JP4714969B2

JP4714969B2 - 燃料電池用改質器及びその製造方法

Info

Publication number: JP4714969B2
Application number: JP2000234772A
Authority: JP
Inventors: 政直安形
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2020-08-02
Also published as: JP2002050382A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，例えば自動車に搭載する燃料電池用改質器，及びその製造方法に関し，特に保持材を触媒保持体と金属シエルとの間に組み付ける方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
水素をエネルギー源として用いる燃料電池は，これに水素を供給するための燃料電池用改質器を併設することがある。
この燃料電池用改質器は，メタノール，メタン，ブタン等の炭化水素化合物を水素に改質する触媒を保持する触媒保持体と，該触媒保持体の外方を覆う金属シエルと，触媒保持体と金属シエルとの間に配置される保持材とを具備している（後述する図１参照）。
【０００３】
上記保持材は，主としてセラミック繊維などの無機質繊維マットからなる。
上記保持材は，触媒保持体が振動等により金属シエルと当接した際に，触媒保持体が破損することを防止するため，及び触媒保持体と金属シエルとの間から上記炭化水素化合物が漏洩することを防止するために配置されている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記保持材は，上記機能を果すため，クッション性を有し，嵩高である。そのため，保持材を触媒保持体とともに金属シエル内に装着するときに，保持材が両者の間の適正位置に位置し難く，装着性が低下するおそれがある。
そこで，保持材にバインダーを含浸させて保持材の嵩高性を抑え，その状態で金属シエル内に圧入することが考えられる。しかし，この場合には，燃料電池用改質器の使用時にバインダーが燃焼してバインダー燃焼ガスが発生し，これが水素ガス中に混入するおそれがある。
【０００５】
本発明は，かかる問題点に鑑み，金属シエル内への触媒保持体及び保持材の装着作業がしやすく，バインダー燃焼ガスの発生がない，燃料電池用改質器及びその製造方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，炭化水素化合物を水素に改質する改質触媒を保持する触媒保持体と，該触媒保持体の外方を覆う金属シエルと，上記触媒保持体と上記金属シエルとの間に配置される保持材とを有する燃料電池用改質器を製造する方法において，
上記触媒保持体を、使用時に燃焼ガスの発生があるバインダーが含浸されてない無機質繊維マットからなる上記保持材により被覆して被覆体を形成する工程と，
上記被覆体を上記金属シエルの中に挿入する工程とを有し，
上記金属シエルは，その内壁に螺旋溝を設けてなり，
上記被覆体を上記金属シエル内に挿入する際には，上記被覆体を上記金属シエルの螺旋溝の螺旋進行方向に回転させながら，被覆体を金属シエルの中へねじ込むことを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法である。
【０００７】
本発明においては，触媒保持体を保持材により被覆した被覆体を形成し，次いで該被覆体を金属シエルにねじ込んで圧入している。金属シエルの内壁には，螺旋溝が形成されている。そのため，被覆体を金属シエルの螺旋溝の螺旋進行方向に回転させながら金属シエルの中へねじ込むことにより，触媒保持体は保持材とともに，螺旋溝に沿って金属シエルの中に導かれる。そのため，触媒保持体及び保持材のねじ込みに要する力が軽減される。
したがって，本発明によれば，少ない力で触媒保持体及び保持材を金属シエル内に容易に装着することができ装着作業が容易である。
【０００８】
また，本発明においては，上記方法を採用するので，保持材にバインダーを含浸させて，嵩高性を抑制し，薄肉化する工程も必要ない。また，そのため，触媒保持体によって改質された改質ガス，特に水素ガス中にバインダー燃焼ガスが混入することもない。
【０００９】
次に，上記保持材は，バインダーが含浸されていない無機質繊維マットである。これにより，保持材からバインダー燃焼ガスが排出されることがないと共に，耐熱性が向上する。
【００１０】
上記無機質繊維マットは，アルミナまたはシリカを含有する無機質繊維からなることが好ましい。これにより，無機質繊維マットの耐熱性が一層向上する。
