JP5760874B2 - 燃料電池用蒸発器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を水蒸気で改質させてアノードガスを生成させるために、液相状の改質水を蒸発させて水蒸気を生成させる燃料電池用蒸発器に関する。

特許文献１では、蒸発室にセラミックス製の蒸発促進材を充填して、伝熱面積を増加させた燃料電池用蒸発器が開示されている。特許文献２では、燃料を改質させる改質器が横軸形の円筒型とされた燃料電池装置が開示されている。但し、改質器が横軸形の円筒型とされているものの、蒸発部の構造は不明である。特許文献３では、改質器の底壁が下方に凸形状とされた横流し型の燃料電池装置が開示されている。但し、改質器の底壁が下方に凸形状とされているものの、蒸発部構造は不明である。

特開2007-289852号公報 特開2005-158716号公報 特開2005-332762号公報

燃料電池のアノードに供給されるアノードガスは水素を主要成分して含むものであり、燃料を水蒸気で改質させることにより形成される。このため、アノードガスにおける水素濃度を安定化させるためには、液相状の水を安定的に水蒸気とさせることが好ましい。

特許文献１に係る技術は、水が上下方向に流れることを想定しているため、水蒸発を安定して発生させることに関しては、問題視しない。特許文献２に係る技術によれば、改質器が横流し構造とされているにも関わらず、蒸発部の構造、特に底壁と側壁とのコーナ角壁については、言及されていない。蒸発促進材として機能するセラミックス等の充填材を蒸発室の内部に配置させるかの有無についても、言及されておらず、充填材の存在、充填剤の形状、サイズは不明である。特許文献３によれば、蒸発部の構造、蒸発促進用として蒸発部の蒸発室に収容されるセラミックス等の充填材の有無は不明である。特許文献２、３に係る技術によれば、仮に、蒸発促進材して機能するセラミックス等の充填材が使用されていたとしても、充填材の形状、大きさについては言及がないため、箱体の底壁と側壁とのコーナ角壁の内壁面において、液相状の改質水が局部的に溜まるおそれが高い。この場合、コーナ角壁の内壁面に存在する液相状の水の蒸発の安定性は必ずしも充分ではない。故に、蒸発器の下流に配置されている改質部における水蒸気を利用した改質反応への影響が避けられない。この場合、改質部で改質反応により生成されるアノードガスの水素濃度がばらつくおそれがある。ひいては燃料電池における発電反応への影響が避けられないおそれがある。

一般的には、蒸発器を形成する箱体によれば、横方向に沿って延設された底壁と、底壁に対して立設された側壁とを備えている。底壁と側壁との境界域では、底壁および側壁を交差させつつ連設させるコーナ角壁とされている。このコーナ角壁の内壁面側に充填材が装填されにくく、コーナ角壁の内壁面側に空間隙間が発生し易い。このため、蒸発室に供給された改質用の液相状の水がコーナ角壁の内壁面側に局部的に溜まったり、流れたりするおそれが高い。コーナ角壁の内壁面側に局部的に存在する液相状の水は、セラミックス等の充填材（蒸発促進材）の表面に膜状に付着した水膜に比較して、蒸発が遅れがちである。場合によっては、液相状の水のまま存在するおそれがある。この場合、蒸発器を形成する箱体の底壁側のコーナ角壁の内壁面側に溜まっている水が不規則に蒸発し、蒸発室における圧力変動を誘発させるおそれがある。この場合、改質器における改質反応に影響を与えるおそれがある。更に、燃料ガスを水蒸気で改質させることにより生成されるアノードガスの組成がばらつくおそれがある。即ち、アノードガスに含まれる水素の濃度がばらつくおそれがある。この場合、燃料電池の発電性能にも影響を与えるおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、蒸発室において安定した蒸発を実現することで改質反応および燃料電池に置ける発電を安定させるのに有利な燃料電池用蒸発器を提供することを課題とする。

（１）本発明の様相１に係る燃料電池用蒸発器は、蒸発室を形成する壁と蒸発室に改質水を供給させる給水口と蒸発室で生成させた水蒸気を改質部に向けて吐出させる水蒸気出口とを有する箱体と、蒸発室に収容され球状をなす複数の蒸発促進材含む充填材とを具備しており、箱体を高さ方向に沿って切断した断面において、箱体は、横方向に沿って延設された底壁と、底壁に対して立設された側壁と、底壁および側壁を交差させつつ連設させるコーナ角壁とを有しており、底壁の内壁面は、コーナ角壁から横方向にそって離間するにつれて下方に傾斜し、互いに対向する２つの側壁の内壁面は、コーナ角壁から高さ方向にそって上方に向かうにつれて間隔が大きく増加するように拡開傾斜し、コーナ角壁のうち蒸発室に対面する内壁面の曲率半径をＲ１とし、蒸発促進材の曲率半径をＲ２とするとき、Ｒ１はＲ２よりも大きく（Ｒ１＞Ｒ２）されている。曲率半径Ｒ１としては、コーナ角壁のうち蒸発室に対面する内壁面の曲率が変化する変極部分の曲率半径として定義される。

