JPH08213041A - ガス改質装置を備えた燃料電池装置 - Google Patents

ガス改質装置を備えた燃料電池装置

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JPH08213041A
JPH08213041A JP7280490A JP28049095A JPH08213041A JP H08213041 A JPH08213041 A JP H08213041A JP 7280490 A JP7280490 A JP 7280490A JP 28049095 A JP28049095 A JP 28049095A JP H08213041 A JPH08213041 A JP H08213041A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で、高い効率で改質を行うことが
できる燃料電池装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池反応時に発生する熱によって加
熱される、燃料電池の陽極入口１３に供給される新鮮な
燃焼ガスを改質するための改質装置７は、触媒を有する
第１の範囲７１を備え、この第１の範囲は、改質すべき
燃焼ガスを受け入れるための入口と、改質された新鮮な
燃焼ガスのための、陽極入口に接続された出口とを備
え、この第１の範囲内で改質プロセスが行われる。改質
装置７は燃料電池ブロックのすぐ後で排気流内に設けら
れた、第１の範囲に熱的に接続された第２の範囲を有す
る熱交換器として形成されている。燃料電池の排気流
は、改質装置７を加熱するための加熱ガスとして、この
第２の範囲を通って案内される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、積層体の形をした
燃料電池ブロック内に燃料電池が設けられ、この燃料電
池がそれぞれ、燃料電池ブロックの一方の側の陽極に、
新鮮な燃焼ガスのための入口を備え、その反対側に、消
費された燃料ガスのための出口を備え、燃料電池ブロッ
クの他方の側の陰極に、新鮮な陰極ガスのための入口を
備え、そしてその反対側に、消費された陰極ガスのため
の出口を備え、燃料電池反応時に発生する熱によって加
熱される、燃料電池の陽極入口に供給される新鮮な燃焼
ガスを改質するための改質装置が、触媒を有する第１の
範囲を備え、この第１の範囲が、改質すべき燃焼ガスを
受け入れるための入口と、改質された新鮮な燃焼ガスの
ための、陽極入口に接続された出口とを備え、この第１
の範囲内で改質プロセスが行われる、燃料電池装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池を運転するために、ほとんどの
場合、改質によって炭化水素を含む燃料を前もって準備
することが必要である。それによって、燃料電池反応し
やすい組成を有する燃焼ガスが供される。このような改
質は特に、アルカリ炭酸塩−溶融電解質を有する高温燃
料電池（ＭＣＦＣ＝溶融炭酸塩燃料電池）のための燃焼
ガスの準備のために必要である。その際、燃焼ガスの炭
化水素成分は、化学量論的に必要な水蒸気量を触媒に加
えることによって、高温でＣＯ，ＣＯ2 およびＨ 2 に変
換される。例えばメタン（天然ガス）について、適当な
反応は次の平衡状態で吸熱的に行われる。
【０００３】ＣＨ ＋Ｈ2 Ｏ ＜＝＝＞ ＣＯ＋３Ｈ2 水素を発生する方向の過程にとって必要な反応エンタル
ピーは、燃料電池の吸熱的な反応によって生じる。それ
によって、燃料電池内で行われる両反応平衡、すなわ
ち、改質と燃料電池反応は、相互に影響し合って所望の
方向に移動する。この場合同時に、吸熱的な改質プロセ
スの際に吸収される熱量を消費することによって電池が
冷却され、燃料電池反応によって発生水素ガスを消費す
ることによって、改質プロセスを妨害する水素濃度上昇
が回避される。
【０００４】今まで知られている技術水準では、アルカ
リ炭酸塩−溶融電解質（ＭＣＦＣ）を有する燃料電池の
場合、および他の種類の燃料電池の場合、燃焼ガスの改
質はいろいろな方法で行われる。別個の加熱される改質
装置によって外部で改質する場合には、熱力学的および
化学的なパラメータが相互に有利に影響し合う上記利点
が発生せず、システム効率に対して明らかに不利な影響
が生じる。
【０００５】内部で直接的に改質する場合には、改質反
応を起こすために役立つ触媒材料が、個々の燃料電池の
各々に直接挿入され、改質は個々の電池内で行われる。
これは熱力学的観点から最高の改質である。というの
は、両反応、すなわち、燃料電池反応と改質プロセスに
おいて、材料の接触と熱接触が直接的に行われ、両反応
が最適に相互に影響を及ぼすからである。しかしながら
他方では、触媒材料について問題が生じる。なぜなら、
触媒が燃料電池の電解質によって汚染され、効力を失う
からである。この問題はこれまで解決されていない。
【０００６】間接的な内部改質の場合には、触媒材料を
含む別個の改質セルが、規則的な間隔をおいて、例えば
