JP2006244986A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電気化学反応によって電気を生成する単位電池が複数個設置されているスタックに水素ガスを供給するための改質器に水素含有燃料を噴射方式で供給する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素ガスと酸素ガスの電気化学反応によって電気を生成させる単位電池が複数個積層されているスタックと、水素含有燃料を改質して発生される水素ガスを前記スタックに供給する改質器と、前記改質器に供給しようとする水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と、前記スタックに空気を供給するための空気供給部と、前記燃料貯蔵部と改質器の間には流体疎通が可能に提供された噴射ノズル組立体を含み、前記噴射ノズル組立体は、前記燃料貯蔵部から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定し、前記燃料収容室に収容された水素含有燃料が流出される流出部を一端に具備しているハウジングと、前記燃料収容室に内蔵する噴射手段を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素ガスと空気の電気化学反応を通じて電気を生成する燃料電池システムに関し、より詳細には、電気化学反応によって電気を生成する単位電池が複数個設置されているスタックに水素ガスを供給するための改質器に水素含有燃料を噴射方式で供給する燃料電池システムに関する。
環境問題や資源問題を解決するための方案としてメタノール、エチルアルコールまたは天然ガスなどの炭化水素系列の燃料といった水素含有燃料を改質して得た水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて電気を生成する燃料電池に対する関心が集中されて来た。
このような燃料電池は、使われる電解質の種類によって燐酸型燃料電池(PAFC; phosphoric acid fuel cell)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC; molten carbonate fuel cell)、固体酸化物型燃料電池(SOFC; solid oxide fuel cell)、高分子電解質型燃料電池(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell)、アルカリ型燃料電池(AFC; alkaline fuel cell)などに分類される。
燃料電池は、その種類によって使われる燃料の原料に加えて作動温度や出力範囲などにより、移動電源用、輸送用、分散発電用などの多様な応用分野に適用することができる。
上述した種類の燃料電池のうち、高分子電解質型燃料電池は、出力特性が相対的に卓越して作動温度が低いだけでなく速い始動及び応答特性を持つ長所のため、最近開発研究されている。
高分子電解質型燃料電池は、水素ガスと酸素の化学反応によって電気を生成させる単位電池が複数個積層されているスタックと、水素含有燃料を改質して生成される水素ガスを前記スタックに供給する改質器と、前記改質器に水素含有燃料を供給する燃料供給部と、前記スタックに空気を強制的に供給するための空気供給部を含み、前記燃料供給部には水素含有燃料が貯蔵される貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクから水素含有燃料を前記改質器に供給するポンプが含まれる。
前記ポンプの作動によって貯蔵タンクから水素含有燃料が改質器に供給され、前記改質器で供給される水素含有燃料を改質して水素ガスを生成する。このような水素ガスはスタックに供給された後、スタック内部で空気中の酸素と化学反応し、その結果、電気が生成される。生成される電気は集電体を通じて外部回路に供給される。
しかし、従来の高分子電解質型燃料電池においては、水素含有燃料を改質器に円滑に供給するためにはポンプが作動しなければならず、その結果ポンプ作動によるノイズ及び震動発生、そして所要電力が大きいという問題点があった。
一方、従来の燃料電池システムに関する技術を記載した文献としては、下記特許文献１、２および３等がある。
特開２００３−０４８７０１号公報 特開２００１−２４７３０１号公報 特開２０００−０６３１０５号公報
したがって、本発明は前記従来の問題点を解決するために提案されたもので、その目的は、水素含有燃料を貯蔵タンクから改質器に供給する方式を燃料ポンプの駆動方式の代りに、噴射手段が内蔵されている噴射ノズル組立体の噴射方式として採択することで、燃料ポンプの駆動によるノイズ及び震動発生を防止しながら所要電力を節減することができ、または障害発生の際、これを効率的に修理することができる燃料電池システムを提供することである。
