JP5077384B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、内部改質式の燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池スタックの排熱を効率良く利用して好適な改質が行える燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより燃料電池スタックが構成される。

発電セルには、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極に電子を放出する。

燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｏ^2-
燃料極： Ｈ₂ ＋ Ｏ^2- → Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
全体 ： Ｈ₂ ＋ １／２ Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ

ところで、燃料電池に使用される燃料ガスは天然ガス（メタンガス）等の炭化水素化合物（原燃料と言う）であるため、実際はこの原燃料を水素を主成分とする燃料ガスに改質してから使用する必要がある。改質の方法として、原燃料が炭化水素系の気体燃料や液体燃料の場合、通常は水蒸気改質法が用いられている。

例えば、メタンガスを原燃料とする改質反応は次のようになる。
脱硫されたメタンガスは、改質器で水蒸気を加えられて、水素と一酸化炭素になる。この改質反応は吸熱反応であって、温度は６５０〜８００℃程の高温となる。
ＣＨ₄ ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂ ＋ＣＯ
この時、生成された一酸化炭素は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変わる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂ ＋ＣＯ₂

従来より、燃料電池の改質方法として、外部に改質器を設置する外部改質法や高温の燃料電池スタックの内部に直接改質機構を組み込んだ内部改質法が知られている。水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、改質反応のための熱を供給する必要がある外部改質法は発電効率が悪く燃料電池の改質機構には不向きであり、発電時に燃料電池より発生する熱の一部を改質反応の吸熱反応に利用できる効率的な内部改質法が注目されている。

既述したように、改質反応は吸熱反応であり、正常な改質反応を行うには改質触媒を少なくとも６４０℃以上、望ましくは７００℃以上に加熱する必要があることから、内部改質式の燃料電池スタックでは、改質用の熱エネルギーとしてスタックからの高温排熱が利用されている。

尚、燃料電池スタックからの排熱を回収して反応ガス（燃料ガス、空気）の予熱や改質反応等に有効利用する技術として特許文献１が開示されている。

特開昭６２−２８３５７０号公報

ところで、固体酸化物形燃料電池を例にとると、作動温度が１０００℃前後の高温型固体酸化物形燃料電池では、改質に要する熱エネルギーを回収するのは比較的容易であるが、作動温度が７００℃前後の低温作動型の固体酸化物形燃料電池の場合は、先の高温型に比べて排出される熱エネルギー量も少ないため、十分な熱回収が行われないと改質反応が不十分になる恐れがある。改質不十分であると、メタン（未改質ガス）からの炭素析出で電池性能が急激に低下したり、発電セル内にメタンが導入されると吸熱反応による熱応力で燃料極が剥離したりして、寿命が短くなるといった弊害が生じる。

従って、上記した弊害を無くして安定した発電性能を得るには、燃料電池から放出される余剰エネルギー（排熱）をいかに効率良く回収し、そして発電反応に使用するかが大きな課題となっている。

本発明は、このような従来からの課題に鑑みて成されたもので、燃料電池スタックの排熱を効率良く利用して好適な改質を行える燃料改質機構を備えた燃料電池を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に当該燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる内部改質式の燃料電池において、中心角において少なくとも９０°以上に亘る前記燃料電池スタックの周囲に、単数もしくは複数の燃料改質機構を配設するとともに、前記燃料改質機構において、導入される燃料ガスの上流部分の改質触媒層を下流部分より薄くしたことを特徴とするものである。

また、上記請求項１に記載の発明において、請求項２に記載の発明は、前記燃料改質機構の改質触媒としてペレット触媒を用いることを特徴とするものであり、請求項３に記載の発明は、前記燃料改質機構の改質触媒としてハニカム触媒を用いることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記燃料改質機構の外側に改質用の水蒸気を得るための水気化器を配設したことを特徴とするものである。

