(57)【要約】第１の面及びそれに対向する第２の面と、第１の面とそれに対向する第２の面とを結合する側壁と、側壁にある入口ポート及び出口ポートとを含む格納容器を有する燃料改質装置。格納容器の中に、触媒を支持する板構体及び複数のバッフルも配置される。主バッフルは、側壁の入口ポートと出口ポートとの間の場所から格納容器の中へ延出する。主バッフルは、格納容器及び板構体と協働して、入口ポートから改質装置を通って出口ポートまで燃料ガスを流すための流路を規定する。格納容器の内部において、側壁及び主バッフルのうち一方から少なくとも第１の方向付けバッフルが延出し、板構体及び格納容器と協働してガス流路を変更する。高い電池性能を実現するように、高温の燃料電池を内部改質するために、最適化熱管理のための所望の段階的触媒装填パターンが定義されている。
2008522942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面及び前記第１の面に対向する第２の面と、前記第１の面とそれに対向する前記第２の面とを結合する側壁と、前記側壁にある入口ポート及び出口ポートとを有する格納容器と、
前記格納容器の内部に配置された触媒を支持する板構体と、
前記側壁の前記入口ポートと前記出口ポートとの間の場所から前記格納容器の中へ延出し、前記格納容器及び前記板構体と協働して、前記入口ポートから前記改質装置を通って前記出口ポートまで燃料ガスを流すための流路を規定する主バッフルと、前記格納容器の内部で前記側壁及び前記主バッフルのうち一方から延出し、前記格納容器及び前記板構体と協働して、前記流路を変更する少なくとも第１の方向付けバッフルとを具備する複数のバッフルと
を具備する燃料改質装置。
【請求項２】
前記第１の方向付けバッフルは前記側壁から延出し、前記改質装置は、前記格納容器の内部で前記主バッフルから延出し、前記格納容器及び前記板構体と協働して前記流路を変更する第２の方向付けバッフルを含む請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記第１の方向付けバッフルは、前記側壁の前記出口ポートに隣接する場所から延出し、前記第２の方向付けバッフルは、前記主バッフルの前記出口ポートから離間した場所から延出する請求項２記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記側壁は、第１の側壁部分及び前記第１の側壁部分に対向する第２の側壁部分と、第３の側壁部分及び前記第３の側壁部分に対向する第４の側壁部分とを具備し、前記第１の側壁部分は、前記第３の側壁部分及び前記第４の側壁部分の両端部のうち第１の組の端部の間に結合され、前記第２の側壁部分は、前記第３の側壁部分及び前記第４の側壁部分の両端部のうち第２の組の端部の間に結合され、前記入口ポート及び前記出口ポートは、前記出口ポートが前記入口ポートより前記第４の側壁部分に近接するように、前記第１の側壁部分に存在し、前記主バッフルは、前記第１の側壁部分の前記入口ポートと前記出口ポートとの間の場所から、前記第３の側壁部分及び前記第４の側壁部分に対して離間する関係で、前記格納容器の前記第２の側壁部分から離間した場所まで延出し、前記第１の方向付けバッフルは、前記第４の側壁部分から前記主バッフルの方向に延出し、前記第２の方向付けバッフルは、前記主バッフルから前記第４の側壁部分の方向に延出する請求項３記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記板構体は、第１の板、第２の板及び第３の板を含み、前記第１の板は、前記主バッフルと前記第３の側壁部分との間に配置され、前記第２の板は、前記格納容器内部の前記主バッフルの端部と前記第２の側壁部分との間に配置され、前記第３の板は、前記主バッフルと前記第４の側壁部分との間に配置され、前記第１の板、前記第２の板及び前記第３の板、並びに前記主バッフル及び前記格納容器は、前記入口ポートと連通する入口部分と、前記出口ポートと連通する戻り部分と、前記入口部分を前記出口部分に接続する折り返し部分とを規定し、前記主バッフルの前記端部、前記第１の方向付けバッフル及び前記第２の方向付けバッフルは、前記流路が前記戻り部分の中央領域に向かって移動するように促進する請求項４記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記戻り部分の幅は前記入口部分の幅より広い請求項５記載の燃料改質装置。
【請求項７】
前記主バッフルの前記端部は、前記第４の側壁部分に向かって、前記第４の側壁部分が前記第２の側壁部分に結合している角部から離間するように屈曲された第１のセグメントと、前記第１のセグメントから伸び、前記第４の側壁部分及び前記角部に向かって屈曲された第２のセグメントとを具備する請求項５記載の燃料改質装置。
【請求項８】
前記主バッフルの前記端部の前記第１のセグメント及び前記第２のセグメントは、前記戻り部分の中央領域に向かう前記流路の動きを助けるような長さを有する請求項７記載の燃料改質装置。
【請求項９】
前記第１のセグメント及び前記第２のセグメントは等しい長さを有する請求項８記載の燃料改質装置。
【請求項１０】
前記第２の板は三角形であり、前記第２の側壁部分に隣接する底辺と、前記底辺の両端部から前記格納容器の中へ延出して頂点で結合する第１の辺及び第２の辺とを有し、前記第１の板はほぼ矩形であり、その一辺は、前記第２の板の前記第１の傾斜した辺の第１のセグメントに当接し、それに追従するように傾斜され、前記第３の板はほぼ矩形であり、その一辺は、前記第２の板の前記第１の傾斜した辺の残るセグメント及び前記第２の板の前記第２の傾斜した辺に当接し、それに追従するように傾斜され、前記主バッフルの前記端部の前記第１のセグメントは、前記第２の板の前記第１の傾斜した辺の前記残るセグメントに当接する前記第１の板の辺の部分と、前記第２の板の前記第１の傾斜した辺の前記残るセグメントとの間に配置され、前記主バッフルの前記端部の前記第２のセグメントは、前記第２の板の前記第２の傾斜した辺の一部と、前記第２の板の前記第２の傾斜した辺の前記一部に当接する前記第３の板の前記傾斜した辺の部分との間に配置される請求項７記載の燃料改質装置。
