JPH081804B2 - 内部改質型溶融炭酸塩燃料電池 - Google Patents

内部改質型溶融炭酸塩燃料電池

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JPH081804B2
JPH081804B2 JP60276998A JP27699885A JPH081804B2 JP H081804 B2 JPH081804 B2 JP H081804B2 JP 60276998 A JP60276998 A JP 60276998A JP 27699885 A JP27699885 A JP 27699885A JP H081804 B2 JPH081804 B2 JP H081804B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池内に炭化水素と水蒸気を直接供給
し、炭化水素の水蒸気改質と発電を同時に行わせる内部
改質型の溶融炭酸塩燃料電池に関する。
〔発明の背景〕
燃料電池は一般に電解質を燃料極と酸化剤極で挟んだ
構造で、燃料極には例えば水素を、酸化剤極には酸素を
それぞれ供給して両極間から直流電力を取り出す電池で
ある。溶融炭酸塩型燃料電池では、炭酸リチウム、炭酸
カリウム等の混合溶融塩が電解質とされ、炭酸イオン
(CO3 2−)が電荷担体となる。燃料極にはニツケルを主
体とする多孔質板が、酸化剤極には多孔質酸化ニツケル
板が用いられる。燃料極には燃料たとえばH2が供給され
て(1)式の反応が生じ、酸化剤極にはO2,CO2が供給さ
れて(2)式の反応を生じ、結果として2e−なる電気エ
ネルギーを発生する。
H2+CO3 2−→H2O+CO2+2e− …(1) 溶融炭酸塩燃料電池では、従来、燃料極と接する燃料
ガス流路に改質触媒を充填し、水蒸気とともに炭化水素
ガスを直接供給してH2に改質し、生成したH2を燃料とし
て電気エネルギを得る方式が知られている。この方式は
内部改質型の燃料電池といわれる。改質反応は吸熱反応
があるので電池反応によつて発生する熱が利用でき、従
つて電池の冷却負荷が軽減できる点で有利である。また
外部に置かれる改質装置を省略できるのでシステムを簡
単にできる点でも有利である。
従来、内部改質型溶融炭酸塩燃料電池では燃料極と燃
料流路板(セパレータ)によつて形成された、燃料極と
接する燃料ガス流路に、改質触媒として粒状、ペレツト
状あるいは塊状のニツケル系の触媒が充填されいる(例
えば公告特許公報特公昭47−25782号、特公昭49−7928
号)。しかしながら、それらの触媒充填層は構造的に燃
料ガス圧に対し圧力損失が大きく、さらに反応条件によ
つては炭化水素の改質反応に伴つてすす状の炭素質物質
が主成する傾向があり、これが触媒充填層に蓄積して触
媒層の圧力損失を増大させ、燃料ガスの入口領域でのガ
ス圧が高くなつて、酸化剤極側の酸化ガス圧と不均衡と
なり、ついには酸化剤極側に燃料ガスが電解質板を通し
て漏れ込むという危険な状態を生じる恐れがある。
また燃料電池では電解質板を支持し、かつ電解質板と
燃料極及び酸化剤極とを密着させるために、一般に、燃
料ガス流路側に多数のリブを有する燃料流路板が用いら
れる。あるいは密着のために波板状の燃料供給チヤンネ
ルが兼用される(例えば化学Ome Point8,燃料電池、昭
和59年4月1日発行、高橋武彦、P.P.106、共立出版株
式会社発行)。これらの製作の為には多くの加工工数が
必要であり、高価になる欠点がある。
また、三菱電機技報(Vol,58,No.9,P.656,1984)には
燃料電流路側に多数のリブを有する燃料極が用いられ、
リブとリブの間に塊状の改質触媒が充填される内部改質
型燃料電池の概念図が示されている。上述した電池構造
では、充填触媒層は本質的に圧力損失を大きくし、すす
発生による燃料ガス流路閉塞が生じる。
一方、特開昭58−10374には、孔あき板のような通気
性を有する波形部材によつて保持された触媒層が、燃料
ガス流路の断面をすべて覆うことなく置かれることが示
されているが、触媒を保持する為の通気性を有する複雑
な波形部材を必要とする欠点がある。
さらに上述の従来例はいずれも改質触媒が燃料極板と
接触しており、燃料極板を通つて浸み込む溶融炭酸塩に
よつて改質触媒の細孔がおおわれたり、触媒担体と炭酸
塩が反応して他の物質に変質したりして改質活性を短時
間に低下せしめるという重大な欠点を有する。例えば改
質触媒の一つにアルミナを担体とするニツケル系の触媒
が公知であるが、アルミナ(Al2O3)は電解質の成分で
は炭酸リチウム(Li2CO3)と反応してアルミン酸リチウ
ム(LiAlO2)に変質して改質活性を著しく低下すること
が知られている。
〔発明の目的〕
本発明の目的は燃料ガス流路の閉塞の恐れがなく、か
つ、改質触媒の活性劣化の少ない内部改質型溶融炭酸塩
燃料電池を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明の内部改質型溶融炭酸塩燃料電池は、燃料極板
と、平板状触媒部材とを別体として設け、該平板状触媒
部材を上記燃料極板に対して所定の空間を維持して対向
支持し、該対向間隔を燃料ガス流路とする手段を設けて
成るものである。
更に、上記平板状触媒部材が、粒子状、ペレット状、
