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JP4346575B2 - 燃料改質装置及び燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、特に小型化に適した燃料改質装置と、燃料電池システムに関するものである。
近年、携帯電話やビデオカメラ、コンピュータなどの各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、さらにポータブル性が要求されている。このような要求を満足するための電源として、従来は、手軽な一次電池や二次電池が使用されている。しかし、一次電池や二次電池は、機能上使用時間に制限があり、このような電池を用いた電子機器等では使用時間が限定される。
すなわち、一次電池を使用した場合、電池の放電が終わった後に電池を交換して電子機器を動かすことはできるものの、その重量に対して使用時間が短く、ポータブルな機器には不向きである。また、二次電池では放電が終わると充電できる半面、充電のための電源が必要なため使用場所が制限されるのみならず、充電に時間がかかる。特に、二次電池を組み込んだ電子機器等では、電池の放電が終わっても電池を交換することが困難なため、機器の使用時間の制限は免れない。このように、各種小型機器を長時間作動させるには、従来の一次電池や二次電池の延長では対応が難しく、より長時間の作動に適した電池が要求されている。
このような問題の一つの解決策として、最近、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができるという利点を有するだけでなく、燃料のみ交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化ができれば携帯用電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。
一般的な燃料電池の分野において、天然ガス、ナフサ等の軽質炭化水素やメタノール等のアルコール類を原料とし、これを改質用触媒が内部に備えられた改質器で改質して水素を含む改質ガスを生成し、これを燃料電池の燃料極に供給すると共に酸化剤極に空気を供給して発電する燃料電池本体とを組み合わせた燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池システムは、メタノールのような液体燃料を用いた直接型メタノール燃料電池等に比べ、出力電圧が高く高効率が得られるため、小型・高性能化が期待できる。
改質器を備えた燃料電池システムにおいては、炭化水素やアルコール類のような可燃性物質を燃料として用いる。また、改質して得られる気体（改質ガス）は、水素のほかに副生物として約１％から２％程度の一酸化炭素が含まれる。そこで、改質器を備えた燃料電池システムを携帯用電子機器の電源として用いる場合には、安全のために十分な対策が望まれる。この対策の一例が特許文献１〜２に開示されている。
特許文献１には、燃料電池本体が収容されたケース内に燃料電池本体などから漏洩する水素を触媒燃焼により水に変換する触媒燃焼用の貴金属を設けることによって、燃料電池システムが停止してファンが停止している時であっても、ケース内の漏洩水素を触媒燃焼により水に変換できるため、ケース内の漏洩水素の滞留が抑制されることが記載されている。
特許文献２には、蒸発部（３０）及び改質器（６）の加熱用の燃焼器（３１）を有する改質装置（５）を、有底円筒状をなす断熱性材料で形成された漏洩ガス収集部（２０）で気密状態に覆うように形成した燃料電池システムが開示されている。この特許文献２に記載された燃料電池システムでは、改質装置（５）からの漏洩ガスを燃焼器（３１）で燃焼処理している。
ところで、改質器を備えた燃料電池システムを携帯機器に搭載する場合、高精度の流量モニタ、制御装置を用いることが、大きさや、コストの制限より困難である。このことは、改質器の温度を触媒燃焼の熱量のみで精密に制御することを難しくしている。一般的に、改質器は熱ロスを少なくするために断熱されており、触媒燃焼量の微妙な差により、改質器の温度が大きく変化する傾向がある。改質器の温度制御法の一例が特許文献３〜４に記載されている。
特許文献３には、燃料電池の未反応水素をメタノール改質装置のバーナで燃焼させてメタノール改質装置の触媒層に最適な熱量を供給し、メタノール改質装置の触媒層温度が規定の制御温度範囲以下に下がった時、発熱体により触媒層を加熱することが記載されている。
特許文献４には、起動時または過渡応答時に改質装置の改質触媒層を加熱して昇温し、起動時または過渡応答時に水素リッチガスを早期に生成して、起動から発電までの時間短縮をすることが開示されている。
ところで、リチウムイオン二次電池のような非水系二次電池においては、通常の使用における安全性は勿論のこと、過充電や外部短絡、あるいは高温雰囲気下に長時間放置するなどの不適当な取り扱いによる電池内圧の異常な上昇時における安全性の確保が要求されている。このため、非水系二次電池には電池内圧により作動する安全弁、いわゆる防爆弁が備えられている（例えば、特許文献５〜７）。
特開２００２−９３４３５号公報 特開２００３−４５４５７号公報 特許公報第２７１５５００号 特開平１１−８６８９３号公報 特開平５−３１４９５９号公報 特開平９−２４５７５９号公報 実開昭５８−１７３３２号
本発明の目的は、安全性に優れ、かつ小型化に適した燃料改質装置及び燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明の別な目的は、改質器の温度制御と加熱効率を両立することが可能な燃料電池システムを提供することである。
また、本発明に係る燃料改質装置は、燃料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、
前記改質器に隣接して配置され、可燃性ガスの燃焼反応のための燃焼触媒を備え、前記燃焼反応による燃焼熱を利用して前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器と前記燃焼器の境界に形成され、前記改質器の内圧上昇で開裂することにより前記改質器から前記燃焼器へのガス通路となる圧力開放部と
を具備することを特徴とするものである。
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料改質装置と、前記燃料改質装置によって生成した水素と空気中の酸素とを用いて発電を行う燃料電池起電部とを具備する燃料電池システムにおいて、前記燃料改質装置は、
燃料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、
前記改質器に隣接して配置され、可燃性ガスの燃焼反応のための燃焼触媒を備え、前記燃焼反応による燃焼熱を利用して前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器と前記燃焼器の境界に形成され、前記改質器の内圧上昇で開裂することにより前記改質器から前記燃焼器へのガス通路となる圧力開放部と
を具備することを特徴とするものである。
本発明によれば、安全性に優れ、かつ小型化に適した燃料改質装置及び燃料電池システムを提供することができる。
もしくは、本発明によれば、改質器の温度制御と加熱効率を両立することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図５を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略的構成図である。図２は図１の燃料電池システムに用いられる空気ポンプの模式図である。図３〜図５は、図１の燃料電池システムに用いられる断熱容器を模式的に示した斜視図である。
