特許 5770027 燃料電池用原料供給装置、燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5770027

(24)【登録日】2015年7月3日

(45)【発行日】2015年8月26日

(54)【発明の名称】燃料電池用原料供給装置、燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20150806BHJP

   H01M 8/06 20060101ALI20150806BHJP

   H01M 8/12 20060101ALI20150806BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   H01M8/04 J

   H01M8/04 Z

   H01M8/06 G

   H01M8/12

【請求項の数】8

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2011-137059(P2011-137059)

(22)【出願日】2011年6月21日

(65)【公開番号】特開2013-4442(P2013-4442A)

(43)【公開日】2013年1月7日

【審査請求日】2014年4月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114605

【弁理士】

【氏名又は名称】渥美 久彦

(72)【発明者】

【氏名】大野 猛

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 洋介

(72)【発明者】

【氏名】臼井 淑隆

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 功

【審査官】 久保田 創

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１６５２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０２８４２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−３１９３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１０４５８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００５３０１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２４３５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６４４０５９６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００６−０１９０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２８５６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０１８８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１３９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３８４４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−００７３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１４３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１４７５１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４

(57)【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を有するケーシングと、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、
前記混合ガスは、前記混合流路に沿って前記導出管側に流れるものであり、
前記混合ガスが流れる方向に対して、前記第２原料導入管の開口部が、前記第１原料導入管の開口部の後方に配置されており、
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
ことを特徴とする燃料電池用原料供給装置。

【請求項2】

包囲されて形成された内部領域に混合流路を有するケーシングと、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、
前記混合ガスは、前記混合流路に沿って前記導出管側に流れるものであり、
前記混合ガスが流れる方向に対して、前記第２原料導入管の開口部が、前記第１原料導入管の開口部の後方に配置されており、
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側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原料導入管が前記第１原料導入管に直交する方向に延びている
ことを特徴とする燃料電池用原料供給装置。

【請求項3】

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２原料導入管は、前記ケーシングの内壁から前記混合流路に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に連結され、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延びる第２管部とを備え、
前記第２原料導入管の開口部が、前記第２管部に形成されるとともに、
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３に記載の燃料電池用原料供給装置。

【請求項5】

前記加熱部は、
前記ケーシングに熱伝導可能に接触し、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原料導入管は、前記ケーシングの内壁から前記混合流路に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に連結され、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延びる第２管部とを備え、
前記第１管部が前記排ガス流路構造体から離間する一方、前記第２管部が前記排ガス流路構造体に熱伝導可能に接触し、
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
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用原料供給装置。

【請求項7】

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６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8】

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。

【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４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１３０ｂ）を構成するケーシングに、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１３２ｂ）と、水をケーシング内に導入する液体導入管（水供給管１３４ｂ）とが設けられている。なお、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、燃料ガスの逆流を防止して燃料ガス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を有するケーシングと、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、前記混合ガスは、前記混合流路に沿って前記導出管側に流れるものであり、前記混合ガスが流れる方向に対して、前記第２原料導入管の開口部が、前記第１原料導入管の開口部の後方に配置されており、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燃料電池用原料供給装置がある。
また、上記課題を解決するための手段（手段３）としては、包囲されて形成された内部領域に混合流路を有するケーシングと、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、前記混合ガスは、前記混合流路に沿って前記導出管側に流れるものであり、前記混合ガスが流れる方向に対して、前記第２原料導入管の開口部が、前記第１原料導入管の開口部の後方に配置されており、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側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原料導入管が前記第１原料導入管に直交する方向に延びてい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１，３に記載の発明によると、混合ガスが流れる方向において、液体状の第２原料が流れる第２原料導入管の開口部が、気体状の第１原料が流れる第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、混合流路に導入された第２原料が加熱部によって気化されて膨張したとしても、混合流路に導入された第１原料が第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、膨張した第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ことにより、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、混合ガスの供給が安定するようになる。ゆえに、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）も含んでいる。なお、手段１に記載の発明において、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る。このようにすれば、第２原料の導入方向が、混合ガスが流れる方向とは反対方向になるため、第１原料導入管の開口部と第２原料導入管の開口部とを最大限に離間させることが可能となる。ゆえに、混合流路に導入された第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原料が膨張した第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、手段３に記載の発明では、第１原料導入管が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同じ方向に延びるとともに、第２原料導入管が第１原料導入管に直交する方向に延びている。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、ケーシングの内壁から混合流路に延びる第１管部と、第１管部の先端側に連結され、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延びる第２管部とを備え、第２原料導入管の開口部が、第２管部に形成されることが好ましい。このようにすれば、第２原料導入管が一直線上に延びる管である場合に比べて、第２原料導入管の開口部を第１原料導入管の開口部から離間させることができる。この場合、第２原料導入管の開口部から混合流路に導入された第２原料が加熱部によって気化されて膨張したとしても、膨張した第２原料が第１原料導入管の開口部に到達しにくくなるため、第１原料が第２原料に押されて第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。

