JP4350069B2 - 燃料電池システム、これに使用される燃料電池用改質装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システム、特に、これに使用されるプレートタイプの燃料電池用改質装置及びその製造方法に関するものである。

燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素の電気化学反応を通じ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、近年に開発されている高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell、ＰＥＭＦＣ）は、出力特性が優れており、作動温度が低く、同時に速い始動及び応答特性を有するので、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及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。

このようなＰＥＭＦＣ方式の燃料電池システムは、スタック、改質装置、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備える。スタックは、複数の単位セルからなる電気発生集合体を形成し、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、その水素をスタックに供給する。

したがって、このＰＥＭＦＣは、燃料ポンプの作動により燃料タンク内の燃料を改質装置に供給し、この改質装置で燃料を改質して水素を発生させ、スタックでこの水素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。
前述の改質装置は、熱エネルギーによる化学触媒反応により、水素を含有した燃料より水素を発生させる装置である。通常、前記改質装置は、前記熱エネルギーを発生させる熱源部と、前記熱エネルギーを利用して前記燃料より水素ガスを発生させる改質反応部と、前記水素ガス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除去部とを含む。

しかし、従来の燃料電池システムの改質装置は、前記熱源部、改質反応部、一酸化炭素除去部が所定の内部空間を有する反応容器で形成され、これらの各々がパイプタイプの配管によって連結されて分散配置される。そのため、全体的なシステムをコンパクトに実現できず、熱源部から発生する熱エネルギーを改質反応部に迅速に伝達できなくなって、全体的な反応効率及び熱効率が低下する問題点があった。

本発明は前述の問題点を勘案したものであって、その目的は、改質装置を単純に構成して小型化が可能であり、性能を向上させることができる改質装置、及びこれを採用した燃料電池システムを提供することにある。

このような目的を達成するための本発明による燃料電池システムに使用される改質装置は、燃料又はガスが流れる通路を形成しながら積層される複数の基板と、前記各通路を構成する面にワッシュコーティング（wash-coating）され、一方向性を有しながら形成される触媒層とを備えていることを特徴とする。

また、前記通路の開始端に燃料又はガスが流入する流入口が形成され、終了端に燃料又はガスが流出する流出口が形成され、前記触媒層が、前記流入口から流出口に向かう方向性を有しながら形成されることを特徴とする。

また、前記触媒層が、前記各通路を構成する全体面に形成されることを特徴とする。

また、前記複数の基板及び前記触媒層が複数の反応部を構成し、前記複数の反応部の各々が、一面にチャンネルが形成される一基板と、前記一基板の前記一面に密着固定されて通路を構成する蓋基板と、前記通路を構成する面に形成される触媒層とを備えていることを特徴とする。

このとき、前記各反応部が、熱エネルギーを発生させる熱源部、前記燃料より水素ガスを発生させる改質反応部、又は前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部のうちの何れか一つであることを特徴とする。

一方、前記複数の基板及び前記触媒層が複数の反応部を構成し、前記複数の反応部が、一面にチャンネルが形成される少なくとも二つの基板と一つの蓋基板とが積層されて通路が形成され、前記各通路を構成する面に前記各反応部に必要な前記触媒層が形成されて構成されることを特徴とする。

また、前記反応部が、熱エネルギーを発生させる熱源部と、前記燃料より水素ガスを発生させる改質反応部とを備えていることを特徴とする。

このとき、前記複数の基板が、第１チャンネルが一面に形成される第１基板と、第２チャンネルが一面に形成されて前記第１基板の一面に密着する第２基板と、前記第２基板の一面に密着する蓋基板とを備え、前記触媒層が、前記第１チャンネルと前記第２基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される酸化触媒層と、前記第２チャンネルと前記蓋基板によって形成された通路を構成する全体面に形成される改質触媒層とを備えていることを特徴とする。

そして、前記反応部が、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる少なくとも一つの一酸化炭素低減部をさらに備えていることを特徴とする。

このとき、前記複数の基板が、第１チャンネルが一面に形成される第１基板と、第２チャンネルが一面に形成されて前記第１基板の一面に密着する第２基板と、第３チャンネルが一面に形成されて前記第２基板の一面に密着する第３基板と、第４チャンネルが一面に形成されて前記第１基板の他の一面に密着する第４基板と、前記第３基板の一面に密着する蓋基板とを備え、前記触媒層が、前記第１チャンネルと前記第２基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される酸化触媒層と、前記第２チャンネルと前記第３基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される改質触媒層と、前記第３チャンネルと前記蓋基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される水性ガス転換触媒層と、前記第４チャンネルと前記第１基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される選択的酸化触媒層とを備えていることを特徴とする。

