JP6318942B2

JP6318942B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP6318942B2
Application number: JP2014149175A
Authority: JP
Inventors: 佑輝向原; 厚早坂; 邦義谷岡
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-07-22
Also published as: JP2016025004A

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

都市ガス等の燃料ガスと、空気や酸素等の酸化剤ガスとにより電気化学反応を生じさせて電力を発生させる燃料電池装置では、燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質器が設けられている。このような改質器として、燃料ガスとともに水蒸気を改質触媒に供給し、水素の収率が高い改質反応である水蒸気改質を行うものが知られている。改質触媒に供給される水蒸気は、水を加熱して蒸発させる水蒸発器によって生成される。

このような水蒸発器として、例えば下記特許文献１には、圧電素子を用いるものが記載されている。この水蒸発器は、貯水部（水貯槽部）の底面に圧電素子が設けられており、まず、この圧電素子に電圧を印加して振動させることで、貯水部に貯められた水をミスト状にする。ミスト状となった水は、貯水部の下流に配置されたプレートフィンタイプの加熱部（熱交換コア）に供給され、加熱されて水蒸気となり、燃料の改質に用いられる。下記特許文献１に記載された水蒸発器では、このように圧電素子を用いて水蒸気を発生させることで、水蒸発器の小型化を可能としている。

特開２００７−３０３７７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の水蒸発器は、大きな発電量を要求される大型の燃料電池装置への搭載には適さないという課題があった。

詳述すると、まず、発電に要する燃料ガスが発電量とともに増加すると、それに対応する量の水蒸気を水蒸発器において発生させるために、貯水部に多量の水を貯める必要が生じる。このため、貯水部を大型化すると、貯水部に貯められた水の深さが大きくなり、貯水部の底面に設けた圧電素子では水を十分にミスト状とすることが困難になる。このため、水蒸気を安定的に改質器に供給できなくなるというおそれがあった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水蒸発器から改質器に水蒸気を安定的に供給することができる燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、水を貯める貯水部（２０６ａ，２０６Ａａ）と、加熱を行う加熱部（２１３）と、を有し、貯水部に貯められた水を加熱部に接触させて加熱することによって水蒸気を発生させる水蒸発器（２０６，２０６Ａ）と、水蒸発器から供給される水蒸気によって被改質ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８）と、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電気化学反応によって電力を発生させるセルスタック（ＣＳ）と、を備え、加熱部が貯水部に貯められた水の深さ方向に延びるように形成されることで、水蒸気の発生量が貯水部に貯められた水の深さに応じて変動するように構成されており、水と加熱部とが接触する面積を、改質器に供給される被改質ガスの流量の変化に基づき、貯水部に貯められた水の水面位置を変更させることによって変更し、貯水部に貯められた水を吸い出すことで貯水部の水位を下げる一方で、貯水部から吸い出した水を戻すことで貯水部の水位を上げるように構成されており、貯水部に供給される水と、改質器に供給される被改質ガスと、の圧力差に基づいて作動するアキュームレータ（２８０）を備え、アキュームレータは、改質器に供給される被改質ガスの圧力が低下すると貯水部に貯められた水を吸い出し、改質器に供給される被改質ガスの圧力が上昇すると貯水部から吸い出した水を戻す、ことを特徴とする。

本発明では、加熱部は、貯水部に貯められた水の深さ方向に延びるように形成されており、水蒸気の発生量が貯水部に貯められた水の深さに応じて変動するように構成されている。これにより、貯水部に貯められた水の深さが大きくなった場合でも、その水の比較的浅い部位においても加熱を行うので、水の深さによらず安定的に水蒸気を発生させることができる。更に、水と加熱部とが接触する面積を、改質器に供給される被改質ガスの流量の変化に基づき変更する。このように、改質器に供給される被改質ガスの流量の変化に基づいて、水と加熱部とが接触する面積を変更することで、セルスタックに要求される発電量に変更が生じた場合にも、水蒸発器で発生させる水蒸気の量を応答性良く変更することが可能となる。

本発明によれば、水蒸発器から改質器に水蒸気を安定的に供給することができる燃料電池装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を模式的に示す図である。図１に示される燃料電池装置におけるガス及び水の流れを説明する図である。図１に示される改質ユニットの、発電量が比較的小さい場合における内部の様子を模式的に示す図である。図１に示される改質ユニットの、発電量が比較的大きい場合における内部の様子を模式的に示す図である。第１変形例に係る改質ユニットの、発電量が比較的小さい場合における内部の様子を模式的に示す図である。第１変形例に係る改質ユニットの、発電量が比較的大きい場合における内部の様子を模式的に示す図である。第２変形例に係る改質ユニットの、発電量が比較的小さい場合における内部の様子を模式的に示す図である。第２変形例に係る改質ユニットの、発電量が比較的大きい場合における内部の様子を模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置ＦＣは、セルスタックＣＳと、ケーシング１０と、燃料ガス供給部２０と、空気供給部３０と、燃焼部４０と、燃焼ガス排出部５０と、を備えている。まず、図１を参照しながら、セルスタックＣＳ及びケーシング１０の構成について説明する。

セルスタックＣＳは、複数の燃料電池セル（不図示）の集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、電極として正極（アノードまたは燃料極とも言い、Ａｎとも記す）と負極（カソードまたは空気極とも言い、Ｃａとも記す）と、を有している。複数の燃料電池セルは、全て電気的に直列に接続されている。各燃料電池セルの正極及び負極は、いずれも導電性セラミックスで形成されている。正極と負極との間には、イオン伝導性を有する固体電解質が設けられている。セルスタックＣＳは、ベースプレートＢＰ上に立設されている。

ケーシング１０は、セルスタックＣＳを収容する筐体であり、第１筒状体１０１と、第２筒状体１０２と、第３筒状体１０３と、第４筒状体１０４と、第５筒状体１０５と、を有している。第１筒状体１０１、第２筒状体１０２、第３筒状体１０３、第４筒状体１０４及び第５筒状体１０５は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。

