JP2018106951A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電出力が増大した際におけるＳ／Ｃの一時的低下を抑えることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムの気化・改質ユニットは、改質用水を気化するための気化器１０４と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器１１２と、改質器１１２にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、を備える。気化器１０４及び改質器１１２がセルスタックの上方に配設され、セルスタックから排出される反応燃料ガス及び反応酸化材の燃焼によって気化器１０４及び改質器１１２が加熱される。気化器１０４は気化空間１００を規定するための気化ハウジング１０５を備える。気化ハウジング１０５における、気化空間１００の底面を規定する底壁部１２６には、気化した水蒸気の流れ方向に見て下流側に向けて下方に傾斜して延びる下傾斜面が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、固体酸化物形のセルスタックを備えた燃料電池システムに関する。

セルスタックとして固体酸化物形のものを用いた燃料電池システムが提案され実用に供されている。この燃料電池システムでは、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質が用いられ、この固体電解質の片側に燃料極が設けられ、その他側に酸素極（空気極）が設けられる。固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられ、この固体電解質の一方側には燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、約７００〜１０００℃の高温状態で、燃料ガス（改質燃料ガス）中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材ガス（空気）中の酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。

この固体酸化物形燃料電池システムの適用先として、数十ｋＷ級以上の業務用、産業用の分野と１ｋＷ級の家庭用の分野とがある。この家庭用（小型）の固体酸化物形燃料電池システムでは、接続される電力負荷が時間とともに大きく変動し、この電力負荷の変動に追従して定格出力からその１／１０程度まで発電出力が変動するように制御される。

このような固体酸化物形燃料電池システムでは、一般的に、燃料ガスとして炭化水素（例えば、都市ガス）が用いられ、この炭化水素が水蒸気改質された後にセルスタックの燃料極側に送給される。燃料ガスを水蒸気改質する場合、改質用水を気化させるための気化器と、気化された水蒸気を用いて燃料ガスを水蒸気改質するための改質器が用いられ、これら気化器及び改質器がセルスタックの上方に設置される（例えば、特許文献１参照）。セルスタックの燃料極側を通して反応燃料ガス（残余燃料ガスを含む）が流れ、その酸素極側を通して反応酸化材ガス（残余酸化材ガスを含む）が流れ、セルスタックの上側の燃焼域にて反応燃焼ガスと反応酸化材ガスとが混合して燃焼し、この燃焼ガスにより気化器及び改質器が加熱され、かかる加熱作用により、気化器での気化反応及び改質器での改質反応が進行する。

この固体酸化物形燃料電池システムでは、例えば、気化器及び改質器が気化・改質ユニットとして構成され、この気化・改質ユニットは、例えば図９に示す通りに構成されている。図９において、従来の気化・改質ユニット２０２は、箱状のユニットハウジング２０３を備え、このユニットハウジング２０３の上流側部（図９において右側部）に気化部２０４（気化器として機能する）が設けられ、その下流側部（図９において左側部）に改質部２０５（改質器として機能する）が設けられている。気化部２０４内には、気化混合促進用の充填材２０６が充填され、また改質部２０５内には、改質促進用の改質触媒材２０７（改質触媒を担持した部材）が充填されている。燃料ガス供給管２０８は、ユニットハウジング２０２の上流端壁２０９に接続され、水供給管２１０は、燃料ガス供給管２０８内を通して気化部２０４の流入部（充填材２０６が充填された部位の上流側端部）に延びている。また、改質燃料ガス送給管２１１はユニットハウジング２０２の下流端壁２１２に接続されている。

この燃料電池システムでは、改質用水を供給するための水供給ポンプは、回転数によって送給流量を制御する形態のものから構成され、その回転数が少ないときには改質用水の供給量が少なく、その回転数が多くなると改質用水の供給量が多くなる。

このような気化・改質ユニット２０２を備えた燃料電池システムでは、改質用水は水供給管２１０を通して気化部２０４（気化器）内に供給され、この気化部２０４内で気化されて水蒸気となる。また、燃料ガスは燃料ガス供給管２０８を通して気化部２０４内に供給され、この気化部２０４内で加熱されるとともに気化した水蒸気と混合され、この混合燃料ガス（燃料ガスと水蒸気とが混合したもの）が改質部２０５に送給される。改質部２０５では混合燃料ガスが水蒸気改質され、このように水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給管２１１を通してセルスタックの燃料極側に送給される。

