JP2005327554A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層した構造の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより発電の効率化を図った平板積層型の固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell having a structure in which power generation cells and separators are alternately stacked, and more particularly, a flat plate stack type in which the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack is made uniform to improve power generation efficiency. The present invention relates to a solid oxide fuel cell.
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おり、現在、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の3種類が知られている。これら固体酸化物形燃料電池は、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層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し、この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層することでスタック化されている。 Solid oxide fuel cells have been developed as third-generation fuel cells for power generation, and three types are currently known: cylindrical, monolithic, and flat plate stack types. Each of these solid oxide fuel cells has a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (cathode) and a fuel electrode layer (anode) from both sides. A plurality of power generation cells and separators are alternately stacked to form a stack.
固体酸化物形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス(酸素) が供給され、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 as a reaction gas, and a fuel gas (H 2 , CO, CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode layer side. 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.
ここで、発電セルの発電反応を説明すれば、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。
このような電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
Here, the power generation reaction of the power generation cell will be described. Oxygen supplied to the air electrode layer side passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. Electrons are received and ionized to oxide ions (O 2− ). 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.
Electrons generated by such an electrode reaction can be taken out as an electromotive force at an external load of another route.
ところで、固体酸化物形燃料電池の燃料ガスとしては、通常、都市ガス等の炭化水素化合物(これを原燃料という)が使用される。このため、発電セルに供給するには、この原燃料を予め水素を主成分とする燃料ガスに改質しておく必要がある。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, as a fuel gas of the solid oxide fuel cell, a hydrocarbon compound such as city gas (this is called a raw fuel) is usually used. For this reason, in order to supply the power generation cell, it is necessary to reform the raw fuel into a fuel gas mainly containing hydrogen. 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改質される。この改質反応は吸熱反応であって、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 reformed into hydrogen and carbon monoxide by adding steam in a reformer. This reforming reaction is an endothermic reaction, and 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
従来より、固体酸化物形燃料電池に用いる燃料ガスの改質方法として、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器を組み込んだ内部改質法とが知られている。 Conventionally, as reforming methods of fuel gas used in solid oxide fuel cells, an external reforming method in which a reformer is installed outside, and an internal reforming method in which a reformer 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設けた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するため、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 provided with 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 quality 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, which reduces the efficiency of the power generation system. There was a problem.
一方、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の熱源として利用する極めて合理的な方法であり、排熱を有効利用した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、この内部改質法が注目されている。 On the other hand, the internal reforming method is an extremely rational method that uses part of the Joule heat generated by the power generation reaction of the fuel cell as a heat source for the endothermic reaction of the reforming reaction. There is a possibility of realizing the system. In addition, the internal reforming method has attracted attention as a fuel reforming method for solid oxide fuel cells in recent years because it has a cooling effect of absorbing high heat generated during power generation by this endothermic reaction.
このような、内部改質式の平板積層型燃料電池として特許文献1〜特許文献3等が開示されている。
特許文献1には、改質触媒をセパレータの燃料通路に設けた燃料電池が開示され、特許文献2には、改質触媒を燃料極集電体内に設けた燃料電池が開示されている。これらは電池反応の熱を利用して改質反応を有効に行うものである。また、特許文献3には、発熱スタックと吸熱スタックを組み合わせて発電効率を向上させた燃料電池が開示されている。
ところで、上記した平板積層型の燃料電池スタックでは、積層方向の温度分布がスタック両端付近で極端に低下することが知られている。これは、燃料電池スタックの端部が中段部分に比べて発電セルの発電反応で生じたジュール熱が発散し易いためである。温度が低い部分では高温部に比べて発電反応が活性化されず、発電性能が低下することになる。
特に、複数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの積層方向にこのような両肩下がりの温度分布が生じると、燃料電池全体の発電性能が低温部の発電性能で制限されるため、効率的な発電が行えなくなるという問題がある。
By the way, it is known that the temperature distribution in the stacking direction extremely decreases in the vicinity of both ends of the stack in the flat plate stack type fuel cell stack. This is because the Joule heat generated by the power generation reaction of the power generation cell is more easily diffused at the end of the fuel cell stack than at the middle portion. In the portion where the temperature is low, the power generation reaction is not activated as compared with the high temperature portion, and the power generation performance is reduced.
In particular, in a fuel cell stack configured by connecting a plurality of power generation cells in series, when such a temperature distribution with both shoulders in the stacking direction of the fuel cell stack occurs, the power generation performance of the entire fuel cell is reduced to the low temperature part. Since it is limited by the power generation performance, there is a problem that efficient power generation cannot be performed.
しかしながら、既述したように、改質反応は吸熱反応であることから、この吸熱反応による冷却作用を効果的に利用することにより、このようなスタック内温度分布の不均一を改善できるものと考えられる。 However, as described above, since the reforming reaction is an endothermic reaction, it is considered that such nonuniformity of the temperature distribution in the stack can be improved by effectively using the cooling action by the endothermic reaction. It is done.
本発明は、このような発想に基づいて成されたもので、発電の際に燃料電池スタックより排出される高熱を水蒸気改質反応のための熱源として効率良く利用すると共に、改質時の吸熱反応による冷却作用を利用して燃料電池スタックの温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図っ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。 The present invention has been made based on such an idea, and efficiently uses the high heat discharged from the fuel cell stack during power generation as a heat source for the steam reforming reaction, and also absorbs heat during reforming. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell in which the temperature distribution of the fuel cell stack is made uniform by utilizing a cooling action by reaction to improve the efficiency of power generation.
すなわち、請求項1に記載の本発明は、発電セルと反応用ガスの通路を備えたセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、前記燃料電池スタック内を貫通して積層方向に列設された反応ガス導入用のマニホールドを備え、当該マニホールドが連通するセパレータのガス通路を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタックの少なくとも両端部を除く中段部分に炭化水素改質触媒を充填した改質器を配設したことを特徴としている。
本構成では、温度の高くなる燃料電池スタックの中段部分に位置する発電セルからの発熱を効率良く吸収して改質反応に利用することができ、且つ、改質反応の吸熱反応で燃料電池スタックの中段部分を冷却することができる。これにより、スタック積層方向の温度分布を均一化でき、効率的な発電が可能となる。
That is, according to the present invention, the fuel cell stack is configured by alternately stacking a plurality of separators each having a power generation cell and a reaction gas passage, and the fuel cell stack penetrates the stack direction. A solid oxide fuel cell comprising a manifold for introduction of a reaction gas arranged in a row and configured to supply a reaction gas to each power generation cell through a gas passage of a separator that communicates with the manifold. Is characterized in that a reformer filled with a hydrocarbon reforming catalyst is disposed in a middle portion excluding at least both ends of the catalyst.
In this configuration, the heat generated from the power generation cells located in the middle part of the fuel cell stack that becomes hot can be efficiently absorbed and used for the reforming reaction, and the fuel cell stack can be used for the endothermic reaction of the reforming reaction. The middle part can be cooled. Thereby, the temperature distribution in the stacking direction can be made uniform, and efficient power generation becomes possible.
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、前記改質器をスタック積層方向の複数箇所に配設したことを特徴としている。
本構成では、スタック積層方向の広範囲に亘って均一に冷却することができるため、スタック積層方向の温度分布をより一層平滑化できる。
Further, according to a second aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the first aspect, the reformer is disposed at a plurality of locations in the stacking direction.
In this configuration, since the cooling can be performed uniformly over a wide range in the stacking direction, the temperature distribution in the stacking direction can be further smoothed.
また、請求項3に記載の本発明は、請求項1または請求項2の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記改質器は、未改質の燃料ガスを導入するガス導入口と、改質された燃料ガスを吐出するガス吐出口とを備え、前記ガス導入口は未改質燃料ガス用マニホールドに連通し、前記吐出口は燃料ガス用マニホールドに連通すると共に、当該燃料ガス用マニホールドを介して改質された燃料ガスを各発電セルに供給することを特徴としている。
本構成では、各改質器にて改質された燃料ガスは、一旦、燃料ガス用マニホールドに合流し、マニホールド内を流通する過程で混合させられながら各発電セルに分配されるため、各発電セルへの等流配が可能となり、各発電セルにおいてばらつきのない安定した発電反応が得られる。
The present invention described in
In this configuration, the fuel gas reformed by each reformer is temporarily joined to the fuel gas manifold and distributed to each power generation cell while being mixed in the process of flowing through the manifold. Uniform flow distribution to the cells is possible, and a stable power generation reaction without variation is obtained in each power generation cell.