第１筒状体１０１は、上端を塞ぐ天板部１０１ａと、円筒状の円筒部１０１ｂとを有する。第１筒状体１０１は、ベースプレートＢＰ上に立設されたセルスタックＣＳをその内部に収容しており、その下端がベースプレートＢＰ上に当接して固定されている。円筒部１０１ｂの下部には、後述する空気供給部３０の吹出口３０３が形成されている。

第２筒状体１０２は、上円筒部１０２ａと、下円筒部１０２ｂとを有している。下円筒部１０２ｂの径が上円筒部１０２ａに比べて小さくなるように構成されている。下円筒部１０２ｂの上端外周と、上円筒部１０２ａの下端外周とは、ドーナツ状の円板部１０２ｃで繋がれている。第２筒状体１０２は、全体として段付きの筒状に形成されており、第１筒状体１０１の外部に配置されている。

上円筒部１０２ａは、円筒部１０１ｂの外側面と所定の距離を保つように、円筒部１０１ｂを覆っている。従って、上円筒部１０２ａの内側面と、円筒部１０１ｂの外側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、後述する空気加熱流路３０１の第２加熱流路３０１ｂとなる。下円筒部１０２ｂには、後述する燃焼ガス排出部５０の燃焼ガス排出口５０１が形成されている。

第３筒状体１０３は、その上端から下端まで径がほぼ一様の筒状に形成されている。第３筒状体１０３は、第２筒状体１０２の外側に配置されている。第３筒状体１０３は、第２筒状体１０２の外側面と所定の距離を保つように、その外側面を覆っている。第３筒状体１０３の内側面と第２筒状体１０２の外側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、後述する燃焼ガス排出流路５０２の第１排出流路５０２ａとなる。

第４筒状体１０４は、その下端にフランジ部１０４ａを有する筒状に形成されており、第３筒状体１０３の外部に配置されている。このフランジ部１０４ａは、ケーシング１０の固定に利用される。第４筒状体１０４は、第３筒状体１０３の外側面を覆うとともに、その内側面が第３筒状体１０３の外側面との間に隙間を形成するように配置されている。この隙間は、後述する燃焼ガス排出流路５０２の第２排出流路５０２ｂとなる。第４筒状体１０４の下部の内部には、円板状の底板１０４ｂが配置されている。底板１０４ｂは、第２筒状体１０２の下端を塞ぐとともに、第４筒状体１０４の内部を上下に区画している。

第２筒状体１０２、第３筒状体１０３及び第４筒状体１０４のそれぞれの上端部の上方には、円環状の環状内蓋１０６が配置されている。環状内蓋１０６は、第２筒状体１０２の内側面及び第４筒状体１０４の外側面に対して固定され、第２筒状体１０２と第４筒状体１０４との間に形成される空間を覆っている。環状内蓋１０６は、第３筒状体１０３上端との間に隙間を空けて配置されることで、第２筒状体１０２と第３筒状体１０３との間に形成されている隙間（第１排出流路５０２ａ）と、第３筒状体１０３と第４筒状体１０４との間に形成されている隙間（第２排出流路５０２ｂ）と、を連通させている。

第５筒状体１０５は、第４筒状体１０４の外部に配置され、第４筒状体１０４の上部の外側を覆っている。第５筒状体１０５は、その内側面が第４筒状体１０４の外側面との間に隙間を形成するように配置されている。この隙間は、後述する空気加熱流路３０１の第１加熱流路３０１ａとなる。

続いて、図１及び図２を参照しながら、燃料ガス供給部２０、空気供給部３０、燃焼部４０及び燃焼ガス排出部５０の構成について説明する。

燃料ガス供給部２０は、水供給管２０１と、水供給ポンプ２６２（図２参照）と、アキュームレータ２７０（図２参照）と、原料ガス供給管２４０と、ガス供給ポンプ２６１（図２参照）と、改質ユニット２０２と、脱硫器２０４（図２参照）と、を有している。

水供給管２０１は、水供給ポンプ２６２によって加圧される水をその内部に流す配管である。水供給管２０１は、ケーシング１０の底板１０４ｂを貫通し、第２筒状体１０２と第３筒状体１０３との間に形成される隙間に延びるように形成されている。水供給管２０１は、水供給ポンプ２６２の下流側で分岐する連絡管２０１ａ（図２参照）を有している。

アキュームレータ２７０は、水供給管２０１の連絡管２０１ａに接続された蓄圧器である。アキュームレータ２７０は、連絡管２０１ａを介して水供給管２０１の内部の水を吸い込み、内部に貯めて蓄圧するほか、連絡管２０１ａを介してその水を水供給管２０１に戻すことが可能に構成されている。アキュームレータ２７０の動作は、後述する制御部２９０から発信される制御信号により、電気的に制御される。

原料ガス供給管２４０は、炭化水素を含みガス供給ポンプ２６１によって加圧される都市ガスを、その内部に流す配管である。原料ガス供給管２４０は、都市ガスに加えて空気を流すこともできる。原料ガス供給管２４０は、ケーシング１０の底板１０４ｂを貫通し、第２筒状体１０２と第３筒状体１０３との間に形成される隙間に延びるように形成されている。都市ガスは、原料ガス供給管２４０の上流において脱硫器２０４を通過することで、セルスタックＣＳの電池性能の低下を招く硫黄成分が除去される。

改質ユニット２０２は、バーナー４０２を囲むように円環状に形成されており、その中心軸は第１筒状体１０１、第２筒状体１０２、第３筒状体１０３、第４筒状体１０４及び第５筒状体１０５の中心軸と同軸とされている。改質ユニット２０２は、第２筒状体１０２の下円筒部１０２ｂと第３筒状体１０３との間に形成される隙間に配置されている。また、改質ユニット２０２は、その内周側の側面が下円筒部１０２ｂの外側面との間に隙間を形成するとともに、その外周側の側面が第３筒状体１０３の内側面と当接するように配置されている。

