(57)【要約】【課題】蒸発部における熱衝撃を抑制するのに有利な燃料電池装置を提供する。【解決手段】蒸発部２０は蒸発部本体２００と貯水部２５０とを有する。蒸発部本体２００は、燃料電池１から排出されたアノードオフガスを燃焼させることにより加熱される。貯水部２５０は、蒸発部２０のうち改質水供給通路４１に接続されている側において、蒸発部本体２００の底部２００ｖよりも下側に設けられており、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから供給された液相状の改質水を貯留する。【選択図】図１
2010238444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記燃料電池に隣設され燃焼火炎により加熱される蒸発部と、
前記蒸発部に接続され蒸発用の液相状の改質水を前記蒸発部に供給する出水口を有する改質水供給通路とを具備しており、
前記蒸発部は、前記燃料電池の上方に隣設され前記燃焼火炎により加熱される蒸発部本体と、前記蒸発部のうち前記改質水供給通路が接続されている側において前記蒸発部本体の底部よりも下側に設けられ前記改質水供給通路の前記出水口から供給された液相状の改質水を貯留する貯水部とを備えている燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１において、前記燃焼火炎は、前記燃料電池の前記アノードから排出された発電反応後のアノードオフガスが燃焼する燃焼火炎である燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記貯水部の底部の高さ位置は前記蒸発部本体の底部の高さ位置よりも低い燃料電池装置。
【請求項４】
請求項３において、前記貯水部は、前記貯水部から前記蒸発部本体の底部に向けて上昇傾斜する、または、階段状に上昇する上昇面を有する燃料電池装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記貯水部の底部が前記燃料電池の上面に対面する面積をＳ１とし、前記貯水部の底部が前記燃料電池の上面に対面しない面積をＳ２とすると、Ｓ１＜Ｓ２に設定されており、前記貯水部は、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを燃焼させることにより加熱されることが抑制されている燃料電池装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちの１項において、前記貯水部に貯留される改質水の温度を検知する第１温度センサと、前記第１温度センサの温度に基づいて前記貯水部における水枯れを検知する制御部とが設けられている燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質水を蒸発させる蒸発部を有する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２には、水が水蒸気化した水蒸気を貯留させる水蒸気室をもつ蒸発部と、蒸発部を加熱させる燃焼火炎を生成するスタックと、蒸発用の液相状の改質水を蒸発部に供給する改質水供給通路と、燃料原料を蒸発部に供給する燃料原料供給通路とを有する燃料電池装置が開示されている。改質水は、水蒸気改質反応に使用される改質用の水である。上記した特許文献によれば、スタックから排出されたアノードオフガスの燃焼火炎で、蒸発部は加熱される。このように加熱される蒸発部に改質水が供給されると、蒸発部は改質水を水蒸気化させる。生成された水蒸気は、燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させるために使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１４３９９号公報
【特許文献２】特開２００８−７３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した技術によれば、蒸発部は、燃料原料を水蒸気改質させるための水蒸気を生成させる。この蒸発部は加熱されつつ改質水と接触するため、蒸発部の耐久性は必ずしも充分ではない。産業界では、蒸発部の耐久性を更に改善することが要請されている。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、蒸発部における熱衝撃を抑制するのに有利であり、蒸発部の耐久性を改善させるのに有利な燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池装置は、（ｉ）アノードおよびカソードを有する燃料電池と、（ｉｉ）燃料電池に隣設され燃焼火炎により加熱される蒸発部と、（ｉｉｉ）蒸発部に接続され蒸発用の液相状の改質水を蒸発部に供給する出水口を有する改質水供給通路とを具備しており、（ｉｖ）蒸発部は、燃料電池の上方に隣設され燃焼火炎により加熱される蒸発部本体と、（ｖ）蒸発部のうち改質水供給通路に接続されている側において蒸発部本体の底部よりも下側に設けられ改質水供給通路の出水口から供給された液相状の改質水を貯留する貯水部とを備えている。
【０００７】
燃料電池の発電運転において、蒸発部の蒸発部本体は燃焼火炎により加熱される。また、改質水供給通路の出水口から蒸発部に改質水が供給される。これにより液相状の改質水は蒸発部において水蒸気化する。水蒸気は燃料原料の水蒸気改質反応に使用される。これによりアノード活物質を有するアノードガスが生成される。アノードガスは燃料電池のアノードに供給され、発電反応に使用される。
【０００８】
