JPH03210774A - 内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池に関し
、特に、電池積層体への燃料ガス供給方法の改善に関す
るものである。

〔従来の技術〕

燃料電池は、水素のような酸化され易いガスと、酸素の
ような酸化性のあるガスとを電気化学反応プロセスを経
て反応させることにより直流電力を得るようにしたもの
である。燃料電池は、使用する電解質によって、リン酸
型、溶融炭酸塩型、固体電解質型等に大別される。

このうち、溶融炭酸塩型の燃料電池の主要構成は、以下
のようなものである。すなわち、一対のガス拡散電極間
に溶融した炭酸塩電解質層を介在させて単位電池が構成
されている。そして、複数の単位電池が、これら相互間
に、両面に互いに直交する方向に燃料ガス通路及び、酸
化剤ガス通路が形成されたセパレータ板を介在させて積
層され、燃料電池積層体が構成されている。このように
して構成される溶融炭酸塩型燃料電池において、アノー
ドの電気化学反応において活物質となるＨ。

ＣＯを原燃料（たとえば、メタンなどを中心とする炭化
水素）から製造する従来方式としては、−般に外部改質
方式と内部改質方式とが考えられている。外部改質方式
電池は、燃料電池積層体の外部で、原燃料である炭化水
素から燃料電池で消費する水素を生成するものである。

一方、内部改質方式電池は、燃料電池積層体の内部で、
原燃料である炭化水素から燃料電池で消費する水素およ
び、−酸化炭素を生成する改質反応と、水素より電気を
生み出す電気化学反応とを同時に進１ｊさせる機能を有
した燃料電池の一方式である。

したがって、内部改質方式電池は、吸熱反応である改質
反応と発熱反応である燃料電池反応とか、お互いの熱的
な過不足を相補う形で組み合わされているという特長を
有しており、内部改質方式の電池を用いた燃料電池発電
システムは、従来の外部改質方式の燃料電池を用いた発
電システムに比べて熱の有効利用が容易に達成でき、高
い発電効率が得られる。

なお、内部改質方式の電池は、構造・特徴により直接内
部改質方式と間接内部改質方式に大別される。すなわち
、直接内部改質方式電池は、改質触媒を燃料極（Ａｎｏ
ｄｅ）側のガス流路に設け、改質反応と電極反応とを並
列して進行させている。他方、間接内部改質方式電池で
は、燃料ガス流路とは分離しながら且つ熱的には、燃料
ガス流路に隣接する領域に改質部分を設けている。この
ことにより、改質反応に必要な反応熱として燃料電池で
の生成熱を利用する一方、改質反応と電極反応とをそれ
ぞれ独立して進行させている。

直接内部改質方式電池では、燃料ガス電極に隣接する燃
料ガス流路に改質触媒が保持された構造で、改質反応は
直接電池の中で行なわれる。直接内部改質方式電池の最
大の課題は、燃料ガス電極に保持される電解質による改
質触媒の被毒現象であり、それは、このような直接型の
内部改質方式電池の構造に起因するものである。

ｌ記の欠点を除くために改質反応と電極反応とを分離し
たのが間接内部改質方式電池である。間接型改質器は、
数セルの単位電池よりなる電池ユニットと交互に積層さ
れ積層体を構成する。

第８図〜第１Ｏ図は、例えば同一出願人による特願平０
１−１８５２５６号明細書に示された従来の間接内部改
質方式溶融炭酸塩型燃料電池を示し、第８図は原燃料（
６）（たとえば、メタンなどの天然ガス）を供給するた
めの専用マニホールド部分を一部切欠いて示している。

この例では、数セルの単位電池（１ａ）の上部に間接型
改質器（８）を配置して、その改質器の上に数セルの単
位電池（ｌｂ）を置き燃料電池積層体を構成するもので
ある。

