JP6753930B2 - 改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

改質器、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池セルに導入する燃料ガスを生成するための改質器、それを具備するセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
セルスタック装置は、燃料電池セルスタックの上方に改質器を配置してなり、この改質器は水を気化して水蒸気を生成する気化部と、該気化部で発生した水蒸気を用いて原燃料（気体状の原燃料ガスを含む）を水蒸気改質する改質部とを具備している。原燃料導入管および水導入管が、改質器の上流側に連なる気化部に接続され、気化部で発生した水蒸気と原燃料とが混合されて、改質部に導入され、この改質部で原燃料が改質されるように構成されている。
一般的に燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールは、上述のセルスタック装置が収納容器内に収納されて構成される。改質器に導入された原燃料と水から水素を成分として含む改質ガスを生成して燃料電池セルスタックに導入する。
特開２００５−１５８５２７号公報 特開２０１６−１７７９４５号公報
本開示の改質器は、原燃料と水とが導入されて改質反応を行う、水平方向に延びた筒状の改質器本体を有し、該改質器本体の内部に、水蒸気を発生させる気化部と、前記気化部で発生した水蒸気を原燃料と反応させて改質ガスを生成する改質部と、を備え、前記改質器本体に原燃料を導入する原燃料導入管と、前記改質器本体に水を導入する水流路を内部に有する水導入管と、を含み、前記気化部および前記水導入管の少なくとも一方において、前記気化部での水の気化を促進するための気化促進部を備える。
本開示のセルスタック装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なうとともに、内部を長手方向に貫通するガス流路を有し、上端側で発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池セルを複数個備えるセルスタックを備える。そしてさらに、前記ガス流路に連通し該ガス流路に燃料ガスを導入するマニホールドと、該マニホールドと接続され、前記セルスタックの上方に配置された先に開示の改質器と、を備える。
本開示の燃料電池モジュールは、先に開示のセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収納容器と、を備える。
本開示の燃料電池装置は、先に開示の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールの運転を行なうための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収納する外装ケースと、を備える。
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
第１実施形態のセルスタック装置の構成を示す側面図である。 第１実施形態の改質器の内部構成が見えるように一部を切り取って示す斜視図である。 第１実施形態の改質器の構造を示す断面図である。 図３ＡのＩ線断面図である。 第１実施形態の改質器の別の構造を示す断面図である。 第２実施形態の改質器の部分断面図である。 第３実施形態の改質器の部分断面図である。 第４実施形態の改質器の部分断面図である。 第５実施形態の改質器の部分断面図である。 第６実施形態の改質器の部分断面図である。 実施形態の燃料電池モジュールにおける原燃料・水導入管の収納容器への接続状態を示す外観斜視図である。 第７実施形態の燃料電池モジュール内における原燃料・水導入管と改質器本体との接続構造を示す部分断面図である。 第７実施形態における原燃料・水導入管と改質器本体との接続部分を示す断面模式図である。 図１１ＡのII線断面模式図である。 図１１ＡのIII線断面模式図である。 第８実施形態における原燃料・水導入管と改質器本体との接続部分を示す断面模式図である。 図１２ＡのIV線断面模式図である。 図１２ＡのＶ線断面模式図である。 第９実施形態における原燃料・水導入管と改質器本体との接続部分を示す断面模式図である。 図１３ＡのVI線断面模式図である。 図１３ＡのVII線断面模式図である。 第１０実施形態の燃料電池モジュール内における原燃料・水導入管と改質器本体との接続構造を示す部分断面図である。 第１０実施形態における原燃料・水導入管と改質器本体との接続部分を示す断面模式図である。 図１５ＡのVIII線断面模式図である。 第１１実施形態の燃料電池モジュール内における原燃料・水導入管と改質器本体との接続構造を示す部分断面図である。 第１１実施形態における原燃料・水導入管と改質器本体との接続部分を示す断面模式図である。 図１７ＡのIX線断面模式図である。 第１２実施形態における原燃料・水導入管と改質器本体との接続部分を示す断面模式図である。 図１８ＡのＸ線断面模式図である。 改質器本体に対する原燃料・水導入管の接続態様を説明する図である。 実施形態の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。
ところで、改質器においては、効率のよい改質反応を行なうことが求められる。ここで、特に水蒸気改質を行なう改質器においては、単に改質部での改質反応を効率よく行なうだけではなく、気化部における水の気化も効率よく行なうことが求められる。そこで、本実施形態の改質器は、気化部における水の気化効率を直接的にまたは間接的に向上することに着目してなされたものである。以下、図面を参考にして、本実施形態を詳細に説明する。
