JP2016023106A - 蒸発器及びこれを備えた燃料電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制することのできる蒸発器、及びこれを備えた燃料電池装置を提供すること。
【解決手段】この蒸発器301は、蒸発空間(第1空間381,第2空間382)のうち水蒸気が流れる方向における上流側の端部全体に、水が貯留される貯水部WSが形成されている。
【選択図】図4

Description

本発明は、水蒸気を発生させる蒸発器及びこれを備えた燃料電池装置に関する。
都市ガス等に含まれるメタンを水蒸気改質して水素を発生させる改質器は、水蒸気改質反応のための水蒸気の供給を必要とする。このため、水を加熱して水蒸気を発生させ、当該水蒸気を改質器に供給する蒸発器が、改質器と共に又は改質器と一体となって備えられるのが一般的である。
改質器における水蒸気改質反応を安定して生じさせるためには、改質器の内部に配置された改質触媒の温度を高温に保つこと、及び改質触媒の表面における炭素析出を抑制することが求められる。改質触媒の温度の低下は、蒸発器からの水蒸気の供給量が増加しすぎてしまった場合に生じる。また、改質触媒の表面における炭素析出は、蒸発器からの水蒸気の供給量が低下して相対的にメタンが過剰となってしまった場合に生じる。このため、蒸発器には、改質器に対する水蒸気の供給量を可能な限り一定に保つことが求められる。
しかしながら、蒸発器の内部で水が沸騰して大きな気泡が発生すると、それに伴って水蒸気圧の変動が生じ、改質器に対する水蒸気の供給量も変動してしまう。また、蒸発器に供給される水は純水であるために所謂突沸が発生しやすい。蒸発器の内部で突沸が生じると、改質器に対する水蒸気の供給量が更に大きく変動してしまう。
下記特許文献1に記載の蒸発器は、その内部空間のうち水が供給される部分にステンレスウールを配置した構成となっている。ステンレスウールの内部で水を沸騰させることにより大きな気泡の発生及び突沸を抑制し、改質器に対する水蒸気の供給量が変動してしまうことを抑制している。
特開2003−192304号公報
上記特許文献1に記載の蒸発器は、その内部空間の底部全体にステンレスウールが配置されており、水は底部のうち中央部分から供給される構成となっている。供給された水は直ちにステンレスウールに吸収されて、加熱されて水蒸気となる。このとき、中央部分から供給された水の大部分は、底部の端(中央部分から最も離れた部分)に到達する前に水蒸気となる。従って、水蒸気は底部の全体で均一に発生するのではなく、その大部分が底部の中央部分で発生することになる。
ところが、燃焼排ガスの供給による水の加熱は、底部の中央部分のみではなく全体において行われる。このため、少量の水蒸気しか発生しない底部の端においては気化熱があまり奪われないため、当該部分において改質器の底板及びステンレスウールが高温となり過ぎてしまう場合がある。高温となった部分に水が接触すると、急激な加熱によって突沸が発生し、改質器に対する水蒸気の供給量が変動してしまう場合がある。このように、上記特許文献1に記載の従来の蒸発器は、改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制するために更なる改良の余地があるものであった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制することのできる蒸発器、及びこれを備えた燃料電池装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る蒸発器は、水が水蒸気となって流れる蒸発空間(381,382)が内部に形成されたケース(300)と、前記ケースを加熱する加熱手段(412)と、を備え、前記ケースには、前記蒸発空間のうち前記水蒸気が流れる方向における上流側の端部全体に、前記水が貯留される貯水部(WS)が形成されていることを特徴としている。
本発明に係る蒸発器では、水が水蒸気となって流れる蒸発空間のうち上流側端部の全体が貯水部となっており、当該貯水部に水が貯留されている。このため、水が到達しにくく少量の水蒸気しか発生しないような部分、すなわち、他の部分よりも高温となりやすい部分が存在しない。蒸発空間の上流側端部の全体で均一に水蒸気が発生し、局所的な温度の上昇に起因した突沸の発生が抑制されるため、水蒸気の供給量の変動が抑制される。
また、本発明によれば、上記のような蒸発器を備えた燃料電池装置が提供される。改質触媒に対する水蒸気の供給量の変動が抑制されるため、改質触媒における一時的な温度低下や炭素析出の発生が抑制される。その結果、改質反応及び燃料電池セルに対する水素ガスの供給が安定して行われるため、燃料電池装置による発電も安定して行われる。
本発明によれば、改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制することのできる蒸発器、及びこれを備えた燃料電池装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る蒸発器を備えた燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。 図1に示される改質ユニットの外観を示す斜視図である。 図1に示される燃料電池装置におけるガス及び水の流れを説明するためのブロック図である。 図1に示される蒸発器のうち、貯留部及びその近傍の構成を示す断面図である。 蒸発器の変形例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
