JPH04274168A - 内部改質型燃料電池 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池の改良に係わり
、特に電池本体内部のアノード電極で直接燃料の改質を
行う内部改質型燃料電池の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常燃料電池は、図３の従来例の縦断面
図に示すようなアノード電極１，電解質２，燃料ガス流
路３，カソード電極５，酸化剤ガス流路６からなる単電
池が積層されて構成されている。発電は、アノード電極
１に燃料ガス流路３を通じて燃料として改質装置により
改質することによって得られた水素，一酸化炭素等を含
む改質ガスを供給し、カソード電極５に酸化剤ガス流路
６を経て酸素を含む酸化剤ガス，例えば空気を供給し、
下記の燃料電池の発電反応（電池反応）を行わせること
によって行う。燃料の改質は通常改質触媒を充填した改
質装置を用いて高温（メタノールは約３００℃、メタン
は約７００℃）で行っているが、高温で作動する溶融炭
酸塩型燃料電池および固体電解質型燃料電池では、改質
触媒作用があるニッケルをアノード電極１（例えば固体
電解質型燃料電池の場合はニッケル−ジルコニアサーメ
ット）に用いるので、燃料電池のアノード電極１で下記
の（１）〜（５）式に例を示す電池の発電反応とともに
、（６）式および（７）式に一例（この場合はメタン燃
料）を示す燃料から電池反応に必要な水素と一酸化炭素
を作るための改質反応を同時に進行させる直接内部改質
を行うことができるため、現在注目されている。これら
の内部改質型燃料電池は改質装置が不要であり、従来に
比べてコンパクトな燃料電池発電システムを実現できる
利点がある。

【０００３】上記で引用した燃料電池の発電反応の例と
しては、 Ｈ２＋ＣＯ３２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−（溶融炭酸
塩型燃料電池）…（１）ＣＯ＋ＣＯ３２−→２ＣＯ＋２
ｅ−（溶融炭酸塩型燃料電池）…（２）Ｈ２＋Ｏ２−→
Ｈ２Ｏ＋２ｅ−（固体電解質型燃料電池）…（３）２Ｃ
Ｏ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋４ｅ−（固体電解質型燃料電池）
…（４）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（固体電解質型燃料電池
）…（５）の例があり、改質反応の例としては ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２…（６）ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→
ＣＯ２＋Ｈ２…（７） の例がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による内部改質型燃料電池は、電池本体のアノ
ード電極１で燃料電池の発電反応（電池反応）の他に燃
料の改質反応を行わせようとするものであり、燃料の改
質によって例えば下記の（８）式および（９）式に例を
示す炭素の析出反応が起こるので、アノード電極１の寿
命が短くなり、電池寿命が低下するという問題点があっ
た。上記で引用した炭素析出反応の例としては、２ＣＯ
→ＣＯ２＋Ｃ…（８）、ＣＨ４→Ｃ＋２Ｈ２…（９）の
例がある。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、燃料の内部改質による
炭素析出等によりアノード電極が劣化するのを防ぎ、長
寿命な内部改質型燃料電池を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の内部改質型燃料電池においては、酸化剤ガ
スが供給されるカソード電極と燃料ガスが供給されるア
ノード電極とがイオン伝導体である電解質を挟んで対向
されて成る単電池を積層することによって構成される燃
料電池において、前記アノード電極の全部または一部に
隣接して燃料ガス流路側に燃料改質用の改質触媒層を設
けたことを特徴としている。

【０００７】

【作用】本発明の内部改質型燃料電池では、燃料極であ
るアノード電極に新たに改質触媒層を設け、従来のアノ
ード電極の燃料改質機能をこの新たに設けた改質触媒層
に移し、アノード電極では電池反応が主に起るようにす
る。これにより、アノード電極における燃料改質反応に
伴う炭素析出等の発生を防止し、電池反応が妨げられる
ことのないようにする。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【０００９】第１は本発明の第１の実施例の構成を示す
縦断面図である。本実施例では、アノード電極１に隣接
して電解質２と反対側の燃料ガス流路３側に層状の改質
触媒層４を設ける。電解質２のアノード電極１と反対側
には従来通りカソード電極５と酸化剤ガス流路６を設け
る。改質触媒層４は、燃料の水蒸気改質反応に対し活性
のあるロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），ニッケ
ル（Ｎｉ），イリジウム（Ｉｒ），パラジウム（Ｐｄ）
，白金（Ｐｔ），レニウム（Ｒｅ），コバルト（Ｃｏ）
，鉄（Ｆｅ）の８族遷移金属および酸化アルミニウム（
Ａｌ２Ｏ３），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化クロ
ム（Ｃｒ２Ｏ３），酸化シリコン（ＳｉＯ２），酸化タ
ングステン（ＷＯ），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２），
酸化セリウム（ＣｅＯ２），酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３
）等の金属酸化物の系を用いて構成できる。なお、アノ
ード電極にニッケル−ジルコニア（Ｎｉ−ＺｒＯ２）系
を用いる場合には、水蒸気改質反応がニッケル上で起こ
ることを考慮して、より改質反応が起こりやすいように
、同時に触媒寿命を長くするために改質触媒層としてア
ノード電極１よりニッケル濃度が高いニッケル−ジルコ
ニア系を用いることが有利である。

【００１０】以上のように構成した第１の実施例の動作
および作用を述べる。まず、高温下において、燃料ガス
流路３には水蒸気と混合された燃料ガスが供給され、酸
化剤ガス流路６には例えば空気が供給される。燃料ガス
流路３に供給された燃料ガス（燃料と水蒸気の混合ガス
）は改質触媒層４で改質され（メタン燃料の場合は従来
の技術で述べた（６）式および（７）式の反応による）
、水素あるいは一酸化炭素が生成される。この生成され
た水素あるいは一酸化炭素は、多孔質の改質触媒層４の
孔部を通し、アノード電極で従来の技術で述べた（１）
〜（５）式に例示した電池反応に使われる。改質触媒層
４をアノード電極１に隣接して燃料ガス流路３側に設け
たことにより、燃料ガスの改質反応は、アノード電極１
ではなく改質触媒層４で主に起こるようになる。 このため、燃料ガスの改質に起因するカーボン析出等の
電極の劣化を引き起こす現象もアノード電極１ではなく
改質触媒層４で起こるようになるので、アノード電極１
の劣化が抑制される。

【００１１】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００１２】図２は、その構成を示す縦断面図である。 本実施例は、第１の実施例の構成において、アノード電
極１の一部が直接燃料ガス流路３と隣接するように、ロ
ジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），ニッケル（Ｎｉ
），イリジウム（Ｉｒ），パラジウム（Ｐｄ），白金（
Ｐｔ），レニウム（Ｒｅ），コバルト（Ｃｏ），鉄（Ｆ
ｅ）の８族遷移金属および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ
３），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化クロム（Ｃｒ
２Ｏ３），酸化シリコン（ＳｉＯ２），酸化タングステ
ン（ＷＯ），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２），酸化セリ
ウム（ＣｅＯ２），酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）等の金
属酸化物の系から構成される改質触媒層４をアノード極
３上に分散させたものである。

【００１３】このように構成すると、第１の実施例と同
様に、アノード電極１の劣化を防止できるほか、改質触
媒層４で燃料ガスの水蒸気改質反応により生成した一酸
化炭素および水素が速やかに燃料ガス流路３を経てアノ
ード電極１の表面に拡散するため、改質触媒層４を設け
たことによって生じる改質触媒層４の拡散に起因するア
ノード電極１での濃度過電圧による燃料電池の特性低下
を減少させることができる。

【００１４】なお、上記第２の実施例における改質触媒
層４の形状は任意に設定でき、円柱状，角柱状，円錐状
等の種々の形状が考えられ、アノード電極１に対する方
向も垂直方向あるいは斜め方向が考えられる。また、燃
料ガス流路３と直接接触する接触面積が大きいほうが、
改質反応が起こりやすくなり有利である。このように本
発明は、その主旨に沿って種々に応用され、種々の実施
態様を取り得るものである。

【００１５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
内部改質型燃料電池によれば、燃料の改質反応がアノー
ド電極ではなく、主に改質触媒層で起るため、燃料の内
部改質による炭素析出等によるアノード電極の劣化を抑
制することができ、長寿命化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す縦断面図

【図２】
本発明の第２の実施例を示す縦断面図

【図３】従来例の
構成を示す縦断面図

【符号の説明】

１…アノード電極、２…電解質、３…燃料ガス流路、４
…改質触媒層、５…カソード電極、６…酸化剤ガス流路
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　酸化剤ガスが供給されるカソード電極
   と燃料ガスが供給されるアノード電極とがイオン伝導体
   である電解質を挟んで対向されて成る単電池を積層する
   ことによって構成される燃料電池において、前記アノー
   ド電極の全部または一部に隣接して燃料ガス流路側に燃
   料改質用の改質触媒層を設けたことを特徴とする内部改
   質型燃料電池。