JP2009076275A - Fuel cell module - Google Patents

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Yosuke Nozaki
洋介 野崎
Kimitaka Watabe
仁貴 渡部
Yoshitaka Tabata
嘉隆 田畑
Masayuki Yokoo
雅之 横尾
Yasunobu Mizutani
安伸 水谷
Koji Hisada
浩二 久田
Kenji Ukai
健司 鵜飼
Jun Shimano
純 嶋野
Hiroshi Orishima
寛 折島
Shoichi Kashima
昭一 加島
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Sumitomo Precision Products Co Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Toho Gas Co Ltd
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Sumitomo Precision Products Co Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Toho Gas Co Ltd
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell module that achieves a more uniform temperature distribution inside a module. <P>SOLUTION: Inside an internal container 107, fuel cell stacks 101 are arranged on the lower side (on the ground side) while a burner 106, a reformer 102, a fuel preheater 105, a water-vapor generator 104, and an air preheater 103 are arranged thereabove. The fuel cell stacks 101 are arranged on the lower side of the internal container 107 partitioned by a flameproof wall 109, while the burner 106, the reformer 102, the fuel preheater 105, the water-vapor generator 104, and the air preheater 103 are arranged on the upper side. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに搭載されて発電を行う燃料電池モジュールに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell module that is mounted on a fuel cell system and generates electric power.

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている(非特許文献1参照)。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極及び燃料極と呼ばれる陰極で電解質の層を挾んだ単セルを、複数重ね合わせたセルスタックとして用いている。   In recent years, high efficiency has been obtained regardless of the size of the scale, and therefore, fuel cells have attracted attention as power generation means used in next-generation cogeneration systems (see Non-Patent Document 1). A fuel cell is a battery that uses a chemical reaction between an oxidant gas such as oxygen and a fuel gas such as hydrogen, and a single cell in which an electrolyte layer is sandwiched between an anode called an air electrode and a cathode called a fuel electrode, It is used as a stacked cell stack.

このような燃料電池システムでは、高い発電効率を実現するために、燃料電池のセルスタックから発生した熱や燃料極排ガスの燃焼熱などを効率的に管理することが可能な燃料電池モジュールの構成が必要となる。特に、固体酸化物形燃料電池などの高温型の燃料電池の場合には、断熱や保温に関する要求条件が厳しく、効率的な燃料電池モジュールの実現が強く求められている。   In such a fuel cell system, in order to realize high power generation efficiency, there is a configuration of a fuel cell module that can efficiently manage heat generated from the cell stack of the fuel cell and combustion heat of the fuel electrode exhaust gas. Necessary. In particular, in the case of a high-temperature fuel cell such as a solid oxide fuel cell, requirements for heat insulation and heat insulation are strict, and realization of an efficient fuel cell module is strongly demanded.

ここで、従来よりあるよく知られた燃料電池モジュールの構成について簡単に説明する。図3は、このような燃料電池モジュールの概略的な構成を示す構成図である。この燃料電池モジュールは、燃料電池セルスタック301,改質器302,空気予熱器303,水蒸気発生器304,燃料予熱器305,バーナー306などを備えている。   Here, the configuration of a well-known fuel cell module will be briefly described. FIG. 3 is a configuration diagram showing a schematic configuration of such a fuel cell module. The fuel cell module includes a fuel cell stack 301, a reformer 302, an air preheater 303, a steam generator 304, a fuel preheater 305, a burner 306, and the like.

以下、燃料電池モジュールの動作について説明する。まず、燃料電池セルスタック301による発電に必要な空気は、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置(図示せず)により、フィルタリング,加圧,及び低温予熱などの工程を経て空気予熱器303に供給される。このようにして空気予熱器303に供給された空気は、空気予熱器303により発電に適した温度に昇温されて燃料電池セルスタック301に供給される。なお、発電に適した温度としては、例えば、リン酸型燃料電池では150℃〜200℃,溶融炭酸塩型燃料電池では550℃〜650℃である。   Hereinafter, the operation of the fuel cell module will be described. First, air necessary for power generation by the fuel cell stack 301 is subjected to processes such as filtering, pressurization, and low-temperature preheating by another device (not shown) in the fuel cell system including the module. It is supplied to the air preheater 303. Thus, the air supplied to the air preheater 303 is heated to a temperature suitable for power generation by the air preheater 303 and supplied to the fuel cell stack 301. The temperatures suitable for power generation are, for example, 150 ° C. to 200 ° C. for phosphoric acid fuel cells and 550 ° C. to 650 ° C. for molten carbonate fuel cells.

