JP4544055B2

JP4544055B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4544055B2
Application number: JP2005183687A
Authority: JP
Inventors: 勝哉平田; 隆宮澤
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: JP2007005133A

Description

本発明は、特に、安定した水蒸気量を得ることができる水蒸気発生器を備えた燃料電池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供給される酸素（空気）と燃料ガスを必要温度に予熱する必要がある。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の場合は、予熱した反応用ガスに加え、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。
尚、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、十分な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して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ことにより、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、常に安定した水蒸気量が得られる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、内壁に断熱材を付装したハウジング内に、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを収納し、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であって、前記ハウジング下部の上記断熱材内に設けられて、上部の排ガス導入口より前記ハウジング内の前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源として導入して、燃料ガスを前記反応用ガスに改質するための高温水蒸気を発生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下部より上部に流通するとともに前記排ガスと熱交換して前記高温水蒸気とな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に記載の燃料電池において、前記ビーズは、少なくとも前記供給水が気化可能な高さまで、前記水流路の上流部から充填されていると共に、下流部のビーズ非充填部分に気化した水蒸気の誘導手段が設けられている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に記載の燃料電池において、前記熱交換器として、排ガス流路と水流路を交差状、または対向状に備えた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。

本発明によれば、水蒸気発生器内（水流路内）に伝熱性ビーズを充填することにより流体（外部供給水）に対する伝熱面積を大きくできるため、熱交換性能が向上し、排熱を利用して効率良く高温度の水蒸気を得ることができる。
また、ビーズの充填により、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、熱交換性能がより一層向上すると共に、常に安定した水蒸気量が得られるようになる。
また、外部供給水を水蒸気発生器の下部より上部に流通させると、ビーズの充填は気化可能な高さで良いことになり、よって、必要最小限のビーズを用いて、安定した高温水蒸気を得ることが可能となる。

以下、図１〜図３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（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。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、上部の燃料電池スタック３から排出される高温排ガスを熱源とする水蒸気発生器３０が配設されている。

この水蒸気発生器３０は、断熱材２１で包囲された空間内に収容された熱交換器２０から構成されており、給水管１７通して外部供給水が、この熱交換器２０の下部から導入されて上方に流通する過程で熱交換器２０内において上部の排ガス導入口２２より導入されたハウジング２内の高温排ガスと熱交換して高温水蒸気となり、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、上部の排ガス導入口２２より導入された排ガスは、下方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部の排気管１９ｂより外部に排出される。

本実施形態では、上記熱交換器２０として、図２に示すように、燃料電池スタック３からの排ガスが流通するフィン２６付きの排ガス流路２４と外部からの供給水が流通するフィン２６付きの水流路２５をプレート単位で交差状、または、対向状に配設したプレートフィン型の熱交換器を用いており、且つ、水流路２５内のフィン２６の隙間には、ビーズ２７が充填されている。このビーズ２７として、１〜２ｍｍ径の熱伝導性に優れるアルミナビーズを使用している。

このように、熱交換器２０内（水流路２５内）に伝熱性のビーズ２７を充填することにより、水流路２５内の伝熱面積を大きくできるため、熱交換器としての熱容量が増加し、熱交換性能を向上することができる。これにより、外部からの供給水を効率良く加熱・気化して多量の高温水蒸気を得ることができる。
また、水流路２５内にビーズ２７が充填されることによって水流路２５が狭ばめられると、ビーズ充填領域において加熱された水が乱流となって混合されるため、熱交換性能がより一層向上すると共に、流路内の水流も均一化されることから、常に安定した水蒸気量が得られるようになる。

加えて、本実施形態の水蒸気発生器３０は、ハウジング２の底部に設置して熱源となる高温排ガスを上方より下方に流通させると共に、外部供給水を熱交換器２０の下方（上流部）より上方（下流部）に向けて流通させ、且つ、流通過程において気化された水蒸気を熱交換器の下流端部より放出する構造としたため、ビーズ２７は、水流路２５内において、上流部より少なくとも気化可能な高さまで充填すれば十分であり、よって、必要最小限のビーズを用いて、安定した水蒸気量を得ることが可能となる。尚、水流路２５内において気化した水蒸気は、最下流部であるビーズ非充填領域より取り出すことができる。

また、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、水蒸気発生器３０を用いた燃料電池は、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。得られた水蒸気は誘導手段としての配管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においては、常に水蒸気発生器３０より十分な水蒸気量が供給されているため、改質触媒による好適な改質反応が行われて水素豊富な燃料ガスに改質され、各燃料電池スタック３に供給されることになり、よって、高効率、高性能が実現できる。

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。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）
２３誘導手段（配管）
２４排ガス流路
２５水流路
２７ビーズ（アルミナビーズ）
３０水蒸気発生器
３２改質器

Claims

内壁に断熱材を付装したハウジング内に、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを収納し、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であって、
前記ハウジング下部の上記断熱材内に設けられて、上部の排ガス導入口より前記ハウジング内の前記燃料電池スタックからの排ガスを熱源として導入して、燃料ガスを前記反応用ガスに改質するための高温水蒸気を発生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下部より上部に流通するとともに前記排ガスと熱交換して前記高温水蒸気とな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燃料電池。
前記ビーズは、少なくとも前記供給水が気化可能な高さまで前記水流路の上流部から充填されていると共に、下流部のビーズ非充填部分に気化した水蒸気の誘導手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記熱交換器として、排ガス流路と水流路を交差状、または対向状に備えた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または請求項２に記載の燃料電池。