JPH0831322B2 - 内部改質型燃料電池およびそれを用いた発電プラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電池寿命の長い内部改質型燃料電池と、そ
れを用いた発電プラントに関する。

［従来技術］ メタンガス等を燃料として利用する改質型燃料電池
は、改質装置を燃料電池の内部に備える内部改質型と、
改質装置を燃料電池の外部に備える外部改質型との２種
類に分けられる。

外部改質型は、燃料電池を構成するセルを増して電気
容量を上げるに従い、使用する燃料ガスの量も増し、改
質装置を大がかりなものにする必要がある。また、燃料
電池の電極で起きる反応は、発熱反応のため、電池内部
の温度が上昇し、電解質の蒸発等が起きて、電池の寿命
が短くなる。これを防ぐためには、冷却装置が必要とな
る。このように、外部改質型は、大がかりな改質装置と
冷却装置とが必要なため、設備費が高くなる。

一方、内部改質型は、単位セル毎に、メタンガスを改
質するために、特に、大がかりな改質装置を必要としな
い。また、改質反応が吸熱反応であることを利用して、
電極反応で起こる発熱を吸収できるように、セルを積層
すれば、電池内部の温度が上昇しない。このような方法
を使用すれば、冷却装置をも必要としない。

従来の内部改質型燃料電池としては、フュエル セル
テクノロジー アンド アプリケイション（インター
ナショナル セミナー ザ ネザーランド10月26日−10
月29日1987年）エクステンド アブストラクトP41およ
びP45（Fuel Cell Technology and Applications（Inte
rnational Seminer The Netherlands26−29Octover,198
7）Extended Abstracts Page41And Page45））等に、電
池内部の温度が上昇しないように、改質触媒をアノード
の真下に設けて、発電反応で生じた反応熱を、すぐに、
吸収できるような構成の燃料電池が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、アノードの真下は、燃料ガスと電極反応後の
燃料ガス（燃料排ガス）との、双方が流れるガス流路で
あり、改質触媒は、燃料ガスに触れるばかりでなく、燃
料排ガスにも触れる。

燃料排ガスは、電解質の組成物と電解質より生成され
た物質とを含んでいる。このために、燃料排ガスに含ま
れる上記物質が、改質触媒に触れて、改質触媒を汚染す
る。さらに、セパレータの表面を伝わってくる溶融した
電解質等も、下にある改質触媒に浸透して、改質触媒を
汚染する。

運転時間が長くなると、改質触媒の汚染は著しくな
り、触媒の活性度が低下して、メタンガスから水素ガス
への転化率が低くなる。この結果、燃料電池の電池電圧
は、急激に低下する。

第８図は、同一の燃料電池を用いて、メタンガスを燃
料とする内部改質方式による発電と、最初から水素ガス
を供給して発電する外部改質方式による発電とを、行な
った実験結果である。

縦軸は電池電圧、横軸は運転時間である。

第８図より明らかなように、内部改質方式による発電
そして外部改質方式による発電ともに、開路電圧は、1.
0〜1.1Vの範囲でほぼ一定である。しかし、閉路によっ
て電流密度150mA/cm²の電流を流した場合に、外部改質
方式による発電は、運転時間が長くなっても、電池電圧
は0.7以下には低下しないが、内部改質方式による発電
は、運転時間が長くなるとともに、急激に電池電圧は低
下し、330時間を経過した時点で、0.4Vとなり、運転を
停止した。

以上のように、従来の内部改質型燃料電池は、考え方
としては、電池内の温度上昇を防止して、電池寿命を長
くできることが期待されるが、実用上は、改質触媒の性
能劣化が急激なために、その効果は充分でなく、結局の
ところ、満足いく電池寿命が得られないという問題点が
あった。

また、上記のような内部改質型燃料電池を用いた発電
プラントは、電池の電圧が低下する度に、電池の交換を
せねばならず、稼働効率が低いという問題点があった。

本発明の第１の目的は、改質触媒の劣化を防止し、長
寿命化を図った内部改質型燃料電池を提供することにあ
る。

本発明の第２の目的は、内部改質型燃料電池を用いた
稼働効率が高い発電プラント提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記本発明の第１の目的は、本発明の第１、第２およ
び第３の態様のいずれによっても達成することができ
る。

すなわち、本発明の第１の態様によれば、 カソード、電解質板およびアノードからなる発電域を
含んで構成され、且つ、互いに積層される２以上のセル
と、 供給される燃料ガスを、上記セルの各々に案内する燃
料ガス流路と、 上記発電域のそれぞれに対応して設けられた、燃料ガ
スを改質する改質域と、を備え、 上記改質域およびこれに対応する発電域は、同一セル
面内の位置において、上記燃料ガス流路によって供給さ
れる燃料ガスの流れの方向に沿って、異なる位置に独立
して、上記順序で配設されていること、 を特徴とする内部改質型燃料電池が提供される。

