JP2009174727A - シート型触媒ヒーター - Google Patents

Abstract

【課題】厚みの薄いコンパクトなシート状であり、かつ温度分布が均一なシート型触媒ヒーターを提供することを目的とする。
【解決手段】触媒に燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発生する熱を利用したヒーター機能を有するシート状の触媒ヒーターであって、少なくとも、前記燃料ガスが導入される燃料供給室と、前記触媒が配置される触媒室を具備し、該触媒室には酸化性ガスが供給されており、前記燃料供給室と前記触媒室は燃料ガス透過フィルムによって隔たれており、該燃料ガス透過フィルムを通して前記燃料供給室から前記触媒室に前記燃料ガスが供給されるものであることを特徴とするシート型触媒ヒーター。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒に燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発生する熱を利用したヒーター機能を有するシート型触媒ヒーターに関するものである。

触媒ヒーターとは、ガス状態の水素、メタノール、エタノール、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の燃料を、空気等の酸化性ガスと共に触媒体上に供給し、その触媒上で燃料と酸素を酸化反応させて、発熱し、その発生した熱を利用するヒーターのことである。

従来、触媒ヒーターは、図９に示すように、円筒状の燃焼筒９１の中にペレット状または、ハニカム状の触媒体粒子を充填した触媒部９２、セラミックリングや発泡セラミック拡散板を用いた拡散部９３を備えていた（特許文献１）。しかし、従来のこの方式は、燃料と空気を一ヶ所から供給し、燃料と空気を混合し拡散するために、十分な反応空間が必要であった。そのため、触媒部と拡散部は、非常に大きな層長となり、触媒ヒーター全体の構造は非常に大型なものであった。

大型の触媒ヒーターをコンパクトなシート状にするため、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、触媒部９４を細孔のある棒状のチューブ９５の中にいれ、触媒ヒーターの燃料と空気を混合させたガスを、このチューブの長手方向から、チューブ内の触媒上に供給させる方法も考えられた（特許文献２）。しかし、このような触媒ヒーター９０であると燃料供給の際、ガス供給の入口と出口であるチューブの両端部で温度が低く、チューブの中心部で温度が高いといった、温度分布が均一でない問題があった。また、容積についても十分に小型化されておらず、より一層のコンパクト化が要求されている。

特開昭６０−５３７１１号公報 米国特許出願公開第６０６２２１０号明細書

近年、燃料電池や半導体製造装置において、製品の小型化にともない、使用する触媒ヒーターの省スペース化、すなわち触媒ヒーターの構造を厚みが薄いシート状にすることが、強く要求されるようになった。特に、自動車用の燃料電池で問題となっている一つに、低温環境下での燃料電池の始動性がある。燃料電池が始動するためには、燃料電池内の電解質膜中を、水素イオンが伝導しなければならない。水素イオンの伝導には、電解質膜中に水が必要であるが氷点下の環境下において、電解質膜中の水が氷結してしまい、燃料電池が始動しないといった問題がある。

そこで、上記の燃料電池で使用する燃料が、触媒ヒーターでも使用することができるため、厚みが薄いシート状の触媒ヒーターが得られるのであれば、始動時に触媒ヒーターであたたまることで、燃料電池スタックの形状を大きくすることなく、始動時の氷結の問題を解決することができる。そのため、このようなシート状の触媒ヒーターの開発が求められている。また、現在電気によるシート状のヒーターを、燃料電池内に使用することも考えられるが、この場合、燃料電池に使用されている燃料に引火する可能性があり、好ましくない。

一方、半導体製造装置においても、従来使用されている電気を使用したシート状のヒーターでは、漏電による発火等の恐れがあるため、電気を使用しないシート状のヒーターが求められている。

しかしながら、図１０に示すような従来のシート状の触媒ヒーター９０では、前述のように燃料供給の際、ガス供給の入口と出口であるチューブ９５の両端部で温度が低く、チューブ９５の中心部で温度が高いといった、温度分布が均一でない問題がある。自動車用の燃料電池にこのような触媒ヒーターを使用すると、触媒ヒーターの温度分布が均一でないために、短時間で燃料電池内の電解質膜中の氷を均一に溶解することができず、短時間で燃料電池の十分なパワーを得ることが出来ない。また、燃料電池では、燃料と空気の供給は、別に行われているが、従来の触媒ヒーターでは、燃料と空気は、混合され、触媒上に供給されるため、燃料と空気を混合する空間が必要となり、触媒ヒーターを併用した燃料電池の省スペース化が困難となる。

