(57)【要約】    【課題】  燃料改質器４への燃料及び水の供給構造と改質器温度測定用の熱電対１３の挿入構造とを簡素化する。    【解決手段】  燃料改質器４への燃料及び水の供給管２５は、１本で燃料及び水を混在状態で供給するものとする。そして、供給管２５の内部に、改質器温度測定用の熱電対１３を挿通する鞘管２６を配置する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを収納する筐体内に燃料改質器を備えると共に、前記筐体を貫通して燃料及び水を前記燃料改質器に供給する供給管を備える燃料電池装置であって、
前記供給管は、１本で燃料及び水を混在状態で供給するものであり、かつ、その管内に、改質器温度測定デバイスを挿通する鞘管を有することを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項２】
前記供給管は、筐体外の端部に接続される継手を有し、
前記継手は、前記供給管の軸線の延長方向に開口し前記鞘管の内周側と連通する改質器測定デバイス挿入部と、前記供給管の軸線と交差する方向にそれぞれ開口し前記鞘管の外周側と連通する燃料入口及び水入口と、を有することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記供給管は水平に配置され、
前記燃料入口は上向きに開口し、前記水入口は下向きに開口することを特徴とする、請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記燃料は前記燃料入口に対しガス燃料として供給されることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料入口に上方から接続されるフランジ付きの燃料配管と、前記水入口に下方から接続されるフランジ付きの水配管と、前記燃料配管のフランジと前記水配管のフランジとを上下から挟持する配管固定用ファスナーとを更に含んで構成される、請求項３又は請求項４記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料改質器を備える燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内部改質型の燃料電池装置は、炭化水素系の燃料（原燃料）を主に水蒸気改質反応により改質して水素リッチな改質燃料を生成する燃料改質器と、改質燃料と酸化剤（一般に空気）との電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、を含んで構成される。この場合、燃料改質器には、燃料と水とを供給する。
【０００３】
特許文献１には、改質器（気化部）の供給口に原燃料及び水をそれぞれ供給するための二重管が接続されている改質器が開示されている。この改質器においては、気化部の供給口に接続される原燃料を供給するための原燃料供給管の内側に、気化部に水を供給するための水供給管が設けられており、原燃料供給管と水供給管とが二重管として形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】再公表ＷＯ２００９／１１９６１６（特にその図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料改質器への燃料及び水の供給管は、燃料電池スタック及び燃料改質器を収納する筐体の外部から筐体を貫通して筐体内の燃料改質器に接続される。従って、燃料改質器の熱は燃料及び水の供給管を通じて筐体外に放熱することから、改質性能を良好に維持するために放熱量を抑制することが求められる。
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、燃料と水とを二重管により供給することで、放熱量を抑制できるという利点がある。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、二重管によって燃料と水とを別々に供給するため、次のような問題がある。すなわち、炭化水素系の燃料を約３００℃以上の高温部に単独で流すとコーキングが発生しやすい。炭化水素系の燃料に水（又は水蒸気）が僅かでも含まれている場合はコーキングの発生が大きく緩和されるが、水と合流する前の燃料配管においては、コーキングが発生しやすく、これによって流路閉塞につながる。
【０００８】
また、放熱量抑制という観点から見ても、単に燃料及び水の供給管を共通化するだけでは不十分である。燃料電池装置の制御のために改質器温度を知ることは重要であり、改質器温度測定デバイスを設置する場合、これも筐体を貫通させる必要がある。従って、改質器温度測定デバイスによっても放熱量が増えることになるからである。
【０００９】
