CN114026721A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池系统(1)包括：重整器(22)、多个电池堆(23)及废气燃烧器(24)。重整器(22)为沿轴向延伸的筒状，对原燃料进行重整而生成燃料气体。多个电池堆(23)使用燃料气体及氧化剂气体来进行发电。多个电池堆(23)在重整器(22)的径向外侧沿周向并排配置，且在径向上与重整器(22)相向。废气燃烧器(24)使来自多个电池堆(23)的废气中所包含的未利用的燃料气体燃烧。废气燃烧器(24)配置于重整器(22)的径向内侧，且在径向上与重整器(22)相向。多个电池堆(23)分别包括沿径向层叠的多个平板状的电池。由此，可实现燃料电池系统(1)的小型化。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
[关联申请的参照]
本申请主张源于2019年7月10日提出申请的日本专利申请JP2019-128235的优先权的利益，所述申请的全部公开并入本申请中。
背景技术
从前，提出了利用燃料电池进行发电的各种燃料电池系统。例如，在日本专利特表平8-506691号公报(文献1)的固体氧化物型燃料电池系统中，呈环状配置的多个电池堆收纳于容器中，生成燃料气体的重整器配置于容器的外部。在日本专利第6258037号公报(文献2)的高温燃料电池装置中，多个高温燃料电池堆配置成圆筒状，重整器配置于所述多个高温燃料电池堆的径向内侧的空间中。在重整器中生成的燃料气体中的未在高温燃料电池堆中消耗的燃料气体(即，负极废气)被排出至高温燃料电池装置的外部而燃烧。在日本专利第6138356号公报(文献3)的固体氧化物型燃料电池发电系统中，多个单堆与多个重整器呈环状交替地配置。
此外，在文献1中，重整器中的燃料气体的生成为吸热反应，因此在容器的外部需要用于对重整器进行加热的加热装置。在文献2中，通过来自多个高温燃料电池堆的排热来对重整器进行加热，但高温燃料电池装置中的排热的利用不充分。对于文献3也同样。另外，在文献3的固体氧化物型燃料电池发电系统中，重整器的数量变多，连接配管也增加，因此发电系统的结构复杂化，从而有发电系统大型化之虞。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而成，其目的在于实现燃料电池系统的小型化。
本发明面向燃料电池系统。本发明优选的一形态的燃料电池系统包括：重整器，为沿轴向延伸的筒状，对原燃料进行重整而生成燃料气体；多个电池堆，在所述重整器的径向外侧沿周向并排配置且在径向上与所述重整器相向，使用所述燃料气体及氧化剂气体进行发电；废气燃烧器，配置于所述重整器的径向内侧且在径向上与所述重整器相向，使来自所述多个电池堆的废气中所包含的未利用的所述燃料气体燃烧。所述多个电池堆分别包括沿径向层叠的多个平板状的电池。
根据所述燃料电池系统，可实现燃料电池系统的小型化。
优选为：所述废气燃烧器在径向上与所述重整器中进行所述原燃料的供给的供给端口附近的部位相向。
优选为：所述多个电池堆包括沿所述轴向跨越三段以上排列的多段电池堆群组。所述多段电池堆群组中的除所述轴向上的两端以外的至少一段电池堆群组在径向上与所述重整器中进行所述原燃料的供给的供给端口附近的部位相向。
优选为：所述燃料电池系统还包括燃烧气体流路，所述燃烧气体流路使自所述废气燃烧器排出的燃烧气体通过所述重整器的内部。
优选为：所述燃烧气体流路为在所述重整器内沿所述轴向延伸的U字状。
优选为：所述燃烧气体流路内的所述燃烧气体的流动方向与所述重整器内的气体的流动方向为相反方向。
优选为：所述燃料电池系统还包括压力容器，所述压力容器将所述重整器、所述多个电池堆及所述废气燃烧器收纳于密闭的内部空间中。所述多个电池堆分别包括将正极废气向所述压力容器的所述内部空间排出的正极排出口。
优选为：所述燃料电池系统还包括压力容器，所述压力容器将所述重整器、所述多个电池堆及所述废气燃烧器收纳于密闭的内部空间中；以及氧化剂气体流路，配置于所述压力容器的周围且与所述压力容器相向，并且供向所述多个电池堆供给的所述氧化剂气体流动。
优选为：所述燃料电池系统还包括废气流路，所述废气流路与所述氧化剂气体流路邻接而配置，供自所述压力容器排出的正极废气或自所述废气燃烧器排出的燃烧气体流动。
优选为：所述多个电池堆分别为固体氧化物型的燃料电池。
上述目的及其他目的、特征、形态及优点通过以下参照随附的附图而进行的本发明的详细的说明而明确。
附图说明
图1是表示一实施方式的燃料电池系统的结构的图。
