JP6869461B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示の発明は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとして、アノードガスおよびカソードガスの少なくとも一方に３００μｍ以下に微小粒子化（霧化）した水を添加する加湿装置を含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池装置では、加湿装置として、反応ガス（水素および空気）の供給通路内に配置された噴霧ノズルおよび噴霧ノズルに加圧水を供給する加圧ポンプとで構成された動力噴霧器や、水面が反応ガス通路内に開口した水槽と、水槽内に配置された超音波振動子とで構成された超音波加湿器が用いられる。

特開平５−５４９００号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、霧化された水と反応ガスとを充分に接触させることが困難であり、必要な量の水（水蒸気）が添加された反応ガスを燃料電池側に供給し得なくなるおそれがある。

そこで、本開示の発明は、反応ガスが充分に加湿されずに燃料電池側に供給されるのを抑制することを主目的とする。

本開示の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記アノードガスの原燃料ガスおよび前記カソードガスの少なくとも何れか一方である反応ガスを加湿して前記燃料電池側に供給する加湿装置とを含む燃料電池システムにおいて、前記加湿装置が、水を貯留すると共に、前記反応ガスが供給されるガス供給口および前記反応ガスを流出させるガス流出口を有する水タンクと、前記水タンク内の水を霧化する霧化装置と、前記霧化装置により霧化された水を前記水タンク内で前記ガス供給口側および前記ガス流出口側へと拡散させる拡散部材とを備えることを特徴とする。

この燃料電池システムの加湿装置は、水を貯留すると共にアノードガスの原燃料ガスおよびカソードガスの少なくとも何れか一方である反応ガスが供給されるガス供給口および反応ガスを流出させるガス流出口を有する水タンクと、水タンク内の水を霧化する霧化装置と、霧化装置により霧化された水を水タンク内でガス供給口側およびガス流出口側へと拡散させる拡散部材とを含む。このように、霧化装置により霧化された水を拡散部材により水タンク内でガス供給口側およびガス流出口側へと拡散させることで、霧化された水と、水タンク内に供給されて当該水タンクから流出する反応ガスとが接触する領域を増加させることが可能となる。この結果、加湿装置において反応ガスを良好に加湿することができるので、反応ガスが充分に加湿されずに燃料電池側に供給されるのを抑制することが可能となる。

また、前記霧化装置は、前記水タンク内の下部に配置されてもよく、前記拡散部材は、前記水タンクの天板部の下方から前記霧化装置の上方まで延在して該水タンクの内部を前記ガス供給口側と前記ガス流出口側とに仕切る板体であってもよい。これにより、霧化装置により霧化された水を水タンク内でガス供給口側およびガス流出口側へと良好に拡散させて、霧化された水と反応ガスとが接触する領域を増加させることが可能となる。

更に、前記加湿装置は、前記拡散部材よりも前記ガス供給口側で前記天板部から前記水タンク内の液面の上方まで延在して該水タンクの内部を前記拡散部材側と前記ガス供給口側とに仕切る第１の邪魔板と、前記拡散部材よりも前記ガス流出口側で前記天板部から前記水タンク内の液面の上方まで延在して該水タンクの内部を前記拡散部材側と前記ガス流出口側とに仕切る第２の邪魔板とを備えてもよい。これにより、水タンクのガス供給口に供給された反応ガスは、第１の邪魔板と拡散部材との間、拡散部材と天板部との間、拡散部材と第２の邪魔板との間を通ってガス流出口から流出する。また、霧化装置により霧化された水は、拡散部材により当該拡散部材と第１の邪魔板との間、および拡散部材と第２の邪魔板との間へと拡散させられる。この結果、拡散部材の周辺で、霧化装置により霧化された水と反応ガスとをより確実に接触させることが可能となり、反応ガスが充分に加湿されずに燃料電池側に供給されるのを極めて良好に抑制することができる。

