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(cuò)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(yùn)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(dòng)勢(shì)。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(lái)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(guò)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(guò)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(shí)使用水蒸氣改性和部分氧化 改性的方法，通過(guò)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(diǎn)來(lái)看，優(yōu)選第一種水蒸氣改性氣體。 陽(yáng)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(guò)來(lái)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(zhuān)利文獻(xiàn)1中記載了其中一種。在 專(zhuān)利文獻(xiàn)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(guò)從電池堆排出的排氣的燃燒熱而從外部被加熱。
[0006] 運(yùn)種燃料電池用蒸發(fā)裝置中的問(wèn)題之一為如下：不論熱源為來(lái)自電池堆的福射 熱，還是來(lái)自電池堆的排氣能，由于熱源溫度高達(dá)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(yùn)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(duì)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(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。 陽(yáng)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(rùn)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?yàn)楹朔序v區(qū)域，加熱面上的液滴在加熱面上擴(kuò)散較大并急速沸騰而消失。該核沸騰區(qū) 域?yàn)檎舭l(fā)效率最高的溫度區(qū)域。
[0008] 與此相對(duì)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(shí)，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(zhǎng)顯著化的200~30(TC的溫度區(qū)域時(shí)，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(shí)，也由于殘留因萊頓弗羅斯特現(xiàn)象而一旦延長(zhǎng)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(diǎn)來(lái)看，不致使加熱面溫度到達(dá)運(yùn)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(yùn)種情況下熱源溫度過(guò)低，因此運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始 時(shí)的啟動(dòng)特性的變差不可避免。同樣，從降低加熱面溫度運(yùn)點(diǎn)來(lái)看，加熱室的絕熱是有效 的，但由于阻礙運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的加熱面溫度的上升，招致運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)特性的變差。若考 慮運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)特性，則需要通過(guò)將熱源溫度即加熱室外的氣氛溫度設(shè)為高溫，來(lái)對(duì) 加熱室內(nèi)的加熱面進(jìn)行急速加熱。
[0011] 在專(zhuān)利文獻(xiàn)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?yàn)槿绱耍蚣訜崾覂?nèi)的傾斜的加熱面上供給水。目P，當(dāng)向加熱室內(nèi) 的傾斜的加熱面上供給水時(shí)，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(jìn)一步采取通過(guò)使加熱容器內(nèi)的加熱面為微細(xì)的凹凸 面來(lái)提高水在加熱面上的潤(rùn)濕性的對(duì)策。
[0012] 但是，如前所述，無(wú)論什么對(duì)策都需要對(duì)加熱面進(jìn)行高溫且急速加熱，無(wú)法降低加 熱面的溫度，因此無(wú)法成為根本的問(wèn)題解決方案。
[0013] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :特開(kāi)2011-131141號(hào)公報(bào)

【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(jìn)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(jìn)而改性效率優(yōu)異，并且運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)特性也優(yōu)異。
[0015] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明人對(duì)如下的技術(shù)進(jìn)行了深入研究：W通過(guò)來(lái)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(duì)加熱室不進(jìn)行阻礙 該來(lái)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(wèn)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(zhǎng)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(lái)推進(jìn)燃料電池的開(kāi)發(fā)。當(dāng)使用螺旋管構(gòu)成加熱室時(shí)，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(shí)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(jìn)一步提高， 從運(yùn)兩方面來(lái)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(duì)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(zhǎng)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(yùn)是因?yàn)?，由插入到管?nèi)的氧 化侶長(zhǎng)纖維構(gòu)成的套筒狀織物通過(guò)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(guò)程中因毛細(xì)管現(xiàn)象而擴(kuò)散滲透到周?chē)?套筒狀織物中，在到達(dá)螺旋管內(nèi)表面之前的期間結(jié)束蒸發(fā)而不會(huì)到達(dá)螺旋管內(nèi)表面。
[0019] 然而，判明了在長(zhǎng)期內(nèi)具有如下的危險(xiǎn)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(zhǎng)纖維織物。通過(guò)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(jìn)行了適應(yīng)性檢查。其結(jié)果，可確認(rèn)出，W與氧化侶長(zhǎng)纖維織物相同的程度對(duì)萊 頓弗羅斯特現(xiàn)象有效，而且沒(méi)有在氧化侶長(zhǎng)纖維織物中成為問(wèn)題的管閉塞的危險(xiǎn)，能經(jīng)得 起長(zhǎng)期使用。
[0021] 本發(fā)明的蒸發(fā)裝置是W上述見(jiàn)解為基礎(chǔ)完成的，其具備：加熱室，通過(guò)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(lái)就具有彈力性。因此，W金屬為主體的發(fā)泡性部件 在沒(méi)有氧化侶長(zhǎng)纖維織物中成為問(wèn)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(xiǎn)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(guò)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(dá)加熱面之前浸透到發(fā)泡性部件中，實(shí)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(huì)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(kuò)散的中途實(shí)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(lèi)，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(yùn)兩點(diǎn)來(lái) 看，優(yōu)選管體，特別優(yōu)選螺旋管。當(dāng)加熱室的結(jié)構(gòu)部件為管體時(shí)，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(guò)程中，擴(kuò)散浸透到周?chē)奶淄矤钇闹校诘竭_(dá)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(jì)性， 則也可W將平板狀片材卷起并壓入到管體內(nèi)，并通過(guò)此時(shí)的回彈力使該片材與管體內(nèi)表面 接觸。此時(shí)，從消除管周向上的裂縫（間隙）的觀點(diǎn)來(lái)看，優(yōu)選使被卷起并壓入到管體內(nèi)的 片