本発明は、上記のような問題点を考慮してなされたもので、厚みの薄いコンパクトなシート状であり、かつ温度分布が均一なシート型触媒ヒーターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、触媒に燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発生する熱を利用したヒーター機能を有するシート状の触媒ヒーターであって、少なくとも、前記燃料ガスが導入される燃料供給室と、前記触媒が配置される触媒室を具備し、該触媒室には酸化性ガスが供給されており、前記燃料供給室と前記触媒室は燃料ガス透過フィルムによって隔たれており、該燃料ガス透過フィルムを通して前記燃料供給室から前記触媒室に前記燃料ガスが供給されるものであることを特徴とするシート型触媒ヒーターである（請求項１）。

このように、シート型触媒ヒーターが、燃料ガスが導入される燃料供給室と、触媒が配置される触媒室を具備し、該触媒室には酸化性ガスが供給されており、前記燃料供給室と前記触媒室は燃料ガス透過フィルムによって隔たれており、該燃料ガス透過フィルムを通して前記燃料供給室から前記触媒室に前記燃料ガスが供給されるものであれば、厚みを薄く、コンパクトな形状とできる。また、燃料を燃料ガス透過フィルムを通して供給することで酸化性ガスが供給された触媒室に燃料を均一に供給することができるので、シート型触媒ヒーターの温度分布を均一にすることができる。また、電気を使用していないため、漏電等の問題がない。

また、前記シート型触媒ヒーターは、更に、前記酸化性ガスが導入される酸化性ガス供給室を具備し、前記酸化性ガスは、前記酸化性ガス供給室から酸化性ガス透過フィルムを通して前記触媒室に供給されるものであることが好ましい（請求項２）。

このように、前記シート型触媒ヒーターが、更に、酸化性ガスが導入される酸化性ガス供給室を具備し、前記酸化性ガスは、前記酸化性ガス供給室から酸化性ガス透過フィルムを通して前記触媒室に供給されるものであれば、触媒室に酸化ガスを均一に供給することができる。また、燃料ガスと酸化性ガスを別々に触媒室に供給することができるため、燃料と空気等の酸化性ガスを混合するための拡散層を省くことができ、シート型触媒ヒーターの構造をさらに薄くすることができる。

また、前記触媒は、棒状又は繊維状の担体に坦持されるか、前記燃料ガス透過フィルムに坦持されたものであることが好ましい（請求項３）。

このように、触媒が棒状又は繊維状の担体に坦持されたものであれば、触媒の表面積を大きくすることができ、効率よく触媒反応させることができる。
また、触媒が燃料ガス透過フィルムに坦持されたものであれば、よりコンパクトなシート状触媒ヒーターとすることができる。

また、前記燃料ガス透過フィルムは、厚みが０．０１〜５．０ｍｍ、ガス透過率が０．１〜１００×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ^２・ｃｍＨｇの範囲のものであることが好ましい（請求項４）。

前記燃料ガス透過フィルムの厚み及びガス透過率がこのような範囲のものであれば、燃料供給室から触媒室へ均一に燃料ガスを供給することができ、燃料ガス以外の物質が触媒室へ透過するのを防ぐフィルター機能が高いため、このような範囲のものが好ましい。

また、前記燃料供給室の内部に、前記燃料ガスを導入するための空間を保持するためのスペーサーが設けられたものであることが好ましい（請求項５）。

このように、燃料供給室の内部に、燃料ガスを導入するための空間を保持するためのスペーサーが設けられていれば、燃料供給室に導入された燃料ガスを、スペーサーによって保持された燃料供給室内の空間で、すぐに拡散させることができ、触媒室に燃料ガスをより均一に供給することができる。

また、前記酸化性ガス供給室の内部に、断熱材が設けられたものであることが好ましい（請求項６）。

このように、酸化性ガス供給室の内部に、断熱材が設けられていれば、シート状触媒ヒーターの温度分布をより均一することができる。

また、前記燃料供給室における前記触媒室に接する側とは反対側の外側面は燃料ガス不透過フィルムであり、前記触媒室側の外側面は酸化性ガス不透過フィルムであることが好ましい（請求項７）。

このように、燃料供給室における触媒室に接する側とは反対側の外側面は燃料ガス不透過フィルムであり、触媒室側の外側面は酸化性ガス不透過フィルムであれば、燃料が触媒ヒーターの外部に漏れる恐れがなく安全である。

