JP2007184235A - マイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器及びその製造方法 - Google Patents

マイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池に用いられる薄膜型ＬＴＣＣ材質のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一側に燃料導入口が設けられたセラミック材料の上部蓋と、上記上部蓋の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、内部流路を具備して上記上部蓋を通して流入した燃料を気化させる蒸発部と、上記蒸発部の一側に一体に形成され複数のセラミック層から成り、内部流路に触媒を具備して上記蒸発部から流入した燃料気体を水素に改質させる改質部と、上記改質部の一側に一体に形成され複数のセラミック層から成り、触媒を具備して上記改質部から流入した改質ガスからＣＯを除去させるＣＯ除去部と、上記ＣＯ除去部の一側に一体に形成され改質ガス排出口を設けて改質ガスを外部へ排出させるセラミック材料の下部蓋とを含む、マイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に用いられる薄型改質器に関し、より詳しくは薄膜型ＬＴＣＣ （Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆiｒｅｄ Ｃｅｒａｍiｃ） 材質を積層焼成してガスケット（ｇａｓｋｅｔ）やスクリュー（ｓｃｒｅｗ）の不要な超軽量のセラミック（Ｃｅｒａｍiｃ）構造物に製作可能であることで、反応気体の外部漏れ（Ｌｅａｋａｇｅ）を効果的に密封（Ｓｅａｌiｎｇ）処理し、改質反応温度による影響を最小化させ、製品の軽量化が可能になるように改善したマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器及びその製造方法に関する。
近年、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノート・コンピュータＰＣなど携帯用小型電子機器の使用が増加しており、特に携帯電話用ＤＭＢ放送が開始されることにより携帯用小型端末機において電源性能の向上が求められている。現在、一般的に使用されているリチウムイオン２次電池は、その用量がＤＭＢ放送を２時間視聴できるレベルであり、性能向上が進んではいるが、より根本的な解決方案として小型燃料電池に対する期待が高まっている。
このような小型燃料電池を実現することができる方式としては、燃料極にメタノールを直接供給する直接メタノール（Ｄiｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ）方式と、メタノールから水素を抽出して燃料極に注入するＲＨＦＣ（Ｒｅｆｏｒｍｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式があり、ＲＨＦＣ方式はＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）方式のように水素を燃料に用いるため、高出力化、単位体積当たり実現可能な電力用量、そして水以外の反応物がないという長所があるが、システムに改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）を追加せざるを得ないので小型化に不利な短所も有している。
このように燃料電池が高い電源出力密度を得るためには、液体燃料を水素ガスなどの気体燃料にするための改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が必ず用いられる。このような改質器はメタノール水溶液を気化させる蒸発部と、２００℃乃至３２０℃の温度で触媒反応を通じて燃料であるメタノールを水素に転換する改質部と、そして副産物であるＣＯを除去するＣＯ除去部（またはＰＲＯＸ部）とで構成されている。上記改質部においては吸熱反応が進み、温度を２００℃乃至３２０℃の間に保持させなければならず、発熱反応が進むＣＯ除去部も１５０℃乃至２２０℃程度の温度に一定に保持させ反応効率を良好にする技術的な接近が必要である。
現在、燃料電池は移動電源用に用いるには体積が大きい過ぎるという短所がある。小型化すべく、直接メタノール燃料電池を研究しているが、効率が低いため結局にはＰＥＭＦＣで発展させるべきである。ＤＭＦＣとＰＥＭＦＣにおいて最大の差異点は、改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）である。小型燃料電池を駆動させるためには小型改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が必要である。