また、図２に示されるように、改質ユニット２０２は、その内部に水蒸発器２０６と、改質器２０８と、を有している。後述するように、改質ユニット２０２は、水蒸発器２０６及び改質器２０８をユニットケーシング２０５（図２においては明示せず、図３参照）の内部に収めることでユニット化されている。水供給管２０１及び原料ガス供給管２４０は、この改質ユニット２０２に接続されている。詳細には、水供給管２０１は水蒸発器２０６に接続され、原料ガス供給管２４０は水蒸発器２０６と改質器２０８とを繋ぐ水蒸気流路２０７に接続されている。

燃料ガス供給管２０３は、改質ユニット２０２に接続され、改質ユニット２０２から排出される燃料ガスをその内部に流す配管である。燃料ガス供給管２０３は、改質ユニット２０２から下方に延びて底板１０４ｂを貫通し、底板１０４ｂの下方において上方に折り返すように形成されている。さらに、折り返した燃料ガス供給管２０３は、第２筒状体１０２の下円筒部１０２ｂの内部に配置されるように底板１０４ｂを貫通し、ベースプレートＢＰまで延びるように形成されている。

空気供給部３０は、空気加熱流路３０１と、空気導入管３０２と、吹出口３０３と、を有している。空気加熱流路３０１は、第１加熱流路３０１ａ及び第２加熱流路３０１ｂを有している。第１加熱流路３０１ａは、第４筒状体１０４と第５筒状体１０５との間に形成された隙間である。第２加熱流路３０１ｂは、第１筒状体１０１と第２筒状体１０２との間に形成された隙間である。空気導入管３０２は、第５筒状体１０５の外側面に接続される配管であり、空気加熱流路３０１の第１加熱流路３０１ａに連通している。吹出口３０３は、第１筒状体１０１の下部に、周方向に互いに間隔をあけて複数設けられる貫通孔である。

燃焼部４０は、燃焼室４０１と、バーナー４０２と、イグナイタ４０３と、を有している。燃焼室４０１は、第２筒状体１０２の下円筒部１０２ｂの内部に形成された空間である。バーナー４０２は、ベースプレートＢＰから下方の燃焼室４０１内に向けて突出するように設けられている。バーナー４０２は、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスをその内部に流し、下端から燃焼室４０１内に供給する。

イグナイタ４０３は、点火装置であり、ケーシング１０の底板１０４ｂを貫通して燃焼室４０１内に臨出するよう設けられている。イグナイタ４０３は、高電圧が印加されることで火花放電を発生させ、燃焼室４０１内の燃料ガスに着火して燃焼させる。このような残余の燃料ガスの燃焼により、燃焼室４０１内で燃焼ガスが発生する。

燃焼ガス排出部５０は、燃焼ガス排出口５０１と、燃焼ガス排出流路５０２と、燃焼ガス排出管５０３と、を有している。燃焼ガス排出口５０１は、第２筒状体１０２の下円筒部１０２ｂに、周方向に互いに間隔をあけて複数設けられる貫通孔である。燃焼ガス排出流路５０２は、第１排出流路５０２ａ及び第２排出流路５０２ｂを有している。

第１排出流路５０２ａは、第２筒状体１０１の下円筒部１０２ｂと第３筒状体１０３との間に形成された隙間である。第２排出流路５０２ｂは、第３筒状体１０３と第４筒状体１０４との間に形成された隙間である。燃焼ガス排出管５０３は、ケーシング１０の第４筒状体１０４の外側面に接続される配管であり、燃焼ガス排出流路５０２の第２排出流路５０２ｂと連通している。

引き続いて、図１及び図２を参照しながら、以上のように構成された燃料電池装置ＦＣの動作について説明する。

燃料電池装置ＦＣの起動工程の際など、セルスタックＣＳや改質器２０８の温度が低い状態にあるときは、燃料ガス供給部２０は、都市ガス及び空気を改質ユニット２０２に供給する。図２に示されるように、原料ガス供給管２４０によって改質ユニット２０２に供給された都市ガス及び空気は、まず水蒸気流路２０７に供給される。そして、水蒸気流路２０７を通過した都市ガス及び空気は、次に改質器２０８に供給される。

改質器２０８は、その内部に改質触媒が充填されている。改質器２０８において、都市ガスに含まれる炭化水素ガスと、空気に含まれる酸素とによる部分酸化改質が行われる。この部分酸化改質により、水素を含む燃料ガスが生成される。部分酸化改質は発熱反応であることから、改質器２０８において生成される燃料ガスも高温となる。また、改質ユニット２０２に接続された燃料ガス供給管２０３は、その一部が燃焼室４０１内（第２筒状体１０２の下円筒部１０２ｂの内部）に配置されているため、燃料ガスは当該部位を流れる際に燃焼ガスによって加熱され、さらに高温となる。このようにして高温となった燃料ガスが、セルスタックＣＳを構成する燃料電池セルの正極Ａｎに供給されることで、セルスタックＣＳが加熱されて昇温し、燃料電池装置ＦＣの迅速な起動に寄与する。

一方、空気供給部３０の空気導入管３０２によってケーシング１０内に供給される空気は、図１に示されるように、空気加熱流路３０１の第１加熱流路３０１ａを上方に流れる。次に、空気は上面蓋１０７に沿ってその向きをケーシング１０の中央側に変え、さらに第２加熱流路３０１ｂを下方に流れる。第２加熱流路３０１ｂを流れて第１筒状体１０１の下部に至った空気は、吹出口３０３から第１筒状体１０１の内部に向けて吹き出し、セルスタックＣＳを構成する燃料電池セルの負極Ｃａに供給される。

