JP4722004B2 - 薄型改質器 - Google Patents

薄型改質器 Download PDF

Info

Publication number
JP4722004B2
JP4722004B2 JP2006267935A JP2006267935A JP4722004B2 JP 4722004 B2 JP4722004 B2 JP 4722004B2 JP 2006267935 A JP2006267935 A JP 2006267935A JP 2006267935 A JP2006267935 A JP 2006267935A JP 4722004 B2 JP4722004 B2 JP 4722004B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
unit
fuel
substrate
flow path
reforming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006267935A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007095699A (ja
Inventor
ヒョン ギル、ジャエ
ウーン リー、ロ
ハン キム、スン
ヒュク ジャン、ジャエ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electro Mechanics Co Ltd filed Critical Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Publication of JP2007095699A publication Critical patent/JP2007095699A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4722004B2 publication Critical patent/JP4722004B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C01B3/26—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00783—Laminate assemblies, i.e. the reactor comprising a stack of plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00835—Comprising catalytically active material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00873—Heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/085—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by electric heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288—Evaporation of one or more of the different feed components
    • C01B2203/1294—Evaporation by heat exchange with hot process stream
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Description

本発明は、燃料電池に用いられる薄型改質器に関し、より詳しくは燃料導入部に形成されたチャンネルが基板の外郭に沿って形成され、その内部を燃料が流れるようにすることで改質部とＣＯ除去部において熱交換が行われるようにして燃料を予め予熱させ、熱効率を大きく改善し、かつ基板一枚で燃料の改質及びＣＯ除去が容易に行われるようにした薄型改質器に関する。
近年、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノート型パソコンなど携帯用小型電子機器の使用が増加しており、特に携帯電話用ＤＭＢ放送が開始されるによって携帯用小型端末機において電源性能の向上が要求されている。現在、一般的に使用されているリチウムイオン２次電池は、その容量がＤＭＢ放送を２時間視聴できるレベルであり、性能向上が進んではいるが、より根本的な解決方案として小型燃料電池に対する期待が高まっている。
