JP6446910B2 - 燃料電池システム及び気体流量制限器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び気体流量制限器に関する。

燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）等）は、水素を含有する水素含有ガスと空気とを電気化学的に反応させて、発電を行う。このような燃料電池に加え、蒸発器、改質器及び燃焼器を備えた燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。

燃料電池システムにおいては、蒸発器は、供給された改質水を蒸発（気化）させて、水供給ラインを介して、改質器に供給する。改質器は、蒸発した改質水と、都市ガスなどの炭化水素系燃料に基づいて、触媒上で、水素含有ガスを生成する。改質器は、生成された水素含有ガスを燃料電池に供給する。燃焼器は、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼処理する。

特開２０１０−１６０９２９号公報

ところで、改質器において一定量の改質ガス（水素含有ガス）を連続的に生成するためには、蒸発器から改質器に対して一定量の蒸気を連続的に供給する必要がある。このためには、蒸発器においては、供給される改質水に対して一定且つ連続的に熱を供給する必要がある。

蒸発器が改質水に対して連続的に一定の熱を供給している状態で、蒸発器に供給される改質水の量が少なくなると、蒸発をさせるための熱量が、少なくなった改質水に加わることになる。これが、改質水の突沸等の原因となる。改質水が突沸すると改質水の体積が急激に膨張し、膨張の際に生じた衝撃波が水供給ラインに加わり、燃料電池のスタック及び水供給ラインが破損することがある。

この解決方法として、例えば、水供給ラインにバッファを設け、膨張の際に生じる衝撃波をバッファで緩和させることが考えられる。しかし、衝撃波を十分に緩和させるためには、バッファの体積をある程度大きくしなければならない。すると、燃料電池システム全体が大きくなってしまうという別の問題が発生する。この問題は、燃料電池システムに限らず気体が流通する気体流路を有する気体流通ラインについても起こり得る。

したがって、本発明は、燃料電池システムの大型化を回避しながら、改質水の急激な膨張に対する耐性が高い燃料電池システム、及び気体が急激に膨張する際に生じる衝撃波を緩和することのできる気体流量制限器を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、前記改質器へ水を供給可能な水供給部と、前記水供給部からの水を前記改質器に向けて流通する流通空間を有する水供給ラインと、前記水供給ラインに接続され、前記水供給ラインに流通する水を気化させて水蒸気として前記改質器へ供給する蒸発器と、前記蒸発器と前記改質器との間の前記水供給ラインの部分に接続された水蒸気流量制限部と、を備え、（ｉ）前記水供給ラインにおいて、前記水供給ラインの前記流通空間の流路断面積を第１の断面積とする第１位置と、前記水供給ラインの前記流通空間の流路断面積を第１の断面積よりも広い第２の断面積とする第２位置と、の間で移動可能な流量調整体と、（ｉｉ）前記流量調整体を前記第２位置に配置させるように前記流量調整体を付勢する付勢部材と、（ｉｉｉ）前記水供給ラインの前記流通空間において水蒸気の流れを阻害するように前記水供給ラインの内面から前記流通空間に突出すると共に前記水供給ラインの内面の周方向に沿って一周するように設けられた内面壁部であって、中央開口を形成する内面壁部と、（ｉｖ）前記内面壁部に形成された貫通孔と、（ｖ）前記水供給ラインの前記流通空間における、前記内面壁部よりも下流側に設けられた付勢部材支持部と、を有し、前記流量調整体は、前記流量調整体が前記第１位置にあるときに前記流量調整体が前記内面壁部に接触して、前記貫通孔が開放されたままの状態で前記中央開口を塞ぎ、前記流量調整体が前記第２位置にあるときに前記貫通孔が開放されたままの状態で前記中央開口を開放し、前記流量調整体は、盤状の部材から構成され、前記内面壁部よりも上流側に設けられ、水蒸気から受ける力によって移動するものであり、前記付勢部材は、前記中央開口を挿通して配置され、前記付勢部材の一端部は、前記付勢部材支持部に接続され、前記付勢部材の他端部は、前記流量調整体に接続されている、燃料電池システムに関する。

