JP2004292015A - 燃料改質器収納用容器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料改質器8を内部に収容する凹部を上面に有する基体1と、この基体1の上面に凹部を覆って取着される蓋体4とから成り、基体1に、凹部の底面に設置された燃料改質器8を載置固定する台座9と、燃料改質器8に燃料を供給する燃料パイプ5aと、反応ガスを排出する排出パイプ5bと、燃料改質器8に電力を供給するリード端子2とを具備しており、台座9が中空構造である燃料改質器収納用容器10である。燃料改質器収納用容器10はその内側に燃料改質器8を支える台座9を有しており、台座9は中空構造を有していることから、燃料改質器8で発生した熱が燃料改質器収納用容器10の基体1に大量に伝導することがないので、燃料改質器収納用容器10の表面の温度が上昇することを防止できる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば燃料電池システムにおいて燃料から反応ガスである水素ガスを発生させる燃料改質器を収容して燃料改質装置を構成するための燃料改質器収納用容器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、次世代の電源システムとして燃料電池システムが脚光を浴びており、自動車市場や家庭用燃料電池発電システム(コージェネレーション発電システム)市場においては、フィールドテストが行なわれるようになっている。
【0003】
さらに最近では、燃料電池システムの小型化を図り、携帯電話,PDA(Personal Digital Assistants),ノートパソコン,デジタルビデオカメラ等の携帯機器の電源として使用することが検討されている。
【0004】
一般に燃料電池は、燃料である例えばメタン等の炭化水素ガスあるいはメタノール等のアルコール類を燃料として燃料改質器を用いた燃料改質装置で反応ガスである水素ガスおよびその他のガスへ改質した後、この水素ガスを発電セルと呼ばれる発電装置に供給することにより発電が行なわれる。
【0005】
ここでの燃料改質器による燃料の改質は、改質可能な燃料を水蒸気と結合させて反応ガスである水素ガスを発生させるプロセスである。
【0006】
例えば、次の化学反応式(1)に示すような水蒸気改質反応(式(1)中では、メタノールに水蒸気を結合させることにより、反応ガスとして水素と二酸化炭素とに改質する反応)を引き起こして、水素ガス(H2)を生成する。なお、この改質反応により生成される水素以外の微量の生成物(主にCO2)は、通常は大気中に排出される。
【0007】
CH3OH+H2O → 3H2+CO2・・・(1)
このような燃料改質器内で燃料を改質させる場合は、例えば燃料がメタノールの場合では約200〜300℃、メタンガス等の場合では200〜600℃程度の高い温度が必要になる。
【0008】
家庭用燃料電池システム等では、システム自体が大きいため、燃料改質器収納用容器の外壁を2重にすることができ、さらに2重にした外壁間に断熱材を充填することによって、燃料改質器に発生する熱が外部へ伝導することを充分防止できる。そのため、燃料改質器を燃料改質器収納用容器に収容する際は、燃料改質器を燃料改質器収納用容器の2重の外壁の内側壁に直接接合して載置することが可能である。
【0009】
しかしながら、携帯機器用の燃料電池システムは、携帯機器内に収納するために外形を小さくすることを求められており、燃料改質器収納用容器の外壁を2重にすることは、燃料電池の容量が大きくなるため採用することができない。そのため、燃料改質器を燃料改質器収納用容器の外壁の内側に直接接合して固定した場合は、その接合部分から燃料改質器で発生する熱が燃料改質器収納用容器に伝導し、その結果、燃料改質器収納用容器の表面の温度が上昇してしまい、その熱によって携帯機器内の他の部品を破壊したり、また携帯機器を使用する者が火傷をしたりするというおそれがあった。
【0010】
加えて、前記化学反応式(1)は吸熱反応であり、燃料改質器で燃料を改質させるためには、燃料改質器をヒーター等で加熱することによって反応温度を保持する必要がある。しかしながら、燃料改質器で発生する熱が燃料改質器収納用容器に伝導することによって、燃料改質器の温度が低下することとなる。その防止策としてヒーターの発熱量を増加させる必要があるが、その場合は、ヒーターを発熱させる電気容量が増えることによって、発電セルで発電した総電気容量に占めるヒーター加熱に使用する電気容量が増え、その結果、燃料電池システム全体の発電損失が増加することとなってしまう。
【0011】
その対策としては、燃料改質器を燃料改質器収納用容器に直接載置せず、燃料改質器収納用容器の内部に設置された小さな台座上に燃料改質器を載置する方法がある。この方法によれば、燃料改質器と燃料改質器収納用容器との接合部分が小さい台座であるため、燃料改質器収納用容器に伝わる熱量を抑えることができる。
【0012】