図１〔ＦＩＧ．１〕〜図３〔ＦＩＧ．３Ｃ〕は第１実施形態の改質器の構成を説明する図であり、図４〔ＦＩＧ．４〕〜図８〔ＦＩＧ．８〕はそれぞれ、第２〜第６実施形態に対応する改質器の構成を説明する図である。なお、同様の機能・構成を有する部材には同じ符号を付記して、詳細な説明を省略する。
図１は、第１実施形態のセルスタック装置の構成を示す構成図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。図１に示すセルスタック装置１０は、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セル２２を複数個立設させた状態で配列し、間に集電部材（図示せず）を介して互いに電気的に接続したセルスタック２３の上方に改質器１を配置したものである。
ここで、セルスタック２３を構成する燃料電池セル２２の下端が、燃料電池セル２２に改質ガス（水素含有ガス）を導入するマニホールド２１に絶縁性の接着材によって固定されており、マニホールド２１の端部に改質ガス送給管６の一方端が接続されている。また、改質ガス送給管６の他方端は後述する改質ガス送出口５に接続されている。なお、ここでいうマニホールド２１の端部とは、マニホールド２１の側面のうち燃料電池セル２２の配列方向と直交する側面であり、改質器１の改質ガス送出口５の側と同じ側の側面を意味する。なお、マニホールド２１を介して改質ガスが燃料電池セル２２に導入されればよく、改質ガス送給管６の一方端は、マニホールド２１の上面や下面に接続されていてもよい。
なお、セルスタック２３の両端部には、燃料電池セル２２の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材（図示せず）が配置されている。ここで、燃料電池セル２２としては、たとえば、内部を改質ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板状で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けた固体酸化物形燃料電池セルがあげられる。なお、燃料電池セル２２として固体酸化物形燃料電池セルを用いる場合には、燃料電池セル２２の発電温度が、６００℃〜１０００℃程度と非常に高温となる。なお、燃料電池セル２２としては、いわゆる円筒型や横縞型を用いることもできる。
上述のセルスタック装置１０においては、後述する改質器１に天然ガスや灯油等の原燃料を導入して改質反応を行なう。改質反応により得られた改質ガスは、改質ガス送給管６を介してマニホールド２１に導入され、マニホールド２１に導入された改質ガスが、燃料電池セル２２に導入される。さらに、燃料電池セル２２の外側から酸素含有ガスとして空気が導入され、改質ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて、燃料電池セル２２において発電が行なわれる。
また、セルスタック２３と改質器１の間には、改質ガスに点火するための点火手段（図示せず）が配設されている。さらに、セルスタック２３と改質器１との間に位置する燃焼部２４において、燃料電池セル２２における発電に使用されなかった余剰の改質ガスを燃焼させる構成とすることで、余剰の改質ガスが燃焼することにより生じる燃焼熱によって改質器１の温度を上昇させることができる。その結果、改質器１において効率よく改質反応を行なうことができる。なお、図１において、ガスの流れを図中の矢印を用いて示している。本実施形態の燃料電池モジュール（３０）は、上述のセルスタック装置１０を収納容器内に収納したものである。また、本実施形態の燃料電池装置は、図２０に示すように、この燃料電池モジュール（３０）と、燃料電池モジュールを作動させるための補機と、燃料電池モジュールおよび補機を収容する外装ケースとを備えたものである。
図２は、第１実施形態の改質器１の構成を示す斜視図であり、改質器１の内部が見えるように一部を切り取って示す外観斜視図である。なお、図２においては、その構成を一部省略して図示している。図２の改質器１は、一方端部に原燃料および水が導入される導入口７が設けられ、水平方向に延びた筒状の、改質器本体２を備えたものである。
改質器本体２は気化部３と改質部４を有している。気化部３は、導入口７から原燃料と水とが導入される導入部であって、導入された水の一部を水蒸気とする第１気化室３ａと、導入された水を水蒸気とする第２気化室３ｂと、を含む。改質部４は、第２気化室３ｂで発生した水蒸気を原燃料と改質反応させて改質ガスを生成する第１改質室４ａおよび第２改質室４ｂと、を含む。改質器１において、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行なうにあたっては、第１気化室３ａに導入した水のほとんど（好ましくはすべて）を第２気化室３ｂにて水蒸気に気化させて原燃料と混合し、水蒸気が混合した原燃料を第１改質室４ａに導入する。なお、改質部４は、仕切壁によって区分することなく、１つの部屋を持つ改質部としてもよい。また、改質器本体２の他方端部には、改質ガスを送出する改質ガス送出口５が設けられている。
