JP6536467B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスが有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。

燃料電池装置では、既存インフラから得られる原燃料ガス（都市ガス、ＬＰＧ等）を改質して水素を生成する改質器を備えるのが一般的となっている。改質器の内部には改質触媒が配置されている。改質器では、供給された原燃料ガス及び水蒸気が高温の改質触媒に触れることで水蒸気改質反応が生じ、水素が生成される。当該水素を含有するガスが、燃料ガスとして改質器からセルスタックへと供給される。

水蒸気改質に必要な水蒸気は、燃料電池装置が備える蒸発器において発生し、改質器へと供給される。蒸発器は、例えば燃焼排ガスの熱を利用して内部に貯えられた水（液体）を加熱し、当該水を沸騰させることにより水蒸気を発生させる構成となっている。

蒸発器で発生する水蒸気の量は、セルスタックで発電される電力の大きさ等に応じて調整される必要がある。下記特許文献１に記載の蒸発器は、水が貯えられた容器の側壁（加熱部）からの伝熱によって水を加熱する構成となっている。当該構成においては、容器の水位によって水蒸気の発生量が調整される。容器の水位は、改質器に供給される原燃料ガス（被改質ガス）の流量に応じて調整される。これにより、改質器に供給される原燃料ガスと水蒸気とのバランスが適切に保たれる。

特開２０１６−２５００４号公報

蒸発器においては、水の突沸が生じることが知られている。突沸とは、水が突然沸騰し、一時的に水蒸気の発生量が増加してしまう現象である。上記特許文献１に記載の蒸発器において突沸が生じると、蒸発器の容器における水位が一定であるにも拘らず、改質器に供給される水蒸気が一時的に大きくなり過ぎてしまう。この場合、水供給ポンプから蒸発器に供給される水の量と、蒸発器から改質器に供給される水蒸気の量とが大きく乖離するので、水供給ポンプの制御によって水蒸気の発生量を適切に調整することが困難となってしまう。

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、蒸発器において突沸が生じた場合において、改質器に供給される水蒸気の量の変動を抑制することの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、水を加熱することにより水蒸気を発生させる蒸発器（２００）と、原燃料ガス及び水蒸気の供給を受けて水蒸気改質を行い、これにより燃料ガスを生成する改質器（１２０）と、燃料ガスの供給を受けて発電するセルスタック（１１０）と、を備える。蒸発器は、水を貯える容器である貯水部（２１０）を有し、貯水部の壁面（２１１，２１１Ａ）からの伝熱によって水の加熱を行うことにより、貯水部の水位に応じて水蒸気の発生量を変化させるものである。また、この燃料電池装置は、貯水部の内部における水蒸気の圧力上昇に伴って水位を低下させる水位調整部（３００）、を更に備えている。

このような燃料電池装置では、貯水部の内部における水蒸気の圧力上昇、すなわち突沸に起因する圧力上昇が生じると、水位調整部が貯水部の水位を低下させる。その際、水位の低下によって貯水部の壁面からの伝熱が抑制され、水の沸騰量が減少する。貯水部では、突沸に伴う水蒸気の増加と、水位の低下に伴う沸騰量の減少とが相殺されるので、改質器に供給される水蒸気の量の変動が抑制される。

本発明によれば、蒸発器において突沸が生じた場合において、改質器に供給される水蒸気の量の変動を抑制することのできる燃料電池装置が提供される。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の構成を示す図である。 蒸発器及び水位調整部を示す斜視図である。 蒸発器及び水位調整部の機能を説明するための図である。 蒸発器で発生する水蒸気の量、等の変化を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置の、蒸発器及び水位調整部の機能を説明するための図である。 蒸発器で発生する水蒸気の量、等の変化を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置の、蒸発器及び水位調整部の機能を説明するための図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池装置の、蒸発器及び水位調整部の機能を説明するための図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池装置の、蒸発器及び水位調整部の機能を説明するための図である。 蒸発器で発生する水蒸気の量、等の変化を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る燃料電池装置の、蒸発器及び水位調整部の機能を説明するための図である。 図１１の状態から、開閉弁が閉じられた後の状態を示す図である。 本発明の第７実施形態に係る燃料電池装置の構成を示す図である。 エジェクタの構造を説明するための断面図である。 蒸発器及び水位調整部の機能を説明するための図である。 制御部によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 蒸発器で発生する水蒸気の量、等の変化を示す図である。

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を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態に係る燃料電池装置１０は、セルスタック１１０と、燃焼器１３０と、改質器１２０と、蒸発器２００と、を備えている。

セルスタック１１０は、複数の単セル（不図示）の集合体である。それぞれの単セルは、固体酸化物形の燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。

セルスタック１１０には、配管１５６と、配管１６４とが接続されている。配管１５６は、後述の改質器１２０において生成された水素含有ガス（以下、「燃料ガス」とも称する）をセルスタック１１０に供給するための配管である。配管１５６を通ってセルスタック１１０に供給された燃料ガスは、それぞれの単セルの燃料極に到達し、発電に供される。

配管１６４は、後述の空気ブロア１６２から送り込まれた発電用の空気（酸化剤）をセルスタック１１０に供給するための配管である。配管１６４を通ってセルスタック１１０に供給された空気は、それぞれの単セルの空気極に到達し、発電に供される。

燃焼器１３０は、発電に寄与することなくセルスタック１１０から排出された残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」とも称する）を燃焼させるためのバーナーである。燃焼器１３０には、配管１５７と、配管１６５と、配管１９１とがそれぞれ接続されている。

配管１５７は、セルスタック１１０から排出された残余燃料を燃焼器１３０に供給するための配管である。配管１５７は、一端がセルスタック１１０に接続されており、他端が燃焼器１３０に接続されている。

配管１６５は、発電に寄与することなくセルスタック１１０から排出された残余の空気を、燃焼器１３０に供給するための配管である。配管１６５は、一端がセルスタック１１０に接続されており、他端が燃焼器１３０に接続されている。

燃焼器１３０では、配管１５７を通った残余燃料と、配管１６５を通った残余の空気との混合気体が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。配管１９１は、このように生じた燃焼排ガスを外部に排出するための配管である。配管１９１は、その一端が燃焼器１３０に接続されている。また、配管１９１の他端側は２つの配管（配管１９２、配管１９４）に分岐している。

配管１９２は、配管１９１を通った燃焼排ガスを、改質器１２０及び後述の熱交換器１８０へと導くための配管である。配管１９２を通る燃焼排ガスは、改質器１２０における改質触媒等の加熱、及び熱交換器１８０における空気の加熱にそれぞれ供された後、外部へと排出される。

配管１９４は、配管１９１を通った燃焼排ガスを蒸発器２００へと導くための配管である。配管１９４を通る燃焼排ガスは、蒸発器２００における水の加熱に供された後、外部へと排出される。

改質器１２０は、原燃料ガス（都市ガス）及び水蒸気の供給を受けて水蒸気改質を行い、これにより燃料ガスを生成するものである。改質器１２０には、配管１５６の上流側端部が接続されている。また、改質器１２０には、配管１５４の下流側端部も接続されている。配管１５４は、改質器１２０に原燃料ガス及び水蒸気等を供給するための配管である。配管１５４の上流側端部は蒸発器２００に接続されている。また、配管１５４の途中には、ガスブロア１４２から伸びる配管１４３の下流側端部が接続されている。