【特許文献1】
特開2003−2602号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料改質器を載置する台座は、燃料改質器を支える強度が必要となるため、極端に小さくすることができない。
【0014】
また、燃料改質器内に、燃料改質器を改質反応に必要な温度まで上昇させるためのヒーターを内蔵した場合は、ヒーターと燃料改質器収納用容器とを、例えばワイヤボンディング法で電気的に接続する必要があるが、台座の強度が小さい場合には、ワイヤボンディング時のツールの圧力により台座が破壊されてしまい、その結果、燃料改質器を燃料改質器収納用容器の内部に安定して載置できないおそれがある。
【0015】
本発明は上記従来の技術における問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、燃料改質器で発生する熱を燃料改質器収納用容器に伝導させることなく、また、強固に燃料改質器を載置固定できる燃料改質器収納用容器を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料改質器収納用容器は、燃料から水素ガスを発生させる燃料改質器を内部に収容する凹部を上面に有する基体と、該基体の上面に前記凹部を覆って取着される蓋体とから成り、前記基体に、前記凹部の底面に設置された前記燃料改質器を載置固定する台座と、前記燃料改質器に前記燃料を供給する供給路と、前記反応ガスを排出する排出路と、前記燃料改質器に電力を供給する配線とを具備しており、前記台座が中空構造であることを特徴とするものである。
【0017】
本発明の燃料改質器収納用容器によれば、その基体の凹部の底面に設置された、燃料改質器を載置固定する台座を有していることから、燃料改質器は燃料改質器収納用容器の外壁の内側に直接載置されないため、燃料改質器で発生した熱が基体に直接大量に伝導することがないことより、燃料改質器収納用容器の表面の温度が上昇することもないため、この燃料改質器収納用容器の周辺に配置される他の部品を熱により破壊したり、また携帯機器を使用する者が火傷をしたりするおそれもない、安定かつ安全な燃料改質装置を提供することができる。
【0018】
また、燃料改質器を載置固定する台座が中空構造になっていることから、台座が熱伝導を遮断する性能に優れており、燃料改質器から燃料改質器収納用容器の基体に伝導する熱をさらに低減できることから、燃料改質器を固定する台座を中空構造を有しない台座に比べて熱伝導を抑えつつ大きくすることができ、その結果、燃料改質器を固定する強度を十分大きくすることができるため、燃料改質器を安定して収納することができる、高い信頼性を有する燃料改質器収納用容器を提供することができる。
【0019】
また、本発明の燃料改質器収納用容器によれば、燃料改質器で発生する熱を中空構造を有する台座で十分に遮断することができるので、燃料改質器からの熱を断熱するために燃料改質器収納用容器の外壁を2重にする必要がないため、燃料改質器収納用容器の外形を小さくでき、その結果、携帯機器に搭載できるような小型の燃料改質器収納用容器を提供することができる。
【0020】
また、本発明の燃料改質器収納用容器によれば、燃料改質器が中空構造を有する台座に載置固定されることにより、燃料改質器で発生した熱が燃料改質器収納用容器の基体に大量に伝導することがないため、燃料改質器の温度が低下することもなく、その結果、燃料改質器を加熱するためのヒーターの発熱量を増加させる必要もないため、この燃料改質器を燃料電池に使用することにより、発電セルで発電した総電気容量に占めるヒーター加熱に使用する電気容量が増えることがなく、低発電損失の燃料電池システムを得ることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の燃料改質器収納用容器を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0022】
図1は本発明の燃料電池収納用容器の実施の形態の一例を示す断面図であり、1は基体、2は配線としてのリード端子、3はワイヤー、4は蓋体、5aは燃料を供給する供給路としての燃料パイプ、5bは反応ガスを排出する排出路としての排出パイプ、6は電極、7は基体1の貫通孔にリード端子2を絶縁しつつ封止固定するための絶縁封止材、8は燃料改質器、9は台座であり、これら基体1とリード端子2と蓋体4と絶縁封止材7とで燃料改質器8を収納する燃料改質器収納用容器10が構成される。
【0023】
基体1および蓋体4は、ともに燃料改質器8を収納する容器としての役割を有し、例えばFe−Ni−Co系,Fe−Ni系,SUS等の金属材料や、酸化アルミニウム(Al2O3)質焼結体,ムライト(3Al2O3・2SiO2)質焼結体,炭化珪素(SiC)質焼結体,窒化アルミニウム(AlN)質焼結体,窒化珪素(Si3N4)質焼結体,ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料や、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料で形成されている。
