(57)【要約】【課題】蒸発器を構成する管路の出口から液相の水が吹き出すことを防止し、気相の水蒸気を安定的に供給することが可能な燃料電池システムを提供すること。【解決手段】この燃料電池システムが備える蒸発器ＲＦ２は、内部に水を流通させて水蒸気を発生させるためにその一部が排気ガス排出筒４２内に配置される管路ＲＦＴを有し、管路ＲＦＴは、水を流入させるための入口４３と、発生させた水蒸気を改質器に向けて流出させるための出口４４と、入口４３から出口４４に至るまでの間において管路ＲＦＴの延伸方向を変更するための少なくとも一つの折返し部ＴＣとを有し、入口４３よりも出口４４は上方に配置され、入口４３から出口４４に至るまでの間は水平又は上昇勾配となるように構成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとを利用して発電する燃料電池システムにおいて、
複数の燃料電池セルを有する燃料電池セル集合体と、
炭化水素を含む被改質ガスを水蒸気改質して前記燃料電池セル集合体に供給する燃料ガスと成す改質器と、
前記燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部で発生する排気ガスを排出する排気ガス排出路と、
前記排気ガス排出路内を通る排気ガスと熱交換を行うことで水を加熱して前記改質器に供給する水蒸気と成す蒸発器と、を備え、
前記蒸発器は、内部に水を流通させて水蒸気を発生させるために少なくともその一部が前記排気ガス排出路内に配置される管路を有し、
前記管路は、水を流入させるための入口と、発生させた水蒸気を前記改質器に向けて流出させるための出口と、前記入口から前記出口に至るまでの間において前記管路の延伸方向を変更するための少なくとも一つの折返し部とを有し、前記入口よりも前記出口は上方に配置され、前記入口から前記出口に至るまでの間は水平又は上昇勾配となるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記管路は、前記排気ガス排出路における排気ガスの流れの上流側に前記出口が配置され、下流側に前記入口が配置されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記管路は、前記排気ガス排出路の一側壁の近傍から当該一側壁に対向する他側壁の近傍に向けて略水平に延びる第一水平部及び第二水平部を有し、
前記折返し部は、前記第一水平部の端部と前記第二水平部の端部とを繋ぐように設けられ、上昇勾配を有するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第一水平部と前記第二水平部とは、排気ガスが流れる方向から見てそれぞれがずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記折返し部は、前記排気ガス排出路の外部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとを利用して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このように燃料ガスと酸化ガスとを利用して発電する燃料電池システムにおいて、炭化水素を含む被改質ガスを水蒸気改質して燃料電池セル集合体に供給する改質器を備えるものが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。このような燃料電池システムでは、改質器における水蒸気改質に用いられる水蒸気を供給するための蒸発器を備えている場合が多く、下記特許文献１に記載のものにおいても改質器に水蒸気を供給する蒸発器を備えている。
【０００３】
下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、更に被改質ガスを燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器を備えており、この燃焼器は蒸発器の内側に配設されている。このような構成によって、蒸発器は燃焼器からの輻射熱によって加熱され、改質器及び蒸発器は改質可能な状態に迅速に活性化されるものと記載されている（下記特許文献１の段落番号００１７等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１１１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の蒸発器は、互いに同軸上に配設される外筒部材と内筒部材とを備えるとともに、外筒部材と内筒部材との間には、二重管が螺旋状に配設されている。二重管は、内部に水通路が形成される一方、この水通路の周囲に被改質ガスを通すための原燃料通路が形成されている。二重管は、その下流側に形成された複数の孔部により水通路（二重管の内側）と原燃料通路（二重管の外側）とが連通するように構成されており、このような構成によって水蒸気と被改質ガスとが混合されて燃料ガスが得られるものである。
【０００６】
ところで、このような構成の蒸発器を用いて水を加熱して蒸発させ、水蒸気を得ようとすると、液相の水が管路の出口より周期的に吹き出す現象が発生する場合がある。このように蒸発器を構成する管路の出口から周期的に液相の水が吹き出すと、被改質ガスに対する水蒸気の供給が不安定になり、被改質ガスを水蒸気改質するのに必要十分な水蒸気が得られなくなってしまい、水蒸気改質の効率が低下するという解決すべき課題がある。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、蒸発器を構成する管路の出口から液相の水が吹き出すことを防止し、気相の水蒸気を安定的に供給することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを利用して発電する燃料電池システムであって、複数の燃料電池セルを有する燃料電池セル集合体と、炭化水素を含む被改質ガスを水蒸気改質して前記燃料電池セル集合体に供給する燃料ガスと成す改質器と、前記燃料電池セルにおける発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部で発生する排気ガスを排出する排気ガス排出路と、前記排気ガス排出路内を通る排気ガスと熱交換を行うことで水を加熱して前記改質器に供給する水蒸気と成す蒸発器と、を備え、前記蒸発器は、内部に水を流通させて水蒸気を発生させるために少なくともその一部が前記排気ガス排出路内に配置される管路を有し、前記管路は、水を流入させるための入口と、発生させた水蒸気を前記改質器に向けて流出させるための出口と、前記入口から前記出口に至るまでの間において前記管路の延伸方向を変更するための少なくとも一つの折返し部とを有し、前記入口よりも前記出口は上方に配置され、前記入口から前記出口に至るまでの間は水平又は上昇勾配となるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明者らは、本発明を検討する過程において、管路内における水の相変化に着目して検討を行った。