また、本発明の第２態様によれば、 発電を行う発電域を備えたセルを２以上積層して構成
される内部改質型燃料電池において、 各セルは、 燃料ガス導入口から上記発電域に入るまでの第１流路
部分と、上記発電域を含み、この発電域から燃料ガス排
出口に至る第２流路部分とからなる燃料ガス流路と、 上記第１流路部分において上記発電域に対応して設け
られた、燃料ガスを改質する改質域とをそれぞれ備え、 上記改質域は、それが対応する上記発電域と同一のセ
ル面内の異なる領域に配置されていること、 を特徴とする内部改質型燃料電池が提供される。

上記第１および第２の用において、上記改質域は、当
該改質域に対応する発電域の属するセルに隣接する他の
セルの発電域に対して、セルの積層方向に重なる位置に
配設されていることが好ましい。この場合、燃料ガス導
入口を、積層方向の両端に設けて、各セルへの燃料ガス
供給を確実にすることができる。

また、上記第２の態様において、上記セルとして、第
１の種類のセル（セル１）と第２の種類のセル（セル
２）とを有することができる。第１の種類のセル１と第
２の種類のセル２とは、一方では改質域が存在する領域
に他方では発電域が存在し、一方では発電域が存在する
領域に他方では改質域が存在して、改質域と発電域とが
互いに入れ替わって配置されることができる。すなわ
ち、上記第１の種類のセルと第２の種類のセルとは、交
互に積層され、積層する際の第１の種類のセルと第２の
種類のセルの向きは、互いに他方の種類のセルの改質域
と発電域とが交互に隣接して積層されるように決められ
ることができる。かつ、燃料ガスを各セルに供給するた
めの流路は、上記第１の種類のセルと第２の種類のセル
について、それぞれ独立に形成されていることができ
る。

次に、上記本発明の第３の態様によれば、 カソード、電解質板、アノードおよびセパレータから
成るセルを複数個積層して構成した内部改質当燃料電池
であって、 上記セパレータは、板状体で形成され、この板状体の
いずれかの周縁部に、上記板状体の一方の面側で、該面
に隣接する空間に、該空間に燃料ガスを導入するための
燃料ガス入口が設けられ、他のいずれかの周縁部に、上
記空間からガスを排出するための燃料ガス排出口が設け
られ、 上記各セルは、上記空間に、燃料ガスを改質する改質
域と、上記カソード、電解質板およびアノードによりな
る発電域とを、上記セパレータに沿って、領域を異なら
せて形成し、 上記改質域と発電域とは、上記空間の燃料ガス導入口
から改質域、発電域および燃料ガス排出口側の順に連通
してガス流路を構成するように配置されること を特徴とする内部改質型燃料電池が提供される。

上記第３の態様において、各セルの改質域は、当該セ
ルの積層方向に隣接する他のセルの発電域に対して、積
層方向に重なる位置に配設されていることが好ましい。

さらに、本発明の第２の目的は、本発明の第４の態様
によって達成される。

すなわち、本発明の第４の態様によれば、 発電を行なう発電プラントにおいて、 少なくとも、燃料電池と、燃料ガス供給源と、酸化剤
ガス供給源と、を備え、 上記燃料電池は、カソードと電解質板とアノードとか
ら構成される発電域を備えた１または２以上のセルと、
燃料ガスを改質する改質触媒を含み、上記発電域のそれ
ぞれに対応して設けられた改質域と、を含んで構成さ
れ、 上記改質域のそれぞれは、上記発電域より燃料ガスの
流れの上流側において、対応する発電域と同一セル面内
に配置されたこと、 を特徴とする発電プラントが提供される。

［作 用］ 改質触媒は、電解質の組成物、あるいは、電解質より
生成さた物質等に触れると、触媒の活性度が低下して、
メタンガスから水素ガスへの転化率が低くなる。このよ
うに、汚染された改質触媒は、燃料電池の電池電圧を急
激に低下する。

上記のような、改質触媒の汚染物質は、電極反応に使
用された、燃料排ガスに多く含まれている。

本発明では、セル内で、改質域と発電域とは燃料ガス
の流路に対して実質的に区分され、上記順序で設けられ
ている。

このため、改質触媒が燃料排ガス中に含まれる上記物
質により汚染されることがなく、その活性度を長く保つ
ことができ、燃料電池の寿命を長くすることができる。

さらに、複数個積層されたセルは、任意のセルの改質
域と、積層方向に隣接する他のセルの発電域とが、積層
方向に重なる位置に配設されている。

このため、発電域での発電反応時に発生する熱を、改
質域で行なわれるの反応の熱源として、有効に利用する
ことができ、電池内の温度上昇を防止でき、電池の寿命
は長くなる。

