JP2016023106A - 蒸発器及びこれを備えた燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制することのできる蒸発器、及びこれを備えた燃料電池装置を提供すること。
【解決手段】この蒸発器３０１は、蒸発空間（第１空間３８１，第２空間３８２）のうち水蒸気が流れる方向における上流側の端部全体に、水が貯留される貯水部ＷＳが形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、水蒸気を発生させる蒸発器及びこれを備えた燃料電池装置に関する。

都市ガス等に含まれるメタンを水蒸気改質して水素を発生させる改質器は、水蒸気改質反応のための水蒸気の供給を必要とする。このため、水を加熱して水蒸気を発生させ、当該水蒸気を改質器に供給する蒸発器が、改質器と共に又は改質器と一体となって備えられるのが一般的である。

改質器における水蒸気改質反応を安定して生じさせるためには、改質器の内部に配置された改質触媒の温度を高温に保つこと、及び改質触媒の表面における炭素析出を抑制することが求められる。改質触媒の温度の低下は、蒸発器からの水蒸気の供給量が増加しすぎてしまった場合に生じる。また、改質触媒の表面における炭素析出は、蒸発器からの水蒸気の供給量が低下して相対的にメタンが過剰となってしまった場合に生じる。このため、蒸発器には、改質器に対する水蒸気の供給量を可能な限り一定に保つことが求められる。

しかしながら、蒸発器の内部で水が沸騰して大きな気泡が発生すると、それに伴って水蒸気圧の変動が生じ、改質器に対する水蒸気の供給量も変動してしまう。また、蒸発器に供給される水は純水であるために所謂突沸が発生しやすい。蒸発器の内部で突沸が生じると、改質器に対する水蒸気の供給量が更に大きく変動してしまう。

下記特許文献１に記載の蒸発器は、その内部空間のうち水が供給される部分にステンレスウールを配置した構成となっている。ステンレスウールの内部で水を沸騰させることにより大きな気泡の発生及び突沸を抑制し、改質器に対する水蒸気の供給量が変動してしまうことを抑制している。

特開２００３−１９２３０４号公報

上記特許文献１に記載の蒸発器は、その内部空間の底部全体にステンレスウールが配置されており、水は底部のうち中央部分から供給される構成となっている。供給された水は直ちにステンレスウールに吸収されて、加熱されて水蒸気となる。このとき、中央部分から供給された水の大部分は、底部の端（中央部分から最も離れた部分）に到達する前に水蒸気となる。従って、水蒸気は底部の全体で均一に発生するのではなく、その大部分が底部の中央部分で発生することになる。

ところが、燃焼排ガスの供給による水の加熱は、底部の中央部分のみではなく全体において行われる。このため、少量の水蒸気しか発生しない底部の端においては気化熱があまり奪われないため、当該部分において改質器の底板及びステンレスウールが高温となり過ぎてしまう場合がある。高温となった部分に水が接触すると、急激な加熱によって突沸が発生し、改質器に対する水蒸気の供給量が変動してしまう場合がある。このように、上記特許文献１に記載の従来の蒸発器は、改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制するために更なる改良の余地があるものであった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制することのできる蒸発器、及びこれを備えた燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る蒸発器は、水が水蒸気となって流れる蒸発空間（３８１，３８２）が内部に形成されたケース（３００）と、前記ケースを加熱する加熱手段（４１２）と、を備え、前記ケースには、前記蒸発空間のうち前記水蒸気が流れる方向における上流側の端部全体に、前記水が貯留される貯水部（ＷＳ）が形成されていることを特徴としている。

本発明に係る蒸発器では、水が水蒸気となって流れる蒸発空間のうち上流側端部の全体が貯水部となっており、当該貯水部に水が貯留されている。このため、水が到達しにくく少量の水蒸気しか発生しないような部分、すなわち、他の部分よりも高温となりやすい部分が存在しない。蒸発空間の上流側端部の全体で均一に水蒸気が発生し、局所的な温度の上昇に起因した突沸の発生が抑制されるため、水蒸気の供給量の変動が抑制される。

また、本発明によれば、上記のような蒸発器を備えた燃料電池装置が提供される。改質触媒に対する水蒸気の供給量の変動が抑制されるため、改質触媒における一時的な温度低下や炭素析出の発生が抑制される。その結果、改質反応及び燃料電池セルに対する水素ガスの供給が安定して行われるため、燃料電池装置による発電も安定して行われる。