前記目的を果たすために本発明による燃料電池システムは、水素ガスと酸素ガスの電気化学反応によって電気を生成させる単位電池が複数個積層されているスタックと、水素含有燃料を改質して発生される水素ガスを前記スタックに供給する改質器と、前記改質器に供給しようとする水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と、前記スタックに空気を供給するための空気供給部と、前記燃料貯蔵部と改質器の間には流体疎通が可能に提供された噴射ノズル組立体を含み、前記噴射ノズル組立体は、前記燃料貯蔵部から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定し、前記燃料収容室に収容された水素含有燃料が流出される流出部を一端に具備しているハウジングと、前記燃料収容室に内蔵する噴射手段を含む燃料電池システムを提供する。
好ましくは、前記噴射手段は、前記ハウジング内部に設置される震動板、圧電素子、ヒータ、加熱板からなるグループより選ばれる一つである。
また、前記ハウジングの内表面には、改質触媒層が被覆され、好ましくは前記改質触媒層は前記流出部にも形成される。
また、前記ハウジングには前記燃料収容室に貯蔵された水素含有燃料を加熱するための加熱手段が提供される。
また、ハウジングが連結管で構成されている場合に前記噴射手段は、前記連結管内部の水素含有燃料に空気滴を生成する加熱板である。
上述したように、本発明の燃料電池システムによれば、燃料ポンプの駆動によるノイズ及び震動発生を防止しながら所要電力を節減することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本発明の説明のために使われる用語、例えば、後続工程で水素イオンと電子に容易に変換されるように水素含有燃料を予備処理する状態を意味する “準改質化状態(quasi-reforming state)”という用語は、説明の便宜のために定義されたものである。
したがって、本明細書で使われる用語は、当該分野に携わる技術者の意図または慣例などによって変わることもあり得るし、また本発明の技術的構成要素を限定する意味として理解されてはならない。
まず、本発明による燃料電池システムは、エチルアルコール、メタノールまたは天然ガスのような炭化水素系列の燃料を改質して生成される水素ガスをスタックに供給して電気を発生させる高分子電解質型燃料電池に適用される。
このような高分子電解質型燃料電池は、図１に図示されたように水素ガスと酸素の化学反応によって電気を生成する単位電池を具備したスタック１０と、水素含有燃料を改質して生成される水素ガスをスタック１０に供給する改質器５０と、改質器５０に供給される水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部２０と、スタック１０に空気を強制的に供給するための空気供給部３０を持つ。
図３を参照すれば、スタック１０には高分子膜１４ａ及び高分子膜１４ａの両側に提供された電極１４ｂ、１４ｃからなる電極膜組立体１４(MEA; Membrane Electrode Assembly)と、電極膜組立体１４の両側にそれぞれ対面する状態で設置されて水素ガスと酸素を供給する分離板で構成された単位電池が複数個備えられる。
前記分離板は、これに限定されないが、隣接する電極膜組立体１４の間に介装されて、その一面には水素ガスを供給する流路が形成され、その他面には酸素を供給する流路が形成されているバイポーラープレート１６からなることができる。
電極膜組立体１４において、電極はカーボンペーパのような多孔性支持体の上に触媒物質を塗布させることで製造され、水素含有燃料に含まれる水素ガスを酸化させて水素イオン(H+)と電子(e-)を発生させるアノード電極１４ｂと、酸化還元反応によって水を生成させるカソード電極１４ｃに区分される。
すなわち、アノード電極１４ｂはバイポーラープレート１６の一面に対面した状態で備えられて前記一面に形成された流路を通じて供給される水素ガスを酸化反応によって水素イオンと電子に変換せる触媒層と、前記水素ガスが前記触媒層に均一に分散するように作用しつつ二酸化炭素を外部に排出させる気体拡散層(GDL; gas diffusion layer)で構成される。
これと同様に、カソード電極１４ｃはバイポーラープレート１６の他面に対面した状態で備えられて前記他面に形成された流路を通じて供給される空気中の酸素と水素イオンを化学反応させる触媒層と、酸素が前記触媒層に均一に分散されるように作用しつつ前記化学反応によって生成される水を外部に排出させるための気体拡散層で構成される。
そして、高分子膜１４ａはアノード電極１４ｂの触媒層で発生された水素イオンをカソード電極１４ｃの触媒層に伝達するイオン交換の機能とともに、水素含有燃料の透過を防止する機能を持つ伝導性高分子電解質膜で約50〜200um程度の厚さを持つ。
このような高分子膜14aとしては、例えばポプルオロセルポーネイト樹脂（Nafion）で製造された過不化フッ素酸樹脂膜、多孔性ポリテトラプルオロエチレン薄膜支持体に過不化スルホン酸(perfluorinated sulfonic acid) などの樹脂溶液がコーティングされている膜、多孔性の非伝導性高分子支持体に陽イオン交換樹脂及び無機シリケイトが被覆されている膜などが使用される。