ここで図２の改質器１は、改質器本体２の中心軸線Ｃに垂直な方向に延びた、改質器本体２を区画している、３つの仕切壁１１をさらに有している。この仕切壁１１はそれぞれが、原燃料および水蒸気ならびに改質ガスが流通可能な流通可能部１２を、下方側に有している。ここで下方側とは、改質器１の内部の、高さ方向において下端からおよそ２／３の高さまでの領域である。また、仕切壁１１の流通可能部１２以外の部分は遮蔽されており、原燃料および水蒸気ならびに改質ガスを流通させない流通不可部となっている。なお、仕切壁１１を、伝熱性の高い部材によって形成することにより、改質器本体２の内部を流れる流体および改質触媒（図示せず）への伝熱を促進することができ、それによって改質効率を向上させることができる。なお、流通可能部１２を、改質器１の内部の、高さ方向全体にわたって設けることもできる。
流通可能部１２は仕切壁１１の開口部に取り付けられた網目状の部材によって構成されてもよく、あるいは、一方向に細長く延びた複数の開口部として、仕切壁１１に設けられた複数のスリット状の切り込みによって構成されてもよく、さらには貫通孔によって構成されてもよい。改質器１の内部は、３つの仕切壁１１によって、導入口７の側から改質ガス送出口５の側にかけて、第１気化室３ａ、第２気化室３ｂ、第１改質室４ａ、および第２改質室４ｂの順に区画されている。なお、第１気化室３ａまたは第２気化室３ｂを設けない構成とすることもできる。改質器１が備える仕切壁１１は、１つでもよく、４つ以上でもよい。
ここで、導入管８は、後記第７実施形態のように、原燃料導入管と水導入管の二重管（たとえば、原燃料・水導入管２５等）とすることも可能である。なお、二重管とする場合においては、原燃料導入管の内側に水導入管を設けるほか、水導入管の内側に原燃料導入管を設ける形状とすることもできる。ただし、原燃料導入管と水導入管とを別々に設けることももちろん可能である。
図３Ａ，３Ｂは、第２実施形態の改質器の構成を示す断面図であり、図３Ａは、改質器本体の長手方向の部分断面図であり、図３Ｂは第１気化室を導入管に向かって見た断面図、すなわち図３ＡにおけるＩ線断面図である。なお、改質器１の導入部である第１気化室３ａに導入管８が接続されている。
図３Ａ，３Ｂに示す改質器においては、気化部３内であって、第１気化室３ａの少なくとも底部を覆うように、第１気化室３ａの内面に沿って、気化促進部を構成する気化促進部材である水拡散部材１３が円弧状に配置されている。以下の当該実施形態の説明においては、気化促進部として、水拡散部材を用いて説明する。水拡散部材１３は、改質器本体２の底面側から上面側に向けて、改質器本体２の内面に沿って設けられている。なお、図３Ａ，３Ｂにおいては、水拡散部材１３を改質器本体２の底面側からほぼ半分の高さまで設けた例を示しているが、その高さ方向に特に制限はない。たとえば、図３Ｃに示すように、水拡散部材１３を、改質器本体の内周全体を覆うように設けることもできる。その場合、水拡散部材１３は、周方向に切れ目なく連続する円筒形のものでも、平板形に切断されたものを円筒状に丸めたものでもよい。
導入管８から導入部である第１気化室３ａに水と原燃料とが導入される。第１気化室３ａ内に水が滴下すると、第１気化室３ａの下方に配置された水拡散部材１３と接触する。水拡散部材１３は耐熱性を有し、かつ水によって腐食しないステンレス等の金属素材からなる金属網であり、水が毛細管現象で金属網に沿って拡がっていく程度の細かい網目構造を有している。そのため、水拡散部材１３と接触した水は、滴下した位置に溜まることなく水拡散部材１３に沿って拡散する。水は、拡散しながら加熱されて水蒸気になる。水蒸気は、仕切壁１１の流通可能部１２を通って第２気化室３ｂに移動し、第２気化室３ｂにて完全に水蒸気とされるとともに、原燃料と混合される。
水拡散部材１３により、気化部３の底部に水が滞留することなく、水の気化が円滑に連続的に行われる。そのため、水の気化を直接的に促進することができるとともに、滞留した水が突沸して大量の水蒸気が一度に発生する現象を抑制することができ、水の安定した気化を行うことができる。したがって、改質器１において改質反応が安定するので、改質器１にて生成されてセルスタック２３に導入される改質ガスの流量が安定し、安定した発電を行うことができる。なお、水拡散部材１３は、導入管８の構成によらず、水の流れるどのような形状の導入管にも設けることができる。
図４は、第２実施形態の改質器の構成を示す部分断面図である。上述の金属網の代わりに水拡散部材１４としてセラミックファイバーを積層してブランケット状にしたものを用いている。セラミックファイバーは高温に耐え、また、水や原燃料等と化学反応を起こしにくいため水拡散部材として好適である。導入管８から導入された水は、セラミックファイバーの繊維間を毛細管現象によって拡散しながら気化するので、導入された水の気化を直接的に促進することができるとともに、導入された水を滞留させることなく安定して気化させることができる。
図３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび図４に示す実施の形態において、一本の導入管８によって気化室に水および原燃料を導入したが、水と、原燃料とを別々の導入管で導入してもよい。この場合、水を導入する導入管は、第１気化室３ａに接続されるが、原燃料を導入する導入管は、第１気化室３ａの他、第２気化室３ｂや、第１改質室４ａに接続して原燃料を導入してもよい。
また、図３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび図４に示す実施の形態において、水拡散部材１３，１４を第１気化室３ａのみに設けた例を示しているが、水拡散部材１３，１４を第１気化室３ａからのびて第２気化室３ｂまで設けてもよい。この場合に、水拡散部材１３，１４を仕切壁１１の下方を通過するように設けてもよい。