图2是热模块的纵剖面图。
图3是热模块的横剖面图。
图4是热模块的横剖面图。
图5是热模块的纵剖面图。
图6是热模块的纵剖面图。
图7是热模块的横剖面图。
具体实施方式
图1是表示本发明一实施方式的燃料电池系统1的结构的图。燃料电池系统1是使用燃料电池进行发电的发电系统。燃料电池系统1包括：热模块2、原燃料供给部4、及鼓风机51。
图2是表示热模块2的纵剖面图。图3及图4分别是在图2中的III-III及IV-IV的位置将热模块2切断而成的横剖面图。热模块2包括：壳体21、重整器22、多个电池堆23、废气燃烧器24、及压力容器25。在图2中，用侧面描绘了结构的一部分。另外，在图2中，用虚线描绘壳体21，在图3及图4中省略壳体21的图示。
压力容器25例如是由不锈钢等金属形成的中空的容器。压力容器25例如是以中心轴J1为中心的有盖有底的大致圆筒状容器。在以下的说明中，将中心轴J1延伸的方向称为“轴向”。在图2所示的例子中，所述轴向与上下方向大致平行。在压力容器25的密闭的内部空间250中收纳有重整器22、多个电池堆23及废气燃烧器24。在压力容器25的内部，可也收纳有燃烧器等热供给部(图示省略)，所述燃烧器等热供给部在燃料电池系统1的起动运转时等对重整器22及多个电池堆23进行加热。
在燃料电池系统1的输出约为20kW的情况下，压力容器25的直径及高度分别为例如65cm～100cm、及100cm～200cm。在燃料电池系统1设置于办公大楼的楼顶等的情况下，压力容器25优选为设为能够通过电梯等搬入至楼顶的尺寸。再者，燃料电池系统1的输出及压力容器25的大小等能够进行各种变更。
压力容器25收纳于壳体21的内部空间。壳体21例如为大致长方体状的框体。壳体21的内表面由隔热性相对较高的隔热材料(例如，石棉)形成。作为壳体21，例如利用通过隔热材料覆盖金属制的容器的整个内表面而成的壳体21。
重整器22在压力容器25内，配置于以中心轴J1为中心的径向(以下，也简称为“径向”)的中央部。重整器22对原燃料进行重整而生成包含燃料气体的重整气体。原燃料例如是烃系燃料。原燃料也可为烃系燃料以外的各种燃料。作为原燃料，例如可利用液化石油(Liquified Petroleum，LP)气体、都市煤气、天然气、煤油、生物气体或生物乙醇等。在重整器22中，例如通过水蒸气重整法、部分氧化重整法、或作为它们的组合的自热重整法等进行原燃料的重整。重整器22中的原燃料的重整整体上是吸热反应。
重整器22是以中心轴J1为中心沿轴向延伸的大致筒状的构件。在图2至图4所示的例子中，重整器22包括第一重整流路221及第二重整流路222。如标注平行斜线所示那样，在第一重整流路221及第二重整流路222的内部收纳有原燃料的重整所利用的重整催化剂223。第一重整流路221是以中心轴J1为中心的大致圆筒状的流路。第二重整流路222在第一重整流路221的径向内侧，在径向上与第一重整流路221邻接而配置。第二重整流路222是以中心轴J1为中心的大致圆柱状的流路。第二重整流路222的轴向上的长度较第一重整流路221的轴向上的长度短，第二重整流路222在径向上与第一重整流路221的上部相向。因此，重整器22的下部为大致圆筒状，重整器22的上部为大致圆柱状。
在第一重整流路221的下端部，设置有以中心轴J1为中心的大致圆环状的缓冲流路224。在缓冲流路224设置有供给端口225。供给端口225经由图1所示的原燃料供给管291连接于壳体21的外部所配置的原燃料供给部4。
原燃料供给部4对重整器22(参照图2)供给原燃料及水蒸气。原燃料供给部4包括：原燃料供给源41、杂质去除部42及水蒸气供给部3。杂质去除部42配置于原燃料供给管291上，自原燃料去除杂质(例如，硫系杂质)，所述原燃料是自原燃料供给源41供给至重整器22。
水蒸气供给部3包括：水供给部31、水蒸气生成部32、及凝结部33。水供给部31对水蒸气生成部32供给水。具体而言，水供给部31包括：水储存部311、泵312、及水供给管313。水储存部311是储存水(例如，纯水)的槽。水储存部311经由水供给管313连接于水蒸气生成部32。泵312设置于水供给管313上，将水储存部311中所储存的水供给至水蒸气生成部32。
凝结部33在燃料电池系统1的定常运转时将废气中的水蒸气凝结而生成水，并将其经由水供给部31供给至水蒸气生成部32。所谓上述的定常运转，是指燃料电池系统1以规定的输出定常地进行发电的运转状态。所述规定的输出是燃料电池系统1的额定输出，或小于额定输出的一定的输出。另外，所谓已述的起动运转，是指自起动时至所述定常运转为止(即，电池堆23的输出达到定常运转输出而稳定为止)的燃料电池系统1的运转状态。