本発明は、このような実状に鑑み、内部改質型の燃料電池装置における燃料改質器からの放熱を抑制すると共に、燃料配管でのコーキングの発生を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池装置は、燃料電池スタックを収納する筐体内に燃料改質器を備えると共に、前記筐体を貫通して燃料及び水を前記燃料改質器に供給する供給管を備える。ここにおいて、前記供給管は、１本で燃料及び水を混在状態で供給するものであり、かつ、その管内に、改質器温度測定デバイスを挿通する鞘管を有する構成とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料及び水の供給管と改質器温度測定デバイス挿通用の鞘管とを二重管構造とすることで、筐体貫通部を共通化し、放熱量抑制を図ることができる。また、貫通部のシール部材の削減によるコストダウン等を図ることもできる。
また、燃料及び水の供給管は、燃料及び水を混在状態で供給する構成とすることで、高温部でのコーキングの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池装置の概念図
【図２】燃料改質器及び配管の斜視図
【図３】筐体外部の配管の斜視図
【図４】筐体外部の配管の拡大断面図
【図５】継手固定用ファスナーの説明図（図４のａ−ａ矢視図）
【図６】配管固定用ファスナーの説明図（図４のｂ−ｂ矢視図）
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池装置の概念図である。
本実施形態の燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、筐体１内に、燃料電池スタック２、オフガス燃焼部３、及び、燃料改質器４を備える。
【００１４】
筐体１は、耐熱性金属により形成されており、その内面及び／又は外面には断熱材が配置される。
【００１５】
燃料改質器４は、炭化水素系の燃料（原燃料）を主に水蒸気改質反応により改質して水素リッチな改質燃料を生成する。このため、燃料改質器４には、筐体１外の燃料ポンプ１１により燃料が供給されると共に、筐体１外の水ポンプ１２により改質用の水が供給される。
【００１６】
また、燃料改質器４には、改質器温度の測定のため、筐体１外より、改質器温度測定デバイス（１３）が挿入されている。改質温度測定デバイスとしては、例えば、熱電対、サーミスタなどを用いることができ、本実施形態では、改質温度測定デバイスとして熱電対１３を用いる形態について説明する。熱電対１３の検出信号は制御装置（図示せず）に入力されて各種制御に利用される。ここで、燃料及び水の供給管と熱電対１３挿通用の鞘管とは、後に詳述するように一体化されている（図示Ｐ）。
【００１７】
尚、燃料改質器４は、水蒸気改質反応の他、部分酸化改質反応や自己熱改質反応を行わせることも可能であり、起動工程時には、温度上昇に伴わせて、部分酸化改質反応→自己熱改質反応→水蒸気改質反応の順、又は、自己熱改質反応→水蒸気改質反応の順で、改質反応を切換えてもよい。
【００１８】
燃料改質器４の出口側からは、生成された改質燃料の供給管５が導出され、燃料電池スタック２の台座（燃料分配部）６に接続されている。
【００１９】
燃料電池スタック２は、複数の固体酸化物形燃料電池セルを直列及び／又は並列に接続してなる組立体である。各燃料電池セルは固体酸化物電解質の両面に燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）を積層してなり、燃料極には台座６から改質燃料が供給され、酸化剤極には筐体１外の酸化剤ポンプ１４により酸化剤供給通路１５を通じて酸化剤（一般に空気）が供給される。
【００２０】
従って、燃料電池セルの各々において、酸化剤極にて、下記（１）式の電極反応が生起され、燃料極にて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
酸化剤極：  １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）  ・・・（１）
燃料極：    Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−   ・・・（２）
【００２１】
オフガス燃焼部３は、燃料電池スタック２での余剰の改質燃料（発電未反応ガスとして排出されるオフガス）を余剰の酸化剤の存在下で燃焼させ、燃料電池スタック２及び燃料改質器４を高温状態に維持する。ここで、燃料電池スタック２の上端部が燃料電池スタック２からのオフガスの排出部となり、オフガスは図示しない着火手段により着火されて燃焼する。従って、燃料電池スタック２の上端部側がオフガス燃焼部３となる。オフガス燃焼部３での燃焼熱により燃料電池スタック２及び燃料改質器４は発電可能及び改質可能な高温状態に維持される。燃焼によって生成された高温の排気ガスは排気通路１６により筐体１外に排出されるが、その廃熱は適宜熱利用される。
【００２２】
制御装置（図示せず）は、マイクロコンピュータを含んで構成され、燃料ポンプ１１、水ポンプ１２及び酸化剤ポンプ１４による燃料、水、酸化剤の供給量を制御すると共に、燃料電池スタック２の出力側に設けられるパワーコンディショナー（図示せず）を介して、燃料電池スタック２からの電流掃引を制御し、これらによって発電電力を制御する。
【００２３】
次に燃料改質器４及びその配管構造について説明する。