次に、水は、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置(図示せず)により、フィルタリング及び低温予熱などの工程を経て水蒸気発生器304に供給される。このようにして水蒸気発生器304に供給された水が、水蒸気発生器304により、都市ガスなどの燃料の改質に必要な水蒸気とされる。   Next, the water is supplied to the steam generator 304 through processes such as filtering and low-temperature preheating by other devices (not shown) in the fuel cell system including the module. The water thus supplied to the steam generator 304 is converted into steam necessary for reforming fuel such as city gas by the steam generator 304.

また、燃料としての都市ガスは、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置(図示せず)により、加圧,低温予熱,脱硫などの処理の後、低温予熱により水蒸気の凝縮温度以上に昇温されてから燃料予熱器305に供給される。この後、燃料予熱器305で、改質器302の動作に適した温度に昇温され、水蒸気発生器304からの水蒸気が混合され、改質器302に供給される。   In addition, city gas as fuel is condensed into water vapor by low-temperature preheating after processing such as pressurization, low-temperature preheating, and desulfurization by other devices (not shown) in the fuel cell system including this module. The temperature is raised above the temperature and then supplied to the fuel preheater 305. Thereafter, the fuel preheater 305 raises the temperature to a temperature suitable for the operation of the reformer 302, and the steam from the steam generator 304 is mixed and supplied to the reformer 302.

また、バーナー306には、燃料電池セルスタック301から供給される燃料極排ガス及び空気極排ガスが供給され、これらガスが燃焼される。この燃焼による熱が改質器302に供給される。改質器302では、バーナー306から供給される熱により、水蒸気と混合されてい供給された燃料の改質が行われ、水素が主成分の改質ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池セルスタック301に供給している。   The burner 306 is supplied with fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust gas supplied from the fuel cell stack 301, and these gases are combusted. Heat from this combustion is supplied to the reformer 302. The reformer 302 reforms the supplied fuel mixed with water vapor by the heat supplied from the burner 306, generates a reformed gas mainly composed of hydrogen, and uses the generated reformed gas as a fuel. The battery cell stack 301 is supplied.

また、燃料電池セルスタック301では、空気予熱器303から供給される空気と改質器302から供給される改質ガスとにより発電を行い、直流の電力を発生(生成)している。このようにして生成している直流電力は、図示していないインバータなどの燃料電池システムに搭載されている電力変換装置により、所望の電圧の電力に変換されて負荷に供給される。このように、従来の燃料電池モジュールにより、燃料電池システムの他の搭載機器と組み合わせることにより、所望の発電動作が行える。   Further, in the fuel cell stack 301, power is generated by the air supplied from the air preheater 303 and the reformed gas supplied from the reformer 302 to generate (generate) DC power. The direct-current power generated in this way is converted into electric power of a desired voltage by a power conversion device mounted on a fuel cell system such as an inverter (not shown) and supplied to the load. In this way, a desired power generation operation can be performed by combining the conventional fuel cell module with other mounted devices of the fuel cell system.

「燃料電池発電」、電気学会 燃料電池運転性調査専門委員会 編、株式会社 コロナ社、pp.216−223、1994年。“Fuel Cell Power Generation”, edited by the Institute of Electrical Engineers of Fuel Cell Operation Research Committee, Corona Inc. 216-223, 1994.

しかしながら、上述したような燃料電池モジュールは、多くの機器から構成され、機器間の熱のやりとりが複雑である。このため、従来の燃料電池モジュールでは、機器の配置の最適化がなされていない場合、局所的な温度上昇や温度低下がモジュール内で生じ、正常な動作に支障を来すという問題があった。   However, the fuel cell module as described above is composed of many devices, and heat exchange between the devices is complicated. For this reason, in the conventional fuel cell module, when the arrangement of the devices is not optimized, there is a problem that a local temperature rise or temperature drop occurs in the module and hinders normal operation.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、モジュール内の温度分布をより均一にすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to make the temperature distribution in the module more uniform.

本発明に係る燃料電池モジュールは、空気極,電解質,及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックに供給されるガスを予熱する予熱器と、燃料電池セルスタック及び予熱器を収容する容器とを少なくとも備え、容器の内部において、燃料電池セルスタックの上方に予熱器が配置されているようにしたものである。燃料電池セルスタックから発生して上昇する熱により、予熱器が加熱されるようになる。   A fuel cell module according to the present invention includes a fuel cell stack composed of a plurality of single cells provided with an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode, a preheater for preheating gas supplied to the fuel cell stack, and a fuel cell. And a container for housing the cell stack and the preheater, and the preheater is disposed above the fuel cell stack inside the container. The preheater is heated by the heat generated from the fuel cell stack and rising.

