JPH04334871A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JPH04334871A
JPH04334871A JP3280658A JP28065891A JPH04334871A JP H04334871 A JPH04334871 A JP H04334871A JP 3280658 A JP3280658 A JP 3280658A JP 28065891 A JP28065891 A JP 28065891A JP H04334871 A JPH04334871 A JP H04334871A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体酸化物燃料電池発
電装置において天然ガス供給燃料の改質器と燃料電池ス
タックの仕切手段とを結合した構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】高温固体酸化物電解質燃料電池発電装置
は、米国特許第４，８７６，１６３号及び４，８０８，
４９１号（発明者は共にＲｅｉｃｈｎｅｒ）に開示され
るように周知である。かかる装置では、管状の固体酸化
物電解質燃料電池がアルミナ板のハウジングにより画定
される発電室内に配置されている。大型の発電装置では
、電池束の列間に絶縁性の仕切板を設けるのが普通であ
り、これらの電池束は通常１２から３６個或いはそれ以
上の燃料電池よりなる。この絶縁性仕切板は燃料電池の
個々の列の間に設けてもよい。
【０００３】かかる高温燃料電池では、空気と燃料が反
応して熱と電気が発生する。メタン、エタンのような炭
化水素燃料、天然ガス（ＣＨ３＋Ｃ２Ｈ６）のような炭
化水素の混合物、或いはエチルアルコールのようなアル
コール類を直接使用すると、燃料電池及び発電装置の他
の構成要素上に炭素が被着し、これがガスの移送を妨げ
電気回路をショートさせて燃料電池の効率低下を生ぜし
めることがある。これらの炭化水素燃料ガスは通常、最
初のステップとして水蒸気と混合することによりされて
改質する。即ち、普通は白金或いはニッケルもしくはそ
れらの化合物である解媒によりＣＯとＨ２へ変換させる
。この改質反応は吸熱反応（熱の供給を必要とする）で
あり、固体酸化物燃料電池の動作温度（９００℃乃至１
０００℃）に近い温度で最もよい結果を得ることができ
る。発電機の外部で燃料を改質すると、改質器及び連結
用導管からの熱のロスのようにエネルギーが失われるた
め、システムがさらに高価且つ複雑となり問題がある。 米国特許第４，３７４，１８４号（発明者Ｓｏｍｅｒｓ
　　ｅｔ　　ａｌ．）では、この問題を解決するため管
状の各燃料電池にわざわざ不活性端部を設けてそこで改
質を行わせる。しかしながら、この方法によると燃料電
池スタック内の活性燃料電池領域が著しく減少すること
になる。
【０００４】実用的な発電装置では、吸熱反応である改
質反応に必要な熱を、燃料電池スタック内或いは改質器
内において過大な温度差を生ぜしめずに伝達させること
は困難である。過大な温度勾配の発生を阻止するには燃
料電池への空気流量を燃料との反応に必要な値以上に増
加しなければならない。これらの内部改質法は使用可能
ではあるが、さらに効率のよい内部改質器が必要である
。本発明の主要目的はかかる内部改質器を提供すること
にある。
【０００５】本発明は、複数の、電気接続した、細長い
、管状の燃料電池を有し、各電池が閉端部と開端部を備
えるとともに外側電極、内側電極及びその間の固体酸化
物電解質よりなり、細長い仕切手段が燃料電池間に位置
してそれらを分離し、少なくとも１つの細長い前記仕切
手段が中空であり、該中空仕切手段が中実の細長い壁と
、燃料電池の開端部近くの閉端部と、燃料電池の閉端部
近くの改質可能燃料混合物入口とを有し、改質可能燃料
混合物入口が該中空仕切手段内の少なくとも１つの供給
チャンネルと連結し且つ燃料電池への改質済み燃料出口
を備えた戻しチャンネルと連結し、仕切手段の横断面が
改質用解媒物質を含有することを特徴とする燃料電池発
電装置を提供する。
【０００６】改質済みの燃料は、好ましくは、仕切手段
の閉端部とは反対の仕切手段内の改質済み燃料出口を通
って燃料電池の閉端部近くに流れ、そこから燃料電池の
外側電極と接触するように流れる。改質可能な供給燃料
は仕切手段内の供給チャンネルとして働く供給管の中央
部を流れて仕切手段上部の閉端部へ到達する。改質用解
媒物質は仕切手段の壁の内側或いはその内部もしくは供
給管と仕切手段の内壁との間の中空部に位置させるのが
好ましい。酸化剤は燃料電池の開端部内に挿入された酸
化剤供給管を流れ、内側電極に沿って反対方向へ流れて
燃料電池の開端部で該電池から出る。
【０００７】改質は吸熱反応であるため、本発明の構成
を用いると改質器の熱消費を燃料電池の軸方向長さに沿
って、燃料電池群或いは束の間の複数の位置に分散させ
ることが可能である。かくして、熱交換のための領域が
著しく増加し、酸化剤ガス流により除去すべき余分の熱
が著しく減少する。この構成は、燃料電池間にすでに存
在する空間を利用するため、燃料電池の活性領域を減少
させることはない。燃料混合物入口及び改質済み燃料出
口チャンネルの位置並びに仕切手段の横断面内の流路の
方向は、発電装置の設計や製造条件に基づき選択するこ
とが可能である。
【０００８】以下、中空の改質器−仕切手段の間に３つ
の燃料電池束を有し、１つの中空仕切手段がその内部に
管状の供給チャンネルを備え、もう１つの仕切手段がそ
の内部に供給チャンネルを形成する中実の隔壁を有する
発電装置の一部を示す部分断面図である添付図面を参照
して、本発明をその実施例につき詳細に説明する。
【０００９】
【実施例】図面を参照して、高温電気化学的燃料電池発
電装置１０は、発電室１４と使用済み燃料燃焼／酸化剤
予熱室１６とを有する。好ましくはアルミナの断熱板で
内張した鋼製ハウジングがこれら全てを包囲する。複数
の管状電気化学的燃料電池４０が設けられている。これ
らの電池は、例えば多孔質のニッケル繊維材５４により
その長さ方向に沿って電気的に相互接続され、閉端部４
４と開端部４２とを有する。空気Ａのような酸化剤が開
端部４２内に挿入された供給管２０を介して送り込まれ
、水素及び一酸化炭素のような改質済み燃料が燃料電池
４０の外側を流れる。
【００１０】管状燃料電池４０は、多孔質の外側燃料電
極と、多孔質の内側空気電極と、それらの間のイットリ
ア安定化ジルコニアのような固体酸化物電解質とを有す
る。多孔質の外側燃料電極は、ニッケル／ジルコニアサ
ーメットにより形成し、多孔質セラミック管上に支持さ
れる多孔質の内側空気電極は例えば、亜マンガン酸ラン
タンのようなペロブスカイト族の適当なドーピングを行
った酸化物で形成するのが好ましい。
【００１１】燃料電池の束６０を形成する複数の細長い
燃料電池は、細長い仕切手段により分離されている。細
長い仕切手段の一部を最大厚さ約３ｃｍの多孔性アルミ
ナ繊維布または板の固体状片で形成してもよく、また少
なくとも１つの仕切手段を６２で示すように改質器と仕
切手段が組み合わさったものにしてもよい。これらの２
つの目的を持つ仕切手段６２は図示のごとく中空であり
、必要に応じて多孔質或いは非多孔質の中実で細長い金
属或いはアルミナの壁で図示のように形成してもよい。 改質器−仕切手段の閉端部を６３で示す。
【００１２】各改質器−仕切手段６２は、燃料電池４０
の閉端部４４の近くに天然ガスのような改質可能燃料混
合物Ｆのための入口６４を、また改質器−仕切手段の内
部に任意の形のチャンネルを有する。例えば、管６６或
いは隔壁６８の形状のこのチャンネルにより、改質可能
供給燃料混合物が改質器−仕切手段６２の内部を通って
燃料電池の開端部４２の近くの改質器−仕切手段の上部
の閉端部へ流れ、その後逆方向に流れて燃料電池の閉端
部４４の近くの分配プレナム８２を介して燃料電池へ供
給される改質済み燃料としてそのチャンネルを出る。
【００１３】図示のごとく、中央の改質器−仕切手段の
ように管６６を用いる場合、改質可能燃料混合物は管の
入口６４からその管６６の内部を流れてその頂部７０へ
到達し、そこでその管を出て逆方向に流れを変えその改
質器−仕切手段を下方に流れる。単一の隔壁６８を用い
る場合、改質可能燃料混合物は入口６４から隔壁と仕切
手段の壁とにより形成されるチャンネル内のその隔壁の
一方の側に沿って流れて隔壁の頂部７１に到達し、そこ
で逆方向に流れを変えて隔壁と仕切手段のもう一方の壁
により形成されるチャンネル内を改質器−仕切手段を介
して反対方向に流れる。
【００１４】改質用解媒物質は、仕切手段の横断面内に
おいて、例えば中空仕切手段の側壁７２上またはその内
部の被覆として、或いは管６６と仕切手段の側壁との間
の領域内もしくは隔壁６８によりその一方或いは両方の
側に形成される供給側７６及び／または戻り側７８内の
充填物として配設される。この改質用解媒物質は炭化水
素供給燃料を改質可能な解媒を含み、部分７４、７６ま
たは７８内の床（ｂｅｄ）として用いる場合はガスの流
れを過度に制限するようにぎっしりと充填されないよう
にする。その改質用物質は白金及びニッケルのうちの少
なくとも一方を含有するのが好ましく、最も好ましくは
ニッケルを含む。改質用物質はフィルム状、被膜状或い
は金属繊維状、もしくは高い表面積のペレットまたは粒
子状、またはアルミナフィラメント上の被膜のようなア
ルミナフィラメントを有する等種々の構成にすることが
可能であり、また炭素の沈着を制限するに十分な量の添
加剤を含むようにしてもよい。
【００１５】この改質反応は、改質可能な燃料と水及び
／または二酸化炭素を結合させて改質可能燃料混合物を
生ぜしめ、これが改質用解媒物質と接触して熱環境のも
とで一酸化炭素及び水素が発生させるようなプロセスで
