JP4923360B2 - 薄板積層構造を有する水蒸気混合装置を備えた燃料改質装置、水蒸気混合装置、及び、水蒸気混合装置の製造方法 - Google Patents
薄板積層構造を有する水蒸気混合装置を備えた燃料改質装置、水蒸気混合装置、及び、水蒸気混合装置の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【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に水蒸気を混合する技術に関する。
【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。ガソリンや天然ガスを原燃料とする改質装置は、シフト反応によって改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト反応部を備えている。シフト反応には水蒸気が必要なので、シフト反応部には、そのための水蒸気（シフト反応用水）が供給される。
【０００３】
シフト反応部に水蒸気を供給する技術としては、例えば、特開昭６３−３０３８０１号公報に記載されたものが知られている。この技術では、外部装置でシフト反応用水を気化し、その水蒸気を改質装置のシフト反応部に供給している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、水蒸気を生成するための装置が別途必要になり、装置全体が大型化するという問題があった。このような問題は、シフト反応用の水蒸気を供給する場合に限らず、燃料改質装置で用いられる水蒸気を供給する場合に共通する問題であった。
【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、従来に比べて小型の装置構成で水蒸気を改質ガスに供給することのでき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】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置を備える。前記水蒸気混合装置は、前記薄板積層構造に水を導入するための水導入口と、薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、薄板に挟まれた空間に形成され、前記水導入口から導入された水が流れる水流路であって、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって前記水が加熱されて水蒸気となる水流路と、を有している。また、前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように接続されている。
このような水流路と改質ガス流路との接続は種々の構造を取りうる。
第１の構造では、前記水蒸気混合装置は、前記薄板積層構造に隣接して前記水流路の出口と前記改質ガス流路の入口の位置に設けられた改質ガス流入室を有しており、前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように前記改質ガス流入室を介して接続されている。
第２の構造では、前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記薄板積層構造内において前記水流路の出口と前記改質ガス流路の入口の位置に設けられた連通路を介して連通しているとともに、前記水流路の出口には前記連通路に相当するギャップを挟んで壁面が設けられており、前記水流路において生成された水蒸気が前記壁面に衝突した後に前記連通路を介して前記改質ガス流路に流れ込むように接続されている。
第３の構造では、前記薄板積層構造は、第１の隔壁プレートと、前記水流路が形成された第１の流路プレートと、第２の隔壁プレートと、前記改質ガス流路が形成された第２の流路プレートと、がこの順に積層されたサブ構造を有するとともに、前記サブ構造が１セット以上積み重ねられた構成を有しており、前記水導入口は、前記第１の隔壁プレートと、前記第１の流路プレートと、前記第２の隔壁プレートと、前記第２の流路プレートとを貫通して設けられており、前記第２の隔壁プレートには、前記第１の流路プレートに設けられた前記水流路の終端部分と、前記第２の流路プレートに設けられた前記改質ガス流路の入口部分とを連通する連通流路が形成されており、前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記連通流路を介して前記改質ガス流路に流れ込むように接続されている。
【０００７】
この燃料改質装置では、薄板積層構造を用いているので、水蒸気混合装置を小型化することができ、燃料改質装置全体も小型化することが可能である。
【０００８】
なお、前記改質ガス流路と前記水流路は、薄板に挟まれた同じ平面内に形成されているようにしてもよい。
【０００９】
この構成によれば、改質ガス流路と水流路とによる熱交換を効率的に行うことができる流路を形成し易いという利点がある。
【００１０】
また、前記薄板積層構造は、隔壁を構成する隔壁プレートと、流路を形成するための流路プレートと、が交互に積層された構造を有しており、前記改質ガス流路と前記水流路とは、２枚の隔壁プレートと、前記２枚の隔壁プレートに挟まれた前記流路プレートとによって形成されているようにしてもよい。
【００１１】
この構成によれば、改質ガス流路と水流路とを同じ平面内に容易に配置することができる。
【００１２】
前記改質ガス流路を流れる前記改質ガスと、前記水流路を流れる前記水蒸気とは、互いに対向する向きに流れることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、改質ガスと水との熱交換効率を高めることができる。
【００１４】
前記改質ガス流路と前記水流路は、同一の水平平面内に形成されていてもよく、あるいは、同一の鉛直平面内に形成されていてもよい。
【００１５】
前記改質ガス流路と前記水流路は、隔壁を構成する隔壁プレートを挟んで隣接す２つの平面内にそれぞれ形成されているようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、改質ガス流路と水流路が隔壁プレートで隔離されているので、それぞれにとって望ましい流路配置をとることができる。
【００１７】
前記水流路には、水を保持するための保水部材や、水滴の飛びを防止するための液飛び防止部材が設けられていることが好ましい。
【００１８】
なお、前記薄板の厚みは、約２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
また、前記薄板積層構造を構成する前記多数の薄板は、拡散接合によって接合されていることが好ましい。
【００２０】
拡散接合を利用すれば、薄板同士を強固に接合することができるので、薄板積層構造を容易に作成可能である。
【００２１】
前記薄板は、エッチングによってそれぞれ所定の形状に加工されていることが好ましい。
【００２２】
エッチングを用いると、薄板を精度良く加工することが可能である。
【００２３】
上記燃料改質装置は、さらに、シフト反応によって前記改質ガス内の一酸化炭素を低減するシフト反応部を備えており、前記水蒸気混合装置は、前記シフト反応部の上流側に設けられており、前記シフト反応に使用される水蒸気を前記改質ガスに混合するようにしてもよい。
【００２４】
こうすれば、シフト反応に必要な水蒸気を、小型の装置で供給することが可能である。
【００２５】
本発明による方法は、炭化水素系化合物を含む改質燃料から、燃料電池のための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、前記燃料改質装置内を流れる改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置の製造方法であって、（ａ）隔壁を構成する複数の隔壁プレートと、流路を形成するための複数の流路プレートと、を準備する工程と、（ｂ）前記隔壁プレートと前記流路プレートとを交互に積層することによって、薄板積層構造を構成する工程と、（ｃ）前記薄板積層構造内の前記隔壁プレートと前記流路プレートとを、拡散接合によって接合する工程と、を備える。
【００２６】
この方法によれば、改質ガスや水の流路を有する小型の薄板積層構造を、容易に作成することが可能である。
【００２７】
上記方法は、さらに、（ｄ）前記薄板積層構造のすくなくとも１つの側面を切断することによって、前記水流路の開口と前記改質ガス流路の開口とが形成された側面を形成する工程、を備えるものとしてもよい。
【００２８】
この構成によれば、例えば、流路プレートが複雑な取り扱い難い形状を有しているときにも、切断前の流路プレートの形状を取り扱い易い形状としておくことができ、薄板積層構造の作成が容易になる。
【００２９】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水蒸気混合装置、水蒸気混合装置を備える燃料改質装置、水蒸気混合装置の製造方法、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、等の態様で実現することができる。
【００３０】
【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．第１実施例：
C．他の実施例：
D．変形例：
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、水蒸気混合部１４３と、シフト部１４４と、ＣＯ浄化部１４５と、を有している。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
ところで、シフト部１４４におけるシフト反応は、以下の反応式で表される。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2＋40.5kJ/mol
【００４４】
水蒸気混合部１４３は、このシフト反応に必要な水（水蒸気）を改質ガス中に混合させるための装置である。水供給配管系は、蒸発部１４１と水蒸気混合部１４３とに水を供給するための配管２０２，２０４をそれぞれ有している。これらの配管２０２，２０４の分岐部には、三方弁１２６が設けられている。蒸発部１４１と水蒸気混合部１４３への水供給量の制御は、ポンプ１２４の回転数調整と、三方弁１２６の開度調整（流量配分調整）とによって行われる。
【００４５】
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。水蒸気混合部１４３は、改質部１４２で生成された改質ガスに水蒸気を混合させる機能と、改質ガスをシフト反応に適した温度まで冷却する機能とを有している。
【００４６】
B．第１実施例：
図３は、水蒸気混合部１４３の概略構成を示す説明図である。図３には、改質部１４２と、水蒸気混合部１４３と、シフト部１４４とが示されている。但し、改質ガスの流れの方向は、図２とは逆向きであり、右から左である。以下の説明では、改質ガスの流れの方向をＸ方向としており、Ｘ方向に垂直なもう１つの水平方向をＹ方向、鉛直上向きの方向をＺ方向としている。
【００４７】
図３では、水蒸気混合部１４３の水平断面が示されている。水蒸気混合部１４３は、改質ガスの流入室３１０および流出室３２０と、これらの間に挟まれた薄板積層構造３００とを有している。薄板積層構造３００内には、水流路と改質ガス流路とが形成されている。薄板積層構造３００に水が供給されると、この水が改質ガスによって加熱されて水蒸気となり、この水蒸気が改質ガス中に混合される。そして、水蒸気を含む改質ガスがシフト部１４４に供給される。
