JP2002308604A

JP2002308604A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2002308604A
Application number: JP2001111632A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Takahashi; 宏明高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】部分酸化反応と水蒸気改質反応を利用する燃
料改質装置において、燃料を改質する効率を向上させる
技術を提供する。【解決手段】改質器１０は、高密度部１２と低密度部
１４とを備える。高密度部１２は、低密度部１４に比べ
て、触媒の比表面積が大きい。また、両者は、水蒸気改
質反応と部分酸化反応を促進する触媒を備えている。改
質器１０へは、原燃料ガス供給路を介して、炭化水素系
燃料と水蒸気と空気とが供給される。触媒の比表面積が
より大きいことにより、高密度部１２では、部分酸化反
応が活発に進行する。また、触媒の比表面積がより小さ
いことにより、低密度部１４では、水蒸気改質反応の活
性が上昇しすぎて温度が低下することに起因して、改質
器１０全体での水蒸気改質反応の活性が低下するのが防
止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、炭化水素系燃料
を改質して水素を生成する燃料改質装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化水素系燃料を改質して水素を生成す
る燃料改質装置としては、炭化水素系燃料を利用した部
分酸化反応と水蒸気改質反応とを改質器内で進行させ、
部分酸化反応で生じた熱を利用して、水蒸気改質反応を
進行する燃料改質装置が知られている（例えば、特開２
０００−２４７６０３号公報など）。

【０００３】このような燃料改質装置においては、触媒
上で進行する部分酸化反応および水蒸気改質反応の効率
を向上させることによって、燃料改質装置が燃料を改質
する性能を向上させることができる。ここで、上記各反
応の活性を向上させる方法の一つに、触媒の比表面積を
増大させる方法が考えられる。部分酸化反応は、このよ
うに触媒の比表面積を大きくすることによって反応が活
発化し、より低温下でも高い活性を示すようになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水蒸気
改質反応に関しては、触媒の比表面積を大きくした場合
に、燃料改質装置全体では必ずしも反応が活発化しない
という問題がある。すなわち、水蒸気改質反応は吸熱反
応であるため、触媒と反応物質との接触面積が増大して
部分的に水蒸気改質反応が活発に進行すると、周囲の温
度低下が引き起こされてしまい、このような温度低下に
よって水蒸気改質反応の活性がかえって低下してしまう
おそれがある。

【０００５】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、部分酸化反応と水蒸気改質
反応を利用する燃料改質装置において、燃料を改質する
効率を向上させる技術を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明の燃料改質装置は、炭
化水素系燃料を改質して水素を生成する燃料改質装置で
あって、前記炭化水素系燃料を用いる酸化反応と水蒸気
改質反応とを促進する触媒を備え、前記酸化反応で生じ
た熱を利用して前記水蒸気改質反応を進行する改質部
と、前記改質部に前記炭化水素系燃料および酸素を供給
する供給部と、を備え、前記改質部は、前記触媒の比表
面積がより大きく形成された高密度部と、前記高密度部
の下流側に設けられ、前記触媒の比表面積がより小さく
形成された低密度部とを備えることを要旨とする。

【０００７】このような燃料改質装置では、高密度部に
おいて、触媒の比表面積がより大きく形成されているた
め、酸化反応の活性がより高くなる。また、低密度部に
おいては、触媒の比表面積がより小さく形成されている
ため、水蒸気改質反応が進みすぎるのが抑えられ、吸熱
反応である水蒸気改質反応が進行することによって触媒
温度が低下してしまうのが防止される。したがって、燃
料改質装置全体で、水素を生成する効率をより高めるこ
とができる。

【０００８】さらに、高密度部において酸化反応の活性
が高まることにより、燃料改質装置の始動時には、より
早く、高密度部において酸化反応の活性を上昇させるこ
とができる。このように、発熱反応である酸化反応がよ
り早く活発化することで、燃料改質装置の暖機時間を短
縮することができる。

