(57)【要約】【課題】  水蒸気と燃料ガスとの比率を管理しやすい蒸発混合器を提供する。【解決手段】  蒸発混合器１３０は、そのケースの底面に水平に広がる底板２１０を備える。また底板２１０から上方に伸びる内フィン２１８を備える。底板２１０には液体の水が導入される。導入された水は内フィン２２０にも接する。内フィン２１８はケース外部の熱を液体の水に伝達する。水位を上昇させると内フィン２１８と水との接触面積が増加する。液体の水へ伝達される熱量が増加する。水位が上昇するほど、ケース内伝熱部材から液体の水への伝熱量が増大して蒸発量が増大する関係が得られる。液体の水の供給量を調整することによって、水蒸気と燃料ガスのモル比を管理することができる。【選択図】  図１
2007018872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用改質器に供給する混合ガスを生成する蒸発混合器であり、
略水平に広がる底板を有するケースと、
底板から上方に伸びているケース内伝熱部材と、
ケース内の底板上へ液体の水を導入する水導入口と、
ケース内へ燃料ガスを導入する燃料ガス導入口と、
水蒸気と燃料ガスが混合した混合ガスをケース外へ導出する混合ガス導出口を有し、
燃料ガス導入口と混合ガス導出口は、燃料ガス導入口からケース内に導入された燃料ガスが、底板上に広がっている水面上を通過した後に、混合ガス導出口から導出される位置関係に設けられており、
ケース内伝熱部材は水面上にまで伸びており、水位の上昇に応じて液体の水とケース内伝熱部材の接触面積が増大する関係を満たしており、
底板の下面に沿って通過する高温気体の熱が、底板とケース内伝熱部材によって、底板上に広がっている液体の水に伝熱されることを特徴とする蒸発混合器。
【請求項２】
ケース内を上部空間と下部空間に２分する整流板と、
２分された上部空間と下部空間を連通する連通孔を有し、
燃料ガス導入口と連通孔と混合ガス導出口は、燃料ガス導入口からケース内に導入された燃料ガスが、底板上に広がっている水面上を通過しながら下部空間内を通過し、連通孔を通って上部空間内に移行し、上部空間内を通過した後に混合ガス導出口から導出される位置関係に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蒸発混合器。
【請求項３】
上部空間内の長手方向の略中央に配置されており、その高さが上部空間の高さより低く設定されており、開孔によって上部空間に連通している導出用混合ガス収容室を有し、
燃料ガス導入口は、下部空間内の長手方向の略中央に設けられており、
連通孔は、整流板の長手方向の両端部近傍に設けられており、
複数の混合ガス導出口が、導出用混合ガス収容室に開口していることを特徴とする請求項２に記載の蒸発混合器。
【請求項４】
燃料ガス導入パイプが底板を貫通して所定高さにまで伸びており、
燃料ガス導入パイプの上端は上方に向かって開口して燃料ガス導入口を形成しており、
燃料ガス導入パイプの上端に上方から被さるキャップ状部材を備えており、
キャップ状部材の上板と側板と、燃料ガス導入パイプの上端近傍との間に、燃料ガスが通る隙間が確保されていることを特徴とする請求項３に記載の蒸発混合器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の蒸発混合器と、
蒸発混合器によって生成された混合ガスを取り入れて改質する改質器と、
改質ガスを取り入れて発電する燃料電池セルと、
燃料電池セルで利用されなかった改質ガスを燃焼する燃焼部と、
燃焼部で得られた燃焼ガスを蒸発混合器の底板の下面側に導く燃焼ガス誘導路を有することを特徴とする燃料電池式発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池式発電装置に用いる蒸発混合器に関する。本発明の蒸発混合器は、液体の水を蒸発することによって得られた水蒸気を燃料ガスと混合して混合ガスを生成する。本発明は、蒸発混合器を有する燃料電池式発電装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルでは、水素ガスや一酸化炭素ガスを酸素と反応させることによって発電する。水素ガスや一酸化炭素ガスを得るために、都市ガスやＬＰガス等の燃料ガスを改質する技術が用いられる。燃料ガスの改質方法のひとつに水蒸気改質方法が知られている。水蒸気改質方法では、水蒸気と燃料ガスを混合して混合ガスを生成し、混合ガスを高温環境下で改質することによって水素ガスや一酸化炭素ガスに分解する。
混合ガスを生成するために蒸発混合器を利用する。蒸発混合器は、液体の水を蒸発することによって水蒸気を得、得られた水蒸気を燃料ガスと混合する。
特許文献１には、液体の水を蒸発させて水蒸気を得る蒸発器が開示されている。蒸発器で得られた水蒸気を燃料ガスと混合することによって、混合ガスが得られる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９２１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術は、燃料ガスと混合する前に液体の水を予め蒸発させておく。即ち、水蒸気発生工程と、水蒸気と燃料ガスの混合工程が別に実施される。この方式は、水蒸気と燃料ガスを混合するために、混合装置を必要とする。水蒸気と燃料ガスを均質に混合するためには、高価な混合装置を必要とする。
【０００５】
燃料電池式発電装置に用いる蒸発混合器では、液体の水の単位時間当たりの蒸発量を管理することが必要とされる。改質器で良好に改質するためには、混合ガスにおける水蒸気と燃料ガスのモル比を適値に管理する必要がある。水蒸気が過多であれば蒸発量を抑制し、水蒸気が過少であれば蒸発量を増大させる必要がある。あるいは、燃料電池の発電量が時間的に変動することがある。発電量が大きな場合には多量の混合ガスを必要とし、発電量が小さな場合には少量の混合ガスを必要とする。多量の混合ガスを得る場合には蒸発量を増大する必要があり、少量の混合ガスを得る場合には蒸発量を抑制する必要がある。
容器の底部に液体の水を貯蔵しておき、それを加熱して蒸発させる単純な蒸発器では、蒸発量を管理することが難しい。液体の水の供給量を増やすと蒸発量は逆に減少し、液体の水の供給量を減少させると蒸発量が逆に増大することも多い。
本発明では、蒸発器とは別に混合装置を必要とする従来の技術の問題点を解消する。液体の水が蒸発することによって水蒸気と燃料ガスが良好に混合された混合ガスが得られる蒸発混合器を創作する。本発明では、それと同時に、蒸発量を管理しやすい蒸発混合器を創作する。水の供給量を管理することによって、蒸発量を管理することができる蒸発混合器を創作する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の蒸発混合器は、略水平に広がる底板を有するケースと、底板から上方に伸びているケース内伝熱部材と、ケース内の底板上へ液体の水を導入する水導入口と、ケース内へ燃料ガスを導入する燃料ガス導入口と、水蒸気と燃料ガスが混合した混合ガスをケース外へ導出する混合ガス導出口を有している。
燃料ガス導入口と混合ガス導出口は、燃料ガス導入口からケース内に導入された燃料ガスが、底板上に広がっている水面上を通過した後に、混合ガス導出口から導出される位置関係に設けられている。ケース内伝熱部材は水面上にまで伸びており、水位の上昇に応じて液体の水とケース内伝熱部材の接触面積が増大する関係を満たしている。この蒸発混合器は、底板の下面に沿って高温気体が通過する位置関係で利用される。底板の下面に沿って通過する高温気体の熱が、底板とケース内伝熱部材によって、底板上に広がっている液体の水に伝熱されることを特徴とする。
なお、底板は全体して水平に広がっていればよく、その表面にはブラスト加工やヘアライン処理やエンボス加工が施されて凹凸が形成されていてもよい。
【０００７】
本発明の蒸発混合器によると、底板上に液体の水が薄く広がる。液体の水と燃料ガスの接触面積が広く、水の蒸発効率と混合効率が高い。小さな熱量で活発に蒸発させ、燃料ガスによく混合させることができる。
本発明の蒸発混合器によると、液体の水が蒸発するのと同時に水蒸気が燃料ガスに混合されていく。蒸発器とは別の混合装置を必要としない。
本発明の蒸発混合器によると、底板上に薄く広がる液体の水の水位が上昇するほど、ケース内伝熱部材と液体の水の接触面積が増大する関係に調整されている。水位が上昇するほど、ケース内伝熱部材から液体の水への伝熱量が増大して蒸発量が増大する関係が得られる。液体の水の供給量を調整することによって、水蒸気と燃料ガスのモル比を管理することができる。あるいは必要とする混合ガスの量が時間的に変化する事象に追従させることができる。
【０００８】
本発明の蒸発混合器では、ケース内を上部空間と下部空間に２分する整流板と、２分された上部空間と下部空間を連通する連通孔を有していることが好ましい。この場合、燃料ガス導入口と連通孔と混合ガス導出口は、燃料ガス導入口からケース内に導入された燃料ガスが、底板上に広がっている水面上を通過しながら下部空間内を通過し、連通孔を通って上部空間内に移行し、上部空間内を通過した後に混合ガス導出口から導出される位置関係に設けられていることが好ましい。
【０００９】
上記構成によれば、ケース内の空間は、整流板によって上部空間と下部空間に２分される。整流板は混合器の下部空間において燃料ガスが流れる流路の高さを制限する。底板上に広がる水面上を通過する燃料ガスの流路の高さを制限することによって、水面近くを通過する燃料ガスの量を増加することができる。水面近くを通過する燃料ガスの量を増加させることによって水蒸気と燃料ガスが混合する現象を促進することができる。下部空間ではガスは水平方向に流れる。水平方向に流れているガスが連通孔を通過して上部空間へ移動する際にその流れの方向が変化する。流れの方向が変化することで混合ガスの流れが乱される。この乱れによって上部空間では燃料ガスと水蒸気が攪拌される。これにより燃料ガスと水蒸気が均質に混ざり合った混合ガスを生成することができる。
上記構成によると蒸発混合器内におけるガスの流路を長くすることができる。例えば蒸発混合器の一方の側面に燃料ガス導入口と混合ガス導出口を設ける。燃料ガス導入口は下部空間に設ける。混合ガス導出口は上部空間に設ける。そして連通孔を蒸発混合器の他方の側面に設ける。上記のように構成すると、ガスが蒸発混合器内を往復する流路が形成できる。ガスの流路は蒸発混合器の長手方向の長さの２倍の長さを確保することができる。下部空間においては水面に沿って流れるガスの流路を長くすることができる。上部空間においては燃料ガスと水蒸気が攪拌される流路を長く確保することができる。
【００１０】
上部空間内の長手方向の略中央に導出用混合ガス収容室が配置されていることが好ましい。導出用混合ガス収容室の高さは上部空間の高さより低く設定されており、導出用混合ガス収容室を形成する壁に開孔が形成されており、その開孔によって導出用混合ガス収容室が上部空間に連通していることが好ましい。また複数の混合ガス導出口が、導出用混合ガス収容室に開口していることが好ましい。
この場合、燃料ガス導入口は下部空間内の長手方向の略中央に設けられており、連通孔は整流板の長手方向の両端部近傍に設けられていることが好ましい。
【００１１】
上記構成によるガスの流れを説明する。下部空間内の長手方向の略中央に設けられた燃料ガス導入口から導入された燃料ガスは、下部空間内を長手方向の両側に分かれて流れる。そして長手方向の両端部付近に設けられた連通孔を通って上部空間へと流れる。上部空間では長手方向の両側から中央に向かって混合ガスが流れる。両側から流れてくる混合ガスは長手方向の中央付近でぶつかり合いながら開口を通過して導出用混合ガス収容室に流れ込む。開口を通過するときに、混合ガスの流速が速くなる。増速した混合ガスは狭い導出用混合ガス収容室内で十分に攪拌される。十分に攪拌された混合ガスが、導出用混合ガス収容室に開口している複数の混合ガス導出口の夫々から導出される。導出用混合ガス収容室内の混合ガスは十分に均質化されており、夫々の混合ガス導出口から導出される混合ガスの成分が均質化される。
燃料ガス導入口を下部空間内の長手方向の略中央に配置するには、ケースの長手方向の略中央の側面に燃料ガス導入口を設ければよい。あるいは、ケースの外部から長手方向の中央付近まで伸びるパイプを備えてもよい。この場合はパイプの開口部が燃料ガス導入口を形成する。
またケースの側面が導出用混合ガス収容室の側面を兼ねている場合は、混合ガス導出口をその側面に設ければよい。あるいは、導出用混合ガス収容室内からケース外まで伸びる複数のパイプを備えてもよい。この場合には導出用混合ガス収容室内におけるパイプ開口部が混合ガス導出口を形成する。
【００１２】
燃料ガス導入パイプが底板を貫通して所定高さにまで伸びており、燃料ガス導入パイプの上端が上方に向かって開口して燃料ガス導入口を形成しており、燃料ガス導入パイプの上端に上方から被さるキャップ状部材を備えていることが好ましい。この場合、キャップ状部材の上板と側板と、燃料ガス導入パイプの上端近傍との間に、燃料ガスが通る隙間が確保されていることが好ましい。
【００１３】
上記によると、キャップ状部材の内側と燃料ガス導入パイプの外側の間に確保されている隙間から燃料ガスが下側に向かって吹き出す。即ち、燃料ガスは水面へ向かって吹き出す。燃料ガスの流れが、水の蒸発を促進し、水蒸気と燃料ガスの混合を促進する。
またキャップ状部材の内側には、燃料ガスで充填されている空間が確保される。これによって底板上に溜まった水が予想以上に増加してその水位が上昇しても、液体の水が燃料ガス導入口へ逆流することを防止できる。同様に、蒸発混合器が傾いても、液体の水が燃料ガス導入口へ逆流することを防止できる。
【００１４】
本願発明はまた燃料電池式発電装置にも具現化できる。この燃料電池式発電装置は上記したいずれかの構成の蒸発混合器と、蒸発混合器によって生成された混合ガスを取り入れて改質する改質器と、改質ガスを取り入れて発電する燃料電池セルと、燃料電池セルで利用されなかった改質ガスを燃焼する燃焼部と、燃焼部で得られた燃焼ガスを蒸発混合器の底板の下面側に導く燃焼ガス誘導路を有する。
【００１５】
上記の燃料電池式発電装置によれば、燃料電池セルで利用されなかった改質ガスを燃焼することによって得られる熱により蒸発混合器を加熱することができる。燃料電池セルで利用されなかった改質ガスを利用して蒸発混合器を加熱することによって発電効率を向上させることができる。さらに本願発明による蒸発混合器は混合ガスを生成する際の熱効率が良い。混合ガスを生成するための熱量も少なくて済む。燃焼ガスの熱量が少ない場合でも十分な量の混合ガスを改質器に送ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明によれば、水蒸気と燃料ガスが均質に混合した良質な混合ガスを効率よく生成することができる。この結果、発電効率のよい燃料電池式発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態）  蒸発混合器のケース内の底板から下方へ伸びているケース外伝熱部材をさらに有することが好ましい。ケース外伝熱部材によって、外部から加えられた熱を効率よくケース内伝熱部材へ伝達できる。これにより水の蒸発を一層促進することができる。
伝熱部材の一例としては波板状の伝熱板が挙げられる。
（第２形態）  底板から上方へ伸びるケース内伝熱部材は略平板に形成されており、ケース内伝熱部材の平面が燃料ガスの流れ方向と略平行となるように配置することが好ましい。そのような配置は、底板上に導入される液体の水が燃料ガスの流れ方向に広がろうとすることを阻害しない。即ち、底板上に導入された液体の水を燃料ガスの流れの方向に速やかに広がるようにすることができる。底板上に導入される液体の水が速やかに広がることで効率よく水を気化できる。
（第３形態）  底板の上面に設けたケース内伝熱部材は、通常の水位では水面上にまで伸びている高さであることが好ましい。導入する水の量を増加させると水位が上昇する。水位が上昇するほど、ケース内伝熱部材と液体の水の接触面積は増大する。水位が上昇するほどケース内伝熱部材から液体の水へ伝達される熱量が増大する。
【実施例】
【００１８】
以下、図面を参照して実施例を詳細に説明する。
＜実施例１＞
まず図３を参照して燃料電池式発電装置と蒸発混合器の関係を概説する。図３は燃料電池式発電装置２の縦断面図である。
燃料電池式発電装置２の内部には、蒸発混合器１３０と、改質器１８ａ、１８ｂと、空気供給管５０と、燃料電池セル１２を積層したセルスタック１４が備えられている。図３に示すその他の部品については後に説明する。
燃料電池式発電装置２では、空気導入管３４から導入された空気が空気供給管５０へと送られる。また燃料ガス供給管１３２によって外部から燃料ガスが供給される。また水供給管１３４によって外部から液体の水が供給される。
燃料電池式発電装置２では、発電に利用されなかった改質ガスが燃焼させられる。燃焼ガスは燃焼ガス導出管５８を通って燃料電池式発電装置２の外部へ排出される。
燃料電池式発電装置２内へ供給された燃料ガスと液体の水は蒸発混合器１３０へと送られる。蒸発混合器１３０はその周囲を高温の燃焼ガスにより加熱されている。周囲を加熱された蒸発混合器１３０によって、燃料ガスと水蒸気の混合ガスが生成される。また蒸発混合器１３０が加熱されることによって混合ガス自体も昇温される。
生成された混合ガスは混合ガス導入管２６a、２６ｂを通って改質器１８ａ、１８ｂに送られる。
改質器１８ａ、１８ｂでは混合ガスが主に水素ガスや一酸化炭素ガスからなる改質ガスに改質される。
改質ガスは燃料電池セル１２へと送られる。燃料電池セル１２では空気供給管５０を介して供給される空気内の酸素と改質ガス中の水素、あるいは酸素と一酸化炭素が反応して発電が行われる。
発電のために消費されなかった改質ガスは、セルスタック１４の出口で燃焼させられて燃焼ガスとなる。高温の燃焼ガスは、改質器１８ａ、１８ｂや、供給される空気および蒸発混合器１３０（以下、改質器等と称す）の周囲を通過する。この間に高温の燃焼ガスと改質器等の間で熱交換が行われる。これにより改質器等が加熱される。
蒸発混合器１３０を通過した燃焼ガスは燃焼ガス導出管５８を通って燃料電池式発電装置２の外部へ排出される。
【００１９】
次に図１と図２を用いて本実施例に係る蒸発混合器を説明する。ここで説明する蒸発混合器は図３を用いて説明した蒸発混合器１３０に利用できるものである。図１は蒸発混合器１３０の斜視図である。蒸発混合器１３０は略直方体に形成されている。図１では蒸発混合器１３０の内部構造を説明しやすくするために、蒸発混合器１３０の外側６面のうち、図１の手前側の面と上側の面は図示を省略してある。図２は蒸発混合器１３０の縦断面図である。また蒸発混合器１３０の外側６面で形成される筐体全体を蒸発混合器１３０のケースと称する。
蒸発混合器１３０は、燃料電池式発電装置２が設置される際にその長手方向が水平方向と一致するように燃料電池式発電装置２の内部に配置される。また蒸発混合器１３０のケースの底板２１０が下側となるように燃料電池式発電装置２の内部に配置される。
なお本実施例では、図２の縦断面図において紙面の左右方向が蒸発混合器１３０の長手方向に相当する。
蒸発混合器１３０の内部空間は、整流板２００によって下部空間２０２と上部空間２０４に２分されている。なお下部空間２０２とは、燃料電池式発電装置２が設置される際に燃料電池式発電装置２に組み込まれた蒸発混合器１３０の内部で整流板２００の下側に形成される空間である。従って下部空間２０２の下側の面は蒸発混合器１３０のケースの底板２１０となる。
整流板２００の長手方向の端部付近には下部空間２０２と上部空間２０４を連通する連通孔２０６ａ、２０６ｂが設けられている。なお図１では紙面右手側の連通孔２０６ａは蒸発混合器１３０のケースの右手側面の裏側となるため図示されていない。
連通孔は整流板２００に孔を設ける形状に限らない。図１および図２に示すように、整流板２００の長手方向の端部と蒸発混合器１３０の長手方向のケース側面との間に隙間を設けてもよい。本発明では下部空間２０２と上部空間２０４との間をガスが通過できる孔又は隙間を連通孔と称する。
【００２０】
蒸発混合器１３０の底板２１０を貫通して水供給管１３４が蒸発混合器１３０内部へと通じている。蒸発混合器１３０内での水供給管１３４の開口部が水導入口２１２に相当する。底板２１０は略平面に形成されている。また燃料電池式発電装置２が設置された状態では底板２１０はその面が水平面と一致する。従って水導入口２１２から導入された液体の水は底板２１０の上面に薄く広がる。なお、底板２１０が略平面に形成されているとは、ブラスト加工やヘアライン処理やエンボス加工が施されている場合も含む。
下部空間２０２の長手中央付近に底板２１０を貫通して燃料ガス供給管１３２（燃料ガス導入パイプ）が配置されている。燃料ガス供給管１３２の開口部が燃料ガス導入口２１４に相当する。燃料ガス導入口２１４は底板２１０から所定の高さの位置に配置されている。ここで所定の高さの位置とは、整流板２００に接触しない程度に低く、かつ底板２１０の上面に溜められる水の予想される最高水面高さより高い位置である。
なお、水導入口２１２と燃料ガス導入口２１４は、ともに下部空間２０２の長手方向の略中央に配置されることが好ましい。蒸発混合器１３０内の空間を長手方向に左右対称とすることができるからである。蒸発混合器１３０内の空間を長手方向に左右対称とすることで燃料ガス導入口２１４から導入された燃料ガスを長手方向の両側に均等に流れるようにすることができる。なお図１には水供給管１３４（その開口部が水導入口２１２である）と燃料ガス供給管１３２（その開口部が燃料ガス導入口２１４である）はともに長手方向の中央に配置されている状態が描いてある。但し図２では、水供給管１３４は燃料ガス供給管１３２と区別しやすいように図面右方向にずらして描いてある。図３でも同様に水供給管１３４を図面右方向にずらして描いてある。
【００２１】
燃料ガス導入口２１４（即ち燃料ガス供給管１３２の開口部）を覆うようにキャップ状部材２１６が配置されている。キャップ状部材２１６の下端は、燃料ガス導入口２１４よりも低い位置まで伸びている。またキャップ状部材２１６は、その上板および側板と、燃料ガス供給管１３２の上端近傍との間に、燃料ガスが通る隙間が確保されている。なおキャップ状部材２１６の上面は、整流板２００に接するように配置されていてもよい。さらにキャップ状部材２１６の上面は、整流板２００によって形成されていてもよい。即ち中空状の筒を整流板２００に接するように配置することによって、燃料ガス導入口２１４を覆うキャップ状部材を形成するように構成してもよい。
燃料ガス導入口２１４から導入される燃料ガスは、燃料ガス供給管１３２の外周面とキャップ状部材２１６の内側面との隙間から底板２１０へ向けて吹き出す。従ってキャップ状部材２１６によって、底板２１０の上面に広がった水の表面へ吹き付けるように燃料ガスを導入することができる。導入された燃料ガスは下部空間２０２を蒸発混合器１３０の長手方向の両端へ向かって流れる。
またキャップ状部材２１６の下端は燃料ガス導入口２１４よりも低い位置まで伸びている。従ってキャップ状部材２１６の内側には常に気体が溜まっている状態となる。これによって底板２１０の上面に溜まった水が予想以上に増加してその水位が上昇しても液体の水が燃料ガス導入口２１４へ逆流することを防止できる。同様に蒸発混合器１３０が傾くような事態となっても、キャップ状部材２１６の下端が燃料ガス導入口２１４よりも低い位置まで伸びているので底板２１０の上面に溜まっている液体の水が燃料ガス導入口２１４へ逆流することを防止できる。
【００２２】
蒸発混合器１３０のケースの底板２１０の上面（蒸発混合器１３０の内側）には、底板２１０から上方に伸びる内フィン２１８（ケース内伝熱部材）が複数設けられている。内フィン２１８は、混合蒸発器１３０の外部から与えられる熱量を効率よく混合蒸発器１３０内へ伝達する役目を果たす。
内フィン２１８は底板２１０の上面から上方に伸びている。従って内フィン２１８の下部は底板２１０の上面に広がる液体の水に接することになる。内フィン２１８の高さは、底板２１０の上面に導入される水の想定される水位以上の高さを有する。これにより底板２１０の上面に導入された水の水位が上昇すると、液体の水と内フィン２１８の接触面積が増大する。これにより、水位が上昇すると内フィン２１８を介して混合蒸発器１３０の外部から液体の水へ伝達される熱量が増大する。即ち水位が上昇するにつれて液体の水へ伝達される熱量も増加する。
また内フィン２１８は平面状に形成されている。その平面が下部空間２０２の長手方向(即ちガスの流れ方向）に平行となるように配置されている。この配置は、底板２１０の上面に導入される液体の水が燃料ガスの流れの方向に広がろうとすることを阻害しない。その上、底板２１０の上面に導入された液体の水が非常に少量の場合であっても、毛細管現象によって液体の水は底板２１０と内フィン２１８の接合部の角部を伝っていき、下部空間２０２の長手方向に広がりやすくなる。即ち底板２１０の上面に導入される液体の水を燃料ガスの流れの方向に速やかに広がるようにすることができる。底板２１０の上面に導入される液体の水が速やかに広がることで効率よく水を気化できる。
さらに上記の内フィン２１８は燃料ガスの流れの方向と平行に配置されている。この配置により燃料ガスが下部空間の長手方向に流れる際に圧力損失を低減する効果も奏する。
なお、内フィン２１８は単なる板でもよいが伝熱効率を向上させるため波状板を用いることも好適である。また内フィン２１８の代替として底板２１０の上面から上方に伸びるようにスチールウールやセラミックファイバー等を配設してもよい。その際、スチールウールやセラミックファイバーの高さも底板２１０の上面に導入される水の想定される水位以上の高さとなるようにする。
【００２３】
また底板２１０の下面（蒸発混合器１３０のケース外側）には外フィン２２０（ケース外伝熱部材）が複数設けられている。外フィン２２０により蒸発混合器１３０のケース外側の熱を下部空間２０２内へ伝達しやすくするためである。外フィン２２０も単なる板でもよいが伝熱効率を向上させるため波状板を用いることも好適である。
【００２４】
蒸発混合器１３０の上部空間２０４の長手方向の略中央には導出用混合ガス収容室２３０が設けられている。導出用混合ガス収容室２３０の上面には混合ガスを導出用混合ガス収容室２３０に導く開孔２３２が設けられている。また２本の混合ガス導入管２６a、２６ｂが蒸発混合器１３０の長手方向の両側面から上部空間２０４へ通じている。混合ガス導入管２６aは導出用混合ガス収容室２３０内まで通じておりその開口部が導出用混合ガス収容室２３０内に位置している。混合ガス導入管２６ａの開口部が混合ガス導出口２３４ａに相当する。同様に混合ガス導入管２６ｂも導出用混合ガス収容室２３０内まで通じておりその開口部が導出用混合ガス収容室２３０内に位置している。混合ガス導入管２６ｂの開口部が混合ガス導出口２３４ｂに相当する。
【００２５】
次に蒸発混合器１３０の作用を説明する。
蒸発混合器１３０のケースの底板２１０は燃料電池が設置された際に略水平となるように燃料電池内に配置される。また底板２１０は略平面に形成されている。従って水導入口２１２から蒸発混合器１３０内へ導入される液体の水は底板２１０の上面に薄く広がる。一方、燃料ガス導入口２１４から導入された燃料ガスは蒸発混合器１３０内の下部空間２０２に導入される。導入される燃料ガスは、燃料ガス導入口２１４を覆うように設けられたキャップ状部材２１６により底板２１０の表面に吹き付けられるように流れる。また導入された燃料ガスは下部空間２０２をその長手方向に流れる。
蒸発混合器１３０は外部から加熱されている。加熱の方法は前述したように燃料電池式発電装置２の燃焼ガスを蒸発混合器１３０の周囲に導いて加熱する方法でもよいし、バーナ等により直接に蒸発混合器１３０を加熱してもよい。但し燃料電池式発電装置２の燃焼ガスを蒸発混合器１３０の周囲に導いて加熱する方が燃料電池自体の熱効率を向上できることは明らかである。
蒸発混合器１３０の外部から与えられる熱は外フィン２２０と内フィン２１８により蒸発混合器１３０内へ伝達される。特に内フィン２１８は底板２１０の上面に広がる液体の水に直接に接している。内フィン２１８によって、底板２１０の上面に広がる液体の水は効率よく加熱される。これにより液体の水の気化が促進される。
さらに底板２１０の上面に広がる液体の水の表面上を燃料ガスが流れる。液体の水の表面上を気体（燃料ガス）が流れることで液体の水の気化がより促進される。喩えていえば風が吹くと洗濯物が良く乾く現象と同じである。特に下部空間２０２の長手方向の中央付近では燃料ガス導入口２１４から水蒸気をほとんど含んでいない燃料ガスが導入される。水蒸気の含有率の低い燃料ガスが液体の水の表面に吹き付けられることで水の気化が一層促進される。こうして燃料ガスは下部空間２０２を流れるうちに気化した水と混合して混合ガスとなる。また蒸発混合器１３０自体が加熱されることによって混合ガス自体も昇温される。
【００２６】
蒸発混合器１３０に導入する燃料ガスの流量は燃料電池式発電装置が発電すべき発電量に応じて調整される。そして導入する燃料ガスの流量に応じて蒸発混合器１３０内へ導入する水の量が制御される。混合ガスを改質する改質器で良好な改質を行うためには混合ガスにおける水蒸気と燃料ガスのモル比を適値に管理する必要がある。
蒸発混合器１３０は、そのケースの底面２１０に液体の水が導入されている。そして底面２１０から上方へ伸びる内フィン２１８が備えられている。従って、底板２１０の上面に薄く広がる液体の水の水位が上昇するほど、内フィン２１８と液体の水の接触面積が増大する。水位が上昇するほど、内フィン２１８から液体の水への伝熱量が増大して単位時間当りの蒸発量が増大する。液体の水の供給量を調整することによって、単位時間当りに発生させる水蒸気の量を管理することができる。即ち、液体の水の供給量を調整することによって、水蒸気と燃料ガスのモル比を管理することができる。
さらに、必要とされる混合ガスの量が時間的に変化する場合には、蒸発混合器１３０へ導入する燃料ガスの流量も変化する。この場合にも、導入される燃料ガスの流量に応じて液体の水の供給量を調整する。液体の水の供給量を調整して底板２１０の上面に溜まった水の水位を変化させることで、水の単位時間当りの気化量（単位時間当りに発生させる水蒸気量）を調整することができる。燃料ガスの流量に応じた水蒸気量を発生することができる。従って燃料ガスの導入量が時間的に変化しても、液体の水の供給量を調整することによって、水蒸気と燃料ガスのモル比を適切に調整した混合ガスを応答性よく生成することができる。なお、応答性とは、燃料ガスと水蒸気のモル比率を維持しつつ、導出する混合ガスの流量を変化させることのできる速さを意味する。
【００２７】
また蒸発混合器１３０のケース内は、整流板２００によって上部空間２０４と下部空間２０２に２分されている。整流板２００は混合器の下部空間２０２において燃料ガスが流れる流路の高さを制限する。下部空間２０２の下側は、液体の水が広がる蒸発混合器１３０のケースの底板２１０である。底板２１０の上面に広がる水の表面上を通過する燃料ガスの流路の高さを制限することによって、水の表面近くを通過する燃料ガスの量を増加することができる。水の表面近くを通過する燃料ガスの量を増加させることによって水の気化を一層促進できる。さらに下部空間２０２は整流板２００によって流路の断面積を小さくしている。流路の断面積を小さくすると流れる燃料ガスの流速が上がる。水の表面上を流れる燃料ガスの流速が上がることによっても水の気化が促進される。
【００２８】
さらに整流板２００によって蒸発混合器１３０内のガスの流路は下部空間２０２と上部空間２０４とに分けられる。整流板２００によって蒸発混合器１３０内のガスの流路を長くすることができる。実施例１では、下部空間２０２全体が液体の水を気化させて燃料ガスと混合する流路を形成する。また上部空間２０４全体が混合ガスを均質化するための流路を形成する。下部空間２０２の流路と上部空間２０４の流路の両方の流路が蒸発混合器１３０の長手方向の長さ分の流路長を有する。下部空間２０２では底板２１０の上面に広がった水の表面をガスが流れる流路長を十分に長くすることができる。水の気化が一層促進できる。上部空間２０４では燃料ガスと水蒸気が攪拌される流路長を十分に長くすることができる。より均質な混合ガスを生成できる。
【００２９】
また、底板２１０の上面に液体の水が薄く広がっていると、外部から加熱されている底板２１０に接触する側の水温と燃料ガスに接触する表面の水温との温度勾配を小さくできる。水の表面上では水の気化熱によって水温が低下する。ここで底板２１０に接触する側の水温と水の表面上での水温との温度勾配が小さいと表面上で低下した水温は直ちに暖められることになる。水の表面上の温度の低下を最小限とすることができる。水の気化を一層促進できる。
さらに上記温度勾配が小さいと、底板２１０の表面（底板２１０の上面に広がる水の水底側）での水の突沸を防止できるという効果をも奏する。
【００３０】
混合ガスは下部空間２０２の長手方向の両端で連通孔２０６ａ、２０６ｂを通って上部空間２０４に流入する。ここで混合ガスの流れは下部空間２０２から上部空間２０４へと流れる際にＵターン状に流れの方向が変えられる。流れの方向が変えられることで混合ガスが攪拌される。さらに上部空間２０４の長手方向両側から中央へ向かう２つの混合ガスの流れは上部空間２０４の中央部でぶつかりあう。これによっても混合ガスは攪拌される。その後混合ガスは開孔２３２を通って導出用混合ガス収容室２３０へと流入する。その際に開孔２３２がミキシングオリフィスと同様の役目を果たす。混合ガスはその流速を上げて導出用混合ガス収容室２３０内へ流入する。増速した混合ガスは狭い導出用混合ガス収容室２３０内でも攪拌される。こうして幾度も攪拌されて炭化水素（炭化水素は燃料ガスに含まれている）と水蒸気が均質に混合した混合ガスが生成される。導出用混合ガス収容室２３０内で均質になった混合ガスは混合ガス導出口２３４ａから混合ガス導入管２６aへと導出される。同様に混合ガス導出口２３４ｂから混合ガス導入管２６ｂへと導出される。
均質化した混合ガスは狭い導出用混合ガス収容室２３０から複数の混合ガス導出口２３４ａ、２３４ｂを通って蒸発混合器１３０のケースの外部へ送られる。従って複数の混合ガス導出口２３４ａ、２３４ｂからは同等によく均質化した混合ガスを導出することができる。
複数の混合ガス導出口２３４ａ、２３４ｂから導出された混合ガスは、複数の混合ガス導入管２６ａ、２６ｂを通って蒸発混合器１３０の両側から外部へ導出される。複数の混合ガス導入管２６ａ、２６ｂを通った混合ガスは図３に示すように燃料電池式発電装置２の左右に備えられた改質器１８ａ、１８ｂへと送られる。同等に均質化した混合ガスが左右の改質器１８ａ、１８ｂへ送られることで左右の改質器１８ａ、１８ｂにおいて同等に均質化した改質ガスを生成することができる。
燃料電池型発電装置では多数の燃料電池セルへ均等に燃料（この場合は水素ガス又は一酸化炭素ガス）を供給する必要性からガスの流路は複数設けられることが多い。ガスの成分の局所的な偏在を無くすためである。
本実施例の蒸発混合器１３０では、狭い導出用混合ガス収容室２３０から複数の混合ガス導出口２３４ａ、２３４ｂによって、ひとつの蒸発混合器１３０から複数の流路へ同質に均質となった混合ガスを導出することができる。成分の偏在のない混合ガスを複数の流路から供給することができる。
【００３１】
次に図３を用いて上記説明した蒸発混合器１３０を備えた燃料電池式発電装置について説明する。図３は燃料電池式発電装置２の縦断面図である。図３に示すように、燃料電池式発電装置２は発電ユニット１０で構成されている。
発電ユニット１０は、内側から外側に向かって第１室（内室）４４、第２室（中間室）４６、第３室（外室）４８からなる３重構造となっており、中心部の第１室４４とその外側の第２室４６を仕切る内仕切壁３６と、第２室４６とその外側の第３室４８を仕切る外仕切壁３８と、第３室４８と外部を仕切る外壁４０を有している。外壁４０は断熱部材４２で覆われている。外壁４０と断熱部材４２で断熱容器が構成され、発電ユニット１０は断熱容器に収容されている。
発電ユニット１０の中心部の第１室４４内には、複数個の燃料電池セル１２が配列されて構成されているセルスタック１４の群と、酸素を含む空気をセルスタック１４に供給する空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅと、混合ガスを燃料となる水素や一酸化炭素等に改質する改質器１８ａ、１８ｂ等が配設されている。
【００３２】
セルスタック１４の内部には、燃料電池セル１２内を通過させる改質ガス通路（不図示）が略水平面内を伸びるように配列されている。また同一水平面内を伸びるセルスタック１４が、垂直方向に５段に配列されている。セルスタック１４のグループを上段から順に、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅということにする。
セルスタック１４ａの上流側（図３の右側）は、マニホールド２４ａを介して、改質器１８ａに接続されている。改質器１８ａとマニホールド２４ａは配管３０ａによって接続されている。セルスタック１４ｃと１４ｅも同様にして改質器１８ａに接続されている。セルスタック１４ｂの上流側（図３の左側）は、マニホールド２４ｂを介して、改質器１８ｂに接続されている。改質器１８ｂとマニホールド２４ｂは配管３０ｂによって接続されている。セルスタック１４ｄも同様にして改質器１８ｂに接続されている。
【００３３】
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅ内を通る改質ガス通路（不図示）には、改質器１８ａで改質された改質ガスが送り込まれる。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅの改質器１８ａから遠い方の端部では改質ガス通路が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガスが放出される。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質ガス通路には、改質器１８ｂで改質された改質ガスが送り込まれる。セルスタック１４ｂ、１４ｄの改質器１８ｂから遠い方の端部では改質ガス通路が開放されており、発電のために消費されなかった改質ガスが放出される。セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅは、マニホールド２４ａ、２４ｃ、２４ｅによって片持ち状に支持され、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、マニホールド２４ｂ、２４ｄによって片持ち状に支持されている。
セルスタック１４ａ、１４ｃ、１４ｅと、セルスタック１４ｂ、１４ｄは、反対方向に伸びている。上下方向に多段に配列されているセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、上下方向において、交互に反対向きに配列されている。
【００３４】
一対の改質器１８ａ、１８ｂは、基本的に同一構成を備えている。以下では添字を省略して共通に説明する。改質器１８は、金属製の薄い箱形状のケーシングと、その内で蛇行する経路（不図示）が形成されており、この経路内に改質触媒が充填されている。一対の改質器１８ａ、１８ｂは、セルスタック１４群を挟んで、平行に配設されている。改質器１８ａ、１８ｂ内に導入された混合ガスは、改質触媒によって、改質器１８内を通過する間に主に水素や一酸化炭素からなる改質ガスに改質される。なお、渡り配管２８が、２つの改質器１８ａ、１８ｂの出口圧力の均衡を調整するために、２つの改質器１８a、１８ｂを接続している。
【００３５】
空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは浅い箱形状の部材であり、上面に複数の空気供給口１６ｆが形成されている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの両側面（改質器１８a、１８ｂ側の側面）には略水平に伸びる邪魔板５２ａ、５２ｂが形成されている。邪魔板５２ａは、上段の燃料電池セル１２の上流側に向けて取付けられており、水平に伸びている。邪魔板５２ｂは、上段の燃料電池セル１２の下流側に向けて取付けられており、端部が若干上向きに取付けられている。空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、セルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのそれぞれの下方に配設されており、５つの空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが上下方向に５段に配設されている。各空気供給部材１６の両端部は、図３の紙面の奥側と手前側に配置されている一対の空気供給管５０に連通している。空気供給管５０は金属製であり、図３に示すように、上下方向に伸びており、上端は第３室４８に開口している。第３室４８の下方は、空気導入管３４と連通しており、空気導入管３４によって外部から導入された空気は、第３室４８を通過して一対の空気供給管５０のいずれかに流入し、上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅのいずれかの上面から、直近上部のセルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅに空気を供給する。
【００３６】
上下５段の空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、両端が空気供給管５０によって支持されており、強度が高い。
セルスタック１４の内部を通る改質ガス通路（不図示）は図３の左右方向に伸びており、空気供給部材１６は紙面垂直方向に伸びている。両持ち状の空気供給部材１６と、片持ち状のセルスタック１４が交差する位置関係におかれている。
片持ち状のセルスタック１４は、両持ち状の空気供給部材１６に対してパッキン６２を介して載置されており、片持ち状のセルスタック１４は水平に伸びる姿勢で安定的に支持されている。片持ち状のセルスタック１４が不用意に傾くことはない。
セルスタック１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅのうちで、最上段に位置するセルスタック１４ａの上方には、厚みの薄い遮蔽板７０が配設されており、空気供給管５０ａ、５０ｂに支えられている。遮蔽板７０とセルスタック１４ａの間隔は、空気供給部材１６ａとセルスタック１４ｂ、空気供給部材１６ｂとセルスタック１４ｃ、空気供給部材１６ｃとセルスタック１４ｄ、空気供給部材１６ｄとセルスタック１４ｅの各間隔と等しい。
【００３７】
第３室４８と第２室４６を仕切る外仕切壁３８の４つの外周面には、フィン５４が取付けられている。フィン５４は横方向に長尺な金属製板部材を略蛇腹形状に折畳んで形成されている。外側は外壁４０の内面に接触しており、内側は外仕切壁３８の外面に接触している。なお、放熱を防止するために、フィン５４と外壁４０の内面が、断熱材を介して接触する構成であってもよい。
外仕切壁３８の４つの内周面にも、フィン５４と同様にフィン５６が取付けられている。フィン５６の形状もフィン５４と同様である。
【００３８】
外仕切壁３８は、第２室４６の底板４６ｂよりも下方に伸びる固定用壁３８ａによって外壁４０の底板４０ｂに固定されている。固定用壁３８ａには複数個の穴３８ｂが形成されており、空気の流通が自在となっている。内仕切壁３６も、第１室の底板４４ｂの下端から下方に伸びる固定用壁３６ａによって第２室４６の底板４６ｂに固定されている。
第１室４４の底板４４ｂは第２室４６の底板４６ｂから持ち上げられている。両底板の間隙は第２室４６の一部を構成する。固定用壁３６ａにも複数個の穴３６ｂが形成されており、燃焼ガスの流通が自在となっている。第２室４６の底板４６ｂと第１室４４の底板４４ｂの間（第２室４６の一部）には蒸発混合器１３０が配設されている。蒸発混合器１３０の下側には第３室４８が位置している。
外壁４０の底板４０ｂと第２室４６底板４６ｂの間は、第３室４８の一部であり、そこに空気導入管３４が連通している。第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間は、第２室４６の一部であり、そこに燃焼ガス導出管５８が連通している。
第１室４４の最下部には、改質器１８ａ、１８ｂの通過する部分を除いて、断熱材７４が敷き詰められている。断熱材７４は、例えばシリカベースのガラスウールといったガラス系セラミックや、セラミックファイバー等を用いている。
【００３９】
第１室４４の下部には、伝熱板７８が配設されている。伝熱板７８は、Ｌ字型に屈曲した金属性の板状部材であって、燃料電池セル１４ｅの先端と改質器１８ｂとの間に伸びる吸熱板７８ａと、空気供給部材１６ｅと断熱材７４との間に伸びる放熱板７８ｂを備えている。伝熱板７８は、吸熱板７８ａで吸熱した熱を、吸熱板７８ａから放熱板７８ｂへ伝熱して、放熱板７８ｂで放熱する。伝熱板７８を設けたことによって、最下段のセルスタック１４ｅ内のセル群の温度低下を抑止することができる。
【００４０】
蒸発混合器１３０には燃料ガス供給管１３２と水供給管１３４が接続されている。蒸発混合器１３０内では前述したように混合ガスが生成される。水蒸気と燃料ガスの混合ガスは燃焼ガスの熱で加熱されて昇温する。昇温した混合ガスは、混合ガス導入管２６a、２６ｂによって改質器１８ａ，１８ｂに送られる。
【００４１】
第３室４８は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底板）において、第２室４６を取り囲んでおり、第２室４６は、発電ユニット１０の６面（４側面と上面と底板）において、第１室４４を取り囲んでいる。
第１室４４の外形はほぼ立方体である。第２室４６の外形もほぼ立方体である。第３室４８の外形もほぼ立方体である。発電ユニット１０は、最小表面積で最大容積を収容する６面体であり、放熱量が少ない。
第３室４８は、外部から取り込まれた空気が通過する。第２室４６は、第１室４４で生成された燃焼ガスが通過する。第１室４４は燃料電池セル群収容室として利用される。
空気は第３室４８を下方から上方に移動する。燃焼ガスは第２室４６を上方から下方に通過する。空気と燃焼ガスは通過方向が逆であり、外仕切壁３８を介して両者の間で活発な熱交換が行われる。
第１室４４は最も高温であり、第２室４６は２番目に高温であり、第３室４８が３番目に高温である。最も高温な第１室４４を、２番目に高温な第２室４６で取り囲み、その外側を３番目に高温な第３室４８で取り囲む構造となっている。最も高温に維持する必要がある第１室４４を最も内側に配置することによって、燃料電池セルを収納する第１室４４を最も高温に維持しやすい最適な構造となっている。
【００４２】
次に発電ユニット１０内の動作を説明する。水供給管１３４から送り込まれた水は、混合蒸発機１３０内で加熱され、水蒸気となる。この水蒸気と燃料ガス供給管１３２から蒸発混合器１３０に導入された燃料ガス（例えば都市ガスまたはＬＰガス）が混合して混合ガスとなる。混合ガスは蒸発混合器１３０内で予熱され、混合ガス導入管２６ａ、２６ｂから改質器１８ａ、１８ｂへ送られる。混合ガス導入管２６ａ、２６ｂから改質器１８ａ、１８ｂに送られた混合ガスは、改質器１８ａ、１８ｂ内で、水素と一酸化炭素を含む混合ガスに改質され、各マニホールド２４に送られる。改質された混合ガスは各マニホールド２４から各燃料電池セル１２へ送られ、各燃料電池セル１２内の混合ガス通路に流入する。
空気導入管３４から第３室４８に送られた空気は、第２室を通過する高温の燃焼ガスと熱交換しながらフィン５４の間をすり抜けて上部に達し、外壁４０の上面に沿って流れ、第３室４８に開口している空気供給管５０内に流入する。空気は、空気供給管５０を下方に移動しながら、５つの空気供給部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅに流入し、空気供給口１６ｆから流出する。流出する空気は、上方向、若しくは斜め上方向に上昇し、すぐ上のセルスタック１４の下側全体に分散される。
各燃料電池セル１２内で改質ガス中の水素又は一酸化炭素と空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００４３】
燃料電池セル１２に供給される改質ガスの例えば８０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった２０％の改質ガス（オフガス）は、改質ガス通路を通過してセルスタック１４の先端から放出される。また、燃料電池セル１２に供給される空気の例えば２０％が発電に利用される場合、発電に利用されなかった８０％の空気は邪魔板５２ｂに沿って燃料電池セル１２の下流側へ誘導される。
セルスタック１４の先端近傍には夫々スパーク電極６０が配設されている。スパーク電極６０が火花放電することによって、セルスタック１４の先端から放出されるオフガスが、燃料電池セル１２の下流側へ誘導される空気によって燃焼する。改質器１８はセルスタック１４の先端に近接していることから、オフガスの燃焼によって発生する燃焼熱を改質反応の吸熱反応に効率よく利用することができる。オフガスの燃焼によって生じた高温のガスを燃焼ガスと称する。
【００４４】
燃焼ガスは改質器１８を加熱した後に第１室４４の上方で第２室４６へと流れる。第２室４６のうち、発電ユニットの側方の部分では燃焼ガスが上方から下方へと流れる。第２室４６の外側（即ち第３室４８）を空気が下方から上方へと流れる。この間に燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われ、空気の温度は上昇する。一方燃焼ガスの温度は低下する。
さらに、空気との熱交換によって温度の低下した燃焼ガスは、第１室４４の底板４４ｂと第２室４６の底板４６ｂの間（第２室４６の一部）を通過する。その際に燃焼ガスは蒸発混合器１３０の周囲を通る。燃焼ガスは蒸発混合器１３０の底板２１０の下面にも流れる。ここでも燃焼ガスと蒸発混合器１３０との間で熱交換が行われる。熱交換により蒸発混合器１３０の温度は上昇する。一方燃焼ガスの温度はさらに低下する。最後に燃焼ガスは燃焼ガス導出管５８を通って燃料電池式発電装置２の外部へと排出される。
【００４５】
燃料電池式発電装置２では、燃料電池セルで発電に利用されなかった改質ガスを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスにより蒸発混合器１３０を加熱する。蒸発混合器１３０で混合ガスを生成するための熱量に燃焼ガスの熱を利用することができる。燃料電池の発電効率を向上させることができる。また本実施例では燃焼ガスは改質器と空気を加熱した後に蒸発混合器１３０を加熱する。従って蒸発混合器１３０に到達した燃焼ガスは改質器および空気との熱交換によりその一部の熱量を消費している。蒸発混合器１３０に到達した燃焼ガスが有する熱量は燃焼ガス生成時より低下している。しかし本実施例の蒸発混合器１３０は熱効率が良いため、比較的低い熱量によっても十分な量の混合ガスを発生することができる。
【００４６】
なお本実施例の燃料電池式発電装置２では、スパーク電極６０が火花放電することによってセルスタック１４の先端から放出されるオフガスが燃焼する空間が請求項に記載の「燃焼部」に相当する。また燃焼ガスを蒸発混合器の少なくとも底板２１０の下面へ導く第２室４６が請求項に記載の「燃焼ガス誘導路」に相当する。
【００４７】
本実施例において、燃焼ガス導出管５８内を燃料ガス供給管１３２と水供給管１３４を通るように構成することも好適である。燃焼ガス導出管５８内で燃焼ガスと燃料ガス供給管１３２内の燃料ガスおよび水供給管１３４内の水との間で熱交換することができる。発電ユニット１０内に燃料ガスおよび水が導入される前に少しでも燃料ガスおよび水の温度を上昇させておくことによって燃料電池式発電装置２の発電効率をさらに向上させることができる。
【００４８】
また蒸発混合器１３０を複数並べて配置することも好適である。具体的には図３の紙面に垂直な方向に蒸発混合器１３０を複数並べて配置する。夫々の蒸発混合器１３０で生成された混合ガスを改質器１８ａ、１８ｂに送るように構成する。混合蒸発器１３０を複数配置することで大量の混合ガスを改質器へ送ることが可能となる。
【００４９】
＜実施例２＞
次に実施例２について説明する。実施例２は、混合ガス導出口をひとつだけ有する蒸発混合器の例である。比較的小さい燃料電池に蒸発混合器を用いる場合には混合ガス導出口をひとつとしても問題ない場合がある。混合ガス導出口をひとつとすることでより簡単な構造で蒸発混合器を構成することができる。
図４は実施例２に係る蒸発混合器１３０ｂの縦断面図である。この蒸発混合器１３０ｂはそのケース内部空間を下部空間２０２ｂと上部空間２０４ｂに２分する整流板２００ｂが備えられている。整流板２００ｂの長手方向（図４において左右方向）の一方の端部には連通孔２０６ｃが設けられている。
また下部空間２０２ｂの、連通孔２０６ｃが設けられた端部と反対の端部に燃料ガス導入口２１４ｂが底板２１０ｂから所定高さの位置に配置されている。燃料ガス導入口２１４ｂは燃料ガス供給管１３２ｂの開口部に相当する。
また蒸発混合器１３０ｂには水供給管１３４ｂが下部空間２０２ｂへ通じている。水供給管１３４ｂの開口部が水導入口２１２ｂである。水導入口２１２ｂから下部空間２０２ｂ内へ導入された液体の水３０２は底板２１０ｂの表面上に広がっている。液体の水３０２はその表面張力により長手方向には矢印３０４で示す範囲に留まっている。
蒸発混合器１３０ｂのケースの底板２１０ｂの上面には上方に伸びる内フィン２１８ｂ（ケース内伝熱部材）が設けてある。また底板２１０ｂの下面には外フィン２２０ｂが設けてある。
また上部空間２０４ｂの連通孔２０６ｃが設けられた端部と反対の端部に混合ガス導出口２３４ｃが上部空間２０４ｂ内に配置されている。混合ガス導出口２３４ｃは混合ガス導入管２６ｃの開口部に相当する。
【００５０】
図４に示す蒸発混合器１３０ｂの作用を説明する。燃料ガス導入口２１４ｂから導入された燃料ガスは下部空間２０２ｂ内を図４の右から左へ流れる。その間に底板２１０ｂの上面に広がった液体の水３０２の表面上を通過する。液体の水の表面上を気体の燃料ガスが流れることで水の気化が促進される。また蒸発混合器１３０ｂ自体は外部から加熱されている。例えば実施例１で説明したように燃料電池式発電装置の燃焼ガスを蒸発混合器１３０ｂの周囲に導くことによって蒸発混合器１３０ｂが加熱される。この加熱によっても液体の水３０４は下部空間２０２ｂ内で気化する。さらにケース内伝熱部材である内フィン２１８ｂと、外フィン２２０ｂによっても液体の水の気化が促進される。燃料ガスは下部空間２０２ｂ内を流れるうちに気化した水と混合して混合ガスとなる。
図４の左端まで流れた混合ガスは連通孔２０６ｃを通って上部空間２０４ｂへと流れる。ここで流れの方向がＵターン状に変化することによって混合ガスが攪拌される。これにより上部空間２０４ｂを流れるうちに混合ガスは均質化される。均質化された混合ガスは混合ガス導出口２３４ｃから混合ガス導出路２６ｃへと流れる。
【００５１】
実施例２の蒸発混合器１３０ｂでも液体の水の拡散が促進される原理は実施例１と同様である。但し蒸発混合器１３０ｂは混合ガス導出口２３４ｃをひとつとしたことで蒸発混合器１３０ｂの構造を簡単にすることができる。混合ガスを発生させるための熱効率が良い蒸発混合器を低コストで製造することができる。
【００５２】
次に同じ図４を用いて、底板２１０ｂの表面積が導入される水の量に対して十分に広い場合における蒸発混合器１３０ｂの応答性について説明する。応答性とは、燃料ガスと水蒸気のモル比率を維持しつつ、導出する混合ガスの流量を変化させることのできる速さを意味する。
実施例２の蒸発混合器１３０ｂの底板２１０ｂは略平面に形成されている。燃料電池式発電装置が設置される際に、蒸発混合器１３０ｂはそのケースの底板２１０ｂが略水平となるように燃料電池に取り付けられる。従って水導入口２１２ｂから底板２１０ｂへと導入された液体の水は底板２１０ｂの上面に広がる。図４では底板２１０ｂの長手方向（図４の左右方向）に矢印３０４の範囲に水が広がっている。底板２１０ｂの表面積が導入される水の量に対して十分に広い場合には、水の表面張力により液体の水は底板２１０ｂの全面に広がらずに矢印３０４で示す範囲に留まっている。このとき図４では、導入された水は複数の内フィン２１８ｂのうち、水供給管１３４ｂの両側の内フィン２１８ｂに接している。
