JP2009087809A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology capable of improving a temperature distribution inside a fuel cell during power generation. <P>SOLUTION: The fuel cell 100 is supplied with a fuel gas containing hydrogen and a hydrocarbon compound. The fuel cell 100 is provided with a membrane electrode assembly 10 including an electrolyte membrane 11 pinched by an anode 12 and a cathode 13, and a fuel gas passage 21 for the fuel gas which is installed on the anode side electrode face of the membrane electrode assembly 10. In the fuel gas passage 21, a shift catalyst layer 41 for promoting a shift reaction of the hydrocarbon compound and a reforming catalyst layer 40 for promoting a reforming reaction of the hydrocarbon compound are laminated, and the shift catalyst layer 41 is arranged at a position nearer to the anode 12 than the reforming catalyst layer 40. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池では、発電効率を向上するために、発電に供される発電領域の温度分布を均一化することが望ましい。これまで発電領域の温度分布を均一化するための種々の技術が提案されてきた(特許文献1等)。   In a fuel cell, in order to improve the power generation efficiency, it is desirable to make the temperature distribution in the power generation region used for power generation uniform. Various techniques for making the temperature distribution in the power generation region uniform have been proposed (Patent Document 1, etc.).

特開2005−190684号公報JP 2005-190684 A 特開2004−273343号公報JP 2004-273343 A

ところで、燃料電池反応を良好に継続するためには、さらに、発電領域において、所定の温度(例えば80℃程度)が保持されることが好ましい。しかし、一方で、燃料電池全体として見たときに、燃料電池の運転温度は、より低温であることが望まれている。このように、発電中の燃料電池内部における温度分布を改善することが望まれてきたが、これまで、こうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。   By the way, in order to continue the fuel cell reaction satisfactorily, it is preferable that a predetermined temperature (for example, about 80 ° C.) is maintained in the power generation region. However, on the other hand, when viewed as a whole fuel cell, it is desired that the operating temperature of the fuel cell be lower. As described above, it has been desired to improve the temperature distribution inside the fuel cell during power generation. However, until now, it has been the actual situation that no sufficient contrivance has been made for such demand.

本発明は、発電中の燃料電池内部における温度分布を改善することができる技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which can improve the temperature distribution inside the fuel cell under electric power generation.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]水素及び炭化系水素化合物を含む燃料ガスが供給される燃料電池であって、アノードとカソードとで挟持された電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側電極面に設けられた、前記燃料ガスのための燃料ガス流路とを備え、前記燃料ガス流路には、前記炭化系水素化合物のシフト反応を促進するためのシフト触媒層と、前記炭化系水素化合物の改質反応を促進するための改質触媒層とが積層されており、前記シフト触媒層が前記改質触媒層よりも前記アノードにより近い位置に配置されている、燃料電池。この燃料電池によれば、シフト触媒層における発熱反応により発電領域の温度を比較的高温に保持しつつ、改質触媒層における吸熱反応により燃料電池全体として見たときの動作温度を低減させることが可能である。また、シフト触媒層によって、改質触媒層の吸熱反応による発電領域に対する冷却効果を緩衝させることができる。従って、発電中の燃料電池内部における温度分布を改善することができる。 Application Example 1 A fuel cell to which a fuel gas containing hydrogen and a hydrocarbon-based hydrogen compound is supplied, the membrane electrode assembly including an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode, and the anode of the membrane electrode assembly A fuel gas flow path for the fuel gas provided on a side electrode surface, the fuel gas flow path including a shift catalyst layer for promoting a shift reaction of the hydrocarbon-based hydrogen compound, and the carbonization And a reforming catalyst layer for promoting a reforming reaction of the hydrogen compound, and the shift catalyst layer is disposed closer to the anode than the reforming catalyst layer. According to this fuel cell, it is possible to reduce the operating temperature when viewed as the whole fuel cell by the endothermic reaction in the reforming catalyst layer while maintaining the temperature of the power generation region at a relatively high temperature by the exothermic reaction in the shift catalyst layer. Is possible. Further, the shift catalyst layer can buffer the cooling effect on the power generation region due to the endothermic reaction of the reforming catalyst layer. Therefore, the temperature distribution inside the fuel cell during power generation can be improved.

[適用例2]適用例1記載の燃料電池であって、前記アノードは、水素を選択的に透過する水素透過性金属を備える燃料電池。この燃料電池によれば、発電中の水素分離膜型燃料電池における燃料電池内部の温度分布を改善することができる。 Application Example 2 The fuel cell according to Application Example 1, wherein the anode includes a hydrogen-permeable metal that selectively permeates hydrogen. According to this fuel cell, the temperature distribution inside the fuel cell in the hydrogen separation membrane fuel cell during power generation can be improved.

