JP2015216067A - 燃料電池用平板型改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の排熱による余熱利用と組立分解容易な燃料電池用平板型改質器の提供。【解決手段】熱伝導性の材質からなる複数の板状部品を積層した改質器モジュールであって、これら板状部品として燃料電池に対する接合面３１を具える蓋板３、隔離板２及び基部板２から構成し、基部板１及び隔離板２にはそれぞれ触媒収容空間１１及び２１を設け、燃料を外部から燃料電池に至るＡ１〜Ａ７の経路、及び燃料電池から外部に至るＡ８〜１０の経路の燃料流路、空気を外部から燃料電池に至るＢ１〜Ｂ３、燃料電池から外部に排出するＢ４〜６の経路の空気流路を形成して、収容空間における燃料から水素と一酸化炭素への転換反応の余熱効果を向上し、これら板状部品の間を耐熱シリコンシーラントにより密封して、分解、組み立てを容易とする。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用平板型改質器であって、特に、モジュール化した改質器と燃料電池とを結合させることで、熱交換効率並びに組立分解の利便性の向上によって汎用化できる改質器に関する。

従来の燃料電池は作動温度によって高温型と低温型に分けられ、これらのうち、高温型の燃料電池の方が高効率性を備え、空気極（正極）からメタンなどの原料ガスを直接透過する事や貴金属を使わないですむ電極触媒など、低温型が及ばない利点を有する。

更にメタンは天然ガスの主成分であって、自然界に豊富な資源である為、現在では従来のタイプのエネルギー資源の代替燃料として提案される。燃料電池の商業的発展過程において、メタンは一種の理想的な燃料として早々採用されたが、主に外部改質(External reforming)方式によって水素を製造し、燃料電池に供給することに使用される。
外部改質には、例えば、外部改質器の過大な容積のためにシステムユニットと一体成形するように設計できず、熱伝導の時間が長くて不均等分布になりがちなどの種々の欠点があるものの、工業上の常用改質転化工程は大型設備を使用するのが殆どで、石油のクラッキングにおける副産物として得られる工程がその一例である。

これにより、燃料電池システムの基本的構成は燃料処理部分と、燃料電池と、インバータと、温度管理部分とによって構築される。システムコスト全体において、燃料処理部分は大きな比率を占めるので重要であり、システムの効率向上及び熱エネルギーの最適化過程に関しては全体への考慮も必要である。

ここで、燃料電池が最初に採用するのは炭化水素燃料の改質産物で、以下は固体酸化物燃料電池（SOFC）を例として電池内部における燃料の反応過程を説明する。
まず、燃料は燃料電池外部に設置する改質器を通して、その内部において炭化水素類改質触媒単体によって水素富化ガスに転換されて燃料電池の空気極（正極）に入り、この混合気体の主要成分である水素と一酸化炭素が正極で酸化物イオンと出会い、電気化学反応によって放出された電子が外部回路に沿って燃料極（負極）に移動する。酸素は負極の表面付近で吸着されて、電子を得て酸化物イオンとなって電解質膜に移動して浸透し、電解質膜と正極と接する面まで入り込んで、そこの反応区で電気化学反応を生じる。

特許文献１に記載される従来技術は、水素ガスを発生させる為の反応効率及び熱効率を高めることができる平板型改質器及びこれを採用した燃料電池システムを提供するが、その改質器と燃料電池とは分離された別体として空間を占める一方、溶接による接合構造は整備に利便性が欠ける。

特許文献２に記載される従来技術は、固体酸化物燃料電池の輻射熱によって改質器を加熱する手段を掲示する。複数個の固体酸化物燃料電池スタックと反応管を有する間接内部改質型固体酸化物燃料電池と、灯油を水蒸気改質可能な改質触媒が充填された反応管を複数個有するのと、該スタック同士の間に挟まれる位置に該反応管が互いに離間されて二列に配列され千鳥状をなすなどの特徴を挙げる。これにより、引用文献２の加熱機能はセルスタックによる輻射熱のみで、多様の加熱機能を欠く為、熱交換効率には良くないとされる。

