JP3512411B2 - 高温電気化学変換器における再生熱及び放射熱の集積 - Google Patents

高温電気化学変換器における再生熱及び放射熱の集積

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は高温電気化学変換器に関し、特にかかる変換
器を使用する高性能システムとその使用方法に関する。
電気化学変換器は燃料電池（発電器）モードにおいて
は燃料−電気エネルギー変換器であり、電気分解装置
（燃料合成器）モードにおいては電気エネルギー−燃料
変換器である。変換器は電気化学反応における自由エネ
ルギーとエンタルピーの間の関係のみに依存して高能率
動作を行うもので、カルノーサイクルに限定されない。
電気化学エネルギー変換器の重要な素子は電極が配置
される一連の電解質ユニット並びに直列電気接続を行う
ために電解質ユニットの間に配置される一連の相互接続
導体である。各電解質ユニットは低いイオン抵抗を有す
るイオン導体であり、そのためイオン種は変換器の動作
条件下に一つの電極−電解質界面から反対側の電極−電
解質界面に輸送される種々の電解質が使用可能であり、
例えば、マグネシア、カルシア、イットリア等の化合物
で安定化したジルコニアは高温度（典型的には約1000
℃）で動作する時にこれらの必要条件を満足する。電解
質材料は電流を運ぶために酸素イオンを利用する。電解
質は変換器の短絡を起こす可能性のある電子に対しては
導電性を有してはならない。一方、相互接続導体は良好
な電子導体でなければならない。反応ガス、電極及び電
解質の相互作用は電解質界面で起こるが、そのためには
電極が充分に多孔質であって反応ガス種が流入でき且つ
生成種が流出できる必要がある。
電解質及び相互接続導体の各素子を自立性の板から製
作する試みは本発明者により1984年12月25日発行の米国
特許第4490445号に記載されている。しかし、電解質板
と相互接続導体板の重畳体は使用中に熱的非平衡を経験
する。従って、電解質素子へのまたそれらからの熱の伝
達を容易にすることにより変換器全体を横切る熱勾配を
少なくすることが重要である。
電気化学変換器が燃料電池モードで燃料−電気変換を
行う場合には、熱の形の廃エネルギーは電解質表面から
除去されなければならない。逆に、変換器が電気分解器
モードで電気−燃料変換を行う場合には、電解質はその
反応を維持するために熱の供給を受けなければならな
い。従来の装置では熱交換は主として気体状の反応体が
装置内を移動する際の対流による熱伝達能力により達成
される。このような反応体の熱伝達能力への依存は、装
置内に必然的に熱勾配を生じ、その結果電気化学プロセ
スは最適にならない。
この問題を改善するために、電気化学変換器に一連の
熱伝達素子を集積する試みが本発明者により1989年８月
１日発行の米国特許第4853100号により提案されてい
る。この型の集積型装置は変換器を横切る熱勾配を減じ
ることにより燃料電池の重畳体からの熱伝達を容易にす
る。しかし、それでも充分ではなくて、電気化学エネル
ギー装置内部の熱制御機構の更なる改善が必要である。
特に、電気化学エネルギー装置内の動作温度を能率的に
制御する能力を有する改善された電気化学装置が提供で
きたら産業界における大きな向上となる。
発明の要約 電気化学エネルギー装置における高度に有効な熱制御
は、柱状の電気化学変換器素子と熱伝達素子を塊状（bu
lk）に集積することにより達成することができる。熱伝
達素子は柱状変換器素子の間に配置されて集積化した柱
状配列体を形成する。放射による熱伝達は柱状変換器素
子と熱伝達素子との間の熱交換を行う。
装置の集積性と融通性と効率は燃料電池の設計及び構
成における重要な因子である。燃料電池装置を基礎プラ
ント例えばスチームまたはガスタービンと合体するため
には数種の方法が可能である。本発明の一つの特徴によ
ると、内部マニホルド（集管部）を備えた平面状配置の
円筒重畳体は動力装置との能率的な熱的集積を可能にす