【請求項１１】
前記板構体は、前記入口部分及び前記折り返し部分の入口に触媒が存在しないように触媒を支持し、前記折り返し部分の残る部分及び前記戻り部分は、前記流路に沿って所定の態様で変化する触媒を収容する請求項７記載の燃料改質装置。
【請求項１２】
前記戻り部分は、前記流路に沿って配置された複数の区画部分を具備し、前記区画部分の各々は、所定の触媒密度を有する請求項１１記載の燃料改質装置。
【請求項１３】
前記複数の区画部分は、
前記折り返し部分に当接する第１の区画部分と、
燃料の前記流路に沿って前記第１の区画部分に隣接して配置された第２の区画部分と、
前記流路に沿って前記第２の区画部分に隣接して配置された第３の区画部分と、
前記第３の区画部分及び前記出口ポートに隣接する第４の区画部分とを具備する請求項１２記載の燃料改質装置。
【請求項１４】
前記折り返し部分の前記残る部分及び前記戻り部分は、前記第２の区画部分及び前記第３の区画部分において、冷却速度が前記折り返し部分の前記残る部分及び前記第１の区画部分より速くなるように触媒を収容する請求項１３記載の燃料改質装置。
【請求項１５】
前記折り返し部分の前記残る部分は、第１の密度の触媒を収容し、前記戻り部分の前記第１の区画部分は、前記第１の密度より高い第２の密度の触媒を収容し、前記戻り部分の前記第２の区画部分は、前記第２の密度より高い第３の密度の触媒を収容し、前記第３の区画部分及び前記第４の区画部分は、前記第３の密度より高い第４の密度の触媒を収容する請求項１４記載の燃料改質装置。
【請求項１６】
前記第３の密度は、前記流路に沿って増加するような可変密度を有する請求項１５記載の燃料改質装置。
【請求項１７】
前記第１の板、前記第２の板及び前記第３の板の各々は波形である請求項５記載の燃料改質装置。
【請求項１８】
前記主バッフル及び前記格納容器は、前記入口ポートと連通する入口部分と、前記出口ポートと連通する戻り部分と、前記入口部分を前記出口部分に接続する折り返し部分とを規定し、前記主バッフルの前記端部、前記第１の方向付けバッフル及び前記第２の方向付けバッフルは、前記戻り部分の中央領域に向かう前記流路の動きを助ける請求項４記載の燃料改質装置。
【請求項１９】
前記板構体は、前記入口部分及び前記折り返し部分の入口に触媒が存在しないように触媒を支持し、前記折り返し部分の残る部分及び前記戻り部分は、前記流路に沿って所定の態様で変化する触媒を収容する請求項１９記載の燃料改質装置。
【請求項２０】
第１の面及び前記第１の面に対向する第２の面と、前記第１の面とそれに対向する前記第２の面とを結合する側壁と、前記側壁にある入口ポート及び出口ポートとを有する格納容器と、
前記格納容器の内部に配置された触媒を支持する板構体と、
前記格納容器の内部に配置され、前記格納容器及び前記板構体と協働して、前記入口ポートから前記改質装置を通って前記出口ポートまで燃料ガスを流すための流路を形成するバッフル構体とを具備し、
前記改質装置が燃料電池スタック構体で使用される場合、前記燃料電池スタック構体の燃料排出口に隣接する前記燃料スタック構体の部分における冷却を少なくし、前記燃料電池スタック構体の中央部で冷却を最大にし、前記燃料電池スタック構体の燃料入口において冷却が増加するのを促進するように、前記改質装置が前記スタック構体を冷却させるように、前記バッフル構体及び前記板構体において支持される前記触媒が配置される燃料改質装置。
【請求項２１】
請求項１記載の燃料改質装置を有する燃料電池構体であって、
複数の燃料電池を有する燃料電池スタック構体を更に具備し、前記燃料電池の各々はアノード及びカソードを含み、前記改質装置は、前記改質装置の前記出口ポートが前記燃料電池スタック構体の前記アノードと連通するように、前記燃料電池スタック構体に組み込まれる燃料電池構体。
【請求項２２】
請求項４記載の燃料改質装置を有する燃料電池構体であって、
複数の燃料電池を有する燃料電池スタック構体を更に具備し、前記燃料電池の各々はアノード及びカソードを含み、前記改質装置は、前記改質装置の前記出口ポートが前記燃料電池スタック構体の前記アノードと連通するように、前記燃料電池スタック構体に組み込まれる燃料電池構体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に、このような燃料電池と共に使用するための燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄積された化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、帯電イオンを伝導する働きをする電解質により分離されたアノード及びカソードを具備する。燃料電池は、アノードに反応体である燃料ガスを通し、カソードには酸化ガスを通すことにより動作する。有用な電力レベルを発生するために、各燃料電池の間に導電性セパレータプレートを挟持する形態で多数の個別の燃料電池が直列に積み重ねられる。
【０００３】
燃料電池において、電気化学反応を受ける前に燃料電池のアノードで使用する水素を発生するために、通常、メタン、石炭ガスなどの炭化水素燃料は改質される。内部改質型燃料電池においては、燃料電池スタックの内部に蒸気改質触媒が配置され、高価で複雑な改質装置を必要とせずに炭化水素燃料を直接使用できる。更に、吸熱改質反応を利用できるので、燃料電池スタックの冷却を促進することができ、好都合である。
【０００４】
直接内部改質及び間接内部改質を採用する内部改質型燃料電池が開発されている。直接内部改質は、活性アノード室の内部に改質触媒を配置することにより実現される。直接内部改質の主な欠点は、触媒が燃料電池の電解質にさらされ、その結果、燃料電池の性能が著しく劣化する可能性があることである。電解質の汚染を回避することを意図して直接内部改質技術が改善されたが、燃料電池構造が複雑であるために高価であること、特殊な材料が必要であること及び改質触媒の有効性が低下することなどの別の欠点が生じた。
【０００５】