管路に水を導入して、その管路を加熱すると、管路内で水が蒸発して水蒸気が発生する。この状態を換言すれば液単相流から蒸気単相流へと変化することになるが、液単相流から蒸気単相流へは瞬間的に変化するのではなく、中間的な段階を経て変化するものである。具体的には、液単相流としての水流が加熱され初期沸騰によってスラグ流や気泡流が発生し、その後環状流や環状噴霧流に遷移し、噴霧流を経て蒸気単相流としての水蒸気が発生する。水蒸気となる前の環状流又は環状噴霧流の状態では、管壁に液膜が存在すると共に管断面中心部には多数の液滴を伴っており、気相と液相とが混在した状態となっている。従って、管路に下降勾配部分があると、例えば環状流又は環状噴霧流の部分において管壁に付着している液膜が下降してしまったり、管断面中心部の液滴が落下してしまったりすることで、本来は蒸気単相流である部分に水滴として液相の水が存在することになり、この水滴が吹き飛ばされて管路の出口から排出されるものと想定される。そこで本発明者らは、管路において下降勾配を形成しないことで管路出口から液相の水が吹き出すことを防止すると共に、本来の蒸発器としての機能も十分に発揮できる燃料電池システムを想起したものである。
【００１０】
このような思想に基づいて、本発明に係る燃料電池システムでは、蒸発器を構成する管路の少なくとも一部を排気ガス排出路内に配置することで、排気ガスの熱を効率的に受け取って管路内の水を加熱している。この加熱をより効率的に行うため、管路の入口から出口に至るまでの間において、管路の延伸方向を変更するための折返し部を設け、コンパクト性を確保しつつ管路の入口から出口に至るまでに管路と排気ガスとの接触部分をより多く設けるものとしている。更に、管路の入口よりも出口を上方に配置し、管路の入口から出口に至るまでの間は水平又は上昇勾配となるように構成することで、管路の入口から出口に至るまでの間に下降勾配が形成されないように構成している。従って、環状流又は環状噴霧流の部分において管壁に付着している液膜が下降してしまったり、管断面中心部の液滴が落下してしまったりすることで、本来は蒸気単相流である部分に水滴として液相の水が存在するような事態を確実に回避し、水滴が吹き飛ばされて管路の出口から排出されることを確実に防止することができる。
【００１１】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記管路は、前記排気ガス排出路における排気ガスの流れの上流側に前記出口が配置され、下流側に前記入口が配置されるように構成されていることも好ましい。
【００１２】
管路内の水は、管路の入口から導入されて徐々に加温され水蒸気となって出口から送り出される。排気ガスを用いて管路を加温するにあたって、比較的低温となっている管路の入口側を排気ガス流の上流側として高温の排気ガスを供給すると、液単相として存在する水や、スラグ流や気泡流として存在する水を急激に加温してしまうため突沸が生じ、管路の出口側から供給する水蒸気量に変動が生じてしまうおそれがある。従って、管路の入口側は比較的温度を低く保ち、管路の出口側の温度を比較的高く保つことが、突沸を防止するために好ましいものである。そこでこの好ましい態様では、排気ガス排出路における排気ガスの流れの上流側に管路の出口を配置する一方で、下流側に管路の入口を配置することで、高温の排気ガスは高温となる管路の出口側にまず供給して加温し、温度が下降した排気ガスを比較的低温となる管路の入口側に供給するものとしている。このような構成によって、管路の入口側を必要以上に加温して突沸が生じてしまうことを抑制すると共に、比較的高温となる管路の出口側を効果的に加温することができ、管路内において効率的且つ安定的に水蒸気を発生させて供給することができる。
【００１３】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記管路は、前記排気ガス排出路の一側壁の近傍から当該一側壁に対向する他側壁の近傍に向けて略水平に延びる第一水平部及び第二水平部を有し、前記折返し部は、前記第一水平部の端部と前記第二水平部の端部とを繋ぐように設けられ、上昇勾配を有するように構成されていることも好ましい。
【００１４】
この好ましい態様では、管路が一側壁の近傍から他側壁の近傍に向けて略水平に延びる第一水平部及び第二水平部を有しているので、排気ガス排出路の排気ガスが流れる方向に略直交して排気ガス排出路を横断するように第一水平部及び第二水平部を配置することができる。従って、第一水平部及び第二水平部が傾いてしまうことにより、排気ガス排出路内を流れる排気ガスの流れを偏らせることを回避することができ、第一水平部及び第二水平部に対して均一に排気ガスを接触させることが可能となり、安定的に水蒸気を発生させることができる。折返し部は第一水平部の端部と第二水平部の端部とを繋ぐように設けられ、上昇勾配を有するように構成されているので、排気ガス排出路の一側壁又は他側壁の近傍において上昇勾配を形成しつつ第一水平部と第二水平部とを繋いでいる。従って、排気ガス排出路内の排気ガスの流れを乱さずに、第一水平部と第二水平部とを排気ガスの流れる方向においてずらしながら繋ぐことができる。このように第一水平部及び第二水平部とそれらを繋ぐ折返し部とを形成することにより、コンパクト性を確保しつつ管路の入口から出口に至るまでに管路と排気ガスとの接触部分をより多く設けると共に、排気ガスの流れを偏らせずに確実に管路に熱を伝え、管路内において効率的且つ安定的に水蒸気を発生させて供給することができる。
