[发明专利]蒸发装置及使用该装置的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种适于生成在燃料电池系统中的原燃料改性中所使用的水蒸气的蒸发装置及使用该装置的燃料电池系统。

背景技术

作为代表性的燃料电池之一，具有固体氧化物型燃料电池[SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)]。在该燃料电池中，通常作为单电池单元使用如下的三层结构的层压体：在由氧化钇稳定氧化锆(YSZ)等烧结体构成的较薄的固体电解质层的一表面侧配置有燃料极，并且在另一表面侧配置有空气极。作为燃料极使用Ni和YSZ的金属陶瓷等，并且作为空气极使用锰酸镧锶(LSM)等。上述燃料极和空气极均为多孔质的烧结体。

在固体氧化物型燃料电池的运转中，在700～1000℃的高温条件下，向单电池单元的燃料极侧供给由天然气和LPG等碳化氢系原燃料经预热及改性而得到的富氢还原性气体作为燃料气体，并向空气极侧供给经预热的空气作为氧化性气体。由此，在单电池单元的燃料极侧与空气极侧之间产生电动势。由于该处的电压低至1V以下，因此在平板型的单电池单元中，向厚度方向层压多枚该单电池单元并串联连接而作为电池堆来使用。

但是，作为此处的原燃料的改性法，已知有以下的三种。第一种为吸热催化反应的水蒸气改性法，其通过水蒸气将以城市煤气等甲烷(CH₄)为主体的碳化氢系原燃料改性为富氢还原性气体。第二种为发热催化反应的部分氧化改性法，其通过使用空气的部分氧化同样将碳化氢系原燃料改性为富氢还原性气体。第三种为同时使用水蒸气改性和部分氧化改性的方法，通过组合前者的吸热反应和后者的发热反应而使热量自足的方法。从燃料电池系统中的发电效率的观点来看，优选第一种水蒸气改性气体。

作为用于生成水蒸气改性中所使用的水蒸气的蒸发装置，通常为向加热室内供给水并使其蒸发的装置，所述加热室通过来自电池堆的辐射热和从电池堆排出的排气(被称为废气的未使用气体)的燃烧热等而从外部被加热。在专利文献1中记载了其中一种。在专利文献1所记载的蒸发装置中，向加热室内的倾斜的加热面上供给水，并使其蒸发而生成水蒸气，所述加热室通过从电池堆排出的排气的燃烧热而从外部被加热。

这种燃料电池用蒸发装置中的问题之一为如下：不论热源为来自电池堆的辐射热，还是来自电池堆的排气能，由于热源温度高达数百℃，因此加热室内的加热面的温度为200～300℃的情况不少，并且在这种情况下产生的莱顿弗罗斯特现象导致水蒸气生成效率的下降。下面对由该莱顿弗罗斯特现象引起的水蒸气生成效率的下降的问题进行说明。

图5是表示水滴在加热面上的行迹的图表，示出了加热面温度与水滴在加热面上的寿命之间的关系。加热面温度直至110℃左右为非沸腾区域，加热面上的液滴润湿加热面而蒸发。因此，液滴寿命随着加热面的温度上升而急速缩短。加热面温度为110～160℃的区域为核沸腾区域，加热面上的液滴在加热面上扩散较大并急速沸腾而消失。该核沸腾区域为蒸发效率最高的温度区域。

与此相对地，在加热面温度为160～300℃的区域中，加热面上的水滴分裂成几滴并示出如在加热面上跳舞的行迹。该行迹为莱顿弗罗斯特现象，此时，液滴在加热面上的寿命与加热面的温度一同增加，最大增加至与加热面温度为数十℃的情况相同的程度。若加热面温度高于300℃，则液滴在保持旋转椭圆体的状态下静止。该状态被称为球形状态，液滴的寿命随着加热面温度的上升而缩短。

由此可知，在蒸发装置中，加热面温度在由莱顿弗罗斯特现象引起的液滴寿命的延长显著化的200～300℃的温度区域时，水蒸气生成效率下降。另外，在继该温度区域之后的高温区域时，也由于残留因莱顿弗罗斯特现象而一旦延长的液滴寿命的影响，水蒸气生成效率低的状态持续。因此，从水蒸气生成效率的观点来看，不致使加热面温度到达这种温度域较为重要。

但是，在燃料电池用蒸发装置的情况下，由于热源温度的关系，难以避免该温度区域。另外，假设即使能避免该温度区域，也由于在这种情况下热源温度过低，因此运转开始时的启动特性的变差不可避免。同样，从降低加热面温度这点来看，加热室的绝热是有效的，但由于阻碍运转开始时的加热面温度的上升，招致运转开始时的启动特性的变差。若考虑运转开始时的启动特性，则需要通过将热源温度即加热室外的气氛温度设为高温，来对加热室内的加热面进行急速加热。