本様相によれば、蒸発室に供給される改質水は、塊状の水ではなく、球状をなす複数の蒸発促進材の表面に水を薄い膜状に付着させるため、水の表面積が増大し、水の蒸発を促進できる。
また、本様相によれば、底壁の内壁面は、コーナ角壁から横方向にそって離間するにつれて下方に傾斜している。このため万一、コーナ角壁の内壁面に液相状の水が過剰に存在するときであっても、その水を底壁の内壁面の傾斜に沿って緩やかに水膜状に流下させることができ、水蒸気化を促進できる。
そして、本様相によれば、互いに対向する２つの側壁の内壁面は、コーナ角壁から高さ方向にそって上方に向かうにつれて間隔が大きく増加するように拡開傾斜している。このためコーナ角壁から高さ方向にそって上方に流れる高温の排ガスは、側壁の外壁面に接触し易くなり、側壁を効率よく加熱でき、蒸発室における蒸発を良好に行い得る。

更に本様相によれば、箱体の底壁側のコーナ角壁のうち蒸発室に対面する内壁面の曲率半径をＲ１とし、球状をなす蒸発促進材の曲率半径（球径の半分）をＲ２とするとき、Ｒ１はＲ２よりも大きく（Ｒ１＞Ｒ２）されている。このため、箱体の底壁側のコーナ角壁の内壁面側に球状の蒸発促進材が存在する確率が増加する。従って、箱体の底壁側のコーナ角壁の内壁面側に形成される空間隙間の大きさが抑えられる。故に、液相状の水がコーナ角壁の内壁面に局部的に多量に存在することが抑制される。この結果、コーナ角壁の内壁面に局部的に存在する水が液相状のまま残留したり、あるいは、加熱に伴い急激に蒸発したりすることが抑制される。したがって、蒸発室における改質水の蒸発ムラが低減される。このため、蒸発器の下流に設けられている改質部において、水蒸気を利用した改質反応が実行されるとき、改質反応のばらつきが抑制される。よって、改質部において水蒸気改質で生成されるアノードガスの水素濃度のばらつきが低減され、アノードガスの組成が安定する。ひいては燃料電池における発電反応が安定する。
（２）本発明の様相２に係る燃料電池用蒸発器によれば、上記した様相において、底壁の内壁面の傾斜は、水平に対して角度θ１（θ１は０．０５〜１０°の範囲内の任意値）であり、側壁の内壁面の拡開傾斜は、鉛直に対して角度θ２（θ２は０．５〜１５°の範囲内の任意値）である。角度θ１は微小角度であり、０．０５〜１０°の範囲、または０．１〜５°の範囲内の任意値にできる。このように角度θ１を小さく抑えれば、コーナ角壁側の水は傾斜に沿って水膜状に流下されつつも、底壁は実質的に水平なので底壁の均一加熱性が保たれ、底壁の加熱効果におけるばらつきが抑制される。

（３）本発明の様相３に係る燃料電池用蒸発器によれば、上記した様相において、蒸発促進材は、セラミックスを母材として形成されている。蒸発促進材における錆や酸化等の発生が防止される。セラミックスとしては、酸化物系、窒化物系、炭化物系等のいずれでも良い。セラミックスは蓄熱材としても機能でき、蒸発室における温度の過剰変動を抑制でき、蒸発作用を安定化できる。セラミックスとしては、アルミナ、シリカ、炭化珪素、ジルコニア、マグネシア、ムライト、炭化珪素、チタニア、スピネル等のうちの少なくとも１種が例示される。セラミックスとしては非多孔質体でも良いし、多孔質体でも良い。セラミックスとしては中実体でも良いし、軽量化を考慮してセラミックスバルーン等の中空状でも良い。

（４）本発明の様相４に係る燃料電池用蒸発器によれば、上記した様相において、充填材は、サイズが異なる複数種類の蒸発促進材を備えている。小さなサイズの蒸発促進材はコーナ角壁の内壁面側に存在することが好ましい。この場合、コーナ角壁の内壁面側の微小隙間の大きさを小さくさせ易い。

本発明によれば、底壁の内壁面は、コーナ角壁から横方向にそって離間するにつれて下方に傾斜している。このため万一、コーナ角壁の内壁面に液相状の水が過剰に存在するときであっても、その水を底壁の内壁面の傾斜に沿って緩やかに水膜状に流下させることができ、水蒸気化を促進できる。
そして、本発明によれば、互いに対向する２つの側壁の内壁面は、コーナ角壁から高さ方向にそって上方に向かうにつれて間隔が大きく増加するように拡開傾斜している。このためコーナ角壁から高さ方向にそって上方に流れる高温の排ガスは、側壁の外壁面に接触し易くなり、側壁を効率よく加熱でき、蒸発室における蒸発を良好に行い得る。
さらに、本発明によれば、箱体の底壁側のコーナ角壁のうち蒸発室に対面する内壁面の曲率半径をＲ１とし、球状の蒸発促進材の曲率半径をＲ２とするとき、Ｒ１はＲ２よりも大きく（Ｒ１＞Ｒ２）されている。このため、箱体の底壁側のコーナ角壁の内壁面側に球状の蒸発促進材が存在することができる。従って、箱体の底壁側のコーナ角壁の内壁面側に形成される空間隙間の大きさが抑えられる。故に、液相状の水が底壁のコーナ角壁の内壁面に局部的に多量に存在することが抑制される。この結果、底壁のコーナ角壁の内壁面に局部的に存在する水が液相状のまま残留したり、あるいは、加熱に伴い急激に蒸発したりすることが抑制される。したがって、蒸発室における改質水の蒸発ムラが低減される。このため、蒸発器の下流に設けられている改質部において、水蒸気を利用した改質反応が実行されるとき、改質反応のばらつきが抑制される。よって、改質部において水蒸気改質で生成されるアノードガスの水素濃度のばらつきが低減され、アノードガスの組成が安定する。ひいては燃料電池における発電反応が安定する。