この燃料電池システムは、燃料改質装置１と、燃料電池セル２とを備えるものである。
燃料改質装置１は、側面に開口部３ａを有する断熱容器３と、断熱容器３内に設置された気化器４、改質器５、ＣＯ処理器（ＣＯシフト器６、ＣＯ除去器７）及び燃焼器８と、真空断熱容器３の内壁面に配置された燃焼触媒部材９と、断熱容器３の開口部３ａに配置された断熱部材３ｂと、真空断熱容器３の外部に配置され、気化器４に改質燃料を供給するための燃料供給手段１０とを備えるものである。
断熱容器３は、図３に示すように偏平形状をなしており、偏平方向（厚さ方向）と直交する主面３ｃが長方形で、長手方向と直交する面に開口部３ａが形成されている。断熱容器３は、内壁部と外壁部との間に真空の中空部を備えた真空断熱容器である。一方、断熱部材３ｂは、例えば、ミネラルウール； セラミックファイバー； ケイ酸カルシウム; 真空断熱材（例えば、セラミックファイバーあるいはケイ酸カルシウムの層の両面にＡｌ層を積層したもの）； 発泡ウレタン； タイル； 硬質ウレタンフォーム； 無機質ファイバーで補強したセラッミクス粉末で、０．１μｍ以下の非閉鎖のセル構造物（例えば、日本マイクロサーム株式会社製の商品名マイクロサーム）；等から形成される。中でも、無機質ファイバーで補強したセラッミクス粉末で、０．１μｍ以下の非閉鎖のセル構造物によると、１５０℃の高温においても十分な耐熱性を得ることができる。なお、前述した図３では、断熱容器３の長手方向と直交する面を偏平形状にしたが、正方形状や円形にすることが可能である。また、断熱容器３の開口部３ａ付近の外周面をＡｌ含有ラミネートフィルムで被覆すると、断熱容器３の開口部３ａ付近の断熱効果が高くなり、開口部３ａ付近の温度を低く保つことができる。
気化器４に接続された燃料供給管１１は、断熱部材３ｂを通して外部に引き出され、燃料供給手段１０に接続されている。燃料供給管１１には、弁１２が設けられている。弁１２を開放し、燃料供給手段１０から燃料供給管１１を通して気化器４に供給された燃料は、燃焼器８により加熱されて気化する。
燃料供給手段１０には、例えば、燃料改質システムの燃料となるメタノールと水の混合物、ジメチルエーテルと水の混合物、またはジメチルエーテルと水とアルコール類の混合物が貯蔵されている。アルコール類にはメタノールやエタノール等が好ましいが、特にメタノールを用いた場合はジメチルエーテルと水の相互溶解性が向上するため好ましい。
燃料供給手段１０には、例えば燃料改質装置との着脱が可能な圧力容器を用いることができる。燃料としてジメチルエーテルを用いる場合、ジメチルエーテルの圧力を利用し、気化器４へ送液することができる。この場合、ジメチルエーテルと水の混合比（モル比）は、化学量論的には１：３が理想的である。しかし、実際の燃料改質システムでは、混合比が１：３に近いと一酸化炭素の生成量が増大してしまう。さらに、余剰となった水は後述するシフト反応や発電に用いることができるため、１：３．５以上とすることが好ましい。ただし、気化器４において燃料を加熱・気化する際のエネルギーが増大してしまうため、混合比は１：５．０以下、理想的には１：４．０以下とすることが好ましい。
気化器４は、配管のような供給路１３を介して改質器５と接続されている。気化燃料は、改質器５にて改質され、水素を含有する気体（改質ガス）となる。改質器５の内部には気化燃料が通過する流路が設けられており、流路の内壁面には気化燃料の改質ガスへの改質反応を促進するための改質触媒が設けられている。
改質触媒としては、燃料としてメタノールを用いる場合、Ｃｕ／ＺｎＯ／γ−アルミナやＰｄ／ＺｎＯなどを用いることができる。このような改質触媒は、（１）式に示す様な、メタノールが水素と二酸化炭素に改質される水蒸気改質反応を促進させる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 （１）
また、燃料がジメチルエーテルを含む場合は、Ｐｄ／ＺｎＯとγ−アルミナとの混合物や白金−アルミナ系触媒（Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3）などを用いることができる。このような改質触媒は、（２）式に示す、ジメチルエーテルの水蒸気改質反応を促進させることができる。
ＣＨ3ＯＣＨ3＋３Ｈ2Ｏ→６Ｈ2＋２ＣＯ2 （２）
白金−アルミナ系触媒において、Ｐｔ担持量は０．２５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下が好ましい。
なお、改質器５の耐腐食性を向上させたい場合は、貴金属を用いることが効果的である。また、改質触媒の効率的な温度範囲は２００〜４００℃である。改質触媒表面の温度が２００〜４００℃となるように、改質器５を温度制御することが好ましい。
改質器５は、配管のような供給路１４を介してＣＯシフト器６と接続されている。改質ガスには、水素のほかに副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素は燃料電池セルのアノード触媒を劣化させ、燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このため、ＣＯシフト器６にて一酸化炭素を二酸化炭素と水素へシフト反応させて、ＣＯ濃度を低減すると共に水素生成量の増加を図る。ＣＯシフト器６の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられており、流路の内壁面には改質ガスに含まれる一酸化炭素のシフト反応を促進するためのシフト触媒が設けられている。
ＣＯシフト器６の詳細について説明する。ＣＯシフト器６の内部には改質器５と同様にサーペンタイン形状や、平行流路形状の気化した燃料が流れる流路が設けられている。流路の内壁面には、Ｐｔを含む貴金属が担持された固体塩基からなるシフト触媒が設けられている。シフト触媒は、（３）式に示す反応により一酸化炭素をさらに二酸化炭素へ転化させるシフト反応を促進し、水素生成量の増加を図ることができる。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2 （３）
シフト触媒の詳細について説明する。固体塩基には、Ｃｅ、Ｒｅ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｌａから選ばれる少なくとも１種類以上の元素が担持されたアルミナを用いることができる。また、ＰｔにかえてＰｄ、Ｒｕのいずれか一種類を用いても同様の効果が得られる。
また、このシフト触媒のほかにＣｕ／ＺｎＯ系の公知の触媒をもちいることができる。ただしＣＯシフト器６の耐腐食性を向上させたい場合は、ＰｔやＰｄ、Ｒｕを含む貴金属が担持された触媒を用いる事が好ましい。さらに、ＣＯシフト触媒の効率的な温度範囲は２００〜３５０℃である。ＣＯシフト触媒表面の温度が２００〜３５０℃となるように、ＣＯシフト器６を温度制御することが好ましい。
ＣＯシフト器６は、配管のような供給路１５を介してＣＯ除去器７と接続されている。ＣＯシフト器６にてシフト反応され、ＣＯ除去器７に送られた改質ガスには、未だ１％以下の一酸化炭素が含まれている。ＣＯは前述の通り燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このため、ＣＯ除去器７にて一酸化炭素の濃度が１００ｐｐｍ以下になるまで一酸化炭素を除去する。ＣＯ除去器７の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられており、流路の内壁面には、例えば、改質ガスに含まれる一酸化炭素のメタン化反応を促進するためのメタネーション触媒が設けられている。
