JP2007126321A - 燃料電池用の改質器及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電に要する消費電力量を抑制することができ、かつ燃料電池を小型化することができる改質器を提供することを課題とする。さらには、原料として炭素数の多いアルカンを供給する場合にも燃料電池を大型化することなく、充分に改質することができる改質器を提供することを課題とする。さらにまた、これらの改質器を備えた燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料ガスの原料が供給される配管（４）と、この配管内に設けられ、表面に改質触媒を有する帯状部材（７０）とを有する燃料電池用の改質器（７）とした。さらに、上記帯状部材を、長手方向に螺旋状に形成するとともに、当該長手方向を上記配管の長手方向に向けて挿通し、上記帯状部材によって上記燃料ガスの原料の流路（７７ａ、７７ｂ）を上記配管内に螺旋状に形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料ガスの原料を改質する燃料電池用の改質器及びこれを備えた燃料電池に関するものである。

現在、特許文献１に示すように、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層の両面に空気極層（カソード）および燃料極層（アノード）が配設された発電セルと、セパレータとが交互に複数積層された燃料電池スタックを具備するとともに、この燃料電池スタックの外方に改質器を備えた固体酸化物形燃料電池等の燃料電池が開発されている。

これらの空気極層及び燃料極層は、多孔質層から形成されており、空気極層においては、反応用ガスとして酸化剤ガス（酸素）が供給され、固体電解質層との界面近傍まで移動する。すると、この酸化剤ガスは、電子が供与されて酸化物イオン（Ｏ^2-）となって、さらに固体電解質層内を燃料極層に向かって拡散移動する。
他方、燃料極層においては、燃料ガス（Ｈ₂等）が供給される。この燃料ガスは、燃料電池スタックの上流側に接続された燃料ガス管により燃料極層に供給されており、この燃料ガス管には、上記改質器が介装されている。

すると、燃料電池スタック内において、発熱を伴いながら以下に示す電極反応が行われ、高温の排ガスを放出する。
空気極 １／２Ｏ₂＋ ２ｅ^- →Ｏ^2-
燃料極 Ｈ₂ ＋ Ｏ^2- →Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
全体 Ｈ₂ ＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

ところで、上記燃料ガスの原料としてメタンを主成分とする都市ガス等の炭化水素化合物を用いた場合に、上記電極反応に用いる水素ガス（Ｈ₂）は、上記燃料電池スタックの上流側において、上記改質器により上記原料を水蒸気改質法によって改質することにより得られる。

この改質器は、上記燃料ガス等の原料が導入される本体内に、当該原料を改質（吸熱反応）するための改質触媒が充填されたものであり、上記燃料電池スタックから放出される排ガスの熱を利用して改質反応を進行させるため、燃料電池スタックとともにハウジング内に設置されている。

上記改質器においては、例えば、原料として脱硫されたメタンと、水蒸気とが導入されると、水素と一酸化炭素とが生成する。更に一酸化炭素中に水蒸気を導入すると、水素と二酸化炭素とが生成し、燃料ガスが得られる。これらを反応式で示すと、以下の通りである。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ（ｇ）→３Ｈ₂＋ＣＯ
ＣＯ ＋Ｈ₂Ｏ（ｇ）→Ｈ₂＋ＣＯ₂

また、原料としてエタン、プロパン等のメタンより炭素数の多いアルカンが含まれている場合には、上記改質器内において、一度、炭素数の多いアルカンをメタンに分解した後に、メタンを上述のように改質しなければならない。

ところで、上記改質器においては、内部に充填された改質触媒によって、上記原料等の流通が妨げられるため、上記原料等が供給された際の圧力損失が大きくなる。そのため、原料供給用のファンによって原料の供給圧力を高める必要があり、ファンの電力消費により発電に要する消費電力が増大するという問題があった。
また、上記改質器を設置するためのスペースをハウジング内に確保する必要があるため、燃料電池を小型化することが難しいという問題があった。

さらに、原料として、メタンより炭素数の多いアルカンが含まれる場合には、このアルカンの分解が吸熱反応であるために改質器が冷却されてしまい、メタンの改質反応が充分に進行しないという傾向にある。