燃料電池式発電装置に要求される発電量が増大した場合には蒸発混合器が生成すべき混合ガスの流量も増大する。そのため燃料ガスの導入量を増加させる。増加させた燃料ガスに見合うだけの水蒸気を発生しなければならない。そこで導入する液体の水の量を増加させる。底板２１０ｂは略平面に形成されているので増加した液体の水は、水位が変わらず底板２１０ｂの上面を広がっていく。例えば導入する水量を増加させたことで当初は矢印３０４で示す範囲で広がっていた液体の水は矢印３０６の範囲まで広がることになる。その結果、矢印３０６の範囲まで広がった水は複数の内フィン２１８ｂのうち、水供給管１３４ｂの両側の内フィン２１８ｂとさらにその外側の内フィンに接することになる。液体の水と内フィン２１８ｂとの接触面積が増加する。さらに液体の水と底板２１０ｂとの接触面積も増加する。これらにより液体の水へ伝達される熱量を増加することができる。従って水の気化が促進される。単位時間当りに発生することのできる水蒸気の量を増加させることができる。
本実施例の蒸発混合器１３０ｂは、略平面状に形成された底板２１０ｂの上面に液体の水を導入する。導入された液体の水は略平面の底板２１０ｂの表面上に広がる。底板２１０ｂの表面積が導入される水の量に対して十分に広い場合には、導入される水の量を増加させると底板２１０ｂの上面に溜まる液体の水の領域が広がる。即ち液体の水を留める底板２１０ｂを略平面にすることによって、導入する液体の水の増加は底板２１０ｂの表面上の液体の水の表面積の増加をもたらす。さらに内フィン２１８ｂと水との接触面積も大きくなる。これにより単位時間当りに気化する水の量を増加させることができる。蒸発混合器が生成する混合ガスの流量を素早く増加させることが可能となる。即ち蒸発混合器の応答性を高めることができる。
さらに液体の水の導入量の調整によって、水と燃料ガスが一定の割合で混合した混合ガスの流量を調整することができる。液体の水の量を調整することは水蒸気の量を調整するよりもはるかに容易である。蒸発混合器１３０ｂは、水蒸気と燃料ガスのモル比を一定の割合に管理した混合ガスの流量を容易に調整することができる。以上の効果は実施例１の蒸発混合器１３０でも同様に得られる。
【００５３】
また内フィン２１８ｂの平板面は燃料ガスの流れの方向に平行となるように配置されている。この配置は、底板２１０ｂの上面に導入される液体の水が燃料ガスの流れの方向に広がろうとすることを阻害しない。その上、底板２１０ｂの上面に導入された液体の水が非常に少量の場合であっても、毛細管現象によって液体の水は底板２１０ｂと内フィン２１８ｂの接合部の角部を伝っていき、下部空間２０２ｂの長手方向に広がりやすくなる。即ち底板２１０ｂに導入される液体の水を燃料ガスの流れの方向に速やかに広がるようにすることができる。底板２１０ｂに導入される液体の水が速やかに広がることで効率よく水を気化できる。これにより蒸発混合器が生成する混合ガスの流量を素早く増加させることが可能となる。
【００５４】
内フィン２１８ｂの平板面が燃料ガスの流れの方向に平行となるように配置されていることによって、液体の水が下部空間２０２ｂの長手方向に広がりやすくなることを図５を用いて説明する。図５（Ａ）は図４に示したＶ−Ｖ線に対応する蒸発混合器１３０ｂの断面の拡大図である。図５（Ａ）に示すように、内フィン２１８ｂはその平板面を下部空間２０２ｂの長手方向に平行になるようにして底板２１０ｂに固定されている。なお底板２１０ｂの外側には外フィン２２０ｂが固定されている。
ここで、底板２１０ｂに導入された液体の水が少量であった場合を説明する。図５（Ａ）に示すように、このとき液体の水３１０は、一旦内フィン２１８ｂに触れると表面張力により底板２１０ｂと内フィン２１８ｂの接合部の角部に吸い付くようになる。そして毛細管現象によって、液体の水３１０は角部に沿って伝っていく。このように内フィン２１８ｂをその平板面が下部空間２０２ｂの長手方向に平行になるように底板２１０ｂに配置することによって、底板２１０ｂに導入された液体の水を効果的に下部空間２０２ｂの長手方向に広げることができる。
【００５５】
さらに図５（Ｂ）には、図５（Ａ）に示した内フィン２１８ｂの代わりに波板３１２を内フィン（ケース内伝熱部材）として配置した例を示す。波板３１２の全体が伝熱効果を奏するので波板３１２全体が内フィンとなるが、ここでは説明の便宜上、波板３１２のうち、符号２１８ｃで示す底板２１０ｂから上方へ伸びている部分を内フィン２１８ｃ（ケース内伝熱部材）と称することにする。
内フィンを波板で形成することで複数の内フィン２１８ｃを容易に製造することができる。また波板を用いることで、蒸発混合器１３０ｂの横手方向で隣接する内フィン２１８ｃ同士の間隔３１４を小さくすることも容易である。隣接する内フィン２１８ｃ同士の間隔３１４は、その間で毛細管現象が生ずるほどに狭いことが好ましい。具体的には間隔３１４は３ｍｍ以下であることが好ましい。なお、図５（Ｂ）では図を見やすくするために隣接する内フィン２１８ｃの間隔を誇張して描いてある。図５（Ｂ）に示すように、間隔３１４がその間で毛細管現象が生ずるほどに狭ければ、底板２１０ｂに導入された液体の水３１６は直ちに隣接する内フィン２１８ｃの間を内フィン２１８ｂの平板面に沿って下部空間２０２ｂの長手方向に広がる。蒸発混合器１３０ｂの横手方向で隣接する内フィン２１８ｃ同士の間隔３１４が所定の距離（毛細管現象が生ずる距離）より小さくなるように内フィン２１８ｃを配置することによって、底板２１０ｂに導入された液体の水を一層効果的に下部空間２０２ｂの長手方向に広げることができる。
【００５６】
なお、蒸発混合器１３０ｂの横手方向で隣接する内フィン２１８ｃは波板の一部として構成されている必要はない。図５（Ａ）に示すように別個の内フィン２１８ｂを隣接する内フィン同士の間隔を狭めて配置してもよい。また、内フィンとして波板を利用する場合には、波板を波面に沿った方向から見たときに図５（Ｂ）に示したように矩形状である必要はない。波板を波面に沿った方向から見たときの形状は曲線状であってもよい。さらに内フィンは、内フィン全体としての平板面が燃料ガスの流れの方向に平行となるように配置されていればよく、内フィンは局部的には燃料ガスの流れの方向に対して波打つ形状であってもよい。
図５を用いて説明した内フィンの構成とその効果は、実施例１の蒸発混合器１３０にも適用できる。
【００５７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施例１の蒸発混合器の模式的な斜視図である。
【図２】実施例１の蒸発混合器の縦断面図である。
【図３】実施例１の燃料電池式発電装置の縦断面図である。
【図４】実施例２の蒸発混合器の縦断面図である。
【図５】図５（Ａ）は図４に示したＶ−Ｖ線に対応する蒸発混合器の縦断面の拡大図である。図５（Ｂ）は、図４（Ａ）に示した内フィンの代わりに波板を内フィンとして用いた場合の図である。
【符号の説明】
【００５９】
２：燃料電池式発電装置
１０：発電ユニット
１２：燃料電池セル
１４：セルスタック
１８ａ、１８ｂ：改質器
２６ａ、２６ｂ：混合ガス導入管
１３０：蒸発混合器
１３２：燃料供給管
１３４：水供給管
２００：整流板
２０２：下部空間
２０４：上部空間
２０６：連通孔
２１０：底板
２１２：水導入口
２１４：燃料ガス導入口
２１６：キャップ状部材
２１８：内フィン（ケース内伝熱部材）
２２０：外フィン（ケース外伝熱部材）
２３０：導出用混合ガス収容室
２３２：開孔
２３４：混合ガス導出口
【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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