図５は、第３実施形態の改質器の構成を示す部分断面図であり、導入管８の気化部３（第１気化室３ａ）に臨む部分に、気化促進部を構成する気化促進部材である霧化部材を設けたものである。霧化部材１５は、円筒状であり、導入管８の内面に沿って設けられている。霧化部材１５は、金属網を円筒状に丸めたり、セラミックファイバーを円筒状に成型したものを用いることができる。なお、霧化部材１５は円筒状に限られるものではない。
導入管８によって導入される水は、導入管８の端部である気化部３に臨む部分に設置された霧化部材１５に染み込む。霧化部材１５の中空部である、導入管８の中心部は、原燃料が通過する。原燃料は、霧化部材１５に含まれた水を霧状にして巻き込みながら第１気化室３ａに流入する。このように、霧化部材１５により、水が細かい霧状となって原燃料とともに第１気化室３ａに流入するので、水の気化を直接的に促進することができ、また水が気化部３の底部に滞留することなく、水蒸気を発生させることができる。
なお、霧化部材１５は、導入管８の構成に応じて適宜配置することができる。たとえば、導入管８が、原燃料導入管と水導入管との二重管の場合において、水導入管に設けるほか、たとえば原燃料導入管が水導入管の先端よりも突出している場合に、原燃料導入管の突出した部位の外面であって、水導入管の先において、水導入管より導入された水が霧化できる位置に設けることもできる。
図６は、第４実施形態の改質器の構成を示す部分断面図であり、気化部３である第１気化室３ａ内に突出して霧化部材１５を設けたものである。筒状の霧化部材１５は、一方の先端が導入管８に差し込まれて固定されており、他方の先端が第１気化室３ａ内に突出して配設されている。
このように、霧化部材１５を導入管８の先端から第１気化室３ａ内に突出して配設することにより、第１気化室３ａ内に面する霧化部材１５の表面積が大きくなるので、導入された水をより効率的に霧化して第１気化室３ａに導入することができる。
図７は、第５実施形態の改質器の構成を示す部分断面図であり、導入管８の内面に沿って筒状に設けられた霧化部材１５の先端側に原燃料の流れる方向を変向させる原燃料変向部材１６を設けたものである。筒状の霧化部材１５の第１気化室３ａ側の端面の穴に原燃料変向部材１６が差し込まれて固定されている。原燃料変向部材１６は、改質器本体２や、導入管８と同じように耐熱、耐腐食性のある金属で形成されている。
導入管８の先端まで流れてきた原燃料は、多くは霧化部材１５の中空部を流れるが、原燃料変向部材１６を設けることにより、中空部の流れが導入管８の内壁方向に変向される。その結果、多くの原燃料が霧化部材１５を透過して第１気化室３ａに流れるようになり、水の霧化をより効率的に行うことができる。なお、図７に示す原燃料変向部材１６は、原燃料が原燃料変向部材１６を通過しないものとされている。
図８は、第６実施形態の改質器の構成を示す部分断面図であり、第１気化室３ａ内に突出して配設された霧化部材１５の先端に原燃料変向部材１６を取付けたものである。原燃料変向部材１６は、原燃料の中空部の流れを導入管８の内壁方向に変向するので、多くの原燃料が、霧化部材１５を透過して第１気化室３ａ内に流れ込む、このとき霧化部材１５に含まれる水を霧状に第１気化室３ａに拡散する。多くの原燃料が霧化部材１５の中を流れて第１気化室３ａに流れ込むので、水の霧化をより効率的に行うことができる。
なお、図７および図８では、原燃料変向部材１６は、霧化部材１５の第１気化室３ａ側の端面の穴に差し込まれて固定されているが、これに限るものではなく、霧化部材１５の第１気化室３ａ側の端面をメッシュ素材からなる蓋状の部材で覆うようにしてもよい。この場合であっても、蓋状の部材を原燃料が通過することを抑制でき、全体として原燃料の流れる方向を変更することができる。よって、原燃料変向部材１６として用いることができる。
つぎに、同様に図面を参照して、第７〜第１２実施形態を詳細に説明する。
図９〔ＦＩＧ．９〕〜図１１〔ＦＩＧ．１１Ｃ〕は第７実施形態の改質器の構成を説明する図であり、図１２〔ＦＩＧ．１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ〕および図１３〔ＦＩＧ．１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ〕は、第７実施形態の変形例に相当する第８および第９実施形態の改質器を示す図である。
また、図１４〔ＦＩＧ．１４〕および図１５〔ＦＩＧ．１５Ａ，１５Ｂ〕は第１０実施形態の改質器、図１６〔ＦＩＧ．１６〕および図１７〔ＦＩＧ．１７Ａ，１７Ｂ〕は第１１実施形態の改質器、を示す図である。
そして、図１８〔ＦＩＧ．１８Ａ，１８Ｂ〕は、第７実施形態の他の例に相当する第１２実施形態の改質器を示す図である。
図９に示す第７実施形態の燃料電池装置に用いられている燃料電池モジュール３１は、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールである。収納容器４１の内部に、図１０の部分断面図（カットモデル）に示すような、セルスタック２３と改質器１とを備えるセルスタック装置２０を収容して、収納容器（収容空間）の開口を、蓋体４２で密閉した構成をとる。なお、収納容器４１は、燃料電池セル（セルスタック２３）の配列方向に沿った長手形状の長方形に形成されているものとし、燃料電池セルの配列方向に沿った収納容器４１の長手方向で、かつ、改質器１の長さ方向（長手方向）を、前後（または手前−奥）方向と呼ぶ。したがって、図９においては図示右方がモジュールの手前側であり、図１０においては（反対側の）図示左方がモジュールの手前側に相当する。