後述するように、空気加熱流路３０１を流れる空気は、高温の燃焼ガスを熱源として加熱され、昇温する。このようにして高温となった空気が燃料電池セルの負極Ｃａに供給されることで、セルスタックＣＳが加熱されて昇温し、燃料電池装置ＦＣの迅速な起動に寄与する。

セルスタックＣＳでは、以上のように供給される燃料ガスと空気を用いて電気化学反応を生じさせ、発電を行う。セルスタックＣＳにおける電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスは、バーナー４０２から燃焼室４０１内に吹き出され、イグナイタ４０３によって着火されて燃焼する。この燃焼の結果として、燃焼室４０１内に高温の燃焼ガスが発生する。

燃焼室４０１内で発生した高温の燃焼ガスは、燃焼ガス排出口５０１から排出され、燃焼ガス排出流路５０２の第１排出流路５０２ａに流入する。第１排出流路５０２ａには改質ユニット２０２が配置されており、燃焼ガスは改質ユニット２０２の側面に沿って上方に流れる。これにより、高温の燃焼ガスによって改質ユニット２０２の改質器２０８が加熱され、昇温する。

改質ユニット２０２の側面を通過した第１排出流路５０２ａの燃焼ガスは、空気加熱流路３０１の第２加熱流路３０１ｂを下方に流れる空気と、第２筒状体１０２の上円筒部１０２ａを挟んで逆向きに流れる。これにより、第２加熱流路３０１ｂを流れる空気は、上円筒部１０２ａを介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。

第１排出流路５０２ａを通過した燃焼ガスは、環状内蓋１０６に沿って折り返し、次に第２排出流路５０２ｂを下方に流れる。第２排出流路５０２ｂの燃焼ガスは、空気加熱流路３０１の第１加熱流路３０１ａを流れる空気と、第４筒状体１０４を挟んで逆向きに流れる。これにより、第１加熱流路３０１ａを流れる空気は、第４筒状体１０３を介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。

第２排出流路５０２ｂをさらに下方に流れた燃焼ガスは、改質ユニット２０２の外側面が当接する第３筒状体１０３の下部に沿って流れる。これにより、改質ユニット２０２の水蒸発器２０６は、第３筒状体１０３を介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。つまり、燃焼ガス排出流路５０２は、燃焼室４０１内で発生した高温の燃焼ガスが、改質器２０８、空気加熱流路３０１を流れる空気、水蒸発器２０６の順に熱を与えながら流れるように構成されている。第２排出流路５０２ｂを流れ終えた燃焼ガスは、燃焼ガス排出管５０３を介してケーシング１０から排出される。この燃焼ガスは、排熱回収器５０４（図２参照）を通過することで熱を回収された後に、低温となって排出される。

燃料電池装置ＦＣの運転に伴い、セルスタックＣＳや改質器２０８が所定温度まで昇温した後は、燃料ガス供給部２０は、空気に代えて、あるいは空気に加えて、水供給管２０１に水を流して改質ユニット２０２に供給する。都市ガスとともに改質ユニット２０２に供給された供給された水は、まず水蒸発器２０６に供給される。前述したように、水蒸発器２０６は、第２排出流路５０２ｂを流れる燃焼ガスによって加熱されて昇温していることから、水蒸発器２０６に供給された水は加熱されて気化し、水蒸気となる。

水蒸発器２０６において発生した水蒸気は、都市ガスと共に水蒸気流路２０７を介して改質器２０８に供給される。改質器２０８では、その内部の改質触媒により、水蒸気と、都市ガスに含まれる炭化水素ガスとによる水蒸気改質が行われ、水素を含む燃料ガスが生成される。水蒸気改質は、部分酸化改質に比べて水素の収率が高い改質反応である。水蒸気改質は吸熱反応であるが、前述したように、改質器２０８は燃焼ガス排出流路５０２を流れる高温の燃焼ガスによって加熱されるため、水蒸気改質を安定的に行うことができる。

セルスタックＣＳや改質器２０８が高温となり、燃料電池装置ＦＣが定常運転に移行した後は、改質器２０８における水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスを生成することができる。これにより、燃料電池装置ＦＣは高効率で発電を行うことが可能となる。

引き続いて、図３及び図４を参照しながら、改質ユニット２０２への燃料ガスや水の供給について説明する。まず、改質ユニット２０２の内部構造について説明する。

改質ユニット２０２は、ユニットケーシング２０５と、水蒸発器２０６と、水蒸気流路２０７と、改質器２０８と、を備えている。図３及び図４は、第１筒状体１０１（図１参照）等の中心軸に沿う平面における改質ユニット２０２の断面の一部を示す図であって、当該断面において離間して表れる２つの部位のうち、左側の部位を示している。

ユニットケーシング２０５は、改質ユニット２０２の筐体であり、金属製で、その外形は円環状に形成されている。ユニットケーシング２０５の内部には、２つの隔壁２２１，２２２が設けられている。隔壁２２１，２２２は、第１筒状体１０１等の中心軸を中心とする同心円状に設けられた円筒状の板状部材である。隔壁２２１は、径方向外側に配置されている。隔壁２２２は、隔壁２２１に対して径方向内側に配置されている。

隔壁２２１は、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２から上方に延びている。隔壁２２１は、その上端がユニットケーシング２０５の上側壁面２１１と所定間隔を空けて送出口２３１を形成するように設けられている。

隔壁２２２は、ユニットケーシング２０５の上側壁面２１１から下方に延びている。隔壁２２２は、その下端がユニットケーシング２０５の下側壁面２１２と所定間隔を空けて受入口２３２を形成するように設けられている。送出口２３１と受入口２３２とは互いに正対しないように、上下にオフセット配置されている。ユニットケーシング２０５の内部は、隔壁２２１，２２２によって径方向に３つの領域に区画されている。

