(57)【要約】【課題】本発明は、高価な流量制御装置を使用せずに蒸発器への水の供給を安全に行うことができ、さらに蒸発器内の水の蒸発状態を容易に確認できる水蒸気供給装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、燃料電池に使用される水蒸気を供給するための水蒸気供給装置であって、内部に収容された所定の水位を有する水を気化する蒸発器２と、蒸発器２に供給する水を一旦貯留する貯留容器１と、貯留容器１の水位が蒸発器２の水位に連動するように蒸発器２と前記貯留容器１とを連結する連通管３と、貯留容器１内の水位が下降した際に水を補充する水供給手段とを具備した水蒸気供給装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に使用される水蒸気を供給するための水蒸気供給装置であって、
内部に収容された所定の水位を有する水を気化する蒸発器と、該蒸発器に供給する水を一旦貯留する貯留容器と、該貯留容器の水位が前記蒸発器の水位に連動するように前記蒸発器と前記貯留容器とを連結する連通管と、前記貯留容器内の水位が下降した際に水を補充する水供給手段とを具備したことを特徴とする水蒸気供給装置。
【請求項２】
貯留容器はフロートスイッチを具備し、該フロートスイッチが前記貯留容器内の水位下降を感知することにより、前記貯留容器の上流側に設けられた水供給バルブが開放されて所定量の水が前記貯留容器内に供給されることを特徴とする請求項１記載の水蒸気供給装置。
【請求項３】
水蒸気供給量が前記蒸発器の温度制御により決定されることを特徴とする請求項１又は２記載の水蒸気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の改質器に使用される水蒸気を供給するための水蒸気供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池の原燃料として用いられる炭素系燃料ガスは、現在のインフラを考慮すると、都市ガスやプロパンガスが用いられる。これらの燃料ガスを燃料電池に直接導入すると、燃料電池の電極でカーボンが析出し、燃料電池の破損等が起こり、発電ができなくなる。そのため、これらの燃料ガスに水蒸気を混合して加湿し、高温の触媒の存在下で水蒸気改質反応を起こさせ、水素リッチなガスに変換する対策がとられている。
【０００３】
この水蒸気改質反応においては、炭化水素と水蒸気の割合（Ｓ／Ｃ比）を制御することが重要であり、そのため、例えば、特許文献１に示されるような、バブリング方式、超音波振動方式、全熱交換方式等、燃料ガスと水蒸気を混合するための種々の方法が提案されているが、何れも水蒸気の供給量を正確に制御できない点で問題がある。
【０００４】
これらの方式に対し、所定量に流量制御した水を蒸発器に供給し、これを完全に気化させて改質部に供給するいわゆる直接方式があり、この方式は、流量制御装置により燃料ガスと水の流量を正確に制御することにより、確実にＳ／Ｃ比を制御することができるという特長を有する。
【特許文献１】特開２００２−２９８８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この方式では、高価な流量制御装置を使用するためコストが高くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、高価な流量制御装置を使用せずに蒸発器への水の供給を安全に行うことができ、さらに蒸発器内の水の蒸発状態を容易に確認できる水蒸気供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池に使用される水蒸気を供給するための水蒸気供給装置であって、内部に収容された所定の水位を有する水を気化する蒸発器と、該蒸発器に供給する水を一旦貯留する貯留容器と、該貯留容器の水位が前記蒸発器の水位に連動するように前記蒸発器と前記貯留容器とを連結する連通管と、前記貯留容器内の水位が下降した際に水を補充する水供給手段とを具備したことを特徴とする水蒸気供給装置である。
【０００８】
このような構造によれば、蒸発器内の水位と貯留容器内の水位が略同一になるので、蒸発器内の水位が下降するとこれに伴って貯留容器内の水位が下降し、貯留容器に水位下降分だけ水が補充されて水位が上昇するとこれに伴って蒸発器内の水位が上昇するから、マスフローコントローラー等の高価な流量制御装置を使用せずに、気化して消費されたのと同量の水を連続的に供給することができる。なお、貯留容器に窓を設ける等して内部を目視できるようにすることにより、蒸発器内の水の気化状態を貯留容器の水位変化で確認することもできる。
【０００９】
ここで、貯留容器はフロートスイッチを具備し、該フロートスイッチが前記貯留容器内の水位下降を感知することにより、前記貯留容器の上流側に設けられた水供給バルブが開放されて所定量の水が前記貯留容器内に供給されるのが好ましい。これにより、予め定めた初期位置（上限）から所定位置（下限）まで水位が下降するとフロートスイッチがこれを感知し、水の補充により再び初期位置に戻るという簡易な構造で、連続的に水の補充をすることができる。特に、初期位置（上限）と所定位置（下限）の距離を短くすることにより、よりスムーズに水が補充されるようにできる。
