JPH06260189A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH06260189A
JPH06260189A JP5039623A JP3962393A JPH06260189A JP H06260189 A JPH06260189 A JP H06260189A JP 5039623 A JP5039623 A JP 5039623A JP 3962393 A JP3962393 A JP 3962393A JP H06260189 A JPH06260189 A JP H06260189A
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fuel cell
reforming
reformer
region
gas
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JP5039623A
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Eiichi Yasumoto
栄一 安本
Junji Niikura
順二 新倉
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Koji Gamo
孝治 蒲生
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0048—Molten electrolytes used at high temperature
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はプレート型改質器に原料ガスの予熱
域と改質域を設けることにより、より効率的でコンパク
トな燃料電池を得ることを目的とする。 【構成】 炭酸塩を原料とする電解質板と、これを両側
から挟んで構成する燃料極と酸化剤極とを主体として構
成する素電池、またはこの素電池を複数個積層した電池
本体と、素電池または電池本体と隣接して組み込むプレ
ート型改質器１とを主体として構成する燃料電池におい
て、プレート型改質器１が、原料ガスの流れ方向に対し
て上流側に原料ガスを予熱する領域を、下流側に改質触
媒１３を配置した改質領域を有する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に関し、特
に、炭化水素系の原料ガスを改質する触媒材料を配置し
た改質器を有する間接内部改質型の溶融炭酸塩を用いる
燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池などの高温型燃料
電池の燃料としては、一般的に水素ガスを主成分とする
燃料ガスが用いられる。すなわち大規模な中央発電代替
用溶融塩燃料電池と考えられているものは、燃料として
石油ガスや天然ガスを改質した水素を含む合成ガスが用
いられ、また比較的小規模な溶融炭酸塩燃料電池（オン
サイト用）では、都市ガス（主成分はメタン）を水蒸気
改質して利用することができる。オンサイト用の場合、
通常はコンパクト性、システム効率やコストの面から電
池内部で改質反応を行う内部改質方式が実用的に有望と
いわれ、検討されている。
【０００３】そして、特開平４−１０９５６０号公報
に、発電域と改質域とに区分し、上流側の発電域を通過
した後、改質域に導かれ改質触媒層に接触した後、さら
に下流側の発電域を通過することにより、改質触媒の活
性の劣化を防止する内部改質溶融炭酸塩型燃料電池の技
術が開示されている。
【０００４】この内部改質方式には、直接内部改質型、
間接内部改質型の二つがあり、直接内部改質型は効率が
高くなるが発電部分に触媒を設置するため電解質のしみ
だしや電解質蒸気との接触により改質触媒の劣化が起こ
るという問題がある。これに対して間接内部改質型は熱
効率の点で多少前者に劣るものの、発電部分と改質部分
が分離しているため触媒寿命が向上するという点で有利
である。しかしながら両者とも改質器に原料ガスが入る
前に、原料ガスを予め予熱して作動温度付近まで昇温し
ておく必要がある。このため、原料ガスの入口部分にプ
リヒーターを設けて予熱するのが一般的であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述のガス入
口部分にプリヒーターを用いるという方法では、ガスを
予熱するための付加的な電力が必要であった。また、ガ
ス供給系にプリヒーターを取り付けるのは燃料電池本体
の組み立て工数が増え、供給系がより複雑になるととも
に、コンパクト性の点で不利になる。さらに、直接内部
改質型は、改質反応を燃料極近傍で行うため独立した改
質器を必要としないが、原料ガスは、予め電池に入る前
に予熱しなければならない。本発明は、このような問題
点を解決するもので、燃料電池本体の組み立てが簡単で
あるとともに、よりコンパクトで原料ガスの予熱のため
の付加的なエネルギーを必要としない燃料電池を提供す
ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の燃料電池は、炭酸塩を原料とする電解質板と、
これを両側から挟んで構成する燃料極と酸化剤極とを主
体として構成する素電池、またはこの素電池を複数個積
層した電池本体と、前記素電池または電池本体と隣接し