[適用例3]適用例1又は適用例2記載の燃料電池であって、前記シフト触媒層に含まれるシフト触媒の含有量に対する、前記改質触媒層に含まれる改質触媒の含有量の比である触媒含有量比率は、前記燃料ガス流路の下流側ほど大きくなる燃料電池。この燃料電池によれば、燃料ガスの上流側ほど改質触媒層における吸熱反応による冷却効果を低減させることができる。従って、発電領域内における温度分布をより均一化することが可能となる。 [Application Example 3] The fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the ratio of the content of the reforming catalyst contained in the reforming catalyst layer to the content of the shift catalyst contained in the shift catalyst layer The catalyst content ratio is a fuel cell that becomes larger toward the downstream side of the fuel gas passage. According to this fuel cell, the cooling effect by the endothermic reaction in the reforming catalyst layer can be reduced toward the upstream side of the fuel gas. Accordingly, the temperature distribution in the power generation region can be made more uniform.

[適用例4]適用例1又は適用例2記載の燃料電池であって、前記シフト触媒層に含まれるシフト触媒の含有量に対する、前記改質触媒層に含まれる改質触媒の含有量の比である触媒含有量比率は、前記燃料電池の運転を継続した時に、前記燃料ガス流路のうち温度が高くなる領域ほど大きくなる燃料電池。この燃料電池によれば、燃料電池の運転継続時に、発電領域内において温度が高くなる領域ほど、改質触媒層による冷却効果を高くすることができる。従って、発電領域内における温度分布をより均一化することが可能となる。 Application Example 4 The fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the ratio of the content of the reforming catalyst contained in the reforming catalyst layer to the content of the shift catalyst contained in the shift catalyst layer The catalyst content ratio is a fuel cell that increases as the temperature of the fuel gas flow path increases when the fuel cell is continuously operated. According to this fuel cell, the cooling effect by the reforming catalyst layer can be increased in the region where the temperature is higher in the power generation region when the fuel cell is continuously operated. Accordingly, the temperature distribution in the power generation region can be made more uniform.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .

A.第1実施例:
図1は、本発明の一実施例として燃料電池の構成を示す概略断面図である。この燃料電池100は、アノード側に供給される燃料ガス中の水素を選択的に透過することができる水素分離膜を備えた、いわゆる水素分離膜型燃料電池である。なお、燃料電池100としては、水素分離膜型燃料電池でなくとも良く、例えば、他の個体酸化物型燃料電池に本発明を適用することが可能である。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a fuel cell as one embodiment of the present invention. This fuel cell 100 is a so-called hydrogen separation membrane fuel cell including a hydrogen separation membrane that can selectively permeate hydrogen in fuel gas supplied to the anode side. The fuel cell 100 does not have to be a hydrogen separation membrane fuel cell. For example, the present invention can be applied to other solid oxide fuel cells.

燃料電池100は、発電体である複数の発電モジュール110が積層された、いわゆるスタック構造を有する。発電モジュール110は、膜電極接合体10と、膜電極接合体10を挟持するセパレータ20,30とを備えている。膜電極接合体10は、アノード12及びカソード13によって挟持された電解質膜11を備えている。   The fuel cell 100 has a so-called stack structure in which a plurality of power generation modules 110 that are power generation bodies are stacked. The power generation module 110 includes a membrane electrode assembly 10 and separators 20 and 30 that sandwich the membrane electrode assembly 10. The membrane electrode assembly 10 includes an electrolyte membrane 11 sandwiched between an anode 12 and a cathode 13.

電解質膜11は、例えば、BaCeO3や、SrCeO3系のセラミックスプロトン伝導体によって構成することができる。また、アノード12としては、パラジウム(Pd)又はパラジウム合金などの水素透過性を有する金属の薄膜によって構成することが可能である。これによって、アノード12は、ガス流路21から電解質膜11A側へと水素のみを選択的に透過することが可能となる。 The electrolyte membrane 11 can be made of, for example, BaCeO 3 or SrCeO 3 ceramic proton conductor. The anode 12 can be composed of a metal thin film having hydrogen permeability such as palladium (Pd) or a palladium alloy. Thus, the anode 12 can selectively permeate only hydrogen from the gas flow path 21 to the electrolyte membrane 11A side.