一方、本発明による燃料電池用改質装置の製造方法は、（ａ）一面にチャンネルが形成される少なくとも一つの基板、及び蓋基板を用意する段階と、（ｂ）前記少なくとも一つの基板と蓋基板とを結合して、通路を形成する段階と、（ｃ）前記通路を構成する面に触媒物質をワッシュコーティングして触媒層を形成する段階とを備えていることを特徴とする。

そして、前記基板が、ステンレス鋼、銅、ニッケル、鉄の中から選択される何れか一つからなることを特徴とする。

また、前記（ｂ）段階と前記（ｃ）段階との間に、前記通路に前記触媒層を支持するための担体で支持層を形成する段階をさらに備えていることを特徴とする。

また、前記支持層は、アルミナ、シリカ又はチタニアの中で選択されるいずれか一つからなることを特徴とする。

そして、前記（ｃ）段階が、前記触媒物質を予め設定された空気圧で前記通路内に噴射させて、流入口から流出口に向かう方向性を有する触媒層を形成することを特徴とする。

一方、本発明による燃料電池システムは、前記本発明による改質装置と、水素と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源と、前記改質装置及び電気生成部に酸素を供給する酸素供給源とを備えていることを特徴とする。

本実施例による燃料電池用改質装置、燃料電池用改質装置の製造方法、又は燃料電池システムは、反応基板による積層構造からなる単純な構造を有するので、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。したがって、製造工程を単純化して生産性をさらに向上させることができる。

そして、本発明による燃料電池用改質装置、燃料電池用改質装置の製造方法、又は燃料電池システムによれば、燃料の各種の反応に必要な熱エネルギーを迅速に伝達することができる。したがって、全体的な改質装置の反応効率及び熱効率を向上させることができる。

また、本発明による燃料電池用改質装置、燃料電池用改質装置の製造方法、又は燃料電池システムによれば、改質反応に必要な触媒層をワッシュコーティング法によって一方向性を有するように形成して、触媒層の接着安定性及び衝撃耐久性を向上させることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な相違した形態で実現でき、ここで説明する実施例に限定されない。
図１は、本発明の一実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。

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燃料とは、メタノール、エタノール又は天然ガスのように水素を含有した燃料を意味する。以下で説明する燃料は液状の燃料を意味する。
このような燃料電池システム１００は、前記燃料に含まれている水素と反応する酸素として、別途の保存手段に保存された酸素、又は酸素を含有した空気を用いることができる。しかし、以下では、前記酸素として、空気を使用する後者の例を説明する。

図１を参照すれば、本実施例による燃料電池システム１００は、前記燃料より水素を発生させる改質装置３０と、前記水素と空気中に含まれている酸素との電気化学的な反応により電気エネルギーを発生させるスタック１０と、前記燃料を改質装置３０に供給する燃料供給源５０と、酸素を改質装置３０とスタック１０とに各々供給する酸素供給源７０とを含んで構成される。

つまり、本実施例における燃料電池システム１００は、改質装置３０を通じて前記水素を生成し、この水素をスタック１０に供給して水素と酸素の電気化学的な反応により電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池方式を採用する。
前記燃料供給源５０は、燃料を保存する第１タンク５１と、水を保存する第２タンク５３と、各々の第１及び第２タンク５１、５３に連結設置される燃料ポンプ５５とを含んでいる。そして、酸素供給源７０は、所定のポンピング力で空気を吸入することができる空気ポンプ７１を含んでいる。

前記水素を含有した燃料より水素を発生させる改質装置３０の構造を、図１、図２、及び図３を参照して説明し、前記水素と酸素の電気化学的な反応により電気エネルギーを発生させるスタック１０の構造を図１及び図４を参照して説明する。

図２は、本発明の一実施例による改質装置の構造を示した分解斜視図であり、図３は、図２の結合断面構成図である。
本発明に適用される改質装置３０は、熱エネルギーによる化学触媒反応、例えば、水蒸気改質、部分酸化又は自熱反応などを通じて燃料を改質して水素ガスを発生させ、水性ガス転換方法、選択的酸化方法などのような触媒反応、又は分離膜を利用した水素の精製などのような方法により、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる。