参考例１に係り、改質器を一体化させた構造をもつ蒸発器付近の要部の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って且つ高さ方向に沿って蒸発器を切断した断面図である。 コーナ角壁付近の拡大断面図である。 参考例２に係り、コーナ角壁付近の拡大断面図である。 参考例３に係り、コーナ角壁付近の拡大断面図である。 実施形態１に係り、コーナ角壁付近の拡大断面図である。 適用形態に係り、蒸発器を搭載する燃料電池システムを模式的に示すシステム図である。

（参考例１）
以下、本発明の参考例１について図１〜図３を参照して説明する。図１に示すように、燃料電池用蒸発器２００は、水蒸気や燃料ガスを縦方向ではなく、横方向に沿って流す横流し方式であり、長い箱体３００を備える。箱体３００の高さ方向を矢印Ｈ方向として示す。箱体３００の長手方向を矢印Ｌ方向として示す。箱体３００は、蒸発室３０１を形成する壁３０２と、蒸発室３０１に液相状の改質水を供給させる給水口３０３と、蒸発室３０１で生成させた水蒸気を吐出させる水蒸気出口３０４とを有する。給水口３０３には、給水流路４２０を形成する給水配管４２１が形成されている。蒸発室３０１には、球状をなすセラミックスからなる複数の蒸発促進材５００で形成された充填材５０３が収容されている。蒸発促進材５００は、表面に水を付着して水膜を形成することができ、水蒸気化を促進できる。このように蒸発促進材５００は、改質水の表面積を増加させて水蒸気化を促進させる機能を有する。蒸発促進材５００は、セラミックスを母材として形成されているため、蓄熱作用をもち、蒸発室３０１の温度を安定させ、水蒸気化作用を安定させる機能も果たす。なお、蒸発促進材５００の装填量としては、蒸発促進材５００が改質水の給水口３０３や燃料ガスのガス入口３２１を閉鎖しない方が好ましい。

蒸発器２００は改質器も兼用するものであり、改質器を一体的に備えている。従って、箱体３００は、蒸発室３０１に仕切壁３０５を介して隣接するように改質室３１１をもつ改質部３１０を有する。仕切壁３０５は、水蒸気を改質室３１１に流入させるための水蒸気出口３０４を形成する。蒸発室３０１で生成された水蒸気は、仕切壁３０５および水蒸気出口３０４を介して矢印Ｍ１方向に流れ、改質室３１１に流入できる。改質室３１１には、燃料ガスの改質反応を促進させるための改質用触媒を担持させた球状をなす複数のセラミックス担体３１３が収容されている。燃料ガス流路３２０は箱体３００に接続されている。燃料ガス流路３２０からガス入口３２１を介して供給された炭化水素系の燃料ガスは、蒸発室３０１を通過した後に、水蒸気出口３０４を介して改質室３１１に流入し、改質室３１１において水蒸気改質される。これにより水素を主成分として含むアノードガスが形成される。燃料としてはメタン系、プロパン系、ブタン系等の炭化水素系が例示される。燃料ガスが例えばメタン系（ＣＨ_４）である場合には、次式により水蒸気改質され、水素を主成分とするアノードガスが生成される。ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２（吸熱反応）

スタック４００が固体酸化物形であれば、Ｈ_２およびＣＯが発電反応に寄与できる。図２は、蒸発器２００を構成する箱体３００をこれの高さ方向（矢印Ｈ方向）に沿って切断した断面を示す。図２に示すように、蒸発器２００を構成する箱体３００は、横方向（水平方向）に沿って延設された金属製の底壁３３１と、底壁３３１に対して立設された金属製の側壁３３２と、底壁３３１および側壁３３２を交差させつつ連設させる金属製のコーナ角壁３３３と、横方向（水平方向）に沿った金属製の上壁３３４とを有する。上壁３３４は平坦状をなしており、底壁３３１に沿っていることが好ましい。上壁３３４は、溶接等で側壁３３２に固定された上蓋としても良い。

