JP2017105695A - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】従来よりも小型化及び低コスト化を図り得る水素生成装置の提供。【解決手段】水素生成装置１００は、燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器２と、改質器を加熱する燃焼器１と、改質器の外壁の周囲を覆い、燃焼器からの燃焼排ガスが流れる排ガス経路３と、改質器から燃焼器の方向へと送られる改質ガスが流れる改質ガス経路１３と、を備え、改質器が、燃焼器の火炎形成側に配置され、改質器の外壁と接する部分における改質器内のガスの流れが、改質器の外壁と接する部分における排ガス経路の燃焼排ガスの流れと対向している水素生成装置１００。【選択図】図１

Description

本開示は水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
特許文献１では、装置の中心部に燃焼器が配置され、この燃焼器の火炎形成側に燃焼空間を確保して燃焼器及び燃焼空間を囲うように、改質器が配置される燃料電池システムが開示されている。そして、燃焼器の燃焼排ガスが改質器を通過するように、排ガス経路を折り返して形成することで改質器を均一に加熱し得る燃料電池システムが提案されている。
特許文献２では、燃料電池システムの中心に、燃焼器及び燃料電池を配置し、これらを囲うように改質器及び空気熱交換器等を多重円筒状に配置する構成が提案されている。
特許文献３では、ＳＯＦＣスタックの出口を燃焼器とし、改質器の上壁に向けて可燃性ガスまたは燃焼排ガスを案内させる案内部を設け、改質器の上壁と可燃性ガスまたは燃焼排ガスとの熱交換性を高め、改質器の上壁からの受熱性を向上させる構成が提案されている。
特開２０１４−９１２９号公報 特開２０１３−１８２６９６号公報 特開２０１３−１９１３１３号公報
しかし、従来例は、装置の小型化及び低コスト化については十分に検討されていない。本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも小型化及び低コスト化を図り得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供する。
本開示の一態様の水素生成装置は、燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器の外壁の周囲を覆い、前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる排ガス経路と、前記改質器から前記燃焼器の方向へ送られる前記改質ガスが流れる改質ガス経路と、を備え、前記改質器は、前記燃焼器の火炎形成側に配置され、前記改質器の外壁と接する部分における前記改質器内のガスの流れは、前記改質器の外壁と接する部分における前記排ガス経路の燃焼排ガスの流れと対向している。
本開示の一態様の水素生成装置及び燃料電池システムは、従来よりも小型化及び低コスト化を図り得る。
図１は、第１実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の実施例の水素生成装置の一例を示す図である。 図３は、第１実施形態の第１変形例の水素生成装置の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態の第２変形例の水素生成装置の一例を示す図である。 図５は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図６は、第２実施形態の燃料電池システムの分離構成の説明に用いる図である。 図７は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図８は、第３実施形態の実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。 図９は、第４実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図１０は、第５実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図１１は、第６実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図１２は、第５実施形態の変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。 図１３は、第６実施形態の変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
発明者らは、水素生成装置及び燃料電池システムにおいて、装置の小型化及び低コスト化について鋭意検討し、以下の知見を得た。
燃料電池システムを適宜の場所に設置する場合、燃料電池システムの投影面積によって設置できる立地に制約が発生する可能性がある。例えば、燃料電池システムを家庭に設置する場合、家屋の壁沿いに置くことが多いので、燃料電池システムの奥行き方向には立地上の制約が生じやすい。この場合、燃料電池システムの薄型化（小型化）が必要となる。燃料電池システムを小型化する場合、燃料電池システム内に収容される大容量の部品である改質器、燃料電池（ホットモジュール）等の更なる小型化（具体的には、装置の奥行きの寸法低減）は避けて通れない。
しかし、特許文献１に記載の装置では、燃焼器の外側に改質器及び燃焼排ガスが流れる排ガス経路が配置されているので、装置の奥行きの寸法低減には限界があり、燃料電池システムの更なる小型化は困難であると考えられる。
特許文献２に記載の装置では、燃焼器を中心に、円筒状に蒸発器、改質器及び空気熱交換器が多重に配置されているので、装置の奥行きは、燃焼器の直径に、複数の円筒壁部材をそれぞれ所定の間隔隔てて配置した厚み分が付加された寸法となっている。よって、装置の奥行きの寸法低減には限界があり、燃料電池システムの更なる小型化は困難であると考えられる。また、特許文献２では、複数の円筒壁部材をそれぞれ高精度に配置し、溶接加工を施す必要があり、製造コストが嵩むことから低コスト化も困難であると考えられる。
つまり、発明者らは、特許文献１及び特許文献１に記載された発明は、水素生成装置、燃料電池システムの小型化及び低コスト化の点で未だ改善の余地があることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
すなわち、本開示の第１の態様の水素生成装置は、燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器の外壁の周囲を覆い、燃焼器からの燃焼排ガスが流れる排ガス経路と、改質器から燃焼器の方向へと送られる改質ガスが流れる改質ガス経路と、を備え、改質器は、燃焼器の火炎形成側に配置され、改質器の外壁と接する部分における改質器内のガスの流れは、改質器の外壁と接する部分における排ガス経路の燃焼排ガスの流れと対向している。
かかる構成によると、本態様の水素生成装置は、従来よりも小型化及び低コスト化を図り得る。具体的には、燃焼器の火炎形成側に改質器が配置され、改質ガスを燃焼器の方向へ送るため、燃焼器の周囲に改質器を配置する構成に比べ、水素生成装置の投影面積が小さくなる。よって、水素生成装置は、奥行き方向への突出部等が存在しないシンプルな構成となり、水素生成装置の小型化、低コスト化が図れる。
また、上記の改質器内のガスの流れが、上記の燃焼排ガスの流れと対向しているので、両ガス間の熱交換効率が、並行流熱交換器及び直交流熱交換器の場合に比べ向上する。
また、燃焼器の燃焼熱によって改質器の出口が加熱されるので、改質器の出口温度を高温に、入口温度を低温に制御でき、改質器の改質効率が向上する。
本開示の第２の態様の水素生成装置は、第１の態様の水素生成装置において、改質器は、外壁と内壁とで形成されている側壁部を備える。
かかる構成によると、側壁部の厚みが適切に設定されることで、側壁部の改質触媒全体に対して燃焼排ガスからの伝熱が伝わりやすくなる。
本開示の第３の態様の水素生成装置は、第２の態様の水素生成装置において、内壁及び外壁は、円筒体である。
かかる構成によると、改質器の側壁部を、例えば、矩形筒体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さ及び箇所を削減できるので、改質器の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性及び熱応力への耐性が向上し、上記円筒体の薄板化が可能となる。以上により、水素生成装置の低コスト化が図れる。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態、実施例及び変形例について説明する。
