CN108028401A - 燃料电池用改性器、燃料电池模块以及燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池用改性器具备：汽化部，其用于将水汽化成水蒸气；改性部，其使在汽化部产生的水蒸气和原始燃料发生反应来生成改性气体；和水供应管，其在汽化部内延伸配置，具有周壁部，所述周壁部在上部设置有在该汽化部内喷出水的水喷出孔，所述改性器使原始燃料与水蒸气发生反应来生成包含水蒸气的改性气体。通过该构成，能提升发电效率或电解效率。另外，本发明的燃料电池模块以及燃料电池装置包含所述燃料电池用改性器，起到同样的效果。

Description

燃料电池用改性器、燃料电池模块以及燃料电池装置
技术领域
本发明涉及燃料电池用改性器、燃料电池模块以及燃料电池装置。
背景技术
近年来，作为下一代能源，提出各种燃料电池模块，其将单元堆装置收纳于收纳容器内而成，所述单元堆装置具备排列多个作为单元(cell)的1种的燃料电池单元的单元堆(cell stack)(例如参考专利文献1、2)。
单元堆装置在多个单元堆的上方配置改性器，并且该改性器形成U字状，具备：汽化部，其将水汽化并生成水蒸气；和改性部，其使用在该汽化部产生的水蒸气来对原始燃料气体进行水蒸气改性。构成为原始燃料气体供应管以及水供应管连接到与改性器的上游侧相连的汽化部，将在汽化部产生的水蒸气和原始燃料气体混合并提供给改性部，在该改性部对原始燃料气体进行改性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2015/080230号
专利文献2：JP特开2007-314399号公报
发明内容
本公开的燃料电池用改性器是使原始燃料与水蒸气发生反应来生成改性气体的燃料电池用改性器。该燃料电池用改性器具备：汽化部，其用于将水汽化成水蒸气；和改性部，其使在所述汽化部产生的水蒸气和原始燃料发生反应来生成改性气体。进而，具备水供应管，其在所述汽化部内延伸配置，具有周壁部，所述周壁部在上部设置有在该汽化部内喷出水的水喷出孔。
另外，本公开的燃料电池模块特征在于，收纳上述的燃料电池用改性器和单元堆而成，该单元堆通过使由所述燃料电池用改性器生成的改性气体和含氧气体发生反应来进行发电。
进而，本公开的燃料电池装置在外装壳体内收纳上述的燃料电池模块和进行该燃料电池模块的运转的辅机而成。
附图说明
本发明的目的、特色以及优点会从下述详细的说明和附图而得以进一步的明确。
图1是表示构成具备本实施方式的燃料电池用改性器的燃料电池模块的单元堆装置的一例的外观的立体图。
图2表示图1所示的单元堆装置，图2A是单元堆装置的侧视图，图2B是图2A的以点线框包围的部分A的局部放大俯视图。
图3是表示本实施方式的燃料电池模块的一例的立体图。
图4是图3所示的模块的截面图。
图5是表示本实施方式的燃料电池模块的另一例的截面图。
图6简要示出收纳于图5所示的模块的改性器，图6A是立体图，图6B是俯视图。
图7是从图6的左侧方观察水供应管的筒状部附近的放大图。
图8是表示在本实施方式的单元堆装置的上方具备图6所示的改性器的构成的一例的侧视图。
图9是表示本实施方式的燃料电池模块的又一例的截面图。
图10是局部简要表示本实施方式的燃料电池模块的废气回收部的底面的俯视图。
图11是概略表示本实施方式的燃料电池装置的一例的分解立体图。
图12简要示出收纳于图5所示的模块的改性器的另一例，图12A是立体图，图12B是俯视图。
图13是简要表示收纳于图5所示的模块的改性器的另一例的内部结构的立体图。
图14是简要表示收纳于图5所示的模块的改性器的另一例的内部结构的立体图。
具体实施方式
以下参考附图来说明本实施方式的燃料电池用改性器、燃料电池模块以及燃料电池装置。另外，对不同的图中的共通的构成要素赋予相同标号。
图1是表示构成具备本实施方式的燃料电池用改性器的燃料电池模块的单元堆装置的一例的外观的立体图，图2表示图1所示的单元堆装置，图2A是单元堆装置的侧视图，图2B是放大表示图2A的以点线框包围的部分A的一部分的截面图。另外，在以后的图中，作为单元而主要使用固体氧化物形态的燃料电池单元来进行说明。
在图1、图2A、2B所示的单元堆装置1中，并置2个单元堆2。单元堆2使燃料电池单元3以竖立设置的状态排列成一列(图1中示出的X方向)，该燃料电池单元3具有燃料气体在内部从一端流通到另一端的气体流路15。另外，将相邻的燃料电池单元3间经由导电构件6串联电连接。进而单元堆2用绝缘性粘接材料9将燃料电池单元3的下端固定在歧管4。
另外，在图1、图2A、2B中作为燃料电池单元3，例示了固体氧化物形态的燃料电池单元3，其为具有多条燃料气体在内部在长边方向上流通的气体流路的中空平板型，在具有气体流路的支承体的表面依次层叠了燃料极层、固体电解质层以及氧极层。另外，在燃料电池单元3之间流通含氧气体。关于燃料电池单元3的构成之后叙述。在本实施方式的燃料电池装置中，燃料电池单元3例如还能设为平板型或圆筒型，相应地，单元堆装置1的形状也能适宜地变更。