改質器１２０の内部には、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させてなる改質触媒（不図示）が多数充填されている。配管１５４を通った原燃料ガス及び水蒸気が改質器１２０に供給されると、これらが改質触媒に触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガスが生成される。既に述べたように、燃料ガスは配管１５６を通ってセルスタック１１０に供給される。

尚、改質器１２０において水蒸気改質反応が生じるためには、改質器１２０及び内部の改質触媒が高温（約７００℃）となっている必要がある。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を維持するためには、外部から改質器１２０に対して継続的に熱が加えられる必要がある。本実施形態では、燃焼排ガスが通る配管１９２の一部が改質器１２０の近傍に配置されている。具体的には、配管１９２の一部が改質器１２０の外壁に接しており、配管１９２を通る燃焼排ガスの熱が改質器１２０に伝達されるような構成となっている。燃焼排ガスの熱によって、改質器１２０の内部における水蒸気改質反応が維持される。

蒸発器２００は、液体の水を加熱することによって水蒸気を発生させ、当該水蒸気を改質器１２０に供給するためのものである。本実施形態では、燃焼排ガスが通る配管１９４の一部が蒸発器２００の近傍に配置されている。具体的には、配管１９４の一部が蒸発器２００の外壁（図３に示される外壁２１１）に接しており、配管１９４を通る燃焼排ガスの熱が蒸発器２００に伝達されるような構成となっている。燃焼排ガスの熱によって、蒸発器２００に貯えられた水が加熱されて沸騰し、水蒸気が発生する。尚、蒸発器２００の具体的な構成については後に詳しく説明する。

セルスタック１１０に供給される空気の流れについて説明する。空気は、空気供給源１６０から配管１６１を通って燃料電池装置１０に供給され、空気ブロア１６２によってセルスタック１１０へと送り込まれる。本実施形態においては、空気供給源１６０は大気である。配管１６１は、空気供給源１６０と空気ブロア１６２とを繋ぐ配管である。空気ブロア１６２は、空気を加圧して下流側に送り出すための装置である。

空気ブロア１６２とセルスタック１１０との間には、熱交換器１８０が設けられている。空気ブロア１６２と熱交換器１８０との間は配管１６３で繋がれており、熱交換器１８０とセルスタック１１０との間は配管１６４で繋がれている。熱交換器１８０は、配管１９２を通る高温の燃焼排ガスと、配管１６３を通る空気との間で熱交換を行わせることにより、空気を加熱するための熱交換器である。空気は、熱交換器１８０において加熱されその温度を上昇させた後に、配管１６４を通ってセルスタック１１０に供給される。

改質器１２０に供給される原燃料ガスの流れについて説明する。原燃料ガスである都市ガスは、原燃料供給源１４０から配管１４１を通って燃料電池装置１０に供給され、ガスブロア１４２によって改質器１２０へと送り込まれる。本実施形態においては、原燃料供給源１４０はガスメータである。配管１４１は、原燃料供給源１４０とガスブロア１４２とを繋ぐ配管である。ガスブロア１４２は、原燃料ガスを加圧して下流側に送り出すための装置である。

既に述べたように、ガスブロア１４２から伸びる配管１４３の下流側端部は、配管１５４の途中に接続されている。ガスブロア１４２から送り出された原燃料ガスは、配管１４３を通って配管１５４に流入し、蒸発器２００からの水蒸気の流れと合流する。その後、水蒸気と共に配管１５４を通って改質器１２０に供給される。

改質器１２０に供給される水蒸気の流れについて説明する。水蒸気の原料となる液体の水は、水供給源１５０から配管１５１を通った後、水供給ポンプ１５２によって蒸発器２００へと送り込まれる。本実施形態では、水供給源１５０は燃料電池装置１０に設けられた給水タンクである。本実施形態では、熱交換器１８０等において生じた凝縮水、すなわち燃焼排ガスに含まれていた水が回収され、当該水が給水タンク（水供給源１５０）に貯えられ再利用される構成となっている。尚、燃焼排ガスから凝縮水を回収して再利用するための構成としては公知のものを採用し得るので、図１においてはその図示を省略している。

配管１５１は、水供給源１５０と水供給ポンプ１５２とを繋ぐ配管である。水供給ポンプ１５２は、液体の水を加圧して下流側に送り出すための装置である。

水供給ポンプ１５２と蒸発器２００との間には水位調整部３００が配置されている。水供給ポンプ１５２と水位調整部３００との間は配管１５３で接続されている。水供給ポンプ１５２から送り出された水は、配管１５３及び水位調整部３００を経由して蒸発器２００に供給される。水位調整部３００の具体的な構成や機能については後に説明する。

蒸発器２００に供給された水は、配管１９４を通る燃焼排ガスによって加熱されて沸騰し、水蒸気となる。既に述べたように、当該水蒸気は配管１５４において原燃料ガスと混合され、原燃料ガスと共に改質器１２０へと供給される。

蒸発器２００及び水位調整部３００の構成について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２に示されるように、蒸発器２００及び水位調整部３００はいずれも円筒形状の容器として構成されており、それぞれの中心軸を互いに一致させた状態で配置されている。

図３には、中心軸を含む面で切断した場合における蒸発器２００及び水位調整部３００のそれぞれの断面と、その周囲における構成（水供給ポンプ１５２等）とが模式的に示されている。尚、蒸発器２００及び水位調整部３００の断面は左右対称であるから、図３においてはその片側部分のみが示されている。また、図３においては、配管１９４のうち蒸発器２００に接する部分の断面も示されている。

水位調整部３００は、溜水部３１０と、配管３２０とを有している。溜水部３１０は円筒形状の容器であって、水位調整部３００のうち大部分を占める部分である。溜水部３１０は、外壁３１１と、内壁３１２と、天壁３１３と、底壁３１４とを有している。

外壁３１１は円筒形状の壁であって、溜水部３１０のうち外周側に配置されている。また、内壁３１２は円筒形状の壁であって、溜水部３１０のうち内周側に配置されている。外壁３１１の中心軸と内壁３１２の中心軸とは、いずれも鉛直方向に沿っており、且つ互いに一致している。また、外壁３１１と内壁３１２とは、互いに同じ高さとなる位置に設けられている。

天壁３１３は、溜水部３１０の上方側部分を塞ぐ壁である。天壁３１３は水平面に沿って配置されており、外壁３１１の上端と内壁３１２の上端とを繋いでいる。底壁３１４は、溜水部３１０の下方側部分を塞ぐ壁である。底壁３１４は水平面に沿って配置されており、外壁３１１の下端と内壁３１２の下端とを繋いでいる。