一方、スタック１０の最外側には、エンドプレート１２ａ、１２ｂが提供される。アノード電極１４ｂとカソード電極１４ｃに対面するエンドプレート１２ａ、１２ａの接触面には、水素含有燃料と酸素が流動することができる燃料流路チャンネルと酸素流路チャンネルがそれぞれ形成される。
アノード電極１４ｂに対面するエンドプレート１２ａの外側面には、これに限定されないが水素含有燃料が流入される第1流入部１０ａと、スタック１０内部の単位電池での化学反応の結果生成されるD.C（直流）電気を外部に給電するための出力端子１０ｃが提供される。
カソード電極１４ｃに対面するエンドプレート１２ｂの外側面には、空気が流入される第２流入部１０ｂと、二酸化炭素及び水をそれぞれ外部へ排出するための排出部１０ｄが提供される。
スタック１０内部において、一つの単位電池を構成するバイポーラープレートの一面に形成された燃料流入部は、他の単位電池を構成するバイポーラープレートの一面に形成された燃料流入部と燃料疎通が可能に連結される。
同様に、一つの単位電池を構成するバイポーラープレートの他面に形成された酸素流入部は、他の単位電池を構成するバイポーラープレートの他面に形成された酸素流入部と酸素の疎通が可能に連結される。また、エンドプレート１２ａ、１２ｂそれぞれに形成された第１流入部１０ａと第２流入部１０ｂは、隣接する単位電池を構成するバイポーラープレートの一面に形成された燃料流入部とバイポーラープレートの他面に形成された酸素流入部と燃料疎通及び酸素疎通が可能にそれぞれ連結される。
未説明の図面番号２０は、エチルアルコール、メタノール、天然ガスといった炭化水素系列の水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部で、図面番号３０は空気をスタック１０に強制的に供給するためのポンプを含む空気供給部である。
スタック１０の前方に設けられた改質器５０は、メタノール、エチルアルコールまたは天然ガスのような炭化水素系列の水素含有燃料を改質反応によって水素ガスを発生させ、また、副産物として生成される一酸化炭素のような有害物質をとり除く一般的な構造を持つ。すなわち、改質器５０は水素含有燃料を改質する改質部と、前記改質部で発生される一酸化炭素をとり除く一酸化炭素除去部(図示せず)を含む。
改質器５０の改質部は、水蒸気改質、部分酸化、自動熱反応（Autothermal Reaction:ATR）などの触媒反応を通じて水素含有燃料を水素ガスに転換させる部分であり、水素含有燃料が流入される流入口と、水素含有燃料を改質した結果生成される水素ガスをスタック１０に流出させる流出口を持ち、前記流入口と流出口の間には水素含有燃料が流動しながら気化して改質される流路５０ａが形成される。
前記一酸化炭素除去部は、流路５０ａで生成される水素ガスから水性ガス転換方式（Water Gas Shift Method:WGS）と選択的酸化方式(Preferential Oxidation:PROX)といった触媒反応または分離膜を利用した水素の精製などのような方式によって一酸化炭素をとり除く部分である。
この時、本発明によれば、高分子電解質型燃料電池は改質器５０の流入口前方に設置されて燃料貯蔵部２０から提供される水素含有燃料を改質器５０に噴射方式で供給するための噴射ノズル組立体４０をさらに含み、噴射ノズル組立体４０の内部にはこれに限定されないが下記で説明される噴射手段４０−１ないし４０−４が設置される。
図２を参照すれば、噴射ノズル組立体４０は、水素含有燃料が収容される燃料収容室Ａを画定するハウジング４２を持ち、ハウジング４２の一端には水素含有燃料が外部、すなわち、燃料貯蔵部２０から燃料収容室Ａに流入される流入口４０ａが形成され、ハウジング４２の他端には燃料収容室Ａから改質器５０に水素含有燃料が流出される流出部４０ｂが形成される。
燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を流出部４０ｂを通じて改質器５０に流出させるために燃料収容室Ａには噴射手段が提供される。この時、前記噴射手段は外部から印加される電源によって震動する震動板４０−１で構成することができる。
震動板４０−１は、外部から電源が印加されれば、例えば、点線で表示したように流出部４０ｂ側に湾曲するようになる。この時、震動板４０−１の前面、すなわち、燃料収容室Ａから流出部４０ｂ側に隣接して収容されている水素含有燃料は流出部４０ｂ側に押圧されて改質器５０に流出する反面、震動板４０−１の後面、すなわち、燃料貯蔵部２０から流入口４０ａを通じて水素含有燃料が流入する。
流出部４０ｂを通じて流出する水素含有燃料の流出量に比例する水素含有燃料の流入量が流入口４０ａを通じて燃料収容室Ａに流入する。
外部からの電源が遮断されれば、震動板４０−１は初期状態に復帰し、この時、震動板４０−１の後面に流入した水素含有燃料は、迂回流路(図示せず)を通じて震動板４０−１の前面に流動して燃料収容室Ａに収容される。
上述したような電源の印加/遮断が繰り返されることによって震動板４０−１は震動するようになり、これと連動して燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は流出部４０ｂを通じて断続的に流出する。
