JP2006019084A

JP2006019084A - 燃料電池用改質器

Info

Publication number: JP2006019084A
Application number: JP2004194334A
Authority: JP
Inventors: Narikado Takahashi; 成門高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP4906249B2

Abstract

【課題】炭化水素含有ガスを水素含有の燃料ガスに改質するための燃料電池用改質器であって、改質反応維持のための触媒加熱及び水蒸気生成のための加熱の何れもが、燃料電池内の発熱を利用して行われ、しかも水蒸気の生成及び供給を安定して行うことが可能な燃料電池用改質器を提供する。
【解決手段】直立した筒状体１０を有し、筒状体１０は、高さ方向に延びている仕切壁によって、改質部１０ａと気化部１０ｂとに仕切られており、改質部１０ａは、気化部１０ｂの下方部分とガス導入室１３とは、連通孔３１を介して互いに連通しており、気化部１０ｂには、送水管３０が接続され、送水管３０から気化部内に供給される水が、気化部１０ｂの下端部分から上部に達してから下方に降下して下端に達し、連通孔３１からガス導入室１３内に移行するように気化部１０ｂが構成されていることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、炭化水素含有ガスを水素含有の燃料ガスに改質するための燃料電池用改質器に関するものであり、より詳細には、燃料電池構造体内部に設けられ、該構造体内部での発熱によって触媒が所定の改質温度に加熱されて改質が行われる内部加熱方式の燃料電池用改質器に関する。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池（セル）のスタックをハウジング内に収容した燃料電池が種々提案されている。例えば固体電解質型燃料電池の構造体は、複数の燃料電池（セル）を積み重ねられたセルスタックが、適当な間隔で複数配列されてなる燃料電池本体をハウジング内に収容して構成され、約１０００℃の温度で運転される。

発電のための燃料ガスとしては、水素が使用され、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを燃料電池本体内に供給し、酸素含有ガスをセル中の酸素極に接触させ、且つ水素をセル中の燃料極と接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。

燃料ガスとしての水素の供給方法としては、天然ガス等の炭化水素を水蒸気と反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられるが、炭化水素と水素との改質反応（吸熱反応である）が５００〜９００℃で行われるため、改質反応開始後も、継続して触媒を加熱しておかなければならないという問題があった。

このような問題を解決するために、セルスタックを収容しているハウジング内に改質器を配置し、発電に際して発生する熱を水蒸気改質反応に利用し、熱効率を高めることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１１５３０７号公報

しかるに、特許文献１に開示されている改質器では、改質に必要な水蒸気を、改質器とは別個に設けた加湿器を用いて供給する構造となっているため、加湿器のための熱源（水蒸気生成のための熱源）が必要であり、熱効率の点でさらなる改善が求められている。熱効率をさらに高めるためには、燃料電池の発電に際して発生する熱を、水蒸気生成のための熱源としても利用することが考えられるが、この場合には、水の気化による水蒸気の生成が不安定になるという問題がある。即ち、水が急激に加熱されて気化するような場合には、改質触媒に供給される水蒸気に脈動を生じやすく、燃料電池の出力変動が生じやすくなってしまうのである。

従って本発明の目的は、炭化水素含有ガスを水素含有の燃料ガスに改質するための燃料電池用改質器であって、改質反応維持のための触媒加熱及び水蒸気生成のための加熱の何れもが、燃料電池内の発熱を利用して行われ、しかも水蒸気の生成及び供給を安定して行うことが可能な燃料電池用改質器を提供することにある。

本発明によれば、炭化水素含有ガスを水素含有の燃料ガスに改質するための燃料電池用改質器において、
直立した筒状体からなり、
前記筒状体は、高さ方向に延びている仕切壁によって、改質部と気化部とに仕切られており、
前記改質部は、改質すべき炭化水素含有ガスが導入されるガス導入室と、該ガス導入室上に形成されており且つ内部に改質触媒が充填され、改質されたガスを排出するガス排出管に接続される触媒室とからなっており、
前記ガス導入室と触媒室とは、改質触媒保持可能で且つガスの流通可能な仕切壁によって区画されており、
前記ガス導入室には、改質すべき炭化水素含有ガスを導入するためのガス導入管が接続され、
前記気化部の下方部分とガス導入室とは、連通孔を介して互いに連通しており、
前記気化部には、送水管が接続され、送水管から気化部内に供給される水が、少なくとも気化部の下端部分から上部に達してから下方に降下して下端に達し、前記連通孔からガス導入室内に移行するように該気化部が構成されていることを特徴とする燃料電池用改質器が提供される。