另外，配置有经由导电构件6与位于单元堆2的最外侧的燃料电池单元3电连接的单元堆支承体(以下有时会简称作“堆支承体”)7。还能在堆支承体7的外侧设置保护外罩。保护外罩针对与配置于单元堆2的周围的绝热材料的接触或来自外部的碰撞对堆支承体7以及单元堆2进行保护。另外，在堆支承体7连接有突出到单元堆2的外侧的导电部8。
另外，在图1、图2A、2B中示出单元堆装置1具备2个单元堆2的情况，但其个数能适宜地变更。例如单元堆装置1也可以仅具备1个单元堆2。另外，还能将单元堆装置1设为包含后述的改性器的构成。
另外，歧管4具备：气体盒，其存积提供给燃料电池单元3的燃料气体，在上表面具有开口部，和框体，其在内侧固定燃料电池单元3，并固定于气体盒。
燃料电池单元3的一端部(图2A的下端部)被框体包围，由填充于框体的内侧的绝缘性粘接材料9固定燃料电池单元3的下端部的外周。即，单元堆2在框体的内侧排列收容多个燃料电池单元3，用绝缘性粘接材料9粘接在框体。另外，绝缘性粘接材料9由玻璃等材料构成，可以使用考虑热膨胀系数而添加了给定的填料的材料。
另外，在歧管4的上表面连接有流通由后述的改性器生成的燃料气体的气体流通管5。燃料气体经由气体流通管5被提供到歧管4，由歧管4提供到设于燃料电池单元3的内部的气体流路15。
在此，燃料电池单元3如图2B所示那样，由在具有一对对置的平坦面的柱状的导电性支承体(以下有时简称作“支承体”)14的一个平坦面上依次层叠燃料侧电极层10、固体电解质层11以及空气侧电极层12而成的柱状(中空平板状等)构成。另外，在燃料电池单元3的另一个平坦面上设置有内部连接器13，在内部连接器13的外面(上表面)设置有P型半导体层16。经由P型半导体层16，使导电构件6与内部连接器13连接，从而两者的接触成为欧姆接触，减少了电位降，从而能有效避免集电性能的降低。另外，在图1中省略导电构件6、堆支承体7的记载。另外，还能将支承体兼作燃料侧电极层，在其表面依次层叠固体电解质层11以及空气侧电极层12，来构成单元。
燃料侧电极层10能使用一般公知的构成，能由多孔质的导电性陶瓷、例如固溶了稀土类元素氧化物的ZrO2(称作稳定化氧化锆，还包含部分稳定化)、和Ni以及/或者NiO形成。
固体电解质层11具有作为进行燃料侧电极层10、空气侧电极层12间的电子的渡越的电解质的功能。另外同时需要用于防止燃料气体和含氧气体的泄漏的气体阻断性，例如由固溶了3～15摩尔％的稀土类元素氧化物的ZrO2形成。另外，只要具有上述特性，也可以使用其他材料等形成。
空气侧电极层12只要是一般使用的构成就没有特别限制，例如能由ABO3型的钙钛矿型氧化物所构成的导电性陶瓷形成。空气侧电极层12需要具有气体透过性，可将开气孔率设为20％以上，特别可设为30～50％的范围。
作为支承体14，为了将燃料气体透过到燃料侧电极层10而具有气体透过性，进而，为了经由内部连接器13进行导电而具有导电性。因此，作为支承体14能使用导电性陶瓷或金属陶瓷等。在制作燃料电池单元3时，在通过与燃料侧电极层10或固体电解质层11的同时烧成来制作支承体14的情况下，能由铁族金属成分和特定稀土类氧化物形成支承体14。
另外，在图2A、2B所示的燃料电池单元3中，柱状(中空平板状)的支承体14是在竖立设置方向(图1所示的Y方向)上细长延伸的板状片，具有平坦的两端面和半圆形状的两侧方。另外，支承体14为了具备气体透过性，可以将开气孔率设为20％以上，特别可设为25～50％的范围。另外，其导电率可设为300S/cm以上，特别可设为440S/cm以上。进而，支承体14的形状只要是柱状即可，也可以是圆筒状。
作为P型半导体层16，可以例示由过渡金属钙钛矿型氧化物构成的层。具体地，可使用与构成内部连接器13的材料相比电子传导性更大的材料，例如可使用在B位存在Mn、Fe、Co等的LaMnO3系氧化物、LaFeO3系氧化物、LaCoO3系氧化物等至少一种所构成的P型半导体陶瓷。这种P型半导体层16的厚度一般可设为30～100μm的范围内。
内部连接器13如上述那样，可使用铬酸镧系的钙钛矿型氧化物(LaCrO3系氧化物)或镧锶钛系的钙钛矿型氧化物(LaSrTiO3系氧化物)。这些材料具有导电性，且即使与燃料气体(含氢气体)以及含氧气体(空气等)接触，也不会被还原或氧化。另外，内部连接器13为了防止在形成于支承体14的气体流路15流通的燃料气体以及在支承体14的外侧流通的含氧气体这两者的泄漏，是致密质地即可，可以设为具有93％以上、特别是95％以上的相对密度的构成。
并且，为了将燃料电池单元3电连接而介于其间安装的导电构件以及堆支承体7可由有弹性的金属或合金所形成的构件构成，或者可由在金属纤维或合金纤维所形成的毡布施加所需要的表面处理而得到的构件构成。
图3是表示具备本实施方式的单元堆装置18的燃料电池模块(以下简称作模块)的一例的外观立体图，图4是图3所示的模块的截面图。
在图3所示的模块17中，在收纳容器19的内部收纳有本实施方式的单元堆装置18。另外，在单元堆装置18的上方配置有用于生成提供给燃料电池单元3的燃料气体的改性器20。
