JP4794181B2

JP4794181B2 - 燃料改質器収納用容器および燃料改質装置

Info

Publication number: JP4794181B2
Application number: JP2005049188A
Authority: JP
Inventors: 隆二森
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: JP2006232609A

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。

そこで家庭用燃料電池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では、このシステム自体が大型であることから、燃料改質器収納用容器の外壁を２重構造にして真空容器を構成したり、あるいは２重構造にした内外壁間に断熱材を充填することにより、燃料改質器の内部の熱が外部へ伝導して燃料改質器の温度が低下するのを防止している。そのため、燃料改質器を燃料改質器収納用容器に収容する際は、燃料改質器を燃料改質器収納用容器の２重構造の内壁に直接接合して載置固定することが可能である。
特開２００３−２６０２号公報

しかしながら、携帯機器用の燃料電池システムでは、携帯機器内に収納するために小型化，低背化することが求められている。一方、従来のように燃料改質器収納用容器の外壁を２重構造にすることは、燃料電池システム全体が複雑化して大型化するため携帯機器用の燃料電池システムには採用することができない。

その上、燃料改質器を燃料改質器収納用容器の２重構造の内壁に直接接合して載置固定した場合には、その接合部分から燃料改質器の熱が燃料改質器収納用容器に直に伝導する。その結果、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を破壊す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しやすくなる。

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加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、燃料改質器収納用容器の表面の温度上昇を有効に防止するとともに、発電損失の少な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燃料改質器が収納されるキャビティを有した第１の基体と、前記燃料改質器からの前記改質ガスを排出すべく前記キャビティ内と外部とを連通する排出管と、前記燃料改質器に前記燃料を供給すべく前記キャビティ内と外部とを連通する供給管と、前記第１の基体に前記キャビティを塞ぐように接合される第２の基体とを具備してなる燃料改質器収納用容器において、前記キャビティの内面および前記第２の基体の前記燃料改質器側の主面の少なくとも一方を算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面としたことを特徴とする。

本発明の燃料改質器収納用容器において好ましくは、電解研磨法により前記鏡面を形成したことを特徴とする。

本発明の燃料改質器収納用容器において好ましくは、前記第１の基体および前記第２の基体を熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以下の金属材料で構成したことを特徴とする。

本発明の燃料改質器収納用容器において好ましくは、前記キャビティ内のガスを吸着するガス吸着材を前記キャビティ内に収納したことを特徴とする。

本発明の燃料改質装置は、上記本発明の燃料改質器収納用容器の前記キャビティ内に前記燃料改質器を設置したことを特徴とする。

本発明の燃料改質器収納用容器によれば、キャビティの内面および第２の基体の燃料改質器側の主面の少なくとも一方を算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面としたことから、高温駆動している燃料改質器から放出される輻射熱を効率よく反射することが可能となり、燃料改質器収納容器の外壁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る。よって、携帯機器内の他の部品を破壊するのを有効に防止でき、燃料電池システムを長期に安定かつ安全に使用することができる。

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。

また、燃料改質器収納用容器の内面を算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面とすることによって、この内面にガスが吸着するのを有効に防止することができる。よって、燃料改質器収納用器内を真空にして断熱性を高めようとした場合に、燃料改質器収納用容器の内側に吸着しているガスが、燃料改質時の温度の影響や時間の経過に伴い燃料改質装置内部にアウトガスとして放出されるのを有効に防止することができ、燃料改質装置内部の真空状態を長期に保つことができる。その結果、燃料改質器収納用容器内の断熱性を良好に維持して燃料改質器の温度低下をより有効に抑制できる。

また、本発明の燃料改質器収納用容器は、電解研磨法により鏡面を形成したことから、物理的研磨のように物理的な力を受けないため、残留応力の発生を非常に少なくすることができる。よって、燃料改質器の熱による第１および第２の基体の熱膨張による応力が大きくなるのを抑制でき、燃料改質器の気密性を長期にわたり良好に維持できる。その結果、燃料改質器収納用容器内の断熱性を良好に維持して熱が燃料改質器収納用容器に伝達するのをより有効に防止できる。