【００１５】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記第一水平部と前記第二水平部とは、排気ガスが流れる方向から見てそれぞれがずれた位置に配置されていることも好ましい。
【００１６】
この好ましい態様では、排気ガス排出路の一側壁近傍から他側壁近傍に向けて略水平に延びる第一水平部と第二水平部とが、排気ガスが流れる方向から見てそれぞれがずれた位置に配置されているので、排気ガス排出路の側壁が延びる方向に沿って流れる排気ガスに、第一水平部も第二水平部も確実に接触することができる。例えば、第一水平部が排気ガスの流れの上流側に配置され、第二水平部が排気ガスの流れの下流側に配置されている場合には、第二水平部の第一水平部とずれている部分に第一水平部と干渉しない排気ガスが接触するので、第一水平部にも第二水平部にも排気ガスを確実に接触させることができる。従って、第一水平部及び第二水平部を流れる水を効率よく加熱することができ、管路内において効率的且つ安定的に水蒸気を発生させて供給することができる。
【００１７】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記折返し部は、前記排気ガス排出路の外部に配置されていることも好ましい。
【００１８】
折返し部は管路の延伸方向を変更させるように第一水平部と第二水平部とを繋いでおり、第一水平部及び第二水平部は互いに排気ガス排出路の一側壁近傍から他側壁近傍に向けて略水平に延びるように配置されているので、折返し部はその内部を流れる流体をほぼ逆方向に向けるように構成されている。従って、折返し部内を環状流又は環状噴霧流が流れた場合はもとより、噴霧流が流れた場合であっても、内壁に水滴が付着しやすいものである。そこで本発明のこの好ましい態様では、折返し部を排気ガス排出路の外部に配置し、折返し部を排気ガスによって急激に加温しないように構成している。このように構成することで、折返し部内の水滴を急激に加温して蒸発させることによる水蒸気量の変動を抑制し、管路内において効率的且つ安定的に水蒸気を発生させて供給することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、蒸発器を構成する管路の出口から液相の水が吹き出すことを防止し、気相の水蒸気を安定的に供給することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本願発明の実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの、燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す構成図である。
【図４】図１〜３に示す燃料電池システムの起動運転について説明するための図である。
【図５】図３に示す蒸発器の側面図である。
【図６】図３に示す蒸発器の平面図である。
【図７】図６におけるＡ矢視図である。
【図８】図６におけるＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００２３】
まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦ１と、蒸発器ＲＦ２と、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。
【００２４】
発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極（アノード）と空気極（カソード）とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。本実施形態の燃料電池ＦＣは固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートといった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００２５】
燃料極を構成する材料としては、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体といった材料が用いられる。空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００２６】
発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦ１と熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００２７】
改質器ＲＦ１は、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ：Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ：Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。尚、本実施形態では、改質器ＲＦ１として、部分酸化改質反応を主に行うための部分酸化改質器と、オートサーマル改質反応や水蒸気改質反応を主に行うための水蒸気改質器とを分けて設けている。その場合、改質器ＲＦ１の前段に設けられている蒸発器ＲＦ２は、水蒸気改質器のみに水蒸気を供給する（詳細は後述する）。
【００２８】
蒸発器ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質器ＲＦ１に供給する部分である。改質器ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガスを用いて、適宜空気や水や蒸発器ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質器ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００２９】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３０】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００３１】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３２】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。