このような小型燃料電池を実現することが可能な方式としては、燃料極にメタノールを直接供給する直接メタノール（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ）方式と、メタノールから水素を抽出して燃料極に注入するＲＨＦＣ（Ｒｅｆｏｒｍｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式があり、ＲＨＦＣ方式はＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）方式のように水素を燃料に使用するために高出力化、単位体積当たり実現可能な電力容量、そして水以外の反応物がない点で長所があるが、システムに改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が追加されなければならないので小型化に不利な短所も有している。
このように燃料電池が高い電源出力密度を得るためには、液体燃料を水素ガスなどの気体燃料にすべく改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が必須的に使用される。このような改質器はメタノール水溶液を気化させる蒸発部と、２００℃乃至３２０℃の温度で触媒反応により燃料であるメタノールを水素に転換する改質部と、そして副産物であるＣＯを除去するＣＯ除去部とで構成されている。上記改質部においては吸熱反応の反応効率を良好にするために温度を２００℃乃至３２０℃の間に保持させ、発熱反応が行われるＣＯ除去部においても１５０℃乃至２２０℃程度の温度に一定に保持させなければならない。
従来の改質器では、図１に示すように特許文献１の小型改質装置２５０がある。このような従来の小型改質装置２５０は断熱パッケージ２５８と、その断熱パッケージ２５８内に順に積み重なっている燃焼用燃料蒸発器２５１、発電用燃料蒸発器２５５、燃焼器２５２、ＣＯ除去器２５７、燃焼器２５４、改質器２５６、燃焼器２５３などを備える。
上記燃焼用燃料蒸発器２５１の下面には断熱支持部材２６１、２６２が装着されており、この断熱支持部材２６１、２６２によって燃焼用燃料蒸発器２５１が支持され、燃焼用燃料蒸発器２５１が断熱パッケージ２５８の内壁から離れて位置される。そのため、このような従来の改質装置も１０層以上の多層構造を備えることで所望の小型構造を有することは難しかった。
即ち、各層が薄板ではあるが、全体的に厚さが増加することを避けられず、多層を接合する方法が容易ではなく量産性の問題が問われる。
一方、図２に示す特許文献２では複数の層を形成して、熱交換を利用する方式の従来の改質器３００が提示されており、これは熱交換チャンバ３１４の上部側に反応チャンバ３２０が位置され、その中間には排気チャンバ３２２が位置され積層された構造である。
このような改質器３００では、発熱反応で生じる熱を吸熱反応に供給する方式で発熱反応チャンネルである反応チャンバ３２０と、発熱反応が消尽されるチャンネル及び熱交換が起こるチャンネルである熱交換チャンバ３１４と、排気チャンバ３２２とを複数の層にして熱交換する方式である。しかしながら、この方式も熱交換は可能であるが、複数の層を設けたため全体的な厚さが増加し、一部の燃料を消尽しなければならないので、熱効率的な面において問題になる。
図３では、さらに他の従来の改質器４００として、基板４１０の一側に燃料流入口４１０が位置し、ヒーター４２２を有する気化部４２０が位置し、その後流側には改質部４３０とＣＯ除去部４４０が位置し、その後方側に水素排気口４４２が位置している。しかしながら、このような従来の改質器の場合、燃料を加熱すべくヒーター４２２を直接使用することで燃料加熱に多くの熱量を消耗する。
また、このような従来の方式では体積が大きいため製作が容易ではなく、熱伝導度の優れたシリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ）基板と硝子（ｇｌａｓｓ）を用いるため、改質部において適切に２５０℃以上を維持し、ＣＯ除去部において１９０℃を維持する最適な反応温度分布を有するようにすることが容易ではなかった。
そのため、当業界においては、構造的に基板一枚で燃料の改質及びＣＯ除去が容易に行われるようにする薄型構造と、多くの熱量を消耗しなくても熱効率に優れ、性能が良好に改善された改質器に対する要求事項が求められていた。
特開２００４−２８８５７３号 ＥＰ特許０９９１４６５号