【００４８】
図４は、第１実施例における薄板積層構造３００の分解斜視図である。薄板積層構造３００は、隔壁プレート３３０と、流路プレート３４０とが交互に積層された構造を有している。ここでは、板材と流路との区別を付けるために、板材にハッチングが施されている。なお、これらのプレート３３０、３４０は、厚みがそれぞれ約１ｍｍ以下の薄板である。
【００４９】
図５（Ａ）は流路プレート３４０の平面図、図５（Ｂ）は隔壁プレート３３０の平面図である。流路プレート３４０は、図の上側と下側に設けられた２つの側壁部材３４６と、これらの側壁部材３４６の間にほぼ等間隔に設けられた複数の流路形成部材３４３とで構成されている。平面で見ると、側壁部材３４６は長方形形状を有しており、流路形成部材３４３はコの字状（一辺が欠落した四角枠状）を有している。隔壁プレート３３０の一辺の近傍には、複数の水導入口３３２が設けられている。水供給部１２０（図２）から供給された水は、この水導入口３３２に導入される。
【００５０】
流路形成部材３４３の内側に形成される流路は、水流路３４２として利用される。また、流路形成部材３４３の外側に形成される流路は、改質ガス流路３４４として利用される。厳密に言えば、水流路３４２と改質ガス流路３４４は、流路プレート３４０と、この流路プレート３４０を上下から挟む２枚の隔壁プレート３３０とによって囲まれた流路である。なお、１つの平面内（すなわち、１枚の流路プレート３４０内）に形成される水流路３４２と改質ガス流路３４４の数は、図５の例と異なる任意の数に設定可能である。
【００５１】
隔壁プレート３３０の水導入口３３２に導入された水は、水流路３４２の端部（大きな黒丸で示される位置）に供給される（図４）。この水は、図５（Ａ）に示されているように、水流路３４２中を（−Ｘ）方向に流れながら、改質ガス流路３４４内をＸ方向に流れる改質ガスと熱交換し、加熱されて水蒸気となる。すなわち、水と改質ガスは、流路形成部材３４３の壁面を通して熱交換する。水流路３４２中で生成された水蒸気は、水流路３４２を出て改質ガス流入室３１０（図３）で改質ガスと混合されて、改質ガス流路３４４に再び流入する。改質ガス流路３４４においては、水蒸気と改質ガスとがさらに混合されて、互いにほぼ等しい温度となる。
【００５２】
水流路３４２内の水と改質ガス流路３４４内の改質ガスは、対向する方向に流れるので、高い熱交換効率を達成することができる。また、薄板積層構造３００内において、改質ガスの熱を除去しつつ、その熱を利用して水蒸気を生成できるので、燃料改質装置全体の熱効率を高めることができる。さらに、水蒸気は、水流路３４２を出る際に改質ガスとは対向する向きに吹き出すので、水蒸気の改質ガス中への拡散が促進される。この結果、改質ガス中で水蒸気が偏ることがなく、水蒸気がほぼ均一に混合された改質ガスを得ることができる。
【００５３】
水流路３４２の幅Ｗｔと、改質ガス流路３４４の幅Ｗｒは、それぞれ約５ｍｍである。また、流路形成部材３４３の壁面の厚みｔは、約１ｍｍである。このとき、１枚の流路プレート３４０内に水流路３４２を７本形成し、改質ガス流路３４４を８本形成すると仮定すると、各プレート３３０，３４０の平面寸法は、およそ１００ｍｍ×１００ｍｍとなり、通常の熱交換器や水蒸気発生器を利用する場合に比べて大幅な小型化が可能である。
【００５４】
なお、流路幅Ｗｔ、Ｗｒを、互いに異なる値に設定することも可能である。また、上述した寸法Ｗｔ，Ｗｒ，ｔの値は単なる例示であり、任意に変更することも可能である。但し、流路幅Ｗｔ、Ｗｒの値としては約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲が好ましく、壁面の厚みｔの値としては約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲が好ましい。また、各プレート３３０，３４０の厚みは、約１ｍｍ以下とすることが好ましく、約０．２ｍｍとすることがさらに好ましい。また、各プレート３３０，３４０の厚みは、異なる値としてもよい。一般に、プレート３３０，３４０の寸法を小さくするほど水蒸気混合部１４３を小型化することができ、また、水と改質ガスとの熱交換の効率を高めることが可能である。また、各部の寸法が小さいほど薄板積層構造３００の熱容量が小さくなるので、過渡応答性が改善されるという利点もある。但し、各部の寸法が過度に小さいと、機械的強度が低下し、また、製造も困難になるので、各部の幅や厚みは約０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００５５】
図６は、薄板積層構造３００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、隔壁プレート３３０および流路プレート３４０となる板材を準備する。板材の材質としては、インコネル（登録商標）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。
【００５６】
ステップＳ２では、板材をエッチングによって所定の形状に加工して、最終的に隔壁プレート３３０および流路プレート３４０となる原プレートをそれぞれ作成する。図７（Ａ）には、流路プレート３４０の元となる原流路プレート３４０ｐが示されている。この原流路プレート３４０ｐは、完成後の流路プレート３４０の改質ガスの入口側と出口側（図５（Ａ）の右側と左側の辺の部分）に、接続片３４０ｒがそれぞれ追加された形状を有している。この状態では、図５（Ａ）に示した水流路３４２や改質ガス流路３４４となる空間が、それぞれ部材で囲まれている。また、流路プレート３４０が互いに離間した複数の部材で構成されているのに対して、原流路プレート３４０ｐは、１枚の連続した板材で構成されている。隔壁プレート３３０の原プレートも、この接続片３４０ｒと同様の接続片が両側に追加された形状を有している。２種類の原プレートは、同一の寸法を有している。
【００５７】
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原プレートを作成しても良い。但し、エッチングによって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、薄板材は厚みが約１ｍｍなので、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。
【００５８】
ステップＳ３では、こうして加工された原流路プレート３４０ｐと原隔壁プレートが、交互に積層される。ステップＳ４では、積層物が拡散接合され、各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。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、流路に漏れが生じたりする可能性を低く抑えることができ、また、積層構造内部における熱伝導率を高めることが可能である。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。
【００５９】
ステップＳ５では、薄板積層構造の両端を、図７（Ａ）に一点破線で示す２つの切断面ＣＰでそれぞれ切断することによって、最終的な薄板積層構造３００が得られる。図７（Ａ），（Ｂ）を比較すれば理解できるように、この切断によって、改質ガス流路３４４の入口と出口が開口する。また、水流路３４２の出口も開口する。なお、原プレートの形状によっては、１つの切断面のみで切断すれば済む場合もある。
【００６０】
流路プレート３４０は、互いに離間した部分を有しており、全体として比較的複雑で取り扱い難い形状を有している。これに対して、切断前の原流路プレート３４０ｐは、全体が１枚の板材であって離間した部分が存在しないので、流路プレート３４０に比べて取り扱い易い。したがって、薄板積層構造を作成した後にその少なくとも１つの側面を切断するようにすれば、薄板積層構造の作成がより容易である。
【００６１】
その後、この薄板積層構造３００の周囲を必要に応じてケーシングで囲い、改質ガスの流入室３１０と流出室３２０（図３）を薄板積層構造３００の両側に接続することによって、水蒸気混合部１４３が完成する。
【００６２】
以上のように、本実施例では、隔壁プレート３３０および流路プレート３４０の原プレートをそれぞれ準備し、これらを積層し、拡散接合することによって薄板積層構造３００を作成するので、約１ｍｍ以下の薄板で構成される薄板積層構造３００を容易に作成することが可能である。また、水流路３４２や改質ガス流路３４４に関しては、拡散接合後の積層構造の側面を切断することによってこれらの流路の開口を形成するようにしたので、積層時の原プレートを、取り扱い易い形状に成形することが可能である。また、この結果、積層工程も容易になるという利点がある。
【００６３】
なお、ステップＳ５における切断後の流路プレート３４０は、側壁部材３４６と流路形成部材３４３が互いに離間しており、その上下にある隔壁プレート３３０によって固定されているだけである。従って、厳密にいえば、この切断後の側壁部材３４６と流路形成部材３４３は、１枚の薄板では無くなっている。しかし、本明細書では、この場合にも、側壁部材３４６と流路形成部材３４３とで構成される面状の部分を「流路プレート３４０」と呼んでいる。
【００６４】
以上のように、第１実施例の水蒸気混合部１４３では、多数の細い水流路３４２と改質ガス流路３４４とを有する薄板積層構造３００を用いているので、水蒸気の発生と、改質ガス中への水蒸気の混合とのための装置の寸法や重量を小さく抑えることができる。この結果、改質器１４０全体の寸法や重量を小さくすることが可能である。
【００６５】
また、水蒸気混合部１４３は、改質部１４２とシフト部１４４との間に設けられているので、改質部１４２から出た高温の改質ガスの熱を有効に利用して、シフト反応に必要な量の水蒸気を適切な温度で改質ガスに混合させることができる。さらに、燃料電池１５０の負荷の変動に対するシフト反応用水供給の応答性を高めることができ、改質器１４０の過渡応答性や始動性を高めることが可能である。
【００６６】
なお、水蒸気混合部１４３は、シフト部１４４の前段のみでなく、シフト部１４４内に設けることも可能である。例えば、シフト部１４４が複数のシフト部（例えば高温シフト部と低温シフト部）に分かれている場合には、これらの複数のシフト部の間に水蒸気混合部１４３を設けるようにしてもよい。また、水蒸気混合部１４３のみでは改質ガスの冷却が不十分な場合には、他の熱交換器を併用して改質ガスを冷却するようにしてもよい。
【００６７】
C．他の実施例：
図８は、本発明の第２実施例における流路プレート３４０ａと隔壁プレート３３０ａとを示す説明図である。図５に示した第１実施例のプレート３４０，３３０との違いは、流路形状のみである。すなわち、第２実施例では、流路プレート３４０ａの改質ガス流路３４４ａについては、流路プレート３４０ａの終端部（図の左側の端部）に出口が形成されておらず、この代わりに、隔壁プレート３３０ａに改質ガス出口３３４ａが形成されている。すなわち、改質ガス流路３４４ａを流れた改質ガスは、改質ガス流路３４４ａの終端にある壁面３４５に衝突し、その後、その上下にある隔壁プレート３３０ａの改質ガス出口３３４ａから流出する。隔壁プレート３３０ａに関しては、改質ガス出口３３４ａの追加に伴って、水導入口３３２ａの位置も若干変更されている。
【００６８】