る。これは、放射熱集積（RTI）を使用する内部熱交換
の場合に特にそうである。
より具体的に言うと、電気化学変換器に流入する反応
体は所定の動作温度に加熱された後、燃料電池重畳体を
流通する。流出する排気は高い出口温度に熱せられてい
る。次いで排気は流入する反応体が流通している熱交換
器を通る。このため、排気から流入する気体状反応体に
伝導により熱が伝達する。排気から流入する反応体への
熱伝達の量は吸収される熱の量に等しく、熱平衡が形成
される。更に、柱状重畳体から、それらに対して入り組
んで集積されている基礎サイクルのための作業媒質を収
容している熱伝達素子への能率的な放射熱伝達、例えば
内部熱交換が行われる。その後、作業媒体は熱交換素子
から熱を除去し、それを基礎プラントを駆動するために
基礎サイクルに運ぶ。高温燃料電池重畳体は10〜25kW容
量の柱状組み立てブロックの形のモジュールを形成する
ように包装できる。これらのモジュールはMWレベルの用
途に適するように並列の束に集積することにより規模を
拡大することができる。
この装置の電気化学変換素子は変換効率を最適化する
ように設計された薄い構造素子から製作することができ
る。好ましくは、電解質の薄板及び相互接続導体の薄板
を使用する。本発明者の米国特許出願第4721556号に詳
細に記載されているようにプラズマスプレイ技術により
真直ぐで自立性（自己保形性）の電解質薄板を製作でき
る。別法として、後で詳しく説明するウエーハ処理技術
を使用して電解質板を製作しても良い。
反応体の分配通路を与える波形形状を有する相互接続
導体板を使用して変換器重畳体の他の素子を構成するこ
とができる。これらの板は重量と費用を最小にするよう
に製造することが好ましい。相互接続導体の材料は、製
造の容易性、高温度における高強度及び耐薬品性の要件
を満足することが好ましい。約100〜500μｍの合金シー
トが適当なことが分かった。適当な合金はニッケル合
金、ニッケルクロム合金、ニッケル−クロム−鉄合金、
鉄−クロム−アルミニウム合金及びこれらの合金とアル
ミナ及びジルコニアのような耐火物のサーメットであ
る。
金属合金を使用する場合には、相互接続導体の高温の
酸化性の環境下にける電気的な連続性を確保するために
は、金、銀または白金の薄い被覆（例えば約10μｍ以
下）を接点上に施すことが好ましい。高温耐久試験はこ
れらの接点材が安定性と耐久性を有することを示した。
相互接続導体板の波形形状を形成するには打ち抜きまた
は蒸着技術を使用することができる。
電気化学変換器の重畳体は変換器素子を対にしてＵ字
形接続を有するヘアピン状構造体を形成することにより
より良好な構造的剛性を達成でき、またガスマニホルド
並びに電気接続のためのより便利な片側端子を形成する
ことができる。バス（母線）棒を設けて多重平行接続し
た電気化学変換器のヘアピン構造体に電気を供給するこ
とができる。向流型熱交換器を熱電導バッファとして使
用し、また向流方向に流入するガスの余熱を行うことが
できる。
ここに記載したエネルギー変換装置は、他の熱力学的
方法と関連させて発電するように各種の装置の中で使用
することができる。一つの例示した実施例ではこの燃料
電池は工業用のスチームボイラー内で、共同発電システ
ムとして使用される。
本発明の熱伝達素子は著しく高い熱輸送能力を有する
ように構成された熱パイプまたは他の管状構造体の形を
し得る。このような管状構造体は作業媒質を輸送するの
に適した構造を有し、内部通路と外部通路を有し、外部
通路が端部で閉じており、作業流体が内部通路をその開
放端に向けて流れ、次いで外部通路を通って逆に流れる
ように（或いはこの逆）、同軸二重管構造にすることが
できる。
本発明は以下に若干の実施例に関連して説明するが、
本発明の範囲内で種々の変形、修正が可能なことは当業
者には明らかであろう。例えば、変換器素子及び熱伝達
素子には種々の形状で塊状の（bulk）集積を可能にする
ことができる。更に、変換器素子及び熱伝達素子は円柱
形状であるものを例示したが、これらの素子は種々の形