図３に示すように、コーナ角壁３３３のうち蒸発室３０１に対面する内壁面３３３ｉの曲率中心をＣ１とし、内壁面３３３ｉの曲率半径をＲ１とし、球状の蒸発促進材５００の曲率半径をＲ２とするとき、Ｒ１はＲ２よりも大きく（Ｒ１＞Ｒ２）されている。Ｒ１／Ｒ２としては、例えば１．２〜１０の範囲、１．５〜７の範囲の任意値とすることが好ましい。蒸発促進材５００の曲率半径をＲ２としては、０．２〜２０ミリメートルの範囲、０．３〜１０ミリメートルの範囲の任意値にできるが、これらに限定されるものではなく、蒸発器２００の種類によって適宜選択できる。蒸発促進材５００は複数存在するものの、同サイズであることが好ましい。水蒸気の発生ムラに貢献できるためである。

ここで、球状の蒸発促進材５００の曲率半径Ｒ２が過少であると、蒸発促進材５００のサイズが過少となり、隣接する蒸発促進材５００間の隙間流路が狭くなり、液相状の改質水および気相状の水蒸気が透過しにくくなる。球状の蒸発促進材５００の曲率半径Ｒ２が過大であると、蒸発促進材５００のサイズが過大となり、Ｒ２がＲ１に接近したり、Ｒ１よりも大きくなるおそれがある。コーナ角壁３３３の外壁面３３３ｐの曲率半径をＲ４とすると、外壁面３３３ｐは内壁面３３３ｉよりも外側に位置するため、一般的には、Ｒ４はＲ１よりも大きいか同じ程度である。なお、コーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉの曲率半径Ｒ１が過大になると、コーナ角壁３３３の外壁面３３３ｐの曲率半径Ｒ４も大きくなり、燃焼部６００の燃焼火炎６０５の受熱面積が小さくなる。

本参考例によれば、改質室３１１については、液相状の改質水が直接供給されることは基本的には抑えられているため、コーナ角壁３３３が存在していても、改質室３１１においてＲ１＞Ｒ２の関係にする必要性は実質的にはない。但し、蒸発器２００は改質器兼用として形成されているため、製造過程の事情により、改質室３１１側のコーナ角壁３３３についても、Ｒ１＞Ｒ２の関係を維持させる曲率半径とさせても良い。

箱体３００は金属板のプレス成形等の機械加工を利用して成形できる。従って、底壁３３１、側壁３３２、コーナ角壁３３３についても、金属板のプレス成形等の機械加工により成形できる。金属としては炭素鋼、合金鋼（ステンレス鋼を含む）、チタン合金、銅合金等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

側壁３３２は、互いに対向しており、鉛直線に沿っており、上下方向に沿って延びることが好ましい。もし、互いに対向する２つの側壁３３２が、上方（矢印Ｕ方向）に向かうにつれて間隔ＷＡ（図２参照）が大きく増加するように拡開傾斜されているときには、底壁３３１の受熱面積が小さくなり、更に、コーナ角壁３３３の外壁面３３３ｐの外方側のデッドスペース３８０（図３参照）が増加し、蒸発促進材５００を蒸発室３０１に装填させる装填効率が低下するおそれがある。更に、側壁３３２の外側に形成されるガス流路６１０の流路幅が狭くなり、排ガスの排出性に影響を与えるおそれがある。このため側壁３３２は、鉛直方向に沿って高さ方向（矢印Ｈ方向）に延設されていることが好ましい。省スペース化のため、蒸発器２００の幅サイズが制約されている条件において、Ｒ１が過剰に大きくなると、コーナ角壁３３３の外壁面３３３ｐの外方側のデッドスペース３８０が増加し、底壁３３１の受熱面積が低下し、好ましくない。故に、底壁３３１の受熱面積を確保させるためには、コーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉの曲率半径Ｒ１は、Ｒ１＞Ｒ２の関係を維持させつつ、小さい方が好ましい。なお、内壁面３３３ｉの曲率半径Ｒ１を過剰に小さくすると、曲率半径Ｒ１は、蒸発促進材５００の曲率半径Ｒ２よりも小さくなり、Ｒ１＞Ｒ２の関係が得られなくなるため、注意することが好ましい。

図２に示すように、箱体３００の底壁３３１の下方には、複数の燃料電池で形成されたスタック４００が配置されている。スタック４００と箱体３００との間には、燃焼部６００が形成されている。燃焼部６００において生成される燃焼火炎６０５による底壁３３１の均一加熱性を考慮すると、スタック４００の上面４０２と箱体３００の底壁３３１との距離ＭＡは、上面４０２の幅方向（図２に示す矢印ＭＢ方向）に沿ってほぼ均等であることが好ましい。なお、燃料電池は固体酸化物形（ＳＯＦＣ）とすることができる。この場合、燃料電池は、Ｎｉおよび／またはＮｉＯおよび希土類元素を含むジルコニア系のアノード、希土類元素を含むジルコニア系の電解質膜、ペロブスカイト型のカソードを有する。