第２の改質技術である間接内部改質は、燃料電池スタックの内部の隔離されたチャンバに改質触媒を配置し、改質ガスをこのチャンバから燃料電池のアノード室の中へ搬送することにより実現される。しかし、間接内部改質の欠点は、別個の導管システムが必要であること、燃料電池スタックが高価であること及び燃料漏れを起こしやすいことなどである。
【０００６】
現在の技術は、直接内部改質及び間接内部改質の双方を含む燃料電池のハイブリッド構体（アセンブリ）を利用する。米国特許第６，２００，６９６号公報は、そのようなハイブリッド構体を説明する。この特許によれば、間接内部改質装置は、ほぼＵ字形の通流（フロー）経路を有するように設計されており、それにより、燃料折り返しマニホルドの内部に入口燃料供給管も含めることができるので、システム燃料漏れの危険性は軽減される。しかし、この構成においては、通流場（フローフィールド）及び触媒分布が最適化されていないため、燃料電池板の縁部の付近に大きな温度勾配が発生する。本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／２６９，４８１号公報に記載される別の構体の場合には、ほぼＵ字形の通流経路を有し、改質触媒を支持する板構体（プレートアセンブリ）と、改善された通流場を板構体と協働して形成する柔軟なバッフルとを含む改善された改質装置が提供される。'４８１号出願のバッフル及び板構体は、格納容器を、入口部分、折り返し部分、戻り部分及び出口部分を含むいくつかの部分に分割する。'４８１号出願の柔軟なバッフルは、密封を改善して、改質装置からのガス漏れを防止する。バッフルは、ガスの流れを板の所定の複数の領域へ導くように配置される。更に、'４８１号出願の改質装置における改質触媒は、改質装置の入口部分から折り返し部分のある場所に至るまでは触媒が存在せず、折り返し部分のその場所から戻り部分に沿って、所定の割合で触媒の量が変化しながら触媒を含むようなパターンに従って配置される。
【特許文献１】米国特許第６，２００，６９６号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１０／２６９，４８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した'４８１号出願の構体は、通流場及び触媒分布を改善する。その結果、構体内部における自然温度分布を抑制し、板の最も温度の高い領域をより強く冷却することにより、構体における改質の不均一性及び温度勾配が減少される。しかし、電気化学加熱及び改質冷却は非常に複雑な相互作用であるので、板の最高温度領域は、必ずしも、'４８１号出願の改質装置において規定されるような最も強い冷却を必要とする領域ではない。例えば、板の所定の領域に対する燃料フロー（燃料フロー）及び冷却を増加する際には、燃料電池の最高温度の場所並びにその電流密度が考慮されなければならない。更に、構体内部の温度分布を調整する場合には、動作寿命の間の異なる時点における構体の温度分布を考慮に入れるべきである。
【０００８】
従って、本発明の目的は、改質装置構体における燃料通流場及び触媒分布を更に改善することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、性能及び耐久性が向上された改質装置構体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の原理に従って、上記の目的及びその他の目的は、第１の面及びそれに対向する第２の面と、第１の面とそれに対向する第２の面とを結合する側壁と、側壁にある入口ポート及び出口ポートとを含む格納容器を有する燃料改質装置において実現される。格納容器の中には、触媒を支持する板構体及び複数のバッフルも配置される。バッフルは、主バッフルと、少なくとも第１の方向付けバッフルとを含む。主バッフルは、側壁の入口ポートと出口ポートとの間の場所から格納容器の中へ延出し、格納容器及び板構体と協働して、入口ポートから改質装置を通過して出口ポートまで燃料ガスを流すための流路を規定する。第１の方向付けバッフルも、側壁及び主バッフルのうち一方から格納容器の中へ延出し、格納容器及び板構体と協働して、流路を変更する。
【００１１】
以下に開示される本発明の実施形態においては、第１の方向付けバッフルは側壁から延出し、改質装置は、同様に主バッフルから格納容器の中へ延出する第２の方向付けバッフルを含む。第２の方向付けバッフルは、格納容器及び板構体と協働して、同様に流路を変更する。本実施形態においては、格納容器、板構体及び主バッフルは、入口ポートと連通する入口部分と、出口ポートと連通する出口部分と、入口部分と出口部分とを接続する折り返し部分とを規定する。第１の方向付けバッフルは、出口ポートに隣接するように戻り部分に配置され、第２の方向付けバッフルは、出口ポートから離間するように戻り部分に配置される。主バッフルの端部は、前記ガス流路が戻り部分の中央領域に向かう動きを促進するように構成される。更に、開示される実施形態においては、触媒は、戻り部分の中央領域で所望の冷却を実現するように所望の態様で板構体に装填される。
【００１２】
第１の面及びそれに対向する第２の面と；前記第１の面とそれに対向する前記第２の面とを結合する側壁と；前記側壁にある入口ポート及び出口ポートとを有する格納容器と；前記格納容器の内部に配置された触媒を支持する板構体と；前記格納容器の内部に配置され、前記格納容器及び前記板構体と協働して、前記入口ポートから改質装置を通過して前記出口ポートまで燃料ガスを流すための流路を規定するバッフル構体とを具備し、改質装置が燃料電池スタックにおいて使用される場合、燃料電池スタックの燃料排出口に隣接する燃料電池スタックの部分では冷却を少なくし、スタックの中央部において冷却を最大にし、スタックの燃料入口で冷却が増加するのを促進するように、改質装置が燃料電池スタックを冷却させるように、バッフル構体及び板構体において支持される触媒が構成される燃料改質装置を提供することも、本発明の範囲に包含される。また、改質装置は、直接改質触媒に吸熱電位を供給するために、適切な量の未改質ガスを供給する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の原理に従った改質装置１００を示す平面図である。改質装置１００は、第１の面１Ａ及びそれに対向する第２の面１Ｂを有する外側ハウジング又は外側箔１を具備し、第１の面１Ａ及び第２の面１Ｂの周囲は、それらの面を結合して密封ハウジングを形成するように２つの面の間に延出する側壁１Ｃにより結合されている。側壁１Ｃは、第１の側壁部分１Ｃ１及びそれに対向する第２の側壁部分１Ｃ２と、第３の側壁部分１Ｃ３及びそれに対向する第４の側壁部分１Ｃ４とを含む。図示される構成の場合、側壁部分１Ｃ１は、側壁部分１Ｃ３及び１Ｃ４の両端部のうち第１の組の端部の間に延出し、側壁部分１Ｃ２は、側壁部分１Ｃ３及び１Ｃ４の両端部のうち第２の組の端部の間に延出する。
