JP6361468B2 - 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を設けることが一般的となっている。

例えば、下記特許文献１には、改質器に水蒸気及び原料ガスを導入する燃料電池装置が記載されている。当該燃料電池装置では、水蒸気と原料ガスとを含む混合ガスが配管を介して改質器に供給され、改質器では、その内部の改質触媒において水蒸気改質が行われる。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であるため、燃料電池装置は、高い発電効率を発揮することが可能となる。

特開２０１１−２３８３６３号公報

改質器において、原料ガスから無駄なく水素ガスを生成するためには、供給される混合ガス中の水蒸気と原料ガスとの比が適正な値となっている必要がある。この比は、配管よりも上流側において調整される。

しかしながら、配管によって供給される混合ガス中で、水蒸気と原料ガスとの混合具合にばらつきが生じると、改質触媒の反応において原料ガス又は水蒸気が不足し、必要量の水素ガスを生成できなかったり、発電効率が低下したりするといった問題を招来する。

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、改質器に供給する水蒸気と原料ガスとの混合具合にばらつきが生じることを抑制し、高い発電効率を発揮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、円環状に形成され、水を受け入れる水受入口（２０１ａ）と、原料ガスを受け入れる原料ガス受入口（２４０ａ）と、受け入れた水を加熱して水蒸気を発生させる加熱空間（２０６ａ）と、加熱空間から水蒸気と原料ガスとを含む混合ガスを外部に排出する排出口（２３１）と、を有する水蒸発器（２０６）と、水蒸発器と略同軸の円環状に形成され、混合ガスを受け入れる混合ガス受入口（２３２）を有し、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８）と、排出口と混合ガス受入口とを繋ぐ混合ガス流路（２０７）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。排出口は、加熱空間及び混合ガス流路よりも流路断面積が小さい開口であり、排出口は、水受入口よりも上方に形成されている。

本発明では、排出口が、加熱空間及び混合ガス流路よりも流路断面積が小さい開口である。このため、混合ガスの流れは、排出口を介して加熱空間から排出される際にその流速が高まるとともに、その後に流入する混合ガス流路において乱れたものとなる。したがって、この流れの乱れによって混合ガス中の水蒸気と原料ガスとの混合を促進し、均一に混合した状態で改質器に供給することができる。

本発明によれば、改質器に供給する水蒸気と原料ガスとの混合具合にばらつきが生じることを抑制し、高い発電効率を発揮することができる燃料電池装置を提供することが可能となる。

本発明の第１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排出口近傍の拡大図である。 図１に示される改質ユニットの混合ガス流路の内部を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置の改質ユニットの水蒸発器を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置の改質ユニットの混合ガス流路の内部を示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施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、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、第１筒状体１０１等と同軸の円環状に形成されており、下部筒状体１０８を囲むように、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、混合ガス流路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の第１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、過度に昇温することが抑制される。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。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、都市ガスとともに混合ガス流路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。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１、図３及び図４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、混合ガス流路２０７と、改質器２０８と、を備えている。

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。図４は、改質ユニット２０２のうち、隔壁２２１等の図示を省略し、隔壁２２２の周囲を示している。

隔壁２２１は、ユニットケーシング２０５の内部において上下方向に延びている。隔壁２２１は、その上端がユニットケーシング２０５の上側壁面に接続され、その下端がユニットケーシング２０５の下側壁面に接続されている。

隔壁２２２は、ユニットケーシング２０５の内部において上下方向に延びている。隔壁２２２は、その上端がユニットケーシング２０５の上側壁面に接続され、その下端がユニットケーシング２０５の下側壁面に接続されている。隔壁２２２の下端部近傍には、径方向に貫通する複数の混合ガス受入口２３２が形成されている。

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、外周側壁面と隔壁２２１とによって外周側に形成された円環状の領域を実質的に専有するように配置されている。当該円環状の領域は、有底の加熱空間２０６ａとなっている。

この水蒸発器２０６は、その外周面に水受入口２０１ａ及び都市ガス受入口２４０ａが形成されている。水受入口２０１ａ及び都市ガス受入口２４０ａは、いずれも水蒸発器２０６の加熱空間２０６ａの内外を連通している。都市ガス受入口２４０ａは、水受入口２０１ａよりも上方の位置に形成されている。

