JP4046166B2 - ガス改質装置を備えた燃料電池装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層体の形をした燃料電池ブロック内に燃料電池が設けられ、この燃料電池がそれぞれ、燃料電池ブロックの一つの側面に有るアノードに、新鮮な燃料ガスのための入口を備え、その反対側に、消費された燃料ガスのための出口を備え、燃料電池ブロックの別の側面に有るカソードに、新鮮なカソードガスのための入口を備え、そしてその反対側に、消費されたカソードガスのための出口を備え、燃料電池反応時に発生する熱によって加熱される、燃料電池のアノード入口に供給される新鮮な燃料ガスを改質するための改質装置が、触媒を有する第１の範囲を備え、この第１の範囲が、改質すべき燃料ガスを受け入れるための入口と、改質された新鮮な燃料ガスのための、アノード入口に接続された出口とを備え、この第１の範囲内で改質プロセスが行われる、燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を運転するために、ほとんどの場合、改質によって炭化水素を含む燃料を前もって準備することが必要である。それによって、燃料電池反応しやすい組成を有する燃料ガスが供される。このような改質は特に、アルカリ炭酸塩−溶融電解質を有する高温燃料電池（ＭＣＦＣ＝溶融炭酸塩燃料電池）のための燃料ガスの準備のために必要である。その際、燃料ガスの炭化水素成分は、化学量論的に必要な水蒸気量を触媒に加えることによって、高温でＣＯ，ＣＯ₂ およびＨ₂ に変換される。例えばメタン（天然ガス）について、適当な反応は次の平衡状態で吸熱的に行われる。
【０００３】
ＣＨ ＋Ｈ₂ Ｏ ＜＝＝＞ ＣＯ＋３Ｈ₂
水素を発生する方向の過程にとって必要な反応エンタルピーは、燃料電池の吸熱的な反応によって生じる。それによって、燃料電池内で行われる両反応平衡、すなわち、改質と燃料電池反応は、相互に影響し合って所望の方向に移動する。この場合同時に、吸熱的な改質プロセスの際に吸収される熱量を消費することによって電池が冷却され、燃料電池反応によって発生水素ガスを消費することによって、改質プロセスを妨害する水素濃度上昇が回避される。
【０００４】
今まで知られている技術水準では、アルカリ炭酸塩−溶融電解質（ＭＣＦＣ）を有する燃料電池の場合、および他の種類の燃料電池の場合、燃料ガスの改質はいろいろな方法で行われる。
別個の加熱される改質装置によって外部で改質する場合には、熱力学的および化学的なパラメータが相互に有利に影響し合う上記利点が発生せず、システム効率に対して明らかに不利な影響が生じる。
【０００５】
内部で直接的に改質する場合には、改質反応を起こすために役立つ触媒材料が、個々の燃料電池の各々に直接挿入され、改質は個々の電池内で行われる。これは熱力学的観点から最高の改質である。というのは、両反応、すなわち、燃料電池反応と改質プロセスにおいて、材料の接触と熱接触が直接的に行われ、両反応が最適に相互に影響を及ぼすからである。しかしながら他方では、触媒材料について問題が生じる。なぜなら、触媒が燃料電池の電解質によって汚染され、効力を失うからである。この問題はこれまで解決されていない。
【０００６】
間接的な内部改質の場合には、触媒材料を含む別個の改質セルが、規則的な間隔をおいて、例えばそれぞれ５個の燃料電池の後で、燃料電池ブロックに挿入されている。そして、改質プロセスはこの改質セル内で隣接セルに対する熱接触によって生じる。この種の改質の場合、触媒がきわめて良好に保護され、それによって長い寿命と良好が出力を有するので、この装置は今までの中では最も良好であることが実証されている。しかしながら、構造が複雑で、改質セルの入口の導管、改質セルの出口と燃料電離のアノードの入口との間の導管が複雑であり、従って経済的でない。
【０００７】
間接的な内部改質のための改質セル７′を備えた技術水準による燃料電池装置が図６に示してある。燃料電池ブロック１′は或る数の燃料電池２からなっている。この燃料電池は端板１３を間に介在して２個の圧縮板１２の間に積層されて配置されている。規則的な間隔をおいて、すなわち５個の燃料電池の後に、それぞれ１個の改質セル７′が設けられている。この改質セルは隣接する燃料電池２に熱的に接触する。改質すべき新鮮な燃料ガスは、ガス分配器１４を経て改質セル７′に供給される。そこからそれぞれ、電媒質の中断部を備えた管１６が改質セル７′の入口へ案内されている。改質セル７′の出口は図６に示した、燃料電池ブロック１′の互いに斜めに対向する角に設けられ、適当な方法で管を介してガス分配器に接続されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高い効率で改質を行うことができ、かつ装置の構造が簡単である、冒頭に述べた種類の燃料電池装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明に従い、改質装置が燃料電池ブロックのすぐ後で排気流内に設けられた熱交換器として形成され、この熱交換器が第１の範囲に熱的に接続された第２の範囲を備え、燃料電池の排気流が、改質装置を加熱するための加熱ガスとして、この第２の範囲を通って案内されることによって解決される。
