JP2006502072A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

吸気ポートと排気ポートとを伴うエンクロージャーを有する燃料改質装置。触媒を支持するためのプレート・アセンブリーが該エンクロージャー内に配置されている。柔軟なバッフルも該エンクロージャー内に配置される。この柔軟バッフルは、プレート・アセンブリーと協働して吸気ポートから排気ポートへと改質装置内を通る燃料ガス流のための通流路を確立する。バッフル及びプレート・アセンブリーは、エンクロージャーを、吸気ポートと通じる吸気セクションと、排気ポートと通じる排気セクションと、吸気セクション及び排気セクションを結合させる転向セクションとに分割する。バッフルはさらにガス流を転向セクションの所定領域へ向けるように構成されている。吸気セクションから転向セクション内の１箇所までに触媒を設けずに、転向セクション内のその箇所から復帰セクションに渡って触媒を含むこととなるように触媒が配置される。触媒の量は少なくとも復帰セクションにおいて所定の態様で変化する。

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池に用いられる燃料改質装置に関する。

燃料電池は、炭化水素燃料に蓄えられている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、電解質によって隔てられているアノードとカソードとを含み、電解質は帯電したイオンを伝導する。有益な電力レベルを作り出すために、複数の燃料電池が直列に積み重ねられる。各燃料電池間には電気伝導性の分離プレートが配置される。

内部改質燃料電池では、燃料電池スタック内に水蒸気改質触媒を配置することで、高価で複雑な改質装置を必要とすることなく、メタン、石炭ガス等の炭化水素燃料を直接使用できる。改質反応では、燃料電池により生成された水と熱とが改質反応により使用され、燃料は内部で改質されて燃料電池用の水素を生じさせる。従って、燃料電池スタックを冷やすには、吸熱改質反応を用いることが有効である。

２つの異なるタイプの直接燃料電池アセンブリーが開発されている。直接内部改質は、改質触媒を活性アノード・コンパートメント内に置くことによって達成される。直接内部改質は、生成された水素をアノードに直接供給するが、この手法の主な欠点は、触媒を燃料電池の電解質にさらすことであって、これはその性能を著しく低下させる可能性を有する。例えば、米国特許第５，６６０，９４１号は、直接内部改質触媒をアノードの流れの場に置く詳細な構造を提供している。この手法の欠点は、電解質毒作用に起因する触媒の劣化である。

電解質汚染を避けるために、直接内部改質手法に対するいくつかの改良が提案されている。米国特許第４，３６５，００７号は、触媒を電解質から多孔質バリヤーによって部分的に離間するようになっている直接内部改質構造を開示している。このシステムは、触媒を含む通流路と電極を含む通流路との間の圧力差に基づいて、改質されたガスを電極に提供するとともに電解質蒸気が触媒に到達するのを防止する。しかし、このシステムの欠点は、集電装置の設計が複雑になってしまうことと、多孔質部材のための余分の材料が必要となることで、コストが高くなってしまうことである。さらに、差圧を用いて、多孔質シートを通して活性チャンバへと燃料ガスを均一に送り届けるのは困難である。米国特許第４，７８８，１１０号は、電解質から触媒を保護し、そのことによって内部改質装置を部分的に保護するようにアノード集電装置が形成されている直接内部改質装置を開示している。このシステムの欠点は、燃料ガスの殆どが触媒から分離されている通流路を通流することで、触媒の有効性が大幅に低下することである。

第２のタイプの改質は間接内部改質であり、これは、改質触媒をスタック内の離間されたチャンバの中に置いて、改質されたガスをこのチャンバから燃料電池のアノード・コンパートメント内へ送り込むことによって達成される。間接内部改質の利点は、改質触媒が燃料電池の電解質による活性低下から保護されることである。米国特許第４，１８２，７９５号は間接内部改質手法を開示しており、この手法では、離間されている通流路内の燃料ガス流は、所望の総冷却量に基づく活性アノードの流れとは無関係に配置される。しかし、このシステムは、２つの通流路と外部継ぎ目とのための別々の導管システムと、改質されたガスをアノードへ送るバルブとを必要とする。米国特許第４，５６７，１１７号は、電池内での均一な温度分布を促進するために不均一な触媒応用を採用する間接内部改質方法を論じている。このシステムは、’７９５特許に記載されているシステムと同じ欠点を有しており、２つの通流路と外部継ぎ目とのための別々の導管システムと、バルブとを必要とする。

