JP2005285742A - 改質器及びこれを利用する燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 改質ガス生成のための反応熱の断熱性を更に向上させることができる燃料電池システムの改質器及びこれを採用する燃料電池システムを提供する。また、断熱部を接合する部分に部分的に分布する熱残留応力を、均一に分散させることができる燃料電池システムの改質器及びこれを採用した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 本発明は、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて燃料から改質ガスを発生させる改質反応部２１と、改質反応部２１全体を覆って、互いに対向配置される第１及び第２断熱層６１、６２とこれらの間に配置されるスペーサ６４で構成される断熱部６０を含んで構成される。このように構成される本発明によると、改質ガス生成のための反応装置の断熱性能を更に向上させることができ、改質部２１表面に部分的に分布する熱残留応力を均一に分散させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは燃料電池システムに用いられる改質器の断熱構造に関する。

周知のように、燃料電池は、メタノールや天然ガスなどのような炭化水素系列の物質内に含まれている水素と酸素または酸素を含んだ空気の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。燃料電池は、燃焼過程がなく、水素と酸素の電気化学的反応によって生成される電気と、その副産物である熱を同時に用いることができる特徴を有する。

この燃料電池は、用いられる電解質の種類によって、１５０〜２００℃位で作動するリン酸型燃料電池、６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池、及び常温〜１００℃以下で作動する高分子電解質型及びアルカリ型燃料電池などに分類される。これらの燃料電池は根本的に同じ原理で作動するが、用いられる燃料の種類、運転温度、触媒、及び電解質などが異なる。

これらのうち、近年開発されている高分子電解質型燃料電池（または、ＰＥＭＦＣ：高分子電解質膜型燃料電池）は、他の燃料電池に比べて出力特性が特に優秀で、作動温度が低く、迅速な始動及び応答の特性を有しており、メタノール、エタノール、天然ガスなどを改質して作る水素を燃料として使用し、自動車のような移動体に用いる電源としては論ずるまでもなく、住宅、公共建物などに使われる分散用電源及び電子機器用小型電源などとして、その応用範囲が広いという長所を有する。

このようなＰＥＭＦＣは、スタック、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを基本的に備える。スタックは燃料電池の本体を形成し、燃料ポンプは燃料タンク内の燃料をスタックに供給する。また、燃料電池は、燃料タンクに貯蔵された燃料をスタックに供給する過程において、燃料を改質し、水素ガスを発生させ、その水素ガスをスタックに供給する改質器を更に含む。

したがって、このＰＥＭＦＣは燃料ポンプの作動で燃料タンク内の燃料を改質器に供給し、改質器で燃料を改質して水素ガスを発生させ、スタックは、水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。

この改質器は、水素を含有する液状の燃料と水を水素ガスに転換するだけでなく、燃料電池を劣化させて寿命を短縮する要因である一酸化炭素のような有害物質を除去する装置でもある。改質器は、燃料を改質して水素ガスを発生させる改質部と、水素ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去部を含む。

改質部は、水蒸気改質、部分酸化、自熱（オートサーマル）反応などの触媒反応を燃料に施して、燃料を水素の豊富な改質ガスに転換する。一酸化炭素除去部は、水性ガス転換法、選択的酸化法などの触媒反応、または分離膜を利用した水素精製などの方法で、改質ガスから一酸化炭素を除去する。

従来の燃料電池システムの改質器において、改質部は、燃料と空気の酸化触媒反応を誘導して燃焼熱を発生させる発熱反応部と、燃焼熱を受け取って燃料の改質触媒反応を誘導し水素ガスを発生させる吸熱反応部とで構成される。

したがって、改質部において、吸熱反応部が発熱反応部から所定の反応熱を受け取り、液状の燃料と水の混合燃料を改質触媒反応させて水素の豊富な改質ガスを発生させる。このような改質器は、改質部で発生する熱が流出しないよう、断熱部を更に備えて水素ガス生成反応効率を向上させることが可能である。

しかし、従来の燃料電池システムに用いられる改質器において、断熱部は改質部の表面に接触配置される単一層で構成される。したがって、断熱層を通じた熱伝導経路が短いため、改質部の表面からの熱伝導量が大きいという問題点がある。

