JP2006294624A - 燃料電池システム用改質装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱伝達効率を極大化させ,システム全体の体積を減らすことの可能な燃料電池システム用改質装置を提供する。
【解決手段】燃料電池システム用改質装置は,触媒層38が収容される内部空間43を有するプレートタイプの反応器本体41を含み,反応器本体41は,分離形成される複数のプレート31,32と,プレート31,32の間に形成されてこのプレート31,32を一体に固定させる接合部35と,触媒を投入するための開口部45に結合されて,開口部45をシーリングする閉口ユニット47を含む。
【選択図】図3

Description

本発明は燃料電池システムに係り,特に,燃料電池システムの,燃料から水素を発生させるプレートタイプの改質装置に関するものである。
燃料電池(Fuel Cell)は,周知のように,メタノール,エタノール,天然ガス等の燃料と酸素とを利用して電気エネルギーを発生させる発電システムである。
このような燃料電池において,近年開発されている高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell:PEMFC ,以下,「PEMFC」という。)は,出力特性が優れており,作動温度が低いと同時に速い始動および応答特性を有する。このため,高分子電解質形燃料電池は,自動車のような移動用電源はもちろん,住宅,公共建物のような分散用電源および電子機器用のような小型電源など,その応用範囲が広いという長所を有する。
PEMFCは,基本的に,システムを構成するためにスタック(stack),改質装置(Reformer),燃料タンクなどを備える。スタックは,水素と酸素との反応により電気エネルギーを発生させる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改質装置に供給する。そして,改質装置は,燃料を改質して水素を発生させ,この水素をスタックに供給する。
このような燃料電池システムにおいて,改質装置は,熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて燃料から水素を発生させる。すなわち,燃料を利用して熱エネルギーを発生させ,この熱エネルギーによる燃料の改質反応を通じて水素を発生させ,水素に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる複数の燃料処理ユニットとして構成することができる。
しかし,従来の燃料電池システム用改質装置は,複数の燃料処理ユニットが容器タイプで分散配置されていた。このため,これら相互間の熱交換が直接的に行われず熱伝達の面で不利であり,システム全体の大きさをコンパクトにできないという問題点がある。
本発明は,上述の問題点を考慮したものであって,プレートタイプの構造で熱伝達効率を極大化させ,システム全体の体積を減らすことができる燃料電池システム用改質装置を提供する。
そこで,本発明は,上記問題に鑑みてなされたものであり,本発明の目的とするところは,熱伝達効率を極大化し,システム全体の体積を減らすこと可能な,新規かつ改良された燃料電池システム用改質装置を提供することにある。
上記課題を解決するために,本発明のある観点によれば,触媒層が収容される内部空間を有するプレートタイプの反応器本体を含み,反応器本体は,分離形成される複数のプレートと,プレートの間に形成され,プレートを一体に固定する接合部と,触媒投入のための開口部に結合されて,開口部をシールする閉口ユニットとを含む燃料電池システム用改質装置が提供される。
ここで,閉口ユニットは,溶接によって複数のプレートに固定することができる。
また,複数のプレートは,内部空間を形成するための凹部を有する第1金属プレートと,凹部をカバーし,第1金属プレートに密着するように配置される第2金属プレートとを含む。このとき,開口部は,凹部の周縁に沿って配置される第1金属プレートの側壁の一部を切開することにより形成することができる。閉口ユニットは,開口部の形状に対応するブロックにより形成され,開口部に嵌合するようにしてもよい。
