JP2011044244A - Fuel cell stack device - Google Patents

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Yasuhiro Izawa
康浩 伊澤
Maiko Ikuno
真偉子 生野
Narikado Takahashi
成門 高橋
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Kyocera Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack device which reduces temperature distribution generated along the stacking direction of cells of the fuel cell in a fuel cell stack. <P>SOLUTION: The fuel cell stack device (100) includes: at least one fuel cell stack (20) formed by stacking a plurality of cells of the fuel cell (10); a reformer (30) disposed on one end sides of the plurality of cells of the fuel cell and causing a reforming reaction; and a combustion part (70) disposed between the fuel cell stack and the reformer and combusting fuel off-gas not used for power generation of cells of the fuel cell. The reformer includes a first flow passage (34) for flowing fuel gas toward one end side from the other end side in the stacking direction of cells of the fuel cell in the at least one fuel cell stack, and a second flow passage (35) communicating with the first flow passage for flowing the fuel gas toward the other end side from one end side in the stacking direction of cells of the fuel cell in the fuel cell stack. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池スタック装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell stack device.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を用いて電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell is a device that generally obtains electrical energy using hydrogen and oxygen. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

特許文献１には、燃料電池セルが集電部材を介して複数個積層されてなる燃料電池スタックの上方に改質器が配置された燃料電池スタック装置が開示されている。この装置は、燃料電池スタックと改質器との間に、燃料電池スタックの燃料オフガスを燃焼させるための燃焼部を有している。改質器は、燃焼部によって加熱される。その結果、改質器において水素を含有する燃料ガスが発生する。燃料ガスは、配管を通過して燃料電池セルの下端に流入する。   Patent Document 1 discloses a fuel cell stack device in which a reformer is disposed above a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked via current collecting members. This apparatus has a combustion section for burning the fuel off gas of the fuel cell stack between the fuel cell stack and the reformer. The reformer is heated by the combustion section. As a result, fuel gas containing hydrogen is generated in the reformer. The fuel gas passes through the pipe and flows into the lower end of the fuel cell.

特開２００５−６３８０６号公報JP-A-2005-63806

特許文献１に係る燃料電池スタック装置によれば、改質器においてガスの流動方向に沿って温度分布（温度の最大値と最小値との差）が生じる。この場合、改質器において生じた温度分布に伴って、燃料電池スタックにおいて燃料電池セルの積層方向に沿って温度分布が生じてしまう。   According to the fuel cell stack device according to Patent Document 1, a temperature distribution (difference between the maximum value and the minimum value) occurs along the gas flow direction in the reformer. In this case, along with the temperature distribution generated in the reformer, a temperature distribution occurs in the fuel cell stack along the stacking direction of the fuel cells.

本発明は、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向における温度分布を小さくすることができる燃料電池スタック装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell stack device capable of reducing the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cells of the fuel cell stack.

本発明に係る燃料電池スタック装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池セルを集電部材を介して複数個積層してなる、少なくとも１つの燃料電池スタックと、燃料電池スタックの一端側に配置され、改質反応を生じさせる改質器と、燃料電池スタックと改質器との間に配置され、燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、を備え、改質器は、少なくとも一つの燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の他方端側から一方端側に向けて燃料ガスを流すための第１流路部と、第１流路部と連通し燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第２流路部と、を備えることを特徴とするものである。   A fuel cell stack device according to the present invention includes at least one fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power with fuel gas and oxidant gas are stacked via a current collecting member, A reformer that is disposed on one end side and that causes a reforming reaction; a combustion unit that is disposed between the fuel cell stack and the reformer and that burns fuel off-gas that has not been supplied to the power generation of the fuel cell; and The reformer includes a first flow path section for flowing fuel gas from the other end side in the stacking direction of the fuel cells in at least one fuel cell stack toward the one end side, and a first flow path section And a second flow path section for flowing fuel gas from one end side to the other end side in the stacking direction of the fuel cells in the fuel cell stack.

本発明に係る燃料電池スタック装置によれば、改質器を、少なくとも一つの燃料電池スタックの上において、燃料ガスを折り返して流す構成とすることにより、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向における燃料ガスの温度差が小さくなる。それにより、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向における温度分布を小さくすることができる。   According to the fuel cell stack device of the present invention, the reformer is configured to flow the fuel gas over the at least one fuel cell stack in the stacking direction of the fuel cells of the fuel cell stack. The temperature difference of the fuel gas is reduced. Thereby, the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cells of the fuel cell stack can be reduced.

上記構成において、第２流路部は、第１流路部よりも燃焼部に近い位置に配置されていてもよい。上記構成において、第１流路部と燃焼部との間の距離および第２流路部と燃焼部との間の距離は、等しくてもよい。上記構成において、第１流路部の上流側に連通し、第１流路部が配置されている燃料電池スタックとは別の燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第３流路部を備え、第２流路部は、第１流路部よりも第３流路部から遠い位置に配置されていてもよい。   The said structure WHEREIN: The 2nd flow path part may be arrange | positioned in the position near a combustion part rather than a 1st flow path part. In the above configuration, the distance between the first flow path part and the combustion part and the distance between the second flow path part and the combustion part may be equal. In the above-described configuration, the fuel cell stack is connected to the upstream side of the first flow path portion and is different from the fuel cell stack in which the first flow path portion is arranged, from one end side to the other end in the stacking direction of the fuel cells. A third flow path part for flowing fuel gas toward the side may be provided, and the second flow path part may be disposed at a position farther from the third flow path part than the first flow path part.

上記構成は、第１流路部と第２流路部とによって挟持された断熱層を備えていてもよい。この構成によれば、第２流路部の熱が第１流路部に奪われることを抑制することができる。   The said structure may be equipped with the heat insulation layer pinched by the 1st flow path part and the 2nd flow path part. According to this structure, it can suppress that the heat | fever of a 2nd flow path part is taken by the 1st flow path part.

上記構成は、各燃料電池スタックの他端部に接続されたマニホールドと、改質器の下流側とマニホールドとを接続する燃料ガス配管と、を備えていてもよい。   The said structure may be provided with the manifold connected to the other end part of each fuel cell stack, and the fuel gas piping which connects the downstream and reformer of a reformer.

本発明によれば、燃料電池スタックの燃料電池セルの積層方向における温度分布を小さくすることができる燃料電池スタック装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell stack apparatus which can make small temperature distribution in the lamination direction of the fuel cell of a fuel cell stack can be provided.

図１（ａ）は、燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。図１（ｂ）は、燃料電池スタックを説明するための部分斜視図である。FIG. 1A is a partial perspective view including a cross section of a fuel cell. FIG. 1B is a partial perspective view for explaining the fuel cell stack. 図２（ａ）は、例１に係る燃料電池スタック装置の模式的斜視図である。図２（ｂ）は、燃料電池スタック装置の改質器および燃料ガス配管をＡ方向から見た模式図である。図２（ｃ）は、燃料電池スタック装置のＢ−Ｂ線断面図である。FIG. 2A is a schematic perspective view of the fuel cell stack device according to Example 1. FIG. FIG. 2B is a schematic view of the reformer and the fuel gas piping of the fuel cell stack device as viewed from the A direction. FIG. 2C is a cross-sectional view of the fuel cell stack device taken along line BB. 図３（ａ）は、例２に係る改質器および燃料ガス配管の模式的斜視図である。図３（ｂ）は、改質器および燃料ガス配管をＡ方向から見た模式図である。FIG. 3A is a schematic perspective view of a reformer and a fuel gas pipe according to Example 2. FIG. 3B is a schematic view of the reformer and the fuel gas pipe as viewed from the A direction. 図４（ａ）は、例３に係る改質器および燃料ガス配管の模式的斜視図である。図４（ｂ）は、改質器および燃料ガス配管をＡ方向から見た模式図である。FIG. 4A is a schematic perspective view of a reformer and a fuel gas pipe according to Example 3. FIG. 4B is a schematic view of the reformer and the fuel gas pipe as viewed from the A direction. 図５は、例４に係る改質器および燃料ガス配管をＡ方向から見た模式図である。FIG. 5 is a schematic view of the reformer and the fuel gas pipe according to Example 4 as viewed from the A direction.

以下、本発明を実施するための形態を説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.

本発明の例１に係る燃料電池スタック装置１００について説明する。まず、燃料電池スタック装置１００に用いられる燃料電池セル１０および燃料電池スタック２０について説明する。図１（ａ）は、燃料電池セル１０の断面を含む部分斜視図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池セル１０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５がこの順に積層されている。酸素極１５に対向する他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。   A fuel cell stack device 100 according to Example 1 of the present invention will be described. First, the fuel cell 10 and the fuel cell stack 20 used in the fuel cell stack device 100 will be described. FIG. 1A is a partial perspective view including a cross section of the fuel battery cell 10. As shown in FIG. 1A, the fuel cell 10 has a flat plate-like overall shape. A plurality of fuel gas passages 12 penetrating along the axial direction (longitudinal direction) are formed in the conductive support 11 having gas permeability. A fuel electrode 13, a solid electrolyte 14, and an oxygen electrode 15 are laminated in this order on one plane on the outer peripheral surface of the conductive support 11. On the other plane facing the oxygen electrode 15, an interconnector 17 is provided via a bonding layer 16, and a P-type semiconductor layer 18 for reducing contact resistance is provided thereon.

燃料ガス通路１２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル１０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− When fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel gas passage 12, hydrogen is supplied to the fuel electrode 13. On the other hand, oxygen is supplied to the oxygen electrode 15 by supplying an oxidant gas containing oxygen around the fuel cell 10. As a result, the following electrode reactions occur in the oxygen electrode 15 and the fuel electrode 13 to generate power. The power generation reaction is performed at 600 ° C. to 1000 ° C., for example.
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −

酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池セル１０同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。 The material of the oxygen electrode 15 has oxidation resistance and is porous so that gaseous oxygen can reach the interface with the solid electrolyte 14. The solid electrolyte 14 has a function of moving oxygen ions O 2− from the oxygen electrode 15 to the fuel electrode 13. The solid electrolyte 14 is composed of an oxygen ion conductive oxide. Further, since the solid electrolyte 14 physically separates the fuel gas and the oxidant gas, the solid electrolyte 14 is stable and dense in the oxidizing / reducing atmosphere. The fuel electrode 13 is made of a material that is stable in a reducing atmosphere and has an affinity for hydrogen. The interconnector 17 is provided to electrically connect the fuel cells 10 in series, and is dense to physically separate the fuel gas and the oxygen-containing gas.

例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。 For example, the oxygen electrode 15 is formed of a lanthanum cobaltite-based perovskite complex oxide having high conductivity of both electrons and ions. The solid electrolyte 14 is formed of ZrO 2 (YSZ) containing Y 2 O 3 having high ion conductivity. The fuel electrode 13 is formed of a mixture of Ni having high electronic conductivity and ZrO 2 (YSZ) containing Y 2 O 3 . The interconnector 17 is made of LaCrO 3 or the like that has a high electronic conductivity and in which an alkaline earth oxide is dissolved. These materials are preferably close in thermal expansion coefficient.

図１（ｂ）は、燃料電池スタック２０を説明するための部分斜視図である。燃料電池スタック２０においては、複数の燃料電池セル１０が集電部材（図示せず）を介して互いに積層されている。この場合、各燃料電池セル１０は、インターコネクタ１７側と酸素極１５側とが対向するように積層される。   FIG. 1B is a partial perspective view for explaining the fuel cell stack 20. In the fuel cell stack 20, a plurality of fuel cells 10 are stacked on one another via current collectors (not shown). In this case, each fuel cell 10 is laminated so that the interconnector 17 side and the oxygen electrode 15 side face each other.

図２（ａ）は、燃料電池スタック装置１００の模式的斜視図である。図２（ｂ）は、燃料電池スタック装置１００の後述する改質器３０および燃料ガス配管５０をＡ方向から見た模式図である。図２（ｃ）は、燃料電池スタック装置１００のＢ−Ｂ線断面図である。燃料電池スタック装置１００は、燃料電池スタック２０ａ，２０ｂと、改質器３０と、燃料ガス配管５０と、マニホールド６０と、を備える。   FIG. 2A is a schematic perspective view of the fuel cell stack device 100. FIG. 2B is a schematic view of a reformer 30 and a fuel gas pipe 50 described later of the fuel cell stack device 100 as viewed from the A direction. FIG. 2C is a cross-sectional view of the fuel cell stack device 100 taken along the line BB. The fuel cell stack device 100 includes fuel cell stacks 20a and 20b, a reformer 30, a fuel gas pipe 50, and a manifold 60.

２つの燃料電池スタック２０ａ，２０ｂは、それぞれの燃料電池スタック２０ａ，２０ｂを構成する燃料電池セル１０の積層方向が略平行になるように並列配置されている。なお、燃料電池スタックの個数は限定されない。燃料電池セル１０において発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル１０の上端において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃料電池セル１０の上端と改質器３０との間において燃料オフガスが燃焼する部位を燃焼部７０と称する（図２（ｃ）参照）。燃焼部７０の燃焼熱は、改質器３０に供給される。それにより、改質器３０における改質反応が促進される。   The two fuel cell stacks 20a and 20b are arranged in parallel so that the stacking directions of the fuel cells 10 constituting the fuel cell stacks 20a and 20b are substantially parallel. The number of fuel cell stacks is not limited. The fuel gas (fuel offgas) after being used for power generation in the fuel cell 10 and the oxidant gas (oxidant offgas) after being used for power generation merge at the upper end of each fuel cell 10. Since the fuel off-gas contains a combustible material such as unburned hydrogen, the fuel off-gas burns using oxygen contained in the oxidant off-gas. In this example, a portion where the fuel off gas burns between the upper end of the fuel cell 10 and the reformer 30 is referred to as a combustion unit 70 (see FIG. 2C). The combustion heat of the combustion unit 70 is supplied to the reformer 30. Thereby, the reforming reaction in the reformer 30 is promoted.

改質器３０は、燃料ガスを発生させる装置である。改質器３０の詳細は、後述する。燃料ガス配管５０は、改質器３０の出口とマニホールド６０の入口とを接続している。   The reformer 30 is a device that generates fuel gas. Details of the reformer 30 will be described later. The fuel gas pipe 50 connects the outlet of the reformer 30 and the inlet of the manifold 60.

マニホールド６０は、燃料電池スタック２０ａ，２０ｂの下端（各燃料電池セル１０の下端）に固定されている。マニホールド６０には、各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２と連通する孔が形成されている。それにより、改質器３０から燃料ガス配管５０、マニホールド６０および燃料ガス通路１２へと連通する燃料ガス流路が形成される。   The manifold 60 is fixed to the lower ends of the fuel cell stacks 20a and 20b (the lower ends of the fuel cell units 10). The manifold 60 is formed with a hole communicating with the fuel gas passage 12 of each fuel cell 10. As a result, a fuel gas passage communicating from the reformer 30 to the fuel gas pipe 50, the manifold 60, and the fuel gas passage 12 is formed.

次に、改質器３０の詳細について説明する。改質器３０は、原燃料供給部材３１、上流側流路部材３２、連結流路部材３３、下流側第１流路部材３４および下流側第２流路部材３５がこの順に連結されて構成されている。   Next, the details of the reformer 30 will be described. The reformer 30 is configured by connecting a raw fuel supply member 31, an upstream channel member 32, a connection channel member 33, a downstream first channel member 34, and a downstream second channel member 35 in this order. ing.

上流側流路部材３２は、燃料電池スタック２０ａの上方に位置している。本例において、上流側流路部材３２は、燃料電池スタック２０ａを構成する燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側にかけて延びている。原燃料供給部材３１は、上流側流路部材３２の一方端に接続されている。   The upstream flow path member 32 is located above the fuel cell stack 20a. In this example, the upstream flow path member 32 extends from one end side to the other end side in the stacking direction of the fuel cells 10 constituting the fuel cell stack 20a. The raw fuel supply member 31 is connected to one end of the upstream flow path member 32.

下流側第１流路部材３４および下流側第２流路部材３５は、燃料電池スタック２０ｂの上方に上下方向に隣接して位置している。下流側第１流路部材３４は、燃料電池スタック２０ｂの他方端側から一方端側にかけて延びている。連結流路部材３３は、上流側流路部材３２の他方端側と下流側第１流路部材３４の他方端側とを連通可能に接続する。   The downstream first flow path member 34 and the downstream second flow path member 35 are positioned above the fuel cell stack 20b and adjacent to each other in the vertical direction. The downstream first flow path member 34 extends from the other end side to the one end side of the fuel cell stack 20b. The connection flow path member 33 connects the other end side of the upstream flow path member 32 and the other end side of the downstream first flow path member 34 so as to communicate with each other.

下流側第１流路部材３４の一方端側（下流端側）と下流側第２流路部材３５の一方端側（上流端側）とは連通している。下流側第２流路部材３５は、燃料電池スタック２０ｂの一方端側から他方端側にかけて延びている。下流側第２流路部材３５は、下流側第１流路部材３４の下面に配置されている。すなわち、下流側第２流路部材３５は、下流側第１流路部材３４よりも燃焼部７０に近い位置に配置されている。   One end side (downstream end side) of the downstream first flow path member 34 communicates with one end side (upstream end side) of the downstream second flow path member 35. The downstream second flow path member 35 extends from one end side to the other end side of the fuel cell stack 20b. The downstream second flow path member 35 is disposed on the lower surface of the downstream first flow path member 34. That is, the downstream second flow path member 35 is disposed at a position closer to the combustion unit 70 than the downstream first flow path member 34.

以上の構成により、改質器３０は、一方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ａ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って一方端側から他方端側に向けて延び、他方端において水平方向にコ字状に折り返して他方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ｂ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って他方端側から一方端側へ向けて延びた後に、上下方向にコ字状に折り返して上記他方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ｂ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って一方端側から他方端側に向けて延びる構成を有している。すなわち、上述の例においては、燃料電池スタック２０ｂの一端側に、燃料電池スタック２０ｂを構成する燃料電池セル１０の積層方向の他方端側から一方端側に向けて燃料ガスを流すための第１流路部（下流側第１流路部材３４）と、第１流路部と連通し、燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第２流路部（下流側第２流路部材３５）とを備える改質器３０が配置されている。   With the above configuration, the reformer 30 extends above one fuel cell stack (fuel cell stack 20a) from one end side to the other end side along the stacking direction of the fuel cells 10 and at the other end. After folding back in the horizontal direction in a U shape and extending from the other end side toward the one end side along the stacking direction of the fuel cells 10 over the other fuel cell stack (fuel cell stack 20b), It has a configuration that is folded in a U shape and extends above the other fuel cell stack (fuel cell stack 20b) from one end side toward the other end side along the stacking direction of the fuel cells 10. That is, in the above-described example, the first for flowing the fuel gas from one end side to the other end side in the stacking direction of the fuel cells 10 constituting the fuel cell stack 20b on one end side of the fuel cell stack 20b. A flow path portion (downstream first flow path member 34) communicates with the first flow path section, and a second for flowing fuel gas from one end side to the other end side in the stacking direction of the fuel cells 10. A reformer 30 including a flow path section (downstream second flow path member 35) is disposed.

原燃料供給部材３１には、炭化水素系燃料等の原燃料および改質水が供給される。改質水は、改質器３０を流れる過程で水蒸気になる。以下、炭化水素系燃料および水蒸気を原燃料ガスと称する。上流側流路部材３２を流れる原燃料ガスは、連結流路部材３３、下流側第１流路部材３４および下流側第２流路部材３５を流れる過程において水素を含む燃料ガスとなる。   The raw fuel supply member 31 is supplied with raw fuel such as hydrocarbon fuel and reformed water. The reformed water becomes steam in the process of flowing through the reformer 30. Hereinafter, hydrocarbon fuel and water vapor are referred to as raw fuel gas. The raw fuel gas flowing through the upstream flow path member 32 becomes a fuel gas containing hydrogen in the process of flowing through the connection flow path member 33, the downstream first flow path member 34, and the downstream second flow path member 35.

ここで、改質器３０の各流路部材は、機能の点から蒸発部、加熱部および改質部に分けられる。蒸発部は、燃焼部７０における燃料オフガスの燃焼熱を利用して改質水から水蒸気を発生させる空間部である。加熱部は、燃料オフガスの燃焼熱によって原燃料ガスを加熱する空間部である。加熱部には、例えば、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスボールが封入されている。 Here, each flow path member of the reformer 30 is divided into an evaporation unit, a heating unit, and a reforming unit in terms of function. The evaporation part is a space part that generates steam from the reformed water using the combustion heat of the fuel off gas in the combustion part 70. The heating part is a space part for heating the raw fuel gas by the combustion heat of the fuel off gas. For example, a ceramic ball such as Al 2 O 3 is enclosed in the heating unit.

改質部は、改質反応部と燃料ガス加熱部とに分けられる。改質反応部は、水蒸気と炭化水素系燃料との水蒸気改質反応を生じさせるための空間部である。改質反応部には、例えば、Ｒｕ，Ｎｉ等の触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。燃料ガス加熱部は、水蒸気改質反応によって生じた燃料ガスを燃焼部７０の熱で追加加熱する部分である。燃料ガス加熱部には、蒸発部と同様のセラミックスボールが封入されている。   The reforming section is divided into a reforming reaction section and a fuel gas heating section. The reforming reaction part is a space part for causing a steam reforming reaction between steam and hydrocarbon fuel. In the reforming reaction section, for example, a ceramic ball coated with a catalyst such as Ru or Ni is enclosed. The fuel gas heating part is a part that additionally heats the fuel gas generated by the steam reforming reaction with the heat of the combustion part 70. In the fuel gas heating section, ceramic balls similar to those in the evaporation section are enclosed.

本例において、上流側流路部材３２は、原燃料供給部材３１側から順に蒸発部、加熱部および改質反応部として機能する。上流側流路部材３２の蒸発部には、セラミックスボールが封入されている。上流側流路部材３２の改質反応部には、触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。   In this example, the upstream flow path member 32 functions as an evaporation section, a heating section, and a reforming reaction section in order from the raw fuel supply member 31 side. Ceramic balls are enclosed in the evaporation portion of the upstream flow path member 32. A ceramic ball coated with a catalyst is enclosed in the reforming reaction portion of the upstream flow path member 32.

また、下流側第１流路部材３４には、触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。下流側第１流路部材３４は、主として改質反応部として機能する。下流側第２流路部材３５には、蒸発部と同様のセラミックスボールが封入されている。下流側第２流路部材３５は、主として燃料ガス加熱部として機能する。   Further, a ceramic ball coated with a catalyst is enclosed in the downstream first flow path member 34. The downstream first flow path member 34 mainly functions as a reforming reaction section. The downstream second flow path member 35 encloses a ceramic ball similar to the evaporation section. The downstream second flow path member 35 mainly functions as a fuel gas heating unit.

燃料電池スタック装置１００は、発電時において以下のように動作する。図１（ａ）、図１（ｂ）および図２（ａ）〜図２（ｃ）を参照して、改質器３０において発生した燃料ガスは、燃料ガス配管５０を介してマニホールド６０に流入する。マニホールド６０の燃料ガスは、燃料電池セル１０の下端から燃料ガス通路１２に流入する。図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、酸化剤ガスは、燃料電池セル１０の周囲に燃料ガス通路１２における燃料ガスの流れ方向と略平行に流れる。その結果、燃料電池セル１０において発電が行われる。燃料オフガスは、燃焼部７０において酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。   The fuel cell stack device 100 operates as follows during power generation. Referring to FIGS. 1A, 1B, and 2A to 2C, the fuel gas generated in the reformer 30 flows into the manifold 60 through the fuel gas pipe 50. To do. The fuel gas in the manifold 60 flows into the fuel gas passage 12 from the lower end of the fuel battery cell 10. With reference to FIGS. 1A and 1B, the oxidant gas flows around the fuel cell 10 substantially in parallel with the flow direction of the fuel gas in the fuel gas passage 12. As a result, power generation is performed in the fuel battery cell 10. The fuel off gas burns in the combustion unit 70 using oxygen contained in the oxidant off gas.

本例に係る燃料電池スタック装置１００によれば、改質器３０は燃料ガスを折り返して流すことができる構成である。この場合、燃料ガスの温度は、下流側第１流路部材３４を流れる間に上昇し、下流側第２流路部材３５を流れる間にさらに上昇する。したがって、流路が折り返さない場合に比較して、改質器３０内を流れる燃料ガスの燃料電池スタック２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における温度差が小さくなる。   According to the fuel cell stack device 100 according to this example, the reformer 30 is configured to allow the fuel gas to flow back. In this case, the temperature of the fuel gas rises while flowing through the downstream first flow path member 34 and further rises while flowing through the downstream second flow path member 35. Therefore, the temperature difference in the stacking direction of the fuel cells 10 of the fuel cell stack 20b of the fuel gas flowing in the reformer 30 is smaller than when the flow path is not folded.

ここで、説明の簡略化のために、改質器において、流路が折り返す構成の場合と折り返さない構成の場合とで、燃料ガスが燃焼部７０から受け取る総熱量が同等であると仮定する。流路が折り返さない構成の場合には、燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側にかけてのみ燃料ガスの温度が上昇する。したがって、燃料電池セル１０の積層方向の一方端と他方端とで燃料ガスの温度差が大きくなる。一方、流路が折り返す構成の場合には、折り返す前の流路の入口から出口までの部分と、折り返した後の流路の入口から出口までの部分とに分けて燃料ガスの温度が上昇する。したがって、流路が折り返す構成の場合には、燃料電池セル１０の積層方向の一方端と他方端との間での燃料ガスの温度差が小さくなる。   Here, for the sake of simplification of description, it is assumed that the total amount of heat received by the fuel gas from the combustion unit 70 is the same in the reformer in the case where the flow path is folded back and in the case where the flow path is not folded back. In the case where the flow path is not folded, the temperature of the fuel gas rises only from one end side to the other end side in the stacking direction of the fuel cells 10. Therefore, the temperature difference of the fuel gas increases between one end and the other end in the stacking direction of the fuel cells 10. On the other hand, in the case where the flow path is folded back, the temperature of the fuel gas rises in a part from the inlet to the outlet of the flow path before being folded back and a part from the inlet to the outlet of the flow path after being folded back. . Therefore, in the case where the flow path is folded back, the temperature difference of the fuel gas between one end and the other end in the stacking direction of the fuel cells 10 becomes small.

また、本例に係る燃料電池スタック装置１００によれば、下流側第２流路部材３５が下流側第１流路部材３４よりも燃焼部７０側に配置されているため、下流側第１流路部材３４、下流側第２流路部材３５、燃焼部７０の順に温度が高くなる。したがって、燃料ガスは、最も温度の高い燃焼部７０から遠い位置の改質部から流入し、加熱され、最も温度の高い燃焼部７０に近い位置の改質部より排出され、燃料ガスの熱交換効率が向上する。それにより、下流側第２流路部材３５の出口における燃料ガスの温度が高くなる。その結果、燃料電池セル１０の燃料ガス入口付近の温度低下を抑制することができる。以上のことから、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。   Further, according to the fuel cell stack device 100 according to the present example, the downstream second flow path member 35 is disposed closer to the combustion unit 70 than the downstream first flow path member 34, and thus the downstream first flow path member 35 is disposed. The temperature increases in the order of the path member 34, the downstream second flow path member 35, and the combustion unit 70. Therefore, the fuel gas flows in from the reforming part far from the combustion part 70 with the highest temperature, is heated, and is discharged from the reforming part at a position close to the combustion part 70 with the highest temperature. Efficiency is improved. Thereby, the temperature of the fuel gas at the outlet of the downstream second flow path member 35 is increased. As a result, a temperature drop near the fuel gas inlet of the fuel battery cell 10 can be suppressed. From the above, the temperature difference in each fuel cell 10 can be reduced.

特に、本例のように各燃料電池セル１０の上方端に高温の燃焼部７０を設けてなる燃料電池スタック装置１００の構成においては、各燃料電池セル１０の上下方向における温度差が大きくなりやすい。しかしながら、本例によれば、温度差が大きくなりやすい構成においても、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。   In particular, in the configuration of the fuel cell stack device 100 in which the high temperature combustion unit 70 is provided at the upper end of each fuel cell 10 as in this example, the temperature difference in the vertical direction of each fuel cell 10 tends to increase. . However, according to this example, the temperature difference in each fuel cell 10 can be reduced even in a configuration in which the temperature difference tends to increase.

また、燃料電池スタック装置１００によれば、熱交換効率の向上に伴って原燃料ガスに対する加熱量が増加することから、原燃料ガスの転化率を向上させることができる。転化率とは、原燃料ガスが水素へ変化する割合をいい、ガス温度に比例する。   In addition, according to the fuel cell stack device 100, the amount of heating with respect to the raw fuel gas increases as the heat exchange efficiency is improved, so that the conversion rate of the raw fuel gas can be improved. The conversion rate refers to the rate at which the raw fuel gas changes to hydrogen, and is proportional to the gas temperature.

なお、水蒸気改質反応は燃料電池セル１０の内部においても生じることがある。例えば、改質器３０において原燃料ガスが完全に燃料ガスに転化しなかった場合、残存する原燃料ガスが燃料電池セル１０の下部に流入する。この場合、原燃料ガスは、燃料電池セル１０内の触媒で活性化されることによって、燃料電池セル１０内において燃料ガスに転化する。このような燃料電池セル１０内における改質（以下、内部改質と称する）が生じた場合、水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、燃料電池セル１０の特に下部（燃料ガス入口近傍）の温度が低下する。したがって、燃料電池セル１０の上下方向において温度分布が発生するおそれがある。しかしながら、本例に係る燃料電池スタック装置１００によれば、改質器３０における原燃料ガスの転化率が向上していることから、燃料電池セル１０における内部改質を抑制することができ、内部改質に伴う燃料電池セル１０の温度低下を抑制することができる。   Note that the steam reforming reaction may also occur inside the fuel cell 10. For example, when the raw fuel gas is not completely converted into the fuel gas in the reformer 30, the remaining raw fuel gas flows into the lower part of the fuel cell 10. In this case, the raw fuel gas is activated by the catalyst in the fuel battery cell 10 to be converted into the fuel gas in the fuel battery cell 10. When such reforming in the fuel cell 10 (hereinafter referred to as internal reforming) occurs, the steam reforming reaction is an endothermic reaction, and therefore the lower part of the fuel cell 10 (near the fuel gas inlet). Temperature drops. Therefore, there is a possibility that temperature distribution occurs in the vertical direction of the fuel cell 10. However, according to the fuel cell stack device 100 according to the present example, since the conversion rate of the raw fuel gas in the reformer 30 is improved, internal reforming in the fuel cell 10 can be suppressed, It is possible to suppress the temperature drop of the fuel battery cell 10 due to the reforming.

なお、本例において、下流側第２流路部材３５内には、セラミックスボールが封入されているが、これに限られない。下流側第２流路部材３５内には、セラミックスボールが封入されていなくてもよい。また、下流側第２流路部材３５内には、触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されていてもよい。触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されていることによって、下流側第２流路部材３５は改質反応部としての機能も兼ねることができる。その結果、改質器３０における原燃料ガスの転化率をより向上させることができる。   In this example, ceramic balls are enclosed in the downstream second flow path member 35, but the present invention is not limited to this. The ceramic ball may not be enclosed in the downstream second flow path member 35. Further, a ceramic ball coated with a catalyst may be enclosed in the downstream second flow path member 35. By enclosing the ceramic balls coated with the catalyst, the downstream second flow path member 35 can also function as a reforming reaction section. As a result, the conversion rate of the raw fuel gas in the reformer 30 can be further improved.

また、本例において、下流側第２流路部材３５は下流側第１流路部材３４よりも燃焼部７０に近い位置に配置されているが、これに限られない。下流側第２流路部材３５は、下流側第１流路部材３４よりも燃焼部７０から遠い位置に配置されていてもよい。この場合においても、流路が折り返す構造が形成されるので、流路が折り返さない場合に比較して、燃料電池スタック２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における燃料ガスの温度差が小さくなる。   Moreover, in this example, although the downstream 2nd flow path member 35 is arrange | positioned in the position near the combustion part 70 rather than the downstream 1st flow path member 34, it is not restricted to this. The downstream second flow path member 35 may be arranged at a position farther from the combustion unit 70 than the downstream first flow path member 34. Also in this case, since the structure in which the flow path is folded back is formed, the temperature difference of the fuel gas in the stacking direction of the fuel cells 10 of the fuel cell stack 20b is smaller than in the case where the flow path is not folded back.

続いて、本発明の例２に係る燃料電池スタック装置１００ａについて説明する。燃料電池スタック装置１００ａは、改質器３０の代わりに改質器３０ａを備える点において、例１に係る燃料電池スタック装置１００と異なる。図３（ａ）は、改質器３０ａおよび燃料ガス配管５０の模式的斜視図である。図３（ｂ）は、改質器３０ａおよび燃料ガス配管５０をＡ方向から見た模式図である。改質器３０ａは、下流側第１流路部材３４と燃焼部７０との間の距離および下流側第２流路部材３５と燃焼部７０との間の距離が等しい点において、改質器３０と異なる。すなわち、改質器３０ａにおいて、下流側第１流路部材３４と下流側第２流路部材３５とは、燃料電池セル１０の積層方向に沿って隣接して配置されている。また、下流側第２流路部材３５は、下流側第１流路部材３４よりも、上流側流路部材３２から遠い側に位置している。その他の構成は、改質器３０と同様のため、説明を省略する。   Next, the fuel cell stack device 100a according to Example 2 of the present invention will be described. The fuel cell stack apparatus 100a differs from the fuel cell stack apparatus 100 according to Example 1 in that the reformer 30a is provided instead of the reformer 30. FIG. 3A is a schematic perspective view of the reformer 30 a and the fuel gas pipe 50. FIG. 3B is a schematic view of the reformer 30a and the fuel gas pipe 50 as viewed from the A direction. The reformer 30a is different from the reformer 30 in that the distance between the downstream first flow path member 34 and the combustion section 70 and the distance between the downstream second flow path member 35 and the combustion section 70 are equal. And different. That is, in the reformer 30 a, the downstream first flow path member 34 and the downstream second flow path member 35 are disposed adjacent to each other along the stacking direction of the fuel cells 10. Further, the downstream second flow path member 35 is located on the side farther from the upstream flow path member 32 than the downstream first flow path member 34. Other configurations are the same as those of the reformer 30, and thus the description thereof is omitted.

本例に係る燃料電池スタック装置１００ａにおいても、燃料ガスを折り返して流すことができる。この場合、燃料ガスの温度は、下流側第１流路部材３４を流れる間に上昇し、下流側第２流路部材３５を流れる間にさらに上昇する。したがって、流路が折り返さない構成の場合に比較して、改質器３０ａ内を流れる燃料ガスの燃料電池スタック２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における温度差が小さくなる。   Also in the fuel cell stack apparatus 100a according to the present example, the fuel gas can be folded and flowed. In this case, the temperature of the fuel gas rises while flowing through the downstream first flow path member 34 and further rises while flowing through the downstream second flow path member 35. Therefore, the temperature difference in the stacking direction of the fuel cells 10 of the fuel cell stack 20b of the fuel gas flowing in the reformer 30a is smaller than in the case where the flow path is not folded.

また、本例に係る燃料電池スタック装置１００ａによれば、下流側第１流路部材３４が下流側第２流路部材３５よりも上流側流路部材３２側に配置されているため、上流側流路部材３２、下流側第１流路部材３４、下流側第２流路部材３５の順に温度が高くなる。上流側流路部材３２の蒸発部の温度が低いためである。したがって、相対的に低い温度の燃料ガスが相対的に低い温度の下流側第１流路部材３４を流れる際に加熱され、加熱されて相対的に高い温度となった燃料ガスが相対的に高い温度の下流側第２流路部材３５を流れる。この場合、燃料ガスの熱交換効率が向上する。それにより、下流側第２流路部材３５の出口における燃料ガスの温度が高くなる。その結果、燃料電池セル１０の燃料ガス入口付近の温度低下を抑制することができる。以上のことから、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。また、熱交換効率の向上に伴って原燃料ガスに対する加熱量が増加することから、原燃料ガスの転化率を向上させることができる。また、内部改質に伴う燃料電池セル１０の温度低下を抑制することができる。   Further, according to the fuel cell stack device 100a according to the present example, the downstream first flow path member 34 is disposed on the upstream flow path member 32 side with respect to the downstream second flow path member 35, and therefore the upstream side The temperature increases in the order of the flow path member 32, the downstream first flow path member 34, and the downstream second flow path member 35. This is because the temperature of the evaporation portion of the upstream flow path member 32 is low. Therefore, when the relatively low temperature fuel gas flows through the relatively low temperature downstream first flow path member 34, the fuel gas heated to a relatively high temperature is relatively high. It flows through the second flow path member 35 on the downstream side of the temperature. In this case, the heat exchange efficiency of the fuel gas is improved. Thereby, the temperature of the fuel gas at the outlet of the downstream second flow path member 35 is increased. As a result, a temperature drop near the fuel gas inlet of the fuel battery cell 10 can be suppressed. From the above, the temperature difference in each fuel cell 10 can be reduced. Moreover, since the heating amount with respect to raw fuel gas increases with the improvement of heat exchange efficiency, the conversion rate of raw fuel gas can be improved. Moreover, the temperature fall of the fuel cell 10 accompanying internal reforming can be suppressed.

なお、本例において、下流側第２流路部材３５が、下流側第１流路部材３４よりも上流側流路部材３２側に配置されていてもよい。この場合においても、流路が折り返す構造が形成されるので、流路が折り返さない場合に比較して、燃料電池スタック２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における燃料ガスの温度差が小さくなる。   In this example, the downstream second flow path member 35 may be disposed closer to the upstream flow path member 32 than the downstream first flow path member 34. Also in this case, since the structure in which the flow path is folded back is formed, the temperature difference of the fuel gas in the stacking direction of the fuel cells 10 of the fuel cell stack 20b is smaller than in the case where the flow path is not folded back.

本例において、下流側第１流路部材３４は第１流路部に相当し、下流側第２流路部材３５は第２流路部に相当し、上流側流路部材３２は第３流路部に相当する。   In this example, the downstream first flow path member 34 corresponds to the first flow path section, the downstream second flow path member 35 corresponds to the second flow path section, and the upstream flow path member 32 corresponds to the third flow path section. Corresponds to the road.

続いて、本発明の例３に係る燃料電池スタック装置１００ｂについて説明する。燃料電池スタック装置１００ｂは、改質器３０の代わりに改質器３０ｂを備える点において、例１に係る燃料電池スタック装置１００と異なる。図４（ａ）は、改質器３０ｂおよび燃料ガス配管５０の模式的斜視図である。図４（ｂ）は、改質器３０ｂおよび燃料ガス配管５０をＡ方向から見た模式図である。改質器３０ｂは、原燃料供給部材３１、上段第１流路部材３６、上段連結流路部材３７、上段第２流路部材３８、下段第１流路部材３９、下段連結流路部材４０および下段第２流路部材４１が順に連結されている。   Next, the fuel cell stack device 100b according to Example 3 of the present invention will be described. The fuel cell stack apparatus 100b differs from the fuel cell stack apparatus 100 according to Example 1 in that the reformer 30b is provided instead of the reformer 30. FIG. 4A is a schematic perspective view of the reformer 30b and the fuel gas pipe 50. FIG. FIG. 4B is a schematic view of the reformer 30b and the fuel gas pipe 50 as viewed from the A direction. The reformer 30b includes a raw fuel supply member 31, an upper first flow path member 36, an upper connection flow path member 37, an upper second flow path member 38, a lower first flow path member 39, a lower connection flow path member 40, and Lower second flow path members 41 are sequentially connected.

上段第１流路部材３６および下段第２流路部材４１は、燃料電池スタック２０ａの上方に位置している。上段第１流路部材３６は、燃料電池スタック２０ａにおける燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側にかけて延びている。下段第２流路部材４１は、燃料電池スタック２０ａにおける燃料電池セル１０の積層方向の他方端側から一方端側にかけて延びている。下段第２流路部材４１は、上段第１流路部材３６よりも燃料部７０に近い位置に配置されている。原燃料供給部材３１は、上段第１流路部材３６の一方端に接続されている。燃料ガス配管５０の上流端は、下段第２流路部材４１の下流側に接続されている。   The upper first flow path member 36 and the lower second flow path member 41 are located above the fuel cell stack 20a. The upper first flow path member 36 extends from one end side to the other end side in the stacking direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack 20a. The lower second flow path member 41 extends from the other end side to the one end side in the stacking direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack 20a. The lower second flow path member 41 is disposed at a position closer to the fuel portion 70 than the upper first flow path member 36. The raw fuel supply member 31 is connected to one end of the upper first flow path member 36. The upstream end of the fuel gas pipe 50 is connected to the downstream side of the lower second flow path member 41.

上段第２流路部材３８および下段第１流路部材３９は、燃料電池スタック２０ｂの上方に位置している。上段第２流路部材３８は、燃料電池スタック２０ｂにおける燃料電池セル１０の積層方向の他方端側から一方端側にかけて延びている。下段第１流路部材３９は、燃料電池スタック２０ｂにおける燃料電池セル１０の積層方向の一方端側から他方端側にかけて延びている。上段第２流路部材３８の下流端と下段第１流路部材３９の上流端とは連通している。下段第１流路部材３９は、上段第２流路部材３８よりも燃焼部７０に近い位置に配置されている。   The upper second flow path member 38 and the lower first flow path member 39 are located above the fuel cell stack 20b. The upper second flow path member 38 extends from the other end side to the one end side in the stacking direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack 20b. The lower first flow path member 39 extends from one end side to the other end side in the stacking direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack 20b. The downstream end of the upper second flow path member 38 and the upstream end of the lower first flow path member 39 communicate with each other. The lower first flow path member 39 is disposed closer to the combustion unit 70 than the upper second flow path member 38.

上段連結流路部材３７は、上段第１流路部材３６の他方端と上段第２流路部材３８の他方端とを連通可能に接続する。下段連結流路部材４０は、下段第１流路部材３９の他方端と下段第２流路部材４１の他方端とを連通可能に接続する。   The upper connecting flow path member 37 connects the other end of the upper first flow path member 36 and the other end of the upper second flow path member 38 so as to communicate with each other. The lower connecting flow path member 40 connects the other end of the lower first flow path member 39 and the other end of the lower second flow path member 41 so as to communicate with each other.

以上の構成により、改質器３０ｂは、一方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ａ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って一方端側から他方端側に向けて延び、他方端において水平方向にコ字状に折り返して他方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ｂ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って他方端側から一方端側に向けて延びた後に、上下方向にコ字状に折り返して上記他方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ｂ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って一方端側から他方端側に向けて延び、水平方向にコ字状に折り返して上記一方の燃料電池スタック（燃料電池スタック２０ａ）の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って他方端側から一方端側に向けて延びる構成を有している。   With the above configuration, the reformer 30b extends above one fuel cell stack (fuel cell stack 20a) from one end side to the other end side along the stacking direction of the fuel cells 10 and at the other end. After folding back horizontally in the U shape and extending upward from the other fuel cell stack (fuel cell stack 20b) from the other end side toward the one end side along the stacking direction of the fuel cells 10, It is folded in a U shape and extends upward from the other fuel cell stack (fuel cell stack 20b) along the stacking direction of the fuel cells 10 from one end side to the other end side, and in a U shape in the horizontal direction. The structure is folded and extends above the one fuel cell stack (fuel cell stack 20a) from the other end side toward the one end side along the stacking direction of the fuel cells 10.

上段第１流路部材３６および上段第２流路部材３８は、蒸発部および加熱部としての機能を有する。具体的には、上段第１流路部材３６は、蒸発部としての機能を有する。上段第２流路部材３８は、加熱部として機能を有する。上段第２流路部材３８内には、セラミックスボールが封入されている。   The upper first flow path member 36 and the upper second flow path member 38 have functions as an evaporation section and a heating section. Specifically, the upper first flow path member 36 has a function as an evaporation unit. The upper second flow path member 38 functions as a heating unit. Ceramic balls are enclosed in the upper second flow path member 38.

下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１は、改質部としての機能を有する。本例においては、下段第１流路部材３９は、主として改質反応部としての機能を有する。下段第１流路部材３９内には、触媒が塗布されたセラミックスボールが封入されている。下段第２流路部材４１は、主として燃料ガス加熱部としての機能を有する。下段第２流路部材４１内には、加熱部と同様のセラミックスボールが封入されている。   The lower first flow path member 39 and the lower second flow path member 41 have a function as a reforming unit. In the present example, the lower first flow path member 39 mainly has a function as a reforming reaction section. A ceramic ball coated with a catalyst is enclosed in the lower first flow path member 39. The lower second flow path member 41 mainly has a function as a fuel gas heating unit. In the lower second flow path member 41, a ceramic ball similar to that of the heating unit is enclosed.

本例に係る燃料電池スタック装置１００ｂにおいても、燃料ガスを折り返して流すことができる。この場合、流路が折り返さない構成の場合に比較して、改質器３０ｂ内を流れる燃料ガスの燃料電池スタック２０ａ，２０ｂの燃料電池セル１０の積層方向における温度差が小さくなる。   Also in the fuel cell stack device 100b according to the present example, the fuel gas can be folded and flowed. In this case, the temperature difference in the stacking direction of the fuel cells 10 of the fuel cell stacks 20a and 20b of the fuel gas flowing in the reformer 30b is smaller than in the case where the flow path is not folded.

また、本例に係る燃料電池スタック装置１００ｂによれば、下段の流路部材が上段の流路部材よりも燃焼部７０側に配置されているため、上段の流路部材、下段の流路部材、燃焼部７０の順に温度が高くなる。したがって、相対的に低い温度の燃料ガスが相対的に低い温度の上段の流路部材を流れる際に加熱され、加熱されて相対的に高い温度となった燃料ガスが相対的に高い温度の下段の流路部材を流れる。この場合、燃料ガスの熱交換効率が向上する。それにより、下段第２流路部材４１の出口における燃料ガスの温度が高くなる。その結果、燃料電池セル１０の燃料ガス入口付近の温度低下を抑制することができる。以上のことから、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。また、熱交換効率の向上に伴って原燃料ガスに対する加熱量が増加することから、原燃料ガスの転化率を向上させることができる。また、内部改質に伴う燃料電池セル１０の温度低下を抑制することができる。   Further, according to the fuel cell stack device 100b according to the present example, the lower flow path member is disposed closer to the combustion unit 70 than the upper flow path member, so that the upper flow path member and the lower flow path member The temperature increases in the order of the combustion unit 70. Therefore, when the fuel gas having a relatively low temperature flows through the upper flow path member having a relatively low temperature, the fuel gas heated to a relatively high temperature is heated to the lower stage having a relatively high temperature. Flow through the flow path member. In this case, the heat exchange efficiency of the fuel gas is improved. Thereby, the temperature of the fuel gas at the outlet of the lower second flow path member 41 is increased. As a result, a temperature drop near the fuel gas inlet of the fuel battery cell 10 can be suppressed. From the above, the temperature difference in each fuel cell 10 can be reduced. Moreover, since the heating amount with respect to raw fuel gas increases with the improvement of heat exchange efficiency, the conversion rate of raw fuel gas can be improved. Moreover, the temperature fall of the fuel cell 10 accompanying internal reforming can be suppressed.

また、燃料電池スタック装置１００ｂによれば、低温の蒸発部および加熱部が改質器３０ｂの上方に配置されていることから、蒸発部および加熱部が燃料電池スタックの上部温度に及ぼす影響を小さくすることができる。その結果、燃料電池スタックの上部における燃料電池セル１０の積層方向における温度差を小さくすることができる。   Further, according to the fuel cell stack device 100b, since the low temperature evaporation section and the heating section are disposed above the reformer 30b, the influence of the evaporation section and the heating section on the upper temperature of the fuel cell stack is reduced. can do. As a result, the temperature difference in the stacking direction of the fuel cells 10 in the upper part of the fuel cell stack can be reduced.

なお、上段第１流路部材３６および上段第２流路部材３８が蒸発部、加熱部および改質反応部として機能し、下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１が主として燃料ガス加熱部として機能してもよい。この場合、水蒸気改質反応に伴う吸熱の影響を抑制することができる。それにより、下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１における燃料ガスの流れる方向における温度差の発生が抑制される。その結果、下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１と対向する燃料電池スタックにおける燃料電池セル１０の積層方向における温度差を小さくすることができる。   The upper first flow path member 36 and the upper second flow path member 38 function as an evaporation section, a heating section, and a reforming reaction section, and the lower first flow path member 39 and the lower second flow path member 41 are mainly fuels. It may function as a gas heating unit. In this case, it is possible to suppress the influence of endotherm accompanying the steam reforming reaction. Accordingly, the occurrence of a temperature difference in the direction in which the fuel gas flows in the lower first flow path member 39 and the lower second flow path member 41 is suppressed. As a result, the temperature difference in the stacking direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack facing the lower first flow path member 39 and the lower second flow path member 41 can be reduced.

本例において、上段第１流路部材３６および上段第２流路部材３８は第１流路部に相当し、下段第１流路部材３９および下段第２流路部材４１は第２流路部に相当する。   In this example, the upper first flow path member 36 and the upper second flow path member 38 correspond to the first flow path section, and the lower first flow path member 39 and the lower second flow path member 41 are the second flow path section. It corresponds to.

続いて、本発明の例４に係る燃料電池スタック装置１００ｃについて説明する。燃料電池スタック装置１００ｃは、改質器３０の代わりに改質器３０ｃを備える点において、例１に係る燃料電池スタック装置１００と異なる。図５は、改質器３０ｃおよび燃料ガス配管５０をＡ方向から見た模式図である。なお、Ａ方向は、図２（ａ）のＡ方向と同一方向である。改質器３０ｃは、断熱層４２を有する点において、改質器３０と異なる。断熱層４２は、下流側第１流路部材３４と下流側第２流路部材３５とによって挟持されている。本例において、断熱層４２は、断熱材からなる層である。   Next, the fuel cell stack device 100c according to Example 4 of the present invention will be described. The fuel cell stack apparatus 100c is different from the fuel cell stack apparatus 100 according to Example 1 in that the reformer 30c is provided instead of the reformer 30. FIG. 5 is a schematic view of the reformer 30c and the fuel gas pipe 50 as viewed from the A direction. The A direction is the same as the A direction in FIG. The reformer 30 c is different from the reformer 30 in that it has a heat insulating layer 42. The heat insulating layer 42 is sandwiched between the downstream first flow path member 34 and the downstream second flow path member 35. In this example, the heat insulating layer 42 is a layer made of a heat insulating material.

本例に係る燃料電池スタック装置１００ｃによれば、断熱層４２を備えることによって、下流側第２流路部材３５の熱が下流側第１流路部材３４に奪われることを抑制することができる。その結果、下流側第２流路部材３５における燃料電池セル１０の積層方向における温度差を小さくすることができる。それにより、各燃料電池セル１０における温度差を小さくすることができる。特に、下流側第２流路部材３５が主として追加加熱を行う場合に、有効である。   According to the fuel cell stack device 100c according to this example, by providing the heat insulating layer 42, it is possible to suppress the heat of the downstream second flow path member 35 from being taken away by the downstream first flow path member 34. . As a result, the temperature difference in the stacking direction of the fuel cells 10 in the downstream second flow path member 35 can be reduced. Thereby, the temperature difference in each fuel battery cell 10 can be made small. This is particularly effective when the downstream-side second flow path member 35 mainly performs additional heating.

なお、断熱層４２としては、下流側第１流路部材３４および下流側第２流路部材３５の外壁よりも熱伝導率の低いものであれば、限定されない。例えば、下流側第１流路部材３４と下流側第２流路部材３５との間に隙間が形成されていてもよい。この場合、隙間は断熱層４２として機能する。なお、隙間には、気体が充填されていてもよい。気体としては、特に限定されないが、例えば空気、酸化剤ガス（空気等）、燃料ガス等である。また、気体は流動していてもよい。   The heat insulating layer 42 is not limited as long as it has a lower thermal conductivity than the outer walls of the downstream first flow path member 34 and the downstream second flow path member 35. For example, a gap may be formed between the downstream first flow path member 34 and the downstream second flow path member 35. In this case, the gap functions as the heat insulating layer 42. Note that the gap may be filled with gas. Although it does not specifically limit as gas, For example, they are air, oxidizing gas (air etc.), fuel gas, etc. Moreover, the gas may be flowing.

なお、上記各例においては、燃料電池スタックが２つ配置されていたが、それに限られない。燃料電池スタックが１つの場合であっても、改質器が、１つの燃料電池スタックにおける燃料電池セル１０の積層方向に沿って一端側に燃料ガスを流すための第１流路部と、第１流路部と連通し１つの燃料電池スタックにおける燃料電池セル１０の積層方向に沿って他端側に燃料ガスを流すための第２流路部と、を含んでいれば、燃料電池スタックの燃料電池セル１０の積層方向における燃料ガスの温度差を小さくすることができる。   In each of the above examples, two fuel cell stacks are arranged, but the present invention is not limited to this. Even when the number of the fuel cell stack is one, the reformer includes a first flow path portion for flowing fuel gas to one end along the stacking direction of the fuel cells 10 in one fuel cell stack, And a second flow path for flowing the fuel gas to the other end side along the stacking direction of the fuel cells 10 in one fuel cell stack. The temperature difference of the fuel gas in the stacking direction of the fuel cells 10 can be reduced.

１０ 燃料電池セル
１１ 導電性支持体
１２ 燃料ガス通路
１３ 燃料極
１４ 固体電解質
１５ 酸素極
１６ 接合層
１７ インターコネクタ
１８ Ｐ型半導体層
２０ 燃料電池スタック
３０ 改質器
３１ 原燃料供給部材
３２ 上流側流路部材
３３ 連結流路部材
３４ 下流側第１流路部材
３５ 下流側第２流路部材
３６ 上段第１流路部材
３７ 上段連結流路部材
３８ 上段第２流路部材
３９ 下段第１流路部材
４０ 下段連結流路部材
４１ 下段第２流路部材
４２ 断熱層
５０ 燃料ガス配管
６０ マニホールド DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 11 Conductive support 12 Fuel gas passage 13 Fuel electrode 14 Solid electrolyte 15 Oxygen electrode 16 Junction layer 17 Interconnector 18 P-type semiconductor layer 20 Fuel cell stack 30 Reformer 31 Raw fuel supply member 32 Upstream flow Road member 33 Connection flow path member 34 Downstream first flow path member 35 Downstream second flow path member 36 Upper first flow path member 37 Upper connection flow path member 38 Upper second flow path member 39 Lower first flow path member 40 Lower connection flow path member 41 Lower second flow path member 42 Heat insulation layer 50 Fuel gas piping 60 Manifold

Claims (6)

燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池セルを集電部材を介して複数個積層してなる、少なくとも１つの燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの一端側に配置され、改質反応を生じさせる改質器と、
前記燃料電池スタックと前記改質器との間に配置され、前記燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスを燃焼させる燃焼部と、を備え、
前記改質器は、少なくとも一つの前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の他方端側から一方端側に向けて燃料ガスを流すための第１流路部と、前記第１流路部と連通し前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて前記燃料ガスを流すための第２流路部と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック装置。 At least one fuel cell stack, in which a plurality of fuel cells that generate power with fuel gas and oxidant gas are stacked via a current collecting member;
A reformer disposed on one end of the fuel cell stack and causing a reforming reaction;
A combustion unit disposed between the fuel cell stack and the reformer and combusting a fuel off-gas that has not been used for power generation of the fuel cell, and
The reformer includes a first flow path section for flowing a fuel gas from the other end side to the one end side in the stacking direction of the fuel cells in the at least one fuel cell stack, and the first flow path. And a second flow path section for flowing the fuel gas from one end side to the other end side in the stacking direction of the fuel cells in the fuel cell stack. Stack device. 前記第２流路部は、前記第１流路部よりも前記燃焼部に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック装置。   2. The fuel cell stack device according to claim 1, wherein the second flow path part is disposed at a position closer to the combustion part than the first flow path part. 前記第１流路部と前記燃焼部との間の距離および前記第２流路部と前記燃焼部との間の距離は、等しいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック装置。   2. The fuel cell stack device according to claim 1, wherein a distance between the first flow path part and the combustion part and a distance between the second flow path part and the combustion part are equal. 前記第１流路部の上流側に連通し、前記第１流路部が配置されている前記燃料電池スタックとは別の前記燃料電池スタックにおける前記燃料電池セルの積層方向の一方端側から他方端側に向けて燃料ガスを流すための第３流路部を備え、
前記第２流路部は、前記第１流路部よりも前記第３流路部から遠い位置に配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタック装置。 The fuel cell stack communicates with the upstream side of the first flow path portion and is different from the fuel cell stack in which the first flow path portion is disposed from the one end side in the stacking direction of the fuel cell in the other fuel cell stack. A third flow path for flowing the fuel gas toward the end side,
4. The fuel cell stack device according to claim 3, wherein the second flow path portion is disposed at a position farther from the third flow path portion than the first flow path portion. 5. 前記第１流路部と前記第２流路部とによって挟持された断熱層を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック装置。   The fuel cell stack device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a heat insulating layer sandwiched between the first flow path portion and the second flow path portion. 前記各燃料電池スタックの他端部に接続されたマニホールドと、
前記改質器の下流側と前記マニホールドとを接続する燃料ガス配管と、を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック装置。 A manifold connected to the other end of each fuel cell stack;
The fuel cell stack device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a fuel gas pipe connecting the downstream side of the reformer and the manifold.
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