(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を加熱して水蒸気を発生させる気化器と、
その水蒸気と燃料ガスとの混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、
その改質ガスを有酸素ガスと反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池セルとを備えており、
気化器が、屈曲が繰り返されている多重屈曲路が形成されているプレート式熱交換器で構成されており、
多重屈曲路が、最大発電量に対応する量の水を蒸発させる長さを備えている蒸発部と、その蒸発部に続くとともに気化器から流出する水蒸気の流出量が脈動することを抑制する長さを備えている脈動抑制部とを備えており、
気化器と、改質器と、燃料電池セルは、下から燃料電池セル、改質器、気化器の順に重ねて設けられ、
燃料電池セルの端部において燃料電池セルを通過したオフガスが燃焼され、多重屈曲路は、オフガスが燃焼されることによって発生する排ガスの通過方向と直交する方向に沿って配置されている、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
気化器を加熱する熱源が、燃料電池セルを通過したオフガスの燃焼熱であり、
改質器は、水蒸気と燃料ガスを混合する混合部と、混合ガスを改質する改質部とを備えており、
気化器に流入した直後の水と混合部で混合される混合ガスとが熱交換し、
混合部から改質部に移行する混合ガスの温度が４００℃以下に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記燃料電池セルにおけるオフガスが燃焼している上端部側において、改質器が燃料電池セルに隣接しており、さらに改質器の上方に気化器が隣接していることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型の燃料電池セルによって発電する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載されるように、固体酸化物を利用する燃料電池セルを用いた発電装置が知られている。
特許文献１の発電装置では、気化器に水を供給するとともに気化器を加熱して水蒸気を発生させる。気化器は、送水管と、高熱容量のセラミック粒状物が充填されている充填部を備えている。充填部は送水管の周囲に配置されている。気化器に供給された水は、送水管から充填部を流れる際に、熱源によって加熱されて蒸発する。発生した水蒸気は、燃料ガスとともに改質器に供給され、その混合ガスが改質器において改質されて改質ガスとなる。この発電装置では、改質ガスが固体酸化物型の燃料電池セルにおいて有酸素ガスと反応することにより発電するようにしている。
【０００３】
この種の発電装置では、気化器に供給する水量が少量で足りる。少量の水を定常的に供給するのは困難であり、実際には図４（ａ）に例示するように、気化器に供給する水量はポンプの駆動サイクルに対応して脈動する。間欠的に水が供給される場合もある。気化器に供給する水量が脈動することによって、気化器から改質器に供給される水蒸気の流量にも脈動が生じる可能性がある。そのために、図４（ｂ）の破線Ｂに示すように、燃料電池セルにおける発電量にも脈動が生じる可能性がある。特許文献１に記載の発電装置では、気化器に設けている充填部によって、水蒸気の流れに対する抵抗力を作り出している。水蒸気の流れに対する抵抗力が高いと、換言すると、気化器を流れる水蒸気の圧力損失が大きいと、気化器から流出する水蒸気の流出量が脈動することを抑制することができる。気化器を流れる水蒸気の圧力損失を高めると、図４（ｂ）の実線Ａに示すように、発電装置において発生する発電量が脈動することを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の発電装置では、高熱容量のセラミック粒状物を気化器に充填することによって、気化器から流出する水蒸気の流出量が脈動することを抑制し、発電量が脈動することを抑制している。しかしながら、高熱容量のセラミック粒状物を気化器に充填すると、気化器が加熱されにくくなるため、発電装置の始動時において、気化器が水蒸気を発生させるために適した温度になるまでに長時間を要することとなる。この結果、発電装置の始動時において、発電可能な状態にまで準備するのに長時間を要することとなる。