本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためのもので、その目的は燃料が導入チャンネルを通過しながらＣＯ除去部の熱を吸収するため、蒸発部に別に熱を供給する必要がなくなり全体的な熱供給量が減る薄型改質器を提供することである。
また、本発明の他の目的は改質部とＣＯ除去部を液体燃料が通過しながら熱交換をし、予熱状態で蒸発部に進入させることで各々の該当部分において最適な反応温度が維持されるようにして反応効率を大きく向上させることが可能な薄型改質器を提供することである。
さらに、本発明のさらに他の目的は多層において生じる反応を１枚の基板で化学反応が起こり得るように設計し、多層の間々に断熱材を使用する代わりに燃料導入部、蒸発部、改質部及びＣＯ除去部などで相互熱交換させることによって、改質器の厚さを減らして燃料電池と改質器を一体化させる際、より有利な薄型の構造にすることができ、多層を接合させなければならない技術的難しさを排除することが可能な薄型改質器を提供することである。
さらにまた、本発明のさらに他の目的は、燃料導入部のチャンネルが基板の外郭部分に沿って具備され、蒸発部、改質部及びＣＯ除去部などを取り囲んでいる形態に形成されるので、改質器を全体的に断熱する際に問題となる基板側面部の断熱問題を容易に解決することが可能な薄型改質器を提供することである。
上記のような目的を達成するために本発明は、燃料電池に用いられる薄型改質器であって、内部に流路を形成する基板と、上記基板の流路内に燃料を流入させ、一定長さの導入チャンネルを通して燃料が流れるようにして燃料を予熱させる燃料導入部と、上記燃料導入部の後流側に位置して液状の燃料を気化させる流路を具備した蒸発部と、上記蒸発部の後流側に流路を形成し、吸熱反応により燃料を水素ガスに改質させる改質部と、上記改質部の後流側に流路を形成し、発熱反応により上記水素ガスと共に含まれたＣＯガスを除去するＣＯ除去部と、上記基板の上部を覆って内部流路を外部から遮蔽する蓋と、を含んで上記導入チャンネル内に流れる燃料を加熱させるように構成されることを特徴とする、薄型改質器を提供する。
本発明によれば、燃料が導入チャンネルを通過しながらＣＯ除去部の熱を吸収するので、蒸発部に熱を別に供給する必要がなくなり、全体的な熱供給量が減る。
また、多層において生じる反応を１枚の基板で化学反応が起こり得るように設計し、多層の間々に断熱材を使用する代わりに燃料導入部、蒸発部、改質部及びＣＯ除去部などで熱交換をさせることで厚さを減らし、のちに燃料電池と改質器を一体化させる際に有利な薄型の構造にすることができ、多層を接合させなければならない技術的難しさを排除させることができる。
しかも、燃料導入部のチャンネルが基板の外郭部分に沿って具備され、蒸発部、改質部及びＣＯ除去部などを取り囲んでいる形態に形成されるので、改質器全体を断熱する際に問題となる基板側面部の断熱問題を容易に解決できる効果が得られる。
以下、本発明の好ましき実施例を図面を用いてより詳しく説明する。
本発明の好ましき一実施例による薄型改質器１は図４に示すように、内部に流路を形成した基板１０を備える。上記基板１０はシリコン、金属、ガラス、セラミック及び耐熱プラスチックなどを使用することができ、内部には基板１０の一面をエッチングなどにより蝕刻して形成した凹んだ流路が隔壁を介して一定形態に形成されている。
即ち、上記基板１０の一側面はエッチング処理され、蝕刻処理をして所望の形態の流路を凹に形成するのである。
そして、上記基板１０の流路内に燃料を流入させる燃料導入部２０が具備されており、上記燃料導入部２０は図４及び図５に示すように、その形成位置が上記基板１０のほぼ中央一側で始まって一定長さの導入チャンネル２３を通して燃料が流れるようにして燃料を予熱させる構造である。
上記導入チャンネル２３は、上記基板１０の外郭部分を取り囲んで、後ほど説明するように、蒸発部３０、改質部４０及びＣＯ除去部６０などを囲んでいる狭い流路形態に形成されたものである。
そして、上記導入チャンネル２３は、後ほど説明するＣＯ除去部６０においてその内部流路を形成する隔壁６４に各々形成された長いスリット６４ａを含む。このような長いスリット６４ａはＣＯ除去部６０の流路６２において行われる発熱反応による熱が隔壁６４を介して伝達されると、上記長いスリット６４ａの内部空間に位置する液体燃料にその熱を伝達するようになる。
また、本発明は上記のような燃料導入部２０側に液体燃料であるメタノール水溶液が供給されるためには、上記基板１０の上部を覆う蓋１００に燃料導入口１１０が形成され上記燃料導入部２０に液体燃料が供給されるようにするのである。
