(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置であって、
改質室に配置され、前記改質室内のガスの流れ方向に複数並列される改質触媒層と、
前記改質室に前記改質用燃料、水蒸気および酸素を含む改質用燃料ガスを供給して前記改質触媒層で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるための供給機構と、
を備え、
前記改質触媒層は、少なくとも前記ガスの流れ方向上流に配置される一の改質触媒層を、面方向が前記ガスの流れ方向に直交するドーナツ形状に設定し、
前記改質用燃料ガスの一部が、前記ドーナツ形状に設定された前記改質触媒層の中央部を通って後段の改質触媒層に供給され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において、前記改質触媒層間には、一の前記改質触媒層を通りかつその他の前記改質触媒層を迂回するガス流路形成手段が配置されることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料改質装置において、前記改質触媒層に向かって拡径する円錐状のガス供給流路を形成する流路部材を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料改質装置において、前記ガスの流れ方向最下流に配置される前記改質触媒層の中央空洞部分には、円錐状のカバー部材が装着されることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項５】
炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置であって、
改質室に配置される改質触媒層と、
前記改質室に前記改質用燃料、水蒸気および酸素を供給して前記改質触媒層で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるための供給機構と、
前記改質触媒層の上流側に配置され、前記改質室に連通する燃焼室内で燃焼を行って始動時に該改質触媒層に加温用燃焼ガスを直接供給するための始動用燃焼機構と、
を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項６】
請求項５記載の燃料改質装置において、前記改質触媒層は、面方向が前記改質室内のガスの流れ方向に直交するドーナツ形状に設定されることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項７】
請求項６記載の燃料改質装置において、前記改質触媒層と前記始動用燃焼機構とが同心的に配置されることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項８】
請求項５記載の燃料改質装置において、前記始動用燃焼機構は、燃焼室に燃料を供給するためのインジェクタを備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項９】
請求項８記載の燃料改質装置において、前記始動用燃焼機構は、前記インジェクタの周囲から空気を導出するための空気ノズルを備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料改質装置において、前記供給機構は、前記インジェクタの下流でかつ前記改質触媒層の上流に配置される前記改質用燃料、前記水蒸気および前記酸素を含む空気の供給口を設けることを特徴とする燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、炭化水素、例えば、メタノール水溶液の水蒸気改質により生成された水素を含む改質ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
上記のように、メタノール水溶液を改質して水素を含む改質ガスを生成する水蒸気改質反応は、ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋３Ｈ2 と表される吸熱反応である。従って、改質反応に必要な熱量を供給するために、通常、改質器内に複雑な伝熱構造を組み込むことが行われており、構造が複雑化していた。
【０００５】
そこで、例えば、特開平９−３１５８０１号公報や特開平７−３１５８０１号公報に開示されているように、炭化水素を含有する原燃料ガスに酸素を供給して発熱反応である酸化反応を行わせ、この酸化反応で放出される熱量を利用して吸熱反応である前記原燃料ガスの改質反応を行う方法が知られている。これにより、構造の簡素化が可能になるという利点が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的に酸化反応速度は改質反応速度よりも大きいため、改質触媒の入口側の温度が上昇する一方、改質反応で重要な前記改質触媒の出口側の温度が低下し易い。しかしながら、上記の従来技術では、改質触媒（ペレット）がガスの流れ方向に長尺に構成されているため、この改質触媒のガスの流れ方向の温度差が大きくなり、触媒層全域で所望の改質反応を実現することができないという問題が指摘されている。しかも、ペレットでは、コンパクト性に劣るとともに、改質触媒の温度を均等化することが極めて難しいという不具合がある。