本発明によれば、改質器に対する水蒸気の供給量の変動を抑制することのできる蒸発器、及びこれを備えた燃料電池装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る蒸発器を備えた燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。 図１に示される改質ユニットの外観を示す斜視図である。 図１に示される燃料電池装置におけるガス及び水の流れを説明するためのブロック図である。 図１に示される蒸発器のうち、貯留部及びその近傍の構成を示す断面図である。 蒸発器の変形例を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、燃料電池装置ＦＣは、セルスタックＣＳ（燃料電池スタック）と、ケーシング１０と、燃焼器２０と、改質ユニット３０とを備えている。

セルスタックＣＳは、複数の燃料電池セル（不図示）の集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。

セルスタックＣＳでは、全ての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。セルスタックＣＳは、スタックアダプタＡＤを介してベースプレートＢＰの上面側に立設されている。

スタックアダプタＡＤは、内部に複数のガス流路（不図示）が形成された板状の部材である。後に説明するように、セルスタックＣＳに対する燃料ガスの供給は、スタックアダプタＡＤを介して行われる。また、セルスタックＣＳからのガスの排出（発電に供しなかった残余の燃料ガス及び空気の排出）も、スタックアダプタＡＤを介して行われる。ベースプレートＢＰは、ケーシング１０の内部に水平に配置された円形の金属板である。ベースプレートＢＰにより、ケーシング１０の内部空間は概ね上下２室に分けられている。

ケーシング１０は、セルスタックＣＳ等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング１０は、その側面及び上面の全体を断熱材（不図示）により覆われている。ケーシング１０は、第１筒状体１１０と、第２筒状体１２０と、第３筒状体１３０と、第４筒状体１４０と、第５筒状体１５０と、第６筒状体１６０とを有している。第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、第４筒状体１４０、第５筒状体１５０、及び第６筒状体１６０は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。図１は、当該中心軸に沿う平面を断面とする燃料電池装置ＦＣの模式的な断面図である。

第１筒状体１１０は、ケーシング１０のうち最も内側に配置された筒状体であって、セルスタックＣＳ及びスタックアダプタＡＤをその内部に収容している。第１筒状体１１０の上端は水平な天板１８１によって塞がれている。また、第１筒状体１１０の下端はベースプレートＢＰの上面に当接した状態で固定されている。第１筒状体１１０の下端から上端までの高さは、スタックアダプタＡＤの下端からセルスタックＣＳの上端までの高さよりも高くなっている。このため、天板１８１とセルスタックＣＳの上端とは離間している。第１筒状体１１０の下部には、貫通孔である吹出口１１１が複数形成されている。これら複数の吹出口１１１は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。吹出口１１１は、セルスタックＣＳに向けて供給される発電用の空気が通る孔である。

第２筒状体１２０は、第１筒状体１１０を外側から囲むように配置された筒状体である。第２筒状体１２０の内側面と第１筒状体１１０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第２筒状体１２０と第１筒状体１１０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路（空気流路４０３）となっている。

第２筒状体１２０の内径は、ベースプレートＢＰの外径と略等しい。第２筒状体１２０の下端部近傍における内側面は、全周に亘ってベースプレートＢＰの側面に当接している。当該当接部分において、第２筒状体１２０がベースプレートＢＰに対して固定されている。このような構成により、ベースプレートＢＰよりも下方側の空間と空気流路４０３との間を気体が出入りすることはできなくなっている。

第３筒状体１３０は、第２筒状体１２０を外側から囲むように配置された筒状体である。第３筒状体１３０の内側面と第２筒状体１２０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第３筒状体１３０と第２筒状体１２０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路（燃焼排ガス流路４１１）となっている。第３筒状体１３０の上端は、第２筒状体１２０の上端よりも低い位置に配置されている。第３筒状体１３０はベースプレートＢＰの下端よりも更に下方側まで延びている。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０を外側から囲むように配置された筒状体である。第４筒状体１４０の内側面と第３筒状体１３０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第４筒状体１４０と第３筒状体１３０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路（燃焼排ガス流路４１２）となっている。

第２筒状体１２０の上端と第４筒状体１４０の上端とは、その高さ方向の位置が同一となっている。両者は、水平に配置されたドーナツ状の円板である天板１８２により繋がれている。つまり、第２筒状体１２０の上端が天板１８２の内周端に繋れており、第４筒状体１４０の上端が天板１８２の外周端に繋れている。第３筒状体１３０の上端と天板１８２との間には隙間が形成されている。このため、燃焼排ガス流路４１１と燃焼排ガス流路４１２とは、それぞれの上端部において互いに繋がっている。