一方,複数のプレートは,内部空間を形成するための複数のチャンネルを有する第1金属プレートと,複数のチャンネルをカバーし,第1金属プレートに密着する第2金属プレートとを含む。このとき,複数のチャンネルは,任意の間隔をおいて,第1金属プレートの,第2の金属プレートと対向する一面に配置される複数のリブによって形成され,開口部は,複数のチャンネルの一側端が開放するように形成することができる。閉口ユニットは,棒(バー)形状のブロックで形成され,開口部をカバーし,第1金属プレートおよび第2金属プレートに固定することができる。
また,相隣接するプレートの間に,プレートを接合させる金属薄板を介在させ,金属薄板を熱によって溶融することにより接合部を形成することもできる。
複数のプレートは,ステレンス鋼またはアルミニウムから形成することができる。また,金属薄板は,複数のプレートより溶融点の低い素材から形成することができる。さらに,触媒層は,内部空間に充填されたペレット状の触媒によって形成することができる。また,改質装置は,反応器本体を複数個備えるように構成してもよい。
このように,第1金属プレートおよび第2金属プレートを,ブレイジング方式で接合して形成された反応器本体の内部に,ペレット状の触媒を充填してプレートタイプの改質装置を構成することにより,全体的なシステムをコンパクトに実現することができる。さらに,積層構造を可能にすることによって,改質装置全体の熱伝達効率を向上させることができる。
また,ブレイジング方式によって反応器本体を形成した後,反応器本体の内部で触媒層を形成するので,プレートに対するブレイジング接合過程で,反応器本体の触媒層が熱によって剥離するなどの問題点を解決することができる。
以上説明したように本発明によれば,熱伝達効率を極大化し,システム全体の体積を減らすこと可能な燃料電池システム用改質装置を提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書および図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(第1の実施形態)
まず,本発明の第1の実施形態にかかる改質装置を使用する燃料電池システムについて説明する。ここで,図1は,本実施形態にかかる改質装置を使用する燃料電池システムを示すブロック図である。
図1に示すように,本実施形態にかかる燃料電池システム100は,燃料を含む反応物を改質して水素を発生させ,この水素を酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質形燃料電池(PEMFC)方式を採用する。
このような燃料電池システム100において,燃料は,メタノール,エタノールまたは天然ガス等の,水素を含む液状または気体状態からなる燃料を使用することが可能であるが,本実施形態における燃料は液状燃料である。
本実施形態にかかる燃料電池システム100は,水素と酸素との反応によって電気エネルギーを発生させるスタック10と,燃料を含む反応物を改質して水素を発生させ,発生した水素をスタック10に供給する改質装置30と,改質装置30に燃料を供給する燃料供給源50と,スタック10に酸素を供給する空気供給源70とを含んで構成される。
スタック10は,電気エネルギーを発生させる最小単位の電気発生部11を備える。電気発生部11は,例えば,一般的な膜−電極アセンブリ(Membrane−Electrode Assembly:MEA)を中心に配置し,その両面にセパレータ(「二極式プレート」ともいう)を密着して配置することにより構成することができる。
本実施形態では,最小単位の電気発生部11を複数に備え,これらを連続的に配置することによって,電気発生部11の集合体構造によるスタック10を形成する。スタック10の構成は,通常の高分子電解質形燃料電池のスタック構成でも可能であるので,本明細書ではその詳しい説明を省略する。
改質装置30は,上述した反応物を化学的に変化させて,最終的に,燃料供給源50によって提供される燃料を改質して水素を発生させる燃料処理ユニットとして構成される。この燃料処理ユニットは,熱エネルギーによる燃料の改質反応を通じて水素を発生させる改質反応器,燃料の酸化反応を通じて熱エネルギーを発生させる酸化反応器,および水素に含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素浄化器等を含むことができる。
燃料供給源50は,改質装置30に燃料を供給するために設けられる。燃料供給源50は,燃料を貯蔵する燃料タンク51と,燃料を排出させ,排出した燃料を改質装置30に供給する燃料ポンプ53とを含むことができる。