【０００６】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電量の脈動を抑制することができ、しかも始動時の準備時間を短縮化することができる固体酸化物型の発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に記載の発明は、固体酸化物型の燃料電池を用いる発電装置であり、水を加熱して水蒸気を発生させる気化器と、その水蒸気と燃料ガスとの混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、その改質ガスを有酸素ガスと反応させて発電する固体酸化物型の燃料電池セルとを備えている。その気化器は、屈曲が繰り返されてなる多重屈曲路が形成されているプレート式熱交換器で構成されている。また、その多重屈曲路は、最大発電量に対応する量の水を蒸発させる長さを備えている蒸発部と、その蒸発部に続くとともに気化器から流出する水蒸気の流出量の脈動を抑制する長さを備えている脈動抑制部とを備えている。気化器と、改質器と、燃料電池セルは、下から燃料電池セル、改質器、気化器の順に重ねて設けられている。燃料電池セルの端部において燃料電池セルを通過したオフガスが燃焼され、多重屈曲路は、オフガスが燃焼されることによって発生する排ガスの通過方向と直交する方向に沿って配置されている。
【０００８】
上記構成によると、気化器がプレート式熱交換器で構成されているために、気化器が加熱されやすく、始動時において短時間のうちに温度上昇する。また、上記構成によると、気化器に形成されている多重屈曲路の一部に脈動抑制部が形成されているために、気化器から流出する水蒸気の流出量が脈動することを抑制することができる。
【０００９】
脈動抑制部は、プレート式熱交換器における多重屈曲路の一部として構成されている。脈動抑制部は、その内径、長さ、屈曲する部位の数、及び屈曲する部位の曲率などが適宜設定されることにより、水蒸気が脈動抑制部を流れる際に、適切な圧力損失が生じように構成され、これにより気化器から流出する水蒸気の流出量が脈動することが抑制される。セラミック粒状物を気化器に充填するといった従来の態様を採用することなく、気化器から流出して改質器に供給される水蒸気の流出量が脈動することを抑制することができるため、気化器に供給される水量が脈動しても、それに起因して発電量が脈動することを抑制することができる。
このようにして上記構成では、発電量が脈動することを抑制しつつ、始動時において短時間のうちに発電可能な状態にまで準備することができる。
【００１０】
本明細書に記載の発明では、気化器を加熱する熱源が、燃料電池セルを通過したオフガスの燃焼熱であってもよい。また改質器が、水蒸気と燃料ガスを混合する混合部と、混合ガスを改質する改質部とを備えていることが好ましい。そして、気化器に流入した直後の水と混合部で混合される混合ガスとが熱交換し、混合部から改質部に移行する混合ガスの温度が４００℃以下に冷却されることが好ましい。
【００１１】
燃料電池セルを通過したオフガスの燃焼温度は９００℃程度の高温である。上記構成によると、こうした高温の熱源によりプレート式気化器を加熱することにより、気化器をより効果的に加熱して、短時間のうちに温度上昇させることができるため、始動時の早期において、発電に必要な量の水蒸気をより確実に発生させることができる。
【００１２】
このような高温の熱源により気化器を流れる水を加熱すると、水蒸気が高温になりすぎる可能性があり、これにより、改質器における混合ガスが高温になりすぎて、改質器内で炭素が析出する可能性がある。
【００１３】
この点、上記構成によれば、気化器に流入した直後の水により混合部で混合される混合ガスが冷却されるため、混合部から改質部に移行する混合ガスの温度が４００℃以下に冷却される。したがって、改質器の混合ガス通路に炭素が析出することを抑制することができる。