上記の燃料電池用改質器においては、
（１）前記気化部内にはセラミック粒状物が充填されていること、
（２）前記送水管は、気化部の下端部分から上端部分近傍まで侵入していること、
（３）前記気化部は、直立した仕切壁によって２室に区分され、これらの２室は上端部で互いに連通しているとともに、一方の室に前記送水管が接続され、他方の室が前記連通孔を介してガス導入室に連通していること、
（４）前記直立筒状体の上端部分は、水平方向に延びている水平筒状体に接続されており、該水平筒状体内部にも触媒室が形成されており、水平筒状体内の触媒室と、前記直立筒状体の触媒室とが連続していること、
が好適である。

また、本発明によれば、複数の燃料電池からなるセルスタックが配列されている発電室と、該発電室の上部に配置され且つ該発電室から排出されたガスを燃焼する燃焼室と、上述した燃料電池用改質器とがハウジング内に設けられた燃料電池構造体であって、前記改質器の直立筒状体が前記発電室の側面側に対面するように配置されており、前記セルスタックからの輻射熱により前記気化部及び触媒室が加熱されることを特徴とする燃料電池構造体が提供される。

上記の燃料電池構造体においては、
（５）前記気化部と発電室との間に触媒室及びガス導入室が位置するように、前記改質器が配置されていること、
（６）前記改質器が、前記直立筒状体の上端部分に、内部に触媒室を有する水平筒状体が接続された構造を有するものであり、水平筒状体内の触媒室が前記燃焼室上を延びていること、
が好ましい。

本発明の燃料電池用改質器では、送水管によって供給される水の気化部内からガス導入室までの移動経路が著しく長く設定されているため、このような気化部を有する直立筒状体を、燃料電池構造体の発電室の側面側に立設することにより、発電室からの輻射熱により、安定して水を気化せしめて水蒸気を生成し、水蒸気量の変動による出力変動を有効に回避することができる。

特に、上記の気化部と発電室との間にガス導入室及び触媒室を配置することにより、気化部に供給される水の急激な加熱が抑制されるため、水の急激加熱による水蒸気の脈動を確実に防止でき、燃料電池構造体の出力変動防止の点でもっとも好ましい。

また、前記改質器が、前記直立筒状体の上端部分に、内部に触媒室を有する水平筒状体が接続された構造を有するものでは、水平筒状体内の触媒室が燃料電池構造体の燃焼室上を延びるように改質器を配置することにより、発電室からの輻射熱と燃焼域での燃焼熱とによって触媒加熱を効率よく行うことができ、短時間で改質反応開始温度まで加熱することができ、且つ安定に改質反応温度を維持することができる。

本発明を、以下、添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の改質器が使用される燃料電池構造体の発電プロセスの概略を示す概念図であり、
図２は、本発明の改質器の一例を示す側断面図であり、
図３は、図２の改質器の気化部の構造を示す概略断面図であり、
図４は、図２の改質器の改質部の構造を示す概略断面図であり、
図５は、図２の改質器の気化部の構造の他の例を示す概略断面図であり、
図６は、本発明の改質器の他の一例を示す側断面図であり、
図７は、図２の改質器を備えた本発明の燃料電池本体の概略構造を示す図であり、
図８は、図７の燃料電池構造体における発電室に設けられているセルスタックの概略構造を示す図である。

図１を参照して、本発明の改質器が使用される燃料電池構造体は、複数のセルスタックが配置された発電室１と、改質触媒が充填されている改質器２とが、所定のハウジング（図示せず）内に設けられた構造を有しており、発電室１の上部に、発電室１から排出されるガスの燃焼域３が形成されており、この燃焼域３を介して廃ガスが外部に排出される構造となっている。