ＣＯ除去器７の詳細について説明する。ＣＯ除去器７の内部には改質器５、ＣＯシフト器６と同様にサーペンタイン形状や、平行流路形状の気化した燃料が流れる流路が設けられている。流路の内壁面には、Ｒｕを含むメタネーション触媒が設けられている。
改質器５にて改質反応、ＣＯシフト器６にてシフト反応され、ＣＯ除去器７に送られた改質ガスは、水素のほかに副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれる。前述の通り一酸化炭素は燃料電池セルのアノード触媒を劣化させ、発電性能を低下させる原因となる。このためＣＯ除去器７は、改質器５から燃料電池セル２へ水素を含む気体を供給する前に、ＣＯ除去器７にて式（４）に示す様に一酸化炭素をメタン化させて、濃度が１００ｐｐｍ以下になるまで一酸化炭素を除去する。
ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ （４）
メタネーション触媒の詳細について説明する。メタネーション触媒には、Ｒｕ／Ａｌ2Ｏ3、Ｒｕ／ゼオライト、またはＲｕ／Ａｌ2Ｏ3、ゼオライトを主成分とし、Ｍｇ、Ｃａ、Ｋ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種類以上の元素が担持された触媒が好ましい。特に、ジメチルエーテルを含む燃料を用いた場合、Ｒｕ／Ａｌ2Ｏ3を主成分とするメタネーション触媒は、劣化が少ないため好ましい。
燃料電池セル２は、固体電解質膜２ａと、固体電解質膜２ａに形成された燃料極２ｂと、固体電解質膜２ａの反対側の面に形成された酸化剤極２ｃとを備えるものである。ＣＯ除去器７には、一酸化炭素が除去された改質ガスを取り出すための改質ガス取り出し管１６が接続されており、断熱部材３ｂを通して外部に引き出されて燃料電池セル２の燃料極２ｂに接続されている。燃料電池セル２は、改質ガス中の水素と大気中の酸素とを反応させて発電を行う。
続いて、燃料電池セル２の詳細について説明する。燃料電池セル２は、ＰｔＲｕが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートからなる燃料極２ｂと、同様にＰｔが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートからなる酸化剤極２ｃで、スルホン酸基またはカルボン酸基などの陽イオン交換基を有するフルオロカーボン重合体、例えばＮａｆｉｏｎ（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社の登録商標）等からなるプロトン導電性を有する電解質膜２ａを挟み込んでいる。この多孔質シートはスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体や、その重合体で被覆された微粒子を含んでも構わない。
燃料極２ｂに供給された水素は、燃料極２ｂで下記（５）式に示すように反応する。
Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ− （５）
一方、酸化剤極２ｃに供給された酸素は、酸化剤極２ｃで下記（６）式に示すように反応する。
１／２Ｏ2＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ2Ｏ （６）
改質器加熱手段としての燃焼器８には、燃料電池排出ガス取り入れ管１７が接続されており、断熱部材３ｂを通して外部に引き出され、燃料電池セル２に接続されている。燃料電池セル２では水素と酸素が反応して水が生成されるが、燃料電池セル２からの排出ガス（発電に用いられた後の改質ガス）には未反応の水素が含まれている。燃焼器８はこの未反応の水素を大気中の酸素を用いて燃焼させる。このとき、燃焼の際に発生する燃焼熱を利用し、気化器４、改質器５、ＣＯシフト器６及びＣＯ除去器７を加熱する。加熱の効率向上、温度の均一化および周囲の電子回路等の耐熱性の低い部品の保護のため、気化器４、改質器５、ＣＯシフト器６、ＣＯ除去器７及び燃焼器８は前述した断熱容器３により周囲を覆われている。また、燃焼器８には、燃焼ガスを外部に放出するための排出管１８が接続され、断熱部材３ｂを通して外部に引き出されている。
燃焼器８の詳細について説明する。燃焼器８の内部には、例えばサーペンタイン形状や、平行流路形状の発電に用いられた燃料が流れる流路が設けられている。流路の内壁面には、例えば、ＰｔまたはＰｄ、もしくはＰｔおよびＰｄなどの貴金属が担持されたアルミナなどの燃焼触媒が設けられている。燃焼触媒に貴金属を用いるのは、燃料電池の停止時に触媒の酸化、劣化を防止するための付帯設備なしに、燃焼触媒の酸化、劣化を防止するためである。なお、燃焼器８は、ヒータを併用するものであっても良い。ヒータとしては、例えば、アルミニウム板にセラミックヒータを貼り付けたもの、アルミニウム板にロッドヒータを埋め込んだものなどが挙げられる。
次に、改質器５、ＣＯシフト器６、ＣＯ除去器７および燃焼器８の構造について説明する。ここでは改質器５を例にとって説明する。ＣＯシフト器６、ＣＯ除去器７および燃焼器８についても、触媒の種類や反応速度に応じて流路の幅や長さが異なるが、その他の構造については改質器５と同様なので説明を省略する。
改質器５を構成する反応容器の少なくとも一部は、熱伝導率の高い材質にて形成されることが望ましい。これは、燃焼器８の内部にて発生する燃焼熱を、改質器５の内部へ効率よく伝達するためである。熱伝導率の高い材質の例として、アルミニウムや銅、またはアルミニウム合金や銅合金が挙げられる。また、熱伝導度はアルミニウムや銅、またはアルミニウム合金や銅合金より低いが、耐腐食性に優れることよりステンレス合金を用いることもできる。
反応容器は、一般的な機械加工方法や成型方法を用いて形成することができる。一般的な機械加工方法としては、例えば放電加工、フライス加工などを用いることができる。また、一般的な成型方法としては、例えば鍛造加工や鋳造加工などを用いることができる。さらに、例えば鋳造加工にて入口配管、出口配管が設けられていない反応容器を成型し、その後にドリル加工などの機械加工方法にて貫通孔を設けた後に管状部材を溶接するなど、機械加工方法と成型方法を組み合わせて用いることもできる。
燃焼触媒部材９は、断熱容器３の長手方向に沿う面の内壁に配置され、改質器５とＣＯ処理器の上方に位置している。また、断熱容器３は、長手方向と直交する面に開口部３ａを有し、開口部３ａに断熱部材３ｂが配置されている。これにより、断熱容器３内に気密でも開放系でもない滞留空間を形成することができると共に、ガスの拡散経路内に燃焼触媒部材９を配置することができる。従って、燃料の炭化水素やアルコール類といった可燃性ガスや爆発性の高い水素、あるいは人体に有害な一酸化炭素が漏洩した際、可燃性ガスが燃焼触媒部材９の傍に滞留しやすく、高濃度なまま燃焼触媒部材９と反応することができるため、可燃性ガスの触媒燃焼反応を促進して無害な水に速やかに変換することができ、改質装置の安全性を向上することができる。また、触媒反応による温度上昇も速やかに生じるため、温度センサによる検出が早く、可燃性ガスの漏洩を速やかに検知することも可能になる。
