(57)【要約】【課題】  良好な改質効率で小型化を促進できる改質器、およびこの改質器を備えた燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  圧電振動子の振動により液滴を吐出するインクジェット３０で、改質器１０の触媒１１上に燃料を吐出する。圧電振動子の振動で燃料吐出を行うので、微量吐出ができ、発生する水素量を正確に制御できる。したがって、必要な量の水素のみを発生させることができるから、水素の収納スペースを大きく確保する必要がなく、燃料電池システム１の小型化を促進できる。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して水素を取り出す改質器であって、
前記燃料の改質を促進する触媒と、
前記触媒上に前記燃料を液滴状に吐出する液滴吐出手段と、
前記触媒を収納するケースとを備え、
前記液滴吐出手段は、前記燃料を収納する燃料収納室と、この燃料収納室に連通し、前記触媒上に前記燃料を吐出するノズルと、前記燃料収納室と前記ノズルとの間の燃料流路を圧電振動子の振動によって圧縮して前記ノズルから前記燃料を吐出する吐出機構とを備えて構成される
ことを特徴とする改質器。
【請求項２】
請求項１に記載の改質器において、
前記圧電振動子は、前記燃料流路外壁に対して近接離間する方向の縦振動を励振する向きに設けられている
ことを特徴とする改質器。
【請求項３】
請求項１に記載の改質器において、
前記圧電振動子は、前記燃料流路外壁にほぼ平行に縦振動を励振することにより、前記縦振動と略直交する方向に撓み振動を励振する向きに設けられている
ことを特徴とする改質器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の改質器において、
前記ケース内部には、前記ケース内の空間を分離する気液分離膜が設けられ、この気液分離膜で分離された一方の空間は、前記ノズルおよび前記触媒が設けられた燃料改質室とされ、他方の空間は前記燃料改質室で発生した水素を前記燃料から分離して取り出す水素分離室とされている
ことを特徴とする改質器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の改質器において、
前記ケース内部の前記触媒の鉛直下方には、前記燃料の改質が終了した廃液を蓄積する廃液室が形成されている
ことを特徴とする改質器。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の改質器において、
前記燃料は、アルコール系燃料、有機ハイドライド燃料、およびボロハイドライド燃料のいずれか一つである
ことを特徴とする改質器。
【請求項７】
請求項１から請求項６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とを備え、
前記燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両面に対向してそれぞれ配置される燃料極および空気極と、前記燃料極の外側に形成され、前記改質器から取り出された水素が供給される燃料室と、前記空気極の外側に配置され、空気または酸素が供給される空気室とを備えて構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池での水素の消費量に応じて前記改質器での前記燃料の供給量を制御する供給制御手段を備えた
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、燃料を改質して水素を取り出す改質器、およびこの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。
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）。
【０００３】
【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】
【０００４】
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、メタノールなどの燃料を改質して水素を取り出す改質器を必要とする。しかしながら、燃料を改質する場合、少量の液体燃料に対して、大量の気体水素が発生する。したがって、この大量の水素を蓄積するために大型の収納空間が必要となり、燃料電池全体の小型化を図ることができない。特に、燃料電池が稼働しない状態では水素が消費されないためより大量の水素を蓄積する必要があり、燃料電池の小型化がますます困難となる。このように、燃料電池の使用状況に応じた水素の発生量の制御が困難な場合がある。