【００１４】
また、本明細書に記載の発明では、燃料電池セルにおけるオフガスが燃焼している上端部側において、改質器が燃料電池セルに隣接し、さらに改質器の上方に気化器が隣接していることが好ましい。
【００１５】
上記構成によると、燃料電池セルを通過したオフガスが燃焼している上端部側に、改質器及びその上方に気化器を隣接配置することにより、燃料電池セルのオフガスの燃焼熱が、気化器における水の蒸発と改質器における混合ガスの改質との双方に利用される。そして、これらを隣接して配置することにより、オフガスの燃焼により発生した高温のガスによって、気化器をより効果的に加熱することができる。したがって、気化器を短時間のうちに温度上昇させることができるため、始動時の早期において発電に必要な量の水蒸気をより確実に発生させることができる。
【００１６】
なお、このように燃料電池セル、改質器及び気化器の順にこれらを隣接させて配置する場合には、気化器と改質器との間の水蒸気通路や、改質器と燃料電池セルとの間の改質ガス通路が短くなりやすく、水蒸気や改質ガスがこれらの通路を流れる際に生じる圧力損失がさほど期待できない。
【００１７】
この点、上記構成では、気化器に脈動抑制部が形成されているため、気化器から流出する水蒸気の流量が脈動することが抑制される。したがって、気化器よりも下流側においてガスが流れる際に生じる圧力損失が小さくなりやすい構成を採用する場合であっても、発電量が脈動することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本明細書に記載の発電装置によると、発電量が脈動することを抑制しつつ、始動時には短時間のうちの発電可能な状態にまで準備することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例の発電装置の発電ユニットを示す斜視図。
【図２】気化器、水蒸気供給管、及び改質器を示す斜視図。
【図３】気化器、及び水蒸気供給管の平面図。
【図４】気化器への水の供給量と発電量の変化を示すタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に説明する実施例の技術的特徴を列記する。
（特徴１）  気化器と改質器と燃料電池ユニットは、平面視したときの形状がほぼ同じである。これにより、燃料電池ユニットの上に改質器と気化器とを積層した状態では、これら３つの部材の側面が略同一面上に位置し、これらの何れかの部材が他の部材よりも側方に突出する形状とはならない。発電ユニットのケーシングに対する収容性が向上する。
（特徴２）  気化器を構成するプレート式熱交換器は金属製である。これにより、気化器が加熱されやすくなるため、発電装置の始動時の早期において、気化器において発電に必要とされる量の水蒸気を発生させることができる。
【実施例１】
【００２１】
実施例に係る発電装置について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は本実施例に係る発電装置の内部に収容されている発電ユニット１０を示す斜視図である。なお、以下の説明においては、便宜上、図１の矢印Ａで示す側を奥側、矢印Ｂで示す側を手前側、矢印Ｃで示す側を右側、矢印Ｄで示す側を左側という。また、その他の矢印は、発電ユニット１０内の流体の流れを示している。
【００２２】
図１に示す発電ユニット１０は、図示しない断熱剤で形成されたケーシング内に収容されている。このケーシングの内部には、発電ユニット１０で生じた排ガスをケーシング外へ排出するための排ガス通路や、ケーシング外部の有酸素ガスを燃料電池セル２２に供給するための有酸素ガス通路などが適宜形成されている。発電ユニット１０は、図１に示すように、燃料電池ユニット２０と改質器４０と気化器６０とが下から順に互いに隣接して配置されてなる。
【００２３】
燃料電池ユニット２０は、図１に示すように、略直方体状に形成されており、複数のセルスタック２１を備えている。このセルスタック２１は、複数の燃料電池セル２２を棒状に積層したものである。セルスタック２１は燃料電池ユニット２０の下方に配置されたマニホールド３０上に立設している。それぞれのセルスタック２１の側方には、図示を省略するが、セルスタック２１の外表面に有酸素ガスを供給するガス供給部材が配置されている。
