JP2004296118A - 熱電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱電変換装置の熱電変換効率を高くする。
【解決手段】イソプロピルアルコールを脱水素触媒および熱源からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素とアセトンを生成する脱水素反応器と、前記脱水素反応器によって生成された水素とアセトンを電気化学反応させることで発電をする副燃料電池と、を備えた熱電変換装置であって、前記脱水素反応器を構成するモジュール３０と前記燃料電池を構成する発電層２０が積層されて一体化されている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば１００゜Ｃ程度までの比較的に低温な熱（以下、低品位熱という）を回収して電気エネルギーに変換する熱電変換装置として、熱再生型燃料電池を備えた熱電変換システムが注目されている（特許文献１、特許文献２参照）。この熱電変換システムでは、熱エネルギーを与えて触媒上である種の有機化合物を脱水素吸熱反応させ、この反応で生成した水素と脱水素された物質（以下、脱水素物という）と水素を電気化学的に反応（水素化反応）させて電気エネルギーを取り出している。この熱電変換システムによれば、熱力学的な制約（カルノー効率）を受けないので、高い熱電変換効率を得ることが期待できる。
【０００３】
例えば、脱水素物であるアセトンを水素化反応させてイソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡと略す）を生成する場合、その反応式は（１）式で示される。
（ＣＨ３）２ＣＯ → Ｈ２ ＋ （ＣＨ３）２ＣＨＯＨ ・・・（１）式
ここで、操作温度を２５゜Ｃとした場合における各状態量は、エンタルピ変化量ΔＨ＝−５５．５ｋＪ／ｍｏｌ、ギブス自由エネルギ変化量ΔＧ＝２７．５ｋＪ／ｍｏｌであるから、熱電変換効率ηは、η＝ΔＧ／ΔＨ＝４９．５％となる。
【０００４】
【特許文献１】
特公平１−２５９７２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０８４３０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の使用にあたっては、脱水素吸熱反応を行わしめるために付与する熱エネルギーとしての廃熱の温度や、脱水素吸熱反応を行わしめる触媒の活性温度などを考慮すると１００゜Ｃ付近で操作する必要があるが、操作温度を１００゜Ｃとした場合における各状態量は、エンタルピ変化量ΔＨ＝−５６．４ｋＪ／ｍｏｌ、ギブス自由エネルギ変化量ΔＧ＝１２．２ｋＪ／ｍｏｌであるから、熱電変換効率ηは、η＝ΔＧ／ΔＨ＝２１．６％となり、１００゜Ｃのカルノー効率（２９．８％）よりも低くなってしまう。
そこで、この発明は、水素化反応で生じた熱を脱水素吸熱反応の熱源として利用することにより、高い熱電変換効率を得ることができる熱電変換装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、有機化合物（例えば、後述する実施の形態におけるイソプロピルアルコール）を脱水素触媒および熱源（例えば、後述する実施の形態における主燃料電池２）からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物（例えば、後述する実施の形態におけるアセトン）を生成する脱水素反応器（例えば、後述する実施の形態における脱水素反応器４）と、前記脱水素反応器によって生成された前記水素と前記脱水素物を電気化学反応させることで発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における副燃料電池５）と、を備え、前記熱源からの熱に加え前記燃料電池が発電した際の自己発熱による熱が前記脱水素反応器に供給されることを特徴とする熱電変換装置（例えば、後述する実施の形態における熱電変換装置１００）である。
自己発熱を利用しない場合の熱電変換効率をηＧ、前記燃料電池で生じた熱を脱水素反応器における脱水素反応に利用する場合の熱利用率をηＨとすると、自己発熱を利用した場合の熱電変換効率ηは、次式で表される。
η＝ηＧ・ηＨ／｛１−ηＨ（１−ηＧ）｝
したがって、上述のように構成することにより、自己発熱を利用しない場合よりも、熱電変換装置の熱電変換効率を大幅に高くすることができる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、有機化合物（例えば、後述する実施の形態におけるイソプロピルアルコール）を脱水素触媒および熱源（例えば、後述する実施の形態における主燃料電池２）からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物（例えば、後述する実施の形態におけるアセトン）を生成する脱水素反応器（例えば、後述する実施の形態における脱水素反応器４）と、前記脱水素反応器によって生成された前記水素と前記脱水素物を電気化学反応させることで発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における副燃料電池５）と、を備え、前記脱水素反応器（例えば、後述する実施の形態におけるモジュール３０）と前記燃料電池（例えば、後述する実施の形態における発電層２０）が積層されて一体化されていることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の自己発熱による熱を直接に脱水素反応器に伝熱させることができ、熱損失を極めて少なくすることができる。