JP2004508670A - セラミック技術を利用した一体型燃料電池を備えた燃料処理器 - Google Patents

Abstract

燃料改質器（１４）を画成するモノリシック３次元多層セラミック支持体構造（１２）と、一体型燃料電池積層体（３２）とを含む、燃料処理器（１０）および一体型燃料電池。上記改質器は、気化領域（１６）と、触媒を含む反応領域（１８）と、一体化ヒータ（２８）とを含む。上記一体化ヒータは、上記反応領域に対して熱的に結合される。上記燃料処理器は、液体燃料のための注入チャネル（２０）と水素富化気体のための排出チャネル（２２）とを更に含む。上記燃料処理器は、封入触媒が取入燃料を水素富化気体へと変換もしくは改質するという小寸容積を提供すべく複数の薄寸セラミック層が組立てられてから焼結されるという多層セラミック技術を利用して形成される。

Description

【０００１】
本出願はアメリカ合衆国において２０００年８月２８日に特許出願第０９／６４５５５３号として出願されたものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は燃料電池に関し、より詳細には、大きさおよび性能を改善するためにセラミック技術を利用して作製された燃料処理器および一体型燃料電池に関する。
【０００３】
発明の背景
一般に燃料電池は「バッテリ代替物」であると共に、バッテリと同様に燃焼を伴うことなく電気化学的プロセスを介して電気を生成する。利用される電気化学的プロセスは、空気からの酸素に対する水素の結合をもたらす。而して該プロセスは、２つの電極すなわちアノードおよびカソード間に挟持されてプロトンを通すポリマ電解質膜（ＰＥＭ）を利用して達成される。公知の如く燃料電池は、燃料および酸素が供給される限り永続的な電気を提供し得る。代表的には、燃料電池において電気を生成すべく燃料として水素が用いられる。その水素はメタノール、天然ガス、石油、アンモニアから処理され得るか、又は、金属水素化物、炭素ナノチューブ内に蓄積され、もしくは純粋な水素として蓄積される。改質水素燃料電池（ＲＨＦＣ）は、メタノールなどの液体状もしくは気体状の炭化水素燃料から燃料改質器を用いて処理された水素燃料を利用する。
【０００４】
改質水素燃料電池は好適には、燃料源としての水素へと改質されるメタノールを用いる。メタノールは携帯用途向けの燃料改質器で使用されるのに好適な燃料である。と言うのも、エタノール、ガソリンもしくはブタンなどの他の炭化水素燃料と比較してメタノールは比較的低温でより容易に水素ガスへと改質されるからである。水素へのメタノールの改質もしくは変換は通常、異なる３種類の改質のうちの一つにより行われる。これらの３種類とは、水蒸気改質、部分酸化改質およびオートサーマル（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ）改質である。これらの３種類の内、水蒸気改質は、該プロセスがより低温にて、最も制御し易く、かつより高い水素アウトプットを生成することから好適な用途に適しているため、メタノール改質に対して好適なプロセスである。水蒸気改質の間において原料メタノールは加熱により触媒的に、燃料電池により使用される水素富化燃料気体へと変換される。
【０００５】
燃料電池デバイスと組み合わせて用いられるべく種々の燃料改質器が開発されたが、これらの改質器は、ガス配管と水素ガスを生成するハードウェアとに対して一体的に接続される多数の個別区画から成る高重量で複雑なデバイスであることから携帯電源用途に対しては適切でない。今日まで、改質器の小型化が達成され得るというセラミックのモノリシック構造を利用した燃料改質器は開発されていない。しかし、微量流体式化学処理およびエネルギ管理システムで用いられるべくセラミック技術を利用した積層セラミック構成要素は、現在、一般に開発中である。これらの積層セラミック構成要素で形成されたモノリシック構造は、化学反応に対し不活性かつ安定であり、高温に耐えるとともに小型化された構成要素を提供し得、斯かる構造に対してシステム制御および機能性のために高度の電子的回路もしくは構成要素が埋設または集積化されている。これに加え、マイクロチャネルを含むセラミック・デバイスを形成すべく用いられるセラミック材料は、小型燃料電池と共に使用されて水素を生成するマイクロ反応器デバイスにおける触媒支持体としての優れた候補と考えられる。