このような改質装置３０は、前記熱エネルギーを発生させる熱源部３１と、前記熱エネルギーの提供を受け、水蒸気改質（Steam Reforming）触媒反応により前記蒸気化された燃料より水素ガスを発生させる改質反応部３２と、前記水素ガスの水性ガス転換（Water-Gas Shift Reaction）触媒反応により、この水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を１次的に低減させる第１一酸化炭素低減部３３と、前記水素ガスと空気の選択的酸化（Preferential CO Oxidation）触媒反応により、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を２次的に低減させる第２一酸化炭素低減部３４とを含んで構成される。

また、改質装置３０には、熱源部３１から発生する熱エネルギーを利用して前記混合燃料を気化させるための気化部（図示せず）が、熱源部３１と改質反応部３２との間に配置されていてもよく、これも本発明の範囲に属する。

本実施例によれば、前記改質装置３０は、前記熱源部３１、改質反応部３２、第１一酸化炭素低減部３３、第２一酸化炭素低減部３４、及び蓋部３５が、プレートタイプの複数の基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５が積層されながら形成する通路３１ｄ、３２ｄ、３３ｄ、３４ｄに各反応を促進させる触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅが形成されて構成される。このような反応部３１、３２、３３、３４については、複数の基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５の構造を説明した後でこれに形成される触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅを挙げて詳細に説明する。

前記第１反応基板３１ａの一面に、前記燃料と空気との流れを可能にする第１チャンネル３１ｃが形成される。前記第１チャンネル３１ｃの開始端には、前記液状の燃料と空気とが流入する流入口３１ｆが形成され、終了端には、前記液状の燃料と空気との燃焼ガスが流出する流出口３１ｇが形成される。このとき、前記流入口３１ｆと第１タンク５１とが、管路形態の第１供給ライン８１によって連結され、前記流入口３１ｆと空気ポンプ７１とが、管路形態の第２供給ライン８２によって連結される。

第２反応基板３２ａの上面には、燃料の流れを可能にする第２チャンネル３２ｃが形成される。前記第２チャンネル３２ｃの開始端には、前記混合燃料が流入する流入口３２ｆが形成され、終了端には、前記混合燃料から発生した水素ガスが流出する流出口３２ｇが形成される。このとき、前記流入口３２ｆと第１及び第２タンク５１、５３とが、管路形態の第３供給ライン８３によって連結される。そして、前記流入口３２ｆは、別途の管路（図示せず）によって、第１反応基板３１ａの流出口３１ｇに連結される。

前記第３反応基板３３ａの上面には、前記改質反応部３２から発生した水素ガスの流れを可能にする第３チャンネル３３ｃが形成される。前記第３チャンネル３３ｃの開始端には、前記水素ガスが流入する流入口３３ｆが形成され、終了端には、一酸化炭素の濃度が１次的に低減された水素ガスが流出する流出口３３ｇが形成される。このとき、前記流入口３３ｆが、別途の連結手段（図示せず）、例えば、管路又は孔によって、前記第２反応基板３２ａの流出口３２ｇに連結される。

前記第４反応基板３４ａの上面には、前記水素ガスの流れを可能にする第４チャンネル３４ｃが形成される。前記第４チャンネル３４ｃの開始端には、前記水素ガスが流入する流入口３４ｆが形成され、終了端には、前記一酸化炭素の濃度が２次的に低減された水素ガスの流出を可能にする流出口３４ｇが形成される。このとき、前記流入口３４ｆと空気ポンプ７１とが、管路形態の第４供給ライン８４によって連結され、前記流入口３４ｆと第３反応基板３３ａの流出口３３ｇとが、別途の連結手段（図示せず）、例えば、管路又は孔によって連結される。そして、前記流出口３４ｇと次に説明するスタック１０とは、第５供給ライン８５によって連結設置される。

前記各反応基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａに形成された各々のチャンネル３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、３４ｃは、各基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａの上面で互いに任意の間隔をおいて直線状態に配置され、その両端が交互に連結されて形成される。もちろん、前記チャンネル３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、３４ｃの構造がこれに限られるわけではない。

本実施例の改質装置３０は、前記第１反応基板３１ａの上側に、第２反応基板３２ａと第３反応基板３３ａとが順に積層され、前記第１反応基板３１ａの下側に、第４反応基板３４ａが積層されて構成される。そして、改質装置３０の上側に位置する第３反応基板３３ａの上面の蓋部３５に、蓋基板３６が結合される。ここで、蓋基板３６とは、チャンネルが形成されない基板を便宜上称するものであって、本発明がこのような名称に限られるわけではない。