また、前記加湿装置は、前記水タンクの液位を検出する液位センサと、前記水タンクから水を排出するためのドレンバルブと、前記液位センサにより検出される液位が所定値を超えないように前記ドレンバルブを制御する制御装置とを更に備えてもよい。これにより、第１および第２邪魔板の下端まで液位が上昇してしまうのを抑制して、水タンク内に原燃料ガスの通路を確保することが可能となる。

更に、前記ガス供給口および前記ガス流出口は、前記水タンクの天板部に設けられてもよい。これにより、一般的に燃料電池システムの下部に配置される水タンクに対して反応ガスの供給管や流出管を上方から容易に接続することが可能となり、システム全体のスペース効率を向上させることができる。

また、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であってもよい。すなわち、固体酸化物形燃料電池を含む燃料電池システムでは、一般に、燃料電池を含む発電モジュール（ホットモジュール）に対して、原燃料ガスを改質（水蒸気改質）してアノードガスを生成する際に必要な水蒸気を得るために改質水を気化させる気化器が設けられる。この場合、改質水を気化させるのには、発電モジュールに設けられた燃焼部で発生させられた熱が用いられるが、気化器での改質水の気化（吸熱反応）によって発電モジュールの温度が局所的に低下してしまい、それにより燃料電池の発電効率が低下してしまうおそれもある。これに対して、固体酸化物形燃料電池を含む燃料電池システムに上述のような加湿装置を設けることで、気化器を省略すると共に改質水の気化に伴う発電モジュールの局所的温度低下を抑制することができるので、燃料電池システムの発電効率をより向上させることが可能となる。

更に、前記霧化装置は、印加される電力に応じた超音波を発生させて該超音波により前記水タンク内の水を霧化する超音波霧化装置であってもよい。ただし、霧化装置は、例えばノズルおよび加圧ポンプ等を含む超音波霧化装置以外のものであってもよい。

本開示の燃料電池システムを示す概略構成図である。 本開示の燃料電池システムに含まれる加湿装置を示す部分断面図である。 図２におけるIII−III線に沿った断面図である。 本開示の燃料電池システムに含まれる加湿装置の動作を説明するための説明図である。

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本開示の燃料電池システム１０を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム１０は、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池ＦＣを有する発電ユニット（ホットモジュール）２０と、湯水を貯留する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０とを含む。また、発電ユニット２０は、燃料電池ＦＣや、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１、改質器３３等を含む発電モジュール３０と、発電モジュール３０の改質器３３に例えば天然ガスやＬＰガスといった原燃料ガス（反応ガス）を供給するための原燃料ガス供給系統（原燃料ガス供給装置）４０と、発電モジュール３０の燃料電池ＦＣにカソードガスとしてのエア（空気）を供給するためのエア供給系統（カソードガス供給装置）５０と、原燃料ガス供給系統４０からの原燃料ガスを加湿して改質器３３に供給する加湿装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収するための排熱回収系統６０と、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されたパワーコンディショナ７１と、これらを収容する筐体２２とを有する。

発電モジュール３０の燃料電池ＦＣは、固体酸化物形燃料電池であり、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とを含む単セルを図１中左右方向に複数積層することにより構成された複数（本実施形態では、２つ）のセルスタックＣＳを含む。各セルのアノード電極極側には、アノードガスを流通させる図示しないアノードガス通路がセルの積層方向と直交する方向（図中上下方向）に延びるように形成されている。また、各セルのカソード電極側には、エアを流通させる図示しないエア通路がセルの積層方向と直交する方向（図中上下方向）に延びるように形成されている。燃料電池ＦＣを構成する２つのセルスタックＣＳは、断熱材を介してモジュールケース３１内に設置されたマニホールド上に並設され、各セルのアノードガス通路は、マニホールドに形成されたアノードガス通路に接続される。また、各セルのエア通路は、モジュールケース３１内の図示しないエア供給通路に接続される。

