JP2007091584A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱源部で発生する燃焼ガスそのものの熱エネルギーを改質反応部に付加的に提供することができる燃料改質装置を提供する。さらに、本発明は、熱源部で発生する熱エネルギーの断熱性能を向上させることができる燃料改質装置を提供する。
【解決手段】本発明の例示的な実施例による燃料改質装置は、第１導管及び前記第１導管の内部に配置される第２導管を含む本体と、前記第２導管に形成されて、この第２導管の内部で所定の燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部と、前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に改質触媒を充填して形成されて、前記燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる改質反応部と、前記本体を囲むように設置されて、前記熱源部から排出される前記燃料の燃焼ガスを前記改質反応部の外側に流動させるハウジングとを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムの燃料改質装置に関する。

周知のように、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、燃料を利用して電気エネルギーを発生させる発電システムとして構成される。

この燃料電池において、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、出力特性が優れていて、作動温度が低く、始動及び応答特性が速いので、自動車のような移動用電源はもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用小型電源など、その応用範囲が広いという長所がある。

このような高分子電解質型燃料電池方式を採用した燃料電池システムは、スタック（ｓｔａｃｋ）という燃料電池本体（以下では、便宜上、スタックとする）と、燃料を改質して水素を含む改質ガスを発生させて、この改質ガスをスタックに供給する燃料改質装置と、酸化剤ガスをスタックに供給する酸化剤ガス供給装置とを含む。

このような構造によって、高分子電解質型燃料電池システムは、スタックで燃料改質装置から供給される改質ガス及び酸化剤供給装置から供給される酸化剤ガスの電気化学的反応によって電気エネルギーを発生させる。

ここで、燃料改質装置は、燃料を直接燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部と、この熱エネルギーを利用した燃料の改質反応によって改質ガスを発生させる改質反応部とを含む。

しかし、従来の燃料改質装置は、熱源部で燃料が燃焼する時に発生する比較的高温の燃焼ガスをそのまま放出するので、これによって燃焼ガスそのもの熱エネルギーが失われるため、初期起動時間が長くなり、結果的に装置全体の熱効率及び性能効率が低下する問題点がある。

また、従来の燃料改質装置は、 熱源部の排出口を通じて排出される高温の燃焼ガスが排出口に対応するハウジングの一部分に集中的に接触するため、ハウジング全体に対する局部的な温度上昇によってハウジングが損傷したり、ハウジングの一部分を通じて燃焼ガスの熱エネルギーが外部に放出されるので、断熱性能が低下する問題点がある。

そのため、従来の燃料改質装置は、熱源部で発生する熱エネルギーがハウジングの一部分を通じて外部に放出されるので、初期起動時間が長くなり、装置全体の熱効率及び性能効率が低下する問題点がある。

本発明は、熱源部で発生する燃焼ガスそのものの熱エネルギーを改質反応部に付加的に提供することができる、燃料改質装置を提供する。

さらに、本発明は、熱源部で発生する熱エネルギーの断熱性能を向上させることができる、燃料改質装置を提供する。

本発明の例示的な実施例による燃料改質装置は、第１導管及び前記第１導管の内部に配置される第２導管を含む本体と、前記第２導管に形成されて、この第２導管の内部で所定の燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部と、前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に改質触媒を充填して形成されて、前記燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる改質反応部と、前記本体を囲むように設置されて、前記熱源部から排出される前記燃料の燃焼ガスを前記改質反応部の外側に流動させるハウジングとを含む。

前記燃料改質装置は、前記ハウジング及び前記第１導管の間の領域に前記燃焼ガスを流動させる流動経路が形成されている。

前記燃料改質装置において、前記ハウジングは、前記流動経路に沿って流動する前記燃焼ガスを排出するための少なくとも１つの排出口を含む。

この時、前記ハウジングは断熱素材からなる。

前記燃料改質装置において、前記熱源部は、前記第２導管の一側端部に連結されるように設置されて、前記燃料を空気と共に着火燃焼させるトーチ部材を含む。

この時、前記熱源部は、前記トーチ部材に形成されて、前記燃料及び空気を前記第２導管の内部に注入するための第１注入口と、前記第２導管の他側端部に形成されて、前記燃焼ガスを前記第１導管及び前記ハウジングの間の領域に排出するための第１排出口を含む。

前記燃料改質装置において、前記熱源部は、前記第２導管の内部に酸化触媒を充填して形成されて、前記酸化触媒による前記燃料及び空気の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させる構造からなる。