このとき、前記各基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａと蓋基板３６とは、ステンレス鋼、銅、ニッケル、鉄のようなメタル素材で形成されることができ、ほぼ四角形のプレート形状に形成される。
前記第１基板３１ａと第２基板３２ａとの間には、第１基板３１ａの第１チャンネル３１ｃと第２基板３２ａの下面とによって、液状の燃料と空気とが通過できる第１通路３１ｄが形成される。

このような第１通路３１ｄの内表面には、酸化触媒層３１ｅを支持するための支持層３１ｓが形成される。前記支持層３１ｓは、酸化触媒層３１ｅを支持する担体であって、通常のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、又はチタニア（ＴｉＯ_２）などからなるのが好ましい。また、前記支持層３１ｓ上には、燃料と空気の酸化反応を促進させる酸化触媒層３１ｅが形成される。

このとき、前記支持層３１ｓは、第１基板３１ａと第２基板３２ａとが結合した後で形成させることができ、前記第１基板３１ａの第１チャンネル３１ｃの内表面に形成させた後、第２基板３２ａを第１基板３１ａに結合させることができる。
本実施例では、酸化触媒層３１ｅが、第１通路３１ｄの内表面、つまり、支持層３１ｓ上にワッシュコーティング(wash-coating)されて一方向性を有するように形成される。

ここで、前記ワッシュコーティング法とは、触媒層３１ｅを成す触媒物質を、予め設定された空気圧で前記流入口３１ｆを通して噴射させて、流出口３１ｇを通して排出しながら、第１通路３１ｄの内表面全体に所定の厚さの触媒層３１ｅを形成させるコーティング方法を意味する。つまり、このような触媒層３１ｅは、第１基板３１ａと第２基板３２ａとが結合された状態で前記支持層３１ｓ上に形成される。

このように、ワッシュコーティングによって形成される前記触媒層３１ｅは、第１通路３１ｄ全体に対し、第１チャンネル３１ｃの流入口３１ｆから流出口３１ｇに向かう方向性を有する。したがって、図示したように、触媒層３１ｅの表面が概して偏平でなく、凸と凹が形成されたデコボコな形態に形成される。
そして、前記第２基板３２ａと第３基板３３ａとの間には、第２基板３２ａの第２チャンネル３２ｃと第３基板３３ａの下面とによって、燃料が通過できる第２通路３２ｄが形成される。

このような第２通路３２ｄを構成する面には、支持層３２ｓが形成され、このような支持層３２ｓ上には、燃料の水蒸気改質反応を促進させる改質触媒層３２ｅが形成される。本実施例では、支持層３２ｓは、第１通路３１ｄを構成する面に形成された支持層３１ｓと実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。

前記改質触媒層３２ｅは支持層３２ｓ上にワッシュコーティングされて一方向性、つまり、第２通路３２ｄ全体に対し、流入口３２ｆから流出口３２ｇに向かう方向性を有するように形成される。
また、前記第３基板３３ａと蓋基板３６との間には、第３基板３３ａの第３チャンネル３３ｃと蓋基板３６の蓋面とによって、第２通路３２ｄから排出される水素ガスが通過される第３通路３３ｄが形成される。

前記第３通路３３ｄの内表面には、第１実施例のような支持層３３ｓが形成され、この支持層３３ｓ上には、前記水素ガスの水性ガス転換反応を促進させる水性ガス転換触媒層３３ｅが形成される。前記水性ガス転換触媒層３３ｅは、支持層３３ｓ上にワッシュコーティングされて、第３通路３３ｄ全体に対し、第３チャンネル３３ｃの流入口３３ｆから流出口３３ｇに向かう方向性を有するように形成される。

そして、前記第４基板３４ａと第１基板３１ａとの間には、第４基板３４ａの第４チャンネル３４ｃと第１基板３１ａの下面とによって、第３通路３３ｄから排出される水素ガスを通過させる第４通路３４ｄが形成される。
そして、前記第４通路３４ｄの内表面には支持層３４ｓが形成され、この支持層３４ｓ上には、前記水素ガスと空気との選択的酸化反応を促進させる選択的酸化触媒層３４ｅが形成される。このような選択的酸化触媒層３４ｅは、一方向性、つまり、第４通路３４ｄ全体に対し、第４チャンネル３４ｃの流入口３４ｆから流出口３４ｇに向かう方向性を有するように、支持層３４ｓ上にワッシュコーティングされて形成される。