溜水部３１０の内部には空間ＳＰ１が形成されている。当該空間ＳＰ１は、外壁３１１、内壁３１２、天壁３１３、及び底壁３１４によって外部から区画された空間である。溜水部３１０の側面、具体的には内壁３１２には、水供給ポンプ１５２から伸びる配管１５３の端部が接続されている。水供給ポンプ１５２から送り出された水は、配管１５３を通って空間ＳＰ１に流入する。溜水部３１０には当該水（以下では「水ＷＴ」と表記する）が貯えられている。図３では、溜水部３１０に貯えられている水ＷＴの水面が、水面ＷＳ１として示されている。

配管３２０は、外壁３１１から更に外方に向かって伸びるように設けられた配管である。配管３２０は、溜水部３１０の空間ＳＰ１と、貯水部２１０（後述）の空間ＳＰ２とを連通させる配管となっている。また、外壁３１１のうち配管３２０の一端が接続されている部分の位置は、水面ＷＳ１よりも低い位置となっている。溜水部３１０に供給され貯えられている水ＷＴは、配管３２０を通って貯水部２１０に供給される。配管３２０は、貯水部２１０と溜水部３１０とを連通させる「液体用連通部」として機能する。

尚、本実施形態における配管３２０は、外壁３１１と内壁３１２との間において複数本設けられている。それぞれの配管３２０の形状は互いに同一である。また、それぞれの配管３２０は、互いに同じ高さとなる位置において、外壁３１１の周方向に沿って等間隔に並ぶように設けられている。

蒸発器２００は、貯水部２１０を有している。貯水部２１０は、溜水部３１０と同様の円筒形状の容器である。貯水部２１０は、外壁２１１と、内壁２１２と、天壁２１３と、底壁２１４とを有している。

外壁２１１は円筒形状の壁であって、貯水部２１０のうち外周側に配置されている。また、内壁２１２は円筒形状の壁であって、貯水部２１０のうち内周側に配置されている。外壁３１１の中心軸と内壁３１２の中心軸とは、いずれも鉛直方向に沿っており、且つ互いに一致している。また、外壁２１１と内壁２１２とは、互いに同じ高さとなる位置に設けられている。

天壁２１３は、貯水部２１０の上方側部分を塞ぐ壁である。天壁２１３は水平面に沿って配置されており、外壁２１１の上端と内壁２１２の上端とを繋いでいる。底壁２１４は、貯水部２１０の下方側部分を塞ぐ壁である。底壁２１４は水平面に沿って配置されており、外壁２１１の下端と内壁２１２の下端とを繋いでいる。

本実施形態では、内壁２１２の中心軸と外壁３１１の中心軸とが互いに一致している。また、内壁２１２と外壁３１１とは、互いに同じ高さとなる位置に設けられている。その結果、内壁２１２と外壁３１１とは対向しており、両者の間が複数の配管３２０で繋がれている。

貯水部２１０の内部には空間ＳＰ２が形成されている。当該空間ＳＰ２は、外壁２１１、内壁２１２、天壁２１３、及び底壁２１４によって外部から区画された空間である。既に述べたように、空間ＳＰ２は、配管３２０によって空間ＳＰ１と連通されている。このため、空間ＳＰ２にも水ＷＴが貯えられている。図３では、貯水部２１０に貯えられている水ＷＴの水面が、水面ＷＳ２として示されている。水面ＷＳ２の高さは、水面ＷＳ１の高さと概ね等しい。

燃焼排ガスが通る配管１９４は、内壁１９４ａと外壁１９４ｂとを有している。内壁１９４ａ及び外壁１９４ｂはいずれも円筒形状の壁である。内壁１９４ａ及び外壁１９４ｂは、それぞれの中心軸を互いに一致させた状態で配置されている。また、当該中心軸は、外壁２１１の中心軸とも一致している。内壁１９４ａの外径は、外壁１９４ｂの内径よりも小さい。このため、内壁１９４ａと外壁１９４ｂとの間には空間が形成されており、当該空間を燃焼排ガスが上方から下方に向かって流れるように構成されている。

貯水部２１０のうち外壁２１１の外周面は、その全体が内壁１９４ａの内周面に当接している。このため、配管１９４を高温の燃焼排ガスが流れているときには、外壁２１１が加熱されて高温となる。その結果、貯水部２１０に貯えられている水は、貯水部２１０の壁面（外壁２１１）からの伝熱によって加熱され、沸騰して水蒸気となる。その際、空間ＳＰ２のうち水面ＷＳ２よりも上方側の部分は、当該水蒸気で満たされた状態となる。

尚、水蒸気の発生量は、貯水部２１０に貯えられている水ＷＴと、外壁２１１との接触面積に概ね比例する。このため、貯水部２１０の水位（つまり底壁２１４から水面ＷＳ２までの高さ）が高くなると水蒸気の発生量が多くなり、貯水部２１０の水位が低くなると水蒸気の発生量が少なくなる。このように、蒸発器２００は、貯水部２１０の水位に応じて水蒸気の発生量を変化させる構成となっている。

例えば、セルスタック１１０での発電量が大きくなるときには、水供給ポンプ１５２から水位調整部３００に供給される水の流量が大きくされる。これにより、溜水部３１０の水位（つまり底壁３１４から水面ＷＳ１までの高さ）及び貯水部２１０の水位がいずれも高くなり、水蒸気の発生量が増加する。逆に、セルスタック１１０での発電量が小さくなるときには、水供給ポンプ１５２から水位調整部３００に供給される水の流量が小さくされる。これにより、溜水部３１０の水位及び貯水部２１０の水位がいずれも低くなり、水蒸気の発生量が減少する。このような制御は、燃料電池装置１０の動作を制御する制御装置（不図示）によって実行される。

尚、溜水部３１０の水位は上記のように変動するのであるが、配管３２０は、水位が変動し得る範囲のうち最も低い位置、よりも更に低い位置に設けられている。このため、配管３２０の内部は常に水ＷＴで満たされた状態となっている。

配管１５４のうち蒸発器２００側の端部は、貯水部２１０の天壁２１３に接続されている。貯水部２１０の空間ＳＰ２で生じた水蒸気は、既に述べたように配管１５４を通って改質器１２０に供給され、水蒸気改質反応に供される。

ところで、蒸発器２００のような水を沸騰させる装置においては、「突沸」と称される現象が生じることが知られている。突沸とは、水が突然沸騰し、一時的に水蒸気の発生量が増加してしまう現象である。突沸により生じた水蒸気がそのまま改質器１２０に供給されてしまうと、改質器１２０では、供給される水蒸気と原燃料ガスとの間における量のバランスが崩れてしまう。

本実施形態では、水供給ポンプ１５２と蒸発器２００との間に水位調整部３００が設けられており、これにより改質器１２０に供給される水蒸気の量の変動が抑制される構成となっている。これについて、図４を参照しながら説明する。

図４（Ａ）に示されるのは、貯水部２１０における水蒸気の発生量の時間変化である。ここでいう「発生量」とは、単位時間あたりにおいて生じる水蒸気の質量、のことである。図４（Ｂ）に示されるのは、空間ＳＰ２における圧力の時間変化である。本実施形態では、当該圧力は空間ＳＰ２における水蒸気圧に等しい。図４（Ｃ）に示されるのは、貯水部２１０における水位の時間変化である。図４（Ｄ）に示されるのは、溜水部３１０における水位の時間変化である。尚、それぞれの図に示される物理量の時間変化は、実際には曲線状の変化となるのであるが、図４においては直線状の変化として模式的に示されている。