従来技術で開示されている他の間接内部改質システムには、一定の制約があるとともに、コスト上の不利益もあるといった問題がある。米国特許第５，１７５，０６２号は、燃料供給ポートをそのコーナーに有する隣接する燃料電池ハウジングに一体化された間接改質プレートを開示している。燃料供給管の所要のサイズに起因して、このシステムでは燃料ガス圧力損失は非常に大きくなり、高価な設計となる。米国特許第５，３４８，８１４号は、内部マニホールド付き燃料電池スタックに反応性冷却を提供するように設計された間接内部改質プレートを示している。しかし、二極性プレート・デザインは複雑であるために、この様なスタックのコストは非常に高い。

現状の技術は直接内部改質及び間接内部改質の両方を有する燃料電池の混成アセンブリーを利用している。米国特許第４，８７７，６９３号は、改質されたガスを間接改質チャンバからアノードの流れの場（フローフィールド）へ運ぶようになっている、間接内部改質及び直接内部改質の両方を採用した燃料電池システムを開示している。特許第６，２００，６９６号に記載されている他の混成アセンブリーでは、間接内部改質装置が実質的にＵ形のフロー・ジオメトリーで設計されており、これは、吸気燃料供給管が燃料転向マニホールド内に含まれうることで、システム燃料漏れの危険性を小さくしている。この構造では、最適化されていない流れの場とプレート内の触媒の配分とが、燃料電池プレートの端部付近で大きな温度勾配をもたらす。さらに、改質プレートは、改質ベッドの種々のセクション間にガスシールを形成することを困難にしている。その結果として改質されていない燃料ガスが当該ベッドを通して漏れてしまう。それゆえ、改質が不均一となり、温度勾配は達成可能な勾配より大きくなってしまう。

従って、本発明の目的は、最善の流れの場と触媒配分とを有する改良された燃料改質装置を提供し、これにより改質の不均一性と温度勾配とを減少させることである。

本発明の他の目的は、触媒にさらされる前の燃料ガスが改質装置から漏れることを抑制するマルチコンポーネント燃料改質装置を提供することである。

本発明の原理により、上記の目的及びその他の目的が実現される。本発明に係る改質装置は、吸気ポート及び排気ポートを有するエンクロージャーと、該エンクロージャー内に配置された触媒を支持するためのプレート・アセンブリーと、前記プレート・アセンブリーと協働して前記吸気ポートから該改質装置を通して該排気ポートに至る燃料ガスの流れ（フロー）のための通流路を確立するための柔軟なバッフルとを含む。

バッフル及びプレート・アセンブリーは、エンクロージャーを、吸気ポートに通じる吸気セクションと、排気ポートに通じる排気セクションと、吸気セクション及び排気セクションを結合させる転向セクションとに分割する。本発明の他の側面では、バッフルはガスの流れを転向（ターン）セクションの所定領域へ向けるようにさらに構成され、改質装置が吸気セクションから転向セクション内のある箇所までは触媒を有しておらず、転向セクションのその箇所から復帰（リターン）セクションに渡って触媒を含むこととなるように触媒は配置されており、触媒の量は少なくとも復帰セクションにおいて所定の態様で変化する。

改質装置のこの構成では、柔軟なバッフルは、改質装置からのガスの漏れをより良く防止するために、改質装置のコンポーネントの密封を改善することに配慮する。さらに、転向セクションでのガスの流れを支配するバッフルを使用すること、および触媒の分布とによって、改質装置が温度分布を改善することを促進しかつ温度勾配を減少させることを可能にする。また、所望のガス組成の提供を助けるように触媒分布を調節することができる。

以下の詳細な説明を添付図面と関連させて読むことで、本発明の上記の及びその他の特徴及び側面がいっそう明らかとなろう。

図１は、本発明の原理に従った改質装置１００の平面図である。改質装置１００は、プレート・アセンブリー２を収容するか或いは取り囲む外側ハウジング又はフォイル１を含む。プレート・アセンブリー２は、波形の薄板金属で構成された複数のプレート２Ａ−２Ｃを含む。改質装置１００の吸気ポート４及び排気ポート５は、改質装置の同じ面１０１上に位置する。これらのポートは隣り合ってかつ互いに離間している。

図３を参照すると、燃料電池スタック２００内において、複数の改質装置１００と、燃料セル２０２のグループとが交互に配置されてスタックが構成されている。各改質装置１００の面１０１は燃料電池スタック２００の面２０１の一部分を形成しており、後者の面は燃料電池２０２のアノード・チャンバ吸気口を有する該スタックの面である。