特開２００５−２８５３４０号公報

しかしながら、この気化・改質ユニット２０２を備えた燃料電池システムでは、次の通りの問題がある。気化・改質ユニット２０２のユニットハウジング２０３は箱状に形成され、その底壁２１３の内面は水平に延びており、水供給管２１０を通して供給される改質用水は気化部２０４内のこの底壁２１３に滴下される。一方、燃料電池システムの発電出力は大きく変動する、例えば定格出力からその１／１０程度まで変動するために、この変動に対応して、改質処理すべき燃料ガスのガス量及び気化処理すべき改質用水の水量も例えば１００％から２５％程度まで変動するようになり、このように気化処理すべき水量が変動するということは、気化部２０４においてユニットハウジング２０３の底壁２１３と改質用水との接触面積（「蒸発接触面積」という）が発電出力状態によって大きく変わることになる。

この蒸発接触面積の変化度合いは、例えば、発電出力が大きい（例えば、定格出力）ときには、燃料ガス及び改質用水の供給量が１００％となるために、蒸発接触面積が大きくなり（長くなる）、発電出力が低下すると、蒸発接触面積が小さくなる。そして、発電出力が大きくなるときには、この蒸発接触面積が大きくなるが、この蒸発接触面積が大きくなる間において改質用水の一部が蒸発せずに少しずつ拡がるようになるために、改質用水の気化が少し遅れ、この発電出力の増大に対応できず、水蒸気／炭素の比率（Ｓ／Ｃ）が一時的に低下する傾向になる。

このようにしてＳ／Ｃの値が低くなり過ぎると、改質部２０５から改質燃料ガス送給管２１１を通して送給される改質燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が高くなり、この改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給されることでその流入部で炭素析出が生じるおそれがある。固体酸化物形のセルスタックでは、例えば、多孔質の燃料極が緻密な電解質膜の基板となっており、それ故に、燃料極で炭素析出が生じると、この燃料極の膨張が起き、更に電解質割れという現象が生じ、セルスタックの破損に至るおそれがある。

本発明の目的は、発電出力が増大した際におけるＳ／Ｃの一時的低下を抑えることができる燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、改質用水を気化するための気化器と、前記気化器に改質用水を供給するための水供給手段と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタックと、を備え、前記気化器及び前記改質器が前記セルスタックの上方に配設され、前記セルスタックから排出される反応燃料ガス及び反応酸化材の燃焼によって前記気化器及び前記改質器が加熱される燃料電池システムであって、
前記気化器は気化空間を規定するための気化ハウジングを備え、前記気化ハウジングにおける、前記気化空間の底面を規定する底壁部には、気化した水蒸気の流れ方向に見て下流側に向けて下方に傾斜して延びる下傾斜面が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記水供給手段は、改質用水を前記気化ハウジングに供給する水供給管を有し、前記気化ハウジングの前記底壁部には、気化した水蒸気の流れ方向に見て前記下傾斜面の上流側に、上流側に向けて水平に延びる水平面が設けられ、前記水供給管を通して供給される改質用水は、前記気化ハウジングの前記底壁部の前記水平面に滴下されることを特徴とする。

