(57)【要約】【課題】改質ガスに水蒸気を添加するために装置が大型化するのを抑え、温度分布状態がより均一な改質ガスをシフト部に供給する技術を提供する。【解決手段】水蒸気混合部が備える薄板積層構造１７内には、多数の水流路と改質ガス流路とが形成されている。外部から水蒸気混合部に供給された水は、主水路７６から分配流路７９までを経由して、各水流路に吐出される。吐出された水は、改質ガス流路中の改質ガスとの間で熱交換を行なう。これにより、改質ガスは冷却されて排出される。また、水流路中の水は次第に気化して水流路の端部から排出された後、改質ガス流路に流入する改質ガス中に混合される。各水流路に吐出される水を導く上記流路の分岐部の位置により、各水流路に吐出される水の量は、所定の不均一状態となる。より高温となり易い部位等に、より多くの水を流すことで、排出される改質ガスの温度分布状態を均一化する。【選択図】　　　　図５
2004035310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系化合物を含む燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置に備えられ、前記燃料改質装置内を流れる改質ガスに水蒸気を混合するための水蒸気混合装置であって、
多数の薄板を積層した薄板積層構造と、
前記薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる複数の改質ガス流路と、
前記薄板に挟まれた空間に形成され、外部から供給された水が流れつつ、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって該水が加熱されて水蒸気となる複数の水流路と、
外部から供給される水を前記複数の水流路に導く水分配マニホールドと
を備え、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように接続されており、
前記薄板積層構造は、該薄板積層構造内における水の分配状態が所定の不均一状態となるように構成されている
水蒸気混合装置。
【請求項２】
請求項１記載の水蒸気混合装置であって、
前記水の分配状態における所定の不均一状態とは、前記薄板積層構造内を通過する改質ガスにおける温度分布の偏りを減少させるように、水の分布を偏らせた状態である
水蒸気混合装置。
【請求項３】
請求項１記載の水蒸気混合装置であって、
前記水の分布状態における所定の不均一状態とは、前記薄板積層構造自体における温度分布の偏りを減少させるように、水の分布を偏らせた状態である
水蒸気混合装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の水蒸気混合装置であって、
前記水分配マニホールドは、前記複数の水流路のそれぞれに分配される水の量が不均一となるように構成されている
水蒸気混合装置。
【請求項５】
請求項４記載の水蒸気混合装置であって、
前記水分配マニホールドは、
前記複数の水流路の内の少なくとも一部の複数の水流路に連通して設けられ、該連通する水流路に対して水を吐出する分配流路と、
外部から供給された水を前記分配流路にまで導く水導入路と、
前記分配流路と前記水導入路とが接続する接続部と、を有し、
前記水分配マニホールドは、前記分配流路から水流路に対して水を吐出する際に、前記接続部の近傍から水を吐出される前記水流路に対しては、他の水流路に比べて多くの量の水を吐出する
水蒸気混合装置。
【請求項６】
請求項４記載の水蒸気混合装置であって、
前記水分配マニホールドは、
前記複数の水流路の各々に対応して設けられ、各水流路に分配する水を吐出する吐水口と、
外部から水が供給される流路であって、途中で分岐しつつ前記水を前記それぞれの吐水口にまで導く導入流路と、を備え、
前記導入流路は、前記薄板積層構造内の所定の部位を通過することによって、該所定の部位の周辺の領域を、前記導入流路内部を通過する水によって冷却し、前記所定の部位を通過する流路よりも下流側に位置する導入流路のうち、分岐して前記冷却された領域を通過する流路において、分岐して他の領域を通過する流路よりも、流路内における水の気化を抑えるように構成されている
水蒸気混合装置。
【請求項７】
請求項４記載の水蒸気混合装置であって、
前記水分配マニホールドは、
前記複数の水流路の各々に対応して設けられ、各水流路に分配する水を吐出する吐水口と、
前記複数の吐水口の内の少なくとも一部の吐水口を開口部として有する流路であって、該吐水口を介して対応する水流路に対して水を供給する分配流路と、
外部から供給された水を前記分配流路にまで導く水導入路と
を備え、
前記分配流路は、前記複数の吐水口の各々が設けられる部位によってその流路径が異なるように形成されている
水蒸気混合装置。
【請求項８】
請求項４記載の水蒸気混合装置であって、
前記水分配マニホールドは、前記複数の水流路を複数のグループに分けた各々のグループに対して設けられたサブマニホールドであって、グループ内の水流路に連通して、該連通する水流路に対して水を吐出する複数のサブマニホールドを備え、
前記サブマニホールドは、周囲の温度に応じて流路抵抗が変化する可変流路抵抗部を備える
水蒸気混合装置。
【請求項９】
請求項１ないし３いずれか記載の水蒸気混合装置であって、
前記薄板積層構造を構成する前記薄板は、前記水流路を形成するための所定の形状を有する水流路板を含み、
前記薄板積層構造は、前記水流路板が配設される割合が不均一であることにより、前記水流路が形成される間隔が不均一となっている
水蒸気混合装置。
【請求項１０】
炭化水素系化合物を含む燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置に備えられ、前記燃料改質装置内を流れる改質ガスに水蒸気を混合するための水蒸気混合装置であって、
多数の薄板を積層した薄板積層構造と、
前記薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる複数の改質ガス流路と、
前記薄板に挟まれた空間に形成され、外部から供給された水が流れつつ、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって該水が加熱されて水蒸気となる複数の水流路と、
外部から供給される水を前記複数の水流路に導く水分配マニホールドと
を備え、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように接続されており、
前記水分配マニホールドは、前記複数の水流路の各々に分配される水の量のばらつきを低減させるためのばらつき低減構造を有する
水蒸気混合装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の水蒸気混合装置であって、
前記ばらつき低減構造は、
前記複数の水流路を複数のグループに分けた各々のグループに対して設けられ、グループ内の水流路に連通して、該連通するグループ内の水流路に対して水を吐出する複数の分配流路と、
外部から供給された水を、前記複数の分配流路にまで導く水導入路と
を備える
水蒸気混合装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の水蒸気混合装置であって、
前記水導入路は、前記薄板積層構造内における水の分配状態を所定の不均一状態とするために、所定の分配流路に水を供給する流路を、他の分配流路に水を供給する流路に比べて太く形成している
水蒸気混合装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の水蒸気混合装置であって、
前記複数の分配流路の各々は、前記薄板積層構造内における水の分配状態を所定の不均一状態とするために、連通する前記水流路の数が不均一となっている
水蒸気混合装置。
【請求項１４】
請求項１０記載の水蒸気混合装置であって、
前記ばらつき低減構造は、前記薄板積層構造から前記水分配マニホールドに熱が伝わるのを阻害する熱移動阻害部を備える
水蒸気混合装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の水蒸気混合装置であって、
前記熱移動阻害部は、前記水分配マニホールドの少なくとも一部を構成する二重管である
水蒸気混合装置。
【請求項１６】
請求項１０記載の水蒸気混合装置であって、
前記ばらつき低減構造は、前記複数の水流路に別個に水を供給するための細管からなる多管型マニホールドである
水蒸気混合装置。
【請求項１７】
請求項１０記載の水蒸気混合装置であって、
前記ばらつき低減構造は、壁面の少なくとも一部を多孔質体によって形成すると共に、内部を通過する水を前記多孔質体からしみ出させることによって前記水流路に水を分配するしみ出し冷却式マニホールドである
水蒸気混合装置。
【請求項１８】
請求項１ないし１７いずれか記載の水蒸気混合装置であって、
前記水分配マニホールドは、前記薄板積層構造を構成する前記薄板のそれぞれにおいて、互いに対応する位置に設けられた穴部によって形成される
水蒸気混合装置。
【請求項１９】
炭化水素系化合物を含む燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置であって、
前記燃料から、水素と一酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスと所定の冷媒との間で熱交換を行なわせ、前記改質ガスを降温させる熱交換器と、
前記熱交換器に接続して設けられ、多数の薄板を積層した薄板積層構造を有し、前記改質ガスに水蒸気を混合させる水蒸気混合装置と、
水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備え、前記熱交換器および前記水蒸気混合装置を経由した前記改質ガスの供給を受けて、該改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して燃料ガスを生成するシフト部と
を備え、
前記水蒸気混合装置は、
薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる複数の改質ガス流路と、
薄板に挟まれた空間に形成され、外部から供給された水が流れつつ、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって該水が加熱されて水蒸気となる複数の水流路と、
外部から供給される水を前記複数の水流路に導く水供給マニホールドと
を備え、
を有しており、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように接続されている
燃料改質装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気混合装置は、前記改質ガスの流れに対して、前記熱交換器の上流側に配設されており、
前記水蒸気混合装置で水蒸気を混合された改質ガスが前記熱交換器に導かれるように、両者が接続されている
燃料改質装置。
【請求項２１】
請求項１９記載の燃料改質装置であって、
前記熱交換器は、前記改質ガスの流れに対して、前記水蒸気混合装置の上流側に配設されており、
前記熱交換器で降温された改質ガスが前記水蒸気混合装置に導かれるように、両者が接続されている
燃料改質装置。
【請求項２２】
請求項１９記載の燃料改質装置であって、
少なくとも１つの前記熱交換器と、少なくとも２つの前記水蒸気混合装置とを備え、
前記熱交換器および前記水蒸気混合装置は、前記改質ガスの流れに対して所定の順序で直列に接続されており、
最も上流側および最も下流側には前記水蒸気混合装置が配設されている
燃料改質装置。
【請求項２３】
請求項１９記載の燃料改質装置であって、
前記熱交換器および前記水蒸気混合装置を、それぞれ複数備え、
前記熱交換器および前記水蒸気混合装置は、前記改質ガスの流れに対して互いに交互に配設されて、配設の順序に従って前記改質ガスが導かれるように、互いに接続されている
燃料改質装置。
【請求項２４】
請求項１９ないし２３いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記熱交換器で用いる前記所定の冷媒は水であり、
前記熱交換器で前記改質ガスと熱交換することで昇温した水を、前記水蒸気混合装置が備える前記水供給マニホールドに導く水流路を、さらに備える
燃料改質装置。
【請求項２５】
請求項１９ないし２４いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気混合装置は、水蒸気を混合された前記改質ガスの出口部近傍において、多孔質部材を備える
燃料改質装置。
【請求項２６】
請求項１９ないし２５いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気混合装置は、請求項１ないし１８記載の水蒸気混合装置である
燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置、および、燃料改質装置内で改質ガスに水蒸気を混合するための水蒸気混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池に供給するための水素を得る方法として、炭化水素系化合物を改質して水素リッチガスを生成する方法が知られている。改質反応によって生成した水素リッチガスは通常は一酸化炭素を含有しているため、上記水素リッチガスを燃料電池に供給するのに先立って、ガス中の一酸化炭素濃度の低減が図られる。改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する方法の一つとして、一酸化炭素と水から水素と二酸化炭素を生じるシフト反応が利用されており、この場合には、改質触媒を備える改質器の下流側に、シフト触媒を備えるシフト部が配設される。
【０００３】