このように、第２実施例の薄板積層構造では、水蒸気が混合された改質ガスが、薄板積層構造内の改質ガス流路３４４ａの終端で鉛直方向（Ｚ方向）に流れの向きが代わる。従って、水の蒸発が不十分で改質ガス中に水滴が存在するような場合にも、改質ガスの流れ方向の変化によって、水滴の気化を促進することが可能である。特に、改質ガス流路３４４ａの終端に設けられた壁面３４５は、水滴の気化を促進する効果が大きい。この結果、シフト部１４４に流入する改質ガス中に、液滴状態の水が混入すること（以下「液飛び」と呼ぶ）を防止することが可能である。液滴状態の水は、シフト反応に利用可能な正味の水の量を減少させてしまう。従って、水蒸気混合部１４３における水の液飛びを防止すれば、シフト反応を効率良く行うことが可能である。
【００６９】
また、第２実施例では、改質ガスの流れ方向が薄板積層構造内で変わるので、薄板積層構造から出る改質ガス中における水蒸気濃度分布や温度分布を、より均一にすることが可能である。
【００７０】
図９は、本発明の第３実施例における流路プレート３４０ｂと隔壁プレート３３０ｂとを示す説明図である。第３実施例においては、流路プレート３４０ｂの改質ガス流路３４４ｂの終端部に壁面３４７が設けられており、その壁面３４７の隣（水流路３４２ｂの左側の部分）に改質ガス出口３４８が設けられている。また、複数の改質ガス流路３４４ｂは、それらの終端近傍において互いに接続されて１つの空間３４９を構成しており、改質ガス出口３４８はこの空間３４９に連通している。改質ガス流路３４４ｂを流れた改質ガスは、改質ガス流路３４４ｂの終端にある壁面３４７に衝突し、その後、その隣にある改質ガス出口３４８から流出する。なお、第２実施例と異なり、隔壁プレート３３０ｂには、改質ガス出口は設けられておらず、水導入口３３２ｂのみが設けられている。
【００７１】
第３実施例の薄板積層構造では、水蒸気が混合された改質ガスが、薄板積層構造内の改質ガス流路３４４ｂの終端で水平方向に流れの向きが代わる。この結果、第２実施例と同様に、水の液飛びを防止することが可能であり、また、水蒸気濃度分布や温度分布をより均一にすることが可能である。
【００７２】
図１０は、本発明の第４実施例における流路プレート３４０ｃと隔壁プレート３３０ｃとを示す説明図である。第４実施例においては、流路プレート３４０ｃの改質ガス流路３４４ｃの終端部には、開口部の無い壁面３４７が設けられており、第３実施例のような改質ガス出口は設けられていない。また、隔壁プレート３３０ｃには、水導入口３３２ｃの他に、複数の改質ガス出口３３４ｃが設けられている。複数の改質ガス出口３３４ｃは、流路プレート３４０ｃから流れてきた改質ガスが通る１つの空間３３９ｃに連通している。改質ガス流路３４４ｃを流れた改質ガスは、改質ガス流路３４４ｃの終端にある壁面３４７ｃに衝突し、水平方向と鉛直方向とに流れの向きを変えながら、隔壁プレート３３０ｃの改質ガス出口３３４ｃら流出する。
【００７３】
すなわち、第４実施例の薄板積層構造では、水蒸気が混合された改質ガスが、薄板積層構造内の改質ガス流路３４４ｂの終端で水平方向および鉛直方向の両方向に流れの向きが代わる。この結果、第２実施例や第３実施例と同様に、水の液飛びを防止することが可能であり、また、水蒸気濃度分布や温度分布をより均一にすることが可能である。
【００７４】
以上のように、第２ないし第４実施例においては、改質ガス流路の終端に壁面が設けられており、この壁面によって改質ガスの流れの方向が、水平方向と垂直方向とのうちの少なくとも一方の方向に変化する。この結果、水の液飛びを防止することができ、また、水蒸気濃度分布や温度分布をより均一にすることが可能である。このことからも理解できるように、第２ないし第４実施例において改質ガス流路の終端に設けられた壁面は、液飛び防止部材としての機能を有している。
【００７５】
図１１は、本発明の第５実施例における流路プレート３４０ｄと隔壁プレート３３０ｄとを示す説明図である。第５実施例では、これらのプレート３４０ｄ、３３０ｄが鉛直方向と平行になるように積層されている。すなわち、図１１の上下の方向は鉛直方向Ｚであり、左右の方向がＸ方向である。なお、上述した第１ないし第４実施例の薄板積層構造も、この第５実施例と同じ向きに配置した状態で（すなわちＸ軸の回りに９０度回転させた状態で）使用することも可能である。
【００７６】
第５実施例と第１実施例（図５）との最も大きな違いは、水流路３４２ｄの形状である。すなわち、第５実施例では、流路プレート３４０ｄの水流路３４２ｄの始端部（水が導入される部分）に略円形の導入水路３５０が設けられており、また、終端部の底部に突起（障壁）３５２が設けられている。導入水路３５０は、隔壁プレート３３０ｄの水導入口３３２ｄと重なる位置に形成されている。従って、外部から供給された水は、隔壁プレート３３０ｄの水導入口３３２ｄと、流路プレート３４０ｄの導入水路３５０とを通って各流路プレート３４０ｄ内の水流路３４２ｄに分配される。
【００７７】
水流路３４２ｄに供給された水は、水流路３４２ｄの底面をその出口側に向かって流れながら蒸発する。突起３５２は、出口における水の液飛びを防止するためのものである。第５実施例の薄板積層構造も、第１実施例とほぼ同様な効果を有している。但し、第５実施例では、外部から供給された水が水平方向に流れながら複数の複数の流路プレートに分配されるので、第１実施例に比べて複数の流路プレートへの水の配分がより均一になるという利点がある。
【００７８】
図１２は、本発明の第６実施例における流路プレート３４０ｅを示す説明図である。隔壁プレートは、第５実施例と同じものを使用できるので、図示を省略している。
【００７９】
第６実施例は、流路プレートと隔壁プレートの形状や、流路の形状は第５実施例と同じである。第５実施例との違いは、水流路３４２ｄの底部に保水材３６０が設けられている点だけである。この保水材３６０としては、種々の材料で構成された多孔体や発泡体を利用することができる。具体的には、ＦＳＭ（「メソポーラスシリカ」とも呼ばれるシリカ多孔体）や、シリカゲルなどを利用することが可能である。このように、水流路３４２ｄの底部に保水材３６０を設けるようにすれば、水の液飛びをより効率的に防止することが可能である。
【００８０】
図１３は、本発明の第７実施例における流路プレート３４０ｆを示す説明図である。第７実施例は、水流路の形状以外の点は、第５実施例と同じである。すなわち、第７実施例では、水流路３４２ｆの途中に液飛び防止用の突起３６２，３６４が追加されている。この結果、第５実施例に比べて、水の液飛びをより効率的に防止することが可能である。
【００８１】
図１４は、本発明の第８実施例における流路プレート３４０ｇを示す説明図である。第７実施例では、第５実施例とほぼ同じ形状を有する水流路３４２ｇの出口に、ギャップを挟んで壁面３６６が設けられている。従って、水蒸気は、この壁面３６６に衝突した後に改質ガス流路３４４ｇに流入する。この壁面３６６も、液飛び防止部材として機能する。すなわち、水蒸気中に水滴が含まれている場合には、壁面３６６に水滴が衝突するので、その蒸発が促進される。この結果、第５実施例に比べて、水の液飛びをより効率的に防止することが可能である。
【００８２】
図１５は、本発明の第９実施例における水蒸気混合部１４３ｈの全体構成を示す説明図である。第９実施例では、薄板積層構造３００ｈの改質ガスの入口と出口側の側面を、円形の開口部を有する板材３７２で覆っている。薄板積層構造３００ｈの構成としては、上述した第１ないし第８実施例のものを利用することが可能である。
【００８３】
板材３７２の円形の開口部は、水蒸気混合部１４３ｈの改質ガスの出入り口として使用される。このような構成を採用する理由は、改質部１４２やシフト部１４４（図３）において円筒形の触媒を用いられている場合に、水蒸気混合部１４３ｈの流路形状を円形にすると、改質部１４２やシフト部１４４との接続が容易になるからである。なお、隔壁プレート３３０ｈや流路プレート３４０ｈとして、円形の流路形状に合わせた複数の異なる幅のプレートを用いると、空間的な無駄の少ない構造を得ることができる。
【００８４】
図１６は、本発明の第１０実施例における水蒸気混合部に用いられる薄板積層構造４００の分解斜視図である。この薄板積層構造４００は、第１の隔壁プレート４３０と、第１の流路プレート４４０と、第２の隔壁プレート４５０と、第２の流路プレート４６０とがこの順に積層されたサブ構造を有している。なお、これらの４種類のプレートで構成される１セットの積層サブ構造は、必要に応じて複数セット積み重ねられる。
【００８５】
第１の隔壁プレート４３０には、水導入口４３２が設けられており、他のプレート４４０，４５０，４６０にも、これと連通する水導入口４４２，４５２，４６２がそれぞれ設けられている。第１の流路プレート４４０には、往復で蛇行する水流路４４４が設けられている。この水流路４４４の終端近傍の部分は、第２の隔壁プレート４５０に設けられた複数の連絡流路４５４に連通している。第２の流路プレート４６０には、複数の改質ガス流路４６４が設けられている。これらの改質ガス流路４６４は、第２の隔壁プレート４５０に設けられた複数の連絡流路４５４を介して、第１の流路プレート４４０の水流路４４４と接続されている。
【００８６】
水導入口４３２から導入された水は、水流路４４４を蛇行しながら、（−Ｘ）方向に流れてゆく。この際、第２の隔壁プレート４５０を通して改質ガスと水との熱交換が行われ、水が気化して水蒸気となる。この水蒸気は、第２の隔壁プレート４５０の連絡流路４５４を介して改質ガス流路４６４の入口側に供給され、改質ガス流路４６４を流れていく間に改質ガスと混合される。
【００８７】
この第１０実施例では、薄板積層構造４００が、水と改質ガスとの間の熱交換を行う直交型熱交換器としての機能を有しているので、効率的な熱交換を実現することが可能である。
【００８８】
なお、第１０実施例では、水流路４４４と改質ガス流路４６４とが、隔壁プレートを挟んで隣接する２つの平面内にそれぞれ形成されているのに対して、上述した第１ないし第９実施例では、水流路と改質ガス流路とが同一の平面内に形成されていた点に注意すべきである。このように、水流路と改質ガス流路とが、隔壁プレートを挟んだ隣接する平面内に形成されていても、あるいは、同一の平面内に形成されていても、本発明の薄板積層構造を実現することが可能である。いずれの構成を採用するかは、他の要因（例えば、水や改質ガスの供給や排出の構造的制約など）に応じて決定される。
【００８９】
図１７は、本発明の第１１実施例における流路プレート３４０ｊと隔壁プレート３３０ｊとを示す説明図である。この流路プレート３４０ｊでは、水流路３４２ｊが水蒸気混合部の外周に近い位置に設けられており、改質ガス流路３４４ｊが中央に設けられている。改質ガス流路３４４ｊは、ジグザグ形状を有する仕切壁５００で２つに仕切られている。仕切壁５００がジグザグ形状を有している理由は、改質ガスと水蒸気の混合を促進するためである。但し、この仕切壁５００は省略可能である。隔壁プレート３３０ｊには、流路プレート３４０ｊの水流路３４２ｊの始点に相当する位置に水導入口３３２ｊが設けられている。
【００９０】
水流路３４２ｊを流れる水は、改質ガス流路３４４ｊを流れる改質ガスによって加熱されるが、水流路３４２ｊ内ではほとんど気化しない。この水は、水流路３４２ｊの後端に設けられた壁面５０２に衝突して、改質ガス流路３４４ｊに流れ込み、ここで蒸発する。すなわち、水蒸気混合部の外周近傍では液体状態の水の昇温に起因する除熱によって改質ガスが冷却され、水蒸気混合部の中央近傍では水の沸騰に起因する除熱によって改質ガスが冷却される。一般に、沸騰による除熱の方が昇温による除熱よりも多くの熱量が移動する。従って、第１１実施例の水蒸気混合部では、その中央付近において、改質ガスをより効率良く冷却することができる。
