JP3522414B2 - リン酸型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、リン酸型燃料電池から
排出される高温のリン酸を含む排酸化剤ガスとガス、特
に前記燃料電池に供給される酸化剤ガスと熱交換して酸
化剤ガスを加熱するリン酸型燃料電池用熱交換器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】リン酸型燃料電池発電装置はリン酸電解
質を有する燃料電池と燃料改質器とを主要構成部として
構成され、天然ガス等の原燃料を燃料改質器で水素に富
むガスに改質し、この改質した改質ガスと酸化剤ガスと
しての空気とを燃料電池に供給することにより、燃料電
池は電池反応を起こして発電する。このような燃料電池
発電装置において、燃料電池での電池反応は高温で行な
われるので、燃料電池から排出される排酸化剤ガスの排
熱を回収する熱交換器が設けられ、通常燃料電池に供給
する酸化剤ガスを前記熱交換器に通流し、排酸化剤ガス
との熱交換により加熱して燃料電池に供給している。

【０００３】このような熱交換器を備えるリン酸型燃料
電池発電装置として図３に示す系統のものが知られてい
る。図３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は原燃料供給系８を経て供給される天然ガス等の原燃
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
れる電池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
り酸化剤ガスとしての空気が空気供給系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、水蒸気となって排酸化剤ガスとしての排空気
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】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にはリン酸
が混入する。排空気に混入したリン酸は燃料電池１の排
空気が流れる配管や空気予熱器のステンレス等の構成材
と化学反応してリン酸化合物が生成される。この化合物
は表面に堆積して時間とともに成長し、排空気の流路を
閉塞したり、ついには腐食により溶接部等にピンホール
が発生するという問題がある。また、前記化合物は構成
材の表面に堆積して時間とともに成長し、ついには離れ
て粉化し、生成水回収用熱交換器２１にて捕集され、下
流側にある水処理装置用のフィルタを目詰りさせたり、
さらには、水処理装置のイオン負荷となり、イオン交換
樹脂の寿命を著しく短かくするという問題がある。

【０００８】上記の問題点を解決するため、空気予熱器
１６の構成材表面にテフロン（登録商標）等の耐食性材
料によるコーティングを施したり、構成材がステンレス
等の場合には、定期的に洗浄を施したりしている。ま
た、上記の問題点を解決する他の方法としてリン酸を除
去するために、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る
ことも行なわれている。

【０００９】図４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
けた燃料電池発電装置の系統図である。図４においてリ
ン酸回収器２４を空気極３の出口の空気排出系１５に設
けた他は図３のものと同じである。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リン酸化合物を生
成させる。そして、粉化したリン酸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】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】排酸化剤ガスとしての
排空気に含まれるリン酸による空気予熱器の構成材の腐
食，リン酸化合物の発生を防止するために構成材の表面
にテフロン（登録商標）をコーティングをするのは、溶
接部及び曲がり箇所でのコーティング膜にピンホールが
発生しやすく、均一にコーティングするのが困難であ
り、また、テフロン（登録商標）のコーティングはコス
トが高く、さらにこのコーティングにより空気予熱器１
６の伝熱性能が低下してより大型の空気予熱器が必要に
なるという問題がある。

【００１２】また、リン酸を除去して空気予熱器１６等
のリン酸による腐食を防止するため、空気排出系１５に
金属のワイヤメッシュデミスタやスチールウール等のリ
ン酸捕集部２５を有するリン酸回収器２４を設けること
は、捕集されたリン酸と化合したリン酸化合物がワイヤ
メッシュデミスタ等から離れず、このため圧力損失が増
大するとともに、リン酸が付着したワイヤメッシュデミ
スタ等は、リン酸と反応する能力が低いため、リン酸回
収器の捕集能力が低下するという問題がある。

【００１３】また、空気予熱器１６は定格のフル・ロー
ドの状態で運転状態の高温の燃料電池１から排出される
排酸化剤ガスとしての排空気の温度を、燃料電池１に供
給する酸化剤ガスとしての空気との熱交換により１８０
℃程度から９０℃程度にし、一方燃料電池１に供給する
空気の温度を常温から１００℃以上になるように伝熱性
能を持たせている。