【００１４】
ハウジング１は、波形板金を素材とした複数の板２Ａ〜２Ｃを具備する板構体２を収納又は封入する。改質装置１００の入口（インレット）ポート４及び出口（アウトレット）ポート５は、ハウジング１の側壁部分１Ｃ１により形成される改質装置１００の同一の面１０１に配置される。それらのポートは、互いに隣接し且つ互いに隔離されている。
【００１５】
燃料電池スタックにおいて使用される場合、図１に示される複数の改質装置１００は、スタックの燃料電池２０２から成る複数の電池群と交互に重なり合うように配列される。そのような構成が図２に示される。図からわかるように、各改質装置１００の面１０１は、燃料電池スタック２００の面２０１の一部を形成する。燃料電池２０２のアノードチャンバ入口も、スタック２００の面２０１に配置される。
【００１６】
図２を参照して説明すると、燃料ガスは、複数のプレナム３０１と各プレナム３０１に接続された供給管部分３０２及び３０３とを具備する改質装置燃料デリバリー（送り出し）システム３００を介して改質装置１００に供給される。各々のプレナム３０１は、対応する改質装置１００の入口ポートに装着される。燃料ガスは、共通の燃料入口ヘッダパイプ３０４から各改質装置１００の供給管部分３０２及び３０３に供給され、供給管部分から関連するプレナム３０１に供給される。その後、燃料ガスは、各プレナム３０１から入口を通って対応する改質装置へ送り出される。
【００１７】
図２に示されるように、燃料ガス及びオキシダントガスは、互いに直交するように流れながら、スタック２００の燃料電池２０２を通過する。燃料ガスは、燃料電池スタック２０２の面２０１を経て改質装置１００及び燃料電池２０２へ送り出されるが、この面２１０は、燃料折り返しマニホルド２０３により被覆される。燃料折り返しマニホルド２０３は、改質装置燃料送り出しシステム３００と、改質装置１００の入口ポート４及び出口ポート５とを包み込むことにより、燃料送り出しシステム３００における少量の漏れによる燃料の損失を防止するように機能する。更に、図示されるように、燃料電池スタック２００は、スタック２００から出た排出オキシダントガスを受け取るマニホルド２０５及び排出燃料ガスを受け取るマニホルド２０６を含む。
【００１８】
図２に示される燃料電池スタック構体はハイブリッド内部改質構体であり、間接内部改質装置１００に加えて、直接内部改質のために、燃料電池２０２のアノードチャンバにも改質触媒が設けられる。従って、図１の改質装置１００から出た未改質の燃料は、その後、燃料電池２０２のアノードチャンバにおいて全て改質される。
【００１９】
そこで図１を参照すると、図１に示される改質装置１００は矩形の形状を有し、図から理解できるように、改質装置１００の寸法は燃料電池スタックの横断面の寸法に相当する。改質装置１００の四隅にはＡ〜Ｄの文字が付されており、燃料電池スタック２００のそれぞれの角部に対応する。改質装置１００の角部Ａは改質装置１００の燃料ガス入口に隣接し、燃料ガス入口面及びオキシダント入口面に隣接する燃料電池スタックの角部に対応する。改質装置１００の角部Ｂは改質装置１００の改質ガス出口に隣接し、スタックの燃料ガス入口面及びオキシダントガス出口面に隣接する燃料電池スタックの角部（コーナー）に対応する。改質装置１００の角部Ｃは、スタックの燃料ガス出口面及びオキシダントガス出口面に隣接するスタックの角部に対応する。改質装置１００の角部Ｄは、オキシダントガス入口面及び燃料ガス出口面に隣接する燃料電池スタックの角部に対応する。
【００２０】
図１に示されるように、改質装置１００に備えられた、金属板による波形板２Ａ〜２Ｃは、ハウジング１と協働して、ほぼＵ字形の燃料ガス流路を形成するように配置される。板２Ｂは三角形であるが、板２Ａ及び２Ｃはほぼ矩形の形状を有する。板２Ａの幅は板２Ｃより狭い。板２Ａの先端部は、板２Ａと板２Ｂとの境界面において板２Ｂの第１の傾斜面に当接し、その傾斜面の形状に追従するように傾斜している。板２Ｃの先端部も、板２Ｂと板２Ｃとの境界面において板２Ｂの第１の傾斜面における残りの部分に当接し、その部分の形状に追従するように同様に傾斜している。板２Ｃの先端部は、その先で、板２Ｂの第２の傾斜面に当接し、その傾斜面の形状に追従するように更に傾斜している。尚、この第２の傾斜面は、第１の傾斜面に隣接して位置する。
【００２１】
この構成により、金属板を素材とした波形板２Ａ〜２Ｃが形成する流路は、入口ポート４から板２Ａ（改質装置１００の「入口部分」１０２）の長さに沿ってガスを流通させる。その後、ガスは、板２Ａと板２Ｂとの境界面において９０°方向転換した後板２Ｂ（改質装置の「折り返し部分」１０３であり、板２Ａの幅が狭いため、この部分の幅は、入口部分１０２より広い）の長さに沿って流れる。ガスは、板２Ｂと板２Ｃとの境界面で再び９０°方向転換し、板２Ｃ（改質装置１００の「戻り部分（リターンセクション）」１０４）の長さに沿って、入口部分とは逆の方向に流れる。改質装置の戻り部分１０４は、４つの区画部分１０４Ａ〜１０４Ｄに分割され、それらの区画部分は、戻り部分１０４の第１の区画部分１０４Ａが折り返し部分１０３に隣接し、第４の区画部分１０４Ｄが改質装置１００の出口５に隣接する。
【００２２】