このような改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）(燃料改質)技術は、燃料電池スタック運転に必須的な水素生産及び供給システム技術であり、これの高効率化のために基本的に小型化、軽量化、始動の迅速性及び速い動的応答特性、そして生産費用を下げることが重要である。
現在まで開発されている改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）はウェーハ（Ｗａｆｅｒ）やアルミニウムなどの金属材質で作製され、ガスケット（ｇａｓｋｅｔ）を使用している。このように金属材質を用いると常温では全く問題なく使用することができるが、高温では金属材料の特性上、作動温度の制約を受ける。
また、一体型ではないため燃料やガスが漏れる恐れがあり、このような改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）を製作しようとする場合には、高温（２００〜３２０℃）でも耐えられ、かつ耐久性の良いガスケット（ｇａｓｋｅｔ）を要する。
このようにガスケット（ｇａｓｋｅｔ）を用いると体積が一体型より多少増加してしまう。また金属材質で改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）を作製するため重さも重くなる。しなしながら、移動器機用燃料電池は小型化することが目的であり、最大の問題でもあるためより体積を小さくて、かつ軽くする方法の研究が必要である。
図１には、従来の改質器２５０として特許文献１に提示された構造がある。このような従来の技術は、平板型蓋で成る第１基板２５２と、一側面には流路溝２５４ａを形成し、触媒層２５４ｂを形成した第２基板２５４と、鏡面２５６ａが形成された断熱空洞２５６ｂを有する第３基板２５６と、上記第２基板２５４の溝２５４ａを介して形成され、メタノール及び水から水素ガスとＣＯ２を生成する触媒層２５４ｂを有する改質部を具備し、上記改質部に沿って触媒層２５４ｂの下に配置された薄膜ヒーター２５８を具備した構造である。
このような従来の技術は、流路内に加熱手段であるヒーター２５８を具備することで熱効率は向上するが、その構造は複雑なため製作し難いものであり、触媒層２５４ｂは一部分に限定され、改質効率は低いものである。
図２には、他の従来の改質器３００として、特許文献２に提示された構造が示されている。このような従来の技術は両基板３１１、３１２の間には高熱伝導性のアルミニウムなどから成る高効率の熱伝導部３１３が備えられており、主基板３１１の内面に形成される微小な流路３１４内には反応触媒層３１６が備えられている。
上記燃焼用基板３１２の内面に形成される微小な流路３１５内には燃焼触媒層３１７が備えられており、上記燃焼用基板３１２の外面には薄膜ヒーター３２３が備えられている。
しかしながら、上記のような従来の構造は基板に流路を加工しなければならないため、製作過程が難しく、改質器の小型化と軽量化が難しいという問題点を有している。
特開２００３−４５４５９号 特開２００４−０６６００８号
本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためのものであり、その目的はガスケットやスクリューなどが不要であり、完全シーリングを成して安定的な作動を確保するのは勿論、小型の薄型構造と軽量化を成すことが可能であるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器及びその製造方法を提供することである。
上記のような目的を達成するために本発明は、マイクロ燃料電池に用いられる薄型改質器において、一側に燃料導入口が設けられたセラミック材料の上部蓋と、上記上部蓋の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、内部流路を具備して上記上部蓋を介して流入した燃料を気化させる蒸発部と、上記蒸発部の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、内部流路に触媒を具備して上記蒸発部から流入した燃料気体を水素に改質させる改質部と、上記改質部の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、触媒を具備して上記改質部から流入した改質ガスからＣＯを除去させるＣＯ除去部と、上記ＣＯ除去部の一側に一体に形成され、改質ガス排出口を設けて改質ガスを外部へ排出させるセラミック材料の下部蓋とを含むことを特徴とする、マイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器を提供する。
そして、本発明はマイクロ燃料電池に用いられる薄型改質器の製造方法において、セラミック材料の原板を加工し、上部蓋、蒸発部、改質部、ＣＯ除去部及び下部蓋とを形成する段階と、上記蒸発部、改質部及びＣＯ除去部の下部に熱線を配置する段階と、上記上部蓋、蒸発部、改質部、ＣＯ除去部及び下部蓋を重畳させて焼成し、一体化する段階と、上記改質部とＣＯ除去部にそれぞれ触媒を充填する段階とを含むことを特徴とする、マイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の製造方法を提供する。