請求項１〜４の何れかに記載の発明によれば、燃料改質機構は燃料電池スタックの側部からの放射熱を有効に受熱でき、十分な改質温度（６４０〜８００℃）にて燃料改質が行われる。また、燃料改質機構が複数に分割されている場合は、トータルで燃料電池スタック周方向に所定の範囲が得られていれば良い。

さらに、改質反応にあっては、反応初期の吸熱量は多く、反応が進むに連れて吸熱量が減少する。本構成では、吸熱反応の盛んな燃料ガスの上流部分において触媒層を薄くすることにより、触媒層対する単位面積当たりの受熱量を大きくし、改質反応の効率化を図った。

この結果、燃料電池スタックの側部からの放射熱を有効に受熱し、十分な改質温度にて好適な燃料改質が行われるようになる。このように、従来余剰エネルギーとして外部に放出されていた熱を有効に利用することができ、発電システムの効率化が図れる。

この際に、前記燃料改質機構の改質触媒として、請求項２に記載の発明のようにペレット触媒を用いたり、あるいは請求項３に記載の発明のようにハニカム触媒を用いたりすることができるが、特に上記改質触媒をハニカム（蜂の巣）構造にすることにより、上記したペレット触媒に比べて高表面積、低圧力損失が実現でき、より効率的な改質反応が得られる。

また、高温の水蒸気を生成するには、高熱よりも寧ろ多量の熱量が必要であることから、請求項４に記載の発明のように、水気化器は、ハウジング内にあって、燃料電池スタックより距離をおいた燃料改質機構の後方部に配置するのが好適である。

本発明に係る燃料電池の一実施形態である固体酸化物形燃料電池の内部構成を示す縦断面図である。 燃料電池スタックの要部を運転時のガスの流れとともに示す概略構成図である。 燃料改質機構の配置を示す平面図である。 燃料改質機構の構造を示す正面図である。 複数の燃料電池スタックを用いた固体酸化物形燃料電池の概略構成を示す横断面図である。

以下、図１〜図５に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池の一実施例である固体酸化物形燃料電池の内部構成を示し、図２は、燃料電池スタックの要部概略構成を示し、図３は、発電反応室内における燃料改質機構の配置を示し、図４は燃料改質機構の構造を示し、図５は複数の燃料電池スタックを用いた固体酸化物形燃料電池の概略構成を示す。

先ず、図１に基づいて固体酸化物形燃料電池の構成を説明する。
図１において、符号１は固体酸化物形燃料電池（燃料電池モジュール）、符号２は内壁に断熱材２７を層状に付装した円筒状のハウジング、符号３は積層方向を縦にして燃料電池モジュール１の中央に配置された燃料電池スタックである。
この燃料電池スタック３は、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に積層した構造を有する筒状体である。

ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。

また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料通路２６（図２参照）に接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路２５（図２参照）に接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。

また、マニホールド１３、１４の外周側には、各マニホールド１３、１４につながる燃料ガス予熱管１５、酸化剤ガス予熱管１６や、各予熱管１５、１６および燃料電池スタック３を予熱するヒータ２０等が配設されている。ヒータ２０および予熱管１５、１６は、ハウジング２の内部に収容されており、ハウジング２内の各予熱管１５、１６に外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。

また、この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図２に示すように、燃料通路２６および酸化剤通路２５を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余の高温ガスを、発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。また、ハウジング２には、その内部空間、即ち、発電反応室２１に放出された余剰ガスを装置の外部に排出するための排気管２２ａ、２２ｂが設けられている。

ところで、本実施形態では、図３に示すように燃料電池スタック３の周囲に燃料改質機構３０が燃料電池スタック３の高さ方向に配設されている。この燃料改質機構３０は、未改質の燃料ガスが導入される中央部の箱形第１改質器３１と、第１改質器３１の両側に配置される一対の箱形第２改質器３２とで構成されており、これら改質器３１、３２が燃料電池スタック３の円周に沿う円弧状に位置決めされてベース３８の上に固定されている。