つまり、本実施例では、前記触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅが、各通路３１ｄ、３２ｄ、３３ｄ、３４ｄの内表面にワッシュコーティングされることにより、この触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅを成す触媒粒子が、支持層３１ｓ、３２ｓ、３３ｓ、３４ｓの表面に堅固に付着されて、比較的強い機械的衝撃又は熱的衝撃にもその触媒粒子が支持層３１ｓ、３２ｓ、３３ｓ、３４ｓから落ちないようになる。

図４は、図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。
図１及び図４を参照すれば、本システム１００に適用されるスタック１０は、改質装置３０によって生成された水素と空気中とに含まれている酸素の酸化/還元反応により、電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部１１が積層されて成る。
前記電気生成部１１には、膜−電極アセンブリー（Membrane-Electrode Assembly、ＭＥＡ）１２が中心に配置され、その両面にセパレータ１６が配置されて、電気を発生させる最小単位の燃料電池が形成される。

膜−電極アセンブリー１２は、水素と酸素との電気化学反応を起こす所定の面積の活性領域を有しながら形成され、一面にアノード電極、他の一面にカソード電極を備え、二つの電極の間に電解質膜を備える構造からなる。
前記アノード電極は、水素を酸化反応させて水素イオン（proton）と電子とに変換させる機能をする。前記カソード電極は、前記水素イオンと酸素とを還元反応させて、所定の温度の熱と水分とを発生させる。そして、電解質膜は、アノード電極で生成された水素イオンをカソード電極に移動させるイオン交換の機能をする。

セパレータ１６は、膜−電極アセンブリー１２の酸化/還元反応に必要な水素ガスと空気とをアノード電極とカソード電極に供給する通路としての機能を有し、アノード電極とカソード電極とを直列に接続させる伝導体としての機能も有する。

より具体的には、膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に密着するセパレータ１６の面には、アノード電極に水素ガスを供給するための水素通路１７が形成され、カソード電極に密着する面には、カソード電極に空気を供給するための空気通路１７が形成される。

そして、スタック１０の最外郭には、前記複数の電気生成部１１を密着させる別途の加圧プレート１３を設置することもできる。しかし、本発明によるスタック１０は、前記加圧プレート１３を排除し、電気生成部１１の最外郭に位置するセパレータ１６が前記加圧プレートの役割に代わるように構成させてもよい。また、加圧プレート１３が、複数の電気生成部１１を密着させる機能の他、次に説明するセパレータ１６の固有な機能を有していてもよい。

前記加圧プレート１３のうちの一つには、水素ガスをセパレータ１６の水素通路に供給するための第１注入部１３ａと、空気をセパレータ１６の空気通路に供給するための第２注入部１３ｂとが形成され、他の一つには、膜−電極アセンブリー１２のアノード電極で反応して残った水素ガスを排出させるための第１排出部１３ｃと、膜−電極アセンブリー１２のカソード電極で水素と酸素の結合反応によって生成された水分、及び水素と反応して残った空気を排出させるための第２排出部１３ｄとが形成される。

このとき、前記第２注入部１３ｂと空気ポンプ７１とは、管路形態の第６供給ライン８６によって連結設置される。そして、前記第１排出部１３ｃは、別途の管路（図示せず）を通して第１反応基板３１ａの流入口３１ｆに連結される。

前記のように構成された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５５を稼動して、第１タンク５１に保存された燃料を第１供給ライン８１を通して改質装置３０の第１通路３１ｄに供給する。これと同時に、空気ポンプ７１を稼動して、第２供給ライン８２を通して空気を前記第１通路３１ｄに供給する。そうすれば、前記液状の燃料と空気とが、第１通路３１ｄに沿って流動しながら酸化触媒層３１ｅによって酸化触媒反応を起こす。したがって、熱源部３１では、このような燃料と空気との酸化触媒反応によって所定の温度の反応熱を発生させる。これで、熱源部３１から発生する熱エネルギーが、改質反応部３２、一酸化炭素低減部３３、３４に伝導されて、改質装置３０全体を予熱する。

このように改質装置３０の予熱が完了した後、燃料ポンプ５５を稼動して、第１タンク５１に保存された燃料と第２タンク５３に保存された水とを、第３供給ライン８３を通して改質装置３０の第２通路３２ｄに供給する。そうすれば、前記燃料と水は第２通路３２ｄに沿って流れながら、前記熱源部３１から提供される熱エネルギーによって気化される。