また、前記触媒室が、前記燃料供給室をはさんで両側に配置されることで、前記シート型触媒ヒーターの両面側に形成されたものであり、前記燃料供給室の前記触媒室に接する両面が前記燃料ガス透過フィルムであり、前記触媒室側の外側面は酸化性ガス不透過フィルムであることが好ましい（請求項８）。

このように、触媒室が、燃料供給室をはさんで両側に配置されることで、シート型触媒ヒーターの両面側に形成されたものであり、燃料供給室の触媒室に接する両面が燃料ガス透過フィルムであり、触媒室側の外側面は酸化性ガス不透過フィルムであれば、シート型触媒ヒーターの両面を均一に所望の温度とすることができる。また、燃料が触媒ヒーターの外部に漏れる恐れもなく安心である。

また、前記シート型触媒ヒーターは、自動車用燃料電池を温めるために使用されるものであることが好ましい（請求項９）。

本発明のシート型触媒ヒーターを自動車用燃料電池を温めるために使用すれば、燃料電池を均一に安全に温めることができる。また、本発明のシート型触媒ヒーターであれば燃料電池の省スペース化を実現することが可能である。

本発明によれば、厚みの薄いコンパクトなシート状であり、かつ温度分布が均一なシート型触媒ヒーターを提供することができる。また、本発明のシート型触媒ヒーターでは電気を使用しないため、漏電する恐れもない。従って、本発明に係るシート型触媒ヒーターを、例えば、自動車用燃料電池を温めるために使用すれば、燃料電池を安全に均一に温めることができる上に、燃料電池の省スペース化も実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明に係るシート型触媒ヒーターの一例を示す図である。図１（Ａ）は、シート型触媒ヒーター１の斜視図であり、図１（Ｂ）はシート型触媒ヒーター１の断面図である。発明の構成を判り易くするため、図１（Ａ）等では、厚さ方向を拡大して模式的に描いているが、このシート型触媒ヒーター１は、使用時にシート状の形状である。また、図１（Ｂ）に示されるように、シート型触媒ヒーター１には、燃料ガスが導入される燃料供給室４と、触媒が配置される触媒室５が形成されている。触媒室５には酸化性ガスが供給されており、燃料供給室４と触媒室５は燃料ガス透過フィルム２よって隔たれている。また、シート型触媒ヒーター１の燃料供給室４の触媒室５に接する側とは反対の外側面はガス不透過フィルム３となっている。燃料供給室４に導入された燃料ガスは、燃料ガス透過フィルム２を通して燃料供給室４から触媒室５に供給されるようになっている。触媒室５には、ガス透過フィルムを介して燃料ガスおよび酸化性ガスが供給されるので、均一な濃度でガスが触媒に接し、均一な発熱を可能とする。

また、シート型触媒ヒーター１において、触媒室５側の外側面は酸化性ガス不透過フィルム８が形成されている。触媒室５には、図１（Ｃ）に示されるような、棒状の担体に触媒がコーティングされた触媒体９が配置されている。また、触媒室５の燃料ガス透過フィルム２とは反対側には、酸化性ガス透過フィルム７が形成されており、酸化性ガス透過フィルム７と酸化性ガス不透過フィルム８に挟まれた空間は酸化性ガス供給室６となっている。この酸化性ガス供給室６に導入された酸化性ガスは、酸化性ガス透過フィルム７を通して酸化性ガス供給室６から触媒室５に供給されるようになっている。
シート型触媒ヒーター１では、このようにして、触媒室５に供給された燃料ガスと酸化性ガスが、触媒上で酸化反応することによって熱が発生する。

図１に示されるように、本発明に係るシート型触媒ヒーター１は、触媒に燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発生する熱を利用したヒーター機能を有するシート状の触媒ヒーターであって、少なくとも、燃料ガスが導入される燃料供給室４と、触媒が配置される触媒室５を具備し、触媒室５には酸化性ガスが酸化性ガス供給室６から供給されており、燃料供給室４と触媒室５は燃料ガス透過フィルム２によって隔たれており、燃料ガス透過フィルム２を通して燃料供給室４から触媒室５に燃料ガスが供給されるものであることを特徴している。

尚、上記態様におけるシート型触媒ヒーター１では、酸化性ガスは、酸化性ガス供給室６から触媒室５に供給されるようにしてもよいが、酸化性ガスと燃料ガスを混合したものを燃料供給室４に導入し、燃料供給室４から触媒室５に酸化性ガスと燃料ガスの両方が供給されるようにしてもよい。

