蒸發(fā)裝置及使用該裝置的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種適于生成在燃料電池系統(tǒng)中的原燃料改性中所使用的水蒸氣的 蒸發(fā)裝置及使用該裝置的燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為代表性的燃料電池之一，具有固體氧化物型燃料電池[S0FC(SolidOxide 化elCells)]。在該燃料電池中，通常作為單電池單元使用如下的S層結(jié)構(gòu)的層壓體：在由 氧化錠穩(wěn)定氧化錯燈S幻等燒結(jié)體構(gòu)成的較薄的固體電解質(zhì)層的一表面?zhèn)扰渲糜腥剂蠘O， 并且在另一表面?zhèn)扰渲糜锌諝鈽O。作為燃料極使用Ni和YSZ的金屬陶瓷等，并且作為空氣 極使用儘酸銅鎖化SM)等。上述燃料極和空氣極均為多孔質(zhì)的燒結(jié)體。
[0003] 在固體氧化物型燃料電池的運轉(zhuǎn)中，在700~1000°C的高溫條件下，向單電池單 元的燃料極側(cè)供給由天然氣和LPG等碳化氨系原燃料經(jīng)預(yù)熱及改性而得到的富氨還原性 氣體作為燃料氣體，并向空氣極側(cè)供給經(jīng)預(yù)熱的空氣作為氧化性氣體。由此，在單電池單元 的燃料極側(cè)與空氣極側(cè)之間產(chǎn)生電動勢。由于該處的電壓低至IVW下，因此在平板型的單 電池單元中，向厚度方向?qū)訅憾嗝对搯坞姵貑卧⒋?lián)連接而作為電池堆來使用。
[0004] 但是，作為此處的原燃料的改性法，已知有W下的=種。第一種為吸熱催化反應(yīng)的 水蒸氣改性法，其通過水蒸氣將W城市煤氣等甲燒（C&)為主體的碳化氨系原燃料改性為 富氨還原性氣體。第二種為發(fā)熱催化反應(yīng)的部分氧化改性法，其通過使用空氣的部分氧化 同樣將碳化氨系原燃料改性為富氨還原性氣體。第=種為同時使用水蒸氣改性和部分氧化 改性的方法，通過組合前者的吸熱反應(yīng)和后者的發(fā)熱反應(yīng)而使熱量自足的方法。從燃料電 池系統(tǒng)中的發(fā)電效率的觀點來看，優(yōu)選第一種水蒸氣改性氣體。 陽〇化]作為用于生成水蒸氣改性中所使用的水蒸氣的蒸發(fā)裝置，通常為向加熱室內(nèi)供給 水并使其蒸發(fā)的裝置，所述加熱室通過來自電池堆的福射熱和從電池堆排出的排氣（被稱 為廢氣的未使用氣體）的燃燒熱等而從外部被加熱。在專利文獻1中記載了其中一種。在 專利文獻1所記載的蒸發(fā)裝置中，向加熱室內(nèi)的傾斜的加熱面上供給水，并使其蒸發(fā)而生 成水蒸氣，所述加熱室通過從電池堆排出的排氣的燃燒熱而從外部被加熱。
[0006] 運種燃料電池用蒸發(fā)裝置中的問題之一為如下：不論熱源為來自電池堆的福射 熱，還是來自電池堆的排氣能，由于熱源溫度高達數(shù)百。因此加熱室內(nèi)的加熱面的溫度為 200~30(TC的情況不少，并且在運種情況下產(chǎn)生的萊頓弗羅斯特現(xiàn)象導(dǎo)致水蒸氣生成效 率的下降。下面對由該萊頓弗羅斯特現(xiàn)象引起的水蒸氣生成效率的下降的問題進行說明。 陽007] 圖5是表示水滴在加熱面上的行跡的圖表，示出了加熱面溫度與水滴在加熱面上 的壽命之間的關(guān)系。加熱面溫度直至1l〇°C左右為非沸騰區(qū)域，加熱面上的液滴潤濕加熱面 而蒸發(fā)。因此，液滴壽命隨著加熱面的溫度上升而急速縮短。加熱面溫度為110~160°C的 區(qū)域為核沸騰區(qū)域，加熱面上的液滴在加熱面上擴散較大并急速沸騰而消失。該核沸騰區(qū) 域為蒸發(fā)效率最高的溫度區(qū)域。
[0008] 與此相對地，在加熱面溫度為160~300°C的區(qū)域中，加熱面上的水滴分裂成幾滴 并示出如在加熱面上跳舞的行跡。該行跡為萊頓弗羅斯特現(xiàn)象，此時，液滴在加熱面上的壽 命與加熱面的溫度一同增加，最大增加至與加熱面溫度為數(shù)十°c的情況相同的程度。若加 熱面溫度高于300°c，則液滴在保持旋轉(zhuǎn)楠圓體的狀態(tài)下靜止。該狀態(tài)被稱為球形狀態(tài)，液 滴的壽命隨著加熱面溫度的上升而縮短。