なお、以下で説明する実施形態、実施例及び変形例は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。つまり、以下に示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態はいずれも一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下に示される構成要素のうち、本開示の最上位概念を規定する独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。なお、図面において、便宜上、「上」及び「下」が取られ、重力は上から下に作用するものとする。
図１に示す例では、水素生成装置１００は、改質器２と、燃焼器１と、排ガス経路３と、改質ガス経路１３と、を備える。
改質器２は、燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する。本実施形態では、改質器２は、内壁２Ａと外壁２Ｂとで形成されている側壁部２Ｃを備えるが、必ずしも、改質器２内を空間とする側壁部を備えなくても構わない。但し、改質器２が側壁部２Ｃを備え、側壁部２Ｃの厚みが適切に設定されることで、側壁部２Ｃの改質触媒全体に対して燃焼排ガスからの伝熱が伝わりやすくなる。具体例は後述する。
改質器２の側壁部２Ｃは、上下方向の平面視において、環状に構成されている。なお、改質器２の外殻は、例えば、ステンレス等の金属材料で構成されている。
ここで、本実施形態では、内壁２Ａ及び外壁２Ｂは、円筒体である（つまり、側壁部２Ｃは、上下方向の平面視において円環状である）。これにより、改質器２の側壁部を、例えば、矩形筒体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さ及び箇所を削減できるので、改質器２の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。以上により、水素生成装置１００の低コスト化が図れる。
また、本実施形態では、改質器２の側壁部２Ｃ及び底部２Ｄのそれぞれの内部には、改質触媒が充填されている。側壁部２Ｃの下端領域は、底部２Ｄに連通し、側壁部２Ｃの上端領域は、板部材５の周辺部で覆われている。なお、板部材５の周辺部は、燃料通過用の複数の開口部（図示せず）が形成されている。板部材５と改質器２の上蓋との間の領域、及び、内壁２Ａの内側はいずれも空間となっている。上蓋は、燃料供給経路に接続されている。
改質器２の改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等を挙げることができる。なお、改質触媒の触媒金属には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等の貴金属系触媒及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることができる。図１には示されていないが、上記の改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器２に供給する水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器等が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置１００には、更に、改質器２に空気を供給する空気供給器が設けられる。
なお、改質器２に送る燃料としては、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む燃料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油等の燃料を用いてもよい。
燃焼器１は、改質器２を加熱する。燃焼器１は、改質器２を加熱できれば、どのような構成であっても構わない。本実施形態では、改質器２は、燃焼器１の火炎Ｆの形成側に配置されている。これにより、改質器２は、燃焼器１の火炎Ｆの熱及び、排ガス経路３を流れる燃焼排ガスの熱等により、改質反応の適温（例えば、約６００−７００℃程度）にまで加熱される。
燃焼器１は、例えば、中空の筐体で構成されていて、筐体の上壁部の周辺部には、数十個の燃料吹き出し口（図示せず；例えば、丸孔）が、ほぼ均等に形成されている。これにより、燃焼器１の筐体内の燃料が、燃料吹き出し口で均等に分配されて上方に吹き出される。燃焼器１の燃料は、どのような燃料であっても構わない。例えば、燃焼器１の燃料として、水素生成装置１００が燃料電池システムに組み込まれる場合は、燃料電池のオフガスを用いてもよい。この場合、燃料電池で発電反応に寄与しなかったアノードオフガス（改質ガス）及びカソードオフガス（空気）が、燃焼器１で燃焼する。なお、詳細は第２実施形態で説明する。
排ガス経路３は、改質器２の外壁２Ｂの周囲を覆い、燃焼器１からの燃焼排ガスが流れる流路である。本実施形態では、排ガス経路３は、改質器２の外壁２Ｂと水素生成装置１００の筐体９との間に形成されている。なお、燃焼排ガスは、排ガス経路３を下から上へと流れた後、筐体９の壁部の適所に形成された燃焼排ガス出口（図示せず）から水素生成装置１００外へ排出される。
改質ガス経路１３は、改質器２から燃焼器１の方向へと送られる改質ガスが流れる流路である。なお、改質ガス経路１３は、まっすぐ下方へ伸び、燃焼器１を通過するように構成してもよい。本構成の詳細は実施例で説明する。
［動作］
以下、本実施形態の水素生成装置１００の動作の一例について図１を参照しながら説明する。
改質用の燃料は、図示しない燃料供給器と連通する燃料供給経路から板部材５を通過して改質器２の側壁部２Ｃへと供給される。このとき、改質器２の外壁２Ｂと接する部分における改質器２内（本実施形態では、側壁部２Ｃ）のガスの流れが、改質器２の外壁２Ｂと接する部分における排ガス経路３の燃焼排ガスの流れと対向する。これにより、改質器２は、燃焼排ガスの熱で加熱される。すると、側壁部２Ｃに設けられた改質触媒は改質反応の適温にまで昇温するので、改質触媒による燃料改質で、水素含有の改質ガスが生成される。そして、改質ガスは、改質触媒を上から下へと流れた後、改質ガス経路１３の上端部に集められ、この上端部から改質ガス経路１３の内部を燃焼器１の方向（下方）へと流れて、適宜の水素利用機器（例えば、燃料電池）に利用される。
以上により、本実施形態の水素生成装置１００は、従来よりも小型化及び低コスト化を図り得る。具体的には、燃焼器１の火炎Ｆの形成側に改質器２が配置され、改質ガスを燃焼器１の方向へ送るため、燃焼器の周囲に改質器を配置する構成に比べ、水素生成装置１００の投影面積が小さくなる。よって、水素生成装置１００は、奥行き方向への突出部等が存在しないシンプルな構成となり、水素生成装置１００の小型化、低コスト化が図れる。
また、上記の改質器２内のガスの流れが、上記の燃焼排ガスの流れと対向しているので、両ガス間の熱交換効率が、並行流熱交換器及び直交流熱交換器の場合に比べ向上する。
また、燃焼器１の燃焼熱によって改質器２の出口が加熱されるので、改質器２の出口温度を高温に、入口温度を低温に制御でき、改質器２の改質効率が向上する。つまり、燃焼器１の上方の改質器２の底部２Ｄ側で火炎Ｆが形成されている。そして、燃焼器１の燃焼熱は、改質器２を底部２Ｄ側から加熱する。よって、改質器２の出口を最も高温（例えば、約６００℃−７００℃程度）に制御しやすい。改質器２の改質反応の転化率は温度依存性を持ち、改質器２の出口温度を最も高温に制御することは、吸熱反応である改質反応が効果的に進行し、改質器２の改質効率向上の点で好適である。
更に、側壁部２Ｃに改質触媒を設けることで、改質触媒の量を適量、確保したうえで、燃焼排ガスの伝熱が改質触媒全体に十分に伝わるように水素生成装置１００を構成できる。本実施形態では、改質器２に改質触媒の量を必要量（例えば、約２００g程度）、確保したうえで、燃焼排ガスから改質触媒全体への伝熱が十分に伝わるように、内壁２Ａと外壁２Ｂとの間の間隔（つまり、側壁部２Ｃの厚み）が、約１０ｍｍ程度に設定されている。
（実施例）
図２は、第１実施形態の実施例の水素生成装置の一例を示す図である。
図２に示す例では、水素生成装置１００は、改質器２と、燃焼器１Ａと、排ガス経路３と、改質ガス経路１３Ａと、を備える。改質器２及び排ガス経路３は第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