図４に示される例では、時刻ｔ１までの期間においては突沸が生じておらず、貯水部２１０においては水の沸騰が安定している。このため、水蒸気の発生量は一定である（図４（Ａ））。当該期間では、空間ＳＰ２の圧力は一定であり（図４（Ｂ））、貯水部２１０の水位及び溜水部３１０の水位も一定である（図４（Ｃ）、図４（Ｄ））。また、貯水部２１０の水位と溜水部３１０の水位とは互いに等しい。

時刻ｔ１において突沸が生じると、当該時点から水蒸気の発生量が増加し（図４（Ａ））、これに伴って空間ＳＰ２の圧力が上昇する（図４（Ｂ））。空間ＳＰ２と空間ＳＰ１との間で圧力差が生じるので、当該圧力差により水面ＷＳ２が押し下げられる。つまり、貯水部２１０の水位が低下する（図４（Ｃ））。これに伴い、貯水部２１０に貯えられていた水ＷＴの一部は、配管３２０を通って溜水部３１０に移動する。その結果、溜水部３１０の水位は上昇する（図４（Ｄ））。

時刻ｔ２において突沸が収まると、水蒸気の発生量はその後低下し、時刻ｔ３において元の発生量に戻る（図４（Ａ））。空間ＳＰ２における圧力も同様に、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて低下し、時刻ｔ３以降は元の圧力に戻る（図４（Ｂ））。

貯水部２１０から溜水部３１０に移動していた水ＷＴは、時刻ｔ３以降は配管３２０を通って貯水部２１０に戻る。このため、貯水部２１０の水位は、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて上昇し、時刻ｔ３以降は元の水位に戻る（図４（Ｃ））。また、溜水部３１０の水位は、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて低下し、時刻ｔ３以降は元の水位に戻る（図４（Ｄ））。

突沸の影響により水蒸気の発生量が増加する期間、すなわち時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間では、上記のように貯水部２１０の水位が低下する。その際、貯水部２１０の内部では、水ＷＴと外壁２１１との接触面積が減少するので、外壁２１１からの加熱に伴う水の沸騰量が減少する。その結果、貯水部２１０では、突沸に伴う水蒸気の増加と、水位の低下に伴う沸騰量の減少とが相殺され、蒸発器２００から改質器１２０に供給される水蒸気の量は概ね一定に抑えられる。

以上のように、燃料電池装置１０では、水供給ポンプ１５２と蒸発器２００との間に水位調整部３００が設けられている。突沸により貯水部２１０の内部で水蒸気の圧力上昇が生じると、水位調整部３００が貯水部２１０からの水ＷＴを受け入れる結果、貯水部２１０の水位が低下する。つまり、水位調整部３００は、貯水部２１０における水蒸気の圧力上昇に伴って、貯水部２１０の水位を低下させる機能を有している。当該機能により、改質器１２０に供給される水蒸気の量の変動が抑制されている。

尚、上記のような機能を実現するにあたっては、例えば、空間ＳＰ２の圧力を検知するセンサと、空間ＳＰ２から水を排出するためのポンプと、をそれぞれ設け、圧力をフィードバックしながらポンプを動作させることで空間ＳＰ２の圧力を一定に保つ構成としてもよい。ただしその場合には、装置が複雑になってしまうことや、高速の制御を行う必要が生じてしまうことにより、燃料電池装置１０のコストが大きくなり過ぎてしまうことが懸念される。このため、本実施形態のように、追加のセンサや制御を必要としない構成とした方が望ましい。

本発明の第２実施形態について、図５を参照しながら説明する。本実施形態では、貯水部２１０の内部に複数の球体ＢＬが充填されている点において第１実施形態と異なっており、他の構成については第１実施形態と同じである。以下では、第１実施形態と異なる点についてのみ説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

球体ＢＬは、アルミナによって形成された球体である。貯水部２１０では球体ＢＬが充填されていることにより、その容積（つまり、水ＷＴが存在し得る空間の大きさ）が小さくなっている。一方、溜水部３１０には球体ＢＬが充填されていない。このため、本実施形態では、溜水部３１０の容積が、貯水部２１０の容積よりも大きくなっている。

図６には、本実施形態に係る貯水部２１０で突沸が生じた場合における、水蒸気の発生量の時間変化等が示されている。図６（Ａ）乃至（Ｄ）のそれぞれが示す対象は、図４（Ａ）乃至（Ｄ）のそれぞれが示す対象と同じである。また、図６においても、時刻ｔ１において突沸が生じ、その影響（圧力上昇や水位の変化）が時刻ｔ３までの期間において生じている例が示されている。

本実施形態でも、突沸が生じると、水ＷＴの一部が貯水部２１０から溜水部３１０へと移動する。これにより、貯水部２１０の水位は低下し（図６（Ｃ））、溜水部３１０の水位は上昇する（図６（Ｄ））。ただし、貯水部２１０の容積は上記のように小さいので、貯水部２１０における水位の変化量（低下量）は、溜水部３１０における水位の変化量（上昇量）よりも大きくなっている。尚、図６（Ｃ）の点線Ｌ１は、図４（Ｃ）に示される時間変化、すなわち第１実施形態における貯水部２１０の水位の変化である。また、図６（Ｄ）の点線Ｌ２は、図４（Ｄ）に示される時間変化、すなわち第１実施形態における溜水部３１０の水位の変化である。

このように、本実施形態では、突沸によって生じる水蒸気の量が同じであったとしても、それに伴う貯水部２１０の水位の変化量が第１実施形態に比べて大きくなる。これにより、改質器１２０に供給される水蒸気の量の変動を更に抑制することが可能となっている。

尚、貯水部２１０の容積を小さくするとともに、溜水部３１０の容積を小さくすることも考えられる。しかしながらその場合には、突沸が生じた際における溜水部３１０の水位の上昇量も大きくなってしまう。つまり、溜水部３１０に少量の水が移動しただけで、水面ＷＳ１と水面ＷＳ２との高低差が大きくなり、ヘッド圧も大きくなってしまう。

その結果、貯水部２１０の容積と溜水部３１０の容積との両方を小さくした場合には、突沸が生じた際における貯水部２１０の水位は僅かしか低下しない。貯水部２１０における水位の低下量を大きくするには、本実施形態のように、溜水部３１０の容積を貯水部２１０の容積よりも大きくしておくことが望ましい。

尚、溜水部３１０と貯水部２１０との間で容積を異ならせるための方法としては、本実施形態のように貯水部２１０に球体ＢＬを充填してもよいのであるが、貯水部２１０の形状自体を小さくしてもよい。例えば、外壁２１１と内壁２１２との間の隙間を狭くすることで、貯水部２１０の容積を小さくしてもよい。

本発明の第３実施形態について、図７を参照しながら説明する。本実施形態では、貯水部２１０と溜水部３１０との間が配管３３０でも繋がれている点において第１実施形態と異なっており、他の構成については第１実施形態と同じである。以下では、第１実施形態と異なる点についてのみ説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

