つぎに、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。
図1に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュール容器8(以下では適宜「モジュールケース」と呼ぶ。)が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、8個の燃料電池セルスタック14(詳細は図16で後述する)を備え、この燃料電池セルスタック14は、各々が燃料電池セルを含む、16本の燃料電池セルユニット16(詳細は図15で後述する)から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体12は、128本の燃料電池セルユニット16を有する。なお、ハウジング6は必須ではなく、断熱材7を保持するようなフレームを用いてもよい。燃料電池セル集合体12は、複数の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
燃料電池モジュール2のモジュールケース8の発電室10の上方には、燃焼部としての燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガス(オフガス)と残余の空気とが燃焼し、排気ガス(言い換えると燃焼ガス)を生成するようになっている。さらに、モジュールケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室18の上方には、原燃料ガス(原料ガス)を改質する改質器120が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器120を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
さらに、ハウジング6内においてモジュールケース8の上方には、蒸発器140が断熱材7内に設けられている。蒸発器140は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス(以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。)をモジュールケース8内の改質器120に供給する。
つぎに、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26から供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器120に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器120内において、部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよいし、POX工程及びATR工程を省略してSR工程のみが行われるように構成してもよい。なお、SR工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット44は不要である。
つぎに、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
つぎに、図2〜図4を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。
図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図であり、図4は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。なお、図2、3ではハウジングは省略している。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2は、断熱材7で覆われたモジュールケース8の内部に設けられた燃料電池セル集合体12及び改質器120を有すると共に、モジュールケース8の外部で且つ断熱材7内に設けられた蒸発器140を有する。
まず、モジュールケース8は、図4に示すように、略矩形の天板8a,底板8c,これらの長手方向(図2の左右方向)に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板8bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板8a及び底板8cの幅方向(図3の左右方向)に延びる辺同士を連結する閉鎖側板8d,8eからなる。
モジュールケース8は、空気通路カバー160によって天板8a及び側板8bが覆われている。空気通路カバー160は、天板160aと、対向する一対の側板160bとを有する。天板160aの略中央部分には、排気管171を貫通させるための開口部167が設けられている。また、天板160aの閉鎖側板8d側の部分には、発電用空気導入管74が接続される開口部168が設けられている。天板160aと天板8aとの間、及び、側板160bと側板8bとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース8の外側と断熱材7との間、具体的にはモジュールケース8の天板8a及び側板8bと、空気通路カバー160の天板160a及び側板160bとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路161a,161bが形成されている(図3参照)。
モジュールケース8の側板8bの下部には、複数の貫通孔である吹出口8fが設けられている(図4参照)。発電用空気は、空気通路カバー160の天板160aのうち、モジュールケース8の閉鎖側板8d側の略中央部に設けられた発電用空気導入管74から空気通路161a内に供給される(図2参照)。そして、発電用空気は、空気通路161a,161bを通って、吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される(図3、図4参照)。
また、空気通路161a,161bの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン162,163が設けられている(図3参照)。プレートフィン162は、モジュールケース8の天板8aと空気通路カバー160の天板160aの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン163は、モジュールケース8の側板8bと空気通路カバー160の側板160bとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット16よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。
空気通路161a,161bを流れる発電用空気は、特にプレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の内側のモジュールケース8内(具体的には天板8a,側板8bに沿って設けられた排気通路)を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路161a,161bにおいてプレートフィン162,163が設けられた部分は、熱交換器(熱交換部)として機能する。なお、プレートフィン162が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン163が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。
