(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的簡単な構成で、気化混合器（気化混合室）における過剰な温度上昇を抑える固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】改質用水を蒸発させて水蒸気と原燃料ガスとを混合させるための気化混合器４と、気化混合器４からの混合ガスを水蒸気改質するための改質器６と、改質器６からの改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うためのセルスタック８と、を備え、セルスタック８から排出された余剰燃料ガスを余剰酸化材により燃焼させ、この燃焼による燃焼熱を利用して気化混合器４及び改質器６を加熱する。気化混合器４には、改質用水の気化を促進するとともに発生した水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスにするための混合材６２と、発生した混合ガスを水蒸気改質するための改質触媒を担持した改質材６４とが充填されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段からの改質用水を蒸発させ、発生した水蒸気と前記原燃料ガス供給手段からの原燃料ガスとを混合させるための気化混合器と、前記気化混合器からの混合ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルから構成されたセルスタックと、を備え、前記セルスタックから排出された余剰燃料ガスを余剰酸化材により燃焼させ、この燃焼による燃焼熱を利用して前記気化混合器及び前記改質器を加熱する固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記気化混合器には、改質用水の気化を促進するとともに発生した水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスにするための混合材と、この混合ガスを水蒸気改質するための改質触媒を担持した改質材とが充填されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器からの改質燃料ガスは前記セルスタックの燃料極側に送給され、酸化材は前記セルスタックの酸素極側に送給され、前記セルスタックの下流側に燃焼域が設けられ、前記燃焼域にて前記セルスタックの前記燃料極側から排出された余剰燃料ガスが前記セルスタックの前記酸素極側から排出された余剰酸化材により燃焼され、前記気化混合器及び前記改質器が前記燃焼域に接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記気化混合器及び前記改質器は気化改質ユニットとして構成され、前記気化改質ユニットはユニットハウジングを備え、前記ユニットハウジング中間部に中間仕切り壁が設けられ、前記中間仕切り壁の上流側に前記混合材及び前記改質材が充填される気化混合室が規定され、前記中間仕切り壁の下流側に改質材が充填される改質室が規定され、前記中間仕切り壁における底部を除く他の部位に連通開口が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記気化混合器に充填される前記改質材の体積は、それに充填される前記混合材及び前記改質材の全体の合計体積の１〜４０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質材及び前記混合材は球状のセラミック材であり、それらの直径が１〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段からの改質用水を蒸発させ、発生した水蒸気と前記原燃料ガス供給手段からの原燃料ガスとを混合させるための気化混合器と、前記気化混合器からの混合ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、を備え、前記セルスタックから排出された余剰燃料ガスを余剰酸化材により燃焼させ、この燃焼による燃焼熱を利用して前記気化混合器及び前記改質器を加熱する固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記気化混合器及び前記改質器は気化改質ユニットとして構成され、前記気化改質ユニットはユニットハウジングを備え、前記ユニットハウジングの上流部に混合材が充填される気化混合室が規定され、前記ユニットハウジングの下流部に改質材が充填される改質室が規定され、前記改質室の一部が前記気化混合室に入り込んでいることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記気化改質ユニットにおける底部を除く他の部位において、前記改質室の一部が前記気化混合室に入り込んでいることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
原燃料ガスを水蒸気改質した改質燃料ガス及び酸化材を用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの一形態として、複数の燃料電池セルから構成されたセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムが実用に供されている。このセルスタックの燃料電池セルは、複数の酸素イオンを伝導する固体電解質の両側に燃料ガス及び酸化材（例えば、空気中の酸素）をそれぞれ酸化、還元する機能を有する電極（燃料極及び酸素極）を取り付けたものである。電解質の材料としては一般的にはイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、７００℃から１０００℃の高温で、燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材ガス（例えば、空気）中の酸素を電気化学反応させて発電が行われる。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、改質用水を気化させて原燃料ガスと混合させるための気化混合器と、この気化混合器からの混合ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うためのセルスタックが電池ハウジング内に収容されている（例えば、特許文献１参照）。このような固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの燃料極側から排出された余剰燃料ガスがその酸素極側から排出された余剰酸化材により燃焼され、かかる燃焼熱を利用して、気化混合器において改質用水の気化が行われ、また改質器において原燃料ガスの水蒸気改質が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２８５３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この固体酸化物形燃料電池システムは、家庭用に適用する小型のものが実用に供されており、このような家庭用のものにおいては、セルスタック（所謂、燃料電池）は定格出力（例えば、１ｋＷ程度）からその１／１０レベルの出力（例えば、１００Ｗ程度）まで出力を変動させながら発電する必要がある。低出力領域では、発電出力に対して、セルスタックからの放熱量が相対的に大きくなるため、システムの動作としては、定格出力の際よりも燃料利用率（即ち、供給される燃料ガスに対してセルスタックで消費される燃料ガスの割合）を低下させて、セルスタックの発電反応により消費される燃料ガスの比率を下げて、残余燃料ガスに含まれる燃料ガスの比率を増やし、この燃料ガスによる熱でもって放熱量を補うようにしている。従って、低出力領域においては、燃料ガスのインプット流量に対して、燃焼の比率が高くなり、結果的に、定格出力時は気化混合器の出口温度（即ち、改質器の入口温度）が低く、低出力時は、気化混合器の出口温度が高くなる。
【０００６】
改質器の入口温度は天然ガスを主成分とする都市ガスでは常時６００℃以下、プロパンを主成分とする液化石油ガスでは４５０〜５００℃以下にする必要があり、これを超えると、改質器の入口付近、換言すると改質触媒の入口部で炭化水素の脱水素反応による炭素析出反応が起こるリスクが高くなり、この炭素析出が発生すると、気化混合器からのガスの流通が妨げられ、改質器での故障の原因の１つとなる。
【０００７】
具体的には、出力変動などの過渡状態で一時的に温度が上がる、例えば液化石油ガスの場合はガス組成が一時的にずれる（例えばプロパン及びブタンの混合ガスの場合、容器内の混合ガスを使いきる直前などでブタン比率が通常よりも増えるなど）ことなどが炭素析出の引き金となる。一旦炭素が析出すると、改質器の入口付近での吸熱反応が抑制される（水蒸気改質反応は吸熱反応である）ため、改質器の入口付近の温度が炭素析出温度（所謂、炭素析出が生じ始める温度）より上昇し、この入口付近での炭素析出が進行して流路の閉塞につながる。
【０００８】
このような不都合を解消するために、気化混合器の受熱を少なくするように設計することも考えられるが、このように受熱を少なくした場合、低出力領域での気化混合器の温度が上がりすぎることを防止することができるが、背反として定格出力時に気化混合器の温度が下がりすぎ、定格発電中に一時的に水蒸気の比率が所定割合よりも減り、水蒸気が少ないことによる炭素析出の原因となり、改質器での故障発生のリスクが高くなる。また、定格出力時には燃料利用率が高い（換言すると、供給される燃料ガスの流量に対して残余燃料ガスとしての燃焼に消費される比率が低い）ために、定格出力時には充分な受熱が得られるように設計する必要があり、このような設計上の要求があることから、低出力領域での改質器の入口温度を所要温度に保つために水蒸発器の受熱が少なるように設計することが難しい。
【０００９】
本発明の目的は、気化混合器（気化混合室）における過剰な温度上昇を抑えることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
【００１０】
また、本発明の目的は、気化混合器（気化混合室）の温度が高くなっても改質器（改質室）における入口温度を低くすることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段からの改質用水を蒸発させ、発生した水蒸気と前記原燃料ガス供給手段からの原燃料ガスとを混合させるための気化混合器と、前記気化混合器からの混合ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルから構成されたセルスタックと、を備え、前記セルスタックから排出された余剰燃料ガスを余剰酸化材により燃焼させ、この燃焼による燃焼熱を利用して前記気化混合器及び前記改質器を加熱する固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記気化混合器には、改質用水の気化を促進するとともに発生した水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスにするための混合材と、この混合ガスを水蒸気改質するための改質触媒を担持した改質材とが充填されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記改質器からの改質燃料ガスは前記セルスタックの燃料極側に送給され、酸化材は前記セルスタックの酸素極側に送給され、前記セルスタックの下流側に燃焼域が設けられ、前記燃焼域にて前記セルスタックの前記燃料極側から排出された余剰燃料ガスが前記セルスタックの前記酸素極側から排出された余剰酸化材により燃焼され、前記気化混合器及び前記改質器が前記燃焼域に接して設けられていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記気化混合器及び前記改質器は気化改質ユニットとして構成され、前記気化改質ユニットはユニットハウジングを備え、前記ユニットハウジング中間部に中間仕切り壁が設けられ、前記中間仕切り壁の上流側に前記混合材及び前記改質材が充填される気化混合室が規定され、前記中間仕切り壁の下流側に改質材が充填される改質室が規定され、前記中間仕切り壁における底部を除く他の部位に連通開口が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記気化混合器に充填される前記改質材の体積は、それに充填される前記混合材及び前記改質材の合計体積の１〜４０％であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物燃料電池システムでは、前記改質材及び前記混合材は球状のセラミック材であり、それらの直径が１〜５ｍｍであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段からの改質用水を蒸発させ、発生した水蒸気と前記原燃料ガス供給手段からの原燃料ガスとを混合させるための気化混合器と、前記気化混合器からの混合ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、を備え、前記セルスタックから排出された余剰燃料ガスを余剰酸化材により燃焼させ、この燃焼による燃焼熱を利用して前記気化混合器及び前記改質器を加熱する固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記気化混合器及び前記改質器は気化改質ユニットとして構成され、前記気化改質ユニットはユニットハウジングを備え、前記ユニットハウジングの上流部に混合材が充填される気化混合室が規定され、前記ユニットハウジングの下流部に改質材が充填される改質室が規定され、前記改質室の一部が前記気化混合室に入り込んでいることを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記気化改質ユニットにおける底部を除く他の部位において、前記改質室の一部が前記気化混合室に入り込んでいることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、改質器の上流側に配置される気化混合器は、水供給手段から供給される改質用水の気化を促進するとともに、発生した水蒸気と原燃料ガス供給手段から供給される原燃料ガスとを混合し、混合した混合ガスを改質器に送給する。この気化混合器には、気化を促進するとともに水蒸気と原燃料ガスとを混合させて混合ガスにするための混合材と、発生した混合ガスを水蒸気改質するための改質触媒を担持した改質材とが充填されるので、この気化混合器の温度が過剰に上昇した際には、充填された改質材により混合ガスの水蒸気改質が起こり、この水蒸気改質反応の吸熱作用により温度上昇が抑制され、気化混合器内に改質材を充填するという簡単な構成でもって、気化混合器の過剰な温度上昇を抑えることができる。
【００１９】
天然ガスを主成分とする都市ガスに比べ、プロパンを主成分とする液化石油ガスはより低い温度で水蒸気改質反応が進行する特性があるので、原燃料ガスのガス種による温度上限に応じて温度抑制効果を発揮させることができ、ガス種に応じて好都合に適用することができる。
【００２０】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックの下流側に燃焼域が設けられ、この燃焼域においてセルスタックの燃料極側から排出された余剰燃料ガスがその酸素極側から排出された余剰酸化材（例えば、余剰酸素を含む空気）により燃焼される。そして、この燃焼域に接して気化混合器及び改質器が設けられているので、燃焼域の燃焼熱を利用して気化混合器及び改質器を所要の通りに加熱することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、気化混合器及び改質器は気化改質ユニットとして構成され、この気化改質ユニットに中間仕切り壁が設けられ、この中間仕切り壁の上流側に気化混合室が規定され、その下流側に改質室が規定されている。そして、この中間仕切り壁における底部を除く他の部位に連通開口が設けられているので、気化混合室に供給された改質用水はこの気化混合室で気化されて水蒸気となり、この水蒸気と原燃料ガスとが混合されて連通開口を通して改質室に送給され、気質用水が直接的に改質室に流れるのを防止することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、気化混合器に充填される改質材の体積は、それに充填される混合材及び改質材の全体体積（合計体積）の１〜４０％であるので、不必要な多量の改質材の混合を無くし、所望量の混合材でもって改質用水の気化促進及び原燃料ガスと水蒸気との混合を行うことができる。
【００２３】
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物燃料電池システムによれば、改質材及び混合材は直径が１〜５ｍｍの球状のセラミック材であるので、水蒸発による圧力変動、部分的な温度変化が生じたとしても破損することが少なく、また気化混合室に充填したときの改質材及び混合材の充填率を高めることができる。
【００２４】
また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、気化混合器及び改質器は気化改質ユニットとして構成され、気化改質ユニットの上流部に配設される気化混合室に混合材が充填され、その下流部配設される改質室に改質材が充填され、この改質室の一部が気化混合室に入り込んでいる。燃料ガスは気化混合室に流入し、下流側に改質室に向けて流れるに従い温度が上昇するようになるが、この改質室の一部を気化混合室に入り込ませて改質室の入口を上流側に移すことによって、改質室の入口温度が下がり、これにより、この改質室の入口付近における炭素の析出を抑えることができる。
【００２５】
更に、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、気化改質ユニットにおける底部を除く他の部位において、改質室の一部が気化混合室に入り込んでいるので、気化混合室が受ける受熱面は従来と同様に保ち（換言すると、燃焼域での燃焼ガスから受ける熱量を同様に保ち）、これにより、気化混合室での改質用水の気化不良をなくすことができるとともに、改質室の入口温度を下げ、この改質室の入口付近における炭素析出を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態を示す概略図。
【図２】図１の固体酸化物燃料電池システムにおける気化改質ユニット及びその近傍を簡略的に示す断面図。
【図３】図２の気化改質ユニットに設けられた中間仕切り壁を示す正面図。
【図４】変形形態の気化改質ユニット及びその近傍を簡略的に示す断面図。
【図５】図４の気化改質ユニットの中間仕切り壁を示す正面図。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、中間仕切り壁の第１及び第２の変形形態を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態について説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、改質用水を気化させるための気化混合器４と、燃料としての原燃料ガス（例えば、天然ガス、都市ガス）を改質するための改質器６と、改質器６にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気により酸化及び還元を行うことによって発電を行うセルスタック８と、酸化材としての空気をセルスタック８に送給するための送風ブロア１０とを備えている。
【００２８】
セルスタック８は、電気化学反応によって発電を行うための複数の燃料電池セルを配列して構成され、このセルスタック８が電池ハウジング１２内に配設されている。電池ハウジング１２は高温状態に保たれる高温空間１４を規定し、その内面は断熱材（図示せず）により覆われ、セルスタック８とともに気化混合器４及び改質器６がこの高温空間１４に配設されている。
セルスタック８の各燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質１６と、固体電解質１６の一方側（図１において右側）に設けられた燃料極（図示せず）と、固体電解質１６の他方側（図１において左側）に設けられた酸素極（図示せず）とを備えており、固体電解質１６として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。尚、気化混合器４及び改質器６については、後に詳述する。
【００２９】
セルスタック８の燃料極側１８は、改質燃料ガス流路２０を介して改質器６に接続され、この改質器６は、気化混合器４及び燃料ガス供給流路２２を介して例えば埋設管、貯蔵タンクなどの原燃料ガス供給源（図示せず）に接続されて、原燃料ガス供給流路２２には燃料ポンプ２４が配設されている。また、セルスタック６の酸素極側２６は、空気送給流路２８を介して空気を予熱するための空気予熱器３０に接続され、この空気予熱器３０は、空気供給流路３２を介して送風ブロア１０に接続されている。
【００３０】
セルスタック６（複数の燃料電池セル）の燃料極側１８の下流側（即ち、排出側）及び酸素極側２６の下流側（即ち、排出側）には燃焼域３４が配設され、燃料極側１８から排出された余剰燃料ガス（所謂、反応燃料ガスであって、燃料ガスを含んでいる）と酸素極側２６から排出された余剰酸化材（所謂、反応酸化材であって、酸素を含んでいる）とが燃焼域３４に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して気化混合器４及び改質器６が加熱される。この燃焼域３４は燃焼排気ガス流路３６を介して空気予熱器３０に接続され、この空気予熱器３０には排気ガス排出流路３８が接続されている。
【００３１】
この固体酸化物形燃料電池システム２は、更に、気化混合器４に改質用水を供給するための水供給流路４０を備え、この水供給源流路４０は、例えば精製水タンクなどの水供給源（図示せず）に接続され、この水供給流路４０に水ポンプ４２が配設されている。
【００３２】
この固体酸化物形燃料電池システム２の稼動運転は、次のようにして行われる。原燃料ガス供給源（図示せず）からの原燃料ガス（例えば、都市ガス）は、原燃料ガス供給流路２２を通して気化混合器４に供給され、また水供給源（図示せず）からの改質用水は、水供給流路４０を介して気化混合器４に供給される。気化混合器４においては、後述するようにして改質用水の気化が行われるとともに、発生した水蒸気と原燃料ガスとの混合が行われ、水蒸気と原燃料ガスとが混合した混合ガスが改質器６に送給される。
【００３３】
改質器６においては、混合ガス中の水蒸気を利用して燃料ガスの水蒸気改質が行われ、このように水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス流路２０を通してセルスタック８（即ち、複数の燃料電池セル）の燃料極側１８に送給される。また、酸化材としての空気は、送風ブロア１０の作用によって、空気供給流路３２を通して空気予熱器３０に供給され、この空気予熱器３０において燃焼排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給流路２８を通してセルスタック６の酸素極側２６に送給される。
【００３４】
セルスタック８では、燃料極側１８にて改質燃料ガスが酸化され、またその酸素極側２６にて空気中の酸素が還元され、燃料極側１８の酸化及び酸素極側２６の還元による電気化学反応により発電が行われる。
【００３５】
セルスタック６の燃料極側１８からの余剰燃料ガス（反応燃料ガス）及び酸素極側２６からの余剰酸化材（この場合、余剰空気）は燃焼域３４に送給され、余剰酸化材（余剰空気）中の酸素を利用して余剰燃料ガスが燃焼し、この燃焼熱を利用して気化混合器４が気化温度に維持されるとともに、改質器６が改質温度に維持される。燃焼域３４からの燃焼排気ガスは、燃焼排気ガス流路３６を通して空気予熱器３０に送給され、この空気予熱器３０において送風ファン１０からの空気との熱交換に利用されて排気ガス排出流路３８を通して外部に排出される。
【００３６】
次に、図１とともに図２を参照して、図示の気化混合器４及び改質器６について説明する。この形態では、気化混合器４及び改質器６は一体的な気化改質ユニット５２として構成されている。この気化改質ユニット５２は、細長い箱状のユニットハウジング５４を備え、このユニットハウジング５４の中間部（即ち、原燃料ガスの流れ方向に見て中間部）に中間仕切り壁５６が配設されている。この中間仕切り壁５６は、ユニットハウジング５４内を２つに仕切り、この中間仕切り壁５６の上流側（図２において左側）に気化混合室５８が規定され、この中間仕切り壁５６の下流側（図２において右側）に改質室６０が規定されている。この気化改質ユニット５２（即ち、ユニットハウジング５４）は、図１及び図２に示すように、セルスタック８の下流側の燃焼域３４に接して配設され、このように構成することによって、燃焼域３４での燃焼ガスにより気化改質ユニット５２（即ち、気化混合気４及び改質器６）が所要の通りに加熱される。
【００３７】
ユニットハウジング５４の上流側部及び中間仕切り壁５６により規定される気化混合室５８内には、混合材６２及び改質材６４が充填され、この気化混合室５８が上述の気化混合器４として機能する。また、ユニットハウジング５４の下流側部及び中間仕切り壁５６により規定される改質室６０には、改質材６４が充填され、この改質室６０が上述の改質器６として機能する。
【００３８】
混合材６２は、改質用水の気化を促進するとともに発生した水蒸気及び原燃料ガスを混合して混合ガスとする作用をし、このような混合材６２としては、セラミック材、金属材（例えば、アルミニウム材、ステンレス材など）などから形成することができ、改質用水の気化促進などを考慮した場合に球状のセラミック材から形成するのが望ましく、また充填率などを考慮した場合にその直径が１〜５ｍｍであるのが望ましい。
【００３９】
また、改質材６４は、原燃料ガスの水蒸気改質を促進する作用をし、このような改質材６４としては、球状のセラミック材の表面に改質触媒（例えば、ルテニウム金属）を担持させたものから形成するのが望ましく、充填率などを考慮した場合にその直径も１〜５ｍｍ程度と混合材６２とほぼ同じ大きさであるのが望ましい。
【００４０】
気化混合室５８には、混合材６２と改質材６４とが混合して充填されるが、この改質材６４の混合割合は、体積を基準として、充填される混合材６２及び改質材６４の合計体積の１〜４０％、好ましくは５〜３０％であり、このような割合で改質材６４を混合することにより、改質用水の気化促進を図りながら所要の通りに混合することができるとともに、気化混合室が過剰に温度上昇したときに水蒸気改質反応が起こって温度上昇を抑えることができる。
【００４１】
上流側の気化混合室５８と下流側の改質室６０とを仕切る中間仕切り壁５６には、両室を連通する連通開口６６が設けられている。図示の形態では、図３に示すように、矩形状の枠壁６８のほぼ全域に矩形状の連通開口６６が設けられ、この連通開口６６に金属製の網部材７０が装着されている。従って、気化混合室５８からの混合ガスは、この連通開口６６（具体的には、網部材７０の網目）を通して改質室６０に送給される。
【００４２】
このような中間仕切り壁５６は、網部材７０に代えて、例えば円形状の多数の孔が設けられたパンチングメタル部材などを用いるようにしてもよく、或いは中間仕切り壁５６自体をパンチングメタル部材から構成するようにしてもよく、この場合、パンチングメタル部材の所要部位に連通孔を設けることができる。
【００４３】
このような気化改質ユニット７２における気化及び改質は、次のように行われる。原燃料ガス（例えば、都市ガス）は、燃料ガス供給流路２２を通して気化改質ユニット５２の気化混合室５８に供給され、また改質用水は、水供給流路４０を通して気化改質ユニット５２の気化混合室５８に供給される。そして、この気化混合室５８では、燃焼域３４からの燃焼熱を受熱して改質用水の気化が行われるとともに、発生した水蒸気と原燃料ガスとの混合が行われる（このとき、原燃料ガスも加熱される）。このとき、気化混合室５８には混合材６２が充填されているので、混合材６２に蓄熱された熱でもって改質用水の気化が促進され、また原燃料ガスの加熱も促進される。加えて、気化された水蒸気及び原燃料ガスは、混合材６２（改質材６４を含めて）間を流れることによって混合されて混合ガスとなり、このように混合された混合ガスが中間仕切り壁５６の連通開口６６（具体的には、網部材７０の網目）を通して改質室６０に送給される。
【００４４】
改質室６０では、燃焼域３４からの燃焼熱を受熱して混合ガスの水蒸気改質が行われる（即ち、原燃料ガスの水蒸気を用いた改質反応が行われる）。このとき、改質室６０には改質材６４が充填されているので、改質材６４に蓄熱された熱でもって改質温度が維持され、また改質材６４間を流れることによって改質触媒との接触が図られ、改質室６０を通して流れる間に原燃料ガスの水蒸気改質が行われ、このように水蒸気改質された改質燃料ガスがセルスタック８の燃料極側に送給される。
【００４５】
このような気化混合状態において、気化混合室５８の温度（特に、連通開口６６付近の温度）が過剰に上昇する（例えば、セルスタック８の低出力領域において、原燃料ガスのインプット流量に対して燃焼の比率が高くなって気化混合室５８の出口温度が過剰に上昇する）と、この気化混合室５８内に改質材６４が混入されているので、改質材６４の改質触媒の作用によって、この気化混合室５８にて水蒸気改質反応が起こる。一般に、この水蒸気改質反応は吸熱反応であり、それ故に、気化混合室５８にて水蒸気改質反応が生じると気化混合室５８における温度上昇が抑えられ、これによって、気化混合室５８の出口温度（換言すると、改質室６０の入口温度）の上昇も抑えられ、その結果、連通開口６６付近（即ち、改質室６０の入口付近）での炭素析出を抑えることができる。
【００４６】
この気化改質ユニットは、図４及び図５に示すように構成することもできる。図４及び図５において、図示の気化改質ユニット５２Ａでは、ユニットハウジング５４の中間仕切り壁５６Ａに改良が施されている。更に説明すると、気化混合室５８Ａと改質室６０Ａとを仕切る中間仕切り壁５６Ａの略中央部には、気化混合室５８Ａ側に突出する断面矩形状の筒状突出部７２が設けられ、この筒状突出部７２の先端面が開放されて連通開口７４として機能し、この連通開口７４に網部材７６が取り付けられている。尚、この網部材７６に代えて、パンチングプレート部材を取り付けるようにしてもよい。
【００４７】
この変形形態の気化改質ユニット５２Ａでは、中間仕切り壁５６Ａの一部、即ち筒状突出部７２及び網部材７６により規定される部分が改質室６０Ａの一部を構成し、この改質室６０Ａの全体に改質材６４が充填される。また、気化混合室５８Ａの全体に混合材６２が充填され、このように構成することにより、改質室６０Ａの一部が気化混合室５８Ａ内に入り込むように（換言すると、原燃料ガスの流れ方向に見て上流側に突出して延びるように）構成されている。尚、混合材６２及び改質材６４は、上述したと同様のものを用いることができる。この変形形態のその他の構成は、上述の実施形態と実質上同一でよい。
【００４８】
この変形形態の気化改質ユニット５２Ａにおいても、原燃料ガスが燃料ガス供給流路２２を通して気化改質ユニット５２Ａの気化混合室５８Ａに供給され、また改質用水が水供給流路４０を通して気化改質ユニット５２Ａの気化混合室５８Ａに供給され、この気化混合室５８Ａでは、上述したと同様に、燃焼域３４からの燃焼熱を受熱して改質用水の気化が行われるとともに、発生した水蒸気と原燃料ガスとの混合が行われ、混合された混合ガスが連通開口７４を通して改質室６０Ａに送給される。また、改質室６０Ａでは、燃焼域３４からの燃焼熱を受熱して混合ガスの水蒸気改質が行われ、水蒸気改質された改質燃料ガスがセルスタック８の燃料極側１８に送給される。
【００４９】
このような気化混合状態においては、気化混合室５８Ａ内の温度は、原燃料ガスの流れ方向にて下流側ほど（換言すると、仕切り壁部７８に近づくほど）高くなる傾向にあり、従って、気化混合室５８Ａの温度（特に、仕切り壁部７８近傍の温度）が過剰に上昇したとしても、筒状突出部７２の先端部が気化混合室５８Ａ内に突出しているので、この連通開口７４付近の温度（即ち、気化混合室５８Ａの出口温度及び改質室６０Ａの入口温度）は過剰に上昇することはなく、この連通開口７４付近（即ち、改質室６０Ａの入口付近）における炭素の析出を抑えることができる。尚、このとき、筒状突出部７２内に改質材６４が充填されているので、仕切り壁部７８付近の温度が過剰に上昇すると、この温度が筒状突出部７２内に伝達され、この筒状突出部７２内の改質材６４によって水蒸気改質が起こり、この水蒸気改質反応による吸熱によって仕切り壁部７８近傍の過剰な温度上昇が抑えられる。
【００５０】
また、このような中間仕切り壁５６Ａ（５６Ｂ）を用いた場合、その底部を除く他の部位、この形態では中間部に連通開口７４が設けられ、その底部は仕切り壁部７８が存在しているので、この仕切り壁部７８の底部によって気化混合室５８Ａと改質室６０Ａとが遮断されており、従って、気化混合室５８Ａに流入した改質用水がそのまま改質室６０Ａに流れるのを防止することができる。
【００５１】
この中間仕切り壁５６Ａの筒状突出部７２は適宜の形状でよく、例えば図６（ａ）及び（ｂ）で示すように形成することができる。図６（ａ）で示す第１の変形形態では、中間仕切り壁５６Ｂの中央部に円筒状突出部７２Ｂが設けられ、この円筒状突出部７２Ｂの先端面が開放されて連通開口７４Ｂとして機能し、この連通開口７４Ｂに網部材７６Ｂが取り付けられ、気化混合室５８Ａと改質室６０Ａとはその仕切り壁部７８Ｂにより仕切られている。また、図６（ｂ）で示す第２の変形形態では、中間仕切り壁５６Ｃの中央部にほぼ全高にわたって円筒状突出部７２Ｃが設けられ、この円筒状突出部７２Ｃの先端面が開放されて連通開口７４Ｃとして機能し、この連通開口７４Ｃに網部材７６Ｃが取り付けられている。
【００５２】
これら第１（第２）の変形形態の中間仕切り壁５６Ｂ（５６Ｃ）を用いた場合においても、上述したと同様に、気化混合室５８Ａからの混合ガス（水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス）は連通開口７４Ｂ（７４Ｃ）、即ち網部材７６Ｂ（７６Ｃ）の網目を通して改質室６０Ａに送給される。また、円筒状突出部７２Ｂ（７２Ｃ）が気化混合室５８Ａ側に突出するようになるので、この連通開口７４Ｂ（７４Ｃ）付近の温度は過剰に上昇することはなく、上述したと同様に、この連通開口７４Ｂ（７４Ｃ）付近（即ち、改質室６０Ａの入口付近）における炭素の析出を抑えることができる。更に、第１の変形形態では、中間仕切り壁５６Ｂの仕切り壁部７８Ｂによって気化混合室５８Ａの底部と改質室６０Ａの底部とが遮断されているので、気化混合室５８Ａに流入した改質用水がそのまま改質室６０Ａに流れるのを防止することができる。
【００５３】
このような中間仕切り壁５６Ａ（５６Ｂ、５６Ｃ）においても、網部材７６（７６Ｂ、７６Ｃ）に代えて、例えば円形状の多数の孔が設けられたパンチングメタル部材などを用いるようにしてもよい。
【００５４】
上述した発明は、改質器の入口付近の過剰な温度上昇を抑えることを目的としているが、このような技術は、特開２０１３−１８７１１８号公報に開示された技術と組み合わせて用いることによってより効果的となる。一般的に、家庭用の固体酸化物形燃料電池システムでは、その経済的な合理性を確保するために、商用としては１０年の寿命が必要とされている。この寿命を維持するためには、初期状態よりもセルスタックが劣化した状態でも使いこなす必要がある。セルスタックが劣化した状態では、初期状態よりも発電効率が下がるために、セルスタックの発熱が増大し、セルスタック自体及びその周囲温度は高くなる傾向がある。
【００５５】
このようなことから、初期状態から寿命末期までの気化混合器の温度を適正に管理する必要があり、このような技術として特開２０１３−１８７１１８号公報に開示されたものが提案されている。この特開２０１３−１８７１１８号公報の技術は、セルスタックの低出力時（例えば、最小出力時）に改質用水と原燃料ガスの炭素のモル比率（一般的には水蒸気のモル数（Ｓ）と炭素のモル数（Ｃ）との比（Ｓ／Ｃ）でもって表記する）を定格出力時よりも高め、水蒸気の比率を高くすることにより気化混合器（気化混合室）の出口温度が過剰に上昇しないように抑制し、このようにして改質器（改質室）の入口付近での炭素析出を抑えている。
【００５６】
この特開２０１３−１８７１１８号公報の技術（即ち、改質用水の供給流量を制御して気化混合器（気化混合室）での過剰な温度上昇を抑制する技術）と、本願発明の技術（即ち、気化混合器（気化混合室）に混合材及び改質材を充填して改質反応により温度上昇を抑える技術、或いは改質室の一部を気化混合室に入り込まして従来よりも上流側にて混合ガス（原燃料ガスと水蒸気との混合ガス）を改質室に流入させて改質室の入口温度が低くなるようにする技術）とを組み合わせて適用することによって、改質室の入口付近での炭素析出をより効果的に抑えることができ、セルスタックの寿命を一層延ばすことが可能となる。
［実施例及び比較例］
【００５７】
本発明の効果を確認するために、図１に示す形態の固体酸化物形燃料電池システムを用いて、次の通りの実験を行った。この固体酸化物形燃料電池システムは、定格出力がＡＣ７００Ｗの家庭用燃料電池システムを用いた。実施例１として、図１及び図２に示す形態の気化改質ユニットを用い、その中間仕切り壁としてパンチングプレート部材を用いた。気化改質ユニットのサイズなどは、次の通りであった。
【００５８】
気化混合室の長さ：１３ｃｍ      気化混合室の幅：３．５ｃｍ
気化混合室の高さ：２．０ｃｍ    改質室の長さ：３９ｃｍ
改質室の幅：３．５ｃｍ          改質室の高さ：２．０ｃｍ
中間仕切り壁：パンチングプレート部材使用
パンチングプレート部材の開口の直径：０．１５ｃｍ
混合材：直径３ｍｍのアルミナボール
改質材：直径３ｍｍのアルミナボールにルテニウム金属を担持させたもの
実施例１では、気化改質ユニットの気化混合室の全体に混合材及び改質材を充填し、改質材は、体積比で全体（混合材及び改質材の合計体積）の１０％となるように混合した。また、改質室の全体に改質材を充填した。実験に際して、気化混合室の出口温度を計測するために、パンチングプレートの背面側（即ち、改質室の入口）に温度センサ（サーミスタ）を取り付けて計測した。セルスタックの発電出力と燃料利用率の関係は表１となるように制御した。
【００５９】
【表１】
2016134354.tif 000003
実施例１の固体酸化物形燃料電池システムを定格出力（１００％出力）で２時間にわたって発電運転して気化混合室の出口温度（換言すると、改質室の入口温度）を温度センサで測定した。また、同様に、固体酸化物形燃料電池システムを定格出力の１４％の出力（最小出力）で２時間にわたって発電運転して気化混合室の出口温度を測定した。使用した原燃料ガスは液化石油（ＬＰ）ガス（ガスの組成：エタン２％、プロパン９６％、ブタン２％）であった。この実施例１における気化混合室の出口温度は、表２に示す通りであり、セルスタックの出力が１００％（定格出力）のときは１５０℃であったが、その出力が１４％（最小出力）のときには４３５℃であった。
【００６０】
比較例１として、実施例１と同様の固体酸化物形燃料電池システムを用い、気化改質ユニットの気化混合室の全体に実施例１と同様の混合材を充填し（改質材を充填しない）、改質室の全体に実施例１と同様の改質材を充填した。そして、原燃料ガスとして実施例１と同様の液化石油ガスを用い、実施例１と同様に固体酸化物形燃料電池システムを定格出力（１００％出力）で２時間にわたって発電運転して気化混合室の出口温度を測定し、また同様に、固体酸化物形燃料電池システムを定格出力の１４％の出力（最小出力）で２時間にわたって発電運転して気化混合室の出口温度を測定した。この比較例１における気化混合室の出口温度は、表２に示す通りであり、セルスタックの出力が１００％（定格出力）のときは１５０℃であったが、その出力が１４％（最小出力）のときには４６０℃であった。尚、この比較例１の結果は、参考のために。後述する表３にも示している。
【００６１】
【表２】
2016134354.tif 000004
この表２の測定結果から明らかなように、セルスタックの出力１４％（最小出力）の領域において、実施例１の気化混合気の出口温度が２５℃低く、改質室の入口付近における炭素析出に直接的に影響する気化混合室の出口温度を抑制できることが確認でき、この温度低下は、気化混合室において水蒸気改質反応が起こったことによると考えられる。
【００６２】
この結果から、セルスタックの定格出力（１００％出力）時には気化混合室の温度を下げ過ぎることはなく、またその最小出力（この実施例では、１４％出力）時には改質室の入口付近での炭素析出による流路閉塞が起こり難く、流路閉塞による故障に対する信頼性が向上することが判った。
【００６３】
また、実施例２として、実施例１と同様の固体酸化物形燃料電池システムを用い、気化改質ユニットとして図４及び図６（ａ）に示す形態のものを用い、気化混合室と改質室とを仕切る中間仕切り壁の中央部に気化混合室に突出する筒状突出部を設け、この筒状突出部の先端の連通開口にパンチングメタル部材を取り付けた。気化混合室及び改質室の大きさは実施例１と同様であり、筒状突出部の大きさは、次の通りであった。
【００６４】
筒状突出部の長さ：４．０ｃｍ    筒状突出部の内径：１．２ｃｍ
この実施例２では、気化改質ユニットの気化混合室の全体に混合材を充填し、またその改質室の全体に改質材を充填した。実験に際して、気化混合室の出口温度を計測するために、筒状突出部の先端部に取り付けたパンチングプレートの背面側（改質室側）に温度センサ（サーミスタ）を取り付けて計測した。セルスタックの発電出力と燃料利用率の関係は、実施例１と同様に制御した。
【００６５】
原燃料ガスとして実施例１と同様の液化石油ガスを用い、実施例１と同様に固体酸化物形燃料電池システムを定格出力（１００％出力）で２時間にわたって発電運転して気化混合室の出口温度（即ち、改質室の入口温度）を測定し、また同様に、固体酸化物形燃料電池システムを定格出力の１４％の出力（最小出力）で２時間にわたって発電運転して気化混合室の出口温度を測定した。この実施例２における気化混合室の出口温度は、表３に示す通りであり、セルスタックの出力が１００％（定格出力）のときは１３０℃であり、その出力が１４％（最小出力）のときには３８０℃であった。
【００６６】
また、比較例２として比較例１に比して中間仕切り壁の配置位置を気化混合室側に４ｃｍずらして気化混合室の長さを１１ｃｍにした以外は比較例１と同様の気化改質ユニットを用いた。そして、原燃料ガスとして実施例２と同様の液化石油ガスを用い、実施例２と同様に固体酸化物形燃料電池システムを定格出力（１００％出力）で２時間にわたって発電運転して気化混合室の出口温度を測定し、また同様に、固体酸化物形燃料電池システムを定格出力の１４％の出力（最小出力）で２時間にわたって発電運転して気化混合室の出口温度を測定した。この比較例２における気化混合室の出口温度は、表３に示す通りであり、セルスタックの出力が１００％（定格出力）のときは１０５℃であり、その出力が１４％（最小出力）のときには３６０℃であった。
【００６７】
【表３】
2016134354.tif 000005
表３の結果から明らかなように、実施例２においては、セルスタックの出力１４％（最小出力）の領域において気化混合気の出口温度が３８０℃と低く、改質室の入口付近における炭素析出に直接的に影響する気化混合室の出口温度（即ち、改質室の入口温度）を抑制でき、また出力１００％（定格出力）のときでも気化混合室の出口温度が１３０℃と、気化不良に対するリスクが充分低いことが確認できた。これに対して、比較例２では、セルスタックの出力１４％（最小出力）の領域においては、気化混合気の出口温度が３６０℃と低く、改質室の入口付近における炭素析出を抑えることができるが、出力１００％（定格出力）のときには気化混合室の出口温度が１０５℃と低く、改質用水の蒸発完了に対して余裕がなく、改質用水の気化不良に対するリスクが高まることが判った。
【符号の説明】
【００６８】
２  固体酸化物形燃料電池システム
４  気化混合器
６  改質器
８  セルスタック
１２  電池ハウジング
３４  燃焼域
５２，５２Ａ  気化改質ユニット
５４  ユニットハウジング
５６，５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ  中間仕切り壁
５８，５８Ａ  気化混合室
６０，６０Ａ  改質室
６２  混合材
６４  改質材
６６，７４，７４Ｂ，７４Ｃ  連通開口
７０，７６，７６Ｂ，７６Ｃ  網部材
７２，７２Ｂ，７２Ｃ  筒状突出部
【図１】
2016134354.tif 000006
【図２】
2016134354.tif 000007
【図３】
2016134354.tif 000008
【図４】
2016134354.tif 000009
【図５】
2016134354.tif 000010
【図６】
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