なお、燃焼触媒部材９は、断熱容器３の内壁面で、かつガスの漏れ易い箇所の上部に配置することが望ましい。このような配置箇所として、例えば、改質器５のようなリアクタの上方（中でも、リアクタの蓋と筐体のエッジ）、あるいは配管接合部の上方等が挙げられる。
燃焼触媒部材９に用いる燃焼触媒としては、例えば、白金−アルミナ系触媒（Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3）、パラジウム−アルミナ系触媒（Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3）、白金−パラジウムーアルミナ系触媒（（Ｐｔ，Ｐｄ）／Ａｌ2Ｏ3）、ルテニウム−アルミナ系触媒（Ｒｕ／Ａｌ2Ｏ3）などの公知の触媒を用いることができる。
上記燃焼触媒のうち、漏洩した水素を燃焼させるには、パラジウム−アルミナ系触媒（Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3）、もしくは白金−パラジウムーアルミナ系触媒（（Ｐｔ，Ｐｄ）／Ａｌ2Ｏ3）が特に有効である。また、一酸化炭素の場合には、ルテニウム−アルミナ系触媒（Ｒｕ／Ａｌ2Ｏ3）が特に有効である。
したがって、燃焼触媒としては、上記触媒の少なくとも２種を同時に配置しておくことが好ましい。
燃焼触媒部材９及び燃焼器８に供給する空気は、例えば空気ポンプ１９での供給が可能である。空気ポンプ１９は、燃焼器８と燃焼触媒部材９とで共通化することが可能である。空気ポンプ１９は、断熱容器３の外部に配置されており、第１の供給管２０と第２の供給管２１が接続されている。空気ポンプ１９の第１の供給管２０は、断熱部材３ｂを通して燃焼器８に接続されている。一方、第２の供給管２１は、断熱部材３ｂを通して燃焼触媒部材９に接続されている。第２の供給管２１には、温度上昇で開放する弁２２が設置されている。漏洩した可燃性ガスは、断熱容器３内の酸素と燃焼触媒部材９の存在下で反応することにより水に変換されるが、反応が進行するに従って断熱容器３内の酸素量が減少し、また、燃焼触媒部材９の温度が上昇する。温度上昇により開放する弁２２を設けることによって、燃焼反応が進んで酸素が不足した際に断熱容器３内に空気を供給することができるため、漏洩ガスの無害化反応が中断するのを回避することができる。
燃料改質装置においては、燃焼触媒部材９の燃焼熱による温度上昇から可燃性ガスの漏洩を検知する検知機構と、検知機構からの信号により燃料供給手段１０による燃料供給を停止させる機能とを備えることが望ましい。図４は、その異常検出処理を示すフローチャートである。
検知機構は、燃焼触媒部材９の温度をモニタリングしており、検知機構には定常状態での燃焼触媒部材９の温度Ｔ１が入力されている（Ｓ１）。可燃性ガス漏れが発生する（Ｓ２）と、燃焼触媒部材９の温度が上昇する（Ｓ３）。温度Ｔ２と温度Ｔ１との温度差を検知機構により比較し（Ｓ４）、その温度差が２０℃を超えた際に燃料供給手段１０の弁１２を閉じて気化器４への燃料供給を停止すると共に、空気ポンプ１９の第１の供給管２０を閉鎖して燃焼器８への空気の供給を停止して燃焼器８の加熱を停止する（Ｓ５）。これにより、燃料改質装置の機能を停止させることができる。
一方、温度Ｔ２と温度Ｔ１との温度差が２０℃未満である場合には、燃料改質装置を停止させずに燃焼触媒部材９の温度のモニタリングを続ける。
本実施の形態による燃料改質装置および燃料電池システムでは、長手方向と直交する面に開口部を有する断熱容器を用い、この断熱容器の開口部に断熱部材を設けているため、断熱容器内は気密でも開放系でもない滞留空間となる。このような空気の流通の起き難い断熱された空間内では、落下や圧壊などの外的衝撃等により配管に亀裂や破裂等を生じて可燃性ガスが漏洩した際、可燃性ガスの滞留が起き易いため、可燃性ガスを高濃度なまま触媒燃焼器材と反応させることができ、触媒燃焼反応が速やかに生じる。これにより、水素や一酸化炭素が外部に漏洩するのを防止することができる。また、触媒反応による温度上昇も速やかに生じるため、温度センサによる検出が早く、可燃性ガスの漏洩を速やかに検知することも可能になる。
また、断熱容器の長手方向に沿う面の内壁に燃焼触媒部材を配置することによって、可燃性ガスの拡散経路内に燃焼触媒部材を位置させることができるため、可燃性ガスと触媒燃焼器材との反応をさらに促すことが可能になる。
また、改質器加熱手段への酸素供給と燃焼触媒部材への酸素供給とを兼ねている空気ポンプを具備することによって、燃料改質装置の小型化を図ることができる。
（第２の実施の形態）
図５に本発明の第２の実施形態に係る燃料改質装置を示す。なお、図１において説明した構成部分と同一機能を奏する構成部には同一の符号を付することとして重複した説明は省略する。
燃焼触媒部材９は、断熱容器３の長手方向に沿う面の内壁に配置され、改質器５とＣＯ処理器の上方に位置している。燃焼触媒としては、例えば、白金−パラジウムーアルミナ系触媒（（Ｐｔ，Ｐｄ）／Ａｌ2Ｏ3）とルテニウム−アルミナ系触媒（Ｒｕ／Ａｌ2Ｏ3）の２種が配置されている。
内部に圧縮空気もしくは酸素が封入された酸素供給部材２３は、燃焼触媒部材９に接するように配置されている。
酸素供給部材２３は、可燃性ガスが漏洩した場合に、燃焼触媒部材９の燃焼反応に伴う発熱によって破裂する。その結果、内部に封入された圧縮空気もしくは酸素が放出される。放出された圧縮空気もしくは酸素は、燃焼触媒部材９の燃焼反応に用いられる。このような構成とすることにより、燃焼触媒部材９を酸素の流通経路上ではない場所に配置しても、真空断熱容器８内に燃料の炭化水素やアルコール類といった可燃性ガスや爆発性の高い水素、あるいは人体に有害な一酸化炭素が漏洩した場合に、酸素供給部材２３から放出された圧縮空気もしくは酸素と燃焼触媒部材９との反応（燃焼）により水に変えることで無害化させることができる。
また、酸素供給部材２３は、同時に緩衝材としての作用も備えている。従って、落下のような外的衝撃に対する安全性が向上する。
次に、酸素供給部材２３の構造について図６および図７を用いて説明する。図６は酸素供給部材２３の上面図であり、図７は側面図である。酸素供給部材２３は、例えばアルミニウム箔から押し出し成形によって加工された上部カップ部材２４ａ及び下部カップ部材２４ｂを備える。上部カップ部材２４ａ及び下部カップ部材２４ｂは、それぞれ、図６及び図７に示すように、複数の矩形の凹部２５ａ，２５ｂが横一列に連なった形状を有するものである。上部カップ部材２４ａの凹部２５ａと下部カップ部材２４ｂの凹部２５ｂとを重ね合わせて形成された空間内に、圧縮空気もしくは酸素が充填され、凹部２５ａの開口端２６と凹部２５ｂの開口端２６が溶接により接合されている。
かかる溶接方法としては、レーザービーム溶接、超音波融着などの方法が用いられる。また、溶接する代わりに、ポリイミド系粘着テープなどを用いて固定しても良い。
酸素供給部材２３は、燃焼触媒部材９に接するように配置されている。可燃性ガスが漏洩した場合に、燃焼触媒部材９の触媒表面上では漏洩したガスと容器内に存在する酸素との燃焼反応が起こる。反応が継続すると、燃焼触媒の表面上では局部的にアルミニウムの融点以上の高温に達する。その結果、酸素供給部材２３は破裂し、内部から圧縮された空気もしくは酸素が放出される。
なお、燃焼触媒部材９に接する部分に薄肉部を形成すると、圧縮空気もしくは酸素の放出が確実に行われるため好ましい。
また、図８に示すように、酸素供給部材２３の燃焼触媒部材９に接する部分に孔２７を設け、酸素供給部材２３内の空間に圧縮空気もしくは酸素を封入した後、ポリイミド系粘着テープ２８などを用いて孔２７を塞ぐような構成にしてもよい。このような構成とすると、燃焼触媒の燃焼熱によりポリイミド系粘着テープ２８が熱分解するため、圧縮空気もしくは酸素の放出を確実に行うことが可能である。