水蒸气生成部32是对自水供给部31供给的水进行加热而生成水蒸气的蒸发器。水蒸气生成部32经由水蒸气供给管321连接于原燃料供给管291。水蒸气供给管321在较设置于原燃料供给管291上的热交换器71更靠上游(具体而言，在热交换器71与杂质去除部42之间)，连接于原燃料供给管291。来自水蒸气生成部32的水蒸气与通过了杂质去除部42的原燃料一起通过热交换器71，而被供给至图2至图4所示的重整器22的供给端口225。
多个电池堆23在重整器22的径向外侧，在以中心轴J1为中心的周向(以下，也简称为“周向”)并排配置。多个电池堆23在径向上与重整器22相向。在图2至图4所示的例子中，燃料电池系统1包括24个电池堆23。所述24个电池堆23安装于六片支撑板239的外侧面，所述六片支撑板239包围重整器22的周围且配置成大致六角筒状。在各支撑板239安装有沿轴向以大致等间隔排列的四个电池堆23。
若将轴向上的位置大致相同的六个电池堆23统称为“电池堆群组231”，则多个电池堆23包括沿轴向排列的四段电池堆群组231。在各电池堆群组231中，六个电池堆23在周向上以大致等角度间隔排列。各电池堆群组231中所包含的电池堆23的数量及配置等也可进行各种变更。另外，电池堆群组231的段数也可进行各种变更。再者，电池堆群组231的段数优选为三段以上。
多个电池堆23分别为多个平板状的电池(单电池)沿径向层叠而成的固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)。各电池堆23的形状例如为大致长方体状。各电池堆23的径向(即，水平方向)的厚度较纵向及横向的长度小。换言之，各电池堆23为主面的法线方向与径向大致平行的大致平板状。
向各电池堆23的负极(阳极)供给在重整器22中生成的燃料气体。各电池堆23的正极(阴极)经由图1所示的氧化剂气体供给管293连接于壳体21的外部所配置的鼓风机51。通过鼓风机51向各电池堆23的正极供给包含作为氧化剂气体的氧气的空气。即，鼓风机51为向电池堆23供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部。
在各电池堆23中，利用来自鼓风机51的氧化剂气体与来自重整器22的燃料气体产生电化学反应，进行发电。换言之，各电池堆23使用燃料气体及氧化剂气体进行发电。电池堆23中的电化学反应(即，发电)是发热反应。利用电池堆23进行的发电例如是在600℃～1000℃的高温下进行。上述燃料气体例如是氢气。氧化剂气体例如是氧气。燃料气体也可为氢气以外的各种气体，氧化剂气体也可为氧气以外的各种气体。各电池堆23中的发电后的废气被引导至图2至图4所示的废气燃烧器24。
废气燃烧器24配置于重整器22的径向内侧。具体而言，废气燃烧器24位于重整器22的大致圆筒状的下部的径向内侧，在径向上与重整器22的所述下部相向。废气燃烧器24例如为以中心轴J1为中心的大致圆柱状的部位。废气燃烧器24使自多个电池堆23排出的废气燃烧。如标注平行斜线所示那样，在废气燃烧器24的内部收纳有废气的燃烧所利用的燃烧催化剂241。在废气燃烧器24中，自各电池堆23的正极及负极分别排出的正极废气及负极废气因通过燃烧催化剂241而燃烧。由此，负极废气中所包含的未利用的燃料气体(即，未被电池堆23中的发电消耗的剩余的燃料气体，以下，也称为“未利用燃料气体”)燃烧。废气燃烧器24中的废气的燃烧是发热反应。
自废气燃烧器24排出的燃烧完毕的废气(以下，也称为“燃烧气体”)通过连接于废气燃烧器24的上端部的多个(例如，20条)燃烧气体流路242通过重整器22的内部。具体而言，各燃烧气体流路242在重整器22内，自废气燃烧器24的上端部在第二重整流路222内沿轴向(即，上方)延伸，在第二重整流路222的上方折回大致180°，且在第一重整流路221内沿轴向(即，下方)延伸。换言之，各燃烧气体流路242是在重整器22内沿轴向延伸的大致U字状的管路。在第一重整流路221内，多个燃烧气体流路242例如以大致等角度间隔沿周向排列。燃烧气体流路242的条数可进行各种变更。燃烧气体流路242的条数例如可为一条，也可为两条以上。
接下来，参照图1及图5对利用燃料电池系统1进行的发电的详细情况进行说明。图5是用于说明压力容器25的内部的气体的流动的图。在图5中，为了容易理解图，用虚线描绘燃料电池系统1的结构的一部分，省略了一部分结构的图示。另外，在图5中，用箭头仅示出了与多个电池堆23中的一个电池堆23相关的气体的流动。
