JP5192293B2

JP5192293B2 - 燃料電池用改質器

Info

Publication number: JP5192293B2
Application number: JP2008150277A
Authority: JP
Inventors: 淳司二宮
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-06-09
Also published as: JP2009292700A

Description

本発明は燃料電池用改質器に関するものであり、特に、携帯機器用の燃料電池における改質器のように、小型燃料電池に適する改質器に関するものである。

燃料電池用改質器は、基板に形成された流路の原料導入口から例えばエタノールと水からなる原料物質を気化させた流体原料を導入し、所定の温度条件下において当該流体原料を前記流路内面に形成されている触媒層に接触させ、触媒との接触により生成された水素を前記流路の排出口から取り出す。

携帯機器用の燃料電池では小型化が必須であり、そのためこれらの燃料電池用の改質器についても小型化の努力がなされている。
例えば、シリコンやセラミックスからなる数センチ角の基板に、半導体加工技術を応用してミクロンオーダの流路を形成し、前記流路中で触媒反応をさせる化学反応装置を改質器として用いることが提案されている（特許文献１，２）。

しかし、特許文献１に開示された化学反応装置は、小型化は実現できるものの隣接の燃料電池や燃料ガス供給部との接続部の形成が困難であった。また、流路中で化学反応の温度条件を付与する発熱体として金属酸化物や金属窒化物を用いているが、基板の熱膨張係数によっては発熱体の加熱時に熱膨張差に起因する熱的応力により層間剥離を生じ易い。
従来の化学反応装置は、外部機器に合わせて設計するためフレキシビリティに欠ける問題があった。さらに、燃料ガスの流量に合わせた改質器とするためには大幅な設計変更が不可欠であり、設計の自由度が低いという問題があった。
特開２００４−２２１０１５号公報特開２００４−００６２６５号公報

本発明の課題はこの種の改質器のフレキシビリティと設計の自由度の改善にある。
本発明の目的は、小型化を図ることができるとともに、隣接機器との接続性向上と熱的応力の緩和とに配慮しつつ、フレキシビリティに富みかつ設計自由度の高い燃料電池用改質器を提供することにある。

本発明に係る燃料電池用改質器は、前記課題を解決するため、内面に触媒層を有し触媒及び通過ガスと反応しない材料からなるフレキシブル性と耐熱性とを有する複数のチューブ状流路と、前記チューブ状流路の両端部寄り部分を貫通状に保持するチューブホルダと、前記チューブホルダの相互間において前記チューブ状流路の外周面の少なくとも一部へ定着された膜状のヒータとを備えたことを最も主要な特徴としている。
前記触媒層はＣｕ／Ｚｎ又はＰｔからなり、また、前記チューブ状流路はＳｉＯ₂からなるのが好ましい。
なお、前記「通過ガス」とは、前記流体原料及び触媒反応により生成された流体物質を言う。また、前記チューブは材料がフレキシブル性を有するのではなく、製造されているチューブ状流路自体が何らかの原因によりフレキシブル性を有することで足りる。

本発明に係る燃料電池用改質器によれば、フレキシブル性を有する複数のチューブ状流路の両端寄り部分がチューブホルダへ貫通状に保持され、各チューブホルダの前記ホルダー間に位置する部分には外周面の少なくとも一部へ膜状のヒータが定着されている。
このように各チューブ状流路がフレキシブル性を有するので、各チューブ状流路を適宜曲げた状態で改質器を配置することができるほか、周辺機器との配置設計の自由度もそのフレキシブル性により増大する。
また、改質器における原料ガスの流量が変更したときは、チューブホルダを含めた部品全部を交換したり設計を全体的に変更することなく、チューブ状流路の本数のみを加減することにより原料ガス流量の変更に対応することができるから、この点でも設計の自由度がはるかに増大する。

さらに、各チューブ状流路はフレキシブル性を有するので、前記チューブホルダの側方から突出した部分を適宜曲げ、この曲げ部分を外部の燃料電池や燃料ガス供給部等の周辺機器へ連結することができる。
あるいはまた、各チューブ状流路の中間部分を適宜曲げて前記チューブホルダの配置位置を選択し、この選択された位置でチューブホルダに対して周辺機器への接続部品を取り付けることができる。
したがって、周辺機器との接続部の形成が極めて容易である。