本実施の形態による燃料改質装置および燃料電池システムでは、第1の実施の形態の効果に加え、断熱容器内に燃焼触媒部材と接するように酸素供給部材を配置し、酸素供給部材が、燃焼触媒部材の温度上昇により開放される開放弁を有する密閉容器と前記密閉容器内に収容された圧縮空気もしくは酸素ガスとを具備することによって、可燃性ガスが漏洩して燃焼触媒部材の温度が燃焼反応に伴う発熱によって上昇すると、密閉容器の開放弁が開放される。その結果、密閉容器内に封入されていた圧縮空気もしくは酸素が放出されるため、燃焼触媒部材による燃焼反応を続行させることが可能になる。このような構成とすることにより、燃焼触媒部材を酸素の流通経路上ではない場所に配置しても、漏洩ガスによる安全性を確保することができる。
（第３の実施形態）
図９に本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを示す。なお、図１において説明した構成部分と同一機能を奏する構成部には同一の符号を付することとして重複した説明は省略する。
一方の側面（図９では左側面）に複数の開口部２９を有する筐体３０内には、前述した第１の実施形態で説明した燃料改質装置と、燃料電池セル２とが配置されている。筐体３０は、開口部２９が形成された側面の反対側に位置する側面にファン３１が設置されている。筐体３０の側面に開口部２９を形成し、反対側の側面にファン３１を設置することによって、筐体３０内の空気の流通が良好になる。これにより、燃料電池セル２の酸化剤極２ｃに十分な量の酸化剤（空気）を供給することが可能になる。また、筐体３０内に漏洩した可燃性ガスを酸素との反応により燃焼させるための触媒を備えた筐体燃焼触媒部材３２ａは、筐体３０の内壁面に燃料電池セル２の上方に位置するように配置されている。筐体燃焼触媒部材３２ｂは、ファン３１が設置された側面に配置されている。燃料電池セル２から水素等が漏洩した際、燃料電池セル２の上方に配置された筐体燃焼触媒部材３２ａと空気の流れ方向の後段に配置された筐体燃焼触媒部材３２ｂとによって、漏洩ガスの燃焼反応を促進することができるため、漏洩ガスの筐体外部への流出を抑えることができる。
従って、第３の実施形態によれば、改質装置だけでなく燃料電池セルに対しても高い安全性を確保することができる。
なお、筐体燃焼触媒部材３２ａ，３２ｂの燃焼触媒には、前述した燃焼触媒部材９で説明したのと同様な種類のものを使用することができる。
なお、詳述した各実施の形態の説明及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。また、詳述した各実施の形態に係る燃料改質装置および燃料電池システムは種々の用途で用いられる水素の製造、発電に利用可能である。また、本発明によれば、万が一爆発性の高い水素や人体に有害な一酸化炭素が改質器から漏洩しても、断熱容器内に配置された燃焼触媒の反応（燃焼）により水に変えることで無害化されるため、断熱容器外に爆発性の高い水素や人体に有害な一酸化炭素が漏れることはない。よって、特に落下のような外的衝撃に対する安全性が向上する。従って、本発明に係る燃料改質装置および燃料電池システムは、ポータブル電源の他、ノート型パソコンといった携帯用や小型の電子機器に用いる電源として極めて有用である。
本実施の形態による燃料改質装置および燃料電池システムでは、第1及び第２の実施の形態の効果に加え、燃料改質装置内における可燃性ガスの漏洩時の安全性の確保と、燃料改質装置の外部に配置された燃料電池起電部からの燃料ガス等の可燃性ガスの漏洩に対する安全性も確保することができる。
（第４の実施形態）
図１０に本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを示す。なお、図１において説明した構成部分と同一機能を奏する構成部には同一の符号を付することとして重複した説明は省略する。
この燃料電池システムは、燃料改質装置３３と、燃料電池スタック３４と、気化器４、改質器５等の温度測定手段を有する温度制御機器３５と、ヒータ電力制御機器３６とを備えるものである。触媒層の温度測定手段は、熱電対、サーミスタ等を用いることができる。燃料改質装置３３は、断熱容器３と、気化器４と、改質器５と、ＣＯ処理器（ＣＯシフト器６とＣＯ除去器７からなる）と、触媒燃焼加熱器としての燃焼器８とを備えるものである。また、燃料改質装置３３は、断熱容器３内にヒータ３７も備える。ヒータ３７としては、例えば、アルミニウム板にセラミックヒータを貼り付けたもの、アルミニウム板にロッドヒータを埋め込んだもの、シースヒータなどが挙げられる。
燃料電池システムで使用する燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。よって、燃料電池スタック３４には、燃料極と酸化剤極とこれら電極の間に配置された固体電解質膜とを含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を複数備えるものを使用すると良い。なお、燃料極、酸化剤極及び固体電解質膜としては、前述した第１の実施の形態で説明したのと同様なものを挙げることが可能である。
ジメチルエーテル（ＤＭＥ）と水のような混合燃料を供給する手段は、燃料供給管１１を介して気化器４と接続されている。この手段には、前述した第１の実施の形態で説明したのと同様なものを用いることが可能である。
ＣＯシフト器６とＣＯ除去器７によりＣＯ処理の済んだ改質ガス（例えば、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、微量のＣＯ及びＣＨ4を含む）は、ＣＯ除去器７に接続された改質ガス取り出し管１６を通して燃料電池スタック３４に供給される。また、燃料電池スタック３４には、配管３８を介して接続された空気ポンプ３９により酸化剤（空気）が供給される。
燃料電池スタック３４から排出された排ガス（例えば、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ及びＣＨ4を含む）は、排ガス取り入れ管１７を通して燃焼器８に供給される。また、燃焼器８には、配管４０を介して接続された空気ポンプ４１により酸化剤（空気）が供給される。
触媒燃焼加熱器としての燃焼器８では、排ガス中の未反応水素を、空気ポンプ４１により供給された酸素を用いて燃焼させる。このとき、燃焼の際に発生する燃焼熱を利用し、気化器４、改質器５、ＣＯシフト器６及びＣＯ除去器７を加熱する。また、燃焼器８には、燃焼ガス（例えば、ＣＯ2とＨ2Ｏを含む）を外部に放出するための排出管４２が接続され、断熱部材３ｂを通して外部に引き出されている。
燃焼器８の具体的な構成は、前述した第１の実施形態で説明したのと同様なものにすることができる。
燃料改質装置内の気化器４、改質器５、燃焼器８及びヒータ３７の配置は、例えば図１１〜図１３に示すようなものにすることができる。
図１１は、気化器４と改質器５の片側に燃焼器８及びヒータ３７を配置した例である。図１２は、気化器４と改質器５の一方側にヒータ３７を配置し、その反対側に燃焼器８を配置した例である。図１３は、燃焼器８の両側に気化器４と改質器５を配置し、気化器４と改質器５の外側にヒータ３７を配置した例である。中でも、構造が簡単で、ヒータ及び触媒燃焼の熱が改質器５に伝達されやすいという点で図１２に示す構成が望ましい。