この時、前記熱源部は、前記第２導管の一側端部に形成されて、前記燃料及び空気を前記第２導管の内部に注入するための第１注入口と、前記第２導管の他側端部に形成されて、前記燃焼ガスを前記第１導管及び前記ハウジングの間の領域に排出するための第１排出口とを含む。

前記燃料改質装置において、前記改質反応部は、前記第１導管の一側端部に形成されて、前記燃料を前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に注入するための第２注入口と、前記第１導管の他側端部に形成されて、前記改質ガスを排出するための第２排出口とを含む。

本発明の他の例示的な実施例による燃料改質装置は、所定の燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部と、前記熱エネルギーを利用した所定の燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる改質反応部と、前記熱源部及び前記改質反応部の全体を囲むように設置されて、前記熱源部で発生する熱エネルギーを実質的に断熱するメイン断熱部材と、前記熱源部から排出される前記燃料の燃焼ガスが集中的に接触する前記メイン断熱部材の一部分に設置される補助断熱部材とを含む。

この時、前記メイン断熱部材はハウジング形態からなる。

前記燃料改質装置において、前記補助断熱部材は、前記メイン断熱部材の一部分に付着される少なくとも１つの断熱板からなる。

この時、前記メイン断熱部材及び前記補助断熱部材は、ステンレス鋼、ジルコニウム、アルミニウム、及びセラミックのうちいずれか１つの断熱素材からなる。

前記燃料改質装置において、前記メイン断熱部材は、前記一部分側に形成される収容部を含み、前記補助断熱部材は、前記収容部に埋込まれるように設置される断熱材からなる。

この時、前記断熱材はガラス繊維からなる。

また、本発明の例示的な他の実施例による燃料改質装置は、第１導管及び前記第１導管の内部に配置される第２導管を含む本体と、前記第２導管に形成されて、前記第２導管の内部で所定の燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部と、前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に改質触媒を充填して形成されて、所定の燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる改質反応部と、前記本体を囲むように設置されて、前記熱源部で発生する前記熱エネルギーを実質的に断熱して、前記熱源部から排出される前記燃料の燃焼ガスを前記改質反応部の外側に流動させるメイン断熱部材と、前記燃焼ガスが集中的に接触する前記メイン断熱部材の一部分に設置される補助断熱部材とを含む。

前記燃料改質装置において、前記メイン断熱部材は、前記第１導管より管路断面積が大きく、前記第１導管に相応するハウジング形態からなり、前記第１導管の間の領域に前記燃焼ガスを流動させる流動経路を形成する。

この時、前記メイン断熱部材は、前記流動経路に沿って流動する前記燃焼ガスを排出するための少なくとも１つの排出口を含む。

前記燃料改質装置において、前記補助断熱部材は、前記メイン断熱部材の一部分に付着される少なくとも１つの断熱板からなる。

前記燃料改質装置において、前記メイン断熱部材は、前記一部分側に形成される収容部を含み、前記補助断熱部材は、前記収容部に埋込まれるように設置される断熱材からなる。

前記燃料改質装置において、前記熱源部は、前記第２導管の一側端部に連結されるように設置されて、前記第２導管の内部で前記燃料を空気と共に着火燃焼させるトーチ部材と、前記トーチ部材に形成されて、前記燃料及び空気を前記第２導管の内部に注入するための第１注入口と、前記第２導管の他側端部に形成されて、前記燃焼ガスを前記第１導管及び前記メイン断熱部材の間の領域に排出するための第１排出口とを含む。

この時、前記補助断熱部材は、前記第１排出口に対応する前記メイン断熱部材の内側面に付着されるように設置される少なくとも１つの断熱板を含む。

前記燃料改質装置において、前記メイン断熱部材は、前記第１排出口に対応する一側端部に形成される収容部を含み、前記補助断熱部材は、前記収容部に埋込まれるように設置される断熱材からなる。

前記燃料改質装置において、前記熱源部は、前記第２導管の内部に酸化触媒を充填して形成されて、前記酸化触媒による前記燃料及び空気の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させる構造からなる。

この時、前記熱源部は、前記第２導管の一側端部に形成されて、前記燃料及び空気を前記第２導管の内部に注入するための第１注入口と、前記第２導管の他側端部に形成されて、前記燃焼ガスを前記第１導管及び前記メイン断熱部材の間の領域に排出するための第１排出口とを含む。

前記燃料改質装置において、前記改質反応部は、前記第１導管の一側端部に形成されて、前記燃料を前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に注入するための第２注入口と、前記第１導管の他側端部に形成されて、前記改質ガスを排出するための第２排出口とを含む。