図1に示されるように、燃料電池装置FCは、セルスタックCS(燃料電池スタック)と、ケーシング10と、燃焼器20と、改質ユニット30とを備えている。
セルスタックCSは、複数の燃料電池セル(不図示)の集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極(アノード)が形成され、他方側の面に空気極(カソード)が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。
セルスタックCSでは、全ての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。セルスタックCSは、スタックアダプタADを介してベースプレートBPの上面側に立設されている。
スタックアダプタADは、内部に複数のガス流路(不図示)が形成された板状の部材である。後に説明するように、セルスタックCSに対する燃料ガスの供給は、スタックアダプタADを介して行われる。また、セルスタックCSからのガスの排出(発電に供しなかった残余の燃料ガス及び空気の排出)も、スタックアダプタADを介して行われる。ベースプレートBPは、ケーシング10の内部に水平に配置された円形の金属板である。ベースプレートBPにより、ケーシング10の内部空間は概ね上下2室に分けられている。
ケーシング10は、セルスタックCS等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング10は、その側面及び上面の全体を断熱材(不図示)により覆われている。ケーシング10は、第1筒状体110と、第2筒状体120と、第3筒状体130と、第4筒状体140と、第5筒状体150と、第6筒状体160とを有している。第1筒状体110、第2筒状体120、第3筒状体130、第4筒状体140、第5筒状体150、及び第6筒状体160は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。図1は、当該中心軸に沿う平面を断面とする燃料電池装置FCの模式的な断面図である。
第1筒状体110は、ケーシング10のうち最も内側に配置された筒状体であって、セルスタックCS及びスタックアダプタADをその内部に収容している。第1筒状体110の上端は水平な天板181によって塞がれている。また、第1筒状体110の下端はベースプレートBPの上面に当接した状態で固定されている。第1筒状体110の下端から上端までの高さは、スタックアダプタADの下端からセルスタックCSの上端までの高さよりも高くなっている。このため、天板181とセルスタックCSの上端とは離間している。第1筒状体110の下部には、貫通孔である吹出口111が複数形成されている。これら複数の吹出口111は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。吹出口111は、セルスタックCSに向けて供給される発電用の空気が通る孔である。
第2筒状体120は、第1筒状体110を外側から囲むように配置された筒状体である。第2筒状体120の内側面と第1筒状体110の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第2筒状体120と第1筒状体110との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路(空気流路403)となっている。
第2筒状体120の内径は、ベースプレートBPの外径と略等しい。第2筒状体120の下端部近傍における内側面は、全周に亘ってベースプレートBPの側面に当接している。当該当接部分において、第2筒状体120がベースプレートBPに対して固定されている。このような構成により、ベースプレートBPよりも下方側の空間と空気流路403との間を気体が出入りすることはできなくなっている。
第3筒状体130は、第2筒状体120を外側から囲むように配置された筒状体である。第3筒状体130の内側面と第2筒状体120の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第3筒状体130と第2筒状体120との間に形成された空間は、燃焼器20における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路(燃焼排ガス流路411)となっている。第3筒状体130の上端は、第2筒状体120の上端よりも低い位置に配置されている。第3筒状体130はベースプレートBPの下端よりも更に下方側まで延びている。
第4筒状体140は、第3筒状体130を外側から囲むように配置された筒状体である。第4筒状体140の内側面と第3筒状体130の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第4筒状体140と第3筒状体130との間に形成された空間は、燃焼器20における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路(燃焼排ガス流路412)となっている。
