JP2007214115A - 間接内部改質器を備える溶融炭酸塩燃料電池 - Google Patents

間接内部改質器を備える溶融炭酸塩燃料電池 Download PDF

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Abstract

【課題】費用節減と効率増大をもたらす構造を有する間接内部改質器を備えた溶融炭酸塩燃料電池を提供する。
【解決手段】一対のアノード電極板とカソード電極板間にアルカリ炭酸塩電解質を含む多孔性のマトリックス板からなり、上下に積層される多数の単位電池、前記積層された多数の単位電池の間に積層され、供給された原料燃料を改質反応によって水素に改質して前記単位電池に供給するための一つ以上の間接内部改質器、前記間接内部改質器に原料燃料を供給するための燃料供給管を内部に収容するために、前記内部間接改質器と単位電池の入口部に気密に設置される燃料マニホールド、及び前記間接内部改質器によって生成された水素を前記単位電池に供給するために、前記内部間接改質器と単位電池の出口部に気密に設置される改質燃料マニホールドを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は間接内部改質器を備える溶融炭酸塩燃料電池に係り、特に燃料電池スタックにおいて熱管理を効率よく調節して費用節減と効率増大をもたらすことができる構造を有する間接内部改質器を備える溶融炭酸塩燃料電池に関するものである。
周知のように、溶融炭酸塩燃料電池は、アノード部の水素酸化反応とカソード部の酸素還元反応の電気化学反応を利用して、燃料が持っている化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電装置で、一般的な熱機関（燃焼機関）に比べて理論的発電効率が高く、公害汚染源が少ない親環境的発電システムである。
このような溶融炭酸塩燃料電池は、大きくは電気を生成するスタック（ｓｔａｃｋ）及び燃料供給装置のような機械的周辺装置、及びＤＣ／ＡＣ変換装置のような電気的周辺装置から構成される。
このうち、スタックは一対のアノード電極板とカソード電極板間にアルカリ炭酸塩電解質を含む多孔性のマトリックス板からなる単位電池を持ち、これら単位電池が導電性分離板を介在して数十〜数百個が積層される形態に構成される。
このようなスタックは、溶融炭酸塩燃料電池の発電効率、寿命及び性能を決定するから、スタックを構成する分離板の形状と分離板内部への燃料供給方法が非常に重要であり、よってこれに対する研究が多く進んでいる。一方、溶融炭酸塩燃料電池は、水素と水蒸気から水素の豊かなガスを生成する吸熱反応の水蒸気改質反応とともに発熱反応である酸化反応が進むことにより、水蒸気改質反応で必要とする熱を供給するように、燃料を改質するための改質器を使用する。
溶融炭酸塩燃料電池は、改質器の位置によって、燃料電池の外部で燃料ガスを改質して水素と二酸化炭素を生産した後、これを燃料電池のアノード部に供給する外部改質型と、燃料電池の内部で直接改質してアノード部に供給する内部改質型とに分類することができる。内部改質型溶融炭酸塩燃料電池は、電気化学反応によって生成された反応熱を別途の吸熱反応である改質反応に直接利用するので、嵩の大きな外部改質器を無くしてシステムの構成を簡素化し、熱効率も高めることができる。
内部改質型燃料電池は、大きくは直接内部改質型と間接内部改質型に区分することができる。直接内部改質型は、改質触媒をアノード部に直接充填し、アノードの電気化学反応によって生成された熱を直接用いるので、改質性能がもっと優秀であるが、溶融炭酸塩電解質の蒸発によって触媒能が時間の経過によって低下する欠点を持っている。これに対する研究は特許文献１に詳細に開示されており、電解蒸発による触媒の性能低下に対して研究し続けている。次に、間接内部改質型は、改質触媒が入っているチェンバーをアノード部から隔離し、改質触媒の電解質蒸発による性能低下を防止して触媒性能を維持し、触媒の密度を調節して分配することにより、スタックの内部温度を調節することができる利点を持っている。