【００２４】
燃料電池セル２２の燃料極の内部には、図示を省略するが、セルスタック２１が延びる方向（図１の上下方向）に貫通する複数の改質ガス通路が並列に形成されている。燃料電池セル２２は、この改質ガス通路に後述する改質ガスが供給されることにより、供給された改質ガスを周囲の有酸素ガスと反応させて発電する。なお、本実施例では、改質ガスが水素と一酸化炭素からなり、有酸素ガスとしては空気が用いられる。発電反応によって水蒸気と二酸化炭素からなる排ガスが生じる。この発電反応は発熱を伴うため、発生する排ガスは高温となる。
【００２５】
個々の燃料電池セル２２は、図示を省略するが、燃料極の周面の半分強が固体電解質層を介して酸素極で覆われており、残りの周面がインターコネクタで覆われている。セルスタック２１は、隣接する燃料電池セル２２の酸素極と熱電極とが、インターコネクタと集電部材を介して電気的に接続されることにより、燃料電池セル２２が多数本直列に接続されて形成されている。
【００２６】
なお、燃料電池セル２２において、燃料極は多孔質であり、ニッケル（Ｎｉ）を一成分とするニッケル／ＹＳＺサーメット（混合焼結体）からなる。固体電解質層は緻密質であり、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を加えた混合物からなる。また、酸素極は多孔質であり、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＭ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）からなる。インターコネクタは導電性セラミックからなる。
【００２７】
各燃料電池セル２２の上端部では、改質ガス通路が開放されており、発電のために消費されなかった余剰の改質ガス、いわゆるオフガスが放出される。各セルスタック２１の上端近傍には、図示しないスパーク電極が配設されており、スパーク電極が火花放電することによって、図１に示すように、各セルスタック２１の先端から流出するオフガスが周囲の有酸素ガスと反応して燃焼する。
【００２８】
マニホールド３０は、図示を省略するが、内部に改質ガス流路を備え、上面にマニホールド３０内部を流れる改質ガスを燃料電池セル２２の改質ガス通路内に供給するための細孔が複数開口されている。このマニホールド３０は、改質器４０と２本の改質ガス供給管３１により接続されている。したがって、改質器４０で発生した改質ガスは、改質ガス供給管３１を通じてマニホールド３０に供給され、マニホールド３０を通じて各燃料電池セル２２に均等に供給される。
【００２９】
改質器４０について、図１及び図２を参照して説明する。なお、図２は、気化器６０、水蒸気供給管４６及び改質器４０を分解して示す斜視図であり、矢印は、水及びガスの流れを示している。改質器４０は、燃料電池セル２２における発電反応に使用する改質ガスを発生させるものである。
【００３０】
改質器４０は、図１及び図２に示すように、金属製のケーシング４１を備えている。このケーシング４１は、その平面視が燃料電池ユニット２０の平面視と同じ矩形状に形成されており、燃料電池ユニット２０の上端側を完全に覆うようにして燃料電池ユニット２０の上に配置されている。
【００３１】
ケーシング４１は、全体としては扁平な箱型に形成されており、奥側の端部が上方に突出して段差状となっている。ケーシング４１の内部は、図示しない２枚の仕切り板により３つの空間に区画されており、突出する奥側の端部が混合部４２、この混合部４２と反対側の端部がガス流出部４４、混合部４２とガス流出部４４との間の部位が改質部４３で構成されている。なお、仕切り板には連通孔が形成されているため、改質器４０内においてガスが混合部４２と改質部４３とガス流出部４４とを順に流れる。
【００３２】
