JP2011131141A - 蒸発装置及びこれを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 所定の蒸発部位で確実にかつ連続的に蒸発させて水蒸気を安定的に供給し得る蒸発装置及びこの蒸発装置を用いた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 電池モジュールから排ガスを排出する排ガス導出流路５の途中に蒸発装置６を介装させる。排ガスを熱源として加熱される蒸発面６３に対し電池モジュール外に配管した水供給管７の先端７１を近接配置して、液滴にならずに水が蒸発面６３に連続して移動するようにする。水供給管７を断熱材８で被覆・断熱し、水供給管内部での水の蒸発を回避させる。蒸発面６３を微細な凹凸面として濡れ性を増大させる。蒸発面６３で蒸発した水蒸気を水蒸気供給管６４により電池モジュール内の燃料ガス供給管内の燃料ガスに混合する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蒸発装置及びこれを用いた燃料電池システムに関し、特に水蒸気を安定的に発生させ得る技術に係る。

従来、固体高分子形燃料電池システムにおいて、電池モジュールに供給過程にある燃料ガスを加熱・加湿するための加湿器を備えたものが提案されている。このものでは、加湿器として、燃料ガス流路を間に挟んで、オフガス流路を一側に、燃料電池の冷却水流路を他側に配置し、互いに境界に透湿膜を介在させて湿熱交換し得るように組み合わせて構成している（例えば、特許文献１参照）。

又、水や炭化水素系の原燃料等の被蒸発液体を蒸発させて改質器に供給するために用いられる蒸発器として、被蒸発液体を加熱する伝熱基板の表面に溝を設けるとともに、その溝と連通する多数の孔を有する表皮を上記伝熱基板の表面に接合したものが提案されている。このものでは、溝及び孔として、毛管現象の効果が期待できる０．２〜０．３ｍｍ程度のサイズにし、溝から孔を介して伝熱面表面に薄液膜を供給して高い熱伝達率を維持して蒸発器コア温度の均一化が図られるとしている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−３１０７３号公報 特開２００５−２３３４７７号公報

ところで、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）においては、炭化水素系の燃料に対し水蒸気を高温状況下で反応させて水素と一酸化炭素に変換させる水蒸気改質が行われる。しかしながら、この水蒸気改質のための水蒸気の供給が不安定化すると、種々の不都合が生じることが予想される。

例えば図６に示すように、電池モジュール２００の高温環境下にあるハウジング２０１内に蒸発部２０２を配置し、この蒸発部２０２の内部空間に対し燃料ガス供給管２０３と、水（純水）の供給管２０４とを合流させ、高温環境下で高温に加熱された状態の蒸発部２０２において水を蒸発させて水蒸気を燃料ガスに混合させるという構造の場合、次のような不都合発生が予想される。

すなわち、水の供給管２０４もハウジング２０１内において水の沸点以上の高温環境下に晒されて、蒸発部２０２に至る前段階においても蒸発してしまう可能性があり、供給管２０４及び蒸発部２０２において、どの部位においてどの位の量の水が蒸発しているのか不確定な状況に陥って水蒸気の供給が不連続化するおそれがある。又、蒸発部２０２は高温環境下において例えば２００〜３００℃の高温になっており、内部空間での水の蒸発の際にライデンフロスト（Leidenfrost ）現象を引き起こしている可能性があり、これに起因して蒸発速度が不安定化するおそれがある。ライデンフロスト現象が生じると、水の蒸発が阻害されたり蒸発自体が不規則になったりし、蒸発や水蒸気量の不安定化を招くだけでなく、突発的・瞬間的な水の蒸発により、燃料ガス流量側の圧力損失が急激に上昇して燃料ガス流量の急激な低下を招くことになる。以上の如き燃料ガスに混合される水蒸気量の不連続化や不安定化によって、下流側への燃料ガス流量が不連続に変動したり、改質器に供給される水蒸気量が変動したりし、これにより、スチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ）の値の変動を招いて改質器内部の触媒を劣化（カーボン析出）させたり、セルに対する燃料ガス流量の瞬間的な低下によりセルの耐久性を損なったりする事態も生じることになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所定の蒸発部位で確実にかつ連続的に蒸発させて水蒸気を安定的に供給し得る蒸発装置及びこの蒸発装置を用いた燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、蒸発装置に係る発明では、熱源により加熱される蒸発部と、この蒸発部の蒸発面に対し水を供給する水供給管とを備え、上記水供給管の先端の開口を上記蒸発面に対し近接して配置することとした（請求項１）。

