(57)【要約】【課題】運転状態に応じて改質器の温度を迅速に上昇あるいは高温に維持させたり、低下させたりすることができる燃料電池装置を提供すること。【解決手段】燃料電池装置ＦＣは、改質器２０８と水蒸発器２０６との間に形成される熱移動空間を介した改質器２０８と水蒸発器２０６との間の熱移動を調整する熱移動整手段を備える。【選択図】図４
2016025003.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（２３１，２３１Ａ，２３１Ｂ）を有する水蒸発器（２０６，２０６Ａ，２０６Ｂ）と、
前記水蒸発器と向き合うように配置され、水蒸気を受け入れる受入口（２３２，２３２Ａ，２３２Ｂ）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（２０８，２０８Ａ，２０８Ｂ）と、
前記送出口と前記受入口とを繋ぐ水蒸気流路（２０７，２０７Ａ，２０８Ｂ）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、を備え、
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に形成される熱移動空間に臨むように形成され、
前記水蒸気流路は、前記熱移動空間において前記送出口と前記受入口とを繋いでおり、
前記熱移動空間を介した前記改質器と前記水蒸発器との間の熱移動を調整する熱移動調整手段を備えている、ことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記熱移動調整手段は、前記水蒸気流路の少なくとも一部におけるガスの流量を変更することにより前記改質器と前記水蒸発器との間の熱移動を調整する、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記熱移動調整手段は、前記水蒸気流路の途中に被改質ガスを導入する被改質ガス導入部（２４２）を有している、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記熱移動調整手段は、前記水蒸気流路の流路長を変更する変更機構を有している、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記水蒸気流路は、主流路と、前記主流路から分岐し前記主流路よりも流路長が小さいバイパス流路（２０７Ａｆ）と、を有し、
前記熱移動調整手段は、前記バイパス流路を開閉するバルブ（２０９）を有している、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をセルスタックに供給し、電気化学反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置では、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、水蒸気改質を行うものが知られている。
【０００３】
このような燃料電池装置では、発電可能な状態まで移行する起動工程や、その後の電力の取り出しを行う発電工程では、セルスタックや改質器の温度を上昇させたり、高温に維持したりする必要がある。これに対し、例えば下記特許文献１には、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、その燃焼熱を利用してセルスタックや改質器を加熱する燃料電池装置が記載されている。
【０００４】
水蒸気改質は、水素の収率が高い改質反応であるが、強い吸熱反応である。したがって、水蒸気改質を安定的に進行させるためには、多量の熱が必要となる。改質器の温度が低下し、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。このため、起動工程では改質器を迅速に昇温させるとともに、発電工程では改質器を高温に維持させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２０３９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池装置では、セルスタックの点検作業や、改質器に用いられている改質触媒の交換作業を行う際など、それまでに行っていた発電を停止するとともに、セルスタックや改質器の温度を常温程度まで迅速に低下させることを求められる場面がある。上記特許文献１に記載の燃料電池装置では、このような燃料電池装置の停止工程において、低温の燃料ガスをセルスタックに供給し、熱を奪うことでセルスタックの温度を低下させている。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１には、燃料電池装置の停止工程において積極的に改質器を冷却する手段については、何ら開示されていなかった。前述したように、起動工程や発電工程における、改質器の温度を迅速に昇温させたり高温に維持させたりするという要求と、停止工程おける、改質器の温度を迅速に低下させるという要求と、を同時に満足させる手段については、これまでに十分な検討がなされていなかった。
【０００８】