本発明のシート型触媒ヒーターで使用される燃料ガスとしては、水素やメタノール、エタノール等のアルコール類、プロパン、ブタン等の炭化水素類などが挙げられる。尚、これらの燃料ガスは燃料供給室４に導入される時は、液体又は気体のどちらの状態でも構わない。また、酸化性ガスとしては、例えば、空気や酸素が用いられる。

また、燃料ガス透過フィルム２は、燃料ガスを均一に触媒室５に供給することができ、また、埃や水滴などの燃料ガス以外の物質が触媒室５へ侵入するのを防ぐフィルターの機能も有している。本発明のシート型触媒ヒーター１で使用されるガス透過フィルム２は膜厚が０．０１ｍｍ〜５．０ｍｍで、かつガス透過率が０．１〜１００×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ^２・ｃｍＨｇの範囲のフィルムで構成されるのが好ましい。このようなフィルムとしては微孔性ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）などが挙げられる。

また、本発明のシート型触媒ヒーター１において、燃料供給室４における触媒室５に接する側とは反対側の外側面は、燃料ガス不透過フィルム３であるのが好ましく、ガス不透過フィルム３は、耐熱性、柔軟性をもったガスバリア性の高いフィルムとするのが好ましく、例えば、アルミなどの金属フィルム、ＰＥＴやＰＰにアルミ等を蒸着した、蒸着フィルムなどが挙げられる。

また、図１に示されるシート型触媒ヒーター１のように、本発明に係るシート型触媒ヒーターは、更に、酸化性ガスが導入される酸化性ガス供給室６を具備し、酸化性ガスは、酸化性ガス供給室６から酸化性ガス透過フィルム７を通して触媒室５に供給されるものであることが好ましい。

上述のように、図１に示されるシート型触媒ヒーター１において、燃料ガスと反応する酸化性ガスは、酸化性ガスを透過する酸化性ガス透過フィルム７と、酸化性ガス不透過フィルム８で囲まれた酸化性ガス供給室６から、酸化性ガス透過フィルム７を透過し、触媒室５に供給される。また、酸化性ガス供給室６は、触媒室５と隣接する触媒室５の間の空間を利用して形成されている。そのため厚さが厚くならず、シート型触媒ヒーター１の形状をコンパクトにシート状にすることができる。酸化性ガス透過フィルム７としては、耐熱性、柔軟性をもったフィルムで、埃や水滴などの酸化性ガス以外の物質が触媒室に透過して侵入するのを防ぐフィルターとすることができ、たとえば微孔性ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）などが考えられる。酸化性ガス不透過フィルム８は、触媒室５が接触する面から、空気等の酸化性ガスを供給することができるなら、酸化性ガス不透過フィルムでなく酸化性ガス透過フィルムとすることもできる。

このような構造のシート型触媒ヒーター１において、燃料ガスは燃料ガス透過フィルム２を透過し、触媒室５に配置された触媒体上に供給され、酸化性ガスは酸化性ガス透過フィルム７を透過し、触媒室５に配置された触媒体上に供給される。このように、本発明におけるシート型触媒ヒーター１は、触媒上に供給される前に、燃料ガスと酸化性ガスを混合するための拡散層が必要でないため、コンパクトなシート状の触媒ヒーターとなっている。

また、シート型触媒ヒーター１において、触媒室５には、棒状の担体に触媒が薄く均一にコーティングされた触媒体９が配置されている。このように、本発明に係るシート型触媒ヒーターでは、触媒は、例えば、棒状の担体に坦持された状態で触媒室に配置されることができる。触媒が坦持される棒状の担体は、耐熱性が高く、触媒が担持可能で、触媒が効率よく反応するため表面積を大きくする担体であればよく、例えば、アルミナ、シリカ、ゼオライト等のセラミック系、アルミニウム、ステンレス等の金属系に薄く触媒を均一にコーティングするものが挙げられる。また、例えば、硝子繊維、ポリイミド、ＰＴＦＥ等に触媒をコーティングして坦持させてもよい。

尚、触媒は、表面積を大きくし、反応効率を上げるため１〜１００ｎｍの微粒子にしたものを使用することができ、例えば、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、鉄、ルテニウム、モリブデン、タングステン、スズ、及びそれらの組合せからなる触媒が挙げられるが、これらに限られるものではなく、一般的に触媒ヒーターで用いられる触媒は、本発明に使用できる。

また、本発明におけるシート型触媒ヒーター１は、自動車用燃料電池を温めるために使用することができる。図２、３は図１に示されるシート型触媒ヒーター１を自動車用燃料電池を温めるために使用した場合を示した図である。