本発明は、熱源部から排出される燃焼ガスを改質反応部及びハウジングの間の流動経路に沿って循環させる構造からなるので、燃焼ガスそのものの熱エネルギーを改質反応部に付加的に提供することができる。

したがって、改質反応部の全領域に対して改質反応に必要な反応開始温度の範囲で均一な温度分布を維持することができるようになるので、装置の初期起動時間を短縮させ、結果的には装置全体の熱効率及び性能効率をより向上させることができるようになる。

また、本発明によれば、熱源部から排出される燃焼ガスが集中的に接触するメイン断熱部材の一部分に補助断熱部材を付加的に設置することによって、メイン断熱部材の一部分を通じて外部に放出される熱エネルギーを減少させるので、改質装置全体の断熱性能をより向上させることができ、燃焼ガスによってメイン断熱部材が局部的に損傷するのを防止することができる。

また、本発明は、熱源部から排出される燃焼ガスを改質反応部及びメイン断熱部材の間の流動経路に沿って循環させる構造からなるので、燃焼ガスそのものの熱エネルギーを改質反応部に付加的に提供することができる。

したがって、改質反応部の全領域に対して改質反応に必要な反応開始温度の範囲で均一な温度分布を維持することができるようになるので、装置の初期起動時間を短縮させ、結果的には装置全体の熱効率及び性能効率をより向上させることができるようになる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。

しかし、本発明は多様な相異した形態で具現され、ここで説明する実施例に限定されない。

図１は本発明の第１実施例による燃料改質装置を示した斜視図であり、図２は図１に示した燃料改質装置の断面図である。

この図面を参照して本発明の実施例による燃料改質装置１００を説明する。この燃料改質装置１００は、燃料を酸化剤ガスと共に燃焼させて熱を発生させて、この熱を利用した燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる構造からなる。

このような燃料改質装置１００は、改質ガスの酸化反応及び酸化剤ガスの還元反応によって電気エネルギーを発生させる燃料電池システム、例えば高分子電解質型燃料電池システムに採用されて、この燃料改質装置１００で実質的に形成された改質ガスは、前記高分子電解質型燃料電池システムのスタックに供給される。

この燃料改質装置１００に使用される燃料としては、メタノール、エタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリンなどのように水素を含む液体または気体燃料がある。

さらに、この燃料改質装置１００に使用される酸化剤ガスとしては、別途の保存手段で保存された酸素、または酸素を含む空気があり、本実施例では、後者を例に挙げて説明する。

前記のような燃料改質装置１００は、燃料を空気と共に燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部１０と、この熱を利用した燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる改質反応部３０とを含んで構成される。

このような燃料改質装置１００は、略同心円をなす二重管路形態の本体５０からなり、この本体５０は、第１導管５１及び第１導管５１の内部に配置される第２導管５２を含む。

第１導管５１は、所定の管路断面積を有して、実質的に両端が閉鎖された円形のパイプ形態からなる。第２導管５２は、第１導管５１の管路断面積より相対的に小さい管路断面積を有して、実質的に両端が閉鎖された円形のパイプ形態からなる。この時、第２導管５２は、その外周面及び第１導管５１の内周面が一定の間隔で離隔されるように、第１導管５１の内部中心方向（同軸方向）に配置される。

このように構成される燃料改質装置１００において、本実施例による熱源部１０は、燃料を燃焼させて、この時に発生する熱エネルギーを改質反応部３０に提供するためのものであって、第２導管５２の一側端部に連結されるように設置されるトーチ部材１１を含む。このトーチ部材１１は、第２導管５２の内部で燃料を空気と共に着火燃焼させる機能を有する。

このようなトーチ部材１１には、燃料及び空気に点火するための通常の点火プラグ（図示せず）が設置されており、燃料及び空気を第２導管５２の内部に注入するための第１注入口１３ａが形成されている。

これに加えて、熱源部１０には、第２導管５２の内部で燃料及び空気が燃焼する時に発生する燃焼ガスを排出するための第１排出口１３ｂが、第２導管５２の他側端部に形成されている。

本実施例においては、改質反応部３０は、熱源部１０から提供される熱エネルギーを吸熱して、別途に供給される燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させるためのものであって、第１導管５１及び第２導管５２の間の領域に改質触媒３１を充填して形成される。

このような改質触媒３１は、燃料の改質反応を促進させるためのものであって、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、またはチタニア（ＴｉＯ_２）からなるペレット（ｐｅｌｌｅｔ）形態の担体に銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）のような触媒物質を担持して形成される。