温度制御機器３５は、改質器５の温度をモニターし、改質器５の温度に基づいてヒータの出力電力をフィードバック制御することが可能である。温度制御機器３５からの制御信号は、ヒータ３７にフィードバックされずにヒータ電力制御機器３６に送信される。ヒータ電力制御機器３６では、燃料電池スタック３４の発電電流（Ａ）が測定され、得られた測定値と温度制御機器３５からの制御信号とを用い、ヒータ３７に供給する電力を下記式に従って補正する。
Ｗout＝Ｗcntl−ΔＨcmb×（Ｆdsｎ−ＮＩ／ｎＦ）
但し、Ｗoutはヒータ３７に供給される電力（Ｗ）、Ｗcntlは温度制御器３５によりフィードバック制御をする際の出力電力（Ｗ）、ΔＨcmbは燃料ガスの燃焼熱（J/mol）、Ｆdsnは燃料電池スタック３４への燃料ガス供給量設定値(mol/s)、Ｎは燃料電池スタック３４を構成するセル数（ＭＥＡ数）、Ｉは燃料電池スタック３４を構成する１セル当りの発電電流（Ａ）、ｎは発電反応式中の電子数、Ｆはファラデー定数（約９６５００C/mol）である。
燃料電池で使用する燃料は水素に限るものではないが、水素の場合のアノードでの反応式、カソードでの反応式及び触媒燃焼反応式を、下記式に示す。
アノード：Ｈ2 → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
カソード：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋１／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ
触媒燃焼：Ｈ2 ＋ １／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ
上記式に示すように、水素の場合、ｎは２である。
燃料電池スタック３４で消費される燃料はＮＩ／ｎＦで表すことができ、燃料電池スタック３４に送る燃料流量Ｆdsn（改質器5から発生する改質燃料流量）から燃料電池で消費される量を差し引くことにより、触媒燃焼に使われる燃料流量を推算することが可能である。この触媒燃焼に使用される推算燃料流量とΔＨcmbとの積から求められた触媒燃焼熱量を、温度制御器３５によりフィードバック制御をする際の出力電力Ｗcntlから差し引いた分Ｗoutをヒータ３７に供給することによって、ヒータ３７のみを熱源として使用する場合と遜色ない程度に改質器４の温度をほぼ一定に保つことが可能になる。よって、ポータブル電子機器の電源としても適用可能な小型で安全な燃料電池システムを提供することができる。温度制御機器３５のフィードバック制御の例えばＰＩＤ定数は、触媒燃焼を用いない場合の温度応答特性等より、通常の方法で得た物を用いることが可能である。ヒータ３７と触媒燃焼により加えられる熱は、Ｗcntlとほぼ等しい値となる。
例えば、改質器5より250sccmの水素を発生させ、燃料電池スタック３４で200sccmの水素が発電に使われ、水素50sccmが触媒燃焼に供給されるとする。燃料電池スタック３４の電流の変動により、燃料電池スタック３４で発電に使われる水素量が変動するものの、本発明によれば、燃料電池スタック３４で使われる水素量の変動に応じて触媒燃焼へ供給される水素量を予測することができるため、ヒータ電力と触媒燃焼とにより温度制御を行うことが可能になる。
また、温度制御器によりフィードバック制御を行わない際には、下記式によりヒータに供給する電力を制御することができる。
Ｗout＝Ｑ１＋Ｑ２−ΔＨcmb×（Ｆdsｎ−ＮＩ／ｎＦ）
但し、Ｗoutはヒータに供給される電力（Ｗ）、Ｑ１は改質器にて改質反応を行うために必要な熱量（Ｗ）、Ｑ２は改質器での熱損失量（Ｗ）、ΔＨcmbは燃料ガスの燃焼熱（J/mol）、Ｆdsnは燃料電池セルの起電部への燃料ガス供給量設定値(mol/s)、Ｎは起電部を構成するセル数、Ｉは起電部を構成する１セル当りの発電電流（Ａ）、ｎは発電反応式中の電子数、Ｆはファラデー定数（約９６５００C/mol）である。
なお、改質器の温度を室温から反応温度まで上げる場合には、式に示す電力より多くの電力を供給することが望ましく、上記式による電力制御は、改質器の温度が設定温度範囲内にある時に行うのが好ましい。ここで、設定温度範囲は、３５０℃±１０℃以下にすることが好ましい。温度変動は、第一の実施形態の温度異常検知（Ｔ２−Ｔ１）の範囲は例えば２０℃より小さくする必要がある。
改質器からの熱の逃げは、改質器の温度と、周囲の温度の温度差に依存する。この関係をテーブルにして保持するか、もしくはQ2=f(Trfm,Tenv)のような関係式により推定し、熱のバランス、もしくは温度制御を行うことが可能である。
改質器に燃料としてＤＭＥと水を供給する場合を考える。改質熱Ｑ１が８Ｗ，熱ロスＱ２が３Ｗの場合、触媒燃焼｛ΔＨcmb×（Ｆdsｎ−ＮＩ／ｎＦ）｝により９Ｗの熱を供給するように設計する。おおよそ２Ｗをヒータにより加熱することによって、高い加熱効率で改質器の温度を一定に保つことができる。熱の割合は、触媒燃焼により１２．５Ｗ、ヒータにより０．５Ｗ等、任意に選択可能である。ヒータによる加熱は小さいほど、改質の熱効率は向上する。触媒燃焼により供給する熱は、改質熱Ｑ１と熱ロスＱ２の和より小さくする必要がある。ここでは改質器５の温度制御を例にとったが、気化器４の温度制御や、気化器４と改質器５を合わせた熱制御にも同様の方法で適用できる。気化器４を含める場合は、原料を加熱するための顕熱、および蒸発させるための潜熱をＱ１に含める必要がある。
前述した図１０では、長手方向に開口部３ａを有する断熱容器３を使用し、この断熱容器３の開口部３ａに断熱部材３ｂを配置しているため、前述した第１の実施形態で説明した燃焼触媒部材９を断熱容器３内に配置することによって、可燃性ガスが漏洩した際の安全性を向上することが可能である。また、前述した第２の実施形態で説明した酸素供給部材２３を使用することにより、可燃性ガス漏洩時の安全性をさらに向上することも可能である。
燃料電池で消費される燃料の量が変化すると、触媒燃焼で燃焼により発生する熱量が変化する。例えば、熱電対等により改質器の温度をモニタし、モニタ温度と目標温度との温度差によりフィードバック制御をかけるようなシステムを考える。燃料を供給して改質反応が生じている状態で、触媒燃焼をさせずに、改質器を３５０℃に保つようなフィードバック制御を行う。この場合、例えば、ＰＩＤ制御を行うことにより、改質器温度がほぼ３５０℃に保たれる。この状態で、触媒燃焼器に燃料を供給して、触媒燃焼を起こさせると、改質器温度が上昇する。フィードバック制御を行っていると、ヒータの出力を低下させて温度を３５０℃に保とうとするが、燃料電池で消費される燃料の量が発電状態により変化するため、触媒燃焼により発生する熱量が変化し、改質器温度を一定に保つことが困難になる。特に断熱材により熱の逃げを小さくしている場合、触媒燃焼で発生する熱量のわずかな変化が、改質器温度を大きく変化させる。
本実施の形態による燃料電池システムでは、燃料電池起電部への燃料供給量と発電電流により未消費の燃料の量を推算することができるため、発電状態の変動（燃料使用量の変動）に応じた触媒燃焼量を予測することができる。この予測結果に基づいてヒータに供給する電力を調整することによって、改質器の温度をほぼ一定に保つことが可能になる。また、触媒燃焼量の変動を加味することによりヒータに余剰の電力を供給する必要がなくなるため、改質器の熱効率も向上することができる。
（第５の実施形態）
改質器を備えた燃料電池システムにおいて、何らかの理由によりガス流路が閉塞し、改質器の内部圧力が異常に上昇した場合、改質器が破裂し、その結果、燃料改質装置や燃料電池システムの破損を引き起こす恐れがある。以下に説明する燃料改質装置によると、改質器の内圧が上昇した際の安全性を向上することができる。