另外，在图1所示的改性器20中，将经由原始燃料供应管23提供的天然气或灯油等原始燃料进行改性来生成燃料气体。另外，改性器20可设为能进行改性效率良好的改性反应即水蒸气改性的结构。改性器20具备：用于使水汽化的汽化部21；和配置了用于将原始燃料改性成燃料气体的改性催化剂(未图示)的改性部22。
另外，在图3中示出拆下收纳容器19的一部分(前后面)，将收纳于内部的单元堆装置18取出到后方的状态。在此，在图3所示的模块17中，能将单元堆装置18滑动收纳在收纳容器19内。
另外，在收纳容器19的内部配置有含氧气体供应构件24。含氧气体供应构件24配置在并置于歧管4上的单元堆2之间，所提供的含氧气体在燃料电池单元3间从下端部向上端部流动。
如图4所示那样，构成模块17的收纳容器19是具有内壁25和外壁26的二重结构，由外壁26形成收纳容器19的外框，并由内壁25形成收纳单元堆装置18的收纳室27。
在此，收纳容器19具备用于将从外部导入的含氧气体导入到收纳室27的含氧气体导入部28。导入到含氧气体导入部28的含氧气体在形成于内壁25与外壁26之间的与含氧气体导入部28相连的含氧气体流通部29向上方流动。含氧气体接着在与含氧气体流通部29相连的含氧气体分配部30流动。并且在含氧气体分配部30，作为气体供应部的含氧气体供应构件24贯通内壁25而被插入和固定。
含氧气体供应构件24在上端侧具备用于含氧气体流入的含氧气体流入口(未图示)和凸缘部31，在下端部设置有用于将含氧气体导入到燃料电池单元3的下端部的含氧气体流出口32。由此含氧气体分配部30和含氧气体供应构件24相连。另外，在凸缘部31与内壁25之间配置有绝热构件33。
另外，在图4中，含氧气体供应构件24配置为位于并置于收纳容器19的内部的2个单元堆2间，但能根据单元堆2的数量适宜地配置。例如在收纳容器19内仅收纳1个单元堆2的情况下，能设置2个含氧气体供应构件24，从两侧方将单元堆2夹入而配置。
另外，在收纳室27内适宜地设置有用于将模块17内的温度维持在高温的绝热构件33，以使得不会使模块17内的热极端地发散而燃料电池单元3(单元堆2)的温度降低从而发电量减少。
绝热构件33可以配置在单元堆2的近旁，特别是沿着燃料电池单元3的排列方向配置在单元堆2的侧方。进而可以配置具有与单元堆2的侧方的沿着燃料电池单元3的排列方向的宽度同等或以上的宽度的绝热构件33。另外，绝热构件33还能配置在单元堆2的两侧方。由此能有效地抑制单元堆2的温度降低。进而，能抑制由含氧气体供应构件24导入的含氧气体从单元堆2的侧方漏出，能将构成单元堆2的燃料电池单元3间的含氧气体的气流增量。
另外，在配置于单元堆2的两侧方的绝热构件33设置有开口部34，其用于调整提供给燃料电池单元3的含氧气体的气流，减小单元堆2的长边方向以及燃料电池单元3的层叠方向上的温度分布的偏差(不均匀)。
另外，在沿着燃料电池单元3的排列方向的内壁25的内侧设置有废气用内壁35，收纳室27的侧方的内壁25与废气用内壁35之间被作为收纳室27内的废气从上方向下方流动的废气流通部36。
另外，在收纳室27的下方的含氧气体导入部28的上方设置有与废气流通部36相连的废气收集部37。废气收集部37与设于收纳容器19的底部的排气孔38相通。另外，在废气用内壁35的单元堆2侧也配设有绝热构件33。
由此，成为如下构成：伴随模块17的工作(启动处理时、发电时、停止处理时)而产生的废气在流过废气流通部36、废气收集部37后从排气孔38被排气。另外，排气孔38可以将收纳容器19的底部的一部分切去而形成，或者也可以通过设置管状的构件来形成。
另外，在含氧气体供应构件24的内部，用于测定单元堆2近旁的温度的热电偶39配置成其测温部40位于燃料电池单元3的长边方向的中央部且燃料电池单元3的排列方向上的中央部。
另外，上述的构成的模块17构成为：通过使从燃料电池单元3中的气体流路15排出的未使用在发电中的燃料气体和含氧气体在燃料电池单元3的上端与改性器20之间燃烧，从而能使燃料电池单元3的温度上升并维持。由此能使配置于燃料电池单元3(单元堆2)的上方的改性器20加温，能在改性器20效率良好地进行改性反应。另外，在通常发电时，伴随上述燃烧和燃料电池单元3的发电，模块17内的温度成为500～800℃程度。
在此，在提升燃料电池单元3的发电效率时，含氧气体所流过的各流路可设为含氧气体能效率良好地流过的结构。即，在图4所示的模块17中，可设为如下这样的含氧气体效率良好地流动且被均等分配的结构：含氧气体被导入到含氧气体导入部28，流过收纳室27的两侧方，并经由含氧气体分配部30被导入到含氧气体供应构件24。
即，在本实施方式的模块17中，含氧气体流通部29的宽度W2窄于含氧气体导入部28的宽度W1。由此能使导入到含氧气体导入部28的含氧气体效率良好地流到含氧气体流通部29。
在此，含氧气体流通部29的宽度W2可设为即使因收纳容器19的随时间劣化、温度的上升、下降所引起的应力应变的积蓄等而内壁25或外壁26发生变形也不会闭塞的宽度，具体可设为含氧气体导入部28的宽度W1的1/3～1/30的宽度。另外，对于含氧气体导入部28的宽度W1没有特别限制，但若过大就会有模块大型化的问题。