これに加えて、改質反応部３０には、第１導管５１及び第２導管５２の間の領域に燃料を注入するための第２注入口３３ａが、第１導管５１の一側端部に形成されている。そして、改質反応部３０には、第１導管５１及び第２導管５２の間の領域に改質触媒３１による燃料の改質反応によって発生する改質ガスを排出するための第２排出口３３ｂが、第１導管５１の他側端部に形成されている。

前記のように構成される燃料改質装置１００は、本体５０を囲むようにハウジング７０が設置されており、このハウジング７０は、熱源部１０の第１排出口１３ｂを通じて排出される比較的高温の燃焼ガスを改質反応部３０の外側に流動させることによって、燃焼ガスそのものの熱エネルギーを改質反応部３０に付加的に提供する機能をする。

また、このハウジング７０は、熱源部１０によって本体５０に作用する熱エネルギーが外部に放出されないように断熱する、いわゆる断熱ケースとしての機能も有する。

本実施例においては、ハウジング７０は、本体５０を収容する内部空間を有して、一側端部が開放されて他側端部が閉鎖された略円筒形の導管形態からなり、前記一側端部の開放端に結合されて前記内部空間を密封する密封キャップ７１を含んで構成される。この時、密封キャップ７１は、本体５０をハウジング７０の内部空間に収容した状態で、第２導管５２の一側端部をハウジング７０の外部に貫通させることができる環状のフランジ形態からなる。

ここで、ハウジング７０は、第１導管５１及び第２導管５２に対して略同心円をなして、ハウジングの内周面及び第１導管５１の外周面が一定の間隔で離隔されるように設置され、第１導管５１の管路断面積より大きな管路断面積に形成される。

これによって、ハウジング７０には、熱源部１０の第１排出部１３ｂを通じて排出される燃焼ガスを改質反応部３０の外側に流動させることができる流動経路７３が形成される。

この時、ハウジング７０は、熱源部１０によって本体５０に作用する熱エネルギーを断熱するために、熱伝導度が小さい断熱素材、例えばステンレス鋼、ジルコニウム、アルミニウムなどのような金属断熱素材、またはセラミックなどのような非金属断熱素材からなる。

これに加えて、ハウジング７０には、前記流動経路７３に沿って循環する燃焼ガスを排出するための少なくとも１つの排出口７５が、その開放端側に形成されている。

この排出口７５は、ハウジング７０の内部中心を基準にして、ハウジング７０の開放端側に放射状に形成され、好ましくはハウジング７０の開放端側に９０°の間隔で形成される。

前記のように構成される本発明の実施例による燃料改質装置１００の作用について、詳細に説明する。

まず、燃料及び空気は、トーチ部材１１の第１注入口１３ａを通じて第２導管５２の内部に供給される。

この状態で、点火プラグ（図示せず）を作動させると、熱源部１０では、燃料及び空気が第２導管５２の内部に分散されて点火プラグの作動によって着火されて、第２導管５２の内部で燃焼して熱エネルギーを発生させるようになる。

ここで、改質反応部３０が熱源部１０の外側に形成されているので、前記熱エネルギーは、第２導管５２を通じて改質反応部３０の改質触媒３１に提供される。

この過程を経る間に、第２導管５２の内部で燃料及び空気が燃焼する時に発生する比較的高温の燃焼ガスは、熱源部１０の第１排出口１３ｂを通じて排出されるようになる。

次に、前記燃焼ガスは、図面に矢印で示したように、第１導管５１及びハウジング７０の間の流動経路７３に沿って改質反応部３０の外側を循環して、この燃焼ガスそのものの熱エネルギーを改質反応部３０に付加的に提供するようになる。

したがって、改質反応部３０は、熱源部１０から直接提供される熱エネルギー及び燃焼ガスそのものの熱エネルギーの提供を受けて、全領域に対して燃料の改質反応に必要な反応開始温度の範囲で均一な温度分布を維持するようになる。この時、流動経路７３に沿って循環する燃焼ガスは、ハウジング７０の排出口７５を通じて外部に排出されるようになる。

この状態で、燃料は、改質反応部３０の第２注入口３３ａを通じて第１導管５１及び第２導管５２の間の領域に供給される。そうすると、改質反応部３０では、改質触媒３１による燃料の改質反応が進んで水素を含む改質ガスを発生させる。