それぞれ５個の燃料電池の後で、燃料電池ブロックに挿
入されている。そして、改質プロセスはこの改質セル内
で隣接セルに対する熱接触によって生じる。この種の改
質の場合、触媒がきわめて良好に保護され、それによっ
て長い寿命と良好が出力を有するので、この装置は今ま
での中では最も良好であることが実証されている。しか
しながら、構造が複雑で、改質セルの入口の導管、改質
セルの出口と燃料電離の陽極の入口との間の導管が複雑
であり、従って経済的でない。
【０００７】間接的な内部改質のための改質セル７′を
備えた技術水準による燃料電池装置が図６に示してあ
る。燃料電池ブロック１′は或る数の燃料電池２からな
っている。この燃料電池は端板１３を間に介在して２個
の圧縮板１２の間に積層されて配置されている。規則的
な間隔をおいて、すなわち５個の燃料電池の後に、それ
ぞれ１個の改質セル７′が設けられている。この改質セ
ルは隣接する燃料電池２に熱的に接触する。改質すべき
新鮮な燃焼ガスは、ガス分配器１４を経て改質セル７′
に供給される。そこからそれぞれ、電媒質の中断部を備
えた管１６が改質セル７′の入口へ案内されている。改
質セル７′の出口は図６に示した、燃料電池ブロック
１′の互いに斜めに対向する角に設けられ、適当な方法
で管を介してガス分配器に接続されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高い
効率で改質を行うことができ、かつ装置の構造が簡単で
ある、冒頭に述べた種類の燃料電池装置を提供すること
である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明に従
い、改質装置が燃料電池ブロックのすぐ後で排気流内に
設けられた熱交換器として形成され、この熱交換器が第
１の範囲に熱的に接続された第２の範囲を備え、燃料電
池の排気流が、改質装置を加熱するための加熱ガスとし
て、この第２の範囲を通って案内されることによって解
決される。
【００１０】本発明による燃料電池装置の重要な利点
は、改質装置の触媒材料が、燃料電池の電解質によって
汚染しないように保護されていることにある。他の重要
な利点がガスの案内構造が簡単であることにある。この
場合、改質すべき新鮮な燃焼ガスを供給するためおよび
改質された新鮮な燃焼ガスを燃料電池の陽極入口に案内
するために、２つのガス通路だけしか必要としない。
【００１１】本発明による装置の他の重要な利点は、改
質装置の触媒材料の消耗の際または改質装置の他の欠陥
の際に、燃料電池ブロックを破壊しないで改質装置を交
換することができることにある。本発明の他の有利な実
施形は従属請求項に記載してある。本発明の特に有利な
実施形では、改質装置が陰極出口の排気流内に設けられ
ている。これによって、燃料電池反応時に発生する熱の
最大限の利用が達成される。
【００１２】本発明の他の有利な実施形では、改質装置
が燃料電池ブロックの当該の出口に設けられた出口フー
ド内に設けられている。それによって、スペースが大幅
に節約される。他のきわめて有利な実施形では、燃料電
池ブロックと改質装置が、共通の保護ケーシング内に設
けられ、陽極と陰極のそれぞれの入口と出口の範囲が、
燃料電池ブロックと保護ケーシングの内面との間に設け
られた分離要素によって互いに分離され、改質装置がこ
のようにして形成された範囲内で、陰極出口または陽極
出口に設けられている。これにより、燃料電池装置全体
が少ないコストで製作され、燃料電池装置の高い全体効
率が達成可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】次に、図に基づいて本発明の実施
の形態を説明する。図１，２の側面図と平面図に断面を
示した燃料電池装置の場合には、燃料電池ブロック１が
積層されて配置された或る数の燃料電池２によって形成
されている。図にはこの燃料電池のうちの若干の燃料電
池だけが示してある。燃料電池２はそれぞれ、燃料電池
ブロック１の片側の陽極、すなわち図２において上側の
陽極に、新鮮な燃焼ガスのための入口１３を備え、反対
側に、すなわち図２において下側に、燃焼した燃焼ガス
の出口１４を備え、燃料電池の陰極、すなわち図２にお
いて左側に、新鮮な陰極ガスの入口１５を備え、反対側
に、すなわち図２において右側に、燃焼した燃焼ガスの
ための出口１６を備えている。燃料電池の入口１３，１
５と出口１４，１６にはそれぞれ、入口フード１３１，
１５１と出口フード１４１，１６１が設けられている。
このフードによって、その都度のガス流が燃料電池ブロ
ック１の当該の側で分配されるかまたは集められる。
【００１４】熱交換器のように形成された改質（リホー
ミング）装置７は、図１，２に示す実施例の場合には、
燃料電池積層体１の陰極出口１６の排気流内に直接設け
られている。この場合、改質装置７の横断面は、燃料電
池積層体１のそれぞれの側の横断面にほぼ一致してい
る。図３から判るように、改質装置７は第１の範囲７１
と、改質すべき新鮮な燃焼ガスを受け入れるための入口