上記のように、シフト反応は水（水蒸気）を用いる反応であるため、シフト部に供給する改質ガスは、充分量の水蒸気を含有する必要がある。充分量の水蒸気を含有する改質ガスをシフト部に供給する方法として、別途水蒸気を生成しておき、この水蒸気を改質ガスに添加して、混合した両者をシフト部に導入する構成が知られている（例えば、特開昭６３−３０３８０１号公報等）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、予め生成しておいた水蒸気を改質ガスに添加する場合には、改質器やシフト部とは別に、水を気化させるための装置を設ける必要があるため、燃料改質装置全体が大型化してしまうという問題があった。特に、燃料電池システムを車両などの移動体に搭載する場合には、搭載可能なスペースに制限があるため、装置全体を小型化することが強く望まれている。
【０００５】
また、改質ガスをシフト部に供給する際には、改質反応の反応温度がシフト反応の反応温度よりも高いため、通常は、改質ガスの降温が行なわれる。改質ガスを降温する方法としては、例えば、所定の冷媒と改質ガスとを熱交換させる熱交換器を設ける方法が挙げられる。しかしながら、熱交換器を用いる場合には、熱交換器内において冷媒を引き回す流路の形状によって、熱交換器内における熱交換効率に偏りが生じ、熱交換器から排出される改質ガスの温度分布状態が不均一になるという問題があった。温度分布状態が不均一である改質ガスをシフト部に供給すると、シフト触媒全体で充分な活性を確保することが困難となるため、シフト反応の活性を確保するために、シフト部全体をより大型化する必要が生じる。シフト部の大型化は燃料改質装置全体の大型化を引き起こすため、改質ガスを降温させる際に、改質ガスの温度分布状態がより均一化される方法が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、改質ガスに水蒸気を添加するために装置が大型化するのを抑え、温度分布状態がより均一な改質ガスをシフト部に供給する技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の第１の水蒸気混合装置は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置に備えられ、前記燃料改質装置内を流れる改質ガスに水蒸気を混合するための水蒸気混合装置であって、
多数の薄板を積層した薄板積層構造と、
前記薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる複数の改質ガス流路と、
前記薄板に挟まれた空間に形成され、外部から供給された水が流れつつ、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって該水が加熱されて水蒸気となる複数の水流路と、
外部から供給される水を前記複数の水流路に導く水分配マニホールドと
を備え、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように接続されており、
前記薄板積層構造は、該薄板積層構造内における水の分配状態が所定の不均一状態となるように構成されていることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の第１の水蒸気混合装置では、薄板積層構造に導入された水は、上記水流路を流れる間に、改質ガス流路を流れる改質ガスによって加熱されて水蒸気となり、また、水を加熱することで改質ガスは降温する。生成された水蒸気は、改質ガス流路に流れ込んで、改質ガスに混合される。このとき、薄板積層構造内における水の分配状態が所定の不均一状態となるように、複数の水流路に水が分配されるため、改質ガスが冷却される状態も、所定の不均一状態となる。上記所定の不均一状態として、例えば、薄板積層構造においてより温度が高い改質ガスが通過する領域に設けられた水流路に対して、より多くの水が分配される状態とすれば、より多くの水が分配される領域では改質ガスの冷却がより促進されるため、薄板積層構造内を通過する改質ガスにおける温度分布の偏りが減少する。あるいは、薄板積層構造においてより温度が高くなりやすい領域に設けられた水流路に対して、より多くの水が分配される状態とすれば、薄板積層構造自体における温度分布の偏りが減少する。したがって、このように水の分配状態を所定の不均一状態とすることで、水蒸気混合装置から排出される改質ガスの温度分布状態の均一化を図ることができる。また、本発明によれば、水を気化させるための特別な装置を設ける必要が無く、改質ガスと水との間の高い熱交換効率を実現しつつ水を気化させることができるため、改質ガスを加湿するための装置をより小型化することができる。
【０００９】
本発明の第１の水蒸気混合装置において、前記水分配マニホールドは、前記複数の水流路のそれぞれに分配される水の量が不均一となるように構成されていることとしても良い。複数の水流路のそれぞれに分配される水の量を不均一とすることで、薄板積層構造内における水の分配状態を不均一とすることができる。
【００１０】
このような本発明の第１の水蒸気混合装置において、
前記水分配マニホールドは、
前記複数の水流路の内の少なくとも一部の複数の水流路に連通して設けられ、該連通する水流路に対して水を吐出する分配流路と、
外部から供給された水を前記分配流路にまで導く水導入路と、
前記分配流路と前記水導入路とが接続する接続部と、を有し、
前記水分配マニホールドは、前記分配流路から水流路に対して水を吐出する際に、前記接続部の近傍から水を吐出される前記水流路に対しては、他の水流路に比べて多くの量の水を吐出することとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、改質ガスの冷却をより積極的に行ないたい領域に形成される水流路に対して、上記接続部の近傍から水を吐出するように、水導入路と分配流路とを接続することで、水蒸気混合装置から排出される改質ガスの温度分布状態の均一化を図ることができる。
【００１２】
あるいは、上記本発明の第１の水蒸気混合装置において、
前記水分配マニホールドは、
前記複数の水流路の各々に対応して設けられ、各水流路に分配する水を吐出する吐水口と、
外部から水が供給される流路であって、途中で分岐しつつ前記水を前記それぞれの吐水口にまで導く導入流路と、を備え、
前記導入流路は、前記薄板積層構造内の所定の部位を通過することによって、該所定の部位の周辺の領域を、前記導入流路内部を通過する水によって冷却し、前記所定の部位を通過する流路よりも下流側に位置する導入流路のうち、分岐して前記冷却された領域を通過する流路において、分岐して他の領域を通過する流路よりも、流路内における水の気化を抑えるように構成されていることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、前記薄板積層構造内において、外部から供給された温度の低い水が流れる前記導入流路が通過する所定の部位の周辺領域が積極的に冷却されて、薄板積層構造内での温度分布状態が所定の不均一状態となる。このような所定の部位を通過する導入流路よりもさらに下流側は、各水流路に向けて分岐するが、分岐して上記冷却された領域を通過する流路では、分岐して他の領域を通過する流路よりも、流路内の温度がより低くなって、流路内における水の気化が抑えられる。流路内における水の気化が抑えられることで、流路内の圧力上昇が抑えられ、このような温度の低い流路を通過する水の流量は増加する。これによって、上記温度が低い導入流路を経由した水が吐出される水流路では、水の吐出量がより多くなる。このように、途中で分岐しつつ水を導く導入流路を配設する位置によって、水の分配状態を所定の不均一状態とすることができる。
【００１４】
また、本発明の第１の水蒸気混合装置において、
前記水分配マニホールドは、
前記複数の水流路の各々に対応して設けられ、各水流路に分配する水を吐出する吐水口と、
前記複数の吐水口の内の少なくとも一部の吐水口を開口部として有する流路であって、該吐水口を介して対応する水流路に対して水を供給する分配流路と、
外部から供給された水を前記分配流路にまで導く水導入路と
を備え、
前記分配流路は、前記複数の吐水口の各々が設けられる部位によってその流路径が異なるように形成されていることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、流路径の大きい部位に形成される前記吐水口は、流路径の小さい部位に形成される吐水口に比べて、より多くの水を水流路に対して吐出することができる。したがって、このように分配流路の流路径を変化させることによって、水の分配状態を所定の不均一状態とすることができる。
【００１６】
また、本発明の第１の水蒸気混合装置において、
前記水分配マニホールドは、前記複数の水流路を複数のグループに分けた各々のグループに対して設けられたサブマニホールドであって、グループ内の水流路に連通して、該連通する水流路に対して水を吐出する複数のサブマニホールドを備え、
前記サブマニホールドは、周囲の温度に応じて流路抵抗が変化する可変流路抵抗部を備えることとしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、周囲の温度が変化すると、これに応じてサブマニホールドにおける流路抵抗が変化して、各サブマニホールドからグループ内の水流路に吐出される水の量が変化する。これによって、水の分配状態を所定の不均一状態とすることができる。
【００１８】
本発明の第１の水蒸気混合装置において、
前記薄板積層構造を構成する前記薄板は、前記水流路を形成するための所定の形状を有する水流路板を含み、
前記薄板積層構造は、前記水流路板が配設される割合が不均一であることにより、前記水流路が形成される間隔が不均一となっていることとしても良い。
【００１９】
このような構成とすれば、前記水分配マニホールドは、形成される間隔が不均一である前記複数の水流路に水を分配することで、水の分配状態を前記所定の不均一状態とすることとができる。
【００２０】
本発明の第２の水蒸気混合装置は、炭化水素系化合物を含む燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質装置に備えられ、前記燃料改質装置内を流れる改質ガスに水蒸気を混合するための水蒸気混合装置であって、
多数の薄板を積層した薄板積層構造と、
前記薄板に挟まれた空間に形成され、前記改質ガスが流れる複数の改質ガス流路と、
前記薄板に挟まれた空間に形成され、外部から供給された水が流れつつ、前記改質ガス流路を流れる改質ガスによって該水が加熱されて水蒸気となる複数の水流路と、
外部から供給される水を前記複数の水流路に導く水分配マニホールドと
を備え、
前記水流路と前記改質ガス流路とは、前記水流路において生成された水蒸気が前記改質ガス流路に流れ込むように接続されており、
前記水分配マニホールドは、前記複数の水流路の各々に分配される水の量のばらつきを低減させるためのばらつき低減構造を有することを要旨とする。
【００２１】
以上のように構成された本発明の第２の水蒸気混合装置では、薄板積層構造に導入された水は、上記水流路を流れる間に、改質ガス流路を流れる改質ガスによって加熱されて水蒸気となり、また、水を加熱することで改質ガスは降温する。生成された水蒸気は、改質ガス流路に流れ込んで、改質ガスに混合される。このとき、複数の水流路の各々に分配される水の量のばらつきが低減されるため、改質ガスが冷却される状態が、意図していない不均一状態となることがない。そのため、上記水蒸気混合装置を用いて改質ガスを冷却する際に、改質ガスの温度分布状態が意図していない不均一状態となるのが抑えられ、水蒸気混合装置から排出される改質ガスの温度分布状態の均一化を図ることができる。また、本発明によれば、水を気化させるための特別な装置を設ける必要が無く、改質ガスと水との間の高い熱交換効率を実現しつつ水を気化させることができるため、改質ガスを加湿するための装置をより小型化することができる。
【００２２】
本発明の第２の水蒸気混合装置において、
前記ばらつき低減構造は、
前記複数の水流路を複数のグループに分けた各々のグループに対して設けられ、グループ内の水流路に連通して、該連通するグループ内の水流路に対して水を吐出する複数の分配流路と、
外部から供給された水を、前記複数の分配流路にまで導く水導入路と
を備えることとしても良い。
【００２３】
このような構成とすれば、複数の水流路を、より数の小さな複数のグループに分け、分配流路によって各グループごとに水を分配することにより、前記複数の水流路に対して一斉に水を分配する場合に比べて、水流路の各々に分配される水の量がばらつくのを抑えることができる。
【００２４】
このような本発明の第２の水蒸気混合装置において、
前記水導入路は、前記薄板積層構造内における水の分配状態を所定の不均一状態とするために、所定の分配流路に水を供給する流路を、他の分配流路に水を供給する流路に比べて太く形成していることとしても良い。
【００２５】
このような構成とすれば、前記所定の分配流路から水流路に吐出される水の量を、他の分配流路から水流路に吐出される水の量に比べて多くすることができる。そのため、上記したように複数の水流路の各々に分配される水の量が意図しないばらつきを示すのを抑制できることに加えて、水の供給先となる分配流路に応じて流路径を設定することによって、前記薄板積層構造全体で水の分配状態を所望の状態とすることができる。
【００２６】
あるいは、上記本発明の第２の水蒸気混合装置において、
前記複数の分配流路の各々は、前記薄板積層構造内における水の分配状態を所定の不均一状態とするために、連通する前記水流路の数が不均一となっていることとしても良い。
【００２７】
このような構成とすれば、連通する前記水流路の数に関わらず、各分配流路に対しては、比較的均等に水が供給される。そのため、連通する前記水流路の数がより多い分配流路ほど、連通する各々の水流路に対して吐出する水の量が少なくなる。したがって、上記したように複数の水流路の各々に分配される水の量が意図しないばらつきを示すのを抑制できることに加えて、各分配流路において連通する水流路の数を適宜設定することによって、前記薄板積層構造全体で水の分配状態を所望の状態とすることができる。
【００２８】
本発明の第２の水蒸気混合装置において、
前記ばらつき低減構造は、前記薄板積層構造から前記水分配マニホールドに熱が伝わるのを阻害する熱移動阻害部を備えることとしても良い。
【００２９】