本発明により得られた改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）は、従前の金属材質の改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）のみならず、従来のボルト締結式ＬＴＣＣとガスケット（ｇａｓｋｅｔ）を使用した改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）より体積が小さくて、重量も少ない小型を実現することができる。
また、本発明は一度に焼成をさせて形成する構造物であるので、従前のガスケット（ｇａｓｋｅｔ）タイプより気体漏れが生じる問題点を完全に補完することが可能であり、ＬＴＣＣ特性上、常温のみならず高温でも十分運転が可能であり作動温度に制限を受けない効果も得る。
したがって、本発明によればマイクロ燃料電池に使用可能な小型の薄型構造は軽量化を成す効果を奏する。
以下、本発明の好ましき実施例についてよりより詳しく説明する。
本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器１は、図３および図７に示しているように、一側に燃料導入口１２が設けられた上部蓋１０を有する。上記上部蓋１０は、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆiｒｅｄ Ｃｅｒａｍiｃ）を利用して成る。
本発明で使用するＬＴＣＣはセラミック材質のグリーンシート（Ｇｒｅｅｎ ｓｈｅｅｔ）として０．１〜１ｍｍ程度の厚さの材料を用い、焼成後には有機物バインダーが全て酸化されなくなり、セラミック材質だけ残るため熱による変形が起こらない長所がある。また、ＬＴＣＣ工程技術はセラミックテープ（ｔａｐｅ）を用いてパターンを形成した後、焼成過程を経て一つの構造物を作製することが可能な技術である。
そして、本発明は上記上部蓋１０の一側に一体に形成され複数のセラミック層から成り、内部流路を具備し上記上部蓋を通して流入した燃料を気化させる蒸発部２０を有する。
上記蒸発部２０は、図４に詳しく示されているように、複数のセラミック層がＬＴＣＣから成り、これらが積層焼成され一つの構造体を成す。
即ち、上記蒸発部２０は、好ましくは複数の内部流路がジグザグ蛇行で各々互いに同じく貫通形成され、互いに重畳して積層され流路貫通部２５ａを形成する複数の流路層２５と、上記流路層２５の下部に一体に形成され上記流路層２５に具備された流路貫通部２５ａの下面を塞いで内部流路２０ａを形成し、この後説明する改質部４０と区分けされるようにする受層２７を含む。
上記受層２７の下面には白金またはタンタルアルミニウムのような材料がパターンで形成され、この後説明しているように蒸発部２０を加熱させる熱線２９を構成する。
また、上記受層２７には上記内部流路を通して液体から気体に気化された燃料気体を、この後説明する改質部４０に移送するための燃料気体移送口２７ａが一側に形成されている。
そして、本発明は上記蒸発部２０の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、内部流路に触媒を具備して上記蒸発部２０から流入した燃料気体を水素に改質させる改質部４０を有する。
上記改質部４０は、上記蒸発部２０に連結されて一体に形成されたものであって、その流路４０ａはジグザグ蛇行で形成され、流路内には燃料を水素気体に改質させる触媒４２を内蔵した構造である。
上記改質部４０は図５に詳しく示されているように、複数のセラミック層がＬＴＣＣから成り、これらが互いに積層焼成され一つの構造体を成す。
即ち、上記改質部４０は複数の内部流路が各々互いに同じく貫通形成され、互いに重畳して積層され流路貫通部４５ａを形成する複数の流路層４５と、上記流路層４５の下部に一体に形成され、上記流路層４５に具備された流路貫通部４５ａの下面を塞いで流路４０ａを形成し、この後説明するＣＯ除去部６０と区分けされるようにする受層４７を含む。
上記改質部４０は、燃料気体を触媒反応によって水素の豊富な改質ガスに転換するようになり、上記改質部４０の触媒４２ではＣｕ／ＺｎＯまたはＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３が使用され、上記触媒４２は、好ましくは上記内部流路４０ａ 内に充填される触媒粒子から成ることができる。このような場合、上記触媒４２粒子の大きさは改質部４０の前方側の蒸発部２０に、もしくは改質部４０の後方側のＣＯ除去部６０の側にすり抜けない大きいサイズで形成され得る。
また、上記改質部４０は上記受層４７の下面に白金またはタンタルアルミニウムのような材料がパターンで形成され、この後に説明するように改質部４０を加熱させる熱線４９を構成する。
このような上記改質部４０の熱線４９は、この後説明するＣＯ除去部６０を加熱させるにも効果的に使用できる。