【０００９】本発明の燃料改質装置において、前記炭化
水素系燃料は、酸素を含有しない炭化水素であることと
してもよい。酸素を含有しない炭化水素は、一般的に、
水蒸気改質反応に適した温度が高く、反応温度によって
水蒸気改質反応の反応温度が律速されやすい。したがっ
て、触媒の比表面積をより小さく形成した低密度部を設
けて、望ましくない温度低下を防ぐ本発明の構成による
効果を、より顕著に得ることができる。

【００１０】本発明の燃料改質装置において、前記改質
部は、前記触媒を担持するモノリス担体を備え、前記高
密度部は、前記低密度部に比べて、単位断面積当たりの
セル数が多いモノリス担体を備えることとしても良い。

【００１１】このとき、前記高密度部は、単位断面積当
たりのセル数が、前記低密度部の２倍以上である構成も
好適である。

【００１２】

【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．装置の全体構成：Ｂ．改質器１０の構成：Ｃ．転化率の比較結果：Ｄ．効果：Ｅ．第２実施例：Ｆ．変形例

【００１３】Ａ．装置の全体構成：図１は、実施例とし
ての燃料電池システム２０の構成の概略を示す説明図で
ある。燃料電池システム２０は、天然ガスを貯蔵する原
燃料タンク２２、水を貯蔵する水タンク２４、天然ガス
中の硫黄分を除去する脱硫器２６、加熱部２８を併設し
た蒸発器３２、改質反応により水素リッチガスを生成す
る改質器１０、水素リッチガス中の一酸化炭素（ＣＯ）
濃度を低減するＣＯ低減部３６、電気化学反応により起
電力を得る燃料電池４０、空気を圧縮して燃料電池４０
に供給するブロワ３８、コンピュータにより構成される
制御部５０を主な構成要素とする。以下、それぞれの構
成要素について順に説明する。

【００１４】原燃料タンク２２に貯蔵される天然ガス
は、原燃料流路６０を介して脱硫器２６に供給される。
原燃料流路６０にはバルブ２３が設けられている。バル
ブ２３は、制御部５０から出力される信号によって駆動
され、脱硫器２６に供給する天然ガスの量を制御する。

【００１５】脱硫器２６は、供給された天然ガス中に付
臭剤として添加されているメルカプタン等の硫黄分の除
去を行う。硫黄分は、改質器１０が備える触媒の活性を
低下させて改質反応を阻害してしまうため、燃料電池シ
ステム２０においては、改質器１０に先だって脱硫器２
６を設けてこの硫黄分の除去を行なっている。脱硫器２
６で硫黄分が除去された脱硫ガスは、原燃料供給路６３
を介して蒸発器３２に供給される。

【００１６】水タンク２４から蒸発器３２に水を送り込
む水供給路６２にはポンプ７２が設けられている。この
ポンプ７２は、制御部５０から出力される信号によって
駆動され、蒸発器３２に供給する水量を調節する。水供
給路６２は原燃料供給路６３に合流しており、脱硫ガス
と水とは、所定量ずつ混合されて蒸発器３２に供給され
る。

【００１７】蒸発器３２は、水タンク２４から供給され
る水を気化させる装置であり、上記したように脱硫ガス
と水の供給を受けて、昇温した水蒸気と脱硫ガスの混合
気体を排出する。蒸発器から排出された水蒸気と脱硫ガ
スとの混合気体は、原燃料ガス供給路６４を介して改質
器１０に供給される。

【００１８】蒸発器３２には、水を気化させる熱源とし
て加熱部２８が併設されている。加熱部２８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、原燃料タンク２２に貯蔵する天然ガスと、燃
料電池４０のアノード側から排出されるアノード排ガス
とを用いている。

【００１９】また、原燃料ガス供給路６４には、空気供
給路３９を介してブロワ３７が接続されている。ブロワ
３７は、改質器１０内で進行する部分酸化反応で要する
酸素を供給する。ブロワ３７が取り込んだ空気は、原燃
料ガス供給路６４において、上記混合気体に混合され、
改質器１０に供給される。