上記したように蒸発部の蒸発部本体は燃焼火炎により加熱される。このため液相状の低温の改質水が過剰に且つ直接的に蒸発部本体に供給されると、蒸発部本体における熱衝撃が増大する。この点本発明によれば、蒸発部は、蒸発部のうち改質水供給通路に接続されている側に設けられた貯水部を有する。貯水部は、改質水供給通路の出水口から供給された液相状の改質水が蒸発部本体に移行する前に、改質水を一時的に貯留する。このため、液相状の低温の改質水が、加熱状態の蒸発部本体に過剰に且つ直接的に供給されることが抑制される。故に、蒸発部本体は燃焼火炎で加熱されているにもかかわらず、蒸発部本体における熱衝撃が軽減される。
【０００９】
このように改質水供給通路の出水口から蒸発部に供給された改質水は、貯水部に一次的に貯留されるため、直ちに水蒸気化されることが抑制される。このため、改質水は貯水部で一時的に保持されて予熱された後、蒸発部本体に移行し易くなる。従って、改質触媒が蒸発部本体の近傍に配置されている場合であっても、液相状の改質水が直接的に且つ過剰に改質触媒に接触することが抑制される。故に、液相状の水に起因する改質触媒の劣化を抑制させるのに貢献できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、蒸発部本体における熱衝撃が緩和される。更に改質触媒が蒸発部本体の近傍に配置されている場合であっても、改質触媒の劣化の抑制に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係り、燃料電池装置の概念を模式的に示す図である。
【図２】実施形態２に係り、燃料電池装置の貯水部付近の要部を示す図である。
【図３】実施形態３に係り、燃料電池装置の貯水部付近の要部を示す図である。
【図４】実施形態４に係り、燃料電池装置の貯水部付近の要部を示す図である。
【図５】実施形態５に係り、燃料電池装置の貯水部付近の要部を示す図である。
【図６】適用形態に係り、燃料電池装置の概念を模式的に示すである。
【図７】適用形態に係り、燃料電池装置の要部を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
好ましい形態によれば、燃焼火炎は、燃料電池から排出されたアノードオフガスが燃焼する燃焼火炎である。従って、好ましい形態によれば、蒸発部は改質水の水蒸気化を促進させる部位である。蒸発部は、好ましくは、燃料電池に隣設され燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼させた燃焼火炎により加熱される蒸発部本体と、蒸発部本体の底部よりも下側に設けられた貯水部とを備えている。貯水部は、改質水を蒸発部本体に移行させる前に改質水を一時的に貯留して予熱させることができる。貯水部としては、燃焼火炎に接触する方式でも良いし、燃焼火炎に接触しない方式でも良い。
【００１３】
好ましい形態によれば、貯水部は、貯水部から蒸発部本体の底面に向けて上昇傾斜する、または、階段状に上昇する上昇面を有する。この場合、貯水部に貯留されている改質水を少量ずつ蒸発部本体に供給させるのに有利である。好ましい形態によれば、貯水部の底部が燃料電池の上面に対面する面積をＳ１とし、貯水部燃料電池の上面に対面しない面積をＳ２とすると、Ｓ１＜Ｓ２に設定されており、貯水部の底部は、燃料電池の上面から排出されたアノードオフガスを燃焼させることにより加熱されることが抑制されている。この場合、貯水部の過熱が抑制され、貯水部に貯留されている改質水が急激に水蒸気化されることが抑制される。これにより蒸発部における内圧の急激な増加が抑制されると共に、貯水部における貯水機能が良好に確保される。Ｓ１は０にできる。
【００１４】
好ましい形態によれば、貯水部に貯留される改質水の温度を検知する第１温度センサと、第１温度センサの温度に基づいて貯水部における水枯れを検知する制御部とが設けられている。水枯れの場合には、燃料電池装置の発電運転を停止させるか、改質水を蒸発部の貯水部に供給することが好ましい。更に、貯水部に貯留される改質水の水面の上方の水蒸気の温度を検知する第２温度センサが設けられていることが好ましい。
【００１５】
（実施形態１）
図１は実施形態１を示す。図１に示されているように、燃料電池装置は、（ｉ）アノードおよびカソードを有する固体酸化物型の電解質を備える燃料電池のスタック１（ＳＯＦＣ）と、（ｉｉ）スタック１に上側に隣設されスタック１から排出されたアノードオフガスを燃焼させた燃焼火炎２４により加熱される蒸発部２０と、（ｉｉｉ）蒸発部２０の一端部に接続され蒸発用の液相状の改質水を蒸発部２０に供給する貯水部２５０と、貯水部２５０に改質水を供給する出水口４１ｐを有する改質水供給通路４１と、（ｉｖ）蒸発部２０の一端部に接続され水蒸気改質用の気相状の燃料原料を蒸発部２０に供給する供給口５１ｐを有する燃料原料供給通路５１と備えている。
【００１６】
図１に示されているように、蒸発部２０は、水蒸気室２０３を有する蒸発部本体２００と、蒸発部本体２００に連なる貯水部２５０とを有する。蒸発部本体２００は、スタック１の上面１ｕの上方に燃焼用空間２３を介して隣設されている。ここで、スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスは、スタック１のカソードの出口から排出されたカソードオフガス、スタック１に流入しなかったカソードガスにより燃焼用空間２３において燃焼され、燃焼火炎２４を形成する。蒸発部本体２００の底部２００ｖは、燃焼用空間２３の燃焼火炎２４により加熱される。蒸発部本体２００は、炭化水素系の燃料原料を水蒸気改質させる改質触媒２２０を有する改質反応室２２２を有する改質部２２に繋がる。従って、蒸発部本体２００は、改質部２２の底部２２ｖに繋がる底部２００ｖをもつ。蒸発部本体２００の底部２００ｖの高さ位置は、改質部２２の底部２２ｖの高さ位置と同一とされている。改質触媒２００は、改質反応を促進させる触媒と、触媒を担持するセラミックス担体（例えばアルミナ、マグネシア）とを有する。触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム等の貴金属系、または、ニッケル等の卑金属系等の公知のものが例示される。