上記諸点により、従来の技術には多様な加熱機能及び整備に有利な互換性が欠けているという問題がある。

特許第４９８９９１３号 特許第５２２４６５１号

したがって、本発明の目的の一つは、燃料電池と同じ大きさで一体化可能であって、燃料電池（セルスタック）モジュールの一部品と看做せる交換性を備え、燃料電池の稼働中に問題が起きても、随時に取り替える利便性及び対応の多様性を有する燃料電池用平板型改質器を提供する。

また、本発明のもう一つの目的は、専用工具などで取り外す必要がある従来の溶接接合とは違い、各板部品の形状で分解組立できるタイプの密封構造で簡単に取外し可能であって、互換性に有利な燃料電池用平板型改質器を提供する。

更に本発明のもう一つの目的は、燃料電池と平板型改質器とのコンパクトな密着構造により、燃料電池が発生した熱エネルギーは外に発散することなく改質器に直接に熱伝導により供給されることで、熱交換の効率を向上できる燃料電池用平板型改質器を提供する。

更に、本発明のもう一つの目的は、燃料電池と平板型改質器との接合により、予熱器及び水蒸気改質反応機能を備える、小容積で高発電効率を達成する構造として、定置型燃料電池から燃料電池自動車用水素供給設備までに適用できる汎用性のある料電池用平板型改質器を提供する。

上記目的に沿う本発明に係わる燃料電池用平板型改質器は、熱伝導性材料からなる複数個の板状部品による積層構造からなる改質器モジュールと、前記改質器モジュールの表面に設けられ、これと組み合わされる燃料電池モジュールの表面と分解組立可能に接合できる接合面と、前記各板状部品の間に設けられた触媒単体の収容空間と、各前記板状部品に設けられて外部から燃料を導入し、前記各収容空間を通過して前記各触媒単体と反応させる燃料流路と、外部から空気を燃料電池モジュールに導入する独立の空気流路と、を備え、前記燃料流路を経由して水素及び一酸化炭素を発生させて燃料電池モジュールの内部に導入し、別途導入された空気と電気化学反応させることを特徴とする。

従って、上記平板型改質器モジュールは、基部板、隔離板、蓋板から構成され、該基部板の頂面に設けられた凹んだ収容空間と、収容空間の一方側に基部板の底面を貫通する燃料入口と、燃料入口側に基部板の収容空間と隔離されて基部板の底面を貫通する空気出口と、基部板の収容空間の反対側に設けられ、基部板の収容空間と隔離されて基部板の底面を貫通する燃料出口と空気入口とを備える熱伝導用基部板と、
上記基部板と同じ外周形状を備えた隔離板の底面を上記基部板の収容空間の開口側に積層し、隔離板の頂面に設けられる凹んだ収容空間と、隔離板の収容空間の上記基部板の燃料入口の反対側に設けられた隔離板の底面を貫通する燃料導引入口と、
該燃料導引入口の反対側に隔離板の収容空間と隔離されて隔離板の底面を貫通する空気導引出口と、燃料導引入口と同じ側に隔離板の収容空間と隔離されて、隔離板の底面を貫通して別々に設けられた燃料導引出口と空気導引入口とを備える熱伝導用隔離板と、
上記基部板と同じ外周形状を備えた蓋板の底面を上記隔離板の収容空間の開口側に積層し、蓋板の頂面に燃料電池モジュールの表面に取り付けられる接合面と、接合面の一方側に蓋板を貫通して隔離板の燃料導引出口に対応する燃料接続出口と、同じく隔離板の空気導引入口に対応する空気接続入口と、接合面の他方側に蓋板を貫通して隔離板の空気導引出口に対応する空気接続出口と燃料接続入口とを備える熱伝導用蓋板とを有し、かつ、上記燃料入口、燃料出口、燃料導入口、燃料導出口、燃料接続入口、燃料接続出口からなる燃料流路及び、上記空気入口、空気出口、空気導入口、空気導出口、空気接続入口からなる空気流路を有する、ことを特徴とする。