【００１０】
また、水蒸気供給量が前記蒸発器の温度制御により決定されるのが好ましい。水蒸気の供給量を、蒸発器の上流側で水の流量を制御することにより決定するのではなく、蒸発器の温度を制御することにより決定するので、蒸発器の不具合などにより水が供給され続けることはなくなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高価な流量制御装置を使用することなく、水蒸気として気化した量と同量の水を連続的に供給することができる。また、蒸発器で消費された分だけ貯留容器を介して供給する構造なので、蒸発器から改質器へ過剰の水が流れ込むことはなくなる。さらに、蒸発器内の水の蒸発状態を容易に把握することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の水蒸気供給装置について、図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は本発明の水蒸気供給装置を含むブロック図である。燃料電池の改質器４で燃料ガスと水蒸気を反応させて水素リッチなガスを生成するために、改質器４には、燃料ガス配管１１を通して燃料ガスが供給され、水蒸気配管１０を通して水蒸気が供給されるようになっている。そして、改質器４から水素リッチなガスが燃料電池セル（図示しない）に供給されて発電するようになっている。
【００１４】
ここで、燃料ガスとしては、現状のインフラ等を考慮すると、商用ガスライン、あるいはプロパンガスボンベ等から供給される、都市ガス、天然ガス、プロパンガス等の使用が一般的である。また、供給水としては、水蒸気改質触媒への影響や、メンテナンス作業の容易性の点から、イオン交換水の使用が望ましい。
【００１５】
本発明の水蒸気供給装置は、図１の一点鎖線で囲まれる領域に示されており、内部に収容された所定の水位を有する水を気化する蒸発器２と、蒸発器２に供給する水を一旦貯留する貯留容器１と、貯留容器１の水位が蒸発器２の水位に連動するように蒸発器２と前記貯留容器１とを連結する連通管３と、貯留容器１内の水位が下降した際に水を補充する水供給手段とを具備している。尚、図１は、蒸発器２内の水位と貯留容器１内の水位が略等しくなるように配置されたことを示している。
【００１６】
蒸発器２は、内部に供給された水を加熱して水蒸気を生成するものであり、所望の量の水蒸気を発生するための加熱手段（図示しない）を備えるものである。この加熱手段は、蒸発器２の内部もしくはその周囲に設けられ、非常に高熱を発するものであって、ヒーター等の外部加熱装置、燃料電池から発生する熱や排ガス燃焼熱等との熱交換を行う熱交換器などが採用される。そして、蒸発器２の温度は、ヒーター等の外部加熱装置の入切や、熱交換器への熱媒体の供給量の調整等により制御することができる。特に、燃料電池が固体酸化物型である場合には、作動温度が７００℃以上の高温であるため、この熱を所望の温度に調整して蒸発器２の加熱手段として利用することができる。ここで、燃料電池から発生する熱と蒸発器２の加熱手段を連動させるようにしてもよい。
【００１７】
このように、蒸発器２の温度制御により、水蒸気の供給量を決定するのが好ましい。水蒸気の供給量を蒸発器の上流側で水の流量を制御することにより決定するのではなく、蒸発器の温度を制御することにより決定するので、仮に装置に不具合があったとしても過剰の水が蒸発器から改質器に流れ込むことはなくなる。
【００１８】
尚、水蒸気配管１０も蒸発器２と同様に図示していないが、ヒーター等の外部加熱装置、燃料電池から発生する熱や排ガス燃焼熱等との熱交換を行う熱交換器などにより、蒸発器２と同じような温度まで加熱するのが好ましい。これにより、蒸発器２から送られる水蒸気の水蒸気配管１０内での凝縮液化を防止することができる。
【００１９】
貯留容器１は、蒸発器２と略同じ高さに配置され、連通管３により蒸発器２と底部同士が連結されている。そして、内部に貯留される水の水位がこの貯留容器１内に収まるように、言い換えると、蒸発器２内の水位と貯留容器１内の水位が略同じ高さとなるように配置されている。このような構造により、蒸発器２内の水位が下降するとともに貯留容器１内の水位は下降し、蒸発器２内の水位が上昇するとともに貯留容器１内の水位は上昇する。ここで、蒸発器２と貯留容器１の容積は異なっていてもよく、連通管３の内径についても摩擦抵抗により流れが妨げられない程度であれば特に限定はなく、水蒸気供給量に応じて適宜決定される。また、本例においては、連通管３は蒸発器２の底部と貯留容器１の底部を連結しているが、蒸発器２内の水位が下降するとともに貯留容器１内の水位は下降し、蒸発器２内の水位が上昇するとともに貯留容器１内の水位は上昇するというように、液面より下に位置して連通管３の機能が発揮されるようにするのであれば、側面同士を連結するようにしてもよい。尚、水蒸気の生成により蒸発器２内の空間の圧力が上昇する場合には、蒸発器２内の水位と貯留容器１内の水位に差が生じるが、このような場合には、蒸発器２と貯留容器１の容積や配置を適宜修正すればよく、後述の制御装置６もこの点を考慮して調整するのが好ましい。
