JPH0896818A - 燃料電池発電設備と燃料電池の冷却方法 - Google Patents
燃料電池発電設備と燃料電池の冷却方法Info
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- JPH0896818A JPH0896818A JP6228539A JP22853994A JPH0896818A JP H0896818 A JPH0896818 A JP H0896818A JP 6228539 A JP6228539 A JP 6228539A JP 22853994 A JP22853994 A JP 22853994A JP H0896818 A JPH0896818 A JP H0896818A
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- anode
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 入口から出口まで反応温度をほぼ均一にで
き、電池性能の向上と長寿命化を同時に達成でき、かつ
製造コストと運転コストの両方が小さく、かつ小型で信
頼性の高い燃料電池発電設備と燃料電池の冷却方法を提
供する。 【構成】 高温の燃料電池１２と、アノード及びカソー
ドに沿ってそれぞれ水素を含むアノードガスと酸素及び
炭酸ガスを含むカソードガスを流すアノードガスライン
２及びカソードガスライン３と、アノードガス又はカソ
ードガスがカソードを通過する間、液体状態を保持する
大きさの水滴をアノード又はカソードとセパレータ板の
間の流路に噴霧する噴霧装置２０とを備え、アノード及
びカソードとセパレータ板を、少なくとも５００℃以上
に保持し、溶融炭酸塩を溶融状態で保持し、かつアノー
ド又はカソード及びセパレータ板の表面で水滴にライデ
ンフロスト現象を伴う蒸発を形成させて燃料電池を冷却
する。
き、電池性能の向上と長寿命化を同時に達成でき、かつ
製造コストと運転コストの両方が小さく、かつ小型で信
頼性の高い燃料電池発電設備と燃料電池の冷却方法を提
供する。 【構成】 高温の燃料電池１２と、アノード及びカソー
ドに沿ってそれぞれ水素を含むアノードガスと酸素及び
炭酸ガスを含むカソードガスを流すアノードガスライン
２及びカソードガスライン３と、アノードガス又はカソ
ードガスがカソードを通過する間、液体状態を保持する
大きさの水滴をアノード又はカソードとセパレータ板の
間の流路に噴霧する噴霧装置２０とを備え、アノード及
びカソードとセパレータ板を、少なくとも５００℃以上
に保持し、溶融炭酸塩を溶融状態で保持し、かつアノー
ド又はカソード及びセパレータ板の表面で水滴にライデ
ンフロスト現象を伴う蒸発を形成させて燃料電池を冷却
する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電設備と燃
料電池の冷却方法に係わり、更に詳しくは、溶融炭酸塩
型燃料電池とその温度制御方法に関する。
料電池の冷却方法に係わり、更に詳しくは、溶融炭酸塩
型燃料電池とその温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図６に例示するように天
然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改
質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソ
ードガス３とから発電する燃料電池１２とを備えてお
り、改質器で作られたアノードガス２は燃料電池に供給
され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費
した後、アノード排ガス４として改質器１０の燃焼室に
供給される。改質器１０ではアノード排ガス中の可燃成
分（水素、一酸化炭素、メタン等）が燃焼室で燃焼し、
高温の燃焼ガスにより改質管を加熱し改質管内を通る燃
料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は圧力回収装
置１５から供給される加圧空気６と合流してカソードガ
ス３となり、燃料電池のカソード側に必要な二酸化炭素
を供給する。燃料電池内でその一部が反応したカソード
ガス（カソード排ガス７）は、冷却器１３を介してブロ
ア１４により燃料電池の上流側に一部が循環され、残り
は圧力回収装置１５で圧力回収され、熱回収装置１８で
熱回収されて系外に排出される。なお、この図で８は水
蒸気である。
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図６に例示するように天
然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改
質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソ
ードガス３とから発電する燃料電池１２とを備えてお
り、改質器で作られたアノードガス２は燃料電池に供給
され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費
した後、アノード排ガス４として改質器１０の燃焼室に
供給される。改質器１０ではアノード排ガス中の可燃成
分（水素、一酸化炭素、メタン等）が燃焼室で燃焼し、
高温の燃焼ガスにより改質管を加熱し改質管内を通る燃