在燃料电池系统1中，自原燃料供给源41供给的原燃料(例如，都市煤气)及自水蒸气生成部32供给的水蒸气经由原燃料供给管291及供给端口225，被供给至重整器22的缓冲流路224。原燃料及水蒸气在缓冲流路224中沿周向大致均等地扩展，在第一重整流路221内与重整催化剂223接触同时向上方流动。在第一重整流路221内，通过水蒸气重整法利用水蒸气在高温下对原燃料进行重整，生成包含作为燃料气体的氢气的重整气体。
通过了第一重整流路221的重整气体在第一重整流路221的上方向下方折回，在第二重整流路222内与重整催化剂223接触同时向下方流动。与第一重整流路221内同样地，在第二重整流路222内，也利用水蒸气通过水蒸气重整法在高温下对重整气体中所包含的原燃料进行重整，生成燃料气体。重整器22的第一重整流路221及第二重整流路222中的重整气体的生成如上所述那样为吸热反应。所述吸热反应是在气体中的原燃料的含有率高的供给端口225附近的部位(例如，第一重整流路221的下半部分的部位)特别强烈地发生。换言之，在重整器22中，供给端口225附近的部位的吸热量较其他部位的吸热量大。自第二重整流路222的下端部送出的重整气体经由配管281被供给至各电池堆23的负极。
另一方面，如上所述，经由氧化剂气体供给管293向各电池堆23的正极供给来自鼓风机51的氧化剂气体(准确地说是包含作为氧化剂气体的氧气的空气)。如上所述，在各电池堆23中，利用被供给至负极的燃料气体及被供给至正极的氧化剂气体进行发电。电池堆23中的发电如上所述那样为发热反应。在多个电池堆23中产生的热被赋予至在径向上与多个电池堆23相向的重整器22，用于作为吸热反应的原燃料的重整。
如上所述，多个电池堆23包括四段电池堆群组231。在位于轴向上的两端的电池堆群组231(即，最上段及最下段的电池堆群组231)中，在轴向上的其中一侧不存在电池堆群组231，因此与其他电池堆群组231相比，热容易在某种程度上散发。另一方面，在除轴向上的两端以外的电池堆群组231中，在轴向的两个方向与其他电池堆群组231邻接，因此热难以散发，从而存在于发电中成为高温的倾向。
在图5所示的例子中，在重整器22中吸热量大的供给端口225附近的部位(例如，第一重整流路221的下半部分的部位)与多段电池堆群组231中的温度相对较高的轴向中央的两段电池堆群组231在径向上相向。由此，可效率良好地将热自多个电池堆23赋予至重整器22。其结果，可效率良好地进行重整器22中的原燃料的重整。
另外，在电池堆23中，当发电时的温度增大时，发电效率增大，另一方面，电池寿命变短。如上所述，通过使与轴向上的两端相比成为高温的中央的电池堆群组231和重整器22的吸热反应大的部位相向，可降低所述中央的电池堆群组231的温度。由此，可提高发电时的多个电池堆23的温度均匀性，从而可提高多个电池堆23的寿命的均匀性。再者，与重整器22的供给端口225附近的部位相向的电池堆群组231未必限定于中央的两段电池堆群组231，只要为多段电池堆群组231中的除轴向上的两端以外的至少一段电池堆群组231即可。
在各电池堆23中，朝向压力容器25的内部空间250开口的正极排出口(图示省略)设置于正极。自各电池堆23的正极经由正极排出口直接排出至压力容器25的内部空间250的气体(即，正极废气)遍及内部空间250的大致整体扩散。因此，电池堆23的内部的压力与压力容器25的内部空间250的压力大致相同。由此，可抑制气体(例如，向正极供给且到达正极排出口之前的氧化剂气体)自电池堆23的内部漏出。另外，可抑制气体也自电池堆23与配管的连接部、及压力容器25内的配管彼此的连接部等漏出。扩散至压力容器25的内部空间250的正极废气通过一端朝向内部空间250开口的配管283被供给至废气燃烧器24的下端部。
另外，在各电池堆23中，自负极排出的气体(即，负极废气)经由配管282被供给至废气燃烧器24的下端部。负极废气中包含通过将作为燃料气体的氢气用于电池堆23中的发电而生成的水蒸气、及未用于电池堆23中的发电的上述未利用燃料气体等。
在废气燃烧器24中，由配管283、配管282供给的正极废气及负极废气在废气燃烧器24内与燃烧催化剂241接触同时向上方流动。如上所述，在废气燃烧器24内，负极废气中所包含的未利用燃料气体(例如，氢气)燃烧，生成水蒸气。在废气燃烧器24中燃烧的高温的气体(以下，也称为“燃烧气体”)自废气燃烧器24的上端部被送出，并被引导至多个燃烧气体流路242。然而，为了容易理解图，在图5中仅描绘了一条燃烧气体流路242，省略了其他燃烧气体流路242的图示。燃烧气体在通过重整器22的内部的各燃烧气体流路242内向上方流动后，向下方流动。