一方、噴射ノズル組立体１４０を構成する噴射手段は、震動板４０−１に限定されず、下記説明のように外部から電源が印加されれば変形する圧電素子４０−２(piezo actuator：図４参照)、外部から電源が印加されれば加熱されるヒータ４０−３(heater：図５参照)または加熱板４０−４(heating plate：図６参照)で構成することができる。
図４を参照すれば、圧電素子４０−２は外部から電源が印加されることによって変形するようになり、これと連動して燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は流出部４０ｂを通じて改質器５０に流出する。そして、流出部４０ｂを通じる水素含有燃料の流出量に比例して流入口４０ａを通じて燃料貯蔵部２０の水素含有燃料が燃料収容室Ａに流入する。
また、図５を参照すれば、ヒータ４０−３は外部から電源が印加されれば急速に加熱され、この時燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料には気泡４０−３ａが発生するようになる。このような気泡４０−３ａの膨張力によって燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は流出部４０ｂを通じて改質器５０に流出する。
そして、流出部４０ｂを通じる水素含有燃料の流出量に比例して流入口４０ａを通じて燃料貯蔵部２０から水素含有燃料が燃料収容室Ａに流入する。
同じく、図６を参照すれば、外部から電源が印加されて加熱板４０−４が加熱されれば水素含有燃料が膨脹しながら空気滴４０−４ａまたは４０−４ｂが生ずる。そして、生成される空気滴４０−４ａまたは４０−４ｂの体積に応じて水素含有燃料は流出部４０ｂを通じて改質器５０に流出される。そして、電源が遮断されて加熱板４０−４が冷却されると減少する体積に応じて水素含有燃料が燃料貯蔵部２０から補充される。
以下、本発明の一実施形態による燃料電池システムの作動について説明する。
一つ以上の単位電池が設置されているスタック１０の第１流入口１０ａの前方に水素ガスを供給するための改質器５０が設置され、改質器５０と燃料貯蔵部２０の間に本発明による噴射ノズル組立体４０が燃料疎通可能に備えられる。
噴射ノズル組立体４０の内部には上述したように震動板４０−１、圧電素子４０−２、ヒータ４０−３または加熱板４０−４といった噴射手段が設置される。
スタック１０の第２流入部１０ｂには空気疎通可能に空気供給部、例えば、空気ポンプ３０が連結される。
噴射手段４０−１、４０−２、４０−３または４０−４の作動によって燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は、噴射ノズル組立体４０の流出部４０ｂを通じて改質器５０に噴射される。
このような水素含有燃料は改質器５０の流路５０ａに沿って流動しながら気化及び改質され、水素ガスに転換される。また、このような水素ガスは改質器５０の流出口を通じてスタック１０の第１流入口１０ａに流入する。
第１流入部１０ａに流入した水素ガスは、第１エンドプレート１２ａに形成された水素ガス流路チャンネルだけではなく、バイポーラープレート１６の一面に備えられた水素ガス流入部(図示せず)と水素ガス流路チャンネル(図示せず)を通じて電極膜組立体１４のアノード電極１４ｂに供給される。その後、アノード電極１４ｂの触媒層で水素ガスは下記式１の酸化反応を通じて水素イオン(プロトン)と電子に変換される。
H2(g) → 2H+ + 2e- ‥‥‥‥ (1)
一方、ポンプ３０の作動によってスタック１０の第２流入部１０ｂ側に流入した空気中の酸素は、第２エンドプレート１２ｂに形成された酸素流路チャンネルだけではなく、バイポーラープレート１６の他面に備えられた酸素流入部(図示せず)と酸素流路チャンネル(図示せず)を通じて電極膜組立体１４のカソード電極１４ｃに供給される。その後、カソード電極１４ｃの触媒層で酸素は酸素イオンと電子に転換される。
アノード電極１４ｂで生成された水素イオンは、高分子膜１４ａを通じてカソード電極１４ｃに移動した後、カソード電極１４ｃで生成された酸素イオン及び電子は下記式２の化学反応を通じて水を生成するようになる。
2H+ + (1/2)O2(g) + 2e- → H2O(g) ‥‥‥‥ (２)
このように生成される水は、スタック１０内部で生成される二酸化炭素などとともに第２エンドプレート１２ｂに
提供された排出部１０ｄを通じて外部へ排出される。そして、アノード電極１４ｂで生成された電子は、集電体(図示せず)を通じて集電された後、第１エンドプレート１２ａに提供された出力端子１０ｃを通じて外部回路に出力される。
一方、本発明の他の実施形態における高分子電解質型燃料電池に設置される噴射ノズル組立体１４０は、図７を参照すれば、ハウジング１４２の内部及び/または流出部１４０ｂの内部に被覆されている改質触媒層１４４及び/または第１改質触媒層１４４ａを持つ。