図２は自動車用燃料電池を温めるために本発明のシート型触媒ヒーター１を使用した場合の全体図である。シート型触媒ヒーター１は燃料電池スタック１６に隣接して、燃料電池スタック１６を挟むようにして配置されている。燃料ガス２１は、燃料ガス導入部１４から燃料ガス用の配管１８を通ってシート型触媒ヒーター１と燃料電池スタック１６に供給される。一方、燃料ガス２１と反応する酸化性ガス２２は酸化性ガス導入部１５から、酸化性ガス用配管１９を通って、ヒーター部に配置されたシート型触媒ヒーター１と燃料電池スタック１６に供給される。供給された燃料ガス２１と酸化性ガス２２は、シート状触媒ヒーター１内と燃料電池スタック１６内で反応する。反応に使用されなかった燃料ガスおよび酸化性ガスと、反応で生成された水等の排ガスが排気口１７から排出される。

一方、図３は、図２において燃料電池スタック１６に隣接するように配置されたシート型ヒーター１の使用時における様子を説明した図である。燃料ガス２１は、燃料ガス導入部１４から燃料ガス用の配管１８を通ってシート型触媒ヒーター１の燃料供給室４に供給され、燃料ガス透過フィルム２を透過し、触媒室５に供給される。また、酸化性ガス２２は、酸化性ガス導入部１５から酸化性ガス用の配管１９を通って、酸化性ガス供給室６に供給され、酸化性ガス透過フィルム７を透過し、触媒室５に供給される。供給された燃料ガスと酸化性ガスは触媒室５で反応する。反応で使用されなかった燃料ガスおよび酸化性ガスと、反応で生成された水等の排ガスが排気口１７から排出される。

このように、燃料電池では、燃料ガスと、反応用の酸化性ガスはそれぞれ別々に供給されるのに対し、シート型触媒ヒーター１でも自動車用燃料電池と同様に、燃料ガスと酸化性ガスは別々に供給され触媒上で酸化反応をする。また、反応で使用されなかった燃料ガスおよび酸化性ガスと、反応で生成された水は、自動車用燃料電池スタック１６とシート型触媒ヒーター１との同じ排気口１７より排気することができる。従って、自動車用燃料電池で使用している配管１８，１９、排気口１７をシート型触媒ヒーター１でも、容易に使用することができるため、本発明のシート型触媒ヒーター１を自動車用燃料電池を温めるために使用すれば、自動車用燃料電池の省スペース化に役立つことができる。

一方、図４は、本発明に係るシート型触媒ヒーターの他の一例を示す図である。図４（Ａ）は、シート型触媒ヒーター１０１の斜視図であり、図４（Ｂ）はシート型触媒ヒーター１０１の断面図である。図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、シート型触媒ヒーター１０１は、シート状の形状を有し、図１に示されるシート型触媒ヒーター１と同様な構成で燃料供給室１０４が形成されている。また、燃料供給室１０４の燃料ガス透過フィルム１０２を挟んで上側は触媒室１０６となっており、燃料供給室１０４における触媒室１０６に接する側とは反対側の外側は燃料ガス不透過フィルム１０３であり、触媒室１０６側の外側面は酸化性ガス不透過フィルム１０８が形成されている。ここで、シート型触媒ヒーター１０１では、触媒１１０が燃料ガス透過フィルム１０２に直接コーティングされた触媒層１０５が触媒室内１０６内に形成されている。尚、この場合、触媒室１０６は、酸化性ガス供給室を兼ねるようになっている。

触媒１１０は、燃料ガス透過フィルム１０２にコーティング剤１１１によって固定されている。また、コーティング剤１１１は燃料ガスと反応するための酸化性ガスを透過することができ、さらに、埃や水滴が触媒に透過するのを防ぐための役割を担っている。コーティング剤１１１としては、例えば、高分子固体電解質などが挙げられる。このような構造のシート型触媒ヒーター１０１において、燃料ガスは燃料供給室１０４から燃料ガス透過フィルム１０２を通して、酸化性ガスは、コーティング剤１１１を透過し、触媒層１０５内に供給され、触媒１１０上で反応することができる。

このように、本発明に係るシート型触媒ヒーターにおける触媒は、燃料ガス透過フィルムの触媒室側に直接コーティングし、燃料ガス透過フィルムに坦持させることで触媒室に配置されてもよい。また、上述したように、例えば、不織布、硝子ウール等のような繊維状の担体に触媒をコーティングしたものをシート型触媒ヒーターの触媒室に配置するようにしてもよい。

