(57)【要約】 【課題】  水蒸気発生器で発生する水蒸気の脈動を防止することにより燃料ガスの組成を均一化し、電池出力の安定化を図った燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】  供給水を加熱して水蒸気を発生する水蒸気発生器３０と、水蒸気発生器３０からの水蒸気と炭化水素系原燃料ガスとの混合ガスを供給して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器と、燃料改質器からの燃料ガスと供給酸化剤ガスを反応させて電気出力を得る燃料電池本体とを備えている。水蒸気発生器３０の出口側に吸熱フィン３４付きバッファータンク３３を設け、このバッファータンク３３の水蒸気出口部３５をオリフィス機構とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を加熱して水蒸気を発生する水蒸気発生器と、当該水蒸気発生器からの水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを供給して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器と、当該燃料改質器からの燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて電気出力を得る燃料電池本体を備えた燃料電池発電装置において、
前記水蒸気発生器の出口側に吸熱フィン付きバッファータンクを設けると共に、当該バッファータンクの水蒸気出口部をオリフィス機構としたことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記バッファータンク内の水蒸気流通路をＬ形に屈折させて成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記水蒸気出口部を前記バッファータンク内における水蒸気流通方向と直交する方向に設けたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記バッファータンクを、前記燃料電池本体の周辺に配置したことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記バッファータンクからの水蒸気と前記原燃料ガスを同一流れ方向で混合する混合部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記混合部が２重管構造で成り、その内管に水蒸気を導入し、外管に原燃料ガスを導入すると共に、内管より噴出した水蒸気を外管内にて原燃料ガスと混合することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は都市ガス等の炭化水素系原燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質器と、改質用の水蒸気を発生する水蒸気発生器を備える燃料電池発電装置に関し、特に水蒸気の脈動を防止して水蒸気と原燃料ガスとの混合性を良くすることにより燃料電池出力の安定化を図った燃料電池発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率、且つクリーンな発電装置であって、酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として注目されている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が供給され、燃料極層側に燃料ガス (Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等) が供給される。
【０００４】
空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。
このような電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００５】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ2 ＋          ２ｅ-   →  Ｏ2-
燃料極：          Ｈ2 ＋          Ｏ2-   →  Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- 
全体  ：          Ｈ2 ＋  １／２  Ｏ2    →  Ｈ2 Ｏ
【０００６】
ところで、燃料電池では、空気を酸化剤ガスとして用い、都市ガス等の炭化水素燃料ガス（原燃料ガス）を水蒸気改質して得た水素リッチなガスを燃料ガスとして用いるのが一般的である。このため、燃料電池では、通常モジュール内部に改質器を組み込み（内部改質）、この燃料改質器において原燃料ガスの改質を行い燃料ガスを生成することが行われている。
【０００７】
例えば、メタンガスを原燃料ガスとする改質反応は次のようになる。
脱硫されたメタンガスは、燃料改質器で水蒸気を加えられて水素と一酸化炭素に改質される。この改質反応は吸熱反応であって、安定した改質反応を行うには６５０〜８００℃程の高温が必要となる。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ
この時、生成された一酸化炭素は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変わる。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
