JPH07142073A

JPH07142073A - 内部改質燃料電池

Info

Publication number: JPH07142073A
Application number: JP5291725A
Authority: JP
Inventors: Hajime Saito; 一斉藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1993-11-22
Filing date: 1993-11-22
Publication date: 1995-06-02
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JP3240785B2

Abstract

(57)【要約】【目的】改質触媒の電解質による汚染を防止し、さら
に燃料ガスの改質触媒への接触を改善する。【構成】燃料電池１２間を分離するセパレータ２３の
アノード電極２１側にアノードガス流路２３ａが設けら
れ、このアノードガス流路２３ａに添って改質触媒２４
を充填した触媒室２５と空間２６を交互に配置する。触
媒室２５はアノードガス流路２３ａを遮断する囲壁２７
を有し、この囲壁２７に流路を構成する複数の開口２８
が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料ガスを水素ガスを主
成分とするアノードガスに改質する改質器を燃料電池に
内蔵した溶融炭酸塩型の内部改質燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への悪影響が少ないなど、従来の発電装置にはない
特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電シス
テムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が
行われている。

【０００３】特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図４に示すように天然ガ
ス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質す
る改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソード
ガス３とから発電する燃料電池１２とを一般的に備えて
おり、改質器１０で作られたアノードガス２は燃料電池
１２に供給され、燃料電池１２内でその大部分（例えば
８０％）を消費した後、アノード排ガス４として改質器
１０の燃焼室Ｃｏに供給される。燃料ガス１は燃料予熱
器１１で予熱されて改質器１０の改質室Ｒｅに入る。改
質器１０ではアノード排ガス４中の可燃成分（水素、一
酸化炭素、メタン等）を燃焼室Ｃｏで燃焼し、高温の燃
焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し内部を流れる燃料を改
質する。

【０００４】改質室１０を出た燃焼排ガス５は、空気予
熱器１３で熱回収され、凝縮器１４と気水分離器１５で
水分を除去され、タービン圧縮機（動力回収装置１６）
で加圧された空気６が混入し、この混合ガスが空気予熱
器１３で加熱されてカソードガス３に合流する。これに
より、電池のアノード側で発生した二酸化炭素が、燃焼
排ガス５を介して燃料電池用のカソードガス３に入り、
燃料電池１２のカソード反応に必要な二酸化炭素をカソ
ード側Ｃに供給する。カソードガス３は燃料電池内でそ
の一部が反応してカソード排ガス７となり、その一部は
カソード入口側に再循環され、一部は改質器１０の燃焼
室Ｃｏに供給されてアノード排ガス４を燃焼させ、残り
は動力回収装置１６に供給されて圧力回収され、系外に
排出される。なお、図中１２ａは燃料電池１２の格納容
器、８は格納容器１２ａに供給されるパージガスであ
る。

【０００５】改質室１０では内部を流れる燃料ガス１を
改質するため燃焼室Ｃｏでの高温の燃焼ガスにより改質
室Ｒｅを加熱する。一方燃料電池１２の運転は発熱作用
を伴うため、燃料電池１２のアノード側Ａに改質触媒を
直接充填し、改質器１０と燃料電池１２を一体化した内
部改質燃料電池が用いられている。かかる内部改質燃料
電池は、改質により発生した水素が直ちに燃料電池で消
費されるため、改質器の温度（例えば、８００℃以上）
よりも低い燃料電池の運転温度（約６００〜７００℃）
においても、改質率が高い利点がある。

