JP4351643B2 - 燃料電池システムの改質器及び燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は，燃料電池システムに関し，より詳しくは改質器の構造を改善した燃料電池システムに関する。
周知のように，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列の物質内に含まれている水素と，酸素の化学反応時に生じる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。
この燃料電池は，用いられる電解質の種類によって，リン酸型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池，固体酸化物型燃料電池，高分子電解質型または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，基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いうまでもなく，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，システムを構成するためにスタック，改質器，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ており，燃料ポンプは，燃料タンク内の燃料を改質器に供給する。改質器は，燃料を改質して水素ガスを発生させ，この水素ガス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，水素ガスと酸素の電気化学反応により電気エネルギーを発生させる。
この改質器は，燃料と空気の化学触媒反応により熱エネルギーを発生させ，熱エネルギーを吸収して，燃料から水素ガスを発生させる装置でもある。
従来の燃料電池システムの改質器は，触媒を利用した発熱及び吸熱反応特性を利用しており，燃料と空気の酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させる発熱部と，熱エネルギーを受け取って改質触媒反応を誘導し，燃料から水素ガスを発生させる吸熱部で構成される。
しかし，従来の燃料システムの改質器は，発熱部と吸熱部が別途に備えられて発熱部から発生する熱を吸熱部に伝える構造になっているため，発熱部と吸熱部との熱交換が直接行われることなく，熱伝達面で不利であるという問題点がある。
また，発熱部と吸熱部の個別構造によって全体システムの大きさをコンパクトに実現できないという問題点もある。
本発明は，前記の問題点を勘案したもので，燃料電池システムをコンパクトに実現でき，発熱部位と吸熱部位との熱伝逹が迅速に行われる燃料電池用改質器を提供する。
また，本発明はこのような改質器を有する燃料電池システムを提供する。
本発明による燃料電池システムの改質器は，燃料を通過させる互いに独立な流路を有し，同心方向に配置される少なくとも二重管路形態に構成されて，前記流路に形成されて，化学触媒反応により熱エネルギーを発生させ，前記燃料から水素ガスを発生させる触媒層を含む。
本発明による燃料電池システムの前記改質器において，前記触媒層は，前記燃料と空気の酸化反応により熱エネルギーを発生させる酸化触媒層と，前記熱エネルギーの吸収による水蒸気改質反応により，前記燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層とを含むことができる。
本発明による燃料電池システムの改質器は，第１管路と，前記第１管路の内部断面形状より小さい外部断面形状を有しながら前記第１管路内部の中心方向に配置される第２管路と，前記第２管路の内・外壁のうち一方の壁面に形成される酸化触媒層と前記内・外壁のうち他の壁面に形成される改質触媒層を含む。
本発明による燃料電池システムの前記改質器は，前記酸化触媒層を第２管路の内壁面に形成し，前記改質触媒層を第２管路の外壁面に形成することができる。この場合，本発明による燃料電池システムの前記改質器は，前記第２管路の内部に前記燃料と空気を通過させる第１流路を形成し，前記第１管路と第２管路との間に前記燃料を通過させる第２流路を形成することができる。
また，本発明による燃料電池システムの前記改質器は，前記酸化触媒層を第２管路の外壁面に形成し，前記改質触媒層を第２管路の内壁面に形成することもできる。この場合，本発明による燃料電池システムの前記改質器は，前記第１管路と第２管路の間に前記燃料と空気を通過させる第１流路を形成し，前記第２管路の内部に前記燃料を通過させる第２流路を形成することができる。
そして，本発明による燃料電池システムの改質器は，第１管路が円形のパイプ形態に形成されて，断熱性を有するステンレススチール，ジルコニウムのような断熱性金属，またはセラミックやプラスチックのうちのいずれか一つの素材で形成することができる。
また，本発明による燃料電池システムの改質器は，第２管路が円形のパイプ形態に構成されて，熱伝導性を有するアルミニウム，銅，鉄からなる群より選択される少なくとも一つの金属，または，それの合金で形成することができる。