そして、図９において収納容器４１の前側（図示右方）の側面〔図１０では図示左方〕に配設されているのは、セルスタック装置２０の改質器１に、天然ガス等の原燃料（気体状の原燃料ガスを含む）と原燃料改質用の水とを導入するための原燃料・水導入管２５である。また、改質器１内部の温度を計測するための熱電対（図示省略）が、原燃料・水導入管２５と同軸方向に、改質器１の内部に挿入されている場合もある。
図１０を用いて第７実施形態の燃料電池モジュール３１の内部構造を説明する。
収納容器４１の中央部に、図１にて説明したセルスタック装置２０が収納されている。なお、セルスタック装置２０の下側には、内部断熱材（底部断熱材）９が配設されている。セルスタック装置２０は、図１にて示したセルスタック装置１０と同様の構成であるため、同一部分についての説明は割愛する。
なお、セルスタック２３の形状も、列状のものに限られるものではなく、他の配列のセルスタックを有するセルスタック装置を用いることもできる。また、収納容器も、そのセルスタック装置の形状（外形）に合わせて、直方体状、円筒状のほか、立方体状や角柱状等であってもよい。
図１０の改質器１（筐体であり改質器本体２とも呼ぶ）は、その内部が見えるように一部を切り取って図示している。この例において、改質器１（または改質器本体２）は、全体として、一列状のセルスタック２３に対応した、中空の直線円筒状（直管状）である。
中空筒状の改質器本体（２）の内部は、第１〜第６実施形態の改質器と同様、複数の仕切壁１１より、気化部３と改質部４とに分画されている。また、第１気化室３ａおよび第２気化室３ｂの少なくとも下部（底部側）を覆うように、各気化室３ａ，３ｂの内面に沿って、図３，図４に示すような、金属網やセラミックファイバー等からなる水拡散部材１３，１４等を配設してもよい。
改質部４は、第２気化室３ｂで発生した水蒸気を原燃料と改質反応させて改質ガスを生成する第１改質室４ａおよび第２改質室４ｂとを含む。なお、改質部４は、仕切壁１１によって区分することなく、１つの部屋（室）を持つ改質部としてもよい。以上の点以外は、第１〜第６実施形態の改質器と同様である。
つぎに、第７実施形態において、改質器１に、天然ガス等の原燃料と原燃料改質用の水とを導入する原燃料・水導入管２５について詳述する。
図１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに示すように、原燃料・水導入管２５は、外周を構成する大径の外管２５Ａと、内周を構成する小径の内管２５Ｂとからなる二重管構造を有している。これら互いに独立した外管２５Ａと内管２５Ｂとの間の管の軸線方向に延びる空間Ｓ１は、水（黒塗り矢印で表示）が流過する水流路であり、内管２５Ｂ内側の軸線方向の空間Ｓ２は、原燃料（ガス：白抜き矢印で表示）が流過する原燃料流路である。
なお、ガス（原燃料）や水等の流体は、共に、その導入側（図示左方の上流側）から、改質器１の導入口７（図示右方の下流側）に向かって矢印に示す方向に流過し、各管の末端開口に形成された各吐出口から、改質器１内に吐出（導入）されるものとする。
ところで、ポンプ出力の変動等により、瞬間的に多量の水が原燃料・水導入管２５に導入された場合、導入された水がそのまま水導入管を流過することで、瞬間的に比較的多量の水が気化部（気化室３ａ）に導入される。これにより、気化部３の温度が瞬間的に低下し、気化の効率が悪くなるおそれがあり、さらには改質器１での改質反応が不安定になるおそれがあった。
そこで、本実施形態における水流路（外管２５Ａと内管２５Ｂとの間に延びる空間Ｓ１）は、気化促進部を構成し、水流路の軸線方向に水が流過することを抑制する流過抑制部〔図１１Ａの原燃料・水導入管２５におけるＰ部〕を含んでいる。この構成により、瞬間的に多量の水が水導入管に導入された場合であっても、導入された水がそのまま水導入管を流過することが抑制される。すなわち、瞬間的に比較的多量の水が気化部に導入されることを抑制できるため、気化部に導入される水量が抑えられ、ひいては、水の気化を促進することができ、原燃料の水蒸気改質を安定して行うことができる。すなわち、気化促進部を構成する流過抑制部は、気化部での気化を間接的に促進することができる。
ここで、図１１Ｂ，１１Ｃに示すように、水流路を構成する空間Ｓ１は、流路の下流側端部位置〔図示右方のIII位置：図１１Ｃ〕の断面における空間Ｓ１の占有面積（水流路断面積）が、流路上流側の通常管径部分〔図示左方のII位置：図１１Ｂ〕の断面における空間Ｓ１の占有面積（水流路断面積）より小さくなっている。この水流路断面積の縮小部位（内管２５Ｂの拡径部位Ｐ）が、水流路の軸線方向（図中の黒塗り矢印で示す水の流過方向）に、水が流過することを抑制する「流過抑制部」になっている。
第７実施形態における流過抑制部Ｐは、上述するように、水流路における水の流過方向の下流側端部に設けられている。この構成により、水導入管に導入された水の流過を吐出口付近において抑制できる。それゆえ、瞬間的に比較的多量の水が気化部に導入されることを効果的に抑制でき、気化部での気化を間接的に促進することができる。
また、第７実施形態においては、上述するように、流過抑制部Ｐの流路断面積は、流過抑制部Ｐより水の流過方向上流側の該水流路の流路断面積より小さい。この構成によって、流過抑制部Ｐの流路断面積が小さい、すなわち外管２５Ａと内管２５Ｂとの距離が近くなることで水との間に発生する表面張力が増大して水の流過が抑制される。これにより、瞬間的に比較的多量の水が気化部に導入されることを、より抑制することができ、気化部での気化を間接的に促進することができる。
そして、水導入管または原燃料導入管の一方が他方の管の内部に配置される、第７実施形態においては、流過抑制部Ｐに対応する部分における、水導入管または原燃料導入管の少なくとも一方の管の管径と、流過抑制部Ｐより水または原燃料の流過方向上流側の、水導入管または原燃料導入管の少なくとも一方の前記管の管径とを異ならせることで「流過抑制部」を設けてもよい。この構成により、何れか一方の管径を変えることで流過抑制部を有する水導入管を、容易に製造することができる。
なお、図１１Ａで示す第７実施形態では、二重管内側の内管２５Ｂの下流側端部を拡径させることにより水流路の流過抑制部Ｐを形成したが、水流路に流過抑制部を形成する手法はこれに限定されるものではない。たとえば、第８実施形態として図１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに示すように、二重管構造の原燃料・水導入管２６において、大径の外管２６Ａの下流側端部を、内周を構成する小径の内管２６Ｂの方向（内径側）に向けて縮径させ、流過抑制部Ｑを形成してもよい。
また、たとえば、第９実施形態として図１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに示すように、原燃料・水導入管２５，２６とは逆に、小径の内管２７Ｂの内側に水流路（空間Ｓ１）を形成してもよい。このように、内管２７Ｂと外周を形成する大径の外管２７Ａとの間の管の軸線方向に原燃料流路（空間Ｓ２）が形成された原燃料・水導入管２７の場合は、水が流過する内管２７Ｂの下流側端部の管径〔図示右方のVII位置：図１３Ｃ〕が、水流過方向上流側の管径〔図示左方のVI位置：図１３Ｂ〕より小さくなるように縮径させ、流過抑制部Ｒを形成する。
なお、原燃料流路に着目すれば、第７実施形態における流過抑制部Ｐに対応する原燃料が流過する内管２５Ｂの下流側端部〔図示右方のIII位置：図１１Ｃ〕における空間Ｓ２の断面開口面積（原燃料流路断面積）は、流路上流側の通常管径部分〔図示左方のII置：図１１Ｂ〕における空間Ｓ２の断面開口面積（原燃料流路断面積）より大きくなっている。この構成により、原燃料（ガス）の内圧が開放されて原燃料が改質器内に拡散され易くなるため、改質反応を促進させることができる。
また、図１３Ａの例に示すように、内管２７Ｂの内側に水流路（空間Ｓ１）が形成され、外周を形成する外管２７Ａとの間の管の軸線方向に原燃料流路（空間Ｓ２）が形成された原燃料・水導入管２７の場合は、外管２７Ａの下流側端部〔図示右方のVII位置：図１３Ｃ〕における空間Ｓ２の断面開口面積（原燃料流路断面積）を、流路上流側の通常管径部分〔図示左方のVI位置：図１３Ｂ〕における空間Ｓ２の断面開口面積（原燃料流路断面積）より大きくする。この場合も、上記同様の効果が得られる。
また、原燃料・水導入管２５，２６，２７と改質器１の本体（２）との接続部分は、たとえば図１１Ａに拡大して示すように、溶接にて導入口７に固定され、水流路を構成する外管２５Ａに対して、原燃料流路を構成する内管２５Ｂは、その下流側の端部（図示右側のガス吐出用開口）が、前記外管２５Ａの下流側の端部（水吐出口）より、改質器１本体の内側方向（図示右側方向）に突出している。なお、外管２５Ａ（水流路）の端部に対する、内管２５Ｂ（原燃料流路）端部の内側方向（軸線方向）への突出量を、図中のＬ（単位：ｍｍ）で表す。本例において、内管２５Ｂの端部の内側への突出量である長さＬは１．０〜１５．０ｍｍ程度に設定される。
さらに、原燃料・水導入管２５の、改質器１本体に対する接続（固定）は、図１１Ａに示すように、その断面において先端の縁部（内縁）が改質器１本体の内部に向けて折れ曲がる断面Ｌ字状に形成された導入口７の開口に、該開口の径より若干小径の原燃料・水導入管２５が挿入されている。また、この導入口７の内周縁と原燃料・水導入管２５の外周面との間は、図示しない溶接により密封固定されている。
つぎに、図１４，１５Ａ，１５Ｂを用いて第１０実施形態の燃料電池モジュール３２の内部構造を説明する。なお、この燃料電池モジュール３２においても、セルスタック装置２０のセルスタック２３，改質器１（改質器本体２）およびマニホールド２１等の構成は、第９実施形態の燃料電池モジュール３１と同様である。前述の第９実施形態の構造と異なる点のみを、以下で説明する。
本実施形態の原燃料・水導入管２８は、図１５Ａ，１５Ｂに示すように、外周を構成する大径の外管２８Ａと、最内周を構成する小径の鞘管２８Ｃとを備える。そして、これら外管２８Ａと小径の鞘管２８Ｃとの間の径方向空間内には、管の軸線方向に沿って独立して延びる、中径の内管２８Ｂが挿入されている。このように、原燃料・水導入管２８は、三重管構造を有している。外管２８Ａと内管２８Ｂとの間の軸線方向の空間Ｓ１に、水（黒塗り矢印で表示）が流過する水流路が形成され、内管２８Ｂと小径の鞘管２８Ｃとの間の軸線方向の空間Ｓ２に、原燃料（ガス：白抜き矢印で表示）が流過する原燃料流路が形成されている。そして、最内側（内径側）となる鞘管２８Ｃ内側の軸線方向空間Ｓ３には、改質器１の改質部内の温度を計測するための熱電対ＴＣが挿通されている。なお、鞘管２８Ｃは、外管２８Ａおよび内管２８Ｂのいずれとも接することなく原燃料・水導入管２８の軸線方向に配置されていてもよい。
このように、外管２８Ａ，内管２８Ｂ，鞘管２８Ｃからなる三重管構造とすることにより、原燃料・水導入管２８と改質器１および収納容器４１とは、最外周の外管２８Ａでのみ接続されるので、接続が容易となり生産効率が向上する。また、鞘管２８Ｃから改質器１外部への熱引きを抑制できるので、改質器１内部の温度低下を抑制できる。