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、運転状態に応じて改質器の温度を迅速に上昇あるいは高温に維持させたり、低下させたり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】
【０００９】
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、２３１Ａ、２３１Ｂ）を有する水蒸発器（２０６、２０６Ａ、２０６Ｂ）と、前記水蒸発器と向き合うように配置され、水蒸気を受け入れる受入口（２３２、２３２Ａ、２３２Ｂ）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、２０８Ａ、２０８Ｂ）と、前記送出口と前記受入口とを繋ぐ水蒸気流路（２０７，２０７Ａ、２０８Ｂ）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、を備え、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に形成される熱移動空間に臨むように形成され、前記水蒸気流路は、前記熱移動空間において前記送出口と前記受入口とを繋いでおり、前記熱移動空間を介した前記改質器と前記水蒸発器との間の熱移動を調整する熱移動整手段を備えている、ことを特徴としている。
【００１０】
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。このため、改質器を水蒸発器と向き合うように配置すると、改質器と水蒸発器との間に形成された熱移動空間を介して、改質器から水蒸発器への熱移動が生じる。
【００１１】
本発明では、この熱移動空間を介した改質器と水蒸発器との間の熱移動を調整することにより、運転状態に応じて改質器の温度を迅速に上昇あるいは高温に維持させたり、低下させたりすることができる。例えば、燃料電池装置の起動工程や発電工程では、上記熱移動を抑制することで、改質器の温度を迅速に上昇あるいは高温に維持させることが可能となる。また、燃料電池装置の停止工程では、上記熱移動を促すことで、改質器の温度を迅速に低下させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、運転状態に応じて改質器の温度を迅速に上昇あるいは高温に維持したり、低下させたり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】
【００１３】
【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】起動工程及び発電工程における図１に示される改質ユニットの内部を模式的に示す図である。
【図４】停止工程における図１に示される改質ユニットの内部を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第１変形例に係る燃料電池装置の起動工程及び発電工程における改質ユニットの内部を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第１変形例に係る燃料電池装置の停止工程における改質ユニットの内部を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第２変形例に係る燃料電池装置の起動工程及び発電工程における改質ユニットの内部を模式的に示す図である。
【図８】本発明の第２変形例に係る燃料電池装置の停止工程における改質ユニットの内部を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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の径は、上円筒部１０２ａの径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。
【００２０】
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。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。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。
【００２３】
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ている。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料ガス供給部２０は、水供給管２０１と、原料ガス供給管２４０と、改質ユニット２０２と、燃料ガス供給管２０３と、脱硫器２０４（図２参照）と、を有している。
【００２７】
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。
【００２８】
