JP4471727B2 - 燃料改質器収納用容器および燃料改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池システムにおいて各種燃料から吸熱触媒反応である水蒸気改質反応を利用して水素ガスを発生させる燃料改質器を用いた燃料改質装置を構成するための燃料改質器収納用容器および燃料改質装置に関するものである。

近年、電気エネルギーを効率的に、かつクリーンに生産する次世代の電源システムとして燃料電池システムが脚光を浴びており、既に自動車市場や家庭用燃料電池発電システムに代表されるコージェネレーション発電システム市場においては、低コストを目指した実用化のためのフィールドテストが盛んに行なわれている。

さらに最近では、燃料電池システムの小型化を図り、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistants），ノートパソコン，デジタルビデオカメラまたはデジタルスチルカメラ等の携帯機器の電源として使用することが検討されている。

一般に燃料電池は、例えばメタンや天然ガス（ＣＮＧ）等の炭化水素ガスあるいはメタノールやエタノール等のアルコール類を燃料とし、燃料改質器を用いた燃料改質装置で水蒸気改質反応により水素ガスおよびその他のガスに改質した後、この水素ガスを発電セルと呼ばれる発電装置に供給することにより発電が行なわれる。

ここでの燃料改質器による燃料の改質とは、改質可能な燃料を水蒸気と結合させて触媒反応により水素ガスを発生させるプロセスをいう。

例えば、燃料としてメタノールを用いた場合は、次の化学反応式（１）に示すような水蒸気改質反応（式（１）中では、メタノールに水蒸気を結合させることにより、水素と二酸化炭素とに改質する反応）により、水素ガス（Ｈ_２）を生成するプロセスをいう。なお、この改質反応により生成される水素以外の微量の生成ガス（主にＣＯ_２）は、通常は大気中に排出される。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・（１）
また、このような水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、外部よりヒーター等で加熱して反応温度を維持する必要がある。従って、燃料改質器内で燃料を改質させるには、触媒の水蒸気改質活性が低下するのを防止するとともに、生成される水素ガス濃度を高く維持するため、例えば燃料としてメタノールを用いた場合には約２００〜５００℃の温度が、またメタンガスを用いた場合には３００〜８００℃程度の高い温度が必要になる。
特開２００３−２６０２号公報

近年、小型の携帯機器へ燃料電池システムを搭載することが提案されている。しかしながら、携帯機器へ燃料電池システムを搭載した場合、燃料改質器で発生する熱が燃料改質器収納用容器へ伝達されて燃料改質器収納用容器の表面の温度が上昇し、その熱によって携帯機器内の他の部品が破壊されたり、また携帯機器の使用者に火傷を負わせるというおそれがあった。

また、化学反応式（１）で示すような水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、燃料改質器で燃料を改質するためには、燃料改質器をヒーター等で加熱することによって反応温度を一定温度に維持する必要がある。しかしながら、燃料改質器に発生する熱が燃料改質器収納用容器に伝導することによって、燃料改質器の温度は低下することになる。そこで反応温度を維持するためには、ヒーターの発熱量を増加させる必要がある。ヒーターの発熱量を増加させると、燃料電池の発電セルで発電した総電気容量に占めるヒーター加熱に使用する電気容量が増えることになり、その結果、燃料電池システム全体の発電損失が増大するという問題点があった。

本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、燃料改質器へ良好に燃料を供給し、また、燃料改質器によって改質された水素ガス等の改質ガスを安全に燃料改質器収納用容器の外に排出できるとともに、燃料改質器で発生する熱が燃料改質器収納用容器へ伝達するのを有効に抑制して発電効率の高い燃料改質器収納用容器および燃料改質装置を提供することにある。