図２は燃料改質器４及び配管の斜視図、図３は筐体外部の配管の斜視図、図４は筐体外部の配管の拡大断面図である。
【００２４】
燃料改質器４は、図２に示されるように、扁平かつ横長の箱状容器２０（蓋部材については図示省略）を主体として構成される。この箱状容器２０には、その長手方向一端側の端壁２０ａに入口部２１が形成され、他端側の端壁２０ｂに出口部２２が形成される。従って、箱状容器２０の内部には、入口部２１から出口部２２へ向かう流路が形成される。そして、この流路の途中（端壁２０ａ、２０ｂ間）に区画壁２０ｃが設けられ、区画壁２０ｃの上流側に水気化部２３が区画され、区画壁２０ｃの下流側に改質部２４が区画される。
【００２５】
水気化部２３は、その内部にアルミナボール等の伝熱部材を充填してあり、水を気化させて、水蒸気を生成する。
改質部２４は、その内部に改質触媒を充填してあり、燃料を主に水蒸気改質反応により改質して、水素リッチな改質燃料を生成する。
【００２６】
区画壁２０ｃは、本実施形態では箱状容器２０の高さより低い堰状に形成されているが、これに限るものではなく、伝熱部材及び改質触媒の移動を阻止する一方、燃料及び水の通過を許容できるものであればよい。
【００２７】
前記入口部２１には、燃料及び水の供給管２５が接続される。前記出口部２２には、図１中の改質燃料の供給管５が接続される。
【００２８】
燃料及び水の供給管２５について更に詳しく説明する。
燃料及び水の供給管２５は、１本で、燃料及び水を混在状態で供給するものであり、かつ、その管内に、改質器温度測定用の熱電対１３を挿通する鞘管２６を有している。すなわち、燃料及び水の供給管２５と、熱電対挿通用の鞘管２６とは、二重管構造をなしている。尚、前述のように燃料改質器４にて部分酸化反応を行わせるときには、燃料及び水の供給管２５を酸化剤の供給に用いることもある。
【００２９】
燃料及び水の供給管２５は、箱状容器２０の端壁２０ａ（入口部２１）、すなわち水気化部２３の入口側に開口する。その一方、熱電対挿通用の鞘管２６は、箱状容器２０内に延在し、水気化部２３を通過し、区画壁２０ｃを貫通して、改質部２４に達する。これにより、熱電対１３の先端部を改質部２４に位置させて、改質器温度を測定するのが容易となる。
【００３０】
燃料及び水の供給管２５（及びその内部の鞘管２６）は、図３及び図４に示されるように、燃料電池スタック及び燃料改質器を収納する筐体（その壁部）１を貫通して筐体１外へ延びている。
燃料及び水の供給管２５の筐体１貫通部には、シール部材（スタフィングボックス）２７を介装する。二重管構造とすることで、鞘管２６専用のシール部材を不要とすることができる。
【００３１】
燃料及び水の供給管２５（及びその内部の鞘管２６）の筐体１外の端部には、継手２８が接続される。継手２８の固定にはクイックファスナー２９を用いる。
継手２８は、図４に示されるように、供給管２５の軸線の延長方向に開口し、鞘管２６の内周側と連通する熱電対挿入部（改質器温度測定デバイス挿入部）３０と、供給管２５の軸線と交差する方向にそれぞれ開口し鞘管２６の外周側と連通する燃料入口３１及び水入口３２とを有する。
【００３２】
ここで、供給管２５は水平に配置され、燃料入口３１は上向きに開口し、水入口３２は下向きに開口する。
燃料入口３１には上方からフランジ３３ａ付きの燃料配管３３を接続する。水入口３２には下方からフランジ３４ａ付きの水配管３４を接続する。これらの配管３３、３４の固定にはクイックファスナー３５を用いる。
【００３３】
図５はクイックファスナー２９の説明図であり、図４のａ−ａ矢視図に相当する。クイックファスナー２９は、図５に示されるように、燃料及び水の供給管２５外周への嵌合固定部２９ａと、継手２８外周の溝部への嵌合固定部２９ｂとを一体に有し、燃料及び水の供給管２５と継手２８とを固定する。
【００３４】
図６はクイックファスナー３５の説明図であり、図６（Ａ）は図４のｂ−ｂ矢視図に粗相当する。図６（Ｂ）は図６（Ａ）の平面図である。クイックファスナー３５は、図６に示されるように、燃料配管３３外周への嵌合固定部３５ａと、水配管３４外周への嵌合固定部３５ｂとを一体に有し、燃料配管３３のフランジ３３ａと水配管３４のフランジ３４ａとを上下から挟持する。
【００３５】
本実施形態によれば、燃料及び水の供給管２５と熱電対挿通用の鞘管２６とを二重管構造とすることで、筐体貫通部を共通化し、放熱量抑制を図ることができる。また、貫通部のシール部材２７の削減によるコストダウン等を図ることもできる。
また、燃料及び水の供給管２５は、燃料及び水を混在状態で供給する構成とすることで、高温部でのコーキングの発生を抑制できる。このため、流路閉塞等を低減することができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、供給管２５は、筐体１外の端部に接続される継手２８を有する構成とし、この継手２８は、供給管２５の軸線の延長方向に開口し鞘管２６の内周側と連通する熱電対挿入部３０と、供給管２５の軸線と交差する方向にそれぞれ開口し鞘管２６の外周側と連通する燃料入口３１及び水入口３２と、を有する構成とすることにより、熱電対挿入部３０と燃料入口３１及び水入口３２とをコンパクトにまとめることができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、供給管２５は水平に配置され、燃料入口３１は上向きに開口し、水入口２６は下向きに開口することにより、燃料配管３３が下向き、水配管３４が上向きとなり、次のような効果を得ることができる。