そして、熱電変換装置の熱電変換効率を大幅に高くすることができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記脱水素反応器は、前記脱水素触媒を有する触媒層（例えば、後述する実施の形態における触媒層４０）と、前記触媒層に有機化合物を供給する供給通路（例えば、後述する実施の形態におけるＩＰＡ供給通路５４）と前記触媒層で生成された水素および脱水素物を排出する排出通路（例えば、後述する実施の形態における水素・アセトン排出通路５５）を有する給排層（例えば、後述する実施の形態における給排層５０）とを積層して構成されており、前記触媒層に接して前記燃料電池の発電層（例えば、後述する実施の形態における発電層２０）が配置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、給排層の供給通路から触媒層の脱水素触媒に有機物を供給することができ、脱水素触媒上での脱水素吸熱反応により生成された水素と脱水素物を給排層の排出通路に排出することができる。そして、触媒層と給排層を積層するだけで脱水素反応器を構成することができ、また、触媒層に接するように燃料電池の発電層が配置されているので、燃料電池の発電による自己発熱を触媒層に確実に伝えることができ、熱利用率をより大きくすることができて、脱水素反応器による脱水素反応効率を増大することができる。さらに、積層数を増やすことにより小型ながら処理能力の大きい脱水素反応器を構成することができ、脱水素反応器と燃料電池を積層したときに小型化することができる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記脱水素触媒と前記発電層の発電面とが積層したときに対応する位置に設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の発電による自己発熱の熱利用率をさらに大きくすることができる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載の発明において、前記給排層の両側に前記触媒層がそれぞれ積層されていて、この給排層と両側の各触媒層との間でそれぞれ、有機化合物、水素、脱水素物の給排が行われることを特徴とする。
このように構成することにより、触媒層への熱の伝達を給排層の両面から行うことができ、処理能力の大きい熱電変換装置をより小型・薄型にすることができる。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記触媒層および前記発電層はそれぞれ金属製の基板（例えば、後述する実施の形態におけるセパレータ２２，２３、基板５１，５２，５３）により構成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、発電層の自己発熱による熱の伝熱性が向上する。
【００１２】
請求項７に係る発明は、有機化合物（例えば、後述する実施の形態におけるイソプロピルアルコール）を脱水素触媒および熱源（例えば、後述する実施の形態における主燃料電池２）からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物（例えば、後述する実施の形態におけるアセトン）を生成する脱水素反応器（例えば、後述する実施の形態における脱水素反応器４）と、前記脱水素反応器によって生成された前記水素と前記脱水素物を電気化学反応させることで発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における副燃料電池５）と、を備え、前記脱水素反応器と前記燃料電池との間で熱媒体を循環させる熱媒体循環流路（例えば、後述する実施の形態における冷却水循環回路１５）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の自己発熱による熱を熱媒体を介して脱水素反応器に供給することができ、熱電変換装置の熱電変換効率を大幅に高くすることができる。しかも、脱水素反応器と燃料電池を別体とすることができ、熱電変換装置の形状の自由度や配置自由度が大きくなるとともに、熱媒体による燃料電池と脱水素反応器それぞれの温度制御を個別に行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る熱電変換装置の実施の形態を図１から図１０の図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態はいずれも、燃料電池自動車に搭載される態様である。
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る熱電変換装置の第１の実施の形態を図１から図８の図面を参照して説明する。
図１は熱電変換装置を備えた車両用燃料電池システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