【００３３】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦ１に供給される。
【００３４】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦ１へと供給される。
【００３５】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００３６】
続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００３７】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＣＳは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＣＳには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。
【００３８】
操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。
【００３９】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４０】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦ１の温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ１近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ１内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器ＲＦ１内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦ１の前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。
【００４１】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦ１へと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４２】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４３】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１，ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４４】
続いて、図３を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳを構成する燃料電池モジュールＦＣＭの詳細な構成について説明する。図３は、燃料電池モジュールＦＣＭの構成を示す図である。
【００４５】
図３に示すように、燃料電池モジュールＦＣＭは、発電室ＦＣ１と、分散室ＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、部分酸化改質器ＲＦＰとを備えている。発電室ＦＣ１、分散室ＤＢ、及び燃焼室ＦＣ２は同一の容器Ｃ内に収容されており、部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外部に配設されている。
【００４６】
分散室ＤＢは、発電室ＦＣ１の下部に配設されている。この分散室ＤＢは、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスを分散させ、発電室ＦＣ１内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室ＦＣ１内に供給する複数の穴（図示せず）が貫通形成されている。また、分散室ＤＢの底面には、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰから供給される燃料ガスを分散室ＤＢ内に導入するための導入穴（図示せず）が貫通形成されている。これにより、分散室ＤＢの底面側（下側）から導入された燃料ガスは、ここで分散され、発電室ＦＣ１の底面側（下側）から発電室ＦＣ１内に導入され、発電室ＦＣ１内に立設された燃料電池セルＣＥの燃料極に供給される。
【００４７】
図３に示す形態の場合、改質器ＲＦ１は、水蒸気改質器ＲＦＳと部分酸化改質器ＲＦＰとに分けて設けられている。
【００４８】
水蒸気改質器ＲＦＳは、燃焼室ＦＣ２の上部であって、燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスを排出するための排気ガス排出路１２に配設されている。排気ガス排出路１２の水蒸気改質器ＲＦＳが設けられている位置から更に下流には、蒸発器ＲＦ２が配設されている。水蒸気改質器ＲＦＳには、予熱部（図に明示しない。以下同じ）及び改質部（図に明示しない。以下同じ）が設けられている。蒸発器ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から純水が供給され、その純水を蒸発させて水蒸気となし、その水蒸気を水蒸気改質器ＲＦＳの予熱部に送り込む。尚、蒸発器ＲＦ２の構成は後に詳述する。
【００４９】
水蒸気改質器ＲＦＳの予熱部は、蒸発器ＲＦ２から水蒸気が供給されると共に、補器ユニットＡＤＵ側から被改質ガスとしての都市ガスが供給される。予熱部においては水蒸気と被改質ガスである都市ガスとが混合され、その混合されたガスは水蒸気改質器ＲＦＳ内の改質部に送り込まれる。改質部は、予熱部から水蒸気及び被改質ガスが供給され、改質触媒の作用によって被改質ガスを改質して燃料ガスとなし、分散室ＤＢへと送り込んでいる。このように、水蒸気改質器ＲＦＳは、燃焼室ＦＣ２の上方に配設されているため、燃焼室ＦＣ２で生じる熱を用いて吸熱反応である水蒸気改質反応を効率よく行うことができる。
【００５０】