そして、上記基部板、隔離板、蓋板の間を耐熱シリコンシーラントで密封して外部と隔離される密封固定状態を形成する。また、耐熱シリコンシーラントは除去しやすいことから、基部板、隔離板と、蓋板とは組立分解し易い接合状態になる。

そして、上記基部板、隔離板、蓋板は各自の周縁に複数個の取付孔をそれぞれ対応するように設け、複数個の固定部品を各取付孔に通して上記基部板、隔離板、蓋板を締結、接合させる。

従って、燃料電池モジュールの周縁に複数個の取付孔が、上記平板型改質器モジュールの上記取付孔に対応するように設けられる。

また、前記基部板の収容空間の隔離板の燃料導引入口に対応する部位に、該燃料導引入口に向けて収束させた形状とする収集部があり、前記隔離板の収容空間の蓋板の燃料接続入口に対応する部位に、該燃料接続入口に向けて収束させた形状とする収集部がある。

ここで、想定される触媒単体の材質はＰｔ／ＣｅＯ_２αＡｌ_２Ｏ_３である。

以上の構成により、上記改質器モジュールは接合面で、燃料電池モジュールに直接接触することで熱伝導効果を向上させる他に、燃料電池モジュールから発生した大量の熱エネルギーを有する空気及び燃料気体による輻射加熱効果によって、上記改質器を加熱させる事が出来るので、より良い熱伝導効率を備える。
また、ある有効な実施例において、反応温度が８００℃を超え、Ｓ／Ｃ比（水蒸気と一酸化炭素の量論比）が２．０の条件下において、触媒量４０ｇと燃料流量が０．３５ｌｐｍのメタンとの産物の中に、流量が１．５ｌｐｍの水素ガス及び一酸化炭素の混合気体（Ｈ_２＋ＣＯ）が含まれていることが分かった。更にこれに対して５５０時間の性能テストを行って、メタンの転化率は９８％以上に維持できることが分かった。

また、上記燃料電池モジュール（セルスタック）と平板型改質器モジュールとは組立分解できる構造をしているので、シリコンシーラントで密封すれば、専用の工程でしか取外せない従来の溶接による結合形態とは違い、組立分解に便利な構造で、異なるワット数の燃料電池モジュールにより、基部板と隔離板の数量を増減させることで、異なる触媒単体に対して収容空間の空間量を変化し、燃料処理量を変えるという効果を達成できる。

図１は、本発明の改質器の一実施形態による分解図である。 図２は、本発明の改質器内部の燃料及び空気の流れ状態の説明図である。 図３は、本発明の改質器の一実施形態による組立後の全体外観図である。 図４は、本発明の改質器と燃料電池との分解状態の説明図である。

以下、本発明に関わる改質器の一実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。
図１によれば、本実施形態に係わる改質器は下から上に配置した順に、熱伝導性材料からなる基部板１、隔離板２、蓋板３からなる平板型改質器である。
基部板１は、平板型熱伝導体であり、その頂面に設けられた凹んだ収容空間１１と、該収容空間１１の一方側に隔離板２の燃料導引入口に向けて収束させた形状とした収集部１１１と、前記収容空間１１の他方の側に前記基部板１の底面を貫通する燃料入口１３と、前記収容空間１１を囲む外枠に設けられる突縁１２と、前記突縁１２の内側の前記燃料入口１３と同じ側であって前記収容空間１１と隔離されて前記基部板の底面を貫通する空気出口１６と、前記基部板１の前記収集部１１１側に前記突縁１２の外側に、別々に設けられて前記収容空間１１と隔離された前記基部板１の底面を貫通する燃料出口１４と空気入口１５と、前記基部板１外縁を垂直に貫通する複数個の取付孔１７と、を備える。