発電モジュール３０の改質器３３は、モジュールケース３１内の２つのセルスタックＣＳの上方に両者と間隔をおいて配設される。２つのセルスタックＣＳと改質器３３との間には、燃料電池ＦＣの作動や、改質器３３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部３４が画成されている。燃焼部３４には、点火ヒータ３５が設置されると共に、２つのセルスタックＣＳの一方に近接するように温度センサ３６が設置されている。

改質器３３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部３４からの熱の存在下で、加湿装置５５で加湿された原燃料ガスの改質触媒による反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器３３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器３３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。

改質器３３により生成されたアノードガスは、上記マニホールドやセルスタックＣＳの各セルのアノードガス通路等を介して各セルのアノード電極に供給される。また、セルスタックＣＳの各セルのカソード電極には、各セルのエア通路等を介して酸素を含むカソードガスとしてのエアが供給される。カソード電極では、酸化物イオン（Ｏ₂ ^-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。また、各セルスタックＣＳにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびエア（以下、「カソードオフガス」という）は、各セルのアノードガス通路やエア通路から上方の燃焼部３４へと流出する。

各セルのアノードガス通路から燃焼部３４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各セルのエア通路から燃焼部３４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ３５により点火させられて燃焼部３４でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池ＦＣの作動や、改質器３３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生する。また、オフガスの燃焼に伴い、燃焼部３４では、水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。

図１に示すように、改質器３３に原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給系統４０は、天然ガスやＬＰガスを供給する原燃料供給源１に接続される原燃料ガス供給管４１や、当該原燃料ガス供給管４１に組み込まれた原燃料ガス供給弁（電磁開閉弁）４２，４３、原燃料ガスポンプ４５および脱硫器４６を含む。更に、原燃料ガス供給管４１には、当該原燃料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７や、原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量センサ４８が設置されている。脱硫器４６は、例えばゼオライト等の吸着剤を用いて原燃料ガスから硫黄成分（硫黄化合物）を除去するものである。なお、脱硫器４６の脱硫方式は、いわゆる常温脱硫式に限られるものではない。

エア供給系統５０は、モジュールケース３１内のエア供給通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１のエア入口に設置されたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に組み込まれたエアブロワ５３とを含む。エアブロワ５３を作動させることで、エアフィルタ５２を介して吸入されたエアが当該エアブロワ５３により燃料電池ＦＣへと圧送（供給）される。また、エア供給管５１には、当該エア供給管５１を流通するエアの単位時間あたりの流量が所定値に達するとオンする流量スイッチ５４が設置されている。

加湿装置５５は、脱硫器４６に接続される原燃料供給管５６ａと、改質器３３に接続される原燃料流出管５６ｂと、原燃料供給管５６ａおよび原燃料流出管５６ｂに接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク（水タンク）５７と、水精製器５８とを含む。脱硫器４６を通過した原燃料ガスは、原燃料供給管５６ａを介して改質水タンク５７内に導入され、改質水タンク５７内を通過する間に加湿されて原燃料流出管５６ｂを介して改質器３３に流入する。図１に示すように、加湿装置５５（改質水タンク５７）は、発電モジュール３０や原燃料ガス供給系統４０の下方に設置される。

排熱回収系統６０は、給湯ユニット１００の貯湯タンク１０１に接続される循環配管６１と、循環配管６１を流通する湯水と発電モジュール３０の燃焼部３４からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器６２と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６３とを含む。循環ポンプ６３を作動させることで、当該循環ポンプ６３により貯湯タンク１０１に貯留されている湯水を熱交換器６２へと導入し、熱交換器６２で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク１０１へと返送することができる。

また、排熱回収系統６０の熱交換器６２（燃焼排ガスの通路）は、凝縮水供給管６６を介して加湿装置５５の水精製器５８に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク１０１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該凝縮水供給管６６から水精製器５８内に導入される。そして、水精製器５８により精製された改質水は、改質水タンク５７内に貯留される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、排気管６７に接続されている。これにより、発電モジュール３０の燃焼部３４（燃料電池ＦＣ）から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、排気管６７を介して大気中に排出される。