【０００８】
モジュール内部に燃料改質器を組み込んだ内部改質方式は、燃料電池の発電反応で発生するジュール熱の一部を改質反応の吸熱反応の熱源として利用する極めて合理的な方法であり、排熱を有効利用した高効率のシステムを実現できる可能性を持っている。このような燃料改質器を備えた燃料電池として特許文献１、特許文献２等が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２５５９３号公報
【特許文献２】特開２００３−２７７０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記したように、メタンガスの改質反応は吸熱反応であるため、燃料改質器にはメタンガスと高温水蒸気の混合ガスが導入される。高温水蒸気は、燃料電池モジュール内に設けた水蒸気発生器により供給されるもので、水蒸気発生器内において、外部より供給される水を排ガスの顕熱と熱交換することにより、改質用水蒸気を発生させることが行われている。
【００１０】
ところが、このような水蒸気発生器では、直接常温の水を供給すると水蒸気発生器内において水が沸騰することにより水蒸気の流量が脈動変化し、その結果、混合ガスのスチーム・カーボン比（Ｓ／Ｃ比）が大きく変動するため、改質後の改質ガスの組成が変動、悪化するするという問題があった。この改質ガス組成の変動、悪化は燃料電池の出力を不安定にし、曳いては発電セルの寿命に影響を及ぼすことになる。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑み成されたもので、水蒸気の脈動を防止することにより燃料ガスの組成を均一化し、電池出力の安定化を図った燃料電池発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、水を加熱して水蒸気を発生する水蒸気発生器と、当該水蒸気発生器からの水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを供給して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質器と、当該燃料改質器からの燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて電気出力を得る燃料電池本体を備えた燃料電池発電装置において、前記水蒸気発生器の出口側に吸熱フィン付きバッファータンクを設けると共に、当該バッファータンクの水蒸気出口部をオリフィス機構としたことを特徴としている。
【００１３】
本構成では、バッファータンクを内において、水蒸気量の脈動を防止することができ、更にこのバッファータンクを吸熱フィンで加熱することによりバッファータンク内圧が上昇し、脈動をより効果的に防止できるようになる。
また、オリフィス機構により噴出蒸気の流速をアップさせることにより、下流部において成される水蒸気と原燃料ガスとの混合性が改善され、混合ガスを安定したＳ／Ｃ比で下流部の燃料改質器に供給することができるため、電池出力の安定化が図れる。
【００１４】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池発電装置において、前記バッファータンク内の水蒸気流通路をＬ形に屈折させて成ることを特徴としている。
【００１５】
本構成では、バッファータンク内において水蒸気を折流させることにより、水蒸気の脈動を緩和することができ、且つ、バッファータンク自体をコンパクトにすることができ、装置の小型化が図れる。
【００１６】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池発電装置において、前記水蒸気出口部を前記バッファータンク内における水蒸気流通方向と直交する方向に設けたことを特徴としている。
【００１７】
本構成では、バッファータンクの出口部において水蒸気を折流させることにより、水蒸気の脈動をより一層緩和することができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池発電装置において、前記バッファータンクを、前記燃料電池本体の周辺に配置したことを特徴としている。
【００１９】
本構成では、燃料電池本体近傍の高温雰囲気内で放射熱を直接受熱して、バッファータンクを効率良く加熱することができ、タンク内圧をより高圧にし、水蒸気出口部からの噴出蒸気の流速をアップすることができる。
【００２０】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池発電装置において、前記バッファータンクからの水蒸気と前記原燃料ガスを同一流れ方向で混合する混合部を備えることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の燃料電池発電装置において、前記混合部が２重管構造で成り、その内管に水蒸気を導入し、外管に原燃料ガスを導入すると共に、内管より噴出した水蒸気を外管内にて原燃料ガスと混合することを特徴としている。
【００２２】
本構成では、水蒸気と原燃料ガスを同一流れ方向で混合することにより、水蒸気と原燃料ガスの混合性が改善され、燃料改質により均一組成の改質ガスが得られるようになる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、水蒸気発生器の出口側に吸熱フィン付きバッファータンクを設けると共に、当該バッファータンクの水蒸気出口部をオリフィス機構としたので、脈動のない安定した蒸気の発生により水蒸気と原燃料ガスとの混合性が改善され、燃料改質により均一組成の燃料ガスを得ることができ、よって、電池出力の安定化を図ることができる。