水受入口２０１ａには管状の水供給管２０１が接続されている。また、都市ガス受入口２４０ａには管状の都市ガス供給管２４０が接続されている。水蒸発器２０６は、水供給管２０１と都市ガス供給管２４０とによって供給される水と原料ガスとを、水受入口２０１ａと都市ガス受入口２４０ａとを介して加熱空間２０６ａに受け入れる。

図１及び図３に示されるように、隔壁２２１の上部であって、水受入口２０１ａ及び都市ガス受入口２４０ａと周方向にオフセットした位置には、排出口２３１が形成されている。排出口２３１は、単一の開口であり、その流路断面積が加熱空間２０６ａ及び後述する混合ガス流路２０７よりも小さいオリフィス状に形成されている。

混合ガス流路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円環状の領域に設けられている。混合ガス流路２０７は、上下方向に延び、排出口２３１と、混合ガス受入口２３２とを繋ぐ流路となっている。

図１及び図４に示されるように、混合ガス流路２０７には、案内壁２０７ａが設けられている。案内壁２０７ａは、隔壁２２２と隔壁２２１との間に跨るとともに、隔壁２２２の外周側を旋回する螺旋状に形成された板状の部材である。これにより、混合ガス流路２０７は、排出口２３１から流入するガスを、隔壁２２２の外周面の少なくとも一部に沿って旋回させて下方へと流し、混合ガス受入口２３２に導く流路となっている。

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、内周側壁面と隔壁２２２とによって内周側に形成された円環状の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、混合ガス流路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。

また、改質器２０８は、表面に金属を担持した改質触媒２０８１を有している。ユニットケーシング２０５の内周側壁面には、改質器２０８が配置される領域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。

以上のように構成された第１実施形態に係る燃料電池装置ＦＣでは、水蒸発器２０６に水及び都市ガスが供給されると、その加熱空間２０６ａに貯留された水が加熱され、水蒸気が発生する。この水蒸気と都市ガスとを含む混合ガス（以下、単に「混合ガス」ともいう）は、排出口２３１を介して加熱空間２０６ａから排出される。

前述したように、排出口２３１は、加熱空間２０６ａ及び混合ガス流路２０７よりも流路断面積が小さい開口とされている。このため、混合ガスの流れは、排出口２３１を介して加熱空間２０６ａから排出される際にその流速が高まるとともに、その後に流入する混合ガス流路２０７において乱れたものとなる。したがって、混合ガス中の水蒸気と都市ガスとの混合を促進し、均一に混合させた状態で、混合ガス受入口２３２から改質器２０８に供給することができる。

ここで、例えば、加熱空間２０６ａから混合ガスを排出する開口を複数設けると、当該開口ごとに、排出する混合ガス中の水蒸気と都市ガスとの混合具合にばらつきが生じる場合がある。これにより、改質器２０８の改質触媒２０８１において、供給される混合ガス中の水蒸気と原料ガスとの比が適正な値から乖離し、水蒸気改質を安定的に行えなくなるおそれがある。

これに対し、第１実施形態に係る燃料電池装置ＦＣでは、排出口２３１は、単一の開口である。したがって、加熱空間２０６ａから排出される混合ガス中の水蒸気と都市ガスとの混合具合にばらつきが生じることを抑制し、改質器２０８において安定的に水蒸気改質を行うことが可能となる。

また、混合ガス流路２０７は、混合ガスを改質器２０８の外周面の少なくとも一部に沿って旋回させて混合ガス受入口２３２に導く。これにより、混合ガス流路２０７を流れる混合ガスは、長い流路を流れることで、水蒸気と都市ガスとが十分に混合された状態となる。また、混合ガスの流れは旋回によってさらに乱れたものとなり、水蒸気と都市ガスとの混合が一層促進される。

また、都市ガス受入口２４０ａは、水受入口２０１ａよりも上方に形成されている。このため、水受入口２０１ａによって供給され加熱空間２０６ａに供給された水が、都市ガス受入口２４０ａに流入することを抑制することができる。すなわち、水が都市ガス受入口２４０ａに流入し、都市ガス受入口２４０ａからの都市ガスの供給が阻害されてしまうことを抑制し、加熱空間２０６ａにおいて発生する水蒸気と都市ガスとの比を適正な値とすることが可能となる。