また、前記水蒸気流量制限部を複数有していることが好ましい。

また、前記複数の水蒸気流量制限部は、直列に接続されていることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池システムの大型化を回避しながら、改質水の急激な膨張に対する耐性が高い燃料電池システム、及び気体が急激に膨張する際に生じる衝撃波を緩和することのできる気体流量制限器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システム１を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る気体流量制限器である水蒸気流量制限部３０の一例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る気体流量制限器である水蒸気流量制限部３０を示す図である。（ａ）は、水蒸気流量制限部３０の平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ′線断面を示す図である。（ｃ）は、水蒸気流量制限部３０の底面図である。

［実施形態］
以下、本発明の実施形態における燃料電池システム１、及び気体流量制限器について、図１〜３を参照して説明する。本発明の実施形態に係る気体流量制限器は、燃料電池システム１に係る水蒸気流量制限部３０に対応する。そのため、以下では、気体流量制限器として、水蒸気流量制限部３０を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１を示す概略図である。図２は、本発明の実施形態に係る気体流量制限器である水蒸気流量制限部３０の一例を示す概略図である。図３は、本発明の実施形態に係る気体流量制限器である水蒸気流量制限部３０を示す図である。（ａ）は、水蒸気流量制限部３０の平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ′線断面を示す図である。（ｃ）は、水蒸気流量制限部３０の底面図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、燃焼器１２と、改質器２１と、蒸発器２２と、水蒸気流量制限部３０と、断熱壁部材４０と、を備える。

また、燃料電池システム１は、燃料ガス供給ラインＬ１と、水供給ラインＬ２（Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３）と、改質ガス供給ラインＬ３と、空気供給ラインＬ４と、燃焼前オフガス排出ラインＬ５と、燃焼後オフガス排出ラインＬ６と、を備える。なお、「ライン」とは、流路、経路、及び管路等の総称である。

［ラインの説明］
燃料ガス供給ラインＬ１においては、燃料ガス供給ラインＬ１の一端部は、都市ガス等の燃料ガスＧ１を供給可能な燃料ガス供給部（図示せず）に接続され、燃料ガス供給ラインＬ１の他端部は改質器２１に接続されている。燃料ガスＧ１は、燃料ガス供給部から燃料ガス供給ラインＬ１を流通して、改質器２１に供給される。

水供給ラインＬ２は、蒸発器水供給ラインＬ２１、上流水供給ラインＬ２２、及び下流水供給ラインＬ２３から構成されている。蒸発器水供給ラインＬ２１の一端部は、水供給部としての水貯留部（図示せず）に接続され、蒸発器水供給ラインＬ２１の他端部は、蒸発器２２に接続されている。蒸発器水供給ラインＬ２１の途中には、ポンプ５１が接続されている。ポンプ５１は、蒸発器２２に改質水Ｗ１を供給するために、水貯留部からの改質水Ｗ１を加圧する。水貯留部内の改質水Ｗ１は、ポンプ５１の駆動によって、水貯留部から蒸発器水供給ラインＬ２１を流通して、蒸発器２２へ供給される。

上流水供給ラインＬ２２においては、上流水供給ラインＬ２２の一端部は、蒸発器２２に接続され、上流水供給ラインＬ２２の他端部は、水蒸気流量制限部３０に接続されている。蒸発器２２により蒸発された改質水Ｗ１（以下、「蒸発水Ｗ２１」という）は、蒸発器２２から上流水供給ラインＬ２２を流通して、水蒸気流量制限部３０へ供給される。

下流水供給ラインＬ２３においては、下流水供給ラインＬ２３の一端部は、水蒸気流量制限部３０に接続され、下流水供給ラインＬ２３の他端部は、改質器２１に接続されている。水蒸気流量制限部３０を流通した蒸発水（以下、「蒸発水Ｗ２２」という）は、水蒸気流量制限部３０から下流水供給ラインＬ２３を流通して、改質器２１に供給される。