空気供給源70は,予め設定されたポンピング圧力で空気を吸入して,吸入した空気をスタック10に供給する空気ポンプ71を含むことができる。なお,空気供給源は空気ポンプを備えることに限定されず,例えば,一般的な構造のファン(fan)を備えるようにしてもよい。
次に,本実施形態にかかる改質装置30を,図2および図3に基づいて詳細に説明する。ここで,図2は,本実施形態にかかる燃料電池システム用改質装置を示す斜視図である。図3は,図2に示す改質装置の断面図である。
本実施形態にかかる改質装置30は,熱エネルギーによる燃料の改質反応を通じて,燃料から水素を発生させる燃料処理ユニットの改質反応器として備えられる。この改質装置30は,図3に示すように,改質反応を促進させるための触媒層38を内部に形成するプレートタイプの反応器本体41を含む。
反応器本体41は,図3に示すように,内部に所定の収容空間43を有する略長方形(図2に示すように,xy平面の形状は,x軸方向の長さがy軸方向の長さより長い長方形)の金属プレートからなる。収容空間43には,例えばペレット状の触媒が充填されており,触媒層38を形成する。
より具体的には,反応器本体41は,収容空間43に触媒を充填させるための開口部45と,開口部45を実質的に閉口させるための閉口ユニット47とを備える。
開口部45は,例えば,収容空間43と連通する孔として反応器本体41の一側に形成される。具体的には,開口部45は,図4に示したように,反応器本体41の一側面に形成されて,閉口ユニット47を挿入して嵌合させることの可能な開放端46形状に形成される。このような開口部45は,図4に示すように,反応器本体41の側面に単一の孔で形成することができるが,本発明は限定されず,例えば,反応器本体41の側面に複数の孔で形成することもできる。
閉口ユニット47は,触媒投入口である開口部45と形態上嵌合可能な閉口ブロック48により形成することができる。閉口ブロック48は,触媒投入口である開口部45の開放端46を介して挿入されて開口部45をシールする。
このような反応器本体41において,閉口ブロック48を開口部45の開放端46に接合させるために溶接した溶接部49を設けることも可能である。溶接部49は,例えば,閉口ブロック48の周縁端と開口部45の開放端46とをレーザー溶接して形成することができる。溶接部49は,閉口ブロック48の周縁端と開放端46との間の隙間をシーリングすると共に,閉口ブロック48を反応器本体41に一体に接合させる機能を果たす。
このように,本実施形態では,反応器本体41の触媒投入口である開口部45を介してペレット状の触媒を収容空間43へ充填して触媒層38を形成し,この触媒投入口である開口部45に閉口ブロック48を挿入して,閉口ブロック48と触媒投入口である開口部45の開放端46とをレーザー溶接することによって改質装置30を形成している。
このとき,改質装置30は,燃料を収容空間43へ注入するための注入部36と,触媒層38による燃料の改質反応を通じて生成される水素を排出するための排出部37とを有する。
上記のように構成される反応器本体41の構造をより具体的に説明すれば,反応器本体41は,ペレット状の触媒を実質的に収容する第1金属プレート31と,第1金属プレート31に密着配置される第2金属プレート32と,第1金属プレート31と第2金属プレート32を一体に接合させる接合部35とを含む。なお,図5は,反応器本体の構成および製造方法を説明するための分解斜視図である。
図5に示すように,第1金属プレート31は,収容空間43に相応する凹部33と,開口部45に相応する開放端46とを有する。
凹部33は,第1金属プレート31の内部に形成された窪みであり,略四角形状に形成される。開口部45は,凹部33と連通するように,第1金属プレート31の側壁31aの一部分を切開することによって形成される。ここで,開口部45は,閉口ブロック48と嵌合する形状に形成される。
第2金属プレート32は,第1金属プレート31に相応する大きさに形成され,後述する接合部35によって第1金属プレート31と接合される。第1金属プレート31と第2金属プレート32との実質的な接合は,第2金属プレート32が第1金属プレート31の側壁31aの上面に当接するようになされ,その接合構造によって,開口部45は実質的な触媒投入口を形成する。
接合部35は,第1金属プレート31と第2金属プレート32との密着の部分に配置され,溶融形成される。これにより,第1金属プレート31および第2金属プレート32を一体に結合させることができる。