本発明の燃料改質器収納用容器は、燃料から水素ガスを含む改質ガスを発生させる板状の燃料改質器を内部に収容する凹部を上面に有する直方体状の基体と、該基体の上面に前記凹部を覆って取着される蓋体と、前記基体および前記蓋体の少なくとも一方を貫通して先端が前記燃料改質器に接合されるとともに前記燃料改質器を前記蓋体と前記凹部の底面との間の空間に浮かして固定する、前記燃料改質器に前記燃料を供給するための供給管と、前記基体および前記蓋体の少なくとも一方を貫通して先端が前記燃料改質器に接合されるとともに前記燃料改質器を前記蓋体と前記凹部の底面との間の空間に浮かして固定する、前記改質ガスを排出するための排出管とを具備している燃料改質器収納用容器であって、前記供給管および前記排出管の少なくとも一方は、燃料改質器収納用容器の外側に位置する部位の外径が燃料改質器収納用容器の内側に位置する部位の外径の１．５〜１０倍であることを特徴とする。

本発明の燃料改質器収納用容器によれば、燃料から水素ガスを含む改質ガスを発生させる板状の燃料改質器を内部に収容する凹部を上面に有する直方体状の基体と、この基体の上面に凹部を覆って取着される蓋体と、基体および蓋体の少なくとも一方を貫通して先端が燃料改質器に接合されるとともに燃料改質器を蓋体と凹部の底面との間の空間に浮かして固定する、燃料改質器に燃料を供給するための供給管と、基体および蓋体の少なくとも一方を貫通して先端が燃料改質器に接合されるとともに燃料改質器を蓋体と凹部の底面との間の空間に浮かして固定する、改質ガスを排出するための排出管とを具備している燃料改質器収納用容器であって、供給管および排出管の少なくとも一方は、燃料改質器収納用容器の外側に位置する部位の外径が燃料改質器収納用容器の内側に位置する部位の外径の１．５〜１０倍であることから、燃料改質器収納用容器の内側に位置する供給管や排出管が細いため、燃料改質器から供給管や排出管を介して蓋体あるいは基体の外面への熱伝導を大幅に低減できるとともに燃料改質器収納用容器の外側に位置する供給管や排出管の強度を大きくすることができる。よって、燃料改質器収納用容器の外表面の温度が上昇するのを有効に抑制することが可能となり、携帯機器内の他の部品を破壊したり、携帯機器の使用者に火傷を負わせるのを有効に防止できるとともに、供給管や排出管を介した他の周辺機器との接続性や、供給管や排出管による燃料改質器収納用容器本体の支持を良好にすることができる。

また、燃料改質器を断熱して燃料改質器の温度低下を抑制することができ、燃料改質器を良好に動作させるために必要な温度を保つためのヒーターに大きな電力を供給しつづける必要はなく、発電効率を著しく向上させることができる。

本発明の燃料改質器収納用容器の実施形態を以下に詳細に説明する。

図１は本発明の燃料電池収納用容器の実施の形態の一例を示す断面図、図２は本発明の燃料電池収納用容器の実施の形態の他の例を示す断面図である。１は基体、２は配線としてのリード端子、３はボンディングワイヤ、４は蓋体、５ａは燃料を供給する供給路としての供給管、５ｂは改質ガスを排出する排出路としての排出管、７は電極、８は基体１の貫通孔にリード端子２を絶縁しつつ封止固定するための絶縁封止材、９は燃料改質器であり、主にこれら基体１、蓋体４、供給管５ａおよび排出管５ｂで燃料改質器９を収納する燃料改質器収納用容器１１が構成される。

本発明における基体１および蓋体４は、ともに燃料改質器９を収納する容器としての役割を有する。それらは、例えばＦｅ合金，無酸素銅、ＳＵＳ等の金属材料や、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミック材料形成されている。

なお、基体１や蓋体４がガラスセラミックスからなる場合、基体１や蓋体４に適用可能なガラスセラミックスとしては、例えば、ガラス成分とフィラー成分とからなるものが用いられる。そのガラス成分としては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系，ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は上記と同じである），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す），ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は上記と同じである），Ｐｂ系ガラス，Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。

また、フィラー成分としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等が挙げられる。

このような基体１および蓋体４は、例えば相対密度が９５％以上の緻密質の酸化アルミニウム質焼結体で形成されている場合は、例えば、まず酸化アルミニウム粉末に希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加，混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調製する。次いで、この原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加，混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形，圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。その後、所定枚数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度で焼成して、目的とするセラミック製の基体１および蓋体４を得る。なお、基体１および蓋体４の成形は粉末成形プレス法であっても良い。