カソード13は、電解質膜11と接する外面に、発電反応を促進するための触媒層(図示せず)を有しており、電解質膜11と接しない外面に、供給された酸化ガスを全面に行き渡らせるためのガス拡散層(図示せず)を有している。なお、以後、本明細書においては、燃料電池100の電解質膜11及び2つの電極12,13を含む、発電に供される領域を「発電領域」と呼ぶ。   The cathode 13 has a catalyst layer (not shown) for promoting a power generation reaction on the outer surface in contact with the electrolyte membrane 11, and the supplied oxidizing gas is spread all over the outer surface not in contact with the electrolyte membrane 11. A gas diffusion layer (not shown) is provided. In the following, in this specification, a region for power generation including the electrolyte membrane 11 and the two electrodes 12 and 13 of the fuel cell 100 is referred to as a “power generation region”.

セパレータ20,30は、導電性を有するガス不透過の板状部材(例えば金属板)によって構成することができる。セパレータ20,30の各電極12,13と接する面側には、燃料ガス及び酸化ガス(反応ガス)をそれぞれ誘導するためのガス流路21,31が設けられている。ガス流路21,31は、発電領域全体に渡って、セパレータ20,30の外表面を併走する複数の流路溝として構成される。なお、セパレータ20,30の各電極12,13と接しない外面には、冷媒を誘導するための冷媒流路が設けられている(図示せず)。   Separator 20,30 can be comprised with the gas-impermeable plate-shaped member (for example, metal plate) which has electroconductivity. Gas flow paths 21 and 31 for guiding the fuel gas and the oxidizing gas (reactive gas) are provided on the side of the separators 20 and 30 that are in contact with the electrodes 12 and 13, respectively. The gas flow paths 21 and 31 are configured as a plurality of flow path grooves that run along the outer surfaces of the separators 20 and 30 over the entire power generation region. Note that a refrigerant flow path for guiding the refrigerant is provided on the outer surface of the separators 20 and 30 that does not contact the electrodes 12 and 13 (not shown).

アノード側に配置されたアノードセパレータ20のガス流路21には、改質触媒が担持された改質触媒層40と、シフト触媒が担持されたシフト触媒層41とが、シフト触媒層41をアノード12側として積層して設けられている。   In the gas flow path 21 of the anode separator 20 disposed on the anode side, a reforming catalyst layer 40 supporting a reforming catalyst and a shift catalyst layer 41 supporting a shift catalyst are used as anodes for the shift catalyst layer 41. Laminated as the 12th side.

改質触媒は、後述する改質反応を促進するための触媒である。改質触媒としては、例えば、ロジウム(Rh)や、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)等を採用することができる。シフト触媒は、後述するシフト反応を促進するための触媒である。シフト触媒としては、例えば、銅(Cu)や、鉄(Fe)、パラジウム(Pd)等を採用することができる。   The reforming catalyst is a catalyst for promoting a reforming reaction described later. As the reforming catalyst, for example, rhodium (Rh), ruthenium (Ru), platinum (Pt), nickel (Ni) or the like can be employed. The shift catalyst is a catalyst for promoting a shift reaction described later. As the shift catalyst, for example, copper (Cu), iron (Fe), palladium (Pd), or the like can be employed.

これら2つの触媒層40,41は、アノードセパレータ20のガス流路21の外表面に、スラリー化した改質触媒を塗布した後に仮焼成を行い、さらに、スラリー化したシフト触媒をその上に重ねて塗布した後に、本焼成を行うことによって設けることができる。   These two catalyst layers 40 and 41 are subjected to temporary firing after applying the slurryed reforming catalyst to the outer surface of the gas flow path 21 of the anode separator 20, and further, the slurryed shift catalyst is stacked thereon. It can provide by performing this baking after apply | coating.

ところで、本実施例の燃料電池100の燃料ガスとしては、炭化水素系化合物を原料として改質機において改質反応・シフト反応を経て、水素リッチガスとして精製されたものが供給される。なお、原料となる炭化系水素化合物には、例えば、メタノールや、天然ガス、ガソリン、ジメチルエーテル、アセトアルデヒド等が含まれる。   By the way, the fuel gas of the fuel cell 100 of the present embodiment is supplied with a hydrocarbon-based compound as a raw material, undergoing a reforming reaction / shift reaction in a reformer and purified as a hydrogen-rich gas. The raw material hydrocarbon compound includes, for example, methanol, natural gas, gasoline, dimethyl ether, acetaldehyde and the like.

