JP2005294152A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Norihisa Chitose
範壽 千歳
Kazunori Adachi
和則 足立
Koji Hoshino
孝二 星野
Takashi Hosoi
敬 細井
Kiichi Komada
紀一 駒田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell provided with an inside reforming mechanism in which a gas flow passage of superior circulation is secured, and in which excellent reforming performance is obtained in a fuel cell stack without being affected by a supported amount of a reforming catalyst. <P>SOLUTION: A fuel electrode layer 3 and an air electrode layer 4 are arranged on both faces of a solid electrolyte layer 2, a fuel electrode current collector 6 and an air electrode current collector 7 composed of a porous metal are respectively arranged on the outside of the fuel electrode layer 2 and the air electrode layer 4, and a separator 8 is arranged outside these current collectors 6, 7. A reforming catalyst layer 20 is arranged between the separator 8 and the fuel electrode current collector 6. The reforming catalyst layer 20 is constituted by supporting hydrocarbon reforming catalyst grains on the porous metal. By this constitution, the gas flow passage of superior circulation can always be secured in the fuel cell stack 1 without being affected by a filling amount of the hydrocarbon reforming catalyst. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、セパレータと電極層との間に多孔質金属による集電体を介在した構造を有する固体酸化物形燃料電池の内部改質機構に関するものである。   The present invention relates to an internal reforming mechanism of a solid oxide fuel cell having a structure in which a current collector made of a porous metal is interposed between a separator and an electrode layer.

上記固体酸化物形燃料電池は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この種の固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の3種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極層(カソード)と燃料極層(アノード)で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルを、間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してセパレータと交互に複数積層することにより、高出力の燃料電池スタックを構成することができる。   The solid oxide fuel cell is being developed as a third generation fuel cell for power generation. Currently, three types of solid oxide fuel cells of this type have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type, each of which has a solid electrolyte made of an oxide ion conductor on both sides of the air electrode layer ( It has a laminated structure sandwiched between a cathode) and a fuel electrode layer (anode). A high-power fuel cell stack can be configured by stacking a plurality of power generation cells made of this laminate alternately with separators with a fuel electrode current collector and an air electrode current collector interposed therebetween.

固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極層側に酸化剤ガス(酸素) が、燃料極層側に燃料ガス (H2、CO、CH4等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。 In a solid oxide fuel cell, an oxidant gas (oxygen) is supplied to the air electrode layer side and a fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side as a reaction gas. The air electrode layer and the fuel electrode layer are both porous layers so that the reaction gas can reach the interface with the solid electrolyte layer.

燃料に水素を用いた場合の固体酸化物形燃料電池の電極反応は次の通りである。
空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2O、CO2等)を生じ、燃料極層に電子を放出する。この電子を別ルートの外部負荷にて起電力として取り出す。
The electrode reaction of the solid oxide fuel cell when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Oxygen supplied to the air electrode layer passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer, and receives electrons from the air electrode layer at this portion to receive oxide ions (O 2− ). Is ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode layer. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode layer react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and discharge electrons to the fuel electrode layer. This electron is taken out as an electromotive force by an external load of another route.

ところで、通常、固体酸化物形燃料電池の燃料ガスとしては、都市ガス等の炭化水素化合物(これを原燃料という)が用いられている。従って、実際はこの原燃料を水素を主成分とする燃料ガスに改質してから使用する必要がある。改質の方法として、原燃料が炭化水素系の気体燃料や液体燃料の場合、通常は水蒸気改質法が用いられている。   By the way, normally, as a fuel gas of a solid oxide fuel cell, a hydrocarbon compound such as city gas (this is referred to as raw fuel) is used. Therefore, it is actually necessary to use this raw fuel after reforming it into a fuel gas containing hydrogen as a main component. As a reforming method, when the raw fuel is a hydrocarbon-based gas fuel or liquid fuel, a steam reforming method is usually used.