スタック４００の上面４０２からアノードオフガスが矢印Ｗ１方向に燃焼部６００に向けて吐出されて、燃焼部６００において燃焼し、燃焼火炎６０５を形成する（水素の燃焼火炎は可視光ではなく、ユーザの肉眼では視認できない）。アノードオフガスはスタック４００から排出されたものであり、発電反応において消費されなかった水素を含むため、可燃性をもつ。燃焼部６００には図示しないものの着火部が設けられている。燃焼部６００における燃焼より、箱体３００の底壁３３１が加熱される。燃焼された高温の排ガス、燃焼部６００において燃焼しなかった可燃性をもつアノードオフガスは、箱体３００を構成する互いに対向する側壁３３２の外壁面３３２ｐに沿って矢印Ｗ２方向に沿って流れ、側壁３３２を加熱させる。これにより蒸発室３０１の全体における蒸発が促進される。高温の排ガスおよび／または可燃性をもつアノードオフガスは箱体３００の上壁３３４にも接触するため、上壁３３４から蒸発室３０１も加熱される。

本参考例によれば、蒸発室３０１に供給される改質水は、セラミックスを母材として形成されている蒸発促進材５００の表面に薄い水膜として付着できるため、塊状の改質水となりにくく、改質水の蒸発が促進される。本参考例によれば、前述したように、箱体３００の底壁３３１側のコーナ角壁３３３のうち蒸発室３０１に対面する内壁面３３３ｉの曲率半径をＲ１とし、球状の蒸発促進材５００の曲率半径をＲ２とするとき、Ｒ１はＲ２よりも大きく（Ｒ１＞Ｒ２）されている。このため、図３に示すように、箱体３００の底壁３３１側のコーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉ側においても、球状の蒸発促進材５００が効率よく存在することができる。従って、箱体３００の底壁３３１側のコーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉ側に形成される空間隙間の大きさが抑えられる。故に、液相状の改質水（以下、水ともいう）が底壁３３１のコーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉに局部的に多量に存在することが抑制される。この結果、底壁３３１のコーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉに局部的に存在する水が液相状のまま残留したり、あるいは、加熱に伴い急激に蒸発したりすることが抑制される。したがって、蒸発室３０１における改質水の蒸発ムラが低減され、蒸発室３０１における急激な圧力変動が抑制される。

このため、蒸発器２００の下流に設けられている改質部３１０において、燃料ガスを水蒸気を利用して改質反応によりアノードガスを生成させるとき、改質反応におけるばらつきが抑制される。よって、改質部３１０において水蒸気改質で生成されるアノードガスの水素濃度のばらつきが低減され、アノードガスの組成が安定する。ひいては安定した組成のアノードガスが燃料電池のアノードに供給されるため、燃料電池のスタック４００における発電反応が安定する。

球状の充填材５０３は、セラミックスを母材として形成されている。セラミックスであれば、蒸発器２００の壁３０２が高温に加熱されるときであっても、表面酸化、溶融等の変質劣化が抑制される。セラミックスとしては、アルミナ、シリカ、炭化珪素、ジルコニア、マグネシア、ムライト、炭化珪素、チタニア、スピネル等のうちの公知のセラミックスの少なくとも１種が例示される。非多孔質体でも良いし、多孔質体でも良い。非多孔質体であれば、水がセラミックスに過剰に吸収されることを抑制できる。多孔質体であれば、保水性を高め得る。球状の蒸発促進材５００の曲率半径Ｒ２としては、具体的に、０．３〜１０ミリメール、殊に、０．７〜５ミリメールにできる。但しこれに限定されるものではなく、適宜変更できる。球状は、疑似球状も含む意味である。疑似球状については、直交する複数の断面を複数回測定した直径寸法のばらつきが４０％以内が好ましい。殊に、３０％以内、２０％以内、１０％以内のものをいうことが好ましい。なお、蒸発促進材５００が多少楕円球、長円球であったとしても、その長径をＲ２とするとき、Ｒ１＞Ｒ２の関係が維持されていれば良い。蒸発促進材５００が球状であるため、隣設する蒸発促進材５００同士の隙間幅のばらつき低減に有利となり、蒸発機能のばらつき低減に貢献できる。

なお、重力の関係で、上壁３３４側には改質水は溜まらない。このため、箱体３００の上壁３３４側にコーナ角壁が仮に存在するとしても、上壁３３４側のコーナ角壁については本発明構造を実施せずとも良い。但し、製造過程上の理由等により実施しても良い。

（参考例２）
図４は参考例２を示す。本参考例は参考例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用および効果を示す。充填材５０３は、サイズが異なるセラミックスを母材として形成されている複数種類の蒸発促進材５００を備えている。具体的には、製造過程において、蒸発室３０１に仕切部材７００を配置する。これにより蒸発室３０１は、コーナ角壁３３３側の第１室３０１ｆと、コーナ角壁３３３から離間する第２室３０１ｓとに仕切られる。サイズが相対的に小さなセラミックスを母材として形成されている球状の第１蒸発促進材５００ｆは、第１室３０１ｆに配置される。サイズが相対的に大きなセラミックスを母材として形成されている球状の第２蒸発促進材５００ｓは、第２室３０１ｓに配置される。その後、仕切部材７００が蒸発室３０１から取り外される。

仕切部材７００が取り外されたとしても、第１蒸発促進材５００ｆおよび第２蒸発促進材５００ｓは密に装填されているため、過剰に移動して混合することが抑えられる。このため、サイズが相対的に小さなセラミックスを母材として形成されている球状の第１蒸発促進材５００ｆは、コーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉに集中され易い。その後、蒸発器２００の組付が終了される。