即ち、上記受層４７に形成された熱線４９はＣＯ除去部６０の上部に位置するようになるので、ＣＯ除去部６０の加熱においても効果的である。
そして、上記改質部４０の受層４７には上記内部流路４０ａの触媒４２との反応を通して燃料気体から得られた改質ガスを、この後説明するＣＯ除去部６０に移送するための改質ガス移送口４７ａが一側に形成されている。
また、本発明は上記改質部４０の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、触媒６２を具備して上記改質部４０から流入した改質ガスからＣＯを除去させるＣＯ除去部６０とを含む。
上記ＣＯ除去部６０は、上記改質部４０に連結されて一体に形成されたものであって、その流路６０ａはジグザグの蛇行で形成され、流路６０ａ内には上記改質部４０から流入した改質ガス内に含まれた人体に有害な一酸化炭素（ＣＯ）を、人体に無害な二酸化炭素（ＣＯ２）に変換させる触媒６２が内蔵された構造である。
上記ＣＯ除去部６０は、図６に詳しく示されているように、複数のセラミック層がＬＴＣＣから成り、これらが互いに積層焼成され一つの構造体を成す。
即ち、上記ＣＯ除去部６０は複数の内部流路が各々互いに同じく貫通形成され互いに重畳して積層され流路貫通部６５ａを形成する複数の流路層６５と、上記流路層６５の下部に一体に形成され上記流路層６５に具備された流路貫通部６５ａの下面を塞いで、この後説明する下部蓋８０と区分けされるようにする受層６７を含む。
また、上記流路層６５の一側には空気流入口７２が形成される。このような空気流入口７２はＣＯ除去部６０に内蔵された触媒６２が一酸化炭素を二酸化炭素に転換する過程において必要な酸素を外部から提供するためである。
このように上記ＣＯ除去部６０は、改質ガス内に含まれた一酸化炭素を二酸化炭素に転換するようになり、そのために上記ＣＯ除去部６０で用いられる触媒６２は、好ましくは、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｒｕ、Ｃｕ／ＣｅＯ／Ａｌ２Ｏ３のいずれか一つから成る粒子形態を具備することができる。
上記のような場合、上記触媒６２粒子の大きさはＣＯ除去部６０の前方側の改質部４０に、もしくは上記ＣＯ除去部６０の後方側にすり抜けない大きいサイズで形成され得る。
そして、上記ＣＯ除去部６０の受層６７には上記内部流路６０ａを通して一酸化炭素が二酸化炭素に変換され、水素ガスが含まれた改質ガスを外部へ排出するための改質ガス排出口６７ａが一側に形成されている。
また、本発明は上記ＣＯ除去部６０の一側に一体に形成され、改質ガス排出口８２を設け、改質ガスを外部へ排出させる下部蓋８０とを含む。
上記下部蓋８０は、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆiｒｅｄ Ｃｅｒａｍiｃ）を利用して成り、改質ガス排出口８２を形成して改質ガスを外部へ排出させるのである。
上記のように構成された本発明のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器１は、上部蓋１０の燃料導入口２を通して液体状態の燃料が蒸発部２０の内部流路に導入される。このような液体燃料は、蒸発部２０からその受層２７の下面に設けられた熱線２９によって改質に必要な温度、即ち、２００〜３２０℃の間の温度に加熱されて気化される。
その後、上記気化された燃料は蒸発部２０の後流側に形成された燃料気体移送口２７ａを通して改質部４０に移動される。このような改質部４０では吸熱反応を伴う触媒反応を経るようになり、この過程で燃料気体は改質部４０の受層４７の下面に形成された熱線４９によって２００〜３２０℃の間の温度に加熱保持されながら触媒反応によって水素ガス、ＣＯ、ＣＯ２を含む改質ガスに変換される。
そして、このような改質ガスは改質部４０の後流側に形成された改質ガス移送口４７ａを通してその後流側のＣＯ除去部６０に移動される。
従って、上記改質ガスは空気流入口７２を通して空気流入が行われる状態でＣＯ除去部６０を通過するようになる。
上記ＣＯ除去部６０では、１５０〜２２０℃程度の温度で発熱反応がともなわれながら、選択酸化の触媒反応が行われ改質ガス内のＣＯは、ＣＯ２に変換され人体に無害に除去されるのである。
このような状態で改質ガスがＣＯ除去部６０を通過すると水素ガスとＣＯ２を含む、人体に無害な改質ガスが生成され、これはＣＯ除去部６０の受層６７に形成された改質ガス排出口６７ａと下部蓋８０の改質ガス排出口８２を通して外部へ排出される。
上記のような過程で、本発明は改質部４０の下面に装着された熱線４９は２００〜３２０℃の間の改質部４０において必要な熱と、ＣＯ除去部６０において必要な熱を提供するようになる。
また、本発明はＣＯ除去部６０の酸化反応に必要な空気を外部から供給して与えなければならず、このような場合、ＣＯ除去部６０の流路層６５に形成された空気流入口７２を通して外部のポンプ（図示せず）から空気が内部に供給されることで、効果的にＣＯをＣＯ２に変換させることができるのである。