したがって、上流水供給ラインＬ２２と下流水供給ラインＬ２３との間には、水蒸気流量制限部３０が配置されている。上流水供給ラインＬ２２は、水蒸気流量制限部３０よりも蒸発水Ｗ２１の上流側に配置され、下流水供給ラインＬ２３は、水蒸気流量制限部３０よりも蒸発水Ｗ２１の下流側に配置されている。

改質ガス供給ラインＬ３においては、改質ガス供給ラインＬ３の一端部は改質器２１に接続され、改質ガス供給ラインＬ３の他端部は燃料電池１１に接続されている。改質器２１において生成される水素を含む改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を流通して、燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。

空気供給ラインＬ４においては、空気供給ラインＬ４の一端部は、酸素を含む空気Ａ１を燃料電池１１に供給するための空気供給部としてのブロワ（図示せず）及びフィルタ（図示せず）に接続されている。空気供給ラインＬ４の他端部は燃料電池１１に接続されている。空気Ａ１は、ブロワからフィルタを通過し、空気供給ラインＬ４を流通して、燃料電池１１に供給される。

燃焼前オフガス排出ラインＬ５（以下、「オフガス排出ラインＬ５」という）においては、オフガス排出ラインＬ５の一端部は、燃料電池１１に接続され、オフガス排出ラインＬ５の他端部は、燃焼器１２に接続されている。燃料電池１１から排出された燃焼前オフガスＧ３は、オフガス排出ラインＬ５を流通して、燃焼器１２に供給される。

燃焼後オフガス排出ラインＬ６（以下、「オフガス排出ラインＬ６」という）においては、オフガス排出ラインＬ６の一端部は、燃焼器１２に接続され、オフガス排出ラインＬ６の他端部は、屋外（図示せず）に開放されている。燃焼器１２により燃焼された燃焼前オフガスＧ３（つまり、燃焼後オフガスＧ４）は、オフガス排出ラインＬ６を流通して、燃料電池システム１の外に排出される。

［各装置の説明］
燃料電池１１としては、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池１１は、燃料電池スタック（図示せず）を有している。燃料電池スタックは、複数の発電セル（図示せず）とセパレータ（図示せず）とを交互に積層することで形成される。

発電セルは、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に設けられた電解質層と、を有する。アノードは、ニッケル等から形成されている。

燃料電池１１は、改質器２１から改質ガス供給ラインＬ３を介してアノードに供給される改質ガスＧ２と、空気供給ラインＬ４からカソードに供給される空気Ａ１中の酸素とを反応させることにより、発電を行なうことができる。燃料電池１１による発電時の温度である運転温度は、５００℃〜１０００℃程度である。燃料電池１１によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。

燃料電池１１は、アノードからのオフガスであるアノードオフガス、及びカソードからのオフガスであるカソードオフガスを排出する。アノードオフガス（燃焼前オフガスＧ３）は、アノードガス（水素）を含んでいる。そのため、アノードガス（水素）を不活化するために燃焼器１２によって燃焼処理を行う。

燃焼されたアノードオフガス（つまり、燃焼後オフガスＧ４）、及びカソードオフガスは、燃焼器１２の下流側に接続されたオフガス排出ラインＬ７を介して、燃料電池システム１の外に排出される。

燃焼器１２は、バーナーや炉等により構成される。オフガス排出ラインＬ５を通じて供給された燃焼前オフガスＧ３が燃焼されて、すなわち、アノードオフガス及びカソードオフガスが燃焼されて、高温の燃焼後オフガスＧ４が生成される。

改質器２１は、燃料ガス供給ラインＬ１から供給された燃料ガスＧ１及び水供給ラインＬ２３から供給された蒸発水Ｗ２に基づいて、触媒上で、水素を含む改質ガスＧ２を生成する。改質器２１によって生成された水素を含む改質ガスＧ２は、改質ガス供給ラインＬ３を介して燃料電池１１へ供給される。改質器２１の運転温度は、５００℃から８００℃程度である。

蒸発器２２は、蒸発器水供給ラインＬ２１から供給された改質水Ｗ１を蒸発（気化）させる。蒸発器２２により蒸発（気化）させられた改質水Ｗ１（蒸発水Ｗ２１）は、上流水供給ラインＬ２２を介して水蒸気流量制限部３０に供給される。