第３筒状体１３０の下端と第４筒状体１４０の内側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８３により繋がれている。つまり、燃焼排ガス流路４１２の下端が底板１８３により塞がれている。

第４筒状体１４０の下部（底板１８３よりも僅かに上方側）には、ガス排出管１９１が接続されている。ガス排出管１９１の内部空間は燃焼排ガス流路４１２に通じている。ガス排出管１９１は、燃焼排ガス流路４１２を通った燃焼排ガスをケーシング１０の外部に排出し、後述の排熱回収器６２に供給するための配管である。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０の下端よりも更に下方側まで延びている。第４筒状体１４０の下端には、当該下端から外側に向かって延びる水平なフランジ部１４１が形成されている。フランジ部１４１は、燃料電池装置ＦＣが設置される際においてケーシング１０の固定に利用されるフランジである。

第４筒状体１４０の下端部近傍には、水平な円板である底板１８４が配置されている。底板１８４の外径は第４筒状体１４０の内径と略等しい。底板１８４は、その外側面全体を第４筒状体１４０の内側面に当接させた状態で固定されている。底板１８４の下方側の空間には断熱材ＴＩが配置されている。

第５筒状体１５０は、ケーシング１０のうち最も外側に配置された筒状体であり、第４筒状体１４０の上部を外側から囲むように配置されている。第５筒状体１５０の内側面と第４筒状体１４０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第５筒状体１５０と第４筒状体１４０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路（空気流路４０１）となっている。

第５筒状体１５０は、第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、及び第４筒状体１４０のいずれの上端よりも更に上方側まで延びている。第５筒状体１５０の上端は水平な天板１８５によって塞がれている。天板１８５と天板１８２との間には隙間４０２が形成されている。空気流路４０１の上端部と空気流路４０３の上端部とは、隙間４０２を介して互いに繋がっている。

第５筒状体１５０の下端と第４筒状体１４０の外側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８６により繋がれている。つまり、空気流路４０１の下端が底板１８６により塞がれている。

第５筒状体１５０の下部（底板１８６よりも僅かに上方側）には、空気導入管１９２が接続されている。空気導入管１９２の内部空間は空気流路４０１に通じている。空気導入管１９２は、発電用の空気をケーシング１０の内部に導入するための配管である。

第６筒状体１６０は、第３筒状体１３０の内側であり且つベースプレートＢＰの下方側となる位置に配置された筒状体である。第６筒状体１６０は、上方側の部分である上円筒部１６１と、下方側の部分である下円筒部１６２とを有している。上円筒部１６１の径は下円筒部１６２の径に比べて小さい。上円筒部１６１の下端と下円筒部１６２の上端とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である中間部１６３で繋がれている。上円筒部１６１の上端はベースプレートＢＰの下面に当接している。下円筒部１６２の下端は底板１８４の上面に当接している。

下円筒部１６２の径は第３筒状体１３０の径よりも小さい。このため、第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。また、当該隙間には改質ユニット３０が配置されているが、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間にも全周に亘って隙間が形成されている。以下の説明においては、第６筒状体１６０の内側に形成された空間を「内側空間６０１」とも称する。また、第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間を、「外側空間６０２」とも称する。

下円筒部１６２のうち、改質ユニット３０の下端部よりも低い位置には、貫通孔である流出口１６５が複数形成されている。これら複数の流出口１６５は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。これら流出口１６５により、内側空間６０１と外側空間６０２とが連通されている。流出口１６５は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る孔である。

燃焼器２０は、発電に供しなかった残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」とも称する）及び発電に供しなかった残余の空気（以下、「残余空気」とも称する）を混合して燃焼させるためのバーナーである。燃焼器２０は、全体が略円柱形状に形成されており、ベースプレートＢＰの下面のうち中央から下方に向けて突出するように配置されている。

セルスタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は、いずれもスタックアダプタＡＤ内に形成された流路（不図示）及びベースプレートＢＰ内に形成された流路（不図示）を通じて、燃焼器２０の上端部へと供給される。その後、残余燃料及び残余空気は、燃焼器２０内に形成された流路（不図示）を通って燃焼器２０の下端部に到達し、下端部において混合されながら下方に向けて噴出される。燃焼器２０の下端部では、噴出された残余燃料及び残余空気が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。