なお、上記燃料導入部２０の出側には液体燃料を加熱させて蒸気状態に気化させる蒸発部３０が連結される。上記蒸発部３０は液体状態の燃料を気化させて改質反応が良好に行われるようにするものであって、上記蒸発部３０の流路３２を形成する多数の隔壁３４には触媒などが位置する必要はない。
さらに、上記蒸発部３０の流路２２は燃料導入部２０が始まる基板１０の一側角からその反対側の他側角に向かって形成された多数の隔壁３４によって基板１０の一側角から他側角にその流路３２が進行した後、再び方向を変えて反対に進行する形態で形成される。
さらに、本発明は上記蒸発部３０の後流側に上記基板１０内で燃料が通過する流路４２を形成し、吸熱反応により燃料を水素ガスに改質させる改質部４０が形成される。上記改質部４０は基板１０の一側と蒸発部３０の後流側に形成され、上記流路４２は上記蒸発部３０の流路３２と連結された構造である。なお、上記改質部４０の流路４２は蒸発部３０の流路３２とは異なる方向の蛇行パターンを形成するように隔壁４４が形成される。
従って、上記改質部４０の流路４２は上記蒸発部３０の全体長さに沿ってその一側においてジグザグの蛇行に形成され、多数の隔壁４４によって区分けされ、上記改質部４０の流路４２内には液体燃料を水素気体に改質させる触媒４６が形成された構造である。上記改質部４０では燃料を触媒反応により水素の豊富な改質ガスに転換されるようになり、上記改質部４０の触媒４６としてはＣｕ／ＺｎＯまたはＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３が用いられ、上記触媒４６は、好ましくは、上記流路４２を形成する隔壁４４に蒸着によって形成可能である。
上記改質部４０は、吸熱反応を伴う触媒反応によりメタノールなどの炭化水素系燃料を水素ガスに改質するようになり、この過程で必要な熱源は基板１０の下部側に形成された加熱手段４８を介して得る。上記改質部４０の加熱手段４８は上記基板１０の下部面に電気的抵抗回路がパターンで形成され上記基板１０を介してその上部側の改質部４０を加熱させるのである。
このような改質部４０の加熱手段４８は、図６（ａ）に示すように、基板１０の下部面に形成され上記基板１０を介して改質部４０の温度を一定温度、好ましくは２５０〜２９０℃の間の温度に維持するようになる。
そして、本発明は上記基板１０の改質部４０の後流側において流路を形成し、上記改質部４０において発生された改質ガス内に含まれたＣＯガスを除去するＣＯ除去部６０を具備する。
上記ＣＯ除去部６０は、上記基板１０内で上記蒸発部３０を中心に改質部４０の他側に流路６２を形成し、発熱反応により上記水素ガスと共に含まれたＣＯガスを除去する。
このようなＣＯ除去部６０には上記改質部４０から水素ガス、一酸化炭素及び二酸化炭素などを含んだ改質ガスが供給されるが、これは流路の断面が縮小された狭い連結部５０を介して行われる。上記連結部５０は上記基板１０の角に沿って延長され、上記ＣＯ除去部６０の入口側には上記連結部５０の流路面積より大きい流路拡大部５４が具備される。
このように改質ガスに含まれた水素ガス、一酸化炭素及び二酸化炭素などの気体は面積の狭い連結部５０を通過した後に面積の大きい流路拡大部５４に放出されるので、その部分において圧力降下が起こり、低い圧力状態で上記ＣＯ除去部６０に流入される。
一方、上記ＣＯ除去部６０は上記蒸発部３０と改質部４０でのように多数の隔壁６４を介して流路６２が形成され、上記流路６２の入側、即ち、流路拡大部５４には上記基板１０上に覆われる蓋１００上に空気流入口１１２が配置される。
上記ＣＯ除去部６０の隔壁６４は、その長さ方向に内部に各々長いスリット６４ａを形成するものであって、上記長いスリット６４ａは燃料導入部２０のチャンネル２３に各々連通されその内部で液体燃料が流入される構造である。
そして、上記ＣＯ除去部６０の流路６２内には上記改質部４０で生成されたＣＯガスを除去させる触媒６６がコーティングされた構造である。
このようなＣＯ除去部６０では流入される改質ガスを酸素と反応させＣＯを除去し、このようなＣＯ除去部６０で用いられる触媒は、好ましくはＰｔ、Ｐｔ／Ｒｕ、Ｃｕ／ＣｅＯ／Ａｌ２Ｏ３のいずれか一種である。
上記ＣＯ除去部６０は発熱反応を伴う触媒反応により人体に有害なＣＯを人体に無害なＣＯ２に変換させて処理し、この過程で必要な熱源は基板１０の下部側に形成されたＣＯ除去部６０用加熱手段６８を介して得る。
上記ＣＯ除去部６０の加熱手段６８は、図６（ａ）及び図７に示すように、基板１０の下部面１０ａに電気的抵抗回路がパターンで形成され、上記基板１０を介してその上部側のＣＯ除去部６０を加熱させるものである。
このようなＣＯ除去部６０の加熱手段６８も電気抵抗回路パターンでなっており適切な電源供給及び制御により上記ＣＯ除去部６０を一定温度、好ましくは１７０℃〜２００℃に維持するようになる。
一方、上記では改質部４０とＣＯ除去部６０の加熱のために加熱手段４８、６８が基板１０の下部に電気抵抗回路パターンで形成されているものが示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図６（ｂ）に示すように、上記電気抵抗回路パターンの加熱手段４８、６８とともに、これを囲む発熱空間４８ａ、６８ａを下部に形成し、この空間４８ａ、６８ａを断熱材７２で断熱処理し上記加熱手段４８、６８によって発生された熱がより外部に消失されず、上記改質部４０とＣＯ除去部６０に集中され得るようにする変形構造のものである。
また、本発明は上記基板１０の上部を覆って内部流路または空間を外部から遮蔽させる蓋１００を含む。上記蓋１００は基板１０と同じシリコン、金属、ガラス、セラミック及び耐熱プラスチックなどの材料を使用することができ、上記基板１０の上部面にボンディング接合で一体化され得る。
このような蓋１００は、好ましくは上記燃料導入部２０、蒸発部３０、改質部４０及びＣＯ除去部６０の流路または空間に対応するように凹んだ流路（図示せず）を形成し上記基板１０と蓋１００が内部に形成する空間の流路の大きさをより大きく拡大させることが可能である。
そして、上記蓋１００は基板１０に接着され一体化された状態で上記ＣＯ除去部６０の流路６２の出側部分に反応ガス排出口１１４を形成する。即ち、上記ＣＯ除去部６０を介して生成された水素ガスとＣＯ２を含む反応ガスを基板１０の外部に排出させる。したがって、上記蓋１００は燃料導入部２０側に燃料導入口１１０が形成され、ＣＯ除去部６０の入側の流路拡大部５４には空気流入口１１２が形成され、ＣＯ除去部６０の出側には反応ガス排出口１１４が形成され液状の燃料が改質され、水素ガスとＣＯ２を含む反応ガスに排出されるようにするのである。
また、本発明は上記基板１０と蓋の外表面に各々断熱材７２が付着されるようにして改質部４０及びＣＯ除去部６０を効果的に外部と遮断させることで、熱効率の高い改質器１’を成すことができるのである。即ち、上記断熱材７２は高温の改質器１’を外部から断熱させユーザがほぼ２０℃〜６０℃の低温を感じられるように外部の表出温度を落としてくれる役目を果たす。
上記のように構成された本発明による薄型改質器１は、燃料導入部２０の燃料導入口１１０を通して液状の燃料が基板１０と蓋１００の内部流路２２に流入され燃料導入部２０を通過する。このような液体燃料は外部の別のシリンジポンプ（ｓｙｒｉｎｇｅ ｐｕｍｐ）（図示せず）を通して１０〜１００μｍ／ｍｉｎに供給される。
このように燃料導入口１１０を通して流入された液体燃料は基板１０の最外隔部分を回りながら形成されたチャンネル２３に沿って移動し、特にＣＯ除去部６０の隔壁６４に形成された長いスリット６４ａの内部を通過しながらＣＯ除去部６０で発熱される熱を吸収して蒸発し始める。
そして、ＣＯ除去部６０を通り抜けて改質部４０の最外隔を通りながらも蒸発し、このような過程で上記チャンネル２３の内部を流れる液体燃料は、ＣＯ除去部６０と改質部４０を外部に対して断熱させる効果を得ることができる。そして、上記改質部４０の最外隔を通った燃料導入部２０のチャンネル２３は再び基板１０の中央側に移動し上記ＣＯ除去部６０の流路の隣領域（Ｐ）を通り過ぎながら完全に蒸発するようになり、再びＣＯ除去部６０と熱交換をするようになる。図５はこのように熱交換チャンネル２３を通過して、完全に蒸発された気体燃料が蒸発部３０を通って改質部４０の入口に入る全体的な経路を示す。
このような燃料導入部２０を通過した液体燃料は、蒸発部３０に導入され改質に必要な温度、即ち、２５０〜２９０℃の間の温度を維持するようになる。
その後、上記気化された燃料は蒸発部３０の後流側に形成された改質部４０に流入され、吸熱反応を伴う触媒反応を経るようになり、この過程で２５０〜２９０℃の間の温度で水素ガス、ＣＯ、ＣＯ２を含む改質ガスが発生される。
そして、このように形成された改質ガスは流路断面積の小さい連結部５０を介してその後流側のＣＯ除去部６０に移動され、この過程で高温、高圧状態の改質ガスは狭い連結部５０を通過し、ＣＯ除去部６０の流路拡大部５４でその流路面積を急激に拡大させ圧力を低めることで、当該流路拡大部５４の圧力が改質部４０より著しく低くなるようにする。