例えば、メタンガスを原燃料とする改質反応は次のようになる。
脱硫されたメタンガスは、改質器で水蒸気を加えられて、水素と一酸化炭素になる。この改質反応は吸熱反応でるため、安定した改質反応を行うには650〜800℃程の高温が必要となる。
CH4+H2O→3H2+CO
この時、生成された一酸化炭素は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変わる。
CO+H2O→H2 +CO2
For example, a reforming reaction using methane gas as a raw fuel is as follows.
The desulfurized methane gas is added with water vapor in the reformer to become hydrogen and carbon monoxide. Since this reforming reaction is an endothermic reaction, a high temperature of about 650 to 800 ° C. is required to perform a stable reforming reaction.
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO
At this time, the generated carbon monoxide further reacts with water vapor and changes into hydrogen and carbon dioxide.
CO + H 2 O → H 2 + CO 2

また、従来より、固体酸化物形燃料電池の燃料ガス改質方法として、外部に改質器を設置する外部改質法と、高温の燃料電池モジュール内部に改質機構を組み込んだ内部改質法とが知られている。   Conventionally, as a fuel gas reforming method for a solid oxide fuel cell, an external reforming method in which an external reformer is installed, and an internal reforming method in which a reforming mechanism is incorporated inside a high-temperature fuel cell module. Is known.

外部改質法は、燃料電池の外部に炭化水素改質触媒を有する改質器を設置して原燃料を改質し、この改質ガスを燃料電池内に導入する方法であるが、改質反応が吸熱反応であることから、外部改質器内に改質反応のための高熱を供給する必要があり、この高熱を得るために無駄なエネルギーを要し、その分、発電システムの効率が低下するという問題があった。   The external reforming method is a method in which a reformer having a hydrocarbon reforming catalyst is installed outside the fuel cell to reform the raw fuel, and this reformed gas is introduced into the fuel cell. Since the reaction is an endothermic reaction, it is necessary to supply high heat for the reforming reaction into the external reformer, and wasteful energy is required to obtain this high heat, and the efficiency of the power generation system is increased accordingly. There was a problem of lowering.

これに対し、内部改質法は、燃料電池の発電反応で発生するジュール熱の一部を改質反応の吸熱反応として利用する極めて合理的な方法であり、高効率のシステムを実現できる可能性を持っている。加えて、この吸熱反応により発電時に発生する高温の排熱を吸収するという冷却効果も有するため、固体酸化物形燃料電池の燃料改質法として近年、注目されている。   On the other hand, the internal reforming method is an extremely rational method that uses a part of the Joule heat generated by the power generation reaction of the fuel cell as the endothermic reaction of the reforming reaction, and can potentially realize a highly efficient system. have. In addition, since it has a cooling effect of absorbing high-temperature exhaust heat generated during power generation by this endothermic reaction, it has recently been attracting attention as a fuel reforming method for solid oxide fuel cells.

ところが、一方では、固体酸化物形燃料電池の研究・開発が進み、作動温度が1000℃前後の高温作動型に代わって、作動温度が700℃前後といった低温作動型の固体酸化物形燃料電池が提案されてきている。
高温作動型の場合、改質に必要な高温度が容易に得られるが、このような低温作動型では、燃料電池モジュール内の温度が600℃以下となって最適改質温度を下回るため、内部改質器に充分な改質能が得られなくなる。メタン成分を多くを含んだ改質不十分な燃料ガスが燃料電池スタック内に導入され、燃料極層に達すると、メタンからの炭素析出が起こり、電池性能が急激に低下するという問題が生じる。
However, on the other hand, research and development of solid oxide fuel cells has progressed, and instead of the high temperature operation type with an operating temperature of around 1000 ° C., a low temperature operation type solid oxide fuel cell with an operating temperature of around 700 ° C. has been developed. Has been proposed.
In the case of the high-temperature operation type, a high temperature required for reforming can be easily obtained. However, in such a low-temperature operation type, the temperature inside the fuel cell module is 600 ° C. or lower and is lower than the optimum reforming temperature. A sufficient reforming ability cannot be obtained in the reformer. When an insufficiently reformed fuel gas containing a large amount of the methane component is introduced into the fuel cell stack and reaches the fuel electrode layer, carbon deposition from methane occurs, resulting in a problem that the cell performance rapidly decreases.