本発明の場合、水供給管の先端を蒸発面に対し近接配置しているため、先端から供給される水を表面張力により蒸発面に対し確実に移動させることが可能となり、これにより、高温の蒸発面に対し水供給管により極微流量の水を供給したとしても、ライデンフロスト現象の発生を防止・抑制することが可能になる。このため、蒸発面において連続的にかつ安定的に蒸発させることが可能となって、蒸発した水蒸気の連続的かつ安定的な供給が実現する。なお、ここで「熱源」としては、電気ヒータ等の他、例えば高温の排ガスを用いて排熱利用するようにしてもよい。又、「近接」とは上述の如く、水供給管の先端から供給される水を表面張力により蒸発面に対し確実に移動させ得る程度の微小間隔を限度とする近接の意であり、水供給管の先端をその一点で又は一部で蒸発面に接触させるようにしてもよい。

本発明における水供給管を上記蒸発面からの伝熱が遮断されるよう断熱することができる（請求項２）。このようにすることにより、水供給管により供給される水が水供給管の先端以外の供給途中の段階で蒸発してしまう事態の発生を確実に回避させ得ることになり、供給された水の全量を蒸発面において蒸発させることで、より安定的な水蒸気供給が可能になる。ここで「断熱」するには、例えば断熱材で被覆することにより断熱したり、水供給管を二重管により構成して気体層により断熱したりする等の手段を採用すればよい。

又、本発明における蒸発面を微細な凹凸面により構成することができる（請求項３）。このようにすることにより、蒸発面の濡れ性を増大させることが可能となり、これにより、ライデンフロスト現象発生の防止・抑制をより一層確実なものとすることが可能となる。これにより、水供給管により極微流量の水を供給したとしても、蒸発面における連続的にかつ安定的な蒸発がより一層確実なものとなり、蒸発した水蒸気の連続的かつ安定的な供給もより一層確実に実現させ得ることになる。

一方、燃料電池システムに係る発明では、以上の蒸発装置を、電池モジュール内から排ガスを外部に導出する排ガス導出流路の途中において、排ガス導出流路内の排ガスを熱源として蒸発部が加熱されるように介装し、蒸発面で蒸発する水蒸気が燃料ガス供給管内の燃料ガスに混合されるように水蒸気供給管を配設することとした（請求項４）。

本発明の場合、水供給管を電池モジュール内の高温環境下には配設せずに排ガス導出流路内に介装させているため、水供給管による水供給の途中での水の蒸発を回避させ得る一方、蒸発面を加熱するための熱源として排ガス導出流路内の排ガスを有効利用することが可能となる。この際、水供給管を断熱させた構成とすることにより、供給途中での水の蒸発をより確実に防止することが可能となる。そして、高温の蒸発面に対し水供給管により極微流量の水を供給したとしても、ライデンフロスト現象の発生を防止・抑制することが可能になって、蒸発面において連続的にかつ安定的に蒸発させることが可能となるため、燃料ガス供給管内の燃料ガスに対し水蒸気の連続的かつ安定的な供給が実現することになる。これにより、スチーム／カーボン比も安定的に維持され、水蒸気改質を行う改質器の触媒劣化や電池本体の耐久性低下等を招くという不都合を発生させることもない。

この燃料電池システムにおいては、水供給管の先端を除き、水供給管を上記蒸発面からの伝熱が遮断されるよう燃料ガス供給管の内部を通して配管するようにすることができる（請求項５）。燃料ガス供給管の内部に水供給管を配置することで、燃料ガスが断熱材の役割を果たすことになり、特別な断熱材を不要にして水供給管の断熱を実現させることが可能となる。

以上、説明したように、蒸発装置に係る発明によれば、水供給管の先端を蒸発面に対し近接配置しているため、先端から供給される水を表面張力により蒸発面に対し確実に移動させることができ、これにより、高温の蒸発面に対し水供給管により極微流量の水を供給したとしても、ライデンフロスト現象の発生を防止・抑制することができるようになる。このため、蒸発面において連続的にかつ安定的に蒸発させることができ、蒸発した水蒸気の連続的かつ安定的な供給を実現させることができるようになる。

特に請求項２によれば、水供給管により供給される水が水供給管の先端以外の供給途中の段階で蒸発してしまう事態の発生を確実に回避することができるようになり、供給された水の全量を蒸発面において蒸発させることで、より安定的な水蒸気供給を実現させることができるようになる。

