(57)【要約】【課題】高温の燃料電池モジュールを構成する場合であっても、その小型化を図ることができる改質水蒸発器及び該改質水蒸発器を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置を提供する。【解決手段】改質水蒸発器２６は、断熱筐体１６で囲まれた燃料電池モジュール１０に設けられ、燃料電池スタック１４に導入される燃料を改質する改質器２２に供給する改質用水蒸気を生成する装置である。この改質水蒸発器２６は、水蒸気生成空間５８を内部に形成した箱体６０と、箱体６０の上面を形成する第一伝熱部６０ａと、箱体６０の底面を形成する第二伝熱部６０ｂと、断熱筐体１６の外部から導入される改質水を水蒸気生成空間５８で散水する散水管６８と、第二伝熱部６０ｂ上に散水管６８から散水された水を吸水可能な吸水部７０とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱筐体で囲まれた燃料電池モジュールに設けられ、燃料電池スタックに導入される燃料を改質する改質器に供給する改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器であって、
水蒸気生成空間を内部に形成した箱体と、
前記箱体の上面を形成する第一伝熱部と、
前記箱体の底面を形成する第二伝熱部と、
前記第一伝熱部の下方に、前記断熱筐体の外部から導入される改質水を前記水蒸気生成空間で散水する散水管と、
前記第二伝熱部上に接して、前記散水管から散水された水を吸水可能な吸水部と、
を備えることを特徴とする改質水蒸発器。
【請求項２】
請求項１記載の改質水蒸発器において、
前記第二伝熱部は、前記断熱筐体内で発生する熱を受けて前記吸水部に散水された改質水を加熱して水蒸気を発生し、
前記第一伝熱部は、前記水蒸気生成空間で発生した水蒸気を過熱する
ことを特徴とする改質水蒸発器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の改質水蒸発器において、
前記第一伝熱部の前記水蒸気生成空間側の表面に、伝熱促進部が配置されていることを特徴とする改質水蒸発器。
【請求項４】
請求項１から３記載いずれかの改質水蒸発器において、
前記散水管が前記水蒸気生成空間に入る前に、
前記第一伝熱部と前記散水管が接触して配置されていることを特徴とする改質水蒸発器。
【請求項５】
断熱筐体で囲まれた燃料電池モジュールに設けられ、燃料電池スタックに導入される燃料を改質する改質器に供給する改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器であって、
水蒸気生成空間を内部に形成した箱体と、
前記箱体の底面を形成する第二伝熱部と、
前記断熱筐体の外部から導入される改質水を前記水蒸気生成空間で散水する散水管と、
前記第二伝熱部の前記水蒸気発生空間側の上面に接して、前記散水管から散水された水を吸水可能な吸水部と、
前記第二伝熱部の背面側に過熱蒸気気化室と、
を備えることを特徴とする改質水蒸発器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかの改質水蒸発器を備えることを特徴とする、発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器、及び該改質水蒸発器を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原燃料を改質して燃料電池の燃料極（アノード）に導入する燃料電池システムの構成として、例えば特許文献１には改質部及び蒸発部を構成した燃料改質水装置が開示されている。
特許文献１の改質水蒸発器は、水蒸気生成空間を内部に形成した箱体と、外部から導入される改質水を水蒸気生成空間で散水する散水管と、箱体の一壁面を形成すると共に、散水管から散水された水を吸水可能な吸水部が設けられ、燃料電池で発生する熱を受けて吸水部に散水された改質水を加熱して蒸発させる伝熱板とを備える。箱体は、例えば燃料電池モジュール内で燃料電池スタックの上面に配置して燃料電池スタックで発生した熱で箱体を加熱してもよく、または、ヒータを使って伝熱板を加熱してもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１７７８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった高温型燃料電池では、高温となる燃料電池スタック、改質器、空気予熱器、改質水蒸発器、燃焼部を断熱筐体で囲って高温の燃料電池モジュールとして構成する場合がある。このような燃料電池モジュールでは、断熱筐体の内部での各機器の設置効率を最適にし、モジュール全体の小型化や低コスト化を図ることが重要である。