配管３３０は、配管３２０と同様に、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２とを連通させる配管となっている。配管３３０の一端は溜水部３１０の外壁３１１に接続されており、配管３３０の他端は貯水部２１０の内壁２１２に接続されている。配管３３０は、配管３２０と同様に複数本設けられている。配管３３０の流路断面積は、配管３２０の流路断面積よりも小さくなっている。尚、ここでいう「配管３２０の流路断面積」とは、複数本設けられた配管３２０のそれぞれの流路断面積を、全ての配管３２０について合計したもの、のことである。同様に、「配管３３０の流路断面積」とは、複数本設けられた配管３３０のそれぞれの流路断面積を、全ての配管３３０について合計したもの、のことである。

外壁３１１のうち配管３３０の一端が接続されている部分の位置は、水面ＷＳ１や水面ＷＳ２よりも高い位置となっている。このため、貯水部２１０に貯えられている水ＷＴの一部が配管３２０を通り溜水部３１０に移動すると、水面ＷＳ１よりも上方側に存在していた気体は、配管３３０を通って貯水部２１０へと移動する。配管３３０は、貯水部２１０と溜水部３１０とを連通させる「気体用連通部」として機能する。

尚、溜水部３１０の水位は突沸に伴って変動するのであるが、配管３３０は、水位が変動し得る範囲のうち最も高い位置、よりも更に高い位置に設けられている。このため、配管３３０の内部は常に気体で満たされた状態となっている。

このような構成において突沸が生じると、本実施形態でも水面ＷＳ２が低下し、水ＷＴの一部が配管３３０を通って溜水部３１０に移動する。その際、水面ＷＳ１は上昇するのであるが、水面ＷＳ１よりも上方側に存在していた気体（水蒸気や、水ＷＴに溶け込んでいた二酸化炭素等）は、配管３２０を通って貯水部２１０へと移動する。水面ＷＳ１が上昇しても、空間ＳＰ１における気体の圧力は上昇しないので、水面ＷＳ１の上昇が気体の圧力により妨げられることが無い。その結果、貯水部２１０の水位は比較的スムーズに低下するので、改質器１２０に供給される水蒸気の量の変動はより効果的に抑制されることとなる。

尚、突沸によって生じた水蒸気の一部は、配管３３０を通って溜水部３１０へと移動する。しかしながら、配管３３０の流路断面積は小さいので、上記のような水蒸気の移動が生じてもその量は僅かであり、突沸による貯水部２１０の圧力上昇は殆ど抑制されない。つまり、配管３３０によって水位調整部３００の機能が妨げられてしまうことは無い。

本発明の第４実施形態について、図８を参照しながら説明する。本実施形態では、蒸発器２００と水位調整部３００とが一体に形成されている点において第１実施形態と異なっており、他の構成については第１実施形態と同じである。以下では、第１実施形態と異なる点についてのみ説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

本実施形態では、円筒形状の容器２１０Ａの一部が蒸発器２００となっており、残部が水位調整部３００となっている。容器２１０Ａは、外壁２１１Ａと、内壁２１２Ａと、天壁２１３Ａと、底壁２１４Ａと、区画壁２１５Ａと、を有している。

外壁２１１Ａは円筒形状の壁であって、容器２１０Ａのうち外周側に配置されている。また、内壁２１２Ａは円筒形状の壁であって、容器２１０Ａのうち内周側に配置されている。外壁２１１Ａの中心軸と内壁２１２Ａの中心軸とは、いずれも鉛直方向に沿っており、且つ互いに一致している。また、外壁２１１Ａと内壁２１２Ａとは、互いに同じ高さとなる位置に設けられている。

天壁２１３Ａは、容器２１０Ａの上方側部分を塞ぐ壁である。天壁２１３Ａは水平面に沿って配置されており、外壁２１１Ａの上端と内壁２１２Ａの上端とを繋いでいる。底壁２１４Ａは、容器２１０Ａの下方側部分を塞ぐ壁である。底壁２１４Ａは水平面に沿って配置されており、外壁２１１Ａの下端と内壁２１２Ａの下端とを繋いでいる。

区画壁２１５Ａは円筒形状の壁であって、容器２１０Ａの内部に配置されている。容器２１０Ａの中心軸は外壁２１１Ａの中心軸と一致している。区画壁２１５Ａの上端は天壁２１３Ａの下面まで伸びており、区画壁２１５Ａの下端は底壁２１４Ａの上面まで伸びている。このため、容器２１０Ａの内部空間は、区画壁２１５Ａによって２つの空間（ＳＰ１、ＳＰ２）に区画されている。

区画壁２１５Ａのうち下方側部分には貫通穴３２０Ａ（開口）が形成されている。また、区画壁２１５Ａのうち上方側部分には貫通穴３３０Ａ（開口）が形成されている。これら２つの貫通穴により、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２とが連通されている。

内壁２１２Ａには、水供給ポンプ１５２から伸びる配管１５３の端部が接続されている。水供給ポンプ１５２から送り出された水は、配管１５３を通って空間ＳＰ１に流入する。このため、空間ＳＰ１には水ＷＴが貯えられている。また、水ＷＴは貫通穴３２０Ａを通って空間ＳＰ２に流入するので、空間ＳＰ２にも水ＷＴが貯えられている。

外壁２１１Ａの外周面は、その全体が内壁１９４ａの内周面に当接している。このため、配管１９４を高温の燃焼排ガスが流れているときには、外壁２１１Ａが加熱されて高温となる。その結果、空間ＳＰ２に貯えられている水ＷＴは、外壁２１１Ａからの伝熱によって加熱され、沸騰して水蒸気となる。その際、空間ＳＰ２のうち水面ＷＳ２よりも上方側の部分は、当該水蒸気で満たされた状態となる。

配管１５４のうち蒸発器２００側の端部は、天壁２１３Ａのうち空間ＳＰ２側の部分に接続されている。空間ＳＰ２で生じた水蒸気は、配管１５４を通って改質器１２０に供給され、水蒸気改質反応に供される。

以上の説明で明らかなように、本実施形態では、外壁２１１Ａ、区画壁２１５Ａ、天壁２１３Ａ、底壁２１４Ａ、及びこれらによって区画された空間ＳＰ２が、蒸発器２００の貯水部２１０として機能する部分となっている。また、内壁２１２Ａ、区画壁２１５Ａ、天壁２１３Ａ、底壁２１４Ａ、及びこれらによって区画された空間ＳＰ１が、水位調整部３００の溜水部３１０として機能する部分となっている。このような構成は、貯水部２１０と溜水部３１０とが側壁（２１５Ａ）を共有しており、当該側壁を介して互いに隣り合うように配置された構成、ということができる。

貫通穴３２０Ａは、空間ＳＰ１（溜水部３１０）の水位が変動し得る範囲のうち最も低い位置、よりも更に低い位置に形成されている。このため、貫通穴３２０Ａの内側は常に水ＷＴで満たされた状態となっている。貫通穴３２０Ａは、区画壁２１５Ａの周方向に沿って並ぶよう、同じ高さにおいて複数個形成されている。