隔離板２は、前記基部板１と同じ外周形状の平板型熱伝導体であり、前記基部板1と完全に積層して周縁が一致するように接合し、該隔離板２の頂面に設けられる凹んだ収容空間２１と、前記収容空間２１の片方側に設けられる前記基部板１の収集部１１１に対応して該隔離板２を貫通する燃料導引入口２３と、前記収容空間２１の他方側に蓋板３の燃料接続入口３３に向けて収束させた形状とした凹所を形成する収集部２１１と、前記収容空間２１を囲む外枠に設けられる突縁２２と、前記突縁２２の内側であって前記収集部２１１の同じ側に前記収容空間２１と隔離されて前記隔離板２の底面を貫通する空気導引出口２６と、該隔離板２の燃料導引入口２３と同じ側であって前記突縁１２の外側に別々に設けられて前記収容空間１１と隔離されて該隔離板２の底面を貫通する燃料導引出口２４（前記燃料出口１４に対応する）と空気導引入口２５（前記空気入口１５に対応する）と、前記隔離板２を垂直に貫通する複数個の取付孔２７(それぞれ前記基部板の取付孔１７に対応する)と、を備える。

蓋板３は、前記基部板１と同じ外周形状の平板型熱伝導体で、前記基部板１及び前記隔離板２と完全に積層して周縁が一致するように接合し、該蓋板３の頂面に設けられた接合面３１と、前記接合面３１の一方側に前記蓋板３を貫通する燃料接続出口３４（前記隔離板２の燃料導引出口２４に対応する）及び空気接続入口３５（前記隔離板２の空気導引入口２５と対応する）と、前記接合面３１の他方側に前記蓋板３を貫通する燃料接続入口３３（前記隔離板２の前記収集部２１１に対応する）及び空気接続出口３６（前記前記隔離板２の空気導引出口２６に対応する）と、前記蓋板３の周縁に設けられる複数個の垂直に貫通する取付孔３７（それぞれ前記前記隔離板２の取付孔２７に対応する）と、を備える。

ある実施例においては、前記収容空間１１、２１にはそれぞれ触媒単体が配置され、（図面に示していないが、触媒の形状、材料及び作動原理については、台湾の実用新案登録号第２８１３０５号に参照されたい。 以下はＰｔ／ＣｅＯ_２−αＡｌ_２Ｏ_３を触媒とする実施例で説明する）、更に前記基部板1と前記隔離板２と前記蓋板３との周縁をシリコンシーラントで密封して接合させ、前記基部板1の収容空間１１を前記燃料入口１３を通して外と連通し、前記隔離板２の収容空間２１を前記蓋歌３の燃料接続入口３３を通して外と連通し、そして前記収容空間１１、２１の間は前記燃料導引入口２３によって連通され、全体として燃料が流れる流路を形成する。

燃料であるメタンは基部板１の底面の燃料入口１３に接続される多岐管を経由して収容空間１１（図２に示す矢印Ａ１、Ａ２の方向で）に流入して、触媒単体（Ｐｔ／ＣｅＯ_２−αＡｌ_２Ｏ_３）と反応して水素及び一酸化炭素を発生し、過剰な燃料(メタン)は収集部１１１に集められ（図２に示す矢印Ａ３の方向で）、上に向けて燃料導引入口２３を通して収容空間２１に流れ込んで（図２に示す矢印Ａ４、Ａ５の方向で）、収容空間２１内のもう一つの触媒単体（Ｐｔ／ＣｅＯ_２−αＡｌ_２Ｏ_３）と反応して水素及び一酸化炭素を発生し、最後に、その水素及び一酸化炭素は蓋体３の燃料接続入口３３を経由して外に流出し（図２に示す矢印Ａ６、Ａ７の方向で）、次の（図４に示す様に）燃料電池モジュール５の内部に流れ込む。そして前記燃料電池モジュール５から流出した水素及び一酸化炭素が、蓋体３の燃料接続出口３４に導入されて隔離板２の燃料導引出口２４と基部板１の燃料出口１４とを経由して排出される（図２に示す矢印Ａ８、Ａ９、Ａ１０の方向で）ことで、完全な燃料流路が形成される。