このようにすれば、サイズが相対的に小さなセラミックスを母材として形成されている球状の第１蒸発促進材５００ｆ（曲率半径Ｒ２）を、コーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉに集中させ易い利点が得られる。このような本参考例によれば、箱体３００の底壁３３１側のコーナ角壁３３３のうち蒸発室３０１に対面する内壁面３３３ｉの曲率半径Ｒ１は、蒸発促進材５００の曲率半径Ｒ２よりも大きくさせ易い（Ｒ１＞Ｒ２）。しかも、コーナ角壁３３３のうち内壁面３３３ｉの曲率半径Ｒ１を相対的に小さくでき、コーナ角壁３３３の外側に存在するデッドスペース３８０をなるべく小さくできる。故に、箱体３００の小型化を図りつつ、蒸発促進材５００の装填効率を高めることができる。デッドスペース３８０を小さくすれば、底壁３３１の受熱面積を増加でき、蒸発器２００の加熱効率を高めることができる。

（参考例３）
図５は参考例３を示す。本参考例は参考例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用および効果を示す。本参考例によれば、箱体３００の底壁３３１側のコーナ角壁３３３のうち蒸発室３０１に対面する内壁面３３３ｉの曲率半径Ｒ１は、蒸発促進材５００の曲率半径Ｒ２よりも大きくされている（Ｒ１＞Ｒ２）。更に、底壁３３１の内壁面は、コーナ角壁３３３から横方向にそって離間するにつれて下方（矢印Ｄ１方向）に傾斜するようにされている。従って、底壁３３１の内壁面は、仮想水平線ＷＰに対して角度θ１傾斜する傾斜面３３５と、仮想水平線ＷＰに沿って水平に延設され且つ傾斜面３３５に連設された連設面３３６とを備えている。万一、コーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉに液相状の水が過剰に存在するときであっても、その水を傾斜面３３５に沿って底壁３３１の内壁面において矢印Ｋ１方向に緩やかに水膜状に流下させることができ、水蒸気化を促進できる。角度θ１は微小角度であり、０．０５〜１０°の範囲、または０．１〜５°の範囲内の任意値にできる。このように角度θ１を小さく抑えれば、コーナ角壁３３３側の水は傾斜面３３５に沿って水膜状に流下されつつも、底壁３３１は実質的に仮想水平線ＷＰに沿っており、スタック４００の上面４０２と箱体３００の底壁３３１の外壁面との距離ＭＡの変動が抑えられる。ひいては、底壁３３１の加熱効果におけるばらつきが抑制される。

（実施形態１）
図６は実施形態１を示す。本実施形態は参考例１〜３と基本的には同様の構成であり、同様の作用および効果を示す。本実施形態によれば、箱体３００の底壁３３１側のコーナ角壁３３３のうち蒸発室３０１に対面する内壁面３３３ｉの曲率半径Ｒ１は、球状の蒸発促進材５００の曲率半径Ｒ２よりも大きくされている（Ｒ１＞Ｒ２）。
そして、底壁３３１の内壁面は、コーナ角壁３３３から横方向にそって離間するにつれて下方（矢印Ｄ１方向）に傾斜するようにされている。従って、底壁３３１の内壁面は、仮想水平線ＷＰに対して角度θ１傾斜する傾斜面３３５と、仮想水平線ＷＰに沿って水平に延設され且つ傾斜面３３５に連設された連設面３３６とを備えている。万一、コーナ角壁３３３の内壁面３３３ｉに液相状の水が過剰に存在するときであっても、その水を傾斜面３３５に沿って底壁３３１の内壁面において矢印Ｋ１方向に緩やかに水膜状に流下させることができ、水蒸気化を促進できる。角度θ１は微小角度であり、０．０５〜１０°の範囲、または０．１〜５°の範囲内の任意値にできる。このように角度θ１を小さく抑えれば、コーナ角壁３３３側の水は傾斜面３３５に沿って水膜状に流下されつつも、底壁３３１は実質的に仮想水平線ＷＰに沿っており、スタック４００の上面４０２と箱体３００の底壁３３１の外壁面との距離ＭＡの変動が抑えられる。ひいては、底壁３３１の加熱効果におけるばらつきが抑制される。
更に図５に示すように、側壁３３２の内壁面３３２ｉは、コーナ角壁３３３から高さ方向（矢印Ｈ方向）にそって上方に向かうにつれて横方（矢印Ｍ２方向）に傾斜するように成形されている。従って、側壁３３２の内壁面３３２ｉは、仮想鉛直線ＨＰに対して角度θ拡開するように傾斜されている。このため矢印Ｗ２方向に流れる高温の排ガスは、側壁３３２の外壁面３３２ｐに接触し易くなり、側壁３３２を効率よく加熱でき、蒸発室３０１における蒸発を良好に行い得る。なお、角度θ２は適宜でき、０．５〜１５°の範囲、または１〜１０°の範囲内の任意値にできる。