図５は、本発明に係るシート型触媒ヒーターの燃料供給室の内部に、燃料ガスを導入するための空間を保持するためのスペーサーが設けられた場合を示した図である。図５（Ａ）は、シート型触媒ヒーター２０１の斜視図であり、図５（Ｂ）はシート型触媒ヒーター２０１の断面図である。図５（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、シート型触媒ヒーター２０１は、シート状の形状を有し、図１におけるシート型触媒ヒーター１と同様の構成で、燃料供給室２０４と、棒状の担体に触媒がコーティングされた触媒体２０９が配置された触媒室２０５、酸化性ガス供給室２０６が形成されており、燃料ガスは燃料供給室２０４から燃料ガス透過フィルム２０２を通して、酸化性ガスは酸化性ガス供給室２０６から酸化性ガス透過フィルム２０７を通して、それぞれ触媒室２０５に供給されるようになっている。また、燃料供給室２０４における触媒室２０５に接する側とは反対側の外側は燃料ガス不透過フィルム２０３であり、触媒室２０５側の外側面は酸化性ガス不透過フィルム２０８である。ここで、シート型触媒ヒーター２０１における燃料供給室２０４には、燃料ガス透過フィルム２０２と燃料ガス不透過フィルム２０３との間にスペーサー２１２が設けられている。このスペーサー２１２によって、燃料供給室２０４は燃料ガスを導入するための空間を保持することができ、燃料ガスを確実に均一に触媒室に供給することができるので、このような構造が好ましい。

また、図６は、本発明に係るシート型触媒ヒーターの酸化性ガス供給室の内部に、断熱材が設けられた場合を示した図である。図６（Ａ）は、シート型触媒ヒーター３０１の斜視図であり、図６（Ｂ）はシート型触媒ヒーター３０１の断面図である。図６（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、シート型触媒ヒーター３０１は、シート状の形状を有し、図１におけるシート型触媒ヒーター１と同様の構成で、燃料供給室３０４と、棒状の担体に触媒がコーティングされた触媒体３０９が配置された触媒室３０５、酸化性ガス供給室３０６が形成されており、燃料ガスは燃料供給室３０４から燃料ガス透過フィルム３０２を通して、酸化性ガスは酸化性ガス供給室３０６から酸化性ガス透過フィルム３０７を通して、それぞれ触媒室３０５に供給されるようになっている。また、燃料供給室３０４における触媒室３０５に接する側とは反対側の外側は燃料ガス不透過フィルム３０３であり、触媒室側の外側面は酸化性ガス不透過フィルム３０８である。ここで、シート型触媒ヒーター３０１において、酸化性ガス不透過フィルム３０７の酸化性ガス供給室３０６側には、断熱材３１３が接合されている。このように、酸化性ガス供給室３０６の内部に断熱材３１３が設けられていることによって、シート型触媒ヒーター３０１の温度がより均一になるため、このような構造が好ましい。

また、断熱材３１３としては、シリコーン樹脂の発泡体、ガラス繊維、フッ素系樹脂の発泡体などから形成された耐熱性発泡シートや耐熱性多孔シート、およびそれらの組合せからなるものが挙げられる。

次に、図７は、本発明に係るシート型触媒ヒーターの両面側に触媒室が形成された場合を示した図である。図７（Ａ）は、シート型触媒ヒーター４０１の斜視図であり、図７（Ｂ）はシート型触媒ヒーター４０１の断面図である。図７（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、シート型触媒ヒーター４０１は、シート状の形状を有し、燃料ガスが導入される燃料供給室４０４と触媒室４０５と、酸化性ガスが導入される酸化性ガス供給室４０６を具備している。シート型触媒ヒーター４０１では、燃料供給室４０４の触媒室４０５に接する両面が燃料ガス透過フィルム４０２であって、触媒室４０５は、燃料供給室４０４をはさんで両側に配置されている。シート型触媒ヒーター４０１の両面側に形成された触媒室４０５の内部には、棒状の担体に触媒がコーティングされた触媒体４０９がそれぞれ配置されている。また、燃料供給室４０４の両側に配置された触媒室４０５上には酸化性ガス透過フィルム４０７をはさんで酸化性ガス供給室４０６がそれぞれ形成されており、シート型触媒ヒーター４０１の触媒室側の外側面は酸化性ガス不透過フィルム４０８となっている。シート型触媒ヒーター４０１において、燃料ガスは燃料供給室４０４から両側の触媒室４０５に燃料ガス透過フィルム４０２を通して供給され、酸化性ガスは両側の酸化性ガス供給室４０６からそれぞれ接する触媒室４０５に酸化性ガス透過フィルム４０７を通して供給される。このように、触媒室４０５が燃料供給室４０４をはさんで両側に配置されることで、シート型触媒ヒーター４０１の両面側に形成されたものであれば、シート型触媒ヒーター４０１の両面を均一に目的の温度にすることができ、発熱量が多いヒーターとするためには、このような構造が好ましい。