【００２０】改質器１０は、供給された混合気体を用い
て改質反応を進行する。改質器１０では、部分酸化反応
によって生じた熱を利用して、水蒸気改質反応を進行
し、水素リッチガスを生成する。天然ガスの主成分はメ
タンであるため、以下に、メタンの水蒸気改質反応を表
わす反応式を示す。

【００２１】ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ → ４Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）

【００２２】改質器１０は、このような水蒸気改質反応
および部分酸化反応を促進する改質触媒を備えている。
本実施例では、改質触媒として、ロジウム触媒を用い
た。改質器１０の詳しい構成については後述する。改質
器１０で生成された水素リッチガスは、改質ガス流路６
５を介してＣＯ低減部３６に供給される。

【００２３】ＣＯ低減部３６は、改質器１０から供給さ
れた水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減させる装
置である。改質器１０内で実際に改質反応が行なわれる
ときには、上記（１）式に表わしたように理想的に水蒸
気改質反応が進行するわけではなく、改質器１０で生成
された水素リッチガスは所定量の一酸化炭素を含んでい
る。また、燃料電池４０に供給されるガス中に一酸化炭
素が含まれる場合には、燃料電池４０が備える白金触媒
に一酸化炭素が吸着して、電池性能の低下を引き起こし
てしまう。そこで、ＣＯ低減部３６を設け、燃料電池４
０に供給する水素リッチガス中の一酸化炭素濃度の低減
を図っている。ＣＯ低減部３６は、水素リッチガスに豊
富に含まれる水素に優先して、一酸化炭素を酸化するこ
とによって、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減
する。ＣＯ低減部３６が備える一酸化炭素の選択酸化触
媒としては、白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触
媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒
を挙げることができる。ＣＯ低減部３６には、このよう
な一酸化炭素選択酸化触媒を担持した担体が充填されて
いる。

【００２４】なお、ＣＯ低減部３６で進行する一酸化炭
素選択酸化反応で要する酸素を供給するために、燃料電
池システム２０は、外部から空気を圧縮して取り込むブ
ロワ３３を備えている。ブロワ３３は、空気供給路３４
を介して改質ガス流路６５に接続しており、これによっ
て、取り込んだ圧縮空気をＣＯ低減部３６に供給する。
ブロワ３３から供給される空気量は、制御部５０によっ
て調節される。

【００２５】ＣＯ低減部３６で上記のように一酸化炭素
濃度が下げられた水素リッチガスは、燃料ガス供給路６
６によって燃料電池４０に導かれ、燃料ガスとしてアノ
ード側における電池反応に供される。燃料電池４０で電
池反応に供された後のアノード排ガスは、燃料排出路６
７に排出される。このアノード排ガスは、既述したよう
に、加熱部２８において燃焼のための燃料として用い
る。一方、燃料電池４０のカソード側における電池反応
に関わる酸化ガスは、ブロワ３８から酸化ガス供給路６
８を介して圧縮空気として供給される。電池反応に用い
られた残りのカソード排ガスは、酸化排ガス路６９を介
して外部に排出される。

【００２６】燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃
料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したス
タック構造を有している。各々の単セルのアノード側に
水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を
含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進
行し、起電力を生じる。燃料電池４０が生じた電力は、
燃料電池４０に接続される所定の負荷に供給される。

【００２７】制御部５０は、マイクロコンピュータを中
心とした論理回路として構成され、ＣＰＵやＲＯＭやＲ
ＡＭ、あるいは、各種信号を入出力する入出力ポートを
備える。制御部５０は、燃料電池システム２０が備える
各種センサからの検出信号を入力すると共に、既述した
ブロワや弁およびポンプなどに駆動信号を出力して、燃
料電池システム２０全体の運転状態を制御する。