原料ガス供給管２４０は、炭化水素を含む都市ガスをその内部に流す配管である。原料ガス供給管２４０は、都市ガスに加えて空気を流すこともできる。原料ガス供給管２４０は、その途中で第１供給管２４１と第２供給管２４２とに分岐している。第１供給管２４１及び第２供給管２４２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。第１供給管２４１と第２供給管２４２との分岐部には、切替バルブ２４３が設けられている。切替バルブ２４３は、原料ガス供給管２４０を流れるガスが第１供給管２４１及び第２供給管２４２の一方に流入するよう、流路を択一的に切り替える。都市ガスは、原料ガス供給管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。
【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の下円筒部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円筒部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。水供給管２０１、第１供給管２４１及び第２供給管２４２は、この改質ユニット２０２に接続されている。詳細には、第１供給管２４１は水蒸発器２０６に接続され、第２供給管２４２は水蒸発器２０６と改質器２０８とを繋ぐ水蒸気流路２０７の途中に接続されている。
【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の下円筒部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の下円筒部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の下円筒部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の下円筒部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の起動工程の際など、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。都市ガス及び空気は、原料ガス供給管２４０の第１供給管２４１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、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の下円筒部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。
【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の上円筒部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、上円筒部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。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】
燃料電池装置ＦＣの運転に伴い、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、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。
【００４８】
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及び図４を参照しながら、改質ユニット２０２について説明する。まず、改質ユニット２０２の内部構造について説明する。
【００５１】
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及び図４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。
【００５５】
この隔壁２２１，２２２との間に形成された領域（熱移動空間）には、さらに、２つの隔壁２２３，２２４が設けられている。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。
【００５６】
隔壁２２３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２２３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連通口２３３を形成するように設けられている。
【００５７】
隔壁２２４は、隔壁２２３よりも径方向内側で、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２２４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連通口２３４を形成するように設けられている。
【００５８】
水蒸発器２０６は、隔壁２２１，２２２，２２３，２２４によって、ユニットケーシング２０５の内部に形成された５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に接続された水供給管２０１と、第１供給管２４１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。
【００５９】
