JP6331965B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電気化学反応を生じさせ、電力を発生させる燃料電池装置の研究開発が進められている。このような燃料電池装置では、セルスタックに供給する水素リッチな燃料ガスを得るために、炭化水素ガスを含む都市ガス等の原料ガスを改質する改質器が設けられることが一般的となっている。

燃料電池装置に設けられる改質器として、都市ガスを水蒸気とともに改質触媒に導入し、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。改質触媒に導入される水蒸気は、水を加熱して蒸発させる水蒸発器によって生成される。

水蒸気改質は吸熱反応であるため、その反応を進行させるためには多量の熱が必要となる。また、水蒸発器における水の蒸発にも、多量の熱が必要となる。したがって、水素リッチな燃料ガス及び水蒸気を燃料電池装置のセルスタックに安定的に供給するためには、改質器や水蒸発器に多量の熱を供給し、水蒸気改質及び水の蒸発を促進させることが必要となる。

例えば下記特許文献１には、セルスタック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、改質器等の加熱に利用する燃料電池装置が記載されている。詳細には、この燃料電池装置は、残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、その燃焼ガスを改質器等の周囲に通過させることで、改質器等に熱を供給するものである。

特開２００５−２９３９３４号公報

水蒸発器が有する熱は、蒸発する水によって奪われる。このため、水蒸発器は、燃料電池装置の他の要素と比べて低温となる傾向がある。上記特許文献１に記載の燃料電池装置のように、水蒸発器と改質器が近接配置されていると、改質器から水蒸発器への熱移動が生じてしまう。

また、水蒸発器から供給される水蒸気も、燃料電池装置の他の要素と比べて低温となる傾向がある。このため、水蒸気が改質器の近傍を流れると、改質器から水蒸気に熱が移動してしまう。

水蒸発器や水蒸気によって改質器の熱が奪われると、改質器の改質触媒の温度が低下する。これにより、水蒸気改質反応が進行しなくなったり、あるいは、水蒸気改質反応とは逆の、水素が改質前の炭化水素ガスに戻る反応が進行したりして、水素の収率や発電効率の低下を招くおそれがある。

この改質器から水蒸発器等への熱移動を抑制する方法として、両者を離間させて配置することが考えられる。しかしながら、十分な効果を得るためには、両者の離間距離を大きくする必要がある。このため、このような方法では、装置の大型化や、組立コストの増大という新たな課題を招いてしまう。

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、装置のコンパクト化を図りつつ、改質器から水蒸発器や水蒸気への熱移動を十分に抑制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、水を加熱して水蒸気を発生させるとともにその発生させた水蒸気を送り出す水蒸気送出口（２３１）を有する水蒸発器（２０６）と、 水蒸気を受け入れる水蒸気受入口（２３２）を有し、被改質ガスを水蒸気改質して燃料ガスとするとともにその燃料ガスを送り出す燃料ガス送出口（２３３）を有する改質器（２０８）と、水蒸気送出口と水蒸気受入口とを接続する水蒸気流路（２０７）と、水蒸発器及び改質器を、水蒸気流路を挟んで互いに対向するようにして内部に収容するユニットケーシング（２０５）と、燃料ガスが供給され、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、を備える。改質器は、改質触媒が配置される触媒配置部（２０８ａ）と、改質触媒が配置されず触媒配置部から流出した燃料ガスを燃料ガス送出口まで導く導出部（２０８ｂ）と、を有し、水蒸気流路と改質器とは、隔壁（２２２）を間に挟んで互いに隣接するように配置されており、水蒸気送出口と触媒配置部とは、互いに正対しないようにオフセット配置されている。

本発明では、まず、水蒸発器及び改質器を１つのユニットケーシングの内部に収容し、燃料電池装置のコンパクト化を図ることが可能となる。しかしながら、水蒸発器及び改質器をこのように配置することにより、改質器から水蒸発器への熱移動が生じ、改質器の温度が低下するという課題が生じる。