【０００７】
また、通常、改質触媒として、プレート型改質触媒層と触媒燃焼室とを交互に積層する構造が採用されている（例えば、特開平８−２５３３０１号公報参照）。ところが、この種の改質触媒層は、一般的に矩形プレート形に設定されており、改質器を構成するケース全体が矩形状になる。このため、ケースに応力集中が惹起され易く、前記ケースが肉厚になって改質器全体の小型化を図ることができないという問題がある。
【０００８】
一方、メタノール水溶液の水蒸気改質を開始する際には、改質触媒を所定の温度に昇温する必要がある。このため、通常、改質器の外部に配置された装置から前記改質器に蒸気等の熱を供給することが行われている。しかしながら、車載用に使用される燃料電池スタックでは、特に高効率でかつコンパクトな改質器が要求されており、上記の構造を採用することができない。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で所望の改質反応を円滑に行うとともに、装置全体の小型化を容易に図ることが可能な燃料改質装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、円滑な起動が遂行されるとともに、熱効率がよくかつコンパクトな燃料改質装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料改質装置では、改質触媒層が配置される改質室に改質用燃料、水蒸気および酸素が供給され、いわゆる、オートサーマル方式により、この改質触媒層で酸化反応と燃料改質反応とが同時に行われる。具体的には、ＣＨ3 ＯＨ＋３／２Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ（発熱反応）と、ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋３Ｈ2 （吸熱反応）とが同時に遂行され、改質器内に複雑な伝熱構造が不要になり、装置全体の構成が簡素化される。
【００１２】
さらに、改質触媒層は、その面方向が改質室内のガスの流れ方向に直交するドーナツ形状に設定されるため、この改質触媒層の薄型化が図られ、前記改質触媒層の出口側温度を改質反応に必要な温度に確保することができる。しかも、改質触媒層全体の温度を均等化するとともに、前記改質触媒層の圧損を減少させることが可能になる。その上、改質触媒層がドーナツ形状であるため、改質器自体が円筒状に構成され、応力集中の発生を阻止してケースの薄肉化が図られる。これにより、簡単かつコンパクトな構成で、水素を含む改質ガスを効率的に生成することができる。
【００１３】
また、改質触媒層がガスの流れ方向に複数並列されるとともに、前記改質触媒層間には、前記改質触媒層を通りかつその他の前記改質触媒層を迂回するガス流路形成手段が配置される。従って、改質器全体を有効に小型化するとともに、各改質触媒層に対してガスを均等に供給することが可能になる。
【００１４】
さらにまた、改質触媒層に向かって拡径する円錐状のガス供給流路を形成する流路部材を備えるため、この改質触媒層の半径方向に対してガスを均等に供給することができる。しかも、改質触媒層の外周部分に沿ってガスを流すことにより、前記改質触媒層の外周部分からの放熱を防ぐことが可能になり、前記改質触媒層の半径方向の温度分布が均等化される。
【００１５】
さらに、ガスの流れ方向最下流に配置される改質触媒層の中央空洞部分には、円錐状のカバー部材が装着される。このため、最下流の改質触媒層の全面に対してガスを円滑かつ確実に供給することができる。
【００１６】
また、本発明では、改質触媒層の上流側に始動用燃焼機構が配置されており、始動時に前記改質触媒層に加熱用の燃焼ガスを直接供給している。これにより、改質触媒層の暖気時間を一挙に短縮することができ、改質ガスを効率的に得ることが可能になる。しかも、始動用燃焼機構により生成された水を改質反応に利用することができ、給水構造の簡素化が図られる。
【００１７】
さらにまた、ドーナツ形状の改質触媒層の面方向が改質室内のガスの流れ方向に直交する形状に設定されている。従って、改質触媒層の肉厚を薄くすることができ、この改質触媒層の温度分布を均等化することが可能になる。さらに、改質触媒層が配置されるケース自体も円筒形状に設定することができ、応力集中を回避して前記ケース自体を相当に肉薄化することが可能になる。
【００１８】
また、改質触媒層と始動用燃焼機構とが同心的に配置されるため、この改質触媒層の中央から外側に向かってガスを流すことができ、前記改質触媒層を多段に積層することが可能となる。しかも、燃焼ガスによりドーナツ形状の改質触媒層を全体的に均等に暖めることができる。
【００１９】