【００１０】
本発明による燃料電池装置の重要な利点は、改質装置の触媒材料が、燃料電池の電解質によって汚染しないように保護されていることにある。
他の重要な利点がガスの案内構造が簡単であることにある。この場合、改質すべき新鮮な燃料ガスを供給するためおよび改質された新鮮な燃料ガスを燃料電池のアノード入口に案内するために、２つのガス通路だけしか必要としない。
【００１１】
本発明による装置の他の重要な利点は、改質装置の触媒材料の消耗の際または改質装置の他の欠陥の際に、燃料電池ブロックを破壊しないで改質装置を交換することができることにある。
本発明の他の有利な実施形は従属請求項に記載してある。
本発明の特に有利な実施形では、改質装置がカソード出口の排気流内に設けられている。これによって、燃料電池反応時に発生する熱の最大限の利用が達成される。
【００１２】
本発明の他の有利な実施形では、改質装置が燃料電池ブロックの当該の出口に設けられた出口フード内に設けられている。それによって、スペースが大幅に節約される。
他のきわめて有利な実施形では、燃料電池ブロックと改質装置が、共通の保護ケーシング内に設けられ、アノードとカソードのそれぞれの入口と出口の範囲が、燃料電池ブロックと保護ケーシングの内面との間に設けられた分離要素によって互いに分離され、改質装置がこのようにして形成された範囲内で、カソード出口またはアノード出口に設けられている。これにより、燃料電池装置全体が少ないコストで製作され、燃料電池装置の高い全体効率が達成可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１，２の側面図と平面図に断面を示した燃料電池装置の場合には、燃料電池ブロック１が積層されて配置された或る数の燃料電池２によって形成されている。図にはこの燃料電池のうちの若干の燃料電池だけが示してある。燃料電池２はそれぞれ、燃料電池ブロック１の片側のアノード、すなわち図２において上側のアノードに、新鮮な燃料ガスのための入口１３を備え、反対側に、すなわち図２において下側に、消費された燃料ガスの出口１４を備え、燃料電池のカソード、すなわち図２において左側に、新鮮なカソードガスの入口１５を備え、反対側に、すなわち図２において右側に、消費されたカソードガスのための出口１６を備えている。燃料電池の入口１３，１５と出口１４，１６にはそれぞれ、入口フード１３１，１５１と出口フード１４１，１６１が設けられている。このフードによって、その都度のガス流が燃料電池ブロック１の当該の側で分配されるかまたは集められる。
【００１４】
熱交換器のように形成された改質（リホーミング）装置７は、図１，２に示す実施例の場合には、燃料電池積層体１のカソード出口１６の排気流内に直接設けられている。この場合、改質装置７の横断面は、燃料電池積層体１のそれぞれの側の横断面にほぼ一致している。
図３から判るように、改質装置７は第１の範囲７１と、改質すべき新鮮な燃料ガスを受け入れるための入口７７と、改質された新鮮な燃料ガスを排出するための出口７８を備えている。この範囲７１は垂直方向に延びる或る数の通路７１１を備えている。この通路内には、改質プロセスを生じさせる、触媒材料をコーティングした粒子から成る粒状物または触媒ペレットの形状の触媒が設けられている。図３に示していない触媒材料は参照符号８によって示してある。
【００１５】
改質装置７は更に、第１の範囲７１に熱的に接続された第２の範囲７２を備えている。燃料電池ブロック１のカソード出口１６からの排気流が、この第２の範囲を通って、改質装置７を加熱するための加熱ガスとして案内される。それによって、改質装置７の第２の範囲において燃料電池ブロック１のカソード出口１６の排気流から奪われた熱は、改質装置の第１の範囲７１において触媒材料８に伝達され、そこで吸熱改質プロセスのために消費される。
【００１６】
改質装置７の入口７７には、改質すべき新鮮な燃料ガスが供給され、触媒材料８を充填した通路７１１を通過した後、出口７８に達する。改質装置７の出口７８は管８を介して、燃料電池ブロック１のアノード入口１３のフード１３１に接続されている。