在重整器22的内部，将热自在各燃烧气体流路242内流动的高温的燃烧气体赋予至周围(即，在重整催化剂223及重整器22内流动的气体)。由此，可效率良好地进行重整器22中的原燃料的重整。自燃烧气体流路242送出的燃烧气体(即，通过了重整器22后的燃烧气体)经由配管285被引导至压力容器25的外部，并被排出至壳体21的外部。
废气燃烧器24中的未利用燃料气体等的燃烧如上所述那样为发热反应。在废气燃烧器24中产生的热被赋予至在径向上与废气燃烧器24相向的重整器22，用于作为吸热反应的原燃料的重整。在图5所示的例子中，在重整器22中吸热量大的供给端口225附近的部位(例如，第一重整流路221的下半部分的部位)、与废气燃烧器24的设置有燃烧催化剂241的部位在径向上相向。由此，可效率良好地将热自废气燃烧器24赋予至重整器22。其结果，可进一步效率良好地进行重整器22中的原燃料的重整。
通过配管285自压力容器25排出的燃烧气体在壳体21外，被燃烧气体管292引导至图1所示的热交换器71。如上所述，热交换器71配置于原燃料供给管291上。在热交换器71中，利用在燃烧气体管292中流动的高温的燃烧气体，对自原燃料供给源41及水蒸气生成部32供给至重整器22的原燃料及水蒸气进行预加热。即，热交换器71是对原燃料进行预加热的原燃料预热器。
通过了热交换器71的燃烧气体被燃烧气体管292引导至上述的凝结部33。在凝结部33中，燃烧气体中的水蒸气凝结而生成水。由凝结部33生成的水经由水供给管331被输送至水供给部31的水储存部311，水储存部311内的水通过泵312被供给至水蒸气生成部32。通过了凝结部33的燃烧气体经由燃烧气体管294被排出至系统外(即，燃料电池系统1的外部)。
在燃料电池系统1中，如上所述，将多个电池堆23及废气燃烧器24中产生的热赋予至重整器22，并用于原料的重整。另外，利用燃烧气体进行向重整器22供给的原燃料及水蒸气的预加热。通过这些热的利用，在燃料电池系统1中，能够在系统内生成定常运转时在系统内所需要的热，同时进行定常运转。换言之，在定常运转时的燃料电池系统1中，能够进行热独立运转。
在燃料电池系统1中，通过将燃烧气体中所包含的水蒸气用于在重整器22中进行的水蒸气重整，也能够在系统内生成定常运转时在系统内所需要的水蒸气，同时进行定常运转。换言之，在定常运转时的燃料电池系统1中，也能够进行水独立运转。
如以上所说明那样，燃料电池系统1包括：重整器22、多个电池堆23、及废气燃烧器24。重整器22为沿轴向延伸的筒状，对原燃料进行重整而生成燃料气体。多个电池堆23使用燃料气体及氧化剂气体进行发电。多个电池堆23在重整器22的径向外侧沿周向排列配置，且在径向上与重整器22相向。废气燃烧器24使来自多个电池堆23的废气中所包含的未利用的燃料气体燃烧。废气燃烧器24配置于重整器22的径向内侧，且在径向上与重整器22相向。多个电池堆23分别包括沿径向层叠的多个平板状的电池。
在燃料电池系统1中，通过利用产生发热反应的多个电池堆23及废气燃烧器24在径向上夹着产生吸热反应的重整器22，可在重整器22与多个电池堆23及废气燃烧器24之间效率良好地进行热交换。其结果，可提高燃料电池系统1的发电效率。另外，通过将各电池堆23配置成多个电池沿径向层叠，可实现燃料电池系统1在与轴向垂直的方向上的小型化。换言之，可使燃料电池系统1在径向上小型化，而使燃料电池系统1的占用空间小型化。进而，通过燃料电池系统1的小型化，可降低自燃料电池系统1向周围的散热，因此也可进一步提高燃料电池系统1的发电效率。
如上所述，在燃料电池系统1中，可在重整器22与多个电池堆23及废气燃烧器24之间效率良好地进行热交换，因此关于燃料电池系统1的结构，多个电池堆23分别为固体氧化物型的燃料电池，特别适合在在高温下进行发电的燃料电池系统。
如上所述，废气燃烧器24优选为在径向上与重整器22中进行原燃料的供给的供给端口225附近的部位相向。如此，通过使重整器22中的吸热反应大的部位与废气燃烧器24相向，可效率良好地进行重整器22与废气燃烧器24之间的热交换。
如上所述，多个电池堆23优选为包括沿轴向跨越三段以上配置的多段电池堆群组231。另外，优选为多段电池堆群组231中的除轴向上的两端以外的至少一段电池堆群组231在径向上与重整器22中进行原燃料的供给的供给端口225附近的部位相向。如此，通过使重整器22中的吸热反应大的部位与多段电池堆群组231中的温度相对较高的电池堆群组231相向，可效率良好地进行重整器22与多个电池堆23之间的热交换。另外，如上所述，可提高多个电池堆群组231的温度均匀性，因此也可提高多个电池堆23的寿命的均匀性。
