JP2005187233A - 燃料改質器収納用容器および燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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のを防止して、発電損失の小さい燃料改質器収納用容器および燃料改質装置を提供すること。
【解決手段】 燃料改質器収納用容器１０は、燃料から水素ガスを含む改質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、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を載置する金属から成るばね状の台座９と、燃料改質器８に燃料を供給する供給路５ａと、改質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２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改質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および燃料改質装置に関するものである。

近年、電気エネルギーを効率的に、かつクリーンに生産する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、既に自動車市場や家庭用燃料電池発電システムに代表されるコージェネレーション発電システム市場においては、低コストを目指した実用化のためのフィールドテストが盛んに行なわれている。

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、例えばメタンや天然ガス（ＣＮＧ）等の炭化水素ガスあるいはメタノールやエタノール等のアルコール類を燃料とし、燃料改質器を用いた燃料改質装置で水蒸気改質反応により水素ガスおよびその他のガスに改質した後、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とは、改質可能な燃料を水蒸気と結合させて触媒反応により水素ガスを発生させるプロセスをいう。

例えば、燃料としてメタノールを用いた場合は、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、水素と二酸化炭素とに改質する反応）により、水素ガス（Ｈ_２）を生成するプロセスをいう。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ガス（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）
また、このような水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、外部よりヒーター等で加熱して反応温度を維持する必要がある。従って、燃料改質器内で燃料を改質させるには、触媒の水蒸気改質活性が低下するのを防止するとともに、生成される水素ガス濃度を高く維持するため、例えば燃料としてメタノールを用いた場合には約２００〜５００℃の温度が、またメタンガスを用いた場合には３００〜８００℃程度の高い温度が必要になる。

そこで家庭用燃料電池システムに代表されるコージェネレーション発電システムでは、このシステム自体が大型であることから、燃料改質器収納用容器の外壁を２重構造にして真空容器を構成したり、あるいは２重構造にした内外壁間に断熱材を充填することにより、燃料改質器の内部の熱が外部へ伝導して燃料改質器の温度が低下するのを防止している。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重構造の内壁に直接接合して載置固定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、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になる。

このような対策として、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。

即ち、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、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という問題点があった。

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のを防止して、発電損失の小さい燃料改質器収納用容器および燃料改質装置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含む改質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金属から成るばね状の台座と、前記燃料改質器に前記燃料を供給する供給路と、前記改質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。

本発明の燃料改質装置は、上記本発明の燃料改質器収納用容器と、前記台座に載置された前記燃料改質器と、前記凹部を覆って取着された前記蓋体とを具備していることを特徴とする。

本発明の燃料改質器収納用容器によれば、基体は、凹部の底面に設置された燃料改質器を載置する金属から成るばね状の台座が設けられていることから、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のを有効に防止できる。よって、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のを有効に防止することができ、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、燃料改質器を載置固定する台座がばね状であり、燃料改質器から基体底面までの距離を長くできるので、熱伝導を有効に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より有効に低減でき、燃料改質器の温度が低下するのを有効に抑制できる。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がなく、この燃料改質器を燃料電池に使用することにより、発電セルで発電する総電気容量に占めるヒーター加熱に使用される電気容量の小さい、低発電損失の燃料電池システムを得ることができる。

さらに、燃料改質器で発生する熱をばね状の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、台座がばね状であるため、燃料改質器収納用容器に外部から振動や衝撃が加えられた場合でも、台座で振動や衝撃を吸収して燃料改質器に振動や衝撃を伝え難くすることができ、燃料や改質ガスの供給，排出の効率が変化するのを有効に防止して一定の効率で安定した発電を長期にわたり維持することができる。

本発明の燃料改質器装置によれば、上記本発明の燃料改質器収納用容器と、台座に載置された燃料改質器と、凹部を覆って取着された蓋体とを具備していることから、上記本発明の燃料改質器収納用容器の特徴を有する、発電損失の小さい燃料改質器となる。

次に、本発明の燃料改質器収納用容器および燃料改質装置を添付図面をもとに詳細に説明する。

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る。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は改質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はばね状の台座であり、主にこれら基体１とリード端子２と蓋体４と台座９とで燃料改質器８を収納する燃料改質器収納用容器１０が主に構成される。また、燃料改質器収納用容器１０に燃料改質器８を収納し、燃料改質器８の燃料供給口に燃料パイプ５ａを接続するとともに燃料改質器８の排出口に排出パイプ５ｂを接続することにより燃料改質装置となる。

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、例えば鉄（Ｆｅ）−（Ｎｉ）−（Ｃｏ）合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金，ＳＵＳ（ステンレススチール）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り、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が、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ス製の基体１および蓋体４を得る。なお、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良い。

また、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、例えば金（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、その厚さは０．１〜５μｍ程度であることが望ましい。

また、基体１および蓋体４で構成される燃料改質器収納用容器１０の内側表面をＡｕやアルミニウム（Ａｌ）のめっき処理膜で覆ってもよい。これにより、収容された燃料改質器８で発生する輻射熱を効率良く防ぐことができ、燃料改質器収納用容器１０の昇温を抑制することが可能となる。

