JP2007073358A - 燃料熱交換器および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で、水蒸気と原燃料ガスとの優れた混合性が得られる燃料熱交換器を提供する。
【解決手段】 この燃料熱交換器２０は、水または水蒸気と原燃料ガスの各流体が流通する内部の流体通路２４に、間に前記流体の流路が形成される多数の伝熱部材２７を充填して前記流体の混合部を形成している。この燃料熱交換器２０は、燃料電池スタックの排熱を熱源として利用している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料改質器に導入される水蒸気と原燃料ガスの混合ガスを生成するための燃料熱交換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。

上述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、燃料電池では、モジュール内部（ハウジング内部）に改質器を組み込むと共に、この改質器により、都市ガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料ガス）を水蒸気改質して得た水素リッチなガスを燃料ガスとして用いる、所謂、内部改質方式が一般的に行われている。

この改質器は、水蒸気発生器から供給される水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスとすると共に、さらに６５０〜８００℃程の高温雰囲気下において両者を反応させることにより発電反応に必要な水素を生成させるものである。
すなわち、上記改質器においては、ま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→３Ｈ₂＋ＣＯ
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂

尚、従来の改質器として、例えば、特許文献１のように、水蒸気発生器を一体化したものが提案されている。

この改質器は、図４に示すように、図中左方から右方に向けて、内部に改質触媒５８ａが充填された改質部５８と、燃焼触媒５９ａが充填された燃料部５９と、蒸気発生部５０とが順次対向配置されている。

そして、上記構成からなる改質器においては、燃料部５９に燃料を供給し、燃焼触媒によって蒸発させることにより得られた燃焼熱を利用して、蒸気発生部５０に供給される水を気化させて水蒸気を得ると共に、この水蒸気と原燃料ガスとを混合させつつ改質部５８に供給して上述したように燃料ガスとなる水素を生成させるものである。
特開２００３−６３８０３号公報

しかしながら、上記特許文献１の改質器においては、先ず、水から水蒸気を発生させ、得られた水蒸気と原燃料ガスとを混合して改質部に供給する構造であるから、改質器の前段に上記した水蒸気と原燃料ガスとを混合するための何等かの混合機（例えば、スタティックミキサ）を設ける必要がある。特に、内部改質型の燃料電池では、装置内に混合機を設置するためのスペースを確保する必要があることから装置が大型化すると共に、水蒸気と原燃料ガスの混合性をより一層良くするためにエゼクタ等を用いる場合は構造も複雑化し、コスト的にも高価なものとなる。

また、水蒸気発生器に直接常温の水を供給すると、水蒸気発生器内において水が沸騰することにより、水蒸気の流量が脈動変化するため、混合ガスのＳ／Ｃ比（スチーム・カーボン比）が大きく変動し、改質後の改質ガスの組成が変動・悪化するという問題があった。この改質ガス組成の変動や悪化は燃料電池の出力を不安定にし、曳いては発電セルの寿命に悪影響を及ぼすことになる。

本発明は、このような問題に鑑み成されたもので、簡易な構造で、且つ、水蒸気との混合性が良く、安定した混合ガスが得られる燃料熱交換器、およびこの燃料熱交換器を備えた高効率、高性能の燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、燃料電池スタックと伴に断熱ハウジング内に配設された改質器により水蒸気と原燃料ガスの混合ガスを改質し、改質ガスを前記燃料電池スタックに供給して電気出力を得る燃料電池に用いられ、前記混合ガスを発生する燃料熱交換器であって、水または水蒸気と原燃料ガスの各流体が流通する内部の流体通路に、間に前記流体の流路が形成される多数の伝熱部材を充填して前記流体の混合部を形成した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に記載の燃料熱交換器において、前記伝熱部材は、少なくとも前記流体が導入される導入部部分に充填さ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の何れかに記載の燃料熱交換器において、前記伝熱部材としてセラミックビーズを用いることを特徴としている。

また、請求項４に記載の燃料電池は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料熱交換器において、前記ハウジング内に配設して前記燃料電池スタックからの排熱を熱源として利用するものとして構成し、前記導入部からの水蒸気と原燃料ガスを混合し、昇温して混合ガスを発生することを特徴としている。
尚、排熱とは、ハウジング内に配設した燃料電池スタックからのジュール熱、未反応ガスの燃焼熱等、ハウジング内部雰囲気との熱伝達および燃料電池スタックからの輻射熱である。

また、請求項５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燃料熱交換器において、前記ハウジング内に配設して前記燃料電池スタックからの排熱を熱源として利用するものとして構成し、前記導入部からの水を気化して水蒸気を生成すると共に、この水蒸気と前記導入部からの原燃料ガスを混合し、昇温して混合ガスを発生す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１から請求項３までの何れかに記載の燃料熱交換器において、前記ハウジングの下部に配設し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ものとして構成し、前記導入部からの水を気化して水蒸気を生成すると共に、この水蒸気と前記導入部からの原燃料ガスを混合し、昇温して混合ガスとすることを特徴としている。