又、請求項３によれば、蒸発面を微細な凹凸面により構成することで、蒸発面の濡れ性を増大させることができ、これにより、ライデンフロスト現象発生の防止・抑制をより一層確実なものとすることができる。このため、蒸発面における連続的かつ安定的な蒸発がより一層確実なものとすることができ、蒸発した水蒸気の連続的かつ安定的な供給もより一層確実に実現させることができるようになる。

一方、燃料電池システムに係る発明によれば、水供給管を電池モジュール内の高温環境下には配設せずに排ガス導出流路内に介装させているため、水供給管による水供給の途中での水の蒸発を回避させることができる一方、蒸発面を加熱するための熱源として排ガス導出流路内の排ガスを有効利用することができる。その際、水供給管を断熱させた構成とすることにより、供給途中での水の蒸発をより確実に防止することができる。そして、高温の蒸発面に対し水供給管により極微流量の水を供給したとしても、ライデンフロスト現象の発生を防止・抑制することができ、蒸発面において連続的にかつ安定的に蒸発させることができ、このため、燃料ガス供給管内の燃料ガスに対し水蒸気の連続的かつ安定的な供給を実現させることができるようになる。これにより、スチーム／カーボン比も安定的に維持され、水蒸気改質を行う改質器の触媒劣化や電池本体の耐久性低下等を招くという不都合の発生も回避することができるようになる。

この場合、特に請求項５によれば、燃料ガス供給管の内部に水供給管を配置することで、燃料ガスが断熱材の役割を果たすことになり、特別な断熱材を不要にして水供給管の断熱を実現させることができるようになる。

本発明の蒸発装置を用いた燃料電池システムの実施形態を示す模式図である。 図１の蒸発装置の拡大説明図である。 図３（ａ）は図２のＡ部拡大図であり、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ線における拡大断面説明図である。 図３（ｂ）の部分拡大図である。 他の実施形態を示す図２対応図である。 本発明の課題を示すための燃料電池システムの例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る蒸発装置を用いた燃料電池システムを示す。この実施形態では、固体酸化物形の燃料電池システムの例を示す。同図中の符号２は電池モジュール、３は電池モジュール２を構成する電池本体、４は燃料ガス供給管、５は電池モジュール２のハウジング２０内から排ガスを導出する排ガス導出流路、６はこの排ガス導出流路５の途中に配設した蒸発装置であり、蒸発装置６は排ガス導出流路５内の排ガスを熱源として水（純水）を蒸発させて燃料ガス供給管４内の燃料ガスに混合させるようになっている。以下、各構成要素について詳細に説明する。

電池本体３は円筒型のセル３１と、改質器３２と、空気用熱交換器３３とを備えている。 セル３１は、小径円筒形状のアノード(燃料極)３１１と、この外周側を覆う大径円筒形状のカソード(空気極)３１２とが間に電解質３１３を挟んだ状態で同心円状に一体化されたものであり、複数のセルが所定間隔ずつ隔てた状態で立設されてセルスタックが構成されている。つまり、カソード３１２が内部空間３１４に露出し、アノード３１１はカソード３１２等により内部空間３１４からは遮蔽されている。アノード３１１や、カソード３１２はいずれもＮｉ等の金属酸化物を含有するセラミックスにより形成されたものであり、電解質３１３は例えばＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されたものである。なお、図１には原理的に図示した関係上１つのセル３１のみを図示しているが、図示省略の複数のセルによりセルスタックとして構成されている。

セル３１のアノード３１１の内周面により構成される内孔３１５に対し、改質器３２から供給された燃料ガスが下端から上端に向けて流されるようになっている。又、セル３１の外周面がカソード３１２の外周面により構成され、空気用熱交換器３３から内部空間３１４にカソード空気が噴出されることによりカソード３１２の外周面に対し供給されるようになっている。カソード３１２ではカソード空気の酸素が酸素イオンとなって電解質３１３を通り、アノード３１１では燃料ガスの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード３１２側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。内孔３１５に供給された燃料ガスは内孔３１５を上方に向けて通過する間に上記反応に利用された後、その上端から排出されるオフガスが改質器バーナ３２１に導かれて燃焼用の燃料として利用されるようになっている。そして、改質器バーナ３２１からの排ガスがハウジング２０内から排ガス導出流路５を通して図外の排熱回収回路（例えば排熱回収熱交換器）に導出され、この排熱回収回路での熱回収の際に排ガス中の水分回収等により回収された水を精製して純水にした上で蒸発装置６に供給する水の一部又は全部として利用されるようになっている。又、ハウジング２０内は電池本体３の側からの放熱や、上記の排ガスによって高温環境下（例えば２００〜３００℃）となる。