貫通穴３３０Ａは、空間ＳＰ１（溜水部３１０）の水位が変動し得る範囲のうち最も高い位置、よりも更に高い位置に形成されている。このため、貫通穴３３０Ａの内側は常に気体で満たされた状態となっている。貫通穴３３０Ａは、区画壁２１５Ａの周方向に沿って並ぶよう、同じ高さにおいて複数個形成されている。

貫通穴３３０Ａの流路断面積（開口面積）は、貫通穴３２０Ａの流路断面積（開口面積）よりも小さい。尚、ここでいう「貫通穴３２０Ａの流路断面積」とは、複数個形成された貫通穴３２０Ａのそれぞれの流路断面積を、全ての貫通穴３２０Ａについて合計したもの、のことである。同様に、「貫通穴３３０Ａの流路断面積」とは、複数個形成された貫通穴３３０Ａのそれぞれの流路断面積を、全ての貫通穴３３０Ａについて合計したもの、のことである。

本実施形態における貫通穴３２０Ａは、第１実施形態における配管３２０、すなわち「液体用連通部」として機能する。また、本実施形態における貫通穴３３０Ａは、第１実施形態における配管３３０、すなわち「気体用連通部」として機能する。それぞれの機能及び効果は第１実施形態において説明したものと同じであるから、その説明を省略する。

尚、本実施形態の構成においては、貫通穴３２０Ａを、区画壁２１５Ａの周方向に沿ってスリット状に伸びるように形成することもできる。液体連通部として複数の配管３２０を設ける場合に比べて、液体連通部の流路断面積を大きくすることが可能である。この場合、貫通穴３２０Ａの個数は１個であってもよい。

同様に、本実施形態の構成においては、貫通穴３３０Ａを、区画壁２１５Ａの周方向に沿ってスリット状に伸びるように形成することもできる。気体連通部として複数の配管３３０を設ける場合に比べて、気体連通部の流路断面積を大きくすることが可能である。この場合、貫通穴３３０Ａの個数は１個であってもよい。

本発明の第５実施形態について、図９を参照しながら説明する。本実施形態では、配管１５４の途中に絞り部４０１が設けられている点において第１実施形態と異なっており、他の構成については第１実施形態と同じである。以下では、第１実施形態と異なる点についてのみ説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

絞り部４０１は、配管１５４のうち、配管１４３の接続箇所よりも下流側となる位置に設けられている。絞り部４０１は、当該部分における配管１５４の流路を絞り、その流路断面積を狭くするものである。このように、本実施形態では、蒸発器２００から改質器１２０に向かって水蒸気が流れる流路（配管１５４）の途中において、当該流路を絞る絞り部４０１が設けられている。

図１０には、本実施形態に係る貯水部２１０で突沸が生じた場合における、水蒸気の発生量の時間変化等が示されている。図１０（Ａ）乃至（Ｄ）のそれぞれが示す対象は、図４（Ａ）乃至（Ｄ）のそれぞれが示す対象と同じである。また、図１０においても、時刻ｔ１において突沸が生じ、その影響（圧力上昇や水位の変化）が時刻ｔ３までの期間において生じている例が示されている。

時刻ｔ１において突沸が生じると、空間ＳＰ２における水蒸気の発生量が一時的に増加する。しかしながら、本実施形態では配管１５４に絞り部４０１が設けられているので、空間ＳＰ２から水蒸気がスムーズには排出されない。このため、図１０（Ｂ）に示されるように、空間ＳＰ２における圧力の上昇量は、第１実施形態の場合に比べて大きくなっている。尚、図１０（Ｂ）の点線Ｌ３は、図４（Ｂ）に示される時間変化、すなわち第１実施形態における空間ＳＰ２の圧力変化である。

空間ＳＰ２における圧力の上昇量が大きくなるので、貯水部２１０における水位の低下量も、第１実施形態の場合に比べて大きくなる（図１０（Ｃ））。また、溜水部３１０における水位の上昇量も、第１実施形態の場合に比べて大きくなる（図１０（Ｄ））。

このように、本実施形態では、突沸によって生じる水蒸気の量が同じであったとしても、それに伴う貯水部２１０の水位の変化量が第１実施形態に比べて大きくなる。これにより、改質器１２０に供給される水蒸気の量の変動を更に抑制することが可能となっている。

本発明の第６実施形態について、図１１を参照しながら説明する。本実施形態では、配管３３０の途中に開閉弁３３１が設けられている点、及び開閉弁３３１の動作を制御する制御部３５０が設けられている点、において第３実施形態（図７）と異なっており、他の構成については第３実施形態と同じである。以下では、第３実施形態と異なる点についてのみ説明し、第３実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

図１１においては、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２とを連通させる配管３３０が（図７とは異なり）模式的に描かれている。また、図１１においては、配管３３０の両端がそれぞれ天壁２１３、天壁３１３に接続されているように描かれているのであるが、配管３３０の接続箇所は、図７に示される第３実施形態の場合と同じである。

配管３３０の途中に設けられた開閉弁３３１は、内部の弁体（不図示）を電磁力によって駆動させ、その開閉を切り換えることのできる装置である。このような開閉弁３３１の動作は、後述の制御部３５０によって制御される。尚、開閉弁３３１の構成は、全開状態又は全閉状態のいずれかのみをとり得るような構成であってもよく、その開度を滑らかに変化させることのできる構成であってもよい。

制御部３５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータシステムとして構成されている。本実施形態に係る制御部３５０は、燃料電池装置１０の全体の動作を制御する制御装置（不図示）から送信される制御信号に基づいて、開閉弁３３１の動作を制御する。尚、このような態様に替えて、燃料電池装置１０の全体の動作を制御する制御装置の一部として制御部３５０が構成されていてもよい。

通常時においては、開閉弁３３１は全開状態とされている。空間ＳＰ２で水蒸気が生じると、その一部は配管３３０を通って空間ＳＰ１に流入するので、空間ＳＰ１は水蒸気で満たされている。また、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間が配管３３０及び配管３２０で連通されているので、貯水部２１０の水位と溜水部３１０の水位とは等しくなっている。

このような状態で開閉弁３３１が全閉状態に切り換えられると、空間ＳＰ１には水蒸気が流入しなくなる。空間ＳＰ１では、水面ＷＳ１の上方側の空間を満たしていた水蒸気が凝縮し始めることにより、水面ＷＳ１が上昇して行く。これに伴い、貯水部２１０に貯えられていた水ＷＴの一部が、配管３２０を通って溜水部３１０側に流入するので、水面ＷＳ２は低下して行く。図１２には、水面ＷＳ１及び水面ＷＳ２のそれぞれが上記のように移動した後の状態が示されている。

水面ＷＳ１が低下すると、貯水部２１０に貯えられている水ＷＴと（高温の）外壁２１１との接触面積は低下するので、空間ＳＰ２で生じる水蒸気の量が低下する。以上のように、制御部３５０によって開閉弁３３１が全閉状態に切り換えられると、蒸発器２００から改質器１２０に供給される水蒸気の流量が低下する。

例えば、セルスタック１１０における発電量を急激に小さくする場合には、改質器１２０に供給される水蒸気の流量を低下させる必要がある。しかしながら、水供給ポンプ１５２の動作を停止させただけでは、水蒸気の流量は（蒸発による水位の低下に応じて）ゆっくりとしか低下しない。

