JP5705414B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、改質水を気化させて水蒸気を生成させる蒸発部を有する燃料電池システムに関する。

特許文献１，２には、燃料電池から吐出された発電反応後のアノードオフガスを燃焼させた燃焼火炎で加熱される蒸発部および改質部を有する燃料電池システムが開示されている。この場合には、燃料電池から吐出された発電反応後のアノードオフガスを燃焼させた燃焼火炎で蒸発部が加熱される方式が採用されているため、燃料電池の真上に蒸発部が配置されている構造となる。この場合、蒸発部は気化熱による吸熱作用を果たすため、燃料電池の昇温には限界があるおそれがある。

また、特許文献３には、水素リッチなアノードガスを生成させる改質器と、水加熱手段と、燃料電池とを備えており、燃料電池から排出される排気ガスから水および熱を回収する回収器と、回収器が回収した水を蓄える回収水用タンクと、回収水用タンクから水加熱手段に水を供給させるポンプとを有する燃料電池システムが開示されている。特許文献３によれば、燃料電池の発電反応により発生した高温の排気ガスが蒸発部や脱硫器に向かい、蒸発部や脱硫器を加熱させる通路が図示されている。

また、特許文献４には、水蒸気発生器は、燃料電池からの排ガスを熱源とする熱交換器を備えており、且つ、この熱交換器の排ガス流路に、起動時に排ガス中の未燃ガスを燃焼させる燃焼触媒が設けられている燃料電池システムが開示されている。

特開２００７−１２３１３号公報 特開２００７−２０７４４６号公報 特開２００６−３０９９８２号公報 特開２００７−８０７６１号公報

上記した従来技術に係る燃料電池システムを更に一歩進めた燃料電池システムの開発が要望されている。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電運転で発生する排気ガスの排熱および浄化触媒の反応熱を受熱して蒸発部を加熱させ、蒸発部における水蒸気化を実行させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、改質水を気化させて水蒸気を生成させる蒸発部と、蒸発部で生成された水蒸気で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池と、燃料電池の発電運転に伴って発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路と、排気ガス通路に設けられ前記排気ガス通路を流れる排気ガスに含まれる環境影響成分を低減させて排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する浄化部とを具備しており、蒸発部は、排気ガス通路を流れる排気ガスの排熱および浄化触媒の反応熱を受熱可能に設けられた水蒸気生成用気化室を有し、前記気化室は、前記浄化部を備える前記排気ガス通路の外周側に同軸的に配置され、前記蒸発部は、前記気化室に連通すると共に液状の改質水を留める貯水部をもち、前記浄化部は、前記貯水部における前記改質水の水面高さよりも上方に配置されている。

蒸発部は、改質水を気化させて水蒸気を生成させる気化室をもつ。改質部は、蒸発部で生成された水蒸気で燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは燃料電池に供給されて発電運転に使用される。燃料電池は固体酸化物形であり、改質部で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する。排気ガス通路は、燃料電池の発電運転に伴って発生した排気ガスを外部に排出させる。

蒸発部の気化室は、排気ガス通路を流れる排気ガスの排熱および浄化部の反応熱を受熱可能に設けられている。このため蒸発部の気化室は、排気ガス通路を流れる排気ガスの排熱および浄化部の反応熱の双方を受熱するため、気化室の昇温性が確保され、ひいては気化室の水蒸気生成性が確保される。気化室で生成された水蒸気は改質部に供給され、改質部における水蒸気改質に使用され、ガス状または液状の燃料原料がアノードガスとされる。

本発明によれば、蒸発部の気化室は、排気ガス通路を流れる排気ガスの排熱および浄化部の反応熱を受熱可能に設けられている。従って、排気ガスおよび浄化部の温度を低下させることができる。従って、浄化部が浄化反応により発熱するときであっても、浄化部における過熱が抑制され、過熱に起因する浄化触媒の劣化が抑制され、浄化触媒の耐久性の向上を図り得る。

本発明によれば、燃料電池の発電運転で発生する排気ガスの排熱および浄化触媒の反応熱を受熱して蒸発部を加熱させ、蒸発部における水蒸気化を実行させるのに有利な燃料電池システムを提供できる。

実施形態１に係り、燃料電池システムを模式的に示す図である。 実施形態１に係り、燃料電池システムのスタック付近を模式的に示す斜視図である。 実施形態２に係り、燃料電池システムを模式的に示す図である。 実施形態３に係り、燃料電池システムを模式的に示す図である。 実施形態４に係り、燃料電池システムを模式的に示す図である。 実施形態５に係り、燃料電池システムの浄化部付近を模式的に示す断面図である。 実施形態６に係り、燃料電池システムの浄化部付近を模式的に示す断面図である。 実施形態７に係り、燃料電池システムの排気ガス通路付近を水平方向に沿って切断した部分を模式的に示す部分断面図である。

好ましい形態によれば、燃料電池と蒸発部との間には断熱層が設けられていることが好ましい。断熱層は、燃料電池と蒸発部との間における断熱性を高めることにより、蒸発部の気化熱が燃料電池に与える影響を抑制させる断熱材料を基材とする。好ましい形態によれば、蒸発部は、気化室に連通すると共に液状の改質水を溜める貯水部をもつ。好ましい形態によれば、排気ガス通路の通路部分は、浄化部の下流に位置し且つ流路断面積を浄化部の上流の流路断面積よりも小さくした流路絞り部をもち、貯水部の貯水断面積は流路絞り部により増加されている。この場合、貯水部の貯水量が確保される。