すなわち、この燃料改質装置は、燃料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、
前記改質器に隣接して配置され、可燃性ガスの燃焼反応のための燃焼触媒を備え、前記燃焼反応による燃焼熱を利用して前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記改質器と前記燃焼器の境界に形成され、前記改質器の内圧上昇で開裂することにより前記改質器から前記燃焼器へのガス通路となる圧力開放部と
を具備することを特徴とする。
前述した特許文献５〜７に記載の非水系二次電池においては、電池内圧が所定値以上になったときに安全弁が開裂し、電池容器内部に充満したガスが開裂した安全弁を通して外部に放出されるため、電池の破裂を未然に防止できる。
一方、改質器により得られる改質ガス中には、爆発性の高い水素のほかに、人体に有害な一酸化炭素が含まれる。したがって、前述した特許文献５〜７に記載のリチウムイオン二次電池に適用されているような安全弁機構をそのまま適用すると、爆発性の高い水素や人体に有害な一酸化炭素が外部に放出されることになり、人的もしくは物的被害を引き起こす恐れがある。
本発明に係る燃料改質装置によると、流路の内壁面から脱落した触媒や、混入した異物などによってガス流路が閉塞し、改質器の内部圧力が異常に上昇した際に、改質器のガス圧で圧力開放部が開放され、改質器内のガスを燃焼器に流入させることができる。改質器内のガスの多くは、水素や一酸化炭素などの可燃性ガスのため、燃焼器において触媒反応により燃焼させて無害化することができる。従って、圧力上昇による破損と、爆発性の高い水素や人体に有害な一酸化炭素の漏洩とを防止することができ、安全性の高い燃料改質装置を提供することができる。
圧力開放部としては、例えば、圧力開放用孔と、圧力開放用孔を塞ぎ、薄肉部を有する金属製弁板とを備えるものを使用しても、あるいは孔を設ける代わりにその箇所を薄肉部としても良い。
圧力開放部は、改質器と燃焼器の境界のうち、燃焼器のガス流通経路の上流側と対向する位置に配置されていることが望ましい。これにより、改質器から燃焼器に流入させたガスを効率良く燃焼させることが可能となる。特に、壁面に燃焼触媒が形成されたガス流路を複数備える燃焼器においては、それぞれのガス流路の入口と対向するように圧力開放部を設けるか、各ガス流路へガスを導入するための導入流路と対向する位置に圧力開放部を配置することが望ましい。
以下、本発明の実施形態を図１４〜図１８を参照して説明する。
図１４は、本発明の第５の実施形態に係る燃料改質装置に用いられる改質器と燃焼器を示す模式的な斜視図で、図１５は図１４の燃料改質装置における燃焼器のガス流通経路と改質器の圧力開放部との位置関係例を示す平面図で、図１６は図１５の圧力開放部の構成例を示す断面図で、図１７は図１４の燃料改質装置における燃焼器のガス流通経路と改質器の圧力開放部との別な位置関係例を示す平面図で、図１８は図１７の圧力開放部の構成例を示す断面図である。
この図１４に示す燃料改質装置では、燃焼触媒部材９が備えられておらず、かつ改質器５と燃焼器８の構成が異なること以外は、前述した図１に示したものと同様な構成を有する。改質器５には、燃焼器８が隣接して配置されている。改質器５と燃焼器８の境界に位置する隔壁５１は、改質器５及び燃焼器８により共有されている。
図１５に示すように、燃焼器８の入口には、燃料電池排出ガス取り入れ管１７が接続されている。また、燃焼器８の出口は、入口と同じ面に形成されており、燃焼ガスを外部に放出するための排出管１８が接続されている。燃焼器８内には、壁面に燃焼触媒が形成された溝形状のガス流路５２が複数設けられている。ガス流路５２は、燃焼器８の入口から導入されるガスの流れに対してほぼ垂直に配置されている。ガス導入流路を形成するための隔壁５３は、ガス流路５２の入口と所望の隙間を隔てて対向するように配置されている。隔壁５３の両側の通路がガス導入流路として機能する。すなわち、燃焼器８の入口から導入されたガスは、筐体の内壁面と隔壁５３との間の通路を通過した後、隔壁５３の反対側の面に沿って流れつつ、各ガス流路５２の入口に導入される。ガス流路５２の出口から排出されたガスは、筐体の内壁面に沿って流れ、出口から排出管１８に放出される。なお、燃焼触媒には、前述した第１の実施形態で説明したのと同様なものを使用することができる。
改質器５内には、壁面に改質触媒が形成された溝形状のガス流路（図示しない）が複数設けられている。気化器からの気化燃料は、供給路１３を通して改質器５内のガス流路に供給される。気化燃料は、ガス流路において改質され、水素を含む改質ガスは、ガス流路の出口から供給路１４に供給され、供給路１４からＣＯシフト器６に送られる。なお、改質触媒には、前述した第１の実施形態で説明したのと同様なものを使用することができる。
改質器５と燃焼器８の境界に位置する隔壁５１は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属から形成されている。この隔壁５１には、圧力開放部５４が形成されている。圧力開放部５４は、隔壁５３及びその両側に形成された導入流路と対向している。例えば図１６に示すように、隔壁５１にプレス加工もしくはエッチングによりＶ字形状の切り込み溝を設け、得られた薄肉部を圧力開放部５４として使用することができる。薄肉部は、導入流路とほぼ平行に形成された直線部５５と、この直線部５５の両端に形成されて導入流路の入口及び出口と対向するＶ字形状部５６とを有する。
このような改質装置によれば、改質器５内の流路の内壁面から脱落した触媒や、混入した異物などによってガス流路が閉塞し、改質器５の内部圧力が異常に上昇した際に、薄肉部からなる圧力開放部５４が開裂し、改質器５内に充満した改質ガスを、開裂した圧力開放部５４を通して燃焼器８内に導入することができる。薄肉部が、導入流路とほぼ平行に形成された直線部５５と、この直線部５５の両端に形成されて導入流路の入口及び出口と対向するＶ字形状部５６とを有するため、燃焼器８内の全てのガス流路５２にガスを速やかに供給することができる。
燃焼器８内に導入された燃料の炭化水素やアルコール類といった可燃性ガスや爆発性の高い水素、あるいは人体に有害な一酸化炭素を含む改質ガスは、燃焼器８内のガス流路５２の壁面に形成された燃焼触媒の作用により無害化される。その結果、爆発性の高い水素や人体に有害な一酸化炭素が外部に放出されるのを防止することができる。
本発明の第５の実施形態に係る燃料改質装置は、上述した図１４〜図１６に示す構成に限らず、以下に説明するような構成にすることが可能である。この例を図１７，１８に示す。
図１７に示すように、燃焼器８の入口には、燃料電池排出ガス取り入れ管１７が接続されている。複数のガス流路５２は、燃焼器８の入口から導入されるガスの流れに対してほぼ垂直に配置されている。燃焼器８の出口は、入口と反対側の面に形成されており、燃焼ガスを外部に放出するための排出管１８が接続されている。すなわち、燃焼器８の入口から導入されたガスは、筐体の内壁面に沿って流れつつ、各ガス流路５２の入口に導入される。つまり、筐体の内壁面とガス流路５２の入口との間の通路が、ガス導入流路として機能している。ガス流路５２の出口から排出されたガスは、筐体の内壁面に沿って流れ、出口から排出管１８に放出される。