また、請求項７に記載の燃料電池は、請求項１から請求項６までの何れかに記載の燃料熱交換器を備えて成ることを特徴としている。

また、請求項８に記載の本発明は、請求項７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燃料電池スタック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９に記載の本発明は、請求項７または請求項８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、燃料熱交換器において、流体が流通する流体通路に伝熱部材（セラミックビーズ）を充填すると、この伝熱部材の熱伝達作用により、燃料熱交換器の熱交換性能が向上し、原燃料ガスと伴に水を導入した場合は、この水を効率良く気化して水蒸気を得ることができ、且つ、これら流体が伝熱部材間の流路を流通する過程で、水の気化と並行して原燃料ガスを容易に水蒸気中に均一に混合させることができ（混合部のガス混合作用）、よって、簡易な構造で、安定した水蒸気量の混合ガスが得られるようになる。勿論、水に替えて水蒸気を導入した場合も、この伝熱部材による熱伝達作用とガス混合作用で水蒸気と原燃料ガスとの好ましいミキシングが行える。
この混合ガスが流体通路内を排出部に向けて流通する過程で流体通路内においてさらに加熱、昇温されて改質器に導入されることにより、改質器において安定した改質反応が行われ、均一組成の良質な燃料ガスが燃料電池スタック（すなわち、発電セル）に供給されるため、出力変動の少ない高効率で高性能の燃料電池が実現できる。

加えて、本構成では、従来のように、水蒸気と原燃料ガスを混合するための混合機を別途設ける必要がなく、その分の設置スペースを削減して装置のコンパクト化が図れるようになる。

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は本発明に係る燃料熱交換器の構成を示し、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の内部に配設し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。

上述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（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。

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、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、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。

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。

また、ハウジング２内には、上記した複数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ている。
特に、シールレス構造の固体酸化物形燃料電池では、ハウジング内に高温の排ガスが自由に放出される構造であるから、排熱利用には極めて好都合である。

ところで、上述の燃料熱交換器２０は、下流側の改質器３０に導入する改質用の混合ガス（原燃料ガスと水蒸気の混合ガス）を発生するために配設されたものである。この燃料熱交換器２０は、図２に示すように、伝熱性に優れる金属製の箱体（熱交換器）であって、内部に上記流体が流通する流体通路２４が縦方向に形成されている。
そして、この箱体の下端部には、上記流体通路２４と連通し、上述した燃料ガス供給管１５と給水管１７が接続される導入部２３が設けられ、この導入部２３より流体通路２４内に外部からの原燃料ガス（例えば、都市ガス）と水または水蒸気が導入されるようになっている。
他方、この箱体の上端部には、流体通路２４内において生成された混合ガスを器外に排出するための排出部２８が設けられ、この排出部２８に連結された配管を通し、流体通路２４内において加熱、昇温された混合ガスが下流側の改質器３０に供給されるようになっている。

給水管１７を通して燃料熱交換器２０に水が導入された場合は、一旦、流体通路２４の下部に貯留されると共に、燃料電池スタック３の高温排熱によって加熱されることにより気化し、水蒸気となって流体通路２４内を上昇し、流体通路２４の上部空間に充満するようになっている。

また、この流体通路２４内には、少なくとも導入部２３から導入された水が気化できる高さまで粒径１〜２ｍｍ程度の多数のセラミックビーズ（伝熱部材）２７が導入部２３より充填されており、且つ、セラミックビーズ２７の充填により、充填ビーズの間には、水または水蒸気や原燃料ガスが流通する微細、且つ複雑な流路が自ずと形成される。
尚、セラミックビーズ２７として、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ムライト、窒化アルミ等を用いることができるが、特に伝熱性に優れるものが好ましい。

このように、流体通路２４内に伝熱性のビーズを充填することにより、流体通路２４内の伝熱熱面積を大きくでき、この伝熱性ビーズの奏する熱伝達効果により、熱交換器の熱交換性能が向上するため、燃料電池スタック３からの排熱を利用して外部導入水を効率良く加熱し、気化させて、安定した水蒸気量を得ることができると共に、これら流体がセラミックビーズ２７間の微細、且つ、複雑な流路を乱流となって流通する過程で、水の気化と並行して原燃料ガスを容易に水蒸気中に均一に混合させる混合部２２を形成することができ、よって、簡易な構造で、安定した水蒸気量の混合ガスを簡易に得ることができる。

勿論、水に替えて原燃料ガスと伴に水蒸気を導入した場合も、このセラミックビーズ２７の充填による熱伝達作用と混合部２２におけるガス混合作用により、水蒸気と原燃料ガスとの好ましいミキシングが行えるものである。混合ガスは、流体通路２４内を排出部２８に向けて流通する過程で外表からの熱伝達で加熱され、改質反応にとって好ましい温度に昇温される。
尚、水蒸気導入の場合の水蒸気は、図１（ｂ）に示すように、ハウジング２の下部近傍に配設した排ガス熱交換部６０内において発生させることができる。

この排ガス熱交換部６０は、断熱材３２で包囲された空間部を有し、この空間部内に所望の熱交換器（本実施形態では、水蒸気発生器７０）を配設している。外部導入水がこの水蒸気発生器７０内において排気管１９ｂを通して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、図示しない上部の配管によりハウジング２内の燃料熱交換器２０に誘導されるようになっている。

また、上記水蒸気発生器７０に替えて、本実施形態の燃料熱交換器２０を、この排ガス熱交換部６０内に配設することもできる。この実施形態において、燃料熱交換器２０は上記した図２の構成を備え、下部の導入部より水と原燃料ガスが導入されるようになっている。その作用効果は上述した通りであり、この燃料熱交換器２０内で生成された混合ガスは、図示しない配管によりハウジング２内に誘導されて、下流側の改質器３０に導入されるように構成されている。

このように、ハウジング２の下部近傍に排ガス熱交換部６０を設け、燃料電池スタックからの高温排ガスを熱源として利用する構成は、ハウジング２内に熱交換器を設けた場合に比べて、その吸熱によりハウジング内雰囲気を不用意に低下させるという不都合を回避できるメリットを有する。

以上説明したように、本発明の燃料熱交換器２０は、排ガスの熱エネルギーを有効に利用し、常に安定したスチーム・カーボン比の混合ガスを得ることができる。従って、改質器３０においては、改質触媒による安定した改質反応が行われ、均一組成の燃料ガスに改質されることになり、この良質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、発電セル７内において安定した発電反応が行われ、出力変動の少ない高効率で高性能の燃料電池が実現できる。
加えて、本発明では、燃料熱交換器２０内（混合部２２）において、水蒸気と原燃料ガスの混合を行うため、従来のように、水蒸気と原燃料ガスを混合するための混合機を別途設ける必要がなく、その分の設置スペースを削減して装置のコンパクト化が図れるようになる。

また、本発明では、図示しないが、上記改質器３０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、燃料熱交換器２０と改質器３０を接続するための連結管３１）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３０を燃料電池スタック３の近傍に配設して、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燃料熱交換器２０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、常に安定したスチーム・カーボン比の混合ガスを発生させることにも大いに寄与するものである。

尚、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。

（ａ）は本発明に係る固体酸化物形燃料電池の内部構造を示す図、（ｂ）は排ガス熱交換部の構造を示す図。 本発明に係る燃料熱交換器を示し、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は内部構造を示す縦断面図。 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。 従来の水蒸気発生装置の内部構造を示す断面図。

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 燃料熱交換器
２２ 混合部
２３ 導入部
２４ 流体通路
２７ 伝熱部材（セラミックビーズ）
２８ 排出部
３０ 改質器

Claims (9)

1. 燃料電池スタックと伴に断熱ハウジング内に配設された改質器により水蒸気と原燃料ガスの混合ガスを改質し、改質ガスを前記燃料電池スタック内に供給して電気出力を得る燃料電池に用いられ、前記混合ガスを発生する燃料熱交換器であって、
   水または水蒸気と原燃料ガスの各流体が流通する内部の流体通路に、間に前記流体の流路が形成される多数の伝熱部材を充填して前記流体の混合部を形成したことを特徴とする燃料熱交換器。
2. 前記伝熱部材は、少なくとも前記流体が導入される導入部部分に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料熱交換器。
3. 前記伝熱部材としてセラミックビーズを用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熱交換器。
4. 前記ハウジング内に配設して前記燃料電池スタックからの排熱を熱源として利用するものとして構成し、前記導入部からの水蒸気と原燃料ガスを混合し、昇温して混合ガスを発生する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燃料熱交換器。
5. 前記ハウジング内に配設して前記燃料電池スタックからの排熱を熱源として利用するもとして構成し、前記導入部からの水を気化して水蒸気を生成すると共に、この水蒸気と前記導入部からの原燃料ガスを混合し、昇温して混合ガスを発生する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燃料熱交換器。
6. 前記ハウジングの下部に配設し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ものとして構成し、前記導入部からの水を気化して水蒸気を生成すると共に、この水蒸気と前記導入部からの原燃料ガスを混合し、昇温して混合ガスとする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燃料熱交換器。
7. 請求項１から請求項６までの何れかに記載の燃料熱交換器を備えて成ることを特徴とする燃料電池。
8. 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燃料電池スタック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７に記載の燃料電池。
9. 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７または請求項８の何れかに記載の燃料電池。

Images