JP5431800B2 - 燃料電池用原料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素の供給により発電反応が生じる燃料電池に対して水素を供給する燃料電池用原料供給装置に関するものである。

良く知られているように、燃料電池とは水素と酸素が反応して発生する電荷の移動を起電力として取り出すものである。特に、燃料電池では、水素を生成する燃料（原料）として、都市ガスや天然ガスのような気体系炭化水素物質や、メタノールや灯油、ガソリン等の液体系炭化水素物質、また水等の各種の液体原料が採用されることから、既存のインフラを利用した燃料の輸送や貯蔵が容易であるという利点がある。

炭化水素物質から水素を得る改質方式には、炭化水素物質を水蒸気と混合し所定の温度で反応させて、水素と二酸化炭素に分解する水蒸気改質方式や、炭化水素物質を空気（酸素）と部分的に反応させて水素と二酸化炭素を得る部分酸化改質方式、両方式を取り入れたＡＴＲ（オートサーマル）方式などがある。

ところで、上述した気化水素形物質の改質は、異なる気体の反応によって起こるため、液体原料に対して気化に必要な熱を液体原料に効率良く与えることが望ましい。
そこで、上記要求に応じるために、例えば、特許文献１に示されるような水蒸気改質方式の燃料電池用原料供給装置においては、水を複数の熱交換器を介して気化させて、改質器において炭化水素物質からなる原料ガスと水蒸気とを混合し、この混合してなる改質ガスを複数の熱交換器を介して燃料電池に供給する構造が提案されている。

特開２００８−８８０３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池用原料供給装置においては、液体原料である水を気化させる際に複数の熱交換器を用いるとなると、装置が大型化されたり、製造コストが嵩んだりする点で不利であった。

しかも、上記燃料電池用原料供給装置では、水を水蒸気に変換した後に、原料ガスと混合することから、水蒸気の熱が原料ガスにより奪われて、改質ガスが高温に保たれ難いという問題があった。この問題に対処するため、同装置では、改質ガスの管路が複数の熱交換器を介するように配されていると考えられるが、そうすると、構造の複雑化や製造コストの増加という問題が発生する。

本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、簡単且つコンパクトな構造で、液体原料の気化に必要な熱を効率良く与えることができる、新規な構造の燃料電池用原料供給装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、複数種類の原料を改質手段にて改質反応させることにより生成された水素を燃料電池に供給する燃料電池用原料供給装置であり、複数種類の原料のうちの少なくとも１つである液体原料を気化させて該複数種類の原料を混合して前記改質手段に供給する気化混合手段と、前記複数種類の原料を前記気化混合手段に導入する原料導入手段と、前記気化混合手段に設けられ、前記原料導入手段から導入された前記液体原料を気化させる際に該液体原料の気化速度を調整する気化調整手段とを、備える。

このような本発明の燃料電池用原料供給装置においては、気化調整手段を用いて液体原料の気化速度が調整されることにより、液体原料に対して気化に必要な熱を効率良く与えることが出来る。

しかも、この気化調整手段は気化混合手段に設けられていることから、気化混合手段において液体原料における気化と気化速度の調整と他原料との混合とを行うことが出来る。つまり、気化調整手段と気化混合手段とをそれぞれ独立して設けた場合に、液体原料又は液体原料が気化した気体を一方の手段から他方の手段に導入する目的で、両手段を連通させる手段を設ける必要が、本発明にはない。それ故、液体原料の気化効率が向上されると共に、構造の簡単化や装置のコンパクト化、ひいては低コスト化が有利に図られる。

また、請求項１に記載の燃料電池用原料供給装置においては、気化混合手段は、液体原料の流通経路として、互いに対向配置された一対の側壁部により形成され、その側壁部の対向面間にて、液体原料を重力作用によって上方から下方に向かって流す流通経路を備える。
そして、気化調整手段は、一対の側壁部の対向面から、それぞれ、液体原料の流動方向後方から流動方向前方に向かって傾斜し、しかも、先端が他方の側壁部に達することのない長さで突出した複数の羽根板にて構成されている。
また、その複数の羽根板は、一対の側壁部に対し、上下方向に所定の間隔を空けて交互に配置されている。

従って、本発明の燃料電池用原料供給装置においては、液体原料が重力作用によって流通経路を上方から下方に流れる際に、流通経路を構成する一対の側壁部に交互に設けられた複数の羽根板に順に接触し、その接触に伴う衝撃によって、液体原料が細分化されて、その粒径が小さくなる。このため、本発明によれば、流通経路に設けられた複数の羽根板により液体原料の気化速度が速くなるように調整されることになる。

特に、本発明では、羽根板が、液体原料の流動方向後方から流動方向前方に向かって傾斜していることから、液体原料の流動抵抗が過度に大きくなるのを抑えつつ、液体原料の気化速度を調整することができる。また、液体原料が羽根板の傾斜基端部に長く留まることを防止し、目的とする気化調整を速やかに行うことができる。