上記特許文献１の構成では、燃料電池スタックの容量が増加すると、供給する水蒸気量が増え、改質水蒸発器も大型化し、燃料電池モジュール全体が大型化する。
また、断熱筐体構造によっては、加熱用ヒータを設置している改質水蒸発器の底板の背面で熱が籠る場合があり、蒸気を作る前に蒸発器底面の温度だけが上昇し、部分的な過昇温が発生し、蒸気を安定供給できなくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、高温の燃料電池モジュールを構成する場合であっても、小型化し、蒸気を安定供給することができる改質水蒸発器及び該改質水蒸発器を有する燃料電池モジュールを備えた発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る改質水蒸発器は、断熱筐体で囲まれた燃料電池モジュールに設けられ、燃料電池スタックに導入される燃料を改質する改質器に供給する改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器であって、水蒸気生成空間を内部に形成した箱体と、箱体の上面を形成する第一伝熱部と、箱体の底面を形成する第二伝熱部と、第一伝熱部の下方に、断熱筐体の外部から導入される改質水を前記水蒸気生成空間で散水する散水管と、第二伝熱部上に接して、散水管から散水された水を吸水可能な吸水部とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る改質水蒸発器において、第二伝熱部は、断熱筐体内で発生する熱を受けて吸水部に散水された改質水を加熱して水蒸気を生成し、第一伝熱部は、水蒸気生成空間で生成した水蒸気を過熱することを特徴とする。
また、本発明係る改質水蒸発器は、断熱筐体で囲まれた燃料電池モジュールに設けられ、燃料電池スタックに導入される燃料を改質する改質器に供給する改質用水蒸気を生成する改質水蒸発器であって、水蒸気生成空間を内部に形成した箱体と、箱体の底面を形成する第二伝熱部と、断熱筐体の外部から導入される改質水を水蒸気生成空間で散水する散水管と、第二伝熱部上に接して、散水管から散水された水を吸水可能な吸水部と、第二伝熱部の背面側に、水蒸気生成空間で生成した改質用水蒸気の蒸気流路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、改質水蒸発器、およびそれを含む燃料電池モジュールの小型化が可能となり、かつ、改質水蒸発器の部分的な過昇温を抑制し、水蒸気の安定供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールを備えた発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る改質水蒸発器の外観図であり、図２（Ａ）は、平面図であり、図２（Ｂ）は、正面図であり、図２（Ｃ）は、側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る改質水蒸発器の構成図（正面断面図）である。
【図４】本発明の第１実施形態の変形例に係る改質水蒸発器の構成図（正面断面図）である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る改質水蒸発器の構成図（正面断面図）である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る改質水蒸発器の構成図（正面断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る改質水蒸発器について実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０を備えた発電装置１２の構成である。
【００１１】
図１に示すように、発電装置１２は、燃料電池スタック１４を断熱筐体１６の内部に設けた燃料電池モジュール１０と、燃料電池モジュール１０に燃料及び空気を供給する燃料供給ラインＬＦ１，ＬＦ２及び空気供給ラインＬＡ１，ＬＡ２と、燃料電池モジュール１０からの排熱を利用して温水を製造する温水熱交換器１８と、燃料電池モジュール１０で使用する改質用水蒸気を生成するための水を貯留する凝集水タンク２０とを備えたコジェネレーションシステムとして構成されている。
【００１２】
燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１４と、改質器２２と、空気予熱器２４と、改質水蒸発器２６とを備え、これらの断熱部材を箱状に画成した断熱筐体１６の内部（高温室）に設置したものである。断熱部材としては、グラスウール等の一般的な断熱材を用いればよい。但し、ボード状の高性能断熱材を使用することで、燃料電池モジュール１０をよりコンパクトに構成することができる。
【００１３】
燃料電池スタック１４は、燃料供給ラインＬＦ２から導入される燃料と、空気供給ラインＬＡ２から導入される空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層した公知の構成である。本実施形態の場合、燃料電池スタック１４を、燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成している。燃料電池スタック１４として他の高温型燃料電池、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等を用いてもよい。燃料電池スタック１４の側部には、図示しないが昇温用のヒータが設置されている。
【００１４】
燃料供給ラインＬＦ１からの原燃料（例えば、天然ガス、ＬＰＧ又は都市ガス等の炭化水素系の燃料）は、脱硫器３０及び改質器２２を経て水素や一酸化炭素を含む改質燃料となり、燃料供給ラインＬＦ２から燃料極へと導入される。改質器２２は、公知の構成でよく、その内部に各種の改質触媒が設けられている。改質水蒸発器２６は、温水熱交換器１８からの凝集水を貯留する凝集水タンク２０から送られる水（改質水）を蒸発させて改質用の水蒸気を生成するものである。改質水蒸発器２６で生成された水蒸気（改質用水蒸気）は、水蒸気供給ラインＬＷから改質器２２に導入される直前の燃料供給ラインＬＦ１に導入されて改質器２２に導入される。これにより、燃料は改質水蒸発器２６で高温となった水蒸気と混合され、例えば３００℃程度まで加熱された後、改質器２２に導入され、ここで７００℃程度まで温度上昇しつつ、水蒸気改質されて改質燃料となる。
【００１５】
空気供給ラインＬＡ１からの空気は、ブロワ３２によって空気予熱器２４に導入され、所望の温度（例えば、６５０〜７００℃程度）まで予熱された後、空気供給ラインＬＡ２から空気極へと導入される。
【００１６】
燃料電池スタック１４から排出された排ガスは排ガスラインＬＧから温水熱交換器１８に送られる。温水熱交換器１８は、貯水槽３６から供給される水を排ガスラインＬＧからの排ガスによって加熱して温水を製造し、製造した温水は貯水槽３６へと戻される。貯水槽３６では、補給水が供給され、温水が取り出される。また、温水熱交換器１８を通過した排ガスは、凝集水タンク２０で凝集・除塵されて排気する。凝集水は改質水として改質水蒸発器２６に供給される。凝集水タンク２０にはレベル計が設置され、水が一定レベル以下になると補給水が供給される。これにより、不要なガス及び余剰な水が排気及び排水される。
【００１７】
次に、改質水蒸発器２６の具体的な構成例を説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態に係る改質水蒸発器２６の外観図である。図２（Ａ）は、平面図であり、図２（Ｂ）は、正面図であり、図２（Ｃ）は、側面図である。改質水蒸発器２６は、内部に中空の水蒸気生成空間５８を有する扁平直方体形状の箱体６０である。
【００１８】
箱体６０は、ステンレス等の金属板を箱型に形成した構成である。図２（Ａ）に示す箱体６０の平面視で短辺となる一側面（右側面）には、凝集水タンク２０からの改質水を水蒸気生成空間５８に導入するための入口管６４が突設されている。箱体６０の他面には、水蒸気生成空間５８で生成された改質用水蒸気を改質器２２に供給するための水蒸気供給ラインＬＷが接続される出口管６６が突設されている。
【００１９】
図３は、本発明の第１実施形態に係る改質水蒸発器２６の内部構成図であり、図２（Ｂの断面図である。図３に示すように、箱体６０は、上面となる第一伝熱部６０ａと、底面となる第二伝熱部６０ｂと、前後左右の４側面となる側板６０ｃとを直方体形状に形成し、内部に中空の水蒸気生成空間５８を形成したものである。
【００２０】
本実施形態に係る改質水蒸発器２６では、水蒸気生成空間５８の内部に改質水を分散して吐出可能な散水管６８を配設し、水蒸気生成空間５８の底面となる第二伝熱部６０ｂの内面（上面）には吸水部７０を設ける。散水管６８の下面側にはその長手方向（改質水の流通方向）に沿って複数の吐出孔６８ａが形成されている。
【００２１】