【０００６】図５はこのような内部改質燃料電池の模式
図である。燃料電池１２は電解質板２０を挟んでアノー
ド電極２１とカソード電極２２よりなり、アノード側Ａ
とカソード側Ｃとの間のガスシールは燃料電池１２の運
転温度（約６００〜７００℃）における電解質の濡れ
（表面張力）によっている（ウェットシールと呼ぶ）。
燃料電池１２はセパレータ２３を挟んで多段に積層され
ており、アノード電極２１と接する面にはアノードガス
を供給するアノードガス流路２３ａが設けられ、カソー
ド電極２２と接する面にはカソードガス３を供給するカ
ソードガス流路２３ｂが設けられている。アノードガス
流路２３ａには改質触媒２４が充填されており、燃料ガ
ス１は燃料電池１２によって加熱された改質触媒２４に
より水素ガスに改質されアノード電極２１に供給されて
電池反応行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】改質触媒２４はアノー
ド電極２１に直接接触しているため電解質による濡れに
よって改質触媒が汚染され劣化する。また燃料ガス入力
付近では改質触媒と殆ど接触しない燃料ガスがアノード
電極２１に供給されたり、また、アノード電極２１面に
添って流れるガスは改質触媒２４とあまり接触しない。
このように改質触媒２４に十分接触しない燃料ガスは水
素ガスに改質されないので改質器としての効率が悪くな
り、燃料電池の出力も低下する。

【０００８】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、電解質による改質触媒の汚染を防止し、さらに燃
料ガスの改質触媒への接触を改善した内部改質燃料電池
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、水素を含むアノードガスをアノード電極に供給し、
酸素を含むカソードガスをカソード電極に供給して発電
する燃料電池と、燃料電池間を分離するセパレータを備
え、前記セパレータのアノード電極側には、燃料電池か
ら伝熱される熱で燃料ガスを改質する改質器が設けら
れ、該改質器は一面をアノード電極とするアノードガス
流路に添って、改質触媒を充填した触媒室と空間とが交
互に配置された構成より成り、該触媒室はアノードガス
流路を遮断する囲壁を有し、該囲壁には流路を構成する
複数の開口が設けられている。

【００１０】また、アノードガス流路を遮断する囲壁に
設けられた前記開口は、アノード電極面近傍より離れて
中央側に配置されている。

【００１１】

【作用】改質器は、一面をアノード電極とするアノード
ガス流路に添って、改質触媒を充填した触媒室が空間と
交互に配置された構成となっており、触媒室にはアノー
ドガス流路を遮断する囲壁が設けられ、この囲壁には流
路を構成する複数の開口が設けられている。改質触媒は
触媒室内に充填されているので電解質に接する可能性は
少なく、劣化が防止される。また触媒室の囲壁に設けら
れた開口を通って燃料ガスや改質された水素ガスは流れ
てゆくので、改質触媒と十分接するような位置に開口を
設けることにより燃料ガスが改質されない状態でアノー
ド電極に供給されることはなくなる。

【００１２】触媒室の上部、つまりアノード電極面近傍
のところは、改質触媒が十分充填されず間隙の生じやす
い所である。そこでアノードガス流路を遮断する囲壁に
設けられた開口はアノード電極面近傍より中央側に配置
することにより、燃料ガスが改質触媒とより多く接触す
るようになり、改質効率が向上する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は実施例の構成の模式図であり、図２
は実施例の立体的分解図、図３は図１のＸ−Ｘ断面図で
ある。図１において、図４と同一符号は同一の機能を有
するものを表す。

【００１４】電解質板２０を挟んでアノード電極２１と
カソード電極２２により燃料電池１２が構成され、セパ
レータ２３を挟んで燃料電池１２は積層される。セパレ
ータ２３のアノード電極２１に接する側にはアノードガ
ス流路２３ａが形成され、カソード電極２２に接する側
にはカソードガス流路２３ｂが形成されている。アノー
ドガス流路２３ａ内には周囲を囲壁で囲まれ、内部に改
質触媒２４を充填された角柱状の触媒室２５がアノード
ガス流路２３ａの流れ方向と軸方向を直交するように配
置されている。触媒室２５の囲壁は耐食性のあるステン
レス鋼などが用いられている。各触媒室２５はほぼ触媒
室２５と同じ断面形状の空間２６と交互に配置され、こ
の空間２６においてアノードガス流路２３ａはアノード
電極２１と接し、改質された水素ガスがアノード電極２
１に供給される。アノードガス流路２３ａの流れ方向と
直交する触媒室２５の囲壁２７には、図３に示すように
多数の開口２８が設けられ流路を形成する。開口２８は
アノード電極２１近傍の上部からある程度離れた高さ以
下に設ける。これは触媒室２５の天井壁近傍は改質触媒
２４が十分充填されない場合があり、ここを燃料ガス１
が通らないようにするためである。なお、両側および下
側からもある程度離れた位置から開口２８が設けられて
いる。カソードガス流路２３ｂは一面がカソード電極２
２に接し、カソードガスの流れ方向に流路が形成されて
いる。