このとき、改質反応部３２では、改質触媒層３２ｅによる水蒸気改質反応が起こって、前記気化された燃料より水素ガスが発生する。そして、改質反応部３２では水蒸気改質触媒反応を完全に行うのが困難であるため、副生成物として、一酸化炭素が含まれている水素ガスを生成する。

次に、前記一酸化炭素が含まれている水素ガスを、改質装置３０の第３通路３３ｄに沿って流れるようにする。これによって、第１一酸化炭素低減部３３では、水性ガス転換触媒層３３ｅによる水性ガス転換触媒反応が起こって追加の水素ガスが発生し、水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度が１次的に低減する。

次いで、前記第３通路３３ｄを通過した前記水素ガスを改質装置３０の第４通路３４ｄに沿って流れるようにする。これと同時に空気ポンプ７１を稼動して、第４供給ライン８４を通して空気を前記第４通路３４ｄに供給する。これによって、第２一酸化炭素低減部３４では、選択的酸化触媒層３４ｅによる選択的酸化触媒反応が起こって前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度が２次的に低減し、前記水素ガスが排出する。

次に、前記水素ガスを第５供給ライン８５を通してスタック１０の第１注入部１３ａに供給する。これと同時に空気ポンプ７１を稼動して、第６供給ライン８６を通して空気をスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。

これによって、前記水素ガスが、セパレータ１６の水素通路を通して膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に供給される。そして、空気は、セパレータ１６の空気通路を通して膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に供給される。
したがって、アノード電極では、酸化反応により水素ガスが電子とプロトン（水素イオン）とに分解される。そして、プロトンは電解質膜を通してカソード電極に移動する一方、電子は電解質膜を通して移動できず、セパレータ１６を通して隣接する膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に移動する。この電子の流れによって電流が発生し、付随的に熱と水とが発生する。

前記のように構成される本実施例による改質装置の製造方法を、図５を参照して説明する。
図５は、本発明の一実施例による改質装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。

まず、前述のチャンネル３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、３４ｃが形成されるプレートタイプの基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａと蓋基板３６を含む基板とを用意する（Ｓ１０）。このとき、前記基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３６は、ステンレス鋼、銅、ニッケル、鉄などからなることができる。前記基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａにチャンネル３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、３４ｃを形成するためには、異方性エッチングなどの多様な方法が適用できる。
次に、第１基板３１ａを中心に、その上側に第２基板３２ａ、第３基板３３ａ、及び蓋基板３６を順に積層し、第１基板３１ａの下側に第４基板３４ａを積層した後、これらを結合手段で結合させる（Ｓ２０）。

次に、前記各々の通路３１ｄ、３２ｄ、３３ｄ、３４ｄを構成する面全体に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、又はチタニア（ＴｉＯ_２）などからなる支持層３１ｓ、３２ｓ、３３ｓ、３４ｓを形成する（Ｓ３０）。

そして、ワッシュコーティング方法を利用し、前記支持層３１ｓ、３２ｓ、３３ｓ、３４ｓ上に触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅを形成する（Ｓ４０）。

このように本発明では、前記複数の基板３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３６を結合した後で、触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅを形成することにより、通路３１ｄ、３２ｄ、３３ｄ、３４ｄを構成する全体面に、触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅを形成することができる。したがって、燃料又はガスと触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅとの接触面積を広めて全体的な反応効率を向上させることができる。また、ワッシュコーティング方法を利用して触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅを形成することによって、一方向性を有する触媒層３１ｅ、３２ｅ、３３ｅ、３４ｅを形成することができる。

以下では、本発明の一実施例の変形例についてより詳細に説明する。本変形例において、前記一実施例と実質的に同一な構成は詳細な説明を省略する。

図６は、本発明の第１変形例に対する改質装置の構造を示した分解斜視図である。
図６を参照すれば、本変形例による改質装置は、熱源部４１の上側に改質反応部４２と蓋部４５とが順に積層されて成る。具体的に、前記改質装置は、第１基板４１ａの上側に第２基板４２ａが積層され、前記第１基板４１ａの上面に蓋基板４６が積層された構造を有する。

前記第１基板４１ａと第２基板４２ａとの間には、第１基板４１ａの第１チャンネル４１ｃと第２基板４２ａの下面とによって、第１通路４１ｄが形成される。この時、第１通路４１ｄを構成する面に支持層４１ｓが形成され、前記支持層４１ｓ上に酸化触媒層４１ｅが形成される。前記酸化触媒層４１ｅは、支持層４１ｓ上にワッシュコーティングされて、一方向性、つまり、第１通路４１ｄ全体に対し、流入口（図示せず）から流出口（図示せず）に向かう方向性を有するように形成されることができる。