パワーコンディショナ７１は、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されて当該燃料電池ＦＣからの直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有する（何れも図示省略）。パワーコンディショナ７１（インバータ）の出力端子は、系統電源２に接続された電力ライン３に接続される。これにより、燃料電池ＦＣからの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷４に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム１０は、電力ライン３に接続された電源基板７２を含む。電源基板７２は、系統電源２からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを有しており、原燃料ガス供給弁４２，４３や原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、循環ポンプ６３といった補機類、温度センサ３６等のセンサ類、更には制御装置８０等に直流電力を供給する。パワーコンディショナ７１や電源基板７２等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ７１や電源基板７２等を冷却するための冷却ファン（図示省略）と、換気ファン２４とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ７１や電源基板７２の発熱部にエアを送り込み、当該発熱部を冷却して昇温したエアは、換気ファン２４により大気中に排出される。

制御装置８０は、ＣＰＵ８１や、各種プログラムを記憶するＲＯＭ８２、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３、何れも図示しない入力ポートおよび出力ポート等を含むコンピュータである。制御装置８０は、温度センサ３６や圧力センサ４７、流量センサ４８の検出値、流量スイッチ５４からの信号等を入力ポートを介して入力する。また、制御装置８０は、換気ファン２４や、点火ヒータ３５、原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイド、原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、循環ポンプ６３、パワーコンディショナ７１（ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ）、表示パネル９０等への制御信号を出力ポートを介して出力し、これらの機器を制御する。

次に、図２から図４を参照しながら、燃料電池システム１０の加湿装置５５について詳細に説明する。

図２に示すように、加湿装置５５の改質水タンク５７は、原燃料供給管５６ａに接続されて脱硫器４６からの原燃料ガスが供給されるガス供給口５７ｉと、原燃料流出管５６ｂに接続されて改質水タンク５７内を通過した原燃料ガスを改質器３３へと流出させるガス流出口５７ｏと、水精製器５８に接続される改質水供給口５７ｗとを有する。図示するように、ガス供給口５７ｉ、ガス流出口５７ｏおよび改質水供給口５７ｗは、改質水タンク５７の天板部５７ｓに設置される。本実施形態において、ガス供給口５７ｉおよびガス流出口５７ｏは、改質水タンク５７の長手方向に離間するように天板部５７ｓに設置され、改質水供給口５７ｗは、ガス流出口５７ｏよりもガス供給口５７ｉから当該長手方向に離間するように天板部５７ｓに設置される。

また、加湿装置５５は、改質水タンク５７内の改質水を霧化する霧化装置５５０を含む。本実施形態において、霧化装置５５０は、圧電素子を含む超音波振動子５５１と、図示しない電力変換装置に接続されると共に超音波振動子５５１に高周波交流電圧を印加する駆動回路５５２とを含む超音波霧化装置である。図２に示すように、超音波振動子５５１は、超音波発生面が改質水の液面と平行をなすように当該改質水タンク５７内の下部すなわち改質水タンク５７の底部５７ｂ上に固定される。また、霧化装置５５０の駆動回路５５２は、上記制御装置８０により制御される。

制御装置８０は、原燃料ガス供給系統４０から加湿装置５５に対して原燃料ガスが供給される際、改質水タンク５７内に供給される原燃料ガスの流量に応じた量の水が霧化されるように駆動回路５５２を制御する。高周波交流電圧の印加により超音波振動子５５１から超音波が発せられると、超音波エネルギが液面に集中することで水柱が形成される。そして、水柱の表面では、表面波（キャピラリー波）が発生し、表面波の先端（波頭）から多数の微粒子状の液滴（水滴）が飛散していくことになる。かかる超音波式の霧化装置５５０によれば、超音波振動子５５１に印加される交流電圧の電圧や周波数を変化させることで液滴の大きさと霧化量とを独立に制御することが可能である。