第９図は、第８図に示した間接内部改質方式溶融炭酸型
燃料電池の原燃料ガス（６ａ）〜（６ｄ）あるいは酸化
剤ガス（９）を電池本体へ供給するためのマニホールド
αυ、α２を取りはずした燃料電池積層体（３）を模式
的に示す斜視図であり、間接型改質器（８）を組み込ん
だセパレータ板（２）の燃料側（アノード側）を一部切
欠いた図である。この例では、板状の間接型改質器（８
）は、セパレータ板（２）の上に配置され単位電池（１
ａ）〜（ｌｅ）の数セル毎に積層され、積層体を構成す
や。

第８図あるいは第９図において、（ｌａ）〜（ｌｅ）は
電極などのコンポーネントを包含する単位電池、（２）
はセパレータ板、（４）は間接型改質器（８）の改質触
媒（５）を保持する波形板すなわちコルゲートフィン、
（６）は原燃料（たとえば、メタンなどの炭化水素）ガ
ス、（７）は改質触媒（５）で改質された水素リッチな
改質ガス、（９）は酸化剤ガス、（８０ａ）は原燃料（
６）を改質器（８）へ導く開口部、（８ａ）は積層体の
一側面に開口部（８０ａ　）を有する原燃料ガス流路、
（８ｂ）はこの流路より供給される原燃料ガス（６）を
改質し、燃料ガスを原燃料ガス流路の開口部（８０ａ）
と同一側面にある開口部より放出する改質反応部を示す
。

また、αυは酸化剤側（カソード側）のガスを電池本体
へ供給するカソード側マニホールド、αりは燃料側（ア
ノード側）のマニホールド、α３は各マニホールドを電
池積層体へ取り付けるコイルバネ、０４は電池積層体を
保温するためのヒータ板を示す。

第１Ｏ図は、第８図あるいは第９図で示した間接型改質
器（８）を上部より見た断面図である。

図において、（ｓｏｂ）は改質反応部（８ｂ）の開口部
、（１２ａ）は原燃料ガス流路の開口部（８０ａ）と対
向配置され、原燃料ガス流路（８ａ）に原燃料ガス（６
）を供給する原燃料ガス供給マニホールド部、（１２ｂ
）は改質反応部（８ｂ）より放出される燃料ガス（７）
を各単位電池の燃料ガス流路に分配する分配マニホール
ド部、αＧは改質器を原燃料ガス流路（８ａ）と改質反
応部（８ｂ）とに分離する仕切板、αηは原燃料ガス（
６）を水素リッチな改質ガスを生成するのに触媒充填部
へ導入するための原燃料ガスリターン部である。（１８
ａ）（１８ｂ）は積層されるセルの層間のガスシールで
あるウェットシール領域をハツチングで示した。また、
αυは電池反応後の燃料ガスである。

なお、原燃料ガス供給マニホールド部（１２ａ）および
燃料ガス分配マニホールド部（１２ｂ）は共に単位電池
の複数セルにまたがって、積層体の一側面に設けられて
おり、燃料マニホールドａのを構成している。

第１Ｏ図を用いて、従来の間接型内部改質方式溶融炭酸
塩型燃料電池のガスの流れについて説明する。外部より
燃料電池積層体（３）に供給される原燃料ガス（６）は
、電池本体側面に取り付けられた原燃料ガス供給マニホ
ールド部（１２ａ）から、まず、間接型改質器（８）に
供給される。改質器内においては、原燃料ガス（６）は
、改質触媒（５）を保持しない原燃料ガス流路（８ａ）
を経由して、改質器内に有するガスリターン部αηを経
て、原燃料ガス（６）の流れ方向を変えて、改質触媒（
５）を有する改質反応部（８ｂ）に導入され、水素リッ
ヂな改質ガスすなわち燃料ガス（７）が生成される。生
成した燃料ガス（７）は燃料ガス分配マニホールド部（
１２ｂ）により電池本体の各々のセルのアノード側の流
路に供給され、また、カソード側の流路に空気などの酸
化剤ガス（９）か供給されて電池反応か生じることにな
る。このように、改質反応面での原燃料ガス（６）の改
質反応が進行する方向と、電池反応面での酸化剤ガス（
９）の流れ方向とが直交流（Ｃｒｏｓｓ−Ｆｌｏｗ）と
なるような間接型内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池の
構造をとっていた。