すなわち、改質器５０での後続する工程で水素含有燃料が容易く改質処理されるように、図７ａに図示されたように、燃料収容室Ａから流出部１４０ｂを通じて流出される水素含有燃料を準改質化させるために流出部１４０ｂの内部には第１改質触媒層１４４ａが被覆される。
したがって、噴射手段、例えば、震動板１４０−１が震動しながら燃料収容室Ａから流出部１４０ｂを通じて準改質化状態に転換された水素含有燃料、すなわち、準改質化燃料が流出する。さらに望ましくは、流出部１４０ｂでの第１改質触媒層１４４ａによる準改質化転換作用が円滑に遂行されるように流出部１４０ｂを通じて流出する水素含有燃料を加熱するための加熱手段１４６ａが流出部１４０ｂの周りに備えられる。
このとき、第１改質触媒層１４４ａおよび改質触媒層１４４は、Pt、Pd、Ru、RhまたはIr等といったノブル系触媒物質(Nobel Catalytic Material)またはCu、Cr、Mo、WまたはCo等のようなベース金属系触媒物質(Base Metal Catalytic Material)から選ばれる少なくとも一つの触媒物質を流出部１４０ｂの内部およびハウジング１４２の内表面に被覆させることによって形成される。
一方、図７ｂに図示されたように、水素含有燃料が改質器５０でよりさらに容易く改質処理されるように燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を準改質化状態で転換させるために、ハウジング１４２の内表面にも改質触媒層１４４が被覆される。
したがって、燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は、改質触媒層１４４による準改質化転換作用によって準改質化状態に転換される。そして、震動板１４０−１が震動するようになれば、ハウジング１４２の流出部１４０ｂを通じて準改質化状態に転換された水素含有燃料、すなわち、準改質化燃料が流出されるので、後続する工程で水素含有燃料を容易く改質処理することができる。
さらに望ましくは、燃料収容室Ａから改質触媒層１４４による準改質化転換作用が円滑に遂行されるように燃料収容室Ａに収容された水素含有燃料を加熱するための加熱手段１４６がハウジング１４２の周りに備えられる。
上述された加熱手段１４６、１４６ａはこれに限定されないが、例えば、ハウジング１４２を取り囲む熱線などで構成することができる。したがって、加熱手段１４６、１４６ａの加熱作用によって燃料収容室Ａに収容された水素含有燃料及び/または流出部１４０ｂを通じて流出する水素含有燃料は加熱され、このように加熱された水素含有燃料は改質触媒層１４４、１４４ａによる準改質化転換作用によって相対的に容易く準改質化状態に転換される。
上述したように、噴射ノズル組立体１４０は改質触媒層１４４、１４４ａ及び/または加熱手段１４６、１４６ａを持つということを除いては、図２に図示されている噴射ノズル組立体４０と実質的に類似である。
噴射ノズル組立体１４０に内蔵されている噴射手段は、図２に図示されている噴射ノズル組立体４０と同様に震動板１４０−１に限定されず、外部から電源が印加されれば変形する圧電素子１４０−２(図８参照)、外部から電源が印加されれば加熱されるヒータ１４０−３(図１０参照)または加熱板１４０−４(図１１参照)で構成することができる。
以下、図８ないし図１１を参照して噴射ノズル組立体１４０が燃料貯蔵部２０と改質器５０の間で流体疎通が可能に備えられている高分子電解質型燃料電池の作用について説明する。
図８を参照すれば、高分子電解質型燃料電池は、水素ガスと酸素の化学反応によって電気を生成する単位電池を具備したスタック１０と、水素含有燃料を改質して生成される水素ガスをスタック１０に供給する改質器５０と、改質器５０に供給しようとする水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部２０と、スタック１０に空気を強制的に供給するための空気供給部３０を持つ。
スタック１０には、高分子膜１４ａ及び高分子膜１４ａの両側に提供された電極１４ｂ、１４ｃからなる電極膜組立体１４(MEA; Membrane Electrode Assembly)と、電極膜の組立体１４の両側にそれぞれ対面する状態で設置されて水素ガスと酸素を供給する分離板で構成された単位電池が複数個提供されており、これらに対する詳細な説明は略する。
スタック１０の前方に設けられた改質器５０は、メタノール、エチルアルコールまたは天然ガスといった炭化水素系列の水素含有燃料を改質反応によって水素ガスを発生させ、また、副産物として生成される一酸化炭素といった有害物質をとり除く一般的な構造を持つ。
すなわち、改質器５０は水素含有燃料を改質する改質部と、前記改質部から発生する一酸化炭素をとり除く一酸化炭素除去部(図示せず)を含む。この時、改質器５０の流入口と燃料貯蔵部２０の間には、噴射ノズル組立体１４０が流体疎通可能に備えられる。
噴射ノズル組立体１４０は、燃料貯蔵部２０に燃料疎通可能に連結される流入口１４０ａが一端に備えられ、流入口１４０ａを通じて燃料貯蔵部２０から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室Ａを画定するハウジング１４２を持つ。
