(57)【要約】 【課題】  改質時の吸熱反応が燃料電池スタックに及ぼす熱的影響を極力回避した高効率の燃料電池を提供する。【解決手段】  発電セルとセパレータを交互に多数積層して燃料電池スタック３を構成し、燃料改質装置２０とともに断熱ハウジング２内に設置して燃料電池１（例えば、固体酸化物形燃料電池）を構成する。前記燃料改質装置２０は、内部に改質触媒を充填した複数の改質器２１ａ〜２４ａと、これら改質器の間に介在され、前記燃料電池スタック３からの排ガスおよび輻射により各々改質反応に必要な熱を得る複数の燃料熱交換器２１ｂ〜２３ｂとで構成されている。【選択図】    図１
2007080760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータを交互に多数積層して燃料電池スタックを構成し、燃料改質装置とともに断熱ハウジング内に設置して構成した燃料電池において、
前記燃料改質装置は、内部に改質触媒を充填した複数の改質器と、これら改質器の間に介在され、前記燃料電池スタックからの排ガスおよび輻射により改質反応に必要な熱を得る複数の燃料熱交換器とで構成されると共に、これら改質器と燃料熱交換器がそれぞれ交互に、且つ、直列的に接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記改質器と燃料熱交換器がそれぞれ離間した状態で配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
初段の改質器は、少なくとも改質可能な最低温度にて改質平衡が得られており、且つ、上流側から下流側に向かって各改質器の改質平衡温度を高くするように前記燃料熱交換器と前記改質器が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池スタックを前記ハウジング内の中央付近に配置し、当該燃料電池スタックの一方側に最終段の改質器を配置すると共に、燃料電池スタックを挟んでこの改質器と対向する他方側に前記燃料熱交換器とは別の熱交換器類を配置し、且つ、この熱交換器類と燃料電池スタックとの間に初段の改質器を配置したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記複数の改質器および燃料熱交換器は、燃料電池スタックの近傍において積層方向の中段部に、且つ、積層方向に沿って配設されていることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池は、排ガスを前記発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジング内部に燃料改質装置を備える燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、且つ、他の燃料電池と比べて作動温度が高いため排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ2、ＣＯ等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
【０００４】
発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動して燃料極層との界面近傍に到達し、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００５】
ところで、燃料電池においては、モジュール内に組み込んだ燃料改質器で都市ガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料ガス）を水素リッチな燃料ガスに改質して発電セルに供給するようにした、所謂、内部改質方式が一般的に行われている。
【０００６】
この燃料改質器は、水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスとした後、少なくとも３５０℃以上の雰囲気下において両者を反応させることにより、水素を生成するものである。
すなわち、改質反応（水蒸気改質）では、原燃料ガスである炭化水素と水蒸気とが反応して水素と一酸化炭素とが発生し、さらに、この一酸化炭素と水蒸気とが反応することにより、二酸化酸素とともに水素が発生する。
これをメタンを例にして反応式で示せば、以下の通りである。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
【０００７】
上述の改質反応は吸熱反応であって、残留メタンが１％台の高転化率の改質反応を得るには、燃料改質器内の改質触媒を少なくとも６５０℃、望ましくは７００℃以上に加熱する必要があることから、内部改質式の燃料電池では、コージェネレーションを目的として改質反応に必要な熱エネルギーを燃料電池スタックから排出される高温排ガスおよび輻射熱より回収して使用することが通常行われている。