そこで、本発明では、水蒸発器及び改質器を、水蒸気流路を挟んで互いに対向するように配置している。これにより、改質器から水蒸発器への熱移動を、介在する水蒸気流路によって抑制することができる。

しかしながら、水蒸発器の水蒸気送出口から水蒸気流路に流入する水蒸気は、改質器よりも温度が低い。このため、水蒸気が改質器から熱を奪い、改質器の温度が低下してしまうという新たな課題が生じる。

そこで、本発明では、さらに、水蒸気送出口と、改質触媒が配置される触媒配置部とを、互いに正対しないようにオフセット配置している。これにより、水蒸気送出口から水蒸気流路に流入する低温の水蒸気によって、改質器の改質触媒の温度が低下することを抑制している。したがって、改質触媒において、水蒸気改質反応が進行しなくなったり、あるいは、水蒸気改質反応とは逆の、水素が改質前の燃料ガスに戻る反応が進行したりすることを抑制し、水素の収率や発電効率の向上を図ることが可能となる。

本発明によれば、装置のコンパクト化を図りつつ、改質器から水蒸発器や水蒸気への熱移動を十分に抑制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内部構造を模式的に示す図である。 第１変形例に係る燃料電池装置の改質ユニットを模式的に示す図である。 第２変形例に係る燃料電池装置の改質ユニット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、第１空気供給部３１と、第２空気供給部３２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、下部筒状体１０８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、第５筒状体１０５及び下部筒状体１０８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、後述する第１空気供給部３１の吹出口３１３が形成されている。

第２筒状体１０２は、円筒状に形成され、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。第２筒状体１０２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、第２筒状体１０２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３１１の第２加熱流路３１１ｂとなる。

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。その隙間は、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、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３１１の第１加熱流路３１１ａとなる。第５筒状体１０５の上端部は、上面蓋１０７によって覆われている。

下部筒状体１０８は、第３筒状体１０３の下部の内部に配置され、その上端がベースプレートＢＰの下面に当接して固定されている。また、下部筒状体１０８は、その外側面が第３筒状体１０３の内側面との間に隙間を形成する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１排出流路５０２ａとなる。また、下部筒状体１０８の下部には、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。

続いて、図１及び図２を参照しながら、燃料ガス供給部２０、第１空気供給部３１、第２空気供給部３２、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、都市ガス供給管２４０と、改質ユニット２０２と、燃料ガス供給管２０３と、脱硫器２０４（図２参照）と、を有している。

水供給管２０１は、その内部に水を流す配管である。水供給管２０１は、ケーシング１０の第４筒状体１０４を貫通し、改質ユニット２０２まで延びるように形成されている。

都市ガス供給管２４０は、炭化水素ガスを含む都市ガスをその内部に流す配管である。都市ガスは、都市ガス供給管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。都市ガス供給管２４０は、都市ガスに加えて空気を流すこともできる。都市ガス供給管２４０は、水供給管２０１よりも上方の位置でケーシング１０の第４筒状体１０４を貫通し、改質ユニット２０２まで延びるように形成されている。

改質ユニット２０２は、下部筒状体１０８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等の中心軸と同軸とされている。改質ユニット２０２は、下部筒状体１０８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部筒状体１０８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、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及び都市ガス供給管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及び都市ガス供給管２４０は、改質ユニット２０２の水蒸発器２０６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から水平方向に延び、さらに上方のベースプレートＢＰまで延びるように形成されている。

第１空気供給部３１は、空気加熱流路３１１と、第１空気導入管３１２と、吹出口３１３と、を有している。空気加熱流路３１１は、第１加熱流路３１１ａ及び第２加熱流路３１１ｂを有している。第１加熱流路３１１ａ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３１１ｂ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。第１空気導入管３１２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３１１の第１加熱流路３１１ａに連通している。吹出口３１３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。