従来の溶融炭酸塩燃料電池形態は、特許文献２ないし５に開示されている。また、間接内部改質型溶融炭酸塩燃料電池に対する研究は、特許文献６に開示されているように、温度調節及び水素ガス供給装置としての役目をする研究があった。
米国特許第５，６６０，９４１号公報 大韓民国登録実用新案第２０−１８４１４３号公報、 大韓民国登録特許第１０−２６６２６４号公報 大韓民国公開特許第１０−２００５−６６５１号公報 大韓民国登録特許第１０−４１８６２６号公報 米国特許公開第２００４／００７１６１７号公報
しかし、前述したような発明は、内部流路の複雑性及び分離板製作工程の複雑性のため、運転消費動力が上昇し、製作単価が高いという欠点を持っている。
したがって、本発明の目的は、内部改質による熱管理の利点とシステム単純化を実現させ、より簡単な構造を有することによって製造費用を節減することができるとともに、熱管理を効率的に行うことができるので、費用節減と効率増大をもたらすことができる構造を有する間接内部改質器を備えた溶融炭酸塩燃料電池を提供することにある。
前記のような目的は、一対のアノード電極板とカソード電極板間にアルカリ炭酸塩電解質を含む多孔性のマトリックス板からなり、上下に積層される多数の単位電池；前記積層された多数の単位電池の間に積層され、供給された原料燃料を改質反応によって水素に改質して前記単位電池に供給するための一つ以上の間接内部改質器；前記間接内部改質器に原料燃料を供給するための燃料供給管を内部に収容するために、前記内部間接改質器と単位電池の入口部に気密に設置される燃料マニホールド；及び前記間接内部改質器によって生成された水素を前記単位電池に供給するために、前記内部間接改質器と単位電池の出口部に気密に設置される改質燃料マニホールド；を含むことを特徴とする本発明による溶融炭酸塩燃料電池によって達成できる。
前記間接内部改質器は、両側に側壁が形成され、結合時にボックス型ダクトを形成する上部板及び下部板；前記上部板及び下部板の間に提供され、原料燃料が通過する間、原料燃料を改質するための改質触媒がコートされた波形ガス流路板；前記波形ガス流路板のガス流路に、原料燃料を圧力降下なしに分配する構造を有し、前記原料燃料供給管に連結される燃料供給ディヒューザ；及び漏洩防止及び前記マニホールドの結合のために、前記ボックス型ダクトの前後側端に装着される多数の遮断板；を含むことができる。
前記燃料供給ディヒューザは、電気絶縁体が挿設された連結管を介して前記燃料供給管に連結できる。
前記波形ガス流路板にコートされる改質触媒の量は局所的に調節できる。
積層された前記単位電池及び間接内部改質器の出入口部の側端には、上下方向に伸び、前記マニホールドが設置されるマニホールドガスケットが設置されることができる。
前記マニホールドガスケットは不導体からなることができる。
また、前記のような目的は、積層された多数の単位電池の間に積層され、供給された原料燃料を改質反応によって水素に改質して前記単位電池に供給するために、溶融炭酸塩燃料電池に使用される間接内部改質器であって、互いに結合された時、ボックス型ダクトをなすように、両側に側壁が形成された上部板及び下部板；前記上部板及び下部板の間に提供され、原料燃料が通過する間、原料燃料を改質するための改質触媒がコートされた波形ガス流路板；前記波形ガス流路板のガス流路に、原料燃料を圧力降下なしに分配する構造を有し、原料燃料供給管に連結される燃料供給ディヒューザ；及び前記ボックス型ダクトの出入口部にそれぞれ連結される燃料及び改質燃料マニホールドの結合及び漏洩防止のために、前記ボックス型ダクトの前後側端に装着される多数の遮断板；を含むことを特徴とする本発明による間接内部改質器によって達成できる。