走行用モータ１に電力を供給するための主燃料電池２は水素と酸素を反応ガスとする燃料電池であり、固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで両側から挟み込んでなる膜構造体を備えたセルを複数積層して構成されており（図１では単位セルのみ示す）、アノード側に水素を供給し、カソード側に空気を供給することで発電が行われる。この主燃料電池２は、主燃料電池２を冷却するための冷却水を循環させる冷却水循環回路３を備えており、冷却水循環回路３には冷却水ポンプ３ａと空冷式のラジエータ３ｂが設けられている。
【００１４】
また、冷却水循環回路３の一部は、本発明の特徴部である熱電変換装置１００の一部をなす脱水素反応器４に組み込まれており、冷却水は主燃料電池（熱源）２、脱水素反応器４、ラジエータ３ｂの順に流通するようになっていて、主燃料電池２で加熱された冷却水は、初めに脱水素反応器４で熱交換して冷却され、その後でラジエータ３ｂで熱交換して冷却され、主燃料電池２に戻る。
【００１５】
熱電変換装置１００は、脱水素反応器４、副燃料電池５、分離器６、ＩＰＡタンク８を主要構成としており、これらを閉鎖回路に接続して構成されている。
脱水素すべき有機化合物としてのＩＰＡ（イソプロピルアルコール）はＩＰＡタンク８に貯蔵されており、ＩＰＡポンプ９によって脱水素反応器４に供給される。
脱水素反応器４は、脱水素反応を促す脱水素触媒を備えた触媒反応器であり、ＩＰＡを脱水素触媒および主燃料電池２の熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素とアセトン（脱水素物）を生成する。この脱水素吸熱反応を効率的に行わしめるために、脱水素反応器４には、主燃料電池２の熱に加えて、熱電変換装置１００の一部をなす副燃料電池５の熱が供給される。
【００１６】
脱水素反応器４において脱水素反応により生成された水素とアセトンは混合ガスとなって脱水素反応器４から排出され、分離器６に供給される。分離器６は水素とアセトンに分離するものであり、例えば水素分離膜を備えて構成されている。分離器６で分離された水素は副燃料電池５のアノード側に供給され、アセトンは副燃料電池５のカソード側に供給される。
【００１７】
副燃料電池５は、固体高分子電解質膜５ａをアノード電極５ｂとカソード電極５ｃとで両側から挟み込んでなる膜構造体（以下、ＭＥＡと略す）２１を備えた発電層２０を複数積層して構成されており（図１では一つの発電層のみ示す）、アノード側に水素を供給し、カソード側にアセトンを供給すると、アノード電極５ｂの触媒上で水素が電離し、電子が外部回路１３を流れて電力を発生する。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜５ａを通過してカソード電極５ｃまで移動し、カソード電極５ｃでアセトンがプロトンおよび電子と結合し、アセトン水素化反応が発熱的に進行してＩＰＡを生成する。すなわち、この副燃料電池５は、脱水素反応器４によって生成された水素とアセトンをアノードとカソードに供給して電気化学反応させることで発電をする。なお、副燃料電池５で発生した電力は車載の電気機器で利用される。
【００１８】
そして、副燃料電池５のアノード側から排出される未反応の水素は、水素循環通路１１を介して副燃料電池５のアノード側に戻され、循環利用される。一方、副燃料電池５のカソード側からはアセトン水素化反応により生成されたＩＰＡと未反応のアセトンが排出され、これらはＩＰＡタンク８に戻されて循環利用される。
【００１９】
なお、副燃料電池５のアノード電極５ｂの触媒がアセトンに不活性の場合（例えばパラジウム（Ｐｄ））には分離器６は不要であり、その場合には、脱水素反応器４から排出される水素とアセトンの混合ガスを、副燃料電池５のアノード側とカソード側の両方に供給すればよい。このようにしても、副燃料電池５で発電を行うことができる。
また、副燃料電池５のカソード側から排出されるＩＰＡとアセトンを分離操作して、分離されたＩＰＡだけをＩＰＡタンク８に戻し、アセトンは副燃料電池５のカソード側に戻すようにしてもよい。
【００２０】
ところで、この熱電変換装置１００では、前述したように、副燃料電池５が発電する際に発生する熱を脱水素反応器４で吸熱させるが、特に、この第１の実施の形態では、図２に示すように、副燃料電池５の構成単位である発電層２０と脱水素反応器４の構成単位である反応器モジュール（以下、モジュールという）３０を交互に積層し、脱水素反応器４と副燃料電池５を一体化することによって、発電層２０で発電により発生した熱を直接的に隣接するモジュール３０に伝熱させるようにした。なお、図２において、符号１７は発電層２０を電気的に直列接続するための接続線である。
【００２１】
ここで、脱水素反応器４と副燃料電池５を含む閉鎖回路からなる熱電変換装置１００にしてみると、副燃料電池５の発熱は自己発熱であり、この自己発熱の熱を脱水素反応器４に供給することとなる。
自己発熱を利用した場合の熱電変換効率ηは、自己発熱を利用しない場合の熱電変換効率をηＧ、副燃料電池５で生じた熱を脱水素反応に利用する場合の熱利用率をηＨとすると次式で表される。
η＝ηＧ・ηＨ／｛１−ηＨ（１−ηＧ）｝
【００２２】
したがって、自己発熱による熱を脱水素反応に利用すると熱電変換効率を高くすることができる。例えば、脱水素反応器４における操作温度を１００°Ｃとした場合には、自己発熱を利用しない場合の熱電変換効率ηＧが２１．６％であるのに対して、熱利用率ηＨ９０％で自己発熱を利用した場合の熱電変換効率ηは６６％となり、約３倍に向上し、カルノー効率（２９．８％）を大幅に上回る。
【００２３】