料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は圧力回収装
置１５から供給される加圧空気６と合流してカソードガ
ス３となり、燃料電池のカソード側に必要な二酸化炭素
を供給する。燃料電池内でその一部が反応したカソード
ガス（カソード排ガス７）は、冷却器１３を介してブロ
ア１４により燃料電池の上流側に一部が循環され、残り
は圧力回収装置１５で圧力回収され、熱回収装置１８で
熱回収されて系外に排出される。なお、この図で８は水
蒸気である。
【０００３】燃料電池１２は、融点の高い溶融炭酸塩を
電解液として用いており、平均温度が５００℃以下にな
ると電解液が部分的に凝縮し、逆に７００℃以上になる
と電解液の蒸発や腐食が激しくなる問題がある。そのた
め、従来、燃料電池１２で発生する熱の除去は、ブロア
１４（カソード循環ブロア）により大量のカソードガス
（カソード排ガス７）を燃料電池の上流側に循環させ、
出口温度と入口温度が所定の範囲（例えば、入口温度５
８０〜６００℃、出口温度６８０〜７００℃）になるよ
うに循環ガス量を制御し、カソード出入口温度差を約１
００℃として冷却していた。
電解液として用いており、平均温度が５００℃以下にな
ると電解液が部分的に凝縮し、逆に７００℃以上になる
と電解液の蒸発や腐食が激しくなる問題がある。そのた
め、従来、燃料電池１２で発生する熱の除去は、ブロア
１４（カソード循環ブロア）により大量のカソードガス
（カソード排ガス７）を燃料電池の上流側に循環させ、
出口温度と入口温度が所定の範囲（例えば、入口温度５
８０〜６００℃、出口温度６８０〜７００℃）になるよ
うに循環ガス量を制御し、カソード出入口温度差を約１
００℃として冷却していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、かかる従来の
冷却方法では、溶融炭酸塩型燃料電池のような高温型の
燃料電池が発電時に発生する熱を、ブロアを用いてカソ
ードガスを大量に流すことで除去するため、以下のよう
な問題点があった。 カソード循環ブロアに必要な補機動力が送電端出力
の約５％程度にもなりプラント効率（及び発電効率）を
大幅に低下させてしまう。
冷却方法では、溶融炭酸塩型燃料電池のような高温型の
燃料電池が発電時に発生する熱を、ブロアを用いてカソ
ードガスを大量に流すことで除去するため、以下のよう
な問題点があった。 カソード循環ブロアに必要な補機動力が送電端出力
の約５％程度にもなりプラント効率（及び発電効率）を
大幅に低下させてしまう。
【０００５】 大量のカソード排ガス（反応に使用し
たガス）をカソード側に循環させるため、反応に必要な
酸素、炭酸ガスが希釈されて濃度が低くなり電池性能を
低下させてしまう。 熱容量の非常に小さいガスによる電池冷却のため電
池の出入り口温度差が大きく、電池内に熱的な歪や、負
荷変動による熱サイクルを生じ電池の寿命を短くする要
因となっている。
たガス）をカソード側に循環させるため、反応に必要な
酸素、炭酸ガスが希釈されて濃度が低くなり電池性能を
低下させてしまう。 熱容量の非常に小さいガスによる電池冷却のため電
池の出入り口温度差が大きく、電池内に熱的な歪や、負
荷変動による熱サイクルを生じ電池の寿命を短くする要
因となっている。
【０００６】 ガスの電池入口温度が低いため、電池
入口側の電極性能が低下し電池性能を下げている。 ガスの電池入口温度が低いため、改質ガス中の一酸
化炭素の炭素析出防止のため燃料中に蒸気を大量に供給
しなければならない。 ガスの電池出口温度が高いため電池コンポーネント
にクリープ、腐食等悪影響を与え、電池寿命を短くさせ
ている。
入口側の電極性能が低下し電池性能を下げている。 ガスの電池入口温度が低いため、改質ガス中の一酸
化炭素の炭素析出防止のため燃料中に蒸気を大量に供給
しなければならない。 ガスの電池出口温度が高いため電池コンポーネント
にクリープ、腐食等悪影響を与え、電池寿命を短くさせ
ている。
【０００７】 大量にガスを流すため圧損上配管、電
池マニホールドが大きくしなければならない。
池マニホールドが大きくしなければならない。
【０００８】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、入口
から出口まで反応温度をほぼ均一にでき、電池性能の向
上と長寿命化を同時に達成できる燃料電池発電設備と燃
料電池の冷却方法を提供することにある。また、本発明
の別の目的は、製造コストと運転コストの両方が小さ
く、かつ小型で信頼性の高い燃料電池発電設備と燃料電
池の冷却方法を提供することにある。
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、入口
から出口まで反応温度をほぼ均一にでき、電池性能の向
上と長寿命化を同時に達成できる燃料電池発電設備と燃
料電池の冷却方法を提供することにある。また、本発明
の別の目的は、製造コストと運転コストの両方が小さ
く、かつ小型で信頼性の高い燃料電池発電設備と燃料電
池の冷却方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、焼結し
たセラミック粉末からなりその隙間に溶融炭酸塩を高温
の溶融状態で保持する平板状の電解質板と、該電解質板
を間に挟持しそれぞれ焼結した金属粉末からなる平板状
のアノード及びカソードと、アノード、電解質板及びカ