第１１図および第１２図はそれぞれ従来の間接型内部改
質方式溶融炭酸塩型燃料電池の定常動作時における間接
改質器および燃料電池セル面内の温度分布の実測値を示
す。間接改質器面内においては、平均温度６２２°Ｃ１
最高温度６７８°Ｃ１最低温度４９３°Ｃであり、セル
面内においては、平均温度６４３°Ｃ１最高温度６８２
°Ｃ１最低温度５６６°Ｃであった。原燃料ガス（メタ
ン）から水素を造り出す改質触媒での改質反応は吸熱反
応であり、電池本体での電池反応は発熱反応である。さ
らに、酸化剤ガスとしては一般に酸素含有量カ月５％程
度で５５０°Ｃ程度というセル面内より低い温度に調整
された空気を用いる。これらのため、面内温度分布は、
改質器で約２００°Ｃ１また、電池セル本体では、約１
２０８Ｃ程度となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池は以上のよう
に構成されており、吸熱反応である改質反応が進行する
方向と、電池反応面を冷却する効果を有する酸化剤ガス
の電池反応面での流れ方向とか直交しているので、電池
反応面に大きな温度差を生じ、電池運転の安定性に悪影
響を及ぼすなどの問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、定常作動時における電池セル面内の温度差
を小さくし、電池の運転の安全性に優れた内部改質方式
溶融炭酸塩型燃料電池を得ることを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池は、改
質反応面での原燃料ガスの改質反応が進行する方向と、
電池反応面での酸化剤ガスの流れ方向とが対向流となる
ように構成したものである。

また、本発明の別の発明に係る内部改質方式溶融炭酸塩
型燃料電池は、改質反応面での燃料ガスの改質反応が進
行する方向と、電池反応面での酸化剤ガスの流れ方向と
が対向流となると共に、」二記改質反応面での原燃料ガ
スの改質反応が進行する方向と、上記電池反応面での燃
料ガスの流れ方向とが直交流となるように構成したもの
である。

〔作用〕

本発明における内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池は、
冷却効果のある改質反応の進行する方向と酸化剤ガスの
流れ方向とを対向流としたので、電池セル面内での温度
差を小さ（抑えることができる。

さらに、燃料ガスの流れ方向を上記改質反応の進行方向
と直交するようにすれば、各ガスを供給するためのマニ
ホールドの設置が容易で、かつ燃料ガスの流れ方向とほ
ぼ同一方向であり発熱反応である電池反応の進行方向を
、共に冷却効果のある改質反応の進行方向および酸化剤
ガスの流れ方向と直交させることとなり温度低下の著し
い酸化剤ガス入口付近および原燃料ガス入口付近を共に
同じ燃料ガス濃度で反応させて発熱させることができる
ので、違った燃料ガス濃度で反応させるのに比べて温度
分布の均一化を図ることができる。

なお、酸化剤ガスとしては酸素含有量カ月５％程度に調
整された空気が用いられ、その酸素利用率は極めて低い
ため出口付近でも酸素含有量は１２％程度とほとんど変
化がないのに比べ、燃料ガスは水素利用率か高く、入日
付近での水素含有ｆ１１が例えば８０％程度である場合
、出口付近では水素含有量は１６％程度にまで低下して
いるのが一般的である。このため、電池反応量すなわち
発熱量は酸化剤ガスの流れ方向にはあまり影響されず、
燃料ガスの流れ方向に沿って変化していくと考えられる
。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。第１
図はこの発明の一実施例による間接型内部改質方式溶融
炭酸塩型燃料電池の要部を一部切欠いて示す分解斜視図
である。図において翰は原燃料ガスの分配部であり、組
み立て時いは矢印Ａで示すように単位電池（ｌａ）、（
Ｉｂ）間に挿入される。

このような構成を有するものにおいて、酸化剤ガス（９
）の流れ方向と平行な側面から供給された原燃料ガス（
６）は、ガス分配部翰で分配されて酸化剤ガス（９）の
流れ方向と対向して改質触媒（５）間を流れ改質反応に
より燃料ガス（７）に改質されて、酸化剤ガス（９）の
流れ方向および改質反応の進行方向の両方と直交する流
れ方向となるように単位電池（ｌａ）、（１ｂ）に供給
される。

第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１図に示すこの発明
の一実施例および第１θ図に示す従来例における各ガス
の流れを模式的に示す説明図である。この発明の一実施
例による第２図（ａ）のものでは、改質反応が進行する
方向と酸化剤ガスの流れ方向とが対向流となっている。

そのため、改質反応による吸熱作用と酸化剤ガスによる
吸熱作用を併用して、対向する方向から電池の冷却を行
うこととなり、第３図および第４図に電池の酸化剤ガス
入口から出口間の酸化剤ガスおよび改質反応による吸熱
量の変化の様子、並びに上記入口から出口間の温度分布
を示すように、電池面内での温度分布の均一化を図るこ
とができる。また、熱交換量すなわち電池内における熱
交換量Ｑは で表されるが、酸化剤ガスのみによる冷却では温度差△
Ｔを抑えるために熱伝達率αを大きくしなければならな
す、そのため酸化剤ガス量を増加しなければならない。

しかしながら、この発明におけるように酸化剤ガスの流
れ方向と改質反応の進行方向とが対向流となるようにし
て両方の冷却効果を併用すると、酸化剤ガスで取るべき
熱交換量Ｑが減少するため、酸化剤ガス量を減らすこと
ができる。または、酸化剤ガス量を減らさない場合には
温度差ΔＴを小さくすることができる。

さらに、本発明の別の発明におけるように、改質反応の
進行方向と酸化剤ガスの流れ方向とが対向流となると共
に、燃料ガスの流れ方向（すなわち電池反応の進行方向
）と上記両方向とが直交流となるように構成することに
より、マニホールドの取り付けが容易でしかも温度分布
が小さく抑えることができる。

すなわち、まず、電池反応を行わずに原燃料ガスと酸化
剤ガスのみを供給した場合、原燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの入口付近は周囲への放熱と吸熱のみであるため温度
の低下が激しく第５図に示すようになる。したがって、
電池反応は少なくとも」二記両入ロ付近で均等に行わな
ければ温度のバランスがとれなくなる。このため、原燃
料ガスおよび酸化剤ガスの両方と直交するように燃料ガ
スを流すことにより、上記両入口付近を共に同じ燃料ガ
ス濃度で反応させて発熱させ、温度の均一化を図るもの
である。

これに対し、第２図（ｂ）に示す従来例では、冷却作用
のある改質反応の進行方向と酸化剤ガスの流れ方向とが
直交流となっているため、電池面内に冷却量の片寄りに
よる温度分布の不均一ができる」二に、発熱作用のある
電池反応の進行方向すなわち燃料ガスの流れ方向が冷却
作用のある改質反応の進行方向と対向流となっているた
め、燃料ガス入日付近と出口付近では大きな温度差がつ
くと考えられる。

第２図（ａ）、（ｂ）に示した２ケースの間接型内部改
質方式溶融炭酸塩型燃料電池モデルに対して、定常の電
池運転条件下において計算機によるシミュレーションを
実施した。計算条件は、 （１）平均電流密度　　　　１５０ｍＡ／　ａｄ（２）
燃料利用率　　　　６０％ （３）酸化剤利用率　　　　２０％ （４）有効電極面積　　　　５０００Ｃ２Ｉ！（５）セ
ル数　　　　　　　６セル （６）改質器　　　　　　　６セルの上下に配置（７）
改質器の吸熱ｆｆｉ　　　　７７０ｋｃａｌ／ｈｒで行
った。その結果を表および第６図、第７図に示す。これ
らの結果より、改質器およびセルの面内温度差は従来例
のものよりも本発明の一実施例の方が小さくなり有利で
ある。また、スタックの特性である平均セル電圧も大き
くなることが期待できる。