改質器４０の混合部４２には、ケーシング４１の奥側の側面に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管４５が接続されている。なお、図示を省略するが、混合部４２は、互いに連通するガス流入室と混合室とに区画されており、燃料ガス供給管４５はガス流入室に連通されている。燃料ガスは、燃料ガス供給管４５を通じて混合部４２のガス流入室に流入した後に混合室へと流れる。本実施例では、燃料ガスには例えばメタンを主成分とするガスを使用する。このようなガスとしては例えば都市ガスが挙げられる。
【００３３】
また、混合部４２には、ケーシング４１の段差状となっている手前側の側面の左右両側に、２本の水蒸気供給管４６の下流端が接続されている。この水蒸気供給管４６は、その上流端が後に詳細に説明する気化器６０の水蒸気流出部６４に接続されている。これにより、気化器６０で発生した水蒸気が水蒸気供給管４６を通じて改質器４０の混合部４２の混合室に供給される。以上のようにして、混合部４２には水蒸気と燃料ガスとが供給され、これらが混合されて混合ガスとなる。
【００３４】
図２に示すように、改質器４０のケーシング４１において、改質部４３に対応する部位には、上下に貫通する排ガス孔４８が形成されている。排ガス孔４８は、燃料電池ユニット２０のオフガスの燃焼により生じる高温の排ガスを燃料電池ユニット２０側から気化器６０側に通過させるためのものである。改質部４３には、図示しない蛇行する経路が形成されており、その経路内に改質触媒が充填されている。これにより、混合部４２で混合された混合ガスが、改質部４３内を通過する間に改質触媒によって水素と一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。
【００３５】
改質反応は吸熱を伴うものであるため、改質器４０は好適な温度に加熱される必要がある。なお、メタンを主成分とする燃料ガスの好適な改質温度は６００℃以上であるため、本実施例では、改質器４０が６００℃以上となるように加熱されることが好ましい。この点、この改質器４０は、上述したように、燃料電池ユニット２０の上方にこの燃料電池ユニット２０と隣接するように配置されているため、燃料電池ユニット２０においてオフガスが燃焼している部位側に配置されている。したがって、改質器４０は、オフガスの燃焼によりその下方が直接加熱されるとともに、排ガス孔４８を流れる排ガスにより加熱される。このようにして、燃料電池ユニット２０のオフガスの燃焼熱が改質器４０における改質に利用される。
【００３６】
改質器４０のガス流出部４４には、ケーシング４１における手前側の側面の左右両側に、上述した改質ガス供給管３１が接続されている。これにより、改質部４３で改質された高温の改質ガスが、ガス流出部４４を通じて改質ガス供給管３１を流れ、マニホールド３０へと送り込まれる。
【００３７】
気化器６０について、図１〜図３を参照して説明する。なお、図３は気化器６０の平面図であり、矢印は水及び水蒸気の流れを示している。図１及び図２に示すように、気化器６０は、上下に屈曲するプレート式熱交換器で構成されており、水を気化させて水蒸気を発生させるものである。気化器６０には、図２及び図３に示すように左右一対の多重屈曲路７０が形成されている。なお、プレート式熱交換器は、図示を省略するが薄型の３枚のプレートが積層されて形成されてなる。この気化器６０では、３枚のプレートの中間層となるプレートに溝が形成されており、この溝が３枚のプレートを重ね合わせたときに多重屈曲路７０となる。また、気化器６０は熱伝導率の高い材料に構成されることが好ましく、本実施例では金属により構成されているが、その他の材料を用いるようにしてもよい。
【００３８】
気化器６０は、図１に示すように、全体としては、平面視が改質器４０と略同じ形状に形成されている。この気化器６０は、改質器４０の上面の大部分を覆うようにして改質器４０に載置されており、換言すれば、改質器４０に隣接配置されている。
【００３９】
気化器６０は、奥側から順に、水流入部６１と段差部６２と屈曲プレート部６３と水蒸気流出部６４とからなる。気化器６０の水流入部６１は、水平部６５とこの水平部６５の奥側の端部から上方に伸びる立設部６６とを有している。段差部６２は、水流入部６１の水平部６５における左右方向の中央部から、改質器４０のケーシング４１の段差に対応するように下方に伸びて手前側に屈曲している。屈曲プレート部６３は、左右両側が下方に屈曲して左右両側にさらに屈曲する段差状に形成されている。水蒸気流出部６４は、屈曲プレート部６３の左右方向の中央部から水平に伸びる水平部６７と、改質器４０の手前側の端部に対応して立設する立設部６８とを備える。