【００２８】なお、図１に示した燃料電池システム２０
において、改質反応に供する脱硫ガスと水とは、両者を
一緒に蒸発器３２に供給したが、蒸発器３２で水を気化
して水蒸気とした後に、これと脱硫ガスとを混合しても
良い。あるいは、ブロワ３７から改質器１０に供給する
空気も、改質器１０に供給するのに先立って予め昇温さ
せることとしても良い。これらの気体を昇温・混合して
改質反応に供する構成は、種々の変形が可能である。

【００２９】Ｂ．改質器１０の構成：図２は、改質器１
０の構成を模式的に表わす説明図である。改質器１０
は、表面にロジウム触媒を担持したハニカム状のモノリ
ス担体を備えている。本実施例では、セラミック製のモ
ノリス担体を用いた。モノリス担体上にロジウム触媒を
担持させる際には、まず、粉末状の酸化ジルコニウム
（ジルコニア）に所定のバインダを加えて作製したスラ
リをセラミックハニカム上に塗布し、これを一旦焼成す
る。このように酸化ジルコニウムを塗布したセラミック
ハニカムを、ロジウム塩を含有する溶液に浸漬して、酸
化ジルコニウム上にロジウムを含浸担持させ、焼成、還
元処理を行なう。

【００３０】図２に示すように、改質器１０は、高密度
部１２と、これよりも下流側に配設された低密度部１４
とを備えている。高密度部１２、低密度部１４共に、上
記したロジウム触媒を担持したモノリス担体によって構
成されている。高密度部１２が備えるモノリス担体は、
低密度部１４が備えるモノリス担体に比べて、単位流路
断面積当たりに設けられたセル数が多くなっており、こ
れによって、高密度部１２の方が低密度部１４に比べて
触媒の比表面積が大きくなっている。なお、本実施例の
改質器１０では、高密度部１２と低密度部１４とは、流
路断面積および流路長が略同一の大きさとなっている。
原燃料ガス供給路６４から供給された脱硫ガスと水蒸気
と空気とからなる気体は、高密度部１２、低密度部１４
の順でそれぞれが備えるモノリス担体内部を通過する。
このとき、触媒上で進行する部分酸化反応および水蒸気
改質反応に供されて水素リッチガスとなり、改質ガス流
路６５に排出される。

【００３１】Ｃ．転化率の比較結果：改質器１０におい
て燃料を改質する効率を実験に基づいて検証した結果を
図３に示す。上記したように、改質器１０は、高密度部
１２と低密度部１４とを備えているが、ここでは、モノ
リス担体の構成が異なる３種類の触媒を備える改質器を
用意して、その性能を調べた。触媒１を構成するモノリ
ス担体は、高密度部１２の横断面における単位平方イン
チ当たりのセル数が９００、低密度部１４における単位
平方インチ当たりのセル数が３００である。触媒２を構
成するモノリス担体は、高密度部１２における単位平方
インチ当たりのセル数が１２００、低密度部１４におけ
る単位平方インチ当たりのセル数が２００である。触媒
３を構成するモノリス担体は、高密度部１２における単
位平方インチ当たりのセル数が９００、低密度部１４に
おける単位平方インチ当たりのセル数が２００である。
さらに、ここでは、比較例として、高密度部１２と低密
度部１４の区別が無く、全体が一様に、単位平方インチ
当たりのセル数が４００であるモノリス担体を備える触
媒４を備える改質器を用意した。

【００３２】これら４つの改質器の性能比較を行なうた
めに、各改質器には、原燃料ガスのモデルガスとして、
メタンと水蒸気と空気とを混合したガスを供給し、改質
反応を行なわせた。改質器に供給したガスの条件を以下
に示す。Ｓ（水のモル数）／Ｃ（炭素原子のモル数）＝２．０Ｏ（酸素分子を構成する酸素原子のモル数）／Ｃ（炭素
原子のモル数）＝１．０メタンに関する空間速度ＳＶ＝２０００ｈ^-1