次に、この第１の実施の形態における副燃料電池５と脱水素反応器４の構成を説明する。
図３は副燃料電池５の発電層２０の分解斜視図であり、発電層２０は長方形の薄板状をなし、ＭＥＡ２１の両側にステンレス等の金属製のセパレータ２２，２３を積層して構成されている。発電層２０の一方の短辺側には、アセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、主燃料電池（熱源）２からの熱を受熱する主燃料電池２の冷媒を供給する冷媒供給孔３７がそれぞれ積層方向に貫通して設けられており、発電層２０の他方の短辺側には、アセトンおよび副燃料電池５の燃料電池反応によって生成されたＩＰＡを排出するアセトン排出孔３４、ＩＰＡを脱水素反応させることで生成した水素・アセトンを排出する水素・アセトン排出孔３５、副燃料電池５の燃料電池反応に寄与しなかった未利用の水素を排出する水素排出孔３６、脱水素反応器４に熱を伝えて冷却された前記冷媒を排出する冷媒排出孔３８がそれぞれ積層方向に貫通して設けられている。アセトン供給孔３１とアセトン排出孔３４は発電層２０の一方の対角線上に配置されており、水素供給孔３３と水素排出孔３６は発電層２０の他方の対角線上に配置されている。ＩＰＡ供給孔３２および冷媒供給孔３７はアセトン供給孔３１と水素供給孔３３の間に配置され、水素・アセトン排出孔３５および冷媒排出孔３８はアセトン排出孔３４と水素排出孔３６の間に配置されている。
【００２４】
ＭＥＡ２１は、固体高分子電解質膜５ａの中央部分の所定領域をアノード電極５ｂとカソード電極５ｃで両側から挟み込んで形成されており、アセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８は、固体高分子電解質膜５ａにおいてアノード電極５ｂおよびカソード電極５ｃから外れた部分に設けられている。なお、図３では、アノード電極５ｂは固体高分子電解質膜５ａの裏面に配置されているため隠れている。そして、発電層２０は、アノード電極５ｂおよびカソード電極５ｃを有する部分が発電面となる。
【００２５】
アノード側に配置されたセパレータ２２には、アノード電極５ｂとの対向面に水素供給通路２４が有底溝状に蛇行して設けられており、水素供給通路２４によってセパレータ２２の水素供給孔３３と水素排出孔３６が接続されている。この水素供給通路２４はアノード電極５ｂに対応する領域（すなわち、発電面に対応する領域）に設けられている。
また、カソード側に配置されたセパレータ２３には、カソード電極５ｃとの対向面にアセトン供給通路２５が有底溝状に蛇行して設けられており、アセトン供給通路２５によってセパレータ２３のアセトン供給孔３１とアセトン排出孔３４が接続されている。このアセトン供給通路２５はカソード電極５ｃに対応する領域（すなわち、発電面に対応する領域）に設けられている。
【００２６】
これらＭＥＡ２１とセパレータ２２，２３を積層すると、ＭＥＡ２１およびセパレータ２２，２３のアセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８は、同一孔同士が総て接続されてそれぞれ一本の連通孔となる。
【００２７】
図４は脱水素反応器４のモジュール３０の断面を模式的に示した模式断面図であり、図５はモジュール３０の分解斜視図である。なお、図４は模式的に示したもので一部構成を省略しており、図５とは完全に一致しない。
脱水素反応器４のモジュール３０は扁平な長方形状をなし、給排層５０の両側にシール層６０を挟んで触媒層４０を積層し、さらに触媒層４０の外側に加熱層８０を積層して構成されており、副燃料電池５の発電層２０の場合と同じ配列で、アセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８が積層方向に貫通して設けられている。
【００２８】
触媒層４０は長方形の平板状をなし、アルミニウムやステンレスなどの金属製の基板４１を備え、この基板４１の内面（すなわち、給排層５０との対向面）の中央部分であって発電層２０のアノード電極５ｂおよびカソード電極５ｃに対応する領域（すなわち、発電面に対応する領域）には、脱水素触媒を担持した触媒シート４４が接合されている。触媒シート４４は、活性炭に脱水素触媒としてのルテニウム（Ｒｕ）を担持し、これを四弗化エチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと略す）をバインダーとしてシート状に形成したものであり、接着剤で基板４１に接合されている。
なお、アセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８は、触媒シート４４から外れた部分に設けられている。
このように構成された触媒層４０は薄型で、脱水素触媒が担持されている部分の面積を大きく取ることができる。
【００２９】
給排層５０も長方形の平板状をなし、アルミニウムやステンレスなどの金属製の三枚の基板５１，５２，５３を接合して構成されている。給排層５０にも、副燃料電池５の発電層２０の場合と同じ配列で、アセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８が積層方向に貫通して設けられている。