另外，位于收纳室27各自的侧方的含氧气体流通部29的宽度W2(一方的W2未显示)可使相互的宽度之差在±10％的范围内。由此，导入到含氧气体导入部28的含氧气体会在收纳室27各自的侧方流过大致相同的量。
接下来在本实施方式中，含氧气体供应构件24的宽度W4窄于含氧气体分配部30的宽度W3。由此能使导入到含氧气体分配部30的含氧气体效率良好地流到含氧气体供应构件24。
在此，含氧气体供应构件24的宽度W4可设为即使因随时间劣化、温度的上升、下降所引起的应力应变的积蓄等而含氧气体供应构件24发生变形也不会闭塞的宽度，具体可设为含氧气体分配部30的宽度W3的1/2～1/30的宽度。另外，关于含氧气体分配部30的宽度W3没有特别限制，但若过大就会有模块大型化的问题。另外，在决定上述宽度时还考虑含氧气体流出口32的压力损失。
另一方面，在收纳室27中产生未利用在发电中的燃料气体、含氧气体、燃烧该燃料气体而生成的燃烧气体等废气等。关于该废气，也效率良好地排出到收纳容器19的外部，结果对燃料电池单元3效率良好地提供了含氧气体。
为此在本实施方式的模块17中，设于收纳室27的侧方的废气流通部36的宽度W5窄于设于收纳室27的下方的废气收集部37的宽度W6。由此，流过收纳室27各自的侧方的废气流通部36的废气在废气收集部37中效率良好地混合，经由排气孔38效率良好地排气到外部。
在此，废气流通部36的宽度W5可设为即使因随时间劣化、温度的上升、下降所引起的应力应变的积蓄等而废气流通部36发生变形也不会闭塞的宽度，即，可设为废气收集部37的宽度W6的1/3～1/30的宽度。另外，关于废气收集部37的宽度W6没有特别限制，但若过大就会有模块大型化的问题。
另外，位于收纳室27各自的侧方的废气流通部36的宽度W5(一方的W5未显示)可使相互的宽度之差在±10％的范围内。由此，收纳室27中的废气在收纳室27各自的侧方流过大致相同量。
图5是表示本实施方式的模块的另一例的截面图。图5所示的模块41与图4所示的模块17比较，有如下不同点：在收纳室42内具备4个单元堆装置43；在各单元堆装置43之间设置有废气流通构件44；如图5所示那样在4个单元堆的上方设置有1个改性器45。另外，对与图4所示的模块17相同的构成使用相同标号，省略说明。
在收纳室42内收纳多个单元堆装置43的情况下，特别是从位于中央部侧的单元堆装置43中的燃料电池单元3到位于收纳室42的侧方的废气流通部36的距离变长。因此，有时难以将从位于中央部侧的单元堆装置43中的燃料电池单元3排出的废气效率良好地排出到外部。
例如在燃料电池单元3的上端侧，使未使用在发电中的燃料气体燃烧，通过该燃烧热将燃料电池单元3的温度维持在高温，在这样的构成的燃料电池装置中，由于废气滞留在燃料电池单元3的上端侧，因而不能使未使用在发电中的燃料气体充分燃烧，有可能会失火。特别在出现失火的情况下，有时燃料电池单元的温度不上升或不能维持在高温，在该情况下，作为结果，燃料电池单元3(单元堆装置43)的发电量有可能会降低。
为了消除这一情况，在图5所示的本实施方式的模块41中，除了设置有上述的废气流通部36以外，还在相邻的单元堆装置43之间设置有用于排出未使用在发电中的废气的废气流通构件44。
该废气流通构件44由筒状的容器构成，在上端部，在两侧方具备与收纳室42连通的废气流入口46，下端即排出口47与设于收纳室42的下方的废气收集部37连通。另外，在图5中，示出由长方体状且筒状的容器形成废气流通构件44的示例，但也可以是将圆筒状的容器排列多个的构成。
即，在各个单元堆装置43的侧方配置有废气流通部36或废气流通构件44的任一者，发电中未使用的废气效率良好地流过对于构成各个单元堆装置43的单元堆2而言近的一侧的废气流通部36或废气流通构件44。
由此能抑制废气滞留在燃料电池单元3的上端侧，能效率良好地将废气排气。另外，在使得在燃料电池单元3的上方燃烧的构成的单元堆装置43中，由于能抑制失火，因此发电量提升。
另外，废气流通构件44的宽度W7窄于设于收纳室42的下方的废气收集部37的宽度W6。由此，流过废气流通构件44的废气在废气收集部37效率良好地混合，经由排气孔38排出到外部。
具体地，废气流通构件44的宽度W7可设为废气收集部37的宽度W6的1/3～1/30的宽度。另外，关于废气收集部37的宽度W6没有特别限制，但若过大就会有模块大型化的问题。
另外，各个废气流通构件44的宽度W7(仅显示1个)可将相互宽度之差设为±10％的范围内。由此在各个废气流通构件44流过大致相同量的废气。
图6A、图6B分别是简要表示收纳于图5所示的模块的改性器的立体图以及俯视图，图7是从图6A、6B的左侧方观察水供应管48的筒状部48a附近的放大图，图8是表示在本实施方式的单元堆装置的上方具备图6A、6B所示的改性器的构成的一例的侧视图。
在图5的模块41中，在4个单元堆2的上方具备图6A、6B所示的W字状(曲折形状)的改性器45。
改性器45如图6A、6B所示那样具备：将水汽化来生成水蒸气的汽化部45a；和使用在该汽化部45a产生的水蒸气来将原始燃料改性成水蒸气的改性的改性部45b。
