JP2009231211A - Fuel cell module and fuel cell having the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の燃料電池セルを備える燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell module including a plurality of fuel cells and a fuel cell including the same.
燃料電池を作動させるための燃料ガスとして、水素ガスが用いられている。そのため、燃料電池においては、水素ガスそのものを供給するか、何らかの手段を用いて水素ガスを生成することが行われている。水素ガスの供給が社会的なインフラストラクチャーとして確立されていない現状を鑑みて、触媒を用いて原燃料を水蒸気改質して水素ガスを得ることが広く行われている(例えば、下記特許文献1参照)。
本発明者らは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルを備える燃料電池モジュール及び燃料電池において、より効果的な起動方法がないか検討を重ねた。具体的には、起動時において、より燃料ガスの消費を抑制することができる燃料電池モジュール及び燃料電池について検討を重ねた。上記従来の技術では、燃料電池の起動時間には着目しているものの、起動時における燃料ガスの消費については何ら言及は無く、本発明者らは全く異なるアプローチを試みた。その新たなアプローチにおいて、本発明者らは、燃料電池モジュール、特にSOFC(固体酸化物形燃料電池)に用いられる燃料電池モジュールでは、起動時(昇温時)や停止時(降温時)において、燃料極側のガス雰囲気は燃料極が酸化しないように、ガス雰囲気温度が200℃以上において還元雰囲気を維持しなければならないことに着目した。 The present inventors have repeatedly investigated whether there is a more effective start-up method in a fuel cell module and a fuel cell including a plurality of fuel cells that are operated by a fuel gas and an oxidant gas. Specifically, the fuel cell module and the fuel cell that can further suppress the consumption of the fuel gas at the time of start-up have been studied. In the above conventional technique, although attention is paid to the start-up time of the fuel cell, there is no mention of fuel gas consumption at the start-up, and the present inventors have tried a completely different approach. In the new approach, the inventors of the present invention, in the fuel cell module, particularly in the fuel cell module used for SOFC (solid oxide fuel cell), at the time of start-up (at the time of temperature rise) or at the time of stop (at the time of temperature drop) It was noted that the gas atmosphere on the fuel electrode side must maintain a reducing atmosphere at a gas atmosphere temperature of 200 ° C. or higher so that the fuel electrode does not oxidize.
このように還元雰囲気を作る方法としては、水素ガスを供給する方法(第1の方法)、炭化水素系ガス(被改質ガス)をバーナー又は部分酸化触媒を使って部分酸化ガスとして供給する方法(第2の方法)、炭化水素系ガス(被改質ガス)に水蒸気を混合し、改質触媒で改質して供給する方法(第3の方法)の三つの方法が考えられる。 As a method for creating a reducing atmosphere in this way, a method of supplying hydrogen gas (first method), a method of supplying a hydrocarbon-based gas (reformed gas) as a partial oxidation gas using a burner or a partial oxidation catalyst There are three possible methods (second method): a method in which steam is mixed with a hydrocarbon-based gas (reformed gas), reformed with a reforming catalyst, and supplied (third method).
第1の方法では、水素ガスはその供給のためのインフラストラクチャーが一般的には整っていないため、水素ガスボンベや水素吸着材料(水素貯蔵合金等)が必要となる。従って、水素ガスボンベ等の設置場所の確保や、その水素ガスボンベ等の内容量管理や交換作業が不可避となる。第2の方法では、部分酸化ガスの吐出温度が1000℃を超える高温となってしまうため、起動時(昇温時)には好適であるが、停止時(降温時)には不適である。第3の方法では、改質時に必要とされる温度は500℃程度であって、起動時(昇温時)にも停止時(降温時)にも好適である。 In the first method, since the infrastructure for supplying hydrogen gas is not generally prepared, a hydrogen gas cylinder or a hydrogen adsorbing material (hydrogen storage alloy or the like) is required. Accordingly, it is inevitable to secure a place for installing the hydrogen gas cylinder and the like, and to manage and replace the internal capacity of the hydrogen gas cylinder. In the second method, since the discharge temperature of the partial oxidation gas becomes a high temperature exceeding 1000 ° C., it is suitable at the time of start-up (temperature rise) but unsuitable at the time of stop (temperature fall). In the third method, the temperature required at the time of reforming is about 500 ° C., which is suitable both at the time of start-up (at the time of temperature increase) and at the time of stop (at the time of temperature decrease).
そこで本発明では、起動時において燃料ガスの消費を抑制することができると共に、燃料極側の還元雰囲気を確保することのできる燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of suppressing the consumption of fuel gas at the time of startup and ensuring a reducing atmosphere on the fuel electrode side, and a fuel cell including the same. .
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルと、被改質ガスを改質して燃料ガスとするための改質器と、前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、前記容器には、前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部が形成されており、前記燃焼部において発生する排出ガスが前記容器の外部へと導かれる流路において、前記改質器が、第一改質器と第二改質器とに分割されて配置されており、前記第一改質器の熱容量は、前記第二改質器の熱容量よりも小さいことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fuel cell module according to the present invention includes a plurality of fuel cells operated by fuel gas and an oxidant gas, and a modification for reforming a reformed gas into a fuel gas. A fuel cell module comprising a container and a container for housing the plurality of fuel cells, wherein the container includes residual fuel gas and oxidant gas that have reacted in the plurality of fuel cells. In the flow path through which exhaust gas generated in the combustion section is led to the outside of the container, the reformer includes a first reformer and a second reformer. The heat capacity of the first reformer is smaller than the heat capacity of the second reformer.
本発明によれば、起動時において燃料ガスの消費を抑制することができると共に、燃料極側の還元雰囲気を確保することのできる燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell module capable of suppressing the consumption of fuel gas at the time of startup and ensuring a reducing atmosphere on the fuel electrode side, and a fuel cell including the fuel cell module.
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。 Prior to describing the best mode for carrying out the present invention, the function and effect of the present invention will be described.