なお、上記実施例では間接型内部改質方式溶融炭酸塩型
燃料電池の場合について説明したが、本発明は直接型の
内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池にも適用でき、上記
実施例と同様の効果が得られるのは明白である。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、改質反応面での原燃料
ガスの改質反応が進行する方向と、電池反応面での酸化
剤ガスの流れ方向とが対向流とな表 温度分布の比較 るように構成したので、電池セル面内での温度差を小さ
く抑えることができる効果がある。

また、本発明の別の発明によれば、改質反応面での原燃
料ガスの改質反応が進行する方向と、電池反応面での酸
化剤ガスの流れ方向とが対向流となると共に、上記改質
反応面での原燃料ガスの改質反応が進行する方向と、上
記電池反応面での燃料ガスの流れ方向とが直交流となる
ように構成したので、各ガスを供給するためのマニホー
ルドの設置が容易でしかも電池セル内面の温度差を小さ
く抑えることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による内部改質方式溶融炭
酸塩型燃料電池の要部を一部切欠いて示す分解斜視図、
第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの発明の一実施例お
よび従来例における各ガスの流れを模式的に示す説明図
、第３図および第４図はそれぞれこの発明の一実施例に
係る電池の酸化剤ガス入口から出口間の酸化剤ガスおよ
び改質反応による吸熱量の変化の様子並びに上記入口か
ら出口間の温度分布を示す特性図、第５図はこの発明の
一実施例による電池に原燃料ガスと酸化剤ガスのみを供
給した場合の上記両ガスの入口間における温度分布を示
す特性図、第６図および第７図はそれぞれこの発明の一
実施例および従来例における計算機シミュレーションに
おける改質器の面内温度分布を示す説明図、第８図は従
来の内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池をマニホールド
の一部を切欠いて示す斜視図、第９図は第８図の燃料電
池積層体部分を模式的に示す斜視図、第１０図は第８図
の間接型改質器を上部より見た断面図、第１１図および
第１２図はそれぞれ従来の燃料電池における定常運転条
件下−での実測による改質器およびセルの面内温度分布
を示す説明図である。 図において、（ｌａ）〜（ｌｅ）は単位電池、（２）セ
パレータ板、（３）は電池積層体、（５）は改質触媒、
（６）、（６ａ）〜（６ｄ）は原燃料ガス、（７）は燃
料ガス、（８）は間接型改質器、（９）は酸化剤ガスで
ある。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 第２図 ↑ ズだ漣十刀°久 第３図 第６図 キ 火バ１７７叉（Ｈｚ） 第７図 ↑ 幻ｉ条斗力°ス（Ｈ，） 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電極と酸化剤電極とを電解質マトリックスを
   介して対向配置し、上記燃料電極および酸化剤電極にそ
   れぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電を行う
   電池反応部と、原燃料ガスを上記燃料ガスに改質する改
   質反応部とを積層体内に備える内部改質方式溶融炭酸塩
   型燃料電池において、上記改質反応面での上記原燃料ガ
   スの改質反応が進行する方向と、上記電池反応面での上
   記酸化剤ガスの流れ方向とが対向流となるように構成し
   たことを特徴とする内部改質方式溶融炭酸塩型燃料電池
   。
2. （２）改質反応面での原燃料ガスの改質反応が進行する
   方向と、電池反応面での燃料ガスの流れ方向とが直交流
   となるように構成したことを特徴とする内部改質方式溶
   融炭酸塩型燃料電池。