空気については、基部板１の空気入口１５から導入し、順次に隔離板２の空気導引入口２５と、蓋体３の空気接続入口３５を通して（図２に示す矢印Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の方向で）次の（図４に示す様に）燃料電池モジュール５に導入される。前記燃料電池モジュール５から流出した空気は蓋体３の空気接続出口３６に導入されて、順番を踏まえて隔離板２の空気導引出口２６と基部板１の空気出口１６と（図２に示す矢印Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６の方向で）を通して外に流れて行くことで、完全な空気流路が形成される。

図４に示すとおり、本発明の実施形態においては、基部板１、隔離板２及び蓋板３からなる改質器モジュールはその接合面３１で対象とする燃料電池モジュール５の表面と接合でき、燃料電池モジュール５は蓋板３の接合面３１と接合する表面には、燃料導出口５４（改質器モジュール側の燃料接続出口３４に対応する）と、燃料導入口５３（改質器モジュール側の燃料接続入口３３に対応する）と、空気導入口５５（改質器モジュール側の空気接続入口３５に対応する）と、空気導出口５６（改質器モジュール側の前記空気接続出口３６に対応する）とが設けられ、更に燃料電池モジュール５の周縁にはそれぞれ改質器モジュールの側取付孔３７に対応して複数個の取付孔５７が設けられ、複数個の固定部品を用いて（図面に示していない）取付孔５７と取付孔１７、２７、３７とを連通して繋げ合わせることで改質器モジュールと燃料電池モジュール５との接合を形成する。

実際の応用においては、前記燃料（メタン）が各触媒単体を介して発生した水素と一酸化炭素は蓋板３の燃料接続入口３３から燃料導入口５３を通して燃料電池モジュール５に導入され、そして外部の空気は所定の多岐管から空気入口１５、空気導引入口２５、及び空気接続入口３５を経て、空気導入口５５から燃料電池モジュール５の内部に導入されて、前記水素と一酸化炭素とを電気化学反応させる。
更に、過剰な空気は空気導出口５６から空気接続出口３６、空気導引出口２６、及び空気出口１６を経て外に流出させられ、過剰な水素と一酸化炭素は燃料導出口５４から燃料接続出口３４、燃料導引出口２４、及び燃料出口１４を経て外に流出させられることによって、改質に必要な循環を完成させることができる。

以上、添付の図を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、前記説明は単に本発明を説明することを目的としており、意味限定や請求の範囲に記載された本発明の請求の範囲を制限するためのものではない。したがって、前記説明によって当業者であれば、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で各種の変更および修正が可能であることはいうまでもない。

１ 基部板
１１、２1 収容空間
１１１、２１１ 収集部
１２、２２ 突縁
１３ 燃料入口
１４ 燃料出口
１５ 空気入口
１６ 空気出口
１７、２７、３７、５７ 取付孔
２ 隔離板
２３ 燃料導引入口
２４ 燃料導引出口
２５ 空気導引入口
２６ 空気導引出口
３ 蓋板
３１ 接合面
３４ 燃料接続出口
３５ 空気接続入口
３３ 燃料接続入口
３６ 空気接続出口
５ 燃料電池モジュール
５３ 燃料導入口
５４ 燃料導出口
５５ 空気導入口
５６ 空気導出口
Ａ１〜Ａ０ 燃料の流れを示す矢印
Ｂ1〜Ｂ６ 空気の流れを示す矢印

Claims (7)

