JP2018106954A - 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の一時的な大きな変動（低下、上昇）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。【解決手段】燃料電池システムは、改質用水を気化するための気化器（気化部１００）と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器１０８と、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セルスタックと、を備える。気化器及び改質器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加熱される。気化器１００は、気化ハウジング１０２を備え、気化ハウジング１０２の底壁は、気化ハウジング１０２の幅方向に下方に傾斜して延びる底傾斜部を有し、改質用水は気化ハウジング１０２のこれら底傾斜面に接するように溜められて気化される。【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１３に示す通りに構成されている。図１３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１３において右部）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１３において左部）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、この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り、それ故に、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。また、改質用水が蒸発せずに拡がった時点において、改質用水の蒸発が急に起こって水蒸気が過剰となり、Ｓ／Ｃが一時的に急上昇する傾向になる。

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。また、Ｓ／Ｃの値が過剰に大きくなると、セルスタックに供給される改質燃料ガスに含まれる水蒸気が多くなり、セルスタックの発電効率が低下する。

本発明の目的は、発電出力が増大した際におけるＳ／Ｃの一時的な大きな変動（低下、上昇）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の底壁部の少なくとも一部には、前記気化ハウジングの幅方向に下方に傾斜して延びる下傾斜面が設けられ、前記水供給手段から供給された改質用水が前記底壁部の前記下傾斜面に接して溜まるように構成さ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、前記気化ハウジングの前記底壁部の前記下傾斜面は、前記気化ハウジングの前記幅方向外側から内側に向けて下方に傾斜して延びる一対の下傾斜面部から構成され、前記一対の下傾斜面部間に改質用水を溜めるための溜め空間が規定され、前記水供給手段から供給された改質用水が前記溜め空間に溜まるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項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前記底壁部の前記下傾斜面は、前記気化ハウジングの前記幅方向の片側から他側に向けて下方に傾斜して延びる下傾斜面部から構成され、前記底壁部の前記下傾斜面部及び前記気化ハウジングの前記他側の側壁との間に改質用水を溜めるための溜め空間が規定され、前記水供給手段から供給された改質用水が前記溜め空間に溜まるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記気化ハウジングの前記底壁部は、前記気化ハウジング自体の底壁から構成され、前記底壁の内面が前記下傾斜面を規定することを特徴とする。

更に、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムでは、前記気化ハウジング内に傾斜ブロック又は傾斜プレートが設けられ、前記気化ハウジングの底壁と前記傾斜ブロック又は前記傾斜プレートとが前記気化ハウジングの前記底壁部を構成し、前記傾斜ブロック又は前記傾斜プレート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、改質用水を気化するための気化器は気化ハウジングを備え、この気化ハウジングの底壁部の少なくとも一部には、気化ハウジングの幅方向に下方に傾斜して延びる下傾斜面が設けられ、水供給手段からの改質用水がこの底壁部の下傾斜面に接して溜まるように構成されているので、セルスタックの発電出力が小さいときには供給される改質用水の供給量も少なく、このときには改質用水が気化ハウジングの底部に溜まって蒸発接触面積も小さく、改質用水の気化も少しずつ行われるが、セルスタックの発電出力が大きくなる（例えば、定格出力）と、供給される改質用水の供給量も多く、このときには改質ハウジングの底部上方まで溜まって蒸発接触面積も大きくなり、これによって、改質用水の気化も促進され、供給される燃料ガスに見合う水蒸気を供給することができる。また、発電出力が増大して改質用水の送給流量が急に増えた場合であても蒸発接触面積が増えてすぐに気化し、Ｓ／Ｃが一時的に低下するのを抑えることができ、加えてこの蒸発接触面積の増大は急激なものでないために水蒸気が一時的に過剰となってＳ／Ｃが急激に大きく上昇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の下傾斜面は、気化ハウジングの幅方向外側から内側に向けて下方に傾斜して延びる一対の下傾斜面部から構成されているので、一対の下傾斜面部間に規定される溜め空間に改質用水が溜まるようになる。従って、改質用水の溜め量が少ないときには蒸発接触面積が小さく、その溜め量が多くなると蒸発接触面積が大きくなり、これによって、発電出力が増大して改質用水の送給流量が急に増えた場合においてもＳ／Ｃの一時的な低下、またその直後のＳ／Ｃの急激な上昇を抑えることができる。