また、基体１および蓋体４が金属材料からなる場合は、切削法，プレス法，ＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等により所定の形状に形成してもよい。

さらに、基体１および蓋体４は、腐食を防止するためにその表面に、例えばＡｕ，Ｎｉのめっき処理や、ポリイミド等の樹脂コーティング等の被覆コーティング処理が行なわれることが望ましい。例えばＡｕめっき処理の場合であれば、その厚さは０．１〜５μｍ程度であることが望ましい。

また、基体１および蓋体４で構成される燃料改質器収納用容器１１の少なくとも内側表面をＡｕやＡｌのめっき処理膜で覆うことにより、収容された燃料改質器９で発生する輻射熱を効率良く防ぐことができ、燃料改質器収納用容器１１の昇温を抑制することが可能となる。

次に、本発明におけるリード端子２は、基体１および蓋体４の熱膨張係数と同一または近似した金属が用いられるのがよく、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金よりなるものが、実用時の温度変化に対して熱歪の発生を防止できる。その上、リード端子２と基体１との良好な封着性が得られるとともに、ボンディング性に優れ、実装時に必要な強度と良好なはんだ付性や溶接性を確保できる。

また、本発明の絶縁封止材８は、例えば、硼珪酸ガラス，アルカリガラス，鉛を主成分とする絶縁ガラス等からなり、基体１に形成された貫通孔でこの絶縁封止材８によって基体１とリード端子２とが電気的に絶縁されてリード端子２が封止固定されている。基体１に形成されたリード端子２が挿通される貫通孔は、基体１とリード端子２とが接触して電気的に導通することがない大きさが必要であり、具体的にはリード端子２から基体１までの間隔が０．１ｍｍ以上確保できる内径が好ましい。

絶縁封止材８は、例えば酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスやガラス等の絶縁部材からなっていてもよい。この場合、基体１に形成された貫通穴に、例えば筒状の絶縁封止材８を挿入し、さらにこの絶縁封止材８にリード端子２を挿入することにより、基体１とリード端子２とを電気的に絶縁することができる。なお、このような絶縁封止材８と基体１との接合及び絶縁封止材８とリード端子２との接合は、例えばＡｕ−Ｇｅ合金やＡｇ−Ｃｕ合金等のロウ材を使用することができる。

そして、燃料改質器９上の電極７とリード端子２とをボンディングワイヤ３を介して電気的に接続し、さらに蓋体４を用いて基体１の凹部を封止することによって、燃料改質器収納用容器１１の凹部内に収容した燃料改質器９を気密に封止した燃料改質装置が形成される。

また、本発明の燃料改質器収納用容器１１に収納される燃料改質器９は、微小ケミカルデバイスとして、半導体製造技術を適用して、例えば、シリコン等の半導体，石英，ガラス，セラミックス等の無機材料の基材に、切削法，エッチング法，ブラスト法等により細い溝を形成することによって液体流路が作製され、操作中の液体の蒸発防止等を目的として、ガラス板等のカバーを陽極接合、ロウ付け等により表面に密着させて作製される。

燃料改質器９内には、温度調節機構、例えば、抵抗層等からなる薄膜ヒーター（不図示）を形成し、表面にはこの薄膜ヒーターへ電力を供給する端子として電極７が形成される。この温度調節機構により、燃料改質条件に相当する２００〜８００℃程度の温度条件に調整することで、供給管５ａが接続された燃料供給口から供給される燃料を水蒸気と結合させて、改質ガス排出口に接続された排出管５ｂから水素ガスを発生させる改質反応を良好に促進することができる。

燃料改質器９は、基体１の凹部内に収容され、蓋体４をＡｕ合金，Ａｇ合金，Ａｌ合金等の金属ロウ材やガラス材による接合やシームウェルド法等によって基体１の上面に凹部を覆って取着することによって、燃料改質器収納容器１１内に収納される。

例えば、蓋体４を基体１にＡｕ−Ｓｎロウ材により接合する場合は、蓋体４に予めＡｕ−Ｓｎロウ材を溶着させておくか、あるいは金型等を用いて打ち抜き加工等で枠状に形成したＡｕ−Ｓｎロウ材を基体１と蓋体４との間に載置した後、封止炉あるいはシームウェルダーで蓋体４を基体１に接合することにより、燃料改質器収納用容器１１の内部に燃料改質器９を封止することができる。