上記燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セルスタックが配置された容器の下部領域と予熱器が配置された容器の上部領域との間に配置されて複数の開口部を備えた仕切りを備えるようにしてもよい。   The fuel cell module may further include a partition having a plurality of openings disposed between a lower region of the container in which the fuel cell stack is disposed and an upper region of the container in which the preheater is disposed. Good.

上記燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セルスタックと予熱器との間に配置され、空気極から排出される空気極排ガスと燃料極から排出される燃料極排ガスとを燃焼させて改質器を加熱するバーナーと、バーナーの上方に配置されて燃料極に対して供給される燃料ガスを改質する改質器と、バーナーの上方に配置されて改質器に水蒸気を供給する水蒸気発生器とを備える。また、予熱器は、空気極に供給する空気を予熱する空気予熱器及び燃料極に供給する燃料を予熱する空気予熱器である。   In the fuel cell module, the reformer is disposed between the fuel cell stack and the preheater and burns the air electrode exhaust gas discharged from the air electrode and the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode to heat the reformer. A burner, a reformer that is disposed above the burner and reforms the fuel gas supplied to the fuel electrode, and a steam generator that is disposed above the burner and supplies steam to the reformer. . The preheater is an air preheater that preheats air supplied to the air electrode and an air preheater that preheats fuel supplied to the fuel electrode.

以上説明したように、本発明によれば、容器の内部において、燃料電池セルスタックの上方に予熱器が配置されているようにし、燃料電池セルスタックから発生して上昇する熱により、予熱器が加熱されるようにしたので、モジュール内の温度分布がより均一になるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the preheater is disposed above the fuel cell stack inside the container, and the preheater is caused by the heat generated and raised from the fuel cell stack. Since the heating is performed, an excellent effect that the temperature distribution in the module becomes more uniform can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について図1及び図2を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における燃料電池モジュールの構成を示す構成図である。図1では、断面を模式的に示している。また、図2(a)は、燃料電池モジュールの内部を示す斜視図、図2(b)は、内部に配置される各機器の構成を示す斜視図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 schematically shows a cross section. FIG. 2A is a perspective view showing the inside of the fuel cell module, and FIG. 2B is a perspective view showing the configuration of each device arranged inside.

本実施の形態における燃料電池モジュールは、まず、複数の燃料電池セルスタック101,改質器102,空気予熱器103,水蒸気発生器104,燃料予熱器105,バーナー106を備えている。また、本燃料電池モジュールは、上記各構成を収容する内側容器107を備え、また、内側容器107を収容する断熱容器108を備えている。このように構成された内側容器107と断熱容器108との間には、所定の間隔を開けることによる空間で排ガス流通層110が形成されて二重構造となっている。また、断熱容器108の底部には、断熱容器排気口181が設けられ、ここに排気管111が接続されている。   The fuel cell module in the present embodiment first includes a plurality of fuel cell stacks 101, a reformer 102, an air preheater 103, a steam generator 104, a fuel preheater 105, and a burner 106. In addition, the fuel cell module includes an inner container 107 that accommodates the above-described components, and a heat insulating container 108 that accommodates the inner container 107. Between the inner container 107 and the heat insulating container 108 configured in this manner, an exhaust gas circulation layer 110 is formed in a space formed by a predetermined interval to form a double structure. Further, a heat insulating container exhaust port 181 is provided at the bottom of the heat insulating container 108, and an exhaust pipe 111 is connected thereto.

内側容器107は、側部及び底部の内側容器隔壁171と上部の内側容器排気隔壁172とから構成され、内側容器排気隔壁172には、複数の内側容器排気口172aが設けられている。内側容器排気壁172は、例えば、メッシュ状の構造体であっても良い。従って、内部容器107の内側は、内側容器排気口172aにより排ガス流通層110に連通している。また、排ガス流通層110は、断熱容器排気口181及び排気管111により外部に連通している。従って、内部容器107の内側は、内側容器排気口172a,排ガス流通層110,断熱容器排気口181,及び排気管111を介して外部に連通している。   The inner container 107 includes a side and bottom inner container partition wall 171 and an upper inner container exhaust partition wall 172, and the inner container exhaust partition wall 172 is provided with a plurality of inner container exhaust ports 172a. The inner container exhaust wall 172 may be, for example, a mesh structure. Therefore, the inner side of the inner container 107 communicates with the exhaust gas circulation layer 110 through the inner container exhaust port 172a. The exhaust gas circulation layer 110 communicates with the outside through a heat insulating container exhaust port 181 and an exhaust pipe 111. Therefore, the inner side of the inner container 107 communicates with the outside via the inner container exhaust port 172a, the exhaust gas circulation layer 110, the heat insulating container exhaust port 181, and the exhaust pipe 111.