第2筒状体120の上端と第4筒状体140の上端とは、その高さ方向の位置が同一となっている。両者は、水平に配置されたドーナツ状の円板である天板182により繋がれている。つまり、第2筒状体120の上端が天板182の内周端に繋れており、第4筒状体140の上端が天板182の外周端に繋れている。第3筒状体130の上端と天板182との間には隙間が形成されている。このため、燃焼排ガス流路411と燃焼排ガス流路412とは、それぞれの上端部において互いに繋がっている。
第3筒状体130の下端と第4筒状体140の内側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板183により繋がれている。つまり、燃焼排ガス流路412の下端が底板183により塞がれている。
第4筒状体140の下部(底板183よりも僅かに上方側)には、ガス排出管191が接続されている。ガス排出管191の内部空間は燃焼排ガス流路412に通じている。ガス排出管191は、燃焼排ガス流路412を通った燃焼排ガスをケーシング10の外部に排出し、後述の排熱回収器62に供給するための配管である。
第4筒状体140は、第3筒状体130の下端よりも更に下方側まで延びている。第4筒状体140の下端には、当該下端から外側に向かって延びる水平なフランジ部141が形成されている。フランジ部141は、燃料電池装置FCが設置される際においてケーシング10の固定に利用されるフランジである。
第4筒状体140の下端部近傍には、水平な円板である底板184が配置されている。底板184の外径は第4筒状体140の内径と略等しい。底板184は、その外側面全体を第4筒状体140の内側面に当接させた状態で固定されている。底板184の下方側の空間には断熱材TIが配置されている。
第5筒状体150は、ケーシング10のうち最も外側に配置された筒状体であり、第4筒状体140の上部を外側から囲むように配置されている。第5筒状体150の内側面と第4筒状体140の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第5筒状体150と第4筒状体140との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路(空気流路401)となっている。
第5筒状体150は、第1筒状体110、第2筒状体120、第3筒状体130、及び第4筒状体140のいずれの上端よりも更に上方側まで延びている。第5筒状体150の上端は水平な天板185によって塞がれている。天板185と天板182との間には隙間402が形成されている。空気流路401の上端部と空気流路403の上端部とは、隙間402を介して互いに繋がっている。
第5筒状体150の下端と第4筒状体140の外側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板186により繋がれている。つまり、空気流路401の下端が底板186により塞がれている。
第5筒状体150の下部(底板186よりも僅かに上方側)には、空気導入管192が接続されている。空気導入管192の内部空間は空気流路401に通じている。空気導入管192は、発電用の空気をケーシング10の内部に導入するための配管である。
第6筒状体160は、第3筒状体130の内側であり且つベースプレートBPの下方側となる位置に配置された筒状体である。第6筒状体160は、上方側の部分である上円筒部161と、下方側の部分である下円筒部162とを有している。上円筒部161の径は下円筒部162の径に比べて小さい。上円筒部161の下端と下円筒部162の上端とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である中間部163で繋がれている。上円筒部161の上端はベースプレートBPの下面に当接している。下円筒部162の下端は底板184の上面に当接している。
下円筒部162の径は第3筒状体130の径よりも小さい。このため、第3筒状体130と第6筒状体160との間には全周に亘って隙間が形成されている。また、当該隙間には改質ユニット30が配置されているが、改質ユニット30と第6筒状体160との間にも全周に亘って隙間が形成されている。以下の説明においては、第6筒状体160の内側に形成された空間を「内側空間601」とも称する。また、第6筒状体160の下円筒部162と、改質ユニット30の内側円筒320との間に形成された空間を、「外側空間602」とも称する。
下円筒部162のうち、改質ユニット30の下端部よりも低い位置には、貫通孔である流出口165が複数形成されている。これら複数の流出口165は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。これら流出口165により、内側空間601と外側空間602とが連通されている。流出口165は、燃焼器20における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る孔である。
燃焼器20は、発電に供しなかった残余の燃料ガス(以下、「残余燃料」とも称する)及び発電に供しなかった残余の空気(以下、「残余空気」とも称する)を混合して燃焼させるためのバーナーである。燃焼器20は、全体が略円柱形状に形成されており、ベースプレートBPの下面のうち中央から下方に向けて突出するように配置されている。