【００９１】
ところで、一般に、反応容器の中央近傍では反応が比較的活発で温度も比較的高く、一方、外周近傍では反応が比較的不活発で温度も比較的低くなる傾向にある。この場合に、第１１実施例のような水蒸気混合部を利用すれば、流路断面の中央近傍を流れる改質ガスを、外周近傍を流れる改質ガスよりも効率良く冷却できるので、改質ガス流路の断面内における温度分布を均一化することができるという利点がある。なお、このような効果は、一般に、水蒸気混合部の外周近傍を流れる改質ガスに関する熱伝達率が比較的低くなり、中央近傍を流れる改質ガスに関する熱伝達率が比較的高くなるように、水流路と改質ガス流路の形状を工夫することによって達成することが可能である。具体的には、流路の伝熱面積や、流路の断面積を工夫することによってこのような構成を得ることができる。
【００９２】
図１８は、本発明の第１２実施例における流路プレート３４０ｋと隔壁プレート３３０ｋとを示す説明図である。この第１２実施例は、図５に示した第１実施例と流路のサイズが若干異なるだけであり、基本的な構成は第１実施例と同じである。すなわち、第１２実施例の流路プレート３４０ｋでは、中央近傍にある水流路３４２ｋは、外周近傍にある水流路３４２ｐよりも幅が大きい。同様に、中央近傍にある改質ガス流路３４４ｋは、外周近傍にある改質ガス流路３４４ｐよりも幅が大きい。隔壁プレート３３０ｋにおいても、流路プレート３４０ｋの比較的大きな水流路３４２ｋの始点に相当する位置には、比較的大きな水導入口３３２ｋが設けられており、一方、比較的小さな水流路３４２ｐの始点に相当する位置には、比較的小さな水導入口３３２ｐが設けられている。従って、中央近傍の水流路３４２ｋや改質ガス流路３４４ｋには、比較的多量の水が供給され、周辺近傍の水流路３４２ｐや改質ガス流路３４４ｐには、比較的少量の水が供給される。
【００９３】
この第１２実施例の水蒸気混合部を利用した場合にも、第１１実施例と同様に、流路断面の中央近傍を流れる改質ガスを、外周近傍を流れる改質ガスよりも効率良く冷却できる。従って、改質ガス流路の断面内における温度分布を均一化することができるという利点がある。
【００９４】
D．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。
【００９５】
D１．変形例１：
上記各実施例では、シフト部の直ぐ上流側に水蒸気混合部（水蒸気混合装置）を利用していたが、燃料改質装置の他の部分に水蒸気混合部を設けることも可能である。
【００９６】
D２．変形例２：
上述した各実施例を組み合わせた水蒸気混合部を構成することも可能である。例えば、第７実施例や第８実施例の液飛び防止部材と、第６実施例の保水材の両方を有する水蒸気混合部を構成することが可能である。
【００９７】
D３．変形例３：
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。
【００９８】
D４．変形例４：
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】水蒸気混合部１４３の概略構成を示す説明図。
【図４】第１実施例における薄板積層構造３００の分解斜視図。
【図５】第１実施例の流路プレート３４０と隔壁プレート３３０の説明図。
【図６】薄板積層構造３００の製造工程を示すフローチャート。
【図７】薄板積層構造３００の製造工程の説明図。
【図８】第２実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図９】第３実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図１０】第４実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図１１】第５実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図１２】第６実施例の流路プレートの説明図。
【図１３】第７実施例の流路プレートの説明図。
【図１４】第８実施例の流路プレートの説明図。
【図１５】第９実施例における水蒸気混合部１４３の全体構成を示す説明図。
【図１６】第１０実施例における水蒸気混合部に用いられる薄板積層構造４００の分解斜視図。
【図１７】第１１実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図１８】第１２実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【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
１２６…三方弁
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…水蒸気混合部
１４４…シフト部
１４５…ＣＯ浄化部
１５０…燃料電池
２０２，２０４…配管
３００…薄板積層構造
３１０…改質ガス流入室
３２０…改質ガス流出室
３３０…隔壁プレート
３３２…水導入口
３３４…改質ガス出口
３４０…流路プレート
３４０ｐ…原流路プレート
３４０ｒ…接続片
３４２…水流路
３４３…流路形成部材
３４４…改質ガス流路
３４５…壁面
３４６…側壁部材
３４７…壁面
３４８…改質ガス出口
３４９…空間
３５０…導入水路
３５２…突起
３６０…保水材
３６２，３６４…突起
３６６…壁面
３７２…板材
４００…薄板積層構造
４３０…第１の隔壁プレート
４３２…水導入口
４４０…第１の流路プレート
４４２…水導入口
４４４…水流路
４５０…第２の隔壁プレート
４５２…水導入口
４５４…連絡流路
４６０…第２の流路プレート
４６２…水導入口
４６４…改質ガス流路
【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に水蒸気を混合する技術に関する。
【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。ガソリンや天然ガスを原燃料とする改質装置は、シフト反応によって改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト反応部を備えている。シフト反応には水蒸気が必要なので、シフト反応部には、そのための水蒸気（シフト反応用水）が供給される。
【０００３】
シフト反応部に水蒸気を供給する技術としては、例えば、特開昭６３−３０３８０１号公報に記載されたものが知られている。この技術では、外部装置でシフト反応用水を気化し、その水蒸気を改質装置のシフト反応部に供給している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、水蒸気を生成するための装置が別途必要になり、装置全体が大型化するという問題があった。このような問題は、シフト反応用の水蒸気を供給する場合に限らず、燃料改質装置で用いられる水蒸気を供給する場合に共通する問題であった。
【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、従来に比べて小型の装置構成で水蒸気を改質ガスに供給することのでき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】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料改質装置は、炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置を備える。前記水蒸気混合装置は、前記薄板積層構造に水を導入するための水導入口と、薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、薄板に挟まれた空間に形成され、前記水導入口から導入された水が流れる水流路であって、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって前記水が加熱されて水蒸気となる水流路と、を有している。また、前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように接続されている。
このような水流路と改質ガス流路との接続は種々の構造を取りうる。
第１の構造では、前記水蒸気混合装置は、前記薄板積層構造に隣接して前記水流路の出口と前記改質ガス流路の入口の位置に設けられた改質ガス流入室を有しており、前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように前記改質ガス流入室を介して接続されている。
第２の構造では、前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記薄板積層構造内において前記水流路の出口と前記改質ガス流路の入口の位置に設けられた連通路を介して連通しているとともに、前記水流路の出口には前記連通路に相当するギャップを挟んで壁面が設けられており、前記水流路において生成された水蒸気が前記壁面に衝突した後に前記連通路を介して前記改質ガス流路に流れ込むように接続されている。
第３の構造では、前記薄板積層構造は、第１の隔壁プレートと、前記水流路が形成された第１の流路プレートと、第２の隔壁プレートと、前記改質ガス流路が形成された第２の流路プレートと、がこの順に積層されたサブ構造を有するとともに、前記サブ構造が１セット以上積み重ねられた構成を有しており、前記水導入口は、前記第１の隔壁プレートと、前記第１の流路プレートと、前記第２の隔壁プレートと、前記第２の流路プレートとを貫通して設けられており、前記第２の隔壁プレートには、前記第１の流路プレートに設けられた前記水流路の終端部分と、前記第２の流路プレートに設けられた前記改質ガス流路の入口部分とを連通する連通流路が形成されており、前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記連通流路を介して前記改質ガス流路に流れ込むように接続されている。
【０００７】
この燃料改質装置では、薄板積層構造を用いているので、水蒸気混合装置を小型化することができ、燃料改質装置全体も小型化することが可能である。
【０００８】
なお、前記改質ガス流路と前記水流路は、薄板に挟まれた同じ平面内に形成されているようにしてもよい。
【０００９】
この構成によれば、改質ガス流路と水流路とによる熱交換を効率的に行うことができる流路を形成し易いという利点がある。
【００１０】
また、前記薄板積層構造は、隔壁を構成する隔壁プレートと、流路を形成するための流路プレートと、が交互に積層された構造を有しており、前記改質ガス流路と前記水流路とは、２枚の隔壁プレートと、前記２枚の隔壁プレートに挟まれた前記流路プレートとによって形成されているようにしてもよい。
【００１１】
この構成によれば、改質ガス流路と水流路とを同じ平面内に容易に配置することができる。
【００１２】
前記改質ガス流路を流れる前記改質ガスと、前記水流路を流れる前記水蒸気とは、互いに対向する向きに流れることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、改質ガスと水との熱交換効率を高めることができる。
【００１４】
前記改質ガス流路と前記水流路は、同一の水平平面内に形成されていてもよく、あるいは、同一の鉛直平面内に形成されていてもよい。
【００１５】