［実施例］ 以下、実施例を説明するが、本発明はこれに限定され
るものではない。

本発明の燃料電池に使用されるアノード、カソード、
電解質板、燃料ガスおよび酸化剤ガスの材料は、特に、
限定されないが、以下の実施例では、溶融型炭酸塩燃料
電池を構成するように、材料が選択される。

各実施例の燃料電池は、図示されていない圧力容器に
収容されている。

内部マニホールド方式を用いた、本発明の内部改質型
燃料電池の一実施例を、第１図〜第５図により説明す
る。

第１図は、本発明の内部改質型燃料電池の一実施例の
基本構成を示す分解斜視図である。

第１図に示された電池の最上部には、電池内にガスを
取り入れる上部ヘッダ10が、電池の最下部には、下部ヘ
ッダ20が設けられている。

上部ヘッダ10と下部ヘッダ20の間には、カソード41、
電解質板51、アノード61およびセパレータ31を有するセ
ル１と、カソード42、電解質板52、アノード62およびセ
パレータ32を有するセル２とが、繰返し、複数積層され
ている。

セル１において、カソード41とアノード61は、電解質
板51の周縁に設けられた、ガスの通路となるマニホール
ドを残して覆うことなく、電解質板51の長手方向の中央
から略半分を上下から挾み込み、セル１の発電域101を
形成している。

セル２も同様にして、カソード42とアノード62は、電
解質板52の周縁に設けられた、ガスの通路となるマニホ
ールドを覆うことなく、電解質板52の長手方向の中央か
ら略半分を上下から挾み込み、発電域201を形成してい
る。

図示の実施例では長方形に形成された、セパレータ3
1,32にも、ガスの通路となるマニホールドが、各々の周
縁に設けられている。

セル１およびセル２は、第１図に示すように、セル１
の発電域101と、セル２の発電域201とが、左右が逆の配
置になるように、積層されている。

セパレータ31は、後述するが、表面に、セル１のアノ
ード61を波板部31aを介して組み込む構造を有し、裏面
に、セル２のカソード42を図示していない波板部31c
（第３図参照）を介して組み込む構造を有している。ま
た、セパレータ31の一方の面に隣接して、改質触媒から
なる図示していない改質域102（第２図および第３図参
照）が、セル１の発電域101と左右が逆の配置となるよ
うに設けられている。

上部ヘッダ10とカソード41との間には、両者が接触し
ないように、端板70が設けられている。

ガスは、図示されていないガス供給源より、燃料電池
に供給される。

燃料電池内でガスを所定の方向に流す手段としては、
コンプレッサ、あるいは、ブロワー等を用いて、ガスを
燃料電池に流す方法がある。本実施例では、コンプレッ
サを使用している。

上部ガスヘッダ10は、上述したセル１の系列用のガス
流路と、上述したセル２の系列用のガス流路との、２系
統に用いられる、入口ガス管と出口ガス管とを備えてい
る。

セル１の系列に用いられるガス管は、燃料ガスを取り
入れる入口ガス管11と、燃料ガスを排出する出口ガス管
12と、酸化剤ガスを取り入れる入口ガス管17と、酸化剤
ガスを排出する出口ガス管18とからなる。

セル２の系列に用いられるガス管は、燃料ガスを取り
入れる入口ガス管13と、燃料ガスを排出する出口ガス管
14と、酸化剤ガスを取り入れる入口ガス管15と、酸化剤
ガスを排出する出口ガス管16とからなる。

例えば、セル１の系列に燃料ガスを送る入口ガス管11
より流れ込まれた燃料ガス流11Nは、電解質板51のマニ
ホールド511と、セパレータ31のマニホールド311と、電
解質板52のマニホールド521と、セパレータ32のマニホ
ールド321とを通過して、さらに、下層のセルに流れて
いく。後述するが、燃料ガスの一部は、マニホールド31
1からセル１内に取り込まれる。

また、セル１の系列の燃料排ガス流12Nは、セパレー
タ32のマニホールド322と、電解質板52のマニホールド5
22と、セパレータ31のマニホールド312と、電解質板51
のマニホールド512を経て、出口ガス管12より排出され
る。後述するが、マニホールド312より、セル１で生じ
た燃料排ガスは排出される。

上記ガスヘッダ10から取り込まれる他のガス流と、上
部ガスヘッダ10から排出される他のガス法とは、上記ガ
ス流11Nおよび12Nと同様に、セパレータと電解質に設け
られたマニホールドを通過していく。

セル１を構成するセパレータ31の構造を、第２図と第
３図を用いて説明する。

第２図はセパレータ31の平面図である。

セパレータ31は、その上部側に隣接する空間と下部側
に隣接する空間とを分離する。このセパレータ31は、そ
の上部側に凹部空間（以下、上部層という）を、また、
下部側の一部に凹部空間（以下、下部層という）を、そ
れぞれ隣接して構成する構造となっている。