散水管６８は、箱体６０内で入口管６４と接続されており、凝集水タンク２０からの入口管６４を介して供給された改質水を水蒸気生成空間５８で散水するパイプである。散水管６８は、水蒸気生成空間５８内で第二伝熱部６０ｂ（吸水部７０）の上方に配設されている。
【００２２】
第二伝熱部６０ｂは、箱体６０の底面を形成しており、その上方に配設された散水管６８から散水された改質水を蒸発させるための熱を伝える。第二伝熱部６０ｂは、熱を伝える構造であればよく、例えば、ステンレス板2枚の間に第二ヒータ８０ｂを設置した構造でもよい。または、箱体６０に収まる形状のステンレス板の箱体とし、箱体の中に第二ヒータ８０ｂを設置してもよい。
第二伝熱部６０ｂは、ヒータの替りに燃料電池モジュール１０内で燃料電池スタック１４の上面に配置し、燃料電池スタック１４で発生した熱を利用して水蒸気生成空間５８を加熱してもよい。そうすると、箱体の底面が加熱面となり、箱体の上面側にある散水管から改質水が導入・散水されるため、箱体の上面の温度を低下させ、断熱筐体の上部から外部への放熱を低減することができる。図示していないが、箱体６０の周囲には断熱材を設置し、放熱を防いでいる。
【００２３】
本実施形態の場合、吸水部７０としてステンレス等の金属フェルトを第二伝熱部６０ｂの表面に敷き詰めている。これにより、改質水が散水管６８から吸水部７０に散水されると、ここで吸水されて広範囲に浸透し、同時に第二伝熱部６０ｂからの熱によって大きな伝熱面積で加熱されて蒸発する。そして、生成された改質用水蒸気は、出口管６６から水蒸気供給ラインＬＷへと流れて改質器２２に導入されることになる。
【００２４】
吸水部７０は、散水管６８からの散布された改質水を、毛細管現象等を利用して広く拡散浸透させることができる構成であればよく、多孔質形状や微細形状等、液体が染み渡る構造を有するものであればよい。
【００２５】
第一伝熱部６０ａは、水蒸気発生空間５８を挟んで第二伝熱部６０ｂの対面側に設けられ、箱体６０の上面を形成している。第一伝熱部６０ａは、第二伝熱部６０ｂと同様に熱を伝える構造であればよく、例えば、ステンレス板2枚の間に第一ヒータ８０ａを設置した構造でもよい。または、箱体６０に収まる形状のステンレス板の箱体とし、箱体の中に第一ヒータ８０ａを設置してもよい。第一伝熱部６０ａは、第二伝熱部６０ｂと吸水部７０で発生した水蒸気を更に加熱して過熱蒸気とする。
（第１実施形態の変形例）
図４は、本発明の第１実施形態に係る改質水蒸発器２６の内部構成図である。第１実施形態の第一伝熱部６０ａの蒸気発生部５８側に伝熱促進６０ｄを複数設ける。伝熱促進部６０ｄは、熱伝導率が高く、耐熱性の材料であればよく、例えばステンレスなどの金属の塊を第一伝熱部６０ａに溶接や、ねじ止めをして設置する。伝熱促進部６０ｄは、蒸気発生部５８で発生した蒸気を過熱蒸気とすることを促進する機能をもつ。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る改質水蒸発器２６の内部構成図である。図５に示すように、箱体６０は、上面となる第一伝熱部６０ａと、底面となる第二伝熱部６０ｂと、前後左右の４側面となる側板６０ｃとを直方体形状に形成し、内部に中空の水蒸気生成空間５８を形成する。図示していないが、箱体６０の周囲には断熱材を設置し、放熱を防ぐ。
【００２６】
更に、本実施形態に係る改質水蒸発器２６では、水蒸気生成空間５８の内部に改質水を分散して吐出可能な散水管６８を配設し、水蒸気生成空間５８の底面となる第二伝熱部６０ｂの内面（上面）には吸水部７０を設ける。散水管６８の下面側にはその長手方向（改質水の流通方向）に沿って複数の吐出孔６８ａが形成されている。
【００２７】
散水管６８は、凝集水タンク２０から入口管６４を介して供給された改質水を、水蒸気生成空間５８で散水するパイプである。本実施例では、散水管６８は箱体６０の上面の第一伝熱部６０に沿って設置して第一伝熱部６０ａで加熱された後に箱体６０内の水蒸気生成空間５８に設置される。散水管６８は、水蒸気生成空間５８内で第二伝熱部６０ｂ（吸水部７０）の上方に配設されている。第一伝熱部６０ａの構成は、第１実施例と同様でよい。
【００２８】
第二伝熱部６０ｂは、箱体６０の底面を形成しており、その上方に配設された散水管６８から散水された改質水を蒸発させるための熱を伝える。第二伝熱部６０ｂの構成は、第１実施例と同様でよい。
【００２９】
吸水部７０は、第１実施形態と同様のものを用いてよい。
【００３０】
第2実施形態は、第一伝熱部６０ａの上面に散水管６８を接触させて第一ヒータ８０６０ａの排熱を利用する。ヒータの熱を効率よく利用することで、ヒータの過昇温を抑制できる。