さらに、始動用燃焼機構が燃料を供給するためのインジェクタを備えている。従って、燃料の供給量を精度よく設定することができ、特に、着火、保炎および温度の制御が簡単に行われる。しかも、急激な負荷増加、例えば、生成水素ガス量の増加等に対して、始動用のインジェクタから改質原料炭化水素を増量することにより、応答性よく燃料を供給することが可能になる。
【００２０】
また、インジェクタの周囲から空気を導出するための空気ノズルが配置されている。このため、定常運転時に空気を供給することにより、インジェクタへの堆積物の発生を有効に防止することができる。その上、空気ノズルから噴射される空気の冷却作用によって、高価な高耐熱性のインジェクタを使用する必要がなく、安価なインジェクタで対応することができ、極めて経済的である。さらに、空気に旋回流を与えることにより、燃料と空気を均等に混合させることが可能になり、改質触媒層での反応ムラが確実に回避される。
【００２１】
さらにまた、供給機構がインジェクタの下流でかつ改質触媒層の上流に配置される改質用燃料、水蒸気および酸素を含む空気の供給口を設けている。従って、始動時に改質用燃料および水蒸気に空気を混合させることによって、燃焼ガスの温度を有効に制御することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成図である。燃料電池システム１２は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより水素ガスを生成する本実施形態に係る燃料改質装置１０と、この燃料改質装置１０から改質ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気が供給され、前記改質ガス中の水素ガスと前記空気中の酸素とにより発電を行う燃料電池スタック１４とを備える。炭化水素としては、メタノール、天然ガスまたはメタン等が使用可能である。
【００２３】
燃料改質装置１０は、炭化水素、例えば、メタノールを貯留するメタノールタンク１６と、燃料電池システム１２から排出される生成水等を貯留する水タンク１８と、前記メタノールタンク１６および前記水タンク１８からそれぞれ所定量のメタノールおよび水が供給されてメタノール水溶液を混合する混合器２０と、前記混合器２０から供給されるメタノール水溶液を蒸発させるための蒸発器２２と、前記蒸発器２２に蒸発熱を供給する触媒燃焼器２４と、前記蒸発器２２から導入される気化状態のメタノール水溶液（以下、改質用燃料という）を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器２６と、この改質器２６から導出される改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器２８とを備える。
【００２４】
触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とには、空気供給器３０からそれぞれ空気が供給されるとともに、改質器２６と前記ＣＯ除去器２８との間には、改質ガスの温度を低下させるための熱交換器３２が配置されている。蒸発器２２と改質器２６と熱交換器３２とＣＯ除去器２８と触媒燃焼器２４とは、管体３４を介して連結され、循環流路を構成している（図２参照）。
【００２５】
図３に示すように、改質器２６は、改質室３６に配置される第１および第２改質触媒層３８、４０と、前記改質室３６にメタノール水溶液、水蒸気および酸素含有ガス、例えば、空気を供給して前記第１および第２改質触媒層３８、４０で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるための供給機構４２と、前記第１および第２改質触媒層３８、４０の上流側に配置され、始動時に該第１および第２改質触媒層３８、４０に加熱用燃焼ガスを直接供給するための始動用燃焼機構４４とを備える。
【００２６】
図２および図３に示すように、燃焼機構４４は、改質器２６にガスの流れ方向（矢印Ａ方向）の上流側に対応しかつ第１および第２改質触媒層３８、４０と同心的に設けられており、この燃焼機構４４は燃焼室４６に燃料、例えば、メタノールを供給するためのインジェクタ４８と、点火用プラグであるグロープラグ４９とを備える。このインジェクタ４８は、燃料経路５０を介してメタノールタンク１６に接続されている（図１参照）。
【００２７】
インジェクタ４８の先端側周囲には、図３に示すように、空気ノズル５２が装着され、この空気ノズル５２は、燃焼室４６に向かって開口する四つの空気導出口５４ａ〜５４ｄを設けている。図４に示すように、各空気導出口５４ａ〜５４ｄは、燃焼室４６内で渦流を発生させるようにそれぞれの噴射方向および角度が設定されている。空気ノズル５２は、第１空気経路５６を介して空気供給器５８または空気供給器３０に接続されている（図１参照）。
【００２８】
供給機構４２は、図２および図３に示すように、燃焼機構４４の下流側に配置されており、インジェクタ４８の下流でかつ第１改質触媒層３８の上流に位置して改質用燃料および水蒸気である燃料ガスと酸化用および希釈用空気とが混合または独立して供給される供給口６０を設けている。供給口６０は、経路３４ａを介して蒸発器２２に連結されるとともに、この経路３４ａの途上に設けられたジョイント部６２は、例えば、空気供給器３０に第２空気経路６４を介して連通している。供給口６０は、二重壁内の開口６０ａを介して複数の導入口６０ｂから希釈室６６に連通する。