そして，本発明による燃料電池システムの改質器は，第１管路の内壁面にポリベンゾイミダゾル，ポリエーテルエーテルケトン，ポリフェニレンサルファイド，ポリアミドミドからなる群より選択される素材の断熱層を形成することもできる。
また，本発明による燃料電池システムの改質器は，酸化触媒層が白金ＰｔまたはルテニウムＲｕのうちの少なくとも一つの金属，または，それの合金から作ることが好ましい。
そして，本発明による燃料電池システムの改質器は，改質触媒層が銅Ｃｕ，ニッケルＮｉ，白金Ｐｔからなる群より選択される少なくとも一つの金属，または，それの合金で形成されることができる。
本発明による燃料電池システムは，水素と酸素の電気化学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発生部と，水素を含有する燃料を改質して水素ガスを発生させ，この水素ガスを電気発生部に供給する改質器と，改質器に燃料を供給する燃料供給部と，電気発生部と改質器に酸素を供給する酸素供給部とを含み，改質器は，燃料を通過させる互いに独立な流路を有しながら同心方向に配置される少なくとも二重の管路形態に構成され，流路の内表面に形成されながら化学触媒反応により熱エネルギーを発生させ，燃料から水素ガスを発生させる触媒層を含む。
本発明による燃料電池システムにおいて，改質器は，第１管路と，第１管路の断面積より小さい断面積を有しながら第１管路の内部中心方向に配置される第２管路と，を含むことができる。
また，本発明による燃料電池システムにおいて，触媒層は，第２管路の内・外壁のうち，いずれか一つの壁面に形成されて燃料と空気の酸化反応により熱エネルギーを発生する酸化触媒層と，内・外壁のうち，残りの壁面に形成されて熱エネルギーの吸収による水蒸気改質反応により燃料から水素ガスを発生させる改質触媒層と，を含むことができる。
そして，本発明による燃料電池システムは，酸化触媒層を第２管路の内壁面に形成し，改質触媒層を第２管路の外壁面に形成することができる。この場合，本発明による燃料電池システムは，第２管路の内部に燃料と空気が通過する第１流路を形成し，第１管路と第２管路の間に燃料が通過する第２流路を形成することができる。
また，本発明による燃料電池システムは，第１流路に燃料供給部と酸素供給部を連結設置し，第２流路に燃料供給部を連結設置することが好ましい。
そして，本発明による燃料電池システムは，酸化触媒層を第２管路の外壁面に形成し，改質触媒層を第２管路の内壁面に形成することもできる。
この場合，本発明による燃料電池システムは，第１管路と第２管路の間に燃料と空気が通過する第１流路を形成し，第２管路の内部に燃料が通過する第２流路を形成することができる。
また，本発明による燃料電池システムは，第１流路に燃料供給部と酸素供給部を連結設置して，第２流路に燃料供給部を連結設置することが好ましい。
そして，本発明による燃料電池システムは，第１管路を断熱素材で作ることが好ましい。
また，本発明による燃料電池システムは，第１管路の内壁面に断熱層を形成することもできる。
そして，本発明による燃料電池システムは，改質器をジグザグ状に屈曲形成することができる。
この場合，本発明による燃料電池システムは，改質器と結合する結合溝を有する装着部材を含むことができる。
また，本発明による燃料電池システムは，複数の直線形態の改質器を備えることもできる。
この場合，本発明による燃料電池システムは，個々の改質器と結合する結合溝を有する装着部材を含むことができる。
そして，本発明による燃料電池システムは，電気発生部が複数に備えられ，電気発生部の積層構造によるスタックを形成することができる。
また，本発明による燃料電池システムにおいて，燃料供給部は，水素を含有した液状燃料を貯蔵する第１タンクと，水を保存する第２タンクとを含む。
そして，本発明による燃料電池システムにおいて，酸素供給部は，吸引した空気を改質器と電気発生部に各々供給する空気ポンプを含むことができる。
本発明による燃料電池システムによると，燃料の改質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二重管路形態の改質器を備えるので，改質器の初期起動時間及び熱エネルギーの伝達経路を短縮することができる。従って，全体的なシステムの熱効率及び性能を極大化できて，システムの大きさをコンパクトに実現できる効果が得られる。
添付図を参考に，本発明の実施形態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，詳細に説明する。しかし，本発明は多様な形態で実現できるので，ここで説明する実施形態に限定されるものではない。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。
図１は，本発明の実施形態による燃料電池システムの全体構成を概略的に示すブロック図であり，図２は図１に示したスタック構造を示す分解斜視図である。