図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、ほぼ同一構成の３つの水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ及び３０ｃ）から、１つのユニットが構成されている。ユニットでは、３つの水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃ）が、蒸発水Ｗ２１の上流側から下流側に向けて直列に接続されている。以下の説明において、蒸発水Ｗ２１の最も上流側に配置されている水蒸気流量制限部を第１水蒸気流量制限部３０ｃとする。そして、次に配置されている水蒸気流量制限部を第２水蒸気流量制限部３０ｂとし、蒸発水Ｗ２１の最も下流側に配置されている水蒸気流量制限部を第３水蒸気流量制限部３０ａとする。
なお、水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃ）の内部構成は実質的に同じであるため、以下の説明では、１つの水蒸気流量制限部３０のみを説明する。

次に、水蒸気流量制限部３０の内部構成を説明する。なお、以下の説明では、蒸発器２２から水蒸気流量制限部３０に供給された蒸発水を「蒸発水Ｗ２１」とし、水蒸気流量制限部３０の内部を流通した蒸発水を「蒸発水Ｗ２２」として、区別して説明する。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、水蒸気流量制限部３０は、円筒部３１と、流量調整体３２と、内面壁部３３と、付勢部材３５と、付勢部材支持部３６と、を有している。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、円筒部３１は、中空の筒状の部材から構成されている。また、図３（ｂ）に示すように、円筒部３１の内部には、流量調整体３２、内面壁部３３、付勢部材３５、及び付勢部材支持部３６が収容されている。本実施形態における円筒部３１の直径は、水供給ラインＬ２（Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３）の直径と同程度の大きさである。

図３（ｂ）に示すように、内面壁部３３は、上流水供給ラインＬ２２の内面に形成されている流通空間において、この流通空間を流通する蒸発水Ｗ２１の流れを阻害するように設けられている。具体的には、内面壁部３３は、環状且つ板状の部材から構成され、上流水供給ラインＬ２２の内面から、円筒部３１の軸方向に直交するように流通空間に突出する。内面壁部３３の外周は、上流水供給ラインＬ２２の内面の周方向に沿って一周するように設けられている。

内面壁部３３の中央部分には、円筒部３１及び内面壁部３３と同心円状に、円筒部３１の軸方向に直交する断面が円形状の中央開口３３ａがある。また、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、内面壁部３３の周縁部には、中央開口３３ａを挟んで対向するように、貫通孔３３ｂが２個ずつある。貫通孔３３ｂにおける円筒部３１の軸方向に直交する断面は、円形状である。

図３（ｂ）に示すように、付勢部材支持部３６は、円盤状の部材から構成されている。付勢部材支持部３６の外周は、上流水供給ラインＬ２２の内面の周方向に沿って一周するように設けられている。付勢部材支持部３６は、内面壁部３３よりも蒸発水Ｗ２１の流れの下流側に設けられている。図３（ｃ）に示すように、付勢部材支持部３６には、円筒部３１の軸方向に垂直な断面が扇形形状の開口部３６ｂが、複数個ある。隣接する開口部３６ｂと開口部３６ｂとの間は、付勢部材支持部３６の中心部から周縁部に向けて放射状に延びるリブ３６ａとなっている。蒸発水Ｗ２１は、開口部３６ｂを挿通して下流水供給ラインＬ２３に供給される。

図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、付勢部材３５は、圧縮コイルバネから構成されている。付勢部材３５は、円筒部３１と同軸上に、付勢部材支持部３６と流量調整体３２の間に設けられている。具体的には、付勢部材３５は、中央開口３３ａに挿通される。付勢部材３５の一端部３５ａは、付勢部材支持部３６の中心部に接続される。付勢部材３５の他端部３５ｂは、流量調整体３２の中心部に接続されている。

流量調整体３２は、円盤状の部材から構成されている。流量調整体３２の外周は、円筒部３１の内周よりも小さく、中央開口３３ａの外周よりも大きい。流量調整体３２は、内面壁部３３よりも蒸発水Ｗ２１の流れの上流側に設けられている。