汽化部45a具备：水蒸气从一端侧流到另一端侧的汽化部去路45a1；和水蒸气从另一端侧流到一端侧的汽化部归路45a2。另外，在汽化部去路45a1具备：从一端部向内部沿着汽化部去路45a1突出的筒状部48a；和与一端部连接、对筒状部48a提供水的水供应部48b。另外，筒状部48a可以是设置为从构成汽化部45a的管体突出到内侧，且在该筒状部48a同轴连接了作为水供应部48b的水供应管48的分体结构，除此以外，也可以是将作为水供应部48b的水供应管48从外部插入到内部，水供应管48的一部分成为筒状部48a的一体结构。在以下的说明中，使用水供应管48从外部插入到内部的构成进行说明。
另外，改性部45b具备：将由作为原始燃料供应部的原始燃料供应管23提供的原始燃料改性而生成的改性气体从一端侧流到另一端侧的改性部去路45b1；和改性气体从另一端侧流到一端侧的改性部归路45b2。在改性部归路45b2连接有用于导出改性气体的改性气体导出管49。在图6A、6B所示的改性器45中，水供应管48、原始燃料供应管23以及改性气体导出管49与改性器45的一方侧连接。
进而在改性器45中，汽化部去路45a1的另一端侧和汽化部归路45a2的另一端侧由连结路(以下称作“汽化部连结路”)45c1连结，汽化部归路45a2的一端侧和改性部去路45b1的一端侧由连结路(以下称作“汽化改性部连结路”)45c2连结，改性部去路45b1的另一端侧和改性部归路45b2的另一端侧由连结路(以下称作“改性部连结路”)45c3连结，汽化部去路45a1、汽化部归路45a2、改性部去路45b1和改性部归路45b2侧方对置地并置。
水供应管48在插入到汽化部去路45a1内的部位的周壁部即筒状部48a的上部设有多个水喷出孔48a1。由此，使水一边沿着筒状部48a的周面分散一边流出，能使筒状部48a和水直接热交换。进而也可以在上下方向的中间部的两侧设置多个水喷出孔48a2。由此能效率良好地喷出水。另外，筒状部48a的前端部也可以被端壁部48a3闭塞。由此能使流过筒状部48a的水一边更加沿着筒状部48a的周面分散一边流出。这样的水供应管48能适宜用于对前述的图3所示的模块17的改性器20均匀地提供水。
在改性器45中，提供到汽化部去路45a1的水从简状部48a的各水喷出孔48a1、48a2溢出，一边沿着筒状部48a的周面分散一边流出，能使筒状部48a和水直接热交换。由此促进了水的汽化，从而能使提供的水效率良好地汽化。另外，在筒状部48a内将水汽化的情况下，从各水喷出孔48a1、48a2喷出水蒸气，水蒸气一边沿着筒状部48a的周面分散一边流动。这样生成的水蒸气依次流经汽化部连结路45c1、汽化部归路45a2、汽化改性部连结路45c2、改性部去路45b1。另外，在汽化改性部连结路45c2中，从作为原始燃料供应部23b的原始燃料供应管23提供原始燃料，在汽化改性部连结路45c2中与水蒸气混合，在流过改性部去路45b1、改性部连结路45c3、改性部归路45b2的期间被改性，生成含氢的改性气体(燃料气体)，从改性气体导出管49被导出。
汽化部去路45a1、汽化部归路45a2、改性部去路45b1、改性部归路45b2、汽化部连结路45c1、汽化改性部连结路45c2、改性部连结路45c3由横截面为矩形的管体构成。
另外，在汽化部去路45a1以及汽化部归路45a2内分别设置间隔板45a11、45a21，这些间隔板45a11、45a21间被作为汽化室。水供应管48的前端部(筒状部)位于间隔板45a11的上游侧，经由各水喷出孔48a1、48a2对汽化室近前的位置提供水。
由此，防止与汽化部去路45a1的间隔板45a11相比更靠上游侧的区域中的局部的温度降低，防止了温度分布的偏差，能实现温度分布的均匀化。另外，通过使温度分布均匀化，还防止产生失火，能实现发电效率或改性效率的提升。进而在汽化室内，为了促进汽化而收纳有陶瓷球，间隔板45a11、45a21形成为水蒸气通过但陶瓷球不通过。另外，这些间隔板45a11、45a21能按照改性器的结构、后述的单元堆的结构等而适宜地变更配置。
另外，在汽化部45a中，通过将水喷出孔48a1、48a2的孔径设为小于陶瓷球的粒径的直径，能防止陶瓷球从水喷出孔48a1、48a2进入到水供应管48内。通过该构成，将配置于上游侧的间隔板45a11消除或保持设置状态，将陶瓷球填充到比该间隔板45a11更靠上游侧的区域内，能促进水的汽化。这样的各水喷出孔48a1、48a2的孔径在陶瓷球的粒径为2mm～4mm的情况下，例如选择1.5mm～3.5mm。
进而在改性部去路45b1以及改性部归路45b2内也分别配置间隔板45b11、45b21，位于间隔板45b11、45b21间的改性部去路45b1、改性部连结路45c3、改性部归路45b2被作为改性室。在该改性室收纳有改性催化剂。间隔板45b11、45b21构成为水蒸气、原始燃料、改性气体等气体能通过但改性催化剂不能通过。另外，这些间隔板45b11、45b21能对应于改性器的结构、后述的单元堆的结构等适宜地变更配置。