【０００８】
このような内部改質型燃料電池として、例えば、特許文献１が開示されている。特許文献１には、高温型改質装置の上流側のモジュール燃料入口部に低温型改質装置を設けた構成が記載されている。
【特許文献１】特開平９−２３７６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述した内部改質型の燃料電池は、以下のような解決すべき問題を有していた。
即ち、燃料改質器を作製するに当たっては、熱交換器としての熱交換性とともに、改質反応に係わる改質触媒の形状や物性（例えば、ペレット等の形状や熱伝導度）等を十分に考慮する必要があるため、改質器の構造が複雑化し、熱交換器としての適正な設計（熱効率の良い構造の実現）を行うことが困難であり、例えば、作動温度が７００℃前後の燃料電池では、改質反応（吸熱反応）に必要な十分な熱回収を行うことが難しく、改質反応が不十分となるという問題がある。改質反応が不十分で発電セルに供給される水素量が少ないと、その少ない分だけ発電が行われなくなり、効率的な発電が行えなくなる。
【００１０】
加えて、改質反応の初期段階は吸熱密度が極めて大きいことから、効率の良い熱回収を行うために高い温度場である燃料電池スタックの近傍に燃料改質器を配置すると、改質器による吸熱で燃料電池スタックが不用意に冷却されることから、局部的に発電性能が低下し、燃料電池スタック全体としての効率的な発電が行えなくなるという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような内部改質に伴う問題に鑑み成されたもので、燃料改質装置を多段構成とすることにより、比較的低い温度雰囲気下においても高転化率の改質を可能とすると共に、吸熱反応による燃料電池スタックへの熱的影響を極力回避した高効率の燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に多数積層して燃料電池スタックを構成し、燃料改質装置とともに断熱ハウジング内に設置して構成した燃料電池において、前記燃料改質装置は、内部に改質触媒を充填した複数の改質器と、これら改質器の間に介在され、前記燃料電池スタックからの排ガスおよび輻射により改質反応に必要な熱を得る複数の燃料熱交換器とで構成されると共に、これら改質器と燃料熱交換器がそれぞれ交互に、且つ、直列的に接続されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記改質器と燃料熱交換器がそれぞれ離間した状態で配設されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池において、初段の改質器は、少なくとも改質可能な最低温度にて改質平衡が得られており、且つ、上流側から下流側に向かって各改質器の改質平衡温度を高くするように前記燃料熱交換器と前記改質器が配置されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックを前記ハウジング内の中央付近に配置し、当該燃料電池スタックの一方側に最終段の改質器を配置すると共に、燃料電池スタックを挟んでこの改質器と対向する他方側に前記燃料熱交換器とは別の熱交換器類（例えば、空気熱交換器）を配置し、且つ、この熱交換器類と燃料電池スタックとの間に初段の改質器を配置したことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池において、前記複数の改質器および燃料熱交換器は、燃料電池スタックの近傍において積層方向の中段部に、且つ、積層方向に沿って配設されていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池において、前記燃料電池は、排ガスを前記発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料改質装置を複数の改質器と、その間に介在した複数の燃料熱交換器とで構成し、各改質器に必要な熱を主として前段の燃料熱交換器で得るようにしたので、熱交換性を重視した熱回収効率の良い燃料熱交換器を作製することができると共に、この燃料熱交換器により燃料ガス（混合ガス）を改質可能な温度に加熱して次段の改質器に導入することができるため、各改質器において所定の出口温度で改質平衡ガスを生成することができる。
【００１９】
また、吸熱密度が極めて大きい初段の改質器をハウジング内の比較的温度の低い場所に配置して低温改質を行うことにより、以降下流側において各改質器の吸熱密度を小さくすることができ、初段の改質器を含むこれら後段側の改質器による吸熱反応により燃料電池スタックが不本意に冷却されて、発電性能が局部的に低下することが回避できると共に、吸熱密度が小さくなった最終段の改質器をハウジング内の高温度場に配置して改質温度を高くすることにより、当改質器において高い転化率の改質平衡ガスを生成することができ、残留メタンの少ない水素リッチな燃料ガスとして燃料電池スタック内部に供給できるようになる。