つぎに、蒸発器140は、モジュールケース8の天板8a上で水平方向に延びるように固定されている。そして、蒸発器140は、長手方向(図2の左右方向)の一側端側に、に排気管171及び混合ガス供給管112が接続され、長手方向の他側端側に排気ガス排出管82が接続され、排気管171により支持されている。また、蒸発器140とモジュールケース8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分が配置されている(図2及び図3参照)。
具体的には、蒸発器140は、長手方向(図2の左右方向)の一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する水供給配管62及び原料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82(図2参照)とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管171の上端部が連結されている。排気管171は、空気通路カバー160の天板160aに形成された開口部167を貫通して下方へ延び、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口111に連結されている。排気口111は、モジュールケース8内の燃焼室18で生成された排気ガスをモジュールケース8の外へ排出する開口部であり、モジュールケース8の上面視略矩形の天板8aのほぼ中央部に形成されている。
図5は、図2に示す固体電解質形燃料電池装置の蒸発器を拡大断面図である。また、図6は、図2に示す固体電解質形燃料電池装置の蒸発器の天板及び燃焼触媒器を省略した状態の斜視図である。なお、図6には、水(水蒸気)及び燃料(原料ガス)の流れをそれぞれ実線及び一点鎖線で示す。
蒸発器140は、上面視で略矩形の箱状の蒸発器ケース141(図2、図3)を有している。この蒸発器ケース141は、第1の容器143と、第1の容器の143の下方に重ね合わされた第2の容器144と、第1の容器143の上部を塞ぐ天板142とにより構成されている。
天板142は、平板状の金属部材からなる。天板142の一方の端部の幅方向中央には原料供給配管63を接続するための開口部が形成され、一方の端部の幅方向一側部には水供給配管62を接続するための開口部が形成されている。
図5及び図6に示すように、第1の容器143は、底面143A1、143A2と、底面143A1、143A2の外周縁から上方に延びる側壁143Bと、側壁143Bの上端から水平方向外方に延びる鍔部143Cと、隔壁147と、を備える。
第1の容器143の底面143A1、143A2は、隔壁147により水供給配管62及び原料供給配管63側の第1の底面143A1と、混合ガス供給管112側の第2の底面143A2とに分割されている。第1の底面143A1は、後述するように蒸発室150の底面であり、排ガスと水供給配管62から供給された水との間で熱交換するための蒸発面として機能する。第1の容器143の底面143A1の上面は、表面粗さRaが1.5μm以上の粗面として形成されている。これにより、第1の容器143の底面143A1は親水性が高くなり、底面143A1上に供給された水は広範囲に拡がる。さらに、第1の容器143の底面143A1の上面には、水拡散手段としての連続溝156が形成されている。
図7は、第1の容器の底面に形成された連続溝の一部を拡大して示す図である。なお、図7における下方が水供給配管62側である。同図に示すように、第1の容器143の第1の底面143A1上には、正方形状の突部156Cが前後左右に等間隔で設けられている。また、前後左右に隣接する4つの正方形状の突部156Cの中心部には十字状の突部156Dが形成されている。これにより、連続溝156は、正方形状の溝156Aが前後左右に等間隔に並んであり、隣接する正方形状の溝156Aの対向する辺の中央部の間が連結溝156Bにより連結される構成となっている。
このような構成により、例えば、図7の中央下方から連続溝156内に入り込んだ水は、A部において左右に屈曲及び分割され、A部からB部の間の溝内を直進し、B部において屈曲する。そして、B部において屈曲した水はB部からC部の間の溝内を直進し、C部においてさらに屈曲及び分割される。このように、連続溝156に供給された水は、A部における屈曲及び分割と、A部からB部の間の溝内の直進と、B部における屈曲と、B部からC部の間の溝内の直進と、C部における屈曲及び分岐を繰り返すことにより、広域に拡がりながら流れる。
第2の底面143A2の中央には混合室151の排出口として開口部が形成されており、この開口部には混合ガス供給管112の上端が接続されている。この混合ガス供給管112は、排気管171の内部を通過するように配置されており、一端が第1の容器143に形成された開口部に連結され、他端が改質器120の天面に形成された混合ガス供給口120aに連結されている。混合ガス供給管112は、排気管171内を通過してモジュールケース8内まで鉛直下方に延び、そこで略90°屈曲されて天板8aに沿って水平方向に延びた後、下方へ略90°屈曲されて改質器120に連結されている。
隔壁147は、第1の容器143の長手方向に延びる側壁143Bの間を短手方向に延びており、金属材料が上方に向けて突出することにより形成されている。隔壁147は、第1及び第2の底面143A1、143A2の縁から上方に平行に延びる一対の側壁147Bと、一対の側壁147Bの上端の間を結ぶ上面147Cと、を備える。また、隔壁147の上部の短手方向(隔壁147の延びる方向)の中央には凹部147Aが形成されている。
図5及び図6に示すように、隔壁147の上面147Cは平坦面として形成されており、鍔部143Cと面一に形成されている。また、凹部147Aの幅は、第1の底面143A1側が第2の底面143A2側よりも広くなっており、第2の底面143A2側に向かうにつれて徐々に狭くなっている。また、凹部147Aの上面147Cからの深さは、後述する蒸発室150内に充填されたアルミナボールの径よりも小さい。また、隔壁147の内側には、一対の側壁147Bと上面147Cとにより囲まれて空間147Dが形成されており、この空間147Dは下方に開口している。
第1の容器143は一枚の金属部材をプレス成形して構成されており、底面143A1、143A2と、側壁143Bと、鍔部143Cと、隔壁147とはひと続きの一体成型部材として構成されている。
第1の容器143と天板142とは、天板142の下面と、鍔部143Cの上面及び隔壁147の上面147Cが当接した状態で接合されている。天板142と、第1の容器143の第1の底面143A1、側壁143B、及び隔壁147とにより蒸発室150が区画されている。また、天板142と、第1の容器143の第2の底面143A2、側壁143B、及び隔壁147とにより混合室151が区画されている。そして、隔壁147の凹部147Aと天板142とにより区画され、蒸発器140の幅方向中央の上部に位置する連通路により、蒸発室150と混合室151とが連通している。
蒸発室150内には、複数の粒状の熱伝導性部材が充填されている。熱伝導性部材としては、例えば、球状のアルミナボールなどを用いることができる。蒸発室150内に充填されたアルミナボールは、天板142に当接している。
混合室151には、仕切り部材152が配置されている。仕切り部材152は、同一断面で幅方向に延びる耐熱性を有する金属材料で形成された部材である。仕切り部材152は、上面152Aと、上面152Aの両側部から下方に平行に延びる一対の側壁部152Bと、一対の側壁部152Bの縁から外側に延びる一対の基部152Cと、を備える。蒸発室150側の側壁部152Bの幅方向両側部には横長の開口部152Dが形成されている。