第２空気供給部３２は、第２空気導入管３２１と、吹出管３２２と、を有している。第２空気導入管３２１は、空気をその内部に流す配管であり、ケーシング１０の底板１０４ｂを下方から貫通して下部筒状体１０８の内部に延びている。第２空気導入管３２１は、その上端近傍に螺旋状の螺旋部３２１ａが形成されている。吹出管３２２は、第２空気導入管３２１と連通している配管であり、第１筒状体１０１の内部において、ベースプレートＢＰから上方に向けて突出するように設けられている。吹出管３２２は、第２空気導入管３２１を流れる空気を第１筒状体１０１の内部に吹き出す。

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、下部筒状体１０８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内に向けて突出し、第２空気導入管３２１の螺旋部３２１ａに覆われ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、下部筒状体１０８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、下部筒状体１０８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。都市ガス及び空気は、都市ガス供給管２４０によって改質ユニット２０２に供給され、まず水蒸発器２０６に導入される。そして、水蒸発器２０６を通過した都市ガス及び空気は、水蒸気流路２０７を介して改質器２０８に導入される。

改質器２０８は、その内部に改質触媒２０８１（図３参照）が配置されている。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（下部筒状体１０８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、第１空気供給部３１の空気導入管３１２によってケーシング１０内に導入される空気は、図１に示されるように、空気加熱流路３１１の第１加熱流路３１１ａ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３１１ｂを下方に流れる。第２加熱流路３１１ｂを流れて第１筒状体１０１の下部に至った空気は、吹出口３１３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３１１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。

また、第２空気供給部３２の第２空気導入管３２１によってケーシング１０内に導入される空気は、図１に示されるように、螺旋部３２１ａを上方へと流れる。この空気は、バーナー４０２の周囲を旋回しながら流れることにより、バーナー４０２から熱を受けて温度が上昇する。一方、バーナー４０２は、螺旋部３２１ａを流れる空気に熱を奪われることで、過度な昇温が抑制される。第２空気導入管３２１を通過し、温度が上昇した空気は、吹出管３２２から第１筒状体１０１の内部に吹き出され、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。

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３１１の第２加熱流路３１１ｂを下方に流れる空気と、第２筒状体１０２を挟んで逆向きに流れる。これにより、第２加熱流路３１１ｂを流れる空気は、第２筒状体１０２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３１１の第１加熱流路３１１ａ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３１１ａを流れる空気は、第４筒状体１０４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。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に導入される。前述したように水蒸発器２０６は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に導入された水は加熱されて蒸発し、水蒸気となる。

水蒸発器２０６において発生した水蒸気は、都市ガスとともに水蒸気流路２０７を介して改質器２０８に導入される。改質器２０８では、その内部の改質触媒２０８１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。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から熱の供給を受けることで、吸熱反応である水蒸気改質を行っている。

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がセルスタックＣＳからの電力の取り出しが可能な発電工程（定常運転）に移行する際は、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可能な状態となっている。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を参照しながら、改質ユニット２０２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。また、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、径方向外側寄りに配置されている。隔壁２２２は、隔壁２２１よりも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水蒸気送出口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水蒸気受入口２３２を形成するように設けられている。水蒸気送出口２３１と水蒸気受入口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。

水蒸発器２０６は、隔壁２２１，２２２によって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が配置されるこの領域には、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と、都市ガス供給管２４０が連通している（図１参照）。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、上下方向に延び、水蒸気送出口２３１と水蒸気受入口２３２とを接続する流路となっている。

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、水蒸発器２０６及び改質器２０８は、水蒸気流路２０７を挟んで径方向に互いに対向するようにしてユニットケーシング２０５の内部に収容されていることとなる。ユニットケーシング２０５の内周側壁面２１４には、ユニットケーシング２０５の内外を連通する燃料ガス送出口２３３が開設されている。内周側壁面２１４には燃料ガス供給管２０３が接続され、燃料ガス送出口２３３と連通している。

改質器２０８は、触媒配置部２０８ａと、導出部２０８ｂと、を有している。触媒配置部２０８ａは改質器２０８の下部の領域であり、表面に金属を担持した改質触媒２０８１が多数配置されている。導出部２０８ｂは、改質器２０８の上部で、且つ触媒配置部２０８ａと燃料ガス送出口２３３との間の領域であり、そこには改質触媒２０８１は配置されていない。

