(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形の燃料電池を用いる発電装置であり、
燃料ガスと水蒸気の混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、
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形の燃料電池セルを備え、
前記燃料電池セルは、オフガスを燃焼する燃焼部を備え、
前記改質器は、前記燃焼部と対向する面に沿って配置され、
前記改質器は、改質触媒を含む少なくとも２以上の改質部と、各改質部の間に設けられる改質触媒を含まない中間空間部と、筐体を備え、
前記筐体は、前記燃焼部と対向する面に沿って配置され、
前記筐体内には、少なくとも前記改質部と前記中間空間部が備えられ、
前記筐体内において、前記改質部と前記中間空間部とは仕切り板によって区画されており、
前記仕切り板には、前記混合ガスが通過可能であって前記改質触媒が通過不可能な通気孔が形成されており、
前記仕切り板は、断面コの字形状の仕切り板であり、
前記仕切り板によって前記筐体内が区画されることによって、各改質部同士を連通する改質触媒通路がさらに設けられ、
前記改質触媒通路は改質触媒を通過可能な通路であることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記改質器は、前記混合ガスの通過方向の下流端に改質触媒を含まない下流端空間部をさらに備えることを特徴とする請求項１の発電装置。
【請求項３】
前記改質器は、３以上の前記改質部と、２以上の前記中間空間部を備えることを特徴とする請求項１又は２の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物を利用する燃料電池によって発電する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、固体酸化物を利用する燃料電池を用いた発電装置の例が開示されている。特許文献１の発電装置は、燃料ガスと水蒸気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（例えば空気）と反応させて発電する燃料電池セルを備える。上記の改質器が行う改質反応は吸熱を伴うため、改質反応を持続させるためには、改質器を高温（例えば４００℃以上）に維持する必要がある。
【０００３】
そのため、特許文献１の発電装置では、燃料電池セルに、発電に使用されなかった余剰の改質ガス（オフガス）を燃焼させる燃焼部を備えるとともに、改質器を上記の燃焼部と対向させて配置し、改質器がオフガスの燃焼熱によって加熱されて高温に維持されるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０９２８３３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の発電装置では、改質器内には、改質反応を行うための改質触媒が全域に亘って均一に充填されている。そのため、改質器内に供給される混合ガスの改質反応が、改質器内の途中の位置で全て終了してしまう場合がある。その場合、改質器の入口から改質反応が全て終了する位置（以下では「改質終了位置」と呼ぶ）までの間は、改質反応に伴う吸熱のために低温となるが、改質終了位置から改質器の出口までの間は、吸熱が行われずに加熱され続けるため高温となる。即ち、改質器の入口側と出口側の温度差が大きくなる事態が発生する。
【０００６】
特許文献１の発電装置では、改質器と燃料電池セルは同じ収容室に収容されているため、改質器の入口側と出口側の温度差が大きくなると、収容室内の場所による温度差も大きくなる。その結果、燃料電池セルの温度分布のバラツキも大きくなる。燃料電池セルの温度分布のバラツキが大きくなることにより、場所毎の燃料電池セルの発電性能の差が大きくなり、発電装置全体の発電効率が低下するおそれがある。本明細書では、発電効率の低下が抑制された発電装置を実現するための技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書では、固体酸化物形の燃料電池を用いる発電装置を開示する。発電装置は、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、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形の燃料電池セルを備える。燃料電池セルは、オフガスを燃焼する燃焼部を備える。改質器は、燃焼部と対向する面に沿って配置される。また、改質器は、改質触媒を含む少なくとも２個の改質部と、各改質部の間に設けられる改質触媒を含まない中間空間部を備える。
