KR100820940B1 - 연료전지용 연료개질기 - Google Patents

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오사무 나카무라
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가시오게산키 가부시키가이샤
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Abstract

에너지 손실이 적은 연료전지용 연료개질기가 제공된다. 연료개질기(1)는 내부에 박막히터를 가지는 개질기본체(10)와, 개질기본체(10)를 수용하고, 내부에 진공이 유지되는 외부용기(20)와, 박막히터에 전력을 공급하는 전선과, 복수의 연료 도입/배출관(12)을 구비한다. 전선 및 복수의 연료 도입/배출관(12)은 진공 기밀을 유지하는 외부용기(20)에 관통한다. 개질기본체(10), 연료 도입/배출관(12) 및 외부용기(20)를 유리제로 만들어 부재의 직접접촉에 의한 열전도가 많이 감소되어 에너지 손실이 적은 연료전지용 연료개질기(1)를 실현한다.
연료 개질기

Description

연료전지용 연료개질기{FUEL REFORMER FOR FUEL CELL APPARATUS}
도 1은 일 실시형태에 관한 휴대용 연료전지의 연료 개질기 구조를 보여주는 평면도,
도 2는 도 1의 개질기에서 2-2선에 따른 단면도,
도 3은 연료 개질기에서 연료 도입/배출관과 외부용기, 및 관과 개질기 본체의 각 이음 부분을 보여주는 단면도,
도 4a~도 4f는 연료 개질기의 실시예로서 연료 도입/배출관의 배치를 보여주는 평면도,
도 5a~도 5c는 연료 개질기의 실시예로서 연료 도입/배출관의 배치를 보여주는 평면도,
도 6은 일 실시형태에 따른 휴대용 연료전지의 개질기 본체에 사용되는 집합도입/배출관을 보여주는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
B :중심 1 : 연료전지용 연료 개질기
10 : 가스반응기로서 개질기 본체 10a : 개질 반응기판
lOb : 주기판 lOc : 연소 반응기판
11 : 개질 반응 유로 12 : 연료 도입/배출관
12a : 연료 도입관 12b : 연료 배출관
12c : 연소용 연료 도입관 12d : 연소용 연료 배출관
12e, l2f : 산소 도입관 14a, 14b : 전선
18 : 스폿 페이싱 구멍 19 : 테이퍼부
20 : 외부용기 22a : 좌측벽
22b : 우측벽 22c : 후측벽
22d : 전측벽 30 : 집합 도입 배출관
40 : 봉착제 41 : 플랜지면
42 : 외측표면 43 : 간격
αR, αP, αG : 열팽창계수 ΔαP, ΔαG : 차이
본 발명은 천연가스나 메탄올 등의 연료를 수소 리치한 가스로 개질하는 연료 전지용 연료 개질기에 관한 것이다.
환경문제, 자원절약 문제를 해결하는 고에너지효율 발전시스템으로서 연료전지의 실용화가 추진되고 있다. 최근 휴대용 전자기기용 전원으로서도 연료전지를 적용하려는 시도가 이루어지고 있다. 그러나 연료전지를 휴대용으로 하기 위해서는 소형경량화라는 제약조건 가운데서 단열대책과 저에너지 손실대책에 대하여 새로운개술개발이 필요하다.
예컨대 연료전지, 특히 연료 개질기를 소형화하려는 시도는 특허문헌 1(일본 특개평 8-12301 호 공보) 또는 특허문헌 2(일본 특개 2001-229949 호 공보)등에 설명되어 있다. 특허문헌 1에 설명된 기술은, 이동용 전원의 제공을 목적으로 하여 메탄올에서 수소를 얻는 소형이고 간편한 구성의 연료 개질기에 관한 것이다. 특허문헌 2에 설명된 기술은 연료 개질기를 사용하여 연료전지의 소형화를 도모하기 위한 것이다.
그러나, 상기 종래기술에서 사용하고 있는 연료 개질기는 에너지 손실이 많고 가스반응기를 200℃∼400℃로 유지하기 위한 투입에너지가 높아지는 문제가 있었다.
예컨대 특허문헌 1에 설명된 메탄올 개질기에는 메탄올의 도입배출관에 편평한 동관을 사용하고 있다. 또 특허문헌 2에 설명된 연료전지에는 수소등 연료가스를 공급하는 관이 주위를 진공실로 포위한 연료전지의 발전모듈을 관통하여 연결되어 있다.
이와 같이 연료 도입/배출관이나, 반응기와 외부용기가 접촉하는 부분(반응기 지지재)에 금속, 합금(스텐레스강, 동, Kovar®등)을 사용하면 금속은 열전도율이 크기 때문에 열전도에 의한 에너지 손실이 많아진다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 고안된 것이며, 그 목적은 에너지 손실이 작은 연료전지용 연료개질기를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 청구항 1에 관한 발명은, 연료전지용 연료를 개질하기 위한 가스반응기와, 이 가스반응기를 가열하기 위한 전기발열체와, 이 가스반응기 및 전기발열체를 수용한 내부가 진공으로 유지되는 외부용기와, 상기 전기발열체에 전력을 공급하는 전선과, 개질하는 연료를 상기 가스반응기에 도입하여 개질한 연료를 상기 가스반응기에서 배출하는 복수의 연료 도입/배출관을 구비하고, 상기 전선 및 연료 도입/배출관이 상기 외부용기를 관통하고 있는 연료전지용 연료 개질기에 있어서, 상기 가스반응기, 연료 도입/배출관, 외부용기를 각각 구성하는 재료 및 상기 연료 도입/배출관이 상기 외부용기를 관통하는 부분을 봉착하는 봉착제의 열팽창계수 중 최대 열팽창계수값이 최소 열팽창계수값의 10배 이내인 것을 요지로 한다.
발열하는 가스반응기를 수용하는 소형의 연료전지용 연료 개질기를 실현하기위해서 다음 3개의 현상에 의한 에너지 손실을 감소하는 것이 중요하다.
(1) 공기등의 기체 대류에 의한 열전달
(2) 발열체로부터의 적외선 복사
(3) 부재의 직접 접촉에 의한 열전달
상기 3개의 현상에 의한 에너지 손실을 감소하는 대책으로서 다음 3개의 방법이 있다.
(a) 발열체를 외부용기에 가둬 놓는다.
(b) 외부용기의 내면에 적외선 반사막을 설치하고 적외선의 투과를 막는다.
(c) 발열체와 외부용기의 접촉면적을 적게함과 동시에 부재의 접촉부에는 열 전달율이 작은 재료를 사용한다.
본 발명은 상기 (3)의 대책에 관한 것이다. 금속의 열전도율은 약 17(Ｗ/mK)임에 비해, 유리의 열전도율은 약 0.75(Ｗ/mK)이고 금속의 1/20이상으로 작다. 이발명에 의하면 가스반응기, 연료 도입/배출관 및 외부용기를 각각 구성하는 재료 및봉착제를 열전도율이 작은 유리로 함으로써 부재의 직접 접촉에 의한 열전도가 크게 감소되고 에너지 손실이 작은 연료전지용 연료 개질기를 실현할 수 있다.
청구항 3에 관한 발명은 청구항 1 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서,상기 가스반응기의 열팽창계수를 20×10－7(1/℃)∼50×10－7(1/℃)의 범위, 상기 외부용기의 열팽창계수와 상기 가스반응기의 열팽창계수와의 차이를 ±10×10－ 7(1/℃)이내, 상기 연료 도입/배출관 및 봉착제의 열팽창계수와 상기 가스반응기의 열팽창계수와의 차이를 ±15×10－7(1/℃) 이내로 하는 것을 요지로 한다.