【0024】
なお、ガラスセラミックス焼結体はガラス成分とフィラー成分とから成るが、ガラス成分としては、例えばSiO2−B2O3系,SiO2−B2O3−Al2O3系,SiO2−B2O3−Al2O3−MO系(但し、MはCa,Sr,Mg,BaまたはZnを示す),SiO2−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は同一または異なってCa,Sr,Mg,BaまたはZnを示す),SiO2−B2O3−Al2O3−M1O−M2O系(但し、M1およびM2は前記と同じである),SiO2−B2O3−M3 2O系(但し、M3はLi,NaまたはKを示す),SiO2−B2O3−Al2O3−M3 2O系(但し、M3は前記と同じである),Pb系ガラス,Bi系ガラス等が挙げられる。
【0025】
また、フィラー成分としては、例えばAl2O3,SiO2,ZrO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、TiO2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Al2O3およびSiO2から選ばれる少なくとも1種を含む複合酸化物(例えばスピネル,ムライト,コージェライト)等が挙げられる。
【0026】
基体1および蓋体4は、それぞれ厚みを薄くし、燃料改質器収納容器10の低背化を可能とするためには、機械的強度である曲げ強度が200MPa以上であることが好ましい。
【0027】
基体1および蓋体4は、例えば相対密度が95%以上の緻密質の酸化アルミニウム質焼結体で形成されている場合であれば、例えば、まず酸化アルミニウム粉末に希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加・混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調製する。次いで、この原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加・混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形・圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。その後、所定枚数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が1200〜1500℃の温度で焼成して、目的とするセラミック製の基体1および蓋体4を得る。
【0028】
また同じように、基体1および蓋体4の成形は粉末成形プレス法であっても構わない。
【0029】
基体1および蓋体4が金属材料から成る場合は、切削法,プレス法,MIM(Metal Injection Mold)法等により所定の形状に形成される。
【0030】
また、基体1および蓋体4が金属材料から成る場合は、腐食を防止するためにその表面は、例えばAu,Niのめっき処理や、ポリイミド等の樹脂コーティング等の被覆コーティング処理が行なわれることが望ましい。例えばAuめっき処理の場合であれば、その厚みは0.1〜5μm程度であることが望ましい。
【0031】
燃料改質器8は、微小ケミカルデバイスとして、半導体製造技術を適用して、例えば、シリコン等の半導体,石英,ガラス,セラミックス等の無機材料の基材に、切削法,エッチング法,ブラスト法等により細い溝を形成することによって液体流路が作製され、操作中の液体の蒸発防止等を目的として、ガラス板等のカバーを陽極接合等により表面に密着させて使用される。
【0032】
また、燃料改質器8内には、温度調節機構、例えば抵抗層等から成る薄膜ヒーターを形成し、表面にはこの薄膜ヒーターへ電力を供給する端子として電極6が形成されることにより、一般的に200〜800℃程度の温度条件(燃料改質条件に相当する)に調整することで、燃料パイプ5aが接続された燃料供給口から供給される燃料を水蒸気と結合させて、燃料排出口に接続された排出パイプ5bから水素を発生させる改質反応を良好に促進することができる。
【0033】
この燃料改質器8は、蓋体4がAu系,Ag系,Al系等の金属ロウ材やガラス材による接合やシームウェルド法等により基体1にその凹部を覆って取着されることによって、燃料改質器収納容器10内に収納される。
【0034】
例えばAuSnロウ材による接合の場合であれば、蓋体4に予めAuSnロウ材を溶着させておくか、あるいは金型等を用いて打ち抜き加工等で形成したAuSnロウ材を基体1と蓋体4との間に載置した後、封止炉あるいはシームウェルダーで蓋体4を基体1に取着することによって、燃料改質器収納用容器10の内部に燃料改質器8を封止する。
【0035】