水蒸発器２０６は、ユニットケーシング２０５の内部に形成された３つの領域のうち、外周側壁面２１３と隔壁２２１とによって外周側に形成された領域を実質的に専有するように配置されている。水蒸発器２０６は、外周側壁面２１３及び隔壁２２１との間に、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２を底面とする貯水部２０６ａを有している。この貯水部２０６ａには、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２に接続された水供給管２０１が連通しており、水供給管２０１から供給された水Ｗが貯められている。外周側壁面２１３は、第３筒状体１０３の下部の内側面と当接するように配置されている。

水蒸気流路２０７は、ユニットケーシング２０５の内部に形成された３つの領域のうち、隔壁２２１と隔壁２２２との間に形成された領域に設けられている。水蒸気流路２０７は、送出口２３１と受入口２３２とを接続している。この水蒸気流路２０７には、ユニットケーシング２０５の上側壁面２１１に接続された原料ガス供給管２４０が連通している。

改質器２０８は、ユニットケーシング２０５の内部に形成された３つの領域のうち、内周側壁面２１４と隔壁２２２とによって内周側に形成された領域を実質的に専有するように配置されている。これにより、改質器２０８と水蒸発器２０６は、径方向に間隔をあけて対向するように配置されることとなる。改質器２０８が配置されるこの空間には、ユニットケーシング２０５の上側壁面２１１に接続された燃料ガス供給管２０３が連通している。

次に、図３を参照しながら、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的小さい場合における改質ユニット２０２の内部の様子について説明する。

この場合、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に必要となる燃料ガスの量が比較的少ないため、ガス供給ポンプ２６１は比較的低速で運転する。これにより、比較的小さな流量の都市ガスが原料ガス供給管２４０を流れる。ガス供給ポンプ２６１は、その運転速度に対応した検知信号を制御部２９０に発信する。

制御部２９０は、ガス供給ポンプ２６１から検知信号を受信し、ガス供給ポンプ２６１が比較的低速で運転していることを検知すると、アキュームレータ２７０に対し、内部に水を貯めるように制御信号を発信する。当該制御信号を受信したアキュームレータ２７０は、連絡管２０１ａを介して水供給管２０１から水を吸い込み、その内部に貯める。

アキュームレータ２７０によって水供給管２０１から水が吸い込まれたことで、貯水部２０６ａに貯められている水Ｗが吸い出され、貯水部２０６ａの水位が下がる。その後も、水供給ポンプ２６２から水供給管２０１を介して貯水部２０６ａに水が供給されることで、貯水部２０６ａの水Ｗの水面ＷＬは、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２から高さＨ３の位置となる。

前述したように、改質ユニット２０２は、その外周側壁面２１３が第３筒状体１０３の内側面と当接するように配置されている。また、第３筒状体１０３の外側面と第４筒状体１０４との間に形成された第２排出流路５０２ｂには、高温の燃焼ガスが流れているため、その熱が第３筒状体１０３を介して外周側壁面２１３に伝達される。

したがって、貯水部２０６ａにおいて、高さＨ３の範囲にわたって外周側壁面２１３と接触している水Ｗは、その接触している部分において加熱される。すなわち、外周側壁面２１３は、貯水部２０６ａの水Ｗを加熱する加熱部として機能する。外周側壁面２１３によって加熱された貯水部２０６ａの水Ｗは気化し、水蒸気が発生する。貯水部２０６ａの水位（下側壁面２１２から高さＨ３）は、貯水部２０６ａから気化する水Ｗの量と、貯水部２０６ａに新たに供給される水Ｗの量と、が均衡した際の位置となる。

このようにして水蒸発器２０６で発生した水蒸気は、送出口２３１から水蒸気流路２０７に流入し、原料ガス供給管２４０から水蒸気流路２０７に流入する都市ガスと合流する。水蒸発器２０６において合流したガスは、隔壁２２１及び隔壁２２２に沿って水蒸気流路２０７を下方に流れ、受入口２３２に至る。

受入口２３２からユニットケーシング２０５の内周側の領域に流入するガスは、当該領域に配置されている改質器２０８に供給される。改質器２０８では、前述したように水蒸気改質が行われ、水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、上方に接続された燃料ガス供給管２０３に排出され、燃料ガス供給管２０３によってセルスタックＣＳに供給される。セルスタックＣＳは、供給される燃料ガスによって発電を行う。

次に、図４を参照しながら、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的大きい場合における改質ユニット２０２の内部の様子について説明する。

この場合、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に必要となる燃料ガスの量が比較的多いため、ガス供給ポンプ２６１は比較的高速で運転する。これにより、比較的大きな流量の都市ガスが原料ガス供給管２４０を流れる。ガス供給ポンプ２６１は、その運転速度に対応した検知信号を制御部２９０に発信する。

制御部２９０は、ガス供給ポンプ２６１から検知信号を受信し、ガス供給ポンプ２６１が比較的高速で運転していることを検知すると、アキュームレータ２７０に対し、内部に貯めている水を排出するように制御信号を発信する。当該制御信号を受信したアキュームレータ２７０は水を排出し、連絡管２０１ａを介して水供給管２０１に戻す。

アキュームレータ２７０によって水供給管２０１に水が戻されたことで、貯水部２０６ａに供給されて貯められる水Ｗが増加し、貯水部２０６ａの水位が上がる。その後も、水供給ポンプ２６２から水供給管２０１を介して貯水部２０６ａに水が供給されることで、貯水部２０６ａの水Ｗの水面ＷＬは、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２から高さＨ４の位置となる。

貯水部２０６ａにおいて、高さＨ４の範囲にわたって外周側壁面２１３と接触している水Ｗは、その接触している部分において加熱されて気化し、水蒸気が発生する。貯水部２０６ａの水位（下側壁面２１２から高さＨ４）は、貯水部２０６ａから気化する水Ｗの量と、貯水部２０６ａに新たに供給される水Ｗの量と、が均衡した際の位置となる。