ある。例えば、メタンとエタン（天然ガス）の改質は以
下のように起こる。
【００１６】
【化１】
【００１７】
【化２】
【００１８】
【化３】
【００１９】
【化４】 炭素沈着の可能性を減少させるために燃料混合物に余分
な水を加えるのが普通である。改質終了後、改質済み燃
料８０は仕切手段の外側を通って分配プレナム８２及び
燃料電池底部４４の近くのポート８４を介して燃料電池
４０と接触する。
【００２０】好ましい例では、これらのチャンネルは中
空のアルミナ隔壁板の内部の一連の中空セラミックまた
は耐高温性金属管により形成され、改質用解媒として作
用するニッケル粒子はこれらの管とアルミナ隔壁ボード
の壁との間の領域に含まれている。
【００２１】改質済み燃料は、燃料電池の閉端部近くの
ポート８４を介して発電室１４に流入し、燃料電池の周
面と接触した状態で流れる。この燃料は空気電極から固
体電解質を透過した酸素と電気化学的反応を行い、酸素
が少なくなった状態で多孔質バリア９０に到達する。燃
料の含有量が減少した高温の燃料流はこのバリアを通っ
て予熱室１６に入り、そこでよく知られているように燃
料電池の内側から流れ出た酸素含有量が低下した空気９
２と直接に反応する。この燃料分が減少した燃料流及び
酸素含有量の減少した空気流の感知可能な熱及び反応熱
を利用して流入する空気を予熱する。この燃料−空気の
直接反応生成物は予熱室から排出され、この生成物に含
まれる熱エネルギーは例えば、従来型の金属製熱交換器
内へ流入する反応剤を予熱するために利用すると有利で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、中空の改質器−仕切手段の間に３つの
燃料電池束を有し、その１つの中空仕切手段内に管状の
供給チャンネルが設けられ、且つ別の仕切手段内に燃料
供給チャンネルを形成する中実の隔壁を備えた発電装置
の一部を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０　　燃料電池発電装置 １４　　発電室 １６　　予熱室 ４０　　燃料電池 ４２　　開端部 ４４　　閉端部 ６０　　燃料電池束 ６２　　仕切手段 ６８　　隔壁 ７２　　側壁 ８２　　分配プレナム ８４　　ポート ９０　　多孔質バリア

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　複数の、電気接続した、細長い、管状
    の燃料電池を有し、各電池が閉端部と開端部を備えると
    ともに外側電極、内側電極及びその間の固体酸化物電解
    質よりなり、細長い仕切手段が燃料電池間に位置してそ
    れらを分離し、少なくとも１つの細長い前記仕切手段が
    中空であり、該中空仕切手段が中実の細長い壁と、燃料
    電池の開端部近くの閉端部と、燃料電池の閉端部近くの
    改質可能燃料混合物入口とを有し、改質可能燃料混合物
    入口が該中空仕切手段内の少なくとも１つの供給チャン
    ネルと連結し且つ燃料電池への改質済み燃料出口を備え
    た戻しチャンネルと連結し、仕切手段の横断面が改質用
    解媒物質を含有することを特徴とする燃料電池発電装置
    。
  2. 【請求項２】　　仕切手段内の供給チャンネルが隔壁に
    より形成されていることを特徴とする請求項１に記載の
    発電装置。
  3. 【請求項３】　　仕切手段内の供給チャンネルが少なく
    とも１つの中空の供給管であって、改質可能な供給燃料
    がその中心部を流れることを特徴とする請求項１に記載
    の発電装置。
  4. 【請求項４】　　改質用解媒材料が白金及びニッケルの
    うちの少なくともひとつよりなることを特徴とする請求
    項１に記載の発電装置。
  5. 【請求項５】　　中空仕切手段がアルミナにより形成さ
    れていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  6. 【請求項６】　　改質用解媒物質が中空仕切手段の壁の
    内側またはその内部にあることを特徴とする請求項１に
    記載の発電装置。
  7. 【請求項７】　　改質用解媒材料が隔壁の両側にあるこ
    とを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
  8. 【請求項８】　　改質用解媒物質が隔壁の一方の側にあ
    ることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
  9. 【請求項９】　　改質用解媒物質が供給管と中空仕切手
    段の内壁との間の横断面にあることを特徴とする請求項
    ３に記載の発電装置。
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