このような構成とすれば、薄板積層構造の熱が伝わって、水分配マニホールドを構成する流路の特定の部位の温度が上昇するのを抑えることができる。水分配マニホールドにおいて特定部位の温度が上昇すると、この特定部位では水の気化が促進され、流路内の圧力が上昇して、この温度が上昇した部位よりも下流に水が供給されるのが抑えられてしまうが、このような状態となるのを防ぐことができる。これによって、水流路の各々に分配される水の量が意図しないばらつきを示すのを抑えることができる。
【００３０】
本発明の第２の水蒸気混合装置において、前記ばらつき低減構造は、前記複数の水流路に別個に水を供給するための細管からなる多管型マニホールドであることとしても良い。このように、各水水路に対して別個に水を供給することで、各水流路に供給される水の量がばらつくのを抑えることができる。
【００３１】
また、本発明の第２の水蒸気混合装置において、
前記ばらつき低減構造は、壁面の少なくとも一部を多孔質体によって形成すると共に、内部を通過する水を前記多孔質体からしみ出させることによって前記水流路に水を分配するしみ出し冷却式マニホールドであることとしても良い。
【００３２】
このような構成とすれば、水分配マニホールドの内部を通過する水を前記壁面からしみ出させることによって、マニホールド内部への熱の伝達の遮断と冷却とが行なわれる。これによって、望ましくない部位において局所的にマニホールドが昇温することで水の供給が阻害されてしまうのを防止することでき、各水流路に供給される水の量がばらつくのを抑えることができる。
【００３３】
本発明の第１または第２の水蒸気混合装置において、前記水分配マニホールドは、前記薄板積層構造を構成する前記薄板のそれぞれにおいて、互いに対応する位置に設けられた穴部によって形成されることとしても良い。このような構成とすれば、上記した形状の水分配マニホールドを備える本発明の水蒸気混合装置を、薄板を積層するという簡単な動作により容易に製造することが可能となる。
【００３４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、上記水蒸気混合装置を備える燃料改質装置や、燃料改質装置を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．熱交換部１０の構成：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．第５実施例：
Ｇ．第６実施例：
Ｈ．第７実施例：
Ｉ．第８実施例：
Ｊ．第９実施例：
Ｋ．第１０実施例：
Ｌ．第１１実施例：
Ｍ．第１２実施例：
Ｎ．第１３実施例：
Ｏ．変形例：
【００３６】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム２０の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム２０は、改質反応に供するガソリンを貯蔵するガソリンタンク３０、水を貯蔵する水タンク３２、加熱部３６を併設した蒸発器３４、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器３８、改質ガスを降温させる熱交換部１０、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を低減するシフト部４０およびＣＯ選択酸化部４２、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４４、空気を圧縮して燃料電池４４に供給するブロワ４６、コンピュータにより構成される制御部４５を主な構成要素とする。以下、それぞれの構成要素について順に説明する。
【００３７】
ガソリンタンク３０に貯蔵されるガソリンは、改質燃料流路５０を介して蒸発器３４に供給される。改質燃料流路５０にはポンプ４７が設けられており、このポンプ４７によって、蒸発器３４に供給するガソリンの量を制御する。
【００３８】
水タンク３２から蒸発器３４に水を送り込む水供給路５１にはポンプ４８が設けられており、このポンプ４８によって、蒸発器３４に供給する水量を調節する。ここで、水供給路５１は、改質燃料流路５０に合流して改質燃料供給路５２となり、蒸発器３４に接続する。改質燃料供給路５２において、ガソリンと水とは所定量ずつ混合されて、蒸発器３４に供給される。なお、水供給路５１には、水分岐路５９が接続しており、流路の接続部には、流量調整弁４９が設けられている。水分岐路５９は熱交換部１０に接続しており、水タンク３２が蓄える水の一部が熱交換部１０に供給される。
【００３９】
蒸発器３４は、上記のように供給されたガソリンおよび水を気化させる装置であり、昇温した水蒸気とガソリンとの混合気体を排出する。蒸発器３４から排出された水蒸気とガソリンとの混合気体は、混合気体流路５３を介して改質器３８に供給される。
【００４０】
蒸発器３４には、水およびガソリンを気化させる熱源として加熱部３６が併設されている。加熱部３６は、燃焼触媒を備えており、水およびガソリンを気化させるのに要する熱を燃焼反応によって発生する。この燃焼反応のために用いる燃料としては、ガソリンタンク３０に貯蔵するガソリンと、燃料電池４４のアノード側から排出されるアノード排ガスとを用いている（図示せず）。
【００４１】
また、混合気体流路５３には、ブロワ３９が接続されている。ブロワ３９は、改質器３８内で進行する部分酸化反応で要する酸素を供給する。ブロワ３９が取り込んだ空気は、混合気体流路５３において、上記混合気体に混合され、改質器３８に供給される。
【００４２】
改質器３８は、供給された混合気体を用いて改質反応を進行する。改質器３８では、部分酸化反応によって生じた熱を利用して、水蒸気改質反応を進行し、水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３８は、このような水蒸気改質反応および部分酸化反応を促進する改質触媒を備えている。ガソリンを改質する触媒としては、ロジウム触媒などの貴金属触媒を用いることができる。改質器３８で生成された改質ガスは、改質ガス流路５４を介して熱交換部１０に供給される。
【００４３】
熱交換部１０は、改質ガスを、シフト部４０に供給するのに先立って降温するための装置である。シフト部４０内で進行するシフト反応の反応温度は、改質器３８における改質反応の反応温度よりも低いため、このように、熱交換部１０を用いて改質ガスを降温させる。すなわち、６００〜１０００℃程度で運転される改質器３８からの改質ガスを、２００〜６００℃程度で運転されるシフト部４０に供給するために、改質ガスを２００〜６００℃程度まで冷却する。なお、熱交換部１０においては、改質器３８から排出された改質ガスを降温させる他に、改質ガスの加湿（シフト反応で要する水の添加）が行なわれる。熱交換部１０の構成については、後に詳しく説明する。熱交換部１０で降温・加湿された改質ガスは、改質ガス流路５５を介して、シフト部４０に供給される。
【００４４】
シフト部４０は、水と一酸化炭素とから水素と二酸化炭素とを生成するシフト反応を促進するシフト触媒を備えており、シフト反応を進行することによって、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。シフト触媒としては、例えば、銅系触媒（Ｃｕ／Ｚｎ触媒など）や、白金を備える貴金属系触媒を用いることができる。シフト反応によって一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、改質ガス流路５６を介して、ＣＯ選択酸化部４２に供給される。
【００４５】
ＣＯ選択酸化部４２は、改質ガスに豊富に含まれる水素に優先して一酸化炭素を酸化する、一酸化炭素選択酸化反応によって、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する。ＣＯ選択酸化部４２が備える一酸化炭素選択酸化触媒としては、白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を挙げることができる。
【００４６】
なお、ＣＯ選択酸化部４２で進行する一酸化炭素選択酸化反応で要する酸素を供給するために、燃料電池システム２０は、外部から空気を圧縮して取り込むブロワ４３を備えている。ブロワ４３は、改質ガス流路５６に接続しており、これによって、取り込んだ圧縮空気をＣＯ選択酸化部４２に供給する。このように燃料電池システム２０では、シフト部４０およびＣＯ選択酸化部４２を用いて改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減することで、燃料電池４４が備える白金触媒に一酸化炭素が吸着して電池性能を低下させてしまうのを防止している。
【００４７】
ＣＯ選択酸化部４２で一酸化炭素濃度が下げられた改質ガスは、燃料ガス供給路５７によって燃料電池４４に導かれ、燃料ガスとしてアノード側における電池反応に供される。燃料電池４４で電池反応に供された後のアノード排ガスは、燃料排出路５８に排出される。このアノード排ガスは、既述したように、加熱部３６において燃焼のための燃料として用いる。一方、燃料電池４４のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、ブロワ４６から酸化ガス供給路６０を介して圧縮空気として供給される。電池反応に用いられた残りのカソード排ガスは、酸化排ガス路６２を介して外部に排出される。
【００４８】
燃料電池４４は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池４４が生じた電力は、燃料電池４４に接続される所定の負荷に供給される。
【００４９】
制御部４５は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭ、あるいは、各種信号を入出力する入出力ポートを備える。制御部４５は、燃料電池システム２０が備える各種センサからの検出信号を入力すると共に、既述したブロワや弁およびポンプなどに駆動信号を出力して、燃料電池システム２０全体の運転状態を制御する。
【００５０】
Ｂ．熱交換部１０の構成：
図２は、第１実施例の熱交換部１０の構成の概略を表わす説明図である。熱交換部１０は、水蒸気混合部１２と、熱交換器１６とを備えている。なお、図１では、改質ガスは左から右に向かって流れるように表わしたが、図２およびこれ以下の図においては、改質ガスは右から左に向かって流れるように表わしている。改質ガス流路５４を介して供給される改質ガスは、水蒸気混合部１２において加湿されると共に冷却され、接続流路１４を介して熱交換器１６に供給される。この熱交換器１６において、改質ガスはさらに冷却され、改質ガス流路５５を介して既述したシフト部４０に供給される。
【００５１】
水蒸気混合部１２は、改質ガスの流入室１５Ｂおよび流出室１５Ａと、これらの間に挟まれた薄板積層構造１７とを備えている。薄板積層構造１７は、四角形の薄板状部材を積層した直方体形状を有し、その内部には、水流路１１と改質ガス流路１３とが形成されている。なお、図２では、水蒸気混合部１２の水平断面の概略が示されている。薄板積層構造１７に水が供給されると、この水は、水流路１１を通過しながら改質ガスによって加熱されて次第に気化して水蒸気となり、流入室１５Ｂにおいて、対向して流れる改質ガス中に混合されて、流れの向きが反転する。このとき、水蒸気と混合されることによって、流入室１５Ｂに流入した改質ガスは降温する。また、上記水蒸気中に液滴が残留している場合には、この液滴が気化することによってさらに改質ガスは降温する。水蒸気を含む改質ガスは、改質ガス流路１３を通過して、流出室１５Ａおよび接続流路１４を介して熱交換器１６に供給される。改質ガス流路１３を通過する際に改質ガスは、上記水流路１１内を通過する水と熱交換することによって、さらに降温する。
【００５２】
熱交換器１６は、水蒸気混合部１２から供給される改質ガスと、冷却水との間で熱交換を行なわせて、改質ガスを降温させる。熱交換器１６で用いる冷却水は、既述した水分岐路５９を介して供給される。熱交換器１６で降温された改質ガスは、改質ガス流路５５に排出される。また、熱交換器１６で改質ガスと熱交換することで昇温した冷却水は、水流路１８を介して水蒸気混合部１２の水流路１１に導かれ、改質ガスを加湿するために用いられる。
【００５３】
（Ｂ−１）水蒸気混合部１２の構成：
図３は、水蒸気混合部１２が備える薄板積層構造１７の構成を表わす分解斜視図である。薄板積層構造１７は、隔壁プレート７０と、流路プレート７２とが交互に積層された構造を有している。ここでは、板材と流路との区別をつけるために、板材にハッチングが施されている。なお、図３を始めとして本実施例の説明に用いる図では、図を単純化して、１枚の流路プレート７２は、３本の水流路１１と４本の改質ガス流路１３を形成することとしたが、さらに多くの流路を形成することが望ましい。
【００５４】
隔壁プレート７０および流路プレート７２は、各水流路１１に水を分配するための水分配マニホールド７５を形成するための複数の穴部を備えている。すなわち、各プレートを積層して薄板積層構造１７を形成したときに、上記複数の穴部が、積層方向に互いに連通して、所定の形状の水分配マニホールド７５が形成される。一枚の流路プレート７２によって３本の水流路１１が形成される薄板積層構造１７では、それぞれの水流路１１に対応して、３組の水分配マニホールド７５が形成される。薄板積層構造１７内において、３組の水分配マニホールド７５が形成される様子を、図４に模式的に示す。それぞれの水分配マニホールド７５は、薄板積層構造１７内で垂直方向に重なる位置に形成される各水流路１１に対して、水を分配・供給する。
【００５５】
図５は、図４に示した５−５断面において形成される水分配マニホールド７５の様子、および、この水分配マニホールド７５から各水流路１１に水が分配される様子を、模式的に示す説明図である。水分配マニホールド７５は、既述した水流路１８から水を供給される主水路７６と、主水路７６に接続して形成される第１分岐流路７７と、第１分岐流路７７から枝分かれして形成される２本の第２分岐流路７８と、各第２分岐流路７８に接続して形成され、各水流路１１に対して水を吐出する開口部を有する分配流路７９とを備えている。
【００５６】