【００２４】
また、水蒸気と原燃料ガスを同一流れ方向で混合することにより、水蒸気と原燃料ガスの混合性をより一層改善することができ、上記同様に均一組成の燃料ガスが得られる。これにより、電池出力の更なる安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００２６】
図１は本発明が適用された燃料電池発電装置の概略構成を示し、図２は水蒸気発生器の構成を示し、図３は水蒸気発生器の混合部の構成を示し、図４は燃料電池スタックにおける運転時のガスの流れを示している。
【００２７】
先ず、図１、図４に基づいて燃料電池発電装置の構成を説明する。
本発明の燃料電池発電装置１（燃料電池モジュール１）は、断熱材２７を介装した筒状のハウジング２を有しており、このハウジング２の内部のほぼ中央に積層方向を縦にした円筒状の燃料電池スタック３が配設されている。
【００２８】
この燃料電池スタック３は、図４に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層６（酸化剤極層）を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９（酸化剤極集電体）と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に積層した構造を有する平板積層形の固体酸化物形燃料電池である。
【００２９】
ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。
【００３０】
また、燃料電池スタック３の両側には、外部からの燃料ガスを各セパレータ１０に分配・供給する燃料ガス用マニホールド１３と、外部からの酸化剤ガス（空気）を各セパレータ１０に分配・供給する酸化剤ガス用マニホールド１４とが積層方向に立設されている。
燃料ガス用マニホールド１３は、多数の接続管１１を介して各セパレータ１０の燃料ガス通路２１に接続されており、酸化剤ガス用マニホールド１４は多数の接続管１２を介して各セパレータ１０の酸化剤ガス通路２０に接続されている。
【００３１】
また、この燃料電池モジュール１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図４に示すように、燃料ガス通路２１および酸化剤ガス通路２０を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余の高温ガス（排ガス）を、発電セル７の外周部からハウジング２内に自由に放出するようになっている。
尚、ハウジング２には、内部空間に放出された排ガスを燃料電池モジュール１の外に排出するための排気機構１９が設けてある。
【００３２】
また、本実施形態では、ハウジング２内において、燃料電池スタック３の放射伝熱が可能となる燃料電池スタック３の近傍に炭化水素触媒を充填した燃料改質器２５が配設されている。
燃料改質器２５のガス導入口は、配管により燃料熱交換器１５の一端に接続されていると共に、燃料改質器２５の出口は、配管により燃料ガス用マニホールド１３に接続されている。尚、この燃料熱交換器１５は、燃料ガス供給管１７より脱硫器２６を介して導入される炭化水素系の原燃料ガス（例えば、都市ガス）を予熱するための熱交換器である。
【００３３】
この燃料改質器２５に対向する燃料電池スタック３の近傍には、空気熱交換器１６と水蒸気発生器３０が配設されている。
【００３４】
空気熱交換器１６は、酸化剤ガス用マニホールド１４へ供給する空気を予熱するための熱交換器であって、その入口には、外部からの酸化剤ガス（空気）を導入するための酸化剤ガス供給管１８が接続されている。
【００３５】
水蒸気発生器３０は、改質用の高温水蒸気を得るための熱交換器である。この水蒸気発生器３０は、図２に示すように、中央の燃料電池スタック３を囲むように所定の間隔を持って円弧状に配設された高さ方向に延びる３本のフィン付き加熱塔３１で構成されている。各々加熱塔３１の下端部は管部材３２にて連結されており、後述する水排ガス熱交換器４０から供給される水蒸気発生用の水は湯水供給管４１を通して各加熱塔３１に分配・導入されると共に、各加熱塔３１内において燃料電池スタック３から放出される高温排ガスと熱交換されて高温水蒸気を発生する。
尚、各々加熱塔３１の内部には、熱伝導率の高いアルミナビーズ（図示せず）が充填されており、外表のフィンとこのアルミナビーズの熱伝導効果により、水蒸気発生器３０の熱交換効率を大幅に向上している。
【００３６】
また、ハウジング２の底部には、水排ガス熱交換器４０が設けてある。この水排ガス熱交換器４０は、断熱材２７で包囲された空間内に外部供給水が流入する熱交換部４２を備えており、熱交換器４０内部において熱交換部４２内を流通する水が排気機構１９より導入される高温排ガスと熱交換し、湯水供給管４１を通して温水を上記した水蒸気発生器３０に誘導するようになっている。
【００３７】
ところで、この水蒸気発生器３０の上部には、各加熱塔３１にて発生した水蒸気の脈動を防止するためのバッファータンク３３が接続されている。このバッファータンク３３はＬ形状に屈折された円筒状の密封管体で構成されており、その表面にプレート状の吸熱フィン３４が放射状に複数付設されている。
【００３８】
この密封管体の水平管部には、各加熱塔３１の上端出口部が連結されていると共に、垂直管部の末端側壁には、バッファータンク内の高温水蒸気を噴出する水蒸気出口部３５が設けられている。
水蒸気出口部３５は、極小径の孔を設けてオリフィスを形成すると共に、その開口部がＵ字形の蒸気導管２９によって下流部に配設された混合部３６に接続されている。
【００３９】