図１７及び図１８に示すように、圧力開放部５４は、圧力開放孔５７と、弁板５８と、弁板５８に形成された切り込み溝５９とを備える。矩形状の圧力開放孔５７は、隔壁５１のガス導入流路と対向する位置に形成されている。アルミニウムもしくはステンレスからなる矩形状の弁板５８は、圧力開放孔５７を塞ぐように改質器８側の面にレーザ溶接により気密に取り付けられている。弁板５８には、プレス加工もしくはエッチングによりＶ字形状の切り込み溝５９が設けられている。切り込み溝５９は、ガス導入流路とほぼ平行に形成された直線部６０と、この直線部６０の両端に形成されて導入流路の入口及び出口と対向するＶ字部６１とを有する。
このような改質装置によれば、改質器５内の流路の内壁面から脱落した触媒や、混入した異物などによってガス流路が閉塞し、改質器５の内部圧力が異常に上昇した際に、切り込み溝５９が開裂し、改質器５内に充満した改質ガスを、開裂した切り込み溝５９及び圧力開放孔５７を通して燃焼器８内に導入することができる。この切り込み溝５９は、ガス導入流路とほぼ平行に形成された直線部６０と、この直線部６０の両端に形成されて導入流路の入口及び出口と対向するＶ字部６１とを有するため、燃焼器８内の全てのガス流路５２にガスを速やかに供給することができる。
燃焼器８内に導入された燃料の炭化水素やアルコール類といった可燃性ガスや爆発性の高い水素、あるいは人体に有害な一酸化炭素を含む改質ガスは、燃焼器８内のガス流路５２の壁面に形成された燃焼触媒の作用により無害化される。その結果、爆発性の高い水素や人体に有害な一酸化炭素が外部に放出されるのを防止することができる。
なお、第５の実施形態に係る燃料改質装置には、第１の実施形態で説明した燃焼触媒部材９を使用しても良いし、また、第２の実施形態で説明した酸素供給部材を備えることも可能である。さらに、第５の実施形態に係る燃料改質装置を第３，第４の実施形態で説明した燃料電池システムに組み込むことも可能である。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略的構成図。 図１の燃料電池システムに用いられる空気ポンプの模式図。 図１の燃料電池システムに用いられる断熱容器を模式的に示した斜視図。 本発明による燃料電池システムの異常検出処理を示すフローチャート。 本発明による燃料改質装置の第２の実施形態を示す概略的構成図。 図５の燃料改質装置に具備される酸素供給部材の実施の形態を示す概略的構成図（上面図）。 図５の燃料改質装置に具備される酸素供給部材の実施の形態を示す概略的構成図（側面図）。 図５の燃料改質装置に具備される酸素供給部材の別な実施形態を示す概略的構成図。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略的構成図。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略的構成図。 図１０の燃料電池システムに具備される気化器、改質器、燃焼器及びヒータの配置を示す模式図。 図１０の燃料電池システムに具備される気化器、改質器、燃焼器及びヒータの別な配置を示す模式図。 図１０の燃料電池システムに具備される気化器、改質器、燃焼器及びヒータのさらに別な配置を示す模式図。 本発明の第５の実施形態に係る燃料改質装置に用いられる改質器と燃焼器を示す模式的な斜視図。 図１４の燃料改質装置における燃焼器のガス流通経路と改質器の圧力開放部との位置関係例を示す平面図。 図１５の圧力開放部の構成例を示す断面図。 図１４の燃料改質装置における燃焼器のガス流通経路と改質器の圧力開放部との別な位置関係例を示す平面図。 図１７の圧力開放部の構成例を示す断面図。
符号の説明
１…燃料改質装置、２…燃料電池セル、２ａ…電解質膜、２ｂ…燃料極、２ｃ…酸化剤極、３…断熱容器、３ａ…開口部、３ｂ…断熱部材、４…気化器、５…改質器、６…ＣＯシフト器、７…ＣＯ除去器、８…燃焼器、９…燃焼触媒部材、１０…燃料供給手段、１１…燃料供給管、１２，２２…弁、１３〜１５…供給路、１６…改質ガス取り出し管、１７…燃料電池排出ガス取り入れ管、１８…排出管、１９…空気ポンプ、２０…第1の供給管、２１…第２の供給管、２３…酸素供給部材、３２ａ，３２ｂ…筐体燃焼触媒部材、３３…燃料改質装置、３４…燃料電池スタック、３５…温度制御機器、３６…ヒータ電力制御機器、３７…ヒータ。

Claims (6)

  1. 燃料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質器と、
    前記改質器に隣接して配置され、可燃性ガスの燃焼反応のための燃焼触媒を備え、前記燃焼反応による燃焼熱を利用して前記改質器を加熱する燃焼器と、
    前記改質器と前記燃焼器の境界に形成され、前記改質器の内圧上昇で開裂することにより前記改質器から前記燃焼器へのガス通路となる圧力開放部と
    を具備することを特徴とする燃料改質装置。
  2. 前記圧力開放部は、圧力開放用孔と、前記圧力開放用孔を塞ぎ、薄肉部を有する金属製弁板とを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
  3. 前記圧力開放部は、前記改質器と前記燃焼器の境界のうち、前記燃焼器のガス流通経路の上流側と対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料改質装置。
  4. 請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料改質装置と、
    前記燃料改質装置によって生成した水素と空気中の酸素とを用いて発電を行う燃料電池起電部と
    を具備することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 前記燃料改質装置の前記改質器を加熱するためのヒータと、
    前記改質器の温度を制御するための温度制御器と、
    前記ヒータに供給する電力を下記（１）式により補正するヒータ電力制御機構と
    をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
    Ｗout＝Ｗcntl−ΔＨcmb×（Ｆdsｎ−ＮＩ／ｎＦ） （１）
    但し、Ｗoutは前記ヒータに供給される電力（Ｗ）、Ｗcntlは前記温度制御器によりフィードバック制御をする際の出力電力（Ｗ）、ΔＨcmbは燃料ガスの燃焼熱（J/mol）、Ｆdsnは前記燃料電池起電部への燃料ガス供給量設定値(mol/s)、Ｎは前記燃料電池起電部を構成するセル数、Ｉは前記燃料電池起電部を構成する１セル当りの発電電流（Ａ）、ｎは発電反応式中の電子数、Ｆはファラデー定数である。
  6. 前記燃料改質装置の前記改質器を加熱するためのヒータと、
    前記改質器の温度が設定温度範囲内にある状態で、前記ヒータに供給する電力を下記（２）式を満足するように制御するヒータ電力制御手段と
    をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
    Ｗout＝Ｑ１＋Ｑ２−ΔＨcmb×（Ｆdsｎ−ＮＩ／ｎＦ） （２）
    但し、Ｗoutは前記ヒータに供給される電力（Ｗ）、Ｑ１は前記改質器にて改質反応を行うために必要な熱量（Ｗ）、Ｑ２は前記改質器での熱損失量（Ｗ）、ΔＨcmbは燃料ガスの燃焼熱（J/mol）、Ｆdsnは前記燃料電池起電部への燃料ガス供給量設定値(mol/s)、Ｎは前記燃料電池起電部を構成するセル数、Ｉは前記燃料電池起電部を構成する１セル当りの発電電流（Ａ）、ｎは発電反応式中の電子数、Ｆはファラデー定数である。
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