セルスタックCSから排出された残余燃料及び残余空気は、いずれもスタックアダプタAD内に形成された流路(不図示)及びベースプレートBP内に形成された流路(不図示)を通じて、燃焼器20の上端部へと供給される。その後、残余燃料及び残余空気は、燃焼器20内に形成された流路(不図示)を通って燃焼器20の下端部に到達し、下端部において混合されながら下方に向けて噴出される。燃焼器20の下端部では、噴出された残余燃料及び残余空気が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。
燃焼器20の下方側には着火器IGが配置されている。着火器IGは、燃焼器20から噴出された残余燃料及び残余空気の混合気体に着火させて、燃焼を開始させるための装置である。着火器IGは、底板184及び断熱材TIを上下に貫いており、火花放電が生じる上端部を燃焼器20の下端に近接させた状態で配置されている。着火器IGによる着火は、燃料電池装置FCの起動時において行われる。
図1及び図2を参照しながら、改質ユニット30の構成について説明する。改質ユニット30は、改質反応によって都市ガスから燃料ガス(水素含有ガス)を生成する改質器302と、水蒸気を発生させて改質器302に供給する蒸発器301とが一体となったものである。改質ユニット30は、その全体が略円筒形状となっており(図2参照)、ケーシング10の内部のうち第3筒状体130と第6筒状体160との間の空間に配置されている。改質ユニット30は、外側円筒310と、内側円筒320と、天板330と、第1底板340と、第2底板350と、第1仕切板360と、第2仕切板370とを有している。このうち、外側円筒310、内側円筒320、天板330、第1底板340、第2底板350、及び第1仕切板360のうち第1底板340よりも下方側の部分は、改質ユニット30の外形を区画するものであって、これら全体でケース300を構成している。
外側円筒310は、改質ユニット30の外側面を形成する筒状体である。外側円筒310の中心軸は第3筒状体130の中心軸と一致している。外側円筒310の外径は第3筒状体130の内径に略等しい。外側円筒310は、その外側面の略全体が第3筒状体130の内側面に当接している。外側円筒310は、底板183よりも更に下方側まで延びている。
内側円筒320は、改質ユニット30の内側面を形成する筒状体である。内側円筒320の中心軸は第3筒状体130の中心軸と一致している。内側円筒320の外径は、外側円筒310の内径よりも小さい。このため、外側円筒310と内側円筒320と間には空間が形成されている。後に説明するように、当該空間の一部が、水が水蒸気となって流れる空間となっている。また、当該空間の他の一部が、改質反応が生じて燃料ガスが生成される空間となっている。
内側円筒320の内径は、第3筒状体130の下円筒部162の外径よりも大きい。このため、既に説明したように、改質ユニット30と第6筒状体160との間には全周に亘って隙間が形成されている。内側円筒320の上端の高さは、外側円筒310の上端の高さと同一となっている。一方、内側円筒320の下端の高さは、外側円筒310の下端の高さよりも高くなっており、底板183の下端の高さと同一となっている。
天板330は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。天板330の外側面は、外側円筒310の内側面のうち上端部に繋がっている。また、天板330の内側面は、内側円筒320の外側面のうち上端部に繋がっている。このように、天板330によって外側円筒310の上端と内側円筒320の上端とが繋がれている。
第1底板340は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第1底板340は底板183と同一の高さとなる位置に配置されている。第1底板340の外側面は、後述の第1仕切板360の内側面に繋がっている。また、第1底板340の内側面は、内側円筒320の内側面のうち下端部に繋がっている。
第2底板350は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第2底板350の外側面は、外側円筒310の内側面のうち下端部に繋がっている。また、第2底板350の内側面は、後述の第1仕切板360の外側面のうち下端部に繋がっている。このため、第2底板350は第1底板340よりも低い位置に配置されている。
第1仕切板360は、その一部が改質ユニット30の内部に配置された筒状体である。第1仕切板360の中心軸は、外側円筒310の中心軸及び内側円筒320の中心軸と一致している。第1仕切板360の外径は、外側円筒310の内径よりも小さい。このため、外側円筒310と第1仕切板360と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。
第1仕切板360の上端の高さは、外側円筒310の上端の高さよりも低くなっている。このため、第1仕切板360の上端と天板330の下面との間には隙間が空いている。第1仕切板360の下端の高さは、外側円筒310の下端の高さと同一となっている。既に述べたように、第1仕切板360の下端部には外側から第2底板350が繋がっている。また、第1仕切板360には内側から第1底板340が繋がっている。