また、改質器の触媒として加熱触媒を用いている場合では、改質を促進するために触媒を所定温度に加熱し保持することが必要となる。ところが、この加熱触媒に燃料を供給すると、燃料の温度によって触媒の温度が低下してしまう。このため、改質器の小型化を促進する場合では、改質器の小型化に伴って収納される加熱触媒も少量となるため、燃料の供給による触媒の温度低下への影響が大きくなり、適切な温度を保持することができないという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、良好な改質効率で小型化を促進できる改質器、およびこの改質器を備えた燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の改質器は、燃料を改質して水素を取り出す改質器であって、燃料の改質を促進する触媒と、触媒上に燃料を液滴状に吐出する液滴吐出手段と、触媒を収納するケースとを備え、液滴吐出手段は、燃料を収納する燃料収納室と、この燃料収納室に連通し、触媒上に燃料を吐出するノズルと、燃料収納室とノズルとの間の燃料流路を圧電振動子の振動によって圧縮してノズルから燃料を吐出する吐出機構とを備えて構成されることを特徴とする。
この発明によれば、液滴吐出手段によって触媒上に燃料を液滴状に吐出する。この場合に、液滴吐出手段が、圧電振動子の微小な振動によって燃料流路を圧縮し、ノズルから燃料を吐出する吐出機構を備えているので、ノズルからの燃料の微量吐出が可能となる。したがって、微量燃料から発生する水素の量も少量となり、水素の発生量の制御が容易となる。これにより、水素を収納するスペースを大きく確保する必要がないので、改質器の小型化が促進される。
また、例えば触媒として加熱触媒を使用した場合でも、液滴吐出手段により燃料の微量吐出が可能なので、改質器を小型化しても触媒の温度への影響が小さく、触媒の温度を低下させることなく適切な触媒温度が保持される。したがって、改質器の小型化を促進しても良好な改質性能が維持される。
【０００７】
本発明では、圧電振動子は、燃料流路外壁に対して近接離間する方向の縦振動を励振する向きに設けられていることが望ましい。
この発明によれば、圧電振動子は縦振動を励振することにより燃料流路を圧縮する。ここで、圧電振動子は比較的高負荷での振動が可能であるため、例えば燃料の粘度が高い場合などでも良好に燃料が吐出される。したがって、燃料吐出の微量吐出を高い信頼性で行うことが可能となるとともに、吐出可能な燃料の範囲が広くなり、改質器の汎用性が向上する。また、圧電振動子の縦振動の振幅は、燃料流路の圧縮量に比例するので、燃料流路の圧縮量の制御が容易となる。
【０００８】
本発明では、圧電振動子は、燃料流路外壁にほぼ平行に縦振動を励振することにより、縦振動と略直交する方向に撓み振動を励振する向きに設けられていることが望ましい。
この発明によれば、圧電振動子が撓み振動を励振するので、圧電振動子の縦振動を利用する場合に比べて、得られる振幅がより大きくなる。したがって、この撓み振動の振幅を調整することで、より広い範囲で燃料流路の圧縮量を調整することが可能となり、燃料の吐出量の調整範囲が広くなるとともに、燃料の吐出制御の多様化に柔軟に対応可能となる。
【０００９】
本発明では、ケース内部には、ケース内の空間を分離する気液分離膜が設けられ、この気液分離膜で分離された一方の空間は、ノズルおよび触媒が設けられた燃料改質室とされ、他方の空間は燃料改質室で発生した水素を燃料から分離して取り出す水素分離室とされていることが望ましい。
この発明によれば、ケース内部の気液分離膜によって水素分離室が設けられているので、液滴吐出手段から吐出された燃料の液滴が水素分離室に混入することがなく、燃料が混入されない水素のみが確実に分離されて取り出される。これにより、例えば改質器から取り出された水素を燃料電池に使用する場合でも、純度の高い水素を利用することにより、燃料電池での反応効率が良好となる。
【００１０】
本発明では、ケース内部の触媒の鉛直下方には、燃料の改質が終了した廃液を蓄積する廃液室が形成されていることが望ましい。
この発明によれば、ケース内部の触媒の鉛直下方に廃液室が設けられているので、改質が終了した廃液で触媒が覆われるのが防止され、触媒が液滴吐出手段から吐出された燃料と常に良好に接触可能となる。これにより、燃料の改質効率が良好となり、水素の発生率が良好となる。
