挟まれた空間は、連通部材５５０の内側の空間を介して、第１の中空錐状部材５３０の内側の空間と接続されていることが理解できる。図８（ｆ）よりも出口側に近づくにつれて、第１の中空錐状部材５３０の内部空間は次第に狭くなり、第２の中空錐状部材５４０と外周部材５００との間の空間は次第に広くなってゆく。また、連通部材５５０の内部空間は、次第に狭くなってゆく傾向にある。
【００６０】
図８（ｃ）の断面では、第１の中空錐状部材５３０の上端部が現れている。この断面においては、第２の中空錐状部材５４０の内側の流路がより中心側に寄っており、第２の中空錐状部材５４０と外周部材５００との間の流路がより広くなっている。また、第１の改質ガスＧ１は、この周辺側の流路を流れており、第２の改質ガスＧ２は中心側の流路を流れている。そして、図８（ａ）に示す出口部材５２０においては、第１の改質ガスＧ１は周辺領域開口ＰＯ２を通過し、第２の改質ガスＧ２は中心領域開口ＣＯ２を通過する。
【００６１】
図８（ａ）〜（ｊ）から理解できるように、この流路交換部３０２は、改質流路の断面内の中央近傍を流れる第１の改質ガスの流路位置と、改質流路の断面の周辺近傍を流れる第２の改質ガスの流路位置とを交換するように構成されており、図４で説明した機能を有している。
【００６２】
図９は、流路交換部３０２の製造方法を示すフローチャートである。ステップＳ１では、多数の薄板材を準備する。薄板材の材質としては、インコネルやステンレス鋼などの耐熱性合金が用いられる。あるいは、セラミック製の板材を利用することも可能である。薄板材の厚みは、約０．５ｍｍ〜約３ｍｍ程度が好ましい。
【００６３】
ステップＳ２では、薄板材をエッチングによって加工して、改質ガス全体の流れ方向に垂直な断面で流路交換部３０２を切断したときの複数の断面形状をそれぞれ有する多数の流路プレートを作成する。前述した図８（ａ）〜（ｊ）は、これらの流路プレートのうちの一部に相当する。なお、図８（ａ）〜（ｊ）でも説明したように、各流路プレートは、それぞれが一枚のプレートとして取り扱えるように、流路プレート内の各部材が互いに接続されていることが好ましい。
【００６４】
なお、エッチングの代わりに、カッターなどを用いた機械加工によって流路プレートを作成しても良い。但し、エッチングによって流路プレートを加工すると、加工部分にバリなどの変形の無いきれいな流路プレートを得ることができるという利点がある。また、薄板材の加工では、機械加工に比べてエッチングの方が寸法精度が高いという利点もある。
【００６５】
ステップＳ３では、こうして加工された複数の流路プレートが、順次積層される。ステップＳ４では、この積層物が拡散接合され、各流路プレート同士が互いに接合された薄板積層構造が生成される。流路プレートの接合に拡散接合を利用すれば、薄板同士が密着した状態で強固に接合することができる。従って、流路に漏れが生じる可能性を低く抑えることができる。但し、接合の方法としては、拡散接合以外の他の方法を利用しても良い。
【００６６】
こうして、薄板積層構造を有する流路交換部３０２が完成する。なお、流路交換部３０２は、薄板を積層する方法以外の方法で製作することも可能である。但し、流路交換部３０２は複雑な流路を有しているので、薄板を積層する方法を採用する方が製作が容易であり、また、高い寸法精度を得ることができる。また、薄板積層構造を有する流路交換部３０２を用いるようにすれば、流路交換部３０２のサイズを小さく抑えることができる。この結果、シフト部１４４や燃料改質装置の全体を小型化することができる。
【００６７】
以上のように、本実施例のシフト部１４４では、中心近傍のガス流路と周辺近傍のガス流路とを交換する流路交換部３０２を用いたので、シフト部１４４の流路断面におけるガスの温度分布を均一化することが可能である。また、原燃料ガスの濃度分布も均一化することができる。この結果、シフト部１４４全体における反応の活性度を高めることが可能である。
【００６８】
なお、図４に示したように、本実施例では、複数の流路交換部３０２，３０４，３０６を用いたので、より大きな均一化効果を得ることができる。また、複数の流路交換部３０２，３０４，３０６の間には、反応容器としてのシフト反応室４０２，４０４が設けられているので、均一化の効果がさらに顕著である。
【００６９】
C．流路交換部の他の実施例：
図１０は、流路交換部の第２実施例を示す断面図である。この図は、図７を右に９０度回転したものに相当する姿勢で描かれている。この流路交換部３０２ａは、第１実施例の流路交換部３０２の第１の中空錐状部材５３０の壁面の外面と内面にそれぞれフィン５３２，５３４を設けたものである。これらのフィン５３２，５３４は、流れの方向に沿って伸びており、中空錐状部材５３０の内面と外面上にそれぞれ放射状に設けられている。
【００７０】
なお、図１０では、図８で説明した第１と第２の改質ガスＧ１，Ｇ２の流れが矢印で示されている。また、図１０では、連通部材５５０の輪郭の一部が破線で示されている。
【００７１】
フィン５３２，５３４は、改質ガス流路の中心近傍を流れるガスＧ１と、周辺近傍を流れるガスＧ２との熱交換を促進する。従って、温度分布の均一化の効果を促進することができる。なお、熱交換を促進する伝熱促進部材として、これらのフィン５３２，５３４以外の他の構成を採用することも可能である。
【００７２】
図１１は、流路交換部の第３実施例を示す断面図である。この流路交換部３０２ｂは、図７に示した第１実施例の第１の中空錐状部材５３０を、中空円筒状部材５３０ｂに置換し、また、第２の中空錐状部材５４０を、外周に鍔５４２のある中空円筒状部材５４０ｂに置換した構成を有している。鍔５４２は、外周部材５００と接続されている。また、図１１には、第１の中空円筒状部材５３０ｂの内部空間と、第２の中空円筒状部材５４０ｂと外周部材５００との間に形成された空間とを連通する連通部材５５０ｂの輪郭の一部が破線で描かれている。
【００７３】
この流路交換部３０２ｂも、上述した流路交換部３０２，３０２ａと同様に、改質ガスＧ１，Ｇ２の流路を交換する機能を有している。但し、中空円筒状部材５３０ｂ，５４０ｂよりも中空錐状部材５３０，５４０の方が圧力損失が小さいので、この点では第１実施例や第２実施例の流路交換部３０２，３０２ａの方が好ましい。
【００７４】
D．ガス混合部の実施例：
図１２は、本発明によるガス混合部の第１実施例の構成を示す従断面図である。このガス混合部６００は、流路の外周を構成する中空円筒状の外周部材６１０と、外周部材６１０の内部の入口側に設けられた中空円筒状部材６２０と、中空円筒状部材６２０の下流側に離間して設けられた中空半球状部材６３０とを有している。中空円筒状部材６２０は、ガス混合部６００の入口の流路を、中心近傍の流路領域と周辺近傍の流路領域とに区画している。このガス混合部６００も、第１実施例の流路交換部３０２と同様な製造工程により、薄板積層構造として製造することが可能である。
【００７５】
中心近傍の流路領域を流れる第１の改質ガスＧ１と、周辺近傍の流路領域を流れる第２の改質ガスＧ２は、中空円筒状部材６２０を出ると、中空半球状部材６３０で流れが大きく乱されて、周辺近傍の流路領域を流れてきた第２の改質ガスＧ２と混合される。こうして混合が促進された改質ガスが、ガス混合部６００から排出される。
【００７６】
このようなガス混合部６００を、流路交換部３０２の代わりに用いるようにすれば、改質ガス流路の断面方向における温度分布やガスの濃度分布を均一化することが可能である。また、図３と同様に、ガス混合部６００を改質流路の複数箇所に設けることによって、均一化の効果が顕著になる。
【００７７】
図１３は、ガス混合部の第２実施例の構成を示す従断面図である。このガス混合部６００ａは、図１２に示した第１実施例における半球状部材６３０の代わりに、障壁６１２を設けたものである。この障壁６１２は、中空円筒状部材６２０の出口から離間した位置に、外周部材６１０の内面の全周にわたって設けられている。但し、内面の全周の一部にのみ障壁６１２を設けるようにしてもよい。この障壁６１２は、改質ガスの流れ（特に、外周近傍を流れる改質ガスＧ２の流れ）を乱す機能があり、これによって、改質ガスＧ１，Ｇ２の混合を促進する。このようなガス混合部６００ａを用いても、改質ガス流路の断面方向における温度分布やガスの濃度分布を均一化することが可能である。
【００７８】
図１４は、ガス混合部の第３実施例の構成を示す従断面図である。このガス混合部６００ｂは、図１２に示した第１実施例における半球状部材６３０の代わりに、エッジ部材６４０を設けたものである。このエッジ部材６４０は、中空円筒状部材６２０の出口から離間した位置に、エッジを上流側（入口側）に向けた形で設けられている。改質ガスがこのエッジに衝突すると、エッジトーンと呼ばれる音が発生して、ガスの流れを乱す。このようなエッジの効果は、「エッジトーン現象」と呼ばれている。このエッジトーン現象によって、ガスの流れが乱されるので、改質ガスＧ１，Ｇ２の混合を促進することができる。従って、このようなガス混合部６００ｂを用いると、改質ガス流路の断面方向における温度分布やガスの濃度分布を均一化することが可能である。
【００７９】
E．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８０】
E１．変形例１：
上述した流路交換部の各実施例では、改質流路の断面のうちの中心近傍を流れる改質ガスの流路位置と、周辺近傍を流れる改質ガスの流路位置とを交換していたが、この代わりに、右側の流路位置と左側の流路位置とを交換するようにしてもよい。一般に、本発明の流路交換部は、改質流路の断面内の第１の流路領域を流れる第１の改質ガスの流路位置と、改質流路の断面内の第２の流路領域を流れる第２の改質ガスの流路位置とを交換するように構成されていればよい。
【００８１】
同様に、上述した各種のガス混合部においても、右側の流路を流れる改質ガスと左側の流路を流れる改質ガスとの混合を促進するようにしてもよい。一般に、本発明のガス混合部は、改質流路の断面内の第１の流路領域を流れる第１の改質ガスと、改質流路の断面内の第２の流路領域を流れる第２の改質ガスとを混合するように構成されていればよい。
【００８２】
E２．変形例２：
上述した流路交換部の各実施例では、入口部材５１０（図５，図７）が流路交換部の入口に設けられており、出口部材５２０が流路交換部の出口に設けられていたが、これらの部材を流路交換部の入口や出口よりもやや内側に設けるようにしてもよい。すなわち、入口や出口の近傍に、中心領域開口と周辺領域開口との２つの開口を少なくとも有する開口部材を設けるようにすれば良い。
【００８３】
E３．変形例３：
上述した各実施例では、流路交換部やガス混合部の外形を円筒状であるとしていたが、外形は円筒状に限らず、直方体状や六角柱状などの任意の形状を採用することが可能である。
【００８４】
E４．変形例４：
上述した流路交換部の各実施例では、入口の中心領域開口に流入する第１の改質ガスと周辺領域開口に流入する第２の改質ガスが流路交換部内で壁面によって互いに完全に分離されており、両者が混合しないように流路交換部が構成されていた。この代わりに、流路交換部内の壁面に連通孔を設けて、第１と第２の改質ガスの一部が流路交換部内で互いに混合されるようにしてもよい。
【００８５】
E５．変形例５：
上記各実施例では、シフト部１４４内に流路交換部（流路交換装置）やガス混合部（ガス混合装置）を設けていたが、燃料改質装置の他の部分に流路交換部やガス混合部を設けることも可能である。
【００８６】
E６．変形例６：
改質器の原燃料としては、ガソリン以外の種々の炭化水素系燃料を使用可能である。例えば、メタノールなどのアルコールや、天然ガス、アルデヒド、エーテルなどの種々の炭化水素系化合物を利用することができる。
【００８７】
E７．変形例７：
上記実施例では、燃料電池システム６０を使用した電気自動車の例について説明したが、本発明は、車輪駆動用の原動機として、モータと内燃機関との２つの原動機を用いたハイブリッド自動車（ハイブリッド車両）にも適用することができる。また、本発明は、船舶や電車などのような、自動車以外の移動体にも適用可能である。すなわち、本発明は、一般に、燃料電池と、燃料改質装置と、燃料電池を含む電源から供給される電力によって駆動される原動機と、を備える移動体に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料改質装置を搭載した電気自動車の概略構成図。
【図２】燃料電池システム６０の内部構成を示す説明図。
【図３】シフト部１４４の内部構成を示す説明図。
【図４】シフト部１４４内の６つの流路室を通る改質ガスの流れの様子を示す説明図。
【図５】流路交換部の構成を説明するための概念図。
【図６】流路交換部３０２の斜視図。
【図７】流路交換部３０２の縦断面図。
【図８】流路交換部３０２の横断面図。
【図９】流路交換部３０２の製造方法を示すフローチャート。
【図１０】流路交換部の第２実施例を示す断面図。
【図１１】流路交換部の第３実施例を示す断面図。
【図１２】ガス混合部の第１実施例を示す断面図。
【図１３】ガス混合部の第２実施例を示す断面図。
【図１４】ガス混合部の第３実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１３…回転軸
１４…出力軸
１５…出力軸
１６…ディファレンシャルギヤ
１７…車軸
１８…車輪
２０…モータ
２２…ロータ
２４…ステータ
３０…トルクコンバータ
４０…変速機
５０…バッテリ
５１，５２…駆動回路
６０…燃料電池システム
７０…制御ユニット
７２…シフトレバー
７４…アクセルペダル
７６…ブレーキペダル
８０…切替スイッチ
１１０…原燃料供給部
１１２…原燃料タンク
１１４…ポンプ
１２０…水供給部
１２２…水タンク
１２４…ポンプ
１３０…空気供給部
１３２…エアポンプ
１４０…改質器
１４１…蒸発部
１４２…改質部
１４３…熱交換部
１４４…シフト部
１４５…ＣＯ浄化部
１５０…燃料電池
３００，３０２，３０４，３０６…流路交換部
３１０…周辺流路領域
３２０…中心流路領域
４００…流路交換部
４０２，４０４，４０６…シフト反応室
５００…外周部材
５１０…入口部材
５１２…外周リング
５１４…内周リング
５１６…接続部材
５２０…出口部材
５２２…外周リング
５２４…内周リング
５２６…接続部材
５３０…中空錐状部材
５３０ｂ…中空円筒状部材
５３２，５３４…フィン
５４０…中空錐状部材
５４０ｂ…中空円筒状部材
５４２…鍔
５５０…連通部材
６００…ガス混合部
６１０…外周部材
６１２…障壁
６２０…中空円筒状部材
６３０…中空半球状部材
６４０…エッジ部材
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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