更に、本発明に従う請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記気化ハウジングの底壁内面に傾斜ブロックが設けられ、前記底壁及び前記傾斜ブロックが前記気化ハウジングの前記底壁部を構成し、前記傾斜ブロックの上面が前記下傾斜面を規定することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、気化器における、気化空間の底面を規定する底壁部に下傾斜面が設けられているので、水供給手段から供給される改質用水の供給量が増えると、気化器に供給された改質用水がこの下傾斜面に沿って流下し、これによって、気化ハウジングの底壁部と改質用水との接触面積（即ち、蒸発接触面積）が速く拡がるようになる。従って、セルスタックから排出される反応燃料ガス及び反応酸化材の燃焼による熱によって速やかに気化され、気化された水蒸気が改質器に送給される。特に、発電出力が増大して改質用水の送給流量が急激に増えた場合であてもすぐに気化して水蒸気を送給することが可能となり、その結果、発電出力が急に増大した際にＳ／Ｃが一時的に低下するのを抑えることができる。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、気化ハウジングの底壁部には、気化した水蒸気の流れ方向に見て下傾斜面の上流側に水平に延びる水平面が設けられ、水供給管を通して供給される改質用水は、気化ハウジングの底壁部のこの水平面に滴下されるので、改質用水の供給量が少ないときには、気化ハウジングの底壁部の水平面に滴下された改質用水が少しずつ拡がりながら気化され、また改質用水の供給量が多くなると、この水平面に滴下された改質用水はこの水平面から下傾斜部まで拡がり、この下傾斜部に沿って流下することにより気化ハウジングの底壁部と改質用水との接触面積の拡がりが速くなり、供給された改質用水が速やかに気化されるようになる。

更に、本発明に従う請求項３に記載の燃料電池システムによれば、気化ハウジングの底壁内面に傾斜ブロックが設けられているので、比較的簡単に下傾斜面を設けることができるとともに、セルスタックの上側の燃焼域における燃焼熱を気化器の気化空間に効率良く伝達することができる。

本発明に従う燃料電池システムの一実施形態を簡略的に示す全体図。 図１の燃料電池システムにおける気化・改質ユニットを上方から見た断面図。 図２の気化・改質ユニットを正面側から見た断面図。 変形形態の気化・改質ユニットを正面側から見た断面図。 燃料電池システムの他の実施形態の一部を示す簡略図。 気化器単体評価装置を簡略的に示す断面図。 実施例の気化器を用いた性能試験の結果を示す図。 比較例の気化器を用いた性能試験の結果を示す図。 従来の気化・改質ユニットを正面側から見た断面図。

以下、図１〜図３を参照して、本発明に従う燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１において、図示の燃料電池システムは、改質用水を気化するための気化器２と、燃料ガスとしての炭化水素ガス（例えば、天然ガス）を改質するための改質器４と、改質器４にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック６と、を備えている。この実施形態では、気化器２と改質器４とが図２及び図３に示すように、気化・改質ユニット８として一体的に構成されているが、図１に示すように、気化器２と改質器４とを別個に独立した形態に構成することもできる。尚、この気化・改質ユニット８については、後述する。

固体酸化物形のセルスタック６は、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形のセルを積層状態に配列して構成されている。このセルスタック６は、複数の断熱材１０から構成される電池ハウジング１２を備え、電池ハウジング１２（断熱材１０）により高温空間１４が規定され、この高温空間１４内にセルスタック６が配設されているとともに、気化器２及び改質器４が収容されている。固体酸化物形のセルは、酸素イオンを伝導する固体電解質１８と、固体電解質１８の片側に設けられた燃料極２０と、固体電解質１８の他方側に設けられた酸素極２２とを備えており、固体電解質１８として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。

セルスタック６の燃料極２０の導入側は、改質燃料ガス送給流路２８を介して気化・改質ユニット８（改質器４）に接続され、この気化・改質ユニット８（気化器２）は、燃料ガス供給流路３０を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３２（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続されている。また、燃料ガス供給流路３０には、燃料ガスを供給するための燃料ガスポンプ３４が配設されている。燃料ガスポンプ３４は、その回転数を変えることによって燃料ガスの供給流量を制御し、燃料ガスの供給流量を制御するための流量制御手段としても機能し、燃料ガス供給流路３０及び燃料ガスポンプ３４が、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段として機能する。尚、燃料ガスの供給流量については、燃料ガス流量制御弁（図示せず）を設けて制御するようにしてもよい。

また、セルスタック６の酸素極２２の導入側は、空気送給流路３８を介して空気を予熱するための空気予熱器４０に接続され、この空気予熱器４０は、空気供給流路４２を介して送風装置４３に接続され、送風装置４３、空気供給流路４２、空気余熱器４０及び空気送給流路３８が、酸化材としての空気を供給するための空気供給手段として機能する。