本実施例の水素生成装置１００は、第２の態様又は第３の態様の水素生成装置１００において、燃焼器１Ａは円環体であり、改質ガス経路１３Ａは、円環体の内空間を通過する。具体的には、燃焼器１Ａは、上下に立設する円筒状の内外壁部と、内壁部及び外壁部との間の領域を上方から覆う円盤状の上壁部と、本領域を下方から覆う円環状の下壁部を備える。そして、改質ガス経路１３Ａを構成する配管が、燃焼器１Ａの内壁部の内側を貫通している。なお、燃料吹き出し口は、燃焼器１Ａの上壁部の適所において、周方向にほぼ均等に形成されている。
以上により、本実施例の水素生成装置１００では、改質ガス経路１３Ａを流れる改質ガスの放熱を適切に抑制し得るように、燃焼器１Ａの火炎Ｆの熱及び燃焼器１Ａの輻射熱等で改質ガスを加熱できる。
また、燃焼器１Ａ（円環体）の内空間に改質ガス経路１３Ａを通さない場合は、改質ガス経路を燃焼器の側方へ引き回す必要がある。すると、水素生成装置の投影面積が大きくなる可能性があるが、本実施例の水素生成装置１００では、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
（第１変形例）
図３は、第１実施形態の第１変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
図３に示す例では、水素生成装置１００は、改質器１２と、燃焼器１Ａと、排ガス経路３と、改質ガス経路１３Ｂと、を備える。排ガス経路３は第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。燃焼器１Ａは第１実施形態の実施例と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の水素生成装置１００は、第２の態様、第３の態様及び第１実施形態の実施例のいずれかの水素生成装置１００において、側壁部１２Ｃに設けられた改質触媒からの改質ガスは、改質器１２の内壁１２Ａにおいて折り返してから改質ガス経路１３Ｂへ送られている。
具体的には、改質ガスは、側壁部１２Ｃを上から下へと流れ、内壁１２Ａに設けられた折り返し部１６を通過した後、改質器１２内の空間を下から上へと流れる。その後、改質ガスは、改質ガス経路１３Ｂの上端部において再び折り返すように集められ、この上端部から改質ガス経路１３Ｂの内部を燃焼器１Ａの方向（下方）へ流れる。
ここで、内壁１２Ａと外壁１２Ｂとの間の下端領域は、板部材の周辺部で覆われ、内壁１２Ａの下端部近傍に折り返し部１６が設けられている。折り返し部１６は、内壁１２Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。なお、この開口部は、改質触媒の触媒粒子の通過を阻止し、改質ガスの通気を許すような大きさ（例えば、直径１−３ｍｍ程度の丸穴）で内壁１２Ａに形成されている。また、改質ガス経路１３Ｂを構成する配管が、上記板部材を気密状態で貫通し、改質器１２内の空間を上方に伸びている。
以上により、本変形例の水素生成装置１００では、改質反応の適温（例えば、約６００℃−７００℃程度）にまで昇温した改質ガスが折り返し部１６で折り返して上昇する途中で、改質触媒の内側が、高温の改質ガスの熱で加熱される。これにより、改質触媒の外側が、燃焼排ガスの熱で加熱される構成と相俟って、改質触媒の温度ムラ発生を適切に抑制できる。
（第２変形例）
図４は、第１実施形態の第２変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
図４に示す例では、水素生成装置１００は、改質器１２と、燃焼器１Ａと、排ガス経路３と、改質ガス経路１３Ｂと、蒸発器４と、を備える。排ガス経路３は第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。燃焼器１Ａは第１実施形態の実施例と同様であるので詳細な説明を省略する。改質器１２及び改質ガス経路１３Ｂは第１実施形態の第１変形例と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の水素生成装置１００は、第１の態様−第３の態様、第１実施形態の実施例及び第１変形例のいずれかの水素生成装置１００において、蒸発器４は、燃焼排ガスとの熱交換により、改質器１２で燃料の水蒸気改質を行うための水蒸気を生成し、蒸発器４は、改質器１２と接触して配置されている。そして、蒸発器４は、燃焼排ガスの流れ方向に対して改質器１２より下流側に配置されている。
蒸発器４は、改質器１２と接触して配置されていれば、どのような構成であっても構わない。例えば、図４に示すように、蒸発器４と改質器１２とが、上から下に向かう方向においてこの順に並んでおり、蒸発器４の下端部は、板部材５を介して改質器１２の上端部と接触してもよいし、蒸発器の側壁部と改質器の側壁部とが、図示しない鉛直部材を用いて上下方向に所望の間隔をあけて接合されることで両者が接触してもよい。
ここで、図示しない水供給器からの水、及び図示しない燃料供給器からの燃料がそれぞれ、蒸発器４へ送られる。このとき、蒸発器４を流れる水が、燃焼排ガスの熱で高温化し蒸発する。そして、蒸発器４及び板部材５を通過した燃料及び水蒸気の混合ガスは、改質触媒へと供給される。これにより、改質器１２で燃料の水蒸気改質を行うことができる。
以上により、本変形例の水素生成装置１００では、蒸発器４を改質器１２と接触して配置させることで構成が簡素化する。つまり、蒸発器４及び改質器１２を上下方向において並ぶように一体的に配置することで、例えば、蒸発器と改質器とを別体に設ける場合に比べ、水素生成装置１００を簡素に構成できる。
また、燃焼器１Ａから出た直後の高温の燃焼排ガスで改質反応が行われ、その後、改質器１２を通過して低温化した燃焼排ガスで水蒸発が行われるので、水素生成装置１００の熱を有効に利用できる。つまり、改質反応の適温及び水蒸発の適温はこの順に低くなるので、燃焼排ガスを上記の如く流すことで、燃焼排ガスの熱を有効に利用できる。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図５に示す例では、燃料電池システム２００は、改質器１２と、燃焼器１Ｂと、第１排ガス経路３Ａと、第２排ガス経路３Ｂと、改質ガス経路１３Ｂと、蒸発器４と、空気熱交換器６と、空気供給経路７と、燃料電池８と、を備える。
改質器１２は、燃料を水蒸気改質することで水素含有の改質ガスを生成する。本実施形態では、改質器１２は、内壁１２Ａと外壁１２Ｂとで形成されている側壁部１２Ｃを備えるが、上記の通り、必ずしも、改質器１２内を空間とする側壁部を備えなくても構わない。
なお、内壁１２Ａ及び外壁１２Ｂは、上記の通り、円筒体である方がよい。
また、改質ガス経路１３Ｂは、改質器１２から燃焼器１Ｂの方向へと送られる改質ガスが流れる流路である。また、蒸発器４は、燃焼排ガスとの熱交換により、改質器１２で燃料の水蒸気改質を行うための水蒸気を生成する。
そして、改質器１２は燃焼器１Ｂの火炎Ｆの形成側に配置されている。
ここで、第１排ガス経路３Ａは、改質器１２の外壁１２Ｂの周囲を覆い、燃焼器１Ｂからの燃焼排ガスが流れる流路である。そして、改質器１２の外壁１２Ｂと接する部分における改質器１２内（本実施形態では、側壁部１２Ｃ）のガスの流れは、改質器１２の外壁１２Ｂと接する部分における第１排ガス経路３Ａの燃焼排ガスの流れと対向している。
なお、これらの改質器１２、改質ガス経路１３Ｂ及び蒸発器４は第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
更に、本実施形態の燃料電池システム２００は、燃焼器１Ｂが円環体であり、改質ガス経路１３Ｂは、この円環体の内空間を通過するように構成されているが、かかる構成及び本構成が奏する効果ついても第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
また、燃料電池システム２００は、改質器１２の側壁部１２Ｃに設けられた改質触媒からの改質ガスが、改質器１２の内壁１２Ａにおいて折り返してから改質ガス経路１３Ｂへ送られるように構成されているが、かかる構成及び本構成が奏する効果ついても第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
また、燃料電池システム２００は、蒸発器４が、改質器１２と接触して配置され、燃焼排ガスの流れ方向に対して改質器１２より下流側に配置されるように構成されているが、かかる蒸発器４の構成及び本構成が奏する効果についても第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