このため、改質器を大きくして、改質器の下流側にてメタンの改質反応を進行させる方法、あるいは別途炭素数の多いアルカンを分解するための改質器を設ける方法が考えられるが、いずれの場合にも、ハウジング内に余分のスペースを必要とするため、燃料電池が大型化するという問題があった。
特開２００５−１９０３６号公報

そこで、本発明は、発電に要する消費電力量を抑制することができ、かつ燃料電池を小型化することができる改質器を提供することを課題とする。さらには、原料として炭素数の多いアルカンを供給する場合にも燃料電池を大型化することなく、充分に改質することができる改質器を提供することを課題とする。さらにまた、これらの改質器を備えた燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明にかかる改質器は、燃料ガスの原料が供給される配管と、この配管内に設けられ、表面に改質触媒を有する帯状部材とを有してなり、かつ、上記帯状部材は、長手方向に螺旋状に形成されるとともに、当該長手方向を上記配管の長手方向に向けて挿通されており、上記配管内には、上記帯状部材によって上記燃料ガスの原料の流路が螺旋状に形成されていることを特徴とするものである。

この帯状部材としては、例えば、金属板やセラミックス板等の螺旋状に形成可能な部材が用いられている。また、改質触媒としては、ニッケル系、ルテニウム系等の炭化水素改質用のものが使用可能である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用の改質器において、上記帯状部材が金属材料からなることを特徴とするものである。また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池用の改質器において、上記帯状部材が多孔質材料であることを特徴とするものである。
このため、上記帯状部材としては、金属材料からなり、かつ多孔質材料である板状の発泡金属が使用可能である。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用の改質器において、上記配管が横断面円形状であり、かつ、上記帯状部材の両側部が配管の内壁に内接していることを特徴とするものである。ここで、内接とは、帯状部材の両側部が配管の内壁に沿って設けられ、帯状部材の両側部が部分的に内壁に内接されて、燃料ガスの原料が主として帯状部材により形成された流路に沿って流れるようになっていることを意味するものである。

請求項５に記載の発明にかかる燃料電池は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の改質器によって構成された第１改質器と、この第１改質器の下流側に設けられ、上記第１改質器によって一部改質された上記燃料ガスの原料を更に改質する第２改質器とを備えていることを特徴とするものである。

請求項１ないし４に記載の発明によれば、上記配管内に上記燃料ガスの原料を供給すると、上記燃料ガスの原料が螺旋状に流れつつ、帯状部材の表面の上記改質触媒によって改質される。その結果、燃料ガスが供給される配管内に改質触媒を設置することにより、別途ハウジング内に改質器を設ける必要がなく、燃料電池を小型化することができる。

また、燃料ガスの原料を供給する際、燃料ガスが帯状部材によって形成された螺旋状の流路を流通するため、従来の改質触媒を充填しただけの改質器と比較して著しく圧力損失を減少させつつ、上記配管の排出部から改質後の燃料ガスを燃料電池スタックに供給することができる。このため、ファンが必要以上に電力を消費することを防止でき、発電に要する消費電力量を抑制することができる。

特に、請求項２に記載の発明によれば、金属材料からなる帯状部材を用いたため、熱伝導率が高く、吸熱反応によって冷却されやすい改質器の上流部に下流部の熱を伝導させることができ、改質効率の低下を防止できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、上記帯状部材として多孔質部材を用いたため、燃料ガスの原料が多孔質部材により形成された流路に沿って螺旋状に流れつつも、一部、孔内を通過するため、圧力損失を一層減少させることができる。また、燃料ガスが孔内を通過しつつ、改質触媒によって改質されるため、改質効率を高めることができる。

さらに、上記帯状部材として発泡金属を用いた場合には、上記金属材料による効果と上記多孔質部材による効果との相乗効果によって、改質効率を著しく高めることができる。

さらにまた、請求項４に記載の発明によれば、配管を断面円形状にするとともに、上記帯状部材の両側部を配管の内壁に内接させているため、燃料ガスの原料が主として帯状部材によって形成された流路に沿って流れる。その結果、燃料ガス原料が帯状部材と配管との隙間のみを流通することを防止して、ほぼ全ての燃料ガス原料を帯状部材の表面の改質触媒によって改質することができる。