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５つの領域のうち、隔壁２２１と隔壁２２２との間に形成された３つの領域（熱移動空間）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。
【００６０】
水蒸気流路２０７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２０７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る部分である。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。
【００６１】
水蒸気流路２０７には、ユニットケーシング２０５の下側壁面２１２に接続された第２供給管２４２が連通している。第２供給管２４２は、下側壁面２１２のうち、直進部２０７ｃに臨む部分に接続されている。
【００６２】
改質器２０８は、ユニットケーシング２０５の内部に形成された５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。
【００６３】
次に、図３及び図４を参照しながら、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程と、停止工程と、における改質ユニット２０２の内部のガスの流れについて説明する。
【００６４】
まず、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程では、切替バルブ２４３は、原料ガス供給管２４０を流れるガスを第１供給管２４１に流入させるように設定される。これにより、図３に示すように、燃料ガスを生成するための原料である都市ガスや空気が、第１供給管２４１によって水蒸発器２０６に導入される。また、水供給管２０１によって水が水蒸発器２０６に導入される。
【００６５】
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。
【００６６】
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。このガスは、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、受入口２３２に至る。すなわち、水蒸気流路２０７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。
【００６７】
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、当該領域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。セルスタックＣＳは、供給される燃料ガスによって加熱されて昇温し、あるいは、発電を行う。
【００６８】
一方、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、切替バルブ２４３は、原料ガス供給管２４０を流れるガスを第２供給管２４２に流入させるよう設定される。これにより、図４に示すように、燃料ガスを生成するための原料である都市ガスや空気が、第２供給管２４２によって、水蒸気流路２０７の途中である直進部２０７ｃに流入する。
【００６９】
また、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、水供給管２０１によって水が水蒸発器２０６に導入される。水蒸発器２０６に導入された水は、加熱されて水蒸気となり、送出口２３１から水蒸気流路２０７に流入する。水蒸気流路２０７に流入した水蒸気は、直進部２０７ａ及び折り返し部２０７ｂを通過して直進部２０７ｃに流入し、直進部２０７ｃにおいて第２供給管２４２によって流入するガスと合流する。
【００７０】
直進部２０７ｃにおいて合流したガスは、次に折返し部２０７ｄ、直進部２０７ｅを通過し、受入口２３２に至る。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、起動工程及び発電工程と同様に、水素を含む燃料ガスとなってセルスタックＣＳに供給される。セルスタックＣＳは、供給される燃料ガスによって正極の酸化を防止されながら、冷却されてその温度が低下する。
【００７１】
ここで、水蒸発器２０６が有する熱は、水蒸発器２０６で気化する水によって奪われる。このため、水蒸発器２０６は、燃料電池装置ＦＣの他の要素と比べて低温となる傾向がある。仮に、起動工程や発電工程において、図３に矢印Ｈ３で示すように、熱移動空間を介して改質器２０８から水蒸発器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の低下を招くおそれがある。
【００７２】
このような課題に対し、本実施形態では、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程において、都市ガスや空気を水蒸発器２０６に導入することで、隔壁２２１と隔壁２２２との間に形成された領域（熱移動空間）を介した改質器２０８と水蒸発器２０６との間の熱移動を抑制している。詳述すると、まず、都市ガスや空気が水蒸発器２０６に導入されると、直進部２０７ａを含む水蒸気流路２０７全体に都市ガス、空気あるいは水蒸気が流れ、水蒸気流路２０７を流れるガスの流量が比較的大きなものとなる。すなわち、直進部２０７ａはガスの入れ替わりが著しくなる。