如上所述，燃料电池系统1优选为还包括燃烧气体流路242，所述燃烧气体流路242使自废气燃烧器24排出的燃烧气体通过重整器22的内部。由此，可效率良好地将在燃烧气体流路242中流动的燃烧气体的热赋予至重整器22。其结果，可提高重整器22中的原燃料的重整效率。
如上所述，燃烧气体流路242优选为在重整器22内沿轴向延伸的U字状。由此，可增大重整器22内的燃烧气体流路242的长度，从而可进一步效率良好地将燃烧气体的热赋予至重整器22。进而，通过使用U字状的管路，也可松弛在燃烧气体流路242的两端部产生的热应力。其结果，可通过简单的结构进一步提高重整器22中的原燃料的重整效率。
如上所述，燃烧气体流路242内的燃烧气体的流动方向优选为与重整器22内的气体的流动方向为相反方向。换言之，优选为通过燃烧气体流路242内的燃烧气体的流动及重整器22内的气体的流动来形成逆流。在燃料电池系统1中，重整器22内的上游侧的气体的温度较下游侧的气体的温度低。另一方面，燃烧气体流路242的上游侧(即，重整器22的下游侧)的燃烧气体的温度较燃烧气体流路242的下游侧(即，重整器22的上游侧)的燃烧气体的温度高。因此，通过使燃烧气体与重整器22内的气体的流动方向为相反方向，可使重整器22的上游侧的重整器22与燃烧气体的温度差接近重整器22的下游侧的重整器22与燃烧气体的温度差。换言之，可遍及重整器22的大致全长使重整器22与燃烧气体的温度差为大致一定。由此，可进一步效率良好地将燃烧气体的热赋予至重整器22。其结果，可进一步提高重整器22中的原燃料的重整效率。
如上所述，燃料电池系统1优选为还包括压力容器25，所述压力容器25将重整器22、多个电池堆23及废气燃烧器24收纳于密闭的内部空间250中。另外，多个电池堆23优选为分别包括将正极废气排出至压力容器25的内部空间250的正极排出口。由此，可减小电池堆23的内部压力与压力容器25内的电池堆23周围的压力之差。其结果，可抑制气体自电池堆23漏出。另外，可抑制气体也自电池堆23与配管的连接部、及压力容器25内的配管彼此的连接部等漏出。
如图6及图7所示，在燃料电池系统1中，可设置有配置于压力容器25的周围的氧化剂气体预热器73。氧化剂气体预热器73例如为以中心轴J1为中心的大致圆筒状的中空构件，与压力容器25的外侧面接触(或接近)地安装，且在径向上与压力容器25相向。在图7中，为了图示方便，省略了压力容器25内的一部分结构的图示。
氧化剂气体预热器73包括：预热器本体731、氧化剂气体流路732、及废气流路733。在图7中，为了容易理解图，对氧化剂气体流路732标注平行斜线。预热器本体731是氧化剂气体预热器73的框体，且如上所述，为以中心轴J1为中心的大致圆筒状。预热器本体731的内部被大致圆弧状的隔离壁734划分成内周部及外周部。在预热器本体731中，内周部与外周部在周向的一部分上连通。另外，预热器本体731的内部在周向上被隔离壁分割成约一半。
氧化剂气体流路732为配置于预热器本体731的内部的配管。氧化剂气体流路732跨及预热器本体731的周向上的约一半的区域设置。具体而言，氧化剂气体流路732在预热器本体731的外周部跨及约180°延伸，向预热器本体731的内周部折回，在所述内周部跨及约180°延伸。氧化剂气体流路732的其中一个端部在预热器本体731的外侧面连接于氧化剂气体供给管293。另外，氧化剂气体流路732的另一个端部贯穿预热器本体731的内侧面且连接于电池堆23的正极。
在氧化剂气体流路732，流动有自鼓风机51(参照图1)供给至多个电池堆23的途中的氧化剂气体(即，向多个电池堆23供给之前的氧化剂气体)。氧化剂气体自氧化剂气体流路732的外周部流向内周部，并自氧化剂气体预热器73引导至压力容器25。氧化剂气体流路732配置于压力容器25的周围且与压力容器25相向，因此通过自压力容器25向外部放出的热，对于氧化剂气体流路732内流动的氧化剂气体进行预加热。
再者，在燃料电池系统1中，与多个电池堆23分别对应的多个氧化剂气体流路732配置于预热器本体731的内部。在图6中，用实线描绘一个氧化剂气体流路732，用虚线描绘另一个氧化剂气体流路732。