一方、請求項５に記載の発明によれば、燃料ガスの原料としてエタン、プロパン等の炭素数がメタンより多いアルカンを供給した場合、第１改質器によって主としてメタンより炭素数の多いアルカンをメタンに分解した後に、第２改質器によって主としてメタンを水素に改質することにより、燃料ガスを得ることができる。その結果、第２改質器は、第１改質器におけるアルカンの分解反応における予備改質に相当する分だけ小型化することができる。さらに、第１改質器が冷却されても、第２改質器が冷却されないため、メタンを充分に改質することができ、燃料ガスを効率的に生成することができる。

以下、本発明に係る燃料電池用の改質器を用いた燃料電池の一実施形態を、図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態における燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて、電極反応が生じる燃料電池スタック１がハウジング２内に設けられている。

この燃料電池スタック１は、発電セル１１と、セパレータ１２とが交互に複数段積層されて、外周部にガス漏れ防止用シールを敢えて設けないシールレス構造が採用されており、電極反応により生じる排ガスが燃料電池スタック１からハウジング２内に放出されるようになっている。

この発電セル１１は、固体電解質２１と、この固体電解質層２１の一方の表面に形成された燃料極層２２と、固体電解質層２１の他方の表面に形成された空気極層２３とが備えられている。さらに、燃料極層２２の外側に燃料極集電体３２が配設されるとともに、空気極層２３の外側に空気極集電体３３が配設されている。

ここで、固体電解質層２１はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等により構成されるとともに、燃料極層２２はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメット、空気極層２３はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等により各々構成されている。また、燃料極集電体３２はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板により構成されるとともに、空気極集電体３３はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板により構成されている。

一方、上記セパレータ１２は、厚さ数ｍｍ程度の略方形状の熱伝導性に優れるステンレス板で構成されており、中央内部に燃料ガスが流通する燃料ガス流路１２ａと、酸化剤ガス（一般的には空気）が流通する酸化剤流路１２ｂとがそれぞれ形成されている。この燃料ガス流路１２ａは、燃料極集電体３２の中央部に向けて開口が形成されており、酸化剤流路１２ｂは、空気極集電体３３の中央部に向けて開口が形成されている。そして、上記燃料ガス流路１２ａの上流側には、断面円形状の燃料ガス配管４が接続されているとともに、上記酸化剤流路１２ｂの上流側には、同形状の酸化剤ガス配管５が接続されている。

この燃料ガス配管４には、内部にハニカム触媒が充填された改質器（第２改質器）６が介装されている。この改質器６は、上記燃料電池スタック１から放出された排ガスによって加熱される位置に配設されて、燃料電池スタック１の起動持に４００〜８００℃に昇温するようになっている。

さらに、この燃料ガス配管４は、上記改質器６よりも上流側に取り外し可能な分離管（第１改質器）７が介装されている。この分離管７は、断面円形状のステンレス管であり、改質器６と同様に、燃料電池スタック１から放出された排ガスによって加熱される位置に配設されている。

また、分離管７は、内部に帯状の発泡金属（帯状部材）７０が挿通されており、この発泡金属７０は、長手方向に向けて螺旋状に形成されるとともに、当該長手方向が上記燃料ガス配管４の長手方向に向けて配設されている。そして、発泡金属７０の両側部が上記分離管７の内壁に内接して、発泡金属７０の両表面と上記分離管７の内壁とにより囲まれた空間によって螺旋状の流路７７ａ、７７ｂがそれぞれ形成されている。

この発泡金属７０としては、例えばＮｉ発泡金属、ＳＵＳ３１６発泡金属等が用いられている。そして、この金属表面には、改質触媒として、アルミナ粒子が焼き付けられるとともに、このアルミナ粒子の表面にルテニウム粒子が担持されている。

なお、本発明は上述の実施の形態に何ら限定されるものではなく、例えば発泡金属７０の代わりに、メッシュフェルト、パンチングメタル、エキスパンドメタルやセラミックス等を用いてもよい。セラミックスを用いた場合には、アルミナ粒子を介さずにセラミックス表面に直接ルテニウム粒子が担持されていてもよい。

次に、上述の燃料電池を用いて、燃料ガスの原料として都市ガスを供給した場合の作用について、説明する。なお、都市ガスは、主成分であるメタンの他に、エタン、プロパン等のメタンよりも炭素数の多いアルカンが含有されている。