尚、本発明に係るシート型触媒ヒーターは、触媒燃焼であり、より低い温度でも燃料ガスを完全燃焼できるため、反応により生じる廃棄ガスは二酸化炭素と水のみで、一酸化炭素、窒素酸化物等の有害物質の生成を抑えることができる。

以下に本発明の実施例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
まず、図８（Ａ）に示されるような本発明に係るシート型触媒ヒーター５０１を作製した。シート型触媒ヒーター５０１には、燃料供給室５０４が形成されており、また、燃料供給室５０４の燃料ガス透過フィルム５０２を挟んで上側は触媒室５０６となっており、触媒室５０６は酸化性ガス供給室を兼ねるようになっている。燃料供給室５０４における触媒室５０６に接する側とは反対側の外側は燃料ガス不透過フィルム５０３であり、触媒室５０５側の外側面は酸化性ガス透過フィルム５０８が形成されている。触媒５１０は、燃料ガス透過フィルム５０２の触媒室５０６側に均一に塗布し、コーティング剤５１１によって固定されており、触媒層５０５が形成される。このような構造のシート型触媒ヒーター５０１において、燃料ガスは燃料供給室５０４から燃料ガス透過フィルム５０２を通して、酸化性ガスは、コーティング剤５１１を透過し、触媒層５０５内に供給され、触媒５１０上で反応するようになっている。

ここで、シート型触媒ヒーター５０１において、燃料ガス透過フィルム５０２としては、厚み０．１ｍｍの微孔性ＰＴＦＥフィルムを用いた。また、燃料ガス不透過フィルム５０３としては、０．０３ｍｍのアルミフィルムを用いた。燃料ガス透過フィルム５０２には、触媒５１１としてＰｔの微粉末を均一に塗布して、高分子固体電解質からなるコーティング剤によって薄くコーティングして触媒層５０５を形成した。尚、触媒層５０５の厚みは０．１ｍｍであった。

また、図８（Ｂ）に示されるように、作製したシート型触媒ヒーター５０１の燃料供給室５０４と触媒室５０６に、それぞれ、燃料ガス導入用ポンプ５１４および酸化性ガス導入用ポンプ５１５を利用して燃料ガスおよび酸化性ガスを導入した。尚、燃料ガスとして水素９９．９９％を燃料供給室５０４に導入し、酸化性ガスとして空気を酸化性ガス供給室５０６に導入するようにした。

尚、触媒層５０６内の触媒５１０上で水素と空気が反応することによって生成された水と反応に使用されなかった燃料ガスおよび空気は、排気口５１７から排出されるようにした。

上記のように水素と空気が反応することで発熱を始めたシート型触媒ヒーター５０１の表面の温度を数点測定し、表面の温度が均一となっているかを調べたところ、各測定点における平均温度は８１℃であった。また各測定点における温度差は、最小で５℃、最大で２０℃であった。また、シート型触媒ヒーター５０１のサイズを測定したところ、１５ｃｍ×１０ｃｍであり、厚みは０．５ｍｍとすることができた。また、厚みとヒーター上の温度差について、実施例１のシート型触媒ヒーター５０１と図１０に示される従来の触媒ヒーター（比較例１）とを比較した結果を表１に示した。

表１から明らかなように、本発明のシート型触媒ヒーター５０１は、従来の触媒ヒーターと比べ、非常に厚みの薄いシート状の形状とすることができた。また、本発明におけるシート型触媒ヒーター５０１では、表面の温度分布も、従来に比べ、より均一な表面温度とすることができた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な効果を奏するいかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、本実施の形態および本実施例においては、燃料ガスと酸化性ガスとを別々に供給する場合について説明したが、燃料供給室に燃料ガスと空気を混合したものを導入するようにしてもよい。