前記改質ガス流路と前記水流路は、隔壁を構成する隔壁プレートを挟んで隣接す２つの平面内にそれぞれ形成されているようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、改質ガス流路と水流路が隔壁プレートで隔離されているので、それぞれにとって望ましい流路配置をとることができる。
【００１７】
前記水流路には、水を保持するための保水部材や、水滴の飛びを防止するための液飛び防止部材が設けられていることが好ましい。
【００１８】
なお、前記薄板の厚みは、約２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
また、前記薄板積層構造を構成する前記多数の薄板は、拡散接合によって接合されていることが好ましい。
【００２０】
拡散接合を利用すれば、薄板同士を強固に接合することができるので、薄板積層構造を容易に作成可能である。
【００２１】
前記薄板は、エッチングによってそれぞれ所定の形状に加工されていることが好ましい。
【００２２】
エッチングを用いると、薄板を精度良く加工することが可能である。
【００２３】
上記燃料改質装置は、さらに、シフト反応によって前記改質ガス内の一酸化炭素を低減するシフト反応部を備えており、前記水蒸気混合装置は、前記シフト反応部の上流側に設けられており、前記シフト反応に使用される水蒸気を前記改質ガスに混合するようにしてもよい。
【００２４】
こうすれば、シフト反応に必要な水蒸気を、小型の装置で供給することが可能である。
【００２５】
本発明による方法は、炭化水素系化合物を含む改質燃料から、燃料電池のための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、前記燃料改質装置内を流れる改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置の製造方法であって、（ａ）隔壁を構成する複数の隔壁プレートと、流路を形成するための複数の流路プレートと、を準備する工程と、（ｂ）前記隔壁プレートと前記流路プレートとを交互に積層することによって、薄板積層構造を構成する工程と、（ｃ）前記薄板積層構造内の前記隔壁プレートと前記流路プレートとを、拡散接合によって接合する工程と、を備える。
【００２６】
この方法によれば、改質ガスや水の流路を有する小型の薄板積層構造を、容易に作成することが可能である。
【００２７】
上記方法は、さらに、（ｄ）前記薄板積層構造のすくなくとも１つの側面を切断することによって、前記水流路の開口と前記改質ガス流路の開口とが形成された側面を形成する工程、を備えるものとしてもよい。
【００２８】
この構成によれば、例えば、流路プレートが複雑な取り扱い難い形状を有しているときにも、切断前の流路プレートの形状を取り扱い易い形状としておくことができ、薄板積層構造の作成が容易になる。
【００２９】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水蒸気混合装置、水蒸気混合装置を備える燃料改質装置、水蒸気混合装置の製造方法、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、等の態様で実現することができる。
【００３０】
【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．第１実施例：
C．他の実施例：
D．変形例：
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、水蒸気混合部１４３と、シフト部１４４と、ＣＯ浄化部１４５と、を有している。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
ところで、シフト部１４４におけるシフト反応は、以下の反応式で表される。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋Ｈ2＋40.5kJ/mol
【００４４】
水蒸気混合部１４３は、このシフト反応に必要な水（水蒸気）を改質ガス中に混合させるための装置である。水供給配管系は、蒸発部１４１と水蒸気混合部１４３とに水を供給するための配管２０２，２０４をそれぞれ有している。これらの配管２０２，２０４の分岐部には、三方弁１２６が設けられている。蒸発部１４１と水蒸気混合部１４３への水供給量の制御は、ポンプ１２４の回転数調整と、三方弁１２６の開度調整（流量配分調整）とによって行われる。
【００４５】
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。水蒸気混合部１４３は、改質部１４２で生成された改質ガスに水蒸気を混合させる機能と、改質ガスをシフト反応に適した温度まで冷却する機能とを有している。
【００４６】
B．第１実施例：
図３は、水蒸気混合部１４３の概略構成を示す説明図である。図３には、改質部１４２と、水蒸気混合部１４３と、シフト部１４４とが示されている。但し、改質ガスの流れの方向は、図２とは逆向きであり、右から左である。以下の説明では、改質ガスの流れの方向をＸ方向としており、Ｘ方向に垂直なもう１つの水平方向をＹ方向、鉛直上向きの方向をＺ方向としている。
【００４７】
図３では、水蒸気混合部１４３の水平断面が示されている。水蒸気混合部１４３は、改質ガスの流入室３１０および流出室３２０と、これらの間に挟まれた薄板積層構造３００とを有している。薄板積層構造３００内には、水流路と改質ガス流路とが形成されている。薄板積層構造３００に水が供給されると、この水が改質ガスによって加熱されて水蒸気となり、この水蒸気が改質ガス中に混合される。そして、水蒸気を含む改質ガスがシフト部１４４に供給される。
【００４８】
図４は、第１実施例における薄板積層構造３００の分解斜視図である。薄板積層構造３００は、隔壁プレート３３０と、流路プレート３４０とが交互に積層された構造を有している。ここでは、板材と流路との区別を付けるために、板材にハッチングが施されている。なお、これらのプレート３３０、３４０は、厚みがそれぞれ約１ｍｍ以下の薄板である。
【００４９】
図５（Ａ）は流路プレート３４０の平面図、図５（Ｂ）は隔壁プレート３３０の平面図である。流路プレート３４０は、図の上側と下側に設けられた２つの側壁部材３４６と、これらの側壁部材３４６の間にほぼ等間隔に設けられた複数の流路形成部材３４３とで構成されている。平面で見ると、側壁部材３４６は長方形形状を有しており、流路形成部材３４３はコの字状（一辺が欠落した四角枠状）を有している。隔壁プレート３３０の一辺の近傍には、複数の水導入口３３２が設けられている。水供給部１２０（図２）から供給された水は、この水導入口３３２に導入される。
【００５０】
流路形成部材３４３の内側に形成される流路は、水流路３４２として利用される。また、流路形成部材３４３の外側に形成される流路は、改質ガス流路３４４として利用される。厳密に言えば、水流路３４２と改質ガス流路３４４は、流路プレート３４０と、この流路プレート３４０を上下から挟む２枚の隔壁プレート３３０とによって囲まれた流路である。なお、１つの平面内（すなわち、１枚の流路プレート３４０内）に形成される水流路３４２と改質ガス流路３４４の数は、図５の例と異なる任意の数に設定可能である。
【００５１】
隔壁プレート３３０の水導入口３３２に導入された水は、水流路３４２の端部（大きな黒丸で示される位置）に供給される（図４）。この水は、図５（Ａ）に示されているように、水流路３４２中を（−Ｘ）方向に流れながら、改質ガス流路３４４内をＸ方向に流れる改質ガスと熱交換し、加熱されて水蒸気となる。すなわち、水と改質ガスは、流路形成部材３４３の壁面を通して熱交換する。水流路３４２中で生成された水蒸気は、水流路３４２を出て改質ガス流入室３１０（図３）で改質ガスと混合されて、改質ガス流路３４４に再び流入する。改質ガス流路３４４においては、水蒸気と改質ガスとがさらに混合されて、互いにほぼ等しい温度となる。
【００５２】
水流路３４２内の水と改質ガス流路３４４内の改質ガスは、対向する方向に流れるので、高い熱交換効率を達成することができる。また、薄板積層構造３００内において、改質ガスの熱を除去しつつ、その熱を利用して水蒸気を生成できるので、燃料改質装置全体の熱効率を高めることができる。さらに、水蒸気は、水流路３４２を出る際に改質ガスとは対向する向きに吹き出すので、水蒸気の改質ガス中への拡散が促進される。この結果、改質ガス中で水蒸気が偏ることがなく、水蒸気がほぼ均一に混合された改質ガスを得ることができる。
【００５３】
水流路３４２の幅Ｗｔと、改質ガス流路３４４の幅Ｗｒは、それぞれ約５ｍｍである。また、流路形成部材３４３の壁面の厚みｔは、約１ｍｍである。このとき、１枚の流路プレート３４０内に水流路３４２を７本形成し、改質ガス流路３４４を８本形成すると仮定すると、各プレート３３０，３４０の平面寸法は、およそ１００ｍｍ×１００ｍｍとなり、通常の熱交換器や水蒸気発生器を利用する場合に比べて大幅な小型化が可能である。
【００５４】
なお、流路幅Ｗｔ、Ｗｒを、互いに異なる値に設定することも可能である。また、上述した寸法Ｗｔ，Ｗｒ，ｔの値は単なる例示であり、任意に変更することも可能である。但し、流路幅Ｗｔ、Ｗｒの値としては約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲が好ましく、壁面の厚みｔの値としては約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲が好ましい。また、各プレート３３０，３４０の厚みは、約１ｍｍ以下とすることが好ましく、約０．２ｍｍとすることがさらに好ましい。また、各プレート３３０，３４０の厚みは、異なる値としてもよい。一般に、プレート３３０，３４０の寸法を小さくするほど水蒸気混合部１４３を小型化することができ、また、水と改質ガスとの熱交換の効率を高めることが可能である。また、各部の寸法が小さいほど薄板積層構造３００の熱容量が小さくなるので、過渡応答性が改善されるという利点もある。但し、各部の寸法が過度に小さいと、機械的強度が低下し、また、製造も困難になるので、各部の幅や厚みは約０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００５５】
図６は、薄板積層構造３００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、隔壁プレート３３０および流路プレート３４０となる板材を準備する。板材の材質としては、インコネル（登録商標）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。
【００５６】
ステップＳ２では、板材をエッチングによって所定の形状に加工して、最終的に隔壁プレート３３０および流路プレート３４０となる原プレートをそれぞれ作成する。図７（Ａ）には、流路プレート３４０の元となる原流路プレート３４０ｐが示されている。この原流路プレート３４０ｐは、完成後の流路プレート３４０の改質ガスの入口側と出口側（図５（Ａ）の右側と左側の辺の部分）に、接続片３４０ｒがそれぞれ追加された形状を有している。この状態では、図５（Ａ）に示した水流路３４２や改質ガス流路３４４となる空間が、それぞれ部材で囲まれている。また、流路プレート３４０が互いに離間した複数の部材で構成されているのに対して、原流路プレート３４０ｐは、１枚の連続した板材で構成されている。隔壁プレート３３０の原プレートも、この接続片３４０ｒと同様の接続片が両側に追加された形状を有している。２種類の原プレートは、同一の寸法を有している。