次に、請求項２に記載の発明では、前記液体原料は、水若しくは炭化水素系物質であることを特徴とする。
このため、請求項２に記載の燃料電池用原料供給装置によれば、液体原料を気化してなる水蒸気若しくは炭化水素系物質の気体が効率良く得られることになり、燃料電池における水蒸気改質や部分酸化改質が効率良く行われて、発電効率が向上される。

次に、請求項３に記載の燃料電池用原料供給装置においては、気化調整手段として、上述した複数の羽根板に加えて、気化混合手段における液体原料の流通経路に設けられた網状体及び多孔質体の少なくとも一方を備える。

従って、請求項３に記載の燃料電池用原料供給装置によれば、網状体の編み目又は多孔質体の複数の孔を利用して、液体原料の気化調整手段に対する接触回数を容易に増やすことが可能となり、それによって、液体原料の気化速度をより速くすることができる。

次に、請求項４に記載の燃料電池用原料供給装置においては、前記気化混合手段が、前記燃料電池と電気的に絶縁された状態で隣り合うように配置される。
従って、請求項４に記載の燃料電池用原料供給装置によれば、気化混合手段と気化混合手段を加熱する部材の間の距離が小さくなって、気化混合手段を加熱する効率が高まる上に、簡略化が図られて、装置の更なるコンパクト化や低コスト化が達成される。

本発明の第１実施形態としての燃料電池用原料供給装置を備えた燃料電池システムを概略的に示す説明モデル図。 同燃料電池システムの一要部の平面図。 同燃料電池システムの一要部の正面図。 同燃料電池システムの一部を構成する固体酸化物形燃料電池における単セルを概略的に示す縦断面説明図。 同燃料電池用原料供給装置の平面図。 図５のＶＩ−ＶＩ断面図。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図。 本発明の第２実施形態としての燃料電池用原料供給装置の縦断面図。 図８のＩＸ−ＩＸ断面図。 本発明の第３実施形態としての燃料電池用原料供給装置の縦断面図。 図１０のＸＩ−ＸＩ断面図。

以下に、本発明を具体化した実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態としての燃料電池用原料供給装置１０を備えた燃料電池システム８が概略的に示されている。

この燃料電池システム８は、燃料電池用原料供給装置１０や燃料電池としての固体酸化物形燃料電池１２、酸化剤ガス供給部材、加熱部材、発電補助部材１４、パワーコンディショナ１６等を含んで構成されている。

固体酸化物形燃料電池１２は、温度が６００℃〜１０００℃の範囲で作動する。そのために、固体酸化物形燃料電池１２を加熱部材で加熱する必要がある。固体酸化物形燃料電池１２を作動させる温度は高いため、固体酸化物形燃料電池１２は断熱材からなる断熱容器１８に収容配置される。

また、断熱容器１８内には加熱を必要とする後述の気化器２８や熱交換器３０も固体酸化物形燃料電池１２とともに設置されている。断熱容器２８には、加熱バーナ２０が収容配置されており、断熱容器１８の外部から加熱バーナ２０に空気とバーナ用燃料を送って、比例弁２２や電磁弁２４、エアブロワ２６を用いて気化器２８や固体酸化物形燃料電池１２等の加熱効率に最適な空気量を調整しつつ、固体酸化物形燃料電池１２や気化器２８、熱交換器３０等を断熱容器１８内で加熱するようになっている。要するに、加熱部材が、加熱バーナ２０や比例弁２２、電磁弁２４、エアブロワ２６を含んで構成されている。

次に、燃料電池用原料供給装置１０は、ハウジング構造を呈する気化器２８を備えている。気化器２８と、断熱容器１８の外部に設けられた純水タンク３２及び供給ポンプ３４とが、液体供給管路３６を介して接続されており、純水タンク３２には、複数種類の原料のうちの１種類の液体原料としての水が収容されている。この水が供給ポンプ３４を用いて液体供給管路３６を通じて気化器２８の内部に送られる。そして、加熱バーナ２０により加熱された気化器２８内部において、水が加熱されて水蒸気になる。

さらに、気化器２８と、断熱容器１８の外部に設けられた図示しない原料ガス供給源や電磁弁３８、ガスポンプ４０とが、原料ガス供給管路４２を通じて接続されている。電磁弁３８やガスポンプ４０を用いて、原料ガスの気化器２８内部への吐出量を調節しつつ、原料ガスが気化器２８内部に送られる。本実施形態の原料ガスには、例えば、メタンなどの炭化水素物質を含む都市ガスやＬＰＧ等が用いられる。

更にまた、気化器２８の外壁部には、燃料ガス供給管路４４が設けられ、この燃料ガス供給管路４４が改質手段としての改質層９０を介して固体酸化物形燃料電池１２に連結されている。改質層９０は、水素源となるメタンやプロパン等の炭化水素物質を水蒸気改質する触媒等を含んで構成されている。