ソードからなるセルを間に挟持しその上下面にガス流路
を有する複数の導電性セパレータ板とを有する燃料電池
と、アノード及びカソードに沿ってそれぞれ水素を含む
アノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソードガスを
流すアノードガスライン及びカソードガスラインと、カ
ソードガスがカソードを通過する間、液体状態を保持す
る大きさの水滴をカソードとセパレータ板の間の流路に
噴霧する噴霧装置とを備え、これにより、アノード及び
カソードとセパレータ板を、少なくとも５００℃以上に
保持し、溶融炭酸塩を溶融状態で保持し、かつカソード
及びセパレータ板の表面で噴霧された水滴がライデンフ
ロスト現象を伴う蒸発を形成してカソードとセパレータ
板を冷却することを特徴とする燃料電池発電設備が提供
される。
たセラミック粉末からなりその隙間に溶融炭酸塩を高温
の溶融状態で保持する平板状の電解質板と、該電解質板
を間に挟持しそれぞれ焼結した金属粉末からなる平板状
のアノード及びカソードと、アノード、電解質板及びカ
ソードからなるセルを間に挟持しその上下面にガス流路
を有する複数の導電性セパレータ板とを有する燃料電池
と、アノード及びカソードに沿ってそれぞれ水素を含む
アノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソードガスを
流すアノードガスライン及びカソードガスラインと、カ
ソードガスがカソードを通過する間、液体状態を保持す
る大きさの水滴をカソードとセパレータ板の間の流路に
噴霧する噴霧装置とを備え、これにより、アノード及び
カソードとセパレータ板を、少なくとも５００℃以上に
保持し、溶融炭酸塩を溶融状態で保持し、かつカソード
及びセパレータ板の表面で噴霧された水滴がライデンフ
ロスト現象を伴う蒸発を形成してカソードとセパレータ
板を冷却することを特徴とする燃料電池発電設備が提供
される。
【００１０】本発明の好ましい実施例によれば、前記噴
霧装置は、霧化媒体により水滴の大きさを調節可能な２
流体噴霧器である。また前記噴霧装置は、水圧により水
滴の大きさを調節可能な水圧噴霧器であってもよい。更
に、カソード排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する復
水器を備える、ことが好ましい。
霧装置は、霧化媒体により水滴の大きさを調節可能な２
流体噴霧器である。また前記噴霧装置は、水圧により水
滴の大きさを調節可能な水圧噴霧器であってもよい。更
に、カソード排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する復
水器を備える、ことが好ましい。
【００１１】また、本発明によれば、焼結したセラミッ
ク粉末からなりその隙間に高温で溶融状態の溶融炭酸塩
を保持する平板状の電解質板と、該電解質板を間に挟持
しそれぞれ焼結した金属粉末からなる平板状のアノード
及びカソードと、アノード、電解質板及びカソードから
なるセルを間に挟持しその上下面にガス流路を有する複
数の導電性セパレータ板とを備えた燃料電池の冷却方法
において、アノード及びカソードに沿ってそれぞれ水素
を含むアノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソード
ガスを流し、かつカソードガスがカソードを通過する
間、液体状態を保持する大きさの水滴をカソードとセパ
レータ板の間の流路に噴霧する、ことを特徴とする燃料
電池の冷却方法が提供される。
ク粉末からなりその隙間に高温で溶融状態の溶融炭酸塩
を保持する平板状の電解質板と、該電解質板を間に挟持
しそれぞれ焼結した金属粉末からなる平板状のアノード
及びカソードと、アノード、電解質板及びカソードから
なるセルを間に挟持しその上下面にガス流路を有する複
数の導電性セパレータ板とを備えた燃料電池の冷却方法
において、アノード及びカソードに沿ってそれぞれ水素
を含むアノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソード
ガスを流し、かつカソードガスがカソードを通過する
間、液体状態を保持する大きさの水滴をカソードとセパ
レータ板の間の流路に噴霧する、ことを特徴とする燃料
電池の冷却方法が提供される。
【００１２】本発明の好ましい実施例によれば、溶融炭
酸塩が溶融状態で保持されるように、前記アノード及び
カソードとセパレータ板を、少なくとも５００℃以上に
保持し、これにより水滴がカソード及びセパレータ板の
表面でライデンフロスト現象を伴う蒸発を保持する。
酸塩が溶融状態で保持されるように、前記アノード及び
カソードとセパレータ板を、少なくとも５００℃以上に
保持し、これにより水滴がカソード及びセパレータ板の
表面でライデンフロスト現象を伴う蒸発を保持する。
【００１３】
【作用】従来、運転温度が５００℃以上の高温の燃料電
池の冷却手段としては、水冷では冷却速度が速すぎるた
め、ガス冷却しか考えられなかった。しかし、本発明の
発明者は、温度が５００℃以上の固体面では、水はライ
デンフロスト現象を起こし細かく千切れ、水は直接固体
面とは接触せず熱伝達率も通常の水冷の場合に比較して
極めて小さくなることに着眼した。
池の冷却手段としては、水冷では冷却速度が速すぎるた
め、ガス冷却しか考えられなかった。しかし、本発明の
発明者は、温度が５００℃以上の固体面では、水はライ