このような実状から、改質不十分な燃料ガスが燃料極層に達する前に好適な反応温度で改質が行えるように、改質触媒を高温度となる燃料電池スタック内部に配設するようにした固体酸化物形燃料電池が提案されており、その例として特許文献1や特許文献2が開示されている。
特許文献1には、改質触媒を燃料極集電体に担持したものが開示され、特許文献2には、改質触媒をセパレータの燃料供給通路に充填したものが開示されている。
特開平7−45293号公報 特開2002−203588号公報
In view of such a situation, the reforming catalyst is disposed inside the fuel cell stack at a high temperature so that the reformed fuel gas can be reformed at a suitable reaction temperature before reaching the fuel electrode layer. A solid oxide fuel cell is proposed, and Patent Document 1 and Patent Document 2 are disclosed as examples.
Patent Literature 1 discloses a reforming catalyst carried on a fuel electrode current collector, and Patent Literature 2 discloses a reforming catalyst filled in a fuel supply passage of a separator.
JP 7-45293 A JP 2002-203588 A

ところが、上記改質機構では、改質触媒を介在することにより、セパレータや集電体内においてガスの流路抵抗が増大し、燃料ガスの流れが不均一になることから、燃料極層に供給される燃料ガスの量が不足して発電性能が低下したり、発電セル内部に温度分布が生じて発電セルが劣化・破損する等の問題が発生する危険性を有していた。
このような現象は、改質触媒の担持量が増大するほど顕著であり、内部改質機構において解決すべき大きな課題となっていた。
However, in the above reforming mechanism, the gas flow resistance of the separator and the current collector is increased by interposing the reforming catalyst, and the flow of the fuel gas becomes non-uniform, so that it is supplied to the fuel electrode layer. There is a risk that the amount of fuel gas to be produced will be insufficient and the power generation performance will be reduced, or that the temperature distribution will be generated inside the power generation cell and the power generation cell will be deteriorated or damaged.
Such a phenomenon becomes more prominent as the amount of the reforming catalyst supported increases, and has become a major problem to be solved in the internal reforming mechanism.

本発明は、このような問題に鑑み、改質触媒の担持量に影響されることなく、燃料電池スタック内において、常に流通良好なガス流路を確保することができ、且つ、優れた改質能が得られる内部改質機構を備えた固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。   In view of such problems, the present invention can ensure a gas flow path that is always in good circulation in the fuel cell stack without being affected by the amount of the reforming catalyst supported, and is excellent in reforming. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having an internal reforming mechanism capable of obtaining performance.

すなわち、請求項1に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置し、燃料極層と空気極層の外側にそれぞれ多孔質金属より成る燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これら集電体の外側にセパレータを配置し、セパレータから各集電体を通して燃料極層および空気極層に反応用ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータと前記燃料極集電体の間に炭化水素改質触媒を配置したことを特徴としている。   That is, the present invention according to claim 1 is a fuel electrode current collector comprising a fuel electrode layer and an air electrode layer on both sides of a solid electrolyte layer, and a porous metal on the outside of the fuel electrode layer and the air electrode layer, respectively. A solid oxide fuel cell in which a separator is disposed outside the current collector, and a reaction gas is supplied from the separator to the fuel electrode layer and the air electrode layer through each current collector. A hydrocarbon reforming catalyst is disposed between the separator and the fuel electrode current collector.

また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記炭化水素改質触媒が多孔質金属体に担持されていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the first aspect, the hydrocarbon reforming catalyst is supported on a porous metal body.

また、請求項3に記載の本発明は、請求項2または請求項3の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記炭化水素改質触媒を担持するための多孔質金属体は、Niにより構成されることを特徴としている。   The present invention described in claim 3 is the solid oxide fuel cell according to claim 2 or 3, wherein the porous metal body for supporting the hydrocarbon reforming catalyst is: It is characterized by comprising Ni.

また、請求項4に記載の本発明は、請求項2または請求項3の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記炭化水素改質触媒を担持するための多孔質金属体は、セパレータの反応用ガス吐出部分から燃料極集電体側に貫通する通孔を備えていることを特徴としている。   The present invention according to claim 4 is the solid oxide fuel cell according to any one of claim 2 or claim 3, wherein the porous metal body for supporting the hydrocarbon reforming catalyst is: It is characterized by having a through-hole penetrating from the reaction gas discharge portion of the separator to the anode current collector side.