空気熱交換器６は、第１排ガス経路３Ａの外周に配置された筒状の空気供給経路７を備え、空気供給経路７を流れる空気と第１排ガス経路３Ａを流れる燃焼排ガスとが熱交換する。つまり、空気供給経路７を流れる空気を受熱流体とし、第１排ガス経路３Ａを流れる燃焼排ガスを加熱流体として、空気熱交換器６での熱交換が行われる。
本実施形態では、改質器１２の外壁１２Ｂと空気供給経路７の筒状内壁との間に第１排ガス経路３Ａが設けられ、空気供給経路７の筒状外壁の周囲にも第２排ガス経路３Ｂが設けられている。そして、燃焼器１Ｂからの燃焼排ガスは、第１排ガス経路３Ａを流れた後、空気供給経路７を水平に貫通する配管を通過し、第２排ガス経路を流れる。
図示しない空気供給器からの常温の空気は、空気供給経路７を上から下へと流れるとき、第１排ガス経路３Ａを下から上へと流れる燃焼排ガスとの熱交換で加熱される。同時に、空気は、第２排ガス経路３Ｂを上から下へと流れる燃焼排ガスとの熱交換でも加熱される。これにより、常温の空気は、適温（例えば、約６００℃−７００℃程度）まで加熱される。そして、燃料電池８の内部改質の反応熱を利用し、燃料電池８の発電反応に必要な温度まで空気は加熱され、燃料電池８を収容する容器２００Ｂの下部から燃料電池８に空気が供給される。このとき、燃焼排気ガスは、適温（例えば、約３００℃程度）まで冷却される。その後、燃焼排ガスは、例えば、給湯用の温水を生成するための図示しない熱交換器へと送られる。
一方、改質ガス経路１３Ｂを流れる改質ガスは、容器２００Ｂの上部に設けられた経路から燃料電池８に供給される。
このようにして、燃料電池８は、空気供給経路７からの空気と改質ガス経路１３Ｂからの改質ガスを用いて発電する。つまり、改質ガス中の水素と空気中の酸素とによって燃料電池８の内部で発電反応が行われ、燃料電池８から電流が取り出される。
燃料電池８としては、いずれの種類であってもよい。燃料電池８として、例えば、固体酸化物形燃料電池が例示されるが、これに限らない。燃料電池８は、例えば、平板型セル及びインターコネクタなどの部材を積層した平板型スタックで構成されているが、これに限定されない。なお、平板型スタック内には、例えば、改質ガスが流れる改質ガス経路、空気が流れる空気供給経路、スタックの動作温度を検出するためのスタック温度検出器、電力を取り出すための電極等が設けられているが、これらは、一般的な平板型の燃料電池と同様であるので図示及び詳細な説明を省略する。
燃焼器１Ｂは、改質器１２を加熱する。燃焼器１Ｂは、改質器１２を加熱できれば、どのような構成であっても構わない。本実施形態では、燃焼器１Ｂは、燃料電池８での発電反応に寄与しなかったアノードオフガス（改質ガス）及びカソードオフガス（空気）を燃焼する。具体的には、図５に示すように、アノードオフガス経路が、燃焼器１Ｂの筐体の下壁部に接続している。カソードオフガス経路が、燃焼器１Ｂの筐体側面と空気供給経路７の筒状内壁との間に形成されている。これにより、燃焼器１Ｂの燃料吹き出し口から出た改質ガスに、燃焼器１Ｂの筐体の側方を通過する空気が混合することで、混合ガスが燃焼し、燃料吹き出し口で火炎Ｆが形成される。
以上により、本実施形態の燃料電池システム２００は、従来よりも小型化及び低コスト化を図り得る。具体的には、燃焼器１Ｂの火炎Ｆの形成側に改質器１２が配置され、改質ガスを燃焼器１Ｂの方向へ送るため、燃焼器の周囲に改質器を配置する構成に比べ、燃料電池システム２００の投影面積が小さくなる。よって、燃料電池システム２００は、奥行き方向への突出部等が存在しないシンプルな構成となり、燃料電池システム２００の小型化、低コスト化が図れる。
また、上記の改質器１２内のガスの流れが、上記の燃焼排ガスの流れと対向しているので、両ガス間の熱交換効率が、並行流熱交換器及び直交流熱交換器の場合に比べ向上する。
また、燃焼器１Ｂの燃焼熱によって改質器１２の出口が加熱されるので、改質器１２の出口温度を高温に、入口温度を低温に制御でき、改質器１２の改質効率が向上する。つまり、燃焼器１Ｂの上方の改質器１２側で火炎Ｆが形成されている。そして、燃焼器１Ｂの燃焼熱は、改質器１２を底面側から加熱する。よって、改質器１２の出口を最も高温（例えば、約６００℃−７００℃程度）に制御しやすい。改質器１２の改質反応の転化率は温度依存性を持ち、改質器１２の出口温度を最も高温に制御することは、吸熱反応である改質反応が効果的に進行し、改質器１２の改質効率向上の点で好適である。
更に、本実施形態の燃料電池システム２００では、燃料電池８が、上下方向に沿って、改質器１２及び燃焼器１Ｂのいずれとも離隔した位置に設けられている。つまり、燃料電池システム２００は、組み立て時においては、図６に示すように、燃料電池８を収容する容器２００Ｂと、改質器１２及び燃焼器１Ｂを収容する容器２００Ａとが別体に構成されている。
なお、接続部２０を介して空気供給経路７を、接続部２２を介して改質ガス経路１３Ｂを、接続部２１を介してアノードオフガス経路をそれぞれ、溶接等で接続することで、容器２００Ａと容器２００Ｂとを最終的に組み立て得る。これにより、燃料電池８の形状、大きさ等に依存せずに、上記の接続部２０、２１、２２のみを合わせることで、燃料電池システム２００の組み立てが可能となる。
なお、本実施形態の燃料電池システム２００は、第１実施形態の第２変形例の水素生成装置１００と、燃料電池８とを備える例を説明したが、これに限らない。燃料電池システム２００は、第１実施形態、第１実施形態の実施例及び第１実施形態の第１変形例のいずれかの水素生成装置１００と燃料電池８とを備えてもよい。
(第３実施形態)
発明者は、燃料電池システムを構成する高温の改質器の放熱、および改質器の伝熱面積等を考慮した燃焼器で発生する熱の有効活用について鋭意検討し、以下の知見を得た。
特許文献２および特許文献３に記載の燃料電池システムの如く、ＳＯＦＣスタック、改質器および空気熱交換器を一体に構成する場合、例えば、ＳＯＦＣスタックと改質器とを離隔させて構成する場合に比べ、改質器の径は大きくなる。この場合、改質器からの放熱量が増えて、システムの効率低下を引き起こす可能性がある。また、改質器の改質触媒の量が一定であると、改質器の径が大きくなるに連れて、改質器の径方向に直交する縦方向の寸法が短くなるので、燃焼器で発生する熱が伝わる伝熱面積を十分に確保ことが困難となる。つまり、特許文献２および特許文献３に記載の燃料電池システムでは、空気熱交換器との熱の分配を含め、改質器の放熱を抑え、燃焼器で発生する熱を有効活用する構成について未だ改善の余地があると考えられる。
また、発明者は、改質器への原料の均一な流れを考慮した改質触媒の有効活用についても鋭意検討し、以下の知見を得た。
特許文献２および特許文献３に記載の燃料電池システムの如く、ＳＯＦＣスタック、改質器および空気熱交換器を一体に構成する場合、例えば、ＳＯＦＣスタックと改質器とを離隔させて構成する場合に比べ、改質器の径は大きくなる。この場合、改質器の周方向に原料を均一に供給することが困難となり、改質器の改質触媒の有効な活用に支障となる可能性がある。つまり、特許文献２および特許文献３に記載の燃料電池システムでは、改質器の改質触媒を有効活用する構成について未だ改善の余地があると考えられる。
そこで、発明者は、以下の本発明の一態様に想到した。
すなわち、本発明の一態様の燃料電池システムは、円筒内壁と、円筒外壁と、円筒内壁と円筒外壁との間に設けられた改質触媒とを備え、原料を改質することで水素含有ガスを生成する改質器と、
筒状内壁と、筒状外壁と、筒状内壁と筒状外壁との間に設けられた空気供給経路とを備え、改質器を囲み、かつ改質器と同軸状に配置されている空気熱交換器と、
改質器で生成された水素含有ガスおよび空気熱交換器を通過した空気を用いて発電する固体酸化物形燃料電池と、
固体酸化物形燃料電池から排出されたアノードオフガスが燃焼する燃焼器と、を備え、
改質器の中心軸に沿って、固体酸化物形燃料電池が改質器および燃焼器のいずれとも離隔した位置に設けられるとともに、改質器が燃焼器と離隔した位置に設けられ、円筒内壁は、燃焼器により形成される火炎の燃焼空間の周囲に配置され、燃焼器の排ガス経路は、改質器の下方端と燃焼器との間の第１空間と、円筒外壁と筒状内壁との間の第２空間とによって形成されている。
