(57)【要約】 【課題】  燃料電池スタックからの排熱を効率良く回収できる転化率の高い燃料改質器を備えた高効率の燃料電池を提供する。【解決手段】  発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタック３をハウジング内の少なくとも平面方向に４基を方眼状に配設すると共に、これら燃料電池スタック３の対向側面間に改質触媒を充填した十字形状の燃料改質器３０を配設した。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に複数収納して成る燃料電池において、
前記燃料電池スタックを、前記ハウジング内の少なくとも平面方向に４基方眼状に配設すると共に、これら燃料電池スタックの対向側面間に改質触媒を充填した燃料改質器を十字状に配設したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックの対向側面間に収まる十字形状であ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】
前記燃料改質器のガス入口部分に前記改質触媒が非充填の第１のバッファ領域を設けたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料改質器のガス出口部分に前記改質触媒が非充填の第２のバッファ領域を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３の何れかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池は、発電反応に使用されなかった残余のガスを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４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、内部改質式の燃料電池に関し、詳しくは、転化率の高い燃料改質を行うことにより発電効率の向上を図った燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に導入する反応用ガスとして都市ガス等の炭化水素系の燃料ガスを用いる場合は、この炭化水素系ガス（原燃料ガス）を水素リッチなガスに改質するための燃料改質器が必要となる。
【０００３】
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、例えば、３５０℃以上の高温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）は、先ず、原燃料ガスであるメタン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。
これを反応式で示せば、以下の通りである。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2
【０００４】
上述の改質反応は吸熱反応であって、残留メタンが１％以下といった転化率の良い改質反応を行うには、燃料改質器内の改質触媒を少なくとも６４０℃、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、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より得るようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１９０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、固体酸化物形燃料電池を例にとると、作動温度が１０００℃前後の高温作動型では、燃料改質に要する熱エネルギーを回収するのは比較的容易であるが、作動温度が７００℃前後の低温作動型では、先の高温型に比べて排出される熱エネルギーの量も少ないことから、吸熱反応に必要な十分な熱回収を行うことが難しくなる。燃料改質器に対して十分な熱エネルギーが供給されない場合は、改質反応が不十分となり、水素リッチな改質ガスが得られなくなる虞がある。
改質不十分で改質ガス中にメタンが多量に存在すると、発電セル内において改質ガス中の炭素が析出して電池性能が急激に低下するため、効率的な発電を行えなくなるという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、燃料電池スタックからの排熱を効率良く回収できる転化率の高い燃料改質器を備え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】
【０００７】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックをハウジング内に複数収納して成る燃料電池において、前記燃料電池スタックを、前記ハウジング内の少なくとも平面方向に４基方眼状に配設すると共に、これら燃料電池スタックの対向側面間に改質触媒を充填した燃料改質器を十字状に配設したことを特徴としている。
【０００８】
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、前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックの対向側面間に収まる十字形状であることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の燃料電池において、前記燃料改質器のガス入口部分に前記改質触媒が非充填の第１のバッファ領域を設けたことを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項２または請求項３の何れかに記載の燃料電池にいて、前記燃料改質器のガス出口部分に前記改質触媒が非充填の第２のバッファ領域を設けたことを特徴としている。