燃料改質器収納容器10内の断熱性をさらに向上させるためには、燃料改質器収納容器10内を真空にすることが効果的であり、そのためには、燃料改質器8を封止する際に、真空炉でのロウ材による封止や真空チャンバー内シームウェルド法で行なえばよい。
【0036】
燃料改質器8の燃料供給口・燃料排出口と燃料パイプ5a・排出パイプ5bとの接続には、シリコン,石英ガラス,ホウ珪酸ガラスやセラミックス等の無機物や、ポリカーボネイト,ポリアクリルアミド等のプラスチックやシリコーンゴムや珪素樹脂等の有機物や、Au−Sn,Au−Si等の金合金から成るものを用いる接続方法が挙げられる。
【0037】
燃料パイプ5aおよび排出パイプ5bは、原料や燃料ガス流体の供給路および反応ガスの排出路を形成し、これらを挿通させる貫通穴を形成した基体1とを超音波,熱,圧力,化学的処理等により接合する。
【0038】
また、Au−Si,Ag−Cu等のロウ材やホウ珪酸ガラス等で接合してもかまわない。
【0039】
また、燃料改質器8は、燃料改質器8上の電極6がボンディングワイヤ3を介してリード端子2に電気的に接続される。これにより、電極6を通じて燃料改質器8上に形成されたヒータを加熱することができ、その結果燃料改質器8において燃料の改質反応を安定させることができる。
【0040】
燃料パイプ5aは、燃料を燃料改質器8に供給し、排出パイプ5bは、燃料改質器8で生成された反応ガスである例えば水素(H2)ガスを排出して外部の発電セル等に供給する役割がある。
【0041】
燃料パイプ5aおよび排出パイプ5bは、例えばFe−Ni−Co系,Fe−Ni系,SUS等の金属材料や、酸化アルミニウム(Al2O3)質焼結体,ムライト(3Al2O3・2SiO2)質焼結体,炭化珪素(SiC)質焼結体,窒化アルミニウム(AlN)質焼結体,窒化珪素(Si3N4)質焼結体,ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料や、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料で形成されている。
【0042】
また、燃料パイプ5aおよび排出パイプ5bの内径はφ0.1mm以上として流体の圧力損失を抑えるとともに、小型化のためにφ5mm以下とすることが好ましい。
【0043】
燃料パイプ5aおよび排出パイプ5bの接合部分の断面形状としては、通常は円形とすればよいが、これに限定されない。円形の他には、楕円形や、流体の流れ方向にその辺部を合わせることができる角状のもの、例えば、正方形,長方形が挙げられる。また、肉厚は原料供給や反応ガス排出の圧力で変形しない厚みが必要であり、上記の材料から成る場合には、携帯機器等に使用するものでは通常は0.1mm以上であれば良い。また、流れ方向の長さは、燃料改質器8で発生する熱を発電セルに伝えにくくするためには長い程よいが、燃料電池システム全体の大きさを考慮した長さにすべきである。
【0044】
絶縁封止材7は、例えば鉛を主成分とする絶縁ガラスから成り、この絶縁封止材7によって基体1とリード端子2とが電気的に絶縁されてリード端子2が封止固定されている。また、基体1に形成されたリード端子2が挿通される貫通孔は、基体1とリード端子2とが接触して電気的に導通することがない大きさが必要であり、具体的にはリード端子2から基体1まで0.1mm以上確保できる内径が必要である。
【0045】
台座9は、燃料改質器収納用容器10の凹部の底面に設置され、燃料改質器8を燃料改質器収納用容器10の凹部内に載置固定する役割を持つ。燃料改質器収納用容器10への熱の伝導を低減させるためには、台座9は、低熱伝導材料で燃料改質器収納用容器10の凹部の底面に固定されて設置される。この設置に用いられる材料としては、例えば、ガラス質接合材や高耐熱性の接着材であることが望ましい。
【0046】
台座9は、燃料改質器8で発生する熱が燃料改質器収納用容器10の基体1へ伝導することを低減させるために、低熱伝導性であることが必要である。例えば、ガラス質材料や高耐熱性の樹脂から成り、好ましくは、台座9内の熱抵抗値を高くするために熱伝導率が1W/m・K以下であることが望ましい。
【0047】
また、台座9の流れ方向の長さは、0.1mm以上あれば、燃料改質器8から基体1へ伝導する熱量を小さくできる。
【0048】
そして、本発明の燃料改質器収納用容器10においては、台座9は中空構造であることが必要である。その中空構造は、台座9の燃料改質器8に接合される面から基体1に接合される面に向けて、台座9を貫通する構造が望ましい。この構造により燃料改質器8から基体1へ伝導する熱を効果的に低減することができる。その断面形状は円状であっても、多角形状であってもかまわない。
【0049】
台座9は、燃料改質器8で発生する熱が燃料改質器収納用容器10の基体1へ伝導することを低減するために、断面形状が小さいことが必要である。例えば、台座9内の熱抵抗値を高くするために、その断面積は3mm2以下であることが望ましい。
【0050】