また、図１５Ａに示す第１０実施形態においては、外管２８Ａと内管２８Ｂとの間に形成される軸線方向の空間Ｓ１（水流路）に挿入された、たとえば水流路の軸線方向に延びる螺旋状部材Ｗ等からなる流過抵抗部材を備えている。そして、図示の原燃料・水導入管２８の部位全体が、流過抑制部Ｕになっている。
すなわち、水流路の軸線方向に挿入された流過抵抗部材を設けることで、水の流過を抑制できるため、瞬間的に比較的多量の水が気化部に導入されることを抑制でき、ひいては気化部での気化を間接的に促進することができ、あわせて原燃料の水蒸気改質を安定して行うことができる。なお、流過抵抗部材の他の例としては、たとえば、メッシュ状耐熱部材等があげられる。
また、第１０実施形態においては、上述したように、螺旋状部材Ｗ等の流過抵抗部材が外管２８Ａと内管２８Ｂとの間の水流路（空間Ｓ１）に配置されている。すなわち、流過抵抗部材を備えることで水の流れ方向と直交する方向に水を拡散させるとともに、水流路中に原燃料流路（空間Ｓ２）となる内管２８Ｂを配置させる。これにより、内管２８Ｂの外側表面と外管２８Ａの内側表面との間に水の表面張力が生じ、管と管の間に挿入された流過抵抗部材（螺旋状部材Ｗ）との接触によってさらに表面張力が増大するので、水の流過をより抑制できる。
また、第１０実施形態のように流過抵抗部材が上述する螺旋状部材Ｗであることにより、水は螺旋状部材Ｗに沿って螺旋状に流過する。これにより、水流路の流路長さを実質的に長くすることができ、さらに螺旋状部材Ｗと水とが接触し、螺旋状部材Ｗとの間にも表面張力が生じる。そのため、表面張力が増大し、水の流過をより抑制することができる。
つぎに、図１６，１７Ａ，１７Ｂを用いて第１１実施形態の燃料電池モジュール３３の内部構造を説明する。なお、この燃料電池モジュール３３においても、セルスタック装置２０のセルスタック２３，改質器１（改質器本体２）およびマニホールド２１等の構成は、第９および第１０実施形態の燃料電池モジュール３１，３２と同様である。
第１１実施形態の燃料電池モジュール３３が、第１０実施形態と異なるのは、改質器１（筐体であり改質器本体２）に原燃料および水を導入する原燃料・水導入管２９が、外周を構成する大径の外管２９Ａの内側に、原燃料流路を構成する中径の内管２９Ｂと、内部に熱電対ＴＣを挿通するため小径の熱電対用鞘管２９Ｃとが、互いに独立した状態で並行に挿通されている点である。
また、前述の第１０実施形態と同様、図１７Ａに示す内管２９Ｂ（原燃料流路）は、原料の流過方向上流側〔図示左方のIX位置：図１７Ｂ〕から、原燃料の吐出側の下流側端部〔図示右方の原燃料の吐出口〕に向けて、管径が漸次拡径するテーパー状に形成されている。これにより、軸線方向で管径の変わらない外管２９Ａと、前記内管２９Ｂとの間に形成される水流路（空間Ｓ１）は、流路の下流側端部に位置する水吐出口位置〔図示右方の導入口７位置〕の断面における空間Ｓ１の占有面積（水流路断面積）が、流路上流側〔図示左方のIX位置〕の断面における空間Ｓ１の占有面積（水流路断面積）より小さくなっている。
すなわち、第１１実施形態においても、第１０実施形態と同様、上記内管２９Ｂの拡径により、水流路の下流側端部（図示の原燃料・水導入管２９の部位全体）が、流過抑制部Ｖになっている。
さらに、原燃料・水導入管の出口（吐出口）近傍を縮径・拡径させたり、水流路内に螺旋状部材Ｗ等を配設したりすることに代えて、先の第３，第４実施形態で示した霧化部材１５を用いてもよい。すなわち、図１８Ａ，１８Ｂに示す第１２実施形態の改質器の原燃料・水導入管４０は、外周を構成する大径の外管４０Ａと、内周を構成する小径の内管４０Ｂとからなる二重管構造を有している。また、外管４０Ａと内管４０Ｂとの間の空間Ｓ１に形成される水流路に、流過する水を霧化させる霧化部材１５が、配設されている。
そして、前記の霧化部材１５が、水の軸線方向の流過を抑える流過抵抗部材として機能することにより、この原燃料・水導入管４０の端部に、先に述べたＰ，Ｑ，Ｒ部と同様の流過抑制部Ｙが形成されている。この構成によっても、第７〜第１１実施形態の改質器と同様の効果を奏することができる。なお、これら霧化部材、流過抵抗部材および先に述べた水拡散部材は、互いに併用することが可能で、前述の流過抑制部（管径の拡径・縮径等）と同時に配設してもよい。
一方、図１９に示すように、各実施形態に示す原燃料・水導入管（８，２５〜２９，４０等、代表して符号２５）は、その上流側（図示左方の導入元側）から下流側（図示右方の導入口側）にかけて、水平（ＬＥＶＥＬ）より上に向けて上り傾斜（角度θ）となるように、改質器１に対して接続されていてもよい。この構成によれば、水の吐出口を上方に向けたことで水の流過を抑制し、瞬間的に比較的多量の水が気化部に導入されることを抑制できる。その結果、気化部に導入される水量が瞬間的に変動するのを抑えることで、気化部での気化を間接的に促進することができる。それにより、原燃料の水蒸気改質を安定して行うことができる。
なお、以上の各実施形態では、１つの管にまとめられた原燃料・水導入管を介して、１つの導入口から原燃料と水とを同時に導入する例を示したが、これらは多重化しない単管を用いて別々に導入することもできる。その場合、水を導入する管の下流側端部（末端部）に、前述と同様の流過抑制部を設けるか、あるいは、流過抵抗部材を配設すればよい。
つぎに、各実施形態における燃料電池モジュール３０〜３３は、以下のように燃料電池装置に組み込まれたものである。