[0009] 由此可知，在蒸發(fā)裝置中，加熱面溫度在由萊頓弗羅斯特現(xiàn)象引起的液滴壽命的 延長顯著化的200~30(TC的溫度區(qū)域時，水蒸氣生成效率下降。另外，在繼該溫度區(qū)域之 后的高溫區(qū)域時，也由于殘留因萊頓弗羅斯特現(xiàn)象而一旦延長的液滴壽命的影響，水蒸氣 生成效率低的狀態(tài)持續(xù)。因此，從水蒸氣生成效率的觀點來看，不致使加熱面溫度到達運種 溫度域較為重要。
[0010] 但是，在燃料電池用蒸發(fā)裝置的情況下，由于熱源溫度的關(guān)系，難W避免該溫度區(qū) 域。另外，假設(shè)即使能避免該溫度區(qū)域，也由于在運種情況下熱源溫度過低，因此運轉(zhuǎn)開始 時的啟動特性的變差不可避免。同樣，從降低加熱面溫度運點來看，加熱室的絕熱是有效 的，但由于阻礙運轉(zhuǎn)開始時的加熱面溫度的上升，招致運轉(zhuǎn)開始時的啟動特性的變差。若考 慮運轉(zhuǎn)開始時的啟動特性，則需要通過將熱源溫度即加熱室外的氣氛溫度設(shè)為高溫，來對 加熱室內(nèi)的加熱面進行急速加熱。
[0011] 在專利文獻1所記載的蒸發(fā)裝置中，也考慮了由該萊頓弗羅斯特現(xiàn)象引起的水蒸 氣生成效率的下降，正因為如此，向加熱室內(nèi)的傾斜的加熱面上供給水。目P，當向加熱室內(nèi) 的傾斜的加熱面上供給水時，該水沿傾斜的加熱面流下，W抑制液滴化，由此抑制萊頓弗羅 斯特現(xiàn)象的發(fā)生。在該蒸發(fā)裝置中，進一步采取通過使加熱容器內(nèi)的加熱面為微細的凹凸 面來提高水在加熱面上的潤濕性的對策。
[0012] 但是，如前所述，無論什么對策都需要對加熱面進行高溫且急速加熱，無法降低加 熱面的溫度，因此無法成為根本的問題解決方案。
[0013] 專利文獻1 :特開2011-131141號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的在于提供一種高效率的蒸發(fā)裝置W及使用該裝置的燃料電池系統(tǒng)。 該蒸發(fā)裝置在不降低用于從外部加熱水蒸氣生成用的加熱室內(nèi)的加熱力或?qū)訜崾疫M行 絕熱，由此將加熱室內(nèi)的加熱面維持在受到萊頓弗羅斯特現(xiàn)象影響的高溫域的狀態(tài)下，能 有效地避免由該萊頓弗羅斯特現(xiàn)象引起的水蒸氣生成效率的下降，該燃料電池系統(tǒng)的水蒸 氣生成效率優(yōu)異，進而改性效率優(yōu)異，并且運轉(zhuǎn)開始時的啟動特性也優(yōu)異。
[0015] 為了達到上述目的，本發(fā)明人對如下的技術(shù)進行了深入研究：W通過來自外部的 加熱使水蒸氣生成用加熱室內(nèi)的加熱面升溫至200°cW上的高溫W及對加熱室不進行阻礙 該來自外部的加熱的絕熱為前提，能根本上解決加熱室內(nèi)的加熱面上的萊頓弗羅斯特現(xiàn)象 W及由該現(xiàn)象引起的水蒸氣生成效率下降的問題。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在加熱室內(nèi)的加熱面附近與該 加熱面相接地配置具有耐熱性、柔軟性和吸水性的多孔質(zhì)體頗有成效，作為該具有耐熱性、 柔軟性和吸水性的多孔質(zhì)體，最初著眼于耐熱纖維的集合體，具體而言，著眼于氧化侶長纖 維織物。
[0016] 目P，本發(fā)明人著眼于作為燃料電池用蒸發(fā)裝置中水蒸氣生成用加熱室的結(jié)構(gòu)部件 的螺旋管的有效性，來推進燃料電池的開發(fā)。當使用螺旋管構(gòu)成加熱室時，由于該螺旋管與 外形相同的環(huán)狀體相比較能增大表面面積，因此加熱室內(nèi)的加熱效率較高。另外，可實現(xiàn)與 圓筒狀和圓柱狀器件的同屯、狀組合，因此燃料電池的殼體內(nèi)的空間利用效率進一步提高， 從運兩方面來看能有助于燃料電池的小型化。