【０００６】
故に本発明の目的は、一体型燃料電池に関して用いられる水素富化燃料気体へ燃料を改質するのを支援する小型燃料処理器を提供することにある。
本発明の別の目的は、燃料を水素富化気体へ改質するモノリシック構造を提供するにことある。
【０００７】
本発明の更に別の目的は、セラミック技術を利用して形成されることで複数の内部配管相互接続ならびに電気的な回路および接続の一体化を支援するモノリシック構造を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、携帯デバイス用途に対する一体型燃料電池と組み合わせて使用されるべく小型化された燃料処理器を提供することにある。
発明の要約
燃料改質器を画成する３次元多層セラミック支持体構造と、一体型燃料電池積層体と、を含む燃料処理器および一体型燃料電池においては、上記の不都合及び他の不都合が少なくとも部分的に解決されると共に上記の目的及び他の目的が実現される。上記燃料改質器は、気化領域と、改質触媒を含む反応領域とを備える。上記セラミック支持体は、上記気化領域及び反応領域に熱的に接続された一体化ヒータと、液体燃料のための注入チャネルと、水素富化気体のための排出チャネルとを更に備える。上記燃料処理器は、封入された触媒が注入された燃料を水素富化気体へと変換もしくは改質するという小寸容積を提供すべく複数の薄寸セラミック層が組立てられてから焼結されるというセラミック技術を利用して形成される。
【０００９】
本発明に固有であると確信される新規な特徴は、各請求項に示される。しかしながら、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読破すれば、本発明自体ならびに本発明の他の特徴および利点は最適に理解される。
【００１０】
好適実施例の説明
次に図面に関し特に図１および図２を参照すると、本発明に従い複数の微量流体チャネルを含む燃料処理器１０が概略斜視図（図１）および概略断面図（図２）で示される。燃料処理器１０は、３次元多層セラミック構造１２から成る。セラミック構造１２は、多層積層セラミック技術を利用して形成される。構造１２は典型的には、複数の構成要素部材として形成された後にモノリシック構造を提供するように焼結される。セラミック構造１２は自身内に、概して符号１４で参照される燃料改質器もしくは燃料処理器を画成する。燃料改質器１４は、気化チャンバすなわち気化領域１６、反応チャンバすなわち反応領域１８、および、一体化された加熱源２８を備える。セラミック構造１２は更に、メタノール／水分配合溶液供給源２４および純粋メタノール供給源２６から成る液体燃料供給源と連通する少なくとも一本の燃料注入チャネル２０と、水素富化気体排出チャネル２２とを備える。
【００１１】
動作の間において、熱は上記デバイスの中央箇所から、より詳細には一体化ヒータ２８から、（やがて論じる）熱伝導チャネルすなわちバイア（ｖｉａｓ）を用いて反応領域１８および燃料気化器すなわち気化領域１６に対して効率的に伝達される。この特定実施例においては、一体化ヒータ２８は触媒を含む化学的ヒータであって燃料を酸化して熱を生成するように構成された化学的ヒータとして記載されているが、本開示により電気ヒータを一体化させることが予見されることを理解すべきである。化学的ヒータ２８は、酸化のための酸素をメタノール／水２４および純粋メタノール２６のうち少なくともいずれかに対して提供する空気ポート４０と、メタノール／水２４および純粋メタノール２６のうち少なくともいずれかを該ヒータ２８に提供する注入チャネル２０とを備える。
【００１２】
燃料気化器領域１６からのアウトプットはチャネル３０を介して反応領域１８へと進行してから水素富化気体排出チャネル２２通って燃料電池積層体３２へ進行することで該積層体３２に水素燃料を供給する。燃料電池３２からの廃ガスは、該廃ガスからの熱を捕捉する廃熱回収領域３４へと導向される。化学的ヒータ２８からの廃ガスもまた、同一の理由によりこの領域を進行する。
【００１３】