貯湯系が設けられていることが好ましい。貯湯系は、貯湯タンクと、貯湯タンクの水を循環させる循環通路と、循環通路の水を循環させる水搬送源と、循環通路の水と排気ガス通路の排気ガスとを熱交換させて循環通路の水を加熱させる貯湯用熱交換器とを有することが好ましい。この場合、蒸発部は貯湯用熱交換器と燃料電池との間に配置されていることが好ましい。すなわち、排気ガス通路を流れる排気ガスの流れ方向において、蒸発部は貯湯用熱交換器の上流に配置されていることが好ましい。ここで、単位時間あたり、排気ガスと蒸発部とが熱交換する熱交換量をＱ１とし、排気ガスと貯湯用熱交換器とが熱交換する熱交換量をＱ２とすると、Ｑ１＜Ｑ２の関係とされている。殊にＱ１＜＜Ｑ２の関係とされている。このため貯湯用熱交換器における熱交換量に大きな影響を与えない。従って、排気ガスの熱を利用して蒸発部において水蒸気化を実行しつつも、貯湯タンクの水の温度を高温に維持させるのに貢献できる。

好ましい形態によれば、排気ガス通路の通路部分は、排気ガス通路に対して着脱可能な通路形成部材を有する。好ましくは、通路形成部材は、排気ガスを通過させる通路をもつ第１筒体と、通路に配置され浄化触媒を有するガス透過性をもつ浄化部と、第１筒体に隣設された気化室を形成する蒸発部とを備えていることができる。浄化部および蒸発部は一体化されており、排気ガス通路に対して着脱可能となり、メンテナンスに適する。なお、隣設とは伝熱可能に隣設されていることを意味し、直接に隣設されている形態、壁部等の他の部材を介して隣設されている形態を含む。好ましくは、気化室と浄化部とは金属等の壁を介して隣設されている。気化室と浄化部との間の伝熱性が向上する。また気化室と浄化部との間には断熱層が配置されていても良い。浄化部のマイルド冷却を図り得る。なお、浄化部について排気ガスの流れ方向の寸法をＬとし、排気ガスの流れ方向と垂直方向の寸法をＤとすると、Ｌ／Ｄの値は１以下、０．７以下が例示され、２以上、４以上が例示される。

（実施形態１）
図１は実施形態１の概念図を示す。本実施形態は、固体酸化物形の燃料電池システムに適用している。まず、燃料電池装置から説明する。燃料電池装置１は、発電室３０をもつ殻体３と、発電室３０に配置された燃料電池セル２０で形成されたスタック２と、スタック２から吐出されたアノードオフガスを燃焼部２７で燃焼させた燃焼火炎２８で加熱される改質部４と、改質部４に水蒸気を供給させる蒸発部５と、燃焼火炎２８の排気ガスを排出させる排気ガス通路６と、排気ガス通路６と熱交換するように排気ガス通路６に隣設されたカソードガス通路７と、スタック２の横部に設けられた断熱材料で形成された第１断熱層３７と、スタック２の下部に設けられた断熱材料で形成された第２断熱層３８とを有する。発電室３０はスタック２、第１断熱層３７、第２断熱層３８、改質部４を収容するが、下記の蒸発部５を収容していない。第１断熱層３７および第２断熱層３８などにより発電室３０の内部は高温に維持される。

図２に示すように、発電室３０に収容されているスタック２は、カソードガスが流れる通路３０ｒを介して複数の燃料電池セル２０を並設して形成されている。隣接する燃料電池セル２０は図示しない導電部材によって電気的に接続されている。燃料電池セル２０は、燃料極として機能するアノード２１と、酸化剤極として機能するカソード２２と、アノード２１およびカソード２２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質２３と、アノードガスが供給される通路２４ｒを有する多孔質導電部２４と、コネクタ２５とを有する。カソード２２は、カソードガスが流れる通路３０ｒに対面する。電解質２３を構成する固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導させる性質性をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード２１は、ニッケル−セリア系のサーメット、導電性セラミックス等が例示される。カソード２２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。コネクタ２５は緻密質の導電性セラミックスで形成できる。

なお、スタック２の下部にはアノードガスマニホルド１３が形成されている。改質部４とアノードガスマニホルド１３とはアノードガス通路１４で接続されている。改質部４で生成されたアノードガスはアノードガス通路１４を経てアノードガスマニホルド１３に流れ、更に多孔質導電部２４の通路２４ｒに流れ、アノード２１に供給される。

図１に示すように、排気ガス通路６は、スタック２の発電運転に伴い発生する排気ガス（燃焼火炎２８の排気ガス）を発電室３０から外部に排出させるものであり、発電室３０に繋がる第１排気ガス通路６１および第２排気ガス通路６２を合流させた合流通路６３と、合流通路６３に繋がる通路部分６４とを有する。通路部分６４の排出口である先端部６５は、外気に連通する。

通路部分６４の途中部には蒸発部５が隣設されている。図面上、通路部分６４および蒸発部５は、互いに同軸的な配置として図示されているが、これに限定されるものではない。蒸発部５は、スタック２の下方に第２断熱層３８を介して配置されている。蒸発部５は、通路部分６４に隣設された気化室５０と、気化室５０を形成する包囲壁部５１と、気化室５０の下方において気化室５０に連通すると共に液状の改質水５６を溜める貯水部５２とを有する。貯水部５２は気化室５０の底部を構成する。気化室５０は通路部分６４と同軸的に筒形状に配置とされていることが好ましい。蒸発部５は、保温用の第３断熱層３９で被覆することができる。但しこれに限定されるものではない。

図１に示すように、改質水を供給させる改質水系４０は、改質部４における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を蒸発部５を介して改質部４に供給するものである。改質水系４０は、システムで発生する凝縮水等の水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の精製材料４１ａを有する水精製器４１と、水精製器４１と連通していると共に水精製器４１で生成された水を改質水４２ｗとして溜める改質水タンク４２と、改質水タンク４２と蒸発部５とを結ぶ改質水供給通路４３と、改質水ポンプ４４（改質水搬送源）と、給水バルブ４５とを有する。