セルスタック６の燃料極２０及び酸素極２２の各排出側には燃焼域４４が設けられ、燃料極２０側から排出された反応燃料ガス（残余燃料ガスを含む）と酸素極２２側から排出された反応空気（酸素を含む）とがこの燃焼域４４に送給されて燃焼される。この燃焼域４４は排気ガス排出流路４６を通して排熱回収用の熱交換器５４に接続され、燃焼域４４からの排気ガスは、熱交換器５４及び排気ガス排出流路４６を通して外部に排出される。

この燃料電池システムでは、燃焼域４４からの排気ガスに含まれる水蒸気を回収するための凝縮回収手段５０が設けられている。この凝縮回収手段５０は、熱交換器５４にて凝縮された水を純水に精製するための純水精製手段５６と、精製された純水を溜めるための水回収タンク５１とを備え、熱交換器５４が水回収流路５８を通して純水精製手段５６に接続されている。この純水精製手段５６は、イオン交換により不純物を除去して純水を精製するイオン交換樹脂を備えている。

この燃料電池システムでは、凝縮回収手段５０により回収された凝縮水が改質用水として利用するように構成されている。凝縮回収手段５０に関連して、水回収タンク５１に回収された凝縮水を改質用水として供給するための水供給手段５２が設けられ、この水供給手段５２は、水回収タンク５１内の水（純水）を気化・改質ユニット８（気化器２）に供給するための水供給流路７８と、水供給流路７８を通して改質用水を供給するための水供給ポンプ８０から構成されている。この水供給ポンプ８０は、水供給流量制御手段としても機能し、その回転数が大きくなると、改質用水の供給流量を多くし、その回転数が低下すると、改質用水の供給流量が少なくなる。

また、セルスタック６からの排気ガスの熱を温水として蓄熱するための貯湯システム６０が設けられ、この貯湯システム６０は温水として貯湯するための貯湯タンク６４を備え、この貯湯タンク６４からの循環流路６６が熱交換器５４に接続されている。この循環流路６６には循環ポンプ６８が設けられており、循環ポンプ６８は貯湯タンク６４に貯められた水を循環流路６６を通して循環する。この貯湯タンク６４の底部には水供給流路７２が接続され、この水供給流路７２に水開閉弁７４が配設され、この水開閉弁７４が開状態になると、水（例えば、水道水）が水供給流路７２を通して供給される。また、貯湯タンク６４の上部には温水給湯流路７６が接続され、貯湯タンク６４内の温水が温水給湯流路７６を通して出湯される。

次に、主として図２及び図３を参照して、気化・改質ユニット８及びこれに関連する構成について説明する。図示の気化・改質ユニット８はユニットハウジング８２を備え、このユニットハウジング８２がセルスタック６の上方に配設され、燃焼域４４での燃焼（即ち、セルスタック６から排出される反応燃焼ガス及び空気による燃焼）によってユニットハウジング８２の全体が加熱されるように構成されている。

ユニットハウジング８２は細長い箱状であり、このユニットハウジング８２内に長手方向に間隔をおいて三つの仕切りプレート８４，８６，８８が配設され、これら仕切りプレート８４，８６，８８は、多数の孔９０が設けられたプレート、例えばパンチングプレートから構成される。上流側の仕切りプレート８４は、ユニットハウジング８２の上流端壁９２の内側に配設され、改質用水を供給する水供給管９４（水供給流路７８を規定する）の先端部（即ち、先端ノズル部９６）がこの仕切りプレート８４に当接するように配設されている。この水供給管９４の先端ノズル部９６は、仕切りプレート８４を貫通して幾分突出させるようにしてもよい。下流側の仕切りプレート８８は、ユニットハウジング８２の下流端壁９８の内側に配設されている。また。仕切りプレート８４，８８の間に位置する仕切りプレート８６は、ユニットハウジング８２の長手方向中間部に配設されている。

この形態では、ユニットハウジング８２の上流側部位（即ち、上流端壁９２と仕切りプレート８６との間の部位が、改質用水を気化させるための気化部１０４（気化器２として作用する）として機能し、この気化部１０４に対応するユニットハウジング８２の部位が気化ハウジング１０５として機能する。気化部１０４の一対の仕切りプレート８４，８６は気化空間１００を規定し、かかる気化空間１００の全域に気化促進のための充填材１０２が充填され、この充填材１０２は、例えばアルミナボールなどから構成される。