特に，無機質繊維マットは，７０〜１００重量％のアルミナ繊維を含有していることが好ましい。なお，かかるアルミナ繊維としては，アルミナ比率が６０重量％以上であることが望ましい。これにより，高温時の弾性力が高くなり，金属シエルと触媒保持体との熱膨張差を吸収することができ，触媒保持体を保持する力が高まる。
【００１１】
無機質繊維マットには，ニードルパンチング処理が施されていることが好ましい。これにより，繊維同士が絡み合い，マットの層間強度が向上するため，金属シエル内へねじ込むことが容易となる。
【００１２】
次に，請求項２の発明のように，上記無機質繊維マットは，その中のＡｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂以外の物質，つまり不純物が１重量％未満であることが好ましい。
この場合には，燃料電池用改質器において生成される水素を高純度に維持することができ，燃料電池の発電効率を高めることができる。上記不純物が１重量％以上の場合には，燃料電池用改質器の使用中に，保持材中から徐々に不純物が改質ガス中に混入し，燃料電池に用いる水素ガスを汚染し，燃料電池の発電効率を低下させるおそれがある。
上記不純物としては，塩素，硫黄，リンなどがある。
【００１３】
次に，請求項３の発明のように，無機質繊維マットはその中の塩素，硫黄又はリンの１種以上が合計で３００ｐｐｍ未満であることが好ましい。
この場合には，燃料電池の発電効率を高くすることができる。
上記の塩素，硫黄又はリンの１種以上の合計が３００ｐｐｍ以上含有されている場合には，上記のごとく，燃料電池用改質器の使用中に上記塩素等の電池作用有害物質が水素中に混入し，燃料電池における電気化学作用を阻害し，燃料電池の発電効率を低下させるおそれがある。
【００１４】
次に，請求項４の発明のように，上記金属シエル内に挿入する前の保持材の嵩密度は，０．０５〜０．２ｇ／ｃｍ³であることが好ましい。
０．０５ｇ／ｃｍ^３未満では，保持材により触媒保持体を被覆することが困難となる場合があり，０．２ｇ／ｃｍ^３を超える場合には，繊維が折れ反発力が低下し，触媒保持体を保持する力が低下するおそれがある。
【００１５】
請求項５の発明のように，上記金属シエル内に挿入した後における上記保持材の充填密度は，０．２０〜０．６０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。
０．２０ｇ／ｃｍ^３未満では，保持材による触媒保持体の保持力が低下する。一方，０．６０ｇ／ｃｍ^３を超える場合には，保持材の中の繊維が折れ，反発力が低下して，触媒保持体を保持する性能が低下するおそれがある。
金属シエル内へ挿入する前の保持材の厚みに対する，挿入後のその厚みの比は，１／５〜２／３であることが好ましい。これにより，触媒保持体を保持するに適切な力を確保できる。
【００１６】
次に，請求項６の発明は，炭化水素化合物を水素に改質する改質触媒を保持する触媒担持体と，該触媒保持体の外方を覆う金属シエルと，上記触媒保持体と上記金属シエルとの間に配置される保持材とから構成されている燃料電池用改質器であって，
上記金属シエルは，その内壁に螺旋溝を有し、
上記燃料電池用改質器は、上記触媒保持体を、使用時に燃焼ガスの発生があるバインダーが含浸されてない上記無機質繊維マットからなる上記保持材により被覆して被覆体を形成し、該被覆体を上記金属シエルの上記螺旋溝の螺旋進行方向に回転させながら上記金属シエルの中へねじ込んでなることを特徴とする燃料電池用改質器である。
【００１７】
本発明においては，金属シエルの内壁に上記螺旋溝が形成されているので，金属シエル内から保持材が抜け出ることもなく，保持材を上記被覆体を容易に金属シエル内に挿入配置することもできる。また，保持材にバインダーを含浸させて嵩高性を抑制し，薄肉化する必要もないので，水素ガス中にバインダー燃焼ガスが混入することもない。
【００１８】
次に，上記保持材は，バインダーが含浸されていない無機質繊維マットであることが好ましい。
この場合には，保持材からバインダー燃焼ガスが排出されることがないと共に耐熱性が向上する。
【００１９】
次に，請求項７の発明のように，上記無機質繊維マットは，その中のＡｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂以外の物質，つまり不純物が１重量％未満であることが好ましい。
この場合には，請求項２の発明と同様に，燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００２０】
次に，請求項８の発明のように，無機質繊維マットはその中の塩素，硫黄又はリンの１種以上が合計で３００ｐｐｍ未満であることが好ましい。
この場合には，請求項３の発明と同様に，塩素等の電池作用有害物質が水素中に殆ど混入しないので，燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００２１】