また、内側容器107には、内部を下側(大地側)と上側とに分ける仕切りとなる防炎壁(仕切り)109が設けられている。防炎壁109は、複数の開口部を備え、例えばメッシュ状の構造体であればよい。内側容器107の内部では、防炎壁109の上記開口部により下側と上側とが連通している。防炎壁109は、例えばステンレス鋼などの高い熱伝導性を備え、また700〜1000℃の高温に耐えられる高い耐熱性を備える材料から構成されている。   In addition, the inner container 107 is provided with a flame barrier (partition) 109 that serves as a partition that divides the interior into a lower side (ground side) and an upper side. The flame barrier 109 may include a plurality of openings, for example, a mesh-like structure. Inside the inner container 107, the lower side and the upper side communicate with each other through the opening of the flame barrier 109. The flame barrier 109 is made of a material having high thermal conductivity such as stainless steel and having high heat resistance capable of withstanding a high temperature of 700 to 1000 ° C.

内側容器107の内部において、下側(大地側)に燃料電池セルスタック101が配置され、この上方に、バーナー106,改質器102,燃料予熱器105,水蒸気発生器104,及び空気予熱器103が配置されている。従って、内側容器107の内部において、燃料電池セルスタック101の上方に各予熱器が配置されていることになる。また、燃料電池セルスタック101と各予熱器との間にバーナー106が配置され、バーナー106の上方に改質器102及び水蒸気発生器105が配置されていることになる。   Inside the inner container 107, the fuel cell stack 101 is disposed on the lower side (ground side), and above this, the burner 106, the reformer 102, the fuel preheater 105, the steam generator 104, and the air preheater 103 are disposed. Is arranged. Accordingly, each preheater is disposed above the fuel cell stack 101 inside the inner container 107. Further, the burner 106 is disposed between the fuel cell stack 101 and each preheater, and the reformer 102 and the steam generator 105 are disposed above the burner 106.

また、防炎壁109に仕切られた内側容器107の下側に、燃料電池セルスタック101が配置され、上側に、バーナー106,改質器102,燃料予熱器105,水蒸気発生器104,及び空気予熱器103が配置されていることになる。ここで、固体酸化物形燃料電池の動作温度は700〜1000℃と高温であり、燃料電池セルスタック101からの熱の伝達は、対流よりも輻射によるものが主となる。この燃料電池セルスタック101が配置されている側からの輻射熱は、防炎壁109を加熱することになり、加熱された防炎壁109からの輻射熱は、より均一な状態となる。このように、防炎壁109を設けることで、下部領域に配置された燃料電池セルスタック101からの熱が、より均一な状態で、上部領域の各機器に伝播されるようになる。   The fuel cell stack 101 is disposed below the inner container 107 partitioned by the flame barrier 109, and the burner 106, the reformer 102, the fuel preheater 105, the steam generator 104, and the air are disposed above. The preheater 103 is arranged. Here, the operating temperature of the solid oxide fuel cell is as high as 700 to 1000 ° C., and the heat transfer from the fuel cell stack 101 is mainly due to radiation rather than convection. The radiant heat from the side where the fuel cell stack 101 is disposed heats the flame barrier 109, and the radiant heat from the heated flame barrier 109 becomes more uniform. Thus, by providing the flame barrier 109, the heat from the fuel cell stack 101 arranged in the lower region is transmitted to each device in the upper region in a more uniform state.

なお、内側容器107は、例えばステンレス鋼などの高い熱伝導性を備え、また700〜1000℃の高温に耐えられる高い耐熱性を備える材料から構成されている。断熱容器108は、アルミナやムライトなどのセラミックス系の材料やこれらの多孔質体などの耐熱断熱材から構成されている。   The inner container 107 is made of a material having high heat conductivity such as stainless steel and having high heat resistance capable of withstanding a high temperature of 700 to 1000 ° C. The heat insulating container 108 is made of a ceramic material such as alumina or mullite or a heat resistant heat insulating material such as a porous body thereof.

次に、上述した構成の燃料電池モジュールの動作について説明する。まず、燃料電池セルスタック101による発電に必要な空気は、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置(図示せず)により、フィルタリング,加圧,及び低温予熱などの工程を経て、空気供給経路112により空気予熱器103に供給される。このようにして空気予熱器103に供給された空気は、空気予熱器103により発電に適した温度に昇温されて燃料電池セルスタック101に供給される。なお、発電に適した温度としては、例えば、リン酸型燃料電池では150℃〜200℃,溶融炭酸塩型燃料電池では550℃〜650℃である。   Next, the operation of the fuel cell module configured as described above will be described. First, air necessary for power generation by the fuel cell stack 101 is subjected to processes such as filtering, pressurization, and low-temperature preheating by other devices (not shown) in the fuel cell system including this module. The air preheater 103 is supplied through the air supply path 112. The air thus supplied to the air preheater 103 is heated to a temperature suitable for power generation by the air preheater 103 and supplied to the fuel cell stack 101. The temperatures suitable for power generation are, for example, 150 ° C. to 200 ° C. for phosphoric acid fuel cells and 550 ° C. to 650 ° C. for molten carbonate fuel cells.

次に、水は、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置(図示せず)により、フィルタリング及び低温予熱などの工程を経て、水供給経路113により水蒸気発生器104に供給される。このようにして水蒸気発生器104に供給された水が、水蒸気発生器104により、都市ガスなどの燃料の改質に必要な水蒸気とされる。   Next, the water is supplied to the steam generator 104 through the water supply path 113 through processes such as filtering and low-temperature preheating by other devices (not shown) in the fuel cell system including the module. The The water supplied to the steam generator 104 in this way is converted into steam necessary for reforming fuel such as city gas by the steam generator 104.

また、燃料としての都市ガスは、本モジュールが含まれている燃料電池システム内の他の装置(図示せず)により、加圧,低温予熱,脱硫などの処理の後、低温予熱により水蒸気の凝縮温度以上に昇温されてから、燃料供給経路114により燃料予熱器105に供給される。この後、燃料予熱器105で、改質器102の動作に適した温度に昇温され、水蒸気発生器104からの水蒸気が混合され、改質器102に供給される。   In addition, city gas as fuel is condensed into water vapor by low-temperature preheating after processing such as pressurization, low-temperature preheating, and desulfurization by other devices (not shown) in the fuel cell system including this module. After the temperature is raised above the temperature, the fuel is supplied to the fuel preheater 105 through the fuel supply path 114. Thereafter, the fuel preheater 105 raises the temperature to a temperature suitable for the operation of the reformer 102, and the steam from the steam generator 104 is mixed and supplied to the reformer 102.

改質器102では、主にバーナー106から供給される熱により、水蒸気と混合されてい供給される燃料の改質が行われ、水素が主成分の改質ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池セルスタック101に供給している。   The reformer 102 reforms the supplied fuel mixed with water vapor mainly by the heat supplied from the burner 106, generates a reformed gas mainly composed of hydrogen, and the generated reformed gas Is supplied to the fuel cell stack 101.

燃料電池セルスタック101では、空気予熱器103から供給される空気と改質器102から供給される改質ガスとにより発電を行い、直流の電力を発生(生成)している。このようにして生成している直流電力は、図示していないインバータなどの燃料電池システムに搭載されている電力変換装置により、所望の電圧の電力に変換されて負荷に供給される。   In the fuel cell stack 101, power is generated by the air supplied from the air preheater 103 and the reformed gas supplied from the reformer 102 to generate (generate) DC power. The direct-current power generated in this way is converted into electric power of a desired voltage by a power conversion device mounted on a fuel cell system such as an inverter (not shown) and supplied to the load.

また、燃料電池セルスタック101からは、発電の結果、燃料極排ガス及び空気極排ガスが排出される。これらの排ガスの中で、燃料極排ガスの一部は、改質器102に再循環されて再利用される。また、燃料極排ガスの他の一部(残り)と空気極排ガスとは、バーナー106に供給されて燃焼する。空気極排ガスは、内側容器107の内部に直接排出され、防炎壁109の開口部を通して内側容器107の上側のバーナー106の所に供給される。一方、燃料極排ガスは、所定の配管による燃料極排ガスリサイクル経路115により改質器102及びバーナー106に供給される。   Further, as a result of power generation, fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust gas are discharged from the fuel cell stack 101. Among these exhaust gases, part of the fuel electrode exhaust gas is recycled to the reformer 102 and reused. Further, the other part (remaining) of the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust gas are supplied to the burner 106 and combusted. The air electrode exhaust gas is directly discharged into the inner container 107 and supplied to the burner 106 on the upper side of the inner container 107 through the opening of the flame barrier 109. On the other hand, the fuel electrode exhaust gas is supplied to the reformer 102 and the burner 106 through the fuel electrode exhaust gas recycle route 115 by a predetermined pipe.

