JP5228342B2

JP5228342B2 - 燃料改質器および燃料電池

Info

Publication number: JP5228342B2
Application number: JP2007065037A
Authority: JP
Inventors: 勝哉平田; 直也村上
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2008226705A

Description

本発明は、複数のガス出口を備え、且つ、各ガス出口より改質ガスを均等に排出できる燃料改質器、および、この燃料改質器を備えた燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物形燃料電池は発電効率が高く、且つ、他の燃料電池と比べて作動温度が高いため排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。

この固体酸化物形燃料電池（発電セル）は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、等) が供給される。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素（例えば空気）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、この部分で空気極層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、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動して燃料極層との界面近傍に到達し、この部分で、燃料ガスと反応して燃料極層に電子を放出すると共に、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等の反応生成物を排ガスとして発電セルの外に放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

この発電セル単体では出力が極めて小さいため、通常は、この発電セルを多数直列状態に積層して高出力とした燃料電池スタックが用いられている。

また、燃料電池に導入する反応用ガスとして都市ガス等の炭化水素系の燃料ガスを用いる場合は、この炭化水素系ガス（原燃料ガス）を水素リッチなガスに改質するための燃料改質器が必要となる。この燃料改質器は、水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスとした後、例えば、３５０℃以上の高温雰囲気下において両者を反応（水蒸気改質）させることにより水素を生成する。
この改質反応は吸熱反応であって、転化率の良い改質反応を行うには、燃料改質器内の改質触媒を少なくとも６４０℃、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では、燃料改質器を燃料電池スタックの近傍に配設し、改質反応に必要な熱エネルギーを燃料電池スタックから排出される高温排ガスより得るようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１９０３４号公報

ところで、燃料電池では、上述した燃料電池スタックをさらに複数基列配設することによって、更なる高出力化が望める。

図６は、このようなマルチスタック構成の燃料電池の一例を示しており、上述の燃料電池スタックが、平面上に縦横２列に配置され、高さ方向に複数段積層されると共に、高温雰囲気となるこれら燃料電池スタック３の対向側面間の隙間に十字型の燃料改質器３０が配設されている。

上記燃料改質器３０は、扁平箱形の各翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄで構成され、その上端部には各々ガス入口３１が設けられ、且つ、各翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの下端部には各々ガス出口３４が設けられている。

図７に示すように、燃料改質器３０の内部には改質触媒３３が充填されているが、燃料改質器の上部のガス入口３１部分、および燃料改質器の下部のガス出口３４部分には、改質触媒３３が充填されない空間領域、第１のバッファ領域３２と第２のバッファ領域３５が設けられている。また、改質触媒３３の充填領域と上下の非充填領域（すなわち、バッファ領域３２、３５）とは、通気性の良いパンチングプレート３６にて区画されており、このパンチングプレート３６にて区画形成された領域内に改質触媒３３が充填されている。

上記構成において、運転時に原燃料ガスである炭化水素ガス（例えば、都市ガス）と水蒸気の混合ガスが上部配管３８を通して燃料改質器３０に誘導され、各翼部３０ａ〜３０ｄのガス入口３１より各改質器内に導入される。導入ガスはそれぞれの翼部３０ａ〜３０ｄ内を下方に流通する過程で改質触媒３３に接触し、炭化水素ガスの水蒸気改質反応が行われる。

改質反応で得られた改質ガスは最下流部の第２のバッファ領域３５に導入され、ここで十字方向に４分配されて各ガス出口３４より各ガス排出管３９を通して各燃料電池スタック３に導入される。

ところで、上記構造の燃料改質器には、下記のような解決すべき問題点が残されていた。

すなわち、上記燃料改質器３０は扁平箱形の翼部３０ａ〜３０ｄで構成される十字形状の容器であるため、特に、ペレット状の改質触媒３３を用いると、各翼部３０ａ〜３０ｄに改質触媒３３を均一に充填することが難しいため、各翼部内において改質ガスの流量にバラツキが生じ、このガス流量のバラツキにより、バッファ領域３５の各ガス出口３４から排出される改質ガスの量が不均一となり、改質ガスを各燃料電池スタックへ均等に分配（等流配）できなくなるという問題である。このように、各燃料電池スタックへの改質ガスの等流配が崩れると、各燃料電池スタックにおいて発電性能にアンバランスが生じ、効率的な発電行えなくなる。