本発明に係るシート型触媒ヒーターの一例の（Ａ）斜視図および（Ｂ）断面図と（Ｃ）触媒がコーティングされた棒状の担体の例を示した図である。 図１におけるシート型触媒ヒーター１を自動車用燃料電池を温めるために使用した場合を説明するための図である。 図２において自動車用燃料電池を温めるために使用中のシート型触媒ヒーター１の状態を説明するための図である。 本発明に係るシート型触媒ヒーターの他の一例の（Ａ）斜視図および（Ｂ）断面図を示した図である。 本発明に係るシート型触媒ヒーターの他の一例の（Ａ）斜視図および（Ｂ）断面図を示した図である。 本発明に係るシート型触媒ヒーターの他の一例の（Ａ）斜視図および（Ｂ）断面図を示した図である。 本発明に係るシート型触媒ヒーターの他の一例の（Ａ）斜視図および（Ｂ）断面図を示した図である。 実施例１における（Ａ）シート型触媒ヒーターの断面図を示した図と（Ｂ）燃料ガス等の導入系および排出系を説明するための図である。 従来の触媒ヒーターの一例を示した図である。 従来の触媒ヒーターの他の一例を示した図である。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１…シート型触媒ヒーター、
２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２…燃料ガス透過フィルム、
３、１０３、２０３、３０３、５０３…燃料ガス不透過フィルム、
４、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４…燃料供給室、
５、１０６、２０５、３０５、４０５、５０６…触媒室、
６、２０６、３０６、４０６…酸化性ガス供給室、
７、２０７、３０７、４０７、５０８…酸化性ガス透過フィルム、
８、１０８、２０８、３０８、４０８…酸化性ガス不透過フィルム、
９、２０９、３０９、４０９…棒状の担体に触媒がコーティングされた触媒体、
１４…燃料ガス導入部、 １５…酸化性ガス導入部、 １６…燃料電池スタック、
１７、５１７…排気口、 １８…燃料ガス用配管、 １９…酸化性ガス用配管、
２１…燃料ガス、 ２２…酸化性ガス、 １１０、５１０…触媒、
１１１、５１１…コーティング剤、 ２１２…スペーサー、 ３１３…断熱材、
１０５、５０５…触媒層、 ５１４…燃料ガス導入用ポンプ、 ５１５…酸化性ガス導入用ポンプ、 ９０…従来の触媒ヒーター、 ９１…燃焼筒、
９２、９４…触媒部、 ９３…拡散部、 ９５…チューブ。

Claims (9)

1. 触媒に燃料ガスと酸化性ガスを供給することで発生する熱を利用したヒーター機能を有するシート状の触媒ヒーターであって、少なくとも、前記燃料ガスが導入される燃料供給室と、前記触媒が配置される触媒室を具備し、該触媒室には酸化性ガスが供給されており、前記燃料供給室と前記触媒室は燃料ガス透過フィルムによって隔たれており、該燃料ガス透過フィルムを通して前記燃料供給室から前記触媒室に前記燃料ガスが供給されるものであることを特徴とするシート型触媒ヒーター。
2. 更に、前記酸化性ガスが導入される酸化性ガス供給室を具備し、前記酸化性ガスは、前記酸化性ガス供給室から酸化性ガス透過フィルムを通して前記触媒室に供給されるものであることを特徴とする請求項１に記載のシート型触媒ヒーター。
3. 前記触媒は、棒状又は繊維状の担体に坦持されるか、前記燃料ガス透過フィルムに坦持されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシート型触媒ヒーター。
4. 前記燃料ガス透過フィルムは、厚みが０．０１〜５．０ｍｍ、ガス透過率が０．１〜１００×１０^−９ｃｍ^３・ｃｍ／ｓｅｃ・ｃｍ^２・ｃｍＨｇの範囲のものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシート型触媒ヒーター。
5. 前記燃料供給室の内部に、前記燃料ガスを導入するための空間を保持するためのスペーサーが設けられたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシート型触媒ヒーター。
6. 前記酸化性ガス供給室の内部に、断熱材が設けられたものであることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載のシート型触媒ヒーター。
7. 前記燃料供給室における前記触媒室に接する側とは反対側の外側面は燃料ガス不透過フィルムであり、前記触媒室側の外側面は酸化性ガス不透過フィルムであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシート型触媒ヒーター。
8. 前記触媒室が、前記燃料供給室をはさんで両側に配置されることで、前記シート型触媒ヒーターの両面側に形成されたものであり、前記燃料供給室の前記触媒室に接する両面が前記燃料ガス透過フィルムであり、前記触媒室側の外側面は酸化性ガス不透過フィルムであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシート型触媒ヒーター。
9. 前記シート型触媒ヒーターは、自動車用燃料電池を温めるために使用されるものであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシート型触媒ヒーター。

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