(57)【要約】 【課題】  未反応の燃料が排出されるのを防ぎ、改質ガスの生成効率が良好となる改質器を提供すること。【解決手段】  液体燃料流入口２３と、廃液口２７とが、反応部２４の流路部２４１に連結されている。これにより、液体燃料流入口２３から反応部２４の流路部２４１に流入した液体燃料は水素透過部２４２から反応部の外側へ漏れることがなく反応部内部の触媒と接触して触媒反応しながら流れる。従って、改質器２０の向きに関わらず、液体燃料は、流路部２４１の内部を流れ、安定した水素の供給ができる。【選択図】 図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の液体燃料を触媒反応させて改質させる改質器であって、
液体燃料を流入する液体燃料流入口と、前記触媒反応後の液体燃料を廃液として排出する廃液口と、前記液体燃料を触媒反応させる反応部と、が設けられた反応槽を備え、
この反応槽の前記反応部は、前記液体燃料流入口と前記廃液口とを連通するとともに触媒が担持された流路部と、この流路部を覆うとともに当該流路部から発生する改質ガスを透過させる改質ガス透過部と、を具備している
ことを特徴とした改質器。
【請求項２】
請求項１に記載の改質器において、
前記流路部は、蛇行状に形成されている
ことを特徴とした改質器。
【請求項３】
請求項２に記載の改質器において、
前記流路部は、一平面内で蛇行している
ことを特徴とした改質器。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の改質器であって、
前記流路部は、前記液体燃料流入口から前記廃液口に近づくにつれて、流路抵抗が大きくなる
ことを特徴とした改質器。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の改質器と、
前記改質器で取り出された水素により発電する燃料電池を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を触媒反応させて改質させる改質器、および改質器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部から燃料と酸素とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものである。燃料電池は、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
【０００３】
例えば高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質形燃料電池は、高分子固体電解質膜を空気側電極と燃料側電極とで挟んだ構造のＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)を備え、空気側電極に空気（酸素）を供給し、燃料側電極にメタノール水溶液や改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり電力が発生する（例えば特許文献１）。また、このような高分子電解質形燃料電池は、小型化が可能で、搬送性に優れた携帯機器や小型機器に用いられる。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１６２１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
改質した水素を燃料として使用する高分子電解質形燃料電池では、メタノールやその他の燃料を改質して水素を取り出す改質器を必要とする。このような改質器は、通常、燃料は上方側から滴下され、触媒に接触しながら下方側に流れ落ちるため、改質器の上下方向は固定されている。しかしながら、このような高分子電解質形燃料電池を備えた携帯機器や小型機器を実際に携帯したり搬送したりする場合、その最中はこれらの携帯機器や小型機器の上下方向の向きが定まらず、必ずしも改質器内で滴下した液体燃料が触媒と接触して触媒反応を生ずるとは限らない。また、改質器の向きが上下逆転していた場合では、液体燃料が滴下されず、水素を生成できない場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、改質器の向きに関係なく安定して改質ガスを生成できる改質器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の改質器は、燃料電池用の液体燃料を触媒反応させて改質させる改質器であって、液体燃料を流入する液体燃料流入口と、前記触媒反応後の液体燃料を廃液として排出する廃液口と、前記液体燃料を触媒反応させる反応部と、を有する反応槽を備え、前記反応部は、前記液体燃料流入口と前記廃液口とを連通するとともに触媒が設けられる流路部と、流路部から発生する改質ガスを透過させる改質ガス透過部と、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、液体燃料流入口と、廃液口とが、反応部によって連結されているので、液体燃料流入口から反応部に流入した液体燃料は反応部から漏れることがなく、反応部内部の触媒と反応しながら流れる。一方の改質ガスは、反応部を覆う改質ガス透過部から確実に取り出せる。従って、改質器の向きに関わらず、液体燃料は、反応部の内部を流れ、安定して改質ガスを生成させることが可能となる。なお、改質ガス透過部は、改質ガスのような気体のみ透過させ、液体燃料を透過させないものである。