かかる構成によると、本態様の燃料電池システムは、従来に比べ、改質器の放熱を抑え、燃焼器で発生する熱を有効に活用し得る。具体的には、固体酸化物形燃料電池と改質器および空気熱交換器とを離隔させて構成しているので、改質器および空気熱交換器について固体酸化物形燃料電池の形状によらない熱設計を行うことができる。例えば、改質器の外形は、改質器の放熱を適切に抑制し、燃焼器の熱が伝わる伝熱面積を適切に確保するように、固体酸化物形燃料電池の形状によらずに所定の寸法に設定できる。また、改質器の外側に、改質器と比較して低温となる空気熱交換器を設けることで、改質器からの放熱を有効に活用できる（つまり、燃料電池システムから外部への放熱を適切に抑制できる）。
また、本態様の燃料電池システムは、従来に比べ改質器の改質触媒を有効に活用し得る。具体的には、固体酸化物形燃料電池と改質器とを離隔させて構成しているので、改質器について固体酸化物形燃料電池の形状によらない原料の流体設計を行うことができる。例えば、改質器の外形は、改質器への周方向の原料供給が均一化するように、固体酸化物形燃料電池の形状によらずに所定の寸法に設定できる。
以下、添付図面を参照しつつ、実施の形態の具体例について説明する。
［装置構成］
図７は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図７に示すように、燃料電池システム２００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）３１と、燃焼器３２と、改質器３４と、空気熱交換器３７と、を備える。なお、図７（他の図面も同じ）において、便宜上、燃料電池システム２００の「上」および「下」を同図に示す如く取っており、重力が、「上」から「下」に作用するものとする。
改質器３４は、円筒内壁３４Ａと、円筒外壁３４Ｂと、円筒内壁３４Ａと円筒外壁３４Ｂとの間に設けられた改質触媒３４Ｃとを備え、原料を改質することで水素含有ガスを生成する。つまり、改質器３４の容器は、円筒内壁３４Ａと円筒外壁３４Ｂとで構成する２重円筒形状になっている。これにより、高温化する改質器３４の容器の熱応力への耐性が適切に確保できる。
改質器３４の改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応等を挙げることができる。なお、改質触媒３４Ｃには、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等の貴金属系触媒およびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることができる。本実施形態の燃料電池システム２００では、改質器３４の改質反応として、水蒸気改質反応が用いられ、改質器３４の改質触媒３４Ｃとして、Ｒｕを含む触媒が用いられている。
改質器３４は、改質触媒３４Ｃの上方に、円筒内壁３４Ａおよび円筒外壁３４Ｂによって形成される水蒸発器３４Ｄを備える。つまり、改質器３４の容器内の下方部分には、改質触媒３４Ｃが充填されており、上方部分には水蒸発器３４Ｄが形成されている。これにより、改質器３４が水蒸発部を備えない場合に比べ、改質触媒３４Ｃへ供給する水蒸気を生成するための水蒸発器３４Ｄを簡易に構成できる。そして、水蒸発器３４Ｄを通過した原料および水が、改質触媒３４Ｃへと供給される。なお、水蒸発器３４Ｄは、水蒸発器３４Ｄ内を流れる水を途中で一時的に溜める水受け部（図示せず）を備えてもいいし、螺旋流路を形成する流路部材を備えてもいい。かかる水受け部または流路部材により、水蒸発器３４Ｄ内の水を重力が作用する方向に落下させる場合でも、水蒸発器３４Ｄの途中で水を適切に蒸発させることができる。なお、螺旋流路を形成する流路部材については実施例で詳細に説明する。
図７には示されていないが、改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、蒸発器に水を供給する水供給器等が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、燃料電池システム２００には、さらに、改質器３４に空気を供給する空気供給器等が設けられる。原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む炭化水素燃料である。
空気熱交換器３７は、筒状内壁３７Ａと、筒状外壁３７Ｂと、筒状内壁３７Ａと筒状外壁３７Ｂとの間に設けられた空気供給経路３７Ｃとを備え、改質器３４を囲み、かつ改質器３４と同軸状に配置されている。つまり、空気熱交換器３７の容器は、筒状内壁３７Ａと筒状外壁３７Ｂとで構成する２重筒形状になっており、容器の内部空間が、空気熱交換器３７における受熱流体としての空気の経路となっている。
なお、筒状内壁３７Ａおよび筒状外壁３７Ｂの形状は、円筒形状であってもいいし、矩形筒形状であってもいい。筒状内壁３７Ａおよび筒状外壁３７Ｂを円筒形状で構成する場合、矩形筒形状で構成する場合に比べ熱応力への耐性に優れるという利点がある。筒状内壁３７Ａおよび筒状外壁３７Ｂを矩形筒形状で構成する場合、円筒形状で構成する場合に比べ空気熱交換器３７を断熱材で覆いやすくなるという利点がある。なお、空気熱交換器３７における加熱流体としての燃焼排ガスの経路については後述する。
固体酸化物形燃料電池３１は、改質器３４で生成された水素含有ガスおよび空気熱交換器３７を通過した空気を用いて発電する。固体酸化物形燃料電池３１は、例えば、平板型セルおよびインターコネクタなどの部材を積層した平板型スタックで構成されているが、これに限定されない。
なお、改質器３４からの水素含有ガス（改質ガス）の供給経路、空気熱交換器３７からの空気供給経路、発電に使用しなかった改質ガス（アノードオフガス）の排出経路、および、発電に使用しなかった空気（カソードオフガス）の排出経路等が、固体酸化物形燃料電池３１に接続されている。また、カソードオフガスの熱を回収するための熱交換部、スタックの動作温度を検出するためのスタック温度検出部、および、電力を取り出すための電極等が、燃料電池システム２００の適所に設けられている。しかし、これらは、一般的な燃料電池システムと同様であるので、詳細な説明は省略する。
燃焼器３２は、固体酸化物形燃料電池３１から排出されたアノードオフガスが燃焼する。具体的には、固体酸化物形燃料電池３１から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスがそれぞれ、アノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路のそれぞれを介して燃焼器３２に送られ、これらのガスが燃焼器３２で燃焼される。これにより、燃焼空間３８には、高温の燃焼排ガスが発生する。つまり、本実施形態の燃料電池システム２００では、燃焼器３２は、固体酸化物形燃料電池３１の外部に設けられており、固体酸化物形燃料電池３１から延伸するアノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路がそれぞれ、燃焼器３２の適所に接続されている。
なお、着火器および燃焼検知器等が、燃焼器３２に設けられているが、これらは、一般的な燃料電池システムの燃焼器の構成と同様であるので、詳細な説明および図示は省略する。
ここで、図７に示すように、固体酸化物形燃料電池３１は、改質器３４の中心軸７０に沿って、改質器３４および燃焼器３２のいずれとも離隔した位置に設けられている。また、改質器３４は、改質器３４の中心軸７０に沿って、燃焼器３２と離隔した位置に設けられている。そして、改質器３４の円筒内壁３４Ａは、燃焼器３２により形成される火炎の燃焼空間３８の周囲に配置されている。つまり、改質器３４（燃焼空間３８）、燃焼器３２および固体酸化物形燃料電池３１がそれぞれ、重力が作用する上方から下方へとこの順に、適宜の離隔距離を設けて配置されている。
また、燃焼器３２の排ガス経路３９は、改質器３４の下方端と燃焼器３２との間の第１空間５０と、改質器３４の円筒外壁３４Ｂと空気熱交換器３７の筒状内壁３７Ａとの間の第２空間５１とによって形成されている。つまり、燃焼排ガスは、改質器３４の下方端直下の第１空間５０を通過した後、第２空間５１内を上方に向かうように導かれる。
なお、図示を省略するが、改質器３４のガス出口付近の改質ガスの温度を検知する温度検知器を設けても構わない。これにより、図示しない制御器が、改質器３４の検知温度に基づいて改質器３４の温度が適温となるようにフィードバック制御できる。
以上により、本実施形態の燃料電池システム２００は、従来に比べ、改質器３４の放熱を抑え、燃焼器３２で発生する熱を有効に活用し得る。具体的には、固体酸化物形燃料電池３１と改質器３４および空気熱交換器３７とを離隔させて構成しているので、改質器３４および空気熱交換器３７について固体酸化物形燃料電池３１の形状によらない熱設計を行うことができる。例えば、改質器３４の外形は、改質器３４の放熱を適切に抑制し、燃焼器３２で発生する熱が伝わる伝熱面積を適切に確保するように、固体酸化物形燃料電池３１の形状によらずに所定の寸法に設定できる。また、改質器３４の外側に、改質器３４と比較して低温となる空気熱交換器３７を設けることで、改質器３４からの放熱を有効に活用できる（つまり、燃料電池システム２００から外部への放熱を抑制できる）。