次に、本発明におけるリード端子２は、基体１および蓋体４の熱膨張係数と同一または近似したＦｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金よりなるものが用いられるのが好ましく、これにより、実用時の温度変化に対して熱歪の発生を防止できる。さらに、リード端子２と基体１との良好な封着性が得られるとともに、ボンディング性に優れ、実装時に必要な強度と良好なはんだ付性や溶接性を確保できる。

また、本発明の絶縁封止材７は、例えば、絶縁ガラスやセラミックスから成り、基体１に形成された貫通穴でこの絶縁封止材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。

なお、絶縁封止材７は、ガラスを用いる場合、リード端子２と基体１の貫通孔との間でガラスを溶融させた後に固化させることによりリード端子２と基体１とを接合させることができる。また、絶縁封止材７が、セラミックスの場合、例えば、絶縁封止材７を筒状体とし、その内側にリード端子２を挿入して接合するとともに筒状の絶縁封止材７を基体１の貫通孔に嵌着接合させる。このような絶縁封止材７と基体１との接合および絶縁封止材7とリード端子２との接合は、Ａｕ−ゲルマニウム（Ｇｅ）や銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）等のロウ材により行なわれる。

本発明のばね状の台座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。このような台座９は金属から成り、燃料改質器８の熱を基体１に伝え難くするために熱伝導率が低い材料が望ましい。

台座９は、例えば、炭素鋼を始めとする鋼材や、ＳＵＳ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ合金、Ｃｕ合金等が挙げられるが、燃料改質器８の熱を基体１に伝え難くするという観点からは、熱伝導率が２０Ｗ/ｍＫ以下のＳＵＳやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金が好ましい。

また、台座９は、板ばねや皿ばね、コイル状ばね等の形状とすることが可能であり、燃料改質器８と燃料改質器収納用容器１０との距離を長くして燃料改質器８から燃料改質器収納用容器１０の基体１に伝導する熱を低減させるという観点からは、コイルばね形状であることが望ましい。

台座９と基体１及び台座９と燃料改質器８との接合は石英ガラス，硼珪酸ガラス等のガラスや各種セラミックス，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−錫（Ｓｎ），Ａｕ−珪素（Ｓｉ）合金等の各種ロウ材から成る材料を用いて接合する。

そして、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の凹部内に収容した燃料改質器８を気密に封止した燃料改質装置が形成される。

なお、本発明の燃料改質器収納用容器１０に収納される燃料改質器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,金属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、金属やセラミックス，ガラス板等のカバーを陽極接合やロウ付け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（不図示）が形成され、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。この温度調節機構により、燃料改質条件に相当する２００〜８００℃程度の温度条件に調整することで、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から水素ガス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あるいは溶接法により基体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ロウ材により接合する場合は、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り、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、真空炉でのロウ材による封止や真空チャンバー内でのシームウェルド法で行なえば良い。

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を介して基体１に設けたリード端子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ーを加熱することができる。その結果、燃料改質器８において反応温度の維持が可能となり燃料の改質反応を安定させることができる。

燃料パイプ５ａおよび排出パイプ５ｂは、それぞれ原料や燃料ガス流体の供給路および水素を含有する改質ガスの排出路である。これらは、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，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。

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や蓋体４に形成した貫通穴に挿通して接合される。この接合方法として、燃料パイプ５ａおよび排出パイプ５ｂと基体１を構成する材料により、超音波接合や熱溶着、圧着、樹脂接着剤による接着、Ａｕ−ＳｉやＡｇ−Ｃｕ等のロウ材による接合、硼珪酸ガラス等のガラスによる接合、同時焼結等の各種方法が適宜用いられる。

また、燃料パイプ５ａおよび排出パイプ５ｂの内径は、流体の圧力損失を抑えるという観点からはφ（直径）０．１ｍｍ以上が好ましい。また、燃料パイプ５ａおよび排出パイプ５ｂの外径は、小型化，低背化の観点からは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。すなわち、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、正方形状，長方形状が挙げられる。また、肉厚は原料や改質ガス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や各種セラミックス，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，Ａｕ−Ｇｅ，Ａｇ−Ｃｕ合金等の各種ロウ材から成るものを用いる接続方法が適用でき、これにより気密封止される。

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されても良い。

また、図１に示した例において、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は単数であっても良い。

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・・・・・配線（リード端子）
４・・・・・蓋体
５ａ・・・・供給路（燃料パイプ）
５ｂ・・・・排出路（排出パイプ）
８・・・・・燃料改質器
９・・・・・台座
１０・・・・燃料改質器収納用容器

Claims (2)

1. 燃料から水素ガスを含む改質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金属から成るばね状の台座と、前記燃料改質器に前記燃料を供給する供給路と、前記改質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。
2. 請求項１記載の燃料改質器収納用容器と、前記台座に載置された前記燃料改質器と、前記凹部を覆って取着された前記蓋体とを具備していることを特徴とする燃料改質装置。

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