また、ユニットハウジング８２の下流側部位（即ち、下流端壁９８と仕切りプレート８６との間の部位が、燃料ガスを水蒸気改質させるための改質部１１２（改質器４として作用する）として機能し、この改質部１１２に対応するユニットハウジング８２の部位が改質ハウジング１１３として機能する。改質部１１２の一対の仕切りプレート８６，８８は改質空間１０８を規定し、かかる改質空間１０８の全域に改質促進のための改質触媒材１１０が充填され、この改質触媒材１１０は、例えばアルミナボールに改質触媒を担持させたものなどから構成される。

このユニットハウジング８２の上流端壁９２には、燃料ガス供給管１１４（燃料ガス供給流路３０を規定する）が接続され、またその下流端壁９８には、改質燃料ガス送給管１１６（改質燃料ガス送給流路２８を規定する）が接続される。この形態では、図２及び図３に示すように、水供給管９４は、燃料ガス供給管１１４の内部を通して仕切りプレート８４まで延びているが、燃料ガス供給管１１４の内部を通らず、ユニットハウジング８２の上流端壁９２を貫通して仕切りプレート８４まで延びるように構成することもできる。

この気化・改質ユニット８においては、図３に示すように、気化部１０４の底壁部の内面の一部が、矢印１１７で示す水蒸気の流れ方向に見て下流側に向けて下方に傾斜して延びている。更に説明すると、この形態では、気化ハウジング１０５の底壁１２２の内面に傾斜ブロック１２４が固定され、この底壁１２２及び傾斜ブロック１２４が気化ハウジング１０５の底壁部１２６を構成している。傾斜ブロック１２４の上面は、一端（図３において右端）から他端（図３において左端）まで下方に直線状に傾斜して延び、かかる上面が改質用水が流下する下傾斜面として作用する。

この傾斜ブロック１２４は、その一端側がユニットハウジング８２の上流端壁９２の内面に当接するように取り付けられ、その他端は、矢印１１７で示す水蒸気の流れ方向に見て気化ハウジング１０５の中央部を越えて仕切りプレート８６に向けて延びている。この傾斜ブロック１２４の下傾斜角度α（水平に延びる水平面と下傾斜面との間の角度）は、 ３〜４５度程度に設定され、この下傾斜角度αを適宜の角度に設定することによって、後述する如く滴下された改質用水の流下速度を（即ち、拡がり速度）を調整することができる。

尚、この形態では、気化ハウジング１０５の上壁に第１充填口（図示せず）が設けられ、この充填口を通して充填材１０２が充填され、充填後にこの第１充填口が第１蓋部材１４２により密封される。また、改質ハウジング１１３の上壁に第２充填口（図示せず）が設けられ、この充填口を通して改質触媒材１１０が充填され、充填後にこの第２充填口が第２蓋部材１４４により密封される。

この気化・改質ユニット８における改質用水の気化は、次のように行われる。水供給ポンプ８０（図１参照）の作用によって水供給管９４を通して供給される改質用水は、仕切りプレート８４に接触し、この仕切りプレート８４の表面に沿って傾斜ブロック１２４の表面（即ち、気化ハウジング１０５の底壁部１２６の下傾斜面）に滴下される。この滴下された改質用水は、傾斜ブロック１２４の下傾斜面に沿って流下し、これにより、改質用水と傾斜ブロック１２４（換言すると、気化ハウジング１０５の底壁部１２６）との接触面積（蒸発接触面積）が大きくなる。特に、発電出力が大きくなって改質用水の供給量が急に増大したときには、滴下される改質用水の量も多くなるために、傾斜ブロック１２４の下傾斜面に沿って流下する速度も速くなり、これによって、気化ハウジング１０５の底壁部１２６と改質用水との接触面積の拡がりもより速くなる。従って、改質用水の供給量が急に増大したときなどにおいても、気化ハウジング１０５内に滴下された改質用水は、セルスタック６（図１参照）から排出される反応燃料ガス及び反応酸化材の燃焼による熱によって速やかに気化される。