【００１７】
図１に示されるように、貯水部２５０（特に底部２５０ｖ、貯水空間２５２および水面２５９）は、蒸発部本体２００のうち改質水供給通路４１に接続されている側において、蒸発部本体２００の底部２００ｖよりも重力方向の下側に設けられている。貯水部２５０は、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから供給された液相状の改質水を貯留する貯水空間２５２と、貯水空間２５２を形成する底部２５０ｖと、立壁部２５４を備えている。底部２５０ｖは、貯水部２５０のうち最も低い位置に形成されており、蒸発部本体２００の底部２００ｖの高さ位置よりも低い。底部２５０ｖは、スタック１の上面１ｕに非対面である。従って上方から投影するとき、底部２５０ｖおよびスタック１の上面１ｕに互いに重ならない。
【００１８】
貯水空間２５２は、蒸発部本体２００の底部２００ｖよりも重力方向の下側に位置する。ここで、立壁部２５４とこの立壁部２５４に対面する壁部２６４とは、ほぼ鉛直方向に沿っているため、貯水空間２５２の容積を大きくできる。更に、貯水空間２５２に貯留されている改質水の水位が変化したとしても、改質水の水面２５９の面積は実質的に変化せず、従って水面２５９からの気化が均一化される。但し、これに限定されるものではなく、立壁部２５４および壁部２６４は鉛直方向に対して傾斜していても良い。
【００１９】
貯水部２５０の底部２５０ｖの高さ位置は、蒸発部本体２００の底部２００ｖの高さ位置よりも低く設定されている。これにより貯水部２５０における貯水量が良好に確保される。なお、通常の発電運転において、貯水部２５０に貯留されている改質水の水面２５９は、蒸発部本体２００の底部２００ｖよりも重力方向において下方であり、貯水部２５０に貯留されている改質水が蒸発部本体２００に急激に移行することが抑制されている。また、貯水部２５０に貯留されている改質水の水面２５９は、出水口４１ｐの中心よりも下方であることが好ましい。この場合、貯水空間２５２から改質水供給通路４１への逆流が抑えられ、貯水空間２５２における貯水量が良好に確保される。
【００２０】
さてスタック１が発電運転するときには、スタック１のアノードの出口からアノードオフガスが燃焼用空間２３に排出される。スタック１のカソードの出口からカソードオフガスが燃焼用空間２３に排出される。燃焼用空間２３においてアノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼され、燃焼火炎２４が燃焼用空間２３に形成される。蒸発部本体２００の底部２００ｖは、改質部２２の底部２２ｖと共に燃焼火炎２４により加熱される。これにより蒸発部本体２００は、水蒸気化を促進できる温度に維持される。スタック１の発電運転においては、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから蒸発部２０に向けて、ポンプ４２等の搬送源により液相状の改質水が供給される。供給される改質水の流量としては、燃料電池装置の種類および用途にもよるが、１分間あたり例えば１〜５０ｃｍ３、２〜１０ｃｍ３にできる。但しこれに限定されるものではない。
【００２１】
供給された液相状の改質水は、蒸発部本体２００において加熱されて水蒸気化する。生成された水蒸気は改質部２２に向けて流れ、燃料原料を改質させる水蒸気改質反応に改質触媒２２０により使用される。これにより水素（アノード活物質）を主要成分として含有するアノードガスが生成される。アノードガスは改質部２２の出口２２ｐからアノードガス通路１４を通過してアノードガスマニホルド１３に供給され、更に、スタック１のアノードの入口に供給され、発電反応に使用される。スタック１のカソードにもカソードガス（空気）が供給される。これによりスタックは発電する。アノードガスは、発電反応後にはアノードオフガスとしてスタック１の上面１ｕ側のアノード出口から燃焼用空間２３に排出される。カソードガスは、発電反応後にはカソードオフガスとしてスタック１の上面１ｕ側のカソード出口から燃焼用空間２３に排出される。発電反応後のアノードオフガスは未反応の水素（アノード活物質）を有するため、再燃焼可能である。発電反応後のカソードオフガスも未反応の酸素を有する。
【００２２】
ここで、貯水部２５０の底部２５０ｖがスタック１の上面１ｕに対面する面積をＳ１とし、貯水部２５０の底部２５０ｖがスタック１の上面１ｕに対面しない面積をＳ２とすると、Ｓ１＜Ｓ２の関係に設定されている。これにより貯水部２５０の底部２５０ｖは、スタック１の上面１ｕのアノード出口から排出されたアノードオフガスを燃焼させた燃焼火炎２４により積極的に加熱されることが抑制され、貯水部２５０の改質水の過剰な沸騰が抑制されている。なお、面積Ｓ１は具体的に０とされている。
【００２３】