第2仕切板370は、その全体が改質ユニット30の内部に配置された筒状体である。第2仕切板370の中心軸は、外側円筒310の中心軸及び内側円筒320の中心軸と一致している。第2仕切板370の外径は、第1仕切板360の内径よりも小さい。このため、第2仕切板370と第1仕切板360と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。また、第2仕切板370の内径は、内側円筒320の外径よりも大きい。このため、第2仕切板370と内側円筒320と間にも、全周に亘って一定の隙間が形成されている。
第2仕切板370は、その上端を天板330の底面に当接させた状態で、天板330に対して固定されている。第2仕切板370の下端の高さは、内側円筒320の下端の高さよりも高くなっている。このため、第2仕切板370の下端と第1底板340の上面との間には隙間が空いている。
以上のような構成により、改質ユニット30の内部には、外側円筒310と第1仕切板360と間に形成された空間である第1空間381と、第1仕切板360と第2仕切板370と間に形成された空間である第2空間382と、第2仕切板370と内側円筒320と間に形成された空間である第3空間383とが形成されている。第1仕切板360の上方において第1空間381と第2空間382とが繋がっており、第2仕切板370の下方において第2空間382と第3空間383とが繋がっている。
第2底板350には、水供給配管391の一端が下方から接続されている。水供給配管391は、第1空間381に水を供給するための配管である。水供給配管391の他端は、ケーシング10の外部に配置された水供給ポンプ(不図示)に接続されている。
後に詳しく説明するように、水供給配管391から第1空間381内に供給された水は、燃焼排ガス流路412を通る高温の燃焼排ガスによって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、第1空間381、第2空間382を順に通って、第3空間383の入口に到達する。このように、改質ユニット30のうち、第1空間381、第2空間382、及びこれらを区画する壁面は、外部から水の供給を受けて水蒸気を発生させる部分、すなわち蒸発器301に該当する部分となっている。
第1空間381には支持板352が配置されている(図4参照)。支持板352は、第1空間381を上下に仕切るように水平に配置されたドーナツ状の板である。支持板352は、第1底板340と同一の高さとなる位置において、外側円筒310及び第1仕切板360に対して固定されている。支持板352には複数の貫通孔353が形成されており、支持板352を水が通過し得るようになっている。第1空間381のうち支持板352よりも上方側には、外側円筒310から水への伝熱を促進するための伝熱促進部材CBが充填されている。伝熱促進部材CBは複数のアルミナの球体(セラミックボール)である。それぞれの球体の径は、貫通孔353の径よりも大きい。
第1底板340には、都市ガス供給配管392の一端が下方から接続されている。都市ガス供給配管392は、第3空間383の入口部分に都市ガスを供給するための配管である。都市ガス供給配管392の他端は脱硫器61(図3参照)に接続されている。
第3空間383には改質触媒RCが充填されている。改質触媒RCは、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。第3空間383のうち、第2仕切板370の下端より僅かに高い位置には、水平に配置された金属網(不図示)が固定されており、当該金属網によって改質触媒RCが下方から支えられている。
後に詳しく説明するように、都市ガス供給配管392から改質ユニット30の内部に供給された都市ガスは、第3空間383の入口部分において水蒸気と混合された後、第3空間383を上方に向かって流れる。この時、都市ガスと水蒸気が改質触媒RCに触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガス(水素含有ガス)が生成される。このように、改質ユニット30のうち、第3空間383及びこれを区画する壁面は、蒸発器301からの水蒸気の供給、及び外部から都市ガスの供給を受けて水蒸気改質反応が生じる部分、すなわち改質器302に該当する部分となっている。改質触媒RCは、第3空間383の周方向全体に亘って充填されている。このため、蒸発器301から供給された水蒸気が、改質触媒RCに触れることなく第3空間383を通過してしまうことはない。
内側円筒320のうち上端部の近傍には、燃料ガス供給配管393の一端が接続されている。燃料ガス供給配管393は、改質ユニット30(改質器302)において生成された燃料ガスをセルスタックCSへ供給するための配管である。燃料ガス供給配管393の他端はベースプレートBPの下面に接続されている。燃料ガスは、第3空間383の上部から燃料ガス供給配管393を通ってベースプレートBPに到達する。その後、ベースプレートBP内に形成された流路(不図示)及びスタックアダプタAD内に形成された流路(不図示)を通って、セルスタックCSに供給される。
改質ユニット30は、耐熱性の材質からなる円筒型のシールブロックSBにより下方から支持されている。シールブロックSBは、その上端が改質ユニット30の下面(第1底板340)に当接しており、その下端が底板184の上面に当接している。シールブロックSBの内径は改質ユニット30の内径に等しい。また、シールブロックSBの径方向の寸法(厚さ)は、改質ユニット30の径方向の寸法(厚さ)よりも小さくなっている。このため、図1に示されるように、シールブロックSBの外側(改質ユニット30の下方側)には空間SPが形成されている。
第6筒状体160の外側の空間と空間SPとは、改質ユニット30及びシールブロックSBによって分離されており、両者の間をガスが通過することができなくなっている。高温の燃焼排ガスが空間SP内に流入しないため、空間SP内の気温は比較的低温に保たれている。
続いて、図1及び図3を主に参照しながら、燃料電池装置FCの動作中におけるガス(空気、都市ガス、燃料ガス、及び燃焼排ガス)の流れについて説明する。
まず、セルスタックCSに供給される空気の流れについて説明する。空気は、ケーシング10の外部に配置されたブロア(不図示)から、空気導入管192を通じてケーシング10の内部に供給される。
空気導入管192を通じて供給された空気は、空気流路401を上方に向かって流れる。その後、隙間402を経由して空気流路403に流入し、空気流路403を下方に向かって流れる。
空気流路401と空気流路403との間には、燃焼排ガス流路411及び燃焼排ガス流路412が形成されている。これら燃焼排ガス流路411及び燃焼排ガス流路412の内部では、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、ケーシング10内に導入された空気は、空気流路401及び空気流路403を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、空気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。
また、発電中においてセルスタックCSは高温となっており、セルスタックCSからの輻射熱によって第1筒状体110も高温となっている。このため、空気は、空気流路403を通る際において第1筒状体110に触れることにより更に加熱される。
このように、空気流路401及び空気流路403は、燃焼排ガスの熱及びセルスタックCSからの輻射熱によって空気が加熱されながら流れる流路となっている。このため、以下の説明においては、空気流路401と空気流路403とをまとめて「空気加熱流路40」とも表記する。空気加熱流路40は、セルスタックCSの周囲を取り囲むように配置されている。
空気流路403の下部まで到達した空気は、第1筒状体110に形成された吹出口111からセルスタックCSに向けて噴出される。その後、空気はそれぞれの燃料電池セルの空気極に到達し、発電に供される。
セルスタックCSに供給される燃料ガスの流れ、及び燃料ガスの原料である都市ガスの流れについて説明する。都市ガスは、ケーシング10の外部から都市ガス供給配管392を通じて改質ユニット30内に供給される。都市ガスの供給源と都市ガス供給配管392との間には脱硫器61が配置されている。脱硫器61は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去するための装置である。都市ガスは、燃料電池セルの性能に悪影響を及ぼす硫黄成分が脱硫器61によって除去された後、改質ユニット30内に供給される。
都市ガス供給配管392から改質ユニット30の内部に供給された都市ガスは、第3空間383の入口部分において水蒸気と混合される。その後、改質触媒RCが充填された第3空間383を上方に向かって流れる。
第6筒状体160の下円筒部162と、改質ユニット30の内側円筒320との間に形成された空間には、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、都市ガス及び水蒸気は、第3空間383を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、都市ガス及び水蒸気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。また、第3空間383に充填されている改質触媒RCも、内側円筒320を通じた伝熱によって高温となっている。
燃焼器20を取り囲む第6筒状体160は、燃焼排ガスによって加熱されていることに加え、燃焼器20からの輻射熱によっても加熱されているため、非常に高温となっている。その結果、改質ユニット30の内側円筒320には、高温となった第6筒状体160からの輻射熱(燃焼器20から第6筒状体160を経由して到達した輻射熱ともいえる)が到達している。つまり、内側円筒320を含む改質器302は、燃焼排ガスによって加熱されるだけではなく、燃焼器20からの輻射熱によっても加熱されている。
このような状態において、都市ガスと水蒸気の混合ガスが改質触媒RCに触れると、第3空間383(改質器302)では水蒸気改質反応が生じる。その結果、上記混合ガスから燃料ガスが生成される。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を安定して維持させるためには熱の供給が必要となる。本実施形態においては、内側円筒320を通じて加えられる燃焼排ガスからの熱、及び燃焼器20からの輻射熱の両方が、水蒸気改質反応を維持するための熱として用いられる。
改質器302において生成された燃料ガスは、燃料ガス供給配管393及びスタックアダプタAD内の流路を通ってセルスタックCSに供給される。燃料ガスは、それぞれの燃料電池セルの燃料極に到達し、発電に供される。
