燃料電池装置
【課題】燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、改質器内の状態を検知するセンサーや改質器内の流路を切り替えるための駆動手段を用いることなく、改質器内に収められた全ての改質触媒を上手に使いきることができる燃料電池装置を提供すること。
【解決手段】第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室２０３に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、第二収容室２０３への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されている。
【解決手段】第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室２０３に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、第二収容室２０３への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス、酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の単セルを収納容器内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、複数の単セルに供給する燃料ガスを生成するにあたって、例えば、天然ガス等の炭化水素を水蒸気と反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられている。そして、そのような水蒸気改質を行うための改質器も種々提案されている。
【０００３】
炭化水素を水蒸気改質するための改質器は、内部に改質触媒を収容し、その内蔵された改質触媒の近傍を炭化水素と水蒸気とを通過させることで水蒸気改質を行っている。このように改質器を利用する水蒸気改質においては、内蔵された改質触媒の劣化が問題となる。そこで下記特許文献１に記載の燃料電池装置では、改質触媒の寿命を延ばすように構成した改質器を含む燃料電池装置が提案されている。
【０００４】
下記特許文献１に開示されている燃料電池装置は、単セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、単セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドと、セルスタックの上方に配置される改質器とを備えている。改質器は、筒状の容器の中央部に、原燃料が供給される原燃料供給口が設けられた気化部を有している。改質器は、容器の両側部に、気化部より流入した原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒を含む改質部を有している。それぞれの改質部とマニホールドとが燃料ガス供給管により接続され、燃料ガス供給管に、燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９８８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の燃料電池装置においては、改質部に収められている改質触媒が劣化したと判断される場合に、燃料ガス流量調整手段を作動させることにより、マニホールドに精製度の低い燃料ガスが供給されることを抑制することができるものである。
【０００７】
また、一方の改質部に収められている改質触媒が劣化したと判断され、他方の改質部に収められている改質触媒は正常に改質反応を行なうことができると判断される場合においては、一方の改質部より送出される燃料ガスがマニホールドに供給されることを抑制するとともに、他方の改質部より送出される燃料ガスを単セルに供給している。従って、片方の改質部に備えられた改質触媒が劣化した場合であっても、他方の改質部をそのまま継続して使用することで、改質器の寿命を向上するものとしている。
【０００８】
しかしながら、上述した従来の燃料電池装置では、当初は改質器全体に収められている改質触媒を利用して発電運転を行っているところ、一部の改質触媒が劣化していると判断すると実質的な改質器の容量を減じて対応しているものである。従って、燃料ガスの供給能力が著しく低下し、燃料電池装置としての発電性能は低下するものと思われる。
【０００９】
そこで本発明者らは、改質触媒の劣化について本質的な検討を行い、改質器の改質性能を大きく変動させることなく延命させるための方策について考察を重ねた。燃料ガスの原料となる原料ガスとして炭化水素を用いる場合、改質器においては水蒸気改質を行うものであるから、改質器に炭化水素と水蒸気とを所定の割合で供給することが求められる。このように供給される炭化水素と水蒸気とは、炭化水素の供給量に対して水蒸気が極めて微量必要とされるものである。炭化水素の供給量は、燃料電池装置から引かれる電力が変動したり、燃料電池装置内の燃料ガスの流れが脈動したりすることによって変動するものである。そのため、変動する炭化水素の量に完全に同期させて、微量の水蒸気を変動させながら供給することは実質的に不可能なものであり、炭化水素の供給量と水蒸気の供給量との不均衡による炭素析出が発生することは避け難いものである。
【００１０】
このように炭化水素を水蒸気改質する限り、炭素析出の課題を根本的に解決することは困難である。改質器内において原料ガスである炭化水素の炭素析出が起こると、改質器内に収められている改質触媒に析出した炭素が付着し、原料ガスである炭化水素の流れを阻害する。炭素析出による原料ガスの目減りと、流動阻害による原料ガスの供給不足によって、改質器内には水蒸気が過剰な状態となるおそれがある。改質触媒が収められた改質器内が水蒸気過剰になると、改質触媒として用いられているルテニウムが離脱して燃料電池装置外へと放出されることになる。
【００１１】
炭素析出の発生を根本的に防止することが困難であることから、改質器内の改質触媒の劣化は避け難いことに加え、改質器内の容量は燃料電池装置のサイズの都合上、無制限に大きくすることもできない。従って、限られた容量に収められる限られた量の改質触媒を無駄にすることなく、劣化の進行を段階的なものとしながら、全ての改質触媒を上手に使い切ることが求められる。ここで、例えば、改質器内を複数の部屋に区切り、それぞれの部屋に改質触媒を分配して収めておき、それぞれの部屋の改質触媒の劣化を検知しながらソレノイド等の駆動手段を用いて仕切壁を駆動し、順番に流路を切り替えながら改質触媒を段階的に使っていくことも考えられる。
【００１２】
しかしながら、炭化水素を原料ガスとする燃料電池装置の駆動温度は極めて高いものであり、改質器内の状態を検知するセンサーを配置したり、改質器内にソレノイド等の駆動手段を配置して流路を切り替えたりすることは、現実的には実現困難なものである。
【００１３】
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、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、改質器内の状態を検知するセンサーや改質器内の流路を切り替えるための駆動手段を用いることなく、改質器内に収められた全ての改質触媒を上手に使いき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】
【００１４】
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、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、電気的に接続された複数の管状の単セルを有し、これらの単セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体と、を備えている。前記改質器は、本体部と、当該本体部の内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒とを有する。前記本体部には、原料ガスを導入する流入口と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを前記セル集合体に向けて流出させる流出口と、前記流入口と前記流出口との間に前記改質触媒が収容される触媒収容部と、が形成されている。前記触媒収容部は、第一収容室と第二収容室とを有する。前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記第二収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されている。
【００１５】
本発明では、触媒収容部が第一収容室と第二収容室とを有しているので、改質触媒を第一収容室と第二収容室とに分けて収容することができ、それぞれに収容された改質触媒を段階的に使用することが可能となる。更に、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されているので、別段の制御的な手段を用いることなく第一収容室に優先的に原料ガスを流入させることができる。従って、第一収容室に収容されている改質触媒が優先的に使用され、改質された燃料ガスをセル集合体に供給することができる。
【００１６】
炭化水素を含む原料ガスを用いて水蒸気改質を行う場合、炭素析出は避け難い現象であるところ、本発明ではその炭素析出現象を逆手にとって有効活用し、第一収容室における水蒸気改質から第二収容室における水蒸気改質へと上手に流路を切り替えるものとしている。上述したように、第一収容室に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室において流動抵抗が増えれば、事後的に、第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。
【００１７】
本発明ではこのような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室を経由する改質経路から第二収容室を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室及び第二収容室に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。
【００１８】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記本体部の前記セル集合体に対向する下面に前記流入口及び前記流出口が形成され、前記第一収容室及び前記第二収容室は、前記本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置されていることも好ましい。
【００１９】
この好ましい態様では、本体部のセル集合体に対向する下面に流入口及び流出口が形成されているので、原料ガスが本体部の下面から本体部内に流入し、改質された燃料ガスが本体部の下面から流出する。このように本体部の下面から原料ガスを流入させる構成を採用しつつ、第一収容室及び第二収容室を本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することで、下面側に配置された方の改質経路に優先的に原料ガスが流れ込むように構成している。このような配置上の工夫によって、原料ガスの流入しやすさに差を設けているので、第一収容室と第二収容室との圧力損失の差を小さくすることが可能になると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されない状態での切り替えが可能なものとなる。
【００２０】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記下面側に、前記第二収容室が前記上面側に、それぞれ配置されていることも好ましい。
【００２１】
この好ましい態様では、第一収容室を下面側に配置することで原料ガスの流入容易性を高める一方で、第二収容室を上面側に配置することで原料ガスが流入し難いように構成している。従って、第一収容室における改質経路の閉塞が発生していない段階では、第二収容室への原料ガスの流入を抑制し、第一収容室における改質経路の閉塞が発生した後に第二収容室へ原料ガスが流入するように構成している。このような構成上の工夫によって、第二収容室への原料ガスの流入移行を緩やかなものとし、第一収容室内の改質触媒が劣化した後の第二収容室内の改質触媒による改質性能を確保することができ、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【００２２】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記触媒収容部は、前記第一収容室及び前記第二収容室の双方に繋がる第三収容室をさらに有し、前記第一収容室及び前記第二収容室は前記流入口側に、前記第三収容室は前記流出口側に、それぞれ配置されていることも好ましい。
【００２３】
本発明における改質器では、流入口から原料ガスを流入させる一方で、流出口から改質後の燃料ガスを流出させているので、流入口側で炭素析出が発生し、流出口側では水蒸気過多による触媒劣化が進行する傾向にある。そこでこの好ましい態様では、第一収容室及び第二収容室を流入口側に設ける一方で、第一収容室及び第二収容室の下流側であって流出口側に第三収容室を設けることで、下流側における触媒劣化の進行を第一収容室内及び第二収容室内にとどめ、第三収容室に収容された触媒は劣化しない状態を維持することができる。
【００２４】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記第三収容室に繋がる第一連絡口よりも前記流入口側に第二連絡口が形成され、この第二連絡口と前記第三収容室とを繋ぐ分流通路が設けられ、前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記分流通路に原料ガスが流入し前記第三収容室へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されていることも好ましい態様である。この好ましい態様においては、前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記分流通路を経由する前記第三収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されていることも好ましい。
【００２５】
上述したように、第一収容室に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室において流動抵抗が増えれば、事後的に、第三収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。