また、請求項4に記載の本発明は、請求項1から請求項3までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記改質器は炭化水素改質触媒を充填するための凹部を有しており、且つ、凹部の中央位置に前記ガス導入口を設け、凹部の縁部に前記ガス吐出口を設け、且つ、凹部の周縁に改質された燃料ガスが流通する空洞部を設けたことを特徴としている。
本構成では、改質触媒層の周縁部から放出される燃料ガスを空洞部にて合流・混合し、ガス吐出口を通して燃料ガス用マニホールドに円滑に導入することができる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to any one of the first to third aspects, the reformer is a recess for filling a hydrocarbon reforming catalyst. And the gas inlet is provided at the center of the recess, the gas discharge port is provided at the edge of the recess, and the cavity through which the reformed fuel gas flows is formed at the periphery of the recess. It is characterized by providing.
In this configuration, the fuel gas discharged from the peripheral portion of the reforming catalyst layer can be merged and mixed in the hollow portion and smoothly introduced into the fuel gas manifold through the gas discharge port.
また、請求項5に記載の本発明は、請求項1から請求項4までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記改質器を前記セパレータと同形・同サイズとすると共に、セパレータとセパレータの間に一体的に密接配置したことを特徴としている。
本構成では、改質器とセパレータを密接することにより、電池反応で生じた熱をセパレータを介して改質器に効率良く吸収できると共に、改質器をセパレータと同形状に構成することにより、燃料電池スタック自体をコンパクトに纏め上げることができる。
Further, the present invention according to
In this configuration, by closely contacting the reformer and the separator, the heat generated by the battery reaction can be efficiently absorbed into the reformer via the separator, and the reformer is configured in the same shape as the separator. The fuel cell stack itself can be gathered compactly.
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの少なくとも両端部を除く中段部分に改質器を配設したので、改質反応の吸熱効果により温度の高くなる燃料電池スタックの中段部分のみを冷却してスタック積層方向の温度分布を均一化することができる。これにより発電の効率化が図れる。
改質器をセパレータと同形・同サイズとし、セパレータとセパレータの間に一体的に密接配置することにより、電池反応で生じた熱を上下セパレータを介して効率良く吸収でき、且つ、燃料電池スタック自体をコンパクトに纏め上げることができる。
As described above, according to the present invention, since the reformer is disposed in the middle stage excluding at least both ends of the fuel cell stack, the middle stage part of the fuel cell stack where the temperature becomes high due to the endothermic effect of the reforming reaction. Only the temperature can be cooled to make the temperature distribution in the stacking direction uniform. As a result, the efficiency of power generation can be improved.
The reformer has the same shape and the same size as the separator, and the heat generated by the cell reaction can be absorbed efficiently through the upper and lower separators by placing the reformer in close contact between the separator and the fuel cell stack itself. Can be summarized in a compact.
以下、図1〜図3に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図1は平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示し、図2は燃料電池スタックに用いるセパレータの構造を示し、図3は燃料電池スタックに配設する改質器の内部構造を示している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows the configuration of a flat plate type solid oxide fuel cell stack, FIG. 2 shows the structure of a separator used in the fuel cell stack, and FIG. 3 shows the internal structure of the reformer disposed in the fuel cell stack. Show.
図1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を配して構成した発電セル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10を構成し、この単セル10を多数積層したものである。
As shown in FIG. 1, the