一般に、改質機によって精製された燃料ガスには、改質機における反応温度に応じて、水素とともにメタン(CH4)及び一酸化炭素(CO)が含まれる。この燃料電池100では、ガス流路21に改質触媒層40が設けられているため、燃料ガス中のメタンと水蒸気(H20)とから水素(H2)及び一酸化炭素を精製する改質反応が促進される(反応式(1))。
CH4 + H20 → 3H2 + CO …(1)
In general, the fuel gas purified by the reformer contains methane (CH 4 ) and carbon monoxide (CO) along with hydrogen according to the reaction temperature in the reformer. In this fuel cell 100, since the reforming catalyst layer 40 is provided in the gas flow path 21, the reforming for purifying hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide from methane and water vapor (H 2 0) in the fuel gas. The quality reaction is promoted (reaction formula (1)).
CH 4 + H 2 0 → 3H 2 + CO (1)

また、ガス流路21には、シフト触媒層41が設けられているため、一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素(CO2)とが生成されるシフト反応が促進される(反応式(2))。
CO + H20 → H2 + CO2 …(2)
In addition, since the shift catalyst layer 41 is provided in the gas flow path 21, a shift reaction in which hydrogen and carbon dioxide (CO 2 ) are generated from carbon monoxide and water vapor is promoted (reaction formula ( 2)).
CO + H 2 0 → H 2 + CO 2 (2)

なお、一般に、上記反応式(1),(2)に示される改質反応及びシフト反応は平衡反応である。しかし、発電中の燃料電池100のアノード側では、発電反応に水素が供されて消費されていくため、2つの反応はともに、アノード側の水素消費量に応じて、水素を生成する方向(反応式の左辺から右辺へと進む矢印方向)へと進む。   In general, the reforming reaction and shift reaction shown in the above reaction formulas (1) and (2) are equilibrium reactions. However, on the anode side of the fuel cell 100 during power generation, hydrogen is supplied to and consumed in the power generation reaction, so that both the two reactions generate hydrogen according to the amount of hydrogen consumption on the anode side (reaction). Proceed in the direction of the arrow going from the left side of the expression to the right side).

ここで、一酸化炭素は被毒性を有するため、アノード側に存在する一酸化炭素のために燃料電池が劣化する可能性がある。一酸化炭素は、シフト反応によって消費することが可能であるが、シフト反応は、一酸化炭素を生成する改質反応より反応速度が遅い。そこで、この燃料電池100では、発電反応によってより多くの水素が消費されるアノード12により近い部位にシフト触媒層41を設けることによって、シフト反応が一酸化炭素の消費及び水素の生成方向に進むことを促進させる。   Here, since carbon monoxide is toxic, the fuel cell may be deteriorated due to the carbon monoxide present on the anode side. Carbon monoxide can be consumed by the shift reaction, but the shift reaction has a slower reaction rate than the reforming reaction that produces carbon monoxide. Therefore, in this fuel cell 100, by providing the shift catalyst layer 41 at a position closer to the anode 12 where more hydrogen is consumed by the power generation reaction, the shift reaction proceeds in the direction of carbon monoxide consumption and hydrogen generation. To promote.

また、改質反応は、水素の生成方向に反応が進む場合には吸熱反応となる。即ち、発電反応による水素の消費量が増加し、その発熱量が増加すると、改質反応は吸熱量が増加する方向へと進行する。従って、改質触媒層40は、発電反応による発熱によって燃料電池が所定の動作温度より高くなることを抑制するための冷却部としての機能を担うことが可能である。   The reforming reaction is an endothermic reaction when the reaction proceeds in the direction of hydrogen generation. That is, when the amount of hydrogen consumed by the power generation reaction increases and the amount of heat generated increases, the reforming reaction proceeds in the direction of increasing the endothermic amount. Therefore, the reforming catalyst layer 40 can serve as a cooling unit for suppressing the fuel cell from becoming higher than a predetermined operating temperature due to heat generated by the power generation reaction.

ところで、仮に、改質触媒層40がアノード12と直接的に隣接して設けられた場合を想定すると、改質触媒層40の冷却機能によって発電領域が過度に冷却されてしまい、却って発電反応を阻害し、発電効率を低下させる可能性がある。しかし、本実施例の燃料電池100では、アノード12と改質触媒層40との間にシフト触媒層41が設けられいるため、シフト触媒層41が、アノード12と改質触媒層40との間の伝熱を緩衝し、発電領域の過度な温度低下を抑制する。即ち、シフト触媒層41は伝熱緩衝材として機能する。   By the way, assuming that the reforming catalyst layer 40 is provided directly adjacent to the anode 12, the power generation region is excessively cooled by the cooling function of the reforming catalyst layer 40. It may hinder and reduce power generation efficiency. However, since the shift catalyst layer 41 is provided between the anode 12 and the reforming catalyst layer 40 in the fuel cell 100 of the present embodiment, the shift catalyst layer 41 is located between the anode 12 and the reforming catalyst layer 40. The heat transfer is buffered, and excessive temperature drop in the power generation area is suppressed. That is, the shift catalyst layer 41 functions as a heat transfer buffer material.