７７と、改質された新鮮な燃焼ガスを排出するための出
口７８を備えている。この範囲７１は垂直方向に延びる
或る数の通路７１１を備えている。この通路内には、改
質プロセスを生じさせる、ばら物の形をした触媒が設け
られている。この触媒のばら物は、触媒材料をコーティ
ングした部材または触媒ペレットからなっている。図３
に示していない触媒材料は参照符号８によって示してあ
る。
【００１５】改質装置７は更に、第１の範囲７１に熱的
に接続された第２の範囲７２を備えている。燃料電池ブ
ロック１の陰極出口１６からの排気流が、この第２の範
囲を通って、改質装置７を加熱するための加熱ガスとし
て案内される。それによって、改質装置７の第２の範囲
において燃料電池ブロック１の陰極出口１６の排気流か
ら奪われた熱は、改質装置の第１の範囲７１において触
媒材料８に伝達され、そこで吸熱改質プロセスのために
消費される。
【００１６】改質装置７の入口７７には、改質すべき新
鮮な燃焼ガスが供給され、触媒材料８を充填した通路７
１１を通過した後、出口７８に達する。改質装置７の出
口７８は管８を介して、燃料電池ブロック１の陽極入口
１３のフード１３１に接続されている。燃料電離装置内
の流れは次のように行われる。
【００１７】新鮮な陰極ガスは陰極入口側１５のフード
１５１を経て燃料電池積層体１内に入る。燃料電池反応
時に燃料電池ブロック１内で加熱された陰極ガスは、陰
極出口１６のところで燃料電池積層体１から流出し、改
質装置７に入る。改質装置７の第２の範囲７２を通過す
る際に、高温の陰極排気は熱交換によってその熱の一部
を、改質装置７の第１の範囲７１の通路７１１を流れる
新鮮な燃焼ガスに与える。それによって、この新鮮な燃
焼ガスは改質プロセスにとって必要な熱を供給されて得
る。改質装置７から出る陰極排気は、フード１６１を経
て燃料電池装置から出る。入口７７から改質装置７に入
る燃焼ガスは、改質プロセスの後で、この改質装置の出
口７８から出て、管８を経て燃料電池ブロックの陽極入
口１３のフード１３１に供給され、燃料電池の陽極を通
過し、そして陽極出口側１４のフード１４１を経て燃料
電池ブロック１から出る。
【００１８】図４，５は、改質装置を備えた本発明によ
る燃料電池装置の他の実施の形態を示している。燃料電
池ブロック１は改質装置７と共に、保護ケーシング９内
に設けられている。陽極と陰極の入口１３，１５と出口
１４，１６の前で、分離要素１１によって、範囲１３
１′，１４１′，１５１′，１６１′が形成されてい
る。この分離要素は燃料電池ブロック１と保護ケーシン
グ９の内面との間に設けられている。この範囲はフード
１３１，１４１，１５１，１６１の下方に形成された範
囲に対応している。分離要素は弾性的な金属ウェブによ
って形成することができる。改質装置７は陰極出口１６
に形成された範囲１６１′内に設けられている。
【００１９】陰極ガス入口９１を通って範囲１５１′に
流入する新鮮な陰極ガスは、陰極入口１５から燃料電池
ブロック１を通って流れ、陰極出口側１６でこの燃料電
池ブロックから出る。熱の一部を改質装置７内を流れる
新鮮な燃焼ガスに与えて消費された陰極ガスは、陰極出
口１６のすぐ後に設けられた改質装置７を通過した後
で、範囲１６１′に達し、陰極排気のための出口７６を
経て保護ケーシング９から出る。新鮮な燃焼ガスは管７
７を経て改質装置７の入口に供給され、改質装置を通過
した後で管７８を経てこの改質装置から出る。改質され
た新鮮な燃焼ガスは、この管から、燃料電池ブロック１
の陽極入口側１３の範囲１３１′に案内される。
【００２０】上記の実施の形態に付加して、本発明の一
連の発展形態が可能である。例えば、改質装置７は上記
と異なり、陽極出口１４の排気流内に取付けることがで
きる。上記の実施の形態の場合には、改質装置７の横断
面が実質的に、燃料電池ブロック１の当該の出口側１６
の横断面に一致し、改質装置７が燃料電池ブロック１に
続いて取付けられているが、上記と異なり、改質装置７
の横断面は燃料電池ブロックの当該の出口側１６または
１４よりも小さな横断面を有していてもよい。この場
合、改質装置７は横断面を合わせたフードを中間に配置
して燃料電池ブロックに接続されている。上記の実施の
形態と異なり、触媒材料は改質装置７の通路７１１の表
面コーティングによって設けてもよい。この場合、通路
は、その横断面と比較してできるだけ大きな表面を有す
るように形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池装置の第１の実施の形態
を側方から見た断面図である。
【図２】図１に示した第１の実施の形態を上側から見た
断面図である。
【図３】本発明によるガス改質装置の断面図である。
【図４】本発明による燃料電池装置の第２の実施の形態
を側方から見た断面図である。
【図５】図４に示した第２の実施の形態を上側から見た
断面図である。
【図６】技術水準によるガス改質装置を備えた燃料電池