以上のように、本発明による間接内部改質器を備えた溶融炭酸塩燃料電池によれば、メタン−水蒸気改質反応器を直接スタックに装着して間接内部改質器内でガスを改質し、その生成物である水素と二酸化炭素をアノードに供給する構成を有することにより、溶融炭酸塩燃料電池のスタックの高い作動温度を吸熱反応の改質反応熱として用いて、スタック内部の温度の過昇を防止するとともに、温度勾配を最小化して燃料電池の寿命を延長させ、性能を向上させることができ、外部改質器を無くしてシステムを単純化することができる。
また、本発明によれば、間接内部改質器がダクト型に構成され、形状が単純化して、製造工程が縮小することができ、熔接及び密封を容易になすことができる。また、原料ガスの流れが一方向に設定されるように構造を単純化して圧力損失を最小化し、運転損失動力を低減させることによってシステム効率を上昇させるという利点を有する。
以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による溶融炭酸塩燃料電池の単位電池及び間接内部改質器を含むスタックの一部を示す斜視図、図２は内部に提供された波形（ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｈａｐｅ）ガス流路板を示すために、上側一部を切開した、図１に示すスタックに使用される間接内部改質器の斜視図である。
図１及び図２に示すように、本発明による間接内部改質器が使用されるスタック１００は、間接内部改質器１を挟んで多数の単位電池１３を積層することで構成される。単位電池１３は、公知のように、一対のアノード電極板とカソード電極板間にアルカリ炭酸塩電解質を含む多孔性のマトリックス板から作られ、上下に積層される。スタック１００において、積層された間接内部改質器１と単位電池１３の出入口部の側端には、上下方向に伸びるマニホールドガスケット１２がそれぞれ取り付けられ、マニホールドガスケット１２には、燃料マニホールド１０と改質燃料マニホールド１１がそれぞれ設置される。
燃料マニホールド１０は、内部に上下方向に伸びる原料供給管６が配設され、メタンの豊かな原料燃料（以下、燃料と言う）が燃料供給管６を通じて間接内部改質器１に供給される。燃料供給管６は連結管７を介して間接内部改質器１に連結され、燃料供給管６と間接内部改質器１を連結するための連結管７は電気絶縁体８が必ず挿入されなければならない。これは、マニホールド１０、１１と各単位電池１３が組み立てられる時、マニホールド１０、１１と単位電池１３間に電気的ショートを防止するためのものである。
連結管７は、間接内部改質器１の入口部に提供される燃料供給ディヒューザ５に連結され、連結管７を通じて供給された燃料は燃料供給ディヒューザ５を通過して、間接内部改質器１に提供された波形ガス流路板２に分配される。燃料供給ディヒューザ５によって波形ガス流路板２に形成された全てのガス流路に分配された燃料は、波形ガス流路板２を通じて、図１の実線矢印方向に、改質燃料マニホールド１１に送られる。
図２及び図３に示すように、間接内部改質器１は、波形ガス流路板２の全領域に燃料を分配するための燃料供給ディヒューザ５が上部板３と下部板４との間に配設される。燃料供給ディヒューザ５の両側部には、漏洩防止及び燃料マニホールド１０の結合のために、一対の遮断板９が設置される。遮断板９には、前記のように、マニホールドガスケット１２が装着され、マニホールドガスケット１２も、電気絶縁体８と同様に、不導体の材料から作られる。マニホールドガスケット１２は燃料マニホールド１０と結合され、燃料マニホールド１０内部の気密性を維持するように外部から遮断される。
前述したような間接内部改質器１において、波形ガス流路板２は、燃料を改質するための改質触媒が表面にコートされ、供給された原料は、波形ガス流路板２を通過する間、波形ガス流路板２の表面にコートされた改質触媒によるメタン−水蒸気改質反応によって水素に改質される。
波形ガス流路板２は、望ましくは、図２に示すように、一方向ガス流路板から形成され、燃料を分配させて非活性面積を最小化させ、圧力降下を最小化するように設計される。