本構成では、燃料ガスがセパレータを介して燃料極集電体内に導入され、当集電体内を拡散・移動する過程で隣接する改質触媒層と接触し、接触部位において燃料ガスの改質反応が行われる。
炭化水素改質触媒の担体としては、電気伝導性および熱伝導性に優れた多孔質金属体が望ましい。この構成において、燃料極集電体は燃料ガスの流通路として機能し、上記した多孔質金属体は炭化水素改質触媒の担体として機能している。
In this configuration, the fuel gas is introduced into the anode current collector through the separator, and in contact with the adjacent reforming catalyst layer in the process of diffusing and moving through the current collector, the reforming reaction of the fuel gas at the contact site. Is done.
As the carrier for the hydrocarbon reforming catalyst, a porous metal body excellent in electrical conductivity and thermal conductivity is desirable. In this configuration, the anode current collector functions as a fuel gas flow path, and the porous metal body functions as a carrier for the hydrocarbon reforming catalyst.

このように、燃料ガスの流通部に燃料ガスの流れを妨げる改質触媒が存在しないため、燃料電池スタック内において、常に流通良好なガス流路を確保することができ、効率的で安定した内部改質発電が行える。
加えて、改質触媒層は、燃料電池スタック内において最も高温箇所となるセパレータと燃料極集電体との間に配置されるので、低温作動型の燃料電池であっても、常に最適改質温度を確保して優れた改質能を得ることができる。この結果、改質反応は活性化し、当改質触媒層において水素リッチな燃料ガスが得られると共に、未改質ガスによる炭素析出の問題も回避できる。
さらに、改質触媒層では、吸熱反応により温度差が生じるが、セルと触媒層の間にガス流路を設けることにより、改質触媒層の温度差でセルが破損することが回避できる。
In this way, since there is no reforming catalyst that hinders the flow of fuel gas in the fuel gas flow section, a gas flow path that is always good in flow can be secured in the fuel cell stack, and an efficient and stable interior Reform power generation can be performed.
In addition, the reforming catalyst layer is disposed between the separator, which is the hottest point in the fuel cell stack, and the anode current collector. An excellent reforming ability can be obtained by securing the temperature. As a result, the reforming reaction is activated, a hydrogen-rich fuel gas is obtained in the reforming catalyst layer, and the problem of carbon deposition due to the unreformed gas can be avoided.
Furthermore, in the reforming catalyst layer, a temperature difference occurs due to an endothermic reaction. However, by providing a gas flow path between the cell and the catalyst layer, it is possible to avoid damage to the cell due to the temperature difference of the reforming catalyst layer.

尚、改質触媒を担持するための多孔質金属体としては、発泡金属、メッシュ、フェルト等を用いることができ、何れも、触媒活性の高いNiで構成することにより、多孔質金属体の表面においても改質が行われるため、より優れた改質能が得られる。   In addition, as the porous metal body for supporting the reforming catalyst, foam metal, mesh, felt or the like can be used, and any of them can be made of Ni having a high catalytic activity, thereby forming the surface of the porous metal body. Since the reforming is performed in step 1, a more excellent reforming ability can be obtained.

以上説明したように、本発明によれば、セパレータと燃料極集電体の間に改質触媒層を配置したので、炭化水素改質触媒の充填量に影響されることなく、燃料電池スタック内において常に流通良好なガス流路を確保することができ、その結果、効率的で安定した内部改質発電が行えるようになる。   As described above, according to the present invention, since the reforming catalyst layer is disposed between the separator and the fuel electrode current collector, the inside of the fuel cell stack is not affected by the filling amount of the hydrocarbon reforming catalyst. In this case, it is possible to always ensure a gas flow path with good circulation, and as a result, it is possible to perform efficient and stable internal reforming power generation.

加えて、炭化水素改質触媒は、燃料電池スタック内において最高温度箇所となるセパレータと燃料極集電体との間に配置されるため、低温作動型の燃料電池であっても、周囲温度を効率よく吸収して常に最適改質温度を確保することができ、よって優れた改質能を得ることができる。   In addition, since the hydrocarbon reforming catalyst is disposed between the separator at the highest temperature in the fuel cell stack and the anode current collector, the ambient temperature is reduced even in a low temperature operation type fuel cell. It is possible to efficiently absorb and always ensure the optimum reforming temperature, and thus to obtain an excellent reforming ability.