上記問題を解決する方法として、バッファ領域３５の各ガス出口３４にオリフィスを設けてその圧力損失により等流配を図ることが考えられるが、この方法は、オリフィスによる圧力損失が増大し、その分、燃料ガス（原燃料ガス）を導入するための補機動力が過大となるため、燃料電池システムとしての効率が低下するという問題が発生する。

本発明は、上記問題に鑑みて成されたもので、複数のガス出口より改質ガスを均等に排出できる燃料改質器、および、この燃料改質器を備えた高効率の燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の燃料電池の燃料改質器は、内部に改質触媒が充填された平面視十字状の縦長容器で構成され、当該十字状を構成する４つの翼部が、各々平面視において縦横２列に配設された前記燃料スタックの対向側面間に配設され、水蒸気と原燃料ガスの混合ガスを改質して得られた水素豊富な改質ガスを各燃料電池スタック内に分配・供給して発電反応を生じさせる燃料電池の燃料改質器であって、各々の前記翼部の上端部に設けられたガス入口部分に前記改質触媒が非充填の第１のバッファ領域が設けられると共に、前記翼部の下端部に設けられたガス出口部分に前記改質触媒が非充填の第２のバッファ領域が設けられており、且つ、前記第２バッファ領域は、前記翼部の交差部分に通気孔を備える仕切部材により、前記改質ガスが一時貯留される第１チャンバと、前記通気孔より導入された前記第１チャンバ内の改質ガスを各翼部の先端部のガス出口より排出する第２チャンバとに区画されていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池の燃料改質器において、扁平箱形で成る前記各翼部内の幅方向に、補強用の支持部材が縦方向の少なくとも一カ所以上に設けられていることを特徴としている。

また、請求項３に記載の燃料電池は、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に配設して成る燃料電池において、前記燃料電池スタックが、前記ハウジング内に少なくとも平面視において縦横２列に配置されると共に、これら燃料電池スタックの対向側面間に請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料改質器が配設されており、且つ、前記燃料改質器の各ガス出口が、配管により前記各燃料電池スタックに接続されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、燃料改質器の下流側の第２バッファ領域を仕切部材によって第１チャンバと第２チャンバとに区画し、各翼部からの改質ガスが第１チャンバに一時貯留された後、中央部の通気孔より第２チャンバに導入されるように構成したので、各翼部からの改質ガスが第１チャンバ内において混合された後、第２チャンバの中心部に導入され、ここから四方に分配されるため、各ガス出口から排出される改質ガス量は均一化される。

また、請求項２に記載の発明によれば、各翼部内に幅方向の支持部材を設けたので、各翼部の幅方向の機械的強度が向上し、運転時の高温雰囲気で生じる各翼部の熱変形（歪み）等が防止され、各翼部の管路断面を一定に維持することができるようになる。これにより、各翼部内の流路抵抗を均一化でき、改質ガス流量のバラツキを緩和できるため、各ガス出口から排出される改質ガス量の均一化に寄与できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１、２に記載の燃料改質器を用いることで、複数の燃料電池スタックへの改質ガスの等流配が可能となり、各燃料電池スタック毎の発電性能をバランスさせた高効率の燃料電池を提供することが可能となる。

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は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部構成を示し、図２は本発明に係る燃料改質器の側面を示し、図３は図２のＡ−Ａ断面を示し、図４は図２のＢ−Ｂ断面を示し、図５は燃料電池スタックの要部構成を示している。
尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来例と共通する部材については同一の符号を用いた。

図１において、符号１は固体酸化物形燃料電池、符号２は内壁に断熱材１８を付装したハウジング（缶体）、符号３は積層方向を縦にしてハウジング２の内部に配設した燃料電池スタックである。本実施形態では、ハウジング２内の中央付近に平面視において縦横２列に、さらに高さ方向に４段、合計１６基の燃料電池スタック３を集合・配置した高出力の燃料電池１（燃料電池モジュール）である。

上述の燃料電池スタック３は、図５に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層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９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に多数積層した構造を有する。

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等の金属、あるいはＮｉ−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。

セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスマニホールド１３より供給される燃料ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスマニホールド１４より供給される酸化剤ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路１２を備えている。

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５に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて吐出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ガス（排ガス）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。そして、図１に示すように、ハウジング２の上部には、ハウジング２の内部空間に放出された高温度の排ガスを外部に排出するための排気管１９ａが設けられている。

また、ハウジング２内には、上記した１６基の燃料電池スタック３の他、燃料熱交換器２０や、その後段（下流側）の燃料改質器３０、および空気予熱用の空気熱交換器４０等が配設されている。燃料熱交換器２０には、燃料ガス供給管１５と給水管１７が接続され、空気熱交換器４０には酸化剤ガス供給管１６が接続されている。これらの熱交換器類２０、４０や燃料改質器３０は燃料電池スタック３からの十分な熱伝達および輻射熱が得られるよう、それぞれ燃料電池スタック３の近傍の適所に配設され、ハウジング２内において効率的な熱回収が成されるように考慮されている。

本実施形態では、図２〜図３に示すように、上記燃料改質器３０を一体型の十字型とし、図３の一点鎖線にて示すように、ハウジング２の中央部にそれぞれ平面視において縦横２列に配設された各々燃料電池スタック３の対向側面間の隙間を利用して配置されており、ハウジング２の底部に設けたスタック架台３７の上に載置・固定されている。

この十字型の燃料改質器３０を構成する扁平箱形の各翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの上端部（最上流部）に各々ガス入口３１が設けられ、各翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの下端部（最下流部）には各々ガス出口３４が設けられており、上端部のガス入口３１の各々が上部配管３８にて上記した燃料熱交換器２０に接続されていると共に、下端部のガス出口３４の各々が下部配管３９にて図５に示す燃料ガスマニホールド１３に接続されている。
また、この燃料改質器３０では、上記各翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの縦方向の中央部分の２カ所に、幅方向に補強用の支持部材５２が設けられている。

図２に示すように、燃料改質器３０の内部には改質触媒３３が充填されているが、改質器上部のガス入口３１部分および改質器下部のガス出口３４部分には改質触媒３３が充填されない空間領域、第１のバッファ領域３２と第２のバッファ領域３５が設けられている。尚、改質触媒３３の充填領域と上下の非充填領域（すなわち、バッファ領域３２、３５）とは、多数の小穴を設けた通気性の良いパンチングプレート３６にて区画されており、このパンチングプレート３６にて区画された領域内に改質触媒３３が充填されている。

また、上記第２のバッファ領域３５は、十字型の仕切部材５０により第１チャンバ３５ａと第２チャンバ３５ｂとに上下気密状に区画されており、これら第１チャンバ３５ａと第２チャンバ３５ｂは、仕切部材の中央部、すなわち、各翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの交差部分に設けた通気孔５１において連通させられていると共に、第２チャンバ３５ｂの各先端部分に、それぞれ上述したガス出口３４が設けられている。

上記構成において、運転時には原燃料ガスである炭化水素ガス（例えば、都市ガス）と水蒸気の混合ガスが燃料熱交換器２０において予熱されて高温の混合ガスとなって上部配管３８を通して燃料改質器３０に誘導されると共に、各翼部３０ａ〜３０ｄのガス入口３１より各改質器内に導入される。導入ガスはそれぞれの翼部３０ａ〜３０ｄにおいて、改質触媒３３に接触して炭化水素ガスの水蒸気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（６５０〜８００℃）は、燃料電池スタック３からの排熱を回収して得られる。

燃料改質器３０の改質反応で得られた改質ガスは下流部の各ガス出口３４より各下部配管３９を通して各燃料電池スタック３の燃料ガスマニホールド１３に導入され、別途、空気熱交換器４０より酸化剤ガスマニホールド１４を通して導入される空気とともに、発電セル７内において発電反応が行われる。

ここで、本実施形態の燃料改質器３０では、少なくとも平面方向４基の燃料電池スタック３に囲まれて、その放射熱の熱溜まりとなるハウジング２の中央部分に燃料改質器３０が配設されているため、燃料改質器３０は、この熱溜まり空間において対面する各々スタック側部からの放射熱を有効に受熱し、十分な改質温度を回収して転化率の高い燃料改質が行われるようになる。これにより、残留メタンの極めて少ない水素リッチな改質ガスを得て発電セル７に供給することが可能となり、高効率発電が可能となる。