废气流路733是预热器本体731的内部空间中的除多个氧化剂气体流路732以外的区域。换言之，废气流路733在预热器本体731内与氧化剂气体流路732邻接而配置。与氧化剂气体流路732同样地，废气流路733也在预热器本体731的外周部跨及约180°延伸，向预热器本体731的内周部折回，在所述内周部跨及约180°延伸。废气流路733在预热器本体731的内侧面连接于配管285，并经由燃烧气体流路242连接于废气燃烧器24。在废气流路733流动有自废气燃烧器24经由燃烧气体流路242排出至压力容器25外的高温的燃烧气体。燃烧气体自废气流路733的内周部流向外周部，自氧化剂气体预热器73排出至外部，在燃烧气体管292中流动。燃烧气体的热被赋予至通过废气流路733的氧化剂气体流路732内的氧化剂气体。由此，对自鼓风机51供给至电池堆23的氧化剂气体进行预加热。
如以上所说明那样，在图6及图7所示的例子中，燃料电池系统1除包括上述重整器22、多个电池堆23及废气燃烧器24以外，还包括压力容器25及氧化剂气体流路732。压力容器25将重整器22、多个电池堆23及废气燃烧器24收纳于密闭的内部空间250中。氧化剂气体流路732配置于压力容器25的周围且与压力容器25相向。在氧化剂气体流路732流动有向多个电池堆23供给的氧化剂气体。由此，可将自压力容器25放出至外部的热赋予至氧化剂气体而对氧化剂气体进行预加热。其结果，可提高燃料电池系统1的发电效率。
如上所述，燃料电池系统1优选为还包括与氧化剂气体流路732邻接而配置的废气流路733，在废气流路733流动有自废气燃烧器24排出的燃烧气体。由此，可将燃烧气体的热也赋予至氧化剂气体而对氧化剂气体进行预加热。其结果，可进一步提高燃料电池系统1的发电效率。
如上所述，氧化剂气体流路732内的氧化剂气体的流动方向优选为与废气流路733内的气体的流动方向为相反方向。换言之，优选为通过氧化剂气体流路732内的氧化剂气体的流动及废气流路733内的燃烧气体的流动来形成逆流。在燃料电池系统1中，氧化剂气体流路732内的上游侧的氧化剂气体的温度较下游侧的氧化剂气体的温度低。另一方面，废气流路733的上游侧(即，氧化剂气体流路732的下游侧)的燃烧气体的温度较废气流路733的下游侧(即，氧化剂气体流路732的上游侧)的燃烧气体的温度高。因此，通过使氧化剂气体与燃烧气体的流动方向为相反方向，可使氧化剂气体流路732的上游侧的氧化剂气体与燃烧气体的温度差接近氧化剂气体流路732的下游侧的氧化剂气体与燃烧气体的温度差。换言之，可遍及氧化剂气体流路732的大致全长使氧化剂气体与燃烧气体的温度差为大致一定。由此，可进一步效率良好地将燃烧气体的热赋予至氧化剂气体，而进一步效率良好地对氧化剂气体进行预加热。
在氧化剂气体预热器73中，在废气流路733中流动的气体未必需要为来自废气燃烧器24的燃烧气体，也可为自压力容器25排出至外部的正极废气。即便在此情况下，也可与上述大致同样地，将正极废气的热赋予至氧化剂气体，来对氧化剂气体进行预加热。其结果，可进一步提高燃料电池系统1的发电效率。通过了废气流路733的正极废气返回至压力容器25内并被供给至废气燃烧器24。如上所述，正极废气通过与氧化剂气体预热器73中的氧化剂气体的热交换而降温，因此在废气燃烧器24存在上限温度的情况下，可适宜地防止或抑制正极废气的温度超过所述上限温度。
上述燃料电池系统1能够进行各种变更。
例如，在氧化剂气体预热器73中，氧化剂气体流路732内的氧化剂气体的流动方向与废气流路733内的气体的流动方向未必需要为相反方向，例如也可为相同方向。另外，废气流路733也可为与氧化剂气体流路732邻接而配置的配管。再者，在氧化剂气体预热器73中，也可省略预热器本体731及废气流路733。
来自电池堆23的正极废气未必需要排出至压力容器25的内部空间250，也可经由连接于电池堆23的配管等而排出至压力容器25及壳体21的外部。在燃料电池系统1中，可省略压力容器25。
燃烧气体流路242内的燃烧气体的流动方向与重整器22内的气体的流动方向未必需要为相反方向，例如也可为相同方向。燃烧气体流路242的形状未必需要为沿轴向延伸的U字状，也可变更为各种形状(例如，直线状或螺旋状)。燃烧气体流路242未必需要通过重整器22的内部，也可通过重整器22附近。在此情况下，也自在燃烧气体流路242中流动的燃烧气体向重整器22赋予热。再者，也可省略燃烧气体流路242。
重整器22中的供给端口225附近的部位未必需要与多段电池堆群组231中的除轴向上的两端以外的电池堆群组231相向，也可在径向上与轴向端部的电池堆群组231相向。