改質装置１００の入口部分１０２を戻り部分１０４から隔離すると共に、折り返し部分１０３において更にガスの方向付けを行うために、改質装置１００は主バッフル６を具備する。主バッフル６は、板構体２及びハウジング１と更に協働してガス流路を規定する。図示されるように、バッフル６は、ハウジング１の両側の面１Ａ及び１Ｂの間に延出し、板２Ａと板２Ｃとの境界面のほぼ全体及び板２Ｂと板２Ｃとの境界面の一部、すなわち、板２Ｂの第１の傾斜面と、第１の傾斜面から延出する第２の傾斜面の一部とを含む境界面の部分に沿って方向付けられている。従って、バッフル６は、燃料ガスが入口部分１０２から改質装置の戻り部分１０４に直接流入するのを防止するのを助け、その代わりに、ガスが折り返し部分１０３を通って流れるように方向付ける。図１に示される実施形態においては、板２Ｂの第２の傾斜面の一部を含む境界面の部分に沿って延出するバッフル６のセグメントは、’４８１号特許出願の図１に示されるバッフルの同じセグメントより短く形成されている。図示される構成の場合、このセグメントは、板２Ｂの第１の傾斜面に沿って延出するバッフル６のセグメントと同じくらい短く形成される。その結果、折り返し部分１０３から戻り部分１０４の中央へ、より多くの量のガスが搬送される。
【００２３】
改質装置１００がこのような構成であるとき、燃料ガスは、プレナム３０１を経て入口ポート４に入り、戻り部分１０４の中へ漏れ出すことなく、入口部分１０２に沿って流れる。次に、燃料ガスの流れは、バッフル６並びに板２Ａ及び２Ｂにより方向付けられて９０°方向転換し、改質装置の角部Ｃの方向へ折り返し部分１０３に沿って流れる。その後、燃料ガスは再び９０°方向転換し、戻り部分１０４に沿って流れ、出口ポート５を経て改質装置１００から排出される。
【００２４】
Ｕ字形流路に沿って改質装置１００の中を流れる間に、燃料ガスは吸熱改質作用を受け、それにより、燃料電池スタックの周囲領域において冷却効果を発生する。理解されるように、改質装置１００の任意の特定領域における吸熱改質作用の速度は、燃料電池スタックの対応する領域に与えられる冷却の量を決定する。改質装置の特定領域における改質速度を左右する要因の中には、改質装置のその領域に到達する燃料ガスの量があるが、燃料フローを調整することにより制御できる。
【００２５】
改質装置１００を通って流れる燃料ガスの通流場の調整を改善するために、改質装置は、改質装置１００の戻り部分に配置された第１の方向付け出口バッフル７及び第２の方向付け出口バッフル８を具備する。以下に更に詳細に説明されるように、それらのバッフルは、ハウジング１及び板構体２と協働して、Ｕ字形流路を所望の通りに変更する。
【００２６】
図示されるように、第１の出口バッフル７は、ハウジング１の面１Ａと面１Ｂとの間で、バッフル６から改質装置の戻り部分１０４の中へ延出し、バッフル６に対してほぼ垂直である。図１に示される実施形態においては、第１の出口バッフル７は、戻り部分１０４の第４の区画部分１０４Ｄに、改質装置１００の出口ポート５から離間した関係で配置される。第２の出口バッフル８も、ハウジング１の面１Ａと面１Ｂとの間で、ハウジングの側壁部分１Ｃから戻り部分１０４の中へ延出する。図１に示されるように、第２の出口バッフル８は、改質装置１００の出口ポート５に隣接している。しかし、板２Ｃの戻り流路において所望の燃料フローを実現するように、出口バッフル７及び８の場所は、戻り部分１０４における燃料ガスの流路に沿って変更されてもよい。
【００２７】
以下に更に詳細に説明されるように、スタックの所定の領域に対して集中冷却を実行するために、出口バッフル７及び８は、戻り流路１０４の中央を通して燃料の流れを案内するように作用する。特に、第１の出口バッフル７は、バッフル６の付近で又はバッフル６に隣接して、戻り経路１０４を流れる燃料ガスの流路に障壁を形成し、その燃料ガスを戻り経路１０４におけるガスの流れとは反対の方向へ押出そうとする。その結果、戻り経路１０４において、バッフル６に沿って側方の側壁部分１Ｃ４の方向へ流れ、戻り経路１０４の中央部分に向かう燃料ガス経路を方向付ける通流場が形成される。
【００２８】
第２の出口バッフル８は、改質装置１００のハウジング１の側壁部分１Ｃ１の付近を流れる又は側壁部分１Ｃ１に隣接して流れる燃料ガスの流路に同様の障壁を形成する。このバッフル８も、燃料ガス流路を障壁６に向かって押出し、更に戻り経路１０４の中央に向かって押出そうとする通流場を形成する。このようにして、出口バッフル７及び８は、改質装置１００から出る燃料ガスの混合を改善して、均一なガス濃度を実現する。第１の出口バッフル７は、更に、戻り経路１０４を通って流れる改質燃料ガスがバッフル６のセパレータ縁部を通って滑るのを防止し、一方、第２の出口バッフル８は、燃料ガスが改質装置１００の角部Ｂの付近の低温領域へ流れるのを阻止しようとする。
【００２９】
改質反応は触媒により促進されるので、改質装置１００の特定領域における改質反応速度を左右する別の要因は、改質触媒の量である。従って、改質反応を助け、それにより冷却効果を促進するために、触媒は改質装置の内部に効果的に分散される。分散される改質触媒は、触媒のペレット、タブレット及び他の任意の形態であってよい。
【００３０】
図３は、先に説明した直交流ガス配置を有する燃料電池スタック２００において使用される改質装置１００に改質触媒を装填するためのパターンの一例を示す図である。本発明によれば、改質触媒は改質装置１００内部に分散され、燃料電池スタックの選択領域を冷却し且つ燃料電池スタックにおいて改質装置が使用されるときの温度分布を改善するための燃料ガス改質分布を実現する。特に、温度分布が改善されると、その結果、スタックの最高温度の領域が最高の電流密度を有するスタックの領域と重なり合う事態を防止するような冷却が実行される。改質触媒の装填パターンは、バッフル６並びに出口バッフル７及び８と共に、そのような改善された温度分布を実現し、燃料電池スタックの寿命の間、所定の領域を冷却する。
【００３１】
図３に示されるように、改質装置は、スタック２００のオキシダント入口面２０４に沿って延出する入口部分１０２には触媒を含まない。この配置は、オキシダント入口面２０４に沿ったスタック２００の過剰冷却を回避し、更に、流入する燃料ガスをオキシダント入口からの熱によって温めるための熱交換器として改質装置を動作させる。更に、改質装置の入口部分１０２に隣接する折り返し部分１０３の角区画部分１０３Ａにも、触媒は存在しない。
【００３２】