【００１５】次に動作について説明する。燃料電池１２
の運転により触媒室２５内の改質触媒２４は電池運転温
度（約６００〜７００℃）に加熱されている。燃料ガス
１が入ってくると最初の触媒室２５である程度の燃料ガ
スが改質され水素を主成分とする改質ガスとなり、空間
２６でアノード電極２１に供給される。次の触媒室２５
には燃料ガス１と改質ガスと電池反応により発生したア
ノード排ガスが入り、燃料ガス１は改質ガスとなり、改
質ガスとアノード排ガスはそのまま次の空間２６に出て
きて、改質ガスがアノード電極２１に供給される。以降
同様にして各触媒室２５を通るごとに燃料ガス１は改質
ガスとなって減少してゆき、アノード排ガスは増加し、
改質ガスも最終の触媒室２５に近づくにつれて少なくな
ってゆく。最終触媒室２５を出るガスはアノード排ガス
４が大部分で多少の改質ガスが含まれる。この改質ガス
を含むアノード排ガス４は燃焼室Ｃｏで燃焼される。こ
の燃焼排ガスにはアノード排ガス４に含まれる二酸化炭
素と、燃焼によって生じた二酸化炭素が含まれる。

【００１６】カソード排ガス７の一部と、燃焼室Ｃｏよ
り出た燃焼排ガスは空気６と混入しカソードガス３とな
り高温ブロワ１８でカソードガス流路２３ｂに供給され
る。カソードガス３には空気６に含まれる酸素と燃焼排
ガスに含まれる二酸化炭素が含まれ、カソード反応が行
われる。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
はアノード電極に接した触媒室を流路に添って空間と交
互に設け、触媒室の囲壁によって改質触媒を電解質と分
離しているので、改質触媒の劣化を防止することができ
る。また、触媒室の囲壁に複数の開口を設け、改質触媒
と燃料ガスが十分接触するよう開口位置を設定すること
により、燃料ガスが改質されずに直接アノード電極に供
給される量を少なくしている。また、燃料ガスが多段の
触媒層を通過しながら電池反応を行ってゆくので各反応
が均一になり、改質反応による吸熱作用との相乗効果に
より、燃料電池出入口の温度差が小さくなるため、カソ
ードリサイクル用の高温ブロワ１８の動力は極めて小さ
くなり燃料電池プラントの効率を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の内部改質燃料電池の構成を示す模式図
である。

【図２】実施例の内部改質燃料電池の立体的分解図であ
る。

【図３】図１のＸ−Ｘ断面図で開口の配置を示す図であ
る。

【図４】従来の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備
の全体構造図である。

【図５】従来の内部改質燃料電池の模式図である。

【符号の説明】

１燃料ガス２アノードガス３カソードガス４アノード排ガス５燃焼排ガス６空気７カソード排ガス１２燃料電池１８高温ブロワ２０電解質板２１アノード電極２２カソード電極２３セパレータ２３ａアノードガス流路２３ｂカソードガス流路２４改質触媒２５触媒室２６空間２７囲壁２８開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素を含むアノードガスをアノード電極
に供給し、酸素を含むカソードガスをカソード電極に供
給して発電する燃料電池と、燃料電池間を分離するセパ
レータを備え、前記セパレータのアノード電極側には、燃料電池から伝
熱される熱で燃料ガスを改質する改質器が設けられ、該改質器は一面をアノード電極とするアノードガス流路
に添って、改質触媒を充填した触媒室と空間とが交互に
配置された構成より成り、該触媒室はアノードガス流路を遮断する囲壁を有し、該
囲壁には流路を構成する複数の開口が設けられているこ
とを特徴とする内部改質燃料電池。
【請求項２】前記アノードガス流路を遮断する囲壁に
設けられた開口は、アノード電極面近傍より離れて中央
側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の内
部改質燃料電池。