燃料ガス供給管４は、改質器３２に対し燃料ガス（例えば都市ガス１３A等）を供給するために電池モジュール２のハウジング２０外から内部に延ばされ、その下流端が改質器３２に接続されている。ハウジング２０内の燃料ガス供給管４内の燃料ガスに対し蒸発装置６の後述の水蒸気供給管６４から水蒸気が供給されて混合されるようになっている。

蒸発装置６は、図２に詳細を示すように、排ガス導出流路５の途中（ハウジング２０からの出口と、図外の排熱回収回路との間）に内嵌状態で介装したものであり、蒸発装置６のケーシング６１の適所（例えばケーシング６１に設けた取付フランジ等）で排ガス導出流路５を構成する筒壁に対し着脱可能に固定されている。上記ケーシング６１は密閉容器として形成され、その一側の内面が蒸発部６２の蒸発面６３により構成される一方、他側の上面には水蒸気を供給するための水蒸気供給管６４の上流端が連通して接続されている。この水蒸気供給管６４の下流端は、ハウジング２０（図１参照）を貫通して内部に延ばされ燃料ガス供給管４内に開口するように配設されている。一方、ケーシング６１には、電池モジュール２の外部に配管された水供給管７がケーシング６１の外部から内部に貫通して配置され、その下流端である先端７１が上記蒸発面６３に近接して配置されている。

より具体的に説明すると、蒸発面６３はケーシング６１の内部空間に臨んで斜め下り勾配に傾斜して露出した状態で配設され、この蒸発面６３に対し水供給管７の斜めにカットされた先端７１の開口が臨んで正対するように配設されている。水供給管７の先端７１は、蒸発面６３に対し、その開口の少なくとも一点（一部）、好ましくは最下位の一点で当接するか、あるいは、微小間隔を隔てたとしても出来るだけ近接した状態に配置されている。この近接配置における間隔は、細管（例えば内径８ｍｍのステンレスパイプ）により構成した水供給管７に対し水を極微流量（例えば１〜６．５ｃｃ／ｍｉｎ）で供給したとしても、例えば図３（ａ）に示すように、先端７１から液滴とはならずに表面張力により蒸発面６３に確実に移動することになる程度の微小間隔αを限度とする。これにより、ライデンフロスト現象の発生を防止・抑制するようにされている。

蒸発面６３の反対側となる蒸発部６２の背面は排ガス導出流路５内の排ガスに曝されて受熱面となるが、さらに排ガスから効率よく集熱するために、蒸発部６２の背面に対し図３（ｂ）に示すように集熱部材６５，６５，…が結合されている。この集熱部材６５，６５，…は、例えばフィン・プレートにより構成され、排ガス導出流路５内の排ガス（例えば４００〜５００℃）から吸熱して蒸発部６２に伝熱することにより蒸発面６３を高温状態まで加熱するようになっている。又、蒸発面６３の表面は微細な凹凸面６３１（図４参照）になるように形成されており、これにより、濡れ性を増大させて水供給管７の先端７１から供給される水（図４で黒く塗りつぶした部分参照）を凹凸面６３１に付着させ、ライデンフロスト現象の発生を防止・抑制するようにされている。

水供給管７はその外周面が断熱材（例えばグラスウール）８で被覆され、内部の水が先端７１に到達するまでの間に蒸発しないようにされている。なお、水供給管７を互いに間を離した二重管により形成し、内管と外管との間の空気層により断熱させるようにしてもよい。又、断熱材８の被覆は、図例では水供給管７の先端７１部位を除き全てに対し行っているが、蒸発装置６の内部において蒸発面６３から高熱の影響を受ける部分に対してのみ行うようにすればよい。

以上の蒸発装置６の場合、水供給管７をハウジング２０内の高温環境下には配設しないようにして、水供給管７による水供給の途中での水の蒸発を回避させることができる一方、排ガス導出流路５内に介装しているため蒸発面６３を加熱するための熱源として排ガス導出流路５内の排ガスを有効利用することができることになる。この際、断熱材８で水供給管７を被覆することで、供給途中での水の蒸発をより確実に防止することができる一方、蒸発部６２に対し集熱部材６５，６５，…を結合せさることで上記の排ガスの熱利用をより効率的に行うことができるようになる。

その上に、水供給管７の先端７１を蒸発面６３に対し近接配置しているため、先端７１から供給される水を表面張力により蒸発面６３に対し確実に移動させることができ、これにより、高温の蒸発面６３に対し水供給管７により極微流量の水を供給したとしても、ライデンフロスト現象の発生を防止・抑制することができるようになる。加えて、蒸発面６３を微細な凹凸面６３１により形成しているため、濡れ性を増大させることができ、これにより、上記のライデンフロスト現象発生の防止・抑制をより一層確実なものとすることができる。以上より、水供給管７により極微流量の水を供給したとしても、蒸発面６３において連続的にかつ安定的に蒸発させることができ、蒸発した水蒸気を水蒸気供給管６４を通して燃料ガス供給管４内の燃料ガスに対し連続的かつ安定的に供給することができるようになる。これにより、スチーム／カーボン比も安定的に維持され、改質器３２の触媒劣化やセル３１の耐久性低下等を招くという不都合を発生させることもない。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、水供給管７内の供給途中での蒸発を確実に回避するために、断熱材８を被覆することで断熱するようにしているが、これに限らず、例えばハウジング２０の外部に配管されている燃料ガス供給管４の内部に水供給管７を挿入し、燃料ガス供給管４内の燃料ガスによって水供給管７内の水を断熱するようにしてもよい。例えば図５に示すように、燃料ガス供給管４の内のハウジング２０内に導入する前の外部燃料ガス供給管４１を蒸発装置６のケーシング６１内を通過させ、その先端４１１を水蒸気供給管６６の内部に挿入して開口させる。上記のケーシング６１内に通過させた外部燃料ガス供給管４１の内部に水供給管７を通し、その先端７１を蒸発面６３近傍位置で外部燃料ガス供給管４１内から突出させて蒸発面６３に対し近接配置させるのである。蒸発面６３で発生した水蒸気は水蒸気供給管６６の内部を通って、外部燃料ガス供給管４１の先端４１１が開口する合流部位６５１で燃料ガスと混合され、以後、ハウジング２０内の内部燃料ガス供給管４２を通して改質器３２に供給されることになる。このようにすることで、断熱材８等を省略しつつも、供給途中段階での水供給管７内での水の蒸発を確実に防止することができるようになる。

又、上記実施形態では、蒸発装置６の蒸発面６３を加熱する熱源として排ガスを利用しているが、これに限らず、例えば電気ヒータを熱源とするようにしてもよい。この場合には、例えば蒸発部６２の背面に電気ヒータを付設すればよい。このようにすることで、蒸発装置６を排ガス導出流路５とは全く切り離してハウジング２０の外部に設置することができるようになる。あるいは、燃料電池システムとは異なるシステムにも適用することができる。

２ 電池モジュール
４ 燃料ガス供給管
５ 排ガス導出流路
６ 蒸発装置
７ 水供給管
８ 断熱材
６２ 蒸発部
６３ 蒸発面
６４，６６ 水蒸気供給管
７１ 先端

Claims (5)

1. 熱源により加熱される蒸発部と、この蒸発部の蒸発面に対し水を供給する水供給管とを備え、
   上記水供給管の先端の開口が上記蒸発面に対し近接して配置されている、
   ことを特徴とする蒸発装置。
2. 請求項１に記載の蒸発装置であって、
   上記水供給管は上記蒸発面からの伝熱が遮断されるよう断熱されている、蒸発装置。
3. 請求項１に記載の蒸発装置であって、
   上記蒸発面が微細な凹凸面により構成されている、蒸発装置。
4. 燃料ガスに対し水蒸気改質を行う燃料電池システムであって、
   請求項１〜請求項３のいずれかに記載の蒸発装置が、電池モジュール内から排ガスを外部に導出する排ガス導出流路の途中において、排ガス導出流路内の排ガスを熱源として蒸発部が加熱されるように介装され、
   蒸発面で蒸発する水蒸気が燃料ガス供給管内の燃料ガスに混合されるように水蒸気供給管が配設されている、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   水供給管は、上記先端を除き、上記蒸発面からの伝熱が遮断されるよう燃料ガス供給管の内部を通して配管されている、燃料電池システム。

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