また、上記改質ガスは流路拡大部５４に位置された蓋１００の空気流入口１１２を通して空気流入が行われる状態でＣＯ除去部６０を通過するようになる。
上記流路拡大部は、ＣＯ除去に必要な空気が流入されることで、外部の別のポンプ（図示せず）によって数ｍＬ〜１００ｍＬ／ｍｉｎの空気が供給される。
従って、上記ＣＯ除去部６０では、１７０〜２００℃程度の温度で発熱反応が伴われながら選択酸化の触媒反応が起こり、改質ガス内のＣＯはＣＯ２に変換され人体に無害に除去されるのである。
このような状態で、ＣＯ除去部６０を通過すると水素ガスとＣＯ２を含む反応ガスが生成され、これは蓋１００の反応ガス排出口１１４を通して外部に排出される。上記のような過程で本発明は液体燃料であるメタノール水溶液が常温の液体状態で流入される燃料導入部２０が改質部４０とＣＯ除去部６０の外郭を取り囲むチャンネル２３を形成し２５０〜２９０℃の間の改質部４０から伝導される熱と、１７０〜２００℃程度のＣＯ除去部６０から伝導される熱が液状の燃料で吸収されるようにし、液体燃料が加熱されるようにする。したがって、液体燃料を蒸発させるための蒸発部３０に別の加熱手段が不要となるのである。
また、本発明はＣＯ除去部６０の酸化反応に必要な空気を外部から供給して与えなければならないが、このような場合、蓋１００の空気流入口１１２を通して空気を供給するポンプ（図示せず）は容量の小さい小型で具備され得る。即ち、改質ガスが改質部４０から流路断面積の狭い連結部５０を介してＣＯ除去部６０の入側流路拡大部５４に移動するため、上記流路拡大部５４では内部の圧力降下により上記改質部４０に比べて著しく圧力が低くなるので、上記空気流入口１１２を通して容易に外部空気が流入され得る。
従って、上記空気流入口１１２に空気を提供するポンプは従来に比べて小さい大きさの小型になることが可能である。
また、本発明は上記で触媒４６、６６が流路４２、６２内に蒸着などでコーティング形成されたものが説明されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、粒子型の触媒で改質部４０とＣＯ除去部６０に各々充填されその粒子の間を燃料が流れるようにすることもできる。
そして、 蓋１００は上記基板１０に接着され 、好ましくは上記燃料導入部２０、蒸発部３０、改質部４０及びＣＯ除去部６０の流路または空間に対応するように凹んだ流路または空間を形成し、上記基板１０と蓋１００が形成する内部流路の大きさをより大きく拡大させることができる。
このような触媒の変形構造や、蓋の変形構造は全て本発明の技術思想から容易に変更可能なものであることを当業者らは容易に分かることができる。
上記において本発明は、特定の実施例に関して図示して説明したが、これは唯例示的に本発明を説明するために記載されたものであり、本発明をこのように特定構造に制限するものではない。当業界において通常の知識を有する者であれば、上述した特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内において本発明を多様に修正及び変更させることが可能であることがわかる。しかしながら、このような修正および変更構造は全て本発明の権利範囲内に含まれるものであることを明らかにして置く。
従来の技術による多層型改質装置を示す断面図である。 従来の技術による他の構造の改質装置を示す断面図である。 従来の技術によるさらに他の構造の改質装置を示す断面図である。 本発明による薄型改質器を示す分解斜視図である。 本発明による薄型改質器を示す平面図である。 本発明の他の実施例による薄型改質器を示す断面図であって、ａは縦断面図であり、ｂは外部に断熱材を具備した変形実施例の縦断面図である。 本発明による薄型改質器に具備された加熱手段が基板の底面に電気的抵抗回路パターンで形成されたものを示す底面図である。
符号の説明
１ 本発明の好ましき一実施例による薄型改質器
１０ 基板
２０ 燃料導入部
２３ 導入チャンネル
３０ 蒸発部
３２ 蒸発部の流路
３４ 蒸発部の隔壁
３６ 蒸発部の触媒
４０ 改質部
４２ 改質部の流路
４４ 改質部の隔壁
４８、６８ 加熱手段
５０ 連結部
５４ 流路拡大部
６０ ＣＯ除去部
６４ 隔壁
６４ａ 長いスリット
１００ 蓋
１１２ 空気流入口
１１４ 反応ガス排出口
２５０ 従来の小型改質装置
２５１ 燃焼用燃料蒸発器
２５２ 燃焼器
２５６ 改質器
２６１、２６２ 断熱支持部材
３００ 従来の改質器
３１４ 熱交換チャンバ
３２０ 反応チャンバ
３２２ 排気チャンバ
４００ 改質器
４１０ 基板
４２０ 気化部
４２２ ヒーター
４３０ 改質部
４４０ ＣＯ除去部
４４２ 水素排気口