まず、ハウジング２内に設けられた加熱手段（図示を略す）によって、燃料電池スタック１を予熱する。次いで、燃料ガス配管４に水蒸気及び都市ガスを供給するとともに、酸化剤ガス配管５に酸素を供給する。
すると、水蒸気及び都市ガスは、分離管７に供給されて、発泡金属７０により形成された流路７７ａ、７７ｂをそれぞれ流通しつつ、一部が発泡金属７０内を通過する。

その際、都市ガスに含まれるエタン、プロパン等の炭素数の多いアルカンは、発泡金属７０表面の改質触媒によって分解されて、メタンになるとともに、メタンは、発泡金属７０表面の改質触媒によって改質されて、一部燃料ガスになる。

次いで、水蒸気及びメタンは、一部改質された燃料ガスとともに分離管７内の流路７７ａ、７７ｂから流出して、再度、改質器６に供給される。
すると、メタンは、改質器６内において改質されて、燃料ガスになる。その後、この燃料ガスは、燃料ガス配管４を介して、燃料電池スタック１のセパレータ１２に形成された燃料ガス流路１２ａに供給される。他方、上記酸素は、酸化剤ガス配管５からセパレータ１２に形成された酸化剤流路１２ｂに供給される。

次いで、これらの燃料ガス及び酸素は、燃料ガスが燃料極層２２にて電子を放出するとともに、酸素が空気極層２３にて電子を授与する。そして、酸素が酸化物イオンとなり、この酸化物イオンが固体電解質層２１内に移動して、固体電解質層２１内を燃料極層２２にむかって拡散移動するため、空気極層２３と燃料極層２２との電位差が生じる。
その結果、燃料電池は、上記電位差によって、電気が取り出し可能になる。

上述の燃料電池によれば、水蒸気及び都市ガスが供給される燃料ガス配管内に、ルテニウムを担持する発泡金属７０が挿通されているため、水蒸気及び都市ガスを供給されると、炭素数の多いアルカンが発泡金属７０によって形成された流路７７ａ、７７ｂを流れつつ、表面の改質触媒により分解される。

その際、帯状の発泡金属７０が長手方向に向けて螺旋状に形成されるとともに、発泡金属７０の両側部が上記分離管７の内壁に内接することにより、発泡金属７０の両表面と上記分離管７の内壁とに囲まれた空間に螺旋状の流路７７ａ、７７ｂがそれぞれ形成されているため、水蒸気及び都市ガスの圧力損失を低減することができる。

また、ルテニウムが発泡金属７０に担持されているため、都市ガスとルテニウムとの接触面積が大きくなり、改質効率を高めることができるとともに、良好な伝熱作用によって改質反応による上流部と下流部との温度差を低減し、改質効率を高めることができる。

その結果、改質器６は、上記分離管７において上記メタンより炭素数の多いアルカンが分解されているため、その分だけ小型化することができるとともに、炭素数の多いアルカンの分解により冷却されることがないため、効率的にメタンを改質することができる。
また、分離管７は、燃料ガス配管４から取り外し可能であるため、改質触媒が担持された発泡金属７０を定期的に交換することができ、容易にメンテナンスできる。

本発明に係る燃料電池用の改質器を備えた燃料電池の一実施形態を示す横断面模式図である。 図１に示す分離管７の拡大図であって、配管内の発泡金属７０の説明図である。

符号の説明

４・・・燃料ガス配管
７・・・改質器
７０・・帯状部材
７７ａ、７７ｂ・・・燃料ガスの原料の流路

Claims (5)

1. 燃料ガスの原料が供給される配管と、この配管内に設けられ、表面に改質触媒を有する帯状部材とを有してなり、かつ、
   上記帯状部材は、長手方向に螺旋状に形成されるとともに、当該長手方向を上記配管の長手方向に向けて挿通されており、
   上記配管内は、上記帯状部材によって上記燃料ガスの原料の流路が螺旋状に形成されていることを特徴とする燃料電池用の改質器。
2. 上記帯状部材は、金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の改質器。
3. 上記帯状部材は、多孔質材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用の改質器。
4. 上記配管は、横断面円形状であり、かつ、上記帯状部材の両側部が当該内壁に内接していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用の改質器
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の改質器によって構成された第１改質器と、この第１改質器の下流側に設けられ、上記第１改質器によって一部改質された上記燃料ガスの原料を更に改質する第２改質器とを備えていることを特徴とする燃料電池。

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