デンフロスト現象を起こし細かく千切れ、水は直接固体
面とは接触せず熱伝達率も通常の水冷の場合に比較して
極めて小さくなることに着眼した。
【００１４】すなわち、上記本発明の装置及び方法によ
れば、アノードガスライン及びカソードガスラインによ
り、アノード及びカソードに沿ってそれぞれ水素を含む
アノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソードガスを
流し、かつ噴霧装置によりカソードガスがカソードを通
過する間、液体状態を保持する大きさの水滴をカソード
とセパレータ板の間の流路に噴霧するので、噴霧された
水滴は、カソード及びセパレータ板の表面でライデンフ
ロスト現象を生じながら、カソードに沿って流れ、比較
的低い熱伝達率でカソード及びセパレータ板をほぼ均一
に冷却することができる。従って、燃料電池の入口から
出口まで反応温度をほぼ均一（例えば６５０℃）に保持
することができ、電池性能の向上と長寿命化を同時に達
成することができる。また、高温ガスブロアを用いた従
来の手段に比較し、水の噴霧装置は、小型で信頼性が高
く、製造コストと運転コストの両方を大幅に低減するこ
とができる。
れば、アノードガスライン及びカソードガスラインによ
り、アノード及びカソードに沿ってそれぞれ水素を含む
アノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソードガスを
流し、かつ噴霧装置によりカソードガスがカソードを通
過する間、液体状態を保持する大きさの水滴をカソード
とセパレータ板の間の流路に噴霧するので、噴霧された
水滴は、カソード及びセパレータ板の表面でライデンフ
ロスト現象を生じながら、カソードに沿って流れ、比較
的低い熱伝達率でカソード及びセパレータ板をほぼ均一
に冷却することができる。従って、燃料電池の入口から
出口まで反応温度をほぼ均一（例えば６５０℃）に保持
することができ、電池性能の向上と長寿命化を同時に達
成することができる。また、高温ガスブロアを用いた従
来の手段に比較し、水の噴霧装置は、小型で信頼性が高
く、製造コストと運転コストの両方を大幅に低減するこ
とができる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付して使用する。図１は、ライデンフロス
ト現象(Leidenfrost phenomenon)を示す水の沸騰特性図
である。ライデンフロスト現象は、高温の固体表面上の
水滴がある臨界温度以上で金属表面を濡らすことができ
ず、蒸気層によって絶縁され、蒸発が遅れる現象であ
る。このライデンフロスト現象は、図１において温度差
Δｔが約１００℃以上の膜沸騰領域で生じ、蒸気層によ
り熱伝達率ｈは極端に小さくなる。従って、運転温度が
５００℃以上の燃料電池内の固体面では、水のライデン
フロスト現象がほぼ確実に生じるといえる。
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付して使用する。図１は、ライデンフロス
ト現象(Leidenfrost phenomenon)を示す水の沸騰特性図
である。ライデンフロスト現象は、高温の固体表面上の
水滴がある臨界温度以上で金属表面を濡らすことができ
ず、蒸気層によって絶縁され、蒸発が遅れる現象であ
る。このライデンフロスト現象は、図１において温度差
Δｔが約１００℃以上の膜沸騰領域で生じ、蒸気層によ
り熱伝達率ｈは極端に小さくなる。従って、運転温度が
５００℃以上の燃料電池内の固体面では、水のライデン
フロスト現象がほぼ確実に生じるといえる。
【００１６】図２はライデンフロスト現象における熱伝
達率の関係式を示す図である。この図に示すようにライ
デンフロスト現象における噴霧流体の熱伝達率ｈgdは、
式１のようにあらわされ、式２〜５から水滴の直径ｄと
蒸発時間ｔとの関係（ｄ2 ≒１．４／１０4 ×ｔ．．．
式６）が得られる。すなわち、固体球のレイノルズ数が
小さいときヌセルト数ｈgdo ・ｄ／入は２であり、Δｔ
＝５００℃とすると、γ（Ｂ）は約０．３８となること
から、式６を導くことができる。なお、各式は簡略式で
あり、本発明はかかる関係に限定されるものではない。
達率の関係式を示す図である。この図に示すようにライ
デンフロスト現象における噴霧流体の熱伝達率ｈgdは、
式１のようにあらわされ、式２〜５から水滴の直径ｄと
蒸発時間ｔとの関係（ｄ2 ≒１．４／１０4 ×ｔ．．．
式６）が得られる。すなわち、固体球のレイノルズ数が
小さいときヌセルト数ｈgdo ・ｄ／入は２であり、Δｔ
＝５００℃とすると、γ（Ｂ）は約０．３８となること
から、式６を導くことができる。なお、各式は簡略式で
あり、本発明はかかる関係に限定されるものではない。
【００１７】式６から、直径ｄが約０．２ｍｍの場合
に、蒸発時間ｔが約１秒となる。すなわち約０．２ｍｍ
の水滴により、噴霧された水滴がガスと共に流れ、カソ
ード及びセパレータ板の表面でライデンフロスト現象を
生じながら、カソードを通過する約１秒の間カソードに
沿って流れ、比較的低い熱伝達率でカソード及びセパレ
ータ板をほぼ均一に冷却することができることがわか
る。
に、蒸発時間ｔが約１秒となる。すなわち約０．２ｍｍ
の水滴により、噴霧された水滴がガスと共に流れ、カソ
ード及びセパレータ板の表面でライデンフロスト現象を
生じながら、カソードを通過する約１秒の間カソードに
沿って流れ、比較的低い熱伝達率でカソード及びセパレ