換言すると、スタック１から排出されたアノードオフガスの燃焼火炎２４に貯水部２５０の底部２５０ｖが接触する面積をＳ１０とし、貯水部２５０の底部２５０ｖが燃焼火炎２４に接触しない面積をＳ２０とすると、Ｓ１０＜Ｓ２０の関係に設定されている。故に、貯水部２５０の底部２５０ｖは、スタック１から排出されたアノードオフガスを燃焼させた燃焼火炎２４により積極的に加熱されることが抑制されている。このように蒸発部本体２００は、水蒸気化促進のため、燃焼用空間２３の燃焼火炎２４で積極的に加熱されるものの、改質水を貯留させる貯水部２５０は、燃焼火炎２４で過剰に加熱されないようにされている。従って貯水部２５０の過剰な昇温は抑制され、貯水部２５０における貯水能力が良好に確保される。本実施形態によれば、貯水部２５０は過剰には昇温されないが、蒸気化のために昇温される。昇温の熱源としては、燃焼火炎２４の輻射熱、燃焼火炎２４の燃焼排ガス、蒸発部２０からの伝熱（殊に底部同士の伝熱）が挙げられる。
【００２４】
さて、上記したように蒸発部本体２００は、スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスを、発電反応後のカソードオフガス、または、発電反応を経ていないカソードガスで燃焼させた燃焼火炎２４により加熱される。このため、液相状の低温の改質水が改質水供給通路４１を介して過剰に且つ直接的に蒸発部本体２００に供給される場合には、燃焼火炎２４で加熱されている蒸発部本体２００における熱衝撃が増大するおそれがある。
【００２５】
この点本実施形態によれば、図１に示されているように、蒸発部２０のうち改質水供給通路４１に接続されている側に設けられた貯水部２５０が設けられている。貯水部２５０は、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから供給された液相状の改質水を、これが蒸発部本体２００に移行する前に、一時的に貯留する。このため液相状の低温の改質水が過剰に且つ直接的に蒸発部本体２００に供給されることが抑制される。故に、蒸発部本体２００における熱衝撃が軽減され、蒸発部本体２００の耐久性が向上する。
【００２６】
このように本実施形態によれば、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから蒸発部２０に供給された改質水は、貯水部２５０に一次的に貯留されるため、直ちに水蒸気化されることが抑制される。この結果、改質水は貯水部２５０で一時的に保持されて予熱された後、蒸発部本体２００の水蒸気室２０３に少量ずつ移行し易くなる。従って、改質触媒２２０が蒸発部本体２００の近傍の改質部２２に配置されている場合であっても、液相状の改質水が直接的に且つ過剰に改質触媒２２０に接触することが抑制される。故に、改質部２２に収容されている改質触媒２２０の劣化の抑制に貢献できる。
【００２７】
殊に、図１に示されるように、改質水供給通路４１の出水口４１ｐの高さ位置は、蒸発部本体２００の底部２００ｖよりも下方であり、且つ、貯水部２５０の底部２５０ｖよりも上方に配置されている。このため改質水供給通路４１の出水口４１ｐの延長線（中心線）ＷＢは、貯水部２５０の立壁部２５４に衝突する。従って出水口４１ｐは貯水部２５０の立壁部２５４に対向している。このため、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから供給された改質水が、蒸発部本体２００の底部２００ｖ上方の水蒸気室２０３に直接供給されることが抑制される。すなわち、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから急激に改質水が吐出される場合であっても、出水口４１ｐから吐出された改質水が貯水部２５０の立壁部２５４に当たる。このため、液相状の改質水が蒸発部本体２００の底部２００ｖ上方の水蒸気室２０３に直接供給されることが抑制される。故に、燃焼火炎２４で直接加熱されている蒸発部本体２００が改質水で急冷されることが抑制される。よって、蒸発部本体２００における熱衝撃が一層軽減される。更に、液相状の改質水が直接的に且つ過剰に改質部２２の改質触媒２２０に接触することが一層抑制される。故に、改質部２２における改質触媒２２０の劣化の抑制に一層貢献できる。なお、図１から理解できるように、出水口４１ｐの水通路出口は、立壁部２５４に対向している。出水口４１ｐの水通路出口の上端を延長させた延長線は、立壁部２５４に対向している。出水口４１ｐの水通路出口の上端を延長させた延長線は、蒸発部本体２００の底部２００ｖの高さ位置よりも低い。
【００２８】
図１に示されているように、貯水部２５０の立壁部２５４の延長線ＷＡと、スタック１の改質水供給通路４１側の側面１ｓとの間には、ΔＬ（所定間隔）の隙間が形成されている。この意味においても、スタック１からの燃焼火炎２４で貯水部２５０を過剰に加熱することが抑制されている。よって貯水部２５０の過剰加熱が一層抑制されている。従って、貯水部２５２に貯留されている改質水が急激に加熱されて水蒸気化することが抑制されている。このため改質部２２における改質反応も適切に実施できる。但し、場合によっては、燃焼火炎２４で貯水部２５０の底部２５０ｖを加熱させても良い。この場合、貯水部２５０に貯留されている改質水を早期に水蒸気化させるのに有利となる。
【００２９】
図１に示されているように、燃料原料供給通路５１の供給口５１ｐの高さ位置は、水面２５９，貯水部２５０の底部２５０ｖおよび蒸発部本体２００の底部２００ｖよりも上方とされている。これにより燃料原料供給通路５１の供給口５１ｐから吐出された炭化水素系の燃料原料は、液相状の改質水と直接接触することが抑制され、蒸発部本体２００の水蒸気室２０３、ひいては改質部２２の改質反応室２２２に供給され易くなっている。
【００３０】