これらの図を参照に，本実施形態にかかる燃料電池システム１００を説明すると，燃料電池システム１００は，水素を含有する燃料を改質して水素ガスを発生させ，この水素ガスと酸素を電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式を採用する。
本実施形態にかかる燃料電池システム１００は，水素と酸素の電気化学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発生部１１と，水素を含有した燃料を改質して水素ガスを発生させてから，この水素ガスを電気発生部１１に供給する改質器２０と，燃料を改質器２０に供給する燃料供給部３０と，酸素を電気発生部１１及び改質器２０に各々供給する酸素供給部４０が基本的な構成である。
電気発生部１１は，膜−電極アセンブリ１２を中心にその両側面に導電性セパレータ１６を配置して電気を発生させる最小単位の積層体であって，この電気発生部１１を複数個備えることで発生電圧を高めた本実施形態と同じ積層構造のスタック１０を形成する。
ここで膜−電極アセンブリ１２は薄板状の物であって，その両面にアノード電極とカソード電極を備え，水素と酸素を酸化／還元反応させる機能を持つ。
そしてセパレータ１６は，膜−電極アセンブリ１２の両面に水素ガスと酸素を供給・拡散させる通路を持つ導電性の板で，奇数番目のアノード電極と偶数番目のカソード電極の間，及び，両端に配置され，両電極を直列に接続させる。
図２のように，スタック１０の最も外側には，複数の電気発生部１１を密着させる加圧プレート１３が位置することもある。しかし，本実施形態にかかるスタック１０は，加圧プレート１３を排除し，複数の電気発生部１１の最も外側に位置するセパレータ１６が，加圧プレートの役割を果たすように構成できる。
換言すれば，加圧プレート１３は，複数の電気発生部１１を密着させる機能の他に，セパレータ１６の固有機能を持つよう構成することもできる。
そして，加圧プレート１３には，改質器２０から供給される水素ガスを電気発生部１１に注入するための第１注入部１３ａと，酸素供給部４０から供給される空気を電気発生部１１に注入するための第２注入部１３ｂと，膜−電極アセンブリ１２のアノード電極で電子・イオン分離反応後に残った残余水素ガスを排出するための第１排出部１３ｃと，膜−電極アセンブリ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る水分と，水にならずに残った残余空気とを排出するための第２排出部１３ｄが形成されている。
一方，本実施形態に適用される改質器２０は，液状燃料と空気の酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させ，この熱エネルギーを利用して水蒸気改質触媒反応で混合燃料から水素ガスを発生させる構造を有する。
このような改質器２０に燃料を供給する燃料供給部３０は，液状燃料を貯蔵する第１タンク３１と，水を貯蔵する第２タンク３２と，両タンク３１，３２に各々連結設置される燃料ポンプ３３を含む。
そして，酸素供給部４０は，所定の吸引力で空気を吸入してこの空気を改質器２０及び電気発生部１１に各々供給する空気ポンプ４１を含んでいる。
本実施形態にかかる燃料電池システム１００の動作時に，改質器２０で発生する水素ガスと，空気ポンプ４１により圧送される空気とを電気発生部１１に供給すると，電気発生部１１では水素と酸素の電気化学反応により電気，水及び熱が発生する。
本発明において改質器２０を構成する実施形態を，添付図を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図３は，本発明の第１の実施形態による改質器の構造を示す部分斜視図であり，図４は，図３の横断面構成図である。
図１を参照すると，本実施形態にかかる改質器２０は，燃料供給部３０から供給される液状燃料と酸素供給部４０から供給される空気の酸化触媒反応により熱エネルギーを発生させる。
そして，改質器２０は，熱エネルギーを吸収して，燃料供給部３０から供給される水分を混合した燃料の水蒸気改質触媒反応により混合燃料から水素ガスを発生させる。このような改質器２０は，図３に示すように燃料が通過する互いに独立な内部空間を有する少なくとも二重の管路形態で構成される。
本実施形態による改質器２０を具体的に説明すると，外側の第１管路２１と，その内部に配置される第２管路２２と，第２管路２２の内壁面に形成される酸化触媒層２５と，第２管路２２の外壁面に形成される改質触媒層２６で構成され，改質効率を高めるには，第１管路２１内側にも改質触媒層２６を形成することが望ましい。また，第２管路２２の外壁面に形成される改質触媒層２６を外壁全面に一様に塗布せず，螺旋状または離散的に塗布すると外壁触媒面に凹凸ができるので，第１管路の気流に渦を生じて，改質効率を高められるはずである。
第１管路２１は，所定の内径を有しながら両端が開放された円形断面のパイプ形態になっている。第１管路２１は，熱伝導度が比較的小さい断熱素材例えば，ステンレススチール（ＳＵＳ），ジルコニウム金属などの金属断熱材またはセラミックやプラスチックのような非金属断熱材で作ることができる。