【００３３】改質器に上記したガスを供給するときに
は、供給するガスの温度を３００℃から２５℃刻みで次
第に上昇させ、各改質器内の温度および各改質器から排
出されるガス中のメタン量を測定した。供給するガスの
温度が低く、改質器内で部分酸化反応および水蒸気改質
反応が進行しないときには、改質器内の温度は供給する
ガス温度に略等しくなる。また、排出されるガス中のメ
タン量は、供給したガス中のメタン量に略等しくなる。
供給するガス温度を次第に上昇させ、改質器内で部分酸
化反応が開始されると、部分酸化反応で生じる熱によっ
て改質器内の温度は急激に上昇する。また、これによっ
て水蒸気改質反応も開始され、排出されるガス中のメタ
ン量が減少を始める。図３では、各改質器について、こ
のように反応が開始されるときの供給ガスの温度を、反
応開始温度として示した。

【００３４】上記したように改質器内で反応が開始され
た後、さらに供給ガスの温度を上昇させると、改質器内
で進行する反応の活性は次第に高まり、やがて定常状態
に達する。そこで、上記各改質器がいずれも定常状態と
なる条件として、供給するガスの温度が４００℃という
条件を選択し、このときの転化率を、各触媒について調
べた。転化率とは、水蒸気改質反応および部分酸化反応
で消費されたメタン量の、供給された総メタン量に対す
る割合である。なお、反応で消費されたメタン量は、供
給したガス中のメタン量と、排出されたガス中のメタン
量との差に基づいて推定される。この転化率が高いほ
ど、触媒性能が優れていると考えられる。各改質器につ
いて、供給ガスの温度が４００℃のときの転化率を、図
３に示した。

【００３５】図３に示すように、触媒１〜３を備える改
質器は、比較例の改質器に比べて高い転化率を示した。
また、触媒１〜３を備える改質器は、比較例の改質器に
比べて低い温度で反応を開始した。

【００３６】Ｄ．効果：以上のように構成された本実施
例の燃料電池システム２０が備える改質器１０は、高密
度部１２と低密度部１４とを有する改質器１０を備える
ため、高い効率で天然ガスの改質を行なうことができ
る。すなわち、高密度部１２では触媒の比表面積が大き
く、これによって部分酸化反応が活発化されるため、水
蒸気改質反応を進行させるために要する熱を効率よく発
生することができるものと推定される。また、低密度部
１４は、触媒の比表面積が抑えられているため、望まし
くない程度に水蒸気改質反応が活発化して改質器の内部
温度を低下させることがない。したがって、このように
触媒の比表面積を抑えることで、改質器全体での改質反
応の効率を、より高めることができる。

【００３７】また、本実施例の燃料電池システム２０が
備える改質器１０は、より低い温度で反応を開始するこ
とができるため、より速やかに改質器１０を定常状態に
することができる。したがって、燃料電池システム２０
の暖機時間を短縮することができる。

【００３８】上記した転化率や反応開始温度などで表わ
される改質器の性能は、改質器における空間速度や供給
するガスの組成などの影響を受ける。そのため、これら
の条件を考慮して、転化率を向上させたり反応開始温度
を低下させる効果を充分に得ることができるように、モ
ノリス担体におけるセル数を設定すればよい。なお、上
記効果を充分に得るためには、高密度部１２と低密度部
１４とにおける単位平方インチ当たりのセル数の比の値
は、２以上とすることが望ましく、３以上とすることが
さらに好ましい。

【００３９】ここで、図３に示した実施例の触媒の中で
も、低密度部１４の横断面の単位平方インチ当たりのセ
ル数が３００である触媒１よりも、同じく低密度部１４
のセル数が２００である触媒２および３の方が、高い転
化率を示す。したがって、改質器１０において充分に高
い転化率を確保するためには、高密度部１２に比べて低
密度部１４のセル数を単に少なくするだけでなく、低密
度部１４における触媒の比表面積自体を、充分に小さく
することが望ましい。