【００２９】
改質器２６は、燃焼室４６に連通する希釈室６６から第１改質触媒層３８に向かって拡径する円錐状のガス供給流路６８を形成するディフューザ部（流路部材）７０を備える。ディフューザ部７０の拡径する端部には、略円筒状のケース７２がねじ止めされており、このケース７２内に第１および第２改質触媒層３８、４０が装着される。
【００３０】
第１および第２改質触媒層３８、４０は、銅または亜鉛系触媒で構成されており、ドーナツ形状のハニカム構造に設定されている。各ハニカム触媒のそれぞれの面方向が改質室３６内のガスの流れ方向（矢印Ａ方向）に直交して並列されている。第１および第２改質触媒層３８、４０のガスの流れ方向の上流側に第１および第２整流板７４ａ、７４ｂが固定される。第１および第２整流板７４ａ、７４ｂは、適切な圧力損失を有しており、第１および第２改質触媒層３８、４０へのガスの流れを均等化するとともに、各触媒層面内の流れを均等化する。
【００３１】
第１および第２改質触媒層３８、４０の間には、改質用燃料ガスがいずれか一方のみを通過するようにガス流路形成手段７６が配置される。ガス流路形成手段７６は、例えば、ＳＵＳ製の板材で構成されており、第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに挿入される筒状部７８と、この筒状部７８の端部からガスの流れ方向に沿って拡径する円錐部８０と、この円錐部８０の端部に一体的に設けられ、第２改質触媒層４０の外周を覆うリング部８２とを有する。筒状部７８の先端は、ガスの流れ方向とは逆方向に向かって縮径する絞り形状部８４が一体成形されている。絞り形状部８４の形状を適切に選定することにより、第１および第２改質触媒層３８、４０に流入するガスの分配状態を調整することができる。第２改質触媒層４０の中央空洞部分４０ａには、円錐状のカバー部材８６が装着されている。
【００３２】
図２に示すように、管体３４を構成し触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とにそれぞれ接続される経路３４ｂ、３４ｃのジョイント部８８には、三方弁９０が設けられており、この三方弁９０は、前記経路３４ｂと燃料電池スタック１４とを連通する位置と、該経路３４ｂと経路３４ｃとを連通する位置とに切り換え自在である。この経路３４ｃには、燃料電池スタック１４から排出される排出成分中の未反応水素ガス等のガスを導入するための導入口９２が配置されている。
【００３３】
このように構成される燃料改質装置１０の動作について、以下に説明する。
【００３４】
先ず、燃料改質装置１０の始動時には、始動暖気モードとして管体３４の経路３４ｂ、３４ｃが燃料電池スタック１４と遮断状態にある。そこで、燃焼機構４４を構成する第１空気経路５６から空気ノズル５２を介して燃焼室４６に空気が供給され、この燃焼室４６内に渦流が形成される。この状態で、グロープラグ４９が駆動されてこのグロープラグ４９の温度が所定温度になったとき、メタノールタンク１６からインジェクタ４８にメタノールが供給される。
【００３５】
メタノールは、インジェクタ４８を介して燃焼室４６内に噴霧されるとともに、このメタノールに空気による渦流が作用して、前記メタノールの微粒化および拡散化が図られる。このため、燃焼室４６内では、グロープラグ４９の加熱作用下にメタノールが燃焼し、この燃焼室４６内でのみ保炎がなされる。
【００３６】
次いで、第２空気経路６４から複数の導入口６０ｂを介して希釈室６６に希釈用空気が導入される。従って、燃焼室４６で生成される高温の燃焼ガスに空気が混合され、この燃焼ガスの温度が調整された状態で、前記燃料ガスが改質室３６に配置されている第１および第２改質触媒層３８、４０に直接供給される。さらに、第１および第２改質触媒層３８、４０が所定の温度に昇温した後、混合器２０を介してメタノールおよび水が所定の混合比に混合されたメタノール水溶液が蒸発器２２に供給される。
【００３７】
蒸発器２２では、触媒燃焼器２４で発生した高温の燃焼ガスと蒸発ガスとが熱交換することによってメタノール水溶液が蒸気化し、第２空気経路６４から送られる空気と混合されて供給機構４２を構成する複数の導入口６０ｂから改質器２６内に供給される一方、インジェクタ４８から燃焼室４６内へのメタノールの供給が停止される。ここで、第１空気経路５６から空気ノズル５２を介して燃焼室４６側に空気が継続して供給されており、インジェクタ４８自体の温度を有効に低下させている。
【００３８】
この場合、本実施形態では、改質器２６に燃焼機構４４が直結されており、メタノール等の炭化水素を燃料とする直火型燃焼室４６で生成される燃焼ガスを、直接、改質室３６内の第１および第２改質触媒層３８、４０に供給している。このため、始動時に、改質器２６等を短時間で所望の温度まで昇温させることができ、始動に要する時間が一挙に短縮されるという効果が得られる。