废气燃烧器24未必需要为催化剂燃烧器，也可为各种种类的燃烧器(例如，燃烧器等)。废气燃烧器24未必需要与重整器22中的供给端口225附近的部位相向，也可在径向上与重整器22的其他部位相向。
在燃料电池系统1中，利用凝结部33以水的形式将燃烧气体中所包含的水蒸气取出，然后经由水供给部31供给至水蒸气生成部32，但包含水蒸气的所述燃烧气体的一部分也可保持气体状被供给至重整器22。或者，自电池堆23排出的负极废气也可在被引导至废气燃烧器24之前暂时被导出至压力容器25外，在经由热交换器71及凝结部33等之后，被引导至废气燃烧器24。
在燃料电池系统1中，在定常运转时，未必需要进行热独立运转，也可通过燃烧器等持续进行壳体21内的加热。另外，在燃料电池系统1中，在定常运转时，未必需要进行水独立运转，例如，可除供给自凝结部33输送至水储存部311的水以外，也向水蒸气生成部32持续供给自装置外部向水储存部311供给的水。
上述电池堆23未必需要为固体氧化物型的燃料电池，也可为其他种类的燃料电池。
上述实施方式及各变形例的结构只要不相互矛盾，就可适当组合。
对发明详细地描述并进行了说明，但已述的说明为例示而非限制者。因此，可谓只要不脱离本发明的范围，就能够进行多种变形或形态。
符号的说明
1：燃料电池系统
22：重整器
23：电池堆
24：废气燃烧器
25：压力容器
225：供给端口
231：电池堆群组
242：燃烧气体流路
250：(压力容器的)内部空间
732：氧化剂气体流路
733：废气流路
J1：中心轴

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括：
重整器，为沿轴向延伸的筒状，对原燃料进行重整而生成燃料气体；
多个电池堆，在所述重整器的径向外侧沿周向并排配置且在径向上与所述重整器相向，使用所述燃料气体及氧化剂气体进行发电；
废气燃烧器，配置于所述重整器的径向内侧且在径向上与所述重整器相向，使来自所述多个电池堆的废气中所包含的未利用的所述燃料气体燃烧，且
所述多个电池堆分别包括沿径向层叠的多个平板状的电池。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中
所述废气燃烧器在径向上与所述重整器中进行所述原燃料的供给的供给端口附近的部位相向。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中
所述多个电池堆包括沿所述轴向跨越三段以上排列的多段电池堆群组，
所述多段电池堆群组中的除所述轴向上的两端以外的至少一段电池堆群组在径向上与所述重整器中进行所述原燃料的供给的供给端口附近的部位相向。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，还包括：
燃烧气体流路，使自所述废气燃烧器排出的燃烧气体通过所述重整器的内部。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中
所述燃烧气体流路为在所述重整器内沿所述轴向延伸的U字状。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其中
所述燃烧气体流路内的所述燃烧气体的流动方向与所述重整器内的气体的流动方向为相反方向。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，还包括：
压力容器，将所述重整器、所述多个电池堆及所述废气燃烧器收纳于密闭的内部空间中，
所述多个电池堆分别包括将正极废气排出至所述压力容器的所述内部空间的正极排出口。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，还包括：
压力容器，将所述重整器、所述多个电池堆及所述废气燃烧器收纳于密闭的内部空间中；以及
氧化剂气体流路，配置于所述压力容器的周围且与所述压力容器相向，并且供向所述多个电池堆供给的所述氧化剂气体流动。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，还包括：
废气流路，与所述氧化剂气体流路邻接而配置，供自所述压力容器排出的正极废气或自所述废气燃烧器排出的燃烧气体流动。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池系统，其中
所述多个电池堆分别为固体氧化物型的燃料电池。
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