【００２６】
この好ましい態様では、このような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室を経由する改質経路から分流通路を経由し第三収容室を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室及び第三収容室に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。
【００２７】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記分流通路から前記第三収容室へ供給される原料ガスは、前記第一収容室の下流側直下よりも前記第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、前記分流通路が設けられていることも好ましい。
【００２８】
上述したように、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えると、分流経路を経由せずに第三収容室に繋がる流路においても炭素析出の影響を受けているものと想定される。そこでこの好ましい態様では、分流通路から第三収容室へ供給される原料ガスは、第一収容室の下流側直下よりも第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、分流通路を設けることで、炭素析出の影響がより小さいと想定される第二収容室の下流側直下に原料ガスを供給することができる。従って、第三収容室に収容されている改質触媒をより上手に使い切ることができる。
【００２９】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第二収容室よりも前記第一収容室に近接させて前記流入口が形成され、前記第一収容室よりも前記第二収容室に近接させて前記流入口が形成されていることも好ましい。
【００３０】
この好ましい態様では、流入口を第一収容室に近接させて形成することで、運転開始当初は第一収容室に原料ガスを確実に導入することができる。一方、流出口を第二収容室に近接させて形成することで、改質後の燃料ガスの流れは第二収容室側から排出されるものとし、第一収容室下流への流れを相対的に減少させている。従って、運転開始当初は第一収容室に収容された改質触媒を集中的に使用しつつ、第一収容室下流における改質触媒劣化を第二収容室側に分散することで、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【００３１】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記上面側に、前記第二収容室が前記下面側に、それぞれ配置されていることも好ましい。
【００３２】
この好ましい態様では、第二収容室を下面側に配置することで、セル集合体において発電反応に使用された残余の燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼する燃焼部に、第二収容室を近接させることができる。従って、第一収容室における改質経路の閉塞が発生すると原料ガスが流入する第二収容室を下面側に配置することで、改質性能が相対的に低下した場合に主体となる第二収容室の温度を高めに維持し、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、改質器内の状態を検知するセンサーや改質器内の流路を切り替えるための駆動手段を用いることなく、改質器内に収められた全ての改質触媒を上手に使いき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】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジングが外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。
【図６】図２に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【図７】図６に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図である。
【図９】本発明の一実施形態におる燃料電池装置に用いられる改質器の水平面に沿った断面を模式的に示す断面図である。
【図１０】図９に示す改質器において、被改質ガスを導入して改質プロセスを開始した初期の状態を示す図である。
【図１１】図９に示す改質器において、図１０から更に改質プロセスを進行させた状態を示す図である。
【図１２】図９に示す改質器における連通穴の形成態様を説明するための図である。
【図１３】図９に示す改質器の変形例を示す図である。
【図１４】図９に示す改質器の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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。
【００３６】
本発明の一実施形態による燃料電池装置である固体電解質形燃料電池を説明する。図１は、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００３７】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備えている。このハウジング６内部には、断熱材（図示せず）に囲まれて密封空間８が形成されている。この密封空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。
【００３８】
この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備えている（図６参照）。この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（単セル、図５参照）から構成されている。燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００３９】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成されている。この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス（空気）とが燃焼し、燃焼ガス（排気ガス）を生成するようになっている。
【００４０】
この燃焼室１８の上方には、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器２０が配置されている。上述した燃焼ガスの燃焼熱によって、改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器２２が配置されている。
【００４１】
補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。
【００４２】
さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００４３】
燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００４４】
続いて、図２‐図４、図６、図７により、本発明の実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュール２の内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジング６が取り外された状態の燃料電池モジュール２を示す斜視図である。図２においては、燃料電池モジュール２を構成する各燃料電池セルスタック１４において、燃料電池セルユニット１６が８本並ぶ方向をｘ軸方向としている。また、燃料電池セルユニット１６が立設されて延びる方向をｙ軸方向とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する方向をｚ軸方向としている。図３以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図２におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。
【００４５】
図３は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＡ方向から見た断面図である。図４は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＢ方向から見た断面図である。図６は、図２に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。図７は、図６に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。
【００４６】
図２‐図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図６に示すように、燃料電池セル集合体１２は、Ｂ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、上面１２ａ、下面１２ｂ、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面１２ｃと、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面１２ｄを備えている。
【００４７】
図３に示すように、燃料電池モジュール２内の密封空間８内の最下方部分には、蒸発混合器５８が燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃに沿って設けられている。この蒸発混合器５８は、燃焼ガスにより加熱して、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と酸化剤ガスである空気とを混合するためのものである。この蒸発混合器５８の一端側には、図２、図４、図７に示すように、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２が接続されている。被改質ガス供給管６０は、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４から、被改質ガス（原料ガス）及び改質用空気を導入するようになっている。
【００４８】
図４に示すように、蒸発混合器５８の他端側には、燃料供給管６４の下端が接続されている。この燃料供給管６４の上端は、改質器２０の上流端に接続されている。この燃料供給管６４により、燃料ガスが蒸発混合器５８から改質器２０へ供給されるようになっている。また、改質器２０の下流端には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に進入して、水平方向に延びている。
【００４９】
図３及び図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（図５参照）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【００５０】
続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２へ供給するための構造を説明する。図２‐４に示すように、改質器２０の上方に、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び短辺側面１２ｄ（図２及び図４の右側短辺側面）に沿って、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２が設けられている。
【００５１】
なお、本実施形態においては、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び右側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器２２を、右側の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、右側及び左側の両方の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、さらに、上面１２ａ及び両側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしても良い。
【００５２】
熱交換器２２の短辺側面１２ｄに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図２に示すように、発電用空気導入管７４の導入口７４ａが取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット４５から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
【００５３】
図４及び図８に示すように、熱交換器２２の上側の他端側には、発電用空気流路７２の出口ポート７２ａが形成されている。さらに、図３に示すように、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７６が形成されている。発電用空気流路７２の出口ポート７２ａから、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７６は、燃料電池セル集合体１２の長手方向（長辺側面１２ｃ方向）に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８が、長手方向に沿って、等間隔に、形成されている。これらの吹出口７８から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【００５４】
続いて、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。上述したように、熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。図４に示すように、これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃料電池セル集合体１２の下方に位置し長手方向に延びる燃焼ガス排出室８０が形成され、燃焼ガス配管７０の下端側と燃焼ガス排出室８０が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室８０内に、上述した蒸発混合器５８が配置され、この蒸発混合器５８内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って、加熱されるようになっている。さらに、燃焼ガス排出室８０の下面には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００５５】
続いて、図５を参照しながら、燃料電池セルユニット１６について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
【００５６】
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内側（内部）に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００５７】
燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００５８】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００５９】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００６０】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００６１】
続いて、改質器２０について、図９を参照しながら更に説明する。図９は、改質器２０をｘｚ平面を含む平面で断面を見た場合の、本体部２０の内部を示す模式的な断面図である。上述したように改質器２０は、燃焼室１８の上方に配置されるものであり、原料ガスを改質して燃料ガスを生成するものである。上述した燃焼ガスの燃焼熱によって、改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。図９においては、図の紙面に向って奥側（ｙ軸方向の負側）が燃焼室１８に対向する面となっている。
【００６２】
図９に示すように、改質器２０は、本体部２０ａを有している。本体部２０ａの内部には、図に明示しない球状の改質触媒が充填されている。本体部２０ａは、分配室２０１と、第一収容室２０２と、第二収容室２０３と、第三収容室２０４と、集約室２０５と、を有している。
【００６３】
分配室２０１は、燃料供給管６４を経由して蒸発混合器５８から原料ガス及び水蒸気を受け入れて、第一収容室２０２及び第二収容室２０３に分配するための空間となっている。分配室２０１の底面には、流入口２０７が形成されている。流入口２０７には、燃料供給管６４が繋がれている。流入口２０７は、第二収容室２０３よりも第一収容室２０４側にオフセットされて形成されている。
【００６４】
流入口２０７に導入された原料ガス及び水蒸気は、第一収容室２０２と第二収容室２０３とに分配される。分配室２０１と第一収容室２０２とを分かつ壁には、連通穴２０８が形成されている。分配室２０２と第二収容室２０３とを分かつ壁には、連通穴２０９が形成されている。
【００６５】
連通穴２０８及び連通穴２０９を見通す方向から見た図を図９に示す。図９に示すように、連通穴２０８は、連通穴２０９よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴２０８は７箇所に形成される一方で、連通穴２０９は６箇所に形成されている。従って、分配室２０１と第一収容室２０２とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２０８の合算開口面積は、分配室２０１と第二収容室２０３とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２０９の合算開口面積よりも大きくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、分配室２０１から第一収容室２０２への原料ガスの流入抵抗は、分配室２０１から第二収容室２０３への原料ガスの流入抵抗よりも小さく、原料ガスは第二収容室２０３よりも第一収容室２０２に流入しやすくなっている。
【００６６】
図９に戻って説明を続ける。第一収容室２０２及び第二収容室２０３の下流側には、第一収容室２０２及び第二収容室２０３の双方に繋がる第三収容室２０４が形成されている。第一収容室２０２と第三収容室２０４とを分かつ壁には、連通穴２１０が形成されている。第二収容室２０３と第三収容室２０４とを分かつ壁には、連通穴２１１が形成されている。
【００６７】
連通穴２１０は、連通穴２１１よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴２１０は７箇所に形成される一方で、連通穴２１１は６箇所に形成されている。従って、第一収容室２０２と第三収容室２０４とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２１０の合算開口面積は、第二収容室２０３と第三収容室２０４とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２１１の合算開口面積よりも大きくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、第一収容室２０２から第三収容室２０４への原料ガスの流入抵抗は、第二収容室２０３から第三収容室２０４への原料ガスの流入抵抗よりも小さく、原料ガスは第二収容室２０３を経由するよりも第一収容室２０２から経由する方がより多く第三収容室２０４に流入する。
【００６８】
第一収容室２０２及び第二収容室２０３から第三収容室２０４に流入する原料ガスは、その流動プロセスにおいて水蒸気改質される。具体的には、第一収容室２０２、第二収容室２０３、及び第三収容室２０４には、それぞれ改質触媒が封入されている。本実施形態の場合、改質触媒は、基材にルテニウムを担持させることで形成されている。第一収容室２０２及び第二収容室２０３から第三収容室２０４に流入する原料ガスは、それぞれに封入されている改質触媒の作用によって水素リッチな燃料ガスとして改質される。
【００６９】
改質された燃料ガスは、第三収容室２０４から集約室２０５へと流入する。第三収容室２０４と集約室２０５とを分かつ壁には、連通穴２１２及び連通穴２１３が形成されている。連通穴２１２は、第一収容室２０２から本体部２０ａの外壁に沿って、連通穴２１０を延伸した下流側に略対応する位置に形成されている。連通穴２１３は、第二収容室２０３から本体部２０ａの外壁に沿って、連通穴２１１を延伸した下流側に対応する位置に形成されている。
【００７０】
連通穴２１３は、連通穴２１２よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴２１３は７箇所に形成される一方で、連通穴２１２は６箇所に形成されている。従って、第一収容室２０２の下流側に位置する第三収容室２０４と集約室２０５とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２１２の合算開口面積は、第二収容室２０３の下流側に位置する第三収容室２０４と集約室２０５とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２１３の合算開口面積よりも小さくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、第一収容室２０２の下流側に位置する第三収容室２０４から集約室２０５への燃料ガスの流入抵抗は、第二収容室２０３の下流側に位置する第三収容室２０４から集約室２０５への燃料ガスの流入抵抗よりも大きく、燃料ガスは連通穴２１２を経由するよりも連通穴２１３経由する方がより多く集約室２０５に流入する。
【００７１】
集約室２０５は、燃料供給管６６を経由して燃料ガスタンク６８に燃料ガスを送り出すための空間となっている。集約室２０５の底面には、流出口２１４が形成されている。流出口２１４には、燃料供給管６６が繋がれている。流出口２１４は、連通穴２１２よりも連通穴２１３側にオフセットされて形成されている。
【００７２】
本実施形態の場合、第一収容室２０２と第二収容室２０３との間の空間に、第一収容室２０２及び第二収容室２０３のｚ軸方向全長に渡って分流通路２０６が設けられている。第一収容室２０２と分流通路２０６とを分かつ壁には、連通穴２１５が形成されている。分流通路２０６と第三収容室２０４とを分かつ壁には、連通穴２１６が形成されている。連通穴２１５及び連通穴２１６は、それぞれ一つ形成されている。連通穴２１５及び連通穴２１６は、同じ径の穴であり、連通穴２０９と略同径である。従って、少なくとも初期状態において、分流通路２０６への流入抵抗は高く、分流通路２０６へはほとんど原料ガスが流入しないように構成されている。
【００７３】
続いて、図１０及び図１１を参照しながら、改質器２０内の原料ガス及び燃料ガスの流れを説明する。図１０に示すのは、被改質ガスである原料ガスを導入し、改質プロセスを開始した初期の状態における、原料ガス及び燃料ガスの流れを示す図である。図１１に示すのは、図１０から更に改質プロセスが進行した場合の、原料ガス及び燃料ガスの流れを示す図である。
【００７４】
図１０に示すように、流入口２０７から改質器２０内に導入された原料ガスは、分配室２０１に導入される。分配室２０１に導入された原料ガスは、最も流れやすい経路により多く流れる。従って、分配室２０１から第一収容室２０２に多くの原料ガスが流入し、分配室２０１から第二収容室２０３に流入する原料ガスは極めて少ない。
【００７５】
第一収容室２０２に流入した原料ガスは、第一収容室２０２内に収容されている改質触媒によって改質されながら第三収容室２０４に流入する。また、第二収容室２０３に流入した少量の原料ガスも、第二収容室２０３内に収容されている改質触媒によって改質されながら第三収容室２０４に流入する。
【００７６】
第三収容室２０４に流入した原料ガスは、第三収容室２０４内に収容されている改質触媒によって改質されながら集約室２０５に流入する。この場合、連通穴２１３を経由して流入する方が、連通穴２１２を経由して流入するよりも流入し易いので、連通穴２１３を経由する流れが支配的となる。
【００７７】
上述したように、改質器２０内の原料ガス及び燃料ガスの流れは、初期状態においては次のような流れが支配的なものとなる。流入口２０７から流入した原料ガスの多くは、連通穴２０８を経由して第一収容室２０２に流入する。第一収容室２０２に流入した原料ガスは、連通穴２１０を経由して第三収容室２０４に流入する。第三収容室２０４に流入した原料ガス及び燃料ガスは、連通穴２１３経由を主とし、連通穴２１２経由を従とするように、集約室２０５に流入する。集約室２０５に流入した燃料ガスは、流出口２１４から流出する。
【００７８】
図１０に示す状態から改質プロセスが更に進行すると、図１１に示すような状態となる。原料ガスを水蒸気と共に改質器２０内に導入し、水素リッチな燃料ガスとして取り出すと、改質器２０内の改質触媒には炭素析出が発生する。従って、初期状態において原料ガス及び燃料ガスが支配的に流れた経路に沿って炭素析出が発生し、改質触媒近傍の流路が実質的に狭められる。
【００７９】
第一収容室２０２内の改質触媒には全体に渡って炭素析出が発生し、連通穴２０８を経由して連通穴２１０から第三収容室への原料ガス及び燃料ガスの流量が低減する。また、第三収容室２０４内の改質触媒には、連通穴２１０と連通穴２１２との間の領域において炭素析出が発生し、連通穴２１２を経由する燃料ガスの流量が低減する。
【００８０】
従って、図１１に示すように、第二収容室２０３を経由して第三収容室に流入し、連通穴２１３を経由して集約室２０５に流入する原料ガス及び燃料ガスの流れが支配的なものとなる。更に、第一収容室２０２に流入した原料ガスは、第一収容室２０２内の圧力損失が高まるので、連通穴２１５を経由して分流通路２０６に流入する。分流通路２０６に流入した原料ガスは、連通穴２１６を経由し、第二収容室２０２の直接的な下流に位置する第三収容室２０４の部分に流入する。
【００８１】
図１１に示すような原料ガス及び燃料ガスの流れが発生すると、まだ炭素析出が起こっていない領域を通る流れとなり、劣化していない改質触媒を活用して原料ガスから燃料ガスへの改質プロセスが進行する。
【００８２】
上述したように本実施形態に係る燃料電池装置としての固体電解質形燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器２０と、電気的に接続された複数の管状の単セルである燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６により燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体としての燃料電池セル集合体１２と、を備えている。改質器２０は、本体部２０ａと、本体部２０ａの内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒とを有する。本体部２０ａには、原料ガスを導入する流入口２０７と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを燃料電池セル集合体１２に向けて流出させる流出口２１４と、流入口２０７と流出口２１４との間に改質触媒が収容される触媒収容部としての第一収容室２０２、第二収容室２０３、及び第三収容室２０４が形成されている。
【００８３】
上述したように、初期状態においては、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室２０３に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されている。そして、図１１を参照しながら説明したように、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、第二収容室２０３への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されている。
【００８４】
本実施形態では、第一収容室２０２と第二収容室２０３とを有しているので、改質触媒を第一収容室２０２と第二収容室２０３とに分けて収容することができ、それぞれに収容された改質触媒を段階的に使用することが可能となる。更に、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室２０３に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されているので、別段の制御的な手段を用いることなく第一収容室２０２に優先的に原料ガスを流入させることができる（図１０参照）。従って、第一収容室２０２に収容されている改質触媒が優先的に使用され、改質された燃料ガスを燃料電池セル集合体１２に供給することができる。
【００８５】
炭化水素を含む原料ガスを用いて水蒸気改質を行う場合、炭素析出は避け難い現象であるところ、本実施形態ではその炭素析出現象を逆手にとって有効活用し、第一収容室２０２における水蒸気改質から第二収容室２０３における水蒸気改質へと上手に流路を切り替えるものとしている。図１０を参照しながら説明したように、第一収容室２０２に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室２０２において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室２０２において流動抵抗が増えれば、事後的に、第二収容室２０３に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる（図１１参照）。
【００８６】
本実施形態ではこのような炭素析出に起因する圧力損失の変動（換言すれば、流入抵抗の変動）を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室２０２を経由する改質経路から第二収容室２０３を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室２０２及び第二収容室２０３に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器２０に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。
【００８７】
また本実施形態では、第一収容室２０２及び第二収容室２０３の双方に繋がる第三収容室２０４を設け、第一収容室２０２及び第二収容室２０３は流入口２０７側に、第三収容室２０４は流出口２１４側に、それぞれ配置されている。
【００８８】
本実施形態における改質器２０では、流入口２０７から原料ガスを流入させる一方で、流出口２１４から改質後の燃料ガスを流出させているので、流入口２０７側で炭素析出が発生し、流出口２１４側では水蒸気過多による触媒劣化が進行する傾向にある。そこで本実施形態では、第一収容室２０２及び第二収容室２０３を流入口２０７側に設ける一方で、第一収容室２０２及び第二収容室２０３の下流側であって流出口２１４側に第三収容室２０４を設けることで、下流側における触媒劣化の進行を第一収容室２０２内及び第二収容室２０３内にとどめ、第三収容室２０４に収容された触媒は劣化しない状態を維持することができる。
【００８９】
また本実施形態では、第一収容室２０２が第三収容室２０４に繋がる連通穴２１０（第一連絡口）よりも流入口２０７側に連通穴２１５（第二連絡口）が形成され、この連通穴２１５（第二連絡口）と第三収容室２０４とを繋ぐ分流通路２０６を設け、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、分流通路２０６に原料ガスが流入し第三収容室２０４へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されている。このように構成することで、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、分流通路２０６を経由する第三収容室２０４への原料ガスの流入が自律的に高まる。
【００９０】
本実施形態では上述したように、第一収容室２０２に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室２０２において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室２０２において流動抵抗が増えれば、事後的に、第三収容室２０４に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。
【００９１】
このような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室２０２を経由する改質経路から分流通路２０６を経由し第三収容室２０４を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室２０２及び第三収容室２０４に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器２０に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。
【００９２】
また本実施形態では、分流通路２０６から第三収容室２０４へ供給される原料ガスは、第一収容室２０２の下流側直下よりも第二収容室２０３の下流側直下により多く供給されるように、分流通路２０６を設けている。
【００９３】
上述したように、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えると、分流経路２０６を経由せずに第三収容室２０４に繋がる流路においても炭素析出の影響を受けているものと想定される。そこで、分流通路２０６から第三収容室２０４へ供給される原料ガスは、第一収容室２０２の下流側直下よりも第二収容室２０３の下流側直下により多く供給されるように、分流通路２０６を設けることで、炭素析出の影響がより小さいと想定される第二収容室２０３の下流側直下に原料ガスを供給することができる。従って、第三収容室２０４に収容されている改質触媒をより上手に使い切ることができる。
【００９４】
また本実施形態では、第二収容室２０３よりも第一収容室２０２に近接させて流入口２０７を形成し、第一収容室２０２よりも第二収容室２０３に近接させて流入口２１４が形成されている。
【００９５】
流入口２０７を第一収容室２０２に近接させて形成することで、運転開始当初は第一収容室２０２に原料ガスを確実に導入することができる。一方、流出口２１４を第二収容室２０３に近接させて形成することで、改質後の燃料ガスの流れは第二収容室２０３側から排出されるものとし、第一収容室２０２下流への流れを相対的に減少させている。従って、運転開始当初は第一収容室２０２に収容された改質触媒を集中的に使用しつつ、第一収容室２０２下流における改質触媒劣化を第二収容室２０３側に分散することで、改質器２０全体の改質性能を高めることができる。
【００９６】
また本実施形態では、本体部２０ａの燃料電池セル集合体１２に対向する下面に流入口２０７及び流出口２１４を形成し、第一収容室２０２及び第二収容室２０３を、本体部２０ａの下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することも好ましい態様である。第一収容室２０２を下面側に配置し、本体部２０ａを本体部２０ｂに変形して改質器２０Ｂを構成した例を図１３に示す。第二収容室２０３を下面側に配置し、本体部２０ａを本体部２０ｃに変形して改質器２０Ｃを構成した例を図１４に示す。
【００９７】
これらの変形例では、本体部２０ｂ，２０ｃの燃料電池セル集合体１２に対向する下面に流入口２０７及び流出口２１４が形成されているので、原料ガスが本体部２０ｂ，２０ｃの下面から本体部２０ｂ，２０ｃ内に流入し、改質された燃料ガスが本体部２０ｂ，２０ｃの下面から流出する。このように本体部２０ｂ，２０ｃの下面から原料ガスを流入させる構成を採用しつつ、第一収容室２０２及び第二収容室２０３を本体部２０ｂ，２０ｃの下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することで、下面側に配置された方の改質経路に優先的に原料ガスが流れ込むように構成している。このような配置上の工夫によって、原料ガスの流入しやすさに差を設けているので、第一収容室２０２と第二収容室２０３との圧力損失の差を小さくすることが可能になると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されない状態での切り替えが可能なものとなる。
【００９８】
図１３に示す変形例では、第一収容室２０２を下面側に配置することで原料ガスの流入容易性を高める一方で、第二収容室２０３を上面側に配置することで原料ガスが流入し難いように構成している。従って、第一収容室２０２における改質経路の閉塞が発生していない段階では、第二収容室２０３への原料ガスの流入を抑制し、第一収容室２０２における改質経路の閉塞が発生した後に第二収容室２０３へ原料ガスが流入するように構成している。このような構成上の工夫によって、第二収容室２０３への原料ガスの流入移行を緩やかなものとし、第一収容室２０２内の改質触媒が劣化した後の第二収容室２０３内の改質触媒による改質性能を確保することができ、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【００９９】
図１４に示す変形例では、第二収容室２０３を下面側に配置することで、燃料電池セル集合体１２において発電反応に使用された残余の燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼する燃焼部に、第二収容室２０３を近接させることができる。従って、第一収容室２０２における改質経路の閉塞が発生すると原料ガスが流入する第二収容室２０３を下面側に配置することで、改質性能が相対的に低下した場合に主体となる第二収容室２０３の温度を高めに維持し、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【０１００】
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】
【０１０１】
１：固体電解質形燃料電池
２：燃料電池モジュール
４：補機ユニット
６：ハウジング
８：密封空間
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１２ａ：上面
１２ｂ：下面
１２ｃ：長辺側面
１２ｄ：短辺側面
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２２：熱交換器
２４：水供給源
２６：純水タンク
２８：水流量調整ユニット
３０：燃料供給源
３２：ガス遮断弁
３６：脱硫器
３８：燃料流量調整ユニット
４０；空気供給源
４２：電磁弁
４４：改質用空気流量調整ユニット
４５：発電用空気流量調整ユニット
４６：第一ヒータ
４８：第二ヒータ
５０：温水製造装置
５２：制御ボックス
５４：インバータ
５６：ケーシング
５８：蒸発混合器
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６４：燃料供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７２ａ：出口ポート
７４：発電用空気導入管
７４ａ：導入口
７６：発電用空気供給路
７８：吹出口
８０：燃焼ガス排出室
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：上部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：上端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
２０ａ：本体部
２０１：分配室
２０２：第一収容室
２０３：第二収容室
２０４：第三収容室
２０５：集約室
２０６：分流通路
２０７：流入口
２０８：連通穴
２０９：連通穴
２１０：連通穴
２１１：連通穴
２１２：連通穴
２１３：連通穴
２１４：流出口
２１５：連通穴
２１６：連通穴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス、酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の単セルを収納容器内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、複数の単セルに供給する燃料ガスを生成するにあたって、例えば、天然ガス等の炭化水素を水蒸気と反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられている。そして、そのような水蒸気改質を行うための改質器も種々提案されている。
【０００３】
炭化水素を水蒸気改質するための改質器は、内部に改質触媒を収容し、その内蔵された改質触媒の近傍を炭化水素と水蒸気とを通過させることで水蒸気改質を行っている。このように改質器を利用する水蒸気改質においては、内蔵された改質触媒の劣化が問題となる。そこで下記特許文献１に記載の燃料電池装置では、改質触媒の寿命を延ばすように構成した改質器を含む燃料電池装置が提案されている。
【０００４】
下記特許文献１に開示されている燃料電池装置は、単セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、単セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドと、セルスタックの上方に配置される改質器とを備えている。改質器は、筒状の容器の中央部に、原燃料が供給される原燃料供給口が設けられた気化部を有している。改質器は、容器の両側部に、気化部より流入した原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒を含む改質部を有している。それぞれの改質部とマニホールドとが燃料ガス供給管により接続され、燃料ガス供給管に、燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整手段を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９８８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の燃料電池装置においては、改質部に収められている改質触媒が劣化したと判断される場合に、燃料ガス流量調整手段を作動させることにより、マニホールドに精製度の低い燃料ガスが供給されることを抑制することができるものである。
【０００７】
また、一方の改質部に収められている改質触媒が劣化したと判断され、他方の改質部に収められている改質触媒は正常に改質反応を行なうことができると判断される場合においては、一方の改質部より送出される燃料ガスがマニホールドに供給されることを抑制するとともに、他方の改質部より送出される燃料ガスを単セルに供給している。従って、片方の改質部に備えられた改質触媒が劣化した場合であっても、他方の改質部をそのまま継続して使用することで、改質器の寿命を向上するものとしている。
【０００８】
しかしながら、上述した従来の燃料電池装置では、当初は改質器全体に収められている改質触媒を利用して発電運転を行っているところ、一部の改質触媒が劣化していると判断すると実質的な改質器の容量を減じて対応しているものである。従って、燃料ガスの供給能力が著しく低下し、燃料電池装置としての発電性能は低下するものと思われる。
【０００９】
そこで本発明者らは、改質触媒の劣化について本質的な検討を行い、改質器の改質性能を大きく変動させることなく延命させるための方策について考察を重ねた。燃料ガスの原料となる原料ガスとして炭化水素を用いる場合、改質器においては水蒸気改質を行うものであるから、改質器に炭化水素と水蒸気とを所定の割合で供給することが求められる。このように供給される炭化水素と水蒸気とは、炭化水素の供給量に対して水蒸気が極めて微量必要とされるものである。炭化水素の供給量は、燃料電池装置から引かれる電力が変動したり、燃料電池装置内の燃料ガスの流れが脈動したりすることによって変動するものである。そのため、変動する炭化水素の量に完全に同期させて、微量の水蒸気を変動させながら供給することは実質的に不可能なものであり、炭化水素の供給量と水蒸気の供給量との不均衡による炭素析出が発生することは避け難いものである。
【００１０】
このように炭化水素を水蒸気改質する限り、炭素析出の課題を根本的に解決することは困難である。改質器内において原料ガスである炭化水素の炭素析出が起こると、改質器内に収められている改質触媒に析出した炭素が付着し、原料ガスである炭化水素の流れを阻害する。炭素析出による原料ガスの目減りと、流動阻害による原料ガスの供給不足によって、改質器内には水蒸気が過剰な状態となるおそれがある。改質触媒が収められた改質器内が水蒸気過剰になると、改質触媒として用いられているルテニウムが離脱して燃料電池装置外へと放出されることになる。
【００１１】
炭素析出の発生を根本的に防止することが困難であることから、改質器内の改質触媒の劣化は避け難いことに加え、改質器内の容量は燃料電池装置のサイズの都合上、無制限に大きくすることもできない。従って、限られた容量に収められる限られた量の改質触媒を無駄にすることなく、劣化の進行を段階的なものとしながら、全ての改質触媒を上手に使い切ることが求められる。ここで、例えば、改質器内を複数の部屋に区切り、それぞれの部屋に改質触媒を分配して収めておき、それぞれの部屋の改質触媒の劣化を検知しながらソレノイド等の駆動手段を用いて仕切壁を駆動し、順番に流路を切り替えながら改質触媒を段階的に使っていくことも考えられる。
【００１２】
しかしながら、炭化水素を原料ガスとする燃料電池装置の駆動温度は極めて高いものであり、改質器内の状態を検知するセンサーを配置したり、改質器内にソレノイド等の駆動手段を配置して流路を切り替えたりすることは、現実的には実現困難なものである。
【００１３】
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、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、改質器内の状態を検知するセンサーや改質器内の流路を切り替えるための駆動手段を用いることなく、改質器内に収められた全ての改質触媒を上手に使いき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】
【００１４】
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、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、電気的に接続された複数の管状の単セルを有し、これらの単セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体と、を備えている。前記改質器は、本体部と、当該本体部の内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒とを有する。前記本体部には、原料ガスを導入する流入口と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを前記セル集合体に向けて流出させる流出口と、前記流入口と前記流出口との間に前記改質触媒が収容される触媒収容部と、が形成されている。前記触媒収容部は、第一収容室と第二収容室とを有する。前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記第二収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されている。
【００１５】
本発明では、触媒収容部が第一収容室と第二収容室とを有しているので、改質触媒を第一収容室と第二収容室とに分けて収容することができ、それぞれに収容された改質触媒を段階的に使用することが可能となる。更に、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されているので、別段の制御的な手段を用いることなく第一収容室に優先的に原料ガスを流入させることができる。従って、第一収容室に収容されている改質触媒が優先的に使用され、改質された燃料ガスをセル集合体に供給することができる。
【００１６】
炭化水素を含む原料ガスを用いて水蒸気改質を行う場合、炭素析出は避け難い現象であるところ、本発明ではその炭素析出現象を逆手にとって有効活用し、第一収容室における水蒸気改質から第二収容室における水蒸気改質へと上手に流路を切り替えるものとしている。上述したように、第一収容室に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室において流動抵抗が増えれば、事後的に、第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。
【００１７】
本発明ではこのような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室を経由する改質経路から第二収容室を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室及び第二収容室に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。
【００１８】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記本体部の前記セル集合体に対向する下面に前記流入口及び前記流出口が形成され、前記第一収容室及び前記第二収容室は、前記本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置されていることも好ましい。
【００１９】
この好ましい態様では、本体部のセル集合体に対向する下面に流入口及び流出口が形成されているので、原料ガスが本体部の下面から本体部内に流入し、改質された燃料ガスが本体部の下面から流出する。このように本体部の下面から原料ガスを流入させる構成を採用しつつ、第一収容室及び第二収容室を本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することで、下面側に配置された方の改質経路に優先的に原料ガスが流れ込むように構成している。このような配置上の工夫によって、原料ガスの流入しやすさに差を設けているので、第一収容室と第二収容室との圧力損失の差を小さくすることが可能になると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されない状態での切り替えが可能なものとなる。
【００２０】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記下面側に、前記第二収容室が前記上面側に、それぞれ配置されていることも好ましい。
【００２１】
この好ましい態様では、第一収容室を下面側に配置することで原料ガスの流入容易性を高める一方で、第二収容室を上面側に配置することで原料ガスが流入し難いように構成している。従って、第一収容室における改質経路の閉塞が発生していない段階では、第二収容室への原料ガスの流入を抑制し、第一収容室における改質経路の閉塞が発生した後に第二収容室へ原料ガスが流入するように構成している。このような構成上の工夫によって、第二収容室への原料ガスの流入移行を緩やかなものとし、第一収容室内の改質触媒が劣化した後の第二収容室内の改質触媒による改質性能を確保することができ、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【００２２】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記触媒収容部は、前記第一収容室及び前記第二収容室の双方に繋がる第三収容室をさらに有し、前記第一収容室及び前記第二収容室は前記流入口側に、前記第三収容室は前記流出口側に、それぞれ配置されていることも好ましい。
【００２３】
本発明における改質器では、流入口から原料ガスを流入させる一方で、流出口から改質後の燃料ガスを流出させているので、流入口側で炭素析出が発生し、流出口側では水蒸気過多による触媒劣化が進行する傾向にある。そこでこの好ましい態様では、第一収容室及び第二収容室を流入口側に設ける一方で、第一収容室及び第二収容室の下流側であって流出口側に第三収容室を設けることで、下流側における触媒劣化の進行を第一収容室内及び第二収容室内にとどめ、第三収容室に収容された触媒は劣化しない状態を維持することができる。
【００２４】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記第三収容室に繋がる第一連絡口よりも前記流入口側に第二連絡口が形成され、この第二連絡口と前記第三収容室とを繋ぐ分流通路が設けられ、前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記分流通路に原料ガスが流入し前記第三収容室へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されていることも好ましい態様である。この好ましい態様においては、前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記分流通路を経由する前記第三収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されていることも好ましい。
【００２５】
上述したように、第一収容室に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室において流動抵抗が増えれば、事後的に、第三収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。
【００２６】
この好ましい態様では、このような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室を経由する改質経路から分流通路を経由し第三収容室を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室及び第三収容室に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。
【００２７】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記分流通路から前記第三収容室へ供給される原料ガスは、前記第一収容室の下流側直下よりも前記第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、前記分流通路が設けられていることも好ましい。
【００２８】
上述したように、第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えると、分流経路を経由せずに第三収容室に繋がる流路においても炭素析出の影響を受けているものと想定される。そこでこの好ましい態様では、分流通路から第三収容室へ供給される原料ガスは、第一収容室の下流側直下よりも第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、分流通路を設けることで、炭素析出の影響がより小さいと想定される第二収容室の下流側直下に原料ガスを供給することができる。従って、第三収容室に収容されている改質触媒をより上手に使い切ることができる。
【００２９】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第二収容室よりも前記第一収容室に近接させて前記流入口が形成され、前記第一収容室よりも前記第二収容室に近接させて前記流入口が形成されていることも好ましい。
【００３０】
この好ましい態様では、流入口を第一収容室に近接させて形成することで、運転開始当初は第一収容室に原料ガスを確実に導入することができる。一方、流出口を第二収容室に近接させて形成することで、改質後の燃料ガスの流れは第二収容室側から排出されるものとし、第一収容室下流への流れを相対的に減少させている。従って、運転開始当初は第一収容室に収容された改質触媒を集中的に使用しつつ、第一収容室下流における改質触媒劣化を第二収容室側に分散することで、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【００３１】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一収容室が前記上面側に、前記第二収容室が前記下面側に、それぞれ配置されていることも好ましい。
【００３２】
この好ましい態様では、第二収容室を下面側に配置することで、セル集合体において発電反応に使用された残余の燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼する燃焼部に、第二収容室を近接させることができる。従って、第一収容室における改質経路の閉塞が発生すると原料ガスが流入する第二収容室を下面側に配置することで、改質性能が相対的に低下した場合に主体となる第二収容室の温度を高めに維持し、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、改質器内の状態を検知するセンサーや改質器内の流路を切り替えるための駆動手段を用いることなく、改質器内に収められた全ての改質触媒を上手に使いき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】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジングが外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。
【図６】図２に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【図７】図６に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図である。
【図９】本発明の一実施形態におる燃料電池装置に用いられる改質器の水平面に沿った断面を模式的に示す断面図である。
【図１０】図９に示す改質器において、被改質ガスを導入して改質プロセスを開始した初期の状態を示す図である。
【図１１】図９に示す改質器において、図１０から更に改質プロセスを進行させた状態を示す図である。
【図１２】図９に示す改質器における連通穴の形成態様を説明するための図である。
【図１３】図９に示す改質器の変形例を示す図である。
【図１４】図９に示す改質器の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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。
【００３６】
本発明の一実施形態による燃料電池装置である固体電解質形燃料電池を説明する。図１は、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００３７】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備えている。このハウジング６内部には、断熱材（図示せず）に囲まれて密封空間８が形成されている。この密封空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。
【００３８】
この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備えている（図６参照）。この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（単セル、図５参照）から構成されている。燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００３９】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成されている。この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス（空気）とが燃焼し、燃焼ガス（排気ガス）を生成するようになっている。
【００４０】
この燃焼室１８の上方には、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器２０が配置されている。上述した燃焼ガスの燃焼熱によって、改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器２２が配置されている。
【００４１】
補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。
【００４２】
さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００４３】
燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００４４】
続いて、図２‐図４、図６、図７により、本発明の実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュール２の内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による燃料電池装置のハウジング６が取り外された状態の燃料電池モジュール２を示す斜視図である。図２においては、燃料電池モジュール２を構成する各燃料電池セルスタック１４において、燃料電池セルユニット１６が８本並ぶ方向をｘ軸方向としている。また、燃料電池セルユニット１６が立設されて延びる方向をｙ軸方向とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する方向をｚ軸方向としている。図３以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図２におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。
【００４５】
図３は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＡ方向から見た断面図である。図４は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＢ方向から見た断面図である。図６は、図２に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。図７は、図６に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。
【００４６】
図２‐図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図６に示すように、燃料電池セル集合体１２は、Ｂ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、上面１２ａ、下面１２ｂ、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面１２ｃと、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面１２ｄを備えている。
【００４７】
図３に示すように、燃料電池モジュール２内の密封空間８内の最下方部分には、蒸発混合器５８が燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃに沿って設けられている。この蒸発混合器５８は、燃焼ガスにより加熱して、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と酸化剤ガスである空気とを混合するためのものである。この蒸発混合器５８の一端側には、図２、図４、図７に示すように、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２が接続されている。被改質ガス供給管６０は、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４から、被改質ガス（原料ガス）及び改質用空気を導入するようになっている。
【００４８】
図４に示すように、蒸発混合器５８の他端側には、燃料供給管６４の下端が接続されている。この燃料供給管６４の上端は、改質器２０の上流端に接続されている。この燃料供給管６４により、燃料ガスが蒸発混合器５８から改質器２０へ供給されるようになっている。また、改質器２０の下流端には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に進入して、水平方向に延びている。
【００４９】
図３及び図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（図５参照）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【００５０】
続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２へ供給するための構造を説明する。図２‐４に示すように、改質器２０の上方に、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び短辺側面１２ｄ（図２及び図４の右側短辺側面）に沿って、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２が設けられている。
【００５１】
なお、本実施形態においては、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び右側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器２２を、右側の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、右側及び左側の両方の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、さらに、上面１２ａ及び両側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしても良い。
【００５２】
熱交換器２２の短辺側面１２ｄに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図２に示すように、発電用空気導入管７４の導入口７４ａが取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット４５から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
【００５３】
図４及び図８に示すように、熱交換器２２の上側の他端側には、発電用空気流路７２の出口ポート７２ａが形成されている。さらに、図３に示すように、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７６が形成されている。発電用空気流路７２の出口ポート７２ａから、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７６は、燃料電池セル集合体１２の長手方向（長辺側面１２ｃ方向）に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８が、長手方向に沿って、等間隔に、形成されている。これらの吹出口７８から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【００５４】
続いて、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。上述したように、熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。図４に示すように、これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃料電池セル集合体１２の下方に位置し長手方向に延びる燃焼ガス排出室８０が形成され、燃焼ガス配管７０の下端側と燃焼ガス排出室８０が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室８０内に、上述した蒸発混合器５８が配置され、この蒸発混合器５８内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って、加熱されるようになっている。さらに、燃焼ガス排出室８０の下面には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００５５】
続いて、図５を参照しながら、燃料電池セルユニット１６について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
【００５６】
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内側（内部）に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００５７】
燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００５８】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００５９】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００６０】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００６１】
続いて、改質器２０について、図９を参照しながら更に説明する。図９は、改質器２０をｘｚ平面を含む平面で断面を見た場合の、本体部２０の内部を示す模式的な断面図である。上述したように改質器２０は、燃焼室１８の上方に配置されるものであり、原料ガスを改質して燃料ガスを生成するものである。上述した燃焼ガスの燃焼熱によって、改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。図９においては、図の紙面に向って奥側（ｙ軸方向の負側）が燃焼室１８に対向する面となっている。
【００６２】
図９に示すように、改質器２０は、本体部２０ａを有している。本体部２０ａの内部には、図に明示しない球状の改質触媒が充填されている。本体部２０ａは、分配室２０１と、第一収容室２０２と、第二収容室２０３と、第三収容室２０４と、集約室２０５と、を有している。
【００６３】
分配室２０１は、燃料供給管６４を経由して蒸発混合器５８から原料ガス及び水蒸気を受け入れて、第一収容室２０２及び第二収容室２０３に分配するための空間となっている。分配室２０１の底面には、流入口２０７が形成されている。流入口２０７には、燃料供給管６４が繋がれている。流入口２０７は、第二収容室２０３よりも第一収容室２０４側にオフセットされて形成されている。
【００６４】
流入口２０７に導入された原料ガス及び水蒸気は、第一収容室２０２と第二収容室２０３とに分配される。分配室２０１と第一収容室２０２とを分かつ壁には、連通穴２０８が形成されている。分配室２０２と第二収容室２０３とを分かつ壁には、連通穴２０９が形成されている。
【００６５】
連通穴２０８及び連通穴２０９を見通す方向から見た図を図９に示す。図９に示すように、連通穴２０８は、連通穴２０９よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴２０８は７箇所に形成される一方で、連通穴２０９は６箇所に形成されている。従って、分配室２０１と第一収容室２０２とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２０８の合算開口面積は、分配室２０１と第二収容室２０３とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２０９の合算開口面積よりも大きくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、分配室２０１から第一収容室２０２への原料ガスの流入抵抗は、分配室２０１から第二収容室２０３への原料ガスの流入抵抗よりも小さく、原料ガスは第二収容室２０３よりも第一収容室２０２に流入しやすくなっている。
【００６６】
図９に戻って説明を続ける。第一収容室２０２及び第二収容室２０３の下流側には、第一収容室２０２及び第二収容室２０３の双方に繋がる第三収容室２０４が形成されている。第一収容室２０２と第三収容室２０４とを分かつ壁には、連通穴２１０が形成されている。第二収容室２０３と第三収容室２０４とを分かつ壁には、連通穴２１１が形成されている。
【００６７】
連通穴２１０は、連通穴２１１よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴２１０は７箇所に形成される一方で、連通穴２１１は６箇所に形成されている。従って、第一収容室２０２と第三収容室２０４とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２１０の合算開口面積は、第二収容室２０３と第三収容室２０４とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２１１の合算開口面積よりも大きくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、第一収容室２０２から第三収容室２０４への原料ガスの流入抵抗は、第二収容室２０３から第三収容室２０４への原料ガスの流入抵抗よりも小さく、原料ガスは第二収容室２０３を経由するよりも第一収容室２０２から経由する方がより多く第三収容室２０４に流入する。
【００６８】
第一収容室２０２及び第二収容室２０３から第三収容室２０４に流入する原料ガスは、その流動プロセスにおいて水蒸気改質される。具体的には、第一収容室２０２、第二収容室２０３、及び第三収容室２０４には、それぞれ改質触媒が封入されている。本実施形態の場合、改質触媒は、基材にルテニウムを担持させることで形成されている。第一収容室２０２及び第二収容室２０３から第三収容室２０４に流入する原料ガスは、それぞれに封入されている改質触媒の作用によって水素リッチな燃料ガスとして改質される。
【００６９】
改質された燃料ガスは、第三収容室２０４から集約室２０５へと流入する。第三収容室２０４と集約室２０５とを分かつ壁には、連通穴２１２及び連通穴２１３が形成されている。連通穴２１２は、第一収容室２０２から本体部２０ａの外壁に沿って、連通穴２１０を延伸した下流側に略対応する位置に形成されている。連通穴２１３は、第二収容室２０３から本体部２０ａの外壁に沿って、連通穴２１１を延伸した下流側に対応する位置に形成されている。
【００７０】
連通穴２１３は、連通穴２１２よりも大径の丸穴として形成されている。連通穴２１３は７箇所に形成される一方で、連通穴２１２は６箇所に形成されている。従って、第一収容室２０２の下流側に位置する第三収容室２０４と集約室２０５とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２１２の合算開口面積は、第二収容室２０３の下流側に位置する第三収容室２０４と集約室２０５とを繋ぐ流路の流路断面積である連通穴２１３の合算開口面積よりも小さくなるように構成されている。そのため、少なくとも初期段階においては、第一収容室２０２の下流側に位置する第三収容室２０４から集約室２０５への燃料ガスの流入抵抗は、第二収容室２０３の下流側に位置する第三収容室２０４から集約室２０５への燃料ガスの流入抵抗よりも大きく、燃料ガスは連通穴２１２を経由するよりも連通穴２１３経由する方がより多く集約室２０５に流入する。
【００７１】
集約室２０５は、燃料供給管６６を経由して燃料ガスタンク６８に燃料ガスを送り出すための空間となっている。集約室２０５の底面には、流出口２１４が形成されている。流出口２１４には、燃料供給管６６が繋がれている。流出口２１４は、連通穴２１２よりも連通穴２１３側にオフセットされて形成されている。
【００７２】
本実施形態の場合、第一収容室２０２と第二収容室２０３との間の空間に、第一収容室２０２及び第二収容室２０３のｚ軸方向全長に渡って分流通路２０６が設けられている。第一収容室２０２と分流通路２０６とを分かつ壁には、連通穴２１５が形成されている。分流通路２０６と第三収容室２０４とを分かつ壁には、連通穴２１６が形成されている。連通穴２１５及び連通穴２１６は、それぞれ一つ形成されている。連通穴２１５及び連通穴２１６は、同じ径の穴であり、連通穴２０９と略同径である。従って、少なくとも初期状態において、分流通路２０６への流入抵抗は高く、分流通路２０６へはほとんど原料ガスが流入しないように構成されている。
【００７３】
続いて、図１０及び図１１を参照しながら、改質器２０内の原料ガス及び燃料ガスの流れを説明する。図１０に示すのは、被改質ガスである原料ガスを導入し、改質プロセスを開始した初期の状態における、原料ガス及び燃料ガスの流れを示す図である。図１１に示すのは、図１０から更に改質プロセスが進行した場合の、原料ガス及び燃料ガスの流れを示す図である。
【００７４】
図１０に示すように、流入口２０７から改質器２０内に導入された原料ガスは、分配室２０１に導入される。分配室２０１に導入された原料ガスは、最も流れやすい経路により多く流れる。従って、分配室２０１から第一収容室２０２に多くの原料ガスが流入し、分配室２０１から第二収容室２０３に流入する原料ガスは極めて少ない。
【００７５】
第一収容室２０２に流入した原料ガスは、第一収容室２０２内に収容されている改質触媒によって改質されながら第三収容室２０４に流入する。また、第二収容室２０３に流入した少量の原料ガスも、第二収容室２０３内に収容されている改質触媒によって改質されながら第三収容室２０４に流入する。
【００７６】
第三収容室２０４に流入した原料ガスは、第三収容室２０４内に収容されている改質触媒によって改質されながら集約室２０５に流入する。この場合、連通穴２１３を経由して流入する方が、連通穴２１２を経由して流入するよりも流入し易いので、連通穴２１３を経由する流れが支配的となる。
【００７７】
上述したように、改質器２０内の原料ガス及び燃料ガスの流れは、初期状態においては次のような流れが支配的なものとなる。流入口２０７から流入した原料ガスの多くは、連通穴２０８を経由して第一収容室２０２に流入する。第一収容室２０２に流入した原料ガスは、連通穴２１０を経由して第三収容室２０４に流入する。第三収容室２０４に流入した原料ガス及び燃料ガスは、連通穴２１３経由を主とし、連通穴２１２経由を従とするように、集約室２０５に流入する。集約室２０５に流入した燃料ガスは、流出口２１４から流出する。
【００７８】
図１０に示す状態から改質プロセスが更に進行すると、図１１に示すような状態となる。原料ガスを水蒸気と共に改質器２０内に導入し、水素リッチな燃料ガスとして取り出すと、改質器２０内の改質触媒には炭素析出が発生する。従って、初期状態において原料ガス及び燃料ガスが支配的に流れた経路に沿って炭素析出が発生し、改質触媒近傍の流路が実質的に狭められる。
【００７９】
第一収容室２０２内の改質触媒には全体に渡って炭素析出が発生し、連通穴２０８を経由して連通穴２１０から第三収容室への原料ガス及び燃料ガスの流量が低減する。また、第三収容室２０４内の改質触媒には、連通穴２１０と連通穴２１２との間の領域において炭素析出が発生し、連通穴２１２を経由する燃料ガスの流量が低減する。
【００８０】
従って、図１１に示すように、第二収容室２０３を経由して第三収容室に流入し、連通穴２１３を経由して集約室２０５に流入する原料ガス及び燃料ガスの流れが支配的なものとなる。更に、第一収容室２０２に流入した原料ガスは、第一収容室２０２内の圧力損失が高まるので、連通穴２１５を経由して分流通路２０６に流入する。分流通路２０６に流入した原料ガスは、連通穴２１６を経由し、第二収容室２０２の直接的な下流に位置する第三収容室２０４の部分に流入する。
【００８１】
図１１に示すような原料ガス及び燃料ガスの流れが発生すると、まだ炭素析出が起こっていない領域を通る流れとなり、劣化していない改質触媒を活用して原料ガスから燃料ガスへの改質プロセスが進行する。
【００８２】
上述したように本実施形態に係る燃料電池装置としての固体電解質形燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器２０と、電気的に接続された複数の管状の単セルである燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６により燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体としての燃料電池セル集合体１２と、を備えている。改質器２０は、本体部２０ａと、本体部２０ａの内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒とを有する。本体部２０ａには、原料ガスを導入する流入口２０７と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを燃料電池セル集合体１２に向けて流出させる流出口２１４と、流入口２０７と流出口２１４との間に改質触媒が収容される触媒収容部としての第一収容室２０２、第二収容室２０３、及び第三収容室２０４が形成されている。
【００８３】
上述したように、初期状態においては、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室２０３に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されている。そして、図１１を参照しながら説明したように、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、第二収容室２０３への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されている。
【００８４】
本実施形態では、第一収容室２０２と第二収容室２０３とを有しているので、改質触媒を第一収容室２０２と第二収容室２０３とに分けて収容することができ、それぞれに収容された改質触媒を段階的に使用することが可能となる。更に、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第二収容室２０３に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されているので、別段の制御的な手段を用いることなく第一収容室２０２に優先的に原料ガスを流入させることができる（図１０参照）。従って、第一収容室２０２に収容されている改質触媒が優先的に使用され、改質された燃料ガスを燃料電池セル集合体１２に供給することができる。
【００８５】
炭化水素を含む原料ガスを用いて水蒸気改質を行う場合、炭素析出は避け難い現象であるところ、本実施形態ではその炭素析出現象を逆手にとって有効活用し、第一収容室２０２における水蒸気改質から第二収容室２０３における水蒸気改質へと上手に流路を切り替えるものとしている。図１０を参照しながら説明したように、第一収容室２０２に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室２０２において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室２０２において流動抵抗が増えれば、事後的に、第二収容室２０３に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる（図１１参照）。
【００８６】
本実施形態ではこのような炭素析出に起因する圧力損失の変動（換言すれば、流入抵抗の変動）を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室２０２を経由する改質経路から第二収容室２０３を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室２０２及び第二収容室２０３に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器２０に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。
【００８７】
また本実施形態では、第一収容室２０２及び第二収容室２０３の双方に繋がる第三収容室２０４を設け、第一収容室２０２及び第二収容室２０３は流入口２０７側に、第三収容室２０４は流出口２１４側に、それぞれ配置されている。
【００８８】
本実施形態における改質器２０では、流入口２０７から原料ガスを流入させる一方で、流出口２１４から改質後の燃料ガスを流出させているので、流入口２０７側で炭素析出が発生し、流出口２１４側では水蒸気過多による触媒劣化が進行する傾向にある。そこで本実施形態では、第一収容室２０２及び第二収容室２０３を流入口２０７側に設ける一方で、第一収容室２０２及び第二収容室２０３の下流側であって流出口２１４側に第三収容室２０４を設けることで、下流側における触媒劣化の進行を第一収容室２０２内及び第二収容室２０３内にとどめ、第三収容室２０４に収容された触媒は劣化しない状態を維持することができる。
【００８９】
また本実施形態では、第一収容室２０２が第三収容室２０４に繋がる連通穴２１０（第一連絡口）よりも流入口２０７側に連通穴２１５（第二連絡口）が形成され、この連通穴２１５（第二連絡口）と第三収容室２０４とを繋ぐ分流通路２０６を設け、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、分流通路２０６に原料ガスが流入し第三収容室２０４へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されている。このように構成することで、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、分流通路２０６を経由する第三収容室２０４への原料ガスの流入が自律的に高まる。
【００９０】
本実施形態では上述したように、第一収容室２０２に原料ガスを優先的に流入させているので、第一収容室２０２において炭素析出の影響が先に現れるように構成している。そのため、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることになる。第一収容室２０２において流動抵抗が増えれば、事後的に、第三収容室２０４に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、第一収容室２０２に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなる。
【００９１】
このような炭素析出に起因する圧力損失の変動を利用し、燃料電池装置の運転継続状況にあわせて第一収容室２０２を経由する改質経路から分流通路２０６を経由し第三収容室２０４を経由する改質経路へと流路を切り替えている。このように改質経路を切り替えることで、第一収容室２０２及び第三収容室２０４に収容されている改質触媒を上手に使い切ることができると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されることによって水蒸気過多となり改質触媒のルテニウムが離脱することも防止することができる。従って、炭素析出という不可避な現象を逆手にとって、何らの特別な制御手段を用いることなく、改質器２０に収容されている改質触媒全体を上手に使い切ることができるように構成している。
【００９２】
また本実施形態では、分流通路２０６から第三収容室２０４へ供給される原料ガスは、第一収容室２０２の下流側直下よりも第二収容室２０３の下流側直下により多く供給されるように、分流通路２０６を設けている。
【００９３】
上述したように、第一収容室２０２において原料ガスに含まれる炭素が析出し、第一収容室２０２に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えると、分流経路２０６を経由せずに第三収容室２０４に繋がる流路においても炭素析出の影響を受けているものと想定される。そこで、分流通路２０６から第三収容室２０４へ供給される原料ガスは、第一収容室２０２の下流側直下よりも第二収容室２０３の下流側直下により多く供給されるように、分流通路２０６を設けることで、炭素析出の影響がより小さいと想定される第二収容室２０３の下流側直下に原料ガスを供給することができる。従って、第三収容室２０４に収容されている改質触媒をより上手に使い切ることができる。
【００９４】
また本実施形態では、第二収容室２０３よりも第一収容室２０２に近接させて流入口２０７を形成し、第一収容室２０２よりも第二収容室２０３に近接させて流入口２１４が形成されている。
【００９５】
流入口２０７を第一収容室２０２に近接させて形成することで、運転開始当初は第一収容室２０２に原料ガスを確実に導入することができる。一方、流出口２１４を第二収容室２０３に近接させて形成することで、改質後の燃料ガスの流れは第二収容室２０３側から排出されるものとし、第一収容室２０２下流への流れを相対的に減少させている。従って、運転開始当初は第一収容室２０２に収容された改質触媒を集中的に使用しつつ、第一収容室２０２下流における改質触媒劣化を第二収容室２０３側に分散することで、改質器２０全体の改質性能を高めることができる。
【００９６】
また本実施形態では、本体部２０ａの燃料電池セル集合体１２に対向する下面に流入口２０７及び流出口２１４を形成し、第一収容室２０２及び第二収容室２０３を、本体部２０ａの下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することも好ましい態様である。第一収容室２０２を下面側に配置し、本体部２０ａを本体部２０ｂに変形して改質器２０Ｂを構成した例を図１３に示す。第二収容室２０３を下面側に配置し、本体部２０ａを本体部２０ｃに変形して改質器２０Ｃを構成した例を図１４に示す。
【００９７】
これらの変形例では、本体部２０ｂ，２０ｃの燃料電池セル集合体１２に対向する下面に流入口２０７及び流出口２１４が形成されているので、原料ガスが本体部２０ｂ，２０ｃの下面から本体部２０ｂ，２０ｃ内に流入し、改質された燃料ガスが本体部２０ｂ，２０ｃの下面から流出する。このように本体部２０ｂ，２０ｃの下面から原料ガスを流入させる構成を採用しつつ、第一収容室２０２及び第二収容室２０３を本体部２０ｂ，２０ｃの下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置することで、下面側に配置された方の改質経路に優先的に原料ガスが流れ込むように構成している。このような配置上の工夫によって、原料ガスの流入しやすさに差を設けているので、第一収容室２０２と第二収容室２０３との圧力損失の差を小さくすることが可能になると共に、一方の改質経路が過度に閉塞されない状態での切り替えが可能なものとなる。
【００９８】
図１３に示す変形例では、第一収容室２０２を下面側に配置することで原料ガスの流入容易性を高める一方で、第二収容室２０３を上面側に配置することで原料ガスが流入し難いように構成している。従って、第一収容室２０２における改質経路の閉塞が発生していない段階では、第二収容室２０３への原料ガスの流入を抑制し、第一収容室２０２における改質経路の閉塞が発生した後に第二収容室２０３へ原料ガスが流入するように構成している。このような構成上の工夫によって、第二収容室２０３への原料ガスの流入移行を緩やかなものとし、第一収容室２０２内の改質触媒が劣化した後の第二収容室２０３内の改質触媒による改質性能を確保することができ、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【００９９】
図１４に示す変形例では、第二収容室２０３を下面側に配置することで、燃料電池セル集合体１２において発電反応に使用された残余の燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼する燃焼部に、第二収容室２０３を近接させることができる。従って、第一収容室２０２における改質経路の閉塞が発生すると原料ガスが流入する第二収容室２０３を下面側に配置することで、改質性能が相対的に低下した場合に主体となる第二収容室２０３の温度を高めに維持し、改質器全体の改質性能を高めることができる。
【０１００】
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】
【０１０１】
１：固体電解質形燃料電池
２：燃料電池モジュール
４：補機ユニット
６：ハウジング
８：密封空間
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１２ａ：上面
１２ｂ：下面
１２ｃ：長辺側面
１２ｄ：短辺側面
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２２：熱交換器
２４：水供給源
２６：純水タンク
２８：水流量調整ユニット
３０：燃料供給源
３２：ガス遮断弁
３６：脱硫器
３８：燃料流量調整ユニット
４０；空気供給源
４２：電磁弁
４４：改質用空気流量調整ユニット
４５：発電用空気流量調整ユニット
４６：第一ヒータ
４８：第二ヒータ
５０：温水製造装置
５２：制御ボックス
５４：インバータ
５６：ケーシング
５８：蒸発混合器
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６４：燃料供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７２ａ：出口ポート
７４：発電用空気導入管
７４ａ：導入口
７６：発電用空気供給路
７８：吹出口
８０：燃焼ガス排出室
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：上部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：上端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
２０ａ：本体部
２０１：分配室
２０２：第一収容室
２０３：第二収容室
２０４：第三収容室
２０５：集約室
２０６：分流通路
２０７：流入口
２０８：連通穴
２０９：連通穴
２１０：連通穴
２１１：連通穴
２１２：連通穴
２１３：連通穴
２１４：流出口
２１５：連通穴
２１６：連通穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、
炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、
電気的に接続された複数の管状の単セルを有し、これらの単セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体と、を備え、
前記改質器は、本体部と、当該本体部の内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒と、を有し、
前記本体部には、原料ガスを導入する流入口と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを前記セル集合体に向けて流出させる流出口と、前記流入口と前記流出口との間に前記改質触媒が収容される触媒収容部と、が形成され、
前記触媒収容部は、第一収容室と第二収容室とを有し、
前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、
前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記第二収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記本体部の前記セル集合体に対向する下面に前記流入口及び前記流出口が形成され、
前記第一収容室及び前記第二収容室は、前記本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置されている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】
前記第一収容室が前記下面側に、前記第二収容室が前記上面側に、それぞれ配置されてい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】
前記触媒収容部は、前記第一収容室及び前記第二収容室の双方に繋がる第三収容室をさらに有し、
前記第一収容室及び前記第二収容室は前記流入口側に、前記第三収容室は前記流出口側に、それぞれ配置されている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５】
前記第一収容室が前記第三収容室に繋がる第一連絡口よりも前記流入口側に第二連絡口が形成され、この第二連絡口と前記第三収容室とを繋ぐ分流通路が設けられており、
前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記分流通路に原料ガスが流入し前記第三収容室へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、
前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記分流通路を経由する前記第三収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成さ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】
前記分流通路から前記第三収容室へ供給される原料ガスは、前記第一収容室の下流側直下よりも前記第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、前記分流通路が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記第二収容室よりも前記第一収容室に近接させて前記流入口が形成され、前記第一収容室よりも前記第二収容室に近接させて前記流入口が形成されている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８】
前記第一収容室が前記上面側に、前記第二収容室が前記下面側に、それぞれ配置されてい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１】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、
炭化水素を含む原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、
電気的に接続された複数の管状の単セルを有し、これらの単セルにより燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発電するセル集合体と、を備え、
前記改質器は、本体部と、当該本体部の内部に収容されるルテニウムを含む改質触媒と、を有し、
前記本体部には、原料ガスを導入する流入口と、原料ガスを水蒸気改質して生成された燃料ガスを前記セル集合体に向けて流出させる流出口と、前記流入口と前記流出口との間に前記改質触媒が収容される触媒収容部と、が形成され、
前記触媒収容部は、第一収容室と第二収容室とを有し、
前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記第二収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、
前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記第二収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記本体部の前記セル集合体に対向する下面に前記流入口及び前記流出口が形成され、
前記第一収容室及び前記第二収容室は、前記本体部の下面から上面に向う方向に沿って上下に並ぶように配置されている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】
前記第一収容室が前記下面側に、前記第二収容室が前記上面側に、それぞれ配置されてい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】
前記触媒収容部は、前記第一収容室及び前記第二収容室の双方に繋がる第三収容室をさらに有し、
前記第一収容室及び前記第二収容室は前記流入口側に、前記第三収容室は前記流出口側に、それぞれ配置されている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５】
前記第一収容室が前記第三収容室に繋がる第一連絡口よりも前記流入口側に第二連絡口が形成され、この第二連絡口と前記第三収容室とを繋ぐ分流通路が設けられており、
前記第一収容室に原料ガスが流入し燃料ガスとなって流出する際の圧力損失よりも、前記分流通路に原料ガスが流入し前記第三収容室へそのまま流出する際の圧力損失が高くなるように予め構成されており、
前記第一収容室において原料ガスに含まれる炭素が析出し、前記第一収容室に収容されている改質触媒近傍を原料ガスが通る流路を狭めて流動抵抗が増えることで、前記分流通路を経由する前記第三収容室への原料ガスの流入が自律的に高まるように構成さ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】
前記分流通路から前記第三収容室へ供給される原料ガスは、前記第一収容室の下流側直下よりも前記第二収容室の下流側直下により多く供給されるように、前記分流通路が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記第二収容室よりも前記第一収容室に近接させて前記流入口が形成され、前記第一収容室よりも前記第二収容室に近接させて前記流入口が形成されている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８】
前記第一収容室が前記上面側に、前記第二収容室が前記下面側に、それぞれ配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１５０９４５（Ｐ２０１２−１５０９４５Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７６８６（Ｐ２０１１−７６８６）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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