燃料電池用原料供給装置、燃料電池システム
【課題】原料の逆流を防止して原料の供給を安定させることにより、燃料電池での発電を安定させることができる燃料電池用原料供給装置を提供すること。
【解決手段】燃料電池用原料供給装置１０が備える原料混合器５０は、ケーシング５１、第１原料導入管６１及び第２原料導入管６２を有する。原料混合器５０は、第１原料及び気化された第２原料を混合して燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する。ケーシング５１は、内部領域を第１原料導入室９１と第２原料導入室９２とに区画する障壁９３を備え、障壁９３には、第１原料導入室９１と第２原料導入室９２とを連通させる連通部９７が形成される。連通部９７は、混合ガスが混合流路５８に沿って流れる方向を基準として、第１原料導入管６１の開口部６４よりも後方に配置される。
【解決手段】燃料電池用原料供給装置１０が備える原料混合器５０は、ケーシング５１、第１原料導入管６１及び第２原料導入管６２を有する。原料混合器５０は、第１原料及び気化された第２原料を混合して燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する。ケーシング５１は、内部領域を第１原料導入室９１と第２原料導入室９２とに区画する障壁９３を備え、障壁９３には、第１原料導入室９１と第２原料導入室９２とを連通させる連通部９７が形成される。連通部９７は、混合ガスが混合流路５８に沿って流れる方向を基準として、第１原料導入管６１の開口部６４よりも後方に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する原料混合器を備えた燃料電池用原料供給装置、及び、燃料電池用原料供給装置を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発電装置の一種である燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料ガスに接する燃料電極層と酸化剤ガスに接する空気電極層とが固体電解質層の両側に配置された発電セルを備えている。なお、燃料ガスは水素を生成するためのものであり、酸化剤ガスは酸素を生成するためのものである。そして、水素と酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気電極層を正極、燃料電極層を負極とする直流の電力が発生するようになっている。
【０００３】
また、燃料電池では、都市ガスや天然ガスなどの炭化水素ガスが燃料ガスとして用いられているため、既存のインフラを利用した燃料ガスの輸送や貯蔵が容易であるという利点がある。ここで、炭化水素ガスから水素を得る改質方法としては、水蒸気改質法が知られている。水蒸気改質法とは、炭化水素ガスと水蒸気とを混合して混合ガスを生成し、混合ガスを高温で改質させることにより、水素と二酸化炭素とを得る方法である。なお、混合ガスの生成には原料混合器が用いられている（例えば特許文献１参照）。原料混合器は、水を気化させることによって水蒸気を得るとともに、得られた水蒸気を炭化水素ガスと混合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８８７２号公報（図２等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の従来技術では、原料混合器（蒸発混合器１３０）を構成するケーシングに、気体状の原料である燃料ガスをケーシング内に導入する燃料導入管（燃料ガス供給管１３２）と、液体状の原料である水をケーシング内に導入する液体導入管（水供給管１３４）とが設けられている。なお、燃料導入管の開口部は、障壁（キャップ状部材２１６）によって覆われている。また、原料混合器は外部から加熱されているため、液体導入管を介してケーシング内に導入された水は、ケーシングによって加熱されて気化され、水蒸気となる。
【０００６】
ところが、水が気化して水蒸気になるときには体積が膨張するため、水蒸気に押されて燃料ガスが燃料導入管内に逆流する可能性がある。この場合、燃料ガスの供給が不安定になるため、十分な水素を得られなくなり、燃料電池での発電が不安定になるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、原料の逆流を防止して原料の供給を安定させることにより、燃料電池での発電を安定させることができる燃料電池用原料供給装置を提供することにある。また、第２の目的は、上記の燃料電池用原料供給装置を備えた好適な燃料電池システム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の手段（手段１）としては、包囲されて形成された内部領域に混合流路が形成されたケーシングと、気体状の第１原料を前記ケーシング内の前記混合流路に導入する第１原料導入管と、液体状の第２原料を前記ケーシング内の前記混合流路に導入する第２原料導入管と、前記混合流路内の前記第２原料を加熱して気化させる加熱部と、前記混合流路から前記第１原料及び前記第２原料を前記ケーシング外に導出する導出管とを有し、前記混合流路において前記第１原料及び前記加熱部によって気化された前記第２原料を混合して燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する原料混合器を備える燃料電池用原料供給装置であって、前記第１原料導入管の内端側及び前記第２原料導入管の内端側は、それぞれ前記混合流路に開口する開口部を有しており、前記ケーシングは、該ケーシングの内部領域を前記第１原料導入管の内端が配置される第１原料導入室と前記第２原料導入管の内端が配置される第２原料導入室とに区画する障壁を備え、前記障壁に、前記第１原料導入室と前記第２原料導入室とを連通させる連通部が形成され、前記混合ガスが前記混合流路に沿って前記導出管側に流れる方向を基準として、前記連通部が、前記第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されることを特徴とする燃料電池用原料供給装置がある。
【０００９】
手段１に記載の発明によると、混合ガスが混合流路に沿って導出管側に流れる方向を基準として、連通部が第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されている。このため、第２原料導入室に導入された液体状の第２原料が加熱部によって気化されて膨張したとしても、第１原料導入室に導入された第１原料が、連通部を介して第１原料導入室に導かれた第２原料に押されて第１原料導入管内に逆流することを回避できる。その結果、第１原料の供給が安定するため、第１原料と第２原料とを混合して混合ガスを安定して生成することができる。しかも、連通部が第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されるため、連通部を通過して第１原料導入室に導かれた第２原料の進行方向が、混合ガスが流れる方向と同一になる。その結果、混合ガスが第２原料に押されて導出管側に流れるようになるため、燃料電池への混合ガスの供給が安定するようになる。以上のことから、燃料電池での発電を安定させることができる。
【００１０】
なお、燃料電池用原料供給装置が備える原料混合器は、気体状の第１原料をケーシング内の混合流路に導入する第１原料導入管と、液体状の第２原料をケーシング内の混合流路に導入する第２原料導入管とを有する。ここで、気体状の第１原料としては、例えば、炭化水素ガス、不活性ガス、水蒸気などが挙げられる。第１原料として炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。また、第１原料として不活性ガスを選択した場合、不活性ガスの種類は特に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン等であることが好ましい。なお、１種類の第１原料のみを用いてもよく、複数種類の第１原料を併用してもよい。また、第２原料と同じ原料を気化したものを第１原料として用いてもよく、複数種類の第２原料を気化したものを用いることもできる。
【００１１】
一方、液体状の第２原料としては、例えば、液状炭化水素、液状アルコール、水などが挙げられる。第２原料として液状炭化水素を選択した場合、液状炭化水素の種類は特に限定されないが、例えば、ヘキサン、１−ヘキセン、シクロヘキサン、シクロヘキセン、ベンゼン等であることが好ましい。また、第２原料として液状アルコールを選択した場合、液状アルコールの種類は特に限定されないが、例えば、エチルアルコール（エタノール）、メチルアルコール（メタノール）、プロピルアルコール等であることが好ましい。なお、第２原料は水であるとともに、第１原料は炭化水素ガスであることが好ましい。
【００１２】
また、第１原料導入管の内端側及び第２原料導入管の内端側は、それぞれ混合流路に開口する開口部を有している。ここで、「内端側」とは、第１，第２原料導入管の内端の「端面」の他に、端面の付近の部位（端部）を含んでいる。なお、第２原料導入管の開口部は、混合流路に沿って導出管側に向けて混合ガスが流れる方向とは反対方向に開口していてもよい。このようにすれば、第１原料導入管の開口部と第２原料導入管の開口部との距離が大きくなるため、第２原料導入室に導入された第２原料が気化されて膨張したとしても、膨張した第２原料は第１原料導入管の開口部に到達しにくくなる。その結果、第１原料が連通部を通過した第２原料に押されて第１原料導入管内に逆流する可能性が小さくなる。よって、第１原料の供給がよりいっそう安定し、混合ガスがより確実に生成されるため、燃料電池での発電がよりいっそう安定する。なお、第２原料導入管の開口部は、第１原料導入管の開口部と同じ方向に開口していてもよい。このようにした場合、第２原料導入管を第１原料導入管と同じ形状に形成できるため、原料混合器の構造を簡略化することができる。
【００１３】
また、第１原料導入管が混合流路に沿って導出管に向けて混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びるとともに、第２原料導入管が混合流路に沿って導出管に向けて混合ガスが流れる方向と直交する方向に延びていてもよい。このようにすれば、第１原料導入管を流れてきた第１原料が第２原料に押されたとしても、第１原料が第１原料導入管内に逆流しにくくなる。その結果、第１原料の供給がよりいっそう安定し、混合ガスがより確実に生成されるため、安定した燃料改質が可能となり、燃料電池での発電がよりいっそう安定する。
【００１４】
しかも、第２原料導入管は加熱部に熱伝導可能に接触していることが好ましい。このようにすれば、加熱部の熱が第２原料導入管内を流れる第２原料に伝わりやすくなる。よって、第２原料が確実に加熱されるため、第２原料を安定的に気化させることができる。さらに、第２原料導入管が、ケーシングの内壁から第２原料導入室に延びる第１管部と、第１管部の先端側に位置し、開口部を有する第２管部とを備える場合、第１管部が加熱部から離間する一方、第２管部が加熱部に熱伝導可能に接触していることが好ましい。このようにした場合、第２原料導入管と加熱部との接触面積が小さくなるため、第２原料導入管内での第２原料の気化が最小限に抑えられる。その結果、気化されない微量の不純物が第２原料導入管内に蓄積することに起因した第２原料導入管の閉塞が防止されるため、第２原料の供給が安定し、燃料電池用原料供給装置の信頼性が向上する。
【００１５】
また、加熱部は、ケーシングに熱伝導可能に接触して配置され、燃料電池での発電反応によって加熱されて燃料電池から排出された排ガスが流れる排ガス流路構造体を備え、液体状の第２原料が、排ガス流路構造体に導入した排ガスとの間で熱交換を行うことにより、加熱されて気化されることが好ましい。このようにした場合、排ガス流路構造体を流れる排ガスの熱が第２原料の気化に用いられるため、燃料電池用原料供給装置全体の効率を向上させることができる。さらに、排ガス流路構造体内の排ガスと第２管部内の第２原料とが同じ方向に流れるとともに、排ガス流路構造体内の排ガスと第２管部内の第２原料との間で熱交換が行われることが好ましい。このようにした場合、第２管部の内端は、排ガス流路構造体の下流部分に接触するようになる。なお、排ガス流路構造体の下流部分を流れる排ガスの温度は、上流部分を流れる排ガスの温度よりも低い。よって、第２管部の内端は、排ガスの温度が相対的に低い部分に接触するため、第２原料が第２原料導入管の内端からケーシング内に導入された際に、第２原料が急激に気化する可能性を小さくすることができる。
【００１６】
また、連通部は、板状部材に複数の連通孔を配置することによって構成されることが好ましい。このようにすれば、第２原料導入管から第２原料導入室に導入された第２原料が、複数の連通部を通過することによって第１原料と混合しやすくなるため、混合ガスの生成効率が向上する。なお、板状部材において連通孔の開口面積は、第２原料導入管の内部流路断面積以上であることが好ましい。仮に、連通孔の開口面積が第２原料導入管の内部流路断面積未満になると、第２原料導入室に導入された第２原料が連通孔を通過しにくくなるため、混合ガスの生成効率が低下してしまう。さらに、連通部は、第１原料導入管側を向いていることが好ましい。即ち、連通部は、障壁において第１原料導入管と第２原料導入室との間に位置する部分に配置されることが好ましい。このようにすれば、連通部を通過した第２原料が第１原料導入管の開口部付近に到達して第１原料と混合されやすくなるため、混合ガスの生成効率がよりいっそう向上する。
【００１７】
なお、燃料電池用原料供給装置は、原料混合器から供給された混合ガスを改質することによって水素を生成し、生成した水素を燃料電池に供給する改質器をさらに備えることが好ましい。このようにすれば、既存の第１原料及び第２原料を混合して得られた混合ガスを用いて、燃料電池の発電反応に必要な水素を得ることができる。
【００１８】
なお、上記手段１において、前記ケーシングを構成する複数の壁部の少なくとも１つが、前記ケーシングの内部領域と前記ケーシングに隣接する前記加熱部とを区画する区画壁である場合には、前記区画壁によって少なくとも前記第２原料導入室を構成することができる。
【００１９】
さらに、複数の壁部の少なくとも１つが区画壁である場合には、前記ケーシングの高さ方向の長さを、前記ケーシングの横方向の長さよりも短く設定し、前記ケーシングの下側に、前記加熱部を前記区画壁を介して配置することもできる。
【００２０】
また、前記第２原料導入管が、前記ケーシングの内壁から前記第２原料導入室に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に位置し、前記開口部を有する第２管部とを備える場合、前記第２管部の長さを、前記第１管部の長さよりも短くすることができる。
【００２１】
上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、上記手段１に記載の燃料電池用原料供給装置と、前記燃料電池を構成し、電解質層と、前記電解質層の両側に配置される燃料電極層及び空気電極層とを有する発電セルを備え、前記発電セルでの発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、熱交換媒体と、前記燃料電池での発電反応後に前記燃料電池から排出された前記排ガスとの間で熱交換を行う排ガス熱交換装置とを備えたことを特徴とする燃料電池システムがある。
【００２２】
手段２に記載の発明によると、燃料電池用原料供給装置が備える原料混合器では、混合ガスが混合流路に沿って導出管側に流れる方向を基準として、連通部が第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されている。このため、第２原料導入室に導入された液体状の第２原料が加熱部によって気化されて膨張したとしても、第１原料導入室に導入された第１原料が、連通部を介して第１原料導入室に導かれた第２原料に押されて第１原料導入管内に逆流することを回避できる。その結果、第１原料の供給が安定するため、第１原料と第２原料とを混合して混合ガスを安定して生成することができる。しかも、連通部が第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されるため、連通部を通過して第１原料導入室に導かれた第２原料の進行方向が、混合ガスが流れる方向と同一になる。その結果、混合ガスが第２原料に押されて導出管側に流れるようになるため、燃料電池への混合ガスの供給が安定するようになる。以上のことから、燃料電池での発電を安定させることができる。従って、信頼性が高い燃料電池用原料供給装置を備えた好適な燃料電池システムを提供することができる。
【００２３】
ここで、燃料電池としては、例えば、ＺｒＯ２系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池が挙げられる。なお、燃料電池の稼動温度（即ち、イオンが電解質中を移動可能となる温度）は、燃料電池の種類ごとに異なっている。具体的に言うと、ＳＯＦＣの稼動温度は７００℃〜１０００℃程度、ＰＥＦＣの稼動温度は常温〜９０℃程度、ＭＣＦＣの稼動温度は６５０℃〜７００℃程度、ＰＡＦＣの稼動温度は１５０℃〜２００℃程度である。
【００２４】
また、燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは発電セルを備えている。燃料電池がＳＯＦＣである場合、発電セルを構成する電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばＺｒＯ２系セラミック、ＬａＧａＯ３系セラミック、ＢａＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＺｒＯ３系セラミック、ＣａＺｒＯ３系セラミックなどがある。
【００２５】
さらに、発電セルを構成する燃料電極層は、発電セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料電極層の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。
【００２６】
発電セルを構成する空気電極層は、発電セルにおける正電極として機能する。ここで、空気電極層の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物、Ｐｒ１−ｘＢａｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｓｍ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物）などがある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図２】燃料電池システムの燃料電池を示す概略斜視図。
【図３】燃料電池システムの燃料電池を示す概略背面図。
【図４】原料混合器を示す概略断面図。
【図５】原料混合器を示す概略断面図。
【図６】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図７】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図８】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図９】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図１０】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図１１】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を燃料電池システム１に具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２９】
図１に示されるように、燃料電池システム１は、燃料電池用原料供給装置１０、燃料電池２０及び排ガス熱交換装置３０を備えている。燃料電池２０を構成する燃料電池スタック２１には、燃料電池スタック２１に混合ガスを供給する混合ガス供給流路１０１が接続されている。なお、本実施形態の混合ガスは、燃料電池２０の発電反応に利用されるものである。混合ガスは、気体状の第１原料である燃料ガス（本実施形態では、メタンやプロパン等の炭化水素ガス）と、液体状の第２原料である水を気化した水蒸気とを混合することにより生成されるようになっている。また、混合ガス供給流路１０１は、燃料電池スタック２１に設けられた改質層２２（改質器）を介して、燃料電池スタック２１の燃料供給経路（図示略）に連通している。改質層２２は、改質用の触媒（例えばルテニウム、あるいはニッケル）を用いて混合ガスを水蒸気改質させることにより、水素を得るためのものである。
【００３０】
また図１に示されるように、混合ガス供給流路１０１は、上流側において、燃料ガス供給管１０２及び水供給管１０３に分岐している。燃料ガス供給管１０２上には、電磁弁１０４及び燃料ポンプ１０５が設置されている。電磁弁１０４は、燃料ガス供給管１０２を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。電磁弁１０４は、開状態に切り替えられた際に、燃料ガスを下流側に供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の電磁弁１０４は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。燃料ポンプ１０５は、電磁弁１０４の下流側に配置されており、上流側から供給されてきた燃料ガスを燃料電池スタック２１側に供給するようになっている。一方、水供給管１０３上には、水タンク１０６及び水ポンプ１０７が設置されている。水タンク１０６は、水を貯留するためのものである。水ポンプ１０７は、水タンク１０６の下流側に配置されており、水タンク１０６内の水を燃料電池スタック２１側に供給するようになっている。
【００３１】
図１に示されるように、燃料電池スタック２１には、燃料電池スタック２１に空気を供給する空気供給流路１１１が接続されている。空気供給流路１１１は、燃料電池スタック２１の空気供給経路（図示略）に連通している。また、空気供給流路１１１上には、空気ポンプ１１２及び熱交換器１１３が設置されている。空気ポンプ１１２は、外部から取り入れた空気を熱交換器１１３に供給するようになっている。熱交換器１１３は、燃料電池スタック２１での発電反応時に燃料電池スタック２１から発生する熱によって、空気ポンプ１１２から供給された空気（酸化剤ガス）の温度を上昇させる機能（予熱を行う機能）を有している。そして、熱交換器１１３は、加熱された空気を燃料電池スタック２１に供給するようになっている。なお、発電後の使用済みガスなどの排ガスは、排出流路１１４を介して燃料電池スタック２１から排ガス熱交換装置３０に排出される。
【００３２】
図１に示されるように、燃料電池２０を構成する起動用バーナー４０には、起動用バーナー４０に空気及び着火用ガスを供給するガス供給流路１２１が接続されている。ガス供給流路１２１は、上流側において、空気供給管１２２及び着火用ガス供給管１２３に分岐している。空気供給管１２２上には、空気ブロワ１２４が設置されている。空気ブロワ１２４は、外部から取り入れた空気を起動用バーナー４０に供給するようになっている。一方、着火用ガス供給管１２３上には、電磁弁１２５が設置されている。電磁弁１２５は、着火用ガス供給管１２３を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。電磁弁１２５は、開状態に切り替えられた際に、下流側に着火用ガスを供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の電磁弁１２５は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。
【００３３】
そして図１に示されるように、空気供給管１２２と着火用ガス供給管１２３との接続部分には、比例弁１２６が設置されている。比例弁１２６は、空気供給管１２２から起動用バーナー４０に供給される空気の量と、着火用ガス供給管１２３から起動用バーナー４０に供給される着火用ガスの量との割合（空燃比）を調整するようになっている。なお、起動用バーナー４０に送り込まれた空気及び着火用ガスは、図示しない着火源によって着火され、断熱容器１２７内を加熱するようになっている。
【００３４】
なお、本実施形態の燃料電池２０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池２０は、発電反応により電力を発生する燃料電池スタック２１を備えている。また、燃料電池２０は、熱交換器１１３、起動用バーナー４０及び原料混合器５０等を備えている。なお、燃料電池２０の稼動温度は高温（本実施形態では６００℃〜１０００℃）であるため、燃料電池スタック２１、熱交換器１１３、起動用バーナー４０及び原料混合器５０は、断熱容器１２７内に収容されて保護されている。
【００３５】
図１〜図３に示されるように、起動用バーナー４０は、略平板状をなし、燃料電池スタック２１を下方から支持するようになっている。また、起動用バーナー４０は、原料混合器５０の側面に近接して配置されている。起動用バーナー４０は、燃料電池スタック２１を稼動温度（例えば７００℃）まで加熱するとともに、原料混合器５０内を流れる水を加熱して気化させるようになっている。
【００３６】
また、燃料電池スタック２１は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなしている。さらに、燃料電池スタック２１の上面上には、熱交換器１１３によって加熱された空気（酸化剤ガス）をさらに加熱する酸化剤ガス予熱層２３（図１参照）が積層されている。また、燃料電池スタック２１の下面上には、排ガスの完全燃焼を促すためのオフガス燃焼層２４（図１参照）が積層されている。そして、オフガス燃焼層２４の下面上には、上記した改質層２２が積層されている。なお、燃料電池スタック２１は、発電の最小単位である略矩形状の発電セル（図示略）を複数積層してなるものである。発電セルは、セパレータ、空気電極層、電解質層及び燃料電極層などを積層することによって構成されている。
【００３７】
セパレータは、ステンレスなどの導電性材料によって矩形状に形成されており、中央部に矩形状の開口部を有している。また、電解質層は、例えばＺｒＯ２などのセラミック材料（酸化物）によって矩形状に形成されている。電解質層は、セパレータの下面に固定されるとともに、セパレータの開口部を塞ぐように配置されている。電解質層は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、電解質層の上面には、燃料電池スタック２１に供給された空気に接する空気電極層が貼付され、電解質の下面には、同じく燃料電池スタック２１に供給された燃料ガスに接する燃料電極層が貼付されている。即ち、空気電極層及び燃料電極層は、電解質層の両側に配置されている。また、空気電極層は、セパレータの開口部内に配置され、セパレータと接触しないようになっている。さらに、空気電極層は、金属の複合酸化物によって矩形板状に形成され、燃料電極層は、金属材料とセラミック材料との混合物（本実施形態ではサーメット）によって同じく矩形板状に形成されている。
【００３８】
なお、本実施形態の発電セルでは、セパレータの下方に燃料室が形成されるとともに、セパレータの上方に空気室が形成されるようになっている。また、燃料電池スタック２１は、各発電セルの燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給経路（図示略）と、燃料室から燃料ガスを排出する燃料排出経路（図示略）とを備えている。よって、燃料ガスは、燃料供給経路を通過して燃料室に供給され、燃料排出経路を通過して燃料室から排出される。さらに、燃料電池スタック２１は、各発電セルの空気室に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室から空気を排出する空気排出経路（図示略）とを備えている。よって、空気は、空気供給経路を通過して空気室に供給され、空気排出経路を通過して空気室から排出される。
【００３９】
例えば、断熱容器１２７内を稼動温度に加熱した状態で、燃料供給経路から燃料室に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室に空気を導入する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが電解質層を介して反応（発電反応）し、空気電極層を正極、燃料電極層を負極とする直流の電力が発生する。
【００４０】
図１に示されるように、原料混合器５０は、燃料ガス供給管１０２と水供給管１０３との接続部分に設置されている。図２〜図５に示されるように、原料混合器５０は、耐熱性に優れたステンレスなどの金属材料によって形成され、第１ケーシング５１と第２ケーシング７１とによって構成されている。第１ケーシング５１は、天井壁部５２、底壁部５３、及び、４つの側壁部５４，５５，５６，５７といった複数の壁部により、略直方体状に形成されている。なお、第１ケーシング５１の高さ方向の長さ（即ち、側壁部５４〜５７の高さ）は、第１ケーシング５１の縦方向の長さ（即ち、側壁部５５，５７の幅）とほぼ等しく設定されるとともに、第１ケーシング５１の横方向の長さ（即ち、側壁部５４，５６の幅）よりも短く設定されている。また、天井壁部５２の一部は、第１ケーシング５１の内部領域と第２ケーシング７１の内部領域とを区画する区画壁である。即ち、天井壁部５２は、第１ケーシング５１の上側に隣接する第２ケーシング７１の底部を兼ねている。さらに、第１ケーシング５１は、包囲されて形成された内部領域に混合流路５８を有している。
【００４１】
なお、図４は、第１ケーシング５１を上下方向（図２は下方向）に見たときの断面を示している。また、図５は、第１ケーシング５１及び排ガス流路構造体８１を図２における横方向に見たときの断面を示している。図４，図５に示されるように、第１ケーシング５１は、該第１ケーシング５１の内部領域を燃料ガス導入室９１（第１原料導入室）及び水導入室９２（第２原料導入室）に区画する障壁９３を内部に備えている。本実施形態の障壁９３は、耐熱性に優れたステンレスなどの金属材料によって箱状に形成されており、天井部９４、２つの側壁９５，９６、第１ケーシング５１の２つの側壁部５６，５７、及び、第１ケーシング５１の底壁部５３からなっている。天井部９４は、天井壁部５２及び底壁部５３と平行に配置されており、底壁部５３から天井部９４までの高さが、底壁部５３から天井壁部５２までの高さの２分の１程度となっている。側壁９５は、側壁部５７と平行に配置されており、側壁部５７から側壁９５までの距離が、側壁部５７から側壁部５５までの距離の５分の１程度となっている。側壁９６は、側壁部５６と平行に配置されており、側壁部５６から側壁９６までの距離が、側壁部５６から側壁部５４までの距離の２分の１程度となっている。
【００４２】
図４，図５に示されるように、天井部９４（板状部材）には、水導入室９２と燃料ガス導入室９１とを連通させるスリット状の連通孔９７（連通部）が形成されている。連通孔９７は、天井部９４において側壁部５７との接続部分の近傍に配置されている。なお、連通孔９７の長さは、側壁部５６の内面と側壁９６の内面との距離と等しくなっている。連通孔９７の幅は、天井部９４の長手方向の長さの７分の１程度となっている。また、天井部９４において連通孔９７が占める割合は、本実施形態では１０％程度に設定されている。
【００４３】
さらに、第１ケーシング５１には、第１ケーシング５１の内部領域と外部領域との間を連通する燃料ガス導入管６１（第１原料導入管）及び水導入管６２（第２原料導入管）が設けられている。なお、第１ケーシング５１では、燃料ガスが燃料ガス導入管６１を介して混合流路５８に導入され、水が水導入管６２を介して混合流路５８に導入されるようになっている。
【００４４】
詳述すると、燃料ガス導入管６１の外端は、燃料ガス供給管１０２に連通している。また、燃料ガス導入管６１は、４つの側壁部５４〜５７のうち１つの側壁部５７を貫通し、第１ケーシング５１の横方向に沿って延びている。換言すると、燃料ガス導入管６１は、混合流路５８に沿って導出管６３に向けて混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びている。さらに、燃料ガス導入管６１は、障壁９３の天井部９４の上方に配置されている（図５参照）。よって、天井部９４に設けられた連通孔９７は、燃料ガス導入管６１側に向けて開口するようになっている。そして、燃料ガス導入管６１の内端は、第１ケーシング５１内に突出して燃料ガス導入室９１に配置されており、混合流路５８に開口する開口部６４を内端面に有している。なお本実施形態では、混合ガスが混合流路５８に沿って導出管６３（図２，図３参照）側に流れる方向を基準として、連通孔９７が、燃料ガス導入管６１の開口部６４の後方に配置されている。また、燃料ガス導入管６１において第１ケーシング５１内に突出する部分の長さは、水導入管６２において第１ケーシング５１内に突出する部分の長さの５倍程度に設定されている（図４，図５参照）。さらに、燃料ガス導入管６１は、第１ケーシング５１の高さの５分の１〜４分の３程度となる位置において、第１ケーシング５１の横方向に沿って延びている（図５参照）。
【００４５】
図４，図５に示されるように、水導入管６２の外端は、水供給管１０３に連通している。なお、水導入管６２の断面積は、燃料ガス導入管６１の断面積と等しくなっている。また、水導入管６２は、４つの側壁部５４〜５７のうち１つの側壁部５７を貫通し、第１ケーシング５１の横方向に沿って延びている。換言すると、水導入管６２は、混合流路５８に沿って導出管６３に向けて混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びている。なお本実施形態では、水導入管６２において第１ケーシング５１内に突出する部分の長さが、燃料ガス導入管６１において第１ケーシング５１内に突出する部分の長さの３分の１程度に設定されている。また、水導入管６２は、第１ケーシング５１の４分の１程度となる高さに位置している。従って、水導入管６２は、第１ケーシング５１の底壁部５３から離間した状態に配置されている。
【００４６】
そして、図４，図５に示されるように、水導入管６２の内端は、第１ケーシング５１内に突出して水導入室９２に配置されており、混合流路５８に開口する開口部６８を内端面に有している。換言すると、開口部６８は、混合流路５８に沿って導出管６３側に向けて混合ガスが流れる方向と同じ方向に開口している。また、開口部６８は、障壁９３の側壁９５に向かって開口している。従って、水導入管６２は、混合流路５８の上流側から下流側に向けて水を噴出するようになっている。また、開口部６８は、混合ガスが混合流路５８に沿って導出管６３側に流れる方向を基準として、燃料ガス導入管６１の開口部６４よりも後方に配置されている。
【００４７】
図２，図３に示されるように、第２ケーシング７１は、第１ケーシング５１の上側に位置している。第２ケーシング７１は、天井部７２、４つの側壁７３，７４，７５，７６、及び、第１ケーシング５１の天井壁部５２によって略直方体状に形成されている。なお、第２ケーシング７１の高さ方向の長さ（即ち、側壁７３〜７６の高さ）は、第２ケーシング７１の横方向の長さ（即ち、側壁７３〜７６の幅）よりも長くなっている。そして、側壁７３，７５の幅は、側壁７４，７６の幅よりもかなり大きくなっている。
【００４８】
また、第２ケーシング７１は、燃料電池スタック２１での発電反応時に燃料電池スタック２１から発生する熱によって、燃料電池スタック２１への供給前に混合ガスの温度を上昇させる熱交換器としての機能（予熱を行う機能）を有している。そして、第２ケーシング７１は、加熱された混合ガスを燃料電池スタック２１に供給するようになっている。なお、本実施形態の第２ケーシング７１は、包囲されて形成された内部領域に導出流路７７を有している。また、第２ケーシング７１は、同第２ケーシング７１の内部領域を区画する３枚の仕切板７８を内部に備えている。具体的に言うと、各仕切板７８は、第２ケーシング７１において互いに異なる高さに位置している。また、各仕切板７８は、帯状をなし、一方の端部と側壁７４，７６との間に生じる空間が連通部７９となっている。本実施形態では、最上層及び最下層の仕切板７８と側壁７６との間に生じる空間が連通部７９となり、中間層の仕切板７８と側壁７４との間に生じる空間が連通部７９となる。
【００４９】
図２，図３に示されるように、第２ケーシング７１には、第２ケーシング７１の内部領域と外部領域との間を連通する導出管６３が設けられている。なお、第２ケーシング７１では、混合ガスが第１ケーシング５１の天井壁部５２に設けられた連通孔５９（図２参照）を介して導出流路７７に導入され、導入された混合ガスが導出管６３を介して第２ケーシング７１外に導出されるようになっている。そして、導出管６３の内端側は、４つの側壁７３〜７６のうち１つの側壁７５を貫通し、導出流路７７、具体的には、最上層の仕切板７８の上側領域にて開口する開口部（図示略）を内端面に有している。また、導出管６３は、導出流路７７を流れてきた混合ガスの進行方向を下方に変更させる方向に延びている。そして、導出管６３の外端は、混合ガス供給流路１０１を介して燃料電池スタック２１の改質層２２に連結されている。
【００５０】
図５に示されるように、原料混合器５０は、第１ケーシング５１の混合流路５８内の水を加熱して気化させる加熱部８０を備えている。加熱部８０は、燃料電池２０での発電反応によって加熱されて燃料電池２０から排出された排ガスが流れる排ガス流路構造体８１を備えている。排ガス流路構造体８１は、耐熱性に優れたステンレスなどの金属材料によって形成されている。排ガス流路構造体８１は、底部８２、第１ケーシング５１の底壁部５３、及び、第１ケーシング５１の側壁部５４〜５７によって略直方体状に形成されている。なお、排ガス流路構造体８１の上流側端部（側壁部５５の端部）は、排出流路１１４に連通している。また、底壁部５３は、第１ケーシング５１の内部領域と排ガス流路構造体８１とを区画する区画壁である。即ち、底壁部５３は、第１ケーシング５１に隣接する排ガス流路構造体８１の天井部を兼ねている。
【００５１】
また図５に示されるように、排ガス流路構造体８１は、第１ケーシング５１に熱伝導可能に接触している。さらに、加熱部８０は、排ガス流路構造体８１に導入した排ガスと水導入管６２内を流れる水との間で熱交換を行う熱交換器としての機能を有している。具体的に言うと、水導入管６２内を流れる水には、排ガス流路構造体８１内を流れる排ガスの熱が伝達（吸熱）されるようになっている。その結果、水導入管６２を流れる水が加熱されて気化される。
【００５２】
また、排ガス流路構造体８１は、同排ガス流路構造体８１の内部領域を上流側領域Ａ１及び下流側領域Ａ２に区画するパンチングメタル８３を内部に備えている。パンチングメタル８３は、耐熱性に優れたステンレスなどの金属材料によって平面視略矩形状に形成され、円形状をなす複数の貫通孔を有している。
【００５３】
図５に示されるように、排ガス流路構造体８１には、４つの側壁部５４〜５７のうち１つの側壁部５７を貫通し、横方向に沿って延びる排ガス排出管８４が設けられている。排ガス排出管８４は、排ガスが流れる流路であり、内端が排ガス流路構造体８１の下流側領域Ａ２内に突出している。なお、排ガス流路構造体８１内及び排ガス排出管８４内を流れる排ガスは、水導入管６２内を流れる水とは逆方向に流れるようになっている。さらに、排ガス流路構造体８１内の排ガス及び第１ケーシング５１内の燃料ガスは、互いに逆方向に流れるようになっている。また、排ガスは、排ガス流路構造体８１内において２５０℃〜４００℃に冷却された後、排ガス排出管８４の下流側端部から排ガス熱交換装置３０に導かれる。
【００５４】
図１に示されるように、排ガス熱交換装置３０は、加熱部８０から排ガス排出管８４を介して供給された排ガスと熱交換媒体である冷媒（本実施形態では水）との間で熱交換を行う機能を有している。排ガス熱交換装置３０は、排ガス導入部（図示略）及び冷媒流路（図示略）を備えている。排ガス導入部は、排ガスが流れる流路であり、上流側端部が排ガス排出管８４の外端に連通している。一方、冷媒流路は、冷媒が流れる流路であって、冷媒流路内を流れる冷媒には排ガス導入部内を流れる排ガスの熱が伝達（吸熱）されるようになっている。なお、排ガス導入部を流れる排ガスは、３０〜４０℃に冷却された後、排ガス導入部の下流側端部から大気に放出される。
【００５５】
次に、燃料電池用原料供給装置１０を用いて、燃料電池２０の発電反応に利用される混合ガスを生成する方法を説明する。
【００５６】
まず、燃料ガス供給管１０２から供給された燃料ガスが、燃料ガス導入管６１を介して第１ケーシング５１内の燃料ガス導入室９１（混合流路５８）に導入される。また、水供給管１０３から供給された水が、水導入管６２を介して水導入室９２に導入される。なお、水は、水導入管６２の開口部６８付近を通過する際に、排ガス流路構造体８１を流れる排ガスから伝達された熱によって気化され、水蒸気となる。このため、水導入管６２を通過した水は、水蒸気となって水導入室９２に導入され、水導入室９２に導入された水蒸気は、連通孔９７を通過して燃料ガス導入室９１（混合流路５８）に導かれる。
【００５７】
その後、混合流路５８内において燃料ガスと水蒸気とが混合されることにより、混合ガスが生成される。そして、混合ガスは、燃料電池２０の改質層２２に導かれて水素となり、燃料電池２０の発電反応に利用される。
【００５８】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００５９】
（１）本実施形態の燃料電池用原料供給装置１０では、混合ガスが混合流路５８に沿って導出管６３側に流れる方向を基準として、連通孔９７が燃料ガス導入管６１の開口部６４よりも後方に配置されている。このため、水導入室９２に導入された水が加熱部８０によって気化されて膨張し、水蒸気になったとしても、燃料ガス導入室９１に導入された燃料ガスが、連通孔９７を介して燃料ガス導入室９１に導かれた水蒸気に押されて燃料ガス導入管６１内に逆流することを回避できる。その結果、燃料ガスの供給が安定するため、燃料ガスと水蒸気とを混合して混合ガスを安定して生成することができる。しかも、連通孔９７が燃料ガス導入管６１の開口部６４よりも後方に配置されるため、連通孔９７を通過して燃料ガス導入室９１に導かれた水蒸気の進行方向が、混合ガスが流れる方向と同一になる。その結果、混合ガスが水蒸気に押されて導出管６３側に流れるようになるため、改質層２２への混合ガスの供給が安定するようになる。以上のことから、燃料電池２０での発電を安定させることができる。
【００６０】
（２）本実施形態では、水導入管６２の開口部６８が、障壁９３の側壁９５に向かって開口している。このため、水導入管６２から水導入室９２に導入された水蒸気の流速は、側壁９５に衝突することによって低下する。よって、燃料ガス導入室９１に導入された燃料ガスが、連通孔９７を介して燃料ガス導入室９１に導かれた水蒸気に押されたとしても、燃料ガス導入管６１内に逆流する可能性が小さくなる。その結果、燃料ガスの供給がよりいっそう安定し、混合ガスがより確実に生成されるため、燃料電池２０での発電がよりいっそう安定する。
【００６１】
なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。
【００６２】
上記実施形態の連通部は、障壁９３の天井部９４に１つの連通孔９７を配置することによって構成されていたが、天井部９４に複数の連通孔９７を配置することによって連通部を構成してもよい。なお、連通孔は、スリット状のものに限られる訳ではなく、例えば、円形状、矩形状、三角形状などであってもよい。
【００６３】
上記実施形態の原料混合器５０の構造を変更してもよい。例えば、上記実施形態では、燃料ガス導入管６１が障壁９３の天井部９４の上方に配置されていたが、図６に示されるように、燃料ガス導入管１６１を天井部１９４と略同じ高さに配置した原料混合器１５０に変更してもよい。また、上記実施形態の障壁９３は、天井部９４、側壁９５，９６、側壁部５６，５７及び底壁部５３からなっていたが、図７に示されるように、側壁９６を省略するとともに、天井部２９４の両端及び側壁２９５の両端をそれぞれ側壁部２９６，２９７に接続してなる障壁２９３を備えた原料混合器２５０に変更してもよい。
【００６４】
上記実施形態の原料混合器５０では、水導入管６２の開口部６８が、混合流路５８に沿って混合ガスが流れる方向（即ち、燃料ガス導入管６１の開口部６４が開口する方向）と同じ方向に開口していた。しかし、図８，図１０に示されるように、燃料ガス導入管３６１，５６１が混合流路３５８，５５８に沿って混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びるとともに、水導入管３６２，５６２が混合流路３５８，５５８に沿って混合ガスが流れる方向と直交する方向に延びる原料混合器３５０，５５０であってもよい。また図１１に示されるように、水導入管６６２の開口部６６８が、混合流路６５８に沿って混合ガスが流れる方向（即ち、燃料ガス導入管６６１の開口部６６４が開口する方向）とは反対方向に開口する原料混合器６５０であってもよい。
【００６５】
上記実施形態の原料混合器５０では、水導入管６２が加熱部８０から離間していた。しかし、図９〜図１１に示されるように、水導入管４６２，５６２，６６２が加熱部４８０，５８０，６８０に熱伝導可能に接触した原料混合器４５０，５５０，６５０であってもよい。
【００６６】
上記実施形態の原料混合器５０では、一直線に延びる水導入管６２の全体が加熱部８０から離間していた。しかし、図９〜図１１に示されるように、水導入管４６２，５６２，６６２の第１管部４６５，５６５，６６５が加熱部４８０，５８０，６８０から離間する一方、水導入管４６２，５６２，６６２の第２管部４６６，５６６，６６６が加熱部４８０，５８０，６８０に接触する原料混合器４５０，５５０，６５０であってもよい。
【００６７】
なお、図９〜図１１に示されるように、加熱部４８０，５８０，６８０に接触する第２管部４６６，５６６，６６６の長さは、加熱部４８０，５８０，６８０から離間する第１管部４６５，５６５，６６５の長さよりも短いことが好ましい。このようにすれば、水導入管４６２，５６２，６６２と加熱部４８０，５８０，６８０との接触面積が小さくなり、水導入管４６２，５６２，６６２と加熱部４８０，５８０，６８０との接触部分が開口部４６８，５６８，６６８の近傍に位置するようになる。その結果、水導入管４６２，５６２，６６２内を水が流れたとしても、水導入管４６２，５６２，６６２内での水の気化は混合流路４５８，５５８，６５８に導入される直前まで抑えられるようになる。よって、水導入管４６２，５６２，６６２内において気化されない微量の不純物の蓄積が防止されることにより、水の供給が安定するようになるため、燃料電池用原料供給装置の信頼性が向上する。
【００６８】
上記実施形態では、図柄表示装置６１の内端面（先端面）に開口部６４が設けられていたが、燃料ガス導入管６１の内端部外周面などの異なる位置に開口部が設けられていてもよい。同様に、上記実施形態では、水導入管６２の内端面（先端面に開口部６８が設けられていたが、水導入管６２の内端部外周面などの異なる位置に開口部が設けられていてもよい。
【００６９】
上記実施形態の加熱部８０は、燃料電池２０での発電反応によって加熱されて燃料電池２０から排出された排ガスを用いて、第１ケーシング５１の水導入室９２内の水を加熱して気化させるものであった。しかし、加熱部は、滞留熱や輻射熱によって水導入室９２内の水を加熱するバーナーや電熱ヒーターなどであってもよいし、燃料電池２０自身などであってもよい。
【００７０】
上記実施形態では、燃料電池スタック２１に酸化剤ガス予熱層２３及びオフガス燃焼層２４が積層されていたが、酸化剤ガス予熱層２３及びオフガス燃焼層２４は省略されていてもよい。
【００７１】
上記実施形態では、気体状の第１原料である燃料ガス（メタンやプロパン等の炭化水素ガス）と、液体状の第２原料である水を気化した水蒸気とを混合して混合ガスを生成し、生成した混合ガスを改質層２２の触媒（ルテニウムやニッケル等）に接触させることによって水素を得る水蒸気改質法が用いられていた。その代わりに、例えば、気体状の第１原料である空気と、液体状の第２原料であるメタノールを気化したものとを混合して混合ガスを生成し、生成した混合ガスを白金等の触媒に接触させることによって水素を得る部分酸化改質法を用いてもよい。このような部分酸化改質法であれば、第１原料として大気中に存在する空気を用いれば済むため、燃料電池システム１の構成を簡略化することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池用原料供給装置
２０…燃料電池
２１…燃料電池スタック
２２…改質器としての改質層
３０…排ガス熱交換装置
５０，１５０，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０…原料混合器
５１…ケーシングとしての第１ケーシング
５８，３５８，４５８，５５８，６５８…混合流路
６１，１６１，３６１，５６１，６６１…第１原料導入管としての燃料ガス導入管
６２，３６２，４６２，５６２，６６２…第２原料導入管としての水導入管
６３…導出管
６４，６６４…第１原料導入管の開口部
６８，４６８，５６８，６６８…第２原料導入管の開口部
８０，４８０，５８０，６８０…加熱部
８１…排ガス流路構造体
９１…第１原料導入室としての燃料ガス導入室
９２…第２原料導入室としての水導入室
９３，２９３…障壁
９４…板状部材としての天井部
９７…連通部としての連通孔
４６５，５６５，６６５…第１管部
４６６，５６６，６６６…第２管部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する原料混合器を備えた燃料電池用原料供給装置、及び、燃料電池用原料供給装置を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発電装置の一種である燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料ガスに接する燃料電極層と酸化剤ガスに接する空気電極層とが固体電解質層の両側に配置された発電セルを備えている。なお、燃料ガスは水素を生成するためのものであり、酸化剤ガスは酸素を生成するためのものである。そして、水素と酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気電極層を正極、燃料電極層を負極とする直流の電力が発生するようになっている。
【０００３】
また、燃料電池では、都市ガスや天然ガスなどの炭化水素ガスが燃料ガスとして用いられているため、既存のインフラを利用した燃料ガスの輸送や貯蔵が容易であるという利点がある。ここで、炭化水素ガスから水素を得る改質方法としては、水蒸気改質法が知られている。水蒸気改質法とは、炭化水素ガスと水蒸気とを混合して混合ガスを生成し、混合ガスを高温で改質させることにより、水素と二酸化炭素とを得る方法である。なお、混合ガスの生成には原料混合器が用いられている（例えば特許文献１参照）。原料混合器は、水を気化させることによって水蒸気を得るとともに、得られた水蒸気を炭化水素ガスと混合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８８７２号公報（図２等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の従来技術では、原料混合器（蒸発混合器１３０）を構成するケーシングに、気体状の原料である燃料ガスをケーシング内に導入する燃料導入管（燃料ガス供給管１３２）と、液体状の原料である水をケーシング内に導入する液体導入管（水供給管１３４）とが設けられている。なお、燃料導入管の開口部は、障壁（キャップ状部材２１６）によって覆われている。また、原料混合器は外部から加熱されているため、液体導入管を介してケーシング内に導入された水は、ケーシングによって加熱されて気化され、水蒸気となる。
【０００６】
ところが、水が気化して水蒸気になるときには体積が膨張するため、水蒸気に押されて燃料ガスが燃料導入管内に逆流する可能性がある。この場合、燃料ガスの供給が不安定になるため、十分な水素を得られなくなり、燃料電池での発電が不安定になるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、原料の逆流を防止して原料の供給を安定させることにより、燃料電池での発電を安定させることができる燃料電池用原料供給装置を提供することにある。また、第２の目的は、上記の燃料電池用原料供給装置を備えた好適な燃料電池システム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の手段（手段１）としては、包囲されて形成された内部領域に混合流路が形成されたケーシングと、気体状の第１原料を前記ケーシング内の前記混合流路に導入する第１原料導入管と、液体状の第２原料を前記ケーシング内の前記混合流路に導入する第２原料導入管と、前記混合流路内の前記第２原料を加熱して気化させる加熱部と、前記混合流路から前記第１原料及び前記第２原料を前記ケーシング外に導出する導出管とを有し、前記混合流路において前記第１原料及び前記加熱部によって気化された前記第２原料を混合して燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する原料混合器を備える燃料電池用原料供給装置であって、前記第１原料導入管の内端側及び前記第２原料導入管の内端側は、それぞれ前記混合流路に開口する開口部を有しており、前記ケーシングは、該ケーシングの内部領域を前記第１原料導入管の内端が配置される第１原料導入室と前記第２原料導入管の内端が配置される第２原料導入室とに区画する障壁を備え、前記障壁に、前記第１原料導入室と前記第２原料導入室とを連通させる連通部が形成され、前記混合ガスが前記混合流路に沿って前記導出管側に流れる方向を基準として、前記連通部が、前記第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されることを特徴とする燃料電池用原料供給装置がある。
【０００９】
手段１に記載の発明によると、混合ガスが混合流路に沿って導出管側に流れる方向を基準として、連通部が第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されている。このため、第２原料導入室に導入された液体状の第２原料が加熱部によって気化されて膨張したとしても、第１原料導入室に導入された第１原料が、連通部を介して第１原料導入室に導かれた第２原料に押されて第１原料導入管内に逆流することを回避できる。その結果、第１原料の供給が安定するため、第１原料と第２原料とを混合して混合ガスを安定して生成することができる。しかも、連通部が第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されるため、連通部を通過して第１原料導入室に導かれた第２原料の進行方向が、混合ガスが流れる方向と同一になる。その結果、混合ガスが第２原料に押されて導出管側に流れるようになるため、燃料電池への混合ガスの供給が安定するようになる。以上のことから、燃料電池での発電を安定させることができる。
【００１０】
なお、燃料電池用原料供給装置が備える原料混合器は、気体状の第１原料をケーシング内の混合流路に導入する第１原料導入管と、液体状の第２原料をケーシング内の混合流路に導入する第２原料導入管とを有する。ここで、気体状の第１原料としては、例えば、炭化水素ガス、不活性ガス、水蒸気などが挙げられる。第１原料として炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。また、第１原料として不活性ガスを選択した場合、不活性ガスの種類は特に限定されないが、例えば、窒素、アルゴン等であることが好ましい。なお、１種類の第１原料のみを用いてもよく、複数種類の第１原料を併用してもよい。また、第２原料と同じ原料を気化したものを第１原料として用いてもよく、複数種類の第２原料を気化したものを用いることもできる。
【００１１】
一方、液体状の第２原料としては、例えば、液状炭化水素、液状アルコール、水などが挙げられる。第２原料として液状炭化水素を選択した場合、液状炭化水素の種類は特に限定されないが、例えば、ヘキサン、１−ヘキセン、シクロヘキサン、シクロヘキセン、ベンゼン等であることが好ましい。また、第２原料として液状アルコールを選択した場合、液状アルコールの種類は特に限定されないが、例えば、エチルアルコール（エタノール）、メチルアルコール（メタノール）、プロピルアルコール等であることが好ましい。なお、第２原料は水であるとともに、第１原料は炭化水素ガスであることが好ましい。
【００１２】
また、第１原料導入管の内端側及び第２原料導入管の内端側は、それぞれ混合流路に開口する開口部を有している。ここで、「内端側」とは、第１，第２原料導入管の内端の「端面」の他に、端面の付近の部位（端部）を含んでいる。なお、第２原料導入管の開口部は、混合流路に沿って導出管側に向けて混合ガスが流れる方向とは反対方向に開口していてもよい。このようにすれば、第１原料導入管の開口部と第２原料導入管の開口部との距離が大きくなるため、第２原料導入室に導入された第２原料が気化されて膨張したとしても、膨張した第２原料は第１原料導入管の開口部に到達しにくくなる。その結果、第１原料が連通部を通過した第２原料に押されて第１原料導入管内に逆流する可能性が小さくなる。よって、第１原料の供給がよりいっそう安定し、混合ガスがより確実に生成されるため、燃料電池での発電がよりいっそう安定する。なお、第２原料導入管の開口部は、第１原料導入管の開口部と同じ方向に開口していてもよい。このようにした場合、第２原料導入管を第１原料導入管と同じ形状に形成できるため、原料混合器の構造を簡略化することができる。
【００１３】
また、第１原料導入管が混合流路に沿って導出管に向けて混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びるとともに、第２原料導入管が混合流路に沿って導出管に向けて混合ガスが流れる方向と直交する方向に延びていてもよい。このようにすれば、第１原料導入管を流れてきた第１原料が第２原料に押されたとしても、第１原料が第１原料導入管内に逆流しにくくなる。その結果、第１原料の供給がよりいっそう安定し、混合ガスがより確実に生成されるため、安定した燃料改質が可能となり、燃料電池での発電がよりいっそう安定する。
【００１４】
しかも、第２原料導入管は加熱部に熱伝導可能に接触していることが好ましい。このようにすれば、加熱部の熱が第２原料導入管内を流れる第２原料に伝わりやすくなる。よって、第２原料が確実に加熱されるため、第２原料を安定的に気化させることができる。さらに、第２原料導入管が、ケーシングの内壁から第２原料導入室に延びる第１管部と、第１管部の先端側に位置し、開口部を有する第２管部とを備える場合、第１管部が加熱部から離間する一方、第２管部が加熱部に熱伝導可能に接触していることが好ましい。このようにした場合、第２原料導入管と加熱部との接触面積が小さくなるため、第２原料導入管内での第２原料の気化が最小限に抑えられる。その結果、気化されない微量の不純物が第２原料導入管内に蓄積することに起因した第２原料導入管の閉塞が防止されるため、第２原料の供給が安定し、燃料電池用原料供給装置の信頼性が向上する。
【００１５】
また、加熱部は、ケーシングに熱伝導可能に接触して配置され、燃料電池での発電反応によって加熱されて燃料電池から排出された排ガスが流れる排ガス流路構造体を備え、液体状の第２原料が、排ガス流路構造体に導入した排ガスとの間で熱交換を行うことにより、加熱されて気化されることが好ましい。このようにした場合、排ガス流路構造体を流れる排ガスの熱が第２原料の気化に用いられるため、燃料電池用原料供給装置全体の効率を向上させることができる。さらに、排ガス流路構造体内の排ガスと第２管部内の第２原料とが同じ方向に流れるとともに、排ガス流路構造体内の排ガスと第２管部内の第２原料との間で熱交換が行われることが好ましい。このようにした場合、第２管部の内端は、排ガス流路構造体の下流部分に接触するようになる。なお、排ガス流路構造体の下流部分を流れる排ガスの温度は、上流部分を流れる排ガスの温度よりも低い。よって、第２管部の内端は、排ガスの温度が相対的に低い部分に接触するため、第２原料が第２原料導入管の内端からケーシング内に導入された際に、第２原料が急激に気化する可能性を小さくすることができる。
【００１６】
また、連通部は、板状部材に複数の連通孔を配置することによって構成されることが好ましい。このようにすれば、第２原料導入管から第２原料導入室に導入された第２原料が、複数の連通部を通過することによって第１原料と混合しやすくなるため、混合ガスの生成効率が向上する。なお、板状部材において連通孔の開口面積は、第２原料導入管の内部流路断面積以上であることが好ましい。仮に、連通孔の開口面積が第２原料導入管の内部流路断面積未満になると、第２原料導入室に導入された第２原料が連通孔を通過しにくくなるため、混合ガスの生成効率が低下してしまう。さらに、連通部は、第１原料導入管側を向いていることが好ましい。即ち、連通部は、障壁において第１原料導入管と第２原料導入室との間に位置する部分に配置されることが好ましい。このようにすれば、連通部を通過した第２原料が第１原料導入管の開口部付近に到達して第１原料と混合されやすくなるため、混合ガスの生成効率がよりいっそう向上する。
【００１７】
なお、燃料電池用原料供給装置は、原料混合器から供給された混合ガスを改質することによって水素を生成し、生成した水素を燃料電池に供給する改質器をさらに備えることが好ましい。このようにすれば、既存の第１原料及び第２原料を混合して得られた混合ガスを用いて、燃料電池の発電反応に必要な水素を得ることができる。
【００１８】
なお、上記手段１において、前記ケーシングを構成する複数の壁部の少なくとも１つが、前記ケーシングの内部領域と前記ケーシングに隣接する前記加熱部とを区画する区画壁である場合には、前記区画壁によって少なくとも前記第２原料導入室を構成することができる。
【００１９】
さらに、複数の壁部の少なくとも１つが区画壁である場合には、前記ケーシングの高さ方向の長さを、前記ケーシングの横方向の長さよりも短く設定し、前記ケーシングの下側に、前記加熱部を前記区画壁を介して配置することもできる。
【００２０】
また、前記第２原料導入管が、前記ケーシングの内壁から前記第２原料導入室に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に位置し、前記開口部を有する第２管部とを備える場合、前記第２管部の長さを、前記第１管部の長さよりも短くすることができる。
【００２１】
上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、上記手段１に記載の燃料電池用原料供給装置と、前記燃料電池を構成し、電解質層と、前記電解質層の両側に配置される燃料電極層及び空気電極層とを有する発電セルを備え、前記発電セルでの発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、熱交換媒体と、前記燃料電池での発電反応後に前記燃料電池から排出された前記排ガスとの間で熱交換を行う排ガス熱交換装置とを備えたことを特徴とする燃料電池システムがある。
【００２２】
手段２に記載の発明によると、燃料電池用原料供給装置が備える原料混合器では、混合ガスが混合流路に沿って導出管側に流れる方向を基準として、連通部が第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されている。このため、第２原料導入室に導入された液体状の第２原料が加熱部によって気化されて膨張したとしても、第１原料導入室に導入された第１原料が、連通部を介して第１原料導入室に導かれた第２原料に押されて第１原料導入管内に逆流することを回避できる。その結果、第１原料の供給が安定するため、第１原料と第２原料とを混合して混合ガスを安定して生成することができる。しかも、連通部が第１原料導入管の開口部よりも後方に配置されるため、連通部を通過して第１原料導入室に導かれた第２原料の進行方向が、混合ガスが流れる方向と同一になる。その結果、混合ガスが第２原料に押されて導出管側に流れるようになるため、燃料電池への混合ガスの供給が安定するようになる。以上のことから、燃料電池での発電を安定させることができる。従って、信頼性が高い燃料電池用原料供給装置を備えた好適な燃料電池システムを提供することができる。
【００２３】
ここで、燃料電池としては、例えば、ＺｒＯ２系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池が挙げられる。なお、燃料電池の稼動温度（即ち、イオンが電解質中を移動可能となる温度）は、燃料電池の種類ごとに異なっている。具体的に言うと、ＳＯＦＣの稼動温度は７００℃〜１０００℃程度、ＰＥＦＣの稼動温度は常温〜９０℃程度、ＭＣＦＣの稼動温度は６５０℃〜７００℃程度、ＰＡＦＣの稼動温度は１５０℃〜２００℃程度である。
【００２４】
また、燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは発電セルを備えている。燃料電池がＳＯＦＣである場合、発電セルを構成する電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばＺｒＯ２系セラミック、ＬａＧａＯ３系セラミック、ＢａＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＺｒＯ３系セラミック、ＣａＺｒＯ３系セラミックなどがある。
【００２５】
さらに、発電セルを構成する燃料電極層は、発電セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料電極層の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。
【００２６】
発電セルを構成する空気電極層は、発電セルにおける正電極として機能する。ここで、空気電極層の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物、Ｐｒ１−ｘＢａｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｓｍ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物）などがある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図２】燃料電池システムの燃料電池を示す概略斜視図。
【図３】燃料電池システムの燃料電池を示す概略背面図。
【図４】原料混合器を示す概略断面図。
【図５】原料混合器を示す概略断面図。
【図６】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図７】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図８】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図９】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図１０】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【図１１】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を燃料電池システム１に具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２９】
図１に示されるように、燃料電池システム１は、燃料電池用原料供給装置１０、燃料電池２０及び排ガス熱交換装置３０を備えている。燃料電池２０を構成する燃料電池スタック２１には、燃料電池スタック２１に混合ガスを供給する混合ガス供給流路１０１が接続されている。なお、本実施形態の混合ガスは、燃料電池２０の発電反応に利用されるものである。混合ガスは、気体状の第１原料である燃料ガス（本実施形態では、メタンやプロパン等の炭化水素ガス）と、液体状の第２原料である水を気化した水蒸気とを混合することにより生成されるようになっている。また、混合ガス供給流路１０１は、燃料電池スタック２１に設けられた改質層２２（改質器）を介して、燃料電池スタック２１の燃料供給経路（図示略）に連通している。改質層２２は、改質用の触媒（例えばルテニウム、あるいはニッケル）を用いて混合ガスを水蒸気改質させることにより、水素を得るためのものである。
【００３０】
また図１に示されるように、混合ガス供給流路１０１は、上流側において、燃料ガス供給管１０２及び水供給管１０３に分岐している。燃料ガス供給管１０２上には、電磁弁１０４及び燃料ポンプ１０５が設置されている。電磁弁１０４は、燃料ガス供給管１０２を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。電磁弁１０４は、開状態に切り替えられた際に、燃料ガスを下流側に供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の電磁弁１０４は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。燃料ポンプ１０５は、電磁弁１０４の下流側に配置されており、上流側から供給されてきた燃料ガスを燃料電池スタック２１側に供給するようになっている。一方、水供給管１０３上には、水タンク１０６及び水ポンプ１０７が設置されている。水タンク１０６は、水を貯留するためのものである。水ポンプ１０７は、水タンク１０６の下流側に配置されており、水タンク１０６内の水を燃料電池スタック２１側に供給するようになっている。
【００３１】
図１に示されるように、燃料電池スタック２１には、燃料電池スタック２１に空気を供給する空気供給流路１１１が接続されている。空気供給流路１１１は、燃料電池スタック２１の空気供給経路（図示略）に連通している。また、空気供給流路１１１上には、空気ポンプ１１２及び熱交換器１１３が設置されている。空気ポンプ１１２は、外部から取り入れた空気を熱交換器１１３に供給するようになっている。熱交換器１１３は、燃料電池スタック２１での発電反応時に燃料電池スタック２１から発生する熱によって、空気ポンプ１１２から供給された空気（酸化剤ガス）の温度を上昇させる機能（予熱を行う機能）を有している。そして、熱交換器１１３は、加熱された空気を燃料電池スタック２１に供給するようになっている。なお、発電後の使用済みガスなどの排ガスは、排出流路１１４を介して燃料電池スタック２１から排ガス熱交換装置３０に排出される。
【００３２】
図１に示されるように、燃料電池２０を構成する起動用バーナー４０には、起動用バーナー４０に空気及び着火用ガスを供給するガス供給流路１２１が接続されている。ガス供給流路１２１は、上流側において、空気供給管１２２及び着火用ガス供給管１２３に分岐している。空気供給管１２２上には、空気ブロワ１２４が設置されている。空気ブロワ１２４は、外部から取り入れた空気を起動用バーナー４０に供給するようになっている。一方、着火用ガス供給管１２３上には、電磁弁１２５が設置されている。電磁弁１２５は、着火用ガス供給管１２３を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。電磁弁１２５は、開状態に切り替えられた際に、下流側に着火用ガスを供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の電磁弁１２５は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。
【００３３】
そして図１に示されるように、空気供給管１２２と着火用ガス供給管１２３との接続部分には、比例弁１２６が設置されている。比例弁１２６は、空気供給管１２２から起動用バーナー４０に供給される空気の量と、着火用ガス供給管１２３から起動用バーナー４０に供給される着火用ガスの量との割合（空燃比）を調整するようになっている。なお、起動用バーナー４０に送り込まれた空気及び着火用ガスは、図示しない着火源によって着火され、断熱容器１２７内を加熱するようになっている。
【００３４】
なお、本実施形態の燃料電池２０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池２０は、発電反応により電力を発生する燃料電池スタック２１を備えている。また、燃料電池２０は、熱交換器１１３、起動用バーナー４０及び原料混合器５０等を備えている。なお、燃料電池２０の稼動温度は高温（本実施形態では６００℃〜１０００℃）であるため、燃料電池スタック２１、熱交換器１１３、起動用バーナー４０及び原料混合器５０は、断熱容器１２７内に収容されて保護されている。
【００３５】
図１〜図３に示されるように、起動用バーナー４０は、略平板状をなし、燃料電池スタック２１を下方から支持するようになっている。また、起動用バーナー４０は、原料混合器５０の側面に近接して配置されている。起動用バーナー４０は、燃料電池スタック２１を稼動温度（例えば７００℃）まで加熱するとともに、原料混合器５０内を流れる水を加熱して気化させるようになっている。
【００３６】
また、燃料電池スタック２１は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなしている。さらに、燃料電池スタック２１の上面上には、熱交換器１１３によって加熱された空気（酸化剤ガス）をさらに加熱する酸化剤ガス予熱層２３（図１参照）が積層されている。また、燃料電池スタック２１の下面上には、排ガスの完全燃焼を促すためのオフガス燃焼層２４（図１参照）が積層されている。そして、オフガス燃焼層２４の下面上には、上記した改質層２２が積層されている。なお、燃料電池スタック２１は、発電の最小単位である略矩形状の発電セル（図示略）を複数積層してなるものである。発電セルは、セパレータ、空気電極層、電解質層及び燃料電極層などを積層することによって構成されている。
【００３７】
セパレータは、ステンレスなどの導電性材料によって矩形状に形成されており、中央部に矩形状の開口部を有している。また、電解質層は、例えばＺｒＯ２などのセラミック材料（酸化物）によって矩形状に形成されている。電解質層は、セパレータの下面に固定されるとともに、セパレータの開口部を塞ぐように配置されている。電解質層は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、電解質層の上面には、燃料電池スタック２１に供給された空気に接する空気電極層が貼付され、電解質の下面には、同じく燃料電池スタック２１に供給された燃料ガスに接する燃料電極層が貼付されている。即ち、空気電極層及び燃料電極層は、電解質層の両側に配置されている。また、空気電極層は、セパレータの開口部内に配置され、セパレータと接触しないようになっている。さらに、空気電極層は、金属の複合酸化物によって矩形板状に形成され、燃料電極層は、金属材料とセラミック材料との混合物（本実施形態ではサーメット）によって同じく矩形板状に形成されている。
【００３８】
なお、本実施形態の発電セルでは、セパレータの下方に燃料室が形成されるとともに、セパレータの上方に空気室が形成されるようになっている。また、燃料電池スタック２１は、各発電セルの燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給経路（図示略）と、燃料室から燃料ガスを排出する燃料排出経路（図示略）とを備えている。よって、燃料ガスは、燃料供給経路を通過して燃料室に供給され、燃料排出経路を通過して燃料室から排出される。さらに、燃料電池スタック２１は、各発電セルの空気室に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室から空気を排出する空気排出経路（図示略）とを備えている。よって、空気は、空気供給経路を通過して空気室に供給され、空気排出経路を通過して空気室から排出される。
【００３９】
例えば、断熱容器１２７内を稼動温度に加熱した状態で、燃料供給経路から燃料室に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室に空気を導入する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが電解質層を介して反応（発電反応）し、空気電極層を正極、燃料電極層を負極とする直流の電力が発生する。
【００４０】
図１に示されるように、原料混合器５０は、燃料ガス供給管１０２と水供給管１０３との接続部分に設置されている。図２〜図５に示されるように、原料混合器５０は、耐熱性に優れたステンレスなどの金属材料によって形成され、第１ケーシング５１と第２ケーシング７１とによって構成されている。第１ケーシング５１は、天井壁部５２、底壁部５３、及び、４つの側壁部５４，５５，５６，５７といった複数の壁部により、略直方体状に形成されている。なお、第１ケーシング５１の高さ方向の長さ（即ち、側壁部５４〜５７の高さ）は、第１ケーシング５１の縦方向の長さ（即ち、側壁部５５，５７の幅）とほぼ等しく設定されるとともに、第１ケーシング５１の横方向の長さ（即ち、側壁部５４，５６の幅）よりも短く設定されている。また、天井壁部５２の一部は、第１ケーシング５１の内部領域と第２ケーシング７１の内部領域とを区画する区画壁である。即ち、天井壁部５２は、第１ケーシング５１の上側に隣接する第２ケーシング７１の底部を兼ねている。さらに、第１ケーシング５１は、包囲されて形成された内部領域に混合流路５８を有している。
【００４１】
なお、図４は、第１ケーシング５１を上下方向（図２は下方向）に見たときの断面を示している。また、図５は、第１ケーシング５１及び排ガス流路構造体８１を図２における横方向に見たときの断面を示している。図４，図５に示されるように、第１ケーシング５１は、該第１ケーシング５１の内部領域を燃料ガス導入室９１（第１原料導入室）及び水導入室９２（第２原料導入室）に区画する障壁９３を内部に備えている。本実施形態の障壁９３は、耐熱性に優れたステンレスなどの金属材料によって箱状に形成されており、天井部９４、２つの側壁９５，９６、第１ケーシング５１の２つの側壁部５６，５７、及び、第１ケーシング５１の底壁部５３からなっている。天井部９４は、天井壁部５２及び底壁部５３と平行に配置されており、底壁部５３から天井部９４までの高さが、底壁部５３から天井壁部５２までの高さの２分の１程度となっている。側壁９５は、側壁部５７と平行に配置されており、側壁部５７から側壁９５までの距離が、側壁部５７から側壁部５５までの距離の５分の１程度となっている。側壁９６は、側壁部５６と平行に配置されており、側壁部５６から側壁９６までの距離が、側壁部５６から側壁部５４までの距離の２分の１程度となっている。
【００４２】
図４，図５に示されるように、天井部９４（板状部材）には、水導入室９２と燃料ガス導入室９１とを連通させるスリット状の連通孔９７（連通部）が形成されている。連通孔９７は、天井部９４において側壁部５７との接続部分の近傍に配置されている。なお、連通孔９７の長さは、側壁部５６の内面と側壁９６の内面との距離と等しくなっている。連通孔９７の幅は、天井部９４の長手方向の長さの７分の１程度となっている。また、天井部９４において連通孔９７が占める割合は、本実施形態では１０％程度に設定されている。
【００４３】
さらに、第１ケーシング５１には、第１ケーシング５１の内部領域と外部領域との間を連通する燃料ガス導入管６１（第１原料導入管）及び水導入管６２（第２原料導入管）が設けられている。なお、第１ケーシング５１では、燃料ガスが燃料ガス導入管６１を介して混合流路５８に導入され、水が水導入管６２を介して混合流路５８に導入されるようになっている。
【００４４】
詳述すると、燃料ガス導入管６１の外端は、燃料ガス供給管１０２に連通している。また、燃料ガス導入管６１は、４つの側壁部５４〜５７のうち１つの側壁部５７を貫通し、第１ケーシング５１の横方向に沿って延びている。換言すると、燃料ガス導入管６１は、混合流路５８に沿って導出管６３に向けて混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びている。さらに、燃料ガス導入管６１は、障壁９３の天井部９４の上方に配置されている（図５参照）。よって、天井部９４に設けられた連通孔９７は、燃料ガス導入管６１側に向けて開口するようになっている。そして、燃料ガス導入管６１の内端は、第１ケーシング５１内に突出して燃料ガス導入室９１に配置されており、混合流路５８に開口する開口部６４を内端面に有している。なお本実施形態では、混合ガスが混合流路５８に沿って導出管６３（図２，図３参照）側に流れる方向を基準として、連通孔９７が、燃料ガス導入管６１の開口部６４の後方に配置されている。また、燃料ガス導入管６１において第１ケーシング５１内に突出する部分の長さは、水導入管６２において第１ケーシング５１内に突出する部分の長さの５倍程度に設定されている（図４，図５参照）。さらに、燃料ガス導入管６１は、第１ケーシング５１の高さの５分の１〜４分の３程度となる位置において、第１ケーシング５１の横方向に沿って延びている（図５参照）。
【００４５】
図４，図５に示されるように、水導入管６２の外端は、水供給管１０３に連通している。なお、水導入管６２の断面積は、燃料ガス導入管６１の断面積と等しくなっている。また、水導入管６２は、４つの側壁部５４〜５７のうち１つの側壁部５７を貫通し、第１ケーシング５１の横方向に沿って延びている。換言すると、水導入管６２は、混合流路５８に沿って導出管６３に向けて混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びている。なお本実施形態では、水導入管６２において第１ケーシング５１内に突出する部分の長さが、燃料ガス導入管６１において第１ケーシング５１内に突出する部分の長さの３分の１程度に設定されている。また、水導入管６２は、第１ケーシング５１の４分の１程度となる高さに位置している。従って、水導入管６２は、第１ケーシング５１の底壁部５３から離間した状態に配置されている。
【００４６】
そして、図４，図５に示されるように、水導入管６２の内端は、第１ケーシング５１内に突出して水導入室９２に配置されており、混合流路５８に開口する開口部６８を内端面に有している。換言すると、開口部６８は、混合流路５８に沿って導出管６３側に向けて混合ガスが流れる方向と同じ方向に開口している。また、開口部６８は、障壁９３の側壁９５に向かって開口している。従って、水導入管６２は、混合流路５８の上流側から下流側に向けて水を噴出するようになっている。また、開口部６８は、混合ガスが混合流路５８に沿って導出管６３側に流れる方向を基準として、燃料ガス導入管６１の開口部６４よりも後方に配置されている。
【００４７】
図２，図３に示されるように、第２ケーシング７１は、第１ケーシング５１の上側に位置している。第２ケーシング７１は、天井部７２、４つの側壁７３，７４，７５，７６、及び、第１ケーシング５１の天井壁部５２によって略直方体状に形成されている。なお、第２ケーシング７１の高さ方向の長さ（即ち、側壁７３〜７６の高さ）は、第２ケーシング７１の横方向の長さ（即ち、側壁７３〜７６の幅）よりも長くなっている。そして、側壁７３，７５の幅は、側壁７４，７６の幅よりもかなり大きくなっている。
【００４８】
また、第２ケーシング７１は、燃料電池スタック２１での発電反応時に燃料電池スタック２１から発生する熱によって、燃料電池スタック２１への供給前に混合ガスの温度を上昇させる熱交換器としての機能（予熱を行う機能）を有している。そして、第２ケーシング７１は、加熱された混合ガスを燃料電池スタック２１に供給するようになっている。なお、本実施形態の第２ケーシング７１は、包囲されて形成された内部領域に導出流路７７を有している。また、第２ケーシング７１は、同第２ケーシング７１の内部領域を区画する３枚の仕切板７８を内部に備えている。具体的に言うと、各仕切板７８は、第２ケーシング７１において互いに異なる高さに位置している。また、各仕切板７８は、帯状をなし、一方の端部と側壁７４，７６との間に生じる空間が連通部７９となっている。本実施形態では、最上層及び最下層の仕切板７８と側壁７６との間に生じる空間が連通部７９となり、中間層の仕切板７８と側壁７４との間に生じる空間が連通部７９となる。
【００４９】
図２，図３に示されるように、第２ケーシング７１には、第２ケーシング７１の内部領域と外部領域との間を連通する導出管６３が設けられている。なお、第２ケーシング７１では、混合ガスが第１ケーシング５１の天井壁部５２に設けられた連通孔５９（図２参照）を介して導出流路７７に導入され、導入された混合ガスが導出管６３を介して第２ケーシング７１外に導出されるようになっている。そして、導出管６３の内端側は、４つの側壁７３〜７６のうち１つの側壁７５を貫通し、導出流路７７、具体的には、最上層の仕切板７８の上側領域にて開口する開口部（図示略）を内端面に有している。また、導出管６３は、導出流路７７を流れてきた混合ガスの進行方向を下方に変更させる方向に延びている。そして、導出管６３の外端は、混合ガス供給流路１０１を介して燃料電池スタック２１の改質層２２に連結されている。
【００５０】
図５に示されるように、原料混合器５０は、第１ケーシング５１の混合流路５８内の水を加熱して気化させる加熱部８０を備えている。加熱部８０は、燃料電池２０での発電反応によって加熱されて燃料電池２０から排出された排ガスが流れる排ガス流路構造体８１を備えている。排ガス流路構造体８１は、耐熱性に優れたステンレスなどの金属材料によって形成されている。排ガス流路構造体８１は、底部８２、第１ケーシング５１の底壁部５３、及び、第１ケーシング５１の側壁部５４〜５７によって略直方体状に形成されている。なお、排ガス流路構造体８１の上流側端部（側壁部５５の端部）は、排出流路１１４に連通している。また、底壁部５３は、第１ケーシング５１の内部領域と排ガス流路構造体８１とを区画する区画壁である。即ち、底壁部５３は、第１ケーシング５１に隣接する排ガス流路構造体８１の天井部を兼ねている。
【００５１】
また図５に示されるように、排ガス流路構造体８１は、第１ケーシング５１に熱伝導可能に接触している。さらに、加熱部８０は、排ガス流路構造体８１に導入した排ガスと水導入管６２内を流れる水との間で熱交換を行う熱交換器としての機能を有している。具体的に言うと、水導入管６２内を流れる水には、排ガス流路構造体８１内を流れる排ガスの熱が伝達（吸熱）されるようになっている。その結果、水導入管６２を流れる水が加熱されて気化される。
【００５２】
また、排ガス流路構造体８１は、同排ガス流路構造体８１の内部領域を上流側領域Ａ１及び下流側領域Ａ２に区画するパンチングメタル８３を内部に備えている。パンチングメタル８３は、耐熱性に優れたステンレスなどの金属材料によって平面視略矩形状に形成され、円形状をなす複数の貫通孔を有している。
【００５３】
図５に示されるように、排ガス流路構造体８１には、４つの側壁部５４〜５７のうち１つの側壁部５７を貫通し、横方向に沿って延びる排ガス排出管８４が設けられている。排ガス排出管８４は、排ガスが流れる流路であり、内端が排ガス流路構造体８１の下流側領域Ａ２内に突出している。なお、排ガス流路構造体８１内及び排ガス排出管８４内を流れる排ガスは、水導入管６２内を流れる水とは逆方向に流れるようになっている。さらに、排ガス流路構造体８１内の排ガス及び第１ケーシング５１内の燃料ガスは、互いに逆方向に流れるようになっている。また、排ガスは、排ガス流路構造体８１内において２５０℃〜４００℃に冷却された後、排ガス排出管８４の下流側端部から排ガス熱交換装置３０に導かれる。
【００５４】
図１に示されるように、排ガス熱交換装置３０は、加熱部８０から排ガス排出管８４を介して供給された排ガスと熱交換媒体である冷媒（本実施形態では水）との間で熱交換を行う機能を有している。排ガス熱交換装置３０は、排ガス導入部（図示略）及び冷媒流路（図示略）を備えている。排ガス導入部は、排ガスが流れる流路であり、上流側端部が排ガス排出管８４の外端に連通している。一方、冷媒流路は、冷媒が流れる流路であって、冷媒流路内を流れる冷媒には排ガス導入部内を流れる排ガスの熱が伝達（吸熱）されるようになっている。なお、排ガス導入部を流れる排ガスは、３０〜４０℃に冷却された後、排ガス導入部の下流側端部から大気に放出される。
【００５５】
次に、燃料電池用原料供給装置１０を用いて、燃料電池２０の発電反応に利用される混合ガスを生成する方法を説明する。
【００５６】
まず、燃料ガス供給管１０２から供給された燃料ガスが、燃料ガス導入管６１を介して第１ケーシング５１内の燃料ガス導入室９１（混合流路５８）に導入される。また、水供給管１０３から供給された水が、水導入管６２を介して水導入室９２に導入される。なお、水は、水導入管６２の開口部６８付近を通過する際に、排ガス流路構造体８１を流れる排ガスから伝達された熱によって気化され、水蒸気となる。このため、水導入管６２を通過した水は、水蒸気となって水導入室９２に導入され、水導入室９２に導入された水蒸気は、連通孔９７を通過して燃料ガス導入室９１（混合流路５８）に導かれる。
【００５７】
その後、混合流路５８内において燃料ガスと水蒸気とが混合されることにより、混合ガスが生成される。そして、混合ガスは、燃料電池２０の改質層２２に導かれて水素となり、燃料電池２０の発電反応に利用される。
【００５８】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００５９】
（１）本実施形態の燃料電池用原料供給装置１０では、混合ガスが混合流路５８に沿って導出管６３側に流れる方向を基準として、連通孔９７が燃料ガス導入管６１の開口部６４よりも後方に配置されている。このため、水導入室９２に導入された水が加熱部８０によって気化されて膨張し、水蒸気になったとしても、燃料ガス導入室９１に導入された燃料ガスが、連通孔９７を介して燃料ガス導入室９１に導かれた水蒸気に押されて燃料ガス導入管６１内に逆流することを回避できる。その結果、燃料ガスの供給が安定するため、燃料ガスと水蒸気とを混合して混合ガスを安定して生成することができる。しかも、連通孔９７が燃料ガス導入管６１の開口部６４よりも後方に配置されるため、連通孔９７を通過して燃料ガス導入室９１に導かれた水蒸気の進行方向が、混合ガスが流れる方向と同一になる。その結果、混合ガスが水蒸気に押されて導出管６３側に流れるようになるため、改質層２２への混合ガスの供給が安定するようになる。以上のことから、燃料電池２０での発電を安定させることができる。
【００６０】
（２）本実施形態では、水導入管６２の開口部６８が、障壁９３の側壁９５に向かって開口している。このため、水導入管６２から水導入室９２に導入された水蒸気の流速は、側壁９５に衝突することによって低下する。よって、燃料ガス導入室９１に導入された燃料ガスが、連通孔９７を介して燃料ガス導入室９１に導かれた水蒸気に押されたとしても、燃料ガス導入管６１内に逆流する可能性が小さくなる。その結果、燃料ガスの供給がよりいっそう安定し、混合ガスがより確実に生成されるため、燃料電池２０での発電がよりいっそう安定する。
【００６１】
なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。
【００６２】
上記実施形態の連通部は、障壁９３の天井部９４に１つの連通孔９７を配置することによって構成されていたが、天井部９４に複数の連通孔９７を配置することによって連通部を構成してもよい。なお、連通孔は、スリット状のものに限られる訳ではなく、例えば、円形状、矩形状、三角形状などであってもよい。
【００６３】
上記実施形態の原料混合器５０の構造を変更してもよい。例えば、上記実施形態では、燃料ガス導入管６１が障壁９３の天井部９４の上方に配置されていたが、図６に示されるように、燃料ガス導入管１６１を天井部１９４と略同じ高さに配置した原料混合器１５０に変更してもよい。また、上記実施形態の障壁９３は、天井部９４、側壁９５，９６、側壁部５６，５７及び底壁部５３からなっていたが、図７に示されるように、側壁９６を省略するとともに、天井部２９４の両端及び側壁２９５の両端をそれぞれ側壁部２９６，２９７に接続してなる障壁２９３を備えた原料混合器２５０に変更してもよい。
【００６４】
上記実施形態の原料混合器５０では、水導入管６２の開口部６８が、混合流路５８に沿って混合ガスが流れる方向（即ち、燃料ガス導入管６１の開口部６４が開口する方向）と同じ方向に開口していた。しかし、図８，図１０に示されるように、燃料ガス導入管３６１，５６１が混合流路３５８，５５８に沿って混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びるとともに、水導入管３６２，５６２が混合流路３５８，５５８に沿って混合ガスが流れる方向と直交する方向に延びる原料混合器３５０，５５０であってもよい。また図１１に示されるように、水導入管６６２の開口部６６８が、混合流路６５８に沿って混合ガスが流れる方向（即ち、燃料ガス導入管６６１の開口部６６４が開口する方向）とは反対方向に開口する原料混合器６５０であってもよい。
【００６５】
上記実施形態の原料混合器５０では、水導入管６２が加熱部８０から離間していた。しかし、図９〜図１１に示されるように、水導入管４６２，５６２，６６２が加熱部４８０，５８０，６８０に熱伝導可能に接触した原料混合器４５０，５５０，６５０であってもよい。
【００６６】
上記実施形態の原料混合器５０では、一直線に延びる水導入管６２の全体が加熱部８０から離間していた。しかし、図９〜図１１に示されるように、水導入管４６２，５６２，６６２の第１管部４６５，５６５，６６５が加熱部４８０，５８０，６８０から離間する一方、水導入管４６２，５６２，６６２の第２管部４６６，５６６，６６６が加熱部４８０，５８０，６８０に接触する原料混合器４５０，５５０，６５０であってもよい。
【００６７】
なお、図９〜図１１に示されるように、加熱部４８０，５８０，６８０に接触する第２管部４６６，５６６，６６６の長さは、加熱部４８０，５８０，６８０から離間する第１管部４６５，５６５，６６５の長さよりも短いことが好ましい。このようにすれば、水導入管４６２，５６２，６６２と加熱部４８０，５８０，６８０との接触面積が小さくなり、水導入管４６２，５６２，６６２と加熱部４８０，５８０，６８０との接触部分が開口部４６８，５６８，６６８の近傍に位置するようになる。その結果、水導入管４６２，５６２，６６２内を水が流れたとしても、水導入管４６２，５６２，６６２内での水の気化は混合流路４５８，５５８，６５８に導入される直前まで抑えられるようになる。よって、水導入管４６２，５６２，６６２内において気化されない微量の不純物の蓄積が防止されることにより、水の供給が安定するようになるため、燃料電池用原料供給装置の信頼性が向上する。
【００６８】
上記実施形態では、図柄表示装置６１の内端面（先端面）に開口部６４が設けられていたが、燃料ガス導入管６１の内端部外周面などの異なる位置に開口部が設けられていてもよい。同様に、上記実施形態では、水導入管６２の内端面（先端面に開口部６８が設けられていたが、水導入管６２の内端部外周面などの異なる位置に開口部が設けられていてもよい。
【００６９】
上記実施形態の加熱部８０は、燃料電池２０での発電反応によって加熱されて燃料電池２０から排出された排ガスを用いて、第１ケーシング５１の水導入室９２内の水を加熱して気化させるものであった。しかし、加熱部は、滞留熱や輻射熱によって水導入室９２内の水を加熱するバーナーや電熱ヒーターなどであってもよいし、燃料電池２０自身などであってもよい。
【００７０】
上記実施形態では、燃料電池スタック２１に酸化剤ガス予熱層２３及びオフガス燃焼層２４が積層されていたが、酸化剤ガス予熱層２３及びオフガス燃焼層２４は省略されていてもよい。
【００７１】
上記実施形態では、気体状の第１原料である燃料ガス（メタンやプロパン等の炭化水素ガス）と、液体状の第２原料である水を気化した水蒸気とを混合して混合ガスを生成し、生成した混合ガスを改質層２２の触媒（ルテニウムやニッケル等）に接触させることによって水素を得る水蒸気改質法が用いられていた。その代わりに、例えば、気体状の第１原料である空気と、液体状の第２原料であるメタノールを気化したものとを混合して混合ガスを生成し、生成した混合ガスを白金等の触媒に接触させることによって水素を得る部分酸化改質法を用いてもよい。このような部分酸化改質法であれば、第１原料として大気中に存在する空気を用いれば済むため、燃料電池システム１の構成を簡略化することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池用原料供給装置
２０…燃料電池
２１…燃料電池スタック
２２…改質器としての改質層
３０…排ガス熱交換装置
５０，１５０，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０…原料混合器
５１…ケーシングとしての第１ケーシング
５８，３５８，４５８，５５８，６５８…混合流路
６１，１６１，３６１，５６１，６６１…第１原料導入管としての燃料ガス導入管
６２，３６２，４６２，５６２，６６２…第２原料導入管としての水導入管
６３…導出管
６４，６６４…第１原料導入管の開口部
６８，４６８，５６８，６６８…第２原料導入管の開口部
８０，４８０，５８０，６８０…加熱部
８１…排ガス流路構造体
９１…第１原料導入室としての燃料ガス導入室
９２…第２原料導入室としての水導入室
９３，２９３…障壁
９４…板状部材としての天井部
９７…連通部としての連通孔
４６５，５６５，６６５…第１管部
４６６，５６６，６６６…第２管部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
包囲されて形成された内部領域に混合流路が形成されたケーシングと、気体状の第１原料を前記ケーシング内の前記混合流路に導入する第１原料導入管と、液体状の第２原料を前記ケーシング内の前記混合流路に導入する第２原料導入管と、前記混合流路内の前記第２原料を加熱して気化させる加熱部と、前記混合流路から前記第１原料及び前記第２原料を前記ケーシング外に導出する導出管とを有し、前記混合流路において前記第１原料及び前記加熱部によって気化された前記第２原料を混合して燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する原料混合器を備える燃料電池用原料供給装置であって、
前記第１原料導入管の内端側及び前記第２原料導入管の内端側は、それぞれ前記混合流路に開口する開口部を有しており、
前記ケーシングは、該ケーシングの内部領域を前記第１原料導入管の内端が配置される第１原料導入室と前記第２原料導入管の内端が配置される第２原料導入室とに区画する障壁を備え、
前記障壁に、前記第１原料導入室と前記第２原料導入室とを連通させる連通部が形成され、
前記混合ガスが前記混合流路に沿って前記導出管側に流れる方向を基準として、前記連通部が、前記第１原料導入管の開口部よりも後方に配置される
ことを特徴とする燃料電池用原料供給装置。
【請求項２】
前記連通部は、板状部材に複数の連通孔を配置することによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項３】
前記連通部は、前記第１原料導入管側を向いていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項４】
前記第１原料導入管が前記混合流路に沿って前記導出管に向けて前記混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びるとともに、前記第２原料導入管が前記混合流路に沿って前記導出管に向けて前記混合ガスが流れる方向と直交する方向に延びていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項５】
前記第２原料導入管の開口部は、前記混合流路に沿って前記導出管側に向けて前記混合ガスが流れる方向とは反対方向に開口していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項６】
前記第２原料導入管が前記加熱部に熱伝導可能に接触していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項７】
前記第２原料導入管は、前記ケーシングの内壁から前記第２原料導入室に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に位置し、前記開口部を有する第２管部とを備え、
前記第１管部が前記加熱部から離間する一方、前記第２管部が前記加熱部に熱伝導可能に接触している
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項８】
前記加熱部は、
前記ケーシングに熱伝導可能に接触して配置され、前記燃料電池での発電反応によって加熱されて前記燃料電池から排出された排ガスが流れる排ガス流路構造体を備え、
液体状の前記第２原料が、前記排ガス流路構造体に導入した前記排ガスとの間で熱交換を行うことにより、加熱されて気化される
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項９】
前記第２原料導入管は、前記ケーシングの内壁から前記第２原料導入室に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に位置し、前記開口部を有する第２管部とを備え、
前記排ガス流路構造体内の前記排ガスと前記第２管部内の前記第２原料とが同じ方向に流れるとともに、前記排ガス流路構造体内の前記排ガスと前記第２管部内の前記第２原料との間で熱交換が行われる
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項１０】
前記原料混合器から供給された前記混合ガスを改質することによって水素を生成し、生成した前記水素を前記燃料電池に供給する改質器をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置と、
前記燃料電池を構成し、電解質層と、前記電解質層の両側に配置される燃料電極層及び空気電極層とを有する発電セルを備え、前記発電セルでの発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
熱交換媒体と、前記燃料電池での発電反応後に前記燃料電池から排出された前記排ガスとの間で熱交換を行う排ガス熱交換装置と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
包囲されて形成された内部領域に混合流路が形成されたケーシングと、気体状の第１原料を前記ケーシング内の前記混合流路に導入する第１原料導入管と、液体状の第２原料を前記ケーシング内の前記混合流路に導入する第２原料導入管と、前記混合流路内の前記第２原料を加熱して気化させる加熱部と、前記混合流路から前記第１原料及び前記第２原料を前記ケーシング外に導出する導出管とを有し、前記混合流路において前記第１原料及び前記加熱部によって気化された前記第２原料を混合して燃料電池の発電反応に利用される混合ガスを生成する原料混合器を備える燃料電池用原料供給装置であって、
前記第１原料導入管の内端側及び前記第２原料導入管の内端側は、それぞれ前記混合流路に開口する開口部を有しており、
前記ケーシングは、該ケーシングの内部領域を前記第１原料導入管の内端が配置される第１原料導入室と前記第２原料導入管の内端が配置される第２原料導入室とに区画する障壁を備え、
前記障壁に、前記第１原料導入室と前記第２原料導入室とを連通させる連通部が形成され、
前記混合ガスが前記混合流路に沿って前記導出管側に流れる方向を基準として、前記連通部が、前記第１原料導入管の開口部よりも後方に配置される
ことを特徴とする燃料電池用原料供給装置。
【請求項２】
前記連通部は、板状部材に複数の連通孔を配置することによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項３】
前記連通部は、前記第１原料導入管側を向いていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項４】
前記第１原料導入管が前記混合流路に沿って前記導出管に向けて前記混合ガスが流れる方向と同じ方向に延びるとともに、前記第２原料導入管が前記混合流路に沿って前記導出管に向けて前記混合ガスが流れる方向と直交する方向に延びていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項５】
前記第２原料導入管の開口部は、前記混合流路に沿って前記導出管側に向けて前記混合ガスが流れる方向とは反対方向に開口していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項６】
前記第２原料導入管が前記加熱部に熱伝導可能に接触していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項７】
前記第２原料導入管は、前記ケーシングの内壁から前記第２原料導入室に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に位置し、前記開口部を有する第２管部とを備え、
前記第１管部が前記加熱部から離間する一方、前記第２管部が前記加熱部に熱伝導可能に接触している
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項８】
前記加熱部は、
前記ケーシングに熱伝導可能に接触して配置され、前記燃料電池での発電反応によって加熱されて前記燃料電池から排出された排ガスが流れる排ガス流路構造体を備え、
液体状の前記第２原料が、前記排ガス流路構造体に導入した前記排ガスとの間で熱交換を行うことにより、加熱されて気化される
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項９】
前記第２原料導入管は、前記ケーシングの内壁から前記第２原料導入室に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に位置し、前記開口部を有する第２管部とを備え、
前記排ガス流路構造体内の前記排ガスと前記第２管部内の前記第２原料とが同じ方向に流れるとともに、前記排ガス流路構造体内の前記排ガスと前記第２管部内の前記第２原料との間で熱交換が行われる
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項１０】
前記原料混合器から供給された前記混合ガスを改質することによって水素を生成し、生成した前記水素を前記燃料電池に供給する改質器をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池用原料供給装置と、
前記燃料電池を構成し、電解質層と、前記電解質層の両側に配置される燃料電極層及び空気電極層とを有する発電セルを備え、前記発電セルでの発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
熱交換媒体と、前記燃料電池での発電反応後に前記燃料電池から排出された前記排ガスとの間で熱交換を行う排ガス熱交換装置と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１６４０１（Ｐ２０１３−１６４０１Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９５１６（Ｐ２０１１−１４９５１６）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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