以下、図1〜図3に基づいて本実施形態に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池を説明する。
図1は燃料電池モジュールの概略構成を示す図、図2は単セルの内部構造を示す断面図、図3は、炭化水素改質触媒を担持した多孔質金属体の断面図である。
Hereinafter, a flat plate type solid oxide fuel cell according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell module, FIG. 2 is a sectional view showing an internal structure of a single cell, and FIG. 3 is a sectional view of a porous metal body carrying a hydrocarbon reforming catalyst.

図1、図2に示すように、燃料電池スタック1は、固体電解質層2の両面に燃料極層3と空気極層4を配した発電セル5と、燃料極層3の外側に配した燃料極集電体6と、空気極層4の外側に配した空気極集電体7と、各集電体6、7の外側に配したセパレータ8とで単セルを構成し、この単セルを多数積層して筒状に構成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 1 includes a power generation cell 5 in which a fuel electrode layer 3 and an air electrode layer 4 are disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 2, and a fuel disposed on the outside of the fuel electrode layer 3. A single cell is constituted by the electrode current collector 6, the air electrode current collector 7 disposed outside the air electrode layer 4, and the separator 8 disposed outside each current collector 6, 7. A large number of layers are stacked to form a cylinder.

固体電解質層2はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層3はNi、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層4はLaMnO3、LaCoO3等で構成され、燃料極集電体6はNi基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板(発泡金属板)で構成され、空気極集電体7はAg基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板(発泡金属板)で構成され、セパレータ8はステンレス等で構成されている。 The solid electrolyte layer 2 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 3 is composed of a metal such as Ni or Co or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ. Is made of LaMnO 3 , LaCoO 3 or the like, the fuel electrode current collector 6 is made of a sponge-like porous sintered metal plate (foamed metal plate) such as a Ni-based alloy, and the air electrode current collector 7 is made of an Ag base. It is made of a sponge-like porous sintered metal plate (foamed metal plate) such as an alloy, and the separator 8 is made of stainless steel or the like.

セパレータ8は、発電セル5間を電気的に接続する機能と、発電セル5に対して反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の燃料極集電体6に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料通路11と、酸化剤ガス(空気)をセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の空気極集電体7に対向する面から吐出させる酸化剤通路12とをそれぞれ有している。   The separator 8 has a function of electrically connecting the power generation cells 5 and a function of supplying a reaction gas to the power generation cells 5, and a fuel gas is introduced from the outer peripheral surface of the separator 8 to provide fuel for the separator 8. A fuel passage 11 that is discharged from a substantially central portion of a surface that faces the electrode current collector 6, and a surface that faces the air electrode current collector 7 of the separator 8 by introducing an oxidant gas (air) from the outer peripheral surface of the separator 8. And an oxidant passage 12 to be discharged from each.

また 燃料電池スタック1の側方には、燃料ガスが導入・分配される燃料マニホールド15と空気が導入・分配される酸化剤マニホールド16が発電セル5の積層方向に沿って配設されており、且つ、燃料マニホールド15の上流側には、内部に炭化水素触媒を有する改質器17が接続されている。燃料マニホールド15は、接続管13により各セパレータ8の燃料通路11に接続され、酸化剤マニホールド16は接続管14により各セパレータ8の酸化剤通路12に接続されている。   Further, on the side of the fuel cell stack 1, a fuel manifold 15 into which fuel gas is introduced / distributed and an oxidant manifold 16 into which air is introduced / distributed are arranged along the stacking direction of the power generation cells 5, A reformer 17 having a hydrocarbon catalyst therein is connected to the upstream side of the fuel manifold 15. The fuel manifold 15 is connected to the fuel passage 11 of each separator 8 by a connection pipe 13, and the oxidant manifold 16 is connected to the oxidant passage 12 of each separator 8 by a connection pipe 14.

上記した燃料電池スタック1、各マニホールド15、16、改質器17等は、断熱性の円筒状缶体内に一括収納されて、燃料電池モジュール10が構成されている。   The fuel cell stack 1, the manifolds 15 and 16, the reformer 17, and the like described above are collectively stored in a heat-insulating cylindrical can body to constitute the fuel cell module 10.

ところで、本実施形態の燃料電池スタック1は、セパレータ8と燃料極集電体6との間に改質触媒層20が配設されて、燃料電池スタック1内において改質機構を構成している。   By the way, in the fuel cell stack 1 of the present embodiment, the reforming catalyst layer 20 is disposed between the separator 8 and the anode current collector 6 to form a reforming mechanism in the fuel cell stack 1. .

