JPH03225767A - 内部改質形燃料電池 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、内部改質形燃料電池に関し、特にその長寿
命化に関するものである。

［従来の技術］ 第２図は、例えば特開昭６２−１８６４７１号公報に示
された従来の内部改質形電池の一実施例の一部を示す縦
所面図である。図において、　（１）は電解質層、　（
２）は燃料ガス側電極、　（３）は電解質層（１）を介
在して燃料ガス側電極（２）と対向する酸化ガス側電極
、　　（４ａ）は燃料ガス側電極（２）を支持し且つ発
生した電流を通過せしめる燃料ガス側集電板、　（４ｂ
）は酸化ガス側電極（３）を支持し且つ発生した電流を
通過せしめる酸化ガス側集電板、　（５ａ）、　（５ｂ
）はそれぞれ燃料ガス流路及び酸化ガス流路を形成する
ための燃料ガス側流路形成材及び酸化ガス側流路形成材
、　（６）は燃料ガス側電極（２）に対向して設ける燃
料ガス流路（７）と、酸化ガス側電極（３）に対向して
設ける酸化ガス流路（８）とを分離するセパレータ板、
　（９）は改質触媒、　（１０）は改質触媒（９）と燃
料ガス制電ｉｉｉ　（２）の間に配置され、燃料ガスに
含まれる電解質または電解質から生成した物質を燃料ガ
スから除去する機能を有する電解質除去物質である。

次に、動作について説明する。炭化水素またはアルコー
ル類・スチームを主成分とする燃料ガスが矢印Ｂ方向か
ら供給され、酸素と二酸化酸素を主要成分とする酸化ガ
スが矢印Ａ方向から供給されて、十字流形式でそれぞれ
燃料ガス流路、酸化ガス流路に導入される。燃料ガス中
の炭化水素は改質触媒（９）の作用により下式（１）、
　（２）、（３）に示すように水素及び−酸化炭素を主
成分とする燃料ガスに副生ずる熱エネルギーを直接利用
する。

ＣＨＩ　　＋Ｈ２０−＋ｃ。

＋’３Ｈ２＋４９．３ｋｃａｌ／ｍｏｌ　　　・・（１
）Ｃｎ　Ｈｍ　＋　ｎ　Ｈ２０−＋　ｎ　ＣＯ＋（（ｍ
＋２ｎ）／２）Ｈ２・・　（２）ＣＯ十旧０→ＣＯ２ ＋Ｈ２−９，８ｋｃａｌ／ｍｏｌ　　　　　・・（３）
式（１）、　（２）、　（３）に示す反応に従い、燃料
ガス流路内で生成した水素・−酸化炭素及び矢印Ａで供
給された酸化ガス中の酸素・二酸化炭素はそれぞれ燃料
ガス側集電板（４ａ）酸化ガス側集電板（４ｂ）の穴部
分を拡散し、燃料ガス側電極（２）、酸化ガス側電極（
３）においてそれぞれ次式（４）、　（５）、　（６）
に示すような反応を起こす。

燃料ガス側電極 Ｈ２＋ＣＯ３２−→Ｈ２０＋　Ｃ０２＋　２　ｅ　　　
　（４）ＣＯ＋　Ｈ２０−＋　Ｈ２＋　ＣＯ３・・　（
５）酸化ガス側電極 １／２０２＋　Ｃ０２＋　２　ｅ　−）Ｃ０３２−（６
）これらの化学・電気化学反応を通して燃料ガスの持っ
ている化学エネルギーが電気エネルギーと副生する熱エ
ネルギーとに変換される。さきに述べたように副生ずる
熱エネルギーのほとんどがガス流路内におい、て炭化水
素の分解の反応熱に利用され、大幅な熱効率の改善をも
たらし、これが内部改質方式の特徴の一つとなっている
。

またそれと同時に、改質されたガスが燃料電極で利用さ
れるため、　（１）（２）式の反応が右側に進み、内部
改質形燃料電池では、炭化水素の電池運転温度における
平衡以上に改質率の向上が起こり、供給された炭化水素
のほとんどが改質される。

ここで、改質触媒（９）は例えばアルミナ、マグネシア
を主成分とする担体上に触媒としての活性を有するニッ
ケルを担持させたものである。

般にこのような改質触媒（９）は電解質の汚染に対して
弱く、微量の電解質に汚染されることにより触媒として
の活性が大幅に低下する。この例では、電解質層（１）
に保持されている例えばＬｉ２ＣＯ３やＫ　２　Ｇ　Ｏ
３などの電解質または例えばＬｉＯＨやＫＯＨなどの電
解質から生成した物質が、蒸気または飛沫の形で改質触
媒を汚染し、改質触媒（９）の活性を低下せしめること
を防ぐため、改質触媒（９）と電極（２）との間に電解
質除去物質（１０）を配置している。

また、第３図は、特開平１−１２２５６９号公報に示さ
れた従来の内部改質方式池の他の実施例の一部を示す斜
視図である。図において、　（５ａ）は燃料ガス流路を
形成するための燃料ガス流路形成材、　（７ａ）は燃料
ガス側電極に面している第１の燃料ガス流路、　（７ｂ
）は燃料ガス流路形成材（５ａ）によって燃料ガス側電
極から隔離されている第２の燃料ガス流路を示す。　（
９）は改質触媒、　（１０）は電解質除去物質である。

改質触媒（９）及び電解質除去物質（１０）は燃料ガス
電極から隔離された第２の燃料ガス流路（７ｂ）に充填
されているため、電解質または電解質より生成した物質
を含んだ燃料ガスは、第１の燃料ガス流路（７ａ）より
第２の燃料ガス流路（７ｂ）に、燃料ガス側流路形成材
（５ａ）が備えた穿孔部を通じて供給され、電解質除去
物質（１０）により電解質を除去された後改質触媒（９
）に供給される。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の内部改質形燃料電池は以上のように構成されてい
るので、第２図のように燃料ガス流路のうち電極に面す
る部分に電解質除去物質（１０）が配置されている場合
、電解質除去物質によって、電解質または電解質から生
成した物質が燃料ガスより除去され、電極からの電解質
の蒸発を促進するという問題点があった。第２図で電解
質除去物質（１０）が充填されている部分にかわりに改
質触媒（９）が充填されている場合も同様で、電解質を
取り込む性質のある改質触媒によって、電解質の蒸発が
促進される。

次に、第３図のように、燃料ガス流路のうち電極に接す
る部分が空隙の流路になっている場合、空隙に燃料ガス
が過大に流れ、燃料の分配にアンバランスを生じやすい
。それを避けるため第１の燃料ガス流路（７ａ）及び第
２の燃料ガス流路（７ｂ）に例えば均等に燃料ガスを供
給できるような流路構成を採るとすると、第１の燃料ガ
ス流路の流路径を少なくとも０．５ｍｍ以下にする必要
があるが、この様な形状のコルゲート板を製作すること
は難しく、また高価になるという欠点がある。また、空
隙内の燃料ガス流量が沙ないと、流路内が層流になり燃
料ガス側電極と燃料ガス流路の間のガス交換が不十分に
なることがあるが、これを避けるためには流路内のガス
流れに乱れを生じさせることが望ましい。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、電解質の蒸発による電池特性の劣化を防ぎつ
つ、電池内で均一かつ十分に改質反応及び電池反応を進
行させることが可能な内部改質形燃料電池を得ることを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る内部改質形燃料電池は、燃料ガス流路が
、燃料ガス側電極に面する第１の流路と燃料ガス側電極
から隔離された第２の流路とからなり、第１の流路には
電解質との化学反応性がない物質を充填し、第２の流路
には少なくとも改質触媒を充填したものである。

［作用］ この発明に於いて、燃料ガス流路は電極と面する第１及
び電極から隔離された第２の流路に分けられている。こ
れらの流路の流路抵抗の差は第１の流路に充填された電
解質に対し化学的に反応性かない物質（以下、非反応性
物質と称す）によって制御されている。また、保持され
た非反応性物質は、燃料ガス流路内のガス流れに乱れを
起こして、反応ガスの交換を促進する。燃料ガスが供給
部から下流に流れるに従って、ｊＩ２の流路に充填され
た改質触媒によって改質されたガス、及び電極で使用さ
れたガスは、混合されつつ第１及び第２の流路に適切な
割合で流れるので、均一かつ十分に改質反応及び電池反
応を進行させることができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、　（１）は電解質層、　（２）は燃料ガス
側電極、　（３）は酸化ガス側電極、　（４ａ）は燃料
ガス側集電板、　（４ｂ）は酸化ガス側集電板、　（５
ａ）は燃料ガス流路形成材、　（５ｂ）は酸化ガス流路
形成材、　（７ａ）は燃料ガス側電極に面している第１
の燃料ガス流路、　（７ｂ）は燃料ガス流路形成材（５
ａ）によって燃料ガス側電極から隔離されている第２の
燃料ガス流路、（８）は酸化ガス流路、　（９）は改質
触媒、　（１１）は非反応性物質である。改質触媒（９
）は第２の燃料ガス流路（７ｂ）に、非反応性物質（１
１）は第１の燃料ガス流路（７ａ）に充填されている。

次にこの一実施例による、非反応性物質（１１）を備え
た内部改質形燃料電池の動作について説明する。炭化水
素またはアルコール類を主成分とする燃料ガスのうち、
第２の燃料ガス流路（７ｂ）に流れ込んだガスは、充填
された改質触媒（９）の作用により、式（１）、　（２
）、　（３）に従い水素、−酸化炭素を主成分とする燃
料ガスへの変質が進み、下流のガス流路に流入する。第
１の燃料ガス流路（７ａ）に流入した燃料ガスの変質は
進まないが、ここでは上流で変質された水素・−酸化炭
素を含むガスが燃料電極で電池反応に利用され、さらに
下流の燃料ガス流路へ供される。第１の燃料ガス流路（
７ａ）及び第２の燃料ガス流路（７ｂ）の下流には、別
の第１の燃料ガス流路（７ａ）及び第２の燃料ガス流路
（７ｂ）が位置しており、下流側の第１の流路及び第２
の流路においても同様に改質反応・電池反応にガスが利
用される。上流側の燃料ガス流路より流出したガスが、
下流において第１の燃料ガス流路（７ａ）及び第２の燃
料ガス流路（７ｂ）に流出する量の比率は、第１の燃料
ガス流路（７ａ）に充填された、非反応性物質（１１）
の充填率によって制御することができる。第３図に示さ
れる従来例のように第１の燃料ガス流路が空隙の場合、
第１の燃料ガス流路（７ａ）及び第２の燃料ガス流路（
７ｂ）に例えば均等に燃料ガスを供給できるような流路
構成を採るとすると、適する形状のコルゲート板を製作
することは難しく、また高価になるという欠点があった
のに比べ、この発明によれば非常に簡単な構造により同
様の効果を得ることができる。

このように燃料ガスの第１・第２の流路への分配を制御
することによって、改質反応を均一化でき、温度分布の
小さい内部改質形燃料電池が得られる効果がある。

また、内部改質形燃料電池においては、燃料ガスが改質
された後、すぐに電池反応に供されることによって改質
率の向上が起こることが特徴の一つであることはすでに
述べたが、この方法を利用し燃料ガスの流れを制御する
ことによって、燃料ガスの高い改質率を可能にすること
ができる。さらに、燃料ガス流路内のガス流れに乱れを
起こして、反応ガスの交換を促進する。

また、燃料ガス流路の電極側に充填した物質が。

電解質と反応しないので、電極から蒸発した電解質また
は電解質から生成した物質がその場で直接燃料ガスより
除去されず、電解質の蒸発を促進することがない。

ここで、電解質と化学反応性を持たない物質の例として
、セラミックスでは例えばＭｇＯや低比表面積のＬ　ｉ
　Ａ　Ｉ　Ｏ２、Ａｌ２Ｏ３を挙げることができる。こ
れらの物質の粉末をペレット状あるいはディスク状に成
型した後、焼成することによって、第１の流路に充填す
るのに適した材料を得ることができる。このようにして
得られたＭｇＯペレットを第１の燃料ガス流路（７ａ）
に配置したところ、約２０００時間後の付着電解質量は
０゜０５ｗｔ％以下であり１例えばＮｉ、’ｆ　　Ａｌ
２Ｏ３を主成分とする改質触媒の付着電解質量が、同様
の条件下で８ｗｔ％以上であったのと比較して十分小さ
く、電解質と非反応性の物質としての使用に適している
。また、Ｎｉなどの金属も、第１の流路に充填する物質
として用いることができる。

このように、簡単な電池部材構成で、燃料ガスの高い改
質率を可能にするとともに、電解質または電解質から生
成した物質による汚染による改質触媒の活性低下を防止
し、且つ電解質のロスを押え、長期に安定して運転でき
る。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、燃料ガス流路が、燃
料ガス側電極に面する第１の流路と燃料ガス側電極から
隔離された第２の流路とからなり、第１の流路には電解
質との化学反応性がない物質を充填し、第２の流路には
少なくとも改質触媒を充填したので、電解質の蒸発によ
る電池特性の劣化を防ぎつつ、電池内で均一かつ十分に
改質反応及び電池反応を進行させることが可能な内部改
質形燃料電池が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による内部改質形燃料電池
の要部を一部を切り欠いて示す斜視図。 第２図は従来の内部改質形燃料電池の要部を示す紋所面
図、第３図は別の従来の内部改質形燃料電池の要部を示
す斜視図である。 （１）・・電解質層、　（２）・・燃料ガス側電極、（
３）・・酸化ガス制電゛極、　（４ａ）・・燃料ガス側
集電板、　（４ｂ）・・酸化ガス側集電板、　（５ａ）
　　・・燃料ガス流路形成材、　（５ｂ）・・酸化ガス
流路形成材、　（６）・・セパレータ板、　（７）・・
燃料ガス流路、　（７ａ）・・第１の燃料ガス流路、　
（７ｂ）・・第２の燃料ガス流路、　（８）・・酸化ガ
ス流路、　（９）・・改質触媒、　（１０）・・電解質
除去物質、　（１１）・・非反応性物質、Ａ・・燃料ガ
ス流れ方向、Ｂ・・酸化ガス流れ方向。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電解質層を介在して対向する燃料ガス側電極と酸化ガス
   側電極を有する単電池、及び燃料ガス側電極に対向して
   設ける燃料ガス流路と酸化ガス側電極に対向して設ける
   酸化ガス流路とを分離するセパレータ板を交互に積層す
   るものにおいて、上記燃料ガス流路が、上記燃料ガス側
   電極に面する第１の流路と上記燃料ガス側電極から隔離
   された第２の流路とからなり、第１の流路には電解質と
   の化学反応性がない物質を充填し、第２の流路には少な
   くとも改質触媒を充填したことを特徴とする内部改質形
   燃料電池。