燃焼器２０の下方側には着火器ＩＧが配置されている。着火器ＩＧは、燃焼器２０から噴出された残余燃料及び残余空気の混合気体に着火させて、燃焼を開始させるための装置である。着火器ＩＧは、底板１８４及び断熱材ＴＩを上下に貫いており、火花放電が生じる上端部を燃焼器２０の下端に近接させた状態で配置されている。着火器ＩＧによる着火は、燃料電池装置ＦＣの起動時において行われる。

図１及び図２を参照しながら、改質ユニット３０の構成について説明する。改質ユニット３０は、改質反応によって都市ガスから燃料ガス（水素含有ガス）を生成する改質器３０２と、水蒸気を発生させて改質器３０２に供給する蒸発器３０１とが一体となったものである。改質ユニット３０は、その全体が略円筒形状となっており（図２参照）、ケーシング１０の内部のうち第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間の空間に配置されている。改質ユニット３０は、外側円筒３１０と、内側円筒３２０と、天板３３０と、第１底板３４０と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０と、第２仕切板３７０とを有している。このうち、外側円筒３１０、内側円筒３２０、天板３３０、第１底板３４０、第２底板３５０、及び第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分は、改質ユニット３０の外形を区画するものであって、これら全体でケース３００を構成している。

外側円筒３１０は、改質ユニット３０の外側面を形成する筒状体である。外側円筒３１０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。外側円筒３１０の外径は第３筒状体１３０の内径に略等しい。外側円筒３１０は、その外側面の略全体が第３筒状体１３０の内側面に当接している。外側円筒３１０は、底板１８３よりも更に下方側まで延びている。

内側円筒３２０は、改質ユニット３０の内側面を形成する筒状体である。内側円筒３２０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。内側円筒３２０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と内側円筒３２０と間には空間が形成されている。後に説明するように、当該空間の一部が、水が水蒸気となって流れる空間となっている。また、当該空間の他の一部が、改質反応が生じて燃料ガスが生成される空間となっている。

内側円筒３２０の内径は、第３筒状体１３０の下円筒部１６２の外径よりも大きい。このため、既に説明したように、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。内側円筒３２０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さと同一となっている。一方、内側円筒３２０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さよりも高くなっており、底板１８３の下端の高さと同一となっている。

天板３３０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。天板３３０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち上端部に繋がっている。また、天板３３０の内側面は、内側円筒３２０の外側面のうち上端部に繋がっている。このように、天板３３０によって外側円筒３１０の上端と内側円筒３２０の上端とが繋がれている。

第１底板３４０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第１底板３４０は底板１８３と同一の高さとなる位置に配置されている。第１底板３４０の外側面は、後述の第１仕切板３６０の内側面に繋がっている。また、第１底板３４０の内側面は、内側円筒３２０の内側面のうち下端部に繋がっている。

第２底板３５０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第２底板３５０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち下端部に繋がっている。また、第２底板３５０の内側面は、後述の第１仕切板３６０の外側面のうち下端部に繋がっている。このため、第２底板３５０は第１底板３４０よりも低い位置に配置されている。

第１仕切板３６０は、その一部が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第１仕切板３６０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第１仕切板３６０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

第１仕切板３６０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さよりも低くなっている。このため、第１仕切板３６０の上端と天板３３０の下面との間には隙間が空いている。第１仕切板３６０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さと同一となっている。既に述べたように、第１仕切板３６０の下端部には外側から第２底板３５０が繋がっている。また、第１仕切板３６０には内側から第１底板３４０が繋がっている。

第２仕切板３７０は、その全体が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第２仕切板３７０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第２仕切板３７０の外径は、第１仕切板３６０の内径よりも小さい。このため、第２仕切板３７０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。また、第２仕切板３７０の内径は、内側円筒３２０の外径よりも大きい。このため、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間にも、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

第２仕切板３７０は、その上端を天板３３０の底面に当接させた状態で、天板３３０に対して固定されている。第２仕切板３７０の下端の高さは、内側円筒３２０の下端の高さよりも高くなっている。このため、第２仕切板３７０の下端と第１底板３４０の上面との間には隙間が空いている。

以上のような構成により、改質ユニット３０の内部には、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間に形成された空間である第１空間３８１と、第１仕切板３６０と第２仕切板３７０と間に形成された空間である第２空間３８２と、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間に形成された空間である第３空間３８３とが形成されている。第１仕切板３６０の上方において第１空間３８１と第２空間３８２とが繋がっており、第２仕切板３７０の下方において第２空間３８２と第３空間３８３とが繋がっている。

第２底板３５０には、水供給配管３９１の一端が下方から接続されている。水供給配管３９１は、第１空間３８１に水を供給するための配管である。水供給配管３９１の他端は、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）に接続されている。