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る改質水蒸発器の構成図である。図６に示すように、箱体６０は、例えばステンレス板で形成された上面６０ｅと、底面となる第二伝熱部６０ｂと、前後左右の４側面となる側板６０ｃとを直方体形状に形成し、内部に中空の水蒸気生成空間５８を形成したものである。
本実施形態に係る改質水蒸発器２６では、水蒸気生成空間５８の内部に改質水を分散して吐出可能な散水管６８を配設し、水蒸気生成空間５８の底面となる第二伝熱部６０ｂの内面（上面）に接して吸水部７０を設ける。散水管６８の下面側にはその長手方向（改質水の流通方向）に沿って複数の吐出孔６８ａが形成されている。散水管６８と吸水部７０は、第１実施形態と同様のものを用いてよい。
【００３１】
第二伝熱部６０ｂは、箱体６０の底面を形成しており、その上方に配設された散水管６８から散水された改質水を蒸発させるための熱を伝える。第二伝熱部６０ｂは、熱を伝える構造であればよく、例えば、ステンレス板2枚の間に第二ヒータ８０ｂを設置した構造でもよい。または、箱体６０に収まる形状のステンレス板の箱体とし、箱体の中に第二ヒータ８０ｂを設置してもよい。第二ヒータ８０ｂは、面ヒータ、カートリッジヒータなどから選択できる。
【００３２】
更に、本発明の第３実施形態に係る発明は、第二伝熱部６０ｂの背面側（水蒸気生成空間５８の反対側）の過熱蒸気化室５９を備える。過熱蒸気化室５９は、第二伝熱部６０ｂの排熱を利用し、水蒸気生成空間５８で発生した水蒸気を更に加熱し、過熱蒸気を生成する。生成した過熱蒸気は、出口管６６を経由して改質器に送られる。本発明により、第二伝熱部６０ｂの背面側の過昇温を抑制し、更に、排熱を利用することができる。
【００３３】
以上のように、本発明の実施形態に係る改質水蒸発器２６によれば、第一伝熱部６０ａと第二伝熱部６０ｂの対面する2か所で加熱することで改質水蒸発器２６の伝熱面積が横方向に広げなくともよくなり、装置の小型化が可能となる。また、ヒータ容量が大きいと、ヒータだけが先に高温になり、蒸発器の一部（従来構造では箱体の底面）で過昇温が発生しやすくなるが、ヒータ容量を第一伝熱部６０ａと第二伝熱部６０ｂに分けることで、一か所のヒータ容量を従来よりも低くすることができ、改質水蒸発器内の部分的な過昇温の発生を抑制できる。
また、改質水蒸発器２６が大型化すると散水管６８の吐出孔６８ａを設置する距離が長くなる。吐出孔６８ａの設置部分が長いと、改質水蒸発器２６内に、安定した吐出圧力と速度で水を供給する制御が難しいという問題がある。本発明により改質水蒸発器２６では大容量の燃料電池モジュールに対しても改質水蒸発器２６の散水管６８の吐出孔６８ａの設置部分を短くすることができ、蒸気の安定供給が可能となる。
【００３４】
ところで、改質器２２に改質用水蒸気と炭化水素系の原燃料とを導入する際、改質用水蒸気が凝縮して改質触媒に付着すると、改質触媒を劣化させる要因となる。そこで、改質水蒸発器２６から出た改質用水蒸気と原燃料の混合後も改質用水蒸気が凝縮しないよう、例えば１８０℃以上、望ましくは２００℃以上の過熱状態とする必要がある。さらに望ましくは３００〜５００℃で改質器２２に導入すると、改質器２２で必要な熱交換量を低減することができる。ここで５００℃以上とすると、ＳＵＳ３０４等の安価なステンレス部材では構成材料のＣｒ等が改質水中に溶出する可能性があるが、５００℃以下とすることで不純物の溶出を防止することができる。本発明の実施形態により、構成を小型化しつつも十分な伝熱面積を確保でき、所望の過熱状態となった改質用水蒸気を効率的に生成することができる。
【００３５】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  燃料電池モジュール
１２  発電装置
１４  燃料電池スタック
１６  断熱筐体
２２  改質器
２４  空気予熱器
２６  改質水蒸発器
５８  水蒸気生成空間
５９  過熱蒸気化室
６０  箱体
６０ａ  第一伝熱部（上板）
６０ｂ  第二伝熱部（底板、伝熱板）
６０ｃ  側板
６０ｄ  伝熱促進部
６０ｅ  上板
６４  入口管
６６  出口管
６８  散水管
６８ａ  吐出孔
７０  吸水部
８０  ヒータ
８０ａ  第一ヒータ
８０ｂ  第二ヒータ
ＬＡ１，ＬＡ２  空気供給ライン
ＬＦ１，ＬＦ２  燃料供給ライン
ＬＷ  水蒸気供給ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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