ここで、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。
Here, the solid electrolyte layer 2 is composed of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the
セパレータ8は、図2に示すように、厚さ数mm程度の6角状ステンレス板で構成されており、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス通路11と、酸化剤ガス(一般的には空気)が流通する酸化剤ガス通路12とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
そして、燃料ガス通路11の一端(上流側)は、セパレータ8の角部に設けた燃料ガス導入孔13に連通しており、他端(下流側)が燃料極集電体6と対面するセパレータ8の中央のガス吐出孔11aに連通している。また、酸化剤ガス通路12の一端(上流側)は、セパレータ8の別の角部に設けた酸化剤ガス導入孔14に連通しており、他端(下流側)が空気極集電体7と対面するセパレータ中央部のガス吐出孔12aに連通している。
尚、このセパレータ8の別の角部には、上記した燃料ガス導入孔13と酸化剤ガス導入孔14の他に後述する未改質燃料ガス導入孔15が形成されているが、この未改質燃料ガス導入孔15は当セパレータ8内へのガス流配に与らない。
One end (upstream side) of the
An unreformed fuel
ところで、本発明では、図1に示すように、燃料電池スタック1の中段付近に板状の改質器20が配設されている。この改質器20は、セパレータ8と同形の6角形で、且つ、同サイズに形成されており、セパレータ8とセパレータ8の間に一体的に密接した状態でスタック積方向の数カ所に配設されている。尚、図1に示す改質器20の配設は一例であって、配設位置は熱設計に応じて任意に設定することができる。
Incidentally, in the present invention, as shown in FIG. 1, a plate-
また、改質器20は、セパレータ8と同様に熱伝導性に優れるステンレス板で構成されており、図3に示すように、内部中央に設けた円形の凹部21に改質触媒層22が配設されている。
この改質触媒層22は、多孔質金属体(例えば、Ni発泡金属)に炭化水素改質触媒粒を担持した薄い円板状であって、その外径を凹部21の径より幾分小さくして、改質触媒層22を凹部21の中心部に配置した時に、改質触媒層22を囲む輪状の空洞部23が形成されるようになっている。
改質触媒層22は、炭化水素改質触媒をセラミックス小片(例えば、ペレットや球状、フレーク状)に担持したもので構成されていても良い。
The
The reforming
The reforming
また、改質器20の内部には、上記凹部21の他に、未改質の燃料ガスが流通する未改質ガス通路24と改質されたガス(即ち、燃料ガス)が流通する改質ガス通路25とが形成されている。
そして、未改質ガス通路24の一端(上流側)は改質器20の角部に設けた未改質燃料ガス導入孔15に連通しており、他端(下流側)が改質触媒層22の中央位置に設けたガス導入口24aに連通している。また、改質ガス通路25の一端(上流側)は凹部21の縁部に設けたガス吐出口25aに連通しており、他端(下流側)が改質器20の別の角部に設けた燃料ガス導入孔13に連通している。
Further, in the
One end (upstream side) of the
尚、この改質器20の別の角部には、未改質燃料ガス導入孔15と燃料ガス導入孔13の他に酸化剤ガス導入孔14が形成されているが、酸化剤ガス導入孔14は当改質器20内へのガス流配に与らない。
改質器20の各ガス導入孔13〜15の位置はセパレータ8の各ガス導入孔13〜15の位置と一致している。
In addition to the unreformed fuel
The positions of the gas introduction holes 13 to 15 of the
上記した燃料ガス導入孔13、酸化剤ガス導入孔14、および未改質燃料ガス導入孔15は、上下端を除く各セパレータ8、および各改質器20のそれぞれを板厚方向に貫通するもので、各ガス導入孔13〜15の各上下開口部に絶縁性のマニホールドリング16を配して単セル10を多数積み上げることにより、これらのマニホールドリング16がセパレータ8の各ガス導入孔13、14、15を介して縦方向(積層方向)に一直線に連結されて、スタック内部に各々管状を成す燃料ガス用マニホールド17、および酸化剤ガス用マニホールド18、および未改質燃料ガス用マニホールド19の3系統のマニホールドが構成される。
The fuel
上記構成の燃料電池スタック1では、反応用ガスとしてスタック外部から未改質の燃料ガス(例えば、メタンと水蒸気の混合ガス)と酸化剤ガス(空気)が供給される。未改質の燃料ガスは図示しない配管を介して未改質燃料ガス用マニホールド19に導入され、空気は図示しない配管を介して酸化剤ガス用マニホールド18に導入される。
In the
未改質燃料ガス用マニホールド19に導入された未改質の燃料ガスは、燃料電池スタック1の中段部分の複数箇所で未改質燃料ガス導入孔15より改質器20の内部に導入され、未改質ガス通路24を通して通路末端のガス導入口24aより対面する改質触媒層22の中央部分に吐出される。
The unreformed fuel gas introduced into the unreformed
未改質の燃料ガスは改質触媒層22内を中央部から周辺部に向かって放射状に拡散・移動する過程で炭化水素触媒と接触して改質反応が行われる。未改質の燃料ガスは水素リッチな燃料ガスに改質されて改質触媒層22の周縁部より放出して周縁の空洞部23内を流通し、ガス吐出口25aより改質ガス通路25を通して燃料ガス用マニホールド17に導入される。
このように、改質触媒層22の周縁部から噴出する燃料ガスを空洞部23にて合流し、空洞内を流通することで改質触媒層内の燃料ガスの放射状の流れを均一化し、燃料ガスを充分に混合することができ、且つ、燃料用マニホールド17へのガスの導入を円滑にすることができる。
The unreformed fuel gas is brought into contact with the hydrocarbon catalyst in the process of radially diffusing and moving in the reforming
In this way, the fuel gas ejected from the peripheral portion of the reforming
燃料ガス用マニホールド17と酸化剤ガス用マニホールド18に導入された燃料ガスおよび空気は、それぞれ縦方向に延びるマニホールド17、18内を流通する過程で、それぞれが各層(単セル)のガス導入孔13、14より流配されながら各々セパレータ8の各ガス通路11、12を通して各発電セル5の電極部に供給されていく。
The fuel gas and air introduced into the