【００２０】
また、燃料熱交換器と改質器を燃料電池スタックの中段部分に、且つ、積層方向に配設することにより、これら燃料熱交換器と改質器の吸熱作用により、端部に比べて温度の高い燃料電池スタックの中段部を冷却してスタック積層方向の温度分布を無くすことができ、これにより、燃料電池スタック全体として効率的な発電が行える共に、高温部において生じ易い発電セルの破損等が防止できるため、燃料電池の耐久性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部上面視、図２は同、固体酸化物形燃料電池の内部側面視、図３は燃料電池スタックの要部構成を示し、図４は燃料改質装置各部の作用を示している。
【００２２】
図１、図２において、符号１は固体酸化物形燃料電池、符号２は内壁に断熱材１８を付装したハウジング（缶体）、符号３は積層方向を縦にした状態でハウジング２の内部中央に設置した燃料電池スタックである。
【００２３】
この燃料電池スタック３は、図３に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に多数積層した構造を有する。
【００２４】
固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。
【００２５】
セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスマニホールド１３より供給される燃料ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスマニホールド１４より供給される酸化剤ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路１２を備える。
【００２６】
この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図３に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。
【００２７】
また、燃料電池スタック３の他、その周辺には、都市ガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料ガス）を水素リッチな燃料ガスに改質するための燃料改質装置２０や空気予熱用の空気熱交換器３０等が配設されている。
燃料改質装置２０の入口側には外部からの燃料ガス供給管１５が接続されていると共に、出口側は燃料電池スタック内部に配設された燃料ガスマニホールド１３に接続されている。また、空気熱交換器３０の入口側には外部からの酸化剤ガス供給管１６が接続されていると共に、出口側はスタック内部の酸化剤ガスマニホールド１４に接続されている。
【００２８】
そして、上記燃料ガス供給管１５には原燃料ガス（例えば、都市ガス）と水蒸気の混合ガスが導入されると共に、上記酸化剤ガス供給管１６には空気が導入されるようになっている。尚、上述の水蒸気は、当燃料電池スタック３からの排ガスを熱源とする図示しない水蒸気発生器（熱交換器）にて生成される。
これら燃料改質装置２０や空気熱交換器３０は燃料電池スタック３からの十分な熱伝達および輻射熱が得られるよう、それぞれ後述する燃料電池スタック３近傍の適所に配設され、それぞれが、ハウジング２内において効率的な熱回収が行われるように考慮されている。
【００２９】
ところで、上述の燃料改質装置２０は、内部に改質触媒を充填した第１改質器２１ａ、第２改質器２２ａ、第３改質器２３ａ、第４改質器２４ａの４基の改質器と、これら改質器２１ａ〜２４ａの間に設けられて、燃料電池スタック３からの排ガスを熱源とする第１燃料熱交換器２１ｂ、第２燃料熱交換器、第３燃料熱交換器の３基の燃料熱交換器を備えた多段構成と成され、それぞれが適切に離間した状態で各々配管により順次直列的に接続され、図２に示すように、全体として燃料電池スタック３を取り囲むように積層方向の中央部に、且つ、積層方向に沿って配設されている。
【００３０】
即ち、混合ガスは、上流部の燃料ガス供給管１５より燃料改質装置２０に導入され、第１燃料熱交換器２１ｂ〜第１改質器２１ａ〜第２燃料熱交換器２２ｂ〜第２改質器２２ａ〜第３燃料熱交換器２３ｂ〜第３改質器２３ａ〜第４改質器２４といった経路にて流通するようになっている。
加えて、本実施形態では、最上流部に位置する第１改質器２１ａ（初段の改質器）を上記した空気熱交換器３０と燃料電池スタック３の間、即ち、空気熱交換器３０による吸熱作用で雰囲気温度が比較的低下している空間部に配置することで、少なくとも改質可能な最低温度（例えば、３５０〜４００℃）にて改質平衡が得られるようにしており、また、燃料電池スタック３を挟んでこの第１改質器２１ａと対向する高温場に当燃料改質装置２０の最終段となる第４改質器２４ａを配置し、高温度（例えば、６５０〜７００℃）にて改質平衡が得られるようにしている。