【００５７】
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原プレートを作成しても良い。但し、エッチングによって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、薄板材は厚みが約１ｍｍなので、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。
【００５８】
ステップＳ３では、こうして加工された原流路プレート３４０ｐと原隔壁プレートが、交互に積層される。ステップＳ４では、積層物が拡散接合され、各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。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、流路に漏れが生じたりする可能性を低く抑えることができ、また、積層構造内部における熱伝導率を高めることが可能である。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。
【００５９】
ステップＳ５では、薄板積層構造の両端を、図７（Ａ）に一点破線で示す２つの切断面ＣＰでそれぞれ切断することによって、最終的な薄板積層構造３００が得られる。図７（Ａ），（Ｂ）を比較すれば理解できるように、この切断によって、改質ガス流路３４４の入口と出口が開口する。また、水流路３４２の出口も開口する。なお、原プレートの形状によっては、１つの切断面のみで切断すれば済む場合もある。
【００６０】
流路プレート３４０は、互いに離間した部分を有しており、全体として比較的複雑で取り扱い難い形状を有している。これに対して、切断前の原流路プレート３４０ｐは、全体が１枚の板材であって離間した部分が存在しないので、流路プレート３４０に比べて取り扱い易い。したがって、薄板積層構造を作成した後にその少なくとも１つの側面を切断するようにすれば、薄板積層構造の作成がより容易である。
【００６１】
その後、この薄板積層構造３００の周囲を必要に応じてケーシングで囲い、改質ガスの流入室３１０と流出室３２０（図３）を薄板積層構造３００の両側に接続することによって、水蒸気混合部１４３が完成する。
【００６２】
以上のように、本実施例では、隔壁プレート３３０および流路プレート３４０の原プレートをそれぞれ準備し、これらを積層し、拡散接合することによって薄板積層構造３００を作成するので、約１ｍｍ以下の薄板で構成される薄板積層構造３００を容易に作成することが可能である。また、水流路３４２や改質ガス流路３４４に関しては、拡散接合後の積層構造の側面を切断することによってこれらの流路の開口を形成するようにしたので、積層時の原プレートを、取り扱い易い形状に成形することが可能である。また、この結果、積層工程も容易になるという利点がある。
【００６３】
なお、ステップＳ５における切断後の流路プレート３４０は、側壁部材３４６と流路形成部材３４３が互いに離間しており、その上下にある隔壁プレート３３０によって固定されているだけである。従って、厳密にいえば、この切断後の側壁部材３４６と流路形成部材３４３は、１枚の薄板では無くなっている。しかし、本明細書では、この場合にも、側壁部材３４６と流路形成部材３４３とで構成される面状の部分を「流路プレート３４０」と呼んでいる。
【００６４】
以上のように、第１実施例の水蒸気混合部１４３では、多数の細い水流路３４２と改質ガス流路３４４とを有する薄板積層構造３００を用いているので、水蒸気の発生と、改質ガス中への水蒸気の混合とのための装置の寸法や重量を小さく抑えることができる。この結果、改質器１４０全体の寸法や重量を小さくすることが可能である。
【００６５】
また、水蒸気混合部１４３は、改質部１４２とシフト部１４４との間に設けられているので、改質部１４２から出た高温の改質ガスの熱を有効に利用して、シフト反応に必要な量の水蒸気を適切な温度で改質ガスに混合させることができる。さらに、燃料電池１５０の負荷の変動に対するシフト反応用水供給の応答性を高めることができ、改質器１４０の過渡応答性や始動性を高めることが可能である。
【００６６】
なお、水蒸気混合部１４３は、シフト部１４４の前段のみでなく、シフト部１４４内に設けることも可能である。例えば、シフト部１４４が複数のシフト部（例えば高温シフト部と低温シフト部）に分かれている場合には、これらの複数のシフト部の間に水蒸気混合部１４３を設けるようにしてもよい。また、水蒸気混合部１４３のみでは改質ガスの冷却が不十分な場合には、他の熱交換器を併用して改質ガスを冷却するようにしてもよい。
【００６７】
C．他の実施例：
図８は、本発明の第２実施例における流路プレート３４０ａと隔壁プレート３３０ａとを示す説明図である。図５に示した第１実施例のプレート３４０，３３０との違いは、流路形状のみである。すなわち、第２実施例では、流路プレート３４０ａの改質ガス流路３４４ａについては、流路プレート３４０ａの終端部（図の左側の端部）に出口が形成されておらず、この代わりに、隔壁プレート３３０ａに改質ガス出口３３４ａが形成されている。すなわち、改質ガス流路３４４ａを流れた改質ガスは、改質ガス流路３４４ａの終端にある壁面３４５に衝突し、その後、その上下にある隔壁プレート３３０ａの改質ガス出口３３４ａから流出する。隔壁プレート３３０ａに関しては、改質ガス出口３３４ａの追加に伴って、水導入口３３２ａの位置も若干変更されている。
【００６８】
このように、第２実施例の薄板積層構造では、水蒸気が混合された改質ガスが、薄板積層構造内の改質ガス流路３４４ａの終端で鉛直方向（Ｚ方向）に流れの向きが代わる。従って、水の蒸発が不十分で改質ガス中に水滴が存在するような場合にも、改質ガスの流れ方向の変化によって、水滴の気化を促進することが可能である。特に、改質ガス流路３４４ａの終端に設けられた壁面３４５は、水滴の気化を促進する効果が大きい。この結果、シフト部１４４に流入する改質ガス中に、液滴状態の水が混入すること（以下「液飛び」と呼ぶ）を防止することが可能である。液滴状態の水は、シフト反応に利用可能な正味の水の量を減少させてしまう。従って、水蒸気混合部１４３における水の液飛びを防止すれば、シフト反応を効率良く行うことが可能である。
【００６９】
また、第２実施例では、改質ガスの流れ方向が薄板積層構造内で変わるので、薄板積層構造から出る改質ガス中における水蒸気濃度分布や温度分布を、より均一にすることが可能である。
【００７０】
図９は、本発明の第３実施例における流路プレート３４０ｂと隔壁プレート３３０ｂとを示す説明図である。第３実施例においては、流路プレート３４０ｂの改質ガス流路３４４ｂの終端部に壁面３４７が設けられており、その壁面３４７の隣（水流路３４２ｂの左側の部分）に改質ガス出口３４８が設けられている。また、複数の改質ガス流路３４４ｂは、それらの終端近傍において互いに接続されて１つの空間３４９を構成しており、改質ガス出口３４８はこの空間３４９に連通している。改質ガス流路３４４ｂを流れた改質ガスは、改質ガス流路３４４ｂの終端にある壁面３４７に衝突し、その後、その隣にある改質ガス出口３４８から流出する。なお、第２実施例と異なり、隔壁プレート３３０ｂには、改質ガス出口は設けられておらず、水導入口３３２ｂのみが設けられている。
【００７１】
第３実施例の薄板積層構造では、水蒸気が混合された改質ガスが、薄板積層構造内の改質ガス流路３４４ｂの終端で水平方向に流れの向きが代わる。この結果、第２実施例と同様に、水の液飛びを防止することが可能であり、また、水蒸気濃度分布や温度分布をより均一にすることが可能である。
【００７２】
図１０は、本発明の第４実施例における流路プレート３４０ｃと隔壁プレート３３０ｃとを示す説明図である。第４実施例においては、流路プレート３４０ｃの改質ガス流路３４４ｃの終端部には、開口部の無い壁面３４７が設けられており、第３実施例のような改質ガス出口は設けられていない。また、隔壁プレート３３０ｃには、水導入口３３２ｃの他に、複数の改質ガス出口３３４ｃが設けられている。複数の改質ガス出口３３４ｃは、流路プレート３４０ｃから流れてきた改質ガスが通る１つの空間３３９ｃに連通している。改質ガス流路３４４ｃを流れた改質ガスは、改質ガス流路３４４ｃの終端にある壁面３４７ｃに衝突し、水平方向と鉛直方向とに流れの向きを変えながら、隔壁プレート３３０ｃの改質ガス出口３３４ｃら流出する。
【００７３】
すなわち、第４実施例の薄板積層構造では、水蒸気が混合された改質ガスが、薄板積層構造内の改質ガス流路３４４ｂの終端で水平方向および鉛直方向の両方向に流れの向きが代わる。この結果、第２実施例や第３実施例と同様に、水の液飛びを防止することが可能であり、また、水蒸気濃度分布や温度分布をより均一にすることが可能である。
【００７４】
以上のように、第２ないし第４実施例においては、改質ガス流路の終端に壁面が設けられており、この壁面によって改質ガスの流れの方向が、水平方向と垂直方向とのうちの少なくとも一方の方向に変化する。この結果、水の液飛びを防止することができ、また、水蒸気濃度分布や温度分布をより均一にすることが可能である。このことからも理解できるように、第２ないし第４実施例において改質ガス流路の終端に設けられた壁面は、液飛び防止部材としての機能を有している。
【００７５】
図１１は、本発明の第５実施例における流路プレート３４０ｄと隔壁プレート３３０ｄとを示す説明図である。第５実施例では、これらのプレート３４０ｄ、３３０ｄが鉛直方向と平行になるように積層されている。すなわち、図１１の上下の方向は鉛直方向Ｚであり、左右の方向がＸ方向である。なお、上述した第１ないし第４実施例の薄板積層構造も、この第５実施例と同じ向きに配置した状態で（すなわちＸ軸の回りに９０度回転させた状態で）使用することも可能である。
【００７６】
第５実施例と第１実施例（図５）との最も大きな違いは、水流路３４２ｄの形状である。すなわち、第５実施例では、流路プレート３４０ｄの水流路３４２ｄの始端部（水が導入される部分）に略円形の導入水路３５０が設けられており、また、終端部の底部に突起（障壁）３５２が設けられている。導入水路３５０は、隔壁プレート３３０ｄの水導入口３３２ｄと重なる位置に形成されている。従って、外部から供給された水は、隔壁プレート３３０ｄの水導入口３３２ｄと、流路プレート３４０ｄの導入水路３５０とを通って各流路プレート３４０ｄ内の水流路３４２ｄに分配される。
【００７７】
水流路３４２ｄに供給された水は、水流路３４２ｄの底面をその出口側に向かって流れながら蒸発する。突起３５２は、出口における水の液飛びを防止するためのものである。第５実施例の薄板積層構造も、第１実施例とほぼ同様な効果を有している。但し、第５実施例では、外部から供給された水が水平方向に流れながら複数の複数の流路プレートに分配されるので、第１実施例に比べて複数の流路プレートへの水の配分がより均一になるという利点がある。
【００７８】
図１２は、本発明の第６実施例における流路プレート３４０ｅを示す説明図である。隔壁プレートは、第５実施例と同じものを使用できるので、図示を省略している。
【００７９】
第６実施例は、流路プレートと隔壁プレートの形状や、流路の形状は第５実施例と同じである。第５実施例との違いは、水流路３４２ｄの底部に保水材３６０が設けられている点だけである。この保水材３６０としては、種々の材料で構成された多孔体や発泡体を利用することができる。具体的には、ＦＳＭ（「メソポーラスシリカ」とも呼ばれるシリカ多孔体）や、シリカゲルなどを利用することが可能である。このように、水流路３４２ｄの底部に保水材３６０を設けるようにすれば、水の液飛びをより効率的に防止することが可能である。