【０００９】
また、本発明では、前記流路部は、蛇行状に形成されていることが好ましい。
この発明によれば、流路部が、蛇行状に形成されていることにより、流路部の長さ寸法を大きくできる。このように、流路部の長さ寸法が大きくなれば、液体燃料と触媒との接触時間が増加する。これにより、液体燃料の触媒反応が確実に行われるため、改質ガスの発生量を増加させることができ、改質器の改質効率の向上が可能となる。
【００１０】
この時、本発明の改質器では、前記流路部は、一平面内で蛇行していることが好ましい。
この発明によれば、前記流路部は、一平面内で蛇行しているので、この一平面上のみに広がって流路部の長さ寸法を大きくでき、厚み寸法の増加を抑えられる。従って、改質器での改質を良好にできるうえ、薄型化が促進される。
【００１１】
また、本発明では、前記流路部は、前記液体燃料流入口から前記廃液口に近づくにつれて、流路抵抗が大きくなることが好ましい。
液体燃料流入口付近では、液体燃料の濃度が高いため、流路抵抗が小さくても、触媒反応が比較的頻繁に起こるが、一方の液体燃料流入口から遠い位置では、液体燃料の触媒反応が進み濃度が小さくなるため、流路抵抗が小さいと十分な触媒反応を発生させることができず、未改質の液体燃料の排出量が増加してしまう。
【００１２】
これに対して、本発明では、反応部の一部には、液体燃料流入口から遠ざかるにつれて流路部の流路抵抗が大きくなる。これにより、液体燃料流入口に近い位置では、液体燃料の濃度が高いので、流路抵抗が小さくとも、良好に改質でき、液体燃料の流れもスムーズである。また、液体燃料流入口から遠い位置では、液体燃料の濃度が低下したとしても、流路抵抗が大きくなっているため、触媒との接触時間を長くでき、改質器の改質効率が向上する。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムは、上述したような改質器と、前記改質器で取り出された水素により発電する燃料電池を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、燃料電池システムが前述の改質器を備えているので、改質器や燃料電池システムの向きによらず、絶えず安定した改質ガスの供給が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第1実施形態〕
図１は、第１実施形態の改質器２０を備えた燃料電池システム１を示す図である。図２は、第1実施形態の改質器２０を流路方向に断面した断面図である。図３は、改質器２０を流路方向に対して略垂直に断面した断面図である。なお、図中の黒塗り矢印は液体燃料の流れを表し、中抜き矢印は発生した水素の流れを表している。
【００１５】
図１において、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０で用いられる改質ガスとしての水素Ｈ２を生成する改質器２０と、液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部３０と、を備えている。改質器２０と燃料電池１０との間には、改質器２０で生成する水素Ｈ２とそれ以外の物質、例えば二酸化炭素ＣＯ２などを分離する水素透過器５０と、生成した水素Ｈ２を一時貯蓄するとともに、この水素Ｈ２を所定圧力で燃料電池１０に送る水素ストレージ６０とが設けられている。この燃料電池システム１は、例えば、携帯用パーソナルコンピュータや、携帯電話などの携帯機器や小型機器に組み込まれる。
【００１６】
燃料電池１０は、内部において水素Ｈ２と空気中の酸素Ｏ２とを化学反応させて、電気エネルギを得るものである。この燃料電池１０としては、例えば、小型化が可能な固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：PEFC）が用いられる。なお、本実施形態では、前述したように、携帯機器や小型機器に用いられる燃料電池システム１を例としているため、燃料電池１０としては、小型化が可能な固体高分子型燃料電池を用いたが、燃料電池システム１の用途などによって、例えばリン酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell：PAFC）、溶融炭酸塩型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell：MCFC）、固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Electrolyte Fuel Cell：SOFC）、などを用いてもよい。