中央の基板５２には、基板５２の表面から裏面に貫通するＩＰＡ供給通路５４が、ＩＰＡ供給孔３２を始端として櫛歯状に設けられており、触媒層４０の触媒シート４４に対応する領域のほぼ全体に亘って設けられている。さらに、この基板５２には、基板５２の表面から裏面に貫通する水素・アセトン排出通路５５が、水素・アセトン排出孔３５を始端として櫛歯状に設けられており、触媒層４０の触媒シート４４に対応する領域のほぼ全体に亘って設けられている。ＩＰＡ供給通路５４と水素・アセトン排出通路５５はその櫛歯部分を互いに噛み合わせるような形態に配置されている。
【００３０】
給排層５０の両側に配置された基板５１，５３には、基板５２のＩＰＡ供給通路５４に沿って所定間隔おきに供給孔５６が多数設けられるとともに、基板５２の水素・アセトン排出通路５５に沿って所定間隔おきに排出孔５７が多数設けられている。このように配置された供給孔５６と排出孔５７は、互いに隣接した状態で広く分散して配置されることとなる。
【００３１】
そして、これら三枚の基板５１，５２，５３を全面接触させた状態で拡散接合やろう付け等の適宜の接合手段で接合することにより一体化し、給排層５０を形成する。この接合により、基板５２に設けられたＩＰＡ供給通路５４と水素・アセトン排出通路５５は基板５２の表裏両面の開口を基板５１，５３によって塞がれ、供給孔５６および排出孔５７だけを開口させることとなる。
このように、給排層５０は三枚の基板５１，５２，５３の積層構造であるので薄型にでき、供給孔５６、排出孔５７を多数設けることができて供給孔５６、排出孔５７の総開口面積を大きく取ることができる。
【００３２】
触媒層４０と給排層５０の間に挟み込まれるシール層６０も長方形の略平板状をなし、図６に示すように、ステンレスなどの金属製の基板６１の表裏両面にＰＴＦＥをコーティングして構成されている。ＰＴＦＥコート６２は、例えば、基板６１のコート面をサンドブラスト処理等により粗面化した後、ＰＴＦＥからなるコート液をスプレーし、焼成して形成することができる。
シール層６０にも、副燃料電池５の発電層２０の場合と同じ配列で、アセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８が厚さ方向に貫通して設けられている。
【００３３】
また、シール層６０には、触媒層４０の触媒シート４４に対応する領域（すなわち、発電面に対応する領域）に開口する貫通孔６３が形成されている。シール層６０において、アセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８、貫通孔６３の周囲はシール部となっていて、このシール部には図６に示すようにビード６４が形成されている。
【００３４】
加熱層８０も長方形の平板状をなし、アルミニウムやステンレスなどの金属製の基板８１からなる。加熱層８０にも、副燃料電池５の発電層２０の場合と同じ配列で、アセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８が積層方向に貫通して設けられている。
加熱層８０の基板８１には、基板８１の表面から裏面に貫通する冷媒通路８２が、触媒層４０の触媒シート４４に対応する領域全体に蛇行して設けられており、冷媒通路８２によって基板８１の冷媒供給孔３７と冷媒排出孔３８が接続されている。この冷媒通路８２には主燃料電池２を通った際に温められた冷媒が流通し、これによって触媒層４０を加熱する。特に、冷媒通路８２を触媒シート４４に沿って蛇行して設けているので、触媒シート４４を効率よく加熱することができる。
【００３５】
このように構成された給排層５０の両側にシール層６０を挟み触媒層４０を積層し、さらに触媒層４０の外側に加熱層８０を積層することによって脱水素反応器４のモジュール３０を形成し、モジュール３０と副燃料電池５の発電層２０を交互に積層して、図示しないバンドあるいはボルトで締め付けて連結することにより脱水素反応器４と副燃料電池５を一体化することができる。このときに副燃料電池５の発電層２０と脱水素反応器４の触媒層４０とが接するように積層することで、副燃料電池５の発電による自己発熱を直接に触媒層４０に伝熱させることができ、熱損失を極めて少なくすることができる。また、副燃料電池５と脱水素反応器４とを積層したときにシール層６０の各ビード６４が弾性変形することで、シール層６０と触媒層４０あるいは給排層５０とのシール部における面圧を所定の大きさに確保することができる。また、ビード６４のＰＴＦＥコート６２が触媒層４０あるいは給排層５０のシール面に圧着した際に、ＰＴＦＥコート６２が前記シール面の微細な凹凸になじむので、極めて高いシール性を実現することができる。
【００３６】
また、このように積層することで、図４および図６に示すように、触媒層４０と給排層５０の間に、触媒シート４４を備えシール層６０によって密閉された反応室７０が形成される。
なお、この実施の形態では、シール層６０の基板６１の表裏全面にＰＴＦＥコート６２を形成したが、図７に示すように、ビード６４およびその近傍における触媒層４０あるいは給排層５０とのシール面だけにＰＴＦＥコート６２を形成しても、上記同様の作用・効果を得ることができる。
【００３７】
また、このように積層することによって、発電層２０およびモジュール３０のアセトン供給孔３１、ＩＰＡ供給孔３２、水素供給孔３３、アセトン排出孔３４、水素・アセトン排出孔３５、水素排出孔３６、冷媒供給孔３７、冷媒排出孔３８は、同一孔同士が総て接続されてそれぞれ一本の連通孔となる。なお、これら連通孔の各一端は閉塞しておく。
【００３８】