パッケージに対する温度を低く維持すると共に上記燃料改質器システムに対して熱を局在化して維持するために、燃料気化器領域１６の下方には高効率断熱材３６が位置される。この特定実施例においては、図１および図２に示されたように、燃料改質器１４には高温燃料電池３２が一体化されている。この特定の燃料電池設計態様によれば、１４０〜２００℃の温度範囲における燃料電池の動作が許容される。而して燃料気化器領域１６は１２０〜１６０℃の温度範囲で動作し且つ水蒸気改質反応領域１８は２００〜３００℃の温度範囲で動作する。
【００１４】
更に燃料処理器１０の該特定実施例においては、（図２に示された如く）デバイス１０により生成された排気ガスを通気する排気口３８と、空気入口４０と、頂部電流コレクタすなわちキャップ４２とが備えられる。
【００１５】
尚、（ｉ）受動的もしくは能動的な圧送を行う代替的な燃料送給手段、（ｉｉ）燃料気化器、反応領域および化学的ヒータの各位置、および、（ｉｉｉ）一体化された燃料電池を有さない燃料改質器デバイスを包含する代替実施例は本開示により予見されることを理解すべきである。特に、単一の燃料供給源すなわちメタノールおよび水のみが予見されるという実施例が予想される。この様にメタノールおよび水の単一溶液を用いれば、当該デバイスが２つの燃料タンクを組み込む必要がない簡素な設計態様が形成され得る。上記化学的ヒータに関しては純粋メタノールがより効率的で好適なことが理解されるが、作用的に完全に効率的とは見做されなくても、１モルの水および１モルのメタノールの溶液で十分である。更に、水およびメタノールの溶液を用いるヒータは実用的用途に適すると共に、ヒータおよび改質器の各チャンバに対して供給を行う簡素な共通燃料リザーバを可能とする。この場合に燃料送給は２つのチャンバ、すなわち化学的ヒータ２８および燃料気化器１６へと分割される。
【００１６】
次に、デバイス１０の実際の設計態様、より詳細には燃料気化器領域１６、反応領域１８および化学的ヒータ２８の実際の位置に関する変形例が予想される。ひとつの特定の代替実施例においては、反応領域１８が化学的ヒータ２８の両側（頂部および底部）を囲繞することが予見される。更に別の代替実施例においては、反応領域１８がヒータ２８の下方に配置され、且つ燃料気化器領域１６が化学的ヒータ２８の頂部に配置され得ることが予見される。これに加え、また先に述べたように、化学的ヒータ２８は代替的に電気ヒータ（図示せず）とされ得ることが予見される。
【００１７】
最後に、図１および図２には燃料電池積層体３２の一体化が示されるが、本開示によれば改質器１４に対して燃料電池が一体化されないという設計態様が付加的に予見されると共に、現在論じている図３に示される。図１および図２に示されたように燃料電池積層体３２が燃料改質器１４と一体化された場合には、基材の熱が高温燃料電池積層体３２を動作させるという利点が得られる。高電力用途に対しては、別体的な燃料電池積層体および燃料処理器ユニットを設計すると共にそれらを結合して燃料電池に燃料を供給すれば好都合である。斯かる場合において、図３に示したように、燃料電池積層体が燃料改質器に一体化されておらず、且つ燃料改質器は独立式デバイスとして設計されている場合には、より高電力の用途に対する従来の燃料電池積層体に対して上記独立式燃料改質器を接続するために外部接続が行われ得る。
【００１８】
次に図３を参照すると、独立式燃料改質器１０’が示される。尚、図１および図２に示された構成要素に類似する全ての構成要素は、異なる実施例を表すべくダッシュを付して同様の番号で表される。示された如く改質器１０’は、注入口２０’を介して注入される液体メタノールおよび水から成る配合燃料と、気化器１６’と、電気ヒータ２８’と、反応領域１８’と、水素富化燃料排出口２２’とを備える。デバイス１０’は図１および図２に示されたデバイス１０と略々同様に動作するが、この特定実施例において水素富化燃料排出口２２’は改質された水素燃料を外部接続燃料電池（図示せず）へと導向する役割を果たす。この種の改質水素燃料システムデバイスに関する更なる情報は、本出願と同時に出願され且つ同一譲受人に譲渡された「セラミック技術を利用した水素生成器（ＨＹＤＲＯＧＥＮ　ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ　ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ　ＣＥＲＡＭＩＣ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ）」と称される代理人整理番号第ＣＴ００−０１３号が付された米国特許出願に見られるが、その開示内容は言及したことにより本明細書中に援用される。