また、本実施形態の燃料電池システム２００は、従来に比べ改質器３４の改質触媒３４Ｃを有効に活用し得る。具体的には、固体酸化物形燃料電池３１と改質器３４とを離隔させて構成しているので、改質器３４について固体酸化物形燃料電池３１の形状によらない原料の流体設計を行うことができる。例えば、改質器３４の外形は、改質器３４への周方向の原料供給が均一化するように、固体酸化物形燃料電池３１の形状によらずに所定の寸法に設定できる。
［動作］
以下、本実施形態の燃料電池システム２００の動作の一例について図７を参照しながら説明する。
本実施形態の燃料電池システム２００では、水蒸気改質反応が行われるので、改質水が、図示しない水供給器と連通する水供給経路から水蒸発器３４Ｄへと供給される。水蒸発器３４Ｄにおいては、水蒸気が生成され、図示しない原料供給器と連通する原料供給経路からの原料と水蒸気とが水蒸発器３４Ｄで混合される。このとき、原料は水蒸発器３４Ｄで加熱される。混合ガスは、改質触媒３４Ｃが配された空間へと送られ、改質触媒３４Ｃにおいて、原料の水蒸気改質反応が進行し、水素含有ガス（改質ガス）が生成される。改質ガスは、改質ガス供給経路を通じて、固体酸化物形燃料電池３１へと供給される。
一方、図示しない空気供給器と連通する空気供給経路からの空気が、空気熱交換器３７へと送られ、空気熱交換器３７において、空気は、排ガス経路３９を流れる燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。そして、空気は、空気供給経路を通じて、固体酸化物形燃料電池３１へと供給される。
固体酸化物形燃料電池３１では、改質ガスおよび空気を燃料に用いて発電が行われる。発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）および空気（カソードオフガス）はそれぞれ、アノードオフガス供給経路およびカソードオフガス供給経路のそれぞれを通じて、燃焼器３２へと送られる。
燃焼器３２では、アノードオフガスおよびカソードオフガスが燃焼し、燃焼空間３８に向かう火炎が形成される。これにより、改質器３４の改質触媒３４Ｃを円筒内壁３４Ａから火炎の熱で適切に加熱できる。
このとき、燃焼器３２の燃焼で生成された燃焼排ガスは、図７の点線で示すように、改質器３４の下方端と燃焼器３２との間の第１空間５０を流通する。これにより、高温の燃焼排ガスで改質ガスの流れ方向の下流側の改質器３４を加熱するので、改質触媒３４Ｃのガス出口付近を高温にすることができる。よって、吸熱反応である改質反応が効果的に進行し、水素量が多い改質ガスを生成できる。
第１空間５０を通過した燃焼排ガスは、改質器３４の円筒外壁３４Ｂと空気熱交換器３７の筒状内壁３７Ａとの間の第２空間５１を流通する。これにより、改質器３４の改質触媒３４Ｃを円筒外壁３４Ｂから燃焼排ガスの熱で適切に加熱できる。また、空気熱交換器３７の下流部の空気を筒状内壁３７Ａから燃焼排ガスの熱で適切に加熱（予熱）できる。
なお、このとき、空気熱交換器３７内の空気および改質器３４内の混合ガスの流れと、第２空間５１における燃焼排ガスの流れとが対向しているので、両流体の流れが並行する場合および直交する場合に比べ熱交換の性能が高い。よって、これらの空気および混合ガスを効率的に加熱できる。さらに、改質器３４を通過した直後の高温の燃焼排ガスが、空気熱交換器３７のガス出口側の空気と熱交換しているので、固体酸化物形燃料電池３１に十分に高温化した空気を供給できる。
第２空間５１を通過した燃焼排ガスは、水蒸発器３４Ｄの周囲を流通する。なお、ここでは、水蒸発器３４Ｄの周囲の空間５２は、水蒸発器３４Ｄを構成する円筒外壁３４Ｂの部分と空気熱交換器３７の上流部を構成する筒状内壁３７Ａの部分との間の隙間に相当する。これにより、水蒸発器３４Ｄを燃焼排ガスの熱で適切に加熱できる。また、空気熱交換器３７の上流部の空気を筒状内壁３７Ａから燃焼排ガスの熱で適切に加熱（予熱）できる。特に、水蒸発器３４Ｄおよび空気熱交換器３７の入口付近は比較的低温である。よって、これらを流れるガスと第２空間５１を通過した燃焼排ガスとが熱交換するので、燃焼排ガスの保有する熱を有効に利用できる。具体的には、第１空間５０で曝される改質器３４のガス出口付近、第２空間５１で曝される空気熱交換器３７のガス出口付近および水蒸発器３４Ｄのそれぞれの適温は、この順に低くなるので、上記の如く、燃焼排ガスを流すことで、燃焼排ガスの熱がカスケード的に利用される。その結果、原料の投入エネルギーに対して高効率な発電エネルギーが得られる燃料電池システム２００を実現できる。
なお、水蒸発器３４Ｄの周囲の空間５２を通過した燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出経路を通じて燃料電池システム２００外へと排出される。
（実施例）
図８は、第３実施形態の実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。図８には、水蒸発器３４Ｄの具体例が示されている。
図８に示すように、本実施例の燃料電池システム２００は、水蒸発器３４Ｄは、円筒内壁３４Ａと円筒外壁３４Ｂとの間に設けられ、螺旋流路を形成する流路部材３５を備え、原料および水は、流路部材３５に沿って螺旋状に流通する。流路部材３５として、例えば、可とう性部材を挙げることができる。可とう性部材として、例えば、金属製のワイヤー等を挙げることができる。
以上により、原料および水の温度が低い上流側から、燃焼排ガスの加熱で高温化する下流側に向かって、水蒸発器３４Ｄの周方向の原料および水の螺旋状流れが、流路部材３５によって適切に形成できる。よって、燃焼排ガスの熱を有効に活用できる。
本実施形態の燃料電池システム２００は、上記特徴以外は、第３実施形態の燃料電池システム２００と同様に構成しても構わない。
（第４実施形態）
図９は、実施形態２の燃料電池システムの一例を示す図である。
図９に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、第３実施形態態様または第３実施形態の実施例の燃料電池システム２００において、燃焼器３２の炎口部３２Ａが形成されている面に当接する円筒状の火炎ガイド４８をさらに備え、火炎ガイド４８は、炎口部３２Ａの上方の燃焼空間３８を囲み、円筒内壁３４Ａの内側で改質器３４と同軸状に配置されている。本実施形態では、火炎ガイド４８は、改質器３４および空気熱交換器３７等を収容する容器の下壁部（例えば、燃焼器３２の炎口部３２Ａが形成されている下壁部）に当接し、ここから上方へと鉛直に燃焼空間３８の周囲へ向かうように立設している。なお、火炎ガイド４８の上方端は、燃焼器３２での燃焼性を考慮すると、燃料電池システム２００の想定している運転条件での燃焼器３２で形成される火炎３８Ａの長さよりも長くなるように設定するのがよい。また、改質触媒３４Ｃの充填領域の上方端よりも下方に設定するとよい。
改質器３４と同軸状に、このような火炎ガイド４８を設けることで、火炎３８Ａは、燃焼器３２の炎口部３２Ａから火炎ガイド４８に沿って上方の燃焼空間３８に適切に形成される。また、燃焼器３２の燃焼排ガスは、火炎ガイド４８に沿って上方へと導かれ、その後、火炎ガイド４８の上方端で折り返して、第１空間５０へと導かれる。
以上により、燃焼器３２の燃焼が、火炎ガイド４８を設けない場合に比べ安定化する。
例えば、燃料電池システム２００外の燃焼排ガス排出経路上でのガス圧力変動（例えば、図示しない水凝縮タンクの凝縮割合の変化等による圧力変動）が生じる場合、火炎ガイド４８を設けないと、燃焼器３２の燃焼が不安定になる。すると、改質器３４の加熱状態が変化し、改質器３４の改質反応が不安定になる可能性がある。例えば、火炎３８Ａが直接、改質器３４に接触すること等により、改質触媒３４Ｃが部分的に高温化する可能性がある。また、改質触媒３４Ｃの部分的な高温化により、改質触媒３４Ｃの耐久性を低下させる場合もある。
そこで、本実施形態の燃料電池システム２００は、上記の火炎ガイド４８を設けることで、火炎３８Ａの形成を安定化させるとともに、火炎３８Ａが直接、改質器３４に接触することを抑制し、以上のような問題発生の可能性を低減している。
なお、本実施形態の燃料電池システム２００は、上記特徴以外は、第３実施形態または第３実施形態の実施例の燃料電池システム２００と同様であるので説明を省略する。