貯水部２０６ａの水Ｗは、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的小さい場合と比べて水位が上がったことで、外周側壁面２１３と接触する面積が増加する。したがって、貯水部２０６ａの水Ｗは、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的小さい場合よりも多くの熱を供給され、多量の水蒸気が発生する。

水蒸発器２０６において発生したこの水蒸気は、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的小さい場合と同様に、都市ガスや空気と合流して受入口２３２から改質器２０８に供給される。改質器２０８では、多量の都市ガス及び水蒸気を用いた水蒸気改質が行われ、水素を含む燃料ガスが多量に生成される。燃料ガス供給管２０３を介してこの多量の燃料ガスの供給を受けるセルスタックＣＳは、電気化学反応を活性化させて発電を行う。

また、セルスタックＣＳに要求される発電量が、再度比較的小さくなった場合には、前述したようにアキュームレータ２７０によって水を吸い込み、貯水部２０６ａの水位を下げることで、発生する水蒸気の量を減少させる。

以上のように、本実施形態では、外周側壁面２１３は、貯水部２０６ａに貯められた水Ｗの深さ方向に延びるように形成されており、水蒸気の発生量が貯水部２０６ａに貯められた水の深さに応じて変動するように構成されている。これにより、貯水部２０６ａに貯められた水Ｗの深さが大きくなった場合でも、その水Ｗの比較的浅い部位においても加熱を行うので、水Ｗの深さによらず安定的に水蒸気を発生させることができる。

更に、本実施形態では、水Ｗと外周側壁面２１３とが接触する面積を、改質器２０８に供給される都市ガスの流量の変化に基づき変更する。このように、改質器２０８に供給される都市ガスの流量の変化に基づいて、水Ｗと外周側壁面２１３とが接触する面積を変更することで、セルスタックＣＳに要求される発電量に変更が生じた場合にも、水蒸発器２０６で発生させる水蒸気の量を応答性良く変更することが可能となる。

更に、本実施形態では、アキュームレータ２７０により、貯水部２０６ａに貯められた水Ｗを吸い込み、更に、貯水部２０６ａに戻すことで、貯水部２０６ａの水面位置を変更させ、水Ｗと外周側壁面２１３とが接触する面積を変更する。したがって、貯水部２０６ａに貯められている水Ｗの量を変更するという簡便な方法で、水蒸発器２０６において発生させる水蒸気の量を、都市ガスの流量の変化に基づいて応答性良く変更することが可能となる。

続いて、本発明の第１変形例に係る燃料電池装置ＦＣの改質ユニット２０２への都市ガスや水の供給について、図５及び図６を参照しながら説明する。この第１変形例は、改質ユニット２０２への都市ガスや水の供給形態が、前述した実施形態と異なるものである。前述した実施形態と同一の構成については適宜同一の符号を付して、説明を省略する。まず、改質ユニット２０２に都市ガスや水を供給するための形態について説明する。

第１変形例に係る燃料電池装置ＦＣに搭載されるアキュームレータ２８０は、その内部にブラダ２８３を有している。ブラダ２８３は、弾性を有するゴム製の隔膜であり、アキュームレータ２８０の内部を、中央寄りの第１室２８１と、第１室２８１の外周の第２室２８２と、に区画している。

原料ガス供給管２４０は、ガス供給ポンプ２６１の下流側で分岐する連絡管２４０ａを有している。この連絡管２４０ａは、アキュームレータ２８０の第２室２８２に連通するように接続されている。これにより、原料ガス供給管２４０の内部を流れる都市ガスが第２室２８２に供給され、貯められる。第２室２８２に貯められている都市ガスの圧力は、原料ガス供給管２４０の内部を流れる都市ガスの圧力と等しくなる。

また、水供給管２０１の連絡管２０１ａは、アキュームレータ２８０の第１室２８１に連通するように接続されている。これにより、水供給管２０１の内部を流れる水が第１室２８１に供給され、貯められる。第１室２８１に貯められている水の圧力は、水供給管２０１の内部を流れる水の圧力、及び、第２室２８２に貯められている都市ガスの圧力と等しくなる。

次に、図５を参照しながら、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的小さい場合における改質ユニット２０２及びアキュームレータ２８０の内部の様子について説明する。

この場合、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に必要となる燃料ガスの量が比較的少ないため、ガス供給ポンプ２６１は比較的低速で運転する。このため、原料ガス供給管２４０を流れる都市ガスと、アキュームレータ２８０の第２室２８２に貯められている都市ガスの圧力は、いずれも比較的小さいものとなる。

このため、アキュームレータ２８０の内部では、第１室２８１に貯められている水の圧力が、第２室２８２に貯められている都市ガスの圧力よりも大きくなる。第１室２８１に貯められている水がブラダ２８３を外周側に押し広げることで、第１室２８１の容積が大きくなり、水供給管２０１の内部の水を、連絡管２０１ａを介して第１室２８１に引き込む。

アキュームレータ２８０によって水供給管２０１から水が吸い込まれたことで、貯水部２０６ａに貯められている水Ｗが吸い出され、貯水部２０６ａの水位が下がる。その後も、水供給ポンプ２６２から水供給管２０１を介して貯水部２０６ａに水が供給されることで、貯水部２０６ａの水Ｗの水面ＷＬは、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２から高さＨ５の位置となる。

貯水部２０６ａにおいて、高さＨ５の範囲にわたって外周側壁面２１３と接触している水Ｗは、その接触している部分において加熱されて気化し、水蒸気が発生する。貯水部２０６ａの水位（下側壁面２１２から高さＨ５）は、貯水部２０６ａから気化する水Ｗの量と、貯水部２０６ａに新たに供給される水Ｗの量と、が均衡した際の位置となる。

次に、図６を参照しながら、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的大きい場合における改質ユニット２０２及びアキュームレータ２８０の内部の様子について説明する。