（適用形態）
図７は適用形態の概念を模式的に示す。図７に示すように、燃料電池システムは、スタック１と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部２を有する蒸発器と、蒸発部２で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノードガスを形成する改質部３と、蒸発部２に供給される液相状の水を溜めるタンク４と、これらを収容するケース５とを有する。スタック１は、イオン伝導体を挟むアノード１０とカソード１１とをもち、例えば、ＳＯＦＣとも呼ばれる固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば４００℃以上）とされている。改質部３は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部２に隣設されている。改質部３および蒸発部２は改質部２Ａを構成しており、スタック１と共に断熱壁１９で包囲され、発電モジュール１８を形成している。発電モジュール１８内には、改質部３，蒸発部２を加熱する燃焼部１０５が設けられている。アノード１０側から排出されたアノード排ガスは、流路１０３を介して燃焼部１０５に供給される。カソード１１側から排出されたカソード排ガスは、流路１０４を介して燃焼部１０５に供給される。起動時には、燃焼部１０５は、アノード１０から供給された改質前のガスを、カソード１１から供給されたカソードガスで燃焼させ、蒸発部２および改質部３を加熱させる。

発電運転時には、燃焼部１０５はアノード１０（燃料極）から排出されたアノード排ガスを、カソード１１（酸化剤極）から排出されたカソード排ガスで燃焼させ、蒸発部２および改質部３を加熱させる。燃焼部１０５には燃焼排ガス路７５が設けられ、燃焼部１０５における燃焼後のガス、未燃焼のガスを含む燃焼排ガスが燃焼排ガス路７５を介して大気中に放出される。改質部３の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。着火させるヒータである着火部３５が燃焼部１０５に設けられている。着火部３５は着火できるものであれば何でも良い。外気の温度を検出する外気温度センサ５７が設けられている。温度センサ３３，５７の信号は制御部１００Ｘに入力される。制御部１００Ｘは警報器１０２に警報を出力する。

発電運転時には、改質部２Ａは改質反応に適するように断熱壁１９内において加熱される。発電運転時には、蒸発部２は水を加熱させて水蒸気とさせ得るように加熱される。スタック１がＳＯＦＣタイプの場合には、アノード１０側から排出されたアノード排ガスとカソード１１側から排出されたカソード排ガスが燃焼部１０５で燃焼するため、改質部３および蒸発部２は、発電モジュール１８の内部において同時に加熱される。図７に示すように、ガス流路６は、ガス源６３からガスを改質器２Ａに供給させるものであり、ポンプ６０、脱硫装置６５をもつ。スタック１のカソード１１には、カソードガス（空気）をカソード１１に供給させるためのカソードガス流路７０が繋がれている。カソードガス流路７０には、カソードガス搬送用の搬送源として機能するカソードポンプ７１が設けられている。

図７に示すように、ケース５は外気に連通する吸気口５０と排気口５１とをもち、更に、第１室である上室空間５２と、第２室である下室空間５３とをもつ。スタック１は、改質部３および蒸発部２と共に発電モジュール１８を形成し、ケース５の上側つまり上室空間５２に収容されている。ケース５の下室空間５３には、改質部３で改質される液相状の水を溜めるタンク４が収容されている。タンク４には、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部４０が設けられている。加熱部４０は、タンク４に貯留されている水を加熱させるものであり、電気ヒータ等で形成できる。外気温度等の環境温度が低いとき等には、制御部１００Ｘからの指令に基づいて、タンク４の水は加熱部４０により所定温度以上に加熱され、凍結が抑制される。図７に示すように、下室空間５３側のタンク４の出口ポート４ｐと上室空間５２側の蒸発部２の入口ポート２ｉとを連通させる給水流路８が、配管としてケース５内に設けられている。給水流路８は、タンク４内に溜められている水をタンク４から蒸発部２に供給させる流路である。給水流路８には、タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水搬送源として機能するポンプ８０が設けられている。更に、制御部１００Ｘはポンプ８０，７１，７９，６０を制御する。

さて起動時において、ポンプ６０が駆動すると、ガス管６ｗのガス流路６からガスが蒸発部２，改質部３，アノードガス流路７３，スタック１のアノード１０，流路１０３を介して燃焼部１０５に流れる。カソードポンプ７１によりカソードガス（空気）がカソードガス流路７０、カソード１１，流路１０４を介して燃焼部１０５に流れる。この状態で着火部３５が着火すると、燃焼部１０５において燃焼が発生し、改質部３および蒸発部２が加熱される。このように改質部３および蒸発部２が加熱された状態で、ポンプ８０が駆動すると、タンク４内の水はタンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水流路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は、ガス流路６から供給されるガスと共に改質部３に移動する。ガスは改質部３において水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。アノードガスはアノードガス流路７３を介してスタック１のアノード１０に供給される。更にカソードガス（酸素含有ガス、ケース５内の空気）がカソードガス流路７０を介してスタック１のカソード１１に供給される。これによりスタック１が発電する。アノード１０から排出されたアノードオフガス、カソード１１から排出されたカソードオフガスは、流路１０３，１０４を通過し、燃焼部１０５に至り、燃焼部１０５で燃焼される。高温の排ガスは、排ガス流路７５を介してケース５の外方に排出される。