改質装置燃料配達システム３００は、燃料を改質装置１００に供給し、各改質装置について、夫々の改質装置の吸気ポート４に取り付けられたプレナム３０１と、供給管セクション３０２及び３０３を含む。燃料ガスは、共通燃料吸気母管３０４から各改質装置１００の供給管セクション３０２及び３０３に、また供給管セクション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から吸気４を通して夫々の改質装置１００に送られる。

改質装置燃料配達システム３００及び改質装置１００の吸気ポート４及び排気ポート５は燃料転向マニホールド２０３により被包されている。マニホールド２０３は、スタックの面２０１を覆って、母管３０４、供給管３０２及び３０３或いはプレナム３０１の小さな漏れに起因する燃料の喪失を防止する。図４にも示されているように、燃料電池スタック２００は、スタックから燃料ガス排気面２０７及び酸化剤ガス排気面２０８を介して流れる排出された酸化剤及び燃料ガスを夫々受け取る別のマニホールド２０５及び２０６を含む。この様に該ガスは互いに十字流（クロスフロー）をなして燃料電池２０２を通流する。従って、電池２０２及びスタック２００は十字流電池及び十字流スタックと称される。

再び図１に戻ると、改質装置１００の波形薄板金属プレート２Ａ−２Ｃは、燃料ガスにほぼＵ形の通流路を提供するように構成されている。図示されているように、プレート２Ｂは実質的に三角形であり、プレート２Ａ及び２Ｃは実質的に長方形であり、プレート２Ａはプレート２Ｃより細い。プレート２Ａの遠方端は、プレート２Ａ及び２Ｂの境界面でプレート２Ｂの第１傾斜面に当接してこの面に沿うよう曲げられている。プレート２Ｃの遠方端も、同様に、プレート２Ｂ及び２Ｃの境界面でプレート２Ｂのこの第１傾斜面の残りの部分に当接してこの部分に沿うよう曲げられている。プレート２Ｃの遠方端は、さらにプレート２Ｂの第２傾斜面に当接してこの傾斜面に沿うように曲げられており、この第２傾斜面は第１傾斜面に隣接している。

この構成では、波形薄板金属プレート２Ａ−２Ｃにより形成される通流路は、ガスが吸気ポート４からプレート２Ａの縦（改質装置１００の“吸気セクション”１０２）に沿って流れることを可能にする。ガスは次にプレート２Ａ及び２Ｂの境界面で９０度転向（ターン）し、その後、プレート２Ｂの縦（改質装置１００の“転向セクション”１０３）に沿って流れる。ガスはプレート２Ｂ及び２Ｃの境界面で再び９０度転向してプレート２の縦Ｃ（改質装置１００の“復帰セクション”１０４）に沿って吸気セクションとは反対の方向に流れる。

改質装置１００の吸気セクション１０２を復帰セクション１０４から離間すると共に転向セクション１０３でガスにさらなる方向を提供するために、改質装置１００は柔軟なバッフル６をさらに備えている。図示されているように、バッフル６は、実質的にプレート２Ａ及び２Ｃの境界面の全長に沿って、かつ、プレート２Ｂ及び２Ｃの境界面の一部に沿って、すなわちプレート２Ｂの第１傾斜面と、該第１傾斜面から延在する第２傾斜面の１つのセグメントとを含む境界面部分に沿って、位置している。従って、バッフル６は、燃料ガスが吸気セクション１０２から改質装置の復帰セクション１０４内に直接流れ込むのを防止し、その代わりとして、転向セクション１０３を通るようにガスの流れを導く。従って、ガスは、改質装置の吸気ポートから排気ポートへとＵ形の経路を流れることになる。

さらに、プレート２Ｂ及び２Ｃの境界でバッフル６は、転向セクション１０３内の燃料ガスを改質装置のコーナー（隅）１０５の方へ向かわせる。その結果として、以下でより十分に説明されるように、このコーナー部が望みどおりに強く冷却されることになる。

改質装置１００内のガス流は実質的に圧力駆動されるので、プレート２Ａ−２Ｃの境界面で当接するプレート表面間のギャップと、バッフル及び改質装置ハウジング１の間のギャップとを埋めるようにバッフル６が十分に柔軟であることが重要である。この目的のために、バッフル６は、セラミックの紙、ロープ又はヤーン、又はその他の、高温還元雰囲気に適する柔らかい材料から作成可能である。例えば、適当なセラミック紙材料は、サーマルセラミックスカンパニー（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）により製造されているＫａｏｗｏｏｌ（登録商標）ブランケットを含んでいて良い。これは曲げやすい柔軟なアルミナ／シリカ・ブランケットであり、改質装置プレート・ベッド内のギャップを密封するのに適したストリップに切ることができる。

前述したように、改質装置１００のこの構成では、プレナム３０１を通って吸気ポート４に入った燃料ガスは、復帰セクション１０４内に漏れずに吸気セクション１０２に沿って流れる。その後、燃料ガスの流れは、バッフル６とプレート２Ａ及び２Ｂとによって９０度転向させられて、転向セクション１０３に沿って改質装置のコーナー１０５の方向に流れるように向けられる。その後、燃料ガスは再び９０度転向し、復帰セクション１０４に沿って流れ、排気ポート５を通って改質装置１００から排気される。そこから、燃料ガスは、燃料電池スタック２００の面２０１を覆う燃料転向マニホールド２０３に入る。図３に見られるように、マニホールド２０３は、改質された燃料ガスを改質装置からスタック２００の燃料電池２０２のアノード・チャンバの中へと誘導する。

燃料ガスは、改質装置１００を通ってＵ形の通流路を流れるとき、吸熱改質反応を受ける。従って冷却効果を助長し、燃料ガスを均一に改質すると共に改質装置内の温度勾配を低下させるように、改質装置内において触媒を戦略的に配分している。配分される触媒は触媒ペレット、タブレット又はその他の任意の形であってよい。

図２は、改質触媒を改質装置１００内に詰め込むための実例としてのパターンを示す。このパターンでは、触媒の量は燃料ガス流の方向に所定の態様で増やされる。より具体的には、本発明により、図４のように燃料電池スタックで改質装置が使用されると、該スタックの非常に高温の領域を改質装置が冷却することで温度分布が改善される。これをもたらすような燃料ガス改質の分布となるように、改質装置１００の触媒が充填される。バッフル６によって、ガスの流れをＵ形の通流路に沿って改質装置の特定の領域に向けさせることで、スタック内の非常に高温の領域を冷却することが促進され、温度分布の改善も促進される。

図２に示されているように、この目的のために、十字流スタック２００で使用される改質装置１００については、吸気セクション１０２に触媒を設けてはいない。この吸気セクション１０２には触媒が無いので、酸化剤吸気面２０４（この面は、改質装置１００の吸気セクション１０２の面に隣接している。）に沿ったスタック２００の部分が過剰に冷却されることを回避している。改質装置１００の各吸気ポート４の領域からスタック２００に進入する酸化剤はまだ電気化学的反応をこうむっていない。よって、改質装置の吸気セクション１０２は、進入してくる非改質燃料ガスを酸化剤吸気ガスからの熱で暖める熱交換器として作用する。

図２に示されているように、触媒は、転向セクション１０３の一部から始まり、改質装置１００の復帰セクション１０４全体にわたって配分されている。これらのセクションは、改質装置１００の領域の中でも、スタック２００の十字流構成に起因して温度が高くなるスタック領域に位置している。さらに、転向セクション１０３と復帰セクション１０４とに存する触媒は高い活性を有しているので、通流路に沿って充填を徐々に増大させるのが望ましい。その様な漸進的な手法で充填された触媒によって、大きな温度勾配と、過剰かつ局所的な吸熱反応に起因する低温点とを防止することができる。

より具体的には、改質装置１００の転向セクション１０３では、吸気セクション１０２に隣接するコーナーセクション１０３Ａに触媒を設けられていない。セクション１０３Ｂにおける改質装置の過冷却を防止するために、触媒の充填は、セクション１０３Ｂで割合に低い第１充填密度により開始される。同じ密度の充填が復帰セクション１０４の第１部分１０４Ａの中まで続く。復帰セクションにおける第２セクション１０４Ｂは第１密度より高い第２の密度で触媒が充填され、次に第３セクション１０４Ｃ及び第４セクション１０４Ｄは第３及び第４の密度で触媒が充填される。第３密度は第２密度より大きく、第４密度は第３密度に等しいものとする。転向セクション及び復帰セクションに沿ってこのように触媒密度を変化させることで、改質装置１００を均一な温度にするように、熱吸収（吸熱反応）を受けるガスの量を分布させる。

改質装置１００における触媒の分布の一例は、セクション１０３Ａ及び１０４Ａにおいて４つの波形列に１つの触媒ペレットを使い、その後にセクション１０４Ｂにおいて触媒の充填を２列ごとに１触媒ペレットとなるように増大させ、次にセクション１０４Ｃで４列ごとに３触媒ペレットとなるまで増大させ、最後に最終セクション１０４Ｂで１列に１触媒（完全充填）となるまで増大させるという分布である。従って、改質されていないガスが転向セクションを通って通流し、その通流路に配分されている触媒に接触すると、ガスは改質反応を受けて熱を吸収し、改質装置のプレートと周囲の燃料電池スタックのコンポーネントとを冷却し始める。

図４は、図３の十字流燃料電池スタック２００の横断面の概略図を示している。ここでは、スタックの各燃料電池２０３は長方形の形状であるので、スタック横断面も長方形である。面２０１は燃料吸気面である。面２０４はスタックの酸化剤吸気面である。面２０７及び２０８はスタックの燃料及び酸化剤ガス排気面である。

図４では、燃料電池スタック２００のコーナーにはＡからＤまでのラベルが付されている。燃料電池スタックの、燃料ガス吸気面と酸化剤ガス吸気面とに隣接するコーナーにはラベルＡが付されている。スタックの、燃料ガス吸気面と酸化剤ガス排気面とに隣接するコーナーにはラベルＢが付されている。燃料電池スタックの、燃料ガス排気面と酸化剤ガス排気面とに隣接するコーナーにはラベルＣが付されている。最後に、燃料電池スタックの、酸化剤ガス吸気面と燃料ガス排気面とに隣接するコーナーにはラベルＤが付されている。

一般に、燃料電池２００の温度分布は、コーナーＡにおいて最も低温となり、コーナーＣにおいて最も高温となる。従って、この自然な温度分布を打ち消してコーナーＣ付近を強く冷却することにより、このコーナーの付近でスタックが経験する最高温度を低下させることが重要である。上記のように、スタック２００のコーナーＣにおける冷却を強化することは、改質装置１００において柔軟なバッフル６を用いて燃料ガス流を改質装置のコーナー１０５（要するにスタックのコーナーＣ）に向け、かつ改質装置において触媒をこのコーナーに戦略的に配置することによって達成される。これらの効果は、両方とも、この場所での吸熱改質反応を強化することになるので、より大きな冷却効果が得られる。

図５は本発明の改質装置１００を用いるスタック２００と（このグラフには“発明”というラベルが付されている）、在来の改質装置を組み込んだスタックと（このグラフには“従来技術”というラベルが付されている）について測定された流れの分布データを示すグラフである。在来の改質装置を用いるスタックと比べると、このデータから分かるように、本発明のスタック２００の高温側にはより多くの燃料フローが到達する。

より具体的には、図５において、Ｘ軸は燃料電池スタック２００の酸化剤ガス排気面２０８からの距離を表している。燃料電池スタックの高温側はＸ軸の０に位置している。該高温側からの距離はＸ軸の値が増大するにつれて増大する。これは、排気幅のパーセンテージとして表される増加量でもって増大する。Ｙ軸は、スタック内の燃料ガス流の不均一性を表している。Ｙ軸上で、０％は平均ガス流であり、正のパーセンテージ値は平均ガス流より多いガス流に対応し、負のパーセンテージ値は平均ガス流より少ないガス流に対応する。従って、Ｙ値が増大すると、燃料ガス流も増大する。従って、この２つのグラフは、夫々のスタックの高温側からのいろいろな距離での燃料ガス流測定値を表している。

図５に示されているように、スタックの高温側の端部付近における改質装置内の燃料ガス流は、スタック２００については、在来の改質装置を用いるスタックより多い。従って、本発明の改質装置１００においてバッフル６により配向されるガス流に関しては、改質装置はスタックの側又は端（０％Ｘ距離）の付近でガス流を増大させ、これにより冷却を強めることができる。

これに反して、在来の改質装置を有する燃料電池スタックについての燃料ガス流を表している図５の従来技術グラフは、スタックの低温側に近い箇所におけるガス流がスタックの高温側に近い領域におけるガス流より遥かに多いことを示している。その結果として、このスタックでは、スタックの高温側付近で改質される燃料ガスの量は少ないため、大きな温度勾配がもたらされる。

上記のように、本発明の改質装置を採用したスタック２００では、スタックの高温側により多くの燃料ガスが到達するので、当該ガスのより多くの部分がその場所で改質され、当該スタックにおいて非常に高温の領域を冷却する。この効果が図６及び７においてさらに証明されている。

図６は、在来の改質装置を組み込んだ従来技術スタックについての測定された温度分布データのグラフを示し、スタックのコーナーＣ付近における高温箇所５０１の位置を例示している。より具体的には、図６では、Ｘ軸及びＹ軸は、スタックにおけるスタックのコーナーＣからの距離（コーナーＣから遠ざかる方向に増大する距離）を表している。スタックを横切る曲線は、スタックにおける等温線を表している。

例えば、スタックのコーナーＡ付近における温度は最低の５７０℃である。図６に示されているように、スタックのコーナーＣ近くにおける測定温度は最高であり、コーナーＡの温度よりほとんど１００度も高い。この様に、高温箇所５０１はコーナーＣの近くにあり、在来の改質装置を使用するスタックに大きな温度勾配をもたらしている。スタックのコーナー及び端部付近のこの様な大きな温度勾配は、電池周囲でのスタックの隣り合うセル間に配置されるガスシールを破損させる原因となりうる。

図７は、本発明の改質装置を用いるスタック２００についての測定された温度分布データのグラフを示す。この場合、高温箇所６０１はスタックのコーナーＣからスタックの中心へと移動している。図７に示されているように、燃料電池スタックにおける温度は、スタックのコーナーＡＤに隣接する酸化剤吸気面に沿って最低となり、スタックの中心で最高となっている。高温箇所がこのように移動したのは、スタック２００に用いられた本発明の改質装置１００において、改質のためにより多くの燃料ガスをスタックのコーナーＣの方へ向けるための機能と、改質装置内の触媒の戦略的配置とから生じている。これによりコーナーＣ付近の領域でより大きな冷却効果を達成している。コーナーＣからスタックの中心へと高温箇所が移動したことで、改質装置の端部でのガス漏れを防止する効果も得られる。これは、温度が下げられていてガスシールの破れを防止できるからである。

本発明の改質装置１００における触媒の分布について、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という観点から説明してきた。改質装置から出てスタック２００の燃料電池２０２のアノード・チャンバに入る所望の燃料ガス組成を達成するように、付加的な触媒配分を選択することも本発明の意図の範囲内にある。

いずれにせよ、上記の装置は、本発明の応用例を代表する多くの可能な具体的実施態様を単に例証するに過ぎないということが理解されよう。本発明の範囲から逸脱せずに本発明の原理に従って多数のさまざまな他の装置を容易に考案することができる。より具体的には、堅い材料から作られた在来のバッフルと共に、図１及び２に示されている、改質装置において所望の熱拡散を促進するためのバッフル６の延長と触媒配分とを用いることができる。さらに、図１及び２のバッフル６を在来の触媒配分と共に用いることができる。また、図１及び２の触媒配分を在来のバッフルと共に用いることもできる。

本発明の原理に従う燃料改質装置の平面図である。 図１の燃料改質装置に改質触媒を充填するための実例としてのパターンを示す。 図１の燃料改質装置を使用する十字流燃料電池スタックを示す。 図３の十字流燃料電池スタックの横断面を概略的に示す。 図４の燃料電池スタックと、在来の改質装置を使用する十字流燃料電池スタックとについて測定された流れの分布データを示す。 在来の改質装置を使用する十字流燃料電池スタックについての測定された温度分布データを示す。 図４の十字流燃料電池スタックについての測定された温度分布データを示す。

Claims (33)

1. 燃料改質装置であって、
   吸気ポート及び排気ポートを有するエンクロージャーと、
   前記エンクロージャー内に配置された触媒を支持するためのプレート・アセンブリーと、
   前記プレート・アセンブリーと協働して前記吸気ポートから前記燃料改質装置を通して前記排気ポートに至る燃料ガスを通流させるための通流路を確立するための柔軟なバッフルと
   を含むことを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記プレート・アセンブリーは、複数のプレートを含んでおり、前記柔軟なバッフルは前記複数あるプレートのうちの少なくとも第１及び第２のプレートの間に位置することで前記燃料改質装置における複数のセクションを形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
3. 前記複数のセクションは、前記吸気ポートと通じる吸気セクションと、前記排気ポートと通じる排気セクションとを含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料改質装置。
4. 前記吸気ポートと前記排気ポートとは前記エンクロージャーの第１面に位置し、前記第１及び第２のプレートは前記エンクロージャーの前記第１面から前記エンクロージャー内で隣接して前記エンクロージャーの反対側の第２面から離れたところまで延在し、前記柔軟なバッフルは前記第１及び第２のプレートの当接し合う面の間に延在し、前記吸気セクションは前記第１プレートの縦に沿っており、前記排気セクションは前記第２プレートの縦に沿っていることを特徴とする請求項３に記載の燃料改質装置。
5. 前記複数のセクションは、前記エンクロージャーの前記第２面に面する前記第１及び第２のプレートの端部から前記エンクロージャーの前記第２面までの転向セクションを含んでおり、前記複数のプレートは前記第１及び第２のプレートの前記端部に当接する第３プレートを前記転向セクションにおいて包含し、前記柔軟なバッフルは前記第１及び第３のプレートの当接する面と前記第２及び第３のプレートの当接する面の一部分との間に延在していることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質装置。
6. 前記第１及び第２のプレートは実質的に長方形であり、前記第３プレートは実質的に三角形であり、前記第３プレートの第１傾斜面は前記第１プレートの傾斜面及び前記第２プレートの第１傾斜面に当接しており、前記第３プレートの前記第１傾斜面に隣接する前記第３プレートの第２傾斜面は前記第２プレートの第２傾斜面に当接し、前記柔軟なバッフルは、前記第２プレートの前記第１傾斜面から始まって前記第２プレートの前記第２傾斜面の端部から離れたところで終わる前記第２及び第３のプレートの当接する面の間に延在していることを特徴とする請求項５に記載の燃料改質装置。
7. 前記吸気セクションには触媒を設けずに前記転向セクション及び前記復帰セクションには触媒を設け、前記転向セクション及び復帰セクション内の前記触媒が通流路に沿って所定の態様で変化するように前記プレートは触媒を支持することを特徴とする請求項６に記載の燃料改質装置。
8. 前記転向セクションの入り口には触媒を設けないことを特徴とする請求項７に記載の燃料改質装置。
9. 前記通流路は、前記吸気ポートと通じる吸気セクションと、前記排気ポートと通じる復帰セクションと、前記吸気セクション及び前記復帰セクションを結合させる転向セクションとを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
10. 前記燃料吸気ポート及び前記燃料排気ポートは前記エンクロージャーの同じ面に位置し、前記柔軟なバッフルは、前記吸気セクションを前記復帰セクションから部分的に分離するように前記エンクロージャーの縦に沿って延在しかつ前記転向セクションを前記復帰セクションから部分的に分離するように前記エンクロージャーの幅に沿って延在していることを特徴とする請求項９に記載の燃料改質装置。
11. 前記転向セクション及び前記復帰セクションの境界面に存する前記柔軟なバッフルの部分は、始めに前記転向セクション及び前記復帰セクションの境界面での前記転向セクションのコーナーから離れる方へ曲げられ、次に前記コーナーの方へ曲げられることを特徴とする請求項１０に記載の燃料改質装置。
12. 前記柔軟なバッフルは２つのセグメントを含み、第１セグメントは前記吸気セクションを前記復帰セクションから分離し、第２セグメントは前記転向セクションを前記復帰セクションから部分的に分離することを特徴とする請求項９に記載の燃料改質装置。
13. 前記柔軟なバッフルの前記第２セグメントは、前記第１セグメントから、前記転向セクション及び前記復帰セクションの境界面における前記転向セクションのコーナーから離れるように曲がった方向に延在し、その後に前記コーナーの方向に曲がっていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料改質装置。
14. 前記柔軟なバッフルは、前記ガス通流路に沿ったガス漏れを防止するように前記通流路を密封することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
15. 前記柔軟なバッフルは、高温の還元雰囲気に適する柔らかい材料から作成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
16. 前記柔軟なバッフルは、セラミックの紙材料、ロープ又はヤーン、及び、高温還元雰囲気に適する材料から作成されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料改質装置。
17. 前記柔軟なバッフルは、ガスの流れを前記通流路の所定領域へ向けるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
18. 前記所定領域は、前記通流路の転向セクションの端部に存する前記燃料改質装置のコーナーにあることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
19. 前記プレート・アセンブリーは１つ以上の波形プレートを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
20. 前記触媒の量は前記通流路に沿って変化することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
21. 前記燃料改質装置は、前記通流路の吸気セクションを通して前記転向セクションの１箇所までに触媒が設けられておらず、前記転向セクションの残部及び前記燃料改質装置の復帰セクションにおいて所定の態様で変化するように触媒が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
22. 吸気ポートと排気ポートとを有するエンクロージャーと、前記エンクロージャー内に配置された触媒を支持するためのプレート・アセンブリーと、柔軟なバッフルとを含む燃料改質装置であって、
    前記柔軟なバッフルは、前記プレート・アセンブリーと協働して、前記燃料改質装置を通して前記吸気ポートから前記排気ポートまで燃料ガス流のための通流路を確立すると共に、前記エンクロージャーを、前記吸気ポートと通じる吸気セクションと、前記排気ポートと通じる排気セクションと、前記吸気セクションを前記排気セクションに結合する転向セクションとに分割し、さらに、前記柔軟なバッフルは、前記転向セクションの予め選択された領域へのガス流量を増やすように前記転向セクションに延在していることを特徴とする燃料改質装置。
23. 前記プレート・アセンブリーの部材は波形であることを特徴とする請求項２２に記載の燃料改質装置。
24. 前記予め選択された領域は、前記転向セクションと前記復帰セクションとの境界のコーナー領域であることを特徴とする請求項２２に記載の燃料改質装置。
25. 前記柔軟なバッフルは、前記転向セクションに伸び込んで始めに前記コーナー領域から離れるように曲げられ、次に前記コーナー領域の方へ曲げられていることを特徴とする請求項２４に記載の燃料改質装置。
26. 前記プレート・アセンブリーは複数のプレートを含み、前記柔軟なバッフルは、前記燃料改質装置において複数のセクションを形成するように前記複数のプレートのうちの少なくとも第１及び第２のプレートの間に位置し、
    前記複数のセクションは、前記吸気ポートと通じる吸気セクションと、前記排気ポートと通じる排気セクションとを含み、
    前記吸気ポートと前記排気ポートとは前記エンクロージャーの第１面に位置し、前記第１及び第２のプレートは前記エンクロージャー内で隣接して前記エンクロージャーの前記第１面から前記エンクロージャーの反対側の第２面から離れたところまで延在し、前記柔軟なバッフルは前記第１及び第２のプレートの当接する面の間に延在し、前記吸気セクションは前記第１プレートの縦に沿っており、前記排気セクションは前記第２プレートの縦に沿っており、
    前記複数のセクションは、前記エンクロージャーの前記第２面に面する前記第１及び第２のプレートの端部から前記エンクロージャーの前記第２面までの転向セクションを含んでおり、前記複数のプレートは、前記転向セクションにおいて前記第１及び第２のプレートの前記端部に当接する第３プレートを包含し、前記柔軟なバッフルは、前記第１及び第３のプレートの当接する面と前記第２及び第３のプレートの当接する面の一部分との間に延在し、
    前記第１及び第２のプレートは実質的に長方形であり、前記第３プレートは三角形であり、前記第３プレートの第１傾斜面は前記第１プレートの傾斜面及び前記第２プレートの第１傾斜面に当接し、前記第３プレートの前記第１傾斜面に隣接する前記第３プレートの第２傾斜面は前記第２プレートの第２傾斜面に当接し、前記柔軟なバッフルは、前記第２プレートの前記第１傾斜面から始まって前記第２プレートの前記第２傾斜面の端部から離れたところまで前記第２及び第３のプレートの当接する面の間に延在していることを特徴とする請求項２５に記載の燃料改質装置。
27. 前記燃料改質装置は、前記吸気セクションに渡り前記転向セクション内の１箇所までに触媒を含んでおらず、前記転向セクションの残部及び前記復帰セクションに触媒を含むことを特徴とする請求項２２に記載の燃料改質装置。
28. 前記触媒の量は前記復帰セクションにおいて所定の態様で変化することを特徴とする請求項２７に記載の燃料改質装置。
29. 吸気ポート及び排気ポートを有するエンクロージャーと、前記エンクロージャー内に配置された触媒を支持するためのプレート・アセンブリーとを含む燃料改質装置であって、前記プレート・アセンブリーは、前記吸気ポートから前記排気ポートまで前記燃料改質装置を通る燃料ガス流のための通流路を確立すると共に、前記エンクロージャーを、前記吸気ポートと通じる吸気セクションと、前記排気ポートと通じる排気セクションと、前記吸気セクションを前記排気セクションに結合させる転向セクションとに分割し、前記燃料改質装置は前記吸気セクションにおいて、また前記転向セクション内の１箇所まで、触媒を含んでおらず、また前記復帰セクション内の前記箇所から前記復帰セクションに渡って触媒を含んでおり、前記触媒の量は少なくとも前記復帰セクションにおいて所定の態様で変化することを特徴とする燃料改質装置。
30. 前記プレート・アセンブリーは波形プレートを含むことを特徴とする請求項２９に記載の燃料改質装置。
31. 前記プレート・アセンブリーが前記通流路を確立するのを助けるための柔軟なバッフルをさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の燃料改質装置。
32. 前記吸気ポート及び前記排気ポートは前記エンクロージャーの同じ面に位置することを特徴とする請求項２９に記載の燃料改質装置。
33. 前記通流路はＵ形であることを特徴とする請求項３２に記載の燃料改質装置。

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