JP2005067982A - 燃料改質器収納用容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料改質器より発生する熱が燃料改質器収納容器へ伝導するため燃料改質器収納容器の表面温度が高くなる。
【解決手段】 燃料から水素ガスを発生させる燃料改質器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とを具備しており、基体１は、凹部の底面に設置された燃料改質器８を載置する球状の台座９と、燃料改質器８に燃料を供給する供給路５ａと、反応ガスを排出する排出路５ｂと、燃料改質器８に電力を供給する配線とが設けられている
【選択図】 図１

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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（Ｈ_２）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ＣＯ_２）は、通常は大気中に排出される。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・（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。

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。

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。

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。

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。
特開2003−2602号公報

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。

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。

本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、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できる燃料改質器収納用容器を提供することである。

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を具備しており、前記基体は、前記凹部の底面に設置された前記燃料改質器を載置する球状の台座と、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が設けられていることを特徴とするものである。

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。

また、燃料改質器が球状の台座を介して基体に載置されることにより、台座と燃料改質器との接合面積および台座と基体との接合面積を小さくして台座による熱伝導を遮断する効果をより向上させることができる。さらに、台座と基体および台座と燃料改質器をそれぞれ接合材により接合した場合、台座と基体との接合部の周囲、および台座と燃料改質器との接合部の周囲に全周にわたって連続した接合材の大きなメニスカスを形成することができ、台座と基体とを、および台座と燃料改質器とを高強度で接合させることができる。その結果、燃料改質器から基体に伝導する熱をさらに低減できると同時に、基体に高強度で固定された台座によって燃料改質器を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。

さらに、台座が球状であるため、燃料改質器や台座の熱膨張により台座に応力が加わったとしても、応力が集中しやすい角部がないので台座にクラックなどの破損が生じるのを有効に抑制することができ、燃料改質器を安定して収納することが可能となる。

また、燃料改質器で発生する熱を燃料改質器との接合面が小さい球状の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。

また、燃料改質器との接合面が小さい球状の構造を有する台座に燃料改質器が載置されることにより、燃料改質器で発生した熱が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。

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。

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はボンディングワイヤ、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、主にこれら基体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。

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（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）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（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミック材料や、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料で形成されている。

なお、ガラスセラミックス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ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は前記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３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。

また、フィラー成分としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

例えばＡｕ−Ｓｎロウ材による接合の場合であれば、蓋体４に予めＡｕ−Ｓｎ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Ａｕ−Ｓｎ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。

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。

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、石英ガラス，ホウ珪酸ガラス等のガラス、セラミックスや無機ポリマーを含む無機接着剤、ポリイミドアミド等の高耐熱性有機材料を含む接着剤、シリコーンゴムや珪素樹脂等の有機珪素化合物、Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｉ合金等の各種ロウ材から成るものを用いる接続方法が挙げられる。

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（例えば水素ガス）の排出路であり、これらは、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系，Ｆｅ−Ｎｉ系，ＳＵＳ等の金属材料や、Ａｌ_２Ｏ_３質焼結体，３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２質焼結体，ＳｉＣ質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，Ｓｉ_３Ｎ_４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。

そして、これらの燃料パイプ５ａおよび排出パイプ５ｂは、基体１に形成した貫通穴に層通され接合される。このような接合方法としては、超音波接合や熱溶着、圧着、樹脂接着剤による接着、Ａｕ−Ｓｉ，Ａｇ−Ｃｕ等のロウ材による接合、ホウ珪酸ガラス等のガラスによる接合、同時焼結等の方法が用いられる。

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。

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。

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。

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。

台座９は燃料改質器８を燃料改質器収納用容器10の凹部内に載置する役割を持つ。このような台座９は、燃料改質器８および基体１の少なくとも一方にロウ材や接着剤等により接合されている。台座９が燃料改質器８および基体１の両方に接合されている場合は、燃料改質器８が台座９を介して基体１に強固に固定されるのでより好ましい。

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。

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は球状の構造を有していることが必要である。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。

台座９は、例えば従来周知のラッピング加工やポリッシング加工による研磨などの球面加工で球状に加工される。

また、台座９の直径は、0.5ｍｍ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。

例えば、直径が1.0ｍｍの球状の台座の場合、外径が1.0ｍｍで高さが１ｍｍの円柱状である場合と比較すると、台座部分の熱抵抗は３倍程度となり伝熱量を低減することができる。

そして、この台座９上へ燃料改質器８を載置した後に、上述の石英ガラス，ホウ珪酸ガラス等のガラス、セラミックスや無機ポリマーを含む無機接着剤、ポリイミドアミド等の高耐熱性有機材料を含む接着剤、シリコーンゴムや珪素樹脂等の有機珪素化合物、Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｉ合金等の各種ロウ材から成る材料を用いて接合する。

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。

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。

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。

本発明の燃料改質器収納用容器について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（配線）
３・・・・・ボンディングワイヤ
４・・・・・蓋体
５ａ・・・・・燃料パイプ（供給路）
５ｂ・・・・・排出パイプ（排出路）
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)

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を具備しており、前記基体は、前記凹部の底面に設置された前記燃料改質器を載置する球状の台座と、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が設けられていることを特徴とする燃料改質器収納用容器。

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