Claims (3)

  1. 燃料電池に用いられる薄型改質器であって、
    内部に単層構造の流路が形成された基板と、
    前記基板の流路内に燃料を流入させ、一定長さの導入チャンネルを通して燃料が流れるようにして燃料を予熱させる燃料導入部と、
    前記燃料導入部の後流側に位置して液状の燃料を気化させる流路を具備した蒸発部と、
    前記蒸発部の後流側に位置し、吸熱反応により燃料を水素ガスに改質させる流路を備えた改質部と、
    前記改質部の後流側に位置し、発熱反応により前記水素ガスと共に含まれたＣＯガスを除去する流路を備え、ジグザグの蛇行に形成され、複数の隔壁によって区分けされたＣＯ除去部と、
    前記基板の上部を覆って内部流路を外部から遮蔽する蓋と、
    基板の下部面に形成され前記基板を介して改質部の温度を一定温度に維持する前記改質部の加熱手段と、
    基板の下部面に形成され前記基板を介してＣＯ除去部の温度を一定温度に維持する前記ＣＯ除去部の加熱手段と
    を含み、
    前記導入チャンネルは、前記基板の外隔部分に沿って具備され、前記蒸発部、前記改質部および前記ＣＯ除去部を取り囲んだ流路として形成されることにより、前記蒸発部および前記改質部からの熱を吸収し、
    前記蒸発部は前記改質部と前記ＣＯ除去部との間に配置され、
    前記導入チャンネルは、前記ＣＯ除去部を形成する隔壁の外側であって、当該隔壁の長さ方向に内部に形成され、前記導入チャンネルに連結するスリットを含むことを特徴とする、
    薄型改質器。
  2. 前記蒸発部の流路は、燃料導入部が始まる基板の一側角からその反対側の他側角に向かって形成された複数の隔壁によって基板の一側角から他側角にその流路が進行した後、再び方向を変えて反対に進行する形態で形成されるものであることを特徴とする、請求項１に記載の薄型改質器。
  3. 前記改質部と、前記ＣＯ除去部の間には、前記ＣＯ除去部の入側流路より流路断面積が狭い連結部が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の薄型改質器。
JP2006267935A 2005-09-29 2006-09-29 薄型改質器 Expired - Fee Related JP4722004B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2005-0091321 2005-09-29
KR1020050091321A KR100674863B1 (ko) 2005-09-29 2005-09-29 박형 개질 기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007095699A JP2007095699A (ja) 2007-04-12
JP4722004B2 true JP4722004B2 (ja) 2011-07-13