この時、改質ガスは、改質反応部３０の第２排出口３３ｂを通じて排出され、高分子電解質型燃料電池に構成されるスタックに供給されて、このスタックでは、改質ガス中に含まれている水素の酸化反応及び別途に供給される空気の還元反応が進んで予め設定された容量の電気エネルギーを出力する。

図３は本発明の第１実施例の変形例による燃料改質装置を示した断面図である。

図３を参照すれば、この変形例による燃料改質装置２００は、前記実施例の構造を基本として、第２導管１５２の内部に酸化触媒１１５を充填して形成される熱源部１１０を含むことができる。

このような熱源部１１０は、酸化触媒１１５による燃料及び空気の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる構造からなる。

この熱源部１１０には、第２導管１５２の一側端部に形成されて、燃料及び空気を第２導管１５２の内部に注入するための第１注入口１１３ａと、第２導管１５２の他側端部に形成されて、酸化触媒１１５によって燃料及び空気が燃焼する時に発生する燃焼ガスを排出するための第１排出口１１３ｂとが形成されている。

ここで、酸化触媒１１５は、燃料及び空気の酸化反応を促進させるためのものであって、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、またはチタニア（ＴｉＯ_２）からなるペレット（ｐｅｌｌｅｔ）形態の担体に白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）のような触媒物質を担持して形成される。

したがって、前記のように構成される燃料改質装置２００の作用時に、燃料及び空気を熱源部１１０の第１注入口１１３ａを通じて燃料及び空気を第２導管１５２の内部に供給すると、熱源部１１０では、酸化触媒１１５による燃料及び空気の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる。そして、酸化触媒１１５によって燃料及び空気が燃焼する時に発生する燃焼ガスは、熱源部１１０の第１排出口１１３ｂを通じて排出されるようになる。

この変形例による燃料改質装置２００のその他の構成要素及び作用は、前記実施例と同一であるので、詳細な説明は省略する。

図４は本発明の第２実施例による燃料改質装置の分解斜視図であり、図５は組み立てられた前記燃料改質装置の断面図である。

この第２実施例による燃料改質装置の基本構成要素も、前記第１実施例と同一であるので、各部分に対する説明は前記説明で代替し、以下では、第１実施例と異なる構成要素及びその作用について説明する。

この第２実施例の燃料改質装置３００において、ハウジング３７０は、熱源部３１０によって本体３５０に作用する熱エネルギーが外部に放出されないように断熱する、いわゆる断熱ケースとしての機能をする。以下では、便宜上、このハウジング３７０をメイン断熱部材とする。

このような燃料改質装置３００の作用時に、熱源部３１０で燃料が燃焼する時に発生する高温の燃焼ガスは、熱源部３１０の第１排出口３１３ｂを通じて排出されて、第１導管３５１及びメイン断熱部材３７０の間の流動経路３７３に沿って循環する。

この過程で、熱源部３１０の第１排出口３１３ｂを通じて排出された燃焼ガスが、第１排出口３１３ｂに対応するメイン断熱部材３７０の他側端部（図面にＡで表示した部分であり、以下では、便宜上、Ａ部分とする）に集中的に接触するため、前記Ａ部分の温度が局部的に上昇し、熱エネルギーがこの部分を通じて外部に放出されるため、結果的には改質装置３００全体の断熱性能が低下する。

ここで、この第２実施例では、メイン断熱部材３７０のＡ部分に補助断熱部材３９０が設置されており、この補助断熱部材３９０は、Ａ部分に設置されて、メイン断熱部材３７０のＡ部分に集中的に作用する燃焼ガスの熱エネルギーが外部に放出されないような断熱機能を付加的に有する。

このような補助断熱部材３９０は、メイン断熱部材３７０のＡ部分、つまりメイン断熱部材３７０の他側端部の内側面に付着されるように設置される断熱板３９１からなる。この断熱板３９１は、メイン断熱部材３７０のＡ部分に相応する形態に形成されて、メイン断熱部材３７０と同一な断熱素材からなることができる。

断熱板３９１は、メイン断熱部材３７０が円筒形の導管形態からなる場合、このメイン断熱部材３７０の端部の形態に相応する円盤形態からなる。

図４、図５を参照すると、１つの断熱板３９１がメイン断熱部材３７０のＡ部分に設置されているが、これは例示にすぎず、複数の断熱板３９１を前記Ａ部分に設置することもできる。

このような断熱板３９１は、メイン断熱部材３７０が金属断熱素材からなる場合には、メイン断熱部材３７０のＡ部分に溶接式で付着され、メイン断熱部材３７０が非金属断熱素材からなる場合には、メイン断熱部材３７０のＡ部分に接着式で付着される。