部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外側面下部に断熱材（図に明示しない）を介して配設されている。部分酸化改質器ＲＦＰは、被改質ガス、空気、純水が供給されるように構成されている。部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスは、分散室ＤＢの底面に形成された前述した図示しない導入穴から分散室ＤＢに供給される。部分酸化改質器ＲＦＰと分散室ＤＢとを連通して燃料ガスを流通させる配管は断熱材（図に明示しない）で包まれている。部分酸化改質器ＲＦＰは、起動モードの際と、運転停止モードの際に、被改質ガスに部分酸化改質又は水を用いた改質を行うが、水を必要としない部分酸化改質反応（ＰＯＸ）時には、燃料電池システム制御部ＣＳによって、部分酸化改質器ＲＦＰに純水が供給されないように制御される。
【００５１】
各燃料電池セルＣＥに高温の酸化ガスを供給するために、触媒燃焼器１０及び空気ヘッダ１１が設けられている。触媒燃焼器１０には、触媒が充填されており、空気と燃料ガスとが供給され、所定のＳＶ（空間速度）値を上回る着火条件を満たした場合に着火して燃焼するように構成されている。触媒燃焼器１０には、流量調整ユニットＡＰ１ｂから送出され、ヒータＡＨ２によって昇温された空気が供給されるように構成されている。また、触媒燃焼器１０には、都市ガスが直接供給されるように構成されている。触媒燃焼器１０によって更に昇温された空気は空気ヘッダ１１に供給される。空気ヘッダ１１は、複数の燃料電池セルＣＥそれぞれに空気を分配供給するように構成されている。
【００５２】
続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動運転及び発電運転における各種改質反応の切り替えについて図４を参照しながら説明する。図４は、燃料電池システムＦＣＳの起動時における各部の温度や流量を示すグラフである。図４の（ａ）は、燃料電池セルＣＥの空気極（カソード）側に供給する空気の流量等を示し、図４の（ｂ）は、部分酸化改質器ＲＦＰに関するガス流量等を示し、図４の（ｃ）は、水蒸気改質器ＲＦＳに関するガス流量等を示している。
【００５３】
具体的には、図４の（ａ）は、触媒燃焼器１０に供給される空気の流量（発電用空気流量センサＤＳ９によって検出）２０と、触媒燃焼器１０に直接供給される都市ガスの流量（図示しない都市ガス流量センサによって検出）２１と、ヒータＡＨ２の温度（ヒータＡＨ２の仕様と印加電圧によって算出）２２と、触媒燃焼器１０の出口温度（図示しない温度センサによって検出）２３と、燃焼室ＦＣ２の温度（図示しない温度センサによって検出）２４とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度（℃）及び空気流量（ＮＬＭ：Ｎｏｒｍａｌ  Ｌｉｔｔｅｒ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ）を示し、右側の縦軸は都市ガスの流量（ＮＬＭ）を示している。
【００５４】
図４の（ｂ）は、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される空気の流量（改質用空気流量センサＤＳ８によって検出）２５と、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される都市ガスの流量（燃料流量センサＤＳ７によって検出）２６と、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される水の流量（水流量センサＤＳ６によって検出）２７と、ヒータＡＨ１の温度（ヒータＡＨ１の仕様と印加電圧によって算出）２８と、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度（改質器温度センサＤＳ１によって検出）２９と、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管出口温度（改質器温度センサＤＳ１によって検出）３０とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度（℃）を示し、右側の縦軸は空気の流量及び都市ガスの流量（ＮＬＭ）及び水の流量（ｍｌＭ：ｍｌ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ）を示している。
【００５５】
図４の（ｃ）は、燃料電池セルＣＥの温度（スタック温度センサＤＳ２によって検出）３１と、水蒸気改質器ＲＦＳに供給される都市ガスの流量（燃料流量センサＤＳ７によって検出）３２と、水蒸気改質器ＲＦＳに供給される水の流量（水流量センサＤＳ６によって検出）３３と、電力取出ラインＥＰ１から取り出す電流（電力状態検出部ＤＳ１０によって検出）３４とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度（℃）を示し、右側の縦軸は燃料ガスの流量（ＮＬＭ）及び水の流量（ｍｌＭ）を示している。
【００５６】
まず、スタートと同時にカソード側への空気供給を開始する（図４の（ａ））。この空気流量２０は４００ＮＬＭである。また、スタートと同時に部分酸化改質器ＲＦＰへの空気供給を開始する（図４の（ｂ））。この空気流量２５は２０ＮＬＭである。カソード側への空気が流れ始めたことを確認し、ヒータＡＨ２をＯＮする（図４の（ａ）における時刻ｔ１）。時刻ｔ１からヒータＡＨ２への通電を開始し、時刻ｔ２までにヒータＡＨ２の温度２２が７５０℃になるように制御する。一方、部分酸化改質器ＲＦＰへの空気が流れ始めたことを確認し、ヒータＡＨ１をＯＮする（図４の（ｂ）における時刻ｔ１）。時刻ｔ１からヒータＡＨ１への通電を開始し、時刻ｔ２までにヒータＡＨ１の温度２８が６００℃になるように制御する。
【００５７】