本実施形態によれば、貯水部２５０に貯留されている改質水に接触して改質水の温度を検知する第１温度センサ１０１が設けられている。更に、貯水部２５０に貯留される改質水の水面２５９の上方の水蒸気の温度を検知する第２温度センサ１０２が設けられている。第１温度センサ１０１および第２温度センサ１０２の信号は、制御部１００に入力される。貯水部２５０に水が貯留されていると、第１温度センサ１０１は水温を検知する。しかしポンプ４２などの故障で貯水部２５０に水が貯留されていない場合には、第１温度センサ１０１で検知した温度は、水温ではなく、高い温度となる。このため、第１温度センサ１０１で検知した温度が所定の閾値（例えば１００℃）を高温側に越える状態が所定時間（例えば３分間）以上継続されるときには、制御部１００は貯水部２５０において水枯れが発生していると推定し、ポンプ４２の故障を推定できる。この場合、制御部１００は燃料電池システムを停止させることができる。ポンプ４２が故障しても、貯水部２５０に改質水が貯留されているため、しばらくの間は発電運転を継続することが可能となる。ポンプ４２等が故障していない場合には、ポンプ４２を作動させて改質水供給通路４１の出水口４１ｐから改質水を蒸発部２０の貯水部２５０に供給して貯留させる。なお、第１温度センサ１０１および第２温度センサ１０２は必要に応じて設ければ良いものであり、場合によっては廃止しても良い。
【００３１】
ところで、貯水部２５０が設けられていない場合には、蒸発部２０に供給された改質水が短時間に水蒸気化されてしまうおそれがある。この場合、水滴が液相から気相に急激に変化するため、水の体積が急激に増加する。故に、蒸発部２０および／または改質部２２において圧力脈動を発生させる要因となるおそれがある。この場合、異音の要因となったり、改質触媒２２０を振動させたり変位させたりする要因となり、好ましくない。更に、蒸発部２０の内圧が急に増加するため、蒸発部２０への燃料原料の供給が制約されるおそれがある。また、改質触媒がコーキングするおそれがある。そこで本実施形態によれば、図１に示されるように、出水口４１ｐの中心の高さ位置は、水面２５９よりも上方であるものの、蒸発部本体２００の底部２００ｖおよび供給口５１ｐよりも低くされており、貯水部２５０の水面２５９に近づいている。従って、出水口４１ｐから供給された改質水が貯水部２５０に滴下される場合において、滴下距離が短縮され、急激に水蒸気化することが抑制される。このように貯水部２５０の水が水蒸気化される。よって、蒸発部本体２００における圧力の脈動化は抑制される。
【００３２】
なお本実施形態によれば、スタック１の発電運転において、発電出力を増加させるにあたり、万一、ポンプ４２の駆動が追従しにくいときであっても、貯水部２５０に改質水が予め貯留されているため、発電出力を速やかに立ち上げるのに有利である。また、スタック１の発電出力を減少させる場合には、燃料原料の供給量が減少され、スタック１から排出されるアノードオフガスの流量が減少されるため、燃焼用空間２３における燃焼火炎２４の火力も減少するので、貯水部２５０の水位の変動が抑制されることが期待される。また、スタック１の発電終了時において、貯水部２５０に改質水が液相として貯留されている場合であっても、スタック１および燃焼用空間２３の余熱により改質水の蒸気化が促進され、貯留空間２５２の液相状の改質水は空となると考えられる。従って、スタック１の次回に起動させるとき、貯水部２５０に残留している改質水が影響を与えることが抑制される。
【００３３】
（実施形態２）
図２は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図２に示されるように、貯水部２５０の立壁部２５４は、貯水部２５０の底部２５０ｖから蒸発部本体２００の底部２００ｖに向かうにつれて、鉛直線ＰＡに対して角度θ１で直線状に上昇傾斜する上昇面２５６を有する。なお、曲線状に上昇傾斜していても良い。この場合、立壁部２５４は傾斜しているので、燃焼用空間２３の熱を受熱する受熱面積を大きくできる。よって、貯水部２５０に溜められている改質水をできるだけマイルドに加熱させるのに有利である。
【００３４】
更に、図２に示されるように、立壁部２５４は貯水部２５０から蒸発部本体２００の底部２００ｖに向かうにつれて上昇傾斜しているため、貯水部２５０に一時的に貯留されている改質水を、蒸発部本体２００に向けて少量ずつ移動させるのに有利である。この結果、蒸発部本体２００に多量の改質水が一度に供給されることが抑制される。このように改質水を少量ずつ蒸発部本体２００に移動させることができ、蒸発部本体２００における熱衝撃の軽減に一層貢献できる。さらには、貯水部２５０に貯留されている改質水の水蒸気化が少量ずつ進行する。このため、改質部２２における水蒸気改質反応も良好に実施される。
【００３５】
殊に、図２から理解できるように立壁部２５４は傾斜しているため、貯水部２５０に貯留されている改質水の水位が高くなるほど、水面２５９の面積は増加する。このため万一、出水口４１ｐからの吐出される改質水が急激に増加したとしても、水位の急激な上昇は抑制される。この意味においても、蒸発部２００の底部２００ｖに改質水が過剰に移動することが抑制される。なお、立壁部２５４には、加熱効率を高めるべく燃焼火炎２４が接触しても良いし、過剰の加熱を抑制するように燃焼火炎２４が接触しなくても良い。なお、立壁部２５４は複数の段部を有する階段状としても良い。
【００３６】
（実施形態３）
図３は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図３に示されるように燃焼火炎２４は、蒸発部本体２００の底部２００ｖばかりか、貯水部２５０の立壁部２５４および底部２５０ｖにも接触する。従って、貯水部２５０の底部２５０ｖも燃焼火炎２４により加熱される。この場合、貯水部２５０は改質水を貯留させるものの、水蒸気化を速い速度で促進させる。単位時間あたりの水蒸気量が大きい場合に有効である。