【００４０】また、図３に示すように、高密度部１２の
横断面の単位平方インチ当たりのセル数が１２００であ
る触媒２は、同じく高密度部１２のセル数が９００であ
る触媒１および３に比べて反応開始温度が低くなる。し
たがって、改質器１０の暖機時間を充分に短縮するため
には、低密度部１４に比べて高密度部１２のセル数を単
に多くするだけでなく、高密度部１２における触媒の比
表面積自体を、充分に大きくすることが望ましい。

【００４１】本実施例の効果として、改質器における転
化率を向上させることができることにより、改質器をよ
り小型化することも可能となる。また、暖機時間が短縮
できることは、改質器１０を備える燃料電池システム２
０を、電気自動車に搭載してその駆動用電源として用い
る場合のように、始動と停止を繰り返す場合には、特に
有利である。

【００４２】なお、改質器１０が備えるモノリス担体
は、上記実施例ではセラミックによって構成することと
したが、アルミニウムなど他の材料によって構成するこ
ととしても良い。

【００４３】Ｅ．第２実施例：図４は、第２実施例の改
質器１１０の構成を模式的に表わす説明図である。この
改質器１１０は、第１実施例の燃料電池システム２０に
おいて、改質器１０に代えて用いるものとする。改質器
１１０では、上流側から、第１の高密度部１１２、第１
の低密度部１１４、第２の高密度部１１６、第２の低密
度部１１８の順に配設されている。第１の高密度部１１
２および第２の高密度部１１６は、第１実施例の高密度
部１２と同様に、表面に触媒を備え、単位平方インチ当
たりのセル数がより多いモノリス担体によって構成され
ている。一方、第１の低密度部１１４および第２の低密
度部１１８は、表面に触媒を備え、単位平方インチ当た
りのセル数がより少ないモノリス担体によって構成され
ている。

【００４４】また、第１の低密度部１１４と第２の高密
度部１１６との間の混合空間１１５には、改質器１０内
に空気を供給するための空気供給路１３９が接続されて
いる。第２実施例では、改質器内で進行する部分酸化反
応に供する空気は、改質器の入り口部から一度に供給す
るのではなく、原燃料ガス供給路６４と空気供給路１３
９との両方を用い、２つに分割して供給する。空気供給
路１３９を介して供給される空気は、部分酸化反応およ
び改質反応を進行しつつ第１の高密度部１１２および第
１の低密度部１１４を通過してきたガス中に、混合空間
１１５において混合される。その後、混合された空気
は、部分酸化反応に供されつつ、第２の高密度部１１
６、さらに第２の低密度部１１８内を通過する。

【００４５】本実施例の改質器１１０によれば、部分酸
化反応に供する空気を分割して改質器内に供給すること
によって、水蒸気改質反応で要する熱を供給する部分酸
化反応が活発に進行する領域を分散させることができ
る。そのため、より下流側にも、水蒸気改質反応で要す
る熱を効率よく伝えることができ、改質器全体で進行す
る改質反応の効率を向上させることができる。また、こ
のように下流側で空気を供給する場合にも、空気が流入
する領域の近傍では、触媒の比表面積を大きくし、それ
よりも下流側では触媒の比表面積を小さくしている。し
たがって、第１実施例と同様に、改質器全体で改質反応
の効率を高める効果を得ることができる。さらに、始動
時に暖機時間を短縮する効果を得ることができる。

【００４６】なお、空気を分割して供給する構成は、図
４に示したように、供給する酸素を２箇所に分割する構
成の他、２箇所を超える複数箇所に分割することとして
も良い。このような場合にも、それぞれの空気流入部の
近傍において、触媒の比表面積を大きくし、これよりも
下流側において触媒の比表面積を小さくすることで、同
様の効果を得ることができる。