ハウジング１４２の内表面には、燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を準改質化状態に転換させるための改質触媒層１４４が被覆されている。また、ハウジング１４２には、燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を加熱するための加熱手段１４６が設置される。そして、燃料収容室Ａには外部から印加される電源によって震動する震動板１４０−１が噴射手段として提供され、この対向面には改質器５０の流入口に向けて水素含有燃料を流出させる流出部１４０ｂが形成されている。
したがって、制御部(図示せず)から震動板１４０−１に電気信号を送れば、震動板１４０−１が震動をするようになり、このような震動によって燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は流出部４０ｂを通じて改質器５０の流入口側に流出されて改質器５０の内部に供給される。そして、水素含有燃料が流出されれば、その流出量に比例して水素含有燃料が毛細現象と慣性法則などによって燃料貯蔵部２０から燃料収容室Ａに補充される。
この時、改質器５０の内部に供給された水素含有燃料は、改質触媒層１４４による準改質作用によって準改質化状態に維持されているので、改質器５０の流路５０ａに沿って流れるより容易に水素ガスに改質される。
改質器５０で生成された水素ガスは改質器５０の流出口を通じてスタック１０に流出する。また、前記制御部から加熱手段１４６に電源が印加されて燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料が加熱されれば、改質触媒層１４４による準改質化作業はさらに活発に遂行される。
図９を参照すれば、高分子電解質型燃料電池において、噴射手段として圧電素子１４０−２が備える噴射ノズル組立体１４０が燃料貯蔵部２０と改質器５０の間に備えられる。したがって、制御部(図示せず)から圧電素子１４０−２に電気信号を送れば、圧電素子１４０−２が変形するようになり、このような変形によって燃料収容室Ａに貯蔵されている水素含有燃料は流出部１４０ｂを通じて流出した後、改質器５０の流入口を経由して改質器５０の内部に供給される。
そして、水素含有燃料が流出すれば、流出量に比例して水素含有燃料が毛細現象と慣性法則などによって燃料貯蔵部２０から燃料収容室Ａに補充される。この時、改質触媒層１４４による準改質作用によって準改質化状態で維持されている水素含有燃料が改質器５０の内部に供給されるので、改質器５０の流路５０ａによって流動している水素含有燃料に対する改質化作業を円滑に遂行することができる。
また、前記制御部から加熱手段１４６に電源が印加されて燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料が加熱されれば、改質触媒層１４４による準改質化作業はさらに容易に遂行される。
水素含有原料が改質器５０の流路５０ａに沿って流れる間に改質されることによって生成される水素ガスは、改質器５０の流出口を通じてスタック１０に流出する。
図１０を参照すれば、改質器５０の流入口と燃料貯蔵部２０の間に備えられている噴射ノズル組立体１４０は噴射手段としてヒータ１４０−３を持つ。したがって、制御部(図示せず)からヒータ１４０−３に電気信号が加えられれば、ヒータ１４０−３が急速に加熱されて燃料収容室Ａ内の水素含有燃料に気泡１４０−３ａが発生するようになる。
このような気泡１４０−３ａの膨張力によって水素含有燃料は流出部１４０ｂを通じて流出する。このように噴射される液体燃料は改質器５０の流入口を経由して改質器５０の内部に供給される。そして、水素含有燃料が流出した後に気泡が収縮されれば、水素含有燃料の流出量に比例して燃料貯蔵部２０から水素含有燃料は流入口１４０ａを通じて燃料収容室Ａに補充される。
この時、改質器５０の内部に供給される水素含有燃料は改質触媒層１４４による準改質化作用によって準改質化状態に維持されているので、改質器５０の流路５０ａに沿って流れる間、水素含有燃料に対する改質化作業を円滑に遂行することができ、この時生成される水素ガスは改質器５０の流出口を通じてスタック１０に流出する。
特に、前記制御部から印加される電源によってヒータ１４０−３が加熱されて燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を加熱するようになるので、改質触媒層１４４による準改質化作業をさらに容易に遂行することができる。
図１１を参照すれば、噴射ノズル組立体１４０は燃料収容室が別に提供されずに燃料貯蔵部２０と改質器５０の流入口を連結するハウジング、すなわち、連結管１４２を持って、連結管１４２の内部には噴射手段として作用する加熱板１４０−４が設置される。
また、連結管１４２の内表面には水素含有燃料を準改質化状態に転換させるための改質触媒層１４４が被覆されている。したがって、制御部(図示せず)から加熱板１４０−４に電気信号が加えられて加熱板１４０−４が加熱されれば、水素含有燃料が膨脹しながら空気滴１４０−４ａまたは１４０−４ｂが生ずる。