流量調整体３２は、円筒部３１及び内面壁部３３と同軸的な位置関係となるように、円筒部３１内に配置されている。また、流量調整体３２は、付勢部材３５からの付勢力により、蒸発水Ｗ２１の流れに抗して蒸発水Ｗ２１の流れの上流側に向かって付勢されている。つまり、流量調整体３２は、付勢部材３５からの付勢力を受けると共に、円筒部３１及び内面壁部３３と同軸的な位置関係を保ちながら、円筒部３１内を移動することができる。

このような状態で、流量調整体３２の下端部３２ａが、内面壁部３３の上端部３３ｃに接触すると、流量調整体３２は、これ以上、蒸発水Ｗ２１の下流側に移動できなくなる。流量調整体３２の直径は、このように下端部３２ａが上端部３３ｃに接触した位置で、中央開口３３ａを塞ぎ、且つ、貫通孔３３ｂを塞がない大きさとなっている。

次に、流量調整体３２の動作について説明する。
また、以下の説明では、初期状態（流量調整体３２が蒸発水Ｗ２１からの力を受けていない状態）における、流量調整体３２の下端部３２ａの位置を、第２位置ｘ２とする。また、下端部３２ａが内面壁部３３の上端部３３ｃと接触している場合における、下端部３２ａの位置を、第１位置ｘ１とする。ここで「蒸発水Ｗ２１からの力」とは、上流水供給ラインＬ２２の流通空間において、蒸発水Ｗ２１が膨張することにより生じる力」を示す。

下端部３２ａの位置が第２位置ｘ２である場合、上流水供給ラインＬ２２の流通空間の流路断面積は、中央開口３３ａの断面積Ｓ１、及び貫通孔３３ｂの断面積Ｓ２の合計値となっている。以下の説明では、これらの断面積の合計値（Ｓ１＋Ｓ２）を第２の断面積とする。

また、下端部３２ａの位置が第１位置ｘ１である場合、流量調整体３２により中央開口３３ａが閉じられてしまうため、上流水供給ラインＬ２２の流通空間の流路断面積は、貫通孔３３ｂの断面積Ｓ２となる。以下の説明では、この断面積を第１の断面積とする。第１の断面積Ｓ２は、第２の断面積（Ｓ１＋Ｓ２）よりも小さい。

先ず、上流水供給ラインＬ２２を流通している蒸発水Ｗ２１からの力が小さい（蒸発水Ｗ２１の上流側から流量調整体３２に与える蒸発水Ｗ２１からの力が、付勢部材３５が蒸発水Ｗ２１の下流側から流量調整体３２に与える力よりも小さい）と、流量調整体３２の下端部３２ａの位置は、第２位置ｘ２である。

改質水Ｗ１が突沸すると改質水Ｗ１の体積が急激に膨張し、膨張の際に生じた衝撃波が上流水供給ラインＬ２２に加わる。つまり、改質水Ｗ１が突沸すると蒸発水Ｗ２１から上流水供給ラインＬ２２に加わる力が急激に大きくなる。
蒸発水Ｗ２１からの力が急激に大きくなると、下端部３２ａの位置は、第２位置ｘ２から急に第１位置ｘ１となる。

下端部３２ａの位置が第１位置ｘ１になると、流量調整体３２が中央開口３３ａを塞ぎ、流通空間の流路断面積は、第２位置ｘ２での第２の断面積（Ｓ１＋Ｓ２）よりも小さい第１の断面積Ｓ２になる。

この場合、蒸発水Ｗ２１は、流路断面積が第１の断面積Ｓ２となっている上流水供給ラインＬ２２を流通することになる。つまり、蒸発水Ｗ２１による力が、水蒸気流量制限部３０により緩和されることになる。流量が制限された蒸発水Ｗ２２は、下流水供給ラインＬ２３を介して、改質器２１に供給される。