【００４０】
気化器６０は、改質器４０に載置された状態において、水流入部６１の水平部６５が改質器４０の混合部４２の上面に当接し、屈曲プレート部６３の左右両側の段差状に低くなっている部位が改質器４０の改質部４３の平面に当接し、水蒸気流出部６４の立設部６８が改質器４０の手前側の端部に立設している。
【００４１】
図２及び図３に示すように、一対の多重屈曲路７０の上流端は、水流入部６１の立設部６６の中央部に位置しており、水供給管９０に接続されている。また、多重屈曲路７０の下流端は、水蒸気流出部６４の立設部６８の左右両側に位置しており、水蒸気供給管４６に接続されている。水蒸気供給管４６は、屈曲プレート部６３の左右両側の屈曲した段差状の部位の上側及び側方を通って、改質器４０の混合部４２に接続されている。これにより、水が水供給管９０を通じて気化器６０の多重屈曲路７０に流入し、気化器６０で発生した水蒸気が水蒸気供給管４６を通じて改質器４０に供給される。
【００４２】
多重屈曲路７０は、より詳細には、上流側の略半分の部位からなる蒸発部７１（図２及び図３において、多重屈曲路７０の上流端からＸで示す位置までの水路）と、残りの略半分の部位からなる脈動抑制部７２（図２及び図３において、多重屈曲路７０のＸで示す位置から下流端までの水路）で構成される。
【００４３】
蒸発部７１は、その内周面の面積が、発電装置に要求される最大の発電量に対応する量の水を蒸発させるにあたって必要とされる水と熱源との伝熱面積に等しくなるように設定されている。なお、この伝熱面積は予め実験などにより求めることができるため、こうした実験に基づいて蒸発部７１の内周面がこの伝熱面積となるように蒸発部７１の内径や長さが適宜設定されている。
【００４４】
したがって、最大の発電量が要求されるときには、この最大の発電量に対応した量の水が気化器６０に供給され、蒸発部７１の下流端（図２及び図３のＸで示す位置）に達するまでにその全てが水蒸気となる。また、最大の発電量よりも少ない発電量が要求される場合には、この少ない発電量に応じた量の水が気化器６０に供給され、この水が蒸発部７１の下流端よりも上流側において全て水蒸気となる。
【００４５】
この蒸発部７１は、より詳細には以下のように形成されてなる。蒸発部７１は、水流入部６１の立設部６６において上流端から下方に伸びて水平部６５に達し、水平部６５において、左右両側に屈曲して伸び、左右両側の端部に達すると中央部に向って屈曲して伸びるといった態様で略「Ｕ」字状に形成される。そして、蒸発部７１は、水平部６５の中央部に達すると、段差部６２の形状に応じて屈曲しながら奥側から手前側に伸びて屈曲プレート部６３に達する。さらに、蒸発部７１は、屈曲プレート部６３においては、左右両側に屈曲して伸び、左右両側の端部に達すると中央部に向って屈曲して伸びるといった態様が繰り返されて略「Ｕ」字状の形状が連続して形成されてなる。蒸発部７１は、このように屈曲を繰り返して形成されることにより、その内周面が上記伝熱面積に設定される。
【００４６】
また、脈動抑制部７２は、蒸発部７１で発生した水蒸気がこの脈動抑制部７２を流れる際に、水蒸気の流量の脈動を抑制するために適切な圧力損失が生じるように設定されている。すなわち、こうした気化器６０には、通常、図４に示すように水が間欠的に供給されるが（あるいは供給水量が脈動する）、脈動抑制部７２は、こうした間欠的な水の供給に起因して気化器６０から改質器４０に供給される水蒸気の流量に脈動が生じることを抑制するものである。なお、適切な圧力損失を生じさせるための水路の形状は、予め実験などにより求めることができるため、こうした実験に基づいて脈動抑制部７２の内径、長さ、屈曲する部位の数及び屈曲の曲率などが適宜設定されている。
【００４７】