そして、このように脱水素反応器４と一体化された副燃料電池５の水素供給孔３３には分離器６で分離された水素が供給される。この水素は各発電層２０の水素供給孔３３から基板２２の水素供給通路２４を通ってアノード電極５ｂに供給され、未反応の水素は水素供給通路２４から水素排出孔３６に排出される。そして、各発電層２０の水素排出孔３６に排出された未反応の水素は、前述したように水素循環通路１１を通って副燃料電池５のアノード側（水素供給孔３３）に戻される。
【００３９】
また、脱水素反応器４と一体化された副燃料電池５のアセトン供給孔３１には分離器６で分離されたアセトンが供給される。このアセトンは各発電層２０のアセトン供給孔３１から基板２３のアセトン供給通路２５を通ってカソード電極５ｃに供給され、水素化反応により生じたＩＰＡはアセトン供給通路２５から未反応のアセトンとともにアセトン排出孔３４に排出される。そして、各発電層２０のアセトン排出孔３４に排出された未反応のアセトンおよびＩＰＡは、前述したようにＩＰＡタンク８に戻される。
副燃料電池５ではこのアセトンの水素化反応によって発電が行われ、水素化反応に伴って発熱する。この発熱は熱電変換装置１００としてみると自己発熱であり、この熱は、副燃料電池５の基板２２，２３を介して脱水素反応器４におけるモジュール３０の触媒層４０の基板４１に伝熱され、モジュール３０を直接に加熱する。
【００４０】
一方、副燃料電池５と一体化された脱水素反応器４のＩＰＡ供給孔３２には、ＩＰＡポンプ９を介してＩＰＡが供給される。このＩＰＡは、各モジュール３０のＩＰＡ供給孔３２から、給排層５０における基板５２のＩＰＡ供給通路５４に流入し、基板５１，５３の供給孔５６からそれぞれ対応する反応室７０に噴射される。これにより、触媒層４０の触媒シート４４にＩＰＡが液膜状態に供給される。特に、この実施の形態では、触媒シート４４に対応する領域のほぼ全域に亘って多数の供給孔５６が配置されているので、触媒シート４４のほぼ全面に且つ均一にＩＰＡの液膜を形成することができる。
【００４１】
触媒シート４４には、前述したように副燃料電池５の発電層２０において水素化反応により発生した熱（すなわち、自己発熱による熱）が加えられるとともに、冷媒排出孔３８と冷媒供給孔３７を繋ぐ冷却水循環回路３を介して主燃料電池２の廃熱が加えられる。これにより、ＩＰＡは触媒シート４４の脱水素触媒上で脱水素吸熱反応を起こし、水素とアセトンが生成される。水素とアセトンは気相であり、液膜状態のＩＰＡの外に放出される。アセトンは水素化反応を起こしてＩＰＡに戻る場合もあるが、この実施の形態ではＩＰＡが触媒シート４４に液膜状態に存在しているので、前記水素化反応を抑制することができ、平衡転化率を越える高い転化率を得ることができる。ここで、転化率とは、ＩＰＡ供給量に対する水素生成量のモル比をいい、平衡転化率とは、ある閉じた系である温度と圧力で熱力学的に決まる転化率の平衡値である。
【００４２】
反応室７０で脱水素吸熱反応により生成された水素とアセトンは、給排層５０の基板５１，５３に設けられた排出孔５７を通って基板５２の水素・アセトン排出通路５５に排出され、さらに、水素・アセトン排出通路５５から水素・アセトン排出孔３５に排出される。特に、この実施の形態では、触媒シート４４に対応する領域のほぼ全体に亘って多数の排出孔５７が配置されているので、生成された水素とアセトンが排出孔５７に流入するまでの移動距離を短くすることができ、アセトンが水素化反応を起こす前に水素とアセトンを素早く反応室７０から排出することができる。そして、各発電層２０の水素・アセトン排出孔３５に排出された水素とアセトンは、前述したように分離器６に送られる。
このように、この脱水素反応器４のモジュール３０では、給排層５０における同一の基板５２に供給孔５６と排出孔５７が設けられていて、同一の基板５２を通してＩＰＡの供給と、水素・アセトンの排出が行われるので、給排層５０の構成が簡単になるとともに、給排層５０の厚さを薄くできる。
【００４３】
この脱水素反応器４のモジュール３０によれば、薄型で脱水素触媒が担持された部分の面積が大きい触媒層４０と、薄型でＩＰＡの供給孔５６および水素・アセトンの排出孔５７の総開口面積の大きい給排層５０を積層して構成しているので、小型ながら処理能力を大きくすることができ、脱水素反応器４の小型・薄型化および処理能力の増大を図ることができる。しかも、モジュール３０の数を増減するだけで脱水素反応器４の処理能力を簡単に変更することができる。
特に、このモジュール３０では、給排層５０の表裏両側に触媒層４０を配置し、給排層５０の表裏両側においてＩＰＡの供給と水素・アセトンの排出を行うようにしているので、モジュール３０および脱水素反応器４の小型・薄型化および処理能力増大の効果が大きい。
【００４４】
また、シール層６０には、金属製の基板６１にＰＴＦＥをコーテイングした構造で、シール部にビード６４が設けられたものを採用しているので、シール層６０を面圧を確保しつつ薄型にでき、これもモジュール３０の小型化に寄与する。また、ＰＴＦＥはアセトンやＩＰＡ等に対する耐食性に優れ、且つ、耐熱性にも優れていて、脱水素反応が行われる８０〜１５０°Ｃの温度条件下においても変質することがなく、へたることもない。
例えば、アセトンに対して耐性のあるエチレン・プロピレン・ディエンモノマー（ＥＰＤＭ）などを前記環境下で使用すると、ＥＰＤＭから溶剤が染み出して脱水素触媒を被毒したり、生成された水素内に混入するなどするが、ＰＴＦＥではそのようなことは起こらない。
【００４５】