在这样的改性器45中，在汽化部45a与改性部45b之间即汽化改性部连结路45c2连接有提供原始燃料的原始燃料供应部23b即原始燃料供应管23。在这样的改性器45中，由于原始燃料供应管23与比连接有水供应管48的汽化部去路45a1更靠下游侧的汽化改性部连结路45c2连接，因此提供水的地点和提供原始燃料的地点隔着构成汽化部去路45a1的管体与构成汽化部归路45a2的管体之间的空间。另外，若在水蒸气的流动方向上观察，流动方向的长度长。因此，即使原始燃料是低温，在追加混合原始燃料时，所提供的水也几乎发生了汽化，能抑制改性器45的一部分(汽化部去路45a1)的低温化。由此能使改性效率提升。
然后如图8所示那样，在改性器45生成的改性气体(燃料气体)被改性气体导出管49提供到2个歧管4，经由歧管4提供到设于燃料电池单元3的内部的气体流路。
另外，在改性器45生成的改性气体如图8所示那样，通过改性气体导出管49经由分配器70提供到2个歧管4。即，改性气体导出管49具备：从改性器45到分配器70的U字状的第1改性气体导出管49a；和从分配器70分别延伸到下方的2个歧管4的第2改性气体导出管49b。为了将改性气体均等地提供到歧管4，第1改性气体导出管49a、第2改性气体导出管49b的长度考虑压力损失而设为相同长度。
另外，在改性器45中，汽化部去路45a1、汽化部归路45a2、改性部去路45b1、改性部归路45b2分别与1个单元堆对应，并配置在各单元堆的上方。由此，能将汽化部去路45a1、汽化部归路45a2、改性部去路45b1、改性部归路45b2各自效率良好地进行加热。
另外，其他构成(例如水供应管48、间隔板的场所等)能适宜地变更，并不限于这些示例。
图9是表示本实施方式的燃料电池模块的又一例的截面图。
图9所示的模块50与图5所示的模块41比较，不同点在于：未设置配置于各单元堆装置之间的废气流通构件44，在收纳室42的上方具备回收由燃料电池单元3排出的废气的废气回收部51，废气回收部51和废气流通部36相连。
在图5所示的模块41中，虽然有能将由燃料电池单元3排出的废气效率良好地排出到外部的益处，但由于流过废气流通构件44的废气不与由外部提供的含氧气体进行热交换，因此在由外部提供的含氧气体与由燃料电池单元3排出的废气的热交换的点上尚有改善的余地。
为此在图9所示的模块50中，在收纳室42的上方设置回收由燃料电池单元3排出的废气的废气回收部51，该废气回收部51和废气流通部36相连，由此由燃料电池单元3排出的废气的全量能与由外部提供的含氧气体进行热交换。由此能将温度上升的含氧气体提供到燃料电池单元3，作为结果，能使发电效率提升。
在此可构成为回收到废气回收部51的废气效率良好地流到废气流通部36。在本实施方式的模块50中，设于收纳室42的侧方的废气流通部36的宽度W5窄于废气回收部51的宽度W8。由此，回收到废气回收部51的废气效率良好地流到收纳室42各自的侧方的废气流通部36。结果，与含氧气体的热交换提升，发电效率提升。
在此，废气流通部36的宽度W5可设为废气回收部51的宽度W8的1/3～1/30。另外，关于废气回收部51的宽度W8没有特别限制，但若过大，就会有模块大型化的问题。
另外，在该废气回收部51的底面设置有与收纳室42相连的回收孔52。由此，排出到收纳室42的废气经由回收孔52流到废气回收部51。
图10表示部分摘录示出废气回收部51的底面的俯视图，为了获知与改性器45的位置关系而以点线表示改性器45。
如图10所示那样，设于废气回收部51的底面的回收孔52可以与改性器45对置而设。如先前所述那样，通过用使由燃料电池单元3排出的废气燃烧而产生的燃烧热对改性器45进行加热，能提升改性效率。为此，由燃料电池单元3排出的废气(燃烧废气)可以在流经改性器45的周围后流到废气回收部51。
在本实施方式的模块50中，将回收孔52与改性器45对置而设。由此，由燃料电池单元3排出的废气(燃烧废气)在效率良好地流经改性器45的周围后流到废气回收部51。由此能使改性器45的温度效率良好地上升，从而能提升改性效率。
另外，在图10中，示出与改性器45中的汽化部去路45a1、汽化部归路45a2、改性部去路45b1、改性部归路45b2分别对置地设置相同数量的回收孔52的示例，但回收孔52的数量并不限于此。
例如在改性器45中，汽化部去路45a1由于与水的汽化相伴的吸热反应而温度降低，进而位于其下方的单元堆2的温度也有可能降低，因此为了使汽化部去路45a1的温度上升，可以增多与汽化部去路45a1对置的回收孔52的数量。另外，回收孔52的数量和配置能适宜地设定。
图11是表示在外装壳体内收纳模块17、41、50的任一者和用于使各模块工作的辅机的燃料电池装置的一例的分解立体图。另外，在图11中省略一部分构成而示出。
图11所示的燃料电池装置53构成为通过间隔板56将由支柱54和外装板55构成的外装壳体内上下划分，将其上方侧作为收纳上述的各模块的模块收纳室57，将下方侧作为收纳用于使各模块工作的辅机类的辅机收纳室58。另外，省略收纳于辅机收纳室58的辅机类而示出。
另外，在间隔板56设置有用于使辅机收纳室58的空气流到模块收纳室57侧的空气流通口59，在构成模块收纳室57的外装板55的一部分设置有用于将模块收纳室57内的空气排气的排气口60。