更に、改質水タンク５７の内部には、拡散部材５７０、第１および第２邪魔板５７１，５７２および仕切板５７３が配置されている。拡散部材５７０は、下部に例えば矩形状の切欠５７０ｃを有する平坦な板体である。拡散部材５７０は、図２および図３に示すように、上端部が改質水タンク５７の天板部５７ｓの内面から離間すると共に、切欠５７０ｃの上縁部が超音波振動子５５１の超音波発生面の中心と間隔をおいて対向するように改質水タンク５７内に固定される。

すなわち、拡散部材５７０は、天板部５７ｓの下方から超音波振動子５５１（霧化装置５５０）の上方まで、超音波振動子５５１の超音波発生面と垂直に（図２中上下方向に）延在する。また、切欠５７０ｃの両側に位置する拡散部材５７０の下端部は、改質水タンク５７の底部５７ｂの内面に密接し、拡散部材５７０の各側部は、図３に示すように、改質水タンク５７の側板部５７ｃまたは５７ｄの内面に密接する。これにより、改質水タンク５７の内部は、天板部５７ｓの下方から超音波振動子５５１の上方までの間で、拡散部材５７０によりガス供給口５７ｉ側とガス流出口５７ｏ側とに仕切られる。更に、改質水タンク５７の天板部５７ｓと拡散部材５７０の上端部との間、および拡散部材５７０と超音波振動子５５１の超音波発生面との間には、間隙が形成される。なお、切欠５７０ｃの寸法（高さおよび幅）は、超音波による水柱や霧の形成を妨げないように定められる。

第１および第２邪魔板５７１，５７２は、改質水タンク５７における改質水の液位が予め定められた最大液位であるときの液面から改質水タンク５７の天板部５７ｓの内面までの高さよりも短い高さを有する平坦な板体である。第１邪魔板５７１は、図２に示すように、拡散部材５７０よりも改質水タンク５７の長手方向におけるガス供給口５７ｉ側で、上端部が改質水タンク５７の天板部５７ｓの内面に密接すると共に各側部が改質水タンク５７の側板部５７ｃまたは５７ｄの内面に密接するように改質水タンク５７内に固定される。これにより、第１邪魔板５７１は、拡散部材５７０よりもガス供給口５７ｉ側で、天板部５７ｓから改質水タンク５７内の改質水の液面の上方まで当該改質水に接触することなく拡散部材５７０と平行（図２中上下方向）に延在する。従って、改質水タンク５７の内部は、液面よりも上側で、第１邪魔板５７１により拡散部材５７０側とガス供給口５７ｉ側とに仕切られる。

また、第２邪魔板５７２は、図２に示すように、拡散部材５７０よりも改質水タンク５７の長手方向におけるガス流出口５７ｏ側で、上端部が改質水タンク５７の天板部５７ｓの内面に密接すると共に各側部が改質水タンク５７の側板部５７ｃまたは５７ｄの内面に密接するように改質水タンク５７内に固定される。これにより、第２邪魔板５７２は、拡散部材５７０よりもガス流出口５７ｏ側で、天板部５７ｓから改質水タンク５７内の改質水の液面の上方まで当該改質水に接触することなく拡散部材５７０と平行（図２中上下方向）に延在する。従って、改質水タンク５７の内部は、液面よりも上側で、第２邪魔板５７２により拡散部材５７０側とガス流出口５７ｏ側とに仕切られる。

仕切板５７３は、改質水タンク５７における改質水の液位が上記最大液位であるときの液面から改質水タンク５７の天板部５７ｓの内面までの高さよりも長い高さを有する平坦な板体である。仕切板５７３は、改質水タンク５７の長手方向におけるガス流出口５７ｏと改質水供給口５７ｗとの間で、上端部が改質水タンク５７の天板部５７ｓの内面に密接すると共に各側部が改質水タンク５７の側板部５７ｃまたは５７ｄの内面に密接するように改質水タンク５７内に固定される。これにより、仕切板５７３は、ガス流出口５７ｏと改質水供給口５７ｗとの間で、天板部５７ｓから改質水タンク５７内の液面の下方まで拡散部材５７０等と平行（図２中上下方向）に延在する。従って、改質水タンク５７の内部は、仕切板５７３により、原燃料ガスが流通する領域と、改質水が供給される領域とに仕切られる。