【００１４】ところで、放熱等により局所的に低温部が
空気予熱器１６にある場合、及び部分負荷で燃料電池発
電装置を運転している場合等には、燃料電池１から排出
される排空気の温度が、この排空気中の水蒸気が凝縮す
る温度まで低下してリン酸を含んだドレン水が空気予熱
器から排出され、この強酸性のドレン水を貯留するドレ
ンタンクや強酸性のドレンを中和処理するという手間が
生じるという問題がある。

【００１５】また、空気予熱器１６の洗浄は、複雑な形
状のため、定期検査等で行なうとき多くの工数がかかる
という問題がある。本発明の目的は、燃料電池から排出
される排酸化剤ガスに含まれるリン酸による強酸性のド
レンの発生を防止すること、リン酸化合物による伝熱管
の閉塞を防止すること、空気予熱器の洗浄間隔を長くす
ることができるリン酸型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】上記の課題を解決するた
めに、本発明によれば、リン酸電解質を有する燃料電池
から排出される排酸化剤ガス中の水分を凝縮して回収す
る生成水回収用熱交換器の上流側に設けられ、リン酸を
含む排酸化剤ガスと伝熱部を介して熱交換させることに
よりガスの予熱を行なうリン酸型燃料電池用熱交換器に
おいて、前記熱交換器は、下部に排酸化剤ガスが熱交換
器内に流入する入口を、一方、上部に排酸化剤ガスが熱
交換器から流出する出口を設けるものとする。

【００１７】また、リン酸電解質を有する燃料電池から
排出されるリン酸を含む排酸化剤ガスが流れる伝熱管
と、この伝熱管を囲み、前記排酸化剤ガスと伝熱管を介
して熱交換するガスが流れるケーシングとを備えるリン
酸型燃料電池用熱交換器において、伝熱管を排酸化剤ガ
スが流れる方向の口径の大きい上流側伝熱管と、口径の
小さい下流側伝熱管とに２分し、前記上流側伝熱管を有
する上流側熱交換器と、下流側伝熱管を有する下流側熱
交換器とから構成するものとする。

【００１８】なお、上記において、上流側熱交換器と下
流側熱交換器とを設ける代りに、口径の大きい上流側伝
熱管と口径の小さい下流側伝熱管とを直列に接続して有
する熱交換器を設けるものとする。

【００１９】上記におけるガスは燃料電池に供給する酸
化剤ガスであるものとする。

【００２０】

【作用】熱交換器に流入する燃料電池から排出される高
温の排酸化剤ガスは、熱交換器の下部に設けられた入口
から熱交換器に流入して上昇流となって上部に設けられ
た出口から排出される。この際、排酸化剤ガスは、この
熱交換器内を上昇流となって流れる間で、低温のガス、
このガスとして燃料電池に供給する低温の酸化剤ガスを
伝熱部を介する熱交換により加熱し、自らは冷却する。

【００２１】このような熱交換中において、熱交換器が
放熱等による局所冷却した場合や部分負荷等により入熱
が減少した場合に排酸化剤ガスに含まれた水蒸気が凝縮
して水となり、この水が上部から下部に落下する間に、
高温の排酸化剤ガスと接触して蒸発することによりドレ
ンとならず、熱交換器からはドレンを排出する必要がな
くなる。

【００２２】また、熱交換器の排酸化剤ガスが流れる伝
熱管を上流側伝熱管と下流側伝熱管とに２分し、上流側
伝熱管を有する上流側熱交換器と下流側伝熱管を有する
下流側熱交換器とを設け、上流側伝熱管の口径は大きく
し、下流側伝熱管の口径を小さくすることにより、高温
のため、主に上流側伝熱管の内面に排酸化剤ガスに含ま
れるリン酸によるリン酸化合物が発生して、伝熱管の内
面に皮膜を形成しても上流側伝熱管の口径は大きいの
で、排酸化剤ガスの流路を閉塞しない。

【００２３】また、下流側伝熱管は熱交換のため排酸化
剤ガスは低温となるので、リン酸化合物の発生は少なく
なり、このため伝熱管の口径を小さくでき、熱交換器を
小型化できる。なお、口径の大きい上流側伝熱管と口径
の小さい下流側伝熱管とを直列に接続して有する１箇の
熱交換器としても同じ作用が得られる。