【００８０】
図１３は、本発明の第７実施例における流路プレート３４０ｆを示す説明図である。第７実施例は、水流路の形状以外の点は、第５実施例と同じである。すなわち、第７実施例では、水流路３４２ｆの途中に液飛び防止用の突起３６２，３６４が追加されている。この結果、第５実施例に比べて、水の液飛びをより効率的に防止することが可能である。
【００８１】
図１４は、本発明の第８実施例における流路プレート３４０ｇを示す説明図である。第７実施例では、第５実施例とほぼ同じ形状を有する水流路３４２ｇの出口に、ギャップを挟んで壁面３６６が設けられている。従って、水蒸気は、この壁面３６６に衝突した後に改質ガス流路３４４ｇに流入する。この壁面３６６も、液飛び防止部材として機能する。すなわち、水蒸気中に水滴が含まれている場合には、壁面３６６に水滴が衝突するので、その蒸発が促進される。この結果、第５実施例に比べて、水の液飛びをより効率的に防止することが可能である。
【００８２】
図１５は、本発明の第９実施例における水蒸気混合部１４３ｈの全体構成を示す説明図である。第９実施例では、薄板積層構造３００ｈの改質ガスの入口と出口側の側面を、円形の開口部を有する板材３７２で覆っている。薄板積層構造３００ｈの構成としては、上述した第１ないし第８実施例のものを利用することが可能である。
【００８３】
板材３７２の円形の開口部は、水蒸気混合部１４３ｈの改質ガスの出入り口として使用される。このような構成を採用する理由は、改質部１４２やシフト部１４４（図３）において円筒形の触媒を用いられている場合に、水蒸気混合部１４３ｈの流路形状を円形にすると、改質部１４２やシフト部１４４との接続が容易になるからである。なお、隔壁プレート３３０ｈや流路プレート３４０ｈとして、円形の流路形状に合わせた複数の異なる幅のプレートを用いると、空間的な無駄の少ない構造を得ることができる。
【００８４】
図１６は、本発明の第１０実施例における水蒸気混合部に用いられる薄板積層構造４００の分解斜視図である。この薄板積層構造４００は、第１の隔壁プレート４３０と、第１の流路プレート４４０と、第２の隔壁プレート４５０と、第２の流路プレート４６０とがこの順に積層されたサブ構造を有している。なお、これらの４種類のプレートで構成される１セットの積層サブ構造は、必要に応じて複数セット積み重ねられる。
【００８５】
第１の隔壁プレート４３０には、水導入口４３２が設けられており、他のプレート４４０，４５０，４６０にも、これと連通する水導入口４４２，４５２，４６２がそれぞれ設けられている。第１の流路プレート４４０には、往復で蛇行する水流路４４４が設けられている。この水流路４４４の終端近傍の部分は、第２の隔壁プレート４５０に設けられた複数の連絡流路４５４に連通している。第２の流路プレート４６０には、複数の改質ガス流路４６４が設けられている。これらの改質ガス流路４６４は、第２の隔壁プレート４５０に設けられた複数の連絡流路４５４を介して、第１の流路プレート４４０の水流路４４４と接続されている。
【００８６】
水導入口４３２から導入された水は、水流路４４４を蛇行しながら、（−Ｘ）方向に流れてゆく。この際、第２の隔壁プレート４５０を通して改質ガスと水との熱交換が行われ、水が気化して水蒸気となる。この水蒸気は、第２の隔壁プレート４５０の連絡流路４５４を介して改質ガス流路４６４の入口側に供給され、改質ガス流路４６４を流れていく間に改質ガスと混合される。
【００８７】
この第１０実施例では、薄板積層構造４００が、水と改質ガスとの間の熱交換を行う直交型熱交換器としての機能を有しているので、効率的な熱交換を実現することが可能である。
【００８８】
なお、第１０実施例では、水流路４４４と改質ガス流路４６４とが、隔壁プレートを挟んで隣接する２つの平面内にそれぞれ形成されているのに対して、上述した第１ないし第９実施例では、水流路と改質ガス流路とが同一の平面内に形成されていた点に注意すべきである。このように、水流路と改質ガス流路とが、隔壁プレートを挟んだ隣接する平面内に形成されていても、あるいは、同一の平面内に形成されていても、本発明の薄板積層構造を実現することが可能である。いずれの構成を採用するかは、他の要因（例えば、水や改質ガスの供給や排出の構造的制約など）に応じて決定される。
【００８９】
図１７は、本発明の第１１実施例における流路プレート３４０ｊと隔壁プレート３３０ｊとを示す説明図である。この流路プレート３４０ｊでは、水流路３４２ｊが水蒸気混合部の外周に近い位置に設けられており、改質ガス流路３４４ｊが中央に設けられている。改質ガス流路３４４ｊは、ジグザグ形状を有する仕切壁５００で２つに仕切られている。仕切壁５００がジグザグ形状を有している理由は、改質ガスと水蒸気の混合を促進するためである。但し、この仕切壁５００は省略可能である。隔壁プレート３３０ｊには、流路プレート３４０ｊの水流路３４２ｊの始点に相当する位置に水導入口３３２ｊが設けられている。
【００９０】
水流路３４２ｊを流れる水は、改質ガス流路３４４ｊを流れる改質ガスによって加熱されるが、水流路３４２ｊ内ではほとんど気化しない。この水は、水流路３４２ｊの後端に設けられた壁面５０２に衝突して、改質ガス流路３４４ｊに流れ込み、ここで蒸発する。すなわち、水蒸気混合部の外周近傍では液体状態の水の昇温に起因する除熱によって改質ガスが冷却され、水蒸気混合部の中央近傍では水の沸騰に起因する除熱によって改質ガスが冷却される。一般に、沸騰による除熱の方が昇温による除熱よりも多くの熱量が移動する。従って、第１１実施例の水蒸気混合部では、その中央付近において、改質ガスをより効率良く冷却することができる。
【００９１】
ところで、一般に、反応容器の中央近傍では反応が比較的活発で温度も比較的高く、一方、外周近傍では反応が比較的不活発で温度も比較的低くなる傾向にある。この場合に、第１１実施例のような水蒸気混合部を利用すれば、流路断面の中央近傍を流れる改質ガスを、外周近傍を流れる改質ガスよりも効率良く冷却できるので、改質ガス流路の断面内における温度分布を均一化することができるという利点がある。なお、このような効果は、一般に、水蒸気混合部の外周近傍を流れる改質ガスに関する熱伝達率が比較的低くなり、中央近傍を流れる改質ガスに関する熱伝達率が比較的高くなるように、水流路と改質ガス流路の形状を工夫することによって達成することが可能である。具体的には、流路の伝熱面積や、流路の断面積を工夫することによってこのような構成を得ることができる。
【００９２】
図１８は、本発明の第１２実施例における流路プレート３４０ｋと隔壁プレート３３０ｋとを示す説明図である。この第１２実施例は、図５に示した第１実施例と流路のサイズが若干異なるだけであり、基本的な構成は第１実施例と同じである。すなわち、第１２実施例の流路プレート３４０ｋでは、中央近傍にある水流路３４２ｋは、外周近傍にある水流路３４２ｐよりも幅が大きい。同様に、中央近傍にある改質ガス流路３４４ｋは、外周近傍にある改質ガス流路３４４ｐよりも幅が大きい。隔壁プレート３３０ｋにおいても、流路プレート３４０ｋの比較的大きな水流路３４２ｋの始点に相当する位置には、比較的大きな水導入口３３２ｋが設けられており、一方、比較的小さな水流路３４２ｐの始点に相当する位置には、比較的小さな水導入口３３２ｐが設けられている。従って、中央近傍の水流路３４２ｋや改質ガス流路３４４ｋには、比較的多量の水が供給され、周辺近傍の水流路３４２ｐや改質ガス流路３４４ｐには、比較的少量の水が供給される。
【００９３】
この第１２実施例の水蒸気混合部を利用した場合にも、第１１実施例と同様に、流路断面の中央近傍を流れる改質ガスを、外周近傍を流れる改質ガスよりも効率良く冷却できる。従って、改質ガス流路の断面内における温度分布を均一化することができるという利点がある。
【００９４】
D．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。
【００９５】
D１．変形例１：
上記各実施例では、シフト部の直ぐ上流側に水蒸気混合部（水蒸気混合装置）を利用していたが、燃料改質装置の他の部分に水蒸気混合部を設けることも可能である。
【００９６】
D２．変形例２：
上述した各実施例を組み合わせた水蒸気混合部を構成することも可能である。例えば、第７実施例や第８実施例の液飛び防止部材と、第６実施例の保水材の両方を有する水蒸気混合部を構成することが可能である。
【００９７】
D３．変形例３：
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。
【００９８】
D４．変形例４：
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】水蒸気混合部１４３の概略構成を示す説明図。
【図４】第１実施例における薄板積層構造３００の分解斜視図。
【図５】第１実施例の流路プレート３４０と隔壁プレート３３０の説明図。
【図６】薄板積層構造３００の製造工程を示すフローチャート。
【図７】薄板積層構造３００の製造工程の説明図。
【図８】第２実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図９】第３実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図１０】第４実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図１１】第５実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図１２】第６実施例の流路プレートの説明図。
【図１３】第７実施例の流路プレートの説明図。
【図１４】第８実施例の流路プレートの説明図。
【図１５】第９実施例における水蒸気混合部１４３の全体構成を示す説明図。
【図１６】第１０実施例における水蒸気混合部に用いられる薄板積層構造４００の分解斜視図。
【図１７】第１１実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【図１８】第１２実施例の流路プレートと隔壁プレートの説明図。
【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
１２６…三方弁
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…水蒸気混合部
１４４…シフト部
１４５…ＣＯ浄化部
１５０…燃料電池
２０２，２０４…配管
３００…薄板積層構造
３１０…改質ガス流入室
３２０…改質ガス流出室
３３０…隔壁プレート
３３２…水導入口
３３４…改質ガス出口
３４０…流路プレート
３４０ｐ…原流路プレート
３４０ｒ…接続片
３４２…水流路
３４３…流路形成部材
３４４…改質ガス流路
３４５…壁面
３４６…側壁部材
３４７…壁面
３４８…改質ガス出口
３４９…空間
３５０…導入水路
３５２…突起
３６０…保水材
３６２，３６４…突起
３６６…壁面
３７２…板材
４００…薄板積層構造
４３０…第１の隔壁プレート
４３２…水導入口
４４０…第１の流路プレート
４４２…水導入口
４４４…水流路
４５０…第２の隔壁プレート
４５２…水導入口
４５４…連絡流路
４６０…第２の流路プレート
４６２…水導入口
４６４…改質ガス流路
Claims (19)
- 炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、