1. 複数個の熱伝導性材料からなる板状部品を積層した構造からなる燃料電池用平板型改質器であって、
   その外周形状を燃料電池の外周形状と合致させると共に、該平板型改質器の頂面を燃料電池の表面に取り付ける接合面として燃料電池と接合・分離可能とし、
   前記複数個の積層した板状部品の間に触媒単体を配置する収容空間を形成し、
   外部から燃料を導入する燃料入口から上記触媒単体を収容した収容空間を経て該空間内で発生させた水素及び一酸化炭素を燃料電池と接合する面の該燃料電池の燃料導入口から燃料電池に導入する燃料接続出口に至る燃料流路及び同じく燃料電池に接する面に設けた燃料接続出口から外部に該燃料を排出する燃料出口に至る燃料流路と、
   外部から空気を導入する空気入口から上記燃料電池に接合する面に設けた燃料電池の空気導入口に空気を導入する空気接続入口に至る空気流路及び燃料電池に接する面に設けた燃料電池から排出される空気を受ける空気接続出口から外部に該空気を排出する空気出口に至る空気流路と、
   を積層した板状部品を貫通してそれぞれ独立に設けたことを特徴とする燃料電池用平板型改質器。
2. 前記平板型改質器の複数個の板状部品は、順に外部から燃料及び空気を導入すると共に燃料電池から燃料及び空気を排出する基部板、隔離板、及び燃料電池に接合される蓋板とから構成され、
   上記基部板は、頂面に設けられる凹んだ上記収容空間と、該収容空間の一方側に前記基部板の底面を貫通する燃料入口と、該燃料入口側に前記基部板の収容空間と隔離されて該基部板の底面を貫通する空気出口と、前記基部板の収容空間の他方側に、該基部板の収容空間と隔離されて基部板の底面を貫通する燃料出口と空気入口とを備え
   上記隔離板は、その底面を前記基部板の収容空間の開口側に積層し、該隔離板の頂面に設けられる凹んだ上記収容空間と、該隔離板の収容空間にある上記基部板の該燃料入口の反対側に設けられて前記隔離板の底面を貫通する燃料導引入口と、該燃料導引入口の反対側に該隔離板の収容空間と隔離されて該隔離板の底面を貫通する空気導引出口と、該燃料導引入口と同じ側に該隔離板の収容空間と隔離されて、該隔離板の底面を貫通して別々に設けられる燃料導引出口と空気導引入口とを備え
   上記蓋板は、その底面を前記隔離板の収容空間の開口側に積層し、該蓋板の頂面に前記燃料電池の表面に取り付けられる接合面と、該接合面の一方側に該蓋板を貫通して前記隔離板の燃料導引出口に対応する燃料接続出口と、前記隔離板の空気導引入口に対応する空気接続入口と、該接合面の他方側に蓋板を貫通して前記隔離板の空気導引出口に対応する空気接続出口と、同じく隔離板の収容空間に開口する燃料接続入口とを備え
   これらにより、外部から前記燃料入口、前記燃料導引入口及び前記燃料接続入口を経て燃料が燃料電池に至る燃料流路と、燃料電池から前記燃料接続出口、前記燃料導引出口及び前記燃料出口を経て外部に至る燃料流路、
   及び外部から前記空気入口、前記空気導引入口及び前記空気接続入口を経て燃料電池に至る空気流路と、燃料電池から前記空気接続出口、前記空気導引出口、
   前記空気出口を経て外部に至る空気流路、を形成したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用平板型改質器。
3. 前記基部板と、前記隔離板と、前記蓋板との接合部に耐熱シリコンシーラントを目塗りして外部と隔離される密封固定状態とし、該耐熱シリコンシーラントを除去することで、前記基部板と、前記隔離板と、前記蓋板との接合を分解したり組立てたりすることを可能としたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用平板型改質器。
4. 前記基部板、前記隔離板、前記蓋板は各自の周縁の対応する位置に複数個の取付孔を有し、複数個の固定部品を用いて前記取付孔を通して前記基部板と、前記隔離板と、前記蓋板とを接合させることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用平板型改質器。
5. 前記燃料電池の周縁に前記平板型改質器の取付孔に対応する位置に複数個の取付孔を備えることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用平板型改質器。
6. 前記基部板の収容空間は、前記隔離板の燃料導引入口に対応する部位に該燃料導引入口に向けて収束させた形状とした収集部を有し、前記隔離板の収容空間の蓋板の燃料接続入口に対応する部位に、該燃料接続入口に向けて収束させた形状とした収集部を有することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用平板型改質器。
7. 前記触媒は、Ｐｔ／ＣｅＯ_２αＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用平板型改質器。

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