接合部35は,第1金属プレート31の側壁31aの形状に相応する金属薄板35aからなり,所定の熱によって金属薄板35aに溶融/固着することにより形成する。このとき,金属薄板35aは,第1金属プレート31および第2金属プレート32より溶融点の低い通常の金属素材で形成することができる。
このように,本実施形態では,所定の金属薄板または金属フィルムを溶融させて,二つ以上の母材を互いに接合させるブレイジング(brazing)接合方式を通じて複数の金属プレートを接合させて,改質装置を形成している。
次に,改質装置の製造方法について説明する。
まず,凹部33および開口部45を形成している第1金属プレート31,第1金属プレート31に相応する大きさの第2金属プレート32,および開口部45に相応する形状を有する閉口ブロック48を用意する。
次いで,第1金属プレート31の側壁31aの上面に金属薄板35aを載置した後,第2金属プレート32を第1金属プレート31にそろえて,これらを一次的に結合する。
さらに,ブレイジング接合方式を利用して,第1金属プレート31と第2金属プレート32とを一体に接合させる。つまり,金属薄板35aを間において,第1金属プレート31と第2金属プレート32とを密着加圧した状態で,第1金属プレート31と第2金属プレート32とを所定の温度まで加熱する。そうすると,金属薄板35aは,第1金属プレート31と第2金属プレート32との間の密着部分で熱によって溶融し,第1金属プレート31と第2金属プレート32との密着部分を接合する(接合部35を形成)。これにより,第1金属プレート31および第2金属プレート32が接合部35によって一体に接合され,第1金属プレート31の凹部33による収容空間43,および触媒投入口である開口部45を備えた反応器本体41が形成される。
その後,開口部45を介して,ペレット状の触媒を収容空間43へ投入して触媒層38を形成する。そして,閉口ブロック48を開口部45に挿入した状態で,閉口ブロック48の周縁端と触媒投入口である開口部45の開放端46とをレーザー溶接して溶接部49を形成することにより,本実施形態にかかる改質装置30が形成される。
すなわち,本実施形態によれば,ブレイジング方式で第1金属プレート31および第2金属プレート32を接合して,収容空間43および開口部45を備えた反応器本体41を形成し,開口部45を介して収容空間43に触媒を充填形成した後,開口部45をシーリングすることによって改質装置30が構成される。
このような改質装置30の製造過程では,触媒層を反応器本体内部にコーティング方式で形成しなくてもよいので,コーティング方式によって触媒層を形成する従来の改質装置に比べて,触媒層が反応器本体から離脱することを防止することができる。これは,コーティング方式による触媒層は熱処理過程で脆弱な面を有しているからである。
改質装置30を採用した燃料電池システム100は,その作用時に燃料ポンプ51を稼動させて,反応器本体41の収容空間43に燃料を供給する。これにより,燃料が収容空間43の内部を流入しながら触媒層38による改質反応を起こすので,改質装置30は燃料の改質反応によって水素を発生させることができる。したがって,スタック10では,改質装置30から供給される水素と空気ポンプ71から供給される酸素との反応により,予め設定された容量の電気エネルギーが生成される。
上記のように形成される反応器本体は,図6に示すように,複数を積層させて改質装置を構成することができる。図6では,3個の反応器本体41A,41B,41Cが密着して積層された構造を有する改質装置30Aを示している。
この改質装置30Aにおいて,3個の反応器本体41A,41B,41Cは同じ構造に形成することができる。ここで,中央に配置された反応器本体41Aを第1反応器本体,第1反応器本体の上側に配置された反応器本体41Bを第2反応器本体,第1反応器本体の下側に配置された反応器本体41Cを第3反応器本体とすれば,第2反応器本体41Bは,燃料と酸素との酸化反応による予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生し,この発生した熱エネルギーを第1反応器本体41Aに提供する燃料処理ユニットの酸化反応器として備えられる。