装置の一部の斜視図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池装置 ２ 燃料電池 ７ 改質装置 ７１ 改質装置の第１の範囲 ７２ 改質装置の第２の範囲 ７７ 改質装置の入口 ７８ 改質装置の出口 ８ 触媒 １３ 新鮮な燃焼ガス用の入口 １４ 消費された燃焼ガスのための出口 １５ 新鮮な陰極ガスのための入口 １６ 消費された陰極ガスのための出口

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 積層体の形をした燃料電池ブロック
    （１）内に燃料電池（２）が設けられ、この燃料電池が
    それぞれ、燃料電池ブロック（１）の一方の側の陽極
    に、新鮮な燃焼ガスのための入口（１３）を備え、その
    反対側に、消費された燃料ガスのための出口（１４）を
    備え、燃料電池ブロック（１）の他方の側の陰極に、新
    鮮な陰極ガスのための入口（１５）を備え、そしてその
    反対側に、消費された陰極ガスのための出口（１６）を
    備え、燃料電池反応時に発生する熱によって加熱され
    る、燃料電池（２）の陽極入口（１３）に供給される新
    鮮な燃焼ガスを改質するための改質装置（７）が、触媒
    （８）を有する第１の範囲（７１）を備え、この第１の
    範囲が、改質すべき燃焼ガスを受け入れるための入口
    （７７）と、改質された新鮮な燃焼ガスのための、陽極
    入口に接続された出口（７８）とを備え、この第１の範
    囲内で改質プロセスが行われる、燃料電池装置におい
    て、改質装置（７）が燃料電池ブロックのすぐ後で排気
    流内に設けられた熱交換器として形成され、この熱交換
    器が第１の範囲（７１）に熱的に接続された第２の範囲
    （７２）を備え、燃料電池の排気流が、改質装置（７）
    を加熱するための加熱ガスとして、この第２の範囲を通
    って案内されることを特徴とする燃料電池装置。
  2. 【請求項２】 改質装置（７）が陰極出口（１６）の排
    気流内に設けられていることを特徴とする請求項１記載
    の燃料電池装置。
  3. 【請求項３】 改質装置（７）が陽極出口（１４）の排
    気流内に設けられていることを特徴とする請求項１記載
    の燃料電池装置。
  4. 【請求項４】 改質装置（７）の横断面が実質的に、燃
    料電池ブロック（１）の当該の出口側（１６，１４）の
    横断面に一致し、改質装置（７）が燃料電池ブロック
    （１）に接続されて設けられていることを特徴とする請
    求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
  5. 【請求項５】 改質装置（７）の横断面が燃料電池ブロ
    ックの当該の出口側（１６，１４）よりも小さな横断面
    を有し、改質装置（７）が、適合した横断面を有するフ
    ードを中間に接続配置して燃料電池ブロック（１）に設
    けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
    一つに記載の燃料電池装置。
  6. 【請求項６】 改質装置（７）が燃料電池ブロック
    （１）の当該の出口に設けられた出口フード（１６１，
    １４１）内に設けられていることを特徴とする請求項１
    〜５のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
  7. 【請求項７】 改質装置（７）の第１の範囲（７１）が
    通路（７１１）を備え、この通路内に触媒（８）が設け
    られ、この通路が第２の範囲（７２）内に埋設されてい
    ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載
    の燃料電池装置。
  8. 【請求項８】 通路（７１１）が垂直方向に延び、触媒
    材料をコーティングした部材からなるばら物または触媒
    ペレットが通路に充填されていることを特徴とする請求
    項７記載の燃料電池装置。
  9. 【請求項９】 通路（７１１）が触媒材料でコーティン
    グされていることを特徴とする請求項７または８記載の
    燃料電池装置。
  10. 【請求項１０】 燃料電池ブロック（１）と改質装置
    （７）が、共通の保護ケーシング（９）内に設けられ、
    陽極と陰極のそれぞれの入口（１３，１５）と出口（１
    ４，１６）の範囲が、燃料電池ブロック（１）と保護ケ
    ーシング（９）の内面との間に設けられた分離要素（１
    １）によって互いに分離され、改質装置（７）がこのよ
    うにして形成された範囲内で、陰極出口（１６）および
    または陽極出口（１４）に設けられていることを特徴と
    する請求項１〜９のいずれか一つに記載の燃料電池装
    置。
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