カソード側において、ヒータＡＨ２によって昇温された空気が供給されるので、触媒燃焼器１０の出口温度２３と燃焼室ＦＣ２の温度２４が上昇する。触媒燃焼器１０の出口温度２３が４００℃に到達すると、空気流量２０を１５０ＮＬＭに落とし、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを極力抑えるような着火条件を設定する（図４の（ａ）における時刻ｔ３から時刻ｔ４）。その後、時刻ｔ４において、都市ガスを触媒燃焼器１０へ直接供給開始する。この都市ガスの供給流量２１は０．５ＮＬＭである。その後、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを防ぐように、時刻ｔ５から徐々に空気と都市ガスの供給量を増やしていく。空気流量２０は４００ＮＬＭに戻し、都市ガスの供給流量２１は２ＮＬＭへと増やす。この結果、触媒燃焼器１０の出口温度２３が７００℃以上９００℃以下となって、燃料電池セルＣＥを上部から加熱する。尚、燃料電池セルＣＥの上下の温度差は１５０℃以内となるように制御し、燃焼室ＦＣ２の温度と燃料電池セルＣＥの上部の温度との差が１５０℃以内となるように制御する。
【００５８】
図４の（ｂ）に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰでは、ヒータＡＨ１によって昇温された空気が供給されるので、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９及び反応管出口温度３０が上昇する。部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９が４００℃以上となったことを条件として、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて空気流量２５を減らし、５ＮＬＭ程度まで低減し、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを極力抑えるような着火条件を設定する。部分酸化改質器ＲＦＰへ被改質ガスとしての都市ガスを供給する（図４の（ｂ）の時刻ｔ６）。この供給流量２６は、１ＮＬＭである。更に、時刻ｔ７からは、水も供給される。この供給流量２７は、１ｍｌＭである。
【００５９】
このように、被改質ガスとしての都市ガス、空気、水が供給されて所定温度が確保された部分酸化改質器ＲＦＰでは、部分酸化改質反応ＰＯＸとオートサーマル改質反応ＡＴＲとが行われているものと想定される。
【００６０】
部分酸化改質反応ＰＯＸは、部分酸化改質器ＲＦＰに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。ただし、部分酸化改質反応ＰＯＸは、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。
【００６１】
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間的な改質反応であって、部分酸化改質器ＲＦＰに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行う改質反応であり、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2        （２）
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、水素収率が部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施形態の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応ＰＯＸにより近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ１を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応ＳＲにより近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ２を後に行っている。
【００６２】
図４の（ｂ）に示すように、部分酸化改質反応ＰＯＸが支配的に進行していると思われる時刻ｔ６から時刻ｔ７では、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９や反応管出口温度３０が急激に上昇している。その後、時刻ｔ８から時刻ｔ９にかけて、空気、都市ガス、水を徐々に増やし、部分酸化改質反応ＰＯＸに近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ１から水蒸気改質反応により近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ２へと移行することで、温度バランスを取りながら、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９及び反応管出口温度３０を徐々に上昇させている。尚、時刻ｔ９において、空気流量２５は２０ＮＬＭ、都市ガスの供給流量２６は４ＮＬＭ、水の供給流量２７は４ｍｌＭである。
【００６３】
上述したように、燃料電池セルＣＥの上方からは、触媒燃焼器１０によって昇温された酸化ガスとしての空気が供給され、燃料電池セルＣＥの下方からは、部分酸化改質器ＲＦＰによって昇温された燃料ガスが供給され、燃料電池セルＣＥの温度がバランスよく徐々に上昇する（図４の（ｃ））。蒸発器ＲＦ２の温度が所定温度を上回った時刻ｔ１０から、水蒸気改質器ＲＦＳへと水の供給を開始する。この際の水の供給流量は、１〜３ｍｌＭである。その後、水蒸気改質器ＲＦＳの温度が所定温度を上回った時刻ｔ１１から、水蒸気改質器ＲＦＳへと被改質ガスとしての都市ガスの供給を開始する。この際の都市ガスの供給流量は、１ＮＬＭである。時刻ｔ１１の後、水及び都市ガスの供給流量を徐々に上昇させていく。この水蒸気改質器ＲＦＳにおいては、水蒸気改質反応ＳＲが支配的に進行していると想定される。
【００６４】
水蒸気改質反応ＳＲは、水蒸気改質器ＲＦＳに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
水蒸気改質反応ＳＲは、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。
【００６５】
このようにして発電準備を整えた後の時刻ｔ１２から、電力の取出を開始し、発電運転を開始する。これに呼応するように、時刻ｔ１２の後の時刻ｔ１３において、触媒燃焼器１０への直接の都市ガス供給を停止する（図４の（ａ））。その後、ヒータＡＨ２も停止させる（図４の（ａ）の時刻ｔ１６）。
【００６６】