また、シフト反応は、改質反応とは逆に、水素の生成方向に反応が進む場合には発熱反応となる。即ち、発電モジュール110は、発電領域に近いほど、発電反応による反応熱とシフト触媒層41からの熱によって比較的高温に保持され、発電領域から離れるほど改質触媒層40及び図示せざる冷媒流路によって比較的低温に保持される。従って、燃料電池100は、発電領域を発電反応が良好に継続できる程度の高温に保ちつつ、燃料電池全体としてみたときには比較的低温の状態で運転を継続させることが可能である。   In contrast to the reforming reaction, the shift reaction becomes an exothermic reaction when the reaction proceeds in the hydrogen generation direction. That is, the power generation module 110 is kept at a relatively high temperature by the reaction heat generated by the power generation reaction and the heat from the shift catalyst layer 41 as the power generation region is closer to the power generation region. It is kept relatively cool by the road. Therefore, the fuel cell 100 can continue to operate at a relatively low temperature when viewed as a whole fuel cell while maintaining the power generation region at a high temperature that allows the power generation reaction to continue satisfactorily.

なお、本実施例の燃料電池100のような水素分離膜型燃料電池は、一般に、その動作温度が400〜600℃と高温である。従って、燃料電池100の発電中には、改質触媒及びシフト触媒が高い活性を示すため、上述のような効果をより高く得ることが可能である。   In general, a hydrogen separation membrane fuel cell such as the fuel cell 100 of this embodiment has an operating temperature as high as 400 to 600 ° C. Therefore, during the power generation of the fuel cell 100, the reforming catalyst and the shift catalyst exhibit high activity, and thus the above-described effects can be obtained more highly.

このように、本実施例の燃料電池100では、アノード側のガス流路21に、改質触媒層40とシフト触媒層41とが積層されており、シフト触媒層41が改質触媒層40よりもアノード12により近い位置に配置されている。この構成によって、発電中の燃料電池100内部の温度分布を改善することができる。   As described above, in the fuel cell 100 of the present embodiment, the reforming catalyst layer 40 and the shift catalyst layer 41 are stacked in the gas flow path 21 on the anode side, and the shift catalyst layer 41 is formed from the reforming catalyst layer 40. Is also located closer to the anode 12. With this configuration, the temperature distribution inside the fuel cell 100 during power generation can be improved.

B.第2実施例:
図2は、本発明の第2実施例としての燃料電池100Aの構成を示す概略断面図である。図2は電解質膜11及びアノード12に換えて構成部材の異なる電解質膜11A及びアノード12Aを用いている点以外は、ほぼ図1と同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of a fuel cell 100A as a second embodiment of the present invention. FIG. 2 is substantially the same as FIG. 1 except that the electrolyte membrane 11A and the anode 12A having different constituent members are used instead of the electrolyte membrane 11 and the anode 12.

この燃料電池100Aの電解質膜11Aは、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子である。また、アノード12Aは、カソード13と同様に、触媒層及びガス拡散層を有するように構成されている。即ち、この燃料電池100Aは、いわゆる固体高分子型燃料電池である。ここで、固体高分子型燃料電池の動作温度は、一般に80℃程度である。このように、第1実施例のような水素分離膜型燃料電池に限らず、動作温度の異なるような種々のタイプの燃料電池にも本発明を適用することが可能である。   The electrolyte membrane 11A of the fuel cell 100A is a solid polymer that exhibits good proton conductivity in a wet state. Similarly to the cathode 13, the anode 12A is configured to have a catalyst layer and a gas diffusion layer. That is, the fuel cell 100A is a so-called solid polymer fuel cell. Here, the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is generally about 80 ° C. Thus, the present invention can be applied not only to the hydrogen separation membrane fuel cell as in the first embodiment but also to various types of fuel cells having different operating temperatures.