更に、加湿装置５５は、図２に示すように、改質水タンク５７（改質水）の液位を検出して制御装置８０に送信する液位センサ５９と、改質水タンク５７から改質水を排出するためのドレンバルブ５７Ｖとを含む。ドレンバルブ５７Ｖは、例えば電磁式の開閉弁であり、制御装置８０により開閉制御される。制御装置８０は、原燃料ガス供給系統４０から加湿装置５５に対して原燃料ガスが供給される間に、液位センサ５９により検出される改質水タンク５７の液位が上記最大液位に基づいて予め定められた閾値以上になると、改質水タンク５７の液位が最大液位（所定値）を超えないようにドレンバルブ５７Ｖを開弁させる。

上述のように構成される加湿装置５５では、図２に示すように、改質水タンク５７内の改質水の液面よりも上方に、図中点線で示すような原燃料ガスの通路が形成される。すなわち、改質水タンク５７のガス供給口５７ｉに供給された原燃料ガスは、ガス供給口５７ｉから第１邪魔板５７１と拡散部材５７０との間の空間に流入し、拡散部材５７０の上端部と天板部５７ｓとの間隙を介して拡散部材５７０と第２邪魔板５７２との間の空間に流入する。そして、原燃料ガスは、拡散部材５７０と第２邪魔板５７２との間の空間から第２邪魔板５７２と仕切板５７３との間の空間に流入し、ガス流出口５７ｏから原燃料流出管５６ｂへと流出する。

また、霧化装置５５０の超音波振動子５５１から超音波が発せられると、超音波エネルギが液面に集中することで水柱ＷＣが形成されるが、本実施形態の加湿装置５５では、図４に示すように、超音波振動子５５１の上方に存在する拡散部材５７０によって当該水柱ＷＣがガス供給口５７ｉに近接した第１邪魔板５７１側と、ガス流出口５７ｏに近接した第２邪魔板５７２側とに分割される。更に、第１邪魔板５７１と拡散部材５７０との間の空間、および拡散部材５７０と第２邪魔板５７２との間の空間との双方において、水柱ＷＣの表面で表面波が発生し、図４に示すように、表面波の先端（波頭）から多数の微粒子状の水滴（霧）Ｍが飛散していく。

すなわち、霧化装置５５０により霧化された水（多数の水滴Ｍ）は、拡散部材５７０により第１邪魔板５７１と当該拡散部材５７０との間の空間（ガス供給口５７ｉ側）、および拡散部材５７０と第２邪魔板５７２との間の空間（ガス流出口５７ｏ側）へと拡散させられる。これにより、拡散部材５７の周辺（両側）で霧化装置５５０により霧化された水と原燃料ガスとをより確実に接触させ、微粒子状の水滴が拡散した状態で混入した原燃料ガスを発電モジュール３０に供給することができる。この結果、原燃料ガスが充分に加湿されずに改質器３３（燃料電池ＦＣ側）に供給されるのを極めて良好に抑制することが可能となる。そして、原燃料ガスに混入された微粒子状の水滴を原燃料流出管５６ｂのモジュールケース３１内に配置された部分で気化させることで、原燃料ガスを改質（水蒸気改質）してアノードガスを生成する際に必要な水蒸気を得ることができる。

また、上記実施形態において、超音波振動子５５１（霧化装置５５０）は、改質水タンク５７の底部５７ｂ上に配置され、拡散部材５７０は、改質水タンク５７の天板部５７ｓの下方から霧化装置５５０の上方まで延在して当該改質水タンク５７の内部をガス供給口５７ｉ側とガス流出口５７ｏ側とに仕切る。これにより、霧化装置５５０により霧化された水を改質水タンク５７内でガス供給口５７ｉ側およびガス流出口５７ｏ側へと良好に拡散させて、霧化された改質水と原燃料ガスとが接触する領域を増加させることが可能となる。従って、改質水タンク５７のサイズによっては、拡散部材５７０のみによって霧化された水を充分に拡散させることができるので、燃料電池システム１０から第１および第２邪魔板５７１，５７２の少なくとも何れか一方が省略されてもよい。

更に、加湿装置５５では、原燃料ガス供給系統４０から加湿装置５５に対して原燃料ガスが供給される際、改質水タンク５７の液位が最大液位（所定値）を超えないようにドレンバルブ５７Ｖが適宜開弁させられる。これにより、第１および第２邪魔板５７１，５７２の下端まで液位が上昇してしまうのを抑制して、改質水タンク５７内に上述のような原燃料ガスの通路を常時確保することが可能となる。加えて、加湿装置５５では、ガス供給口５７ｉおよびガス流出口５７ｏが改質水タンク５７の天板部５７ｓに設けられる。これにより、燃料電池システム１０の下部、すなわち発電モジュール３０や原燃料ガス供給系統４０の下方に設置される改質水タンク５７に対して原燃料供給管５６ａや原燃料流出管５６ｂ等を上方から容易に接続することが可能となり、システム全体のスペース効率を向上させることができる。

また、固体酸化物形の燃料電池ＦＣを含む燃料電池システム１０に加湿装置５５を設けることで、上述のように、発電モジュール３０に対して霧化された改質水すなわち拡散した微粒子状の水滴を含む原燃料ガスを供給することが可能となる。これにより、この種の燃料電池システムに一般に設けられる気化器を省略すると共に、拡散した微粒子状の水滴を原燃料流出管５６ｂのモジュールケース３１内に配置された部分で気化させて水蒸気を得ることができる。この結果、燃料電池システム１０では、発電モジュール内の気化器でモジュールケース外からの改質水を気化させる場合に比べて、改質水の気化（燃料部３４からの熱を吸熱する吸熱反応）によって発電モジュール３０（モジュールケース３１）内の温度が局所的に低下するのを抑制し、燃料電池ＦＣの発電効率をより向上させることが可能となる。

以上説明したように、本開示の燃料電池システム１０は、アノードの原燃料ガスを加湿して改質器３３（燃料電池ＦＣ側）に供給する加湿装置５５を含み、加湿装置５５は、改質水を貯留すると共に原燃料ガスが供給されるガス供給口５７ｉおよび原燃料ガスを流出させるガス流出口５７ｏを有する改質水タンク５７と、改質水タンク５７内の改質水を霧化する霧化装置５５０と、霧化装置５５０により霧化された改質水を改質水タンク５７内でガス供給口５７ｉ側およびガス流出口５７ｏ側へと拡散させる拡散部材５７０とを含む。このように、霧化装置５５０により霧化された改質水を拡散部材５７０によって改質水タンク５７内でガス供給口５７ｉ側およびガス流出口５７ｏ側へと拡散させることで、霧化された改質水と、改質水タンク５７内に供給されて当該改質水タンク５７から流出する原燃料ガスとが接触する領域を増加させることが可能となる。この結果、加湿装置５５において原燃料ガスを良好に加湿することができるので、原燃料ガスが充分に加湿されずに改質器３３に供給されるのを抑制することが可能となる。

なお、上記加湿装置５５において、霧化装置５５０は、印加される高周波電圧（電力）に応じた超音波を発生させて当該超音波により改質水タンク５７内の改質水を霧化する超音波式の霧化装置であるが、霧化装置５５０の構成は、これに限られるものではない。すなわち、霧化装置５５０は、例えばノズルおよび加圧ポンプ等を含む超音波式以外の方式によるものであってもよい。また、上記燃料電池システム１０において、加湿装置５５は、原燃料ガスを加湿するのに用いられるが、反応ガスとしてのカソードガス（エア）を加湿するのに用いられてもよい。すなわち、燃料電池システム１０において、原燃料ガスに加えてカソードガスが加湿される場合には、当該燃料電池システム１０に対して、カソードガスを加湿するための専用の加湿装置５５が追設されてもよい。また、この場合、単一の加湿装置５５が原燃料ガスおよびカソードガスの双方を独立に加湿可能に構成されてもよい。更に、燃料電池システム１０の改質器３３と脱硫器４６との間に気化器が配置される場合には、加湿装置５５がカソードガスのみを加湿するのに用いられてもよい。