後に詳しく説明するように、水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、燃焼排ガス流路４１２を通る高温の燃焼排ガスによって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、第１空間３８１、第２空間３８２を順に通って、第３空間３８３の入口に到達する。このように、改質ユニット３０のうち、第１空間３８１、第２空間３８２、及びこれらを区画する壁面は、外部から水の供給を受けて水蒸気を発生させる部分、すなわち蒸発器３０１に該当する部分となっている。

第１空間３８１には支持板３５２が配置されている（図４参照）。支持板３５２は、第１空間３８１を上下に仕切るように水平に配置されたドーナツ状の板である。支持板３５２は、第１底板３４０と同一の高さとなる位置において、外側円筒３１０及び第１仕切板３６０に対して固定されている。支持板３５２には複数の貫通孔３５３が形成されており、支持板３５２を水が通過し得るようになっている。第１空間３８１のうち支持板３５２よりも上方側には、外側円筒３１０から水への伝熱を促進するための伝熱促進部材ＣＢが充填されている。伝熱促進部材ＣＢは複数のアルミナの球体（セラミックボール）である。それぞれの球体の径は、貫通孔３５３の径よりも大きい。

第１底板３４０には、都市ガス供給配管３９２の一端が下方から接続されている。都市ガス供給配管３９２は、第３空間３８３の入口部分に都市ガスを供給するための配管である。都市ガス供給配管３９２の他端は脱硫器６１（図３参照）に接続されている。

第３空間３８３には改質触媒ＲＣが充填されている。改質触媒ＲＣは、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。第３空間３８３のうち、第２仕切板３７０の下端より僅かに高い位置には、水平に配置された金属網（不図示）が固定されており、当該金属網によって改質触媒ＲＣが下方から支えられている。

後に詳しく説明するように、都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合された後、第３空間３８３を上方に向かって流れる。この時、都市ガスと水蒸気が改質触媒ＲＣに触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガス（水素含有ガス）が生成される。このように、改質ユニット３０のうち、第３空間３８３及びこれを区画する壁面は、蒸発器３０１からの水蒸気の供給、及び外部から都市ガスの供給を受けて水蒸気改質反応が生じる部分、すなわち改質器３０２に該当する部分となっている。改質触媒ＲＣは、第３空間３８３の周方向全体に亘って充填されている。このため、蒸発器３０１から供給された水蒸気が、改質触媒ＲＣに触れることなく第３空間３８３を通過してしまうことはない。

内側円筒３２０のうち上端部の近傍には、燃料ガス供給配管３９３の一端が接続されている。燃料ガス供給配管３９３は、改質ユニット３０（改質器３０２）において生成された燃料ガスをセルスタックＣＳへ供給するための配管である。燃料ガス供給配管３９３の他端はベースプレートＢＰの下面に接続されている。燃料ガスは、第３空間３８３の上部から燃料ガス供給配管３９３を通ってベースプレートＢＰに到達する。その後、ベースプレートＢＰ内に形成された流路（不図示）及びスタックアダプタＡＤ内に形成された流路（不図示）を通って、セルスタックＣＳに供給される。

改質ユニット３０は、耐熱性の材質からなる円筒型のシールブロックＳＢにより下方から支持されている。シールブロックＳＢは、その上端が改質ユニット３０の下面（第１底板３４０）に当接しており、その下端が底板１８４の上面に当接している。シールブロックＳＢの内径は改質ユニット３０の内径に等しい。また、シールブロックＳＢの径方向の寸法（厚さ）は、改質ユニット３０の径方向の寸法（厚さ）よりも小さくなっている。このため、図１に示されるように、シールブロックＳＢの外側（改質ユニット３０の下方側）には空間ＳＰが形成されている。

第６筒状体１６０の外側の空間と空間ＳＰとは、改質ユニット３０及びシールブロックＳＢによって分離されており、両者の間をガスが通過することができなくなっている。高温の燃焼排ガスが空間ＳＰ内に流入しないため、空間ＳＰ内の気温は比較的低温に保たれている。

続いて、図１及び図３を主に参照しながら、燃料電池装置ＦＣの動作中におけるガス（空気、都市ガス、燃料ガス、及び燃焼排ガス）の流れについて説明する。

まず、セルスタックＣＳに供給される空気の流れについて説明する。空気は、ケーシング１０の外部に配置されたブロア（不図示）から、空気導入管１９２を通じてケーシング１０の内部に供給される。