あるいは塊状の改質触媒を平板状に形成するとともに多
孔質部材を芯材として有し、該多孔質部材の芯材の一部
を燃料ガス流路の空間を閉塞しないように平板状に形成
した改質触媒から上記燃料極板側に突出せしめた突起部
を形成して成り、該平板状触媒部材の芯材の突起部をス
ペィサーとして上記燃料極板と平板状触媒部材との間の
空間に燃料ガス流路を形成したものである。
本発明に係わる内部改質型溶融炭酸塩燃料電池を図に
よつて詳細に説明する。第1図は本発明の内部改質型溶
融炭酸塩燃料電池を単電池の形で示した断面図、第2図
は第1図のA−A縦断面矢視図、第3図は平板状改質触
媒の斜視断面図、第4図は本発明に係わる燃料電池の要
部を分解して示した斜視図である。同一部分は同一符号
で示してある。
燃料極板11と酸化剤極板12の間には、それらに密着し
て電解質板10が挟まれている。各電極には集電効果を高
めるため供給されるガス側にそれぞれ集電板51,52が設
けられている。燃料極側には金網、多孔板を芯材23とし
て成形された平板状の改質触媒22が装填され、該触媒と
燃料極11との間に燃料ガス流路20が形成される。該触媒
の芯材23はある間隔で触媒の外部に露出されて、燃料ガ
ス流路厚さに相当する高さの複数の突出部24が形成され
る。該突出部24はスペイサーとしての燃料ガスの流通方
向には改質触媒22と燃料極11とが対向する空間を閉塞し
ないで燃料ガス流路を確保するとともに燃料極11、さら
には電解質板10を支持する。燃料流路板21は改質触媒22
を燃料極11に対して所定の空間を維持して対向支持する
とともに燃料ガスをシールする。第2図に示すように燃
料流体板21には炭化水素ガス40及び水蒸気41の供給孔25
及び排出孔26が設けられる。
酸化剤極板12の側にはO2,CO2を含む酸化ガス43の流路
30が酸化剤ガス流路板31によつて形成されている。酸化
剤ガス流路板31には酸化ガス43の供給孔32及び排出孔33
が設けられている。
改質触媒22は平板状であり、従来の粒状等の触媒充填
層に比較して燃料ガス流路20の圧力損失は極めて低く、
また、すす状物の生成によつて閉塞することもない。さ
らに改質触媒は芯材の突出部24がスペイサーとしての働
きをなしているので燃料極11と直接接触することがな
く、燃料極を通しての電解質板10からの溶融炭酸塩の浸
み込みが防がれ、電解炭酸塩による触媒活性の劣化が抑
制される。
芯材は触媒を平板状に成形、維持するのに役立つてい
る。芯材は耐食性であることが必要で、たとえばステン
レス製の金網、多孔板が用いられる。
上記の構成において炭化水素ガス40は水蒸気41ととも
に供給孔25を通して燃料ガス流路20に供給され、改質触
媒22と接触して燃料電池の運転温度約650℃において改
質される。一般に炭化水素ガスとして天然ガスが供給さ
れる。天然ガスの主成分であるメタンは(3)式の改質
反応によりH2を生じる。
CH4+2H2O→4H2+CO2 …(3) 改質触媒は触媒材料を芯材に塗布あるいは圧着して成
形、焼成されたニツケル系の平板状のものが燃料ガス流
路に装填される。改質触媒の担体には炭酸リチウム(Li
2CO3)、炭酸カリウム(K2CO3)、炭酸ナトリウム(Na2
CO3)などの炭酸塩に対して安定である物質が選ばれ
る。特にマグネシア、アルミン酸リチウムが炭酸塩に対
して安定であることが知られている。それらをある強度
をもつた成形体にするには前述の塗布あるいは圧着の次
に焼成が必要であり、これらの工程は電池外で行なわれ
る。
酸化剤極板12側の流路30には空気とCO2を混合した酸
化ガス43が供給孔32から供給される。電解質板10は炭酸
リチウム、炭酸カリの混合炭酸塩であり、それらを介し
て炭酸イオンCO3 2−が移動し、燃料極板11ではメタンの
改質によつて生成したH2と(1)式の反応を生じる。一
方の酸化剤極板12では供給された空気中の酸素とCO2
よつて(2)式の反応起り、CO3 2−が補給される。これ
らの反応によつてCO3 2−を電荷担体として2e−の電気が
発生され直流電力として外部に取り出される。本実施例
では金網等の芯材を平板状触媒の外に一部突出させ、そ
れをスペイサーとして利用したが、スペイサーを別途用
いることもできる。
第5図は芯材である金網、多孔板を二枚重ね(23,2
3′)にした平板状触媒を示す。この様に構成すること
によつて触媒材料を多量に保持することができ、また平
板状触媒の強度を高くすることができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例 電極面積50cm2を有する第1図乃至第4図に示すごと
き正方形状の単電池において、第3図に示す厚さが1.5m
mで、芯材の突出部24の突出高さ及び巾がそれぞれ3mmで
ある平板状改触媒を装填した。芯材には直径0.2mmのス
テンレス線で作られた目の開きが約0.4mm(35メツシ
ユ)の金網を二重にしたものを用いた。触媒はアルミナ
を担体とするニツケル系の市販粒状触媒を微粉砕後、ペ
ースト状にして上記の芯材に圧着、平板状に成形、800
℃で2hr焼成したものである。芯材の突出部は20mm間隔
に、燃料ガスの流れに平行に設けた。
上記において、常圧、650℃、水蒸気/メタルモル比
3の条件でメタンを3/hの速度で供給して発電を行つ