在这样的燃料电池装置中，通过将上述那样的各模块收纳于外装壳体内，能做出发电效率提升的燃料电池装置53。
以上详细说明了本发明，但本发明并不限定于上述的实施方式，能在不脱离本发明的要旨的范围内进行种种变更、改良等。
例如在上述形态的模块41、50中，说明了具备在4个单元堆2的上方配置1个改性器45的单元堆装置的形态，但例如也可以是在2个或3个单元堆2的上方配置1个改性器的单元堆装置，进而，也可以是在5个以上的单元堆的上方配置1个改性器的单元堆装置。在该情况下，改性器的形状适宜地变更即可。
进而，说明了在1个歧管4配置2个单元堆2的形态，但也可以在1个歧管配置1个单元堆，另外还可以在1个歧管配置3个以上的单元堆。
进而，在上述的示例中使用所谓的被称作纵纹型的燃料电池单元3进行了说明，但还能使用一般称作横纹型的将多个发电元件部设于支承体上的燃料电池单元。
图12是简要示出收纳于图5所示的模块的改性器的另一例的立体图，图12A是改性器的立体图，图12B是改性器的俯视图。本实施方式的改性器145与收纳于图5所示的模块41的图6A、6B的改性器45比较，汽化部和水供应管的构成不同。以下以与图6所示的改性器45不同的部分为中心进行说明。
设于改性器145的汽化部145a具备：汽化部去路145a1；和与汽化部去路145a1连通并且水蒸气从另一端侧流到一端侧的汽化部归路145a2。另外，从汽化部去路145a1的一端部向内部插通水供应管148。水供应管148从汽化部去路145a1经由作为汽化部145a的一部分的汽化部连结路145c1抵达汽化部归路145a2而配设。
水供应管148具备：从汽化部去路145a1的一端部突出到外侧的水供应部148a；配设于汽化部去路内的第1筒状部148b；配设于汽化部连结路145c1内的第2筒状部148c；和配设于汽化部归路145a2内的第3筒状部148d。即，水供应管148从汽化部去路145a1抵达汽化部归路145a2而配设。配设于汽化部145a内部的水供应管148整体的形状在从上观察改性器145的俯视观察下是J字状或U字状。
在此，在汽化部归路145a2内的第3筒状部148d的周壁部的上部(与图12的纸面垂直的近前侧)设置有多个水喷出孔148d1。另外，也可以在上下方向的中间部的两侧设置多个水喷出孔。另外，水供应管148的前端部148e被闭塞。进而，水喷出孔148d1仅设置在第3筒状部148d，但也可以遍布第2筒状部148c、第1筒状部148b而设。
在改性器145的汽化部归路145a2中，提供到水供应管148的水从第3筒状部148d的水喷出孔148d1溢出。溢出的水一边沿着第3筒状部148d的周面分散一边流动，由此能使水供应管148和水直接热交换。由此促进了水的汽化，从而能使所提供的水效率良好地汽化。
另外，在筒状部148b～148d内将水汽化的情况下，从各水喷出孔148d1、148d2喷出水蒸气，水蒸气一边沿着第3筒状部148d的周面分散一边流动。如此生成的水蒸气流过汽化改性部连结路145c2、改性部去路145b1。另外，在汽化改性部连结路145c2中，从原始燃料供应管23提供原始燃料。在汽化改性部连结路145c中原始燃料和水蒸气混合，在流过改性部去路145b1、改性部连结路145c3、改性部归路145b2的期间被改性，生成含氢的改性气体(燃料气体)，从改性气体导出管49被导出。
另外，汽化部去路145a1、汽化部连结路145c1、汽化部归路145a2、汽化改性部连结路145c2、改性部去路145b1、改性部连结路145c3、改性部归路145b2按照该顺序连通，是横截面为矩形的管体。
另外，在汽化部归路145a2内设置间隔板145a21，从这些汽化部去路的一端侧起，间隔板145a21间被作为汽化室，水供应管148的前端部148e位于间隔板145a21的上游侧。
在这样的改性器145中，提供到水供应管148的水被配设于汽化部去路145a1、汽化部连结路145c1、汽化部归路145a2的比较长的水供应管148充分加热而汽化，由此能从水喷出孔148d1作为高温的水蒸气而喷出。因此，即使由比汽化部归路145a2更靠下游侧的汽化改性部连结路145c2连接的原始燃料供应管23所提供的原始燃料是低温，也能抑制改性器中的温度降低，因此能提升改性效率。另外，由于水蒸气的产生效率提升，因此能将更多的改性水提供到改性器145。另外，由于由改性器145改性后的气体的品质提升，因此能使燃料电池单元长时间稳定工作。
图13是简要表示收纳于图5所示的模块的改性器的又一例的内部结构的立体图。本实施方式的改性器245与图12所示的前述的改性器比较，水供应管以及燃料供应管的构成不同。另外，与前述的实施方式对应的部分标注相同参考标号。
兼作水供应管和原始燃料供应管的二重配管248具有外管和内管，在内管内使原始燃料流通，并在外侧的流路即内管与外管之间使水流通。从汽化部去路的一端侧插通到改性器145的内部的二重配管248由如下要素构成：从汽化部去路145a1的一端部突出到外侧的供应部248a；配设于汽化部去路内的第1二重配管部分248b；配设于汽化部连结路145c1内的第2二重配管部分248c；和配设于汽化部归路145a2内的第3二重配管部分248d。二重配管248整体的形状在俯视观察下是J字状或U字状。另外，二重配管248的端部248e虽然内管开放，但内管与外管之间闭塞。