また、改質水Ｗ１の突沸が収まっていくと、蒸発水Ｗ２１から上流水供給ラインＬ２２に加わる力が徐々に小さくなる。
蒸発水Ｗ２１からの力が徐々に小さくなると、下端部３２ａの位置は、第１位置ｘ１からゆっくりと第２位置ｘ２に近づく。
下端部３２ａの位置が、第１位置ｘ１から第２位置ｘ２にゆっくりと近づくと、下端部３２ａと上端部３３ｃとの距離は、徐々に広がる。そのため、蒸発水Ｗ２１の流量は、下端部３２ａの位置が第１位置ｘ１から第２位置ｘ２に近づくに連れて、徐々に多くなる。

また、図２に示すように、ほぼ同一構成の３つの水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃ）から１つのユニットが構成されると、蒸発水Ｗ２１からの力は、蒸発水Ｗ２１の上流側に配置された水蒸気流量制限部から順次緩和される。

このような構成によると、蒸発水Ｗ２１からの力は、まず、第１水蒸気流量制限部３０ｃにより緩和される。次に、第１水蒸気流量制限部３０ｃにより緩和された力は、第２水蒸気流量制限部３０ｂにより緩和され、最後に、第２水蒸気流量制限部３０ｂにより緩和された力は、第３水蒸気流量制限部３０ａにより緩和される。このように、蒸発水Ｗ２１からの力（圧力）は、第１水蒸気流量制限部３０ｃ、第２水蒸気流量制限部３０ｂ、及び第３水蒸気流量制限部３０ａを順番に挿通して、徐々に弱められる。

本実施形態の燃料電池システム１及び気体流量制限器（水蒸気流量制限部３０）によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１１と、触媒上で燃料Ｇ１と水とを反応させて、燃料電池１１に供給される改質ガスＧ２を生成する改質器２１と、改質器２１へ水を供給可能な水供給部と、水供給部からの水を改質器２１に向けて流通する流通空間を有する水供給ラインＬ２と、水供給ラインＬ２に接続され、水供給ラインＬ２に流通する水を気化させて水蒸気として改質器２１へ供給する蒸発器２２と、蒸発器２２と改質器２１との間の水供給ラインＬ２（Ｌ２２、Ｌ２３）の部分に接続された水蒸気流量制限部３０と、を備えている。水蒸気流量制限部３０は、水供給ラインＬ２において、水供給ラインＬ２の流通空間の流路断面積を第１の断面積Ｓ２とする第１位置ｘ１と、水供給ラインＬ２の流通空間の流路断面積を第１の断面積Ｓ２よりも広い第２の断面積（Ｓ１＋Ｓ２）とする第２位置ｘ２と、の間で移動可能な流量調整体３２と、流量調整体３２（３２ａ）を第２位置ｘ２に配置させるように流量調整体３２を付勢する付勢部材３５と、を有する。

また、水蒸気流量制限部３０は、水供給ラインＬ２の流通空間において水蒸気の流れを阻害するように水供給ラインＬ２の内面から流通空間に突出すると共に水供給ラインＬ２の内面の周方向に沿って一周するように設けられた内面壁部３３であって、中央開口３３ａを形成する内面壁部３３と、内面壁部３３に形成された貫通孔３３ｂと、を有している。流量調整体３２は、第１位置ｘ１にあるときに貫通孔３３ｂが開放されたままの状態で中央開口３３ａを塞ぎ、第２位置ｘ２にあるときに中央開口３３ａを開放する。

また、水蒸気流量制限部３０は、水供給ラインＬ２の流通空間における、内面壁部３３よりも下流側に設けられた付勢部材支持部３６を有し、付勢部材３５の一端部３５ａは、付勢部材支持部３６に接続され、付勢部材３５の他端部３５ｂは、流量調整体３２に接続されている。

上記のような構成によれば、例えば、供給される改質水Ｗ１が少なくなることにより改質水Ｗ１が突沸しても、上流水供給ラインＬ２に配置されている水蒸気流量制限部３０が、突沸による衝撃波を緩和することができる。つまり、水蒸気流量制限部３０は、下流水供給ラインＬ２３が破損される可能性を減少させることができる。また、水蒸気流量制限部３０が、突沸による衝撃波を緩和することができるので、水蒸気流量制限部３０の下流側に設けられている燃料電池１１（スタック）が破損する可能性も減少させることができる。