て組み込むプレート型改質器とを主体として構成する燃
料電池において、前記改質器が原料ガスの流れ方向に対
して上流側に原料ガスを予熱する領域を、下流側に改質
触媒を配置した改質領域を有するものである。
【０００７】
【作用】上記構成により、改質器が原料ガスを自然予熱
する領域と改質領域を持つため、改質器に原料ガスを導
入する前に、プリヒーターなどを取り付ける必要がな
く、取り付けのための煩雑さを解消できる。また、ガス
をプリヒートするためエネルギーを必要とせず、発電で
発生した熱を原料ガスの予熱と改質の両方に用いること
ができ、さらに電池本体をよりコンパクトに組み立てる
ことができる。また、改質領域に性能の異なる複数の触
媒を配置することにより、電池で発生した熱とのバラン
スを図ることができ、電池面内の温度分布をより均一に
できる。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例の燃料電池について図
面を参照して述べる。
【０００９】（実施例１）図１、図２において、プレー
ト型改質器１は上部に端板１ｐを有し、素電池２の間に
挟持されて構成されており素電池２のバイポーラ板と類
似の形状を有している。このため燃料極３、電解質板
４、酸化剤極５と組み合わせて電池の一部として機能す
ることができる。またプレート型改質器１および素電池
２はともにスタックを縦貫して設置された原料ガス供給
用内部マニホルド孔６、燃料ガス用マニホルド孔７、酸
化剤ガス用マニホルド８およびそれらの排ガス用マニホ
ルド９、１０とを有し、これらガスは下部のヘッダ１１
から供給あるいは排出される。
【００１０】原料ガス供給用内部マニホルド孔６に対し
ては改質器プレート内部へのみ開口部があり、ここから
原料ガスが供給され、素電池２には供給されない。改質
器プレート内部に供給された原料ガスは、まず熱交換フ
ィン１２を有する予熱域を通り十分に予熱される。その
後、改質触媒１３を配置した領域で改質され、出口から
燃料用マニホルド孔７を経て各素電池２に供給される。
なお図２ではバイポーラ板としてみた場合、燃料極３側
が上面となっており、酸化剤極５側は下面となる。また
酸化剤ガスは酸化剤ガス用マニホルド８から各素電池２
に供給され、反応後の排ガスは燃料排ガス用マニホルド
９、酸化剤排ガス用マニホルド１０から排出される。
【００１１】このようなプレート型改質器１を素電池２
間に設置した燃料電池はヘッダに入る前に原料ガス予熱
用のプリヒーターを取り付ける必要がなく、電池で発生
した熱を熱交換フィン１２によって原料ガスを自然予熱
することができる。このため、予め原料ガスを予熱する
ためのエネルギーを必要とせず、より効率のよい燃料電
池を構成できる。また、熱交換フィン１２を設けるかわ
りにプレート型改質器１の予熱域にアルミナボールなど
熱交換性の高い物質を充填して予熱を行ってもよい。
【００１２】（実施例２）図３、図４において、これは
内部マニホルド孔と改質器内部のガス流路の構造が実施
例１で示した燃料電池と異なる構造になっている。すな
わちプレート型改質器１ａは上部に端板１ｓを有し、素
電池２の間に挟持されて構成されており素電池２のバイ
ポーラ板と類似の形状を有している。このため燃料極
３、電解質板４、酸化剤極５と組み合わせて電池の一部
として機能することができる。またプレート型改質器１
ａおよび素電池２はともにスタックを縦貫して設置され
た原料ガス供給用内部マニホルド孔６ａ、燃料ガス用マ
ニホルド孔７ａ、酸化剤ガス用マニホルド８およびそれ
らの排ガス用マニホルド９ａ、１０とを有し、これらガ
スは下部のヘッダ１１ａから供給あるいは排出される。
【００１３】原料ガス供給用内部マニホルド孔６ａに対
してはプレート型改質器１ａ内部へのみ開口部があり、
ここから原料ガスが供給され、素電池２には供給されな
い。プレート型改質器１ａ内部に供給された原料ガス
は、２本の仕切り板で区切られた外側の予熱域（熱交換
用充填材１４）を通りコの字形にＵターンして内側の改
質触媒層１３に導入される。ここで生じた改質ガスは、
出口から燃料用マニホルド孔７ａを経て各素電池２に供
給される。なお図４ではバイポーラ板としてみた場合、
燃料極３側が上面となっており、酸化剤極５側は下面と
なる。また酸化剤ガスは酸化剤ガス用マニホルド８から
各素電池２に供給され、反応後の排ガスは燃料排ガス用
マニホルド９ａ、酸化剤排ガス用マニホルド１０から排
出される。
【００１４】このようなプレート型改質器１ａを素電池
２間に設置した燃料電池は、電池内で発生した熱を熱交
換用充填材１４を通して原料ガスの自然予熱に用いるこ
とができる。このためヘッダに入る前に原料ガス予熱用
のプリヒーターなどを取り付ける必要がなく、より効率
的な燃料電池を構成できる。この方法を用いると従来に
比べ作業工程数を約２０％削減できる。また図５は、実
施例２と従来のプリヒーターを用いて原料ガスを予熱す
る場合の燃料電池の電池性能を比較して示したものであ
る。この場合、４０ｃｍ角の素電池を１０セル積層した
スタックの中央に本実施例の改質器を入れて行った。原
料ガスはメタンガスを使用し改質条件は、Ｓ／Ｃ（スチ
ーム、カーボン比）＝３．０で行った。従来例は予め原
料ガスをプリヒーターで６５０℃に予熱してからヘッダ
１１ａに導入した。これよりプリヒーターを用いなくて
も従来とほぼ同等の性能を発揮できることがわかった。
この場合熱交換用充填材１４は、アルミナなどのセラミ