（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、第３実施形態、第３実施形態の実施例および第４実施形態のいずれかの燃料電池システム２００において、改質器３４の中心軸７０に沿って、燃焼器３２と離隔した位置から上方に延伸する円筒状の燃焼排ガスガイド４９をさらに備え、燃焼排ガスガイド４９は、円筒内壁３４Ａの内側で改質器３４と同軸状に配置されている。本実施形態では、燃焼排ガスガイド４９は、改質器３４および空気熱交換器３７等を収容する容器の上壁部（例えば、炎口部３２Ａが形成されている下壁部と対向する上壁部）に当接し、ここから下方へと鉛直に燃焼空間３８の周囲へ向かうように延在している。なお、燃焼排ガスガイド４９の下方端は、第１空間５０における燃焼排ガスの流れを阻害しない位置であって、改質触媒３４Ｃの充填領域の上方端よりも下方に設定するとよい。また、燃焼排ガスガイド４９と改質器３４の円筒内壁３４Ａとの間隔は、互いに接触させずに、かつ、燃焼空間３８での火炎３８Ａの形成を阻害しない寸法に設定するとよい。
改質器３４と同軸状に、このような燃焼排ガスガイド４９を設けることで改質器３４を安定的に加熱できる。
具体的には、燃料電池システム２００外の燃焼排ガス排出経路上でのガス圧力変動等が生じる場合、改質器３４の加熱状態が変化し、改質器３４の改質反応が不安定になる可能性がある。例えば、火炎３８Ａが直接、改質器３４に接触すること等により、改質触媒３４Ｃが部分的に高温化する可能性がある。また、改質触媒３４Ｃの部分的な高温化により、改質触媒３４Ｃの耐久性を低下させる場合もある。
そこで、本実施形態の燃料電池システム２００は、燃焼排ガスガイド４９を設けることで、火炎３８Ａが直接、改質器３４に接触するのを抑制でき、改質器３４の改質反応を安定化できる。
また、燃焼排ガスガイド４９は、火炎３８Ａおよび燃焼排ガスで加熱されて高温になる。燃焼排ガスガイド４９は、改質器３４の円筒内壁３４Ａに対向して配置されているので、燃焼排ガスガイド４９が、改質器３４の熱輻射面として機能し、改質器３４の円筒内壁３４Ａを加熱する。ここで、火炎３８Ａおよび燃焼排ガスを用いて直接、改質器３４の円筒内壁３４Ａを加熱する構成と比較すると、燃焼排ガスガイド４９は、構成材料が持つ熱伝導により温度分布が生じるが、燃焼排ガスガイド４９の面を使っての熱輻射により加熱することができるので、改質器３４の部分的な加熱を抑制し得る。また、改質器３４の円筒外壁３４Ｂは、第２空間５１を流れる燃焼排ガスにより加熱されており、円筒内壁３４Ａからの加熱と相まって、改質触媒３４Ｃを円筒内壁３４Ａおよび円筒外壁３４Ｂの両方から効率的に加熱でき、改質器３４の改質反応を効果的に進行させることができる。
なお、本実施形態の燃料電池システム２００は、上記特徴以外は、第３実施形態、第３実施形態の実施例および第４実施形態のいずれかの燃料電池システム２００と同様であるので説明を省略する。
（第６実施形態）
図１１は、第６実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図１１に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、第４実施形態の燃料電池システム２００において、改質器３４の中心軸７０に沿って、燃焼器３２と離隔した位置から上方に延伸する円筒状の燃焼排ガスガイド４９を備え、燃焼排ガスガイド４９は、改質器３４の円筒内壁３４Ａの内側で改質器３４と同軸状に配置されるとともに、火炎ガイド４８を囲み、かつ火炎ガイド４８とも同軸状に配置されている。
本実施形態の火炎ガイド４８および燃焼排ガスガイド４９の機能はそれぞれ、実施形態２および実施形態３のそれぞれと同様であるので説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム２００では、燃焼器３２の排ガス経路３９は、火炎ガイド４８と燃焼排ガスガイド４９との間の第３空間５３と、上記の第１空間５０と、上記の第２空間５１と、によって形成されている。第３空間５３に燃焼排ガスを流すことにより、燃焼排ガスの流れを整流できる。そして、第３空間５３を通過した燃焼排ガスを第１空間５０及び第２空間５１へ送ることができる。
なお、本実施形態の燃料電池システム２００は、上記特徴以外は、第４実施形態の燃料電池システム２００と同様であるので説明を省略する。
（変形例）
図１２は、第５実施形態の変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。図１３は、第６実施形態の変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
図１２および図１３に示すように、本変形例の燃料電池システム２００は、第５実施形態または第６実施形態の燃料電池システム２００において、燃焼排ガスガイド４９の内側において、燃焼器３２を上方から覆う天板６０を備え、天板６０は、改質触媒３４Ｃの充填領域の上方端を含む水平面上、または、その近傍に配置されている。このような天板６０を設けることで、改質器３４を効率的に加熱できる。
具体的には、天板６０の上下方向の配置位置は、火炎３８Ａが天板６０に当たらない位置であって、改質触媒３４Ｃの充填領域の上方端を含む平面上の位置、または、この水平面と上下方向に近接する位置であることが、以下の理由により、改質触媒３４Ｃを効率的に加熱する点から好ましい。
燃焼排ガスガイド４９を備える燃料電池システム２００では、上記のとおり、火炎３８Ａおよび燃焼排ガスで、燃焼排ガスガイド４９が加熱される。ここで、上記の天板６０を備える構成の場合、天板６０の配置位置よりも下側の燃焼排ガスガイド４９の下方部分では、火炎３８Ａおよび燃焼排ガスで重点的に加熱される。これにより、燃焼排ガスガイド４９の下方部分と対向する改質器３４の改質触媒３４Ｃの加熱が、天板６０を上記の配置位置に設けない場合に比べ促進される。よって、改質器３４の改質反応を効果的に進めることができる。
また、天板６０の配置位置よりも上側の燃焼排ガスガイド４９の上方部分では、燃焼排ガスによる加熱が適切に抑制される。これにより、燃焼排ガスガイド４９の上方部分と対向する水蒸発器３４Ｄへの加熱が抑制されるので、第１空間５０および第２空間５１を流れる燃焼排ガスの温度が、天板６０を上記の配置位置に設けない場合に比べ高くなる。よって、改質器３４を効率的に加熱できるとともに、固体酸化物形燃料電池３１に送る空気の温度を高くすることもできる。
また、上記のとおり、図１３の燃料電池システム２００では、改質器３４と同軸状に火炎ガイド４８を設けることで、図１２の燃料電池システム２００の場合に比べ、火炎３８Ａが、炎口部３２Ａから火炎ガイド４８に沿うように、安定に形成させることができる。よって、燃焼器３２の燃焼性を向上できる。
さらに、図１３の燃料電池システム２００の場合、燃焼器３２で発生させた燃焼排ガスは、図１３の点線のように、第３空間５３、第１空間５０、第２空間５１および水蒸発器３４Ｄの周囲の空間５２をこの順に流通する。これにより、燃焼排ガスの流れが第３空間５３で整流された後、燃焼器３２の燃焼排ガスの熱をカスケード的に有効に利用できる。
なお、本変形例の燃料電池システム２００は、上記特徴以外は、第５実施形態または第６実施形態の燃料電池システム２００と同様であるので説明を省略する。
また、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第３実施形態の実施例、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態、第５実施形態の変形例および第６実施形態の変形例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本開示の一態様は、従来よりも小型化及び低コスト化を図り得ることができ、例えば、水素生成装置、燃料電池システム等に利用できる。
１ ：燃焼器
１Ａ ：燃焼器
１Ｂ ：燃焼器
２ ：改質器
２Ａ ：内壁
２Ｂ ：外壁
２Ｃ ：側壁部
２Ｄ ：底部
３ ：排ガス経路
３Ａ ：第１排ガス経路
３Ｂ ：第２排ガス経路
４ ：蒸発器
５ ：板部材
６ ：空気熱交換器
７ ：空気供給経路
８ ：燃料電池
９ ：筐体
１２ ：改質器
１２Ａ ：内壁
１２Ｂ ：外壁
１２Ｃ ：側壁部
１３ ：改質ガス経路
１３Ａ ：改質ガス経路
１３Ｂ ：改質ガス経路
１６ ：折り返し部
２０ ：接続部
２１ ：接続部
２２ ：接続部
３１ ：固体酸化物形燃料電池
３２ ：燃焼器
３２Ａ ：炎口部
３４ ：改質器