図３は間接内部改質器の構成組立部品を示すための分解斜視図である。図３に示すように、本発明による間接内部改質器１は、両側部にそれぞれ側壁３ａ、４ａが形成されて“コ”字形の断面に形成された上部板３と下部板４を含む。したがって、上部板３及び下部板４が互いに結合された時、同図に示すように、ボックス型のダクトが形成される。
一方、上部板３及び下部板４が結合されるに先立ち、上部板３及び下部板４間に波形ガス流路板２が装着される。波形ガス流路板２が上部板３及び下部板４間に装着される時、波形ガス流路板２は、燃料が円滑に進行するように、ガス流路が上部板３及び下部板４の側壁３ａ、４ａと平行に配置されるように、装着される。波形ガス流路板２が前記のように装着された時、上部板３と下部板４は上下方向に互いに結合される。
上部板３及び下部板４によって形成されたボックス型ダクトの両側部には、図４に示すように、遮断板９が装着され、遮断板９には、前記のように、燃料の漏洩防止のためのマニホールドガスケット１２がそれぞれ設置される。ボックス型ダクトの入口部に装着された遮断板９の間に、連結管７が連結される燃料供給ディヒューザ５が設置され、燃料供給ディヒューザ５の外側マニホールドガスケット１２の間に燃料マニホールド１０が設置される。一方、ボックス型ダクトの出口部に装着された遮断板９に装着されたマニホールドガスケット１２の間には改質燃料マニホールド１１が設置される。前記のように、間接内部改質器１が本発明によって単一体に構成されることにより、密封のための熔接部位を最小化することができる利点を有する。
また、図１を参照すれば、燃料が燃料供給管６を通じて間接内部改質器１に移動する間、燃料が燃料マニホールド１０と熱交換して、所定の温度に予熱された状態で燃料供給ディヒューザ５に供給される。燃料供給ディヒューザ５は、燃料が拡散分配されることによって発生し得る圧力降下を最小化し、燃料が波形ガス流路板２に均一に分配されるように設計される。
間接内部改質器１に供給された燃料は、間接内部改質器１の内部に提供された波形ガス流路板２のガス流路を通過する間、波形ガス流路板２の表面にコートされた改質触媒によるメタン−水蒸気改質反応によって水素に改質される。この時、触媒によるメタン−水蒸気改質反応は吸熱反応で、所要熱は、単位電池１３の電気化学反応によって発生する発熱量を対流−伝導作用による熱伝逹によって得られる。したがって、波形ガス流路板２の表面にコートされる改質触媒の量を局部的に調節することによって、内部間接改質器１及び単位電池１３の温度を調節することができるとともに、スタックの温度も調節することができるという利点を有する。また、波形ガス流路板２を通過する間、燃料の改質によって生成された水素は改質燃料マニホールド１１で、図１に点線で表示する矢印方向に方向を変えて単位電池１３に供給される。
単位電池１３に供給された水素は、アノード酸化反応によって水と二酸化炭素を生成しながら電気を生成する。アノード酸化反応は発熱反応であり、このようなアノード酸化反応によってスタック１００の温度が上昇する。アノード酸化反応による不均一なスタックの温度は、単位電池１３の分離板の残留熱応力を誘導し、電解質を蒸発させ、単位電池１３の分離板の腐食を促進させてスタック１００の性能を低下させ、寿命を短縮させる原因となる。
したがって、スタック１００の不均一な温度を制御するために、間接内部改質器１に装着される波形ガス流路板２にコートされる改質触媒の量を適切に分布させることによって、スタック１００の温度条件を適切に維持することができる。これにより、スタック１００の性能を向上させることができ、燃料電池の耐久性を向上させて、溶融炭酸塩発電システムを安定化させることができる。一方、未反応燃料、水、二酸化炭素は燃料マニホールド１０に収集されてスタックの外部へ排出される。
本発明は、燃料電池スタックにおいて熱管理を効率よく調節して費用節減と効率増大をもたらす構造を有する間接内部改質器を備える溶融炭酸塩燃料電池に適用可能である。