この脈動抑制部７２は、より詳細には以下のように形成されてなる。脈動抑制部７２は、屈曲プレート部６３においては、左右両側に屈曲して伸び、左右両側の端部に達すると中央部に向って屈曲して伸びるといった態様が繰り返されて略「Ｕ」字状の形状が連続して形成されてなる。脈動抑制部７２は、水蒸気流出部６４の水平部６７において、奥側から手前側に伸び、立設部６８に達すると、立設部６８において左右両側に屈曲して伸びる。脈動抑制部７２は、このように屈曲を繰り返すことにより、上記圧力損失を生じさせるようにしている。
【００４８】
なお、従来の気化器のようにセラミック粒状物を充填したものでは、セラミック粒状物の量や大きさのばらつきなどにより、気化器に供給される水（水蒸気）の経路が気化器によって異なることもある。したがって、気化器によっては要求される量の水を適切に蒸発させたり、水蒸気の流量が脈動することを充分に低減させたりすることができないといった事態も生じうる。これに対し、本実施例では、気化器をプレート式熱交換器で構成し、このプレート式熱交換器に屈曲する蒸発部７１及び脈動抑制部７２を形成しているため、上述したように必要とされる量の水蒸気を発生させることができるとともに、水蒸気の流量の脈動も好適に低減される。
【００４９】
気化器６０において水を蒸発させるための熱源としては、燃料電池セル２２を通過したオフガスの燃焼熱が利用される。すなわち、気化器６０は、改質器４０の上側に隣接配置されているため、燃料電池ユニット２０のオフガスが燃焼している部位側に改質器４０を介在させて配置されている。したがって、オフガスの燃焼による排ガスが、改質器４０の排ガス孔４８を通じて気化器６０に達し、気化器６０の蒸発部７１を流れる水はこの排ガスと熱交換することにより蒸発する。
【００５０】
次に、発電装置の発電ユニット１０における水やガスの流れとその作用について説明する。
発電装置が始動されると、水供給管９０を通じて、発電装置に要求される発電量に応じた量の水が気化器６０に供給される。この水の供給は、図４（ａ）に示すように間欠的に行われる。あるいは供給水量が脈動する。
【００５１】
気化器６０に供給された水は、多重屈曲路７０の蒸発部７１を流れる。ここで、上述したように、気化器６０の水流入部６１では、水平部６５が改質器４０の混合部４２に当接しており、蒸発部７１においてこの水平部６５に形成される部位は、略「Ｕ」字状に形成されて比較的長い水路長が確保されている。したがって、気化器６０に流入した直後の水と、燃料ガス供給管４５を通じて改質器４０の混合部４２に供給された燃料ガス及び混合部４２で混合される混合ガスとの熱交換が効果的に行われ、蒸発部７１を流れる水が加熱されるとともに、混合部４２に流入した燃料ガス及び混合部４２内の混合ガスが冷却される。
【００５２】
気化器６０に供給された水は、さらに蒸発部７１を流れ、燃料電池セル２２のオフガスの燃焼により発生した排ガスと熱交換する。ここで、気化器６０は、金属製のプレート式熱交換器で構成されているため、排ガスにより加熱されやすい。また、気化器６０を加熱するにあたって高温の排ガスが用いられるため、気化器６０がより効果的に加熱される。したがって、気化器６０が冷えている始動時であっても、短時間にうちに気化器６０が加熱され、短時間のうちに気化器６０に供給された水が蒸発部７１を流れているうちに蒸発して水蒸気となる状態が得られる。このようにして、始動時の早期において要求される発電量に応じた量の水を蒸発部７１において確実に蒸発させることができる。
【００５３】
こうして発生した水蒸気は、脈動抑制部７２を流れ、脈動抑制部７２を流れる際に生じる適切な圧力損失により、気化器６０から流出する水蒸気の流量が脈動することが抑制される。そして、水蒸気は、脈動が抑制された状態で、脈動抑制部７２から水蒸気供給管４６へと流れ、改質器４０に供給される。
【００５４】
改質器４０の混合部４２には、燃料ガス供給管４５を通じて燃料ガスが供給され、水蒸気供給管４６から供給された水蒸気と混合されて混合ガスとなる。混合ガスは、改質器４０の改質部４３を流れる際に、燃料電池セル２２のオフガスの燃焼熱を利用して改質ガスとなり、ガス流出部４４を通じて改質ガス供給管３１へと流れる。ここで、改質器４０に供給される水蒸気の流量は、始動時の早期において発電に必要な量が確保されており、さらにその脈動が抑制さている。したがって、改質器においても、始動時の早期において、発電に必要な量の改質ガスを発生させることができるとともに、その脈動が抑制される。このようにして、始動時の早期において、改質器４０で改質ガスを発生させることができるため、発電装置の始動時の準備時間を短縮化することができる。