仕切り部材152の長手方向長さは、混合室151の幅とほぼ等しい。仕切り部材152は、第1の容器143の第2の底面143A2に形成された混合ガス供給管112が接続された開口部(排出口)を覆うように蒸発室150内に配置されている。仕切り部材152は、基部152Cの下面が第1の容器143の第2の底面143A2と当接した状態で、基部152Cと第2の底面143A2とがスポット溶接されることにより、第1の容器143に固定されている。仕切り部材152の一対の側壁部152Bの側部と、第1の容器143の内壁との間は溶接されておらず、隙間が形成されている。また、仕切り部材152の上面152Aは第1の容器143の鍔部143Cと略等しい高さとなっている。
仕切り部材152が設けられることにより、蒸発室150内の空間は、隔壁147と仕切り部材152との間の第1の空間153Aと、仕切り部材152の一対の側壁部152Bの間の第2の空間153Bと、仕切り部材152と第1の容器143の側壁143Bとの間の第3の空間153Cとに分割されている。第1の空間153Aと第2の空間153Bとは、側壁部152Bに形成された開口部152Dを通じて連通している。また、第3の空間153Cは、仕切り部材152の一対の側壁部152Bの両側部と第1の容器143の内壁との間の隙間を介して、第1の空間153A及び第2の空間153Bと連通している。この隙間の面積は側壁部152Bに形成された開口部152Dの面積に比べて非常に小さいため、第1の空間153Aから第3の空間153Cへの圧力損失は、第1の空間153Aから第2の空間153Bまで(特に、第2の底面143A2の底面に形成された開口部まで)の圧力損失よりも高くなっている。なお、後述するように、第2の空間153Bは水蒸気と原料ガスとを混合する混合流路として機能し、第3の空間153Cは突沸緩衝空間として機能する。
第2の容器144は、底面144Aと、底面144Aの外周縁から上方に延びる側壁144Bと、側壁144Bの上端から水平方向外方に延びる鍔部144Cと、を備える。第2の容器144の底面144Aには、排気管171の上端が接続される開口部と、排気ガス排出管82が接続される開口部とが形成されている。
第2の容器144は、第1の容器143に下方から重ね合わされている。重ね合わされた状態において、第2の容器144の鍔部144Cの上面は、第1の容器143の鍔部143Cの下面に当接している。また、第2の容器144の側壁144Bの上部は、第1の容器143の側壁143Bと当接している。
第1の容器143の底面143A1、143A2と、第2の容器144の底面144Aとの間には、排気管171から排気ガス排出管82まで蒸発器140の長手方向に延びる排気ガス流路154が形成されている。なお、この排気ガス流路154は、隔壁147内の空間147Dと連通している。
また、排気ガス流路154内には、熱交換促進部材としてのプレートフィン155が設けられている。図8(A)は排ガス流路内に設けられたプレートフィンを示す斜視図であり、(B)は蒸発器におけるプレートフィンの近傍を拡大して示す図である。
プレートフィン155は、一枚の金属製プレートを加工して製造されている。プレートフィン155は、板状の本体部155Aと、下方に突出する第1の突出部155Bと、上方に突出する第2の突出部155Cとを有する。
また、第1の突出部155Bは、それぞれ、斜め下方に向かって延びる一対の傾斜部155B1と、一対の傾斜部155B1の下端部の間を結ぶ連結部155B2とにより構成される。そして、本体部155Aの第1の突出部155Bの上方に当たる位置に第1の通過穴155B3が形成されている。また、第1の突出部155Bの連結部155B2の下面には、円柱状の突起部155B4が形成されている。なお、この突起部155B4の面積は、第1及び第2の突出部155B、155Cの連結部155B2、155C2の面積よりも小さい。
第2の突出部155Cは、それぞれ、斜め上方に向かって延びる一対の傾斜部155C1と、一対の傾斜部155C1の上端部の間を結ぶ連結部155C2とにより構成される。そして、本体部155Aの第2の突出部155Cの下方に当たる位置には、第2の通過穴155C3が形成されている。
プレートフィン155は、第1の突出部155Bの突起部155B4が第2の容器144の底面144Aと当接し、第2の突出部155Cの連結部155C2が第1の容器143の底面143A1と当接している。これにより、プレートフィン155は、第1の容器143の底面143A1と熱的に接続され、プレートフィン155の第2の容器144の底面144Aへの熱抵抗が、第1の容器143の底面143A1との熱抵抗よりも大きくなっている。
このように排気ガス流路154内にプレートフィン155が配置されることにより、排気ガス流路154はプレートフィン155の本体部155Aにより上部空間154Aと、下部空間154Bとに分割される。そして、プレートフィン155の本体部155Aに形成された第1の通過穴155B3及び第2の通過穴155C3を通じて、上部空間154Aと、下部空間154Bとの間で排気ガス流路154を流れる排ガスが流通することができる。
図5に示すように、第1の容器143の底面143A1、143A2と天板142との間の距離は、第2の容器144の底面144Aと第1の容器143の底面143A1、143A2との間の距離よりも大きくなっている。これにより、蒸発器140の全体の高さHに対する蒸発室150の高さHAの占める割合が、蒸発器140の全体の高さHに対する排気ガス流路154の高さHBが占める割合よりも高くなっている。
さらに、蒸発器140はヒータ157を備える。図6に示すように、矩形状の蒸発器140の三辺の外周に沿うように設けられており、両端部は蒸発室150側に向かって延在している。図5に示すように、ヒータ157は第1の容器143の側壁143Bと、第2の容器144の側壁144Bとが重なり合った第1の重なり部158Aに側方から当接している。さらに、ヒータ157は、第1の容器143の鍔部143Cと、第2の容器144の鍔部144Cと、天板142とが重なり合った第2の重なり部158Bに下方から当接している。なお、ヒータ157は蒸発器140の全周に沿うように設けてもよい。
図5に示すように、水供給配管62及び原料供給配管63は図5の右側から水平に延び、蒸発器140の蒸発室150側の側縁を跨いでいる。そして、水供給配管62及び原料供給配管63は下方に向かって屈曲し、天板142に形成された開口を挿通し、蒸発室150室内に開口している。なお、水供給配管62は、蒸発室150側の端部の幅方向中央に開口しており、原料供給配管63は蒸発室150側の端部の蒸発室150の幅方向一側に開口している。
また、蒸発器140は温度センサ69を備える。温度センサ69も水供給配管62及び原料供給配管63と同様に蒸発器140の蒸発室150側の側縁を跨いで水平方向に延びている。温度センサ69は、天板142の上面に当接するように取り付けられている。そして、温度センサ69は、その先端の温度を検知するセンサ部69Aが蒸発室150の中間よりも下流側に位置するように配置されている。
排気ガス排出管82は、排気ガス流路154の下流端部の幅方向一側に接続されている。蒸発器140に接続された排気ガス排出管82は下方に向かって延びており、下端が燃焼触媒器200に接続されている。燃焼触媒器200は横方向に延びる円筒状の部材であり、内部に円柱状の空間が形成されている。排気ガス排出管82は燃焼触媒器200の一端部に接続されており、燃焼触媒器200の他端部には排ガス放出管202が接続されている。排ガス放出管202は水平方向に蒸発器140から離間する方向に水平に延びている。燃焼触媒器200は蒸発器140と同様に断熱材7の内部に配置されている。