更に図３に示されるように、触媒の装填は、折り返し部分１０３の一部で、改質装置の戻り部分１０４全体に沿って開始される。改質装置のそれらの領域は、スタックの温度及び電流密度がより高くなるスタックの領域に位置している。改質触媒は活性が非常に高いため、改質装置のそれらの領域において、燃料の流路に沿って装填量を徐々に増加することが望ましい。
【００３３】
特に、装填されている触媒の密度は、折り返し部分の区画部分１０３Ｂにおいて、非常に低い装填密度で始まっており、戻り部分１０４の第１の区画部分１０４Ａへとこの装填密度が続いている。この区画部分１０４Ａにおける触媒の装填密度はわずかに高くなるが、それでも相当に低い。区画部分１０３Ｂ及び１０４Ａにおける触媒装填密度を低くすることにより、スタックの燃料排出領域における改質装置の過剰冷却が防止され、それらの区画部分は、より高い温度となる。更に、改質装置の区画部分１０３Ｂ及び１０４Ａは、スタックの低電流密度領域に相当する。区画部分１０３Ｂ及び１０４Ａに高温を引き寄せることにより、高温領域がスタックの多数の低電流密度領域に分散されるので、燃料電池スタックの最高温度が制御される。また、改質装置１００の区画部分１０３Ｂ及び１０４Ａを高温にすると、メタン改質速度が速くなる。その結果、それらの区画部分に続く戻り部分１０４の区画部分における冷却が増し、それにより、スタック２００の最高温度が低下する。スタック２００の低温領域に相当する改質装置の角部Ａと高温区画部分１０３Ｂ及び１０４Ａとが離間していることも、燃料電池スタックにおける温度勾配を減少するのを助ける。
【００３４】
図３からわかるように、戻り部分の第２の区画部分１０４Ｂにおいて、触媒装填密度は更に増加する。燃料電池スタックの対応する領域で均一な温度を維持するためには、触媒密度が燃料フローの方向に徐々に増加するように、第２の区画部分１０４Ｂにおいて、触媒の分割装填を使用することが望ましい。区画部分１０４Ｂの触媒装填密度を徐々に高くすることにより、燃料電池の発熱によって、スタックの冷却が調整される。
【００３５】
改質装置の残る２つの区画部分１０４Ｃ及び１０４Ｄは、第２の区画部分１０４Ｂの触媒密度を上回る高い触媒装填密度を有する。区画部分１０４Ｃの触媒密度が高く、それにより、スタックの対応する領域における冷却が増すことは、スタックの高電流密度領域を高温領域から分離するのを助け、スタックの最高温度を低下するのを促進する。同時に、区画部分１０４Ｄの触媒密度が高いことにより、特に、アノードチャンバにおける直接改質触媒が劣化した後、アノード入口側の冷却が増補される。
【００３６】
ここで示される装填パターンの例の場合、改質装置の区画部分１０３Ｂでは１／１２の触媒装填密度が使用され、区画部分１０３Ｂの装填面積の１／１２が改質触媒を含み、区画部分１０４Ａは１／５の触媒装填密度を有する。更に図３に示されるように、区画部分１０４Ｂにおける触媒の分割装填は、区画部分１０４Ｂの第１の区画部分１０４Ａに隣接する部分では装填密度を１／４とし、区画部分１０４Ｂに沿って燃料フローの方向に密度を１／３まで徐々に増加することにより実現される。区画部分１０４Ｃ及び１０４Ｄにおいて、触媒密度は２／３まで更に増加される。
【００３７】
上述のような改質装置１００の構成は、改質装置１００の内部における燃料の流れを改善し、燃料電池スタック２００の内部における温度分布を改善する。特に、燃料電池スタックの内部における自然温度分布は、通常、改質装置１００の角部Ａの付近の領域で最も低く、角部Ｃの付近の領域で最高になる。先に挙げた’４８１号出願で説明される改質装置構成は、この自然温度分布を抑制して角部Ｃの付近で冷却を増補し、それにより、この角部の付近でスタックが本来受ける最高温度の影響を減少する。図４Ａは、’４８１号出願の改質装置の熱管理構造を示す概略図である。図４Ａからわかるように、燃料ガスを改質装置１００の角部Ｃに向かって方向付けるために改質装置１００内のバッフル６を使用し、’４８１号出願において説明されているような方式に従って触媒を配置することにより、燃料ガス出口及びオキシダントガス出口の付近の領域におけるスタックの冷却が向上されている。更に、アノードチャンバの中に配置された直接改質触媒により、スタックの燃料ガス入口領域に沿った冷却が実現される。更に、図４Ａに示されるように、’４８１号出願の構成により、燃料電池スタックの高温ゾーンは、スタックの高電流密度ゾーンの付近にあり、部分的に高電流密度ゾーンと重なり合うスタックの中央領域に位置することになる。高温度ゾーンと高電流密度ゾーンとが重なり合うと、電池における局所加熱が悪化し、スタック中に局所的に極めて高い温度を誘発する。これにより、最大電流密度は制限され、スタックの電力出力は限定される。更に、スタックの燃料電池による燃料利用率は、そのような重なり合いにより制限されるので、スタック２００全体の効率が低下する。
【００３８】
先に説明したように、図１及び図３に示される改質装置１００のバッフル配列及び触媒分布は、燃料電池スタックにおける高温ゾーンをスタックの燃料ガス出口及びオキシダントガス出口の領域に向かって押出す。図４Ｂは、本発明に従った図１及び図３の改質装置の熱管理構造を示す概略図である。
【００３９】
図４Ｂに示されるように、スタックの高温ゾーンは、スタックの燃料ガス出口側、すなわち、改質装置の角部Ｃの方向に移動され、間接内部改質冷却ゾーンは、スタックの中央領域に位置している。更に、スタックの高電流密度ゾーンは、燃料ガス入口に更に近接し、直接内部改質冷却ゾーンは、スタックの燃料ガス入口領域から離間するように移動されている。その結果、スタックの内部における冷却ゾーンと高電流密度ゾーンとの重なり合いが大きくなる。前述のように、改質装置１００の折り返し部分１０３Ｂ及び戻り部分の第１の区画部分１０４Ａにおいて改質触媒の装填密度を低くすることにより、それらの部分では改質反応速度が遅くなるため、それらの部分はより温度の高いゾーンになる。また、改質装置の折り返し部分１０３の領域にある短いバッフル６の部分、並びに出口バッフル７及び８により形成される障壁は、戻り部分の中央へより多くの燃料ガスを送り出す。燃料ガスは、改質装置の区画部分１０４Ｂ及び１０４Ｃのより高い触媒密度とあいまって、この領域における改質反応の速度を増加する。従って、改質装置の戻り部分１０４の中央領域で更に強い冷却が実行されることになり、それにより、図４Ｂに示されるような冷却ゾーンが形成される。
【００４０】
以下に更に詳細に説明されるように、図１及び図３に示される改質装置構成は、燃料電池スタックで使用される場合、燃料電池スタックにおける最高温度を低下すると共に、温度勾配を減少する。特に、スタックの最高温度は約２０℃、すなわち、'４８１号出願の改質装置を採用するスタックの場合の６９５℃の最高温度から約６７７℃まで低下する。更に、本発明による改質装置を採用するスタックにおける温度勾配は約１００℃であるが、'４８１号特許出願のスタックにおける温度勾配は約１２５℃である。また、本発明による改質装置を使用すると、スタック電流密度は２５％増加するので、そのようなスタックを利用する燃料電池発電装置における電力出力も増加し、燃料利用率は約４％改善される。加えて、改質装置１００を採用するスタックにおける燃料利用率は、'４８１号出願の構造と比較して５％増加される。
【００４１】
'４８１号特許出願の改質装置構成と比較して、本発明による改質装置を採用する燃料電池スタックにおける温度分布がどのように改善されるかは、図５Ａ〜図５Ｄに示される。特に、図５Ａは、'４８１号出願の改質装置構造を採用する燃料電池スタックにおける温度分布の線輪郭図を示す。図５Ａに示される温度分布は、図４Ａの熱管理方式に対応する。図５Ａに示されるように、スタックの高温ゾーンは、燃料電池スタックのほぼ中央部分に位置する。スタックの最高温度は約６８５℃である。更に、図５Ａに示されるように、スタックの温度は、改質装置の角部Ｃに対応するアノード出口及びカソード出口に隣接するスタック角部の付近でより低く、これは、図４Ａに示される間接内部改質冷却ゾーンに対応する。更に、スタックの燃料入口側に沿った低温は、アノード内部の直接内部改質及び図４Ａのアノード直接内部改質冷却ゾーンに対応する。
【００４２】
図５Ｂ〜図５Ｄは、スタックの動作寿命中の異なる時点における本発明による図１の改質装置を採用する燃料電池スタックの温度分布の線輪郭図を示す。特に、図５Ｂは、スタック動作寿命の開始時（「寿命開始時」）におけるスタックの温度分布を示し、図５Ｃは、スタック動作寿命の半ば（「寿命半ば」）における同一のスタックの温度分布を示し、図５Ｄは、スタック動作寿命の終了時（「寿命終了時」）におけるスタックの温度分布を示す。
【００４３】
図５Ｂに示されるように、スタックの寿命開始時には、燃料出口及びオキシダント出口に隣接するスタックの角部の付近の領域における温度が最高である。スタックのこの領域は、図４Ｂに示される高温ゾーンに対応する。更に図５Ｂに示されるように、スタックの中央領域は追加冷却されるため、この領域の温度は、図５Ａに示されるスタックの同一の領域の温度と比較して、少なくとも２０℃低下している。図５Ｂからわかるように、スタックの温度分布はより均一になっており、特にスタックの中央領域と、スタックの燃料入口面に沿って、温度勾配が減少している。更に図５Ｂからわかるように、スタックの最高温度は、図５Ａに示される６８５℃から約６６５℃まで低下し、それにより、スタックの異なる領域の間の温度偏差も減少する。
【００４４】
燃料電池スタックの動作時間と共に、図５Ｂに示される温度分布は変化する。そこで図５Ｃを参照すると、約２０，０００時間の動作を経た後の寿命半ばのスタックの温度分布が試験された。図示されるように、スタックの中央領域の温度は、約６６５℃までわずかに増加した。同時に、高温ゾーンは、燃料出口及びオキシダント出口に隣接するスタックの角部の付近の領域に依然として存在するが、その領域が取り囲むスタックの面積は縮小したことがわかる。従って、スタックの動作の半ばの時点においては、スタックの高温ゾーンは、スタックの燃料入口側の方向へ移動し始め、図４Ｂの冷却ゾーンに対応するスタックの中央部分は、わずかな温度上昇を受けたことがわかる。しかし、スタックの最高温度は約６６３〜６６５℃のままであった。
【００４５】
図５Ｄは、約３５，０００時間の動作を経た後のスタックの寿命終了時における温度分布を示す。図からわかるように、スタックの寿命終了時の高温ゾーンは、スタックの燃料入口側に向かって更に移動しており、最高温度は６７５℃に達した。この温度分布は、燃料入口付近のアノードチャンバにおける直接改質触媒の消耗に起因する。
【００４６】
図５Ｂ〜図５Ｄの温度分布からわかるように、図５Ａにおける温度分布と比較して、本発明の構造は、スタックの寿命中に最高温度を著しく上昇させることなく、燃料入口付近の直接改質触媒の老化を遅延する。更に、スタックの寿命を通して、スタックの温度勾配は小さいままに維持される。
【００４７】
図６は、図１の改質装置１００の内部における燃料ガス通流場の線輪郭図である。図示されるように、図６のＸ軸は改質装置１００の長さを表し、Ｚ軸は改質装置１００の幅を表す。図６は、戻り部分１０４の中央領域で燃料フローが増加することを実証する。バッフル６は、改質装置１００の戻り部分の中央へ、角部Ｃへ送り出す燃料より多くの量の燃料を送り出すことがわかる。また、燃料ガス流れは、バッフル７及び８の周囲に沿って方向付けられ、戻り部分１０４の戻り流路の中央に向かって押出されることも明らかである。
【００４８】
前述したように、バッフル、特に出口バッフル７及び８を使用することにより、改質装置における燃料ガスの混合が増加するため、改質装置１００から出て燃料折り返しマニホルド２０３に流入する燃料ガスの濃度は、更に均一になる。その結果、燃料折り返しマニホルド２０３に入る燃料ガス中の未改質燃料、すなわち、未改質メタンの濃度の均一性が改善される。均一性が増すことにより、スタック２００の燃料電池アノードにおける温度勾配は減少する。
【００４９】
図７Ａ及び図７Ｂは、改質装置の出口部分及び燃料折り返しマニホルドにおけるメタン分布を示す線輪郭図である。特に、図７Ａ及び図７Ｂは、バッフルの使用により、メタン濃度の均一性が向上することを実証する。図７Ａは、改質装置を通して燃料ガスを方向付けるためにバッフルを採用しない改質装置におけるメタン分布を示す。図７Ｂは、板２Ａ及び板２Ｃの境界面のほぼ全面に沿って延出するバッフルを含む改質装置におけるメタン濃度を示す。