そして、生成される空気滴１４０−４ａまたは１４０−４ｂの体積に応じて水素含有燃料は流出部１４０ｂを通じて改質器５０の流入口側に流出する。水素含有燃料が流出した後に電流供給を遮断して加熱板１４０−４が冷却されて空間が減少するにつれて燃料貯蔵部２０から水素含有燃料は連結管１４２内部に補充される。
水素含有原料が改質器５０の流路５０ａに沿って流れる間に改質されることによって生成される水素ガスは、改質器５０の流出口を通じてスタック１０に流出する。
上述されたように、改質器５０で生成された水素ガスは、改質器５０の流出口を通じてスタック１０の第１流入口１０ａに流入する。第１流入部１０ａに流入された水素ガスは、第１エンドプレート１２ａに形成された水素ガス流路チャンネルだけではなくバイポーラープレート１６の一面に備えられた水素ガス流入部(図示せず)と水素ガス流路チャンネル(図示せず)を通じて電極膜組立体１４のアノード電極１４ｂに供給される。その後、アノード電極１４ｂの触媒層で水素ガスは酸化反応を通じて水素イオン(プロトン)と電子に変換される。
一方、ポンプ３０の作動によってスタック１０の第２流入部１０ｂ側に流入した空気中の酸素は、第２エンドプレート１２ｂに形成された酸素流路チャンネルだけではなくバイポーラープレート１６の他面に備えられた酸素流入部(図示せず)と酸素流路チャンネル(図示せず)を通じて電極膜組立体１４のカソード電極１４ｃに供給される。その後、カソード電極１４ｃの触媒層口で酸素は酸素イオンと電子に変換される。
アノード電極１４ｂで生成された水素イオンは、高分子膜１４ａを通じてカソード電極１４ｃに移動した後、カソード電極１４ｃで生成された酸素イオンとの酸化還元反応を通じて水を生成するようになる。
このように生成される水は、スタック１０内部で生成される二酸化炭素などとともに第２エンドプレート１２ｂに提供された排出部１０ｄを通じて外部口で排出される。そして、アノード電極１４ｂで生成された電子は集電体(図示せず)を通じて集電された後、第１エンドプレート１２ａに提供された出力端子１０ｃを通じて外部回路に出力される。
上述したように、本発明の詳細な説明と図は、単なる本発明の例示的なものであり、これは単に本発明を説明するための目的で使用されたものであって、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。よって、前記説明した内容を介して当業者であれば、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能であることが分かる。
図１は、本発明による燃料電池システムの構成図である。 図２は、本発明の一実試形態による噴射ノズル組立体の構成図である。 図３は、図２の噴射ノズル組立体が改質器先端に設けられた状態を図示した図である。 図４は、他の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図４ａは噴射手段の作動前の状態を示した図である。 図４は、他の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図４ｂは噴射手段の作動状態を示した図である。 図５は、他の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図５ａは噴射手段の作動前の状態を示した図である。 図５は、他の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図５ｂは噴射手段の作動状態を示した図である。 図６は、また別の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図６ａは噴射手段の作動前の状態を示した図である。 図６は、また別の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図６ｂは噴射手段の作動状態を示した図である。 図６は、また別の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図６ｃは噴射手段の作動状態を示した図である。 図７は、本発明の他の実施形態による噴射ノズル組立体の構成図であり、図７ａは流出部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。 図７は、本発明の他の実施形態による噴射ノズル組立体の構成図であり、図７ｂは燃料収容室内部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。 図８は、図７の噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図である。 図９は、他の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図９ａは流出部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。 図９は、他の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図９ｂは燃料収容室内部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。 