この気化ハウジング１０５内には燃料ガス供給管１１４を通して燃料ガスが供給され、この燃料ガスは、充填材１０２間を通して流れる間に加熱されるとともに、気化された水蒸気と混合され、この混合燃料ガスが仕切りプレート８６の多数の孔９０を通して改質部１１２に送給される。そして、この混合燃料ガスは、改質ハウジング１１３の改質触媒材１１０間を流れる間に水蒸気改質され、このように水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給管１１６を通してセルスタック６に送給される。

上述した実施形態では、ユニットハウジング８２の上流端壁９２の内側に仕切りプレート８４を、またその下流端壁９８の内側に仕切りプレート８８を配設しているが、これら仕切りプレート８４，８８のいずれか一方又は双方を省略することもできる。

次に、図４を参照して、気化・改質ユニットの変形形態について説明する。この変形形態では、傾斜ブロックに修正が施されている。図示の傾斜ブロック１２４Ａは、上述した実施形態と同様に、ユニットハウジング８２（具体的には、気化ハウジング１０５）の底壁１２２の内面に固定され、その一端側は、ユニットハウジング８２の上流端壁９２の内面に当接するように固定され、気化ハウジング１０５の底壁１２２及び傾斜ブロック１２４Ａは、気化ハウジング１０５の底壁部１２６Ａを構成している。

この変形形態の気化・改質ユニット８Ａの傾斜ブロック１２４Ａの上面には、一端側に水平に延びる水平面１３２が設けられ、その他端側に、矢印１１７で示す水蒸気の流れ方向見て下流側に向けて下方に傾斜する下傾斜面１３４が設けられ、傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２は、この下傾斜面１３４の上流端から上流側に水平に延びている。

このような傾斜ブロック１２４Ａを用いる場合、この水平面１３２に水供給管１１４から供給される改質用水が滴下されるように構成される。即ち、この水平面１３２は、傾斜ブロック１２４Ａの一端から仕切りプレート８４を越えて延び、この水平面１３２の先端から下傾斜面１３４が仕切りプレート８６に向けて傾斜して延びている。例えば、気化ハウジング１０５の長さをＬとすると、傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２における仕切りプレート８４から突出する長さＬ１は、気化ハウジング１０５の長さＬの１／１０〜１／２程度に設定され（Ｌ／１０≦Ｌ１≦Ｌ／２）、また傾斜ブロック２４Ａの下傾斜面１３４の長さＬ２は、気化ハウジング１０５の長さＬの１／１０〜３／４程度に設定される（Ｌ／１０≦Ｌ２≦３Ｌ／４）。この変形形態の気化・改質ユニット８Ａにおけるその他の構成は、上述した実施形態と実質上同一である。

この傾斜ブロック１２４Ａを備えた気化・改質ユニット８Ａにおいては、水供給管９４を通して供給される改質用水は、仕切りプレート８４の表面に沿って傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２上に滴下される。そして、供給される改質用水の供給量が少ないときには、この滴下された改質用水は、傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２内において少しずつ拡がり、燃焼域４４（図１参照）からの燃焼熱を受けて気化される。また、供給される改質用水の供給量が多くなる（例えば、発電出力が急激に増大して改質用水の供給量が増大したときなど）と、滴下した改質用水は傾斜ブロック１２４Ａの水平面１３２内を拡がった後に下傾斜面１３４に流れ、この下傾斜面１３４に沿って仕切りプレート８６に向けて流下し、このように硫化することによって、改質用水と傾斜ブロック１２４Ａとの接触面積（蒸発接触面積）が急速に拡がるようになる。従って、この気化・改質ユニット８Ａにおいても、滴下される改質用水の供給量が多くなると、改質用水と傾斜ブロック１２４Ａの表面とのの接触面積が急速に拡がり、滴下された改質用水の気化が速やかに行われ、上述したと同様の効果が達成される。