燃焼排ガスの流れについて説明する。既に説明したように、セルスタックCSから排出された残余燃料及び残余空気は燃焼器20に供給され、燃焼器20の下端部において燃焼する。当該燃焼の結果、第6筒状体160の内部(内側空間601)では高温の燃焼排ガスが生じる。燃焼排ガスは、流出口165を通って第6筒状体160の外側(外側空間602)へ流出する。
その後、燃焼排ガスは、内側円筒320に沿って外側空間602を上方に向かって流れる。このとき、既に述べたように、燃焼排ガスの熱は内側円筒320を通じて第3空間383に伝達され、水蒸気改質反応を維持するための熱の一部として用いられる。
外側空間602を通過した燃焼排ガスは、空気流路403を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路411を上方に向かって流れる。続いて、空気流路401を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路412を下方に向かって流れる。
改質ユニット30の外側円筒310は、支持板352よりも上方側の部分において第3筒状体130の内側面に当接している。このため、燃焼排ガス流路412を通る燃焼排ガスによって外側円筒310は高温となっている。つまり、燃焼排ガス流路412は、ケース300の一部を加熱するための加熱手段として機能する。
水供給配管391から第1空間381内に供給された水は、外側円筒310からの伝熱(燃焼排ガスの熱)により加熱されて水蒸気となる。つまり、水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、これにより第1空間381内で水蒸気が生成される。
燃焼排ガス流路412の下端部まで到達した燃焼排ガスは、ガス排出管191を通って排熱回収器62に供給される。排熱回収器62は、燃焼排ガスと水と熱交換させることにより湯を生成するものである。このように、燃料電池装置FCは発電を行うことに加えて湯を生成することも可能となっており、高い効率でエネルギーを利用するコジェネレーションシステムとなっている。
続いて、図1及び図4を主に参照しながら、燃料電池装置FCの動作中における水及び水蒸気の流れについて説明する。
改質ユニット30(蒸発器301)には、ケーシング10の外部に配置された水供給ポンプ(不図示)から水供給配管391を通じて水が供給される。水供給配管391は第2底板350に対して下方から接続されている。このため、供給された水は、まず第1空間381の下部に形成された空間に溜まることとなる。具体的には、第1空間381のうち支持板352よりも下方側の空間である貯水部WSに溜まることとなる。
貯水部WSは、外側円筒310のうち底板183よりも下方側の部分(以下、当該部分を「区画壁311」とも表記する)と、第2底板350と、第1仕切板360のうち第1底板340よりも下方側の部分(以下、当該部分を「区画壁361」とも表記する)とによって区画された空間となっている。
図2に示されるように、貯水部WSを区画する区画壁311、第2底板350、及び区画壁361は、改質ユニット30の底面の一部を下方に向けて延ばしたような形状となっている。これらは、いずれも空間SP内に配置されている(図1参照)。つまり、高温の燃焼排ガスが到達せず、比較的低温となっている空間内に配置されている。
また、燃焼排ガス流路412を通る燃焼排ガスによって外側円筒310は加熱されるのであるが、区画壁311は底板183よりも下方側に配置されているため、燃焼排ガスによって直接は加熱されない。ケース300のうち加熱手段である燃焼排ガス流路412によって直接加熱される部分は、貯水部WSを区画する区画壁311、第2底板350、及び区画壁361とは異なる部分となっている。
このため、貯水部WS内において水が沸騰することはなく、貯水部WS内は全体が水(液体)で満たされている。
水供給ポンプから水が供給されることにより、第1空間381内の水面の高さは、支持板352の上面よりも僅かに高い位置(図4において二点鎖線DLで示される位置)に維持される。このため、支持板352の上方側に充填された伝熱促進部材CB(アルミナの球体)は、一部が水没した状態となっている。
第1空間381内においては、燃焼排ガスによって高温となった外側円筒310からの伝熱により、伝熱促進部材CBも高温となっている。支持板352よりも上方側に存在する水は、高温の伝熱促進部材CBに触れることにより沸騰し、水蒸気となる。
このように、第1空間381内において水は水蒸気となり、上方側に向かって流れる。その後、第2空間382を下方に向かって流れて、第3空間383(改質器302)に供給される。
尚、二点鎖線DLで示される水面より高い位置であっても、伝熱促進部材CB同士の隙間の一部、及び伝熱促進部材CBと外側円筒310との隙間の一部には、毛細管現象によって侵入した水が薄膜状となって存在している。このため、水と伝熱促進部材CBとの接触面積は更に高くなっており、水への伝熱及び水蒸気の生成が促進されている。また、このように薄膜状となった水が沸騰する際には、大きな気泡が発生することがない。このため、第1空間381内の圧力が急激に変動してしまうことはなく、改質器302に対する水蒸気の供給量が変動してしまうことはない。
以上に説明したように、本実施形態においては、蒸発器301の内部には水が水蒸気となって流れる空間(蒸発空間)として第1空間381及び第2空間382が形成されている。また、当該空間のうち、水蒸気が流れる方向における上流側の端部全体、つまり第1空間381の下端全体は、水が貯留される貯水部WSとなっている。