【０００８】
上記の発電装置では、改質器は、少なくとも２個の、改質触媒を含む改質部と、各改質部の間に設けられる改質触媒を含まない中間空間部を備える。改質部は、改質触媒によって改質反応が行われるため低温となる。一方、中間空間部は、改質反応が行われないため、オフガス燃焼熱によって加熱されて温度が上昇する。この構成を備えるため、改質触媒が改質器内の全域に亘って均一に充填されている従来の改質器に比べて、改質終了位置がより下流側となり、改質器の出口側の温度が従来に比べて低くなる。改質器の温度分布のバラツキを従来に比べて小さくすることができる。改質器の温度分布のバラツキが小さくなるため、燃料電池セルの温度分布のバラツキも小さくすることができ、場所毎の燃料電池セルの発電効率の差も小さくすることができる。結果として、発電装置全体の発電効率の低下を抑制することができる。
【０００９】
また、改質器の中間空間部には、ガス（混合ガス又は改質ガス）の通過の妨げとなる部材（例えば改質触媒）が存在しない。そのため、改質触媒が改質器内の全域に亘って均一に充填されている従来の改質器に比べて、改質器内を通過するガスの圧損を小さくすることができる。改質器内を通過するガスの圧損が小さく済むため、ガスを加圧するための昇圧装置を備える必要もない。
【００１０】
また、改質触媒は改質部にのみ含まれ、中間空間部には含まれない。そのため、上記の従来の改質器に比べて、改質触媒のコストが小さく済む。
改質器は、筐体をさらに備え、当該筐体は、燃焼部と対向する面に沿って配置され、筐体内には、少なくとも改質部と中間空間部が備えられ、筐体内において、改質部と中間空間部とは仕切り板で区画され、その仕切り板には、混合ガスが通過可能であって改質触媒が通過不可能な通気孔が形成されている。この構成によると、２以上の改質部と中間空間部を一つの筐体内に備えるため、２つの改質部を個別に設ける構造の改質器に比べて改質器の構造を簡易にすることができる。従って、改質器を製造する際の作業負担が少なく済む。
仕切り板は、断面コの字形状の仕切り板であり、仕切り板によって筐体内が区画されることによって、各改質部同士を連通する改質触媒通路がさらに設けられ、改質触媒通路は改質触媒を通過可能な通路である。この構成によると、各改質部に改質触媒を充填する際、一箇所から改質触媒を充填すれば、改質触媒通路を介して各改質部に改質触媒を充填することができる。従って、改質器を製造する際の作業負担がより少なく済む。
【００１１】
上記の発電装置では、改質器は、混合ガスの通過方向の下流端に改質触媒を含まない下流端空間部をさらに備えることが好ましい。下流端空間部は、改質後の改質ガスを均質化するバッファとして機能する。そのため、燃料電池セルに均質化された改質ガスを供給することができる。また、下流端空間部にも、ガスの通過の妨げとなる部材が存在しないため、改質器内を通過するガスの圧損をより小さくすることができる。
【００１２】
上記の発電装置では、改質器は、３以上の改質部と、２以上の中間空間部を備えることが好ましい。この構成によると、改質部と中間空間部とを交互に小刻みに備えることによって、改質終了位置をより下流側とすることができる。そのため、改質器の温度分布のバラツキをより小さくすることができる。従って、燃料電池セルの温度分布のバラツキをもより小さくすることができ、場所毎の燃料電池セルの発電効率の差もより小さくすることができる。結果として、発電装置全体の発電効率の低下をより顕著に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施例の発電装置の発電ユニットを示す斜視図。
【図２】第１実施例の気化器及び改質器を示す斜視図。
【図３】第１実施例の改質器を示す側面断面図と、該改質器内を通過するガスの温度を示すグラフ。
【図４】第２実施例における改質器を示す側面断面図。
【図５】その他の実施例における改質器を示す側面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１）  混合ガスの通過方向の上流端側に備えられる改質部は、混合ガスの予備改質を行う予備改質部である。予備改質部は、温度が約４００℃以下に維持される。予備改質部は、オフガス燃焼部と対向しない位置に備えられる。
（形態２）  予備改質部を通過した後の混合ガスが導入される改質部は、混合ガスの本改質を行う本改質部である。本改質部は、温度が４００℃以上に維持される。本改質部は、オフガス燃焼部と対向する位置に備えられる。
（形態３）  改質器の上方には、水を加熱して水蒸気にする気化器が備えられている。
