(57)【要約】【課題】燃料電池スタックに内部改質器として組み込まれる多孔質水蒸気改質器の改質性能を、高い精度で評価することができる多孔質水蒸気改質器の性能評価装置を提供する。【解決手段】底面３に多孔質水蒸気改質器Ｓが載置される下部装置本体１と、多孔質水蒸気改質器の上面に載置されて当該上面を平坦な下面によって覆うとともに多孔質水蒸気改質器に所定の圧縮力を付与する錘板８と、下部装置本体１の底面３の中央部から多孔質水蒸気改質器Ｓ内に炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを流入させる混合ガス供給路５、６と、多孔質水蒸気改質器を改質温度以上に間接加熱する加熱手段９ａ、９ｂと、下部装置本体１に設けられ、多孔質水蒸気改質器の中央部分から外周部分に向けた複数箇所における温度を計測する温度検出手段１０ａ〜１０ｃを備えてなる。【選択図】図１
2011207683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を担持した平板状の多孔質板からなる水蒸気改質器の性能を評価するための装置であって、
底面上に上記多孔質水蒸気改質器が載置される下部装置本体と、上記多孔質水蒸気改質器の上面に載置されて当該上面を平坦な下面によって覆うとともに当該多孔質水蒸気改質器に所定の圧縮力を付与する錘板と、上記下部装置本体の底面の中央部または上記錘板の中央部から上記多孔質水蒸気改質器内に炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを流入させる混合ガス供給路と、上記多孔質水蒸気改質器を改質温度以上に間接加熱する加熱手段と、上記下部装置本体または錘板に設けられ、上記多孔質水蒸気改質器の中央部分から外周部分に向けた複数箇所における温度を計測する温度検出手段とを備えてなることを特徴とする多孔質水蒸気改質器の性能評価装置。
【請求項２】
上記下部装置本体上に、上記底面上の上記多孔質水蒸気改質器および錘板との間に空間を形成して内部を気密的に封じる上部装置本体が着脱自在に設けられ、かつ上記上下部装置本体のいずれか一方には、多孔質水蒸気改質器の外周から上記空間に流出した改質後の燃料ガスを排出する排出路が形成されているとともに、上記加熱手段は、上記下部装置本体の下面側および上記上部装置本体の上面側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多孔質水蒸気改質器の性能評価装置。
【請求項３】
請求項１に記載の性能評価装置を用いた多孔質水蒸気改質器の性能評価方法であって、
上記底面上に載置された上記多孔質水蒸気改質器に上記錘板によって所定の圧縮力を付与した状態で、上記中央部から炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを流入させ、上記底面と上記錘板との間を外周側に向けて流通させる過程で、上記加熱手段による加熱により当該多孔質水蒸気改質器内で水蒸気改質反応を生成させるとともに、これと併行して上記温度検出手段によって上記多孔質水蒸気改質器の中央部分から外周部分に向けた複数箇所の温度を測定し、当該温度の変化によって上記多孔質水蒸気改質器の性能を評価することを特徴とする多孔質水蒸気改質器の性能評価方法。
【請求項４】
請求項２に記載の性能評価装置を用いた多孔質水蒸気改質器の性能評価方法であって、
上記温度検出手段によって計測された上記多孔質水蒸気改質器の中央部分から外周部分に向けた複数箇所の温度の変化と、上記多孔質水蒸気改質器の外周から上記空間に流出して上記排出路から排出された改質後の燃料ガスの成分分析結果から、上記多孔質水蒸気改質器の性能を評価することを特徴とする請求項３に記載の多孔質水蒸気改質器の性能評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック内に組み込まれて、炭化水素ガスを水蒸気改質することにより燃料ガスとなる水素リッチな改質ガスを生成する多孔質水蒸気改質器の性能評価装置およびこれを用いた評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池スタックは、図６に示すように、固体電解質層２１の一方の面に燃料極層２２が形成されるとともに、他方の面に空気極層２３が形成された発電セル２４と、この発電セル２４の燃料極層２２側に配した多孔質金属からなる燃料極集電体２５と、空気極層２３側に配した多孔質金属からなる空気極集電体２６と、各集電体２５、２６の外側に配したセパレータ２７とで構成された単セルを複数積層するとともに、錘等によって積層方向に一定の圧縮力が付与されることにより構成されている。
【０００３】
ここで、セパレータ２７には、燃料ガスを発電セル２４の燃料極層２２側の面の中心部から燃料極集電体２５に向けて吐出させる燃料通路２８と、酸化剤ガスとしての空気を空気極層２３側の面の中心部から空気極集電体２６に向けて吐出させる酸化剤通路２９とがそれぞれ形成されている。
【０００４】
そして、セパレータ２７の中心部から空気極集電体２６に向けて吐出され空気が、外周方向に拡散しながら発電セル２４の空気極層２６に到達するとともに、燃料極集電体２５に向けて吐出された燃料ガスが、外周方向に拡散しながら発電セル２４の燃料極層２２に到達し、固体電解質２１との界面に到達することにより発電反応が生じるようになっている。
【０００５】
他方、このような燃料電池に使用される原燃料は、通常メタン、プロパン等の炭化水素ガスからなる都市ガスであるため、発電の際には、この炭化水素ガスを、水素ガスを主成分とする燃料ガスに改質してから使用する必要がある。ちなみに、当該改質には、一般的に改質触媒を用いた水蒸気改質法が用いられており、上記燃料電池の外部に改質器を設置する外部改質法と、高温の燃料電池スタックの内部に直接改質器を組み込んだ内部改質法が知られている。
【０００６】
このうち、上記内部改質法は、炭化水素ガスと水蒸気とを燃料電池の燃料極（例えば、ニッケル電極）上で水蒸気改質反応を生じさせ、燃料電池で発生する熱の一部を水蒸気改質反応の吸熱反応として利用するという極めて合理的な方法であり、高効率のシステムを実現できる可能性を持っている。加えて、この吸熱反応により発電時に発生する高温の排熱を吸収するという冷却効果も有するため、特に、固体酸化物形燃料電池の改質法として、近年この内部改質方式が注目されている。
【０００７】
そこで、本発明者等は、先に下記特許文献１において、燃料極層と隣接して配置された多孔質金属からなる燃料極集電体に改質触媒を担持させ、セパレータから原燃料の炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを上記燃料極集電体に供給することにより、上記炭化水素ガスが上記燃料極層に達する前に上記改質触媒により改質反応を行わせて、生成された水素リッチな燃料ガスを燃料極層に界面に行き渡らせるようにした固体酸化物形燃料電池を提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−０４４６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、この種の燃料電池スタックにおいては、多数の単セルが直列的に接続されることによって構成されているために、上記燃料極集電体に改質触媒を担持させて水蒸気改質器としての機能も付与した場合に、特定の単セルにおける上記燃料極集電体の改質性能が他の単セルにおける燃料極集電体配置されたものと比較して極端に低いと、当該単セルの発電性能が局部的に低下することにより、燃料電池スタック全体としての発電効率の低下を招来する。
【００１０】
このため、上記燃料電池スタックを組み立てるに際しては、事前に上記燃料電池スタックに組み込まれる多数の燃料極集電体に対して、互いに所定の改質性能を備えているかを評価しておく必要がある。
【００１１】
しかしながら、上記燃料電池スタックに積層される燃料極集電体にあっては、積層方向に圧縮荷重が付与された状態で、混合ガスがその中心部から外周側へ向けて流れる過程で上記水蒸気改質が行われるものであるために、改質性能を評価するに際しても、実際の燃料電池スタックに組み込まれた状態を再現して評価することが難しいという問題点があった。特に、燃料極集電体の上下面を、一対の部材で挟んで評価試験を行った場合には、加熱による熱膨張等に起因して当該燃料極集電体の上下面と上記部材との間に隙間を生じて混合ガスが漏れる可能性が高く、評価の信頼性が低いという問題点があった。
【００１２】
また、特に上記燃料極集電体に改質性能を付与した場合には、燃料極層の全面にわたって水素リッチな燃料ガスを供給するためには、極力混合ガスが供給された中心部分において上記水蒸気改質の反応が生じることが好ましい。
【００１３】
ところが、外周部から排出された改質後の燃料ガスの成分を分析しても、実際に燃料極集電体の内部において、このような位置で水蒸気改質の反応が生じているか否かを評価するは困難であるという問題点もあった。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックに内部改質器として組み込まれる多孔質水蒸気改質器の改質性能を、実際に燃料電池スタックに組み込まれた状態に近い状態で、高い精度で評価することができる多孔質水蒸気改質器の性能評価装置およびこれを用いた評価方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、改質触媒を担持した平板状の多孔質板からなる水蒸気改質器の性能を評価するための装置であって、底面上に上記多孔質水蒸気改質器が載置される下部装置本体と、上記多孔質水蒸気改質器の上面に載置されて当該上面を平坦な下面によって覆うとともに当該多孔質水蒸気改質器に所定の圧縮力を付与する錘板と、上記下部装置本体の底面の中央部または上記錘板の中央部から上記多孔質水蒸気改質器内に炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを流入させる混合ガス供給路と、上記多孔質水蒸気改質器を改質温度以上に間接加熱する加熱手段と、上記下部装置本体または錘板に設けられ、上記多孔質水蒸気改質器の中央部分から外周部分に向けた複数箇所における温度を計測する温度検出手段とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記下部装置本体上に、上記底面上の上記多孔質水蒸気改質器および錘板との間に空間を形成して内部を気密的に封じる上部装置本体が着脱自在に設けられ、かつ上記上下部装置本体のいずれか一方には、多孔質水蒸気改質器の外周から上記空間に流出した改質後の燃料ガスを排出する排出路が形成されているとともに、上記加熱手段は、上記下部装置本体の下面側および上記上部装置本体の上面側に配置されていることを特徴とするものである。
【００１７】
次いで、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の性能評価装置を用いた多孔質水蒸気改質器の評価方法であって、上記底面上に載置された上記多孔質水蒸気改質器に上記錘板によって所定の圧縮力を付与した状態で、上記中央部から炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを流入させ、上記底面と上記錘板との間を外周側に向けて流通させる過程で、上記加熱手段による加熱により当該多孔質水蒸気改質器内で水蒸気改質反応を生成させるとともに、これと併行して上記温度検出手段によって上記多孔質水蒸気改質器の中央部分から外周部分に向けた複数箇所の温度を測定し、当該温度の変化によって上記多孔質水蒸気改質器の性能を評価することを特徴とするものである。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、請求項２に記載の性能評価装置を用いた多孔質水蒸気改質器の評価方法であって、上記温度検出手段によって計測された上記多孔質水蒸気改質器の中央部分から外周部分に向けた複数箇所の温度の変化と、上記多孔質水蒸気改質器の外周から上記空間に流出して上記排出路から排出された改質後の燃料ガスの成分分析結果から、上記多孔質水蒸気改質器の性能を評価することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１または３に記載の発明によれば、多孔質水蒸気改質器を下部装置本体の底面と錘板との間に挟んで、上記錘板によって所定の圧縮荷重を作用させた状態で、改質温度以上に加熱しつつ、当該多孔質水蒸気改質器の中心部から外周側に向けて炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを流すことにより水蒸気改質反応を生じさせているために、実際に燃料電池スタックに組み込まれた状態に近い状態で、評価試験を行うことができる。
【００２０】
加えて、上記水蒸気改質反応は、吸熱反応であるために、温度検出手段によって上記多孔質水蒸気改質器の中央部分から外周部分に向けた複数箇所の温度を測定し、当該温度の変化を見ることによって、上記多孔質水蒸気改質器の内部における水蒸気改質反応の開始位置を特定することができ、よって高い精度で上記多孔質水蒸気改質器の性能を評価することができる。
【００２１】
さらに、請求項２または４に記載の発明によれば、気密的に設けられた上下部装置本体内に、多孔質水蒸気改質器および錘板を収納して上記水蒸気改質反応を行わせ、改質された燃料ガスを排出路から採りだして成分分析して上記温度変化の情報と併せて評価することにより、一層精度良く上記多孔質水蒸気改質器の性能を評価することが可能になる。
【００２２】
しかも、上下部装置本体内に、空間を形成して多孔質水蒸気改質器および錘板を収納するとともに、加熱手段を下部装置本体の下面側および上部装置本体の上面側に配置しているために、上下部装置本体内の多孔質水蒸気改質器を均一に加熱することができる。さらに、上下部装置本体や錘板が加熱により膨張しても、上記空間により多孔質水蒸気改質器に作用する荷重が変化することがない。このような観点からも、実際の燃料電池スタックに組み込まれた状態に近い状態を再現して評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る多孔質水蒸気改質器の性能評価装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１の下部装置本体の平面図である。
【図３】本発明に係る多孔質水蒸気改質器の性能評価方法の一実施形態を説明するための多孔質水蒸気改質器の径方向における温度変化を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例の結果を示す図表である。
【図５】図４の結果を中心からの距離と温度との関係で表示したグラフである。
【図６】従来の燃料電池スタックの構造を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１および図２は、本発明に係る多孔質水蒸気改質器の性能評価装置の一実施形態を示すもので、評価対象となる多孔質水蒸気改質器Ｓは、多孔質ニッケル焼結体からなる円板状の多孔質体に、改質触媒（例えば、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｉｒ等）を担持させたものであって、燃料電池スタックに内部改質機能を備えた燃料極集電体として組み込まれるものである。
【００２５】
これらの図において、符号１、２が各々ステンレス等の４００〜９００℃の温度で加熱可能な金属によって形成された下部装置本体、上部装置本体である。この下部装置本体１は、上記多孔質水蒸気改質器Ｓの外形寸法よりも大きな外径寸法を有する円板状の底板１ａの外周に、円柱状の側壁が一体形成されるとともに、当該側壁の上端部にフランジ１ｂが形成されたものである。そして、この下部装置本体１の底板１ａの上面には、上記多孔質水蒸気改質器Ｓを載置するための円形の載置面（底面）３が形成されている。
【００２６】
他方、上部装置本体２は、下部装置本体１の底板１ａと同径の天板２ａの外周に、円柱状の側壁が一体形成されるとともに、当該側壁の下端部にフランジ２ｂが形成されたものである。そして、上部装置本体２は、フランジ２ｂにおいて下部装置本体１のフランジ１ｂにボルト４によって着脱可能に設けられている。なお、互いのフランジ１ｂ、２ｂ間には、内部を気密的に封じるためのシール（図示を略す。）が介装されている。
【００２７】
また、下部装置本体１の底板１ａ内には、外部から導入されたメタンやプロパン等の炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを、載置面３の中心に穿設されたガス供給孔５から流出させる混合ガス供給路６が形成されている。さらに、底板１ａの載置面３から外れた外周部には、内部のガスを抜き出すためのガス排出孔（排出路）７が形成されている。
【００２８】
また、この上下部装置本体１、２内には、上記多孔質水蒸気改質器Ｓの上面に載置される錘板８が設けられている。この錘板８は、外形寸法が評価対象となる多孔質水蒸気改質器Ｓとほぼ等しく形成された円板状の部材で、多孔質水蒸気改質器Ｓが燃料極集電体として燃料電池スタックに組み込まれた際に、積層方向に付与される荷重に相当した圧縮荷重が作用する重量に設定されている。ここで、錘板８の外周面と上下部装置本体１、２の内面との間には、空間Ａが形成されている。
【００２９】
他方、下部装置本体１の底板１ａの下面側、および上部装置本体２の天板２ａの上面側には、それぞれ電気ヒータ（加熱手段）９ａ、９ｂが配置されている。
そして、図２に示すように、下部装置本体１の底板１ａ内には、載置面３の中央部分から外周部分に向けて所定間隔をおいた複数箇所（図では、３箇所）に設置されて、多孔質水蒸気改質器Ｓの温度を直接計測する温度測定用熱電対（温度検出手段）１０ａ〜１０ｃが設けられている。
【００３０】
次に、図１〜図３に基づいて、本発明に係る多孔質水蒸気改質器の性能評価方法の一実施形態について説明する。
先ず、上部装置本体２を取り外した状態で、下部装置本体１の載置面３上に評価対象となる多孔質水蒸気改質器Ｓを載置し、その上面に錘板８を設置することにより、多孔質水蒸気改質器Ｓの所定の圧縮荷重を付与する。
【００３１】
次いで、下部装置本体１のフランジ１ｂ上に上部装置本体２のフランジ２ｂを設置してボルト４によって締め付けることにより、上部装置本体２を取り付けた後に、電気ヒータ９ａ、９ｂによって、上下部装置本体１、２を４００〜９００℃に加熱することにより、内部を改質温度以上に昇温させる。
【００３２】
そして、メタンやプロパン等の炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスを、混合ガス供給路６に導入して、載置面３の中心に穿設されたガス供給孔５から多孔質水蒸気改質器Ｓ内へと流出させる。すると、多孔質水蒸気改質器Ｓ内を外周側へと流れる過程において、担持した改質触媒による水蒸気改質反応が生じ、上記混合ガスが水素リッチな燃料ガス（Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２等を含む）に改質されて、空間Ａへと排出されてゆく。
【００３３】
そして、上記燃料ガスは、空間Ａからガス排出孔７を介して抜き出され、その成分が分析されるとともに、流量が測定される。また、これと併行して、温度測定用熱電対１０ａ〜１０ｃにより、当該箇所における多孔質水蒸気改質器Ｓの温度が測定される。
【００３４】
このようにして得られた温度測定用熱電対１０ａ〜１０ｃにおける温度変化から、多孔質水蒸気改質器Ｓの所望の位置において水蒸気改質反応が生じているか否かを評価することができる。ちなみに、上記水蒸気改質反応は、吸熱反応であることから、図３に示すように、載置面３の中心のガス供給孔５から多孔質水蒸気改質器Ｓ内に流出した後、早い段階で当該反応を生じることが好ましい。
【００３５】
具体的には、上記温度測定用熱電対１０ａにおいて、急激に温度が低下し、その後徐々に温度が上昇することが最も好適であると評価することができる。これに対して図中点線で示すように、上記反応開始による早期の温度低下が生じずに、徐々に温度が低下する場合には、触媒性能が低いと評価される。
さらに、燃料ガスの分析結果から、供給した炭化水素ガスに対する水素ガスへの改質効率が表することができる。
【００３６】
以上のように、上記構成からなる多孔質水蒸気改質器の性能評価装置およびこれを用いた性能評価方法によれば、燃料電池スタックに内部改質器として組み込まれる多孔質水蒸気改質器Ｓの改質性能を、錘板８によって多孔質水蒸気改質器Ｓの表裏面に隙間を生じることなく、実際に燃料電池スタックに組み込まれた状態に近い状態で、高い精度で評価することができる。
【００３７】
加えて、上下部装置本体１、２内に、空間Ａを形成して多孔質水蒸気改質器Ｓおよび錘板８を収納するとともに、電気ヒータ９ａ、９ｂを下部装置本体１の下面側および上部装置本体２の上面側に配置しているために、上下部装置本体１、２内の多孔質水蒸気改質器Ｓを均一に加熱することができ、この観点からも、実際の燃料電池スタックに組み込まれた状態に近い状態を再現して評価を行うことができる。
【実施例】
【００３８】
多孔質Ｎｉ焼結体からなる多孔質板と、これに改質触媒としてＮｉを担持させた多孔質水蒸気改質器、あるいは改質触媒としてＲｕを担持させた多孔質水蒸気改質器の３種類の多孔質板について、図１および図２に示した評価装置を用いて水蒸気改質の性能評価を行った。
【００３９】
図４は、当該試験において、温度測定用熱電対１０ａ〜１０ｃにより検出された温度の値、およびガス排出孔７から排出された改質ガスの分析結果を示すものである。
また、図５は、温度測定用熱電対１０ａ〜１０ｃにより検出された温度の値を、載置板３の中心（即ちガス供給孔５）からの距離の変化で示したものである。
【００４０】
これらの図から、多孔質Ｎｉ焼結体のみからなる多孔質板にあっては、当該多孔質板を構成するＮｉに改質触媒としての機能はあるものの、上記改質反応が徐々に生じているために、温度も外周に向けて漸次低下する傾向を示している。このような多孔質板においては、改質することによって得られた水素ガスを、燃料ガスとして燃料極層の全面にわたって到達させることが難しいため、高い評価を与えることができない。
【００４１】
これに対して、担持触媒としてＲｕを用いた多孔質水蒸気改質器において、中心部近傍において最も温度が低くなり、その後徐々に温度が上昇することにより、図３に示した場合と最も近似しており、よって最も好ましい位置において水蒸気改質反応を生じていると評価することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  下部装置本体
２  上部装置本体
３  載置面（底面）
５  ガス供給孔
６  混合ガス供給路
７  ガス排出孔（排出路）
８  錘板
９ａ、９ｂ  電気ヒータ（加熱手段）
１０ａ〜１０ｃ  温度測定用熱電対（温度検出手段）
【図１】
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【図２】
2011207683.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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