本発明の燃料改質器収納用容器は、第１の基体および第２の基体を熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以下の金属材料で構成したことから、燃料改質器からの熱が第１および第２の基体に伝わるのをより有効に抑制して、第１および第２の基体表面の温度が上昇するのをさらに有効に防止することが可能となる。よって、燃料改質器収納用容器内の他の部品や燃料改質器収納用容器の外側の他の部品に損傷を与えるのをさらに有効に防止でき、燃料電池システムを長期に安定かつ安全に使用することができる。

本発明の燃料改質器収納用容器は、キャビティ内のガスを吸着するガス吸着材をキャビティ内に収納したことから、第２の基体で封止した後に、燃料改質器収納用容器の内側や燃料改質器自体の表面など燃料改質器収納用容器内部の各部品表面に吸着しているガスが、燃料改質時の温度の影響や時間の経過に伴い燃料改質装置内部にアウトガスとして放出されたとしても、このガスをガス吸着材によって良好に吸着させることができるため、燃料改質装置内部の真空状態を、燃料改質装置内に燃料改質器を収納し封止した直後だけでなくその後も長期に保つことができる。

本発明の燃料改質装置は、上記本発明の前記燃料改質器収納用容器のキャビティ内に燃料改質器を設置したことから、上記本発明の燃料改質器収納用容器を用いた、燃料改質器収納用容器の表面の温度上昇を有効に防止するとともに、発電損失の少ないものとなる。

本発明の燃料改質器収納用容器および燃料改質装置の実施形態を以下に詳細に説明する。

図１は本発明の燃料改質器収納用容器およびそれを用いた燃料改質装置の実施の形態の一例を示す断面図、図２は図１の燃料改質装置の上側から見た斜視図、図３は図１の燃料改質装置の下側から見た斜視図である。

これらの図において、１は第２の基体、２は燃料改質器に電力を供給するための配線としての外部リード端子、３はガス吸着材が固定されるリード端子、４は第１の基体、５ａは燃料改質器に燃料を供給するための供給管、５ｂは燃料改質器から改質ガスを排出するための排出管、６は燃料改質器収納容器内面（第１および第２の基体４，１の内面）に形成した鏡面、７は電極、８は第２の基体１の貫通孔に外部リード端子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、１０はガス吸着材であり、主にこれら第２の基体１、第１の基体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が構成され、この燃料改質器収納用容器に燃料改質器９を収納し、第１の基体４と第２の基体１で気密に封止することにより燃料改質装置１１となる。

本発明における第２の基体１および第１の基体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、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）系金属材料、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のＦｅ系合金，無酸素銅で形成されている。

第２の基体１および第１の基体４の金属材料は、切削法，プレス法，ＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等により所定の形状に形成される。なお、第１の基体４に形成されているキャビティは第１の基体４に枠体を接合することにより形成されてもよく、第１の基体４に直接キャビティが形成されていてもよい。

本発明の燃料改質器収納用容器は、第１の基体４のキャビティの内面および第２の基体１の燃料改質器９側の主面（以下、第２の基体１の内面ともいう）の少なくとも一方を鏡面としている。なお、本発明における鏡面とは、表面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下のものをいう。

また、第２の基体１および第１の基体４の鏡面処理としてバフ研磨等の機械研磨や化学研磨法等を用いて行うことができる。第２の基体１および第１の基体４の少なくとも一方の内面において鏡面処理を行うことにより、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の昇温を抑制することが可能となる。

好ましくは、第２の基体１および第１の基体４の表面処理として、例えば第２の基体１および第１の基体４がＳＵＳ系の金属材料である場合、バフ研磨等の機械研磨後もしくは併せてリン酸系の電解液を用いた電解研磨法を用いて鏡面状態にするのが好ましい。