（形態４）  改質器には、燃焼部に対向する面（下面）から反対側の面（上面）に貫通する排ガス孔が設けられている。
【実施例】
【００１７】
（第１実施例）
図面を参照して実施例を説明する。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。
【００１８】
図１に示す発電ユニット１０は、図示しない断熱材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１００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。
【００１９】
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。
【００２０】
セルスタック２１は、図示を省略するが、支持基板の周面が燃料極と固体電解質層と酸素極で覆われており、複数の燃料電池セル２２で構成されている。セルスタック２１は、隣接する燃料電池セル２２の酸素極と燃料極とが、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。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。
【００２３】
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。以下では、燃料電池ユニット２０のセルスタック群の上端面を、オフガス燃焼面２３と呼ぶ場合がある。
【００２４】
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１００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１００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。
【００２５】
改質器１００は、燃料ガスと水蒸気の混合ガスを改質ガスに改質するための装置である。以下では、図１〜図３を参照して改質器１００について詳しく説明する。なお、図２は、気化器６０及び改質器１００を分解して示す斜視図である。図３は、改質器１００を示す側面断面図である。図３の側面断面図の下方には、改質器１００内を通過するガスの温度を示すグラフが示されている。図３のグラフにおける実線は、本実施例の改質器１００内を通過するガスの位置毎の温度を示す。一方、破線は、改質器内の全域に改質触媒が充填された従来の改質器内を通過するガスの位置毎の温度を示す。
【００２６】
図２及び図３に示すように、改質器１００は、金属製の筐体１１０を備えている。図１に示すように、筐体１１０は、燃料電池ユニット２０の上端側を覆うようにして燃料電池ユニット２０の上方に配置されている。即ち、筐体１１０の下面は、燃料電池ユニット２０のオフガス燃焼面２３と対向する面に沿って配置されている。従って、前記各セルスタック２１の先端で燃焼させるオフガスの燃焼熱によって改質器１００を加熱し、オフガスの燃焼熱を改質に利用できるようにしてある。
【００２７】
図２に示すように、筐体１１０は、全体としては扁平な箱状に形成されている。ただし、筐体１１０の一方の端部１１２は上方に突出している。図３に示すように、筐体１１０の内部は、第１仕切り板１２０、第２仕切り板１２２、第３仕切り板１２４の３枚の仕切り板によって、５つの部分１３０、１３２、１３４、１３６、１３８に区画されている。５つの部分１３０、１３２、１３４、１３６、１３８は、上記混合ガスの通過方向（図３の矢印方向）の上流側から下流側に向けて、混合部１３０、予備改質部１３２、中間空間部１３４、本改質部１３６、下流端空間部１３８、の順に形成されている。なお、３枚の仕切り板１２０、１２２、１２４にはいずれも通気用のスリット（図示省略）が形成されている。該スリットは、気体は通過可能であるが、後述する改質触媒は通過できない幅に形成されている。そのため、混合ガスは、混合部１３０から下流端空間部１３８に向けて、各仕切り板１２０、１２２、１２４のスリットを通過しながら各部１３０、１３２、１３４、１３６、１３８を順に流れる。なお、以下では、改質器１００内における混合ガスの通過方向の上流側と下流側を単に「上流側」と「下流側」と呼ぶ場合がある。
【００２８】
上記の３枚の仕切り板１２０、１２２、１２４について説明する。
図３に示すように、第１仕切り板１２０は、断面Ｌ字形状に形成されている。第１仕切り板１２０は、筐体１１０の上方に突出した端部１１２の内側に配置される。第１仕切り板１２０によって、端部１１２の内側は、混合部１３０と予備改質部１３２とに区画される。