【００３９】
さらに、燃焼ガスは、希釈室６６に導入される空気で希釈されるため、この燃焼ガスが温度を制御された状態で改質室３６に導入され、一定温度での部分酸化と未燃焼炭化水素の改質が遂行される。この部分酸化反応によって改質器２６内のさらなる昇温が可能になるとともに、未燃焼炭化水素と燃焼により生成された水とを介して始動時から改質反応が行われ、水素ガスの発生が惹起される。この水素ガスは、触媒燃焼器２４に送られて燃料として利用でき、前記触媒燃焼器２４と蒸発器２２の昇温に利用される。
【００４０】
しかも、急激な負荷増加、例えば、生成水素ガス量の増加に対しても、インジェクタ４８からメタノールを噴霧することにより、このメタノールを瞬時に蒸発気化させて熱量不足を有効に補うことができる。また、燃焼機構４４が第１および第２改質触媒層３８、４０と同心的に設けられており、燃焼ガスにより前記第１および第２改質触媒層３８、４０を全体的に均等に暖めることが可能になる。
【００４１】
さらにまた、本実施形態では、インジェクタ４８の周囲から燃焼室４６に空気を導出するための空気ノズル５２を備えている。この空気ノズル５２から噴射される空気の渦流によって、インジェクタ４８から噴霧されるメタノールの微粒化および拡散化が図られ、この燃焼室４６内の狭い範囲で完全燃焼させるとともに、保炎範囲を限定することができる。従って、着炎の確実性および保炎性を保持しつつ、第２空気経路６４から導入される希釈空気によって燃焼ガスを所望の温度に確実に制御することが可能になるという利点がある。
【００４２】
さらに、定常運転時に空気ノズル５２から空気を噴射することにより、インジェクタ４８が加熱することを防止するとともに、このインジェクタ４８に推積物が生成されることを確実に阻止することが可能になる。また、空気ノズル５２から噴射される空気の冷却効果により、インジェクタ４８が高耐熱性を有する必要がなく、安価なインジェクタ４８を用いることができ、極めて経済的である。
【００４３】
ところで、蒸発器２２から経路３４ａに供給された改質用燃料ガスは、第２空気経路６４から噴射される空気と混合して改質器２６内に導入された後、ディフューザ部７０側に送られる。このディフューザ部７０では、メタノール水溶液、水蒸気および酸素を含む改質用燃料ガスがその一部をガス供給流路６８に沿って第１改質触媒層３８に送られる一方、他の部分がこの第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに嵌挿された筒状部７８の内部を通って第２改質触媒層４０に送られる。
【００４４】
第１および第２改質触媒層３８、４０では、改質用燃料ガス中のメタノール水蒸気および酸素によって発熱反応である酸化反応と吸熱反応である燃料改質反応とが同時に行われる。これにより、改質器２６内に複雑な伝熱構造を用いる必要がなく、この改質器２６全体の構造を一挙に簡素化することができる。しかも、改質器２６内の発熱反応によって改質反応に必要な熱が供給されるため、負荷変動に対する応答性がよく、水素ガスを含む改質ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００４５】
第１改質触媒層３８を通って生成された改質ガスおよび第２改質触媒層４０を通って生成された改質ガスは、熱交換器３２に導入されて所定の温度に冷却される。次いで、改質ガスは、ＣＯ除去器２８に導入されてこの改質ガス中のＣＯが選択的に反応除去された後、必要に応じて触媒燃焼器２４に送られる。そして、改質器２６から安定した改質ガスが生成され始めると、三方弁９０が切り換えられて燃料電池スタック１４にこの改質ガスが供給される。
【００４６】
この場合、本実施形態では、第１および第２改質触媒層３８、４０がドーナツ形状に設定されるため、改質器２６を構成するケース７２を円筒形状に設定することができ、応力集中の発生を阻止して前記ケース７２の薄肉化が図られる。また、第１および第２改質触媒層３８、４０がドーナツ形状を有するため、その中央部を通路として利用し、中央から外周に向かってガスを流すことによって前記第１および第２改質触媒層３８、４０の多段積層化が可能になる。
【００４７】
さらにまた、第１および第２改質触媒層３８、４０を薄肉状に設定することにより、改質反応で重要な触媒出口温度を高く維持することができる。すなわち、図５に示すように、改質触媒層Ｍに原料ガス（燃料ガス）を導入して改質ガスを生成する実験を行った。ここで、改質触媒層Ｍの厚さｈを変更したところ、図６に示す結果が得られた。なお、改質触媒層Ｍの最高温を３２５℃に制御しており、改質触媒層Ｍの厚さｈが薄い程、メタノール反応率が高くなって性能が向上するという結果が得られた。
【００４８】
これにより、第１および第２改質触媒層３８、４０を薄型化することにより、改質ガスの生成を効率的に行うとともに、前記第１および第２改質触媒層３８、４０全体の温度が均等化され、かつ、圧損の減少が図られるという効果が得られる。
【００４９】