上記において，上記炭化水素化合物としては，メタノール，エタノール，プロパノール，ブタノール，メタン，エタン，プロパン，ブタンなどが用いられる。
また，上記触媒保持体は，コージエライト，アルミナ，炭素珪素，窒化珪素等のセラミックスで作製されたハニカム等のモノリスの通気性多孔質体が用いられる。また，金属シエルは，ステンレス鋼等の金属を用いた，円形，楕円形などのパイプを用いる。
また，上記触媒保持体に担持する触媒は，使用する炭化水素化合物の改質に応じたものを用いるが，例えば炭化水素化合物としてメタノールを用いる場合には，触媒として銅化合物等を用いる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施形態例
本発明の実施形態例に係る燃料電池用改質器，及びその製造方法について，図１〜図５を用いて説明する。
本例の燃料電池用改質器４は，図１に示すごとく，炭化水素化合物を水素に改質する改質触媒を保持する触媒保持体３と，該触媒保持体３の外方を覆うと共に内壁に螺旋溝を有する金属シエル２と，上記触媒保持体３と金属シエル２との間に配置される保持材１とからなる。
【００２３】
本例において，上記触媒保持体３は，セラミックの一種であるコーディエライト製円柱形状である。触媒保持体３は，図１，図２に示すごとく，多数のセルの集合体からなるモノリスのハニカム構造体である。上記セル３１は，断面６角形状の通路であり，ハニカム壁３３の間に形成されている。
そして，上記セル３１の間にガス状態の炭化水素化合物を通過させる。
この間に，炭化水素化合物は，触媒作用によって水素を主成分とする改質ガスに改質される。
【００２４】
上記燃料電池用改質器４には，入口側に炭化水素化合物としてのメタノールを貯蔵した原料タンク９が入口パイプ９１を介して接続されている。一方，燃料電池用改質器４の出口側には水素を含む改質ガスを燃料電池５へ導出する出口パイプ９２が接続されている。なお，燃料電池５は，改質ガス中の水素を精製する装置を有する（図示略）。
【００２５】
また，燃料電池５には，上記水素と反応させて電池作用を惹起させるための酸素ガスを供給する。燃料電池５において得られた電気エネルギーは，例えば自動車走行用，車両電装品の駆動用などに用いるモータ５１に供給する。燃料電池５において，生じた水はリサイクル及び排水される。
また，上記燃料電池用改質器４において，上記金属シエル２は，入口パインプ９１に接続するフランジ部２８，出口パイプ９２に接続するフランジ部２９を有する。
また，上記触媒保持体には，触媒としての白金が担持されている。
【００２６】
図２，図３（ｃ），図５に示すごとく，金属シエル２は直径１４１ｍｍ，内径１３８ｍｍの円筒体（パイプ）であり，その内壁には幅１ｍｍ，深さ０．３ｍｍの螺旋溝２１が形成されている。螺旋溝２１の１回転当たりの，螺旋軸方向の進行量は１０ｍｍである。また，金属シエル２の表面には，図２に示すごとく，内壁に形成した螺旋溝２１の背面側に螺旋状の凸部２２が形成されている。
【００２７】
保持材１は，７０重量％のアルミナ繊維と，３０重量％のシリカ繊維とからなる。金属シエル２内に挿入した状態における保持材１の充填密度は，０．３ｇ／ｃｍ^３であり，厚みは４ｍｍである。
【００２８】
次に，本例の燃料電池用改質器の製造方法について，具体的に説明する。
まず，７０重量％のアルミナ繊維と３０重量％のシリカ繊維とを混合し，ウェッブを形成する。ウェッブにニードルパンチング処理を施す。これにより，ウェッブ内の繊維同士に絡み合いが形成され，無機質繊維マットからなる保持材１が形成される。このときの保持材１の厚みは１２ｍｍであり，嵩密度は０．１ｇ／ｃｍ^３である。
【００２９】
次に，図３（ａ）に示すごとく，保持材１に切断加工をして，長尺体とするとともに，その両端に，触媒保持体３の外周を巻回したときに互いに係合する凹部１１と凸部１２とを形成する。
次に，図３（ｂ）に示すごとく，触媒保持体３の外周を保持材１により巻回被覆して，凹部１１と凸部１２とを係合させて，被覆体１０を得る。そして，この被覆体１０を図４に示すごとく，金属シエル２の中に挿入する。
【００３０】
即ち，まず，図３（ｃ）に示すごとく，内壁に螺旋溝２１を形成した金属シエル２を準備する。
次いで，図４に示すごとく，被覆体１０（図３（ｂ））を，上記螺旋溝２の螺旋進行方向に回転させながら金属シエル２の内にねじ込む。
これにより，図１，図２，図５に示すごとく，金属シエル２の中に保持材１を介して触媒保持体３を挿入配置した燃料電池用改質器の本体部を得る。
【００３１】
また，図１に示すごとく，金属シエル２は，触媒保持体３が位置していない両端部分を徐々に開口部に向けて狭くし，両末端にフランジ部２８，２９を設ける。