上記のような本発明のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器１を製造する方法は、下記のようである。
本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の製造方法は、ＬＴＣＣ原板を加工し、上部蓋１０、蒸発部２０、改質部４０、ＣＯ除去部６０及び下部蓋８０とを形成する段階を有する。
上記段階は、０．１〜１ｍｍ程度の厚さのＬＴＣＣを成すセラミックグリーンシートを物理的に加工するようになり、このようなＬＴＣＣを成すセラミックグリーンシートはＰＣＢ加工機を利用して上部蓋１０、蒸発部２０、改質部４０、ＣＯ除去部６０及び下部蓋８０を所望の形に加工する。
即ち、上部蓋１０には燃料導入口１２を設け、蒸発部２０には流路層２５を形成するように複数のＬＴＣＣセラミックグリーンシートに流路貫通部２５ａを形成し、受層２７には燃料気体移送口２７ａを形成する。そして、これらを積層させ蒸発部２０を形成する。
また、上記改質部４０は流路層４５を形成するように複数のＬＴＣＣセラミックグリーンシートに流路貫通部４５ａを形成し、受層４７には改質ガス移送口４７ａを形成し、上記流路層４５と受層４７を積層させ改質部４０を形成する。
また、上記ＣＯ除去部６０は流路層６５を形成するように複数のＬＴＣＣセラミックグリーンシートに流路貫通部６５ａを形成しており、一側には空気流入口７２を形成した後、受層６７には改質ガス排出口６７ａを形成する。
そして、流路層６５と受層６７を積層させＣＯ除去部６０を形成する。
また、下部蓋８０には改質ガス排出口８２を上記ＣＯ除去部６０の改質ガス排出口６７ａに一致させて形成する。
そして本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の製造方法は、上記蒸発部２０、改質部４０の下部に熱線２９、４９を配置する段階が行われる。
これは上記蒸発部２０と改質部４０の受層２７、４７の下面に白金またはタンタルアルミニウムのような材料をパターンで形成して熱線２９、４９を構成する。
また、上記のように熱線２９、４９の配置が完了した後には、上記上部蓋１０、蒸発部２０、改質部４０、ＣＯ除去部６０及び下部蓋８０を重畳させて焼成し、一体化する段階が行われる。
このような一体化段階は、焼成炉（図示せず）の内部に上部蓋１０、蒸発部２０、改質部４０、ＣＯ除去部６０及び下部蓋８０を積層した後、図８に示しているような一連の焼成過程を経って一体化し、一つの構造物を形成する。
即ち、このような一体化段階は、先ず焼成炉内の温度を１．５℃／分当り上昇させながら２５０℃まで上昇させる。その後、このように２５０℃に上昇した状態で１２０分間保持させる。さらに、次に３℃／分当り上昇させながら６００℃まで上昇させる。その後、このように６００℃に上昇した状態で３０分間保持させる。
また、これから５℃／分当り上昇させながら８５０℃まで上昇させる。その後、このように８５０℃に上昇した状態で３０分間保持させる。そして最後に自然空冷させる。
上記のように、焼成処理するとセラミック積層体を形成するＬＴＣＣは焼成後に有機物バインダーが全て酸化されてなくなり、セラミック材質だけ残るため、熱による変形が起こらず、堅固な構造体を形成する長所がある。
また、このようなＬＴＣＣ工程技術はセラミックグリーンシートに熱線パターンを形成した後、積層して焼成過程を経って一つの構造物に作製することができるため製作が非常に便利である。
また、ＬＴＣＣを成すセラミックグリーンシートはＰＣＢ加工機を利用して所望の形に流路２０ａ、４０ａ、６０ａを形成する加工をするようになるが、ＬＴＣＣはその焼成前には物性が非常に柔らかいため金属材質の材料より加工しやすく、かつ加工時間も短い。さらに、加工後にはボックス型焼成炉（ＢＯＸ Ｆｕｒｎａｃｅ）を利用して段階別に温度を上昇させ焼成する。
上記のように焼成が完了すると、非常に堅く固まったＬＴＣＣ改質器構造物を得ることができる。
また、本発明は上記改質部４０とＣＯ除去部６０に各々触媒４２、６２を充填する段階らを含む。
このような段階は、上記焼成化段階において各々改質部４０とＣＯ除去部６０の内部に流路４０ａ、６０ａが形成されると、このような内部流路４０ａ、６０ａにそれぞれ必要な触媒４２、６２を充填するようになる。このような場合には、上記改質部４０とＣＯ除去部６０の内部流路４０ａ、６０ａに連通するように各々本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器１の側面に各々触媒投入口（図示せず）を形成した後、上記投入口を通して各々粒子型触媒４２、６２を充填し、上記投入口をセラミック材料で密封させる。
このような場合に上記改質部４０の触媒４２では、Ｃｕ／ＺｎＯまたはＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３が使用され、上記粒子らの大きさは改質部４０の前方側の蒸発部２０に、もしくは改質部４０の後方側のＣＯ除去部６０の側にすり抜けない大きいサイズで形成されたものである。