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルと、被改質ガスを改質して燃料ガスとするための改質器と、前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、前記容器には、前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部が形成されており、前記燃焼部において発生する排出ガスが前記容器の外部へと導かれる流路において、前記改質器が、第一改質器と第二改質器とに分割されて配置されており、前記第一改質器の熱容量は、前記第二改質器の熱容量よりも小さいことを特徴とする。 A fuel cell module according to the present invention includes a plurality of fuel cells operated by fuel gas and an oxidant gas, a reformer for reforming a gas to be reformed into fuel gas, and the plurality of fuels A fuel cell module including a container for housing battery cells, wherein the container is formed with a combustion portion for burning the remaining fuel gas and oxidant gas reacted in the plurality of fuel battery cells. The reformer is divided into a first reformer and a second reformer in a flow path through which exhaust gas generated in the combustion section is led to the outside of the container. The heat capacity of the first reformer is smaller than the heat capacity of the second reformer.
本発明では、複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部において発生する熱を利用して、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、その燃料ガスを用いて燃料極側を還元雰囲気に保つことに着目している。その場合、定常運転時の改質能力を満たす改質器を用いると、運転開始時において改質器の熱容量が大きいため多くの燃料ガスを投入し加熱する必要があり、燃料極を還元雰囲気に保つために必要とされる改質後の燃料ガスの量が、定常運転時に必要とされる改質後の燃料ガスの量よりも少ないために、必要以上の量の被改質ガスを改質することになる。これは、必要以上の被改質ガスを消費し、必要以上の燃料ガスを消費することに直結する。そこで、改質器を第一改質器及び第二改質器の二つの改質器に分割すると共に、その分割した第一改質器及び第二改質器を燃焼部において発生する排出ガスが容器の外部へと導かれる流路に配置することで、燃焼部において発生する熱を利用可能なように構成している。更に、第一改質器の熱容量は第二改質器の熱容量よりも小さくなるように構成しているので、第一改質器を運転開始時において必要とされる燃料ガスの量に合わせて形成することができ、必要以上の燃料ガスを消費することを回避できる。 In the present invention, the reformed gas is reformed into fuel gas using heat generated in the combustion section that burns the remaining fuel gas and oxidant gas reacted in the plurality of fuel cells, and the fuel We focus on keeping the fuel electrode side in a reducing atmosphere using gas. In that case, if a reformer that satisfies the reforming capability during steady operation is used, the reformer has a large heat capacity at the start of operation, so it is necessary to heat up the fuel electrode by introducing a large amount of fuel gas. Since the amount of fuel gas after reforming required for maintaining is less than the amount of fuel gas after reforming required during steady operation, reforming of an amount of reformed gas more than necessary Will do. This directly consumes more gas to be reformed and consumes more fuel gas than necessary. Therefore, the reformer is divided into two reformers, a first reformer and a second reformer, and the divided first reformer and second reformer are generated in the combustion section. Is arranged in a flow path that leads to the outside of the container, so that heat generated in the combustion section can be used. Furthermore, since the heat capacity of the first reformer is configured to be smaller than the heat capacity of the second reformer, the first reformer is adapted to the amount of fuel gas required at the start of operation. It can be formed, and consumption of fuel gas more than necessary can be avoided.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記流路において、前記第一改質器が前記第二改質器よりも上流側に配置されていることも好ましい。 In the fuel cell module according to the present invention, it is also preferable that the first reformer is disposed upstream of the second reformer in the flow path.
この好ましい態様によれば、熱容量の小さい第一改質器を、熱容量の大きい第二改質器よりも上流側、すなわちより燃焼部に近い側に配置しているので、燃焼熱を第二改質器に与える前に第一改質器により効果的に熱を与えることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 According to this preferred embodiment, since the first reformer having a small heat capacity is arranged upstream of the second reformer having a large heat capacity, that is, closer to the combustion section, the combustion heat is second modified. Heat can be effectively applied by the first reformer before feeding to the mass device. Therefore, it becomes possible to more effectively apply heat to the first reformer that has a small heat capacity and easily applies heat to the gas to be reformed that passes through the inside, and the gas to be reformed that passes through the first reformer is reduced. It can be reformed with less fuel gas combustion. As a result, the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained by supplying less reformed gas at startup.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一改質器及び前記第二改質器にそれぞれ被改質ガスを並行して供給する被改質ガス管を備えることも好ましい。 In the fuel cell module according to the present invention, it is preferable that a reformed gas pipe for supplying the gas to be reformed in parallel to the first reformer and the second reformer is provided.
この好ましい態様によれば、熱容量の異なる第一改質器及び第二改質器それぞれに、被改質ガスを並行して供給することができる被改質ガス管を備えているので、例えば、燃料電池モジュールの運転状況に合わせて、適切な改質能力を有する改質器側に選択的に被改質ガスを供給することもでき、双方の改質器に被改質ガスを供給して双方の改質器の改質能力を最大限に利用することもできる。 According to this preferred aspect, since the first reformer and the second reformer having different heat capacities are provided with the reformed gas pipes that can supply the reformed gas in parallel, for example, Depending on the operating conditions of the fuel cell module, the gas to be reformed can be selectively supplied to the reformer having an appropriate reforming capacity, and the gas to be reformed can be supplied to both reformers. It is also possible to make maximum use of the reforming capacity of both reformers.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記被改質ガス管に、前記第一改質器及び前記第二改質器のいずれか一方のみに選択的に被改質ガスを供給するための供給切替部を備えることも好ましい。 In the fuel cell module according to the present invention, the gas to be reformed can be selectively supplied to only one of the first reformer and the second reformer to the gas to be reformed pipe. It is also preferable to provide a supply switching unit.
この好ましい態様によれば、第一改質器及び第二改質器のいずれか一方のみに選択的に被改質ガスを確実に供給することができる。従って、燃料電池モジュールの起動時には熱容量の小さい第一改質器にのみ被改質ガスを供給することで、少ない被改質ガスを確実に改質して燃料電池セルに供給することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 According to this preferred embodiment, the gas to be reformed can be reliably supplied selectively to only one of the first reformer and the second reformer. Therefore, by supplying the gas to be reformed only to the first reformer having a small heat capacity when starting the fuel cell module, it is possible to reliably reform the gas to be reformed and supply it to the fuel cell. As a result, the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained by supplying less reformed gas at startup.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一改質器と前記第二改質器とが燃料ガスを通過させるための燃料ガス管によって繋がれており、前記第一改質器及び前記第二改質器のいずれか一方に流入した被改質ガスが改質されて他方に流入するように構成されていることも好ましい。 In the fuel cell module according to the present invention, the first reformer and the second reformer are connected by a fuel gas pipe for allowing a fuel gas to pass therethrough, and the first reformer and the It is also preferable that the gas to be reformed flowing into one of the second reformers is reformed and flows into the other.