すなわち、燃料ガス用マニホールド17内の燃料ガスは、各セパレータ8の燃料ガス導入孔13から燃料ガス通路11に導入され、通路末端のガス吐出孔11aより吐出して対面する燃料極集電体6に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル5の燃料極層3に達する。一方、酸化剤ガス用マニホールド18内の空気は、各セパレータ8の酸化剤ガス導入孔14から酸化剤ガス通路12に導入され、通路末端のガス吐出孔12aより吐出して対面する空気極集電体7に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル5の空気極層4に達する。尚、以降、各発電セル5における発電反応は既述した通りである。
That is, the fuel gas in the
ところで、上記した改質器20における改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な熱(例えば、650〜800℃)は、発電セル5の発電反応熱を利用している。
既述したように、改質器20はセパレータ8とセパレータ8の間に一体的に密接した状態でスタック中段部の数カ所に配設されているため、温度の高い燃料電池スタック1の中段部分に位置する発電セル5からの熱を熱伝導性に優れる上下のセパレータ8、8を介して効率良く吸収して改質反応に利用することができ、且つ、改質時の吸熱反応により燃料電池スタック1の中段部分を積層方向の広範囲に亘って均一に冷却することができる。これにより、スタック積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
By the way, the reforming reaction in the
As described above, the
すなわち、図4に示すように、改質器を配設していない従来型の燃料電池スタック1では、積層方向の温度分布は破線で示すように中段部分が高く両肩下がりの特性となるが、スタック中段部分の複数箇所に改質器20を配置した本発明の燃料電池スタック1の場合では、吸熱反応の冷却効果により改質器20の配設付近は、実線で示すように温度が低下するため、高温部と低温部の温度差を無くし、積層方向の全域に亘ってほぼ均一な温度分布を得ることができる。
加えて、高温部の温度を低下させることにより、熱応力による燃料極層3の剥離等、発電セル5の破損が防止でき、燃料電池スタックの耐久性(熱サイクル特性)も向上する。
That is, as shown in FIG. 4, in the conventional
In addition, by reducing the temperature of the high temperature portion, damage to the
また、セパレータのガス通路内や集電体内に改質触媒を担持させる従来の内部改質機構では、炭素析出による発電セルへの影響や、マニホールドから分配された燃料ガスがセパレータのガス通路や集電体を通過する際の圧損差で燃料ガスの等流配が崩れる等の問題があるが、本発明では、各改質器20にて改質された燃料ガスを、一旦、燃料ガス用マニホールド17に合流し、マニホールド内を流通する過程で混合させられながら各発電セル5に分配される構造としているため、各発電セル5への等流配が可能となり、各発電セル5において安定した発電反応が得られる。
In addition, in the conventional internal reforming mechanism in which the reforming catalyst is supported in the gas passage of the separator or the current collector, the influence of the carbon deposition on the power generation cell and the fuel gas distributed from the manifold are collected in the gas passage and the collector of the separator. In the present invention, the fuel gas reformed in each
1 燃料電池スタック
5 発電セル
8 セパレータ
17 燃料ガス用マニホールド
18 酸化剤ガス用マニホールド
19 未改質燃料ガス用マニホールド
20 改質器
21 凹部
23 空洞部
24a ガス導入口
25a ガス吐出口
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池スタックの少なくとも両端部を除く中段部分に炭化水素改質触媒を充填した改質器を配設したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A plurality of separators having power generation cells and reaction gas passages are alternately stacked to form a fuel cell stack, and a reaction gas introduction manifold arranged in the stacking direction through the fuel cell stack is provided. A solid oxide fuel cell configured to supply a reaction gas to each power generation cell through a gas passage of a separator that communicates with the manifold;
A solid oxide fuel cell, wherein a reformer filled with a hydrocarbon reforming catalyst is disposed in a middle portion excluding at least both ends of the fuel cell stack.
且つ、凹部の中央位置に前記ガス導入口を設け、凹部の縁部に前記ガス吐出口を設け、且つ、凹部の周縁に改質された燃料ガスが流通する空洞部を設けたことを特徴とする請求項1から請求項3までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 The reformer has a recess for filling the hydrocarbon reforming catalyst;
In addition, the gas introduction port is provided at the center of the recess, the gas discharge port is provided at the edge of the recess, and the cavity through which the reformed fuel gas flows is provided at the periphery of the recess. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
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