図2及び図5に示すように蒸発器140は排気ガス排出管82が接続された側の端部が上面視において、モジュールケース8の縁より外方まで延在している。そして、燃焼触媒器200はこの蒸発器140のモジュールケース8の縁より外方まで延在している部分の直下に位置している。また、燃焼触媒器200は、改質器120よりも上方に位置している。そして、燃焼触媒器200の排ガス排出口は改質器120よりも高い位置に設けられており、排ガス排出口に接続された排ガス放出管202は、改質器120よりも高い位置を水平方向に延びている。
図9は、燃焼触媒器の軸方向断面図である。同図に示すように、燃焼触媒器200は、容器本体204と、容器本体204内に配置された燃焼触媒206と、容器本体204内の燃焼触媒206の前後に配置された一対の環状固定部材208とを備える。
容器本体204は、円筒形状を呈しており、蒸発器140の排気ガス流路154の下流側の縁に沿って水平に延びている。また、図2に示すように、容器本体204の最下部の高さは、改質器120の最上部の高さよりも高くなっている。
環状固定部材208は、円環状を呈しており、環状固定部材208の外径は燃焼触媒206の直径よりも大径となっている。環状固定部材208は、容器本体204内に嵌め込まれた状態で固定されている。
燃焼触媒206は円柱状を呈しており、容器本体204内に配置されている。燃焼触媒206は、一対の環状固定部材208により前後前後から挟み込まれることにより、容器本体204内に固定されている。図10は、燃焼触媒の構成を示す図である。同図に示すように、燃焼触媒206はシート状触媒210を巻き上げることにより構成されている。シート状触媒210は一対の上下面210Aの間にジグザグに延びる中間材210Bが配置されてなる。これら上下面210A及び中間材210Bの表面に触媒が塗布されている。これにより、シート状触媒210は、上下面210Aの間に三角形状の貫通孔206Aが連続して並ぶような構成となっている。このような構成のシート状触媒210が巻き上げられてなる燃焼触媒206は、長手方向に三角形状の断面を有する貫通孔206Aが隙間なく螺旋状に連続して並ぶ構成となっている。本明細書では、このように複数の連通孔が平行に延びているような構成をハニカム型という。
このような蒸発器140では、排気管171から供給された排ガスは排気ガス流路154を流れ、排気ガス排出管82へと排出される。そして、水供給配管62から蒸発室150に供給された水は、底面143A1上を拡がりながら流れる。そして、底面143A1を介して排ガスと水との間で熱交換が行われ、水が蒸発して水蒸気が生成される。蒸発室150で発生した水蒸気は、原料供給配管63から供給された原料ガスとともに混合室151に流れこみ、水蒸気と燃料ガスとが混合されて、混合ガス供給管112へと排出される。
また、排気ガス排出管82から排出された排ガスは、燃焼触媒器200に供給される。燃焼触媒器200に供給された排ガスは、燃焼触媒206の貫通孔206A内の内部流路を通り、一酸化炭素等の有害ガス(未燃燃料)が酸化され、排ガス放出管202へと排出される。
つぎに、図2及び図3に示すように、改質器120は、燃焼室18の上方でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュールケース8の天板8aとの間に排気ガス誘導部材130を介して所定距離隔てられて状態で、天板8aに対して固定されている。改質器120は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔120bが形成された環状構造体であり、上側ケース121と下側ケース122とが接合された筐体を有している。この貫通孔120bは、天板8aに形成された排気口111と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔120bの中央位置に排気口111が形成される。貫通孔120bは、上側ケース121及び下側ケース122の中央に形成された上下方向に延びる環状側壁121A、122Aにより周囲を囲まれて形成されている。
改質器120の長手方向の一端側(モジュールケース8の閉鎖側板8e側)では、上側ケース121に設けられた混合ガス供給口120aに混合ガス供給管112が連結されており、他端側(閉鎖側板8d側)では、燃料ガス供給管64が下側ケース122に、脱硫器36まで延びる水添脱硫器用水素取出管65が上側ケース121にそれぞれ連結されている。したがって、改質器120は、混合ガス供給管112から混合ガス(つまり水蒸気が混合された原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい))を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管64及び水添脱硫器用水素取出管65から改質後のガス(即ち、燃料ガス)を排出するように構成されている。
図11は、図2のXI−XI断面斜視図である。図12は、図2のXI−XI断面における改質器の断面図である。図13は、図12におけるXIII−XIII断面図である。図14は、図13におけるXIV部を拡大して示す図である。
改質器120は、その内部空間が2つの仕切り板123,124によって3つの空間に仕切られることにより、改質器120内に、混合ガス供給管112からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部120Aと、混合ガスを改質するための改質触媒(図示せず)が充填された触媒充填部120Bと、触媒充填部120Bを通過したガスを排出するガス排出部120Cと、が形成されている(図2参照)。触媒充填部120Bは、仕切り板123,124に挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板123,124に設けられた複数の連通孔(スリット)を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
改質器120の上流側に設けられる仕切り板123は、水平方向に延びる水平部123Aと、水平部123Aの一方の端縁から上方に延びる鉛直部123Bとを備える。仕切り板123の水平部123Aの混合ガス供給管112側の接続される側(以下、改質器の上流側という)の縁は、改質器120を構成する上側ケース121の上流側の側壁121Cと当接している。また、仕切り板123の鉛直部123Bの上端縁は上側ケース121の天面121Bに当接している。仕切り板123の水平部123Aには改質器の長手方向に延びる複数のスリット123Cが幅方向に等しい間隔を開けて形成されている。
改質器120の下流側に設けられる仕切り板124は、一対の側壁部124Aと、一対の側壁部124Aの上流側端縁の間を連結する正面壁部124Bとを備え、上面視においてコの字形を呈している。仕切り板124の各側壁部124Aの下流側の側縁は上側及び下側ケース121、122の下流側の側壁121D,122Dに当接している。また、仕切り板124の上縁及び下縁はそれぞれ上側ケース121の天面121B及び下側ケース122の底面122Bに当接している。仕切り板124は、燃料ガス供給管64が接続される下側ケース122の排出口120cの近傍に設けられており、排出口120cは改質器120の内壁と仕切り板124により周囲が包囲されている。