この場合、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に必要となる燃料ガスの量が比較的多いため、ガス供給ポンプ２６１は比較的高速で運転する。このため、原料ガス供給管２４０を流れる都市ガスと、アキュームレータ２８０の第２室２８２に貯められている都市ガスの圧力は、いずれも比較的大きいものとなる。

このため、アキュームレータ２８０の内部では、第１室２８１に貯められている水の圧力が、第２室２８２に貯められている都市ガスの圧力よりも小さくなる。第２室２８２に貯められている都市ガスが、ブラダ２８３を外方から中央側に押すことで、第１室２８１の容積が小さくなり、第１室２８１に貯められている水が連絡管２０１ａを介して第１室２８１に戻される。

アキュームレータ２８０によって水供給管２０１に水が戻されたことで、貯水部２０６ａに供給されて貯められる水Ｗが増加し、貯水部２０６ａの水位が上がる。その後も、水供給ポンプ２６２から水供給管２０１を介して貯水部２０６ａに水が供給されることで、貯水部２０６ａの水Ｗの水面ＷＬは、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２から高さＨ６の位置となる。

貯水部２０６ａにおいて、高さＨ６の範囲にわたって外周側壁面２１３と接触している水Ｗは、その接触している部分において加熱されて気化し、水蒸気が発生する。貯水部２０６ａの水位（下側壁面２１２から高さＨ６）は、貯水部２０６ａから気化する水Ｗの量と、貯水部２０６ａに新たに供給される水Ｗの量と、が均衡した際の位置となる。

また、セルスタックＣＳに要求される発電量が、再度比較的小さくなった場合には、前述したようにアキュームレータ２８０によって水を吸い込み、貯水部２０６ａの水位を下げることで、発生する水蒸気の量を減少させる。

以上のように、第１変形例は、貯水部２０６ａに供給される水と、改質器２０８に供給される都市ガスと、の圧力差に基づいて作動するアキュームレータ２８０を備えている。また、アキュームレータ２８０は、改質器２０８に供給される都市ガスの圧力の変化に基づいて、貯水部２０６ａに貯められている水Ｗの量を変化させる。

したがって、第１変形例に係る燃料電池装置ＦＣによれば、電気的な制御を行うことなく、改質器２０８に供給される都市ガスの流量の変化に基づいて、水Ｗと外周側壁面２１３とが接触する面積を変更することができる。これにより、セルスタックＣＳに要求される発電量に変更が生じた場合にも、水蒸発器２０６で発生させる水蒸気の量を応答性良く変更することが可能となる。

続いて、本発明の第２変形例に係る燃料電池装置ＦＣの改質ユニット２０２Ａへの都市ガスや水の供給について、図７及び図８を参照しながら説明する。この第２変形例は、改質ユニット２０２Ａの構成の一部が、前述した実施形態の改質ユニット２０２と異なる。また、都市ガスや水の供給形態も一部異なる。前述した実施形態と同一の構成については適宜同一の符号を付して、説明を省略する。まず、改質ユニット２０２Ａに都市ガスや水を供給するための構成について説明する。

改質ユニット２０２Ａは、そのユニットケーシング２０５Ａの下側壁面２１２Ａに、水供給管２０１Ａ及び原料ガス供給管２４０が接続されている。水供給管２０１Ａ及び原料ガス供給管２４０Ａは、改質ユニット２０２Ａの水蒸発器２０６Ａの貯水部２０６Ａａに連通している。このため、貯水部２０６Ａａは、水供給管２０１Ａから供給された水Ｗが貯められるとともに、原料ガス供給管２４０Ａから都市ガスを供給可能となっている。

次に、図７を参照しながら、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的小さい場合における改質ユニット２０２Ａの内部の様子について説明する。

この場合、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に必要となる燃料ガスの量が比較的少ないため、ガス供給ポンプ２６１は比較的低速で運転する。これにより、比較的小さな流量の都市ガスが原料ガス供給管２４０Ａを流れる

同様に、改質器２０８における水蒸気改質に必要となる水蒸気の量も比較的少ないことから、水供給ポンプ２６２も、比較的低速で運転する。これにより、比較的小さな流量の水が水供給管２０１Ａを流れる

水供給ポンプ２６２によって加圧された水が、水供給管２０１Ａを介して貯水部２０６Ａａに供給され、貯められることで、貯水部２０６Ａａの水Ｗの水面ＷＬは、ユニットケーシング２０５Ａの下側壁面２１２Ａから高さＨ７の位置となる。貯水部２０６Ａａにおいて、高さＨ７の範囲にわたって外周側壁面２１３と接触している水Ｗは、その接触している部分において加熱されて気化し、水蒸気が発生する。貯水部２０６Ａａの水位（下側壁面２１２から高さＨ７）は、貯水部２０６Ａａから気化する水Ｗの量と、貯水部２０６Ａａに新たに供給される水Ｗの量と、が均衡した際の位置となる。

また、ガス供給ポンプ２６１によって加圧され、原料ガス供給管２４０を介して貯水部２０６Ａａに供給される都市ガスは、貯水部２０６Ａａの水Ｗの内部に比較的小さな流量で供給される。供給された都市ガスは、水Ｗの内部で気泡状となり、水面ＷＬに向けて浮上する。

水蒸気の発生と、気泡状となった都市ガスの通過により、貯水部２０６Ａａの水Ｗの水面ＷＬには乱れが生じる。しかしながら、前述したように、ガス供給ポンプ２６１の運転が比較的低速であることから、貯水部２０６Ａａの水Ｗの内部における気泡（都市ガス）の量は比較的少なく、水面ＷＬの乱れは比較的小さなものとなる。

発生した水蒸気と、貯水部２０６Ａａの水Ｗの水面ＷＬから出たガスは、水面ＷＬ近傍で混合された後、水蒸気流路２０７を経て改質器２０８に供給される。改質器２０８では、前述したように水蒸気改質が行われ、水素を含む燃料ガスが生成される。