また、燃料改質器９は、燃料改質器９上の電極７がボンディングワイヤ３を介して基体１に設けたリード端子２に電気的に接続される。これにより、電極７を通じて燃料改質器９上に形成されたヒーターを加熱することができる。その結果、燃料改質器９において反応温度の維持が可能となり燃料の改質反応を安定させることができる。

供給管５ａおよび排出管５ｂは、それぞれ原料や燃料ガス流体の供給路および水素を含有する改質ガスの排出路であるとともに燃料改質器９を蓋体４と基体１の凹部の底面との間の空間に浮かして固定するためのものである。これらは、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，ＳＵＳ等の金属材料、Ａｌ_２Ｏ_３質焼結体，３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２質焼結体，ＳｉＣ質焼結体，ＡｌＮ質焼結体，Ｓｉ_３Ｎ_４質焼結体，ガラスセラミック焼結体等のセラミック材料、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料、または、ガラスで形成されている。

好ましくは、改質ガスに含まれる水素により脆化しにくいものであるのがよい。このような材料としては、Ｆｅ合金、セラミックス、ガラスが挙げられる。

供給管５ａおよび排出管５ｂは、燃料改質器９に陽極接合法や溶接法、ろう付け法等により接合される。

本発明の供給管５ａおよび排出管５ｂの少なくとも一方は、燃料改質器収納用容器１１の内側に位置する部位の外径が燃料改質器収納用容器１１の外側に位置する部位の外径よりも小さい。

これにより、燃料改質器収納用容器１１の内側に位置する供給管５ａや排出管５ｂが細いため、燃料改質器９から供給管５ａや排出管５ｂを介して蓋体４あるいは基体１の外面への熱伝導を大幅に低減できるとともに燃料改質器収納用容器１１の外側に位置する供給管５ａや排出管５ｂの強度を大きくすることができる。よって、燃料改質器収納用容器１１の外表面の温度が上昇するのを有効に抑制することが可能となり、携帯機器内の他の部品を破壊したり、携帯機器の使用者に火傷を負わせるのを有効に防止できるとともに、供給管５ａや排出管５ｂを介した他の周辺機器との接続性や、供給管５ａや排出管５ｂによる燃料改質器収納用容器１１本体の支持を良好にすることができる。また、燃料改質器９を断熱して燃料改質器９の温度低下を抑制することができ、燃料改質器９を良好に動作させるために必要な温度を保つためのヒーターに大きな電力を供給しつづける必要はなく、発電効率を著しく向上させることができる。

このような供給管５ａや排出管５ｂは、燃料改質器収納用容器１１の外側に位置する部位の外径が燃料改質器収納用容器１１の内側に位置する部位の外径の１．５〜１０倍である。また、供給管５ａや排出管５ｂの燃料改質器収納用容器１１の内側に位置する部位の外径は、０．１〜１０ｍｍであるのがよい。これにより、燃料改質器９からの熱が供給管５ａや排出管５ｂを介して放熱されるのをより有効に防止できるとともに、供給管５ａや排出管５ｂの大径部と小径部との境界部に熱応力が生じるのを有効に防止できる。

供給管５ａや排出管５ｂは、それぞれ１本のものが基体１や蓋体４を貫通している場合、小径部と大径部とからなり、小径部が基体１や蓋体４に設けられた貫通孔に挿通され、大径部が基体１や蓋体４の外側に位置される。このとき、小径部と大径部との境界の段差が基体１や蓋体４の外面に接合されていてもよく、接触しているだけでもよい。または、大径部と基体１や蓋体４の外面との間に隙間があってもよい。小径部と大径部との境界の段差が基体１や蓋体４の外面に接合されている場合、供給管５ａや排出管５ｂと基体１や蓋体４との接合面積が増加して接合強度が向上する。大径部と基体１や蓋体４の外面との間に隙間がある場合、燃料改質器９からの熱が供給管５ａや排出管５ｂの大径部に伝わり難くなり、熱伝導性のよい大径部で放熱されて燃料改質器９の温度が低下するのを有効に抑制できる。