【００１９】
次に図４を参照すると、概して符号３０で示されると共に図１および図２のデバイス１０で利用されるような熱伝導構造またはバイアの概略断面図が示される。構造３０は概略的には、化学的ヒータ２８と燃料気化器領域１６および反応領域１８との間、並びに、廃熱回収２２と反応領域１８との間で熱を効率的に伝達すべく利用される。示された如く熱伝導構造３０は、モノリシック構造１２の作製において用いられる多層セラミック層５２を含む。化学的ヒータ区画２８および反応領域チャンバ１８が識別される。良好な熱伝達のために、熱伝導厚膜金属バイア５４は頂部区画および底部区画を熱的に効率的に接続する。化学的ヒータ領域２８および反応領域１８に直接接触する厚膜金属層５５は、これらの領域に亙って延在して該領域を均一に加熱する。
【００２０】
次に図５および図６を参照すると、燃料気化器１６の一部が概略断面図もしくは平面図で示される。より詳細には図５には、典型的には熱制御のために不活性な多孔性セラミック材料によって充填または被覆された蛇行チャネル６０が示されている。代替的に気化器１６は、多孔性ディフューザ１１３と微量の流体が流れるように連通（以下、「微量流体連通」とする）して熱制御を行う不活性な多孔性セラミック材料を備えた複数の平行チャネル６１で形成され得る。夫々の場合において蛇行チャネル６０または平行チャネル６１は、一端において接続された単一液体供給口６２を備えるとともに、他端における単一蒸気排出口６４へと接続される。蛇行チャネル６０および平行チャネル６１は、先に符号１２で識別された多層セラミック構造に形成される。反応領域１８は、上述の気化器領域に見られるのと同様に設計されたチャネルおよび特徴を備える。より詳細には、反応領域１８は改質触媒を含む。この触媒は、触媒粒子のチャネル壁被膜または多孔性充填床として存在する。ひとつの設計的目標は、気体拡散距離のオーダーまで反応器チャネルの寸法を縮小すると共に、反応速度論に対して好都合なガス滞留時間もしくはガス空間速度を制御することである。概してチャネル６１と同様である複数の平行な反応器チャネルは、ガスの高スループットを提供すると共に、チャネルの閉塞に関連する背圧の問題を最小化する。蛇行チャネル６０および平行チャネル６１に加え、又はそれらの代わりに気化器領域１６および反応領域１８が任意の数のキャビティもしくはチャンバ、または、チャネル、キャビティもしくはチャンバの任意の組合せを含み得ることは本開示により予見されることを理解すべきである。
【００２１】
図７には、デバイス１０にて起こる、より詳細にはデバイス１０の改質器１４にて起こる化学反応が簡略化されたフローチャート図で示されている。示されているように、メタノール７０および水７２は、図１および図２の改質器１４と概して類似した水蒸気改質器７４に注入される。水蒸気改質器７４は約２５０℃の温度で動作し、注入されたメタノール７０および水７２を、概して水素富化気体と称される改質ガス混合物へと改質する。より詳細には、酸化銅、酸化亜鉛または銅・亜鉛酸化物などの触媒の存在下でメタノール７０および水７２の溶液は水素、二酸化炭素およびいくらかの一酸化炭素へと改質される。水蒸気改質器７４は任意選択的な一酸化炭素除去器７６と協働し、該一酸化炭素除去器は優先酸化触媒および空気（もしくはＯ_２ ）の存在下で、存在する一酸化炭素の相当の割合を二酸化炭素へと改質する。この改質されたガス混合物は図１および図２の燃料電池３２と略々同様な燃料電池に対し、燃料アウトプット７８を介して燃料を供給する。
【００２２】