この改質触媒層20は、図3に示すように、円板状の多孔質金属体21内に炭化水素改質触媒粒22を担持した薄板状部材であって、この薄板状部材がセパレータ8の上面を覆うように燃料極集電体6との間に介在されて発電セル5と共に積層されることにより、その両面がそれぞれセパレータ8と燃料極集電体6に密着された状態となっている。
この改質触媒層20は、そのほぼ中央部に対面するセパレータ8の燃料ガス吐出口11aに連通して燃料極集電体6の面に開口する通孔20aを備えており、セパレータ8の燃料通路11に導入された燃料ガスが、吐出孔11aよりこの通孔20aを介して燃料極集電体6側に供給されるようになっている。
As shown in FIG. 3, the reforming catalyst layer 20 is a thin plate member in which hydrocarbon reforming catalyst particles 22 are supported in a disk-shaped porous metal body 21, and the thin plate member is a separator 8. And is laminated together with the power generation cell 5 so as to cover the upper surface of the electrode, and both surfaces thereof are in close contact with the separator 8 and the fuel electrode current collector 6, respectively. Yes.
The reforming catalyst layer 20 includes a through hole 20a that communicates with the fuel gas discharge port 11a of the separator 8 facing almost the center of the reforming catalyst layer 20 and opens in the surface of the anode current collector 6. The fuel gas introduced into the passage 11 is supplied from the discharge hole 11a to the anode current collector 6 side through the through hole 20a.

上記多孔質金属体21としては、Ni発泡金属を用いることができ、図3に示すように、このNi発泡金属21の多数の空孔21a内部に、炭化水素改質触媒粒22が満遍なく分散した状態で付着されている。
炭化水素改質触媒22として、セラミックス担体にNi触媒が担持された複合材料が用いられるが、Niの代わりにPd、Ru等を用いることもできる。
As the porous metal body 21, Ni foam metal can be used. As shown in FIG. 3, the hydrocarbon reforming catalyst particles 22 are uniformly dispersed inside the numerous holes 21 a of the Ni foam metal 21. It is attached in a state.
As the hydrocarbon reforming catalyst 22, a composite material in which a Ni catalyst is supported on a ceramic carrier is used, but Pd, Ru, or the like can be used instead of Ni.

また、多孔質金属体21として、上記した発泡金属の他、メッシュ、フェルト等も使用可能であり、何れも、その空孔や繊維金属質の表面に粒状の前記炭化水素改質触媒22が分散的に満遍なく担持される。
これらの多孔質金属体も、発泡金属と同様に触媒活性の高いNiで構成すると、多孔質金属体21の表面においても改質反応が行われ、改質触媒層20に優れた改質能が得られる。加えて、これらNiより成る多孔質金属体21は導電性にも優れ、燃料極集電体6と共に優れた集電機能を奏するものであり、且つ、加工性にも優れるというメリットを有している。
Further, as the porous metal body 21, in addition to the above-mentioned foam metal, mesh, felt or the like can be used. In any case, the granular hydrocarbon reforming catalyst 22 is dispersed in the pores or the surface of the fiber metal. It is supported evenly.
When these porous metal bodies are made of Ni having a high catalytic activity like the foam metal, the reforming reaction is also performed on the surface of the porous metal body 21, and the reforming catalyst layer 20 has an excellent reforming ability. can get. In addition, the porous metal body 21 made of Ni is excellent in electrical conductivity, has an excellent current collecting function together with the fuel electrode current collector 6, and has an advantage of excellent workability. Yes.

内部に上記構成の改質機構を搭載した燃料電池スタック1では、外部から供給された空気は、酸化剤マニホールド16を介し、複数の接続管14により分配されて各セパレータ8の酸化剤通路12に導入されると共に、通路末端部の酸化剤ガスの吐出孔12aより吐出して対面する空気極集電体7に供給され、さらに空気極集電体7内を中央から周辺部に向かって拡散しながら移動する過程で、発電セル5の空気極層4に達する。   In the fuel cell stack 1 in which the reforming mechanism having the above-described configuration is mounted, air supplied from the outside is distributed by the plurality of connecting pipes 14 via the oxidant manifold 16 and is supplied to the oxidant passages 12 of the separators 8. In addition to being introduced, it is discharged from the oxidant gas discharge hole 12a at the end of the passage and supplied to the facing air electrode current collector 7, and further diffuses in the air electrode current collector 7 from the center toward the periphery. In the process of moving, the air electrode layer 4 of the power generation cell 5 is reached.