この好ましい態様によれば、第一改質器及び第二改質器に選択的に被改質ガスを供給するための手段を用いずに、少ない被改質ガスから多くの被改質ガスまでを確実に改質することができる。より具体的には、少ない被改質ガスを供給すると、主に第一改質器側で改質が行われ、その前又は後において第二改質器では実質的に改質が行われずに燃料電池セルへと燃料ガスが供給される。また、多くの被改質ガスを供給すると、主に第二改質器側で改質が行われ、燃料電池セルへと燃料ガスが供給される。従って、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 According to this preferred embodiment, from a small amount of gas to be reformed to a large number of gases to be reformed without using means for selectively supplying the gas to be reformed to the first reformer and the second reformer. Can be reliably modified. More specifically, when a small amount of gas to be reformed is supplied, reforming is mainly performed on the first reformer side, and substantially no reforming is performed on the second reformer before or after that. Fuel gas is supplied to the fuel cell. When a large amount of gas to be reformed is supplied, reforming is mainly performed on the second reformer side, and the fuel gas is supplied to the fuel cells. Therefore, the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained by supplying less reformed gas at startup.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一改質器に流入した被改質ガスが改質されて前記第二改質器に流入するように構成されており、前記流路において、前記第一改質器が前記第二改質器よりも上流側に配置されていることも好ましい。 In the fuel cell module according to the present invention, the gas to be reformed that has flowed into the first reformer is reformed and flows into the second reformer, and in the flow path, It is also preferable that the first reformer is disposed upstream of the second reformer.
この好ましい態様によれば、先に第一改質器で被改質ガスの改質が行われ、その後第二改質器に改質後の燃料ガスが送られる。第一改質器は第二改質器よりも上流側、すなわちより燃焼部に近い側に配置しているので、第一改質器により効果的に熱を与えることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器により効果的に熱を与え、その第一改質器に先に被改質ガスを流入させるので、被改質ガスを確実に改質することができる。すなわち、被改質ガスと共に送り込まれる水蒸気も確実に改質に用いられるので、その後第二改質器に送り込まれても、水蒸気は改質に消費され分圧が低下しており、第二改質器内で結露する露点温度を低めることができる。また、第一改質器において高次の炭化水素は改質されているので第二改質器内において炭素が析出することを抑制できる。 According to this preferred embodiment, the reformed gas is first reformed in the first reformer, and then the reformed fuel gas is sent to the second reformer. Since the first reformer is disposed on the upstream side of the second reformer, that is, on the side closer to the combustion section, heat can be effectively applied to the first reformer. Accordingly, heat is effectively given by the first reformer having a small heat capacity and easy to give heat to the reformed gas passing through the interior, and the reformed gas is allowed to flow into the first reformer first. The gas to be reformed can be reliably reformed. That is, since the steam sent together with the gas to be reformed is reliably used for reforming, even if it is sent to the second reformer after that, the steam is consumed for reforming and the partial pressure is lowered. It is possible to lower the dew point temperature at which dew condensation occurs in the quality device. Moreover, since higher-order hydrocarbons are reformed in the first reformer, it is possible to suppress the precipitation of carbon in the second reformer.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させるための燃焼触媒を備え、前記第一改質器は、前記燃焼触媒よりも下流側に配置されていることも好ましい。 The fuel cell module according to the present invention further includes a combustion catalyst for burning the remaining fuel gas and oxidant gas reacted in the plurality of fuel cells, and the first reformer includes the combustion catalyst. It is also preferable that it is arranged on the downstream side.
この好ましい態様によれば、熱容量の小さい第一改質器を、燃焼触媒よりも下流側、すなわち燃焼触媒によって運転開始の早いタイミングから燃焼する燃料ガスの熱をより効果的に受け得る場所に配置しているので、第一改質器により効果的に熱を与えることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 According to this preferable aspect, the first reformer having a small heat capacity is disposed downstream of the combustion catalyst, that is, at a place where the heat of the fuel gas burned from the early timing of operation by the combustion catalyst can be received more effectively. Therefore, heat can be effectively applied by the first reformer. Therefore, it becomes possible to more effectively apply heat to the first reformer that has a small heat capacity and easily applies heat to the gas to be reformed that passes through the inside, and the gas to be reformed that passes through the first reformer is reduced. It can be reformed with less fuel gas combustion. As a result, the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained by supplying less reformed gas at startup.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記複数の燃料電池セルそれぞれに酸化剤ガスを分配する酸化剤ガス供給部を備え、前記第一改質器は、前記酸化剤ガス供給部よりも上流側に配置されていることも好ましい。 The fuel cell module according to the present invention further includes an oxidant gas supply unit that distributes an oxidant gas to each of the plurality of fuel cells, wherein the first reformer is upstream of the oxidant gas supply unit. It is also preferable that it is arranged on the side.
この好ましい態様によれば、第一改質器を酸化剤ガス供給部よりも上流側に配置しているので、排出ガスの熱が酸化剤ガス供給部との間における熱交換で奪われてしまう前に第一改質器が受け取ることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 According to this preferable aspect, since the first reformer is arranged upstream of the oxidant gas supply unit, the heat of the exhaust gas is lost by heat exchange with the oxidant gas supply unit. Before the first reformer can be received. Therefore, it becomes possible to more effectively apply heat to the first reformer that has a small heat capacity and easily applies heat to the gas to be reformed that passes through the inside, and the gas to be reformed that passes through the first reformer is reduced. It can be reformed with less fuel gas combustion. As a result, the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained by supplying less reformed gas at startup.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一改質器は、前記燃焼部から前記複数の燃料電池セル側を見通す方向において、前記容器の略中央に配置されていることも好ましい。 In the fuel cell module according to the present invention, it is also preferable that the first reformer is disposed at a substantially center of the container in a direction in which the plurality of fuel cell sides are seen from the combustion portion.
