(57)【要約】【課題】セルスタックの起動時昇温性を向上させつつ、改質器内の過昇温状態を回避することができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】混合ガス流路内に、改質触媒を有するプレ触媒部２０８ａが設けられており、プレ触媒部２０８ａと改質器２０８ｂとの間には、改質触媒が配置されていない緩衝領域が形成されている。【選択図】図１
2016149250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置（ＦＣ）であって、
水を受け入れる水受入口（２０１ａ）及び原料ガスを受け入れる原料ガス受入口（２４０ａ）が設けられ、受け入れた水を加熱して水蒸気を発生させ、前記水蒸気と原料ガスとを含む混合ガスを生成する水蒸発器（２０６）と、
前記混合ガスを受け入れ改質触媒内を通過させることで、前記原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８ｂ）と、
前記水蒸発器と前記改質器とを繋ぐ混合ガス流路（２０７）と、
酸化剤ガスを加熱する空気予熱器（３１１）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、を備え、
前記混合ガス流路内に、前記改質触媒を有するプレ触媒部（２０８ａ）が設けられており、
前記プレ触媒部と前記改質器との間には、前記改質触媒が配置されていない緩衝領域が形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記プレ触媒部が有する前記改質触媒の量は、前記改質器が有する前記改質触媒の量よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記セルスタックを通過した前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器を備え、
前記燃焼器において前記燃料ガスが燃焼して生成される燃焼ガスは、前記改質器、前記空気予熱器、前記水蒸発器の順に熱交換するように流れることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記改質器と前記水蒸発器とは、前記混合ガス流路を挟んで同一筐体内に配置されていることと特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記プレ触媒部と前記改質器との間に断熱部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記プレ触媒部が有する前記改質触媒の量は、前記改質器の改質率が、前記プレ触媒部が存在しなかった場合の改質率を下回らない量であることを特徴とする請求項２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】
複数のセルからなるセルスタックを有する燃料電池装置として、下記特許文献１に記載のものが知られている。下記特許文献１に記載の燃料電池装置は、セルスタックと、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応によって水素を生成する改質器と、蒸発器と、改質器を加熱する燃焼室と、燃料供給手段と、水供給手段と、発電用酸化剤ガス供給手段と、制御手段と、を備えている。制御手段は、改質器において部分酸化改質反応が発生する前に水を供給し、燃料極でシフト反応が誘発されるように制御している。より具体的には、部分酸化改質反応可能な温度となった時に、水を供給することで部分酸化改質反応をスキップし、オートサーマル改質反応にシフトしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２２２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術では、部分酸化改質反応可能な温度となった時にオートサーマル改質反応をスタートさせているので、発熱を抑制し、熱暴走の発生を回避している。そのため、燃料投入量を減らすことなく昇温することができ、触媒の劣化を抑制しつつ迅速な起動を可能なものとしている。
【０００５】
しかしながら、最初からオートサーマル改質反応で起動させるために、上記従来の技術では燃焼室に改質器及び蒸発器が配置される構成となっており、燃焼ガスは改質器及び蒸発器と熱交換した後に空気予熱器で熱交換を行っている。セルスタックの昇温は空気予熱器を通過した空気によって行われるため、このような熱交換順序だと空気予熱器で空気に与えられる熱量が少なくなり、セルスタックの昇温性が低下し起動性が悪化する。
【０００６】
そこで、燃焼ガスとの熱交換順序で空気予熱器が蒸発器よりも先に来るように配置し、蒸発器との熱交換順序を後にすれば、空気に与えられる熱量が増え、セルスタックの昇温性が向上し起動性もそれに伴って向上する。一方、この順番で熱交換を行うと、起動時に蒸発器の暖気が遅くなり、当初からオートサーマル改質反応を行うことは難しくなる。従って、部分酸化改質反応で始動することになるが、部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器の一部で改質触媒が過昇温状態となるおそれがある。
【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、セルスタックの起動時昇温性を向上させつつ、改質器内の改質触媒が過昇温状態となることを回避す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】
【０００８】
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、水を受け入れる水受入口（２０１ａ）及び原料ガスを受け入れる原料ガス受入口（２４０ａ）が設けられ、受け入れた水を加熱して水蒸気を発生させ、前記水蒸気と原料ガスとを含む混合ガスを生成する水蒸発器（２０６）と、前記混合ガスを受け入れ改質触媒内を通過させることで、前記原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスとする改質器（２０８ｂ）と、前記水蒸発器と前記改質器とを繋ぐ混合ガス流路（２０７）と、酸化剤ガスを加熱する空気予熱器（３１１）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、を備える。前記混合ガス流路内に、前記改質触媒を有するプレ触媒部（２０８ａ）が設けられており、前記プレ触媒部と前記改質器との間には、前記改質触媒が配置されていない緩衝領域が形成されている。