以上により，本例の燃料電池用改質器が得られる。
【００３２】
本例においては，図４に示すごとく，触媒保持体３を保持材１により被覆して被覆体１０とし，該被覆体１０を金属シエル２にねじ込んで圧入している。そして，金属シエル２には，螺旋溝２１が形成されているため，触媒保持体３は保持材１とともに，その螺旋溝２１に沿って金属シエル２の中に導かれる。そのため，触媒保持体３及び保持材１のねじ込みに要する力が軽減される。
【００３３】
したがって，本例によれば，少ない力で触媒保持体３及び保持材１を金属シエル２内に容易に装着することができる。
また，そのため，保持材にバインダーを含浸させて，薄厚化する必要もない。また，それ故，水素ガス中にバインダー燃焼ガスが混入することもない。また，金属シエル２の内壁には螺旋溝を設けてあるので，金属シエル２と触媒保持体３との間に安定して，保持材１を保持することができる。
また，本例の燃料電池用改質器においては保持材１に，バインダを含浸させていないため，使用中に保持材からバインダー燃焼ガスが排出されることはない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば，金属シエル内への触媒保持体及び保持材の装着作業がしやすく，バインダー燃焼ガスの発生がない，燃料電池用改質器及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例における，燃料電池用改質器及びその周辺機器等の説明図。
【図２】実施形態例にかかる，燃料電池用改質器の要部断面斜視図。
【図３】実施形態例における，燃料電池用改質器の製造方法を示す説明図（ａ）〜（ｃ）。
【図４】図３に続く，燃料電池用改質器の製造方法を示す斜視説明図。
【図５】実施形態例における，被覆体を金属シエル内に挿入された状態を示す斜視図。
【符号の説明】
１．．．保持材，
１０．．．被覆体，
２．．．金属シエル，
３．．．触媒保持体，
４．．．燃料電池用改質器，
５．．．．燃料電池，

Claims

炭化水素化合物を水素に改質する改質触媒を保持する触媒保持体と，該触媒保持体の外方を覆う金属シエルと，上記触媒保持体と上記金属シエルとの間に配置される保持材とを有する燃料電池用改質器を製造する方法において，
上記触媒保持体を、使用時に燃焼ガスの発生があるバインダーが含浸されてない無機質繊維マットからなる上記保持材により被覆して被覆体を形成する工程と，
上記被覆体を上記金属シエルの中に挿入する工程とを有し，
上記金属シエルは，その内壁に螺旋溝を設けてなり，
上記被覆体を上記金属シエル内に挿入する際には，上記被覆体を上記金属シエルの螺旋溝の螺旋進行方向に回転させながら，被覆体を金属シエルの中へねじ込むことを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。
請求項１において，上記無機質繊維マットは，その中のＡｌ ₂ Ｏ ₃ ，ＳｉＯ ₂ 以外の物質が１重量％未満であることを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。
請求項１又は２において，上記無機質繊維マットはその中の塩素，硫黄又はリンの１種以上が合計で３００ｐｐｍ未満であることを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。
請求項１〜３のいずれか一項において，上記金属シエル内に挿入する前の保持材の嵩密度は，０．０５〜０．２ｇ／ｃｍ ³ であることを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項において，上記金属シエル内に挿入した後における上記保持材の充填密度は，０．２０〜０．６０ｇ／ｃｍ ^３であることを特徴とする燃料電池用改質器の製造方法。
炭化水素化合物を水素に改質する改質触媒を保持する触媒担持体と，該触媒保持体の外方を覆う金属シエルと，上記触媒保持体と上記金属シエルとの間に配置される保持材とから構成されている燃料電池用改質器であって，
上記金属シエルは，その内壁に螺旋溝を有し、
上記燃料電池用改質器は、上記触媒保持体を、使用時に燃焼ガスの発生があるバインダーが含浸されてない上記無機質繊維マットからなる上記保持材により被覆して被覆体を形成し、該被覆体を上記金属シエルの上記螺旋溝の螺旋進行方向に回転させながら上記金属シエルの中へねじ込んでなることを特徴とする燃料電池用改質器。
請求項６において，上記無機質繊維マットは，その中のＡｌ ₂ Ｏ ₃ ，ＳｉＯ ₂ 以外の物質が１重量％未満であることを特徴とする燃料電池用改質器。
請求項６又は７において，上記無機質繊維マットはその中の塩素，硫黄又はリンの１種以上が合計で３００ｐｐｍ未満であることを特徴とする燃料電池用改質器。