また、本発明の請求項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部の下傾斜面は、気化ハウジングの幅方向の片側から他側に向けて下方に傾斜して延びる下傾斜面部から構成されているので、この底壁部の下傾斜面部及び気化ハウジングの他側の側壁との間に規定される溜め空間に改質用水が溜まるようになる。この場合においても、改質用水の溜め量が少ないときには蒸発接触面積を小さく、その溜め量が多くなると蒸発接触面積が大きくなり、上述したと同様の効果を奏することができる。

また、本発明の請求項４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は、気化ハウジング自体の底壁から構成されているので、この底壁自体を傾斜させるという簡単な構成でもって、その底壁の内面により下傾斜面を規定することができる。

更に、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムによれば、気化ハウジング内に傾斜ブロック（又は傾斜プレート）が設けられ、この傾斜ブロック（又は傾斜プレート）が気化ハウジングの底壁部の一部を構成しているので、傾斜ブロック（又は傾斜プレート）を設けるという簡単な構成でもって、その上面により下傾斜面を規定することができる。

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におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線による断面図。 図３におけるＶ−Ｖ線による断面図。 気化・改質ユニットの第１の変形形態を示す断面図。 気化・改質ユニットの第２の変形形態を示す断面図。 図８（ａ）は、気化・改質ユニットの第３の変形形態を示す断面図、図（ｂ）は、気化・改質ユニットの第４の変形形態を示す断面図。 本発明に従う燃料電池システムの他の実施形態の一部を簡略的に示す図。 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内に配設され、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が収容されているとともに、気化器２及び改質器４も収容されている。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（図１及び図４参照）、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を貫通して幾分内方に突出している。この形態では、この先端ノズル部９６を囲むようにカバー部材９７が設けられ、このカバー部材９７には複数の孔９９が設けられ、水供給管９４からの改質用水は、先端ノズル部９６からカバー部材９７の複数の孔９９を通して供給される。尚、この水供給管９４の先端ノズル部９６を仕切りプレート８４に当接させ、この仕切りプレート８４の表面に沿って改質用水を滴下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の間に位置する中間の仕切りプレート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。

この実施形態では、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１００（気化器２として作用する）として機能し、この気化部１００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１０２として機能する。気化部１００の一対の仕切りプレート８４，８６は気化空間１０４を規定し、かかる気化空間１０４の全域に気化促進のための充填材１０６が充填され、この充填材１０６は、例えばアルミナボールなどから構成される。尚、この充填材１０６は、図２及び図３において一部省略し、図４において全て省略して示している。

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１０８（改質器４として作用する）として機能し、この改質部１０８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１１０として機能する。改質部１０８の一対の仕切りプレート８６，８８は改質空間１１２を規定し、かかる改質空間１１２の全域に改質促進のための改質触媒材１１４が充填され、この改質触媒材１１４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。尚、この改質触媒材１１４は、図２及び図３において一部省略し、図５において全て省略している。

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１１６（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１１８（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及び図４に示すように、気化部１００の下部１２０は改質部１０８よりも下方にセルスタック６の上面に向けて突出している。即ち、この形態では、気化ハウジング１０２（気化部１００）の上部１２２は矩形状であり、この上部１２２に対応してその下流側に改質ハウジング１１０（改質部１０８）が実質上連続して設けられ、改質部１０８の流入部に中間の仕切りプレート８６が設けられ、その下部１２０は、この改質部１０８より下方に突出している。

この形態では、気化ハウジング１０２は、天壁１２３、一対の側壁１２４，１２５及び底壁１２６を有し、この底壁１２６は、一方（図４において右側）の側壁１２４の下端から幅方向（図４において左右方向）内側に向けて下方に傾斜する片側の底傾斜部１２７と、他方（図４において左側）の側壁１２５の下端からこの幅方向内側に向けて下方に傾斜する他側の底傾斜部１２８とを有し、片側の底傾斜部１２７と他側の底傾斜部１２８とが弧状の底接続部１２９により接続されている。このように構成されているので、片側の底傾斜部１２７の内面は、内側に向けて下方に傾斜して延びる片側の下傾斜面部を規定し、他側の底傾斜部１２８の内面は、内側に向けて下方に傾斜して延びる他側の下傾斜面部を規定し、片側の底傾斜部１２７の下傾斜面部と他側の底傾斜部１２８の下傾斜面部との間に溜め空間１３０が規定され、水供給管９４から供給される改質用水は、この溜め空間１３０に溜まるようになり、このように溜まった状態にて燃焼域４４からの熱を受けて気化される。