[0017] 但在另一方面上，作為加熱面的螺旋管內(nèi)表面的加熱效率提高，易于發(fā)生萊頓弗 羅斯特現(xiàn)象。因此，萊頓弗羅斯特對策較為重要，作為其中一環(huán)節(jié)，首先嘗試在螺旋管內(nèi)與 管內(nèi)表面相接地插入配置由氧化侶長纖維構(gòu)成的套筒狀織物。
[0018] 其結(jié)果，能在短期內(nèi)有效地防止萊頓弗羅斯特現(xiàn)象。運是因為，由插入到管內(nèi)的氧 化侶長纖維構(gòu)成的套筒狀織物通過作為加熱面的螺旋管內(nèi)表面被有效地加熱，并且注入該 套筒狀織物的內(nèi)側(cè)的水在該織物的內(nèi)側(cè)流通的過程中因毛細管現(xiàn)象而擴散滲透到周圍的 套筒狀織物中，在到達螺旋管內(nèi)表面之前的期間結(jié)束蒸發(fā)而不會到達螺旋管內(nèi)表面。
[0019] 然而，判明了在長期內(nèi)具有如下的危險性：為使氧化侶纖維質(zhì)化并賦予柔軟性和 吸水性而包含在纖維中的二氧化娃（Si〇2)被析出及沉淀，由此使螺旋管內(nèi)閉塞。
[0020] 因此，本發(fā)明人著眼于發(fā)泡金屬片材，其作為具有耐熱性、柔軟性和吸水性的多孔 質(zhì)體，代替氧化侶長纖維織物。通過將該發(fā)泡金屬片材卷成筒狀而插入到螺旋狀金屬管內(nèi)， 并再次重復(fù)進行了適應(yīng)性檢查。其結(jié)果，可確認出，W與氧化侶長纖維織物相同的程度對萊 頓弗羅斯特現(xiàn)象有效，而且沒有在氧化侶長纖維織物中成為問題的管閉塞的危險，能經(jīng)得 起長期使用。
[0021] 本發(fā)明的蒸發(fā)裝置是W上述見解為基礎(chǔ)完成的，其具備：加熱室，通過從外部被加 熱而使沿其內(nèi)部的加熱面供給的水蒸發(fā)；和發(fā)泡性部件，W金屬為主體，并被配置成在所述 加熱室內(nèi)的加熱面附近與該加熱面相接。
[0022] 金屬與氧化侶等陶瓷不同，本來就具有彈力性。因此，W金屬為主體的發(fā)泡性部件 在沒有氧化侶長纖維織物中成為問題的二氧化娃的配合的情況下示出耐熱性、柔軟性和吸 水性，從而不具有由析出物引起的閉塞等危險性。
[0023] 在本發(fā)明的蒸發(fā)裝置中，該金屬主體的發(fā)泡性部件被配置成在加熱室內(nèi)的加熱面 附近與該加熱面相接。因此，該發(fā)泡性部件通過加熱面被高效地加熱。由于在加熱面附近 與該加熱面相接地配置有發(fā)泡性部件，因此沿加熱室內(nèi)的加熱面供給的水在與加熱面不直 接接觸的情況下，在與發(fā)泡性部件相鄰的空間流通，并且與經(jīng)加熱的發(fā)泡性部件接觸。其結(jié) 果，由于水在到達加熱面之前浸透到發(fā)泡性部件中，實質(zhì)性地結(jié)束蒸發(fā)，因此即使加熱面的 溫度處于受到萊頓弗羅斯特現(xiàn)象影響的高溫域，也不會受到其影響。目P，浸透到發(fā)泡性部件 中的水在該發(fā)泡性部件中朝向加熱面擴散的中途實質(zhì)性地結(jié)束蒸發(fā)。
[0024] 作為加熱室的結(jié)構(gòu)部件，可列舉方筒狀、圓筒狀和圓環(huán)狀等容器類，在該情況下， 加熱面往往是平坦面或平緩的曲率的曲面，但如前所述，從加熱效率和空間效率運兩點來 看，優(yōu)選管體，特別優(yōu)選螺旋管。當加熱室的結(jié)構(gòu)部件為管體時，管體內(nèi)表面為加熱面，發(fā)泡 性部件為與管體內(nèi)表面相接地被全周配置在該管體內(nèi)表面附近的套筒狀片材。而且，水從 管體的上游側(cè)端部被供給到套筒狀片材內(nèi)側(cè)的空間部，并且在該空間部向下游側(cè)沿管體內(nèi) 表面流通供給的過程中，擴散浸透到周圍的套筒狀片材中，在到達管體內(nèi)表面之前結(jié)束蒸 發(fā)。
[00巧]作為發(fā)泡性部件被配置在管體內(nèi)的套筒狀片材可W是成型品，但若考慮經(jīng)濟性， 則也可W將平板狀片材卷起并壓入到管體內(nèi)，并通過此時的回彈力使該片材與管體內(nèi)表面 接觸。此時，從消除管周向上的裂縫（間隙）的觀點來看，優(yōu)選使被卷起并壓入到管體內(nèi)的 片