図６ないし図１１は、薄板積層構造１７を構成する隔壁プレート７０あるいは流路プレート７２の構造を表わす平面図である。各隔壁プレート７０および流路プレート７２は、薄板積層構造１７内で配設される位置によって、水分配マニホールド７５を形成するために設けられた穴部の形状が異なっている。そのため、流路プレート７２としては、図６に示した流路プレート７２Ａと図１０に示した流路プレート７２Ｄの２種類のプレートが用いられている。また、隔壁プレート７０としては、図７に示した隔壁プレート７０Ａ、図８に示した隔壁プレート７０Ｂ、図９に示した隔壁プレート７０Ｃ、図１１に示した隔壁プレート７０Ｄの４種類のプレートが用いられている。
【００５７】
図６に示した流路プレート７２Ａは、図５に点線で囲んで示した領域Ａ、すなわち、第１分岐流路７７が形成される位置と第２分岐流路７８が形成される位置に挟まれた領域に配設される。この流路プレート７２Ａは、図の上端と下端に設けられた２つの側壁部材８０と、これらの側壁部材８０の間にほぼ等間隔に設けられた複数の（図６では３つの）流路形成部材８１Ａとで構成されている。流路形成部材８１Ａは、一辺が欠落した四角枠状に形成されており、さらに、欠落した一辺に対向する辺の近傍に、３つの穴部８４，８５，８６を有している。
【００５８】
流路形成部材８１Ａの内側に形成される空間８３は、薄板積層構造１７内で上下を隔壁プレート７０によって挟まれることで、水流路１１を形成する。また、流路形成部材８１Ａの外側に形成される空間８２は、同じく上下を隔壁プレート７０によって挟まれることで、改質ガス流路１３を形成する。
【００５９】
また、各流路形成部材８１Ａが備える穴部８４は、薄板積層構造１７内で、他のプレートの対応する位置に設けられた穴部と連通することで、主水路７６を形成する。各流路形成部材８１Ａが備える穴部８５は、図５に示した領域Ａに配設される他のプレートの対応する位置に設けられた穴部と連通することで、第２分岐流路７８のうち、プレートに対して垂直な流路部分を形成する。各流路形成部材８１Ａが備える穴部８６は、他のプレートの対応する位置に設けられた穴部と連通することで、分配流路７９を形成する。各流路形成部材８１Ａでは、さらに、穴部８６と上記空間８３とを接続する絞り部８９が形成されている。この絞り部８９は、薄板積層構造１７内で、分配流路７９から、空間８３が形成する各水流路１１に対して水を吐出する吐出口を形成する。この絞り部８９は、絞り部８９が形成する吐出口の口径が、分配流路７９の流路径に比べて充分に小さくなるように形成されている。
【００６０】
図７に示した隔壁プレート７０Ａは、図５に点線で囲んで示した領域Ａにおいて、上記流路プレート７２Ａと交互に配設される。隔壁プレート７０Ａは、流路プレート７２Ａが備える穴部８４〜８６と対応する位置に、同様の穴部８４〜８６を備えている。これらの穴部はそれぞれ、流路プレート７２Ａが備える穴部と共に、上記したように主水路７６、第２分岐流路７８、分配流路７９を形成する。
【００６１】
図８に示した隔壁プレート７０Ｂは、図５に示した領域Ｂにおいて、第１分岐流路７７を形成するために配設される。隔壁プレート７０Ｂは、穴部８７を備えている。穴部８７は、他のプレートと共に積層したときに、流路プレート７２Ａおよび隔壁プレート７０Ａの穴部８４と穴部８５の両方を覆うような長方形状に形成されている。図８では、隔壁プレート７０Ｂが備える穴部８７の一つにおいて、プレート積層時の穴部８４，８５の位置を点線で示している。薄板積層構造１７を構成する際には、隔壁プレート７０Ｂは、図５に示した上方の領域Ａの下端に配設される流路プレート７２Ａと、下方の領域Ａの上端に配設される流路プレート７２Ａとの間に配設される。このように隔壁プレート７０Ｂを配設することで、穴部８７は、領域Ａ内に形成される主水路７６と第２分岐流路７８とを接続する第１分岐流路７７を形成する。
【００６２】
図９に示した隔壁プレート７０Ｃは、図５に示した領域Ｃにおいて、第２分岐流路７８のうち、プレートと平行な流路部分を形成するために配設される。隔壁プレート７０Ｃは、穴部８４および穴部８８を備えている。穴部８４は、既述した他のプレートが備える穴部８４に対応する位置に設けられており、薄板積層構造１７内で主水路７６を形成する。穴部８８は、他のプレートと共に積層したときに、流路プレート７２Ａおよび隔壁プレート７０Ａの穴部８５と穴部８６の両方を覆うような長方形状に形成されている。図９では、隔壁プレート７０Ｃが備える穴部８８の一つにおいて、プレート積層時の穴部８５，８６の位置を点線で示している。薄板積層構造１７を構成する際には、隔壁プレート７０Ｃは、図５に示した上方の領域Ａの上端に配設される流路プレート７２Ａの上と、下方の領域Ａの下端に配設される流路プレート７２Ａの下のそれぞれに配設される。このように隔壁プレート７０Ｃを配設することで、穴部８８は、領域Ａ内に形成される第２分岐流路７８の一部（プレートに垂直な流路部分）と分配流路７９とを接続する第２分配流路の一部（プレートと平行な流路部分）を形成する。
【００６３】
図１０に示した流路プレート７２Ｄは、図５に点線で囲んで示した領域Ｄ、すなわち、第２分岐流路７８が形成される領域よりも上方、あるいは下方の領域に配設される。この流路プレート７２Ｄは、流路プレート７２Ａと同様に、２つの側壁部材８０と、これらの側壁部材８０の間にほぼ等間隔に設けられた流路形成部材８１Ｄとで構成されている。そして、これらの部材によって形成される空間８２，８３は、薄板積層構造１７内で、それぞれ改質ガス流路１３，水流路１１を形成する。流路形成部材８１Ｄは、流路プレート７２Ａが備える流路形成部材８１Ａとほぼ同様の形状を有しているが、穴部８５を有していない点が異なっている。
【００６４】
図１１に示した隔壁プレート７０Ｄは、図５に点線で囲んで示した領域Ｄにおいて、上記流路プレート７２Ｄと交互に配設される。隔壁プレート７０Ｄは、流路プレート７２Ｄが備える穴部８４，８６と対応する位置に、同様の穴部８４，８６を備えている。これらの穴部はそれぞれ、流路プレート７２Ａが備える穴部と共に、主水路７６と分配流路７９とを形成する。
【００６５】
水流路１８を介して水蒸気混合部１２に水が供給されると、この水は、上記した主水路７６、第１分岐流路７７，第２分岐流路７８、分配流路７９を介して、絞り部８９が形成する吐出口から、それぞれの水流路１１に分配される。なお、本実施例では、主水路７６は、薄板積層構造１７を積層方向に貫通して設けられており、主水路７６の上下両方向より水が供給される。各水流路１１内に吐出された水は、水流路１１内を通過しつつ、改質ガス流路１３内を対向する向きに流れる改質ガスと熱交換し、加熱されて水蒸気となる（図２参照）。水流路１１内で生成された水蒸気は、水流路１１を出て流入室１５Ｂ（図２）で改質ガスと混合されて、改質ガス流路１３に再び流入する。改質ガス流路１３においては、水蒸気と改質ガスとがさらに混合されて互いにほぼ等しい温度となると共に、水流路１１を流れる水と熱交換することによって降温する。
【００６６】
なお、水流路１１の幅Ｗｔ（図６参照）と改質ガス流路１３の幅Ｗｒ（図６参照）の値としては、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲が好ましく、壁面の厚みｔ（図６参照）の値としては約０．５〜約２ｍｍの範囲が好ましい。また、各隔壁プレートおよび流路プレートの厚みは、約１ｍｍ以下とすることが好ましく、約０．２ｍｍとすることがさらに好ましい。また、各隔壁プレートおよび流路プレートの厚みは、異なる値としても良い。一般に、上記プレートの寸法を小さくするほど水蒸気混合部１２を小型化することができ、また、各部の寸法が小さいほど薄板積層構造１７の熱容量が小さくなるので、過渡応答性が改善されるという利点が得られる。但し、各部の寸法が過度に小さいと、機械的強度が低下し、製造が困難になるため、各部の幅や厚みは、約０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。各部の大きさを上記範囲とし、水流路１１および改質ガス流路１３の流路径を充分に小さくすることで、流路内をガスが通過する際にガスが層流化され、ガスが流れる際の圧損が低減されるという効果も得られる。
【００６７】
（Ｂ−２）水蒸気混合部１２の製造工程：
図１２は、薄板積層構造１７の製造方法を表わすフローチャートである。最初に、隔壁プレート７０および流路プレート７２となる板材を準備する（ステップＳ１００）。板材の材料としては、ニッケルベース合金のインコネル（インコ社商標）やステンレス鋼等の耐熱性合金が用いられる。あるいは、セラミックス製の板材を用いることも可能である。
【００６８】
次に、上記板材をエッチングによって所定の形状に加工して、最終的に隔壁プレート７０あるいは流路プレート７２となる原プレートをそれぞれ作製する（ステップＳ１１０）。ここでの形状加工は、既述した空間８２，８３や、穴部８４〜８８を形成するためのものである。図１３に、流路プレート７２Ａの元となる原流路プレート７１を示す。この原流路プレート７１は、完成後の流路プレート７２Ａの改質ガスの入口側と出口側（図６の右側と左側の辺の部分）に、接続片７１Ｐがそれぞれ追加された形状を有している。この状態では、図６に示した空間８，８３がそれぞれ部材で囲まれている。また、流路プレート７２Ａが互いに離間した複数の部材で構成されているのに対して、原流路プレート７１は、１枚の連続した板材で構成されている。流路プレート７２Ｄおよび隔壁プレート７０Ａ〜７０Ｄも、この接続片７１Ｐと同様の接続片が両側に追加された形状を有している。これらの原プレートは、同一の寸法を有している。
【００６９】
なお、エッチングの代わりに、カッター等を用いた機械加工によって原プレートを作製しても良いが、エッチングは、加工部に形成されるバリが少ないきれいなプレートを作製可能であり、好ましい。また、厚みが１ｍｍ以下という薄い板材を加工する方法として、エッチングは、より高い精度を得ることができる。
【００７０】
次に、流路プレート７２Ａ，７２Ｄおよび隔壁プレート７０Ａ〜７０Ｄを、所定の順序で積層する（ステップＳ１２０）。そして、これらの積層したプレートを拡散接合して、プレートの積層体を得る（ステップＳ１３０）。なお、拡散接合以外の方法によってプレートの接合を行なうことも可能であるが、拡散接合は、薄板同士をより強固に密着することができ、積層体の厚みが増すことも無いため、有利である。
【００７１】
その後、上記積層体の両端を、図１３に一点破線で示す２つの切断面ＣＰでそれぞれ切断することによって、最終的な薄板積層構造１７を完成する（ステップＳ１４０）。なお、この切断によって、改質ガス流路１３の入口と出口が開口する。また、水流路１１の出口も開口する。各流路プレートは、互いに離間した部分を有しており、比較的取り扱いがたい形状を有しているが、本実施例では、全体が１枚の板材である原プレートを用いて積層の動作を行なうことによって、製造工程の作業を容易化している。
【００７２】
完成した薄板積層構造１７を、所定のケーシング内に配設することで、水蒸気混合部１２が完成される。このような水蒸気混合部１２の外観を表わす斜視図を図１４に示す。上記ケーシングと薄板積層構造１７との間には、既述した流出室１５Ａおよび流入室１５Ｂが形成される（図２参照）。
【００７３】
（Ｂ−３）熱交換器１６の構成：
図１５は、熱交換器１６の構成の概略を表わす斜視図である。熱交換器１６は、図中右側から左側に改質ガスを通過させる改質ガス流路９０と、図中下方から上方に冷却水を通過させる冷却水流路９２とを備える。そして、改質ガス流路９０からなる層と、冷却水流路９２からなる層とを、互いに熱交換可能となるように交互に積層して構成されている。水蒸気混合部１２から供給された改質ガスは、改質ガス流路９０内を通過しつつ、冷却水流路９２内を通過する冷却水と熱交換することで降温する。熱交換器１６は、水蒸気混合部１２と同様に所定のケーシングを備えるが、図１５では、ケーシングの上面を取り除いた様子を表わしている。
【００７４】
図１６は、水蒸気混合部１２と熱交換器１６とを備える熱交換部１０全体の様子を模式的に表わす斜視図である。水蒸気混合部１２のケーシング側面と、熱交換器１６のケーシング側面との間は、円柱状の接続流路１４によって接続されている。これによって、水蒸気混合部１２内の改質ガス流路１３から熱交換器１６内の改質ガス流路９０へと、改質ガスが供給可能となっている。
【００７５】
（Ｂ−４）第１実施例の効果：
以上のように構成された本実施例の熱交換部１０によれば、上流側に水蒸気混合部１２を配置し、下流側に熱交換器１６を配置することで、改質ガスを降温するための熱交換部を小型化できるという効果が得られる。水蒸気混合部１２では、非常に流路幅の小さい水流路１１および改質ガス流路１３を形成することで高い熱交換効率を確保している。すなわち、水蒸気混合部内の水流路１１において、高温の改質ガスの熱を伝える壁面の面積が充分に広く確保されているため、水流路１１を通過する水は、この高温の壁面上で、非常に効率よく気化される。そのため、水蒸気混合部１２をより小さく形成しても、所望量の水を充分に気化させて改質ガス内に混入することが可能となる。さらに、改質ガスに添加するための水を気化させる特別な装置を設ける必要もない。また、熱交換器１６としては、改質ガスに添加すべき量の水を用いて水蒸気混合部１２で改質ガスを降温させたときに、改質ガスの降温の程度が、シフト部に導入するには不十分となるのを補うことができればよい。そのため、熱交換部１０全体を小型化することができる。特に、上記実施例のように、水蒸気混合部１２および熱交換器１６を、四角形の薄板状部材を積層した長方形状とすることで、設置スペースに無駄が生じるのを抑えることができる。
【００７６】
なお、このような構成とすることで、熱交換部の耐久性を向上することもできる。熱交換部１０では、改質器３８から供給された高温の改質ガスは、まず、上流側に配置された水蒸気混合部１２の流入室１５Ｂにおいて、水流路１１から吐出される水蒸気と混合されることによって降温する。そのため、水蒸気混合部１２内、あるいは熱交換器１６内に流れ込む改質ガスの温度がより低く抑えられて、熱交換部１０全体の耐久性を向上させることができる。
【００７７】
さらに、熱交換部１０によれば、水蒸気混合部１２を用いることで、熱交換部１０から排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することができるという効果が得られる。すなわち、水蒸気混合部１２では、水分配マニホールド７５の形状を所定の形状とすることで、水蒸気混合部１２内の各水流路１１への水の分配状態を調節しており、これによって、水蒸気混合部１２から排出される改質ガスの温度分布状態を均一化している。水蒸気混合部１２内での各水流路１１への水の分配状態は、図５に示した矢印の長さとして表わしている。図５に示すように、水流路１１への水の分配量は、第２分岐流路７８と分配流路７９との接続部に近い吐出口から水が吐出される水流路１１（領域Ｃおよび領域Ｃの近傍に設けられる水流路１１）ほど多くなる。そのため、水蒸気混合部１２に導入される改質ガスのうち、より温度が高いガスが通過する領域、あるいは、水蒸気混合部１２のうち、より温度が高くなりやすい領域に、上記流路の接続部を設ければよい。これによって、上記流路の接続部付近からの水の分配量を多くして、このような領域において改質ガスの冷却を促進し、改質ガスの温度分布状態の均一化を図ることができる。水蒸気混合部１２の外側は放熱により温度が下がりやすいため、本実施例では、水蒸気混合部１２の中程に上記流路の接続部を設けることで、外側に分配される水の量を抑えて、改質ガスの温度分布状態を均一化している。
【００７８】
このように、より温度分布状態が均一化された改質ガスを、熱交換器１６に導入することで、熱交換部１０から排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することができる。これによって、温度分布状態がより均一化された改質ガスをシフト部４０に供給することができる。
【００７９】
上記流路の接続部を設ける位置によって、各水流路１１への水の分配状態を異ならせた例を、以下に示す。図１７は、第１実施例の第１の変形例としての水蒸気混合部１２Ａにおける水分配状態を、図５と同様にして表わした説明図である。なお、これ以降の実施例の説明においても、水蒸気混合部内における水分配状態は、同様にして表わすものとする。水蒸気混合部１２Ａでは、水蒸気混合部１２に比べて、さらに中程よりに、上記流路の接続部が設けられている。これによって、水蒸気混合部１２Ａの中心部付近では水の分配量がより多くなり、水蒸気混合部１２Ａの外側（上端側および下端側）ほど、水の分配量が少なくなる。供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部の加熱・放熱状態に応じて、上記流路の接続部の位置を定めればよい。なお、流路の接続部の位置は、隔壁プレート７０Ｃを配設する位置を調節することで、すなわち、図５に示した領域Ａを構成する板材の枚数および領域Ｄを構成する板材の枚数を調節することで、任意に設定可能である。
【００８０】
図１８は、第１実施例の第２の変形例としての水蒸気混合部１２Ｂにおける水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部１２Ｂは、水蒸気混合部１２と同様の主水路７６および第１分岐流路７７を有するが、この第１分岐流路７７に対して、積層された全ての水流路１１に水を分配する分配流路７９Ｂが接続している。水蒸気混合部１２Ｂでは、第１分岐流路７７と分配流路７９Ｂとの接続部の近傍の吐出口から水が吐出される水流路１１ほど、分配される水の量が多くなる。このように、第２分岐流路を設けない場合にも、上記流路の接続部の位置を適宜設定することで、排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することができる。
【００８１】
さらに、本実施例の燃料電池システム２０では、シフト部４０の上流側に設けられた熱交換部１０において、改質ガスを降温させるのと同時に、シフト反応で要する水を添加することで、以下のような効果が得られる。まず第１に、シフト反応で要する水を、シフト部４０の直前で加えることにより、シフト反応に供する水の量を調節する際の応答性が向上する。すなわち、シフト反応に供する水の量を変化させる際に、シフト反応で要する水を、より上流に配設される蒸発器３４で気化させる場合に比べて、ガスが流れる時間によって生じる反応の遅れが少なくなる。第２に、シフト反応で要する水の少なくとも一部は、改質器３８よりも上流に設けられた蒸発器３４において改質燃料に加える必要がないため、蒸発器３４で蒸発させるべき水の量が削減されて、蒸発器３４の小型化が可能となる。第３に、蒸発器３４で蒸発させるべき水の量が削減されることで、燃料電池システム２０を始動して暖機運転を行なう際に、蒸発器３４および改質器３８の暖機時間を短縮し始動性を向上させることが可能となる。第４に、水蒸気混合部１２において改質ガスに加えられる水は、改質反応の反応温度にまで昇温する必要がないため、燃料電池システム２０のエネルギ効率の低下を抑えることができる。
【００８２】
Ｃ．第２実施例：
図１９は、第２実施例の水蒸気混合部１１２における水分配状態を表わす説明図である。本実施例、およびこれ以降の実施例の説明では、水蒸気混合部において、第１実施例の水蒸気混合部１２と共通する部分には同じ参照番号を付し、詳しい説明は省略する。水蒸気混合部１１２は、水分配マニホールド７５に代えて、水分配マニホールド１７５を備えている。水分配マニホールド１７５では、分配流路７９に代えて分配流路１７９が設けられている。また、水蒸気混合部１１２は、水蒸気混合部１２と同様に、隔壁プレート７０Ａ〜７０Ｄおよび流路プレート７２Ａ，７２Ｄによって構成されている。
【００８３】
水蒸気混合部１１２では、第２分岐流路７８と分配流路１７９との接続部を構成する２枚の隔壁プレート７０Ｃに挟持される領域（図１９の領域Ｅ）は、その外側の領域（図１９の領域Ｆ）に比べて、水流路１１が形成される密度が高くなっている。すなわち、領域Ｅは領域Ｆに比べて、隔壁プレートと流路プレートとの割合が高くなっている。本実施例では、領域Ｅでは、隔壁プレート７０Ａと流路プレート７２Ａとを１枚ずつ交互に積層しており（但し中央のみ隔壁プレート７０Ｂ）、領域Ｆでは、隔壁プレート７０Ｄ２枚と流路プレート７２Ｄ１枚とを交互に積層している。この、隔壁プレート７０Ｄと流路プレート７２Ｄとの割合は、異なる値としても良い。
【００８４】
このような構成とすることで、領域Ｅに対して分配される水の量をより多くして、領域Ｅにおける改質ガスの冷却を促進することができる。したがって、領域Ｅを通過する改質ガスの温度が、他の領域を通過する改質ガスの温度よりも高い場合に、排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することが可能となる。本実施例では、水流路１１が形成される割合をＥ領域において高めることとしたが、水蒸気混合部に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部の加熱・放熱状態に応じて、隔壁プレート数に対する流路プレート数の割合を高める領域を定めればよい。
【００８５】
Ｄ．第３実施例：
図２０は、第３実施例の水蒸気混合部２１２における水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部２１２は、水分配マニホールド７５に代えて水分配マニホールド２７５を備えている。水分配マニホールド２７５では、第２分岐流路７８の一方に代えて、第２分岐流路７８よりも流路径の太い（流路の断面積の大きい）第２分岐流路２７８が設けられている。また、この第２分岐流路２７８に接続して、分配流路７９に代えて、分配流路７９よりも流路径の太い分配流路２７９が設けられている。
【００８６】
水蒸気混合部２１２において、図２０に示した領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、第１実施例と同様に、隔壁プレート７０Ａ〜７０Ｄおよび流路プレート７２Ａ，７２Ｄによって構成している。図２０に示した領域Ａ’は、隔壁プレート７０Ａ（図６）および流路プレート７２Ａ（図７）と類似するプレートであって、穴部８５および穴部８６を、より大きく形成したプレートによって構成している。領域Ｃ’は、隔壁プレート７０Ｃ（図９）と類似するプレートであって、穴部８８を、より大きく形成したプレートによって構成している。領域Ｄ’は、隔壁プレート７０Ｄ（図１１）および流路プレート７２Ｄ（図１０）と類似するプレートであって、穴部８６を、より大きく形成したプレートによって構成している。このようにして、第２分岐流路７８よりも流路径が大きい第２分岐流路２７８と、分配流路７９よりも流路径が大きい分配流路２７９とを備える水蒸気混合部２１２を形成している。
【００８７】
本実施例によれば、一部の領域（領域Ａ’，Ｃ’，Ｄ’）の水流路１１に対して水を分配する流路を、残りの水流路に対して水を分配する流路に比べて太く形成することで、上記一部の領域の水流路に供給される水の量が他の流路に比べて多くすることができる。したがって、上記一部の領域を通過する改質ガスの温度がより高い場合には、この領域において改質ガスの冷却を促進することができ、排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することが可能となる。水の供給量を多くすべき領域は、水蒸気混合部に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部の加熱・放熱状態に応じて、適宜設定すればよい。目的の領域に水を分配する流路を形成するためのプレートの穴部を、上記実施例のように、より大きく形成すればよい。
【００８８】
Ｅ．第４実施例：
図２１は、第４実施例の水蒸気混合部３１２における水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部３１２は、水分配マニホールド７５に代えて水分配マニホールド３７５を備えている。水分配マニホールド３７５では、主水路７６に代えて主水路３７６が、第１分岐流路７７に代えて流路３７７が設けられている。第１実施例の主水路７６は、第１分岐流路７７に対して上下両方向から水を供給する流路であるが、本実施例の主水路３７６は、主水路７６のうちの上方から水を供給する部分のみによって構成されている。流路３７７は、第１分岐流路７７と同様に水流路１１と平行に形成されており、主水路３７６と流路３７７とは、分岐部を有することなく、両者の接続部が略直角を形成するように互いに接続している。また、水分配マニホールド３７５では、２本の第２分岐流路７８に代えて、これらと同様の形状を有する第２分岐流路３７８Ａ，３７８Ｂが設けられている。さらに、２本の分配流路７９に代えて、これらと同様の形状を有する分配流路３７９Ａ，３７９Ｂが設けられている。
【００８９】
水蒸気混合部３１２の上半分の領域（図２１に示す領域Ｇ）は、水蒸気混合部１２の対応する領域（図５に示す上側の領域Ｄ，Ｃ，Ａ，Ｂ）と同様に、隔壁プレート７０Ａ〜７０Ｄおよび流路プレート７２Ａ，７２Ｄを、所定の順序で積層することによって構成される。これに対して下側の領域（図２１に示す領域Ｈ）は、上記プレートと同様のプレートであって、主水路を形成するための穴部８４だけを有しないプレートを、所定の順序で積層することによって構成される。
【００９０】
以上のように構成した水蒸気混合部３１２では、主水路３７６の近傍の領域は、主水路７６内を水が通過することによって積極的に冷却される。したがって、主水路３７６に対してより近くに形成される第２分岐流路３７８Ａおよび分配流路３７９Ａは、より遠くに形成される第２分岐流路３７８Ｂおよび分配流路３７９Ｂに比べて、積極的に冷却される。これにより、第２分岐流路３７８Ａおよび分配流路３７９Ａにおいては、内部を通過する水が気化するのが抑えられる。流路内で気化する水の量が少ないほど、流路内の圧力が低くなるため、その流路に対しては上流側から水が供給され易くなる。そのため、その内部で水がより気化し難い第２分岐流路３７８Ａおよび分配流路３７９Ａでは、主水路３７６からの水の供給がより促進される。したがって、分配流路３７９Ａから水が吐出される水流路１１（領域Ｇに形成される水流路１１）は、分配流路３７９Ｂから水が吐出される水流路１１（領域Ｈに形成される水流路１１）に比べて、供給される水の量が多くなる。本実施例によれば、領域Ｇを通過する改質ガスの温度が、領域Ｈを通過する改質ガスの温度よりも高いときに、領域Ｇに供給される水の量を増やすことによって、排出される改質ガスの温度分布状態を均一化する効果を得ることができる。
【００９１】
また、水蒸気混合部３１２の近傍に他の高温の装置が配設されて、領域Ｇがより加熱されやすい場合や、領域Ｇは領域Ｈに比べて放熱が抑えられる場合にも、同様の効果が得られる。薄板積層構造において領域Ｇが領域Ｈに比べて高温になると、第２分岐流路３７８Ａおよび分配流路３７９Ａ内では水の気化がより活発化して、これらの流路から水の供給を受ける領域Ｇの水流路１１への水供給量が減少してしまうことになる。本実施例によれば、第２分岐流路３７８Ａおよび分配流路３７９Ａが積極的に冷却されるため、領域Ｇの水流路１１への水の供給量が充分に確保可能となる。また、薄板積層構造において領域Ｇが領域Ｈに比べて高温になると、領域Ｇの水流路１１では領域Ｈの水流路１１に比べて、内部で水の気化が活発化して内部温度が上昇し、領域Ｇの水流路１１への水の供給が妨げられてしまう。本実施例では、領域Ｇの水流路１１に対して水を供給する流路を積極的に冷却することによって、領域Ｇの水流路１１への水の供給量が充分に確保可能となる。したがって、領域Ｇが領域Ｈに比べてより高温となる場合にも、排出される改質ガスの温度分布状態を均一化する同様の効果を得ることができる。
【００９２】
主水路３７６を引き回すことで積極的に冷却すべき領域は、水蒸気混合部に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部の加熱・放熱状態に応じて、適宜設定すればよい。水の供給を促進したい領域に水を分配する流路（第２分岐流路３７８Ａおよび分配流路３７９Ａ）の近傍に、より上流側の流路（主水路３７６）を形成することで、上記した効果を得ることができる。
【００９３】
なお、上記主水路３７６を備える水蒸気混合部３１２のように、外部から水蒸気混合部内部へと特定の一方向より水を供給する場合には、主水路３７６の上流側の近傍ほど、薄板積層構造がより冷却されることになる。そのため、図２１に示す領域Ｇの中でも、各水流路１１とは垂直な方向に、薄板積層構造における温度勾配が生じる。すなわち、薄板積層構造の領域Ｇにおいて、上方ほど下方に比べて温度が低くなる。そのため、仮に、領域Ｇにおいて、主水路３７６から各水流路１１へと直接水を分配する場合には、領域Ｇの上方領域から下方領域へと、各水流路１１に分配する水の量が減少すると考えられる。しかしながら本実施例では、第２分岐流路３７８Ａおよび分配流路３７９Ａを介して水流路１１に対して水を分配しているため、領域Ｇ内におけるこのような温度分布の影響を抑えることができる。同様に、領域Ｈにおいても、第２分岐流路３７８Ｂおよび分岐流路３７９Ｂを介して水流路１１に対して水を分配しているため、領域Ｈ内の各水流路１１への水の分配量は、領域Ｈにおける温度勾配の影響が抑えられたものとなる。そのため、各領域ごと（分配流路３７９Ａ，３７９Ｂを設けたブロックごと）に水の分配量が調節され、領域Ｇ全体として、領域Ｈ全体よりも、水流路１１への水の分配量が多くなる状態が実現される。
【００９４】
Ｆ．第５実施例：
図２２は、第５実施例の水蒸気混合部４１２における水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部４１２は、水分配マニホールド７５に代えて水分配マニホールド４７５を備えている。水分配マニホールド４７５は、水分配マニホールド７５と同様に、主水路７６、第１分岐流路７７、第２分岐流路７８を備えている。そして、分配流路７９に代えて、分配流路４７９Ａ，４７９Ｂを備えている。分配流路４７９は、その流路径が次第に変化する形状を有している。水蒸気混合部４１２の外壁面近傍（図２２では、分配流路４７９Ａの上方および分配流路４７９Ｂの下方）ほど、流路径がより小さく形成されている。また、水蒸気混合部４１２の中央部近傍（図２２では、分配流路４７９Ａの下方および分配流路４７９Ｂの上方）ほど、流路径がより大きく形成されている。
【００９５】
水蒸気混合部４１２は、水蒸気混合部１２と同様に、隔壁プレート７０Ａ〜７０Ｄおよび流路プレート７２Ａ，７２Ｄを、所定の順序で積層することによって構成される。ただし、水蒸気混合部４１２を構成する各プレートでは、分配流路を形成するための穴部８６の大きさが互いに異なっており、上記したように流路径が大きくなる部分に対応するプレートほど、穴部８６が大きく形成されている。
【００９６】
本実施例によれば、分配流路４７９Ａ，４７９Ｂの流路径を変化させることで、各水流路１１への水の供給量を異ならせることができる。すなわち、分配流路４７９Ａ，４７９Ｂにおける流路径のより大きい部位に設けられた吐出口の方が、水流路１１への水の供給量がより多くなる。これは、分配流路から水流路１１へと水を供給する吐出口に絞り部８９が形成されることにより、分配流路４７９Ａ，４７９Ｂ内では所定の圧力で水が充填される状態となるため、流路径が大きくより多くの水を保持する状態となる部位の方が、安定して多くの水を吐出可能となるためと考えられる。あるいは、流路径の大きい部位の方が、流路径の小さい部位に比べて流路抵抗が小さいため、より多くの水を吐出口から吐出可能となると考えられる。なお、第５実施例の水蒸気混合部４１２において、分配流路４７９Ａ，４７９Ｂと第２分岐流路７８との接続部近傍に設けられた吐出口では、吐出される水の量がより多くなる効果が得られるが、図２２で、矢印の長さによって水の吐出量を表わす際には、このような効果は省略して記載している。
【００９７】
したがって、水蒸気混合部４１２に供給される改質ガスの温度分布状態が不均一であって、分配流路４７９Ａ，４７９Ｂの流路径が大きい部分から水を供給される水流路１１の近傍を通過する改質ガスの温度がより高い場合には、この領域において改質ガスの冷却を促進することができる。これにより、水蒸気混合部４１２から排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することが可能となる。水の供給量を多くすべき領域は、水蒸気混合部に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部の加熱・放熱状態に応じて、適宜設定すればよい。分配流路において、目的の領域に水を分配する部分の流路径をより大きく形成すればよい。
【００９８】
図２３は、第５実施例の第１の変形例である水蒸気混合部４１２Ａにおける水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部４１２Ａは、分配流路４７９Ａ，４７９Ｂに代えて分配流路４７９Ａ’，４７９Ｂ’を備える水分配マニホールド４７５Ａを備えている。ここでは、分配流路の流路径が変化する様子は、第５実施例とは逆になっている。すなわち、水蒸気混合部４１２Ａの外壁面近傍（図２３では、分配流路４７９Ａ’の上方および分配流路４７９Ｂ’の下方）ほど、流路径がより大きく形成されている。また、水蒸気混合部４１２の中央部近傍（図２３では、分配流路４７９Ａ’の下方および分配流路４７９Ｂ’の上方）ほど、流路径がより小さく形成されている。
【００９９】
このような構成とすれば、水蒸気混合部４１２Ａの外壁面に近い位置に形成される水流路１１ほど、供給される水の量が多くなる。したがって、水蒸気混合部４１２Ａに供給される改質ガスの温度分布状態が不均一であって、分配流路４７９Ａ’，４７９Ｂ’の流路径が大きい部分から水を供給される水流路１１の近傍を通過する改質ガスの温度がより高い場合には、この領域において改質ガスの冷却を促進することができる。これにより、水蒸気混合部４１２Ａから排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することが可能となる。
【０１００】
図２４は、第５実施例の第２の変形例である水蒸気混合部４１２Ｂにおける水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部４１２Ｂは、水蒸気混合部４１２と同様の主水路７６および第１分岐流路７７を有する水分配マニホールド４７５Ｂを備えている。この水分配マニホールド４７５Ｂでは、第１分岐流路７７に対して、積層された全ての水流路１１に水を分配する分配流路４７９’が接続している。分配流路４７９’は、水蒸気混合部４１２Ｂの中央部近傍（分配流路４７９’と第１分岐流路７７との接続部近傍）ほど、流路径がより大きく形成されている。また、水蒸気混合部４１２Ｂの外壁面近傍（図２４では、分配流路４７９’の上端および下端近傍）ほど、流路径がより小さく形成されている。
【０１０１】
このような構成とすれば、水蒸気混合部４１２Ｂの中央部に近い位置に形成される水流路１１ほど、供給される水の量が多くなる。したがって、水蒸気混合部４１２Ｂに供給される改質ガスの温度分布状態が不均一であって、分配流路４７９’の流路径が大きい部分から水を供給される水流路１１の近傍を通過する改質ガスの温度がより高い場合には、この領域において改質ガスの冷却を促進することができる。これにより、水蒸気混合部４１２Ｂから排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することが可能となる。
【０１０２】
Ｇ．第６実施例：
図２５は、第６実施例の水蒸気混合部５１２における水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部５１２は、水分配マニホールド５７５を備えている。水分配マニホールド５７５は、第１実施例の水分配マニホールド７５と同様に、主水路７６、第１分岐流路７７、第２分岐流路７８、分配流路７９を備えている。そして、第１分岐流路７７において、さらに、流量調整弁５７３を備えている。この流量調整弁５７３は、周囲の温度に応じて第１分岐流路７７における流路抵抗を変化させる可変流路抵抗部として働き、温度が上昇すると開き方向に動作し、温度が低下すると閉じ方向に動作する。本実施例の流量調整弁５７３は、バイメタルによって形成している。
【０１０３】
水蒸気混合部５１２は、水蒸気混合部１２と同様に、隔壁プレート７０Ａ〜７０Ｄおよび流路プレート７２Ａ，７２Ｄを、所定の順序で積層することによって構成される。その際、流量調整弁５７３の取り付け位置に対応するプレートが備える所定の穴部に、予めバイメタルの弁を取り付けた後に、プレートの積層を行なえば良い。完成した水蒸気混合部５１２では、第１実施例における図４に示したように、１枚の流路プレートによって形成される水流路１１の数と同数の水分配マニホールド５７５が形成され、それぞれの水分配マニホールド５７５に対して流量調整弁５７３が設けられている。
【０１０４】
本実施例によれば、水蒸気混合部５１２が備える薄板積層構造の温度分布状態に応じて、各水流路１１への水の供給量を異ならせることができる。薄板積層構造において、流量調整弁５７３が配設される近傍の温度が上昇すると、この流量調整弁は開方向に動作し、この流量調整弁５７３が設けられた流路から水を供給される水流路１１への水の供給量が増加する。これに対して、流量調整弁５７３が配設される近傍の温度が低下すると、この流量調整弁は閉方向に動作し、この流量調整弁５７３が設けられた流路から水を供給される水流路１１への水の供給量が減少する。なお、薄板積層構造の温度分布状態が不均一になる場合としては、例えば、水蒸気混合部５１２に供給される改質ガスの温度分布状態が不均一な場合が挙げられる。あるいは、水蒸気混合部５１２の近くに高温の装置が配設されているときに、この装置からの距離によって、この装置によって加熱される程度が不均一となる場合が挙げられる。また、このような周囲に配設される装置の影響などによって、薄板積層構造からの放熱の程度が、全体として不均一となる場合が挙げられる。
【０１０５】
したがって、本実施例では、上記のように薄板積層構造の温度分布状態が不均一になる場合に、高温の領域に形成される水流路１１に対しては、より多くの水が供給されて、改質ガスの冷却が促進される。これにより、水蒸気混合部５１２から排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することが可能となる。本実施例の水蒸気混合部５１２は、薄板積層構造の温度分布状態が変化する場合にも、これに対応して供給する水の量を変更できるという利点を有する。
【０１０６】
Ｈ．第７実施例：
図２６は、第７実施例の水蒸気混合部６１２における水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部６１２は、水分配マニホールド６７５を備えている。水分配マニホールド６７５は、第１実施例の水分配マニホールド７５と同様に、主水路７６および第１分岐流路７７を備えている。水分配マニホールド６７５では、第１分岐流路７７から分岐して、複数の第２分岐流路６７８が形成されている。これら第２分岐流路６７８の端部には、それぞれ、分配流路６７９が形成されている。分配流路６７９は、所定数の吐出口を有しており、各吐出口から、積層して形成される所定数の水流路１１に対して水が供給される。
【０１０７】
第１実施例の水蒸気混合部１２では、第２分岐流路７８および分配流路７９は、それぞれ２つずつ形成されており、第１分岐流路７７を通過した水は、２つに分配されることとした。これに対して、本実施例では、第１分岐流路７７を通過した水は、より多数形成される第２分岐流路６７８のそれぞれに分配される。第２分岐流路６７８およびこれに接続する分配流路６７９の数が、より多いほど、同時に水を分配される水流路１１の数（１つの分配流路６７９に接続する水流路１１の数）が、より少なくなる。同時に水を分配される水流路１１の数が少ないほど、同時に水を分配されるそれぞれの水流路１１への水の分配量のばらつきが小さくなり、その結果、水蒸気混合部６１２全体として、各水流路１１への水の分配量を均一化することができる。本実施例では、このように、各水流路１１への水の分配量が望ましくない程度にばらついてしまうのを防止することにより、水蒸気混合部６１２において冷却されて排出される改質ガスの温度分布状態を、均一化している。なお、第７実施例の水蒸気混合部６１２において、第１分岐流路７７と第２分岐流路６７８との接続部近傍に設けられた吐出口では、吐出される水の量がより多くなるという効果（図２６に示す水蒸気混合部６１２の中央部付近における吐出水量がより多くなる効果）が得られるが、図２６で、矢印の長さによって水の吐出量を表わす際には、このような効果は省略して記載している。
【０１０８】
このように、分配流路を多数形成して、各水流路１１への水の分配量のばらつきを小さくする際に、さらに、所定の水流路１１への水の分配量を意図的に増減して、水蒸気混合部から排出される改質ガスの温度分布状態を均一化する効果をより高めることが可能である。図２７は、第７実施例の第１の変形例である水蒸気混合部６１２Ａにおける水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部６１２Ａは、第２分岐流路６７８に代えて、第２分岐流路６７８Ａを備える水分配マニホールド６７５Ａを備えている。ここでは、水蒸気混合部６１２Ａの中央部近傍（図２７では、第１分岐流路７７と第２分岐流路６７８との接続部近傍）に形成される第２分岐流路６７８Ａの流路径が、他の第２分岐流路６７８Ａの流路径に比べて太く形成されている。
【０１０９】
このような構成とすれば、太く形成される第２分岐流路６７８Ａには、より多くの水が分配され、これに接続する分配流路６７９からは、各水流路１１に対して、より多くの水が吐出される。したがって、水蒸気混合部６１２Ａに供給される改質ガスの温度分布状態が不均一であって、第２分岐流路６７８Ａの流路径が大きい部分から水を供給される水流路１１の近傍を通過する改質ガスの温度がより高い場合には、この領域において改質ガスの冷却を促進することができる。これにより、水蒸気混合部６１２Ａから排出される改質ガスの温度分布状態をより均一化することが可能となる。
【０１１０】
図２８は、第７実施例の第２の変形例である水蒸気混合部６１２Ｂにおける水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部６１２Ｂは、分配流路６７９に代えて、分配流路６７９Ｂを備える水分配マニホールド６７５Ｂを備えている。ここでは、水蒸気混合部６１２Ｂの中央部近傍（図２８では、第１分岐流路７７と第２分岐流路６７８との接続部近傍）に形成される分配流路６７９Ｂが、他の分配流路６７９Ｂに比べて大きく、接続する水流路１１の数が多くなるように形成されている。
【０１１１】
このとき、第１分岐流路７７から各第２分岐流路６７８へと水が分配される際には、比較的均等に分配される。そのため、接続する水流路１１の数が多い第２分岐流路６７８から水を供給される水流路１１では、他の水流路１１に比べて、供給される水の量が少なくなる。本実施例では、分配流路６７９Ｂがより大きく形成される水蒸気混合部６１２Ｂの中央部近傍において、水流路１１への水の供給量が少なくなる。したがって、水蒸気混合部６１２Ｂに供給される改質ガスの温度分布状態が不均一であって、大きな分配流路６７９Ｂから水を供給される水流路１１の近傍を通過する改質ガスの温度がより高い場合には、この領域において改質ガスの冷却を促進することができる。これにより、水蒸気混合部６１２Ｂから排出される改質ガスの温度分布状態を均一化することが可能となる。
【０１１２】
Ｉ．第８実施例：
図２９は、第８実施例の水蒸気混合部７１２における水分配状態を表わす説明図である。水蒸気混合部７１２は、水分配マニホールド７７５を備えている。水分配マニホールド７７５は、主水路７７６、第１分岐流路７７７、第２分岐流路７７８、分配流路７７９を備えている。これらの流路は、第１実施例の水分配マニホールド７５と同様の形状を有している。ただし、本実施例では、これらの流路は、２重管構造を有している点で異なっている。
【０１１３】
水蒸気混合部７１２は、水蒸気混合部１２と同様に、隔壁プレート７０Ａ〜７０Ｄおよび流路プレート７２Ａ，７２Ｄを、所定の順序で積層することによって構成される。その際、水分配マニホールド７７５を構成する各流路は、各プレートを構成する材料に比べてより熱伝導率が低い材料から成る層をさらに有する２重管構造となるように形成する。２重管構造とするには、例えば、これらの流路を、充分な耐熱性を有する樹脂によってコートすればよい。あるいは、プレートを構成して組み立てる際に、これらの流路を形成する空間内に、セラミックス製の管を挿入することとしても良い。
【０１１４】
本実施例によれば、水分配マニホールド７７５が２重管構造を有することによって、水分配マニホールド７７５を構成する各流路内を通過する水に、外部から熱が伝わるのを妨げることができる。既述したように、外部からの加熱や放熱状態の不均一、あるいは、水蒸気混合部７１２に供給される改質ガスの温度分布状態が不均一であることにより、薄板積層構造の一部の温度が特に上昇する場合があるが、このような場合にも、流路内の水には熱が伝わりにくくなる。これによって、水分配マニホールド７７５全体で、内部で水が気化するのが抑えられ、水蒸気混合部７１２全体で、各水流路１１への水の分配量のばらつきを小さくすることができる。本実施例では、このように、各水流路１１への水の分配量が望ましくない程度にばらついてしまうのを防止することにより、水蒸気混合部７１２で冷却されて排出される改質ガスの温度分布状態を、均一化することができる。
【０１１５】
なお、水蒸気混合部７１２においては、薄板積層構造から水分配マニホールド７７５への熱の伝わりを抑えることにより、上記効果をさらに高めることができる。図３０は、水蒸気混合部７１２の形状を模式的に表わす斜視図である。水蒸気混合部７１２は、既述した各プレート（四角形の薄板状部材）を積層して製造される。ここで本実施例では、これらのプレートを積層して長方形状の薄板積層構造を形成した後に、各水分配マニホールド７７５が形成される領域であるマニホールド形成部７７４（図３０）の周辺であって、流路が形成されない領域を切り落として、水蒸気混合部７１２を完成している。このような構成とすることで、水分配マニホールド７７５を構成する各流路内を通過する水に対しては、さらに熱が伝わりにくくなり、上記効果を得ることができる。
【０１１６】
Ｊ．第９実施例：
図３１は、第９実施例の水蒸気混合部８１２における水分配の様子を模式的に表わす説明図である。水蒸気混合部８１２は、水分配マニホールド８７５を備えている。水分配マニホールド８７５は、薄板積層構造を貫通して配設され、放射状に形成した壁面によって内部が複数に分割された筒状の流路として形成されている。また、水分配マニホールド８７５の壁面には、複数の穴部８７９が形成されている。これらの穴部は、水分配マニホールド８７５の内部を分割して形成される複数の流路のそれぞれに、１つずつ対応して設けられている。また、これらの穴部は、それぞれ、この水分配マニホールド８７５から水を供給される水流路１１のいずれか１つと、互いに連通している。
【０１１７】
水蒸気混合部８１２は、既述した実施例と同様に、水流路１１および改質ガス流路１３を形成するように形状加工された流路プレートと、隔壁プレートとを、交互に積層して構成される。水分配マニホールド７７５は、上記薄板状部材と同様の金属材料によって、薄板積層構造とは別部材として予め用意し、薄板積層構造の所定の位置に挿入する。
【０１１８】
本実施例によれば、各水流路１１に対して水を供給する流路が、予め分割して形成されているため、マニホールドにおいて多数の水流路１１へと水を分配する必要が無く、水の供給量のばらつきを抑えることができる。水分配マニホールド８７５の特定の部分で、温度上昇によって水の気化が活発化する場合であっても、水分配マニホールド８７５の上流から、内部の分割された各流路に対して所定の流量で水を供給することにより、各水流路１１への水の分配量を充分に確保することができる。本実施例では、このように、各水流路１１への水の分配量が望ましくない程度にばらついてしまうのを防止することにより、水蒸気混合部８１２で冷却されて排出される改質ガスの温度分布状態を、均一化している。
【０１１９】
さらに、本実施例の水蒸気混合部８１２によれば、水分配マニホールド８７５の上流から、内部の分割された流路のそれぞれに対して供給する水の量を調節することとしてもよい。このような構成とすれば、水分配マニホールド８７５の途中における温度分布状態に関わらず、所定の水流路１１に対して、所望量の水を供給することが可能となる。このようにして、水蒸気混合部８１２で冷却されて排出される改質ガスの温度分布状態を、さらに均一化することが可能となる。
【０１２０】
図３２は、第９実施例の変形例である水蒸気混合部８１２Ａにおける水分配の様子を模式的に表わす説明図である。水蒸気混合部８１２Ａは、水分配マニホールド８７５に代えて、水分配マニホールド８７５Ａを備えている。水分配マニホールド８７５Ａは、積層されて形成される水流路１１と同数の、長さが互いに異なる細管８７９Ａを備えている。細管８７９Ａのそれぞれは、上記積層されて形成される水流路のいずれか一つにおいて開口し、この水流路１１に対して水を供給可能となっている。このような構成としても、上記第９実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
Ｋ．第１０実施例：
図３３は、第１０実施例の水蒸気混合部９１２における水分配の様子を模式的に表わす説明図である。水蒸気混合部９１２は、水分配マニホールド９７５を備えている。水分配マニホールド９７５は、薄板積層構造を貫通して配設され、多孔質体を備える円柱状の流路として形成されている。この水分配マニホールド９７５を構成する多孔質体としては、例えば、金属メッシュや発泡金属を用いることができる。水分配マニホールド９７５は、上記第９実施例と同様に、予め別部材として用意して、薄板積層構造の所定の位置に挿入すればよい。
【０１２２】
上記水分配マニホールド９７５に対して水を供給すると、内部を通過する水は、多孔質体の表面から、各水流路１１へとしみ出していく。このように多孔質体から水がしみ出す際には、水の気化潜熱によって多孔質体、すなわち水分配マニホールド９７５が冷却される。したがって、水分配マニホールド９７５内で水が気化してしまうのが抑えられ、一部の水流路１１への水の分配量が低下してしまうことが無く、水の分配状態を良好に保つことができる。これにより、各水流路１１への水の分配量のばらつきをおさえることができ、水蒸気混合部９１２で冷却されて排出される改質ガスの温度分布状態を、均一化することができる。
る。
【０１２３】
なお、図３３では、水分配マニホールド９７５に対して、図３３中の上方向からのみ水を供給することとしたが、上下両方向から水を供給し、冷却状態の均一化を図ることがさらに好ましい。
【０１２４】
図３４は、第１０実施例の変形例である水蒸気混合部９１２Ａにおける水分配の様子を模式的に表わす説明図である。水蒸気混合部９１２Ａは、水分配マニホールド９７５に代えて、水分配マニホールド９７５Ａを備えている。水分配マニホールド９７５Ａは、第９実施例の水分配マニホールド８７５と同様の筒状の流路の外周に、上記したセラミックス等の多孔質体からなる層を形成した２重管構造を有している。このような構成とすれば、第９実施例と同様に、各水流路１１への水の分配量のばらつきを抑えて所望の分配状態にする効果に加えて、水の気化潜熱を利用して水分配マニホールド９７５Ａを冷却することで、水の分配状態のばらつきを抑える効果を得ることができる。これによって、水蒸気混合部９１２で冷却されて排出される改質ガスの温度分布状態を、均一化する効果を、より高めることができる。
【０１２５】
Ｌ．第１１実施例：
既述した第１実施例の熱交換部１０では、上流側に水蒸気混合部１２を配設し、下流側に熱交換器１６を配設している。これに対して、水蒸気混合部と熱交換器とを、改質ガスの流れに対して逆の位置に配設することとしてもできる。このような熱交換部１１０を、第１１実施例として以下に説明する。図３５は、本実施例の熱交換部１１０を、第１実施例の熱交換部１０と並べて、それぞれの構成を模式的に示した説明図である。図３５（Ａ）は熱交換部１０を、図３５（Ｂ）は本実施例の熱交換部１１０を表わしている。本実施例の熱交換部１１０は、第１実施例の燃料電池システム２０において、熱交換部１０に代えて用いられる。また、本実施例およびこれ以降の実施例で説明する熱交換部が備える水蒸気混合部１２および熱交換器１６は、第１実施例と同様の構成を有している。第１１実施例の熱交換部１１０では、改質ガス流路５４を介して改質器３８から改質ガスが供給されると、この改質ガスは、まず熱交換器１６で降温されてから、水蒸気混合部１２において加湿・降温される。
【０１２６】
本実施例の熱交換部１１０によれば、水と改質ガスとの間で熱交換を行なわせる熱交換器１６と、加湿・降温の両方を行なう水蒸気混合部１２とを組み合わせることで、第１実施例と同様に装置を小型化できるという効果が得られる。そして、第１実施例に比べてさらに、熱交換部から排出される改質ガスの温度分布状態を均一化する効果を高めることができる。水蒸気混合部１２は、既述したように、水蒸気混合部１２に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部１２を構成する薄板積層構造の温度分布状態に応じて、各水流路１１に供給する水の量が調節されており、ここから排出される改質ガスの温度分布状態を均一化する効果が極めて高い。そのため、このような水蒸気混合部１２を下流側に配設することにより、熱交換部から排出される改質ガスの温度分布状態を均一化する効果を、より高めることができる。
【０１２７】
Ｍ．第１２実施例：
図３６は、第１２実施例の熱交換部２１０の構成を模式的に表わす説明図である。熱交換部２１０は、２つの水蒸気混合部１２と１つの熱交換器１６とを備える。これらは、改質ガスの流れ方向の上流側から、水蒸気混合部１２、熱交換器１６、水蒸気混合部１２の順に、直列に接続されている。
【０１２８】
このような熱交換部２１０によれば、熱交換部２１０から排出される改質ガスの温度分布状態をより均一化する効果と、熱交換部２１０の耐久性を向上させる効果とを、共に向上させることができる。すなわち、最も下流である位置に水蒸気混合部１２を配設することによって、第１１実施例の熱交換部１１０と同様に、熱交換部２１０から排出される改質ガスの温度分布状態をより均一化することができる。また、最も上流である位置に水蒸気混合部１２を配設しているため、改質器３８から供給された高温の改質ガスは、まず、熱交換部２１０の入口部（流入室１５Ｂ）において水流路１１から吐出される水蒸気と混合されることによって降温する。そのため、これより下流側に流れ込む改質ガスの温度がより低く抑えられて、第１実施例の熱交換部１０と同様に、全体の耐久性を向上させることができる。
【０１２９】
Ｎ．第１３実施例：
図３７（Ａ）は、第１３実施例の熱交換部３１０Ａの構成を模式的に表わす説明図である。熱交換部３１０Ａは、２つの水蒸気混合部１２と２つの熱交換器１６とを備える。これらは、改質ガスの流れ方向の上流側から、水蒸気混合部１２、熱交換器１６、水蒸気混合部１２、熱交換器１６の順に、直列に接続されている。すなわち、第１実施例の熱交換部１０の構成を２つ重ねた構成を有している。
【０１３０】
また、図３７（Ｂ）は、第１３実施例の変形例としての熱交換部３１０Ｂの構成を模式的に表わす説明図である。熱交換部３１０Ｂは、２つの水蒸気混合部１２と２つの熱交換器１６とを備える。これらは、改質ガスの流れ方向の上流側から、熱交換器１６、水蒸気混合部１２、熱交換器１６、水蒸気混合部１２の順に、直列に接続されている。すなわち、第１１実施例の熱交換部１１０の構成を２つ重ねた構成を有している。
【０１３１】
このような熱交換部３１０Ａ、３１０Ｂによれば、第１実施例の熱交換部１０が示す効果や、第１１実施例の熱交換部１１０が示す効果を、より充分に得ることができる。ここで、図３７（Ａ）および（Ｂ）では、いずれも、水蒸気混合部１２と熱交換器１６とを備える構成を２つ直列に接続することとしたが、上記構成を３つ以上直列に接続することとしても良い。
【０１３２】