C.第3実施例:
図3(A)は、本発明の第3実施例としての燃料電池に用いられるアノードセパレータ20Aの構成を示す概略図である。図3(A)は、図1に示されたアノードセパレータ20のガス流路21が設けられた面側を示しており、ガス流路21には、第1実施例と同様に、改質触媒層40及びシフト触媒層41が設けられている。なお、本実施例の燃料電池の他の構成は、セパレータ20A以外は、第1実施例の燃料電池100と同様である。
C. Third embodiment:
FIG. 3A is a schematic diagram showing the configuration of an anode separator 20A used in a fuel cell as a third embodiment of the present invention. FIG. 3 (A) shows the surface side of the anode separator 20 shown in FIG. 1 where the gas flow path 21 is provided. The reforming catalyst is provided in the gas flow path 21 as in the first embodiment. A layer 40 and a shift catalyst layer 41 are provided. The other configuration of the fuel cell of the present embodiment is the same as that of the fuel cell 100 of the first embodiment except for the separator 20A.

セパレータ20Aには、反応ガス及び冷媒のためのマニホールドM1〜M6が貫通孔として設けられている。具体的には、燃料ガスの供給用マニホールドM1と排出用マニホールドM2とがガス流路21を挟んで対向する位置に設けられている。同様に、酸化ガス及び冷媒の供給用マニホールドM3,M5と、酸化ガス及び冷媒の排出用マニホールドM4,M6とがそれぞれ、ガス流路21を挟んで対向する位置に設けられている。   The separator 20A is provided with manifolds M1 to M6 for the reaction gas and the refrigerant as through holes. Specifically, the fuel gas supply manifold M1 and the discharge manifold M2 are provided at positions facing each other with the gas flow path 21 therebetween. Similarly, oxidant gas and refrigerant supply manifolds M3 and M5 and oxidant gas and refrigerant discharge manifolds M4 and M6 are provided at positions facing each other across the gas flow path 21, respectively.

ガス流路21のそれぞれの流路溝は、燃料ガスの供給用マニホールドM1側から、排出用マニホールドM2側へ向かって併走している。また、セパレータ20には、ガス流路21のそれぞれの流路溝と連結するとともに、燃料ガスの供給用マニホールドM1又は排出用マニホールドM2と連結する連結ガス流路24が設けられている。   Each flow channel of the gas flow channel 21 runs side by side from the fuel gas supply manifold M1 side toward the discharge manifold M2 side. Further, the separator 20 is provided with a connection gas flow path 24 that is connected to each flow path groove of the gas flow path 21 and is connected to the fuel gas supply manifold M1 or the discharge manifold M2.

これによって、燃料ガスは、図中の矢印に示すように、供給用マニホールドM1から連結ガス流路24及びガス流路21を経て、排出用マニホールドM2へと発電領域内を流れる。以後、この発電領域における燃料ガスの流れる方向(図中X軸方向)を「ガス流路方向」と呼ぶ。   As a result, the fuel gas flows in the power generation region from the supply manifold M1 to the discharge manifold M2 via the connection gas flow path 24 and the gas flow path 21 as indicated by the arrows in the figure. Hereinafter, the direction in which the fuel gas flows in this power generation region (X-axis direction in the figure) is referred to as the “gas flow path direction”.

図3(B)は、ガス流路21のガス流路方向の距離と発電領域における触媒含有量比率との関係を示すグラフである。ここで、「触媒含有量比率」とは、シフト触媒層41に含まれるシフト触媒の含有量(Ms)に対する、改質触媒層40に含まれる改質触媒の含有量(Mr)の比率(Mr/Ms)を意味する。   FIG. 3B is a graph showing the relationship between the distance in the gas flow path direction of the gas flow path 21 and the catalyst content ratio in the power generation region. Here, the “catalyst content ratio” is the ratio (Mr) of the content (Mr) of the reforming catalyst contained in the reforming catalyst layer 40 to the content (Ms) of the shift catalyst contained in the shift catalyst layer 41. / Ms).

このグラフからも理解できるように、このセパレータ20Aでは、供給用マニホールドM1から排出用マニホールドM2へと近づくほど、即ち、ガス流路21の下流側ほど、触媒含有量比率が大きくなる。これは、ガス流路21の下流側ほど、シフト触媒の含有量Msに対して改質触媒の含有量Mrが多くなることを意味する。   As can be understood from this graph, in this separator 20A, the catalyst content ratio increases as it approaches the supply manifold M1 from the discharge manifold M2, that is, the downstream side of the gas flow path 21. This means that the content Mr of the reforming catalyst increases with respect to the content Ms of the shift catalyst toward the downstream side of the gas flow path 21.