空気導入管１９２を通じて供給された空気は、空気流路４０１を上方に向かって流れる。その後、隙間４０２を経由して空気流路４０３に流入し、空気流路４０３を下方に向かって流れる。

空気流路４０１と空気流路４０３との間には、燃焼排ガス流路４１１及び燃焼排ガス流路４１２が形成されている。これら燃焼排ガス流路４１１及び燃焼排ガス流路４１２の内部では、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、ケーシング１０内に導入された空気は、空気流路４０１及び空気流路４０３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、空気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。

また、発電中においてセルスタックＣＳは高温となっており、セルスタックＣＳからの輻射熱によって第１筒状体１１０も高温となっている。このため、空気は、空気流路４０３を通る際において第１筒状体１１０に触れることにより更に加熱される。

このように、空気流路４０１及び空気流路４０３は、燃焼排ガスの熱及びセルスタックＣＳからの輻射熱によって空気が加熱されながら流れる流路となっている。このため、以下の説明においては、空気流路４０１と空気流路４０３とをまとめて「空気加熱流路４０」とも表記する。空気加熱流路４０は、セルスタックＣＳの周囲を取り囲むように配置されている。

空気流路４０３の下部まで到達した空気は、第１筒状体１１０に形成された吹出口１１１からセルスタックＣＳに向けて噴出される。その後、空気はそれぞれの燃料電池セルの空気極に到達し、発電に供される。

セルスタックＣＳに供給される燃料ガスの流れ、及び燃料ガスの原料である都市ガスの流れについて説明する。都市ガスは、ケーシング１０の外部から都市ガス供給配管３９２を通じて改質ユニット３０内に供給される。都市ガスの供給源と都市ガス供給配管３９２との間には脱硫器６１が配置されている。脱硫器６１は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去するための装置である。都市ガスは、燃料電池セルの性能に悪影響を及ぼす硫黄成分が脱硫器６１によって除去された後、改質ユニット３０内に供給される。

都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合される。その後、改質触媒ＲＣが充填された第３空間３８３を上方に向かって流れる。

第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間には、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、都市ガス及び水蒸気は、第３空間３８３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、都市ガス及び水蒸気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。また、第３空間３８３に充填されている改質触媒ＲＣも、内側円筒３２０を通じた伝熱によって高温となっている。

燃焼器２０を取り囲む第６筒状体１６０は、燃焼排ガスによって加熱されていることに加え、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されているため、非常に高温となっている。その結果、改質ユニット３０の内側円筒３２０には、高温となった第６筒状体１６０からの輻射熱（燃焼器２０から第６筒状体１６０を経由して到達した輻射熱ともいえる）が到達している。つまり、内側円筒３２０を含む改質器３０２は、燃焼排ガスによって加熱されるだけではなく、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されている。

このような状態において、都市ガスと水蒸気の混合ガスが改質触媒ＲＣに触れると、第３空間３８３（改質器３０２）では水蒸気改質反応が生じる。その結果、上記混合ガスから燃料ガスが生成される。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を安定して維持させるためには熱の供給が必要となる。本実施形態においては、内側円筒３２０を通じて加えられる燃焼排ガスからの熱、及び燃焼器２０からの輻射熱の両方が、水蒸気改質反応を維持するための熱として用いられる。

改質器３０２において生成された燃料ガスは、燃料ガス供給配管３９３及びスタックアダプタＡＤ内の流路を通ってセルスタックＣＳに供給される。燃料ガスは、それぞれの燃料電池セルの燃料極に到達し、発電に供される。

燃焼排ガスの流れについて説明する。既に説明したように、セルスタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は燃焼器２０に供給され、燃焼器２０の下端部において燃焼する。当該燃焼の結果、第６筒状体１６０の内部（内側空間６０１）では高温の燃焼排ガスが生じる。燃焼排ガスは、流出口１６５を通って第６筒状体１６０の外側（外側空間６０２）へ流出する。

その後、燃焼排ガスは、内側円筒３２０に沿って外側空間６０２を上方に向かって流れる。このとき、既に述べたように、燃焼排ガスの熱は内側円筒３２０を通じて第３空間３８３に伝達され、水蒸気改質反応を維持するための熱の一部として用いられる。

外側空間６０２を通過した燃焼排ガスは、空気流路４０３を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路４１１を上方に向かって流れる。続いて、空気流路４０１を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路４１２を下方に向かって流れる。

改質ユニット３０の外側円筒３１０は、支持板３５２よりも上方側の部分において第３筒状体１３０の内側面に当接している。このため、燃焼排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は高温となっている。つまり、燃焼排ガス流路４１２は、ケース３００の一部を加熱するための加熱手段として機能する。