【００２９】
第２仕切り板１２２は、断面コの字形状に形成されている。第２仕切り板１２２は、上記の第１仕切り板１２０の下流側に配置される。第２仕切り板１２２は、上流側壁１２２ａ、下流側壁１２２ｂ、底部１２２ｃを備える。第２仕切り板１２２が配置されることによって、筐体１１０の内側は、予備改質部１３２と、中間空間部１３４と、本改質部１３６とに区画される。予備改質部１３２は、上流側壁１２２ａの上流側に形成される。中間空間部１３４は、上流側壁１２２ａと下流側壁１２２ｂと底部１２２ｃとで囲まれる部分に形成される。本改質部１３６は、下流側壁１２２ｂの下流側に形成される。なお、第２仕切り板１２２によって筐体１１０の内側が区画されることにより、中間空間部１３４の下方（底部１２２ｃの下方）には、予備改質部１３２と本改質部１３６とを連通する改質触媒通路１４０がさらに形成される。
【００３０】
第３仕切り板１２４は、平板状に形成されている。第３仕切り板１２４は、上記の第２仕切り板１２２の下流側に配置される。第３仕切り板１２４が配置されることによって、筐体１１０の下流付近は、本改質部１３６と下流端空間部１３８とに区画される。
【００３１】
続いて、各部１３０、１３２、１３４、１３６、１３８について説明する。
混合部１３０は、改質器１００内における混合ガスの通過方向の上流端に形成されている。混合部１３０には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管１５０が接続されている。本実施例では、燃料ガスには例えばエタン、エチレン、プロパン等の炭化水素を含むガスが使用される。さらに、図１に示すように、混合部１３０には、水蒸気を供給するための上記の水蒸気供給管９０が２本接続されている。水蒸気供給管９０の上流端には気化器６０が接続されている。混合部１３０には、燃料ガス供給管１５０から燃料ガスが供給されるとともに、水蒸気供給管９０から水蒸気が供給される。混合部１３０内に供給された燃料ガスと水蒸気は混合されて混合ガスとなる。図３に示すように、混合部１３０で生成された混合ガスは、第１仕切り板１２０のスリットを通過して予備改質部１３２に導入される。
【００３２】
予備改質部１３２は、上記の混合部１３０の下流側に形成されている。図３に示すように、予備改質部１３２内には改質触媒１７０が充填されている。改質触媒１７０は、混合ガスを改質ガスに改質する改質反応を行う部材である。本実施例では、改質触媒１７０として、触媒を担持した直径３ｍｍのセラミック製の粒状体が使用される。図３に示すように、本実施例の発電ユニット１０では、混合部１３０及び予備改質部１３２の直下にはセルスタック２１は配置されておらず、混合部１３０及び予備改質部１３２は、オフガス燃焼面２３と直接対向していない。従って、予備改質部１３２は、オフガス燃焼熱によって直接加熱されない。そのため、予備改質部１３２の温度は、オフガス燃焼熱によって直接加熱される他の部分１３４〜１４０に比べて低温となる。本実施例では、予備改質部１３２の温度は、約４００℃以下に保たれる。
【００３３】
約４００℃以下の環境にある予備改質部１３２に混合ガスが導入される場合、混合ガスに含まれる、エタン、エチレン、プロパン等の炭素数２以上の炭化水素系ガス（燃料ガス）は、まず、炭素数が１のメタンと水素に改質される。この時点では、燃料ガスが水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質されることはない。以下では、この改質反応を予備改質反応と呼ぶ。炭素数２以上の炭化水素系ガスを、いきなり水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質しようとする場合、改質反応の過程で炭素が析出し易くなり、燃料電池セル２２の改質ガス通路内等に炭素が堆積し易くなるという不都合がある。本実施例では、温度が４００℃以下に保たれる予備改質部１３２で上記の予備改質を行い、その後、本改質部１３６において、メタンを一酸化炭素と水素に改質する本改質を行うため、かかる不都合を回避し易くなる。なお、予備改質反応は吸熱を伴うため、図３のグラフに示すように、予備改質部１３２を通過するガスの温度は、予備改質反応に伴う吸熱によって低下し、吸熱されるエネルギーと、予備改質部１３２に加えられる熱エネルギーが釣り合う温度で安定する。予備改質部１３２において予備改質反応が行われた後の混合ガス（以下では、「予備改質ガス」と呼ぶ場合がある）は、第２仕切り板１２２の上流側壁１２２ａのスリットを通過して中間空間部１３４に導入される。
【００３４】