第２管路２２は，第１管路２１の内部断面形状より小さい外部断面形状を有しながら両端が開放された円形断面のパイプ形態に構成される。管路の横断面形状は円形でなくてもよく，例えば，短径２ｍｍで長径１０ｍｍの外部断面形状を有する第２管路と，短径３ｍｍで長径１１ｍｍの内部断面形状を有する第１管路とを組み合わせてもよい。更に，第２管路２２の断面は任意に設定できるが，第１管路２１の断面形状は，第２管路２２の外形より少しだけ大きいくらいの方が触媒反応の効率を高くできる効果がある。
この他，第２管路２２の外壁面と第１管路２１の内壁面が一定間隔で離隔するよう，第１管路２１の内部中心方向に配置することが望ましい。
また，第２管路２２は，熱伝導性を有する金属，特に熱伝導度の高いアルミニウムや銅，また経済的には安価な鉄などの金属，または，それの合金を用いて作ることができる。
次に，第２管路２２の内部空間に液状燃料と空気を通過させて，第１管路２１と第２管路２２の間の空間には液状燃料と水の混合燃料を通過させることが好ましい。このようにすれば，第２管路内部の燃焼熱が効率よく混合燃料に伝達され，エネルギー効率が高められるとともに，改質器の寸法を小さくできる。
酸化触媒層２５は，第２管路２２の内壁面に塗布形成され，アルミナＡｌ２Ｏ３，シリカＳｉＯ２またはチタニアＴｉＯ２などの担体に白金Ｐｔ，ルテニウムＲｕのような金属，または，それの合金を含む触媒物質を担持して形成する。このような酸化触媒層２５は，液状燃料と空気の酸化反応を促進させて所定温度の反応熱を発生させる機能を有する。
そして，改質触媒層２６は，第２管路２２の外壁面に塗布形成し，アルミナＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２またはチタニアＴｉＯ２などからできる担体に銅Ｃｕ，ニッケルＮｉ，白金Ｐｔのような金属，または，それの合金を含む触媒物質を担持して形成する。
このような改質触媒層２６は，第２管路２２の内部で発生する熱エネルギーを受け取って混合燃料を蒸発させ，気化した混合燃料から水素ガスを改質反応により発生させる。
本実施形態による改質器２０は，基本的に第１管路２１と第２管路２２の二重構造となっており，第２管路２２の内部に液状燃料と空気を通過させる第１流路２３を形成し，第１管路２１と第２管路２２の間には混合燃料を通過させる第２流路２４を形成している。また，両管路の端部にはプラスチックまたはセラミックのような，断熱性のよい端末連結構造を構成することが望ましい。更に，この端末連結構造に温度検知装置を付加することが望ましい。この他，端末連結構造を中継として，複数の改質器を直列に接続する構成も考えられる。
第１流路２３の一端部と第１タンク３１及び空気ポンプ４１は別途の配管によって連結される。
このような構造により，第１流路２３には，第１タンク３１から供給される液状燃料と空気ポンプ４１から供給される空気が通過するため，酸化触媒層２５における液状燃料と空気の酸化反応により所定温度の反応熱が発生する。
この時発生する燃焼ガスは，第１流路２３の他端部を通じて排出され，反応熱は第２管路２２から改質触媒層２６に伝達されるようになる。
第２流路２４の一端部と第１，２タンク３１，３２は，別途の配管によって連結される。
また，第２流路２４の他端部とスタック１０の第１注入部１３ａも別途の配管によって連結される。
これで，第１，２タンク３１，３２から供給される液状燃料と水の混合燃料が，第２流路２４から通過し，第２管路２２から伝える熱エネルギーによる改質触媒層２６の改質反応により混合燃料から水素ガスを発生させる。
この時発生する水素ガスは，第２流路２４の他端部を経てスタック１０の第１注入部１３ａに供給される。
このような構成を改良して，本システム１００のスタック１０と改質器２０の間に，水性ガス切換触媒反応または選択的酸化触媒反応により水素ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる，一酸化炭素低減部（図示せず）を別途配置することもできる。
図５は，本発明の第１の実施形態による改質器の装着構造を示す分解斜視図であり，前記のような改質器２０は，全体的な形状がジグザグ形態で屈曲形成され，別途の装着部材５０に装着されるように構成できる。このため，装着部材５０には，改質器２０との結合を可能にする結合溝５１を形成している。
また，このような構成の改良として，本実施形態にかかる燃料電池システム１００は空気と共に改質器２０の第１流路２３に供給される燃料として，スタック１０の第１排出部１３ｃから排出される未反応水素ガスを利用することもできる。
これを実現するため，改質器２０の第１流路２３は，図１の点線で示した矢印のように所定の配管を経て第１排出部１３ｃと連結することもできる。
このように構成される本発明の実施形態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を稼動させて第１タンク３１に貯蔵された液状燃料を第１流路２３に供給すると同時に，空気ポンプ４１を稼動させて空気を第１流路２３に供給する。