触媒配置部２０８ａは、水蒸気送出口２３１の下端（換言すれば、隔壁２２１の上端）の高さ位置Ｈよりも下方に位置している。すなわち、水蒸気送出口２３１と触媒配置部２０８ａとは、互いに正対しないように上下方向にオフセット配置されている。水蒸気送出口２３１は、導出部２０８ｂと正対している。

以上のように構成された改質ユニット２０２では、水供給管２０１と都市ガス供給管２４０とによって、水蒸発器２０６に水と都市ガスとが導入される。前述したように、水蒸発器２０６は、燃焼ガス排出流路５０２の第２排出流路５０２ｂを流れる高温の燃焼ガスによって加熱されている。そのため、水蒸発器２０６に導入された水は加熱され、蒸発して水蒸気が発生する。

水蒸発器２０６において発生した水蒸気は、都市ガスとともに水蒸気送出口２３１から流出する。これらのガスは、水蒸気流路２０７に流入すると、隔壁２２２のうち導出部２０８ｂと隣り合う部分に当たって流れの向きを下方に変える。さらに、当該ガスは、隔壁２２１のうち触媒配置部２０８ａと隣り合う部分と、隔壁２２２とに沿って、水蒸気受入口２３２に向けて流れる。水蒸気流路２０７の下端部に達した当該ガスは、水蒸気受入口２３２から流出する。

水蒸気受入口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水蒸気及び都市ガスは、当該領域に配置されている改質器２０８に導入される。改質器２０８の触媒配置部２０８ａでは、改質触媒２０８１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。この燃料ガスは、触媒配置部２０８ａから流出すると、導出部２０８ｂによって燃料ガス送出口２３３まで導かれ、さらに燃料ガス供給管２０３によってセルスタックＣＳに供給される。

ここで、水蒸発器２０６が有する熱は、水蒸発器２０６において蒸発する水に奪われる。このため、水蒸発器２０６は、燃料電池装置ＦＣの他の要素と比べて低温となる。仮に、改質器２０８から低温の水蒸発器２０６に輻射や熱伝達によって熱が移動し、改質器２０８において水蒸気改質に用いることができる熱が減少してしまうと、水素の収率や発電効率の低下を招くおそれがある。特に、水蒸発器２０６と改質器２０８とを１つのユニットケーシング２０５内に収容している場合は、この熱移動の懸念は大きなものとなる。改質器２０８と低温の水蒸発器２０６とを大きく離間した状態で配置することで上記熱移動を抑制する方法も考えられるが、このような方法は、装置の大型化や、組立コストの増大という新たな課題を招く。

また、水蒸発器２０６において発生して間もない水蒸気は、燃料電池装置ＦＣの他の要素と比べて低温である。したがって、仮に、改質器２０８から水蒸気に熱伝達によって熱が移動し、改質触媒２０８１の温度が低下してしまうと、当該改質触媒２０８１において、水蒸気改質反応が進行しなくなったり、あるいは、水蒸気改質反応とは逆の、水素が改質前の炭化水素ガスに戻る反応が進行したりするおそれがある。このため、水素の収率低下や発電効率の低下を招いてしまう。