また、第２の基体１および第１の基体４の内面の算術平均粗さＲａが０．１μｍを超える場合、燃料改質器収納用容器の内面の真表面積が大きくなり、燃料改質器収納用容器内面に吸着するガス量が多くなり、燃料改質器収納用容器内を封止した後に、燃料改質器収納用容器の内面からのアウトガスが多く放出されやすくなるため、第２の基体１および第１の基体４の内面の少なくとも一方の算術平均粗さＲａを０．１μｍ以下としている。

以上のような第２の基体１および第１の基体４は、燃料改質器収納容器の小型化，低背化を可能とするためには厚さを薄くすべきであるが、機械的強度である曲げ強度は２００ＭＰａ以上であることが好ましい。

また、第１の基体４および第２の基体１は、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以下の金属材料からなるのがよい。これにより、燃料改質器９からの熱が第１の基体４および第２の基体１に伝わるのを抑制して、第１の基体４表面および第２の基体１表面の温度が上昇するのをさらに有効に防止することが可能となる。よって、燃料改質器収納用容器内の他の部品や燃料改質器収納用容器の外側の他の部品に損傷を与えるのをさらに有効に防止でき、燃料電池システムを長期に安定かつ安全に使用することができる。このような熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以下の金属材料としては、例えば、ＳＵＳやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等が挙げられる。

次に、本発明における外部リード端子２は、第２の基体１および第１の基体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、外部リード端子２と第２の基体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のガラス材料や酸化アルミニウム等のセラミック材料等から成る。そして、第２の基体１や第１の基体４に形成された貫通穴に外部リード端子２が挿通され、絶縁封止材８によって第２の基体１と外部リード端子２とが電気的に絶縁されて外部リード端子２が封止固定されている。第２の基体１に形成された外部リード端子２が挿通される貫通孔は、第２の基体１と外部リード端子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、具体的には外部リード端子２から第２の基体１までの間隔が０．１ｍｍ以上確保できる内径であるのがよい。

なお、絶縁封止材８が、酸化アルミニウム等のセラミック材料からなる場合、外部リード端子２を第２の基体１の貫通孔に例えば筒状のセラミック材料から成る絶縁封止材８を介して挿入し、絶縁封止材８と第２の基体１との接続および絶縁封止材８と外部リード端子２との接続を第２の基体１に形成された貫通孔の内面に例えばＡｕ、Ｎｉのめっき処理をあらかじめ施しておきＡｕ−ＧｅやＡｇ−Ｃｕ等のロウ材により行なうことができる。

そして、燃料改質器９上の電極７と外部リード端子２とを電気的に接続し、第１の基体４と第２の基体１とを接合することによって、燃料改質器収納用容器内部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１１が形成される。

本発明の燃料改質器収納用容器に収納される燃料改質器９は、燃料を改質するための装置であり、その内部に燃料を改質するための触媒が担持された微細流路あるいは空隙を有する。

燃料改質器９の形状は様々であり、例えば微小ケミカルデバイスとして、半導体製造技術等を適用して、例えば、シリコン等の半導体，石英，ガラス，金属、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、金属等のカバーを陽極接合、ロウ付け、溶接等により表面に密着させて使用される、例えば略四角形状のものが挙げられる。また、石英，ガラス，金属、セラミックス等の無機材料から成る管状であり、その内面に燃料を改質するための触媒が担持されたものも挙げられる。

燃料の改質反応が水蒸気改質反応のような吸熱反応の場合、燃料改質器９内には、温度調節機構、例えば、抵抗層等から成る薄膜ヒーター（不図示）や厚膜ヒーター（不図示）を形成し、表面にはこの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反応させて、燃料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。

このようなヒーターは、燃料改質器９における触媒が担持され燃料改質をおこなう流路内や空隙内、あるいはその近傍に配置される。これにより、ヒーターから発生する熱を効率的に燃料改質反応に用いることができる。

燃料改質器９は、燃料改質器９上の電極７が第２の基体１に設けた外部リード端子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の表面や内部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。