図１０は、他の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図１０ａは流出部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。 図１０は、他の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図１０ｂは燃料収容室内部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。 図１１は、また別の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図１１ａは流出部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。 図１１は、また別の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図１１ｂは燃料収容室内部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。 図１１は、また別の構造の噴射手段を持つ噴射ノズル組立体が改質器の先端に設けられた状態を図示した図であり、図１１ｃは燃料収容室内部に改質触媒層が形成されたことを示した図である。
符号の説明
１０；スタック
１２ａ、１２ｂ；エンドプレート
１４；電極膜組立体
１４ａ；高分子膜
１４ｂ、１４ｃ；電極
１６；バイポーラープレート
２０；燃料貯蔵部
３０；空気供給部
４０；噴射ノズル組立体
４２；圧電素子
４４；ヒーター
４６；加熱板
５０；改質器

Claims (11)

  1. 水素ガスと酸素ガスの電気化学反応によって電気を生成させる単位電池が複数個設置されているスタックと;
    水素含有燃料を改質して発生される水素ガスを前記スタックに供給する改質器と;
    前記改質器に供給しようとする水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と;
    前記スタックに空気を供給するための空気供給部と;
    前記燃料貯蔵部と改質器の間に流体疎通が可能に提供された噴射ノズル組立体を含み、
    前記噴射ノズル組立体は、
    前記燃料貯蔵部から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定し、前記燃料収容室に収容された水素含有燃料が流出される流出部を一端に具備しているハウジングと；
    前記燃料収容室に内蔵する噴射手段を含むことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記ハウジングの内表面に被覆されている改質触媒層をさら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。
  3. 前記流出部の内表面に被覆されている改質触媒層をさら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。
  4. 前記噴射手段は、
    外部から印加される電源によって震動する震動板であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記噴射手段は、
    外部から印加される電源によって変形される圧電素子であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記噴射手段は、
    前記水素含有燃料に気泡を発生させるヒータであることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記ハウジングは連結管で構成され、
    前記噴射手段は前記連結管内部の水素含有燃料に空気滴を生成させる加熱板であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記水素含有燃料は、
    エチルアルコール、メタノールまたは天然ガスからなる炭化水素系列の燃料であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記ハウジングに提供された加熱手段をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記加熱手段は熱線であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記改質触媒層は、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Cu、Cr、Mo、WおよびCoからなる触媒物質の中から選ばれる少なくとも一つの触媒物質を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
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