【０００９】
本発明では、改質器の上流側にプレ触媒部を設け、改質器とプレ触媒部との間には改質触媒が配置されていない緩衝領域が形成されているので、起動時には改質器においてのみ部分酸化改質反応が行われる。その後昇温が進むとプレ触媒部においても部分酸化改質反応が行われ、緩衝領域を挟んで分散して部分酸化改質反応が行われる。この状態ではある程度混合ガス中の原料ガスが改質されて改質器に供給されるので、改質器にのみ発熱反応が集中することがなく、改質器内の改質触媒が過昇温状態となることを回避することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、セルスタックの起動時昇温性を向上させつつ、改質器内の過昇温状態を回避す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】
【００１１】
【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】起動時からの燃料電池装置各部における温度変化を示す図である。
【図４】部分酸化改質反応開始時の改質器温度を示す図である。
【図５】オートサーマル改質反応開始時の改質器温度を示す図である。
【図６】改質器温度変化の様子を説明するための図である。
【図７】本実施形態の第１変形例を示す図である。
【図８】本実施形態の第２変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施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。
【００１３】
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、第１空気供給部３１と、第２空気供給部３２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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、下部筒状体１０８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、第５筒状体１０５及び下部筒状体１０８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。
【００１６】
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、後述する第１空気供給部３１の吹出口３１３が形成されている。
【００１７】
第２筒状体１０２は、円筒状に形成され、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。第２筒状体１０２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、第２筒状体１０２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３１１の第２加熱流路３１１ｂとなる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。その隙間は、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４筒状体１０４の内部を上下に区画している。
【００２０】
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。
【００２１】
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３１１の第１加熱流路３１１ａとなる。第５筒状体１０５の上端部は、上面蓋１０７によって覆われている。
【００２２】
下部筒状体１０８は、第３筒状体１０３の下部の内部に配置され、その上端がベースプレートＢＰの下面に当接して固定されている。また、下部筒状体１０８は、その外側面が第３筒状体１０３の内側面との間に隙間を形成する隙間を形成するように配置されている。この隙間は、後述する燃焼ガス排出流路５０２の第１排出流路５０２ａとなる。また、下部筒状体１０８の下部には、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】
続いて、図１及び図２を参照しながら、燃料ガス供給部２０、第１空気供給部３１、第２空気供給部３２、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。
【００２４】
燃料ガス供給部２０は、水供給管２０１と、都市ガス供給管２４０と、改質ユニット２０２と、燃料ガス供給管２０３と、脱硫器２０４と、を有している。
【００２５】
水供給管２０１は、その内部に水を流す配管である。水供給管２０１は、ケーシング１０の第４筒状体１０４を貫通し、改質ユニット２０２まで延びるように形成されている。
【００２６】
都市ガス供給管２４０は、炭化水素ガスを含む都市ガスをその内部に流す配管である。都市ガスは、都市ガス供給管２４０の上流において脱硫器２０４を通過することで、セルスタックＣＳの電池性能の低下を招く硫黄成分が除去される。都市ガス供給管２４０は、都市ガスに加えて空気を流すこともできる。都市ガス供給管２４０は、水供給管２０１よりも上方の位置でケーシング１０の第４筒状体１０４を貫通し、改質ユニット２０２まで延びるように形成されている。
【００２７】
改質ユニット２０２は、第１筒状体１０１等と同軸の円環状に形成されており、下部筒状体１０８を囲むように、下部筒状体１０８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筒状体１０８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。
【００２８】