３４Ａ ：円筒内壁
３４Ｂ ：円筒外壁
３４Ｃ ：改質触媒
３４Ｄ ：水蒸発器
３５ ：流路部材
３７ ：空気熱交換器
３７Ａ ：筒状内壁
３７Ｂ ：筒状外壁
３７Ｃ ：空気供給経路
３８ ：燃焼空間
３８Ａ ：火炎
３９ ：排ガス経路
４８ ：火炎ガイド
４９ ：燃焼排ガスガイド
５０ ：第１空間
５１ ：第２空間
５２ ：空間
５３ ：第３空間
６０ ：天板
７０ ：中心軸
１００ ：水素生成装置
２００ ：燃料電池システム

Claims (24)

  1. 燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、
    前記改質器を加熱する燃焼器と、
    前記改質器の外壁の周囲を覆い、前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる排ガス経路と、
    前記改質器から前記燃焼器の方向へ送られる前記改質ガスが流れる改質ガス経路と、
    を備え、
    前記改質器は、前記燃焼器の火炎形成側に配置され、前記改質器の外壁と接する部分における前記改質器内のガスの流れは、前記改質器の外壁と接する部分における前記排ガス経路の燃焼排ガスの流れと対向している、
    水素生成装置。
  2. 前記改質器は、前記外壁と内壁とで形成されている側壁部を備える請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 前記内壁及び前記外壁は、円筒体である請求項２に記載の水素生成装置。
  4. 前記燃焼器は円環体であり、前記改質ガス経路は、前記円環体の内空間を通過する請求項２又は３に記載の水素生成装置。
  5. 前記側壁部に設けられた改質触媒からの改質ガスは、前記改質器の内壁において折り返してから前記改質ガス経路へ送られている請求項２から４のいずれかに記載の水素生成装置。
  6. 前記燃焼排ガスとの熱交換により、前記改質器で前記燃料の水蒸気改質を行うための水蒸気を生成する蒸発器を備え、
    前記蒸発器は、前記改質器と接触して配置されている請求項１から５のいずれかに記載の水素生成装置。
  7. 前記蒸発器は、前記燃焼排ガスの流れ方向に対して前記改質器より下流側に配置されている請求項６に記載の水素生成装置。
  8. 燃料を水蒸気改質することで水素含有の改質ガスを生成する改質器と、
    前記改質器を加熱する燃焼器と、
    前記改質器の外壁の周囲を覆い、前記燃焼器からの燃焼排ガスが流れる排ガス経路と、
    前記改質器から前記燃焼器の方向へと送られる前記改質ガスが流れる改質ガス経路と、
    前記燃焼排ガスとの熱交換により、前記改質器で前記燃料の水蒸気改質を行うための水蒸気を生成する蒸発器と、
    前記排ガス経路の外周に配置された筒状の空気供給経路を備え、前記空気供給経路を流れる空気と前記排ガス経路を流れる燃焼排ガスとが熱交換する空気熱交換器と、
    前記空気供給経路からの空気と前記改質ガス経路からの改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
    を備え、
    前記改質器は、前記燃焼器の火炎形成側に配置され、前記改質器の外壁と接する部分における前記改質器内のガスの流れは、前記改質器の外壁と接する部分における前記排ガス経路の燃焼排ガスの流れと対向し、前記燃焼器は、前記燃料電池での発電反応に寄与しなかった改質ガス及び空気を燃焼する燃料電池システム。
  9. 前記改質器は、前記外壁と内壁とで形成されている側壁部を備える請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記内壁及び前記外壁は、円筒体である請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃焼器は円環体であり、前記改質ガス経路は、前記円環体の内空間を通過する請求項８から１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
  12. 前記側壁部に設けられた改質触媒からの改質ガスは、前記改質器の内壁において折り返してから前記改質ガス経路へ送られている請求項９から１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
  13. 前記蒸発器は、前記改質器と接触して配置されている請求項８から１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
  14. 前記蒸発器は、前記燃焼排ガスの流れ方向に対して前記改質器より下流側に配置されている請求項８から１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
  15. 前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池である、請求項８に記載の燃料電池システム。
  16. 前記改質器は、円筒内壁と、円筒外壁と、前記円筒内壁と前記円筒外壁との間に設けられた改質触媒とを備え、
    前記空気熱交換器は、筒状内壁と、筒状外壁と、前記筒状内壁と前記筒状外壁との間に設けられた空気供給経路とを備え、前記改質器を囲み、かつ前記改質器と同軸状に配置されており、
    前記燃焼器は、前記固体酸化物形燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼し、
    前記改質器の中心軸に沿って、前記固体酸化物形燃料電池が前記改質器および前記燃焼器のいずれとも離隔した位置に設けられるとともに、
    前記改質器が前記燃焼器と離隔した位置に設けられ、前記円筒内壁は、前記燃焼器により形成される火炎の燃焼空間の周囲に配置され、
    前記燃焼器の排ガス経路は、前記改質器の下方端と前記燃焼器との間の第１空間と、前記円筒外壁と前記筒状内壁との間の第２空間とによって形成されている、
    請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 前記改質器は、前記改質触媒の上方に、前記円筒内壁および前記円筒外壁によって形成される水蒸発部を備え、前記水蒸発部を通過した原料および水が、前記改質触媒へと供給される請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記燃焼器の燃焼排ガスは、前記第１空間、前記第２空間および前記水蒸発部の周囲をこの順に流通する請求項１７に記載の燃料電池システム。
  19. 前記水蒸発部は、前記円筒内壁と前記円筒外壁との間に設けられ、螺旋流路を形成する流路部材を備え、
    前記原料および水は、前記流路部材に沿って螺旋状に流通する請求項１７に記載の燃料電池システム。
  20. 前記燃焼器の炎口部が形成されている面に当接する円筒状の火炎ガイドをさらに備え、
    前記火炎ガイドは、前記炎口部の上方の前記燃焼空間を囲み、前記円筒内壁の内側で前記改質器と同軸状に配置されている請求項１６から１９のいずれかに記載の燃料電池システム。
  21. 前記改質器の中心軸に沿って、前記燃焼器と離隔した位置から上方に延伸する円筒状の燃焼排ガスガイドをさらに備え、
    前記燃焼排ガスガイドは、前記円筒内壁の内側で前記改質器と同軸状に配置されている請求項１６から２０のいずれかに記載の燃料電池システム。
  22. 前記改質器の中心軸に沿って、前記燃焼器と離隔した位置から上方に延伸する円筒状の燃焼排ガスガイドを備え、
    前記燃焼排ガスガイドは、前記円筒内壁の内側で前記改質器と同軸状に配置されるとともに、前記火炎ガイドを囲み、かつ、前記火炎ガイドとも同軸状に配置されている請求項２０に記載の燃料電池システム。
  23. 前記改質器の内側において、前記燃焼器を上方から覆う天板を備え、
    前記天板は、前記改質触媒の充填領域の上方端を含む水平面上、または、その近傍に配置されている請求項２１または２２に記載の燃料電池システム。
  24. 前記改質器の中心軸に沿って、前記燃焼器と離隔した位置から上方に延伸する円筒状の燃焼排ガスガイドをさらに備え、
    前記燃焼排ガスガイドは、前記円筒内壁の内側で前記改質器と同軸状に配置されるとともに、前記火炎ガイドを囲み、かつ、前記火炎ガイドとも同軸状に配置され、
    前記燃焼器の排ガス経路は、前記火炎ガイドと前記燃焼排ガスガイドとの間の第３空間によって形成されている請求項２０に記載の燃料電池システム。
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