セパレータ31の周縁には、燃料ガス用マニホールド31
1,313と燃料排ガス用マニホールド312,314が設けられ、
さらに、酸化剤ガス用マニホールド315,317と酸化剤排
ガス用マニホールド316,318とが設けられている。

マニホールド311は、セパレータ31の上部層に燃料ガ
スを導入できるように、セパレータ31の上部層と連通し
ている。同様に、マニホールド312は、セパレータ31の
上部層を通過したガスを排出できるように、セパレータ
31と連通している。セパレータ31と連通してないマニホ
ールド313は、マニホールド下部にあるセル２の系列に
燃料ガスを流す。また、マニホールド314は、セル２の
系列からの燃料排ガスを通す。

マニホールド315は、セパレータ31の下部に酸化剤ガ
スを導入できるように、セパレータ31の下部層と連通い
ている。同様に、マニホールド316は、セパレータ31を
通過したガスを排出できるように、セパレータ31の下部
層と連通している。セパレータ31と連通してないマニホ
ールド317は、下部にあるセルに酸化剤ガスを流す。ま
た、マニホールド318は、セル２の系列からの酸化剤排
ガスを通す。

第３図は第２図Ａ−Ａ線断面図である。

セパレータ31は、その上部側に位置することになるセ
ルと、下部側に位置することになるセルとを仕切るため
の仕切板31zと、仕切板31zの上部側の周縁部に設けら
れ、仕切板31zに隣接する凹部空間（上部層）を形成す
るフレーム31yと、仕切板31zの下部側の周縁部に設けら
れ、仕切板31zに隣接する凹部空間（下部層）を形成す
るフレーム31xとで構成される。

上部層においては、マニホールド311からマニホール
ド312へ向けて燃料が流れ、下部層においては、紙面に
対して垂直方向に、紙面の背面側から手前に向けて酸化
剤ガスが流れる。

セパレータ31に隣接する上部層の構成を説明する。

セパレータ31に隣接する上部層では、燃料ガスの流れ
の上流側（マニホールド311側）に、通り抜ける燃料ガ
スを改質をする。改質触媒を含む改質域102が設けら
れ、燃料ガスの流れの下流側（マニホールド312側）
に、燃料ガスのガス通路部となる波板部31aが設けられ
ている。

改質域102の上部には、第１図に示す電解質板51と、
触媒とが接触しないように、カバー板31uが設けられて
いる。カバー板31uの厚みは、波板部31aに付設される。
第１図に示すアノード61が、電解質51と接触できるよう
に調整されている。また、カバー板31uは、セパレータ3
1に隣接する上部層に導入された燃料ガスを波板部31aに
導くガス流規制手段としても作用する。

セパレータ31に隣接する下部層の構成を説明する。

仕切板31zを挾んで改質域102と、ほぼ対応する位置
に、酸化剤ガスのガス通路となる波板部31cが設けられ
ている。その波部は、凸部が紙面に対して垂直方向（第
２図の、マニホールド315とマニホールド316とを結ぶ方
向）に延在するように、形成されている。そして、セパ
レータ31に隣接する下部層の残りの部分には、波板部31
cに付設される、第１図に示すセル２のカソード42が、
電解質板52と接触できるように調整された厚み調整板部
31sが設けられている。

波板部31aは、凸部がアノードを支持し、凹部がガス
の流路となるような構成であれば、波板である必要はな
い。例えば、平板に溝を切り込んだ板でもよい。波板部
31cも同様に、必ずしも、波板である必要はない。

フレーム31yと、フレーム31xと、厚み調整板部31sと
に使用する材料は、特に限定されないが、熱歪みを防ぐ
ために、同質の材料を使用することが好ましい。

セル２を構成するセパレータ32の構造を、第４図と第
５図を用いて説明する。第４図は、セパレータ32の平面
図である。第５図は、第４図Ｂ−Ｂ線断面図である。

セパレータ32は、第２図に示したセパレータ31が使用
しない、セル２の系列の燃料ガスと酸化剤ガスとを導入
また排出するマニホールドを使用する。

セパレータ32は、セパレータ31と同様に、その上部側
に位置することになるセルと、下部側に位置することに
なるセルとを仕切るための仕切板32zと、仕切板32zの上
部側の周縁部に設けられ、仕切板32zに隣接する凹部空
間（上部層）を形成するフレーム32yと、仕切板32zの下
部側の周縁部に設けられ、仕切板32zに隣接する凹部空
間（下部層）を形成するフレーム32xとで構成される。
このセパレータ32は、上記上部層に設けられる、改質層
302、燃料ガスのガス通路となる波板部32a、酸化剤ガス
のガス通路となる波板部32c等の設置位置が、セパレー
タ31と左右逆となっている。

次に、本実施例の燃料電池における、ガスの流れを、
第１図、第３図および第５図を用いて説明する。

図示されていないコンプレッサにより、燃料電池に供
給される燃料ガスは、ガス管11、13から導入され、セル
１に用いられる燃料ガス流11N、セル２に用いられる燃
料ガス流13Nとなって電池内を下流側に流れていく。