このような課題に対し、本実施形態では、まず、水蒸発器２０６及び改質器２０８を、水蒸気流路２０７を挟んで径方向に互いに対向するように配置することで、改質器２０８から水蒸発器２０６への熱移動を抑制している。つまり、改質器２０８から水蒸発器２０６への熱移動を、介在する水蒸気流路２０７によって抑制することが可能となる。したがって、改質器２０８における水蒸気改質に用いる熱を確保しつつ、水蒸発器２０６を改質器と近づけて配置し、両者を１つのユニットケーシング２０５の内部に収容し、装置のコンパクト化を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、水蒸気送出口２３１と触媒配置部２０８ａとを、互いに正対しないように上下方向にオフセット配置している。これにより、水蒸気送出口２３１から水蒸気流路２０７に流入する低温の水蒸気によって、改質器２０８の改質触媒２０８１の温度が低下することを抑制している。したがって、改質触媒２０８１において、水蒸気改質反応が進行しなくなったり、あるいは、水蒸気改質反応とは逆の、水素が改質前の炭化水素ガスに戻る反応が進行したりすることを抑制し、水素の収率や発電効率の向上を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態では、水蒸気送出口２３１は、改質器２０８の導出部２０８ｂと互いに正対するように配置されている。これにより、水蒸気送出口２３１から水蒸気流路２０７に流入する低温の水蒸気は、導出部２０８ｂから熱を奪ってその温度が上昇する。導出部２０８ｂに存在する燃料ガスは、導出部２０８ｂが熱を奪われることでその温度が低下する。しかしながら、導出部２０８ｂには改質触媒２０８１が配置されていないため、導出部２０８ｂに存在する燃料ガス中の水素が、改質前の都市ガスに戻る反応が進行してしまうことはない。また、水蒸気が導出部２０８ｂから熱を奪って温度が上昇することで、水蒸気流路２０７の下流側において水蒸気が触媒配置部２０８ａから熱を奪うことを抑制することができる。このため、触媒配置部２０８ａに配置された改質触媒２０８１において、水蒸気改質反応が進行しなくなったり、あるいは、水蒸気改質反応とは逆の、水素が改質前の炭化水素ガスに戻る反応が進行したりすることを抑制し、水素の収率や発電効率の向上を図ることが可能となる。

次に、第１変形例に係る燃料電池装置の改質ユニット２０２Ａについて、図４を参照しながら説明する。改質ユニット２０２Ａは、前述した実施形態の改質ユニット２０２に代えて燃料電池装置ＦＣに搭載されるものであり、ケーシング１０の下部筒状体１０８と第３筒状体１０３との間に形成される隙間（第１排出流路５０２ａ）に配置されている。

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２０２Ａ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。改質ユニット２０２Ａは、その外形が円環状に形成され、内部に収容する水蒸発器２０６と改質器２０８とが水蒸気流路２０７を挟んで互いに対向するという基本的な構成は、改質ユニット２０２と共通している。このため、以下では改質ユニット２０２Ａのうち、改質ユニット２０２と同一の機能を有する構成については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図４に示されるように、改質ユニット２０２Ａは、その隔壁２２２に複数のフィンＦが設けられている。各フィンＦは、金属製で平板状の部材であり、互いに間隔を空けて設けられている。また、各フィンＦは、水蒸気送出口２３１の下端（換言すれば、隔壁２２１の上端）の高さ位置Ｈよりも上方に設けられている。すなわち、各フィンＦは、隔壁２２２のうち導出部２０８ｂと隣り合う部分に、水蒸気流路２０７に向けて突出するように設けられている。

以上のように構成された改質ユニット２０２Ａでは、水蒸発器２０６において発生した水蒸気は、都市ガスととともに水蒸気送出口２３１から流出し、水蒸気流路２０７に流入する。水蒸気流路２０７に流入する際、水蒸気は、水蒸気送出口２３１と正対する位置に設けられた各フィンＦの表面を流れる。

各フィンＦは、導出部２０８ｂを流れる燃料ガスから隔壁２２２を介した熱伝導によって熱を受け、高温となっている。したがって、各フィンＦの表面を流れる水蒸気は、各フィンＦからの熱伝達によって熱を受け、その温度が上昇する。すなわち、各フィンＦは、水蒸気送出口２３１から水蒸気流路２０７に流入する水蒸気との接触面積を大きくし、燃料ガスから水蒸気への熱移動を促進するように機能している。

このようにして、水蒸気が導出部２０８ｂの燃料ガスから熱を奪って温度が上昇することで、水蒸気流路２０７の下流側において水蒸気が触媒配置部２０８ａから熱を奪うことをさらに抑制することができる。このため、触媒配置部２０８ａに配置された改質触媒２０８１において、水蒸気改質反応が進行しなくなったり、あるいは、水蒸気改質反応とは逆の、水素が改質前の炭化水素ガスに戻る反応が進行したりすることを抑制し、水素の収率や発電効率の向上を図ることが可能となる。