態を取り得る。また、良好なイオン輸送特性を有する他
の材料を、ジルコニアの代わりに使用して電解質板を形
成しても良いし、又相互接続導体板は連続し突条或いは
不連続な突起を有してもよい。
図面の簡単な説明 図１は本発明による柱状電気化学変換器素子及び熱伝
達素子を使用する電気化学変換装置の斜視図である。
図２は図１の個々の電気変換器素子の電解質素子及び
相互接続導体素子の拡大図である。
図３は図２の電気変換器素子の電解質素子及び相互接
続導体素子の拡大斜視図である。
図４は本発明による電気化学変換装置の斜視図であ
る。
図５は本発明による再生式加熱法を使用した向流熱交
換器の斜視図である。
図6Aは図４の断面図で、変換器素子と熱伝達素子の高
密度集積を示す。
図6Bは本発明による図１の熱伝達素子の破断斜視図で
あり、作業流体の流れを示す。
図７は本発明の電気化学変換装置を合体した共同発電
への用途を例示する。
図８はタービン作業媒質と放射熱結合することにより
ガスタービンまたはスチームと集積した電気化学変換装
置の概念図である。
図９は外部の間接熱交換器を介して作業媒質と対流熱
結合することによりガスタービンまたはスチームと集積
した電気化学変換装置の概念図である。
発明の詳細な説明 図１において、本発明による電気変換装置10は、電気
化学変換器組立体20と熱伝達ないし熱交換器組立体30よ
りなる。交換器組立体20は複数のＵ字形湾曲結合体22に
より結合された複数の柱状変換器素子21よりなる。柱状
変換器素子21は交互に配置した電解質板１と相互接続導
体板２とから構成される。板１、２に形成された貫通穴
は燃料ガスと酸化剤ガスに対する通路を提供する。相互
接続導体板２の溝はガスの分配及び収集を容易にする。
熱伝達ないし熱交換器組立体30は、複数の熱伝達素子
31よりなり、交換器素子21から熱エネルギーを除去し、
或いはこれに熱エネルギーを供給することを容易にす
る。変換器素子21と熱伝達素子31の塊状又は高密度（bu
lk）集積は素子21と31とを以下に説明するように互いに
入り組ませて配列することにより達成される。素子21と
31の間の熱伝達は主として熱放射による。放射熱結合は
高い熱束を可能にすると共に、機械的な離間を可能にす
るので、設計上の制約や熱伝達素子の素材の選択に対す
る制限を緩和する。加えて、高密度集積における配列パ
ターンは電気化学変換器素子の間に良好な均一温度を与
え、それにより装置に最適な特性を与える。
熱放散動作中には、水、水蒸、またはガスを素子31の
通路に通すことができる。変換器素子21からの熱伝達素
子31への熱伝達は、主として熱放射による。交換器素子
重畳体すなわち変換器組立体20の温度は、変換器素子21
の外表面の面積と熱抽出手段として作用する熱伝達素子
31の外表面の比を適正に選択することにより最適に調整
することができる。
この放射結合による冷却の効果は次の通りである。
（１）電気化学変換器組立体（燃料電池組立体）と冷媒
回路が独立に構成されるので別々に保守できる。（２）
反応体流の必要量が冷却ではなくて燃料電池の性能のみ
により決定できる。（３）水蒸気は直接発生されるの
で、温度はボイラー中の圧力設定を変えることにより容
易に選択できる。（４）放射熱による熱伝達は電池重畳
体全体にわたる均一な温度分布の維持を可能にする。各
種の応用において、熱伝達流体は水、飽和水蒸気、加熱
水蒸気、ガスまたは各種の２相流体が使用できる。
図２〜３には電気化学変換器素子、つまり電池が示さ
れており、この電池は単一電解質板１と、単一相互接続
板２とよりなる。一実施例においては、電解質板１は安
定化ジルコニアZrO2（Y2O3）材３と、その面に塗布され
た多孔質酸化剤電極４と、多孔質燃料電極５とから構成
されている。酸化剤電極の例にはLaMnO3（Sr）のような
プロブスカイトがある。燃料電極の好ましい材料にはZr
O2/Niのようなサーメットがある。相互接続導体板２は
好ましくはインコネル、ニッケル合金または白金合金の
ような金属、或いは炭化珪素のような非金属導電体から