即ち、都市ガスなどの炭化水素ガス（通常、ＣＨ_４ガス）を、脱硫器５を介して改質器２に供給し、水素を含有する燃料ガスに改質し、改質された燃料ガスを発電室１内に供給する。一方、発電室１内には、別経路で酸素含有ガス（通常、空気）が供給され、これらのガスの供給によって発電が行われる。発電後のガスは、発電室１の上部に排出され、点火バーナーなどによる着火によって燃焼域３で拡散燃焼し、燃焼廃ガス（排気ガス）は、外部に放出される。

炭化水素ガスを水素含有燃料ガスに改質するための改質反応としては、部分酸化改質反応、自己熱改質反応及び水蒸気改質反応が知られており、各反応は、例えば下記式で表される。
部分酸化改質反応：
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２ → ２Ｈ_２＋ＣＯ（発熱反応）
自己熱改質反応
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｏ_２ → ３Ｈ_２＋ＣＯ_２（熱量制御可能）
水蒸気改質反応
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ（吸熱反応）

部分酸化反応は発熱反応であり、反応の進行にしたがい温度上昇を伴う。自己熱改質反応は、発熱反応と吸熱反応とが複合した反応であり、酸素量及び水蒸気量の調整により熱量制御可能であり、例えば酸素量を多くすると発熱反応が支配的となり、水蒸気量を多くすると吸熱反応が支配的となる。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応を安定に継続させるためには加熱を要する。

燃料電池構造体を稼動するにあたっては、原理的には、上記何れの改質反応によって水素含有燃料ガスを生成させ、これを発電室１内に供給することができるが、部分酸化反応は発熱反応であり、反応の進行にしたがって温度上昇を伴うため、過剰昇温を生じやすく、継続して発電を行うには適当でなく、部分酸化法の利用は、通常、起動時（稼動初期）のみであり、所定の改質温度に触媒が到達した後は、水蒸気を供給して、自己熱改質反応或いは水蒸気改質反応により水素含有の燃料ガスに改質されて発電が行われる。

しかるに、水蒸気を供給して改質反応を実行する場合には、吸熱反応による温度低下を生じるため、触媒を所定の温度に加熱維持することが必要となり、また、水蒸気生成のための熱源も必要となる。本発明の改質器は、このような触媒の加熱維持や水蒸気生成の熱源も、燃料電池構造体の内部で発生する熱を利用して行うものである。

（改質器の構造）
図２乃至図４を参照して、全体として２で示す本発明の改質器は、ステンレススチール等の熱伝導性材料からなる直立した筒状体（直立筒状体）１０を有しており、この直立筒状体１０の内部は、高さ方向に延びている仕切壁１２によって、改質部１０ａと気化部１０ｂとに仕切られている。

改質部１０ａは、改質すべき炭化水素含有ガスが導入されるガス導入室１３と、ガス導入室１３上に形成され且つ内部に改質触媒が充填された触媒室１５とから成っている。また、ガス導入室１３と触媒室１５とは、改質触媒保持可能で且つガスの流通可能な仕切壁、例えばメッシュ壁１７によって区画されており、ガス導入室１３には、原料ガス供給管１９が接続されている。即ち、この供給管１９から、メタンガス等の改質すべき炭化水素ガスがガス導入室１３を通って触媒室１５に導入され、改質が行われ、水素含有の燃料ガスが生成する。

触媒室１５に収容される改質触媒としては、それ自体、公知のものが使用され、例えばＮｉ触媒等の卑金属触媒や、Ｒｕ，Ｐｔなどの貴金属触媒が使用される。Ｎｉ触媒等の卑金属触媒は酸化活性が低く、改質反応開始温度は３５０℃程度と高く、一方、貴金属触媒は、通常、酸化活性が高く、炭化水素ガスを通したときの改質反応開始温度が２５０〜３００℃程度である。