【００２４】

【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１によるリン酸型燃料
電池用熱交換器を備えた燃料電池発電装置の系統図であ
る。なお、図１において図３の従来例と同一部品には同
じ符号を付し、その説明を省略する。図１において図３
の従来例と異なるのは、空気排出系１５に設けられた直
立する熱交換器としての空気予熱器１６の排酸化剤ガス
としての排空気が流入する入口３０を空気予熱器１６の
下部に、また、流出する出口３１を空気予熱器１６の上
部に設けたことである。

【００２６】このような構成により、燃料電池１の空気
極３から排出されたリン酸を含む高温の排空気は空気予
熱器１６の下部に設けられた入口３０から流入し、空気
予熱器１６内を上昇流で流れ、この間、高温の排空気は
空気供給系１４を流れて燃料電池１に供給する酸化剤ガ
スとしての空気を熱交換により加熱する。そして、この
空気を加熱した排空気は低温となって空気予熱器１６の
上部に設けられた出口３１から排出される。

【００２７】この際、空気予熱器１６が放熱等により局
所冷却した場合や、部分負荷等により排空気が低温にな
る場合、排空気に含まれる水蒸気が凝縮して水となっ
て、上部から下部に落下する間に高温の排空気と接触し
て蒸発するので、ドレンの発生を防止することができ
る。したがって、ドレンタンクを必要としなくなる。

【００２８】なお、本実施例では空気予熱器１６を直立
させているが、勾配を持たせて設置した場合でも、下部
の入口から高温の排空気を流入させ、上部の出口から排
出させても同じ効果が得られる。図２は本発明の実施例
２によるリン酸型燃料電池用熱交換器を備えた燃料電池
発電装置の系統図である。図２において図３の従来例と
異なるのは、下記の通りである。

【００２９】空気予熱器１６を第１段の空気予熱器１６
ａと第２段の空気予熱器１６ｂで構成する。第１段の空
気予熱器１６ａには燃料電池１から排出される高温のリ
ン酸を含む排酸化剤ガスとしての排空気が流れる口径の
大きい伝熱管３３を設けている。第２段の空気予熱器１
６ｂには空気予熱器１６ａの伝熱管３３から排出される
排空気が流れる口径の小さい伝熱管３４を設けている。

【００３０】なお、空気供給系１４は、燃料電池１に供
給する空気が流入する空気予熱器１６ａ，１６ｂの各空
気入口３５ａ，３５ｂに接続する分岐空気供給系１４
ａ，１４ｂと、空気予熱器１６ａ，１６ｂから熱交換し
た空気を排出する空気出口３６ａ，３６ｂとに接続する
分岐供給系１４ｃ，１４ｄとを備えて構成されている。
このような構成により、燃料電池１から排出されるリン
酸を含む排空気は空気予熱器１６ａの口径の大きい伝熱
管３３を流れた後、空気予熱器１６ｂの口径の小さい伝
熱管３４を流れ、生成水回収用熱交換器２１に流入す
る。

【００３１】一方、燃料電池１に供給する空気は空気供
給系１４の分岐空気供給系１４ａ，１４ｂを経てそれぞ
れ空気予熱器１６ａ，１６ｂに流入し、伝熱管３３，３
４を流れる高温の排空気と熱交換して昇温され、分岐空
気供給系１４ｃ，１４ｄを経て燃料電池１の空気極３に
供給される。この際、リン酸を含む高温の排空気が口径
の大きい伝熱管３３を流れるとき、リン酸により生じた
リン酸化合物の皮膜は伝熱管３３の内面に形成される
が、伝熱管３３の口径は大きいので、排空気が流れるの
を阻止する閉塞を起こさない管路が確保される。そし
て、空気予熱器１６ａから排出された排空気は熱交換に
より低温となっており、リン酸化合物は発生し難くなっ
ているので、口径の小さい伝熱管３４を流れても管路を
閉塞するようなことはなく、熱交換性能の向上を計り、
全体としての空気予熱器を小型化できる。

【００３２】また、テフロン（登録商標）コーティング
等特別な表面処理をせずにすむので低コストになる。ま
た、ステンレス製等の空気予熱器の場合、伝熱管３３に
付着するリン酸化合物の清掃等の洗浄のインターバルを
延長でき、したがって定期点検サイクルの延長により発
電装置の停止頻度を低減できる。なお、本実施例では口
径の大きい伝熱管を有する空気予熱器と口径の小さい伝
熱管を有する空気予熱器とを２段にしているが、１箇の
空気予熱器の中に口径の大きい伝熱管と口径の小さい伝
熱管を直列に接続して設置しても同じ効果が得られると
ともに、さらに小型化することができる。