【００７３】
したがって、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程では、直進部２０７ａに存在するガスは、図３に矢印Ｈ３で示すように改質器２０８から水蒸発器２０６に移動しようとする熱を受けても、温度が上昇し難い。すなわち、改質器２０８から水蒸発器２０６に移動しようとする熱にとって、直進部２０７ａを大流量で流れるガスは大きな抵抗となるため、当該熱移動を抑制することが可能となる。概念的には、隔壁２２１と隔壁２２２との間に形成された熱移動空間の熱容量が比較的大きくなり、改質器２０８から水蒸発器２０６に熱が移動し難くなると考えることもできる。
【００７４】
一方、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、水蒸気流路２０７の途中である直進部２０７ｃに都市ガスや空気を流入させることで、隔壁２２１と隔壁２２２との間に形成された領域（熱移動空間）を介した改質器２０８と水蒸発器２０６との間の熱移動を促している。詳述すると、まず、都市ガスや空気を直進部２０７ｃに流入させることにより、直進部２０７ｃよりも上流側に位置する直進部２０７ａには、水蒸発器２０６で発生させた水蒸気のみが流れることとなる。このため、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、水蒸気のみならず都市ガスや空気が直進部２０７ａを流れる起動工程及び発電工程に比べて、直進部２０７ａを流れるガスの流量が小さなものとなる。すなわち、直進部２０７ａにおけるガスの入れ替わりが鈍くなる。
【００７５】
したがって、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、直進部２０７ａに存在するガスは、図４に矢印Ｈ４で示すように、改質器２０８から水蒸発器２０６に移動しようとする熱を受けて温度が上昇し易い。すなわち、改質器２０８から水蒸発器２０６に移動しようとする熱にとって、直進部２０７ａにおける抵抗が小さくなるため、当該熱移動を促すことが可能となる。概念的には、隔壁２２１と隔壁２２２との間に形成された熱移動空間の熱容量が比較的小さくなり、改質器２０８から水蒸発器２０６に熱が移動し易くなると考えることもできる。
【００７６】
以上のように、本実施形態では、水蒸気流路２０７を流れるガスの流れを変更することで、熱移動空間を介した改質器２０８と水蒸発器２０６との間の熱移動を調整することができる。燃料電池装置ＦＣの起動工程や発電工程では、改質器２０８から水蒸発器２０６への熱移動を抑制することで、改質器２０８の温度を迅速に上昇あるいは高温に維持させることが可能となる。また、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、改質器２０８から水蒸発器２０６への熱移動を促すことで、改質器２０８の温度を迅速に低下させることが可能となる。
【００７７】
続いて、本発明の第１変形例に係る燃料電池装置ＦＣの改質ユニット２０２Ａについて、図５及び図６を参照しながら説明する。改質ユニット２０２Ａは、前述した実施形態の改質ユニット２０２に代えて燃料電池装置ＦＣに搭載されるものであり、ケーシング１０の第２筒状体１０２の下円筒部１０２ｂと第３筒状体１０３との間に形成される隙間（第１排出流路５０２ａ）に配置されている。
【００７８】
前述した実施形態の改質ユニット２０２の外形は円環状に形成されているが、本第１変形例の改質ユニット２０２Ａの外形は方形状に形成されている。図５及び図６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２０２Ａの断面を示している。このように、改質ユニット２０２Ａは、その形状が改質ユニット２０２と異なるが、水蒸発器（２０６、２０６Ａ）と改質器（２０８、２０８Ａ）とが向き合うように配置され、その間の熱移動空間に蛇行流路である水蒸気流路（２０７、２０７Ａ）が設けられるという基本的な構成は、共通のものである。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と同一の機能を有する構成については、適宜説明を省略する。
【００７９】
図５及び図６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２２１Ａ，２２２Ａが設けられている。隔壁２２１Ａと隔壁２２２Ａとの間の熱移動空間には、さらに、隔壁２２３Ａ，２２４Ａが設けられている。
【００８０】
隔壁２２３Ａ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２３３Ａを形成するように設けられている。また、隔壁２２３Ａ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バイパス流路２０７Ａｆを形成するように設けられている。バイパス流路２０７Ａｆは、送出口２３１Ａと向かい合う位置に形成されている。