さらに詳細に説明すると、ガス管11より導入され、電
解質板51のマニホールド511を通って、マニホールド311
よりセパレータ31に隣接する上部層に取り込まれた燃料
ガス流11Nの一部は、改質域102で改質触媒と接触して改
質処理を受ける。改質された燃料ガスは、波板部31aの
溝に沿って流れ、波板部31aの上方に配設されている発
電域101で、電極反応に供給される。そして、電極反応
に供された後の、燃料排ガスは、マニホールド312で、
下方のセルで同様に生じ、排出されてきた燃料排ガス流
12Nと合流し、上記ヘッダ10に設けられた燃料ガス排出
管12より、外部に排出される。

一方、燃料ガス流13Nは、同様に、その一部がセパレ
ータ32に隣接する上部層に取り込まれる。取り込まれた
燃料ガスは、上記と同様にして、改質域202を経て、ア
ノード62を含む発電域201に導かれ、その後、マニホー
ルド324より、燃料排ガス流と合流し、上部ヘッダ10に
設けられた燃料ガス排出管14より外部へ排出される。

また、図示されていないコンプレッサにより、ガス管
17から燃料電池に導入された、酸化剤ガス流17Sは、上
部ヘッダ10に取付けられた、端板70の酸化剤ガスのガス
通路用波板部部（図示せず）を通り、カソード41を含む
発電域101で、電極反応に使用される。そして、使用後
の酸化剤排ガスは、下部のセルで生じた酸化剤排ガス流
と合流し、上部ヘッダ10に設けられた、酸化剤ガス排出
管18より電池外に排出される。

同様に、もう一方の酸化剤ガス用ガス管15より導入さ
れた酸化剤ガス流は、マニホールド315からセパレータ3
1に隣接する下部層に取り込まれ、酸化剤ガス通路用波
板部31cを通り、カソード42を含む発電域201で、電極反
応に使用される。そして、マニホールド316を通って酸
化剤排ガス流16Sと合流し、電池外に排出される。

本実施例の内部改質型燃料電池の作用を説明する。

本実施例の内部改質型燃料電池では、例えば、セル１
は、カバー板31uで画されたセパレータ31に隣接する上
部層に改質域102が設けられており、一方、発電域101
は、改質域102とは位置をずらして、セパレータ31の露
出部である波板部31aの上に設けられている。このよう
に、改質域102と発電域101とは区分される構成となって
いる。

セパレータ31に隣接する上部層に取り込まれた燃料ガ
ス11Nは、改質域102で改質された後、発電域101の電極
反応に使用され、燃料排ガス12Nとなる。この燃料排ガ
ス12Nは、ガス流に沿って、マニホールド312より、燃料
排ガス流路に合流し、系外に排出される。この際、電極
使用後の排ガスが改質域102に混入することはない。

セル２でも同様に、改質域202と発電域201とは区分さ
れており、燃料排ガス14Nは、改質域202に混入すること
なく、セル２の外部に流れていく。

このため、電解質の組成物と電解質より生成された物
質とを含む燃料排ガスが、改質触媒を汚染することはな
い。従って、改質触媒の活性度を長く保つことができ、
電池の寿命は長くなる。

さらに、セル１の改質域102とセル２の発電域201は、
波板部31cと仕切板31zとを挾んで、上下同位置に配置さ
れている。このため、発電域201で発電反応時に発生す
る熱を、改質域102の改質反応の熱源として、有効に利
用することができ、電池内部の温度上昇を防止できる。

第６図は、本発明を外部マニホールド方式に適用した
実施例を示す。

内部マニホールド方式の内部改質型燃料電池では、第
１図に示すように、マニホールドが、電解質板およびセ
パレータの周縁部に設けられているが、外部マニホール
ド方式では、セルを積層して構成された電池本体89の側
面に、燃料ガス導入用マニホールド81,83と、燃料ガス
排出用マニホールド82,84と、酸化剤ガス導入用マニホ
ールド85,87と、酸化剤ガス排出用マニホールド86,88と
が設けられている。

マニホールドを電池本体外に設けたことを除いて、第
１図の実施例の燃料電池と同様である。このため、本実
施例は、第１図で示した燃料電池と、同様の作用効果を
達成できる。

第７図は、改質域と発電域とを、燃料電池の中央部と
その外側とに交互に配置して、セルを積層した例を示し
たものである。

第７図に示された電池の最上部には、電池内にガスを
取り入れる上部ヘッダ810が、電池の最下部には、下部
ヘッダ820が設けられている。

上部ヘッダ810と下部ヘッダ820の間には、カソード84
1、電解質板851、アノード861およびセパレータ831を有
するセル81と、カソード842、電解質板852、アノード86
2およびセパレータ832を有するセル82とが、繰返し、複
数積層されている。