【００１７】
改質器２０は、燃料貯蔵部３０から供給される液体燃料を触媒反応させて、燃料電池１０に燃料として用いられる水素Ｈ２を生成する装置である。改質器２０の詳細については後述する。
【００１８】
燃料貯蔵部３０には、液体燃料が貯蓄されている。この燃料貯蔵部３０としては、例えば、燃料電池システム１に取り外し自在となる燃料カートリッジや、燃料電池システム１に直接組み込まれる燃料タンクが挙げられる。また、液体燃料としては、例えば水素化ホウ素ナトリウムなどのボロハイドライド燃料や、デカリン、シクロへキサン、メチルシクロヘキサンなどの有機ハイドライド燃料、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系燃料などが採用できる。この燃料貯蔵部３０と改質器２０との間には、液体燃料を改質器２０に供給するための燃料供給ポンプ３１が設けられている。この燃料供給ポンプ３１は、燃料貯蔵部３０から改質器２０に液体燃料を所定量、所定流速で供給している。
なお、第1実施形態では、燃料供給ポンプ３１を用いて液体燃料を改質器２０に供給する構成を示したが、これに限定されない。例えば、燃料貯蔵部３０と改質器２０との圧力差によって液体燃料を自然供給できる燃料供給弁を用いる構成であってもよい。
【００１９】
水素透過器５０は、改質器２０で水素Ｈ２とともに発生して燃料電池１０の燃料として用いられないもの、例えば二酸化炭素ＣＯ２や余分な水蒸気などを除去する装置である。このような不要物は、例えば活性炭や、シリカゲルなどの吸着剤やアミン系有機物などの吸収剤、またイオン交換樹脂、繊維状部材の有機化合物中の水素原子をカルボン酸基またはスルホン酸基で置換したもの等を用いて除去することができる。また、水蒸気の除去には、例えば水素透過器の内部を露点以下の低温にすることで水蒸気を水滴に変化させて除去させてもよい。
【００２０】
水素ストレージ６０は、水素透過器５０を通過した高純度の水素を一時貯蓄する。そして、水素ストレージ６０には、図示しない送りポンプが設けられていて、この送りポンプによって、燃料電池１０内に水素Ｈ２が送られる。なお、このような送りポンプや、前述した燃料供給ポンプ３１としては、いわゆるマイクロポンプが採用できる。
【００２１】
次に改質器２０について詳細に説明する。
改質器２０は、図２および図３に示すように、液体燃料を反応させて水素を取得する反応槽２１と、反応槽２１から排出される廃液などを溜める廃液吸収部２２とを備えている。反応槽２１には、液体燃料を流入する液体燃料流入口２３と、廃液を廃液吸収部２２に排出する廃液口２７と、生成した水素Ｈ２を回収して水素透過器５０に送る気体回収口２５と、液体燃料を触媒と接触させて水素を生成する反応部２４と、が設けられ、反応部２４は、液体燃料流入口２３と廃液口２７とを連通する流路部２４１と、流路部２４１から水素Ｈ２を透過させる改質ガス透過部としての水素透過部２４２とで構成されている。
【００２２】
反応部２４の流路部２４１は、例えば多孔質のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるチューブ状の水素透過部２４２の中空部分により形成されている。この流路部２４１の断面形状は、液体燃料流入口２３の断面形状と略同一に形成されている。そして、流路部２４１の一端部に、液体燃料流入口２３が連結され、他端部に、廃液口２７が連結されて、液体燃料流入口２３と廃液口２７とが連通されている。
【００２３】
また、流路部２４１、すなわち水素透過部２４２の内面には、液体燃料と接触して水素Ｈ２を発生する触媒が充填されている。この触媒材料としては、燃料がボロハイドライドの場合では、白金Ｐｔ、ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈなどの白金族や、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉ、フッ化処理した水素吸蔵合金などが採用できる。また、燃料が有機ハイドライドの場合では、触媒の触媒材料として、白金Ｐｔ、ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈなどの白金族などが採用できる。そして燃料がメタノールの場合では、触媒の触媒材料として水蒸気改質触媒が採用でき、例えばＮｉや、銅系、Cu/ZnO/Al2O3系、Pd/ZnO等が採用できる。また、触媒材料としてCu-ZnやFe-Cr、あるいはPt、Pt-Ru、Pt-Rh、Pt-La2O3・Al2O3等の白金族等を使用すれば、メタノールなどの燃料を改質する際に中間生成物として発生する一酸化炭素のCOシフト反応を促進でき、最終的な一酸化炭素の発生量を低減させる効果がある。
【００２４】