また、燃料改質器３０のガス入口３１部分に第１のバッファ領域３２を設けることにより、ガス入口３１より導入された混合ガスが、先ず、このバッファ領域３２内を四方に広く拡散して十字形の各翼部３０ａ〜３０ｄ内の改質触媒３３に満遍なく均一に供給されるようになり、改質器内における全ての改質触媒３３を有効に活用した効率的な改質を行うことができる。

加えて、燃料改質器３０の下部の第２のバッファ領域３５を第１チャンバ３５ａと第２チャンバ３５ｂに区画することにより、各翼部３０ａ〜３０ｄ内において発生した改質ガスが、第２のバッファ領域３５内において、先ず、各翼部からの改質ガスが第１チャンバ３５に一旦貯留され、この第１チャンバ３５ａ内において混合された後、通気孔５１より第２チャンバ３５ｂの中央部分に導入され、ここから四方に分配されるため、各ガス出口３４から排出される改質ガス量は均一化されている。よって、各下部配管３９を通して各燃料電池スタック３に均等に供給されるようになり、各燃料電池スタック３毎の発電性能がバランスした効率的な発電が行われるようになる。

また、この第２チャンバ３５ｂを、機械的歪みの少ない角形鋼管や配管等を用いて構成すると、複数の板材を溶接して構成する場合に比べてシンメトリーな十字構造を得ることができるため、各ガス出口３４への改質ガスの分配量を均一化するのに有効である。

また、各翼部内の幅方向の支持部材５２を設けたので、各翼部の幅方向の強度が向上し、運転時の高温雰囲気で生じる各翼部３０ａ〜３０ｄの熱変形（歪み）が防止され、管路断面を一定に維持することができるようになる。これにより、各翼部内の流路抵抗を均一化でき、改質ガス流量のバラツキを緩和できるため、各ガス出口３４から排出される改質ガス量の均一化に寄与できる。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部構成を示す断面図。本発明に係る燃料改質器の側面図。図２のＡ−Ａ断面図。図２のＢ−Ｂ断面図。燃料電池スタックの要部概略構成を示す図。従来例として示した燃料改質器の平面図。同、燃料改質器の側面図。

符号の説明

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
３０燃料改質器
３０ａ〜３０ｄ翼部
３１ガス入口
３２第１のバッファ領域
３３改質触媒
３４ガス出口
３５第２のバッファ領域
３５ａ第１チャンバ
３５ｂ第２チャンバ
３９ガス排出管
５１通気孔
５０仕切部材
５２支持部材

Claims

内部に改質触媒が充填された平面視十字状の縦長容器で構成され、当該十字状を構成する４つの翼部が、各々平面視において縦横２列に配設された前記燃料スタックの対向側面間に配設され、水蒸気と原燃料ガスの混合ガスを改質して得られた水素豊富な改質ガスを各燃料電池スタック内に分配・供給して発電反応を生じさせる燃料電池の燃料改質器であって、
各々の前記翼部の上端部に設けられたガス入口部分に前記改質触媒が非充填の第１のバッファ領域が設けられると共に、前記翼部の下端部に設けられたガス出口部分に前記改質触媒が非充填の第２のバッファ領域が設けられており、且つ、
前記第２バッファ領域は、前記翼部の交差部分に通気孔を備える仕切部材により、前記改質ガスが一時貯留される第１チャンバと、前記通気孔より導入された前記第１チャンバ内の改質ガスを各翼部の先端部のガス出口より排出する第２チャンバとに区画されていることを特徴とする燃料電池の燃料改質器。
扁平箱形で成る前記各翼部内の幅方向に、補強用の支持部材が縦方向の少なくとも一カ所以上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料改質器。
発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に配設して成る燃料電池において、
前記燃料電池スタックが、前記ハウジング内に少なくとも平面視において縦横の２列に配置されると共に、これら燃料電池スタックの対向側面間に請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料改質器が配設されており、且つ、前記燃料改質器の各ガス出口が、配管により前記各燃料電池スタックに接続されていることを特徴とする燃料電池。