【００２０】
連通管３としては、例えばポリテトラフルオロエチレン等の耐熱性樹脂、ステンレス等の金属からなる屈曲性のあるチューブで、好ましくはＵ字状にしたものが使用でき、このようなチューブを用いることは、装置の小型化に有効となる。
【００２１】
また、貯留容器１の材質についても特に限定されないが、窓を設ける等により一部が透明になっているか、又は、全体が透明になっているのが好ましい。非常に高熱となる蒸発器２は、厚い金属などの外壁でおおわれているため、動作確認や水の供給異常等を容易に確認することができないが、本発明においては高熱にさらされることのない貯留容器１を有することから、窓を設ける等により貯留容器１内部の状況（水の水位や変化量）を確認でき、これにより蒸発器２の動作確認や水の供給異常等も把握することができる。
【００２２】
そして本例では、水供給手段として、貯留容器１内に設けられたフロートスイッチ５と、供給水配管９に設けられた制御バルブ７を有している。このフロートスイッチ５は、上下に移動するようになっており、予め定められた初期位置（上限）から所定位置（下限）まで水位が下降すると、これを感知するようになっている。また、貯留容器１の上流側には、開閉自在の制御バルブ７を備えた供給水配管９が設けられており、この供給水配管９を通ってイオン交換水が貯留容器１に供給されるようになっている。そして、フロートスイッチ５と制御バルブ７は制御装置６を介して接続されており、フロートスイッチ５が所定位置まで下降すると、この制御装置６が制御バルブ７に信号を送り、制御バルブ７が開放され、所定量の水が貯留容器１に供給されるようになっている。
【００２３】
例えば、フロートスイッチ５が初期位置（上限）にあるときはスイッチがＯＦＦの状態になっており、蒸発器２内の水が蒸発することによりフロートスイッチ５が下降して所定位置（下限）に達したときにスイッチがＯＮの状態になる。そうすると、この情報が制御装置６を介して制御バルブ７に伝わり、制御バルブ７が開放される。そして、水が供給されることによりフロートスイッチ５が上昇して初期位置（上限）に達したときにスイッチがＯＦＦの状態になる。そうすると、この情報が制御装置６を介して制御バルブ７に伝わり、制御バルブ７が閉鎖される。このように、フロートスイッチ５が上下動を繰り返すことにより、貯留容器１に所定量の水が供給され、同時に蒸発器２にも所定量の水が供給される。尚、初期位置（上限）と所定位置（下限）の距離を短くすることにより、よりスムーズに水が補充されるようにでき、水蒸気供給量の変動も抑制できる。
【００２４】
制御装置６は、フロートスイッチ５と制御バルブ７を連動させてこれらの関係を制御しているが、これのみならず蒸発器２の加熱手段とも連動させるようにしてもよい。所望のＳ／Ｃ比を実現するための加熱手段の温度が何℃か、また加熱手段における温度が何℃の場合はフロートスイッチの上下動時間がどれくらいかかるか、を予め制御装置６に入力しておき、例えば蒸発器２の異常や水漏れなどにより、前記入力データと実際のフロートスイッチ５の上下動の時間が異なっていた場合には、信号を発したり、警報を作動させることもできる。特に、フロートスイッチ等の故障により貯留容器１への水の供給が止まらなくなった場合には、連通管３を通して過剰の水が蒸発器２に供給されることになり、改質器４まで水が流れ込んでしまう虞があるので、図１に示すように、連通管３の途中（図では最下部）に水の流れを止める緊急バルブ８を設け、これを制御装置６に連動させておくことにより、万一の場合に対応できるようにすることもできる。
【００２５】
尚、水供給手段としては、蒸発器内の水位下降に伴って水位が下降した貯留容器内に水を補充するようになっていればよく、上述のようなフロートスイッチ５と制御バルブ７を含む構成からなるものに限定されず、フロートスイッチ５に代わる水位検出機構を採用してもよく、制御バルブに代えて流量制御機能をもたないポンプ等を採用してもよい。また、貯留容器1内に直接開閉弁を設け、水位が下降し所定位置（下限）に達したときに弁が開放され、水位が上昇し初期位置（上限）に達したときに弁が閉鎖されるようになっているもの等も採用できる。
【００２６】
さらに、水供給手段としては、貯留容器内に水を補充するような構成ではなく、連通管にバルブ等を設け、これに供給水配管を接続して補充するような構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の水蒸気供給装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：貯留容器
２：蒸発器
３：連通管
４：改質器
５：フロートスイッチ
６：制御装置
７：制御バルブ
８：緊急バルブ
９：供給水配管
１０：水蒸気配管
１１：燃料ガス配管
【図１】
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