そして、本開示の発明は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。

１ 原燃料供給源、２ 系統電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電ユニット、２２ 筐体、２４ 換気ファン、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３３ 改質器、３４ 燃焼部、３５ 点火ヒータ、３６ 温度センサ、４０ 原燃料ガス供給系統、４１ 原燃料ガス供給管、４２，４３ 原燃料ガス供給弁、４５ 原燃料ガスポンプ、４６ 脱硫器、４７ 圧力センサ、４８ 流量センサ、５０ エア供給系統、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアブロワ、５４ 流量スイッチ、５５ 加湿装置、５５０ 霧化装置、５５１ 超音波振動子、５５２ 駆動回路、５６ａ 原燃料供給管、５６ｂ 原燃料流出管、５７ 改質水タンク、５７ｂ 底部、５７ｃ，５７ｄ 側板部、５７ｉ ガス供給口、５７ｏ ガス流出口、５７ｓ 天板部、５７Ｖ ドレンバルブ、５７ｗ 改質水供給口、５７０ 拡散部材、５７０ｃ 切欠、５７１ 第１邪魔板、５７２ 第２邪魔板、５７３ 仕切板、５８ 水精製器、５９ 液位センサ、６０ 排熱回収系統、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６６ 凝縮水供給管、６７ 排気管、７１ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、９０ 表示パネル、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、ＣＳ セルスタック、ＦＣ 燃料電池。

Claims (7)

1. アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記アノードガスの原燃料ガスおよび前記カソードガスの少なくとも何れか一方である反応ガスを加湿して前記燃料電池側に供給する加湿装置とを含む燃料電池システムにおいて、
   前記加湿装置は、
   水を貯留すると共に、前記反応ガスが供給されるガス供給口および前記反応ガスを流出させるガス流出口を有する水タンクと、
   前記水タンク内の水を霧化する霧化装置と、
   前記霧化装置により霧化された水を前記水タンク内で前記ガス供給口側および前記ガス流出口側へと拡散させる拡散部材と、
   を備え、
   前記霧化装置は、前記水タンク内の下部に配置され、
   前記拡散部材は、前記水タンクの天板部の下方から前記霧化装置の上方まで前記霧化装置と垂直に延在して該水タンクの内部を前記ガス供給口側と前記ガス流出口側とに仕切る板体であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記拡散部材は、前記霧化装置と前記拡散部材との間に間隙を形成する切欠を有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記加湿装置は、
   前記拡散部材よりも前記ガス供給口側で前記天板部から前記水タンク内の液面の上方まで延在して該水タンクの内部を前記拡散部材側と前記ガス供給口側とに仕切る第１の邪魔板と、
   前記拡散部材よりも前記ガス流出口側で前記天板部から前記水タンク内の液面の上方まで延在して該水タンクの内部を前記拡散部材側と前記ガス流出口側とに仕切る第２の邪魔板とを更に備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記加湿装置は、前記水タンクの液位を検出する液位センサと、前記水タンクから水を排出するためのドレンバルブと、前記液位センサにより検出される液位が所定値を超えないように前記ドレンバルブを制御する制御装置とを更に備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ガス供給口および前記ガス流出口は、前記水タンクの天板部に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１から６の何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記霧化装置は、印加される電力に応じた超音波を発生させて該超音波により前記水タンク内の水を霧化する超音波霧化装置であることを特徴とする燃料電池システム。
   

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