尚、上記の直立筒状体１０は、輻射熱による加熱を効率よく行うために、直方体形状であることが最も好ましいが、必要により、円柱形状（円筒形状）とすることも可能である。また、直立筒状体１０の上端には、水平筒状体２０が接続されていることが好ましい。この水平筒状体２０は、内部に触媒室２１が形成されており、この排気側には、排気室２３が形成され、排気室２３には改質ガス排気管２５が接続されている。即ち、上記の触媒室１５の上端が、水平筒状体２０の触媒室２１に連通しており、ガス導入室１３に導入された原料ガスは、触媒室１５及び触媒室２１を通って改質され、生成した水素含有燃料ガスは、排気室２３を通って排気管２５から排出され、図１に示す燃料電池構造体の発電室１内に供給される。

後述するが、上記の改質器２において、直立筒状体１０は、燃料電池構造体の発電室１の側部に配置され、発電室１からの輻射熱によって所定の改質温度に加熱保持されるが、上記のような水平筒状体２０を設けた場合には、水平筒状体２０内の触媒室２１を、燃焼域３の上部近傍に配置することができ、燃焼域３の燃焼熱によって、改質反応温度に安定して触媒を加熱維持することができる。

本発明において、直立筒状体１０の改質部１０ａに並列して設けられている気化部１０ｂは、送水管３０が接続され、また下方部分には連通孔３１が形成され、この連通孔３１によって気化部１０ｂとガス導入室１３とが連通しており、送水管３０から供給された水は、気化室１０ｂで気化し、生成した水蒸気がガス導入室１３に供給されるようになっている。即ち、ガス導入室１３において、原料ガスと水蒸気とが混合され、この混合ガスが触媒室１５（及び触媒室２１）に供給され、水蒸気改質反応が行われる。

また、先に述べたように、直立筒状体１０は、燃料電池構造体の発電室１の側部に配置され、発電室１からの輻射熱によって加熱されるが、この加熱によって気化部１０ｂでの水蒸気生成が有効に行われるように、気化部１０ｂ内には、高熱容量のセラミック粒状物３３、例えばジルコニア（ＺｒＯ_２）粒状物などが充填されていることが好ましい。このようなセラミック粒状物３３は、必要により、ガス導入室１３内に充填されていてもよい。

さらに、本発明においては、上記気化部１０ｂでは、送水管３０からの水が少なくとも気化部１０ｂの下端部分から上部に達し、その後、下方に降下して下端に達し、連通孔３１からガス導入室１３内に移行するようにすることが重要である。例えば、図２及び図３に示されているように、送水管３０は、気化部１０ｂの下端から気化部１０ｂ内に侵入しており、その先端は、気化室１０ｂの上部まで達している。即ち、送水管３０から供給される水は、気化室１０ｂの下端から上部まで流れる際に加熱され、さらに上部から下端に降下する際にも加熱される。従って、加熱経路が十分長く設定され、安定して水蒸気に気化することができ、一定量の水蒸気を安定にガス導入室１３に供給することができ、安定した改質反応を実行することができ、改質量の変動による燃料電池構造体の出力変動を有効に防止することができる。また、このような直立筒状体１０を、燃料電池構造体の発電室１の側部に配置したとき、発電室１からの輻射熱によって送水管３０からの水は徐々に加熱されるため、急激な気化を回避することができ、水蒸気の脈動を抑制し、脈動による出力変動も有効に回避することができる。例えば、気化部１０ｂへの水の供給を、気化部１０ｂの上端から行った場合には、水の加熱経路が短くなってしまうため、水の気化を安定に行うことが困難となってしまい、水蒸気量の変動が生じ、出力変動を生じやすくなってしまう。また、気化部１０ｂの上端部分は、燃料電池構造体の燃焼域３（図１参照）からの燃焼によって急激に加熱されるおそれもあり、急激な気化による水蒸気の脈動によって出力変動を生じやすくなってしまう。

また、上記のような直立筒状体１０に改質部１０ａと気化部１０ｂとを並列に隣接した本発明の改質器においては、ガス導入室１３での過剰昇温が気化部１０ｂでの気化熱によって有効に抑制され、例えば過剰昇温による煤の発生（炭化水素の熱分解）を有効に防止し、安定した発電を行うことができる。

さらに、本発明においては、気化部１０ｂの構造は図２、図３に示されるものに限定されるものではなく、例えば図５に示されているように、気化部１０ｂを仕切壁３５で２つの室Ａ，Ｂに区画し、上端部分において、２つの室Ａ，Ｂを連通せしめ、一方の室Ａには、送水管３０を接続し、送水管３０の先端を室３０の下端部分に位置せしめ、他方の室Ｂの下端部分にガス導入室１３との連通孔３１を設けることができる。また、２つの室Ａ，Ｂには、高熱容量のセラミック粒状物３３を充填しておくことが好ましい。このような図５の態様においても、送水管３０からの水は、気化部１０ｂの上端部分に到達した後、降下して連通孔３１からガス導入室１３に流れ込むように構成されているため、図２の例と同様、送水管３０からの水の加熱経路を長くすることができ、確実に水を気化させて、一定量の水蒸気を安定に供給することができ、また、下端から水を供給するため、水の急激な気化を抑制し、水蒸気の脈動を防止することができる。

また、図２に示す改質器２は、直立筒状体１０の改質部１０ａが燃料電池構造体の発電室１側に位置するように適した構造を有しているが、気化部１０ｂ側を発電室１側に配置する場合には、図６に示すように、気化部１０ｂを水平筒状体２０側に位置するように設けるのがよい。但し、気化部１０ｂにおいて、水の急激な気化による水蒸気の脈動を防止するという点では、図２に示す構造とし、改質部１０ａが燃料電池構造体の発電室１側に位置せしめることが好適である。

尚、上述した構造を有する改質器２においては、ガス導入室１３及び排気室２３に熱センサを設け、触媒室１５、２１での触媒入口温度及び触媒出口温度をモニターするようにしておくことが、原料ガスや水蒸気の供給のタイミングを制御する上で好ましい。

（燃料電池構造体）
上述した本発明の改質器を用いて構成された燃料電池構造体の概略構造を、図２の改質器を用いた場合を例にとって図７に示した。また、図８は、図７の発電室１に設けられるセルスタックの概略構造を示す図である。

図７、８に示す燃料電池構造体において、発電室１の上部には、図１で説明したように、燃焼域３が形成されており、また、上述した構造を有する改質器２は、直立筒状体１０が発電室１の側部に対面し且つ水平筒状体２０が燃焼域３の上部に対面するように配置されている。

発電室１には、全体として５０で示すセルスタックが、適当な間隔で複数配列されており、各セルスタック５０の下部には、マニホールド５１が設けられている。上記の改質器２は、各セルスタック５０のそれぞれの側部に配置されており、原料ガス（炭化水素ガス）は、原料ガス供給管１９から改質器２に供給され、改質器２によって改質されたガス（水素含有燃料ガス）は、排気管２５からマニホールド５１からセルスタック５０の内部に供給され、セルスタック５０のセル上部から燃焼域３に放出されるようになっている。

一方、セルスタック５０の間には、図８にも示されているように、発電用ガス供給管５３が上方から下方に延びており、この供給管５３によって発電用の酸素含有ガス（空気）が供給される。即ち、発電用の酸素含有ガスは、供給管５３の下端からセルスタック５０のセル間に供給され、セルスタック５０間の上部から燃焼域３に放出されるようになっている。即ち、燃焼域３では、十分な酸素の供給により、拡散燃焼による燃焼が行われるようになっている。

セルスタック５０の構造を示す図８を参照して説明すると、マニホールド５１上に設けられているセルスタック５０は、上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セル（燃料電池）６０が複数個接続されたものであり、複数のセルスタック５０の間の空間に、発電用のガス供給管５３が上方から下方に延びている。

セル６０は、それぞれ、電極支持基板６１の一方側の面に、燃料極層６３、固体電解質層６５及び酸素極層６７がこの順に積層され、電極支持基板６１の他方側の面に、酸素極層６７と対面するように、インターコネクタ６９が積層された構造を有している。尚、固体電解質層６５は、燃料極層６３を完全に覆うように設けられており、燃料極層６３及び固体電解質層６５は、電極支持板６１の他方の面まで回りこんでおり、インターコネクタ６９の両端に接合されている。また、電極支持板６１の内部には、マニホールド５１に連通している複数のガス孔６１ａが形成されており、マニホールド５１内に供給された燃料ガス（改質ガス）は、このガス孔６１ａを通って、上部の燃焼域３に排出されるようになっている。即ち、セル６０内のガス孔６１ａに燃料ガス（改質ガス）を供給し、且つセルスタック５０の間に、ガス供給管５３から発電用の酸素含有ガスを供給することにより、発電が行われる構造となっている。