本発明に係る燃料電池モジュールの流路では、燃焼部から前記複数の燃料電池セル側を見通す方向において、前記容器の外周付近は放熱の影響で温度が低くなり、前記容器の略中央の温度が最も高くなり得る。そこで、この好ましい態様では、第一改質器をその最も温度が高くなり得る位置に配置することで、第一改質器に効率よく熱を伝えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 In the flow path of the fuel cell module according to the present invention, the temperature in the vicinity of the outer periphery of the container is lowered due to heat radiation in the direction of seeing the plurality of fuel battery cells from the combustion portion, and the temperature at the approximate center of the container is Can be the highest. Therefore, in this preferred embodiment, by disposing the first reformer at a position where the temperature can be the highest, it becomes possible to efficiently transfer heat to the first reformer and pass through the first reformer. The reformed gas can be reformed by burning less fuel gas. As a result, the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained by supplying less reformed gas at startup.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、被改質ガスを改質して燃料ガスとするために用いられる水蒸気を生成するための蒸発器を備え、前記蒸発器が、第一蒸発器と第二蒸発器とに分割されて配置され、前記第一蒸発器の熱容量が前記第二蒸発器の熱容量よりも小さくなるように構成されており、前記第一蒸発器が前記第二蒸発器よりも、前記流路の上流側に配置されていることも好ましい。 The fuel cell module according to the present invention further includes an evaporator for generating water vapor used to reform the gas to be reformed into fuel gas, and the evaporator includes the first evaporator and the first evaporator. The first evaporator is configured so that the heat capacity of the first evaporator is smaller than the heat capacity of the second evaporator, and the first evaporator is more than the second evaporator. It is also preferable that it is disposed on the upstream side of the flow path.
本発明では、改質器を第一改質器及び第二改質器の二つの改質器に分割すると共に、その分割した第一改質器及び第二改質器を燃焼部において発生する排出ガスが容器の外部へと導かれる流路に配置することで、燃焼部において発生する熱を利用可能なように構成している。更に、第一改質器の熱容量は第二改質器の熱容量よりも小さくなるように構成しているので、第一改質器を運転開始時において必要とされる燃料ガスの量に合わせて形成することができ、必要以上の燃料ガスを消費することを回避できるように構成している。それら第一改質器及び第二改質器において被改質ガスの改質を行う場合には、水蒸気が必要となる。そこで、この好ましい態様では、改質器を分割するのに合わせて、水蒸気を生成するための蒸発器を第一蒸発器と第二蒸発器とに分割し、第一蒸発器の熱容量が第二蒸発器の熱容量よりも小さくなるように構成し、第一蒸発器を第二蒸発器よりも流路の上流側に配置している。このように、熱容量の小さい第一蒸発器を、熱容量の大きい第二序初器よりも上流側、すなわちより燃焼部に近い側に配置しているので、第一蒸発器により効果的に熱を与えることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る水に熱を与えやすい第一蒸発器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一蒸発器を通る水をより少ない燃料ガスの燃焼で水蒸気とすることができる。結果として、起動時において被改質ガスを少なくできるのと合わせて、水の量も少なくすることができると共に、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 In the present invention, the reformer is divided into two reformers, a first reformer and a second reformer, and the divided first reformer and second reformer are generated in the combustion section. By arranging the exhaust gas in a flow path that leads the outside of the container, the heat generated in the combustion section can be used. Furthermore, since the heat capacity of the first reformer is configured to be smaller than the heat capacity of the second reformer, the first reformer is adapted to the amount of fuel gas required at the start of operation. It can be formed, and it is configured to avoid consuming more fuel gas than necessary. When reforming the gas to be reformed in the first reformer and the second reformer, steam is required. Therefore, in this preferred embodiment, the evaporator for generating water vapor is divided into the first evaporator and the second evaporator in accordance with the division of the reformer, and the heat capacity of the first evaporator is the second. It comprises so that it may become smaller than the heat capacity of an evaporator, and the 1st evaporator is arrange | positioned in the upstream of the flow path rather than the 2nd evaporator. As described above, the first evaporator having a small heat capacity is arranged on the upstream side, that is, the side closer to the combustion section than the second starter having a large heat capacity. Can be given. Accordingly, the first evaporator having a small heat capacity and easily giving heat to the water passing through the inside can be more effectively heated. It can be. As a result, the amount of water can be reduced as well as the amount of gas to be reformed can be reduced at startup, and the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一蒸発器及び前記第二蒸発器にそれぞれ水を並行して供給する供給水管を備えることも好ましい。 The fuel cell module according to the present invention preferably further includes a supply water pipe for supplying water to the first evaporator and the second evaporator in parallel.
この好ましい態様によれば、熱容量の異なる第一蒸発器及び第二蒸発器それぞれに、水を並行して供給することができる供給水管を備えているので、例えば、燃料電池モジュールの運転状況に合わせて、適切な蒸発能力を有する蒸発器側に選択的に水を供給することもでき、双方の蒸発器に水を供給して双方の蒸発器の蒸発能力を最大限に利用することもできる。 According to this preferred aspect, the first and second evaporators having different heat capacities are provided with the supply water pipes that can supply water in parallel, so that, for example, according to the operation status of the fuel cell module. Thus, water can be selectively supplied to the side of the evaporator having an appropriate evaporation capacity, and water can be supplied to both evaporators to make the most of the evaporation capacity of both evaporators.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記供給水管に、前記第一蒸発器及び前記第二蒸発器のいずれか一方のみに選択的に水を供給するための水供給切替部を備えることも好ましい。 In the fuel cell module according to the present invention, the supply water pipe may be provided with a water supply switching unit for selectively supplying water to only one of the first evaporator and the second evaporator. preferable.