また、従来の燃料電池システムにおいて、改質器が反復的に駆動されるため、改質部の表面に熱残留応力が発生し、このような熱残留応力が改質部の表面に部分的に集中する。したがって、改質部の表面に対する断熱部の接合性が弱まる問題点がある。

本発明の目的の一つは、改質ガス生成のための反応熱の断熱性を更に向上させることができる燃料電池システムの改質器及びこれを採用する燃料電池システムを提供することである。

本発明の他の目的は、断熱部を接合する部分に部分的に分布する熱残留応力を、均一に分散させることができる燃料電池システムの改質器及びこれを採用した燃料電池システムを提供することである。

本発明の一実施例によると、本発明は水素を含有する燃料から水素を発生させる改質反応部と、前記改質反応部全体を覆う断熱部と、を含んで構成され、前記断熱部が、互いに対向配置される第１及び第２断熱層と、前記第１及び第２断熱層の間に配置される一つ以上のスペーサで構成される。

前記スペーサは、真空状態の多孔性ブロックの場合もあれば、前記スペーサの各々は中空型柱の場合もあり、好ましくは前記柱の中空部が真空状態であり、更に好ましくは前記スペーサの内部が真空状態である中空型六角柱である。

前記スペーサは、連続的に密着配置されて蜂巣状構造を構成することもでき、前記スペーサを、均一な所定パターンに離隔配置することも可能である。

また、前記スペーサの隔壁部が多孔性でもよいが、前記スペーサの各々がソリッド型柱でもよい。

前記ソリッド型スペーサが、円柱、楕円柱、三角柱、四角柱または六角柱のうちのいずれか一つでもよいが、好ましくは六角柱がよい。

前記ソリッド型スペーサが、互いに離隔配置されて所定パターンを形成し、好ましくは前記パターンが蜂巣状構造であり、更に好ましくは前記蜂巣状構造内部が真空状態である。つまり、ソリッド型スペーサ間の空間が真空状態でもよいが、前記スペーサが多孔性柱であってもよい。

前記断熱部が、前記改質反応部全体を覆う少なくとも１つ以上のブロックで構成することが出来る。

前記断熱部が、セラミック、ステンレスまたはアルミニウムからなる群より選択される少なくとも一つの材料で形成されてもよい。

前記断熱部は、前記第１及び第２断熱層のうちの少なくとも何れか一つの断熱層とスペーサの間に第３断熱層を更に備える事も出来る。

前記第３断熱層は、好ましくはガラス繊維で構成できる。

一方、本発明の他の実施例によると、前記改質反応部は、酸化触媒反応によって熱を発生させる第１反応部；及び前記第１反応部から発生する熱を吸収して気化した混合燃料を、改質触媒反応を通して改質ガスを発生させる第２反応部を含んで構成することも出来る。前記改質反応部は、少なくとも一つの一酸化炭素低減部と連結する事が出来る。

一方、本発明の好ましい実施例が適用される燃料電池システムは、改質ガスを発生させる改質器；前記改質ガスを反応させて電気エネルギーを発生させるスタック；前記改質器に燃料を供給する燃料供給部；及び前記改質器及びスタックに空気を供給する空気供給部を含み、前記改質器が、前記燃料から改質ガスを発生させる改質反応部と、前記改質反応部全体を被覆し互いに対向配置される第１及び第２断熱層と、これらの間に配置されるスペーサから構成された断熱部で構成する事も出来る。

前記燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池方式で構成する事も出来る。

前記燃料電池システムに用いられた改質部の断熱部は、各々中空型六角柱であり、前記六角柱の中空部が真空状態であるスペーサを備え、互いに隣接したスペーサの隔壁部が密着されて蜂巣状構造を構成することも出来る。

本発明における燃料電池システムによると、改質反応部から外部に放出される熱伝達量を顕著に減らすことができ、改質器の断熱性能が更に向上する。これによって全体的な改質器の熱効率及び反応効率を更に向上できる効果がある。

また、本発明における燃料電池システムによると、断熱部と改質反応部間の接合性を強化できるため、改質器の断熱性能を更に向上できる効果がある。

以下、添付図面に基づき本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

本発明のシステムでは、水素を含有する燃料を改質して水素の豊富な改質ガスを発生させ、改質ガスと酸素との電気化学的反応により生じる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高分子電解質型燃料電池方式を採用する。

図１は、本発明の好ましい実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。

図１を参照すると、本発明による燃料電池システム１００は、基本的に、水素含有燃料を改質して水素の豊富な改質ガスを生成する改質器２０、改質器２０により生成される改質ガスと酸素の電気的化学反応により電気エネルギーを発生させるスタック１０、燃料を改質器２０に供給する燃料供給部３０、スタック１０と改質器２０に空気を各々供給する空気供給部４０を含んで構成される。

本発明による燃料電池システム１００において、電気を生成するための実質的な燃料としては、メタノール、エタノール、天然ガスなどのような炭化水素系列の液状水素燃料以外に、水及び酸素が更に含まれる。この中で、液状の水素燃料と水を、以下の説明では混合燃料と定義する。

本発明による燃料電池システム１００は、改質ガスと空気をスタック１０に供給し、空気中の酸素と改質ガスの電気的化学反応により電気を発生させることができる。

また、本発明による燃料電池システム１００は、各々別途に貯蔵された酸素ガスと改質ガスをスタック１０に供給する事も出来る。以下、空気中の酸素を取り上げて説明する。

燃料供給部３０は、液状の水素燃料を貯蔵する第１タンク３１と、水を貯蔵する第２タンク３２と、第１タンク３１及び第２タンク３２に各々連結設置される燃料ポンプ３３を備える。空気供給部４０は空気を吸入する空気ポンプ４１を含む。

図２は、図１に示した改質器の構造を示す断面図である。

図１及び図２を参照すると、本発明による燃料電池システム１００に適用される改質器２０は、混合燃料から水素の豊富な改質ガスを発生させる改質反応部２１を含む。改質反応部２１の外周面には、改質反応部２１から発生する熱エネルギーの外部放出を遮断するため、断熱部６０が配置される。

改質反応部２１は、混合燃料を燃焼させて所定温度の反応熱を発生させる第１反応部２２と、反応熱を吸収して混合燃料から改質ガスを発生させる第２反応部２３を備える。

第１反応部２２は、改質ガス生成に必要な熱源を発生させる発熱部であり、混合燃料を酸化触媒反応により燃焼させる。

第１反応部２２は、混合燃料と空気が流動する流路チャンネル（図示せず）を有するプレートタイプが好ましい。

流路チャンネルには、混合燃料と空気の酸化触媒反応を促進させる酸化触媒層（図示せず）が形成されている。この時、第１反応部２２と燃料供給部３０の第１タンク３１は、第１供給ライン５１により連結できる。また、第１反応部２２と空気供給部４０は第２供給ライン５２により連結できる。

第１反応部２２は、酸化触媒反応によって燃焼する燃焼ガスと、未反応混合燃料及び空気を改質器２０の外部に排出させる排出ライン５９が連結されてもよい。

第２反応部２３は、第１反応部２２で発生する反応熱を吸収して混合燃料を気化させる役割と、水蒸気改質触媒反応により気化される混合燃料から水素の豊富な改質ガスを発生させる役割をする。

第２反応部２３は、混合燃料が流動する流路チャンネル（図示せず）を有するプレートタイプが好ましく、第１反応部２２に密接な積層構造を有する。

流路チャンネルには、混合燃料の改質触媒反応を促進させる触媒層（図示せず）が形成されている。この時第２反応部２３と燃料供給部３０の第１及び第２タンク３１、３２は、第３供給ライン５３により連結できる。

本発明はプレートタイプに限定することなく、円筒形タイプの場合もある。つまり、第１反応部２２が、円筒形反応容器の内部に酸化触媒層を有し、第２反応部２３も円筒形反応容器の内部に改質触媒層を備える事も出来る。また、第１反応部２２と第２反応部２３を所定流路により連結出来る。また、第１反応部２２の外部または内部に第２反応部２３を配置出来る。

一方、本実施例において、改質器２０は、スタック１０と改質反応部２１の間に少なくとも一つ以上の一酸化炭素低減部２４を配置することも出来る。

つまり、一酸化炭素低減部２４は、水性ガス転換触媒反応により、改質ガスの一酸化炭素濃度を１次的に低減させる第１反応容器と、選択的酸化触媒反応を通じて改質ガスの一酸化炭素濃度を２次的に低減させる第２反応容器を備え、第１及び第２反応容器を所定の流路に連結設置することも出来る。

更に具体的には、一酸化炭素低減部２４は、図２に示すように、改質反応部２１と連結される円筒形反応容器２５と、反応容器２５の内部に形成される水性ガス転換触媒層または一酸化炭素選択酸化触媒層（図示せず）を含んで構成できる。

反応容器２５は、改質反応部２１から排出される改質ガスが流入する流入口２５ａと、一酸化炭素の濃度が低減された改質ガスをスタック１０に排出する流出口２５ｂを備える。反応容器２５の流入口２５ａと改質反応部２１の第２反応部２３は、第４供給ライン５４によって連結でき、反応容器２５の流出口２５ｂとスタック１０は、第５供給ライン５５によって連結出来る。

図３は、図１で示したスタック構造の分解斜視図である。

図１及び図３を参照すると、本発明による燃料電池システム１００に適用されるスタック１０は、改質器２０によって改質される改質ガスと空気中に含まれている酸素の酸化／還元反応を通じて電気エネルギーを発生させる複数の電気生成部１１が積層された構造を有する。

より詳細に説明すると、それぞれの電気生成部１１は、基本的には、膜電極アセンブリー１２と、膜電極アセンブリー１２両側面に配置されたセパレータで構成された最小単位セルを形成する。しかし、単位セルが複数個、直列に配備され、本実施例のような積層構造のスタック１０を形成する場合には、スタック１０の最も外側には端板１３と称するセパレータが配置され、中間のセパレータには基本構造のセパレータ２個を一体化したセパレータ１６が配置される。

膜電極アセンブリー１２は、両側面に配置されたアノード電極、カソード電極と両電極に挟まれた電解質膜を備える。アノード電極は、改質ガスを酸化反応させ、水素イオンを発生する。水素イオンは、電解質膜を通じてカソード電極に移動する。カソード電極では、水素イオン、電子及び酸素を還元させて水を生成する。

セパレータ１６は導電材料で形成され、膜電極アセンブリー１２で酸化／還元反応させる改質ガスと空気を、一方の側に接する膜電極アセンブリー１２のアノード電極と、他方の側に接する膜電極アセンブリー１２のカソード電極に、各々分流供給する通路（チャンネル１７）を形成する。また、セパレータ１６の両面に接する前記アノード電極とカソード電極を直列に連結させる導電体の役割を果たす。より具体的には、セパレータ１６の両面に備えられるチャンネル１７は、アノード電極に対向する面に形成される水素ガス用通路と、カソード電極に対向する面に形成される空気用通路になる。

一方、端板１３はスタック１０の右側と左側に１枚ずつあって、右側には改質ガスを水素通路に供給する第１注入部１３ａと、空気を空気通路に供給する第２注入部１３ｂを備え、左側には未反応水素ガスを排出させる第１排出部１３ｃと、未反応空気を排出させる第２排出部１３ｄを備える。第１注入部１３ａは、第５供給ライン５５によって一酸化炭素低減部２４と連結出来る。第２注入部１３ｂは、第６供給ライン５６によって空気供給部４０と連結出来る。

以下、本発明の好ましい実施例における改質器２０の断熱構造について図２及び図４乃至図８を参照に、更に詳細に説明する。図４は、改質器の断熱部に用いられる様々なスペーサの拡大斜視図であり、図５は、図１に示した断熱部の部分切開斜視図であり、図６乃至図８は、図１に示した断熱部の変形例を示す。

図２及び図４を参照すると、本実施例による断熱部６０は、改質反応部２１全体を囲む第１断熱層６１と、第１断熱層６１と互いに対向配置される第２断熱層６２、第１断熱層６１と第２断熱層６２の間に配置されるスペーサ６４を含んでいる。

断熱部６０は、比較的に熱伝導度が低い断熱素材、例えば、ジルコニウム、ステンレスのような低伝熱材、アルミニウムのように熱線反射率の高い材料などの金属断熱素材、またはセラミックのような非金属断熱素材、更には耐熱性有機材料（例えば、デュポン社のカプトン）などを主要材料として形成出来る。

第１断熱層６１は、改質反応部２１の外面全体を実質的に被覆して、第１反応部２２及び第２反応部２３を被覆するように配置される。第２断熱層６２と第１断熱層６１の間には、スペーサ６４を配置し、互いに所定間隔離隔する。

スペーサ６４は、低熱伝導性の板でも良いが、図４の（ａ）〜（ｆ）に示すような、中空六角柱、多孔性中空六角柱、多孔性ソリッド六角柱、ソリッド六角柱、中空円柱、中空四角柱、または三角柱（図示せず）で形成する場合も容易に考えられ、このような形状・性質の分類は、柱の横断面形状（多角、円、長円）、縦断面形状、中空部の有無、中空部端部の閉鎖・開放、材料が多孔質か否か、材質（熱伝導性、電気伝導性、耐熱性、耐薬品性、変形容易性）の好みなど、多くの要因を如何に組み合わせるかによって無数の選択肢がある。好ましくは、スペーサ６４は多孔性材料で作ることもできる。より好ましくは、中空形に作ることであり、最も好ましい形としては、図４ａに示したような中空型六角柱である。

以下、断熱部６０の実施例及び変形例を示す図５乃至図７では、中空型六角柱であるスペーサ６４を用い、柱状スペーサ６４の横断面が断熱層６１、６２と平行に配置される断熱部の構造について説明するが、本発明はこのような構造に限定されず、柱状スペーサ６４の横断面を断熱層６１、６２に垂直、つまり柱の中心軸を断熱層と平行、に配置してもよい。どの構造が好ましいかは、所定の寸法を有し、所望の機械的強度を実現する諸構造のうちで、断熱性の良い物、製作経費の少ない物を選べばよいことである。

図５を参照すると、スペーサ６４の横断面が均一な正六角形をしており、所定パターンで配置されている。ここでスペーサ６４自体が中空型六角柱形をしており、中空型柱の外郭である隔壁部が中空部を取り囲んでいる閉鎖型セル６５が連続配置される蜂巣状構造になっている。

セル６５の両端が第１及び第２断熱層６１、６２によって閉鎖され、セル６５の内部空間６６は真空状態を維持する。一方、スペーサ６４がソリッド型である場合には、スペーサ６４内部に中空部がなく緻密な構造であり、スペーサ６４が連続して密着されないで互いに離隔しなければならないため、図５のような配置にはならない。

図６において、スペーサ６４が、所定パターンをもって互いに離隔配置されている。スペーサ６４の端部横断面は、第１及び第２断熱層６１、６２によって閉鎖され、スペーサ６４内部の空間６６及びスペーサ６４が作る所定パターンのセル６５間の空間が真空状態を維持する。

ここで短い正六角筒を蜂巣状に並べて、筒の両端を第１及び第２の断熱層で閉じた真空構造体の製作方法を記す。第１工程では、筒端に接着剤を塗布した正六角筒を蜂巣状に並べて第１断熱層の面上に配置し接着する。第２工程では、一端を第１断熱層で閉じて他端にも接着剤を塗布した蜂巣状構造体と第２断熱層とを組立て接着する態勢で真空容器に納める。第３工程では、真空容器内部を真空にした後、蜂巣状構造体と第２断熱層を組立て接着して加熱し、重合接着させる。重合接着完了後に接着構造体を真空容器から取り出して完成とする。この工程で用いる接着剤は、非揮発性で熱重合型の物質が望ましい。

次に、変形された実施例について記す。スペーサ６４は、多孔性材料で形成することも出来る。一方、スペーサ６４が、ソリッド型である場合には、スペーサ６４全体が、隔壁の役割を果たして隔壁内部にセル６５が形成され、セル６５間の複数のスペーサ６４で囲まれた空間が真空状態を維持するよう配置される。

特に本変形例において、スペーサ６４は、蜂巣状のセル６５を作ることで第１及び第２断熱層６１、６２との接触面積を最少化できる。また、各セル６５の内部空間６６が、真空状態のため第１断熱層６１と第２断熱層６２間の熱伝達量を減少させることができる。スペーサ６４は、セル６５の構造により、第１断熱層６１に均一に加圧し、断熱部６０に加わる外力を均一に分散させることができる。

本実施例において、断熱部６０は、改質反応部２１から発生する熱を第１断熱層６１により１次遮断し、スペーサ６４の内部空間またはスペーサ６４が作るセル６５の内部真空空間６６及び第２断熱層６２により２次的に遮断するため、結果的に第２断熱層６２を通じて外部に放出される熱伝達量が最少となる。つまり、断熱部６０は、第１及び第２断熱層６１、６２の間に配置される蜂巣状のスペーサ６４と、内部空間６６が真空状態であるセル６５があるため、第１断熱層６１と第２断熱層６２の熱伝逹経路を大幅に減らすことができる。したがって、改質反応部２１の反応熱が外部に流出されることを効果的に防止するため、改質器２０全体の熱效率及び反応効率を更に向上できる。

また、本実施例において、断熱部６０は、蜂巣状のスペーサ６４が第１断熱層６１を均一に加圧するため、改質器２０が反復的にも駆動されても改質反応部２１の表面に作用する熱残留応力を均一に分散させることができる。したがって、断熱部６０と改質反応部２１の接着が劣化するという問題点を解決できる。

断熱部６０は、改質反応部２１の外面全体を被覆するため、二つ以上に分割されたブロック６０Ａから作ることもできる。つまり、断熱部６０は前記のように、同一構造の複数のブロック６０Ａを改質反応部２１の外形に対応するよう配置する事も可能である。

例えば、改質反応部２１が六面体である場合、それぞれのブロック６０Ａは六面体を被覆できる六枚の板状に分割されたものである。しかし、このような構造に限定されることなく、改質反応部２１の形状によって様々な形態に変形出来る（図５参照）。この時、断熱部６０を金属断熱素材から生成する場合、ブロック６０Ａの継ぎ合わせ部を溶接することで互いに接合できる。また、断熱部６０を非金属断熱素材から作る場合、接着剤などでブロック６０Ａの継ぎ合わせ部を互いに接合出来る。

図７において、第１及び第２断熱層６１、６２のうちのいずれか一つの断熱層の一例として、第２断熱層６２とスペーサ６４間に第３断熱層６３が位置する断熱部７０を構成する。

第３断熱層６３は、改質反応部２１から第２断熱層６２を通じて放出される熱を付加的に遮断することで、断熱部７０の断熱性能を更に補強する役割を果たす。第３断熱層６３は、通常の低伝熱素材であるガラス繊維を用いることも出来る。また、このような構造に限定されないで、第１断熱層６１とスペーサ６４間に前記断熱部７０が配置されることもあれば、第１及び第２断熱層６１、６２とスペーサ６４間に各々位置する事も出来る。

したがって、断熱部７０は、改質反応部２１から発生する熱を、第１断熱層６１を通じて１次的に遮断し、スペーサ６４からなるセル６５の真空空間６６及び第２断熱層６２により熱を２次的に遮断する。更に、第３断熱層６３を通じて熱を付加的に遮断するので、第２断熱層６２を通じて外部に放出される熱が最少化する。したがって、断熱部７０が、第１断熱層６１から第２断熱層６２に伝達する微量の熱も、第３断熱層６３により遮断することができるため、断熱性能が更に向上する。

一方、図８には、本発明の断熱部の変形例を示しており、第２断熱層６２と第１断熱層６１間に多孔性パネル状のスペーサ６４の配置も可能である。パネル状スペーサ６４は、第１及び第２断熱層６１、６２の面積・形状に従って形成される。また、パネル型スペーサ６４の上下面には、少なくとも１個以上の開放半球６６ａが形成され、その内面にも気孔が形成されている。したがって、第１及び第２断熱層６１、６２に対する実際スペーサ６４の接触面積は非常に小さく形成される。また、スペーサ６４に形成されたキャビティ６６は真空状態を維持する。なお、前記の開放半球６６ａについて補足すると、多孔性パネルのスペーサ６４は、閉鎖性気孔の出来ることが多く、多孔性原材料からスペーサ６４を切り出す時にパネル面に生じる多くの凹部を開放半球と呼ぶ。

一方、図２に示すように、断熱部６０は、第１及び第２連結座６７ａ、６７ｂを備える。第１及び２連結座６７ａ、６７ｂは第１及び第２供給ライン５１、５２によって第１反応部２２と第１タンク３１と、第１反応部２２と空気ポンプ４１を連結する。

また、断熱部６０は、第３及び第４連結座６７ｃ、６７ｄを備える。第３及び第４連結座６７ｃ、６７ｄは、第３及び第４供給ライン５３、５４によって第２反応部２３と第１及び第２タンク３１、第２反応部２２と一酸化炭素低減部２４を連結する。また、断熱部６０は、第５連結座６７ｅを備え、排出ライン５９によって第１反応部２２と連結される。

前記のように構成される本発明の実施例による燃料電池システムの動作を詳細に説明する。

まず、燃料ポンプ３３を稼動させ、第１タンク３１に貯蔵された液状水素燃料を、第１供給ライン５１を通じて第１反応部２２に供給する。これと同時に、空気ポンプ４１を稼動させ、第２供給ライン５２を通じて空気を第１反応部２２に供給する。第１反応部２２で、水素燃料と空気が酸化触媒反応し、所定の反応熱を発生させる。この時第１反応部２２で発生した燃焼ガス、未反応燃料及び未反応空気は排出ライン５９を通じて改質器２０の外部に排出される。

次に、燃料ポンプ３３を稼動させて、前記第１タンク３１に貯蔵された燃料と第２タンク３２に貯蔵された水を、第３供給ライン５３を通じて第２反応部２３に供給する。この時、第２反応部２３は、第１反応部２２の反応熱を受け取るため、所定温度の予熱状態となる。前記第２反応部２３で水蒸気改質触媒反応により、混合燃料（液状の水素燃料）と水の分解反応と一酸化炭素の変性反応が同時進行され、二酸化炭素と水素を含有した改質ガスが生成される。この時、前記第２反応部２３は、一酸化炭素の完全変性反応を起こせないため、副生成物としての一酸化炭素を微量含む改質ガスを生成する。

このような過程の間、改質反応部２１の反応熱は、本実施例の断熱部２６によって遮断されるので、外部に放出されないようになる。

次に、第１反応部２２で発生する改質ガスを、第４供給ライン５４を通じて一酸化炭素低減部２４の反応容器２５に供給する。この時、改質ガスは燃料ポンプ３３により反応容器２５に供給できる。反応容器２５では、水性ガス転換触媒反応または選択的酸化触媒反応により改質ガスに含まれている一酸化炭素濃度が低減する。

次に、一酸化炭素の濃度が低減した改質ガスを、第５供給ライン５５を通じてスタック１０の第１注入部１３ａに供給する。この時、改質ガスは、燃料ポンプ３３によりスタック１０の第１注入部１３ａに供給される。

これと同時に、空気ポンプ４１を稼動させて、空気を第６供給ライン５６を通じてスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。

したがって、改質ガスが、セパレータ１６を通じて膜電極アセンブリー１２のアノード電極に供給され、空気がカソード電極に供給される。改質ガスが、アノード電極に流入されれば、アノード電極の触媒層で酸化反応を通じて、水素を電子とプロトン（水素イオン）に分解する。水素イオンは、電解質膜を通じてカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通じては移動しないで導線を通じてカソード電極に移動し、電流を発生させる。また、カソード電極の触媒層では、水素イオンと電子は還元反応を通じて水を生成する。

以上発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能で、これも本発明の範囲に属するものみなすべきである。

本発明の好ましい実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。 図１に示した改質器構造を示す断面図である。 図１に示したスタック構造を示す分解斜視図である。 スペーサの斜視図であり、（ａ）〜（ｆ）に様々な形態を示す。 図１に示した断熱部の部分切開斜視図である。 本発明の好ましい実施例に用いられた断熱部の変形例を示す部分切開斜視図である。 本発明の好ましい実施例に用いられた断熱部の変形例を示す部分切開斜視図である。 本発明の好ましい実施例に用いられた断熱部の変形例を示す部分切開斜視図である。

符号の説明

１０ スタック、
１１ 電気生成部、
１２ 膜電極アセンブリー、
１３ 端板、
１３ａ 第１注入部、
１３ｂ 第２注入部、
１３ｃ 第１排出部、
１３ｄ 第２排出部、
１６ セパレータ、
１７ チャンネル、
２０ 改質器、
２１ 改質反応部、
２２ 第１反応部、
２３ 第２反応部、
２４ 一酸化炭素低減部、
２５ 円筒形反応容器、
２５ａ 亜流入口、
２５ｂ 流出口、
２６ 断熱部、
３０ 燃料供給部、
３１ 第１タンク、
３２ 第２タンク、
３３ 燃料ポンプ、
４０ 空気供給部、
４１ 空気ポンプ、
５１ 第１供給ライン、
５２ 第２供給ライン、
５３ 第３供給ライン、
５４ 第４供給ライン、
５５ 第５供給ライン、
５６ 第６供給ライン、
５９ 排出ライン、
６０ 断熱部、
６０Ａ ブロック、
６１ 第１断熱層、
６２ 第２断熱層、
６３ 第３断熱層、
６４ スペーサ、
６５ 閉鎖型セル、
６６ 内部空間、
６６ａ 開放半球、
６７ａ 第一連結座、
６７ｂ 第２連結座、
６７ｃ 第３連結座、
６７ｄ 第４連結座、
６７ｅ 第５連結座、
７０ 断熱部、
１００ 燃料電池システム。

Claims (22)

1. 水素を含有する燃料から水素を発生させる改質反応部と、
   前記改質反応部全体を覆う断熱部と、
   を含み、
   前記断熱部が、互いに対向配置される第１及び第２断熱層と、前記第１及び第２断熱層の間に配置される少なくとも一つ以上のスペーサを含むことを特徴とする燃料電池システム用改質器。
2. 前記スペーサは、内部の真空状態が維持される多孔性パネルであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
3. 前記スペーサの各々は、中空型柱であり、前記柱の中空部が真空状態であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
4. 前記スペーサが六角柱であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム用改質器。
5. 互いに隣接する前記スペーサの隔壁部が密着されて、蜂巣状構造を構成することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム用改質器。
6. 前記スペーサが離隔配置されて所定パターンをなすことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム用改質器。
7. 前記スペーサの隔壁部が、多孔性であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム用改質器。
8. 前記スペーサの各々は、ソリッド型柱であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
9. 前記スペーサが、円柱、楕円柱、三角柱、四角柱または六角柱のうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム用改質器。
10. 前記スペーサが、互いに離隔配置されて所定パターンを形成することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム用改質器。
11. 前記パターンが蜂巣状構造であり、蜂巣状構造の内部が真空状態であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム用改質器。
12. 前記スペーサ間の空間が真空状態であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
13. 前記スペーサの各々は多孔性柱であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器
14. 前記断熱部が、前記改質反応部全体を覆う少なくとも１以上のブロックからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
15. 前記断熱部が、セラミック、ステンレスまたはアルミニウムからなる群より選択される少なくとも一つ以上の材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
16. 前記断熱部は、前記第１及び第２断熱層のうちの少なくとも何れか一つの断熱層とスペーサの間に第３断熱層が介在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
17. 前記第３断熱層がガラス繊維からなることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム用改質器。
18. 前記改質反応部は、
    酸化触媒反応によって熱を発生させる第１反応部と、
    前記第１反応部から発生する熱を吸収して気化した混合燃料を、改質触媒反応を通して改質ガスを発生させる第２反応部と、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
19. 前記改質反応部と連結される少なくとも一つの一酸化炭素低減部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム用改質器。
20. 改質ガスを発生させる改質器と、
    前記改質ガスを反応させて電気エネルギーを発生させるスタックと、
    前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と、
    前記改質器及びスタックに空気を供給する空気供給部と、
    を含み、
    前記改質器は、
    前記燃料から改質ガスを発生させる改質反応部と、
    前記改質反応部全体を覆って、互いに対向配置される第１及び第２断熱層と、
    これらの間に配置される少なくとも一つ以上のスペーサで構成される断熱部とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
21. 前記スペーサの各々は、中空型六角柱であり、前記六角柱の中空部が真空状態であり、互いに隣接する前記スペーサの隔壁部が密着配置されて、蜂巣状の構造を有することを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。
22. 前記燃料電池システムが、高分子電解質型燃料電池方式で構成されることを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。

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