また、排出口２３１は、水受入口２０１ａよりも上方に形成されている。このため、水受入口２０１ａによって供給され加熱空間２０６ａに供給された水が、液体の状態のまま排出口２３１に至り、加熱空間２０６ａから排出されてしまうことを抑制することができる。

また、排出口２３１は、水受入口２０１ａ及び都市ガス受入口２４０ａと周方向にオフセットした位置に形成されている。したがって、水受入口２０１ａから水が供給されて発生した水蒸気と、都市ガス受入口２４０ａから供給された都市ガスとを、水蒸発器２０６の加熱空間２０６ａにおいて長い経路を流した後に、排出口２３１から排出することができる。したがって、排出口２３１から排出される混合ガスの混合具合を高めることができる。

続いて、第２実施形態に係る燃料電池装置の改質ユニット２０２Ａについて、図５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５は、改質ユニット２０２Ａのうち、水蒸発器２０６の部分を模式的に示している。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とが混合ガス流路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。

水受入口２０１ａ及び都市ガス受入口２４０ａは、互いに周方向にオフセットした位置で水蒸発器２０６に連通している。さらに、水蒸発器２０６を形成する隔壁２２１の上部であって、水受入口２０１ａ及び都市ガス受入口２４０Ａａと周方向にオフセットした位置に、排出口２３１Ａが形成されている。排出口２３１Ａは、単一の開口であり、その流路断面積が加熱空間２０６ａ及び混合ガス流路２０７よりも小さいオリフィス状に形成されている。

排出口２３１Ａは、水受入口２０１ａ寄りの部位である第１部２３１Ａ１と、都市ガス受入口２４０Ａａ寄りの第２部２３１Ａ２と、を有している。水蒸発器２０６の加熱空間２０６ａには、都市ガス受入口２４０Ａａと第２部２３１Ａ２とを接続する内部配管２４１が設けられている。これにより、加熱空間２０６ａに、内部配管２４１の内部の都市ガス流路２４１ａと、内部配管２４１の外部の水流路２１１ａとが、互いに独立して設けられている。

都市ガス受入口２４０Ａａから供給された都市ガスは、都市ガス流路２４１ａを流れ、排出口２３１Ａの第２部２３１Ａ２に導かれる。一方、水受入口２０１ａから加熱空間２０６ａに水が供給されると、貯留された水が加熱され、水蒸気が発生する。この水蒸気は、水流路２１１ａを流れ、排出口２３１Ａの第１部２３１Ａ１に導かれる。排出口２３１Ａに導かれた都市ガス及び水蒸気は、排出口２３１Ａを介して加熱空間２０６ａから排出される。この排出の際に都市ガス及び水蒸気が合流し、混合ガスとなって混合ガス流路２０７に流入する。

前述したように、排出口２３１は、加熱空間２０６ａ及び混合ガス流路２０７よりも流路断面積が小さい開口とされている。このため、混合ガスの流れは、排出口２３１を介して加熱空間２０６ａから排出される際にその流速が高まるとともに、その後に流入する混合ガス流路２０７において乱れたものとなる。したがって、混合ガス中の水蒸気と都市ガスとの混合を促進し、均一に混合させた状態で、混合ガス受入口２３２から改質器２０８に供給することができる。

また、改質ユニット２０２Ａは、その水蒸発器２０６の加熱空間２０６ａにおいて、内部配管２４１の内部の都市ガス流路２４１ａと、内部配管２４１の外部の水流路２１１ａとが互いに独立している。このため、水流路２１１ａにおいて水の突沸が生じたり、都市ガス受入口２４０Ａａから供給される都市ガスの流量に変動が生じたりした場合にも、その影響が他方のガスに及ぼす影響を抑制することができる。このため、排出口２３１から排出される混合ガスにおいて、水蒸気と都市ガスとの比を適正な値とすることが可能となる。

続いて、第３実施形態に係る燃料電池装置の改質ユニット２０２Ｂについて、図６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６は、改質ユニット２０２Ｂのうち、隔壁２２１等の図示を省略し、隔壁２２２の周囲を示している。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とが混合ガス流路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。