この好ましい態様によれば、第一蒸発器及び第二蒸発器のいずれか一方のみに選択的に水を確実に供給することができる。従って、燃料電池モジュールの起動時には熱容量の小さい第一蒸発器にのみ水を供給することで、少ない水を確実に蒸発させて水蒸気として改質器に供給することができる。結果として、起動時においてより少ない水を供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 According to this preferable aspect, water can be selectively and reliably supplied to only one of the first evaporator and the second evaporator. Therefore, by supplying water only to the first evaporator having a small heat capacity when starting the fuel cell module, it is possible to reliably evaporate a small amount of water and supply it to the reformer as water vapor. As a result, the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained by supplying less water at the time of startup.
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一蒸発器が前記第一改質器よりも、前記流路の下流側に配置されていることも好ましい。 In the fuel cell module according to the present invention, it is also preferable that the first evaporator is disposed on the downstream side of the flow path with respect to the first reformer.
この好ましい態様によれば、500℃以上に加熱する必要がある第一改質器を100℃以上に加熱すればよい第一蒸発器よりも上流側に配置しているので、排出ガスの熱が第一蒸発器との間における熱交換で奪われてしまう前に第一改質器が受け取ることができる。従って、熱容量が小さく、その内部を通る被改質ガスに熱を与えやすい第一改質器に、より効果的に熱を与えることが可能となり、第一改質器を通る被改質ガスをより少ない燃料ガスの燃焼で改質することができる。結果として、起動時においてより少ない被改質ガスを供給することで、燃料電池セルの燃料極の還元雰囲気を保つことができる。 According to this preferred embodiment, since the first reformer that needs to be heated to 500 ° C. or higher is disposed upstream of the first evaporator that may be heated to 100 ° C. or higher, the heat of the exhaust gas is reduced. It can be received by the first reformer before it is deprived of heat exchange with the first evaporator. Therefore, it becomes possible to more effectively apply heat to the first reformer that has a small heat capacity and easily applies heat to the gas to be reformed that passes through the inside, and the gas to be reformed that passes through the first reformer is reduced. It can be reformed with less fuel gas combustion. As a result, the reducing atmosphere of the fuel electrode of the fuel cell can be maintained by supplying less reformed gas at startup.
また、本発明に係る燃料電池モジュールを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。 Moreover, in a fuel cell provided with the fuel cell module according to the present invention, a fuel cell having the above-described effects can be provided.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本実施形態に係る燃料電池モジュールFCを部分的に破断した概略的な斜視図である。燃料電池モジュールFCは、燃料ガスと空気(酸化剤ガス)とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。 FIG. 1 is a schematic perspective view in which the fuel cell module FC according to this embodiment is partially broken. The fuel cell module FC is configured as a device for generating electric power by causing an electrochemical reaction between fuel gas and air (oxidant gas).
燃料電池モジュールFCは、燃料電池セル2と、集電部材3,4と、集電ロッド5と、空気ヘッダ6(酸化剤ガス供給部)と、空気供給管7と、モジュール容器8(容器)と、絶縁断熱部材9と、断熱部材10とを備えている。
The fuel cell module FC includes a
燃料電池セル2は、2列×6列の12本ごとに燃料電池セルスタック(図1において明示しない)として構成され、モジュール容器8内に収められている。各燃料電池セル2は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。燃料電池セル2の内壁すなわち空気極に空気、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でO2−イオンが移動して電気化学反応が起こり空気極と燃料極との間に電位差が生じで発電が行われる。燃料電池セル2が発電した電気は、集電部材3,4によって集電され、集電ロッド5によって外部に取出される。
The
各燃料電池セル2に供給される空気は、空気供給管7を通って空気ヘッダ6に供給された空気が分配されて供給される。本実施形態の場合空気ヘッダ6は3つ設けられており、それぞれの空気ヘッダ6に空気供給管7が繋がれている。空気供給管7の上流側は空気の供給元に連結されている。
The air supplied to each
空気ヘッダ6は、各燃料電池セル2に供給される空気を一時的に貯留して昇温させる役割を果たすと共に、各燃料電池セル2に空気を分配する役割も果たしている。空気ヘッダ6は、各燃料電池セル2に供給する空気の流路を燃料電池セル2の数に応じて複数の系統に分配するためのものでもあるので、燃料電池セル2の数に応じてその配置数量が増減される。
The
各燃料電池セル2に供給される燃料ガスは、各燃料電池セル2の下方から供給される(詳細は後述する)。
The fuel gas supplied to each
燃料電池セル2、集電部材3,4、及び空気ヘッダ6は、直方体形状のモジュール容器8に収容されている。このモジュール容器8は、運転時に高温になることから、例えば、インコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成されている。また、燃料ガスや空気を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器8の内側には、燃料電池セル2とモジュール容器8とを絶縁すると共に、モジュール容器8内部を保温するための絶縁断熱部材9が設けられている。絶縁断熱部材9は、アルミナ繊維等で形成されている。モジュール容器8は更に、動作温度を安定に保つためにその全体が断熱部材10で覆われている。
The
続いて、図2を参照しながら、燃料電池セル2の配置態様について説明する。図2は、図1において空気ヘッダ6側から燃料電池セル2側を見通す方向における横断面図である。燃料電池セル集合体21は、複数の燃料電池セルスタック21a,21b,21cを備えている。各燃料電池セルスタック21a,21b,21cは、12本の燃料電池セル2を有し、それぞれの燃料電池セル2は、2列(図中x方向)×6列(図中y方向)に配置されている。
Then, the arrangement | positioning aspect of the
各燃料電池セル2は有底円筒状であって、その開口部2aを空気ヘッダ6側に向けて配置されている。各燃料電池セル2は、セル間集電部材13及び導電性のセル接続部材14を介して、電気的に2並列×6直列に接続されている。なお、燃料電池セル2は、発電容量等に応じて本数や配列が適宜選択される。
Each
各燃料電池セルスタック21a,21b,21cは、所定の間隔を置いて3列(図中x方向)に配置されており、36本の燃料電池セル2を有する燃料電池セル集合体21を構成している。それぞれの燃料電池セルスタック21a,21b,21cは、集電部材3を介して電気的に直列に接続されている。このように直列接続された燃料電池セルスタック21a,21b,21cの両端に配置される燃料電池セルスタック21a,21cの端部には、集電部材4が繋がれている。集電部材4は集電ロッド5に繋がれているので、集電ロッド5を介して外部に電力が取り出すことができる。
The
各燃料電池セルスタック21a,21b,21cにはそれぞれ、燃料電池セル2が6列に並べられている一対の側面に接するように絶縁板16が配置されている。更に、隣接する絶縁板16の間には熱伝導板15が配置されている。燃料電池セルスタック21a,21cと絶縁断熱部材9との間にも熱伝導板15が配置されている。熱伝導板15と集電部材3,4との間には、絶縁棒11が配置されている。
Each of the
このように熱伝導板15が配置されることで、局部的に燃料電池セル2の温度が部分的に高くなっても、熱伝導板15を介して高温部分から低温部分へ熱が移動しやすくなり、燃料電池セル2の温度分布を均一化させることができる。
By arranging the
また、上述したように絶縁板16及び絶縁棒11が配置されることで、熱伝導板15と燃料電池セル2との間の電気絶縁性、及び熱伝導板15と集電部材3,4との間の電気絶縁性が確保される。
Further, as described above, the insulating
続いて、図3を参照しながら、燃料電池セル2の配置態様と燃料ガス及び空気の供給態様について説明する。図3は、燃料電池モジュールFCの縦断面図であって、モジュール容器8の内部を示す図である。
Subsequently, an arrangement mode of the
図3に示すように、モジュール容器8の下方には、モジュール容器8内に導入する燃料ガスを均一に分散するための燃料ガス分散室17が配置されている。この燃料ガス分散室17内には、燃料ガスを予備分散する予備分散板18が配置されている。この予備分散板18は、例えばアルミナからなり、燃料ガス通気孔19が一様に形成されている。また、予備分散板18の上方には、例えばNiフォームからなる燃料ガス分散材30が配置されている。燃料ガス分散室17の上流側(図中下側)には、燃料ガス供給管22が設けられている。また、モジュール容器8と燃料ガス分散室17との間には、燃料ガスを燃料ガス分散室17からモジュール容器8に通気させるための燃料ガス分散板23が設けられている。この燃料ガス分散板23には、複数の燃料ガス供給孔24が形成されている。
As shown in FIG. 3, a fuel
また、燃料電池セル集合体21の上方に配置される空気ヘッダ6には、燃料電池セル2の空気極に空気を導入する複数の空気導入管25が連結されている。この空気導入管25は、燃料電池セル2の管内に挿入され、その下端部は燃料電池セル2の底面付近まで延びている。
In addition, a plurality of
また、モジュール容器8内には、燃料電池セル2の長尺方向に対して垂直方向に沿って形成される矩形状の仕切板26が設けられている。この仕切板26は、アルミナ繊維を積層してブランケット状に形成したものやフェルト状に形成したものが用いられている。モジュール容器8内において、この仕切板26で仕切られた上側に燃焼室27(燃焼部)が形成され、下側に発電室28が形成される。ここで、燃焼室27は、発電室28で反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスと、各燃料電池セル2の筒内で反応に寄与しなかった余剰の空気とを混合して燃焼させるための空間である。発電室28は、燃料ガス供給孔24から導入される燃料ガスを各燃料電池セル2に接触させ、各燃料電池セル2の管内に流れる空気との電気化学反応を生じさせて発電させるための空間である。
In the
また、仕切板26には、残余の燃料ガスを発電室28から燃焼室27に排出するための、例えばアルミナからなる筒状の燃料ガス排出管(図示しない)が複数挿通されている。従って、仕切板26には、発電室28から燃焼室27へと燃料ガスを通過させるための複数のガス排出孔が形成されていることになる。
The
仕切板26と空気ヘッダ6との間には燃焼触媒40が配置されている。燃焼触媒40は、発電室28で反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスと、各燃料電池セル2の筒内で反応に寄与しなかった余剰の空気とを混合して燃焼させるための触媒であり、自然着火では500℃以上でないと着火しない混合ガスを150℃〜250℃程度で着火させることができる。
A
燃焼触媒40を挟んで燃料電池セル2とは反対側には、燃焼室27において発生する排出ガスをモジュール容器8の外部へと導く流路50が形成されている。流路50には、上流側(燃料電池セル2側)から順に、第一改質器41、第一蒸発器43、空気ヘッダ6、第二改質器42、及び第二蒸発器44が配置されている。
On the opposite side of the
第一改質器41は、第二改質器42よりも熱容量が小さくなるように構成されている。第一改質器41及び第二改質器42に被改質ガスとしての都市ガス等を供給するための被改質ガス管51が設けられている。被改質ガス管51は、第一改質器41に繋がる第一ガス管51aと、第二改質器42に繋がる第二ガス管51bとに分岐されている。第一ガス管51aにはバルブ45(供給切替部)が、第二ガス管51bにはバルブ46(供給切替部)が、それぞれ設けられている。従って、バルブ45,46を独立して開閉することで、第一改質器41及び第二改質器42に流入する被改質ガスの量を調整することができる。第一改質器41及び第二改質器42によって改質された被改質ガスは、燃料ガスとして燃料ガス供給管22に供給される。
The
第一蒸発器43は、第二蒸発器44よりも熱容量が小さくなるように構成されている。第一蒸発器43及び第二蒸発器44に水を供給するための供給水管52が設けられている。供給水管52は、第一蒸発器43に繋がる第一水管52aと、第二蒸発器44に繋がる第二水管52bとに分岐されている。第一水管52aにはバルブ47(水供給切替部)が、第二水管52bにはバルブ48(水供給切替部)が、それぞれ設けられている。従って、バルブ47,48を独立して開閉することで、第一蒸発器43及び第二蒸発器44に流入する水量を調整することができる。第一蒸発器43において発生した水蒸気は、第一改質器41に流入する被改質ガスに混入されるように、第一蒸発器43から延出する管が第一ガス管51aに接続されている。第二蒸発器44において発生した水蒸気は、第二改質器42に流入する被改質ガスに混入されるように、第二蒸発器44から延出する管が第一ガス管51bに接続されている。
The
図3を参照しながら説明した例では、第一改質器41と第二改質器42とに並行して被改質ガスを供給するように、被改質ガス管51を構成していたけれども、第一改質器41と第二改質器42とを直列配管で繋ぐことも好ましい。この例について図4を参照しながら説明する。図4は、第一改質器41と第二改質器42とを直列に繋ぐ例を説明するためのブロック図である。
In the example described with reference to FIG. 3, the reformed
図4に示す例における、第一改質器41、第一蒸発器43、空気ヘッダ6、第二改質器42、及び第二蒸発器44の配置順は、図3に示す例と同様である。第一改質器41及び第二改質器42に被改質ガスとしての都市ガス等を供給するための被改質ガス管53が設けられている。被改質ガス管53は、第一改質器41にのみ繋がれている。第一改質器41と第二改質器42とを繋ぐ燃料ガス管54が設けられており、被改質ガス管53から第一改質器41に流入した被改質ガスは、第一改質器41においてその全部又は一部が改質されて第二改質器42に送り出される。被改質ガス管53には、バルブ49が設けられており、そのバルブ49を開閉することで、第一改質器41及び第二改質器42に流入する被改質ガス(燃料ガス)の量を調整することができる。第一改質器41及び第二改質器42によって改質された被改質ガスは、燃料ガスとして燃料ガス供給管22に供給される。
The arrangement order of the
上述したように第一改質器41は、第二改質器42よりも熱容量が小さくなるように構成されているので、その外形も第二改質器42よりも小さくなるように構成される。燃焼室27から燃料電池セル2を見通す方向において、第二改質器42がモジュール容器8の内壁面に沿って設けられる場合、第二改質器42よりも小さい第一改質器41はモジュール容器8の略中央に配置する。これは、第一改質器41により効率よく熱を伝達するために、モジュール容器8において最も温度が高くなる部分に配置するためである。また、図5に示すように、第一改質器41を更に三つに分割して、第一改質器41a、第一改質器41b、第一改質器41cとし、モジュール容器8の略中央に配置することも好ましい。
As described above, since the
上述したように、改質器を第一改質器41と第二改質器42とに分割し、燃焼室27において発生する排出ガスがモジュール容器8の外部へと導かれる流路50に配置される効果について図6及び図7を参照しながら説明する。図6は、本実施形態の構成における燃料電池モジュールFCを運転した場合の温度と燃料流量との関係を示すグラフである。図7は、比較のため改質器を単一の構成とし、その熱容量は第二改質器42と同等とした場合の燃料電池モジュールを運転した場合の温度と燃料流量との関係を示すグラフである。図6において、最も太い実線は発電出力を、中太の実線は被改質ガス(燃料ガス)の流量(燃料流量)を、最も細い実線は燃料電池セル2の温度を、点線は第一改質器41の温度を、破線は第二改質器42の温度を、一点鎖線は排出ガス(燃焼室温度)の温度を、それぞれ示している。図7において、最も太い実線は発電出力を、中太の実線は被改質ガス(燃料ガス)の流量(燃料流量)を、最も細い実線は燃料電池セル2の温度を、破線は改質器の温度を、一点鎖線は排出ガス(燃焼室温度)の温度を、それぞれ示している。図6及び図7においては、運転を開始してから所定の発電出力を得るまでの時間が同等となるように運転制御している。
As described above, the reformer is divided into the
図6に示すように、燃料電池モジュールFCの運転を開始してから、被改質ガスを未改質状態のまま燃料ガスとして供給し、時刻t1において燃焼室27を着火する。その後、第一改質器41を改質可能温度(500℃)とするために、比較的少量の燃料ガスを供給しながら燃焼室27の燃焼を継続する。燃焼室27の燃焼を継続すると、時刻t2において第一改質器41が改質可能温度に到達し、被改質ガスの改質が開始され、改質後の燃料ガスが燃料電池セル2に供給される。従って、起動時において必要となる、燃料電池セル2の燃料極の還元雰囲気維持が実現される。その後、時刻t3において第二改質器42が改質可能温度(500℃)に到達するので、燃料流量を定常運転状態に対応する量まで増量し、発電を開始する。
As shown in FIG. 6, after the operation of the fuel cell module FC is started, the reformed gas is supplied as the fuel gas in an unreformed state, and the
一方、改質器を単一の構成とすると、図7に示すように、第二改質器42の熱容量に相当する熱容量で構成されている改質器を改質可能温度(500℃)とするために、比較的多量の燃料ガスを供給しながら燃料室27の燃焼を継続する。燃焼室27の燃焼を継続すると、時刻t4において改質器が改質可能温度に到達し、被改質ガスの改質が開始され、改質後の燃料ガスが燃料電池セルに供給される。
On the other hand, assuming that the reformer has a single configuration, as shown in FIG. 7, the reformer configured with a heat capacity corresponding to the heat capacity of the
図6と図7とを比較すると、定常運転前の起動時において、被改質ガス(燃料ガス)の供給量において顕著な差異が認められる。本実施形態の燃料電池モジュールFCの起動時における被改質ガス(燃料ガス)の供給量は、第一改質器41のみを昇温すれば足りるので、図7に示した場合よりも比較的少量の供給で足りる。
When FIG. 6 and FIG. 7 are compared, a remarkable difference is observed in the supply amount of the reformed gas (fuel gas) at the start-up before the steady operation. The supply amount of the gas to be reformed (fuel gas) at the time of starting the fuel cell module FC of the present embodiment only needs to raise the temperature of only the
続いて、図8を参照しながら、燃料電池モジュールFCを用いた燃料電池FCSの構成について説明する。図8は、燃料電池FCSの構成を示すブロック図である。図8に示すように、燃料電池FCSは、燃料電池モジュールFCと、燃料供給部FPと、空気供給部APと、水供給部WPと、電力取出部EPと、制御部CSとを備えている。燃料供給部FP、空気供給部AP、水供給部WP、及び電力取出部EPは、燃料電池FCSの補器ADを構成している。 Next, the configuration of the fuel cell FCS using the fuel cell module FC will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell FCS. As shown in FIG. 8, the fuel cell FCS includes a fuel cell module FC, a fuel supply unit FP, an air supply unit AP, a water supply unit WP, a power extraction unit EP, and a control unit CS. . The fuel supply unit FP, the air supply unit AP, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP constitute an auxiliary device AD of the fuel cell FCS.
燃料供給部FPは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールFCに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部FPから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管22へと送り出される。
The fuel supply unit FP is a part that supplies fuel gas from a city gas pipe as a fuel supply source to the fuel cell module FC, and includes a fuel pump and an electromagnetic valve. The fuel gas supplied from the fuel supply unit FP is sent out to the fuel
空気供給部APは、空気供給源としての大気中から空気を固体酸化物形燃料電池モジュール1に供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部APから供給される空気は空気供給管8へと送り出される。
The air supply part AP is a part that supplies air from the atmosphere as an air supply source to the solid oxide
水供給部WPは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールFCに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部WPから供給される水は、燃料電池モジュールFC内部で水蒸気となって送り出される。 The water supply unit WP is a part that supplies water from a water pipe as a water supply source to the fuel cell module FC, and includes a water pump and an electromagnetic valve. The water supplied from the water supply unit WP is sent out as water vapor inside the fuel cell module FC.
電力取出部EPは、燃料電池モジュールFCから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部EPは、集電ロッド5と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。
The power extraction unit EP is a part that extracts electric power from the fuel cell module FC, and includes a power conversion device such as an inverter. The power extraction unit EP is connected to the
制御部CSは、燃料供給部FP、空気供給部AP、駆動補器AD、及び電力取出部EPのそれぞれを制御するための部分であって、CPUやROMを有している。燃料電池モジュールFCの動作は、制御部CSからの指示信号に基づいて実行される。 The control unit CS is a part for controlling each of the fuel supply unit FP, the air supply unit AP, the driving auxiliary device AD, and the power extraction unit EP, and includes a CPU and a ROM. The operation of the fuel cell module FC is executed based on an instruction signal from the control unit CS.
このように構成された燃料電池FCSの動作について説明する。発電室28を電気化学反応が生じる温度(700〜1000℃)に昇温する。空気供給部APから空気を空気供給管7に供給し、空気ヘッダ6内に貯留する。貯留された空気は、複数の空気導入管25内を下方に流れ、下端から燃料電池セル2の筒内に流出する。流出した空気は、燃料電池セル2の筒内を上方に流れる。このとき、空気は、空気極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった空気は、燃料電池セル2の開口部2aから燃焼室27に達する。
The operation of the fuel cell FCS configured as described above will be described. The
また、燃料供給部FPから燃料ガスを燃料ガス供給管22に供給し、燃料ガス分散室17内に貯留する。貯留された燃料ガスは、燃料ガス分散板23に形成された複数の燃料ガス供給孔24から発電室28内に導入され、発電室28内を各燃料電池セル2を包囲しながら上方に流れる。このとき、燃料ガスは、燃料極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった燃料ガスは、仕切板26の燃料ガス排出管(図示しない)を通って燃焼室27に達する。
Further, the fuel gas is supplied from the fuel supply unit FP to the fuel
燃焼室27に達した残余の燃料ガスと残余の空気とは、所定の点火装置を用いて燃焼され排出ガスが、モジュール容器8の上壁に連結された排ガス管から燃焼室27の外に排出される。この排出ガスは高温となるために、発電室28を加熱するための熱源として利用される。
The remaining fuel gas and the remaining air that have reached the
2…燃料電池セル、3,4…集電部材、5…集電ロッド、6…空気ヘッダ、7…空気供給管、8…モジュール容器、9…絶縁断熱部材、10…断熱部材、21…燃料電池セル集合体、25…空気導入管、26…仕切板、27…燃焼室、28…発電室、29…燃料ガス排出孔、FC…燃料電池モジュール、FCS…燃料電池。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
被改質ガスを改質して燃料ガスとするための改質器と、
前記複数の燃料電池セルを収容するための容器と、を備える燃料電池モジュールであって、
前記容器には、前記複数の燃料電池セルにおいて反応した残余の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部が形成されており、
前記燃焼部において発生する排出ガスが前記容器の外部へと導かれる流路において、前記改質器が、第一改質器と第二改質器とに分割されて配置されており、
前記第一改質器の熱容量は、前記第二改質器の熱容量よりも小さいことを特徴とする燃料電池モジュール。 A plurality of fuel cells operated by fuel gas and oxidant gas;
A reformer for reforming the gas to be reformed into fuel gas;
A fuel cell module comprising a container for housing the plurality of fuel cells,
The container is formed with a combustion portion for burning the remaining fuel gas and oxidant gas reacted in the plurality of fuel cells.
In the flow path through which exhaust gas generated in the combustion section is guided to the outside of the container, the reformer is divided into a first reformer and a second reformer,
The fuel cell module, wherein the heat capacity of the first reformer is smaller than the heat capacity of the second reformer.
前記流路において、前記第一改質器が前記第二改質器よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池モジュール。 The gas to be reformed flowing into the first reformer is reformed and configured to flow into the second reformer,
6. The fuel cell module according to claim 5, wherein the first reformer is disposed upstream of the second reformer in the flow path.
前記第一改質器は、前記燃焼触媒よりも下流側に配置されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。 A combustion catalyst for burning residual fuel gas and oxidant gas reacted in the plurality of fuel cells;
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 6, wherein the first reformer is disposed downstream of the combustion catalyst.
前記第一改質器は、前記酸化剤ガス供給部よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。 An oxidant gas supply unit that distributes the oxidant gas to each of the plurality of fuel cells,
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 7, wherein the first reformer is disposed upstream of the oxidant gas supply unit.
前記蒸発器が、第一蒸発器と第二蒸発器とに分割されて配置され、
前記第一蒸発器の熱容量が前記第二蒸発器の熱容量よりも小さくなるように構成されており、
前記第一蒸発器が前記第二蒸発器よりも、前記流路の上流側に配置されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。 Equipped with an evaporator for generating water vapor used to reform the gas to be reformed into fuel gas,
The evaporator is divided and arranged in a first evaporator and a second evaporator,
The heat capacity of the first evaporator is configured to be smaller than the heat capacity of the second evaporator,
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 9, wherein the first evaporator is disposed on an upstream side of the flow path with respect to the second evaporator.
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