燃料電離装置内の流れは次のように行われる。
【００１７】
新鮮なカソードガスはカソード入口側１５のフード１５１を経て燃料電池積層体１内に入る。燃料電池反応時に燃料電池ブロック１内で加熱されたカソードガスは、カソード出口１６のところで燃料電池積層体１から流出し、改質装置７に入る。改質装置７の第２の範囲７２を通過する際に、高温のカソード排気は熱交換によってその熱の一部を、改質装置７の第１の範囲７１の通路７１１を流れる新鮮な燃料ガスに与える。それによって、この新鮮な燃料ガスは改質プロセスにとって必要な熱を供給されて得る。改質装置７から出るカソード排気は、フード１６１を経て燃料電池装置から出る。入口７７から改質装置７に入る燃料ガスは、改質プロセスの後で、この改質装置の出口７８から出て、管８を経て燃料電池ブロックのアノード入口１３のフード１３１に供給され、燃料電池のアノードを通過し、そしてアノード出口側１４のフード１４１を経て燃料電池ブロック１から出る。
【００１８】
図４，５は、改質装置を備えた本発明による燃料電池装置の他の実施の形態を示している。燃料電池ブロック１は改質装置７と共に、保護ケーシング９内に設けられている。アノードとカソードの入口１３，１５と出口１４，１６の前で、分離要素１１によって、範囲１３１′，１４１′，１５１′，１６１′が形成されている。この分離要素は燃料電池ブロック１と保護ケーシング９の内面との間に設けられている。この範囲はフード１３１，１４１，１５１，１６１の下方に形成された範囲に対応している。分離要素は弾性的な金属ウェブによって形成することができる。改質装置７はカソード出口１６に形成された範囲１６１′内に設けられている。
【００１９】
カソードガス入口９１を通って範囲１５１′に流入する新鮮なカソードガスは、カソード入口１５から燃料電池ブロック１を通って流れ、カソード出口側１６でこの燃料電池ブロックから出る。熱の一部を改質装置７内を流れる新鮮な燃料ガスに与えて消費されたカ ソードガスは、カソード出口１６のすぐ後に設けられた改質装置７を通過した後で、範囲１６１′に達し、カソード排気のための出口７６を経て保護ケーシング９から出る。新鮮な燃料ガスは管７７を経て改質装置７の入口に供給され、改質装置を通過した後で管７８を経てこの改質装置から出る。改質された新鮮な燃料ガスは、この管から、燃料電池ブロック１のアノード入口側１３の範囲１３１′に案内される。
【００２０】
上記の実施の形態に付加して、本発明の一連の発展形態が可能である。例えば、改質装置７は上記と異なり、アノード出口１４の排気流内に取付けることができる。上記の実施の形態の場合には、改質装置７の横断面が実質的に、燃料電池ブロック１の当該の出口側１６の横断面に一致し、改質装置７が燃料電池ブロック１に続いて取付けられているが、上記と異なり、改質装置７の横断面は燃料電池ブロックの当該の出口側１６または１４よりも小さな横断面を有していてもよい。この場合、改質装置７は横断面を合わせたフードを中間に配置して燃料電池ブロックに接続されている。上記の実施の形態と異なり、触媒材料は改質装置７の通路７１１の表面コーティングによって設けてもよい。この場合、通路は、その横断面と比較してできるだけ大きな表面を有するように形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による燃料電池装置の第１の実施の形態を側方から見た断面図である。
【図２】 図１に示した第１の実施の形態を上側から見た断面図である。
【図３】 本発明によるガス改質装置の断面図である。
【図４】 本発明による燃料電池装置の第２の実施の形態を側方から見た断面図である。
【図５】 図４に示した第２の実施の形態を上側から見た断面図である。
【図６】 技術水準によるガス改質装置を備えた燃料電池装置の一部の斜視図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池装置
２ 燃料電池
７ 改質装置
７１ 改質装置の第１の範囲
７２ 改質装置の第２の範囲
７７ 改質装置の入口
７８ 改質装置の出口
８ 触媒
１３ 新鮮な燃料ガス用の入口
１４ 消費された燃料ガスのための出口
１５ 新鮮なカソードガスのための入口
１６ 消費されたカソードガスのための出口

Claims (9)