上述したような発電動作により、内側容器107の内部においては、まずこの下側で、燃料電池セルスタック101から熱及び高温の空気極排ガスが発生し、これらが、防炎壁109を介して上側に供給されている。また、内側容器107の内部の上側では、バーナー106により熱が発生している。上述した燃料電池セルスタック101から排出される空気極排ガスは、この一部がバーナー106で消費された後、発生している各熱により加熱され高温となる。また、燃料電池セルスタック101及びバーナー106からの熱により、改質器102や空気予熱器103,水蒸気発生器104,及び燃料予熱器105などの燃料電池セルスタック101に供給されるガスを予熱する予熱器が加熱される。   By the power generation operation as described above, first, heat and high-temperature air electrode exhaust gas are generated from the fuel cell stack 101 on the lower side inside the inner container 107, and these are disposed on the upper side through the flame barrier 109. Has been supplied to. Further, heat is generated by the burner 106 on the upper side inside the inner container 107. A part of the air electrode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 101 described above is consumed by the burner 106 and then heated by the generated heat to become a high temperature. Further, the heat supplied from the fuel cell stack 101 and the burner 106 preheats the gas supplied to the fuel cell stack 101 such as the reformer 102, the air preheater 103, the steam generator 104, and the fuel preheater 105. The preheater is heated.

以上のようにして、空気極排ガスを含む内側容器107内のガス(排ガス)は、燃料電池セルスタック101及びバーナー106により加熱されて内側容器107の内部を上昇し、内側容器排気隔壁172の内側容器排気口172aより、排ガス流通層110に排出される。排ガス流通層110に排出された高温の排ガスは、排ガス流通層110内を内側容器107の周囲を包み込むようにして下方に流れ、断熱容器排気口181より排気管111に排出され、燃料電池システムに搭載される図示しない低温予熱器や熱回収装置へ供給される。   As described above, the gas (exhaust gas) in the inner container 107 containing the air electrode exhaust gas is heated by the fuel cell stack 101 and the burner 106 to rise inside the inner container 107, and the inside of the inner container exhaust partition 172. The gas is discharged to the exhaust gas circulation layer 110 through the container exhaust port 172a. The high-temperature exhaust gas discharged to the exhaust gas circulation layer 110 flows downward in the exhaust gas circulation layer 110 so as to wrap around the inner container 107, and is discharged to the exhaust pipe 111 from the heat insulation container exhaust port 181 to enter the fuel cell system. It is supplied to a low-temperature preheater and a heat recovery device (not shown) to be mounted.

上述した本実施の形態における燃料電池モジュールによれば、内側容器107の内部においては、改質器102,空気予熱器103,水蒸気発生器104,及び燃料予熱器105に対し、発熱源となる燃料電池セルスタック101が下方に配置された状態となっている。燃料電池セルスタック101から発生した熱により加熱される内側容器107の内部のガスは、内側容器107の内部を上昇することになるが、この方向に、改質器102,空気予熱器103,水蒸気発生器104,及び燃料予熱器105が配置されていることになる。   According to the fuel cell module in the present embodiment described above, fuel serving as a heat source for the reformer 102, the air preheater 103, the water vapor generator 104, and the fuel preheater 105 inside the inner container 107. The battery cell stack 101 is in a state arranged below. The gas inside the inner container 107 heated by the heat generated from the fuel cell stack 101 rises inside the inner container 107. In this direction, the reformer 102, the air preheater 103, the steam The generator 104 and the fuel preheater 105 are arranged.

このため、本燃料電池モジュールによれば、燃料電池セルスタック101より発生した熱を効率よく改質器102,空気予熱器103,水蒸気発生器104,及び燃料予熱器105の加熱に用いることができるようになる。バーナー106より発生した熱についても同様である。また、燃料電池セルスタック101を、内側容器107の底部に配置することで、モジュール(内側容器107)内に、局所的な温度勾配が形成されることが抑制できるようになる。これらの効果は、システム(モジュール)の複雑化や部品点数の大きな増加などをすることなく得られる。   Therefore, according to the present fuel cell module, the heat generated from the fuel cell stack 101 can be efficiently used for heating the reformer 102, the air preheater 103, the steam generator 104, and the fuel preheater 105. It becomes like this. The same applies to the heat generated from the burner 106. In addition, by disposing the fuel cell stack 101 at the bottom of the inner container 107, it is possible to suppress the formation of a local temperature gradient in the module (inner container 107). These effects can be obtained without complicating the system (module) or greatly increasing the number of parts.

また、上述した本実施の形態の燃料電池モジュールによれば、内側容器107から内側容器排気隔壁172を介して排出された排ガスは、外部に直接排出することなく、断熱容器108の内部において、排ガス流通層110を経由して断熱容器排気口181より外部に排出される。このため、燃料電池モジュール(内側容器107)の内部で発生した排ガスは、排ガス流通層110を介さずに直接外部に排出する場合に比較し、排ガスの排出流量を低下させることなく、より長い時間をかけて断熱容器108より外部に排出されることになる。なお、内側容器排気隔壁172を介して排出された排ガスは、断面積の狭くなっている排ガス流通層110を通過することになり、流速が早くなる。   Further, according to the fuel cell module of the present embodiment described above, the exhaust gas discharged from the inner container 107 via the inner container exhaust partition 172 is exhausted inside the heat insulating container 108 without being directly discharged outside. It is discharged to the outside through the heat insulating container exhaust port 181 via the circulation layer 110. For this reason, the exhaust gas generated inside the fuel cell module (inner container 107) has a longer time without lowering the exhaust gas discharge flow rate, compared with the case where the exhaust gas is directly discharged outside without passing through the exhaust gas circulation layer 110. And discharged from the heat insulating container 108 to the outside. In addition, the exhaust gas discharged | emitted via the inner side container exhaust partition 172 will pass the exhaust gas distribution layer 110 with a narrow cross-sectional area, and a flow velocity will become quick.

このように、高温とされている排ガスが排ガス流通層110を流れるようになるので、内側容器107内の温度をより均一にすることができるようになり、モジュール(内側容器107)内に、局所的な温度勾配が形成されることが抑制できるようになり、モジュールの内部の保温効果を向上させることができる。例えば、内側容器隔壁171がなく排ガス流通層110が形成されていない場合、燃料電池セルスタック101から断熱容器108の内側面にかけての空間では、熱源の燃料電池セルスタック101から遠ざかるにつれて減少する温度勾配が形成される。これに対し、排ガス流通層110が形成されてここに高温の排ガスが流れていることにより、熱源から離れている断熱容器108の内側面近傍も高温の状態となり、上記温度勾配が緩慢になる。これらの効果は、システム(モジュール)の複雑化や部品点数の大きな増加などをすることなく得られる。   As described above, since the exhaust gas having a high temperature flows through the exhaust gas circulation layer 110, the temperature in the inner container 107 can be made more uniform, and the module (inner container 107) can be locally The formation of a typical temperature gradient can be suppressed, and the heat retention effect inside the module can be improved. For example, when there is no inner container partition wall 171 and the exhaust gas circulation layer 110 is not formed, a temperature gradient that decreases as the distance from the fuel cell stack 101 of the heat source increases in the space from the fuel cell stack 101 to the inner surface of the heat insulating container 108. Is formed. On the other hand, when the exhaust gas circulation layer 110 is formed and the high temperature exhaust gas flows here, the vicinity of the inner surface of the heat insulating container 108 away from the heat source is also in a high temperature state, and the temperature gradient becomes slow. These effects can be obtained without complicating the system (module) or greatly increasing the number of parts.

燃料電池モジュールは、多くの機器から構成され、機器間の熱のやりとりが複雑であるため、各機器の配置の最適化がなされていない場合、局所的な温度上昇や温度低下がモジュール内で生じ、正常な動作に支障を来すようになる。このような問題が、上述した本実施の形態における燃料電池モジュールによれば解消でき、モジュール内の温度分布をより均一にすることができる。   A fuel cell module is composed of many devices, and heat exchange between the devices is complicated. Therefore, if the arrangement of each device is not optimized, a local temperature rise or temperature drop occurs in the module. It will interfere with normal operation. Such a problem can be solved by the above-described fuel cell module in the present embodiment, and the temperature distribution in the module can be made more uniform.

また、本実施の形態における燃料電池モジュールでは、燃料予熱器105に対して外部より供給される燃料としての都市ガスを、バーナー用燃料供給経路116により、バーナー106に供給可能としている。このため、例えば燃料電池の始動時に、空気供給経路112,空気予熱器103,及び燃料電池セルスタック101を介して内側容器107の内部に供給される空気と、バーナー用燃料供給経路116により供給される燃料とにより、バーナー106を燃焼動作させることが可能となる。これにより、燃料電池モジュール内の各部の昇温を行うことができる。   Further, in the fuel cell module according to the present embodiment, city gas as fuel supplied from the outside to the fuel preheater 105 can be supplied to the burner 106 through the burner fuel supply path 116. Therefore, for example, when the fuel cell is started, the air is supplied to the inside of the inner container 107 via the air supply path 112, the air preheater 103, and the fuel cell stack 101, and the fuel supply path 116 for the burner. It is possible to cause the burner 106 to perform a combustion operation by using the fuel. Thereby, the temperature of each part in the fuel cell module can be increased.

燃料電池モジュールの各構成部分が動作可能な状態となった後に、前述したように、燃料予熱器105への燃料ガス(都市ガス)の供給を開始し、また、水の供給を開始して改質器102の動作を開始し、発電動作を開始すればよい。このようにして発電動作が開始された後、燃料電池セルスタック101より燃料極排ガスが排出されたら、バーナー用燃料供給経路116による都市ガスの供給を停止し、定常運転動作に移行すればよい。   After each component of the fuel cell module becomes operable, as described above, the supply of fuel gas (city gas) to the fuel preheater 105 is started, and the supply of water is started and modified. The operation of the mass device 102 may be started and the power generation operation may be started. When the fuel cell exhaust gas is discharged from the fuel cell stack 101 after the power generation operation is started in this way, the supply of city gas through the burner fuel supply path 116 may be stopped and the operation may be shifted to a steady operation.

本発明の実施の形態における燃料電池モジュールの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell module in embodiment of this invention. 燃料電池モジュールの内部を示す斜視図(a)及び内部に配置される各機器の構成を示す斜視図(b)である。It is the perspective view (a) which shows the inside of a fuel cell module, and the perspective view (b) which shows the structure of each apparatus arrange | positioned inside. 従来よりある燃料電池モジュールの概略的な構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of the conventional fuel cell module.

符号の説明Explanation of symbols

101…燃料電池セルスタック、102…改質器、103…空気予熱器、104…水蒸気発生器、105…燃料予熱器、106…バーナー、107…内側容器、108…断熱容器、109…防炎壁(仕切り)、110…排ガス流通層、111…排気管、112…空気供給経路、113…水供給経路、114…燃料供給経路、115…燃料極排ガスリサイクル経路、116…バーナー用燃料供給経路、171…内側容器隔壁、172…内側容器排気隔壁、172a…内側容器排気口。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Fuel cell stack, 102 ... Reformer, 103 ... Air preheater, 104 ... Steam generator, 105 ... Fuel preheater, 106 ... Burner, 107 ... Inner vessel, 108 ... Heat insulation vessel, 109 ... Flame barrier (Partition), 110 ... exhaust gas circulation layer, 111 ... exhaust pipe, 112 ... air supply path, 113 ... water supply path, 114 ... fuel supply path, 115 ... fuel electrode exhaust gas recycle path, 116 ... fuel supply path for burner, 171 ... inner container partition, 172 ... inner container exhaust partition, 172a ... inner container exhaust port.

Claims (4)

空気極,電解質,及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックに供給されるガスを予熱する予熱器と、
前記燃料電池セルスタック及び前記予熱器を収容する容器と
を少なくとも備え、
前記容器の内部において、前記燃料電池セルスタックの上方に前記予熱器が配置されている
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
A fuel cell stack comprising a plurality of single cells each having an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode;
A preheater for preheating gas supplied to the fuel cell stack;
A container for accommodating the fuel cell stack and the preheater,
The fuel cell module, wherein the preheater is disposed above the fuel cell stack inside the container.
請求項1記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料電池セルスタックが配置された前記容器の下部領域と前記予熱器が配置された前記容器の上部領域との間に配置されて複数の開口部を備えた仕切り
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to claim 1, wherein
A fuel comprising a partition having a plurality of openings disposed between a lower region of the container in which the fuel cell stack is disposed and an upper region of the container in which the preheater is disposed. Battery module.
請求項1又は2載の燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料電池セルスタックと前記予熱器との間に配置され、前記空気極から排出される空気極排ガスと前記燃料極から排出される燃料極排ガスとを燃焼させて前記改質器を加熱するバーナーと、
前記バーナーの上方に配置されて前記燃料極に対して供給される燃料ガスを改質する改質器と、
前記バーナーの上方に配置されて前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気発生器と
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to claim 1 or 2,
A burner that is disposed between the fuel cell stack and the preheater and burns the air electrode exhaust gas discharged from the air electrode and the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel electrode to heat the reformer. When,
A reformer that is disposed above the burner and reforms the fuel gas supplied to the fuel electrode;
A fuel cell module comprising: a steam generator disposed above the burner for supplying steam to the reformer.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記予熱器は、
前記空気極に供給する空気を予熱する空気予熱器及び前記燃料極に供給する燃料を予熱する空気予熱器である
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 3,
The preheater is
An air preheater that preheats air supplied to the air electrode and an air preheater that preheats fuel supplied to the fuel electrode.
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