【００５５】
なお、上述したように、気化器６０で水蒸気を発生させるにあたって、燃料電池セル２２のオフガスの燃焼熱が利用されるため、改質器４０に供給される水蒸気は高温になる可能性がある。この点、本実施例では、上述したように、混合部４２に流入した燃料ガス及び混合部４２において混合される混合ガスが、気化器６０に流入した直後の水と熱交換して冷却される構成をとっている。したがって、混合部４２のガス流入室における燃料ガスは３００℃以下に冷却されるとともに、混合部４２の混合室における混合ガスは４００℃以下に冷却される。これにより、燃料ガスや混合ガスが高温になりすぎることに起因して、改質器４０において混合ガスの通路に炭素が析出することを抑制することができる。なお、混合部４２にガス流入室を設けず、燃料ガスが混合部４２に流入した直後に水蒸気と混合させる態様を採用する場合であっても、この混合が即座に完了することは難しいため、混合部４２に流入した直後の燃料ガスの温度を３００℃以下となるように冷却することが好ましい。なお、本実施例では、燃料ガス及び混合ガスの温度は、図示しない温度センサにより検出されて管理されている。
【００５６】
改質ガスは、改質ガス供給管３１を通じてマニホールド３０へ流れ、燃料電池ユニット２０において各燃料電池セル２２の改質ガス通路を流れる。燃料電池セル２２では、この改質ガスと周囲の有酸素ガスとが反応して発電が行われる。ここで、上述したように、改質器において発生する改質ガスの量は、始動時の早期において発電に必要な量が確保されるとともにその脈動が抑制されている。したがって、発電装置の始動時の早期において、燃料電池ユニット２０において要求される発電量が発生するとともに、図４（ｂ）の実線Ａに示すように、発電量の脈動が抑制される。各燃料電池セル２２の上端部では、余剰の改質ガスであるオフガスが燃焼し、この熱が上述したように気化器６０における水の蒸発と、改質器４０における混合ガスの改質とに利用される。
【００５８】
上記実施例では、気化器において燃料電池セルにおけるオフガスの燃焼熱を利用することにより水蒸気を発生させている。この水蒸気が高温となる可能性があるため、改質器の混合部に流入した混合ガスを、気化器に流入した直後の水によって冷却するようにしている。しかしながら、混合ガスはその他の方法で冷却されるようにしてもよいし、気化器に流入した直後の水により水蒸気供給管を流れる水蒸気を冷却するようにしてもよい。
【００５９】
上記実施例では、気化器の蒸発部と脈動抑制部の多重屈曲形状が、気化器を構成するプレート形状に応じて屈曲するとともに、略「Ｕ」字状に屈曲する部位の連続からなるようにしている。しかしながら、これら蒸発部と脈動抑制部との屈曲形状は特に限定されず、蒸発部において要求される水蒸気を確実に発生させ、脈動抑制部において水蒸気の流量の脈動が抑制されるものであればよい。また、上記実施例では、気化器に一対の多重屈曲路を設けるようにしているが、多重屈曲路は１本であってもよいし、３本以上であってもよい。さらに、気化器を構成するプレート式熱交換器の形状は特に限定されず、プレート式熱交換器は上下に屈曲しておらず平板形状であってもよい。また、気化器を構成するプレート式熱交換器は２枚の薄型のプレートにより構成し、多重屈曲路は２枚の薄型のプレートを重ね合わせたときに形成される空間としてもよい。
【００６０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００６１】
１０：発電ユニット
２０：燃料電池ユニット
２１：セルスタック
２２：燃料電池セル
４０：改質器
４５：燃料ガス供給管
４６：水蒸気供給管
４８：排ガス孔
６０：気化器
７０：多重屈曲路
７１：蒸発部
７２：脈動抑制部
９０：水供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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