これにより、原料ガスと水蒸気が気化器２８内部で混合されて燃料ガスを生成し、かかる燃料ガスが、改質層９０を介して水蒸気改質されて、水素含有ガスが固体酸化物形燃料電池１２に供給される。

一方、熱交換器３０は、酸化剤ガス供給管路４６の管路上に取り付けられている。この酸化剤ガス供給管路４６の一方の端部がエアブロワ４８に接続されていると共に、酸化剤ガス供給管路４６の他方の端部が固体酸化物形燃料電池１２に連結されている。

これにより、酸素や空気等の酸化剤ガスが、熱交換器３０で加熱されつつ、エアブロワ４８を用いて固体酸化物形燃料電池１２に供給される。即ち、燃料電池システム８の酸化剤ガス供給部材が、熱交換器３０や酸化剤ガス供給管路４６、エアブロワ４８を含んで構成されている。

従って、固体酸化物形燃料電池１２が断熱容器１８内で加熱バーナ２０により加熱されて、中温から高温の状態のもとで、固体酸化物形燃料電池１２に対して燃料ガス供給管路４４から燃料ガスが、酸化剤ガス供給管路４６から酸化剤ガスが、それぞれ供給されて、固体酸化物形燃料電池１２に発電反応が生じることとなり、この発電反応により生じた電子が、パワーコンディショナ１６を介して変圧したり交流電流に変換したりして起電力として外部に取り出されるようになっている。

また、燃料電池システム８では、排気ガス管路５０が固体酸化物形燃料電池１２に連結されていると共に、排気ガス管路５０の開口端部が、燃料電池システム８の断熱容器１８の外部に開口している。これにより、固体酸化物形燃料電池１２への酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給に伴い生じた排気ガスが断熱容器１８の外部に排出されるようになっている。

ところで、燃料電池用原料供給装置１０と共に燃料電池システム８に組み込まれる固体酸化物形燃料電池に関しては、固体電解質体の両側に空気極（カソード）と燃料極（アノード）が設けられた発電セルが平板形状または円筒形状を有する周知の構造が採用可能であるが、特に本実施形態では、以下に説明する固体酸化物形燃料電池１２が好適に採用される。

つまり、固体酸化物形燃料電池１２は、図２，３に示されているように、全体として略矩形ブロック状を呈しており、発電セルとしての略平板形状を有する単セル５２（以下、単に「セル５２」ともいう。）が、板厚方向、換言すれば図中、燃料電池１２の上方と下方の何れか一方から他方に向かう方向（以下、図３，４，６，７，８，９，１０又は１１中、上下ともいう）に複数積層されてなる発電スタック５４を備えている。

単セル５２は、図４に概略的に示されるように、略平板形状を有する固体電解質体５６を挟んだ両側に空気極（カソード）５８と燃料極（アノード）６０が固着されたセル本体６２を備えている。固体電解質体５６としては、例えば、ＹＳＺやＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等が採用される。また、例えば、空気極５８としては、ペロブスカイト系酸化物や各種貴金属、貴金属とセラミックとのサーメット等が用いられると共に、燃料極６０としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメット等が用いられる。

また、固体電解質体５６における空気極５８が固着された面には、空気極５８の周りを囲うようにしてセパレータ６４が接合されている。
さらに、セル本体６２およびセパレータ６４を挟んだ両側に略平板形状を有する一対のインターコネクタ６６ａ，６６ｂが対向配置されている。

また、空気極５８の周囲におけるセパレータ６４の外周部分と一方のインターコネクタ６６ａの外周部分の間には、空気極フレーム６８と絶縁フレーム７０が重ね合わされた形態で介装されている。更に、燃料極６０の周囲におけるセパレータ６４の外周部分と他方のインターコネクタ６６ｂの外周部分の間には、燃料極フレーム７２が介装されている。

これらセパレータ６４やインターコネクタ６６、空気極フレーム６８、絶縁フレーム７０、燃料極フレーム７２は、燃料ガスや酸化剤ガスの不透過性を有する金属材料やセラミック材料等を用いて形成されている。更に、セラミック製の絶縁材からなる絶縁フレーム７０が一対のインターコネクタ６６ａ，６６ｂ間に設けられていることによって、それらインターコネクタ６６ａ，６６ｂの間が絶縁されている。

すなわち、セル本体６２およびセパレータ６４と一方のインターコネクタ６６ａとの対向面間には、セパレータ６４やインターコネクタ６６ａ、空気極フレーム６８、絶縁フレーム７０で仕切られた酸化剤ガス供給経路７４が設けられている。一方、セル本体６２およびセパレータ６４と他方のインターコネクタ６６ｂとの対向面間には、セパレータ６４やインターコネクタ６６ｂ、燃料極フレーム７２で仕切られた燃料ガス供給経路７６が設けられている。

また、インターコネクタ６６ａの酸化剤ガス供給経路７４に露呈する面に、ＬＳＣＦやＬＳＭ等のセラミック多孔体や金属フェルト等からなる導電性の集電体７８が固設されている。集電体７８がセル本体６２の空気極５８に接触していることによって、空気極５８と一方のインターコネクタ６６ａが、集電体７８を介して電気的に接続されている。

また、他方のインターコネクタ６６ｂと燃料極６０が接触していることによって、他方のインターコネクタ６６ｂと燃料極６０が電気的に接続されている。
このようなセル５２は、板厚方向（図４中、上下）に複数積層配置されている。なお、図４は、本発明の内容を理解し易くするために、単セル５２の断面形状を概略的に示す図面であって、実際の断面形状を表す図面でない。

複数のセル５２の積層方向の両端部には、図示しない電極板が重ね合わされている。電極板は、各セル５２のインターコネクタ６６を介して集電体７８と電気的に接続されていると共に、セル５２の外部に設けられたリードフレーム８２を介してパワーコンディショナ１６に接続されている。発電スタック５４は、これら複数のセル５２や一対の電極板を含んで構成されている。

また、前記固体酸化物形燃料電池１２では、発電スタック５４における積層方向一方の電極板の外方端面において、空気や酸素等の酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス予熱層８４（図１参照。）が積層されている。この酸化剤ガス予熱層８４の積層方向外方における略矩形状を有する端壁部が、発電スタック５４の積層方向端の壁部とされている。

さらに、酸化剤ガス予熱層８４が積層された電極板と反対側の電極板の外方端面には、排気ガスの完全燃焼を促すためのオフガス燃焼層８８（図１参照。）が積層されている。
更にまた、オフガス燃焼層８８の外方端面には、前述の改質層９０が積層されている。

特に本実施形態における固体酸化物形燃料電池１２では、複数のガス流路９２（図４参照。）が酸化剤ガス予熱層８４や各単セル５２におけるインターコネクタ６６や空気極フレーム６８、絶縁フレーム７０、セパレータ６４、燃料極フレーム７２、更にオフガス燃焼層８８や改質層９０の積層方向に貫通形成されている。ガス流路９２は、略一定の円形断面で発電スタック５４の積層方向に延びている。

複数のガス流路９２のうち、１つは酸化剤ガス予熱層８４から酸化剤ガスを各セル５２の空気極に導入する流路になり、１つは改質層９０で改質された水素主体のガスを各セル５２の燃料極に導入する流路になり、各セル５２で発電に利用された後のガスが合流してオフガス燃焼層８８へと排出される流路になる。複数のガス流路９２は、複数のセル５２、電極板、酸化剤ガス予熱層８４、改質層９０、オフガス燃焼層８８のそれぞれに、これらを積層して固定するための固定部材を通す貫通孔が設けられることを利用して形成されている。固定部材は金属製のボルト１００とナット１０６の組合せが好適である。

これら複数の固定部材のナット１０６のうちの二つのナット１０６ａ，１０６ｂには、セル５２とは積層されない熱交換器３０や気化器２８に連通するための連結筒部１１２が形成されており、この連結筒部１１２を経由して、熱交換器３０または気化器２８から供給される酸化剤ガスまたは燃料ガスが発電スタック５４に供給される。また、複数のナット１０６のうちの一つのナット１０６ｃには、排気ガス管路５０が形成されており、オフガス燃焼層８８で無害化されたガスが排気ガス管路５０を通って、断熱容器１８の外部へ排出される。

本実施形態では、セルでの発電後の排気ガスの温度が高いため、排気ガス管路５０を流れる排気ガスによって運ばれる熱を、例えば、酸化剤又は燃料ガス供給管路４４，４６等の加熱に用いたり、家庭用の給湯システムの熱源に利用したり、或いは、ガスタービンや蒸気タービンによる発電に供される、所謂ボトミングサイクルに利用したりすることで、燃料電池を利用したコージェネレーション（熱電併給）システムの総合効率を向上させることが可能である。

なお、本実施形態において、上述の熱交換器３０は、例えば略矩形状等を有するハウジング構造の第一熱交換器３０ａと第二熱交換器３０ｂとを含んで構成されている。第一熱交換器３０ａは、固体酸化物形燃料電池１２の水平方向一方向で対向された一対の側壁部１０９ａ，１０９ｂにおける一方（図２中、左）の側壁部１０９ａに対して僅かな距離を隔てて対向配置されることで、固体酸化物形燃料電池１２の側壁部１０９ａに沿うようにして設置されている。また、第二熱交換器８２ｂは、固体酸化物形燃料電池１２の上方に設けられた酸化剤ガス予熱層８４の上方に配置されている。

ここで、本実施形態における燃料電池用原料供給装置１０の気化器２８について、より詳細に説明すると、気化器２８は、図５〜７にも示されているように、平面視略Ｌ字状のハウジング構造を呈しており、図５，６，８又は１０中、気化器２８の左方と右方の何れか一方から他方に向かう方向（以下、図５，６，８又は１０中、左右ともいう）に長手状に広がる第一筐体部２８ａと、第一筐体部２８ａの長手方向一方の端部から前記気化器２８の左方と右方の何れか一方から他方に向かう方向に対して直交する方向（以下、図５中、上下、或いは図７，９又は１１中、左右ともいう）に広がる第二筐体部２８ｂを含んで構成されている。第一筐体部２８ａおよび第二筐体部２８ｂは、何れも略矩形箱状を呈しており、ステンレス等の金属材からなる板状部材の複数を溶接等で相互に固定されることによって構成されている。

なお、本実施形態の気化器２８や後述する第二又は第三の実施形態の燃料電池用原料供給装置１３０，１４０の気化器２８は、燃料電池システム８への設置状態下で、図６〜１１中の上下方向が鉛直方向となり、図５中の紙面方向や図６，８又は１０中の左右方向、図７又は９中、気化器２８の左方と右方の何れか一方から他方に向かう方向（以下、図７又は９中、左右ともいう）が水平方向となる状態で設置されることから、以下の説明において、図６〜１１中の上方の壁部を天壁部１１４といい、図６〜１１中の下方の壁部を底壁部１１６といい、天壁部１１４と底壁部１１６の間に位置する壁部を側壁部１１８という。しかし、気化器２８の燃料電池システム８への設置状態が前述と異なる場合には、それに応じて、壁部の名称も適宜に変更される。

第一筐体部２８ａの天壁部１１４ａと第二筐体部２８ｂの天壁部１１４ｂは、同一平面に広がる略平板形状である。一方、第二筐体部２８ｂの底壁部１１６ｂは、第一筐体部２８ａの底壁部１１６ａよりも下方に位置している。また、第一筐体部２８ａのＬ字状内側の側壁部を１１８ａ、第一筐体部２８ａにおいて側壁部１１８ａと対向する側壁部を１１８ｂ、第二筐体部２８のＬ字状内側の側壁部を１１８ｃ、第二筐体部２８ｂにおいて側壁部１１８ｃと対向する側壁部を１１８ｄとする。

また、第二筐体部２８ｂの一方（図５，６中、左）の側壁部１１８ｄにおける天壁部１１４ｂ付近の上部には、液体供給管路３６が貫通配置されている。この液体供給管路３６の純水タンク３２に接続された端部と反対側の端部は、第二筐体部２８ｂの内部から第一筐体部２８ａの内部に延びて、第一筐体部２８ａ内部の長手方向（図６中、左右）の略中央における天壁部１１４ａ付近の上部に開口している。

要するに、気化器２８内部における水の流動（流通）方向が図７にも矢印Ａで示されるように、液体供給管路３６から気化器２８内部に供給される水は、第一筐体部２８ａの一対の側壁部１１８ａ，１１８ｂの対向面間を、重力作用に基づき気化器２８の上方から下方に向かって流れるようになっている。

さらに、液体供給管路３６が貫設された第二筐体部２８ｂの一方の側壁部１１８ｄにおける底壁部１１６ｂ付近の下部には、原料ガス供給管路４２の原料ガス供給源に接続された端部と反対側の端部が、第二筐体部２８ｂの側壁部１１８ｄを貫通して、気化器２８の内部に開口している。

更にまた、第二筐体部２８ｂの天壁部１１４ｂの長手方向（図５中、上下）両側において第一筐体部２８ａから離れる側の端部付近には、燃料ガス供給管路４４が設けられており、該天壁部１１４ｂを貫通して気化器２８外部に突出している。

そこにおいて、第一筐体部２８ａの一対の側壁部１１８ａ，１１８ｂには、複数（本実施形態では３つ）の羽根板１２０が設けられている。羽根板１２０は、第一筐体部２８ａの側壁部１１８ａ，１１８ｂの長手方向に沿って長手状に広がる略矩形板状を有していると共に、側壁部１１８ａ，１１８ｂにおいて気化器２８内部に開口する液体供給管路３６の開口端部よりも下方の部分に溶接等で固着されている。

特に本実施形態では、複数の羽根板１２０が、鉛直方向となる気化器２８の上下方向に所定距離を隔てて配置されていると共に、第一筐体部２８ａの一方の側壁部１１８ａと他方の側壁部１１８ｂに交互に設けられている。

すなわち、複数の羽根板１２０が、液体供給管路３６から気化器２８内部に導入される水の流通方向：Ａとなる鉛直方向（上下方向）に直交する水平方向一方向で対向配置された一対の対向壁部としての側壁部１１８ａ，１１８ｂに対して、交互に且つ水の流通方向に所定距離を隔てて配置されている。

また、固設された側壁部１１８ａ（または１１８ｂ）から対向する側壁部１１８ｂ（または１１８ａ）側に突出する各羽根板１２０の先端部分と、何れも対向する側壁部１１８ｂとの間には所定の隙間を設けている。これにより、羽根板１２０の突出先端部分と羽根板１２０と対向する側壁部１１８ｂの間には、水や水蒸気、原料ガス、燃料ガス等の通り道が形成されている。

また、本実施形態において、液体供給管路３６から気化器２８内に導入される水の流動方向は、重力方向（鉛直方向）上方から下方に向かう方向とされている。ここで、各羽根板１２０は、水の流動方向後方となる上方から流動方向前方となる下方に向かって傾斜している。これにより、羽根板１２０に接触した水は、重力作用により羽根板１２０の表面を伝って下方に流れるようになっている。

このような構造とされた燃料電池用原料供給装置１０は、前述の燃料電池システム８の断熱容器１８に対して固体酸化物形燃料電池１２と共に収容配置される際に、以下のようにして固体酸化物形燃料電池１２に組み付けられている。

気化器２８は、その第二筐体部２８ｂの側壁部１１８ｂから突出した液体供給管路３６や原料ガス供給管路４２が固体酸化物形燃料電池１２の外方に突き出すような形態で固体酸化物形燃料電池１２の周りに配されて、第一筐体部２８ａの側壁部１１８ａが、固体酸化物形燃料電池１２の水平方向一方向で対向された一対の側壁部１０９ａ，１０９ｂにおける他方（図２中、右）の側壁部１０９ｂと僅かな距離を隔てて対向配置されている。

また、第二筐体部２８ｂの側壁部１１８ｃが、固体酸化物形燃料電池１２の別の水平方向一方向で対向された一対の側壁部１１１ａ，１１１ｂにおける一方（図３中、下）の側壁部１１１ａと僅かな距離を隔てて対向配置されている。

つまり、気化器２８が固体酸化物形燃料電池１２の側壁部１０９ｂ，１１１ａに沿うようにして固体酸化物形燃料電池１２に近設されており、固体酸化物形燃料電池１２の側壁部１０９ｂ，１１１ａと対向配置される気化器２８の側壁部１１８ａ，１１８ｃが、固体酸化物形燃料電池１２から放出される熱を積極的に受ける受熱部として構成されている。換言すると、気化器２８は、固体酸化物形燃料電池１２と伝熱可能に且つ電気的に絶縁された状態で隣り合うようにして配設されている。

また、気化器２８の天壁部１１４ｂに突設された燃料ガス供給管路４４が、発電スタック５４の積層方向に延び且つ積層方向に直交する方向に延びる屈曲管路１２２を介して、前記ナット１０６ｂの連結筒部１１２に対して、例えばスウェージロック社製の配管用継手を用いて連結されている。

したがって、純水タンク３２の水及び原料ガスが、水及び原料ガス供給管路３６，４２を通じて、それぞれ気化器２８に導入されて、気化器２８内部において加熱される。加熱された水は気化して水蒸気になり、気化器２８内部で水蒸気と原料ガスが混合されて燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス供給管路４４から屈曲管路１２２や連結筒部１１２、ナット１０６ｂの内側、該ナット１０６ｂの内側と連通されるガス流路９２を通じて、改質層９０に流入され、かかる改質器９０で水蒸気改質された後に、水素主体の燃料ガスとして、各セル５２に供給される。

そこにおいて、本実施形態の燃料電池用原料供給装置１０では、気化器２８内部に水を導入する液体供給管路３６の開口部が、気化器２８内部の上方に開口しており、導入に際して、気化器２８の一対の側壁部１１８ａ，１１８ｂの対向面間を重力作用で上方から下方に向かって流通されるようになっていることから、これら一対の側壁部１１８ａ，１１８ｂの対向面間が、気化器２８内部における水の流通経路とされている。

そして、一方の側壁部１１８ａから他方の側壁部１１８ｂに達しない長さで突出した複数の羽根板１２０が、一対の側壁部１１８ａ，１１８ｂに対して交互に、且つ上下方向に所定距離を隔てて設けられていることによって、羽根板１２０による上述の水の流通経路の完全な遮断を阻止しつつ、複数の羽根板１２０が水の流通方向に所定距離を隔てて設けられている。

これにより、液体供給管路３６から気化器２８内部に導入された水は、重力作用により気化器２８内部を上方から底部に向かって流れる際に、少なくとも一つの羽根板１２０に接触することとなり、水は接触に伴う衝撃によって細分化されて、水の粒径が小さくなる。

このように羽根板１２０に接触して細分化された水は、気化器２８内部や羽根板１２０の温度、水の粒径等の条件に応じて、気化熱に達して水蒸気になるものもあり、或いは気化熱に達せずに、更に別の羽根板１２０に接触して一層細分化されて水蒸気になるものもある。また、羽根板１２０上で気化せずに、気化器２８の底壁部１１６にまで落ちた水でも、羽根板１２０との少なくとも一回の接触を経ていることで、細分化されており、気化器２８の底部で確実に気化される。

つまり、液体原料としての水が羽根板１２０に接触して細分化されることによって、水の気化速度が速くなるように調整されるのである。
特に本実施形態では、複数の羽根板１２０が気化器２８の一対の側壁部１１８ａ，１１８ｂに交互に突設されていることに加えて、各羽根板１２０が水の流通方向となる上方から下方に向かって傾斜していることから、羽根板１２０の表面に水が留まることが防止されて、水の複数の羽根板１２０への接触が、効率良く実現される。

従って、粒径の小さな水が加熱されることにより、水が効率良く気化されることに加え、圧力変動を十分に抑えた水蒸気が得られて、かかる水蒸気と原料ガスが気化器２８内部で混合されることで、高温の燃料ガスが安定して生成される。その結果、改質層９０に高温の燃料ガスが安定して供給されて、水素変換率の高い水蒸気改質が実現され、発電効率が有利に向上されるのである。

すなわち、本実施形態の燃料電池用原料供給装置１０を用いた燃料電池システム８によれば、気化器２８が、水蒸気を効率良く生成する機能や原料ガスと水蒸気を混合して燃料ガスを生成する機能、燃料ガスを加熱する機能を備えていることから、構造の簡単化やコンパクト化が図られつつ、高温の燃料ガスの固体酸化物形燃料電池１２への安定した供給形態が実現される。

また、本実施形態の燃料電池用原料供給装置１０では、液体供給管路３６や原料ガス供給管路４２が気化器２８の一側壁部１１８ｄに貫設されていることによって、複数の側壁部１１８に跨って設ける必要がなくなり、気化器２８の構造簡略化や断熱効果の向上が図られる。

なお、上述の説明からも明らかなように、水を気化させて水と炭化水素系物質との複数種類を混合して改質層９０に供給する気化混合手段は、気化器２８により構成されている。また、これら複数種類の原料を気化器２８に導入する原料導入手段は、純水タンク３２や供給ポンプ３４、液体供給管路３６、電磁弁３８、ガスポンプ４０、原料ガス供給管路４２を含んで構成されている。更に、気化器２８に設けられ、かかる原料導入手段から導入された水を気化させる際に水の気化速度を調整する気化調整手段は、複数の羽根板１２０からなる。

［第２実施形態］
図８，９には、本発明の第２実施形態としての燃料電池用原料供給装置１３０が示されている。なお、以下の説明において、前記第１実施形態と実質的に同一の構造とされた部材および部位については、第１実施形態と同一の符号を付することにより、それらの詳細な説明を省略する。

詳細には、本実施形態において、気化器２８内部に導入される水と接触して水の気化速度を調整する気化調整手段が、第１実施形態における複数の羽根板１２０に代えて、調整部材１３２で構成されている。この調整部材１３２は、気化器２８の第一筐体部２８ａの長手方向に沿って長手状に広がる形態で、第一筐体部２８ａの底壁部１１６ａに載置されている。

また、調整部材１３２は、金網等からなる網状体またはセラミック体等からなる多孔質部材、或いは網状体と多孔質部材の混合物で構成されており、内部に水や水蒸気、原料ガス、燃料ガスを透過する孔が複数設けられている。なお、網状体と多孔質部材の混合物には、例えば、多孔質部材の外周面に網状体が被着形成されたものや、多孔質部材に網状体が埋設配置されたもの等が含まれる。

特に、調整部材１３２の少なくとも一部に多孔質部材が採用される場合に、使用する多孔質部材の気孔率は１０〜９５％のものが採用される。調整部材１３２に多孔質部材や網状体を使用すると、液体原料と調整部材１３２との間の接触面積が増えるため、羽根板１２０と同様の水の細粒化を達成することが可能になる。

従って、本実施形態の燃料電池用原料供給装置１３０では、気化器２８内部の水の流通経路に配される気化調整手段が、気化器２８の底壁部１１６に載置された調整部材１３２で構成されていることから、気化器２８に対する気化調整手段の取り付け構造が簡単になる。

［第３実施形態］
図１０，１１には、本発明の第３実施形態としての燃料電池用原料供給装置１４０が示されている。

同図に示されるように、気化調整手段として、第一の実施形態における複数の羽根板１２０と第二の実施形態における調整部材１３２が組み合わされた構造が採用されても良い。これにより、気化器２８内部に導入される水が一層確実に細分化されて、水に対して気化させるための熱を一層効率良く与えることが出来る。

以上、本発明のいくつかの実施形態について詳述してきたが、これら実施形態における具体的な記載によって、本発明は、何等限定されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様で実施可能である。また、そのような実施態様が本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。

・例えば、第１又は第３実施形態の羽根板１２０や第２又は第３実施形態の調整部材１３２における形状や大きさ、構造、数、配置等の形態は、例示の如きものに限定されない。

具体的に、前記第１又は第３実施形態では、羽根板１２０が水の流通方向となる上方から下方に向かって傾斜していたが、例えば、羽根板を水の流通方向に対して略直交する方向に突出させたり、或いは羽根板を水の流通方向と逆向きの下方から上方に向かって傾斜させたりすることも可能である。

・また、羽根板の適当な箇所に貫通孔を設けて、羽根板に接触した水が貫通孔を通じて下方に流れるようにしても良い。
・更に、羽根板は例示の如き複数に限らず、気化器における水の流通経路に一つだけ設けられても良い。

・また、複数の羽根板の突出寸法を、水の流通方向後方から前方に向かって次第に大きくしたり、その他複数の羽根板の突出寸法をそれぞれ異ならせたりすることも可能である。

・前記第２又は第３実施形態において、調整部材１３２が気化器２８の底壁部１１６に載置されていたが、例えば第１又は第３実施形態の羽根板のように、調整部材を気化器の側壁部に設けても良い。

・前記実施形態の気化器２８における形状や大きさ、数、構造、配置等は、燃料電池システム８への配置条件や固体酸化物形燃料電池１２への組み付け構造、要求される燃料ガスの加熱効率等の各種条件に応じて、適宜に設計変更されることは言うまでもない。

・前記実施形態では、燃料発電スタック５８に酸化剤ガス予熱層８４やオフガス燃焼層８８が積層されていたが、これらは必須の要件でない。
・前記実施形態の燃料電池用原料供給装置では、気化器２８において液体原料としての水を羽根板１２０等に接触させることにより気化速度を調整しつつ気化させて、メタン等の原料ガスと混合し、この混合ガス（燃料ガス）を改質層９０の触媒（Ｎｉ等）に接触させることで水素を得る水蒸気改質方式が採用されていたが、例えば、複数種類の原料のうちの１つの液体原料としてのメタノールと、別の原料としての空気とを気化器２８に導入して、メタノールを羽根板１２０等に接触させることにより気化速度を調整しつつ気化させて、空気と混合し、この混合ガスを白金等の改質触媒に接触させることによって水素を得る部分酸化改質方式が採用されても良い。このような部分酸化改質方式を採用すれば、原料に大気中の空気が採用されることから、システムが簡単になる利点を有する。

・前記実施形態では、複数種類の原料のうちの少なくとも１種類が液体原料とされて、残りの種類が気体原料とされていたが、全ての原料に液体原料を採用して、原料導入手段により気化混合手段に導入する全ての液体原料の気化速度を、気化調整手段により調整することも可能である。

・また、本発明の燃料電池用原料供給装置は、例示の如き固体酸化物形燃料電池１２の他、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）など、炭化水素物質を改質してなる水素を原料とする各種の燃料電池に対して適用可能である。

８…燃料電池システム、１０…燃料電池用原料供給装置、１２…固体酸化物形燃料電池、２８…気化器、１２０…羽根板、１３２…調整部材

Claims (4)

1. 複数種類の原料を改質手段にて改質反応させることにより生成された水素を燃料電池に供給する燃料電池用原料供給装置であって、
   前記複数種類の原料のうちの少なくとも１種類が液体原料であり、該液体原料を気化させてさらに該複数種類の原料を混合して前記改質手段に供給する気化混合手段と、
   前記複数種類の原料を前記気化混合手段に導入する原料導入手段と、
   前記気化混合手段に設けられ、前記原料導入手段から導入された前記液体原料を気化させる際に該液体原料の気化速度を調整する気化調整手段と、
   を備え、
   前記気化混合手段は、前記液体原料の流通経路として、
   互いに対向配置された一対の側壁部により形成され、該側壁部の対向面間にて、前記液体原料を重力作用によって上方から下方に向かって流す流通経路を備え、
   前記気化調整手段は、
   前記一対の側壁部の対向面から、それぞれ、前記液体原料の流動方向後方から流動方向前方に向かって傾斜し、しかも、先端が他方の側壁部に達することのない長さで突出した複数の羽根板にて構成され、
   前記複数の羽根板は、前記一対の側壁部に対し、上下方向に所定の間隔を空けて交互に配置されていることを特徴とする燃料電池用原料供給装置。
2. 前記液体原料は、水若しくは炭化水素系物質であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用原料供給装置。
3. 前記気化調整手段として、前記複数の羽根板に加えて、
   前記気化混合手段における前記液体原料の流通経路に設けられた網状体及び多孔質体の少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用原料供給装置。
4. 前記気化混合手段は、前記燃料電池と電気的に絶縁された状態で隣り合うように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の燃料電池用原料供給装置。

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