供給管５ａおよび排出管５ｂと、基体１または蓋体４との接合は、供給管５ａや排出管５ｂ、基体１、蓋体４を構成する材料により、超音波接合や熱溶着、圧着、樹脂接着剤による接着、Ａｕ−ＳｉやＡｇ−Ｃｕ等のロウ材による接合、硼珪酸ガラス等のガラスによる接合、同時焼結等の各種方法が適宜用いられる。

供給管５ａおよび排出管５ｂは、基体１または蓋体４に形成した貫通穴に挿通され接合される。あるいは、基体１または蓋体４に貫通穴を形成し、基体１または蓋体４の内外面の開口縁にそれぞれ２つの供給管５ａを貫通穴と２つの供給管５ａが連通するように接合してもよい。また同様に、基体１または蓋体４に貫通孔を形成し、基体１または蓋体４の内外面の開口縁にそれぞれ２つの排出管５ｂを貫通孔と２つの排出管５ｂが連通するように接合してもよい。

また、供給管５ａおよび排出管５ｂの内径はφ０．１ｍｍ以上として流体の圧力損失を抑えるとともに、その長さは小型化，低背化のためにはφ５ｍｍ以下とすることが好ましい。

供給管５ａおよび排出管５ｂの断面形状としては、通常は円形状とすればよいが、これに限定されない。すなわち、円形状の他には、楕円形状や、流体の流れ方向にその辺部を合わせることができる角状のもの、例えば、正方形状，長方形状等が挙げられる。また、肉厚は原料供給や反応ガス排出の圧力で変形しない厚みが必要であり、Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，ＳＵＳ等の金属材料からなる場合には、携帯機器等に使用するものでは通常は０．１ｍｍ以上であれば良い。また、流れ方向の長さは、燃料改質器９で発生する熱を発電セルに伝えにくくするためには長い程よいが、燃料電池システム全体の大きさを考慮した長さにすべきである。

また、供給管５ａおよび排出管５ｂは、燃料改質器収納用容器１１内に位置する部位において、外面に軸方向に平行な複数の溝または軸方向に直角な複数の溝が形成されているのがよい。これにより、供給管５ａおよび排出管５ｂの熱伝導を低下させて燃料改質器９から基体１や蓋体４への熱伝導をより有効に抑制できるとともに、供給管５ａおよび排出管５ｂが適度に変形することが可能となり、供給管５ａおよび排出管５ｂの適度な変形により応力を緩和することができ、供給管５ａおよび排出管５ｂと燃料改質器９との接合部、および、供給管５ａおよび排出管５ｂと基体１または蓋体４との接合部の接合を良好に維持することができる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、図１に示した例においては、燃料管５ａおよび排出管５ｂは燃料改質器９の下面に接合されているが、これらは燃料改質器９の仕様に応じて上面に接合しても良い。また、供給管５ａおよび排出管５ｂは複数形成されていてもよい。

本発明の燃料改質器収納用容器の実施の形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・・・基体
４・・・・・蓋体
５ａ・・・・供給管
５ｂ・・・・排出管
９・・・・・燃料改質器
１１・・・・燃料改質器収納用容器

Claims (1)

1. 燃料から水素ガスを含む改質ガスを発生させる板状の燃料改質器を内部に収容する凹部を上面に有する直方体状の基体と、該基体の上面に前記凹部を覆って取着される蓋体と、前記基体および前記蓋体の少なくとも一方を貫通して先端が前記燃料改質器に接合されるとともに前記燃料改質器を前記蓋体と前記凹部の底面との間の空間に浮かして固定する、前記燃料改質器に前記燃料を供給するための供給管と、前記基体および前記蓋体の少なくとも一方を貫通して先端が前記燃料改質器に接合されるとともに前記燃料改質器を前記蓋体と前記凹部の底面との間の空間に浮かして固定する、前記改質ガスを排出するための排出管とを具備している燃料改質器収納用容器であって、前記供給管および前記排出管の少なくとも一方は、燃料改質器収納用容器の外側に位置する部位の外径が燃料改質器収納用容器の内側に位置する部位の外径の１．５〜１０倍であることを特徴とする燃料改質器収納用容器。

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