また、隣接するセル６０は集電部材７１によって接続されており、一方のセル６０のインターコネクタ７１と他方のセル６０の酸素極層６７が集電部材７１で接続された構造となっている。図示されていないが、セルスタック５０の両端に位置する集電部材７１には、電力取出手段が接続されており、発電した電流が取り出されるようになっている。

上記のセル６０において、電極支持基板６１は、燃料ガスを燃料極層６３まで透過させるためにガス透過性であることが必要であり、さらに、インターコネクタ６９を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。

また、電極支持基板６１は、燃料極層６３や固体電解質層６５との同時焼成により作製するために、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから構成されていることが好ましく、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、その導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

燃料極層６３は、多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称されている）と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層６５は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。

酸素極層６７は、所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層６７はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０乃至５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ６９は、導電性セラミックから形成することができるが、水素ガス（燃料ガス）及び酸素含有ガス（空気）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。また、インターコネクト６９は、電極支持基板６１に形成されたガス孔６１ａを通る燃料ガス及び電極支持基板６１の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材７１は、弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。

即ち、上記のようなセル６０が所定の作動温度（７００〜１０００℃程度）に加熱された状態で、供給管５３から発電用の酸素含有ガスを流し、ガス孔６１ａに、改質器２によっての改質により得られた燃料ガス（水素）を流すと、酸素極層６７において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生じ、燃料極層６３において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生じ、この結果、発電することとなる。

尚、セル６０の構造は、上述した例に限定されるものではなく、例えば、電極支持板６１を燃料極とすることもできるし、燃料極層６３と酸素極層６７との位置関係を逆にし、ガス孔６１ａに発電用の酸素含有ガス（空気）を供給し、セルスタック５０間に燃料ガス（改質ガス）を供給するような構造とすることも可能である。

即ち、上記のような燃料電池構造体は、供給管５３から空気（酸素）を発電室１に流し、同時に改質器２を通して原料ガス（或いは原料ガスと酸素）を、マニホールド５１を介して発電室１に流し、燃焼域３で燃焼を行い、この燃焼熱によってセルスタック５０内のセル６０を加熱する。この加熱によってセル６０が所定の作動温度に到達し、且つ発電室１（セルスタック５０）からの輻射熱によって改質器２が加熱され、改質器２内の改質触媒の温度が所定の酸化開始温度に到達したときに、送水管３０から改質器２の気化部１０ｂへの送水を開始する。これにより、送水管３０から送水された水は、気化部１０ｂで水蒸気に気化し、この水蒸気は、連通孔３１からガス導入室１３に供給され、ガス導入室１３内で原料ガスと混合され、この混合ガスが触媒室１５，２１に供給され、改質反応（水蒸気改質反応或いは自己熱改質反応）によって水素含有の燃料ガスに改質され、この燃料ガスは、排気管２５からマニホールド５１を介して各セルスタック５０中のセル６０のガス孔６１ａに供給され、前述した電極反応により発電が行われ、さらに、上部の燃焼域３にガス供給管５３からの空気と共に排気されて燃焼し、燃焼廃ガスとして外部に排出される。

上記のような発電開始後は、発電によるジュール熱によりセルスタック５０（セル６０）は、所定の作動温度に加熱維持され、且つセルスタック５０からの輻射熱によって改質器２の直立筒状体１０（改質部１０ａ及び気化部１０ｂ）も、所定の温度に加熱維持される。一方、水平筒状体２０の触媒室２１も、燃焼域３での燃焼熱によって所定の温度に加熱維持され、水蒸気供給による吸熱反応による温度低下を生じることなく、安定して改質反応が行われ、出力変動を生じることなく、安定して発電が行われる。