【００１１】
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、前記燃料電池は、発電反応に使用されなかった残余のガスを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】
【００１２】
請求項１、２に記載の発明によれば、複数の燃料電池スタックに囲まれて放射熱の熱溜まりとなるハウジング内の中央部分に燃料改質器が配設されているため、燃料改質器は対面する各々スタック側部からの放射熱を有効に受熱し、十分な改質温度にて転化率の高い燃料改質が行われるようになり、残留メタンの極めて少ない水素リッチな改質ガスを得ることができ、これにより、高効率発電が可能となる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明によれば、燃料改質器のガス入口部分に第１のバッファ領域を設けることにより、ガス入口部より導入された混合ガス（例えば、都市ガスと水蒸気の混合ガス）がこの第１バッファ領域内を広く拡散して十字形の各改質器内（触媒層内）に、満遍なく均一に供給されるようになり、改質器内の全ての改質触媒を有効に活用した効率的な改質を行うことが可能となる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明によれば、燃料改質器のガス出口部分に第２のバッファ領域を設けることにより、吸熱反応による冷却作用により燃料電池スタックが不必要に冷却されるのを防止できると共に、十字形の各改質器において発生した改質ガスが、一旦、この第２のバッファ領域内に貯留されることにより、改質ガスは各燃料電池スタックに均等に供給されるようになり、核燃料電池スタックにおいてバランスのとれた発電が行われるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
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構成を示し、図２は本発明に係る燃料改質器の平面を示し、図３は同、燃料改質器の側面を示し、図４は燃料電池スタックの要部構成を示している。
【００１７】
図１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てハウジング２の内部に配設した燃料電池スタックである。本実施形態では、ハウジング２内の平面方向に（ハウジング２の中央部に中心を持つ同一円上に）方眼状に４基、さらに高さ方向に４段、合計１６基の燃料電池スタック３を集合・配置した高出力の燃料電池１（燃料電池モジュール）である。
【００１８】
上述の燃料電池スタック３は、図４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（酸化剤極層）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（酸化剤極集電体）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。
【００１９】
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。
【００２０】
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を備えている。
【００２１】
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４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。そして、図１に示すように、ハウジング２の上部には、ハウジング２の内部空間に放出された高温度の排ガスを外部に排出するための排気管１９ａが設けられている。
【００２２】
また、ハウジング２内には、上記した１６基の燃料電池スタック３の他、燃料熱交換器２０やその後段（下流側）の燃料改質器３０、および空気予熱用の空気熱交換器４０等が配設されている。燃料熱交換器２０には、燃料ガス供給管１５と給水管１７が接続され、空気熱交換器４０には酸化剤ガス供給管１６が接続されている。これらの熱交換器類２０、４０や燃料改質器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、それぞれ燃料電池スタック３の近傍の適所に配設され、ハウジング２内において効率的な熱回収が成されるように考慮されている。
【００２３】
ところで、燃料電池１の発電効率を向上させる一手段として、上述の燃料改質器３０における改質温度を上昇させて転化率を上げることが有効であることは、既述した通りである。
【００２４】
そこで、本実施形態では、上記燃料改質器３０を一体型の十字形状とし、図２に示すように、ハウジング２の中央部に中心を持つ同一円上にそれぞれ方眼状に配設された各々燃料電池スタック３の対向側面間の隙間を利用して配置すると共に、ハウジング２の底部に設けたスタック架台３７の上に上記複数の燃料電池スタック３と設置面を同一にして載置・固定している。
【００２５】