水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、外側円筒３１０からの伝熱（燃焼排ガスの熱）により加熱されて水蒸気となる。つまり、水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、これにより第１空間３８１内で水蒸気が生成される。

燃焼排ガス流路４１２の下端部まで到達した燃焼排ガスは、ガス排出管１９１を通って排熱回収器６２に供給される。排熱回収器６２は、燃焼排ガスと水と熱交換させることにより湯を生成するものである。このように、燃料電池装置ＦＣは発電を行うことに加えて湯を生成することも可能となっており、高い効率でエネルギーを利用するコジェネレーションシステムとなっている。

続いて、図１及び図４を主に参照しながら、燃料電池装置ＦＣの動作中における水及び水蒸気の流れについて説明する。

改質ユニット３０（蒸発器３０１）には、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）から水供給配管３９１を通じて水が供給される。水供給配管３９１は第２底板３５０に対して下方から接続されている。このため、供給された水は、まず第１空間３８１の下部に形成された空間に溜まることとなる。具体的には、第１空間３８１のうち支持板３５２よりも下方側の空間である貯水部ＷＳに溜まることとなる。

貯水部ＷＳは、外側円筒３１０のうち底板１８３よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３１１」とも表記する）と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３６１」とも表記する）とによって区画された空間となっている。

図２に示されるように、貯水部ＷＳを区画する区画壁３１１、第２底板３５０、及び区画壁３６１は、改質ユニット３０の底面の一部を下方に向けて延ばしたような形状となっている。これらは、いずれも空間ＳＰ内に配置されている（図１参照）。つまり、高温の燃焼排ガスが到達せず、比較的低温となっている空間内に配置されている。

また、燃焼排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は加熱されるのであるが、区画壁３１１は底板１８３よりも下方側に配置されているため、燃焼排ガスによって直接は加熱されない。ケース３００のうち加熱手段である燃焼排ガス流路４１２によって直接加熱される部分は、貯水部ＷＳを区画する区画壁３１１、第２底板３５０、及び区画壁３６１とは異なる部分となっている。

このため、貯水部ＷＳ内において水が沸騰することはなく、貯水部ＷＳ内は全体が水（液体）で満たされている。

水供給ポンプから水が供給されることにより、第１空間３８１内の水面の高さは、支持板３５２の上面よりも僅かに高い位置（図４において二点鎖線ＤＬで示される位置）に維持される。このため、支持板３５２の上方側に充填された伝熱促進部材ＣＢ（アルミナの球体）は、一部が水没した状態となっている。

第１空間３８１内においては、燃焼排ガスによって高温となった外側円筒３１０からの伝熱により、伝熱促進部材ＣＢも高温となっている。支持板３５２よりも上方側に存在する水は、高温の伝熱促進部材ＣＢに触れることにより沸騰し、水蒸気となる。

このように、第１空間３８１内において水は水蒸気となり、上方側に向かって流れる。その後、第２空間３８２を下方に向かって流れて、第３空間３８３（改質器３０２）に供給される。

尚、二点鎖線ＤＬで示される水面より高い位置であっても、伝熱促進部材ＣＢ同士の隙間の一部、及び伝熱促進部材ＣＢと外側円筒３１０との隙間の一部には、毛細管現象によって侵入した水が薄膜状となって存在している。このため、水と伝熱促進部材ＣＢとの接触面積は更に高くなっており、水への伝熱及び水蒸気の生成が促進されている。また、このように薄膜状となった水が沸騰する際には、大きな気泡が発生することがない。このため、第１空間３８１内の圧力が急激に変動してしまうことはなく、改質器３０２に対する水蒸気の供給量が変動してしまうことはない。

以上に説明したように、本実施形態においては、蒸発器３０１の内部には水が水蒸気となって流れる空間（蒸発空間）として第１空間３８１及び第２空間３８２が形成されている。また、当該空間のうち、水蒸気が流れる方向における上流側の端部全体、つまり第１空間３８１の下端全体は、水が貯留される貯水部ＷＳとなっている。

水供給配管３９１から供給された水は、水平に配置された第２底板３５０の上面に沿って貯水部ＷＳの全体に行き渡る。このため、蒸発空間の上流側端部には常に水が存在しており、水蒸気は第１空間３８１内で均等に生じる。つまり、蒸発空間は上面視において円形の空間であるが、その周方向に沿って水が均等に行き渡っているため、水蒸気の発生量の分布も周方向に沿って均等となっている。その結果、他の部分に比べて少量の水しか存在しないために気化熱が奪われにくく、高温となりやすいような部分は存在しない。局所的な温度の上昇に起因した突沸の発生が抑制されるため、水蒸気の供給量の変動が抑制される。