연료전지용 연료 개질기에서는, 전기발열체를 내부에 갖는 가스반응기가 약200℃∼400℃로 되고, 외부용기는 50℃의 저온으로 유지되어야 한다. 따라서 가스반응기는 크게 열팽창 하지만 외부용기는 거의 열팽창 하지 않는다. 이 때문에 진공기밀을 유지하도록 외부용기를 관통시켜 반응기에 이어진 연료 도입/배출관에는 열팽창이 큰 가스반응기와 열팽창이 작은 외부용기의 열팽창 차이에 기인하여 유리의 파괴강도를 넘는 큰 인장 응력이 발생하게 된다. 그 결과 유리제의 연료 도입/배출관 또는 이 관과 외부용기와의 이음 부분에 균열 등이 발생하고, 외부용기의 내부를 진공으로 유지할 수 없게 된다. 이러한 문제는 상기 특허문헌 2에 설명된 연료전지와 같이 개질 반응기와 단열용기를 금속관으로 용접하는 구성인 경우에 발생할 우려가 있다.
이 발명에 의하면 외부용기 자체의 열팽창이 작아짐과 동시에 외부용기와 가스반응기의 열팽창 차이도 작아진다. 이로써 진공기밀을 유지하도록 외부용기를 관통시켜 가스반응기에 이어진 연료 도입/배출관에 발생하는 인장 응력이 감소되고, 유리제의 연료 도입/배출관 또는 이 관과 외부용기와의 이음 부분에 균열 등이 발생하는것을 억제할 수 있고, 외부용기의 내부를 진공으로 유지할 수 있다.
또 연료 도입/배출관에 발생하는 인장 응력을 감소하는데는 가스반응기의 열팽창계수는 작을수록 좋지만, 일반적으로 저 팽창의 유리(열팽창계수가 작은 유리)는 융점이 높고, 가공하기 어렵다. 이 발명에 의하면 가스반응기의 열팽창계수를 상기범위로 함으로써 열팽창과 가공편의성이라는 양쪽 모두를 고려하여 최적인 반응기의 유리재료를 선택할 수 있다.
청구항 4에 관한 발명은, 청구항 3 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서, 상기 가스반응기의 열팽창계수를 20×10－7(1/℃)∼50×10－7(1/℃)의 범위, 상기 외부용기의 열팽창계수와 상기 가스반응기의 열팽창계수와의 차이를 ±5×10－7(1/℃) 이내, 상기 연료 도입/배출관 및 봉착제의 열팽창계수와 상기 가스반응기의 열팽창계수와의 차이를 ±10×10－7(1/℃) 이내로 하는 것을 요지로 한다.
이에 따라 연료 도입/배출관에 발생하는 인장 응력이 훨씬 감소되고, 유리제의연료 도입/배출관 또는 이 관과 외부용기와의 이음 부분에 균열 등이 발생하는 것을더욱 억제할 수 있고, 외부용기의 내부를 진공으로 유지할 수 있다.
청구항 5에 관한 발명은 청구항 1∼4 중 어느 하나 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서, 상기 가스반응기는 직각형의 기판을 갖고, 상기 외부용기는 4개의 측벽을 갖는 직방체이고, 상기 복수의 연료 도입/배출관은 상기 가스반응기 기판의 4변 중 하나에 배치되고, 대항하는 상기 외부용기의 한 측벽을 관통하고 있는 것을 요지로 한다.
이에 따라 가스반응기는 편측 지지 때문에, 즉 가스반응기는 그 편측을 외부용기의 복수 연료 도입/배출관으로 지지하기 때문에 가스 반응기가 온도가 상승해도 연료 도입/배출관에 발생하는 응력이 작아지고, 유리제의 연료 도입/배출관에 균열 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
청구항 6에 관한 발명은, 청구항 1, 2 또는 4 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서, 상기 가스반응기는 직각형의 기판을 갖고, 상기 외부용기는 4개의 측벽을 갖는 직방체이고, 상기 복수의 연료 도입/배출관은 상기 가스반응기 기판의 4변 또는 대향하는 그 변의 열팽창 중심축상에 배치되고, 대향 하는 상기 외부용기의 측벽을 관통하고 있는 것을 요지로 하고 있다
일반적으로, 열팽창에 의한 변위는 연료 도입/배출관의 축방향으로 발생하는 응력의 합력이 되기 때문에, 가스반응기의 열팽창 중심에서 떨어진 위치에 있는 연료 도입/배출관에는 비틀림 응력이 발생하여 응력이 증가한다. 이 발명에 의하면 복수의 연료 도입/배출관을, 가스반응기 기판의 4변 또는 대항하는 그 변의 열팽창 중심축상에 배치함으로써 응력 발생을 연료 도입/배출관의 축방향으로만 할 수 있 어, 발생응력이 감소된다. 이로써 유리제의 연료 도입/배출관에 균열 등이 발생하는 것을억제할 수 있다.
청구항 7에 관한 발명은 청구항 1, 2 또는 4 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서, 상기 가스반응기는 직각형의 기판을 갖고, 상기 외부용기는 4개의 측벽을 갖는 직방체이고, 상기 복수의 연료 도입/배출관은 상기 가스반응기 기판의 4변을 잇는 장방형의 중심에 대하여 점대칭인 위치에 배치되고, 대항하는 상기 외부용기의 측벽을 관통하고 있는 것을 요지로 한다.
이에 따르면, 복수의 연료 도입/배출관을, 가스반응기 기판의 4변이 만드는 장방형의 중심에 대해 점대칭인 위치에 배치하였기 때문에 각 연료 도입/배출관에 발생하는 응력의 밸런스를 얻을 수 있고 상기 비틀림 응력이 감소된다. 이로써 유리제의 연료 도입/배출관에 균열 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
청구항 8에 관한 발명은 청구항 1 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서,상기 복수의 연료 도입/배출관을, 상기 외부용기의 각 측벽의 플랜지면과 외측면에봉착제로 기밀하게 봉착한 것을 요지로 한다.
이에 따르면, 각 연료 도입/배출관의 길이가 짧아지고 열팽창에 기인하는 발생응력이 감소하기 때문에 각 연료 도입/배출관의 봉착부분에서 균열이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
청구항 9에 관한 발명은 청구항 8 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서,상기 복수의 연료 도입/배출관의 내측단부는 상기 가스반응기 기판에 설치된 스폿 페이싱(spot facing) 구멍에 삽입되는 봉착제에 의해 기밀하게 봉착되어 고정되는 것을 요지로 한다.
이에 따르면 각 연료 도입/배출관의 내측단부와 가스반응기와의 접속이 용이해짐과 동시에, 스폿 페이싱 구멍 내부에서도 연료 도입/배출관을 봉착제로 봉착할 수 있으므로 내응력이 향상된다.
청구항 10에 관한 발명은 청구항 9 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서, 상기 스폿 페이싱 구멍의 내부에는 상기 연료 도입/배출관의 내측 단부와 상기 가스반응기의 내부 유로의 사이에 간격을 형성하고, 상기 연료 도입/배출관의 내측 단부를 위치 결정하는 테이퍼부 또는 곡면부가 형성되는 것을 요지로 한다.
이에 따르면, 스폿 페이싱 구멍의 내부에 테이퍼부를 설치하였기 때문에 가스반응기 내부 유로의 크기와 각 연료 도입/배출관의 내측 단부의 크기가 일치하지 않아도 연료 도입/배출관과 내부 유로 사이에 흐르는 유체저항을 작게 할 수 있으므로 소형의 연료전지용 연료 개질기를 실현하는데 유효하게 된다.
청구항 11에 관한 발명은 청구항 1 기재의 연료전지용 연료 개질기에 있어서,상기 복수의 연료 도입/배출관의 일부 또는 전부를 대신하여 복수의 유로를 갖는 집합 도입배출관을 사용하는 것을 요지로 한다.
이에 따르면, 외부용기에 연료 도입/배출관을 관통시켜 봉착하는 장소가 줄어들기 때문에 연료전지용 연료 개질기의 조립공정이 줄어들고 저렴하게 소형의 연료전지용 연료 개질기를 실현할 수 있다.
삭제
이하, 본 발명을 구체화한 일실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지용 연료 개질기를 구체화한 일 실시 형태에 따른 연료전지용 연료 개질기의 구조를 나타내는 평면도, 도 2는 같은 연료 개질기의 구조를 보여주는 단면도이다. 또한, 도 3은 같은 연료 개질기에 있어서 연료도입/배출관과 외부용기, 및 이 판과 개질기 본체(가스반응기)의 각 이음 부분을 보여주는 단면도이다.
본 실시형태의 연료전지용 연료 개질기(1)는 가스반응기로서의 개질기 본체(10)와, 이 개질기 본체(10)를 수용하는 외부용기(20)를 갖추고, 전기 발열체로서 박막히터(23a)(23b)에 각각 전력을 공급하기 위한 전선(리드선)(14a)(14b)와, 복수의 연료도입/배출관(12)이 외부로부터 외부용기(20)를 관통하고, 개질기 본체(10)에 접속되어 있다.
외부용기(20) 안을 진공으로 유지하기 위해 상기 전선(14a)(14b)과 연료도입배출관(12)이 외부용기(20)를 관통하는 부분은 저융점 유리 봉착제 등으로 기밀 봉착된다.
개질기 본체(10)는 개질 반응기판(10a), 주기판(lOb), 연소 반응기판(lOc)을 적층하여 구성된다. 각 기판(10a)(lOb)(lOc)의 두께는 예컨대 1㎜, 형상은 예컨대40㎜×30㎜의 직각형을 이루고 있다. 주기판(lOb)과 개질 반응기판(10a)의 표면에 홈을 형성하고, 양 기판(lOb)(10a)을 접합했을 때 그 표면에 형성한 홈에 의해 서로 연통하는 개질 반응유로(11) 및 산화 반응유로(13)가 형성된다. 또, 연소반응기판(lOc)의 표면에 홈을 형성하고, 주기판(lOb)과 연소반응기판(lOc)를 접합 했을 때 그 표면에 형성한 홈에 의해 연소 반응유로(24)가 형성되어 진다. 연소반응유로(24)는 서로 연통하는 개질 반응유로(11) 및 산화반응유로(13)에 대해 주기판(lOb)을 거쳐 서로 마주보도록 형성되어 있다. 또한, 주기판(lOb)와 연소반응기판(lOc) 및 개질 반응기판(10a)은 접착제에 의한 면접합 또는 양극산화 면접합 등에 의해 접합된다.
또, 연소반응유로(24) 안에는 이 반응유로(24)를 따라서 전기발열체인 박막히터(23a)(24b)가 갖추어져 있다. 상세히 설명하면, 좌측의 박막히터(23a)는 개질 반응유로(11)와 서로 마주하는 연소반응유로(24) 안에 설치되고, 전선(14a)에서 공급되는 전력에 의해 발열하도록 되어있다. 우측의 박막히터(23b)는 산화반응유로(13)와 서로 마주하는 연소반응유로(24) 안에 설치되고, 전선(14b)에서 공급되는 전력에 의해 발열하도록 되어있다. 즉, 연소반응유로(24) 안에서 서로 다른 온도로 제어할 수 있도록 되어 있다.
복수의 연료도입/배출관(12)으로서는, 개질하는 메탄을 수용액을 개질기 본체(10)에 도입하기 위한 연료도입관(12a), 개질한 연료를 개질기 본체(10)에서 배출하기 위한 연료배출관(12b) 및 연소용 연료도입관(12c), 연소용 연료배출관(12d), 그리고 산화반응용의 산소도입관(12e), 연소반응용 산소도입관(12f)이 있고, 이들 5종류의 기능을 담당하는 관을 총칭하여 연료도입/배출관(12)이라 한다.
또한, 연료도입관(12a)은 개질 반응유로(11)의 좌단(상류)에 연통하고, 개질 반응유로(11)에 메탄을 수용액을 도입한다. 연료배출관(12b)은 산화반응유로(13)의우단(하류)에 연통하고 산화반응유로(13)에서 개질한 연료(수소)를 배출한다. 또, 연소용 연료도입관(12c)은 연소반응유로(24)의 좌단(상류)에 연통되고, 연소용 연료배출관(12d)는 연소반응유로(24)의 우단(하류)에 연통되어 있다. 그리고, 산화반응용의 산소도입관(12e)은 산화반응유로(13)의 상류에 있고 개질 반응유로(11)의 하류측에 연통되어 산소를 도입한다. 연소반응용의 산소도입관(f)는 연소반응유로(24)에 연통되어 산소를 도입한다.
개질 반응은 연소반응에서 발생한 열에너지 및 연소반응유로(24)의 내벽에 설치된 박막히터(23a)의 발열에 의한 열에너지의 공여를 받아 메탄올 수용액에서 수소와 이산화탄소를 생성하는 화학반응이다.
개질 반응예를 아래의 식 (1)에 보여준다.
CH30H ＋ H2O → 3H2 ＋ CO2
이 개질 반응은 개질 반응유로(11)에서 이루어지기 때문에 개질 반응유로(11)의 내벽면에는 반응 촉매층을 설치한다. 이 반응촉매는 예컨대 Cu, Zn, Al203 등이 이용된다. 반응온도는 일반적으로 300℃ 정도가 바람직하지만 촉매의 종류에 따라 200∼400℃ 정도가 바람직한 경우도 있다.
상기 식 (1) 우변의 생성물 H2, CO2에는 실제로는 미량의 일산화탄소 CO가 포함된다. 이 때문에 개질 반응유로(11)를 통과하는 가스는 일산화탄소 제거부의 산화반응유로(13)에 공급된다. 일산화탄소 제거부에서는 잔존하는 일산화탄소 CO를 제거하기 위해 반응생성물을 산소에 접촉시켜 다음 식 (2)의 반응에 의해 이산화탄 소 CO2로 변화시킨다. 이로써 일산화탄소 CO는 확실히 제거된다.
CO ＋ (½)02 → CO2
또, 산화반응유로(13)의 내벽면에는 산화촉매층이 설치되어 있다. 이산화촉매층에는 예컨대 Pt, A1203 등의 선택 산화촉매가 이용된다. 산소를 산소도입관(12e) 에서 공급하고 CO가 산화된 CO2는 연료배출관(12b)에서 대기로 방출된다.
한편, 수소는 연료배출관(12b)을 통해 연료전지에서의 발전에 사용된다. 개질기(1)는 용액의 개질 반응과 일산화탄소의 산화반응을 동시에 병행하도록 구성되어 있다. 소비전력을 감소시키기 위한 연소반응유로(24)에서 연소반응을 행하며, 이때 발생하는 열에너지를 주기판(lOb)을 거쳐 개질 반응에 공급하는 것도 가능하다. 연소반응유로(24)의 내벽면에 설치된 연소촉매층은 예컨대 Fe203/A1203 혼합물, Pt/A1203 혼합물, Pd/A1203 혼합물 등이다.
이 개질기 본체(10)를 진공 안에 유지하기 위해 개질기 본체(10)를 유리제의 외부용기(20)안에 수용한다. 이 외부용기(20)는 도 2에 보여주듯이 가열성형에 의해 바닥이 있는 상자형의 하측 및 상측 유리용기(22)(26)를 만들고, 이 양 유리용기(22)(26)의 개구면(맞댐부A)을 기밀하게 맞대어 구성되고, 내부에 직방체의 공간을 갖는다.
하측 및 상측 유리용기(22)(26)를 맞붙여 외부용기(20)를 조립하기 전에 각 유리용기(22)(26)의 내면에는 적외선 반사막으로, 바닥쪽 막인 크롬(Cr)막 위에 금(Au)막(도시안됨)을 스퍼터링법에 의해 성막한다. 이 적외선 반사막을 진공증착법, 도금법 또는 미립자 도포법 등의 방법으로 형성해도 된다. 또한, 이 적외선 반사막에는 금막뿐만 아니라 은, 동, 알루미늄 등의 적외선 반사율이 높은 다른 재료를 이용해도 된다. 또, 그 바닥쪽 막으로서 Cr, Ti, W 등의 유리와 밀착성이 좋고, 또한 가열시에 금속이 합금화되기 어려운 재료인 경우에 특히 제한이 없다.
다음에, 복수(6개)의 연료도입/배출관(12)의 배치와, 각 관(12)이 외부용기(20)에 부착되는 구조에 대하여 설명한다.
6개의 연료도입/배출관(12)은 도 1에 도시한 바와 같이, 연료개질기(1)를 평면으로 보았을 때의 중심B에 관해 점대칭인 위치에서, 외부용기(20)의 하측 유리용기(22)에 각각 관통해 있다. 도 1에서 하측 유리용기(22)의 좌측벽(22a) 및 우측벽(22b)에는 각각 2개의 연료도입/배출관(12)이 중심B에 대해 점대칭인 위치에 설치되어 있다. 또한, 도 1에서 하측 유리용기(22)의 후측벽(22c) 및 전측벽(22d)에는 각각 1개의 산소도입관(12)이 중심 B에 대해 점대칭인 위치에서 중심B를 지나는 열팽창 중심축 상에 설치되어 있다.
상술하면 좌측벽(22a)에는 연료도입관(12a)과 연소용 연료도입관(12c)이 설치되고, 우측벽(22b)에는 연료배출관(12b)과 연소용 연료배출관(12d)이 설치되고,후측벽(22c)에는 산소도입관(12f)이 설치되고, 전측벽(22d)에는 산소도입관(12e)이설치되어 있다.
6개의 연료도입/배출관(12)(12a~12f)은 각각 하측 유리용기(22)의 각 측벽(22a~22d)에 저융점 유리봉착제로 기밀하게 봉착되어 있다. 예컨대, 하측 유리 용기(22)의 좌측벽(22a)에 설치된 2개의 연료도입/배출관(12)[(연료도입관(12a)과 연소용 연료도입관(12c)]은 각각 도 3에 도시한 대로 좌측벽(22a)의 플랜지면(41)(관을 지나는 관통공의 내면)과 외측표면(42)에 저융점 유리봉착제(40)에 의해 기밀하게 봉착되어 있다. 나머지 4개의 연료도입/배출관(12)도, 좌측벽(22)에 설치된 2개의 연료도입/배출관(12)과 마찬가지로, 하측 유리용기(22)에 대응하는 각 측벽의 플랜지면과 그 외측단면에 저융점 유리봉착제(40)에 의해 기밀하게 봉착되어 있다.
또한, 연료도입/배출관(12)의 내측단부는, 각각 개질기 본체(10)에 고정되어 유로(11)(13,24)와 연통하도록 되어 있다. 예컨대, 도 3에 도시한 대로 좌측벽(22a)에 설치된 2개의 연료도입/배출관(12)(도 3에는 연료도입관(12a))의 내측단부는 각각 개질기 본체(10)에 설치된 스폿 페이싱 구멍(18)에 저응점 유리봉착제(40)에의해 기밀하게 봉착되어 고정된다.
이 스폿 페이싱 구멍(18)의 내부에는 연료 도입/배출관(12)[도 3에서는 연료도입관(12a)]과 개질기 본체(10)의 개질 반응유로(11) 사이에 간격(43)을 만들고, 연료도입배출관(12)과 그 개질 반응유로(11) 사이에서의 연료 흐름에 대해 저항하지 않도록 연료도입/배출관(12)의 내측단부를 위치결정하기 위한 테이퍼부(19)가 형성되어 있다. 테이퍼부(19) 대신에 곡면으로 가공하여 곡면부를 해도 좋다. 다른 4개의 연료도입/배출관(12)(12b,l2d,12e,l2f)의 각 내측단부도 좌측벽(22a)에 설치된 2개의 연료 도입/배출관(12)(12a,12c)의 각 내측단부와 마찬가지로, 개질기 본체(10)에 설치된 스폿 페이싱 구멍(18)에 저융점 유리봉착제(40)에 의해 기밀하게 봉착되어 고정되어 있다.
외부용기(20)의 내부는 적어도 1Pa이하의 고진공으로 유지된다. 그 내부의 진공도가 1Pa를 초과하면 기체의 열전도가 발생하고 에너지 손실도 커지는 동시에 외부용기(20)의 온도 역시 상승하기 때문에 바람직하지 않다.
하측 및 상측 유리용기(22)(26)를 맞부쳐 외부용기(20)를 조립한 다음, 유리용기(22)의 전측벽(22d)에 설치한 배기관(28)에서 외부용기(20)안의 공기를 배기하고, 진공밀봉한다. 개질기 본체(10)와 하측 유리용기(22) 사이 및 개질기 본체(10)와 상측 유리용기(26)사이의 공간은 각각 적어도 0.2㎜ 이상 위로 열려있는 것이 바람직하다. 그러한 간격을 설치하기 위한 지지부재(16)(17)가 개질기 본체(10)를 사이에 두고 서로 마주보도록 하측 및 상측 유리용기(22)(26)와 일체로 각각 형성되어 있다. 즉, 하측 유리용기(22)에는 이 용기와 같이 열전도율이 작은 유리재료로 4개의 지지부재(16)가 형성되어 있다(도 2 참조). 4개의 지지부재(16)은 각각 직경이 1㎜인 원주로 했다. 마찬가치로, 상측 유리용기(26)에는 이 용기와 같이 열전도율이 작은 유리재료로 4개의 지지부재(17)가 형성되어 있다(도 1 및 도 2 참조). 4개의 지지부재(17)는 각각 직경이 1㎜인 원주로 했다.
또 하측 유리용기(22)의 각 측벽(22a~22d)의 플랜지면(41)과 4개의 지지부재(16)는 하측 유리용기(22)의 가열성형과 동시에 형성된다. 또 상측 유리용기(26)의 4개 지지부재(17)도 상측 유리용기(26)의 가열성형과 동시에 형성된다.
4개 지지부재(16) 및 4개 지지부재(17)는 하측 유리용기(22)와 개질기 본체(10)의 접촉면적 및 상측 유리용기(26)와 개질기 본체(10)의 접촉면적을 각각 아주 작게하기 위해 열전도율이 작은 유리재료로, 직경이 1㎜인 원주로 형성되어 있다. 이들 지지부재(16) 및 지지부재(17)에 의해 개질기 본체(10)가 외부용기(20) 내부에서 적어도 0.2㎜ 이상의 간격을 열어놓은 상태로 지지된다(도 2 참조).
이와 같이 개질기 본체(10)가 외부용기(20)를 구성하는 하측 및 상측 유리용기(22)(26) 중 어느 하나의 내면에도 접촉하지 않도록 개질기 본체(10)를 지지부재(16) 및 지지부재(17)에 의해 지지하기 위해, 지지부재(16) 및 지지부재(17)는 각각 3개 이상 필요하다. 각 지지부재(16) 및 각 지지부재(17)의 형상은 원주에 한정되지 않고 각기둥이라도 좋다. 또 각 지지부재(16) 및 지지부재(17) 중 개질기 본체(10)와 접촉하는 선단부는 구형이나 평탄면이어도 좋다. 나아가서 각 지지부재(16) 및 각 지지부재(17)의 직경(원주인 경우) 혹은 대각선 길이(각기둥인 경우)는 열전도(부재의 직접접촉에 의한 열전도)를 억제하기 위해 작은 것이 바람직하다. 1㎜에 한정되지 않고 0.2㎜∼l.5㎜정도라도 좋다.
또한, 개질기 본체(10) 내부의 박막히터(23a,23b)에 각각 전력을 공급하는 전선(14a)(14b)도 연료도입/배출관(12)와 똑같이 하측 유리용기(22)의 각 측벽(22a)(22b)을 관통하고 있다(도 1 및 도 2 참조). 전선(14a)(14b)의 관통부는 모두 저융점 유리봉착제(도시 생락)에 의해 기밀하게 봉착되어 있다. 더욱이, 전선(14a)(14b)에는 저융점 유리봉착제와 열팽창계수가 가까운 코발선을 사용했다. 코발선은 하측 유리용기(22)의 유리와 친화성이 높고, 온도변화에 대해서도 저융점 유리봉착제에 의한 봉합부에서 진공누출이 생긴 적은 없었다. 전선(14a)(14b)으로는 코발선에 한정되지 않고 철 니켈 합금선, 또는 철 니켈 합금의 심재를 구리층으 로 피복한 듀멧(dumet) 선을 사용해도 좋다.
위와 같은 구성을 갖는 연료 개질기(1)에서는 사용부재(개질기 본체(10)와, 외부용기(20)와, 연료도입/배출관(12))의 열팽창 차이가 작을수록 연료도입/배출관(12)에 발생하는 인장 응력이 작아지기 때문에 사용부재가 열팽창 차이가 작은 것이 바람직하다. 또, 개질기 본체(10)는 200℃∼400℃의 고온이 되기 때문에 그 자신의 열팽창계수는 작을수록 좋다.
개질기 본체(10)의 열팽창계수는 0인 것이 가장 좋지만, 열팽창계수가 제로(0)인 재료의 가공성 및 비용 면에서 현실적으로 제작이 곤란하다. 그 때문에, 개질기 본체(10)에는, 저열팽창재료로서 안정된 값의 유리(예를 들어, 열팽창계수가 33 x 10-7(1/℃)의 유리)를 사용하는 것이 바람직하다.
개질기 본체(10)에 있어서 유리의 대용으로는, 상술한 바와 같이 열팽창에 기인하는 발생 응력을 고려하면 열전도율이 작은 재료, 예컨대 실리콘, 세라믹도 사용 가능하다. 또, 다른 사용부재인 연료도입/배출관(12), 저융점 유리봉착제(40) 및 외부용기(20)의 열팽창계수도 개질기 본체(10)에 맞추는 것이 바람직하다. 이 실시형태에서는 유리제의 연료도입/배출관(12)과 외부용기(20)의 열팽창계수를 개질기 본체(10)의 열팽창계수 33×10-7(1/℃)에 맞추었다.
다음에 이 실시형태에 의한 연료 개질기(1)에 있어서, 연료도입/배출관(12)의 수 및 배치, 연료도입/배출관(12)의 외부용기(20)에 대한 고정장소 등을 바꾸어 제작한 연료 개질기(10)의 실시예와, 각 실시예의 평가결과를 도 4a~도 4f에서 설명한다.
도 4a∼도 4f, 도 5a∼도 5c에 보이는 실시예에서는, 유리제의 연료도입/배출관(12)과 외부용기(20)의 열팽창계수를 개질기 본체(10)의 열팽창계수 33×10－7(1/℃)에 맞추었지만, 저융점 유리봉착제(40)의 열팽창계수만 41×10－7(1/℃)로 했다. 또한, 각 실시예에서 연료도입/배출관(12)의 외경을 1.6㎜, 그 내경을 1.O㎜로 했다.
또한, 각 실시예의 평가에 있어서, 개질기 본체(10) 내부의 박막히터(23a)를 300℃로 유지하고, 진공을 유지할 수 있는지 여부를 각 실시예에서 확인했다. 진공유지의 확인은 배기관(28)을 붙인 채 배기관(28)에서 진공펌프로 강제배기를 했다. 강제배기에 의해 외부용기(20) 내부를 1Pa의 진공상태로 하고, 개질기 본체(10)의 박막히터(23a)에 전력을 공급하고, 개질기 본체(10)의 온도를 300℃로 유지했다. 이때 유리제의 연료도입/배출관(12), 저융점 유리봉착제(40), 및 외부용기(20)의 유리용기(22)(26)에 균열 등이 발생하는지 여부에 대하여, 연료 개질기(1)에 He 가스를 계속 불어넣고 He 누출 검출기로 누설 여부를 확인했다.
도 4a, 도 4b에 각각 나타낸 실시예에서, 연료도입/배출관(12)을 개질기 본체(10)의 일변에 집중배치하고, 이 일변과 마주보는 외부용기의 일변을 관통시키고있다. 이 구조의 연료 개질기(1)를 10개 제작하여 평가한 결과, 균열 발생 등 파손된 것은 없었고 외부용기(20)안의 진공을 유지할 수 있었다.
도 4c, 도 4d에 각각 나타낸 실시예에서, 각 연료도입/배출관(12)을 열팽창중심축 위, 즉 개질기 본체(10) 및 외부용기(20)의 각변 중앙에 배치했다. 도 4c에서 대향하는 2변, 도 4d에서는 4변에 배치하고 외부용기(20)를 관통시켜 외부에 도달하고 있다. 이런 구조의 연료 개질기(1)를 각 10개 평가한 결과, 파손된 것은 없었고모두 외부용기(20)안의 진공을 유지할 수 있었다.
도 4e, 도 4f에 각각 나타낸 실시예에서, 각 연료도입/배출관(12)을 개질기 본체(10)의 4변에, 도 1에 도시한 중심B에 대해 점대칭의 위치가 되도록 배치하고있다.
도 4e에서 각변의 관(12) 개수는 같다. 실시예에서 장변상의 관(12)은 변의 중점에서 8.5㎜, 단변상의 관(12)을 변의 중점에서 10㎜ 위치에 배치했다. 또 도 4f에서 마주보는 2변의 관(12) 개수를 같게 되도록 배치하고 있다. 이런 실시예 각 10개의 연료 개질기(1) 모두 파손은 없었고 진공을 유지할 수 있었다.
이에 대해 도 5a~도 5c에 도시한 실시예에서, 각 연료도입/배출관(12)을 3변의 열팽창 중심축상에 배치했다. 5개에 대해 평가했지만 연료도입/배출관(12)의 일부가 파손되고 전부 진공을 유지할 수 없었다. 또, 도 5b는 도 4e의 배치에서 1변을 제거한 것이다. 5개에 대해 평가했지만 연료도입/배출관(12)의 일부가 파손되고 전부가 진공을 유지할 순 없었다. 또, 도 5c는 도 4e 또는 도 4f와 마찬가지로 4변에 관(12)이 배치되어 있지만 마주보는 2변의 한편에서 관(12)의 개수가 다르다. 이 경우에는 일부가 파손이 일어났다.
또한 도 4d에 도시한 구조에 있어서도 각 연료도입/배출관(12)을, 외부용기(20)의 외측표면에서만 저응점 유리봉착제(40)로 봉착한 경우, 평가한 10개의 연료 개질기(1) 중 7개에서 진공을 유지할 수 없었다. 이에 대해 각 연료도입/배출관(12)의 배치는 동일하지만 각 연료도입/배출관(12)을 도 3에 도시한 외부용기(20)의 좌측벽(22a)의 외측표면(42)과 관통부 표면(플렌지면 41)의 2개소에 저융점 유리봉착제(40)로 봉착한 경우, 평가한 모두에서 진공을 유지할 수 있었다.
또한, 이 실시형태에 의한 연료 개질기(1)에 있어서, 다음과 같은 평가를 했다. 개질기 본체(10) 내부의 박막히터(23a)(23b)에 전력을 공급하고 각부의 온도를 측정했다. 박막히터(23a)(23b)에 1.5Ｗ의 전력을 공급하면 개질기 본체(10)는 30℃로 가열되었다. 유리용기(26)의 중앙부는 55℃, 그 모서리부는 50℃였다.
비교를 위해, 이 실시형태에 의한 연료 개질기(1)와 동일한 구조로 각 연료도입/배출관(12)을 유리관 대신에 코발관으로 한 경우에 각부의 온도를 측정했다. 코발관으로는 열전도량이 매우 낮아지도록 외경이 1.O㎜이고 내경이 0.05㎜인 극세관을 사용했다. 또한, 이 비교예에서는, 복수의 연료 도입/배출관(코발관)(12)을 도4(b)와 같이 배치했다. 이 경우 개질기 본체(10)를 300℃로 가열유지하기 위해서 상기 실시형태에 의한 연료 개질기(1)의 경우보다 2배 이상인 약 3.5Ｗ의 전력을 박막히터(23a)에 공급했다.
이상과 같이 구성된 한 실시형태에 의하면 이하의 작용효과를 나타낸다.
개질기 본체(10), 복수의 연료도입/배출관(12) 및 외부용기(20)를 유리제로 함으로써 부재의 직접접촉에 의한 열전도가 크게 감소되고, 에너지 손실이 작은 진공단열용기를 실현할 수 있다.
유리제의 연료도입/배출관(12)과 외부용기(20)의 열팽창계수를 개질기 본체 (10)의 열팽창계수 33×10－7(1/℃)에 맞추었기 때문에, 개질기 본체(10) 자체의 열팽창이 작아짐과 동시에, 외부용기(20)와 개질기 본체(10)의 열팽창차이, 및 연료도입/배출관(12)과 개질기 본체(10)의 열팽창 차이도 작아진다. 이로써 진공기밀을 유지하도록 외부용기(20)를 관통시켜 개질기 본체(10)에 이어지는 연료도입/배출관(12)에 발생하는 인장 응력이 감소되고, 유리제의 연료도입/배출관(12) 또는 이관과 외부용기와의 이음 부분(저융점 유리봉착제 40)에 균열 등이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 외부용기(20)의 내부를 진공으로 유지할 수 있다.
6개의 연료도입/배출관(12)은 도 1에 도시한 대로 외부용기(20)의 4개 측벽(22a~22d)에, 연료 개질기(1)를 평면으로 보았을 때의 중심B에 대해 점대칭인 위치에 배치되어 있다. 이로써 각 연료도입/배출관(12)에 발생하는 응력의 밸런스가 이루어지고 상기 비틀림 응력이 감소된다. 이로써 유리제의 각 연료도입/배출관(12)에 균열 등이 발생하는 것이 억제된다.
복수의 연료도입/배출관(12)을 상기와 같이 점대칭인 위치에 배치했어도,개질기 본체(10)의 열팽창이 커지면 개질기 본체(10)와 외부용기(20)를 연료도입/배출관(12)으로 이은 이중구조의 연료 개질기(1)가 제작될 수 없다. 예컨대 부재간[(개질기 본체(10)와 외부용기(20)와, 개질기 본체(10)와 연료 도입/배출관(12)]에 열팽창차이가 큰 저융점 유리(열팽창계수의 차이가 30×10－7(1/℃) 이상)를 사용한 구조에서는, 같은 유리용융 후의 냉각시에 열팽창차이에 기인한 큰 잔류 응력이 발생한다. 이로써 유리제의 각 연료도입/배출관(12)에 균열 등이 발생하고 진공을 유지할수 없다.
본 실시형태는 유리제의 연료도입/배출관(12)과 외부용기(20)의 열팽창계수를, 개질기 본체(10)의 열팽창계수 33×10－7(1/℃)에 맞추었기 때문에 상기 열팽창차이에 기인하는 큰 잔류 응력의 발생이 억제되고, 유리제의 각 연료도입/배출관(12)에 균열 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서 개질기 본체(10)와 외부용기(20)를 연료도입/배출관(12)에서 이은 이중구조의 소형 연료 개질기(1)를 제작할 수 있다.
복수의 연료도입/배출관(12)이 각각 관통하는 측벽(22a~22d)의 각 관통부는 도 3에 도시한 바와 같이, 저융점 유리봉착제(40)에 의해 기밀하게 봉착되어 있으므로 각 연료도입/배출관(12)의 관통부에서 진공누출을 억제할 수 있다.
복수의 연료도입/배출관(12)을 외부용기(20)의 2변(2개의 측벽), 3변 또는4변에 배치한 구조에서, 각 연료도입/배출관(12)을 외부용기(20)의 외측에만 봉착하면, 발생응력이 크고, 각 연료도입/배출관(12)의 봉착부분에 균열 등이 생기기 쉽다. 이는 각 연료도입/배출관(12)을 외부용기(20)의 외측에만 용착하면 각 연료도입/배출관(12)의 길이가 길어지고, 열팽창에 의한 응력이 커지므로 각 연료도입/배출관(12)의 봉착부분이 그 응력에 견디지 못하기 때문이다.
그래서, 이 실시형태에서는 6개의 연료도입/배출관(12)을 각각 유리용기(22)각 측벽의 플랜지면(41)과 외측표면(42)에 저융점 유리봉착제(40)로 기밀하게 봉착하고 있다(도 3 참조). 이로써 각 연료도입/배출관(12)의 길이가 짧아지고, 열팽창 에 기인하는 발생응력이 감소하므로 각 연료도입/배출관(12)의 봉착부분에서 균열 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도 3에 도시한 대로, 각 연료도입/배출관(12)의 내측단부는 각각, 개질기본체(10)에 설치된 스폿 페이싱 구멍(18)에 저융점 유리봉착제(40)로 기밀하게 봉착되어 고정된다. 이로써 각 연료도입/배출관(12)의 내측단부와 개질기 본체(10)의 접속이 용이하게 되고, 스폿 페이싱 구멍(18) 내부에서도 각 연료도입/배출관(12)을 저융점 유리봉착제(40)로 봉착할 수 있으므로 내응력이 향상된다.
스폿 페이싱 구멍(18) 내부에는 연료도입/배출관(12)과 개질기 본체(10)의 개질 반응유로(11) 사이에 간격(43)을 만들고, 연료도입/배출관(12)과 개질 반응유로(11) 사이의 연료 흐름에 대해 저항하지 않도록 연료도입/배출관(12)의 내측단부를 위치결정하기 위한 테이퍼부(19)가 형성되어 있다. 따라서 개질기 본체(10)의 개질 반응유로(11)의 크기와 각 연료도입/배출관(12)의 내측단부의 크기가 일치하지 않아도 각 연료도입/배출관(12)과 개질 반응유로(11) 사이에 흐르는 유체저항을 작게할 수 있으므로 소형의 연료 개질기(1)를 실현하는데 유효하게 된다.
외부용기(20)를 바닥이 있는 상자형의 하측 및 상측 유리용기(22)(26)를 도 2에 나타낸 맞댐부 A에서 기밀하게 맞붙여 구성했다. 이로써 하측 유리용기(22)의 각 측벽 플랜지면(41)과 4개의 지지부재(17)를, 하측 유리용기(22)의 가열성형과 동시에 형성할 수 있고, 상측 유리용기(26)의 4개 지지부재(16)도 상측 유리용기(26)의 가열성형과 동시에 형성할 수 있다. 따라서, 외부용기(20)에 후공정으로 플랜지면(41)을 가공하거나, 지지부재(17)(16)를 후공정으로 가공하거나 할 필요가없 어, 제조비용을 감소하여 값싼 연료 개질기(1)를 실현할 수 있다.
전기히터(박막히터 23a,23b)를 갖는 개질기 본체(10)를 내부가 진공으로유지된 외부용기(20)안에 수용하고 있으므로 공기 등의 기체대류에 의한 열전도에 의한 에너지 손실을 감소한 소형의 연료 개질기(1)를 실현할 수 있다.
하측 및 상측 유리용기(22)(26)의 내면에는, 적외선 반사막으로서 바닥막인 크롬(Cr) 위에 금(Au)막(도시 생략)을 스퍼터링법에 의해 성막되어 있다. 이로써 외부용기(20)를 구성하는 각 유리용기(22)(26)를 투과하는 적외선을 억제할 수 있고, 적외선 복사에 의한 에너지 손실을 감소한 소형의 연료 개질기(1)를 실현할 수 있다.
하측 유리용기(22)에는 이 용기와 같이 열전도율이 작은 유리재료로 4개의 지지부재(17)가 형성되어 있다. 4개의 지지부재(17)는 각각 직경 1㎜의 원주로 했다. 마찬가지로 상측 유리용기(26)에는 이 용기와 같이 열전도율이 작은 유리재료로 4개의 지지부재(16)가 형성되어 있다. 4개의 지지부재(16)는 각각 직경이 1㎜인원주로 했다. 이와 같이 발열체인 연료 개질기(1)와 외부용기(20)의 하측 및 상측 유리용기(22)(26)의 접촉면적을 작게함과 동시에, 부재의 접촉부인 각 지지부재(17)(16)에는 열전도율이 작은 재료로 사용하고 있다. 이로써 부재의 직접 접촉에의한 열전도에 의한 에너지 손실을 감소한 소형의 연료 개질기(1)를 실현할 수 있다.
또한, 이 발명은 아래와 같이 변경하여 구체화할 수도 있다. 상기 한 실시예에서 복수(6개)의 연료도입/배출관(12)의 일부를 대신하여, 도 6에 도시한 집합 도 입배출관(30)을 사용해도 좋다. 이 집합 도입배출관(30)에는 3개의 유로가 형성되어있다. 또 이 집합 도입/배출관(30)에는 3개의 연료입구(유체입구)(31)를 갖는 소경부(30a)와, 3개의 연료출구(유체출구)(32)를 갖는 대경부(3Ob)가 형성되어 있다. 집합 도입배출관(30)은 예컨대 그 소경부(30a)측을 외부용기(30)에 붙이고, 그 대경부(30b)측을 개질기 본체(10)에 붙인다. 이러한 집합 도입배출관(30)을 이용한 구성에서는 외부용기(20)에 연료 도입/배출관을 관통시켜 봉착하는 장소가 줄어들기때문에 연료 개질기(1)의 조립공정이 줄고, 값싼 연료 개질기(1)를 실현할 수 있다.
상기 한 실시형태에서는 복수(6개)의 연료도입/배출관(12)은 각각, 유리용기(22)의 각 측벽 플랜지면(41)과 외측표면(42)에 저융점 봉착제(40)로 기밀하게 봉착되지만, 본 발명은 이와 같은 구성에 한정되지 않는다. 각 연료도입/배출관(12)을, 유리용기(22)의 각 측벽에 관통시켜 각 측벽의 외측단면과 내측단면에서 봉착한다.
상기 실시형태에서 개질기 본체(10)(개질 반응기판(10a), 주기판(lOb), 연소반응기판(lOc)), 연료도입/배출관(12), 외부용기(20)는 동일 유리재료로 열팽창계수가 같은 조건으로 만들었지만, 봉착제(40)는 이들과는 열팽창계수가 다르다. 모든 부재의 열팽창계수를 같도록 하는 것이 바람직하다는 것은 충분히 예상되지만, 여러 가지 조건에 따라 각 부재의 열팽창계수를 같아지도록 조정하는 것도 반드시 쉬운 일이 아니다. 그래서 어느 정도 각 부재의 열팽창계수가 달라도 가열동작에 의해 파괴가 생기지 않는가를 열응력 계산에 의해 검증했다. 응력계산은 유한요소 법에 의해 했다.
구체적으로는, 가스반응기로서 개질기 본체(10) 기판(10a∼10c)의 열팽창계수 αR을 변화시켜, 이 αR과 외부용기(20)의 열팽창계수 αP, 연료도입/배출관(12) 및 봉착제(40)의 열팽창계수 αG가 다른 경우에 발생하는 응력에 따라 각 부재가 파괴되지 않는 범위를 평가했다. 파괴가 발생하지 않는 응력의 허용치로서는 개질기 본체(10)의 기판(10a~10c)는 34㎫(350㎏/㎠), 외부용기(20)는 39㎫(400㎏/㎠), 연료도입/배출관(12)은 78㎫(800㎏/㎠), 봉착제(40)는 39㎫(400㎏/㎠)을 기준으로 했다.
표 1은 도 4a 또는 도 4b 구조의 경우 평가결과를 보여주고 있다. 개질기 본체(10)의 기판(10a~10c)(표 안에서 기판으로 약기함)의 열팽창계수 αR, αR과 외부용기(20)의 열팽창계수 αP와의 차이 ΔαP(=αR－αP), αR과 연료도입/배출관(12)(표안에서 관이라고 약기) 및 봉착제(40)의 열팽창계수 αG와의 차이 ΔαG(=αR－αG)를 각각 여러 종류로 바꾸고 각 부위에서 발생하는 응력을 계산했다.
αR(×10－7℃－1) ΔαP(=αR－αP) ΔαG(=αR－αG) 양부판정 발생응력(㎫), 괄호내에는 발생부위
20∼50 ±10 ±15 ○ 약 29 이상 (기판, 관, 봉착제)
60 ±10 ±15 Ｘ 약 39 (기판)
20∼50 －15 －15 Ｘ 약 44 (봉착제)
20∼50 ＋15 ＋15 Ｘ 약 44 (기판)
20∼50 ±10 ＋20 Ｘ 약 49 (봉착제)
20∼50 ±10 －20 Ｘ 약 44 (봉착제)
그 결과, αR가 20×10－7(1/℃)∼50×10－7(1/℃)의 범위에 있고, ΔαP가 ±10×10－7(1/℃)의 범위에 있고, ΔαG가 ±15×10－7(1/℃)의 범위에 있으면, 각 부분에 있어서 발생 응력은 34㎫이하가 되고, 파괴가 발생하지 않는 응력 범위 안에 있음을 알 수 있다.
이 구조에서는 내부의 개질기 본체(10)가 온도 상승한 경우 열은 연료 도입/배출관(12)을 거쳐 외부용기(20)의 한변에 전해지기 때문에 발생 응력이 작다.
그러나, αR가 60×10－7(1/℃)이면, ΔαP, ΔαG가 상기 범위 안에 있어도 개질기 본체(10) 기판(10a~10c)에서의 발생 응력이 39㎫ 정도로 허용치를 넘는다. 또 αP가 20×10－7(1/℃)∼50×10－7(1/℃)의 범위에 있어도 ΔαP, ΔαG의 한쪽이 상기 범위 ±10×10－7(1/℃), ±15×10－ 7(1/℃)를 초과하면 개질기 본체(10) 기판(10a~10c) 또는 봉착제(40)의 부분에서 응력이 허용치를 초과한다.
이상의 결과로부터, 도 4a 또는 도 4b와 같이 개질기 본체(10)의 한변에 연료도입/배출관(12)을 집중시킨 경우에, αR를 20×10－7(1/℃)∼50×10－7(1/℃)의 범위 안, ΔαP를 ±10×10－7(1/℃)의 범위 안, 또 ΔαG를 ±15×10－7(1/℃)의 범위 안으로 선택하면, 파괴를 발생하지 않는 연료 개질기를 구성할 수 있다.
표 2는 도 4e, 도 4f 구조인 경우 평가결과를 보여준다.
αR(×10－7℃－1) ΔαP(=αR－αP) ΔαG(=αR－αG) 양부판정 발생응력(㎫), 괄호내에는 발생부위
20∼50 ±5 ±10 ○ 약 29 이상 (기판, 관, 봉착제)
60 ±5 ±10 Ｘ 약 34 (기판)
20∼50 －10 ±10 Ｘ 약 44 (봉착제)
20∼50 ＋10 ±10 Ｘ 약 54 (봉착제)
20∼50 ±5 ＋15 Ｘ 약 78 (봉착제)
20∼50 ±5 －15 Ｘ 약 59 (봉착제)
즉, 연료도입/배출관(12)은 개질기 본체(10)의 4변에 점대칭 관계가 되도록 배치된 경우이다. 이 경우, 상기 1변에 배치한 경우보다 응력이 발생하기 쉽고 조건은 엄격해진다.
αR은, 상기 1변 배치 경우에는 허용범위 내에 있던 50×10－7(1/℃)이고, ΔαP, ΔαG도 상기 허용범위에 있는 경우라도 발생 응력은 허용치를 넘어가는 것을 알 수 있다. 결론적으로, αR을 20×10－7(1/℃)∼50×10－7(1/℃)의 범위, ΔαP를 5×10－7(1/℃)범위 안, Δ±10×10－7(1/℃) 범위 안에 선택해도 좋다고 할 수 있다. 이때 어느 한쪽이 범위를 초과하면 파괴될 우려가 있다.
또한, 연료도입/배출관(12)을 열팽창 중심축상에 배치한 도 4c, 도 4d의 경우에도 똑같은 결과가 얻어졌다. 단, 도 5c와 같이 관(12)의 수가 비대칭인 경우,비대칭이 강해지므로 발생응력이 커지게 되고 상기 조건을 만족하고 있어도 파괴가 발생할 우려가 있다.
도 5a, 도 5b와 같이, 연료도입/배출관(12)의 배치가 비대칭인 경우 열팽창계수를 모두 똑같이 일치시켜도 약 44㎫의 응력이 외부용기(20)나 봉착제(40)에 발생하고, 문제가 있음을 알았다.
도 4d와 같이, 열팽창 중심축상에 연료도입/배출관(12)이 배치되어 있어도 봉착제(40)가 외부용기(20)의 외측에만 도포되어 있는 경우 외부용기(20)의 발생응력이 약 44㎫ 가까이 커진다.
이로써, 개질기 본체(10), 연료도입/배출관(12), 외부용기(20)를 각각 구성하는 재료 및 상기 봉착제(40)의 열팽창계수는 적어도 동일 크기일 필요가 있음을알 수 있다. 즉, 이들 열팽창계수 중 최대 열팽창계수값은 적어도 최소 열팽창계수값의 10배 이내일 필요가 있다. 또한 연료도입/배출관(12)의 배치에 의해 각 열팽창계수의 차이는 더욱 작아져야 한다.
이상 설명한 대로, 본 발명에 의하면 에너지 손실이 작은 연료전지용 연료 개질기를 실현할 수 있다.

Claims (11)

  1. 연료전지용 연료를 개질하기 위한 가스 반응기와,
    이 가스 반응기를 가열하기 위한 전기 발열체와,
    이 가스 반응기 및 전기 발열체를 수용하고 내부가 진공으로 유지되고 있는 외부용기와,
    상기 전기 발열체에 전력을 공급하는 전선과,
    개질할 연료를 상기 가스 반응기에 도입하고 개질한 연료를 상기 가스 반응기로부터 배출하는 복수의 연료 도입/배출관을 구비하고,
    상기 전선 및 연료 도입/배출관이 상기 외부용기를 관통하는 연료전지용 연료개질기로서,
    상기 가스반응기, 연료 도입/배출관, 외부용기를 각각 구성하는 재료 및 상기 연료 도입/배출관이 상기 외부용기를 관통하는 부분을 봉착하는 봉착제의 열팽창 계수 중 최대 열팽창 계수값이 최소 열팽창 계수값의 10배 이내인 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스반응기, 연료 도입/배출관 및 외부용기를 각각 구성하는 재료 및 봉착제를 유리로 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스반응기의 열팽창계수를 20×10－7(1/℃)∼50×10－7(1/℃)의 범위, 상기 외부용기의 열팽창계수와 상기 가스 반응기의 열팽창계수와의 차이를 ±10×10－ 7(1/℃)이내, 상기 연료 도입/배출관 및 봉착제의 열팽창계수와 상기 가스반응기의 열팽창계수와의 차이를 ±15×10－7(1/℃) 이내로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  4. 청구항 3항에 있어서,
    상기 가스반응기의 열팽창계수를 20×10－7(1/℃)∼50×10－7(1/℃)의 범위, 상기 외부용기의 열팽창계수와 상기 가스반응기의 열팽창계수와의 차이를 ±5×10－7(1/℃) 이내, 상기 연료 도입/배출관 및 봉착제의 열팽창계수와 상기 가스 반응기의 열팽창계수와의 차이를 ±10×10－7(1/℃) 이내로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  5. 청구항 1, 2 또는 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스반응기는 직각형의 기판을 갖고, 상기 외부 용기는 4개의 측벽을 갖는 직방체이고, 상기 복수의 연료 도입/배출관은 상기 가스반응기 기판의 4변 중 하나에 배치되고, 대향하는 상기 외부용기의 한 측벽을 관통하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  6. 청구항 1, 2 또는 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스반응기는 직각형의 기판을 갖고, 상기 외부용기는 4개의 측벽을 갖는 직방체이고, 상기 복수의 연료 도입/배출관은 상기 가스반응기 기판의 4변 또는대향하는 2변의 열팽창 중심축선상에 배치되고, 대향하는 상기 외부용기의 측벽을관통하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  7. 청구항 1, 2 또는 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스반응기는 직각형의 기판을 갖고, 상기 외부용기는 4개의 측벽을 갖는 직방체이고, 상기 복수의 연료 도입/배출관은 상기 가스반응기 기판의 4변이 만드는 장방형에 대해 점대칭인 위치에 배치되고, 대향하는 상기 외부용기의 측벽을관통하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 연료 도입/배출관을 상기 외부용기의 각 측벽의 플랜지면과 외측 표면에 봉착제로 기밀하게 봉착한 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수의 연료 도입/배출관의 내측 단부는 상기 가스반응기의 기판에 설치된 스폿 페이싱 구멍에 삽입되는 봉착제로 기밀하게 봉착되어 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 스폿 페이싱 구멍의 내부에는, 상기 연료 도입/배출관의 내측 단부와 상기 가스 반응기의 내부 유로 사이에 간격을 만들고, 상기 연료 도입/배출관의 내측 단부를 위치결정하는 테이퍼부 또는 곡면부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 연료 개질기.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 연료 도입/배출관의 일부 또는 전부를 대신하여 복수의 유로를 갖는 집합 도입/배출관을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 연료 개질기.
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