そして、第１改質器３１と左右の第２改質器３２とは、それぞれ配管３３によって接続されており、第１改質器３１に導入された未改質の燃料ガスが第１改質器３１を通過後、この配管３３を通して両側の第２改質器３２、３２に導入されるように構成されている。尚、第１改質器３１のガス導入口３９は図示しない配管により燃料ガス予熱管１５に接続され、第２改質器３２、３２の出口３５、３５は、図示しない配管により燃料用マニホールド１３に接続されている（図１参照）。

図４に示すように、第１改質器３１および一対の第２改質器３２は共に箱体の内部がじゃま板３６によって厚さ方向に複数仕切られてその高さ方向に幾重にも上下するガス流路３７を形成しており、ガス流路３７の内部には、図示しないペレット触媒（粒状の担体の表面に活性成分として、例えば、Ｎｉ系またはＲｕ系の炭化水素触媒を分散して付着させたもの）が充填されて、上記した燃料改質機構３０を構成している。

また、第１改質器３１は、第２改質器３２に比べて薄箱構造と成されて、熱放射方向に対する内部触媒層の厚みが第２改質器３２の触媒層よりも薄くなるようにしてある。
これは、次のような理由によるものである。即ち、燃料ガスの改質反応は吸熱反応であって、反応初期は吸熱反応のための多量の熱エネルギーを必要とし、改質反応が進むに連れて吸熱量は指数関数的に減少する。そこで、吸熱反応の盛んな第１改質器３１内の触媒層を薄くすることにより、触媒層における単位面積当たりの受熱量を大きくし、改質反応の効率化を図ったものである。

また、改質器３１、３２の改質触媒として上記したペレット触媒の他、ハニカム触媒を用いることができる。触媒自体をハニカム（蜂の巣）構造とすれば、ペレット触媒を使用した場合のようなじゃま板３６による流路形成は不要であり、ハニカム構造をそのままガス流路として利用できる。これにより、ペレット触媒を使用した場合に比べ、改質器において高表面積、低圧力損失が実現でき、より効率的な改質反応が得られることになる。

なお、ハニカム触媒の場合、改質器内のＳＶ（ＳＶ：反応ガス体積流量／触媒体積）を、良好な改質反応が得られる５００ｈ^−１ 以上を確保できるように、ハニカムの開口径やサイズが設定されている。

本実施形態の燃料改質機構３０は燃料電池スタック３からの放射熱を効率良く受熱できるよう、燃料電池スタック３の周方向の所定領域をカバーするように配置されている。具体的には、燃料電池スタック３の中心角θにおいて少なくとも９０°以上、より好ましくは１２０℃以上カバーできるように燃料改質機構３０が配置されている。尚、燃料改質機構３０が、単数のみならず、図３、図４に示すような分割構造であったり、複数の燃料改質機構３０が配設される場合も含め、トータル的に上記範囲（中心角θにおいて少なくとも９０°以上）が確保できればどのような構造であっても良い。

一方、この燃料改質機構３０が燃料電池スタック３の周囲を囲み過ぎると、逆に燃料電池スタック３からの熱発散が阻害され、電池内温度が発電反応温度以上に上昇して発電に支障を来すという弊害が生じる恐れがある。このため、本発明では、燃料電池スタック内部、すなわち、発電セル７内において適正な発電反応温度が維持できるよう、燃料改質機構３０のサイズや配置を考慮して、上記範囲が設定されている。

次に、図５はハウジング内に複数の燃料電池スタック３を配設した高出力型の固体酸化物形燃料電池１の場合である。本実施形態では、ハウジング内に３個の燃料電池スタック３が同一円上に各々１２０°の間隔をもって配置されており、且つ、それぞれの燃料電池スタック３の対向側面側に図４で示した燃料改質機構３０を配設した構成と成している。