そこで、本実施形態では、セルスタック１１０における発電量を急激に小さくする必要が生じた場合、開閉弁３３１の開度を変化させるための制御信号が、燃料電池装置１０の全体の動作を制御する制御装置から制御部３５０に向けて送信される。当該制御信号を受けて、制御部３５０は開閉弁３３１を全閉状態に切り換える。これにより、蒸発器２００から改質器１２０に供給される水蒸気の流量が急激に低下する。

尚、開閉弁３３１の開度を滑らかに変化させることができる場合には、水蒸気の流量の低下速度をより細やかに調整することができる。また、開閉弁３３１が開閉動作を繰り返す際のデューティ比を変化させることにより、水蒸気の流量の低下速度を調整するような態様であってもよい。

本発明の第７実施形態について、図１３を参照しながら説明する。以下では、第７実施形態のうち第１実施形態と異なる点についてのみ説明し、第１実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池装置１０Ａは、図１に示される燃料電池装置１０に、還流配管１５８とエジェクタ４００とを追加した構成となっている。還流配管１５８は、セルスタック１１０から排出された残余燃料の一部を改質器１２０に戻すための配管である。還流配管１５８の一端は、セルスタック１１０と燃焼器１３０とを繋ぐ配管１５７の途中に接続されている。還流配管１５８の他端は、エジェクタ４００の吸引口４３１（後述）に接続されている。

エジェクタ４００の具体的な構成について、図１４を参照しながら説明する。エジェクタ４００は、駆動流体の流れを利用して被駆動流体を吸引する流体ポンプとして機能するものである。エジェクタ４００は、ケース４１０と、ノズル４２０と、吸引部４３０と、を備えている。

ケース４１０は、内部に空間が形成された筒状の部材である。当該空間は直線状の流路として形成されている。ケース４１０は、流体の流れる方向（図１４では左右方向）に対して垂直な断面の形状が円形となっている。ただし、その直径（断面の内径及び外径）は、上記方向に沿った各部において異なっている。ケース４１０のうち上流側（図１４では左側）の端部は、壁４１３により塞がれている。ケース４１０のうち下流側（図１４では右側）の端部には、流体の出口である排出口４１４が形成されている。

ケース４１０は、本体部４１１と、ディフューザ部４１２と、を有しており、これらが一体となるように形成されている。本体部４１１は、ケース４１０のうち最も上流側の部分である。本体部４１１のうちディフューザ部４１２側の部分はテーパー状に形成されており、下流側に行くほどその内径が小さくなっている。本体部４１１は、吸引部４３０を通ってエジェクタ４００に吸引された被駆動流体を受け入れる部分となっている。

ディフューザ部４１２は、ケース４１０のうち本体部４１１よりも下流側の部分である。混合部２２０は円筒形状となっており、その内径は下流側の部分において大きくなっている。ディフューザ部４１２は、流体（駆動流体及び被駆動流体）がその圧力を上昇させながら流れる部分となっている。ディフューザ部４１２の下流側端部には、既に述べたように排出口４１４が形成されている。

ノズル４２０は、ケース４１０の内部において駆動流体を噴射するための部材である。ノズル４２０は略円筒形状となっており、その内部には直線状の空間が形成されている。当該空間が、駆動流体の流れる流路となっている。ノズル４２０の中心軸はケース４１０の中心軸に一致している。ノズル４２０は、ケース４１０の壁４１３を垂直に貫いた状態で、ケース４１０に対して固定されている。

ノズル４２０のうち上流側の端部は、ケース４１０の外側に向けて突出している。当該端部には、駆動流体の入口である供給口４２１が形成されている。ノズル４２０のうち下流側の端部近傍の部分はテーパー状に形成されており、下流側に行くほどその内径が小さくなっている。ノズル４２０の下流側の端部には、駆動流体の出口である噴射口４２２が形成されている。供給口４２１からノズル４２０に供給された駆動流体は、その流速を高めながらノズル４２０の内部を流れた後、ケース４１０の内部において噴射口４２２から噴射される。駆動流体が流れて噴射される方向は、ディフューザ部４１２を流体が流れる方向と同一である。

吸引部４３０は円筒形状の配管であって、その一端がケース４１０のうち本体部４１１の側壁に接続されている。吸引部４３０の内部空間と、本体部４１１の内部空間とは繋がっている。吸引部４３０は、エジェクタ４００に吸引される被駆動流体をケース４１０の内部に導くための部分となっている。吸引部４３０の中心軸は、ケース４１０の中心軸に対して垂直に交差している。本実施形態では、吸引部４３０はケース４１０と一体に形成されている。

ノズル４２０の噴射口４２２から駆動流体が噴射されると、駆動流体の流れに起因して、ケース４１０の内部における圧力は低下する。これにより、吸引部４３０から被駆動流体が吸引され、本体部４１１の内部に流入する。吸引された被駆動流体は、ケース４１０の内部において駆動流体と合流し、駆動流体と混合されながら下流側に向かって流れる。その際、混合流体の圧力は、下流側に行くに従って次第に大きくなる。混合流体は、圧力を上昇させながらディフューザ部４１２を流れた後、排出口４１４から外部へと排出される。

図１３に戻って説明を続ける。燃料電池装置１０Ａでは、蒸発器２００から伸びる配管１５４の端部がエジェクタ４００の供給口４２１に接続されている。また、エジェクタ４００の排出口４１４と改質器１２０との間が配管１５５によって接続されている。

このような構成においては、水蒸気と原燃料ガスとの混合気体がノズル４２０に供給され、駆動流体としてノズル４２０の噴射口４２２から噴射される。これに伴い、吸引部４３０から残余燃料が被駆動流体として吸引され、本体部４１１の内部に流入する。エジェクタ４００の排出口４１４からは、水蒸気、原燃料ガス、及び残余燃料の混合気体が排出され、当該混合気体が配管１５５を通って改質器１２０に供給される。蒸発器２００で生じた水蒸気の流れを利用して、残余燃料を回収し再利用することができるので、燃料電池装置１０を高い発電効率で運転させることが可能となっている。

その他の構成について、図１５を参照しながら説明する。本実施形態では、第６実施形態（図１１）と同様に、配管３３０、開閉弁３３１、制御部３５０が設けられている。本実施形態においても、通常時においては開閉弁３３１が全開状態とされている。また、配管１４３の途中には圧力センサ４０２が設けられている。圧力センサ４０２は、配管１４３の内部の圧力、すなわち原燃料ガスの圧力を測定するためのセンサである。圧力センサ４０２によって測定された圧力は、制御部３５０に入力される。

既に述べたように、本実施形態においては、貯水部２１０と改質器１２０との間を繋ぐ配管（１５４、１５５）の途中にエジェクタ４００が設けられている。貯水部２１０で生じた水蒸気は、エジェクタ４００のノズル４２０を通って改質器１２０に供給される。このため、本実施形態においては、水蒸気の流れる流路の途中が、ノズル４２０によって絞られている。つまり、エジェクタ４００のノズル４２０が、第６実施形態（図１１）の絞り部４０１と同様の機能を発揮する。その効果については第６実施形態と同じである。