【００１１】
本発明では、燃料は、アルコール系燃料、有機ハイドライド燃料、およびボロハイドライド燃料のいずれか一つであることが望ましい。
この発明によれば、燃料が適切に設定されているので、液滴吐出手段により燃料を触媒に吐出することにより、水素を取り出すことが容易となる。特に燃料としてボロハイドライド燃料を用いた場合では、常温での反応が可能なので、改質器を加熱する必要がなく、適用範囲が広くなり有用である。
ここで、アルコール系燃料としては、例えばメタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどが挙げられ、有機ハイドライド燃料としては、例えばデカリン、シクロへキサン、メチルシクロへキサンなどが挙げられ、またボロハイドライド燃料としては、例えば水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが挙げられる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、前述の改質器と、改質器で取り出された水素により発電する燃料電池とを備え、燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両面に対向してそれぞれ配置される燃料極および空気極と、燃料極の外側に形成され、改質器から取り出された水素が供給される燃料室と、空気極の外側に配置され、空気または酸素が供給される空気室とを備えて構成されていることが望ましい。
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、前述の効果と同様の効果が得られ、改質器への燃料の微量吐出が可能となる。したがって、燃料を微量吐出することにより水素の発生量も少量となるため、水素を蓄積する収納手段などが小さく構成可能となり、燃料電池システム全体の小型化が促進される。
【００１３】
本発明では、燃料電池での水素の消費量に応じて改質器での燃料の供給量を制御する供給制御手段を備えたことが望ましい。
この発明によれば、燃料電池システムが供給制御手段を備えているので、燃料の吐出量を調整することにより、水素の発生量も調整可能となり、燃料電池の使用状況に応じた柔軟な稼働が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の改質器および燃料電池システムによれば、液滴吐出手段により触媒に燃料を供給するので、燃料を触媒上に微量供給でき、発生する水素量を適切に制御できるから、改質器の小型化を促進できるという効果がある。また、燃料の微量供給が可能なので、燃料によって触媒の温度を低下させず、良好な改質効率を維持できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１の概略構成図が示されている。この図１において、燃料電池システム１は、燃料を改質して水素を取り出す改質器１０と、改質器１０から得られる水素の電気化学的反応により電気エネルギを発生する燃料電池２０と、燃料電池２０の使用状態に応じて改質器１０への燃料の供給を制御する供給制御手段４０とを備えている。
【００１６】
改質器１０は、燃料の反応を促進する触媒１１と、触媒１１を収納するケース１２と、触媒１１上に燃料を液滴状に吐出する液滴吐出手段としてのインクジェット３０とを備えている。
燃料は、例えば水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液等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等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等のアルコール系燃料などが採用できる。なお、燃料として水素化ホウ素ナトリウム水溶液を用いる場合では、例えば水酸化ナトリウム３ｇ、純水２７ｇ、水素化ホウ素ナトリウム５．５ｇの燃料組成のものが採用できる。
また、触媒１１の触媒材料としては、燃料がボロハイドライド燃料の場合では、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燃料の場合では、触媒１１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１１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。