一対の側壁部124Aには、複数の開口部(スリット)124Cが形成されている。複数の開口部124Cは水平方向に等しい間隔をあけて鉛直方向に延びている。複数の開口部124Cの幅は等しく、触媒充填部120Bに充填された改質触媒の直径よりも小さくなっている。複数の開口部124Cは下端が等しい高さとなっている。開口部124Cの長さは、下流側ほど長く、上流側ほど短くなっている。すなわち、改質器120の混合ガス供給口120aと排出口120cとを結ぶ最短経路に近いほど、開口部124Cの長さは短く、この最短経路から離間するほど開口部124Cの長さは長くなっている。このような形状の異なる開口部124Cにより、後に詳述するように、原料ガスのガス流の指向性が最短経路から離間するように調整され、原料ガスが触媒充填部120Bの全体にわたって均一に流れることになり、すなわち、これら開口部124Cが流動調整部として機能する。
なお、本実施形態では、上流側の仕切り板123に形成されたスリット123Cは、長さが等しいものであったが、これに限らず、下流側の仕切り板124と同様に改質器120の混合ガス供給口120aと排出口120cとを結ぶ最短経路に近いほど短くし、この最短経路から離間するほど長くしてもよい。少なくとも上流側又は下流側の仕切り板の何れか一方の開口が上述した構成となっていればよい。
また、上側ケース121の天面121Bには、上方に向かって突出する複数の上方突出部121Fと、下方に向かって突出する下方突出部121Gが形成されている。上方突出部121F及び下方突出部121Gは幅方向に延びるように、すなわち、改質器120を流れる原料ガスの流れを横切るように形成されている。なお、下方突出部121Gは原料ガスの流れを横切るように形成されていることが好ましいが、上方突出部121Fは必ずしも原料ガスの流れを横切るように形成されている必要はない。また、上方突出部121Fと、下方突出部121Gとは原料ガスが流れる方向に交互に設けられている。本実施形態では、隣接する下方突出部121Gの間と、最下流側の下方突出部121Gと排出口120cの間と、最上流側の下方突出部121Gと混合ガス供給口120aとの間とに上方突出部121Fが形成されている。
上側ケース121は板状の金属材料をプレス成形することにより形成されている。すなわち、上方突出部121F、下方突出部121G、及び上側ケースの天面121Bのその他の部位とはひと続きに継ぎ目なく形成されている。
天面121Bの水平方向に延びる平坦な部分と、上方突出部121Fとの接続部121F1にはR形状が形成されている。接続部121F1のR形状の曲率半径は、改質触媒の半径よりも大きい。また、天面121Bの水平方向に延びる平坦な部分と、下方突出部121Gとの接続部121G1にはR形状が形成されている。接続部121G1のR形状の曲率半径は、改質触媒の半径よりも大きい。
上方突出部121Fの下方には、天面121Bの平坦面の高さよりも上方に突出する予備触媒空間121F2が形成されている。図13に示す断面視において、予備触媒空間121F2は略台形状を呈しており、上方に向かって幅が狭まっている。すなわち、予備触媒空間121F2は上方に向かって水平方向断面積が小さくなっている。なお、本実施形態では、予備触媒空間121F2は、図13に示す断面視において台形状であるが、これに限らず、半円状や後述するように三角形状としてもよいが、上方に向かって原料ガスが流れる方向の幅が小さくなるような形状が好ましい。
触媒充填部120Bには、改質触媒が天面121Bの下面に接触し、さらに、予備触媒空間121F2に入り込むような高さまで充填されている。これにより、例えば、燃料電池装置の設置作業などにより、改質器120に振動が加わり、改質触媒の嵩高が減少したとしても、予備触媒空間121F2内の改質触媒が広がるため、改質触媒が天面121Bと接触するまで充填された状態を保つことができる。
混合ガス受入部120Aには、蒸発器140から混合ガス供給管112を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口120aを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部120A内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板123を通過して触媒充填部120Bに供給される。
触媒充填部120Bでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板124を通過してガス排出部120Cに供給される。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64は、モジュールケース8内を閉鎖側板8dに沿って下方へ延び、底板8c付近で略90°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内へ入り、更にマニホールド66内で逆側の閉鎖側板8e付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
排気ガス誘導部材130は、改質器120と天板8aとの間でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排気ガス誘導部材130は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板131及び上部誘導板132と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板133,134とを備えている(図2,図3参照)。上部誘導板132は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板131に連結されている。連結板133,134は、上端部が天板8aに連結され、下端部が改質器120に連結されており、これにより、排気ガス誘導部材130及び改質器120を天板8aに固定している。
下部誘導板131は、幅方向(図3の左右方向)の中央部が下方に向けて突出する凸状段部131aが形成されている。一方、上部誘導板132は、下部誘導板131と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部132aが形成されている。凸状段部131aと凹部132aは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管112は、モジュールケース8内でこの凹部132a内を水平方向に延びた後、閉鎖側板8e付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板132及び下部誘導板131を貫通して、改質器120に連結されている。
排気ガス誘導部材130は、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜135が形成されている。このガス溜135は、燃焼室18と流体連通している。すなわち、上部誘導板132、下部誘導板131、連結板133,134は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜135には、運転中に燃焼室18から排気ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜135の内外間のガスの移動は緩やかである。