一方、外部から供給された燃料ガス(CH4と高温水蒸気の混合ガス)は、一旦、燃料電池モジュール10内の改質器17で改質された後、改質ガスが燃料マニホールド15を介し、複数の接続管13により分配されて各セパレータ8の燃料通路11に導入されると共に、通路末端の燃料ガスの吐出孔11aより吐出される。吐出した燃料ガスは改質触媒層20の通孔20aを通して対面する燃料極集電体6に供給される。
燃料ガスは燃料極集電体6内を中央部から周辺部に向かって拡散・移動する過程で、その下部に隣接する改質触媒層20と繰り返し接触しながら改質反応が行われていく。
On the other hand, the fuel gas (mixed gas of CH 4 and high-temperature steam) supplied from the outside is once reformed by the reformer 17 in the fuel cell module 10, and then the reformed gas passes through the fuel manifold 15. It is distributed by a plurality of connecting pipes 13 and introduced into the fuel passages 11 of the separators 8 and discharged from the fuel gas discharge holes 11a at the end of the passages. The discharged fuel gas is supplied to the facing fuel electrode current collector 6 through the through hole 20a of the reforming catalyst layer 20.
In the process of diffusion and movement of the fuel gas in the anode current collector 6 from the central portion toward the peripheral portion, the reforming reaction is performed while repeatedly contacting the reforming catalyst layer 20 adjacent to the lower portion of the fuel gas.

尚、燃料極集電体6内部での改質反応は従来の技術の項で述べた通りであり、ここでは説明を省略するが、この改質反応により燃料ガス中のメタンは水素と一酸化炭素に改質される。この水素リッチな改質ガスは、燃料極集電体6より発電セル5の燃料極層3に達し、燃料極層上でNiやCoと反応して再度改質反応が行われる。   Incidentally, the reforming reaction inside the anode current collector 6 is as described in the section of the prior art, and the explanation is omitted here. However, due to this reforming reaction, the methane in the fuel gas is oxidized with hydrogen. Modified to carbon. This hydrogen-rich reformed gas reaches the fuel electrode layer 3 of the power generation cell 5 from the fuel electrode current collector 6, reacts with Ni and Co on the fuel electrode layer, and the reforming reaction is performed again.

このように、本実施形態の多孔質金属体21による改質触媒層20は、燃料ガスの流路としてではなく、専ら炭化水素改質触媒粒22の担体として機能しており、その上層に位置する多孔質焼結金属板で構成される燃料極集電体6がガス流路として機能している。
従って、燃料ガスの流通部分に燃料ガスの流れを妨げる炭化水素改質触媒粒22が一切配置されていないため、炭化水素改質触媒粒22の充填量に影響されることなく、燃料電池スタック1内において、常に流通良好なガス流路が確保されている。換言すれば、本構成では、燃料電池スタック内において、充分な量の炭化水素触媒粒22を配設することができる。
As described above, the reforming catalyst layer 20 of the porous metal body 21 of the present embodiment functions not only as a fuel gas flow path but as a carrier for the hydrocarbon reforming catalyst particles 22 and is located in the upper layer. The anode current collector 6 composed of a porous sintered metal plate that functions as a gas flow path.
Therefore, since the hydrocarbon reforming catalyst particles 22 that prevent the flow of the fuel gas are not arranged at all in the fuel gas circulation portion, the fuel cell stack 1 is not affected by the filling amount of the hydrocarbon reforming catalyst particles 22. Inside, a gas flow path with good circulation is always secured. In other words, in this configuration, a sufficient amount of the hydrocarbon catalyst particles 22 can be disposed in the fuel cell stack.