たとえば、燃料電池装置５０は、図２０に示すように、各支柱５１と外装板（図示省略）から構成される外装ケース内に、前述の燃料電池モジュール３０（３１〜３３を含む）を収容したものである。この外装ケース内には、図示した燃料電池モジュール３０の他、蓄熱用のタンク、発電した電力を外部に導入するためのパワーコンディショナ、ポンプやコントローラ等の補機類が配設される。
このような燃料電池装置５０においては、１つの外装ケース内に、コンパクトな燃料電池モジュール３０および熱交換器、各種補機類等を収納することで、外装ケースの高さや幅を小さくでき、それにより燃料電池装置全体を小型化することができる。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
１ 改質器
２ 改質器本体
３ 気化部
３ａ 第１気化室
３ｂ 第１気化室
４ 改質部
４ａ 第１気化室
４ｂ 第１気化室
５ 改質ガス送出口
６ 改質ガス送給管
７ 導入口
８ 導入管
９ 断熱材
１０ セルスタック装置
１１ 仕切壁
１２ 流通可能部
１３ 水拡散部材
１４ 水拡散部材
１５ 霧化部材
１６ 原燃料変向部材
２０ セルスタック装置
２１ マニホールド
２２ セル（燃料電池セル）
２３ セルスタック
２４ 燃焼部
２５，２６，２７，２８，２９ 原燃料・水導入管
３０，３１，３２，３３，４０ 燃料電池モジュール
５０ 燃料電池装置
Ｃ 中心軸線
Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｕ，Ｖ，Ｙ 流過抑制部
Ｗ 螺旋状部材（流過抵抗部材）
Ｓ１ 水流路
Ｓ２ 原燃料流路

Claims (15)

  1. 原燃料と水とが導入されて改質反応を行う、水平方向に延びた筒状の改質器本体を有し、
    前記改質器本体の内部に、水蒸気を発生させる気化部と、該気化部で発生した水蒸気を原燃料と反応させて改質ガスを生成する改質部と、を備え、
    前記改質器本体に原燃料を導入する原燃料導入管と、
    前記改質器本体に水を導入する水流路を内部に有する水導入管と、を含み、
    前記原燃料導入管は、前記水導入管の内部に位置しており、前記原燃料導入管と前記水導入管との間が水流路とされており、
    前記気化部および前記水導入管の少なくとも一方において、前記気化部での水の気化を促進するための気化促進部を備えており、
    前記原燃料導入管と前記水導入管との間である前記水流路は、該水流路の軸線方向に水が流過することを抑制する流過抑制部を含み、該流過抑制部が前記気化促進部である改質器。
  2. 前記流過抑制部は、前記水流路における水の流過方向の下流側端部に位置している請求項１に記載の改質器。
  3. 前記流過抑制部に対応する部分における前記水流路の流路断面積は、前記流過抑制部より水の流過方向上流側の該水流路の流路断面積よりも小さい請求項１または２に記載の改質器。
  4. 前記流過抑制部は、前記水流路の軸線方向に挿入された流過抵抗部材を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の改質器。
  5. 前記流過抵抗部材が、螺旋状部材である請求項４に記載の改質器。
  6. 前記気化促進部が、前記気化部内に配置されて該気化部に導入される水を前記気化部内に拡散させる水拡散部材である請求項１〜５のいずれか１つに記載の改質器。
  7. 前記水拡散部材が、前記改質器本体の内面に沿って配置されている請求項６に記載の改質器。
  8. 前記気化促進部が、前記水導入管における前記気化部に臨む部分に配設されて該気化部に導入される水を霧化させる霧化部材である請求項１〜５のいずれか１つに記載の改質器。
  9. 前記霧化部材は、前記水導入管における先端から前記気化部内に突出して配置されている請求項８に記載の改質器。
  10. 前記水拡散部材、前記霧化部材または前記流過抵抗部材が、金属網である請求項４〜９のいずれか１つに記載の改質器。
  11. 前記水拡散部材、前記霧化部材または前記流過抵抗部材が、無機材料からなる繊維素材で構成されている請求項４〜９のいずれか１つに記載の改質器。
  12. 前記改質器本体の内部温度を計測する熱電対が挿通される鞘管をさらに備え、
    前記鞘管は、前記水導入管または前記原燃料導入管の内部に位置しており、
    該鞘管は、前記水導入管および前記原燃料導入管のいずれとも接することなく該水導入管および該原燃料導入管の軸線方向に配置されている請求項１〜１１のいずれか１つに記載の改質器。
  13. 燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なうとともに、内部を長手方向に貫通するガス流路を有し、上端側で発電に使用されなかった前記燃料ガスを燃焼させる構成の燃料電池セルを複数個備えるセルスタックと、
    前記ガス流路に連通し該ガス流路に燃料ガスを導入するマニホールドと、
    該マニホールドと接続され、前記セルスタックの上方に配置された請求項１〜１２のいずれかに記載の改質器と、を備えるセルスタック装置。
  14. 請求項１３に記載のセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収納容器と、を備える燃料電池モジュール。
  15. 請求項１４に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールの運転を行なうための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収納する外装ケースと、を備える燃料電池装置。
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