上部誘導板132は、天板8aと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板132と天板8aとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる排気通路172が形成されている。この排気通路172は、モジュールケース8の天板8aを挟んで空気通路161aと並設されており、排気通路172内には、空気通路161a,161b内のプレートフィン162,163と同様なプレートフィン175が配置されている。このプレートフィン175は、プレートフィン162と上面視で略同一箇所に設けられており、天板8aを挟んで上下方向に対向している。空気通路161a及び排気通路172のうち、プレートフィン162,175が設けられた部分において、空気通路161aを流れる発電用空気と排気通路172を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。
また、改質器120は、モジュールケース8の側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器120と側板8bとの間には、排気ガスを下方から上方へ通過させる排気通路173が形成されている。また、排気ガス誘導部材130も側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路173は、排気ガス誘導部材130と側板8bとの間の通路を含んで天板8aまで延びている。排気通路173は、天板8aと側板8bとの角部に位置する排気ガス導入口172aで排気通路172と連通している。この排気ガス導入口172aは、モジュールケース8内で長手方向に延びている。
さらに、下部誘導板131は、改質器120の上側ケース121の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板131と上側ケース121との間、及び、改質器120の貫通孔120bは、貫通孔120bを下方から上方へ向けて通過した排気ガスを通過させる排気通路174を形成している。この排気通路174は、改質器120の上方で排気通路173と合流する。
つぎに、図15を参照して、燃料電池セルユニット16について説明する。
図15は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図15に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路細管98が形成されている。
この燃料ガス流路細管98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド66(図2参照)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃焼室18(図2参照)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
つぎに、図16を参照して、燃料電池セルスタック14について説明する。
図16は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図16に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。
さらに、燃料電池セルスタック14の端(図6では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の内側電極端子86に接続され、上述したように、128本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
つぎに、図17及び図18を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。
図17は、図2と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図18は、図3と同様の、図2のIII−III線に沿った断面図である。なお、図17及び図18は、それぞれ、図2及び図3中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図である。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
図17及び図18に示すように、水及び原燃料ガス(原料ガス)は、蒸発器140の長手方向の一端側に連結された水供給配管62及び原料供給配管63から蒸発器140の上層に設けられた蒸発室150内に供給される。蒸発室150に供給された水は、第1の容器143の底面143A1の上面が粗面として形成されているため、広範囲に拡がる。また、第1の容器143の底面143A1の上面には、連続溝156が形成されているため、広範囲に拡がる。このようにして広範囲に広がった水は、蒸発器140の下層に設けられた排気ガス流路154を流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この際、蒸発室150内にはアルミナボール(熱伝導部材)が充填されているため、排気ガス流路154からの熱がアルミナボールを介して水に伝達される。この水蒸気と、原料供給配管63から供給された原燃料ガスとが、蒸発室150内を下流方向に流れて行く。
図19は、蒸発室及び混合室内における水蒸気と原燃料ガスとの流れを示す斜視図である。蒸発室150内で発生した水蒸気と原燃料ガスとは、隔壁147の中央に形成された凹部147A内を通過して混合室151へと流入する。この際、凹部147Aが混合室151に向けて幅が狭くなっているため、凹部147Aを通過する際に水蒸気と原燃料ガスとが、より均一に混合される。なお、この際、隔壁147の内側の空間147Dに排ガスが入り込むため、水蒸気と原燃料ガスが隔壁147によって加熱される。そして、凹部147Aから混合室151の第1の空間153A内に流入した水蒸気と原燃料ガスとは、幅方向両側に分かれて流れる。ここで、上述したように仕切り部材152と混合室151の内壁との間を介した第1の空間153Aから第3の空間153Cへの圧力損失は、開口部152Dを介した第1の空間153Aから第2の底面143A2の底面に形成された開口部までの圧力損失よりも高くなっているため、第1の空間153A内に流れこんだ水蒸気と原燃料ガスとは、図19に実線で示すように、仕切り部材152の開口部152Dを通って第2の空間153B内に流れこむ。水蒸気と原燃料ガスとは、このように第1の空間153A及び第2の空間153Bを流れる間に混合されて、混合ガス供給管112へと排出される。
なお、蒸発室150内において突沸現象が生じた場合には、蒸発室150内に急激に水蒸気が発生し、第1の空間153A内に流れる。そして、このように突沸現象が生じた場合には、一時的に蒸発室150及び混合室151の第1の空間153A内の気圧が高くなる。このように第1の空間153Aの気圧が高くなると、第1の空間153A内の水蒸気は仕切り部材152の側部と第1の容器143の内壁との間の隙間を介して第3の空間153Cへと流れこむ。これにより、突沸現象が生じた場合であっても、蒸発室150及び混合室151内の圧力の急激な上昇を抑えることができる。
また、図20は、第1の重なり部158A及び第2の重なり部158Bの近傍を拡大して示す断面図である。同図に示すように、蒸発器140の第1の重なり部158A及び第2の重なり部158Bと当接するように、ヒータ157が配置されている。このため、ヒータ157から熱が図中矢印で示すように、第1の重なり部158A及び第2の重なり部158Bを介して効果的に第1の容器143の底面143A2、第2の容器144の底面144A、及び天板142を加熱する。これにより、蒸発室150及び混合室151内の水蒸気及び原料ガスが加熱される。また、排気ガス流路154内の排ガスも加熱され、この熱が第1の容器143の底面143A2を介して水蒸気及び原料ガスに伝達されるため、より効率良く、水蒸気及び原料ガスを加熱することができる。