【００３７】
（実施形態４）
図４は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図４に示されるように、貯水部２５０は、鉛直方向に沿っている立壁部２５４ａと、立壁部２５４ａから蒸発部本体２００の底部２００ｖに向けて階段状に上昇する立壁部２５４ｃとを有する。立壁部２５４ｃは、階段状に上昇する上昇面２５７を有する。この場合、蒸発部本体２００の底部２００ｖよりも重力方向の下方に位置する貯水空間２５２の容積ができるだけ確保され、改質水の貯水量が増加される。さらには、立壁部２５４ｃは階段状に上昇する上昇面２５７を有するため、貯水空間２５２に貯留されている改質水を少量ずつ蒸発部本体２００に移行させるのに貢献できる。図４に示されるように、出水口４１ｐは立壁部２５４ｃに対向するため、出水口４１ｐから改質水が急激に吐出されるときであっても、改質水が蒸発部本体２００側に過剰に移行することが抑制されている。
【００３８】
立壁部２５４ａおよび立壁部２５４ｃは、基本的には燃焼火炎２４に接触しないことが好ましい。このため、貯水部２５０に貯留されている液相状の改質水の急激な水蒸気化が抑制され、改質水が良好に貯留される。但し、場合によっては、水蒸気化を促進させるときには、立壁部２５４ａおよび立壁部２５４ｃを燃焼火炎２４に接触させる方式としても良い。
【００３９】
なお、蒸発部本体２００の通路高さをｈ１とし、立壁部２５４ａの高さをｈ２とするとき、ｈ２＞ｈ１、または、ｈ２＝ｈ１、または、ｈ２≒ｈ１にできる。この場合、貯水部２５０における貯水量が確保される。更に貯水部２５０はスタック１に隣設されているため、貯水部２５０に貯留されている改質水の予熱にも有効である。なお、場合によってはｈ１＞ｈ２としても良い。
【００４０】
（実施形態５）
図５は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図５に示されるように、貯水空間２５２に進入する進入壁２７２が突設されている。進入壁２７２は、出水口４１ｐとの間に開口２７３を形成しつつ、蒸発部本体２００の底部２００ｖから出水口４１ｐおよび供給口５１ｐに向けて延長されており、改質水の移動に対して邪魔板として機能することができる。図５に示されているように、進入壁２７２の高さ位置は出水口４１ｐよりも高い。このため、万一、出水口４１ｐから改質水が急激に吐出されるときであっても、出水口４１ｐから吐出された改質水が蒸発部本体２００ひいては改質部２２に過剰に直接的に向かうことが抑制される。結果として、蒸発部本体２００における熱衝撃の低減を図り得るばかりか、改質触媒２２２への保護性を高め得る。更に、進入壁２７２の高さ位置よりも供給口５１ｐは高いため、供給口５１ｐから吹き出された燃料原料が液相状の改質水と過剰に接触することが抑制される。
【００４１】
（適用形態）
図６および図７は適用形態を示す。本適用形態は、固体酸化物形の燃料電池装置に適用しており、上記した各実施形態の全部を適用することができる。図６は固体酸化物形の燃料電池装置の概念を示す。燃料電池装置は、図６に示すように、基本的には、固体酸化物形の燃料電池からなるスタック１と、改質器２と、制御部１００と、筐体９とを有する。更に、燃料電池装置は、筐体９の内部において、改質水系４と、燃料原料供給系５、カソードガス供給糸６、貯湯系７とを有する。
【００４２】
図７に示すように、スタック１は、カソードガスが流れる発電室３２において通路３２ｒを隔てて複数の燃料電池を並設するように組み付けて形成されている。燃料電池同士は図略の集電部材により電気的に接続されている。燃料電池は、アノードガスが供給される燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする電解質膜１５と、アノードガスが供給される通路１１ｒをもつ多孔質導電部１１ｗと、コネクタ部１０ｘとを有する。固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ２−）を伝導させる性質をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード１１は、ニッケル−セリア系サーメットが例示される。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、スタック１の下部には、アノードガスをスタック１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。
【００４３】
図６に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気で燃料原料を水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。筐体９は、筐体９の収容室９１と外気とを連通させる外気取込口９２をもつ
ホットモジュール３は筐体９の内部に収容されており、断熱材で形成された容器状の断熱部３０を有しており、断熱部３０の内部にスタック１および改質器２を燃焼用空間２３を介して収容して形成されている。ホットモジュール３では、スタック１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。ホットモジュール３では、スタック１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼用空間２３が形成されている。殊に、スタック１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼用空間２３が形成されている。スタック１のアノード１１から発電反応後のアノードオフガスが燃焼用空間２３に排出される。スタック１のカソード１２から発電反応後のカソードオフガスが燃焼用空間２３に排出される。アノードオフガスは燃料電池から排出されたガスであり、未反応の水素（可燃成分）を含有して燃焼可能である。カソードオフガスはカソードガスを発電させた後のガスであり、未反応の酸素を含有している。