ータ板をほぼ均一に冷却することができることがわか
る。
【００１８】図３は、本発明を適用する燃料電池の構成
図である。この図に示すように、燃料電池１２は、電解
質板ｔ、アノードａ（電極）、カソードｃ（電極）及び
セパレータ板ｓとからなる。電解質板ｔは、焼結したセ
ラミック粉末からなる平板であり、その隙間に溶融炭酸
塩を高温の溶融状態で保持するようになっている。それ
ぞれ焼結した金属粉末からなる平板状のアノードａ及び
カソードｃは、電解質板ｔを間に挟持する。単一の電池
（単セル）は、これらのアノードａ、電解質板ｔ及びカ
ソードｃから構成される。複数の導電性セパレータ板ｓ
は、その上下面にガス流路を有し、その間に単セルを挟
持し、アノードａ及びカソードｃに沿ってそれぞれ水素
を含むアノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソード
ガスを流すようになっている。かかる燃料電池１２を例
えば約６５０℃の高温に保持し、アノードａ及びカソー
ドｃに沿ってそれぞれアノードガスとカソードガスを流
すことにより、次の反応により電気が発電される。
図である。この図に示すように、燃料電池１２は、電解
質板ｔ、アノードａ（電極）、カソードｃ（電極）及び
セパレータ板ｓとからなる。電解質板ｔは、焼結したセ
ラミック粉末からなる平板であり、その隙間に溶融炭酸
塩を高温の溶融状態で保持するようになっている。それ
ぞれ焼結した金属粉末からなる平板状のアノードａ及び
カソードｃは、電解質板ｔを間に挟持する。単一の電池
（単セル）は、これらのアノードａ、電解質板ｔ及びカ
ソードｃから構成される。複数の導電性セパレータ板ｓ
は、その上下面にガス流路を有し、その間に単セルを挟
持し、アノードａ及びカソードｃに沿ってそれぞれ水素
を含むアノードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソード
ガスを流すようになっている。かかる燃料電池１２を例
えば約６５０℃の高温に保持し、アノードａ及びカソー
ドｃに沿ってそれぞれアノードガスとカソードガスを流
すことにより、次の反応により電気が発電される。
【００１９】 アノード反応 Ｈ2 ＋ＣＯ3 2- →Ｈ2 Ｏ＋ＣＯ2 ＋２ｅ．．．式７ カソード反応 ＣＯ2 ＋1/2 Ｏ2 ＋２ｅ→ＣＯ3 2- ．．．式８ 式７、８から明らかなように、水又は水蒸気がアノード
側に入ると、水蒸気分圧が上がるため、式７が阻害され
るおそれがあるが、水又は水蒸気がカソード側に入って
も、式８は直接影響されない。また、水又は水蒸気がカ
ソード側に入っても、カソードガスの循環量を大幅に低
減できれば、カソードガス中の炭酸ガス及び酸素の濃度
を高めることができ、カソード反応を促進することがで
きる。
側に入ると、水蒸気分圧が上がるため、式７が阻害され
るおそれがあるが、水又は水蒸気がカソード側に入って
も、式８は直接影響されない。また、水又は水蒸気がカ
ソード側に入っても、カソードガスの循環量を大幅に低
減できれば、カソードガス中の炭酸ガス及び酸素の濃度
を高めることができ、カソード反応を促進することがで
きる。
【００２０】図４は、本発明による燃料電池発電設備の
システム構成図である。この図において、燃料電池発電
設備は、改質器１０、燃料電池１２、及び圧力回収装置
１５を備えている。かかる構成は、図６に示した従来の
燃料電池発電設備と同様である。本発明による燃料電池
発電設備は、更に、カソードガス３が燃料電池１２のカ
ソードを通過する間、液体状態を保持する大きさの水滴
をカソードとセパレータ板の間の流路に噴霧する噴霧装
置２０と、カソード排ガス７中の水蒸気を凝縮させて回
収する復水器２２とを備えている。噴霧装置２０は、こ
の図において霧化媒体（加圧空気６）により水滴の大き
さを調節可能な２流体噴霧器であり、復水器２２から水
ポンプにより供給される水を燃料電池１２のカソードガ
ス３に噴霧するようになっている。また、燃料電池１２
内で蒸発した水は、空気予熱器で冷却され、圧力回収装
置１５のタービンで動力回収されて復水器２２に入り、
ここで水分を回収され、気水分離器２３で水滴を除去さ
れて排気されるようになっている。
システム構成図である。この図において、燃料電池発電
設備は、改質器１０、燃料電池１２、及び圧力回収装置
１５を備えている。かかる構成は、図６に示した従来の
燃料電池発電設備と同様である。本発明による燃料電池
発電設備は、更に、カソードガス３が燃料電池１２のカ
ソードを通過する間、液体状態を保持する大きさの水滴
をカソードとセパレータ板の間の流路に噴霧する噴霧装
置２０と、カソード排ガス７中の水蒸気を凝縮させて回
収する復水器２２とを備えている。噴霧装置２０は、こ
の図において霧化媒体（加圧空気６）により水滴の大き
さを調節可能な２流体噴霧器であり、復水器２２から水
ポンプにより供給される水を燃料電池１２のカソードガ
ス３に噴霧するようになっている。また、燃料電池１２
内で蒸発した水は、空気予熱器で冷却され、圧力回収装
置１５のタービンで動力回収されて復水器２２に入り、
ここで水分を回収され、気水分離器２３で水滴を除去さ
れて排気されるようになっている。
【００２１】図５は、噴霧装置２０の別の実施例を示す
構成図である。この図において、噴霧装置２０は、水圧
により水滴の大きさを調節可能な水圧噴霧器であり、燃
料電池１２のカソードマニホールド内に垂直に挿入され
た水管とノズルとからなる。この構成により、カソード
とセパレータ板の間の流路に直接水滴を噴霧することが
できる。その他の構成は、図４と同様である。
構成図である。この図において、噴霧装置２０は、水圧
により水滴の大きさを調節可能な水圧噴霧器であり、燃
料電池１２のカソードマニホールド内に垂直に挿入され
た水管とノズルとからなる。この構成により、カソード
とセパレータ板の間の流路に直接水滴を噴霧することが
できる。その他の構成は、図４と同様である。
【００２２】図４及び図５の燃料電池発電設備におい
て、燃料電池１２の冷却は、アノード及びカソードに沿
ってそれぞれ水素を含むアノードガス２と酸素及び炭酸
ガスを含むカソードガス３を流し、かつカソードガス３
がカソードを通過する間、液体状態を保持する大きさの
水滴をカソードとセパレータ板の間の流路に噴霧する、
ことにより行われる。また、溶融炭酸塩が溶融状態で保
持されるように、アノード及びカソードとセパレータ板
を、少なくとも５００℃以上に保持し、これにより水滴
がガスと共に流れカソード及びセパレータ板の表面でラ
イデンフロスト現象を伴う蒸発を保持するようにする。
て、燃料電池１２の冷却は、アノード及びカソードに沿
ってそれぞれ水素を含むアノードガス２と酸素及び炭酸
ガスを含むカソードガス３を流し、かつカソードガス３
がカソードを通過する間、液体状態を保持する大きさの
水滴をカソードとセパレータ板の間の流路に噴霧する、
ことにより行われる。また、溶融炭酸塩が溶融状態で保
持されるように、アノード及びカソードとセパレータ板
を、少なくとも５００℃以上に保持し、これにより水滴
がガスと共に流れカソード及びセパレータ板の表面でラ
イデンフロスト現象を伴う蒸発を保持するようにする。
【００２３】上述した本発明の装置及び方法により、噴
霧された水滴は、カソード及びセパレータ板の表面でラ
イデンフロスト現象を生じながら、カソードに沿ってガ
スと共に流れ、比較的低い熱伝達率でカソード及びセパ
レータ板をほぼ均一に冷却することができ、燃料電池の
入口から出口まで反応温度をほぼ均一（例えば６５０
℃）に保持することができ、電池性能の向上と長寿命化
を同時に達成することができる。また、高温ガスブロア
を用いた従来の手段に比較し、水の噴霧装置は、小型で
信頼性が高く、製造コストと運転コストの両方を大幅に
低減することができる。
霧された水滴は、カソード及びセパレータ板の表面でラ
イデンフロスト現象を生じながら、カソードに沿ってガ
スと共に流れ、比較的低い熱伝達率でカソード及びセパ
レータ板をほぼ均一に冷却することができ、燃料電池の
入口から出口まで反応温度をほぼ均一（例えば６５０
℃）に保持することができ、電池性能の向上と長寿命化
を同時に達成することができる。また、高温ガスブロア
を用いた従来の手段に比較し、水の噴霧装置は、小型で
信頼性が高く、製造コストと運転コストの両方を大幅に
低減することができる。
【００２４】すなわち、溶融炭酸塩型燃料電池のような
運転温度が５００℃以上の固体面では、水はライデンフ
ロスト現象を起こし細かく千切れ、水は直接固体面とは
接触せず熱伝達率も水冷に比しきわめて小さくなるた
め、電池に流す反応ガスの流路は小さいが水を噴霧にし
て反応ガスと一緒に流すことが可能であり、噴霧流体を
冷却材として使うことができる。
運転温度が５００℃以上の固体面では、水はライデンフ
ロスト現象を起こし細かく千切れ、水は直接固体面とは
接触せず熱伝達率も水冷に比しきわめて小さくなるた
め、電池に流す反応ガスの流路は小さいが水を噴霧にし
て反応ガスと一緒に流すことが可能であり、噴霧流体を
冷却材として使うことができる。
【００２５】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
【００２６】
【発明の効果】上述したように、本発明の装置及び方法
は、以下の特徴を有している。 水の大きな潜熱が利用できるため流体の熱容量が大
きく、使用する水量は小さい。このため小さな水ポンプ
で十分で、補機動力の大幅な低減が図れる。 水の潜熱を利用するため熱除去時に流体温度を一定
にすることもできる。このため電池の温度を均一にで
き、ガス冷却のように電池出入口温度差を大きくするこ
とによる欠点がなくなるばかりか電池性能の向上と寿命
の向上が得られる。
は、以下の特徴を有している。 水の大きな潜熱が利用できるため流体の熱容量が大
きく、使用する水量は小さい。このため小さな水ポンプ
で十分で、補機動力の大幅な低減が図れる。 水の潜熱を利用するため熱除去時に流体温度を一定
にすることもできる。このため電池の温度を均一にで
き、ガス冷却のように電池出入口温度差を大きくするこ
とによる欠点がなくなるばかりか電池性能の向上と寿命
の向上が得られる。
【００２７】 高温で作動させるカソード循環ブロア
や配管制御系が不要となり大幅なコストダウンが図れ
る。
や配管制御系が不要となり大幅なコストダウンが図れ
る。
【００２８】従って、本発明の燃料電池発電設備と燃料
電池の冷却方法は、入口から出口まで反応温度をほぼ均
一にでき、電池性能の向上と長寿命化を同時に達成で
き、かつ製造コストと運転コストの両方が小さく、かつ
小型で信頼性が高い、等の優れた効果を有する。
電池の冷却方法は、入口から出口まで反応温度をほぼ均
一にでき、電池性能の向上と長寿命化を同時に達成で
き、かつ製造コストと運転コストの両方が小さく、かつ
小型で信頼性が高い、等の優れた効果を有する。
【図１】水の沸騰特性図である。
【図２】ライデンフロスト現象における関係式を示す図
である。
である。
【図３】本発明を適用する燃料電池の構成図である。
【図４】本発明の方法を適用する燃料電池発電設備の全
体構成図である。
体構成図である。
【図５】噴霧装置の別の実施例を示す構成図である。
【図６】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電設備
の全体構成図である。
の全体構成図である。
１ 燃料ガス ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ７ カソード排ガス ８ 蒸気 ９ 冷却水 １０ 改質器 １２ 燃料電池 １３ 冷却器 １４ ブロア １５ 圧力回収装置 １６ タービン １７ コンプレッサ １８ 熱回収装置 ２０ 噴霧装置 ２２ 復水器 ２３ 気水分離器 ａ アノード（電極） ｃ カソード（電極） ｔ 電解質板 ｓ セパレータ板
Claims (6)
- 【請求項１】 焼結したセラミック粉末からなりその隙
間に溶融炭酸塩を高温の溶融状態で保持する平板状の電
解質板と、該電解質板を間に挟持しそれぞれ焼結した金
属粉末からなる平板状のアノード及びカソードと、アノ
ード、電解質板及びカソードからなるセルを間に挟持し
その上下面にガス流路を有する複数の導電性セパレータ
板とを有する燃料電池と、 アノード及びカソードに沿ってそれぞれ水素を含むアノ
ードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソードガスを流す
アノードガスライン及びカソードガスラインと、カソー
ドガスがカソードを通過する間、液体状態を保持する大
きさの水滴をカソードとセパレータ板の間の流路に噴霧
する噴霧装置とを備え、 これにより、アノード及びカソードとセパレータ板を、
少なくとも５００℃以上に保持し、溶融炭酸塩を溶融状
態で保持し、かつカソード及びセパレータ板の表面で噴
霧された水滴がライデンフロスト現象を伴う蒸発を形成
してカソードとセパレータ板を冷却することを特徴とす
る燃料電池発電設備。 - 【請求項２】 前記噴霧装置は、霧化媒体により水滴の
大きさを調節可能な２流体噴霧器である、ことを特徴と
する請求項１に記載の燃料電池発電設備。 - 【請求項３】 前記噴霧装置は、水圧により水滴の大き
さを調節可能な水圧噴霧器である、ことを特徴とする請
求項１に記載の燃料電池発電設備。 - 【請求項４】 更に、カソード排ガス中の水蒸気を凝縮
させて回収する復水器を備える、ことを特徴とする請求
項１乃至３に記載の燃料電池発電設備。 - 【請求項５】 焼結したセラミック粉末からなりその隙
間に高温で溶融状態の溶融炭酸塩を保持する平板状の電
解質板と、該電解質板を間に挟持しそれぞれ焼結した金
属粉末からなる平板状のアノード及びカソードと、アノ
ード、電解質板及びカソードからなるセルを間に挟持し
その上下面にガス流路を有する複数の導電性セパレータ
板とを備えた燃料電池の冷却方法において、 アノード及びカソードに沿ってそれぞれ水素を含むアノ
ードガスと酸素及び炭酸ガスを含むカソードガスを流
し、かつカソードガスがカソードを通過する間、液体状
態を保持する大きさの水滴をカソードとセパレータ板の
間の流路に噴霧する、ことを特徴とする燃料電池の冷却
方法。 - 【請求項６】 溶融炭酸塩が溶融状態で保持されるよう
に、前記アノード及びカソードとセパレータ板を、少な
くとも５００℃以上に保持し、これにより水滴がカソー
ド及びセパレータ板の表面でライデンフロスト現象を伴
う蒸発を保持する、ことを特徴とする請求項５に記載の
燃料電池の冷却方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22853994A JP3473784B2 (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 燃料電池発電設備と燃料電池の冷却方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22853994A JP3473784B2 (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 燃料電池発電設備と燃料電池の冷却方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0896818A true JPH0896818A (ja) | 1996-04-12 |
| JP3473784B2 JP3473784B2 (ja) | 2003-12-08 |
Family
ID=16877983
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22853994A Expired - Fee Related JP3473784B2 (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 燃料電池発電設備と燃料電池の冷却方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3473784B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6238814B1 (en) | 1997-12-22 | 2001-05-29 | Kabushikikaisha Equos Research | Fuel cell system |