水供給配管391から供給された水は、水平に配置された第2底板350の上面に沿って貯水部WSの全体に行き渡る。このため、蒸発空間の上流側端部には常に水が存在しており、水蒸気は第1空間381内で均等に生じる。つまり、蒸発空間は上面視において円形の空間であるが、その周方向に沿って水が均等に行き渡っているため、水蒸気の発生量の分布も周方向に沿って均等となっている。その結果、他の部分に比べて少量の水しか存在しないために気化熱が奪われにくく、高温となりやすいような部分は存在しない。局所的な温度の上昇に起因した突沸の発生が抑制されるため、水蒸気の供給量の変動が抑制される。
また、蒸発空間のうち貯水部WSよりも上流側、つまり第1空間381のうち支持板352よりも上方側の空間には、伝熱促進部材CBとして多数のアルミナの球体(セラミックボール)が充填されている。伝熱促進部材CBによって水に対する接触面積(伝熱面積)が増加するため、水への伝熱及び水蒸気の生成が促進されている。また、水の沸騰に伴う大きな気泡の発生が抑制されるため、改質器302に対する水蒸気の供給量が変動してしまうことはない。このような伝熱促進部材CBとしては、アルミナの球体に替えて金属ウールを用いることもできる。また、セラミックスからなる多孔質体を用いてもよい。
本実施形態においては、第3空間383の周方向全体に亘って改質触媒RCが充填されている。その結果、蒸発器301の蒸発空間(第1空間381及び第2空間382)のうち水蒸気が流れる方向における下流側の端部全体が、改質触媒RCの下端部に対向している。このため、貯水部WSの全体で均等に発生した水蒸気は、改質触媒RCの全体に対して均等に供給される。局所的に多量の水蒸気が到達して改質触媒RCの温度が低下してしまうことはなく、改質触媒RCの全体において改質反応が安定して生じる。また、改質触媒RCの一部に到達する水蒸気が不足してしまうようなことがないため、炭素析出の発生も抑制される。
蒸発器301の変形例を図5に基づいて説明する。この変形例においては、貯水部WSの内部に保水部材KWが配置されている点のみにおいて、これまでに説明した実施形態と異なっている。
保水部材KWは金属ウールであって、貯水部WSの底部全体に配置されている。つまり、ドーナツ状の円板である第2底板350の上面全体を覆うように保水部材KWが配置されている。保水部材KWと支持板352との間は離間している。
このような保水部材KWが配置されていれば、仮に改質ユニット30が僅かに傾いて設置されてしまい、第2底板350が水平面に対して傾斜した状態となった場合であっても、保水部材KWによって第2底板350の上面全体に水が保持される。つまり、傾斜した第2底板350の上面のうち最も高い位置となった部分においても、当該部分に配置された保水部材KWは水を含んだ状態となっている。このため、当該部分において水が不足してしまうことが防止され、第1空間381の下端部全体で均等に水蒸気を発生させることができる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
FC:燃料電池装置
30:改質ユニット
300:ケース
301:蒸発器
381:第1空間
382:第2空間
412:燃焼排ガス流路
WS:貯水部
CB:伝熱促進部材
WK:保水部材
302:改質器
RC:改質触媒

Claims (8)

  1. 水が水蒸気となって流れる蒸発空間(381,382)が内部に形成されたケース(300)と、
    前記ケースを加熱する加熱手段(412)と、を備え、
    前記ケースには、前記蒸発空間のうち前記水蒸気が流れる方向における上流側の端部全体に、前記水が貯留される貯水部(WS)が形成されていることを特徴とする蒸発器。
  2. 前記ケースのうち前記加熱手段により直接加熱される部分は、前記貯水部を区画する部分(311,350,361)とは異なる部分であることを特徴とする、請求項1に記載の蒸発器。
  3. 前記蒸発空間のうち、前記水蒸気が流れる方向において前記貯水部よりも下流側となる位置に、前記ケースから前記水への伝熱を促進する伝熱促進部材(CB)が配置されていることを特徴とする、請求項2に記載の蒸発器。
  4. 前記伝熱促進部材はアルミナの球体であることを特徴とする、請求項3に記載の蒸発器。
  5. 前記伝熱促進部材は金属ウールであることを特徴とする、請求項3に記載の蒸発器。
  6. 前記水を前記貯水部内に保持するための保水部材(WK)が、前記貯水部の底部全体に配置されていることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の蒸発器。
  7. 前記蒸発空間のうち前記水蒸気が流れる方向における下流側の端部全体が、改質器(302)の改質触媒(RC)に対向するよう配置されることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の蒸発器。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の蒸発器を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
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