上記したシステムの発電運転時において、ポンプ８０が駆動すると、タンク４内の水は、タンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水管８ｗの給水流路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気はガス流路６から供給されるガスと共に改質部３に移動する。改質部３において燃料は、水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。なお燃料がメタン系である場合には、水蒸気改質による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。但し燃料はメタン系に限定されるものではなく、プロパン系等でも良い。
（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流路７３を介してスタック１のアノード１０に供給される。更にカソードガス（酸素含有ガス、ケース５内の空気）がカソードガス流路７０を介してスタック１のカソード１１に供給される。これによりスタック１が発電する。スタック１で排出された高温の排ガスは、排ガス流路７５を介してケース５の外方に排出される。

排ガス流路７５には、凝縮機能をもつ熱交換器７６が設けられている。貯湯槽７７に繋がる貯湯流路７８および貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯流路７８は往路７８ａおよび復路７８ｃをもつ。貯湯槽７７の低温の水は、貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから吐出されて往路７８ａを通過し、熱交換器７６に至り、熱交換器７６により加熱される。熱交換器７６で加熱された温水は、復路７８ｃを介して帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このようにして貯湯槽７７の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器７６から延設された凝縮水流路４２を介して重力等により水精製器４３に供給される。水精製器４３はイオン交換樹脂等の水精製剤４３ａを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水は水タンク４に移動し、水タンク４に溜められる。ポンプ８０が駆動すると、水タンク４内の水は給水流路８を介して高温の蒸発部２に供給され、蒸発部２で水蒸気とされて改質部３に供給され、改質部３において燃料を改質させる改質反応として消費される。本適用形態における蒸発部２の構造は、前記した実施形態１に係る構造とされており、Ｒ１＞Ｒ２の関係とされている。

（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。充填材５０３は蒸発促進材５００で形成されているが、他のセラミックス材を含むことにしても良い。燃料電池のスタックは、固体酸化物形燃料電池に限定されず、場合によっては、固体高分子電解質形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良い。蒸発器２００は改質部と一体化されているが、これに限らず、蒸発器２００は改質部に対して離間しつつ独立して設けられていても良い。改質器に供給される燃料も特に制限されず、都市ガス、プロパンガス、バイオガス、ＬＰＧガス、ＣＮＧガス、アルコール等を例示できる。本明細書から次の技術的思想が把握できる。

（付記項１）蒸発室を形成する壁と前記蒸発室に改質水を供給させる給水口と前記蒸発室で生成させた水蒸気を改質部に向けて吐出させる水蒸気出口とを有する箱体と、前記蒸発室に収容され表面に水を付着する球状をなす複数の蒸発促進材からなる充填材とを具備しており、前記箱体を高さ方向に沿って切断した断面において、前記箱体は、横方向に沿って延設された底壁と、前記底壁に対して立設された側壁と、前記底壁および前記側壁を交差させつつ連設させるコーナ角壁とを有する燃料電池用蒸発器。

図中、２００は蒸発器、３００は箱体、３０１は蒸発室、３０２は壁、３０３は給水口、３０４は水蒸気出口、４２０は給水流路、５００は蒸発促進材、５０３は充填材、３１０は改質部、３１１は改質室、３１３はセラミックス担体、３３１は底壁、３３２は側壁、３３３はコーナ角壁、３３１ｉは内壁面、３３４は上壁、４００はスタック、４０２は上面、６００は燃焼部を示す。

Claims (4)

1. 蒸発室を形成する壁と前記蒸発室に改質水を供給させる給水口と前記蒸発室で生成させた水蒸気を改質部に向けて吐出させる水蒸気出口とを有する箱体と、
   前記蒸発室に収容され球状をなす複数の蒸発促進材からなる充填材とを具備しており、
   前記箱体を高さ方向に沿って切断した断面において、
   前記箱体は、横方向に沿って延設された底壁と、前記底壁に対して立設された側壁と、前記底壁および前記側壁を交差させつつ連設させるコーナ角壁とを有しており、
   前記底壁の内壁面は、前記コーナ角壁から横方向にそって離間するにつれて下方に傾斜し、
   互いに対向する２つの前記側壁の内壁面は、前記コーナ角壁から高さ方向にそって上方に向かうにつれて間隔が大きく増加するように拡開傾斜し、
   前記コーナ角壁のうち前記蒸発室に対面する内壁面の曲率半径をＲ１とし、前記蒸発促進材の曲率半径をＲ２とするとき、Ｒ１はＲ２よりも大きく（Ｒ１＞Ｒ２）されている燃料電池用蒸発器。
2. 請求項１において、前記底壁の内壁面の前記傾斜は、水平に対して角度θ１（θ１は０．０５〜１０°の範囲内の任意値）であり、前記側壁の内壁面の前記拡開傾斜は、鉛直に対して角度θ２（θ２は０．５〜１５°の範囲内の任意値）である燃料電池用蒸発器。
3. 請求項１または２において、前記蒸発促進材は、セラミックスを母材として形成されている燃料電池用蒸発器。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記充填材は、サイズが異なる複数種類の蒸発促進材を備えている燃料電池用蒸発器。

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