第1実施例で説明したように、改質反応はシフト反応に比較して反応速度が速い。また、ガス流路21の上流側ほど、燃料ガス中にはメタンが多く含まれており、その量に応じて改質反応は吸熱方向に進行する。そのため、触媒含有量比率をガス流路方向に渡って一定とすると、改質反応による吸熱量が上流側ほど大きくなり、発電中の発電領域における温度分布は不均一となる。一般に、発電中の発電領域における温度分布が不均一であるほど燃料電池の発電効率は低下してしまう。   As described in the first example, the reforming reaction has a higher reaction rate than the shift reaction. Further, the upstream side of the gas passage 21 contains more methane in the fuel gas, and the reforming reaction proceeds in the endothermic direction according to the amount. Therefore, if the catalyst content ratio is constant in the gas flow path direction, the amount of heat absorbed by the reforming reaction increases toward the upstream side, and the temperature distribution in the power generation region during power generation becomes uneven. Generally, the power generation efficiency of the fuel cell decreases as the temperature distribution in the power generation region during power generation becomes more uneven.

一方、この第3実施例のセパレータ20Aによれば、ガス流路21の上流側ほどシフト触媒の含有量Msに対する改質触媒の含有量Mrの量が少ないため、上流側の改質触媒層40による吸熱量がその分だけ低減され、発電領域の温度分布は、より均一化される。   On the other hand, according to the separator 20A of the third embodiment, the amount of the reforming catalyst content Mr with respect to the shift catalyst content Ms is smaller toward the upstream side of the gas flow path 21, and therefore, the upstream side reforming catalyst layer 40. The amount of heat absorbed by is reduced accordingly, and the temperature distribution in the power generation region is made more uniform.

このように、第3実施例の構成によれば、改質触媒及びシフト触媒の担持量を、反応ガスの流れ方向に応じて調整することによって、発電中の燃料電池内部における温度分布をさらに改善することが可能である。   Thus, according to the configuration of the third embodiment, the temperature distribution inside the fuel cell during power generation is further improved by adjusting the loading amounts of the reforming catalyst and the shift catalyst according to the flow direction of the reaction gas. Is possible.

D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

D1.変形例1:
上記実施例において、セパレータ20,30には、ガス流路21,31が複数の併走する流路溝として設けられていたが、ガス流路21,31は、流路溝として設けられていなくとも良い。例えば、ガス流路21,31は、発電領域全体に渡って配置される多孔体によって構成されるものとしても良い。この場合には、改質触媒層40及びシフト触媒層41は、発電領域全体に渡って設けられるものとしても良い。
D1. Modification 1:
In the above-described embodiment, the separators 20 and 30 are provided with the gas flow passages 21 and 31 as a plurality of parallel flow passage grooves, but the gas flow passages 21 and 31 are not necessarily provided as the flow passage grooves. good. For example, the gas flow paths 21 and 31 may be configured by a porous body disposed over the entire power generation region. In this case, the reforming catalyst layer 40 and the shift catalyst layer 41 may be provided over the entire power generation region.

D2.変形例2:
上記第3実施例において、触媒含有量比率をガス流路方向に沿って線形的に増加させていたが、触媒含有量比率は、発電領域内の領域ごとに任意に増減させることができる。例えば、燃料電池の発電領域の温度分布に応じて触媒含有量比率を増減させるものとしても良い。具体的には、発電を継続したときに、温度が高くなると予測される領域ほど触媒含有量比率を大きくし、温度が低くなると予測される領域ほど触媒含有量比率を小さくするものとしても良い。
D2. Modification 2:
In the third embodiment, the catalyst content ratio is linearly increased along the gas flow path direction. However, the catalyst content ratio can be arbitrarily increased or decreased for each region in the power generation region. For example, the catalyst content ratio may be increased or decreased according to the temperature distribution in the power generation region of the fuel cell. Specifically, when power generation is continued, the catalyst content ratio may be increased in a region where the temperature is predicted to increase, and the catalyst content ratio may be decreased in a region where the temperature is predicted to decrease.

なお、発電領域における温度分布は燃料電池の設計上の諸条件によって異なってくるため、実験等の解析により個別具体的に検討することが好ましい。例えば、一般に、燃料電池の発電領域における温度分布は、燃料ガス及び酸化ガスの流れ方向によっても変化する。従って、触媒含有量比率を設定する際には、燃料ガスの流れ方向だけではなく、酸化ガスの流れ方向に応じて触媒含有量比率を増減させるものとしても良い。また、一般に、冷媒の供給側(上流側)より排出側(下流側)は冷却効果が小さくなるため、その冷却効果の差に応じて冷媒の下流側ほど触媒含有量比率を増加させるものとしても良い。   In addition, since the temperature distribution in the power generation region varies depending on various conditions in the design of the fuel cell, it is preferable to specifically examine them individually by analysis such as experiments. For example, in general, the temperature distribution in the power generation region of the fuel cell also varies depending on the flow direction of the fuel gas and the oxidizing gas. Therefore, when setting the catalyst content ratio, the catalyst content ratio may be increased or decreased not only according to the flow direction of the fuel gas but also according to the flow direction of the oxidizing gas. In general, since the cooling effect is smaller on the discharge side (downstream side) than on the refrigerant supply side (upstream side), the catalyst content ratio may be increased toward the downstream side of the refrigerant according to the difference in cooling effect. good.