略正方形のカソード841と略正方形のアノード861と
は、略正方形の電解質板851の中央部を下から挾み、セ
ル81の発電域8101を形成している。

略正方形状枠体のカソード842と、略正方形状枠体の
アノード862とは、略正方形の電解質板852を上下より挾
み、セル82の発電域8201を形成している。

セパレータ831は、第１図に示す実施例で用いられて
いるセパレータ31と同様に、その上部側に隣接する空間
と下部側に隣接する空間とを分離する。このセパレータ
831は、その上部側に凹部空間（以下、上部層という）
を、また、下部側の一部に凹部空間（以下、下部層とい
う）を、それぞれ隣接して構成する構造となっている。
その周縁部には、マニホールド831〜8314が設けられて
いる。

セパレータ831の上部層は、ガス導入用マニホールド8
311と、その対応する側にあるガス排出用マニホールド8
312とから、それぞれ、燃料ガスの導入および排出を行
なう。さらに、中央部に設けられた波板部831aを介し
て、アノード861を組み込む構造を有し、波板部831aの
外側に、改質域8102を備えている。但し、波板部831aと
マニホールド8312との間には、改質域は設けられておら
ず、ガスが通ることができるように、通路が設けられて
いる。

セパレータ831の下部層では、ガス導入用マニホール
ド8313と、その対応する側にあるガス排出用マニホール
ド8314とから、酸化剤ガスの導入および排出をそれぞれ
行なう。さらに、下部層は、図示していない波板部を介
して、正方形状枠体のカソード842を、組み込む構造を
有している。

セパレータ832も、同様に、その上部側に凹部空間
（以下、上部層という）を、また、下部側の一部に凹部
空間（以下、下部層という）を、それぞれ隣接して構成
する構造となっている。その周縁部に、セパレータ831
に対応して、マニホールド8321〜8324が設けられてい
る。

セパレータ832の上部層は、波板部832aを介して、正
方形状枠体のカソード862を組み込む構造を有し、波板
部832aの内側に、改質域8202を備えている。さらに、セ
パレータ832に隣接する上部層に燃料ガスを取り込むマ
ニホールド8321と改質域8202とを結ぶ連絡路832tを備え
ている。

下部は、図示していない波板部を介して、図示してい
ない略正方形のカソードを、組み込む構造を有してい
る。

上部ガスヘッダ810は、燃料ガスを取り込む入口ガス
管811と、燃料ガスを排出する出口ガス管812とを、対向
する面に設け、酸化剤ガスを取り込む入口ガス管813
と、酸化剤ガスを排出する出口ガス管814とを、対向す
る面に設けている。

下部ガスヘッダ820も、上部ガスヘッダ810と同様にし
て、821〜824のガス管を設けている。下部ガスヘッダ82
0から、取り込むあるいは排出するガスは、上部ガスヘ
ッダ810から、取り込むあるいは排出するガスと、同じ
マニホールドを使用して燃料電池内を流れる。

次に、ガスの流れを説明する。

ガスは、図示されていないコンプレッサにより、燃料
電池に流し込まれる。

入口ガス管811から、導入された燃料ガスは、電池内
を下流側に流れていく。

燃料ガス流811Nの一部は、マニホールド8311よりセパ
レータ831の上部層に取り込まれる。そして、図示して
いないカバー板と図示していない仕切板とで画されて、
ガス通路を形成している改質域8102で、セパレータ831
の上部層に取り込まれた燃料ガスは改質される。改質さ
れた燃料ガスは、波板部831aに流れ、波板部831aの上方
に配設されている、アノード861を含む発電域8101で、
電極反応に使用される。そして、使用後の燃料排ガス
は、波板部831aとマニホールド8312とを結ぶ通路を経
て、マニホールド8312から、下部のセルで生じた燃料排
ガス流と合流する。

一方、マニホールド8321よりセパレータ832に隣接す
る上部層に取り込まれた燃料ガス流811Nは、連絡路832t
を経て、改質域8202で改質された後、波板部832aに流
れ、波板部832aの上方に付設されている、アノード862
を含む発電域8201で、電極反応に使用される。そして、
マニホールド8322より燃料排ガス流と合流する。

そして、この燃料排ガス流は、上記ヘッダ810に設け
られた燃料ガス排出管812より、電池外に排出される。

入口ガス管813から、導入された酸化剤ガスは、電池
内を下流側に流れていく。

発電域8101で用いられる酸化剤ガスは、上記ヘッダ81
0に取付けられた端板870のガス通路用波板部（図示せ
ず）を通り、カソード841で、電極反応に使用される。
そして、使用後の酸化剤排ガスハ、マニホールドで下部
のセルで生じた酸化剤排ガス流と合流し、上記ヘッダ81
0に設けられた、酸化剤ガス排出管814より電池外に排出
される。