時刻ｔ１３の後の時刻ｔ１４から、部分酸化改質器ＲＦＰへの空気を昇温させるヒータＡＨ１の通電量を徐々に低下させ、時刻ｔ１５において停止する。その時刻ｔ１５から部分酸化改質器ＲＦＰへの空気、都市ガス、水の供給も低減させる。時刻ｔ１５の後の時刻ｔ１６において、空気、都市ガス、水の供給流量を所定値に維持した後、時刻ｔ１７において空気の供給を停止する。その後、時刻ｔ１８までは都市ガスと水を供給し続けて、水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応を起こさせて降温させる。時刻ｔ１８において都市ガスの供給を停止し、水蒸気によって部分酸化改質器ＲＦＰの反応管内をパージした後、時刻ｔ１９において水の供給を停止する。
【００６７】
尚、図４に示す形態では、ヒータＡＨ１への通電量を低下させて、ヒータＡＨ１の発熱を徐々に低下させた後に、空気の供給流量を低減させたけれども、これとは逆に空気の供給流量を増やすように制御することも好ましい。ヒータＡＨ１による発熱を徐々に低下させることで、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する空気の温度の急変を防止することができ、ひいては部分酸化改質器ＲＦＰから供給する燃料ガスの温度の急変も防止することができる。更に、ヒータＡＨ１による発熱の抑制に合わせて部分酸化改質器ＲＦＰへの空気供給量を増やすことで、投入される熱量が急変することも防止することができる。
【００６８】
また、発電運転の開始後（図４に示す形態では、時刻ｔ１２の後）に、水蒸気改質器ＲＦＳから供給する燃料ガスに含まれる水素量と部分酸化改質器ＲＦＰから供給する燃料ガスに含まれる水素量との総和が略一定となるように、部分酸化改質器ＲＦＰによる燃料ガスの供給を徐々に減少させている。発電運転の開始後に部分酸化改質器ＲＦＰによる燃料ガスの供給を徐々に減少させるにあたって、水蒸気改質器ＲＦＳ及び部分酸化改質器ＲＦＰから供給される燃料ガスに含まれる水素量の総和を維持することで、発電運転の開始後にまで部分酸化改質器ＲＦＰの稼動を継続させることによる発電運転への影響を低減させることができる。
【００６９】
また、本実施形態では、発電運転の開始後に、燃料電池セルＣＥに供給される酸化ガスの温度が略一定となるように、空気加熱媒体である触媒燃焼器１０による昇温を徐々に低下させている。発電運転に移行すると、水蒸気改質器ＲＦＳによって改質された燃料ガスも供給され、燃料電池セルＣＥ上方において残余の燃料ガスと残余の酸化ガスとが燃焼する量も増え、結果として燃料電池セルＣＥ上方がより高温化する傾向にある。そこでこの態様では、触媒燃焼器１０による酸化ガスの昇温を低下させ、燃料電池セルＣＥに供給される酸化ガスの温度を略一定とすることで、燃料電池セルＣＥの上下方向における温度差を抑制することができる。
【００７０】
続いて、蒸発器ＲＦ２の構成について図５〜図８を参照しながら説明する。図５は蒸発器ＲＦ２の側面図である。図６は、蒸発器ＲＦ２の平面図である。図７は、図６におけるＡ矢視図である。図８は、図６におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００７１】
図５に示すように、蒸発器ＲＦ２は、排気ガス排出筒４２と、排出ガス排出筒４２の両端に設けられているフランジ４０，４１と、排気ガス排出筒４２を貫通して蛇行するように設けられている管路ＲＦＴとを備えている。
【００７２】
フランジ４０，４１は、排気ガス排出路１２に蒸発器ＲＦ２を取り付けるためのものであって、排気ガス排出路１２の途中に設けられている一対のフランジ１２ａ，１２ａに取り付けられるように構成されている。排気ガス排出路１２に設けられている一対のフランジ１２ａ，１２ａにフランジ４０，４１を取り付けると、排気ガス排出筒４２と排気ガス排出路１２とが連通し、排気ガス排出路１２と排気ガス排出筒４２とによって排気ガスを排出するための通路（本願発明における排気ガス排出路）が形成される。
【００７３】
排気ガス排出筒４２は、互いに対向する側壁４２ａ，４２ｂを備えている。この側壁４２ａ，４２ｂを貫通して蛇行するように管路ＲＦＴが設けられている。管路ＲＦＴは、側壁４２ａから側壁４２ｂに向けて略水平に延びる複数の水平部ＴＳを有しており、これら複数の水平部ＴＳを折返し部ＴＣによって繋いで一本の管路となしている。管路ＲＦＴの入口４３から水が導入され、管路ＲＦＴ内で蒸発して水蒸気となって出口４４から改質器ＲＦ１（水蒸気改質器ＲＦＳ）に向けて送り出される。
【００７４】
折返し部ＴＣは、一の水平部ＴＳ（第一水平部）の端部と他の水平部ＴＳ（第二水平部）の端部とを繋ぐように設けられ、上昇勾配を有するように構成されている。本実施形態では、管路ＲＦＴの入口４３は出口４４よりも、排気ガス流の下流側であり、鉛直方向においては下方に配置されている。従って、入口４３から導入された水は、水平部ＴＳを通って加熱され、折返し部ＴＣによって上方に導かれて次の水平部ＴＳに送り込まれて更に加熱され、これらを繰り返して水蒸気となって出口４４から送り出される。
【００７５】
図６に示すように、側壁４２ａの一端と側壁４２ｂの一端とを繋ぐように側壁４２ｃが設けられており、側壁４２ａの他端と側壁４２ｂの他端とを繋ぐように側壁４２ｄが設けられている。側壁４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄは、互いに連結されて排気ガス排出筒４２を構成している。排気ガス排出筒４２の中には、排気ガスの流れに沿うように複数のフィン４２ｆが設けられている。フィン４２ｆは、側壁４２ａ，４２ｂと平行に配置され、側壁４２ａから側壁４２ｂの間において略等間隔に配置されている。管路ＲＦＴの各水平部ＴＳは、各フィン４２ｆに設けられている穴（図に明示しない）を貫通するように設けられており、各フィン４２ｆと接触している。従って、排気ガス排出筒４２の中を流れる排気ガスとフィン４２ｆを介して効率的に熱交換が可能なように構成されている。
【００７６】
管路ＲＦＴが側壁４２ａ（一側壁）の近傍から側壁４２ｂ（他側壁）の近傍に向けて略水平に延びる複数の水平部ＴＳ（第一水平部及び第二水平部）を有しているので、排気ガス排出路を構成する排気ガス排出筒４２内の排気ガスが流れる方向に略直交して排気ガス排出路を横断するように水平部ＴＳ（第一水平部及び第二水平部）を配置することができる。この水平部ＴＳが排気ガスが流れる方向に略直交せずに傾いていれば、排気ガスはいずれかの側壁に偏って流れてしまうので、水平部ＴＳを排気ガスの流れに略直交するように配置することで、排気ガス排出路内を流れる排気ガスの流れを偏らせることを回避することができ、水平部ＴＳに対して均一に排気ガスを接触させることが可能となり、安定的に水蒸気を発生させることができる。