混合ガス供給管112へと排出た混合ガス(燃料ガス)は、混合ガス供給管112を通って、モジュールケース8内の改質器120に供給される。混合ガス供給管112は、排気ガス流路154,排気管171,及び排気通路172の近傍を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管112内の混合ガスは更に加熱される。
図21は改質器内の混合ガスの流れを説明するための図であり、図2のXI−XI断面における改質器の断面図である。また、図22(A)は改質器の下方突出部における混合ガスの流れを示す鉛直断面図であり、(B)は改質器の上方突出部における混合ガスの流れを示す鉛直断面図である。なお、図22において、混合ガスの上側ケース121の天面121Bに沿った流れを直線で示す。
図21に示すように、混合ガスは、改質器120内の混合ガス受入部120A内に流入し、ここから仕切り板123のスリット123Cを通過して触媒充填部120Bに流入する。仕切り板123が改質器120の幅方向全域にわたって延びているため、混合ガスは幅方向全域にわたって拡がった状態で触媒充填部120Bに流れ込む。
触媒充填部120Bに流れこんだ混合ガスは、改質器120の中央部に環状側壁121A、122Aが設けられているため、この環状側壁121A、122Aの両側に分岐して流れる。
また、仮に改質器の排出口の仕切り板に形成された開口部が全て同じ長さであったとすると、混合ガスは改質器の混合ガス供給口と排出口とを結ぶ最短経路、すなわち、環状側壁121A、122Aに沿うような経路に集中して流れる。これに対して、本実施形態では、改質器120の混合ガス供給口120aと排出口120cとを結ぶ最短経路に近いほど、開口部124Cの長さが長くなっているため、開口部124Cの長さが等しい場合に比べて最短経路に近い経路を流れる混合ガスの流量が低減するとともに、最短経路から離れた経路(すなわち、改質器の側壁に沿うような経路)を流れる混合ガスの流量が増加する。すなわち、ガス流は最短経路から離れるような経路に向かう指向性に調整される。これにより、混合ガスが触媒充填部120Bを幅方向に均一に流れる。
そして、図22(A)に矢印で示すように、混合ガスは改質器120の下方突出部121Gに当たる部分に到達すると、流路の上方を流れる混合ガスの流動方向は、下方突出部121Gにより下方に向けられる。これにより、仮に天面121Bと改質触媒125との間に隙間が生じても、混合ガスが改質触媒125内を通過する。さらに、下方突出部121Gは下方に突出しているため、下方突出部121Gと下側ケース122の底面122Bとの間には、改質触媒125が全断面にわたって充填されている。これにより、下方突出部121Gの下方において、混合ガスを確実に改質触媒125に接触させることができる。
また、図22(B)に矢印で示すように、混合ガスは上方突出部121Fに当たる部分においても水平方向に流れる。この際、上述した通り、改質触媒125が上方突出部121F内の予備触媒空間121F2まで充填されているため、天面121Bと底面122Bとの間には確実に改質触媒125が充填されている。これにより、混合ガスを確実に改質触媒125と接触させることができる。従って、燃料電池装置の移動等による振動によって天面121Bと改質触媒125との間に生じうる隙間の発生を防止し、混合ガスが触媒充填部120Bを確実に通過させることができる。また、改質器120内を流れる混合ガスの一部は上方突出部121F内の予備触媒空間121F2に入り込む。これに対して、本実施形態では、予備触媒空間121F2が上方に向かって幅が狭まるような台形状であるため、予備触媒空間121F2に入り込んだ混合ガスのリークパスを短くすることができる。
このようにして混合ガスが触媒充填部120Bを確実に通過することにより、混合ガスが改質触媒と接触して水素を含有する燃料ガスに改質される。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板124の開口部124Cを通過して、ガス排出部120Cに流入する。
さらに、燃料ガスは、ガス排出部120Cから燃料ガス供給管64と水添脱硫器用水素取出管65とに分岐する。そして、燃料ガス供給管64に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給され、マニホールド66から各燃料電池セルユニット16内に供給される。
また、図17及び図18に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管74から空気通路161aに供給される。発電用空気は、空気通路161a,161b内において、プレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の下部のモジュールケース8内に形成された排気通路172,173を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、排気通路172内には、空気通路161aのプレートフィン162に対応してプレートフィン175が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン162とプレートフィン175とを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口8fから燃料電池セル集合体12に向けて発電室10内に噴射される。
なお、本実施形態では、燃料電池セル集合体12の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において発電用空気と排気ガスとの間の熱交換は抑制される。したがって、燃料電池セル集合体12の側方部位において、空気通路161b内の発電用空気に上下方向の温度勾配が生じ難くなっている。
また、発電室10内で発電に利用されなかった燃料ガスは、図18に示すように、燃焼室18で燃焼されて排気ガス(燃焼ガス)となり、モジュールケース8内を上昇していく。具体的には、排気ガスは、排気通路173と排気通路174とに分岐して、改質器120の外側面とモジュールケース8の側板8bとの間、及び、改質器120の貫通孔120bから改質器120と排気ガス誘導部材130との間をそれぞれ通過する。このとき、排気通路174を通過する排気ガスは、改質器120の貫通孔120bの上方に配置された凸状段部131aによって幅方向に二分され、排気ガス誘導部材130の下部に留まることなく排気通路173に向けて誘導され、排気通路173を流れる排気ガスに素早く合流される。
その後、排気ガスは、排気ガス導入口172aから排気通路172に流入する。排気通路172内では、排気ガスは、排気通路172を水平方向に流れていき、モジュールケース8の天板8aの中央に形成された排気口111から流出する。
なお、排気ガスが排気通路173を上方へ流れていく際に、空気通路161b内に設けられたプレートフィン163を介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。また、排気ガスが排気通路172を水平方向に流れていく際に、排気通路172内に設けられたプレートフィン175と、このプレートフィン175に対応して空気通路161a内に設けられたプレートフィン162とを介して、発電用空気と排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。