【００８１】
ユニットケーシング２０５Ａの上側壁面２１１Ａにはスリット状の孔が形成されており、この孔を介して、シャッター２０９が水蒸気流路２０７Ａ内に進退可能に設けられている。シャッター２０９は、進退することによって、バイパス流路２０７Ａｆの下流側を閉塞あるいは開放することができる。
【００８２】
水蒸発器２０６Ａは、ユニットケーシング２０５Ａの内部に形成された５つの領域のうち、外周側壁面２１３Ａと隔壁２２１Ａ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２０６Ａが配置されるこの空間には、ユニットケーシング２０５Ａの下側壁面２１２Ａに接続された原料供給管２５０が連通している。原料供給管２５０は、炭化水素を含む都市ガスと、空気あるいは水と、をその内部に流す配管である。
【００８３】
次に、図５及び図６を参照しながら、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程と、停止工程と、における改質ユニット２０２Ａの内部のガスの流れについて説明する。
【００８４】
まず、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程では、図５に示すように、シャッター２０９を水蒸気流路２０７Ａ内に進出させ、バイパス流路２０７Ａｆを閉塞するように配置する。また、燃料ガスを生成するための原料である都市ガス、空気あるいは水が、原料供給管２５０によって水蒸発器２０６に導入される。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。
【００８５】
水蒸発器２０６Ａを通過したガスは、送出口２３１Ａから水蒸気流路２０７Ａに流入する。シャッター２０９によってバイパス流路２０７Ａｆが閉塞されているため、水蒸気流路２０７Ａに流入したガスは、その全てが隔壁２２１Ａ及び隔壁２２３Ａに沿って直進部２０７Ａａを下方に流れる。その後、当該ガスは、折返し部２０７Ａｂ、直進部２０７Ａｃ、折返し部２０７Ａｄ、直進部２０７Ａｅを順に通過して、受入口２３２Ａに至る。
【００８６】
受入口２３２Ａからユニットケーシング２０５Ａの内周側の領域に流入するガスは、当該領域に配置されている改質器２０８Ａに導入される。改質器２０８Ａでは、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２０３Ａに排出され、燃料ガス供給管２０３ＡによってセルスタックＣＳに供給される。セルスタックＣＳは、供給される燃料ガスによって加熱されて昇温し、あるいは、発電を行う。
【００８７】
一方、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、図６に示すように、シャッター２０９を水蒸気流路２０７内から退出させ、バイパス流路２０７Ａｆを開放するように配置する。また、都市ガス、空気あるいは水が、原料供給管２５０によって水蒸発器２０６に導入される。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。
【００８８】
水蒸発器２０６Ａを通過したガスは、送出口２３１Ａから水蒸気流路２０７Ａに流入する。バイパス流路２０７Ａｆが開放されていることから、水蒸気流路２０７Ａに流入したガスは、その大半がバイパス流路２０７Ａｆを通過し、残りの一部が隔壁２２１Ａ及び隔壁２２３Ａに沿って直進部２０７Ａａを下方に流れる。直進部２０７Ａａを下方に流れるガスは、その後、折返し部２０７Ａｂ、直進部２０７Ａｃを順に通過し、直進部２０７Ａｃの下流側端部において、バイパス流路２０７Ａｆを通過したガスと合流する。直進部２０７Ａｃの下流側端部において合流したガスは、連通口２３４Ａが設けられた折返し部２０７Ａｄを通過すると、次に隔壁２２２Ａ及び隔壁２２４Ａに沿って直進部２０７Ａｅを下方に流れ、受入口２３２Ａに至る。すなわち、バイパス流路２０７Ａｆは、直進部２０７Ａａを下方に流れる流路（主流路）よりも、流路長が小さい流路となっている。
【００８９】
受入口２３２Ａからユニットケーシング２０５Ａの内周側の領域に流入するガスは、起動工程及び発電工程と同様に、水素を含む燃料ガスとなってセルスタックＣＳに供給される。セルスタックＣＳは、供給される燃料ガスによって正極の酸化を防止されながら、冷却されてその温度が低下する。
【００９０】
以上のような本第１変形例では、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程において、バイパス流路２０７Ａｆを閉塞し、送出口２３１Ａから水蒸気流路２０７Ａに流入したガスの全てを直進部２０７Ａａに流すことで、隔壁２２１Ａと隔壁２２２Ａとの間に形成された領域（熱移動空間）を介した、改質器２０８Ａと水蒸発器２０６Ａとの間の熱移動を抑制している。詳述すると、まず、水蒸気流路２０７Ａに流入したガスの全てを直進部２０７Ａａに流すと、直進部２０７Ａａを流れるガスの流量が比較的大きなものとなる。すなわち、直進部２０７Ａａは、ガスの入れ替わりが著しくなる。
【００９１】