上述した形態では、気化ハウジング１０５の底壁１２２の内面に傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）を設けているが、このような傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）に代えて、傾斜プレートを設けるようにしてもよく、この場合、傾斜プレートは、傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）の上面形状に対応する形状に形成される。また、これら傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）及び傾斜プレート（図示せず）を設けることに代えて、気化ハウジング１０５の底壁１２２に上述した傾斜面（傾斜面及び水平面）を設けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、傾斜ブロック１２４（１２４Ａ）の下傾斜面（１３４）が傾斜角度が一定の傾斜面から構成されているが、このような構成に限定されず、傾斜角度が複数の複数の傾斜面（所謂、複数段の傾斜面）から構成するようにしてもよく、この場合、水蒸気の流れ方向に見て下流側に位置する傾斜面ほど傾斜角度を大きくするのが望ましい。

次に、図５を参照して、燃料電池システムの他の実施形態について説明する。この他の実施形態では、気化器及び改質器が別個に構成され、これら気化器と改質器との間に混合器が配設される。図５において、この燃料電池システムでは、水供給管９４（水供給流路７８）は気化器２に接続され、水供給ポンプ（図示せず）からの改質用水は、水供給管９４を通して気化器２に供給される。また、燃料ガス供給管１１４（燃料ガス供給流路３０）は混合器１５２に接続され、燃料ガスポンプからの燃料ガスは、燃料ガス供給管１１４を通して混合器１５２に供給される。

この場合、気化器２、混合器１５２及び改質器４は、セルスタック６の上方に配設される。また、気化器２には伝熱促進用の充填材（図示せず）が充填され、また混合器１５２には混合促進用及び伝熱促進用の充填材（図示せず）が充填され、これら充填材は、上述した実施形態と同様のものでよい。尚、改質器４には、改質促進用の改質触媒材（図示せず）が充填される。

このような燃料電池システムでは、改質用水は気化器２にて上述したようにして気化されて水蒸気となり、この水蒸気が水蒸気送給流路１５４を通して混合器１５２に送給される。また、混合器１５２では、燃料ガス供給流路３０を通して供給される燃料ガスが充填材間を流れる間に加熱されるとともに、この加熱された燃料ガスに水蒸気が混合され、混合燃料ガスが混合ガス送給流路１５６を通して改質器４に送給される。改質器４では、改質触媒材（図示せず）によって混合燃料ガスが水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路２８を通してセルスタック６に送給され、このような構成の燃料電池システムでも上述したと同様の作用効果を達成することができる。

この実施形態では、気化器２、混合器１５２及び改質器４が別個独立したものとして構成されているが、このような構成に代えて、気化器２と混合器１５２とを一つのユニット、即ち気化・混合ユニットとして構成するようにしてもよく、混合器１５２と改質器４とを一つのユニット、即ち混合・改質ユニットとして構成してもよく、或いは気化器２、混合器１５２及び改質器４を一つのユニット、即ち気化・混合・改質ユニットとして構成するようにしてもよい。

［実施例及び比較例］
この燃料電池システムにおける気化器の単体評価を行うために、図６に示す気化器単体評価装置を製作して性能評価を行った。固体酸化物形のセルスタック１６１をスタック台１６２に設置し、これらセルスタック１６１及びスタック台１６２を断熱材１６３で覆うとともに、セルスタック１６１の上方に気化器１６４（気化改質ユニット）を設置し、セルスタック１６１と気化器１６４については、実際の燃料電池システムにおける位置関係を保って再現した。気化器単体評価装置では、気化器１６４のみを交換することができるように構成した。

そして、セルスタック１６１に空気を供給することができるように空気流路１６５を設け、この空気流路１６５に空気ブロア１６６及び空気流量計１６７を設置した。空気ブロア１６７からの空気は、空気流路１６５内を矢印で示すように流れ、セルスタック１６１の酸素極側を下から上に流れるようにした。また、セルスタック１６１の燃料極側には別途水素を供給するようにした。実際の燃料電池システムでは、セルスタックで発電させた後の反応燃料ガスをセルスタックの上方で燃焼させているが、この評価装置では、燃焼させずに、空気と水素の混合ガスを矢印で示すようにセルスタック１６１の上端から気化器１６４に流し、この混合ガスの熱を気化器１６４が受熱するようにした。この評価装置は電気炉（図示せず）内に設置して評価試験が行われ、この気化器１６４の周囲を流れた混合ガスは、矢印で示すように流れて電気炉内に排出されるようにした。