以下、この第２実施例による燃料改質装置３００の作用について、詳細に説明する。

まず、燃料及び空気は、トーチ部材３１１の第１注入口３１３ａを通じて第２導管３５２の内部に供給される。

この状態で、点火プラグ（図示せず）を作動させると、熱源部３１０では、燃料及び空気が第２導管３５２の内部に分散されて点火プラグの作動によって着火されて、第２導管３５２の内部で燃焼して熱エネルギーを発生させるようになる。

ここで、改質反応部３３０が熱源部３１０の外側に形成されているので、前記熱エネルギーは、第２導管３５２を通じて改質反応部３３０の改質触媒３３１に伝達する。

この過程の間に、第２導管３５２の内部で燃料及び空気が燃焼する時に発生する比較的高温の燃焼ガスは、熱源部３１０の第１排出口３１３ｂを通じて排出されるようになる。

次に、前記燃焼ガスは、図面に矢印で示したように、第１導管３５１及びメイン断熱部材３７０の間の流動経路３７３に沿って改質反応部３３０の外側を循環して、この燃焼ガスそのものの熱エネルギーを改質反応部３３０に付加的に伝達するようになる。その後、流動経路３７３に沿って循環する燃焼ガスは、メイン断熱部材３７０の排出口３７５を通じて外部に排出されるようになる。

したがって、改質反応部３３０は、熱源部３１０から直接伝達する熱エネルギー及び燃焼ガスそのものの熱エネルギーの伝達により、迅速に改質反応部３３０の全領域に対して燃料の改質反応に必要な反応開始温度の範囲で均一な温度分布を維持するようになる。

そして、熱源部３１０によって改質反応部３３０及び流動経路３７３に作用する熱エネルギーは、メイン断熱部材３７０によって断熱されて、外部に放出されなくなる。

この過程で、熱源部３１０で発生する高温の燃焼ガスは、第１排出口３１３ｂを通じてメイン断熱部材３７０のＡ部分、つまりメイン断熱部材３７０の他側端部の内側面側に集中して噴射され、メイン断熱部材３７０のＡ部分に断熱板３９１が設置されているため、メイン断熱部材３７０のＡ部分に集中的に作用する燃焼ガスの熱エネルギーは、断熱板３９１によって遮断されて、前記Ａ部分を通じて外部に放出されなくなる。

したがって、前記燃焼ガスは、その熱エネルギーを維持したまま第１導管３５１及びメイン断熱部材３７０の間の流動経路３７３に沿って循環して、改質反応部３３０に熱エネルギーを付加的に伝達することができる。

この状態で、燃料は、改質反応部３３０の第２注入口３３３ａを通じて第１導管３５１及び第２導管３５２の間の領域に供給される。そうすると、改質反応部３３０では、改質触媒３３１による燃料の改質反応が進んで水素を含む改質ガスを発生させる。

この時、改質ガスは、改質反応部３３０の第２排出口３３３ｂを通じて排出され、高分子電解質型燃料電池に構成されるスタックに供給されて、このスタックでは、改質ガス中に含まれている水素の酸化反応及び別途に供給される空気の還元反応が進んで予め設定された容量の電気エネルギーを出力する。

図６は本発明の第２実施例の第１変形例による燃料改質装置を示した断面図である。

図面を参照すれば、この第１変形例による燃料改質装置４００には、メイン断熱部材４７０のＡ部分側に断熱材４９１が埋込まれるように設置されて、補助断熱部材４９０が形成される。

このような断熱材４９１は、メイン断熱部材４７０のＡ部分側に形成される収容部４７１に埋込まれて、この収容部４７１は、Ａ部分の内側面と離隔して設置される隔壁４７３によって所定の内部空間を形成することができる。この時、断熱材４９１は、断熱性を有する通常のガラス繊維からなる。

この第１変形例による燃料改質装置４００のその他の構成要素及び作用は、前記実施例と同一であるので、詳細な説明は省略する。

図７及び図８は本発明の第２実施例の第２、第３変形例による燃料改質装置を示した断面図である。

図７及び図８を参照すれば、この第２、第３変形例の燃料改質装置５００、６００は、各々前記第２実施例及び第１変形例の構造を基本として、第２導管５５２、６５２の内部に酸化触媒５１５、６１５を充填して形成される熱源部５１０、６１０を含むことができる。

このような熱源部５１０、６１０は、酸化触媒５１５、６１５による燃料及び空気の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる構造からなる。