そして、前記第２基板４２ａと蓋基板４６との間には、第２基板４２ａの第２チャンネル４２ｃと蓋基板４６の蓋面とによって、第２通路４２ｄが形成される。このとき、第１通路４２ｄを構成する面に支持層４２ｓが形成され、前記支持層４２ｓ上に改質触媒層４２ｅが形成される。前記改質触媒層４２ｅは、支持層４２ｓ上にワッシュコーティングされて、一方向性、つまり、第２通路４２ｄ全体に対して流入口（図示せず）から流出口（図示せず）に向かう方向性を有するように形成されることができる。

つまり、この実施例では、熱源部と改質反応部とを含んで、改質反応に必要な構成要素を全て含みながらこのような構成要素を最小とすることにより、改質装置の構造的な長所を一層強化させることができる。

図７は、本発明の第２変形例に対する改質装置の構造を示した分解斜視図である。図８は、図７の結合断面構成図である。
本実施例で、改質装置は、熱源部１３１、改質反応部１３２、第１一酸化炭素低減部１３３、及び第２一酸化炭素低減部１３４を含む。このような各反応部１３１、１３２、１３３、１３４は形成される触媒層１３１ｅ、１３２ｅ、１３３ｅ、１３４ｅのみが異なり、他の構造は実質的に同一であるので、図面において一つに示した。

このとき、各反応部１３１、１３２、１３３、１３４は、一面にチャンネルが形成される基板１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａとこれに積層される蓋基板１３６とによって形成された通路１３１ｄ、１３２ｄ、１３３ｄ、１３４ｄを構成する面に、支持層１３１ｓ、１３２ｓ、１３３ｓ、１３４ｓ及び触媒層１３１ｅ、１３２ｅ、１３３ｅ、１３４ｅが形成されて構成される。つまり、チャンネルが形成された基板が、連続的に積層される第１実施例とは異なり、本実施例では、各反応部１３１、１３２、１３３、１３４が、基板１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａと蓋基板１３６とを有する独立的な構造を有する。

このような第１変形例及び第２変形例によって改質装置を製造する方法は、前記一実施例による改質装置を製造する方法と実質的に同一である。したがって、これに対する詳細な説明は省略する。

本発明の改質装置は、前記反応部のうちの一酸化炭素低減部を含まないのも可能であり、別途の反応部をさらに含むこともできる。そして、改質装置が、前記プレートタイプの反応部と共に他の構造の反応部を全て備えることも可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。
つまり、前記で本発明の実施例及び変形例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。

本発明の一実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示した概略図である。 本発明の一実施例による改質装置の構造を示した分解斜視図である。 図２の結合断面構成図である。 図１に示したスタックの構造を示した分解斜視図である。 本発明の一実施例による改質装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１変形例に対する改質装置の構造を示した分解斜視図である。 本発明の第２変形例に対する改質装置の構造を示した分解斜視図である。 図７の結合断面構成図である。

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 加圧プレート
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
３０ 改質装置
３１、４１、１３１ 熱源部
３１ａ、４１ａ 第１反応基板
３１ｃ、４１ｃ 第１チャンネル
３１ｄ、４１ｄ 第１通路
３１ｅ、４１ｅ 酸化触媒層
３１ｆ、３２ｆ、３３ｆ、３４ｆ、１３１ｆ、１３２ｆ、１３３ｆ、１３４ｆ 流入口
３１ｇ、３２ｇ、３３ｇ、３４ｇ、１３１ｇ、１３２ｇ、１３３ｇ、１３４ｇ 流出口
３１ｓ、３２ｓ、３３ｓ、３４ｓ、４１ｓ、４２ｓ、１３１ｓ、１３２ｓ、１３３ｓ、１３４ｓ 支持層
３２、４２、１３２ 改質反応部
３２ａ、４２ａ 第２反応基板
３２ｃ、４２ｃ 第２チャンネル
３２ｄ、４２ｄ 第２通路
３２ｅ、４２ｅ 改質触媒層
３３、１３３ 第１一酸化炭素低減部
３３ａ 第３反応基板
３３ｃ 第３チャンネル
３３ｄ 第３通路
３３ｅ 水生ガス転換触媒層
３４、１３４ 第２一酸化炭素低減部
３４ａ 第４反応基板
３４ｃ 第４チャンネル
３４ｄ 第４通路
３４ｅ 選択的酸化触媒層
３５、４５ 蓋部
３６、４６、１３６ 蓋基板
５０ 燃料供給源
５１ 第１タンク
５３ 第２タンク
５５ 燃料ポンプ
７０ 酸素供給源
７１ 空気ポンプ
８１ 第１供給ライン
８２ 第２供給ライン
８３ 第３供給ライン
８４ 第４供給ライン
８５ 第５供給ライン
８６ 第６供給ライン
１００ 燃料電池システム
１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、１３４ａ 基板
１３１ｄ、１３２ｄ、１３３ｄ、１３４ｄ 通路
１３１ｅ、１３２ｅ、１３３ｅ、１３４ｅ 触媒層