そうすると，第２管路２２の内部では液状燃料と空気が，第１流路２３を通過するので，酸化触媒層２５が液状燃料と空気の酸化反応を起こして所定温度の反応熱が発生する。
この時，反応熱は第２管路２２から改質触媒層２６に伝達される。
このような過程の間，第１タンク３１に貯蔵された液状燃料と第２タンク３２に貯蔵された水を第２流路２４に供給する。
そうすると，第１管路２１と第２管路２２の間には液状燃料と水の混合燃料が第２流路２４を通過することによって，反応熱による改質触媒層２６の水蒸気改質反応により混合燃料から水素ガスが発生する。
次に，水素ガスをスタック１０の第１注入部１３ａに供給すると同時に空気ポンプ４１を稼動させて空気をスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。
そうすると，水素ガスは，セパレータ１６を経て膜−電極アセンブリ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を経て膜−電極アセンブリ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を電子とプロトン（水素イオンの一種）に分解する。そして，プロトンが電解質膜を経てカソード電極に移動し，電子は電解質膜を通らないで，替わりにセパレータ１６を経て隣接する膜−電極アセンブリ１２のカソード電極に移動するが，この時電子の流れによって電流が発生し，副産物として熱と水が発生する。
［第２の実施形態］
図６は，本発明の第２の実施形態による改質器の構造を示す断面構成図である。
図面を参照すると，この場合は，第１の実施形態のような二重管路の構造を基本とするが流路を入れ替えて，酸化触媒層６５を第２管路６２の外壁面に形成し，改質触媒層６６を第２管路６２の内壁面に形成して改質器６０を構成することができる。
そして，改質器６０は，第１管路６１と第２管路６２の間に液状燃料と空気を通過させる第１流路６３を形成し，第２管路６２の内部には混合燃料を通過させる第２流路６４を形成している。
第１流路６３の一端部は，図１に示した第１タンク３１及び空気ポンプ４１と連結される。
第２流路６４の一端部は，図１に示した第１，２タンク３１，３２と連結される。
そして，第２流路６４の他端部は，図１に示したスタック１０の第１注入部１３ａと連結される。
本実施形態によると，液状燃料と空気を第１流路６３に供給する。そうすると，第１管路６１と第２管路６２の間の内部では，液状燃料と空気が第１流路６３を通過することによって，酸化触媒層６５による液状燃料と空気の酸化反応により所定温度の反応熱が発生する。この時，反応熱は第２管路６２を経て改質触媒層６６に伝達されるようになる。
この過程の間，混合燃料を第２流路６４に供給する。そうすると，第２管路６２の内部では混合燃料が第２流路６４を通過することによって，反応熱による改質触媒層６６の水蒸気改質反応によって混合燃料から水素ガスが発生する。
［第３の実施形態］
図７Ａ及び図７Ｂは，本発明の第３の実施形態による改質器の構造を示す断面構成図である。
図面を参照すると，この場合は，第１，第２の実施形態と異なり，第１管路８１の内壁面に断熱層８７を形成している改質器８０を構成する。
このような改質器８０は，図７Ａに示すように，第１管路８１の内部中心方向に第２管路８２が配置される二重管路の構造となっており，第２管路８２の内・外壁面に各々酸化触媒層８５と改質触媒層８６を形成している。
そして，改質器８０は，第２管路８２の内部に液状燃料と空気を通過させる第１流路８３を形成し，第１管路８１と第２管路８２の間に混合燃料を通過させる第２流路８４を形成している。
また，改質器８０は，図７Ｂに示すように，図７Ａの配置とは異なり，第２管路８２の内・外壁面に各々改質触媒層８６と酸化触媒層８５を形成している。
改質器８０は，第１管路８１と第２管路８２の間に液状燃料と空気を通過させる第１流路８３を形成し，第２管路８２の内部には混合燃料を通過させる第２流路８４を形成している。
断熱層８７は，ポリベンゾイミダゾル，ポリエーテルエーテルケトン，ポリフェニレンサルファイド，ポリアミドミドのような通常の断熱素材で作ることができる。
［第４の実施形態］
図８は，本発明の第４の実施形態による改質器の装着構造を示す分解斜視図である。図面を参照すると，この場合は，第１〜第３の実施形態のような構造を基本とするが，所定長さの直線形態の改質器９０を複数備える構成となる，それぞれの改質器９０と結合する装着部材９５を含んでいる。
装着部材９５には，それぞれの改質器９０と結合するための結合溝９６を形成している。したがって，それぞれの改質器９０は，結合溝９６にはめ込まれる形で装着部材９５と結合される。
本実施形態による改質器９０のその他の構成は，他の実施形態と同一であるため，詳細な説明は省略する。
また，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の範囲内で多様に変形して実施することが可能であって，これらも本発明の範囲に属するものとみなす。すなわち，当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の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利用可能であり，より詳しくは改質器の構造を改善した燃料電池システムに利用可能である。