Family

ID=37894239

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006267935A Expired - Fee Related JP4722004B2 (ja) 2005-09-29 2006-09-29 薄型改質器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7563417B2 (ja)
JP (1) JP4722004B2 (ja)
KR (1) KR100674863B1 (ja)
DE (1) DE102006045361B4 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100691274B1 (ko) * 2005-08-24 2007-03-12 삼성전기주식회사 박형 개질 기
KR100691368B1 (ko) * 2005-10-10 2007-03-09 삼성전기주식회사 증발 부의 배압을 감소시킨 박형 개질 기
KR101022134B1 (ko) * 2008-09-05 2011-03-17 삼성에스디아이 주식회사 증발기 및 이를 구비한 연료개질기
US8486164B2 (en) 2008-09-05 2013-07-16 Samsung Sdi Co., Ltd. Evaporator and fuel reformer having the same
US8568495B2 (en) * 2008-09-05 2013-10-29 Samsung Sdi Co., Ltd. Evaporator and fuel reformer having the same
JP5820144B2 (ja) 2011-05-13 2015-11-24 キヤノン株式会社 マイクロ流体デバイスおよび、これを用いたマイクロ流体装置
TWI615352B (zh) 2016-10-28 2018-02-21 國立清華大學 產氫裝置

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10236802A (ja) * 1997-02-28 1998-09-08 Mitsubishi Electric Corp 燃料改質装置
JP2000159502A (ja) * 1998-11-20 2000-06-13 Osaka Gas Co Ltd 改質装置及びその改質装置を用いた燃料電池発電装置
JP2002107073A (ja) * 2000-09-28 2002-04-10 Hitachi Ltd 積層型熱交換器
JP2002514296A (ja) * 1997-06-26 2002-05-14 バッテル・メモリアル・インスティチュート 能動的マイクロチャンネル熱交換器
JP2004141794A (ja) * 2002-10-25 2004-05-20 Casio Comput Co Ltd 小型化学反応装置
JP2004288573A (ja) * 2003-03-25 2004-10-14 Casio Comput Co Ltd 改質装置
JP2004292189A (ja) * 2003-03-25 2004-10-21 Kyocera Corp 水素製造装置及び燃料電池
JP2005200266A (ja) * 2004-01-15 2005-07-28 Casio Comput Co Ltd 改質方法、改質器、発電装置及び燃料容器
JP2005314207A (ja) * 2004-03-31 2005-11-10 Casio Comput Co Ltd 反応装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10208758A (ja) * 1997-01-29 1998-08-07 Osaka Gas Co Ltd 燃料電池
DE19754012C2 (de) * 1997-12-05 1999-11-11 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Anlage zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs
JP2002003204A (ja) * 2000-06-15 2002-01-09 Toshiba Corp 燃料改質器
JP2004018338A (ja) * 2002-06-19 2004-01-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質装置
JP4380264B2 (ja) * 2003-08-25 2009-12-09 カシオ計算機株式会社 接合基板及び基板の接合方法
KR100627334B1 (ko) * 2004-06-29 2006-09-25 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100691274B1 (ko) 2005-08-24 2007-03-12 삼성전기주식회사 박형 개질 기

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10236802A (ja) * 1997-02-28 1998-09-08 Mitsubishi Electric Corp 燃料改質装置
JP2002514296A (ja) * 1997-06-26 2002-05-14 バッテル・メモリアル・インスティチュート 能動的マイクロチャンネル熱交換器
JP2000159502A (ja) * 1998-11-20 2000-06-13 Osaka Gas Co Ltd 改質装置及びその改質装置を用いた燃料電池発電装置
JP2002107073A (ja) * 2000-09-28 2002-04-10 Hitachi Ltd 積層型熱交換器
JP2004141794A (ja) * 2002-10-25 2004-05-20 Casio Comput Co Ltd 小型化学反応装置
JP2004288573A (ja) * 2003-03-25 2004-10-14 Casio Comput Co Ltd 改質装置
JP2004292189A (ja) * 2003-03-25 2004-10-21 Kyocera Corp 水素製造装置及び燃料電池
JP2005200266A (ja) * 2004-01-15 2005-07-28 Casio Comput Co Ltd 改質方法、改質器、発電装置及び燃料容器
JP2005314207A (ja) * 2004-03-31 2005-11-10 Casio Comput Co Ltd 反応装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006045361B4 (de) 2012-05-31
DE102006045361A1 (de) 2007-05-03
JP2007095699A (ja) 2007-04-12
KR100674863B1 (ko) 2007-01-29
US20070071659A1 (en) 2007-03-29
US7563417B2 (en) 2009-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1346428B1 (en) Fuel processor with integrated fuel cell utilizing ceramic technology
JP4722004B2 (ja) 薄型改質器
JP5000836B2 (ja) セラミック技術を利用する水素発生装置
JP2006076879A (ja) 改質装置及びこれを利用した燃料電池システム
JP4393486B2 (ja) 薄型改質器
US20050207953A1 (en) High aspect ratio chemical microreactor
JP4451427B2 (ja) 薄型改質器
JP4638857B2 (ja) 薄型改質器
JP2008194689A (ja) 小型化学反応装置
JP2008063190A (ja) 反応装置及び電子機器
JP2016177880A (ja) 改質水蒸発器及び発電装置
KR20070029074A (ko) 반응장치
JP4254767B2 (ja) 反応装置
JP4984760B2 (ja) 反応装置
JP4254769B2 (ja) 反応装置
KR101250418B1 (ko) 연료 전지용 연료 변환 장치
JP4305432B2 (ja) 反応装置
JPH1143304A (ja) 改質装置
JP4715405B2 (ja) 反応装置
JP5168751B2 (ja) 気化装置、反応装置及び発電装置
JP2007091499A (ja) 反応装置
JP4371091B2 (ja) 反応装置
JP2010076966A (ja) 反応装置及び発電システム
JP2007268531A (ja) 小型化学反応装置
JP2009007231A (ja) 反応装置、発電装置及び電子機器

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100202

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100506

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101109

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20110208

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110209

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110315

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110405

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140415

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees