JP2007005134A - 水蒸気発生器および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 常に安定した水蒸気量が得られる水蒸気発生器を提供する。
【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を断熱ハウジング２内に収納して成る燃料電池１に用いる水蒸気発生器３０である。この水蒸気発生器３０は、ハウジング２の下部に近接して設けられて、燃料電池スタック３からの排ガスを熱源とする熱交換器２０を備え、この熱交換器２０には、外部からの供給水が前記ハウジング２の底面に沿って横方向に流通する水流路が設けられており、且つ、この水流路内に伝熱性のビーズが充填されている
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池が備える水蒸気発生器に関し、特に、排熱を効率良く利用し、安定した水蒸気量を得ることができる水蒸気発生器に関するものである。

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、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。

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、ＣＨ₄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。

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（Ｏ^2-）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する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、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。

ところで、固体酸化物形燃料電池では、発電セルの電気化学反応が約６５０〜１０００℃の高温酸化性雰囲気中で行われることがら、起動時の電池反応を活性化するため、反応用ガスとして外部より導入される酸素（空気）と燃料ガスを必要温度に予熱して発電セルに供給する必要がある。また、モジュール内部に燃料改質器を備える内部改質式の燃料電池にあっては、このような反応用ガスの予熱に加え、燃料改質用に高温度の水蒸気を供給する必要があるため、水蒸気を得るための水蒸気発生器を備えているものが一般的である。
特許文献１には、改質反応に必要な高温水蒸気を供給するための水蒸気発生器を一体的に備えた改質器が開示されている。
特開２００３−６３８０３号公報

ところで、改質器における改質反応は吸熱反応であるため、安定した改質反応を生じさせて水素豊富な燃料ガスを得るには、高温度の水蒸気を改質器に安定的に供給する必要がある。水蒸気の供給量が変動すると、改質反応が不安定となって未改質ガスが発生し、この未改質ガスが燃料ガスとして発電セルに供給されると、電極に炭素が析出して電池性能（出力）が低下するという問題が生じる。

本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、その目的は、排熱を効率良く利用し、且つ、常に安定した水蒸気量が得られる水蒸気発生器を提供することであり、また別の目的は、上記水蒸気発生器を用いた高性能な燃料電池を提供することである。

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断熱ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを外部に排気する燃料電池に用いる水蒸気発生器であって、前記ハウジングの端部（上部または下部）に近接して設けられて、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源として利用する熱交換器を備え、この熱交換器には、外部からの供給水が前記ハウジングの端面に沿って平面方向に流通する水流路が設けられており、且つ、この水流路内に伝熱性のビーズが充填されていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の水蒸気発生器において、前記熱交換器の水流路内に、水流方向と対面する複数のじゃま板を設けたことを特徴としている。

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の何れかに記載の水蒸気発生器において、前記排ガスが一端から他端に向けて平面方向に流通する排ガス流通空間を備えると共に、前記熱交換器が、その上下に前記排ガスが流通するように前記排ガス流通空間内の中間部位に保持されていることを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の水蒸気発生器において、前記熱交換器として、プレートフィン型熱交換器を用いたことを特徴としている。

また、請求項５に記載の燃料電池は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の水蒸気発生器を備えて成ることを特徴としている。

また、請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の燃料電池において、前記燃料電池が、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。

また、請求項７に記載の本発明は、請求項５または請求項６の何れかに記載の燃料電池において、各々が直列に接続された多段構成の改質器を備え、且つ、少なくとも最前段の改質器は、前記燃料電池スタックから離間して配設されていることを特徴としている。

本発明によれば、ハウジングの端面に沿って平面方向に流通する水流路を設けることにより、ハウジング端部からの放射熱を広範囲より効率良く吸収することができるため、熱交換器の伝熱性能が向上する。
加えて、この水流路内に伝熱性のビーズを充填することにより、流体に対する伝熱面積を大きくできると共に、水流路内を流通する流体が乱流となって混合されるため、熱交換性能はより一層向上し、常に安定した高温水蒸気量を得ることができる。

また、水流路内に水流方向に対面するじゃま板を設けることにより、横方向の水流に縦方向の水流を生じさせることができ、この上下流によって流体への伝熱性がより一層向上する。

また、熱交換器を排ガス流通空間内の中間部位に保持することにより、ハウジング内より導入した排ガスは、この熱交換器の上下部を流通することになり、この上下の排ガス流によって流体は上下方向から効率良く加熱されるようになる。

以下、図１〜図４に基づいて本発明の一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構成を示し、図２は本発明に係る水蒸気発生器の内部構造を示し、図３は水蒸気発生器の上面視、図４燃料電池スタックの要部構成を示している。

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の内部に配設された燃料電池スタックである。本実施形態は、ハウジング２内に複数（例えば、８基）の燃料電池スタック３を集合・配置して高出力型の燃料電池モジュールを構成している。この燃料電池モジュール（固体酸化物形燃料電池１）が架台４０の上に設置されている。また、ハウジング２内の各燃料電池スタック３には、反応用ガスとして外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を各燃料電池スタック３内に導入するための燃料ガス供給管１５と酸化剤ガス供給管１６が接続されている。
尚、燃料ガス供給管１５は、ハウジング２内において、予熱用の燃料熱交換器３３や改質器３２等を介して各燃料電池スタック３に接続され、酸化剤ガス供給管１６は予熱用の空気熱交換器３４を介して各燃料スタック３に接続されている。

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。

ここで、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。

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、上記した燃料ガス供給管１５を通して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、上記した酸化剤ガス供給管１６を通して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。

また、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、ハウジング２の内部空間に放出された高温度の排ガス（作動温度が７００℃前後の固体酸化物形燃料電池の場合、４５０〜６００℃）を外部に排出するための排気管１９ａが設けられている。

また、ハウジング２の下部中央には、底板１３を介してその近傍に、上部に設置の燃料電池スタック３より放出される高温の排ガスを熱交換用の熱源として利用する横据え付け型の水蒸気発生器３０が配設されている。

この水蒸気発生器３０は、図２、図３に示すように、断熱材２１内において、ケーシング２８で包囲・形成された横長箱状の排ガス流通空間３１内の中間部位に収容・保持された熱交換器２０から構成されている。この熱交換器２０は、内部に上部の底板１３に沿って平面方向に蛇行する水流路２５を備え、給水管１７通して外部供給水が、この熱交換器２０の右下端部から導入されて、図３の矢印のように水流路２５内を折流しながら流通する過程で熱交換器２０内において上部排ガス導入口２２より導入されたハウジング２内の高温排ガスや底板１３を伝導した放射熱と熱交換して高温水蒸気となり、左上端部の配管２３を通して燃料電池スタック１内に誘導されるようになっている。また、排ガス導入口２２より導入された排ガスは、排ガス流通空間３１内を平面方向に流通する過程で供給水との熱交換を終え、１５０〜２５０℃の低温ガスとなって下端部の排気管１９ｂより外部に排出されるようになっている。
このように、水蒸気発生器３０の据付を横向きにして、ハウジング２の底部空間部において熱回収を平面的に行うように構成することにより、水蒸気発生器３０を扁平化でき、これにより、燃料電池モジュールの背低化（小型化）を図ることができる。

本実施形態では、上記熱交換器２０としてプレートフィン型の熱交換器を用い、蛇行状の水流路２５内に水流方向に対面する状態で複数のじゃま板２９（仕切板）を設けると共に、じゃま板２９で仕切られた各小区域にビーズ２７が充填されている。このビーズ２７は、１〜２ｍｍ径の熱伝導性に優れるアルミナビーズを使用すると良い。また、水流路２５に沿うように、上下に水蒸気発生器３０の伝熱部となるプレートフィン２４が設けてある。
上記じゃま板２９は、水流路２５の底部より垂直に起立されており、且つ、横方向の水流を確保するため、水流路２５の上部に適度な隙間を設けている。

このように、底板１３（ハウジングの底面）に沿って横方向に流通する水流路２５を設けることにより、ハウジング底部から放射される熱を直接的、且つ、広範囲で吸収することができ、この放射熱と排ガス導入口２２より導入される高温排ガスの熱とで排ガス流通空間３１内は好適な高温状態に保持されており、熱交換器２０の伝熱性は極めて高いものとなっている。
また、熱交換器２０が排ガス流通空間３１内の中間部位に保持・固定されているため、排ガス流通空間３１内に導入された排ガスは、この熱交換器２０の上下部を流通して排気管１９ｂより排出されることになり、よって、この上下の排ガス流により、水流路２５を熱交換器２０の上部と下部の両側より効率良く加熱することができる。

