TWI327988B - Fuel reformer for fuel cell apparatus - Google Patents

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TWI327988B
TWI327988B TW095135717A TW95135717A TWI327988B TW I327988 B TWI327988 B TW I327988B TW 095135717 A TW095135717 A TW 095135717A TW 95135717 A TW95135717 A TW 95135717A TW I327988 B TWI327988 B TW I327988B
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Shinya Kawakita
Ryo Anraku
Masashi Ogino
Osamu Nakamura
Tsutomu Terazaki
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Casio Computer Co Ltd
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Description

1327988 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種將天然氣、乙醇等燃料重組為富 氫氣體之用於燃料電池之燃料重組器。 田 【先前技術】 做為用以解決環境問題、省資源問題之高能量效率 發電系統’燃料電池已邁人實用化。近年來
在攜π用電子機ϋ用電源方面也適賴料電池。但是為 =燃料電池達麵帶用途，必制 條件下針對絕熱對策與低能量損失對策開發新=制 當J如2燃料電池、尤其是燃料重組器之小型化的 ^上’於專利文獻卜專散獻2等當中已有揭露。 在利文獻1所揭示之技術，係關於以提供移動用電源 二的而自曱醇獲得氫之小型、簡便構成之燃料重組 二:於專歡獻2所揭示之技術，係使賴 謀求燃料電池之小型化。 專利文獻1 :特開平8-12301號公報 專利文獻2 :特開2001-229949號公報 【發明内容】 。但疋’於上述習知技術所使用之燃料重組器，能量 才貝失大’有用以將氣體反應器保持在20(TC〜400。(：之輸 入能量變高之問題。 胃例如’於專利文獻1所揭露之曱醇重組器，在曱醇 之導排出管係使用扁平之鋼管。又，於專利文獻2 所揭露之燃料電池，供應氫等燃料氣體之管係將周圍以 < S ) 6 1327988 真空室包圍之燃料電池的發電模組加以貫通來連社。 若上述燃料導入一排出管、反應器與外部容器接觸 之部分(反應器支持材）使用金屬、合金（不鏽鋼、銅、録 (Kovar®)等），由於金屬之熱傳導率大，故熱傳導所造 之能量損失變大。 〜 ^
本發明係著眼於上述習知問題所得者，其目的在於 提供一種能量損失小之用於燃料電池之燃料重组器。、 為了解決上述課題，申請專利範圍第丨項之^明， 係一種用於燃料電池之燃料重組器，具備：用以^组辦· 料電池用燃料之氣體反應器、用以加熱該氣體反應器之 電熱體、收容該氣體反應器及電熱體且内部保 空之 外部容器、對前述電熱體供應電力之電線°、將重组^料 導入前述氣體反應器進行重組後之燃料自前述氣體反 應器排出之複數燃料導入一排出管；前述電 燃料導
入一排出管係貫通前述外部容器；其特徵在於：分別構 成前述氣體反應器、燃料導入一排出管、外部作器之材 料及將前述燃料導入一排出管貫通前述外;=士之部 分加以密封之密封劑的熱膨脹係數當中，最°二^)脹係 數之值為最小熱膨脹係數之值之1〇倍以内。…、7 為了實現將發熱氣體反應器予以收容 趣用於 ，料電池之燃料重組器，降低下述三個現成之錐 量損失乃為重要者。 (1) 空氣等氣體之對流所造成之熱傳導 (2) 來自發熱體之紅外線輻射 (3) 構件直接接觸所造成之熱傳導 降低上述三個現象所造成之能量損失的對策 下二個方法。
7 1327988 (a)將發熱體封閉在外部容器内。 ⑻於外料器内面設置紅;卜線 之穿透。 、射膜，抑制紅外線 (c)減少發熱體與外部容 觸部分使用熱傳導率小之材^。 積，且構件之接 本發明係關於上述(3)之對策。相 率為約，K)，破璃之熱傳導率為約〇金二=導
ίϊϊ屬二上排：據本發明’使得分別構成氣體 反應益、燃枓導人-排出管、外部容器 燃料導入-排出管貫通前述外部容器之部分加以密封 當中’最大熱膨脹係數之值為最 = ,、、、膨脹係數之值之1G倍以内，藉此，可大幅降低構 件直接接觸所造叙熱料，可實職量損失小之真空 絕熱容器。 ' /
=請專利範圍第2項之發明，其特徵在於：於申請 專利範圍第1項之用於燃料電池之燃料重組器中，分別 構成前述氣體反應器、燃料導入—排出管、外部容器之 材料及密封劑係玻璃。 相較於金屬之熱傳導率為約17(W/mK)，玻璃之熱 傳導率為約〇.75(W/mK)，小至金屬的1/20以上。依據 今發明’藉由將分別構成氣體反應器、燃料導入一排出 管、外部容器之材料及密封劑調整為熱傳導率低之玻 璃’可大幅降低構件直接接觸所造成之熱傳導，可實現 能*量損失小之用於燃料電池之燃料重組器。 申請專利範圍第3項之發明，其要點在於：於申請 專利範圍第1項之用於燃料電池之燃料重組器中，前述 氣體反應器之熱膨脹係數在20><10_7(1/。〇〜5〇χΐ〇·7(ΐΛ：) 2圍，前述外部容器之熱膨脹係數與前述氣體反應器 — ·，、、膨脹係數之差在±l〇xl〇-7(1/(>c)以内，前述燃料導入 2出官及密封劑之熱膨脹係數與前述氣體反應器之 *、、、膨脹係數之差在土 15χΐ〇-7(ιη：)以内。 對於用於燃料電池之燃料重組器而言，内部具有電 *、、、、，之氣體反應器必須維持在200°C〜400°C，外部容器 維持在約5(Γ(：之低溫。如此一來，雖氣體反應器大 =膨脹但外部容器幾乎不熱膨M。於是，以保持真空 ^密的方式貫通外部容器而與氣體反應器連接之燃料 入〜排出管處，會因為熱膨脹大之氣體反應器與熱膨 又小之外部容器的熱膨脹差而發生超過玻璃破壞強度 =大的拉伸應力。其結果，於玻璃製燃料導入—排出管 ^是該管與外部容器之連接部分會發生龜裂或破裂 外部容器之内部變得無法維持真空。此種問題於上 利文獻2所揭露之燃料電池般將重組反應器與絕熱 谷态以金屬管熔接之構成的情況下有發生之虞。 依據本發明，外部容器本身之熱膨脹係數變小，且 外部容器與氣體反應器之熱膨脹差也變小。藉此，可減 低於以保持真空氣密的方式貫通外部容器而與氣體反 應器連接之燃料導人-排出管所發生之拉伸應力， 制於玻璃製燃料導入一排出管或是該管與外部容器之 連接。[^所發生之龜裂或破裂等，可將外部容器内 持於真空。 又’為了降低於燃料導入-排出管所發生之拉伸應 力，氣體反應器之熱膨脹係數以愈小愈佳，但一般低膨 脹玻璃（熱膨脹係數小之玻璃）熔點高，不易加工。依^ 本發明，藉由將氣體反應器之熱膨脹係數設定於上述範 1327988 圍’可考慮熱_與加卫料程度兩者選擇最適當的氣 體反應器之玻璃材料。 t請專利範圍帛4項之發明，其特徵在於：於申請 f利範圍f 3項之用於燃料電池之燃料重組器中，前述 軋體反應器之熱膨脹係數在20χ10_7(1Λ：)〜5〇χ1〇_7(ΐΛ：) 之範圍’前述外部容器之熱膨脹係數與前述氣體反應器 之熱膨，係數之差在士5xi〇_7(i/ec)以内，前述燃料導入 —排出官及密封劑之熱膨脹係數與前述氣體反應器之 熱知脹係數之差在土lOxlO-^l/D以内。 依據此構成，可進—步降低於燃料導入—排出管所 ，生，拉t應力，進一步抑制於玻璃製燃料導人—排出 官或是該管與外部容器之連接部分所發生之龜裂或破 裂等，可將外部容器内部維持於真空。 :請專利範圍第5項之發明，其特徵在於：於申請 範圍第1至4項中任-項之用於燃料電池之燃料重 組器中，前述氣體反應器具有矩形基板，前述外部容器 為具有四個側壁之立方體，前述複數燃料導入—排出^ 係配置於前述氣體反應器之基板的四邊中之一邊，而將 對向之前述外部容器的一側壁加以貫通。 ^依據前述構成，由於氣體反應器係單側保持，亦即 ，體反應器之單側由外部容器之複數燃料導入—排出 管所保持，故即使氣體反應器溫度上升，於燃料導入_ 排出管所發生之應力會變少，可抑制於玻璃製燃料導入 —排出管發生龜裂、破裂等。 ^ 申請專利範圍第6項之發明，其要點在於：於申請 專利範圍第1、2或4項之用於燃料電池之燃料重組器 中，前述氣體反應器具有矩形基板，前述外部容器為^ < S > 10 有四個側壁之立方體，前述複數燃料導入一排出管係配 置於前述氣體反應器之基板的四邊或對向二邊之熱膨 脹中心軸上，而將對向之前述外部容器的側壁加以貫 通。 一般由於熱膨脹所造成之位移乃於燃料導入—排 出管之軸方向所發生之應力與其半徑方向所發生之應 力的合力，故於離開氣體反應器熱膨脹中心之位置所存 在之燃料導入一排出管處會發生扭轉應力增加應力。依 據本發明’藉由將複數燃料導入一排出管配置於氣體反 應器之基板的四邊或對向二邊之熱膨脹中心軸上，可將 應力發生侷限於燃料導入一排出管之轴方向，減低發生 應力。藉此，可抑制於玻璃製燃料導入一排出管發生龜 裂、破裂等。 申請專利範圍第7項之發明，其特徵在於：於申請 專利範圍第1、2或4項之用於燃料電池之燃料重組器 中’前述氣體反應器具有矩形基板，前述外部容器為具 有四個侧壁之立方體，前述複數燃料導入—排出管係相 對於由前述氣體反應器之基板的四邊所形成之長方形 中心配置於點對稱位置，而將對向之前述外部容器的侧 壁加以貫通。 取得平衡，減低上述扭轉應力。藉此， 燃料導入一排出管發生龜裂、破裂等。 申請專利範圍第8項之發明，其特 專利範圍第1項之用於燃料電池之燃料 依據本發明，由於複數燃料導入一排出管係相對於 由氣體反應器之基板的四邊所形成之長方形中心配置 於點對稱位置，於各燃料導入—排出管所發生之應力可 ，可抑制於玻璃製 其特徵在於：於申請 重級器中，前述 11 1327988 複數燃料導入一排出管係於前述外部容器之各側壁的 凸緣面及外側表面藉由密封劑來氣密式密封。 依據前述構成，各燃料導入_排出管之長度變短， 可減少由於熱膨脹所發生之應力，故可抑制在各燃料導 入一排出管之密封部分發生龜裂等。 申請專利範圍第9項之發明，其特徵在於：於申請 專利範圍第8項之用於燃料電池之燃料重組器中，前述 複數燃料導入一排出管之内側端部，係插入於前述氣體 反應器之基板所設置之柱坑以密封劑來做氣密式密封 而固定。 依據前述構成，各燃料導入_排出管之内侧端部與 氣體反應器之連接變得容易，且即使是柱坑内部，燃料 導入一排出管亦可藉由密封劑來密封，耐應力獲得提 升。 申請專利範圍第10項之發明，其特徵在於：於申 請專利範圍第9項之用於燃料電池之燃料重組器中，前 述柱坑之内部，於前述燃料導入一排出管之内側端部與 前述氣體反應器之内部流路之間製作間隙，形成用以將 前述燃料導入一排出管之内侧端部定位之錐形部或曲 面部。 依據前述構成，由於柱坑内部設置了錐形部，即使 氣體反應器之内部流路的大小與各燃料導入一排出管 之内側端部的大小不一致，仍可減低於燃料導入一排出 管與内部流路之間流動之流體阻力，故於實現小型用於 燃料電池之燃料重組器上變得有效。 申請專利範圍第11項之發明，其特徵在於：於申 請專利範圍第1至10項中任一項之用於燃料電池之燃 12 料重組器中，取代前述複數燃料導入〜排出管之一部分 或全部，改用具有複數流路之集合導入一排出管。 依據前述構成，由於燃料導人〜排出管貫通外部容 器而密封之部位減少，故用於燃料電池之燃料重組器之 組裝製程數量減少’可實現廉價、小型之用於燃料電池 之燃料重組器。 如以上所說明’依據本發明，可實現能量損失小之 用於燃料電池之燃料重組器。 【實施方式】 ，下，依據圖式來說明本發明具體化之實施例。 第-圖係表不本發明相關用於燃料電池之燃料重 組器具體化之一實施例的攜帶用燃料電池之燃料重組 器構造的俯視圖’第二圖係表示該燃料重組器構造的剖 面圖。又’第二®係表示該燃料重組器巾燃料導入—排 出管與外部容器、及燃料導人—排出管與重組器本體(氣 體反應器）之各連接部分的剖面圖。 本實施例之用於燃料電池之燃料重组器卜具備 =體反應ϋ之重組器本體1G、收容此重組器本體 分做為電熱體之薄膜加熱器23a、2 〜排出“係自外線;1線甬，與l4b、及複麵導 忉連接著。 貝通外部容器20而與重組器本 為了將外部容器+ l4b與燃料導入〜排 保持在真空，上述電線14a、 以低封劑等容器20之部分係 υ係由重組反應基板10a、主機板10b、 燃燒反應基板10c所積層而構成。各基板10a、10b、10c 之厚度為例如1mm，形狀為例如40mmx30mm之矩形。 主機板l〇b與重組反應基板l〇a之表面形成溝槽，當將 兩基板l〇b、10a做接合之時，會形成藉由在兩基板表面 所形成之溝槽做相互連通之重組反應流路11與氧化反 應流路13。又，燃燒反應基板l〇c表面形成溝槽，當將 主機板l〇b與燃燒反應基板l〇c做接合之時，會藉由在 兩基板表面所形成之溝槽來形成燃燒反應流路24。燃燒 反應流路24係以對於相互連通之重組反應流路11及氧 化反應流路13經由主機板10b相對向的方式來形成。 又，主機板10b與燃燒反應基板l〇c及重組反應基板10a 係以使用接著劑之面接合或是陽極氧化面接合等來接 合。 又，於燃燒反應流路24内，沿著該反應流路24具 備做為電熱體之薄膜加熱器23a、23b。詳言之，左侧之 薄膜加熱器23a係在與重組反應流路11相對向之燃燒反 應流路24内設置，以電線14a所供應之電力來發熱。右 側之薄膜加熱器23b係在與氧化反應流路13相對向之 燃燒反應流路24内設置，以電線14b所供應之電力來 發熱。亦即，於燃燒反應流路24内，各不同的部位能 控制在各不同的溫度。 做為複數燃料導入一排出管12,有用以將重組甲醇 水溶液導入重組器本體10之燃料導入管12a、將重組後 之燃料自重組器本體10排出之燃料排出管12b與燃燒 用燃料導入管12c、燃燒用燃料排出管12d、及氧化反應 用氧導入管12e、燃燒反應用氧導入管12f，將此等擔負 5種功能之管總稱為燃料導入_排出管12。 1327988 又，燃料導入管12a係與重組反應流路11之左端（上 游)連通，對重組反應流路11導入曱醇水溶液。燃料排 出管12b係與氧化反應流路13之右端（下游)連通’自氧 化反應流路13排出重組後之燃料（氫）。又，燃燒用燃料 導入管12c係與燃燒反應流路24之左端（上游)連通’燃 燒用燃料排出管12d係與燃燒反應流路24之右端（下游) 連通。再者，氧化反應用氧導入管12e係與氧化反應流 路13之上游、重組反應流路11之下游侧連通，用來導 入氧。燃燒反應用氧導入管12f係與燃燒反應流路24 連通，用來導入氧。 重組反應，係一種接受於燃燒反應所發生之熱能及 在燃燒反應流路24内壁所設置之薄膜加熱器23a之發熱 所產生之熱能的提供，自曱醇水溶液生成氫與二氧化碳 之化學反應。 重組反應例表示於下式（1)。 CH30H+H20^3H2+C02 -(1) 此重組反應係於重組反應流路11進行，在重組反 應流路11内壁面設有反應觸媒層。此反應觸媒層係使 用例如Cu、Zn、Al2〇3等。反應溫度一般以300X：程度 為佳，隨觸媒種類之不同，也有200〜400°C程度較佳之 情況。 上述式（1)右邊之生成物的H2、C02實際上含有微量 的一氧化碳CO。是以，通過重組反應流路11之氣體被 供應到一氧化碳去除部之氧化反應流路13。在一氧化碳 去除部，為了去除殘存之一氧化碳CO，使得反應產物 與氧接觸藉由下式（2)之反應變化為二氧化碳C02。藉 此’一氧化碳CO被確實去除。
15 1327988 CO+(l/2)〇2^C02 ...(2) 又，於氧化反應流路13之内壁面設有氧化觸媒層。 此氧化觸媒層係使用例如Pt、Al203等選擇性氧化觸媒。 將氧自氧導入管12e供應，C0經過氧化之C02自燃料 排出管12b排放到大氣中。 另一方面，氫係經由燃料排出管12b被使用於燃料 電池之發電。重組器1係以溶液之重組反應與一氧化碳 之氧化反應同時進行或並行的方式來構成。也可於用以 降低消耗電力之燃燒反應流路24進行燃燒反應，將此 時所發生之熱能經由主機板10b供應於重組反應。於燃 燒反應流路24内壁面所設之燃燒觸媒層為例如 FhCVAIzO3混合物、Pt/Al2〇3混合物、Pd/Al2〇3混合物 等。 為了將此重組器本體10維持於真空中，重組器本 體10係收容於玻璃製外部容器20。此外部容器20如第 —圖所示，係藉由加熱成形而形成為有底箱形的下侧與 上側玻璃谷益22、26 ’將此等兩玻璃容号22、26之開 口面（貼合部A)做氣密式貼合來構成，内部具有立方體 之空間。 ~ 將下側與上側玻璃容器22、26貼合來組裝外部容 器20之前，於各玻璃容器22、26内面，在做為底膜之 鉻(Cr)膜上以濺鍍法來形成金(Au)膜（省略圖式）做為紅 外線反射膜。該紅外線反射膜亦可藉由真空蒸鐘法、電 鍍法或是微粒子塗佈法等方法來形成。又，該紅外線反 射膜並不侷限於金膜，亦可使用銀、鋼、 射率高之其他材料。又，其底膜只要為= 玻璃之密合性佳，且加熱時金屬不易被合金化之材料即 16 < S > 1327988 可’並無特別限定β 其次’針對複數(六支)燃料導入一排出管12之配置 與各管12在外部容器2〇之安裝構造做說明。
6支燃料導入—排出管π如第一圖所示，對於俯視 觀看燃料重組器1時之中心Β在點對稱之位置分別貫通 外部容器20之下側玻璃容器22。第一圖中，在下側玻 璃容器22之左側壁22a及右側壁22b各兩支的燃料導入 —排出管12相對於中心B設置於點對稱位置。又，第 一圖中’在下侧玻璃容器22之後侧壁22c及前側壁22d 各一支的氧導入管12相對於中心B於點對稱位置設置 於通過中心B之熱膨脹中心軸上。 詳言之，於左侧壁22a設有燃料導入管12a與燃燒 用燃料導入管12c，於右側壁22b設有燃料排出管12b 與燃燒用燃料排出管12d，於後側壁22c設有氧導入管 12f，於前側壁22d設有氧導入管12e。
六支燃料導入一排出管12(12a~12f)分別藉由低炫 點玻璃密封劑以氣密式密封於下側玻璃容器22之各侧 壁22a〜22d。例如，於下側玻璃容器22之左側壁22a 設置之2支燃料導入一排出管12(燃料導入管12a與蛾 燒用燃料導入管12c)分別如第三圖所示，藉由低溶 螭密封劑40氣密式密封於左側壁22a之凸緣面（通警峡 貫通孔内面）41與外側表面42。剩餘之四支燃料導~气 排出管12亦與於左側壁22a所設置之兩支燃料導入、 出管12同樣，藉由低熔點玻璃密封劑40氣密式密射挪 下側玻璃容器22之對應的各側壁凸緣面與其外侧端於 又’燃料導入一排出管12之内側端部分別固〜 重組器本體10而與流路11(13、24)連通著。例如，^於 17 1327988 三圖所示，於左側壁22a所設置之2支燃料導入一排出 管12(在第三圖中為燃料導入管12a)之内側端部分別藉 由低熔點玻璃密封劑40氣密式密封固定於重組器本體 10上所設置之柱坑18。 於此柱坑18之内部，在燃料導入_排出管12(第三 圖中為燃料導入管12a)與重組器本體10之重組反應流 路11之間製作間隙43，以對於燃料在燃料導入一排出 管12與重組反應流路11之間流動不會造成阻力的方式 形成錐形部19來將燃料導入一排出管12之内側端部做 定位。亦可取代錐形部19而加工為曲面做為曲面部。 其他4支燃料導入一排出管12(12b、12d、12e、12f)之 各内側端部亦與在左侧壁22a所設置之2支燃料導入一 排出管12(12a、12c)之各内側端部同樣，藉由低熔點玻 璃密封劑40來氣密式密封固定於重組器本體10所設置 之柱坑18處。 外部容器20之内部保持於至少IPa以下之高真 空。若其内部真空度超過IPa，會發生氣體之熱傳導， 能量損失變大，且外部容器20之溫度也會上升，故非 所喜好者。 將下側與上側玻璃容器22、26貼合組裝外部容器 20之後，自玻璃容器22之前側壁22d所設置之排氣管 28將外部容器20内之空氣予以排氣，進行真空密封。 於重組器本體10與下側玻璃容器22之間及於重組器本 體10與上側玻璃容器26之間的空間分別開至至少 0.2mm以上為佳。用以設置此種間隙之支持構件16、17 係夾著重組器本體10以相對向的方式分別與下側、上 側玻璃容器22、26 —體形成。亦即，於下側玻璃容器 18 22，以與此容器同樣為熱傳導率低之玻璃材料來形成四 T支持構件16(參見第二圖）。四個支持構件16分別為直 =1mm之圓柱。同樣地，於上側玻璃容器26，以與此 容器同樣為熱傳導率低之玻璃材料來形成四個支持構 件17(參見第一圖與第二圖）。四個支持構件17分別為直 徑1mm之圓柱。 又，下側玻璃谷器22之各側壁22a〜22d之凸緣面 41與四個支持構件16係於下侧玻璃容器22之加熱成形 時同時形成。又，上側玻璃容器26之四個支持構件17 亦於上側玻璃容器26之加熱成形時同時形成。 四個支持構件16與四個支持構件17，為了使得下 側玻璃容器22與重組器本體10之接觸面積及上 容器26與重組器本體10之接觸面積儘可能減少/乃以 熱傳導率低之玻璃材料形成為直徑lmm之圓柱。 該等支持構件16與支持構件17，重組器本體 外部容器20内部隔開至少〇2mm以上之間 被支持著（參見第二圖）。 ’、的狀〜下 為了如上述以支持構件16與支持構件17 組器本體H)時’重組器本體10不會與構成 夺重 之下侧及上側玻璃容器22、26之任―内 構件丨6與支持構件丨7分別需要3個以上。=^持 16與各支持^ η之形狀並不限定於圓柱， 枉。又，各支持構件16與各支持構件17之 ^ 體10接觸之前端部可為球狀亦可為平坦了本盗本 支持構件16與各支持構件17之直徑 ，各 是對角線之長度（為方柱之情況），為二，之情況）或 之直接接賴造成之熱料）以愈小純，，惟= 1327988 lmm，亦可為〇.2mm〜1.5mm程度。 再者，對重組器本體10内部之薄膜加熱器23a、23b 分別供應電力之電線14a、14b亦與燃料導入_排出管 12同樣貫通下侧玻璃容器22之各侧壁22a、22b(參見第 一圖與第二圖）。電線14a、14b之貫通部全部由低熔點 玻璃密封劑（省略圖式)做氣密式密封。又，電線14a、Mb 使用熱膨脹係數與低熔點玻璃密封劑接近之鈷線。鈷線 與下側玻璃谷器22之玻璃的親合性高，遇到溫度變^匕
也不會在低熔點玻璃密封劑所形成之密封部產生真空 漏氣。在電線14a、14b方面不限於鈷線，亦可使用鐵鎳 合金線、或是以銅層來被覆鐵鎳合金芯材之杜梅線 (Dumet wire)。
具有上述構成之燃料重組器丨，由於使用構件 器本體ίο、外部容器20、燃料導入—排綺12)之敎膨 脹差愈小’於燃料導入—排出f 12所發生之拉伸應/ 變^愈小，故使用構件之熱_差讀小愈佳。又1 組裔本體10由於會成為200。(：〜4〇〇。(：：之高溫，故其 之熱膨脹係數以愈小愈佳。 、母 ㈣ίϋίϋ0之熱膨脹係數以0為最佳，但熱膨 脹係數為0讀料從加讀與絲 難。是以’重組器本體10以使用屬低㈣作困 =圭價之玻璃(例如熱膨脹係數為例“ 重組器本體10之玻璃代用物， 膨=發生應力，亦可使用熱傳導率:之材料，： 如矽、陶瓷。又，其他之使用構 二例 12、低熔點玻璃密封劑4〇及外 …’ 出管 |卟合益20的熱膨脹係數 20 1327988 以配合重組器本體10為較佳。在本實施例中，玻璃製 燃料導入一排出管12與外部容器20之熱膨脹係數係配 合重組器本體10之熱膨脹係數33xl(T7(l/°C)。 其次，針對本實施例之燃料重組器1中，燃料導入 —排出管12之數量與配置、燃料導入一排出管12相對 於外部容器20之固定部位等經過變更所製作之燃料重 組器1之試作例及各試作例之評估結果，依據第四圖做 說明。 於第四（a)圖至第四⑴圖、第五（a)圖至第五（c)圖所 示之各試作例中，玻璃製燃料導入一排出管12與外部 容器20之熱膨脹係數係配合重組器本體10之熱膨脹係 數33xl(T7(l/°C)，僅低熔點玻璃密封劑40之熱膨脹係數 設定為41xl(T7(l/°C)。又，在各試作例中，燃料導入一 排出管12之外徑為1.6mm，内徑為1.0mm。 又，進行各試作例之評估時，將重組器本體10内 部之薄膜加熱器23a維持於30°C，對於各試作例確認是 否可維持在真空。真空維持之確認，係在安裝著排氣管 28之狀態下，自排氣管28以真空泵進行強制排氣。藉 由強制排氣將外部容器20内部調整為IPa之真空狀 態，對重組器本體10之薄膜加熱器23a供應電力，將重 組器本體10之溫度維持在300°C。此時，針對玻璃製燃 料導入一排出管12、低熔點玻璃密封劑40、及外部容 器20之玻璃容器22、26是否發生破裂或龜裂等，係朝 燃料重組器1隨時吹送氦氣，以氦洩漏偵測器來確認有 無浪漏。 於第四（a)圖、第四（b)圖分別所示之試作例中，將燃 料導入_排出管12集中配置於重組器本體10之一邊， (S ) 21 而貫通於此一邊對向之外部容器20的一邊。試作十個 此構造之燃料重組器1，評估結果，並無龜裂等發生與 破損，外部容器20内之真空得以維持。 於第四（c)圖、第四（d)圖分別所示之試作例中，將各 燃料導入一排出管12配置於熱膨脹中心轴上，亦即配 置於重組器本體10與外部容器20之各邊的中央。在第 四（c)圖中，係配置於對向之兩邊，在第四（d)圖中係配置 於四邊，貫通外部容器20導往外部。對此種構造之燃 料重組器1各10個進行評估之結果，並無發生破損者， 全數外部容器20内之真空得以維持。 於第四（e)圖、第四（f)圖分別所示之試作例中，將各 燃料導入一排出管12於重組器本體10之四邊以相對於 第一圖所示中心B在點對稱位置的方式來配置。在第四 (e)圖中各邊管12之數量相等。在試作例中長邊上之管 12係配置於距離邊之中點8.5mm之位置，短邊上之管 12係配置於距離邊之中點10mm之位置。又，在第四（f) 圖中以對向之兩邊的管12數量相等的方式來配置。此 試作之各十個燃料重組器1全部未發生破損而可維持真 空。 相對於此，第五(a)圖所示之試作例中，將各燃料導 入一排出管12配置於3邊的熱膨脹中心軸上。針對五 個進行了評估，但是燃料導入一排出管12之一部分受 破壞，全數無法維持在真空。又，第五(b)圖係自第四（e) 圖之情況的配置去除一邊之配置。針對五個進行了評 估，但是燃料導入一排出管12之一部分受破壞，全數 無法維持在真空。再者，第五(c)圖係與第四（e)圖或第四 ⑴圖同樣，四邊配置了管12,但對向兩邊中一側之管 22 U的數晷 里不同。在此種情 A ，印使是，會發生部分破損。 Ϊ密僅之構造’當將各燃料導 劍40來密封之匕20之外側表面以低炫點玻 營個無法維持真空：對於砰估之十個燃料重組器1 圖之配置相同，作蔣H此，當各燃料導入—排出 圖所示在外部—^將各機料導入-排出管 12如第三 通部表面（凸緣H之左侧壁22a的外侧表® 42與貫 封之情況，所之2處以低熔點玻璃密封劑40來密 評估之全數皆可維持真空。 估。’針對本實施例之燃料重組器卜進行下述評 於重組器本體10内部之薄膜加熱器23a、23b供 應電力測量各部分之溫度。若對於薄膜加熱器2 3 a、2 3 b 供應1.5W電力，重組器本體1〇會被加熱到3〇〇£>c。玻 璃容器26中央部為55°C，其端部為50。(：。 為了進行比較，針對與本實施例之燃料重組器1相 同構造，但各燃料導入—排出管12以鈷管代替玻璃管 之情況下各部分之溫度進行測量。在鈷管方面，為了儘 可能減少熱傳導量，使用外徑1.0mm、内徑〇.〇5inm之 極細管。又，在此比較例申，將複數燃料導入一排出管 (鈷管）12以第四(b)圖的方式來配置。此時，為了將重組 器本體10加熱維持在30(TC，膊上述本實施例之燃料重 組器1情況之兩倍以上（約3.5W)之電力供應於薄膜加熱 器 23a。 依據以上構成之實施例，町達成=下作用效果。 藉由以玻璃製造重組器本雜1〇、複數燃料導入—排 出管12、及外部容器20,可Λ幅降低構件直接接觸所
23 1327988 造成之熱傳導，可實現能量損失少之真空絕熱容器。 由於使得玻璃製燃料導入〜排出管12與'外部容 20的熱膨服係數配合重組器本體1〇之熱膨脹^ 33_-7(1/。〇,故重組器本！| 1〇本身之熱膨服變小1 外部容器20與重組器本體1〇之熱膨脹差、及燃料 _排出管12與重組器本體10之熱膨脹差也變小。 此，以保持真空氣密方式貫通外部容器2〇而與重級^ 本體1〇連接之燃料導入一排出管12所發生之拉伸應^
可被減低，可抑制於玻璃製燃料導入_排出管12 g θ 該管與外部容n之連接部分(低_玻璃密· 40)ς 1 生之龜裂或破裂等，可將外部容器20之内部維持於^ 空。 、具 —六支燃料導入—排出管12如第一圖所示，在 二器20之四個侧壁22a〜22d相對於俯視觀看燃料重組 器1時之中d配置於點對稱位置。藉此，可取得於各 —巧出官12所發生之應力的平衡，減低上述
w 藉此，可抑制於玻璃製各燃料導入一排出管 12發生龜裂或破裂等。 ，即使將複數燃料導人-排出管12配置於上述點對 稱位置i—旦重_本體1G之熱膨脹變大，會無法製 作重組器本體1〇與外部容器2〇以燃料導入—排出管12 ，接之雙重構造㈣料重組器丨。例如對於構件間（重組 器本體1(^與外部容器M，或是重组器本體1G與燃料導 入一排出官12)使用熱膨脹差大的低熔點玻璃（熱膨脹係 數之差為3〇Xl〇-7(1/〇c)以上)之構造而言，該玻璃熔融後 緩冷時’ t發生起因於熱膨脹差^大的殘留應力。姑 果，於玻璃製各燃料導入—排出管12會發生龜裂、破 < S ) 24 1327988 裂等，無法維持真空。 在本實施例中，由於玻璃製燃料導入一排出管12 與外部容器20之熱膨脹係數配合了重組器本體10之熱 膨脹係數33xl(T7(l/°C)，故可抑制上述起因於熱膨脹差 所發生之大的殘留應力，可抑制於玻璃製之各燃料導入 —排出管12發生龜裂、破裂等。是以，可製作將重組 器本體10與外部容器20以燃料導入一排出管12連接 之雙重構造的小型燃料重組器1。 複數燃料導入一排出管12分別貫通之侧壁22a〜22d 之各貫通部由於如第三圖所示以低熔點玻璃密封劑40 做氣密式密封，故可抑制各燃料導入一排出管12在貫 通部的真空洩漏。 若複數燃料導入一排出管12配置於外部容器20之 2邊（兩個側壁）、3邊或是4邊的構造中，各燃料導入_ 排出管12僅在外部容器20外側密封，則發生應力大， 於各燃料導入_排出管12之密封部分容易發生龜裂 等。此乃由於，若各燃料導入一排出管12僅在外部容 器20外側密封，則各燃料導入一排出管12之長度會變 長，熱膨脹所致應力會變大，造成各燃料導入一排出管 12之密封部分無法承受該應力之故。 是以，在本實施例中，將六支燃料導入一排出管12 分別於玻璃容器22之各側壁的凸緣面41與外側表面42 以低熔點玻璃密封劑40做氣密式密封（參見第三圖）。藉 此，各燃料導入一排出管12之長度變短，減少起因於 熱膨脹之發生應力，乃可抑制於各燃料導入一排出管12 之密封部分發生龜裂等。 如第三圖所示，各燃料導入一排出管12之内侧端 (S > 25 1327988 部分別在重組器本體10所設置之柱坑18藉由低熔點玻 璃密封劑40來氣密式密封固定著。藉此，各燃料導入 —排出管12之内侧端部與重組器本體1〇之連接變得容 易，且即使在柱坑18内部亦可將各燃料導入一排出管 * 12以低熔點玻璃密封劑40來密封，故可提升耐應力。 \ 柱坑18内部，於燃料導入一排出管12與重組器本 體10之重組反應流路11之間製作間隙43，以對於燃料 在燃料導入一排出管12與重組反應流路11之間流動不 會造成阻力的方式形成錐形部19來將燃料導入一排出 • 管12之内側端部做定位。藉此，即使重組器本體10之 重組反應流路11大小與各燃料導入一排出管12之内側 端部大小不一致，也可減低在各燃料導入一排出管12 與重組反應流路11之間流動之流體阻力，故於實現小 型之燃料重組器1上變得有效。 外部容器20係將有底箱形之下側及上側玻璃容器 22、26以第二圖所示之貼合部A做氣密式貼合而構成 者。藉此，下側玻璃容器22之各侧壁的凸緣面41與四 個支持構件17能與下側玻璃容器22之加熱成形時同時 * 形成，且上側玻璃容器26之四個支持構件16亦能與上 側玻璃容器26之加熱成形時同時形成。是以’無需對 於外部容器20在後段製程將凸緣面41加工，或是將支 持構件Π、16在後段製程加工，可降低製造成本而實 現廉價之燃料重組器1。 - 由於具有電熱器（薄膜加熱器23a、23b)之重組器本 體10係收容於内部保持在真空之外部容器20内，可實 現空氣等氣體對流之熱傳導所造成之能量損失被降低 之小型燃料重組器1。 26 1327988 於下側及上側玻璃容器22、26之内面，在做為底 膜之絡(Cr)膜上以藏鍍法來形成金(Au)骐（省略圖式）做 為紅外線反射膜。藉此，可抑制紅外線穿读卜交 器20之各玻璃容器22、26，可實現降低紅外線輻^所 致能量損失之小型燃料重組器1。
以與此容器同樣低熱傳導率之玻璃材料來形成四個支 持構件16。四個支持構件16分別為直徑lmm之圓柱。 如此，將做為發熱體之燃料重組器i與外部容器2 下側及上侧，容器22、26之接觸面積減少，且構件 3部構件17、16使用熱傳導率低之材料。 耩此，可=降低構件直接接觸 ; 之小型燃料重組器1q 吁守 里谓天 j上η:可以下述方式變更來具體化。 ；貝⑪例中，亦可取代複數支）_料導·入
於下側玻璃容器22’以與此容器同樣低熱傳導率之 玻璃材料來形成四個支持構件17。四個支持構件I?分 別為直徑1mm之圓柱。同樣地，於上側玻璃容器％， 出管30。此集合^ 六圖所示之集合導入—排 又，此集合導入〜排^出官30中形成有三個流路。 體入口）31之小徑部3〇&形成具有三個燃料入口（流 口）32之大徑部30°b。 具有三個燃料出口 (流體出 徑部30a側安裝於外部^入 ''排出管30係例如其小 重組器本體10。使用其大徑部30b側安裝於 由於燃料導入一排出管+集合導入—排出管30之構成， 減少，可減少燃料重二=通外部容器20而密封之部位 燃料重組器1。 裔1之級裝工程數，實現廉價之 27 1327988 於上述一實施例中，複數（六支)燃料導入—排出管 12 ^別於玻璃容器22之各側壁凸緣面41與外侧表面 42藉由低熔點玻璃密封劑4〇做氣密式密封，惟本發明 並不限定於此種構成。將各燃料導入—排出管12貫通 玻璃容器22之各側壁，在各側壁之外侧端面與内侧端 面進行密封。 於上述實施例中，重組器本體1〇(重組反應基板 l〇a、主機板i〇b、燃燒反應基板1〇c)、燃料導入—排出 官12、外部容器20係以同一玻璃材質、以熱膨脹係數 相等條件來製作，但密封劑40與此等材料之熱膨脹係 數相異。雖可充分預期以使得所有構件之熱膨脹係數相 4的方式來調整為所希望者，但由於各種條件因素要 以使得各構件之熱膨脹係數相等的方式來調整未必容 易。是以，到何種程度，即使各構件之熱膨脹係數不同 也不會因為加熱動作而發生破壞係藉由熱應力計來檢 測證明。應力計算係以有限要素法來進行。 具體而言，使得做為玻璃反應器之重組器本體1〇 的基板10a〜10c之熱膨脹係數aR變化，當此aR與外部 容器20之熱膨脹係數ap、燃料導入—排出管12及密封 劑40之熱膨脹係數aG不同之情況，對各構件隨發生應 力之不同而不致破壞的範圍進行評估。不致發生破壞之 應力的容許值，重組器本體1〇之基板1〇a〜1〇e基準為 34MPa(350kg/cm2)，外部容器20 基準為 39MPa(400kg/cm2)’燃料導入—排出管12基準為78 MPa(800kg/cm2)，密封劑 40 基準為 39MPa(4〇〇kg/cm2)。 表1係表示第四（a)圖或第四（b)圖之構造的情況下 之評估結果。將重組器本體1〇之基板1〇a〜1〇c(表中簡 28 1327988 寫為基板)之熱膨服係數aR、aR與外部容5| 2〇之熱膠 脹係數aP之差△ aP(=aR_aP)、aR與燃料導入一排‘出' ^ 12(表中間寫為管）及选封劑40之熱膨服係數之差
△ aG(=aR-aG)分別做各種改變，計算於各部位所發生之 應力。 X 表1 aRCxlO^C'1) △aP(=aR-aP) △aG(=aR-aG) 良疏 判定 發生應力(MPa) 括弧内為發生部 位 20-50 約29以下 ±10 ±15 〇 (基板、管、密封 劑） 60 士 10 ±15 X 約39(基板） 20-50 -15 -15 X 約44(密封劑） 20 〜50 +15 +15 X 約44(基板） 20-50 ±10 +20 X 約49(密封劑） 20-50 ±10 -20 X 約44(密封劑） 其結果，aR 在 20><10-7(1/°〇)〜50><1〇-7(1/。〇之範圍， ΔαΡ在±1〇χ10·7(ΐη：)之範圍内，且AaG在 ±15χ10_7(ΐ/°〇之範圍内’於各部之發生應力成為34Mpa 以下，可知在未發生破壞之應力範圍内。 對於此構造而言，當内部重組器本體10溫度上升 之情況，由於熱經由燃料導入一排出管12傳遞到外部 容器20之1邊，故發生應力少。 但是’若 aR 為 6〇xlO_7(l/°C) ’ 即使ΛαΡ、△aG 在 上述範圍内，於重組器本體10之基板l〇a〜10c之發生應 力會達39MPa程度而超過容許值。又，即使αΡ在 2〇xHT7(1/°C)〜5〇xlO_7(l/°C)之範圍，若△aP'AaG 之一 < S > 29 1327988 者超過上述範圍之士 ，重組 器本體10之基板l〇a〜l〇c或是密封劑4〇部分之應力會 超過容許值。 ~ ^ 從以上的結果來看，當如第四（a)圖或第四…)圖般燃 料導入—排出管12集中於重組器本體1〇之一邊的情 況’只要選擇伙在20><1〇-7(1/。〇〜5〇χ1〇-7(1Λ：)之範圍， △ αΡ 在±1〇χΐ〇-7(ι/°〇）之範圍、且 AaG 在±15><1〇-7(1/。〇） 之範圍’即可構成不會發生破壞之燃料重組器。 表2係表示第四（e)圖、第四⑴圖之構造的情況下之 評估結果。 表2 aR^xlOf1) △aP(=aR-aP) △aG(=aR-aG) 良i 判定 發生應力(MPa) 括弧内為發生 部位 20 〜50 約29以下 士 5 ±10 〇 (基板、管、密 封劑） 60 土 5 ±10 X 約34(基板） 20 〜50 -10 ±10 X 約44(密封劑） 20-50 +10 ±10 X 約54(密封劑） 20 〜50 ±5 +15 X 約78(密封劑） 20 〜50 ±5 -15 X 約59(密封劑） 亦即，為燃料導入一排出管12於重組器本體10之 四邊以成為點對稱關係的方式配置之情況。此時，相較 於上述配置於一邊之情況更容易發生應力’條件變得嚴 苛〇 可知即使aR係上述一邊配置情況下為容許範圍之 5〇xl〇_7(l/°C)，ΔαΡ、△(!〇也在上述容許範圍内之情
30 1327988 況，發生應力仍會超過容許值。結論來說，只要選擇aR 在 20^10。.7(1/。〇〜5〇xl〇-7(irc)之範圍，Λαρ 在 5 10, (1/C)之範圍、且在土 1〇><1〇-7(1/。〇之範圍即 可。當中，若超過其中之一的範圍，便有破壞之虞。 *又，將燃料導入一排出管12配置於熱膨脹中心軸 ^第四（c)圖、第四（d)圖之情況也會得到同樣結果。但 是，當如第五(c)圖般管12之數量為非對稱之情況，由 於非對稱變強，發生應力會變大，即使滿足上述條件也 有發生破壞之虞。 ” 如第五(a)圖、第五(b)圖般燃料導入—排出管12之 之情況’即使熱膨脹係數調整為全部相等 存:容器Μ、密封劑40發生約44MPa之應力， 入— f四,圖般於熱膨脹中心軸上配置燃料導 之密封劑4〇僅塗佈於外部容器2〇外侧 之應力會大輪約44= 排出势ο T刀別構成重組器本體10、燃料導入一 脹係數必須至料:前述密封劑4。之熱膨 倍以内為最==在再最者數之值_ 之配置方式，各熱膨脹係數之差必須進_步缩^/ 31 < S ) 1327988 【圖式簡單說明】 第一圖係表示一實施例之攜帶用燃料電池之燃料 重組器構造之俯視圖。 第二圖係沿著第一圖之燃料重組器的線2-2之剖面 圖。 第三圖係表示該燃料重組器之燃料導入一排出管 與外部容器、及該管與重組器本體之各連接部分之剖面 圖。 第四（a)圖至第四（f)圖係表示燃料重組器之試作例 之燃料導入一排出管之配置俯視圖。 第五（a)圖至第五（c)圖係表示燃料重組器之試作例 之燃料導入一排出管之配置俯視圖。 第六圖係表示於一實施例之攜帶用燃料電池之燃 料重組器所使用之集合導入一排出管之剖面圖。 【主要元件符號說明】 I 用於燃料電池之燃料重組器 10 做為氣體反應器之重組器本體 10a重組反應基板 l〇b主機板 10c燃燒反應基板 II 重組反應流路 12 燃料導入一排出管 12a燃料導入管 12b燃料排出管 12c燃燒用燃料導入管 12d燃燒用燃料排出管 32 1327988 12e氧導入管 12f氧導入管 14a電線 14b電線 18 柱坑 19 錐形部 20 外部容器 22 下側玻璃容器 22a左側壁 22b右側壁 22c後侧壁 22d前側壁 30 集合導入一排出管 40 做為密封劑之低熔點玻璃密封劑 41 凸緣面 42 外側表面 43 間隙 aR熱膨脹係數 «Ρ熱膨脹係數 a G熱膨脹係數 △αΡ熱膨脹係數差 △ aG熱膨脹係數差 B 中心 33

Claims (1)

1327988 年月日修(更)正替換 十、申請專利範圍：Ln-1 1. 一種用於燃料電池之燃料重組器，包含： 用以重組燃料電池用燃料之氣體反應器；用以加 熱該氣體反應器之電熱體；外部容器，其係收容該氣 體反應器與電熱體，且内部保持於真空；對前述電熱 • 體供應電力之電線；及複數燃料導入一排出管，其係 將重組燃料導入前述氣體反應器進行重組後之燃料 自前述氣體反應器排出；前述電線及燃料導入一排出 ' 管係貫通前述外部容器；其特徵在於： φ 分別構成前述氣體反應器、燃料導入一排出管、 外部容器之材料及將前述燃料導入一排出管貫通前 述外部容器之部分加以密封之密封劑的熱膨脹係數 當中，最大熱膨脹係數之值為最小熱膨脹係數之值之 10倍以内； 前述氣體反應器之熱膨脹係數在 2〇xl(T7(l/°C)〜5〇xlO_7(l/°C)之範圍，前述外部容器之 熱膨脹係數與前述氣體反應器之熱膨脹係數之差在 ±l〇xl(T7(l/°C)以内，前述燃料導入一排出管及密封劑 • 之熱膨脹係數與前述氣體反應器之熱膨脹係數之差 在 ±15xl(T7(l/°C)以内。 2. 如申請專利範圍第1項之用於燃料電池之燃料重組 器，其中 分別構成前述氣體反應器、燃料導入一排出管、 外部容器之材料及密封劑係玻璃。 3. 如申請專利範圍第1項之用於燃料電池之燃料重組 器，其中 前述氣體反應器之熱膨脹係數在 [S1 34 1327988 2〇xlO_7(l/°C)〜5〇xlO_7(l/°C)之範圍，前述外部容器之 熱膨脹係數與前述氣體反應器之熱膨脹係數之差在 ±5xl(T7(l/°C)以内，前述燃料導入一排出管及密封劑 之熱膨脹係數與前述氣體反應器之熱膨脹係數之差 在 ±10xl0_7(l/°C)以内。 4. 如申請專利範圍第1、2或3項之用於燃料電池之燃 料重組器，其中 .前述氣體反應器具有矩形基板，前述外部容器為 具有四個側壁之立方體，前述複數燃料導入_排出管 係配置於前述氣體反應器之基板的四邊中之一邊，而 將對向之前述外部容器的一側壁加以貫通。 5. 如申請專利範圍第1、2或3項之用於燃料電池之燃 料重組器，其中 前述氣體反應器具有矩形基板，前述外部容器為 具有四個側壁之立方體，前述複數燃料導入一排出管 係配置於前述氣體反應器之基板的四邊或對向二邊 之熱膨脹中心軸上，而將對向之前述外部容器的側壁 加以貫通。 6. 如申請專利範圍第1、2或3項之用於燃料電池之燃 料重組器，其中 前述氣體反應器具有矩形基板，前述外部容器為 具有四個側壁之立方體，前述複數燃料導入_排出管 係相對於由前述氣體反應器之基板的四邊所形成之 長方形中心配置於點對稱位置，而將對向之前述外部 容器的側壁加以貫通。 7. 如申請專利範圍第1項之用於燃料電池之燃料重組 器，其中 I S] 35 1327988 前述複數燃料導入一排出管係於前述外部容器 之各側壁的凸緣面及外側表面藉由密封劑做氣密式 密封。 8. 如申請專利範圍第7項之用於燃料電池之燃料重組 器，其中 前述複數燃料導入一排出管之内側端部，係插入 於前述氣體反應器之基板所設置之柱坑以密封劑做 氣密式密封而固定。 9. 如申請專利範圍第8項之用於燃料電池之燃料重組 器，其中 前述柱坑之内部，於前述燃料導入一排出管之内 側端部與前述氣體反應器之内部流路之間製作間 隙，形成用以將前述燃料導入一排出管之内側端部定 位之錐形部或曲面部。 10. 如申請專利範圍第1項之用於燃料電池之燃料重組 器，其中 取代前述複數燃料導入一排出管之一部分或全 部，改用具有複數流路之集合導入一排出管。 [S] 36
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