触媒は、このような触媒材料の表面積が大きくなるように形成されていることが望ましく、例えばγアルミナやαアルミナなどの多孔質材料や、カーボン粉体などに触媒材料が担持された構造となっている。このような触媒の構造により、多孔質材料の表面に触媒材料が担持されるので、その表面積が大きくなり、燃料が触媒材料と接触可能な表面積も大きくなるため、良好な改質効率が得られる。なお、触媒は、このような形状に限られるものではなく、例えば、触媒を粒子状に形成して、流路部２４１に充填させるものであっても良い。さらに、多孔質材料そのものを触媒で形成したものであってもよい。
【００２５】
反応部２４の水素透過部２４２は、前述したように、例えば多孔質のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの超撥水性素材を管状に形成したものである。水素透過部２４２は、流路部２４１を流れる液体燃料や廃液などの液体と、触媒反応によって形成された水素Ｈ２などの気体とを分離する。水素透過部２４２を形成する多孔質のＰＴＦＥの孔は、水素Ｈ２などの改質ガスや、その他気体のみを反応部２４の外側に透過させる大きさであり、液体燃料および廃液が反応部２４の外側に漏れ出す心配はない。
【００２６】
このような改質器２０の液体燃料流入口２３から液体燃料を流入したとき、液体燃料は、燃料供給ポンプ３１によって流路部２４１に流入される。流入された液体燃料は、流路部２４１に充填された触媒の隙間を流路として流れる。この時、液体燃料は、水素透過部２４２で囲まれた流路部２４１を流れているため、この燃料電池システム１が搭載された機器の上下を逆にしても、反応部２４の外側に漏れることがない。
【００２７】
そして、液体燃料は、触媒と接触して（１）式に示すように触媒反応が起こり、水素Ｈ２を発生させる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  Ｈ２＋ＣＯ２  …（１）
この触媒反応により発生した水素Ｈ２は、水素透過部２４２から反応部２４の外部に通過して気体回収口２５から回収される。
【００２８】
また、廃液吸収部２２内には、高分子吸収体が交換自在に設けられていて、廃液口２７から排出された廃液は、高分子吸収体に吸収されてゲル化される。
【００２９】
上記のような第１実施形態の改質器２０では、次のような効果が得られる。
（１）第１実施形態の改質器２０では、液体燃料流入口２３と、廃液口２７とが、反応部２４の流路部２４１に連通され、この流路部２４１が水素透過部２４２で覆われているので、液体燃料流入口２３から反応部２４の流路部２４１に流入した液体燃料を、水素透過部２４２から反応部２４の外側へ漏れることなく反応部２４内部の触媒と接触させて触媒反応しながら流すことができる。従って、改質器２０の上下の向きに関わらず、液体燃料は、流路部２４１の内部を流れ、安定して水素を供給できる。
【００３０】
（２）水素透過部２４２は、ＰＴＦＥを流路部２４１の内周面部に担持させるのみの簡単な構成であるため、生産コストも低減できる。
【００３１】
〔第２実施形態〕
次に第２実施形態の改質器について図４、図５に基づいて説明する。なお、第１実施形態と同一の構成、または類似した構成については、図面にて同符号を付し、ここでは説明を省略または簡略化する。後述する第３実施形態でも同様である。
【００３２】
図４は、第２実施形態の改質器の側断面図である。図５は、図４においてV-V線で断面したときの改質器の断面図である。なお、第２実施形態の改質器は、第１実施形態の改質器２０の反応部２４が異なる。従って、その他の構成としては、第１実施形態と略同様である。
【００３３】
図４、図５において、反応部２４Ａの水素透過部２４２Ａは、例えばＰＴＦＥなどの超撥水撥油性部材を略平板状に形成したものである。そして、流路部２４１Ａは、この水素透過部２４２Ａの内部で、水素透過部２４２Ａの平面内で蛇行して形成されている。なお、図６に示すように、反応部２４Ａは、水素透過部２４２Ａがチューブ状に形成されていて、この管内部に流路部２４１Ａが形成される構成としてもよい。
【００３４】
第２実施形態の改質器２０Ａでは、第１実施形態の効果（１）〜（２）の効果に加えて次の効果が得られる。
（３）流路部２４１Ａが、蛇行状に形成されているので、流路部２４１Ａの長さ寸法を大きくできる。このように、流路部２４１Ａの長さ寸法が大きくなれば、これに伴って液体燃料の流路長も大きくなり、液体燃料と触媒との接触時間が増加する。従って、液体燃料の触媒反応が促進され、水素Ｈ２の発生量を増加させることができ、安定した水素Ｈ２の供給が図れる。また、流路部２４１Ａの長さを調整して流路長を長くしたとしても、この流路部２４１Ａが蛇行状に形成しているので体積を小さくでき、小型化を促進できる。
【００３５】
(４) 流路部２４１Ａは、平板状の水素透過部２４２Ａの平面内で蛇行しているので、この一平面上のみに広がって流路部２４１Ａの長さ寸法を大きくでき、厚み寸法の増加を抑えられる。従って、改質器２０の改質効率を良好にできるうえ、改質器２０の薄型化を促進できる。
【００３６】
〔第３実施形態〕
次に本発明の第３実施形態について図７に基づいて説明する。
図７は、第3実施形態の改質器を液体燃料の流路方向に沿った一断面図である。