中間空間部１３４は、上記の予備改質部１３２の下流側のうち、第２の仕切り板１２２の各部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃに囲まれる部分に形成されている。中間空間部１３４の内部は空間であって、改質触媒１７０や他の部材は充填されていない。従って、中間空間部１３４内では改質反応は行われない。なお、図３に示すように、中間空間部１３４、本改質部１３６、下流端空間部１３８、改質触媒通路１４０の直下にはセルスタック２１が配置されている。上記の各部１３４、１３６、１３８、１４０は、オフガス燃焼面２３と直接対向している。そのため、中間空間部１３４内を通過する混合ガス（上記の予備改質ガス）は、オフガスの燃焼熱によって加熱され、その温度が上昇する（図３のグラフ参照）。中間空間部１３４を通過した混合ガスは、第２仕切り板１２２の下流側壁１２２ｂのスリットを通過して本改質部１３６に導入される。
【００３５】
なお、改質触媒通路１４０には、予備改質部１３２と同様に改質触媒１７０が充填されている。しかしながら、上記の予備改質部１３２を通過した予備改質ガスは、その一部のみが改質触媒通路１４０に導入され、大部分は中間空間部１３４に導入される。中間空間部１３４は、内部が空間であって、混合ガスの通過の妨げとなる部材が存在しないため、改質触媒１７０が充填されている改質触媒通路１４０に比べて混合ガスが導入されやすいためである。なお、改質触媒通路１４０に導入された一部の予備改質ガスに含まれるメタンは、改質触媒通路１４０内において改質され、一酸化炭素と水素を含む改質ガスに改質される（本改質反応）。
【００３６】
本改質部１３６は、中間空間部１３４の下流側に形成されている。本改質部１３６内には、上記の予備改質部１３２と同様に改質触媒１７０が充填されている。上述の通り、本改質部１３６は、オフガス燃焼熱によって加熱される。そのため本実施例では、本改質部１３６の温度は約４００℃以上（より好ましくは６００℃以上）に保たれる。約４００℃以上の環境にある本改質部１３６に、上記の予備改質ガスが導入される場合、当該予備改質ガスに含まれるメタンは、本改質反応によって一酸化炭素と水素を含む改質ガスに改質される。なお、本改質反応は吸熱を伴うため、図３のグラフに示すように、本改質部１３６を通過するガスの温度は、本改質反応に伴う吸熱によって低下し、吸熱されるエネルギーと、オフガス燃焼熱等によって本改質部１３６に加えられる熱エネルギーが釣り合う温度で安定する。その後、混合ガス（予備改質ガス）の本改質反応がすべて終了すると（図３のグラフにおける「Ａ」の位置）、それ以降は、改質ガスは加熱されて温度が上昇する。本改質部１３６を通過する改質ガスは、第３仕切り板１２４のスリットを通過して下流端空間部１３８に導入される。なお、図３のグラフの破線部に示すように、従来の改質器では、混合ガスの改質反応は、本実施例の改質反応終了位置よりも上流側の位置（図３の「Ｂ」の位置）で終了する。
【００３７】
下流端空間部１３８は、本改質部１３６の下流側に形成されている。下流端空間部１３８の内部は、上記の中間空間部１３４と同様に空間である。下流端空間部１３８内では、本改質部１３６において本改質された後の改質ガスが均質化される。具体的に言うと、改質ガスの圧力、温度、一酸化炭素と水素の分布等が均質化される。図１に示すように、下流端空間部１３８には、２本の改質ガス供給管３１の上流端が接続されている。上述の通り、改質ガス供給管３１の下流端はマニホールド３０に接続されている。下流端空間部１３８において均質化されたガスは、改質ガス供給管３１を通ってマニホールド３０に供給される。
【００３８】
なお、図３のグラフに示すように、下流端空間部１３８においても改質ガスは加熱されて温度上昇する。本実施例の改質器１００を用いる場合、改質ガスは、改質ガス供給管３１に供給される位置（出口）で最高温度となる。改質器１００における最高温度と最低温度の温度差は、ＴＡで示される。一方、従来の改質器を用いる場合も、改質ガスは出口で最高温度となる。従来の改質器における最高温度と最低温度との温度差はＴＢで示される。図３のグラフより明らかなように、温度差ＴＡが温度差ＴＢより小さいことから、本実施例の改質器１００を用いる場合、上記の従来の改質器を用いる場合に比べて温度分布のバラツキが小さい。
【００３９】
また、図２に示すように、筐体１１０の中間空間部１３４と、本改質部１３６と、改質触媒通路１４０に対応する領域には、筐体１１０の上下面に貫通する複数個の排ガス孔１６０が形成されている。排ガス孔１６０を備えることにより、発電及びオフガス燃焼によって生じる高温の排ガスを、燃料電池ユニット２０側から、改質器１００の上面側にも供給することができる。そのため、排ガスは、改質器１００の下面を加熱するとともに、排ガス孔１６０を通って改質器１００の上面に回りこみ、上面側からも改質器１００を加熱する。改質器１００の上面側と下面側の温度差を小さくすることができ、改質器１００の上面側と下面側の温度分布のバラツキを小さくすることができる。さらに、排ガス孔１６０を通過した排ガスは、改質器１００の上方に積層される気化器６０をも加熱し、気化器６０における水の気化処理を促進する。