多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置を備え、
前記水蒸気混合装置は、
前記薄板積層構造に水を導入するための水導入口と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記水導入口から導入された水が流れる水流路であって、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって前記水が加熱されて水蒸気となる水流路と、
前記薄板積層構造に隣接して前記水流路の出口と前記改質ガス流路の入口の位置に設けられた改質ガス流入室と、
を有しており、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように前記改質ガス流入室を介して接続されていることを特徴とする燃料改質装置。 - 炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、
多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置を備え、
前記水蒸気混合装置は、
前記薄板積層構造に水を導入するための水導入口と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記水導入口から導入された水が流れる水流路であって、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって前記水が加熱されて水蒸気となる水流路と、
を有しており、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記薄板積層構造内において前記水流路の出口と前記改質ガス流路の入口の位置に設けられた連通路を介して連通しているとともに、前記水流路の出口には前記連通路に相当するギャップを挟んで壁面が設けられており、前記水流路において生成された水蒸気が前記壁面に衝突した後に前記連通路を介して前記改質ガス流路に流れ込むように接続されていることを特徴とする燃料改質装置。 - 炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、
多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置を備え、
前記水蒸気混合装置は、
前記薄板積層構造に水を導入するための水導入口と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記水導入口から導入された水が流れる水流路であって、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって前記水が加熱されて水蒸気となる水流路と、
を有しており、
前記薄板積層構造は、第１の隔壁プレートと、前記水流路が形成された第１の流路プレートと、第２の隔壁プレートと、前記改質ガス流路が形成された第２の流路プレートと、がこの順に積層されたサブ構造を有するとともに、前記サブ構造が１セット以上積み重ねられた構成を有しており、
前記水導入口は、前記第１の隔壁プレートと、前記第１の流路プレートと、前記第２の隔壁プレートと、前記第２の流路プレートとを貫通して設けられており、
前記第２の隔壁プレートには、前記第１の流路プレートに設けられた前記水流路の終端部分と、前記第２の流路プレートに設けられた前記改質ガス流路の入口部分とを連通する連通流路が形成されており、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記連通流路を介して前記改質ガス流路に流れ込むように接続されていることを特徴とする燃料改質装置。 - 請求項１又は２記載の燃料改質装置であって、
前記改質ガス流路と前記水流路は、薄板に挟まれた同じ平面内に形成されている、燃料改質装置。 - 請求項４記載の燃料改質装置であって、
前記薄板積層構造は、隔壁を構成する隔壁プレートと、流路を形成するための流路プレートと、が交互に積層された構造を有しており、
前記改質ガス流路と前記水流路とは、２枚の隔壁プレートと、前記２枚の隔壁プレートに挟まれた前記流路プレートとによって形成されている、燃料改質装置。 - 請求項４又は５記載の燃料改質装置であって、
前記改質ガス流路を流れる前記改質ガスと、前記水流路を流れる前記水蒸気とは、互いに対向する向きに流れる、燃料改質装置。 - 請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料改質装置であって、
前記改質ガス流路と前記水流路は、同一の水平平面内に形成されている、燃料改質装置。 - 請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料改質装置であって、
前記改質ガス流路と前記水流路は、同一の鉛直平面内に形成されている、燃料改質装置。 - 請求項１に従属する請求項４〜６，８のいずれか一項に記載の燃料改質装置であって、
前記水流路には、水を保持するための保水部材が設けられている、
燃料改質装置。 - 請求項４〜８のいずれか一項に記載の燃料改質装置であって、
前記水流路には、水滴の飛びを防止するための液飛び防止部材が設けられている、燃料改質装置。 - 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料改質装置であって、
前記薄板の厚みは、２ｍｍ以下である、燃料改質装置。 - 請求項１１記載の燃料改質装置であって、
前記薄板積層構造を構成する前記多数の薄板は、拡散接合によって接合されている、燃料改質装置。 - 請求項１１又は１２記載の燃料改質装置であって、
前記薄板は、エッチングによってそれぞれ加工されている、燃料改質装置。 - 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料改質装置であって、さらに、
シフト反応によって前記改質ガス内の一酸化炭素を低減するシフト反応部を備えており、
前記水蒸気混合装置は、前記シフト反応部の上流側に設けられており、前記シフト反応に使用される水蒸気を前記改質ガスに混合する、燃料改質装置。 - 炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置であって、
多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、
前記薄板積層構造は、
前記薄板積層構造に水を導入するための水導入口と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記水導入口から導入された水が流れる水流路であって、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって前記水が加熱されて水蒸気となる水流路と、
前記薄板積層構造に隣接して前記水流路の出口と前記改質ガス流路の入口の位置に設けられた改質ガス流入室と、
を有しており、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように前記改質ガス流入室を介して接続されていることを特徴とする水蒸気混合装置。 - 炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置であって、
多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、
前記薄板積層構造は、
前記薄板積層構造に水を導入するための水導入口と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記水導入口から導入された水が流れる水流路であって、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって前記水が加熱されて水蒸気となる水流路と、
を有しており、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記薄板積層構造内において前記水流路の出口と前記改質ガス流路の入口の位置に設けられた連通路を介して連通しているとともに、前記水流路の出口には前記連通路に相当するギャップを挟んで壁面が設けられており、前記水流路において生成された水蒸気が前記壁面に衝突した後に前記連通路を介して前記改質ガス流路に流れ込むように接続されていることを特徴とする水蒸気混合装置。 - 炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための水蒸気混合装置であって、
多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、
前記薄板積層構造は、
前記薄板積層構造に水を導入するための水導入口と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる改質ガス流路と、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記水導入口から導入された水が流れる水流路であって、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって前記水が加熱されて水蒸気となる水流路と、
を有しており、
前記薄板積層構造は、第１の隔壁プレートと、前記水流路が形成された第１の流路プレートと、第２の隔壁プレートと、前記改質ガス流路が形成された第２の流路プレートと、がこの順に積層されたサブ構造を有するとともに、前記サブ構造が１セット以上積み重ねられた構成を有しており、
前記水導入口は、前記第１の隔壁プレートと、前記第１の流路プレートと、前記第２の隔壁プレートと、前記第２の流路プレートとを貫通して設けられており、
前記第２の隔壁プレートには、前記第１の流路プレートに設けられた前記水流路の終端部分と、前記第２の流路プレートに設けられた前記改質ガス流路の入口部分とを連通する連通流路が形成されており、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記連通流路を介して前記改質ガス流路に流れ込むように接続されていることを特徴とする水蒸気混合装置。 - 炭化水素系化合物を含む改質原料から、燃料電池のための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、前記改質原料と前記改質済燃料ガスとの中間状態にある改質ガスであって前記燃料改質装置内を流れる前記改質ガスに水蒸気を混合させるための請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の水蒸気混合装置の製造方法であって、
（ａ）隔壁を構成する複数の隔壁プレートと、流路を形成するための複数の流路プレートと、を準備する工程と、
（ｂ）前記隔壁プレートと前記流路プレートとを交互に積層することによって、薄板積層構造を構成する工程と、
（ｃ）前記薄板積層構造内の前記隔壁プレートと前記流路プレートとを、拡散接合によって接合する工程と、
を備える方法。 - 請求項１８記載の水蒸気混合装置の製造方法であって、さらに、
（ｄ）前記薄板積層構造のすくなくとも１つの側面を切断することによって、前記水流路の開口と前記改質ガス流路の開口とが形成された側面を形成する工程、
を備える方法。
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