気化器１６４には燃料ガス（都市ガス１３Ａ）と改質用水を供給するようにした。気化器１６４に入る前に燃料ガス及び改質用水が電気炉内で過熱されるのを防ぐために、気化器単体評価装置を電気炉の端壁部に設置するとともに、電気炉の端壁部に設けた燃料ガス用のガス供給孔と改質用水用の水供給孔との距離を短くするとともに、改質用水及び燃料ガスが電気炉に導入される部分を空気により冷却した。気化器単体評価装置をこのように構成するとともに、その電気炉内の設置を上述したようにすることにより、現実の燃料電池システムにおける気化器の挙動をほぼ模擬することができた。

この気化器単体評価装置を用いた評価実験において、燃料電池システムの定格出力における燃料ガスの供給流量を１．９０ＮＬ／ｍｉｎと、改質用水の供給流量を４．３５ｃｃ／ｍｉｎとし、またこの燃料電池システムの最小出力における燃料ガスの供給流量を０．６６ＮＬ／ｍｉｎと、改質用水の供給流量を１．５１ｃｃ／ｍｉｎとして設定した。そして、最小出力の状態から定格出力の状態に変化させたときの気化器１６４を出たガスの水蒸気分圧を連続的に測定して調べた。

実施例においては、図２及び図３に示す実施形態の気化・改質ユニット（傾斜ブロックが設けられたもの）を用いてＳ／Ｃの連続的変化を測定し、その測定結果は、図７に示す通りであった。また、比較例として、図９に示す従来形態の気化・改質ユニット（傾斜ブロックがないもの）を用いてＳ／Ｃの連続的変化を測定し、その測定結果は、図８に示す通りであった。

これらの測定結果から、気化ハウジングの底壁部に下傾斜面を設けた実施例の場合、発電出力が急激に上昇して改質用水の供給量が増大しても改質水の気化遅れが少なく、Ｓ／Ｃが一時的に急激に低下することが抑えられ、実施例ではこのＳ／Ｃが１．５程度まで低下したがそれより大きく下がることはなかった。これに対して、比較例では、このＳ／Ｃが０．７程度まで大きく下がり、このようにＳ／Ｃが大きく下がった場合、炭素析出が生じるリスクが大きくなる。

２ 気化器
４ 改質器
６ セルスタック
８，８Ａ 気化・改質ユニット
８２ ユニットハウジング
９４水供給管
９６ 先端ノズル部
１００ 気化空間
１０４ 気化部
１０５ 気化ハウジング
１０６ 改質部
１０８ 改質空間
１１２ 改質部
１２４，１２４Ａ 傾斜ブロック
１２６，１２６Ａ 底壁部
１３２ 水平面
１３４ 下傾斜面

Claims (3)

1. 改質用水を気化するための気化器と、前記気化器に改質用水を供給するための水供給手段と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタックと、を備え、前記気化器及び前記改質器が前記セルスタックの上方に配設され、前記セルスタックから排出される反応燃料ガス及び反応酸化材の燃焼によって前記気化器及び前記改質器が加熱される燃料電池システムであって、
   前記気化器は気化空間を規定するための気化ハウジングを備え、前記気化ハウジングにおける、前記気化空間の底面を規定する底壁部には、気化した水蒸気の流れ方向に見て下流側に向けて下方に傾斜して延びる下傾斜面が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水供給手段は、改質用水を前記気化ハウジングに供給する水供給管を有し、前記気化ハウジングの前記底壁部には、気化した水蒸気の流れ方向に見て前記下傾斜面の上流側に、上流側に向けて水平に延びる水平面が設けられ、前記水供給管を通して供給される改質用水は、前記気化ハウジングの前記底壁部の前記水平面に滴下されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記気化ハウジングの底壁内面に傾斜ブロックが設けられ、前記底壁及び前記傾斜ブロックが前記気化ハウジングの前記底壁部を構成し、前記傾斜ブロックの上面が前記下傾斜面を規定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
   
   

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