また、改質ユニット２０２は、その内部に水蒸発器２０６と、混合ガス流路２０７と、プレ触媒部２０８ａと、改質器２０８ｂと、を有している。改質ユニット２０２は、水蒸発器２０６、混合ガス流路２０７、プレ触媒部２０８ａ、及び改質器２０８ｂをユニットケーシング２０５の内部に収めることでユニット化されている。混合ガス流路２０７は、水蒸発器２０６と改質器２０８ｂとを繋ぐ流路である。混合ガス流路２０７には、プレ触媒部２０８ａが配置されている。プレ触媒部２０８ａと改質器２０８ｂとは緩衝領域が形成されるように離隔配置されている。プレ触媒部２０８ａと水蒸発器２０６との間には断熱部２２１が設けられている。
【００２９】
水供給管２０１及び都市ガス供給管２４０は、改質ユニット２０２に接続されている。詳細には、水供給管２０１及び都市ガス供給管２４０は、改質ユニット２０２の水蒸発器２０６に接続されている。
【００３０】
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から水平方向に延び、さらに上方のベースプレートＢＰまで延びるように形成されている。
【００３１】
第１空気供給部３１は、空気加熱流路３１１と、第１空気導入管３１２と、吹出口３１３と、を有している。空気加熱流路３１１は、第１加熱流路３１１ａ及び第２加熱流路３１１ｂを有している。第１加熱流路３１１ａ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３１１ｂ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。第１空気導入管３１２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３１１の第１加熱流路３１１ａに連通している。吹出口３１３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。
【００３２】
第２空気供給部３２は、第２空気導入管３２１と、吹出管３２２と、を有している。第２空気導入管３２１は、空気をその内部に流す配管であり、ケーシング１０の底板１０４ｂを貫通して下部筒状体１０８の内部に延びている。第２空気導入管３２１は、その上端近傍に螺旋状の螺旋部３２１ａが形成されている。吹出管３２２は、第２空気導入管３２１と連通している配管であり、第１筒状体１０１の内部において、ベースプレートＢＰから上方に向けて突出するように設けられている。吹出管３２２は、第２空気導入管３２１を流れる空気を第１筒状体１０１の内部に吹き出す。
【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、下部筒状体１０８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内に向けて突出し、第２空気導入管３２１の螺旋部３２１ａに覆われ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、下部筒状体１０８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、下部筒状体１０８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の起動工程の際など、セルスタックＣＳや改質器２０８ｂ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。都市ガス及び空気は、都市ガス供給管２４０によって改質ユニット２０２に供給され、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、混合ガス流路２０７を通り、プレ触媒部２０８ａを経由して改質器２０８ｂに導入される。
【００３９】
改質器２０８ｂは、その内部に改質触媒２０８１が配置されている。改質器２０８ｂ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２０８ｂ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（下部筒状体１０８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、第１空気供給部３１の第１空気導入管３１２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３１１の第１加熱流路３１１ａ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３１１ｂを下方に流れる。第２加熱流路３１１ｂを流れて第１筒状体１０１の下部に至った空気は、吹出口３１３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】
空気加熱流路３１１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】
また、第２空気供給部３２の第２空気導入管３２１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、螺旋部３２１ａを上方へと流れる。この空気は、バーナー４０２の周囲を旋回しながら流れることにより、バーナー４０２から熱を受けて温度が上昇する。一方、バーナー４０２は、螺旋部３２１ａを流れる空気に熱を奪われることで、過度に昇温することが抑制される。第２空気導入管３２１を通過し、温度が上昇した空気は、吹出管３２２から第１筒状体１０１の内部に吹き出され、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。
【００４３】
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から燃焼室４０１内に吹き出され、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。
【００４４】
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２０８ｂが加熱され、昇温する。
【００４５】
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３１１の第２加熱流路３１１ｂを下方に流れる空気と、第２筒状体１０２を挟んで逆向きに流れる。これにより、第２加熱流路３１１ｂを流れる空気は、第２筒状体１０２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３１１の第１加熱流路３１１ａ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３１１ａ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。