加えて、炭化水素改質触媒22は、伝熱性に優れたNiより成る多孔質金属体21に担持された状態で燃料電池スタック1内において最高温度箇所となるセパレータ8と燃料極集電体6の間に配置されているので、本発明を作動温度が700℃前後といった低温作動型の燃料電池モジュール10に適用しても、多孔質金属体21がスタック内温度を効率良く吸収して最適改質温度範囲(650〜800℃)を確実に確保することができ、これにより、発電量(燃料ガスの消費量)に応じて平衡が移動し、改質触媒層20は常に優れた改質能を得ることができる。   In addition, the hydrocarbon reforming catalyst 22 includes the separator 8 and the fuel electrode current collector 6 that are the highest temperature locations in the fuel cell stack 1 while being supported on the porous metal body 21 made of Ni having excellent heat conductivity. Therefore, even if the present invention is applied to the low temperature operation type fuel cell module 10 whose operating temperature is around 700 ° C., the porous metal body 21 efficiently absorbs the temperature in the stack and is optimally modified. The temperature range (650 to 800 ° C.) can be ensured reliably, so that the equilibrium shifts according to the amount of power generation (fuel gas consumption), and the reforming catalyst layer 20 always has excellent reforming ability. Can be obtained.

この結果、燃料電池モジュール10内の温度がほぼ600℃といった雰囲気下に設置された改質器17からメタンを多く含む改質不十分な燃料ガスが燃料電池スタック1に供給されたとしても、このスタック内改質機構により、未改質の燃料ガスは燃料極層3に達する前に水素リッチな燃料ガスに改質される。
これにより、未改質ガスによる炭素析出も回避でき、効率的で安定した内部改質発電が可能となる。
As a result, even if an insufficiently reformed fuel gas containing a large amount of methane is supplied to the fuel cell stack 1 from the reformer 17 installed in an atmosphere where the temperature in the fuel cell module 10 is approximately 600 ° C. The unreformed fuel gas is reformed into a hydrogen-rich fuel gas before reaching the fuel electrode layer 3 by the in-stack reforming mechanism.
As a result, carbon deposition due to unreformed gas can be avoided, and efficient and stable internal reforming power generation becomes possible.

燃料電池モジュール内部の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure inside a fuel cell module. 単セルの内部構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the internal structure of a single cell. 炭化水素改質触媒を担持した多孔質金属体の断面図。Sectional drawing of the porous metal body which carry | supported the hydrocarbon reforming catalyst.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
2 固体電解質層
3 燃料極層
4 空気極層
6 燃料極集電体
7 空気極集電体
10 固体酸化物形燃料電池(燃料電池モジュール)
20 炭化水素改質触媒
20a 通孔
21 多孔質金属体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Solid electrolyte layer 3 Fuel electrode layer 4 Air electrode layer 6 Fuel electrode current collector 7 Air electrode current collector 10 Solid oxide fuel cell (fuel cell module)
20 Hydrocarbon reforming catalyst 20a Through hole 21 Porous metal body

Claims (4)

固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置し、燃料極層と空気極層の外側にそれぞれ多孔質金属より成る燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これら集電体の外側にセパレータを配置し、セパレータから各集電体を通して燃料極層および空気極層に反応用ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、
前記セパレータと前記燃料極集電体の間に炭化水素改質触媒を配置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on both sides of the solid electrolyte layer, and a fuel electrode current collector and an air electrode current collector made of porous metal are arranged outside the fuel electrode layer and the air electrode layer, respectively. In a solid oxide fuel cell in which a separator is disposed outside the electric body, and a reaction gas is supplied from the separator to each of the fuel electrode layer and the air electrode layer through each current collector.
A solid oxide fuel cell, wherein a hydrocarbon reforming catalyst is disposed between the separator and the fuel electrode current collector.
前記炭化水素改質触媒が多孔質金属体に担持されていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the hydrocarbon reforming catalyst is supported on a porous metal body. 前記炭化水素改質触媒を担持するための多孔質金属体は、Niにより構成されることを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the porous metal body for supporting the hydrocarbon reforming catalyst is made of Ni. 前記炭化水素改質触媒を担持するための多孔質金属体は、セパレータの反応用ガス吐出部分から燃料極集電体側に貫通する通孔を備えることを特徴とする請求項2または請求項3の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 The porous metal body for supporting the hydrocarbon reforming catalyst includes a through hole penetrating from the reaction gas discharge portion of the separator to the fuel electrode current collector side. Any one of the solid oxide fuel cells.
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