【００４４】
燃焼用空間２３に排出されたアノードオフガスは、カソードオフガス（燃焼用空気に相当）により燃焼され、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成する。燃焼用空間２３において燃焼火炎２４を形成したガスは、燃焼排気ガスとなる。燃焼用空間２３における燃焼火炎２４は改質部２２および蒸発部２０の双方を加熱させ、改質部２２の温度を改質反応温度領域に維持させる。図６に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される改質水を改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２とを結ぶ改質水供給通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。改質水供給通路４１には、貯水タンク４４、改質水ポンプ４２、給水バルブ４３が設けられている。
【００４５】
図６に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。燃料原料供給通路５１には、入口バルブ５２、流量計５３、脱硫器５４および燃料原料ポンプ５５が設けられている。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスをスタック１のカソード１２に供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。カソードガス供給通路６０には、除塵フィルタ６１、カソードガスポンプ６２および流量計６３が配置されている。除塵フィルタ６１は、筐体９の収容室９１に配置されている。
【００４６】
カソードガスポンプ６２が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとしてスタック１の入口からカソード１２に供給される。外気取込口９２から取り込まれる外気（カソードガス）の温度を検知する第２温度センサ１０２が、筐体９の外気取込口９２付近において設けられている。第２温度センサ１０２は、スタック１のカソード１２に供給される前のカソードガスの温度を検知しており、実質的には筐体９の外部の外気温度を検知する。第２温度センサ１０２の信号は制御部１００に入力される。
【００４７】
図６に示すように、貯湯系７は、熱交換器７４および貯湯タンク７０を循環する循環通路７１と、循環通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯用水の搬送源）とを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯タンク７２の水は、循環通路７１から熱交換器７４に供給され、熱交換器６４における燃焼排気ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は貯湯タンク７０に戻る。これにより貯湯タンク７０は温水を貯留させる。ホットモジュール３の近傍には熱交換器６４が設けられている。熱交換器７４は、ホットモジュール３から排出される燃焼排気ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の循環通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。そして、熱交換器７４を流れる燃焼排気ガスの熱は、貯湯系７の循環通路７１の水に伝達される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから排気通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されており、燃焼排気ガスは排気通路７５を介して排気口７６から排出される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。従って燃焼排気ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器７４において冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０に供給される。
【００４８】
さて、スタック１の発電運転時には、燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、貯水タンク４４の改質水が改質水供給通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は加熱されているため、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形のスタック１では、Ｈ２他にＣＯも燃料となりうる。
【００４９】
（１）…ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１のアノード１１の入口に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してスタック１のカソード１２の入口に供給される。これによりスタック１は発電する。
