JPH09129257A - 発電装置 - Google Patents

発電装置

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JPH09129257A
JPH09129257A JP7283331A JP28333195A JPH09129257A JP H09129257 A JPH09129257 A JP H09129257A JP 7283331 A JP7283331 A JP 7283331A JP 28333195 A JP28333195 A JP 28333195A JP H09129257 A JPH09129257 A JP H09129257A
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JP
Japan
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fuel
reforming
solid electrolyte
electrode
cell
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JP7283331A
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English (en)
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Akihiro Yamashita
晃弘 山下
Toshihiko Setoguchi
稔彦 瀬戸口
Osao Kudome
長生 久留
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH09129257A publication Critical patent/JPH09129257A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination 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
    • H01M8/0625Combination 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
    • HELECTRICITY
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/247Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電極上に炭素析出が生じて電池反応を阻害する
恐れがある。 【解決手段】複数の単位セル(14)から構成される管状の
内部改質型固体電解質燃料電池(13)と、この燃料電池(1
3)の内側に配置された、改質される前の燃料が供給され
て燃料の改質が行われる燃料供給管(18)とを具備するこ
とを特徴とする発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、内部改質固体電
解質形燃料電池を用いた発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】周知の如く、固体電解質形燃料電池で
は、電極を設けた酸素イオン導電性固体電解質を800
℃から1000℃の高温にして、この固体電解質を隔壁
として、一方に燃料ガスを、もう一方に空気を供給し、
固体電解質の両面に設けた電極において電気化学的反応
を進行させて外部に電力を取り出す。
【0003】燃料ガスとしては、メタンを主成分とした
天然ガス、アルコール類や石炭ガス化ガスを用いる。メ
タンを主成分とした天然ガス、アルコール類燃料ガスを
使用する場合には、水蒸気と反応させて燃料電池の使用
に適する燃料ガスを生成する。その方法としては、燃料
電池供給前に燃料と水蒸気を反応させて水素と一酸化炭
素の混合物に変化させるが、この反応は吸熱反応である
ため熱入力を必要とする。
【0004】その方法として、電池発電装置から発生し
た熱を供給することが考えられるが、発電装置から熱を
供給するために熱移動時の熱損失を最小限にする必要が
ある。そのためには熱交換機の構造や配管が複雑にな
り、熱効率が低下する懸念がある。そこで、改質反応を
燃料電池内部で行うことにより、電池発熱をそのまま改
質反応に供給できるため、発電設備の構造が簡略化さ
れ、熱効率も高くすることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、メタ
ンを主成分とした天然ガス、アルコール類燃料ガスを水
蒸気と反応させて改質する場合には、燃料電池内部で改
質した方が熱効率が高くなる。燃料電池の燃料極には一
般にNi,Coなどの金属酸化物等を使用しているが、
これらの金属酸化物等は改質反応に活性が高い。従っ
て、セルに直接燃料と水蒸気を供給すれば、改質反応が
進行すると同時に、生成した水素や一酸化炭素による発
電が同時に行える。しかしながら、燃料極において直接
的な改質反応を行うと、その条件によっては電極上に炭
素析出が生じるため、電池反応を阻害する恐れがある。
【0006】この発明はこうした事情を考慮してなされ
たもので、固体電解質電気化学セル内部で改質を行う際
に、電池に燃料極以外の箇所で改質反応を進行させ、燃
料極に炭素析出が生じないようにしながら、なおかつ電
池発熱部を燃料改質時の吸熱分に置き換えて、ジュール
全体の発電効率を向上しえる発電装置を提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、複数の単位
セルから構成される管状の内部改質型固体電解質燃料電
池と、この燃料電池の内側に配置された、改質される前
の燃料が供給されて燃料の改質が行われる燃料供給管と
を具備することを特徴とする発電装置である。
【0008】この発明において、前記燃料電池として
は、例えば、酸素イオン導電性の固体電解質膜と、この
固体電解質膜の一方の側に設けられた空気極と、前記固
体電解質膜の他方の側に設けられた燃料極とから構成さ
れ、作動温度が800℃〜1000℃である構成のもの
が挙げられる。
【0009】この発明において、供給される燃料として
は、例えば改質可能な炭素系燃料に水蒸気を添加したも
のが挙げられ、また燃料電池の内側に配置された燃料供
給管内部に改質触媒を充填することができる。
【0010】この発明においては、上述のように構成さ
れるため、燃料極に炭素析出などの損失を与えることな
く、改質ガスによる発電を行うことができる。そのた
め、セル発熱分を改質反応に供給することができるの
で、熱効率が向上し、モジュール全体の発熱効率も向上
することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1及
び図2を参照して説明する。ここで、図1はこの発明の
実施例1に係る発電装置の説明図、図2は図1の発電装
置を構成する燃料電池の単位セルの拡大図である。
【0012】図中の符番1は、側板2と天板3と底板4
とからなる発電装置本体である。この発電装置本体1内
は、上部管板5及び下部管板6により供給ヘッダ7,燃
料排出ヘッダ8及び発電室9に仕切られている。前記天
板2には、前記供給ヘッダ7に燃料と水蒸気を送給する
燃料入口管10が設けられている。前記天板2と上部管板
5には、前記燃料排出ヘッダ8からの排ガスが発電装置
本体1の外部へ排出する排ガス管11が設けられている。
【0013】前記発電室9の内壁には断熱材12が設けら
れ、発電室9の略中心には前記燃料排出ヘッダ8と連通
する管状の内部改質型固体電解質燃料電池13が下部管板
6に支持されて設けられている。前記燃料電池13は複数
の単位セル14から構成されている。ここで、単位セル14
は、酸素イオン導電性の固体電解質膜15と、この固体電
解質膜15の一方の側に設けられた空気極16と、前記固体
電解質膜15の他方の側に設けられた燃料極16とから構成
されている。前記空気極16はLa系のペロブスカイト型
酸化物で、例えばLaSrMnO3 ,LaSrCoO3
が使用される。前記燃料極16はNiOとYSZ(Y2
3 安定化ZrO2 )の混合物で、組成の範囲は重量割合
でNiO:YSZ=5:5〜8:2である。
【0014】前記燃料電池13の下端にはセルキャップ17
が設けられている。前記燃料電池13の内側には、上端が
前記供給ヘッダ7に連通しかつ下端が燃料電池13の底部
の領域と開放状態にある燃料供給管18が前記上部管板5
に支持されて設けられている。この燃料供給管18のガス
入口部分には、改質反応用の触媒層19が充填されてい
る。ここで、炭素系ガスと水蒸気がこの触媒層19を通過
する際に改質反応を行い、水素と一酸化炭素の混合ガス
を電池に供給する。前記触媒層19の温度は、600℃〜
800℃になるようにモジュール内部の熱バランスをと
る。前記底板4には、発電室9に空気を導入する空気導
入管20,発電室9から空気を排出する空気排出管21が夫
々設けられている。
【0015】図3は、触媒の改質効果試験を実施するた
めの装置の説明図である。この装置は実際の燃料電池1
本を模擬した緻密管31の内部にSUS製燃料供給管(φ
8×φ6)32を設置したものである。なお、図中の符番
33は前記緻密管31を収納する磁製管、符番34は前記磁製
管33の外周部に配置された電気炉を示す。この燃料供給
管32の一部に改質触媒を充填し、メタン(0.08〜
0.16Nl/min )及び水蒸気(0.24〜0.49
Nl/min )を水蒸気/炭素のモル比で3になるように
混合したガスを燃料供給管32に供給した。触媒層温度は
約800℃に維持し、ガス流量および触媒量を変化させ
て、触媒層を通過した後のガス組成をガスクロマトグラ
フィーで分析した。
【0016】改質用触媒としては、Al23 やMgA
24 を担体として、これらにNiを担持させたもの
が使用されるが、本実施例では25wt%Ni−75wt%Mg
Al24 を使用した。その結果、図4のように触媒重
量/ガス流量をパラメータとしたメタン改質率曲線が得
られた。同図より、電池作動時の燃料利用率から供給す
るメタン/水蒸気量を決定すれば、任意のメタン改質率
にするために必要な触媒量が算出できる。例として、メ
タン利用率が80%、改質率30%で発電する場合、電
池1本あたり約0.11gの触媒が必要であることが分
かる。
【0017】なお、上記メタン改質率,メタン利用率η
の定義及び触媒量の算出方法は下記の通りである。 i)メタン改質率x x=出口未反応メタン量(Nl/min )/入口供給メタ
ン量(Nl/min ) ii) メタン利用率η:供給したメタンガスのうち発電に
供されたメタンガス量で定義。
【0018】 η=Ve(CH4 )/Vin(CH4 ) …(1) ここで、Ve(CH4 )は発電に使用されたメタンガス
量(Nl/min )、Vin(CH4 )は投入したメタン
ガス量(Nl/min )を示す。
【0019】Ve(CH4 )は次式の8電子反応を用い
て発電時の電流値(I)から計算した。 CH4 +4O2-=CO2 +2H2 O+8e- …(2) Ve(CH4 )[Nl/min ]=22.414[Nl/mol]×I[C/se c ]×60[sec /min ]×15/(8×96485[C/mol])…(3) 但し、 I:電流 [A]=[C/sec ] 15:セル数 [−] 8:反応電子数[−] 96485:ファラデー定数[−] iii)触媒量の算出方法 図4の横軸は触媒量(g)を一定にして、供給ガス量
(Nl/min )を変化させた時の試験結果から算出し
た。SOFCでは改質率が30%以上であれば安定した
発電が期待できるが、この場合の触媒量/ガス量は図4
より0.345g(Nl/min )である。従って、供給
ガス量(メタン+水蒸気)が判れば、必要触媒量が得ら
れる。
【0020】運転条件として燃料利用率が80%、水蒸
気/メタン=3を想定する。この場合の供給メタン流量
Vin(CH4 )は式(1) から求めるが、その際、Ve
(CH4 )は式(3) において電流値が0.2A/cm2
当の電流値(約2.5A)を用いて求める。即ち、 Ve(CH4 )=0.065(Nl/min ) Vin(CH4 )=0.065/0.8=0.081
(Nl/min ) ガス量(メタン+水蒸気)は、 0.081+0.081×3=0.324 触媒量/ガス量は0.345g(Nl/min )であるか
ら、必要触媒量は、 0.345×0.324=0.11(g) このように、上記実施例に係る発電装置においては、固
体電解質燃料電池の内側に設置した燃料供給管18に触媒
層19を設け、600℃〜800℃に維持することによ
り、炭素系燃料と水蒸気の混合ガス及び一酸化炭素に改
質し、発電用燃料として供給することが可能である。ま
た、モジュール内部で吸熱反応である改質を行うため電
池発熱を有効に利用することができ、モジュール全体の
熱効率および発電効率を向上できる。
【0021】
【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
固体電解質電気化学セル内部で改質を行う際に、電池に
燃料極以外の箇所で改質反応を進行させ、燃料極に炭素
析出が生じないようにしながら、なおかつ電池発熱部を
燃料改質時の吸熱分に置き換えて、ジュール全体の発電
効率を向上しえる発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例に係る発電装置の説明図。
【図2】図1の発電装置の一構成である燃料電池の単位
セルの拡大図。
【図3】燃料供給管触媒充填による改質特性試験装置の
説明図。
【図4】メタン改質率と触媒重量/ガス流量との関係を
示す特性図。
【符号の説明】
1…発電装置本体、 2…側板、3…天板、
4…底板、5…上部管板、 6…下部管板、7…供
給ヘッダ、 8…燃料排出ヘッダ、9…発電室、
10…燃料入口管、11…排ガス管、 12…断熱
材、13…燃料電池、 14…単位セル、15…固体電解
質膜、 16…空気極、17…燃料極、 18…燃料供
給管、19…触媒層、 20…空気入口管、21…空気
排出管。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の単位セルから構成される管状の内
    部改質型固体電解質燃料電池と、この燃料電池の内側に
    配置された、改質される前の燃料が供給されて燃料の改
    質が行われる燃料供給管とを具備することを特徴とする
    発電装置。
  2. 【請求項2】 前記燃料電池は、酸素イオン導電性の固
    体電解質膜と、この固体電解質膜の一方の側に設けられ
    た空気極と、前記固体電解質膜の他方の側に設けられた
    燃料極とから構成され、作動温度が800℃〜1000
    ℃であることを特徴とする請求項1記載の発電装置。
  3. 【請求項3】 供給される燃料は改質可能な炭素系燃料
    に水蒸気を添加したもので、燃料電池の内側に配置され
    た燃料供給管内部に改質触媒が充填されていることを特
    徴とする請求項1記載の発電装置。
JP7283331A 1995-10-31 1995-10-31 発電装置 Pending JPH09129257A (ja)

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JP7283331A JPH09129257A (ja) 1995-10-31 1995-10-31 発電装置

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JP7283331A JPH09129257A (ja) 1995-10-31 1995-10-31 発電装置

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JP7283331A Pending JPH09129257A (ja) 1995-10-31 1995-10-31 発電装置

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JP (1) JPH09129257A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998021776A1 (de) * 1996-11-12 1998-05-22 Forschungszentrum Jülich GmbH Brennstoffzelle mit integriertem reformer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1998021776A1 (de) * 1996-11-12 1998-05-22 Forschungszentrum Jülich GmbH Brennstoffzelle mit integriertem reformer

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