製作することが好ましい。相互接続板２は隣接した電解
質板の間の導電体として作用し、また燃料と酸化剤ガス
の間の隔壁として役立つと共に、電極表面４、５に沿っ
た板１、２の外縁に至る熱電導路を形成する。
燃料は電池重畳体の軸線方向（重畳の方向）のマニホ
ルド17から孔13を通して流入し、燃料生成物は孔14を通
ってマニホルド18に排出される。燃料は相互接続導体板
２の表面に形成された面内溝ネットワーク６として示さ
れた通路手段を通して燃料電極５の表面全体に分配され
る。うね状部７に作られた切れ目８は各燃料電極５の表
面の孔13と14を連結する溝ネットワーク６への開口部を
形成している。酸化剤はマニホルド19から孔15を経て電
池重畳体の内部に供給され、その生成物は孔16を経てマ
ニホルド11へ排出される。酸化剤は導体板２の底面に形
成された相補的な形の面内溝ネットワーク９を通して次
の電解質板の酸化剤電極の全体に分配される。上記隣接
する電池の下面の同様な溝ネットワークは図３に示され
た図３に示されたように電解質板１に沿った酸化剤の通
路を提供する。相互接続導体２の溝ネットワーク６、９
の外側のうね状部は電解質板１と接触して重畳体の気密
外壁を形成する。うね状部７は組立体中で電極に対して
押しつけられて電気的な接触を行う。重畳体は図示しな
い締着棒により結合し或いは密封できる。
本発明に関連した装置はガス状燃料を変換器に供給す
ることにより燃料電池（発電器）として使用できるし、
逆に電気を供給すると電気分解器（燃料合成器）として
使用できる。
本発明の薄型電解質板は、本発明者による米国特許第
4629537号にに記載されている高エネルギープラズマス
プレイ技術により製造できる。別法として、電解質板は
電解質材料の塊からスライスして製造することもでき
る。例えば、固形酸化物（例えばイットリアをドープし
たジルコニア）の高密度円筒ブロックはスリップ成形と
それに続く徐焼成により寸法安定な歪みのないブロック
を製造できる。次にブロックを精密にスライスすること
により薄い電解質板すなわち膜が得られる。
電解質板の製造には固体酸化物の代わりに他の材料を
使用することも可能である。このような材料には固体陰
イオン導体及び固体プロトン導体がある。更に、他の酸
素イオン輸送材料、例えば固形支持体の上に溶融炭酸塩
のような他の酸素イオン輸送材料も電解質板に使用でき
る。これらの材料は特に低動作温度（例えば約500℃〜
約850℃）が望まれる場合に有用である。更に、本発明
の薄い相互接続導体板としては各種の導電材料が使用で
きる。適当な相互接続材料にはニッケル合金、ニッケル
−クロム合金、ニッケル−クロム−鉄合金、鉄−クロム
−アルミニウム合金、白金合金、これらの合金のサーメ
ット、及びジルコニア、アルミナ等の耐火物、炭化珪
素、及びモリブデンジシリサイド等がある。
相互接続導体の波型の上面及び低面模様は例えば金属
合金シートを一組以上の整列した雄型及び雌型の間でプ
レスすることにより得ることができる。金型は製品の所
望の形態に従ってあらかじめ製作し、熱処理により焼き
入れして大量生産における反復圧縮に耐えるようにす
る。
図４には重畳した電解質板と相互接続導体板とをその
構成素子としている電気化学変化装置がより理解し易く
例示されている。一般に電気化学変換器素子の構造は米
国特許第4490445号に記載されているものと類似してい
る。同装置10AはＵ字形湾曲部22を有するヘヤピン状構
造体とした複数対の変換器素子21よりなる変換器組立体
20を含む。この構造は剛性を高くし、またガス分配のた
めの端子をより便利な片側配置にすることを可能にす
る。バス棒23を設けて多重平行接続した電気化学変換器
のヘヤピン構造体に電気を供給することができる。この
装置10Aは800〜1200℃の高温度で能率的に動作するよう
に構成されているが、最適には約1000℃である。熱交換
器組立体24は厚い電気化学電池重畳体すなわち変換素子
21と流入するガスとの間に熱伝導バッフルを与える。例
示した実施例においては、流入する反応体ガスは熱再生
（回収）構造を有する熱交換器（好ましくは向流型）中
で流出する使用済ガスにより加熱される。
好ましくは、流入するガスと流出するガスの間の顕熱
熱交換はガス間の対流熱交換が均等化されるように行
う。例えば、使用済燃料の廃熱は排気として装置外に輩
出されるが、この熱は流入ガスにより吸収されるように
する。その結果、反応体を加熱するのに必要な選択され
た量の熱が排出流から連続的に回収される。この熱交換
を最大にするには装置の熱損失を最小にし、装置全体の
効率を向上させる。本発明の好ましい実施例では、図５
に示したように同軸管60を多数使用した熱再生構造を使
用することができる。内側管62は燃料反応体の内の一
種、例えば燃料を輸送し、外側管64は電気化学変換器組
立体20からの排気を通す。反応体は周囲温度で内側管62
の入口端部に流入し、排気に保有された熱を受けて変換
器組立体20の動作温度に近い温度に加熱される。特に好
ましい実施例においては、熱再生機構は各管が異なった
反応体を変換器組立体20に輸送する一対の同軸管60を使
用する。他の例では、一連の平行管を使用することによ
り反応体を排気により向流方向に再加熱する。更に、一
対の同軸管60を使用したが、任意数の管を使用すること
も可能である。
本発明の好ましい実施例では、熱再生機構は電気化学
変換器組立体20の入口に配置された内部または外部集積
型の向流熱交換器であり得る。
図４に示した実施例では、熱伝達または熱交換器組立
体30は変換器組立体20と集積されている。熱交換器組立
体30は熱伝達素子31（基礎サイクルの作業媒質を運ぶ）
と、各熱伝達素子31を一緒に結合する集管マニホルド35
を有する。マニホルド35は冷却のために図示しない放熱
管に接続されても良いし、或いは熱を受けてそれを変換
器組立体20に伝達するために図示しない加熱源に接続さ
れても良い。
図6Aは図４の装置10Aの水平断面図であり、変換器組
立体20及び熱伝達組立体30の塊状集積を例示する。図6A
はＵ字形湾曲管22で結合された変換器素子21とＵ字形の
熱伝達素子31の二次元配列を示している。
図6Bは本発明の好ましい実施例の熱伝達素子31の拡大
図である。熱伝達素子31は同軸配置した第２の管32を有
する。２つの管31及び32は組み合わせて内側通路33と外
側通路32を形成する。内側通路33は基礎サイクルからの
作業媒質を変換器組立体22へ導き、そこで組立体から照
射される熱は媒質に吸収される。基礎サイクルからの作
業媒体はまず内側通路33を通り、次いで図の矢印で示し
たように外側通路34を通る。作業媒質は最初に内側通路
33の入口に約20℃の第１の温度で入り、内側通路33を通
過する間に変換器組立体からの放射熱は媒質を加熱す
る。従って、媒質は内側通路33の出口36で第１の温度よ
りも充分に高い第２の温度、好ましくは約500℃の高い
温度になる。
熱伝達素子31の閉鎖端部40は作業媒質を内側通路33内
流れに対して逆方向に外側通路34を流れる。媒質が外側
通路34を流れる間に、変換器組立体20は更に媒質を第３
の温度、好ましくは約1000℃、または変換器組立体20の
動作温度に近い温度に加熱する。この二重放射構造は、
熱伝達素子31に熱点が発生して不均一な冷却が生じるの
をするのを防止することにより、電気化学変換器素子に
沿って軸線方向に発達する温度勾配を減じる。なお、端
部閉鎖型の熱伝達素子を記載したが、熱伝達素子は図１
に示したように平行に走る管とＵ字形の管とで構成され
ても良い。
図７は熱囲壁41の内部に配置した電気化学変換装置10
から放出される熱から、例えば工業用または家庭用水蒸
気を発生させるのに有用な水蒸気共同発生システム40を
示す。この例では、燃料42はまず熱交換器を介して電気
化学変換装置10に供給され、次いで空気が43が同様に熱
交換器を介して変換装置10に供給される。変換装置10に
より発生された電気はインバータ44により交流出力に変
換される。この共同発電システム40では、変換装置は発
熱電気化学プロセスにより約1000℃の温度で電気を発生
する。この熱は放射により熱伝達組立体30に伝達され
る。熱伝達組立体30では水蒸気が発生し、ボイラー46に
捕集される。変換器からの使用済みのガスは熱囲壁41内
部で燃焼されて水47から水蒸気48を更に発生するために
必要な追加の熱を供給する。この水蒸気は工業的に用途
において種々のプロセスに直接送るか、或いは例えば住
居用または商業用の用途において使用できる。
図８は電気化学変換装置熱源100と水蒸気またはガス
タービン120のとを放射熱結合または放射熱集積（RTI）
技術により集積したシステムを示す。熱源100は電気化
学変換器組立体20と、熱交換組立体24と、熱伝達素子31
を含む。熱伝達素子31は熱をタービン120を含む基礎装
置に直接放射する。本発明の好ましい例によると、燃料
電池反応体すなわち燃料17と空気19へ供給する熱量は熱
交換器24を介して伝達される。RTI技術は燃料電池すな
わち変換器組立体20が２つの別々の流れループに熱を供
給する一定温度放射加熱素子として作用することを要求
する。
関係する代表的なパラメータは次の通りである： Mfc:燃料ループの質量流量。
Ma :燃料電池重畳体に許容される温度勾配を維持す
るのに必要な補充空気の流量。
Mc :基礎サイクルのための作業媒質の流量。
ΔTfc:燃料ループの反応体の温度上昇。
ΔTa :特定の集積の場合に必要とされる、燃料電池重
畳体を冷却する補充空気流の温度上昇。
ΔTc :基礎サイクルのための作業媒質の温度上昇。
Qfc:基礎サイクルにより使用するために燃料電池か
ら供給される熱量。
Qc :基礎サイクルにより回収される熱量。
上記のように、一つのループである燃料電池ループは
反応体の処理と、熱発生と、燃料電池動作を行う。燃料
電池ループは上記のように流入排出スチームの間の再生
熱交換を利用することにより、燃料電池ループの温度差
ΔTfcをできるだけ小さく保つ。より具体的に言うと、
熱交換器24ないで生じる再生熱工程は燃料電池反応体を
加熱するのに使用した熱入力を最適に回収し、その回収
（再生）した熱を流入する反応体17、19に与える。この
二重作用は流入する反応体の加熱と排気流18、11の冷却
である。システムは排気中の廃熱を回収するので高能率
なシステムが構成できる。
熱伝達素子31を含み変換器素子21からは物理的に隔離
されている他の流れループは、水蒸気またはガスタービ
ン基礎サイクルに対する作業媒質を含み、また廃熱除去
の必要性と基礎サイクルの熱力学的考慮に従って最適化
できる。作業流体の質量流量（Mc）は燃料電池重畳体か
らの放射廃熱を吸収できるレベルに調整されて熱力学サ
イクル効率の面から好ましい大きい温度上昇ΔTcを達成
する。これに加えて、熱伝達素子31の２重通路構造によ
り、作業媒質により吸収される廃熱の量は最大になり、
それによりシステムの効率を増大する。この放射熱集積
（RTI）方式は高いシステム効率を結果し、中間に外部
熱交換機を必要としないために小型のシステムを提供し
（図９参照）、ガスまたは水蒸気による基礎サイクルの
装置との集積のために一体設計にを提供する。
熱伝達素子31は基礎サイクルの熱力学装置120に近接
して配置されて、熱伝達素子からの熱を、熱伝達素子31
内に作業流体を経て水蒸気タービンに放射する。熱交換
器組立体24内での熱再生プロセスで能率的に回収される
熱は、熱伝達素子により除去されるべき追加のシステム
熱を供給する。本発明の好ましい実施例によると、燃料
電池重畳体20からの熱は入り組んでいる熱伝達素子31に
放射で伝達される。同様に、熱伝達素子31内の作業媒質
は捕集される廃熱の量を最大にし、次いでこれを基礎サ
イクルの装置120に送る。より大きい熱が捕集されて発
電に使用されるので、全体のシステムは高効率である。
この集積（RTI）方式は全体のシステムから典型的に
は基礎プラント120へ変換器組立体20を結合する中間熱
交換器を取り除くことを可能にする。中間熱交換器が省
略できれば、設計の自由度が増して変換器組立体10Aを
基礎サイクルのタービン装置120とは独立にできる。
上記の高能率の集積（RTI）技術はとは対照的に、従
来のシステムでは体表的にはハイブリッドシステム集積
に使用される対流熱集積方式を使用している。図９は外
部熱交換器を経由して作業媒質に対流熱結合を行うこと
により水蒸気またはガスタービンと集積された燃料電池
（変換器組立体）20の該略図である。この場合、基礎サ
イクルのための熱回収は中間熱交換器105からの対流熱
伝達により達成される。典型的には、補充冷却空気流Ma
は燃料電池反応体流Mfcへ添加する必要がある。この流
れは燃料電池反応体流Mfcと補充冷却空気流Maの合併流
として廃エネルギーを回収し、燃料電池の温度を抑制し
て適正なレベルに抑える。この対流方式にあっては、補
充空気流はまず燃料電池に入る前に燃料電池の動作温度
に近い温度まで熱する必要がある。さもないと変換装置
10の燃料電池の構造の劣化が生じる。
燃料電池重畳体を流れるガス流の許容される温度上昇
（ΔTfc）は主として燃料電池重畳体の熱勾配への考慮
により制限される。燃料電池の出口では、流れはエネル
ギーの保存の目的で熱再生しながら冷却でいる。再生が
達成された後は、ガスは中間熱交換内の作業媒質（Mc）
に対して温度上昇（ΔTfc）を可能にする熱源なる。所
望される中間熱交換器の設計に関連した寸法、経済性、
及び温度差を考慮すると、実現できる作業媒質の温度上
昇（ΔTc）は集積（RTI）方式における作業媒質の温度
上昇よりははるかに小さい。これは基礎サイクルの全体
的なシステム効率を限定することになる。
図９の変換器組立体20に使用される高温度燃料電池
は、電流密度及び燃料利用の点で実用的は動作範囲を選
択した場合に45〜50％の効率を可能にする。図８に示し
たようなRTI方式を使用する混成システムでは、水蒸気
またはガスタービンと組み合わせた高温燃料電池は、単
独の場合に比して14〜16％の追加的な向上を示し、全体
として61〜64％のシステム効率を示す。この効率の向上
は入手可能な基礎サイクルの装置（典型的な効率は29
％）と共に使用する高温燃料電池重畳体からの廃熱を効
果的に回収できることがその原因である。基礎サイクル
のシステムに対して製造したままの動力プラント装置を
使用するのがに適しているため、集積化が単純化し、ま
た能率的な計画に関連した曖昧さが減少する。更に本発
明によるプラント動作のバランスは放射熱集積（RTI）
方式のために以下のごとく中間熱交換器または熱回収の
補助システムを不要にする。
これに対して、もしも対流熱集積方法が燃料電池を水
蒸気基礎サイクルと集積するために使用されるならば、
効率は51〜54％であり、放射熱集積方式（RTI）に比し
て７〜13％程度低い。この性能の低下は主として熱を変
換器重畳体から回収する際に対流熱集積方式により課せ
られる制限による。しかも、すでに述べたように間接熱
交換器はシステムに余分の費用を必要とする。
従来の燃料電池の熱管理には大量の補充液体冷媒また
は過剰の冷媒流を電気化学変換器組立体20に圧送した。
このような大量の流体は熱応力を減じるために電解質の
動作温度近くまで加熱する必要があり、また組立体20の
全体に循環させなければならないので、専用の補充冷媒
処理用補助システムが通常は使用される。この補助シス
テムは図９に中間熱交換器105として示されており、補
充冷媒の再生的加熱、ポンプ送り、及び処理のための装
置を含む。この型の補助システムは全体のエネルギーシ
ステムの費用を増大させる。更に、通常変換器組立体20
により使用される反応体の量の10倍以上である大量の補
充反応体を処理するために、大型で複雑な補助システム
が使用される。これに対して本発明では変換器組立体か
らの廃熱を除去するための補充冷媒流は使用しないの
で、専用の補助システムを使用する必要がない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−320773（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−254365（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−86665（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−157061（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−309565（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−103864（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−77267（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の電気化学変換器素子を有する電気化
    学変換器組立体と、前記変換器組立体に反応体を供給す
    るための反応体供給手段と、前記変換器組立体から排気
    するための排気手段と、前記変換器組立体から電気を抽
    出するための電気抽出手段とを有する電気化学変換装置
    において、 供給される前記反応体を前記電気化学変換器素子の所定
    の動作温度近くに加熱するとともに前記排気を同時に冷
    却して前記反応体と排気との間で熱伝達を行う再生式熱
    交換手段と、 前記電気化学変換器素子の間に接触しないで配置され且
    つ作業媒質の輸送を行う複数の熱交換素子であって、前
    記電気化学変換器素子から放射により廃熱を除去するよ
    うになっている集積された熱伝達組立体とよりなり、 以て前記電気化学変換器素子を流れる補充の冷却流の必
    要性を実質的に減じた電気化学変換装置。
  2. 【請求項２】更に前記集積熱伝達組立体に結合された基
    礎熱力学プラントを更に含み、前記作業媒質中の過剰の
    熱を電気に変換するようにした請求項１の電気化学変換
    装置。
  3. 【請求項３】前記再生式熱交換手段は前記供給される反
    応体を前記電気化学的変換器組立体の温度近傍に加熱す
    るものである請求項１の電気化学変換装置。
  4. 【請求項４】前記再生式熱交換手段は集積型熱交換器で
    ある請求項１の電気化学変換装置。
  5. 【請求項５】集積型熱交換器は向流熱交換器である請求
    項４の電気化学変換装置。
  6. 【請求項６】向流熱交換器は第１管と、第２管とを含
    み、第１管と第２管は実質的に互いに平行である請求項
    ５の電気化学変換装置。
  7. 【請求項７】向流熱交換器は同軸の第１管と第２管とを
    含む請求項５の電気化学変換装置。
  8. 【請求項８】基礎熱力学プラントはガスタービン及び水
    蒸気タービンの一つである請求項２の電気化学変換装
    置。
  9. 【請求項９】熱伝達素子は前記作業媒質に対する入口通
    路を形成する第１管と前記作業媒質に対する出口通路を
    形成する第２管を含み、第１管と第２管は互いに平行で
    ある請求項１の電気化学変換装置。
  10. 【請求項１０】熱伝達素子は前記作業媒質に対する外側
    通路を形成する外側管と前記作業媒質に対する外側通路
    を形成する前記外側管に同軸の内側管とを含む請求項１
    の電気化学変換装置。
  11. 【請求項１１】熱伝達素子の外側管は第１端部と閉鎖し
    た第２端部を有する請求項10の電気化学変換装置。
  12. 【請求項１２】作業媒質はガス及び水の少なくとも１種
    からなる請求項１の電気化学変換装置。
  13. 【請求項１３】電気化学変換器組立体及び基礎熱力学プ
    ラントは独立に加圧されるものである請求項２の電気化
    学変換装置。
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