| JP2001210348A (ja) * | 1999-11-17 | 2001-08-03 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池装置 |
| JP2001332279A (ja) * | 1999-11-17 | 2001-11-30 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池装置 |
| JP2001332278A (ja) * | 1999-11-17 | 2001-11-30 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池装置 |
| US6511765B2 (en) | 1997-12-22 | 2003-01-28 | Kabusikikaisha Equos Research | Fuel cell system |
| JP2003036876A (ja) * | 2001-07-19 | 2003-02-07 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置 |
| JP2011192617A (ja) * | 2010-03-17 | 2011-09-29 | Hitachi Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
| JP2012178366A (ja) * | 2012-06-18 | 2012-09-13 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
| JP2017190678A (ja) * | 2016-04-11 | 2017-10-19 | トヨタ自動車株式会社 | 排気センサの制御装置 |
-
1994
- 1994-09-26 JP JP22853994A patent/JP3473784B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6511765B2 (en) | 1997-12-22 | 2003-01-28 | Kabusikikaisha Equos Research | Fuel cell system |
| US6238814B1 (en) | 1997-12-22 | 2001-05-29 | Kabushikikaisha Equos Research | Fuel cell system |
| US6537692B1 (en) | 1999-11-17 | 2003-03-25 | Kabushikikaisha Equos Research | Fuel cell apparatus |
| JP2001332278A (ja) * | 1999-11-17 | 2001-11-30 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池装置 |
| JP2001332279A (ja) * | 1999-11-17 | 2001-11-30 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池装置 |
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| JP4686814B2 (ja) * | 1999-11-17 | 2011-05-25 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池装置 |
| JP4686812B2 (ja) * | 1999-11-17 | 2011-05-25 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池装置 |
| JP4686813B2 (ja) * | 1999-11-17 | 2011-05-25 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池装置 |
| JP2003036876A (ja) * | 2001-07-19 | 2003-02-07 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置 |
| JP2011192617A (ja) * | 2010-03-17 | 2011-09-29 | Hitachi Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
| JP2012178366A (ja) * | 2012-06-18 | 2012-09-13 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
| JP2017190678A (ja) * | 2016-04-11 | 2017-10-19 | トヨタ自動車株式会社 | 排気センサの制御装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3473784B2 (ja) | 2003-12-08 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |