(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置であって、
水を加熱して水蒸気を発生させると共にその発生させた水蒸気を送り出す送出口（２３１）を有する水蒸発器（２０６）と、
水蒸気を受け入れる受入口（２３２）を有し、被改質ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８）と、
前記水蒸発器及び前記改質器を、互いに向き合うようにして内部に収容するユニットケーシング（２０５，２０５Ａ）と、
前記送出口と前記受入口とを繋ぐ水蒸気流路（２０７，２０７Ａ）と、
酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路（３０１）と、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが供給され、電気化学反応によって電力を発生させるセルスタック（ＣＳ）と、
前記セルスタックにおける電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼部（４０）と、
前記燃焼部で発生した燃焼ガスを流す燃焼ガス排出流路（５０２）と、を備え、
前記燃焼ガス排出流路は、前記燃焼ガスが、前記改質器、前記酸化剤ガス流路、前記水蒸発器の順に熱を与えながら流れるように構成され、
前記送出口及び前記受入口は、前記改質器と前記水蒸発器との間で前記改質器から前記水蒸発器への伝熱を抑制するために形成される伝熱抵抗空間に臨むように形成され、
前記水蒸気流路は、前記伝熱抵抗空間において前記送出口と前記受入口とを繋いでいる、ことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記伝熱抵抗空間は前記水蒸気流路によって占められている、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記送出口と前記受入口とが互いに正対しないようにオフセット配置されている、請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記水蒸気流路（２０７Ａ）は、内部に流れる水蒸気の進行方向を転換させて流す折返し部（２０７ｂ，２０７ｄ）と、前記折返し部に繋げて設けられ水蒸気の進行方向を一方向に維持させて流す複数の直進部（２０７ａ，２０７ｃ，２０７ｅ）とを有する、請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記複数の直進部は、前記水蒸発器から前記改質器に向かう方向において少なくとも一部が重なりあうように配置されている、請求項４に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、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ガス等の燃料ガスと、空気や酸素等の酸化剤ガスとにより電気化学反応を生じさせて電力を発生させる燃料電池装置では、燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質器が設けられている。このような改質器として、燃料ガスとともに水蒸気を改質触媒に導入し、水素の収率が高い改質反応である水蒸気改質を行うものが知られている。改質触媒に導入される水蒸気は、水を加熱して蒸発させる水蒸発器によって生成される。水蒸気改質や水の蒸発に必要となる熱は、電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱を利用することが一般的である。
【０００３】
例えば下記特許文献１には、残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、その燃焼ガスが有する熱によって改質器等を加熱する燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置では、燃焼ガスは、まず改質器を加熱し、次に改質器の下流に配置された水蒸発器（上部気化器）を加熱し、更にその後、セルスタックに供給される酸化剤ガスを加熱するように構成されている。これにより、燃料電池装置の起動時等に、高温となった酸化剤ガスによってセルスタックを加熱し、昇温させることが可能となる。
【０００４】
ここで、燃料電池装置では、水蒸発器が有する熱は気化する水によって奪われるため、水蒸発器が燃料電池装置の他の要素と比べて低温となる傾向がある。このため、改質器から低温となった水蒸発器に熱が移動し、改質器において水蒸気改質に用いることができる熱が減少してしまうおそれがある。水蒸気改質は吸熱反応であるため、その反応を安定的に生じさせるためには多量の熱が必要となるところ、上記のように水蒸気改質に用いることができる熱が減少すると、水素の収率や発電効率の低下を招くおそれがある。
【０００５】
このような課題に対し、下記特許文献１には、水蒸発器と改質器の配置を工夫することで、改善を図ろうとする燃料電池装置が記載されている。詳細には、水蒸発器を改質器と離間した状態で配置することで、改質器から水蒸発器への熱移動を抑制し、発電効率の向上を図ることを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２２１６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載の燃料電池装置は、燃焼ガスが、改質器及び水蒸発器を加熱した後に酸化剤ガスを加熱するように構成されている。このため、酸化剤ガスの加熱が不十分となり、その結果、セルスタックの昇温に長時間を要するという課題があった。
【０００８】
また、上記特許文献１に記載の燃料電池装置のように、水蒸発器を改質器と離間させることで熱移動の抑制を図る場合、十分な効果を得るためには、両者の離間距離を大きくする必要がある。このため、装置の大型化や、組立コストの増大を招くという課題があった。
【０００９】
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、水蒸発器を改質器と近づけて配置することを可能にして装置のコンパクト化を図りつつ、改質器から水蒸発器への熱移動を十分に抑制し、セルスタックを迅速に昇温させることができる燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、水を加熱して水蒸気を発生させると共にその発生させた水蒸気を送り出す送出口（２３１）を有する水蒸発器（２０６）と、水蒸気を受け入れる受入口（２３２）を有し、被改質ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８）と、水蒸発器及び改質器を、互いに向き合うようにして内部に収容するユニットケーシング（２０５，２０５Ａ）と、送出口と受入口とを繋ぐ水蒸気流路（２０７，２０７Ａ）と、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路（３０１）と、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、電気化学反応によって電力を発生させるセルスタック（ＣＳ）と、セルスタックにおける電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼部（４０）と、燃焼部で発生した燃焼ガスを流す燃焼ガス排出流路（５０２）と、を備える。燃焼ガス排出流路は、燃焼ガスが改質器、酸化剤ガス流路、水蒸発器の順に熱を与えながら流れるように構成されている。送出口及び受入口は、改質器と水蒸発器との間で改質器から水蒸発器への伝熱を抑制するために形成される伝熱抵抗空間に臨むように形成され、水蒸気流路は、伝熱抵抗空間において送出口と受入口とを繋いでいる。
【００１１】
本発明では、燃料ガスの燃焼により発生した燃焼ガスは、改質器、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガス、水蒸発器の順に熱を与えながら燃焼ガス排出流路を流れる。このため、燃焼ガスが改質器及び水蒸発器を加熱した後に酸化剤ガスを加熱する従来の構成と比べて、酸化剤ガスを十分に加熱することができる。したがって、加熱されて高温となった酸化剤ガスをセルスタックに供給することにより、セルスタックを迅速に昇温させることが可能となる。
【００１２】
ところが、セルスタックを迅速に昇温させるためにこのような構成を採用したことで、改質器の温度がさらに低下するという新たな課題が生じる。詳述すると、まず、水蒸発器は、燃料電池装置の他の要素と比べて低温となる傾向があるところ、更に、酸化剤ガスを水蒸発器よりも優先的に加熱するように構成したことで、水蒸発器の温度が大幅に低下してしまう。これにより、改質器と水蒸発器との温度差が顕著となり、特に、両者を１つのユニットケーシングの内部に収容している場合に、改質器から水蒸発器へ熱が移動して改質器の温度が低下する。水蒸発器を改質器と離間させることで熱移動の抑制を図る場合、十分な効果を得るためには、両者の離間距離をさらに大きくする必要があり、燃料電池装置の大型化を招くことになる。
【００１３】
そこで、本発明では、互いに向き合うようにしてユニットケーシングの内部に収容された水蒸発器と改質器との間に、伝熱抵抗空間が形成されている。伝熱抵抗空間は、改質器から水蒸発器への伝熱を抑制するので、改質器と水蒸発器とを近接配置しても改質器の温度低下を抑制することができる。更に、伝熱抵抗空間には、水蒸気流路が設けられており、伝熱抵抗空間に臨むように形成された送出口から同じく伝熱抵抗空間に臨むように形成された受入口に向けて水蒸気を流すことができる。このように水蒸気が改質器に向けて流れる水蒸気流路を伝熱抵抗空間に設けることで、対流による伝熱で抑制することができる。したがって、改質器における水蒸気改質に用いる熱を逃さないようにしつつ、改質器と水蒸発器とを近づけて配置することができるので、両者を１つのユニットケーシングの内部に収容し、燃料電池装置のコンパクト化を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、水蒸発器を改質器と近づけて配置することを可能にして装置のコンパクト化を図りつつ、改質器から水蒸発器への熱移動を十分に抑制し、セルスタックを迅速に昇温させることができる燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を模式的に示す図である。
【図２】図１に示される燃料電池装置におけるガス及び水の流れを説明する図である。
【図３】図１に示される改質ユニットの内部構造を模式的に示す図である。
【図４】改質ユニットの第１変形例を模式的に示す図である。
【図５】改質ユニットの第２変形例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１に示されるように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置ＦＣは、セルスタックＣＳと、ケーシング１０と、燃料ガス供給部２０と、空気供給部３０と、燃焼部４０と、燃焼ガス排出部５０と、を備えている。まず、図１を参照しながら、セルスタックＣＳ及びケーシング１０の構成について説明する。
【００１８】
セルスタックＣＳは、複数の燃料電池セル（不図示）の集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であり、電極として正極（アノードまたは燃料極とも言い、Ａｎとも記す）と負極（カソードまたは空気極とも言い、Ｃａとも記す）と、を有している。複数の燃料電池セルは、全て電気的に直列に接続されている。各燃料電池セルの正極及び負極は、いずれも導電性セラミックスで形成されている。正極と負極との間には、イオン伝導性を有する固体電解質が設けられている。セルスタックＣＳは、ベースプレートＢＰ上に立設されている。
【００１９】
ケーシング１０は、セルスタックＣＳを収容する筐体であり、第１筒状体１０１と、第２筒状体１０２と、第３筒状体１０３と、第４筒状体１０４と、第５筒状体１０５と、を有している。第１筒状体１０１、第２筒状体１０２、第３筒状体１０３、第４筒状体１０４及び第５筒状体１０５は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。
【００２０】
第１筒状体１０１は、上端を塞ぐ天板部１０１ａと、円筒状の円筒部１０１ｂとを有する。第１筒状体１０１は、ベースプレートＢＰ上に立設されたセルスタックＣＳをその内部に収容しており、その下端がベースプレートＢＰ上に当接して固定されている。円筒部１０１ｂの下部には、後述する空気供給部３０の吹出口３０３が形成されている。
【００２１】
第２筒状体１０２は、上円筒部１０２ａと、下円筒部１０２ｂとを有している。下円筒部１０２ｂの径が上円筒部１０２ａに比べて小さくなるように構成されている。下円筒部１０２ｂの上端外周と、上円筒部１０２ａの下端外周とは、ドーナツ状の円板部１０２ｃで繋がれている。第２筒状体１０２は、全体として段付きの筒状に形成されており、第１筒状体１０１の外部に配置されている。
【００２２】
上円筒部１０２ａは、円筒部１０１ｂの外側面と所定の距離を保つように、円筒部１０１ｂを覆っている。従って、上円筒部１０２ａの内側面と、円筒部１０１ｂの外側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、後述する空気加熱流路３０１の第２加熱流路３０１ｂとなる。下円筒部１０２ｂには、後述する燃焼ガス排出部５０の燃焼ガス排出口５０１が形成されている。
【００２３】
第３筒状体１０３は、その上端から下端まで径がほぼ一様の筒状に形成されている。第３筒状体１０３は、第２筒状体１０２の外側に配置されている。第３筒状体１０３は、第２筒状体１０２の外側面と所定の距離を保つように、その外側面を覆っている。第３筒状体１０３の内側面と第２筒状体１０２の外側面との間に隙間が形成されている。この隙間は、後述する燃焼ガス排出流路５０２の第１排出流路５０２ａとなる。
【００２４】
第４筒状体１０４は、その下端にフランジ部１０４ａを有する筒状に形成されており、第３筒状体１０３の外部に配置されている。このフランジ部１０４ａは、ケーシング１０の固定に利用される。第４筒状体１０４は、第３筒状体１０３の外側面を覆うとともに、その内側面が第３筒状体１０３の外側面との間に隙間を形成するように配置されている。の隙間は、後述する燃焼ガス排出流路５０２の第２排出流路５０２ｂとなる。第４筒状体１０４の下部の内部には、円板状の底板１０４ｂが配置されている。底板１０４ｂは、第２筒状体１０２の下端を塞ぐとともに、第４筒状体１０４の内部を上下に区画している。
【００２５】
第２筒状体１０２、第３筒状体１０３及び第４筒状体１０４のそれぞれの上端部の上方には、円環状の環状内蓋１０６が配置されている。環状内蓋１０６は、第２筒状体１０２の内側面及び第４筒状体１０４の外側面に対して固定され、第２筒状体１０２と第４筒状体１０４との間に形成される空間を覆っている。環状内蓋１０６は、第３筒状体１０３上端との間に隙間を空けて配置されることで、第２筒状体１０２と第３筒状体１０３との間に形成されている隙間（第１排出流路５０２ａ）と、第３筒状体１０３と第４筒状体１０４との間に形成されている隙間（第２排出流路５０２ｂ）と、連通させている。
【００２６】
第５筒状体１０５は、第４筒状体１０４の外部に配置され、第４筒状体１０４の上部の外側を覆っている。第５筒状体１０５は、その内側面が第４筒状体１０４の外側面との間に隙間を形成するように配置されている。この隙間は、後述する空気加熱流路３０１の第１加熱流路３０１ａとなる。
【００２７】
続いて、図１及び図２を参照しながら、燃料ガス供給部２０、空気供給部３０、燃焼部４０及び燃焼ガス排出部５０の構成について説明する。
【００２８】
燃料ガス供給部２０は、原料供給管２０１と、改質ユニット２０２と、燃料ガス供給管２０３と、脱硫器２０４（図２参照）と、を有している。原料供給管２０１は、炭化水素ガスを含む都市ガスと、空気あるいは水と、をその内部に流す配管である。原料供給管２０１は、ケーシング１０の底板１０４ｂを貫通し、第２筒状体１０２と第３筒状体１０３との間に形成される隙間に延びるように形成されている。都市ガスは、原料供給管２０１の上流において脱硫器２０４を通過することで、電池性能の低下を招く硫黄成分が除去される。
【００２９】
改質ユニット２０２は、バーナー４０２を囲むように円環状に形成されており、その中心軸は第１筒状体１０１、第２筒状体１０２、第３筒状体１０３、第４筒状体１０４及び第５筒状体１０５の中心軸と同軸とされている。改質ユニット２０２は、第２筒状体１０２の下部１０２ｂと第３筒状体１０３との間に形成される隙間に配置されている。また、改質ユニット２０２は、その内周側の側面が下部１０２ｂの外側面との間に隙間を形成するとともに、その外周側の側面が第３筒状体１０３の内側面と当接するように配置されている。
【００３０】
また、図２に示されるように、改質ユニット２０２は、その内部に水蒸発器２０６と、改質器２０８と、を有している。後述するように、改質ユニット２０２は、水蒸発器２０６及び改質器２０８をユニットケーシング２０５（図２においては明示せず、図３参照）の内部に収めることでユニット化されている。原料供給管２０１は、この改質ユニット２０２に接続されている。
【００３１】
燃料ガス供給管２０３は、改質ユニット２０２に接続され、改質ユニット２０２から排出される燃料ガスをその内部に流す配管である。燃料ガス供給管２０３は、改質ユニット２０２から下方に延びて底板１０４ｂを貫通し、底板１０４ｂの下方において上方に折り返すように形成されている。さらに、折り返した燃料ガス供給管２０３は、第２筒状体１０２の下部１０２ｂの内部に配置されるように底板１０４ｂを貫通し、ベースプレートＢＰまで延びるように形成されている。
【００３２】
空気供給部３０は、空気加熱流路３０１と、空気導入管３０２と、吹出口３０３と、を有している。空気加熱流路３０１は、第１加熱流路３０１ａ及び第２加熱流路３０１ｂを有している。第１加熱流路３０１ａは、第４筒状体１０４と第５筒状体１０５との間に形成された隙間である。第２加熱流路３０１ｂは、第１筒状体１０１と第２筒状体１０２との間に形成された隙間である。空気導入管３０２は、第５筒状体１０５の外側面に接続される配管であり、空気加熱流路３０１の第１加熱流路３０１ａに連通している。吹出口３０３は、第１筒状体１０１の下部に、周方向に互いに間隔をあけて複数設けられる貫通孔である。
【００３３】
燃焼部４０は、燃焼室４０１と、バーナー４０２と、イグナイタ４０３と、を有している。燃焼室４０１は、第２筒状体１０２の下部１０２ｂの内部に形成された空間である。バーナー４０２は、ベースプレートＢＰから下方の燃焼室４０１内に向けて突出するように設けられている。バーナー４０２は、セルスタックＣＳにおける電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスをその内部に流し、下端から燃焼室４０１内に供給する。
【００３４】
イグナイタ４０３は、点火装置であり、ケーシング１０の底板１０４ｂを貫通して燃焼室４０１内に臨出するよう設けられている。イグナイタ４０３は、高電圧が印加されることで火花放電を発生させ、燃焼室４０１内の燃料ガスに着火して燃焼させる。このような残余の燃料ガスの燃焼により、燃焼室４０１内で燃焼ガスが発生する。
【００３５】
燃焼ガス排出部５０は、燃焼ガス排出口５０１と、燃焼ガス排出流路５０２と、燃焼ガス排出管５０３と、を有している。燃焼ガス排出口５０１は、第２筒状体１０２の下部１０２ｂに、周方向に互いに間隔をあけて複数設けられる貫通孔である。燃焼ガス排出流路５０２は、第１排出流路５０２ａ及び第２排出流路５０２ｂを有している。
【００３６】
第１排出流路５０２ａは、第２筒状体１０１の下部１０２ｂと第３筒状体１０３との間に形成された隙間である。第２排出流路５０２ｂは、第３筒状体１０３と第４筒状体１０４との間に形成された隙間である。燃焼ガス排出管５０３は、ケーシング１０の第４筒状体１０４の外側面に接続される配管であり、燃焼ガス排出流路５０２の第２排出流路５０２ｂと連通している。
【００３７】
引き続いて、図１及び図２を参照しながら、以上のように構成された燃料電池装置ＦＣの動作について説明する。
【００３８】
燃料電池装置ＦＣの起動時等、セルスタックＣＳや改質器２０８の温度が低い状態にあるときは、燃料ガス供給部２０は、都市ガス及び空気を改質ユニット２０２に供給する。図２に示されるように、原料供給管２０１によって改質ユニット２０２に供給された都市ガス及び空気は、まず水蒸発器２０６に導入される。そして、水蒸発器２０６を通過した都市ガス及び空気は、水蒸気流路２０７を介して改質器２０８に導入される。
【００３９】
改質器２０８は、その内部に改質触媒が充填されている。改質器２０８において、都市ガスに含まれる炭化水素ガスと、空気に含まれる酸素とによる部分酸化改質が行われる。この部分酸化改質により、水素を含む燃料ガスが生成される。部分酸化改質は発熱反応であることから、改質器２０８において生成される燃料ガスも高温となる。また、改質ユニット２０２に接続された燃料ガス供給管２０３は、その一部が燃焼室４０１内（第２筒状体１０２の下部１０２ｂの内部）に配置されているため、燃料ガスは当該部位を流れる際に燃焼ガスによって加熱され、さらに高温となる。このようにして高温となった燃料ガスが、セルスタックＣＳを構成する燃料電池セルの正極Ａｎに供給されることで、セルスタックＣＳが加熱されて昇温し、燃料電池装置ＦＣの迅速な起動に寄与する。
【００４０】
一方、空気供給部３０の空気導入管３０２によってケーシング１０内に導入される空気は、図１に示されるように、空気加熱流路３０１の第１加熱流路３０１ａを上方に流れる。次に、空気は上面蓋１０７に沿ってその向きをケーシング１０の中央側に変え、さらに第２加熱流路３０１ｂを下方に流れる。第２加熱流路３０１ｂを流れて第１筒状体１０１の下部に至った空気は、吹出口３０３から第１筒状体１０１の内部に向けて吹き出し、セルスタックＣＳを構成する燃料電池セルの負極Ｃａに供給される。
【００４１】
後述するように、空気加熱流路３０１を流れる空気は、高温の燃焼ガスを熱源として加熱され、昇温する。このようにして高温となった空気が燃料電池セルの負極Ｃａに供給されることで、セルスタックＣＳが加熱されて昇温し、燃料電池装置ＦＣの迅速な起動に寄与する。
【００４２】
セルスタックＣＳでは、以上のように供給される燃料ガスと空気を用いて電気化学反応を生じさせ、発電を行う。セルスタックＣＳにおける電気化学反応に用いられなかった残余の燃料ガスは、バーナー４０２から吹き出され、イグナイタ４０３によって着火されて燃焼する。この燃焼の結果として、燃焼室４０１内に高温の燃焼ガスが発生する。
【００４３】
燃焼室４０１内で発生した高温の燃焼ガスは、燃焼ガス排出口５０１から排出され、燃焼ガス排出流路５０２の第１排出流路５０２ａに流入する。第１排出流路５０２ａには改質ユニット２０２が配置されており、燃焼ガスは改質ユニット２０２の側面に沿って上方に流れる。これにより、高温の燃焼ガスによって改質ユニット２０２の改質器２０８が加熱され、昇温する。
【００４４】
改質ユニット２０２の側面を通過した第１排出流路５０２ａの燃焼ガスは、空気加熱流路３０１の第２加熱流路３０１ｂを下方に流れる空気と、第２筒状体１０２の上部１０２ａを挟んで逆向きに流れる。これにより、第２加熱流路３０１ｂを流れる空気は、上部１０２ａを介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。
【００４５】
第１排出流路５０２ａを通過した燃焼ガスは、環状内蓋１０６に沿って折り返し、次に第２排出流路５０２ｂを下方に流れる。第２排出流路５０２ｂの燃焼ガスは、空気加熱流路３０１の第１加熱流路３０１ａを流れる空気と、第４筒状体１０４を挟んで逆向きに流れる。これにより、第１加熱流路３０１ａを流れる空気は、第４筒状体１０３を介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。
【００４６】
第２排出流路５０２ｂをさらに下方に流れた燃焼ガスは、改質ユニット２０２の外側面が当接する第３筒状体１０３の下部に沿って流れる。これにより、改質ユニット２０２の水蒸発器２０６は、第３筒状体１０３を介して高温の燃焼ガスによって加熱され、昇温する。つまり、燃焼ガス排出流路５０２は、燃焼室４０１内で発生した高温の燃焼ガスが、改質器２０８、空気加熱流路３０１を流れる空気、水蒸発器２０６の順に熱を与えながら流れるように構成されている。第２排出流路５０２ｂを流れ終えた燃焼ガスは、燃焼ガス排出管５０３を介してケーシング１０から排出される。この燃焼ガスは、排熱回収器５０４（図２参照）を通過することで熱を回収された後に、低温となって排出される。
【００４７】
水蒸発器２０６よりも優先的に空気を加熱することで、高温となった空気をセルスタックＣＳに供給し、セルスタックＣＳを迅速に昇温させることが可能となる。セルスタックＣＳや改質器２０８が所定温度まで昇温した後は、燃料ガス供給部２０は、空気に代えて、あるいは空気に加えて、原料供給管２０１に水を流して改質ユニット２０２に供給する。都市ガスとともに改質ユニット２０２に供給された供給された水は、まず水蒸発器２０６に導入される。前述したように水蒸発器２０６は燃焼ガスによって加熱されて昇温していることから、水蒸発器２０６に導入された水は加熱されて気化し、水蒸気となる。
【００４８】
水蒸発器２０６において発生した水蒸気は、都市ガスと共に水蒸気流路２０７を介して改質器２０８に導入される。改質器２０８では、その内部の改質触媒により、水蒸気と、都市ガスに含まれる炭化水素ガスとによる水蒸気改質が行われ、水素を含む燃料ガスが生成される。水蒸気改質は、部分酸化改質に比べて水素の収率が高い改質反応である。水蒸気改質は吸熱反応であるが、前述したように、改質器２０８は燃焼ガス排出流路５０２を流れる高温の燃焼ガスによって加熱されるため、水蒸気改質を安定的に行うことができる。
【００４９】
セルスタックＣＳや改質器２０８が高温となり、燃料電池装置ＦＣが定常運転に移行した後は、改質器２０８における水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスを生成することができる。これにより、燃料電池装置ＦＣは高効率で発電を行うことが可能となる。
【００５０】
引き続いて、図３を参照しながら、改質ユニット２０２の構成の詳細と、その内部のガスの流れについて説明する。
【００５１】
図３に示されるように、改質ユニット２０２は、ユニットケーシング２０５と、水蒸発器２０６と、水蒸気流路２０７と、改質器２０８と、を備えている。図３は、第１筒状体１０１（図１参照）等の中心軸に沿う平面における改質ユニット２０２の断面の一部を示す図であって、当該断面において離間して表れる２つの部位のうち、左側の部位を示している。
【００５２】
ユニットケーシング２０５は、改質ユニット２０２の筐体であり、金属製で、その外形は円環状に形成されている。ユニットケーシング２０５の内部には、２つの隔壁２２１，２２２が設けられている。隔壁２２１，２２２は、第１筒状体１０１等の中心軸を中心とする同心円状に設けられた円筒状の板状部材である。隔壁２２１は、径方向外側に配置されている。隔壁２２２は、隔壁２２１に対して径方向内側に配置されている。
【００５３】
隔壁２２１は、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２から上方に延びている。隔壁２２１は、その上端がユニットケーシング２０５の上側壁面２１１と所定間隔を空けて送出口２３１を形成するように設けられている。
【００５４】
隔壁２２２は、ユニットケーシング２０５の上側壁面２１１から下方に延びている。隔壁２２２は、その下端がユニットケーシング２０５の下側壁面２１２と所定間隔を空けて受入口２３２を形成するように設けられている。送出口２３１と受入口２３２とは互いに正対しないように、上下にオフセット配置されている。ユニットケーシング２０５の内部は、隔壁２２１，２２２によって径方向に３つの領域に区画されている。
【００５５】
水蒸発器２０６は、ユニットケーシング２０５の内部に形成された３つの領域のうち、外周側壁面２１３と隔壁２２１とによって外周側に形成された領域を実質的に専有するように配置されている。水蒸発器２０６が配置されるこの空間には、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２に接続された原料供給管２０１が連通している。外周側壁面２１３は、第３筒状体１０３の下部の内側面と当接するように配置されている。
【００５６】
水蒸気流路２０７は、ユニットケーシング２０５の内部に形成された３つの領域のうち、隔壁２２１と隔壁２２２との間に形成された領域（伝熱抵抗空間）に設けられている。水蒸気流路２０７は、送出口２３１と受入口２３２とを接続している。
【００５７】
改質器２０８は、ユニットケーシング２０５の内部に形成された３つの領域のうち、内周側壁面２１４と隔壁２２２とによって内周側に形成された領域を実質的に専有するように配置されている。これにより、改質器２０８と水蒸発器２０６は、径方向に間隔をあけて対向するように配置されることとなる。改質器２０８が配置されるこの空間には、ユニットケーシング２０５の上側壁面２１１に接続された燃料ガス供給管２０３が連通している。
【００５８】
以上のように構成された改質ユニット２０２では、燃料ガスを生成するための原料である都市ガスや空気は、原料供給管２０１によって水蒸発器２０６に導入される。前述したように、水蒸発器２０６は、燃焼ガス排出流路５０２の第２排出流路５０２ｂを流れる高温の燃焼ガスによって加熱されている。そのため、都市ガスや空気とともに水が水蒸発器２０６に導入される場合、水は加熱されて気化し、水蒸気が発生する。
【００５９】
水蒸発器２０６を通過したガスは、送出口２３１から水蒸気流路２０７に流入する。これらのガスは、隔壁２２１及び隔壁２２２に沿って水蒸気流路２０７を下方に流れる。水蒸気流路２０７の下端部の達したガスは、受入口２３２から流出する。
【００６０】
受入口２３２からユニットケーシング２０５の内周側の領域に流入するガスは、当該空間に配置されている改質器２０８に導入される。改質器２０８では、前述したように部分酸化改質あるいは水蒸気改質が行われ、水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、上方に接続された燃料ガス供給管２０３に排出され、燃料ガス供給管２０３によってセルスタックＣＳに供給される。
【００６１】
ここで、水蒸発器２０６が有する熱は、水蒸発器２０６において水が気化する際に奪われる。また、燃焼室４０１内で発生した高温の燃焼ガスは、改質器２０８及び空気に熱を与えた後に水蒸発器２０６に熱を与える。このため、水蒸発器２０６の温度は、燃料電池装置ＦＣの他の要素と比べて低温となる。仮に、改質器２０８から低温の水蒸発器２０６に輻射や熱伝達によって熱が移動し、改質器２０８において水蒸気改質に用いることができる熱が減少してしまうと、水素の収率や発電効率が低下を招くおそれがある。本実施形態のように、水蒸発器２０６と改質器２０８とを１つのユニットケーシング内に収容している場合は、この熱移動の懸念は大きなものとなる。改質器２０８と低温の水蒸発器２０６とを大きく離間した状態で配置することで上記熱移動を抑制する方法も考えられるが、このような方法は、装置の大型化や、組立コストの増大という新たな課題を招く。
【００６２】
このような課題に対し、本実施形態では、水蒸発器２０６と改質器２０８との間に形成される空間を伝熱抵抗空間とし、水蒸発器２０６から改質器２０８に水蒸気を流す水蒸気流路２０７を配置することで、上記熱移動を抑制している。つまり、改質器２０８から水蒸発器２０６への熱移動を、介在する水蒸気流路２０７によって抑制することが可能となる。したがって、改質器２０８における水蒸気改質に用いる熱を確保しつつ、水蒸発器２０６を改質器と近づけて配置し、両者を１つのユニットケーシング２０５の内部に収容し、装置のコンパクト化を図ることが可能となる。
【００６３】
さらに、本実施形態では、水蒸気流路２０７は、水蒸発器２０６と改質器２０８との間に形成される伝熱抵抗空間の略全体を占めるように形成されている。これにより、改質器２０８から低温の水蒸発器２０６への熱移動を、より確実に抑制することが可能となる。
【００６４】
続いて、本発明の第１変形例に係る燃料電池装置の改質ユニット２０２Ａについて、図４を参照しながら説明する。図４は、第１筒状体１０１（図１参照）等の中心軸に沿う平面を断面とする改質ユニット２０２Ａの断面の一部を示す図であって、当該断面において離間して表れる２つの部位のうち、左側の部位を示している。改質ユニット２０２Ａは、その一部の構成が改質ユニット２０２と異なるが、他の構成は改質ユニット２０２と同一である。このため、以下では改質ユニット２０２Ａのうち改質ユニット２０２と異なる構成についてのみ説明する。
【００６５】
図４に示されるように、改質ユニット２０２Ａのユニットケーシング２０５Ａは、その内部に隔壁２２１，２２２が設けられている。隔壁２２１と隔壁２２２との間の伝熱抵抗空間には、さらに、隔壁２２３，２２４が設けられている。
【００６６】
隔壁２２３，２２４は、隔壁２２１，２２２と同様、第１筒状体１０１等の中心軸を中心として同心円状に設けられた円筒状の板状部材である。径方向外側の隔壁２２３は、ユニットケーシング２０５Ａの上側壁面２１１Ａから下方に延びている。隔壁２２３は、その下端がユニットケーシング２０５Ａの下側壁面２１２Ａと所定間隔を空けて連通口２３３を形成するように設けられている。
【００６７】
径方向内側の隔壁２２４は、ユニットケーシング２０５Ａの下側壁面２１２Ａから上方に延びている。隔壁２２４は、その上端がユニットケーシング２０５Ａの上側壁面２１１Ａと所定間隔を空けて連通口２３４を形成するように設けられている。
【００６８】
隔壁２２１と隔壁２２２との間に形成された水蒸気流路２０７Ａは、隔壁２２３，２２４が設けられることにより、ガスを上下方向に往復させながら流す蛇行流路となっている。水蒸気流路２０７Ａは、直進部２０７ａ，２０７ｃ，２０７ｅと、折返し部２０７ｂ，２０７ｄと、を有している。折返し部２０７ｂ，２０７ｄは、内部に流れる水蒸気の進行方向を転換させて流す部分である。直進部２０７ａ，２０７ｃ，２０７ｅは、折返し部２０７ｂ，２０７ｄに繋げて設けられ水蒸気の進行方向を一方向に維持させて流す部分である。
【００６９】
水蒸発器２０６を通過し、送出口２３１から水蒸気流路２０７Ａに流入したガスは、隔壁２２１及び隔壁２２３に沿って直進部２０７ａを下方に流れ、その下端において連通口２３３が設けられた折返し部２０７ｂを通過すると、次に隔壁２２１及び隔壁２２３に沿って直進部２０７ｃを上方に流れる。そして、ガスはその上端において連通口２３４が設けられた折返し部２０７ｄを通過すると、次に隔壁２２２及び隔壁２２４に沿って直進部２０７ｅを下方に流れる。すなわち、水蒸気流路２０７Ａは、水蒸発器２０６と改質器２０８とが対向する方向（径方向）に対して垂直な方向（上下方向）に往復して蛇行するように形成されている。
【００７０】
本実施形態では、水蒸気流路２０７Ａを蛇行するように形成することで、水蒸気流路２０７Ａを単一の流路としながらも、水蒸発器２０６と改質器２０８との間に形成される伝熱抵抗空間の幅（隔壁２２１と隔壁２２２との距離）を長くし、伝熱抵抗空間の容積を増大させることができる。このように容積を増大させた伝熱抵抗空間を形成することで熱抵抗を高めることができ、改質器２０８から低温の水蒸発器２０６への熱移動を確実に抑制することが可能となる。
【００７１】
また、水蒸気流路２０７Ａを、水蒸発器２０６と改質器２０８とが対向する方向（径方向）に対して垂直な方向（上下方向）に往復して蛇行するように形成することで、水蒸気流路２０７Ａは上記対向する方向に折り重なるように形成され、改質器２０８から低温の水蒸発器２０６へ移動しようとする熱にとって大きな抵抗となるため、当該熱移動をさらに確実に抑制することが可能となる。
【００７２】
続いて、本発明の第２変形例に係る燃料電池装置の改質ユニット２０２Ｂについて、図５を参照しながら説明する。図５は、第１筒状体１０１等の中心軸に沿う平面を断面とする改質ユニット２０２Ｂの断面を示す図であって、当該断面において離間して表れる２つの部位のうち、左側の部位を示している。改質ユニット２０２Ｂは、その一部の構成が改質ユニット２０２と異なるが、他の構成は改質ユニット２０２と同一である。このため、以下では改質ユニット２０２Ｂのうち改質ユニット２０２と異なる構成についてのみ説明する。
【００７３】
改質ユニット２０２Ｂは、本発明の実施形態に係る改質ユニット２０２と同一形状のユニットケーシング２０５の内部に、断熱材２０９を有している。断熱材２０９は、第１筒状体１０１（図１参照）等の中心軸を中心とする円筒状を呈している。断熱材２０９は、水蒸気流路２０７内で隔壁２２１に沿うように配置されている。断熱材２０９は、耐熱性材料で形成されており、その熱伝導率はユニットケーシング２０５よりも小さい。
【００７４】
本実施形態のように、水蒸発器２０６と改質器２０８との間に形成される空間において、熱伝導率が小さい断熱材２０９を配置することで、改質器２０８から低温の水蒸発器２０６への熱移動をさらに確実に抑制することが可能となる。
【００７５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７６】
ＦＣ：燃料電池装置
ＣＳ：セルスタック
４０：燃焼部
２０５，２０５Ａ：ユニットケーシング
２０６：水蒸発器
２０７，２０７Ａ：水蒸気流路
２０８：改質器
２３１：送出口
２３２：受入口
２０７ａ，２０７ｃ，２０７ｅ：直進部
２０７ｂ，２０７ｄ：折返し部
３０１：空気加熱流路（酸化剤ガス流路）
５０２：燃焼ガス排出流路
【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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