提供到二重配管248的外侧的流路的水随着流过第1二重配管部分248b、第2二重配管部分248c、第3二重配管部分248d而被加热。之后，从仅在第3二重配管部分248d的外管开口的水喷出孔248d1流出水，成为水蒸气，或在流过各二重配管部分的期间成为水蒸气，并从水喷出孔248d1喷出。
另外，提供到二重配管248的内管的燃料气体在第1二重配管部分248b、第2二重配管部分248c、第3二重配管部分248d流通的期间被加热，从内管开放的二重配管的端部248e流出。
从二重配管的端部248e流出的原始燃料一边与在汽化部145a产生的水蒸气混合，一边经由汽化改性部连结路145c2，经过改性部去路145b1、改性部连结路145c3、改性部归路145b2被改性，作为改性气体而从改性气体导出管49导出。
由于通过从汽化部去路145a1抵达汽化部归路145a2而设的二重配管248，温度高的原始燃料和水蒸气合流，因此能抑制在改性部145b的温度的降低，能提升改性效率。
另外，图14是简要示出收纳于图5所示的模块的改性器的又一例的内部结构的立体图。本实施方式的改性器345与图13所示的前述的改性器比较，水供应管的构成不同。另外，与前述的实施方式对应的部分标注相同参考标号。
图14所示的水供应管348，虽未图示，但在改性器345的外部将提供到改性器345的水和原始燃料预先混合而提供。即，水供应管348是一起提供水和原始燃料的共用管，能减少与改性器345连接的管的数量。
该水供应管348由如下要素构成：从汽化部去路145a1的一端部突出到外侧的水供应部348a；配设于汽化部去路内的第1筒状部348b；配设于汽化部连结路145c1内的第2筒状部348c；和配设于汽化部归路145a2内的第3筒状部348d。水供应管348从汽化部去路145a1抵达汽化部归路145a2而配设。配设于汽化部145a内部的水供应管348整体的形状在俯视观察下为J字状或U字状。另外，水供应管348的端部348e闭塞。
以这样的水供应管348提供的水随着流过第1筒状部348b、第2筒状部348c和第3筒状部348d而被加热。之后从设于第3筒状部348d的水喷出孔348d1流出水，成为水蒸气，或在流过各筒状部的期间成为水蒸气，并从水喷出孔348d1喷出。特别在流过各筒状部的期间成为水蒸气的情况下，水蒸气在与原始燃料混合的状态下从水喷出孔348d1喷出。由此水蒸气和原始燃料在混合状态良好的状态下从水喷出孔喷出，接下来流到改性部，因此能提升改性效率。
本发明能不脱离其精神或主要特征地以其他各种形态实施。因此，前述的实施方式在所有点上都只是例示，本发明的范围在权利要求书中示出，而不受限于说明书正文。进而，属于权利要求书的变形和变更全都是本发明的范围内。
标号的说明
2 单元堆
17、41、50 燃料电池模块
20、45、145、245、345 改性器
21、45a、145a 汽化部
22、45b、145b 改性部
48、148、348 水供应管
53 燃料电池装置

Claims (7)

1.一种燃料电池用改性器，使原始燃料与水蒸气发生反应来生成改性气体，
所述燃料电池用改性器的特征在于，包含：
汽化部，其用于将水汽化成水蒸气；
改性部，其使在所述汽化部产生的水蒸气与原始燃料发生反应来生成改性气体；和
水供应管，其在所述汽化部内延伸配置，具有周壁部，所述周壁部在上部设置有在该汽化部内喷出水的水喷出孔。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用改性器，其特征在于，
所述水喷出孔还设置于所述周壁部的上下方向的中间部。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用改性器，其特征在于，
所述水供应管的前端部闭塞。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池用改性器，其特征在于，
在所述汽化部中收纳粒状的陶瓷球，
所述水喷出孔具有小于所述陶瓷球的粒径的孔径。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池用改性器，其特征在于，
所述汽化部包含：
汽化部去路；和
汽化部归路，其与该汽化部去路连通，并且水蒸气从另一端侧流到一端侧，
所述水供应管插通到所述汽化部去路的内部，从所述汽化部去路一直配设到所述汽化部归路。
6.一种燃料电池模块，其特征在于，
收纳权利要求1～5中任一项所述的燃料电池用改性器和单元堆而成，
所述单元堆使由所述燃料电池用改性器生成的改性气体和含氧气体发生反应来进行发电。
7.一种燃料电池装置，其特征在于，
在外装壳体内收纳权利要求6所述的燃料电池模块和进行该燃料电池模块的运转的辅机而成。
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