改質ユニット２０２Ｂは、その混合ガス流路２０７に、案内壁２０７ｂが設けられている。案内壁２０７ｂは、隔壁２２２と隔壁２２１との間に跨るとともに、隔壁２２２の外周側を旋回する円環状の板状の部材である。案内壁２０７ｂは、隔壁２２１の排出口２３１（図１参照）よりも下方において略水平に配置され、複数の溶接部２０７ｃにおいて隔壁２２２の外周面に接続されている。

案内壁２０７ｂの内周面と隔壁２２２の外周面との間には、隙間２０７ｄが複数形成されている。また、案内壁２０７ｂには、上下方向に貫通する貫通孔２０７ｅが、周方向に互いに間隔を空けて複数形成されている。案内壁２０７ｂによって区画形成される混合ガス流路２０７の上方の空間と下方の空間とが、隙間２０７ｄ及び貫通孔２０７ｅにおいて連通している。

以上のように構成された改質ユニット２０２Ｂでは、排出口２３１から混合ガス流路２０７に流入した混合ガスは、まず、案内壁２０７ｂよりも上方の空間を流れる。この混合ガスは、案内壁２０７ｂの上面に沿って、隔壁２２２の外周側を旋回するように流れる。さらに、混合ガスは、隙間２０７ｄ及び貫通孔２０７ｅを通過し、案内壁２０７ｂよりも下方の空間に至る。その後、混合ガスは、さらに下方に流れて混合ガス受入口２３２に導かれる。

混合ガス流路２０７は、混合ガスを改質器２０８の外周面の少なくとも一部に沿って旋回させて混合ガス受入口２３２に導く。これにより、混合ガス流路２０７を流れる混合ガスは、長い流路を流れることで、水蒸気と都市ガスとが十分に混合された状態となる。また、当該混合ガスの流れは、隙間２０７ｄや貫通孔２０７ｅを通過することでさらに乱れたものとなるため、水蒸気と都市ガスとの混合が一層促進される。

尚、本実施形態は、隙間２０７ｄ及び貫通孔２０７ｅの双方を備えたものとしているが、本発明はこの形態に限定されるものではない。すなわち、隙間２０７ｄ及び貫通孔２０７ｅの一方のみを備えた形態においても、水蒸気と都市ガスとの混合の促進を図ることが可能である。例えば、案内壁２０７ｂの内周面と隔壁２２２の外周面とを全周に亘って溶接し、隙間２０７ｄを形成しない形態においても、貫通孔２０７ｅのみを通過させることによって混合ガスの流れに乱れを生じさせ、水蒸気と都市ガスとの混合の促進を図ることが可能である。

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。

２０１ａ：水受入口
２０６：水蒸発器
２０６ａ：加熱空間
２０７：混合ガス流路
２０８：改質器
２１１ａ：水流路
２４０ａ：都市ガス受入口（原料ガス受入口）
２４１ａ：都市ガス流路（原料ガス流路）
２３１：排出口
２３２：混合ガス受入口
ＣＳ ：セルスタック
ＦＣ ：燃料電池装置

Claims (5)

1. 燃料電池装置（ＦＣ）であって、
   円環状に形成され、水を受け入れる水受入口（２０１ａ）と、原料ガスを受け入れる原料ガス受入口（２４０ａ）と、受け入れた水を加熱して水蒸気を発生させる加熱空間（２０６ａ）と、前記加熱空間から水蒸気と原料ガスとを含む混合ガスを外部に排出する排出口（２３１）と、を有する水蒸発器（２０６）と、
   前記水蒸発器と略同軸の円環状に形成され、前記混合ガスを受け入れる混合ガス受入口（２３２）を有し、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８）と、
   前記排出口と前記混合ガス受入口とを繋ぐ混合ガス流路（２０７）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、
   前記排出口は、前記加熱空間及び前記混合ガス流路よりも流路断面積が小さい開口であり、
   前記排出口は、前記水受入口よりも上方に形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記混合ガス流路は、前記混合ガスを前記改質器の外周面の少なくとも一部に沿って旋回させて前記混合ガス受入口に導くことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記排出口は、単一の開口であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記原料ガス受入口は、前記水受入口よりも上方に形成さ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。
5. 前記水蒸発器は、前記水受入口から受け入れた水を前記排出口に導く水流路（２１１ａ）と、前記水流路と互いに独立しており、前記原料ガス受入口から受け入れた原料ガスを前記排出口に導く原料ガス流路（２４１ａ）と、を内部に有していることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。

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