また、台座9は、中空構造であることより、燃料改質器8を固定する強度を十分大きくするために外形を大きくすることができることから、燃料改質器8をこの台座9に載置して安定して燃料改質器収納用容器10内へ収納することができる。例えば、外径が2.0mmでありかつ内径が1.0mmの中空構造を有する場合であれば、外径が1.8mmの円柱状である場合と比較すると、断面積が7%以上小さくなったにもかかわらず外径が約10%大きいものとなる。これにより、燃料改質器8の接合強度は大きくでき、かつ燃料改質器8から基体1へ伝熱する熱を効果的に低減することができる。
【0051】
そして、この台座9上へ燃料改質器8を載置した後に、上述のシリコン,石英ガラス,ホウ珪酸ガラス,セラミックス等の無機物、またはポリカーボネイト,ポリアクリルアミド等のプラスチックやシリコーンゴムや珪素樹脂等の有機物、またはAu−Sn,Au−Si等の金合金から成る材料を用いて接合する。
【0052】
その後、燃料改質器8上の電極6とリード端子2とをボンディングワイヤ3を介して電気的に接続する。さらに蓋体4を用いて基体1の凹部を封止することによって、燃料改質器収納用容器10の凹部内に燃料改質器8が収容されて気密に封止され、燃料改質装置が形成される。
【0053】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、図1に示した例においては、燃料パイプ5aおよび排出パイプ5bは燃料改質器8の上面に接合されているが、これらは燃料改質器8の仕様に応じて下面に接合してもかまわない。
【0054】
また、図1に示した例においては台座9は複数個であるが、燃料改質器8を載置固定するのに十分な接合強度を確保できる場合は、台座9は単数であってもかまわない。
【0055】
【発明の効果】
本発明の燃料改質器収納用容器によれば、その基体の凹部の底面に設置された、燃料改質器を載置固定する台座を有していることから、燃料改質器は燃料改質器収納用容器の外壁の内側に直接載置されないため、燃料改質器で発生した熱が基体に直接大量に伝導することがないことより、燃料改質器収納用容器の表面の温度が上昇することもないため、この燃料改質器収納用容器の周辺に配置される他の部品を熱により破壊したり、また携帯機器を使用する者が火傷をしたりするおそれもない、安定かつ安全な燃料改質装置を提供することができる。
【0056】
また、燃料改質器を載置固定する台座が中空構造になっていることから、台座が熱伝導を遮断する性能に優れており、燃料改質器から燃料改質器収納用容器の基体に伝導する熱をさらに低減できることから、燃料改質器を固定する台座を中空構造を有しない台座に比べて熱伝導を抑えつつ大きくすることができ、その結果、燃料改質器を固定する強度を十分大きくすることができるため、燃料改質器を安定して収納することができる、高い信頼性を有する燃料改質器収納用容器を提供することができる。
【0057】
また、本発明の燃料改質器収納用容器によれば、燃料改質器で発生する熱を中空構造を有する台座で十分に遮断することができるので、燃料改質器からの熱を断熱するために燃料改質器収納用容器の外壁を2重にする必要がないため、燃料改質器収納用容器の外形を小さくでき、その結果、携帯機器に搭載できるような小型の燃料改質器収納用容器を提供することができる。
【0058】
また、本発明の燃料改質器収納用容器によれば、燃料改質器が中空構造を有する台座に載置固定されることにより、燃料改質器で発生した熱が燃料改質器収納用容器の基体に大量に伝導することがないため、燃料改質器の温度が低下することもなく、その結果、燃料改質器を加熱するためのヒーターの発熱量を増加させる必要もないため、この燃料改質器を燃料電池に使用することにより、発電セルで発電した総電気容量に占めるヒーター加熱に使用する電気容量が増えることがなく、低発電損失の燃料電池システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料改質器収納用容器の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・基体
2・・・・・リード端子
3・・・・・ワイヤー
4・・・・・蓋体
5a・・・・・燃料パイプ
5b・・・・・排出パイプ
6・・・・・電極
7・・・・・絶縁封止材
8・・・・・燃料改質器
9・・・・・台座
10・・・・・燃料改質器収納用容器
Claims (1)
- 燃料から水素ガスを発生させる燃料改質器を内部に収容する凹部を上面に有する基体と、該基体の上面に前記凹部を覆って取着される蓋体とから成り、前記基体に、前記凹部の底面に設置された前記燃料改質器を載置固定する台座と、前記燃料改質器に前記燃料を供給する供給路と、前記反応ガスを排出する排出路と、前記燃料改質器に電力を供給する配線とを具備しており、前記台座が中空構造であることを特徴とする燃料改質器収納用容器。
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