なお、上記第１１ないし第１３実施例では、熱交換部３１０Ａ，３１０Ｂは、第１実施例の水蒸気混合部１２を備えることとしたが、第２〜第１０実施例の水蒸気混合部を用いることとしても良い。第２〜６実施例の水蒸気混合部では、第１実施例の水蒸気混合部１２と同様に、水蒸気混合部に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部を構成する薄板積層構造の温度分布状態に応じて、各水流路１１に供給される水の量が調節される。これによって、熱交換部から排出される改質ガスの温度分布状態をより均一化できる。第７〜１０実施例の水蒸気混合部では、水蒸気混合部に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部を構成する薄板積層構造の温度分布状態によって、各水流路１１に供給される水の量がばらついてしまうのが、抑えらる。これによって、熱交換部から排出される改質ガスの温度分布状態をより均一化できる。
【０１３３】
また、第１１ないし第１３実施例の熱交換部において、用いる水蒸気混合部としては、実施例１〜１０に示した水蒸気混合部のように、水の分配量を調節するための構成、あるいは、水の分配状態を均一化するための構成を特別に設けていないものであってもよい。薄板積層構造を有し、その内部に改質ガス流路と水流路とを形成して、改質ガスと水とを熱交換させると共に、これによって生じた水蒸気を、対向して流入する改質ガス中に混合する水蒸気混合部を備えていればよい。水の分配状態に関する特別な構成を有していなくても、このような水蒸気混合部は、改質ガス流路と冷却水流路とが独立して設けられた通常の熱交換器に比べて、排出される改質ガスの温度分布状態をより均一化する効果を有している。そのため、このような水蒸気混合部を、上記第１１ないし第１３実施例の熱交換部で用いることとしても、同様の効果を得ることができる。
【０１３４】
Ｏ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１３５】
Ｏ１．変形例１：
既述した水蒸気混合部において、改質ガスが排出される下流側出口部付近に、液飛び防止部を設けることとしても良い。図３８は、第１実施例の水蒸気混合部１２内に、液飛び防止部１９を配設した様子を表わす説明図である。図３８では、液飛び防止部１９を、流出室１５Ａ内に配設する様子を示している。この液飛び防止部１９は、例えば、金属多孔質体である発泡金属や、フォームと呼ばれる樹脂多孔質体、あるいはハニカムによって構成することができる。このような液飛び防止部１９を配設すれば、改質ガス流路１３から排出される改質ガス中に気化していない微細な液滴が残留する場合に、この液滴を改質ガス中から捕捉することができる。これによって、シフト部４０に液滴が進入するのを防止することができる。液飛び防止部１９に捕捉された液水は、これを通過する改質ガスの熱によって次第に気化し、改質ガス中に混合されて、シフト反応に供される。
【０１３６】
Ｏ２．変形例２：
既述した実施例の熱交換部は、水蒸気混合部と熱交換器１６とを備え、これらを直列に接続して構成されている。これに対して、水蒸気混合部によって改質ガスを加湿・降温するだけで、シフト反応に供することができる温度にまで充分に改質ガスを冷却可能であるならば、熱交換部は水蒸気混合部だけで構成することとしても良い。この場合にも、第１ないし第６実施例の水蒸気混合部を用いることで、水蒸気混合部に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部を構成する薄板積層構造の温度分布状態に応じて、各水流路１１に供給される水の量を、調節された所定の不均一状態とするため、排出される改質ガスの温度分布状態をより均一化する効果を得ることができる。また、第７ないし第１０実施例の水蒸気混合部を用いることで、水蒸気混合部に供給される改質ガスの温度分布状態や、水蒸気混合部を構成する薄板積層構造の温度分布状態によって、各水流路１１に供給される水の量がばらついてしまうのを抑えるため、排出される改質ガスの温度分布状態をより均一化する効果を得ることができる。そして、これらの実施例の水蒸気混合部を用いることで、改質ガスを加湿する装置を、より小型化する効果を得ることができる。
【０１３７】
Ｏ３．変形例３：
第１実施例では、水蒸気混合部１２の水流路１１へは、熱交換器１６で昇温した水を導入することとしたが、水蒸気混合部と熱交換器とを備える熱交換部において、熱交換器で用いた冷却水の少なくとも一部を、水蒸気混合部において用いない構成としても良い。熱交換器において改質ガスと熱交換することによって冷却水が回収した熱は、燃料電池システム内の他の装置で利用することとしても、システム全体のエネルギ効率を向上させる効果を得ることができる。例えば、熱交換器１６における熱交換によって昇温した水を、改質器３８における改質反応に供することとしてもよい。このようにすれば、蒸発器３４で水を昇温・気化させるために消費するエネルギを削減することができる。
【０１３８】
Ｏ４．変形例４：
既述した実施例の水蒸気混合部では、内部に形成される水流路１１に対して水を分配するマニホールドは、薄板積層構造を構成する板材に形成された穴部によって形成したが、マニホールドは薄板積層構造とは別体で形成することとしても良い。この場合には、例えば、薄板積層構造をケーシングに収納する代わりに、薄板積層構造に対して直接マニホールドを溶接することとすればよい。このような場合にも、マニホールドを構成する流路の一部の流路径を他の部分の流路径と異ならせたり、マニホールド内に形成される接続部の位置を適宜設定する等、実施例と同様の形状とすることで、実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１３９】
Ｏ５．変形例５：
実施例の燃料電池システム２０では、改質燃料としてガソリンを用いたが、他種の改質燃料を用いることとしても良い。改質燃料としては、ガソリンの他、天然ガスなどの炭化水素や、メタノールなどのアルコール、アルデヒドなど、改質して水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を適用可能である。用いる改質燃料に応じて改質触媒を選択し、適宜反応温度を設定すればよい。他種の改質燃料を用いる場合にも、通常は、シフト反応の反応温度よりも改質反応の反応温度の法が高いため、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム２０の構成の概略を表わす説明図である。
【図２】第１実施例の熱交換部１０の構成の概略を表わす説明図である。
【図３】水蒸気混合部１２が備える薄板積層構造１７の構成を表わす分解斜視図である。
【図４】薄板積層構造１７内において、３組の水分配マニホールド７５が形成される様子を模式的に示す説明図である。
【図５】水分配マニホールド７５の様子、および、この水分配マニホールド７５から各水流路１１に水が分配される様子を、模式的に示す説明図である。
【図６】流路プレート７２Ａの構成を表わす平面図である。
【図７】隔壁プレート７０Ａの構成を表わす平面図である。
【図８】隔壁プレート７０Ｂの構成を表わす平面図である。
【図９】隔壁プレート７０Ｃの構成を表わす平面図である。
【図１０】流路プレート７２Ｄの構成を表わす平面図である。
【図１１】隔壁プレート７０Ｄの構成を表わす平面図である。
【図１２】薄板積層構造１７の製造方法を表わすフローチャートである。
【図１３】流路プレート７２Ａの元となる原流路プレート７１を示す説明図である。
【図１４】薄板積層構造１７の外観を表わす斜視図である。
【図１５】熱交換器１６の構成の概略を表わす斜視図である。
【図１６】熱交換部１０の様子を模式的に表わす斜視図である。
【図１７】第１実施例の第１の変形例としての水蒸気混合部１２Ａにおける水分配状態を表わす説明図である。
【図１８】第１実施例の第２の変形例としての水蒸気混合部１２Ｂにおける水分配状態を表わす説明図である。
【図１９】第２実施例の水蒸気混合部１１２における水分配状態を表わす説明図である。
【図２０】第３実施例の水蒸気混合部２１２における水分配状態を表わす説明図である。
【図２１】第４実施例の水蒸気混合部３１２における水分配状態を表わす説明図である。
【図２２】第５実施例の水蒸気混合部４１２における水分配状態を表わす説明図である。
【図２３】第５実施例の第１の変形例である水蒸気混合部４１２Ａにおける水分配状態を表わす説明図である。
【図２４】第５実施例の第２の変形例である水蒸気混合部４１２Ｂにおける水分配状態を表わす説明図である。
【図２５】第６実施例の水蒸気混合部５１２における水分配状態を表わす説明図である。
【図２６】第７実施例の水蒸気混合部６１２における水分配状態を表わす説明図である。
【図２７】第７実施例の第１の変形例である水蒸気混合部６１２Ａにおける水分配状態を表わす説明図である。
【図２８】第７実施例の第２の変形例である水蒸気混合部６１２Ｂにおける水分配状態を表わす説明図である。
【図２９】第８実施例の水蒸気混合部７１２における水分配状態を表わす説明図である。
【図３０】水蒸気混合部７１２の形状の概略を表わす説明図である。
【図３１】第９実施例の水蒸気混合部８１２における水分配の様子を模式的に表わす説明図である。
【図３２】第９実施例の変形例である水蒸気混合部８１２Ａにおける水分配の様子を模式的に表わす説明図である。
【図３３】第１０実施例の水蒸気混合部９１２における水分配の様子を模式的に表わす説明図である。
【図３４】第１０実施例の変形例である水蒸気混合部９１２Ａにおける水分配の様子を模式的に表わす説明図である。
【図３５】熱交換部１０と熱交換部１１０とを、それぞれ模式的に表わす説明図である。
【図３６】第１２実施例の熱交換部２１０の構成を模式的に表わす説明図である。
【図３７】熱交換部３１０Ａ，３１０Ｂの構成を模式的に表わす説明図である。
【図３８】水蒸気混合部１２内に液飛び防止部１９を配設した様子を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０，３１０Ａ，３１０Ｂ…熱交換部
１１…水流路
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１１２，２１２，３１２，４１２…水蒸気混合部
１３…改質ガス流路
１４…接続流路
１５Ａ…流出室
１５Ｂ…流入室
１６…熱交換器
１７…薄板積層構造
１８…水流路
１９…液飛び防止部
２０…燃料電池システム
３０…ガソリンタンク
３２…水タンク
３４…蒸発器
３６…加熱部
３８…改質器
３９…ブロワ
４０…シフト部
４２…ＣＯ選択酸化部
４３…ブロワ
４４…燃料電池
４５…制御部
４６…ブロワ
４７，４８…ポンプ
４９…流量調整弁
５０…改質燃料流路
５１…水供給路
５２…改質燃料供給路
５３…混合気体流路
５４，５５，５６…改質ガス流路
５７…燃料ガス供給路
５８…燃料排出路
５９…水分岐路
６０…酸化ガス供給路
６２…酸化排ガス路
７０，７０Ａ〜７０Ｄ…隔壁プレート
７１…原流路プレート
７１Ｐ…接続片
７２，７２Ａ，７２Ｄ…流路プレート
７５，１７５，２７５，３７５，４７５…水分配マニホールド
７６，３７６，７７６…主水路
７７…第１分岐流路
７８，２７８，３７８Ａ，３７８Ｂ…第２分岐流路
７９，７９Ｂ，１７９，２７９，３７９Ａ，３７９Ｂ…分配流路
８０…側壁部材
８１Ａ，８１Ｄ…流路形成部材
８２，８３…空間
８４〜８８…穴部
８９…絞り部
９０…改質ガス流路
９２…冷却水流路
３７７…流路
４１２Ａ，４１２Ｂ，５１２，６１２，６１２Ａ，６１２Ｂ…水蒸気混合部
４７５Ａ，４７５Ｂ…水分配マニホールド
４７９，４７９Ａ，４７９Ｂ…分配流路
５７３…流量調整弁
５７５，６７５，６７５Ａ，６７５Ｂ…水分配マニホールド
６７８，６７８Ａ…第２分岐流路
６７９，６７９Ｂ…分配流路
７１２，８１２，８１２Ａ，９１２，９１２Ａ…水蒸気混合部
７７４…マニホールド形成部
７７５，８７５，８７５Ａ，９７５，９７５Ａ…水分配マニホールド
７７７…第１分岐流路
７７８…第２分岐流路
７７９…分配流路
８７９…穴部
８７９Ａ…細管
【図１】
2004035310.tif 000003
【図２】
2004035310.tif 000004
【図３】
2004035310.tif 000005
【図４】
2004035310.tif 000006
【図５】
2004035310.tif 000007
【図６】
2004035310.tif 000008
【図７】
2004035310.tif 000009
【図８】
2004035310.tif 000010
【図９】
2004035310.tif 000011
【図１０】
2004035310.tif 000012
【図１１】
2004035310.tif 000013
【図１２】
2004035310.tif 000014
【図１３】
2004035310.tif 000015
【図１４】
2004035310.tif 000016
【図１５】
2004035310.tif 000017
【図１６】
2004035310.tif 000018
【図１７】
2004035310.tif 000019
【図１８】
2004035310.tif 000020
【図１９】
2004035310.tif 000021
【図２０】
2004035310.tif 000022
【図２１】
2004035310.tif 000023
【図２２】
2004035310.tif 000024
【図２３】
2004035310.tif 000025
【図２４】
2004035310.tif 000026
【図２５】
2004035310.tif 000027
【図２６】
2004035310.tif 000028
【図２７】
2004035310.tif 000029
【図２８】
2004035310.tif 000030
【図２９】
2004035310.tif 000031
【図３０】
2004035310.tif 000032
【図３１】
2004035310.tif 000033
【図３２】
2004035310.tif 000034
【図３３】
2004035310.tif 000035
【図３４】
2004035310.tif 000036
【図３５】
2004035310.tif 000037
【図３６】
2004035310.tif 000038
【図３７】
2004035310.tif 000039
【図３８】
2004035310.tif 000040