この燃料改質器３０において、扁平箱形の各翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの上端部には各々ガス入口３１が設けられ、各翼部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの下端部には各々ガス出口３４が設けられており、上端部のガス入口３１の各々が上部配管３８にて上記した燃料熱交換器２０に接続されていると共に、下端部のガス出口３４の各々が下部配管３９にて図４に示す燃料ガスマニホールド１３に接続されている。
【００２６】
図３に示すように、燃料改質器３０の内部には改質触媒３３が充填されているが、改質器上部のガス入口３１部分および改質器下部のガス出口３４部分には改質触媒３３が充填されない空間領域（第１のバッファ領域３２および第２のバッファ領域３５）が設けられている。尚、改質触媒３３の充填領域と上下の非充填領域（すなわち、バッファ領域３２、３５）とは、通気性の良いパンチングプレート３６にて区画されており、このパンチングプレート３６にて区画形成された領域内に改質触媒３３が充填されている。
【００２７】
この改質触媒３３としては、粒状の担体の表面に活性成分として、例えば、Ｎｉ系やＲｕ系の炭化水素触媒を付着したペレット触媒や、触媒自体をハニカム構造（蜂の巣構造）としたハニカム触媒等を用いることができる。
【００２８】
上記構成において、運転時には原燃料ガスである炭化水素ガス（例えば、都市ガス）と水蒸気の混合ガスが燃料熱交換器２０において予熱されて高温の混合ガスとなって上部配管３８を通して燃料改質器３０に誘導されると共に、各翼部３０ａ〜３０ｄのガス入口３１より各改質器内に導入される。導入ガスはそれぞれの翼部３０ａ〜３０ｄにおいて、改質触媒３３に接触して炭化水素ガスの水蒸気改質反応が行われる。この改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な熱（６５０〜８００℃）は、燃料電池スタック３からの排熱を回収して得られる。
【００２９】
燃料改質器３０の改質反応で得られた改質ガスは下流部の各ガス出口３４より各下部配管３９を通して各燃料電池スタック３の燃料ガスマニホールド１３に導入される。各燃料電池スタック３における反応用ガスの流れは図４に示した通りである。
【００３０】
ここで、本実施形態の燃料改質器３０では、少なくとも平面方向４基の燃料電池スタック３に囲まれて、その放射熱の熱溜まりとなるハウジング２の中央部分に燃料改質器３０が配設されているため、燃料改質器３０は、この熱溜まり空間において対面する各々スタック側部からの放射熱を有効に受熱し、十分な改質温度を回収して転化率の高い燃料改質が行われるようになる。これにより、残留メタンの極めて少ない水素リッチな改質ガスを得て発電セル７に供給することが可能となり、高効率発電が可能となる。
特に、シールレス構造の固体酸化物形燃料電池１では、ハウジング２内に燃料電池スタック３の側部から高温の排ガスが自由に放出されるため、排熱回収には極めて都合が良く、よって、燃料改質器３０（改質触媒３３）の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、これにより、残留メタン１％以下を実現・維持することが可能となる。
【００３１】
また、燃料改質器３０の上部のガス入口３１部分に第１のバッファ領域３２を設けることにより、ガス入口３１より導入された混合ガスがこのバッファ領域３２内を四方に広く拡散して十字形の各翼部３０ａ〜３０ｄ内の改質触媒３３に満遍なく均一に供給されるようになり、改質器内における全ての改質触媒を有効に活用した効率的な改質を行うことができる。
【００３２】
加えて、燃料改質器３０の下部のガス出口３４部分に第２のバッファ領域３５を設けることにより、この空間部分がスタック架台３７への伝熱を抑制するため、吸熱反応時の冷却作用でスタック架台３７を介して燃料電池スタック３が底部側より不必要に冷却されてしまうのを防止できると共に、各翼部３０ａ〜３０ｄ内において発生した改質ガスが、一旦、この第２のバッファ領域内に貯留された後、各下部配管３９に分配・導入されることにより、改質ガスはこれら各下部配管３９を通して各燃料電池スタック３に均等に供給されるようになり、各燃料電池スタック３においてバランスの良い発電が行われるようになる。
【００３３】
以上、本実施形態では、燃料改質器３０を燃料電池スタック３の対向側面間に収まる十字形状としたが、スタックの対向側面間に各々扁平箱形の燃料改質器を個々に配設する構成とすることもできる。
また、燃料電池１については、平面方向４基配置の燃料電池スタック３を縦方向に４段積み上げた構成を説明したが、積層段数はこれに限るものではないことは勿論であり、要は、燃料電池スタック３に囲まれて放射熱の熱溜まりとなる中央部分に上記燃料改質器３０が配設される構造であれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の内部構造を示す断面図。
【図２】本発明に係る燃料改質器の上面図。
【図３】本発明に係る燃料改質器の側面図。
【図４】本発明に係る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。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
２  ハウジング
３  燃料電池スタック
７  発電セル
３０  燃料改質器
３１  ガス入口
３２  第１のバッファ領域
３３  改質触媒
３４  ガス出口
３５  第２のバッファ領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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