したがって、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程では、直進部２０７Ａａに存在するガスは、図５に矢印Ｈ５で示すように改質器２０８Ａから水蒸発器２０６Ａに移動しようとする熱を受けても、温度が上昇し難い。すなわち、改質器２０８から水蒸発器２０６に移動しようとする熱にとって、この大流量のガスは大きな抵抗となるため、当該熱移動を抑制することが可能となる。概念的には、隔壁２２１Ａと隔壁２２２Ａとの間に形成された熱移動空間の熱容量が比較的大きくなり、改質器２０８Ａから水蒸発器２０６Ａに熱が移動し難くなると考えることもできる。
【００９２】
一方、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、バイパス流路２０７Ａｆを開放し、送出口２３１Ａから水蒸気流路２０７Ａに流入したガスの大半をバイパス流路２０７Ａｆに通過させることで、隔壁２２１Ａと隔壁２２２Ａとの間に形成された領域（熱移動空間）を介した、改質器２０８Ａと水蒸発器２０６Ａとの間の熱移動を促している。詳述すると、まず、水蒸気流路２０７Ａに流入したガスの大半をバイパス流路２０７Ａｆに通過させ、残りの一部を直進部２０７Ａａに流すと、全てのガスを直進部２０７Ａａに流す起動工程及び発電工程に比べて、直進部２０７Ａａを流れるガスの流量が小さなものとなる。すなわち、直進部２０７Ａａにおけるガスの入れ替わりが鈍くなる。
【００９３】
したがって、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、直進部２０７Ａａに存在するガスは、図６に矢印Ｈ６で示すように、改質器２０８Ａから水蒸発器２０６Ａに移動しようとする熱を受けて温度が上昇し易い。すなわち、改質器２０８Ａから水蒸発器２０６Ａに移動しようとする熱にとって、直進部２０７Ａａにおける抵抗が小さくなるため、当該熱移動を促すことが可能となる。概念的には、隔壁２２１Ａと隔壁２２２Ａとの間に形成された熱移動空間の熱容量が比較的小さくなり、改質器２０８Ａから水蒸発器２０６Ａに熱が移動し易くなると考えることもできる。
【００９４】
以上のように、本第１変形例では、バイパス流路２０７Ａｆにおけるガスの流れを変更することで、改質器２０８Ａから水蒸発器２０６Ａへの熱移動を調整することができる。燃料電池装置ＦＣの起動工程や発電工程では、改質器２０８Ａから水蒸発器２０６Ａへの熱移動を抑制することで、改質器２０８Ａの温度を迅速に上昇あるいは高温に維持させることが可能となる。また、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、上記熱移動を促すことで、改質器２０８Ａの温度を迅速に低下させることが可能となる。
【００９５】
続いて、本発明の第２変形例に係る燃料電池装置ＦＣの改質ユニット２０２Ｂについて、図７及び図８を参照しながら説明する。改質ユニット２０２Ｂは、前述した実施形態の改質ユニット２０２に代えて燃料電池装置ＦＣに搭載されるものであり、ケーシング１０の第２筒状体１０２の下円筒部１０２ｂと第３筒状体１０３との間に形成される隙間（第１排出流路５０２ａ）に配置されている。
【００９６】
本第１変形例の改質ユニット２０２Ｂの外形も、前述した第１変形例の改質ユニット２０２Ａと同様に、方形状に形成されている。図７及び図８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２０２Ｂの断面を示している。改質ユニット２０２Ｂは、水蒸発器（２０６Ａ、２０６Ｂ）と改質器（２０８Ａ、２０８Ｂ）とが向き合うように配置され、その間の熱移動空間に蛇行流路である水蒸気流路（２０７Ａ、２０７Ｂ）が設けられるという基本的な構成の点で、改質ユニットＡと共通している。このため、以下では改質ユニット２０２Ｂのうち、改質ユニット２０２Ａと同一の機能を有する構成については、適宜説明を省略する。
【００９７】
図７及び図８に示されるように、改質ユニット２０２Ｂのユニットケーシング２０５Ｂは、その内部に隔壁２２１Ｂ，２２２Ｂが設けられている。この隔壁２２１Ｂ，２２２Ｂにより、ユニットケーシング２０５Ｂの内部は、３つの領域に区画されている。
【００９８】
ユニットケーシング２０５Ｂの上側壁面２１１Ｂの一部であって、隔壁２２１Ｂ，２２２Ｂの間に位置する部分は、伸縮壁２６１で構成されている。また、ユニットケーシング２０５Ｂの下側壁面２１２Ｂの一部であって、隔壁２２１Ｂ，２２２Ｂの間に位置する部分は、伸縮壁２６２で構成されている。伸縮壁２６１及び伸縮壁２６２は、図示しないアクチュエータが駆動することで伸縮可能に構成されている。
【００９９】
次に、図７及び図８を参照しながら、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程と、停止工程と、における改質ユニット２０２Ｂの内部のガスの流れについて説明する。
【０１００】
まず、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程では、図７に示すように、伸縮壁２６１及び伸縮壁２６２を伸展させるようにアクチュエータを駆動させる。これにより、隔壁２２１Ｂと隔壁２２２Ｂとの間に形成された領域（熱移動空間）の容積が比較的大きくなるとともに、水蒸発器２０６Ｂと改質器２０８Ｂとが離反される。また、燃料ガスを生成するための原料である都市ガス、空気あるいは水が、原料供給管２５０によって水蒸発器２０６Ｂに導入される。都市ガスや空気とともに水が水蒸発器２０６Ｂ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。
【０１０１】
水蒸発器２０６Ｂを通過したガスは、送出口２３１Ｂから水蒸気流路２０７Ｂに流入する。このガスは、隔壁２２１Ｂ及び隔壁２２３Ｂに沿って流れ、受入口２３２Ｂに至る。
【０１０２】
受入口２３２Ｂからユニットケーシング２０５Ａの内周側の領域に流入するガスは、当該領域に配置されている改質器２０８Ｂに導入される。改質器２０８Ｂでは、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２０３Ｂに排出され、燃料ガス供給管２０３ＢによってセルスタックＣＳに供給される。セルスタックＣＳは、供給される燃料ガスによって加熱されて昇温し、あるいは、発電を行う。
【０１０３】
一方、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、図８に示すように、伸縮壁２６１及び伸縮壁２６２を縮小させるようにアクチュエータを駆動させる。これにより、隔壁２２１Ｂ，２２２Ｂとの間に形成された領域（熱移動空間）の容積が比較的小さくなるとともに、水蒸発器２０６Ｂと改質器２０８Ｂとが接近する。都市ガスや空気とともに水が水蒸発器２０６Ｂ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。
【０１０４】
水蒸発器２０６Ｂを通過したガスは、送出口２３１Ｂから水蒸気流路２０７Ｂに流入する。このガスは、隔壁２２１Ｂ及び隔壁２２３Ｂに沿って流れ、受入口２３２Ｂに至る。
【０１０５】
受入口２３２Ｂからユニットケーシング２０５Ｂの内周側の領域に流入するガスは、起動工程及び発電工程と同様に、水素を含む燃料ガスとなってセルスタックＣＳに供給される。セルスタックＣＳは、供給される燃料ガスによって正極の酸化を防止されながら、冷却されてその温度が低下する。
【０１０６】
以上のような本第２変形例では、燃料電池装置ＦＣの起動工程及び発電工程において、伸縮壁２６１及び伸縮壁２６２を伸展させ、水蒸発器２０６Ｂと改質器２０８Ｂとを離反させることで、隔壁２２１Ｂと隔壁２２２Ｂとの間に形成された領域（熱移動空間）を介した、改質器２０８Ｂと水蒸発器２０６Ｂとの間の熱移動を抑制している。つまり、水蒸発器２０６Ｂと改質器２０８Ｂとを離反させることで、図７に矢印Ｈ７で示すように、改質器２０８Ｂから水蒸発器２０６Ｂへの熱の移動経路が長くなるため、当該熱移動を抑制することが可能となる。概念的には、隔壁２２１Ｂと隔壁２２２Ｂとの間に形成された熱移動空間の熱容量が比較的大きくなり、改質器２０８Ｂから水蒸発器２０６Ｂに熱が移動し難くなると考えることもできる。
【０１０７】
一方、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、伸縮壁２６１及び伸縮壁２６２を縮小させ、水蒸発器２０６Ｂと改質器２０８Ｂとを接近させることで、隔壁２２１Ｂと隔壁２２２Ｂとの間に形成された領域（熱移動空間）を介した、改質器２０８Ｂと水蒸発器２０６Ｂとの間の熱移動を促している。つまり、水蒸発器２０６Ｂと改質器２０８Ｂとを接近させることで、図８に矢印Ｈ８で示すように、改質器２０８Ｂから水蒸発器２０６Ｂへの熱の移動経路が短くなるため、当該熱移動を促すことが可能となる。概念的には、隔壁２２１Ｂと隔壁２２２Ｂとの間に形成された熱移動空間の熱容量が比較的小さくなり、改質器２０８Ｂから水蒸発器２０６Ｂに熱が移動し易くなると考えることもできる。
【０１０８】
以上のように、本第２変形例では、改質器２０８Ｂと水蒸発器２０６Ｂとを離反あるいは接近させることで、改質器２０８Ａから水蒸発器２０６Ａへの熱移動を調整することができる。燃料電池装置ＦＣの起動工程や発電工程では、改質器２０８Ｂから水蒸発器２０６Ｂへの熱移動を抑制することで、改質器２０８Ｂの温度を迅速に上昇あるいは高温に維持させることが可能となる。また、燃料電池装置ＦＣの停止工程では、上記熱移動を促すことで、改質器２０８Ｂの温度を迅速に低下させることが可能となる。
【０１０９】
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】
【０１１０】
ＦＣ：燃料電池装置
ＣＳ：セルスタック
２０６，２０６Ａ，２０６Ｂ：水蒸発器
２０７，２０７Ａ，２０７Ｂ：水蒸気流路
２０７Ａａ：直進部（主流路）
２０７Ａｆ：バイパス流路
２０８，２０８Ａ，２０８Ｂ：改質器
２０９：シャッター（バルブ）
２３１，２３１Ａ，２３１Ｂ：送出口
２３２，２３２Ａ，２３２Ｂ：送出口
２４２：第２供給管（被改質ガス導入部）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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