JP4794182B2 - 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、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る場合において、燃料を改質させる反応はいくつかあり、例えば次の化学反応式（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）

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。

また、例えば次の化学反応式（２）に示すような部分酸化改質反応では、４００〜６００℃程度の改質温度が必要になる。
ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２＋２Ｎ_２ → ２Ｈ_２＋ＣＯ_２＋２Ｎ_２・・・（２）

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

近年、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。しかしながら、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。そこで、携帯機器用の燃料電池システムについてはキャビティを有する基体と蓋体とから成る燃料改質器収納用容器内部を真空状態にすることや、熱伝導率のより小さな材料を使用することにより、燃料改質器内で燃料を改質する際に発生する熱の外部への伝導を遮断し、発電損失の少ない燃料電池システムを提供することが提案されている。

このような燃料電池システムを長期に安定かつ安全に使用するためには、燃料改質器収納用容器内部の真空状態を長期において保つ必要があると同時に、燃料改質器内で燃料を改質する際に発生する熱の外部への伝導量を低減する必要がある。燃料改質器から燃料改質器収納用容器の外壁への伝熱量を低減するためには、燃料改質器への通電用リード端子と基体との接合にセラミックスなどの絶縁材を用い、前記セラミックスの外形を大きくすることで通電用リード端子と基体との距離を大きくし、基体への伝熱量を小さくする手法があった。しかしながら、通電用リード端子と基体との距離を大きくすることは、燃料改質器収納用容器が大きくなる傾向となり携帯機器用の燃料電池システムに使用されるものとしては、小型化、低背化することの障害となり携帯機器用途としては不向きとなるという問題点があった。また、燃料改質器からの伝熱量を低減するために、燃料改質器の改質温度を低くすると高効率な燃料改質ができなくなり発電効率の低い燃料電池システムとな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、燃料改質器の燃料改質温度をより高温に維持することが可能な、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基体と、前記キャビティの開口部を塞ぐようにして前記基体の上面に取着された蓋体と、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、前記基体または前記蓋体に形成した貫通孔に挿通されてなる前記燃料改質器への通電用のリード端子とを具備した燃料改質器収納用容器において、前記リード端子の一部の表面と前記貫通孔の内面との間に空隙を形成するようにして前記リード端子の他の一部を前記基体または前記蓋体の前記外部側に封止材を介して接合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、前記封止材の前記リード端子と接合している部位の厚みを前記貫通孔の内面に接合している部位の厚みよりも大きくしたことを特徴とする燃料改質装置。

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燃料改質器を収納するとともに、前記キャビティの開口部を塞ぐようにして前記基体の上面に蓋体を取着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、リード端子の一部の表面と貫通孔の内面との間に空隙を形成するようにしてリード端子の他の一部を基体または蓋体の外部側に封止材を介して接合したことから、燃料改質器からの熱がリード端子から封止材へ伝達したとしても、その後の基体や蓋体へ伝達する熱量をきわめて有効に低減することが可能となる。

その結果、燃料改質反応が化学反応式（１）の水蒸気改質反応のような吸熱反応の場合において、燃料改質器内で燃料を改質する際に発生する熱の外部への伝導量が増加することがないことから、燃料改質器の温度が低下せず、その結果ヒーターの発熱量を増加させる必要がなくなり、燃料電池システム全体の発電損失が増加しないことから、高効率な燃料電池システムを達成することができる。

また、燃料改質器から基体や蓋体へ伝熱量を低減することができることより、燃料改質器収納用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、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、封止材のリード端子と接合している部位の厚みを貫通孔の内面に接合している部位の厚みよりも大きくしたことから、リード端子からの熱を基体や蓋体に伝え難くすることができるとともに、リード端子を強固に固定することができ、リード端子の熱膨張で封止材とリード端子との界面が剥離するのを有効に防止できる。

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キャビティ内に燃料改質器を収納するとともに、キャビティの開口部を塞ぐようにして基体の上面に蓋体を取着したことから、長期に安定かつ安全であり、また高効率な燃料電池システムを達成することができる。

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は本発明の燃料改質器収納用容器および燃料改質装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は本発明のリード端子２を封止材３により接合したリード端子２と基体１との接合部の要部拡大断面図である。

これらの図において１は基体、２は配線としてのリード端子、３はリード端子２の基体１または蓋体４に接合するための接合材、４は蓋体、５ａは燃料を燃料改質器に供給するための供給管、５ｂは燃料改質器で改質された改質ガスを排出するための排出管、７は電極、９は燃料改質器、１３はリード端子２と基体１の貫通孔１ａ間に有する空隙であり、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を収納するための燃料改質器収納用容器が構成される。そして、燃料改質器収納用容器のキャビティ内に燃料改質器９を収納するとともに、キャビティの開口部を塞ぐようにして基体１の上面に蓋体４を取着することにより燃料改質装置１１となる。

本発明における基体１及び蓋体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、ステンレス鋼（ＳＵＳ），Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金や、無酸素銅等の金属材料、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、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等で形成されている。

なお、基体１および蓋体４に適用可能なガラスセラミックスは、ガラス成分とフィラー成分とから成る。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は前記と同じである），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は前記と同じである），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。