加えて、この水流路２５内に伝熱性ビーズ２７が充填されているため、水流路２５内の伝熱面積は極めて大きくなっており、熱交換器２０の熱容量が増加すると共に、水流路２５内を流通する供給水が乱流となって混合されるため、熱交換性能はより一層向上し、且つ、流路内の水流も均一化されることから、常に安定した高温水蒸気量が得られるようになる。

また、水流路２５内には、水流方向に対面する複数のじゃま板２９が設けられているため、横方向の水流に縦方向の水流を生じさせることができ、この上下流により、供給水に対する伝熱性をより一層向上することができる。

尚、本実施形態では、水蒸気発生器３０をプレートフィン型熱交換器で構成したが、その他、チューブフィン型熱交換器やプレート熱交換器等を用いることも勿論可能である。但し、上記プレートフィン型熱交換器は、コンパクトで高性能の水蒸気発生器３０を構成できるという点でメリットを有する。
また本実施形態では、複数の燃料電池スタック３を集合配置して構成した高出力型の燃料電池モジュールについて説明したが、単数の燃料電池スタック３で構成された燃料電池モジュールについても本発明が適用可能であることは勿論である。

以上説明したように、本発明の水蒸気発生器３０は、排ガスの熱エネルギーを有効に利用し、常に安定した量の水蒸気を得ることができる。得られた水蒸気は配管２３を通して燃料ガス供給管１５に誘導され、燃料ガス供給管１５内において燃料ガスと混合して混合ガスとなり、この混合ガスが燃料熱交換器３３で余熱された後、改質器３２に導入される。そして、改質器３２には、水蒸気発生器３０より常に十分な水蒸気量が安定的に供給されているため、改質触媒による安定した改質反応が行われて水素豊富な燃料ガスに改質されており、この改質ガスが各燃料電池スタック３に供給されることにより、よって、高効率、高性能の燃料電池が実現できる。

また、本発明では、図示しないが、上記改質器３２を各々が直列に接続された多段構成とすることも可能である。この場合、最前段の改質器は燃料電池スタック３から離間した場所（例えば、排気管１９ａ内、或いはその近傍）に配設し、大きな吸熱を伴う初期段階の反応をこの最前段の改質器で行わせるのが好ましい。これにより、図１のような単体構成の改質器３２を燃料電池スタック３の近傍において、その大きな吸熱により燃料電池スタック３を冷却して発電性能を低下させる不都合を回避することができると共に、この燃料電池スタック３の排熱を使用する上記水蒸気発生器３０に対しては、常に高温度の排ガスを導入することができるため、常に安定した量の水蒸気を発生させることにも大いに寄与するものである。

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す図。 本発明に係る水蒸気発生器の内部構造を示す要部断面図。 同、水蒸気発生器の上面視を示す図。 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

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
２０ 熱交換器（プレートフィン型熱交換器）
２５ 水流路
２７ ビーズ（アルミナビーズ）
２９ じゃま板
３０ 水蒸気発生器
３１ 排ガス流通空間
３２ 改質器

Claims (7)

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断熱ハウジング内に収納し、運転時に前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応で生じた排ガスを外部に排気する燃料電池に用いる水蒸気発生器であって、
   前記ハウジングの端部に近接して設けられて、前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源として利用する熱交換器を備え、この熱交換器には、外部からの供給水が前記ハウジングの端面に沿って平面方向に流通する水流路が設けられており、且つ、この水流路内に伝熱性のビーズが充填されていることを特徴とする水蒸気発生器。
2. 前記熱交換器の水流路内に、水流方向と対面する複数のじゃま板を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水蒸気発生器。
3. 前記排ガスが一端から他端に向けて平面方向に流通する排ガス流通空間を備えると共に、前記熱交換器が、その上下に前記排ガスが流通するように前記排ガス流通空間内の中間部位に保持されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の水蒸気発生器。
4. 前記熱交換器として、プレートフィン型熱交換器を用いたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の水蒸気発生器。
5. 請求項１から請求項４までの何れかに記載の水蒸気発生器を備えて成ることを特徴とする燃料電池。
6. 前記燃料電池が、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５に記載の燃料電池。
7. 各々が直列に接続された多段構成の改質器を備え、且つ、少なくとも最前段の改質器は、前記燃料電池スタックから離間して配設されていることを特徴とする請求項５または請求項６の何れかに記載の燃料電池。

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