Claims (6)

1. 燃料又はガスが流れる通路を形成しながら積層される複数の基板と、
   前記各通路を構成する面にワッシュコーティングされて形成される触媒層と、
   を備え、
   前記複数の基板及び前記触媒層が複数の反応部を構成し、
   前記複数の反応部が、一面にチャンネルが形成される少なくとも二つの基板と一つの蓋基板とが積層されて通路が形成され、前記各通路を構成する面に前記各反応部に必要な前記触媒層が形成されて構成され、
   前記複数の反応部がそれぞれ、熱エネルギーを発生させる熱源部と、前記燃料より水素ガスを発生させる改質反応部と、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる第１及び第２一酸化炭素低減部であり、
   前記複数の基板が、
   第１チャンネルが一面に形成される第１基板と、
   第２チャンネルが一面に形成されて前記第１基板の一面に密着する第２基板と、
   第３チャンネルが一面に形成されて前記第２基板の一面に密着する第３基板と、
   第４チャンネルが一面に形成されて前記第１基板の他の一面に密着する第４基板と、
   前記第３基板の一面に密着する蓋基板とを備え、
   前記触媒層が、
   前記第１チャンネルと前記第２基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される酸化触媒層と、
   前記第２チャンネルと前記第３基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される改質触媒層と、
   前記第３チャンネルと前記蓋基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される水性ガス転換触媒層と、
   前記第４チャンネルと前記第１基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される選択的酸化触媒層とを備えていることを特徴とする燃料電池用改質装置。
2. 前記通路の開始端に燃料又はガスが流入する流入口が形成され、終了端に燃料又はガスが流出する流出口が形成され、
   前記触媒層が、前記流入口から流出口に向かう方向性を有しながら形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
3. 前記触媒層が、前記各通路を構成する全体面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質装置。
4. 水素を含有した燃料より水素を発生させる改質装置と、
   前記水素と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気生成部と、
   前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源と、
   前記改質装置及び電気生成部に酸素を供給する酸素供給源とを備え、
   前記改質装置が、燃料又はガスが流れる通路を形成しながら積層される複数の基板と、
   前記各通路を構成する面にワッシュコーティングされて形成される触媒層とを備え、
   前記複数の基板及び前記触媒層が複数の反応部を構成し、
   前記複数の反応部が、一面にチャンネルが形成される少なくとも二つの基板と一つの蓋基板とが積層されて通路が形成され、前記各通路を構成する面に前記各反応部に必要な前記触媒層が形成されて構成され、
   前記複数の反応部がそれぞれ、熱エネルギーを発生させる熱源部と、前記燃料より水素ガスを発生させる改質反応部と、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる第１及び第２一酸化炭素低減部であり、
   前記複数の基板が、
   第１チャンネルが一面に形成される第１基板と、
   第２チャンネルが一面に形成されて前記第１基板の一面に密着する第２基板と、
   第３チャンネルが一面に形成されて前記第２基板の一面に密着する第３基板と、
   第４チャンネルが形成されて前記第１基板の他の一面に密着する第４基板と、
   前記第３基板の一面に密着する蓋基板とを備え、
   前記触媒層が、
   前記第１チャンネルと前記第２基板によって形成された通路を構成する全体面に形成される酸化触媒層と、
   前記第２チャンネルと前記第３基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される改質触媒層と、
   前記第３チャンネルと前記蓋基板とによって形成された通路を構成する全体面に形成される水性ガス転換触媒層と、
   前記第４チャンネルと前記第１基板によって形成された通路を構成する全体面に形成される選択的酸化触媒層とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記通路の開始端に燃料又はガスが流入する流入口が形成され、終了端に燃料又はガスが流出する流出口が形成され、
   前記触媒層が、前記流入口から流出口に向かう方向性を有しながら形成され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。
6. 前記触媒層が、前記各通路を構成する全体面に形成され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。

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