また、一般に、燃料電池では、発電モジュール(単セル)ごとの動作温度についても均一であることが好ましい。従って、発電モジュールごとに各触媒層の触媒担持量を調整して冷却効果に差異を持たせて、燃料電池全体の温度分布を改善するものとしても良い。   In general, in a fuel cell, it is preferable that the operating temperature of each power generation module (single cell) is uniform. Therefore, the temperature distribution of the entire fuel cell may be improved by adjusting the amount of catalyst supported on each catalyst layer for each power generation module to give a difference in cooling effect.

第1実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell according to a first embodiment. 第2実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the structure of the fuel cell of 2nd Example. セパレータのアノード側の面における燃料ガスの流れを示す概略図及び発電領域における位置と触媒含有量比率との関係を示すグラフ。The schematic which shows the flow of the fuel gas in the surface by the side of the anode of a separator, and the graph which shows the relationship between the position in a power generation area | region, and a catalyst content ratio.

符号の説明Explanation of symbols

10…膜電極接合体
11,11A…電解質膜
12,12A…アノード
20,20A,30…セパレータ
21,31…ガス流路
24…連結ガス流路
40…改質触媒層
41…シフト触媒層
100,100A…燃料電池
110…発電モジュール
M1〜M6…マニホールド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Membrane electrode assembly 11, 11A ... Electrolyte membrane 12, 12A ... Anode 20, 20A, 30 ... Separator 21, 31 ... Gas flow path 24 ... Connection gas flow path 40 ... Reforming catalyst layer 41 ... Shift catalyst layer 100, 100A ... Fuel cell 110 ... Power generation module M1-M6 ... Manifold

Claims (4)

水素及び炭化系水素化合物を含む燃料ガスが供給される燃料電池であって、
アノードとカソードとで挟持された電解質膜を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側電極面に設けられた、前記燃料ガスのための燃料ガス流路と、
を備え、
前記燃料ガス流路には、前記炭化系水素化合物のシフト反応を促進するためのシフト触媒層と、前記炭化系水素化合物の改質反応を促進するための改質触媒層とが積層されており、前記シフト触媒層が前記改質触媒層よりも前記アノードにより近い位置に配置されている、燃料電池。
A fuel cell to which a fuel gas containing hydrogen and a hydrocarbon compound is supplied,
A membrane electrode assembly including an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode;
A fuel gas flow path for the fuel gas provided on the anode side electrode surface of the membrane electrode assembly;
With
In the fuel gas flow path, a shift catalyst layer for promoting a shift reaction of the hydrocarbon-based hydrogen compound and a reforming catalyst layer for promoting a reforming reaction of the hydrocarbon-based hydrogen compound are laminated. The fuel cell, wherein the shift catalyst layer is disposed closer to the anode than the reforming catalyst layer.
請求項2記載の燃料電池であって、
前記アノードは、水素を選択的に透過する水素透過性金属を備える、燃料電池。
The fuel cell according to claim 2, wherein
The anode is a fuel cell, comprising a hydrogen permeable metal that selectively permeates hydrogen.
請求項1又は請求項2記載の燃料電池であって、
前記シフト触媒層に含まれるシフト触媒の含有量に対する、前記改質触媒層に含まれる改質触媒の含有量の比である触媒含有量比率は、前記燃料ガス流路の下流側ほど大きくなる、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The catalyst content ratio, which is the ratio of the content of the reforming catalyst contained in the reforming catalyst layer to the content of the shift catalyst contained in the shift catalyst layer, increases toward the downstream side of the fuel gas flow path. Fuel cell.
請求項1又は請求項2記載の燃料電池であって、
前記シフト触媒層に含まれるシフト触媒の含有量に対する、前記改質触媒層に含まれる改質触媒の含有量の比である触媒含有量比率は、前記燃料電池の運転を継続した時に、前記燃料ガス流路のうち温度が高くなる領域ほど大きくなる、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The catalyst content ratio, which is the ratio of the content of the reforming catalyst contained in the reforming catalyst layer to the content of the shift catalyst contained in the shift catalyst layer, is determined when the fuel cell is continuously operated. A fuel cell in which the temperature increases in the gas flow path.
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