また,第3反応器本体41Bは,第1反応器本体41Aから発生する水素に含まれている一酸化炭素と,別途に供給される酸素との酸化反応を通じて,一酸化炭素の濃度を低減させる燃料処理ユニットの一酸化炭素低減機(通常,「PROX反応器」という)として備えることができる。
以上,本発明の第1の実施形態にかかる改質装置について説明した。次に,本発明の第2の実施形態にかかる改質装置について説明する。
(第2の実施形態)
図7は,本発明の第2の実施形態にかかる改質装置を示す斜視図であり,図8は,図7に示す改質装置の部分分解斜視図である。また,図9は,図7に示す改質装置の断面図である。
図7〜図9を参照すれば,本実施形態にかかる改質装置80は,第1の実施形態にかかる改質装置と基本的な構成は同一にしている。そこで,以下では,第1の実施形態にかかる改質装置との差異点を中心に説明する。
まず,本実施形態にかかる改質装置80は,反応器本体81の第1金属プレート82の内部に形成される,触媒を収容するための収容空間を,複数のチャンネル84により形成している。このチャンネル84は,第1金属プレート82に任意の間隔をおいて形成される複数のリブ86によって形成され,チャンネル84の一端が開放されるように触媒を投入するための開口部84aが形成される。
本実施形態において,触媒層88は,図9に示すように,チャンネル84内にリブ86の側面および第1金属プレート82の上面に形成される。
また,第2金属プレート92は,第1金属プレート82の上に配置され,チャンネル84をカバーしながら接合部90を介して第1金属プレート82と結合される。ここで,第2金属プレート92は,第1金属プレート82より大きく形成される。
つまり,第1金属プレート82の一側端には,開口部84aをカバーしながらこの第1金属プレート82に固定設置される閉口ユニット94が配置される。このとき,本実施形態にかかるユニット94は,第1金属プレート82,第2金属プレート92の短手方向(y軸方向)に沿って長く形成された棒形状のブロック96に形成される。
本実施形態でも,ブロック96は,第1金属プレート82,第2金属プレート92にレーザー溶接などの方法を通じて固定される。これにより,ブロック96と第1金属プレート82および第2金属プレート92との間には,溶接部98が形成される。
本実施形態において,第2金属プレート92の大きさは,第1金属プレート82とブロック96の大きさを考慮して設定される。ブロック96と対向する側のリブ86の先端は第1金属プレート82の先端より内側に配置されるように形成される。そして,第1金属プレート82,第2金属プレート92およびブロック96を組み合わせて反応器本体81を構成した後,各チャンネル84が連通できるようにする。
このような反応器本体81もまた,図10に示すように,第1金属プレート82の上にリブ86の上面および金属プレート82の枠組部の上面に位置する接合部90の金属薄板90aにより,第1金属プレート82および第2金属プレート92を接合させる。
ここで,金属薄板90aの熱処理によるブレイジング方式の接合は,上述の第1の実施形態と同様に行われ,第1金属プレート82および第2金属プレート92が接合された後,触媒が開口部84aを介してチャンネル84に提供されて,触媒層88が形成される。
本実施例における他の構成的な特徴は,上述の第1の実施形態と同様に行われるので,その詳細な説明は省略する。
さらに,図11に示すように,本実施形態では,上記のように形成される反応器本体98A,98B,98Cを複数個備えて,改質装置81Aを形成することもできる。
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は,燃料電池システムに適用可能であり,特に,燃料電池システムの,燃料から水素を発生させるプレートタイプの改質装置に適用可能である。
本発明の第1の実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示したブロック図である。 同実施形態にかかる燃料電池システム用改質装置を示す斜視図である。 図2に示す改質装置の断面図である。 図2に示す改質装置の部分分解斜視図である。 図2に示す改質装置の反応器本体の構成および製造方法を説明するための分解斜視図である。 同実施形態にかかる燃料電池システム用改質装置の構成の変形例を概略的に示す断面図である。 本発明の第2の実施形態にかかる燃料電池システム用改質装置を示す斜視図である。 図7に示す改質装置の部分分解斜視図である。 図7に示す改質装置の断面図である。 図7に示す改質装置の反応器本体の構成および製造方法を説明するための分解斜視図である。 同実施形態にかかる燃料電池システム用改質装置の構成の変形例を概略的に示す断面図である。