即ち、上記のようにして改質器２が設けられている本発明の燃料電池構造体では、改質器２のガス導入室１３が発電室１（セルスタック５０）からの輻射熱で加熱されるため、ガス導入室１３での異常昇温が有効に防止され、改質触媒と接触しない状態での原料ガスの異常加熱が防止されるため、原料ガスの熱分解による煤の発生が有効に回避され、煤の発生などによる改質器２の機能低下等を確実に抑制することができる。また、改質器２の気化部１０ｂも過度に加熱されないため、急激な加熱による水の急激な気化が抑制され、水蒸気の脈動を有効に抑制でき、水蒸気の脈動による改質反応のばらつきなどを生じることがなく、安定して改質反応が行われる。

尚、図７では、図２で示される改質器２を設けた例を示したが、図６に示された構造の改質器２を設ける場合には、気化部１０ｂが発電室１側に配置されることとなる。

本発明の改質器が使用される燃料電池構造体の発電プロセスの概略を示す概念図。本発明の改質器の一例を示す側断面図。図２の改質器の気化部の構造を示す概略断面図。図２の改質器の改質部の構造を示す概略断面図。図２の改質器の気化部の構造の他の例を示す概略断面図。本発明の改質器の他の一例を示す側断面図。図２の改質器を備えた本発明の燃料電池本体の概略構造を示す図。図７の燃料電池構造体における発電室に設けられているセルスタックの概略構造を示す図。

符号の説明

１：発電室
２：改質器
３：燃焼域
１０：直立筒状体
１０ａ：改質部
１０ｂ：気化部
１３：ガス導入室
１５：触媒室
２０：水平筒状体
２１：触媒室
３０：送水管
３１：連通孔
３３：セラミック粒状物
５０：セルスタック
５１：マニホールド
６０：セル

Claims

炭化水素含有ガスを水素含有の燃料ガスに改質するための燃料電池用改質器において、
直立した筒状体からなり、
前記筒状体は、高さ方向に延びている仕切壁によって、改質部と気化部とに仕切られており、
前記改質部は、改質すべき炭化水素含有ガスが導入されるガス導入室と、該ガス導入室上に形成されており且つ内部に改質触媒が充填され、改質されたガスを排出するガス排出管に接続される触媒室とからなっており、
前記ガス導入室と触媒室とは、改質触媒保持可能で且つガスの流通可能な仕切壁によって区画されており、
前記ガス導入室には、改質すべき炭化水素含有ガスを導入するためのガス導入管が接続され、
前記気化部の下方部分とガス導入室とは、連通孔を介して互いに連通しており、
前記気化部には、送水管が接続され、送水管から気化部内に供給される水が、少なくとも気化部の下端部分から上部に達してから下方に降下して下端に達し、前記連通孔からガス導入室内に移行するように該気化部が構成されていることを特徴とする燃料電池用改質器。
前記気化部内にはセラミック粒状物が充填されている請求項１に記載の燃料電池用改質器。
前記送水管は、気化部の下端部分から上端部分近傍まで侵入している請求項１または２に記載の燃料電池用改質器。
前記気化部は、直立した仕切壁によって２室に区分され、これらの２室は上端部で互いに連通しているとともに、一方の室に前記送水管が接続され、他方の室が前記連通孔を介してガス導入室に連通している請求項１または２に記載の燃料電池用改質器。
前記直立筒状体の上端部分は、水平方向に延びている水平筒状体に接続されており、該水平筒状体内部にも触媒室が形成されており、水平筒状体内の触媒室と、前記直立筒状体の触媒室とが連続している請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池用改質器。
複数の燃料電池からなるセルスタックが配列されている発電室と、該発電室の上部に配置され且つ該発電室から排出されたガスを燃焼する燃焼室と、請求項１乃至５の何れかに記載の燃料電池用改質器とがハウジング内に設けられた燃料電池構造体であって、前記改質器の直立筒状体が前記発電室の側面側に対面するように配置されており、前記セルスタックからの輻射熱により前記気化部及び触媒室が加熱されることを特徴とする燃料電池構造体。
前記気化部と発電室との間に触媒室及びガス導入室が位置するように、前記改質器が配置されている請求項６に記載の燃料電池構造体。
前記改質器が請求項５に記載の構造を有するものであり、水平筒状体内の触媒室が前記燃焼室上を延びている請求項６または７に記載の燃料電池構造体。