混合部３６では、蒸気導管２９を介してバッファータンク３３から誘導される高温水蒸気と燃料ガス供給管１７を通して外部より供給される炭化水素系の原燃料ガス（都市ガス）が混合されて混合ガスとなる。
【００４０】
上記構成の水蒸気発生器３０では、バッファータンク３３に吸熱フィン３４を設けることにより、吸熱フィン３４が燃料電池スタック３からの放射熱を効率良く受熱してバッファータンク３３を外側より加熱し、タンク内圧を積極的に上昇させることができ、これにより、加熱塔３１から導入される水蒸気の脈動をより効果的に緩和することができるようになる。
加えて、バッファータンク３３の水蒸気出口部３５をオリフィス機構とすることにより、タンク内の高圧も手伝って、噴出蒸気の流速をアップさせることになり、その下流部において都市ガスと混合する際の都市ガスの引き込み効果が向上し、都市ガスと水蒸気の混合性が改善され、安定したＳ／Ｃ比を持った混合ガスを燃料改質器２５に供給することができるようになる。
【００４１】
これにより、燃料改質後の燃料ガス（改質ガス）の組成が均一化され、電圧脈動のない安定した電池出力が得られることになる。また、燃料ガスの組成が均一化されることにより、発電セル７の負担も軽減されるため、燃料スタック３の高寿命化が図れることになる。
【００４２】
また、本実施形態では、水蒸気出口部３５を水蒸気流通方向と直交方向するタンク側壁に設けることにより、バッファータンク内においてＬ形に折流された水蒸気は、出口部においても折流されることになり、これにより、水蒸気の脈動を更に緩和することができる。
【００４３】
このように、バッファータンク３３内において水蒸気を様々な方向に折流させることにより、水蒸気の脈動はより一層緩和されると共に、このような折流効果を利用することにより、水蒸気の脈動を防止するために必要なバッファータンク３３の容量を小さくでき、よって、バッファータンク自体がコンパクト化され、装置小型化が図れる。
【００４４】
一方、混合部３６は、図３に示すように、蒸気導管２９（内管２９）とその開放端部を覆う外管２８による２重管構造とされ、且つ、外管２８は混合部３６の内部にて燃料ガス供給管１７と連通している。そして、内管２９に導入された水蒸気がその開放端部より外管２８内に噴出することにより、燃料ガス供給管１７を介して外管２８に導入された都市ガスが外管内において高温水蒸気と同一流れ方向で混合される。
【００４５】
このように、上記構成の混合部３６では、水蒸気と都市ガスを同一流れ方向で混合することにより、水蒸気と都市ガスの混合性が改善され、混合ガスは安定したＳ／Ｃ比を持って下流部の燃料改質器２５に導入されることになり、当燃料改質器２５おいて均一組成の燃料ガスが得られることになる。
【００４６】
次に、本実施形態の動作を説明すれば、以下の通りである。
燃料電池モジュール１の運転時には、燃料ガス供給管１７を介して外部より供給された都市ガスが脱硫器２６により硫黄分を取り除かれた後、混合部３６において水蒸気発生器３０からの高温水蒸気と混合させられ混合ガスとなる。この混合ガスは、一旦燃料熱交換器１５で予熱された後、燃料改質器２５のガス導入口より改質器内部に導入される。
【００４７】
水蒸気と都市ガスの混合ガスは燃料改質器２５内を流通する過程で炭化水素触媒と接触して炭化水素ガスの水蒸気改質反応が行われる。この改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な高熱（例えば、６５０〜８００℃）は、燃料電池スタック３からの放射熱を使用している。
尚、燃料改質器２５は燃料電池スタック３の周囲方向で放射伝熱可能な好適位置に配置されているので、改質反応の吸熱反応に必要とされる十分な高熱を直接受熱することができる。
【００４８】
燃料改質器２５で改質された水素リッチな燃料ガスは配管を通して燃料ガス用マニホールド１３に誘導され、ここから複数の接続管１１を通して燃料電池スタック３の各セパレータ１０に分配・導入される。図４に示すように、燃料ガスはセパレータ１０の側面から燃料ガス通路２１を通して燃料極側に吐出し、燃料極集電体８内を拡散移動して燃料極層５に達し、既述した発電反応が行われる。
【００４９】
一方、酸化剤ガス供給管１８を介して外部から供給される酸化剤ガス（空気）は空気熱交換器１６で予熱された後、酸化剤ガス用マニホールド１４に誘導され、ここから複数の接続管１２を通して各セパレータ１０に分配・導入される。図４に示すように、予熱空気はさらにセパレータ１０の側面から酸化剤ガス通路２０を通して空気極側に吐出し、空気極集電体９内を拡散移動して空気極層６に達する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る燃料電池発電装置の内部概略構成を示す図。
【図２】本発明に係る水蒸気発生器の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図。
【図３】同、水蒸気発生器の混合部の構造を示す図。
【図４】燃料電池スタックにおける運転時のガスの流れを示す図。
【符号の説明】
【００５１】
１  燃料電池発電装置（燃料電池モジュール）
３  燃料電池本体（燃料電池スタック）
２５  燃料改質器
２８  外管
２９  内管（蒸気導管）
３０  水蒸気発生器
３３  バッファータンク
３４  吸熱フィン
３５  水蒸気出口部
３６  混合部
【図１】
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【図２】
2006059549.tif 000004
【図３】
2006059549.tif 000005
【図４】
2006059549.tif 000006