また、上記ＣＯ除去部６０で用いられる触媒６２は、好ましくは、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｒｕ、Ｃｕ／ＣｅＯ／Ａｌ２Ｏ３のいずれか一つから成る粒子形態を具備したものであり、上記触媒６２粒子の大きさはＣＯ除去部６０の前方側の改質部４０に、もしくは上記ＣＯ除去部６０の後方側にすり抜けない大きいサイズで形成されたものである。
従って、本発明によれば、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆiｒｅｄ Ｃｅｒａｍiｃ）材質を用いた一体型改質器システムを構築することができることでガスケット（ｇａｓｋｅｔ）やスクリュー（ｓｃｒｅｗ）が要らない超軽量のセラミック（Ｃｅｒａｍiｃ）構造物を構築することができる。
上記において本発明は、特定の実施例に関して図示して説明したが、これは唯例示的に本発明を説明するために記載されたものであり、本発明をこのように特定構造に制限するものではない。当業界において通常の知識を有する者であれば、以下の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内において本発明を多様に修正及び変更させることが可能であることがわかる。しかしながら、このような修正および変更構造は全て本発明の権利範囲内に含まれるものであることを明らかにして置く。
従来の技術によるマイクロ燃料電池用改質器を示す断面図である。 従来の技術によるマイクロ燃料電池用改質器の他の構造を示す断面図である。 本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器を示す分解斜視図である。 本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の蒸発部を示す構造図であって、ａは分解斜視図で、ｂは断面図である。 本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の改質部を示す構造図であって、ａは分解斜視図で、ｂ図は断面図である。 本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器のＣＯ除去部を示す構造図であって、ａ図は分解斜視図で、ｂは断面図である。 本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の積層構造図である。 本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器を製造するために焼成処理する工程を示すグラフ図である。
符号の説明
１ 本発明によるマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器
１０ 上部蓋
２０ 蒸発部
２５ 流路層
２５ａ 流路貫通部
２７ 受層
２９ 熱線
４０ 改質部
４２ 触媒
４５ 流路層
４５ａ 流路貫通部
４７ 受層
４９ 熱線
６０ ＣＯ除去部
６２ 触媒
６５ 流路層
６５ａ 流路貫通部
６７ 受層
７２ 空気流入口
８０ 下部蓋
８２ 改質ガス排出口
２５０ 従来の改質器
２５２ 第１基板
２５４ 第２基板
２５６ 第３基板
２５８ ヒーター
３００ 従来の改質器
３１１、３１２ 基板
３１３ 熱伝導部
３１４ 流路
３１６ 反応触媒層
３２３ ヒーター

Claims (13)

  1. マイクロ燃料電池に用いられる薄型改質器において、
    一側に燃料導入口が設けられたセラミック材料の上部蓋と、
    前記上部蓋の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、内部流路を具備して前記上部蓋を介して流入した燃料を気化させる蒸発部と、
    前記蒸発部の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、内部流路に触媒を具備して前記蒸発部から流入した燃料気体を水素に改質させる改質部と、
    前記改質部の一側に一体に形成され、複数のセラミック層から成り、触媒を具備して前記改質部から流入した改質ガスからＣＯを除去させるＣＯ除去部と、
    前記ＣＯ除去部の一側に一体に形成され、改質ガス排出口を設けて改質ガスを外部へ排出させるセラミック材料の下部蓋と、
    を含むことを特徴とする、マイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  2. 前記蒸発部は、複数の内部流路がジグザグ蛇行で各々互いに同じく貫通形成され、互いに重畳して積層され流路貫通部を形成する複数の流路層と、
    前記流路層の下部に一体に形成され前記流路層に具備された流路貫通部の下面を塞いで内部流路を形成し、前記改質部と区分けされるようにする受層を含み、前記受層の下面には蒸発部を加熱させる熱線とを備えたものであることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  3. 前記受層には前記内部流路を通して液体から気体に気化した燃料気体を改質部に移送するための燃料気体移送口が形成されることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  4. 前記改質部は、複数の内部流路が各々互いに同じく貫通形成され、互いに重畳して積層され流路貫通部を形成する複数の流路層と、
    前記流路層の下部に一体に形成され前記流路層に具備された流路貫通部の下面を塞いで流路を形成し、ＣＯ除去部と区分けされるようにする受層を含み、
    前記内部流路内には触媒粒子が充填され、前記受層の下面には改質部を加熱させる熱線と、
    を含むことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  5. 前記改質部の触媒は、Ｃｕ／ＺｎＯまたはＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３が用いられることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  6. 前記受層には前記内部流路の触媒との反応を通じて燃料気体から得られた改質ガスをＣＯ除去部に移送するための改質ガス移送口が設けられることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  7. 前記ＣＯ除去部は、複数の内部流路が各々互いに同じく貫通形成され、互いに重畳して積層され流路貫通部を形成する複数の流路層と、
    前記流路層の下部に一体に形成され前記流路層に具備された流路貫通部の下面を塞いで下部蓋と区分けされるようにする受層を含み、
    前記内部流路内には一酸化炭素を二酸化炭素に転換する触媒が内蔵されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  8. 前記ＣＯ除去部の触媒は、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｒｕ、Ｃｕ／ＣｅＯ／Ａｌ２Ｏ３のいずれか一つから成る粒子形態を具備したものであることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  9. 前記流路層の一側には触媒が一酸化炭素を二酸化炭素に転換する過程において必要な酸素を外部から提供するための空気流入口が設けられ、
    前記受層には前記内部流路を通して生成された改質ガスを外部へ排出するための改質ガス排出口が一側に形成されることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  10. 前記セラミックは、ＬＴＣＣ （Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆiｒｅｄ Ｃｅｒａｍiｃ）であることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器。
  11. マイクロ燃料電池に用いられる薄型改質器の製造方法において、
    セラミック材料の原板を加工し、上部蓋、蒸発部、改質部、ＣＯ除去部及び下部蓋とを形成する段階と、
    前記蒸発部、改質部及びＣＯ除去部の下部に熱線を配置する段階と、
    前記上部蓋、蒸発部、改質部、ＣＯ除去部及び下部蓋を重畳させて焼成し、一体化する段階と、
    前記改質部とＣＯ除去部にそれぞれ触媒を充填する段階と、
    を含むことを特徴とする、マイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の製造方法。
  12. 前記セラミックは、ＬＴＣＣ （Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆiｒｅｄ Ｃｅｒａｍiｃ）であることを特徴とする、請求項１１に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の製造方法。
  13. 前記一体化段階は、
    焼成炉内の温度を１．５℃／分当り上昇させながら２５０℃まで上昇させる段階と、
    前記２５０℃に上昇した状態で１２０分間保持させる段階と、
    ３℃／分当り上昇させながら６００℃まで上昇させる段階と、
    ６００℃に上昇した状態で３０分間保持させる段階と、
    ５℃／分当り上昇させながら８５０℃まで上昇させる段階と、
    ８５０℃に上昇した状態で３０分間保持させる段階と、
    自然空冷させる段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項１１に記載のマイクロ燃料電池用セラミック多層基板改質器の製造方法。
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