給水バルブ４５が開放した状態で、改質水ポンプ４４が作動すれば、改質水タンク４２の水は改質水供給通路４３を介して給水ポート５３から蒸発部５の気化室５０の給水ポート５３に供給される。給水ポート５３および放出ポート５５は、蒸発部５の貯水部５２の改質水５６の水面５６ｗよりも上方に位置することが好ましい。但し、これに限定されるものではない。なお、図１から理解できるように、貯水部５２は、排気ガス通路６において浄化部６６よりも下流の部位に対向するように配置されている。

改質部４は、容器４ａと、容器４ａ内に収容されたセラミックスで形成された担体と、担体に担持された改質用の触媒とを有することが好ましい。担体はモノリス状でも、ペレット状でも良い。改質用の触媒は、貴金属触媒でも、卑金属触媒でも良い。貴金属触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム等が例示される。担体のセラミックスとしては、アルミナ、マグネシア、シリカなどが例示される。

排気ガス通路６の通路部分６４は、浄化触媒を有する浄化部６６を有する。浄化部６６は、発電運転時に発生した排気ガスに含まれる環境影響成分（一般的には一酸化炭素等）を燃焼させて排気ガスを浄化させるものである。浄化反応は酸化反応であるため、発熱を伴う。浄化部６６は、セラミックスで形成された担体と、担体に担持された浄化用の浄化触媒とを有することが好ましい。担体はモノリス状でも、ペレット状でも良い。浄化用の浄化触媒は、貴金属触媒でも、卑金属触媒でも良い。貴金属触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム等が例示される。担体のセラミックスとしては、アルミナ、マグネシア、シリカなどが例示される。浄化用の浄化触媒の活性温度領域としては１００〜４００℃の範囲内、１５０〜３５０℃の範囲内が例示される。但しこれに限定されるものではない。

図１に示すように、蒸発部５および浄化部６６は、スタック２の重力方向の下方に配置されている。蒸発部５の気化室５０は金属製の筒形状の外壁５９で区画されている。気化室５０は、排気ガス通路６の通路部分６４および浄化部６６に対して、金属製の筒形状の包囲壁部５１を介して対向しており、気化室５０は浄化部６６に伝熱可能に隣設されている。このため、排気ガスの通路部分６４を流れる排気ガスの熱は、蒸発部５の気化室５０ひいては貯水部５２に伝達され易い。この場合、排気ガス通路６の通路部分６４を流れる排気ガスの排熱により気化室５０の内部は加熱される。更に、排気ガスが浄化部６６の浄化反応で浄化されるとき、浄化反応（酸化反応，発熱反応）に基づく反応熱も気化室５０の内部に伝達される。この結果、貯水部５２に溜められている改質水を効果的に加熱させ、気化室５０において水蒸気を良好に生成させることができる。

なお、排気ガスの熱が蒸発部５にさらに伝達され易くするために、伝熱フィン、伝熱促進ボールなどの伝熱促進部材を設けてもよい。例えば、排気ガス通路６の通路部分６４の外周で蒸発部５内部（気化室５０、貯水部５２）の部分に伝熱フィンを設けたり、蒸発部５の内部（気化室５０、貯水部５２）にアルミナボールなどの伝熱促進ボールを収容したりすればよい。

排気ガスに含まれている環境影響成分を浄化部６６が酸化させて低減させるにあたり、浄化部６６が発熱する。このとき、浄化部６６と蒸発部５とは互いに熱交換される。従って、浄化部６６から蒸発部５の気化室５０に伝熱され、浄化部６６の過熱が抑制される。ひいては過熱に起因する浄化触媒の劣化が抑制され、浄化触媒の耐久性の向上を図り得る。なお、蒸発部５は浄化部６６の外周側に同軸的に配置されているため、蒸発部５の気化室５０の径方向（矢印ＤＡ方向）のサイズが確保され、気化室５０の容積が確保される。更に、蒸発部５の全周が熱伝達経路となり、通路部分６４および浄化部６６から気化室５０への伝熱面積が確保されやすく、気化室５０の加熱に貢献できる。

図１に示すように、排気ガス通路６の通路部分６４は流路絞り部６７をもつ。流路絞り部６７は、浄化部６６の下流に位置しており、蒸発部５の気化室５０に包囲されている。流路絞り部６７の流路断面積Ｓ１は、浄化部６６の上流の流路断面積Ｓ２よりも小さくされている。このため貯水部５２の径方向（矢印ＤＡ方向）の断面積は、気化室５０の径方向（矢印ＤＡ方向）の断面積よりも増加されている。これらの断面積は、排気ガス通路６の通路部分６４を流れる排気ガスの流れ方向（Ａ３方向）に直交する断面の面積ともいえる。すなわち貯水部５２の片側の断面積Ｄ１は、気化室５０の片側の断面積Ｄ２よりも増加されている。故に、流路絞り部６７が形成されていない場合に比較して、筒形状の貯水部５２の内径が小さくなり、総断面積は増加されて大き目にされている。このため貯水部５２における貯水量が確保される。更に、浄化部６６の外径で規定された断面積も流路断面積Ｓ２と同等程度確保されるため、浄化部６６が排気ガスを浄化させる浄化効果を高めることができる。但し、流路絞り部６７は必要に応じて設ければ良いものであり、流路絞り部６７を廃止し、通路部分６４の内径をこれの長さ方向において同一にしても良い。

なお、図１に示すように、流路絞り部６７が浄化部６６の下流に設けられているため、浄化部６６の断面積が流路断面積Ｓ２と同等程度確保され、大きめに確保される。よって浄化部６６を通過する排気ガスの流速が過剰に速くなることが抑制される。ひいては、浄化部６６における浄化触媒と排気ガスとの接触反応時間が確保され、浄化部６６における浄化反応に要する時間が確保され、浄化効果が高められる。

更に、浄化部６６の径方向（矢印ＤＡ方向）における浄化反応のばらつきを低減させることを考慮すると、浄化部６６の径方向（矢印ＤＡ方向）において、中央領域と外縁領域とで、排気ガスの流速のばらつきを低減させることが好ましい。ここで、圧損の要因となる流路絞り部６７が浄化部６６の下流に設けられている。このため、浄化部６６の径方向（矢印ＤＡ方向）において、中央領域と外縁領域とで排気ガスの流速のばらつきが過剰に増加することが抑制される。この場合、浄化部６６において、径方向（矢印ＤＡ方向）の中央領域と外縁領域とで浄化反応のばらつきが低減され、径方向における浄化むらが低減される。

なお、図１に示すように、排気ガス通路６は第１排気ガス通路６１および第２排気ガス通路６２に分岐されており、カソードガス供給９６を流れるカソードガスを複数箇所で熱交換させて予熱できる。このように分岐していた第１排気ガス通路６１および第２排気ガス通路６２を合流させた合流通路６３に浄化部６６は連通する。このため浄化部６６は、分岐されている第１排気ガス通路６１および第２排気ガス通路６２の双方に共通する共通浄化部であり、浄化部６６の数を低減させ得る。

図１に示すように、貯湯系８が設けられている。貯湯系８は、貯湯タンク８０と、貯湯タンク８０の水を循環させる循環通路８１と、循環通路８１の水を循環させる水搬送源として機能する貯湯ポンプ８２と、循環通路８１の水と排気ガス通路６の排気ガスとを熱交換させて水を加熱させる熱交換通路８１ａをもつ貯湯用熱交換器８３とを有する。この場合、蒸発部５は、貯湯用熱交換器８３とスタック２との間に配置されている。すなわち、排気ガス通路６の通路部分６４を流れる排気ガスの流れ方向（矢印Ａ２，Ａ３，Ａ４方向）において、蒸発部５は貯湯用熱交換器８３の上流に配置されている。

ここで、単位時間（例えば１分間）あたり、ポンプ４４が作動して蒸発部５に供給される改質水の流量をＶ１とし、貯湯用熱交換器８３に供給される貯湯水の流量をＶ２とすると、Ｖ１＜Ｖ２の関係とされている。殊にＶ１＜＜Ｖ２の関係とされている。また、単位時間（例えば１分間）あたり、排気ガスおよび浄化部６６からの伝熱により蒸発部５において熱交換される熱交換量をＱ１とし、貯湯用熱交換器８３の熱交換通路８１ａにおいて熱交換される熱交換量をＱ２とすると、Ｑ１＜Ｑ２の関係とされている。殊にＱ１＜＜Ｑ２の関係とされている。このため、蒸発部５の貯水部５２に溜められている改質水を、通路部分６４の排気ガスおよび浄化部６６の熱で加熱させて気化させたとしても、排気ガスの温度低下は過剰ではない。従って、貯湯用熱交換器８３の熱交換通路８１ａにおける熱交換量に大きな影響を与えない。このため、排気ガスおよび浄化部６６の熱で蒸発部５を加熱させて蒸発部５の改質水を水蒸気化させつつも、貯湯タンク８０の温水温度をできるだけ高温に維持させるのに貢献できる。

図１に示すように、燃料原料供給系９は、炭化水素系のガス状または液状の燃料原料を改質部４に供給させるために燃料源９３に繋がる燃料原料供給通路９０と、入口バルブ９１と、燃料原料ポンプ（燃料原料搬送源）９２とを有する。カソードガス供給糸９５は、空気であるカソードガスをスタック２のカソードに供給するカソードガス供給通路９６と、カソードガスポンプ（カソードガス搬送源）９７とを有する。カソードガス供給通路９６に繋がるカソードガス通路７は、第１排気ガス通路６１および第２排気ガス通路６２と熱交換する第１通路７１と、第２通路７２と、スタック２間に挟まれた第３通路７３とを有する。第３通路７３の先端側の導出口７４は、発電室３０に対面し、ひいては発電室３０に収容されているスタック２のセル２０間に形成されているカソードガス通過用の隙間３０ｒに対面する。

さてスタック２の起動時には、入口バルブ９１が開放した状態において燃料原料ポンプ９２が駆動し、ガス状または液状の燃料原料が燃料原料供給通路９０を介して改質部４に供給される。改質部４に供給された燃料原料はアノードガス通路１４、アノードガスマニホルド１３を介してアノード２１に供給される。一方、カソードガスポンプ９７が駆動し、カソードガス供給通路９６、カソードガス通路７を介してカソードガス（空気）がカソード２２に供給される。起動直後においては、燃料電池セル２０の温度は低温であるため、発電反応は起こらず燃料原料、カソードガスはそのままスタック２の上部の燃焼部２７に供給され、燃料原料がカソードガスにより燃焼して燃焼火炎２８を発生させ、改質部４を加熱させる。この場合、図略の空気通路から空気が燃料原料と共に改質部４に供給される。これにより燃料原料は空気に含まれる酸素により部分酸化反応（例えば、２ＣＨ_４＋Ｏ_２→４Ｈ_２＋ＣＯ）されて発熱すると共に、水素含有ガス（可燃性ガス）を生成する。水素含有ガスはスタック２の上部の燃焼部２７において、空気により燃焼して燃焼火炎２８を発生させ、改質部４を加熱させる。このような起動時において、燃焼火炎２８の排気ガスは排気ガス通路６を矢印Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４方向に流れて排気ガス通路６の先端部６５（排気口）からシステム外に排出される。この場合、高温の排気ガスにより浄化部６６および蒸発部５は熱交換されて予熱される。なお、起動開始時には、蒸発部５の貯水部５２には改質水は存在しない方が好ましい。気化熱による吸熱作用が浄化部６６の昇温に影響を与えることを抑制するためである。この場合、浄化部６６の浄化触媒を迅速に活性温度領域に昇温させて起動させるのに有利である。燃料電池装置１の発電運転が停止されるとき、スタック２の発電温度が高いため、余熱がある。一般的には、運転停止中において余熱が長時間にわたり蒸発部５まで伝達されるため、貯水部５２に残留する改質水は蒸発されて空となる。

改質水ポンプ４４が作動し、蒸発部５の貯水部５２に改質水が供給され、気化室５０において水蒸気が生成され、水蒸気は水蒸気通路５７を介して改質部４に供給される。更に、前述したように燃料原料ポンプ９２が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路９０を介して改質部４に供給される。このとき改質部４に供給されていた空気は遮断される。改質部４は、蒸発部５から供給された水蒸気により燃料原料を水蒸気改質させ、水素リッチなアノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。この反応は吸熱反応である。固体酸化物形のスタック２１では、Ｈ_２他にＣＯも燃料となりうる。

（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック２のアノード２１側の多孔質導電部２４の通路２４ｒ（図２参照）に供給されてアノード２１の発電反応に使用される。またカソードガスポンプ９７が駆動しているため、外気がカソードガスとして除塵フィルタ９８およびカソードガス供給通路９６を介して発電室３０に供給される。これによりスタック２は発電する。

発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード２１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード２２では基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード２２において発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード２２からアノード２１に向けて電解質２３を伝導する。

（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
発電反応後のアノードオフガスは可燃成分を有しており、スタック２の上方の燃焼部２７に排出され、燃焼火炎２８を燃焼部２７において形成する。燃焼火炎２８の排気ガスは、発電室３０から第１排気ガス通路６１および第２排気ガス通路６２に流れ、矢印Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４方向に流れ、すなわち、合流通路６３で合流した後、通路部分６４に流れる。このとき浄化部６６において、排気ガスに含まれている環境影響成分が浄化反応（酸化反応，発熱反応）により除去され、排気ガスが浄化される。環境影響成分としては未燃焼成分が挙げられ、例えば一酸化酸素等が例示される。

浄化された排気ガスは、貯湯用熱交換器８３に流れ、循環通路８１の水と熱交換した後、更に排気ガス通路６の先端部６５から外気に放出される。排気ガスが貯湯用熱交換器８３を流れるとき冷却されるため、排気ガスに含まれている水分が凝縮水として凝縮する。凝縮水は、貯湯用熱交換器８３から導出される凝縮水通路８４から水精製器４１に供給され、水精製器４１で精製される。精製された水は、改質水タンク４２に改質水として貯留される。

上記したようにスタック２の上部からアノードオフガスが燃焼部２７に吐出されて燃焼火炎２８を形成し、改質部４を加熱させる。従って、アノードガス（燃料原料）の流量としては、スタック２のアノード２１における発電反応で使用される流量と、燃焼部２７においてアノードオフガスが燃焼火炎２８を形成する流量とを加算した流量が設定されている。発電室３０に供給されるカソードガスの流量としては、スタック２のカソードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼部３０において燃焼用空気として燃焼火炎２８を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。なお、固体酸化物形のスタック２を搭載するシステムによれば、定格運転におけるスタック２の作動温度は電解質２３の材質等の要因にもよるが、４００〜１１００℃の範囲内、５００〜８００℃の範囲内である。

本実施形態によれば、発電運転時において、排気ガス通路６の通路部分６４を流れる排気ガスの温度（浄化部６６の上流）は高温であり、スタック２の材質，種類、発電条件などにもよるが、例えば２００〜９００℃の範囲内、２５０〜８００℃の範囲内である。このような高温の排気ガスは蒸発部５を効率よく加熱させる。すると、貯水部５２の改質水５６が加熱され、気化室５０において水蒸気化が促進される。この結果、蒸発部５の気化室５０で生成された水蒸気は放出ポート５５を介して水蒸気通路５７に放出され、改質部４の入口ポート４ｉに供給される。

以上説明したように本実施形態によれば、システムの発電運転時において、蒸発部５は、排気ガス通路６の一部をなす通路部分６４を流れる排気ガスの排熱および浄化部６６の反応熱を直接的または間接的に受熱可能に設けられている。すなわち、蒸発部５は、排気ガス通路６の一部をなす通路部分６４を流れる排気ガスの排熱および浄化部６６の反応熱と直接的または間接的に熱交換可能に設けられている。このように蒸発部５は加熱されて水蒸気を生成させる気化室５０を有する。水蒸気は水蒸気通路５７を介して改質部４に供給され、改質部４における水蒸気改質に使用される。このようにガス状または液状の燃料原料がアノードガスとされる。

蒸発部５において水が気化するときにおいて、水の気化熱の影響が大きいため、発電条件によってはスタック２の温度を低下させるおそれがあり、スタック２の燃料電池セル２０の発電反応に影響を与えるおそれがある。しかしながら本実施形態によれば、スタック２の発電運転で発生された排気ガスの排熱および浄化部６６の反応熱により蒸発部５を加熱させる。このため、蒸発部５における気化熱による吸熱がスタック２に与える影響が抑制される。また、過剰に高温の排気ガスをシステム外にそのまま外気に放出させることは好ましくない。この点本実施形態によれば、排気ガスの熱は蒸発部５における気化熱として奪われるため、排気ガス通路６の先端部６５から排出される排気ガスの温度を低下させることを期待できる。従って排気ガスを冷却させて排気ガスに含まれる水分が凝縮水として回収される回収効率が高まるばかりか、冬季や寒冷地等においても外気に放出される排気ガスが急冷されて白煙化することが抑制される。

本実施形態によれば、図１に示すように、スタック２と蒸発部５との間には第２断熱層３８が介在している。このため、スタック２と蒸発部５とが距離的に離れるばかりか、蒸発部５における気化熱に伴う吸熱がスタック２の発電温度に影響を与えることが抑制される。よって発電運転において、吸熱を伴う蒸発部５の影響を回避しつつ、スタック２の温度を安定的に且つ高めに維持させるのに貢献できる。更に図１に示すように、スタック２の上部に改質部４が配置され、スタック２の下部に蒸発部５が配置されている。このため改質部４と蒸発部５とが過剰に接近していない。故に、蒸発部５の液状の改質水が改質部４に送られることが抑制され、改質部４の改質触媒や担体が液状の改質水で劣化することが抑制される。

浄化部６６の浄化触媒はその活性温度領域よりもかなり高温に維持されると、劣化するおそれがある。この点について本実施形態によれば、浄化部６６は蒸発部５の気化熱で冷却される。このため、浄化部６６に収容されている担体および浄化触媒の過熱が抑えられ、担体および浄化触媒の長寿命化が図られる。なお改質水は液体であり、高い比熱をもつため、高い冷却能を有する。

また本実施形態によれば、貯水部５２に溜められる改質水５６の水面５６ｗの高さよりも、浄化部６６は上方に配置されている。従って、高さ方向（矢印Ｈ方向）において、浄化部６６および貯水部５２は互いにずれており、浄化部６６は貯水部５２に重複しない。このため浄化部６６の浄化触媒が貯水部５２の液状の改質水の気化熱で直接急冷されることが抑制される。故に、浄化部６６の全体のマイルドな冷却を蒸発部５により図りつつ、浄化部６６を過剰に急冷させることが抑制されている。このため浄化部６６の浄化触媒をこれの活性温度領域に維持させるのに有利となる。

但し、担体や浄化触媒の種類などよっては、貯水部５２に溜められる改質水の高さと、浄化部６６とを対応させても良い。すなわち、高さ方向において、浄化部６６および貯水部５２は互いに同程度の位置とし、浄化部６６が貯水部５２に重複する構造としても良い。この場合には、浄化部６６の浄化触媒が貯水部５２の液状の改質水の気化熱で直接冷却されるため、浄化部６６の過熱抑制に貢献できる。なお、必要に応じて、浄化部６６および蒸発部５を一体的に組み付けてユニット化した組付品とし、組付品を排気ガス通路６に対して着脱可能にしても良い。

（実施形態２）
図３は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。浄化部６６の径方向（矢印ＤＡ方向）において外周側は蒸発部５の気化室５０で冷却される。このため排気ガスの流れ方向における浄化部６６の寸法をＬとし、浄化部６６の径寸法をＤとするとき、Ｌ／Ｄが小さいと、浄化部６６の径方向（矢印ＤＡ方向）において、浄化部６６の外周部と中央域との温度のばらつきが増加するため、浄化効果の均一化のためには改善の余地がある。

この点本実施形態によれば、図３に示すように、浄化部６６の軸長寸法が増加されている。すなわち、浄化部６６について、排気ガスの流れ方向の寸法Ｌが増加され、径Ｄが小さくされ、結果として、Ｌ／Ｄの値が１以上に増加され、例えば１．５以上、２以上、３以上、４以上に増加されている。このため浄化部６６の径方向において外周部と中央域との温度のばらつきが抑制されている。この場合、径方向（矢印ＤＡ方向）における浄化効果の均一化に貢献できる。

しかし上記したようにＬ／Ｄの値が増加されると、浄化部６６の長さが長くなるため、浄化部６６の上流領域６６ｕ（長さ方向の一端側）の温度に対して下流領域６６ｄ（長さ方向の他端側）の温度が高くなる傾向がある。浄化部６６の浄化反応は酸化反応であり、発熱を伴うためである。この点本実施形態によれば、排気ガスは浄化部６６に対して下向き（矢印Ａ２，Ａ３方向）に流れるのに対して、蒸発部５における改質水および／または水蒸気は上向き（矢印Ｅ方向，排気ガスの流れ方向と逆方向）に流れる。このため排気ガスの流れと、改質水および／または水蒸気の流れとは、互いに反対向きの対向流となる。このため蒸発部５においてできるだけ低温の改質水および／または水蒸気（蒸発部５の上流領域５ｕ）が、浄化部６６のうち相対的に高温となり易い下流領域６６ｄに対面している。このため、浄化部６６のうち相対的に高温となり易い下流領域６６ｄの過熱を抑制させるのに有利となる。この意味において、下流領域６６ｄの浄化触媒の長寿命化に貢献でき、浄化部６６のうち排気ガスの流れ方向における温度のばらつきも低減される。なお、必要に応じて、浄化部６６および蒸発部５を一体的に組み付けてユニット化した組付品とし、組付品を排気ガス通路６に対して着脱可能にしても良い。

（実施形態３）
図４は実施形態３を示す。本実施形態は上記した実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。蒸発部５の貯水部５２は、第１貯水部５２ｆ、第１貯水部５２ｆに連通する第２貯水部５２ｓとを備えている。第１貯水部５２ｆの改質水は、排気ガス通路６の排気ガスにより加熱される。第２貯水部５２ｓと排気ガス通路６との間には空気断熱層で形成された断熱層５２ｍが形成されている。このため、排気ガス通路６を流れる排気ガスの熱は第１貯水部５２ｆの改質水に伝達されるものの、第２貯水部５２ｓに直接的には伝達されない。故に、第２貯水部５２ｆの改質水は予備的な水となる。故に、スタック２の発電条件が急激に変化したとしても、蒸発部５における水枯れは第２貯水部５２ｓの改質水５６により抑えられる。なお、断熱層５２ｍは空気断熱層に限定されず、断熱材料で形成しても良い。なお、必要に応じて、浄化部６６および蒸発部５を一体的に組み付けてユニット化した組付品とし、組付品を排気ガス通路６に対して着脱可能にしても良い。

（実施形態４）
図５は実施形態４を示す。本実施形態は上記した実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。図５に示すように、高さ方向（矢印Ｈ方向）において、蒸発部５の貯水部５２は、包囲壁部５１を介して浄化部６６に対向する位置に設けられている。すなわち、貯水部５２および浄化部６６は、包囲壁部５１を介して互いに対向する位置に配置されている。このため浄化部６６における浄化反応の発熱を速やかに貯水部５２の液状の改質水５６に伝達できる。このため改質水５６の水蒸気化が促進されるばかりか、浄化部６６の過熱を抑制させるにも貢献できる。よって浄化部６６の担体および浄化触媒の熱劣化が効果的に抑制される。起動時において浄化部６６が冷えすぎるときには、ヒータを設け、ヒータの発熱を浄化部６６に伝熱させることにしても良い。起動時には貯水部５２には改質水５６が存在しない方が好ましい。なお浄化部６６および蒸発部５を一体的に組み付けてユニット化した組付品とし、組付品を排気ガス通路６に対して着脱可能にしても良い。

（実施形態５）
図６は実施形態５を示す。本実施形態は上記した実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。図６は、排気ガス通路６の通路部分６４の一部を形成する通路形成部材６００を示す。通路形成部材６００はユニット化された組付品とされており、排気ガス通路６の通路部分６４に対して着脱可能とされている。通路形成部材６００は、排気ガスを通過させる通路６０３とをもつ金属を基材とする筒状の包囲壁部６０４と、通路６０３に同軸的に配置され浄化触媒を有するガス透過性を有する浄化部６６と、筒状の包囲壁部６０４の外周部に同軸的に形成され筒形状の気化室５０を形成する筒状の蒸発部５とを備えている。筒状の包囲壁部６０４は、上側の第１フランジ６０１（第１取付部）および下側の第２フランジ６０２（第１取付部）を有する。

図６に示すように、気化室５０の貯水部５２が浄化部６６に対向するように、貯水部５２の高さ位置は浄化部６６の高さ位置に重複されている。これにより発電運転時において、貯水部５２の改質水５６により浄化部６６が効果的に冷却され、浄化部６６の過熱が抑制される。浄化反応が発熱を伴うことを考慮すると、浄化部６６における上流領域６６ｕよりも下流領域６６ｄは高温となる。本実施形態によれば、改質水５６を溜める貯水部５２は下流領域６６ｄに対向しており、下流領域６６ｄとほぼ同じ高さ位置とされている。このため、高温となりがちの下流領域６６ｄの過熱が抑制される。

筒状の包囲壁部６０４の外側の外壁５９は、気化室５０に連通すると共に改質水が気化室５０に供給される給水ポート５３と、気化室５０に連通すると共に気化室５０で発生された蒸気を吐出させる放出ポート５５を有する。なお放出ポート５５は給水ポート５３の上方に位置するが、これに限定されるものではない。第１フランジ６０１は複数の第１取付孔６３１をもつ。第２フランジ６０２は複数の第２取付孔６３２をもつ。浄化部６６をメンテナンスするために取り外すときには、第１取付孔６３１に挿入されている第１取付具６４１（単数のみ図示）を外すと共に、第２取付孔６３２に挿入されている第２取付具６４２（単数のみ図示）を外す。これにより浄化部６６をもつ通路形成部材６００を、排気ガス通路６の配管の相手フランジ６９０および相手フランジ６９５から外す。相手フランジ６９０はリング状のシール部６９１を有する。相手フランジ６９５はリング状のシール部６９６を有する。浄化部６６が新品と交換またはメンテナンスされた後には、浄化部６６は通路６０３に挿入される。浄化部６６は、筒状の包囲壁部６０４の底部付近に突設されているストッパ６６ｘに係合されて位置決めされる。

この状態で、取付孔６９３および第１取付孔６３１に第１取付具６４１（単数のみ図示）を挿入させると共に、取付孔６９８および第２取付孔６３２に第２取付具６４２（単数のみ図示）を挿入させる。これにより浄化部６６をもつ通路形成部材６００の第１フランジ６０１を排気ガス通路６の配管の相手フランジ６９０に着脱可能に取り付けると共に、第２フランジ６０２を排気ガス通路６の配管の相手フランジ６９５に着脱可能に取り付ける。通路部分６４には、伸縮可能な蛇腹部６４ｋが形成されているため、通路形成部材６００の着脱性が確保される。このように本実施形態によれば、浄化部６６および蒸発部５を一体的に組み付けてユニット化した組付品とし、組付品を排気ガス通路６に対して着脱可能に取り付けることにしている。この場合、メンテナンスに有利である。

図６に示すように、気化室５０の上部は第１フランジ６０１に対向しており、下部は第２フランジ６０２に対向している。従って、気化室５０は金属製のフランジ６０１，６０２を冷却できる。このため、フランジ６０１，６０２に保持されているシール材料で形成されているシール部６９１，６９６の過熱が抑制され、シール部６９１，６９６の耐久性が向上される。なお、径方向（矢印ＤＡ方向）において、気化室５０はシール部６９１，６９６とほぼ同じ位置しているため、シール部６９１，６９６は効率よく冷却される。シール部６９１，６９６は第１フランジ６０１，６０２に保持されていても良い。本実施形態によれば、貯水部５２の高さ位置は浄化部６６の下流領域６６ｄの位置に重複して、貯水部５２は浄化部６６に対向しているが、これに限らず、非対向でも良い。

（実施形態６）
図７は実施形態６を示す。本実施形態は上記した実施形態５と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。気化室５０と浄化部６６との間には、壁６６ｔｍで仕切られた断熱層６６ｔが形成されている。壁６６ｔｍおよび断熱層６６ｔは浄化部６６の外周を覆うように同軸的に筒状に設けられており、空気断熱層とされているが、石綿、ガラス繊維、セラミックス等の断熱材料で形成されていても良い。例えば、浄化部６６に保持されている浄化触媒の活性温度領域が比較的高めであるとき等には、スタックの発電運転において、気化室５０の改質水および／または水蒸気で浄化部６６を冷却させつつも、急冷させるよりも、マイルドに冷却させた方が好ましいことがある。断熱層６６ｔは浄化部６６をマイルドに冷却させるのに有利となる。

（実施形態７）
図８は実施形態７を示す。本実施形態は上記した実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。水蒸気通路５７の少なくとも一部５７ｅは、燃料電池装置１の内部に形成されている排気ガス通路６に伝熱可能に隣設されている。水蒸気通路５７はカソードガス通路７から離間させることが好ましい。このため水蒸気通路５７を流れて改質部４の入口ポート４ｉに向かう水蒸気を、排気ガス通路６の排気ガスにより加熱でき、改質部４の改質効率を向上させるのに有利となる。更に、水蒸気通路５７を流れて改質部４の入口ポート４ｉに向かう水蒸気が冷却されて凝縮することが抑制され、液状の凝縮水が改質部４に供給されることが抑制される。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。燃料電池装置１の構造は図面に示した構造に限定されるものではない。スタック２は、カソードガス通路７の第３通路７３を挟むように２列に設けられているが、これに限らず、１列でも、３列でも、４列でも良い。スタックは平板のアノード、カソードを組み付けて形成された積層構造であるが、これに限らず、アノード、電解質およびカソードをロール状に巻回したチューブ型でも良い。上記したポンプはコンプレッサ、ファンとしても良い。燃料原料はガス状でも液状でも良い。本明細書の記載から次の技術的思想も把握できる。

［付記項１］改質水を気化させて水蒸気を生成させる蒸発部と、前記蒸発部で生成された水蒸気で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、前記改質部で生成された前記アノードガスとカソードガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池と、前記燃料電池の発電運転に伴って発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路と、とを具備しており、前記蒸発部は、前記排気ガス通路を流れる排気ガスの排熱を受熱可能に設けられた水蒸気生成用気化室を有する燃料電池システム。排気ガスの排熱で蒸発部を働かせることができる。

［付記項２］付記項１において、前記排気ガス通路を流れる前記排気ガスに含まれる環境影響成分を低減させて前記排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する浄化部が前記排気ガス通路に設けられている燃料電池システム。浄化部の浄化反応の発熱を蒸発部に伝達させることができる。

本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の燃料電池システムに利用することができる。

１は燃料電池装置、２はスタック、２０は燃料電池セル、２１はアノード、２２はカソード、３は殻体、３０は発電室、４は改質部、２７は燃焼部、２８は燃焼火炎、４０は改質水系、４１は水精製器、４１３改質水供給通路、４４は改質水ポンプ、４２は改質水タンク、５は蒸発部、５０は気化室、５１は包囲壁部、５２は貯水部、５７は水蒸気通路、９５はカソードガス供給系、９６はカソードガス供給通路、９７はカソードガスポンプ、８は貯湯系、８０は貯湯タンク、８２は貯湯ポンプ（水搬送源）、８３は貯湯用熱交換器、６は排気ガス通路、６３は合流通路、６４は通路部分、６６は浄化部、６７は流路絞り部、７はカソードガス通路、８１は第１断熱層、８２は第２断熱層を示す。

Claims (7)

1. 改質水を気化させて水蒸気を生成させる蒸発部と、前記蒸発部で生成された水蒸気で燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質部と、前記アノードガスとカソードガスとで発電する固体酸化物形の燃料電池と、前記燃料電池の発電運転に伴って発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路と、前記排気ガス通路に設けられ前記排気ガス通路を流れる前記排気ガスに含まれる環境影響成分を低減させて前記排気ガスを浄化させる浄化触媒を有する浄化部とを具備しており、
   前記蒸発部は、前記排気ガス通路を流れる排気ガスの排熱および前記浄化触媒の反応熱を受熱可能に設けられた水蒸気生成用気化室を有し、
   前記気化室は、前記浄化部を備える前記排気ガス通路の外周側に同軸的に配置され、
   前記蒸発部は、前記気化室に連通すると共に液状の改質水を留める貯水部をもち、
   前記浄化部の少なくとも一部は、前記貯水部における前記改質水の水面高さよりも上方に配置されている燃料電池システム。
2. 前記排気ガス通路は、第１排気ガス通路と第２排気ガス通路と、前記第１排気ガス通路および前記第２排気ガス通路を合流させた通路部分と、を有し、
   前記改質部と前記燃料電池と前記第１排気ガス通路と前記第２排気ガス通路とを収容する殻体を備え、
   前記蒸発部は殻体に収容されず、前記通路部分の途中部に隣設されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池と前記蒸発部との間には断熱層が設けられており、前記断熱層は、前記燃料電池と前記蒸発部との間における断熱性を高めることにより、前記蒸発部の気化熱が前記燃料電池に与える影響を抑制させる断熱材料を基材とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記排気ガス通路は、前記浄化部の下流に位置し且つ流路断面積を前記浄化部の上流の流路断面積よりも小さくした流路絞り部をもち、前記貯水部の貯水断面積は前記流路絞り部により増加されている請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 貯湯系が設けられており、前記貯湯系は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を循環させる循環通路と、前記循環通路の水を循環させる水搬送源と、前記循環通路の水と前記排気ガス通路の前記排気ガスとを熱交換させて前記循環通路の前記水を加熱させる貯湯用熱交換器とを有しており、
   前記蒸発部は前記貯湯用熱交換器と前記燃料電池との間に配置されている請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記排気ガス通路は、着脱可能な通路形成部材を有しており、前記通路形成部材は、排気ガスを通過させる通路をもつ筒体と、前記通路に配置され前記浄化触媒を有するガス透過性をもつ前記浄化部と、前記筒体に隣設され前記気化室を形成する前記蒸発部とを備えている請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記気化室と前記浄化部との間には断熱層が配置されている請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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