【００３１】
ここで、上記構成の燃料改質装置２０の各部における作用の一例を図４を参照して説明すれば、以下の通りである。尚、燃料ガスとして、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）が３．４の都市ガスを使用する。
【００３２】
先ず、外部からの燃料ガスは燃料ガス供給管１５より第１燃料熱交換器２１ｂに導入され、第１燃料熱交換器２１ｂにおいて６００℃まで昇温された後、第１改質器２１ａにて改質され、改質出口温度４００℃の改質平衡ガスを生成する。
改質初期段階では吸熱密度が極めて大きいため、上述したように第１改質器２１ａを出口温度の４００℃と同程度の比較的低温度場（空気熱交換器３０と燃料電池スタック３の間）に配置して低温改質を行うことにより、吸熱反応による燃料電池スタック３の局部的な冷却を防止し、発電性能の不本意な低下を回避している。
【００３３】
次ぎに、先の第１改質器２１ａでの吸熱反応により、温度が低下した燃料ガスは、第２燃料熱交換器２２ｂにより再度６００℃まで昇温された後、第２改質器２２ａにおいて、上記第１改質器２１ａの時よりさらに高い改質出口温度４６０℃にて改質平衡ガスを生成する。
【００３４】
次ぎに、この第２改質器２２ａの吸熱反応で６００℃から４６０℃に低下した燃料ガスは、次段の第３燃料熱交換器２３ｂにおいて６００℃まで昇温された後、第３改質器２３ａにおいて改質出口温度５００℃の改質平衡ガスを生成する。
【００３５】
ここで、第１改質器２１ａ〜第３改質器２３ａでの吸熱反応は、主として、それぞれの改質器の前段に配設された第１燃料熱交換器２１ｂ〜第３燃料熱交換器２３ｂの各々により加熱・昇温された燃料ガス自体の有する熱を使用して行われており、この段階では既に、燃料改質装置全体の改質吸熱（後述する改質出口温度６５０℃の改質平衡を得るための吸熱量）の内の約４５パーセントの吸熱が行われている。
【００３６】
次ぎに、最終段の第４改質器２４ａに前段の第３改質器２３ａから直接５００℃の燃料ガスが導入され、この第４改質器２４ａにおいて改質出口温度６５０℃の改質平衡ガスが生成される。
本実施形態では、第３改質器２３ａと第４改質器２４ａとの間に上述したような燃料熱交換器を介在せず、この第４改質器２４ａを積極的な熱交換機能を兼ね備えた構造の改質器とし、上述したように燃料電池スタックを挟んで空気熱交換器３０と対向位置にある高温度場に配置している。
【００３７】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池１は燃料電池スタック３の側部から高温の排ガスを自由に放出するシールレス構造であるから、排熱回収には極めて都合が良いことに加え、上述のように第３改質器２３ａにおいて既に全体の４５％の吸熱が終了しているので、第４改質器２４ａにおける吸熱密度を小さくでき、よって、第４改質器２４ａを高温場に置くことにより改質出口温度を安定改質が可能な６５０℃以上に確保することができ、この６５０℃以上の改質平衡組成において、残留メタン１％台と高い転化率を得ることが可能となり、各発電セル７において効率的で安定した発電が行えるようになる。
【００３８】
また、ハウジング２内に本実施形態の燃料改質装置２０を配設する際、上記したように、改質器２１ａ〜２４ａおよび燃料熱交換器２１ｂ〜２３ｂのそれぞれを燃料電池スタック３の中段部分に配置することにより、これら燃料熱交換器と改質器の吸熱作用により、端部に比べて温度の高い燃料電池スタック３の中段部が冷却されるため、積層方向の温度分布を無くすことができ（所謂、平板積層型の燃料電池スタックでは、熱発散性の違いにより、スタック中段の温度がスタック両端に比べて高くなる傾向にあることが知られている）、これにより、燃料電池スタック全体として効率的な発電が可能となると共に、高温部位において生じる熱応力に起因する発電セル７等の破損等が防止できるため、燃料電池の耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部上面図。
【図２】同、固体酸化物形燃料電池の内部側面図。
【図３】燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。
【図４】本発明の燃料改質装置の各部における作用の一例を示す説明図。
【符号の説明】
【００４０】
１  固体酸化物形燃料電池
３  燃料電池スタック
７  発電セル
１０  セパレータ
２０  燃料改質装置
２１ａ〜２４ａ  改質器
２１ｂ〜２３ｂ  燃料熱交換器
３０  熱交換器類（空気熱交換器）
【図１】
2007080760.tif 000003
【図２】
2007080760.tif 000004
【図３】
2007080760.tif 000005
【図４】
2007080760.tif 000006