JP3484578B2 - 燃料電池用熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リン酸形燃料電池発電
システムにおいて燃料電池の電極から排出される排ガス
がガス、特に電極に供給する反応ガスと熱交換する燃料
電池用熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】リン酸形燃料電池発電システムは、ＬＮ
Ｇ，ＬＰＧ等の炭化水素系やメタノール等のアルコール
系の原燃料を改質器等の反応器で水素に富むガスに改質
し、この改質ガスと空気とをリン酸形燃料電池に供給し
て電池反応を起こさせて発電する。ところでリン酸形燃
料電池発電システムでは上記の発電に至るまでの化学反
応を適切に行なわせるためにガスとガスとの熱交換を行
なう多くの熱交換器が配設されるが、燃料電池の燃料極
および空気極から排出される排ガスが燃料電池の電極に
供給される反応ガスとそれぞれ熱交換する熱交換器も配
設されている。

【０００３】このような熱交換器を備えるリン酸形燃料
電池発電システムとして図６に示す系統のものが知られ
ている。図６において、燃料電池１は図示しないリン酸
電解質層を挟持する燃料極２および空気極３からなる単
電池を積み重ね、単電池を複数積み重ねるごとに冷却管
４を有する冷却板５を介挿して構成されている。燃料改
質器７は燃料供給系８を経て供給されるＬＮＧ等の原燃
料を、水蒸気分離器９にて分離されて水蒸気供給系１０
を経て供給される水蒸気とともに水蒸気改質して水素に
富むガスに改質する。そしてこの改質ガスは改質ガス供
給系１１を経て燃料電池１の燃料極２に供給される。な
お、燃料改質器７にての水蒸気改質の際に必要な熱量は
後述する燃料電池１の電池反応時、燃料極２から排出さ
れる反応に寄与しない水素を含むオフガスがオフガス供
給系１２を経て図示しないバーナに供給され、バーナに
てのオフガスの燃焼により与えられる。

【０００４】燃料電池１の空気極３にはブロワ１３によ
り空気が空気供給系１４を経て供給される。この際空気
は熱交換器であるステンレス製の空気予熱器１６を通過
し、空気予熱器１６にて後述する燃料電池１の電池反応
時、空気極３から排出され、燃料電池１の運転温度に近
い温度となって空気排出系１５を経る排空気により加熱
されて空気極３に供給される。

【０００５】燃料電池１は上記のように燃料極２，空気
極３に供給される改質ガスと空気とにより電池反応を起
こして発電する。なお発電時生じる熱は、水蒸気分離器
９にて分離された水を冷却水としてポンプ１８により冷
却水循環系１９を経て燃料電池１の冷却管４に通流する
冷却水により除熱されて燃料電池１の運転温度が保持さ
れる。

【０００６】なお、冷却水循環系１９には熱交換器２０
が配設され、冷却水の排熱を回収してユーザに熱媒とし
て供給する。ここで、燃料電池１の電池反応時には水も
生成され、水蒸気となって排空気に混入する。この水蒸
気は空気排出系１５に設けられた生成水回収用熱交換器
２１にて冷却水により冷却されて水となり、排空気は空
気排出系１５から外部に排出される。

【０００７】なお、燃料極２に供給する改質ガスが低温
の場合、燃料極２から排出されるオフガスにより空気予
熱器と同じ構造材の熱交換器である図示しない改質ガス
予熱器を介して改質ガスを加熱して燃料極２に供給する
ことも行なわれる。ところで、燃料電池１内を通流する
改質ガスと空気とにより電池反応を起こさせて発電する
際、これらのガスにはリン酸電解質層に保持されたリン
酸が飛散するので、空気極３から排出される排空気や燃
料極２から排出されるオフガスにはリン酸が混入する。
なお、排空気に混入するリン酸の量はオフガスに混入す
るリン酸の量よりかなり多い。

【０００８】また、燃料電池１の空気極３，燃料極２か
ら排出される排空気やオフガスに混入するリン酸を捕集
するリン酸回収器を設けることも行なわれている。図７
は燃料電池１の空気極３から排出される排空気に混入す
るリン酸を捕集するリン酸回収器を設けた燃料電池発電
システムの系統図である。図７においてリン酸回収器２
４を空気極３の出口の空気排出系１５に設けた他は図７
のものと同じである。

【０００９】リン酸回収器２４はリン酸捕集部２５を有
し、リン酸捕集部２５はワイヤメッシュデミスタやスチ
ールウール等の充填材を有し、この充填材とリン酸とを
化学反応させて金属化合物を生成させる。そして粉化し
た金属化合物を下流側の図示しないフィルタで捕集す
る。なお、このリン酸を捕集する方法は特に小型の燃料
電池発電装置に使用される。

【００１０】また、空気予熱器１６や改質ガス予熱器
は、付着したリン酸やリン酸による腐食物を除去するた
め、定期的に洗浄が行なわれる。なお、電池反応時には
上記のように燃料電池からリン酸が飛散するので、燃料
電池の運転時間が長い場合、リン酸電解質層に保持する
リン酸量が不十分となり、燃料電池の性能低下を来す。
したがってこの性能低下を防ぐため、運転中にリン酸を
断続的に、又は連続的にリン酸をリン酸電解質層に補給
している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】リン酸形燃料電池発電
システムの空気予熱器や改質ガス予熱器において、構造
材のステンレスはリン酸と化学反応して金属化合物を生
成する。この金属化合物は表面に付着して時間とともに
成長し、空気予熱器や改質ガス予熱器を閉塞したり、ま
た腐食により溶接部等にピンホールが発生し、破損の原
因となるという問題がある。

【００１２】また、特に空気排出系１５における空気予
熱器においては、腐食により表面に堆積した金属化合物
は、ついには離れて粉化して生成水回収用熱交換器２１
にて捕集され、生成水とともに流れて下流側のフィルタ
のメッシュを目詰りさせたり、また生成水の水処理装置
のイオン負荷となり、イオン交換樹脂の寿命を短かくす
るという問題がある。

【００１３】この問題を解決するために空気予熱器や改
質ガス予熱器の熱交換器をポリテトラフロロエチレンで
被覆したステンレス鋼の構造材で製造することが行なわ
れる。しかしこの場合、構造が複雑なため均一にポリテ
トラフロロエチレンで被覆するのが困難であるという問
題がある。また、空気予熱器や改質ガス予熱器の熱交換
器をポリテトラフロロエチレンで被覆したステンレス鋼
で製造した場合、熱交換器は非常に大きく、かつ重くな
るという問題がある。

【００１４】なお、空気予熱器や改質ガス予熱器を洗浄
するときには、定期検査時にオーバホールして洗浄する
必要があるので、多くの工数がかかるという問題があ
る。また、リン酸回収器を用いた場合、回収器中の金属
製のワイヤメッシュデミスタやスチールウール等とリン
酸とが化学反応した金属化合物の一部は下流側に設けら
れたフィルタにて捕集されるが、なかにはワイヤメッシ
ュデミスタ等に付着したまま離れず、このためリン酸回
収器としての圧力損失が増大する。そしてさらに前記金
属化合物が付着して堆積したワイヤメッシュデミスタの
表面は、リン酸と反応する能力が低下するため、リン酸
捕集能力が低下するという問題がある。

【００１５】また、燃料電池の運転中に飛散したリン酸
を燃料電池に補給するために、特別なリン酸補給装置が
必要であるという欠点がある。本発明の目的は、リン酸
形燃料電池発電システムにおいて、コンパクトで軽量で
あるとともに、燃料電池から排出される排ガスとガスと
が熱交換する際、排ガスに混入するリン酸を捕集でき、
かつ燃料電池にリン酸を補給するリン酸補給装置を必要
としない燃料電池用熱交換器を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば、リン酸電解質を有する燃料電池か
ら排出される排ガスと燃料電池に供給する反応ガスとの
熱交換を行なう燃料電池用熱交換器において、空気排ガ
スが通流し対向する側面に開口を有する第１の通路溝を
設けた第１の多孔質カーボン板と、反応空気が通流し対
向する側面に開口を有する第２の通路溝を設けた第２の
多孔質カーボン板とを、第１の通路溝と第２の通路溝が
向き合わず、かつ第１の通路溝の開口と第２の通路溝の
開口とが異なる側面に配されるように交互に積み重ねて
なる伝熱スタックと、この伝熱スタックの側面に第１の
通路溝の対向する開口をそれぞれ覆う空気排ガス入口マ
ニホールド及び空気排ガス出口マニホールドと、第２の
通路溝の対向する開口をそれぞれ覆う反応空気入口マニ
ホールド及び反応空気出口マニホールドとを備えるもの
とする。

【００１７】あるいは、リン酸電解質を有する燃料電池
から排出される排ガスと燃料電池に供給する反応ガスと
の熱交換を行なう燃料電池用熱交換器において、燃料排
ガスが通流し対向する側面に開口を有する第１の通路溝
を設けた第１の多孔質カーボン板と、燃料ガスが通流し
対向する側面に開口を有する第２の通路溝を設けた第２
の多孔質カーボン板とを、第１の通路溝と第２の通路溝
が向き合わず、かつ第１の通路溝の開口と第２の通路溝
の開口とが異なる側面に配されるように交互に積み重ね
てなる伝熱スタックと、この伝熱スタックの側面に第１
の通路溝の対向する開口をそれぞれ覆う燃料排ガス入口
マニホールド及び燃料排ガス出口マニホールドと、第２
の通路溝の対向する開口をそれぞれ覆う燃料ガス入口マ
ニホールド及び燃料ガス出口マニホールドとを備えるも
のとする。

【００１８】さらに、前記伝熱スタックは燃料電池スタ
ックに重ねて一体化するものとした。

【００１９】

【００２０】

【作用】カーボン板は、ポリテトラフロロエチレン被覆
をしたステンレス鋼に比べて比重で約１／５倍，熱伝導
率で約９倍であるので、本願発明の熱交換器は、従来に
比べて同一の熱交換量に対して伝熱スタックは小さく、
かつ軽くなる。また、通路溝が設けられたカーボン板を
薄板にして積み重ねて伝熱スタックを構成することによ
り、単位体積当りの伝熱面積を大きくとれるので、この
点からも伝熱スタックは小さくできる。

【００２１】また、本発明の熱交換器の伝熱スタックが
多孔質カーボン板から成るので、カーボン板に付着した
リン酸は多孔質の孔に毛細管現象により吸収されて吸着
するが、カーボン板はリン酸により腐食されない。した
がって燃料電池から飛散したリン酸を含む排ガスをカー
ボン板からなる伝熱スタックのガス通路溝に流せば温
度，流速，圧力等の変化により排ガス中のリン酸は凝縮
して通路溝に付着して多孔質カーボン板に吸着されて吸
収される。

【００２２】この場合、燃料電池の空気極から排出され
た空気排ガスと、空気極に供給する反応空気とが熱交換
して排空気は空気を加熱するが自からは冷却されるの
で、リン酸は凝縮して排空気側の流路の壁面に付着し、
カーボン板に吸着して回収される。なお、燃料電池の燃
料極から排出される燃料排ガスと、燃料極に供給する燃
料ガスとを多孔質カーボン板からなる伝熱スタックで熱
交換して加熱する場合もオフガス中のリン酸は凝縮して
カーボン板に吸着して回収される。

【００２３】したがって本発明による熱交換器を使用す
れば、熱交換により排空気，オフガスに混入するリン酸
はカーボン板に吸着されて回収されるので、リン酸回収
器を必要としない。ところで、ガス通路溝を流れる排空
気やオフガスに混入するリン酸は熱交換により凝縮して
カーボン板の表面に付着して多孔質の孔に吸収されて保
持されるので、多孔質カーボン板のガス気密性が向上し
て多孔質カーボン板のガス透過性を防ぐとともに、カー
ボン板に吸着して吸収されたリン酸は多孔質カーボン板
内を移動して反応ガスが通流する側の表面から反応ガス
としての空気又は燃料ガスにより同伴されて単電池に供
給されるので、燃料電池への連続的なリン酸補給が可能
となる。

【００２４】なお、伝熱スタックはリン酸形燃料電池の
燃料電池スタックと同じ構造を有しているので、伝熱ス
タックと燃料電池スタックとを重ねて一体化することが
できる。

【００２５】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
説明する。図１は本発明の実施例による燃料電池用熱交
換器の部分破砕斜視図である。図１において伝熱スタッ
ク３１はリン酸形燃料電池からの排ガスが通流する通路
溝３２が設けられたカーボン板３３とガスが通流し、前
記通路溝３２の方向と直角な方向に通路溝３４が設けら
れたカーボン板３５とが交互に積み重ねられて構成され
る。ここでカーボン板３３は図２に示すように方形状の
カーボン板３３の下面に対向する側面に開口して複数条
の四角形の通路溝３２が設けられている。なおカーボン
板３５はカーボン板３３と同じ構造であるが、カーボン
板３５の下面に四角形の通路溝３４が前記通路溝３２の
方向と直角方向になるように設けられている。

【００２６】ここで、カーボン板３３，３５の厚さは数
mm〜数十mm程度とする。なお、カーボン板の厚さは薄い
程コンパクト化，軽量化がはかれるが、強度及び製作上
の作業性の点から上記厚さの範囲で選択される。なお、
カーボン板３３，３５に設けられる通路溝３２，３４は
図２では四角形であるが、丸形，三角形，Ｕ形にしても
よい。

【００２７】伝熱スタック３１はその上下面に端板３６
を介して締付板３７，３８が載せられ、締付板３７，３
８の四隅部を貫通する締付棒３９により皿ばね４０を介
してナット４１により、伝熱スタック３１に等分布な荷
重がかかるように締付けられる。伝熱スッタク３１の対
向する側面にはカーボン板３３の通路溝３２の対向する
側面の開口を覆ってそれぞれ排ガス入口マニホールド４
３と排ガス出口マニホールド４４、並びに前記対向する
側面の方向に直角方向の対向する側面にはカーボン板３
５の通路溝３４の対向する側面の開口を覆ってそれぞれ
ガス入口マニホールド４５とガス出口マニホールド４６
とが設けられている。なお、排ガス入口，出口マニホー
ルド４３，４４及びガス入口，出口マニホールド４５，
４６は各マニホールドの側壁に取付けられたマニホール
ド止め４７により止められて伝熱スタック３１の側面に
取付けられている。

【００２８】なお、排ガス，ガス入口マニホールド４
３，４５にはそれぞれ排ガス及びガスが流入する図示し
ない入口管、また排ガス，ガス出口マニホールド４４，
４６にはそれぞれ伝熱スタック３１から排出する排ガス
とガスを外部に送出する出口管４８，４９が設けられて
いる。このような構成により図示しない入口管から流入
したリン酸形燃料電池からの排ガスは排ガス入口マニホ
ールド４３に流入して、伝熱スタック３１の側面から各
カーボン板３３の通路溝３２を通流した後、排ガス出口
マニホールド４４に集められて出口管４８から外部に送
出される。一方ガスは図示しない入口管からガス入口マ
ニホールド４５に流入して、伝熱スタック３１の側面か
ら各カーボン板３５の通路溝３４を通流した後、ガス出
口マニホールド４６に集められて出口管４９から外部に
送出される。ここで、排ガスとガスとは伝熱スタック３
１の通路溝３２，３４を通流している間でカーボン板３
３，３５を介して熱交換して排ガスはガスを加熱する。

【００２９】上記のようにリン酸形燃料電池からの排ガ
スが通路溝３２を流れて熱交換してガスを加熱すると、
排ガスは冷却してこの排ガスに飛散して混入するリン酸
は凝縮してカーボン板３３，３５に吸着され、カーボン
板の多孔質の孔に吸収されて保持される。

【００３０】図３は上記の熱交換器を燃料電池から排出
される排空気が流れる空気排出系に設けたリン酸形燃料
電池発電システムの系統図である。図３において図７の
従来例と異なるのはリン酸回収器２４を取除き、燃料電
池１の空気極３の出口と生成水回収用熱交換器２１との
間の空気排出系１５に本発明による図１に示した熱交換
器である空気予熱器３０を設けたことである。

【００３１】このような構成により、燃料電池１の発電
時、空気極３から排出され、空気予熱器３０の図１に示
す伝熱スタック３１の通路溝３２を流れるリン酸が混入
する排空気は、空気供給系１４を経て通路溝３４を流れ
る空気を加熱して空気極３に供給する。この際、排空気
は空気を加熱することにより冷却され、排空気に混入す
るリン酸は凝縮して通路溝３２からなる流路の壁面に付
着してカーボン板に吸着し、多孔質の孔に吸収される。
この吸収されたリン酸はカーボン板内を移動して空気予
熱器３０の出口近くで蒸発し、空気極３に供給する通路
溝３４を流れる空気に同伴されて燃料電池１の単電池に
補給される。

【００３２】したがって従来のようにリン酸回収器やリ
ン酸補給装置が不要となる。図４は燃料電池の燃料極に
供給する改質ガスを燃料極から排出されるオフガスによ
り加熱する場合にも本発明による熱交換器を設けた燃料
電池回りの系統図である。図４においては図３に示した
燃料電池１の空気極３から排出される排空気と空気極３
に供給する空気との熱交換を行なわせる空気予熱器３０
を設ける他に燃料極２から排出され、少量であるがリン
酸を混入するオフガスと燃料極２に供給する改質ガスと
熱交換して加熱する前記空気予熱器３０と同じ構造の改
質ガス予熱器３０ａを設けている。

【００３３】このような構成により、前記空気予熱器３
０の作用と同様に改質ガス予熱器３０ａにて、燃料電池
１の燃料極２から排出され、図１に示す伝熱スタック３
１の通路溝３２を流れるオフガスは燃料極２に供給する
通路溝３４を流れる改質ガスを熱交換により加熱し、オ
フガスに混入するリン酸は凝縮してカーボン板に吸着さ
れて吸収される。そして吸収されたリン酸はカーボン板
内を移動し、通路溝３４を流れる改質ガスに同伴されて
燃料電池１の単電池に補給される。

【００３４】図５は本発明の異なる実施例による空気予
熱器や改質ガス予熱器の燃料電池用熱交換器をリン酸形
燃料電池に重ねて一体化したものの斜視図である。図５
において熱交換器５１は本発明による熱交換器であり、
リン酸形燃料電池１の燃料電池スタックに重ねて一体化
している。リン酸形燃料電池１は図示しない単電池を積
層した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの対
向する側面に、図示しない改質ガスを燃料電池スタック
に導く図示しない入口マニホールドと、燃料電池スタッ
クから排出するオフガスを集めて外部に送出する出口管
５２を備えた出口マニホールド５３と、前記対向する側
面の方向に直角な方向の対向する側面に空気を燃料電池
スタックに導く図示しない入口マニホールドと、燃料電
池スタックから排出する排空気を集めて外部に送出する
出口管５４を備えた出口マニホールド５５とを備えてい
る。

【００３５】したがって熱交換器５０の伝熱スタックは
燃料電池スタックと同一構造を有しているので、伝熱ス
タックと燃料電池スタックとを重ね、その上下面に端板
３６を介して締付板３７，３８を載せ、前述のように締
付棒３９により締付けて熱交換器５１とリン酸形燃料電
池１とを一体化する。このような一体化構造により設備
はコンパクト化される。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば前述の構成により、リン酸形燃料電池から排出
される排ガスと燃料電池に供給される反応ガスとを熱交
換をする熱交換器は伝熱部が多孔質カーボン板からなる
ので、コンパクト化及び軽量化するとともに、カーボン
板の一方の面を流れる排ガスが、カーボン板の他方の面
を流れる反応ガスを熱交換により加熱することにより冷
却され、このため排ガスに混入するリン酸は凝縮してカ
ーボン板に吸着，回収されるので、別置のリン酸回収器
を必要としない。

【００３７】またカーボン板に吸着，回収されたリン酸
はカーボン板内を移動し、カーボン板の反対面を流れる
燃料電池に供給する反応ガスに同伴して燃料電池の単電
池に供給されるので、リン酸補給装置を必要としない。
また、伝熱スタックはリン酸形燃料電池の燃料電池スタ
ックと同一構造なので、伝熱スタックと燃料電池スタッ
クとを重ねて一体化することにより、締付板等の部品を
共有することによるコストの低減及びコンパクト化する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による燃料電池用熱交換器の部
分破砕斜視図

【図２】図１の燃料電池用熱交換器における伝熱スタッ
クを構成するカーボン板の斜視図

【図３】図１の燃料電池用熱交換器を燃料電池の空気極
からの排空気が流れる空気排出系に設けたリン酸形燃料
電池発電システムの系統図

【図４】図１の燃料電池用熱交換器を燃料電池の空気極
からの排空気が流れる空気排出系と燃料極からのオフガ
スが流れる燃料ガス排出系とに設けたシステムの系統図

【図５】図１の燃料電池用熱交換器とリン酸形燃料電池
とを重ねて一体化した状態を示す図

【図６】従来のリン酸形燃料電池発電システムの系統図

【図７】従来の異なるリン酸形燃料電池発電システムの
系統図

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リン酸電解質を有する燃料電池から排出さ
   れる排ガスと燃料電池に供給する反応ガスとの熱交換を
   行なう燃料電池用熱交換器において、 空気排ガスが通流し対向する側面に開口を有する第１の
   通路溝を設けた第１の多孔質カーボン板と、反応空気が
   通流し対向する側面に開口を有する第２の通路溝を設け
   た第２の多孔質カーボン板とを、第１の通路溝と第２の
   通路溝が向き合わず、かつ第１の通路溝の開口と第２の
   通路溝の開口とが異なる側面に配されるように交互に積
   み重ねてなる伝熱スタックと、この伝熱スタックの側面
   に第１の通路溝の対向する開口をそれぞれ覆う空気排ガ
   ス入口マニホールド及び空気排ガス出口マニホールド
   と、第２の通路溝の対向する開口をそれぞれ覆う反応空
   気入口マニホールド及び反応空気出口マニホールドとを
   備えたことを特徴とする燃料電池用熱交換器。
2. 【請求項２】リン酸電解質を有する燃料電池から排出さ
   れる排ガスと燃料電池に供給する反応ガスとの熱交換を
   行なう燃料電池用熱交換器において、 燃料排ガスが通流し対向する側面に開口を有する第１の
   通路溝を設けた第１の多孔質カーボン板と、燃料ガスが
   通流し対向する側面に開口を有する第２の通路溝を設け
   た第２の多孔質カーボン板とを、第１の通路溝と第２の
   通路溝が向き合わず、かつ第１の通路溝の開口と第２の
   通路溝の開口とが異なる側面に配されるように交互に積
   み重ねてなる伝熱スタックと、この伝熱スタックの側面
   に第１の通路溝の対向する開口をそれぞれ覆う燃料排ガ
   ス入口マニホールド及び燃料排ガス出口マニホールド
   と、第２の通路溝の対向する開口をそれぞれ覆う燃料ガ
   ス入口マニホールド及び燃料ガス出口マニホールドとを
   備えたことを特徴とする燃料電池用熱交換器。
3. 【請求項３】請求項１又は２の何れかに記載の燃料電池
   用熱交換器において、前記伝熱スタックは燃料電池スタ
   ックに重ねて一体化されたものであることを特徴とする
   燃料電池用熱交換器。