図８には、一体的燃料改質器１４を備えた燃料電池システム１０の概略図が示される。この図に示された如く、燃料電池３２は、ＣＯ除去器なしで燃料改質器１４からのアウトプット２２を直接的に用いて動作され得る。この場合に燃料電池３２は高温燃料電池である。示された如く燃料処理器１４に対して燃料電池積層体３２を一体化することの利点は、改質器１４からの熱を利用して燃料電池３２を１４０〜２００℃の高温で動作させ得る能力である。これらの用途においては、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）またはＡＢＰＢＩとして知られる同様のポリマ組成物などの高温燃料電池膜が使用され得る。１２０℃より高い温度で動作するこれらの燃料電池膜は燃料処理器からの改質済水素アウトプットにおいて、ＣＯおよびメタノールを総合して合計５（モル）％までの相当に大きい許容差を有する。これらの膜を用いると、選択的酸化反応器領域を用いるＣＯ除去段階の必要性が排除されると共に、システム設計態様が簡素化される。代替実施例においては水蒸気改質器１４の後にＣＯ選択的除去反応器を組み込むことで、従来の燃料電池３２が動作され得る。
【００２３】
従って、触媒を含む反応領域を画成するセラミック支持体を含む燃料処理器が記載されている。上記セラミック支持体は、上記反応領域チャンバに熱的に接続された加熱源を更に含む。上記燃料処理器に対する液体燃料のインプットは注入チャネルに供給されると共に、改質済ガス混合物のアウトプットは排出チャネルに供給される。上記燃料処理器・デバイスは概略的に複数の薄寸セラミック層から成るモノリシック的一体化構造として形成され、これらのセラミック層は、封入された触媒が注入燃料を大部分、燃料電池積層体で使用するのに適した水素ガスへ改質するという密閉加熱領域を提供するように、組立てられてから焼結される。
【００２４】
本発明の特定実施例を図示かつ記述してきたが、当業者であれば更なる改変および改良を想起し得よう。故に本発明は示された特定形態に限定されず且つ添付の各請求項は本発明の精神および有効範囲から逸脱しない全ての改変を網羅することが企図されることは理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従い複数の流体チャネルを含む燃料処理器および一体型燃料電池積層体の概略斜視図。
【図２】本発明に係る燃料処理器および一体型燃料電池積層体の概略断面図。
【図３】本発明の燃料処理器および一体型燃料電池積層体の代替実施例の概略断面図。
【図４】本発明に係る熱伝導構造の概略断面図。
【図５】本発明に係る熱制御式気化器／反応領域チャネルの代替実施例の概略断面図。
【図６】本発明に係る熱制御式気化器／反応領域チャネルの代替実施例の概略断面図。
【図７】本発明に係る燃料改質方法の概略フロー図。
【図８】本発明に係る燃料改質器と一体化された燃料電池システムの概略図。

Claims (3)

1. 改質触媒を含む反応領域と、該反応領域に熱的に接続された加熱源とを含む燃料改質器を画成するセラミック支持体と、
   液体燃料のための注入チャネルと、
   水素富化気体のための排出チャネルと、
   上記排出チャネルと微量流体連通する一体型燃料電池とを備えて成る、燃料処理器および一体型燃料電池。
2. 気化領域と改質触媒を含む反応領域とを含む燃料改質器を画成するモノリシック３次元多層セラミック支持体構造であって、上記反応領域に熱的に接続された一体化ヒータを更に備えるモノリシック３次元多層セラミック支持体構造と、
   液体燃料のための注入チャネルと、
   水素富化気体のための排出チャネルと、
   上記排出チャネルと微量流体連通する一体型燃料電池積層体とを備えて成る燃料処理器および一体型燃料電池。
3. 気化領域と改質触媒を含む反応領域とを含む燃料改質器を画成するモノリシック３次元多層セラミック支持体構造であって、上記気化領域および上記反応領域の少なくとも一方は、複数の平行チャネルおよび少なくとも一本の蛇行チャネルのうちの一方を備え、当該セラミック支持体は熱伝導構造を用いて上記気化領域および反応領域に熱的に結合された一体化ヒータを更に有する、モノリシック３次元多層セラミック支持体構造と、
   液体燃料のための注入チャネルと、
   水素富化気体のための排出チャネルと、
   上記排出チャネルと微量流体連通する一体型燃料電池積層体とを備えて成る燃料処理器および一体型燃料電池。

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