一方、基体１および蓋体４が、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。

他方、基体１および蓋体４が金属材料から成る場合は、切削法，プレス法，ＭＩＭ（Metal Injection Mold）法等により所定の形状に形成される。

また、基体１および蓋体４が金属材料から成る場合には、腐食を防止するためにその表面は、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。

以上のような基体１および蓋体４は、燃料改質器収納用容器の小型化，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。

次に、本発明におけるリード端子２は、基体１、蓋体４、燃料改質器９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有効に防止できる点で好ましい。その上、封止材３との良好な封着性が得られるとともに、燃料改質器９との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。

封止材３は硼珪酸ガラス，アルカリガラス，鉛を主成分とする酸化鉛ガラス等などの絶縁ガラスや樹脂、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などの絶縁体からなる。封止信頼性が高いとともに熱伝導率が小さいという観点からは絶縁ガラスが好ましい。封止材３が絶縁ガラスからなる場合、例えば、硼珪酸ガラス，アルカリガラス，鉛を主成分とする酸化鉛ガラス等を用いることができる。

そして、封止材３によってリード端子２が、その表面と貫通孔１ａの内面との間に空隙１３を形成するようにして基体１または蓋体４に接合されるとともに貫通孔１ａが塞がれる。

また、封止材３は、リード端子２の表面と貫通孔１ａの内面との間に空隙１３が形成されるように接合されており、図１，２に示すように基体１や蓋体４の外面側に設けられている。

また、図３に示すように、基体１または蓋体４の貫通孔１ａの内面に段差を設け、この段差上に封止材３を被着してもよい。

空隙１３の幅、すなわちリード端子２の表面と、基体１または蓋体４の貫通孔の内面との間の間隔は、０．０１ｍｍ以上とするのがよく、より好ましくは０．０１〜１．５０ｍｍとするのがよい。０．０１ｍｍ未満であった場合、リード端子２を基体１や蓋体４の貫通孔１ａに挿入した際、リード端子２が貫通孔１ａの内面に接触する恐れや、空隙１３に封止材３が毛細管現象により充填され空隙１３の確保が困難となる恐れがある。その結果、燃料改質器９からの熱がリード端子２、封止材３から基体１へ伝達することにより燃料改質器収納用容器の外壁表面の温度が上昇し、携帯機器内の他の部品を破壊しやすくなる。一方、１．５０ｍｍを越える場合、リード端子２を基体１や蓋体４の貫通孔１ａ内面に接合するのが困難になる。また、燃料改質器収納用容器自身も大きくなる傾向となり、小型化、低背化の障害となる。

好ましくは、封止材３のリード端子２と接合している部位の厚み（Ｔ）を貫通孔１ａの内面に接合している部位の厚み（ｔ）よりも大きくするのがよい。これにより、リード端子２からの熱を基体１や蓋体４に伝え難くすることができるとともに、リード端子２を強固に固定することができ、リード端子２の熱膨張で封止材とリード端子２との界面が剥離するのを有効に防止できる。

さらに、燃料改質器９上の電極７とリード端子２とを電気的に接続し、蓋体４を用いて基体１のキャビティを封止することによって、燃料改質器収納用容器のキャビティ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行う流路内や空隙内、あるいはその近傍に配置される。そうすることによって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。

この燃料改質器９は、蓋体４が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抵抗溶接法等により基体１にそのキャビティを覆って取着されることによって、燃料改質器収納用容器内に収納される。

例えば、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。

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。

燃料改質器収納用容器内の断熱性を得るためには、燃料改質器収納用容器内を真空にすることが必要となり、燃料改質器９を封止する際、真空炉でのロウ材による封止や真空チャンバー内でのシームウェルド法などで行なえば良い。

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、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を介して電気的に接続させても良い。

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。 図１の燃料改質器収納用容器におけるリード端子と基体との接合部の要部拡大断面図である。 本発明の燃料改質器収納用容器の実施の形態の他の例におけるリード端子と基体との接合部の要部拡大断面図である。

符号の説明

１・・・・・基体
２・・・・・リード端子
３・・・・・封止材
４・・・・・蓋体
５ａ・・・・供給管
５ｂ・・・・排出管
９・・・・・燃料改質器
１１・・・・燃料改質装置
１３・・・・空隙

Claims (3)

1. 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基体と、前記キャビティの開口部を塞ぐようにして前記基体の上面に取着された蓋体と、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、前記基体または前記蓋体に形成した貫通孔に挿通されてなる前記燃料改質器への通電用のリード端子とを具備した燃料改質器収納用容器において、前記リード端子の一部の表面と前記貫通孔の内面との間に空隙を形成するようにして前記リード端子の他の一部を前記基体または前記蓋体の前記外部側に封止材を介して接合したことを特徴とする燃料改質器収納用容器。
2. 前記封止材の前記リード端子と接合している部位の厚みを前記貫通孔の内面に接合している部位の厚みよりも大きく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。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料改質器収納用容器の前記キャビティ内に燃料改質器を収納するとともに、前記キャビティの開口部を塞ぐようにして前記基体の上面に蓋体を取着したことを特徴とする燃料改質装置。

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