1. 積層体の形をした燃料電池ブロック（１）内に燃料電池（２）が設けられ、この燃料電池がそれぞれ、燃料電池ブロック（１）の一つの側面に有るアノードに、新鮮な燃料ガスのための入口（１３）を備え、その反対側に、消費された燃料ガスのための出口（１４）を備え、燃料電池ブロック（１）の別の側面に有るカソードに、新鮮なカソードガスのための入口（１５）を備え、そしてその反対側に、消費されたカソードガスのための出口（１６）を備え、燃料電池反応時に発生する熱によって加熱される、燃料電池（２）のアノード入口（１３）に供給される新鮮な燃料ガスを改質するための改質装置（７）が、触媒（８）を有する第１の範囲（７１）を備え、この第１の範囲が、改質すべき燃料ガスを受け入れるための入口（７７）と、改質された新鮮な燃料ガスのための、アノード入口に接続された出口（７８）とを備え、この第１の範囲内で改質プロセスが行われる、燃料電池装置において、改質装置（７）が燃料電池ブロックのすぐ後で排気流内に設けられた熱交換器として形成され、この熱交換器が第１の範囲（７１）に熱的に接続された第２の範囲（７２）を備え、燃料電池の排気流が、改質装置（７）を加熱するための加熱ガスとして、この第２の範囲を通って案内されることと、改質装置（７）の横断面が実質的に、燃料電池ブロック（１）の当該の出口側（１６，１４）の横断面に一致し、改質装置（７）が燃料電池ブロック（１）に接続されて設けられていることとを特徴とする燃料電池装置。
2. 積層体の形をした燃料電池ブロック（１）内に燃料電池（２）が設けられ、この燃料電池がそれぞれ、燃料電池ブロック（１）の一つの側面に有るアノードに、新鮮な燃料ガスのための入口（１３）を備え、その反対側に、消費された燃料ガスのための出口（１４）を備え、燃料電池ブロック（１）の別の側面に有るカソードに、新鮮なカソードガスのための入口（１５）を備え、そしてその反対側に、消費されたカソードガスのための出口（１６）を備え、燃料電池反応時に発生する熱によって加熱される、燃料電池（２）のアノード入口（１３）に供給される新鮮な燃料ガスを改質するための改質装置（７）が、触媒（８）を有する第１の範囲（７１）を備え、この第１の範囲が、改質すべき燃料ガスを受け入れるための入口（７７）と、改質された新鮮な燃料ガスのための、アノード入口に接続された出口（７８）とを備え、この第１の範囲内で改質プロセスが行われる、燃料電池装置において、改質装置（７）が燃料電池ブロックのすぐ後で排気流内に設けられた熱交換器として形成され、この熱交換器が第１の範囲（７１）に熱的に接続された第２の範囲（７２）を備え、燃料電池の排気流が、改質装置（７）を加熱するための加熱ガスとして、この第２の範囲を通って案内されることと、改質装置（７）の横断面が燃料電池ブロックの当該の出口側（１６，１４）よりも小さな横断面を有し、改質装置（７）が、この横断面と適合したフードを中間に接続配置した形で燃料電池ブロック（１）に設けられていることとを特徴とする燃料電池装置。
3. 改質装置（７）が燃料電池ブロック（１）の当該の出口に設けられた出口フード（１６１，１４１）内に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 改質装置（７）がカソード出口（１６）の排気流内に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
5. 改質装置（７）がアノード出口（１４）の排気流内に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
6. 改質装置（７）の第１の範囲（７１）が通路（７１１）を備え、この通路内に触媒（８）が設けられ、この通路が第２の範囲（７２）内に埋設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
7. 通路（７１１）が垂直方向に延び、触媒材料をコーティングした粒子から成る粒状物または触媒ペレットが通路に充填されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池装置。
8. 通路（７１１）が触媒材料でコーティングされていることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池装置。
9. 燃料電池ブロック（１）と改質装置（７）が、共通の保護ケーシング（９）内に設けられ、アノードとカソードのそれぞれの入口（１３，１５）と出口（１４，１６）の範囲が、燃料電池ブロック（１）と保護ケーシング（９）の内面との間に設けられた分離要素（１１）によって互いに分離され、改質装置（７）がこのようにして形成された範囲内で、カソード出口（１６）およびまたはアノード出口（１４）に設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の燃料電池装置。

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