燃料電池スタック３に囲まれた中心部分は放射熱の熱溜まりとなっており、燃料改質機構３０は当燃料電池スタック３からの放射熱はもとより、対向する他の燃料電池スタック３からの放射熱も有効に受熱し、内部の炭化水素触媒を加熱することができる。

また、発電反応室２１内において、各燃料改質機構３０に対応し、その後方部となる断熱材層２７の壁部に接近した箇所に改質用の高温水蒸気を得るための水気化器３４が配設されている。水気化器３４は発電反応室２１の中央部分から放射される熱を受熱して高温水蒸気を生成し、未改質の燃料ガスと共に第１改質器３１に導入されるように構成されている。

高温水蒸気の生成には、高熱よりも寧ろ多量の熱量が必要である。従って、水気化器３４は発電反応室内にあって、多量の熱量を吸収できるよう燃料電池スタック３より距離をおいて配置した方が効率的な水気化が行える。

上記構成の燃料改質機構３０において、運転時には燃料ガスである炭化水素ガス（ＣＨ₄）と水気化器３４からの高温水蒸気の混合ガスがガス導入口３９より第１改質器３１に導入される。尚、図１においては、燃料ガス予熱管１５から予熱された燃料ガスが供給される。この混合ガスは第１改質器３１内にて二手に分かれ、各々ガス流路３７を流通する過程で炭化水素触媒に接触して水蒸気改質法による炭化水素ガスの改質反応が行われる。

この改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な熱（例えば、６５０〜８００℃）は、燃料電池スタック３からの排熱を受熱して得られる。燃料改質機構３０は燃料電池スタック３の周囲方向の受熱に好適な所定範囲に配置されているので、改質反応の吸熱反応に必要とされる十分な熱エネルギーを効率良く得ることができる。

また、改質初期は吸熱量も多く大量の熱量を要するが、未改質の燃料ガスが導入される第１改質器３１の触媒層は薄く形成されていて触媒層における単位面積当たりの受熱量は大きいものであるから十分な改質反応が行われる。

第１改質器３で改質された燃料ガスは左右の出口より配管３３、３３を通して第２改質器３２、３２に導入され、第２改質器３２内を流通する過程で炭化水素触媒に接触してさらに改質される。但し、第２改質器３２に導入された改質ガスは改質反応が進んでおり、吸熱量も第１改質器３１での反応に比べて減少している。

第２改質器３２の改質反応で得られた水素リッチな改質ガス（Ｈ₂、ＣＯ、ＣＯ₂）は、第２改質器３２の出口３５、３５より図示しない配管を通して図１に示す燃料用マニホールド１３に誘導され、ここから各接続管１１を通して各セパレータ１０の側部に導入される。図２に示すように、改質ガスはさらにセパレータ１０の側面から燃料通路２６を通して燃料極側に吐出し、燃料極集電体８内を拡散移動して燃料極層５に達し、発電反応が行われる。

以上、本実施形態では、ジルコニア等の固体酸化物を電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明したが、これに限るものではなく、燐酸を電解質とする燐酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、或いは、イオン交換膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等についても勿論適用可能である。

１ 燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
２ ハウジング
３ 燃料電池スタック
７ 発電セル
１０ セパレータ
３０ 燃料改質機構（改質器）
３４ 水気化器

Claims (4)

1. 発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、ハウジング内に収納すると共に、運転時に当該燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる内部改質式の燃料電池において、
   中心角において少なくとも９０°以上に亘る前記燃料電池スタックの周囲に、単数もしくは複数の燃料改質機構を配設するとともに、前記燃料改質機構において、導入される燃料ガスの上流部分の改質触媒層を下流部分より薄くしたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料改質機構の改質触媒としてペレット触媒を用いることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料改質機構の改質触媒としてハニカム触媒を用いることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記燃料改質機構の外側に改質用の水蒸気を得るための水気化器を配設したことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池。

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