発電域8201に用いられる酸化剤ガスは、マニホールド
8313からセパレータ831に隣接する下部層に取り込ま
れ、セパレータ831の裏面にある酸化剤ガス通路用波板
部の下方に付設されている、カソード842を含む発電域8
201で、電極反応に使用される。そして、酸化剤排ガス
は、マニホールド8314で酸化剤排ガス流と合流し、酸化
剤ガス排出管814より、電池外に排出される。

下部ヘッダ820から流し込まれるガスは、上部ヘッダ8
10から流し込まれるガスと同様に、改質域と発電域に送
りこまれる。下部ヘッダ820から流し込まれるガスは、
特に、下層に積層されたセルに、ガスを送りこむのに有
効である。

本実施例の内部改質型燃料電池の作用を説明する。

本実施例の内部改質型燃料電池では、第１図に示した
実施例と同様に、セルは、カバー板で画されたセパレー
タに隣接する上部層に改質域が設けられおり、一方、発
電域は、改質域とは位置をずらせて、セパレータの露出
部である波板部の上に設けられている。このように、改
質域と発電域とは区分される構成となっている。セパレ
ータに隣接する上部層に取り込まれた燃料ガスは、改質
域で改質された後、発電域の電極反応は使用され、燃料
排ガスとなる。この燃料排ガスは、ガス流に沿って、マ
ニホールドより、燃料排ガス流路に合流し、系外に排出
される。この際、電極使用後の排ガスが改質域に混入す
ることはない。

また、任意のセルの改質域と、前記セルの下に配置さ
れている他のセルの発電域とは、波板部と仕切板を挾ん
で、上下の対応位置に配置されている。このため、発電
域で発生する熱を、改質域で行なわれる反応の熱源とし
て、有効に利用することができ、電池内の温度上昇を防
止できる。

さらに本実施例は、下部ヘッダからもガスを流し込ん
でいるので、セルを高積層化しても、ムラなく、すべて
のセルに充分な量のガスを供給することができ、電池の
発電効率が増す。

第９図は、本発明の燃料電池を用いた内部改質方式に
よる発電と、最初から水素ガスを供給して発電する外部
改質方式による発電とを行ない、運転時間と電池電圧と
の関係を調べた実験結果である。

縦軸は電池電圧、横軸は運転時間である。

第９図より明らかなように、本発明の内部改質方式に
よる発電、外部改質方式による発電ともに、開路電圧は
1.0〜1.1Vの範囲でほぼ一定である。そして、閉路によ
って電流密度150mA/cm²の電流を流すと、本発明の内部
改質方式で発電と外部改質方式とは、運転時間が長くな
ろうとも、ほぼ同様の電池電圧性能を示した。

これは、本発明の内部改質型燃料電池は、外部改質方
式と同様に、改質触媒の汚染を生じないためである。

さらに、本実施例の内部改位置型燃料電池を用いた発
電プラントの基本構成の一例を第10図を用いて説明す
る。

発電プラントは、本実施例の燃料電池51と、燃料電池
ガス供給源52および酸化剤ガス供給源53と、燃料電池が
発生する直流電力を交流電力に転換するインバーター54
とからなる。大規模発電では、ボトミングサイクル55
と、ボトミングサイクル55に連結した発電機56を用い
て、燃料電池から発生する廃熱を利用することもでき
る。

本実施例の燃料電池は、改質触媒の性能が安定してい
るため、供給されるガスの使用効率が高く、また、電池
寿命も長い。このため、発生するエネルギに対する、発
電プラントの稼働価格は低い。

また、本実施例の燃料電池は、電池寿命が長いために
電池交換の手間が省け、大規模発電を行ないやすい。こ
のため、ボルトミングサイクルを用いて、発電効率を上
昇させ、さらに、発電プラントの稼働価格を低くするこ
とができる。

［発明の効果］ 本発明の内部改質型燃料電池は、セル内で、改質域と
発電域とが区分され、燃料排ガスが改質域に流れること
はないので、改質触媒が汚染されることがなく、電池の
長寿命化が図れる。

また、任意のセルの改質域と、前記セルの下に配置さ
れている他のセルの発電域とは、上下同位置に配置され
ているので、発電域で発生する熱を、改質域で行なわれ
る反応の熱源として、有効に利用することができ、電池
内の温度上昇を防止でき、さらに、電池の長寿命化が図
れる。