本発明の一実施形態による燃料電池システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。 図１に示したスタックの構造を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態による改質器の構造を示す斜視図である。 図３の断面図である。 本発明の第１の実施形態による改質器の装着構造を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態による改質器の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態による改質器の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態による改質器の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態による改質器の装着構造を示す斜視図である。
符号の説明
１０ スタック
１１ 電気発生部
１２ 膜−電極アセンブリ
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
２０ 改質器
２１ 第１管路
２２ 第２管路
２３ 第１流路
２４ 第２流路
２５ 酸化触媒層
２６ 改質触媒層
３０ 燃料供給部
３１ 第１タンク
３３ 第２タンク
３５ 燃料ポンプ
４０ 酸素供給部
４１ 空気ポンプ
５０ 装着部材
５１ 結合溝
１００ 燃料電池システム
６０ 改質器
６１ 第１管路
６２ 第２管路
６３ 第１流路
６４ 第２流路
６５ 酸化触媒層
６６ 改質触媒層
８０ 改質器
８１ 第１管路
８２ 第２管路
８３ 第１流路
８４ 第２流路
８５ 酸化触媒層
８６ 改質触媒層
８７ 断熱層
９０ 改質器
９５ 装着部材
９６ 結合溝

Claims (26)

  1. 燃料を通過させる互いに独立な流路を有しながら同心方向に配置される少なくとも二重以上の管路形態に構成され，
    前記流路に形成され，化学触媒反応を通して熱エネルギーを発生させ，前記燃料から水素ガスを発生させる触媒層を含み，
    前記少なくとも二重以上の管路は，
    第１管路と，
    前記第１管路の内部断面形状より小さい外部断面形状を有しながら，前記第１管路の内部中心方向に配置される第２管路と，を含み，
    前記触媒層は、
    前記第２管路の内・外壁のうち，いずれか一方の壁面に形成される酸化触媒層と，
    前記内・外壁のうち，他方の壁面に形成される改質触媒層と，
    を含むことを特徴とする，燃料電池システムの改質器。
  2. 前記酸化触媒層を前記第２管路の内壁面に形成し，前記改質触媒層を前記第２管路の外壁面に形成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の改質器。
  3. 前記第２管路の内部に，前記燃料と空気を通過させて酸化反応させる第１流路を形成し，前記第１管路と第２管路との間に前記燃料を通過させて改質反応させる第２流路を形成することを特徴とする，請求項２に記載の燃料電池システムの改質器。
  4. 前記酸化触媒層を第２管路の外壁面に形成し，前記改質触媒層を第２管路の内壁面に形成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の改質器。
  5. 前記第１管路と第２管路の間に前記燃料と空気を通過させて酸化反応させる第１流路を形成し，前記第２管路の内部に前記燃料を通過させて改質反応させる第２流路を形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の改質器。
  6. 前記第１管路が，円形断面のパイプ形態を有し，断熱性のステンレススチールまたはジルコニウムのうち，いずれか一つの素材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の改質器。
  7. 前記第２管路が，円形断面のパイプ形態を有し，熱伝導性のアルミニウム，銅，鉄からなる群より選択される少なくとも一つの金属，または，それらの合金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の改質器。
  8. 前記第１管路の内壁面に，ポリベンゾイミダゾル，ポリエーテルエーテルケトン，ポリフェニレンサルファイド，ポリアミドミド群より選択される化合物を含んで作られる断熱層を形成してい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の改質器。
  9. 前記酸化触媒層が白金ＰｔまたはルテニウムＲｕのうち，少なくとも一つの金属，または，それの合金を含んで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の改質器。