【００４７】また、改質器１１０では、第１の高密度部
１１２、第２の高密度部１１６の流路長は、第１の低密
度部１１４、第２の低密度部１１８の流路長よりも短く
形成した。第１実施例の改質器１０では、高密度部１２
と低密度部１４の流路長を略同一としたが、このよう
に、高密度部と、その下流に配設した低密度部の大きさ
（流路長）の比は、種々の値とすることができる。ただ
し、天然ガスから水素を生成する効率は、部分酸化反応
よりも水蒸気改質反応の方が高い。したがって、水蒸気
改質反応の活性をより高めて水素生成の効率を向上させ
るために、低密度部の流路長をより長くすることが好ま
しい。

【００４８】既述したように、改質器１１０では、第１
の低密度部１１４と第２の高密度部１１６との間には、
上流側から流れてきたガスに対して、後から投入する空
気を混合するための混合空間１１５が設けられている
（図４参照）。なお、各高密度部と、これの下流側に位
置する低密度部との間にも、高密度部が備える各セルか
ら排出されたガス同士が一旦混合される空間を設けても
良い（図２参照）。

【００４９】Ｆ．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。

【００５０】Ｆ−１．変形例１：上記第１および第２実
施例では、改質器が備えるモノリス担体において、横断
面の単位平方インチ当たりのセル数を変えることによっ
て、触媒の比表面積を変えた。これ以外の方法によっ
て、実質的に触媒として寄与する表面積（以下、「実効
表面積」と呼ぶ）を変えて、同様の効果を得ることが可
能である。例えば、モノリス担体の単位断面積当たりの
セル数はほぼ同等であっても、セル断面の形状を変える
ことによって、実効表面積を変えることができる。すな
わち、モノリス担体を構成する各セルの断面形状を六角
形とすると、断面四角形のセルからなるモノリス担体に
比べて、実質的に触媒活性を示す実効表面積が増大する
ことが知られている。したがって、上流側のセル形状
を、断面六角形のように、実効表面積がより大きくなる
形状とし、下流側のセル形状を、断面四角形のように、
実効表面積がより小さくなる形状としても良い。

【００５１】Ｆ−２．変形例２：また、改質器が備える
触媒は、モノリス担体上に担持させる以外の形状とする
こともできる。例えば、ペレット状の担体に触媒を担持
させることとしても良い。このような場合には、高密度
部に対応する上流側に、粒径がより小さな触媒担持ペレ
ットを充填し、下流側に、粒径がより大きな触媒担持ペ
レットを充填すればよい。こうすれば、上流側における
触媒の比表面積がより大きく、下流側における触媒の比
表面積がより小さい改質器を得ることができる。

【００５２】Ｆ−３．変形例３：既述した実施例では、
改質器が備える触媒としてロジウム触媒を用いたが、白
金・イリジウム合金触媒など他種の貴金属系の触媒を用
いることとしても良い。また、実施例では、酸化ジルコ
ニウム上にロジウムを担持させたが、酸化ジルコニウム
以外の金属酸化物（例えば酸化アルミニウム）を用いる
こともできる。金属酸化物上に貴金属を担持した種々の
触媒によって、実施例と同様に、水蒸気改質反応と部分
酸化反応とを促進することができる。

【００５３】Ｆ−４．変形例４：また、上記実施例で
は、単一の触媒によって部分酸化反応と水蒸気改質反応
とを促進したが、複数の触媒を用いても良い。例えば、
部分酸化反応を促進する活性がより高い酸化触媒を、高
密度部の少なくとも一部の領域に担持させる構成が可能
である。

【００５４】Ｆ−５．変形例５：上記実施例のように、
部分酸化反応で生じる熱を利用して、水蒸気改質反応を
進行させる改質器において、水蒸気改質反応で要する熱
を補うために、ヒータなどのさらなる加熱手段を改質器
に設けることとしても良い。部分酸化反応と水蒸気改質
反応との両方を進行させる改質器であれば、本発明を適
用可能である。