本発明の燃料改質器収納用容器は、キャビティ内のガスを吸着するガス吸着材１０をキャビティ内に収納するのがよい。これにより、第１の基体４と第２の基体１とで封止した後に、燃料改質器収納用容器の内側や燃料改質器９自体の表面など燃料改質器収納用容器内部の各部品表面に吸着しているガスが、燃料改質時の温度の影響や時間の経過に伴い燃料改質装置１１内部にアウトガスとして放出されたとしても、このガスをガス吸着材１０によって良好に吸着させることができるため、燃料改質装置１１内部の真空状態を、燃料改質装置１１内に燃料改質器９を収納し封止した直後だけでなくその後も長期に保つことができる。

ガス吸着材１０は、化学的に活性な金属粉による気体の吸着作用を利用して真空排気を行うものであり、１０〜５００μｍ程度の厚みを持つＮｉ−Ｃｒ等から成る金属板の片面あるいは両面にＺｒ、Ｆｅ、Ｖ等を主成分とする金属粉を厚み１０μｍ〜１ｍｍを担持させ作製される。

なお、ガス吸着材１０の金属粉の表面は、通常酸化膜で覆われているためそのままではガス吸着作用は現さない。ガス吸着材１０の金属粉は加熱処理を行い、表面の酸化膜がガス吸着材１０内部へ拡散し表面に新しい活性面が現れることによってガス吸着作用が発動（活性化）する。

ガス吸着材１０の加熱は、ガス吸着材１０を構成する金属板に外部電源からの電気エネルギーをリード端子３等で伝送させることにより金属板を発熱させることにより行われたり、また、第１の基体４もしくは第２の基体１に窓部を設け、この窓部を通じて赤外線やレーザー光等光線をガス吸着材１０に照射し、光線のエネルギーを直接ガス吸着材１０で熱エネルギーに変換することに行う。

ガス吸着材１０は燃料改質器収納用容器の内面に直接、あるいは台座などを介して搭載してもよく、燃料改質器９上に搭載してもよい。また、図１のようにリード端子３に接続して外部電源からの電気エネルギーをリード端子３で伝送し、この電気エネルギーをガス吸着材１０の金属板に伝え、この金属板で熱エネルギーに変換してガス吸着材１０の加熱を補助的に行なってもよい。

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。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。

なお、供給管５ａおよび排出管５ｂは、第２の基体１を貫通していてもよく第１の基体４を貫通していてもよい。あるいは、第２の基体１と第１の基体４との接合界面に挟み込まれるようにしてキャビティ内と外部とを連通してもよい。

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、ガス吸着材１０はリード端子３に接合されているが、絶縁性の例えばセラミック等の台座に固定しても良い。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。

本発明の燃料改質装置の実施の形態の一例を示す断面図である。図１の燃料改質装置を上側から見た場合の斜視透過図である。図１の燃料改質装置を下側から見た場合の斜視透過図である。

符号の説明

１・・・・・第２の基体
４・・・・・第１の基体
５ａ・・・・供給管
５ｂ・・・・排出管
６・・・・・燃料改質器収納容器内面の鏡面
９・・・・・燃料改質器
１０・・・・ガス吸着材
１１・・・・燃料改質装置

Claims

燃料から水素ガスを含む改質ガスを発生させる燃料改質器が収納されるキャビティを有した第１の基体と、前記燃料改質器からの前記改質ガスを排出すべく前記キャビティ内と外部とを連通する排出管と、前記燃料改質器に前記燃料を供給すべく前記キャビティ内と外部とを連通する供給管と、前記第１の基体に前記キャビティを塞ぐように接合される第２の基体とを具備してなる燃料改質器収納用容器において、前記キャビティの内面および前記第２の基体の前記燃料改質器側の主面の少なくとも一方を算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面としたことを特徴とする燃料改質器収納用容器。
電解研磨法により前記鏡面を形成したことを特徴とする請求項１記載の燃料改質器収納用容器。
前記第１の基体および第２の基体を熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以下の金属材料で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料改質器収納用容器。
前記キャビティ内のガスを吸着するガス吸着材を前記キャビティ内に収納したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料改質器収納用容器。
請求項１乃至請求項４記載の燃料改質器収納用容器の前記キャビティ内に前記燃料改質器を設置したことを特徴とする燃料改質装置。