図７において、反応部２４Ｂは、略平板状の基板２４３の表面にエッチング処理などによって溝状に流路部２４１Ｂを形成し、この基板２４３の表面をＰＴＦＥなどからなる図示しない水素透過部で覆ったものである。この時、流路部２４１Ｂは、複数段の流路溝２４４に分割し、廃液口２７に近づくにつれて、流路溝２４４の幅が小さくなるように形成する。また、流路溝２４４は、廃液口２７に近づくにつれて多く形成されている。そして、この流路部２４１Ｂには、触媒が担持されている。なお、触媒は、流路部２４１Ｂに担持されるものに限らず、基板２４３自身が触媒で形成されている構成としてもよい。
【００３７】
このような改質器２０Ｂに液体燃料が流入されると、流入された液体燃料は、流路部２４１Ｂに担持された触媒と接触し、触媒反応を生じながら押し流される。この時、廃液口２７に近づくにつれて流路溝２４４の大きさが小さくなるため、流路が狭くなり、流路抵抗が増大する。このように、廃液口２７に近づくにつれて流路抵抗が増大するように流路溝２４４を形成するのは、液体燃料流入口２３近傍では、液体燃料の濃度が比較的高く、高い確率で触媒反応が起こるため、液体燃料と触媒との接触時間が短くても十分に触媒反応が発生するためである。一方、廃液口に近づくにつれて流路溝２４４を小さく、数を多く形成するのは、液体燃料の濃度が低下するため触媒反応が生じにくくなり、触媒と液体燃料との接触時間や接触面積を増やす必要があるためである。
【００３８】
第３実施形態の改質器２０Ｂによると、次のような効果が得られる。
（５）反応部２４Ｂの一部には、液体燃料流入口２３から遠ざかるにつれて流路部２４１Ｂの流路抵抗が大きくなる。これにより、液体燃料流入口２３に近い位置では、液体燃料の濃度が高いので、流路抵抗が小さくとも、良好に改質でき、液体燃料の流れもスムーズである。また、液体燃料流入口から遠い位置では、液体燃料の濃度が低下したとしても、流路抵抗が大きくなっているため、多量の液体燃料が流れにくくなるが、その分触媒反応時間を長くでき、改質器２０Ｂの改質効率を向上させることができる。
【００３９】
〔実施形態の変形例〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００４０】
例えば、第２実施形態において、流路部２４１Ａは、一平面上を蛇行して形成されているとしたが、これに限らない。例えば、流路部２４１Ａは、螺旋状に形成されていてもよい。このような場合でも、液体燃料の逆流を防止できるため、改質器２０の向きに関わらず、安定した水素の供給ができる。また、反応部の長さを長くできるので、触媒と液体燃料との接触時間が増加し、未改質の液体燃料の排出量を減少できて、水素の発生量を増加できる。従って、改質器２０の改質効率を向上させることができる。
【００４１】
また、第３実施形態においては、基板２４３に複数層の流路溝２４４を有する流路部２４１Ｂを形成し、この流路溝２４４の大きさを廃液口２７に近づくにつれて小さくする構成を示したが、これに限らない。例えば、流路部の孔径が略同一であって、この流路部の内部に粒子状の触媒を充填し、この触媒の粒径が液体燃料流入口に近い側から廃液口側に向かうに従って小さくなるように配置する。このような構成では、液体燃料流入口に近い側では、触媒の粒径が大きいため、隣り合う触媒間の隙間が大きくなり、流路抵抗が小さくなる。一方、廃液口に近い側では、触媒の粒径が小さくなるため、隣り合う触媒間の隙間が小さくなり、流路抵抗が大きくなる。これにより、液体燃料は、廃液口に向かうに従って、流れにくくなるため、触媒との接触時間が増加して、触媒反応を促進できる。また、流路部に触媒の粒子を充填させるだけの簡単な構成であるため、生産にかかるコストを低減できる。
【００４２】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態の改質器を備えた燃料電池システムを示す図。
【図２】第1実施形態の改質器を流路方向に断面した断面図。
【図３】改質器を流路方向に対して略垂直に断面した断面図。
【図４】第２実施形態の改質器の側断面図。
【図５】図４においてV-V線で断面したときの改質器の断面図。
【図６】第2実施形態の改質器の変形例を示す側断面図。
【図７】第3実施形態の改質器を液体燃料の流路方向に沿った一断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池システム、２０，２０Ａ，２０Ｂ…改質器、２１，２１Ａ，２１Ｂ…反応槽、２３…液体燃料流入口、２４，２４Ａ，２４Ｂ…反応部、２４１，２４１Ａ，２４１Ｂ…流路部、２４２，２４２Ａ，２４２Ｂ…水素透過部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005243433.tif 000006
【図５】
2005243433.tif 000007
【図６】
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【図７】
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