本発明の内部改質型燃料電池を用いた発電プラント
は、使用する電池の寿命が長いため、プラントの運転効
率が高く、発生させるエネルギの単位価格が安くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は内部マニホールド方式を用いた本発明の内部改
質型燃料電池の一実施例の分解斜視図、第２図および第
４図は第１図に示した内部改質型燃料電池に用いられる
セパレータの平面図、第３図は第２図Ａ−Ａ線断面図、
第５図は第４図Ｂ−Ｂ線断面図、第６図は第１図に示し
た内部改質型燃料電池に外部マニホールド方式を適用し
た実施例、第７図は第１図とは異なる本発明の内部改質
型燃料電池の一実施例の分解斜視図、第８図は従来の内
部改質方式発電と外部改質方式発電を行なったときの電
池電圧と運転時間との関係を示す図、第９図は本発明の
内部改質方式発電と外部改質方式発電を行なったときの
電池電圧と運転時間との関係を示す図、第10図は本実施
例の内部改質型燃料電池を用いた発電プラントの基本構
成の一例を示す模式図。 10……上部ヘッダ、20……下部ヘッダ 31,32……セパレータ、41,42……カソード 51,52……電解質板、61,62……アノード 101,201……発電域 102,202……改質域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 康孝 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭58−129780（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−167959（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−266779（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−193373（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カソード、電解質板およびアノードからな
   る発電域を含んで構成され、且つ、互いに積層される２
   以上のセルと、 供給される燃料ガスを、上記セルの各々に案内する燃料
   ガス流路と、 上記発電域のそれぞれに対応して設けられた、燃料ガス
   を改質する改質域と、を備え、 上記改質域およびこれに対応する発電域は、同一セル面
   内の位置において、上記燃料ガス流路によって供給され
   る燃料ガスの流れの方向に沿って、異なる位置に独立し
   て、上記順序で配設されていること、 を特徴とする内部改質型燃料電池。
2. 【請求項２】発電を行う発電域を備えたセルを２以上積
   層して構成される内部改質型燃料電池において、 各セルは、 燃料ガス導入口から上記発電域に入るまでの第１流路部
   分と、上記発電域を含み、この発電域から燃料ガス排出
   口に至る第２流路部分とからなる燃料ガス流路と、 上記第１流路部分において上記発電域に対応して設けら
   れた、燃料ガスを改質する改質域とをそれぞれ備え、 上記改質域は、それが対応する上記発電域と同一のセル
   面内の異なる領域に配置されていること、 を特徴とする内部改質型燃料電池。
3. 【請求項３】上記改質域は、当該改質域に対応する発電
   域の属するセルに隣接する他のセルの発電域に対して、
   セルの積層方向に重なる位置に配設されていること、 を特徴とする請求項１または２記載の内部改質型燃料電
   池。
4. 【請求項４】カソード、電解質板、アノードおよびセパ
   レータから成るセルを複数個積層して構成した内部改質
   型燃料電池であって、 上記セパレータは、板状体で形成され、この板状体のい
   ずれかの周縁部に、上記板状体の一方の面側で、該面に
   隣接する空間に、該空間に燃料ガスを導入するための燃
   料ガス導入口が設けられ、他のいずれかの周縁部に、上
   記空間からガスを排出するための燃料ガス排出口が設け
   られ、 上記各セルは、上記空間に、燃料ガスを改質する改質域
   と、上記カソード、電解質板およびアノードによりなる
   発電域とを、上記セパレータに沿って、領域を異ならせ
   て形成し、 上記改質域と発電域とは、上記空間の燃料ガス導入口か
   ら改質域、発電域および燃料ガス排出口側の順に連通し
   てガス流路を構成するように配置されること を特徴とする内部改質型燃料電池。
5. 【請求項５】各セルの改質域は、当該セルの積層方向に
   隣接する他のセルの発電域に対して、積層方向に重なる
   位置に配設されていることを特徴とする請求項４記載の
   内部改質型燃料電池。
6. 【請求項６】上記セルとして、第１の種類のセルと第２
   の種類のセルとを有し、第１の種類のセルと第２の種類
   のセルとは、交互に積層され、積層する際の第１の種類
   のセルと第２のセルの種類の向きは、互いに他方の種類
   のセルの改質域と発電域とが交互に隣接して積層される
   ように決められ、かつ、 燃料ガスを各セルに供給するための流路が、上記第１の
   種類のセルと第２の種類のセルについて、それぞれ独立
   に形成されていること を特徴とする請求項２記載の内部改質型燃料電池。
7. 【請求項７】燃料ガス導入口を、積層方向の両端に設
   け、各セルへの燃料ガス供給を、確実にしたことを特徴
   とする請求項３記載の内部改質型燃料電池。
8. 【請求項８】発電を行なう発電プラントにおいて、 少なくとも、燃料電池と、燃料ガス供給源と、酸化剤ガ
   ス供給源と、を備え、 上記燃料電池は、カソードと電解質板とアノードとから
   構成される発電域を備えた１または２以上のセルと、燃
   料ガスを改質する改質触媒を含み、上記発電域のそれぞ
   れに対応して設けられた改質域と、を含んで構成され、 上記改質域のそれぞれは、上記発電域より燃料ガスの流
   れの上流側において、対応する発電域と同一セル面内に
   配置されたこと、 を特徴とする発電プラント。