【００３３】

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【００３７】

【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、燃料電池から排出されるリ
ン酸を含む高温の排酸化剤ガスを空気予熱器の下部から
上部に向う上昇流の流れにしたので、排酸化剤ガス中の
水蒸気が局所的低温や低負荷による入熱の減少によって
凝縮して水になっても、この水は落下して下方の高温の
排酸化剤ガスに接触して蒸発するので、ドレンの発生が
なくなり、このためドレンタンクが不要になりコストが
低減する。

【００３８】また、燃料電池から排出され、口径の大き
い伝熱管を有する上流側熱交換器に流入するリン酸を含
む排酸化剤ガスは高温のため、伝熱管内面にリン酸化合
物の皮膜を形成するが、この伝熱管の口径は大きいの
で、管路の閉塞を防ぎ、また定期点検等による洗浄間隔
を長くすることができる。一方、下流側熱交換器の伝熱
管に流入する排酸化剤ガスは低温なので、リン酸化合物
の発生は少なく、伝熱管の口径を小さくしても管路の閉
塞を生じないので、熱交換性能の向上を計ることができ
るとともに、全体としての熱交換器を小型化できる。

【００３９】また、口径の大きい上流側伝熱管と口径の
小さい下流側伝熱管とを直列に接続して１箇の熱交換器
内に設置しても前述と同じ効果が得られるとともに、よ
り小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１によるリン酸型燃料電池用熱
交換器としての空気予熱器を備えた燃料電池発電装置の
系統図

【図２】本発明の実施例２によるリン酸型燃料電池用熱
交換器としての空気予熱器を備えた燃料電池発電装置の
系統図

【図３】従来のリン酸型燃料電池用熱交換器としての空
気予熱器を備えた燃料電池発電装置の系統図

【図４】従来の異なるリン酸型燃料電池用熱交換器とし
ての空気予熱器を備えた燃料電池発電装置の系統図

【符号の説明】 １ 燃料電池 ２ 燃料極 ３ 空気極 １６ 空気予熱器 １６ａ 空気予熱器 １６ｂ 空気予熱器 ３０ 入口 ３１ 出口 ３３ 伝熱管 ３４ 伝熱管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 元一 神奈川県逗子市久木２丁目６番Ｂ９号 (72)発明者 岩佐 信弘 大阪府岸和田市葛城町910番55号 (72)発明者 富原 勲 愛知県名古屋市港区惟信町５−18−１ (72)発明者 大内 崇 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 小松 正 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−82147（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−326005（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−176784（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−52879（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−25186（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 - 8/06

Claims (4)

(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
   れる排酸化剤ガス中の水分を凝縮して回収する生成水回
   収用熱交換器の上流側に設けられ、リン酸を含む排酸化
   剤ガスと伝熱部を介して熱交換させることによりガスの
   予熱を行なうリン酸型燃料電池用熱交換器において、前
   記熱交換器は、下部に排酸化剤ガスが熱交換器内に流入
   する入口を、一方、上部に排酸化剤ガスが熱交換器から
   流出する出口を設けたことを特徴とするリン酸型燃料電
   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
   れるリン酸を含む排酸化剤ガスが流れる伝熱管と、この
   伝熱管を囲み、前記排酸化剤ガスと伝熱管を介して熱交
   換するガスが流れるケーシングとを備えるリン酸型燃料
   電池用熱交換器において、伝熱管を排酸化剤ガスが流れ
   る方向の口径の大きい上流側伝熱管と、口径の小さい下
   流側伝熱管とに２分し、前記上流側伝熱管を有する上流
   側熱交換器と下流側伝熱管を有する下流側熱交換器とか
   ら構成したことを特徴とするリン酸型燃料電池用熱交換
   器。
3. 【請求項３】請求項２に記載するものにおいて、上流側
   熱交換器と下流側熱交換器とを設ける代りに、口径の大
   きい上流側伝熱管と口径の小さい下流側伝熱管とを直列
   に接続して有する熱交換器を設けたことを特徴とするリ
   ン酸型燃料電池用熱交換器。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載するも
   のにおいて、ガスは燃料電池に供給する酸化剤ガスであ
   ることを特徴とするリン酸型燃料電池用熱交換器。