また、蒸発空間のうち貯水部ＷＳよりも上流側、つまり第１空間３８１のうち支持板３５２よりも上方側の空間には、伝熱促進部材ＣＢとして多数のアルミナの球体（セラミックボール）が充填されている。伝熱促進部材ＣＢによって水に対する接触面積（伝熱面積）が増加するため、水への伝熱及び水蒸気の生成が促進されている。また、水の沸騰に伴う大きな気泡の発生が抑制されるため、改質器３０２に対する水蒸気の供給量が変動してしまうことはない。このような伝熱促進部材ＣＢとしては、アルミナの球体に替えて金属ウールを用いることもできる。また、セラミックスからなる多孔質体を用いてもよい。

本実施形態においては、第３空間３８３の周方向全体に亘って改質触媒ＲＣが充填されている。その結果、蒸発器３０１の蒸発空間（第１空間３８１及び第２空間３８２）のうち水蒸気が流れる方向における下流側の端部全体が、改質触媒ＲＣの下端部に対向している。このため、貯水部ＷＳの全体で均等に発生した水蒸気は、改質触媒ＲＣの全体に対して均等に供給される。局所的に多量の水蒸気が到達して改質触媒ＲＣの温度が低下してしまうことはなく、改質触媒ＲＣの全体において改質反応が安定して生じる。また、改質触媒ＲＣの一部に到達する水蒸気が不足してしまうようなことがないため、炭素析出の発生も抑制される。

蒸発器３０１の変形例を図５に基づいて説明する。この変形例においては、貯水部ＷＳの内部に保水部材ＫＷが配置されている点のみにおいて、これまでに説明した実施形態と異なっている。

保水部材ＫＷは金属ウールであって、貯水部ＷＳの底部全体に配置されている。つまり、ドーナツ状の円板である第２底板３５０の上面全体を覆うように保水部材ＫＷが配置されている。保水部材ＫＷと支持板３５２との間は離間している。

このような保水部材ＫＷが配置されていれば、仮に改質ユニット３０が僅かに傾いて設置されてしまい、第２底板３５０が水平面に対して傾斜した状態となった場合であっても、保水部材ＫＷによって第２底板３５０の上面全体に水が保持される。つまり、傾斜した第２底板３５０の上面のうち最も高い位置となった部分においても、当該部分に配置された保水部材ＫＷは水を含んだ状態となっている。このため、当該部分において水が不足してしまうことが防止され、第１空間３８１の下端部全体で均等に水蒸気を発生させることができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

ＦＣ：燃料電池装置
３０：改質ユニット
３００：ケース
３０１：蒸発器
３８１：第１空間
３８２：第２空間
４１２：燃焼排ガス流路
ＷＳ：貯水部
ＣＢ：伝熱促進部材
ＷＫ：保水部材
３０２：改質器
ＲＣ：改質触媒

Claims (8)

1. 水が水蒸気となって流れる蒸発空間（３８１，３８２）が内部に形成されたケース（３００）と、
   前記ケースを加熱する加熱手段（４１２）と、を備え、
   前記ケースには、前記蒸発空間のうち前記水蒸気が流れる方向における上流側の端部全体に、前記水が貯留される貯水部（ＷＳ）が形成されていることを特徴とする蒸発器。
2. 前記ケースのうち前記加熱手段により直接加熱される部分は、前記貯水部を区画する部分（３１１，３５０，３６１）とは異なる部分であることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記蒸発空間のうち、前記水蒸気が流れる方向において前記貯水部よりも下流側となる位置に、前記ケースから前記水への伝熱を促進する伝熱促進部材（ＣＢ）が配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の蒸発器。
4. 前記伝熱促進部材はアルミナの球体であることを特徴とする、請求項３に記載の蒸発器。
5. 前記伝熱促進部材は金属ウールであることを特徴とする、請求項３に記載の蒸発器。
6. 前記水を前記貯水部内に保持するための保水部材（ＷＫ）が、前記貯水部の底部全体に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸発器。
7. 前記蒸発空間のうち前記水蒸気が流れる方向における下流側の端部全体が、改質器（３０２）の改質触媒（ＲＣ）に対向するよう配置されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蒸発器。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の蒸発器を備えたことを特徴とする燃料電池装置。

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