【００４０】
気化器６０は、図２に示すように、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は、通過中の水を加熱して水蒸気を発生させるための屈曲路７０を備える。屈曲路７０内に供給された水は、改質器１００の混合ガスや、上記の排ガス孔１６０を通過した排ガスと熱交換されて加熱される。さらに、気化器６０には、屈曲路７０に水を供給するための水供給管８０と、屈曲路７０で発生した水蒸気を上記の改質器１００の混合部１３０に供給するための２本の水蒸気供給管９０とが接続されている。
【００４１】
次に、発電装置の発電ユニット１０の動作について説明する。
発電装置が始動されると、水供給管８０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。気化器６０に供給された水は、屈曲路７０を流れる間に、発電又はオフガス燃焼により発生した排ガスと熱交換されて加熱され、蒸発して水蒸気となる。気化器６０で発生した水蒸気は、水蒸気供給管９０を通って改質器１００の混合部１３０に供給される。
【００４２】
改質器１００の混合部１３０には、燃料ガス供給管１５０を通じて燃料ガスが供給され、水蒸気供給管９０から供給された水蒸気と混合されて混合ガスとなる。混合部１３０で生成された混合ガスは、予備改質部１３２に導入される。
【００４３】
予備改質部１３２に導入された混合ガスは、予備改質部１３２において予備改質され、混合ガスに含まれるエタン、エチレン、プロパン等の炭素数２以上の炭化水素系の燃料ガスは、まず、炭素数が１のメタンと水素（予備改質ガス）に改質される。予備改質部１３２において予備改質反応が行われた後の混合ガスの大部分は、中間空間部１３４に導入される。
【００４４】
中間空間部１３４内には改質触媒１７０は充填されていないため、改質反応は行われない。中間空間部１３４内を通過する混合ガス（予備改質ガス）は、オフガス燃焼熱によって加熱されて温度上昇する。中間空間部１３４を通過した予備改質ガスは、本改質部１３６に導入される。
【００４５】
本改質部１３６に導入される予備改質ガスは、本改質部１３６で本改質され、一酸化炭素と水素を含む改質ガスに改質される。その後、混合ガスの本改質反応がすべて終了すると（図３のグラフにおける「Ａ」の位置）、それ以降は、改質ガスは加熱されて温度が上昇する。本改質部１３６を通過した改質ガスは、下流端空間部１３８に導入される。
【００４６】
下流端空間部１３８内では、本改質部１３６において改質された後の改質ガスが均質化される。下流端空間部１３８において均質化されたガスは、改質ガス供給管３１を通ってマニホールド３０に供給される。マニホールド３０に供給された改質ガスは、各燃料電池セル２２の改質ガス通路内に供給される。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。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する。オフガスの燃焼熱は、上述したように、気化器６０における水の蒸発と、改質器１００における混合ガスの改質とに利用される。
【００４７】
以上、本実施例の発電装置について説明した。本実施例では、図３に示すように、改質器１００は、改質触媒１７０を含む予備改質部１３２及び本改質部１３６と、その予備改質部１３２と本改質部１３６との間に設けられる、改質触媒１７０を含まない中間空間部１３４を備える。そのため、改質触媒が改質器内の全域に亘って均一に充填されている従来の改質器に比べて、改質終了位置がより下流側（図３の「Ａ」参照）となり、改質終了後の改質ガスの温度上昇が開始されるタイミングが遅くなる。そのため、改質器１００の出口側の温度が従来に比べて低くなる。改質器１００の温度分布のバラツキを従来に比べて小さくすることができる。改質器１００の温度分布のバラツキが小さくなるため、燃料電池ユニット２０の温度分布のバラツキも小さくすることができ、場所毎の燃料電池セル２２の発電効率の差も小さくすることができる。結果として、発電装置全体の発電効率の低下を抑制することができる。
【００４８】
