JPH0240862A - 内部改質型燃料電池 - Google Patents
内部改質型燃料電池Info
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- JPH0240862A JPH0240862A JP63188463A JP18846388A JPH0240862A JP H0240862 A JPH0240862 A JP H0240862A JP 63188463 A JP63188463 A JP 63188463A JP 18846388 A JP18846388 A JP 18846388A JP H0240862 A JPH0240862 A JP H0240862A
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- catalyst
- reforming
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- 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
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、燃料電池構造、特に炭化水素などの燃料を電
池内で改質しながら発電を行なう内部改質型燃料電池に
関するものである。
池内で改質しながら発電を行なう内部改質型燃料電池に
関するものである。
従来の内部改質型燃料電池は、特開昭６０−３２２５５
号に記載のように、燃料通路に充填された燃料改質触媒
量を、燃料の流れ方向に向かって増大しているので、改
質反応速度の大きい燃料通路入口付近では触媒量が少な
いため、改質反応が抑制され、逆に、反応速度の小さい
出口付近では触媒量が多いため１反応速度は促進され、
その結果、全体として燃料の流れ方向に改質反応が均一
化し、従って吸熱量も均一化するため、電池内温炭分布
を一様化することができるというものであった。
号に記載のように、燃料通路に充填された燃料改質触媒
量を、燃料の流れ方向に向かって増大しているので、改
質反応速度の大きい燃料通路入口付近では触媒量が少な
いため、改質反応が抑制され、逆に、反応速度の小さい
出口付近では触媒量が多いため１反応速度は促進され、
その結果、全体として燃料の流れ方向に改質反応が均一
化し、従って吸熱量も均一化するため、電池内温炭分布
を一様化することができるというものであった。
また特開昭６１−５８１７４号の記載によれば触媒を通
路の入口端と出口端との間の長さ方向に沿った異なる位
置において触媒の活性を変化させることが論じられてお
り、具体的には、触媒の製造過程において触媒担体中の
触媒濃度を調整する方法をとっている。
路の入口端と出口端との間の長さ方向に沿った異なる位
置において触媒の活性を変化させることが論じられてお
り、具体的には、触媒の製造過程において触媒担体中の
触媒濃度を調整する方法をとっている。
上記従来技術のうちのまず前者は、触媒量を流れに沿っ
て変化させるために、燃料通路の幅や深さを流れ方向に
向かって変化させなければならず。
て変化させるために、燃料通路の幅や深さを流れ方向に
向かって変化させなければならず。
燃料通路が構造的に複雑なものとなり、従って製作コス
トの面で不利であった。しかも、この構造では、触媒が
燃料通路を充填しているために、電池の入口、出口間で
大きな圧力損失を招くことになり、効率が落ちることや
酸化剤ガス側との差圧コントロールが難しくなり、信頼
性や電池運転上に関して問題があった。またこの技術で
は充填方式以外の例えば板状触媒を通路゛に配置する方
式には適用できない。さらには、触媒と燃料電極とが近
接しているために、溶融塩による触媒活性の劣化も電池
寿命の面からも問題があった。
トの面で不利であった。しかも、この構造では、触媒が
燃料通路を充填しているために、電池の入口、出口間で
大きな圧力損失を招くことになり、効率が落ちることや
酸化剤ガス側との差圧コントロールが難しくなり、信頼
性や電池運転上に関して問題があった。またこの技術で
は充填方式以外の例えば板状触媒を通路゛に配置する方
式には適用できない。さらには、触媒と燃料電極とが近
接しているために、溶融塩による触媒活性の劣化も電池
寿命の面からも問題があった。
また、上記従来技術のうちの後者は触媒活性を位置によ
って変化させるために、担体中の触媒濃度を調整する方
法も改質触媒の製法が複雑となりその信頼性やコストの
面で問題である。
って変化させるために、担体中の触媒濃度を調整する方
法も改質触媒の製法が複雑となりその信頼性やコストの
面で問題である。
本発明の目的は、甲、純な構成で、しかも製作コストが
極めて安価にして、燃料改質反応の制御を行え、その結
果、電池内の温度分布を一様化することのできる、内部
改質型燃料電池を提供することにある。
極めて安価にして、燃料改質反応の制御を行え、その結
果、電池内の温度分布を一様化することのできる、内部
改質型燃料電池を提供することにある。
上記目的は、燃料入口端と、出口端との間で。
流れ方向に沿って単位電極面積あたりの燃料と触媒との
接触面積を変えるために、燃料通路と触媒との間に、多
孔板を設け、その多孔の開口比を、入口から出口に向か
って、大きくすることにより。
接触面積を変えるために、燃料通路と触媒との間に、多
孔板を設け、その多孔の開口比を、入口から出口に向か
って、大きくすることにより。
達成される。
したがって、本発明の内部改質型燃料電池は、燃料電極
と酸化剤電極とを電解質板を介して対向するように配置
した単位電池、上記燃料電極に対応する燃料通路、燃料
通路内に設置された燃料改質触媒、および上記酸化剤電
極に対応する酸化剤通路を有し、燃料、酸化剤をそれぞ
れ上記通路に供給して燃料を改質しながら発電を行う内
部改質型燃料電池において、上記燃料と触媒との接触面
積を上記燃料の流れ方向に向って拡大したことを特徴と
し、さらに具体的には、燃料通路と触媒間の少なくとも
一部に多孔板を介在せしめ、前記多孔板が介在する箇所
における燃料と触媒との直接接触を前記多孔板の多孔を
通してのみ許容するようにし、かつ、多孔板の多孔の開
口比を燃料通路の燃料の流れ方向である入口から出口に
向って拡大したことを特徴とするものである。
と酸化剤電極とを電解質板を介して対向するように配置
した単位電池、上記燃料電極に対応する燃料通路、燃料
通路内に設置された燃料改質触媒、および上記酸化剤電
極に対応する酸化剤通路を有し、燃料、酸化剤をそれぞ
れ上記通路に供給して燃料を改質しながら発電を行う内
部改質型燃料電池において、上記燃料と触媒との接触面
積を上記燃料の流れ方向に向って拡大したことを特徴と
し、さらに具体的には、燃料通路と触媒間の少なくとも
一部に多孔板を介在せしめ、前記多孔板が介在する箇所
における燃料と触媒との直接接触を前記多孔板の多孔を
通してのみ許容するようにし、かつ、多孔板の多孔の開
口比を燃料通路の燃料の流れ方向である入口から出口に
向って拡大したことを特徴とするものである。
燃料であるメタンの改質反応は、以下の式で表わされる
。
。
ＣＨ４＋ Ｈｚ０ ＃ ＣＯ＋ ３ Ｈｚ
−（１）Ｇ Ｏ＋ ３ Ｈｚ ？：’ ＣＯｚ＋ Ｈ
ｚ −（２）特に（１）式が改質反応速度の律
速段階であり、この反応により大きな吸熱作用が発生す
る。
−（１）Ｇ Ｏ＋ ３ Ｈｚ ？：’ ＣＯｚ＋ Ｈ
ｚ −（２）特に（１）式が改質反応速度の律
速段階であり、この反応により大きな吸熱作用が発生す
る。
さて、触媒層と接しながら燃料が改質反応を行う場合、
ある任意の長さの燃料の通路を通過する際、その出口で
のメタンの転化率は、（１）式を１次可逆反応と考える
と、以下の式で表わされる。
ある任意の長さの燃料の通路を通過する際、その出口で
のメタンの転化率は、（１）式を１次可逆反応と考える
と、以下の式で表わされる。
二二で、ＸＡＯＯは、任意の流路区間の入口のガス組成
、温度、圧力により定まる平衡転化率であり、ＩＡＩは
流路区間の入口でのメタン転化率を表わす。またＸＡＯ
は区間出口でのメタン転化率である。なお、メタン転化
率とは、供給メタンのうち、改質反応により水素生成に
使われたメタンの割合を示すもので、転化率１００％と
は供給メタンがすべて水素の生成に使われたことを示す
。−は、改質反応速度定数であり、Ｓｖは空間速度であ
り。
、温度、圧力により定まる平衡転化率であり、ＩＡＩは
流路区間の入口でのメタン転化率を表わす。またＸＡＯ
は区間出口でのメタン転化率である。なお、メタン転化
率とは、供給メタンのうち、改質反応により水素生成に
使われたメタンの割合を示すもので、転化率１００％と
は供給メタンがすべて水素の生成に使われたことを示す
。−は、改質反応速度定数であり、Ｓｖは空間速度であ
り。
（燃料の体積流量）／（触媒に接する流路の空間体積）
で表わされる。
で表わされる。
従って出口のメタン転化率であるＸＡＯが大きいほどそ
の区間内での改質反応速度が速いことになる。従来の方
法では、このうちの−である改質反応速度定数に変化を
つけることが試みられてきた。
の区間内での改質反応速度が速いことになる。従来の方
法では、このうちの−である改質反応速度定数に変化を
つけることが試みられてきた。
本発明は、ｋｆｆｌはそのままにしておき、Ｓｖの方を
変化させることにより反応速度を制御するものである。
変化させることにより反応速度を制御するものである。
たとえば、単位電極面積あたりの燃料と触媒との接触面
積を小さくすることにより、単位電極面積あたりの触媒
と接する燃料の滞留時間が短くなり、このことは、空間
速度Ｓｖを大きくしたことと等価となる。
積を小さくすることにより、単位電極面積あたりの触媒
と接する燃料の滞留時間が短くなり、このことは、空間
速度Ｓｖを大きくしたことと等価となる。
そこで、開口面積の割合を燃料側入口端から出口端に沿
って順次、大きくした多孔板を、燃料通路と触媒の間に
導入することにより、入口側でのＳｖは大きくなり、出
口側°はＳｖが小さくなる。
って順次、大きくした多孔板を、燃料通路と触媒の間に
導入することにより、入口側でのＳｖは大きくなり、出
口側°はＳｖが小さくなる。
その結果、入口端での改質反応は抑制され、逆に出口側
での改質反応は促進され、全体として、燃料の流れ方向
に改質反応が均一化され、電池内温度分布の一様化が図
れる。
での改質反応は促進され、全体として、燃料の流れ方向
に改質反応が均一化され、電池内温度分布の一様化が図
れる。
第１図はこの発明の一実施例による内部改質型燃料電池
を示す斜視図である。図において、電解質板１、燃料電
極２、酸化剤電極３で構成される単位電池、及び酸化剤
供給のための酸化剤通路４の構造は従来と同じである。
を示す斜視図である。図において、電解質板１、燃料電
極２、酸化剤電極３で構成される単位電池、及び酸化剤
供給のための酸化剤通路４の構造は従来と同じである。
燃料と酸化剤の分離板５の燃料側に、板状の改質触媒層
６が設置され。
６が設置され。
さらに改質触媒層６の燃料通路７側に極く薄い導電性金
属のシートメタル８が触媒層６を覆っている。第２図に
このシートメタルの平面図を示すがシートメタルには穿
孔９が施されており、燃料１０の流れに沿って入口端１
１から出口端１２にかけて、穿孔の開口比が大きくなっ
ている。燃料通路７は、上記シートメタル８と燃料電極
２で構成される空間を流れる。燃料通路７には多孔波板
１３が備わり燃料電極２を支持するとともに、改質した
燃料の一部は多孔板の小孔を通って燃料電極表面に達す
る。
属のシートメタル８が触媒層６を覆っている。第２図に
このシートメタルの平面図を示すがシートメタルには穿
孔９が施されており、燃料１０の流れに沿って入口端１
１から出口端１２にかけて、穿孔の開口比が大きくなっ
ている。燃料通路７は、上記シートメタル８と燃料電極
２で構成される空間を流れる。燃料通路７には多孔波板
１３が備わり燃料電極２を支持するとともに、改質した
燃料の一部は多孔板の小孔を通って燃料電極表面に達す
る。
次に動作について説明する。従来と同様、燃料通路７に
メタンなどの炭化水素と水蒸気が供給されると、改質触
媒層との接触により水素、−酸化炭素及び炭酸ガスが生
成されるにの際、本発明においては、燃料と触媒との接
触面積が穿孔の数により、燃料の流れ方向に沿って、増
大するようになっているため、単位電極面積あたりの触
媒層との接触時間が、流れ方向の任意の位置で異なる。
メタンなどの炭化水素と水蒸気が供給されると、改質触
媒層との接触により水素、−酸化炭素及び炭酸ガスが生
成されるにの際、本発明においては、燃料と触媒との接
触面積が穿孔の数により、燃料の流れ方向に沿って、増
大するようになっているため、単位電極面積あたりの触
媒層との接触時間が、流れ方向の任意の位置で異なる。
もう少し正確に言えば、全面に均一な接触面積を有する
場合に比べて入口部付近は、接触時間が短かくなり、逆
に出口付近は接触時間が長くなる。
場合に比べて入口部付近は、接触時間が短かくなり、逆
に出口付近は接触時間が長くなる。
したがって、改質反応の反応速度の大きい燃料通路７の
入口付近では接触時間が短かいために、その間に改質さ
れる燃料は減る方向に向かう。
入口付近では接触時間が短かいために、その間に改質さ
れる燃料は減る方向に向かう。
逆に改質反応速度の小さい出口付近では接触時間が長く
なるため、改質される燃料は増える方向に向かう。吸熱
量は改質された燃料流量に比例することから、燃料の流
れ方向に燃料の改質量が均一化し、したがって吸熱量も
均一化することから。
なるため、改質される燃料は増える方向に向かう。吸熱
量は改質された燃料流量に比例することから、燃料の流
れ方向に燃料の改質量が均一化し、したがって吸熱量も
均一化することから。
電池内温度分布が一様化する。
第３図には、単位電極面積あたりの触媒層との接触面積
が、電池全面に対し、均一な場合（破線で示す）と燃料
の流れ方向に沿って、４区画に分け、入口側から、接触
面積を前者の１／４．１／２．３／４．４／４と順に増
やした場合（実線で示す）との、セル中央部での燃料側
入口端から出口端にかけての温度分布を比較した結果を
示す。
が、電池全面に対し、均一な場合（破線で示す）と燃料
の流れ方向に沿って、４区画に分け、入口側から、接触
面積を前者の１／４．１／２．３／４．４／４と順に増
やした場合（実線で示す）との、セル中央部での燃料側
入口端から出口端にかけての温度分布を比較した結果を
示す。
これらの温度分布は、いずれも、電気化学反応、改質反
応及び伝熱モデルを組み合わせた電池の温度分布解析に
よる計算結果の一例を示すが、明らかに、本実施例によ
る温度分布の改善の効果が表われていることがわかる。
応及び伝熱モデルを組み合わせた電池の温度分布解析に
よる計算結果の一例を示すが、明らかに、本実施例によ
る温度分布の改善の効果が表われていることがわかる。
第４図は他の実施例を示す内部改質型燃料電池の一部の
斜視図であり、上記実施例では、シートメタルを導入し
ていたが、該シートメタルは用いずに多孔波板１３のみ
で触媒接触面積を制御しようとするものである。多孔波
板１３は側面１５には穴が空いていても空いていなくて
もよいが、少なくとも燃料電極３と接する波形凸部１４
には電極へのガス拡散用の穴がおいている必要がある。
斜視図であり、上記実施例では、シートメタルを導入し
ていたが、該シートメタルは用いずに多孔波板１３のみ
で触媒接触面積を制御しようとするものである。多孔波
板１３は側面１５には穴が空いていても空いていなくて
もよいが、少なくとも燃料電極３と接する波形凸部１４
には電極へのガス拡散用の穴がおいている必要がある。
そして触媒層６と接する波形凹部１６には、第５図の波
形板１３の平面図に示すように、燃料１゜の入口端１１
から出口端１２に向かって、穿孔数が増加し、結果とし
て開口面積が流れに沿って大きくなる。なお、燃料通路
７ａは触媒層の接触面積は制御できないが、もう一方の
通路７−ｂでは。
形板１３の平面図に示すように、燃料１゜の入口端１１
から出口端１２に向かって、穿孔数が増加し、結果とし
て開口面積が流れに沿って大きくなる。なお、燃料通路
７ａは触媒層の接触面積は制御できないが、もう一方の
通路７−ｂでは。
穿孔９により接触面積を変えることが可能であり、全体
としてみれば上記実施例と同様に、触媒層の接触面積は
燃料下流側はど増大する。本実施例では上記実施例のよ
うなメタルシート８といった部材が不必要となり、さら
にコストの低減が図れる。
としてみれば上記実施例と同様に、触媒層の接触面積は
燃料下流側はど増大する。本実施例では上記実施例のよ
うなメタルシート８といった部材が不必要となり、さら
にコストの低減が図れる。
以上のように本発明によれば、燃料通路における燃料の
流れ方向に、触媒層との接触面積を上記燃料の流れ方向
に向かって大きくしたことにより。
流れ方向に、触媒層との接触面積を上記燃料の流れ方向
に向かって大きくしたことにより。
電池全体で燃料改質反応を均一化でき、その結果、従来
より低コストで電池内の温度分布を一様化することがで
きる内部改質型燃料電池が得られる効果がある。
より低コストで電池内の温度分布を一様化することがで
きる内部改質型燃料電池が得られる効果がある。
第１図は本発明の一実施例による内部改質型燃料電池の
一部を示す斜視図、第２図は本発明の実施例に係わるシ
ートメタルの平面図、第３図は本発明の一実施例におけ
る効果を示す電解質板温度分布の解析結果、第４図はこ
の発明の他の実施例の電池の斜視図、第５図は本発明の
他の実施例に係わる多孔波板の平面図である。 １・・・電解質板、２・・・燃料電極、３・・・酸化剤
電極、４・・・酸化剤通路、５・・・分雛板、６・・・
改質触媒層、７・・・燃料通路、８・・・メタルシート
、１３・・・多孔波ア１−トペロから／ｌ規粉化′−４
た距焉坦嘉４図 高Ｓ口 令！１０
一部を示す斜視図、第２図は本発明の実施例に係わるシ
ートメタルの平面図、第３図は本発明の一実施例におけ
る効果を示す電解質板温度分布の解析結果、第４図はこ
の発明の他の実施例の電池の斜視図、第５図は本発明の
他の実施例に係わる多孔波板の平面図である。 １・・・電解質板、２・・・燃料電極、３・・・酸化剤
電極、４・・・酸化剤通路、５・・・分雛板、６・・・
改質触媒層、７・・・燃料通路、８・・・メタルシート
、１３・・・多孔波ア１−トペロから／ｌ規粉化′−４
た距焉坦嘉４図 高Ｓ口 令！１０
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、燃料電極と酸化剤電極とを電解質板を介して対向す
るように配置した単位電池、上記燃料電極に対応する燃
料通路、燃料通路内に設置された燃料改質触媒、および
上記酸化剤電極に対応する酸化剤通路を有し、燃料、酸
化剤をそれぞれ上記通路に供給して燃料を改質しながら
発電を行う内部改質型燃料電池において、上記燃料と触
媒との接触面積を上記燃料の流れ方向に向つて拡大した
ことを特徴とする内部改質型燃料電池。 ２、燃料通路と触媒間の少なくとも一部に多孔板を介在
せしめ、前記多孔板が介在する箇所における燃料と触媒
との直接接触を前記多孔板の多孔を通してのみ許容する
ようにしたことを特徴とする請求項１記載の内部改質型
燃料電池。 ３、多孔板の多孔の開口比を燃料通路の燃料の流れ方向
である入口から出口に向つて拡大したことを特徴とする
請求項２記載の内部改質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63188463A JPH0240862A (ja) | 1988-07-29 | 1988-07-29 | 内部改質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63188463A JPH0240862A (ja) | 1988-07-29 | 1988-07-29 | 内部改質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0240862A true JPH0240862A (ja) | 1990-02-09 |
Family
ID=16224152
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63188463A Pending JPH0240862A (ja) | 1988-07-29 | 1988-07-29 | 内部改質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0240862A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999044248A1 (de) * | 1998-02-27 | 1999-09-02 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Gasverteiler für eine brennstoffzelle |
| WO2000031813A1 (de) * | 1998-11-23 | 2000-06-02 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Brennstoffzelle mit zuführung eines betriebsmittels über eine gelochte platte |
| US7374838B2 (en) | 2003-06-10 | 2008-05-20 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell with fluid distribution layer having non-uniform permeability |
| JP2008235026A (ja) * | 2007-03-20 | 2008-10-02 | Toshiba Corp | 燃料分布調整方法、燃料分布調整膜、燃料分布調整膜の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法 |
| EP1722436A3 (en) * | 1997-12-18 | 2009-04-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and bipolar separator for the same |
| US7572537B2 (en) | 1997-12-18 | 2009-08-11 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and separator for the same |
| JP2021093340A (ja) * | 2019-12-12 | 2021-06-17 | 株式会社エフ・シー・シー | 燃料電池システム |
-
1988
- 1988-07-29 JP JP63188463A patent/JPH0240862A/ja active Pending
Cited By (11)
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