以下図面を参照しながら本発明に係る燃料電池用改質器の一実施形態を説明する。
図１は改質器の部分分解斜視図である。
２，２はブロック状に形成された一対のチューブホルダであり、このチューブホルダ２，２には、内面に触媒層１ａ（図２）を有し触媒及び通過ガスと反応しない材料からなるフレキシブル性と耐熱性とを有する複数のチューブ状流路１の両端部寄り部分が貫通状に保持されている。
前記チューブ状流路１の前記チューブホルダ２，２の相互間に位置する部分の外周面の少なくとも一部にはシート状のヒータ１０が定着されている。

各チューブ状流路１の外面には、ヒータ１０と接続するように膜状の電極１１が両端方向へ延びるように定着されており、これらの各電極１１はそれぞれチューブホルダ２，２の外側面に突出した外部端子１２と電気的に接続させ、ヒータ１への通電が行われるように構成されている。

以下、この実施形態の改質器における各部品の製造及びそれらの組立要領を図３に基づいて詳細に説明する。
細径（例えば直径５００μｍ程度）のチューブ状流路１を加工するとともに、当該チューブ状流路１の内周面へ触媒層１ａを定着させる。チューブ状流路１の長さ方向中央領域の外周面にはヒータ１０を被着させ、引き続いて当該ヒータ１０の両端部と連続するように所定の長さ領域にわたり電極１１を膜状に定着させる。

チューブ状流路１の材質は、触媒や通過ガスと反応せず耐熱性を有するものであれば特に限定されない。この実施形態の改質器は水とエタノールを含む流体原料を流路内に供給し、当該流路内の触媒反応により水素を含む流体物質を生成しようとするものであり、触媒はＣｕ／Ｚｎ，Ｐｔ等を予定している。
したがって、チューブ状流路１の材質はＳｉＯ₂であるのが好ましい。ＳｉＯ₂からなる材料は、触媒反応を起させる環境下で腐食溶解がおき難くヒータ１０による加熱に対しても劣化が少なく、加熱したヒータとの接着部での熱膨張差に起因した破壊が少ない。
なお、水平方向又は垂直方向に並ぶチューブ状流路１相互の端部は、Ｕ字状継手（図示しない）により連結して、当該チューブ状流路全体を蛇行状に構成することもできる。

前記のように加工されたチューブ状流路１の片側より、触媒物質を流体として（触媒前駆体溶液）浸透又は圧入して流路１の内壁面へ均一に付着担持させ、図２のように触媒層１ａを形成する。この触媒物質としては、前記のようにＣｕ／Ｚｎ，Ｐｔが好適に用いられる。

その後、チューブ状流路１の外周へカーボン，ニクロム，タングステン等の伝熱材を物理蒸着により膜状に定着させてヒータ１０を形成する。この蒸着の際、チューブ状流路１の外周面における前記ヒータ１０の形成領域より両端寄り領域は例えばマスキングしてカーボン等の付着を防止する。
さらに前記マスキングを除去し、ヒータ１０の形成領域を遮蔽した状態で流路１の外周面における両端寄り領域へ、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等を物理蒸着により定着させて電極１１を形成する。

ヒータ１０はチューブ状流路１の外周面において長さ方向には連続している必要があるが、周方向には必ずしも連続している必要はない。
この実施形態において、膜状の電極１１はチューブ状流路の周方向の一部について長さ方向へ連続するように形成されている。
ヒータ１０を保護するため、チューブ状流路１の外周面はポリイミド樹脂その他の絶縁性樹脂層で被覆するのが好ましい。

この実施形態において、チューブホルダ２，２は、相対する内側に配置された第１保持ブロック２１と、その外側に配置された第２保持ブロック２２と、両保持ブロック２１，２２を外側からカバーするカバー保持ブロック２０とをそれぞれ具備している。各ブロック２０，２１，２２には、チューブ状流路１を貫通状に保持させるため多数の孔が形成されている。
そして、第１保持ブロック２１と第２保持ブロック２２は、カップ状の収容部を有するカバー保持ブロック２０の前記収容部内へ逆順に挿入された状態になっている。
各保持ブロック２０，２１，２２は、ヒータ１０による熱の影響を受け難く電気的絶縁性を有するものであれば特にその材質は問わないが、ポリイミド樹脂やポリイミドアミド樹脂を材質とし、これらをモールド成形したものが好ましく使用される。

先ず、チューブ状流路１の両端部分をそれぞれ第１保持ブロック２１の孔に貫通保持させる。
次いでこれらのチューブ状流路１の第１保持ブロック２１から突出した部分を第２保持ブロック２２の孔へ貫通保持させる。このとき、各チューブ状流路１の外周面における膜状の電極１１と接触するように、例えばカーボンペーストその他の導電材（ペースト）１３を保持孔へ塗布する。

さらに各チューブ状流路１の両端部分をカバー保持ブロック２０の保持孔に貫通保持させ、カバー保持ブロック２０の収容部内へ第１保持ブロック２１と第２保持ブロック２２とを密に収容保持させる。
このとき、カバー保持ブロック２０にあらかじめ形成されている挿入孔へ外部端子１２をそれぞれ挿入し、カバー保持ブロック２０の内側において電極１１と対応する外部端子１２とを導電材１３等を介して電気的に接続する。

最後に、両側のカバー保持ブロック２０，２０の収容部の端部外側面へ定着するように取り替え可能に上下のカバー３，３を設け、これらのカバー３，３によりチューブ状流路１を覆う。

前記実施形態の燃料電池用改質器は、各チューブ状流路１の片側の開口部を原料導入口とし、ヒータ１０へ電流を流して流路１内を所定の反応温度に設定し、前記原料導入口から例えばエタノールと水とからなる原料物質を気化させた流体原料を導入する。
そして、当該流体原料を前記流路１内面に形成されている触媒層１ａに接触させ、触媒との接触により生成された水素を前記流路１の他方の端部である排出口を経て燃料電池スタックへ供給する。水素とともに生成されるＣＯやＣＯ_２も排出口から排出する。

前記実施形態の燃料電池用改質器によれば、各チューブ状流路１がフレキシブル性を有するので、各チューブ状流路１を適宜曲げた状態で改質器を配置することができるほか、周辺機器との配置設計の自由度もそのフレキシブル性により増大する。
また、改質器における原料ガスの流量が変更したときは、チューブホルダ２を含めた部品全部を交換したり設計を全面的に変更することなく、チューブ状流路１の本数のみを加減することにより原料ガス流量の変更量に対応することができるから、この点でも設計の自由度がはるかに増大する。

さらに、各チューブ状流路１はフレキシブル性を有するので、前記チューブホルダ２の側方から突出した部分を適宜曲げ、この曲げ部分を外部の燃料電池や燃料ガス供給部等の周辺機器へ連結することができる。
あるいはまた、各チューブ状流路１の中間部分を適宜曲げて前記チューブホルダ２の配置位置を選択し、この選択された位置でチューブホルダ２に対して周辺機器への接続部品を取り付けることができる。
したがって、周辺機器との接続部の形成が極めて容易である。

本発明に係る燃料電池用改質器の一実施形態を示す部分破断斜視図である。図１の実施形態の改質器におけるチューブ状流路の拡大半裁断面図である。図１の実施形態の改質器の部分拡大断面図である。

符号の説明

１チューブ状流路
１ａ触媒層
１０ヒータ
１１電極
１２外部端子
１３導電材（ペースト）
２チューブホルダ
２０カバー保持ブロック
２１第１保持ブロック
２２第２保持ブロック
３カバー

Claims

内面に触媒層を有し触媒及び通過ガスと反応しない材料からなるフレキシブル性と耐熱性とを有する複数のチューブ状流路と、前記チューブ状流路の両端部寄り部分を貫通状に保持するチューブホルダと、前記チューブホルダの相互間において前記チューブ状流路の外周面の少なくとも一部へ定着された膜状のヒータと、を備えたことを特徴とする燃料電池用改質器。
前記触媒層はＣｕ／Ｚｎからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質器。
前記触媒層はＰｔからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用改質器。
前記チューブ状流路はＳｉO₂からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用改質器。
前記チューブホルダは樹脂モールドにより成形されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用改質器。