続いて、第２変形例に係る燃料電池装置の改質ユニット２０２Ｂについて、図５を参照しながら説明する。改質ユニット２０２Ｂは、前述した実施形態の改質ユニット２０２に代えて燃料電池装置ＦＣに搭載されるものであり、ケーシング１０の下部筒状体１０８と第３筒状体１０３との間に形成される隙間（第１排出流路５０２ａ）に配置されている。

図５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２０２Ｂ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。改質ユニット２０２Ｂは、その外形が円環状に形成され、内部に収容する水蒸発器２０６と改質器２０８とが水蒸気流路２０７を挟んで互いに対向するという基本的な構成は、改質ユニット２０２と共通している。このため、以下では改質ユニット２０２Ｂのうち、改質ユニット２０２と同一の機能を有する構成については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図５に示されるように、改質ユニット２０２Ｂは、その内部に断熱材ＨＩが設けられている。断熱材ＨＩは、隔壁２２２の周囲を覆う円環状の部材であり、隔壁２２２を形成する金属材料よりも熱伝導率が小さい材料によって形成されている。また、断熱材ＨＩは、隔壁２２２の外周側の面のうち、水蒸気送出口２３１の下端（換言すれば、隔壁２２１の上端）の高さ位置Ｈよりも下方の部位に貼り付けられている。

以上のように構成された改質ユニット２０２Ｂでは、断熱材ＨＩが介在することにより、触媒配置部２０８ａから水蒸気への熱移動が抑制される。これにより、触媒配置部２０８ａの改質触媒２０８１の温度が低下することを抑制することができる。したがって、触媒配置部２０８ａに配置された改質触媒２０８１において、水蒸気改質反応が進行しなくなったり、あるいは、水蒸気改質反応とは逆の、水素が改質前の炭化水素ガスに戻る反応が進行したりすることを抑制し、水素の収率や発電効率の向上を図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。

２０５：ユニットケーシング
２０６：水蒸発器
２０７：水蒸気流路
２０８：改質器
２０８ａ：触媒配置部
２０８ｂ：導出部
２３１：水蒸気送出口
２３２：水蒸気受入口
２３３：燃料ガス送出口
ＣＳ ：セルスタック
Ｆ ：フィン
ＦＣ ：燃料電池装置
ＨＩ ：断熱材

Claims (4)

1. 燃料電池装置（ＦＣ）であって、
   水を加熱して水蒸気を発生させるとともにその発生させた水蒸気を送り出す水蒸気送出口（２３１）を有する水蒸発器（２０６）と、
   水蒸気を受け入れる水蒸気受入口（２３２）を有し、被改質ガスを水蒸気改質して燃料ガスとするとともにその燃料ガスを送り出す燃料ガス送出口（２３３）を有する改質器（２０８）と、
   前記水蒸気送出口と前記水蒸気受入口とを接続する水蒸気流路（２０７）と、
   前記水蒸発器及び前記改質器を、前記水蒸気流路を挟んで互いに対向するようにして内部に収容するユニットケーシング（２０５）と、
   前記燃料ガスが供給され、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、
   前記改質器は、改質触媒が配置される触媒配置部（２０８ａ）と、改質触媒が配置されず前記触媒配置部から流出した前記燃料ガスを前記燃料ガス送出口まで導く導出部（２０８ｂ）と、を有し、
   前記水蒸気流路と前記改質器とは、隔壁（２２２）を間に挟んで互いに隣接するように配置されており、
   前記水蒸気送出口と前記触媒配置部とは、互いに正対しないようにオフセット配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記水蒸気送出口は、前記導出部と互いに正対するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記導出部から前記水蒸気流路に向けて突出するフィン（Ｆ）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記触媒配置部と前記水蒸気流路との間に断熱材（ＨＩ）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。

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