符号の説明
10 スタック
11 電気発生部
30,30A,80,81A 改質装置
31,82 第1金属プレート
31a 第1金属プレートの側壁
32,92 第2金属プレート
33 凹部
35,90 接合部
35a,90a 金属薄板
36 注入部
37 排出部
38 触媒層
41,41A,41B,41C,81,98A,98B,98C 反応器本体
43 収容空間
45,84a 開口部
46 開放端
47,94 閉口ユニット
48,96 閉口ブロック
49,98 溶接部
50 燃料供給源
51 燃料タンク
53 燃料ポンプ
70 空気供給源
71 空気ポンプ
84 チャンネル
86 リブ
100 燃料電池システム

Claims (11)

  1. 触媒層が収容される内部空間を有するプレート形状の反応器本体を含み,
    前記反応器本体は,
    分離形成される複数のプレートと;
    前記プレートの間に形成され,前記プレートを一体に固定する接合部と;
    触媒を投入するための開口部と嵌合し,前記開口部をシールする閉口ユニットと;
    を含むことを特徴とする,燃料電池システム用改質装置。
  2. 前記閉口ユニットは,溶接によって前記複数のプレートに固定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装置。
  3. 前記複数のプレートは,
    前記内部空間を形成するための凹部を有する第1金属プレートと;
    前記凹部をカバーし,前記第1金属プレートに密着するように配置される第2金属プレートと;
    を含み,
    前記開口部は,前記凹部の周縁に沿って配置される前記第1金属プレートの側壁の一部を切開することにより形成されることを特徴とする,請求項1または2に記載の燃料電池システム用改質装置。
  4. 前記閉口ユニットは,前記開口部の形状に対応するブロックにより形成され,前記開口部に嵌合され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装置。
  5. 前記複数のプレートは,
    前記内部空間を形成する複数のチャンネルを有する第1金属プレートと;
    前記複数のチャンネルをカバーし,前記第1金属プレートに密着する第2金属プレートと;
    を含み,
    前記複数のチャンネルは,任意の間隔をおいて,前記第1金属プレートの,前記第2金属プレートと対向する一面に配置される複数のリブによって形成され,
    前記開口部は,前記複数のチャンネルの一側端が開放されて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装置。
  6. 前記閉口ユニットは,棒形状のブロックで形成され,前記開口部をカバーし,前記第1金属プレートおよび前記第2金属プレートに固定されることを特徴とする,請求項5に記載の燃料電池システム用改質装置。
  7. 相隣接する前記プレートの間に,前記プレートを接合させる金属薄板を介在させ,
    前記金属薄板を熱によって溶融させることにより前記接合部を形成することを特徴とする,請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池システム用改質装置。
  8. 前記複数のプレートは,ステレンス鋼またはアルミニウムから形成されることを特徴とする,請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池システム用改質装置。
  9. 前記金属薄板は,前記複数のプレートより溶融点の低い素材からなることを特徴とする,請求項7に記載の燃料電池システム用改質装置。
  10. 前記触媒層は,前記内部空間に充填されたペレット状の触媒によって形成されることを特徴とする,請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池システム用改質装置。
  11. 前記反応器本体を複数個備えることを特徴とする,請求項1〜10のいずれかに記載の燃料電池システム用改質装置。
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