具体的には、改質水Ｗ１が突沸した場合、水蒸気流量制限部３０の流量調整体３２に加わる蒸発水Ｗ２１からの力が急激に大きくなると（突沸による流量調整体３２に対する蒸発器２２側からの蒸発水Ｗ２１からの力が、付勢部材３５による流量調整体３２に対する改質器２１側からの付勢力よりも急激に大きくなる）と、流量調整体３２が下流側の内面壁部３３側に押されて移動し、流量調整体３２の下端部３２ａが急に内面壁部３３の上端部３３ｃと接触する。つまり、流路断面積が、第２の断面積（Ｓ１＋Ｓ２）から急に第１の断面積Ｓ２となる。すると、突沸の際に生じた衝撃波は、主に貫通孔３３ｂを流通して、下流水供給ラインＬ２３に流通される。

すなわち、衝撃波が、流路断面積の小さい第１の断面積Ｓ２を流通することで、衝撃波の力が弱められる。そのため、下流水供給ラインＬ２３が破損される可能性を減少させ、水蒸気流量制限部３０の下流側に設けられている燃料電池１１（スタック）が破損する可能性も減少させることができる。

このように、本実施形態の水蒸気流量制限部３０は、流量調整体３２に対する蒸発水Ｗ２１からの力に応じて、流路断面積を第２の断面積（Ｓ１＋Ｓ２）と第１の断面積Ｓ２との間で変動させることにより、蒸発水Ｗ２１からの衝撃波を緩和させることができる。したがって、蒸発水Ｗ２１からの力を体積の大きさで緩和させるバッファと比較すると、水蒸気流量制限部３０を用いたシステムの方が、システム全体の大型化を避けることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１は、水蒸気流量制限部３０を複数有している。更に、複数の水蒸気流量制限部３０は、直列に接続されている。

この構成によれば、突沸の際に生じた衝撃波を、複数の水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ及び３０ｃ）により、順次に緩和させることができる。例えば、突沸の際に生じた衝撃波を、第１水蒸気流量制限部３０ｃで十分に緩和できなくても、第２水蒸気流量制限部３０ｂ及び第３水蒸気流量制限部３０ａで順次的に緩和させることができる。すなわち、複数の水蒸気流量制限部３０ａ、３０ｂ及び３０ｃを直列に接続する構成によると、下流水供給ラインＬ２３が破損される可能性、及び、燃料電池１１（スタック）が破損する可能性を、更に減少させることができる。

また、気体が流通する気体流路を有する気体流通ラインに接続される気体流量制限器は、気体流通ラインにおいて、気体流通ラインの気体流路の流路断面積を第１の断面積Ｓ２とする第１位置ｘ１と、気体流通ラインの気体流路の流路断面積を第１の断面積よりも広い第２の断面積（Ｓ１＋Ｓ２）とする第２位置ｘ２と、の間で移動可能な流量調整体３２と、流量調整体３２を第１位置ｘ１に配置させるように流量調整体３２を付勢する付勢部材３５と、を備える。

この構成によれば、気体流通ラインに接続される気体流量制限器は、気体流通ラインを流通する気体の力が急激に膨張しても、その膨張による衝撃波を緩和することができる。つまり、気体流量制限器を構成する水蒸気流量制限部３０は、気体流通ラインが破損される可能性を減少させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、図２に示すように、３つの水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）から１つのユニットが構成されることに限定されない。また、水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）同士の接続の仕方は、直列に限定されない。例えば、水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）は、並列に接続されていてもよい。

また、付勢部材３５として圧縮コイルバネ（以下、「バネ」という）を採用し、且つ１つのユニットが複数の水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）から構成される場合、それぞれの水蒸気流量制限部３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）に配置させるバネとして、バネ乗数が同じバネ、又はバネ乗数が異なるバネが採用されていてもよい。バネ乗数の異なるバネが採用される場合、蒸発水Ｗ２１の最も上流側に配置されている第１水蒸気流量制限部３０ｃには、バネ乗数が最も高いバネを配置させ、第２水蒸気流量制限部３０ｂ及び第３水蒸気流量制限部３０ａには、第１水蒸気流量制限部３０ｃに配置されるバネよりもバネ乗数の小さいバネを配置することができる。