また、本実施例では、改質器１００の中間空間部１３４の内部は空間であって、混合ガスの通過の妨げとなる部材（例えば改質触媒１７０等）が存在しない。そのため、従来の改質器に比べて、改質器１００内を通過するガスの圧損を小さくすることができる。そのため、ガスを加圧するための昇圧装置を備える必要もない。また、本実施例では、改質触媒１７０は、予備改質部１３２、本改質部１３６、改質触媒通路１４０にのみ含まれ、中間空間部１３４には含まれない。そのため、上記の従来の改質器に比べて、改質触媒の量を減らすことができ、改質触媒のコストが小さく済む。
【００４９】
本実施例では、改質器１００は、下流端空間部１３８を備える。この下流端空間部１３８は、改質後の改質ガスを均質化するバッファとして機能するため、各燃料電池セル２２に均質化された改質ガスを供給することができる。また、下流端空間部１３８の内部も空間であって、ガスの通過の妨げとなる部材が存在しないため、改質器１００内を通過するガスの圧損がより小さくなる。
【００５０】
上記の発電装置では、改質器１００は、一つの筐体１１０内を３枚の仕切り板１２０〜１２４で区画することによって５つの部分１３０〜１３８を形成した簡易な構成を備える。従って、予備改質部、本改質部を個別に設ける場合に比べて、改質器１００を製造する際の作業負担が少なく済む。また、第２仕切り板１２２が断面コの字形状であるため、第２仕切り板１２２を配置することにより、予備改質部１３２と本改質部１３６とを連通する改質触媒通路１４０が設けられる。そのため、改質器１００の製造時において、予備改質部１３２と本改質部１３６とに改質触媒１７０を充填する際、一箇所から改質触媒１７０を充填すれば、改質触媒通路１４０を介して予備改質部１３２と本改質部１３６とに改質触媒１７０を充填することができる。従って、改質器１００を製造する際の作業負担がより少なく済む。
【００５１】
（第２実施例）
図４に示すように、改質器１００は、３つの改質部２３２、２３６、２４０と、２つの中間空間部２３４、２３８を備えるものであってもよい。この構成によると、改質部２３２、２３６、２４０と中間空間部２３４、２３８とを交互に小刻みに備えることによって、改質終了位置をより下流側とすることができる。その場合、改質終了後の温度上昇が開始されるタイミングがより遅くなるため、改質器１００の温度分布のバラツキをより小さくすることができる。従って、燃料電池ユニット２０の温度分布のバラツキをもより小さくすることができ、場所毎の燃料電池セル２２の発電効率の差もより小さくすることができる。結果として、発電装置全体の発電効率の低下をより顕著に抑制することができる。なお、改質部の数は、３つには限られず、それ以上であってもよい。その場合、各改質部の間に設けられる中間空間部の数もそれに合わせた数とする。
【００５２】
（その他の実施例）
図５に示すように、第１実施例の改質器１００において、予備改質部１３２と中間空間部１３４と本改質部１３６を区画する仕切り板を、断面コの字形状の第２仕切り板１２２（図３参照）に代えて、２枚の平板状の仕切り板３００、３０２としてもよい。その場合、予備改質部１３２と、中間空間部１３４と、本改質部１３６は、それぞれ平板状の仕切り板３００、３０２によって区画され、改質触媒通路１４０は設けられない。改質触媒通路１４０を設けないことにより、中間空間部１３４を大きくすることができる。改質器１００を通過する混合ガスの圧損をより小さくすることができるとともに、改質触媒通路１４０に充填される改質触媒１７０が不要となるため、改質触媒１７０が少なく済む。また、上記の実施例では、改質触媒１７０として粒状体の触媒を使用したが、ハニカム触媒を使用してもよい。
【００５３】
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】
【００５４】
１０   発電ユニット
２０   燃料電池ユニット
２３   オフガス燃焼面
２１   セルスタック
２２   燃料電池セル
３０   マニホールド
６０   気化器
９０   水蒸気供給管
１００ 改質器
１１０ 筐体
１２０ 第１仕切り板
１２２ 第２仕切り板
１２４ 第３仕切り板
１３０ 混合部
１３２ 予備改質部
１３４ 中間空間部
１３６ 本改質部
１３８ 下流端空間部
１４０ 改質触媒通路
１５０ 燃料ガス供給管
１６０ 排ガス孔
１７０ 改質触媒
【図１】
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【図２】
0005552379.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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