  10. 前記改質触媒層が，銅Ｃｕ，ニッケルＮｉ，白金Ｐｔからなる群より選択される少なくとも一つの金属，又は，それの合金を含ん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の改質器。
  11. 水素と酸素の電気化学反応により，電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部と，
    水素を含有した燃料を改質して水素ガスを発生させ，この水素ガスを前記電気発生部に供給する改質器と，
    前記改質器に燃料を供給する燃料供給部と，
    前記電気発生部と改質器に酸素を供給する酸素供給部と，
    を含み，
    前記改質器は，
    燃料を通過させる互いに独立な流路を有しながら同心方向に配置される少なくとも二重以上の管路形態に構成され，
    前記流路に形成され，化学触媒反応を通して熱エネルギーを発生させ，前記燃料から水素ガスを発生させる触媒層を含み，
    前記少なくとも二重以上の管路は，
    第１管路と，
    前記第１管路の内部断面形状より小さい外部断面形状を有しながら，前記第１管路の内部中心方向に配置される第２管路と，を含み，
    前記触媒層は，
    前記第２管路の内・外壁のうち，いずれか一方の壁面に形成される酸化触媒層と，
    前記内・外壁のうち，他方の壁面に形成される改質触媒層と，
    を含むことを特徴とする，燃料電池システム。
  12. 前記酸化触媒層を第２管路の内壁面に形成し，前記改質触媒層を第２管路の外壁面に形成することを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記第２管路の内部に，前記燃料と空気を通過させる第１流路を形成し，前記第１管路と第２管路との間に前記燃料を通過させる第２流路を形成することを特徴とする，請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記第１流路に，前記燃料供給部と酸素供給部を連結設置して，前記第２流路に，前記燃料供給部を連結設置することを特徴とする，請求項１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記酸化触媒層を第２管路の外壁面に形成し，前記改質触媒層を第２管路の内壁面に形成することを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  16. 前記第１管路と第２管路の間に，前記燃料と空気を通過させる第１流路を形成し，前記第２管路の内部に前記燃料を通過させる第２流路を形成することを特徴とする，請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記第１流路に前記燃料供給部と酸素供給部を連結設置して，前記第２流路に前記燃料供給部を連結設置す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。
  18. 前記第１管路が，断熱素材から作られることを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  19. 前記第１管路の内壁面に断熱層を形成することを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  20. 前記改質器をジグザグ状に屈曲形成することを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  21. 前記改質器と結合をする結合溝を有する装着部材を含むことを特徴とする，請求項２０に記載の燃料電池システム。
  22. 前記改質器は，前記管路が直線形態で複数備わることを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  23. 前記それぞれの改質器と結合する結合溝を有する装着部材を含むことを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  24. 前記電気発生部が，複数に備えられ，前記電気発生部の積層構造によるスタックを形成することを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  25. 前記燃料供給部は，
    水素を含有した液状燃料を貯蔵する第１タンクと，
    水を貯蔵する第２タンクと，
    を含むことを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
  26. 前記酸素供給部は，吸入した空気を前記改質器と電気発生部に各々供給する空気ポンプを含むことを特徴とする，請求項１１に記載の燃料電池システム。
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