【００３８】
燃料入口３１が下向き、水入口２６が上向きに設けられている構造においては、燃料の吐出圧力によっては、燃料と比較すると比重が重い水が燃料配管３３に逆流する可能性がある。その場合、水ポンプ１２から正確な水量を吐出しても、その水量が燃料改質器４に供給されないことになる。継手２８内に二流体の逆流を抑制する構造を設けることによっても解決することができるが、燃料入口３１を上向き、水入口２６を下向きにすることで、特別な構造を備えることなく、水が燃料配管３３に逆流することを抑制し、正確な水量を燃料改質器４に供給することができる。
【００３９】
また、液体を下向きに供給すると、液体は自重の影響を受けて流れ込むこととなり、液滴による流量の乱れや脈動を生じるなど、気体と比較してその流量の管理が難しいため、下向きに供給される流体はガス状であることがより好ましい。この点も踏まえると、ガス状の燃料を上から、水を下から送り込むことで、水及び燃料の流量の管理がより正確かつ容易となり、本実施形態の配管構造による安定供給の効果をより一層発揮させることができる。尚、燃料として液体燃料を使用しても、供給管２５へ供給する前に気化させる構成として、燃料が燃料入口３１に対しガス燃料として供給されるようにすれば、同等の効果を得ることができる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、燃料入口３１に上方から接続されるフランジ３３ａ付きの燃料配管３３と、水入口３２に下方から接続されるフランジ３４ａ付きの水配管３４とを固定するため、燃料配管３３のフランジ３３ａと水配管３４のフランジ３４ａとを上下から挟持する配管固定用ファスナー３５を用いることにより、配管の固定を簡単かつ容易に行うことができる。
【００４１】
尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【００４２】
実施の形態として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式を例示したが、これに限らない。放熱量の低減及び原燃料配管のコーキング抑制は各種の燃料電池方式において共通の課題であることから、水蒸気改質を行う燃料改質器を備える各種の方式の燃料電池装置に本発明を適用することができる。
【００４３】
図１では、オフガス燃焼部３が燃料電池スタック２の上端部と燃料改質器４の下部との間に設けられる形態を例示したが、これに限らない。例えば、筐体１内を燃料電池スタック２を設置するブロックと、燃料改質器４及びオフガス燃焼部３を設置するブロックとに区画し、燃料電池スタック２を設置するブロックから燃料改質器４及びオフガス燃焼部３を設置するブロックにオフガスを導いて、オフガスを燃焼させ、燃料改質器４を高温状態に維持してもよい。また、燃料改質器４をヒータで加熱する場合やオフガス燃焼熱を利用せずに燃料電池スタック２の発熱のみで改質に必要な熱量を賄える場合は、オフガス燃焼部３を省略してもよい。
【００４４】
図２では、燃料改質器４として扁平かつ横長の直方体容器２０を例示したが、これに限らない。例えば、燃料改質器４として円筒状容器を用い、一端面に入口部を、他端面に出口部を形成してもよい。また、改質ガス流路が上下又は左右方向に折り返すような外観及び内部構造を有するものであってもよい。
【００４５】
図４では、燃料及び水の供給管２５が１つの壁部を貫通する例を示しているが、これに限らない。筐体１の内部が層構造になっている場合には、供給管２５は、複数の壁部を貫通して筐体１外へ延びるように設けられる。また、燃料改質器４において部分酸化改質反応又は自己熱改質反応を行う場合、改質用の酸化剤を混合した燃料を燃料配管３３から供給してもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１  筐体
２  燃料電池スタック
３  オフガス燃焼部
４  燃料改質器
５  改質燃料の供給管
６  台座
１１  燃料ポンプ
１２  水ポンプ
１３  熱電対（改質器温度測定デバイス）
１４  酸化剤ポンプ
１５  酸化剤供給通路
１６  排気通路
２０  箱状容器
２０ａ、２０ｂ  端壁
２０ｃ  区画壁
２１  入口部
２２  出口部
２３  水気化部
２４  改質部
２５  燃料及び水の供給管
２６  熱電対挿通用の鞘管
２７  シール部材
２８  継手
２９  クイックファスナー
３０  熱電対挿入部
３１  燃料入口
３２  水入口
３３  燃料配管
３４  水配管
３５  クイックファスナー
【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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