そして、排気口111から流出した排気ガスは、モジュールケース8の外部に設けられた排気管171を通過して蒸発器140の排気ガス流路154に流入する。排気ガス流路154に流入した排気ガスは、排気ガス流路154内を排気ガス排出管82に向かって流れる。この際、排気ガス流路154には、プレートフィン155が設けられているため、より効率良く排気ガスと蒸発室150内の水との熱交換が行われる。
また、排気ガス流路154を通る排ガスは、ヒータ157により加熱される。このヒータ157からの熱は、蒸発器140及び排気ガス流路154を介して燃焼触媒器200に伝達される。さらに、排ガスは排気ガス流路154内でヒータ157により加熱され、加熱された排ガスが燃焼触媒器200に流入する。このようにして、ヒータ157の熱が間接的に燃焼触媒器200に伝達され、燃焼触媒206を加熱することができる。
そして、排気ガス流路154を通過した排気ガスは、排気ガス排出管82に排出され、燃焼触媒器200に流入する。燃焼触媒器200に流入した排気ガスは、燃焼触媒206の貫通孔206Aを通過する。これにより排気ガスに含まれる一酸化炭素などの未燃焼ガス(有害ガス)が触媒と接触し、酸化される。そして、燃焼触媒器200を流通した排気ガスは排ガス放出管202に排出される。
なお、上記実施形態では、蒸発室150の底面143A1に図7に示すような連続溝156が形成された場合について説明したが、蒸発室150の底面143A1に形成される連続溝のパターンはこれに限られない。
図23は別の実施形態による蒸発室150の底面143A1に形成された連続溝256を示す図である。なお、図23における下方が水供給配管62側である。同図に示すように、本実施液体では、第1の容器143の第1の底面143A1上には、正六角形状の突起部256Cが設けられている。これら突起部256Cは、隣接する突起部256Cのそれぞれの辺同士が平行に対向するように配置されており、これにより、突起部256Cの間には正六角形状の溝が網目状に形成される。このような構成により、例えば、図23の中央下方から溝256内に入り込んだ水は、D部において左右に屈曲及び分割され、E部の溝内を直進し、再びD部において屈曲及び分割される。このように、連続溝256に供給された水は、D部における屈曲及び分割と、E部の溝内の直進と、を繰り返すことにより、広域に拡がりながら流れる。
また、図14を参照して説明したように、上記実施形態では、改質器120の下流側の仕切り板124に鉛直方向に延びる開口部124Cを形成したが、本発明はこれに限られない。
図24(A)及び(B)は、それぞれ別の実施形態の燃料電池装置の改質器の下流側の仕切り板の構成を示す鉛直拡大図である。図24(A)に示すように、この実施形態では、下流側の仕切り板224には水平方向に延びる複数の開口部224Cが高さ方向に等間隔で形成されている。複数の開口部224Cの下流側(図24の左側)の端部は水平方向に略等しい位置となっている。また、開口部224Cは下方ほど長く、上方ほど短くなっている。これにより、改質器120の混合ガス供給口120aと排出口120cとを結ぶ最短経路に近いほど、開口部224Cの割合が少なく、この最短経路から離間するほど開口部224Cの割合が高くなっている。
また、図24(B)に示すように、この実施形態では、下流側の仕切り板の仕切り板324には、正方形状の開口部324Cが縦横に等間隔で形成されている。この実施形態では、下から1列目及び2列目の横列には5個の開口部324Cが並んでおり、下から3列目の横列には4個の開口部324Cが並んでおり、下から2列目には3個の開口部324Cが並んでおり、最上列には2個の開口部324Cが並んでいる。すなわち、この実施形態では、下方ほど上流側まで開口部324Cが配置されている。これにより、図24(A)を参照して説明した実施形態と同様に、改質器120の混合ガス供給口120aと排出口120cとを結ぶ最短経路に近いほど、開口部324Cの割合が少なく、この最短経路から離間するほど開口部324Cの割合が高くなっている。
また、上記実施形態では、改質器120の上側ケース121に形成された上方突出部121Fが鉛直断面視において台形状の場合について説明したが、本発明はこれに限られない。
図25は別の実施形態の改質器120の構成を示す図である。本実施形態では、上方突出部の形状のみが上記実施形態と異なっている。図25に示す実施形態では、上方突出部221Fは排ガスの流れに沿った鉛直断面視において三角形状となっている。これに伴い、予備触媒器空間221F2の形状も三角形状になっている。このように予備触媒器空間221F2を三角形状とすることにより、予備触媒器空間221F2を通過する混合ガスの経路をより短くすることができる。
以上説明したように、上記実施形態によれば以下の効果が奏される。
上記実施形態では、下流側の仕切り板124に流動調整部として、下流側のほど長く、上流側ほど短くなるような開口部124Cが形成されている。これにより、改質器120の混合ガス供給口120aと排出口120cとを結ぶ最短経路から離間した経路のガス量が多くなるように混合ガス流の指向性が調整されるため、原料ガス又は燃料ガスが触媒充填部120Bの全体にわたって、従来に比べてより均一に流れる。これにより、触媒充填部120Bにおける改質効率が向上するとともに、改質触媒125の局所的な早期劣化を防止し、改質触媒125を高寿命化することができる。
また、上記実施形態では、仕切り板124に異なる形状の複数の開口部124Cを形成することにより流動調整部を構成している。このように上記実施形態によれば、仕切り板124に異なる形状の複数の開口部124Cを形成するという簡単な構成で、改質効率の向上及び改質触媒の高寿命化を達成できる。
また、上記実施形態では、仕切り板124に形成された複数の開口部124Cは、改質触媒125の粒径よりも幅の狭い直線状であり、改質器120の混合ガス供給口120aと排出口120cとを結ぶ最短経路に近いほど、開口部124Cの長さが短くなるように形成されている。このように、上記実施形態によれば、仕切り板124に形成された開口部124Cの長さを調整するという簡単な構成で、改質効率の向上及び改質触媒の高寿命化を達成できる。
また、上記実施形態では、仕切り板124が、改質器120の排出口120cの近傍に設けられ、かつ、改質器120の内壁と仕切り板124とにより排出口120cの周囲を包囲するように設けられている。このように上記実施形態では、排出口120cの近傍に仕切り板124を設けることにより、排出口120cの近傍にまで改質触媒125を充填することができる。さらに、上記の通り、混合ガスの流れが均等になるため、排出口120cの周囲に配置された改質触媒125が均等に改質反応に寄与する。これにより、より改質器120における改質効率を向上することができる。
また、上記実施形態では、改質器120の中央部には、上下方向に延びる環状側壁121A、122Aが設けられており、混合ガス供給口120aから供給された原料ガスは、環状側壁121A、122Aにより二分された後、合流して排出口120cから排出される。このように上記実施形態によれば、改質器120内部を流れる混合ガスは環状側壁121A、122Aにより二分されて排出口120cに向かって流れる。これにより、混合ガスはより拡散され、触媒充填部120Bを均等に流れるため、改質効率を向上することができるととともに、改質触媒125を高寿命化することができる。