さらに、副燃料電池５を構成する扁平な発電層２０と脱水素反応器４を構成する扁平なモジュール３０を積層しているので、副燃料電池５と脱水素反応器４を容易に一体化することができ、且つ、小型にすることができて、車両等への搭載性が極めてよい。
【００４６】
また、前述したように、熱電変換装置１００は脱水素反応器４と副燃料電池５を含む閉鎖回路に構成されており、副燃料電池５の自己発熱による熱を脱水素反応器４に供給して脱水素反応に利用しているので、熱電変換効率が高い。
特に、この第１の実施の形態では、副燃料電池５の発電層２０と脱水素反応器４のモジュール３０を積層しているので、発電層２０で発生した熱を直接にモジュール３０における触媒層４０に伝熱させることができ、熱損失が極めて少なく、自己発熱の熱利用率ηＨを大きくすることができ、脱水素反応器４による脱水素反応効率が増大し、その結果、熱電変換効率ηを高くすることができる。
また、脱水素反応に必要な熱を主燃料電池２および副燃料電池５の廃熱で賄っているので、脱水素反応のための熱源を新たに用意する必要がなく、システム構成を簡単にすることができるとともに、省エネルギーにより車両の燃費が向上する。
【００４７】
なお、脱水素反応器４のモジュール３０と副燃料電池５の発電層２０は必ずしも一つずつ交互に積層しなければならないものではなく、図８に示すように、副燃料電池５の発電層２０を複数積層する毎に、脱水素反応器４のモジュール３０を積層してもよい。また、その逆でもよく、脱水素反応器４のモジュール３０を複数積層する毎に、副燃料電池５の発電層２０を積層してもよい。
【００４８】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る熱電変換装置の第２の実施の形態を図９および図１０の図面を参照して説明する。
図９は熱電変換装置１００を備えた車両用燃料電池システムの第２の実施の形態における概略構成図であり、図１０は熱電変換装置１００の模式図である。
前述した第１の実施の形態では、モジュール３０と発電層２０を積層して脱水素反応器４と副燃料電池５を一体化したが、第２の実施の形態では、脱水素反応器４と副燃料電池５を別体とし、モジュール３０だけを積層して脱水素反応器４を構成し、発電層２０だけを積層して副燃料電池５を構成する。そして、脱水素反応器４と副燃料電池５を冷却水循環回路（熱媒体循環流路）１５によって接続し、副燃料電池５の自己発熱による熱を冷却水を介して脱水素反応器４に伝熱する。
この場合、副燃料電池５の温度が所定の温度になるように、冷却水ポンプ１６で冷却水流量を制御するのが好ましい。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４９】
この第２の実施の形態の熱電変換装置１００によっても、副燃料電池５の自己発熱による熱を脱水素反応器４に供給して脱水素反応に利用することができるので、第１の実施の形態の場合と同様に熱電変換効率を高くすることができる。
また、この第２の実施の形態では、脱水素反応器４と副燃料電池５を別体としているので、これら熱電変換装置１００の形状自由度や配置自由度が大きくなるとともに冷却水による燃料電池と脱水素反応器、それぞれの温度制御が個別に行うことができる。例えば、冷却水の温度が主燃料電池２の発電量により増加し、冷却水の温度が通常よりも高まった場合などは、図示しないバイパス路により脱水素反応器４をバイパスするように流してもよく、また脱水素反応器４へ供給するＩＰＡを増やすことで脱水素量を増やすことも可能である。
【００５０】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態の脱水素反応器４では、一つの給排層５０からその表裏両側に配置された二つの触媒層４０にＩＰＡを供給し、この二つの触媒層４０で生成された水素・アセトンを前記一つの給排層５０に排出するようにしているが、一つの給排層５０とその表裏一方の側に配置された一つの触媒層４０との間でＩＰＡの供給と、水素・アセトンの排出を行うようにしてもよい。
【００５１】
また、脱水素されるべき有機化合物はＩＰＡに限るものではなく、デカリン、２−プロパノール、シクロヘキサノール、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン類等を用いることができる。
また、脱水素物はアセトンに限るものではなく、前記有機化合物に何を採用するかによって決まるものであり、アセトンのほか、ナフタレン、シクロヘキサノン、ベンゼン、トルエン、キシレン類が脱水素物になり得る。
また、有機化合物を液膜状態になるように触媒層４０に供給しているが、液膜状態に限られるものではない。
また、脱水素反応器４用の熱源としては主燃料電池２の熱を伝えるように構成したが、主燃料電池２の廃熱に限らず、余剰に従来排気していた熱、例えば内燃機関の冷却水の廃熱なども好適に利用できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、熱電変換装置の熱電変換効率を高くすることができるという優れた効果が奏される。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池で発生した熱を直接に脱水素反応器に伝熱させることができ、熱損失を極めて少なくすることができるので、自己発熱の熱利用率を大きくすることができ、その結果、熱電変換効率を高くすることができる。
【００５３】