【００５０】
図７Ａに示されるように、燃料折り返しマニホルドの内部のメタンの濃度に約７％の偏差があり、メタン濃度は、燃料折り返しマニホルドの中央部分（１１．３３％）より、改質装置の角部Ａの付近で著しく高い（１８．９５％）。このように、燃料折り返しマニホルドにおいてメタン分布が不均一であると、燃料電池のアノードチャンバに流入する燃料ガス中のメタン濃度も同様に不均一になる。すなわち、スタックのオキシダント入口面２０８の付近でアノードチャンバに流入する燃料ガスは、燃料電池の中央に配置されたアノードチャンバ又はスタックのオキシダント出口面の付近のアノードチャンバより高いメタン濃度を有する。このように、この未改質メタンは、スタックのアノードチャンバ内部に直接改質触媒が存在する場合に吸熱改質作用を受ける。従って、スタックの面２０４に沿ってアノードを通って流れる燃料の中のメタン濃度が高ければ、その燃料は、スタックのその領域において強く冷却されることになり、スタックの内部に望ましくない温度勾配を発生させる。特に、スタックのオキシダント入口領域の過剰冷却は、スタック内部の温度勾配を減少するために、カソードに流入するオキシダントガスが急速に加熱されるのを阻止する。更に、アノードのこの領域の過剰冷却は、メタンを豊富に含有するガスが完全に改質されるのを阻止する。
【００５１】
図７Ｂから明らかなように、改質装置内部で燃料を方向付けるために、板２Ａ及び２Ｃの境界面に沿ってバッフルが設けられると、メタン濃度の均一性が改善される。図７Ｂに示されるように、燃料折り返しマニホルドの内部における最低メタン濃度と最高メタン濃度との偏差は、７％から約１〜２％まで減少される。そのようにメタン濃度の均一性が改善されることにより、スタックのオキシダント入口領域における改質冷却効果の浪費が回避され、スタック内部の温度勾配は減少する。図７Ｂに示されるように、図１の改質装置構成におけるメタン分布の均一性の改善が得られたのは、バッフル７及び８により改質装置の内部で燃料がより多く混合されるようになることと、バッフル６により改質装置の入口部分と戻り部分との間が密封されることによるものである。
【００５２】
改質装置の折り返し部分までバッフル６を延長させ且つ図１に示される出口バッフル７及び８を設けたことにより、燃料ガスの混合が更に増すと共に、改質装置の出口の付近で、改質装置の入口部分と戻り部分との間の密封が更に改善される。従って、図１及び図３に示される改質装置１００は、燃料折り返しマニホルドにおけるメタン濃度の偏差を著しく減少し、燃料電池スタックの温度勾配を改善する。
【００５３】
燃料電池スタック２００における温度分布の改善を実現することに関して、改質装置１００内部のバッフルの配置及び触媒分布を論じてきた。改質装置１００を出てスタック２００を構成している燃料電池２０２のアノードチャンバの中へ流入する所望の燃料ガスフロー及び所望の燃料ガス組成を実現するために、追加の出口バッフルを設けること及び／又は触媒分布を変更することも、本発明の意図の範囲内にある。
【００５４】
あらゆる場合において、上述の構成は、本発明の適用を表現する数多くの可能な特定の実施形態を単に例示しているにすぎないことが理解される。本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、本発明の原理に従って、数多くの多様な他の構成を容易に考案できる。例えば、従来の触媒分布と組み合わせて、図１のバッフル配置が使用されてもよい。更に、改質装置の戻り部分の中で、出口バッフル７及び８の場所が変更されてもよい。また、燃料の流れを改質装置の戻り部分の中央部へ方向付けるために、２つではなく１つの出口バッフル又は３つ以上の出口バッフルが使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
本発明の上記の特徴及び面並びにその他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことにより更に明らかになるであろう。
【図１】図１は、本発明の原理に従った改質装置を示す平面図である。
【図２】図２は、図１の改質装置を採用した直交流形燃料電池スタックの一例を示す図である。
【図３】図３は、図１の改質装置に改質触媒を装填するためのパターンの一例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、従来の改質装置の熱管理構造を示す概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図１及び図３の改質装置の熱管理構造を示す概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、従来の改質装置を採用した燃料電池スタックにおける温度分布を示す線輪郭図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、スタック動作寿命の開始時における図１の改質装置を採用した燃料電池スタックの温度分布を示す線輪郭図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、スタック動作寿命の半ばにおける図１の改質装置を採用した燃料電池スタックの温度分布を示す線輪郭図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、スタック動作寿命の終了時における図１の改質装置を採用した燃料電池スタックの温度分布を示す線輪郭図である。
【図６】図６は、図１の改質装置の内部における燃料ガス通流場を示す線輪郭図である。
【図７Ａ】図７Ａは、バッフルを持たない改質装置におけるメタン濃度分布を示す線輪郭図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、１つの主バッフルを有する改質装置におけるメタン濃度分布を示す線輪郭図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
2008522942.tif 000015