さらにまた、本実施形態では、ガスの流れ方向に対して第１および第２改質触媒層３８、４０を並列させるとともに、ガス流路形成手段７６を介してそれぞれ前記第１および第２改質触媒層３８、４０のみを通るガス流路に分割している。従って、改質器２６内の小さな容積に第１および第２改質触媒層３８、４０またはそれ以上の数の触媒層を配置することができ、前記改質器２６を有効に小型化することが可能になる。しかも、第１および第２改質触媒層３８、４０に均等にガスを供給することができ、改質ガスを効率的に生成することができる。
【００５０】
また、改質器２６では、燃焼室４６から改質室３６に向かう途上にガスの流れ方向に向かって拡径する円錐状のガス供給流路６８を形成するディフューザ部７０が設けられている。このため、第１改質触媒層３８の半径方向に対して改質用供給ガスを均等に供給することができ、改質反応が効率的に遂行される。さらに、第１改質触媒層３８を通って改質された改質ガスは、ガス流路形成手段７６を構成する円錐部８０に沿って第２改質触媒層４０の外周部分に供給される。従って、第２改質触媒層４０の外周部分からの放熱を防ぐことが可能になり、前記第２改質触媒層４０の半径方向の温度分布を均等に維持することができる。
【００５１】
さらにまた、第２改質触媒層４０の中央空洞部分４０ａに円錐状のカバー部材８６が装着されている。これにより、第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａを通ってカバー部材８６に至った改質用燃料ガスは、このカバー部材８６の傾斜に沿って第２改質触媒層４０の径方向に円滑に供給され、効率的な改質反応が遂行可能になる。また、第１および第２改質触媒層３８、４０は、ハニカム担持触媒層を構成しており、触媒表面積を有効に拡大することができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、改質室３６に第１および第２改質触媒層３８、４０を二段に配置しているが、これに限定されるものではなく、例えば、三段以上の改質触媒層を設けても、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質装置では、改質触媒層で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるとともに、前記改質触媒層が改質室内のガスの流れ方向に直交するドーナツ形状に設定されている。このため、装置全体の構成が有効に簡素化されるとともに、応力集中の発生を阻止し、かつ薄型化が容易に図られる。これにより、簡単かつコンパクトな構成で、水素を含む改質ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００５４】
また、本発明に係る燃料改質装置では、改質触媒層の上流側に始動用燃焼機構が配置されており、始動時にこの改質触媒層に加熱用の燃焼ガスを直接供給することにより、暖気時間を一挙に短縮化して、改質ガスを効率的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料改質装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料改質装置の斜視説明図である。
【図３】前記燃料改質装置を構成する改質器の縦断面説明図である。
【図４】図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】改質触媒層の厚さの違いによるメタノール反応率の変化を検出する実験の説明図である。
【図６】前記実験により得られたメタノール反応率の結果を説明する図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質装置            １２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック        １６…メタノールタンク
１８…水タンク                ２０…混合器
２２…蒸発器                  ２４…触媒燃焼器
２６…改質器                  ２８…ＣＯ除去器
３８、４０…改質触媒層        ４２…供給機構
４４…燃焼機構                ４６…燃焼室
４８…インジェクタ            ５０…燃料経路
５２…空気ノズル              ５４ａ〜５４ｄ…空気導出口
５６、６４…空気経路          ６０…供給口
６０ａ…開口                  ６０ｂ…導入口
６６…希釈室                  ６８…ガス供給流路
７０…ディフューザ部          ７２…ケース
７６…ガス流路形成手段        ７８…筒状部
８０…円錐部                  ８２…リング部
８６…カバー部材
【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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