【００７７】
折返し部ＴＣは、一の水平部ＴＳ（第一水平部）の端部と他の水平部（第二水平部）の端部とを繋ぐように設けられ、上昇勾配を有するように構成されているので、排気ガス排出路を構成する排気ガス排出筒４２の側壁４２ａ（一側壁）又は側壁４２ｂ（他側壁）の近傍において上昇勾配を形成しつつ各水平部ＴＳを繋いでいる。従って、排気ガス排出路を構成する排気ガス排出筒４２内の排気ガスの流れを乱さずに、各水平部ＴＳを排気ガスの流れる方向においてずらしながら繋ぐことができる。このように複数の水平部ＴＳとそれらを繋ぐ折返し部ＴＣとを形成することにより、コンパクト性を確保しつつ管路ＲＦＴの入口４３から出口４４に至るまでに管路ＲＦＴと排気ガスとの接触部分をより多く設けると共に、排気ガスの流れを偏らせずに確実に管路ＲＦＴに熱を伝え、管路ＲＦＴ内において効率的且つ安定的に水蒸気を発生させて供給することができる。
【００７８】
折返し部ＴＣは、排気ガス排出筒４２の外部に配置されている。図７に示すように、折返し部ＴＣは、排気ガス排出筒４２の外部に配置されていると共に、それぞれが上昇勾配を有するように構成されている。
【００７９】
折返し部ＴＣは管路ＲＦＴの延伸方向を変更させるように各水平部ＴＳを繋いでおり、各水平部ＴＣは互いに排気ガス排出路を構成する排気ガス排出筒４２の側壁４２ａ近傍から側壁４２ｂ近傍に向けて略水平に延びるように配置されているので、折返し部ＴＣはその内部を流れる流体をほぼ逆方向に向けるように構成されている。従って、折返し部ＴＣ内を環状流又は環状噴霧流が流れた場合はもとより、噴霧流が流れた場合であっても、内壁に水滴が付着しやすいものと想定される。そこで本実施形態では、折返し部ＴＣを排気ガス排出筒４２の外部に配置し、折返し部ＴＣを排気ガスによって急激に加温しないように構成している。このように構成することで、折返し部ＴＣ内の水滴を急激に加温して蒸発させることによる水蒸気量の変動を抑制し、管路ＲＦＴ内において効率的且つ安定的に水蒸気を発生させて供給することができる。
【００８０】
図８に示すように、管路ＲＦＴを構成する各水平部ＴＳは、排気ガスが流れる方向から見てそれぞれがずれた位置に配置されている。「ずれた位置」とは、排気ガスが流れる方向からみて各水平部ＴＳが完全に重なった位置には配置されていない状態を示すものであり、排気ガスが流れる方向から見通していずれの水平部ＴＳも少なくともその一部が視認可能なように配置されている状態を示すものである。
【００８１】
このように各水平部ＴＳが、排気ガスが流れる方向から見てそれぞれがずれた位置に配置されているので、排気ガス排出路を構成する排気ガス排出筒４２の側壁４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが延びる方向に沿って流れる排気ガスに、各水平部ＴＳを確実に接触することができる。従って、各水平部ＴＳを流れる水を効率よく加熱することができ、管路ＲＦＴ内において効率的且つ安定的に水蒸気を発生させて供給することができる。
【符号の説明】
【００８２】
ＡＤＵ：補器ユニット
ＡＨ１，ＡＨ２：ヒータ
ＡＰ：空気供給部
ＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂ：流量調整ユニット
ＡＰ２：電磁弁
Ｃ：容器
ＣＢ：制御ボックス
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＯＤ：一酸化炭素検知器
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１：操作装置
ＣＳ２：表示装置
ＣＳ３：報知装置
ＤＢ：分散室
ＤＳ１：改質器温度センサ
ＤＳ２：スタック温度センサ
ＤＳ３：排気温度センサ
ＤＳ４：改質器内圧力センサ
ＤＳ５：水位センサ
ＤＳ６：水流量センサ
ＤＳ７：燃料流量センサ
ＤＳ８：改質用空気流量センサ
ＤＳ９：発電用空気流量センサ
ＤＳ１０：電力状態検出部
ＤＳ１１：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３：可燃ガス検出センサ
ＥＰ：電力取出部
ＥＰ１：電力取出ライン
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ１：流量調整ユニット
ＦＰ２：脱硫器
ＦＰ４，ＦＰ５：ガス遮断弁
ＧＤ１，ＧＤ２：可燃ガス検知器
ＨＷ：温水製造装置
ＭＶ：混合部
ＲＦ１：改質器
ＲＦ２：蒸発器
ＲＦＴ：管路
ＴＳ：水平部
ＴＣ：折返し部
４０，４１：フランジ
４２：排気ガス排出筒
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ：壁
４２ｆ：フィン
４３：入口
４４：出口
ＲＦＰ：部分酸化改質器
ＲＦＳ：水蒸気改質器
ＷＰ：水供給部
ＷＰ１：流量調整ユニット
ＷＰ２：貯水タンク
１０：触媒燃焼器
１１：空気ヘッダ
１２：排気ガス排出路
１２ａ：フランジ
２０：空気流量（触媒燃焼器）
２１：都市ガスの供給流量（触媒燃焼器）
２２：ヒータ温度
２３：触媒燃焼器出口温度
２４：燃焼室温度
２５：空気流量（部分酸化改質器）
２６：都市ガス流量（部分酸化改質器）
２７：水流量（部分酸化改質器）
２８：ヒータ温度
２９：反応管入口温度（部分酸化改質器）
３０：反応管出口温度（部分酸化改質器）
３１：燃料電池セル温度
３２：都市ガス流量（水蒸気改質器）
３３：水流量（水蒸気改質器）
３４：電流
【図１】
2011060553.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011060553.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011060553.tif 000009
【図８】
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