【００５５】Ｆ−６．変形例６：また、上記実施例で
は、改質器で水素を生成するために用いる原燃料として
天然ガスを用いたが、異なる炭化水素系燃料を用いても
良い。天然ガスの他、ガソリンなどの炭化水素や、メタ
ノールなどのアルコール、アルデヒドなど、改質して水
素を生成可能な燃料であれば適用可能である。なお、用
いる炭化水素系燃料は、天然ガスやガソリンなど、酸素
を含有しない炭化水素であれば、特に本発明の効果を顕
著に得ることができる。酸素を含有しない炭化水素は改
質反応の温度が高いため、通常は、改質反応の速度は、
温度によって律速される。そのため、特に後段部で触媒
密度を抑え、水蒸気改質反応が部分的に進みすぎて温度
が低下してしまうのを防止することによる効果を、顕著
に得ることができる。

【００５６】Ｆ−７．変形例７：上記実施例の燃料電池
システム２０は、改質反応に供する天然ガスおよび水
を、タンク内に貯蔵している。したがって、この燃料電
池システム２０を車両などの移動体に搭載し、燃料電池
４０を、移動体の駆動用電源として用いることができ
る。これに対して、本発明を適用した燃料改質装置を備
える燃料電池システムを、定置型として用いることもで
きる。定置型の燃料電池システムに利用する場合には、
天然ガスを原燃料タンク２２に貯蔵する代わりに、商用
ガスとして天然ガスを供給するための供給ラインと燃料
電池システムとを接続することができる。また、水を水
タンク２４に貯蔵する代わりに、水の供給ラインと燃料
電池システムとを接続することができる。もとより、本
発明の燃料改質装置は、燃料電池以外の水素消費装置に
対して水素を供給するために用いることとしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例としての燃料電池システム２０の構成の
概略を表わす説明図である。

【図２】改質器１０の構成を模式的に表わす説明図であ
る。

【図３】種々のモノリス担体を用いて、転化率を比較し
た結果を表わす図である。

【図４】変形例としての改質器１１０の構成を表わす説
明図である。

【符号の説明】

１０，１１０…改質器１２…高密度部１４…低密度部２０…燃料電池システム２２…原燃料タンク２３…バルブ２４…水タンク２６…脱硫器２８…加熱部３２…蒸発器３３…ブロワ３４…空気供給路３６…ＣＯ低減部３７，３８…ブロワ３９，１３９…空気供給路４０…燃料電池５０…制御部６０…原燃料流路６２…水供給路６３…原燃料供給路６４…原燃料ガス供給路６５…改質ガス流路６６…燃料ガス供給路６７…燃料排出路６８…酸化ガス供給路６９…酸化排ガス路７２…ポンプ１１２…第１の高密度部１１４…第１の低密度部１１６…第２の高密度部１１８…第２の低密度部１１５…混合空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EA07 EB03 EB12 EB13 EB23 EB31 EB42 EB43 EC03 EC07 4G140 EA03 EA06 EA07 EB03 EB12 EB13 EB23 EB31 EB42 EB43 EC03 EC07 5H027 AA02 BA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系燃料を改質して水素を生成す
る燃料改質装置であって、前記炭化水素系燃料を用いる酸化反応と水蒸気改質反応
とを促進する触媒を備え、前記酸化反応で生じた熱を利
用して前記水蒸気改質反応を進行する改質部と、前記改質部に前記炭化水素系燃料および酸素を供給する
供給部と、を備え、前記改質部は、前記触媒の比表面積がより大きく形成された高密度部
と、前記高密度部の下流側に設けられ、前記触媒の比表面積
がより小さく形成された低密度部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、前記炭化水素系燃料は、酸素を含有しない炭化水素であ
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で
あって、前記改質部は、前記触媒を担持するモノリス担体を備
え、前記高密度部は、前記低密度部に比べて、単位断面積当
たりのセル数が多いモノリス担体を備える燃料改質装
置。
【請求項４】請求項３記載の燃料改質装置であって、前記高密度部は、単位断面積当たりのセル数が、前記低
密度部の２倍以上である燃料改質装置。