本発明による溶融炭酸塩燃料電池の単位電池及び間接内部改質器を含むスタックの一部を示す斜視図である。 内部に提供された波形ガス流路板を示すために、上側一部を切開した、図１に示すスタックに使用される間接内部改質器の斜視図である。 間接内部改質器の構成組立部品を示すための分解斜視図である。 間接内部改質器内に提供された波形ガス流路板でのガス流れを示す図である。
符号の説明
１ 間接内部改質器
２ 波形ガス流路板
３ 上部板
４ 下部板
５ 燃料供給ディヒューザ
６ 燃料供給管
７ 連結管
８ 絶縁体
９ 遮断板
１０ 燃料マニホールド
１１ 改質燃料マニホールド
１２ マニホールドガスケット
１３ 単位電池
１００ スタック

Claims (9)

  1. 一対のアノード電極板とカソード電極板間にアルカリ炭酸塩電解質を含む多孔性のマトリックス板からなり、上下に積層される多数の単位電池；
    前記積層された多数の単位電池の間に積層され、供給された原料燃料を改質反応によって水素に改質して前記単位電池に供給するための一つ以上の間接内部改質器；
    前記間接内部改質器に原料燃料を供給するための燃料供給管を内部に収容するために、前記内部間接改質器と単位電池の入口部に気密に設置される燃料マニホールド；及び
    前記間接内部改質器によって生成された水素を前記単位電池に供給するために、前記内部間接改質器と単位電池の出口部に気密に設置される改質燃料マニホールド；を含むことを特徴とする、溶融炭酸塩燃料電池。
  2. 前記間接内部改質器は、
    両側に側壁が形成され、結合時にボックス型ダクトを形成する上部板及び下部板；
    前記上部板及び下部板の間に提供され、原料燃料が通過する間、原料燃料を改質するための改質触媒がコートされた波形ガス流路板；
    前記波形ガス流路板のガス流路に、原料燃料を圧力降下なしに分配する構造を有し、前記原料燃料供給管に連結される燃料供給ディヒューザ；及び
    漏洩防止及び前記マニホールドの結合のために、前記ボックス型ダクトの前後側端に装着される多数の遮断板；を含むことを特徴とする、請求項１に記載の溶融炭酸塩燃料電池。
  3. 前記燃料供給ディヒューザは、電気絶縁体が挿設された連結管を介して前記燃料供給管に連結されることを特徴とする、請求項２に記載の溶融炭酸塩燃料電池。
  4. 前記波形ガス流路板にコートされる改質触媒の量は局所的に調節可能であることを特徴とする、請求項２に記載の溶融炭酸塩燃料電池。
  5. 積層された前記単位電池及び間接内部改質器の出入口部の側端には、上下方向に伸び、前記マニホールドが設置されるマニホールドガスケットが設置されることを特徴とする、請求項１に記載の溶融炭酸塩燃料電池。
  6. 前記マニホールドガスケットは不導体からなることを特徴とする、請求項５に記載の溶融炭酸塩燃料電池。
  7. 積層された多数の単位電池の間に積層され、供給された原料燃料を改質反応によって水素に改質して前記単位電池に供給するために、溶融炭酸塩燃料電池に使用される間接内部改質器であって、
    互いに結合された時、ボックス型ダクトをなすように、両側に側壁が形成された上部板及び下部板；
    前記上部板及び下部板の間に提供され、原料燃料が通過する間、原料燃料を改質するための改質触媒がコートされた波形ガス流路板；
    前記波形ガス流路板のガス流路に、原料燃料を圧力降下なしに分配する構造を有し、原料燃料供給管に連結される燃料供給ディヒューザ；及び
    前記ボックス型ダクトの出入口部にそれぞれ連結される燃料及び改質燃料マニホールドの結合及び漏洩防止のために、前記ボックス型ダクトの前後側端に装着される多数の遮断板；を含むことを特徴とする、間接内部改質器。
  8. 前記燃料供給ディヒューザは、電気絶縁体が挿設された連結管を介して前記燃料供給管に連結されることを特徴とする、請求項７に記載の間接内部改質器。
  9. 前記波形ガス流路板にコートされる改質触媒の量は局所的に調節可能であることを特徴とする、請求項７に記載の間接内部改質器。
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