【0015】

なお、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原料導入管が第１管部と第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。

【0016】

また、加熱部は、ケーシングに熱伝導可能に接触し、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。

【0017】

なお、第２原料導入管が、ケーシングの内壁から混合流路に延びる第１管部と、第１管部の先端側に連結され、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延びる第２管部とを備え、第１管部が排ガス流路構造体から離間する一方、第２管部が排ガス流路構造体に熱伝導可能に接触する場合、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ことが好ましい。このようにした場合、第２管部が排ガス流路構造体に接触するため、第２原料を第２管部内で効率的に加熱することができる。また、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ため、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。

【0018】

また、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。

【0019】

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、前記区画壁に前記第２原料導入管を熱伝導可能に接触させることができる。

【0020】

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。

【0021】

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混合流路に延びる第１管部と、前記第１管部の先端側に連結され、前記第１管部内を流れてきた前記第２原料の進行方向を変更させる方向に延びる進行方向変更部と、前記進行方向変更部の先端側に連結され、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延びる第２管部とを備える場合には、前記第１管部を前記加熱部から離間させる一方、前記第２管部を前記加熱部に接触させることができる。なお、この場合、前記第１管部の長さを、前記第２管部の長さよりも長くすることもできる。

【0022】

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または３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。

【0023】

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、混合ガスが流れる方向において、液体状の第２原料が流れる第２原料導入管の開口部が、気体状の第１原料が流れる第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、混合流路に導入された第２原料が加熱部によって気化されて膨張したとしても、混合流路に導入された第１原料が第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、膨張した第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ことにより、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、混合ガスの供給が安定するようになる。ゆえに、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。

【0024】

ここで、燃料電池としては、例えば、ＺｒＯ_２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。

【0025】

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ＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミックなどがある。

【0026】

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ＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２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。

【0027】

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（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、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（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ₃系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【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】燃料電池システムを示す概略斜視図。

【図3】燃料電池システムを示す概略背面図。

【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。

【図12】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。

【図13】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。

【図14】他の実施形態における原料混合器を示す概略断面図。

【図15】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】

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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、天井部５２、底部５３、及び、４つの側壁５４，５５，５６，５７によって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５４，５６の幅）よりも短く設定されている。また、天井部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。

【0042】

なお、図４は、第１ケーシング５１を上下方向（図２では下方向）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、燃料導入管）及び水導入管６２（第２原料導入管、液体導入管）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。

【0043】

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５４〜５７のうち１つの側壁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。そして、燃料ガス導入管６１の内端側は、第１ケーシング５１内に突出しており、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、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が、水導入管６２の第１管部６５の長さの４分の３程度に設定されている（図４参照）。また、燃料ガス導入管６１は、第１ケーシング５１の高さの半分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）。

【0044】

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の断面積よりも小さく、本実施形態では燃料ガス導入管６１の断面積の６％に設定されている。また、水導入管６２は、第１管部６５、第２管部６６及び進行方向変更部６７を備えている。第１管部６５は、４つの側壁５４〜５７のうち１つの側壁５７を貫通して第１ケーシング５１内に突出し、第１ケーシング５１の内壁（本実施形態では、側壁５７の内面）から混合流路５８に向けて第１ケーシング５１の横方向に沿って延びている。なお、接続箇所の気密性を確保するためには、溶接による接続や、Swagelok社などの接続部材による接続を採用することができる。本実施形態では、Swagelok社の接続部材９１，９２を採用して、水導入管６２を第１ケーシング５１に挿通した状態で固定している。そして、第１管部６５は、混合流路５８の上流側から下流側に向かって延びている。なお本実施形態では、第１管部６５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よりもやや長く設定されている。また、第１管部６５は、第１ケーシング５１の中央となる高さに位置している（図５参照）。従って、第１管部６５は、第１ケーシング５１の底部５３から離間した状態に配置されている。

【0045】

図４，図５に示されるように、進行方向変更部６７は、円弧状をなし、第１管部６５内を流れてきた水の進行方向を反対方向に変更させる方向に延びている。進行方向変更部６７の基端側は第１管部６５に連結され、進行方向変更部６７の先端側は第２管部６６に連結されている。

【0046】

また、第２管部６６は、進行方向変更部６７を介して第１管部６５の先端側に連結され、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は反対方向に延びている。なお、本実施形態では、第２管部６６の先端部を第１ケーシング５１の底部５３と１個または複数個の金属製のバンド９３とによって挟持し、この状態で溶接を行ってバンド９３を底部５３に固定することにより、第２管部６６が底部５３に固定されるようになっている。よって、第２管部６６は底部５３に接触するようになっている。そして、第２管部６６の先端側（即ち、水導入管６２の内端側）は、混合流路５８に開口する開口部６８を先端面（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は反対方向に開口している。従って、水導入管６２は、混合流路５８の下流側から上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、混合ガスが流れる方向に対して、燃料ガス導入管６１の開口部６４の後方に配置されている。なお本実施形態では、第２管部６６の長さが、第１管部６５の長さの半分程度に設定されている。

【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の底部５３、及び、第１ケーシング５１の側壁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５５側の端部）は、排出流路１１４に連通している。また、底部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、排ガス流路構造体８１を構成する底部５３には、水導入管６２が熱伝導可能に接触している。具体的に言うと、第１管部６５が底部５３から離間する一方、第２管部６６が底部５３に熱伝導可能に接触している。よって、加熱部８０では、第２管部６６内を流れる水と排ガス流路構造体８１に導入した排ガスとの間で熱交換が行われるようになっている。具体的に言うと、第２管部６６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５４〜５７のうち１つの側壁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、第２管部６６内を流れる水と同じ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を介して混合流路５８に導入される。なお、水は、水導入管６２の第２管部６６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、水蒸気となって混合流路５８に導入される。

【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、混合ガスが流れる方向において、水導入管６２の開口部６８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、水導入管６２から混合流路５８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、燃料ガス導入管６１から混合流路５８に導入された燃料ガスが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、水導入管６２の開口部６８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、水導入管６２から混合流路５８に導入さ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の第１管部６５が排ガス流路構造体８１から離間する一方、水導入管６２の第２管部６６が排ガス流路構造体８１に熱伝導可能に接触している。しかも、排ガス流路構造体８１に接触する第２管部６６の長さは、排ガス流路構造体８１から離間する第１管部６５の長さよりも短くなっている。このため、水導入管６２と排ガス流路構造体８１との接触面積が小さくなり、水導入管６２と排ガス流路構造体８１との接触部分が開口部６８の近傍に位置するようになる。その結果、水導入管６２内を水が流れたとしても、水導入管６２内での水の気化は混合流路５８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６２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１０の信頼性が向上する。

【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）とは反対方向に開口していた。しかし、図６に示されるように、水導入管１６２の開口部１６８が、燃料ガス導入管１６１の開口部１６４と同じ方向に開口する原料混合器１５０であってもよい。また図７に示されるように、燃料ガス導入管２６１が混合流路２５８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２６２が燃料ガス導入管２６１に直交する方向に延びる原料混合器２５０であってもよい。

【0063】

・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に熱伝導可能に接触していた。しかし、図８〜図１０に示されるように、水導入管３６２，３６３，３６４が加熱部３８０，３８１，３８２から離間した原料混合器３５０，３５１，３５２であってもよい。

【0064】

・上記実施形態の原料混合器５０では、水導入管６２の第１管部６５が加熱部８０から離間する一方、水導入管６２の第２管部６６が加熱部８０に接触していた。しかし、図１１〜図１３に示されるように、水導入管４６２，４６３，４６４の第１管部４６５，４６６，４６７が加熱部４８０，４８１，４８２に接触する一方、水導入管４６２〜４６４の第２管部４６８，４６９，４７０から離間する原料混合器４５０，４５１，４５２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の第１管部６５が、側壁５７を貫通して第１ケーシング５１内に突出し、第１ケーシング５１の横方向に沿って延びていた。即ち、第１管部６５は、混合流路５８の上流側から下流側に向かって延びていた。しかし、第１管部の構造が異なる原料混合器に変更してもよい。例えば図１４に示されるように、第１管部５６５が、天井部５５２を貫通して第１ケーシング５５１内に突出し、第１ケーシング５５１の高さ方向に延びる原料混合器５５０であってもよい。また図１５に示されるように、第１管部６６５が、側壁６５４を貫通して第１ケーシング６５１内に突出し、第１ケーシング６５１の横方向に延びる原料混合器６５０であってもよい。即ち、第１管部６６５は、混合流路６５８の下流側から上流側に向かって延びていてもよい。

【0066】

・上記実施形態では、燃料ガス導入管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（第２管部６６）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。

【0067】

・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の混合流路５８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、混合流路５８内の水を加熱する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。

【0068】

・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。

【0069】

・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】

【0070】

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
５０，１５０，２５０，３５０，３５１，３５２，４５０，４５１，４５２，５５０，６５０…原料混合器
５１，５５１，６５１…ケーシングとしての第１ケーシング
５８，２５８，６５８…混合流路
６１，１６１，２６１…第１原料導入管としての燃料ガス導入管
６２，１６２，２６２，３６２，３６３，３６４，４６２，４６３，４６４…第２原料導入管としての水導入管
６３…導出管
６４，１６４…第１原料導入管の開口部
６５…第１管部
６６…第２管部
６８，１６８…第２原料導入管の開口部
８０，３８０，３８１，３８２…加熱部
８１…排ガス流路構造体

【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15】