この熱源部５１０、６１０には、第２導管５５２、６５２の一側端部に形成されて、燃料及び空気を第２導管５５２、６５２の内部に注入するための第１注入口５１３ａ、６１３ａと、第２導管５５２、６５２の他側端部に形成されて、酸化触媒５１５、６１５によって燃料及び空気が燃焼する時に発生する燃焼ガスを排出するための第１排出口５１３ｂ、５１３ｂとが形成されている。

ここで、酸化触媒５１５、６１５は、燃料及び空気の酸化反応を促進させるためのものであって、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、またはチタニア（ＴｉＯ_２）からなるペレット（ｐｅｌｌｅｔ）形態の担体に白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）のような触媒物質を担持して形成される。

したがって、前記のように構成される燃料改質装置５００、６００の作用時に、燃料及び空気を熱源部５１０、６１０の第１注入口５１３ａ、６１３ａを通じて第２導管５５２、６５２の内部に供給すると、熱源部５１０、６１０では、酸化触媒５１５、６１５による燃料及び空気の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる。そして、酸化触媒５１５、６１５によって燃料及び空気が燃焼する時に発生する燃焼ガスは、熱源部５１０、６１０の第１排出口５１３ｂ、６１３ｂを通じて排出されるようになる。

この変形例による燃料改質装置５００、６００のその他の構成要素及び作用は、前記実施例と同一であるので、詳細な説明は省略する。

以上で、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、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、これも本発明の技術的範囲に属する。

本発明の第１実施例による燃料改質装置の分解斜視図である。 図１に示した燃料改質装置の結合断面図である。 本発明の第１実施例の変形例による燃料改質装置を示した断面図である。 本発明の第２実施例による燃料改質装置の分解斜視図である。 図４に示した燃料改質装置の結合断面図である。 本発明の第２実施例の第１変形例による燃料改質装置を示した断面図である。 本発明の第２実施例の第２変形例による燃料改質装置を示した断面図である。 本発明の第２実施例の第３変形例による燃料改質装置を示した断面図である。

符号の説明

１０ 熱源部
１１ トーチ部材
１３ａ 第１注入口
１３ｂ 第１排出口
３０ 改質反応部
３１ 改質触媒
３３ａ 第２注入口
３３ｂ 第２排出口
５０ 本体
５１ 第１導管
５２ 第２導管
７０ ハウジング
７５ 排出口
１００ 燃料改質装置
３７０ メイン断熱部材
４７０ メイン断熱部材
３９１ 断熱板
４７１ 収容部
４９０ 補助断熱部材

Claims (26)