請求項に３係る発明によれば、触媒層と給排層を積層するだけで脱水素反応器を構成することができ、さらに触媒層に接するように燃料電池の発電層が配置されているので、燃料電池の発電による自己発熱の熱利用率をより大きくすることができ、脱水素反応器による脱水素反応効率を増大することができて、小型ながら処理能力の大きい熱電変換装置を構成することできる。
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の発電による自己発熱の熱利用率をさらに大きくすることができるので、熱電変換装置をさらに小型にすることができる。
【００５４】
請求項５に係る発明によれば、触媒層への熱の伝達を給排層の両面から行うことができ、処理能力の大きい熱電変換装置をより小型・薄型にすることができる。
請求項６に係る発明によれば、発電層の自己発熱による熱の伝熱性が向上するので、熱電変換装置の熱電変換効率がさらに向上する。
請求項７に係る発明によれば、熱電変換装置の熱電変換効率を大幅に高くすることができる。しかも、脱水素反応器と燃料電池を別体とすることができるので、熱電変換装置の形状の自由度や配置自由度が大きくなるとともに、熱媒体による燃料電池と脱水素反応器それぞれの温度制御を個別に行うことができる。。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る熱電変換装置を備えた車両用燃料電池システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
【図２】この発明に係る熱電変換装置の第１の実施の形態において脱水素反応器と副燃料電池を一体化した場合の一例を示す模式図である。
【図３】前記第１の実施の形態において副燃料電池を構成する発電層の分解斜視図である。
【図４】前記第１の実施の形態において脱水素反応器を構成するモジュールの模式断面図である。
【図５】前記モジュールの分解斜視図である。
【図６】前記モジュールに用いられるシール層の一例を示す断面図である。
【図７】前記モジュールに用いられるシール層の他の例を示す断面図である。
【図８】この発明に係る熱電変換装置の第１の実施の形態において脱水素反応器と副燃料電池を一体化した場合の他の例を示す概念図である。
【図９】この発明に係る熱電変換装置を備えた車両用燃料電池システムの第２の実施の形態における概略構成図である。
【図１０】前記第２の実施の形態における熱電変換装置の模式図である。
【符号の説明】
４ 脱水素反応器
５ 副燃料電池（燃料電池）
１５ 冷却水循環回路（熱媒体循環流路）
２０ 発電層
３０ モジュール
４０ 触媒層
５０ 給排層
５１，５２，５３ 基板
５４ ＩＰＡ供給通路（供給通路）
５５ 水素・アセトン排出通路（排出通路）
５６ 供給孔
５７ 排出孔
６０ シール層
６４ ビード
１００ 熱電変換装置

Claims (7)

  1. 有機化合物を脱水素触媒および熱源からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物を生成する脱水素反応器と、前記脱水素反応器によって生成された前記水素と前記脱水素物を電気化学反応させることで発電をする燃料電池と、を備え、前記熱源からの熱に加え前記燃料電池が発電した際の自己発熱による熱が前記脱水素反応器に供給されることを特徴とする熱電変換装置。
  2. 有機化合物を脱水素触媒および熱源からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物を生成する脱水素反応器と、前記脱水素反応器によって生成された前記水素と前記脱水素物を電気化学反応させることで発電をする燃料電池と、を備え、前記脱水素反応器と前記燃料電池が積層されて一体化されていることを特徴とする熱電変換装置。
  3. 前記脱水素反応器は、前記脱水素触媒を有する触媒層と、前記触媒層に有機化合物を供給する供給通路と前記触媒層で生成された水素および脱水素物を排出する排出通路を有する給排層とを積層して構成されており、前記触媒層に接して前記燃料電池の発電層が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
  4. 前記脱水素触媒と前記発電層の発電面とが積層したときに対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換装置。
  5. 前記給排層の両側に前記触媒層がそれぞれ積層されていて、この給排層と両側の各触媒層との間でそれぞれ、有機化合物、水素、脱水素物の給排が行われることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱電変換装置。
  6. 前記触媒層および前記発電層はそれぞれ金属製の基板により構成されていることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
  7. 有機化合物を脱水素触媒および熱源からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物を生成する脱水素反応器と、前記脱水素反応器によって生成された前記水素と前記脱水素物を電気化学反応させることで発電をする燃料電池と、を備え、前記脱水素反応器と前記燃料電池との間で熱媒体を循環させる熱媒体循環流路を備えることを特徴とする熱電変換装置。
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