この実施形態では、このように構成されているので、気化ハウジング１０２の底壁１２６自体がその底壁部を構成し、一対の底傾斜部１２７，１２８の下傾斜面部がこの底壁部の下傾斜面を構成し、一対の底傾斜部１２７，１２８の下傾斜面部によりに規定される溜め空間３０が気化ハウジング１０２の一端から他端まで、即ち矢印１３２で示す水蒸気の流れ方向に見て上流端壁９２から中間の仕切りプレート８６まで延びている。この溜め空間１３０は、水蒸気の流れ方向に見て気化ハウジング１０２の実質上全長にわたって設ける必要はなく、その大部分（８割以上）にわたって設けることによって後述する所望の効果を達成することができる。尚、片側の底傾斜部１２７の下傾斜面部の水平面に対する傾斜角度α１（図４参照）及び他側の底傾斜部１２８の水平面に対する傾斜角度α２（図４参照）は、例えば、１０〜６０度程度（１０°≦α１・α２≦６０°）に設定され、この実施形態のように、傾斜角度α１と傾斜角度α２とを同じ角度になるようにしてもよいが、相互に異なる角度となるように、例えば傾斜角度α１が傾斜角度α２よりも大きく（又は小さく）なるようにしてもよい。

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、その先端ノズル部９６から気化ハウジング１０２内に供給され、かく供給された改質用水は、多数の充填材１０６間を通して気化ハウジング１０２の底部、即ち溜め空間１３０に溜まるようになる。

セルスタック６の発電出力が小さいときには、供給される改質用水の供給量が少なく、供給された改質用水は気化ハウジング１０２の底部に少し溜まった状態（即ち、溜め空間１３０の底部に溜まった状態）となり、このように溜まった状態にて燃焼域４４からの燃焼熱を受けて気化される。また、発電出力が大きくなる（例えば、定格出力となる）と、供給される改質用水の供給量が多くなり、気化ハウジング１０２に溜まった改質用水の水位が上昇する。このように改質用水の水位が上昇すると、図４から容易に理解される如く、改質用水が気化ハウジング１０２の底壁部と接触する面積（即ち、蒸発接触面積）が大きくなり、これに伴い、燃焼域４４での燃焼による燃焼熱がより効果的に改質用水に伝達され、改質用水の気化が促進されてより多くの水蒸気が発生し、供給される燃料ガスを水蒸気改質するに必要な水蒸気を発生させることができる。

更に、発電出力が急に大きくなって改質用水の供給量が急増したときには、溜め空間１３０に溜まる改質用水も多くなってその水位も急上昇するために、改質用水が気化ハウジング１０２の底壁部と接触する面積（蒸発接触面積）も急に大きくなる。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内に供給されて溜め空間１３０内に溜まった改質用水は、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、発電出力が急激に上昇したときに発生し易いＳ／Ｃの大きな一時的低下、またその直後に発生し易いＳ／Ｃの大きな一時的上昇が抑えられる。

この気化ハウジング１０２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１０６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１０８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１１０の改質触媒材１１４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１１８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６及び図７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。尚、以下の変形形態及び実施形態において、上述した実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

気化・改質ユニットの第１の変形形態を示す図６において、この変形形態では、気化・改質ユニット８Ａの気化ハウジング１０２Ａの底壁１２６Ａの外面に、幅方向（図６において左右方向）に間隔をおいて複数の伝熱フィン１３６が設けられ、これら伝熱フィン１３６は、水蒸気の流れ方向（図６において紙面に垂直な方向）に気化部１００Ａの一端から他端まで延びている。この気化・改質ユニット８Ａのその他の構成は、上述した第１の実施形態におけるものと実質上同一である。

このように複数の伝熱フィン１３６を設けることにより、セルスタック６（図１参照）の排出側の燃焼域４４での燃焼による燃焼熱が気化ハウジング１０２Ａの底壁１２６Ａに効果的に伝達され、気化部１００Ａでの気化効率を高めることができる。尚、これら伝熱フィン１３６は、気化ハウジング１０２Ａの底壁１２６Ａの外面に、水蒸気の流れ方向に間隔をおいて設けるようにしてもよく、この場合、例えば、片側の底傾斜部１２７の外面及び他側の底傾斜部１２８の外面に設けることができる。

また、気化・改質ユニットの第２の変形形態を示す図７において、この変形形態では、気化・改質ユニット８Ｂの気化ハウジング１０２Ｂの底壁１２６Ｂは、気化ハウジング１０２Ｂの幅方向（図７において左右方向）の片側から他側に向けて下方に傾斜して設けられている。即ち、気化ハウジング１０２Ｂの底壁１２６Ｂの一端側は、片側の側壁１２４Ｂの下端部から他側の側壁１２５Ｂに向けて下方に傾斜して延び、その他端側は、この他側の側壁１２５Ｂの下端部に接続され、この底壁１２６Ｂと他側の側壁１２５Ｂとの間に溜め空間１３０Ｂが規定される。

このような構成においては、気化ハウジング１０２Ｂの底壁１２６Ｂ自体がその底壁部を構成し、底壁１２６Ｂの全体が底傾斜部１２７Ｂを構成し、この底傾斜部１２７Ｂの内面が下傾斜面部となり、この下傾斜面部が底壁部の下傾斜面として機能する。この第２の変形体におけるその他の構成は、上述した第１の実施形態のものと実質上同一である。

この第２の変形形態では、気化ハウジング１０２Ｂの底壁１２６Ｂが傾斜して延び、溜め空間１３０Ｂの改質用水の溜め量に応じて蒸発接触面積が変動し、溜め量が少ないときには蒸発接触面積が小さく、この溜め量が多くなると蒸発接触面積が大きくなるので、第１の実施形態と同様の作用効果を達成することができる。加えて、気化ハウジング１０２Ｂの底壁１２６Ｂが幅方向片側から他側に向けて下方に傾斜しているので、気化ハウジング１２６Ｂのこの片側において、外方に向けて拡がる空間１３８が存在する。従って、燃焼域４４からの排気ガスは、二点鎖線の矢印１３９で示すように、気化ハウジング１０２Ｂの底壁１２６Ｂに沿ってこの空間１２８を通して流れるようになり、かくして、燃焼域４４からの排気ガスをスムースに排出することができる。尚、この第２の変形形態においても、第１の変形形態と同様に複数の伝熱フィンを設けるようにしてもよく、この場合、複数の伝熱フィンは、排気ガスの流れ方向に延びるように設けられる。

上述した実施形態及び変形形態では、気化ハウジングの底壁（又はこれと側壁）を利用して溜め空間を規定しているが、このような溜め空間は、図８（ａ）で示すように傾斜プレートを用いるようにしてもよく、或いは図８（ｂ）で示すように傾斜ブロックを用いるようにしてもよい。

気化・改質ハウジングの第３の変形形態を示す図８（ａ）において、この変形形態の気化・改質ユニット８Ｃでは、一対の傾斜プレート１４１，１４２が用いられている。更に説明すると、気化ハウジング１０２Ｃは矩形状であり、この気化ハウジング１０２Ｃの片側の側壁１２４Ｃの内側に片方の傾斜プレート１４１が配設され、その他側の側壁１２５Ｃの内側に他方の傾斜プレート１４２が配設されている。片方の傾斜プレート１４１は、片側の側壁１２４Ｃの内面から底壁１２６Ｃの内面にわたって設けられ、その上面は内側に向けて下方に傾斜して延びる片側の下傾斜面部として機能し、他方の傾斜プレート１４２は、他側の側壁１２５Ｃの内面からから底壁１２６Ｃの内面にわたって設けられ、その上面は内側に向けて下方に傾斜して延びる他側の下傾斜面部として機能し、これら一対の傾斜プレート１４１，１４２（一対の下傾斜面部）間に溜め空間１３０Ｃが規定される。

この第３の変形形態の場合、気化ハウジング１０２Ｃの底壁１２６Ｃ及び一対の傾斜プレート１４１，１４２が気化ハウジング１０２Ｃの底壁部を構成し、一対の傾斜プレート１４１，１４２の下傾斜面部がこの底壁部の下傾斜面を構成し、一対の傾斜プレート１４１，１４２の下傾斜面部により溜め空間１３０Ｃが規定され、このような基本的構成は、傾斜プレート１４１，１４２を用いているが、図４と対比することにより容易に理解される如く、上述した実施形態における気化・改質ユニットの気化部と実質上同一であり、上述したと同様の作用効果が達成される。

気化・改質ハウジングの第４の変形形態を示す図８（ｂ）において、この変形形態の気化・改質ユニット８Ｄでは、一対の傾斜ブロック１４３，１４４が用いられている。更に説明すると、気化ハウジング１０２Ｄは矩形状であり、この気化ハウジング１０２Ｄの片側の側壁１２４Ｄ及び底壁１２６Ｄの角部に対応して片方の傾斜ブロック１４３が配設され、その他側の側壁１２５Ｄ及び底壁１２６Ｄの角部に対応して他方の傾斜ブロック１４４が配設されている。片方の傾斜ブロック１４３の上面は、片側の側壁１２４Ｄから底壁１２６Ｄに延び、内側に向けて下方に傾斜して延びる片側の下傾斜面部として機能し、他方の傾斜ブロック１４４の上面は、他側の側壁１２５Ｄから底壁１２６Ｄに延び、内側に向けて下方に傾斜して延びる他側の下傾斜面部として機能し、これら一対の傾斜ブロック１４３，１４４（一対の下傾斜面部）間に溜め空間１３０Ｄが規定される。

この第４の変形形態の場合、気化ハウジング１０２Ｄの底壁１２６Ｄ及び一対の傾斜ブロック１４３，１４４が気化ハウジング１０２Ｄの底壁部を構成し、一対の傾斜ブロック１４３，１４４の下傾斜面部がこの底壁部の下傾斜面を構成し、一対の傾斜ブロック１４３，１４４の下傾斜面部により溜め空間１３０Ｄが規定され、このような基本的構成は、傾斜ブロック１４３，１４４を用いているが、図４と対比することにより容易に理解される如く、上述した実施形態における気化・改質ユニットの気化部と実質上同一であり、このような構成にしても上述したと同様の作用効果が達成される。

次に、図９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９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１０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（気化ハウジングの底壁を両側部から内側に下方に傾斜させたもの）を用いてＳ／Ｃの連続的変化を測定し、その測定結果は、図１１に示す通りであった。また、比較例として、図１３に示す従来形態の気化・改質ユニット（気化ハウジングが矩形状のもの）を用いてＳ／Ｃの連続的変化を測定し、その測定結果は、図１２に示す通りであった。

これらの測定結果から、実施例（気化ハウジングの底壁部に下傾斜面を設けて改質用水を溜め空間に溜めるようにしたもの）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１．９程度に抑えられ、またその直後においてもＳ／Ｃが一時的に急激に上昇することが抑えられ、実施例ではこのＳ／Ｃが２．４程度に抑えられ、Ｓ／Ｃの急激な大きな変動は見られなかった。これに対して、比較例（気化ハウジングが矩形状のもの）では、このＳ／Ｃが０．７程度まで大きく下がり、またその直後においてもＳ／Ｃが５．０程度に急激に大きく上昇し、発電出力が大きく上昇したときにおけるＳ／Ｃの変動幅が非常に大きかった。特に、比較例のものでは、Ｓ／Ｃが大きく０．７程度まで下がるために、炭素析出が生じるおそれがあり、その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，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 気化・改質ユニット
８２ ユニットハウジング
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ 気化部
１０２，１２０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄ 気化ハウジング
１０４ 気化空間
１０８ 改質部
１２６，１２６Ａ、１２６Ｂ１２６Ｃ，１２６Ｄ 底壁
１２７，１２７Ｂ，１２８ 底傾斜部
１３０，１３０Ｂ，１３０Ｃ，１３０Ｄ 溜め空間

Claims (5)

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の底壁部の少なくとも一部には、前記気化ハウジングの幅方向に下方に傾斜して延びる下傾斜面が設けられ、前記水供給手段から供給された改質用水が前記底壁部の前記下傾斜面に接して溜まるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記気化ハウジングの前記底壁部の前記下傾斜面は、前記気化ハウジングの前記幅方向外側から内側に向けて下方に傾斜して延びる一対の下傾斜面部から構成され、前記一対の下傾斜面部間に改質用水を溜めるための溜め空間が規定され、前記水供給手段から供給された改質用水が前記溜め空間に溜まるように構成されてい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前記底壁部の前記下傾斜面は、前記気化ハウジングの前記幅方向の片側から他側に向けて下方に傾斜して延びる下傾斜面部から構成され、前記底壁部の前記下傾斜面部及び前記気化ハウジングの前記他側の側壁との間に改質用水を溜めるための溜め空間が規定され、前記水供給手段から供給された改質用水が前記溜め空間に溜まるように構成されてい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。
4. 前記気化ハウジングの前記底壁部は、前記気化ハウジング自体の底壁から構成され、前記底壁の内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に記載の燃料電池システム。
5. 前記気化ハウジング内に傾斜ブロック又は傾斜プレートが設けられ、前記気化ハウジングの底壁と前記傾斜ブロック又は前記傾斜プレートとが前記気化ハウジングの前記底壁部を構成し、前記傾斜ブロック又は前記傾斜プレート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に記載の燃料電池システム。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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