また、以上の説明では、水蒸気流量制限部３０の円筒部３１内に配置される付勢部材３５を１個として説明した。しかし、水蒸気流量制限部３０の円筒部３１内に配置される付勢部材３５は、複数個でもよい。

また、以上の説明では、内面壁部３３の周縁部に、中央開口３３ａを挟んで対向するように、貫通孔３３ｂが２個ずつあるとして説明した。しかし、貫通孔３３ｂの数及び配置は、これに限定されない。例えば、貫通孔３３ｂは、１個でもよいし、複数個でもよい。また、貫通孔３３ｂは、５個ずつ或いは７個ずつあってもよい。

また、本実施形態の気体流量制限器は、燃料電池システム１の水蒸気流量制限部３０として用いられることに限定されない。すなわち、気体流量制限器は、気体流通ラインにおいて、気体流通ラインの気体流路の流路断面積を第１の断面積とする第１位置と、気体流通ラインの気体流路の流路断面積を第１の断面積よりも広い第２の断面積とする第２位置と、の間で移動可能な流量調整体と、流量調整体を第１位置に配置させるように流量調整体を付勢する付勢部材と、を備えていればよい。

１ 燃料電池システム
３０ 水蒸気流量制限部（気体流量制限器）
３１ 円筒部
３２ 流量調整体
３３ 内面壁部
３３ａ 中央開口
３３ｂ 貫通孔
ｘ１ 第１位置
ｘ２ 第２位置
３５ 付勢部材
３６ 付勢部材支持部
Ｌ２２ 上流水供給ライン（水供給ライン）
Ｌ２３ 下流水供給ライン（水供給ライン）
Ｗ２１、Ｗ２２ 蒸発水（改質水、水）

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器へ水を供給可能な水供給部と、
   前記水供給部からの水を前記改質器に向けて流通する流通空間を有する水供給ラインと、
   前記水供給ラインに接続され、前記水供給ラインに流通する水を気化させて水蒸気として前記改質器へ供給する蒸発器と、
   前記蒸発器と前記改質器との間の前記水供給ラインの部分に接続された水蒸気流量制限部と、を備え、
   前記水蒸気流量制限部は、
   （ｉ）前記水供給ラインにおいて、前記水供給ラインの前記流通空間の流路断面積を第１の断面積とする第１位置と、前記水供給ラインの前記流通空間の流路断面積を第１の断面積よりも広い第２の断面積とする第２位置と、の間で移動可能な流量調整体と、
   （ｉｉ）前記流量調整体を前記第２位置に配置させるように前記流量調整体を付勢する付勢部材と、
   （ｉｉｉ）前記水供給ラインの前記流通空間において水蒸気の流れを阻害するように前記水供給ラインの内面から前記流通空間に突出すると共に前記水供給ラインの内面の周方向に沿って一周するように設けられた内面壁部であって、中央開口を形成する内面壁部と、
   （ｉｖ）前記内面壁部に形成された貫通孔と、
   （ｖ）前記水供給ラインの前記流通空間における、前記内面壁部よりも下流側に設けられた付勢部材支持部と、を有し、
   前記流量調整体は、前記流量調整体が前記第１位置にあるときに前記流量調整体が前記内面壁部に接触して、前記貫通孔が開放されたままの状態で前記中央開口を塞ぎ、前記流量調整体が前記第２位置にあるときに前記貫通孔が開放されたままの状態で前記中央開口を開放し、
   前記流量調整体は、盤状の部材から構成され、前記内面壁部よりも上流側に設けられ、水蒸気から受ける力によって移動するものであり、
   前記付勢部材は、前記中央開口を挿通して配置され、前記付勢部材の一端部は、前記付勢部材支持部に接続され、前記付勢部材の他端部は、前記流量調整体に接続されている、燃料電池システム。
2. 前記水蒸気流量制限部を複数有している請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 複数の前記水蒸気流量制限部は、直列に接続されている請求項２に記載の燃料電池システム。

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