1. 第１導管及び前記第１導管の内部に配置される第２導管を含む本体；
   前記第２導管に形成されて、前記第２導管の内部で燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部；
   前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に改質触媒を充填して形成されて、前記燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる改質反応部；及び
   前記本体を囲むように設置されて、前記熱源部から排出される前記燃料の燃焼ガスを前記改質反応部の外側に流動させるハウジング；を含む、燃料改質装置。
2. 前記ハウジング及び前記第１導管の間の領域に前記燃焼ガスを流動させる流動経路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
3. 前記ハウジングは、
   前記流動経路に沿って流動する前記燃焼ガスを排出するための少なくとも１つの排出口を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置。
4. 前記ハウジングは断熱素材からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
5. 前記熱源部は、
   前記第２導管の一側端部に連結されるように設置されて、前記燃料を空気と共に着火燃焼させるトーチ部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
6. 前記熱源部は、
   前記トーチ部材に形成されて、前記燃料及び空気を前記第２導管の内部に注入するための第１注入口；及び
   前記第２導管の他側端部に形成されて、前記燃焼ガスを前記第１導管及び前記ハウジングの間の領域に排出するための第１排出口；を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料改質装置。
7. 前記熱源部は、
   前記第２導管の内部に酸化触媒を充填して形成されて、前記酸化触媒による前記燃料及び空気の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させる構造からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
8. 前記熱源部は、
   前記第２導管の一側端部に形成されて、前記燃料及び空気を前記第２導管の内部に注入するための第１注入口；及び
   前記第２導管の他側端部に形成されて、前記燃焼ガスを前記第１導管及び前記ハウジングの間の領域に排出するための第１排出口；を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質装置。
9. 前記改質反応部は、
   前記第１導管の一側端部に形成されて、前記燃料を前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に注入するための第２注入口；及び
   前記第１導管の他側端部に形成されて、前記改質ガスを排出するための第２排出口；を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
10. 燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部；
    前記熱エネルギーを利用した燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる改質反応部；
    前記熱源部及び前記改質反応部の全体を囲むように設置されて、前記熱源部で発生する熱エネルギーを断熱するメイン断熱部材；及び
    前記熱源部から排出される前記燃料の燃焼ガスが集中的に接触する前記メイン断熱部材の一部分に設置される補助断熱部材；を含むことを特徴とする燃料改質装置。
11. 前記メイン断熱部材はハウジング形態からなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質装置。
12. 前記補助断熱部材は、
    前記メイン断熱部材の一部分に付着される少なくとも１つの断熱板からなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質装置。
13. 前記メイン断熱部材及び前記補助断熱部材は、ステンレス鋼、ジルコニウム、アルミニウム、及びセラミックのうちいずれか１つの断熱素材からなることを特徴とする請求項１２に記載の燃料改質装置。
14. 前記メイン断熱部材は、前記一部分側に形成される収容部を含み、
    前記補助断熱部材は、前記収容部に埋込まれるように設置される断熱材からなることを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質装置。
15. 前記断熱材はガラス繊維からなることを特徴とする請求項１４に記載の燃料改質装置。
16. 第１導管及び前記第１導管の内部に配置される第２導管を含む本体；
    前記第２導管に形成されて、前記第２導管の内部で燃料を燃焼させて熱エネルギーを発生させる熱源部；
    前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に改質触媒を充填して形成されて、燃料の改質反応によって水素を含む改質ガスを発生させる改質反応部；
    前記本体を囲むように設置されて、前記熱源部で発生する前記熱エネルギーを断熱して、前記熱源部から排出される前記燃料の燃焼ガスを前記改質反応部の外側に流動させるメイン断熱部材；及び
    前記燃焼ガスが集中的に接触する前記メイン断熱部材の一部分に設置される補助断熱部材；を含む、燃料改質装置。
17. 前記メイン断熱部材は、
    前記第１導管より管路断面積が大きく、前記第１導管に相応するハウジング形態からなり、前記第１導管の間の領域に前記燃焼ガスを流動させる流動経路を形成する、請求項１６に記載の燃料改質装置。
18. 前記メイン断熱部材は、
    前記流動経路に沿って流動する前記燃焼ガスを排出するための少なくとも１つの排出口を含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃料改質装置。
19. 前記補助断熱部材は、
    前記メイン断熱部材の一部分に付着される少なくとも１つの断熱板からなることを特徴とする請求項１６に記載の燃料改質装置。
20. 前記メイン断熱部材は、前記一部分側に形成される収容部を含み、
    前記補助断熱部材は、前記収容部に埋込まれるように設置される断熱材からなることを特徴とする請求項１６に記載の燃料改質装置。
21. 前記熱源部は、
    前記第２導管の一側端部に連結されるように設置されて、前記第２導管の内部で前記燃料を空気と共に着火燃焼させるトーチ部材；
    前記トーチ部材に形成されて、前記燃料及び空気を前記第２導管の内部に注入するための第１注入口；及び
    前記第２導管の他側端部に形成されて、前記燃焼ガスを前記第１導管及び前記メイン断熱部材の間の領域に排出するための第１排出口；を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料改質装置。
22. 前記補助断熱部材は、
    前記第１排出口に対応する前記メイン断熱部材の内側面に付着されように設置される少なくとも１つの断熱板を含むことを特徴とする請求項２０に記載の燃料改質装置。
23. 前記メイン断熱部材は、前記第１排出口に対応する一側端部に形成される収容部を含み、
    前記補助断熱部材は、前記収容部に埋込まれるように設置される断熱材からなることを特徴とする請求項２０に記載の燃料改質装置。
24. 前記熱源部は、
    前記第２導管の内部に酸化触媒を充填して形成されて、前記酸化触媒による前記燃料及び空気の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させる構造からなることを特徴とする請求項１６に記載の燃料改質装置。
25. 前記熱源部は、
    前記第２導管の一側端部に形成されて、前記燃料及び空気を前記第２導管の内部に注入するための第１注入口；及び
    前記第２導管の他側端部に形成されて、前記燃焼ガスを前記第１導管及び前記メイン断熱部材の間の領域に排出するための第１排出口；を含むことを特徴とする請求項２３に記載の燃料改質装置。
26. 前記改質反応部は、
    前記第１導管の一側端部に形成されて、前記燃料を前記第１導管及び前記第２導管の間の領域に注入するための第２注入口；及び
    前記第１導管の他側端部に形成されて、前記改質ガスを排出するための第２排出口；を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料改質装置。

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