次に、図８を参照しながら、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的大きい場合における改質ユニット２０２Ａの内部の様子について説明する。

この場合、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に必要となる燃料ガスの量が比較的多いため、ガス供給ポンプ２６１は比較的高速で運転する。同様に、改質器２０８における水蒸気改質に必要となる水蒸気の量も比較的多いことから、水供給ポンプ２６２も比較的高速で運転する。

水供給ポンプ２６２によって加圧された水が、水供給管２０１Ａを介して貯水部２０６Ａａに供給されることで、貯水部２０６Ａａの水Ｗの水面ＷＬは、ユニットケーシング２０５Ａの下側壁面２１２Ａから高さＨ８の位置となる。貯水部２０６Ａａにおいて、高さＨ８の範囲にわたって外周側壁面２１３と接触している水Ｗは、その接触している部分において加熱されて気化し、水蒸気が発生する。貯水部２０６Ａａの水位（下側壁面２１２から高さＨ８）は、貯水部２０６Ａａから気化する水Ｗの量と、貯水部２０６Ａａに新たに供給される水Ｗの量と、が均衡した際の位置となる。

また、高速で運転するガス供給ポンプ２６１によって加圧される都市ガスは、原料ガス供給管２４０Ａを介して貯水部２０６Ａａの水Ｗの内部に比較的大きな流量で供給される。このため、貯水部２０６Ａａの水Ｗは、供給された都市ガスによって下方から吹き上げられ、上方に水滴ＷＤが飛散する。このようにして飛散した水滴ＷＤは、外周側壁面２１３のうち水面ＷＬよりも上方の部位に付着する。

水滴ＷＤが外周側壁面２１３に付着することで、貯水部２０６Ａａの水Ｗ（水滴ＷＤを含む）と外周側壁面２１３とが接触する面積は、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的小さい場合と比べて増加する。したがって、セルスタックＣＳに要求される発電量が比較的大きい場合は、当該発電量が比較的小さい場合と比べて、より大きな面積において貯水部２０６Ａａの水Ｗが加熱され、多量の水蒸気が発生する。

また、セルスタックＣＳに要求される発電量が、再度比較的小さくなった場合には、前述したようにガス供給ポンプ２６１の運転を比較的低速にし、水滴ＷＤの飛散を停止あるいは抑制することで、発生する水蒸気の量を減少させる。

以上のように、第２変形例は、貯水部２０６Ａａに都市ガスを供給するとともに、供給した都市ガスにより貯水部２０６Ａａに貯められた水Ｗを飛散させることによって、水Ｗと外周側壁面２１３とが接触する面積を変更する。

したがって、都市ガスを供給する原料ガス供給管２４０を、水Ｗと外周側壁面２１３とが接触する面積の変更に有効に活用し、水蒸発器２０６で発生させる水蒸気の量を応答性良く変更することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

ＦＣ：燃料電池装置
ＣＳ：セルスタック
Ｗ：水
２０６、２０６Ａ：水蒸発器
２０６ａ，２０６Ａａ：貯水部
２０８：改質器
２１３：外周側壁面（加熱部）
２４０Ａ：原料ガス供給管（被改質ガス供給部）
２８０：アキュームレータ

Claims

燃料電池装置であって、
水を貯める貯水部（２０６ａ，２０６Ａａ）と、加熱を行う加熱部（２１３）と、を有し、前記貯水部に貯められた水を前記加熱部に接触させて加熱することによって水蒸気を発生させる水蒸発器（２０６，２０６Ａ）と、
前記水蒸発器から供給される水蒸気によって被改質ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８）と、
前記燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電気化学反応によって電力を発生させるセルスタック（ＣＳ）と、を備え、
前記加熱部が前記貯水部に貯められた水の深さ方向に延びるように形成されることで、前記水蒸気の発生量が前記貯水部に貯められた水の深さに応じて変動するように構成されており、
前記水と前記加熱部とが接触する面積を、前記改質器に供給される被改質ガスの流量の変化に基づき、前記貯水部に貯められた水の水面位置を変更させることによって変更し、
前記貯水部に貯められた水を吸い出すことで前記貯水部の水位を下げる一方で、前記貯水部から吸い出した水を戻すことで前記貯水部の水位を上げるように構成されており、
前記貯水部に供給される水と、前記改質器に供給される被改質ガスと、の圧力差に基づいて作動するアキュームレータ（２８０）を備え、
前記アキュームレータは、前記改質器に供給される被改質ガスの圧力が低下すると前記貯水部に貯められた水を吸い出し、前記改質器に供給される被改質ガスの圧力が上昇すると前記貯水部から吸い出した水を戻す、ことを特徴とする燃料電池装置。
燃料電池装置であって、
水を貯める貯水部（２０６ａ，２０６Ａａ）と、加熱を行う加熱部（２１３）と、を有し、前記貯水部に貯められた水を前記加熱部に接触させて加熱することによって水蒸気を発生させる水蒸発器（２０６，２０６Ａ）と、
前記水蒸発器から供給される水蒸気によって被改質ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８）と、
前記燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電気化学反応によって電力を発生させるセルスタック（ＣＳ）と、を備え、
前記加熱部が前記貯水部に貯められた水の深さ方向に延びるように形成されることで、前記水蒸気の発生量が前記貯水部に貯められた水の深さに応じて変動するように構成されており、
前記水と前記加熱部とが接触する面積を、前記改質器に供給される被改質ガスの流量の変化に基づき変更し、
前記貯水部に被改質ガスを供給する被改質ガス供給部（２４０Ａ）を備え、
供給した被改質ガスにより前記貯水部に貯められた水を飛散させることによって、前記貯水部に貯められた水と前記加熱部とが接触する面積を変更する燃料電池装置。