【００５０】
発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード１１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード１２では基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１２において発生した酸素イオン（Ｏ２−）がカソード１２からアノード１１に向けて電解質を伝導する。
【００５１】
（２）…Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（３）…１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
発電反応後のアノードオフガスは、スタック１の上方の燃焼用空間２３に排出され、発電反応を経たカソードオフガス、発電反応を経ていないカソードガスにより燃焼され、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成し、燃焼排気ガスとなる。燃焼排気ガスは、熱交換器７４および逃がし弁７８を経て排気通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。燃焼排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器７４から導出される凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、貯水タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。
【００５２】
なお、アノードガス（燃料原料）の流量としては、スタック１のアノード１１における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３においてアノードオフガスが燃焼火炎２４を形成する流量とを加算した流量が設定されている。カソードガスの流量の流量としては、スタック１のカソード１２における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。
【００５３】
本実施形態によれば、図６に示されているように、蒸発部２０のうち改質水供給通路４１に接続されている側には、貯水部２５０が設けられている。貯水部２５０は、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから供給された液相状の改質水を一時的に貯留する。このため液相状の低温の改質水が過剰に且つ直接的に蒸発部本体２００に供給されることが抑制される。故に、蒸発部本体２００における熱衝撃が軽減され、蒸発部本体２００の耐久性が向上する。
【００５４】
このように本実施形態によれば、改質水供給通路４１の出水口４１ｐから蒸発部２０に供給された改質水は、貯水部２５０に一次的に液相状態で貯留される。このため改質水が直ちに水蒸気化されることが抑制される。すなわち改質水は貯水部２５０で一時的に保持されて予熱された後、蒸発部本体２００の水蒸気室２０３に少量ずつ移行し易くなる。従って、改質触媒２２０が蒸発部本体２００の近傍の改質部２２に配置されている場合であっても、液相状の改質水が直接的に且つ過剰に改質触媒２２０に接触することが抑制される。故に、改質部２２における改質触媒２２０の劣化の抑制に貢献できる。
【００５５】
（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態および適用形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。スタック１は平板のアノード、カソードを組み付けて形成された平板積層構造であるが、これに限らず、チューブ型でも良い。蒸発部２０は改質部２２と一体的に形成されているが、これに限らず、蒸発部２０は改質部２２から物理的に分離されていても良い。改質水ポンプ４２はポンプに限らず、要するに改質水を搬送できるものであれば、コンプレッサでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の燃料電池装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１はスタック１１はアノード、１２はカソード、２は改質器、２０は蒸発部、２００は蒸発部本体、２００ｖは蒸発部本体の底部、２０３は水序気室、２５０は貯水部、２５０ｖは貯水部の底部、２５２は貯水空間、２５４は立壁部、２５６，２５７は上昇面、２２は改質部、２２０は改質触媒、２２２は改質反応室、２３は燃焼用空間、２４は燃焼火炎、３はホットモジュール、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水供給通路、４２は改質水ポンプ（改質水搬送源）、４４は給水タンク、５は燃料原料供給系、５１は燃料原料供給通路、５５は燃料原料ポンプ、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、６２はカソードガスポンプ、７は貯湯系、７０は貯湯タンク、７１は循環通路、７２は貯湯ポンプ、７４は熱交換器、７５は排気通路、７６は排気口、１００は制御部、１０１は第１温度センサ、１０２は第２温度センサを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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