た。酸化ガスとしてはCO2を30%混合した空気を供給し
た。その結果、電流密度150mA/cm2の負荷において電池
出口におけるドライ基準の水素濃度は68%となり、300
時間の連続試験によつても水素濃度はほとんど低下しな
かつた。
なお、本実施例でアルミナを担体とするニツケル系の
触媒を用いたのは、次に述べる比較例との関係を明確に
するためであり、本来は耐炭酸塩性を有する担体が用い
られる。
比較例 実施例と同じ電極面積50cm2の単電池において、本発
明による平板状触媒を装填する代りに、実施例における
粉砕前の同一ロツトの市販粒状触媒(粒径約3.5mm)を
そのまま充填した。上記において、実施例と同じ条件で
メタンを供給して発電試験を行つた。その結果、電流密
度150mA/cm2の負荷において、電池出口におけるドライ
基準の水素濃度は頭初68%であつたが、その後しだいに
低下して150時間後には52%、250時間後には40%に低下
して上記負荷での発電が困難になつた。
試験終了後、粒状触媒を取り出して分析を行つたが、
電解質板を構成する成分であるリチウム、カリウムがそ
れぞれ1.9,9.4wt%検出されて触媒活性の低下が炭酸塩
の浸み込みによることが明らかになつた。
〔発明の効果〕
実施例に示したように本発明によれば、電池内に装填
される改質触媒の活性劣化を抑えることができ、内部改
質型燃料電池の長寿命化を達成して信頼性を向上させる
ことができる。またすす状物質等が蓄積することなく、
閉塞等による危険を防ぐことができる。さらに、電解質
板の支持のためのリブを燃料極側燃料流路板に設ける必
要がなく、燃料流路板を安価に製作できる効果を奏す
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の内部改質型溶融炭酸塩燃料電池の断面
図、第2図は第1図のA−A縦断面矢視図、第3図は平
板状触媒の断面斜視図、第4図は第1図の燃料電池の構
成部分を分解した斜視図、第5図は他の平板状触媒の断
面斜視図である。 10……電解質板、11……燃料極板、12……酸化剤極板、
20……燃料ガス流路、21……燃料流路板、22……平板状
改質触媒、23……芯材、24……突出部、40……炭化水素
ガス、41……水蒸気、51,52……集電板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下田 誠 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−260555(JP,A)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料極板に平板状触媒部材を所定間隔で対
    向させ、該燃料極板と平板状触媒部材との対向間隔を燃
    料ガス流路とした内部改質型溶融炭酸塩燃料電池に於い
    て、 上記燃料極板と平板状触媒部材を別体として設け、上記
    平板状触媒部材が、粒子状、ペレット状、あるいは塊状
    の改質触媒を平板状に形成するとともに多孔質部材を芯
    材として有し、該多孔質部材の芯材の一部を燃料ガス流
    路の空間を閉塞しないように平板状に形成した改質触媒
    から上記燃料極板側に突出せしめた突起部を形成して成
    り、該平板状触媒部材の芯材の突起部をスペィサーとし
    て上記燃料極板と平板状触媒部材との間の空間に燃料ガ
    ス流路を形成したことを特徴とする内部改質型溶融炭酸
    塩燃料電池。
  2. 【請求項2】上記平板状触媒部材の芯材を構成する多孔
    質部材は金網または多孔板の一方であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の内部改質型溶融炭酸塩燃
    料電池。
  3. 【請求項3】上記平板状触媒部材の芯材を構成する多孔
    質部材は二枚重ねであることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項又は第2項記載の内部改質型溶融炭酸塩燃料電
    池。
JP60276998A 1985-12-11 1985-12-11 内部改質型溶融炭酸塩燃料電池 Expired - Lifetime JPH081804B2 (ja)

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JP2003132906A (ja) * 2001-10-24 2003-05-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用単セル及び固体電解質型燃料電池
US7396603B2 (en) * 2004-06-03 2008-07-08 Fuelcell Energy, Inc. Integrated high efficiency fossil fuel power plant/fuel cell system with CO2 emissions abatement

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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