【００４７】
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。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。
【００４８】
燃料電池装置ＦＣの運転に伴い、セルスタックＣＳや改質器２０８ｂ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、水供給管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。
【００４９】
水蒸発器２０６において発生した水蒸気は、都市ガスとともに混合ガス流路２０７を介して改質器２０８ｂに導入される。改質器２０８ｂ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２０８ｂ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。
【００５０】
セルスタックＣＳや改質器２０８ｂが高温となり、燃料電池装置ＦＣがセルスタックＣＳからの電力の取り出しが可能な発電工程（定常運転）に移行する際は、改質器２０８ｂ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可能な状態となっている。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。
【００５１】
上述したように、燃料電池装置ＦＣは、起動すると部分酸化改質反応（以下、ＰＯＸ反応）からオートサーマル改質反応（以下、ＡＴＲ反応）を経由して水蒸気改質反応（以下、ＳＲ反応）で定常運転を行うように構成されている。起動してからの燃料電池装置ＦＣ各部の温度変化を図３に示す。
【００５２】
図３のＰＯＸ開始時における、水蒸発器出口から改質器出口までの温度変化を図４に示す。図４に示されるように、ＰＯＸ開始時においては、改質器２０８ｂ内の温度は入口から出口まで４００℃から８００℃の間で収まっている。本実施形態の場合、改質触媒の耐熱限界は８００℃なので、ＰＯＸ開始時までは改質器２０８ｂ内の改質触媒が限界温度に達することはない。尚、この改質触媒の耐熱限界温度は一例であって、他の耐熱限界温度の場合にはその耐熱限界温度に適合するように各部を調整する。
【００５３】
続いて、図３のＡＴＲ開始直前における、水蒸発器出口から改質器出口までの温度変化を図５に示す。図５に示されるように、ＡＴＲ開始直前では、プレ触媒部２０８ａで最初の温度上昇があり、その後改質器２０８ｂの入口付近で再び温度上昇がある。改質器２０８ｂの前段に微触媒層であるプレ触媒部２０８ａを設けない場合は、図中破線のような温度変化になり、改質器２０８ｂの入口近傍で８００℃を超えるような温度まで上昇してしまい、改質触媒の耐熱限界を超えてしまう。一方、微触媒層であるプレ触媒部２０８ａを設けると、改質器２０８ｂの入口近傍でも改質触媒の耐熱限界まで温度が上昇することがない。
【００５４】
このメカニズムについて、図６を参照しながら説明する。図６の（Ａ）はＰＯＸ開始時の状態を示し、図６の（Ｂ）はＰＯＸ終了時（ＡＴＲ開始直前）の状態を示し、図６の（Ｃ）はＳＲ時（定常運転時）を示している。
【００５５】
図６の（Ａ）は、改質器２０８ｂ内の改質触媒がＰＯＸ可能な温度まで上昇したら、ＰＯＸ反応をスタートさせる状態を示している。このときプレ触媒部２０８ａは昇温されていないためＰＯＸ反応は開始されていない。従って、主に改質器２０８ｂの入口付近で発熱反応が行われている。
【００５６】
図６の（Ｂ）は、昇温が進みプレ触媒部２０８ａにおいてもＰＯＸ反応が始まった状態を示している。この状態では、プレ触媒部２０８ａと改質器２０８ｂとの双方で発熱反応であるＰＯＸ反応が行われているので、発熱部位が分散していることになる。更に、混合ガス流路２０７を流れる混合ガスはプレ触媒部２０８ａで一部が改質されて改質器２０８ｂに送られるので、改質器２０８ｂの入口付近における改質反応量が相対的に低下する。そのため、発熱反応であるＰＯＸ反応が改質器２０８ｂの入口付近に集中すること無く、熱暴走を抑制することができる。
【００５７】
図６の（Ｃ）は、更に昇温が進み水蒸発器２０６の温度も上昇してＳＲ反応が安定して行われている状態を示している。ＳＲ反応は吸熱反応なので、プレ触媒部２０８ａにおいても吸熱反応が行われる。プレ触媒部２０８ａに配置されている改質触媒は、改質器２０８ｂに配置されている改質触媒に比べて十分少ないので、プレ触媒部２０８ａにおいて吸熱反応が発生しても、改質器２０８ｂから奪う熱は僅かなものであり改質器２０８ｂの温度を下げることがなく改質率も低下しない。
【００５８】
上述した本実施形態では、プレ触媒部２０８ａを１箇所にのみ設けたけれども、プレ触媒部の配置態様はこれに限られるものではない。図７に示される第１変形例のように、第１プレ触媒部２０８ａ１、第２プレ触媒部２０８ａ２、第３プレ触媒部２０８ａ３のように、プレ触媒部を分散配置してＰＯＸ反応を更に分散させた状態で行ってもよい。
【００５９】
また、図８に示される第２変形例のように、プレ触媒部２０８ａと改質器２０８ｂとの間に断熱部２２１ａを設けることも好ましい。このように断熱部２２１ａを配置することで、プレ触媒部２０８ａでの反応の熱的影響が改質器２０８ｂに確実に及ばないようにすることができる。
【符号の説明】
【００６０】
ＦＣ：燃料電池装置
ＣＳ：セルスタック
２０１ａ：水受入口
２４０ａ：原料ガス受入口
２０６：水蒸発器
２０７：混合ガス流路
２０８ａ：プレ触媒部
２０８ｂ：改質器
３１１：空気予熱器
【図１】
2016149250.tif 000003
【図２】
2016149250.tif 000004
【図３】
2016149250.tif 000005
【図４】
2016149250.tif 000006
【図５】
2016149250.tif 000007
【図６】
2016149250.tif 000008
【図７】
2016149250.tif 000009
【図８】
2016149250.tif 000010