ックスでもよいし金属でもよい。また形状に関しても球
状のものやペレット状のものでもよく本実施例で使用す
ることができるものならばどんな形状のものでも構わな
い。また、熱交換用充填材１４のかわりに実施例１で示
したような熱交換フィン１２を予熱域に設けても構わな
い。
【００１５】（実施例３）次に実施例２と同様の構造を
有する実施例３について図６に従って説明する。図６
は、プレート型改質器１ａの燃料極側の端板１ｐを取り
外し上方からみたときの模式図を示している。ところで
この種の燃料電池では、改質反応による吸熱と電池本体
による発熱のバランスがうまくとれていないと、素電池
面内での局部的な温度上昇や温度低下を引き起こし電池
性能の劣化をまねく。一般的に燃料電池では、電池平面
の周辺部分よりは中央部分のほうが高温化する傾向があ
る。大形のスタックの場合には燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの供給方向などにより素電池内部の温度上昇部位が変
化するが、傾向としてはやはり中心よりの部位が高温化
する。特にオンサイト発電などに用いられる比較的小規
模のスタックの場合、スタック側面からの放熱の影響が
大きくなるためこうした傾向は顕著である。そこでプレ
ート型改質器１ａの予熱域の中央部に改質性能の高い触
媒１３ａをその周辺部に性能の低い触媒１３ｂを充填す
ることにより、素電池中央部の局所的な温度上昇を効果
的に抑制することができ、これによる電池性能の劣化を
抑えることができる。（表１）は、実施例２で用いた燃
料電池を用いて、同じ性能の改質触媒を改質領域全域に
充填した場合と上記のように性能の異なる２種類の改質
触媒を充填した場合、改質領域各点（図６中Ａ、Ｂ、
Ｃ）に対応するすぐ上のセルの温度を示している。
【００１６】
【表１】
【００１７】このように、単一触媒を全面に充填した実
施例２に比べてガスの流れ方向の温度分布をかなり均一
化できる。また、このような触媒の充填以外にもスタッ
クの構造や燃料ガス、酸化剤ガスの供給方向などによっ
て素電池内に温度分布が生じた場合には、適当な混合比
で複数の触媒をプレート型改質器に充填して温度分布を
緩和することもできる。このようにして原料ガスの予熱
を必要とせず、かつ電池面内の温度分布を制御すること
のできる燃料電池を構成することができる。
【００１８】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の燃料電池によれば、プレート型改質器に原料ガスの予
熱域と改質域を設けたので予め原料ガスの予熱をする必
要のない効率的で、構成的にシンプルな燃料電池を提供
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池の構成を示す斜視
図
【図２】同実施例１のプレート型改質器を一部分解して
示す斜視図
【図３】同実施例２の燃料電池の構成を示す斜視図
【図４】同実施例２のプレート型改質器を一部分解して
示す斜視図
【図５】同実施例２と従来のプリヒーターを用いた場合
の電池性能の比較を示すグラフ
【図６】本発明の実施例３のプレート型改質器の性能の
異なる複数の改質触媒の充填状態を示す平面図
【符号の説明】
１，１ａ プレート型改質器 １ｐ，１ｓ 端板 ２ 素電池 ３ 燃料極 ４ 電解質板 ５ 酸化剤極 ６，６ａ 原料ガス供給用内部マニホルド孔 ７，７ａ 燃料ガス用マニホルド孔 ８ 酸化剤ガス用マニホルド ９，９ａ 燃料排ガス用マニホルド １０ 酸化剤排ガス用マニホルド １１，１１ａ ヘッダ １２ 熱交換フィン １３，１３ａ，１３ｂ 改質触媒 １４ 熱交換用充填材
フロントページの続き (72)発明者 蒲生 孝治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭酸塩を原料とする電解質板と、これを
    両側から挟んで構成する燃料極と酸化剤極とを主体とし
    構成する素電池、またはこの素電池を複数個積層した電
    池本体と、前記素電池または電池本体と隣接して組み込
    むプレート型改質器とを主体として構成する燃料電池に
    おいて、前記改質器が、原料ガスの流れ方向に対して上
    流側に原料ガスを予熱する領域を、下流側に改質触媒を
    配置した改質領域を有する燃料電池。
  2. 【請求項２】 改質器が、原料ガスを予熱する複数個の
    予熱領域と、改質反応を行う領域とを主体として構成
    し、前記改質領域が前記予熱領域に挟まれる構造を有す
    る請求項１記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】 改質器の予熱領域に、ガスの流れ方向に
    沿って複数個のフィンを設けた請求項１または２記載の
    燃料電池。
  4. 【請求項４】 改質器の予熱領域に、熱交換用充填材を
    配置した請求項１ないし３に記載の燃料電池。
  5. 【請求項５】 改質器は、下流側に触媒能の異なる改質
    触媒を少なくとも２種類以上充填配置した改質領域を有
    する請求項１ないし４に記載の燃料電池。
JP5039623A 1993-03-01 1993-03-01 燃料電池 Pending JPH06260189A (ja)

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