【００１７】
触媒１１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１１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。
また、触媒材料としてCu-ZnやFe-Cr、あるいはPt、Pt-Ru、Pt-Rh/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。
【００１８】
図２には、インクジェット３０の拡大断面図が示されている。この図２において、インクジェット３０は、燃料を蓄積する燃料収納室としてのインク室３１と、インク室３１からの燃料を触媒１１上に吐出する複数のノズル３２と、インク室３１とノズル３２とを連通するとともにその流路が収縮可能な複数（ノズル３２と同数）の燃料流路の一部である圧力発生室３３と、圧力発生室３３を圧縮する圧電振動子３４とを備えている。
【００１９】
ノズル３２は、ノズルプレート３２１にプレス加工などにより穿設されたノズル孔で構成され、互いに所定間隔を有して配置されている。図３には、ノズル３２の拡大断面図が示されている。この図３において、ノズルプレート３２１の外表面３２１Ａには、ニッケルなどのめっきによるめっき層３２２が設けられており、このめっき層３２２は、ノズル３２開口の周囲に所定距離を有して形成されることにより、ノズル３２周囲に段差３２２Ａを形成している。また、めっき層３２２の外表面にはさらにコンポジットめっきによるめっき層３２３が形成されている。このめっき層３２３は、ノズル３２の内周にも形成されている。このめっき層３２３により、ノズルプレート３２１の外表面３２１Ａには、撥インク処理が施されている。また、ノズル３２の内面のめっき層３２３が形成されていない部分には、親水処理が施されている。これらの撥インク処理および親水処理により、ノズル３２から吐出される液滴状の燃料がノズルプレート３２１に付着するのが良好に防止されるとともに、略球形状の液滴が安定した吐出量で吐出可能となっている。また、この撥インク処理により、液滴がノズル３２の穿設方向に沿ってまっすぐ吐出される。
また、インクジェット３０には、ノズル３２をクリーニングする図示しないクリーニング機構が設けられており、各ノズル３２からの液滴の吐出抜け、つまりノズル３２の目詰まりを検知して該当するノズル３２のクリーニングを行うことにより、ノズル３２の目詰まりを防止する。
【００２０】
圧力発生室３３の外側には、圧力発生室３３を収縮させる圧電振動子３４が圧力発生室３３の数に応じて設けられている。これらの圧電振動子３４は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種の材料で構成され、電圧を印加すると長手方向に伸縮する縦振動を励振する。この圧電振動子３４の先端が圧力発生室３３の外壁に固定されており、圧電振動子３４が縦振動することにより、圧電振動子３４が圧力発生室３３の外壁に対して近接離間する方向に固定されている。圧力発生室３３外壁において圧電振動子３４の両側には、それぞれ薄肉部３３Ａが形成されている。この薄肉部３３Ａにより、圧電振動子３４の振動で外壁が変形しやすくなっている。
ここで、本実施形態では圧力発生室３３および圧電振動子３４を備えて本発明の吐出機構が構成されている。
【００２１】
図１に戻って、ケース１２は、プラスチック、ステンレス鋼等の任意の材料で構成されている。ケース１２内部は、触媒１１を収納する燃料改質室としての触媒収納室１３と、触媒収納室１３の鉛直下方に配置される廃液収納室１４と、触媒収納室１３で発生した水素を取り出す水素分離室１５とに分割されている。
ケース１２において触媒収納室１３の鉛直上方には、インクジェット３０が固定され、ノズル３２が触媒１１に対向するように配置されている。触媒収納室１３と廃液収納室１４とは、メッシュ等の分離壁１６で分離されており、この分離壁１６上に触媒１１が載置されている。ここで分離壁１６は、メッシュ状の部材に限らず、板状部材に触媒１１の粒子径よりも小さい径の多数の孔が形成されている構成であってもよい。
また、触媒収納室１３と水素分離室１５とは気液分離膜１７で分離されている。気液分離膜１７は、セラミックス等の材料で構成され、膜厚方向に貫通する多数の孔を有するため、液体は通過させないが気体を通過させる性質を有する。
【００２２】
燃料電池２０は、電化質膜としての高分子固体電解形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC）であり、高分子固体電解質膜２１と、この高分子固体電解質膜２１の両面に一体的に形成される燃料極としてのアノード電極２２および空気極としてのカソード電極２３と、アノード電極２２側に配置され水素が供給される燃料室２４と、カソード電極２３側に配置され空気が供給される空気室２５とを備えている。なお、本実施形態では、説明を簡略化するため、図１に示すように単一の燃料電池セルで構成した燃料電池２０を図示するが、もちろん燃料電池２０を、燃料電池セルを複数枚積層したスタック構造としてもよい。
高分子固体電解質膜２１は、プロトン伝導性高分子で構成される高分子固体電解質材料で構成され、例えば高分子固体電解質樹脂が、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE)フィルムの多孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質樹脂としては、例えばナフィオン（デュポン社商標）等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが採用できる。また場合によってはこの高分子固体電解質樹脂に、電子導電性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミックス粉末などを加えてもよい。
なお、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムは、ＰＴＦＥの塊を延伸多孔化して得られる、多数の微小結節とそれらの微小結節から延出して微小結節相互を三次元的に連結する微細繊維とからなる構造を有する多孔質ＰＴＦＥフィルムであり、このフィルムには、厚み方向に貫通する多数の孔が形成される。
【００２３】
アノード電極２２およびカソード電極２３は、触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成されている。ここで、触媒としては、例えば白金や、白金およびルテニウムの合金等が採用できる。
燃料室２４は液密に構成されており、内部に燃料をアノード電極２２に均一に接触させるための図示しない燃料拡散層と、この燃料拡散層の外側に設けられて発生した電気エネルギを取り出す図示しない集電体とが収納されている。また、空気室２５は気密に構成されており、内部に空気をカソード電極２３に均一に接触させるための図示しない空気拡散層と、この空気拡散層の外側に設けられて、発生した電気エネルギを取り出す図示しない集電体とが収納されている。
【００２４】
燃料拡散層および空気拡散層は、メッシュの金属フォーム（例えばスチールウール等）からなる多孔性膜や、アルミニウム、ステンレス鋼等を採用でき、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等を採用してもよい。
燃料室２４は、改質器１０の水素分離室１５に連通しており、水素分離室１５で改質された水素が燃料室２４に供給可能となっている。また、空気室２５には、大気から空気の供給が可能となっている。なお、空気室２５に酸素を供給してもよい。
アノード電極２２側およびカソード電極２３側の集電体には、それぞれ図示しないリード線が接続されており、外部の負荷に接続されている。
【００２５】
供給制御手段４０は、改質器１０のインクジェット３０に電気的に接続されており、燃料電池２０の使用状態、つまり水素の消費量に応じてインクジェット３０での燃料の吐出動作を制御する。具体的には、例えば燃料電池２０を使用する場合にはインクジェット３０での燃料吐出を開始し、燃料電池２０の使用を停止する場合には、インクジェット３０の燃料吐出を停止する。このとき、燃料が吐出されてから改質された水素が燃料電池２０に供給されるまでの間には時間差が生じるので、供給制御手段４０は、この時間差を考慮して燃料吐出の開始タイミングおよび停止タイミングを制御することが望ましい。
ここで、改質器１０では、触媒収納室１３内に過剰の燃料が吐出されると、燃料の改質により水素が発生するが、その一方で燃料電池２０が稼働されておらず水素が消費されないと、触媒収納室１３内に水素が蓄積され、ケース１２の内部の圧力が上昇してしまう場合がある。ケース１２の内圧が高すぎると、ケース１２の内圧がインクジェット３０のノズル３２の耐水頭値を超えてしまい、触媒収納室１３内の水素がノズル３２内部に入ってしまい、吐出不良が出る可能性がある。
したがって、本実施形態では、供給制御手段４０は、ケース１２の内圧がインクジェット３０の耐水頭値を超えないようにインクジェット３０による燃料吐出を制御することが望ましい。また反対に、本実施形態では、インクジェット３０は、その耐水頭値が燃料電池２０の使用の範囲内でのケース１２の内圧を勘案して、その内圧に耐えうるように設定されることが望ましい。
【００２６】
ここで、耐水頭値を高く設定する具体的手段としては、例えば液滴の接触角を小さくするためノズルプレート３２１に撥インク処理を施す、ノズル３２のノズル径を小さくする、ノズル３２開口での表面張力の大きくなる材料を選択するなどの方法が考えられる。また、ノズル径を小さくしたことにより所望の吐出量が得られない場合には、ノズル３２を複数個設けて全体として吐出される燃料量を調整してもよい。このとき、一つの圧力発生室３３に対して複数のノズル３２を設けてもよい。
【００２７】
このような構成の燃料電池システム１は、次のように動作する。
供給制御手段４０からインクジェット３０に燃料吐出指令信号が出力されると、改質器１０では触媒収納室１３に燃料が吐出される。つまり、インクジェット３０の圧電振動子３４に所定の電圧を印加して縦振動を励振すると、圧電振動子３４が圧力発生室３３の外壁を押圧して圧力発生室３３を収縮させる。これにより、圧力発生室３３内の燃料が押し出され、ノズル３２から液滴となって吐出される。
図４(Ａ)および図４(Ｂ)は、ノズル３２から吐出される液滴を示す図である。この図４(Ａ)に示されるように、ノズル３２から吐出された燃料による液滴は、略球形となり、ノズル３２の穿設方向に沿って真っ直ぐ吐出される。液滴が吐出された後、圧電振動子３４を元の位置に戻し、その後さらにわずかに収縮させると、圧力発生室３３が膨張し、図４(Ｂ)に示されるように、ノズル３２開口で表面張力により半球状に突出した燃料をノズル３２内部へわずかに引き込む。これにより、燃料がノズル３２からこぼれるなどの不具合が確実に解消される。また、圧電振動子３４の変位を制御してノズル３２開口の燃料挙動を積極的に制御することにより、液滴の吐出量が安定する。
【００２８】
吐出された燃料の液滴は微量であるため、触媒収納室１３内で霧状となり、触媒１１に接触する。燃料は、触媒１１によってその改質が促進され、燃料から水素が取り出される。ここで、圧電振動子３４の振動は微小であるため、ノズル３２からは例えばピコリットル単位で燃料が吐出される。ケース１２の触媒収納室１３内では、燃料の改質により、吐出された燃料量に対して約５００倍の量の水素が発生する。したがって、ピコリットル単位で吐出された燃料に対してマイクロリットル単位の水素が発生することとなる。
燃料の改質が進むにつれて、触媒収納室１３内は、霧状に存在する燃料と、燃料から取り出された水素とが混合した状態となるが、これらのうち水素は気液分離膜１７を通過して燃料とは分離され、水素分離室１５に蓄積される。水素分離室１５に蓄積された水素は、燃料電池２０に供給される。
水素が取り出された後、廃液となった燃料は、分離壁１６を通って廃液収納室１４に収納される。これにより、触媒１１には常に未改質の燃料が接触可能となる。つまり、例えば燃料がメタノールである場合には、改質器１０にはメタノール水溶液が吐出され、改質が終了した後の廃液は水となる。また燃料が水素化ホウ素ナトリウム水溶液のボロハイドライド燃料である場合には、改質器１０には例えば水素化ホウ素ナトリウムが水酸化ナトリウムの溶液に溶かした状態で吐出され、改質が終了した後の廃液は酸化ホウ素の水酸化ナトリウム水溶液となる。
【００２９】
燃料電池２０では、改質器１０の水素分離室１５から燃料室２４に水素が供給され、燃料室２４内に充填されると、水素はアノード電極２２の触媒によって下記の式(１)の酸化反応を生じ、この反応によりプロトンＨ＋と電子ｅ−とを生成する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  …(１)
プロトンＨ＋は、高分子固体電解質膜２１を透過してカソード電極２３側に移動することにより、集電体の両端に電圧が生じる。プロトンＨ＋がカソード電極２３側に到達すると、外部の負荷を通って仕事をした後にカソード電極２３に到達した電子ｅ−とがカソード電極２３の触媒によって空気室２５内の空気中の酸素Ｏ２と反応して式(２)の還元反応が生じる。
1/2Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ  …(２)
カソード電極２３側で生成された水は、水蒸気として燃料電池２０外部に排出される。
燃料電池２０の稼働を停止する場合には、供給制御手段４０からインクジェット３０に燃料吐出停止指令信号を出力し、圧電振動子３４への電圧印加を停止することにより、触媒収納室１３への燃料吐出を停止する。
【００３０】
このような実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) 改質器１０がインクジェット３０を備え、このインクジェット３０が圧電振動子３４の振動によって燃料の液滴を吐出するので、触媒１１上に燃料を微量吐出できる。したがって、燃料電池２０に供給する水素の量を正確に制御でき、水素を必要な量のみ発生させることができるから、改質器１０の水素収納スペースを大きく確保する必要がない。よってケース１２を小さく構成できるから、改質器１０の小型化を促進でき、ひいては燃料電池システム１の小型化を促進できる。
【００３１】
(２) インクジェット３０によって触媒１１上に燃料を微量吐出できるので、特に触媒材料に加熱が必要なものを使用している場合では、燃料の吐出による触媒１１の温度の低下を防止でき、触媒１１の温度を適切に管理できる。したがって、触媒１１による燃料の改質効率の低下を防止でき、改質効率を向上させることができる。
【００３２】
(３) インクジェット３０が圧電振動子３４を吐出機構として備えているので、圧電振動子３４の振動で圧力発生室３３を圧縮することにより、例えば燃料を加熱するなどの燃料への温度変化を伴うことなく触媒１１へ微量吐出できる。したがって、燃料を常温で扱うことができ燃料の変質や劣化などを良好に防止できる。
また、このとき圧電振動子３４が圧力発生室３３の外壁に近接離間する方向に縦振動を励振して圧力発生室３３を圧縮する。圧電振動子３４は微小振動で比較的高駆動力が得られるので、例えば燃料の粘度が高い液体である場合などでも、圧力発生室３３を良好に圧縮でき、燃料を確実に吐出できる。したがって、燃料吐出の信頼性を向上させることができるとともに、広範囲の性状の燃料を吐出できるので、改質器１０の適用範囲を広くすることができ、改質器１０の汎用性を向上させることができる。
【００３３】
(４) 改質器１０のケース１２が気液分離膜１７によって触媒収納室１３と水素分離室１５とに分離されているので、触媒収納室１３で改質された水素を燃料から良好に分離して取り出すことができる。これにより、燃料電池２０に純度の高い水素を供給でき、燃料電池２０の発電効率を向上させることができる。
また、ケース１２内部において、触媒１１の鉛直下方に廃液収納室１４が設けられているので、改質が終了して水素が取り出された後の燃料を廃液収納室１４に収納できる。したがって、触媒１１が廃液で覆われるのを防止でき、吐出された燃料が常に触媒１１に接触できる。よって、燃料の改質効率を向上させることができる。また、廃液収納室１４が触媒収納室１３と分離壁１６で分離されているので、廃液収納室１４に蓄積された廃液を廃棄する場合にも、触媒収納室１３内の触媒がこぼれることなく良好に廃液を廃棄できるから、改質器１０の取扱性を向上させることができる。
【００３４】
(５) 燃料として、アルコール系燃料、有機ハイドライド燃料、およびボロハイドライド燃料のいずれかを採用しているので、簡単な構造で燃料を改質して水素を取り出すことができ、良好な取扱性を得られる。特に燃料として水素化ホウ素ナトリウム水溶液等のボロハイドライド燃料を採用した場合では、常温での改質が可能なので加熱装置などが不要となり、改質器１０の構造を簡略化でき、燃料電池システム１の小型化をより一層促進できる。
【００３５】
(６) 供給制御手段４０が設けられているので、燃料電池２０の稼働状況に応じて改質器１０への燃料吐出を制御できる。つまり、燃料電池２０が稼働している場合には、改質器１０への燃料の吐出をし、燃料電池２０が稼働していない場合には、改質器１０への燃料の吐出を停止する。したがって燃料電池２０が稼働して水素が必要な場合のみに改質器１０に燃料を吐出でき、必要な量の水素のみを発生させることができる。これによってもケース１２を小さく構成できるとともに、別途水素を蓄積するためのスペースを確保する必要もないため、燃料電池システム１の小型化をより一層促進できる。
【００３６】
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。
液滴吐出手段は、図２に示されるような構造のものに限らず、例えば図５に示されるような構造であってもよい。図５において、インクジェット（液滴吐出手段）３０は、それぞれ適宜孔が穿設された板状部材を積層することにより液体の流路を形成する構造となっており、図２のインクジェット３０と同様にインク室３１、ノズル３２、圧力発生室３３および圧電振動子３４を備えている。圧電振動子３４は、略矩形板状に形成され、その長手方向がそれぞれの圧力発生室３３の外壁に沿って固定されている。この圧電振動子３４の両面には駆動電極３４１が形成されている。駆動電極３４１間に電圧を印加すると、圧電振動子３４が長手方向に収縮して圧力発生室３３外壁にほぼ平行に縦振動を励振するが、一方の面が圧力発生室３３の外壁に固定されているので、収縮が阻害され、その結果圧電振動子３４および圧力発生室３３の外壁が縦振動と略直交する方向、つまり圧力発生室３３に向かって撓み圧力発生室３３を圧縮する。この圧縮により、圧力発生室３３内の燃料がノズル３２から吐出される。
【００３７】
このように、圧電振動子３４が、圧力発生室３３外壁にほぼ平行に縦振動を励振することにより、縦振動と略直交する方向に撓み振動を励振する向きに設けられている構成の液滴吐出手段においても、圧電振動子３４の変位によって燃料を吐出するため、加熱などが不要となり、燃料の性能劣化を確実に防止できる。また、圧電振動子３４の変位によって燃料の吐出量を制御しているため、微量吐出が可能となり、水素の発生量を的確に制御できる。
また、撓み振動により圧力発生室３３外壁を圧縮するので、圧電振動子３４の縦振動を利用する場合に比べて、圧力発生室３３の圧縮量を大きくできる。したがって、燃料の吐出量の調整範囲を多くできるので、燃料電池２０の使用状況に応じた制御をより柔軟に行うことができる。
【００３８】
燃料および触媒は、前述のものに限らず、任意の材料を採用できる。
供給制御手段は、燃料電池が稼働する場合に液滴吐出手段に燃料を吐出させるものに限らず、例えば燃料電池の稼働状態に応じて、液滴吐出手段による触媒への燃料吐出量を調整してもよい。この場合には、供給制御手段を燃料電池の外部負荷に接続し、外部負荷に流れる燃料電池からの発生電流を監視する等、燃料電池での水素の消費量を監視する構成としてもよい。つまり、供給制御手段は、発生電流を監視する構成である場合には、発生電流の電流値に応じて液滴吐出手段を制御すればよく、例えば電流値が所望の電流値よりも小さい場合には、燃料室内の水素が少ないと判断して液滴吐出手段の燃料吐出量を増加させ、改質器から供給される水素量を増加させる制御を行ってもよい。ここで、液滴吐出手段での燃料吐出量を調整する場合には、圧電振動子に印加する電圧値や、周波数、電圧印加波形などを調整すればよい。また、液滴の吐出量や吐出速度を調整する場合には、圧電振動子の変位量や変位速度などを調整すればよい。
供給制御手段が燃料電池の稼働状況、つまり水素の消費量に応じて圧電振動子の振動挙動を制御し、触媒への燃料吐出量を調整するので、必要な量の水素のみを発生させることができ、水素の収納スペースを最小限に抑制できるから、燃料電池システムの小型化を促進できる。
【００３９】
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】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムを示す概略構成図。
【図２】改質器の液滴吐出手段を示す断面図。
【図３】液滴吐出手段のノズルの拡大断面図。
【図４】ノズルの液滴吐出を示す断面図。
【図５】液滴吐出手段の変形例を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池システム、１０…改質器、１１…触媒、１２…ケース、１３…触媒収納室、１４…廃液収納室、１５…水素分離室、１７…気液分離膜、２０…燃料電池、２１…高分子固体電解質膜（電解質膜）、２２…アノード電極（燃料極）、２３…カソード電極（空気極）、２４…燃料室、２５…空気室、３０…インクジェット（液滴吐出手段）、３１…インク室（燃料収納室）、３２…ノズル、３３…圧力発生室、３４…圧電振動子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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