本実施形態においては、駆動流体として用いられる水蒸気の流量変動が抑制されるので、還流配管１５８を介して吸引（再利用）される残余燃料の流量変動も合わせて防止される。

制御部３５０は、第６実施形態において説明したような制御を行うことに加えて、圧力センサ４０２で測定された圧力に基づいて開閉弁３３１の動作を変化させる制御をも行う。当該制御のために行われる処理の流れを、図１６を参照しながら説明する。図１６に示される一連の処理は、燃料電池装置１０が動作している間、所定の周期が経過する毎に、制御部３５０によって繰り返し実行される。

最初のステップＳ０１では、圧力センサ４０２の測定値、すなわち原燃料ガスの圧力が取得される。ステップＳ０１に続くステップＳ０２では、上記圧力が所定の閾値ＴＨ（図１７（Ｂ）を参照）以上であるか否かが判定される。圧力が閾値ＴＨ以上であればステップＳ０３に移行する。ステップＳ０３では、開閉弁３３１が全閉状態に切り換えられる。

ステップＳ０２において圧力が閾値ＴＨ未満であった場合には、ステップＳ０４に移行する。ステップＳ０４では、開閉弁３３１が全開状態に切り換えられる。すなわち、開閉弁３３１の状態が通常時の状態に戻される。

図１７には、上記のような制御が行われる際における、水蒸気の発生量の時間変化等が示されている。図１７（Ａ）乃至（Ｄ）のそれぞれが示す対象は、図４（Ａ）乃至（Ｄ）のそれぞれが示す対象と同じである。また、図１７（Ｅ）には、開閉弁３３１の状態の変化が示されている。

図１７の例では、時刻ｔ１１において原燃料ガスの圧力が閾値ＴＨを上回っている（図１７（Ｂ））。このため、時刻ｔ１１においては、開閉弁３３１が全開状態から全閉状態に切り換えられる（図１７（Ｅ））。

時刻ｔ１１以降においては、空間ＳＰ１には配管３３０からの水蒸気が流入しなくなる。このとき、図１１及び図１２を参照しながら説明した現象と同じ原理により、溜水部３１０の水位は上昇して行き（図１７（Ｄ））、貯水部２１０の水位は低下して行く（図１７（Ｃ））。その結果、空間ＳＰ２のうち水面ＷＳ２よりも上方側の空間が広くなるので、原燃料ガスの圧力は低下する。その後、時刻ｔ１２において閾値ＴＨを下回る。

時刻ｔ１２以降は、開閉弁３３１が再び全開状態に戻される（図１７（Ｅ））。貯水部２１０の水位は時刻ｔ１２以降において上昇し、時刻ｔ１３以降は概ね一定となる（図１７（Ｃ））。また、溜水部３１０の水位は時刻ｔ１２以降において低下し、時刻ｔ１３以降は概ね一定となる（図１７（Ｄ））。

以上のように、本実施形態では、圧力センサ４０２で測定された圧力が上昇して所定の閾値ＴＨに到達すると、制御部３５０が開閉弁３３１の開度を小さくする。このような制御が行われることにより、配管１４３の内部における原燃料ガスの圧力が、概ね閾値ＴＨよりも低い状態に維持される。これにより、可燃性の原燃料ガス（都市ガス）の圧力が上昇し過ぎてしまい、例えば法規で定められた上限値を上回ってしまうようなことが確実に防止される。法規で定められた上限値よりも僅かに低い値が、閾値ＴＨとして設定されればよい。

尚、開閉弁３３１がその開度を滑らかに調整し得るように構成されている場合には、図１６のステップＳ０３において、開閉弁３３１の開度が小さくなるように（ただし全閉ではない）調整されてもよい。

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及びその配置、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。

１０，１０Ａ：燃料電池装置
１１０：セルスタック
１２０：改質器
２００：蒸発器
２１０：貯水部
３００：水位調整部
３３１：開閉弁
３５０：制御部
４００：エジェクタ
４２０：ノズル

Claims (12)

1. 燃料電池装置であって、
   水を加熱することにより水蒸気を発生させる蒸発器（２００）と、
   原燃料ガス及び水蒸気の供給を受けて水蒸気改質を行い、これにより燃料ガスを生成する改質器（１２０）と、
   燃料ガスの供給を受けて発電するセルスタック（１１０）と、を備え、
   前記蒸発器は、
   水を貯える容器である貯水部（２１０）を有し、前記貯水部の壁面（２１１，２１１Ａ）からの伝熱によって水の加熱を行うことにより、前記貯水部の水位に応じて水蒸気の発生量を変化させるものであって、
   前記貯水部の内部における水蒸気の圧力上昇に伴って前記水位を低下させる水位調整部（３００）、を更に備えている燃料電池装置。
2. 前記水位調整部は、
   水を貯える容器である溜水部（３１０）と、
   前記水位よりも低い位置において、前記貯水部と前記溜水部とを連通させる液体用連通部（３２０，３２０Ａ）と、を有している、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記溜水部の容積は前記貯水部の容積よりも大きい、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記水位調整部は、
   前記水位よりも高い位置において、前記貯水部と前記溜水部とを連通させる気体用連通部（３３０，３３０Ａ）、を更に有している、請求項２に記載の燃料電池装置。
5. 前記気体用連通部の流路断面積は、前記液体用連通部の流路断面積よりも小さい、請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記気体用連通部は、前記貯水部と前記溜水部との間を繋ぐように設けられた配管（３３０）であって、その途中には開閉弁（３３１）が設けられている、請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記開閉弁の動作を制御する制御部（３５０）を更に備える、請求項６に記載の燃料電池装置。
8. 前記原燃料ガスの圧力を測定する圧力センサ（４０２）を更に備え、
   前記制御部は、前記圧力センサで測定された圧力に応じて前記開閉弁の動作を制御する、請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記制御部は、前記圧力センサで測定された圧力が上昇して所定の閾値（ＴＨ）に到達すると、前記開閉弁の開度を小さくする、請求項８に記載の燃料電池装置。
10. 前記貯水部と前記溜水部とは側壁（２１５Ａ）を共有しており、当該側壁を介して互いに隣り合うように配置されたものであって、
    前記液体用連通部及び前記気体用連通部はいずれも、前記側壁に形成された開口（３２０Ａ，３３０Ａ）である、請求項５に記載の燃料電池装置。
11. 前記蒸発器から前記改質器に向かって水蒸気が流れる流路（１５４）の途中には、当該流路を絞る絞り部（４０１，４２０）が設けられている、請求項１に記載の燃料電池装置。
12. 発電に寄与することなく前記セルスタックから排出された残余の燃料ガス、である残余燃料を吸引し、当該残余燃料を前記改質器に送り込むエジェクタ（４００）を更に備え、
    前記エジェクタは、
    前記蒸発器から供給される水蒸気を内部のノズル（４２０）から噴射させ、これにより前記残余燃料を吸引するように構成されており、
    前記ノズルが前記絞り部として機能する、請求項１１に記載の燃料電池装置。

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